矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2023年第1期

• 不同断层倾角下煤系断层应力场演化规律研究

  石佳林, 胡千庭, 罗永江, 廖志伟, 刘齐, 王晓东

  为深入了解煤系断层构造带应力场演化特征，以重庆石壕煤矿为例，通过物理相似模拟研究不同倾角断层在水平应力作用下破坏形态及内部的应力变化规律，同时结合数值模拟软件PFC分析不同断层倾角下应力增高区范围与断层破坏的影响。结果表明：断层倾角较小时发生滑动破坏，随着倾角的增大，断层两端应力无法通过滑动卸载，破坏形式逐渐变为剪切破坏；加载时断层下盘区域产生应力集中，断层倾角增大使得应力增高区因不同的破坏形式从下盘煤层区域向下盘顶、底板区域转移；通过PFC数值模拟，可以有效观测到模型内部裂缝，并对试件内部微裂缝进行考察研究与物理试验有着较好的一致性；通过力链分析发现，断层倾角变化会诱使应力增高区从煤层过渡到力学性能较强的顶、底板。

• 基于COMSOL的炉体内煤氧化反应数值模拟

  郭天宁, 曾强

  为了探究煤燃烧过程中温度、氧化产物、反应物的分布规律，通过COMSOL 5.5数值模拟软件建立煤氧化炉体模型，基于新疆准东煤矿煤属性数据，模拟自然升温与加热及不同压差条件下，炉体内温度、O 2及氧化产物(CO、CO 2)的浓度分布特征。结果表明：压差增大，炉体内温度及氧化产物浓度降低，反应末期高温区域位置升高；同一压差下，氧化产物浓度随监测点轴向位置升高而增大，煤氧化炉体中心温度较高；径向方向，氧化产物浓度与对应位置的温度呈正相关关系；加热8 h能显著提高反应速率。

• 综掘工作面呼吸性粉尘运动方程研究

  赵政

  分析了呼吸性粉尘颗粒在巷道内水平和垂直方向运动时的主要受力情况；基于颗粒运动理论，建立呼吸性粉尘颗粒的运动方程，揭示了其在巷道内的运动特征；根据运动方程，确定了呼吸性粉尘颗粒以初速度0 m/s在垂直方向上及在风速1 m/s的水平方向上运动的终极时间、终极速度和终极距离等参数。开展试验，在模拟综掘工作面内发尘，使呼吸性粉尘颗粒以确定的运动参数在巷道内运动。试验结果证明：呼吸性粉尘将长时间在巷道内运动而不沉降，其在垂直方向上的粒径大小分布与地面距离成反比。试验结果与运动方程吻合，验证了呼吸性粉尘颗粒运动方程的正确性。

• 采煤机机载喷雾引射除尘技术及装备的研究

  马威

  针对3 m左右采高综采工作面使用采煤机喷雾控降尘措施时沿煤壁一侧运移的高浓度粉尘危害严重、机面安装电动除尘风机空间受限的问题，提出了一种利用喷雾引射作为动力进行集中抽尘净化的除尘措施，并采用测试分析的方法对喷雾引射风量、引射效率与喷管直径、喷管长度、喷嘴张角、喷雾水量、喷雾压力之间的关系进行了研究，在此基础上研制出一种高度小于300 mm的机载多管组合式喷雾引射除尘器，其抽吸风量和负压可达到200 m 3/min和800 Pa以上，配合使用采煤机喷雾控降尘技术，可将采煤机逆风割煤时下风侧10 m处的呼吸性粉尘降尘效率提高至90%以上。

