矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2023年第6期

• 试论科学推进矿山生态修复

  侯金武, 余洋

  基于我国矿山类型多、数量大、点多面广的特点，系统归纳了不同矿产资源类型、不同地理单元矿山修复理论、技术和方法：煤炭矿山和非金属矿山优先消除地质安全隐患，采取地貌重塑、土壤重构和植被重建等工程措施修复; 油气矿山和金属矿山重点关注环境污染问题，采用物理、化学、生物等综合技术修复。根据不同地理单元自然资源禀赋差异，统筹考虑山水林田湖草沙各生态要素不同特点，兼顾不同地理单元生态修复技术自有原则，参照生态功能特点、生态系统特征、生态环境条件进行矿山生态修复区划，依托技术适宜性分析，提出自然恢复与人工修复相结合的矿山生态修复模式。通过重点分析矿山生态修复标准研发、法治建设、公众参与等方面的工作进展，详细阐述当前矿山生态修复理论研究基本现状，探讨矿山生态修复科技研发与理论建设融合路径。随着新时期生态文明建设步伐日趋加快、山水林田湖草沙一体化保护修复理念持续深化，科学推进矿山生态修复势必在规划设计、科技攻关、标准研发、法治建设、公众参与等方面集中发力，协同推动矿产资源绿色开发与矿山生态保护修复，进而为促进人与自然和谐共生提供有效参考。

• 我国煤炭绿色开采技术进展

  刘具, 秦坤

  绿色开采是煤炭行业可持续发展的必由之路。为探究我国煤炭绿色开采发展趋势，通过回顾我国煤炭绿色开采20年来的发展历程，系统总结了绿色开采技术进展；提出随着智能化、数字化技术的发展与“碳达峰、碳中和”等发展要求的实施，煤炭绿色开采内涵不断丰富，并被赋予新的时代定义；指出煤炭绿色开采技术逐渐向全生命周期绿色开采的方向发展，形成了智能绿色的“采前精细勘探、采中有效减损、采后恢复提升”的新发展模式；认为我国将继续深化智能化、数字化技术对煤炭绿色开采的赋能，并在降低绿色开采技术综合成本、提高生产效率等方面持续发力。

• 双碳目标下“煤基固废-CO 2”协同充填封存技术构想

  朱磊, 刘成勇, 古文哲, 盛奉天, 袁超峰

  “双碳”目标的提出给煤炭行业绿色低碳发展带来了新挑战和新要求。针对煤炭开发利用全生命周期过程中“煤基固废-CO 2”双重近零排放的要求，通过探究煤炭开发利用过程中的碳排放源，结合现有充填开采技术，提出了以“煤基固废-CO 2”近零排放为核心的协同充填封存技术构想，以实现煤炭开采与“煤基固废-CO 2”充填封存的“内部闭圈消化”。基于矸石零排放研究团队相关成果，提出了三类功能性充填材料，其中第一、二类充填材料可控制覆岩移动和构筑充填单元体，形成以煤层底板、充填体、煤柱及上覆顶板为边界，地质盖层为最后屏障的CO 2地下封存空间；第三类充填材料可与CO 2发生化学反应，实现对CO 2的矿化封存。基于此，分析了“煤基固废-CO 2”协同充填封存的关键问题：煤层赋存地质条件评价；CO 2封存空间稳定性控制；CO 2封存能力估算；CO 2充注效果监测与调控；CO 2封存安全风险应急处理。该构想的提出可为我国煤炭行业低碳绿色发展提供新思路。

• 矿业城市相对资源承载力时空分异及阻力分析

  何刚, 赵疏航

  为测度矿业城市资源的相对承载能力，将突变级数法运用到承载力评价中。基于“三生”融合理念(生产—生活—生态)构建相对资源承载力评价指标体系，借助熵权—突变级数法改进相对资源承载力评价模型。测度2012—2021年相对资源承载力，探究安徽省矿业城市时空分异特征，结合阻力模型诊断矿业城市的关键阻力因子。结果表明：安徽省矿业城市相对资源综合承载力总体趋势发展良好，等级水平由弱上升到强，整体呈现出高质量发展的态势；滁州的相对资源综合承载力水平最高，水平最低的是淮北。生产资源和生态资源维度阻力占据主导，第1阻力因子集中在土地资源或水资源。

