煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2020年第6期

• 烧变岩侵蚀条件下倾斜煤层露天矿分区境界优化

  曹博, 陶亚彬, 韩勇, 张子光, 白文政, 刘志龙,

  为了优化烧变岩侵蚀条件下倾斜煤层露天矿分区境界，分析了新疆煤田烧变岩赋存特点，以及煤、岩层赋存情况的随机性，以神华新疆能源有限责任公司黑山露天煤矿为例，通过构建模拟开采境界，揭示了境界剥采比与平均剥采比随分区境界外扩的变化规律，确定了烧变岩侵蚀露天矿分区境界圈定的原则及适用条件；通过SMCAD软件构建了黑山露天煤矿三维仿真境界；提出了通过建立煤、岩层层状属性块体模型，用块量反验方式校验三维境界的方法。研究结果表明：黑山露天煤矿经济合理剥采比nj为8.06 m3/t，满足了境界剥采比n0=4.4m3/t≤nj条件，即存在以“境界剥采比小于或等于经济合理剥采比”为原则确定的合理境界；采用块量反验方法得到其块量里收境界剥采比与块量外扩境界剥采比，从三维角度实现了反验设计境界的合理性，由块量反验可知块量外扩分区境界剥采比n+k,i=8.05m3/t≤nj，合理确定了外扩境界，从而实现了烧变岩侵蚀条件下露天矿经济效益的最大化。

• 三软煤层巷道掘进防漏顶预注浆液扩散规律研究

  支光辉, 姜彦军, 汪文刚,

  针对三软煤层巷道围岩强度低和随掘随冒现象严重的问题，采用掘进工作面预注浆治理顶板冒落，根据达西定律和渗透注浆理论关于既定浆液在煤体中的扩散规律，试验测得赵家寨矿煤体的渗透系数、孔隙率和浆液的流体力学参数。以此参数为基础，通过数值模拟试验揭示了注浆孔周边孔隙压力分布与饱和度变化规律，分析了掘进工作面不同应力状态对浆液扩散的影响，对比了不同注浆压力下孔隙压力和饱和度分布曲线，发现应力状态对浆液最大扩散半径影响较小，提高注浆压力能在一定时间段内提高注浆效率，但并不能显著提高浆液扩散半径。综合理论计算和数值模拟结果，确定注浆量0.06 m3/min，注浆压力为2.5 MPa，与数值模拟计算结果较接近，因此扩散半径确定为1.4 m，并将该结果运用于赵家寨矿掘进巷道施工现场，通过钻孔取心检查注浆效果，发现浆液扩散与预期结果吻合良好。

• 机械剪切对煤泥絮团结构特性及影响机理的研究

  宋帅, 樊玉萍, 马晓敏, 董宪姝, 常明,

  煤泥絮团结构对自身沉降有着显著的影响，针对煤泥水处理过程中存在水流剪切造成絮团结构不一，导致沉降效果不佳等问题，探讨机械剪切对不同分子量絮凝剂所形成的絮团结构的影响和絮凝剂结构的影响。通过PIV粒子测速仪对絮团的跟踪拍摄和分光光度计对上清液的测量，研究机械剪切对絮团结构特性、上清液粒度含量分布及透射比的影响，利用旋转黏度计和扫描电镜(SEM)研究了机械剪切对絮凝剂黏度大小和分子链结构的影响。研究结果表明，机械剪切强度的改变影响絮团的粒径、有效密度、絮凝剂的黏度和分子链结构。机械强度增大使上清液透射比、絮团大小、有效密度出现先增大后减小的趋势，在转速300～400 r/min时，絮团有效密度最大达到673.14 kg/m3，粒径大于0.3 mm含量占比高达96%，上清液透射比达到最大值94.8%，絮团沉降效果最佳。机械剪切强度的提高降低药剂黏度，使得药剂分子链发生断裂，改变了药剂间作用力，降低药剂吸附性能，减小了网捕作用，影响药剂作用效果。在转速200 r/min时，不同分子量絮凝剂的黏度达最大值8.5 mPa·s ,絮凝剂分子链结构表现最为完整。通过改变机械剪切强度，促进煤泥絮团沉降，改善沉降效果，为高效固液分离提供技术支撑。

• 哈密地区高碱煤掺烧结渣特性综合评价研究

  杨益, 王敦敦, 陈珣, 姚斌,

  为解决哈密高碱煤在掺烧过程中严重结渣的问题，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）为研究对象，采用双色测温法对炉膛温度进行矩阵测量，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，并推算出基于炉膛出口温度的炉膛吹灰投运时间间隔。结果表明：锅炉满负荷工况下，当神华二矿煤掺烧比例达到81.1%时，炉膛出口温度温升速率为17.4 ℃/h，吹灰后炉膛出口温度降幅度达到68 ℃，且炉膛吹灰最长间隔时间为6.7 h。随着神华二矿煤掺烧比例不断增加，炉膛结渣情况越严重，掺烧比例应控制在80%以下。现场试验采用逐步提高神华二矿煤比例的策略，神华二矿煤的掺烧比例从6台磨掺烧2台磨逐渐提高到5台。最佳掺烧方案是下5台磨煤机运行，其中A磨煤机烧保利煤，其余磨煤机烧神华二矿煤。

