煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第7期

• 我国矿井物探技术及装备的发展现状与思考

  张平松, 欧元超, 李圣林,

  矿井物探作为煤矿智能开采过程中一类重要的精准地质勘探及监测预警手段，经过近30年的发展，从基础技术理论、软件模拟性能到装备研发应用等方面都得到了较大的丰富和提升，在当前矿井地质保障系统的构建中起到了关键性作用。值此“十四五”开局之际，总结回顾了以矿井地震类、矿井直流电法类及矿井电磁法类等为主的矿井物探技术、装备发展历程及现状；检索统计了近30年来国内发表的矿井物探类高质量学术论文，并从发表年份、论文作者、机构来源、高质量期刊等多个角度进一步剖析了矿井物探发展规律及特征；面对当前国内煤炭开采地质条件深部化、复杂化的发展趋势，指出基础理论不够完善、应用条件拓展不足、仪器装备智能稳定性亟待提升、数据反演多解性尚未突破等仍是阻碍目前矿井物探技术发展和高质量应用的关键性问题。针对矿井地质保障系统协同构建及其发展趋势，笔者从矿井原位试验平台建设、透明化矿井地质构建、高素质矿井技术人才培养等方面进行思考。未来发展应瞄准精准智能开采方向，紧紧围绕《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》中指出的提高智能精准化矿井物探技术装备发展目标，从实际出发，稳步合理全面地推进矿井地质透明化，加速国产高性能多属性参数仪器设备开发，构建多源地质灾害信息云监控、诊断与保障系统等工作，不断提升新时代矿井安全生产的质量和效益。

• 基于Prophet+LSTM模型的煤矿井下工作面矿压预测研究

  曾庆田, 吕珍珍, 石永奎, 田广宇, 林泽东, 李超,

  为了高效地对工作面矿压变化趋势进行有效预测，减少顶板突发事故和引导煤矿井下安全生产，提出了融合相邻多个支架影响的矿压数据预测模型Prophet+LSTM。该模型首先基于数字信号处理技术，将原始矿压数据经过算术平均值滤波和小波去噪方法减少噪声和随机误差；其次在深入分析Prophet模型和LSTM模型特性基础上，通过添加额外回归变量方法融合相邻多支架矿压数据；最后为充分利用Prophet模型和LSTM模型的优势，构建了一种Prophet+LSTM组合模型对工作面矿压进行预测，通过线性加权组合方法获取最有权重系数使模型预测结果误差逐步减少。以均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)来评估Prophet+LSTM模型对矿压时间序列的预测效果。预测模型在某矿工作面支架矿压时序数据的应用结果表明：经过数字信号处理后的支架矿压预测结果RMSE和MAE分别下降了约20%和16%，Prophet模型和LSTM模型的预测结果优于传统的BP神经网络和ARIMA模型，且Prophet+LSTM模型预测方法较其单项模型具有更强的稳定性和更高的准确性，实现了对工作面在推进过程中矿压变化的有效预测。该预测方法对煤矿井下工作面矿压预测提供了研究思路。

• 采动巷道软弱顶板塑性破坏演化规律与支护方案

  张锋, 李永恩, 郭志强, 邱玖琢, 卢刚,

  软弱顶板条件下，巷道在原岩应力与采动应力叠加作用下会出现深度较大的塑性破坏区，引发剧烈的巷道围岩变形，甚至出现冒顶隐患。为掌握采动过程中塑性区在软弱顶板中的演化规律，以敏东一矿回采巷道为工程背景，系统研究了采动前后巷道围岩塑性区分布与演化特征，结果表明：在本工作面超前支承压力和上区段工作面采空区侧向支承压力的叠加影响下，采动巷道周边两个主应力比值急剧升高，同时，受邻近工作面覆岩移动影响，巷道围岩周边应力中的最大主应力方向也将发生大幅度的偏转。伴随着软弱顶板采动巷道围岩主应力大小和方向的不断演化，最大塑性破裂深度逐渐扩展且朝向顶板，塑性区扩展过程中会出现隔层分布现象，顶板剧烈变形主要是由塑性破坏产生，各层位顶板的破裂顺序依次为浅部塑性破坏、高位软岩塑性破坏和中位岩层的破裂。中部层位的断裂破坏一般滞后于高位穿透塑性区的形成。期间巷道围岩出现严重的非均匀性大变形，支护难度极大。据此提出了以注浆锚索为核心的顶板控制方法，注浆层位应主要集中在采动期间发生高位穿透塑性破坏的层位，注浆覆盖范围应不小于高位穿透塑性破坏的分布范围，巷道顶板变形监测结果表明，顶板控制效果良好，顶板未出现安全隐患且变形量在允许范围内。

• 裂隙网络对岩体试件单轴压缩力学特性影响研究

  许永祥, 何振江, 郑兴博, 周昌台,

  针对裂隙分布对岩柱或煤柱强度和稳定性影响问题，采用合成岩体模型技术（SRM）重构岩柱模型，研究裂隙密度和裂隙倾角对岩柱稳定性影响。合成岩体模型中分别采用平直节理黏结模型（FJBM）、光滑节理模型（SJM）和裂隙网络模型（DFN）模拟岩块、裂隙和裂隙网络。通过单轴抗压试验和单轴抗拉试验标定岩块宏观力学参数（单轴抗压强度、抗拉强度、杨氏模量和泊松比），数值模拟标定结果与试验结果对比表明数值模拟模型细观力学参数能够很好地匹配实验室岩样宏观力学参数。研究结果表明：岩体内裂隙将显著降低岩体抗压强度，岩柱强度随裂隙密度P21增加而降低；裂隙密度P21由1 m/m2增加至5 m/m2，岩柱平均强度由103.5 MPa降低至69.5 MPa，岩体抗压强度与裂隙密度负相关；裂隙倾角由0°增加至90°，岩柱抗压强度呈“U”形变化；裂隙密度较小时，岩柱易形成“X”形压剪破坏，裂隙密度较大时，岩柱“X”形压剪破坏逐渐消失；岩柱产生的微裂隙与岩体裂隙密度负相关；裂隙倾角小于临界角φ或大于45°+φ/2时，岩柱易形成“X”形压剪破坏，而当裂隙倾角介于φ与45°+φ/2时，岩柱易形成剪切滑移破坏。岩体合成技术可为确定岩柱强度确定提供一种思路。

