矿业安全与环保杂志

矿业安全与环保杂志2024年第5期

• 软煤水力压裂孔周应力的时空演化研究

  张跃兵, 胡千庭, 李全贵, 宋明洋, 武文宾, 曹偈

  为揭示软煤压裂孔周致裂行为特征，依据时步均等划分方法将压裂过程分为6个阶段，对孔周应力的空间分布、随时间变化规律、水平应力差异系数的演化进行了PFC 2D离散元模拟研究。结果表明：水力压裂过程的1~4阶段，最大主应力方向孔周应力增幅较大; 5、6阶段最小主应力方向的应力增幅迅速增大。孔周应力集中明显，接近孔周位置应力水平高。在应力集中影响范围内， x方向和 y方向孔周应力路径趋势一致，水平应力差异系数相差较小，而在应力集中影响范围以外则恰恰相反。应力差异系数可反映裂隙发育的均匀程度，而应力集中程度影响着裂隙的发育和扩展范围，揭示了软煤水力压裂孔周扩孔致裂—应力外移的行为特征。

• 基于BP神经网络的矿工不安全心理预警研究

  田水承, 张倩, 冯帅

  矿工不安全心理是煤矿人因事故的险兆，为识别该险兆，进行了矿工不安全心理预警研究。基于扎根理论，对选取的47篇初始文献进行编码处理，构建了包括3个核心范畴、8个主范畴的矿工不安全心理预警指标体系，通过问卷调查获取数据，运用CRITIC-熵权法确定其指标权重。在此基础上，构建出矿工不安全心理的“8-20-4”3层BP神经网络预警模型。试验结果表明：矿工不安全心理受到个体、作业和组织层面影响，其中，工作负荷、身体素质、工作环境、人际关系是关键诱发因素；提出的预警模型准确率达到93.7%，能有效识别矿工不安全心理等级，并针对矿工心理预警结果提出了“预警—对策”机制。

• 窄煤柱复合采空区压注CO 2惰化参数优化研究

  司俊鸿, 王攀昊, 梁红立, 程根银

  针对窄煤柱复合采空区内气体流动规律复杂、注惰气技术灌注参数选择难度较大、惰气易涌入工作空间等问题，以姚桥煤矿7271工作面采空区及相邻7269采空区为研究对象，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，建立窄煤柱复合采空区气体输运数学模型，研究了压注CO 2前后复合采空区的气体流动特征，确定了复合采空区最优惰化参数。研究结果表明：注CO 2后，氧化带总体向7271工作面移动，CO 2向采空区深部及回风巷方向移动；随着注气量增大，煤柱内部氧化带最大宽度由3.77 m减小至1.76 m，煤柱隔绝O 2的效果增强；相邻的7269采空区CO 2呈走向范围大、倾向范围小的扩散态势，随着注气量的增大，CO 2抑制O 2扩散的效果更加明显；建立数学模型评判，确定CO 2最佳注入量为750 m 3/h。

• 低透气性煤层高压脉冲射流割缝—压裂增透技术应用研究

  秦江涛, 覃俊, 龙称心, 郭邵金

  针对盘州平关镇大坪煤矿18采区20号煤层复杂地质条件及瓦斯抽采难题，提出一种高压脉冲射流割缝导向压裂增透技术。为验证该技术效果，分析了其增透技术机理，并设计了4种试验方案进行对比分析。结果表明，采用高压脉冲射流割缝导向压裂方案在瓦斯抽采效果方面显著优于其他方法，与普通抽采、高压脉冲射流割缝、高压水力压裂抽采瓦斯相比，其平均每日抽采瓦斯浓度分别提高了3.01倍、1.41倍和1.67倍；平均每日抽采瓦斯纯流量也相应提升了2.86倍、1.42倍和1.62倍。经过90 d的抽采，该方案的抽采影响半径达到了5.06 m，分别为普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂抽采方案的2.56倍、1.25倍和1.29倍；在抽采效果相同的条件下，钻孔施工时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂方案缩短了60%、32%和20%，瓦斯抽采达标所需时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂方案缩短了70%、50%和62%。高压脉冲射流割缝导向压裂技术对低透气性煤层瓦斯治理效果较为理想，可供类似矿井借鉴。

