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当期目录

2024年 第56卷 第2期 刊出日期:2024-02-20
设计技术
防隔水煤柱切顶卸压定向爆破参数设计及工程应用
王永法
煤炭工程. 2024, 56(2):  1-9.  doi:10.11799/ce202402001
摘要 ( 22 )   PDF(mobile) (7280KB) ( 0 )  
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针对煤矿井下紧邻断层的防隔水煤柱稳定性保护问题,以鹤壁中泰矿业3309工作面防隔水煤柱为工程背景,对防隔水煤柱切顶卸压定向爆破参数设计及工程应用进行研究。通过对切顶卸压前后防隔水煤柱支撑压力分布进行对比分析,揭示了切顶卸压定向爆破作用机理,采空区顶板垮断时大悬臂结构被切断进而迅速垮落,防隔水煤柱上方侧向支撑压力缓慢上升然后延伸至深处缓慢下降到原岩应力。利用FLAC3D和ANSYS/LS-DYNA软件建立不同不耦合系数定向聚能爆破模型,数值模拟结果显示,切顶卸压后应力峰值降低了约27.8%,且峰值位置与3309工作面煤柱帮的距离明显增大,改善了3309工作面回风巷道附近区域应力环境;综合考虑切缝效果和炸药利用率,确定了不耦合系数1.7为正常段最优装药结构|根据数值分析结果和断层分布情况对3309工作面回风巷道进行系统性差异化爆破参数设计,现场应用表明切顶卸压定向爆破效果良好,对防隔水煤柱的保护起到了有效的作用。
多断层复杂地质条件下条带充填开采工艺研究
高鹏, 杜超杰, 石腾, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  10-16.  doi:10.11799/ce202402002
摘要 ( 12 )   PDF(mobile) (1732KB) ( 0 )  
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为优化沙梁煤矿多断层复杂地质条件下的开采布局, 提高煤层采出率, 提出在矿井一水平多断层切割区域布置短壁或异形条带充填开采工作面, 通过多轮循环充填开采置换煤柱。研究表明: 试验C135206 工作面基载比JZ <0. 8、基采比JC <9, 条带采宽处于直接顶板破断判据确定的极限跨距范围, 工作面采用基于连采机掘采的“采6. 6 m、留19. 8 m” 四轮顺序采充的三倍基准参数是适宜的; 工作面条带巷道顶部敷设多通道导气管与注浆管的接顶方式可保证充填体充分接顶,砌块档墙有助于条带巷道两端墙体稳定性。研究为煤矿优化开采布局、提升矿井采出率提供了一条崭新思路。
碎软低渗煤层水平井水力喷砂射孔工艺优化
张永成, 赵祉友, 汪奇, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  17-23.  doi:10.11799/ce202402003
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针对碎软低渗煤层水平井煤粉产出危害, 提出采用水力喷砂射孔压裂来实现“ 射孔-增透-控粉” 为一体的压裂改造理念, 具体工艺包含水力喷砂射孔、高压射流、环空压裂以及水力补射孔清洗。通过成本及工艺对比, 选择油管拖动水力喷砂射孔方式进行压裂, 并对工艺和关键工
具进行优化。首先, 优化防反冲蚀破坏一体化硬质合金圆锥收敛型喷嘴, 能实现排量2. 0 ~2. 5 m3 / min 时, 射流压力为16. 5~25. 8 MPa。其次, 优化喷射器本体, 能有效射穿套管、水泥塞,并射入岩石一定深度。配套一体化管柱顺利完成了煤层气U 型水平井压裂和补射孔施工各8 段, 每段射孔时间15 min 以上, 并充分顶替返排煤粉, 投产3 年后产气量仍达到3500 m3 / d 以上, 表明优化工艺达到了碎软低渗煤层改造效果。与连续油管分段压裂技术相比, 油管拖动水力喷射压裂单段压裂作业成本降低了28. 5%。
融合多种模态特征的井下供水管网流量预测
赵安新, 刘鼎, 郭仕林, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  24-30.  doi:10.11799/ce202402004
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煤矿井下供水系统是煤矿安全生产的生命线, 供水管网水流量的预测是供水系统优化调度的基础, 预测的重要性对供水调度有重要影响。文章提出了一种融合多模态数据特征的煤矿井下供水管网流量预测方法, 该方法通过图深度学习的方法实现了对井下管网空间拓扑结构、历史时间依赖、井下实际生产工况、周期相关等多种数据模态特征的融合, 具体的, 使用添加空间注意机制的图卷积神经网络获取井下管网监测点的空间拓扑关系, 然后利用循环神经网络中的门控循环单元获取监测点的时间依赖, 并融合煤矿生产规律与不同周期的流量数据形成最终预测结果, 通过陕西亭南煤矿实际数据进行实验, 结果表明, 提出的预测方法相较于SVM、LSTM、STGCN 等方法能更准确地预测井下流量未来的趋势, 预测偏差分别降低了9. 3%、6. 84%和3. 65%。
