矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2022年第5期

• 煤矿用自动钻机快速组网技术研究

  王清峰, 王兴, 肖玉清

  为实现自动钻机的无线通信，研究了一套煤矿井下钻机用快速组网系统，可在地面实现钻机的远程控制、参数监测等功能。该系统包括钻机主体、机载设备和矿用通信系统。钻机主体为ZYWL-4000SY自动钻机；机载设备包含控制器、摄像仪等，用于实现钻机参数采集；通信系统以无线基站为核心，实现地面与井下的互连互通。该系统在河南平宝煤业有限公司进行了现场试验，结果表明：数据传输准确、效果良好，实现了井下自动钻机的远程控制和可视化监测。

• 基于多源异构信息耦合的煤岩界面识别技术研究

  李彦明, 孙利海

  针对煤矿井下钻孔作业场景特点，分别选取了基于煤岩图像特征和基于钻进参数反馈的识别方法。为了提高煤岩界面识别准确性，对前述的2种识别方法采用深度学习模型实现了2种异构信息的耦合识别。耦合识别模型基于神经网络模型构建，以CNN卷积神经网络为基础，扩展得到深度残差神经网络模型，其结构主要由骨干网络、颈部网络、头部网络3个部分构成。通过数据库模型训练，得到最终识别方法。通过在煤矿井下进行现场钻孔试验，验证了识别方法的准确性，其中煤岩界面识别准确率达92%。

• 井下低照度环境下的钻孔机器人目标跟踪器

  由韶泽, 朱华, 李猛钢, 唐超权, 吉泽勇, 段宇峰

  煤矿井下是典型的低照度场景，为了解决一般摄像头在此环境下因特征提取不足导致跟踪失败的问题，提出了一种融合图像增强算法与多通道背景感知相关滤波器的低照度单目标跟踪器。采用增广拉格朗日方法来求解图像增强与目标跟踪的优化问题；提出采用目标区域光照均值判定方法来解决局部环境光源对目标亮度判别干扰的问题；设定亮度判据，实现单帧图像亮度判别与增强，保证了跟踪器在光照变化时提取目标特征的完好性。仿真实验验证了在暗光条件下，该跟踪器的跟踪准确度与重合度远高于一般的主流跟踪器。现场试验结果表明，该跟踪器实时帧率可达40 Hz，平均跟踪重叠精度为81.6%，有效地解决了机器人采用普通摄像头在煤矿低照度环境下的目标跟踪问题。

• 煤矿钻机用液控半自动上杆装置的设计及优化

  谢杰

  为了设计一套能够通过纯液压控制的简易机械手，实现钻机半自动上钻杆的功能，基于人工上钻杆的动作流程，分析了简化上钻杆动作逻辑关系。通过三维设计软件建立了机械手结构模型，分析了相关运动学机械原理结构，对关键机构进行结构设计和参数优化计算，对关键受力件进行强度校核和有限元分析，对模型进行运动学仿真，最后试制了半自动上杆装置并进行试验。试验结果表明：该装置进行上杆作业时运动机构和液压系统无卡阻现象。

• 碎软煤层顺层自动钻机的研制及应用

  辛德忠, 唐敏, 刘小华

  为解决常规钻机在碎软煤层顺层钻孔中存在的钻孔深度浅、易卡钻、施工扇形孔姿态调整困难等难题，研制了碎软煤层顺层自动钻机。介绍了该钻机的总体结构、参数和液压系统；分析了高转速钻进工况下，影响接卸扣可靠性的关键因素，研究了动力头马达排量自适应调节技术；研究了矩阵式大容量钻杆箱及基于路径规划的双机械手协同送杆技术；分析了影响卡钻的主要因素，形成了自适应防卡钻技术；针对顺层钻孔中扇形布孔的特点，研制了悬置式旋转提升机构。通过现场试验得出：该钻机结构合理、运行可靠，与相关钻具配合，在碎软煤层实施自动化钻孔时，钻孔深度可提升1倍以上。研究成果可为相关煤矿用自动钻机的设计及碎软煤层钻孔施工提供参考。

