煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2019年第12期

• 近距离煤层采动裂隙场BBM-DEM模拟研究

  程志恒, 苏士龙, 汪昕,

  为了深入理解采动裂隙的演化规律及保护层开采在近距离煤层中的卸压作用，以BBM-DEM模拟方法为研究手段，以沙曲煤矿2号煤保护层的开采过程中采动裂隙的演化特征为研究对象，进行了建模及初步的数值模拟分析。研究结果表明：保护层开采后BBM四面体块体接触面发生了以拉破坏为主的破坏模式，真实反映了工作面推进过程中上覆岩层的运动规律，并根据接触面的破坏机理，得到围岩裂隙的分布及发育程度；围岩位移场在竖直方向上呈现由下至上减少的趋势；BBM块体在保护层卸压作用下能更加有效地呈现出岩层断裂和动态失稳的过程，并且垂直应力在采空区压实区具有非均匀分布特征。该模拟方法具有精细化模拟的潜力，其模拟结果能加深对煤层开采造成的应力场和裂隙场的理解，对现场实践提供一定参考作用。

• 动载冲击地压巷道围岩稳定性多层次控制技术

  焦建康, 鞠文君, 吴拥政, 何杰,

  针对动载巷道易发生冲击地压的问题，以义马矿区动载冲击地压巷道为工程背景，采用现场实测、实验室试验、数值模拟相结合的方法，统计分析了动载冲击地压巷道冲击破坏特征和破坏原因，提出了动载冲击地压巷道围岩 “深部卸压-浅部强支-巷表防护”多层次控制技术。研究结果表明：义马矿区动载扰动冲击地压巷道冲击破坏特征主要表现为：①巷道围岩瞬时变形量大；②巷道底鼓严重；③变形破坏程度和震源能量正相关；④冲击破坏之前，巷道围岩缓慢变形严重；⑤锚杆支护体系严重失效。巷道冲击破坏的主要原因为：高原岩应力和采动应力叠加形成的高静载应力集中、坚硬顶板脆断形成的动载扰动、巷道围岩“外碎内脆”的结构特性以及锚杆支护参数不合理导致的巷道围岩承载能力低。大直径钻孔卸压可以降低应力集中程度和范围，减小冲击破坏释放的能量，减缓动载对巷道围岩的扰动，从而降低巷道围岩发生冲击破坏的风险；针对不同锚固围岩破坏模式，采用加长或全长高预应力锚固、超高强度锚杆以及全断面支护，辅以金属可缩性支架防护巷道空间，可以有效提高冲击地压巷道围岩的自身的抗冲击性能。经实践，监测区域巷道围岩未发生冲击破坏，巷道位移和锚杆（索）受力均在允许范围内，验证了控制技术的可行性。

• 爆破冲击下单层井壁接茬钢板参数优化数值模拟研究

  谢立栋, 东兆星, 张涛, 齐燕军, 宋雷,

  为了提高深立井井筒断面利用率，出现了带接茬钢板的新型单层井壁；爆破掘进中，经常发生接茬钢板区域混凝土开裂渗漏水现象。采用数值模拟方法分析接茬钢板与混凝土间耦合相互作用。研究结果表明：每模井壁中存在4个震动加强区域，震动按从强到弱排序，竖钢板外侧混凝土>井壁、岩壁接触面处混凝土>每模底端斜钢板上侧混凝土>每模顶端斜钢板下侧混凝土，该结论对同类型井壁均适用。综合考虑上述区域混凝土损伤、塑性应变大小，所研究背景工程下接茬钢板竖板厚度取8 mm最优，混凝土最大损伤值6.0%，损伤比例占整模混凝土的0.57%，上述定量结果受岩石性质、爆破方案、井壁结构几何尺寸与井壁混凝土强度等级影响，研究方法在同类型井壁结构中具有适用性。采用优化后竖钢板厚度的取值，使井壁混凝土开裂渗漏水现象大幅降低，工程质量良好。

• 岩石破坏全过程声发射信号去噪及特征提取方法研究

  程铁栋, 吴义文, 戴聪聪, 罗小燕, 杨丽荣, 赵奎, 邵凡,

  岩石在被破坏时存在的随机性和复杂性导致了采集信号的不确定性，降低了声发射信号特征提取的准确性，为了能有效地对岩石破裂过程进行监测，以红砂岩破裂过程为研究对象，创新地提出了一种基于完整集成经验分解算法—小波阈值和凸优化理论特征提取方法（CEEMDAN）。首先，用CEEMDAN法对信号进行分解，依据相关系数和方差贡献率选取真实分量，利用连续均方误差准则确定能量分界点。其次，进行小波阈值去噪，并与直接小波阈值、舍弃IMF1、舍弃IMF1和IMF2去噪等方法进行比较，利用信噪比和定位精度作为评价指标。最后对重构信号进行凸优化特征提取，通过试验验证了提出方法的可行性。试验结果表明：结合CEEMDAN法和小波阈值的去噪方法能有效地抑制高频噪声，而且去噪后信噪比和定位精度最高；随着轴向应力的增加，砂岩单轴压缩破裂过程表现为4个阶段，声发射事件数与应力-时间曲线规律相一致，且在失稳破坏阶段平均事件数所占比例最高为58.44%，研究结果可为定量监测岩体破裂过程及失稳现象提供了新的依据和方法。

• 基于数据分析的近直立煤层冲击地压致灾因素研究

  曹民远, 陈建强, 闫瑞兵, 刘永红,

  为了掌握乌东煤矿南区近直立特厚煤层冲击地压致灾因素，基于矿井采掘布局及B3+6煤层上覆煤柱赋存特征，采用数据统计的方法分别对矿井微震事件分布和B3+6煤层综放工作面冲击地压事故进行了统计分析。研究结果表明：上覆煤柱是冲击地压显现的主要致灾因素，采掘扰动、采深、煤柱资源回采情况是冲击地压显现的影响因素。不同煤层综采和掘进工作面相向80 m、相错110 m时，采掘扰动影响较明显，相向0～30 m时微震频次达到峰值；B3+6煤层冲击地压事故集中分布在大洪沟煤矿小井工业广场煤柱和大洪沟煤矿工业广场煤柱区域，经过多分层开采后，上覆煤柱应力影响作用仍存在，且随煤层开采层数增加，冲击地压显现时工作面的位置与煤柱关系呈“进煤柱前-煤柱下-出煤柱后”规律性变化。发生冲击地压时综放工作面集中分布在距煤柱边界50 m范围内，随着上覆煤柱走向长度增加，冲击地压事故发生时综放工作面与煤柱边界的距离增大，同时煤柱附近区域冲击地压事故的概率和破坏强度也随之增加。

