矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2021年第4期

• 基于多参量的采空区煤自燃危险区域划分方法研究

  岳宁芳, 金彦, 陈桂林, 孙明福, 冉学超

  工作面采空区漏风强度、浮煤厚度、氧气体积分数等多个因素共同影响采空区内的煤自燃危险区域分布范围。以王家山煤矿中二202工作面为研究对象，采用公斤级煤自然发火试验装置，测定煤样放热强度、耗氧速率等自燃特性参数，结合理论公式计算采空区危险区域划分参数的阈值(浮煤厚度、氧气体积分数、漏风强度、最短发火期、耗氧速率)。综合关键参量，构建了采空区煤自燃危险区域的划分方法。通过现场束管检测分析和Fluent流体模拟技术，观察采空区内氧气浓度场、气流场的分布规律，确定了王家山煤矿大倾角工作面采空区煤自燃“三带”及工作面每日最小安全推进度。研究成果对现场防灭火工作具有一定的指导意义。

• 不同粗糙度裂隙渗流特性数值模拟研究

  李治豪, 陈世江

  岩石裂隙粗糙度对其渗流特性有重要影响。以巴顿十条标准轮廓线为基础，采用COMSOL数值模拟软件建立粗糙单裂隙渗流模型，开展不同粗糙度裂隙渗流特性研究工作，监测渗流过程中渗流速度的变化，并通过立方定律的修正式对渗透率进行计算，与此同时观测裂隙通道内的应力变化情况。研究结果表明:裂隙粗糙度对渗流速度影响较大，随着粗糙度系数(JRC)值的增大，裂隙渗流的最大流速和平均流速都在逐渐减小；裂隙渗流过程中有涡流场产生，且随着粗糙度的增大涡流场愈发紊乱，而涡流场会影响速度场的变化；岩石裂隙的渗透率随着JRC值的增大而增大，且呈对数函数递增趋势；裂隙通道内的最大压力受裂隙粗糙度的影响起伏波动较大，在JRC值为8～10时，最大压力达到最小值；裂隙通道内的最小压力随着JRC值的增大而呈现出逐渐减小的趋势。

• 基于X-ray μCT扫描的煤孔隙瓦斯微观渗流各向异性特征研究

  车禹恒

  煤微观孔隙空间结构如同煤体的DNA，对煤层瓦斯的赋存状态和渗流特性起决定性作用。为了从微观角度揭示瓦斯渗流的各向异性特征，以鄂尔多斯盆地低阶煤为研究对象，通过X-ray μCT扫描重建煤孔隙微观空间结构模型，对煤微观孔隙表征单元(REV)内瓦斯渗流进行数值模拟，研究单向和多向瓦斯微观渗流的各向异性特征。研究结果表明：低变质程度煤微观孔隙中，孔隙压力只在某一个方向或某一段渗流长度内发生波动；单向瓦斯渗流过程中，羊场湾褐煤z方向渗透率最高，其值为0.64×10-3 μm2，而斜沟气煤y方向渗透率最高，其值为0.23×10-3 μm2；多向瓦斯渗流过程中，羊场湾褐煤+y、+x、-y方向为优势渗流方向，流量占比分别为41.89%、44.22%、38.43%，而斜沟气煤-y、+x方向为优势渗流方向，流量占比分别为51.67%、66.66%、41.56%。

• 煤层气蓄热氧化热能调控模拟研究

  张涛

  为了提高煤层气蓄热氧化热能利用效率、实现热能最佳调配，对不同环境温度及不同时段的热能调配进行模拟研究，并在阳煤一矿杨坡堰低浓度煤层气蓄热氧化利用项目中验证调控效果。模拟研究表明：煤层气蓄热氧化利用系统中，夏季制冷机组热能利用量随温度升高而增大，冬季井筒加热及建筑供暖热能利用量随温度升高而减小，煤矿洗浴热能利用量在交班时呈现突变，通过调节各个热能利用装置的高温烟气进气量能实现各热能利用点的最佳匹配。在实际煤层气蓄热氧化利用项目运行过程中，以模拟研究结果指导的热能调控结果显示，当环境温度变化时，热输出端热媒介质温度保持稳定，有效地减少了能源浪费。

