矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2021年第6期

• 基于采掘应力增量的瓦斯压力演化规律研究

  张士岭

  为研究采掘应力作用下工作面煤体瓦斯压力的变化规律，借鉴土力学渗流固结模型，设计了一种由钢筒、活塞、弹簧组成的试验装置，形象地模拟采掘应力作用下瓦斯和煤体骨架的受力过程及相互作用，进而提出超静瓦斯压力与超静瓦斯压力系数。通过对轴对称应力状态下瓦斯和煤体骨架的应力、体积应变及相互关系进行理论分析，结合井下煤体采掘应力分布规律，得出超静瓦斯压力与支承压力的关系式。研究结果表明：超静瓦斯压力不同于静瓦斯压力，其是由采掘应力引起的瓦斯压力增量。采掘应力刚发生时，超静瓦斯压力达到最大，随着渗流的进行，超静瓦斯压力不断消散，附加应力逐步转移到煤体骨架上, 煤体有效应力增大。超静瓦斯压力与煤体支承压力呈正比关系，比例系数即为超静瓦斯压力系数，其与煤体骨架体积压缩系数呈正比关系，与孔隙率、瓦斯体积压缩系数呈反比关系。

• 基于微地震监测的近水平厚煤层上覆岩层运动规律研究

  梁运培, 王海滨, 李全贵, 胡良平, 姜志忠, 宋明洋

  为了研究煤矿井下工作面采动对上覆岩层运动规律的影响，以察哈素煤矿近水平厚煤层31313工作面为工程背景，分别从微震事件整体分布范围、岩层中的不同高度分布、微震频次与周期来压关系等方面对岩层移动规律，以及采动影响下煤体破裂范围进行研究，并运用数值模拟软件3DEC进行验证。研究结果表明：发生在不同高度层位的破裂事件具有不同的周期性，一般高位岩层的周期包含若干个中位岩层的周期；采场上方岩层18 m内为直接顶，18~60 m内为基本顶；由微震事件分析得到的周期来压步距是实际来压步距的2倍；采用微地震监测技术可真实有效反演采场上覆岩层的运动规律。研究结果能为微地震技术判识岩层运动规律提供参考。

• 综放开采覆岩破坏特征与导水断裂带高度模拟研究

  刘卓然, 赵高博

  为了研究煤矿综放开采覆岩破坏规律与导水断裂带高度，通过数值模拟分析了采动覆岩破坏过程，采用理论分析方法建立了直接顶破坏与基本顶砌体梁失稳力学模型，揭示了直接顶与基本顶失稳机制。基于盛泰煤矿15201综放工作面采矿地质条件，研究了不同采高、工作面倾向长度、煤层倾角条件下导水断裂带最大高度。研究结果表明：导水断裂带高度与煤层采高、工作面倾向长度、煤层倾角呈正相关关系；导水断裂带高度数值模拟结果位于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中经验公式计算结果范围之内，验证了该数值模拟模型及岩性参数的合理性。

• 巷道入口风温季节性变化下围岩温度场及其影响因素分析

  高佳南, 李超, 吴奉亮, 马砺

  为了研究巷道入口风温季节性变化下围岩温度场的变化规律，以及不同物理参数对围岩温度场的影响，根据能量守恒和傅里叶定律，建立围岩温度场导热方程，沿巷道轴向和围岩径向进行离散单元划分，应用有限差分法建立巷道入口风温季节性变化下围岩温度场数值解法，编制C#程序并以济宁三号煤矿为例进行模拟研究。结果表明：巷道入口风温季节性变化下围岩温度随与巷道中心距离的变化具有两区分布特征；径向上不同深度处围岩温度呈季节性变化且变化幅度随深度的延伸逐渐减小，深部围岩温度最大值或最小值出现的时间滞后于浅部围岩；地面气温年较差、采深及岩体导温系数对围岩温度场有着重要影响，风量对围岩温度场的影响主要表现在径向浅部围岩。

• 低浓度煤层气吸附干燥装置布气系统数值模拟研究

  肖露

  以吸附干燥装置气体均匀分布为出发点，基于流体力学相关理论建立数学模型，对低浓度煤层气吸附干燥装置布气系统进行数值模拟研究，提出了吸附塔内布气系统的优化方法。通过计算发现，对于实际应用中的圆柱干燥塔，由于进气管与塔体连接处结构设计欠佳，轴向气流分配不均非常严重，气流速度的绝对不均匀系数为1.028；在吸附塔内安装孔板型布气系统，挡板上小孔整体排列，孔径均为3.0 mm，气流速度的绝对不均匀系数由1.028下降到0.321，均匀性得到改善；将布气系统挡板中心的孔径减小到1.5 mm，将靠近壁面的孔径增大到4.5 mm，再将小孔按正三角形排列，气流速度的绝对不均匀系数进一步降为0.101，气流分布更加均匀。