• 采煤塌陷裂缝对包气带水分运移规律影响数值模拟研究

  刘士亮, 郑雨生, 王傲

  采煤塌陷裂缝，影响包气带水分运移规律，诱发矿区生态地质环境问题。当前研究集中于塌陷裂缝对包气带含水率影响，往往忽略塌陷裂缝对包气带水分运移方向及其速度的影响。为此，综合考虑裂缝宽度、裂缝密度和土壤质地类型，基于HYDRUS 2D建立采煤塌陷区包气带水分运移数值模型，研究采煤塌陷裂缝对包气带水分运移规律。结果表明：单一裂缝时，含水率差距与裂缝宽度呈正相关关系；土壤水分运移方向向裂缝处偏转，同一土壤深度越靠近裂缝的区域偏转角度越大，最大偏转角度和发生运移方向变化的区域大小随裂缝宽度变大而变大; 裂缝边缘与远离裂缝区域的平均水分运移速度差值随裂缝宽度变大而变大; 裂缝密度增高时，同一土壤深度含水率会随之降低，裂缝之间区域的最大偏转角度与发生偏转的区域变小; 采煤塌陷裂缝影响下壤土的含水率高于风沙土、水分运移速度低于风沙土，但土壤质地类型不影响水分运移方向。

• 利用LiDAR揭示采煤沉陷区人工修复植物群落冠层结构分异

  郭洋楠, 唐佳佳, 杨永均, 李志伟, 雷少刚

  以陕西大柳塔煤矿国家水土保持科技示范园内采煤沉陷区为试验区域，利用无人机获取激光雷达数据，估测植物群落冠层结构参数，并揭示不同植物配置模式下冠层结构的差异。结果表明：利用LiDAR数据能够准确可靠地估算植物群落冠层高度、冠盖度、叶面积指数、叶高多样性4个冠层结构参数；研究区水平方向上的冠盖度与垂直方向上的冠层高度、叶高多样性之间存在显著的正相关关系，水平方向上的叶面积指数受垂直结构影响较小；植物配置模式对群落冠层结构具有显著影响。生态修复后乔木群落的垂直层次结构较好，而灌木群落在水平结构上表现较好。研究表明基于无人机的激光雷达遥感方法可以有效揭示采煤沉陷区生态修复植物群落冠层结构的异质性，为矿山生态监测与评价提供基础数据和科学依据。

• 荒漠草原露天矿开采对矿区及周边区域土壤养分的影响

  荣浩, 崔崴, 葛楠

  为研究露天矿产资源开采对周边土壤因子的影响程度及范围，以地处生态脆弱区的内蒙古荒漠草原典型矿区及其周边区域为研究区，采集矿区及与矿区不同距离范围内的土壤样品，分析矿区及其周边区域土壤养分的变化特征。结果表明：研究区内土壤中有机质(SOM)、速效钾(AK)、速效磷(AP)含量均处于较低水平，土壤质量较差；土壤中有机质(SOM)、速效钾(AK)、速效磷(AP)、碱解氮(AN)含量随着与矿区中心距离的增加呈显著性增加( P＜0.05)，说明露天开采影响了土壤中有机质、速效养分的积累，而土壤pH值、全氮(TN)含量变化不明显。对土壤养分自相关性进行地统计分析，土壤全磷(TP)、速效磷(AP)、速效钾(AK)表现为强烈空间自相关性，全氮(TN)具有中等程度空间自相关，碱解氮(AN)、有机质(SOM)、pH值空间自相关性较弱。矿区及其周边1.0~2.0 km区域的土壤养分明显低于天然草原(对照)，距离矿区中心5.0 km区域的土壤养分与天然草原基本接近，表明距离矿区中心5.0 km以外的区域土壤养分基本不受采矿活动影响。

