煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2020年第11期

• 煤矿巷道掘进技术与装备的现状及趋势分析

  王步康,

  “采掘失衡”是影响煤炭开采效率的主要原因，通过回顾煤岩截割理论与截割机构的发展历程，归纳了镐型截齿截割机理与截割滚筒研究现状与进展。介绍了地质条件、掘进装备、掘进工艺之间的相互关系，阐述了适应不同地质条件的掘进装备与掘进工艺发展现状，通过对当前悬臂式掘进机、掘锚一体机等煤矿巷道主力掘进装备及其配套工艺的研究，分析了掘进技术装备与工艺在提高巷道掘进效率中产生的作用效果。通过对比国内外掘进装备技术标准，指出标准的缺失落后已成为制约我国煤炭掘进技术与装备发展的重要因素，可通过国际对标，解决掘进技术装备可靠性问题。在总结掘进技术与装备现状的基础上，结合现阶段国家政策、行业发展、市场需求、新技术应用等方面的现状，从巷道掘进基础理论研究、装备智能化与成套化、掘进机器人、现代感知技术等层面，预测了掘进技术与装备未来发展方向与趋势。

• 煤矿掘进机井下巷道环境建模与障碍检测方法研究

  杨健健, 王超, 张强, 常博深, 王帆, 王晓林, 吴淼,

  针对煤矿井下狭长密闭巷道内掘进机难定位、难定向的问题，进行了基于激光雷达的煤矿掘进机井下巷道环境建模与障碍检测方法研究，用于判断巷道边缘形状，预测掘进机行进方向。建立了煤矿井下掘进机运动学模型与激光雷达观测模型，解算掘进机在煤矿井巷内部的掘进距离、位置等相关掘进参数，将狭长密闭的巷道环境建模问题转换为数理上的概率统计与数学模型预测问题。同时，对激光SLAM环境建模算法进行分析，将可行性巷道环境建模算法进行优化改进，进一步提高井下巷道环境建模线条特征提取的精确度。试验结果表明：基于激光雷达的煤矿掘进机井下巷道环境建模与障碍检测方法，可以有效解决掘进机在井下掘进过程无地图指导的问题，当距离阈值参数为0.05，角度阈值参数为0.06时，HectorSLAM算法可以精确提取片帮巷道边缘形状，对巷道中的障碍做出识别，为预测掘进机行进方向和判断巷道形状提供保障。

• 基于激光靶向扫描的掘进机位姿测量方法

  薛光辉, 张云飞, 候称心, 吴淼,

  智慧矿山是我国煤炭工业转型升级的发展方向，煤炭开采的智能化与无人化是煤炭工业发展的必由之路。掘进机是井工煤矿综合机械化巷道掘进作业的关键装备之一，其位姿的测量是控制掘进机自主行进与智能截割，进而实现巷道定向掘进的基础和前提，但现有的掘进机位姿测量方法或系统存在缺陷。为实现掘进机机身绝对位姿的测量，提出了基于激光靶向扫描的掘进机位姿测量方法，阐述了测量系统的组成及工作原理，研究了激光空间图形变换规律及测量系统中各坐标系之间的转换关系，建立了基于激光靶向扫描的掘进机位姿测量系统数学模型，解算了掘进机相对于巷道大地坐标系的绝对位置和姿态信息的数学表达式，分析了影响掘进机位姿测量精度的误差因素，得到不同测量距离和激光发射器间距情况下掘进机各位置和姿态参数测量误差的变化规律。结果表明：随着激光发射器间距的增加，误差减小。在测量次数为10次、测量距离为50 m的情况下,X轴精度小于1 cm，Y轴和Z轴误差较大，翻滚角精度小于0.1°，俯仰角精度小于0.4°，方向角精度小于0.6°。研究发现：测量系统的主要误差来源是激光标靶的激光光斑中心点坐标提取误差；增大激光发射器的间距以及合理规划激光标靶的安装姿态可减小位姿参数的测量误差。

• 煤巷快速成巷技术现状及应用效果评价方法研究

  刘畅, 姜鹏飞, 王子越, 韦尧中, 罗超, 郭吉昌,

  当前我国煤巷整体成巷速度慢，造成采掘失调。针对煤巷快速成巷，国内外在掘进装备、临时支护、永久支护等方面研发了多种形式的掘支装备。现有煤巷掘支装备主要包括：悬臂式掘进机、连采机、掘锚机及全断面掘进机；临时支护主要包括：自移式支架、掘进机液压顶棚、护盾式临时支护机构等，永久支护包括：钻锚一体化锚杆、掘锚一体机、锚杆钻车及其他集成化液压锚杆支护装备。现场实践发现，现有技术中掘进装备较为成熟，能够基本满足煤巷截割破岩的需求，但临时支护强度不足、不能顶帮全覆盖及时支护，难以满足我国大多数煤巷临时支护的要求。永久支护工艺复杂，提速效果有限。整体上看，现有装备尚难满足我国一般及复杂地质条件下煤巷快速成巷的需求，且在短期内难以实现较大突破。实现我国煤巷快速成巷除了需要针对我国煤矿具体的条件开展针对性研发外，还应建立针对我国各类围岩条件的快速成巷技术评价方法，最大程度利用现有装备提升煤巷成巷速度。影响煤巷快速掘进的主要因素包括：围岩地质力学条件、工程条件、掘进与支护装备条件等。快掘系统的效果评价应在确定影响巷道快速成巷主要因素的基础上，分析各因素对巷道掘进的影响程度并按影响程度排序，进而对比确定适用于相应条件的巷道快速成巷装备，为快速成巷装备的选型提供依据。