• 高能液动锤超硬岩冲击快速钻进工艺研究

  赵志强

  在煤矿井下硬岩及超硬岩中施工穿层钻孔时，聚晶金刚石复合片(PDC)钻头回转钻进工艺存在钻头消耗量大、钻进速度慢等问题，严重制约着瓦斯抽排孔的施工速度与效率。针对PDC钻头回转钻进超硬岩的技术难题，采用高能液动锤、高压乳化液泵、煤矿用履带式全液压钻机等钻进设备，使高能液动锤输出高频、大冲击功破碎硬岩，通过优化高能液动锤冲击—回转钻进工艺技术的钻进规程参数，实现超硬岩穿层钻孔快速钻进。经过新安煤矿工程验证，冲击—回转钻进工艺大大提高了煤矿超硬岩穿层钻孔的钻进效率，降低了钻头消耗量，有效解决了硬岩穿层钻孔的钻进难题。研究结果表明：高能液动锤超硬岩快速钻进工艺的最优钻进规程参数为泵压13~14 MPa、泵量200 L/min、钻压2~3 MPa、转速50~60 r/min。

• 构造煤微观结构部分组成因素对CO 2和CH 4竞争吸附能力的影响分析

  石钰, 杨晓娜, 薛俊华, 李树刚, 阳梦, 刘洋

  为明确构造煤微观结构部分组成因素对CO 2和CH 4竞争吸附能力的影响机制，基于巨正则蒙特卡洛、分子动力学方法和密度泛函理论，探讨了芳香单元延展度( L a)、芳香单元堆砌层数( N)、狭缝孔径( d)、表面缺陷( V)及含氧官能团( M)对CO 2和CH 4吸附能力的影响。结果表明：CO 2和CH 4吸附量及平均等量吸附热随 L a和 d的增加而增大，随 N的增加而减小；构造煤中 V和 M的存在会降低CO 2和CH 4的吸附量和平均等量吸附热；CO 2和CH 4在次生缺陷表面煤上的吸附强于其在单缺陷表面煤上的吸附；羧基最不利于CO 2在煤表面的吸附，羟基最不利于CH 4在煤表面的吸附；CO 2/CH 4的选择性系数始终大于1，狭缝孔径越小，CO 2竞争吸附优势越显著；煤表面吸附CO 2和CH 4后，费米能级处CO 2的电子态密度峰值大于CH 4的电子态密度峰值，说明CO 2在与CH 4竞争吸附过程中处于优势地位。研究从微观角度揭示了CO 2和CH 4在不同构造煤结构中的竞争吸附机理，其结论可为煤层气高效开采提供一定的理论依据。

• 采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术研究与工程实践

  陶云奇, 张剑钊, 郭明功, 于红, 潘仁杰

  为解决“U”形通风工作面上隅角及回风流瓦斯治理难题，在分析采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术原理与优势的基础上，根据工作面上覆岩层垮落规律确定了采动卸压瓦斯富集区，在平煤股份八矿己 15-15050工作面里段520 m施工顶板高位定向长钻孔代替高抽巷，进行采动卸压瓦斯抽采。试验结果表明：定向钻孔在3个月抽采期内，工作面上隅角及回风流瓦斯浓度均保持在0.4%~0.6%，工作面顶板裂隙带高浓度瓦斯区在垂向距煤层顶板25 m以上，瓦斯治理成本比高抽巷节约67.9%，治理工期可节省2/3，实现了矿井安全生产和降本增效的目标。

• ø200 mm定向钻孔一次成孔技术与装备的研究

  闫保永, 孟祥辉

  根据煤矿瓦斯治理对大孔径的需求，研发了ø200 mm定向钻孔一次成孔技术与装备，提出了大起拔/推进力给进系统优化方法，给出了双泵大流量泥浆系统输出特性研究方法，并对大直径定向钻孔一次成孔技术进行试验，验证了定向钻孔一次成孔技术、装备关键参数的合理性，以及大孔径一次成孔技术的可行性，为ø200 mm定向钻孔装备研发与钻孔施工提供理论依据。

• 深部高突煤层压—冲接替式强化增透技术及实践

  王超杰, 杨洪伟, 李晓伟, 魏民涛, 高向阳

  面对深部开采引发的复杂工况，高应力低透突出煤层瓦斯高效治理与突出防治工作依然存在巨大挑战。以河南薛湖煤矿为工程背景，构建水力化动压致裂与冲孔(压—冲)接替式煤层区域强化增透技术，提出分时介入抽采钻孔动态密封方法。试验结果表明：相比水力动压致裂增透技术，采用压—冲接替式增透技术可以使有效抽采半径增加近1倍，单孔抽采瓦斯纯流量平均提高了3.5倍；采用非凝固浆液分时介入抽采钻孔密封技术，单孔抽采瓦斯浓度得到较大幅度提升，能长时间稳定在30%左右。实现了低透高突煤层的瓦斯高效、长时抽采，有力保障了矿井安全高效生产，可为深部高突煤层精准防突理论与技术的发展提供借鉴。