• 高盐矿井水零排放处理分盐结晶工艺试验研究

  王锦, 杨久利, 陈永春, 毛维东, 王庆刚, 郭中权, 吴艳涛

  针对典型潘二煤矿高盐矿井水水质特点，结合硫酸钠Na 2SO 4、氯化钠NaCl溶解度变化规律及Na +//Cl -、SO 4 2--H 2O三元水盐体系相图，制订了分盐结晶工艺方案，考察盐分浓度、搅拌速率对结晶分离效果的影响。试验结果表明：副产高浓盐水溶解性总固体TDS质量浓度为109 018.15 mg/L，先控制温度为100 ℃，搅拌速率200 r/min，蒸发终点NaCl的质量浓度为265.54 g/L、Na 2SO 4的质量浓度为64.98 g/L；后控制温度为-5 ℃，搅拌速率150 r/min，冷冻终点NaCl的质量浓度为278.30 g/L、Na 2SO 4的质量浓度为6.67 g/L；再控制温度为100 ℃，搅拌速率100 r/min，蒸发终点NaCl的质量浓度为302.68 g/L、Na 2SO 4的质量浓度41.86 g/L，在此方案下得到纯度97.3%的Na 2SO 4和95.2%的NaCl，盐产品达到工业标准，实现了盐的资源化利用，减少了杂盐的产生量。

• 基于电晕强化荷电的选矿厂粉尘电凝并除尘研究

  李海生, 徐子茵, 蔡丰义, 陈英华, 冯维刚, 陈聚凯

  为了提高选矿厂微细粉尘电凝并的除尘效率，提出一种颗粒电晕强化荷电装置。运用COMSOL软件开展颗粒荷电数值模拟计算，获得电晕过程中旋流空间电势、颗粒饱和荷电量及颗粒荷电速率的分布特征与规律，研究电晕对粉尘荷电的强化作用机理；以原煤胶带转载点粉尘为研究对象，开展粉尘荷电和电凝并除尘实验。研究结果表明，电晕强化荷电区电极间存在明显的电势差，电极尖端和壁面形成了高电势，电极电晕可以强化颗粒荷电效果，使颗粒电场荷电速率明显高于扩散荷电速率，有助于提高颗粒饱和荷电量。实验发现，电晕作用使粉尘颗粒荷质比增加了550 nC/g，提升了对粒径5.0 μm以下粉尘颗粒的脱除效果，粒径0.5~ < 1.0 μm的粉尘电凝并脱除效率最好，颗粒数量变化率达63.48%。

• 不同粒度煤样高温燃烧特性研究

  文辰辰, 张雷林, 张美琴

  为研究不同粒度煤样高温条件下的燃烧特性及燃烧效率，采用锥形量热仪测试了6种粒度煤样在热辐射作用下的燃烧特性参数。研究结果表明，煤样点燃时间与煤颗粒大小总体呈正相关关系；热释放速率峰值随煤样粒径减小而逐渐下降，在热释放速率曲线稳定阶段(>150 s)，不同粒径煤样热释放速率由大到小依次为>0~0.12、>0.12~0.15、>0.15~0.18、>0.18~0.25、>0.25~0.38、>0.38~0.83 mm；总热释放量随粒径减小而逐渐增加；总烟释放量随煤样粒径增大而上升，最大粒径煤样(>0.38~ 0.83 mm)的烟气生成速率和总烟释放量均为最大；煤样燃烧过程中CO生成速率和CO 2生成速率均随煤样粒径减小而逐渐增大。引入煤样的火灾性能指数( F FPI)和火灾增长指数( F FGI)，对比分析不同粒度煤样的燃烧效率得出：最小粒径煤样(>0~0.12 mm)的燃烧效率最高， F FPI最小(0.27 m 2·s/kW)， F FGI最大(3.70 kW/(m 2·s))。研究结果对揭示高温环境下粒度对煤样燃烧特性的影响具有一定的借鉴意义。

