矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2023年第3期

• 压头角度对点载荷作用下煤岩体内的应力分布影响研究

  程豪杰, 邱守强, 谭桠杰, 翟英达, 张玉江

  为研究压头角度造成点载荷试验结果差异的原因，采用理论分析和数值模拟方法研究压头角度不同时点载荷作用下煤岩体内部的应力分布规律。研究发现：在不同角度压头作用下煤岩体内部均产生压应力和拉应力；在垂直和水平剖面上，垂直应力分别呈现“倒置双峰形”和“圆环状”；加载点附近煤岩体受到各个方向的压应力作用，且随着与加载点距离的增大而减小，在加载点一定距离内受到垂直加载轴方向的水平拉应力和竖直拉应力，水平拉应力区呈圆球状。研究不同角度压头作用下煤岩体的应力状态，发现压头角度对应力分布形式影响较小，但在小角度压头作用下煤岩体内应力集中更加强烈，进而影响煤岩体试样破坏时应力值。

• 煤炭采空区触变性钼尾矿充填浆液配比研究

  李伟, 高山, 许有纯, 袁克阔, 崔孝炜

  本着减少自然资源消耗的目的, 在触变性水泥浆中加入钼矿冶炼后产生的固体细颗粒钼尾矿砂，通过正交试验进行触变性钼尾矿水泥浆液的配比设计，并测试其触变性、结石体抗压强度和析水率。基于试验结果，提出触变系数的计算方法。通过极差分析，可得正电胶质量分数、水灰比和固相比对浆液的触变性、析水率和相应的结石体抗压强度的影响程度。当正电胶质量分数为6%，水灰比为0.8，固相质量比为6∶4时，触变性钼尾矿水泥浆液性能最佳。

• 复配高效菌群厌氧降解煤产甲烷实验研究

  弓凯仪, 郭红光, 张益瑄, 张佳艳

  高效功能菌群是微生物增产煤层气技术的重要影响因素。通过复配降解芳香化合物的功能真菌菌群与降解煤产甲烷的真菌—产甲烷菌群，提高甲烷产量；分析菌群结构、中间产物和煤结构的演替规律，研究复配菌群降解褐煤产甲烷机理。研究结果表明：复配菌群能够厌氧降解褐煤，煤的甲烷产量为172 μmol/g，是未复配的1.74倍，芳烃降解菌 Cladosporium在第7天成为优势真菌属；具有较强环境适应性的 Aspergillus、 Penicillium等成为产气结束后的优势真菌，在第7天发酵液中检测到丰富的代谢中间产物脂肪酸和芳香酸，其占比在产气末期均下降50%以上; 煤中芳香碳在降解后下降了12.27%，降解效果显著。研究结果为改善产甲烷菌群的煤降解能力，增强产甲烷效能提供了一种有效方法。

• 急倾斜煤层水力压裂造缝规律及机理研究

  王峰超, 王恩茂, 常博, 王刚

  为了掌握急倾斜煤层水力压裂造缝规律及作用机理，为现场煤层水力压裂工艺提供技术指导，采用实验室实验的研究方法，以乌东煤矿作为研究对象，以三向应力、煤层层理为实验变量进行了实验室真三轴实验。研究结果表明：水力压裂效果主要取决于克服滤失效应的憋压过程；当层理与最大主应力方向垂直时，随着三向应力的增大，滤失效应减弱，有利于水力压裂；当层理与最大主应力方向平行时，随着三向应力的增大，滤失效应增强，不利于水力压裂。研究结果为急倾斜煤层水力压裂工艺提供了借鉴，完善了矿井水力压裂领域的研究内容。