• 滇东老厂矿区煤层气储层地应力特征研究

  邢亚楠, 张松航, 唐书恒, 郭莹莹, 喻天成, 朱卫平,

  地应力特征是煤层气勘探开发，尤其是压裂设计的基础研究内容。为了探明滇东老厂矿区地应力分布特征，基于测井资料、岩石力学试验及水力压裂曲线，利用带附加构造应力项的Anderson模型，计算了滇东老厂矿区煤层气储层地应力特征参数，分析了地应力分布规律及对储层渗透率的影响。结果表明：滇东老厂矿区煤储层地应力整体为10～30 MPa,属中高应力区。最大水平主应力σH，最小水平主应力σh和垂直主应力σV随埋深增加而增加，并且垂向上应力场随埋深增加逐渐由水平主应力主导变为垂直主应力主导，800 m为应力转换点，800 m以浅以σH>σV>σh为主，表明有利于走滑断层应力场活动，煤层处于压缩状态；800 m以深以正断层应力场（σV>σH>σh）为主，垂直主应力σV为主控应力，煤层处于拉张应力状态。侧压系数整体上位于中国和Hoek-Brown内外包络线之内，且随埋深增加逐渐由大于1为主，减小到应力转换带深度下的普遍小于1。地应力通过埋深对渗透率起控制作用，煤层埋深在800 m内，孔隙在挤压应力作用下逐渐闭合，渗透率随埋深增加呈负指数减小，800 m以深垂直主应力为渗透率主控因素，储层处于拉张应力状态，且天然裂缝近乎垂直发育，天然裂缝在垂直主应力作用下开启，渗透率随埋深增加而增加，渗透率变化点与应力场变化点基本一致。

• 平顶山煤田南部二叠系煤层煤相演化规律研究

  翟迎铨, 李猛, 潘结南, 王振至, 王相龙, 牟朋威, 葛涛元,

  基于不同沉积环境形成的煤在显微组分、储层物性等方面有很大的差异，为了能够在后续的研究中找出沉积环境对储层物性的影响，在平顶山煤田采集不同煤层的多个样品，利用光学显微镜进行煤岩显微组分鉴定分析，对平顶山煤田南部二叠系煤层的煤相进行了分析研究。结果表明：平顶山煤田南部地区煤层显微组分以镜质组为主，主要矿物为黏土类矿物及黄铁矿。根据不同煤相参数之间的差异性将研究区煤相划分为：较浅水覆水森林沼泽、湿地草本沼泽、弱覆水湿地草本沼泽、潮湿森林沼泽相、低位沼泽五种类型。庚20煤层沉积环境由湿地草本沼泽到低位沼泽再转换为较浅水覆水森林沼泽；己15煤层由底部湿地草本沼泽变为中上部弱覆水湿地草本沼泽。戊8煤层从底部的湿地草本沼泽转变为潮湿森林沼泽，后转变为湿地草本沼泽，最终转化为较浅水覆水森林沼泽。

• 矿井瞬变电磁法参数优化试验及超前探测应用

  牟义, 李江华, 徐慧, 马志超, 崔金亮, 张永超,

  为了精准超前探测采空区及积水区，确保煤矿的安全掘进，通过对已知积水采空区进行矿井瞬变电磁法探测对比试验，分析不同参数对积水采空区电场响应特征的影响，优化了一套适合积水采空区探测的发射频率、叠加次数以及采集密度等采集参数，并将该优化参数应用到井下超前探测实践中，成功发现前方采空区及积水区。结果表明：矿井瞬变电磁法采用6.25 Hz的发射频率、32次叠加以及中密度采集方式，对采空区及积水区超前探测较好；将该采集优化参数应用到晋城矿区井下超前探测，以王台铺矿超前探测应用为例，发现掘进工作面前方存在明显的1处高阻异常体和2处低阻异常体，且分界面明显，其与查明的小煤窑巷道分布区基本重合，后经过打钻验证，正前方50 m之外的高阻异常区见空，通过钻孔透视发现，为小煤窑采空区且无积水，后退30 m，向右侧帮1处低阻异常区打钻，打到深度35 m遇空出水，水量较大，为采空区积水，取得较好探测效果；根据在鄂尔多斯地方煤矿、临汾地方煤矿、晋煤集团、朔州地方煤矿等井下探测总结的经验，一般视电阻率位于30 Ω·m以下推断为含水异常，30 Ω·m以上推断为不含水正常岩层，更高则推断为高阻异常。

• 浅埋煤层采空积水区TEM与CSAMT探测优化反演

  苏超, 李明星, 王鹏,

  综合物探是圈定浅埋煤层采空积水区的有效方法，常规的中心回线瞬变电磁法（TEM）在反演非中心点数据时，存在计算误差。可控源音频大地电磁法（CSAMT）探测频率范围跨度大，对浅部地质体的分辨能力差。采用大定源TEM一维正演，计算了偏离发射回线中心不同位置测点的瞬变电磁响应，与中心点相比，偏离距越大，早期信号畸变越严重，以大定源TEM一维正演理论为基础，反演计算了非中心点数据，计算结果准确还原了模型的电性特征；对CSAMT频率进行优化，结合目标层埋深，加密对应埋深范围内的频点，提高CSAMT对浅埋地质体的分辨能力。通过正演模拟和实测数据处理.结果表明：大定源TEM一维反演可以消除偏离距带来的早期信号偏差，还原模型的真实电阻率响应；优化频率的CSAMT采集更丰富的浅部地层信息，实现对浅埋地质体的探测，2种方法综合探测，结果相互验证，消除了单一方法的多解性，探测结果更加可靠，是一种针对浅埋煤层采空积水区精确探查的有效方法，经钻探验证，结果准确。