基于三元DEM的露天煤矿封闭壳状包络体素建模研究
金磊, 田羽, 李新鹏, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  31-38.  doi:10.11799/ce202402005
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传统地质模型受自身结构性质和布尔运算效率的局限, 限制了采矿模型的生成, 无法满足露天矿大规模物料规划问题的需求。针对上述问题, 对开采体块段模型及采矿模型进行了定义, 并提出了一种基于三元DEM 的露天煤矿封闭壳状包络体素快速建模方法, 即煤岩模型的顶面、底面和侧面DEM 建模, 三元DEM 经固化后即可生成煤岩体对应的封闭壳状包络体素模型。该模型介于实体模型和块体模型之间, 能够保障算量精度, 同时具有较高的布尔运算效率, 可以现实定点、定向的尺寸和结构剖切, 在传统算量地模的基础上, 通过特定的结构定义, 丰富剥采程序和工艺参数等技术指标属性, 定制专属的采矿模型, 更好地服务于露天矿物料流规划、采剥生产计划动态优化等问题。
施工技术
反井钻机施工大直径风井工程结构稳定性评价方法研究
杨木林, 程守业, 宋亚新, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  39-44.  doi:10.11799/ce202402006
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针对大直径反井工程在扩孔期间的围岩稳定性问题, 提出了一种考虑反井钻井法工艺特点的竖井结构稳定性评价方法, 确定了围岩自稳能力是其关键因素, 基于强度折减法, 提出了以围岩稳定系数为核心的井帮围岩自稳能力定量评估方法, 通过数值模拟手段确定了围岩极限自稳状态的强度折减系数k0, 并以此作为围岩的稳定系数。为解决工程实际问题, 提出了预防空帮失稳的工程处理措施, 在扩孔阶段实施随钻临时支护作业, 实现围岩的快速封闭。最后以李家壕煤矿回风暗立井工程作为研究对象, 提出了局部失稳风险评估意见, 并依托工程实践对评估准确性进行了验证, 其结果表明评估结论与实际结果一致, 验证了该井帮围岩稳定性定量评价方法及工程处理措施的有效性。
特厚煤层沿空掘巷围岩支卸协同控制技术
李化敏, 王文强, 王祖洸, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  45-51.  doi:10.11799/ce202402007
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针对特厚煤层小煤柱沿空掘巷大范围塑性全煤巷道锚网索的支护难题, 以塔山煤矿8204-2 小煤柱工作面为工程背景, 采用现场实测、理论分析等方法, 揭示了锚杆、锚索对沿空大范围塑性全煤巷道的支护机理。锚杆支护主要作用于浅部二次破碎区煤体, 形成浅部连续承载结
构; 锚索主要作用于深部处于三向受力状态的稳定煤体, 形成更大范围的连续稳定承载结构; 进一步明确了锚杆、锚索有效长度的计算方法, 形成了以高预紧力、高强“ 锚-网-索” 支护为基础,以坚硬顶板井下磨料水射流切顶卸压、巷帮大直径钻孔卸压、底板卸压槽卸压为辅的“ 支卸协同”小煤柱沿空巷道围岩控制技术体系。工程应用结果表明, 试验巷道围岩最大变形量小于700 mm,能够满足使用要求。
大断面半煤岩巷道变形破坏机理研究及控制技术
席义苗, 程利兴, 张东昕, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  52-58.  doi:10.11799/ce202402008
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针对大断面半煤岩巷道围岩变形控制难题, 以小保当煤矿一号井大断面半煤岩巷道为研究背景, 测试了巷道围岩岩层分布、围岩地应力分布及裂隙发育, 分析了巷道围岩的变形破坏演化特征。通过实验室试验以及数值模拟分析了半煤岩组合体力学性能及其变形破坏形态, 揭示了强度较低的煤体最先在煤岩交界面发生破裂、滑移, 变形不断向深部延伸, 随着煤岩体完整性及强度的持续弱化, 造成巷帮由下而上的非均匀渐进性失稳破坏, 揭示了提高大断面半煤岩巷道围岩稳定性的关键在于控制煤岩交界面非协调变形。基于此提出了采用高预应力锚杆支护与薄弱区域加强支护的变形控制思路, 制定了小保当一号井大断面巷道半煤岩巷道围岩变形控制方案, 并开展了井下工业试验, 取得了较好的应用效果, 在监测期内巷道顶板的位移量为28 mm, 两帮的位移量为80 mm, 底板的位移量为43 mm, 随后围岩变形趋于稳定, 巷帮煤岩交界处的变形控制效果显著,表明采用该方案可有效控制大断面半煤岩巷围岩变形。
补连塔煤矿回采巷道锚索主动式超前支护技术应用