• 基于流—固耦合的煤层脉冲注水数值模拟研究

  祁云霞, 连清旺

  为了研究煤层脉冲注水技术的增湿机理及脉冲参数对煤体力学特征和煤体湿润效果的影响规律，基于流—固耦合理论建立脉冲注水几何模型，采用Rfpa软件和Comsol Multiphysics 5.4软件内置脉冲压力函数进行数值模拟。模拟结果显示，相较于定压注水，脉冲交变压力注水对煤层的“水楔劈裂”作用明显增强；随着脉冲时间的增加，煤体孔隙压力呈现出周期性波动上升的趋势；孔隙压力增加，煤体有效应力相应降低；脉冲压力和时间与煤体湿润半径之间存在一定的数学关系，而脉冲角频率对湿润效果的影响甚微。在进行脉冲注水时可采用高压低频脉冲的注水方式并保证一定的注水时间，能起到较好的煤体增湿效果。

• 基于改进QGA-ELM的瓦斯涌出量预测模型

  星宁江, 周文铮, 刘雨竹

  针对现有的瓦斯涌出量预测方法普遍未定量分析数据自身因素影响的问题，提出一种改进量子遗传算法(IQGA)优化极限学习机(ELM)瓦斯涌出量预测模型。采用孤立森林(iForest)算法检测绝对瓦斯涌出量的概念漂移，并选择Attention机制的CNN-BiLSTM算法修正概念漂移异常值；利用相关性分析法(PCC)降维处理输入变量，确定预测模型的辅助变量；引入动态调整量子旋转角、量子交叉、量子变异及量子灾变操作获得改进量子遗传算法(IQGA)，提升算法寻优能力和泛化能力，使用IQGA对ELM参数寻优。以决定系数( R 2)、平均绝对误差(MAE)、均方根误差(RMSE)及平均绝对百分比误差(MAPE)为指标进行评估，结果表明: IQGA-ELM模型测量误差最小，指标分别为0.985、0.018、0.026及2.56%，预测效果优于其他模型，预测精确度更高。

• 非稳定流含水层重构与顶板群孔泄水点判定研究

  吕凤圆, 常富贵, 魏巍, 姜占东, 韩芳军, 杨学琴, 李君, 杨学贵, 马进勇

  以石槽村煤矿宝塔山砂岩含水层为工程背景，构建了含水层三维可视化模型，通过单孔、多孔非稳定流模型对该可视化模型进行验证，并对顶板泄水点位置反演预估。结果表明：采区顶板群孔非稳定流模型数据与观测孔放水实测数据拟合性好，模型可信度高；含水层数值重构最优解为6个分区，即Ⅰ高渗中储水区、Ⅱ中渗高储水区、Ⅲ高渗高储水区、Ⅳ低渗中储水区、Ⅴ低渗低储水区、Ⅵ中渗中储水区；井下泄水点位置在G1-1观测点和F1-3观测点之间，泄水量为150~200 m 3/d。

• 深孔爆破断顶技术在深井冲击地压防治工作的研究与应用

  王永, 张建, 朱宁强, 李学龙

  针对冲击地压影响范围广、破坏能力强、发生频率高、防治难度大的问题，以李楼煤业1303工作面为工程背景，根据相关要求和现场情况制订了合理的断顶爆破工艺和钻孔布置方案。根据微震监测、应力监测和来压步距观测对1303工作面断顶卸压效果进行考察，实验结果表明：10 4 J及以上能量事件频次下降明显，10 3 J及以下能量事件频次增加，单位进尺释放能量值下降幅度达40.77%；预警总次数下降了33.33%，预警位置集中在距离断顶孔0~1.5、6.0~6.5 m区域；周期来压步距同比下降5.1%，平均围岩变形量同比减小40.9%，达到了破坏顶板完整性、缩短顶板悬顶长度、减小来压步距，以及释放岩层弹性能的目的，说明针对该工作面采取的卸压防冲技术效果明显，可以有效降低工作面的冲击危险性。