• 应力—应变—渗流耦合条件下煤岩渗流特性及其可视化研究

  蒋长宝, 魏文辉, 刘晓冬, 吴家耀

  煤岩渗透性决定了瓦斯流动的难易程度，而煤岩的力学特性也在一定程度上影响着煤岩的渗透性。为深入探究不同应力—应变状态下煤岩的渗流特性变化，开展了煤岩渗流试验，并结合CT扫描对煤样孔裂隙结构进行三维重构，从煤岩孔裂隙受应力—应变影响而变化的角度分析煤岩渗透特性演化规律，同时应用Avizo软件对破碎后的煤样进行可视化气体流动及渗透率值的模拟。研究结果表明：煤岩渗透率随着轴向应力—应变的增加而呈现“V”形变化，并且渗透率的变化与煤岩内部孔隙变化具有明显的相关性；通过CT扫描得到的煤样渗透率值与试验所得的渗透率值基本一致。研究结果可为相似条件下煤岩渗透性及可视化研究提供参考。

• 基于CiteSpace的甲烷管控技术研究进展和热点分析

  贾国伟, 许邦, 邵壮壮

  为了更好地掌握国内外甲烷管控技术研究的发展动态和趋势，通过文献计量分析方法，从中国知网(CNKI)和Web of Science数据库中分别收集了2011—2021年间的24 358篇和50 020篇文献，从文献的发文数量、研究力量、研究热点等方面对甲烷管控技术研究进展进行了总结分析。结果表明：2011—2021年甲烷管控技术研究的发文数量总体增长了2.2倍；中国和美国发文数量大幅领先于其他国家和地区，占据甲烷管控研究领域的第一梯队位置；甲烷管控技术研究主要围绕煤炭、油气、农业、废弃物处置等行业领域开展，其中煤矿瓦斯的穿层钻孔、卸压增透、厌氧发酵、产甲烷菌等关键词具有较高的出现频次；生物燃料产甲烷、微生物种间电子转移、甲烷重整将是甲烷管控领域的前沿科学问题，各国研究的侧重点呈现多元化。研究结果揭示了甲烷管控研究的知识基础、热点及前沿趋势，可为开展甲烷管控技术研究和支撑碳减排管理提供理论和实践参考。

• 矿井避难硐室环境控制技术现状及发展趋势

  郭韦双, 张祖敬, 王克全, 刘林, 兰江

  基于国内外矿井避难硐室环境控制技术的研究现状，比较了国内外关于避难硐室环境控制条款规定，探讨了环境控制参数的允许范围，并从建设成本及人员安全角度出发，分析了目前针对避难硐室空气品质控制技术和温度控制技术的不足，指出了未来避难硐室环境控制技术的研究方向：①制订合理的环境参数允许范围；②基于矿井压风的CO浓度多种控制技术的协同作用；③CO 2被动化学吸附技术；④多重复合控温技术。

• 煤巷顶板分布式光纤监测的可行性试验研究

  杜传伟, 胡涛, 李业宏, 王嘉钰

  在传统顶板点式监测的基础上，应用BOTDR对采煤工作面回采巷道煤巷顶板沉降位移进行分布式监测。首先通过对BOTDR监测原理和煤巷顶板变形状态的理论分析，提出应用锚杆(索)在煤巷顶板进行光纤定点布设，并根据BOTDR测量的相邻定点间光纤轴向应变和变形量，推导出光纤应变量化煤巷顶板沉降位移的数学表达式；然后进行煤巷顶板沉降的光纤定点拉伸和区段拉伸室内模拟试验，试验中光纤应变表征的位移与光纤拉伸距离的误差分别为0.690%和1.545%，拉伸距离和应变表征光纤位移基本一致；最后进行了采煤工作面回采过程中进风巷煤巷顶板的BOTDR现场监测试验，试验期间，光纤应变表征出最大沉降位移平均值为64.09 mm和135.63 mm的2个顶板沉降区域。与井下十字观测法测量值相比，顶板沉降变形范围的最大误差为5.60%，顶板沉降位移的最大误差为4.96%，顶板垂直位移的绝对误差值小于4 mm，证明了BOTDR定量表征顶板的沉降变形范围和沉降位移的可行性。

