矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2024年第2期

• 远距离下保护层开采卸压增透效应及瓦斯抽采方案

  杨科, 孙啸天, 刘帅, 郭鹏慧, 张寨男

  针对深部远距离下保护层开采后上覆被保护层卸压及瓦斯治理难的问题，以朱仙庄煤矿Ⅲ1031工作面工程条件为背景，采用相似模拟和数值模拟相结合的方法，研究了远距离下保护层开采过程中覆岩的应力演化规律、变形破坏特征和卸压增透效果。结果表明：保护层开采，产生延伸至被保护层的纵贯式穿层裂隙，基本顶发生平均步距15 m左右的周期破断，煤层压力先减小，采空区中部重新压实后，应力开始逐渐恢复；在围岩内形成应力增高区域，而应力在向采空区中部演化时，则以近似于弧状的应力递减圈形态发育。因煤层采动在采空区两侧形成离层裂隙发育区，为瓦斯流动提供通道，被保护层也因此得到卸压，其卸压率达到0.91，增透率增幅为5%~20%，被保护层出现明显卸压增透效应。为解决保护层开采后瓦斯需卸压抽采的问题，设计了穿层钻孔、顺层钻孔、高位钻孔配合拦截钻孔和采空区埋管的瓦斯抽采方案。

• 新型矿用EMI降尘剂对煤尘的润湿特性研究

  金永飞, 刘仁飞, 郭军, 柴洋洋, 晏立, 张科峰

  随着矿井机械化开采程度的提高，煤尘产生量也随之增大。针对煤矿井下作业环境中的粉尘污染日益严重的问题，通过测定含不同质量分数绿色高效生物降尘剂(EMI)溶液的表面张力，并以不同粒径煤尘与EMI溶液的接触角、煤尘润湿速度、煤尘吸湿量及保水性为指标，研究了不同质量分数的EMI溶液对不同粒径煤尘的润湿效果。实验结果表明：随着溶液中EMI降尘剂的质量分数增大，煤尘的接触角逐渐减小，煤尘完全沉降所需时间逐渐下降，吸湿量逐渐增大，保水性逐渐增强，且失水后煤样的板结性较大。通过分析得出EMI润湿煤尘的作用机理：降低水的表面张力；增加溶液润湿性；减少水分流失；提高溶液的抗蒸发性。

• 煤岩复合体水力压裂裂缝穿层扩展实验研究

  苏广宁

  为进一步研究煤岩复合体水力压裂过程中裂缝的穿层扩展规律，开展了真三轴煤岩复合体水力压裂实验，通过改变应力差、压裂管的布置方向及注水点位置来比较裂缝的扩展效果和起裂难度。研究结果表明：水压裂缝的扩展方向受制于最大主应力，当最大水平主应力与最大垂直应力接近时，裂缝沿应力的合力方向扩展；应力差的增大有利于水压裂缝的穿层扩展，且穿层后的扩展距离增大，而对初始起裂压力和时间的影响较小；裂缝由岩层扩展进入煤层后，压裂压力会出现骤降与二次抬升，多数声发射事件位于煤层；若穿层失败，压力表现为持续波动。此外，在岩层中以垂直于交界面的方向布置压裂管，注水起裂点设在岩层中起裂难度较低，且穿层扩展后在煤层中形成的裂缝渗流通道较为完整，为工程中煤层增渗与顶板致裂卸压的应用提供理论基础。

• 矿井通风系统综合评价指标体系与方法

  蒋合国, 崔数文, 谭鹏程, 魏筱乐, 魏连江, 宋小林

  对矿井通风系统进行科学合理的综合评价是矿井通风系统优化与调整的重要依据，目前仍未形成公认的综合评价指标体系与方法。针对矿井通风系统综合评价中存在指标体系的确定不够合理、权重维护困难等问题，采用理论分析、文献分析等方法，从矿井通风系统组成要素、性质、能力等3个角度，“通风动力、通风网络、通风设施”“安全可靠性、经济合理性”“保障能力、防灾能力、抗灾能力”等8个维度选取10项评价指标构建矿井通风系统综合评价指标体系。该评价指标体系可以从多角度、多维度全面反映被评价对象的综合情况，抓住主要因素，确保综合评价的全面性和可信度。同时，提出了以等距分级、等比赋权进行排序打分的权重确定方法，即专家排序指数赋权法，以快速确定与维护评价权重，使评价结果具有客观性，又易于操作。

