矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2022年第3期

• 建北煤矿高瓦斯煤层自燃早期预报指标优选研究

  文虎, 郭曦蔓, 张铎, 程小蛟, 魏高明, 唐瑞

  为解决建北煤矿高瓦斯煤层自然发火早期精准预测预报的难题，以该矿4204工作面煤层为研究对象，利用程序升温实验重点分析不同粒径煤样在升温氧化过程中CO、CO 2、C 2H 6、C 2H 4等气体体积分数的变化规律，通过格氏火灾系数等方法进行处理分析。结果表明，建北煤矿煤样出现CO的临界温度为60~80 ℃，且整体变化趋势呈指数增长，CO气体产生量与粒径呈反比关系；C 2H 4出现的温度约为120 ℃，且煤样粒径越小其体积分数增长越快。依照指标气体优选原则，确定建北煤矿4204工作面高瓦斯煤层煤自燃的优选指标：主要气体指标为CO、第二类火灾系数；辅助气体指标为C 2H 4、烯烷比 φ(C 2H 4)/ φ(CH 4)和 φ(C 2H 4)/ φ(C 2H 6)、第三类火灾系数。应用指标气体CO和煤温进行函数曲线拟合，进一步验证煤自燃程度。研究结果为建北煤矿高瓦斯煤层自燃预报提供了理论依据，对我国同类工况条件的高瓦斯煤层煤自燃早期预测预报与超前防控具有重要的指导意义。

• 湿陷性黄土相似材料力学特性试验研究

  赵兵朝, 马云祥, 郭亚欣, 孙浩, 王京滨, 王海龙

  为研究湿陷性黄土相似材料的力学特性，利用正交试验设计配制了以河砂和重晶石粉为骨料、黏土和石膏为胶结材料、硅藻土为调节材料的不同配比相似材料，采用极差分析法及相似模拟等研究方法对相似材料力学特性进行了研究。结果表明：①各影响因素对相似材料湿陷系数的影响显著性由大到小依次为硅藻土质量分数、含水率、骨胶比、土膏比、重晶石粉质量分数；对黏聚力的影响显著性由大到小依次为含水率、骨胶比、硅藻土质量分数、土膏比、重晶石粉质量分数；对内摩擦角的影响显著性由大到小依次为骨胶比、含水率、硅藻土质量分数、重晶石粉质量分数、土膏比；②相似材料湿陷系数、黏聚力与硅藻土质量分数呈正相关关系，与骨胶比呈负相关关系；内摩擦角与骨胶比呈正相关关系，与含水率呈负相关关系。工程应用证明，相似材料的温陷系数、黏聚力、内摩擦角试验值与理论值偏差分别为5.6%、6.3%、5.3%，吻合度较高；相似模拟试验结果与现场实测结果基本一致。

• 构造应力影响下大断面巷道围岩灾变机理及稳定控制研究

  陈定超, 王襄禹, 赵祥岍, 李冠军, 张飞腾

  王庄煤矿7105运输巷受自身大断面尺寸开采和井田内部地质构造运动影响，围岩破碎严重，巷道变形剧烈，严重威胁矿井的安全生产。采用现场调研、数值模拟和工业性试验等手段，总结了构造应力影响下大断面巷道围岩变形规律，揭示了巷道断面尺寸效应和构造应力强弱效应对大断面巷道围岩灾变的诱导机理; 提出了以“顶板强压支护+两帮注浆加固+底角锚注阻隔”为核心技术的巷道围岩稳定控制对策，并开展了相关的工业性试验。试验结果表明：支护后的巷道在90 d后顶底板最大变形量为28 mm，两帮最大移近量为69 mm，有效解决了构造应力影响下的大断面巷道灾变问题。

