矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2022年第4期

• 基于煤矿时空多源信息感知的智能安控闭环体系

  王国法, 庞义辉, 李爽, 申凯

  总结了我国煤矿综合机械化发展40多年来安全技术取得的巨大进步和成效，分析了当前煤矿安全面临的挑战。将新一代信息技术与煤矿安全技术深度融合，提出了煤矿矿井时空信息感知和智能闭环安控系统逻辑与总体技术架构。分析了传统接触式传感与非接触式传感技术的优缺点及其在煤矿安全监测系统中的应用，剖析了新型智能传感技术特点及发展方向，提出了基于多种传感技术融合的矿井时空多源信息感知及协同控制技术路径。通过瓦斯、火灾、水灾、冲击地压等灾害全时空信息反馈技术创新，开发基于信息反馈的多种灾害综合闭环管控技术，实现煤矿总体安全态势的超前预测及分区、分级超前预警。系统阐述了智能化双重预防体系架构及其特点，分析了智能化双重预防体系的风险隐患控制逻辑与关键技术。思考能源革命中煤矿安全观的变革，提出了煤矿全方位安全观、煤矿智能化对煤矿安全的革命性影响和摒弃“百万吨死亡率”指标。

• 等离子体致裂煤岩增透技术及研究进展

  林柏泉, 张祥良

  高效增透是解决非常规天然气(煤层气、页岩气、致密气等)开采及降低瓦斯灾害事故发生概率的关键，以物理放电为基础的等离子体具有能量密度大、破坏性强、温度高、重复性可靠、致裂范围可控等特征，受到业界高度关注。从电破碎和液电效应2种等离子体作用方式出发，系统地回顾了等离子体致裂增透煤岩技术的研究进展；从致裂原理、对煤岩体微观孔隙和宏观裂隙结构的作用效果等多个角度，对比分析了电破碎和液电效应的不同；研究了等离子体对原位条件下煤体渗透率的影响规律；总结出电破碎和液电效应2种作用方式在致裂煤岩领域的应用现状，指明了当前等离子体在非常规天然气开采领域中的瓶颈问题，并提出等离子体与其他增透措施进行联合使用的新思路。

• 我国煤矿防灭火材料的研究现状及发展趋势

  余明高, 王亮, 李海涛, 王凯, 康付如

  基于煤自燃反应机理、发生发展必要条件及其影响因素，对我国煤矿主要使用的防灭火材料研究现状、灭火机理及优缺点进行了阐述与讨论，并根据其作用机理划分为物理型、化学型和物化协同作用型：物理作用方面，通过隔氧降氧、吸热降温等方法来抑制煤自燃；化学阻化方面，通过破坏或减少煤体中活性官能团，阻断自由基的链式氧化反应，达到防火目的；物化协同作用方面，结合物理和化学作用的新型复合防灭火材料实现了对煤氧化自燃的双重抑制。指出了目前煤矿防灭火材料存在的不足，包括防灭火材料作用机理研究不够完善、阻化性能稳定性较差、经济环保性有待提升、适用范围不够广泛等。提出未来防灭火材料的研究方向：以煤自燃机理和特性为基础，开展理论实验和数值模拟相结合的研究；以提升防灭火材料阻化性能为核心，研制物理化学协同作用的新型定向阻化材料；以改进经济环保性为主导，探寻绿色环保、价格低廉、工艺简单的原材料；以扩大适用范围为保障，实现“一剂多用”“一剂通用”的最佳抑制效果。

• 基于CNKI文献计量学的矿山粉尘研究可视化知识图谱分析

  蒋仲安, 曾发镔

  为探明矿山粉尘的研究脉络与热点变化，以CNKI收录的2001—2021年的1 863篇文献为样本，利用Citespace与VOSviewer可视化知识图谱技术，对我国近20年矿山粉尘研究的时空分布特征、热点主题与前沿趋势进行了分析。研究表明：矿山粉尘研究分为波动增长期(2001—2007年)、快速上升期(2008—2015年)及缓慢过渡期(2016—2021年)3个阶段；载文期刊所属学科主要集中在矿业工程、安全科学与工程领域；研究领域已经初步形成了较为稳定的核心作者群与机构；研究主题包含了矿山粉尘的产生、运移、防治及致灾后果的全过程。未来矿山粉尘研究应关注复杂艰险环境下的地下矿山与深凹露天矿，加强研究机构跨学科的合作交互，促使矿山粉尘研究与自动化、信息化、智能化等技术的融合与应用。

