煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2023年第4期

• 大倾角煤层综采产效要素系统分析与促产提效精准策略研究

  贠东风, 李浩男, 伍永平, 黄正平, 杨磷,

  大倾角煤层迄今仍为国际公认的复杂难采煤层，我国赋存较多且广泛，煤质优良。近10多年，先进的大倾角煤层长壁综采技术发展较快，工作环境改善，劳动强度降低，安全水平提升，但一直存在产量低、效率差等亟待解决的问题，致使综采技术经济优势和投资效益不能充分发挥，制约了大倾角煤层综采的高效持续发展。基于多年的系统研究与工程实践，综合分析认为大倾角煤层综采产量效率主要受到地质、设备、工艺、人员、管理、其他等6方面的因素制约，并确定各因素的权重。依据各影响因数的权重有的放矢地采取精准探测、精准检修、精准操作、精准管理、精准培训和精准补充等措施，尤其应更加关注采矿自动化和智能化发展方向并将其作为大倾角煤层综采促产提效的核心精准对策，从根本上改变大倾角煤层综采用人多、产效低的被动现状，实现大倾角煤层长壁综采安全高产减人提效之目标。

• 超长工作面支架工作阻力分布及分区增阻特性研究

  蔺星宇, 徐刚, 高晓进, 张震, 刘前进,

  综采工作面倾向长度的增加，对顶板破断及应力演化产生的影响效应是复杂的，导致工作面支架支护特性存在分区差异。为深入理解超长工作面支架与围岩相互作用关系，以小保当煤矿450 m超长工作面为工程背景，构建弹性基础岩梁力学模型，运用数理统计及均化循环分析方法，对工作面支架实测数据开展循环末阻力、工作阻力分布频率、支架增阻特性分析，明晰不同面长工作面倾向方向顶板运动及支架工作阻力分布特征，探究超长工作面支架倾向分区内支架增阻特性。研究结果表明：工作面倾向长度增加，导致两巷煤体对中部顶板的支承减弱，中部峰值区域向两巷移近，超长工作面支架工作阻力分布趋势呈M型三峰值分布；超长工作面上部、中部、下部三区域支架呈对数型增阻时，其均化曲线仍为对数函数，表现为先急增阻后趋于平缓，此种支架增阻情况反映了来压期间工作面顶板由快速下沉逐渐变为缓慢下沉；呈对数−指数型增阻时，中上部区域支架增阻均化曲线为对数函数，中部及中下部均化曲线为对数−指数型复合函数，表现出先急增阻然后趋于平缓最后急增阻的特征；当支架工作循环时间超过一定值，对数−指数复合增阻型支架会急速增阻，不利于顶板控制，通过优化工作面割煤速度，降低支架工作循环时间，可减小支架增阻量，避免高阻力状态下支架再次瞬时增阻，提升工作面支架支护效果。

• 深孔爆破的炮孔封堵机理及参数优化研究

  尹忠昌, 宋俊生, 王文翰,

  深孔爆破炮孔封堵质量的好坏直接影响到炸药能量的有效利用和爆破的破岩效果。通过理论分析、实验室模型试验、数值模拟和现场试验相结合的方法，对超深孔爆破时的炮泥封堵机理、封堵方式、封堵材料的选择以及封堵长度等参数展开研究，获得了炮孔在完全封堵作用下爆生气体对围岩的破坏作用及裂隙生成范围，优选了封堵方法和封堵参数，提高了炮孔封堵质量。在对炮孔封堵机理研究中，通过理论分析，推导出合理的最短封堵长度。在实验室模型试验中，通过对炮泥的直剪试验，获得了炮泥的黏聚力、内摩擦角等物理力学参数。应用LS-DYNA软件对有无封堵情况下的爆破模型进行模拟分析，得到无炮泥封堵时靠近自由面一侧岩体比有炮泥封堵时受到更大的应力作用，进一步分析有无封堵情况下炮孔内部及围岩的应力场分布规律，验证了炮泥封堵可以有效地减少爆生气体的逸出，将爆破能量更好地集中于岩石深部，使岩石径向裂隙更好的发育，说明有炮泥封堵情况下，爆炸应力波与爆生气体的共同作用可以更好地提高炸药破岩效率。通过PFC软件分析了不同封堵长度的炮泥移动规律，得到合理的炮泥长度是确保爆生气体作用及不产生外部破坏的主要因素，并验证了最短炮泥封堵长度的理论计算方法，同时现场试验效果进一步证实了有效的封堵长度的合理性。

• 煤层顶板深孔预裂爆破高效封孔材料及工艺研究

  胡亚超, 熊祖强, 王春, 王成,

  基于传统封孔材料在煤层顶板深孔预裂爆破过程中存在封孔难度大、封孔效率低、劳动强度高等难题，提出了一种高效封孔材料。该材料具有凝结固化时间短、早期强度大、泵送性强等特性，材料初凝时间为3.0 min，固化时间为8.0 min；反应放热温度不高于70 ℃，低于电雷管引燃温度；并且0.5 h的抗压强度为5.96 MPa，相比黏土炮泥材料的0.232 MPa，提高了近25倍；通过分析注浆材料封孔机理，确定高效封孔材料抗压强度满足封孔要求；为进一步研究高效封孔材料封孔强度，以黏土炮泥材料为对比，在RMT-150岩石力学测试系统测试静载荷作用下高效封孔材料的封孔强度；同时，根据高效封孔材料的特性设计了一套精确的、便于操作的高效封孔工艺并进行现场工程试验。结果表明：封孔材料的抗压缩能力和材料的残余压力随着封孔长度增加而增加，且高效封孔材料的压缩载荷强度远大于黏土炮泥材料；相同的封孔长度时，相比黏土炮泥材料，高效封孔材料封孔强度有了很大的提高；单孔封孔时间15 min，封孔0.5 h可以爆破；爆破后，顶板完整性相对较好，CO体积分数为5×10−6~20 ×10−6，符合爆破安全要求。高效封孔材料爆破封孔不但具有很好的封孔效果，还实现了爆破封孔机械化作业，解决了顶板深孔封孔难题，大幅提高爆破封孔效率，相比传统封孔工艺取得了很大的进步。

