矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2021年第5期

• 矿井火区典型可燃气体对甲烷化学动力学的影响分析

  罗振敏, 刘荣玮, 王超, 石静

  为研究多元混合气体对CH4爆炸过程的影响，选取矿井火区典型可燃气体CH4、C2H6、C2H4、CO、H2，利用CHEMKIN软件模拟分析了不同组分C2H6/C2H4/CO/H2瓦斯混合气体爆炸反应过程。研究结果表明：随着混合气体组分中各可燃气体体积分数的增大，CH4的爆炸压力和温度不断增高，CH4体积分数和O2体积分数迅速下降，点火延迟时间明显缩短；在爆炸产生的有毒有害气体中，CO的体积分数最高；H*、OH*自由基的体积分数持续增大，O*自由基呈现先增大后减小的趋势。敏感性分析发现促进自由基生成的反应步主要是R38(H+O2 \rightleftharpoons O+OH)和R119(HO2+CH3 \rightleftharpoons OH+CH3O)，抑制其生成的主要反应步为R98(OH+CH4 \rightleftharpoons CH3+H2O)和R53(H+CH4 \rightleftharpoons CH3+H2)。

• 大倾角煤层孤岛工作面采动应力演化规律研究

  王正义, 何江, 杨文连, 苗伟东

  为指导大倾角煤层孤岛工作面矿压防控，以王家山煤矿203工作面为工程背景，通过数值模拟和现场实践，揭示该类孤岛工作面采动应力演化规律及冲击危险性。结果表明：在北部采空区、小窑破坏区和东部采空区的耦合影响下，203工作面回风巷侧采动应力集中程度高于运输巷侧；203工作面周围煤岩体存在顶煤和底煤双剪切带，导致顶板侧顶煤在重力作用下易于破碎放出，而顶板侧底煤的应力集中程度进一步加剧。基于采动应力集中系数K的分区结果和现场钻屑监测，203工作面回风巷是矿压防治的重点区域。提出综合大直径钻孔卸压和煤体卸压爆破的分级解危措施并在现场实施，解危效果显著。

• 煤粉粒径对突出冲击波传播特征的影响

  蒋安飞, 孙东玲, 刘延保, 杨雪林, 曹偈, 戴林超

  为研究煤粉粒径对煤与瓦斯突出冲击波传播特征的影响，自主研制了一套突出粉煤—瓦斯两相流模拟实验系统，开展不同煤粉粒径条件下的突出模拟实验，突出过程中实时监测模拟巷道不同位置冲击波超压随时间的变化规律。实验结果表明：在各监测点冲击波超压呈现正相与负相交替变化的格局，冲击波超压峰值与突出腔体内煤粉粒径呈正相关关系；突出冲击波在巷道内的传播速度也受煤粉粒径的影响，即煤粉粒径越小，冲击波传播速度越小，且冲击波传播速度沿着巷道呈衰减趋势。

• 工作面煤岩互层复合顶板深浅孔注浆加固技术研究

  郭相平, 徐慧刚, 付书俊

  为了解决工作面煤岩互层复合顶板出现破碎松散、离层脱落、整体漏矸严重甚至大面积冒顶等难题，以新元煤矿9104工作面为工程背景，采用现场调研、理论分析及数值模拟方法，研究了工作面煤岩互层复合顶板失稳破坏机理，划分了长度分别为3、25、23 m的基础治理区域、关键治理区域及重要治理区域，确定了工作面复合顶板分区、分重点加固的治理思路。基于此，提出了在回风巷进行“两深孔、一浅孔、两材料、三区域”的分区复合超前预注浆协同加固技术的方案，并依据现场工程实践、工程类比及理论计算公式确定了注浆材料及注浆关键参数。现场工程应用表明，该技术可有效解决工作面煤岩互层复合顶板破碎松软导致的大面积漏矸、冒顶及开采受阻等问题，确保工作面能以正常速度安全回采。