• 砚北煤矿特厚易自燃煤层邻近采空区瓦斯抽采与煤自燃耦合研究

  慕兰兰, 传金平, 杨小彬, 聂朝刚

  砚北煤矿特厚易自燃煤层采用分层开采，在工作面推进过程中因周期来压造成工作面上隅角瓦斯瞬时超限，目前主要通过瓦斯抽采解决该问题，但邻近采空区抽采易引起采空区漏风，可能导致遗煤及下分层煤发生自燃。为分析采空区瓦斯抽采对遗煤自燃的影响及优化抽采参数，编制了瓦斯抽采、漏风、氧化升温耦合脚本文件，建立了邻近采空区瓦斯抽采耦合氧化升温数值计算模型，并利用该模型模拟了不同抽采条件下邻近采空区瓦斯浓度分布、温度分布及氧气浓度分布规律，综合考虑抽采效率和防止煤氧化自燃，研究结果表明：抽采钻孔高度35 m、抽采负压7 kPa时瓦斯抽采效果最佳。研究结果可为特厚易自燃煤层工作面上隅角瓦斯治理及邻近采空区瓦斯抽采设计提供技术参考。

• 选煤厂筛分车间粉尘浓度分布规律数值研究

  刘茜尧, 连清旺

  针对选煤厂筛分车间粉尘污染严重的问题，以马脊梁选煤厂为研究对象，采用数值模拟与现场试验相结合的方法，使用Fluent软件对筛分车间振动筛处粉尘运移规律进行模拟。分析粉尘在风流作用下随时间和空间的运动变化规律，提出应用喷雾与密闭罩相结合的方法治理粉尘。研究结果表明：由落料管落料和振动筛工作产生的粉尘大量聚积在振动筛筛面，粉尘质量浓度最高达60 mg/m 3，随着与振动筛距离的增大粉尘浓度逐渐降低；车间内风流流速随着运移距离的增大而减小；将喷雾与密闭罩相结合的粉尘治理方法应用到现场，平均降尘效率达92.3%。

• 基于欧拉-拉格朗日方法的喷雾除尘效率影响因素数值模拟

  杨华, 齐世康, 田亮, 刘轩臣, 解珺, 祁娜

  为了研究最适合喷雾除尘的喷嘴参数，采用欧拉-拉格朗日方法，建立了空气相、粉尘相和喷雾相的三相耦合模型，其中喷雾相为离散相，空气相和粉尘相为欧拉连续相，粉尘相采用颗粒拟流模型。在Fluent软件中分别模拟了喷雾粒径、喷雾流量和喷雾速度几个因素对除尘效率的影响，并对现有喷嘴的3种喷雾工况进行除尘模拟。结果表明：喷雾除尘效率随着喷雾粒径的减小而增大，随着喷雾流量和喷雾速度的增大而增大。得到喷嘴的最佳除尘工况：Rosin-Rammler分布的平均粒径为46.4 μm，喷雾流量为0.04 kg/s，喷雾速度为23.1 m/s。

• 深部矿山巷道大变形综合预测方法研究

  周英豪, 王文杰, 雷扬, 寇永渊

  为了准确预测深井巷道在不同阶段的挤压大变形程度, 以金川二矿区深部巷道为研究对象开展研究，将大变形划分为4个等级。根据挤压大变形的S型变形规律，利用Logistic模型对监测数据进行回归预测，获得大变形的总体发展趋势及最终变形量，为巷道生产维护阶段的等级预测提供参考；综合考虑应力状态、地质环境、施工条件及围岩性质等因素，利用层次分析法赋权，建立AHP-集对分析的大变形预测模型；基于最大隶属度原则和置信度准则进行等级辨识，对巷道勘察设计阶段潜在大变形等级进行超前预测。结果表明：针对不同阶段的预测模型预测等级与实际情况相吻合，可为深部矿山巷道支护设计及维护提供依据。

• 基于集成学习方法的冲击地压危险性预测研究

  吴丙梅, 薛生, 杨超宇

  为了进一步提高冲击地压危险性预测的准确性，利用集成学习方法对冲击地压发生的主要因素指标进行了分析，分别采用集成学习方法中7种分类预测模型对冲击地压危险性进行了预测，实验结果表明, 7种模型均具有一定的可靠性，将模型的准确度和海明损失作为评价指标，得出XGBoost算法具有较高的预测性能，可以相对有效地对冲击地压的危险性进行预测。最后，利用SHAP值对XGBoost模型进一步解释，冲击地压危险性受弹性能指数的影响最大。

