矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2023年第2期

• 基于采空区孔隙率动态演化模型的卸压瓦斯运移规律研究

  张永涛, 朱鹏飞, 李庆钊, 窦成义, 杜豪豪

  为了获得工作面推进过程中采空区卸压瓦斯的运移规律，以大佛寺煤矿40118工作面为研究对象，基于煤岩层的物理力学参数，建立了基于采空区应力分布特征的采空区孔隙率动态演化模型，采用数值模拟的方法获得了工作面不同通风量、高位钻孔不同抽采负压，以及不同瓦斯涌出量条件下的采空区瓦斯运移规律。研究结果表明：采空区孔隙率动态演化模型可以较好地适应该矿的地层条件，其随着工作面推进而动态变化；在高位钻孔抽采条件下，随着工作面通风量和抽采负压的增大，采空区瓦斯浓度(甲烷体积分数)逐渐减小，但浓度值处于爆炸界限内的区域却有所增加，这在一定程度上增大了发生瓦斯爆炸风险的范围；随着采空区瓦斯涌出量的增加，采空区内甲烷体积分数整体上升，但瓦斯爆炸风险有所降低。

• 山脚树煤矿强采动巷道围岩加固关键技术研究

  郑行行, 马振乾, 梁旭超

  为解决强采动巷道围岩变形破坏、难以维护的问题，以山脚树煤矿1200运输平巷为研究对象，采用数值模拟、钻孔窥视和现场工业性试验等研究方法，分析了强采动巷道围岩内部裂隙发育特征、巷道围岩塑性区分布与演化特征、巷道表面位移的变化情况，并结合现场实际条件提出了“二次强力锚注”支护方案。研究结果表明，受工作面多次采动影响，巷道围岩裂隙扩展，形成了较大的塑性区，范围在3.00 m左右；当工作面回采至巷道正上方时，采动应力将加剧巷道围岩破坏，导致顶板、左帮及右帮的变形量急剧增大。现场试验表明，采用该巷道支护优化方案后，巷道平均宽度为5.07 m，与未优化段相比，收缩了2.5%；顶底板平均距离为3.40 m，与未优化段相比，收缩了3%。该支护方案能够有效控制巷道变形。

• 倾斜特厚煤层上分层开采时下分层煤体载荷及渗透率演化规律研究

  卢方超, 张学博, 高建良

  为了得到倾斜特厚煤层上分层开采时下分层煤体载荷及渗透率演化规律，以新疆硫磺沟煤矿9-15(06)工作面为研究对象，构建了采空区底板应力传递模型，模拟了随着上分层推进时下分层煤体载荷演化过程，并以此为下分层采集煤样应力路径，开展了下分层含瓦斯煤应力加卸载实验，得到了下分层煤体渗透率演化规律。结果表明：随着上分层推进，下分层煤体垂直应力经历了原岩应力、应力增加至支承应力峰值、支承应力峰值后卸压、应力升高恢复稳定；沿煤层倾向，下分层煤体进入采空区后，由倾斜上部至下部，煤体应力最大恢复程度逐渐增加；下分层煤体渗透率经历了初始渗透率、渗透率下降、渗透率上升、渗透率突增、渗透率降低恢复稳定；不同位置煤体进入采空区后，渗透率最大恢复程度随应力最大恢复程度的升高而增加。研究结果为揭示下分层煤体瓦斯涌出时空演化规律奠定了基础。

• 下组煤底板断层采动活化流固耦合数值模拟研究

  严美鑫, 朱术云, 张民, 张振国

  为了探究杨村煤矿十采区10603工作面回采下组煤16 上煤层是否对贯穿该工作面的10605F5逆断层产生活化从而导致底板突水，建立了考虑水压力情况下的底板断层活化力学模型及含断层开采的流固耦合数值模型，分析了断层是否会活化及工作面回采过程中顶底板、断层的塑性区变化特征，以及采动应力、承压含水层水压力耦合作用下断层带不同位置的孔隙水压力的变化特征。研究表明，在采动应力及底板含水层水压力耦合作用下，底板承压水会沿着断层带向上导升一定的高度，工作面以下大部分断层仍具有较好阻渗性，底板含水层中的水不会沿着断层导入到工作面，工作面的回采不会导致该断层活化。研究结果可为杨村煤矿下组煤含断层开采底板防治水工作提供较好的指导和借鉴作用。