• 冻结管布置形式对冻结壁温度场发展规律影响研究

  王鹏, 林斌, 侯海杰, 龙依,

  淮南矿区煤矿立井凿井工程一般采用人工冻结法施工，根据对许多煤矿立井冻结设计方案分析，人工冻结法施工冻结管圈数越少圈径越小，冻结锋面半径和冻结壁有效厚度也越小，对于井筒净直径较小的风井，单圈管冻结设计方案即可满足设计要求，对于地质条件较为复杂，井筒净直径较大、深度较深的主井和副井，单圈管设计方案已不能满足设计要求，必须采用两圈管甚至三圈管冻结设计方案，而冻结设计方案中冻结管的布置位置又是关系工程成本和成败的因素之一。为了研究深厚黏土层冻结管不同布置形式对冻结壁温度场发展规律的影响，采用了FLAC3D软件数值模拟两圈冻结管和三圈冻结管对冻结壁温度场发展规律的影响，并将三圈管冻结壁数值模拟结果与现场实测数据对比验证。结果表明：与两圈管冻结壁相比，三圈管冻结壁冷量叠加效果更好，交圈时间更早，内圈管交圈时间提前14～21 d，冻结锋面扩展速度较快，缩短了冻结时间，形成了更厚的冻结壁和更低的冻结壁平均温度，冻结壁平均温度随冻结时间的延长近似呈对数关系降低，冻结壁有效厚度随冻结时间的延长近似呈对数关系增长，主界面温度场曲线在冻结管处近似呈V形发展，逐渐由马鞍形转变为梯形分布，主界面温度随冻结时间的延长逐渐降低,三圈管数值模拟值与实测值基本一致，对比分析验证了数值模拟的可行性。

• 采空区破碎砂岩承压变形特性试验研究

  孙亚楠, 张培森, 颜伟, 闫奋前, 吴俊达,

  为研究采空区直接顶垮落后碎石在各种状态下的承载能力，利用破碎岩石变形—渗流试验系统进行了破碎砂岩的压缩变形试验，分析了粒径大小、级配组合、饱水状态、加载方式4种因素变化对破碎砂岩变形特性的影响。研究结果表明：破碎砂岩的应力应变关系与碎石粒径大小、级配组合、饱水状态及加载方式密切相关；不同粒径组碎石其应力应变关系均可用指数函数表示，且相同应力作用下大粒径组碎石应变增加较快；随着级配指数n的增加，级配碎石组中大粒径碎石含量增多，试验应力加载终点应变相应增大；被水软化过的同一级配碎石在相同应力作用下其应变增量明显大于干燥状态下碎石应变增量，饱水作用使得破碎砂岩的承载能力降低了近14%；循环加卸载作用下碎石应力应变关系仍可用指数函数表示，且循环加卸载作用下碎石应变终值约为连续加载碎石应变终值的1.25倍。研究结果可为为采空区地表沉降与围岩变形控制提供了理论指导。

• 煤矿井下巷道围岩地质力学测试试验研究

  于可伟,

  蒋家河矿开采的侏罗系延安组4煤埋深已超过650 m，进入深部煤炭开采，受埋深、采动压力以及构造应力影响，巷道围岩破坏严重，出现大范围底鼓、帮鼓、顶板下沉等情况，严重影响矿井正常生产。为解决巷道围岩破坏严重 问题，通过采用小孔径水压致裂地应力测量方法与装置和钻孔触探法，对蒋家河煤矿井下深部开采区域的2个测点的地应力和巷道围岩强度进行了原位测试，分析了蒋家河矿4煤所处的围岩地质力学分布规律和力学参数 。研究结果表明：蒋家河煤矿井下最大水平主应力σH平均值为16.00 MPa，最小水平主应力σh平均值为8.56 MPa，垂直应力σv平均值为15.31 MPa，应力场类型为σH＞σv＞σh型应力场；区域应力场以构造应力场为主，水平主应力占优势，最大水平主应力方向为NEE方向；顶板围岩结构观测结果显示，该区域4煤厚度差异较大，煤体完整性相对较好，4煤 煤体强度平均值为16.84 MPa，属中硬煤体；4煤 顶板以上20 m范围内主要有泥岩，泥质砂岩和中砂岩，均布存在小煤夹层，岩性变化较多，岩层结构复杂，泥岩遇水软化特征明显，强度较低，裂隙发育，测试结果为该矿的二采区巷道布置及其支护方式提供准确的技术决策。

• 沿空巷道顶板结构演化过程及围岩控制技术研究

  张博, 田素川,

  为解决两次采动影响条件下厚层坚硬顶板沿空巷道的围岩控制的问题，运用理论分析、数值模拟及现场实践相结合的方法，对二次采动过程中沿空巷道顶板结构的演化过程及控制技术进行了研究。研究结果表明：①二次采动时煤柱两侧均形成三铰拱结构，但两次采动压力影响叠加导致煤柱上方基本顶破断岩块的上工作面一侧向下旋转，压缩煤柱，致使巷道围岩应力环境恶化；②力学分析结果表明煤柱所受的压力与上方基本顶的长度及所承受的载荷呈线性关系，基本顶侧向悬露长度过大及二次采动时超前段基本顶载荷的增加是沿空巷道围岩变形严重的主要诱因；③数值模拟结果显示二次采动过程巷道两侧垂直应力分布呈现不同的偏向性，一次采动时煤柱仍保持一定的承载能力，巷道煤柱侧垂直应力分布大于回采侧，二次采动时煤柱变形破坏严重，使得巷道回采侧垂直应力分布大于煤柱侧，非对称性明显；④坚硬顶板条件下的沿空巷道围岩控制，既要改变顶板结构从而优化巷道围岩应力环境，还要提高支护强度强化围岩对采动影响的承载能力，基于此提出了厚层坚硬基本顶沿空巷道的侧向切顶应力优化技术及支护优化方案。将方案应用于现场实践后，沿空巷道矿压显现程度大幅减小，变形得到有效控制。研究成果可为类似工程地质条件下的巷道围岩控制提供借鉴。