• 深部留底煤回采巷道变形破坏及支护策略研究

  李鹏, 索永录, 郭萌, 鲁健

  为揭示深部留底煤回采巷道围岩变形破坏规律、提出有效支护策略，以青云煤矿020202工作面轨道巷为研究对象，通过建立深部巷道力学模型，引入无量纲形式的敏感度因子，研究埋深、围岩强度、采动应力和支护阻力对围岩变形破坏的影响规律，基于此提出新支护策略，并采用数值模拟和现场实测验证。研究结果表明：围岩表面位移量和塑性区半径各影响因素按影响程度排序为埋深>围岩强度>采动应力>支护阻力；“去底煤注浆加固+高预应力强力锚杆锚索及时支护”策略可有效抑制巷道围岩塑性区发育，使围岩变形量减少约50%，无需返修。研究成果可为深部留底煤巷道支护设计提供借鉴参考。

• 窄煤柱沿空掘巷围岩稳定协同控制技术研究与应用

  陈志维, 张彦董

  为提升矿井采掘接续能力、实现煤炭资源的精采细采，改变以往留设大煤柱导致回采率低的现状，以石槽村煤矿211203工作面回风巷为工程背景，在研究综采工作面采动矿压显现规律基础上，对比分析了巷道3种布置方式的优缺点，提出上覆岩层协同控制系统，分析窄煤柱沿空巷道围岩结构体系各组成元素对上覆岩层的协同控制作用，给出了沿空掘巷围岩控制方法，具体优化方法为：①确定窄煤柱合理留设宽度使新掘巷道处于最佳应力环境以确保煤柱稳定性；②应用钻孔卸压技术、“三高”锚杆(索)支护技术增强巷道围岩自身承载能力。结合现有支护经验和具体地质条件，设计了211203综采工作面回采巷道围岩变形控制具体支护方案，重点控制煤柱三角区域、肩窝、底角等薄弱部位的稳定。应用表明现场支护效果较好，能满足巷道使用要求。

• 沿空工作面终采线外错诱冲机理及防治技术研究

  秦子晗, 郭伟, 冯美华

  为掌握终采线外错开采时沿空巷道围岩应力的分布规律和冲击危险，基于崔木煤矿22307工作面工程背景，通过数值模拟分析了终采线内错、外错和平齐3种情况下的应力变化特征，提出采空区顶板联动是造成沿空巷道冲击地压的主要原因，并对顶板联动条件进行了研究。研究结果表明：工作面终采线外错后与侧向采空区发生的顶板联动会带来更高的冲击危险，而顶板联动同时受厚层坚硬顶板、区段煤柱和双工作面开采宽度的影响。通过对终采线外错区域采取顶板预裂爆破措施后，微震事件能量和频次得到了明显降低，保障了末采期的安全生产。

• 矿井瞬变电磁法探测顶板低阻岩层富水性

  王军, 程久龙, 黄忠正, 董毅, 李志刚, 杨素佼

  为研究矿井瞬变电磁法探测麦垛山煤矿工作面顶板侏罗系低阻岩层富水性的效果，建立了工作面顶板低阻岩层局部富水的全空间三维地质模型，分析总结其电磁响应特征。根据麦垛山煤矿顶板岩层富水性矿井瞬变电磁法探测工程应用情况，结合已知水文地质资料，对探测结果进行分析与解释，后期探放水钻孔较好地验证了圈定的相对低阻异常范围的准确性。研究表明：矿井瞬变电磁法能够实现对采煤工作面顶板侏罗系低阻岩层中富水区的准确探查，可为受顶板水害威胁且具有类似电性特征的工作面的开采提供安全地质保障。

• 阶梯式导水断层带探查及水害防治技术

  许峰

  对于底板奥灰水带压开采矿井，在采掘过程中针对其隐伏导水构造的探查与治理是矿井防治水的重点。以黄玉川煤矿6上煤二水平辅运大巷掘进过DF6断层带水害探查与治理工程为例，采用钻探、化探、放水试验等方法，查明DF6断层带为多个断层组成的阶梯式断层带，断层带富水并受到底板奥灰水的补给；采用超前钻探结合帷幕注浆的方法，施工了15个注浆治理钻孔及3个检验孔，对6上煤二水平辅运大巷顺利掘进前方DF6断层带进行治理，治理效果良好，有效保障了6上煤二水平辅运大巷过断层带时的掘进安全。

