矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2022年第6期

• 浅埋煤层开采采空区漏风规律分析及治理研究

  张岱岳, 艾子博, 李鹏

  以上湾煤矿22104采空区为研究对象，在地表释放SF 6示踪气体验证漏风通道的存在，计算漏风流速；使用Fluent流体模拟软件进行浅埋煤层开采采空区气体运移规律分析，以工作面实际生产参数及采空区漏风实测数据作为建模边界条件，构建采空区数值模拟分析物理模型；模拟有无地表漏风2种情况下采空区内部漏风流场及气体运移规律。模拟结果表明，在地表漏风的情况下，采空区内部低氧气体异常涌出，导致工作面上隅角低氧问题愈发严重。针对低氧问题，采用局部均压通风措施进行治理，实践表明采空区漏风量和压差减小，回风隅角氧气体积分数升高，低氧现象得到了改善。

• 叠层梁理论在复合顶板受力分析中的应用

  王同旭, 康正卿

  为分析复合顶板稳定性及锚杆组合作用, 将叠层梁理论应用于复合顶板中，对叠层梁非共同曲率、共同曲率及整体梁模型进行对比，分析了不同模型下复合顶板梁的弯矩分配规律、拉应力大小与比值及其影响因素，得到了各模型适用条件。研究表明：3种模型计算的复合顶板稳定性差别较大，当高跨比大于1/3时，可将复合顶板叠层梁近似看作共同曲率模型来处理；当高跨比小于1/3时，应将叠层梁按照非共同曲率模型进行分析；当层间黏结力未发生破坏时，可用整体梁模型来处理。分析得出复合顶板锚杆主被动加固机理，主要是防止复合顶板由整体梁向共同曲率叠层梁及非共同曲率叠层梁转化，实现由非共同曲率叠层梁向整体梁转化，从而增强复合顶板抗弯能力及巷道稳定性。

• 山西省沁水煤田云泉矿区煤中硫赋存规律及地质成因研究

  郭强, 张鹏

  以煤质煤岩数据和以往钻孔资料为基础，查明了云泉矿区9号煤层中高硫煤主要分布在矿区的南部，15号煤层高硫煤主要分布在矿区的东南部与北部。通过相关性分析发现，云泉矿区灰成分指数K与黄铁矿硫含量呈正相关关系，促进了黄铁矿硫的形成；而煤灰成分中Fe 2O 3的含量与全硫和硫化铁硫含量呈正相关关系。通过煤相分析发现，云泉矿区在形成的过程中经历了较为频繁的海进海退，煤中硫的含量和形态受到海水影响较大。

• 冲击地压多参量集成监测预警平台本地化建设研究

  罗天敏, 庞伟, 刘旭东, 于晓辉, 王恒

  为提高煤矿冲击地压监测预警水平，对国家能源集团新疆能源有限责任公司下属矿井冲击地压监测预警现状进行分析，提出多参量集成监测预警平台本地化建设方案。该平台基于B/S架构并采用工业互联网平台，包含应用服务平台、物联网平台、大数据平台、运维平台4个模块，具备监测预警一张图、实时监测、综合预警、报表系统、设备管理、语音报警等功能，且融合了冲击地压多系统多参量监测预警指标体系和多参量集成预警模型。平台本地化建设实现了数据信息的监测、挖掘、融合分析和可视化呈现，可进行微震、地音、应力等监测数据的深度研判和危险预警的智能发布，多参量集成预警模型大幅度提高了预警效率和效果，为矿山冲击地压灾害防控提供了决策依据。