• 临空巷道冲击地压耦合致灾因素及时空演化过程研究

  李康, 陈建强, 赵志鹏, 闫瑞兵, 杜涛涛,

  为了研究I010203工作面临空巷道多次矿震诱发冲击显现的原因及规律，采用ARAMIS M/E微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统和冲击地压应力监测系统进行实时监测，通过地质因素和开采因素分析确定了6个影响因素，进一步根据煤体应力监测数据、支架压力监测数据、微震监测数据，分析了I010203工作面回采过程煤体应力的集中程度、演化过程，研究了工作面周期来压期间、断层区域、侧向顶板的微震活动演化过程，针对回采期间发生的一次矿震引起的弱冲击显现案例，利用PASAT-M便携式微震监测系统对弱冲击显现区域进行了探测，依据综合监测分析结果探讨了煤体应力、围岩活动的相互关系及致灾过程，确定了I010203工作面临空巷道矿震诱发冲击显现的原因及规律。结果表明：I010203工作面临空巷道煤体应力集中程度高，实体侧达到2.05～8.59、煤柱侧达到1.76～3.16，采动与构造应力叠加后形成的高静载接近或达到煤体冲击地压发生的临界应力，断层、侧向顶板结构以及顶板周期破断是影响矿震发生的主要因素，高集中程度的静载荷为冲击致灾提供易满足的应力条件，工作面来压期间，断层、侧向顶板结构的能量突然释放，诱发大能量矿震发生，以动载形式至采场空间，使接近或临界应力条件的煤体进一步升高，达到冲击地压发生的临界条件，从而诱发冲击显现。

• 山西重点煤矿采动区煤层气地面抽采技术及应用

  李国富, 付军辉, 李超, 李日富,

  为了解决现代化高产高效矿井因回采速度大幅度提高而引起的采煤工作面上隅角瓦斯超限问题，突破传统的煤矿井下抽采瓦斯措施存在的在时间、空间上对治理采煤工作面的瓦斯方法单一的局限，依托国家科技重大专项示范工程，模拟研究了山西重点煤矿区晋城、阳泉等矿区采煤工作面回采引起采动区地面井不同距离时煤岩层裂隙在超前支承压力转移、采动覆岩反复扰动、采动覆岩基本稳定3个阶段的形成机理，据此确定并验证了采动区卸压瓦斯的运移通道及富集区。研究结果表明：山西重点煤矿区采动区地面直井井位应布置在回采工作面回风巷侧地表沉降拐点连线和采场中线之间为重点研究区域；采动区L型水平井层位应优先布置在裂隙带中部且厚度及强度均较大的岩层中。由采动区地面井变形破坏模拟发现，岩层移动的剪切滑移位移量、离层拉伸位移量是对地面井井身结构产生影响的关键参量。因此，采用增大采动区地面直井的井径、改进固井技术提高地面井的有效通径以增强其抗拉剪能力。通过生产实践研发了采动区地面直井应穿越煤层并将生产套管（筛管）布置在采动裂隙带上边缘至冒落带的最优“三开”井身结构。在晋城岳城矿、大同塔山矿、阳泉新景矿等矿区进行了100多口的采掘扰动区地面“仅钻井、不压裂”的钻井与抽采工程示范，大部分井取得了较好的瓦斯抽采效果，单井平均总产气量约200万m3，最高达3 000万m3以上。采动区地面井同时对采煤工作面上隅角瓦斯治理也起到了非常重要的作用，工作面上隅角瓦斯体积分数降幅平均达50%左右，在煤层气抽采及工作面涌出瓦斯治理两方面效果显著，具有良好的推广应用价值。

• 掘进巷道富水型断层突水多场灾变演化规律研究

  李博, 武强, 班文韬,

  断层突水是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，断层既作为导水通道又作为突水水源的强富水型断层突水，具有隐蔽性高，危害性大的特点。为了有效地揭示这一矿井灾害现象，以弘财煤矿为典型案例，建立了流固耦合分析模型和Forchheimer非达西流、N-S紊流非线性渗流模型，利用数值模拟方法再现了开拓巷道富水型断层突水的动态过程，分析了突水灾变演化过程中应力场、位移场和渗流场的耦合演化规律，提炼了有效的突水前兆多元信息特征。研究结果表明：强富水型断层突水是在开挖扰动和断层破碎带内水压共同作用下的结果，在这一过程中，隔水层岩体内多场信息持续变化，整体上可以分为3个阶段，即采掘工作面远离断层时的初始变化阶段，接近断层时的快速变化阶段和突变阶段。突水过程中，地下水沿断层破碎带自上向下涌入巷道，径流途径中压力持续减小，流速总体增大，但在进入突水通道和巷道时，因流向改变而引起流速降低，随后再次增大，最终进入巷道后流速和压力逐渐趋于稳定。在隔水层破断诱发突水前，围岩应力持续增长后发生回跌，围岩位移平缓增长后急剧增大，在接近断层后断层带内水压明显增大，但在濒临突水前出现减小。结果有助于加深对富水性断层突水灾变演化过程的认识，也为突水前兆信息特征的确定提供科学依据。