• 不同数量钻孔瓦斯抽采有效区域数值模拟分析

  陈月霞, 褚廷湘, 陈鹏

  为了研究钻孔数量对煤层瓦斯压力及有效抽采区域的影响，采用三维数值模拟方法，计算并分析了单排不同数量钻孔抽采条件下煤层瓦斯压力及有效抽采区域的空间分布特征。结果表明：煤层瓦斯压力变化具有显著的时空响应特征，抽采初期钻孔数量对抽采半径之外的煤层瓦斯压力影响较小，但随抽采时间的增加，钻孔数量对其影响逐渐显现，抽采影响半径增大，瓦斯压力下降趋势加大；钻孔有效抽采区域空间分布形态及其范围受到钻孔数量与抽采时间的影响；有效抽采区域体积与抽采时间基本呈y=axb函数关系，且钻孔有效抽采区域体积与钻孔数量并未呈线性关系；在瓦斯抽采过程中钻孔之间会产生叠加效应，随抽采时间的增加叠加效应更加明显。

• 顶底板岩层透气性对煤层瓦斯抽采的影响研究

  李大旺

  为了考察煤层顶底板岩性对瓦斯抽采的影响，基于含瓦斯煤流固耦合方程，利用COMSOL Multiphysics软件对透气和不透气2种顶底板岩层进行了钻孔瓦斯抽采数值模拟，其中透气性顶底板岩层孔隙率设置为20%，不透气性顶底板岩层孔隙率设置为0。研究结果表明，不同顶底板岩性条件下在抽采过程中瓦斯总是沿钻孔径向流动，但煤层顶底板岩性对煤层瓦斯流场有明显影响；不同顶底板岩性条件下钻孔瓦斯抽采时间越长，钻孔影响的范围越大，同时距离钻孔中心越远煤层残存瓦斯含量越大，但透气岩层模型的瓦斯压力衰减更快，残存瓦斯压力更低；顶底板岩性对煤层瓦斯抽采有效范围有显著影响，与不透气岩层相比，透气岩层的钻孔有效抽采范围更大。研究结果对穿层钻孔瓦斯抽采具有一定的指导意义。

• 基于Rhino精准曲面建模的常村煤矿原岩地应力场反演方法

  祝凌甫, 伊丙鼎, 曲秋扬, 胡滨

  选取潞安矿区常村煤矿+470 m水平煤岩层为模拟研究对象，基于Rhino 精准曲面建模软件构建三维地质曲面模型，通过有限差分数值模拟软件FLAC3D进行了常村煤矿原岩地应力场的计算和反演。研究结果表明：利用Rhino建模软件可以比较精确地对煤矿区的地质模型进行构建，以曲面代替岩层更加真实地反映了煤矿井下地层的实际分布情况，褶曲等地质构造可以被真实体现，原岩地应力场的数值模拟反演结果更加准确可靠；大型地质构造区域原岩地应力场与其他区域有较大的差异，向斜轴部原岩地应力场集中程度最大，从断层中部到断层端部再到远离断层区域地应力场呈现“小—大—原”的分布规律。通过对比常村煤矿现场实测的17个地应力测点量值与地应力反演量值，两者均显示，常村煤矿+470 m水平煤岩层内部最大主应力稳定在12 MPa左右，最小主应力稳定在6 MPa左右，垂直主应力稳定在9 MPa左右，属于走滑型应力状态，地应力实测和地应力反演具有高度的一致性。

• 综掘工作面粉尘扩散与不同粒径粉尘的沉降规律研究

  魏伟

  采用理论分析、数值模拟和现场测试等方法，通过建立的煤矿综掘工作面三维数值模型，数值模拟研究了综掘工作面粉尘运移及沿程分布规律，基于滤膜计重法现场测试了综掘工作面的粉尘质量浓度，并从粉尘粒径的角度出发，对现场采集的滤膜粉尘进行了粒度分析。研究结果表明：综掘工作面粉尘主要集中在距工作面端头5 m的区域内，粉尘在风流作用下主要沿回风侧煤壁和掘进机机身之间、掘进机机身与巷道顶板之间向端头后方运移；可将综掘工作面粉尘的沿程沉降划分为急速沉降区、中速沉降区和慢速沉降区；粒径大于50 μm的粉尘易在掘进机司机前方沉降；粉尘沉降过程中的“拐点粒径”为40 μm，小于“拐点粒径”的粉尘在巷道中不易沉降。