杨俊彩, 范东林, 陈苏社, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  59-65.  doi:10.11799/ce202402009
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为了实现神东矿区综采工作面的无人化、少人化, 降低工人劳动强度, 以补连塔煤矿22406 综采工作面为背景, 采用理论分析计算与现场实测相结合的研究方法对工作面主运巷采用锚索主动式超前支护方式的科学性和合理性开展了研究, 同时引用两侧实体煤巷道力学模型对主运巷专用锚索超前支护设计进行验证, 通过验证“排距3 m, 每排2 套” 的超前支护形式满足工作面超前支护要求。通过主运巷道超前支护段锚杆(索)受力监测可知, 工作面推进过程中, 超前支承压力的影响范围约为42 m, 在距工作面10~26 m 范围, 超前支承压力增加幅度较大, 应力集中系数为1. 23~1. 5。通过巷道围岩表面位移监测可知, 主运巷在距离回采工作面35 m 左右受采动影响开始变形, 回采过程中, 顶板最大下沉量达到16 mm, 底板最大底鼓量达到42 mm, 两帮最大移近量达到45 mm。研究结果表明, 采用锚索补强超前支护方式, 巷道围岩得到有效控制, 围岩整体稳定且变形可控, 现场应用效果良好。
基于临时支护新装置的工序优化与支护性能分析
王云柱, 成云海, 王贯东, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  66-71.  doi:10.11799/ce202402010
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针对掘进工作面存在的掘支平行作业难、用时比重失调问题, 为实现平行作业、快速支护, 设计了新的临时支护装置, 具有尺寸可调、快速响应、及时支护的特点。采用理论分析加数值模拟的方法进行研究; 介绍了装置的结构设计; 以新巨龙煤矿综掘施工技术为例进行工艺优化,从理论上提出一种分区平行作业的施工技术; 通过顶板两端简支岩梁力学模型, 展开装置临时支护作用机理分析; 并对装置的支护性能进行结构静力学分析。结果表明: 在巷道顶板松动范围0~3. 30 m 时, 装置支护所需承受的载荷为158. 40 kN; 仿真得到最大等效应力为57. 37 MPa, 在装置顶梁下端与耳座位置交接处, 最大位移量出现在中间梁上端中部, 为0. 30 mm, 装置的结构设计能满足支护要求。此研究可为实现快速掘进的平行作业, 高效支护和安全生产, 提供有益参考。
生产技术
近浅埋多层厚硬顶板大采高综放工作面矿压显现规律研究
刘晓刚, 张震, 刘前进
煤炭工程. 2024, 56(2):  72-80.  doi:10.11799/ce202402011
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针对榆神矿区近浅埋多层厚硬顶板条件下, “大周期” 来压支架立柱下缩量大、煤柱应力集中系数高、稳定性差等强矿压问题, 采用了数值计算、微震和煤体应力监测等技术手段, 对覆岩破断运动及工作面来压规律进行了分析研究, 结果表明: 覆岩破断运动上, 多层厚硬顶板较大的“垂向离层空间” 和“自下而上” 的顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断” 的时空基础; “高低层位顶板组合破断” 是“大周期” 来压增强的关键诱因; 同时, 煤柱应力的时空演化受控于多层厚硬顶板的破断垮落。矿压显现上, 工作面“ 大周期” 立柱下缩量平均可达945 mm, 持续距离12. 10 m, 并可由2~5 次连续强来压组成; 巷道煤柱应力集中系数达到1. 80~2. 30, 影响范围为工作面前方126 m 至后方471. 3 m, 具有明显的“高强度、大范围、长上升期” 特点。针对该条件下的强矿压防治, 分别提出了“弱化低位顶板、优化破断结构” 和“弱化高位顶板、改变破断次序” 的技术思路, 并取得的了较好的应用效果。
特厚煤层孤岛煤柱水力扩孔防冲卸压技术研究
段金红, 秦子晗, 金建成, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  81-86.  doi:10.11799/ce202402012
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砚北煤矿2502 采区大巷保护煤柱两侧采空, 为孤岛煤柱, 应力集中程度高, 由于煤层较厚, 传统大直径钻孔卸压无法取得较好的防冲效果, 针对该问题, 提出了煤层水力扩孔卸压的技术。通过理论分析研究了水射流破煤和扩孔的卸压机理, 水力扩孔通过增加钻孔孔径扩大了单孔