• 冻融循环作用下腐蚀黄砂岩失稳破坏预警研究

  张晨, 康志强, 冯江江, 王治磊, 姚旭龙

  为研究预制裂隙黄砂岩的力学特性和破坏预警，将含2条贯通性平行裂纹的黄砂岩试样在不同冻融循环次数条件下分别经过化学腐蚀处理后进行双轴压缩试验，并采用数字图像相关技术(DIC)和红外热像技术实时监测岩石试样的变形破坏过程。结果表明：黄砂岩试件的强度随冻融循环次数的增加而降低，碱性溶液对冻融循环造成的劣化起到抑制作用；黄砂岩试件的破坏模式主要由翼型裂纹和剪切裂纹构成，翼型裂纹萌生于预制裂隙端部，剪切裂纹在翼型裂纹沿轴向向两端扩展及贯通过程中出现；结合应变局部化带对应裂纹出现的潜在位置与红外辐射温度的前兆异常，可以对岩石的破坏进行预警。

• 受限空间无轨胶轮车尾气(CO、SO 2)排放扩散规律试验研究

  夏远翔, 陈曦, 范超男, 葛少成, 李治刚, 高凤利

  为研究以煤矿井下运输大巷为主的受限空间内无轨胶轮车尾气扩散规律，揭示多相污染物的形成机理，自主搭建了无轨胶轮车尾气空间分布规律相似试验平台，对顺风行驶无轨胶轮车时排出CO和SO 2的扩散规律开展了物理模拟试验。研究表明，较低的风速和车速易使CO和SO 2积聚于胶轮车后部空间，导致其浓度增高，通过提高巷道风速、车速均在0.6 m/s以上时，气流带来的尾气稀释作用明显且比较经济。另外，在巷道风速和无轨胶轮车车速的双重影响下，9个监测点尾气浓度下降明显，巷道壁面处的尾气受附面层绕流运动的影响浓度较低，稀释速度也慢。

• 松散煤堆自燃高温区时空演化规律仿真研究

  王建国, 赵思蕊, 王康

  为研究松散煤堆在储运中高温区的自燃过程及影响因素，利用COMSOL建立了三维典型松散煤堆物理模型，通过理论分析确定了煤堆在速度场、氧浓度场和温度场等多场耦合作用下的模型参数，采用多物理场耦合控制方程进行模拟解算。结果表明：三维典型松散煤堆的自然发火期为57 d，高温区呈“水滴”状对称分布在煤堆迎风侧中下部；风速在0.001~0.35 m/s内时，自然发火期随风速的增大先缩短后延长，当风速超过3.5 m/s时，煤堆内部温度不再随时间变化，且远低于自燃临界温度；随煤堆孔隙率的增大，煤堆自燃所需时间大幅缩短；煤堆自然发火期与煤堆堆积高度呈正相关关系，改变堆积角度对煤堆自燃的影响较小。

• 液氮循环冻融对煤孔隙率及吸附瓦斯性能演化特征影响的试验研究

  许阳, 李大勇

  以高压容量法为基础，采用注入氦气的方法，针对液氮循环冻融对煤孔隙率及吸附瓦斯性能演化特征影响开展了相应的试验研究，结果表明：随着液氮循环冻融次数的增加，煤孔隙率及吸附瓦斯性能参数均呈现极为明显的增大态势。分析认为液氮循环冻融对煤孔隙率及吸附瓦斯性能演化特征影响的作用机制体现：液氮循环冻融对煤体自身裂隙的损伤作用；煤体孔、裂隙内储集的水相变伴随的膨胀力与温度应力的耦合作用对煤体结构的损伤；煤体内的矿物颗粒在剧烈温度差的作用下产生变形导致煤胶结结构的破坏。