• 煤矿快速掘进工作面产尘特点及综合防尘技术研究

  陈玉涛

  针对煤矿快掘工作面掘进速度快、设备集中、产尘量大等特点，以曹家滩煤矿122107辅运巷快速掘进工作面为研究对象，详细分析了快速掘进工作面的产尘规律，开展“喷雾抑尘+机载通风控除尘”综合防尘技术及其工艺参数研究，结合快速掘进工作面产尘特性及掘锚一体机外形特点，设计了4种贴近截割滚筒的喷雾装置和1种机载控除尘装置，并进行了现场工业性试验。结果表明：应用快掘工作面综合防降尘技术，降尘效率在90.69%以上，能极大地改善快掘工作面粉尘污染情况。

• 上覆不规则煤柱孤岛工作面冲击地压弱结构法防治技术

  董文卓, 陈理强, 王文杰, 史明伟, 徐维正, 马宏军

  为解决上覆不规则煤柱孤岛工作面冲击地压防治问题，分析了国内该条件下导致冲击地压的研究现状；以唐山矿Y484工作面为研究对象，分析得出以上覆不规则煤柱、大埋深、本层煤柱和煤岩层结构为主的上覆不规则孤岛工作面冲击地压的主控因素；提出了通过制造弱结构调控冲击地压主控因素的防冲方法，描述了弱结构的特征及其通过调整应力分布防治冲击地压的原理；采用FLAC3D建立数值模型，分析了上覆不规则煤柱孤岛工作面的变形破坏过程及应力分布规律，使用弹塑性本构模型模拟弱结构，验证了弱结构对冲击地压的防控作用。通过现场工程实践，建立并实施了以弱结构为主的冲击地压防治技术，并通过应力法和钻屑法验证了弱结构对该条件下的冲击地压具有良好的防控效果。

• 煤矿采场顶板灾害预警技术研究进展及展望

  王昊, 李杰, 郑闯凯, 刘文杰, 朱墨然

  简述了采场顶板灾害预警技术发展的理论基础，归纳总结了超前段、采场支架、采空区三大类实时监测预警系统，系统梳理了锚杆支护巷道矿压、钻孔应力、电磁辐射、微电流、微震/地音、采场支架阻力、采空区风压等各类在线式监测预警系统的预警原理及测站布置。在此基础上，指出了当前煤矿采场顶板实时监测预警系统存在的不足，并对采场顶板实时监测预警系统的进一步融合发展与体系化应用进行了展望与初步构想：基于各类在线式监测系统的多源信息，实现采场顶板灾害融合预警及矿井灾害预警系统的制度化管理。通过综合分析各类在线式监测预警系统的技术现状，为采场顶板灾害实时预警系统的进一步发展指明方向。

• 向斜构造中煤体孔隙结构发育规律研究

  王奥, 刘健, 孙安祥

  为探究向斜构造中煤体孔隙结构发育规律，以长城三矿1311S工作面向斜构造为研究对象，从向斜构造区域不同位置选取煤样，通过低温氮气吸附实验，对煤体孔隙结构特征进行分析。结果表明，向斜构造区域内煤体孔隙结构呈现规律性分布，比表面积与总孔体积从轴部向两翼逐渐减小，平均孔直径则逐渐增大；最可几孔径均分布在2 nm左右，向斜轴部最可几孔径小于两翼；通过对比分析分形维数得出，随着两翼距离向斜轴部越近，分形维数数值呈现线性增大趋势。通过对同一向斜不同位置煤体的孔隙结构特征进行分析，总结出向斜构造中煤体孔隙结构发育规律。

