矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2022年第2期

• 基于侧限压缩试验的黏土动态力学性能研究

  张祥, 陈骏, 李进, 温维山, 易辉, 赵康朴

  为研究斜井井筒采用冻结法施工穿过松软含水黏土层时，冻结壁失稳、冻结管破坏与黏土强度、黏土变形之间的关系，以黏土为试验对象，通过高压固结仪还原深部黏土受压变形过程，利用SHPB试验装置对无侧限、有侧限条件下的黏土试件进行不同应变率加载，借助高速摄影机拍摄黏土试件的变形破坏过程。研究结果表明：无侧限条件下，黏土试件变形大，被压成“薄饼状”，但仍具有一定的承载力，且存在透射信号差的问题；黏土试件以环刀作为侧限约束，环刀起到被动围压的作用，试件透射信号幅值明显增大，侧限条件下试件的峰值应力、应变与应变率呈正相关的关系；侧限条件下引入岩石类材料损伤变量 D，通过分析损伤变量 D随应变的演化规律，发现在相同应变比条件下，冲击速度越大，则 D值越小，试件的压实程度越高；侧限条件下黏土具有明显的回弹现象，试件的回弹量随着平均应变率的增大而增大，黏土的回弹作用会对井筒、冻结管产生预压力，对其稳定性产生负面影响。

• 煤矿地下水库相邻采空区水力联系及渗流规律研究

  智国军, 刘润, 杨瑞刚, 秦伟, 鞠金峰

  区段煤柱参数对相邻采空区间的水力联系具有显著影响，而在煤矿地下水库设计时，区段煤柱参数的确定缺乏科学理论支撑。针对上述问题，以万利一矿4-2煤盘区区段煤柱为研究对象，根据区段煤柱侧向支承压力演化规律设计煤(岩)样渗流试验，获得煤(岩)样渗透率随垂直应力的变化函数，揭示了采空区多孔介质渗透率的分布规律。在此基础上开展了区段煤(岩)柱水渗流特性的CFD数值计算，结果表明：随着采空区水位的降低、煤柱宽度的增大，采空区水流动范围和流动速度均不断减小，水位18.65、28.65、38.65 m条件下采空区水进入相邻采空区的临界煤柱宽度分别为30、50、70 m；当区段煤柱宽度小于10 m时，采空区水可以在底部煤层绕过弹性核区进入相邻采空区；当煤柱宽度超过20 m时，采空区水不能通过底部煤柱进入相邻采空区。

• 综掘工作面门型风幕控尘除尘系统粉尘防治研究

  马胜利, 张强, 龚晓燕

  针对综掘工作面粉尘防治问题，提出了利用风幕控尘结合压抽混合式通风除尘的门型风幕控尘除尘系统。通过理论分析计算确定各风幕参数之间的函数关系，根据玉华煤矿2410综掘工作面实际条件建立几何模型，应用Fluent软件对门型风幕控尘除尘系统的风流场和粉尘场进行仿真分析，并与现场实测数据进行对比分析。研究结果表明：门型风幕能有效地将粉尘控制在距工作面5 m范围内，同时配合除尘风机将含尘风流抽排过滤，风幕后方粉尘质量浓度明显降低，呼吸带粉尘平均质量浓度降至32.67 mg/m 3，与原有压抽混合式通风除尘相比粉尘质量浓度降低了86%，显著提高了除尘效率，工作面环境得到明显改善。

• 基于GMM+SVM的声发射花岗岩裂纹识别研究

  黄晓红, 董诗琪, 李静, 卢晔

  提出一种基于GMM+SVM算法并用于确定声发射参数分析中裂纹分类最佳分界线的新方法。利用高斯混合模型(GMM)对试样试验过程所得的声发射信号特征进行聚类得到标签数据，再通过支持向量机(SVM)算法创建的超平面分离数据中的交叉簇，得到SVM超平面分界线，优化了裂纹分类中张拉和剪切区域的区分。以花岗岩为研究对象，通过单轴加载试验，对花岗岩试样破裂过程的声发射信号进行研究。分析结果表明，通过GMM+SVM超平面算法，可将试样中张拉和剪切区域之间的交叉簇精确区分，花岗岩试样在整个应力加载过程前中期以张拉裂纹为主，后期剪切裂纹占比不断增加，剪切裂纹所占比例在80%~90%峰值应力阶段出现突变，最终验证此方法可与花岗岩整个应力加载过程中的不同破裂模式相对应，可为岩石失稳破坏预测提供依据。

