切顶沿空留巷充填体—矸石协同承载机理及控制技术研究

针对深部沿空留巷顶底板移近量大、充填体大变形破坏失稳等问题,采用数值模拟和现场实践相结合的方法,分析了传统沿空留巷和切顶卸压协同承载沿空留巷围岩应力演化规律和变形特征,揭示了切顶沿空留巷充填体—矸石协同承载机理。在此基础上,以朱庄煤矿Ⅲ635工作面沿空留巷为工程背景,提出了一种巷旁充填体—矸石组合结构体协同承载的切顶卸压沿空留巷技术,建立充填体—矸石协同支撑顶板力学模型、推导出顶板挠度方程,并进行工程应用。数值模拟结果表明:采用切顶卸压协同承载沿空留巷技术后,实体煤帮和充填体的垂直应力峰值分别降低了28.3%、44.4%,巷道顶底板移近量降低了58.2%。现场应用结果表明:采用该技术后,顶底板和两帮移近量分别为382.9、253.6 mm,工作面支架平均支撑力下降了45.3%,有效控制了巷道变形。可为类似条件下沿空留巷围岩控制提供参考。

水力渗透型煤矿采空区三维音频大地电磁快速解译

煤矿采空区或回采阶段工作面常面临水力渗透威胁,如何快速有效且低成本地预判水力渗透成为难题。提出并系统论述了一种面向水力渗透型采空区的音频大地电磁三维反演及快速解译方案。通过设计采空区理论地电模型,探讨采空区电阻率三维反演可行性。实测数据反演解释结果揭示:采空区巷道顶板区域存在明显低阻分布,部分工作面存在顶板裂隙导水造成的富水低阻区域,局部垮落带与上覆含水层明显连通。为可疑透水位置定位、水位和涌水量监测,以及后续开采规划制订提供了参考。从理论和实证角度,为音频大地电磁法的采空区富水状态分析和动态监控应用提供了新思路,相关方法能够有效提高水力渗透型采空区的解译效果。

玻璃纤维改性煤基固废胶结充填材料性能研究

基于煤矸石、粉煤灰等煤基固废再生资源利用和胶结充填材料性能优化问题,研究了玻璃纤维掺量、长度和养护龄期对煤基固废胶结材料输送性能和力学性能的影响规律,探讨了玻璃纤维增强机理。实验结果表明:玻璃纤维改性煤基固废胶结材料坍落度随纤维长度和掺量的增大而减小,但均大于200 mm,满足输送性能要求;抗压强度和抗拉强度随纤维长度的增大呈先增高后降低,随纤维掺量的增加而增高的变化规律;当玻璃纤维长度为6 mm、掺量为0.3%时,质量分数为79%的煤基固废胶结材料的综合性能最佳;玻璃纤维改性煤基固废胶结材料水化反应后,生成的针状和团状产物填充了材料细小裂隙且附着于纤维表面,能够有效提高材料的力学性能。

深部条带老采空区覆岩破坏多参量监测研究

针对深部条带老采空区覆岩移动变形问题,确定了裂隙发育、拉压应变、岩层物性等主要参量指标,采用钻孔电视法、分布式光纤感测法、井间电法CT、微震法构建了采空区覆岩“点-线-面-体”多参量监测模式;运用该监测模式对工程实例进行实测分析,获取了采空区覆岩全方位、多层次的移动破坏特征,得出覆岩裂隙多集中在465 m以下,少量空洞位于垮落带及煤柱上方靠近采空区侧,煤柱塑性区范围约8 m的结论,综合判定采空区覆岩结构可在长时间内保持相对稳定。结果表明:“点-线-面-体”多参量监测模式在内容上能够有效涵盖条带采空区覆岩移动变形的各参量指标,时空上可实现点(静态)、线(动态)、面(静态)、体(动态)相互结合的全过程监测,监测结果间能相互验证,可满足深部条带采空区覆岩移动变形监测要求。