• 基于GA-PSO-BP混合优化算法的矿井CO气体监测系统设计

  索艳春

  针对井下工作面复杂多变的温湿度环境及悬浮煤尘对矿井内CO气体监测精度的不利影响，提出了一种基于GA-PSO-BP混合优化算法的井下CO气体监测系统设计方案。该系统设计有9个样本采样节点，各节点感知端选用红外气体传感器，决策端通过基于遗传算法和粒子群算法混合优化的BP神经网络算法对感知端进行复杂多变条件下的温湿度补偿。多次实验结果表明：相比应用广泛的BP神经网络算法和粒子群优化BP神经网络算法，使用混合优化BP神经网络(GA-PSO-BP)算法后9个测试样本节点返回监测中心的CO气体浓度最大误差不超过1.30%，满足井下气体监测精度需求。

• 基于切线角理论的露天煤矿滑坡预警阈值计算

  赵立春, 徐长友, 刘永杰, 徐勇超, 韦宗根, 祁利民

  露天煤矿软岩边坡变形复杂，滑坡危险性大。为了充分挖掘露天煤矿软岩边坡监测数据变化规律，实现软岩边坡滑坡的准确预测预报，以霍林河煤田二号露天采区为工程实例，基于蠕变曲线切线角理论计算，创新提出了不同类型土—岩复杂软岩边坡雷达预警阈值级别划分标准。研究结果表明：采场中上部土类边坡及排土场边坡预警阈值变形速度 v≥15.0 mm/h，切线角 α≥75°达到临滑阶段；采场下部硬岩类边坡预警阈值速度 v≥8.0 mm/h，切线角 α≥85°达到临滑阶段。该预警阈值的成功应用对保障矿山安全生产、提高经济效益具有重要意义。

• 动水条件下单裂隙注浆浆液扩散规律研究

  王天琦, 张昌锁, 王子琦, 曾发镔

  动水条件下注浆是防治水害的有效手段。为掌握动水条件下浆液在裂隙中的扩散规律，采用多相流相场法数值计算方法，解算了动水注浆过程中动水对浆液的冲刷作用，以及浆液—水相界面、速度场分布特征，研究了裂隙倾角与动水流速对浆液扩散规律的影响。研究结果表明：动水主要沿着扩散主体两侧对浆液冲刷，使部分浆液与主体分离而造成浆液流失；浆液—水相界面受浆液自身黏度时变性的影响亦存在明显的时变性；受动水冲刷的影响，扩散主体两侧及下侧的顺水流区均存在速度突变现象；裂隙倾角与动水流速增大会增强动水对浆液的冲刷作用，进而影响浆液的扩散。研究结果可为动水注浆理论和工程实践提供技术参考。

• 沿空留巷工作面“一进两回”通风方式下采空区漏风规律研究

  郭艳飞, 郝殿, 李学臣, 易书钢

  为了正确判断“一进两回”通风方式下工作面采空区风流流动方向，指导矿井加强采空区瓦斯管理，以古汉山矿1604综采放顶煤工作面为研究对象，通过在工作面开切眼下部煤壁及运输巷沿空留巷外段分别释放SF 6气体，考察确定工作面漏风及瓦斯运移规律，并结合通风阻力变化及风量测定结果，分析采空区漏风随工作面推进的动态变化过程。研究结果表明：工作面风流分别自沿空留巷上帮及开切眼下部漏入采空区，并由开切眼上部涌入工作面，留巷初期总漏风量约占进风量的15%；沿空留巷漏风加大了采空区瓦斯涌出量及涌出范围，工作面检修期间采空区瓦斯涌出量占工作面总瓦斯涌出量的75%；沿空留巷段漏风通道随工作面推进整体呈增大趋势，但漏风量在留巷阶段初次来压前达到峰值，而后受巷道风流阻力变化影响，留巷段分风量、漏风量均呈缓慢下降趋势。