• 穿层钻孔水力冲孔增透与有效抽采半径综合测试方法研究

  栗海滔, 黄震, 董肖振

  为确定长平煤业3 #煤层穿层钻孔水力冲孔(以下简称“穿层冲孔”)有效抽采半径，采用压降法、示踪气体法及数值模拟法相结合的综合研究方法，基于相同的钻孔布置方式及测试环境，全面分析穿层钻孔有效抽采半径的科学性和合理性，并开展工程试验对不同间距穿层钻孔的抽采效果进行对比考察。结果表明：采用穿层冲孔措施，抽采时间180 d时其有效抽采半径达到3.5 m；钻孔间距7.0 m的抽采瓦斯总量分别是钻孔间距5.0、6.0、8.0 m的1.10、1.07、1.28倍，取得了较好的工程实践效果。该综合研究方法准确、可靠。

• 上覆坚硬厚顶板煤岩卸压增透数值模拟及应用研究

  袁艳梅, 乔伟, 欧聪, 武丰智, 陈龙勋

  基于榆树田煤矿上保护层开采时被保护煤层上覆岩层为坚硬厚岩层的实际情况，采用物理实验、数值模拟和现场应用等方法，研究上保护层开采推进时被保护区域的应力变化尤其是垂直应力演化规律和原岩应力区、应力增高区和降低区的演化规律，继而设计保护层开采方案并选定高位定向长钻孔进行瓦斯抽采。结果表明，被保护层上覆的坚硬厚岩层会形成关键层直接影响保护层效果；上保护层开采后被保护层的卸压程度为50%，膨胀变形量为0.391%，被保护层工作面回风瓦斯浓度降低至0.35%。现场应用结果表明，被保护煤层上覆坚硬厚岩层时，采用上保护层开采配合高位定向长钻孔抽采能够取得理想的卸压增透和瓦斯抽采效果。

• 深部煤系储层缝间干扰多裂缝同步扩展规律试验研究

  陈志杰, 王开, 张小强, 姜玉龙, 丁一, 侯建, 王文伟

  为研究深部煤系储层缝间干扰多裂缝同步扩展规律，采用自行研制的TCHFSM-Ⅰ型大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置，开展不同压裂孔间距、不同注液速率对多裂缝同步扩展规律的影响试验。通过观察和分析压裂过程中裂缝扩展形态、注液压力演化规律, 以及声发射动态响应特征和注液流量演化特征，结果表明：压裂孔间距较小时，左右两侧裂缝扩展长度大于中部裂缝，随着压裂孔间距增大，左中右3条裂缝均衡扩展；增大注液速率可以使起裂压力增高，多裂缝长度增加，有效提高储层改造体积；增大压裂孔间距和注液速率，可以使左中右3个压裂孔的注液流量占比更均衡。

• 褶曲翼部区煤层倾角变化诱发冲击地压机理及其防治研究

  杨增强, 刘畅, 刘思佳, 裴宗远, 舒通

  以宝积山煤矿七采区内褶曲翼部影响区为工程地质背景，采用现场调研统计、理论计算分析、数值模拟运算等方法，对开采煤层倾角变化诱冲机理进行研究，提出协同控制防治冲击地压方案并进行了现场工业性试验。结果表明：随着煤层倾角增大，煤柱侧内高集中静载呈现出逐渐增大的规律，实体煤侧内高集中静载呈现出逐渐减小的规律；在煤层倾角较小的条件下，厚硬关键层更容易在采空区两侧边界位置发生破断，诱使其悬空段中部区域瞬间发生破断进而形成扰动强度较大的远场应力扰动；关键块体B在煤层倾角较小且埋深较大的条件下极易发生回转失稳，进而形成扰动强度较小的近场应力扰动。该方法对于冲击地压的防治效果显著。