新疆难解吸煤可溶有机质对瓦斯吸附解吸特征的影响研究

新疆焦煤公司煤层瓦斯难解吸,导致抽采难度增大。而煤中可溶有机质对瓦斯的吸附解吸有重要影响。为了研究其影响,使用四氢呋喃对煤中的可溶有机质进行抽提,采用低温氮吸附测试抽提前后煤的孔隙结构,利用煤岩高压瓦斯吸附装置进行抽提前后煤样的吸附解吸实验。研究结果表明:经过四氢呋喃抽提后,发现所有煤样的平均孔径、孔体积和比表面积均有不同程度的增大,认为煤中的可溶有机质被溶解,形成了新的微孔,同时原孔隙被扩大;4^(#)煤、5^(#)煤和6^(#)煤的吸附常数a分别减小了2.73%、16.09%、14.57%,4^(#)煤和5^(#)煤吸附常数b分别增大了12.18%、2.58%,6^(#)煤的吸附常数b减小了8.59%,煤的吸附能力降低,解吸速度增大,可溶有机质促进了煤对瓦斯的吸附。

综采工作面采动覆岩导水裂隙带发育高度综合研究

针对因煤层开采易导致上覆岩层产生裂隙,贯通地下含水层引发矿井水灾的问题,以盘城岭煤业150105工作面为研究背景,采用理论公式、现场井下仰孔注水测漏法和钻孔电视成像探测法,以及FLAC3D和UDEC数值模拟综合分析导水裂隙带的高度和发育规律。理论计算导水裂隙带的最大高度为81.56 m;通过井下仰孔注水测漏法监测3个钻孔的注水渗透量梯度临界值为12 L/min,通过临界值判定导水裂隙带高度为78.56~79.99 m;通过钻孔电视成像探测法观测钻孔内裂隙分布判定导水裂隙带高度为78.39~79.46 m;利用FLAC3D和UDEC数值模拟,根据覆岩塑性区变化特征,当工作面推进至180 m时,裂隙发生贯通,塑性区最大高度达到76.4 m,并根据覆岩塑性区变化、垂直应力分布、垂直位移云图分析了导水裂隙带发育规律的3个阶段。对不同方法下的导水裂隙带高度进行了相互验证。

大宗煤基固废膏体充填材料少水化配比优化研究

为解决西部采煤区固废多、处理难的问题,以宁东矿区的脱硫石膏、粉煤灰、水泥为主要原料,对原料的微观形态及少水配比的煤基固废膏体充填材料的成分进行分析,以初期流动性、脱模后7 d和28 d的抗压强度为指标进行充填材料配比优化。设计了3因素3水平17组配比方案,建立响应面回归模型,分析单因素及多因素交互作用对少水充填材料强度和流动性的影响。研究结果表明,粉煤灰与水泥质量比是影响少水充填材料强度的重要因素,料浆质量分数是影响少水充填材料流动性的重要因素。少水配比的煤基固废膏体充填材料的最优配合比:脱硫石膏质量分数53%,粉煤灰与水泥质量比2∶1,料浆质量分数74%。波速与强度的响应关系表明,可以利用充填体的波速来预测其强度。

基于PCA-BP神经网络的巷道通风摩擦阻力系数预测模型

根据实测巷道通风摩擦阻力系数数据的特点,建立了主成分分析PCA-BP神经网络预测模型。采用PCA法对影响巷道通风摩擦阻力系数的支护类型、断面形状、巷道宽、巷道高、支护部分周边长、巷道断面积和巷道长度7个因素进行降维。将降维后因素的贡献率进行排序筛选,得到3个主成分指标(F_(1)、F_(2)和F_(3)),作为BP神经网络输入层的神经元。利用实测数据对PCA-BP神经网络模型进行训练和测试,并将测试结果与支持向量机回归(SVM)模型和BP神经网络模型的测试结果进行对比,结果显示:全因素的BP神经网络预测模型和SVM预测模型的平均精度分别为92.9420%、93.0235%,而PCA-BP预测模型的平均精度达到了96.4325%。PCA-BP神经网络模型不但简化了网络结构,更提高了网络的泛化能力,使预测误差更小、精度更高,为更准确地获得巷道通风摩擦阻力系数提供了一种有效的方法。

