煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2019年第5期

• 煤矿“短充长采”科学开采模式研究

  祁和刚, 张农, 李剑, 郑忠友, 朱磊, 管增伦,

  随着我国煤炭持续高强度开发，开采条件逐渐恶化，传统开采方法带来一系列资源、安全与环境问题。基于“岩层低损伤”，“无煤柱开采”和“固废零排放”的思路，提出了以煤矿井下采区内就近分选矸石为主形成的固体废弃物充填带取代区段煤柱的“短充长采”科学开采构想及其技术原理。探索了“采-选-充-留”关键技术路径，统筹研究解决遗留煤柱的资源浪费、固废排放的环境污染、传统开采的技术瓶颈和深部开采的安全风险。建立了“短充长采” 固体废弃物充填带能量缓释理论和低损伤岩层控制理论。阐述了5项关键技术：“短充长采”系统设计方法，井下智能干法轻量模块化分选系统，自成巷前进高效采充技术与装备，沿充填带留巷技术与装备，“短充长采”系统集成控制技术。现场应用结果表明：“短充长采”科学开采模式在葫芦素煤矿和刘庄煤矿井下矸石直接充填能力分别达到200万 t/a 和100万 t/a，利用有限的的固废资源集成解决了煤炭开采的资源、安全和环保问题，可以实现井下无煤柱、地面固废零排放。该模式创新了绿色开采新理论、新技术、新方法，构建了我国新型绿色开采的科学开采体系。

• 反井钻井工艺及其关键技术研究

  刘志强,

  反井是地下井巷工程施工难度最大、风险最高的施工项目，在总结和分析反井钻井过程中导孔钻进和扩孔钻进的工艺流程的基础上，围绕滚刀破岩、钻孔偏斜控制、钻具受力特征、围岩稳定性控制等关键技术问题，凝练了反井钻井工艺中导孔钻进和扩孔钻进2个主要工序中的7项关键技术问题：导孔钻具受力特点及偏斜控制技术；导孔钻进洗井介质的选择及其压力、流量等参数与排渣效果之间的相互关系；导孔钻井过程中钻进参数、洗井介质、地层结构对孔帮稳定性的影响和控制技术；扩孔钻头滚刀破岩方式及滚刀布置分析；刀具作用于岩石压力的确定、压力和推进力之间的协调性、单位体积破岩能耗、刀齿的磨损与矿物成分之间的相关性等扩孔钻进参数对扩孔钻进效率的影响；扩孔过程中地层的蠕变、风化和水化、钻井直径、钻井深度和暴露时间等参数对井帮稳定性的影响及风险判识；扩孔钻进过程中钻杆连接方式、受力特点及疲劳破坏特征分析。同时，给出了由主机系统、钻具系统、冷却降尘系统和辅助系统组成的反井钻井装备及面临的问题；并介绍了反井钻井试验平台研究系统和反井钻井技术、装备和工艺的标准体系，为反井钻井的工程应用、设备制造、关键元部件的标准化提供了理论指导和技术支撑。

• 煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备现状及展望

  石智军, 姚克, 田宏亮, 李泉新, 姚宁平, 田东庄, 殷新胜, 许超,

  煤矿井下近水平定向钻孔可实现超前、区域、精准灾害防治与瓦斯抽采利用，在煤矿地质保障中发挥着重要作用。系统介绍了国内外煤矿井下随钻测量定向钻进技术发展历程与应用现状，对国内定向钻进装备中的钻机、泥浆泵车、防爆型随钻测量系统、包括中心通缆钻杆、螺杆马达和钻头在内的配套钻具、包括滑动定向钻进和复合定向钻进在内的定向钻进工艺技术与套铣打捞工艺技术等关键技术和装备进行了简要分析和总结，对小体积防爆型随钻测量系统中的有线随钻测量系统、泥浆脉冲无线随钻测量系统、电磁波无线随钻测量系统和地质导向随钻测量系统的功能特点及适用性做了明确的阐述，针对解决提高复杂顶板岩层中定向钻进成孔率、超深孔钻进施工能力和地层适应性等难题，介绍了成套技术与装备在保德煤矿、龙王沟煤矿和顾桥煤矿进行顺煤层超深定向钻孔和复杂顶板高位定向钻孔具有代表性的典型现场应用案例。基于成套技术与装备发展现状和现场应用，展望了煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备的发展方向和趋势，指出装备的自动化、信息化和智能化将成为技术攻关的方向与现场重点需求，高效快速钻进的旋转导向钻进系统和大直径定向钻孔将得到现场实践验证。

• 矿山灾害应急救援通道快速安全构建技术与装备

  田宏亮, 张阳, 郝世俊, 凡东, 常江华,

  为解决矿山灾害救援通道快速、安全构建钻进技术难题，突破国产装备研制瓶颈，研究复杂地层快速破岩成孔机理及复杂地层快速、精准钻进技术，开发高频冲击条件下钻进信息传输技术，形成地面小直径生命保障孔快速钻进及精准定向技术；开发大直径组合动力反循环钻进高效破岩排渣及安全透巷技术，形成地面大直径救援井高效、精准、安全钻进技术；研究车载钻机控制理论，研制救援车载钻机，钻机最大转矩50 000 N·m，最大提升力1 200 kN，研制安全快速提升装备。通过小直径生命保障孔快速精准钻进技术研究-大直径救援井高效安全钻进技术及装备开发-地面提升救援技术装备研发，形成地面救援通道构建及救援提升技术与装备集成，为矿山灾害应急救援提供技术与装备支撑。