• 掘进机截割卸压岩石时截齿力学特性研究

  张强, 张润鑫, 王禹,

  钻孔卸荷是提高在高地应力作用下深部岩石掘进效率的主要措施，可有效降低围岩应力，提高掘进效率；钻孔卸荷后岩石产生应力转移、强度劣化且在岩体内部呈非线性分布，导致岩体的掘进特性发生变化。为保证对钻孔卸荷岩石的快速高效掘进，基于有限元分析软件研究不同参数作用对钻孔卸荷岩石掘进效率的影响，研究结果表明：在地应力为50 MPa的工作环境下，截割角度为30°时，截齿受到高地应力的持续作用，受力较大，不适于对卸荷岩石的掘进；截割角度为45°、60°时截齿三向受力明显减小，且随着截割参数的变化，截齿受力变化率在8%～54%，截割参数配比对截齿力学特性有较大影响，其中最佳掘进参数为截割角度60°、截割速度2 m/s、截割深度0.07 m；多齿模拟中截齿间距为0.075 m时，截齿受力最小，且同步截割截齿在X向和Z方向受力最大特征值均小于异步截割截齿受力特征值，同步截割掘进效率高于异步截割。研究结果为高地应力卸荷岩石非爆式机械化连续开采提供理论依据。

• 悬臂式掘进机远程虚拟操控系统研究

  张旭辉, 魏倩楠, 王妙云, 张雨萌, 杜昱阳, 吕欣媛,

  为解决悬臂式掘进机远程控制中存在的控制距离短及高粉尘和高水雾而导致操作人员劳动强度过大，无法真正脱离井下恶劣环境等问题，提出一种悬臂式掘进机虚拟远程操控系统，将虚拟现实技术运用到悬臂式掘进机远程控制中，实现虚拟设备与井下设备同步运动，虚拟模型数据驱动和动态修正等功能。首先，对悬臂式掘进机的机身与截割部进行姿态解析，在Unity 3D开发平台中实现悬臂式掘进机的运动仿真；其次，对可视化人机交互控制进行设计，建立虚拟交互界面，为远程操控者提供可视化控制决策依据，使操作者能在虚拟可视化平台中对悬臂式掘进机进行控制，对关键部位动态修正方法进行解释说明；最后，通过试验验证实时状态下掘进机截割臂在虚拟界面与真实情况下位姿的对比，利用悬臂式掘进机虚拟远程操控系统控制设备截割一个断面，同时采集真实设备与虚拟设备的位姿数据，对2者的截割轨迹进行比较。结果表明：2者截割轨迹重合度达到99.6%，虚拟悬臂式掘进机能够实时准确地呈现真实悬臂式掘进机的位姿状态与变化，对于井下机械设备虚拟远程控制提供理论支撑与应用实践。

• 基于附壁风筒的综掘工作面除尘技术研究进展

  荔军,

  为了提高煤矿综掘工作面粉尘治理效果，改善综掘工作面工作环境，首先介绍了控尘技术的工作原理及发展历程，论述了控尘技术为适应我国煤矿条件在工艺参数、设备轻量化等方面的改进研究；然后对煤矿广泛使用的湿式、干式除尘器的工作原理、技术特点、优缺点进行了全面的对比分析，为不同地质条件巷道除尘器的配置提供了参考依据。通过对17套井下干式除尘器的初始使用情况和长期使用情况进行调研，发现控尘技术在巷道粉尘治理中起着重要作用，配置有控尘技术的巷道，其总除尘效率可达96%～98%，呼吸性粉尘除尘效率可达93%～95%；而在未配置控尘技术的巷道，其总除尘效率降至76%，呼吸性粉尘除尘效率降至71%。调研发现控尘工艺与当前通风规程相冲突，控尘设备移动困难、操作复杂等因素是影响煤矿综掘工作面粉尘治理效果的主要原因。最后结合笔者的工程经验及当前技术的发展趋势，提出了煤矿综掘工作面粉尘治理的几点建议，包括：开展控尘工艺对煤矿巷道通风安全的影响研究及评价，消除通风规程与控尘工艺的冲突；开展巷道通风除尘工艺参数的在线检测监控系统研究，为控尘工艺在巷道中持续安全运行提供技术支撑；开展个体及巷道粉尘浓度连续在线监控，加强巷道粉尘治理水平的监控；将粉尘治理水平纳入管理考核体系，加强粉尘治理观念及管理。

• 单轴压缩下砂岩微破裂演化力学行为研究

  李炜强, 许沁舒, 成功, 李冬伟,

  为分析岩石变形各阶段微裂纹孕育力学行为，探究了微观破裂发展和宏观破坏之间的演化关系，利用高速摄像仪和2套PCI-II声发射监测系统对砂岩岩样进行单轴压缩条件下监测试验，结合声发射信息与岩石微破裂的响应关系，对比分析了岩石变形各阶段声发射演化特征以及微破裂强度与破裂尺度时空演化特征，并运用矩张量反演手段获取了岩石微破裂源的产生类型和运动方向，分析裂纹发展趋向，得到了岩石破坏失稳前兆信息，揭示了微裂纹孕育演化成宏观破坏过程中的力学行为。结果表明：声发射参数演化特征与岩石各变形阶段有着较好的对应关系，且在声发射频域上存在3条主频带，分别为低频带(90～130 kHz)、中高频带(250～280 kHz)、高频带(280～330 kHz)。声发射波形持续时间与微裂纹的尺度存在正相关性，达到屈服强度前，持续时间绝大多数处于500 μs以下；屈服强度后，微破裂加剧，微破裂强度和尺度变得更为丰富，频域上出现明显中频带(130～250 kHz)，大量声发射波形持续时间处于1 000 μs以上水平的活动出现，而且裂纹的产生和演化由无序状态转化为有序发展状态，微破裂运动方向逐渐偏向轴向应力方向，剪切破裂源开始主导损伤，微破裂集结成核，随后出现宏观主裂纹。将中频带声发射活跃，高强度大尺度微破裂集中出现，微破裂有序化发展3种特征现象作为评价岩石破坏失稳的前兆信息。