• 定源瞬变电磁数据的时频转换反演技术研究

  张艳龙, 吴燕清, 邓刘洋, 崔少北

  目前定源回线瞬变电磁数据处理主要还是通过一维反演进行视电阻率计算。为了实现时域瞬变电磁数据快速三维正反演，提高反演精度，基于时频转换理论，采用正则化技术、有限差分法和NLCG反演算法，研究了理想模型及实测数据频域的三维正反演。解决了时频转换过程中矩阵奇异性求解的问题，成功实现了瞬变电磁响应时域向频域的转换和瞬变电磁响应频域的三维正反演。

• 露天煤场环保型抑尘剂的制备及性能测试

  张川, 陈星明, 周家家, 周亭, 许向彬

  以醋酸乙烯酯(VAC)为主要单体，过硫酸钾(KPS)为引发剂，十二烷基硫酸钠(SDS)和辛基苯酚聚氧乙烯醚(OP-10)为复合乳化剂，采用乳液聚合的方法制备了环保型抑尘剂，对其抗风蚀、保湿、毒理、煤质影响等性能进行了评价，并结合扫描电镜分析了喷洒抑尘剂后煤粒表面的微观形貌。结果表明：该抑尘剂喷洒的煤样放置120 h后，经6级风力(风速为10.8~13.8 m/s)吹扫，煤样风蚀率仅为2%，抑尘效率达到98%；煤样失水速率略低于水，具有一定的保湿性；煤样表干后成膜，无毒无害，不会对作业人员、环境产生不良影响，喷洒抑尘剂后也不会对煤质产生影响。该抑尘剂能高效抑制煤尘飞扬，可减少露天煤场的煤尘污染和煤炭损失，保护大气环境。

• 基于钻孔漏气位置检测的二次注浆堵漏提浓技术研究

  周建伟, 高保彬, 张永斌, 陈立伟, 李阳

  为了提升瓦斯抽采钻孔密封效果，研发了钻孔漏气位置检测与孔内二次注浆堵漏装置，并在余吾煤业本煤层掘进预抽钻孔进行试验研究，在检测钻孔漏气位置的基础上明确了合理的孔内注浆深度，然后对孔内进行二次注浆堵漏，并对二次注浆堵漏钻孔的瓦斯浓度(甲烷体积分数，下同)变化情况进行了分析。结果表明：抽采钻孔中漏气位置对瓦斯浓度影响较大，瓦斯浓度由钻孔底部至孔口呈现出下降的趋势，瓦斯浓度越小，表明漏气越严重；在距孔口16~17 m位置漏气最为严重，距孔口18~19 m位置漏气相对减少，综合考虑将孔内二次注浆深度定为16~19 m；孔内二次注浆堵漏试验钻孔中瓦斯浓度在30%以上的钻孔占58.8%，抽采瓦斯浓度达到15%~30%的钻孔占23.5%，表明孔内二次注浆堵漏技术能够有效提高钻孔抽采瓦斯浓度。

• 基于多重分形理论的冲击地压电磁辐射预测

  姚精明, 许自文, 王建, 刘俊余

  煤岩破坏产生的电磁辐射信号具有多重分形特征，在正阶距区域，多重分形谱宽度趋于一个稳定值，该值能够表征煤岩的冲击破坏。为了提高电磁辐射预测预报煤矿冲击地压的水平，采用物理实验和多重分形理论相结合的方法，研究了煤样变形破坏过程中多重分形谱宽度与其冲击倾向、释放能量的内在关系，结果显示：当阶距q从2增加到7时，多重分形谱宽度趋于一个稳定值，临近主破裂时，达到最大值；煤样主破裂多重分形谱宽度ΔDqc与其冲击能指数和剩余能量均呈正线性关系，与弹性指数呈正对数关系，在此基础上建立了电磁辐射预测冲击地压的量化分级指标体系。利用上述分级指标体系，成功地对7251工作面的冲击地压进行了准确的预测预报。