• 黄河北煤田定向钻进精准注浆防治水技术研究

  武善元, 刘磊, 陈军涛, 徐庆国,

  为有效治理我国黄河北煤田开采面临的水害问题，以山东能源临沂矿业集团有限责任公司邱集煤矿定向钻孔注浆治理11煤层灰岩水害为例，结合瞬变电磁和抽水试验结果，分析了11煤层所受顶板四、五灰，底板徐灰、奥灰水害的富水性程度。基于“超前区域治水”、“水源-通道一体化治理”的理念，以及含水层富水不均一的区域特征，提出了梅花式和上、下穿层式的分支钻孔钻进方式，以及井上、下水文观测孔水压实时监控的含水层裂隙精准注浆技术，以此为基础对11煤层首个治理区域顶板含水层施工了S1、S3、S4、S6、S19、S20共6个主孔、25个分支孔，累计进尺12 011 m，累计注浆量104 880 t。结果表明：定向钻孔注浆实施精准控制后，11煤层顶板四、五灰含水层治理区域的富水异常区基本消失，含水层渗透系数降为0.010 4 m/d，观测孔涌水量由注浆前的40～260 m3/h降到5 m3/h以下，使得二水平暗斜井得以顺利掘进，实现了11煤层的成功揭露，为解放6 000万t的煤炭资源提供了安全保障和指导作用，说明梅花式和上下穿层式的分支钻孔钻进方式和井上、下水文观测孔水压实时监控的精准注浆技术，能够有效地填充四、五灰含水层裂隙及隐蔽导水通道，实现分支孔中浆液扩散范围的精准控制，为我国黄河北煤田类似受水害威胁矿井和地面水平定向钻孔的高质量注浆提供了科学的指导。

• 深部松软煤层瓦斯抽采钻孔钻护一体化技术研究

  张建国, 王满, 孙矩正,

  针对平顶山矿区深部煤层煤质松软，瓦斯抽采钻孔变形和坍塌现象普遍，瓦斯抽采困难的问题，开展了钻护一体化技术与装备研究。利用有限元软件ANSYS的广义Kelvin蠕变模型，分析了不同时间煤体蠕变对钻孔应力分布的影响规律,得到了软煤钻孔周围最大垂直应力分布范围。蠕变效应造成的平均（取竖直内径与水平内径的平均值）钻孔收缩量约为61%，平均作用周期约为20 d。以上述数值分析为基础，研发了磁吸牙片限位翻转式PDC通管钻头和内附导向衬管式通管钻杆，优选PE管作为护孔管，并在平顶山矿区的首山一矿进行现场试验。试验结果表明：采用深部松软煤层瓦斯抽采钻孔钻护一体化技术后，单孔平均百米瓦斯纯流量由0.003 6 m3/(min·hm)提高至0.010 82 m3/(min·hm)，瓦斯抽采效果明显。

• 煤矿井下长距离大垂距定向钻进工艺精准透巷技术研究

  郝世俊, 彭旭,

  针对回转钻进施工透巷孔的缺点及前期采用定向钻进工艺透巷精度低的问题，对当前仪器精度进行分析得出最优透巷孔深和钻场布设区域，最优透巷距离为100~400 m，钻场布设区域与巷道的夹角应不小于45°；对长距离高垂距钻孔特性进行了分析，并依据装备性能及施工经验，指出以理论最大安全造斜率75%~80%的经验值作为轨迹设计造斜率，以便为实际施工留有调整余地；详述各孔段钻孔轨迹的影响因素，并指出对应的轨迹控制方法：提出开孔段轨迹控制的目的是保直，提出纠偏段钻孔轨迹主要受钻进参数、地层倾角、装置角、反扭角及轨迹点的位置等5个因素影响，对5个影响因素分别进行详细分析，并提出轨迹控制方法，提出中靶透巷段的轨迹空间姿态要求、轨迹控制要求及控制方法确保透巷、矢量中靶，指出轨迹控制影响因素众多，应综合考虑，根据具体需要适时加以利用，实现因势利导的效果；全面阐述了精准透巷工艺的关键技术和实施方法；实践表明采用该工艺能够确保钻孔轨迹精确中靶、精准透巷，老巷水疏放效果显著。

• 套管钻进用可提式扩孔钻头设计

  潘小叶,

  为解决通过丢弃钻头或钻穿钻头方法进行贯通或后续施钻的套管钻井工艺存在的问题，设计一种可提式扩孔钻头，配以小直径全断面钻头形成两级切削机构，穿越破碎带后从套管内提出切削机构，使后续深孔钻进作业得以继续。阐述了组成可提式扩孔钻头的3个机构：安装定位机构、切削翼及切削翼展开锁定机构，说明各机构的工作机理；详细介绍可提钻进工艺整个作业流程：可提式扩孔钻头的固定安装、切削翼展开、套管孔段扩孔钻进、下放提钻钻杆、切削翼收拢以及从套管中提取出两级切削机构，介绍了可提式扩孔钻头收拢和展开状态的切换过程；并给出影响可提式扩孔钻头的稳定性、可靠性的关键部件弹簧的设计计算。所设计钻头在煤矿井下进行试用，现场结果表明：切削时，展开的切削翼被牢牢锁定，提取时，切削翼收拢顺畅，且切削能力强、可靠性高，验证了可提式扩孔钻头结构设计及可提钻进工艺的可行性。可提式钻头还可用于井下封孔钻进工艺，具有良好的经济效益。