• 荫营煤矿自燃矸石山温度场分布及深部温度拟合

  杨娜, 张永波, 牛金荣

  为明确自燃矸石山内部温度分布特征，建立了温度自动监测系统，利用热电偶实时测试阳泉市荫营煤矿矸石山不同深度的温度，借助统计学方法分析了矸石山内部水平和竖直方向温度分布规律，采用最小二乘法建立了浅深层温度间的拟合模型，并进行拟合优度检验和显著性分析。结果表明，矸石山在水平方向上可分为高温区、中温区和低温区3个分区，高温区主要分布在靠近边坡的一侧，该区域测点温度随着深度的增加先升高后降低，在深度6.0 m处温度达到峰值；平台最高温度667℃，位于地表以下6.0 m水平线与斜坡以下6.0 m平行线的交点处，说明距表面6.0 m处自燃倾向性最高；一元二次模型拟合效果更佳，回归效果显著，可作为浅层温度估算深层温度的经验回归公式。

• 矿山土地复垦不同压实密度土壤中菌根作用机理及生态效应研究

  祝琨

  矿山复垦区土壤采用分层覆盖、碾压的工程技术方法，土壤密实程度明显高于普通土壤，不利于植物的生长。采用实验室实验及对比分析方法，模拟土壤压实密度为1.35、1.65、1.95 g/cm3共3个水平试样，选择丛枝菌根真菌，研究在不同压实密度土壤中接种菌根对植物生长的促进效应及作用机理。结果表明，通过接种摩西球囊菌(G.mosseae)，菌根与植物的亲和程度较高，菌丝长度显著增加，扩大了植物根系的活动空间和作用范围，提高了植物的抗逆性并促进了植物的生长，提高了植物从土壤中吸收N、P、K等养分的能力及生长量，使植物在1.65 g/cm3密度水平的土壤中生长的适宜程度提升至与1.35 g/cm3密度水平相当。

• 高应力动压巷道围岩冲击破坏机理与防治技术研究

  杨增强, 金珠鹏, 刘国栋, 任长乐, 王琛艳

  以宝积山煤矿705工作面沿空侧回风平巷为工程背景，采用现场调研、理论分析、电镜扫描、数值模拟和现场工业性试验等相结合的研究方法，对水射流钻割冲孔防治冲击地压技术进行了研究。结果表明:水射流以基本段射流对孔壁的钻割为主，冲孔后孔壁周围塑性区内煤体裂隙十分发育；冲孔期间钻头沿钻孔轴向连续式运动，所形成的柱体状冲孔空间能够实现对煤体的卸让压增透效果，煤体内会重新形成应力峰值并呈“内低外高”的“双峰值”应力曲线；冲孔直径为420 mm、两相邻钻孔之间中心距为5 m、冲孔段长度取10 m时卸让压增透效果最佳。现场工业性试验期间，电磁辐射和瓦斯流量衰减监测数据验证了该冲孔防冲技术的有效可行性。

• 基于定向长钻孔抽采瓦斯的数值模拟研究

  王广宏

  针对新疆榆树田煤矿定向长钻孔预抽煤层瓦斯问题，结合5号煤层及顶底板岩层参数，建立了5号煤层瓦斯流固耦合随动渗流模型，分析了在一定的抽采负压和抽采时间下，定向长钻孔长度及钻孔间距对煤层瓦斯抽采量的影响。在抽采负压不变的情况下，瓦斯抽采总量会随着钻孔长度的增大而增大，但当钻孔长度增大到650 m左右时，瓦斯抽采总量趋于稳定，定向长钻孔合理长度定为650 m；钻孔间距越大，瓦斯抽采量越少，在钻孔间距从5 m增加到20 m的过程中，间距每增大5 m，抽采量约减少5%～7%。

