矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2022年第1期

• 矿用堵漏无机触变防灭火凝胶的流变特性研究

  韩福志, 邵和, 司俊鸿, 张俊

  为了有效阻隔煤矿采空区漏风，研制了一种由钠基膨润土、硅酸镁锂、水玻璃和复合外加剂组成的无机触变防灭火凝胶。通过倒置法测试凝胶的成胶时间，采用旋转流变仪研究了在不同配比条件下凝胶的流变特性，构建了凝胶的本构方程，优选出适用于注浆堵漏的凝胶配比。结果表明：凝胶的流变特性符合Herschel-Bulkley模型，相关系数 R 2均大于0.99;按照样品S-13的配比，即当钠基膨润土、硅酸镁锂、硅酸盐水泥的质量分数分别为4.00%、3.00%、0.46%时，凝胶的流动性较好、触变性较强，且未恢复残余应力与屈服应力相对较小，有利于将凝胶浆液输送至采空区，静置形成稳定网状凝胶结构封堵漏风，不易产生新的裂缝。玻璃圆筒充填凝胶后两端相对压力可达-53.9 kPa，约为未充填时的28倍，说明凝胶密封性能好; 灭火实验中，煤堆注入凝胶后温度快速下降，不易复燃。

• 近距离煤层群切顶留巷覆岩应力及变形响应研究

  杨红运, 刘延保, 李勇, 潘瑞凯, 王辉, 曹树刚

  为了深入了解近距离煤层群切顶留巷上覆岩层应力及变形演化规律，以白皎煤矿B 4煤层、B 3煤层、B 2煤层切顶成巷巷道2442、2443及2444运输平巷为研究对象，开展了3层煤回采巷道开挖物理试验研究，结果表明：①上煤层巷道切顶后，顶板卸压; 煤层开挖后，采空区顶板垮落并支撑巷道顶板，顶板增压; 煤层继续开挖，覆岩断裂，顶板卸压; 巷道顶板应力依次经历卸压、增压及卸压过程，其中，高位顶板应力增加较大，应力较高。②中部巷道切顶及煤层开挖后，上覆岩层压力同时向上煤层巷道围岩及本巷道采动破碎压实围岩转移，并在两巷道之间的上覆岩层中形成应力增高区。③下煤层巷道切顶及煤层开挖后，巷道围岩破坏严重，无集中应力，受前两次开挖卸压影响较大。④上覆岩层沿层理面出现错动变形，同时出现垂直拉伸剪切裂纹，采动影响越大，裂纹扩展程度越大。

• 砂岩裂纹发育过程的温度场变化特征

  田丰, 孙海, 马立强, 韩杰, 陈咪咪, 杜园园, 付煜, 王飞

  利用热电偶多路温度测试仪和红外热像仪，分别测定了砂岩平台巴西圆盘试样Ⅰ型起裂裂纹发育过程中的物理温度和红外辐射温度变化。热电偶多路温度测试过程中，约95%的试样裂纹起裂时载荷发生应力调整，与此同时其物理温度突增，最高升温幅度0.74 ℃(平均0.16 ℃)。红外热像仪测试过程中，约20%的试样裂纹起裂时红外辐射温度升高(平均0.03 ℃)。试验结果表明，物理测温技术和红外测温技术可以捕捉到煤岩破坏前产生裂纹过程的温度变化信息。

• 急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿范围演化规律研究

  刘旭东, 范酒源, 王刚, 鞠爽, 马祖杰

  为了明确急倾斜特厚煤层高压水力“割—压”钻孔间距的合理布置问题，采用数值仿真结合现场实测的方法，对单孔、双孔及六孔高压水力“割—压”钻孔周围煤体润湿范围进行分析。研究结果表明：在注水压力40 MPa、注水时间16 d左右时，六孔高压水力“割—压”钻孔饱和状态的注水湿润半径达15.3 m，可以更大范围地湿润煤体; 与普通高压注水技术相比，采用水力割缝技术辅助湿润煤体时，钻孔周围煤体的注水润湿范围更大、注水效果更显著; 在乌东煤矿北区+500 m水平45 #煤层现场实施高压水力“割—压”技术时，其“割—压”钻孔的布置间距选择30 m较为合理。