• 煤矿井下自动化钻进技术及装备的发展历程与展望

  王清峰, 陈航, 周涛

  结合钻探技术及装备在煤矿灾害治理中的重要地位和煤矿智能化建设的新需求，梳理了我国煤矿井下自动化钻进技术及装备的发展历程。阐述了井下远程电控式手动操作、地面远程电控式手动操作、地面远程自动控制、全自动钻进结合单臂钻杆自动装卸系统、全自动钻进结合双臂钻杆自动装卸系统等各发展阶段的主要成果与技术突破；指出了现有自动钻机在工况感知、数据综合分析、钻进轨迹控制、集群协同施工，以及配套装置自动化等方面存在的不足；提出了钻进状态及工况智能感知技术、工况参数与环境参数融合利用技术、钻孔轨迹自动测量与控制技术等需要攻克的新难题及初步研究思路，为煤矿钻进技术及装备由自动化向智能化发展提供参考。

• “十三五”煤矿粉尘职业危害防治技术及发展方向

  李德文, 赵政, 郭胜均, 郑磊, 张小涛, 隋金君

  为有效防治煤矿粉尘职业危害，改善矿井作业环境，从采掘工作面粉尘防治、其他作业地点粉尘防治、粉尘连续监测与尘肺预警等3个方面，论述了大采高综采工作面综合防尘、综掘工作面长压短抽自适应控风除尘、呼吸性粉尘连续监测、尘肺预警等我国煤矿粉尘职业危害防治技术及装备在“十三五”期间的最新进展，以及实际应用效果。总结分析了现有粉尘职业危害防治技术及装备存在的不足，并对我国煤矿粉尘职业危害防治技术的发展方向进行了展望。

• 煤矿区煤层气利用技术研究进展

  张志刚, 霍春秀

  为了解决煤矿区煤层气气源分散性高、甲烷浓度低、气量波动大造成的利用途径单一、集输利用经济性差的难题，提高煤矿区煤层气利用率，依托国家科技重大专项课题，进行了煤矿区煤层气利用技术研究，初步形成了以含氧煤层气深冷液化、低浓度煤层气提质、低浓度煤层气发电提效、低浓度瓦斯安全燃烧、超低浓度瓦斯蓄热氧化综合利用等为核心的煤矿区煤层气全浓度利用技术体系，助推了煤矿区煤层气利用量和利用率的大幅提升，井下抽采煤层气利用量由2015年的48亿m 3提高到了2020年的57.37亿m 3，利用率从35.29%提高到了44.83%。随着我国煤炭产能集中度加快、关停/废弃矿区进一步增加，煤矿区煤层气甲烷浓度低、气源不稳定的问题仍将是制约煤矿区煤层气利用率进一步提高的主要因素。为此，全面梳理了近10年来煤矿区煤层气利用技术装备的科技创新，阐述了主要技术的最新研究进展、技术指标及应用效果。在此基础上，针对“碳达峰、碳中和”目标形势下我国煤矿面临的高强度集约化开采及智能化矿山建设新特点，分析了煤矿区煤层气利用产业发展亟待解决的技术难题及解决思路，提出了以分散煤层气高效集输、乏风瓦斯经济利用等为主导的煤矿区煤层气技术装备优化和发展方向，以期为煤层气的高效利用提供技术参考。

• 水敏性损害对煤层水力压裂增透效果影响的实验研究

  文光才, 杨硕, 曹偈

  采用热力学平衡水法、低温氮吸附实验、压汞实验、扫描电子显微镜(SEM)，研究了煤样吸水膨胀变形的宏观、微观特征；提出了井下煤层穿层钻孔水力压裂相似模拟实验方法，研究了水敏性损害对煤层透气性的影响。研究结果表明：浸水煤样膨胀率受水敏膨胀黏土含量的影响最为显著；饱水处理后水的介入降低了煤体全尺度孔隙体积，进而降低了煤样瓦斯扩散与渗流能力；水力压裂有效范围内煤样透气性系数增大，压裂增透占主导地位，而在压裂远端或末端位置透气性系数下降，水敏性损害占主导地位；煤中水敏黏土含量越高，水敏性损害越严重。研究成果对减弱煤层水力压裂水敏性损害程度，提高煤层瓦斯抽采效率具有重要意义。