• 水岩作用下煤岩组合体力学特性与损伤特征

  陈光波, 李谭, 杨磊, 张国华, 吕鹏飞, 滕鹏程,

  水岩相互作用是地下采矿工程活动中的常见问题。为研究水岩作用下煤岩组合体的力学特性、损伤特征及劣化机制，对不同浸水时间下的细砂岩−煤(FM)、粗砂岩−煤(GM)、细砂岩−煤−粗砂岩(FMG)3种组合体开展了轴向压缩试验。结果表明：①组合体含水率随浸水时间增加而增大，浸水20 d以后达到饱水状态；5～15 d为组合体的吸水区，15～20 d为组合体近饱和区，20～25 d为组合体的饱和区。②水岩作用下3种组合体的抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数具有明显的劣化效应，其参数值均随浸水时间增加而减小；浸水5～15 d阶段为峰前能量陡降区，浸水15～25 d阶段为峰前能量缓降区；浸水时间5～15 d，组合体冲击能量指数劣化明显，15 d之后，劣化效应较弱；浸水5～10 d组合体为弱冲击倾向性，浸水15～25 d组合体无冲击倾向性。③随着浸水时间增加，组合体的声发射累积数显著下降。利用损伤理论构建了基于浸水时间的组合体损伤模型，该模型揭示了损伤变量与浸水时间的关系，反映了随着浸水时间增加，组合体的损伤程度增大的规律。④推导了类孔隙比计算公式，组合体的类孔隙比为：FM组合体＜FMG组合体＜GM组合体；分析了组合体类孔隙比与抗压强度的关系，组合体类孔隙比越大，其抗压强度越小；⑤针对水岩作用下煤岩组合体的劣化效应，从物理、化学、力学3方面，分析了水岩作用下煤岩组合体的劣化机理。⑥对鹤岗矿区某煤矿采矿区积水影响下的煤岩柱破坏特征和变形规律进行分析，水岩作用下煤岩体强度和稳定性具有明显的劣化效应，并且这种劣化效应在浸水初期更为明显，随着浸水时间增加，劣化效应逐渐减弱，这与试验结论相一致。

• 多重采动下大倾角上覆煤岩移动及地面井变形规律

  王智民, 梁运培, 邹全乐, 张碧川, 冉启灿,

  地面井在煤层开采引起的采动作用下极易发生变形直至失稳破坏，这也是制约采动卸压区地面井瓦斯抽采技术应用的关键性问题。以新疆1930煤矿大倾角煤层群开采为背景，开展了大倾角煤层群开采下地面井变形的相似模拟试验，通过监测覆岩移动、煤层应力变化、地面井管道不同位置的轴向与环向变形，揭示了大倾角煤层群采动下地面井变形规律，研究表明：首先地面井在采动过程中处于剪切、挤压、拉伸的复合应力状态，但由于煤岩层倾角的存在，环向的剪切变形大多时间大于轴向的拉伸变形，即地面井受到的剪切作用占主导地位，同时采动过程中，地面井环向的剪切变形与轴向伸缩变形存在一定的负相关关系，在一定程度上说明地面井所受的剪切作用和拉压作用存在相互制约的关系；其次地面井轴向变形规律整体呈现增大趋势，但过程中出现拉缩交替的现象，与近水平煤层重复采动时的一直增大存在较大差异，而环向的剪切变形的变化趋势则与近水平煤层重复采动时较为相似，出现了反复错动的特点，但最终剪切位移的方向始终为煤层的倾斜方向；最后研究也发现在主关键层上部地面井变形规律整体呈现“增大—减小”反复三次交替，在主关键层及下部呈现“增大—减小”反复四次交替。研究成果可以为大倾角多重采动区地面井的工程应用提供一定的理论支持。

• 露天煤矿工作帮过断层参数控制方法

  刘光伟, 黄云龙, 曹博, 王亮, 赵美玲,

  大型露天煤矿在开采境界内常会遇到发育范围、发育程度不同的断层构造。为了对露天煤矿工作帮过断层相关参数进行优化确定，分析了采剥工作线与断层走向相对位置不同时工作帮过断层方式及工作线长度变化情况，确定了断层影响区域煤炭资源回收原则，阐述了工作线与断层走向相交时工作帮推进过程中生产剥采比变化的影响因素。依据露天开采基本原理，建立了工作帮相交断层走向布置工程模型，论述了工作线的组成并给出工作线长度计算方法。构建了以工作线布置方向、工作帮推进方向为轴的三维空间直角坐标系，计算了各工程模型的断面剥离量和原煤量，确定了采煤工作线长度、工作线与断层走向夹角、工作帮推进距离和生产剥采比之间的函数关系。采用控制变量手段分析生产剥采比变化规律，结果显示：采剥工作线与断层走向正交时初始生产剥采比与断层下降盘工作线长度呈正相关关系；工作帮斜交断层走向推进时，初始生产剥采比与断层上升盘工作线长度、工作线与断层走向夹角呈负相关关系，且工作线与断层走向夹角越小，生产剥采比变化越剧烈。给出了露天煤矿工作帮过断层参数优化原则，提出了利用计算机程序循环判断确定参数的方法。以胜利西二号煤矿为工程背景，将上述优化原则及确定方法进行应用研究。结果表明：工作线与断层走向夹角70°，初始下盘采煤工作线长度为1700 m时，工作帮在F13断层区域推进过程中生产剥采比小于经济合理剥采比，工作线长度始终满足设备作业、走行、调配所需的最小工作线长度要求，且东帮扩帮工程量最小。

• 基于形态与支挡效应的露天矿到界边坡形态优化

  张禹, 刘宇, 杨洋, 杨国华, 吕文伟, 李广贺,

  为探究露天煤矿到界边坡的坡面形态优化设计方法，以国家能源集团神华新疆黑山露天矿南帮边坡为工程实例，应用简化Bishop法，基于边坡断面形态效应理论，设计了边坡在二维视角下不同凹凸程度的坡面形态并进行了稳定性评价与对比，得到较优设计；基于强度折减法，应用数值模拟方法仿真了较优坡面形态在边坡三维支挡作用下的形变过程，通过分析形变特性，进一步提高边坡坡面的凹凸程度得到了最优坡面形态。结果表明：二维设计条件下，受局部边坡稳定性的限制，在黑山露天矿南帮边坡+2 385 m水平以下自底周界向上依次布置两组组合台阶，可得凹凸程度较优的坡面形态，坡面的整体稳定性系数为1.344，局部稳定性系数为1.204。三维设计条件下，较优形态在内排土场与横采工作帮的三维支挡作用影响下，边坡局部与整体的稳定性均得到改善，存在进一步形态优化的空间。可在较优形态基础上，通过增设一组组合台阶的方式局部加陡+2 430 m水平以下边坡区段以取得最优坡面形态。最优形态在数值模拟边坡形变过程中，进入临界失稳前变速阶段后呈现的形变速度相对缓慢，模拟结果稳定，最终强度折减系数为1.20。最优形态在地表界与底周界不变的前提下，保障黑山露天矿边坡安全的同时可节省首采区岩石剥离量约384万m3。