• 呼吸性粉尘虚拟冲击分离器数值模拟及实验验证

  李彦筑, 王杰, 谢双

  针对呼吸性粉尘连续分离问题，对陶析式、惯性冲击式、旋风式分离方法进行了分析，利用流体力学软件Fluent对虚拟冲击器内部流场进行数值模拟，建立了满足BMRC曲线分离标准的虚拟冲击器模型，并结合数值模拟结果对分离器结构尺寸进行修正优化。按照模型加工了分离器样件并进行了气溶胶实验验证，结果表明样件的分离效能与BMRC曲线标准差均小于5%，满足行业标准要求。

• 基于岩石微破裂演化崩塌失稳预警室内试验研究

  杨贵, 陈世万, 余琪, 杨根兰

  采用针对岩体崩塌监测研发的无线微震传感器及声发射监测技术，通过分级蠕变加载的方式模拟岩体崩塌孕育过程渐变自然应力作用，研究了白云岩拉裂型崩塌室内模拟试验过程声信号特征。研究发现：针对微震信号，自适应噪声完全集合经验模态分解(CEEMDAN)与小波相结合的联合去噪方法效果较好，可显著提高信噪比；各分级蠕变加载后，均在加载前期出现大量微震信号，最后一级破坏荷载段微震信号幅值和数量显著增大，临近破坏时微震信号主频降低明显。定义了声发射信号 k值(AF/RA)并将其作为张拉破裂和剪切破裂的判据，岩体破坏前5 s内剪切破裂所占比例开始增大，破坏前1 s内突增。对比分析了试验中岩体变形监测结果，表明变形监测对小尺度岩石加载破坏全过程响应微弱，难以提取有效的破坏前兆信号。研究成果可为发展岩体崩塌突变失稳破坏监测技术提供重要支撑。

• 防灭火凝胶泡沫的制备与阻化特性研究

  李方琳, 张雷林, 韦健

  为有效防止煤炭自燃，以5种不同类型的表面活性剂为基础，2种高分子聚合物为改性添加剂，研制出发泡倍数高、稳定性强、润湿性好的凝胶泡沫，并进行发泡性能和高温阻燃特性测试。研究结果表明：在发泡性能方面，当表面活性剂A与B的质量比为1∶2、总质量浓度为6 g/L，聚合物X的质量浓度为3 g/L时，制备的凝胶泡沫性能最佳；在高温阻燃方面，与原始煤样比较，经凝胶泡沫处理后的煤样点燃时间由27 s延长至334 s，热释放速率峰值从68.08 kW/m 2降低至38.46 kW/m 2，1 200 s内的总热释放量由41.98 MJ/m 2降低至37.12 MJ/m 2，阻燃效果显著。

• 振动频率对含瓦斯煤渗透特性的影响及模型验证

  曹伟伟, 温欣, 张晓彬, 洪学娣

  为了研究振动频率对含瓦斯煤渗透特性的影响，采用“振动—三轴—渗流”试验装置，开展含瓦斯煤在不同振动频率和瓦斯压力下的渗透试验，并将流固耦合模型代入软件进行验证。研究结果表明：含瓦斯煤的渗透率随瓦斯压力的逐渐增加呈现出先下降后上升的变化规律，该曲线的克林伯格瓦斯压力临界点在1.0 MPa左右；含瓦斯煤的渗透率随振动频率的增加先逐渐变大，当振动频率超过10 Hz后，渗透率缓慢减小并最终趋于稳定；考虑振动对煤岩的影响，推导出孔隙率与渗透率动态演化方程，代入Ansys模拟软件验证了方程的准确性。

• 嵌入空洞卷积和批归一化模块的智能煤矸识别算法

  郭永存, 张勇, 李飞, 杨鹏

  为解决现有机器视觉煤、矸石识别算法感受野小、特征提取能力低和训练收敛速度慢的问题，提出一种嵌入空洞卷积和批归一化模块的智能煤矸识别算法。该算法利用空洞卷积替换VGGNet16网络中尺寸为3×3的卷积核，增大卷积核感受野、提高网络的特征提取能力，同时在卷积层和激活层之间嵌入批归一化模块，在避免梯度消失的同时可加快模型训练收敛速度。利用搭建的实验装置采集煤和矸石图片，制作煤和矸石图像数据集，对模型进行训练，并基于浮点运算次数FLOPs和F1分数对模型的训练结果和预测效果进行评价。实验结果表明，改进后的煤矸识别算法FLOPs为71 632 538次，测试集F1分数为0.994 3，训练在第5个周期即收敛且准确率达到97%以上。通过与其他网络模型训练结果进行对比，说明所建模型具有较快的收敛速度且预测效果较好。