• 煤吸附瓦斯影响因素的正交设计实验研究

  李树刚, 秦雪燕, 白杨, 龙航, 岳敏, 严敏

  为研究含水率、粒径、温度等因素对煤样吸附瓦斯特性的影响，选取黄陵二号煤矿2 #煤层煤样，通过HCA型高压瓦斯吸附仪，采用正交实验法开展不同含水率、粒径、温度作用下煤样瓦斯等温吸附实验，得到了影响瓦斯吸附性能的主控因素。研究结果表明：不同含水率、粒径、温度条件下，煤的瓦斯吸附曲线均符合Langmuir理论；各因素对吸附常数 a值的敏感性依次为粒径>温度>含水率，粒径影响程度是含水率的3.126倍、温度的4.458倍；各因素对吸附常数 b值、吸附饱和度 X值的敏感性依次为温度>粒径>含水率，温度对吸附常数 b值的影响程度是粒径的3.946倍、含水率的7.719倍，温度对吸附饱和度 X值的影响程度是含水率的4.947倍、粒径的1.918倍；煤样优先吸附水分，瓦斯吸附量随含水率的增大而减小；瓦斯吸附过程会放热，当温度升高时，瓦斯吸附量会减少；粒径减小，增大了煤样的比表面积，导致瓦斯吸附量增加。

• 基于CS-LSTM的工作面瓦斯浓度智能预测研究

  梁运培, 栗小雨, 李全贵, 毛树人, 郑梦浩, 李建波

  为充分挖掘瓦斯浓度监测数据的变化规律，实现工作面瓦斯浓度的准确预测，提出了一种基于CS-LSTM的工作面瓦斯浓度智能预测模型。采用样条插值法对瓦斯浓度监测数据的缺失值进行插补，再进行无量纲化处理，得到训练样本；利用布谷鸟搜索(CS)算法对长短期记忆网络(LSTM)的隐藏层层数及其神经元个数、全连接层层数及其神经元个数等4个超参数进行寻优，建立最优瓦斯浓度预测模型，并预测工作面未来12 h的瓦斯浓度。研究结果表明：与LSTM及基于遗传算法(GA)的LSTM模型预测结果相比，在相同迭代次数下，CS算法具有更好的全局寻优能力，有效避免了GA算法易陷入局部最优的不足；基于CS-LSTM预测模型的均方根误差(RMSE)为0.023，该模型与其他2种模型相比精度较高，预测效果较好。

• 基于电石渣—三乙烯四胺的多孔凝胶矿化固碳研究

  陆伟, 吴明跃, 吕茂云, 李金亮, 梁运涛, 张茜, 王昌祥, 路瑶

  为有效矿化封存CO 2、提高煤矿防灭火效果，提出了一种通过添加催化CO 2转化物质(三乙烯四胺溶液，TETA)和增加气固接触面积(多孔凝胶)协同提升矿化反应速率的方法。通过单因素试验确定了TETA的质量分数和CO 2初始压力，借助高温高压反应釜研究了多孔凝胶对CO 2矿化效率的影响规律，利用扫描电镜和密度泛函理论研究了TETA储存和转化CO 2机理。研究结果表明：添加CaO能增大反应釜内CO 2压降值，TETA的最佳质量分数为2.5%~7.5%，CO 2初始压力为0.4 ~0.8 MPa；单位质量的多孔凝胶在温度20、30、40 ℃条件下固定CO 2的质量分别为0.070、0.077、0.110 g。

