煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2019年第4期

• 煤矿机器人电气安全技术研究

  孙继平,

  研究了煤矿机器人必须要解决的动力、蓄电池防爆及充电安全等问题，并提出解决方案。提出通过限制蓄电池容量，增加防止过充、过放、过载、过热等保护，可以将免维护铅酸蓄电池放置在隔爆外壳内，用于煤矿井下爆炸性环境。提出煤矿机器人蓄电池宜采用隔爆型防爆型式。提出采用隔爆型防爆型式的锂离子蓄电池，应限制隔爆外壳内蓄电池容量，并根据隔爆外壳内锂离子蓄电池容量，提高隔爆外壳的耐爆和不传爆性能。提出难以建设机器人专用充电硐室的矿井，可设置机器人充电舱；煤矿机器人充电舱宜采用钢材制成，设置在进风巷和机器人作业区域内；机器人充电舱内必须设置灭火器材和甲烷传感器。提出煤矿机器人蓄电池有线充电宜采用隔爆型充电装置；隔爆裂充电装置和隔爆蓄电池，在对接、充电和分离状态均应保证形成独立的隔爆腔；在对接、充电和分离状态均有独立的安全闭锁机构，确保充电接口未可靠连接和充电隔爆腔未形成前，机器人及其充电装置的充电接口不带电。提出煤矿机器人蓄电池井下无线充电，会在周边金属物体上感生电动势，引爆电雷管，较高的感生电动势将会放电，会引起瓦斯爆炸和火灾；单点小功率、多点分散无线充电，不但要考核单一充电点的本质安全防爆性能，还要考核邻近多点的功率和能量叠加；提出不得将较大功率定向充电天线正对固定岗位操作工。

• 基于多机械臂协同的煤矸分拣方法研究

  曹现刚, 费佳浩, 王鹏, 李宁, 苏玲玲,

  为了实现煤和矸石的自动化和智能化分选，降低煤炭洗选的投资和生产成本，提高煤炭质量，针对国内外目前煤炭分选方式存在的资源浪费、环境污染，分选效率较低和成本较高等问题，提出了一种多动态目标多机械臂协同的煤矸分拣方案，依据国内煤矿的煤矸分选现状和迭煤厂的工况，设计了一种适应于狭小工作空间和速度较快手拣矸输送带的煤矸分拣机器人，该机器人构建了一种基于深度学习的煤矸快速识别方法，通过实时采集煤和矸石流的图像数据，利用训练好的卷积神经网络模型自动提取煤矸图像特征，给出准确的识别信息，并通过双目立体视觉技术对已识别的矸石进行三维信息提取。由于机器人分拣目标为动态目标，对分拣运动进行了规划，采用三自由度桁架式机械臂进行分拣，提出多机械臂协同的煤矸分拣策略。试验结果表明 ：基于多机械臂协同的煤矸分拣机器人能够有效改善煤矸分选方法，对煤矸混合物进行快速识别和定位，煤矸混合样本下的目标识别准确率可达76.92%；采用多臂协同方案能够提升煤矸分拣效率，最终实现对煤矸快速分拣。

• 基于PSO优化NP-FSVM的煤矸光电智能分选技术研究

  郭永存, 于中山, 卢熠昌,

  为提高分选的稳定性和准确率，提出一种多特征融合的基于粒子群算法优化的法平面型隶属度函数模糊支持向量机(PSO-NP-FSVM)煤矸石分选方法。介绍了X射线探测识别煤矸石技术的基本原理与工作流程。对采集到的X射线图像经中值滤波去噪预处理后，分别提取灰度特征下的灰度均值、灰度方差，以及基于灰度共生矩阵的纹理特征下的能量、相关性、对比度和熵共计6个特征向量，并对选择的特征进行融合。利用法平面型隶属度函数能有效剔除孤立样本的优点，结合粒子群算法对模糊支持向量机分类器模型的主要参数进行优化，提出经优化改进后的PSO-NP-FSVM分类算法，采用相同的训练样本，与PSO-FSVM分类器模型进行仿真对比分析。最后，分别采用PSO-NP-FSVM、PSO-FSVM算法与单一灰度或纹理特征进行识别的方法建立分类器模型，并通过交叉验证的方法进行对比试验。试验研究结果表明：PSO-NP-FSVM算法经56次的迭代，参数达到最优，PSO-FSVM算法参数寻优需迭代63次；PSO-NP-FSVM算法的适应度函数值较小。通过多特征融合的PSO对NP-FSVM进行优化的分选方法，煤矸石的分选准确率达到93.8 %，其准确率和稳定性较普通PSO-FSVM分类器模型与单一特征识别方法，均有所提高。X射线探测的光电智能分选技术是未来煤矸石分选发展的重要趋势，此方法可改善在分选过程中因煤矸厚度的影响，导致识别准确率降低的缺陷。