• 近距离煤层瓦斯抽采覆岩应力—裂隙场演化规律研究

  唐建华, 吴吉南, 余伟健

  为解决近距离煤层工作面回采过程中, 相邻煤层瓦斯易从导通的采动裂隙带大量涌入工作面, 带来瓦斯超限等安全问题，以山西小回沟煤矿近距离煤层开采为研究对象, 采用相似模拟试验和现场试验研究了该矿03 #、2 #煤层在重复采动影响下围岩应力—裂隙演化特征规律, 圈定了采场上覆岩层裂隙带范围, 确定了抽采钻孔合理位置, 提高了瓦斯抽采效果。试验结果表明：03 #煤层回采时，工作面推进至33、50 m时，离层最大发育高度分别为4、14 m，随工作面推进，离层最大发育高度为28 m；02 #煤层在03 #煤层裂隙带范围内，裂隙形成了瓦斯运移通道；工作面推进33 m时，开切眼后方覆岩支承压力增高，压力集中系数约为1.6，开切眼与工作面之间出现卸压区，工作面前方出现应力增高区，压力集中系数约为1.6，随着推进距离的增加，支承压力集中系数增加至2.74；2 #煤层回采时，采空区两端出现明显的竖向裂隙，与03 #煤层原有裂隙相贯通，并扩大贯穿至模型顶部，覆岩支承压力集中系数由2.55下降至1.95。现场试验中，将2201工作面高位钻孔终孔控制在采空区上方30~35 m裂隙发育区，回风巷瓦斯浓度由0.78%降至0.35%，取得了良好的瓦斯治理效果。

• 深井孤岛煤柱工作面沿空留巷支护技术研究

  曹庆华, 江振鹏, 王方田, 陈慧明, 杨月飞, 耿继业

  以车集煤矿深井孤岛煤柱工作面为工程背景，探究深井高应力孤岛煤柱工作面沿空留巷充填体—围岩变形机理；构建沿空留巷围岩力学结构模型，计算出沿空留巷支护所需充填体的宽度及强度，并通过FLAC 3D软件模拟、现场监测验证了充填体宽度和强度的合理性。研究结果表明：孤岛煤柱工作面沿空留巷采用高水充填材料巷旁充填技术，以充填袋成形方式进行充填，可使充填体有效接顶；采用“锚杆锚索联合支护+巷旁充填体”方式进行煤柱中巷支护时，合理的充填体宽度为4.0 m，应力达到8.0 MPa时巷道变形趋于稳定。现场监测结果表明：23下工作面开采30 d内，煤柱中巷最大顶板下沉量不超过50 mm，充填体帮部变形不超过40 mm；回采结束后30 d内，顶板下沉量不超过20 mm，充填体帮部变形量最大为348 mm，煤帮变形量较小，最大处为150 mm，沿空留巷效果良好。

• 基于障碍物尺度的封闭狭长空间路径规划研究

  薛光辉, 刘爽, 李圆, 马闯, 韩司聪, 侯鹏

  栅格法广泛应用于移动机器人环境建模和路径规划中。为了解决在狭长空间如煤矿巷道环境中，障碍物、机器人和空间尺寸失调，以机器人中心点到自身轮廓最远距离的2倍为栅格尺寸建模容易导致路径规划失败的问题，采用以影响机器人通行的障碍物大小为基准设定栅格尺寸、机器人尺寸在地图上占据多个栅格的狭长空间地图建模方法，利用障碍物碰撞检测函数对传统A *算法进行改进，仿真研究了改进算法在狭长空间中的全局路径规划的有效性，开展了实际环境下的路径规划实验。研究结果表明，采用提出的栅格建模方法和改进A *算法可得到一条起始点到终点的无碰撞路线，可完成狭长空间的复杂环境路径规划。

• 浅埋工作面区段煤柱留设尺寸优化研究

  高晓旭, 史向前, 石新禹, 郭卫彬

  为了掌握浅埋煤层矿压变化规律，同时解决因煤柱留设不合理而造成的煤炭资源浪费问题，以榆林双山煤矿308工作面与306工作面为工程背景，通过理论计算、数值模拟及工业性试验等方法，对306工作面区段煤柱合理留设尺寸展开研究。研究结果表明：极限平衡理论分析得出，煤柱内部弹性核区的宽度为3.8 m，区段煤柱极限宽度为11.4 m；数值模拟结果与现场实测数据相吻合。结合工作面实际生产地质条件，确定306工作面合理煤柱留设尺寸为11.5 m，并提出相应的巷道围岩支护方案。研究成果为浅埋煤层区段煤柱的尺寸留设提供了理论支持和技术指导，有助于有效提高煤炭回采率。