• 煤层气井产出水离子及同位素演化特征研究

  焦雯, 唐书恒, 张松航, 李洋,

  为揭示高煤阶煤层气井产出水中的地球化学特征，探究煤储层产出水在时间和空间上的演化规律，对柿庄南区块山西组17口排采时间超过5年以上的生产井进行水化学检测，通过对水样的阴阳离子浓度测试和水样的氢氧同位素、溶解无机碳同位素测试，发现此次的测试结果同该区块2011～2014年间的水化学数据有明显差异、结果显示水样中SO42-的浓度和TDS含量较往年偏小，而δD的测试值大于之前的数据，通过对比不同季节的样品测试数据，得出HCO3-和Cl-的浓度随季节变化最明显；Ca2+、Mg2+浓度具突变性；SO42-离子浓度随季节变化小。研究结果表明: HCO3-和Cl-浓度受季节性降水影响大，Ca2+、Mg2+浓度受地质因素影响大，SO42-离子浓度主要受脱硫酸作用影响；通过水样同位素分析表明δ13CDIC与δ18O呈正相关性，与δD呈负相关性，与SO42-呈现反比例变化趋势；δD随排采年份增加呈现偏重的趋势，并逐渐向大气降水线上方偏移，表明随排采年份的增加，煤储层排水范围由裂缝向远处扩大，促使煤层中的原始孔隙水不断被排出，从而导致δD呈现逐渐偏重的趋势；经分析表明δ13CDIC可以用于检测煤储层的局部封闭性。最后依据上述研究结果建立了体现煤层气井产出水在时间和空间上的变化规律的地球化学反应模型图。

• 矿井不同生产时期涌水量计算方法优选研究

  王锋利,

  基于矿井涌水量计算方法众多，每种方法都有其特有的应用局限性，为了在矿井服务年限内不同时期合理选择精度较高的涌水量计算方法，以大同煤田北区塔山、东周窑、马脊梁、燕子山、四台及同忻6对矿井为例，选取在生产矿井中参数容易采集的、计算易于掌握的水文地质比拟法、相关分析法和解析法对各矿井涌水量计算方法进行并分析对比。研究结果表明：①矿井勘查期， 此时井田内无实测涌水量资料，水文地质参数尚未查明，利用相同矿区邻近矿井涌水量资料采用水文地质比拟法进行预测预测精度高；②矿井设计、基建阶段，涌水量计算为井筒建设和大巷开拓服务，以马脊梁矿为例，解析法计算矿井涌水量相对误差仅为19.77%，采用水文地质比拟法相对误差为36.20%。因此，该阶段涌水量计算适宜采用解析法进行预测；③燕子山矿为试产矿井，相关分析法计算矿井涌水量相对误差为3.56%，而采用解析法计算相对误差达到28%以上，该阶段采用相关分析法预测矿井涌水量更为可靠。④塔山和同忻煤矿均已达产，通过对比分析，该阶段矿井涌水量采用水文地质比拟法计算相对误差均在20%以内。因此，在矿井稳定生产阶段，此时，采用吨煤富水系数或产能类比的水文地质比拟法计算简单明了，且预测精度较高。

• 滇东恩洪地区地应力场特征及对煤储层渗透性影响

  徐浩然, 鞠玮, 周阳, 姜波, 吴财芳, 李明,

  现今地应力场影响煤储层渗透率以及水力压裂裂缝的形成和扩展，在煤层气勘探开发过程中至关重要。我国滇东恩洪地区煤层气资源丰富，但目前该区现今地应力研究程度较低，限制着煤层气的高效开发。为解决上述问题，在研究区实测地应力参数综合分析基础上，选取区内稳定分布的上二叠统宣威组C16号煤层为研究对象，利用有限元数值模拟方法开展现今地应力分布特征研究。结果表明，研究区浅部煤储层为走滑型应力机制，深部转变为正断型应力机制。恩洪地区宣威组C16号煤层最大主应力为11.0～38.9 MPa，其中西南部应力较高，北部和东南部应力较低。现今地应力分布特征受构造影响，断层及褶皱发育区应力对比周围区域较小，不同性质的断层以及褶皱对应力的影响不同。现今地应力及其机制影响煤储层渗透率，有效应力对煤储层渗透性的影响不显著，应力机制对煤储层渗透率影响较大。

• 扫描电镜下不同煤体结构煤微孔隙特征研究

  杨昌永, 常会珍,

  煤体结构是影响煤孔隙发育特征、煤层气赋存和运移行为的关键因素之一。为探究不同破坏程度煤微孔隙发育特征，采用扫描电镜对赵庄矿3号原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤及糜棱煤等4种不同煤体结构类型煤的微孔隙进行了大量观测；基于扫描电镜观测资料，对煤微孔隙成因类型进行了划分，并对孔隙形态、孔隙连通性、孔隙大小及充填情况进行了系统研究。研究表明：赵庄矿3号煤中发育有原生孔、变质孔、矿物质孔及外生孔等4大类，胞腔孔、气孔、铸模孔、溶蚀孔、摩擦孔、角砾孔、碎粒孔等7小类不同成因类型微孔隙。不同煤体结构煤中微孔隙成因类型及发育程度有所不同，原生孔、变质孔及矿物质孔主要发育于原生结构和构造保存相对完好的原生结构煤和碎裂煤中，煤孔隙稳定性较好且孔隙形态相对规整；外生孔多发育于煤体结构破坏严重的碎粒煤和糜棱煤中，煤孔隙稳定性差且孔隙形态不规整；煤孔隙连通性整体较差且被碎屑物充填现象较常见；孔径大小不一，几千纳米至几十微米均有分布。

• 槽波地震反射法探测地质构造应用研究

  李江华, 廉玉广, 窦文武, 焦阳, 李梓毓,

  晋城北部矿区地质条件复杂，为清除地质构造对矿井生产造成安全隐患，实现地质构造灾害预测预报，采用岩石声波测试系统对该矿压3号煤层及顶底板岩石的波速进行测试。基于槽波地震反射法探测原理，采用振幅包络计算和共中心点叠加偏移技术，优化了数据处理流程，并将其应用于3号煤层地质构造探测中，提出了槽波地震精细化探测的建议。研究结果表明，3号煤层波速较小，与顶底板岩石的物性参数差异明显，为槽波地震探测提供了良好的物理基础；该区槽波速度约1000～1200 m/s，可选取50～300 Hz的频带范围对反射槽波数据进行滤波，提高信噪比；晋城北部矿区3号煤层适宜采用槽波地震反射法探测地质构造，但同相轴反射界面可能为断层或陷落柱边界，需结合其它方法进行综合精确解释。