• 针对煤矸石山自燃的复合抑制实验研究

  徐晶晶, 张继伟, 莫凡, 朱琦

  以煤矸石为研究对象，通过实验考察了2种具有协同抑制作用的氧化抑制剂对煤矸石山中Fe 2+氧化率的抑制效果；通过扫描电镜(SEM)观察菌体形态, 对抑制机理进行了初步探讨。结果表明，2种氧化抑制剂联合使用，对煤矸石中Fe 2+的氧化具有明显的协同抑制效果，将质量浓度3 mg/L的苯扎氯铵、体积分数为0.08%的戊二醛以体积比1∶1混合后施加于煤矸石中，Fe 2+氧化率可低于14%。

• 基于RSM的污泥膏体充填材料配比优化设计

  刘音, 陈森, 马吉燕, 胡文静, 王昊宇

  为解决充填膏体成本高昂的问题，将污泥作为骨料制备充填膏体。采用正交试验方法，进行污泥膏体充填材料配比试验，探讨污泥质量分数、水泥质量分数、粉煤灰质量分数对充填膏体坍落度、凝结时间、抗压强度的影响。在此基础上，以污泥质量分数、水泥质量分数、粉煤灰质量分数为自变量影响因子，充填膏体抗压强度为响应目标值，结合响应面法(RSM)，建立污泥充填膏体抗压强度预测模型，揭示多目标条件下污泥膏体充填材料优化配比。研究结果表明，污泥充填膏体强度不仅受单个因素影响，而且受多个因素间交互作用影响显著。其中污泥质量分数和水泥质量分数的交互作用是影响充填膏体强度性能的关键性因素。优化的充填材料配比：充填料浆质量分数75%，石灰质量分数4%；污泥质量分数8.32%，水泥质量分数29.62%，粉煤灰质量分数20.33%。经试验验证，该配比条件下充填膏体各龄期抗压强度均满足设计要求。

• 矿用反应型无卤有机注浆加固材料阻燃性能研究

  陈星明, 周亭, 周家家, 马琳, 刘青, 许向彬

  针对普通聚氨酯注浆加固材料(PU)卤素含量高，造成煤化工企业催化剂中毒失活的问题，合成了一种反应型无卤有机注浆加固材料(PU-NH)；借助极限氧指数(LOI)，探究PU-NH的阻燃性能；通过热重差示扫描量热分析(TG-DSC)和锥形量热分析, 探究PU-NH的热稳定性和燃烧性能。结果表明：PU-NH为难燃材料，与PU相比，PU-NH表现出更优异的热稳定性能，且PU-NH烟释放量降低了39.3%，一氧化碳释放量降低了50.75%。材料燃烧后炭渣的扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)的表征结果表明：PU-NH燃烧后炭渣呈“蜂窝状”结构，燃烧时表面形成一层蓬松而致密的炭层，可有效隔绝氧气，并降低热传导速率，这是材料表现出良好阻燃性能的根本原因；同时，PU-NH炭渣中碳元素高，也有利于炭层的形成，提高了耐氧化能力。煤矿井下注浆试验结果表明，PU-NH的性能高于煤矿加固煤岩体用高分子材料的行业标准，加固后可有效提高煤岩体承载能力，保障工作人员生命安全。

• 弱胶结砂砾层水平注浆细观模拟研究

  刘书杰, 谢作栋, 张基伟, 安许良

  为从细观角度分析弱胶结砂砾层水平渗透注浆过程，利用颗粒流软件建立水平注浆数值计算模型，基于正交试验和单因素试验，研究浆液黏度、注浆压力、注浆时间3个因素对浆液扩散半径和试样孔隙率的影响规律。使用回归分析方法拟合公式，得到扩散半径与3个因素之间的关系。模拟结果表明：浆液扩散半径与注浆时间、注浆压力呈正相关关系，与浆液黏度呈负相关关系，对扩散半径影响最为显著的因素是浆液黏度，其次是注浆压力和注浆时间；浆液扩散速度随时间递减，在注浆压力1.0 MPa工况下，注浆时间0.15 h浆液扩散速度为3.44 m/h，至3 h减小到0.32 m/h；试样孔隙率随注浆时间、注浆压力的增大而增大，随浆液黏度的增大而减小；花管同时注浆与单孔顺序注浆相比，在相同时间下浆液扩散范围更大，浆液扩散为一个整体。通过对比工程实例，发现利用颗粒流数值模拟结果能够较准确反映出砂砾层渗透注浆的一般扩散规律。