• 煤矿信息物理系统场景感知自配置与优化策略研究

  李敬兆, 宫华强,

  针对煤矿信息物理系统（CPS）场景感知信息多源、异构、量多等问题，导致煤矿物联网建设困难的现状，提出了一种基于云服务、边缘计算和WSN等技术的煤矿信息物理系统场景感知自配置系统。利用边缘计算的规则计算、函数计算、消息路由和断网续传等功能实现煤矿场景信息本地处理，结合云服务的资源管理和调度等优势来优化煤矿场景感知信息管理，提升煤矿场景感知的实时性和系统性，实现对自配置系统的优化，并利用WSN技术与煤矿有线感知技术相结合的方式，扩大煤矿场景感知的覆盖面，保障信息传输的可靠性，同时利用分布式文件存储系统和区块链的信息保护特性，保障煤矿生产信息存储安全。煤矿信息物理系统场景感知自配置的实现对提高煤矿生产的智能化水平和安全性具有重要的作用。

• 基于巨磁阻效应的采煤机摇臂角度传感器设计研究

  李曼, 王志鹏,

  为解决采煤机自动高调中缺乏有效检测手段的问题，在分析采煤机摇臂结构和工作原理的基础上，提出了适合采煤机实际工况的摇臂角度测量方法，并设计了基于巨磁阻效应的角度传感器。传感器通过在摇臂销轴处安装摇杆-旋转机械部件以获取摇臂位置，并将其摆动转换为磁场旋转运动；采用集成巨磁阻（IGMR）芯片TLE5012B作为磁感应元件，单片机STM32F103C8T6为核心控制单元，实现角度信号的采集、转换、处理、显示、WiFi和RS485方式传输等。试验结果表明：基于巨磁阻效应的采煤机摇臂角度传感器在采煤机摇臂摆动范围内具有良好线性关系，非线性度为0.13%，最大绝对误差为0.23°，最大相对误差为0.20%,可实现较高精度的角度测量。

• 可视化矿山的发展现状及关键技术

  贺雁鹏, 黄庆享, 曹健,

  可视化矿山的建设是智慧煤矿的重要组成部分。通过总结目前可视化矿山的国内外发展现状，分析了可视化矿山建设存在的若干问题，结合模拟仿真、多场智能监测监控、大数据处理、物联网与互联网+ 等先进技术手段，提出了可视化矿山的建设应包括数据可视化、模型可视化、场景可视化和沉浸式（CAVE）可视化4个方面。同时，提出了以采矿模拟仿真的可视化矿山建设为基础，自动化和信息化建设为手段，智能化开采为目标的新型采矿研究体系，设计了由设备感知层、网络数据处理层、关键技术应用层和协同管理层构成的系统总体架构，形成了“一个核心（可视化矿山建设为核心）、多类数据库（数据库是可视化的载体）、一个标准平台（多信息融合）和一个服务目标（协同管理与决策）”的技术框架，基于2类3种（文档型和关系型2类，结构化、半结构化和非结构化3种）数据的处理和信息展现 ，实现4A式（Anyone、Anytime、Anywhere和Anydevice）关联互动平台。根据煤矿生产实践环节，针对矿山作业环境的特殊性和复杂性、安全隐患的不确定性、生产数据多样性与容量巨大性等实际问题，提出8个可视化矿山建设的关键应用技术：三维立体仿真模型、开拓和开采方案设计、矿井风量风速配置、专家决策、动态处理、危险源辨识与预警以及建立数字化集成操作平台，实现各生产环节的信息融合和智能化协同生产，促进煤炭资源的安全绿色开采。

• 矿山设备全生命周期信息集成与工况判别算法研究

  于嘉成, 王刚, 刘卫东, 宁永杰, 蒋晗晗,

  针对矿山设备的全生命周期数据集成和设备大量监测数据信息挖掘问题，提出一种基于矿山物联网平台的设备全生命周期信息集成与工况判别算法。通过基于“逻辑设备-逻辑节点-数据类和数据属性”的分层模型结构完成数据的基本划分，采用松耦合方式完成基于矿山物联网平台的设备的全生命周期数据集成。最后，结合异常检测算法，提出了一种基于状态的设备监测数据判别算法，完成设备的工况判别。试验测试结果表明：结合从矿山物联网平台采集的设备运行检修阶段信息，利用Python语言完成用户接口构建，验证了集成方法的可行性，并以通风机设备为例验证了工况判别算法的有效性。

• 矿用装备全生命周期服务系统的研究与应用

  秦翥,

  针对目前矿用装备制造业在设计选型、加工制造、安全生产、监控追溯等方面，存在信息技术发展缓慢、数据整合程度低下、问题反馈滞后等现状，提出了一种基于WSRF的矿用装备全生命周期服务系统，实现了分布式矿用装备从设计到应用阶段相关软、硬件资源的封装与存放，利用资源虚拟化及动态构建技术敏捷响应用户需求，通过XML文档解决消息传递过程的标准化问题。该系统在实际环境下完成搭建并试运行，结果表明：能够有效提高矿用装备的资源利用率，实现接入域内的信息共享与功能重组，将实际应用中存在的问题及时反馈，用于改进产品在设计、检测及制造等环节存在的缺陷，进一步加强矿用装备的安全监管力度，为矿用装备智能制造与智能化管控奠定基础。