• 两次采动影响下小煤柱巷道切顶卸压围岩控制技术

  李汉璞, 张百胜, 郭俊庆, 杨依卓, 崔俊彪

  为解决多次采动影响下留小煤柱巷道矿压显现剧烈、围岩变形量大的问题，提出了“切顶卸压+顶、帮锚索补强”联合控制技术。以贾家沟煤矿10115运输巷为工程背景，分析了切顶卸压位置、高度与巷道围岩垂直应力分布的关系，给出切顶卸压关键参数，并研究了留小煤柱巷道在切顶卸压后受两次采动影响下的矿压显现规律。结果表明：切顶卸压后，煤柱上的应力峰值随切顶深度的增加呈指数降低；10115运输巷在邻近工作面一次采动过程中巷道围岩变形依次呈现出无变形、缓慢变形、快速变形和围岩稳定的变化规律，本工作面二次采动过程中巷道围岩变形依次呈现出明显变形和剧烈变形的规律；巷道围岩在受二次采动影响时变形更加剧烈，巷道变形量为一次采动时的3.0~7.5倍。

• 基于博弈组合赋权-云模型的坚硬顶板采场来压强度等级评估研究

  张向阳, 孔冉, 李修冠, 童治鹏

  为了解决坚硬顶板采场来压强度等级评估的不确定性问题，在力学分析的基础上，从顶板条件、地质条件、开采条件和其他条件等4个方面选取14个指标因素，采用序关系法确定主观权重、改进的CRITIC法确定客观权重，运用博弈论组合赋权，得到最佳综合权重，构建坚硬顶板采场来压强度等级评估云模型。通过云相似度测算，提高评估结果的精确性。以淮南张集矿区11129工作面为例，对9-2煤层上覆坚硬顶板来压强度等级进行评估，应用表明：所提方法综合考虑评价对象的主客观因素，权重分配科学合理，评估结果与实际情况一致，能为现场顶板弱化工作提供理论依据。

• 神南矿区“110工法”采空区覆岩稳定性研究

  张卫, 陈玉涛, 倪倩, 臧立岩

  以神南矿区为工程背景，采用岩体微观室内实验、现场监测、物理模拟实验(DIC监测、应变监测)和FLAC3D数值模拟方法，分析了矿区主要岩层岩体结构特征，获得了“110工法”(一种新型的无煤柱开采技术)开采工艺下采空区上覆岩体位移场和应力场的演变规律。研究结果表明：神南矿区岩体节理裂隙发育程度较高，岩体质量等级较差；110工法利用岩体的碎胀效应和高恒阻能量吸收锚索补偿力学支护特性，在千米级埋深的煤层开采中仍具有良好的沿空留巷效果；110工法下的采空区位移沉降从大到小依次为中部区域、切线侧区域、非切线侧区域。110工法的切顶卸压和高恒阻能量吸收锚索的联合开采技术，可为其他地下空间中大变形软弱围岩的稳定性研究提供科学依据。

• 近距离坚硬顶板巷道水力控顶理论及其应用研究

  张兆一

  为研究近距离坚硬顶板巷道水力控顶理论，通过理论分析和数值模拟研究了水力化控顶卸压时煤层载荷、巷道应力分布规律，揭示了水力化控顶卸压对巷道围岩稳定性的影响机制，阐明了该技术的工艺流程。研究结果表明：81403回风巷道未开掘时，工作面周期来压步距19 m，直接顶厚度4.84 m，基本顶厚度10.64 m，内应力区范围5.2 m；远离81401采空区侧的15 #煤层荷载与巷道开掘和单向切顶后相比分别降低了20%、15%；现场观测切顶钻孔试验区域巷道高度收敛率为33.7%、巷道宽度收敛率为23.0%，巷道高度收敛率较对比区域降低39%、宽度收敛率较对比区域降低32%。采用单侧高压磨料射流钻孔切顶能使顶板岩层及时垮落，切断顶板岩层间应力传递途径，能有效改善巷道围岩应力状态，减少工作面回采巷道后期顶底板及两帮变形量，降低巷道维护难度。