• 水力冲孔增透促抽技术在突出煤层石门揭煤中的应用

  谭家贵, 李克相, 张茂元, 郭建忠, 盛柱稳, 孙京, 陈勇

  白龙山煤矿一井C 2煤层为突出煤层，为提高矿井瓦斯抽采效果，保障石门揭煤安全、缩短揭煤周期，对水力冲孔增透促抽技术开展了试验研究。研究结果表明：石门揭煤区域采取水力冲孔措施后，渗透性较低且较为松软的C 2煤层出煤量较大，单孔出煤量1.27~2.73 t，平均出煤量2.28 t；试验区域经210 d连续抽采，煤层瓦斯含量由11.465 9 m 3/t降低至3.551 1~4.251 7 m 3/t，下降约63%，瓦斯压力由0.81 MPa降低至0.34 MPa，下降约58%；揭煤期间工作面钻屑瓦斯解吸指标 K 1值最大值为0.32 mL/(g·min 1/2)，钻屑量最大值为2 kg/m，炮后瓦斯浓度为0.04%~0.24%，瓦斯涌出量为2.22 m 3/min。水力冲孔措施可为矿井石门安全快速揭煤提供技术保障，对安全生产具有重要指导作用。

• 基于稳定同位素的混合瓦斯源识别技术研究与应用

  梁文勖, 李江涛, 付巍, 张阳

  为了精确测定群煤层采空区混合瓦斯中本煤层和邻近层的瓦斯涌入比例，提出利用稳定同位素技术分析近距离煤层混合瓦斯来源及比例。以屯兰矿为研究对象，通过测试开采煤层及上下邻近煤层解吸气体中甲烷的碳氢同位素、乙烷的碳同位素值，分析各值的分布特征；测试工作面推进到不同位置时采空区顶板断裂带(高抽巷、顶板走向钻孔)和上隅角附近的混合气体碳氢同位素值，建立三端元混合瓦斯源判识数学模型，计算各混合气体的瓦斯源比例。研究结果表明：屯兰矿上组煤解吸烷烃的碳氢同位素中位值存在差异，其中甲烷和乙烷的碳同位素中位值差异较大，氢同位素中位值差异较小，在测试中不宜作为端元气体；12505综采工作面采空区顶板断裂带和上隅角位置各煤层瓦斯涌入比例呈现动态变化规律，瓦斯涌入分为02 #煤层瓦斯涌入阶段、2 #煤层瓦斯涌入阶段和瓦斯稳定涌入阶段，顶板断裂带内瓦斯稳定涌入阶段混合瓦斯来源于02 #、2 #和4 #煤层的平均比例分别为60%、30%、10%，上隅角和埋管管路中瓦斯稳定涌入阶段混合瓦斯来源于02 #、2 #和4 #煤层的平均比例约为13%、50%、37%。与传统分源预测法相比，利用稳定同位素示踪分源预测法能够动态分析回采期间不同地点的瓦斯来源，可为瓦斯精准治理提供更有效的依据。