• 巷道群应力场演化特征与支护技术研究

  张剑, 王俊虎, 刘爱卿, 王国强

  为探究巷道群开挖应力场演化特征，以杜儿坪煤矿南九盘区巷道群为研究对象，采用数值模拟方法研究巷道群分步开挖方式下垂直应力分布特征，结果发现巷道煤柱侧应力集中强度高于实体煤侧，应力峰值位置与巷帮水平距离煤柱侧大于实体煤侧，煤柱宽度影响应力集中强度，煤柱宽度增大则应力集中强度减弱，巷道群开挖处于高应力集中区，巷道支护设计需考虑足够富裕系数。为开发巷道适应性支护技术，采用现场实测方法测量了地应力、围岩强度及结构等基础参数，结果表明：地应力为中等水平，形成以水平应力为主的构造应力场，巷道群开拓方位朝向有利于地应力方向延伸，地应力大小及方向对巷道围岩稳定影响较小；巷道顶板为由砂质泥岩和薄煤线组成的厚度变化不定的复合煤岩顶板，煤岩体强度大小因裂隙发育而剧烈波动不稳定，控制巷道浅部易离层冒落复合煤岩顶板至关重要。基于巷道群应力场分布规律和围岩地质力学评估结论，确定胶带巷采用预应力锚杆锚索支护技术，并提出详细支护方案和支护参数，现场试验取得良好效果，顶底板最大位移87 mm，两帮最大位移81 mm，为煤矿巷道群开挖支护提供了有益指导。

• 基于不同含水率气煤的低温氧化实验研究

  吴义泉, 舒森辉, 李晟立, 张雷林, 高鹏永

  为了研究不同含水率气煤的自燃特性，通过程序升温实验系统，分别对5种煤样进行低温氧化实验。实验结果表明：在低温氧化过程中，不同含水率气煤的自燃特性参数均随温度的升高呈指数变化趋势；煤样的CO与CO 2体积分数、耗氧速率、放热强度均表现出低含水率下大于原煤，高含水率下小于原煤的规律；在加速氧化阶段，原煤的活化能为75.7 kJ/mol，相比之下含水率为5.87%、9.81%、13.81%的煤样活化能分别降低了6.8、25.6、4.6 kJ/mol，而含水率17.85%煤样的活化能却上升了4.1 kJ/mol。研究结果表明：一定范围内水分含量越大，煤样的表观活化能越小，煤的自燃倾向性越高；而过量水分会抑制热量积聚，使煤的活化能变大，自燃倾向性变低。

• 钻孔钻进期间瓦斯涌出数值模拟

  王钧, 赵东

  为了分析钻孔钻进瓦斯涌出规律，建立流—固耦合双孔介质模型，并模拟分析了瓦斯压力、孔径、基质解吸时间及Klinkenberg因子对钻孔钻进瓦斯涌出的影响。结果表明，不同位置孔壁暴露时间不同，压力降幅不等，瓦斯渗流速度不同；瓦斯流量呈现增长趋势，且增长速度不断减缓，使用单孔模型则会严重高估瓦斯流量。瓦斯压力是影响钻进瓦斯涌出的关键性因素；孔径增大促使瓦斯流量及涌出量增高；基质瓦斯解吸时间增大减少了对裂隙瓦斯的补充；Klinkenberg因子能够显著促进渗透率的增大进而提高渗流速度，增大瓦斯涌出量，但瓦斯涌出量存在一个极限值。

• 燃煤机组尾部烟道三氧化硫脱除数值模拟研究

  刘宏芳, 吴贤豪, 张光学, 陈子越, 余文南

  为减少燃煤电厂机组烟道尾气三氧化硫SO 3对环境的破坏和对燃煤机组日常运行的不利影响，对SO 3的脱除开展模拟研究。以燃煤机组尾部烟道为模拟对象，建立碱性吸收剂溶液吸收SO 3多相流全过程反应的数值模型；以碳酸钠Na 2CO 3溶液为碱性吸收剂，通过该模型研究碱性吸收剂吸收SO 3的基本特性，并探究碱性吸收剂各项参数对SO 3脱除效率的影响。研究结果表明，Na 2CO 3在烟道的主要存在方式为固相，烟气温度对SO 3脱除效率影响较小，喷枪系统不同布置方案的脱除效率不一，Na 2CO 3的质量浓度为100 g/L时效果较好，摩尔比与SO 3的脱除效率并非线性相关，喷雾粒径为40~70 μm、雾化角度为60°时，效果较好。

• 煤矸石基地质聚合物的制备与性能优化研究

  黄学满, 饶吉来, 杜凯

  煤矸石的不合理处置会给生态系统带来巨大的压力和威胁，为了解决煤矸石再利用困难和利用率低的问题，提出利用煤矸石生产地质聚合物的高附加值策略。以未煅烧的煤矸石为原材料，采用单因素实验设计法，研究了高炉矿渣掺入量、水玻璃模数、碱激发剂添加量、液固比和初始24 h养护温度等因素对地质聚合物基体抗压强度的影响。结果表明，初始24 h养护温度、碱激发剂添加量和水玻璃模数对煤矸石-高炉矿渣基复合地质聚合物的性能有显著影响。通过X射线衍射分析和扫描电镜分析发现，在碱激发剂的作用下，未煅烧的煤矸石结构被破坏，与高炉矿渣协同生成水化铝硅酸钠(N-A-S-H)、水化铝硅酸钙(C-A-S-H)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶，从而形成了致密的微观结构。这为煤矸石的大规模资源化利用提供了合理的依据。