• 煤单轴压缩介电常数与电磁辐射同步响应实验研究

  范鹏宏, 聂百胜

  为了研究单轴加载条件下，煤在不同变形和破坏阶段的相对介电常数与电磁辐射的响应规律，建立了针对单轴压缩煤的裂纹、电性参数和电磁辐射的同步监测系统，分别测试了不同煤种在垂直层理方向上单轴载荷过程中相对介电常数和电磁辐射脉冲数随时间的变化特征，研究其变化规律。研究结果表明：微裂隙压密阶段，随着煤孔隙和裂隙的闭合，电磁辐射脉冲数增加，相对介电常数有一定程度的波动；弹性变形阶段，电磁辐射脉冲数和相对介电常数变化减小，相对介电常数变化曲线接近线性；在裂隙发生和扩展阶段，与前一阶段相比, 电磁辐射脉冲数有所增加，相对介电常数有一定的波动，呈现先减小后增大的趋势；在裂隙不稳定发展直至破裂阶段，电磁辐射脉冲数出现峰值，相对介电常数变化波动明显，在应力峰值之前呈现先增大后减小再增大的趋势。通过对相对介电常数和电磁辐射脉冲数的同步对比分析得出，电磁辐射脉冲数增长一般出现在相对介电常数变化较大的区域。

• 我国巷道围岩注浆加固技术研究现状及发展趋势

  周宏范, 王国普, 辛保彦, 成云海, 胡琳杰

  基于我国巷道围岩注浆技术的研究现状，从巷道围岩注浆加固理论、注浆工艺、注浆材料、注浆参数、注浆效果评价5个方面进行了分析与论述。探讨了目前巷道围岩注浆加固技术存在的问题，提出了巷道围岩注浆加固技术的发展趋势：设计与开发模拟浆液扩散设备；研发价格低廉、毒害小的化学类注浆材料；建立一套注浆工艺选择标准，制订出不同注浆工艺适用条件；研发注浆参数实时监测记录仪器；建立一套完整注浆效果评价体系或研发出更先进的检测注浆效果的仪器。

• 松软煤层大巷群卸—注—锚协同防控围岩变形技术研究

  范恺

  为防控松软煤层大巷群在非对称应力作用下发生流变变形，以赵庄煤业三盘区大巷群受采动影响产生持续性变形为研究背景，提出了卸—注—锚协同防控围岩变形新技术。通过开展数值模拟和宽煤柱护巷顶板结构分析，阐明了大巷群应力状态与采空区顶板的关联性，揭示了爆破裂隙带在阻隔应力传递的作用机制，明确了回采巷道顶板爆破预裂和盘区大巷多层位预裂的理论依据，构建了深—浅孔联合卸压工艺和以锚固—注浆为核心的内外圈协同加固技术，根据理论推演和现场试验确定了爆破预裂参数和注浆参数。工程实践表明：爆破工艺实现了坚硬顶板的充分预裂，锚固—注浆工艺提升了巷道围岩的整体性，3312工作面回采后大巷群顶底板和两帮移近量较小，达到了卸—注—锚协同防控围岩变形的目的。

• 缓倾斜煤层采动底板破坏空间特征研究及应用

  黄辉, 宋喜东, 虎晓龙, 高峻, 黄忠正, 曹永刚, 马金林, 王傲

  以灵新煤矿061405工作面为工程背景，基于弹性力学理论和数值模拟软件研究采动缓倾斜底板应力分布及空间破坏特征，并提出考虑底板破坏空间特征的突水危险性评价方法。结果表明：采动缓倾斜底板最大破坏深度解析值为21.5 m；沿工作面倾向采动底板破坏形态呈现“非对称倒马鞍”形且具有“靠近采空区上侧破坏深度小、下侧破坏深度大”的特征；采动缓倾斜底板破坏空间特征整体呈现从采空区中心区域向四周断层式增长的不对称变化趋势。考虑底板破坏空间特征的突水危险性评价结果与开采实践情况一致。