• 高瓦斯环境下“固、液、气”三位一体防灭火技术的应用

  卢浩, 何启林, 李金亮, 陆伟

  高瓦斯矿井中兴煤矿1413综放工作面存在漏风裂隙致使采空区遗煤火源无法熄灭，进而造成巷道内CO浓度严重超限，此种情况下极有可能导致爆炸事故的发生。为达到安全扑灭火源的目的，针对其火与瓦斯共存的情况，提出了“固、液、气”三相联合抑爆与灭火技术。该技术从“堵、隔、灭”3个角度出发，首先在火源周边建立具有堵漏、吸能和吸热三位一体的防爆墙；然后向采空区持续注氮惰化采空区环境，降低爆炸发生的可能性；最后采取喷注浆封堵漏风通道、高位钻孔压注高固水胶体降温的抑爆与灭火措施。实践结果表明：采空区CO浓度恢复至正常水平，火区内火势被快速扑灭，预埋孔内温度始终保持低于25 ℃，解决了高瓦斯环境下遗煤火源无法熄灭的问题，为煤矿的安全生产提供了保障。

• 露天矿边坡评价分级与爆破振动条件下MSARMA法边坡角优化

  陶志刚, 罗森林, 明伟, 曹辉, 余浩然, 何满潮

  基于青海牛苦头露天金属矿边坡工程，首先根据地质因素和工程因素，把边坡分成5个地质区域。然后对地勘资料和室内试验数据进行统计分类，利用CSMR(Chinese Slope Mass Rating)法对边坡进行分级评价。选取代表性剖面进行二维数值计算分析，运用GEO-SLOPE软件对边坡稳定性进行初算，再采用MSARMA法综合考虑边坡的排水能力与地震荷载情况对边坡进行极限平衡分析。最后依据分析计算结果和实际工况优选合适的边坡角。

• 特厚煤层综放开采瓦斯运储区演化及定向钻孔抽采技术

  张文琦, 张兴文, 孙刘咏, 魏宗勇, 双海清, 徐培耘, 林海飞

  为解决特厚煤层综放开采工作面上隅角瓦斯超限的问题，采用物理相似模拟实验分析了典型高瓦斯特厚煤层的裂隙演化情况，同时，利用二维核密度估计方法研究了采场上方的瓦斯运储区分布规律，分析了钻孔抽采的最优层位，并进行现场工程应用。研究结果表明：采动覆岩的整体离层量呈开切眼侧高、工作面侧低的两峰分布，其中不规则垮落带高度为9.4 m，规则垮落带高度为38.0 m，裂隙带高度为158.0 m；瓦斯运储区呈动态的梯形分布，当推进至岩层发育稳定时，规则垮落带上部形成了明显的临时储集空间，该区域可作为瓦斯抽采优选层位，具体位置为距煤层顶板高10~40 m，距回风巷内5~40 m。试验周期内，上隅角瓦斯浓度出现了明显下降。

• 赤峪煤矿煤层突出危险性预测敏感指标的确定

  张逸龙, 吴彦, 方书昊, 廖奇, 杨印朝, 朱红青

  以赤峪煤矿2号煤层为研究对象，采用灰色关联分析法对钻屑量 S和钻屑瓦斯解吸指标Δ h 2(“二指标”)进行预测，确定“二指标”与2号煤层发生突出的可能性之间的敏感性；结合“三率法”(预测突出率、预测突出准确率、预测不突出准确率)对突出危险性预测指标进行分析，确定临界值；采用“三率法”对“二指标”进行分析，验证临界值的有效性。研究结果表明：灰色关联度 P( S)=0.909＞ P(Δ h 2)=0.896， S作为预测指标的敏感度更高；确定了 S和Δ h 2临界值分别为7.4 kg/m、200 Pa。现场效果检验表明，所确定的2号煤层突出危险性预测指标临界值合理。

• 基于煤与瓦斯突出能量理论的钻孔造穴诱突技术及工程实践

  岑培山, 田坤云, 魏二剑, 刘松

  基于煤与瓦斯突出能量理论，建立了突出煤体三维结构应力模型，并利用弹塑性力学相关知识和数学求解方法推导了突出煤体的瓦斯弹性势能和瓦斯内能方程，为钻孔造穴诱突技术应用提供理论依据和实现路径。现场试验了钻孔水力造穴诱突、爆破诱突2种诱突技术措施，结果表明，钻孔造穴诱突过程的能量耗散机制符合推导的瓦斯能量方程和结构应力模型。针对试验矿井实际条件，2种诱突技术措施应用时存在一个阈值，当试验矿井煤层瓦斯含量大于9 m 3/t时宜采用水力造穴诱突技术，反之宜采用爆破诱突技术。实践表明，2种诱突技术措施均能使试验矿井瓦斯治理效果显著提高。

