矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2023年第4期

• 综采工作面瞬时涌出灾害气体弥散规律试验研究

  雷柏伟, 王劲博, 吴兵, 党素娜

  为研究综采工作面灾害气体的运移弥散规律，分析灾害气体运移过程中峰值体积分数及分布的影响因素，在综采工作面内开展示踪气体(SF 6)现场试验，应用一维对流—弥散模型定量分析示踪气体运移特征，使用粒子群算法(PSO)对数学模型中的巷道平均风速和纵向弥散系数进行最优参数估计。结果表明：综采工作面监测到的示踪气体呈现偏态分布，随着运移距离的增加，示踪气体分布影响区域增大；影响监测点处的示踪气体浓度曲线峰值和波形的主要因素是平均风速，其次是纵向弥散系数。对比模拟与试验测试值可以看出，使用一维对流—弥散模型可以准确描述灾害气体在综采工作面内的弥散运移规律。

• 离子液体对煤尘表面润湿性能影响的试验研究

  高嘉慧, 陈曦, 范超男, 葛少成

  为了解决疏水性煤尘难润湿、微米级粉尘降尘率较低等难题，选取1-丁基-3-甲基咪唑氯盐(BmimCl)、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BmimBF 4)、1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(EmimBF 4)3种咪唑类离子液体，开展不同变质程度的煤尘表面润湿特性试验研究，分析不同阳、阴离子数的复配活性水溶液对煤尘润湿性能的影响规律。结果表明，阳离子Emim +和Bmim +能有效屏蔽阴离子BF 4 -、Cl -之间的静电相互作用，促进阴离子在气—液界面之间的吸附和聚集，致使表面张力、接触角均随活性水溶液的离子液体质量分数的增大而逐渐降低；咪唑阳离子侧链上的H原子与煤中的—OH、—COOH等基团形成氢键，破坏了煤中原有氢键，提高了离子液体对煤的溶解能力，长焰煤的润湿效果最好，褐煤次之，焦煤最差；复配后的活性水溶液通过破坏煤中官能团增强了对煤结构的溶解能力，降低了水的表面张力并提高溶液的润湿能力，复配溶液实现了协同增润作用，可为开发新型润湿剂提供新的思路和方向。

• H型巷道不同聚积范围瓦斯爆炸模型数值模拟研究

  王维建, 叶青, 贾真真

  针对H型巷道内4种不同聚积长度范围瓦斯爆炸模型，运用Fluent软件对巷道内瓦斯爆炸现象进行了数值模拟研究，结果表明：不同聚积长度范围的瓦斯爆炸模型冲击波在巷道内传播规律相似，巷道内各点压力变化趋势与瓦斯聚积长度无关, 但压力大小与瓦斯聚积长度相关，即聚积长度越长，达到超压值越大。通过比较巷道内各监测点冲量大小，发现瓦斯聚积区与传播障碍区，如封闭端等遭受爆炸危害严重程度更大。

• 超音速虹吸式空气雾化喷嘴雾化特性研究

  赵伟智, 葛少成, 张小伟, 孙丽英, 陈曦, 陈景序

  针对传统雾化喷嘴喷雾捕集微小粉尘效率不佳的问题，利用自主搭建的喷雾特性和降尘效率测试实验系统，对比分析超音速虹吸式空气雾化喷嘴与内混式空气雾化喷嘴的雾化性能和降尘效率。研究结果表明：随着供气压力增高，雾滴粒径逐渐减小；雾滴粒径随喷嘴出口距离的增加而增大；最佳雾化条件下，超音速虹吸式空气雾化喷嘴雾化粒径更小且雾滴分布均匀；距喷嘴30~60 cm区域内，供气压力越大，雾滴速度越快，雾滴轴向速度衰减程度越小；距喷嘴60~90 cm区域内，供气压力越大，雾滴速度越快，雾滴轴向速度衰减程度越大；在最佳雾化条件下，超音速虹吸式喷嘴对全尘、呼吸性粉尘的降尘效率高达91.46%、90.77%，内混式喷嘴的降尘效率仅为80.31%、75.22%，超音速虹吸式空气雾化喷嘴对煤粉全尘与呼吸性粉尘的除尘效率更高，降尘效果更佳。