• 基于微胶囊技术的瓦斯抽采钻孔密封材料研究

  张超, 范富槐, 李树刚, 翟成, 江丙友, 杨朴超, 曾祥真,

  煤矿瓦斯抽采钻孔密封材料的性能在改善钻孔密封质量、提高瓦斯抽采效率等方面起着至关重要的作用。为了改变传统水泥基钻孔密封材料在水化初期发生无效膨胀的问题，采用理论研究、物理试验与测试相结合的方式，提出了利用微胶囊技术延缓密封材料膨胀时间的方法。实验确定了以乙基纤维素(EC)作为囊壁材料、蒙脱石(MMT)为囊芯材料，以相分离法制备延迟膨胀微胶囊，并通过单因素实验与响应曲面分析法(RSM)得出各关键参数之间的交互作用，结果表明各关键参数对包封率的影响程度大小排序为：搅拌速率>芯壁比>聚乙烯(PE)用量。此外，根据Design-Expert软件得出微胶囊制备的最优参数为：芯壁比为0.8，PE用量为1.5%、搅拌速率为400 r/min。最后，通过自主设计的模拟钻孔密封性能实验表明：延迟膨胀密封材料相较于普通膨胀材料具有更好的密封性能，其有效密封时间可提高60%左右。

• 煤自燃特征温度与微观结构变化及关联性分析

  张玉涛, 杨杰, 李亚清, 张园勃, 史学强,

  煤自燃灾害严重威胁了矿井的安全生产，掌握煤自燃微观基团和特征温度之间的关联性对煤自燃灾害的防治具有积极作用。为确定不同变质程度煤自燃过程中特征温度和煤微观结构的变化及相互联系，利用热重试验和傅里叶红外光谱实验分别测试了4种不同变质程度煤样自燃过程中的质量变化特性和微观结构，采用皮尔逊相关系数法确定了2者之间的联系。结果表明：随着变质程度的增大，煤中的芳香烃和脂肪烃含量增加，含氧官能团含量减少，3种类型的基团中含量最高的基团分别为C=C，—CH3和—OH。变质程度高的煤失重曲线和特征温度逐渐向高温区移动，且各特征温度间的间距增大。煤自燃特征温度会随着芳香烃含量的增加而增加，随着含氧官能团含量的增加而降低。芳香烃含量越大，煤自燃越难发生，而含氧官能团则恰好相反。皮尔逊相关系数计算结果表明，随着温度的升高，正相关系数最大的官能团分别为C—H，C—H，C—H，取代苯，C=C和C=C，负相关最大的官能团分别为COO—，COO—，C—O—，COO—，—OH和—OH。整体而言，C—H与特征温度之间正向相关性最大，而COO—则与特征温度呈最大的负相关。特征温度的变化与最大官能团的含量呈较为明显的线性关系。基于皮尔逊相关系数的结果，利用与特征温度相关性最大的C—H和COO—官能团的含量建立了煤自燃倾向性多元线性回归模型。

• 单轴压缩下煤岩细观结构参数表征及演化规律

  杨琪, 于岩斌, 崔文亭, 高成伟, 张鑫, 申家龙,

  为研究煤岩细观结构特征随着轴向应力增加的演化规律，利用NanoVoxel-3502E X射线三维显微镜与Deben原位加载实验台进行煤岩单轴压缩试验，获取不同应变条件下的CT数据，并结合三维可视化软件AVIZO，研究煤样试件的孔隙裂隙分布特征，统计分析煤样试件孔隙裂隙细观参数-球形度、配位数、曲率和开度。揭示了煤样在单轴压缩情况下的细观结构空间分布特征及随时间的展布规律，细观结构随轴向应力的演化规律。研究表明：微小裂隙在20～732 N过程中大量出现，孔隙增多，在431～732 N过程中孔隙球形度集中分布范围变窄，部分孔裂隙逐渐融合进入裂隙网络，部分孔裂隙被压实压密，732 N时部分孔隙被压实压密，导致孔裂隙减少90000个，裂隙曲率逐渐增大、裂隙逐渐开度变大，配位数集中率更高，同时也说明煤样内部连通性更好，732 N是裂隙网络发育的巅峰。轴向力达到1100 N（峰值）时，形成复杂的裂隙网络。随着单轴压缩过程的推进，部分孔裂隙虽然在732 N被压实压密，但由于轴向力的增大以及残余荷载的作用，孔裂隙的增多是必然趋势，峰值和峰后仍然存在微小孔裂隙，但峰后裂隙较窄，球形度更多的是集中在1.5～2.0。贯通裂隙的曲率在裂隙网络的边缘普遍较高，即裂隙网络边缘为裂隙发育带。为研究煤样的时空演化规律提供了一种可行的技术手段，对于阐释煤岩细观结构时空演化过程具有实际意义。