• 煤矿井下自动化钻机研发关键技术

  张锐, 姚克, 方鹏, 王龙鹏, 陈逢雷, 陈翔, 邵俊杰, 罗鹏平, 王松, 刘祺,

  针对煤矿井下钻机以液压传动、功能实现为主的不足，结合未来钻孔施工“机械化换人，自动化减人”的需求，提出了采用整体式履带布局的自动化井下坑道钻机的设计思路，制定了钻机总体结构与方案，研制了主动钻杆式无卡盘回转器、夹持卸扣装置、自动调角和可控钻进的给进装置、自动加杆装置等关键执行机构，开发了参数监测系统和多功能电液控制系统。在地面进行了实钻试验，单根钻杆从自动加杆到钻进完成耗时约55 s，单根钻杆自动卸杆耗时约50 s，验证了钻机的技术性能，试验结果表明：自动化钻机性能可靠、功能完善、自动化程度高、工人劳动强度低。

• 煤层底板奥灰水害防治定向钻孔施工关键技术

  李晓龙, 张红强, 郝世俊, 郑玉柱, 赵永哲, 尚荣, 秦艺璞,

  基于渭北某矿井煤层底板奥灰水害防治定向钻孔工程，对成孔关键技术进行了研究。研究结果表明：煤层底板以下46 m层位可实现深孔探查；空气钻进工艺可解决孔内排渣不畅及难成孔的问题；通孔钻具可保障套管下至设计深度；利用引导钻头，采用回转钻进工艺可实现深孔下套管；孔内高压注浆、环空静压补浆可确保套管封固质量；滑动定向钻进、回转钻进相结合可提高稳斜段钻进效率；以低于0.5 MPa的钻压在增倾角孔段顺利侧钻开分支；利用不同钻进方法判断含水地质异常体性质；回转钻进方式快速多回次透孔，或大角度定向钻进可穿过易塌孔层位。研究成果为渭北煤田底板奥灰水害防治提供了技术支撑与理论依据。

• 煤矿井下近水平钻孔大直径套管长距离下放技术

  方俊, 谷拴成, 石智军, 任建喜,

  孔口套管封孔是后续钻孔施工与安全保障的基础，大直径套管通过能力、套管孔段轨迹偏斜控制和钻孔排渣效果是影响煤矿井下大直径套管近水平长距离下放成功的关键。为了提高套管近水平长距离下的成功率，建立了大直径套管刚性模型和弹性模型 ，获得了煤矿井下常用178 mm、146 mm和127 mm套管在弯曲钻孔的通过能力数据；分析了近水平大直径套管孔段排渣困难与易发生偏斜的原因，提出采用大直径螺旋钻杆与内凹式PDC钻头进行保直钻进和高效排渣的技术方案，开发了相关钻具，制定了钻具组合，并分析了保直钻进和高效排渣机理。在赵固一矿进行了现场试验，完成3个钻孔施工，与常规工艺相比，套管孔段施工时间由110班次缩短至21班次，轨迹偏斜仅为0.042°/m，套孔下放成功率达到100%，有效解决了大直径套管近水平长距离下放难题。

• 基于流固耦合动态模型的煤层钻孔成拱特性研究

  韩颖, 张飞燕, 杨志龙, 董博文,

  为探讨煤层钻孔周围是否存在压力拱，构建了基于Hoek-Brown准则的含瓦斯煤流固耦合动态模型，并运用COMSOL软件进行解算，分析了钻孔施工前后孔周煤体主应力及应变能密度分布规律，研究了不同煤体结构煤层孔周煤体位移量及压力拱内边界、厚度的变化特征，并结合孔周煤体塑性区分布规律对煤层钻孔成拱特性进行了探讨。研究结果表明：煤层钻孔顶底部存在压力拱，其拱脚与拱座位于钻孔两侧；压力拱区域内孔周煤体水平位移量变化较为平缓；压力拱内边界及厚度可作为评判钻孔稳定性的指标，两者随地质强度指标GSI值的增大而逐渐减小，即煤体结构越完整、强度越高，压力拱范围越小；当GSI值非常大或非常小时，压力拱效应不明显，甚至趋于消失。

• 基于Unity3D的微震监测分析虚拟现实系统研发

  韩军, 张衡, 姜新宇, 贾冬旭,

  微震监测对矿山安全生产具有重要意义，也得到了广泛应用。针对微震监测数据数量庞大、内容冗杂、实时显示弱、与采掘工程集成度低等问题，开发了一种基于Unity3D平台的微震监测数据分析平台。其主要过程是：收集矿山三维地质坐标、地层岩性等数据建立矿山三维模型，导入到Unity3D引擎当中，对模型添加材质，进行渲染并实现模型坐标数据与现实坐标数据整合，在此基础上利用C#语言编写脚本实现采掘进度的实时模拟，再通过连接SQL server数据库将矿井微震监测数据进行调用，完成整个系统地质数据、采掘数据与微震数据的集成和实时显示。通过调用系统数据，可实现微震数据的相关统计、分析，并分析其与地质条件、采掘活动的相关性。系统在河南义马煤田跃进、常村两矿进行了实际应用，实现了矿井群开采微震监测数据的联合分析。