• 新型凝胶泡沫材料阻化性能实验研究

  王建国, 刘鑫, 郑晨光

  为研究新型凝胶泡沫对煤体阻化作用的效能与影响，基于程序升温实验，对凝胶泡沫处理前后的不同粒径煤样组进行实验，分析煤样升温过程中的耗氧速率、CO与CH4气体体积分数及其产生率，以及凝胶泡沫对煤样的阻化率。研究结果表明：煤的粒径不同，其耗氧速率也不同，经新型凝胶泡沫处理煤样的CO、CH4气体的体积分数及其产生率均明显低于未经处理的煤样；在100 ℃时，粒径小于0.9 mm煤样的阻化率为59.23%，粒径3~5 mm煤样的阻化率为61.69%，粒径6~10 mm煤样的阻化率为65.63%，各粒径煤样受凝胶泡沫的阻化影响顺序为大粒径> 中粒径> 小粒径；新型凝胶泡沫材料能有效延缓煤的氧化过程、抑制煤氧复合反应、延迟煤体蓄热进程，对防治煤自燃具有十分积极的作用。

• 坚硬顶板深孔预裂爆破强制初放技术研究

  姬健帅, 李志华, 葛胜文, 程黎明

  针对坚硬顶板条件下初采初放期间发生压架的问题，以淮南矿区潘二煤矿为工程背景，采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法，对深孔预裂爆破强制放顶高度进行研究。结果表明：强制放顶高度应不小于10 m；在0~20 m内，随着放顶高度的增加，基本顶初次来压步距减小，煤壁前方支承压力降低；在20~30 m内，初次来压步距及支承压力均变化不大，因此确定最佳放顶高度为 20 m。强制放顶初采后，支架压力监测结果表明，初次来压步距为17~30 m，且来压不剧烈，深孔预裂爆破效果良好。研究结果对此类条件下工作面的初采初放具有借鉴意义。

• 寺河矿顶板走向长钻孔瓦斯抽采参数优化模拟研究

  郝长胜, 王浩天, 贾廷贵

  为了解决寺河矿5309工作面上隅角瓦斯超限的问题，采用顶板走向长钻孔抽采瓦斯的方式进行瓦斯治理，运用FLUENT软件模拟分析布置于平行回风巷且孔间距为10 m的顶板走向长钻孔束在不同参数条件下的瓦斯抽采效果。研究结果表明：随着顶板走向长钻孔束与底板垂直距离的增加，钻孔抽采瓦斯纯流量先增大后减小，上隅角瓦斯浓度呈增高的趋势；随着顶板走向长钻孔束与回风巷水平距离的增加，钻孔抽采瓦斯纯流量先增大后减小，上隅角瓦斯浓度呈先降低后增高的趋势。经对比分析确定顶板走向长钻孔束最佳抽采位置距顶板垂直高度为38 m、距回风巷25 m，在此区域内钻孔抽采瓦斯纯流量可达15.03 m3/min，5309工作面上隅角瓦斯浓度降低至0.20%，瓦斯治理效果显著。

• 松软低透气性煤层水力压裂增透瓦斯抽采技术研究

  王建伟

  为解决松软低透气性煤层瓦斯抽采难度大、效率低的难题，以新景煤矿3#煤层为研究对象，采用PFC2D颗粒流数值模拟软件和控制变量法，研究不同注水流量和压裂时间对煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的影响。研究结果表明：松软低透气性煤层水力压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目与注水流量和压裂时间均呈幂函数形式增长。基于松软低透气性煤层的特点，引入压裂液效率，得到了压裂半径、裂缝最大开度和裂缝数目的修正计算公式。基于新景煤矿3#煤层实际工程地质条件，在南五底抽巷进行了现场水力压裂试验。试验结果表明：当泵注压力为20~25 MPa、注水量为90~100 m3时，水力压裂半径约为50 m；水力压裂区域煤层透气性系数、平均抽采瓦斯浓度、百米巷道瓦斯抽采量和单孔平均抽采瓦斯纯流量分别为未压裂区域煤层的22.0、2.2、2.4、2.7倍，为新景煤矿3#煤层水力压裂参数选取和瓦斯抽采设计提供了技术指导。

