安全科学

• 光干涉式甲烷浓度测定模型优化与实验研究

  隆清明;胡杰;文志杰;

  为提升光干涉式甲烷浓度测定器的测定精度与适用范围，解决煤矿井下低氧环境中测量结果不稳定、测定值偏差较大等问题，以传统光干涉式甲烷浓度测定模型为基础，结合影响测定精度的环境温度、气压因素，并融入井下含CH_4混合气体中O_2、N_2的气体组分浓度的影响因子，将传统光干涉式甲烷浓度测定模型中除CH_4外的混合气体折射率由定值转换为以气体组分体积分数决定的变量，以此研究并构建了光干涉式甲烷浓度测定优化模型。设计了实验室标准气样测试对比实验，选取体积分数为18.00%、19.00%、20.00%3种O_2及体积分数为0.50%、1.00%、1.50%3种CH_4,共配制9组不同体积分数的含O_2、CH_4、CO_2、N_2等4种气体的混合气体，对优化模型进行对比测试及其准确性验证。实验结果表明：利用建立的优化模型计算的CH_4体积分数与实验室所配制的标准气样中CH_4体积分数一致，且不受O_2体积分数变化影响，最大误差不超过0.03%,优化模型精度明显优于传统光干涉式甲烷浓度测定器。优化后的光干涉式甲烷浓度测定模型提升了测定精度，克服了传统光干涉式甲烷浓度测定器易受环境中O_2浓度变化而影响测定准确性的缺点，更加适用于煤矿井下大气成分多变环境中的CH_4浓度测定。

  2025年04期 v.52;No.282 1-6页 [查看摘要][在线阅读][下载 1492K]
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• 密闭火区煤自燃分级预警指标优选与相关性分析

  冯繁;杜睿智;杨文博;折小江;范龙;李天泽;王意林;岳马振;

  密闭火区内部情况复杂，气体取样结果差异大，监测指标的优先级及可靠性有待研究。利用程序升温实验优选煤自燃预警指标、搭建分级预警模型，通过灰色关联方法计算所选指标与密闭区参数的相关度来验证指标的合理性，最后通过采集现场数据检验分级预警模型。结果表明：30、70、100、200℃是亭南煤的4个特征温度，对比选择CO体积分数和C_2H_4、C_2H_2初现温度作为预警指标；在此基础上验证了常用复合指标R_(C,O)亦可作为预警指标；CO体积分数、R_(C,O)与O_2体积分数、密闭内外压差ΔH之间存在较强相关度，CO体积分数、R_(C,O)与O_2体积分数关联度最大，分别为0.801 3、0.785 8,与ΔH关联度次之，分别为0.696 8、0.672 1。经过对典型密闭进行连续监测发现，第2日之后，R_(C,O)超过蓝色预警的最低阈值，且呈递增趋势，并发布“蓝色预警”,所搭建的预警模型成功应用于煤自燃分级预警。

  2025年04期 v.52;No.282 30-36+43页 [查看摘要][在线阅读][下载 2472K]
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• 煤对不同配比N₂-CH₄竞争吸附及应变特性研究

  刘鹤;李珍宝;王虎;陈明能;鲜亮;

  为明确煤层瓦斯吸附—解吸行为对注氮驱替效果的影响，开展煤对不同配比N_2-CH_4混合气体的吸附—解吸实验，通过煤体应变、吸附—解吸速率与孔隙压力变化来分析其吸附—解吸效果。研究结果表明：在吸附阶段，气体在初期能快速进入煤层孔隙，CH_4会迅速占据吸附位置，随后吸附速率逐渐下降，增大N_2的体积分数可以促进气体的扩散和吸附，从而提高吸附速率，孔隙压力逐渐下降，煤体在该过程中会经历挤压和收缩，但其在持续注气后会因吸附作用而膨胀，应变值会随着N_2的体积分数增大而减小；在解吸阶段，气体受压力差作用，迅速释放，孔隙压力迅速降低，解吸速率先减小后趋于平稳，煤体先轴向膨胀后持续收缩，应变变化量与N_2的体积分数成反比。

  2025年04期 v.52;No.282 37-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 2237K]
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• 特厚煤层小煤柱综放开采瓦斯防治技术研究

  和树栋;