• 煤矿运输胶带热解动力学参数研究

  张铎, 刘茂霞, 呼少平, 王振平, 宋先明, 王伟峰

  为构建矿井胶带火灾早期预警体系，防控巷道外因火灾事故，利用热重—傅里叶红外光谱联用实验，结合热解动力学，研究5、10、15、20 K/min 4种升温速率下胶带的热解历程。结果表明：不同升温速率下的热重(TG/DTG)曲线、气体产物等具有相似规律和趋势，随升温速率增加各参量特征值向高温方向滞后；胶带热解经历2个明显失重阶段，第一失重阶段发生交联缩聚热解反应，活化能 E在105~107 kJ/mol，指前因子为15.92 min -1，第二失重阶段发生脱链解聚热解吸热反应和挥发分氧化放热反应，活化能 E在130~220 kJ/mol，指前因子为37.13 min -1，高于第一失重阶段，两阶段热解过程可用Avrami-Erofeev方程表征。

• 干式钻孔除尘旋风分离技术数值模拟研究

  邢鹏超, 鲁轲, 杨永波, 张彪, 易俊

  以旋风除尘器为研究对象，建立几何模型，通过FLUENT数值模拟软件对旋风除尘器粉尘收集率进行分析，得到旋风除尘器的筒体高度、阻力、入口风速与粉尘收集率的关系。以数值模拟的结果为依据，设计旋风除尘器样机，并对其各个参数与过滤效率之间的关系进行验证，最终得到旋风除尘器工艺参数。结果表明：最佳筒体高度为1.5倍的筒体直径，入口风速为15 m/s，此时模拟的粉尘收集率为82.47%，阻力为500.76 Pa。实验旋风除尘器过滤效率为80.22%，阻力为494.6 Pa，与数值模拟的结果相近。

• 基于LSTM的瓦斯浓度预测与防突预警系统设计

  兰海平, 张志刚, 徐再刚, 田祥贵, 张少超

  为了对瓦斯超限和煤与瓦斯突出事故进行提前预警，建立了数据预处理、瓦斯浓度预测模型，研发了具有三级判识标准和流程的预警系统。通过基于LSTM算法的瓦斯浓度数据训练解决深度学习中的梯度消失与梯度爆炸，通过瓦斯特征分析反映瓦斯浓度时空相关性，通过研究样本时长、预测时长与预测精度之间的关系得出最优预测方法。结果表明：当子样本时间长度为1.0 h时，5 min的超前预测精度最高，符合1%的评判标准；当子样本的时间长度为1.5 h时，超前预测10 min和15 min的精度最高且符合评判标准；当子样本时间长度为2.0 h时，需要超前预测20 min才符合标准。瓦斯浓度预测分析与防突预警系统能够反映煤巷掘进过程中瓦斯浓度的变化规律并进行瓦斯浓度预测和实时防突预警，为安全高效的瓦斯防治工作提供技术支撑。

• 煤体应力监测模拟试验设备研制与应用

  张凯, 刘光伟, 赵志刚, 郑雅华

  为研究煤体应力对钻机钻进参数的影响规律，研制了一种能够模拟钻压、围压、煤体强度、钻头尺寸4种影响因素的随钻测量模拟试验设备。该设备主要由钻进系统、加载系统和数据测量系统组成，可以实时监测钻进过程中的转矩、转速、钻进位移等钻进参数。运用该设备进行了类煤试件在不同钻压和围压下的随钻测量钻进试验，结果表明：钻进过程中，钻孔深度—时间曲线基本呈线性关系，钻速接近常数，转速先快速增长后保持稳定，转矩快速增长后呈上下波动趋势；转矩、钻速随钻压上升而上升，近似呈线性关系，转速随钻压上升而下降，呈负相关关系；相同钻压条件下，转矩随围压上升而上升；相同围压条件下，转矩随钻压上升而上升；钻速、转速随围压上升而下降，呈负相关关系。