• 毕节与龙岩无烟煤结构模型构建及表征对比研究

  冯志忠, 严国超

  通过工业分析和元素分析测试技术，结合固体核磁共振碳谱( 13C-NMR)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)科学手段，对毕节和龙岩地区的无烟煤进行结构表征。结果表明：①毕节无烟煤结构的桥碳比为0.16;芳香族结构为苯环、萘和吡咯，个数分别为7、8、1;脂肪族结构由氧接脂碳和甲基构成，个数分别为4、5;杂原子结构由个数均为1的酚羟基、羰基、羧基、吡咯及硫酚和4个醚组成。②龙岩无烟煤结构的桥碳比为0.29;芳香族结构由1个苯环、5个萘、4个蒽、1个菲和1个吡咯组成; 脂肪族结构由氧接脂碳和甲基组成，个数分别为2、1;杂原子结构由羰基、醚、吡咯、酚羟基和硫酚构成，其对应个数分别为2、2、1、1和1。初步构建了毕节无烟煤(C 148H 75O 8NS)和龙岩无烟煤(C 152H 77O 5NS)大分子平面结构模型，由其结构模型发现毕节和龙岩地区的无烟煤在二维层位上有很大的相似性，且均趋于石墨化。

• 煤层夹矸对巷道围岩稳定性影响研究

  张康宁, 李明

  为研究煤层夹矸条件下巷道围岩稳定性的影响因素，提出了一种基于决策树与正交试验设计的研究方法，使用决策树算法分析影响含夹矸巷道围岩变形的因素，得到相关因素的影响权重排序。以布尔台煤矿为工程背景，设计了三因素的正交试验方案，获得不同含夹矸条件下的巷道围岩变形规律，以极差分析与方差分析优选确定了夹矸坚固性系数、夹矸层位和夹矸厚度三因素对巷道围岩塑性区发育及巷帮移近量的影响程度。研究结果表明：巷道基本参数对围岩变形影响明显，而夹矸因素中夹矸坚固性系数、夹矸层位及夹矸厚度三因素影响较大; 夹矸强度对塑性区发育深度影响明显，夹矸厚度对巷帮移近量影响明显; 当煤矸强度比小于1时，巷道围岩较为稳定，现场巷道支护中应注重提高软弱岩层强度，加强对软弱层支护。

• 采空区热源温度红外测定试验研究

  沈亚楠, 张嘉勇

  为研究采空区高温热源的升温特征和热量传递规律，设计了采空区热源温度红外测定试验方案，分析了高温热源热量传递规律与红外测定试验温度变化的关系。研究结果表明：高温热源与测点温度均随时间呈指数形式增长，且随着测点与热源距离的增加，测点温度以二次函数形式衰减；恒温热源条件下，随着热源温度升高，测点温度整体以二次函数规律增长，但热量传递过程中损耗增加，测点温度增幅减小；对比热源在动态与稳态条件下的测点温度变化情况，通过试验误差分析，得到热源红外测定试验温度修正公式，可用于采空区内高温热源实际温度的实时监测与校正。

• 基于低场核磁共振技术的酸化煤样孔隙特征研究

  熊建龙, 王凯, 杜全先, 孟祥昌, 郭兵兵

  为研究酸化作用后煤体的孔隙结构特征，采用低场核磁共振技术和X射线衍射实验方法，测试了高阶煤自然煤样和酸化煤样的孔隙结构和矿物含量，并根据分形理论对比研究了2种煤样孔隙的分形维数，探讨了酸化作用原理。研究结果表明：自然煤样和酸化煤样中微孔和过渡孔都占较大的比例；煤样酸化后，其孔隙率增大，最小孔径和最大孔径都变大；酸化作用能促使孔隙体积增大，增加的孔隙类型不确定；2种煤样中大孔孔隙结构具有分形特征，酸化后煤样大孔孔隙的分形维数增大；酸化后煤样矿物含量减少，导致孔隙结构发生变化。