  为了解决特厚煤层小煤柱综放开采瓦斯涌出复杂、治理难度大的问题，以塔山煤矿8204综放工作面为研究对象，采用现场实测方法定量计算工作面瓦斯来源，通过数值模拟计算分析瓦斯分布特征及涌出规律，提出采用地面垂直井抽排技术治理工作面瓦斯，并确定最佳抽排时机。研究结果表明：小煤柱内部较为发育的裂隙为气体流动提供了通道，使得8206采空区与8204工作面之间存在气体对流现象，造成8206采空区的瓦斯大量涌出，成为8204工作面瓦斯主要来源，其占比高达62.0%;超前工作面20 m到滞后工作面120 m范围内，瓦斯抽采效果最佳；通过地面垂直井抽排瓦斯，工作面瓦斯浓度远小于临界报警值0.8%,有效降低了工作面瓦斯浓度。

  2025年04期 v.52;No.282 44-50页 [查看摘要][在线阅读][下载 1940K]
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• 叠加效应影响下顺层钻孔合理布孔间距研究

  华明国;周爱桃;张喜;施展;马帅;刘和平;陈晓鹏;

  为确定瓦斯抽采钻孔的最优布孔间距，基于孔隙-裂隙双重介质的假设，建立考虑煤体渗透率演化、固体力学和瓦斯扩散-渗流作用的气固耦合数学模型。以山西余吾煤矿N2206工作面为研究对象，开展单钻孔和多钻孔瓦斯抽采的数值模拟研究，发现有效抽采半径与抽采时间呈幂指数函数变化，数值模拟结果与现场试验结果的平均误差为4.69%。在模型验证的支撑下，进一步基于多钻孔瓦斯抽采叠加效应原理，分析了布孔间距对叠加效应的影响，在单孔有效抽采半径和影响半径的基础上建立了瓦斯抽采多钻孔布孔间距数学模型，得出N2206工作面的最优布孔间距约为9.2 m。通过现场试验，验证了布孔间距与单孔有效抽采半径、影响半径关系式的准确性。

  2025年04期 v.52;No.282 60-68页 [查看摘要][在线阅读][下载 1976K]
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采矿工程

• 不同围压和加卸载速率下砂岩变形破坏机制实验研究

  张风达;王路;张玉军;樊振丽;张志巍;

  为探究深部煤层底板变形破坏机制，对比分析了不同初始围压、不同加卸载速率下的砂岩应力—应变变化特征、声发射能量事件与强度变化特征，研究了不同条件下的损伤因子、弹性模量和泊松比变化特征。研究结果表明：卸围压速率0.06 MPa/s时，初始围压40 MPa下砂岩弹性模量损伤劣化转折点早于泊松比转折点，而初始围压25 MPa则与之相反。卸围压速率0.04 MPa/s的应力路径下，无论初始围压为25 MPa还是40 MPa,砂岩均因内部积聚大量能量以裂纹快速扩展的形式进行释放，并伴随着应力跌落现象，定义为能量驱动破坏型；初始围压25 MPa且卸围压速率0.06 MPa/s的应力路径下，砂岩内部裂隙扩展充分，内部积聚的能量及时得以释放，应力变化较为平缓，定义为损伤劣化驱动破坏型。初始围压40 MPa且卸围压速率0.06 MPa/s的应力路径下，砂岩前期因内部能量快速释放而出现应力跌落现象，而后受围压限制和轴压加载的作用，逐渐转变为裂隙扩展损伤变形破坏，即由能量驱动破坏型转变为损伤劣化驱动破坏型。

  2025年04期 v.52;No.282 78-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 2539K]
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• 离层注浆工作面矿压显现规律研究

  王成真;张豪;张江利;徐大龙;顾伟;

  离层注浆是实现地表减沉和绿色开采的重要技术，在浆液注入离层空间的同时也会改变工作面矿压显现规律。以赵庄二号井2309工作面为工程背景，对不同回采阶段下的矿压显现情况进行对比分析。研究结果表明：正常回采阶段整面平均末阻力为2 661.7 kN、来压步距为24.2 m,离层注浆回采阶段整面平均末阻力为3 229.1 kN、来压步距为16.5 m,相较于正常回采，离层注浆情况下支架末阻力明显增大，周期来压步距减小；当工作面过注浆钻孔时，支架工作阻力在走向方向呈整体增大、倾向呈现由中部向两侧逐渐减小的趋势；在浆液支撑反力、自重及注浆压力的共同作用下，促使下伏岩层挤压密实并增大了岩梁的受力，导致支架末阻力增大、周期来压步距减小，离层空间形态和注浆钻孔布置导致倾向中部支架受力更高。提出的诱因解释了离层注浆工作面特殊的矿压显现规律。