• 基于粗糙度的煤体表面接触角数值模拟研究

  张健, 许博, 魏建平, 张鹏妍, 蔡茂林, 张凯旋,

  煤尘是煤矿的七大灾害之一，它不仅影响作业人员的身心健康，还能致使发生煤尘爆炸。煤的润湿效果对除尘有很大的影响，已有研究表明煤的润湿效果与煤的润湿性、表面粗糙度和表面活性剂等有关。为了有效地解决井下煤尘问题，选取了亲水性的哈密褐煤、疏水性的安阳焦煤和弱亲水性的赵固二矿无烟煤作为研究对象，使用光学接触角形貌联用仪测量3种煤样的均方粗糙度，测定3种煤样的本征接触角，利用COMSOL数值软件构建二维物理模型，设置模拟条件，调整模拟参数，分析对比试验值和模拟值，验证COMSOL数值模拟的可行性，研究了煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响。结果表明：数值模拟的液滴铺展过程、液滴铺展速度及液滴铺展形态和试验情况类似，但模拟接触角值比试验接触角值大；随着煤体表面粗糙度的增加，褐煤接触角从60.7°降低到50.9°，变化范围在10°左右，焦煤接触角从96.5°增加到112.7°，变化范围在16°左右，无烟煤接触角从89.7°降低到78.3°，变化范围在11°左右；同种表面活性剂对3种煤样接触角的模拟值和试验值具有相同的变化趋势，但模拟值比试验值大。采用数值模拟的方法，研究煤体表面粗糙度对煤体表面接触角的影响具有一定的可行性。煤体表面受粗糙度影响的润湿情况符合Wenzel模型。表面活性剂的存在不改变3种煤样的接触角随表面粗糙度变化的规律。

• 煤储层水文地质特征及其煤层气开发意义研究综述

  赵馨悦, 韦波, 袁亮, 葛燕燕, 胡永, 李鑫, 王毛毛, 贾超, 玛依拉·艾山, 田继军,

  我国煤层气资源开发具有广阔的前景，煤储层水的演化过程及其在煤层气开发过程中的运移规律对煤层气的富集和产能有重要影响。文章阐明了煤储层水的组成、性质、来源及同位素年代学研究进展；分析了煤储层水运移过程中压降漏斗的扩展规律和井间干扰机理，探讨了煤储层水运移过程中可能造成的储层伤害，并根据煤储层水的演化过程及其在煤层气开发中的运移规律，对煤层气开发提出几点建议。研究总结表明：①煤储层水来源于原始沉积水、渗入水、深成水以及成岩水，原始沉积水的钠氯系数 (rNa+/rCl−)< 0.5，肖勒系数IBE>0.129，矿化度>10 000 mg/L；渗入水则与原始沉积水相反，深层水的δD介于−80‰～+40‰，δ18O介于+7‰～+9.5‰，成岩水δD介于−65‰～−20‰，δ18O介于+5‰～+25‰；②煤储层水地球化学特征对煤层气的富集、开发有重要指示意义，煤层气高含气区通常具有钠氯系数、脱硫系数、镁钙系数小，变质程度高的特点，低含气区反之；③煤储层水运移过程中形成的压降漏斗以及井间干扰有利于提高煤层气井产量，我国煤层气井大多采用矩形或菱形井网部署，最优井距通常在250～400 m；④煤储层水运移会引起水锁伤害、水敏伤害及速敏伤害等，通过实施合理排采强度、开展井网优化以及向入井流体中加入防水锁剂和煤粉分散剂方式等降低储层伤害。研究成果可为提高我国煤层气勘探效率和产量提供一定的理论依据。

• 沁水盆地郑庄区块煤层气水平井钻井体系优化

  李贵山, 于振锋, 杨晋东, 宋新亚, 郭琛,

  郑庄区块位于沁水盆地西南部，主产气层位为山西组3号煤和太原组15号煤，区内煤层赋存特征以及含气性无论从垂向上还是横向上均差异较大。分别对3号煤和15号煤的主裂缝延伸方向以及含气性进行分析，在此基础上对该地层水平井钻井体系进行了优化，结果显示：3号煤的水平最大主应力方向应为北东45°～60°，南西225°～240°；15号煤的水平最大主应力方向应为北东60°～75°，南西240°～255°。15号煤水平最大主应力方向与3号煤的相差15°左右。3号煤层属特低硫～低硫无烟煤，煤厚基本在5～6 m。15号煤层属中高硫～高硫无烟煤，煤层厚度在横向上总体较稳定，一般为4～5 m，煤层结构较为复杂。3号煤层和15号煤层含气量由区块南部向北部略有增加的趋势，呈现北东向展布的相对富集区夹小面积零星分布的相对低含气量区。优化钻井体系主要从钻井设计方案优化和钻井过程优化两个方面来实施。钻井设计方案优化主要包括：钻井设计理念的优化、井位优化和钻井轨迹设计优化。钻井过程优化主要包括：钻井设备优化、钻井液体系优化和井眼轨迹控制。井眼轨迹控制包括：无导眼精准着陆、弯曲段井眼轨迹控制、着陆时井眼轨迹控制和着陆后水平段井眼轨迹控制。ZH-L36井运用优化后的钻井体系，最终煤层钻遇率达到99%，压裂后产气量达4万m3/d。区块运用优化后的钻井体系，日产气量提高了100万m3/d。

• 基于原子力显微镜观测的煤中显微组分微观形貌与孔隙结构

  张小梅, 王绍清, 陈昊, 邓金松, 霍立琦,

  煤炭既是重要的能源资源，也是潜在的材料原料。作为能源时，煤的物理结构在其综合利用及转化中有不可忽视的作用，如煤中孔隙结构对煤层气的储存、吸附、运移、解吸等有关键性作用。作为材料原料时，能为高精尖产业提供优质原料来源，如煤基石墨、煤基石墨烯等。显微组分是煤的主要成分，对煤的属性及其应用贡献巨大。以榆横矿区小纪汗煤矿2号煤层样品（XJH）为研究对象，对煤中显微组分开展原子力显微镜（AFM）观测，分析镜质组、半丝质体和丝质体的微观形貌和孔隙结构特征，为该区煤的清洁高效利用夯实基础。结果显示，XJH煤显微组分的微观形貌以粒状结构为主，表面颗粒呈不同规则程度圆形或椭圆形随机分布；镜质组表面颗粒的功率谱密度分形维数Ds最大，颗粒空间充填能力和高低起伏程度大，随机性强，微观结构较复杂。半丝质体次之。丝质体Ds最小，颗粒分布较疏散，起伏程度较缓，微观结构较镜质组和半丝质体简单。孔隙结构方面，镜质组孔隙平均孔径和面积最小，但孔隙数量最多，且贡献主要来自孔径<2 nm的微孔，镜质组孔隙结构更利于煤层气的吸附和储存；惰质组平均孔径和面积大于镜质组，但孔隙数量更少，这是惰质组中孔径2～50 nm的介孔数量较多所致，惰质组的孔隙结构能为煤层气的扩散提供有利通道。惰质组中半丝质体和丝质体的孔隙结构都主要由介孔贡献，但半丝质体孔隙分形维数D较大，即半丝质体孔隙不规则程度较丝质体大。