• 大采高综采工作面作业区域粉尘溯源研究

  王存飞

  针对8 m大采高综采工作面人员作业区域粉尘来源不清、治理重点不明，且缺少理论支撑的问题，选取神东补连塔煤矿12513综采工作面为研究对象，采用数值模拟和现场测试相结合的方法，分别研究采煤机割煤和降柱移架2个主要尘源单独作用、共同作用时的粉尘运移规律，分析了采煤机附近区域人员呼吸带的呼吸性粉尘质量浓度分布情况。研究结果表明，8 m大采高综采工作面在顺风、逆风割煤两种工况下采煤机附近人员作业区域呼吸性粉尘质量浓度最高处均在采煤机中部位置，分别为203.8、111.6 mg/m 3，此处降柱移架产生的粉尘质量浓度为90.7 mg/m 3，源于降柱移架尘源的占比分别为44.50%、76.69%。粉尘溯源研究成果可以为大采高综采工作面粉尘的针对性治理提供理论依据。

• 粒径对褐煤粉尘润湿性的影响研究

  张洋, 崔豫楠, 闫晶晶, 李治刚, 郭红光, 李雨成

  喷雾降尘技术的降尘效率与煤尘的润湿性密切相关，而煤尘的润湿性受诸多因素影响。为了研究粒径对煤尘润湿性的影响，以内蒙古雁南煤矿4种不同粒径煤粉为研究对象，从接触角、沉降效率、红外光谱、润湿热4个方面探讨粒径对煤尘润湿性的影响规律。研究表明：当煤尘粒径逐渐增大时，接触角则逐渐减小，亲水沉降效果显著；粒径变化没有造成煤尘官能团种类的缺失，但是随着煤尘粒径的减小，含氧官能团减少，煤尘亲水性影响因子减小；润湿热与同种煤尘粒径呈负相关关系，与接触角呈正相关关系，因此可以用润湿热表征不同粒径煤尘润湿性的好坏。研究结果可为提高煤尘润湿效率和矿井煤尘防治技术发展提供一定的参考。

• 沿空留巷采空区煤自燃堵漏控风机制数值模拟研究

  司俊鸿, 王乙桥, 程根银, 李林, 高世杰

  根据开放式沿空留巷采空区漏风强度较大、风流运移规律复杂的特点，构建了沿空留巷采空区风流运移影响因素指标，建立了Y型通风采空区渗透率分布模型，提出了基于平行四边形面积判定的Y型通风工作面采空区横向氧化带区域划分方法。在漏风源堵漏控风机制分析的基础上，采用数值模拟方法，研究了漏风封堵位置影响采空区风流运移变化规律。试验结果表明：靠近沿空留巷侧的采空区漏风风速大于非沿空留巷侧，受风流的惯性影响工作面下隅角处沿采空区深部方向的漏风风速较大，形成了风流惯性冲击区；漏风源堵漏控风方法减小了横向氧化带的宽度、增大了横向氧化带与工作面的夹角，不影响纵向氧化带的宽度；封堵下隅角时，采空区氧化带区域面积最小。研究成果可为类似条件下的开放式沿空留巷采空区煤自燃控风技术提供理论指导。