• 深井低阻体电性源短偏移距瞬变电磁探测技术研究

  闫国才, 鲜鹏辉, 仇念广,

  煤矿深部开采是一种趋势，但是相随的复杂水害问题给安全造成了巨大威胁，煤层顶板以上巨厚砾岩层中的含水层表现为浅薄深厚、发育不规则的特性，常规地面瞬变电磁探测深度不够，深部探测体积效应大，低阻屏蔽效应明显。为保障深部煤层安全回采，高精度、高分辨率的探测煤层顶板以上巨厚砾岩层的富水性及富水范围，基于电性源短偏移距瞬变电磁法的相关理论，分析了电性源短偏移距瞬变电磁探测技术的垂直磁场强度、视电阻率值及探测深度计算表达式，研究总结了现场类地震的一发多收探测方法，探讨了基于改进阻尼因子的最小二乘反演方法，在华北某矿区深部巨厚砾岩层富水性探测中应用。研究结果表明：电性源短偏移距瞬变电磁探测技术增大了探测深度，实现了深度超过1000m的低阻含水异常体有效探测，缩小了深部探测的体积效应，有效压制了低阻屏蔽影响，反演计算明显提高了深部巨厚砾岩层的富水性及富水范围的探测精度，经过38次迭代后H型理论模型的反演误差为7×10-7，经过50次迭代后实际资料的反演误差为0.05%，针对低阻异常区进行钻探验证，出水情况与强含水异常区及中等含水异常区相吻合，探测精度和分辨率明显提升。该方法探测研究为深部煤层安全回采提供了有效的地质技术资料，具有较高的推广应用价值。

• 正交各向异性裂隙煤层地震波波速响应特征研究

  李勤, 赵斌, 马随波,

  煤层中常发育近似正交裂隙，正交裂隙近似为正交各向异性介质，地震波各向异性响应特征与裂缝介质关系可以利用作为地震波进行裂隙预测，为了研究煤层中地震波传播速度受裂缝介质的影响，选取正交各向异性裂隙煤层（称OA煤层）为研究对象，根据正交各向异性介质弹性矩阵，结合Schoenberg线性滑动理论和Hudson理论，利用正交各向异性煤层裂隙等效方法，并用正交各向异性介质群、相速度公式，实现对正交各向异性煤层群、相速度分析，进一步研究了受正交裂隙参数影响下煤层地震波各向异性参数变化和速度响应规律。研究结果表明：在给定理论模型中，若煤层裂缝中充填不同流体，当裂缝纵横比或裂隙密度恒定时，各向异性参数也会随着充填流体体积模量的变化而变化；OA煤层干裂隙（气充填）和饱和水裂隙模型中纵波都表现出较强的各向异性，P波对OA煤层裂隙中干裂隙（气充填）、饱水都比较敏感，SV波对OA煤层含水裂隙更敏感，而对含气裂隙却不敏感。

• 双齿辊破碎机的破碎力离散元模拟研究

  尹新伟, 胡月龙, 杨学鹏, 张拙, 龙连春,

  基于离散单元法理论，对分析过程中的颗粒接触模型、颗粒接触搜索算法和迭代时间步长算法进行了改进，分析破碎过程中齿辊的受力以保证其满足强度和寿命要求。改进后的离散单元法对该型双齿辊破碎机的一级粗破碎段的破碎过程进行了数值仿真。首先应用离散单元法模拟双齿辊破碎机对煤炭颗粒的破碎过程，获取双齿辊破碎机在破碎时所受的破碎力，并将该结果与使用传统经验公式计算得出的解进行对比。分析不同参数下仿真结果变化，研究了双齿辊破碎机的齿辊转速、颗粒直径对破碎力的影响规律。结合Hertz-Mindlin无滑动接触模型与Hertz-Mindlin黏结接触模型，将颗粒接触模型简化为振动运动模型并分别推导各分力的计算公式，在EDEM软件的基础上进行了二次开发，使用API插件构建与2种模型相结合的煤炭颗粒接触模型。煤炭颗粒在进入破碎腔前将其转化为若干小颗粒紧凑在一起的集合，小颗粒之间施加黏结接触，当任意2个小颗粒间所受外力小于绑定约束的约束力时，忽略小颗粒间的相对位移，使颗粒集合仍然以一个整体的形态运动；当某2个小颗粒间所受外力大于绑定约束力时，取消这2个小颗粒间的绑定约束，使小颗粒从颗粒集合体中分离。以该方法建立的煤炭颗粒接触模型能够有效地仿真煤炭颗粒的完整破碎过程，并且在仿真时节约计算时间和资源。最后，通过对比分析得出了对双齿辊破碎机进行数值模拟时所用到的接触检索网格尺寸的最优取值。以最新设计制造的YLWP+S1000-1500WX双齿辊式破碎机为例进行影响规律研究，应用上述理论方法对燃煤颗粒的破碎过程进行仿真，提取破碎齿在破碎过程中的受力变化曲线。获得一级粗破碎辊上的单排破碎齿在破碎正常煤颗粒过程中承受的最大破碎力载荷和平均破碎力载荷，得到了颗粒直径与齿辊转速的变化对破碎齿受力的影响规律。以上研究结果可为破碎机设计及破碎能力的预估提供参考。