• 厚松散层软弱覆岩工作面“三带”发育特征与高度研究

  刘超杰, 高运增, 赵高博, 李少雄

  为探究厚松散层软弱覆岩地质条件下采动覆岩运移规律，基于葛泉煤矿11915工作面采矿地质条件，采用室内相似模拟方法，分析该工作面推进时的直接顶初次垮落、高位覆岩破坏动态过程，得出该工作面覆岩垮落带、断裂带与弯曲带(简称“三带”)高度范围；分析了采动覆岩“三带”内岩层位移特征，得出位于垮落带、断裂带与弯曲带内的岩层位移曲线呈波动性递减趋势。研究结果表明：11915工作面垮落带范围为10~25 m，断裂带高度范围为43~48 m，位于48 m之上的岩层属于弯曲带范围，相似模拟结果与现场实测结果相近，验证了相似模拟实验的合理性。

• 高瓦斯煤层群顶板定向长钻孔抽采技术研究

  张育磊

  为了解决近距离煤层群瓦斯易超限问题，提出采用顶板定向长钻孔抽采技术。以万峰煤矿1201工作面为工程背景，采用数值模拟和理论计算方法，研究煤层开采后对邻近煤层的影响及合理的钻孔布置位置。受煤层开采影响，上下邻近煤层会发生卸压，导致瓦斯解吸，为了保障抽采效果，顶板定向长钻孔应布置在靠近回风巷的断裂带，在水平方向上要避开重新压实区。现场应用结果表明，瓦斯抽采过程可分为增长阶段、稳定阶段和衰减阶段，在稳定阶段抽采瓦斯浓度达60%~70%、瓦斯纯流量达5~6 m 3/min、上隅角瓦斯浓度维持在0.3%~0.4%，抽采效果较好；增长阶段和衰减阶段抽采效果有所降低，分析认为这是由于断裂带范围未发展到顶板定向长钻孔位置和钻孔高度降低后钻孔完整性遭到破坏所致，可采取辅助措施对这两个阶段的邻近层和采空区瓦斯进行加强抽采。

• 基于多变量的太灰含水层突水风险性分类判别研究

  许海涛, 冯吉成, 尹尚先, 刘本冲

  太灰含水层为华北型煤田的下组煤开采直接充水含水层，下组煤层开采时，在具有强水源补给或接近导水通道的部位，常会发生较大的灾害性突水事故。针对近年太灰含水层突涌水事故，从矿井水文地质条件、突水事故经过、原因、特点等方面进行统计分析，确定突水系数、含水层富水性、补给条件、断裂构造是否导通煤层及层位关系为太灰含水层突水风险分类判别的主要变量。根据确定的突水风险分类判别变量，将太灰含水层突水风险性划分为安全型(顶板型或底板型)、顶板突水危险型(有补给或无补给)、底板太灰单一突水危险型(有补给或无补给)、底板太灰与奥灰含水层关联突水危险型、陷落柱或断层贯通突水危险型等类型，并分别制订了防治方法。该研究可为受太灰含水层威胁的华北煤田下组煤层开采防治水工作提供参考。

• 基于组合权重—集对分析的地压风险预评估

  袁海平, 张羽, 熊礼军, 陈晨, 俞祥杰

  复杂采动环境条件下，地压监测点位置直接影响到地压监测的效果及质量。为了科学合理选取地压监测位置，达到重点区域重点监测的目的，需要在地压监测前进行预评估。通过建立组合权重—集对分析的地压风险评价模型，以岩石单轴抗压强度、岩体完整性系数、地下水条件、结构面条件、开采环境因素等5项指标作为评判因素，结合熵权法和层次分析法，对地压风险进行评价，并通过罗河铁矿地压监测实例进行了评估验证。结果表明：5号和7号样本等级均为Ⅳ级，属于风险程度较高级别，与现场实际监测情况吻合。采用组合权重—集对分析模型可为地压监测关键区域的选取及监测点的布设提供较为客观合理的参考依据，也为采场地压预警提供了一条新思路。