• 煤矿防治水工作实践中几点思考与建议

  吕玉广, 乔伟, 靳德武, 李小琴, 李杰,

  针对近年来煤矿防治水工作中出现的一些热点（有掘必探）、难点（特殊条件下疏干开采）以及在用规程（规范）中存在的矛盾等问题，分析其给生产实践和安全监管带来的困惑，提出几点看法与建议。首先分析了“有疑必探”的内涵，认为“预测预报”是“有疑必探”的前置条件，“预测预报”要解决水害类型、水压以及水体所处空间位置等关键要素，据此才能进行探放水工程设计；从历史背景和现实条件出发，分析认为山西省﹝2011﹞70号文件的“有掘必探”是在特定条件下提出执行的，针对性很强（古井老窑水），水害类型明确，水压、水源空间位置大致可预测，具备了探水工程设计的条件，执行“有掘必探”有其合理性；但适用范围不宜无限扩大，其他地区不宜简单效仿，否则就是无的放矢，存在设计难、执行难、监管难等问题。然后分析了水对软岩工程劣化效应的影响，弱胶结低强度强膨胀高富水复杂型软岩遇水发生崩解、泥化、膨胀、底鼓变形等劣化现象，严重制约生产效率；软岩条件下弱含水层预先疏干的目的在于改善生产环境，从而提高生产效率，建议规程对此类疏放水孔做出原则性约束即可，便于企业更好地结合实际情况制定施工技术措施，否则，在政府监管部门和企业之间会出现认识上的差异。最后，根据规程（规范）中的定义，导水裂隙带不包括垮落带（位于垮落带上方）；根据规程（规范）中的经验公式以及附图，导水裂隙带包括垮落带，出现前后不统一的问题，为此提出可任选其一的2种修改建议。通过分析，厘清了一些模糊性概念，便于生产单位准确执行规程规范，有利于安全监管部门精准监管，避免监管部门和企业陷入“两难境地”。

• 邯邢矿区承压水上充填采煤底板渗流规律研究

  王春娟, 刘建功, 王金喜, 赵家巍, 王毅颖, 史艳楠, 闫善飞,

  为了掌握开采参数和充填参数对承压水上采煤工作面底板渗透破坏的影响机制，针对邯邢矿区承压水上安全采煤问题开展研究，基于典型矿井煤层地质赋存特征，建立了承压水上开采水岩耦合概化地质模型，分析了承压水上采场底板力学行为。根据半无限板集中荷载和均布条形荷载传播的求解方法及弹性力学叠加原理，获得了采动与水压共同作用下底板应力分布表达式。进而借助MATLAB计算程序，以邯邢矿区开采条件及实测数据为例，得到了有无水压条件下底板应力分布规律，采动应力等值线与奥灰水压力等值线相互交织、互相影响，加剧了对底板变形破坏的影响。进一步计算出了水岩共同作用下底板应力分布和主应力差分布，揭示了承压水上采场底板破坏与充填控制机理。通过散体矸石固体改性试验，得出了掺入自主研发的胶结料后改性充填材料力学性质，其弹性模量范围为30～50 MPa。岩石破裂数值模拟结果显示，当充填体弹性模量增加至50 MPa时声发射事件和累积释放能量明显减少，且采煤工作面底板仅出现少量裂隙并最终被控制在局部范围，不会出现失稳性扩展，充填体的抑制作用与承压水的破坏作用达到平衡状态。研究结果为邯邢矿区准备开展的30 m以内隔水层间距煤层开采提供了前瞻性理论基础。

• 基于改进随机森林算法的地质构造识别模型

  王怀秀, 冯思怡, 刘最亮,

  地震属性常常用来进行构造解释以及预测。为克服单一地震属性预测带来的多解性和不确定性的问题，采用地震多属性融合技术对地质构造进行解释以及预测。基于经典的机器学习随机森林算法模型，提出了一种改进的随机森林算法对多种地震属性进行融合分类，将地震多属性融合技术与改进的随机森林算法结合，建立了基于改进随机森林算法的地质构造识别模型。以山西新元煤炭责任有限公司二条带二采区作为研究区域，基于三维地震勘探成果提取到的12种地震属性，通过对12种属性进行属性相关性分析以及特征重要性分析，依据结果保留了全部12种属性进行后续的属性融合。利用揭露验证后的地质构造−断层和陷落柱作为样本标签，提出一种改进网格搜索的优化算法，将分类器数目与单棵决策树的最大特征数组成参数对进行网格搜索，基于Python语言平台建立算法模型，实验结果表明改进后的算法模型预测准确率达到97%，经过后续的模型验证，证明了相比于逻辑回归、梯度提升与决策树等几种算法，改进后的随机森林算法能够更加有效地识别地质构造中的断层与陷落柱等异常体，且识别准确率更高，算法适用性更加广泛。

• 陕北黄土沟壑地貌地表移动变形特征研究

  石国牟, 张丽佳, 胡振琪, 浮耀坤,

  为研究黄河流域中游陕北矿区湿陷型黄土沟壑地貌高强度开采地表移动变形特征，对柠条塔矿黄土沟壑区N1212工作面开展系统的地表沉陷监测，分析黄土沟壑地貌高强度开采条件下地表沉陷变形特征，确定地表最大下沉速度及最大下沉速度滞后角，地表移动时间和动态地表移动参数。研究结果表明：陕北湿陷型黄土层高强度煤炭开采地表非连续变形破坏严重，黄土地表易受移动变形与地形条件复合影响，出现不均匀沉降，高强度开采条件下，地表移动变形发育剧烈，地表最大下沉量5255 mm，最大水平移动值2680 mm，最大下沉速度为187.4 mm/d，单一煤层开采最大下沉系数为0.63，斜交重复采动最大下沉系数为0.84，活跃期约55 d，期间下沉量占总下沉量97%，最大下沉速度滞后距为74 m，最大下沉速度滞后角67°。上述结果验证了浅埋煤层高强度开采时，地表下沉剧烈、活动周期短、重复采动时，地表下沉量与地质采矿因素成正比，沟谷地形高强度开采地表变形具有速度快、塌陷大、损害重的特征。