• 煤矿钻探用钻杆疲劳寿命预测研究

  孟祥辉,

  目前矿用钻杆在煤矿井下施工疲劳寿命预测困难，无报废标准和报废依据，导致煤矿井下钻杆断裂事故频发，严重影响煤矿井下勘探钻孔、瓦斯抽采钻孔、探放水钻孔的施工安全和施工进度。矿用钻杆的工况条件复杂，基于弹塑性力学无法对钻杆疲劳寿命、断裂失效原因、结构工艺的优化提高进行可靠研究；通过综合钻杆所受到转矩、弯矩、轴向力以及井壁的约束作用力等复合载荷条件建立钻杆约束模型，提出基于断裂力学和损伤力学、运用解析法和有限元分析方法对钻杆的疲劳寿命进行研究，并基于研发的钻杆动态性能试验系统对钻杆的疲劳寿命进行试验，提出矿用钻杆疲劳寿命预测研究方法，为钻探施工和钻杆的设计提供依据。结果表明：按照现有钻杆杆体、螺纹的加工工艺，73型钻杆在转矩4 000 N·m，施工钻孔终孔直径为96 mm时，通过钻杆动态性能试验系统对钻杆的疲劳寿命进行试验，钻杆的疲劳寿命为5.32×105～4.78×105转，疲劳寿命与所建立的钻杆疲劳寿命预测模型一致，钻杆疲劳寿命最小位置在公螺纹处，杆体在受到1 mm以下划痕对钻杆整体疲劳寿命无影响。

• 基于TRIZ的液压支架竖井运输工艺及装备研究

  何景强, 王治伟, 姚志功,

  为解决某煤矿竖井液压支架入罐运输时，平板车装卸液压支架耗时耗工、转载环节复杂等带来的运输效率低下、安全隐患大等问题，应用TRIZ创新原理研发了一种专用于重型液压支架竖井运输的搬运车及运输工艺。该支架搬运车采用一种具备自装自卸功能的U 型框架式拖车为支架的承载结构，通过快换机构可与牵引车快速连接与断开。罐笼运输时，U型拖车与其装载的液压支架整体牵引入罐并运送至井下，出、入罐笼均采用多功能牵引车牵引。该搬运车运输工艺与目前普遍采用的平板车运输方式相比，井下无需二次转载和辅助吊装设备，可直接将液压支架运输至采煤工作面,提高了运输效率及安全性。经该矿工业性试验研究结果表明，该工艺相较平板车运输工艺，其设备、人工直接成本增加仅为22.6%，而其运输效率可提高70.8%，为煤矿重型液压支架竖井罐笼运输提供了一种高效安全的无轨运输工艺。

• 放顶煤工作面以孔代巷抽采管路连接方式优化研究

  李润芝, 刘浩,

  为解决放顶煤工作面生产期间上隅角瓦斯治理难题，提出采用大直径钻孔代替联络巷的方法抽采放顶煤工作面上隅角的瓦斯，通过fluent软件模拟腾晖煤业2-105放顶煤工作面自然情况下采空区瓦斯浓度分布规律及不同管路连接方式对采空区瓦斯浓度分布规律的影响。确定合理的抽采管路连接方式。模拟结果表明：横向大直径钻孔可代替联络巷治理高瓦斯放顶煤工作面上隅角瓦斯问题，当抽采管路采用双孔双管路的连接方式时，上隅角的瓦斯体积分数为0.25％瓦斯抽采效果最好。现场应用结果表明：１~６组大直径钻孔抽采纯量可达到的最大值分别为1.05、1.11、1.03、1.06、1.08、1.04ｍ3/min，满足霍州煤电集团腾晖煤业有限责任公司对上隅角瓦斯治理的预期要求，大直径钻孔抽采过程中上隅角瓦斯浓度均在可控范围内。上隅角瓦斯体积分数为0.32％~0.74％，当钻孔距离工作面20~25ｍ时。处于大直径钻孔对上隅角控制的薄弱时期，上隅角的瓦斯体积分数达到的最大值为0.74％.“以孔代巷”抽采技术可有效解决高瓦斯放顶煤工作面存在的瓦斯治理难题。

• 基于组合赋权法的采煤机健康状态评估方法研究

  曹现刚, 雷一楠, 宫钰蓉, 张树楠, 罗璇,

  采煤机作为煤矿开采的核心设备，结构复杂、运行环境恶劣、采煤落煤时受巨大负载冲击，易发生各种故障导致停机停产。因此，采煤机的健康状态直接影响煤矿企业生产效益。针对采煤机健康状态评估难的问题，提出一种基于组合赋权法的采煤机健康状态评估模型，根据采煤机运行特点构建其健康状态指标体系，采用基于层次分析法与熵权法的组合赋权法得到同时具有主观与客观意义的综合权重；依据灰色聚类法与模糊综合评价法分别完成对采煤机关键部件及整机的健康状态评估。仿真结果表明：基于组合赋权法所得状态评估结果准确率为84.33%，高于层次分析法或熵权法单一使用所得评估结果的准确率。该方法可有效解决采煤机状态评估困难的问题，为后续寿命预测与维护决策奠定基础。