• 8.8ｍ特厚煤层采场覆岩运动与应力动态演化研究

  王海军, 刘英杰,

  为揭示8.8 m特厚煤层开采过程中覆岩运动与应力演化规律，以上湾煤矿12401综采工作面为背景，利用相似模拟、数值模拟、现场实测等方法开展了研究和分析。研究结果表明：随着工作面推进，工作面前方煤层中的最大和最小主应力均发生集中现象，应力集中程度随着工作面推进而增大，最大主应力集中程度和变化梯度大于最小主应力，但峰值超前煤壁范围小于最小主应力峰值超前煤壁范围；采空区存在应力恢复现象，随着工作面推进，应力恢复程度逐渐升高，最大主应力恢复程度高于最小主应力；工作面附近大裂缝与井下来压关系密切，地表会出现相对较大的裂缝，靠近回采巷道位置裂缝宽度变窄；基岩较薄处覆岩只存在冒落带和裂隙带，弯曲下沉带随着基岩厚度的变化而改变。开展8.8 m特厚煤层采场覆岩运动与应力演化规律的研究能够为神府东胜煤田特厚煤层资源开发利用提供指导。

• 回采速度对采场能量释放的影响规律研究

  冯龙飞, 窦林名, 王晓东, 许刚刚, 蔡武, 朱广安, 焦彪,

  开采活动是造成煤矿强矿震甚至冲击地压的根本原因。针对回采速度对采场围岩弹性能释放的影响机制，通过理论分析、数值模拟、现场实测的方法，阐述了回采速度对采场支承压力-顶板破断释放能量的影响，实现了开采过程中采场围岩矿震能量的时空演化特征模拟，统计了回采速度对矿震能量、频次分布的影响结果。研究结果表明：回采速度越快，单位时间内模型释放的总能量和最大能量越大；模型释放的总弹性能峰值随开挖次数的增多而增大；证明了围岩的能量积聚程度会随回采速度和开挖次数的增大而增强；且回采速度越快，采场围岩大能量矿震所占的比例就越高。通过实际采场围岩矿震能量的统计分析验证，根据日平均总能量和大能量矿震日平均频次随回采速度的变化梯度，确定402103工作面中等及以上冲击危险及区域的合理回采速度区间为3.2～4.8 m/d，并将统计分析结果应用于邻近工作面的开采强度优化，取得良好效果。

• 煤层采动覆岩破坏规律与控制技术研究进展

  张玉军, 张志巍,

  采动覆岩破坏规律与控制技术是煤矿安全生产、地表防护、地下水资源保护的重要基础。从水体下采煤视角，重点介绍了采动覆岩破坏规律和控制技术的发展现状及最新研究成果。包括采动覆岩破坏结构演化及破坏特征，覆岩破坏类型及形态，覆岩破坏发育规律及预计方法，重点论述了不同开采工艺和特殊地质以及高强度开采条件下的覆岩破坏规律及预计方法；介绍了覆岩破坏实测方法，表明探测手段已由传统的单一技术向着钻探和物探多手段结合，地面和井下相结合，传统手段与微震监测，微电阻率扫描，光纤测试等新技术专业解释相结合等方向发展；从三下采煤角度阐述了覆岩破坏控制技术的进展。研究与实践表明：经过近60年的研究与实践，我国已经形成了较为完整的采动覆岩破坏与控制体系，为煤矿安全、高效、绿色开采提供了可靠的技术保障。最后，提出了采动覆岩破坏规律和控制技术的未来发展趋势。研究认为我国深部矿井、高强度开采、西部特殊地质条件，低损害以及智能化等将成为未来采动覆岩破坏及控制技术研究领域的焦点和发展方向。

• 露天开采土地扰动强度量化及演化规律研究

  王忠鑫, 王金金, 马培忠,

  针对科学定量化评价露天开采对土地扰动强度的难题，基于露天开采扰动效应理论，运用标准煤和生态足迹计算原理，提出了评价指标的公平转化准则和详细计算方法。结合露天矿全生命期采排工程时空发展规律，绘制了土地挖损强度(LEI)和土地压占强度(LOI)的变化曲线，划分了变化阶段，分析了各阶段的指标特征。以准格尔矿区露天矿为例进行了实证研究：受哈尔乌素露天矿开工建设的影响，2006—2010年LEI和LOI的年均增长率分别为56%和70.42%，土地生产力弹性系数LPR1且年均增长率为17.5%，至2015年底准格尔矿区土地生产力增加了近1倍，开采吨标准煤扰动的实际土地面积较2014年以前减小了35.9%，负向土地扰动效应正在逐渐减弱。研究结果表明：以土地挖损强度(LEI)、土地压占强度(LOI)和土地生产力弹性系数(LPR)等3个指标来量化露天开采对土地产生的扰动效应是符合实际的，但仅从露天开采对土地的挖损和压占角度分析露天矿对环境的破坏作用是不全面的，还应全面考虑土地复垦和生态重建对土地价值和环境功能的改善和提升作用。因此露天矿的决策是影响土地扰动强度的关键，对露天矿的科学规划和设计是减弱扰动效应的关键途径。