• 低透气性煤层高压水力压裂—冲孔联合增透技术研究及应用

  秦江涛, 陈玉涛

  针对深部开采煤层普遍存在的构造应力复杂、透气性系数低、抽采效果差等问题，为探究最优的瓦斯抽采技术方案，以水溪煤矿K1松软煤层为研究对象，分别采用水力压裂、水力冲孔、普通抽采和高压水力压裂—冲孔联合增透4种技术，进行现场对比应用试验。结果表明：高压水力压裂—冲孔联合增透技术对煤层透气性系数的提高程度分别为水力压裂、水力冲孔和普通抽采方案的1.85、1.61、6.30倍，抽采瓦斯纯流量分别提高了1.42、1.33、2.32倍，此外，抽采汇总瓦斯浓度(CH4体积分数)保持在42.6%以上，抽采效率为四者之中最高。现场应用结果表明，高压水力压裂—冲孔联合增透技术具有明显的技术优势。

• 一体化运营综合能源集团智能应急指挥平台的研究与实现

  赵开功, 方衡

  根据一体化运营综合能源集团的生产安全和事故应急救援的特点，构建“系统、智能、共享、协同、安全”的智能应急指挥平台，其包含应急值守、应急资源、应急预案、信息汇聚、研判分析、协调指挥、决策调度、应急演练和应急评估等功能模块。介绍了智能应急指挥平台的应急指挥逻辑关系，设计了平台系统总体架构、业务架构，可实现“生产调度协同统一、产业平衡价值发现、生产管理预警预测、企业经营统计分析、应急救援准备响应、数字化计划调度、智能化安全监视、数据标准化治理、全景可视化展示”等功能；通过建立“集团总部—产业实体—生产单位—作业单元”的点线面应急处置网络，实现了“一体化集中管控、智能化高效协同、可视化高度融合”的智能指挥调度；建设的国家能源集团生产安全事故救援应急指挥系统，达到了“通讯呼得通、处置看得见、资源调得动、灾情控得住”的效果。

• 煤矸石基混凝土在井下巷道硬化工程中的应用试验

  申海生, 和卫红, 赵春洲, 吴秉臻, 陆银龙

  煤矸石是我国目前排放量较大的固体废弃物之一，利用煤矸石部分或全部代替混凝土粗骨料生产煤矸石基混凝土是其高效利用的途径。通过实验室开展不同煤矸石粗骨料替代率、水胶比、添加剂等条件下的煤矸石基混凝土的抗压强度试验，探究煤矸石基混凝土的基本力学性能，确定煤矸石基混凝土的最佳配合比。研究结果表明：煤矸石基混凝土抗压强度随着煤矸石粗骨料替代率的增大而减小；在胶凝材料中加入质量比为5%的硅灰、0.3%的减水剂有助于迅速提高煤矸石基混凝土的前期强度。在山西李村煤矿二采区胶带巷5#辅运联巷开展了煤矸石基混凝土的井下硬化试验，验证了煤矸石基混凝土在井下硬化工程中的良好效果。

• 瓦斯抽采钻孔解堵修复装备的研制与应用

  巴全斌

  煤层瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯灾害的主要技术措施，而失稳坍塌和煤渣积聚造成的钻孔堵塞失效严重影响瓦斯抽采效果。为了解决上述问题，利用高压水射流在破孔透孔和疏通排渣方面的技术优势，研制了轻型气动水力化解堵修复装备，确定了该系统装备的水力参数，包括系统阻力损失、水力破煤岩参数和钻孔修复喷头结构参数，实现了对钻孔堵塞段的疏通解堵，形成了经济、高效的瓦斯抽采钻孔修复技术工艺。在石壕煤矿南五区3#瓦斯巷应用结果表明，试验穿层钻孔23个，修复后效果显著的钻孔达91.3%，修复完成后45 d内单孔平均抽采瓦斯浓度和纯流量由36%和0.003 5 m3/min提升至60%和0.008 2 m3/min，分别提高了67%和134%，解堵修复效果较好，有效提高了瓦斯抽采钻孔的利用率和抽采效率。