• 堆积角对采空区充填墩柱承载力影响试验研究

  朱世彬, 王晓东, 许刚刚, 苗贺朝,

  高浓度浆液具有环保、节能、减排、安全、高效等特点，正逐步被认可与应用，其注入到采空区后通常形成支撑圆台，不同堆积角度圆台对上覆岩层的支撑效果不同，掌握堆积角度对圆台承载力影响规律至关重要。为研究堆积角度对圆台承载力的影响规律，利用3D打印技术进行模具制作。选取水泥为胶结材料，标准砂为骨料，胶结料和骨料质量比为1∶3，水和水泥质量比为0.56的高浓度浆液。将高浓度浆液浇筑到模具中，制作不同堆积角度圆台试样。高浓度浆液在模具中静置1 d后脱模，随后将试样放在水中进行养护，待龄期为7 d时，利用WAW-300微机控制电液伺服万能试验机，进行单轴抗压试验。结果表明：圆台直径和高度相同时，堆积角越小，极限承载能力越强。堆积角30°、45°和60°的受力-变形曲线上升阶段与经典受压应力-应变曲线一致，破坏过程均可分为Ⅰ短暂弹性阶段、Ⅱ裂隙扩展阶段、Ⅲ维护结构失效阶段。不同堆积角圆台试样受压破坏过程相似，由于周围材料对受力核心区起到了提供围压的作用，使得堆积角越小，围压越大，圆台试样越不易被破坏。随着堆积角度的增大，试样单位体积承载力增大。不考虑墩柱的排布设计，只考虑其承载力算数和时，同一注浆量下，堆积角越大，承载效果越好。

• 高温处理后花岗岩应力作用下渗透特性演化研究

  李林林, 朱俊福, 靖洪文, 贺立新, 陈颖,

  随着核废料处置、地下煤层气开发、地热资源的开采利用等领域的蓬勃发展，高温处理后岩石物理力学性质和渗透特征演化规律备受关注。为了对不同高温处理后花岗岩试样渗透特性进行研究，采用实验室试验的方法，设定围压10～30 MPa，进水口压力低于相应围压区间并逐渐增大，选用GWD-02A型高温炉对加工好的花岗岩试样进行高温加热，将花岗岩试样分别加温至200、300、400、500、600、800 ℃，采用全自动岩石渗透率测试系统对高温处理后花岗岩试样开展一系列渗透试验。通过测量不同温度作用后花岗岩试样直径、高度以及质量，得到不同温度花岗岩的密度；采用PDS-SW声波检测仪对不同高温处理后花岗岩纵波波速进行测试，得到波速与密度随温度变化情况；分析高温对花岗岩密度和波速的影响，得出高温处理后花岗岩试样体积流速与压力梯度的关系，分析得出渗透系数和导水系数与围压和温度的关系。研究结果表明：①随着温度的升高，花岗岩内部微裂纹逐渐发育，纵波波速与密度逐渐减小。②压力梯度与体积流速呈现线性关系，可用线性达西定律进行描述，随着温度的升高，等效渗透系数表现为逐渐增加的趋势，且温度越高，增大幅度越显著，试验结果可以用指数函数很好地拟合。③对于同一种高温处理后的试样，随着围压的升高，导水系数表现为减小的趋势。

• 厚煤层沿顶掘进巷道袋式充填顶板支护技术研究

  金明乾, 尹胜波,

  为解决工作面沿底回采造成工作面端头底部三角煤大量损失的问题，提高煤炭资源采出率，在厚煤层沿顶掘进回采巷道实施超前开挖回采底煤工作。在实施超前开挖回采底煤工作时形成了超高回采巷道，因此需要减少超高回采巷道变形。矿井原采用木垛充填降低回采巷道高度以此维持超高巷道稳定，但木垛充填存在工作量大、工人劳动强度大、效率低、接顶不充分、承载能力低且易变形、单体支柱工作阻力小、受力不均、稳定性很差、易发生倾倒等问题，对工作面的安全回采构成严重威胁，基于以上原因，结合贺驼矿现场开采技术条件，提出了采用双液注浆充填材料进行袋式充填顶板支护的开采技术。该技术的实现方式为在工作面超前支承压力影响范围内巷道中超前挖底，挖底后在巷道中部搭建充填体支撑平台，平台采用单体支柱支撑，平台上放置充填袋，充填袋顶面悬挂在巷道顶板上，充填袋自由面侧加装挡杆、金属网、木板（防止充填袋胀破），往充填袋内充入空气使之膨胀至完全贴合充填空间，之后用高速制浆机往里充填浆液。经过现场工业性试验，结果表明超高回采巷道采用新型注浆充填材料实施顶部充填技术，单体支柱支护强度12.3～25.7 MPa，效率高，有效改善了区段巷道顶部的整体性和稳定性。