• 大倾角特厚煤层工作面圆弧段割煤工艺仿真研究

  贠东风, 王震, 伍永平, 张袁浩, 任奉天,

  为解决大倾角特厚煤层综放面支架的整体稳定性和下端头支护技术难题，近年来出现了“倾斜直线—圆弧—水平”的创新型大倾角特厚煤层综放工作面布置方式。在生产实践中发现采煤机在圆弧段割煤存在自行留顶切底现象，随着留顶切底量的积累，圆弧段上端点逐渐上移且圆弧段曲率增大，加剧支架倾倒，影响正常割煤。针对这一突出问题，采用软件集成的方法，动态仿真了圆弧段采煤机自行留顶切底割煤的复杂过程，直观显示每割一刀煤自行留顶切底的微量和多刀割煤自行留顶切底的累积量及留顶切底过程，并对仿真结果进行了综合分析。结果表明：每刀割煤严格按照仿真所得首刀割煤的留顶切底量值作为割顶留底量值，即可补偿采煤机留顶切底量以保持正常的圆弧段曲率。仿真结果为大倾角特厚煤层综放圆弧段工作面及其类似条件工作面作业规程编制和采煤机司机割煤操作培训提供了指导。

• 直角梯形巷道围岩应力非对称特征数值模拟研究

  陈新年, 熊咸玉, 王景春, 沈攀,

  针对石炭井二矿区倾斜煤层直角梯形巷道围岩出现非对称变形破坏，给巷道的稳定性控制和支护带来很大困难的问题，采用数值模拟方法，对该矿区巷道垂直应力、水平应力及水平位移进行了系统分析研究，给出了倾斜煤层直角梯形巷道围岩应力的分布规律及破坏特征。研究结果表明：巷道两帮、顶板及尖角处均呈现明显的非对称应力集中现象，主要表现为两帮应力集中峰值和距帮部侧壁的距离差异明显，并随着倾角和地应力增大而增大，当倾角为18°～27°，低帮应力集中峰值为高帮的1.07～1.33 倍，高帮到巷道帮部侧壁的距离比低帮大1.26～3.79 m。其次沿煤层倾角相同方向对称的两尖角处表现为明显的压应力区，而相反方向两尖角处则表现为明显的拉应力区，且压应力和拉应力的最大值均出现在巷道顶板的两尖角处，其破坏特征表现为低帮一侧及底板严重的变形破坏。

• 采动影响下断层面应力与滑移特征研究

  于秋鸽, 张华兴, 白志辉, 张刚艳, 邓伟男, 邹友平,

  为了研究工作面开采结束后断层面的应力与滑移特征，以峰峰矿区某矿实际地质条件为背景，通过理论计算和数值模拟的方法，建立了断层面应力和滑移力学模型，得到了采动影响下的断层滑移力学判据及断层滑移的主要影响因素，研究了工作面推进结束后的断层面应力特征和断层滑移情况并进行了实例验证。研究结果表明：开采造成断层面正应力和剪应力的变化是断层滑移的主要影响因素；断层面岩性参数相近时，断层面正应力和剪应力与至断层露头的垂直距离近似呈线性关系，并且正应力变化幅度远大于剪应力变化幅度，正应力增加速率为剪应力增加速率的19倍左右；煤层开采后，距离断层露头较近的断层面岩体有向下滑移趋势，距离断层露头较远的断层面岩体有向上滑移趋势。

• 井底巷道硐室群破坏机理及综合加固技术研究

  杨计先,

  为解决漳村煤矿副立井井底密集巷道硐室群修复难题，通过地质素描和现场测试揭示了巷道硐室群变形破坏原因，采用数值模拟的方法研究了巷硐群大范围连锁破坏机理，并基于围岩强力支护与加固控制理论，开发了深浅孔双液注浆配合全长锚固强力锚索的综合加固技术。研究结果表明：①不利的地质构造和应力环境、井筒落底层位不合理、部分结构设计强度不足及多次爆破扰动，是漳村煤矿井底巷道硐室围岩变形破坏的主要原因；②在经受密集开挖引起的高集中应力和频繁扰动下，巷道硐室群破坏范围远大于单巷开挖，且巷道硐室之间相互影响，加剧破坏程度，这是漳村煤矿井底巷道硐室变形破坏的机理；③采用深孔浅孔相互交叉、无机有机浆材相互补充的方式进行注浆，双重保证注浆效果，充分填实围岩裂隙，而全断面强力锚杆锚索支护，相当于对巷道硐室周边加上强力的边界条件，使其具有较强的抵抗变形能力。研究成果对类似地质条件下的井下永久巷道硐室加固工程具有一定的理论指导和实际借鉴意义。