• 新疆典型矿区低阶煤氧化动力学特性研究

  曾强, 沈莉, 冯桐

  采用X射线衍射(XRD)、红外原位光谱(FTIR)、程序升温氧化(TPO)和热重(TGA)等实验方法，研究新疆典型矿区主采煤层低阶煤氧化动力学特性。XRD实验结果表明，煤中的主要矿物成分有石英、高岭石、方解石和白云石等；大黄山矿区煤样的矿物成分含量最高。FTIR实验结果表明，不同煤样的官能团种类相似，吸光度不一；四棵树煤样的官能团吸光度随粒径减小呈现增大趋势；含氧官能团随温度增高呈现减少趋势。TPO实验结果表明，四棵树煤样的耗氧速率大于大黄山和乌东煤样的耗氧速率。TGA实验结果表明，四棵树矿区煤样经历不同温度后其活化能在 T 1~ T 2阶段随温度增高而降低，在 T 3~ T 5阶段随温度增高而增高； T 1~ T 2阶段煤样活化能低于 T 3~ T 5阶段煤样活化能；煤质、元素质量分数对煤氧化动力学参数具有一定影响， T 3~ T 5阶段煤样活化能和燃点温度随水分(＜8%)的降低总体呈现增高趋势；煤样含氧官能团峰面积随挥发分(27%~31%)的减小而增大，随灰分(4%~7%)的减小而减小，随水分(1.9%~10.0%)的减小呈现减小趋势；燃点温度 T 3随O元素质量分数(15.5%~18.0%)的减小而降低； T 1~ T 2阶段煤样活化能随H元素质量分数(3.3%~3.6%)的减小而增高，随N元素质量分数(0.65%~0.80%)的减小而增高。

• 顺层钻孔水力割缝煤渣运移及排渣工艺技术研究

  张永将, 季飞

  由于钻孔排渣空间狭小、煤体颗粒易堆积等原因，顺层钻孔在水力割缝过程中容易出现喷孔、堵孔及抱钻等现象，严重影响顺层钻孔割缝施工成功率及安全性。针对以上问题，研究了顺层割缝钻孔钻进时的钻孔形态，通过分析钻孔下沉现象，将割缝钻孔分为加速下沉段、倾斜下沉段及开孔段3个阶段，分析了各阶段钻孔堵孔模型及堵孔现象。研究得到割缝钻孔各阶段煤渣的运移情况：加速下沉段钻孔煤渣运移以水流升力及拖拽力为主，煤水混合两相流体通过钻杆旋转的扰动作用充分混合；倾斜下沉段则以钻杆外螺旋旋转动力为主带动煤渣运移。通过大量现场试验，得到了不同煤层坚固性系数条件下的割缝压力及钻杆转速参数。研究发现，随着煤层坚固性系数的增大其最优割缝压力随之增大，但合理钻杆转速随之减小，形成了包括合理选择割缝压力及钻杆转速参数、控制压力调节梯度、孔口返水返渣情况观测，以及延长割缝后低压洗孔时间等4个方面措施的顺层钻孔割缝排渣工艺技术。现场试验结果表明，割缝排渣工艺技术能有效避免割缝堵孔风险，保障顺层钻孔割缝安全实施，提高割缝成功率，大幅提高钻孔瓦斯抽采效率，有效推进了顺层钻孔水力割缝卸压增透技术的应用。

• 不同断裂模式下低温对砂岩断裂韧度的影响研究

  李勇, 张昊, 刘延保, 胡双杰, 桂辉高

  为了研究不同低温条件下砂岩峰值载荷和断裂韧度的变化规律，对经过低温处理的5组干燥砂岩试件和常温砂岩试件进行半圆盘三点弯曲断裂试验。研究结果表明：低温对不同断裂模式的砂岩试件峰值强度和断裂韧度产生了明显的影响，纯Ⅱ型砂岩试件在20~-60 ℃的峰值强度和断裂韧度随温度的降低逐渐增大，-80 ℃时略有下降；纯Ⅰ型和Ⅰ+Ⅱ复合型砂岩试件峰值强度和断裂韧度在20~-20 ℃随着温度的降低呈增大趋势，-20~-60 ℃随着温度的降低呈减小趋势。在不同温度条件下，纯Ⅰ型断裂模式的砂岩试件峰值强度最低、断裂韧度 K ⅠC最高；Ⅰ+Ⅱ复合型砂岩试件断裂模式的峰值强度与等效断裂韧度 K eff均居中；纯Ⅱ型砂岩试件断裂模式峰值强度最高、断裂韧度 K ⅡC最低。 K ⅠC与 K eff受低温影响的变化幅度较大， K ⅡC受低温影响的变化幅度最小。