• 地音监测技术在煤矿冲击地压预警中的应用研究

  姚明远, 马伟, 曹丽娜, 张国锋, 姜峰,

  为研究地音监测技术在预测煤矿冲击地压的地音信号特点，借助于冲击启动理论，提出了根据不同的冲击启动及冲击显现的位置，将地音预警信号划分为3种类型，并结合力源载荷情况，对3种类型进行细化，重点研究了第1种类型下的集中动载荷型地音信号特点，利用KJ623煤矿用冲击地压地音监测系统的监测数据，分析了新疆某煤矿450B3+6工作面、甘肃某煤矿47208工作面的地音信号特点。研究结果表明：在第1种预警类型集中动载荷下，当地音能量和频次稳定在正常数值周围时，工作面处于安全状态；当数值突然升高至一异常数值（能量约20 000 /min，频次约40 /min），且持续较长时间（一般大于8 h）时，工作面处于危险状态。研究为符合条件的顶板型、断层型等冲击地压类型的地音监测预警提供了参考。

• 陕北浅埋煤层似膏体充填条带开采参数研究及应用

  邵小平, 陶叶青, 刘二帅, 赵兵朝, 李鑫, 王龙, 李龙清, 唐仁龙, 张杰,

  陕北地区生态环境脆弱、水资源缺乏，同时该区域又赋存着丰富的浅埋煤层资源。为解决采煤引起的水资源流失问题，提出了在陕北“保水区”应用风积沙似膏体充填条带置换开采技术。基于弹性地基理论，构建了条带开采的煤柱-顶板力学模型，推导出了采后顶板下沉的挠曲公式，并结合Winkler地基理论及极限强度准则，计算出条带工作面合理的采宽及留宽。 针对由风积沙作为骨料，由粉煤灰、水泥作为胶结料，与水经充分混合搅拌形成的充填体，经实验室合理配比试验，得出了最佳的充填材料配比及强度指标，并从微观层面揭示了充填体内结晶体穿插成网程度决定不同龄期充填体强度的机理。以榆林市上河煤矿为实例，通过对该矿3216工作面开采实践， 数值模拟得到了开采过程中隔水层运移规律。研究结果表明：采后隔水层沉降量最大值为27.9 mm，表明开采过程隔水层保持稳定，采场覆岩结构得到了较好的控制。现场工业性实验表明，条带开采采空区充填效果良好，现场监测覆岩位移变化不显著，总体呈现出下部岩层位移＞中部岩层位移＞上部岩层位移。上河煤矿通过成功实践条带充填置换开采技术保证了覆岩的良好稳定性，大幅降低了覆岩导水裂隙带发育高度，3216工作面充填后涌水问题得到根本解决，并大幅提高了上河煤矿煤炭采出率，对陕北保水采煤具有良好的借鉴和推广应用价值。

• 深部高应力富水黏土软岩大巷底鼓机理及控制技术

  王正胜, 李建忠, 林健, 杨磊, 孟宪志,

  为研究深部高应力富水黏土软岩大巷强烈底鼓控制技术，以陕西蒋家河煤矿二采区回风大巷为工程背景，理论分析了大巷底鼓影响因素，采用UDEC-Trigon离散元方法研究了大巷变形破坏特征及底板锚注支护机理；研发出适合于富水条件下锚杆（索）锚固的新型耐水锚固剂，并在井下取得良好锚固及拉拔效果；提出了先注浆封闭裂隙、后锚索加固的底鼓控制方案，并成功应用于工程实践。研究结果表明：大巷在高应力及水理作用影响下呈挤压流动性和水理膨胀性底鼓；锚注支护对于减小深部高应力围岩塑性区分布作用不明显，其主要作用在于控制底板围岩浅部张拉裂纹的产生和深部剪切裂纹的产生、扩展延伸及贯通，抑制导水裂隙带形成，避免围岩遇水泥化弱化岩体强度，底板锚索支护系统还可有效改善底板围岩应力状态，避免浅部近零应力区形成及深部围岩应力的进一步释放；锚注支护加固底板后，锚索支护系统与底板围岩系统处于稳定状态，实测大巷最大底鼓量仅202 mm，有效解决了深部高应力富水黏土软岩强烈底鼓问题。

• 不同加载速率下煤岩声发射与红外辐射特征研究

  姜永鑫, 李忠辉, 曹康, 田贺, 何顺, 王枫植,

  为了研究煤岩受载破坏过程中不同加载速率下的声发射和红外辐射特征以及破坏前兆信息，进行煤岩在不同加载速率下的单轴压缩试验。试验结果表明:在煤岩试样变形破坏的4个典型阶段，每个阶段的煤岩具有不同的声发射和红外辐射特征，不同加载速率下的声发射和红外辐射规律各基本一致。线弹性阶段红外辐射温度的下降趋势较初始压密阶段略有减缓，在塑性阶段煤岩试样持续升温，温度最低点在线弹性阶段。随着加载速率的增加，平均AE计数和平均AE能量均增大，峰值点附近的声发射活动更为剧烈，峰值处释放的能量的最大值呈递增趋势；红外辐射温度呈现典型的降转升型，温度由降转升点提前；煤岩发生破坏时，温度发生突变，最高红外辐射温度的最大值随加载速率的增大而增大。红外辐射温度与声发射计数呈较高的正相关关系，相关系数达0.79～0.99。不同加载速率下声发射测试结果反映出的试样损伤临界前兆点的波动率为71.3%～95.6%，红外临界前兆点的标准差为0.75～0.92。