• 坚硬顶板定向长钻孔水力压裂卸压瓦斯抽采研究

  马彦阳, 吴教锟, 冯仁俊, 李良伟

  为了解决焦坪矿区特厚煤层坚硬顶板综放工作面瓦斯防治难题，通过顶板定向长钻孔分段水力压裂技术，以陕西崔家沟能源有限公司2305综放工作面为对象进行工程应用研究。现场施工定向长钻孔3个，最大单孔长度602 m。采用倒退式分段压裂工艺对3个定向长钻孔进行水力压裂，累计注液量983.1 m 3，总压裂时间5 231 min，单段最大峰值压力37.5 MPa。试验结果表明：经过顶板定向长钻孔水力压裂，工作面初次来压步距缩短29.37%，定向长钻孔平均抽采甲烷体积分数及纯量分别提高了1.92倍和1.57倍，本煤层区域预抽甲烷体积分数及纯量分别提升了1.79倍和2.01倍，初采初放阶段绝对瓦斯涌出量降低19.9%。顶板定向长钻孔分段水力压裂技术通过高压水精准预裂，降低坚硬顶板完整性，增加顶煤及围岩裂隙发育程度，拓展瓦斯运移通道，提高卸压瓦斯抽采效果，研究成果可为焦坪矿区类似地质条件下瓦斯治理提供技术参考。

• 温度对中等变质程度焦煤中甲烷吸附解吸特征的影响研究

  王思琪, 张瑞林, 周银波

  为了探究温度对中等程度焦煤中甲烷的吸附解吸特征的影响规律，采用等温吸附实验和甲烷解吸实验分析煤样在不同温度下的变化情况，结合Langmuir模型、等量吸附热、煤表面自由能和解吸量模型对所得实验数据进行分析。结果表明：随着温度的升高，甲烷吸附量及Langmuir吸附常数 a、 b均呈现下降的趋势；煤的吸附是放热过程，伴随着甲烷吸附量的增大等量吸附热随之增加；温度会导致煤表面自由能改变，温度升高煤表面自由能变化值减小，表现为甲烷吸附量减少；解吸曲线具有明显的Langmuir特征，温度升高会促进甲烷解吸，且最初10 min中的解吸速率增速较快。

• 聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣含量对充填体力学特性的影响试验研究

  吴生海, 宋玲, 姚亚峰

  为研究聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣含量对充填体力学性能的影响，通过分析聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣充填体的抗压、抗拉强度及坍落度的极差和方差，得到了聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣三因素对充填体抗压、抗拉强度及坍落度的影响程度并确定其是否是显著性影响因素。结果表明：三因素对坍落度的影响程度大小依次为聚丙烯纤维、玻璃纤维、矿渣掺量, 且均为尾砂充填料浆坍落度的显著性影响因素；添加纤维和矿渣均能提高充填体的抗压、抗拉强度，不同的养护龄期内，聚丙烯纤维、玻璃纤维及矿渣掺量对充填体抗压强度的影响并不一致，其中聚丙烯纤维对抗拉强度的影响最为显著。

• 卸压钻孔对锚索作用的影响及控制方法研究

  陈金宇, 王社新, 贾金河, 付玉凯, 孙卓越

  钻孔卸压是冲击地压巷道防冲的重要手段，但卸压钻孔会对巷道围岩体产生破坏，进而影响支护环境。为研究卸压钻孔对巷道支护的影响，基于锚索受力在线监测系统对冲击地压巷道锚索在钻孔卸压后的受力进行监测，并通过数值软件3DEC对锚索受力情况进行模拟。结果表明：随掘进工作面推进，锚索受力初期均出现锯齿震荡式增长，并最终呈现缓慢平稳式增长；安装锚索后推进20 m，3根锚索受力均有明显增加，越靠近掘进工作面，锚索载荷增加幅度越大；施工卸压钻孔前后锚索受力变化较小，其中孔口部分略有下降；卸压钻孔对围岩整体塑性区影响不大，仅在孔壁形成部分零散塑性屈服点；在卸压钻孔孔口2 m内采用囊袋式封孔器进行充填，能较好解决卸压钻孔对锚网支护的影响。