• 废弃煤矿瓦斯资源信息管理云平台研发

  郝天轩, 赵立桢

  针对在我国煤炭行业改革的大环境下的废弃矿井瓦斯利用与规划问题，为了能更直观、清晰地查阅管理数量庞大且繁杂的废弃矿井瓦斯赋存资源信息，更智能地对废弃矿井瓦斯资源的可抽性进行评判，建立包含废弃煤矿瓦斯含量、瓦斯资源量等多源异构信息的数据仓库，开发了具有快捷编辑、多源查询、动态更新、可视统计、空间分析、图表制作等功能为一体的子系统；并在构建废弃矿井瓦斯(煤层气)抽采可行性评价指标体系及可靠分析模型的基础上，研发了包括评价因子分层次选取、评价方法及模型内嵌设置、分析参数动态调整、评价结果误差对比分析等全过程的废弃煤矿瓦斯可抽性自动评估子系统，并将此云平台应用于河南焦作矿区，可为矿区安全状态快捷评价及可靠分析提供支撑。

• 厚冲积层薄基岩大断面开切眼稳定性控制技术研究

  刘世峰, 郭鹏

  为解决厚冲击层薄基岩大断面开切眼稳定性控制难题，以赵固一矿16001工作面开切眼为工程背景，采用现场调研、数值模拟和现场工业性试验等相结合的研究方法，对厚冲积层薄基岩大断面开切眼稳定性控制技术进行系统研究。研究结果表明，复杂的高应力场、围岩强度低且层理裂隙发育、传统支护系统的预应力及强度不足是影响16001工作面开切眼稳定性的主要因素。提出了分次成巷减小巷道跨度的开掘方案、“高预应力锚网索+工字钢梁+单体”的联合支护技术，现场应用效果良好，顶板最大下沉量208 mm，两帮最大移近量170 mm，有效保证了开切眼围岩的稳定性，满足工作面设备快速安装的要求。

• 正压通风矿井易自燃复合煤层综放工作面火灾防治实践

  任显财

  正压通风条件下的易自燃复合煤层开采时容易发生自然发火，严重威胁矿井的安全生产。为了解决正压通风矿井在开采容易自燃的复合煤层综放工作面时所面临的自然发火问题，以大柳塔煤矿复合区12 下203综放工作面采空区火灾具体防治实践为例，从工作面的区域位置及开采情况出发，采取架棚区域加固及插管注水、井下高位钻孔与地面钻孔注浆相结合、井上下封堵漏风通道及加强异常区域气体检测等措施，使火区内CO体积分数下降至正常水平，未发现C 2H 2等自然发火标志气体，有效消除了井下明火点，为矿井的安全生产提供了技术保障。

• 小庄煤矿采空区自燃“三带”分布特征研究

  尚玮炜, 张飞, 罗华贵, 王宁, 李斌

  为了防止采空区内遗煤氧化积热自燃诱发矿井火灾，以小庄煤矿40201工作面采空区为研究对象，通过现场实测采空区内O 2和CO浓度，利用Matlab软件得到O 2和CO浓度的分布规律和等值线图，以O 2浓度作为自燃“三带”的划分指标，获得试验工作面采空区自燃“三带”的分布范围，将O 2和CO浓度进行叠加，确定采空区内高危险区域的范围，并计算了工作面的最大停产整顿时间为7 d。真实、直观地显示出采空区自燃“三带”的分布情况，能够为小庄煤矿采空区防灭火工作的实施提供技术支撑，确保40201工作面的安全回采。

• 低浓度煤层气液化精馏塔运行工况分析

  肖露

  低浓度煤层气深冷液化装置的精馏塔的运行工况决定着装置的综合能耗和整体经济性。为了有效优化工艺，降低精馏塔操作负荷，结合实验数据及数值模拟方法，研究了原料气甲烷浓度和精馏塔的回流比对精馏塔设计参数和操作负荷的影响。研究结果表明：随着含氧煤层气气源浓度的增大，精馏塔塔顶冷凝器负荷减小，塔底再沸器负荷增大，为了提高甲烷的回收率，应调节冷剂配比，提高制冷量，使塔顶氮氧尾气中的甲烷充分冷凝；提高精馏塔的操作回流比，可以减小精馏塔的塔板数及高度，但是需要提高综合能耗，实际应用中一般取最小回流比的1.2~2.0倍。