• 考虑温度变化的采空区瓦斯抽采数值模拟

  汪腾蛟, 聂朝刚, 杨小彬, 王朋浩,

  考虑采空区瓦斯抽采工作面漏风引起采空区遗煤氧化升温问题，基于Darcy渗流定律、Fick扩散定律和Fourier导热定律，利用质量守恒方程和能量守恒方程建立了考虑温度变化的采空区流场、瓦斯浓度场、氧浓度场、固体温度场和气体温度场的瓦斯抽采多场耦合数学模型；应用有限体积法分别离散了考虑温度变化下的采空区瓦斯抽采多场耦合二维数学模型，基于Microsoft Visual Basic编制了计算机解算程序，利用Tecplot软件对求解结果进行可视化，研究了瓦斯抽采前后的采空区压力、瓦斯浓度、氧浓度、固体温度和气体温度分布情况及前后变化趋势。结果表明：瓦斯抽采前，采空区下隅角附近存在明显的气体高压区并且向四周逐渐降低，上隅角附近存在明显的气体低压区并且向四周逐渐升高；瓦斯浓度从下隅角向上隅角逐渐降低，采空区深处的瓦斯体积分数高于近工作面处，高达16.0%；采空区下隅角附近的氧气体积分数较高，达到7.0%，且氧气浓度由下隅角向上隅角逐渐降低；在采空区漏入风侧存在明显的固体和气体高温区，并且温度由此处向四周逐渐降低。瓦斯抽采后，在抽采点处形成气体低压区，气体压力在采空区深度方向变化趋势缓慢；采空区上隅角的瓦斯浓度大幅降低，而采空区深处的瓦斯受抽采的影响较小；采空区浅部（0～100 m）氧气浓度升高，采空区深部（100～300 m）氧气浓度基本保持不变；高温区依旧形成于采空区漏入风侧，但高温区的范围有所扩大，采空区内固体和气体温度最大值要比抽采前高2 ℃。

• 冲击地压和瓦斯突出复合灾害发生机理研究

  李忠华, 张莹, 梁影,

  为研究高瓦斯煤层冲击地压-瓦斯突出复合灾害问题，以高瓦斯煤层圆形断面巷道为例，以阜新恒大煤矿高瓦斯厚煤层运输平巷为工程背景，通过分析得到了冲击地压-瓦斯突出复合灾害的发生条件，分析了相关因素对临界塑性区半径和临界载荷的影响。结果表明：临界塑性区半径随模量比增大而增大，随泊松比增大而减小，随剪胀角增大而减小，随内摩擦角增大而减小；临界载荷随模量比增大而增大，随泊松比增大而减小，随剪胀角增大而减小，随内摩擦角增大而增大，随黏聚力增大而线性增大，随有效应力系数增大而线性增大，随支护阻力系数增大而线性增大，随原始瓦斯压力增大而线性增大，随巷道内壁瓦斯压力增大而线性减小，随瓦斯压力差的增大而增大。

• 近距离煤层群开采工作面瓦斯涌出量预测方法研究

  马文伟, 付巍, 薛彦平,

  在进行近距离煤层群开采工作面瓦斯涌出量预测时，下部煤层由于受上部多个煤层开采的影响，瓦斯会多次释放，瓦斯含量将大幅降低，利用行标所述方法进行下部煤层工作面瓦斯涌出量计算时，将不可避免地造成预测结果的偏差。为准确计算近距离煤层群开采时工作面的瓦斯涌出量，引入开采层对邻近层瓦斯涌出影响系数，对当前行标中开采层瓦斯涌出量计算公式和邻近层瓦斯涌出量计算公式中煤层原始瓦斯含量和煤层残存瓦斯含量进行了修正，提出了修正后的开采层瓦斯涌出量计算公式和邻近层瓦斯涌出量计算公式。利用修正后的计算公式对河北某矿近距离煤层群开采条件下各煤层回采工作面的瓦斯涌出量进行算例分析，并与传统计算方法进行比对，结果表明，两者之间在计算首采层瓦斯涌出量时结果基本一致，偏差为0.35 m3/t，其余各煤层回采工作面的瓦斯涌出量计算值均有较大幅度的偏差，偏差最大时，按标准所计算的结果是按修正后公式计算结果的4.45倍，两者偏差达到3.76 m3/t。结合矿井工作面实际瓦斯涌出情况，按照修正后的计算公式计算的工作面瓦斯涌出量结果更接近于矿井实际回采工作面的瓦斯涌出量，验证了所提出的修正后的开采层瓦斯涌出量计算公式和邻近层瓦斯涌出量计算公式的准确性。

• 不同矿化度水对煤的甲烷解吸影响的试验研究

  张书林, 刘永茜, 孟涛,

  为了研究水分及其矿化度对煤样甲烷解吸的影响，以平顶山矿区己16-17煤样为例，开展了干燥和不同矿化度（0、2、5、15 g/L）饱和水条件下煤样的等温解吸试验，探讨了不同矿化度水对煤解吸性能的影响。结果表明：不同矿化度水的存在，大幅减小了煤的甲烷解吸初速度、解吸总时间和甲烷解吸总量；不同程度地增加了各时间段甲烷解吸量占解吸总量的比例，但该比例的增幅随平衡压力的增大而呈现不同程度的下降；但对煤的甲烷解吸拟合规律影响不大。对于不同矿化度饱和水煤样，不同平衡压力下，各煤样前期解吸速度衰减都较快；相同平衡压力下，随矿化度的增大，各煤样甲烷解吸的初期速度、解吸总时间和解吸总量均呈现先增大后减小的规律，解吸总量最大时矿化度约为2.5 g/L；此后，解吸总量逐步减小，减小幅度逐步降低，当矿化度为15 g/L时，煤样的甲烷解吸总量甚至低于0 g/L饱和水煤样；甲烷解吸总量不会一直下降，当矿化度大于20 g/L时，其对甲烷解吸总量的变化无明显作用。研究认为水分子除了竞争占据甲烷分子的吸附点位外，还多层吸附于煤表面占据甲烷吸附通道，进一步减少了煤对甲烷的吸附量；当水分增至饱和时，多余水分会以游离态赋存于煤粒间大孔隙中，在一定温压条件下，甲烷可以溶解到这部分水中，增加了煤对甲烷的“吸附”量，因此，饱和水煤体等温吸附甲烷的量主要包括甲烷在煤孔、裂隙水中的极限溶解量和在剩余孔隙中的极限吸附量2个部分，矿化度水中无机盐离子则影响前者，且通过水合作用和间隙填充这2种竞争机制来影响甲烷的溶解和扩散；总体而言，不同矿化度饱和水煤体解吸时，水中无机盐离子的水合作用利于增强甲烷分子在煤孔、裂隙游离水中的扩散运移能力，而间隙填充则相反。在低温条件（小于85 ℃）下，水合作用占据主导，因此，矿化度较低时，促进甲烷在煤孔、裂隙游离水中的扩散运移；矿化度较高时，则会减小孔、裂隙游离水的有效间隙度而降低气体扩散运移能力，但存在一个极限值，超过该值后矿化度对煤的甲烷解吸总量的影响不大。