• 钻孔密封段异质结构变形破坏特征试验研究

  杨伟东, 霍中刚, 舒龙勇, 郝晋伟,

  瓦斯抽采钻孔密封段是由煤-水泥-抽采管组成的异质结构体，为了研究钻孔密封段煤-水泥异质结构的变形破坏特征，采用Vallen AMSY-6 声发射信号采集系统和TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机相结合的方法，对煤单体、水泥单体及煤-水泥组合试件进行了单轴载荷作用下的变形破坏全过程声发射试验。试验结果表明：煤-水泥组合试件的峰值应力介于煤单体试件和水泥单体试件之间，煤单体试件的强度是水泥单体试件强度的2.1倍；煤-水泥组合试件及煤单体试件的体应变突降点后伴随着声发射振铃计数的激增，而水泥单体试件的声发射指标增长较为平缓，且不同试件都在应力峰值处声发射指标达到最大值，煤-水泥组合试件的振铃计数峰值约为水泥单体试件振铃计数峰值的112倍；煤-水泥组合试件及煤单体试件的应力应变曲线表现出峰后的脆性变形特征，而水泥单体试件的应力应变曲线则表现出峰后的塑性变形特征，煤-水泥组合试件的破坏形态为剪切破坏，煤单体试件的破坏形态为“X”状共轭剪切破坏和拉伸破坏，水泥单体试件的破坏形态为拉伸破坏。现阶段我国煤矿瓦斯抽采钻孔封孔材料大多选取水泥基封孔材料，钻孔密封段煤-水泥异质结构的强度同时受到煤体和水泥材料性质的影响；井下水泥基封孔材料选取时，可优先选取凝固后与煤岩体强度差异较小的水泥基封孔材料。

• 不同介质作用下爆生裂隙的形态特征试验研究

  毛小艺, 马衍坤, 赵敖寒,

  为研究不同介质对爆生裂隙形态特征的影响规律，分别开展了空气、水、空气-悬砂颗粒和水-悬砂颗粒作用下的有机玻璃爆破试验，分析了爆生裂隙的长度、宽度和空间偏转角度，得到了爆生裂隙的形态特征和悬砂颗粒在裂隙中的分布规律。试验结果表明：采用水作为介质时，主裂隙的长度和宽度明显大于采用空气作为介质时，分别增大了16.9％和33.3％，可见，含水条件下爆破能量的利用率较高；相比于单纯的空气和水作为介质时，悬砂颗粒的添加使主裂隙长度分别增大了45.2％和45.0％，主裂隙宽度分别增大了133.3％和100.0％。在爆生气体的膨胀作用下，悬砂颗粒被气流带入到爆生裂隙中，很好地支撑了裂隙，使裂隙宽度增大。而且，悬砂颗粒的存在弱化了裂隙扩展的偏转作用，使裂隙偏转角度分布范围分别降低了81.3％和30.0％。试验结论对爆破增透强化瓦斯抽采技术具有一定的理论指导意义。

• 受废弃油井影响的回采工作面风险评价与防治措施研究

  王永杰, 梁顺, 李祥春, 陈健, 王金国, 陈忍,

  随着我国煤炭资源开发逐渐向西北部转移，在鄂尔多斯盆地内出现了多个浅部煤炭和深部油、气资源开采相互干扰的工程实例，在煤-油气资源重叠区，油气开发遗留的废弃油气井是影响煤矿工作面安全开采的重要致灾因素。基于工作面的地质、开采技术条件以及废弃油井的过往作业情况，利用危险源辨识与风险评价理论对禾草沟煤矿回采工作面内废弃油井导致的灾害风险等级进行评估，认为工作面回采过程中废弃井主要可能引发瓦斯爆炸、油水大量涌入以及有毒有害气体涌入三类灾害，其风险等级分别为比较危险、稍有危险以及高度危险。通过理论分析、技术优化和现场试验等手段，研究了井田范围内废弃油井的安全环保治理工艺技术，经过方案对比分析，最终提出了油层深部封堵、井底至表层套管封堵、表层套管至地面封堵的“三段式”封堵施工方法和包含初步分析诊断、专业通井、井筒检测、分段封堵和试压验封5个环节的工艺路线，并在现场进行了废弃油井封堵新工艺实践。结果表明，采用的废弃油井封堵新工艺，可切断生产煤层与深部高压油、气、水层间的联系，阻断其泄漏至生产煤层的通道，有效预防了可能引发的火灾、水灾、毒气、爆炸等重大事故。该工艺技术为禾草沟煤矿5号煤层解放了废弃油井压煤共计23.37万t，产生了良好的技术经济效益。

• 深井充填体传热计算模型及其解析解

  陈柳, 雷燕子, 刘浪, 姬长发, 李全,

  深部矿井热害问题日益突出，尤其是采用充填采矿法的深部矿井。为了解决深井充填体的传热计算问题，建立了深井充填体有内热源的一维非稳态的传热模型，内热源为充填体中水泥的水化热。运用格林函数法，对传热方程进行了求解，推导出深井充填体温度场的解析表达式，解析表达式是初始条件、边界条件及充填体水泥水化热对温度场的影响的叠加。该理论解析表达式反映出充填体的温度分布是位置毕渥数(Bi)和傅里叶数(FO)的函数。推导出深井充填体的工程简化计算式，提供了计算充填体温度场分布和传热量的快速、准确且有效的方法。以某矿的充填体为例，应用本研究提出的深井充填体传热的工程简化式进行了充填体温度场的计算分析，分析结果表明：随着充填体位移的增加，温度逐渐降低，充填体顶部温度接近工作面风流温度。