• 大变形巷道限阻耗能型支护结构研究

  郑群, 余国锋, 仇文革, 陈昊喆, 刘洋

  为了解决深部煤矿开采过程中所遇到的“高地应力、大变形、支护结构破坏”等问题，以朱集东矿东部辅助轨道大巷为工程背景，采用变形监测与数值模拟的方法研究深井软岩巷道围岩变形特征规律；依据围岩耗能支护理念，设计出控制巷道围岩能量释放与变形的“限制支护阻力阻尼器”(简称“限阻器”)；通过数值分析与室内静压试验相结合的方式得到限阻器试件的性能指标与设计参数之间的关系，并验证限阻器的工作性能；最后通过数值模拟对比巷道常规支护与限阻耗能支护形式的变形与受力情况，验证巷道限阻耗能型支护方案的可行性。结果表明：限阻器的试验压缩量均达到了80%以上，具有较大的变形行程，在保证初期支护发生较大变形的前提下，达到降低围岩压力、耗散围岩能量的目的。限阻耗能支护较巷道常规支护最大主应力值分别降低51.2%、89.8%，提高了结构的安全性。

• 低温和含水率对重塑性煤体抗剪强度影响研究

  孙修伟, 梁为民, 李敏敏, 岳高伟, 蔺海晓

  为了研究温度—含水率耦合作用下重塑性煤体抗剪强度的变化规律，保障松软煤层安全高效稳定开采，采用直剪试验分析了重塑性煤体在较低温度(20、0、-10、-20、-30、-40 ℃)、一定含水率(0、0.8%、4%、8%、12%、16%)耦合作用下的抗剪强度特性，并通过数学统计分析了温度与含水率对抗剪强度的影响。研究结果表明：含水率为0时重塑性煤体的黏聚力随着温度的降低呈幂指数增加；温度—含水率耦合作用下重塑性煤体的抗剪强度均与垂向应力成正比，均符合莫尔-库仑准则；在温度为10~20 ℃、含水率为12%~16%时，黏聚力达到最大值322.9 kPa，最小值138.0 kPa出现在温度-40 ℃、含水率4%附近；在-20~-40 ℃温度下，重塑性煤体内摩擦角随含水率的增加逐渐降低至最小值18.25°；当含水率为6%~13%、温度为-20~10 ℃时，内摩擦角达到最大值31.45°，对应抗剪强度达到最大值。温度—含水率耦合作用下，重塑性煤体抗剪强度、内摩擦角与黏聚力均受温度的影响较大。

• 基于博弈论和云物元模型的矿山塌陷土地复垦适宜性评估研究

  刘翔, 黄敦杰, 王伟, 李奇, 易泽邦, 何秋芝

  针对矿山塌陷土地复垦适宜性评估指标因素的模糊性和随机性，构建博弈论综合赋权-云物元模型。该模型结合矿山实际情况，从地形环境、水利环境和土壤环境3个方面划定11个二级评估指标，采用遗传层次分析法和变异系数法分别计算各评估指标的主、客观权重，再通过博弈论计算得到指标综合权重，并将云模型引入物元模型。将所建立的模型应用于广西凤凰山银矿，计算了一级指标关联度和综合关联度，并进行土地复垦适宜性评估。结果表明：1 #塌陷区和6 #塌陷区复垦为林地的适宜性评估等级为“勉强适宜”；2 #塌陷区、3 #塌陷区、4 #塌陷区、5 #塌陷区和7 #塌陷区复垦为林地的适宜性评估等级为“中等适宜”。评估结果与现场调研情况相吻合，可为矿山塌陷土地复垦工作实施提供新的思路。

• 沁水盆地深部软煤煤层气开发实践

  刘长华, 陈国青, 高宇, 郭琪, 李金昱, 金志扬

  我国煤层气开发主要集中在煤层深度小于1 200 m的区域，埋深大于1 500 m的深部煤层气开发未取得实质性突破。针对深部软煤井壁稳定差、压裂改造难的问题，对沁水盆地深部软煤煤层气的开发开展了一系列技术攻关。研究结果表明：钻井过程中使用“氯化钾聚合物+井眼强化剂”钻井液体系，可有效控制煤层相对井径扩大率。使用16~18 m 3/min超大排量、高液量、高砂量光套管压裂工艺，配合降阻剂来降低施工摩擦阻力，细砂、中砂、粗砂占总砂量体积比分别为15%、70%、15%，加砂量占总携砂液体积比自3%开始每次提高1%，可实现对深部软煤的充分改造，裂缝动态半长最大达到322.51 m，大幅提高了单井控制面积，排采产气效果良好。