• 货运火车车厢余煤清扫机器人吸风量智能调控方法研究

  孙建福, 王正强, 李宁

  为了实现货运火车车厢内余煤分布不同情况下，余煤清扫机器人吸风量的自适应智能调控，建立了吸风量、余煤体积量二者与风机电流之间的控制模型，根据风机电流变化趋势实现吸风量的智能调控。首先利用果蝇优化算法对概率神经网络的平滑因子进行在线优化，构建基于改进概率神经网络的风机电流精准预测模型，并根据设备特性与现场经验建立了吸风量模糊化分档调控规则库。为了验证相关理论和方法，在HCQS-75/110型火车车厢余煤清扫机器人上开展吸风量智能调控实验，结果表明：改进后的概率神经网络对风机电流预测精度达到97.4%，搭载吸风量智能调控系统的清扫机器人可实现车厢一次清扫合格率达到98.2%，并节省能耗26.5%，可以满足现场环保和能耗要求。

• 许疃煤矿煤炭自燃指标气体优选与应用

  骆大勇, 刘振

  为了有效预防许疃煤矿3238工作面采空区遗煤自燃，通过采集该工作面煤样进行煤自燃倾向性测试和低温氧化试验分析，优选出预测煤自燃指标气体：煤温在20~100 ℃时，以CO作为指标气体；煤温在100~150 ℃时，以C2H6作为指标气体；煤温在150 ℃以上时，以C3H8作为指标气体，并以链烷比作为辅助指标参数。根据测试结果，采用插值拟合方法，得到各指标气体体积分数与温度之间的函数关系式。基于所建立的拟合函数关系式，通过检测煤体温度，可以计算出CO、C2H6及C3H8的体积分数，用于推测采空区自燃状况。现场应用结果表明，采空区遗煤自燃预测效果良好。

• 连续尖角煤柱影响工作面冲击危险分析与防治研究

  吕鹏飞, 邱林, 苗壮, 崔学凯

  以东滩煤矿14320工作面为工程背景，采用数值模拟、理论分析和工程实践等方法，分析了该工作面煤岩冲击倾向性、地质构造、地应力和坚硬顶板等冲击地压影响因素，研究连续尖角煤柱影响区域应力场演化特征，采用综合指数法和多因素耦合评价方法划分工作面冲击危险区域及危险程度，并采取相应的防治措施。结果表明：工作面回风平巷侧受连续尖角煤柱影响，其应力集中程度大且连续尖角煤柱具有应力累积效应，为强冲击危险区域；运输平巷受3条断层和开采扰动共同影响，为中等冲击危险区域；开切眼巷道受50.2 m矿界煤柱影响，为弱冲击危险区域。针对以上冲击危险区域，采取煤层注水、大直径钻孔和钻屑法等综合解危措施，经验证效果良好。

• 基于回采巷道破碎程度的浆液性能选型研究

  王子琦, 万志军, 张源, 程敬义, 张洪伟, 熊路长, 康延雷

  工作面回采巷道围岩破碎程度不同，应采用不同性能的注浆材料对围岩进行分区、分类加固。采用BP神经网络算法，建立了回采巷道围岩破碎程度与注浆材料性能的“地质条件—浆液性能”互馈模型。该模型选取顶板岩层强度、煤层强度、底板岩层强度等7个地质条件参数作为输入因子，选取注浆材料7 d抗压强度、初凝时间和初始黏度作为输出因子。利用34组数据对模型进行训练，8组数据作为测试样本开展误差分析。结果表明：训练集拟合系数达到0.999 95，测试集输出因子相对误差低于13%，训练和测试效果较好，能够满足基于围岩破碎程度进行浆液参数选型及预测的要求。