• 瓦斯含量测定中取心管管壁温度变化特性研究

  马树俊, 王兆丰, 韩恩光, 王龙, 董家昕,

  为确定煤矿冷冻取心过程所需合理冷冻剂量，对取心管取心过程管壁温度变化特性研究是解决此问题的关键。使用自主研发的取心管自动测温装置，分别进行了取心深度为5、20、40 m下取心管管壁温度测试（下管阶段、切削阶段和退钻阶段）。通过建立取心管管壁传热模型，基于顺序函数法求解二维非稳态导热反问题，验证并分析了取心过程管壁温度变化规律。研究结果表明：在下管阶段，取心深度较大（40 m）时，存在取心管快速升温的现象；在切削阶段，不同取心深度下，取心管温度均在切削进行一段时间后开始迅速升高，切削结束时升至最高值的规律；在退钻阶段，取心管温降速度基本相同，处于一个缓慢降温的状态；利用顺序函数法求解重构的取心管管壁模拟温度与现场实测温度吻合良好，误差小。研究结果可为煤层瓦斯含量测定低温冷冻取心装置的开发提供参考。

• 超高压水力割缝卸压抽采区域防突技术应用研究

  曹建军,

  为了有效解决丁集矿高地应力、低透气性突出煤层煤巷条带瓦斯区域预抽效率低、预抽达标后区域验证指标仍超标的问题，在该矿1351(1)运输巷煤巷条带穿层预抽钻孔进行了超高压水力割缝卸压增透技术应用研究，利用水力割缝卸压增透原理确定了超高压水力割缝设备组成，选型配套了超高压清水泵、超高压软管、超高压旋转水尾、水力割缝钻杆、高低压转换割缝器、钻头和超高压远程操作台等超高压水力割缝设备，考察了相同孔径未割缝钻孔、割缝钻孔瓦斯涌出量及割缝钻孔瓦斯抽采量，理论研究了百米煤孔初始瓦斯涌出量、瓦斯涌出衰减系数及不同预抽时间、预抽率条件下的有效抽采半径，现场检验了顺层钻孔预抽措施单元、穿层钻孔水力冲孔措施单元、穿层钻孔水力割缝措施单元的预抽瓦斯区域防突措施效果，统计了不同措施预抽单元局部补充措施执行情况、局部措施效果，分析评价了超高压水力割缝卸压增透效果。结果表明：针对丁集矿11-2煤层工程条件选型配套的超高压水力割缝设备参数是合理，在1351(1)运输巷煤巷11-2煤层条带穿层钻孔超高压水力割缝措施卸压增透效果显著，与未增透措施相比，煤层透气性系数提高了25.9 倍、113 mm孔径的穿层钻孔百米煤孔初始瓦斯涌出量提高了5.5 倍、瓦斯涌出衰减系数降低73.4%、预抽15 d和30 d达35%预抽率的钻孔间距提高了84.3%和53.0%，与穿层钻孔水力冲孔相比，煤巷条带防突局部补充措施工程量降低了50.0%、煤巷平均掘进速度增加了1 倍。

• 缓倾斜煤层沿含水采空区掘巷煤柱稳定性研究

  刘少伟, 王伟, 王强, 蒋金华, 李海涛, 彭海斌,

  针对缓倾斜煤层含水采空区沿空掘巷存在围岩失稳和突水风险，为了分析和判断防水煤柱及其周围煤岩层的破坏规律和抗溃水能力与研究得出最优的沿空巷道支护控制技术，基于沿空掘巷的煤柱留设理论研究和现场实践，研究了沿含水采空区掘巷时护巷煤柱留设宽度的理论计算与无支护与有支护情况下护巷煤柱的流固耦合—力学反应，采用正交试验设计和FLAC-3D数值模拟的方法综合分析了影响护巷煤柱稳定性的因素敏感性、不同护巷煤柱留设宽度下围岩的应力场、位移场、孔隙水压力的分布特征以及不同支护参数下的效果优化。研究结果表明：在煤柱宽度为12～18 m，水头压力为0～0.3 MPa，煤层倾角为2°～10°情况下，护巷煤柱稳定性影响因素的主次顺序为：水压＞煤层倾角＞煤柱宽度；在最大水头压力的作用下，护巷煤柱的合理宽度为12 m；确定了2214回风巷的最优支护参数。井下工业性试验验证了留设12 m宽度的护巷煤柱安全经济，采用主被动联合支护参数的沿空巷道的围岩表面位移均处于工程允许范围内。