• 并行电法探测煤层顶板“两带”发育高度

  曹始友, 董方营, 成文举, 谢瑞斌, 石鹏程

  在充分分析高庄煤矿地质资料的基础上，采用并行电法对煤层顶板岩层破裂过程进行现场监测，分析垮落带和导水断裂带的动态发育规律。分别采用孔内视电阻率法、直流电法进行超前探测、电极电流比值法进行反演解译，并将反演结果与“三下”开采规范经验公式计算结果进行对比。结果表明：高庄煤矿3 上303工作面顶板垮落带发育高度为20 m，垮采比为3.7；导水断裂带高度为54 m，裂采比为10.2；采动应力超前影响距离最大为48.6 m；现场实测结果与计算结果基本一致，动态监测反演结果真实可靠。将孔内视电阻率法和直流电法超前探测相结合，有效解决了松散层不易成孔的难题，为煤层顶板垮落带、导水断裂带发育高度监测提供了一种新方法。

• 复杂构造带低渗高瓦斯煤层水力压裂增透技术

  石晓红, 赵立朋, 李俊堂, 王如江, 吴财芳

  为了解地面直井水力压裂增透技术对阳泉矿区复杂构造带低渗透高瓦斯突出煤层的改造增透效果，在研究区断层附近布置了9口煤层气井，采用地面直井水力压裂技术对3 #、8 #和15 #主采煤层进行压裂增透改造。结果表明：经地面直井水力压裂增透技术改造后，位于向斜构造控制的封闭性逆断层构造带和冲刷带附近的煤层气井能够取得较高产气量，开发效果较好，压裂改造形成的高渗区与断层附近形成的高渗区相互沟通，显著提高了煤层气井有效瓦斯抽采范围和抽采效果，降低了采掘巷道的突出危险性。

• 西山矿区地质异常体瞬变电磁响应规律研究

  刘志明

  通过数值模拟正演对西山矿区断层、陷落柱、灰岩含水层等典型的地质异常体模型进行了分析，得出地质异常体的瞬变电磁响应规律。研究结果表明：采用瞬变电磁法在井下巷道中探测断层时，断层面与掘进工作面端头激发源的距离对探测结果影响较大；探测含水层时，探测效果受到激发源所在岩层的厚度、电性特征，以及含水层电性特征、含水层与源点的距离的影响，含水层与邻近岩层的电性差异越大，探测效果就越明显；探测含水陷落柱时，感应电流密度中心逐渐向陷落柱中心移动，最后重合；不含水陷落柱的瞬变电感应电流密度中心向远离陷落柱的方向移动，直到完全衰减。陷落柱与激发源所在岩层应当存在一定的电性差异，激发源所在岩层的电阻率值至少应为陷落柱岩性电阻率值的2倍。

• 基于激光吸收光谱法的煤矿硫化氢检测

  何岸, 陈雅茜, 郭敬远, 胡雪蛟, 江海峰

  为了精确预报煤矿井下硫化氢含量，防止硫化氢含量超标带来的危害，基于可调谐半导体激光吸收光谱技术，设计研制了一种便携式硫化氢检测仪。该仪器采用中心波长为1 590 nm的分布式反馈激光器，结合多次反射的郝里奥特长光程气体吸收池，可以满足煤矿井下0~200 mg/L硫化氢的实时检测。离线标定和实验室测试得到检测仪测量的相对误差为±2%，最快响应时间为0.5 s；通过实验室测量六盘水大湾煤矿120205采煤工作面上隅角和采空区的气体成分，结果表明，便携式硫化氢检测仪稳定可靠, 能够满足煤矿井下硫化氢预警的要求。