• 大采高工作面锚杆支护巷道局部冒顶机理研究

  孙志勇, 林健, 王子越, 张镇, 颜立新, 王涛,

  基于大采高工作面巷道冒顶制约煤矿安全生产的问题，采用现场实测和数值模拟方法研究了巷道局部冒顶的影响因素。现场测试表明：冒顶位置巷道直接顶板为5.8 m泥岩，且为多层复合，锚索锚固端附近存在泥质页岩软弱岩层，黏土矿物占比达54.3% 。锚杆锚固区内外均发生明显离层，支护体受岩层错动发生剪切变形。数值模拟得出，受回采动压未稳定区域掘巷、护巷煤柱尺寸小、支护强度和刚度不足等因素影响，顶板软弱节理面发生离层，支护应力场完整性丧失，围岩塑性破坏后发生冒落。提出在地质异常区及时支护、增大支护强度防止锚固区离层、加强施工质量检测等技术手段，提高巷道安全系数，为减少冒顶事故提供工程借鉴。

• 岩石破坏全场变形演化规律的试验研究

  王龙飞, 张盛, 韦四江, 王猛,

  为了获得岩石试样加载过程中试样表面及裂尖附近的全场变形信息，对含有预制裂缝的石灰岩半圆盘试样进行了准静态条件下的三点弯曲试验，采用数字散斑技术对试样受载破裂过程中的位移场、应变场进行了监测。结果表明：试样处于线弹性阶段时，位移场为“分层”分布，在将要达到峰值载荷时，水平位移场等值线逐渐交汇于预制裂缝前端某一点，竖直位移场在预制裂缝前端变形最大。水平应变场在峰值载荷时为“山”字形分布，在预制裂缝尖端与加载端连线处应变变化最快，预制裂缝长度对水平位移场的交汇点位置有影响，但对竖直位移场几乎不产生影响。相对于传统应变片法，数字图像法更容易得到裂纹的扩展速度，获得更多的全场应变信息，在监测岩石断裂过程和其变形信息时具有更多优势。

• 不同围压下页岩三轴压缩声发射能量分布特性研究

  韩兵, 杨宏伟,

  低压、低孔及低渗一直制约着页岩气的开发，随着水力压裂技术在页岩气开采工艺中的广泛应用，使得应力状态下页岩的变形破坏机制的研究具有重要意义。为揭示页岩破坏过程中的演化机理，笔者以重庆地区罗惹坪组页岩为研究对象，在不同围压条件下对采集的岩石样本进行常规三轴压缩声发射试验，记录岩石变形破坏过程的力学参数及声发射数据，利用临界模型定量分析页岩的声发射能量统计分布规律，确定临界特性及临界幂律分布规律，采用最大似然估计法确定幂率分布指数。试验结果表明：页岩在三轴压缩破坏过程中可分为平静阶段、破坏阶段、峰后阶段和稳定阶段；在不同围压条件下页岩声发射能量概率密度遵循幂率无尺度分布规律，3种围压条件下，临界指数分别为1.34、1.40和1.55；临界指数随着围压的升高而增大，围压的存在限制了岩石内部裂隙的产生，降低了岩石内部的“混乱度”，减弱了岩石内部结构的劣化。

• 温度和应力对砂岩渗透率影响规律研究

  李学成, 冯增朝, 郭纪哲, 梁源凯, 白骏, 王辰,

  岩石的渗透率反映了其通过流体的能力，为了解决砂岩气、页岩气等油气藏开采过程中储层岩石渗透率低，资源开采量少的问题， 在太原理工大学自主研发的高温高压真三轴试验机上，模拟研究了页岩气藏储层砂岩在地下深部实际高压状态，探究了真三轴实验状态下的砂岩在100~400 ℃下的渗透率演化规律。研究结果表明；砂岩的渗透率在100~280 ℃内的渗透率变化为缓慢下降，渗透率为10-16~10-17 m2数量级，渗透率在阈值温度280 ℃后，砂岩渗透率增大数倍到数10倍，最高增幅达34倍，在温度340 ℃后渗透率趋于平稳，处于10-15m2数量级。同时也表明岩石的应力状态对渗透率有直接的影响，相同围压条件下的砂岩，其最大主应力方向上的渗透率在阈值温度前后的增幅越大。

• 干湿循环对红砂岩力学特性及损伤影响试验研究

  刘帅, 杨更社, 董西好,

  为了研究干湿循环对红砂岩煤矿井壁和巷道的力学特性及损伤劣化，将红砂岩进行不同次数的干湿循环，然后在MTS815岩石力学试验机上进行压缩试验，研究表明：红砂岩干湿循环次数增加，结构由致密连续向多孔疏松转变，微裂隙压密阶段持续时间增长，塑性屈服明显，峰值应变增加，弹性模量降低，峰值强度大幅下降，但强度不会一直降低，而是趋于某一值；单轴压缩下干湿循环10次时，塑性变形特征明显；随着围压的増大，压密阶段持续时间减小，峰值应变降低，弹性模量增大，峰值强度得到较大提高，峰后塑性变形显著，残余强度随之増强。基于热力学定律和能量耗散原理建立的不同干湿循环次数下红砂岩损伤演化方程和试验结果相近，研究结果可为井壁、巷道设计和支护提供参数。