• 水处理用活性炭的多膛炉再生工艺与效果研究

  解炜, 段超, 陆晓东, 麻荣福, 李小亮, 韩璐,

  我国是世界上煤基活性炭消费量最高的国家，尤其在水处理领域使用量最大。若直接将饱和、失效的水处理用活性炭直接废弃，不仅是资源的浪费，还会造成二次污染等问题。热再生是饱和活性炭最有效的再生手段，多膛炉所具有的温控准确、炉内气氛可调、自动化程度高的优势，是理想的再生装备，但目前国内利用多膛炉处理水处理用活性炭再生工艺并不明确，再生效果也尚未可知。基于此，利用实验室回转炉研究饱和水处理用活性炭的再生工艺条件，再应用工业级多膛炉装置进行生产，并调节关键工艺参数，将其与再生产率、再生后活性炭碘值、强度等关联，优化再生工艺。结果表明：在多膛炉470～917 ℃的升温区间内，再生后活性炭碘值由再生前的546 mg/g提升至995 mg/g，吸附性能恢复了97.5%，优于实验室回转炉的再生效果；多膛炉底层炉膛的再生终点温度是其再生工艺的关键参数，再生后活性炭的碘值随着再生终温的降低而减小，而强度相应增加。多膛炉再生终点温度810 ℃条件下，再生后活性炭碘值达到917 mg/g，其强度达到了95.1%，再生产率约为73%。多膛炉的弱氧化性气氛条件下，少量O2促进了活性炭孔隙内有机质的氧化、分解，提高了再生后活性炭的吸附性能。同时，高温条件下O2不可避免地会烧蚀活性炭，导致再生产率及再生后活性炭强度较低。

• 煤化工高含盐废水有机物的去除研究

  杜松, 金文标, 刘宁, 牟伟腾,

  煤化工高含盐废水中有机物的去除是一项难题，利用臭氧催化氧化技术去除煤化工高盐废水中难降解有机物，过程中无新增盐量，因此优势明显。以高压反渗透浓盐水为研究对象，搭建小试平台，研究了4种主要活性成分为Fe-Mn-K、Mn-MgO、Mn-Co-Cu、Mn的催化剂对臭氧氧化处理高含盐废水的效果，选出效果最佳的Mn-MgO催化剂，在中国石化长城能源化(宁夏)工园区现场进行中试试验，研究了气水比及循环运行次数这2项关键工艺参数对有机物去除效果的影响。结果表明：反应120 min后，Mn-MgO催化剂对COD的去除率高达70%左右，废水色度也明显降低，而其他3种催化剂作用下COD的去除率均未超过65%，气水比为1∶4时，COD去除率约在25%，而提高至1∶2时，COD去除率反而降低，仅为15%。中试运行的结果均表明，随着循环次数的增加COD去除率增大。

• 煤炭地下气化相似模拟试验热固耦合数值模拟研究

  李超, 辛林, 徐敏, 李剑, 韩立民, 安明煜,

  为研究煤炭地下气化过程中煤岩层温度、应力以及位移场的分布演化规律，采用COMSOL数值仿真软件对试验炉内的煤炭地下气化模拟试验进行了热固耦合数值模拟，在简化的燃空区扩展模型的基础上，将试验炉内垂直于气化通道走向的任一截面燃空区扩展的过程分为升温和降温2个阶段进行研究。通过拟合燃空区边界升温曲线，设置以温度为自变量的导热系数、弹性模量等物理参数，进行合理的热固耦合研究，得到更加接近真实情况的温度场、第一主应力场及垂直位移场分布情况。同时根据COMSOL瞬态研究的结果分析气化通道截面温度场、第一主应力场及垂直位移场的分布规律。结果表明：由于点火点位于煤层中部靠底板的位置，在点火之后直到燃空区边界扩展至最大扩展半径的一半之后的这段时间，传热对顶板的影响较小，热量主要在煤层和直接底内传播，且范围逐渐扩大。在这段时间，燃空区燃烧边界的移动是煤层和直接底出现部分温度较高区域的主要原因；在燃空区扩展的过程中，第一主应变主要产生于燃空区附近区域，主要集中在煤层和底板。当燃空区边界扩展至最大扩展半径的一半之后，煤岩层受主应变影响的区域范围变化不大，但在该区域中，燃空区圆弧形边界附近的应变量持续增加；在升温阶段，岩体受热膨胀，垂直位移整体呈向上趋势，且在模型中由下至上数值递增，由内向外数值递减。模拟结果有助于从热固耦合的角度研究地下气化过程对围岩的破坏。

• 大采高综采异常矿压影响因素及支架适应性研究

  张金虎,

  为确定神东矿区大采高综采矿压显现规律及支架适应性，通过支架工作阻力和宏观矿压显现现场实测，基于支架“支、护、采”3个主要作用，运用模糊数学方法通过隶属度的计算对支架适应性进行定量评价。结果表明：神东矿区大采高综采有2种不同矿压类型，补连塔煤矿和榆家梁煤矿周期来压步距分别为14.3、11.4 m，片帮冒顶一般小于100 mm，支架超限比例约1%，支架适应性定量计算为良；布尔台煤矿周期来压强度大（支架超限比例51.6%）、来压频率高（周期来压步距7.8 m）、片帮和冒顶范围大于1 000 mm，支架适应性定量评价为极差，必须将大采高采煤法更换为放顶煤开采。将支架适应性定量评价为极差，必须改变采煤方法的矿压定义为异常矿压。破碎顶板、开采布局、采空区“孤岛”煤柱和复杂地质构造是异常矿压的主要成因。