• 基于一维双重注意力网络的输送带纵向撕裂检测算法

  向兆军, 游磊, 罗明华

  针对传统的基于机器视觉的带式输送机输送带撕裂检测算法需要高算力、高功耗AI模组，本安电源无法满足其用电需求的问题，提出一种基于一维双重注意力网络(DANet-1D)的输送带纵向撕裂检测算法。通过工业相机采集输送带表面线激光形成的图像；设计激光条纹特征滤波器，提取条纹特征；设计基于一维双重注意力网络的撕裂检测算法，将撕裂的二维图像数据降维，在一维空间进行神经网络检测，运行速度更快且支持高分辨率图像；研制本安型输送带撕裂检测装置，并进行验证。结果表明：该算法的准确率 P为92.54%，召回率 R为91.78%，每帧平均检测时间为12.40 ms。工业性试验成功检测出输送带模拟撕裂，为输送带纵向撕裂提供了一种新的检测方案。

• 基于S3DD-YOLOv8n的矿工行为检测算法

  李海川, 贺星亮, 贾仟国, 李利

  为防范潜在隐患、保障煤矿安全生产，对矿井作业人员行为进行检测已成为提高矿井安全管理水平的重要方式。鉴于目前常用的智能检测方法精度普遍较低，提出基于S3DD-YOLOv8n的矿工行为检测算法：为提取视频数据的时间信息并保持连续性，在YOLOv8n的骨干网络中引入3D空洞卷积，改进数据增强算法；引入压缩—激励SE(Squeeze & Excitation)注意力机制，提高网络对重点信息的关注程度；引入可变形卷积提高模型对矿工行为的拟合度。经DsLMF+数据集实验验证，该算法的平均精度均值mAP50达到了97.0%，相比YOLOv8n提升了4.0%，同时精确率 P和回归率 R分别提升了12.9%、7.0%，达到92.5%、90.4%，该算法可高效、精准地检测矿工行为。

• 矿用对旋主通风机周向槽机匣处理扩稳机理研究

  陈庆光, 石晓杰, 李凯伦, 徐金

  为了提高对旋风机的稳定裕度，采用数值模拟方法，将周向单槽机匣处理技术应用于FBCDZ-No20型对旋风机的扩稳，探究了周向槽的轴向位置对风机气动性能和扩稳能力的影响。研究表明：对前级叶轮进行周向单槽机匣处理，可以提高对旋风机的稳定裕度，且周向单槽的轴向位置对风机的气动性能和扩稳能力均具有影响；当周向单槽位于前级叶片的前缘和25%叶顶轴向弦长时，风机可以获得可观的稳定裕度提高量，但峰值效率损失较大；当周向单槽分别位于50%、75%的叶顶轴向弦长和尾缘时，扩稳效果逐渐减弱，相应的效率损失也逐渐减小。周向槽是通过抽吸叶片压力面前缘的低能流体，并将其沿周向输运至叶片吸力面的前缘喷出，从而增大了前级叶轮进口相对气流角及叶顶泄漏流的轴向动量，改变了叶顶泄漏流的轨迹，抑制了前缘溢流与尾缘处的边界层分离，进而减轻叶片通道内的流动堵塞，推迟了失速的发生而实现扩稳。采用前级周向单槽机匣处理并未改变对旋风机的最先失速级和失速起始类型。

• 分布式激光甲烷检测系统及温度补偿技术研究

  张鹏

  瓦斯浓度检测精度不高、传感器后期检修工作量大，是当前煤矿瓦斯灾害防治中存在的重要问题。针对这一问题，设计了一种光纤传输的分布式激光甲烷检测系统，并研究了其配套的温度补偿方案。阐述了采用可调谐激光光谱吸收技术和光复用技术进行多通道系统设计的方法，进而分析环境温度变化与甲烷吸收光谱的影响关系，在此基础上提出了一种基于实验测试数据的多变量自适应温度补偿算法，实现了瓦斯浓度在大空间复杂温度场条件下的准确检测。测试结果表明：该系统能够实现64个测点在10 km范围内的准确检测；进行温度补偿后，在0~40.0 ℃温度变化范围内，甲烷体积分数测量范围为0~100.00%，测量误差小于±2.00%。该系统适用于煤矿通风巷道、采煤工作面等危险场所，具有测量精度高、信息覆盖面广、气室无源、本质安全、成本低等特点，可为煤矿瓦斯突出预警和瓦斯抽采提供准确的基础数据。