• 晋城山区煤矿地表沉陷预计模型

  牛海军, 蔡来良, 魏鹏, 赵军伟, 康洪跃

  为了解决晋城山区煤矿开采地表沉陷预计难题，分析了山区开采岩层及地表移动基本原理，解释了山区地表移动中，坡位(上坡、下坡)、坡势(正坡、反坡)的基本含义，揭示了坡位、坡势对地表移动的影响机制。基于斜面上物体滑移原理，构建了坡位对下沉值的滑移影响函数、坡势对水平移动值的影响函数；通过移动变形值的求导关系，建立了倾斜、曲率、水平变形的表达式，完成了一种新的山区开采沉陷预计正切函数修正模型(TFM)。基于晋城矿区典型地表移动观测站数据，采用曲线拟合方式分析概率积分法(PIM法)和TFM法的适宜性。数据分析结果表明，TFM法比PIM法下沉值拟合精度提高了0.019，水平移动值拟合精度提高了0.412，验证了TFM法的优越性。可为晋城矿区和类似矿区的“三下”压煤开采、矿区生态环境保护提供重要支持。

• 基于机器视觉和灰色模型的矿井外因火灾辨识与定位方法

  李光宇, 李守军, 缪燕子

  为实现矿井外因火灾的静态辨识，给出了外因火灾辨识条件下影像轮廓圆形度、矩形度计算方法和尖角特征辨别的详细实施方案。考虑到复杂的矿井摄像系统具有结构未确知、参数不完整、对成像误差存在积分效应的灰色特征，采用GM(1, 1)灰色模型和新陈代谢迭代建模方法，对测量误差的演化趋势进行预测。采用火焰与摄像机的距离作为原始数据建立灰色模型，并利用最新景深数据新陈代谢进行迭代优化。结果表明，采用大基线摄像机可以降低距离测量误差，基于机器视觉和新陈代谢机制的灰色建模方法可有效提高外因火灾辨识与定位精度，在发展系数小于0.3时5步之内的预测精度在97%以上，适用于中长期预测。

• 开切眼爆破掘进隐伏陷落柱滞后突水灾变规律研究

  杨宏飞, 王文贞

  为研究桃园煤矿1035开切眼爆破掘进过程中隐伏陷落柱的滞后突水灾变时空演化特征，基于爆破动荷载与流固耦合作用下围岩的渗透率突变特性，采用FLAC 3D软件对其应力、位移、塑性区，以及涌水量的变化规律进行数值模拟研究，探讨陷落柱影响带宽度对突水的影响。研究结果表明：在开切眼掘进工作面超过陷落柱中心10 m后，开切眼底板破坏塑性区将与隐伏陷落柱影响带贯通而导致陷落柱突水，其突水具有一定的滞后性、突发性及大量性；同时，只有当陷落柱影响带与桃园煤矿1035开切眼间距小于5 m时，开切眼爆破掘进才会引发突水事故。研究结果可为类似条件下的突水治理提供理论参考。

• 大倾角碎软低渗煤层下向长钻孔工艺研究与应用

  赵坤, 刘佩

  针对新疆艾维尔沟矿区大倾角碎软低渗煤层，设计了一种高性能三棱螺旋钻杆，其转矩性能更优，同时具备更大的排渣通道与更佳的孔壁稳定性，三棱螺旋结构既提高了钻杆的排渣效率，又可在钻遇碎软煤层时通过旋转钻杆、反复洗孔等方式有效解决由于垮孔、塌孔造成的卡钻、埋钻问题，可有效提高碎软煤层钻进深度。揭示了螺旋型三棱钻杆不同孔深段所需风压：孔深0~50 m时风压为0.44 MPa、孔深50~100 m时风压为0.53 MPa、孔深100~150 m时风压为0.61 MPa、孔深150~200 m时风压为0.67 MPa，并提出一套适用于大倾角碎软低渗煤层下向长钻孔钻进施工工艺。针对2130煤矿25222运输巷，在下帮施工20个下向长钻孔并开展了下向长钻孔排采试验，在排采的60 d内，甲烷抽采纯流量前10 d由0.10 m 3/min快速降低至0.04 m 3/min、之后30 d由0.04 m 3/min缓慢降低至0.02 m 3/min、最后20 d由0.02 m 3/min缓慢增加至0.04 m 3/min，达到了排采试验目标。试验结果表明, 采用三棱螺旋钻杆+中风压排渣钻孔工艺能够有效解决常规回转钻进成孔率低、孔深浅、工期长的问题，利用下向长钻孔解决工作面条带瓦斯抽采在新疆艾维尔沟矿区的推广应用奠定了基础。