• 不同粗糙度单裂隙渗流规律研究

  冯宇迪, 陈世江, 雷旺, 李治豪, 常亚男

  为了研究裂隙岩体的渗流规律，将岩体中的裂隙网络简化为单裂隙，依据Barton提出的10条JRC标准轮廓曲线，采用3D打印技术制备出含10级粗糙度(JRC=1~20)的单裂隙水泥试件，对其进行单裂隙渗流试验，研究不同粗糙度单裂隙岩体在不同围压、水压情况下的渗流规律。研究结果表明：岩体单裂隙渗流过程中，当水压和围压恒定时，粗糙度越大，则渗透率越小；当水压和粗糙度恒定时，围压越大，则渗透率越小，但在围压增大到4 MPa时，渗透率下降速度趋于平缓；在围压及粗糙度相同的情况下，单裂隙岩体的渗透率随着水压的升高而增大，且呈线性相关关系。

• 基于等效简化的流体网络灵敏度集成计算方法

  王珏, 周西华, 白刚, 孟凡康

  为提高复杂流体网络灵敏度分析效率，在流体网络等效简化理论基础上，提出了流体网络灵敏度矩阵模块集成方法，推导出流体网络模块分支灵敏度集成计算公式，实现了流体网络等效简化模块内灵敏度输入集成计算、等效简化模块内灵敏度输出集成计算，以及等效简化模块内各分支灵敏度集成计算。通过算例演示了流体网络灵敏度集成计算过程，分析了灵敏度矩阵集成计算的影响因素及变化规律。灵敏度集成计算方法的提出，实现了复杂流体网络灵敏度矩阵等效简化，可提高复杂流体网络稳定性分析效率。

• 全矿反风风速对硐室火灾烟气影响的数值模拟

  李雯静, 邱立强, 任大军

  为探究全矿反风风速对硐室火灾烟气蔓延的影响，利用FDS火灾数值模拟软件构建矿井巷道三维模型，模拟全矿反风风速为1.0、1.5、2.0、2.5 m/s条件下的火灾场景，分析不同反风风速下硐室左右两侧烟气浓度和巷道内能见度的变化情况。研究结果表明：当全矿反风风速为1.0 m/s时，巷道进风侧风流紊乱，烟气出现明显回流现象；随着反风风速的增大，进风侧风流方向开始反转，巷道内能见度和风流反向速率不断增大；反风风速为1.5~2.0 m/s较合适，且当针对硐室火灾事故采取救灾救援措施时，反风风速需确保大于临界风速2.5 m/s。

• 余吾煤矿松软煤层水力割缝参数优化研究

  黄勇

  为了解决松软煤层条件下水力割缝卸压增透效果差、割缝钻孔排渣困难的问题，开展了松软煤层条件的水力割缝工艺参数研究。在研究松软煤层水力割缝主要控制因素的基础上，分析了不同水力割缝工艺参数对割缝煤层卸压增透效果、钻孔瓦斯抽采的影响；通过现场考察不同工艺参数下水力割缝煤层瓦斯抽采效果、钻孔割缝出煤数据，得到了松软煤层最佳水力割缝工艺参数。对最佳水力割缝参数组合进行现场应用，结果表明，割缝压力、射流切割缝槽宽度、钻杆旋转速度是影响松软煤层水力割缝卸压效果的主要控制因素，优化后的割缝钻孔平均抽采瓦斯纯流量及钻孔平均抽采甲烷体积分数分别较未采取措施的普通对比组钻孔提高了2.58、0.58倍。

• 基于改进灰色Verhulst模型的巷道变形破坏预警方法研究及应用

  李甲, 王文杰, 尹东

  为解决监测数据不足导致巷道变形失稳预警结果不准确的问题，通过改进的灰色Verhulst模型对巷道围岩变形进行拟合、预测，并以位移变化曲线的拐点及极值点来确定累计位移量、位移速率指标的危险等级阈值；采用模糊综合评价方法，构建预警指标的模糊隶属度函数，采用层次分析法确定预警指标的权重，以最大隶属度原则确定最终的巷道围岩变形失稳灾害危险等级。通过对恒大煤矿2233运输平巷的巷道变形及金川二矿区1 018 m水平Ⅲ盘区1分层穿脉巷道中充填体顶板变形破坏的预警结果表明，优化灰色Verhulst模型能有效地提高小样本数据情况下巷道变形失稳灾害预警的精度，对巷道围岩变形失稳灾害预警有重要的指导意义。