• 煤矿塌陷区环境污染治理效果综合评价研究——以兖州矿业东滩矿区为例

  郭蓬元, 韩秀艳

  为探索煤矿塌陷区环境污染治理效果的综合评价方法，在文献综述及现状分析的基础上，选择四类共24个评价指标，构建了煤矿塌陷区环境污染治理效果综合评价的模糊物元可拓模型，并以兖州矿业集团公司东滩矿区的环境污染治理效果综合评价为例进行了应用研究。准则层评价结果显示，该矿区环境污染治理效果相对较差、评价结果间发展不均衡；目标层评价结果显示，环境污染治理效果由2012年的中度污染(Ⅲ级)，到2020年提升到微度污染(Ⅱ级), 治理并未达到预期目标，且可能存在治理效果由上升变为下降的趋势。在此基础上，提出了提升煤矿塌陷区环境污染治理效果的对策建议。

• 基于数据驱动的瓦斯抽采钻孔精细化管控

  郭恒, 王昊, 程晓阳

  针对瓦斯储量评估精度低、抽采钻孔设计不合理、钻孔施工过程监管不到位等引起瓦斯抽采效率低，进而造成瓦斯动力灾害的问题，提出了一种基于数据驱动的瓦斯抽采钻孔精细化管控模式。首先，通过瓦斯储量的精准评估和抽采钻孔差异化设计，为瓦斯精准抽采奠定基础；然后，采用钻孔轨迹测量和打钻视频监控实现抽采钻孔的精准施工；再利用高精度流量传感器和瓦斯抽采管道参数测定仪实现抽采钻孔和抽采管网的精准监测，并通过建立抽采数据校正模型和钻孔失效判识模型进一步提升瓦斯抽采数据的质量；最后，以瓦斯抽采管控平台为基础，实现瓦斯抽采全周期的信息化集约管控。这种“工艺+管理”的瓦斯抽采钻孔管控模式，可实现瓦斯抽采钻孔设计、施工、计量、管理全周期的精细化管控，显著提升了瓦斯抽采钻孔“过程化”管控的科学性，也可为瓦斯高效、智能抽采提供新思路。

• 软煤瓦斯抽采钻孔失稳特性及控制技术研究现状

  徐超平, 李贺, 鲁义, 路洁心, 施式亮

  系统总结了软煤钻孔失稳机理及规律，提出钻孔失稳主要受煤体基本力学性质、孔周应力环境、孔隙压力及钻进方式等因素的影响，指出增大围岩力学强度，减小塑性区范围与钻孔径向位移是提高钻孔稳定性及成孔率的关键。分析了现有钻孔失稳控制技术的适用条件及优缺点，认为研发随钻护孔防喷与可视化修复一体化技术是瓦斯抽采钻孔失稳防治的发展方向。系统梳理了传统注浆加固材料的研究现状，认为研制并使用兼具固孔抑喷与释放瓦斯潜能的纳米浆泡材料，能延长钻孔服务周期，提高瓦斯抽采效率，应用前景可观。

• 基于贝叶斯网络的煤矿顶板事故致因研究

  秦岩, 盛武

  为研究煤矿顶板事故致因及预防煤矿顶板事故的发生，基于顶板事故调查报告，从人为、设备、环境、管理4个方面选取导致煤矿顶板事故致因变量，通过变量间的相关关系，利用贝叶斯网络软件GeNie构建煤矿顶板事故致因分析的贝叶斯网络模型(BN)，采用交叉验证法检验贝叶斯网络模型的精准度，并对模型进行结构和参数学习，计算出各节点的条件概率分布和后验概率等，最后通过变量敏感性和事故最大致因链分析，找出事故发生的关键因素路径，有助于降低顶板事故的发生率。研究结果表明：在人为因素方面，未履行作业规程和监督检查不到位的比例较高，概率值均大于84%；在管理因素方面，安全管理混乱是导致顶板事故发生的主要诱因，概率值大于95%；顶板垮落、支护问题、是否进入垮落区是导致顶板事故发生的重要因素。