• 基于PSO-DBN-ELM的管道流型辨识算法研究

  陈武选, 任鹏辉, 刘子煜, 申昱瞳, 李明桥, 秦学斌

  电容层析成像技术(Electrical Capacitance Tomography, ECT)是一种基于电容敏感场的过程层析成像技术，该技术通过传感器测量所需电容数据，实现充填管道流型检测，从而满足管道流型可控性。传统ECT流型辨识方法识别速率较低、运算较为复杂，成像结果也存在误差。为了改善传统方法存在的问题，提出一种基于粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)优化深度置信网络—极限学习机(Deep Belief Networks-Extreme Learning Machine, DBN-ELM)的流型识别算法，电容数据采集模块采集电容数据并制作相应数据集，经过DBN网络提取电容数据特征，在DBN网络顶层添加ELM完成对抽象电容流型数据的辨识；DBN隐含层神经元个数影响着整个模型的学习能力和信息处理能力，因此引入PSO优化算法首先计算出每层玻尔兹曼机(Restricted Boltzmann Machine, RBM)的最优神经元个数。与其他流型辨识算法相比，所需时间短，成像效果较好，对加快工业智能化发展有着重要的意义。

• 煤矿氧气检测高精度VCSEL驱动及温控电路设计

  于庆, 张华乾, 郭清华

  为解决当前常用煤矿氧气检测仪器易受交叉气体干扰且功耗大的问题，基于GD32F303RCT6微控制器和ADN8834热电冷却控制器，设计了一种软启动开关电路控制的垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity Surface-emitting Laser, VCSEL)高精度驱动及温控电路。驱动电路中，高频正弦波信号和低频锯齿波信号叠加的二进制数据由微控制器产生，经信号发生电路、电压电流转换电路转化成VCSEL高精度驱动电流信号；温控电路中，设计基于比例积分微分(Proportional Integral Differential, PID)补偿电路和数模转换控制器(Digital to Analog Converter, DAC)目标温度控制电路实现激光器温度自动调节。测试结果表明：驱动电路的电流输出区间为0.680~1.360 mA；锯齿波频率误差小于0.5%，正弦波频率误差小于0.1%；氧气吸收峰扫描精度高达0.07 pm，对应电流扫描精度为0.12 μA；温控电路的温度控制精度为±0.012 ℃。满足了可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS)煤矿氧气检测应用需求。

• 截止电流及保护时间可调的本安电路设计

  俞翔, 吴燕清, 梁成文

  针对传统限流型和截流型本安保护电路精度差、效率低，以及参数设置灵活性差的问题，在分析研究本安保护电路模式的基础上，设计了一种基于电流检测芯片、电压比较器和单稳延时电路的截流自恢复型本安保护电路。将新型截流型本安电路与传统型限流保护电路进行性能对比测试，结果表明，设计的本安电路具有反应快、效率高、内阻小等优势。

• 嵌入式风冷变频器散热结构设计及热仿真分析研究

  贾天毅, 徐立军, 陈志峰, 朱迪

  矿用变频器作为矿井通风系统的重要装置，其散热性能将影响煤矿的安全生产。为便于井下安装调试，当前矿用变频器要求更大功率体积比。为解决上述问题，提出了一种适用于局部通风机的嵌入式风冷变频器结构，利用风机工作风流，以强迫风冷的方式进行变频器散热。以常规型散热翅片为基础，设计了等腰三角形与圆弧形结构散热翅片，分别进行了三维建模及结温理论计算，使用有限元法对3种模型进行数值模拟，并对IGBT模块的温度场和矢量场进行分析。结果表明：数值模拟与理论计算结果的误差不超过5%；翅片间距越小，气流损失越严重，等腰三角形和圆弧形翅片下的流动损失问题得到更好的解决；圆弧形翅片的间距小但通过增大翅片与流体的对流换热面积提升了散热性能。散热性能最优的圆弧形散热翅片在翅片间距不变，翅片高度和厚度分别为105 mm和5 mm时，散热性能达到最佳。