• 破碎煤体点载荷强度测试及单轴抗压强度预测分析

  雷顺, 康红普, 高富强, 张晓,

  针对破碎煤体获取标准煤样困难，无法直接获得其单轴抗压强度，采用点载荷仪对现场取得圆柱体和不规则两种形式的破碎煤块进行实验室点载荷强度测试，通过数理统计方法对30组测试数据拟合分析，得出煤块点载荷强度指数分布规律以及与等效直径的关系，同时结合以往单轴抗压强度与点载荷强度指数公式及适用范围，获得新元煤矿破碎煤体单轴抗压强度。研究结果表明：煤块点载荷强度指数遵循Weibull分布，随着块体大小变化其分布形式无显著差别。对点载荷测试数据聚类分析，点载荷强度指数与等效直径成反比。通过分析单轴抗压强度与点载荷强度指数关系，得出新元煤矿巷帮破碎区煤体单轴抗压强度处于0.7～4.9 MPa。研究破碎煤体点载荷强度测试以及定量估计其单轴抗压强度，对破碎煤体巷道围岩支护提供依据具有重要意义。

• 相似材料模型试验应力测试装置的研制及应用

  杨景贺,

  针对传统应力指标测试方法在植入体与模型体力学性能匹配性、数据稳定性、试验可操作性等方面的不足，研制了基于相似材料母体的应力测试装置，包括其核心部件应力块，介绍了应力块的制作流程，包括坯体制作、贴片引线、防潮绝缘、裹沙封装等工艺。测试结果表明，该应力块具有良好的防潮绝缘性能，长时零漂占比3.25%~6.78%，零漂对测试结果无显著影响。采场相似模型试验应用效果表明，应力块的块体与模型材料力学性能匹配、变形协调性好，防潮绝缘特性适应模型铺设及养护期间的潮湿环境；测试结果能够直观反演覆岩采动应力的演化过程，为深入阐释覆岩运移破断的力学机理提供重要的试验依据。

• 响应曲面法优化矿井三相泡沫防灭火材料配方研究

  朱红青, 胡超, 周全涛, 郭晋麟, 王晓宽, 袁晓乐,

  为了优化三相泡沫防灭火材料的基础配方，基于响应曲面法并利用Design-Expert8.0软件和Box-Behnken组合试验原理，建立泡沫体积与稳定时间的二阶回归模型。结果表明:泡沫体积与稳定时间回归模型拒绝原假设的值P均小于0.001，模型建立可靠。在影响泡沫体积性能的各因素交互作用显著性程度中，阴离子型发泡剂SDBS与非离子型发泡剂APG0814的影响最大，粉煤灰与SDBS、粉煤灰与APG0814的影响次之；而对于稳定时间性能的影响，粉煤灰与稳定剂PAM的影响最大，粉煤灰与APG0814、SDBS与APG0814的影响次之。同时，通过模型进行三相泡沫最佳配方的预测，预测结果表明：当SDBS、APG0814、PAM、粉煤灰的质量分数分别为0.12%、0.09%、2.94%、22.32%时制备的三相泡沫性能最佳，泡沫体积与稳定时间最高可达2 400 mL、21.3 min，较未优化之前三相泡沫性能分别提高了9.6%与8.7%。

• 偏Y型通风下采空区瓦斯涌出规律及超限治理研究

  赵灿, 张浪, 刘彦青,

  为了揭示偏Y型通风方式下采空区通风联络巷瓦斯超限机理及提高采空区通风联络巷埋管瓦斯超限治理效果，以晋煤集团寺河矿5301工作面为研究对象，结合回采工艺参数与瓦斯涌出实测参数，利用UDF二次开发程序接口建立偏Y型通风方式下采空区瓦斯流场计算模型，模拟研究了回采工作面的遗煤与上邻近层瓦斯源条件下采空区瓦斯流场分布特点，推导了以工作面配风量为自变量的上隅角瓦斯浓度和采空区通风联络巷瓦斯浓度预测计算公式，预测公式计算结果与实测结果误差小于5%，验证了预测公式计算结果的可靠性，并在采空区后方第2个通风联络巷采取埋管抽采采空区瓦斯措施后，采空区通风联络巷及上隅角瓦斯浓度的降低程度进行预测计算。预测结果表明：在保证工作面足够配风量条件下，采空区采取埋管抽采瓦斯措施后，通风联络巷瓦斯体积分数由3.23%降低至0.94%，能够有效解决偏Y型通风方式下采空区通风联络巷瓦斯超限难题。