• 矿用电动无轨辅助运输装备发展现状及关键技术

  任志勇, 石琴,

  基于“十一五、十二五”期间矿用无轨辅助运输装备发展现状及应用情况分析，提出了矿用电动无轨辅助运输装备是未来煤矿井下无轨辅助运输技术与装备领域的发展方向，是缓解当前以防爆柴油机为动力无轨辅助运输装备暴露出“四高一低”、职业健康等问题的有效措施。目前我国矿用纯电动无轨辅助运输装备正处于由科研向产业化转变阶段，产业化过程中还面临着诸多关键技术问题和挑战。从矿用电动无轨辅助运输装备应用现状、标准现状、整机技术现状、动力驱动系统技术现状、防爆驱动电机及控制系统技术现状和防爆动力电池技术现状等方面进行了详细阐述及分析，提出了基于矿用纯电动车辆搭建矿用智能互联纯电动无轨辅助运输系统平台，实现矿井装备与人、车、路等的智能信息交换，基于煤矿特定工况实现整车技术自主开发，基于煤矿安全标准重点攻关新型矿用防爆动力电池和防爆驱动电机控制技术等关键技术，并密切关注矿用混合无轨辅助运输装备关键技术发展趋势。分析结果表明：随着煤矿各类行业标准的出台和相关法规的完善，以及电动无轨辅助运输装备整机、防爆动力驱动电机、防爆动力电池以及BMS控制系统等关键技术的逐步突破，矿用电动无轨辅助运输装备将会有一个阶越式发展，有效改善井下工作环境，实现节能减排，后期具有良好的市场前景。

• 基于粗糙集和改进胶囊网络的煤矿智能通风管理方法

  苏淑娴, 欧阳名三,

  煤矿智能通风管理是煤炭开采过程中实现安全保障的关键一环，由于煤矿类型及其开采技术条件复杂多变，矿井通风过程存在众多通风安全隐患，通风系统的可靠性得不到保障，严重影响矿井通风系统的稳定性。为了解决煤矿通风系统存在的通风异常情况下应急决策水平与智能调控水平不高的问题，研究了一种基于粗糙集算法和改进胶囊网络的煤矿智能通风管理系统。该系统采用基于粗糙集的信息约简模型，利用粗糙集算法进行影响指标约简，筛选掉无关影响因素，降低样本数据冗余性，提高数据样本的可靠性与模型的泛化能力；采用基于改进胶囊网络的煤矿通风环境胶囊感知模型，通过卷积重构胶囊神经元组，对数据特征进行采集，建立设备状态感知胶囊和通风环境感知胶囊等模型，由此构建了煤矿井下区域胶囊网络，来实现对矿山通风环境全面感知、智能监控与智慧决策。试验仿真结果表明：基于粗糙集与改进胶囊网络的煤矿智能通风管理系统对煤矿通风安全决策的准确率为89.5%，召回率为83.7%，F值为86.5%，较其他系统准确率提升了4.4%，召回率提升了8%，F提升了6.4%，大幅提高了煤矿通风安全决策准确率，对出现的安全隐患及时预警效果显著，具有信息感知能力强、决策准确等特点，为煤矿井下通风安全提供重要保障。

• 煤矿井下双级双速扩孔技术研究与应用

  赵建国, 李泉新, 刘建林, 杨冬冬,

  针对顶板高位大直径定向钻孔分级扩孔综合效率低、钻具安全性差等问题，开发了双级双速扩孔方法，研制了双级双速扩孔钻具，包括直螺杆马达、一级钻头与二级钻头。运用等碎岩比功理论开展双级双速扩孔分级研究，确定了一级钻头与二级钻头切削分界面直径为157 mm，一级钻头外径为165～172 mm。分别从壳体、马达动力总成、万向轴总成、传动轴总成与连接模块等方面开展设计研究，研制了105 mm双级双速螺杆马达。采用参数化设计方法，配套研制了多种规格的一级钻头与二级钻头。现场试验结果表明，双级双速扩孔技术可将高位定向钻孔直径由120 mm一次增扩至200 mm，综合钻进效率得到提高，钻孔瓦斯抽采效果良好，为工作面采动卸压瓦斯高效抽采定向长钻孔快速成孔提供了新方法。

• 基于负载估计的带式输送机系统节能控制方法研究

  郝洪涛, 杨庭杰, 张超,

  目前常用的带式输送机节能控制方法是通过建立煤量与带速之间的匹配关系来控制运行速度以达到节能目的，但因其采用传感器测量实时煤量时，受到传感器安装位置及数据处理速度等因素的影响，导致检测信号与实时煤量信息不同步而引起滞后现象。当煤量突然增加时，易造成带式输送机无法及时提速引发堆煤及或煤等故障。为解决上述问题，提出了一种新的节能控制方法：通过采用状态重构的方法建立带式输送机系统状态观测器估计输送带上各段张力值，并以机头传动滚筒处输送带张力值的变化率结合电子输送带秤检测的实时煤量信息，应用模糊推理与决策建立了节能控制系统，控制带式输送机在煤量增加时及时提速。基于此，以带式输送机启动过程线性定常系统模型为依托，建立了基于载荷变化的带式输送机时变系统动力学模型，并利用Simulink与LabVIEW软件结合NI CompactRIO-9038实时控制器做硬件在环实验验证，结果表明：在煤量无较大波动时，输送机仍保持恒定速度，说明系统抗干扰能力强；在煤量突变情况下，张力变化率辅助提速效果明显，解决了堆煤及溢煤故障。