• 新景矿综采面覆岩采动裂隙三维分布规律研究

  白建平, 郝春生, 杨昌永, 姚晋宝, 周建斌, 李生奇, 石晓红,

  掌握高瓦斯煤层覆岩裂隙的分布规律，对于合理布置高抽巷或定向钻孔位置，提高瓦斯抽采效果有重要意义。以阳煤集团新景矿3213工作面为工程背景，运用相似模拟和CDEM三维离散元模拟等方法研究了工作面回采后覆岩运动和裂隙发育规律，得到了工作面基本顶初次破断和周期破断距离，覆岩裂隙发育高度及演化形态。结果表明：3213工作面基本顶初次来压步距为30 m，周期来压步距为10～15 m；跨落覆岩呈底宽顶窄的"梯形"结构，工作面端的跨落角随周期来压发生变化，大小在55°～65°之间；根据相似模拟的裂隙观测和数值模拟三维位移分布情况，确定垮落带高度为8.6 m，是采高的3.4倍；裂隙带高度为25.7 m，是采高的10.3倍。工作面上方覆岩裂隙发育具有很强的周期性，随基本顶破断呈阶梯状上升，且发育到一定高度后贯穿裂缝不再向上延伸，其上部裂隙均为离层裂隙，最终形成的裂隙带呈三维环状分布，环形截面为斜梯形，底面外环距采空区边界9 m，底面宽20 m，顶面宽25 m，高度为煤层顶板上方10～20 m。确定裂隙发育环三维位置和范围对工作面及采空区瓦斯治理有重要的意义，高抽巷或抽采钻孔应尽量布置在裂隙环顶部位置，既能够使巷道或钻孔保持完整，又能够达到最佳抽采效果。

• 采空区垮落岩体空隙率分布规律及其形成机理研究

  韩丹丹, 胡胜勇, 张奡, 郝国才, 胡岚清,

  基于岩块间应力的传递和演化会改变采空区垮落岩体的密实程度，进而影响垮落岩体空隙的分布，最终影响采空区瓦斯的流动特性，为了解采空区瓦斯运移通道，获得控制瓦斯流动的理论依据，基于离散单元法，采用Hertz-Mindlin接触模型，通过自编程序，分别模拟了直径为0.6、0.8、1.0 m的岩块组成的垮落岩体在轴向应变为0、0.05、0.10、0.15、0.20和0.25%下的压实过程，研究了采空区垮落岩体内应力是如何通过改变岩块间的接触网络来影响垮落岩体空隙率的分布。研究结果表明：垮落岩体内应力通过岩块间的接触网络进行传递，随轴向应变增大，垮落岩体内应力逐渐增大，传递应力的接触网络也越密集；压缩过程中，外部载荷无法从垮落岩体顶部的受力端均匀地传递到下部，使垮落岩体上部岩块受力大于下部，且随轴向应变增大，岩块间接触力较大的区域自垮落岩体上部向下不断扩展；由于垮落岩体下部岩块受外力扰动小，使垮落岩体下部岩块间的接触网络较疏松，配位数较小。垮落岩体自下向上空隙率先急剧降低，随后缓慢下降。其中自然堆积状况下，垮落岩体因自重所产生的应力较小，不同层位岩块的配位数相差较小，使垮落岩体底部空隙率仅为上部空隙率的1.1倍。而在压实状况下，垮落岩体不同层位岩块受力相差较大，垮落岩体底部岩块的配位数远小于垮落岩体上部，导致垮落岩体底部空隙率是上部空隙率的1.4倍。

• 三软煤层复合顶板巷道控制技术研究

  徐燕飞, 徐翀, 陈永春, 安士凯, 毕波,

  为解决淮南矿区三软煤层复合顶板巷道锚杆支护过程中存在的局部支护结构变形、损伤以及巷道破坏等工程问题，采用现场测试、理论分析、数值模拟、工程验证的研究方法,分析了三软煤层复合顶板巷道锚杆支护失效原因和围岩控制机理，指出淮南矿区为实现锚杆支护对三软煤层复合顶板巷道的稳定控制，在锚杆支护设计和管理上应注重以下4方面：①利用合理长度的锚杆和支护附件构建起围岩浅部的“压力拱”结构；②使锚索深入围岩内部稳定岩层，在深部有效发挥“悬吊”作用；③加强对巷道薄弱部位的支护；④设计合理的施工参数，协调围岩体和支护体变形。以顾桥煤矿13-1三软煤层复合顶板巷道锚杆支护为工程背景，在锚杆支护控制运用理论方面，基于新奥法动态信息化施工过程指导思想，构建了由设计、施工、监测、评价、优化环节构成的三软煤层复合顶板巷道控制技术体系；在锚杆支护参数选择方面，从初始参数设计、参数检验、现场参数适时调整、薄弱部位强化等环节出发，确立了锚杆参数动态管理方法，在锚杆施工管理方面，从施工质量标准化体系建设和支护安全措施保障入手，构建了锚杆施工管理保障技术；在锚杆支护系统可靠性分析方面，引入一次二阶矩JC法，从锚杆锚固力和承载力两项指标出发，分析了锚杆支护结构的可靠性；基于对支护薄弱环节结构可靠性提高的考虑，对原支护方案进行了优化；获得了淮南矿区三软煤层复合顶板巷道锚杆支护结构可靠指标β值取1.0～1.5为宜。