• AMD渗流对裂隙灰岩溶蚀作用及降渗机理研究

  莫云川, 左双英, 付丽, 陈世万

  为研究闭坑煤矿酸性废水(AMD)对上覆碳酸盐岩渗透稳定性的影响，分别使用酸性矿山废水与自来水作为渗透液对单裂隙灰岩开展渗流—溶蚀、三维激光扫描、离子浓度检测、电镜扫描(SEM)等试验。试验结果表明：对于灰岩裂隙渗流—溶蚀，溶质浓度、渗透率、渗透压与围压、溶液酸碱度关系紧密；灰岩裂隙面溶蚀表现为“蜂窝状”孔洞，基质呈现“锯齿状”形态；随着渗流不断发生，裂隙宽度变小，粗糙度系数(JRC)降低；溶蚀沉淀物附着于裂隙面形成一层外壳，堵塞关键渗流通道，渗透率与Ca 2+浓度逐渐下降，渗透压与总铁浓度随之上升；渗流过程中的溶蚀、沉淀、降渗现象主要受介质矿物成分、微观结构、酸液溶解性及水动力条件控制。研究结果可为矿山环境治理和矿山岩体稳定提供一定的理论指导。

• 高应力巷道底板破裂形态特征研究

  魏军强, 徐营, 冯钊, 李德贤, 崔继强, 王贤来

  为了研究深部高应力巷道底板破裂形态及剪切带的发育规律，采用试验、理论分析、数值计算和现场测试等方法，建立一种岩石应变软化模型，对岩石压缩变形破坏过程中剪切带的形成机制进行研究，模拟与试验的峰值应力、残余强度误差在10%~20%，模型能够较好地体现岩石峰后的应变软化力学特征；基于该应变软化本构关系，建立高应力巷道围岩应变局部化分析的数值模型，系统分析了高应力巷道底板剪切带发育规律及破裂形态。巷道钻孔窥视结果表明，深部高应力巷道底板会形成局部破裂与变形，模拟研究结果与实际巷道底板破坏形态相符。

• 沿空煤巷过断层破碎带围岩控制技术研究

  殷帅峰, 李娅琪, 李昊, 石松豪, 任宇新

  以钱营孜煤矿W3 220机巷为工程背景，基于采空侧煤体内外应力场分布特征及护巷窄煤柱的极限平衡理论，结合矿井具体地质条件，确定窄煤柱合理留设宽度；采用FLAC 3D数值模拟软件分析相邻工作面回采及掘进沿空煤巷穿越断层破碎带条件下的不同剖面位置围岩应力分布状态和塑性破坏响应特征，明确窄煤柱沿空煤巷过断层破碎带围岩控制的难点与巷道支护对策，并针对性地提出“超前注浆加固+高强度高预应力锚杆+顶板补强长锚索+KTM4钢带+菱形钢筋网”联合支护技术。研究发现：基于理论计算与现场实际，确定缓倾斜中厚煤层沿空煤巷过断层破碎带护巷窄煤柱宽度留设的合理范围为5.2~7.1 m；模拟开挖沿空煤巷穿越断层时，巷道断面发生改变，应力发生较大调整，实体煤侧与煤柱侧不再有应力集中现象，煤柱受力极弱，煤巷围岩塑性破坏范围进一步扩大，巷道发生剧烈挤压变形。工程实践表明，支护完成36 d后巷道收敛变形趋于稳定，煤柱侧顶板、实体煤侧顶板、煤柱帮及实体煤帮最大变形量分别为66、62、59、47 mm，且本工作面回采期间，沿空煤巷整体变形量较小，没有影响工作面的正常回采，6 m窄煤柱和强力联合支护技术保证了沿空煤巷过断层破碎带围岩的稳定。

• 超高压后混合磨料水射流喷嘴优化数值模拟研究

  李潞渊, 张兴华, 康建华

  为了提升磨料水射流系统切割坚硬厚顶板的效率，利用数值模拟软件研究了喷嘴结构参数对磨料颗粒的速度及其分布的影响规律。结果表明：随着水喷嘴直径的增加，磨料的出口速度增大，在出口截面上，磨料颗粒主要集中在水射流外边界区域；当磨料入口角度和位置分别为60°和3 mm时，磨料颗粒的速度最大，轴线区域集中度最好。基于以上规律，对影响因素进行正交实验及方差分析，得出最优参数为水喷嘴直径1 mm，磨料入口位置为0 mm，角度为60°。通过割缝实验对比，发现喷嘴优化后割缝宽度减小了12.0%，深度增大了26.5%。