• 细水雾特性及煤粉制备系统抑尘抑爆技术研究

  黄子超, 薛少谦

  为了预防控制煤粉制备系统中细煤粉的泄漏危险和爆炸事故的发生，搭建了细水雾发生测试系统，测试了不同工作压力下，1种实心锥形喷嘴喷出的水雾的喷射雾化角、流量、粒径等特征参数。结果表明：随着喷雾压力的增加，水雾流量呈线性增加，粒径逐渐减小；当压力为2.0 MPa时，水流分散成粒径足够小的细水雾，流量为19.62 L/min，细水雾中值粒径为146.3 μm。基于细水雾降尘、灭火抑爆机理，设计了抑尘抑爆系统，对煤粉制备系统不同区域的水雾供给流量、喷头数量进行了计算，研究了喷头的安装布置方式，为煤粉制备系统的安全运行提供了可靠保障。

• 基于PSO-XGBoost的煤自燃程度预测研究

  周旭, 朱毅, 张九零, 秦思佳, 王艺博

  为了准确有效地对煤自燃进行预测预警，提出采用结合粒子群优化算法(PSO)、极限梯度提升回归树(XGBoost)的煤自燃预测模型(PSO-XGBoost)，其中梯度提升回归树中的随机采样率和最小叶子节点样本的权重参数由PSO算法优化组合。以东滩矿煤样进行煤自然发火实验获得的337组数据为基础，选取O 2体积分数、CO体积分数、C 2H 4体积分数、CO体积分数与剩余O 2体积分数的比值，以及C 2H 4体积分数与C 2H 6体积分数的比值作为指标。首先随机选取总数据的70%划分为训练集，30%划分为测试集，设计PSO算法的惯性权重，对XGBoost的参数进行优化，选取最优组合构建模型；然后将PSO-XGBoost模型与标准的XGBoost模型、随机森林(RF)模型和梯度提升树(GBRT)模型的预测结果进行对比分析。研究结果显示，RF、GBRT、XGBoost和PSO-XGBoost模型训练样本预测结果的平均绝对百分比误差(MAPE)分别为2.256%、2.423%、0.276%、0.072%，测试结果的MAPE分别为7.246%、8.816%、7.594%、6.860%。表明PSO-XGBoost模型精度优于RF模型、GBRT模型和XGBoost模型，PSO-XGBoost模型更适用于煤自燃预测预警。

• 高温采空区地热抽采方法及抽采效果控制因素研究

  闫璟泓, 王方田, 张少华, 张源, 胡剑宁, 刁望杰

  为合理利用矿井采空区地热资源，提出了一种采空区取热系统及采空区抽采回注地热利用的方法。建立了采空区热储的温度—渗流场数值模型，确定了影响抽采效果的控制因素，揭示了抽采过程中采空区温度场变化规律。采用正交试验—方差分析法，分析了各影响因素对抽采效果的影响程度。研究结果表明：采空区温度场冷锋首先由大孔隙率区域发展至抽采井附近，而小孔隙率区域降温较慢；各因素对抽采效果的影响程度顺序为注射流量＞注射温度＞抽采井长度＞抽采压力。

• 喷嘴参数对风送式喷雾机雾滴射程的影响

  龚曙光, 宋青卓, 刘黎明, 龚京忠, 贺运初

  为提升风送式喷雾机的雾滴射程，基于雾滴运动、碰撞和破碎方程，采用数值模拟和正交试验法，探讨了喷嘴的分布直径、数量、方向、孔径和喷雾压力对喷雾机雾滴射程的影响。结果表明：风送式喷雾机的雾滴运动分别经历喷射、沉降和漂移3个阶段，各阶段距离之比接近3∶1∶1，喷射段决定了雾滴射程的大小，雾滴有效作用范围为最大射程的77%~100%；影响雾滴射程的主次因素依次为工作压力、分布直径、喷嘴孔径、喷嘴角度和喷嘴数量。