• 空气湿度对煤自燃特征参数及热效应的影响研究

  迟克勇, 范耀庭, 王晨, 王俊峰, 李小平

  为了考察不同湿度条件对煤自燃过程参数及热效应的影响，搭建了湿度可调的精密型空气发生装置，并与煤自燃程序升温氧化装置联用，测定煤自燃过程指标性气体的释放规律；利用热分析设备定量表征不同空气湿度条件下煤自燃热量释放规律；结合数值模拟方法探究空气湿度对煤自燃过程热效应影响。结果表明：通入潮湿空气可显著提高煤样耗氧速率，促进CO和CO 2的生成，空气湿度对煤自燃过程热效应呈现出阶段性特征；水分在刚接触到煤体时，短时间内会释放大量的吸附热，促进煤体升温；空气中水分参与煤自燃体系热效应主要通过水的吸附热、煤氧反应热、热对流和热传导4个途径，其中吸附热和导热传热起到主导作用。

• 深部连续开采充填工作面沿空掘巷围岩偏应力演化与控制

  汪隆靖, 邢世坤, 易恩兵, 焦小建

  为解决深部连续充填工作面沿空掘巷围岩控制问题，以邢东矿1128运输巷为工程背景，借助FLAC 3D数值模拟软件，探究1126工作面采空区在不同充填率条件下沿空掘巷围岩偏应力分布规律，模拟分析充填开采工作面超前段受开采影响的围岩偏应力演化特征。研究发现：巷道浅部围岩形成环全断面低偏应力区，顶板低值区深度明显小于两帮与底板，低值区外的巷道四边均有一个偏应力高值区；围岩最大偏应力区位于巷道右上部，峰值大于20 MPa，当充填率大于90%时，巷道围岩四周偏应力值逐渐减小且沿巷道两帮呈对称分布；充填开采对超前段巷道围岩形成的高集中应力主要分布在工作面前方0~15 m，巷道顶、底板两尖角处围岩受巷道围岩偏应力影响形成4个“突出变形区”。结合模拟分析结果、锚杆索预应力承载结构及采空区高水材料充填性能，提出巷道围岩“超强锚杆+大直径高延伸率锚索”联合支护技术，并应用于现场工程实践，结果表明该技术可实现对深部连续开采充填工作面沿空掘巷围岩的有效控制。

• 基于Lawrence风险公式的突水系数修正模型研究

  朱宗奎

  科学评价煤层底板突水风险对矿井安全生产具有重要意义。通过Lawrence风险公式推导出能够体现底板突水多种因素耦合作用关系的突水系数修正模型，并以新安煤矿为例，运用多元线性回归方法拟合适用于该矿的突水系数修正模型。应用该模型对新安煤矿二 1煤底板奥灰突水风险进行评价，同时应用突水系数模型进行对比评价。结果表明：突水系数修正模型评价结果更为可靠。实现了突水系数模型的探讨性修正，具有一定的理论与实践意义。

• 顺层瓦斯抽采钻孔定点定长封孔应用研究

  邹双英, 杜联营, 张开仲, 邹傲傲, 张亮

  针对矿井煤层实际赋存情况，通过数值方法定量表征了煤岩体巷道应力分布情况；结合现场考察对上述模拟结果进行了验证，同时采用不同深度单位长度钻孔冲粉量指标的变化规律划定巷道两帮“三带”的范围，进而确定顺层钻孔的合理封孔深度。通过钻孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量随时间的变化规律表征不同封孔深度的钻孔密封性能，结合经济科学抽采的基本原理表明了最理想封孔长度；结合围岩异常应力分布特征和破坏模式，提出针对围岩低渗区的定点定长封孔方法来提高钻孔密封性能。现场实验表明，该方法是一种实现煤层瓦斯高效抽采的可行技术方法，对于实现煤层瓦斯安全经济高效抽采有积极作用。