的卸压范围; 确定了砚北煤矿特厚煤层水力扩孔的主要技术参数, 采用数值模拟分析了钻孔内分段扩孔的卸压模式; 开发了相应的配套设备, 采用双层高压钻杆实现煤体的“ 钻-割” 一体化卸压,提高了卸压效率。通过砚北煤矿现场试验表明, 煤层水力扩孔在水压40 MPa 和高压喷嘴作用下,扩孔半径能够达到0. 35~0. 5 m, 钻屑量在扩孔区域明显降低, 表明水力扩孔能够显著降低煤体内应力集中, 达到冲击地压防治的目的。
蒙陕深埋煤层首采工作面顶板富水性和涌水量差异研究
马国逢, 刘洋, 杨建, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  87-91.  doi:10.11799/ce202402013
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针对蒙陕接壤区存在水文地质条件不清、水害问题多发、水资源漏失严重等问题, 通过分析区内呼吉尔特矿区4 个矿井首采工作面顶板地质水文地质特征、回采过程中涌水量变化及差异性, 查清了矿区煤炭开采初期扰动下的水文地质条件, 结果表明: 四个矿井首采工作面涌水量,均随着工作面回采呈逐渐增加趋势, 其中葫芦素和巴彦高勒矿井首采工作面最大涌水量分别为645. 0 m3 / h 和494. 0 m3 / h, 且七里镇砂岩含水层不同区域存在富水性差异, 导致涌水量的增加呈台阶式, 波动性较大, 与该区域七里镇砂岩含水层厚度较薄、富水性较弱的特征一致; 门克庆和母杜柴登矿井首采工作面最大涌水量分别为1372. 0 m3 / h 和938. 0 m3 / h, 且七里镇砂岩含水层整体富水性较强、富水性较均一, 涌水量的增加呈平稳增加态势, 波动性较小, 与该区域顶板七里镇砂岩含水层厚度较大、富水性较强的特征一致。
采煤工作面导水通道电法智能监测技术应用研究
黄刚, 余国锋, 韩云春, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  92-98.  doi:10.11799/ce202402014
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针对目前受底板承压水威胁的工作面注浆效果评价以及工作面回采过程中异常区裂隙动态发育等情况的动态监测问题, 采用电法智能监测技术, 在唐家会煤矿61304 工作面底板低阻异常区开展注浆效果监测试验以及对回采过程中煤层底板进行实时监测, 通过监测岩层电阻率变化情况, 成功捕捉到了注浆浆液动态扩散趋势和采动裂隙动态发育过程, 及时预警了导水通道的动态发育情况。研究表明: 电法智能监测技术能清晰监测导水通道动态发育过程, 能分辨是否导通含水层, 是带压开采工作面底板突水监测的新技术, 为底板承压工作面的开采提供技术指导, 保障煤矿安全生产。

架间底板拖管充填采空区浆液流动特性试验研究
成云海, 王旭东, 申昊, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  99-104.  doi:10.11799/ce202402015
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为解决矿山充填与煤炭开采之间时空干涉难题, 实现矿井安全、高效充填开采。结合李家壕矿井生产系统和开采条件, 提出采空区架间底板拖管非胶结膏体充填技术。为确保该技术可行及充填参数的有据可依, 遂建立非胶结膏体架间底板拖管充填采空区物理模型, 以矸石和粉煤灰为骨料制备非胶结膏体充填材料, 分析最大粒径和质量浓度对浆液采空区内流动特性的交互影响。研究结果表明: ①浆液充填量主要受矸石粒度的影响, 质量浓度主要影响浆液在采空区内的扩散速度; ②随着浆液充填量的增加, 采空区内的空隙逐渐趋于饱和, 且渗透方式呈现出以管口为球心的半球形扩散分布; ③模拟试验揭示了浆液中矸石颗粒在采空区流动扩散阻塞机理; ④沿管道走向依次剖开断面, 浆液中矸石级配和质量浓度有明显的分选性。
研究探讨
切顶沿空留巷卸压机理及支护技术研究
孙利辉, 纪权财, 王中海, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  105-113.  doi:10.11799/ce202402016
摘要 ( 18 )   PDF(mobile) (5821KB) ( 0 )  
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云驾岭矿9 号煤上覆厚硬岩层, 采场矿压显现强烈, 采用传统的沿空留巷方法围岩控制难度大。以云驾岭矿19103 工作面运巷为背景, 分析了切顶沿空留巷厚硬直接顶力学平衡条件,得出巷旁需提供不小于1046 kN 的支护阻力。采用数值模拟的方法对比了沿空留巷在厚硬直接顶条件下切顶与不切顶时围岩变形及应力、塑性区的分布规律, 结果表明: 切顶后采空区顶板更容易垮落, 留巷顶板稳定时下沉量仅为同期不切顶时的28. 2%, 切顶后留巷侧顶板垂直应力变小、水平应力增大且围岩塑性区向顶底板深部转移, 揭示了预裂切顶卸压的机理为阻断工作面动压的传递以及诱导采空区顶板提前冒落接顶承压, 水平应力增大的原因为切缝两侧形成的长、短“悬臂梁” 变形的结果。提出了针对厚硬直接顶切顶留巷的顶板控制理念为集中支护切缝端、适当让压和形成“组合悬臂梁”, 采用了“长、短锚索+单体液压支柱+可缩性U 钢梁” 的综合支护技术及挂网喷浆的密闭措施。现场工业性试验效果良好, 切顶后留巷顶板锚索受力峰值在350 kN 左右, 围岩稳定后巷道规格满足二次复用的条件。