• 高瓦斯综采工作面定向高位钻孔瓦斯抽采技术研究

  毕慧杰, 邓志刚, 赵善坤, 李少刚, 李胜, 马斌文,

  为改善成庄矿采空区高位钻孔瓦斯抽采效果，采用理论计算和数值模拟的方法研究采动裂隙演化规律，分析顶板裂隙发育范围，通过在裂隙带范围布置不同层位的高位钻孔模拟研究了其瓦斯抽采效果和瓦斯治理效果，得出了高位钻孔最佳布置层位。结果表明：顶板岩层垮落、裂隙发育贯通整体呈拱形分布，裂隙带范围为21.90 m~62.54 m；将高位钻孔布置在距煤层顶板45 m的位置，既可以抽采到高浓度瓦斯，又能对工作面上隅角瓦斯起到良好的治理作用；现场施工定向高位钻孔后，瓦斯抽采浓度、纯量可以在较长的一段推进度内保持较高水平，工作面回采期间，上隅角最大瓦斯体积分数为0.69%，保证了安全生产。

• 矿井瓦斯浓度Lagrange-ARIMA实时预测模型研究

  王鹏, 伍永平, 王栓林, 宋超, 吴学明,

  矿井瓦斯浓度监测是瓦斯事故最直接有效的防控手段之一，为提高监测信息的利用效率，提出了一种瓦斯浓度Lagrange-ARIMA实时预测模型。首先应用拉伊达准则实现瓦斯浓度监测缺失值构建，其次采用滑动Lagrange插值方法进行缺失值预测，最后基于自回归差分移动平均模型（ARIMA）序贯学习，依据L1范数最小化原则，确定出Lagrange-ARIMA序贯学习窗口合适尺度，进行瓦斯浓度实时预测。实例仿真显示：Lagrange-ARIMA实时预测模型处理瓦斯浓度时间序列缺失值平均误差为1.397%，当序贯学习窗口尺度为85时，预测的瓦斯浓度序列平均绝对误差（MAE）为0.0118。相比传统ARIMA静态学习模型，建立的Lagrange-ARIMA模型学习窗口尺度降低了90.3%，建模复杂度显著降低，MAE降低了16.3%，预测精度能满足现场需求。

• 高突低渗透煤层超高压水力割缝卸压增透研究

  张帅, 刘志伟, 韩承强, 张仰强, 位乐, 章飞,

  为了解决五轮山煤矿8号高突低渗透煤层1809工作面瓦斯治理难题，提出了超高水力割缝煤层卸压增透技术，以有效改造强化瓦斯抽采。采用理论分析、FLAC3D数值模拟方法研究了不同缝槽间距条件下缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律，然后基于含瓦斯煤体渗透率与三向应力和瓦斯压力之间的关系，分析了不同缝槽间距时周围煤体的渗透率分布规律。研究结果表明：缝槽自由面能够卸除围压，集中应力向缝槽外侧和缝槽间煤体转移；煤体渗透率明显提高，促进瓦斯解吸和流动。经现场实践验证，超高压水力割缝增大了煤层暴露面积、煤体扰动体积，高负压抽采支管瓦斯流量和浓度明显提升，瓦斯抽采纯量在0.7～1.1 m3/min内波动，瓦斯体积分数在50%以上，对本矿其他工作面瓦斯治理具有一定借鉴意义。

• 低透松软破碎厚煤层水力扩孔增透技术研究

  杜昌华, 冯仁俊,

  针对云南能投观音山煤矿一井C5煤层地质条件复杂、瓦斯压力大、含量高、煤质松软、透气性差、抽采达标时间长等问题，结合高压水射流力扩孔的技术原理和特点，提出采用底板穿层钻孔“钻扩一体化”的增透技术措施，并在矿区内开展了试验研究 。通过现场研究表明，采用“钻扩一体化”增透技术措施能有效提高单个钻孔的暴露面积，改变煤层裂隙及应力分布状态，扩孔后单孔瓦斯体积分数平均提高1.4倍，抽采量增加2.8倍，缩短穿层钻孔抽采达标时间。该试验的成功为本矿井及类似矿井提高煤层透气性提供了依据。

• 煤矿老窑积水巷道直流电法超前探测异常特征研究

  韩德品, 石学锋, 石显新, 李学潜, 蒙超,

  为了准确探查煤矿潜在的老窑积水巷道避免引发灾害性透水事故，根据直流电法超前探测原理和以往探测结果，采用统计的方法对已往验证的积水老窑直流电法超前探测的视电阻率异常特征进行了研究。结果表明：老窑积水巷道与电法探测方向不管正交或斜交，因电法的体积勘探效应无法区分；老窑积水巷道共同异常特征为1个单一下尖的低阻异常，宽度范围相对较小（3~5 m）；当其异常幅值大于1倍的均方差时，一般对应老窑巷道积满水的情况（可作为预警条件）；未积满水的老窑巷道，异常值相对较小，一般大于1/2的均方差；含导水裂隙破碎带常表现为大于1倍的均方差表现为低阻异常特征，但其异常范围常较宽，形态也不同。在实际应用中，使用该技术跟踪掘进工作面超前探测，已经成功预防了多次老窑透水事故。