• 煤阶和构造应力强度对煤岩力学性质的影响作用

  曹明亮, 康永尚, 邓泽, 田博凡, 赵群, 王红岩,

  为系统探讨煤阶和构造应力强度对煤岩力学性质的影响作用，在不同地区、不同煤阶20个煤样单轴力学参数测试的基础上，结合系统收集的前人单轴测试数据，利用对比分析以及统计回归和显著性检验等方法，揭示了不同构造应力区和煤阶条件下单轴抗压强度、单轴杨氏模量和单轴泊松比的变化规律和两两参数的关系，并从成因机理上进行了讨论。结果表明：①随煤阶升高，杨氏模量增大，煤阶具有增加煤岩杨氏模量的作用；中高-高应力区煤岩易发生垂向上的变形导致其杨氏模量低，构造应力强度具有降低煤岩杨氏模量的作用。②煤阶与构造应力强度非线性耦合，决定煤岩泊松比的特点，泊松比随煤阶升高出现增大的趋势；中高-高应力区的煤岩不易发生侧向上的变形导致其泊松比相对较小，构造应力强度具有降低泊松比的作用。③在不同构造应力区，不同煤阶煤岩的杨氏模量与抗压强度均呈正相关关系，但煤阶及构造应力强度影响到杨氏模量随抗压强度变化的速度。④煤阶与构造应力强度共同作用，影响泊松比-杨氏模量的关系，对低煤阶煤岩，泊松比-杨氏模量关系由低-中应力区的负相关关系反转为中高-高应力区的正相关关系，对中煤阶煤岩，泊松比-杨氏模量关系由低-中应力区到中高-高应力区保持负相关关系，这些现象皆可通过不同构造应力区不同煤阶煤岩垂直层理方向受力后基质孔隙微观变形机制给予合理的解释。

• 盘关向斜火烧铺井田瓦斯赋存地质特征研究

  王海军,

  为了查明火烧铺井田瓦斯地质特征、控制因素及其富集规律，进而为地面煤层气勘探工程井位部署、开发层位优选，生产矿井瓦斯防突、消突设计、工程治理等提供参考；首先结合以往地面钻孔瓦斯测试结果对井田深部进行地面瓦斯地质补充勘探工程部署，采用地质钻探、采样测试、气测录井、注入压降测试、吸附解吸等多种技术手段，综合分析各煤层的瓦斯在横纵向上的分布特征。其次对生产矿井各煤层的瓦斯含量、压力、坚固性系数f值、瓦斯放散初速度ΔP、吸附常数a、b值等关键参数进行了系统测试，分析和评价突出危险性；最后指出了煤层气勘探开发方向，提出了3种矿井瓦斯防突、消突措施，并在生产矿井为试验对比分析了3种措施的工程应用效果。结果表明：井田内煤层自然瓦斯成分中含有一定量的C2～C8，存在局部异常富集地段，且含量与煤层埋深呈正相关性；瓦斯的赋存虽然受构造、埋深和水文地质条件3个因素的控制，但主要受煤层埋深的控制；井田内的煤层气资源具有一定的开发潜力，向斜两翼浅部的滞留区和向斜轴部的深部区域是煤层气勘探的有利区，中、上煤组是有利层位；生产矿井可以采取优先开采保护层，同时配合顶、底抽采巷道、条带预抽、顺层长钻孔抽采等3种措施进行区域的矿井瓦斯消突、防突，工程应用效果对比分析发现顺层长钻孔抽采技术效果最好。

• 注热蒸汽后的煤体微观孔裂隙演化规律

  李永, 林柏泉, 杨凯, 朱传杰, 孔佳,

  我国煤层瓦斯赋存具有强吸附、低渗透、微孔隙的特点，注热蒸汽开采作为一种新的增加瓦斯抽采率的方法，存在的热蒸汽作用于煤体后的瓦斯解吸、孔隙结构改变等一些基础问题仍未探讨。为了揭示热蒸汽对煤体孔裂隙结构的影响作用，使用高温热蒸汽对煤样进行处理，并借助扫描电镜、压汞法和核磁共振测试手段探讨了热处理前后煤样的孔裂隙演化规律。试验结果表明：热蒸汽作用后的煤体孔隙结构演化归结为4种基本模式，分别为孔隙扩张模式、孔隙连通模式、孔隙破裂模式和裂隙贯通模式。热蒸汽处理后，2种煤样进退汞差值均变大，总孔容、渗透率、孔隙率和平均孔径得到了显著提升；表明蒸汽作用后煤开放孔变多，闭合孔和半闭合孔减少，T2谱中的波峰P1、P2和弛豫时间、整体峰谱面积均有显著提高，表明蒸汽作用后煤孔隙结构受热效应、水蒸气疏孔的影响,孔隙由中小孔向中大孔转变，孔裂隙连通性增加。原有的孔隙得到了进一步发育，孔隙结构的改变能促进煤体的扩孔增渗，最终有利于瓦斯在煤体内的解吸与渗流。对于注热增渗等技术的的进一步发展具有较好的基础作用，研究内容为下一步蒸汽作用后瓦斯解吸研究有很好的指导作用，为注热蒸汽提高煤层渗透率，进而提高煤层气抽采率提供了依据。

• 高地温对不同变质程度煤自燃微观结构影响试验研究

  马冬娟, 唐一博,

  深部煤炭开发为煤矿自燃火灾防治带来新的挑战，开采深度增加所导致的高地温环境直接改变了煤炭氧化自热的初始条件，也会逐渐影响煤的微观结构，加剧火灾风险。因此，为了研究深部煤炭开采面临的高地温环境对煤自燃特性的影响，选取代表矿区的8种不同变质程度煤样，通过模拟高地温环境处理煤样30 d，通过静态容量法测试煤样的孔隙结构变化，傅里叶红外光谱分析地温影响下煤主要活性基团变化，并对比程序升温试验180 ℃时的CO产率变化。研究结果表明：长期受高地温环境影响，煤中代表游离羟基的—OH伸缩振动和代表脂肪烃的C—H结构变化最为显著；煤样在长期处于高地温环境，无烟煤比表面积降低，最大降幅达到46.01%。烟煤的孔隙分布范围更多地集中在3 nm以上的区间内，处理前后变化最小。褐煤的孔隙较烟煤更为发育，处理后2种褐煤比表面积分别增加了4.04%和20.4%，平均孔径分别降低了20.5%和14.4%。地温对不同变质程度煤自燃特性的影响存在差异，高地温促使无烟煤、烟煤和褐煤CO生成量最高分别增加13.1%、28.5%和36.1%，说明低阶煤更易受高地温环境的影响。该研究为高地温环境影响下的煤矿采空区燃火灾防治提供参考。