• 新景煤矿保安区煤体结构特征及测井模型构建

  李俊堂, 王如江, 高彬, 吴财芳

  煤体结构是制约构造煤发育区煤层气勘探开发的重要地质约束条件，对煤体结构的精确判识是优化煤层气开发方案的基础。为了明确新景煤矿保安区煤体结构发育规律，采用定性与定量相结合的方法对测井曲线进行整理分析，结果表明：在定性分析阶段，自然伽马、密度、井径2、深双侧向电阻率和声波时差对煤体结构的变化响应强烈，基本能反映出煤体结构的变化规律；在定量分析阶段，通过对钻井所取煤样进行GSI赋值、单因素多因素线性回归分析及相对误差分析验证，构建了一套适合于新景煤矿保安区的煤体结构测井模型。通过研究，明确了新景煤矿保安区的煤体结构的发育规律，认为8 #煤层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤分别占净煤总厚度的36.16%、30.51%、33.33%，15 #煤层Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤分别占28.43%、50.73%、20.84%，从Ⅲ类煤占比的角度认为15 #煤层煤体结构略优于8 #煤层。

• IPSO-TS算法在矿井通风网络风量优化中的应用研究

  宋佳林

  为了解决矿井通风网络中用风需求多变及通风能耗高等问题，以通风网络总功耗最低为目标函数，以矿井通风网络基础定律等为约束条件，建立通风网络非线性无约束优化模型，应用罚函数对模型进行改进。采用改进粒子群算法与禁忌搜索算法相结合的方法，以提高算法收敛速度与精度，能够避免陷入局部最优。应用该方法对改进模型进行求解，并以荣华一矿为研究对象进行仿真模拟，结果表明：该方法使通风网络总功耗降低43.27%，矿井各巷道风量能够满足需求，从而验证所采用方法的可行性及有效性。

• 基于5G通信网络的高精度无线微震监测技术研究

  孙学波, 李志福, 王元杰, 陈法兵, 李岩

  目前国内微震监测设备均以线缆传输为主，导致在冲击地压矿井中设备的安装与后期升级改造较为困难。针对此现状，研究了基于5G无线通信网络的高精度微震监测技术，设计了一款支持IEEE 1588协议的无线微震监测系统，其包含高精度三分量MEMS微震传感器，以5G网络通信模块SIM8200EA-M2为通信接口，通过PTP协议实现精准时间同步，使用实时操作系统FreeRTOS和LWIP协议栈处理数据流。该系统实现了采集终端采集到的微震信号通过5G网络进入光纤环网，光纤环网经过支持PTP协议的网络交换机传输数据到计算机进行定位计算，各终端微震信号传输同步精度达120 ns。实验结果表明，该系统接入5G网络的延迟小、精度高，满足冲击地压矿井微震信号智能化监测的需求。

• 基于三种时间序列模型的矿井涌水量预测

  刘晓丹, 潘国营

  为实现矿井涌水量的有效预测，提高预测精度，基于鹤壁八矿2009—2019年的月度涌水量数据，运用时间序列分析软件Eviews9.0建立了X12季节调整、ARIMA(2，0，1)、SARIMA(2，0，1)×(0，1，1) 12模型，并使用2019年月度涌水量数据进行验证。通过比较3种模型的预测误差，探讨鹤壁八矿矿井涌水量预测的最优模型。结果显示，3种模型对涌水量的预测效果都比较好，其中预测精度最高的模型为ARIMA(2, 0, 1)，SARIMA(2，0，1)×(0，1，1) 12模型次之，X12季节调整模型略差。对3种模型的可能误差来源进行了研究分析，可为矿井涌水量预测提供新思路。