• 矿用LED灯具蓝光辐射测试与评估

  陈永冉

  现行蓝光危害评估均基于光源照度为500 lx或距离200 mm条件下进行，其测试条件与矿山的实际应用场景存在差异，特别是亮度、距离不匹配，且光源的色温与蓝光危害息息相关。为了研究蓝光危害的生物机理及危害程度的影响因素，研究分析了目前国内外IEC、CIE等权威组织对蓝光危害考核的相关标准，依据蓝光危害的计算方法，总结提出了蓝光曝幅限值的要求。结合矿井下LED光源应用的实际情况，设计了LED光源亮度、色温和照明距离3个重要因素对蓝光危害影响的测试方案。测试结果表明：蓝光危害与LED光源亮度、光源色温成正相关，蓝光危害与照明距离成负相关。研究指导了矿用LED防爆灯具的安全使用与防护，可为相关灯具等相关产品标准的制修订提供依据，具有较好的现实意义。

• 基于LightGBM和DNNFL的陷落柱识别方法研究与应用

  王怀秀, 王慧

  为了解决不平衡地震属性数据集中陷落柱识别准确率较低的问题，提出了一种基于轻梯度提升机(Light Gradient Boosting Machine，LightGBM)和利用焦点损失(Focal Loss)改进深度神经网络(Deep Neural Networks，DNN)相结合的陷落柱识别方法LightGBM-DNNF。首先通过相关性分析和重要性分析进行属性优选；其次提取LightGBM叶子节点的路径作为新的特征，并与原始数据集组合成新的数据集；最后输入到DNNFL模型中进行分类训练，预测地质构造类型。引入精确率( P)、召回率( R)、F1分数( F 1-score)、曲线下面积( A UC)作为评价指标，基于3个矿区的数据集开展对比实验和消融实验。实验结果表明，与传统的机器学习和单一的集成学习算法相比, LightGBM-DNNFL模型的 F 1-score和 A UC值均在93%以上，能有效识别陷落柱，且模型泛化能力更强。

• 综采工作面采动覆岩导水裂隙带发育高度综合研究

  王毅, 周余, 张丁丁, 王禹, 杨珍, 王伟

  针对因煤层开采易导致上覆岩层产生裂隙，贯通地下含水层引发矿井水灾的问题，以盘城岭煤业150105工作面为研究背景，采用理论公式、现场井下仰孔注水测漏法和钻孔电视成像探测法，以及FLAC3D和UDEC数值模拟综合分析导水裂隙带的高度和发育规律。理论计算导水裂隙带的最大高度为81.56 m；通过井下仰孔注水测漏法监测3个钻孔的注水渗透量梯度临界值为12 L/min，通过临界值判定导水裂隙带高度为78.56~79.99 m；通过钻孔电视成像探测法观测钻孔内裂隙分布判定导水裂隙带高度为78.39~79.46 m；利用FLAC3D和UDEC数值模拟，根据覆岩塑性区变化特征，当工作面推进至180 m时，裂隙发生贯通，塑性区最大高度达到76.4 m，并根据覆岩塑性区变化、垂直应力分布、垂直位移云图分析了导水裂隙带发育规律的3个阶段。对不同方法下的导水裂隙带高度进行了相互验证。

• 火烧区富水下倾斜煤层开采导水裂隙带发育特征研究

  梁庆华, 丁相军, 杨聘卿, 王春源

  为研究火烧区富水情况下煤层开采安全问题，需要准确分析开采覆岩导水裂隙带发育情况。运用有限元ANSYS模拟计算，基于第一强度理论，根据上覆岩层抗拉强度值，选择第一主应力值在1.5 MPa时的曲线范围作为导水裂隙带发育高度范围，并运用井下双端堵漏法进行观测验证，较为准确。研究得出导水裂隙发育强度准则可采用第一强度理论，第一主应力值在1.5 MPa时，导水裂隙带发育曲线范围在50.17~62.13 m，上边界未与火烧区沟通，下边界存在与上覆火烧区沟通现象，即火烧区积水是开采煤层的重大水患；同时在煤层倾斜情况下，导水裂隙带发育高度上边界要大于下边界，因此计算倾斜煤层导水裂隙带发育高度时，要考虑煤层倾角的影响。