• 煤岩定向射孔对水力压裂裂纹扩展影响的研究

  陈德敏, 隆清明, 岳建平, 张宪尚, 牟景珊,

  瓦斯抽采是制约煤矿高效生产的关键。为提高低渗透、难抽采煤层瓦斯抽采效率，针对煤岩定向射孔对压裂裂纹扩展的影响，采用扩展有限元方法对水力致裂煤层流固耦合模型进行求解，研究并揭示了应力差、射孔方位角及射孔深度对裂纹扩展规律、起裂压力及裂纹宽度的影响。研究结果表明：射孔转压裂时，裂纹先在射孔的孔底处起裂，并最终转向了与最大水平主应力一致的方向上继续扩展；平面应力差增大时，更容易形成长而宽的裂纹，平面应力差由2 MPa增加到7 MPa的过程中，起裂压力增加了94.4%，但最终形成的裂缝宽度增加了375%；射孔方位角越大，所形成的裂纹越短，射孔方位角从0°增加到60°的过程中，裂纹的起裂压力增加了187%，而最终形成的裂纹宽度降低了84%；较深的射孔能形成较长和较宽的裂纹，当射孔深度与钻孔半径的比值从1.0增加到3.5的过程中，裂纹的起裂压力降低了51.4%，而裂纹的宽度增加了145%。因此建议在实际的施工中，要尽可能准确地取得煤层地应力分布情况，选择与最大主应力一致的方向上射孔，并选择合适的射孔参数，以达到较为理想的射孔深度。

• 采动裂隙形态响应及覆岩渗透性演变试验研究

  孔胜利, 贾音, 程远平, 宋雨晴, 杨洋,

  采场覆岩岩层移动和裂隙发育产生的卸压增透作用是实现瓦斯高效抽采的保障，为了探究回采中采动裂隙的分布和覆岩渗透性的演变，基于相似模拟技术，分析了裂隙的形态响应过程，并利用瞬态流量法以空气为介质对覆岩渗透性进行了测试，研究结果表明：裂隙布展在频数上，近开切眼区域高于采场内部；在形态上，裂隙角度多集中在水平夹角0°～10°、90°～110°和170°～180°三个区域，近开切眼区域裂隙角度与岩层卸压角表现出一致性，而在采场内部裂隙角度多以正交方向为主。回采过程中，测点流量数据与采动影响密切相关，水平方向上各测点流量均经历了波动—激增—稳定3个阶段，而垂向上流量激增阶段较不明显，最终稳定流量与测点与回采层位层间距呈负相关。利用数据拟合，获得了描述覆岩渗透性与层间距关系的三参数对数式，并对各参数的物理意义进行了解释。研究成果可对瓦斯抽采的工程参数布置提供一定的指导。

• 不同温度煤裂隙流动优势性的热流固耦合数值模拟

  李宝林, 魏国营,

  煤层温度因采深加大而不断升高，煤体孔裂隙中的流体在不同温度条件下的优势流动方向和流动优势参数均不同。研究不同温度条件下煤体孔裂隙中的瓦斯流动优势性，对防治煤与瓦斯突出灾害的发生具有重要意义。采用COMSOL Multiphysics有限元软件建立了含瓦斯煤体的热流固耦合数值模型，并基于Monte-Carlo法模拟煤体裂隙，在4种试验温度条件下研究了瓦斯在全贯通裂隙、部分连通裂隙和孔隙中的流动特征。结果表明：在模型边界载荷恒定、边界渗流瓦斯压力差恒定以及煤体温度处处相同的情况下，煤体温度越高，煤体孔裂隙中的瓦斯压力、瓦斯压力场范围以及瓦斯压力梯度越大。煤体温差变化越大，煤体孔裂隙中的瓦斯渗流速度、瓦斯渗流速度场范围以及煤体孔裂隙的渗透性变化越大，具体表现为：全贯通裂隙较其他孔裂隙的瓦斯压力、瓦斯压力场范围和瓦斯压力梯度更大；全贯通裂隙较其他孔裂隙中的瓦斯渗流速度、瓦斯渗流速度场范围和煤体孔裂隙的渗透率更大。因此，在4种试验温度下，温度越高且温差越大时，煤体全贯通裂隙中的瓦斯流动优势性越大，瓦斯更易沿全贯通裂隙进行渗流。

• 掘进工作面煤与瓦斯突出前兆特征及综合预警研究

  曹康, 李忠辉, 余得胜, 周明, 张酉年, 夏善奎,

  针对煤矿现行的煤与瓦斯突出静态预警方法预警指标单一且不连续，动态预警方法采用的临界值法容易产生误报等问题，通过分析金佳煤矿11227运输巷动力显现事件的前兆特征，提出了趋势预警方法作为声发射强度、电磁辐射强度、瓦斯浓度等指标预警的方法，并确定了声发射强度、电磁辐射强度、瓦斯浓度各指标趋势预警相关参数的临界值。在此基础上根据声发射强度、电磁辐射强度、瓦斯浓度指标预警结果，利用层次分析法确定了各指标权重，提出了声电瓦斯综合预警准则。通过现场应用及分析，结果表明：声电瓦斯综合预警方法可对掘进工作面突出危险性进行连续实时监测预警，综合预警准确率为92.7%，漏报率为0，误报率为7.3%，预警可靠性高，对防治煤与瓦斯突出保障安全生产具有重要的指导意义。