• 黔西比德-三塘盆地煤储层压力特征及差异成因研究

  姚帅, 吴财芳, 杨长青, 李瑞强, 陈泳霖,

  为了研究黔西比德-三塘盆地煤储层压力特征及其差异成因，利用视储层压力法、注入压降试井法获取了主要煤储层压力数据，分析了储层压力特征，并对压力差异成因进行了探讨。结果表明：研究区主要煤层以正常~低压储层压力状态为主，局部出现高压储层；高压储层主要分布在中部的水公河向斜和东部的阿弓、珠藏向斜的部分勘探区，低压储层主要分布在西部的比德向斜和北部的白泥箐向斜。煤层埋深、构造条件及地应力、渗透性、瓦斯压力及水动力条件是影响研究区储层压力状态的主要地质因素。浅部地层地下水流动较为活跃且影响因素复杂，导致了视储层压力状态多变。高地应力是造成煤储层渗透低、顶底板封盖性好、水动力条件弱的主要原因，并导致高压煤储层出现。燕山晚期地壳构造抬升剥蚀、开放性裂隙发育、较好的地下水径流条件是造成浅部地层压力偏低的主要原因。

• 基于灰色关联分析的盘关向斜煤层气有利井区优选

  白利娜, 曾家瑶, 高为,

  为了进一步落实盘关向斜煤层气井开发时序问题，基于前期地质资料和近几年实施的8口煤层气参数井资料，系统总结了盘关向斜煤层特征、含气性及物性特征，通过灰色关联分析法，对盘关向斜8口煤层气参数井从含气量、煤厚、资源丰度、构造复杂程度、埋深、渗透率、临储比7个方面进行了最优关联，并根据其关联度进行排序优选。研究结果表明：盘关向斜整体上煤层累厚大、含气量高、煤种齐全、煤储层微小孔发育，具有良好的煤层气物源基础，但其单层煤层较薄、渗透率较低，具有较大的非均质性，在开发时序上建议将灰色关联分析法优选出的PG1、PG3、PG2、PG4四个井区作为先导试验井区进行优先开发，其余4个井区作为后备开发井区。

• 黔西北龙潭组页岩储层特征研究

  张鹏, 黄宇琪, 杨军伟, 刘洪洋,

  以黔西北龙潭组页岩为研究对象，基于岩心有机地球化学、矿物组成、扫描电镜、比表面及孔径和低温N2脱附-吸附试验测试，研究了黔西北地区龙潭组页岩储层特征。结果表明：黔西北龙潭组页岩有机质丰度高，有机质类型为Ⅲ型，干酷根处于过成熟阶段，具有良好的生烃条件。页岩矿物组分以黏土矿物和石英为主，黏土矿物中以伊利石和伊/蒙混层含量最高；储层孔隙度低，孔隙类型多样，孔隙大小以中孔为主，脆性指数为57.6%，表明龙潭组泥页岩具有良好的脆性特征；通过N2吸附-脱附曲线发现，龙潭组页岩样品的分形维数D1=2.68～2.77（相对压力≤05)，D2=2.70～2.89(相对压力＞05)，D1、D2数值均偏大，反映龙潭组页岩孔隙非均质较强，结构复杂。分形维数D1和D2与比表面积成较好的正相关关系，与页岩平均孔径成较好的负相关关系。

• 贵州省过饱和煤层气藏产气规律研究

  杨晓盈, 李玉魁, 王理国, 李臣臣, 唐兆清, 冉富强,

  基于过饱和煤层气藏的排采过程兼具游离气与吸附气的生产特征，为弄清此类过饱和气藏产气特征的内在原因和机理，探索影响其高产、稳产的主控因素，为后期此类气藏的勘探选区、井位部署、压裂及排采工程设计提供指导， 通过深入剖析游离气与吸附气的产出机理，将等温吸附曲线划分为2种经典类型，并结合现场生产实例，系统阐述了各自的产出特征及产能主控因素。研究结果表明：煤储层的等温吸附特征决定吸附气快速解吸释放的时间及储层导流能力的变化趋势，从而影响压力降的传播及游离气与吸附气的有效产出；过饱和煤层气藏具有排采初期见气快，产气增长快的特征，中后期的稳产气量、稳产期及衰减速率主要取决于产层的等温吸附特征、煤体结构及排采制度的合理性，其中等温吸附特征为主控因素。

• 织金区块煤层气井产气量影响因素分析

  孟美辰, 王运海, 袁航, 王伟, 张艇,

  为了提高织金区块多薄煤层气井产气量，探索有效的排采制度，结合研究区内探井和小试验井组的生产数据，通过对区块地质条件、储层压裂改造、配套工艺和排采制度4个方面的对比分析，总结出织金区块煤层气井产气量的主要影响因素。研究表明：织金区块高产井目的层埋深主要集中在500~700 m，采用4段逐层压裂且施工加砂强度在10~15 m3/m、加液强度大于150 m3/m时产气量可达1 000 m3以上；最终总结出适合织金区块的“五段三压”、“避峰求面”、“面积降压”的“阶段降压 ”的排采模式，提高了经济效益，为该区块后续大规模开发及类似煤层气田的勘探开发、排采制度的制定提供了借鉴。