工作面单双巷顶板爆破应力演化规律研究
牟宗龙, 张泽辉, 张修峰, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  114-121.  doi:10.11799/ce202402017
摘要 ( 13 )   PDF(mobile) (8066KB) ( 1 )  
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坚硬顶板是影响工作面冲击危险的重要因素, 实践中常采用爆破技术对工作面顶板进行预裂和卸压。以田陈煤矿3 煤层上方存在坚硬顶板的7202 工作面为对象, 采用理论分析、数值模拟、工业试验等方法, 研究了不同爆破高度、工作面单巷和双巷顶板爆破下围岩应力演化及微震规律。结果表明: 针对低位亚关键层采用单巷和双巷爆破时, 爆破高度越大, 巷道围岩峰值应力越低, 卸压效果与爆破高度呈正相关关系; 但采用双巷爆破时, 当爆破高度增加至6 倍采高( 亚关键层中部位置)以上时, 工作面中部区域会出现应力升高现象, 且工作面越短应力升高越明显; 在7202 工作面初采阶段进行高度为3 倍采高的单巷顶板爆破时, 微震多集中在巷道区域, 卸压效果一般, 改为双巷顶板爆破并提高爆破高度至6 倍采高后, 微震多集中到工作面中部区域, 无大能量微震事件发生, 应力监测预警次数也大幅降低, 巷道区域卸压效果较好。

煤矿坚硬顶板灾害水力压裂防治技术监测及评估
石垚, 雷瀚, 杨新路, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  122-130.  doi:10.11799/ce202402018
摘要 ( 12 )   PDF(mobile) (2093KB) ( 0 )  
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水力压裂技术具备安全性好、施工工艺简单的优点, 被广泛应用于煤层坚硬顶板灾害治理。但由于岩体的不均质性, 压裂孔周围裂隙网络扩展规律复杂, 水力压裂裂纹监测精度低, 压裂效果评估难度大。针对上述问题, 通过对比分析常见水力压裂监测方法及监测方案的差异, 揭示微震监测技术的优越性, 并对水力压裂效果评估技术进行了讨论。研究表明, 微震监测技术具有监测范围广、灵敏度高、连续性好的优点; 地面监测、井下监测、联合监测等微震监测方法适用工况不同, 监测精度相差较大, 应根据现场工程布置与实际岩层条件选取合适的监测方法。坚硬顶板水力压裂效果评估多采用裂缝发育长度、来压步距等间接指标, 基于微震参变量直接指标的效果评估相对较少。在此基础上, 提出了水力压裂效果评估精细化的发展建议。研究成果对开展坚硬顶板水力压裂现场监测、优化坚硬顶板水力压裂工程设计具有重要指导意义。

导向槽定向水力压裂煤层增透强化瓦斯抽采技术及应用
任仲久
煤炭工程. 2024, 56(2):  131-137.  doi:10.11799/ce202402019
摘要 ( 15 )   PDF(mobile) (2107KB) ( 1 )  
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针对低透气性高瓦斯煤层预抽瓦斯困难问题, 提出导向槽定向水力压裂煤层增透技术,通过理论推导计算煤层段扩孔后塑性区分布, 分析穿层钻孔煤层段水压裂缝的起裂与扩展, 揭示导向槽定向水力压裂煤层增透的力学机制, 研发导向槽定向水力压裂煤层增透装备。在山西中兴煤矿进行现场应用, 结果表明: 利用水射流方法对穿层钻孔煤层段进行扩孔, 使得煤中产生形似圆柱孔洞, 穿层钻孔围岩塑性区半径与钻孔半径成正比, 钻孔扩孔是增大塑性区范围的一种有效方法, 裂隙扩展明显, 瓦斯采出率提高。同时研发了一种导向槽定向水力压裂防突成套装备, 主要部件有移动高压水力泵站、喷头、喷嘴、螺旋辅助排渣水射流高压钻杆、孔口防喷装置以及高压旋转接头, 结合井下水力化作业远程监测和控制, 现场监测结果表明, 通过增透作业钻孔的方法, 平均瓦斯浓度和瓦斯抽采混合量提高到常规孔的2. 75 倍和1. 81 倍, 说明采取导向槽定向水力压裂措施的增透效果显著。
基于粗糙径向基神经网络的刮板输送机负载预测方法研究
郭刚, 汪海涛, 高晓成, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  138-145.  doi:10.11799/ce202402020
摘要 ( 15 )   PDF(mobile) (2571KB) ( 0 )  