• 大气风速对深凹露天矿山炮烟排烟时间的影响研究

  丁翠, 聂百胜, 孙殿阁

  为探究大气风速对深凹露天矿山爆破排烟时间的影响，采用CFD数值模拟方法构建了深凹露天矿山爆破非稳态数值模型，模拟大气风速为3、6、9、15 m/s和不同爆破位置条件下炮烟扩散场景，研究了不同大气风速对深凹露天采坑内风流场特征和爆破排烟时间的影响。研究结果表明：不同爆破位置下，随着大气风速的增大，露天采坑内的风流分布呈现出单复环流向双复环流结构的转变；当大气风速大于6 m/s后，随着大气风速的增大，爆破炮烟排烟时间下降的幅度逐渐减小，大气风速对排烟时间的影响逐渐降低；不同爆破位置下，随着大气风速的增大，露天采坑爆破炮烟排烟时间均呈现下降趋势，且与大气风速呈现良好的指数函数关系。

• 基于压渗试验的城郊煤矿深部二水平区域底板岩层阻渗性能研究

  王伟, 戴磊, 段李宏

  为研究城郊煤矿煤层底板关键岩层阻渗能力，评价工作面水害治理效果，采用现场压渗试验方法对煤层底板3段岩层进行现场压水测试，收集了现场注水水压、注水流量、测压孔水压等实测数据。结果显示：矿井煤层底板3段岩层在原始状态时阻渗能力较强，不存在导渗现象，仅砂质泥岩压裂导通形成导渗条件；对比3段岩层初次和重复2个压水过程可知，监测孔水压与注水孔水压的变化趋势一致，但重复压水的导渗时间比初次压水明显缩短，说明在初次压水后形成了一定的导渗裂隙。采用渗透系数和抗阻能力作为评价指标，对岩层阻渗性能进行了量化评价，最大渗透系数仅为8.94×10 -6 cm/s，表明测试岩层具有微透水的特点。

• 瓦斯压力对突出煤层煤样力学特征影响规律的研究

  李回贵, 王军, 李晓龙, 高保彬

  为了研究瓦斯气体对煤岩力学参数及动力灾害的影响，选取贵源煤矿2号井9 #煤层为研究对象，设计了含瓦斯煤岩单轴压缩试验装置，利用RMT-150C力学试验机对煤岩在不同瓦斯压力条件下的力学特性开展试验。研究结果表明，瓦斯压力对煤的单轴抗压强度、应力—应变曲线及弹性模量存在显著影响。煤的单轴抗压强度及弹性模量与瓦斯压力呈负相关关系；瓦斯压力为0、0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时煤样的平均抗压强度分别为24.37、19.37、12.78、10.40、7.35 MPa，平均弹性模量分别为3.388、3.359、2.614、2.124、1.143 GPa；与不含瓦斯煤样相比，瓦斯压力为0.5、1.0、1.5、2.0 MPa时煤样的单轴抗压强度分别降低了20.52%、47.56%、57.32%、69.84%，弹性模量分别下降了0.86%、22.85%、37.31%、66.26%。随着瓦斯压力逐渐增大，煤岩由脆性向延性逐渐转变，冲击性逐渐降低。研究结果有助于进一步揭示贵州地区煤与瓦斯突出事故频发的内在原因。

• 火成岩侵入易自燃煤层超长俯采工作面采空区自燃“三带”分布范围研究

  柳东明

  大兴煤矿北一202工作面采用超长开切眼布置，存在采空区空间大、开采易自燃煤层、工作面全程俯采且顶板存在复合煤岩层采空区遗煤量大等因素，导致工作面防灭火工作难度大幅提高。通过在工作面进、回风巷道，以及上、下隅角向工作面70 m处架后采空区预埋4个束管测点，对北一202超长俯采工作面采空区自燃“三带”分布范围进行多点位观测，得出超长俯采工作面采空区最大氧化带宽度为37.7 m，位于上隅角向工作面70 m架后采空区。根据北一202工作面实际参数，建立三维几何模型，通过Fluent数值模拟分析，揭示了超长俯采工作面采空区流场及O 2体积分数变化规律，并将采空区自燃“三带”分布范围模拟结果与实测结果进行对比，发现两者基本一致，证明了采用数值模拟方法分析研究超长俯采工作面采空区流场、O 2体积分数分布规律的有效性和科学性。