  2025年04期 v.52;No.282 94-100页 [查看摘要][在线阅读][下载 2296K]
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• 大埋深孤岛工作面回采覆岩结构演化与防冲减灾实践

  都锋;

  针对深部开采条件下孤岛工作面冲击地压防治难题，以江西丰城曲江煤矿中央采区003深井孤岛工作面为研究对象，采用实验室试验、理论分析、数值模拟相结合的方法，对孤岛工作面煤岩冲击倾向性、孤岛工作面覆岩结构特点、回采期间的应力演化特征等进行系统研究。试验结果表明，003孤岛工作面煤层和底板无冲击倾向，煤层顶板存在强冲击倾向；通过FLAC~(3D)数值模拟发现，随着工作面的推进，前方煤柱应力集中系数从1.05逐渐增至1.24,尤其在回采“见方”期间应力集中系数相对较高。现场进行了顶板预裂爆破卸压，并通过钻屑法进行检验，该卸压方式有效弱化了静载水平，防冲调控效果良好。

  2025年04期 v.52;No.282 117-124页 [查看摘要][在线阅读][下载 2713K]
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• 裂隙倾角对冲击倾向煤渐进失稳特征影响研究

  刘全辉;胡生奎;赵一超;曹宇;何琪;

  冲击地压煤层爆破卸压产生的裂隙分布广泛，为探明裂隙倾角对具有冲击倾向煤体渐进失稳特征的影响，开展了不同裂隙倾角煤样的单轴压缩试验研究。试验结果表明：(1)随着裂隙倾角增大，煤样峰值强度、弹性模量呈增大趋势，峰值应变先增大后减小再增大，横向峰值应变先增大后减小。(2)随着裂隙倾角增大，煤样起裂和损伤特征应力呈阶梯形变化；起裂和损伤应力呈“三段式”递增，0°、15°、30°、45°时特征应力线性增大，45°、60°、75°时特征应力快速上升，75°、90°时特征应力缓慢上升。(3)提出了冲击能指数、屈服度、破坏时间步及峰前裂隙占比联合评价冲击倾向性的方法，发现45°裂隙煤样冲击倾向性最弱。(4)建立了裂隙煤样渐进失稳模型以剖析其失稳机理。当倾角小于60°时，煤样失稳受预制裂隙影响显著，起裂位置位于裂隙尖端或中部且以拉剪切混合破坏为主；当倾角大于60°时，裂隙对失稳行为的影响较弱。

  2025年04期 v.52;No.282 125-133页 [查看摘要][在线阅读][下载 4256K]
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• 贯穿断层影响下三角煤柱区开采应力演化规律及冲击地压防治实践

  白炳浩;张方义;岁攀峰;徐源山;韩勇;李波;曹安业;温颖远;郭文豪;

  屯宝煤矿WII02040501工作面内发育有多条断层并贯穿整个工作面，且单侧采空。针对工作面回采期间三角煤柱区微震及矿压显现异常问题，通过理论分析揭示开采扰动下三角煤柱区域应力异常机制，数值模拟研究断层影响下三角煤柱应力场和能量场变化规律。研究结果表明：断层型三角煤柱区域受工作面回采产生的超前支承压力、断层的支承压力和相邻采空区悬顶压力的相互叠加影响，致使断层型三角煤柱区域应力集中程度高；断层阻隔作用下三角煤柱区域的静载应力和积聚的弹性能随工作面与断层之间的距离缩小而增高，当工作面距断层150 m时三角煤柱区域静载应力和弹性能开始上升，距断层50 m时达到峰值。提出三角煤柱区域的顶板和煤体爆破释压卸能措施，并对卸压工程的效果进行了验证。

  2025年04期 v.52;No.282 134-141页 [查看摘要][在线阅读][下载 3462K]
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地质保障

• 无线电波透视收发线圈姿态对透视距离影响研究

  康跃明;