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刮板输送机负载的准确预测对实现采煤机和刮板输送机的协同控制至关重要。刮板输送机短期负载受工作面环境、冲击载荷等不确定性因素的影响, 具有很强的非线性和非平稳性, 难以准确预测。针对此问题, 本研究提出一种基于粗糙径向基神经网络的刮板输送机负载预测方法。该方法首先建立刮板输送机电流去噪模型, 得到反映综采工作面刮板输送机真实负载的电流分量;然后针对刮板输送机负载电流波动大导致的神经网络预测模型训练误差增大、预测精度低的问题,引入表征负载变化波动的上下输入粗糙神经元, 提出一种粗糙径向基神经网络(RRBFNN) 模型; 最后基于粗糙径向基神经网络建立刮板输送机短期负载预测模型, 并进行仿真实验验证。结果表明:本研究提出的RRBFNN 刮板输送机短期负载预测模型, 比传统RBF 模型的平均绝对误差( MAE)、平均绝对百分误差(MAPE)和均方根误差(RMSE)分别降低26. 22%, 25. 39%和14. 72%, 该方法能有效提高刮板输送机负载的预测精度。
矿用干式变压器故障诊断和寿命预测技术现状及展望
李红岩, 张豪杰, 荣相, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  146-151.  doi:10.11799/ce202402021
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干式变压器故障诊断技术通过对监测数据进行分析, 能够实现信号特征提取、故障诊断、状态评估和寿命预测, 提高干式变压器在井下运行的安全性, 降低由于故障带来的损失。文章介绍了信号特征提取方法(频率响应法、小波变换法、堆叠自编码器)、故障诊断方法(贝叶斯网络、
支持向量机、BP 神经网络)、状态评估和寿命预测方法( 交叉熵组合预测法、灰色理论、层次分析法)的研究现状, 将几种方法进行对比, 并对干式变压器故障诊断技术进行展望。
多煤层重复开采地表下沉系数演变研究
张明媚, 薛永安
煤炭工程. 2024, 56(2):  152-156.  doi:10.11799/ce202402022
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以太原西山矿区杜儿坪煤矿南三盘区为研究区, 采用FLAC3D 软件建立数值模型, 分析矿区2#、3#煤层重复开采后的地表下沉系数演变规律。数值模拟实验结果表明: 沉陷预计结果与原有成果、PS-InSAR 监测结果均吻合较好, 下沉系数随重复采动次数增加呈现增大趋势, 表现为2#煤层分层开采时的下沉系数是一次采全高的1. 1 倍, 继续开采下部3#煤层时下沉系数是2#煤层分层开采时的1. 27 倍。研究结果为多煤层重复开采下的地表沉陷防控和地物保护提供了依据, 也为开展重复采动生态损伤及恢复治理等研究提供了基础参考。
膨润土基封孔材料界面改性及长效封孔功能研究
赵建斌, 程健维
煤炭工程. 2024, 56(2):  157-164.  doi:10.11799/ce202402023
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针对煤矿瓦斯抽采平均浓度低、持续时间短的技术难题和工程实践的现场需求, 选择机械改性法、有机活化改性法等界面改性方法, 以膨润土为基础材料, 提高保水性、稳定性和触变性, 研发得到瓦斯抽采钻孔液相封孔材料。采用“液封气” 思想实现全周期触变封堵新生裂隙。现场应用结果表明: 新材料封堵效果良好, 平均抽采浓度41. 66%, 较传统材料提高15. 27%, 浓度衰减系数降低48%, 补浆提升系数提高22%, 可实现废孔利用。
基于机器学习的Geldart A类加重质流化床的床层膨胀特性研究
于大伟, 邵明, 王宾, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  165-170.  doi:10.11799/ce202402024
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为了预测Geldart A 类加重质的膨胀特征, 通过床层塌落试验, 研究了床层流化过程中的气泡相和乳化相的组成与操作因素之间的关联, 构建了操作气速、静止床高以及床层膨胀高度的数据集, 进行了数据统计分布和相关性分析, 利用具有最佳超参数的GBDT 模型成功模拟了膨胀高度和影响变量之间的非线性关系, 分析了特征变量的敏感性。结果表明, 随着气速的逐渐增加, 乳化相与气泡相的膨胀呈现先增加并略有减小的规律。对于不同的初始床高与床层膨胀高度, 气泡相组成不受其变化的影响且组成比例相对稳定。操作气速的重要性得分是0. 68, 是膨胀高度最敏感的变量。而静止床高的重要得分仅为0. 32, 表明此变量对床层膨胀的影响较小。此外, 由部分相关性分析可知, 床层的膨胀高度对操作气速的依赖性具有一定的敏感性区间。

基于FTIR与烷烃气碳同位素特征的中阶煤结构演化研究
王路, 赵庆珍, 翟志伟, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  171-177.  doi:10.11799/ce202402025