基于PLSR和LSSVM模型的土壤水分高光谱反演

为对地下采矿扰动区表层土壤水分进行反演,以大柳塔煤矿52501工作面为例,利用无人机搭载成像光谱仪获取高光谱影像,对获取的光谱数据进行对数、倒数对数、一阶和包络线去除变换,结合地面采集的128个土壤水分数据,基于偏最小二乘回归(PLSR)和最小二乘支持向量机(LSSVM)构建土壤水分预测模型并验证其预测精度。结果表明,基于一阶变换的PLSR模型和LSSVM模型预测精度相对较好,一阶变换的PLSR模型建模集R^(2)_(c)和预测集R^(2)_(p)分别为0.7021和0.6405,均方根误差RMSE_(c)和RMSE_(p)分别为1.6384%和1.1034%,相对分析误差RPD_(p)为1.7263;一阶变换的LSSVM模型建模集R^(2)_(c)和预测集R^(2)_(p)分别为0.8125和0.5979,均方根误差RMSE_(c)和RMSE_(p)分别为1.2755%和1.3459%,相对分析误差RPD_(P)为1.6323。最终基于PLSR和LSSVM模型完成了土壤水分的制图,实现了土壤水分的空间预测,为该研究区植被引导修复中土壤水分精准提升提供了空间数据支持。

远距离下保护层开采卸压增透效应及瓦斯抽采方案

针对深部远距离下保护层开采后上覆被保护层卸压及瓦斯治理难的问题,以朱仙庄煤矿Ⅲ1031工作面工程条件为背景,采用相似模拟和数值模拟相结合的方法,研究了远距离下保护层开采过程中覆岩的应力演化规律、变形破坏特征和卸压增透效果。结果表明:保护层开采,产生延伸至被保护层的纵贯式穿层裂隙,基本顶发生平均步距15 m左右的周期破断,煤层压力先减小,采空区中部重新压实后,应力开始逐渐恢复;在围岩内形成应力增高区域,而应力在向采空区中部演化时,则以近似于弧状的应力递减圈形态发育。因煤层采动在采空区两侧形成离层裂隙发育区,为瓦斯流动提供通道,被保护层也因此得到卸压,其卸压率达到0.91,增透率增幅为5%~20%,被保护层出现明显卸压增透效应。为解决保护层开采后瓦斯需卸压抽采的问题,设计了穿层钻孔、顺层钻孔、高位钻孔配合拦截钻孔和采空区埋管的瓦斯抽采方案。

层理方向对含预制裂纹页岩Ⅰ型断裂特性的影响

层状页岩受内部层理方位分布特征的影响,其力学性质常表现出明显的各向异性特征。为了探究层理方向对层状页岩Ⅰ型断裂特性的影响,针对不同层理倾角β、预制裂纹角度为0°的半圆盘试件开展三点弯曲静态压缩试验和数值模拟试验。试验结果表明,试件的Ⅰ型标准化应力强度因子YⅠ会随着层理倾角的变化呈现出明显的差异性,并与层理倾角呈现出良好的三次函数关系,且仅在层理倾角β为0°和90°时,试件表现为纯Ⅰ型断裂模式,即层理倾角的变化会改变试件的断裂模式。同时,试件的Ⅰ型断裂韧度随着层理倾角的增大而逐渐减小,并与层理倾角呈二次函数关系;当层理倾角与预制裂纹角度垂直时,试件的Ⅰ型断裂韧度最大;而当层理倾角和预制裂纹角度平行时,试件的Ⅰ型断裂韧度最小。另外,基于扩展有限元法(XFEM),对半圆盘层状页岩试件的破断机制进行研究,验证了试验和计算结果的准确性。