• 智能通风技术在韩家湾煤矿的研究与应用

  白铭波, 姚亚虎, 罗广, 高军伟

  以韩家湾煤矿为研究对象，构建了基于基础参数动态感知、通风设备智能管控、区域反风与胶带火灾精准辨识、火灾分级预警与管控的智能通风决策管控平台，形成了测风无人化、调风自动化、区域反风智能化、火灾防控超前化四项关键技术，重点介绍了智能通风技术的技术体系及系统建设内容。该技术现场应用表明，实现了远程自动测风无人化、区域风量远程自动调控、区域反风远程控制，显著提高了韩家湾煤矿通风系统自动化和智能化水平。

• 大采高工作面高压喷雾降尘技术研究及应用

  郭奋超, 李腾龙, 马威, 杨俊磊

  大采高综采工作面生产效率高、产能大，粉尘污染问题严重。为解决大采高综采工作面现有喷雾降尘措施效果不佳的问题，以红柳林煤矿24205工作面为工程背景，在分析大采高综采工作面采煤机割煤产尘特点的基础上，通过高压喷雾降尘工艺参数优化，重点开展了采煤机高压外喷雾降尘技术、尘源跟踪喷雾降尘技术的应用研究，解决了喷嘴堵塞、喷雾量不足、喷雾射程短、覆盖面积小的问题，实现了滚筒割煤过程中尘源处的立体覆盖式喷雾。应用结果表明：采煤机司机处总粉尘和呼吸性粉尘平均质量浓度分别从1 362.4、289.1 mg/m3降低到97.4、31.7 mg/m3，降尘效率分别为92.85%、89.02%；采煤机下风侧10 m处总粉尘和呼吸性粉尘平均质量浓度分别从456.8、97.3 mg/m3降低到45.1、9.7 mg/m3，降尘效率分别为90.13%、89.76%。工作面作业环境得到了明显改善。

• 矿业安全生产事故时间序列的模糊区间预测

  黄悦, 幸福堂, 石癸鑫, 吴孟龙

  为解决矿业安全生产事故预测过程中的不确定性和随机性问题，提出了一种矿业安全生产事故时间序列的模糊区间预测模型。采用小波变换将矿业安全生产事故时间序列分解为一组高频信号序列和一组低频信号序列，采用样本熵重组子序列，并将其映射为包含Low、R、Up共3个参数的窗口化的时间序列；运用模糊C均值聚类(Fuzzy C-means clustering，FCM)算法对窗口化的时间序列进行预测，得到矿业安全生产事故时间序列的模糊区间预测结果，并用6组测试样本验证模型的预测精度。结果显示：R值和Up值测试样本序列的平均相对误差分别为17.737 1%、8.771 2%，表明矿业安全生产事故时间序列的模糊区间预测模型精确度较高且区间范围较为合理，可以为矿业安全决策提供理论依据。

• 老厂矿区高位定向长钻孔“以孔代巷”瓦斯抽采技术研究

  贾晓亮

  云南老厂矿区无烟煤瓦斯含量高、衰减性强、透气性系数低、瓦斯难于抽采，采用常规顺层钻孔和普通顶板高位钻孔方式难以解决上隅角瓦斯和回风流瓦斯超限问题，而采用顶板高抽巷方式面临工程量大、经济成本高、工期长等问题。通过使用定向大直径钻机施工高位定向长钻孔替代顶板高抽巷的方法，利用FLAC3D数值差分软件分析煤层顶板断裂带高度。结果表明：老厂矿区8#煤层垂向18~35 m区域为最佳抽采层位，使用高位定向长钻孔对8#煤层顶板裂隙抽采后平均抽采瓦斯浓度(甲烷体积分数，下同)可达16%左右，平均抽采瓦斯纯流量为9.05 m3/min，工作面上隅角瓦斯浓度控制在0.60%以下，回风流瓦斯浓度控制在0.40%以下，与采用高抽巷方法的瓦斯抽采效果相当，验证了高位定向长钻孔“以孔代巷”技术的合理性和可行性，可为云南老厂矿区无烟煤瓦斯抽采提供参考。