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煤变质作用过程存在多次阶跃点, 并发生以热降解-热裂解作用为主形成烷烃气。为探究中阶煤结构演化特征, 以西山煤田中阶煤为研究对象, 采用傅里叶红外光谱测试分析方法对中阶煤化学结构演化特征及其与烷烃气碳同位素关系进行了研究。结果表明, 煤层气碳同位素值位于-57. 20‰~-31. 41‰之间, 乙烷与甲烷碳同位素值相比变化相对较弱。样品中羟基以自缔合氢键为主, 芳香烃结构以苯环三取代为主, 芳碳率在演化中变化较弱, 芳环缩合度则出现增大—减小—增大的变化趋势, 脂肪烃以亚甲基含量为主, 支链化程度参数在演化中出现减小—急增—减小的阶段性变化。结合甲烷碳同位素特征分析认为, 中阶煤阶段结构演化可划分为五个阶段, 第一阶段(0. 65%<Ro <1. 10%)以热解作用为主导, δ13C1 呈微弱减小的趋势; 第二阶段(1. 10%<Ro <1. 30%)以热解与缩聚的叠合为主, δ13C1 值开始变重; 第三阶段(1. 30%<Ro <1. 50%) 由煤的热解逐渐进入以缩聚作用为主, 烷烃气大量生成, δ13C1 值变重趋势减弱; 第四阶段(1. 50%<Ro <1. 80%) 以缩聚作用为主, 第五阶段(1. 80%<Ro <2. 0%)则由芳环的缩聚为叠合阶段做准备, δ13C1 值的减小或与纳米孔隙结构变化对甲烷吸附的差异有关。中阶煤化学结构演化和碳同位素变化关系的研究对指导煤层气勘探开发和煤炭资源清洁利用具有重要意义。
掺配废PVC对水煤浆成浆性能及燃烧性能的影响
李懂, 李寒旭, 焦发存, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  178-185.  doi:10.11799/ce202402026
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为缓解废PVC 处理压力, 回收碳氢资源, 将废PVC 与煤粉混合制备废PVC-煤浆, 分析掺配废PVC 后浆体的定黏质量分数、流变特性及稳定性。利用SEM-EDX 和分形理论对掺配废PVC 的浆体表观形貌和分形维数进行分析, 探讨掺配废PVC 对煤浆性能的影响机理。利用热重分析法和Coats-Redfern 积分法计算原煤浆及废PVC-煤浆的燃烧特性指数和动力学参数, 对不同废PVC 掺配量浆体的燃烧性能进行评价。结果表明: 掺配废PVC 可以提高浆体的成浆性但析水率升高、稳定性有所下降; 废PVC 的掺配量越多, 浆体的分形维数越小, 成浆浓度越高; 掺配废PVC 对煤浆燃烧会产生协同作用, 当废PVC 的添加量为3%和5%时, 煤浆的燃尽率和综合燃烧性能变好, 促进燃烧反应, 添加量为8%和10%时抑制燃烧反应; 在选取Coats-Redfern 近似时, 水煤浆燃烧在选取反应级数n =1 时线性相关性最高, 掺配5%的废PVC 后的浆体表观活化能和频率因子最大。
抚顺西露天矿矿区土壤肥力评价研究
刘宝勇, 李玥蒨, 白国良
煤炭工程. 2024, 56(2):  186-191.  doi:10.11799/ce202402027
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为了明确抚顺西露天矿土壤肥力现状, 考虑土壤主要理化性质, 选取土壤容重、土壤含水率、土壤孔隙度、土壤机械组成、pH 值、有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效钾、有效磷作为土壤肥力评价指标, 采用修正的内梅罗指数法对矿区土壤进行综合评价。评价结果表明,北帮滑坡区样地、南帮变形区样地及西帮修复区样地土壤肥力综合指数为0. 4~0. 6, 肥力分级为Ⅲ级, 土壤肥力水平表现为一般; 东帮采矿区样地土壤肥力综合指数为0. 2~0. 4, 肥力分级为Ⅱ级,土壤肥力水平表现为较贫瘠。土壤肥力大小顺序为北帮滑坡区样地>南帮变形区样地>西帮修复区样地>东帮采矿区样地, 可以看出西露天矿东帮土壤肥力较为缺乏, 西帮土壤稍缺, 北帮和南帮土壤肥力较为丰富。
基于经济成本目标的综合能源系统容量规划方法研究
李晓恩, 李泽鹏, 周川, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  192-198.  doi:10.11799/ce202402028
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综合能源系统能够协同规划多种能源, 提升可再生能源的消纳能力, 从而实现系统的低碳高效运行。基于此, 本研究提出了一种集成光伏发电系统、蓄热水箱和内燃机的综合能源系统。考虑冷、热、电三种形式能量平衡约束, 采用遗传算法以系统的年总成本最小为优化目标, 并