  针对煤矿宽大综采工作面无线电波透视技术面临透距不足的突出问题，深入研究了收发线圈姿态对透视能力的影响。基于磁偶极子理论和层状介质模型，推导了水平与垂直姿态下的磁场分量表达式；提出并实践了垂直线圈发射与改进型汉克尔积分自适应计算相结合的探测方法。结果表明：在双层介质近似煤层的条件下，采用垂直线圈发射方式时，电磁波在煤层中的传播距离更远，接收信号强度显著高于水平线圈方式。现场对比测试证实，该方法使电磁波接收信号强度有效提升了约25%,信号更加稳定，抗干扰能力增强；层析成像结果成功圈定了工作面内的地质异常区(陷落柱),后期回采验证了探测效果。

  2025年04期 v.52;No.282 142-147+155页 [查看摘要][在线阅读][下载 2149K]
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• 呼吉尔特矿区顶板巨厚复合含水层涌水机理

  许峰;靳德武;黄欢;李运江;王世东;党亚堃;

  鄂尔多斯呼吉尔特矿区煤炭开采过程中主要受顶板侏罗系直罗组含水层(平均厚度为153 m)和白垩系志丹群含水层(平均厚度为350 m)地下水威胁，2个含水层之间为安定组相对隔水层(平均厚度约为94 m),三者共同构成了顶板巨厚复合承压含水层组。针对呼吉尔特矿区煤层开采顶板巨厚复合含水层涌水机理不明等问题，以石拉乌素煤矿为研究对象，通过分析工作面采空区涌水量与顶板巨厚复合含水层水位响应特征，结合导水裂隙带发育规律，提出“下部含水层侧向补给型”“复合含水层综合补给型”及“上部含水层垂向补给主导型”3种顶板涌水充水模式，进而揭示了典型工作面“阶梯递进式”涌水机理。采用数值模拟方法计算了工作面回采5个阶段井下涌水中顶板各含水层地下水的参与量，结果表明：第一阶段，工作面开采前期，矿井涌水量主要由直罗组含水层贡献，参与度约占87.3%;第二阶段，志丹群含水层涌水参与量增大，占比超过70.0%;第三阶段，志丹群含水层地下水补给量缓慢减少，直罗组含水层地下水参与度缓慢增大至34.0%;第四阶段，志丹群含水层地下水补给量突增，占整个工作面涌水量的75.0%;第五阶段，志丹群含水层地下水补给量缓慢减少，直罗组含水层地下水参与度缓慢增大至29.3%。数值模拟结果与实际观测结果基本一致，进一步验证了“阶梯递进式”涌水机理。

  2025年04期 v.52;No.282 156-163页 [查看摘要][在线阅读][下载 2463K]
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环境保护

• 煤矸石与生物质主要组分共热解特性研究

  周宇;彭文国;张琦琦;林其钊;

  煤矸石的堆积不仅对环境构成极大危害，还造成资源的极大浪费。添加生物质有助于改善煤矸石燃烧性能，掺混燃烧是处理煤矸石和生物质的一种有效方式。采用热重分析和傅里叶变换红外光谱联用的方法，开展煤矸石与生物质主要组分(木质素、纤维素和半纤维素)共热解实验，研究生物质主要组分对煤矸石热解过程的影响，以及煤矸石与生物质主要组分之间热解失重的交互作用和气体产物特性。结果表明：煤矸石中掺混木质素、纤维素、半纤维素都可以降低混合物初始分解温度和峰值温度，提高综合热解指数，促进煤矸石的热解；煤矸石和生物质主要组分之间在热失重方面的交互作用机制与热解温度和掺混比例有关；少量纤维素和半纤维素的掺混对煤矸石的气体产物有较大影响，木质素的加入改变了煤矸石热解释放CO_2的规律。综合生物质主要成分对煤矸石热解过程的影响及热解失重方面的相互作用，掺混的木质素质量分数应大于50%,而掺混的纤维素和半纤维素质量分数宜控制在25%以内。

  2025年04期 v.52;No.282 164-173+179页 [查看摘要][在线阅读][下载 2152K]
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• 黑岱沟露天煤矿采装环节减尘技术研究

  赵鑫璐;张江石;陈鑫洋;佟林全;