基于博弈组合赋权-云模型的坚硬顶板采场来压强度等级评估研究

为了解决坚硬顶板采场来压强度等级评估的不确定性问题,在力学分析的基础上,从顶板条件、地质条件、开采条件和其他条件等4个方面选取14个指标因素,采用序关系法确定主观权重、改进的CRITIC法确定客观权重,运用博弈论组合赋权,得到最佳综合权重,构建坚硬顶板采场来压强度等级评估云模型。通过云相似度测算,提高评估结果的精确性。以淮南张集矿区11129工作面为例,对9-2煤层上覆坚硬顶板来压强度等级进行评估,应用表明:所提方法综合考虑评价对象的主客观因素,权重分配科学合理,评估结果与实际情况一致,能为现场顶板弱化工作提供理论依据。

矿用对旋主通风机周向槽机匣处理扩稳机理研究

为了提高对旋风机的稳定裕度,采用数值模拟方法,将周向单槽机匣处理技术应用于FBCDZ-No20型对旋风机的扩稳,探究了周向槽的轴向位置对风机气动性能和扩稳能力的影响。研究表明:对前级叶轮进行周向单槽机匣处理,可以提高对旋风机的稳定裕度,且周向单槽的轴向位置对风机的气动性能和扩稳能力均具有影响;当周向单槽位于前级叶片的前缘和25%叶顶轴向弦长时,风机可以获得可观的稳定裕度提高量,但峰值效率损失较大;当周向单槽分别位于50%、75%的叶顶轴向弦长和尾缘时,扩稳效果逐渐减弱,相应的效率损失也逐渐减小。周向槽是通过抽吸叶片压力面前缘的低能流体,并将其沿周向输运至叶片吸力面的前缘喷出,从而增大了前级叶轮进口相对气流角及叶顶泄漏流的轴向动量,改变了叶顶泄漏流的轨迹,抑制了前缘溢流与尾缘处的边界层分离,进而减轻叶片通道内的流动堵塞,推迟了失速的发生而实现扩稳。采用前级周向单槽机匣处理并未改变对旋风机的最先失速级和失速起始类型。

以煤层倾向为参考方向的锐角优化垂线法煤柱设计方法

垂线法广泛应用于我国矿区地表建(构)筑物的保护煤柱的设计,但其原理中存在走向方向不明确导致计算时需人工干预和小角值拐角处保护煤柱过估等问题。针对村庄尺度的建筑物群,提出应按位置给出不同的开采参数和松散层参数;用煤层倾向作为垂线法的参考方向,代替指向不明确的走向,实现垂线计算公式选择、垂线长度计算的自动化;提出锐角优化算法,解决煤柱角点角值较小时出现的煤柱留设尺寸过大问题。基于上述优化,通过MATLAB编程实现煤柱自动化计算,并一定程度上减小了煤柱的尺寸。优化后的垂线法能够更好地应用于矿山保护煤柱设计。

基于矿灯光信号的井下作业人员身份视频识别系统

针对矿井视频监视系统中的人员身份难识别的问题,开发了一种基于矿灯光信号的井下作业人员身份视频识别系统。通过在矿灯中嵌入近红外LED光信号,设计了便于识别与追踪的光信号矿灯;设计了基于曼彻斯特编码的光信号编码方法,提出包括霍夫圆/椭圆检测方法在内的矿灯目标检测系列方法,以及动态优化解码方法。视频识别系统通过矿灯发射唯一性ID光信号,视频监视系统采集并处理光信号,解析出矿灯ID。通过煤矿井下实验验证了视频识别系统的有效性。研究成果为矿井安全生产提供了一种创新的人员身份识别技术。

低透气性煤层高压脉冲射流割缝-压裂增透技术应用研究

针对盘州平关镇大坪煤矿18采区20号煤层复杂地质条件及瓦斯抽采难题,提出一种高压脉冲射流割缝导向压裂增透技术。为验证该技术效果,分析了其增透技术机理,并设计了4种试验方案进行对比分析。结果表明,采用高压脉冲射流割缝导向压裂方案在瓦斯抽采效果方面显著优于其他方法,与普通抽采、高压脉冲射流割缝、高压水力压裂抽采瓦斯相比,其平均每日抽采瓦斯浓度分别提高了3.01倍、1.41倍和1.67倍;平均每日抽采瓦斯纯流量也相应提升了2.86倍、1.42倍和1.62倍。经过90 d的抽采,该方案的抽采影响半径达到了5.06 m,分别为普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂抽采方案的2.56倍、1.25倍和1.29倍;在抽采效果相同的条件下,钻孔施工时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂方案缩短了60%、32%和20%,瓦斯抽采达标所需时间分别比普通抽采、高压脉冲射流割缝和高压水力压裂方案缩短了70%、50%和62%。高压脉冲射流割缝导向压裂技术对低透气性煤层瓦斯治理效果较为理想,可供类似矿井借鉴。