• 低频地质雷达屏蔽天线开发及在地下空间工程探测应用

  许献磊, 张朝阳, 彭苏萍, 陈令洲, 张迪

  地质雷达技术已经广泛应用于地质结构及安全隐患探测中，受限于复杂地质条件，常规地质雷达探测天线系统存在探测深度浅、深部探测精度降低等缺陷，且难以实现实时处理功能。开发了一种低频地质雷达屏蔽天线系统，与常规地质雷达天线系统相比，该系统有2个优势：①通过低频屏蔽及阻抗匹配设计，增强了天线的聚焦和辐射特性，可有效屏蔽环境干扰信号，提高数据的信噪比；②构建了基于FPGA的数据实时处理框架，应用于可编程芯片上，系统开发实现了数据内插、去噪、增益等处理算法的集成，实现了数据的实时处理。试验结果表明：该低频地质雷达天线系统在城市环境下其探测深度可达30 m，基于FPGA的处理模块实现了数据的实时处理，同时数字图像实时处理算法将图像信息熵、平均梯度等相对常规数据的处理平均提升分别为13.72%、12.44%。

• 煤与瓦斯突出智能预警方法及系统

  赵旭生, 马国龙, 周密

  针对传统煤与瓦斯突出预警系统自学习能力不足、信息融合度不高、智能化水平和预警准确性有待提升的问题，基于关联规则和证据理论，建立了突出预警指标自主动态优选方法和多指标融合决策模型，开发了突出智能预警系统。介绍了突出危险判识事务集构建模式，提出预警指标项的非对称二元化转换方法，以及预警指标项与突出危险项之间关联规则的构建方法，定义了反映漏报率大小的函数，形成基于关联规则的突出预警指标优选方法；研究提出突出预警证据理论识别框架，构建出突出预警证据体基本概率分配函数，给出突出预警证据合成方法，得到反映突出危险概率大小的函数，形成了基于证据理论的突出预警多指标融合决策方法；在此基础上，采用分层架构设计，开发出煤与瓦斯突出智能预警系统，实现了突出灾害的在线监测、智能分析、融合预警、在线发布与远程查询。现场应用效果显示，突出预警准确率达到91.53%，且无漏报现象，为矿井突出灾害防治提供了良好的技术支撑。

• 煤矿老采空区覆岩移动变形监测方法分析及应用

  李学良

  为准确掌握煤矿老采空区覆岩残余移动变形特征及规律，在分析不同条件下各类采空区覆岩结构特征的前提下，总结归纳了覆岩移动变形的监测对象及要点，并对目前存在的监测方法及适用性进行了简要分析，最后以条带老采空区为监测对象，采用光纤—微震相结合的方法，从方案设计、数据采集、结果分析等角度对采空区覆岩移动变形进行系统研究。研究结果表明：条带老采空区覆岩移动变形处于毫米级，监测期范围内覆岩无明显移动破坏现象，覆岩结构相对稳定，光纤—微震相结合的方法可有效地对采空区覆岩移动变形进行实时监测，满足预期监测目的。

• 煤炭与石油资源重叠区域废弃油井危害分类及防治技术研究

  马兴华, 黄光利, 冉庆雷, 林府进, 肖江

  针对煤炭与石油资源重叠煤矿区域面临的废弃油井灾害防治难题，以鄂尔多斯盆地西缘宁东煤田煤炭与石油重叠区域为研究对象，对废弃油井危害分类及防治技术进行系统性研究。通过分析废弃油井结构、致灾类型及多源致灾特征，将废弃油井危害分为4类：Ⅰ类为水、油、气灾害混合井；Ⅱ类为水、顶板灾害混合井；Ⅲ类为水、油、气、顶板灾害混合井；Ⅳ类为顶板灾害井。在此基础上，提出了阻断危险源通道、治理既成灾害的井上下综合防控思路和方案。建立了考虑油、气渗透及底板破坏的封堵深度模型，构建形成了“透孔—洗井—测斜—制底—封堵”地面封堵，以及“监测—探查—揭露—切割—封堵”井下揭露治理关键工艺流程，形成了“堵、注、喷、增、降、监、护、撤”油、气灾害综合防控体系。通过在双马一矿进行现场应用，先后安全通过了马探31等6个废弃油井，有效遏制了废弃油井灾害的扩大和升级，可为我国类似煤矿区油井灾害防治提供参考和示范。