以年总碳排放量和年总一次能源消耗量为评价指标建立了综合能源系统规划优化模型。结果表明:与分产系统相比, 所提出的综合能源系统的年总成本节约率、年二氧化碳减排率和年一次能源节约率分别为30. 67%、33. 26%和8. 93%。此外, 综合能源系统中光伏发电系统承担了全年用户电负荷的14. 58%, 有效提升了系统的经济性以及能效性。
矿工不安全行为的双重加工机制研究
祁慧, 孟令俊, 曹家琳, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  199-205.  doi:10.11799/ce202402029
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矿工不安全行为研究是安全管理领域的经典问题, 现有文献多从人因工程和行为经济学视角解释不安全行为的产生机制, 少有文献关注矿工在“未经深思熟虑” 状态下的不安全行为决策机制, 本研究基于双系统理论建构矿工不安全行为双重加工机制解释模型。采用问卷调查方法调动矿工在系统2———即深思熟虑的状态下对25 种不安全行为进行威胁评估, 结果显示对于所有不安全行为, 被调查者判断此类行为“ 经常发生” 的比例远高于做出“ 低威胁评估” 的人数比例, 表明矿工在生产过程中确实存在运用系统1——— “ 未经深思熟虑” 的决策机制实施不安全行为的情形。在此基础上分析矿工采用系统1 进行行为决策的影响因素, 过去行为、时间压力、处理能力、认知动机、卷入程度及风险感知等因素是影响行为加工机制的主要因素, 并据此提出了针对系统1状态下的不安全行为的管控策略。
基于ERNIE-BiGRU-CRF模型的煤矿安全隐患命名实体智能识别研究
刘飞翔, 李泽荃, 赵嘉良, 等
煤炭工程. 2024, 56(2):  206-212.  doi:10. 11799/ ce202402030
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为充分挖掘煤矿安全隐患文本关键知识, 帮助煤矿企业安全管理人员更好的开展隐患排查治理工作, 提出一种基于预训练语言模型的命名实体识别方法。首先定义煤矿安全隐患实体类别, 并采用BIO 标注策略构建了7 个实体类别和15 个实体标签; 然后将收集到的煤矿隐患排查数据进行预处理, 由煤矿安全领域专家人工标注相关实体, 得到1500 条煤矿安全隐患命名实体标准数据集; 最后采用ERNIE 预训练模型对煤矿安全隐患文本词向量进行表征、同时利用BiGRU 结构进行上下文语义特征提取以及CRF 模型进行实体标签解码, 完成煤矿安全隐患命名实体识别研究。实验结果表明: ERNIE-BiGRU-CRF 模型在序列标注任务上的精确率、召回率和F1 值分别为56. 69%、69. 23%和62. 34%, 较于BiLSTM-CRF 基线模型分别提高了6. 85%、13. 74%和9. 83%,并且实体抽取结果与实际标注结果相差不大。另外, 消融实验也验证了BiGRU 层能够更好的捕捉煤矿安全隐患文本上下文语义依赖关系以及CRF 层能够进一步优化标签序列的有效性。
装备技术
7 m大采高工作面巷道转载机改进设计与应用
王金辉
煤炭工程. 2024, 56(2):  213-218.  doi:10.11799/ce202402031
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针对神东7 m 大采高工作面巷道转载机在使用中存在刮板弯曲断裂、链轮密封失效等问题, 通过分析刮板和链轮组件的失效特征及零部件的受力状况, 采取升级链条、增大刮板断面和链轮轴直径、优化链条中心距等措施, 全面改善刮板和链轮组件受力状态, 刮板强度提高1. 7 倍,轴承支撑部位链轮轴的挠度降为1/8, 零部件性能显著提高。设备改造时充分考虑到零部件的通用性, 机头架和槽体可以直接使用, 降低了改造成本。通过对进口设备进行改造, 积累了经验, 推动国产煤机装备的发展。
煤矿辅助运输防爆车辆电动化和数智化的应用研究
贺海涛, 宋德军, 赵海兴
煤炭工程. 2024, 56(2):  219-224.  doi:10.11799/ce202402032
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为提升煤矿辅助运输智能化建设水准, 神东煤炭集团构建了辅助运输车辆管理系统。文章介绍了构成系统的主要模块, 并基于井下人员和车辆的定位系统, 利用井下4G/5G 网络和巷道基站将信号传输到每个矿井地面调度室, 然后通过光纤传输到大数据中心, 实现了车辆监管数字
化, 让用车、派车更便捷。介绍了辅助运输车辆车载辅助安全驾驶系统、启动预警系统、智能感应自动停车装置、空挡启动保护装置、无线视距遥控等智能化技术。该系统利用激光雷达和相机对巷道扫描建模, 为无人驾驶车辆提供“地图”, 采用毫米波雷达技术和机器视觉技术实现辅助运输车辆在井下的精确定位, 实现了无人驾驶的常态化运行能力。神东辅助运输车辆的电动化、监管数字化和智能化, 极大的提高了辅助运输的安全和效率, 提升了煤矿智能化建设水平。
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