• 二次采动影响下区段煤柱破坏机制及围岩控制技术

  乔元栋, 孟召平, 朱帅, 陈加更, 刘磊磊, 张宇,

  针对二次采动影响下区段煤柱破坏严重巷道难以控制的难题，以小纪汗煤矿11215工作面为工程背景，采用理论分析和数值模拟方法，分析了该工作面面临的二次采动下覆岩空间结构经历“O”形变化为“厂”形的接替过程，揭示了二次采动影响下巷道围岩的破坏机制，提出了差异化巷道围岩支护技术，并采用现场监测方法验证措施的可靠性。研究结果表明：①采动影响下煤柱变形破坏的控制是确保巷道断面快速掘进和安全回采的重要保障;②应力叠加与高强度开采的耦合作用、巷道断面与支护参数匹配不合理及回采推进速度的不协调是导致煤柱失稳的主要因素；③采用长锚索、高预应力锚索+钢带联合差异化控制，有效控制了11213工作面剩余段围岩的强烈变形，基本满足了巷道的使用要求。但由于采动应力的影响，回采过程中回采帮侧顶板下沉0.3 m，煤柱帮侧顶板下沉0.15 m，顶板最大下沉量约0.42 m，但采取措施巷道围岩完整性较好，不会影响运输及工作面回采，该技术也为类似工作面安全开采提供了有益参考。

• 劈裂注浆加固技术及研究进展

  秦鹏飞,

  作为不良地质体的有效加固手段，劈裂注浆技术目前已在土木、水利和矿业等工程中发挥着重要作用。针对劈裂注浆技术研究取得的许多创新性的成果，笔者对这些最新研究进展进行阐释与述评。分析了劈裂注浆的发展过程及扩散半径计算方式，然后基于弹塑性力学的基本原理，对裂隙岩体的劈裂注浆力学机制、考虑荷载非对称作用下劈裂注浆压力的计算方式、脉动注浆浆液扩散规律及劈裂注浆加固效果等进行了总结，从试验层面对劈裂缝产生及分布规律、“浆-土”耦合效应对劈裂注浆规律的影响和土石分层介质劈裂注浆效果的差异等创新研究成果进行了阐释，最后结合离散元和有限元数值计算对劈裂扩展动态进行了进一步揭示。劈裂注浆理论和试验研究一系列创新成果的取得，必将推动劈裂注浆技术向着精细化管理和精细化质量水平方向迈进。

• 基于微震数据评价的顶板深孔爆破卸压效果分析

  温颖远, 郭志刚, 曹安业, 王崧玮, 白贤栖, 蒋思齐,

  针对红庆河煤矿宽煤柱弱胶结厚层顶板破断引起大能量矿震频发的现象，采用理论分析、微震监测及现场试验的方法确定了大能量矿震发生及顶板深孔爆破卸压的层位，提出了卸压爆破孔装药量为2.5 kg/m的走向扇形布置和装药量为4 kg/m的倾向扇形布置2种方案。运用井下现场与地面微震系统相结合的监测方式，准确定位了顶板深孔爆破震动诱发的微震信号，并通过微震系统所监测的指标对2种方案顶板爆破卸压效果进行了对比分析。结果表明：走向扇形布置顶板爆破主要诱发能量在1.0×103～1.0×104J的微震事件，倾向扇形布置主要诱发能量1.0×104 J以上的微震事件。从每公斤炸药诱发能量指标可以发现：在走向扇形布置方案中，工作面超前支承压力影响范围内的爆破诱发能量有所升高，但上升幅度不大；在倾向扇形布置方案中，工作面侧顶板爆破诱发能量相较于煤柱侧有所提高，增幅约为6.3%；倾向扇形布置方案顶板深孔爆破每公斤炸药诱发能量约为走向扇形布置的3倍。结合红庆河煤矿402工作面现场实际情况，确定了超前工作面450 m以外的倾向扇形布置方案的有效性和可行性，验证了采用倾向扇形布置能取得更好的爆破卸压效果。工作面回采期间的微震定位结果进一步表明：无论采用走向扇形布置还是倾向扇形布置实施顶板深孔卸压爆破，均能起到很好的顶板爆破卸压效果。

• 深部大断面巷道交叉点围岩稳定性分析及控制技术

  杨军辉, 蒋再胜, 谢生荣,

  针对邢东矿-760 m水平大断面巷道交叉点顶板明显下沉、两帮剧烈收敛、底板强烈鼓起、柱墙岩体破碎松散等巷道变形破坏特征，采用理论分析、数值模拟、工程类比及现场观测等方法，针对性地提出了集多层次交错密集高强度锚杆（索）支护技术、多层混凝土喷层拱支护、壁后注浆加固拱和柱墙浇注混凝土加固于一体的锚喷网注联合支护技术，剖析了深部大断面交叉点具体支护方法的围岩控制机理。研究表明：①当锚杆安装越密集时，压应力叠加所形成承压拱的最小厚度越大，压力拱承载能力越强；②锚杆间距大于700 mm时，喷层结构最大承载力小于0.55 MPa，随着锚杆间距减小至 400 mm，喷层承载能力与锚杆间距呈类幂函数增长关系；③喷层结构承载能力与喷层厚度呈类线性关系，即喷层承载能力随喷层厚度增大而线性增大；④数值模拟结果表明围岩塑性破坏深度较大的区域位于顶部两肩窝处，且交叉点大部分塑性区深度小于2.4 m，锚杆长度确定为2.4 m时，能够使得锚杆锚固在岩体的弹性区内。基于以上研究，结合现场地质生产条件确定巷道交叉点围岩支护方案，并进行现场工程应用。工程实践表明，采用锚喷网注联合控制技术后，顶底板、两帮移近量最大分别为166、134 mm，移近速率最大分别为9.8、7.3 mm/d，巷道围岩总体收敛情况较好，有效控制了-760 m水平大断面巷道交叉点围岩变形。