• 多尺度分区统一化LBP算子井下人员人脸识别方法

  刘晓阳, 霍祎炜,

  针对传统的人脸识别算法在对井下人员识别中易受光照和粉尘干扰，难以适应井下复杂环境，影响识别精度的问题，提出基于多尺度分区统一化LBP算子对井下人员面部进行识别，该方法保留了统一化LBP算子的优点，利用多尺度分区的概念对传统的LBP算子进行扩展，通过对不同尺度下人脸面部图像特征提取，增强了对面部图像的全局及局部把握，削弱了局部噪声对整体识别精度的影响。采用分区处理直方图得到复合的特征向量，弥补了传统算法的单一性，获得了多尺度的直方图特征向量，在图像分类中，利用卡方检验对面部特征直方图相似度进行判断，根据设定的阈值将采集到的图像的特征向量与系统中存储的待匹配的图像的特征向量进行对比，实现井下人员面部识别。试验结果表明：通过多尺度分区统一化LBP算子处理，经过直方图均衡化后的井下人员面部图像纹理特征信息得到充分且有效的提取，可以全面地反映井下人员的面部特征；与传统的井下人员面部识别算法相比，多尺度分区统一化LBP算子对噪声和光照的鲁棒性有了明显提高，结合图像分区，多尺度统一化LBP算子对图像局部和整体的把握能力取得了较好的效果，该方法对井下人员人脸识别准确率达94.25%，比传统的井下面部识别算法提高了5%，提升了井下人员识别精度。

• 煤矿井下定向钻机钻进参数监测系统研制

  方鹏, 姚克, 王松, 赵良,

  针对煤矿坑道用全液压定向钻机无法直接实现参数监测、实时存储和集中显示的问题，为满足煤矿井下定向钻进过程精确控制和钻进参数优化需求，基于通用性、稳定性和可拓展性的开发原则，研制了一款基于PLC为主控制核心的煤矿井下定向钻机钻进参数监测系统，具备多种钻进参数实时监测、数据自动存储、远程数据传输、参数图形化显示、工况识别与故障报警等功能。系统进行了工作性能室内对比测试，并在神华神东煤炭集团保德煤矿结合大功率定向钻机开展了现场试验，试验结果表明：该参数监测系统安装快捷，运行稳定，能准确监测钻机运行过程中的各种钻进参数，测量误差小于1.25%，并实时储存于后台数据库，对钻进过程和钻机运行的异常情况能即时报警，可有效提高钻孔施工质量，预防孔内事故发生，对煤矿井下定向钻进工艺参数优化和钻进理论研究具有重要作用，并为煤矿井下定向钻进装备的机械化、自动化和智能化发展提供了技术保障。

• 轻量化全液压坑道岩心钻机研制

  凡东, 田宏亮, 王瑞泽, 常江华, 鲁飞飞, 邹祖杰, 张阳, 王贺剑,

  为解决运输条件差的巷道中钻机搬迁的难题，采用轻型合金材料代替传统碳钢、模块化泵站设计、提升架无级伸缩，各部件间快速组装的思路，研制了ZDY1200G型全液压坑道钻机。采用铝合金材料、二级伸缩式油缸和耐磨导轨设计的箱体式给进装置，具有行程长、质量小的特点，并采用三维数字散斑动态应变测量分析了机身的形变量；由2个泵站构成的组合式泵站，既可单独工作也可并联使用，搬迁运输方便；设计了组合式孔道，利用马达的卸油解决了动力头在不同角度钻进时的润滑难题；设计了基于恒压变量泵的起下钻联动和夹转联动液压控制回路，响应速度快，解决了配油套卸油对钻机回转掉速的影响，提高了钻进效率。钻机可用于金属矿山地面和巷道内资源勘探孔的施工，也可用于煤矿瓦斯抽放孔、探放水孔和地质构造探查孔的施工。

• 煤矿井下硬岩层快速成孔钻进技术与发展趋势

  杨冬冬, 赵江鹏, 赵建国, 王四一,

  为解决煤矿井下硬岩钻进效率低、成孔速度慢、施工周期长、钻具寿命低等问题，配有辅助碎岩工具的快速钻进技术在我国诸多煤矿井下防治水钻孔施工、高位钻孔施工中获得了广泛的应用并取得了重要进展。根据煤矿井下硬岩钻孔施工工艺的发展情况，结合阀式低压液动潜孔锤、射流式液动潜孔锤及液动扭力冲击器3种辅助碎岩工具，介绍了煤矿井下硬岩层快速成孔钻进技术，概述各自的技术原理、技术特点和应用概况；总结了阀式低压液动潜孔锤、射流式液动潜孔锤及液动扭力冲击器钻进技术的发展历程和不足之处；结合上述3种辅助碎岩工具在各矿区的具体应用情况，指出3种辅助碎岩工具在煤矿井下硬岩层钻进过程中出现的问题及原因，并针对性地提出解决方案；最后指出了煤矿井下硬岩层快速成孔钻进技术的发展方向，并为加速煤矿井下硬岩层定向钻进技术的发展提出了相关建议，为煤矿井下硬岩钻探技术的发展提供参考。

• 煤矿输气与控制共用管线的高正压束管监测系统研究

  王栋, 陆伟, 李金亮, 徐帅, 秦传睿,

  为解决负压束管监测系统气体传输过程中组分和浓度易失真，以及现有正压束管监测系统管路抗压性差、井下分布式正压泵难以远程控制的问题，提出了通过管路本身实现对正压泵远程控制的设计思路，研制了一种输气与控制共用管线的高正压束管监测系统，采用不同长度的管路验证了正压泵远程控制方案的可行性，并采用不同长度管路进行高正压输送气体试验。试验结果表明：输气管路的最优管径为8 mm；正压泵的最优输出压力为2.5 MPa；输气与控制共用管线的高正压束管监测系统不仅解决了气体组分和浓度失真问题，而且实现了远程控制启停正压泵和小流量、高正压输送气体，从而大幅缩短了气体传输时间，提高了煤矿自燃火灾监测的实时性。