• 煤矿双重预防机制信息系统研究与应用

  高晓旭, 申阳阳, 门鸿,

  为了预防煤矿重特大事故的发生，解决现行风险和隐患信息系统在煤矿应用中存在的问题，在调研基础上，优化了风险预控流程和隐患闭环管理流程；设计了由数据采集层、通信传输层、信息服务层、应用层和接入层构成的系统总体架构；以J2EE为开发平台、SSM为开发架构，借助Java语言开发了包括安全风险分级管控、隐患排查治理、安全生产标准化以及系统管理在内的双重预防机制信息系统；采用熵权-灰色关联度评价方法评价系统的风险数据，隐患数据借助FP-Growth算法对其在多个维度间的关联关系进行挖掘，为煤矿提供辅助决策。结果表明：系统部署在云服务器上，员工可通过浏览器和手机APP登录进行随时随地办公；系统的业务流程符合煤矿实际工作需求，统计与分析模块能为煤矿风险管控和隐患治理提供可靠的决策建议。

• 综采工作面煤层装备联合虚拟仿真技术构想与实践

  谢嘉成, 王学文, 杨兆建, 李娟莉, 刘阳, 葛星,

  当前综采工作面煤层和装备都是分开建模，缺少将两者的运行关系进行融合的方法和案例，导致构建的虚拟生产系统与实际情况偏差过大。利用虚拟现实软件Unity3D的物理仿真引擎，对虚拟装备之间和装备与虚拟煤层之间的相互作用关系进行编译，获得关键的运行信息、特征和状态，目的是实现“煤层+装备”的联合虚拟仿真运行。基于逆向重构技术与Mesh网格碰撞体技术建立由虚拟固有煤层和虚拟实时更新煤层两部分组成的虚拟煤层仿真系统，对装备进行协同仿真，建立装备与煤层虚拟作用模型，研究与煤层底板直接进行作用的装备行为的仿真方法，包括刮板输送机虚拟铺设、液压支架群虚拟支撑和采煤机虚拟截割煤层顶底板。以井下地质探测数据点为基础按循环点和装备点逆向重构出固有煤层，根据采煤机实时前后滚筒截割轨迹对虚拟煤层数据信息进行更新，煤层实时信息也同时反向作用于装备运行，真实再现煤层环境下装备自适应推进过程。该方法将装备与煤层建立可靠的联系，为构建实时运行数据驱动的综采工作面生产系统虚拟镜像提供技术支撑。

• 松散砂砾含水层下特厚煤层分层综放开采可行性研究

  李江华, 李宏杰, 黎灵, 杜明泽,

  突水溃砂灾害对工作面的安全回采影响恶劣，矿井生产过程中应采取安全有效的防治措施。水体下采煤合理留设安全煤岩柱，需要考虑覆岩裂隙发育特征、岩石物理力学性质等，含水砂层水文特征、渗溃性及黏土的阻隔水特性等的研究同样关键。以多伦煤矿为例，通过岩石物理力学性质测试、砂土渗溃性试验及水文补勘，得出松散层底部砂砾含水层富水性弱，砂土的渗溃直径大于6.5 mm，渗溃性较差；松散层底部黏土样的塑性指数基本都大于17，液性指数都小于0，为坚硬半固结状态，具有良好的隔水性和比较差的流动性；7号煤层顶板岩石力学强度低，泥类岩占50%以上，属于软弱类型。采用地面钻孔冲洗液漏失量和水位观测方法对覆岩破坏垮落带和导水裂缝带高度进行观测，其中软弱地层特厚煤层单层综放开采最大垮采比为5.62，分层综放开采最大垮采比为4.71，为防隔水安全煤（岩）柱的留设提供了依据。根据研究成果，底砾区、底黏区分别具备留设防砂和防塌安全煤（岩）柱开采的条件，并对井田北部工作面进行开采优化设计，部分基岩较薄区域实现了分层综放安全回采，提高了生产效率。经多个工作面试采后，工作面涌水量较小且未发生突水溃砂事故，表明该水文地质条件下煤层开采所选取的方法及措施合理，对松散含水层下特厚煤层开采突水溃砂的防治具有指导意义。

• 综放开采沿空掘巷顶煤挤压破裂机理与控制技术

  张广超, 吴涛, 吴继鲁, 戴德胜, 申世豹, 赵仁宝,

  基于沿不稳定覆岩下掘进的综放沿空巷道顶板煤体出现的沿水平方向挤压破裂问题，以王家岭矿103工作面具体条件为工程背景，采用现场调研、理论分析、数值模拟和工业性试验相结合的综合研究方法，分析综放沿空巷道顶板煤体挤压破裂力学演化机理及相应的控制技术。研究结果表明：①受不稳定覆岩破断回转运动影响，顶板煤体沿水平方向发生明显挤压运动，造成顶板浅部煤体挤压、错动和破碎；②关键块回转运动行为将对沿空巷道围岩产生不稳定的支承压力σj，同时还将对顶板煤体产生偏斜挤压力σd，两者共同作用是沿空巷道顶板煤体沿水平方向发生挤压变形和破裂的根本原因；③数值分析表明，靠煤柱侧水平位移量约为240 mm，靠实体煤侧顶板变形量约为40 mm，两侧顶板位移量的显著差异必将导致相邻岩层间的错动滑移并出现挤压破裂，0水平位移点由顶板中心位置向实体煤侧明显偏移。④不稳定覆岩下沿空掘巷顶板控制，既要对靠煤柱侧顶板进行加强支护，同时还要提高支护结构对顶板煤岩体水平运动的适应性，据此提出了“高强锚杆支护+锚索槽钢组合结构”的顶板支护方案，并进行现场应用。现场工程实践表明，该技术可有效控制综放沿空巷道顶板煤体挤压破裂问题，为类似地质生产条件下综放沿空巷道围岩控制提供理论依据和技术支撑。