• 突出煤层沿空掘巷卸压应力降低区宽度研究

  周中立, 张帅, 杨胜强, 汤红枪, 宋万新, 白彦龙

  根据《防治煤与瓦斯突出细则》，突出煤层的煤巷与煤体卸压消突边界的间距应超过20 m。为了探究近水平突出煤层沿空掘巷卸压应力降低区宽度，通过实测卸压消突带煤体的残存瓦斯压力、瓦斯含量，结合采掘进程中巷旁煤体应力降低区宽度数值模拟结果，建立了现场工作面在不同时空条件下回采的应力降低区宽度预测模型。研究发现：在卸压消突带向应力增高区的过渡区域，残存瓦斯压力与瓦斯含量剧增；利用河南城郊煤矿突出煤层卸压消突带煤体残存瓦斯压力和瓦斯含量实测数据，经数值仿真验证，在回采工作面向前推进到500 m、掘巷约330 d的情况下，终采线处巷旁煤体的应力降低区宽度至少达到35 m，符合《防治煤与瓦斯突出细则》中有关煤巷掘进消突要求，且可在沿空掘巷时预留5 m煤柱。研究成果可为沿空掘巷窄煤柱宽度的确定和在应力降低区消突范围内布置沿空掘巷提供理论参考。

• 13103工作面底板富水性综合探测理论及应用

  赵建伟, 段春生, 高林生

  针对沙坪煤矿13103工作面复杂地质构造及奥灰水下带压开采的危险情况，分析了无线电坑道透视、瞬变电磁、音频电透等方法的工作原理并使用这些方法进行探测，结合钻孔探查，研究并分析了工作面底板的富水性。研究表明：无线电坑道透视法探测得到的5处异常区域均与工作面掘巷已探明断层、向斜构造相重合；音频电透法与瞬变电磁法均探测出工作面底板富水异常区。结合钻孔探查，分析了异常区具体水文特征。探测结果为制订工作面回采计划提供了有效的地质资料支持，并为相关工作面水文探测提供了新的思路。

• 厚煤层疏水风化损伤规律及微爆破治理片帮技术

  郭靖

  为解决朱仙庄煤矿富水厚煤层疏水风化后煤壁片帮严重问题，采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法，分析了疏水及风化作用下煤岩体损伤机制，研究了疏水厚煤层煤壁片帮发育过程、影响因素及控制机理，提出了微爆破治理片帮技术。研究表明：疏水及持续通风条件下煤岩体发生物理化学作用，其强度、摩擦力和黏聚力降低，竖向裂隙等发育丰富；煤壁片帮受到疏水煤体内裂隙和残存导水通道、煤岩体应力、采动损伤、开采空间和停采时间等因素的影响；认为微爆破通过建立裂隙纵横网络结构、增强块体间黏聚力和摩擦力、改善煤壁应力环境等路径有效改善片帮发生，提出了具体工艺参数并应用在880工作面，有效实现对疏水厚煤层煤壁片帮的控制。

• 基于DEMATEL-ISM-MICMAC的煤矿瓦斯爆炸致因研究

  郭慧敏, 成连华, 李树刚

  为更好解释瓦斯爆炸事故致因，从定性与定量的角度对瓦斯爆炸事故致因进行分析，深入探讨事故致因之间的逻辑关系、演化路径和属性特征。首先，通过大量事故案例统计分析，从宏观、中观和微观层次提取30个瓦斯爆炸事故致因；然后，运用DEMATEL方法定量分析各致因之间相互影响关系，并结合ISM－MICMAC方法，通过对事故致因进行多级递阶层次结构划分，探求导致事故发生的原因要素、结果要素、根源要素，以及各要素的属性特征，并提出相应的对策措施。研究结果可为预防瓦斯爆炸事故的发生提供理论参考。