• 五里堠煤矿15号煤层水压致裂瓦斯抽采技术研究

  马金飞, 范永平

  针对五里堠煤矿15号低渗透性煤层常规预抽孔存在的钻孔密集、投入成本高、抽采效率低、抽采周期长等问题，开展了顺层钻孔水压致裂瓦斯抽采技术研究。现场试验结果表明：2101工作面最大主应力为水平应力，应力值为18.3 MPa，方向角为N31.65°E，中间主应力为垂直应力，产生的压裂裂缝沿最大主应力方向，裂缝形态以垂直裂缝为主；煤层起裂压力为25~29 MPa，压裂影响半径为5~8 m；压裂后4个月累计抽采瓦斯量约为1.8×10 4 m 3，吨煤瓦斯含量从原始10.85 m 3/t降低至2.63 m 3/t，压裂抽采效果显著。采用压裂抽采工艺后，钻孔工程量减少了1/2，抽采瓦斯周期缩短2~3个月，显著提高了煤矿经济效益，对掘进工作面的快速掘进施工亦有重要借鉴意义。

• 快速掘锚工作面控风除尘技术研究与应用

  乔金林, 孙连胜, 王嘉

  为解决快速掘锚工作面的粉尘污染问题，以寸草塔煤矿22120工作面运输巷快速掘锚工作面为研究对象，通过FLUNET软件建立数值模拟模型，研究并优化控风、抽风风量的匹配关系，并结合现场实际应用进行验证，得到合适的掘锚工作面配套方式及最优工艺参数。研究结果表明：将除尘器安设于掘锚机顶部，并采用“附壁风筒+挡尘帘”进行控风除尘的工艺配套方式，掘锚工作面的粉尘质量浓度得到显著降低；当除尘器抽出风量为405 m 3/min(即抽压风量比为0.9)时，工作面降尘效果明显，呼吸性粉尘的降尘效率达到95%以上，极大改善了掘锚工作面的作业环境。

• 顺和煤矿工作面底板太灰水动态引流方案设计应用

  戴磊, 段李宏, 杨斌, 祝汉京

  为了进一步提高顺和煤矿承压水水害治理的可靠性，降低工作面水害威胁，解决矿井面临的太原组上段灰岩岩溶裂隙发育、水压高等难题，采取动态引流疏降的方法，开展放水试验，收集相关数据，计算得出底板主要含水层单位涌水量、渗透系数等参数。结果显示：顺和煤矿2401工作面底板灰岩含水层属于弱富水性含水层，具有较好的可疏降性；设计了采用不同等效疏水量动态引流疏放方案，利用非稳定流理论和井群干扰理论分别计算了疏降效果，在整体达到100 m 3/h左右的等效疏降强度下，疏降周期合理、效果明显，可实现工作面安全经济开采，对于改进顺和煤矿底板水害防治技术手段、降低防治水工程成本等具有重要意义。

• 岩溶区闭坑煤矿采空区综合物探及三维地质模型构建

  田浪, 陈世万, 吴佼基, 李加华, 余琪, 李仁启

  为了摸清闭坑矿区水文地质条件，构建了闭坑矿区水文地质概念模型。以贵州省麻江县闭坑煤矿为研究对象，通过开展高密度电阻率法、充电法、瞬变电磁法和核磁共振法等系统的物探工作，并在重点区域进行钻探，结合闭坑矿区生产资料及地质调查成果，依托EVS地质建模软件完成该闭坑矿区水文地质模型构建，实现了地下水补—径—排过程的可视化，可为闭坑矿区水污染治理提供重要支撑。

• 邻正断层不规则孤岛工作面冲击危险性评估方法研究

  陈玉涛

  针对地质条件复杂的厚煤层孤岛工作面开采过程中，易受开采扰动而发生冲击地压灾害的问题，以某矿1311邻正断层不规则孤岛工作面为研究对象，提出一种邻近地质构造的不规则孤岛工作面冲击危险性评价方法。首先，对地质影响因素进行分析，从开采深度、煤岩的物理力学性质、坚硬顶板岩层结构、断层4个方面并结合地质因素冲击地压危险指数，确定了1311工作面的冲击危险性；然后，对开采技术影响因素进行分析，通过数值模拟分析了1311工作面回采对7301运煤巷、官庄断层的影响，并且现场实测分析了残留三角煤柱的影响，结合开采技术因素的冲击矿压危险指数，确定了工作面整体为中等冲击危险性；最后，运用工作面冲击危险性综合评估法对工作面冲击危险区域进行了划分，并利用微震监测系统对危险区域进行了监测验证。验证结果表明：利用该综合评估法确定的1311工作面整体冲击危险性及划分的冲击危险区域是合理、准确的。