• 龙滩煤矿K1煤层自燃标志气体及其临界值研究

  王毅, 周余, 罗广, 张定山, 陈占全

  煤层自燃引发的煤矿火灾严重影响煤矿安全生产。为提前做好煤层自燃预测预防工作，以龙滩煤矿3122S回采工作面为研究对象，结合实验室煤自燃实验和现场标志性气体测试，对3122S回采工作面煤层自燃标志性气体临界值进行确定。通过煤样程序升温氧化实验，得到煤自燃产生的各气体浓度随温度变化规律，确定选取CO、乙烯C 2H 4为主要标志性气体；根据模糊统计数学方法计算出3122S回采工作面煤层煤样自燃临界温度为87 ℃；拟合现场实测的CO质量浓度和温度，代入煤样自燃临界温度计算得到标志性气体CO质量浓度临界值为88.50 mg/L，C 2H 4质量浓度临界值根据实验所测为0.90 mg/L。根据现场监测的标志性气体的临界值和温度双重预防煤自燃引发的火灾。

• 融合遥感技术在四棵树火区煤火识别中的应用

  刘小姣, 曾强

  以准南煤田四棵树火区煤火为研究对象，选取2006—2020年覆盖研究区的Landsat系列影像，采用像元二分法及温度反演算法反演得到该区域的植被覆盖度和地表温度的分布，分析结果表明：低植被覆盖度的区域占比由38.6%降低至13.9%，高植被覆盖度区域占比由15.6 %增长至29.0%；高温区域呈东北—西南直线分布，低温区域主要分布在西向山坳及山坳西侧，阈值提取最高温度为48.62 ℃。选取2014—2019年29景SAR影像进行SBAS-InSAR分析，融合植被覆盖度及地表温度反演，确定火区烟气逸散通道及空气渗入通道位置与数量，分析结果表明：在2014—2019年烟气逸散通道由7个增加至68个，空气渗入通道数量由58个增加至84个；整体裂隙数量呈现增加的趋势，且烟气逸散通道数量增加较快，地下煤火燃烧加剧。

• 煤层气阻火装置在线自动清洗技术研究及试验分析

  王晓光, 肖露, 张群, 甘海龙

  煤矿井下抽采的煤层气中固体杂质含量高，容易堵塞干式阻火器，降低气源管路输送通量, 且检修阻火器时会造成煤层气利用装置非故障停机频繁。研制了阻力触发自动清洗干式阻火装置，实现阻火装置的在线自动清洗，并开展自动清洗试验，检验阻火装置运行效果。结果表明：该装置彻底解决了低浓度煤层气输送管道阻火器堵塞后清洗时停机的问题，提升了煤层气输送及利用端阻火装置运行的可靠性及稳定性，大幅减少了煤层气利用装置非故障停机时间；优化设计的DN500干式阻火装置，试验前阻力为670 Pa，试验煤粉模拟堵塞并自动清洗300 s后，阻火装置的阻力由2 000 Pa降至700 Pa。

• 综采面双机载除尘器协同作用对风流粉尘净化效果分析

  焦婉莹, 韩东洋, 梁成文

  以陕煤曹家滩煤矿122109综采工作面为工程背景，利用Fluent数值模拟软件分析了122109综采工作面原始风流—粉尘运移分布规律，根据分析结果创新提出了采煤机机面双除尘器协同除尘技术，并模拟分析使用该技术对综采工作面和工作面人行区域呼吸带高度位置及煤壁侧机身上方空间位置粉尘的改善效果。模拟结果表明：在双机载除尘器协同作用下，综采工作面高浓度粉尘云团明显减小，采煤机割煤粉尘向人行区域扩散现象明显减弱；对人行侧呼吸带高度位置粉尘质量浓度最大降尘效率达98.80%，采煤机上滚筒附近最大降尘效率达到51.20%。通过现场应用发现，双机载除尘器的使用对工作面的降尘效率最大达到93.94%，有效解决了综采工作面采煤机滚筒割煤粉尘扩散污染人行空间的问题，显著改善了作业人员的工作环境。