• 含钠磷酸盐对煤自燃抑制性能研究

  顾亮

  为了探究含钠磷酸盐阻化剂对煤自燃氧化反应的抑制作用，以气煤作为实验煤样，选取磷酸二氢钠NaH2PO4和磷酸钠Na3PO4 2种含钠磷酸盐化合物制备阻化剂。采用同步热分析实验和程序升温氧化实验分析含钠磷酸盐对煤自燃过程中热失重、热释放，以及气相特性的影响。结果表明:当煤自燃达到热解温度后，Na3PO4不再具有阻化作用；NaH2PO4可显著提高煤自燃的临界温度、干裂温度、着火温度等，此外，NaH2PO4有效提高了煤自燃初始放热温度和最大释热温度，且降低了煤自燃最大释热功率和放热量；NaH2PO4能够提高煤自燃过程中CO、CO2及各烃类气体的初始生成温度，削弱其释放强度，其阻化率可达65.4%；相比于Na3PO4阻化剂，NaH2PO4阻化剂具有更好的阻化效果，且在煤自燃氧化全过程中均发挥了抑制作用。

• 顺层瓦斯抽采钻孔合理封孔深度及注浆参数研究

  牛心刚, 国林东

  为提高顺层瓦斯抽采钻孔封孔效果，以贵州五轮山煤矿8#煤层地质条件为工程背景，开展合理的封孔深度及注浆参数研究。通过分析钻孔漏气影响因素，将钻孔漏气形式分为巷道裂隙带漏气、钻孔裂隙带漏气、孔壁边缘漏气、封孔段材料漏气4类。采用理论分析、数值模拟及现场试验的方法，对巷道及钻孔周围应力分布规律开展研究，确定合理封孔深度为15 m，合理注浆扩散半径为0.40～0.50 m。研发了新型封孔材料，其抗压强度提升了20 MPa、膨胀率增加了20%、黏度降低了23%、终凝时间缩短了5 h。基于注浆柱面扩散理论，确定合理注浆压力为1.5 MPa，合理注浆量为0.3 m3。在1811工作面运输巷道布置16个顺层瓦斯抽采钻孔，开展4组不同封孔参数条件下的工业性试验，结果表明：在封孔深度为15 m、注浆压力为1.5 MPa、注浆量为0.3 m3条件下封孔效果较好、经济性较优，钻孔日平均抽采瓦斯浓度提升30%。

• 深部高应力富水软岩巷道底鼓机理及控制技术

  王文利, 孙亮明

  针对深部高应力富水软岩巷道底鼓问题，以胡底矿盘区水泵房为工程背景，分析了盘区水泵房底板变形特征及影响因素，采用UDEC离散元模拟软件对硐室掘进期间的围岩应力状态、位移模式及破坏形式进行分析，研发了适合在富水环境中使用的锚杆(索)新型防水锚固剂FS2350，该锚固剂具有良好的锚固效果。研究结果表明:水泵房在高应力和富水环境下呈现挤压流动性和膨胀性底鼓，底鼓呈全区域、持续性和连锁性等变形特征。底板锚注支护可有效提高煤岩体的物理力学特性，抑制底板岩层剪切破坏，控制破碎区进一步向深部转移，减小底板岩层破坏范围，改善了底板围岩的受力状态。锚注支护后，底板支护系统处于稳定状态，90 d后底板最大变形量为23 mm，有效解决了深部高应力硐室底鼓问题。