• 基于卸荷量影响下巷道围岩变参数模型研究

  张树光, 刘文博, 赵恩禄,

  为了研究在不同卸荷量影响下，岩石的应力应变关系和蠕变模型参数的变化规律，采用MTS815.02试验机对砂岩进行室内分级非等卸荷量蠕变试验研究，并通过建立考虑卸荷量的变参数本构模型，与试验数据进行对比验证。试验结果表明：在同一试验条件下，随着每一级卸荷量的增大，其瞬时应变量和卸荷量等差比也越大，岩石更快进入加速蠕变阶段且蠕变时间变短，最终岩石破坏变形量越大、破坏更彻底；基于试验结果对各卸荷量各时刻下蠕变参数进行拟合分析，可以较好地反映岩石内部损伤演化规律和结构劣化，并较好地描述原有西原体难以描述的阶段，说明了所建立考虑卸荷量影响下砂岩变参数蠕变模型是合适可行的，同时，对巷道围岩支护理论以及卸荷过程中岩石失稳破坏形式分折具有指导作用。

• 非均匀应力影响下巷道顶板破坏特征研究

  杜华溢, 司艳龙, 李春元, 魏文胜,

  针对红庆梁煤矿回风大巷掘进过程中受非均匀应力影响，顶板出现台阶下沉和局部冒落等问题，借助地质雷达探测了巷道围岩松动圈的范围，利用离散元软件模拟巷道侧压变化，研究了非均匀应力对巷道围岩应力和变形破坏特征的影响，并提出了相应围岩条件的巷道支护对策。研究结果表明：受地应力非均匀分布影响，回风大巷围岩破坏范围不对称，顶板、南帮和北帮松动圈范围分别为1.7、2.0、1.2 m，稳定性随松动圈范围增大而降低；在断层作用下，顶板两侧呈现非均匀沉降，靠近非均匀应力一侧垂直位移和应力峰值明显增加，破坏深度和平均宽度分别增加了150%和117%；且顶板失稳冒落的时间提前，冒落范围扩大，变形破坏持续时间增加。

• 深井中等稳定顶板沿空留巷锚注切顶支护技术研究

  范德源, 刘学生, 谭云亮, 徐强, 王军,

  为解决深井高应力沿空巷道围岩变形大、支护困难的问题，以孙村煤矿2216工作面地质和开采条件为背景，采用数值模拟软件FLAC3D建立计算模型，分析比较了采用普通锚索、普通锚索+巷旁切顶和注浆锚索+巷旁切顶3种支护方案时，深井高应力沿空巷道围岩应力和变形破坏规律。研究结果表明：与前2种支护方案相比，采用注浆锚索+巷旁切顶支护方案时，顶底板及两帮变形量分别减小了22.2%和19.8%，实体煤和巷旁单体支柱受力分别降低了13.5%和77.8%，控制围岩效果更好。现场试验验证表明，2216工作面回风巷采用注浆锚索+巷旁切顶方案进行改进支护后，第1个工作面回采结束时，顶底板和两帮最大移近量分别为270 mm和120 mm；下个工作面推进至测站位置时，顶底板和两帮累计移近量分别为533 mm和171 mm，围岩变形得到了有效控制，可较好地解决该类巷道支护问题。

• 斜井突水涌砂机理及井壁破裂修复技术研究

  袁世冲, 郑国胜, 钱自卫, 蔡逢华,

  针对煤矿斜井井壁破裂修复治理技术难题，以陕西榆林金鸡滩煤矿副斜井井壁破裂导致严重突水涌砂灾害治理工程为例,在充分分析副斜井井壁破裂机理及水砂来源的基础上，采用了临时木垛支撑结合斜井帮部注浆治理的抢险措施，后期采用U型钢棚永久加固结合壁后帷幕注浆的整体修复措施。修复结果表明：抢险治理措施有效控制了井筒涌水量与携砂量，减缓了斜井顶板与底板变形速率，为后期整体修复赢得了时间；整体修复措施使井筒涌水量由72 m3/h减小至3.8 m3/h，携砂量维持在0.1%以下，地表塌陷坑不再发育。井筒修复完成后，没有发生其余不良地质现象，修复效果良好，保证了井筒的正常服役，为类似灾害的治理提供了借鉴。

• 巷道火灾时期流场及瓦斯浓度变化规律数值模拟研究

  李祥春, 蒋颖, 李梅生,

  为了合理控制巷道入口风速，减少火灾的发生并降低灾害造成的损失，利用Fluent数值模拟软件对某煤矿巷道发生火灾时的流场进行数值模拟研究，探讨了不同的入口风速对火灾的速度场、温度场以及对瓦斯涌出分布的影响。结果表明：入口风速越大，对巷道内风流分布的影响越小，火焰区域速度最低，速度的纵向分布呈现出“圆弧层状”降低分布,并且圆弧顶部不同程度向下凹陷；火灾会引起巷道内瓦斯浓度增大，风速低时瓦斯最高浓度可达到瓦斯爆炸下限，造成瓦斯爆炸；风速的变化，会使“烟流滚退”的距离有较大的改变，且风速越大，巷道内排烟效果越显著。通过分析模拟结果发现，合理控制巷道入口风速对防止瓦斯爆炸和灾后巷道内烟气排放有显著作用。