煤矿氧气检测高精度VCSEL驱动及温控电路设计

为解决当前常用煤矿氧气检测仪器易受交叉气体干扰且功耗大的问题,基于GD32F303RCT6微控制器和ADN8834热电冷却控制器,设计了一种软启动开关电路控制的垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity Surface-emitting Laser,VCSEL)高精度驱动及温控电路。驱动电路中,高频正弦波信号和低频锯齿波信号叠加的二进制数据由微控制器产生,经信号发生电路、电压电流转换电路转化成VCSEL高精度驱动电流信号;温控电路中,设计基于比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)补偿电路和数模转换控制器(Digital to Analog Converter,DAC)目标温度控制电路实现激光器温度自动调节。测试结果表明:驱动电路的电流输出区间为0.680~1.360 mA;锯齿波频率误差小于0.5%,正弦波频率误差小于0.1%;氧气吸收峰扫描精度高达0.07 pm,对应电流扫描精度为0.12μA;温控电路的温度控制精度为±0.012℃。满足了可调谐半导体激光吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy,TDLAS)煤矿氧气检测应用需求。

基于HigherHRNet的煤矿井下人体姿态估计快速网络研究

煤矿井下人体姿态的快速估计是井下作业智慧安全检测的重要前提。为解决煤矿井下多尘多雾、照明不足及颜色相融等问题,提高人体姿态估计关键点分配准确度及网络运行速度,研究新的Optimising HigherHRNet(OH-HRNet)快速网络模型:对HigherHRNet模型的轻量化设计、关键点分配进行深入研究,提出了基于注意力机制的记忆卷积模块及强化骨骼约束的关键点分配算法,并改进了算法的损失函数。在煤矿井下场景数据集和COCO公开数据集上的实验结果表明:OH-HRNet在GPU的速度上是LitePose的1.06倍,平均精度均值mAP提高了7.4%,平均召回率均值mAR提高了14.0%,可以实现更有效的智慧安全检测。

煤矿井下无轨胶轮车弯道事故风险综合预警研究

针对煤矿井下无轨胶轮车弯道事故多发的问题,提出了综合考虑多因素的风险预警指标体系。基于UWB定位轨迹数据及客观因素数据,以五级计分法为预警因素量化指标,建立了煤矿井下无轨胶轮车弯道事故风险分级预警机制;构建了SSA-BP神经网络预警模型,进行了仿真学习与训练,并与BP、SVM模型进行了对比。结果表明,建立的分级预警指标机制对煤矿井下无轨胶轮车弯道安全性提升有所帮助,构建的SSA-BP神经网络模型对煤矿井下车辆弯道事故风险预警具有较高的准确性与稳定性。

上覆坚硬厚顶板煤岩卸压增透数值模拟及应用研究

基于榆树田煤矿上保护层开采时被保护煤层上覆岩层为坚硬厚岩层的实际情况,采用物理实验、数值模拟和现场应用等方法,研究上保护层开采推进时被保护区域的应力变化尤其是垂直应力演化规律和原岩应力区、应力增高区和降低区的演化规律,继而设计保护层开采方案并选定高位定向长钻孔进行瓦斯抽采。结果表明,被保护层上覆的坚硬厚岩层会形成关键层直接影响保护层效果;上保护层开采后被保护层的卸压程度为50%,膨胀变形量为0.391%,被保护层工作面回风瓦斯浓度降低至0.35%。现场应用结果表明,被保护煤层上覆坚硬厚岩层时,采用上保护层开采配合高位定向长钻孔抽采能够取得理想的卸压增透和瓦斯抽采效果。