• 复合阻化剂抑制煤燃烧特性实验研究

  季燕男, 张雷林, 陈朝卫

  为了研究阻化剂对煤燃烧特性的影响，选取柠檬酸钠和聚磷酸铵进行复配，开展复合阻化剂优选的实验研究。采用锥形量热仪在45 kW/m 2的热辐射强度下, 分析阻化煤样的燃烧行为和阻化效果。结果表明，在选取的实验比例中，当柠檬酸钠与聚磷酸铵的质量比为3∶1时，煤燃烧的热释放速率和总热释放量明显降低，烟气持续生成时间有效缩短，抑制了烟气的产生，体现出优良的阻燃抑烟效果；在煤炭的燃烧效率方面，提高了体系的火灾性能指数，降低了火灾增长指数，有效抑制了煤炭的燃烧，表现出复合阻化剂良好的协效作用。

• 环境温度影响下自燃煤矸石山热管降温技术研究

  张跃辉, 张永波, 高彤

  针对大垴梁煤矿煤矸石山的自燃问题，基于热管被动降温技术原理，在发火区和蓄热区设置群管治理试验组，并对不同深度的温度进行10个月的实时监测，探究环境温度影响下群管在不同温度区的治理效果。结果表明：发火区寒季降温较快，暖季降温速率减缓，整体呈持续降温趋势，降温比率可达14%~36%，治理效果明显；蓄热区内部温度受环境温度影响较大，群管在寒季移热快，降温效果较好，暖季低温差作用下，具有一定抑制升温的作用。

• 原生煤和构造煤对甲烷的吸附扩散特性研究

  曾平, 张东明, 严先华, 宋林, 王小蕾

  为了研究原生煤和构造煤的吸附扩散特性，采用甲烷吸附装置和解吸装置对2种煤样进行了实验。结果表明，构造煤的极限甲烷吸附量是原生煤的1.18倍，并且在相同甲烷吸附压力下构造煤的吸附能力强于原生煤。当甲烷吸附平衡压力为0.74 MPa和2 MPa时，构造煤的固定扩散系数分别是原生煤的7.3倍和4.5倍，表明构造煤的初始气体扩散能力远高于原生煤。2种煤样的时变扩散系数都随着解吸时间的推移先快速降低后趋于稳定。构造煤的扩散衰减系数在0.74 MPa和2 MPa气体平衡压力下分别达到了96.6%和95.8%，远大于原生煤的扩散衰减系数38.1%和45.7%。

• 冷热冲击条件下饱水煤样渗流及力学特性研究

  王珂, 戎彦龙, 郭志

  为探究煤体在冷热冲击影响下的渗流规律及力学损伤机制，利用高低温系统、三轴渗流系统，对饱水煤样进行不同温度条件下冲击试验，基于声发射、金相显微图像技术分别对饱水煤样经冷热冲击处理后结构损伤演化进行定位、定量分析。研究结果表明：经不同冷热温度冲击，煤样渗透率均有增加，增幅为20.59%~253.26%，但不同孔隙压力下煤体的渗透率增幅随温度梯度并非正相关，而是呈现低—高—低的趋势；在温度冲击下饱水煤体在热应力及水冰相变产生冻胀力作用下内部结构损伤显著；冷热冲击过程中，温度梯度越大，孔裂隙扩展量越大，煤体结构劣化更为显著；冷热冲击对煤体细观损伤较为复杂，新生成主裂隙呈“S”形分布，对煤层致裂效果显著。

• 干湿循环作用下红页岩力学特性与能量特征研究

  冯小磊, 马振乾, 陈安民

  为揭示红页岩破坏的力学特性和能量演化规律，通过电液伺服机对红页岩进行三轴压缩试验，研究不同干湿循环作用下红页岩试样峰值强度特征、力学特性和能量演化规律。结果表明：干湿循环次数对红页岩的抗压强度有显著的影响，并呈负相关关系；干湿循环作用会使岩样破坏阶段的脆性减弱，延性增强，降低其物理力学特性；对比干湿循环作用前后试样的变形特征曲线图，红页岩原试样的变形量大于干湿循环作用后的试样变形量，约为后者的1.7倍；红页岩破坏后，原试样的耗散能增长速率为干湿循环作用后试样的2.4倍，因为干湿循环作用会软化红页岩岩石内部结构，使其破坏时体积应变变化缓慢，从而导致耗散能相比于原试样增长较慢。

• 基于实测钻凿参数的类岩石材料强度识别研究

  王喆, 仇安兵, 龚敏, 吴昊骏, 胡广风, 王思杰, 周世均

  为建立凿岩机钻凿参数与岩石强度间的关系，进行岩石强度识别研究，搭建了台车钻凿参数自动采集系统，选用C30、C40、C50共3种强度混凝土模拟同等强度岩石，动态采集不同钻凿参数，并基于支持向量机(SVM)算法构建4种SVM分类模型，对钻凿数据进行训练学习并运用优化算法修正核函数系数，根据分类准确率及评价指标完成模型优选。研究表明，采用多项式核与高斯核函数建立的SVM模型识别准确率达90%，可以有效识别类岩石材料强度。