• 基于混合智能算法优化的大地电磁反演法研究

  王新, 白宁波, 周君君, 王玉喜,

  大地电磁的反演问题是非线性的，如果采用将非线性问题线性化的线性反演方法，则容易产生陷入局部极小值和反演结果非唯一性严重等问题。目前单一的非线性智能算法在进行反演时也存在易陷入局部极小值和寻优效率低下的问题。为了解决该问题，结合粒子群算法、差分进化算法和Nelder-Mead优化算法设计了一种非线性的混合智能算法。混合智能算法不仅利用了粒子群算法和差分进化算法面向全局进行寻优的能力，同时还利用Nelder-Mead优化算法对寻优结果进行进一步的局部开发，解决了线性算法和单一的非线性智能算法易陷入局部极小值和寻优效率低等问题。在进行大地电磁反演时，又引入了正则化理论对目标函数进行约束，避免了反演结果的非唯一性。结合典型的多维函数寻优和理论模型分别用阻尼粒子群算法、差分进化算法及新提出的混合智能算法进行对比试验。研究结果表明：相比于阻尼粒子群算法和差分进化算法，混合智能算法具有较高的寻优效率，并且具有很好的鲁棒性。最后，应用混合智能算法对吉林桦皮厂地热田的一个实测点数据进行反演，并将反演结果与传统反演算法反演结果进行对比分析，表明了混合智能算法反演结果与实际勘探结果更加吻合，证明了混合智能算法对大地电磁实测数据进行反演处理具有较高的准确性。

• 地孔瞬变电磁超前探测异常体定位技术

  苏超, 姚伟华, 李明星,

  地孔瞬变电磁法，是一种在地面布设发射回线，在钻孔中接收磁感应强度或者衰减电压三分量信号的探测技术，其观测系统置于钻孔中，可有效降低导电覆盖层的信号屏蔽及地面电磁干扰，接收更靠近异常体，可以获得比地面瞬变电磁法更强的异常响应，是探测深部隐伏地质体最有效的方法之一，可以考虑用于煤矿孔旁异常体的探测。根据等效涡流理论，地孔瞬变电磁探测中，异常体所产生的二次场，可以用等效电流环来表示，其感应磁场强度三分量Bx、By、Bz具有一定的指向性，通过交会Bx、By的合成矢量Bxy及Bx、Bz的合成矢量Bxz，可以大致获得电流环中心位置坐标，从而实现对异常体的定位，但合成Bxz在XZ平面交会结果存在误差。为此，提出了一种浮动系数矢量交会算法，通过计算水平圆形载流回线（电流环）的磁感应强度三分量Bx、By、Bz，分析其合成矢量Bxy及Bxz在XY、XZ平面的矢量分布特征，计算特征点处的Abs(By)/Bz作为参考值并构建系数库，对Bz分量进行系数修正后再与Bx分量进行矢量交会，可以准确计算出电流环中心位置在XZ平面的坐标。理论模型计算和物理试验结果表明：浮动系数矢量交会算法无需先验信息，可以快速、准确定位异常体的中心位置，是一种超前探测的有效方法。

• 基于优化时间函数的走向主断面动态预计模型与算法

  张兵, 崔希民, 袁德宝, 贺军亮, 郭娅玲,

  针对现有开采沉陷动态预计精度较低的问题，为了提高预计精度，使动态预计成果能够真正在指导矿区生产及采空区土地利用中发挥重要作用，笔者提出以静态预计概率积分模型为基础，采用优化后的分段Knothe时间函数，构建了走向主断面动态沉陷预计理论模型并设计了相应的计算机编程算法，该模型时间函数各参数意义明确，求取方便，不需借助其他监测数据。具体包括：研究确定了在任意给定的预计时刻各动态开采单元时间函数值的计算方法；结合各单元时间函数值，推导了不同开采速度下地表动态移动变形计算公式；给出了时间函数及地表移动的计算步骤和编程算法。采用笔者提出的模型及算法编制了预计程序，并将其应用到预计实践中。结果表明：当给定的预计时间足够长，动态下沉预计与静态预计结果相一致，并且在拐点偏移距处所对应的倾斜值达到了理论最大值，这与理论揭示完全吻合，这表明，采用该模型同样可以进行地表移动稳定后的静态预计，由于算法的差异，相比而言则需要花费更多的时间，但实现了动静态预计一体化的计算设想；另外，通过对官地煤矿29401工作面开采进行动态预计，并抽样对比、统计预计结果和实测数据，得出其走向主断面上点的动态预计相对精度在6%以内，证明了模型和算法的可靠性。

• 不同应力条件下页岩表观渗透率模型试验研究

  陈帅, 李波波, 李建华, 任崇鸿,

  为探究页岩气抽采过程中气体传输和应力耦合作用对页岩表观渗透率的影响，提出了一种含加权因子耦合多种传输机理、吸附变形及应力应变关系的页岩表观渗透率模型，用来描述气体流动，通过试验数据验证其合理性，并对模型相关参数对页岩表观渗透率的影响进行讨论。研究结果表明：新建考虑流体流态和应力耦合作用的页岩表观渗透率模型能合理地表征页岩气体流动，包括考虑应力变化下气体滑脱效应、孔隙结构和吸附变形因素，以及体相气体传输的黏性流动(滑脱流动)和努森扩散因素。在不同围压、孔隙压力2种应力条件下，新建模型计算的曲线均与实测值吻合较好；且随孔隙压力、围压的升高，页岩表观渗透率呈指数函数形式降低，同时裂隙压缩系数Cf的绝对值整体呈降低的趋势。孔隙压力越低努森扩散所占比重越高，相同孔隙压力状态下，孔隙尺度越小，努森扩散的贡献率越大；页岩表观渗透率对弹性模量较为敏感，弹性模量越大吸附引起的基质变形量越小，相应渗透率升高量也将随之降低。不同页岩孔径所对应的主控传输机理不同，随孔径的减小，此时孔径与气体平均分子自由程具有可比性，发生滑脱流动，渗透率升高；考虑滑脱效应页岩表观渗透率计算值均大于不考虑滑脱效应计算值，且更接近试验测量值，随孔隙压力、围压的升高，滑脱效应引起的渗透率变化量逐渐降低。