• 8 m特大采高工作面粉尘综合防控技术研究及应用

  黎志, 马威, 张设计, 陈芳

  8 m及以上特大采高综采技术大幅提升了煤炭产量，但其产尘量及采场空间也随之增大，导致传统防尘工艺技术很难解决由此产生的粉尘污染问题。为了解决工作面粉尘污染的难题，提出以采煤机割煤防尘和液压支架防尘为主的大采高综采工作面空间粉尘分区治理思路，通过采用数值计算、实验室试验和现场试验相结合的方法，开发出“气水喷雾+机载除尘+支架封闭控尘+高位抽尘与微雾净化”粉尘综合防控技术，研发了远射程低耗水型气水喷雾器、采煤机随机抽尘净化装置、液压支架封闭控尘装置和负压除尘微雾净化装置，最终形成了一套适应8 m特大采高综采工作面粉尘综合防控技术及装备。试验结果表明：上述4项措施联合的综合降尘效率在90%以上，工作面有人作业空间内粉尘质量浓度可降低至10 mg/m3以内，粉尘防控效果显著，能够有效解决类似特大采高综采工作面粉尘污染问题。

• 基于抽水试验的北公村2号大型断层阻渗性研究

  侯俊华, 孟凡贞, 王宏, 冯鲁顺, 孟令飞

  为探究东滩煤矿七采区内北公村2号大型断层的阻渗性，在分析研究区地质及水文地质条件的基础上，结合现场水文地质补勘钻孔揭露的3煤层顶板砂岩和奥灰2个含水层稳定流抽水试验结果，初步分析了抽水试验相关数据，获得了奥灰含水层水文地质参数，发现不同位置奥灰富水性存在较大差异性，认为3煤层顶板砂岩含水层与奥灰含水层无水力联系。基于兖州矿区内现场压渗试验所获取的断层阻渗性量化参数，建立了该断层阻渗地质模型，并进行了阻渗性类比计算，与抽水试验结果对比，进一步得出该断层具有良好的阻渗性。研究结果对研究区3煤层开采工作具有科学的指导意义。

• 多种地质采矿因素复合影响下开采沉陷规律分析

  康新亮, 蔡音飞

  为了研究山区倾斜煤层重复开采条件下的地表沉陷规律及其影响因素，以镇城底矿南六采区下组煤首采工作面为例，通过设立地表移动观测站，得到观测站所在的28620工作面的地表移动变形主要参数，并分析沉陷规律与机理。观测结果分析表明，在工作面两侧地形条件、老采空区条件类似的情况下，倾向主断面上沉陷曲线形态呈现不对称性分布，其原因主要是两侧微观地形差异、地表覆被差异和老采空区形成时间差异的联合影响造成的，地质、采矿多因素复合影响下的沉陷规律不能简单套用单因素影响下的规律。研究结果可为当地矿山开采和地物保护提供指导，为其他复合因素影响下的开采沉陷研究提供参考。

• 西部生态脆弱区固废多态充填技术应用与实践

  朱磊

  为解决我国西部生态脆弱区系统抗干扰能力弱、时空波动性强、环境异质性高与大宗固体废弃物排放引起的环境破坏、生态恶化之间的矛盾，在总结固废综合利用研究进展和存在的问题基础上，分析实施固废充填技术的优势及生态需求，系统阐述了具有固废处理功能的充填采煤技术研究进展，包括多态化充填技术内涵、固体充填技术、膏体充填技术、浆体充填技术的发展历程、技术原理、设计方法、适用条件，最后针对西部生态脆弱区多态化充填技术的典型应用工程进行了介绍分析。实践证明，在西部生态脆弱区因地制宜实施多态化充填技术，可安全高效处理煤炭生产加工利用过程中产生的大宗固废、控制岩层移动、保护地下水资源，可促进经济建设与生态保护协调健康发展。