• 煤矿塌陷区中心位置地表土壤水分空间异质性及其影响因素分析

  陈小洋, 李力

  以我国典型煤矿开采区为例，分析研究了煤矿开采前后开采区中心位置地表土壤体积含水量的变化规律及其主导因素。研究结果表明，开采前地表土壤体积含水量的空间分布主要受高程变化的控制，开采后采煤塌陷区地表土壤体积含水量呈现“两边低，中间高”的特征，煤层开采破坏了地表土壤水分的空间分布特征。在较大范围内(900 m)，相比开采前，采煤塌陷区中心位置在开采后表层土壤体积含水量、总孔隙率和黏粒质量分数分别增大0.034 cm 3/cm 3、7.5%和0.14%，而土壤有机质质量分数、土壤容重和土壤密度分别降低0.05%、0.08 g/cm 3和0.24 g/cm 3，开采后土壤体积含水量与总孔隙率的相关系数最大，为0.751( P < 0.01)，相比开采前显著增高。在小范围内(50 m× 50 m)，开采后表层土壤体积含水量和总孔隙率分别增大0.014 cm 3/cm 3、2.9%，而土壤有机质质量分数、黏粒质量分数、土壤容重和土壤密度分别降低0.42%、0.18%、0.23 g/cm 3和0.21 g/cm 3，植被密度与土壤体积含水量的相关系数最大，为0.70( P < 0.01)。分析结果表明，采煤塌陷区不同范围内土壤水分变化主控因素不同，该结果能够为采煤塌陷区复垦提供科学依据。

• 煤矿井下随钻测量技术研究现状及展望

  陈泽平, 闫保永, 王国震, 张先韬

  煤矿井下随钻测量技术在瓦斯灾害防治、水害防治、隐蔽地质灾害探查等方面发挥着不可替代的作用，是煤矿井下钻探施工由“轨迹不可控”到“精确定向”的关键技术，大幅提升了我国煤矿井下灾害防治水平。介绍了随钻测量技术的原理和技术类型，回顾了煤矿井下随钻测量技术的发展历程，对有线随钻测量技术、泥浆脉冲无线随钻测量技术、电磁波无线随钻测量技术等代表性技术成果及其实际应用情况进行了详细阐述。基于新形势下智慧矿山、透明矿井建设需求，围绕煤矿灾害防治智能钻探，从“近钻头随钻测量”“定向长钻孔+地质探测”“定向长钻孔+瓦斯探测”等方面，展望了随钻测量技术的发展趋势。

• 露井联采矿区煤—水—生态协调发展评价体系研究

  解馨馨, 杨军耀, 陈军锋

  针对露井联采矿区的特点，系统分析了煤—水—生态协调发展机理，优选了煤炭生产、水资源和生态环境这3个维度6个方面21项指标，构建了评价指标体系，其中主要的3个指标为经济效益、水资源开发利用率及绿地面积。采用博弈论将层次分析法和熵权法组合得到权重，构建了煤—水—生态协调发展的TOPSIS模型和耦合协调度模型，并以安太堡—安家岭露井联采矿区作为研究对象进行实例分析。结果表明：研究区在2015—2020年间3个维度的发展水平逐年好转，综合系统的评价值由0.36上升到0.65，且其内部耦合也呈现良好的发展趋势，由0.35增加到0.47。评价结果与实际情况相符，验证了模型的准确性和合理性，对于露井联采矿区煤矿开采具有一定的指导意义。