• 化学注浆固结砂微观孔隙与力学特性研究

  袁世冲, 张改玲,

  化学注浆是预防与治理采掘过程中导水裂隙带沟通上覆厚松散含水层诱发采煤工作面突水溃砂灾害的常用手段。为了研究化学注浆固结砂的微观孔隙、渗透与力学特性的变化规律，采用压汞试验、3D-XRM系统、SLB-1型三轴剪切渗透仪与单轴压缩试验手段，着重分析了化学注浆固结砂的微观孔隙特征、渗透系数、单轴抗压强度、普氏系数的变化规律。试验所选用的化学浆液为改性脲醛树脂，草酸溶液为催化剂，可以调节与控制化学浆液的胶凝时间。研究结果表明：试样的累计进汞曲线为S型，分为4个阶段，分别为缓慢进汞阶段、加速进汞阶段、减速进汞阶段、停滞进汞阶段，退汞率在52.56％～99.46％，半开放孔隙居多，且孔隙间的连通性差；靠近浆液劈裂脉的位置孔隙充填率更高，抗渗性能更好；化学注浆固结砂的平均渗透系数为7.23×10-6 cm/s；依据岩石的普氏系数分级方法，化学注浆固砂样可以达到坚固的状态，说明化学注浆后，松散砂样的坚硬程度得到了明显提高，可以达到很好的固砂减渗效果。

• 基于单目影像对滑坡监测应急预警的方法探究

  张庆斌, 赵之星, 刘志奇,

  为提高对滑坡的响应速度和预警效率，减少设备损失，保障作业人员的安全，提出了利用影像进行监测预警的方法。以各时段同名像点位移为主要判断标准，并结合梯度方向角度、特征点相邻加权平均距离等参数综合评估。建立高斯分布模型，验证各时段同名像点位移形成的枢轴量是否超过置信区间，以此判断该位移是否受粗差影响。若非粗差原因，则在梯度方向角度数量最多的2组点中，统计点间相邻加权平均距离和位移加权平均值，结合摄影测量技术规范和实践经验，规定前两者的合理阈值。当点间相邻加权平均距离超过该阈值，则说明发生移动的特征点相对位置比较分散，同样位移加权平均值超过对应阈值，说明目标发生了明显的滑动，存在潜在危险。将以上2个条件综合分析，能自动判断出目标的移动是偶然分散式的人为破坏还是真实滑坡，并做出相应的预警措施。结果表明：该方法构造的数学模型较为可靠，能够准确辨别真实滑坡，且省去了多目影像计算坐标的较长时间成本，可应用于突发性滑坡的应急监测工作。

• 高铁酸钾氧化法对焦化废水中煤颗粒的氧化沉降性能研究

  李彦, 李光柱, 樊林栋, 胡培源, 王艺霏, 段志辉, 李亚男,

  焦化废水中的污染物主要由浓度高、粒径小、密度较小、带少量负电荷的碳颗粒物和浓度高、组成复杂、有毒、难降解的有机化合物组成，现有的各种处理工艺很难有效去除这些物质，达到国家一级标准。基于焦化废水无机物和有机物复合污染的特征，利用高铁酸盐的强氧化性和其反应产物铁盐的絮凝性，协同处理含高浓度悬浮态煤颗粒物和溶解态有机化合物的焦化废水，以期为进一步研发焦化废水氧化处理技术提供重要理论依据。选取表面Zeta电位指标来反映煤颗粒物的沉降性能，通过测定不同条件下的煤颗粒表面的Zeta电位，研究高铁酸钾对煤颗粒的氧化絮凝和沉降效果，考察pH、Fe(Ⅵ)投加量、溶液中无机阳离子浓度及价态对高铁酸钾氧化煤颗粒的影响，并考察高铁酸钾对实际焦化废水中化学需氧量和悬浮物的协同处理效果。结果表明，煤颗粒表面带负电，溶液pH越低，煤颗粒沉降性能越好。高铁酸钾的投加对降低煤颗粒表面Zeta电位绝对值有一些效果，并且当溶液偏中性时，效果最明显。无机阳离子可在煤颗粒物表面产生压缩双电层，从而降低颗粒表面的Zeta电位绝对值，提高颗粒物的沉降效果。实际焦化废水水样中的铬化学需氧量、悬浮物的去除率随Fe(Ⅵ)投加量的增加呈现上升趋势。当Fe(Ⅵ)投加量为2 mmol/L时，实际焦化废水中SS去除率已达到65.44%。可见，高铁酸盐氧化法对实际焦化废水中颗粒物的氧化絮凝效果良好。