• 关于煤矸石回填工艺技术的研究和思考

  杨长俊

  介绍了我国煤矸石的堆积情况，从煤矸石制备吸附材料、煤矸石制备建筑材料、煤矸石制备化工产品及肥料、煤矸石用于发电及回填等方面，概述了煤矸石的综合利用现状；分析了煤矸石堆积导致的水体、大气、土地等环境污染状况，阐明了煤矿生产伴生的煤矸石回填处理途径及工艺技术。针对煤矿开采过程中的环保问题，总结归纳了相关的国家政策及典型的环境影响评价批复。旨在厘清煤矸石环境污染治理、综合利用问题及未来的发展方向，推进我国煤矸石的有效处理进程，改善矿区生态环境。

• 矿长安全意识影响因素及影响路径研究

  陈铁华, 刘景品, 李红霞, 王洪亮

  矿长安全意识对煤矿安全生产有着重要的影响。为了解矿长安全意识的影响因素及其影响路径，强化矿长安全意识管理，采用文献查阅、问卷调查确定矿长安全意识的影响因素，通过专家访谈确定矿长安全意识影响因素的关系，运用解释结构模型法构建矿长安全意识影响因素解释结构模型并分析了模型的层次和影响路径。研究结果表明：矿长安全意识影响因素包括个体因素、社会因素、组织管理因素3个方面的13个因素，矿长安全意识影响因素有4个层次4种影响路径，影响路径有管理影响型路径、环境影响型路径、心理影响型路径、认知影响型路径。

• 基于贝叶斯网络的HAZOP-LOPA煤矿安全风险评价方法应用研究

  张景钢, 王清焱, 赵淑枫

  为了解决传统安全评价方法在煤矿安全风险评价中的局限性、适用性，以及分析过程易受人为主观因素影响等问题，提出基于贝叶斯网络(BN)的HAZOP-LOPA煤矿安全风险评价方法。通过研究危险与可操作性分析法(HAZOP)与防护层分析法(LOPA)这2种方法的优缺点，将定性分析与半定量分析相结合，在LOPA法中的各个防护层中插入贝叶斯网络模型，利用“GeNie”软件计算独立防护层的失效概率，构建贝叶斯模型，完成贝叶斯网络模型的分析和计算，并将此方法应用于煤矿瓦斯爆炸事故评价中，结果表明瓦斯传感器和优化通风系统2个独立防护层起到了降低风险的作用。

• 安徽省矿业城市生态安全动态评价及预测

  阮君, 何刚, 王莹莹, 赵杨秋

  为解决评价过程中的随机性和不确定性问题，将正态云模型引入到生态安全评价中。基于压力—状态—响应(PSR)模型构建生态安全综合评价指标体系，利用熵权法确定各指标权重，对安徽省9座矿业城市2010—2018年生态安全状况进行动态评价，结合BP神经网络算法对未来7年发展状况进行预测。结果表明：2010—2018年，安徽省矿业城市生态安全整体从Ⅲ级提升到Ⅳ级；各矿业城市发展内部存在差异，淮南生态安全较差；在未来7年中，安徽省矿业城市生态安全整体呈上升趋势，压力、状态子系统属于较低水平。

• 2008—2020年煤矿事故统计分析及防范对策

  张培森, 李复兴, 朱慧聪, 牛辉, 李晓禾

  基于2008—2020年我国煤矿事故数据，从事故发生的时间、地区、等级、类型4个方面进行统计分析并建立事故等级与类型关系的数学模型。分析结果表明：煤矿事故夏季多发、冬季较少，事故数量具有明显的季节性差异；事故起数与死亡人数在时段上分布不均匀、不对应；近5年一般事故起数有明显增长的趋势且与顶板、机电、运输事故关系密切，减少一般事故的发生可从防控顶板、机电、运输事故入手；受煤炭资源分布、赋存条件、开采情况影响，事故起数和事故类型存在地区差异。依据煤矿事故发生规律，对煤矿事故防范对策进行了讨论，认为煤矿企业应不断落实国家的宏观规划，事故的防治措施应因时、因地制宜，加强煤矿应急系统建设，完善煤矿事故资料。