• 深部巷道支护方案优化设计及数值模拟研究

  郭平, 沈大富

  为了解决打通一矿W2710运输巷道埋深大、围岩强度低，巷道变形严重、支护成本高等问题，在优化巷道断面基础上提出了3种巷道支护方案，并采用数值模拟方法对各方案的可靠性进行对比分析获得优化支护方案，最后对优化方案的可靠性进行现场验证。现场试验表明，W2710巷道支护方案优化后，巷道顶、底板最大移近量为67.22 mm，与优化前相比，巷道顶、底板移近量减小51.33%；巷道两帮变形最大收敛量为59.32 mm，与优化前相比，巷道两帮变形收敛量减小50.11%；设计优化的支护方案能较好地控制巷道的变形，且支护成本显著降低。

• 煤系气储层渗透率解析模型研究进展

  张宏学

  渗透率是评价煤系气商业开采的重要参数之一，为了准确评价煤系气商业开采的可行性，基于天然裂缝性储层的几何模型，以及渗透率和孔隙率的立方关系、渗透率和有效应力之间的指数关系，调研分析了煤系气储层渗透率解析模型的研究现状。对影响煤系气储层渗透率的各个因素进行了分析，结果表明：气体在基质中的动力学扩散作用导致基质压力和裂隙压力不相等；面割理和端割理张开度的差异导致渗透率出现各向异性；储层为非连续介质，弹性模量随有效应力的变化而变化；有效应力系数和裂隙压缩系数对渗透率有明显的影响。基于分析结果，提出了弹性模量、有效应力系数及裂隙压缩系数的测试方法。

• 松软煤层水力压裂有效半径影响范围主控因素分析

  张兆一

  水力压裂是提高煤层透气性系数的有效途径之一。为了确定松软低透气性煤层压裂水量、压裂时间与其有效半径三者之间的关系，通过数值模拟、现场试验发现:当压裂水量为固定值时，有效半径随着压裂时间的增加而稳定增大，二者呈非线性正比例关系；当压裂时间为固定值时，有效半径随着压裂水量的增加呈非线性增大，二者正相关。通过回归分析建立了压裂水量、压裂时间与有效半径的数学关系，得到新景矿3号煤层水力压裂水量与有效半径的拟合关系式，采用试验区域的煤层含水率、瓦斯含量参数进行了考察验证；当压裂水量为73.79 m3时，水力压裂有效半径为51 m左右，压裂时间相对最优。

• 煤矿安全监控系统技术现状及智能化发展趋势

  刘媛媛

  智能化矿山的建设对监测监控系统的功能性、稳定性要求日益提高，把握未来技术发展的核心需求具有重要意义。通过分析“十三五”期间煤矿安全监控系统升级改造在传感层、传输层和应用层取得的具体技术成果，基于最新的《煤矿安全监控系统通用技术要求》，探讨了监控系统下一步智能化发展方向：传感器智能化、全覆盖，支持多网、多系统融合，系统增加自诊断、自评估功能，加强数据应用分析等。提出通过对新型传感技术、传感器智能化、分布式供电及共缆透传技术、一体化采集平台、监测数据深度挖掘与分析利用、生产协同管控等技术研究，引领煤矿安全监测监控系统的智能化技术。

• 高瓦斯矿井采煤工作面采前瓦斯抽采达标评判执行问题探讨

  孙炳兴

  高瓦斯矿井不同采煤工作面因实际抽采条件的差异，在采前瓦斯抽采达标评判实施过程中存在部分评判流程依据模糊，以及不同条件下评判执行方法混乱等问题。为了使行业法规在执行过程中更具合理性和操作性，结合高瓦斯矿井煤层瓦斯赋存及抽采技术条件，针对特殊条件下预抽必要性、预抽钻孔控制范围评价、抽采时间均衡性评价、采前评判参数布置等抽采达标评判执行过程中遇到的问题进行了分析与探讨，提出了有针对性的执行意见与建议，并进一步补充、完善了高瓦斯矿井瓦斯抽采达标评判工艺流程。