• 鄂尔多斯盆地南北部侏罗系煤层含气性差异分析

  贾秉义, 晋香兰,

  为了弄清造成鄂尔多斯盆地南北部侏罗系煤层含气性差异的主要原因，以盆地内煤层含气量与含气饱和度为基础，从煤层的生气能力、构造运动、水文地质条件与煤层顶底板岩性特征等4个方面进行了分析研究。结果表明，侏罗系煤层在盆地北部保存完整但含气性较差、南部保存不完整但含气性较好。南部煤层热演化程度较北部高，生气强度大，盆地南部地层水矿化度较盆地北部高，地下水动力条件较弱，有利于煤层气的富集和保存，而盆地南北部主要煤层顶底板岩性主要以泥岩为主，顶底板岩性对煤层气的富集影响大致相同。综合分析认为，影响鄂尔多斯盆地南北部侏罗系煤层含气性差异的主要因素是水文地质条件、构造运动和生气能力。

• 中低温煤焦油窄馏分性质分析研究

  胡发亭,

  针对目前煤焦油综合加工利用过程中缺乏系统性的窄馏分性质基础数据问题，对中低温煤焦油窄馏分的理化性质进行了全面的分析评价。评价结果表明：该煤焦油的轻质油收率低，＜370 ℃馏分的质量收率为46.50%，170~230 ℃酚油馏分中酸性组分占66.02%，从酸性组分中鉴别出了25种酚类化合物，酚类化合物以低级酚为主。各窄馏分的密度、黏度、折射率、相对分子量、凝点均随着沸点的升高而增加，酚油馏分密度表现异常；各窄馏分的酸值随着沸点的升高先急剧增加然后缓慢下降，190~330 ℃馏分油的酸值较高。测定各窄馏分在不同温度下的密度和黏度，发现同一馏分油的密度和黏度随着温度的升高而降低，二者呈较好的线性关系。

• 煤泥浮选气浮气泡尺寸分布规律及其影响因素研究

  孙小朋, 刘文礼, 王文森, 陈塞, 刘伟,

  为了强化加压溶气气浮法浮选效果，研究了加压溶气气浮法中气泡尺寸的分布，通过实验室自制的基于图像法的气浮气泡尺寸测量装置，对气浮气泡尺寸进行了测量，对比了Nukiyana-Tanasawa分布、对数正态分布和正态分布在不同溶气压强及仲辛醇浓度下对气泡尺寸分布的拟合效果，并研究了溶气压强和起泡剂浓度对气浮气泡尺寸分布的影响。结果表明：加压溶气气浮法所产生的气泡尺寸分布符合正态分布规律；溶气压强对气浮气泡尺寸影响较大，随着溶气压强的增大，气浮气泡的Sauter直径逐渐减小，气泡尺寸分布密集峰逐渐向小尺寸方向转移；随着仲辛醇浓度的增加，气泡尺寸的分布更加集中，分布范围减小，Sauter直径也逐渐减小。

• 加卸荷应力路径下巷帮煤体力学特性与损伤破坏研究

  冯友良, 鞠文君,

  为探究煤巷开挖卸荷帮部破坏机理，开展巷帮煤体常规三轴压缩及峰前卸围压2种应力路径下实验室试验，分析其力学特性与损伤破坏规律。结果表明：常规三轴压缩试验中，破坏特征表现出由低围压下的脆性向高围压下的塑形转变；峰前卸围压应力路径下，破坏更易发生，且全部为脆性破坏；煤体强度对围压变化较敏感，卸荷条件下其峰值更低；变形模量随围压被卸除而降低，开始阶段变化平缓，随后下降趋势不断加剧；泊松比随围压减小而增大，其变化趋势同变形模量基本一致；卸荷应力路径下，煤体破坏是一种以剪切破坏为主，但仍存在部分劈裂破坏的复合状态；破断角以抛物线趋势随初始围压的提高而增加，但卸荷应力路径下其值明显更小；卸荷条件下损伤因子与围压之间的变化关系及趋势同泊松比一致；随初始围压的增加，卸荷条件下围压差比λ逐渐降低。

• 临汾区块煤层气井提产阶段排采控制研究

  巢海燕, 聂志宏, 王伟, 张慧,

  为查找出影响临汾区块煤层气高产稳产井和峰后下降井稳产效果差异的原因，分别对高产稳产井和峰后下降井提产阶段的井底压力下降速度、日产气增速等排采控制指标进行了对比分析，首次揭示出了产气速度对煤储层压降扩展的影响机理及在排采控制中的重要性，制定出了临汾区块煤层气井提产阶段的排采参数控制指标与方法。研究表明：峰后下降井稳产效果差的原因在于提产阶段未对井底压力降速和日产气增速进行缓慢控制；产气速度过快，易引起大颗粒煤粉运移造成堵塞，且近井地带煤层中的气相相对渗透率快速增加，水相相对渗透率急剧下降，水的流动阻力增大，影响水的有效排出，造成压降扩展变慢；临汾区块煤层气井提产阶段的压降速度合理值应控制不超过0.01 MPa/d，日产气增速应控制不超过15 m3/d为宜，可采用阶梯式稳产、提产交替进行的方式进行提产。