• 高家梁煤矿40101综采工作面采空区自燃“三带”分布规律研究

  杨富强, 范军富, 王兆峰, 郝海伟, 王国涛

  为明确高家梁煤矿40101综采工作面采空区遗煤自燃风险范围，采用现场实测和数值模拟相结合的方法，对该工作面采空区自燃“三带”分布规律进行研究。利用束管监测系统监测采空区气体体积分数，结果表明：O 2体积分数随采空区深度的增加呈显著下降趋势，二者拟合关系符合Logistic函数规律；CO 2、CH 4、C 2H 6等气体体积分数随采空区深度的增加呈显著上升趋势；CO体积分数随采空区深度的增加先升高后降低。综合现场实测和数值模拟结果，40101综采工作面回风巷侧氧化带范围为采空区深19~131 m，运输巷侧氧化带范围为采空区深100~163 m。在不采取其他采空区防火措施的情况下，40101综采工作面最小推进速度为4.08 m/d。

• 煤矿钻孔煤粉着火因素分析及防治技术

  周晓庆, 戚灵灵, 王兆丰

  为了明确煤矿钻孔煤粉着火影响因素，以及各个因素在火灾防治中的重要性，结合山西保利平山煤矿2次钻孔着火事故，采用层次分析法对钻孔煤粉着火影响因素进行定性定量分析，确定各个影响因素在钻孔着火防治中所占权重。结果表明：施工人员应急处理、施工人员规范作业、监控监测、钻孔施工工艺等是防止钻孔着火的关键因素。同时，根据分析结果中的优先考虑因素，提出一系列防止钻孔煤粉着火的技术建议与治理技术措施，可为煤矿钻孔煤粉着火防治提供科学的理论依据，以进一步促进煤矿安全生产。

• 煤矿井下密闭取样钻头设计与优化

  卢宗玮, 王清峰, 李彦明

  为了解决现有密闭取样技术存在的钻井液污染严重、取样量少、取样成功率低等问题，对常规底喷式PDC取样钻头的水路结构与取样钻头取样部分进行优化设计。将斜水路结构与3种小钻头结合，通过仿真模拟得到取样钻进过程中的钻头流场与孔底受力情况，模拟结果表明优化设计可行。在河南正龙煤业有限公司城郊煤矿开展了密闭保压取样试验，共进行了5次取样，成功取样4次，最大取样量为1 024 g，最小取样量为475 g，正常取样率在70%以上，取样量比常规底喷式取样钻头提高了1倍左右。

• 乌东煤矿综放工作面上隅角硫化氢治理技术

  胥奎, 赵凯, 龚小兵, 赵中太, 王磊

  乌东煤矿+575 m水平45 #煤层西翼综放工作面开采过程中，上隅角硫化氢体积分数超限给回采工作带来严重危害。采用监测硫化氢体积分数的方法，得出在距煤壁相同的同一断面高度方向上的上隅角硫化氢体积分数呈现出与底板距离的增加而减小的分布规律。采用理论分析及现场测试相结合的方法，提出上隅角硫化氢集中抽取—净化一体化治理新技术，现场应用结果表明：在距吸风口后5 m及出风口后1 m位置的硫化氢体积分数，分别由抽取—净化前的588.8×10 -6 、120.2×10 -6降至抽取—净化后的28.2×10 -6、10.0×10 -6，硫化氢抽取率、净化率分别达到95.2%、91.7%，取得了较好的治理效果。

• 综掘工作面压抽风量比对多径向涡旋气幕阻尘效果的影响

  王昊, 张永亮, 撒占友, 吴静波, 王家远

  为了解决煤矿综掘工作面粉尘污染难题，以唐口煤矿3110运输巷综掘工作面为研究对象，对压抽风量比 r为0.5、0.8、1.2、1.5条件下的多径向涡旋气幕运移及其阻尘效果开展数值模拟研究。结果表明，随着 r的减小，控制风流结构的主要因素由惯性转变为抽风负压，气幕保持径向涡旋状态的轴向运移距离及其前部低速紊流区均随之减小，当 r减小至0.8及0.5时，能够在掘进作业区域形成轴向阻尘流场，粉尘污染范围也随之减小。结合综掘工作面实际情况，选取 r为0.8，经现场应用，掘进机司机前部断面形成了较为完整的轴向阻尘流场，风速减小至0.38~1.19 m/s，掘进机司机处粉尘质量浓度降至63.0 mg/m 3。