• 定向孔抽采特性对布孔参数响应变化规律研究

  金元甲, 马凯, 张亚洲, 马钱钱

  为了确保定向钻孔布置的合理性，进一步提高钻孔抽采瓦斯效果，通过数值模拟和现场工业性试验的方式进行定向孔抽采特性对布孔参数响应变化规律研究。研究结果表明：定向长钻孔抽采效果沿孔轴线方向呈递减趋势，整体影响范围呈圆台状；抽采负压一定情况下，定向钻孔开2个分支抽采效果较好，控制范围内瓦斯含量降幅较大，钻孔布置综合性价比较高；钻孔控制区域残余瓦斯含量与有效影响范围内空间位置耦合呈双指数变化规律。研究结果可为定向钻孔设计参数选取、抽采效果预评价提供参考。

• 矿井老空水害危险性多源信息融合评价

  谷保泽, 金祥波, 何滔, 唐申强

  针对矿井老空水害机理复杂，影响因素众多且影响程度不一的难点，提出采用多源信息融合的方法进行矿井老空水害危险性评价：根据矿井老空水害特征构建老空水害评价指标体系，对主控因素进行网格化与归一化处理；采用层次分析法计算影响老空水害危险性的各主控因素权重，建立基于多源信息融合的矿井老空水害危险性评价模型。将模型应用于乌海能源五虎山矿井老空水害危险性综合评价，结果表明，该方法合理可行。

• 黔北煤田灰岩含水层对开采13号煤层的影响研究

  李回贵, 苏德国, 孙维, 许国胜, 王军

  黔北煤田金沙片区9号煤层为突出煤层，为了解放该突出煤层，需要将13号煤层作为9号煤层的保护层先行开采，但是金沙片区13号煤层距离底板茅口灰岩含水层较近，开采13号煤层存在突水危险。以金沙片区为研究对象，统计分析38个钻孔的岩性、隔水层厚度和茅口组灰岩顶界标高数据发现，13号煤层底板隔水层岩性中隔水性较好的岩层共有9种，岩层累计厚度占隔水层厚度的43.51%~100.00%，平均为75.56%；隔水层岩性上下岩层相对较软、中间岩层相对较硬，隔水性能较好。13号煤层底板隔水层厚度为13.53~35.15 m，平均值为19.48 m；茅口组灰岩含水层水头值为1.35~5.57 MPa，平均值为3.33 MPa；掘进工作面隔水层厚度能够满足要求；13号煤层工作面回采时，97.38%区域处于危险区域，在未采取防治水措施之前，建议暂时不开采。研究结果可以为黔北金沙片区开采13号煤层和底板水害防治提供参考。

• 煤矿用环境友好难燃液认证与应用研究

  张素艳

  为推动煤矿用环境友好难燃液产品认证与应用，结合我国煤矿用难燃液的应用与研发现状，对比分析目前国际上有影响力的环境友好难燃液评价标准，提出牢固树立环境友好难燃液全生命周期管理理念、实现源头危害预防，系统研究国际标准、持续完善评价项目和方法体系，准确把握品质属性与环境属性关系、不断提升环保技术要求等建议。

• 基于组合赋权—灰色VIKOR的煤矿隐患排查治理能力评估研究

  赵梦洁, 杨玉中

  为评估煤矿企业隐患排查治理能力，从人员和管理2个方面，选取13个主要影响指标，运用序关系分析法(G1)和基于指标相关性权重确定法(CRITIC)分别计算各评价指标的主客观权重，再根据组合赋权法确定各指标的综合权重，构建基于多准则妥协解排序法(VIKOR)—灰色关联分析的隐患排查治理能力评估模型，并将该模型应用于赵固二矿，对该煤矿2016—2021年的隐患排查治理能力进行了综合评估。结果表明：该煤矿企业近年来的隐患排查治理能力逐年上升，且该评价方法对评价值的区分度更高，评价结果更为准确，为煤矿企业隐患排查治理能力评估提供了一种新思路。