• 煤矿局部通风机风量智能控制系统研究及应用

  李团结, 黄维明, 潘伟华, 党利鹏, 诸德云, 郭文芳, 李博,

  矿用局部通风机切换过程中容易出现短暂的停风，从而引起瓦斯浓度超限的安全生产问题。为了避免通风机切换引起风量暂停现象的发生，根据恒定风量切换原理，研究了局部通风机恒定风量智能切换控制系统，利用恒定风量反馈模糊调节控制原理，开发了新型矿用局部通风机智能远程控制系统和ZFJ1140型局部通风机智能监控装置，实现了通风机切换过程中风量恒定和通风机运行参数的远程、实时地监控。在通风机风筒上进气处、测进气处、集流器进气通道和出气通道4个地方开展了空气动力性能测试表明，通风机的空气动力性能较好，通风机全压效率在82.5%～85.0%内波动。在陕煤黄陵矿业集团一号煤矿1010辅运巷道应用表明，ZFJ1140型局部通风机在风量切换期间巷道风量变化控制在8.89%以内。与传统局部通风机切换方式相比，智能局部通风机的恒定风量切换功能有力保证了风量切换过程的巷道瓦斯浓度维持在安全范围。

• 基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统

  李森, 李重重, 刘清,

  随着煤矿智能化逐步应用开来，透明地质技术成为智能化开采的重要技术支撑之一。针对当前透明地质技术成果在智能开采应用中与装备控制集成融合度不高的问题，研发了基于透明地质的综采工作面规划截割协同控制系统。该系统以智能规划中心和开采控制中心为核心，智能规划中心以地质模型等数据为依据，生成截割模板和控制策略；开采控制中心负责协同控制综采装备，依据截割模板执行控制策略。阐述了系统的两项关键技术，截割模板规划技术和综采装备协同控制技术。截割模板规划技术包括滚筒高度规划和截割工艺段规划。滚筒高度规划采用基于趋势分解与机器学习的滚筒高度预测方法，生成规划高度模板；截割工艺段规划根据单个工艺段的特征，结合中部和端头的截割工艺，形成了工艺段规划表。综采装备协同控制技术包括采煤机支架协同控制和煤流负荷协同控制。采煤机支架协同控制提出了截割前工艺适配和截割中实时调整的控制策略，保证采煤机运行时，支架能够自动跟机作业；煤流负荷协同控制提出了基于线性规划的控制方法，推导出采煤机速度的线性规划函数，用以调整采煤机的速度实现煤流负荷平衡。现场应用和试验表明：采煤机按照规划截割工艺自动执行，试验过程中每刀人工干预次数最大值为25次，人工干预次数下降64.28%～68.75%，刮板输送机负荷平稳可控，没有空载或停机现象。研究成果为智能化开采进一步提升提供了一定的参考价值。

• 小型巷道全断面掘进机快速施工关键技术与应用

  童碧, 陈建本, 孙涛,

  岩巷掘进效率对于煤矿高效生产具有重要影响。与传统的钻爆法和综掘机法相比，盾构掘进施工法在掘进效率方面具有显著优势，已逐步应用在煤矿岩巷掘进施工中，但其直径一般都超过5 m，难以适用于小断面岩巷。因此，为提高小断面岩巷掘进速度，综合考虑井筒罐笼提升、设备运力、巷道尺寸、瓦斯治理模式、设备防爆性能、连续化排矸、巷道施工条件等因素，研制出了直径为3.5 m的小型矿用全断面掘进机。基于工程地质条件进行数值模拟，提出砂岩、砂质泥岩和泥岩顶板条件下的最优支护参数，获得了巷道最优支护参数，并通过动态调整实现巷道围岩分类精准控制，达到“围岩控制稳定、支护材料数量精确、支护耗时少”的目标。通过研制钢筋自联网、超长运输能力带式输送机，提高整机变坡范围（−9°～+9°），改进刀盘冷却水循环系统，超前治理断层技术，解决了现场应用中遇到的技术难题。研究结果表明，连续化排矸系统构建、盾构机作业线设备配置、快速始发与拆除技术、巷道精准支护施工及劳动组织方式均为保障盾构机快速施工的关键技术。最后，将该小型矿用全断面掘进机及快速施工技术应用于顾桥矿东一边界回风巷， 7个月内完成3 115 m岩巷掘进施工，月进尺600.6 m，刷新了淮南矿区岩巷掘进施工记录，掘进效率提高至钻爆法的3.15倍，人均工效提高至钻爆法的3.82倍。

• 新型大功率分断式永磁涡流摩擦限矩器的轴向力-滑差特性研究

  王誉廷, 张宏,

  针对煤矿机械中摩擦限矩器过载保护装置存在的寿命短、可靠性差的现状，提出一种由永磁涡流传动机构与摩擦离合器组合而成的新型的大功率快速分断式永磁涡流摩擦限矩器(PMEFTL)，其工作原理是：永磁涡流传动机构中磁体盘与导体盘之间的静态磁场引力对摩擦离合器的摩擦片施加轴向压力，形成摩擦限矩器的扭矩传输，借助过载瞬间主从摩擦片的相对滑差控制导体盘和磁体盘间轴向斥力，实现摩擦片脱离并快速切断传动系统。首先建立了PMEFTL的涡流磁场数学描述及其有限元模型，基于瞬态磁场分析研究了PMEFTL中永磁涡流机构产生轴向力的机制，提出了PMEFTL的轴向力的麦克斯韦张量形式及摩擦限矩器转矩计算方程，表明永磁涡流机构的总轴向力由背铁轴向力和导体盘轴向力合成，随着滑差增大，背铁轴向力总是表现为引力并逐渐减小，导体盘轴向力总是表现为斥力，并逐渐增大，总轴向力则由引力逐渐变为斥力，并存在静态引力点和脱离转速点2个特征点。PMEFTL的传递力矩与总轴向力成正比，过载打滑前，传递力矩等于摩擦副静摩擦力，过载打滑后，传递力矩由摩擦力矩和电磁力矩组成。其次基于三维有限元方法研究了PMEFTL轴向力−滑差特性的影响因素，得出提高永磁体的厚度和占空比、增加导体齿槽数、减小导体齿槽占空比等都可以提升静态引力，进而提高PMEFTL的传动能力；脱离转速点与轴向引力和轴向斥力的相对关系有关，在静态引力确定的前提下，调节导体齿槽占空比、导体齿槽数可以调节脱离转速点。最后对375 kW的矿用PMEFTL的永磁体的厚度、占空比和极数与导体的占空比和槽数等设计参数进行优化，与初选参数相比，优化后静态引力提高90%，摩擦副对数减少近1倍。PMEFTL在煤矿机械的应用将有效提高传动系统的可靠性和使用寿命，减少相应的停机维修工作，提高生产效率。