• 基于PLSR和LSSVM模型的土壤水分高光谱反演

  刘英, 范凯旋, 裴为豪, 沈文静, 葛建华

  为对地下采矿扰动区表层土壤水分进行反演，以大柳塔煤矿52501工作面为例，利用无人机搭载成像光谱仪获取高光谱影像，对获取的光谱数据进行对数、倒数对数、一阶和包络线去除变换，结合地面采集的128个土壤水分数据，基于偏最小二乘回归(PLSR)和最小二乘支持向量机(LSSVM)构建土壤水分预测模型并验证其预测精度。结果表明，基于一阶变换的PLSR模型和LSSVM模型预测精度相对较好，一阶变换的PLSR模型建模集 R c 2和预测集 R p 2分别为0.702 1和0.640 5，均方根误差RMSE c和RMSE p分别为1.638 4%和1.103 4%，相对分析误差RPD p为1.726 3；一阶变换的LSSVM模型建模集 R c 2和预测集 R p 2分别为0.812 5和0.597 9，均方根误差RMSE c和RMSE p分别为1.275 5%和1.345 9%，相对分析误差RPD P为1.632 3。最终基于PLSR和LSSVM模型完成了土壤水分的制图，实现了土壤水分的空间预测，为该研究区植被引导修复中土壤水分精准提升提供了空间数据支持。

• 新疆露天矿层结性火烧岩注水润湿剂配方研究

  赵晓亮, 乔一童, 杜婧, 宋子岭, 李一德, 李超, 赵锦生

  抑尘剂注水预湿减尘是从产尘根源上解决露天煤矿工作面粉尘污染的有效方法。层结性原岩在垂直方向上性质差异极大，单一类型润湿剂无法满足整体工作面预湿需求。以新疆大南湖二矿为研究背景，采集、测定6层原岩化学官能团，分析其亲水性差异原因；选取2种阳性、6种阴性、3种非离子及4种两性共15种表面活性剂进行单体优选实验，确定最优单体材料；测试表面张力和润湿时间2项主控指标，通过正交实验确定注水润湿剂最佳质量分数配比为0.15%OP、0.10%KT、0.15%LAD-40、0.10%LAB-35。实验结果表明，自主研发的润湿剂对6种火烧岩的润湿效果均高于环保型、高分子型及润湿型3种市售抑尘剂。研究成果有效解决了层结性原岩润湿不均的现实难题，为露天矿工作面粉尘防治提供了技术支撑。

• 新疆地区烧变岩分布特征与资源化利用对策

  单成方, 吴来伟, 李亚锋, 韩创业, 龙岩, 李俊孟, 齐文跃

  为研究新疆地区烧变岩的合理处置与资源化利用，分析了新疆烧变岩地理分布特征及产生的地质背景，提出了烧变岩资源化利用产业链布局模式，阐述了烧变岩处置和资源化利用对策，并进一步对烧变岩的资源化开发利用进行展望。研究表明：新疆烧变岩资源呈现“北多南少”的分布特征，一般为大面积连片分布或沿山脉边缘走向线状分布；烧变岩孔隙发育、地貌独特，具有储水和旅游资源潜力；烧变岩固体废物中富集有大量的矿物元素，可作为建筑材料、高性能材料、矿物添加剂，实现综合资源化利用；有价元素提取、化工产品制备，以及作为寻矿标志是未来新疆烧变岩资源化利用的发展方向。

• 未来矿山绿色高质量发展顶层规划设计研究

  李臣, 陈团团, 刘伟, 张令剑, 董俊亮

  针对整装一体化开发的矿区高质量发展的必然需求，以矿区本底特点为基础，结合政策、规范及研究现状，提出了绿色矿区高质量发展的实现路径规划体系，并从矿区环境建设、资源开发方式、生态保护与修复、资源综合利用、矿区节能减排、绿色创新驱动、企业管理与形象等7大路径进行了宏观规划，最后给出了分阶段定性与定量目标。研究成果对矿区绿色高质量发展具有现实参考价值。