• 小常煤业静态破碎剂致裂顶板技术研究

  丁宏强, 严国超, 寇凯博, 董金发, 相海涛

  针对矿井坚硬顶板垮落难度大的问题，以晋能控股集团小常煤业30217运输巷为工程背景，运用静态破碎剂(简称SCA)致裂顶板。通过实验分析、数值模拟和工程实践相结合研究SCA的致裂效果。结果表明：SCA的径向膨胀压随着钢管内径的增大而增大，一般钢管底部的径向膨胀压大于中部，钢管内径越大，钢管底部与中部的径向膨胀压差值越大，当钢管的内径相同时，钢管的径向膨胀压随着约束程度的增大也增大；SCA作用后，30217运输巷顶板下沉量较之前增加约148 mm；30217运输巷预裂孔装填SCA之后，辅助30217工作面顶板垮落步距减小10 m左右。工程的成功应用对具有相同开采难题的矿井具有参考意义。

• 薄基岩厚松散层煤层覆岩导水断裂带发育高度研究

  陆占金

  为了研究薄基岩厚松散层条件下煤层覆岩导水断裂带高度发育情况，在山西三元煤矿3301工作面进行了工程试验，依据经验公式法对三元煤矿3301工作面3 #煤层覆岩条件下的导水断裂带高度进行了理论预测，采用数值模拟的方法分析了3 #煤层覆岩分布条件下采动导水断裂带高度的动态变化过程，并利用煤矿井下分段注水观测方法对3301工作面导水断裂带高度进行了现场试验观测。结果表明：采用上述3种方法得出的三元煤矿3301工作面导水断裂带高度分别为62.9、64.0、61.1 m，所得结果十分接近。为了确保安全，导水断裂带高度应取现场观测最大值64.4 m。

• 孤岛工作面顶板条带弱化技术研究及应用

  杨旭, 王涛

  为解决王坡煤矿3203孤岛工作面的矿压显现难题，基于巷道变形力学机理，建立顶板条带弱化模型，并应用于工作面运输巷，与未应用的回风巷对比分析巷道围岩变形、区段煤柱应力、支架工作阻力、微震事件。试验结果表明：工作面回采期间，采用顶板弱化技术的运输巷与回风巷相比，顶板下沉量降低26.75%、底鼓量降低36.19%、两帮移近量降低27.63%；运输巷侧煤柱应力随与煤柱距离的增大而增大，仅为回风侧应力的58.00%；运输巷侧支架工作阻力峰值与回风侧相比降低13.30%；运输巷高能量事件减少、低能量事件显著增多, 回风巷62.00%的微震事件集中于顶板上方0~20 m, 运输巷68.00%的微震事件集中于顶板高位岩层(>20 m)。研究成果可为孤岛工作面安全高效开采提供理论参考。

• 基于NMF-HGS-RF的瓦斯涌出量预测研究

  周旭, 杨佳鹏, 俎毓伟, 张九零

  瓦斯涌出量与开采环境和开采技术之间存在复杂的非线性关系，为了精准预测瓦斯涌出量，提出将非负矩阵分解(NMF)和随机森林(RF)相结合，建立煤层瓦斯涌出量预测模型。对沈阳某矿井数据的13个特征指标进行非负矩阵分解实现降维，将提取的5个主要成分作为RF的输入，瓦斯涌出量作为输出，实现回归预测。运用饥饿游戏搜索算法(HGS)对RF进行参数优化，并与麻雀搜索算法(SSA)、冠状病毒群体免疫优化算法(CHIO)、遗传算法(GA)、算数优化算法(AOA)、Aquila优化器算法(AO)、阿基米德算法(ArchOA)参数优化结果进行对比。实验结果显示：NMF-HGS-RF的收敛速度相对较快，预测精度相对较高，其相对误差的平均值为4.74%，而NMF-RF、NMF-SSA-RF、NMF-CHIO-RF等模型相对误差的平均值分别为6.34%、5.85%、6.21%、8.49%、4.95%、6.11%和7.93%。结果表明：NMF-RF预测精度高于未经降维处理的RF，且NMF-HGS-RF相比其他参数寻优后的RF具有更好的预测性能。