• 矿用防爆锂离子电池电源安全设计影响因素研究

  SEEKW, 王运鹏, 张勇, 张能, 臧才运,

  锂离子电池潜在的热失控风险及其可能引发的叠加效应对大型锂离子电池电源的安全设计提出了巨大挑战，因此在某些特殊应用领域，如煤矿井下爆炸性环境，大容量锂离子电池电源的使用依然存在诸多限制，难以普及。根据现有针对锂离子电池热失控行为的研究结论，在不进行充分的气体热力学和动力学分析的前提下，仅采用传统隔爆外壳对大容量锂离子电池电源进行防爆保护，存在隔爆外壳内部压力积聚的安全隐患。在分析现有研究工作的基础上，选用不同电池制造商生产的容量在72～280 A·h范围内的磷酸铁锂电池进行了热失控试验研究，全面分析了锂离子电池热失控过程中电池表面以及释放气体的温度、气体释放速度、释放气体在容器内产生的压力和释放气体的成分等相关参数。在此基础上，根据气体动力学和热力学特性，系统阐述了适用于煤矿井下爆炸性环境用可移动设备和后备电源等设备的锂离子电池电源在设计和制造过程中需要重点考虑的2个因素：①锂离子电池电源外壳内部的自由空间，②锂离子电池电源内部单体电池发生热失控事故时针对所释放气体的处理方法，并提出了必要的设计依据。本研究成果有望对爆炸性特殊环境用锂离子电池电源的防爆保护设计和安全完整性评估提供新的重要参考依据。

• 基于GIS与CAD 的煤矿地下水库库容计算平台开发研究

  姜琳婧, 方杰, 杨宗, 赵怡晴, 赵会杰,

  库容计算是煤矿地下水库的核心技术之一。针对库容计算方法效率低和准确度低的问题，提出了基于CAD的煤矿地下水库库容快速精准计算方法，首先基于ODA的TeighaX控件，实现了无CAD平台条件下，煤矿地下水库底板高程数据的自动准确提取；①基于GIS的不规则三角网模型，形成煤矿地下水库底板三角网格，并结合储水水位数据，构建了煤矿地下水库储水体积元，通过对各个体积元赋予不同的储水系数，实现了库容的精准快速计算。基于此，按照面向对象设计思路，开发了C#语言的.NET平台下煤矿地下水库库容计算WebApi接口，集成研发了Web端煤矿地下水库库容计算平台，实现了Web浏览器上传专题地图和库容的快速精准计算。以某煤矿地下水库为案例，分别采用传统方法和研发系统对储水区域较大的A1区和A3区进行库容计算，对比结果表明A1区的误差为0.68%，A3区的误差为2.66%，2种方法计算结果误差均在3%之内，说明应用研发系统计算的结果可靠，可满足库容快速计算的基本要求。

• 胜利煤田胜利组褐煤地球化学特征及古环境地质意义

  董振国, 赵伟, 郭军军, 肖兵, 李斌, 任玺宁, 崔春兰,

  早白垩世胜利组是内蒙古东部胜利煤田的主要含煤地层，为了查明胜利组煤层煤岩元素特征及沉积环境，为煤炭开采提供地质依据,系统地采集胜利组煤岩样品开展了煤岩物理化学、元素含量等的测试分析，基于元素地球化学等理论方法，对胜利组沉积时的沉积相、古盐度、古气候特征和古生产力条件进行综合研究。研究结果表明：胜利组煤质为褐黑色的褐煤，以亮煤和暗煤为主，镜煤最大反射率Ro=0.2%～0.5%，各煤层具有中高含水(Mad=12.12%)、低中灰分(Ad=18.34%)、高挥发分(Vdaf=45.55%)、特低固定碳(FCad=24%)、低中硫(St.d=1.39%)、中高热值(Qnet=22.19 MJ/kg)的工艺性能；常量元素成分以Si、Fe、Al为主，少量Ca、Mg等，灰成分指数较低(3.29)，反映了胜利煤田成煤期为低位泥炭沼泽环境，还原性较强；MgO/Al2O3比值中等(18.78)和CaO/(MgO×Al2O3)比值较高(0.15)，表示古气候较干燥，蒸发量较大，水体含盐度较高，基本属于咸水环境；微量元素V/(V＋Ni)、V/Cr、Ni/Co、U/Th、V/Sc等比值分别为0.83、2.14、2.15、0.87、10.06，结合U元素丰度为0.98 μg/g，判断该煤田煤层底层水环境以长期缺氧还原条件为主，并伴随着多次短暂的富氧；Sr/Ba和Th/U判断胜利组沉积水体为半咸水—咸水环境，在垂向上，随湖盆的逐渐萎缩和蒸发量变大，向上泥炭沼泽覆水变浅，水体含盐度有所增加；Mo、Ba、Cu、Ni等丰度无明显的富集现象，推测当时古生产力中等，表现为中位泥炭沼泽，为有利的成煤和聚煤沉积环境。