• 定向多分支长钻孔治理瓦斯技术体系研究及应用

  刘东, 辛新平, 马耕

  为实现煤层瓦斯的高效率、低成本治理，对定向长钻孔“两堵一注”定点定长带压封孔测瓦斯压力技术方法进行了改进，研制了深孔定点密闭取样装置，优化了定向长钻孔强化抽采增产技术，进而形成了定向多分支长钻孔治理瓦斯技术体系。开展了现场工程试验，结果表明：在永夏矿区地质条件下定向多分支长钻孔成功施工深度达630 m以上，所研制的深孔定点密闭取样装置能够完成632 m钻孔的密封取样，密闭取样装置结构合理；实测试验区域煤层瓦斯含量、瓦斯涌出初速度、钻屑量结果一致性较好，测试结果可靠性满足要求；掘进过程中瓦斯涌出量与掘进速度呈明显的正相关关系，且瓦斯涌出量最大值位置与瓦斯含量、区域验证指标最大值区域位置一致，证明了定向多分支长钻孔治理瓦斯技术体系的可靠性。

• 矿井倾斜巷道火灾烟流运移规律研究现状与发展趋势

  刘业娇, 崔一诺, 任玉辉, 邢辉, 陈颖, 李茂林

  从理论研究、实验研究和数值模拟三方面，对矿井倾斜巷道火灾时期火风压、火区阻力、逆流层、临界风速，以及烟流参数变化规律等的研究进展进行了综合论述，指出了现有研究存在的局限性和不足，并预测其发展趋势。分析认为：应更加注重研究矿井倾斜巷道火灾时期各物理量及其相互之间的影响关系；应进一步建立大尺寸、全方位、立体化的矿井倾斜巷道火灾实验模型，且在实验过程中要同时考虑巷道坡度、可燃物种类、火源位置和强度、风速大小等因素的影响；物理建模和数值模拟时，应紧密结合现场工况条件，同时考虑巷道间的相互影响。深入研究矿井倾斜巷道火灾时期烟流运移规律，可为完善整个矿井巷道火灾理论及进行火灾救援奠定基础并提供技术支持。

• 河北省关闭煤矿地质环境影响评价

  顾一芳, 冯启言, 孟磊, 陈中山

  在对河北省主要的关闭煤矿实地调查和遥感影像解译基础上，将关闭煤矿的地质环境影响评价指标体系划分为3个要素和11个指标，利用模糊综合评价方法建立了关闭煤矿的地质环境影响评价模型，采用改良指数标度的层次分析法确定各指标权重。评价结果显示，在118处较大规模的关闭煤矿中，36处煤矿地质环境影响程度为严重和较严重状态，82处为轻微和较轻状态。严重、较严重的煤矿主要分布在蔚县矿区、宣下矿区、邯郸矿区。地质环境问题主要影响因子为土地资源压占、含水层破坏、地面塌陷和地裂缝等。

• 手工搬运作业下矿工腰部肌肉疲劳分析

  田水承, 陈盈, 邹元

  为研究井下煤矿工人腰部肌肉的疲劳状况，设计了矿工手工搬运作业试验范式，对矿工搬运作业前后腰部的最大随意收缩拉力值FMVC、FMVC′，以及心率和血压进行了测量，并记录每个阶段作业任务完成后矿工对自身疲劳的主观评价值(BRPE)，进而探究个体体质量指数(Ibm)、负重(Fload)、心率(Rh)与作业时间(t)对疲劳速率(v)、肌力最大随意收缩百分比(fMVC)和主观评价值(BRPE)等肌肉疲劳指标之间的显著性关系。显著性和相关性分析结果表明：随着搬运作业时间的增加，矿工腰部肌力下降速率增快，肌肉疲劳程度增加；随着矿工年龄增大、心率增高，主观疲劳感知强烈；体重超标、体型肥胖的矿工更易疲劳。构建了疲劳主观评价值(BRPE)一元线性回归预测模型，用其量化矿工肌力疲劳与主观疲劳的变化关系。以期优化煤矿从业人员的作业设计和轮班制度，预防肌肉骨骼疾病风险。