• 钻屑瓦斯解吸仪仪器因素对 K 1值的影响分析

  王彦斌

  为了保障钻屑瓦斯解吸指标 K 1值测量准确，对 K 1值的测定原理进行了研究，提出钻屑瓦斯解吸仪开发需要把握的关键要素有煤样质量 G、煤样自放气开始至启动瓦斯解吸仪时的暴露时间 t 0和各测点压力值 p i 。基于影响 K 1值测定结果的核心要素，从仪器结构、电子电路设计及理论算法等方面进行了分析，确定出开发环节影响仪器测量精度的因素，并提出了应该减少 t 0误差、加快启动时间，重视漏气与堵管结构和算法等方面的设计建议，可供瓦斯解吸仪仪器开发者借鉴和参考。

• 煤矿员工职业健康伤害影响因素研究

  高晓旭, 潘相旭, 柴国进, 郭阳

  为探究煤矿工人职业危害要素与职业性肌肉骨骼疾患之间的关系，以陕煤集团柠条塔矿业有限公司一线作业人员为研究对象，采用调查问卷收集相关信息，结合 χ 2检验和二元Logistic回归对问卷数据进行分析，构建2种不同的回归模型，得出各因素对矿工职业性肌肉骨骼疾患的影响并给出拟合方程。结果表明：相对于向前LR法得出的回归模型，向后LR回归模型拟合优度、预测准确度更优；司机、凿岩工和支护工是煤矿工人发生腰部肌肉骨骼疾患的高危工种，工作中有时搬运重物(每次大于20 kg)、频繁长时间坐位工作、有时长时间蹲/跪工作、经常以不舒服体位搬举重物、经常稍微弯腰工作、手经常保持在肩部以下水平、空间迫使经常保持同一姿势工作、经常因脚底打滑摔倒是影响矿工腰部患病的重要因素。

• 动态溢出奖惩机制下有限空间作业人员不安全行为博弈研究

  王新平, 文豪, 苏畅

  为有效约束有限空间作业人员不安全行为，从有限理性角度出发，构建有限空间作业人员和管理人员的演化博弈模型，探究不同奖惩机制下的主体策略演化过程，在此基础上通过数值仿真分析不同参数变化对系统演化轨迹的影响。研究发现，管理人员采取溢出效应奖惩机制时，不存在稳定策略组合，采用动态奖惩机制可以实现演化稳定状态，动态溢出奖惩机制的管理效果优于动态奖惩机制；管理人员和作业人员的安全行为与安全投入成本呈负相关关系，与奖惩上限值和政府惩罚值呈正相关关系。研究结果从降低安全管理投入成本、完善安全管理奖惩机制、加强第三方监管3个方面为有限空间作业安全管理提出了建议与措施。

• 2008—2021年我国煤矿事故规律分析及预测研究

  张培森, 张晓乐, 董宇航, 许大强

  为了更加深入地分析我国煤矿安全事故发生的特点及规律，基于2008—2021年全国煤矿事故数量及死亡人数的统计数据，分别从事故发生地区、事故等级、事故类型及发生时间4个维度对我国煤矿安全事故进行分析，并对2022—2023年百万吨死亡率进行预测。结果表明：我国煤矿安全事故呈现出北方多南方少、西南地区偏多的规律；不同等级事故中，一般事故发生起数最多，死亡人数最少；重特大事故发生起数少，但是死亡人数最多；从事故类型来看，顶板事故、瓦斯事故及运输事故是我国煤矿安全事故发生的主要事故类型；从事故发生时间来看，1—3月事故起数相对较少，7—10月事故起数较多。

• 能源企业安全绩效考核与本质安全评估研究

  臧成君

  为进一步规范企业安全管理、强化安全管理基础，构建安全管理长效机制，以国家能源集团为研究对象，结合安全绩效及安全风险预控管理考核，进行本质安全评估研究；建立本质安全评估模型并进行实际应用。研究结果表明：各子分公司安全管理需要改进的短板主要有其他元素控制、元素体系文件、生产系统运行控制、体系审核与控制、危险源辨识和风险控制能力，以及培训、意识与文化等；选取的27家子分公司本质安全体系考核平均分为78.34分，其中有3家分公司未达到三级以上生产本质安全企业等级。研究结果能够有效解决企业的安全管理缺陷，为企业的健康安全发展提供理论支持。