• 煤层瓦斯含量直接测定取样技术研究进展

  邓楠

  煤层瓦斯含量的精准测定是煤矿瓦斯灾害防治和瓦斯利用的前提，“保真”取样技术的发展是精准测定煤层瓦斯含量的关键。基于前期研究及文献调研，回顾了煤矿井下煤层瓦斯含量测定取样技术的发展历程，分析了当前我国井下煤层瓦斯含量直接测定取样的代表性技术的原理、技术特点，以及工程应用中的适用条件和攻关难点。深孔定点取样技术解决了取样时间、取样粒度、煤样的原位采集等问题，长距离密闭取芯技术满足了长距离一孔多次测定的瓦斯超前精准探测和区域瓦斯抽采效果评价的需求，低温冷冻取样技术能够抑制煤样瓦斯解吸的温度影响。对煤层瓦斯含量直接测定取样技术的发展趋势进行了展望，认为可视化取样、实时控温、保压取样等工艺发展能够减少测量误差，指出了科技攻关随钻孔内原位测定技术的必要性。

• 外加水分对煤层瓦斯压力测定的影响分析

  张东旭

  针对钻孔及煤岩层水对瓦斯压力测定的影响问题，从宏观影响和微观效应两方面分析了水对直接法测定煤层瓦斯压力的影响。宏观影响主要是由水的重力产生的，可以通过测试后计量钻孔中水分进行修正；微观效应通过实验室开展水对煤中瓦斯的置换实验进行分析。实验表明:水能够置换煤微孔隙中的瓦斯，使吸附态的瓦斯变为游离态瓦斯；在未饱和状态下，煤中含水率在2%～10%时，瓦斯的置换量随含水率的增大而增大，最终平衡的瓦斯压力也变大；从置换速率来看，初期置换速率迅速增加到最大，达到顶峰后进入衰减阶段，衰减趋势比较符合指数衰减规律；从卸压后的瓦斯解吸规律来看，煤样瓦斯解吸量随煤层含水率的增大而减小。考虑到现场测试时测压气室的体积、水对煤的润湿范围、煤的含水率等不确定影响因素，现场尚不能进行水对瓦斯压力影响的定量研究。

• 煤矿险兆事件风险评价指标及分级方法

  田水承, 樊梦琰, 韩旭, 孟少聪, 周润康

  为确定煤矿险兆事件风险评价指标和分级标准，便于风险分级管控，根据扎根理论构建了包含5个核心范畴、24个主范畴的煤矿险兆事件风险评价指标体系；通过险兆事件安全机理相关标准得出指标量化值，并基于IAHP法确定指标权重。研究结果表明:通过权重及风险指数可较为准确地计算出煤矿险兆事件风险评价指数P，根据P值将煤矿险兆事件划分为高风险、较高风险、中等风险、低风险4个等级，以便于煤矿企业根据不同等级提出针对性的管控措施，降低煤矿事故的发生率。

• 安徽省2010—2019年煤矿事故规律分析及新形势下事故防范对策

  和树栋

  为深入剖析安徽省煤矿事故的规律特点，以安徽省2010—2019年煤矿事故数据为统计分析样本，从煤矿演变情况、事故规模等级、事故类型、事故时空分布等方面研究分析了安徽省煤矿事故演变规律。结果表明:安徽省煤矿一般事故起数占事故总起数的93.5%，有效防控一般事故的发生是降低事故总量的关键；淮北、淮南2个国有重点矿业集团是安徽省煤矿事故防控的重点单位；顶板、运输、机电三类事故对事故总量的贡献度最大，瓦斯、水害两类事故则是防控较大及以上事故的关键；每年的4—6月、8—9月、12月份至次年1月份是安徽省煤矿事故的高发期，交接班前后及夜班是事故高发时间段，采掘工作面是事故多发地；煤矿事故死亡人员以采煤工、掘进工为主，以高工龄、低文化程度人员为主。基于煤矿事故分析结果，提出了新形势下安徽省煤矿事故防范的对策，旨在为相关监管职能部门与煤炭生产企业的安全生产工作提供借鉴。