• 生物质型煤制备参数优化及燃烧污染物释放特征

  祁娟, 武建军, 刘咏菊,

  民用固体燃料低效燃烧产生了大量污染物。根据我国经济发展水平和各地现实情况，消费适合农村和乡镇的清洁固体燃料是减少面源大气污染物排放的有效途径。用无烟煤分别与不同比例的生物质（小麦、玉米和水稻）秸秆混合、压制成型，制备民用固体燃料，通过正交试验研究优化无烟煤-秸秆生物质型煤的冷压成型工艺参数，并在典型的民用灶具上对生物质型煤的燃烧热效率和主要污染物排放因子进行了测试和分析。结果表明，在生物质质量分数20%、粒度上限1 mm、成型压力25 MPa、粘结剂质量分数10%等优化的制备工艺参数下，制得生物质型煤的抗压强度最高，达到15.98 kN/个，对应的落下强度值为99.87%；秸秆生物质型煤热效率增加了81%～137%，PM2.5的排放因子降低了90～98%，CO的排放因子降低了48%～92%，NO2和SO2以及PM2.5颗粒物中有毒元素As、Se、Pb的排放因子也大幅度降低。生物质和无烟煤混合燃烧的协同作用是节能减排的重要原因，生物质的加入，降低了型煤的热解温度、着火点和燃烬温度，其热解气体助燃无烟煤颗粒、燃烬后体积收缩且多孔又为无烟煤的进一步燃烧提供了发达的气体通道，利于氧气与固相充分接触、燃烧，热效率提高，污染物的排放降低。

• 酸性矿井水对K2灰岩表面形貌影响的试验研究

  韩文梅, 杨文博, 李建军,

  山西晋城地区的一些矿井，在采掘活动后会产生大量的酸性矿井水。为研究酸性矿井水对煤岩体摩擦滑动稳定性的影响规律，首先基于酸性矿井水对灰岩的表面结构进行定量分析。以晋城地区15号煤层直接顶板K2灰岩作为研究对象，对其进行了酸性矿井水侵蚀作用，采用表面形貌仪对酸性矿井水作用前后的K2灰岩抛光面的表面形貌进行了粒度和粗糙度表征，基于酸性矿井水对K2灰岩表面形貌的影响进行了分析。结果表明：在酸性矿井水的作用下，K2灰岩抛光面颗粒粒径颗粒数最大值呈减小趋势；酸性矿井水作用对抛光面表面粗糙度中的轮廓均方根偏差Rq和轮廓平均高度Rc影响较小，对峰高度Rp、谷深度Rv和轮廓最大高度Rz影响较大；酸性矿井水对K2灰岩抛光面表面形貌影响的主要原因是化学反应生成CaSO4和CO2气体，侵蚀其抛光面。

• 粉煤灰掺杂MnO2催化处理高盐废水中的化学需氧量研究

  夏立全, 陈贵锋, 李文博, 高明龙,

  为实现煤化工高盐废水的有效处理，各种高级氧化技术均得到深入研究，非均相催化氧化技术有效且前景广阔，因此臭氧氧化的非均相氧化技术得到长足发展，而高效催化剂的开发至关重要。采用水热合成法制备了活性组分MnO2，通过掺杂成型技术制备了颗粒状固体催化剂，通过X射线荧光光谱（XRF）、扫描式电子显微镜-X光微区分析（SEM-EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、Zeta电位分析等表征技术对催化剂进行分析。结果显示，催化剂以硅、铝、钙的氧化物为主体，以二氧化锰为主要活性组分的混合型多层催化剂，催化剂表面形态较好且具有较好的孔道结构。催化臭氧氧化高盐水中化学需氧量降解试验中,探讨了臭氧投加量、催化剂投加量、初始pH等因素，结果表明，在臭氧投加量为10 mg/L、催化剂投加量为100 g的条件下反应60 min后，高盐水的COD去除率为60%左右，反应体系最优的酸碱度在催化剂等电点附近。反应机理研究中，通过添加PO3-4证明了表面的酸性位点为有机物降解的活性位点；加入对苯醌体系的化学需氧量降解率仅45%左右而加入叔丁醇反应体系可实现55%的化学需氧量降解率，因此通过添加不同种类的自由基抑制剂证明了·O2-2对化学需氧量降解的贡献远大于·OH；无机阴离子的加入对反应效果的影响结果不一致，Cl-、HCO-3的加入浓度为1 000 mg/L时催化效果会下降5%以上，说明自由基捕获剂类的阴离子会显著降低COD的降解率。

• 粉煤灰制备13X分子筛及VOCs吸附性能研究

  竹涛, 韩一伟, 牛文风, 薛泽宇, 王礼峰,

  粉煤灰属于大宗工业固废，极大地危害着自然环境和人类的身心健康，如何高效高值化利用粉煤灰是目前面临的科学和技术问题。挥发性有机物(VOCs)是具有挥发性的有机污染物，对人体有“三致”作用。分子筛因其独特的孔结构，具有优良的离子交换、催化和吸附性能，在众多领域得到广泛应用。采用碱熔活化结合水热合成法利用粉煤灰制备13X分子筛，分析了硅铝比、碱度、晶化时间因素对制备分子筛的影响，考察了VOCs吸附性能并与活性炭对比分析。利用XRD、SEM和BET手段对分子筛晶型、比表大面积和孔径等结构进行表征，结果表明：13X分子筛结晶度好且纯度高，粒径为1～3 μm分布基本均匀，BET比表面积达到990.3 m2/g，总孔容约为0.72 cm3/g，平均孔径为1.1 nm；母液硅铝比影响分子筛合成类型；提高碱度可以加快晶化速率，缩短晶化时间，促进硅酸盐离子与铝酸盐离子的缩聚反应；分子筛在晶化阶段生长较快。通过13X分子筛和煤基颗粒活性炭对VOCs吸附性能对比试验发现，13X分子筛VOCs吸附容量高于活性炭，且VOCs分子极性越大，吸附容量越高。研究不仅可达到固废和废气之间“以废治废，变废为宝”的目的，同时还为低成本高效合成沸石分子筛提供思路，提高大宗固废的利用率，探究的分子筛合成条件又为分子筛的工业应用提供技术和理论支撑。