• 近距离煤层群开采工作面瓦斯超限治理技术研究

  杨枫, 郑金龙, 王联,

  针对近距离煤层群开采过程中工作面瓦斯浓度频繁超限的问题，以重庆松藻矿区为例测试了煤体孔隙结构和吸附能力，现场对比了裂隙带高位抽采钻孔、高位抽采巷道和采空区抽采钻孔3种方法防治瓦斯超限效果。结果表明：煤体大孔与裂隙不发育，渗透率低，瓦斯预抽效果差，开采卸压导致工作面瓦斯超限。裂隙带高抽巷作用下平均瓦斯抽采量为12.6 m3/min，平均瓦斯抽采体积分数为32.75%，与高位抽采钻孔相比分别提高了5倍和2.8倍。采空区抽采钻孔与冒落带连通导致工作面空气进入高抽巷，平均瓦斯抽采体积分数降低至28.19%，抽采量为11.38 m3/d。高抽巷方法使工作面尾排瓦斯平均体积分数降低了63.2%，上隅角瓦斯平均体积分数降低了19.6%，杜绝了工作面瓦斯超限事故的发生，单月工作面推进效率平均提高了46.7%，10个月共抽采可直接利用瓦斯441.7万m3，取得了良好的经济社会效益。

• 煤层定向分段水力压裂增透装置应用试验研究

  马文伟, 李江涛, 梁文勖,

  煤层定向分段水力压裂技术是增加煤层透气性的有效方法，通过介绍定向分段水力压裂增透技术的基本原理，在实验室内试验了考察所研制的分段水力压裂关键装置的特性，并在淮南潘四东煤矿进行了现场工业试验，结果表明：高压封孔胶囊具有良好的膨胀性和抗收缩性，封孔效果良好，注水器的端堵扭力值在现场应用中应设定在3 N·m以上， 13-1煤层的起裂压力在28～30 MPa，单段压裂10 m距离所用的时间为1 h，耗水量10～13 t，压裂时间和耗水量均远小于全孔段水力压裂工艺；实施定向分段水力压裂增透措施后，煤层的平均瓦斯体积分数提高了1.72～3.04倍，平均混合流量提高了2.00～4.04倍，平均日抽采量提高了2.94～10.87倍，能够有效增加煤层透气性。

• 超声波作用下煤体微观结构的试验研究

  宋超, 姜永东, 王苏健, 王鹏, 李业, 宋晓,

  为了揭示声震法提高煤层气抽采率的微观机理，通过扫描电镜、比表面积及孔径分析仪、核磁共振分析仪，试验研究了超声波处理对煤微观结构的影响。试验研究表明：超声波的机械振动效应能清洗干净含水煤体表面及裂隙通道中的微颗粒，打开煤中的封闭孔，局部破碎松软煤体，产生新的裂隙；超声波处理后，煤的总孔容、比表面积、平均孔径、孔隙率增大，T2谱峰值增大、煤孔裂隙连通性增加，有利于煤层气的解吸、扩散和渗流；超声波处理后，煤对N2吸附量增加，吸附与解吸过程存在吸附滞后现象，形成较大的滞后环，滞后环属于类型C；煤的孔隙、裂隙结构受超声波空化效应、机械振动效应和热效应的影响。研究内容为声震法提高煤层气抽采率提供了依据。

• 压裂层双重介质中煤层水渗流规律仿真试验研究

  帅官印, 张永波, 郑秀清, 陈军锋, 张志祥, 赵雪花,

  为了探究发生井间干扰前煤层水的渗流规律及双重介质的渗透性规律，利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件，对煤层气开采压裂煤储层后形成双重介质中煤层水渗流特性进行了仿真试验研究。试验结果表明：排水一段时间后，裂缝区域裂隙水压力明显低于周围煤岩孔隙水压力;在任意一条垂直于裂缝的压力切面上，裂缝处压力最低，向两边压力逐渐升高;沿裂缝方向，裂缝末端压力最高，靠近井筒，压力降低，井筒处压力最低；排水时，裂缝中的煤层水最先进入井筒，并且水头降低很快，同时，在压差作用下，煤岩中的水不断渗流进入裂缝，再经裂缝流入井筒；将测得的该速水头数据拟合后，得到双重介质x方向上渗透系数为0.013 5 m/s，y方向渗透系数为8×10-8m/s。研究结果可为分析煤层气开采对地下水水动力条件和储存条件的影响提供参考。

• 采动地表下沉时间序列的曲线拟合研究

  刘玉成,

  基于煤层开采地表下沉的时间过程为先加速后减速的变速运动的特征，提出了一种适合采动地表下沉时间序列曲线的拟合函数，分析了该函数中的拟合参数b和c对曲线形态、下沉速度和加速度的影响规律。用1stOpt 1.5软件编制计算程序，拟合了实测的煤层开采引起的地表下沉时间序列曲线，并与其他3种类型的拟合函数进行了对比分析。研究结果表明：提出的拟合函数的数学公式简单、参数数量适中，从下沉曲线形态，下沉速度和加速度3个方面均符合煤层开采地表下沉的动态过程。该拟合函数对实测曲线的拟合精度高，拟合的相关系数为0.996 8，用该拟合函数预测的最大下沉量468.7 mm、计算出的最大下沉速度为0.325 mm/d，对应的时间594.3 d，均与实测值接近。