• 巷道围岩低阻体矿井音频电透视探测校正方法研究

  张军, 张涛, 王信文,

  基于矿井音频电透视施工过程中巷道空间狭小、环境复杂、存在积水、金属等低阻体干扰的原因，电极的接地条件与环境等存在较大差异，导致探测数据一致性较差，干扰常导致真实的异常信号信噪比较低，给数据处理解释带来困难。为了解决上述问题，提出了矿井音频电透视数据的巷道围岩低阻体干扰校正方法。该校正方法是在充分分析了巷道中存在的低阻干扰体对探测结果影响的前提下，研究了矿井音频电穿透原理及方法，对巷道存在的低阻体干扰进行了数值模拟，使用小波变换的数据降噪方法进行处理，通过实测数据的分析验证校正方法的有效性。具体校正方法是根据不同发射点将矿井音频电透视数据进行分组并且绘制接收曲线；当不同发射点对应的接收曲线在同一接收点附近均出现畸变异常时，根据发射点不同进行分组的数据，在组内按照接收点坐标位置进行排序，应用小波变换对数据进行平滑处理；当同一发射点对应的接收曲线出现畸变异常时，按照接收点坐标位置排序并且进行圆滑处理，完成矿井音频电透视数据的校正。研究结果表明，在数据校正前，接收电位差数据会产生了较大偏差，通过巷道围岩低阻体数据校正方法使发射端或接收端低阻体干扰导致的视电导率畸变得到了很好的处理，既对低阻干扰体影响做了校正，又保留了可能存在的其他异常。通过对实测成果的数据校正，验证了该校正方法的预期效果，可以较好地解决矿井音频电透视存在的问题。数值模拟部分所做模型为二维模型，针对上述问题，若能建立三维模型，对低阻干扰体进行三维空间定位，将会取得更加精确的校正效果，达到矿井音频电透视精细化探测的目的。

• 河流区域露－井联采矿区水文地质综合勘查技术研究

  徐慧, 牟义, 李江华, 姜鹏, 黎灵,

  呼和乌素矿地处乌兰木伦河和呼和乌素沟交汇处，该流域上部煤层存在露天开采回填区和井工开采老空区，含水层、回填富水区以及采空积水区与河流水力联系复杂，对下部煤层开采产生较大影响。为查明含水层、回填区以及采空区富水情况及水力联系，充分综合利用钻探精准获取局部水文地质参数、化探分析水源及水力联系、物探规模化快捷探测等技术优势，进行了有针对性的点(钻探)-线(化探)-面(物探)一体化水文地质勘查技术研究。不仅查明了研究区目标含水层富水性特征，更精细甄别出河流与目标含水层之间的水力联系，并对研究区进行了涌水量分区预测。研究结果表明：通过钻探及抽水试验发现目标含水层单位涌水量呈指数数量级变化，近乌兰木伦河露采回填区的钻孔单位涌水量远大于井采区；经过水化学特征分析发现乌兰木伦河和呼和乌素沟水质类型明显不同，乌兰木伦河附近钻孔水样属于第四系冲积层水，呼和乌素沟附近钻孔水样属于砂岩含水层水，露采回填区积水与乌兰木伦河流存在明显的补给关系；瞬变电磁法探测结果显示井采区内从西往东远离河流区域视电阻率值逐步增大，且整体阻值比露采区域要高，说明井采采空区富水性较弱(或不含水)，受河流影响较小，露采回填区域从西向东在靠近河流交汇区域，视电阻率值整体降低，低阻异常强度、范围均较大，说明露采回填区域富水性强或较强，受河流补给较明显。此外，根据瞬变电磁法和抽水试验结果初步尝试建立了视电阻率与单位涌水量之间的函数关系式，并绘制区域单点单位涌水量平面图，为区域水文地质参数的获取提供依据，降低勘查成本。

• 基于三维激光扫描的矿区地表倾斜值提取方法研究

  何荣, 陆广,

  地表变形监测是煤矿安全生产、矿区建筑物维护的重要技术保障，为矿区环境治理和生态修复提供基础数据信息。为适应合成孔径雷达干涉测量(InSAR)、三维激光扫描、无人机、摄影测量等现代测绘技术发展，完善面状测绘技术应用于煤矿区地表监测时的损害程度判断指标体系，弥补传统测绘基于点状测绘求取地表倾斜值方法的缺陷，以大柳塔矿某工作面地表三维激光扫描点云数据为基础，采用S-G滤波对点云数据进行去噪处理，建立沉陷区三维数字高程模型，利用局部表面拟合的方法求取特征点法向量，计算地表变形前后各特征点法向量变化量，并与特征点真实倾斜角进行对比分析，提出基于点云数据的地表倾斜值提取方法。研究表明：S-G滤波能有效剔除非地面噪声点，平滑点云数据，使数据边缘梯度降低31.8%，提高生成数字高程模型(DEM)的精度，基于点云数据利用局部表面拟合法求取地表样本点倾斜值，与利用传统计算方法得到的样本点倾斜值中误差为0.78°，可满足实际工作要求。

• 中国西部煤矿区土地退化时空特征及其影响因素研究

  侯竟, 于昊辰, 牟守国, 卞正富,

  煤炭开采严重损坏生态环境，诊断土地退化是建设绿色矿山的关键前提。为探究西部煤矿区煤炭开采对土地退化的影响，从北方草原区、黄土高原区、西南山地丘陵区、西北干旱区中选取12个典型煤矿区，以土地损毁、土地利用类型、植被覆盖度、沙漠化/石漠化、土壤侵蚀为评价指标，依据生态环境特异性确定不同区域的权重值，采用线性回归趋势分析法，将西部煤矿区土地退化程度分为重度退化、轻度退化、稳定区、轻度改善、重度改善5个等级，并探讨西部煤矿区土地退化状况、煤炭开采与年降水量对矿区土地退化的驱动影响。结果表明：①2013～2017年期间，北方草原和西南山地丘陵煤矿区土地退化程度略严重，但改善状态良好；黄土高原煤矿区生态稳定；西北干旱煤矿区改善趋势明显。②井工矿山极重度损伤面积平均5.61%，露天矿山平均36.44%，露天开采较井工开采对地表损伤更严重；露天矿山重度退化面积占该区域13.58%，大于井工矿山的8.27%；井工矿山的轻度退化面积占该区域30.49%，大于露天矿山的15.08%，露天开采对土地退化影响严重，但影响范围小，井工开采对土地退化影响较轻，但影响范围大。③矿区尺度土地退化主要受降水驱动，而矿山尺度退化区域的主要驱动因素是人为采矿扰动。