  针对黑岱沟露天煤矿爆堆采装作业粉尘污染问题，研制了一种具有快速渗透效果的抑尘剂。通过正交试验和渗透性能测试优化配方，确定最佳组分的质量分数分别为：水性聚氨酯0.10%、黄原胶0.02%、聚乙二醇(PEG-1500)0.06%、快渗T 0.50%。将抑尘剂在现场应用，并分别进行了含水率测试、粉尘浓度监测和扫描电镜分析，结果表明：该抑尘剂具有良好的保湿性能和减尘效果，相同喷洒量下对比喷洒纯水，水分流失量减少26.7%,减尘量增加了14.5%。扬尘量随着抑尘剂溶液喷洒量的增大而减小，结合成本分析，确定爆堆每10 m区域喷洒15 t抑尘剂溶液性价比最高。

  2025年04期 v.52;No.282 174-179页 [查看摘要][在线阅读][下载 1648K]
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机电与智能化

• 煤矿胶带转载点粉尘浓度异常溯源算法研究

  陈美竹;

  煤矿胶带转载点虽通过布设传感器和降尘设备初步实现了对粉尘的监测和控制，但当区域粉尘浓度异常时，异常原因的排查仍高度依赖人工经验，存在响应滞后问题。为实现对粉尘浓度异常原因的远程、快速、准确定位，提出了一种融合有序约束Apriori算法与溯源树机制的粉尘浓度异常溯源算法。基于区域防尘设备的布设情况，利用有序约束Apriori算法挖掘异常关联规则，生成带优先级的异常原因表；结合粉尘浓度动态阈值与瞬时阈值设定溯源触发条件，构建集成回溯标记与节点权重的多层级溯源树；当满足触发条件时，采用基于回溯标记与节点优先级的深度优先搜索算法快速定位异常原因。实验结果表明：在矿井胶带转载点场景下，该算法能有效识别粉尘浓度异常的高频诱因(如喷雾装置故障),溯源准确率为96.96%。

  2025年04期 v.52;No.282 180-186页 [查看摘要][在线阅读][下载 1420K]
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• 基于强度特征的煤矿井下SLAM算法研究

  刘其鑫;马忠辉;高铭阳;潘长松;李小波;杜少辉;

  针对煤矿智能化发展对自主定位与环境建模技术的迫切需求，以及煤矿井下特殊环境导致传统SLAM算法性能下降的问题，创新性地提出了一种融合激光反射强度信息的井下定位与建图算法：基于特征点法激光SLAM框架，对点云依据曲率进行线、面特征分类，提出基于点云反射强度变化率的强度边缘特征分类方法，丰富特征类型与数量；根据点云整体反射强度构建强度图，并通过图像特征提取与跟踪技术进行帧间匹配，获取更多匹配特征点；对扫描匹配过程进行改进，引入强度边缘特征与强度图像特征，提高算法在煤矿井下位姿估计的准确性。试验验证表明，该方法在典型煤矿巷道环境中表现出良好的稳定性和适应性，定位精度满足井下应用要求，为解决煤矿井下点云特征退化问题提供了有效方案。

  2025年04期 v.52;No.282 187-194+200页 [查看摘要][在线阅读][下载 1907K]
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• 用于水平定向钻进的自供电振动传感器的研制

  冯彦军;任建超;吴川;刘茂福;丁维波;赵燚;陈驰;

  对水平定向钻进孔底钻具振动的实时监测，对于保障作业安全和提高工作效率均具有重要意义。同时，传统的振动传感器在供电方面存在局限性，而具有自发电功能的振动传感器更加适宜实际工况。基于摩擦纳米发电机原理，提出一种新型自供电振动传感器，其可充分利用钻进过程中振动工况诱导发电，并同步实现振动频率的测量。试验结果表明：传感器可在温度0～105℃、相对湿度0～90%内正常工作，测量振动频率为0～13 Hz,测量误差小于±3%,传感器的安装平面倾角不超过45°;传感器的发电性能显示其输出功率最大可达0.61μW,在并联多个传感器并进行电量存储后使用，可为其他井下测量仪器供电。相关研究成果可为井下随钻测量及传感器研发人员提供一定的借鉴。

  2025年04期 v.52;No.282 195-200页 [查看摘要][在线阅读][下载 1935K]
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