• 地面精确定位钻孔在矿井火灾抢险救灾中的应用

  刘佩

  盐井一矿因采煤工作面火灾事故导致4个井筒井口全部封闭。为实现对井下火区高效快速灭火，防止发生因高瓦斯突出矿井火灾蔓延引发的瓦斯煤尘爆炸二次事故，并最终实现矿井安全启封，采用雪姆钻机施工，在井下火区高温火点地面对应位置施工了2个精确定位垂直钻孔，分别穿透采煤工作面上部采空区垮落带。地面钻孔现场施工过程中，实现精确定位、安全施工、成功下套管，经钻孔窥视和检测，确认施工到位。该应用可为地面大流量注液氮灭火和帷幕注浆封堵提供装备、技术和工艺保障方面的指导。

• 煤矸石人工热储的建造及自燃热能潜力分析

  周雪雨, 郭亮亮, 张永波

  针对山西省阳泉市荫营煤矿矸石山自燃造成的环境污染和能源浪费问题，提出了以煤矸石为原材料建造人工热储并利用内部自燃热能的方案；研究了煤矸石自燃耗氧速率、放热速率和可燃物剩余量的动态变化规律；建立了温度场、渗流场、氧气浓度和可燃物剩余量分布的多物理场数学模型；评价了煤矸石热储的供热潜力。研究结果表明：人工热储内空间分布不均匀的温度场会产生烟囱效应，使渗流速度增大、对流换热增强；高温区的煤矸石氧化反应较快，可燃物剩余量较少和氧气浓度衰减幅度较大。连续取热720 d后，“U”形管进出口温度差超过10 ℃，出风口流出的空气温度超过55 ℃；同时可燃物剩余量超过60%的煤矸石体积占比依旧超过94%。研究认为，利用煤矸石建造的人工热储可以长时间提供优质热量。

• 灵泉露天闭坑煤矿土壤肥力特征与生态恢复适宜植物选择

  孟庆俊, 韩晓雨, 宋超, 朱雪强, 秦东富, 李昂, 冯启言

  为明确高寒地区闭坑露天煤矿不同母质与生态修复方式等多因素作用下的土壤肥力状况及空间分布特征，采用相关性分析、隶属函数、主成分分析及分区反距离的方法，对灵泉闭坑露天煤矿矿坑及外排土场土壤肥力状况及空间变化特征进行分析，对不同肥力区域的植物多样性进行统计分析，并推荐适宜的生态恢复植物。结果表明，研究区土壤大多属于中等偏低的肥力水平。采取了覆土措施、土壤母质条件较好或经过人工生态修复的区域是肥力较好的土壤分布区。三级肥力区域播种一年生的禾本科、藜科先锋植物，二级肥力区域播种多年生禾本、豆科植物及沙棘等耐贫瘠、抗逆的灌木，一级肥力区域则依据近自然原则，兼顾经济效益选择植物。

• 矿工不安全情绪状态管理演化博弈研究

  田水承, 蔡欣甫, 赵钊颖, 孙雯, 范彬彬, 高玲

  针对矿工不安全情绪状态对安全生产的影响问题，采用演化博弈论和数值仿真方法，引入成本、奖励、潜在风险感知、从业人员对安检员声誉评价及安全监管价值等影响因子，构建了“从业人员—安检员—煤矿企业”的演化博弈模型。通过分析各影响因子对三方策略选择可能性的影响，探讨了企业横向之间进行协作的策略选择的影响关系。结果表明：矿工策略选择与个人风险感知能力呈正相关关系，与投诉成本呈负相关关系；安检员策略选择受到从业人员评价约束影响较大，安检员策略选择概率与从业人员负面评价损失的利益呈负相关关系，与正向评价带来的个人价值和安全监管价值呈正相关关系；企业安全投入成本与其策略演化稳定性呈负相关关系。