• 用于井下振动测量的自发电振动传感器的研制

  冯彦军, 吴川, 杨朔

  井下钻具的共振可能会损坏钻具甚至造成井下事故，对井下振动进行实时测量非常有必要。然而目前常规传感器的井下电池和电缆的供电方式会降低钻探效率，因此具有井下发电功能的传感器将更加适宜实际工况。针对此情况，研制了一种具有自发电功能的振动传感器，其利用振动工况诱导传感器内部纳米材料相互摩擦进行发电，同时利用摩擦电信号与振动信号的对应关系实现对振动的测量。室内试验结果表明，传感器的输出信号幅值可达7.3 V，最大发电功率约0.84 μW，振动测量范围为0~13 Hz，振动测量误差小于5%，可在小于250 ℃的温度范围内正常工作。研究成果可为井下发电及井下超高温传感器技术的研究提供一定的借鉴。

• 基于数理统计方法的煤矿瓦斯异常预警模型研究

  何桥, 许金

  基于收集的西南地区40多对矿井瓦斯监测数据，分析矿井瓦斯浓度数理变化特征，建立了数据驱动的矿井瓦斯异常涌出识别方法与模型。该模型从当前瓦斯浓度、瓦斯突变指数、偏离均值指数、长期不变指数、波动幅度指数、中期上升趋势指数等方面对监测点瓦斯风险进行量化评价；使用单一预警指标对趋势偏离、瓦斯突变等异常进行识别；采用各监测点调和平均数，以采掘工作面为单位，量化区域瓦斯灾害风险趋势。研发了煤矿瓦斯灾害大数据风险分析平台，并应用于现场监管监察，应用结果表明该模型能及时准确判识各矿井瓦斯灾害风险，有效提高监管能效。

• 近距离煤层错层位切顶卸压护巷技术

  崔俊彪, 张百胜, 郭俊庆, 李汉璞, 杨依卓

  针对近距离煤层开采时，上层煤开采会对下层煤产生采动影响，导致下层煤邻近回采巷道围岩变形等问题，提出了近距离煤层错层位切顶卸压护巷技术。分析了错层位切顶卸压护巷技术原理，推导出近距离煤层错层位切顶高度的计算公式，给出错层位切顶的关键参数，研究了错层位切顶卸压护巷效果。结果表明：通过错层位切顶主动调控顶板断裂位置可缩短悬臂梁长度，同时切落后的岩石因受到采空区与夹层的缓冲作用减少能量向下传递，有效保护了下层巷道的围岩稳定；错层位切顶高度的确定需考虑顶板垮落的矸石对本层位空区与下分层空区的充填效果，以及层间岩石的垮落影响。现场工业性试验发现，错层位切顶后，动压巷道底鼓量由3.0 m降至0.5 m左右，降幅为83%。

• 基于响应面法的煤巷掘进工作面顶板变形因素分析

  李鹏, 苏超, 段鹏坤

  为解决掘进工作面顶板稳定性影响因素多、空顶距取值不合理导致掘进速度慢的难题，基于响应面法通过数值模拟手段，研究煤巷掘进工作面顶板三向应力及变形规律，分析影响掘进工作面顶板变形的关键因素及其交互作用关系。研究结果表明：在掘进工作面前方约1倍洞径处应力调整及变形开始显现，至掘进工作面后方1倍洞径时应力调整基本稳定，在掘进工作面后方约2倍洞径时顶板变形基本稳定；顶板变形与顶板泥岩黏聚力和支护强度呈负相关关系，与顶板泥岩厚度及空顶距呈正相关关系，通过响应面法进行多因素交互分析是确定特定条件下掘进工作面合理空顶距的有效手段。根据赵庄煤矿33082巷地质条件，设置合理空顶距为2 m，支护强度提高至0.25 MPa，应用结果表明巷道稳定性得到保证，且巷道掘进速度也由原先的180 m/月提高至350 m/月，掘进速度显著提高。