• 综采工作面复杂环境下超宽带测距技术研究

  赵文生,

  综采工作面位置服务对于煤矿智能化开采具有重要意义，现有矿井定位方法及技术在非视距场景定位误差大，难于满足综采工作面位置服务与安全的需求，为了解决自动化综采工作面设备、人员安全定位问题，以解决综采工作面复杂环境下支架、输送机、采煤机等设备对于超宽带（UWB）信号反射、衍射、遮挡等问题为目的，研究脉冲信号模型和超宽带测距原理，结合工作面具体情况，研究信号传输模型，分析传输过程中由于多径等因素产生的特征变化，从而得出综采工作面对于超宽带通信的主要影响因素，针对上述因素优化通信参数，结合DW1000平台进行井下测距试验。工作面试验数据表明UWB测距误差可以控制在50 cm以内，可以满足设备、人员定位的基本要求。

• 神东大型井田紧急避险逃生模式及装备研究

  刘宁宁,

  为了改变现有避险逃生模式无法满足神东矿区大型井田避险逃生需求的现状，分析了逃生路线前端、中部和末端存在的问题，提出了“可移动式救生过渡站+永久避难硐室+逃生通道”的避险逃生模式，计算了逃生路线的关键参数，为关键节点配套了逃生装备；基于逃生时间和施工技术水平，提出了逃生通道内配套设备的选择方法；研究了以钻孔垂直度综合控制技术和大直径预钻孔长时稳定护孔技术为核心的大直径预钻孔技术；开发了车载救援提升系统，在神华神东煤炭集团大柳塔煤矿建设了示范工程。结果表明：大直径预钻孔孔斜度0.102%，与避难硐室顺利贯通，车载救援提升系统运行良好，形成了大型井田自采掘面至地表的覆盖全程的避险逃生路线，满足大型井田避险逃生需求。

• 彬长矿区煤层气排采设备优化研究

  巩泽文, 刘恺德, 白优, 董夔,

  排采设备的选取对于煤层气井排采效果影响较大，彬长矿区煤层气资源丰富，属于国家“十二五”规划建设的特大型现代化矿井，为提高煤层气的抽采率，在分析排采设备的适应性及影响因素的基础上，结合彬长矿区的地质情况和排采数据等，利用参数量化综合评价法进行排采设备优选，结果表明：彬长矿区最佳的排采方式为有杆泵，抽油泵选取ø38 mm管式泵，同时考虑静载荷、冲程和转矩等影响，经过悬点载荷公式计算，计算结果表明：当井深400～600 m时，选择CYJ4-1.5-9型抽油机；当井深600～1 000 m时，选择CYJ5-2.1-13型抽油机，抽油杆选取D级ø19 mm，在后续排采实践中应用效果较好，研究成果可为彬长矿区煤层气排采设备选取提供一定的技术支撑。

• 陕北矿区煤炭开采沉陷实测参数分析

  申涛, 朱占荣,

  为了深入研究陕北能源化工基地煤炭开采引起的地表变形及参数分布规律，并为环境修复提供理论及技术支持，采用地表移动实测研究法，在榆树湾煤矿建立矿区典型地表移动观测站，通过观测站设置与数据采集及分析，初步获得了厚风积沙黄土层、中等偏硬基岩条件下的地表移动规律，并结合该矿区多个工作面地表移动观测参数，通过综合分析，获得了概率积分法预计参数与本区域风积沙黄土层以及基岩层的相互关系。结果表明：下沉系数的范围为0.50~0.65，受风积沙黄土层厚度与基岩厚度的组合变化影响不大；主要影响角正切值和风积沙与黄土层厚度和基岩厚度比值成正比关系；拐点偏移距的范围为开采深度的0.07~0.40倍，与本区域岩层硬度为中硬偏硬的规律吻合。

• 综采工作面智能云台摄像仪研制

  刘鹏坤, 王聪, 刘帅, 张守祥,

  针对现有综采工作面视频监控多为定点监测，且不能保证工作面设备在运动过程中的全方位观察等问题，提出了一种综采工作面智能云台摄像仪的研制。通过构建云台摄像仪视频编码压缩、电动机驱动设计、红外补光、步进电动机硬件系统方案，同时开发云台控制程序、预置点巡检算法、调焦控制算法等。在满足云台功能的基础上，加入去雾算法、ROI感兴趣区域标定算法、光流法运动跟踪算法等智能功能，实现对工作面液压支架和采煤机的运动感知，人员违章或设备异常的智能报警，以及在滚筒截煤过程中，能够通过暗通道去雾获取更清晰的图像。在黄陵、兖矿、神东等集团煤矿多个工作面进行设备安装应用，结果表明智能云台摄像仪可替代原有无云台摄像仪，减少工作面摄像仪设备的50%，对井下远程可视化操作提供了辅助，应用效果较好。

• 基于光学探针的煤层气气泡形态井下实时探测装置

  李锐, 熊杰,

  针对目前常用的气泡探测装置不能满足煤层气井环空内气泡实时检测要求的问题，设计了一种基于光学探针的煤层气气泡形态井下实时探测装置。该装置以微处理器STM32为核心，利用光在空气与溶液中折射率的不同，获得表征不同介质的高低电平信号，计算煤层气气泡形态相关参数。该装置克服了以往气泡探测装置的不足，不论在目标检测的针对性还是速度方面，均能满足煤层气井环空内气泡实时检测的要求，有利于充分认识煤层气井下液体参数变化特征和研究气藏及井筒气液两相流动规律。探测装置模拟试验结果表明，该探测装置速度响应快、计算精度高，能满足实际项目工程需求。