• 煤矿分层开采工作面立体式瓦斯抽采技术及应用

  郑飞, 付军辉, 王然

  为解决煤矿分层开采下分层回采过程中工作面上隅角或回风巷瓦斯超限的难题, 通过分析采煤工作面瓦斯治理要求，研发了分层开采井上下立体式瓦斯抽采技术，其涵盖地面井预抽、工作面顺层钻孔抽采和采动区地面井抽采、高位钻孔抽采及采空稳定区瓦斯抽采。根据准备煤量、回采煤量，以及不同回采时期，提出了具备接续的综合立体式瓦斯抽采实施方法及技术体系。该技术在山西晋城岳城煤矿的应用结果表明：采用综合立体式瓦斯抽采优化布置后，采动区地面井平均抽采瓦斯流量为1.15万m3/d，平均抽采瓦斯浓度为44.5%，工作面推至地面井附近时抽采瓦斯纯流量显著增大，地面井在采煤工作面回采阶段抽采瓦斯总量约为245.5万m3；同时，井下高位钻孔单孔平均抽采瓦斯浓度为80.61%，平均抽采瓦斯纯流量为1.33 m3/min，平均运行时间约60 d，平均单孔抽采瓦斯总量为11.65万m3；采动稳定区埋管平均抽采瓦斯纯流量为0.29 m3/min，抽采瓦斯总量约为200.8万m3。在立体式联动抽采瓦斯措施下，回采过程中回风巷的瓦斯浓度在0.50%以下，工作面回风巷瓦斯浓度平均降幅为58.8%，上隅角瓦斯浓度平均降幅为56.0%，保障了煤矿生产安全。

• 地面井抽采卸压瓦斯技术在新疆大倾角多煤组矿区的应用

  王广宏

  针对新疆艾维尔沟矿区大倾角多煤组地表岩层移动与覆岩破坏特征，分析了大倾角多煤组地面井失稳机制，合理选择了地面井位置，优化了钻固井工艺及井身结构，并进行了适用性试验考察。试验工作面推过后井身结构稳定，套管基本未发生异常变形破坏，地面井抽采瓦斯持续稳定，可为新疆矿区大倾角多煤组地面井高效抽采瓦斯提供技术支撑及示范作用。

• 西北侏罗纪煤田软岩劣化控制技术

  吕玉广, 乔伟, 肖庆华, 张永强, 韩港, 刘建荣

  为解决西北侏罗纪煤田软岩工程地质难题，开展了矿物成分分析、膨胀性试验、泥化试验、崩解试验和岩石力学特性测试等工作，对软弱岩体所处的富水环境进行了分析，定义了弱胶结强膨胀富水软岩劣化效应概念。基于软岩的工程地质特征，改变传统单纯依靠支护手段控制围岩变形的做法，分析软岩劣化的内因和诱因，抓住富水环境这一核心要素，提出“治软先治水”的防治理念，形成了“大水防控、小水管理、强化支护、协同治理”的软岩工程劣化控制技术体系。“大水防控”技术从源头上解决了基岩水—砂混合型突涌灾害，“小水管理”阻断了水与软弱围岩的接触，“强化支护”最大限度发挥支护作为围岩变形控制基本手段的功能，坚持水与软岩“协同治理”原则。工程实践证明了上述软岩劣化控制技术的有效性，也表明了水害防治和软岩劣化控制必须采取综合分析、协同治理的技术措施。

• 顺层长钻孔瓦斯抽采工艺技术应用研究

  乔伟, 王凯, 程波

  通过理论分析顺层长钻孔瓦斯抽采负压变化对煤体瓦斯向钻孔运移的作用机制，基于流体力学理论推导出瓦斯气体在钻孔内运移沿程的阻力方程。结合顺层长钻孔在煤矿井下掘进工作面现场试验研究结果，分析了不同孔段负压沿孔长的变化规律，建立了顺层长钻孔瓦斯抽采流—固耦合模型，分析了影响瓦斯抽采效果的主控因素，并通过分析现场应用数据，证实了长钻孔瓦斯抽采工艺技术在本煤层瓦斯抽采中的优势。研究成果可为顺层长钻孔抽采瓦斯工艺技术大面积推广应用提供相应的科学依据。

• 特厚急倾斜煤层瓦斯抽采关键技术与实践

  冀超辉, 崔洪庆

  为了减少瓦斯对乌东煤矿特厚急倾斜煤层安全生产的影响，对水平分层综采放顶煤技术在特厚急倾斜煤层高瓦斯矿井中的应用进行了研究，分析了布孔间距、钻孔直径、钻孔有效长度，以及抽采负压等钻孔参数和瓦斯抽采工艺对瓦斯抽采效果的影响，并以顺层长钻孔瓦斯预抽、顶板走向高位钻孔抽采、采空区埋管抽采和卸压瓦斯抽采等技术手段为基础，建立了开采分层瓦斯抽采、开采分层下部煤体瓦斯抽采相结合的立体化瓦斯抽采成套技术体系，为建立特厚急倾斜煤层煤与瓦斯共采体系提供了理论依据和指导。