• 浅埋深煤层开采沉陷预测方法应用及研究

  李强, 王继仁, 杨庆贺,

  煤炭资源开采引起的地表沉陷问题一直是绿色开采亟待解决的关键技术问题之一。为了弄清近浅埋条件下工作面回采覆岩垮断及地表沉陷规律，以店坪煤矿5号煤层开采面临的实际问题为研究背景，采用理论计算、数值模拟与现场实测相结合的方法，对5-210工作面回采条件下地表沉陷规律及其对地表保护区内建筑物的影响进行研究。基于采空区岩体应力-碎胀系数关系和开采沉陷基本原理，建立了地表下沉移动轨迹模型，理论预测工作面开采后的地表下沉规律，其最大下沉量为2.604 m。利用FLAC3D数值模拟软件，建立了工作面回采地表沉陷数值计算模型，并利用Tecplot软件进行模拟结果的后期处理，模拟得出的地表沉陷最大值为2.78 m，最大下沉位于点位于工作面中心位置。依据地表沉陷控制基准，利用几何关系计算得出地表沉陷影响范围及工作面布置的合理边界，将5-210工作面布置在+830 m水平南翼，西与830南翼皮带巷相通，东至井田边界。并对回采期间地表运移沉陷规律进行了现场实测，利用GPS接收机进行RTK实时动态观测收集数据，监测结果显示，地表最大下沉量2.69 m，采空区地表沉陷区域没有影响工业广场上的建筑物的安全。基于理论计算和数值模拟相结合的方法，设计了5-210工作面合理位置和空间布局，取得了良好的实践效果，为类似地质条件的采空区地表沉陷预测提供了可靠的依据。

• 三维瞬变电磁法超前探测勘探钻孔封堵效果研究

  邢修举, 吴正飞, 蒋齐平, 张倚瑞,

  为了对煤矿地质调查的钻孔封堵效果做出有效评价，基于传统的瞬变电磁超前探测技术，设计在掘进工作面定点的多方向的小线圈三维超前探测技术及探测结果三维可视化方法，并在小回沟煤矿对BZ-13勘探钻孔的封堵效果进行了探测。研究结果表明：该钻孔在水平二维扇形拟断面图上成一个低于25 Ω·m的近似圆形的低阻区域，在垂直巷道掘进的二维扇形拟断面图上成一个低于25Ω·m的近似条带状低阻区域，依据矿区探测经验，视电阻率在20~25 Ω·m时，煤岩层会有少量含水，经钻探验证，瞬变电磁探测结果准确，说明该方法能够较准确地确定钻孔的位置以及其导含水情况；三维立体显示，使钻孔范围及位置更直观,呈现一个近似直立的圆柱状形态，使探测成果更加易于分析,可更好地指导煤矿安全生产。

• 淮北煤田煤成气低渗砂岩储层综合评价研究

  王永建, 潘建旭, 刘咸卫,

  煤成气是天然气资源的重要补充，淮北煤田煤成气资源丰富，勘探潜力较大，但煤气对低渗砂岩储层研究，进行储层评价更少，为了有效评价淮北煤田二叠系山西组、下石盒子组和上石盒子组砂岩低孔低渗储层，利用孔渗测试、岩石薄片分析、扫描电镜等方法，以沉积相、孔渗特征、孔隙结构、孔隙类型及成岩作用等为评价参数，对其进行了综合评价。结果表明：从孔渗性和孔隙结构看，上石盒子组最好，其次为山西组，下石盒子组较差；从孔隙发育程度和类型看，上石盒子组孔隙最发育，主要为原生孔隙和次生溶孔，其次是山西组，主要为次生溶孔，而下石盒子组孔隙发育较差；综合评价看，上石盒子组砂岩储层发育最好，Ⅰ类储层占22.65％，Ⅱ类储层占50.32％，Ⅲ类储层占27.03％；其次为山西组砂岩储层，Ⅰ类储层占21.7％，Ⅱ类储层占42.05％，Ⅲ类储层占36.25％；而下石盒子组砂岩储层较差，Ⅰ类储层占2.91％，Ⅱ类储层占38.85％，Ⅲ类储层占58.24％。

• 基于MapGIS的大佛寺井田煤层气资源有利区预测

  王鹏, 李图南,

  大佛寺井田位于彬长矿区的南部，根据勘查钻孔显示煤层含气量低，但煤层厚度较大，煤层气资源量丰富，具有很高的开采利用价值。为了弄清该井田煤层气储藏特征，合理指导有效开采，以大佛寺井田4煤为例，通过对各地质因素与参数井含气量进行相关度分析，确定了影响4煤含气量的几个主控因素，然后依据模糊综合评价的思想建立评判体系，最后在MapGIS平台下实现数据的处理与叠加分析，完成对大佛寺井田4号煤层煤层气资源有利区的预测。研究结果表明：影响大佛寺井田4号煤层含气量的主控因素为：煤层厚度、埋深、变质程度及上下部延安组泥岩厚度，煤层气储藏最有利区、有利区、较有利区、不利区和最不利区分别占井田面积的8%、30%、40%、17%和5%。