• 采煤沉陷区动态预复垦理论分析及工程实践

  李学良, 杜亚敏, 郭鑫, 余洋

  在我国东部高潜水位矿区，由于单一厚煤层和多煤层的长时间无序开采，形成了大面积的非稳沉区及积水区，致使耕地面积急剧减少，若不及时治理则会导致治理成本增加、复垦效率降低等一系列问题。本着从“末端治理”向“源头控制”、“过程管理”与“防治结合”的理念，在现有研究成果的基础上，对动态预复垦从原理、优势、关键技术等多个方面进行综合分析，并结合工程实例对动态预复垦的整体技术体系与实施方法进行深入剖析。结果表明：动态预复垦能够将采矿与复垦有效结合，通过合理分区、科学确定标高、表土有效剥覆等手段，可有效保护和利用浅部耕作土层的土地资源，缩短土地恢复治理时间，效益显著。

• 厚煤层煤层气井水力压裂特点及效果评价

  李全中, 胡海洋, 吉小峰

  为充分利用厚煤层的煤层气资源，需提高厚煤层的压裂改造效果，在厚煤层中建立复杂缝网。以沁水盆地兰花区块不同厚度煤层气井为例，研究不同厚度条件下，压裂施工参数对压裂改造效果、产气效果的影响。结果表明：研究区厚煤层压裂缝网长度及改造效果受压裂液总量的影响较显著，压裂裂缝平均长度192 m，压裂裂缝向埋深较浅的区域延伸较长；研究区山西组3 #煤层水平主应力方向为北东东向，压裂裂缝偏离水平主应力方向，井筒两侧的裂缝长度差异增大；煤层厚度越大，资源丰度越高，其对每米煤厚的平均日产气量及每米煤厚的累计产气量贡献越大。通过对煤储层多参数地质甜点优选及开发工程参数优化，可降低厚煤层煤层气开发风险，提高产气效率。

• 多夹层顶板综放工作面采空区自燃“三带”划分

  王毅, 周余, 高靖博, 张丁丁, 郝宇

  采空区遗煤自燃属于煤矿重要灾害。为探究其自燃“三带”分布规律，以高家窑煤矿5203综放工作面为研究对象，采用实验室测定煤相关自然发火特性参数，现场布置运输巷与回风巷两侧的温度与气体采集系统，Fluent模拟采空区风流速度等方法，对5203综放工作面“三带”进行了划分。结果表明：以温度为划分标准的“三带”范围与氧气浓度划分的范围相近，以氧气浓度划分的散热带宽度为17.0~21.2 m，自燃带宽度为66.7~74.6 m，窒息带宽度大于83.7~95.8 m。Fluent模拟的散热带宽度为18~22 m，自燃带宽度为64~73 m，模拟结果与实测自燃“三带”范围相近。并结合5 #煤层最短自然发火期计算出工作面最低推进速度，研究结果可为矿井安全生产提供保障。

• 注气驱替机理研究现状及展望

  龙泳翰, 张磊, 李菁华, 卢硕

  注气驱替因其安全环保性成为近年来解决低渗煤层瓦斯抽采问题的主要方法之一。将注气驱替机理总结为3种，即气体的置换作用、驱赶作用及支承作用，分析了注气压力、气体种类、温度等因素对3种作用的影响；认为在3种作用中驱赶作用起主导作用，主要通过压力势差来强化抽采，区别于其他压裂方式强化抽采。总结了目前注气驱替技术的研究进展，对相关重点和难点进行归纳，认为大多实验是以单变量研究为主，考虑复合影响因素共同作用的研究较少。最后在目前注气驱替技术的运用基础上，从液氮致裂—注气驱替联合增产技术、智能化注气驱替技术、高温气体注气驱替技术3个方面展望未来注气驱替技术的运用。