• 颗粒形状对长焰煤颗粒气泡脱附行为的影响

  郭芳余, 张友飞, 罗佳倩, 邢耀文, 桂夏辉,

  为了研究煤泥浮选过程中颗粒—气泡分离及稳定性机制，采用自主设计的浮选颗粒气泡粘脱附行为测试系统，考察了3种不同形状(长条形、三角锥形、球形)的长焰煤颗粒在气泡表面的脱附行为，通过临界脱附振幅评价颗粒-气泡的稳定性，并从力平衡的角度对试验现象进行解释。结果表明：球形颗粒比形状不规则的长条形和三角锥形颗粒更易从气泡上脱附，脱附行为与粘附模式密切相关。当颗粒长边与气泡接触时，三相润湿周边长，所受的毛细力大，颗粒-气泡稳定，因此需要更大的临界脱附振幅。当颗粒短边与气泡接触时，三相润湿周边短，所受的毛细力小，颗粒-气泡不稳定，临界脱附振幅小。该结论为煤泥浮选过程中减少颗粒-气泡脱附概率提供了理论依据。

• 煤矿地下水库水体水化学特征及其成因解析

  韩佳明, 高举, 杜坤, 陈梦圆, 蒋斌斌, 张凯,

  煤炭资源开采过程中地下水资源破坏严重，是煤炭绿色开采过程中的难题，煤矿地下水库可有效保护矿井水和提高水资源循环利用。为阐明煤矿地下水库水体净化机理，测定了神东大柳塔煤矿地下水库原位进出水水样水质指标，结合相关性、主成分分析等统计学方法与舒卡列夫分类、Piper三线图等水化学分析方法和离子比值法，分析了地下水库水体水化学特征及其形成机制。结果表明：煤矿地下水库自净化效果显著，出水的固体悬浮物、浊度、电导率和溶解性总固体等指标明显降低，化学需氧量、Fe3+、Mn2+平均去除率可分别达到42%、89%、94%；水化学类型由进水的Ca2+·Na+ - Cl-·SO42-型逐步向出水的Na+·Ca2+- Cl-·SO42-型转变，水库净化过程中发生了阳离子交换；多元统计分析表明溶滤作用、混合作用、外界干扰、阳离子交换等均会影响地下水库水质的净化过程，其中溶滤作用起主导作用；水体中Na+、Ca2+、Mg2+主要来自硅酸盐矿物的溶解。

• 韩城矿区煤炭资源有利开采区块辨识的原理与方法

  孙学阳, 张齐, 夏玉成, 杜荣军, 郭晨,

  地质灾害是煤矿安全生产的主要影响因素。开展矿区煤炭资源开采有利区块辨识，进行开采区块合理划分，对煤炭资源的精准、安全、高效开采具有指导作用。本文以韩城矿区3煤、11 煤 为研究对象，分别以可采煤层厚度、地质构造相对复杂程度、水害危险性、瓦斯地质灾害危险性为一级评价指标，对开采区块进行划分；根据4个一级指标划分出的等级，采用图形层次叠加分析法，将各指标的图形依次叠加，将韩城矿区内开采区块划分为：不利开采区块、可改造开采区块、较有利开采区块和有利开采区块。研究结果表明：矿区3煤主要为可改造区块和不利区块；11 煤考虑顶板水对煤炭开采的影响，主要为较有利区块和可改造区块，考虑底板水的影响主要为不利开采区块和可改造区块。将研究结果与矿区已开采区域的实际情况对比分析可知，区内已发生的瓦斯突出、突水等事故的位置都位于综合评判的可改造区块内，一定程度上反映了采用的判识方法可行，判识结果可信。

• 露天矿煤层裂隙注浆材料性能与帷幕截流技术

  王海, 黄选明, 朱明诚, 曹海东, 张雁,

  露天矿位于内蒙古东部，矿坑涌水量大，补给源主要为地表河流，河水经深厚砂卵石层沿煤层隐伏露头渗入煤层，进而涌入矿坑，采用疏干井疏排矿坑涌水，造成水资源的巨大浪费和环境严重破坏，并增加露天矿生产成本，为此截断水源补给通道、减小矿坑涌水量、保护水资源，通过水泥粉煤灰浆液及掺加水玻璃的水泥粉煤灰-水玻璃双液浆的室内反复试验，研究了粉煤灰掺量对水泥粉煤灰浆液凝结时间、结石率及强度的影响，水玻璃对水泥粉煤灰液浆的凝胶时间、结石率和强度的影响，并针对露天矿煤层厚、补给范围广的特点，进行了现场注浆堵水试验。研究结果表明：水泥粉煤灰浆液的凝结时间与粉煤灰掺量呈线性正相关关系，水玻璃可有效降低水泥粉煤灰浆液的凝胶时间，凝胶时间与水玻璃掺量呈线性正相关关系，而与水泥含量呈线性负相关关系；结石率与粉煤灰、水玻璃掺量呈线性正相关关系；结石体强度与粉煤灰掺量呈线性负相关关系，而与水玻璃掺量近似呈线性正相关关系。掺入适量的水玻璃可控制浆液扩散距离、提高浆液结石率和结石体的强度，通过在该露天矿西北侧补给区域进行厚煤层注浆堵水试验，矿坑涌水量减少约12 000 m3/d，注浆效果显著，表明在厚煤层裂隙和空隙中注入水泥粉煤灰及水泥粉煤灰-水玻璃双液浆可截断渗水通道、减少矿坑涌水量。