• 吐哈盆地沙尔湖煤田煤质煤岩特征及煤相分析

  李玉坤, 李广,

  吐哈盆地位于新疆东部天山地区,盆地内侏罗系是一套重要的含煤地层，赋存丰富的煤炭资源，以现代沉积学、煤岩学、煤化学和煤相学理论为指导，充分利用煤心样品的测试数据与煤岩鉴定等资料，对研究区煤质、煤岩和煤相特征进行了分析研究。研究结果表明：煤质特征为特低灰-中灰分煤、特低硫-中等硫煤、中-中高发热量煤；显微煤岩类型分析表明煤层顶部为微镜煤，煤层下部为微镜惰煤；顶部煤层沼泽类型应为覆水森林沼泽，沉积环境为近湖沼-浅沼相，中下部煤层沼泽类型主要为湿地森林沼泽；沉积环境为浅沼相。综合分析认为研究区煤层形成过程中总体为一个缓慢下沉水进过程，主要成煤期沼泽环境稳定，沉积环境为浅沼相，形成了巨厚C8煤层，之后沼泽覆水程度逐渐加深，沉积环境也向湖沼-浅沼相演变。

• 基于两端逼近算法的边采边复基塘布局确定方法

  张瑞娅, 胡振琪, 肖武, 刘坤坤,

  为了优选确定采煤沉陷地边采边复规划设计中最佳基塘复垦布局、提高耕地恢复率、降低复垦成本，根据边采边复技术思想和采煤沉陷特征，分析了影响边采边复基塘布局的4个方面因素，并在此基础上建立了基于两端逼近算法的边采边复基塘布局确定方法和流程，以安徽省淮南市某高潜水位煤矿为研究对象进行了模拟验证。结果表明：该边采边复基塘布局确定方法简单有效 ，与传统复垦最终基塘布局相比耕地恢复率可以提高17.48%，更好地保护了当地珍贵的耕地资源，保障了粮食安全；与此同时在基塘比例一定的情况下，边采边复最终基塘布局能够节省约13.40%的外来充填土方费用，从而降低复垦成本。

• 掺烧哈密地区高碱煤沾污特性的试验研究

  杨益, 陈晨, 陈珣, 王敦敦, 姚斌,

  为研究不同煤种掺混比例和蒸汽吹灰对炉膛出口温度和温升的影响，选用新疆哈密大南湖地区神华二矿煤（高碱煤）与巴里坤地区保利煤（低碱煤）作为研究对象，采用双色测温法对炉膛温度进行矩阵测量，并根据锅炉各受热面烟温、汽温的变化情况，推算各受热面的沾污系数。由沾污系数随时间的变化规律推断各受热面的结渣状况，分析比较吹灰前后炉膛出口温度、炉膛各区域温度、各受热面沾污系数的变化情况。结果表明：随着高碱煤掺烧比例的不断增加，炉膛结渣情况越严重，掺烧比例应控制在80%以下。最佳掺烧方案是下5台磨煤机运行，A磨煤机为低碱煤，其余磨煤机为高碱煤。研究根据吹灰前后的结渣、掉渣平衡特性综合判断掺烧方案的可行性，并为吹灰频率提供指导。

• 采空区非均质多孔介质渗透特性三维建模及应用

  司俊鸿, 程根银, 朱建芳, 褚廷湘,

  为了减小采空区渗透率分布对流场数值模拟精确程度的影响，在岩梁理论和“O”型圈理论研究的基础上，分析了采空区非均质多孔介质孔隙分布规律，建立了采空区孔隙率及渗透率三维分布数学模型；以姚桥煤矿7271综放工作面采空区注CO2防灭火技术为研究背景，采用FLUENT数值模拟方法，分别研究了采用渗透率三维分布模型及不同固定常数渗透率时采空区气体运移规律，并进行了现场实测对比分析。研究结果表明，沿采空区深度方向，采空区的孔隙率在靠近工作面侧较大；沿工作面倾向，采空区内靠近煤柱侧的孔隙率变化较大，压实稳定区的孔隙率较小。随着渗透率的增大，工作面漏入采空区的漏风量增大，CO2不易在采空区中聚集；当渗透率减小时，CO2的体积分数由回风巷侧逐渐向进风巷侧升高。数值模拟采用渗透率三维分布函数得出的结果与实测数据的平均误差为8.0%，小于固定常数渗透率，以为采空区风流场数值模拟研究提供了基础参数依据。

• 基于标准差标准化的矿井瞬变电磁数据处理方法研究

  李明星, 程建远,

  基于体积效应及干扰等影响，常规处理手段得到的视电阻率断面特征复杂多变且会存在假异常，容易对分析解释工作造成误判，为解决矿井瞬变电磁探测中常规视电阻率直接成图解释方法精度不高的问题，提出基于标准差标准化算法的资料处理解释方法，该方法将统计学理论引入矿井瞬变电磁数据分析中，从数据角度消除量纲单位及数据变异带来的误差影响，解决电阻率异常解释范围过大的问题，实现异常的聚焦定位解释。研究结果表明：通过对数值模拟数据和现场实测资料处理 ，针对矿井瞬变电磁超前探测问题，除在施工时采用降低干扰影响的相关技术手段提高数据质量之外，还可在后期数据处理过程中采取合理算法，提高成图及解释效果；基于标准差标准化算法的资料处理解释方法能够改善视电阻率异常解释曲线绕迎头环状分布问题，降低体积效应及干扰因素的影响，有效突出异常，异常解释成果与钻孔实际揭露情况吻合较好。此方法可有效提升矿井瞬变电磁资料解释精度，提高解释成果的可信度。