• 基于RSEI的北京王平煤矿生态环境修复效果评估及预测

  钟安亚, 孙娟, 胡春明, 谷海红

  为研究北京王平煤矿生态修复成效，以1990—2021年Landsat遥感影像数据为基础，采用遥感生态指数(remote sensing ecology index，RSEI)对北京王平煤矿区生态修复工程展开效果评估，并结合GM(1, 1)模型对研究区生态环境质量进行动态监测、时空分析及预测研究，以期为矿山生态修复工程的管理提供参考。结果表明：1990—2021年，王平煤矿生态环境质量呈现出“先降低，后上升”的势态; 1990—2001年研究区RSEI等级差与较差的区域集中在东北部与西南部，生态修复工程开展后，王平煤矿生态环境质量逐年得到改善，少量较差区域集中在东北部边界地区; 对王平煤矿RSEI进行预测，预计2025年RSEI将达到0.826，研究区生态环境质量将达到“优”级，表明开展矿山生态修复工程效果较显著。

• 随钻取心成套装备的研发及现场应用

  王文明

  为了进一步优化煤岩取心工艺，建立了取心钻头钻进动力学模型，进行了钻进过程影响因素数值模拟及实施随钻取心装备核心部件研发，得出钻速、钻压及切削角度对钻进过程具有较大的影响作用。组装了完整的随钻取心成套装备，借助于井上模拟取心实验获取了ø10~50 mm的完整柱状煤岩试样岩心，开展了井下随钻取心现场实验以进行性能测试，并布置6组测点实施瓦斯含量的测定，结果显示：取心时长缩短至了少1/3, 测点的瓦斯含量误差在5%以内，验证了该成套装备性能可靠。

• 基于智能通风的自然风压与主通风机特性曲线的耦合

  桑聪, 张建中, 富佳兴, 张浪, 李伟, 覃杰, 张萌, 武光城

  为了准确获得矿井自然风压并了解其对矿井通风系统及主通风机的影响，以GD3(B)型矿用多参数传感器实时监测数据为基础，基于理想气体状态方程和道尔顿分压定律，实时计算矿井主要通风线路上各节点空气密度，结合各节点标高得到矿井自然风压，并与矿井主通风机性能曲线进行实时耦合。结果表明：由GD3(B)型矿用多参数传感器测得的数据可准确计算得到矿井自然风压，地表气温的变化对矿井进风侧的巷道气温影响较大，对回风侧的巷道气温影响较小; 纳林河二号井通风系统自然风压日波动近100 Pa，通过测算的自然风压与矿井主通风机特性曲线耦合分析，可准确反映自然风压变化对主通风机通风工况的影响。

• 大采长工作面高承压水底板注浆改造技术研究

  段李宏

  为解决陈四楼煤矿大采长工作面高承压水区域底板水害治理难题，在矿井典型2517大采长工作面采用底板注浆改造技术解放受底板太原组灰岩水威胁的煤层。通过资料调研和数据计算，选取改造层位并进行钻孔设计，基于底板注浆改造钻孔的涌水量和注浆量数据，对各含水层富水性、注浆量、主要可注裂隙、不同级别充水裂隙注浆材料消耗及平均单孔耗浆量规律进行对比分析。结果表明，含水层富水区主要受裂隙、断层和褶皱等构造的影响，L 10灰岩和L 8灰岩含水层富水性强，分布较均匀，连通性较好，其含水层以中小型和大型裂隙为主且中小型裂隙较多; 工作面平均单孔耗浆量约是充水裂隙涌水量的3.4倍。3次物探结果显示，底板注浆改造效果显著，基本解决了陈四楼煤矿高承压水工作面底板突水问题，可为其他矿区矿井水害治理提供借鉴。

• 陕北能源区典型沉积物降水入渗补给系数研究

  许峰

  陕北能源区地处我国西北干旱半干旱地区，是黄土与风积沙的过渡区，该区蒸发强烈，降水稀少，地下水作为该区域重要的供水水源，主要接受垂向上的降水补给。为研究黄土与风积沙的降水入渗过程及其降水入渗补给系数，通过野外取样、室内参数测定，并运用Hydrus-1d建立包气带水分运移数值模型，模拟陕北能源区内2种沉积物的水分运移过程。以接近多年平均降水水平的2015年为例，模拟结果显示风积沙地的降水入渗深度超过6.2 m，而黄土地的降水入渗深度很难超过5.0 m，且两者的降水入渗补给系数分别为0.255和0.111。研究结果对准确计算陕北能源区地下水资源量，进而更好地指导区域水资源系统规划、生态环境保护和经济可持续发展具有重要意义。