• 基于役龄回退模型的露天矿卡车周期预防性维护策略

  李雯静, 邱莉, 林志勇, 姚囝, 谢展扬,

  针对露天矿生产运输中卡车维护成本较高的问题，对卡车采用周期预防性维护和小修相结合的维护方式，考虑露天矿卡车周期预防维护后故障率的变化规律，基于役龄回退模型研究了露天矿卡车周期预防维护策略。针对露天矿卡车故障率函数服从威布尔分布特点，引入役龄回退因子反应露天矿卡车在每次周期预防维护后的故障率变化，建立露天矿卡车每次周期预防维护后的故障率函数。基于露天矿卡车的故障率函数，建立包括露天矿卡车周期预防维护成本和小修成本的预防维护总成本模型，为求取露天矿卡车最优的周期预防维护策略设计了求解算法。研究结果表明：当露天矿卡车运行时间确定时，预防维护成本随着预防维护次数增加先减小后增大，随着预防维护周期变长先变小再变大；随着露天矿卡车运行时间的变长，最优预防维护次数呈增长趋势；露天矿卡车采用最优的周期预防维护策略比常用的维修策略的所需成本更小且随着露天矿卡车运行时间的变长差值变大。基于役龄回退模型构建露天矿卡车每次周期预防维护后的故障率函数，研究卡车在不同运行时间的最优周期预防维护策略，可为矿山设备预防维护管理提供有效的解决方案。

• 干法重介质流化床压力多尺度分析与流化质量表征

  张赣苏, 董良, 周恩会, 周晨阳, 段晨龙, 赵跃民,

  选煤是煤炭清洁加工利用的源头技术，干法选煤是干旱缺水地区与易泥化煤炭高效分选提质的重要途径。干法重介质流化床通过上升气流驱动加重质颗粒流化形成一定密度的气固流态化床层，实现对煤炭按密度分选，床层密度均匀稳定性即床层流化质量是决定分选精度的关键。受到气流、气泡、运动内构件、入料等多因素扰动，床层流化行为复杂多变，压力信号呈现出非均匀性、非线性、多尺度特征。基于干法重介质流化床压力信号的轴向差异传递与横向等效扩散特性，着重研究了床层轴向压差波动特征，提出流化质量定量表征方法。结果表明：基于时域分析可知，Geldart A类加重质颗粒床层总压降概率密度分布接近于正态分布；当床层散式膨胀时，由于颗粒间接触力的分布不均，概率密度呈现右偏且尖峰的偏离正态分布。通过频域分析发现，在床层膨胀区间的中末期，气泡主频主导了流化床的整个轴向区间；完全流化后的流化床，气泡主频仅控制着床层中部区域，床层浓度信号主频沿床层轴向分布变化明显。结合时域和频域信号分析结果，提出以轴向床层浓度主频为子区间波动标准差权重值的流化质量表征模型，可以综合评估干法重介质流化床的密度分布均匀性和稳定性，为干法重介质流化床分选密度稳态调控与精准分选提供有力支撑。

• 长焰煤的载体浮选试验研究

  耿鹏岳,

  为了改善长焰煤浮选效果，提高低阶煤利用率，探究载体浮选对长焰煤浮选效果的提升机理。以陕西榆家梁选煤厂的长焰煤作为浮选入料，内蒙古上海庙选煤厂的−1.3 g/cm3无烟煤作为载体，进行了载体浮选试验研究。对长焰煤进行粒度分析和XRD分析，结果表明：其细粒级含量多且灰分较高，脉石矿物主要为石英和高岭土。细粒度煤泥及黏土矿物的存在，易产生细泥罩盖和机械夹带现象，导致浮选效果较差。首先探究了加入载体的粒级及比例对长焰煤浮选效果的影响。结果发现，随着载体粒径的逐渐减小，其精煤产率逐渐降低，0.5～0.25 mm无烟煤作为载体时，与常规浮选相比，其精煤产率增加了3.89%，精煤灰分降低了0.17%。当载体添加质量比为10∶1时，精煤产率可达到71.93%，精煤灰分为11.48%。通过筛分可将0.5～0.25 mm进行筛分回收，浮选精煤中的载体回收率达到可98.48%，载体得到有效回收。其次探究了长焰煤煤泥粒级对载体浮选的影响，结果发现，0.5～0.25 mm的载体可以有效提高−0.045 mm长焰煤的浮选效果，与单独浮选−0.045 mm煤泥相比，精煤产率提高了9.31%。综上可知，载体浮选主要提高细煤泥的浮选效果。最后通过SEM、絮体图像分析及EDLVO理论计算可知，−0.045 mm长焰煤通过疏水作用力粘附在载体表面，并形成了大量的絮体，从而提高了长焰煤的浮选效果。

• 响应曲面法优化蛇纹石负载羟基磷灰石去除矿区地下水氟铁锰研究

  李喜林, 杨雯雯, 周天然, 王文菊, 刘玲, 张龙, 高佳佳, 刘思源,

  为了解决矿区地下水中F−、Fe2+、Mn2+严重超标问题，采用湿法化学共沉淀法制备了蛇纹石负载羟基磷灰石(Srp/HAP)复合吸附剂，对地下水中氟、铁和锰进行同步去除研究。通过间歇试验和CCD（中心复合）响应优化试验，探究投加量、反应时间、pH值对F−、Fe2+、Mn2+去除效果的影响，建立以F−、Fe2+和Mn2+去除率为响应值的二次回归模型。对Srp/HAP进行了吸附再生试验，探究其可重复利用性。结果表明， Srp/HAP处理F−、Fe2+、Mn2+质量浓度分别为5 mg/L、20 mg/L和5 mg/L复合水样的最佳反应条件为：投加量为3.64 g/L，反应时间为120.47 min，pH=6.3，对应F−、Fe2+、Mn2+的去除率分别为98.23%、99.9%、99.7%，出水达到《生活饮用水卫生标准》（GB5749—2006）要求。CCD优化试验模型可以较好地拟合Srp/HAP对F−、Fe2+和Mn2+的吸附过程。预测值与试验值的绝对误差均低于5%，证实试验模型可靠。Srp/HAP复合颗粒经5次再生后，对F−、Fe2+、Mn2+的去除率分别降低16.13%、10.5%、15.4%，小于20%，可作为处理含氟、铁、锰离子地下水的优良吸附剂。