• 回采工作面多巷布置复用巷道全锚索支护技术研究

  岳延朋, 王涛, 孙志勇

  为了解决回采工作面多巷布置复用巷道服务期内因受采动压力影响围岩变形严重的问题，以王坡煤业复用巷道为工程背景，采用现场实测和数值模拟的方法，研究了复用巷道围岩变形与破坏的特征及影响因素，分析了复用巷道围岩变形控制原理。在此基础上，提出了长、短锚索分层联合支护技术，并在3306工作面运输巷进行工业性试验。结果表明：采用长、短锚索分层联合支护技术可有效控制复用巷道围岩变形，采动影响期间巷道两帮最大移近量为140 mm，顶板最大下沉量为130 mm，与锚杆、锚索支护方式相比围岩变形量整体降低60%以上；锚索受力位于合理范围，且能趋于稳定，支护效果较好。

• 煤层瓦斯测压下向钻孔自动排水实验装置研制

  徐毅豪, 秦汝祥, 贾明乐, 刘忠平, 张成功

  煤层瓦斯测压下向钻孔积水会导致测压不准，研究既能排水又不影响测压进程和测压结果的装置是下向钻孔测压亟待解决的难题。设计了自动排水装置，利用弹性膜实时感知排水时机, 实现了自动化排水；试验研究了弹性膜弹性参数，确定膜的最佳厚度为0.3~1.0 mm；基于气体压力差与毛细作用力原理，推算了最优排水区间；在此基础上研制出一种煤层瓦斯测压下向钻孔自动排水实验装置并开展排水试验。试验结果表明：在测压气室气压为0.152×10 5 Pa，排水管管径为15 mm，毛细管内径为0.2 mm、数量为950根时，排水速度为0.444 3 cm 3/s，该装置可以实现连续缓慢排水。

• 电塔桩基受采动及风荷载共同影响下的变形特征研究

  秦忠诚, 李晓禾, 门懋进, 高彪

  为探究电塔桩基受采动及风荷载共同影响下的变形特征，以朱家峁煤矿3302工作面上方电塔桩基为研究对象，基于现场勘测地质资料，采用剖面函数法预计桩基下沉值，并借助FLAC 3D数值模拟软件，分析电塔桩基的变形特征。研究结果表明：采动影响下，黄土谷壑地形对地表移动变形的影响较大，并且坡体移动变形比平地及坡顶变形大；采动作用对地表桩基变形影响显著，风荷载也会对桩基造成影响；对比采动与风荷载共同作用下黄土谷壑地形的地表桩基变形预计值、模拟值及实际监测值，发现模拟值较符合现场实际。模拟研究得出，桩基最大沉降差出现在AB两桩之间，沉降差为44.45 mm，倾斜值为2.22 mm/m，越靠近采空区受到的影响越大。

• 综放工作面沿空留巷支护结构优化

  刘兵晨, 秦建飞, 许向前

  为了优化综放工作面沿空留巷的支护方案，基于岩层控制关键层理论，分析了综放工作面沿空留巷上覆岩层结构特征，获得上覆岩层活动规律。研究结果表明: 上覆岩层活动前期，直接顶回转下沉；活动过渡期，基本顶在采空区侧和实体煤侧进行应力调整；活动稳定期，实体煤侧塑性区扩展、顶板平行下沉。建立了顶板结构力学模型，据此得到支护结构优化设计的理论计算数值，该支护结构由顶板锚固结构、实体煤帮锚固结构和巷旁充填体组成。以成庄煤矿4311综放工作面沿空留巷为工程背景，对该支护结构进行优化设计并对留巷围岩变形进行矿压观测，结果显示：留巷围岩变形量在覆岩活动前期、过渡期和稳定期所占比例分别为12%、77%、11%，围岩变形量主要集中在覆岩活动过渡期；留巷断面由原3.0 m×3.2 m，最终变为2.3 m×2.7 m，巷道整体维护效果较好。