• 基于恒定大电流发射双极性高速采集接收的矿井瞬变电磁仪研制

  张磊

  矿井瞬变电磁仪广泛应用于探测煤矿井下含水构造。为提高二次场信号强度及仪器的抗干扰能力，研制了H桥式PWM双极性调制隔离驱动，微处理器预设电流值，恒定发射50 A电流且可快速关断的发射系统；双极性同步采集，625 kHz高速叠加信号的接收系统；保证矿井使用安全的隔爆兼本安型供电电源。通过对煤矿工作面富水性探测，较为准确地划分了含水异常区，验证了仪器的准确性。

• 基于有限元分析的矿用混料机滚筒焊缝坡口对比研究与应用

  郭彩萍, 向道辉

  针对矿用混凝土混料机混料滚筒的焊缝频繁开裂问题，采用有限元分析方法，从焊口形式角度出发，建立平口焊和坡口焊2种焊口的滚筒有限元模型，通过模拟添加工作载荷，求解平口焊和坡口焊滚筒焊缝处的应力和应变。对比2种焊口形式的滚筒焊缝残余应力应变结果，发现采用平口焊形式的滚筒每一条焊缝处的应力均小于采用坡口焊形式的应力。根据仿真分析结果，改进滚筒的焊接形式，现场应用结果表明，混料机混料滚筒采用平口焊接形式，能够解决滚筒焊缝频繁开裂的问题，有效提高了混料机焊件的使用寿命。

• 高浓度充填料浆大倍线管道自流输送技术及应用

  孙凯华

  为了实现倍线为15条件下的高浓度风积沙充填料浆自流输送，在对榆阳煤矿充填管路设计和料浆临界流速计算分析的基础上，开展了高浓度料浆充填管路输送工业性试验，计算和试验结果表明：风积沙高浓度充填料浆具有较好的流动性，料浆质量浓度(固料质量/料浆质量)超过72%后流动性会明显下降，充填料浆要实现自流输送，其上限为75%；榆阳煤矿充填料浆输送临界流速为1.19 m/s，工作流速为4.19 m/s，工作流速是临界流速的3.5倍，充填管路最大输送能力可达到396 m3/h，料浆的管路输送具有较高的可靠性，实现了以风积沙为骨料的高浓度充填料浆的大倍线自流输送。

• 特厚煤层区段煤柱宽度变化区冲击危险性分析及防治实践

  凌志强, 赵森, 顿长健

  为了分析特厚煤层区段煤柱宽度变化区的冲击危险性，以大佛寺煤矿40103回风巷煤柱宽度变化区域为研究对象，通过统计分析巷道掘进过程中煤柱宽度变化前后的微震、地音监测数据，以及锚杆、锚索轴力变化情况，分析煤柱宽度变化对冲击危险性的影响规律，得出煤柱宽度变化后冲击危险性升高的原因，提出弱化静载荷源、增强煤柱稳定性和提高支护强度等冲击地压防治措施。现场监测结果表明，采取的针对性防治措施大幅降低了冲击危险性，取得了良好的防控效果，保障了掘进工作面煤柱宽度变化后的安全生产，可为类似开采技术条件下的区段煤柱区域冲击地压防治提供技术参考。

• 山西省采煤沉陷区EES协调发展时空演化规律研究

  李启庚, 吉子晋, 张洪潮

  基于协调发展和面板数据模型，构建山西省采煤沉陷区“生态—经济—社会”(EES)系统指标体系，结合熵值法和层次分析法，从时空视角分析山西省采煤沉陷区2004—2018年EES系统协调发展演化规律。结果表明：经济子系统在EES系统中所占比重最高，说明经济子系统发展状况在山西省采煤沉陷区EES系统协调发展中发挥的影响最大；2004—2018年，山西省采煤沉陷区EES系统协调发展整体上呈现平稳上升的态势，区域内各个地市EES系统协调发展水平从“严重失调衰退”逐步过渡到了“勉强协调发展”阶段，从“失调衰退区间”发展到了“过渡调和区间”；在空间分布上，区域内经济发展水平更高的地市EES系统协调发展演化进程较为领先。根据研究结果提出了相应的对策建议。

• 爆破振动影响因素及控制技术研究现状

  孙冰, 罗志业, 曾晟, 何旺

  针对爆破振动引起的一系列危害，采取科学合理的爆破振动控制措施有着重要意义。根据爆破振动衰减理论，从爆源条件和传播途径两个方面分析了爆破振动影响因素，并总结了几种爆破振动控制技术在理论、实验与数值模拟方面的研究情况。结合不同破坏机制下的爆破振动安全判据研究现状，指出现阶段爆破振动研究的发展方向：建立快速、准确的爆破振动优势因素评价系统；利用三维数值模拟方法分析建筑结构易损构件；制订具有人性化的爆破振动安全标准；开发基于无线网络技术的爆破振动智能分析系统。