• 新型内置锥形面除尘滤筒脉冲喷吹再生性能的模拟

  孟冬, 王飞, 许学瑞, 史伟静, 朱敬聪, 李建龙

  为探究新型内置锥形面除尘滤筒的脉冲喷吹再生性能，利用ANSYS软件构建了锥形面滤筒除尘器CFD数值模型，考察了喷嘴角度为-30°~45°、喷吹高度为50~750 mm条件下脉冲喷吹流场特征，分析了脉冲喷吹强度和喷吹均匀性。结果表明，脉冲喷吹过程中，锥形面除尘滤筒内静压自下而上蓄积，滤筒内靠近开口附近存在局部涡旋。从喷吹均匀性角度看，喷嘴角度为30°最有利于促进喷吹气流对上部区域产生清灰作用，提升整体喷吹均匀性；整体喷吹强度则随着喷嘴角度的增大先增后降，喷嘴角度为3.1°对应的喷吹强度最大。喷吹高度对喷吹性能的影响主要在滤筒上部区域，最佳喷吹高度为550 mm, 且在对应条件下进入滤筒的气流最大。

• 基于F-ANP模型的煤矿突水危险性评价

  陈光波, 刘凤旭

  提出一种基于模糊网络分析法(F-ANP)的煤矿突水危险的评价模型，构建了科学、全面的煤矿突水危险性评价指标体系，该体系网络层包含人、机、环境、管理4个一级指标，涵盖了地表水、地下水等16个二级指标；基于模糊网络分析法建立模糊加权矩阵，计算矩阵得到权重向量，并最终根据最大隶属度原则判断突水危险等级。将该评价模型应用于南山煤矿突水危险性评价，评价结果为较安全等级，符合工程实际。对比实例分析与评价结果发现，模糊网络分析法在突水危险性评价中能更好地考虑指标的模糊性和不确定性，评价精度更高，科学性更强。

• 瓦斯精细化治理与多源协同抽采技术的应用研究

  尚林伟, 孙宝强

  为从宏观管理层面调控瓦斯灾害治理过程中的复杂环节，实现时空协同精准化的瓦斯综合治理的目标，基于精细化管理理论与协同化治理原则，构建了瓦斯精细—协同治理模型，形成了以瓦斯基本参数及赋存规律、工作面瓦斯协同化预抽、工作面瓦斯协同化治理、抽采效果综合评价四大部分为主的瓦斯精细—协同治理体系。根据石泉煤业30103工作面瓦斯赋存基本情况，提出“预抽强化技术+高压水致裂技术+高位钻孔抽采技术”的瓦斯精细—协同治理技术方案，实践表明，该技术有效降低了回采过程中工作面及上隅角瓦斯浓度，有效提高了瓦斯抽采效率，达到了“降本增效”的目的。

• 抚顺西露天矿开采损害区生态空间格局演化分析

  李英军, 肖泳, 郝小雨

  以抚顺西露天矿为例，基于遥感、地理信息系统和统计学等技术，分析了开采损害区景观格局的演变规律及驱动因素，并对景观格局演变速度进行了分析。通过景观形态空间格局分析方法(MSPA)与最小累计阻力模型(MCR)对西露天矿研究区生态源地进行识别，提取生态廊道，搭建生态空间格局，以空间的形式对生态敏感性和可优化地区进行展示。结果表明：2014年以林地、开采区和采矿用地等为主要土地利用类型，到2022年以林地、采矿用地、交通运输用地3类为主要土地利用类型，不同景观类型之间发生较大的转化面积，土地利用综合变化率较高。耦合宏观与微观格局生态网络，通过宏观及微观阻力面，分析判断西露天矿宏观生态源地与廊道连接的最小路径，构建研究区的综合生态网络。

• 排土场复垦初期种群生态位与多样性动态分析

  周国驰, 杨卓, 辛建宝, 王克锋

  为了研究露天煤矿排土场土地复垦初期群落演替特征，采用空间代替时间的方法，研究了露天煤矿排土场土地复垦3年主要植物种重要值、生态位宽度、物种间生态位重叠及植物多样性指数的变化情况。结果表明：紫花苜蓿、无芒雀麦和披碱草等植物的重要值与生态位宽度逐年提高，而油菜、燕麦草等植物重要值与生态位宽度则降低；土地复垦第2年与第1年相比生态位重叠值( O ik )总体提高0.297，第3年较第2年总体降低0.065，物种在资源利用上的相似性和竞争性先增强后减弱；在排土场土地复垦前3年时间里，植物种由29种提高到74种，Margalef丰富度指数提高了1.10倍。总体上，在矿区重建生态系统演替初期，演替速度迅速，并在进行土地复垦后的第3年群落结构开始趋于稳定。