• 8.8 m大采高工作面覆岩三带分布特征及分层沉降研究

  杨俊哲, 胡博文, 王振荣,

  煤层开采后受采动影响，顶板覆岩会形成垮落带、裂隙带、弯曲下沉带。采空区覆岩三带的观测研究对煤矿安全生产至关重要，但目前国内外对覆岩三带的观测研究多限于中、小采高工作面，对一次采全高超大采高工作面仍是空白。针对这一问题，以上湾煤矿首个8.8 m超大采高12401工作面为研究对象，通过钻探、孔内电视、地球物理测井等多种手段综合分析了超大采高工作面采空区覆岩三带分布特征，确定了三带发育高度。同时，本次研究还通过在采前孔安装布置分层沉降监测设备持续对12401工作面覆岩沉降情况进行了监测，综合分析了采空区分层沉降的特征及规律。研究表明：12401工作面垮落带高度为33.20～33.25 m，冒采比为3.91；导水裂隙带高度为118.08～132.83 m,裂采比为13.91～15.65;弯曲下沉带距离地表39.17～48.92 m。研究发现：工作面覆岩从下沉到稳定经历了2次快速沉降，覆岩分层沉降相对地表最大下沉量为1.618 m，地表最终下沉量为4.706 m，下沉系数为0.5；随着采空区范围的增大，本区覆岩运动主要受到下部和上部2层关键层共同控制。

• 薄煤层充填开采动态监测及工艺参数优化研究

  李西凡, 熊祖强, 孙亚鹏, 王 䶮, 孙如意, 朱万刚,

  基于充填效果受采充步距、顶板支护强度、充填体力学性能等多种因素影响、以及采空区充填后无法进行人工实时监测顶底板移近量、难以实时评判充填效果等问题，针对采空区顶板动态实时监测需要，研发了充填工作面采空区新型顶板动态仪装置，重点研究解决仪器高度、防水、实时在线监测等关键技术问题，并将其应用于薄煤层超高水材料充填开采工作面。结果表明：通过在充填过程中对顶板进行连续、实时的动态监测，得到了采空区实时顶底板移近量，并根据监测结果对充填体力学性能等充填工艺参数进行了优化设计，有效减少了顶底板移近量，将充填效果评价关口前置，达到了良好的应用效果。

• 华北型煤田底板岩溶水害区域治理关键技术研究进展

  张党育, 蒋勤明, 高春芳, 铁记, 王玺瑞,

  为了进一步提高底板岩溶水害区域治理技术的有效性，降低底板突水的危险性，解决区域治理过程中治理层位选择、治理模式和安全治理范围的确定等安全技术问题。基于冀中能源多年底板水害区域治理工程实践，通过深入分析邯邢矿区近年来区域治理后工作面出水案例，提出了奥灰区域治理层位选择的基本原则。针对多个复合含水层(段)条件，构建了地面顺层治理与井下穿层治理相结合的底板岩溶水害多层“三维立体”区域综合治理新模式，给出了在几种不同构造条件下工作面安全治理范围的计算方法。并在峰峰矿区梧桐庄矿水文地质条件极复杂182602工作面水害治理中进行应用实践，取得了良好的治理效果，对类似条件下底板岩溶水害区域治理工作具有很好的借鉴意义。

• 煤层气生物工程研究进展

  苏现波, 夏大平, 赵伟仲, 伏海蛟, 郭红光, 何环, 鲍园, 李丹, 魏国琴,

  煤层气生物工程是将营养液或经过驯化、改良的菌种注入地下煤层或通过地面发酵产气的方式，把煤的部分有机组分转化为甲烷，实现微生物强化煤层气产出的一种特殊发酵工程。该工程作为多学科交叉的新兴边缘学科，涉及到能源、环境和新材料三大领域，具有多重效益，越来越受到关注。详细总结了国内外煤层气生物工程10余年的发展历程，首先从煤层(水)的生物多样性、厌氧发酵系统产气机制和控制因素等方面系统分析了煤层气生物工程的微生物学基础ꎻ以研究厌氧发酵系统中气固液菌为核心，整合其他学科的研究方法，初步形成了煤层气生物工程自身的研究方法，最后提出了煤层气生物工程的实施方案及发展趋势。生物多样性为煤层生物甲烷的生成提供了菌种来源，根据发酵系统中气固液菌的变化规律将发酵过程区分为 ４ 个阶段，系统中的底物和环境因子控制了微生物群落结构，影响了生物甲烷的产量。甲烷的成因区分为乙酸营养型、氢营养型、甲基营养型３种。这一认识初步构成了煤层气生物工程的理论基础，分子生物学、地球化学与煤化学等的结合为该学科的发展提供了方法支撑，地面发酵池产气工程除了获取生物甲烷这一洁净能源外，还可以与褐煤提质、高硫煤微生物脱硫和新材料合成相结合，使得经济效益最大化，地下煤层气生物工程以其增气、增解、增透作用可大幅度提升煤层气井的产量，并获取液相有机物，同时可以实现二氧化碳的甲烷化，二氧化碳矿化对采空区可起到固化作用，减排效果显著，煤层气生物工程以其理论性、方法性和实用性正在成为一个全新的领域，将有力推进中国煤层气大规模商业化开发进程。