• 反渗透膜前阻垢预处理工艺研究

  周如林, 刘宗, 赵中梅,

  反渗透（RO）处理工艺是当前高矿化度矿井水处理技术中应用最为广泛的一种处理方法，但膜污染问题一直制约着反渗透工艺的进一步发展。针对高矿化度矿井水反渗透处理过程中膜面易发生结垢污染，导致反渗透膜产水效率和使用寿命下降的问题，通过模拟配置高矿化度矿井水，采用全循环实验法，分别考察阻垢剂预处理与电子阻垢仪预处理对反渗透膜结垢污染的控制效果与运行成本，并对不同预处理条件下所得膜片截面SEM进行分析。实验结果表明，在无预处理条件下，采用反渗透工艺对模拟高矿化度矿井水配水进行处理，反渗透膜可发生严重的结垢污染，运行17 h后膜片截面厚度（133 μm）明显高于清洁膜片厚度（115 μm）。采用阻垢剂和电子阻垢仪进行反渗透膜前预处理，均会对反渗透膜结垢污染起到较好的控制效果，并且脱盐率均在90%以上。相较于电子阻垢仪预处理，采用阻垢剂进行预处理，反渗透膜结垢程度污染程度最轻，运行17 h后，膜通量仅衰减18.74%，且膜片截面厚度（118 μm）更接近清洁膜片截面厚度（115 μm）。但当采用阻垢剂进行膜前预处理时，反渗透设备停机后，若未对反渗透膜进行清洗，阻垢剂可残留在膜表面进而影响膜分离性能。而采用电子阻垢仪进行预处理，则反渗透膜分离性能几乎不受设备停机的影响，且其吨水运行成本明显低于阻垢剂预处理。

• 褐煤协同球红假单胞菌固定SRB颗粒处理AMD中Fe2+、Mn2+试验研究

  张健, 狄军贞, 姜国亮, 董艳荣, 王显军, 杨逾, 周新华,

  针对硫酸盐还原菌（Sulfate-Reducing Bacteria,SRB）易受高浓度重金属、低pH抑制，以及需要投加碳源材料等问题，采用微生物固定化技术，以SRB、球红假单胞菌和褐煤作为主要固定基质，制备褐煤协同球红假单胞菌固定SRB颗粒（L-P-SRB），探究L-P-SRB对酸性矿山废水（Acid Mine Drainage, AMD）中含Fe2+、Mn2+和SO4 2−的去除效果。基于还原动力学及吸附动力学结合扫描电镜（SEM）和傅里叶红外光谱仪（FT-IR）等手段，揭示L-P-SRB处理AMD的机理。同时，探究了低温处理L-P-SRB对AMD的修复效果，为低温条件下矿区处理AMD提供一定的依据。结果表明：L-P-SRB对Fe2+和Mn2+的去除率分别为91%和79%，吸附Fe2+和Mn2+的过程均符合拟一级动力学；对SO4 2−的去除率分别达到了91.28%和81.94%，还原SO4 2−的过程符合一级动力学。与Fe2+相比，Mn2+对L-P-SRB活性有一定的抑制作用。L-P-SRB能将废水中的Fe2+、Mn2+和SO4 2−一次性去除，很好的解决了褐煤只能单纯吸附重金属离子和SRB需要投加碳源的问题。低温冷藏处理不会抑制L-P-SRB的活性，为一次制备多次使用提供了依据。由SEM和FT-IR检测可得，L-P-SRB在处理废水的过程中，球红假单胞菌优先发挥作用，破坏褐煤的结构，部分官能团被破坏，褐煤中的C—C、C=O以及环烃、烷烃、烯烃的侧链断裂，产生大量小分子有机物，增大了颗粒的比表面积，提高了颗粒的吸附能力。同时褐煤为SRB还原SO4 2−提供了载体和大量的碳源，促进了SRB的生长，提高了对AMD的处理效果。

• 矿井水水化学特征及资源化利用研究 以张集煤矿为例

  李竞赢, 刘启蒙, 杨明慧,

  由于煤炭开采活动大量矿井水被抽排至地面，造成严重水资源浪费和环境污染，为发展“绿色矿业”理念，探寻矿井水资源化利用的有效途径。以淮南煤田张集煤矿为研究对象，采集了矿区不同来源矿井水共82个水样，并选取Ca2+、Mg2+、Na++K+、Cl−、SO4 2−、CO3 2−、HCO3 −七大离子和pH、TDS、EC、TH共11个指标作为水质检测依据，探讨了张集煤矿矿井水的一般水化学特征、主要离子成分、离子含量动态变化特征，并利用相关性和主成分分析方法深入探究矿区水样的水化学特征，然后依据水化学分析结果对矿井水进行水质评价，并按照“分级分类”标准进行水质等级划分，得到矿井水初步利用途径，最后计算水样钠吸附比（SAR），建立钠吸附比（SAR）和EC关系，划分张集煤矿矿井水盐渍化和钠毒害风险等级，最终判定研究区矿井水资源化利用的途径。得出结论：张集煤矿矿井水TDS含量为255.47～7291.74 mg/L，平均值高达2346.60 mg/L，严重超标，其中离子组成含量贡献度最高的是Na+和K+；按照“分级分类”标准划分的水质分级结果为研究区Ⅴ类矿井水占比高达81%；钠吸附比（SAR）和EC关系显示，79.3%的水样点分布在S3-E4区和S4-E4区，说明张集煤矿矿井水存在较高的盐渍化和钠毒害风险，不适宜用做农业用水，矿井水水域只可作为一般工业用水区、人体非直接接触娱乐用水区或者一般景观水域。