• 顺层长钻孔中压水力割缝增透技术及应用

  乔伟

  为了解决深井高地应力低透气性强突出中硬煤层瓦斯抽采钻孔工程量大、抽采时间长、瓦斯灾害频发的难题，通过对中压水力割缝破煤机制、设备构成、割缝工艺技术流程进行研究，提出煤体顺层长钻孔中压水力割缝卸压增透技术，并在中煤新集二矿220108工作面1煤层开展工程实践。结果表明：中压水力割缝增大了煤体内暴露空间体积，割缝等效半径可达到1.25~1.95 m；割缝钻孔瓦斯涌出初速度增大了7.3倍，瓦斯涌出衰减系数降低了73.1%；割缝钻孔抽采瓦斯浓度提高了1.8倍，抽采瓦斯纯流量提高了1.3倍，实现了持久高浓度连续抽采。与未割缝普通钻孔相比，割缝钻孔抽采15、30 d的钻孔抽采半径分别增大34.8%、32.2%，可有效缩短瓦斯抽采达标时间，同时减少了瓦斯治理工程量，能够解决采掘接替失衡难题，实现强突出煤层的安全高效开采。

• 极近距离煤层下行开采巷道围岩支护技术研究

  李松峰, 陈军锋

  为了研究极近距离煤层上煤层开采后应力、采空区对下煤层回采巷道布置及支护效果的影响，采用理论分析、数值模拟和现场实践等方法，根据塑性理论计算采空区底板最大破坏深度及范围，最大破坏深度达9.2 m，破坏范围为20.5 m。通过FLAC 3D数值软件模拟分析了极近距离煤层开采底板巷道围岩应力分布规律，得出距离底板不同深度的应力集中程度，以及下位煤层巷道与上方煤柱边缘合理的平面距离。现场巷道为弧顶直墙形，采用“U型钢拱形支架+锚杆索+注浆”联合支护方式。矿压观测结果表明，掘进期间两帮位移量近250 mm，顶板下沉量在80 mm左右，底鼓量约为50 mm。

• 山西省煤层气(瓦斯)开发利用现状及发展方向

  李德慧, 李国富, 刘亮亮, 徐云, 常会珍, 王旭超, 张永成, 张江华, 张为

  为促进山西省煤层气(瓦斯)产业化持续健康发展，总结山西省瓦斯地质特征、开发利用现状、产业发展面临的问题，从政策、技术、产业等方面提出对策建议，指出煤层气(瓦斯)发展方向是完善储气调峰等基础设施建设，推进高附加值产品研发转化，提高井下煤矿瓦斯利用率，助力实现碳达峰、碳中和目标。煤层气(瓦斯)产业需提升开发利用水平，以保障商业化运营空间；碳减排趋势下，煤层气抽采企业应积极参与国际碳排放权交易；科学利用煤层气(瓦斯)，减少直接排放，通过科技创新推动高附加值转化；坚持“煤与瓦斯共采，治理与利用并重”的先进理念。

• 煤层钻孔瓦斯抽采有效半径影响因素分析

  张飞, 尚玮炜, 罗华贵, 王宁, 贾进章, 李斌

  为了揭示不同因素对煤层钻孔瓦斯抽采有效半径的影响，更准确地预测煤层瓦斯抽采有效半径，提高瓦斯抽采率，基于瓦斯在煤层中的运移、渗流与Klinkenberg效应等理论，构建了瓦斯抽采数学模型；采用COMSOL软件模拟了初始瓦斯压力、渗透率、抽采负压、孔径和抽采周期等5个因素对煤层瓦斯抽采有效半径的影响。结果表明：煤层瓦斯抽采有效半径与初始瓦斯压力的变化呈负相关关系，与渗透率、抽采负压、钻孔孔径和抽采周期的变化呈正相关关系。利用灰色关联数学模型，根据数值模拟结果对这5个影响因素进行主次顺序分析，得到初始瓦斯压力对瓦斯抽采有效半径的影响最强，渗透率次之，抽采负压的影响最弱。研究成果可为煤层瓦斯抽采工艺的井下施工提供理论依据。