• 多抽风筒对综掘面除尘的影响研究

  韩敏, 王建国, 王康

  为探究除尘器抽风筒个数对综掘面除尘效果的影响，以冯家塔煤矿综掘面为原型，应用Solidworks软件建立综掘工作面模型，采用ANSYS Fluent数值模拟软件模拟掘进工作面长压短抽式通风对除尘效果的影响，并对抽风筒进行改进，研究布置双、三抽风筒时的除尘效果。结果表明：在掘进巷道中，粉尘质量浓度在反重力方向上呈现出下降—上升—下降的分布规律，且距工作面越远，下降趋势越明显；双抽风筒除尘可以明显降低回风侧的粉尘质量浓度，能将平均质量浓度为150 mg/m 3的高浓度粉尘控制在掘进工作面15 m范围内；三抽风筒在双抽风筒的基础上优化了安设位置，成功将粉尘抑制在工作面与掘锚机之间，能更有效地遏制粉尘在巷道空间内的扩散，作业空间粉尘质量浓度满足要求，除尘效果更佳。针对长压短抽式通风除尘系统中抽风筒进行的改进，可为综掘工作面除尘技术提供一定的参考。

• 管道宽度对火焰加速及爆燃转爆轰的影响

  赵永耀, 张艳敏

  采用数值模拟方法，研究了3种宽度(20、10、5 mm)管道内乙烯/空气预混气体的火焰加速及爆燃转爆轰(DDT)过程。研究发现，管道宽度 d越小DDT发生时刻越早，但是DDT发生时的长径比却随 d减小而增加。窄管道的边界层内易形成热点而引发DDT，而宽管道内更容易在管道内部引发局部爆炸形成DDT。当 d =20 mm时，爆轰波以多头爆轰波传播； d =10 mm时，爆轰波呈单头旋转结构； d =5 mm时，没有出现爆轰胞格结构，只观察到较大的压力脉冲类周期出现，爆轰以1 166~1 822 m/s的速度传播，平均速度为1 380 m/s。

• 黄河中游重要生产煤矿山土壤重金属特征分析与评价

  王春光, 彭景颂, 李婉莹, 李健, 张双腾, 余洋

  通过开展黄河中游地区神木市重要生产煤矿山土壤环境调查，借助富集因子法和潜在生态危害指数法，对矿山土壤重金属元素含量与空间分布特征进行研究，结果表明：①研究区仅Ni元素变异系数在50%以上，Cd、Hg、Ni元素平均值分别高于中国土壤背景值与陕西土壤背景值，土壤中各重金属元素含量均未超过标准值；研究区Hg、Cd、Cu、Pb、Cr、Zn元素分布基本呈现北高南低的特征，高值区主要分布在北部；②研究区重金属元素富集程度依次为Hg＞Cd＞Pb＞Cr＞Zn＞As＞Ni，潜在生态风险大小顺序为Hg＞Cd＞As＞Cu＞Pb＞Ni＞Cr＞Zn；综合潜在生态风险为中等危害，除Hg、Cd外，其余6种重金属元素生态风险危害较低。研究结果可为贯彻落实生产、在建矿山生态保护修复工作、支撑黄河流域生态保护和高质量发展提供有效参考。

• 固液两相复合封孔技术在瓦斯抽采中的应用

  李喜员, 孙矩正, 张益民, 魏风清

  受岩石巷道围岩松动圈的影响，采用“两堵一注”技术封孔的底板穿层抽采钻孔封孔段极易受到破坏，产生裂隙，密封效果变差，瓦斯抽采效果不佳。为提高瓦斯抽采效果，提出了固液两相复合封孔技术，通过固体密封段和液体密封段的组合使用，及时封堵松动圈内钻孔周围形成的动态裂隙和固体密封段收缩产生的缝隙，隔断漏气通道，提高封孔段密封性能，并在平宝煤业首山一矿进行了现场试验研究。结果表明：抽采120 d后，试验钻孔孔口瓦斯浓度为30%~50%，较对比钻孔的孔口瓦斯浓度(小于20%)有明显提高。该技术有效降低了围岩松动圈对抽采钻孔封孔段的影响，实现了提高抽采瓦斯浓度的目标。