• 矿井地表水与深部水形成机制及控制因素分析

  侯俊华

  为了探讨地表水和深部的奥灰水、十 下灰水的变化特征，基于水化学角度选取了东滩煤矿3种共计28个水样(9个奥灰水样品，6个十 下灰水样品和13个地表水样品)进行对比分析。绘制了研究区水化学的Piper三线图解，分析了3种水样的水化学典型特征离子关联性，利用因子分析探讨了地下水水化学成分控制因素，再通过分析水岩作用机理比较了奥灰水、十 下灰水和地表水之间主控因素的强弱和水环境变化过程。分析结果表明：奥灰水存在碳酸盐溶解、硫酸盐溶解和硅酸盐风化现象；十 下灰水存在蒸发盐溶解、硅酸盐风化和脱硫酸作用，其中蒸发盐溶解占主导地位，且以静储量为主，容易疏干；地表水存在硫酸盐溶解、碳酸盐溶解和硅酸盐风化，发现地表水的硅酸盐风化比深部的奥灰水和十 下灰水更强。3种水样均存在一定的阳离子交替吸附作用和硅酸盐矿物的溶解作用，地表水和矿井深部水控制因素具有明显的差异性。研究结果对东滩煤矿采掘中的突水水源判别提供了重要依据。

• 新型薄层喷涂材料在终采线留巷喷浆防火中的应用

  李洪先, 徐书荣, 卢安陈, 王凯, 杨华

  针对煤矿巷道表面封闭用传统喷涂材料韧性差、易开裂、易脱落，封堵效果差等问题，研发了以“水灰比固定50%，聚灰比15%的VAE乳液”为主、“轻质碳酸钙、纤维素、速凝剂”等为辅的新型矿用薄喷材料，并通过喷射试验分析得到最佳的薄喷参数，在青龙煤矿21802措施巷(终采线留巷)开展了薄层喷涂现场试验。应用结果表明：在切顶留巷90 d时的顶底板最大位移量380 mm、两帮最大位移量为91 mm的情况下，薄喷涂层仍保持完好；巷道全部喷涂后其漏风量由最大39 m 3/min降低到10 m 3/min左右，漏风率大大降低；随着喷浆范围的不断扩大，终采线附近的采空区CO体积分数逐步降低，并最终维持在较低的水平，杜绝了终采线遗煤的自然发火。

• 矿用湿式除尘器喷雾优化及降噪研究

  邓有凡

  为提升除尘器性能，研究优化了KCS-180D矿用湿式过滤除尘器喷雾单元，并从声源控制途径展开了降噪研究。通过对传统喷雾单元现状分析，根据顺风喷雾雾粒运动轨迹微分方程，研制了一种可降低雾粒损耗、提高雾化效果和除尘效率的环形喷雾单元；分析发现噪声异常原因是风机导叶结构布局不合理，使流体发生紊流导致噪声异常，并通过试验得到验证。根据研究成果优化设计后，除尘器性能得到提升：液气比降低了10%；总粉尘除尘效率提高了4%、呼吸性粉尘除尘效率提高了8%；除尘器整机噪声降低了17.6 dB(A)，降低率为16.5%。

• 基于改进博弈论采空区煤自燃危险性可拓评价

  常绪华, 罗乾坤

  为了克服诸多采空区煤自燃危险性评价模型和方法的不足，建立了基于改进博弈论赋权的可拓评价模型。依据可拓理论建立经典域、节域、待评价物元和计算指标的关联系数矩阵，运用改进G1法、熵权法、改进博弈论计算评价指标的综合权重，从而确定评价物元的综合关联度，引入置信度和等级赋值识别评价物元的危险等级和排序。采用可拓评价模型对采空区煤自燃危险性进行评价，通过选取16个影响煤自燃的评价指标，建立了采空区煤自燃危险性评价的物元体系，基于综合权重和关联系数矩阵，计算得到采空区煤自燃危险性的综合关联度，识别了4个采空区煤自燃危险等级和排序。分析结果表明，评价物元的危险等级和排序符合煤矿现场情况，能较好地用于指导现场防治煤自燃工作。