• 基于量纲分析讨论煤与瓦斯突出的影响因素

  金洪伟, 马硕, 徐刚, 周捷, 黄石银

  煤与瓦斯突出的机理非常复杂，难以用常规的解析方法进行建模研究，量纲分析是研究此类问题的有效方法。使用量纲分析的方法，对煤与瓦斯突出问题的性质和控制参数进行分析。结果表明，煤与瓦斯突出过程中主要发生3种物理现象，分别是准静态岩体系统的失稳、孔洞壁煤体的连续破坏，以及碎煤—瓦斯两相流的运动。讨论了这3种现象的问题实质、建模方法和状态变量，在此基础上应用量纲分析方法，构建了一系列对煤与瓦斯突出起控制作用的无量纲数。通过无量纲数导出煤与瓦斯突出的主要影响因素，以及各个影响因素之间耦合作用对煤与瓦斯突出发生规律造成的影响。

• 磨料水射流切割技术在煤矿生产中的安全应用探讨

  邓松圣, 戴飞, 庞成, 冷夕杜, 孙国文, 王毅

  煤炭开采过程中产生的瓦斯、煤粉等危险物质极易诱发火灾甚至爆炸事故，提出采用磨料水射流切割技术进行煤矿生产中的设备切割、拆除与回收等安全应用。分析了磨料水射流切割技术的技术分类及适用场合，阐述了其冷切割特性在强化瓦斯抽采、巷道掘进、安全生产保障、资源回收利用、废弃设备处置及在应急切割与救援中的适用性。针对目前磨料水射流切割装置在煤矿井下应用中存在的问题，从装置通过性、水电保障、执行机构、监督管理等方面给出了具体建议。

• 微生物治理矿井瓦斯的可行性分析及研究现状

  谢军, 孙祥科, 徐书荣, 胡华

  以抽放或抽采为主的瓦斯治理方法，会使矿井瓦斯排放到大气中，造成环境污染，加剧温室效应。利用微生物技术降解矿井瓦斯，可以从根本上消除矿井瓦斯，降低瓦斯对矿井安全和环境的危害。归纳分析了微生物治理矿井瓦斯技术的研究成果，从微生物降解瓦斯机理、降解产物、矿用微生物培养、应用方式及现场应用效果等方面，对微生物治理矿井瓦斯的可行性进行了分析，并对其发展趋势进行了展望：现有微生物降解瓦斯技术存在菌种单一、井下环境适应性差、煤层注入扩散范围小等技术瓶颈，解决这些关键技术问题将成为微生物治理矿井瓦斯技术的发展方向。

• 基于动态灰积加权关联算法的矿山安全投入决策模型及应用

  柯丽华, 孟欢欢, 胡南燕, 王其虎, 陈魁香

  为了解决我国矿山企业存在的安全投入优化效果不佳、决策模糊性等问题，综合考虑事故间接损失对安全管理效果的影响，采用EAHP法确定各安全投入要素的权重，较好地描述了专家意见的模糊性和偏好差异；采用非对称正弦白化权函数和灰色关联法，建立了动态灰积加权关联算法的矿山安全投入决策模型，客观地反映了不同时点安全投入和安全产出的差异带来的影响。将该模型用于矿山企业安全投入优化决策分析中，结果表明：该矿山的安全教育和安全管理2个安全投入要素的关联度相对较大，分别为0.188和0.170，说明该企业安全运营综合效果的瓶颈因素为安全教育和安全管理；该矿山企业的安全投入优化决策结果合理有效，验证了该模型的适用性，为企业制订安全投入方案和提升安全管理效率提供了决策参考。

• 基于工作不安全感的矿工安全行为随机演化动态

  王海涛, 王天日, 栗继祖

  为探讨一线矿工安全行为策略，在安检员和一线矿工数量有限的条件下，基于工作不安全感视角，构建引入Moran过程的两方随机博弈模型，探究不同因素对博弈主体策略的影响，并使用数值仿真验证其结果。分析结果显示，在一定范围内，工作丧失和人际关系不安全感等心理成本的增加有利于安检员行为改善，但不利于一线矿工行为改善。此外，安全风险转移系数、安全行为成本、策略突变率及博弈双方数量也会影响安检员与一线矿工的策略选择。