基于AISM的高校燃烧与爆炸实验室事故关键致因分析

高校燃烧与爆炸实验室涉及燃烧、爆炸、高温、高压等危险因素,具有较高的事故风险。结合三类危险源理论辨识出高校燃烧与爆炸实验室爆炸、火灾、中毒、烫伤4种主要事故类型的25个事故致因因素;进而运用对抗解释结构模型(AISM)对因素间相关关系进行分析,得到高校燃烧与爆炸实验室事故关键致因。以某高校燃烧与爆炸实验室为例,通过对比AISM模型的UP型和DOWN型有向拓扑层级图,确定出该校燃烧与爆炸实验室事故的5个根源性关键致因因素、5个敏感性关键致因因素、3组互为因果关系的关键致因因素。研究结果为制定更精准的预防事故措施提供了依据,为提高现代高校燃烧与爆炸实验室安全管理效率提供了一种新的思路。

FLAC 3D数值仿真方法在矿山压力与岩层控制实验教学中的应用

文章探讨了FLAC 3D数值模拟仿真方法在矿山压力与岩层控制实验教学中的应用。采用FLAC 3D数值仿真方法中的双屈服模型模拟采空区垮落岩体可以精确且直观地描述采场覆岩运动的规律,可弥补传统实验教学中的不足,同时培养学生解决工程实际问题的创新实践能力和自主探索能力,有助于课本知识与实际工程应用的结合,对于该门课程的实验教学改革具有一定的指导和借鉴意义。

“实用矿山压力控制理论”的内涵及发展综述

一直以来,矿山灾害严重威胁着中国煤矿的安全高效开采。矿山压力与岩层控制是防治煤矿重大灾害的关键,被国内外学者重点关注。20世纪80年代,紧密联系煤矿现场生产一线,宋振骐研究团队创建了"实用矿山压力控制理论",亦称"传递岩梁理论"。传递岩梁理论是中国最著名的岩层控制理论之一,对指导煤矿安全生产起到重要作用。论文阐述了传递岩梁理论的主要研究成果:严格定义了矿山压力与矿山压力显现的概念,并揭示矿山压力与矿山压力显现的关系。理论分析了矿山压力的来源、支承压力分布特征及采场结构力学模型的组成及发展规律等重要问题。指出影响矿压显现的岩层范围是有限的、可知的、可控的。上述研究成果为把传统矿山压力理论研究推进到针对具体煤层条件科学定量的发展阶段奠定了基础。

深部煤巷帮部失稳诱冲机理及“卸-固”协同控制研究

采用室内试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合的综合研究方法,研究了“煤体”自身能量释放型和“煤体+顶底板”共同能量释放型两类煤巷帮部失稳诱冲机理,分析了深部煤巷帮部不同破坏类型的能量释放特征,揭示了深部煤巷帮部“卸-固”协同控制机理,研发了深部煤巷帮部失稳“卸-固”协同控制技术。结果表明:①顶底板及煤体内积聚弹性变形能共同释放是导致深部煤巷帮部发生冲击破坏的基本力学机制;②深部煤巷帮部按破坏程度由弱到强依次为产生宏观裂缝、轻微帮鼓片帮、严重片帮和帮部整体抛出共4类破坏形态;③产生宏观裂缝和轻微帮鼓片帮破坏驱动能量主要来自煤体本身,而严重片帮和帮部整体抛出破坏驱动能量来自煤体和顶底板共同作用;④深部煤巷帮部冲击地压防控应从“卸”和“固”两方面入手,包括巷帮浅部破裂区煤体加固和巷帮深部完整区煤体及顶底板卸压,实现煤巷帮部冲击地压“卸-固”协同控制。如何提升巷道锚固支护系统与围岩结构耦合吸能水平,构建冲击地压灾害"卸-固"协同控制理论与技术体系,是深部开采冲击地压防治工程中需重点研究内容之一。

采场空间结构模型及相关动力灾害控制研究

基于社会对煤炭行业安全生产的重视,煤矿灾害事故控制研究显得愈发重要,尤其现阶段煤矿灾害事故多发,安全形势愈发严峻。为了有效控制预防煤矿动力灾害事故,提出了采场空间结构模型;探讨了采场空间结构模型中应力分布和结构发育的力学特征,以及采动时上覆岩层的运动变化规律和矿压显现特征;以采场空间结构模型和采动应力孕育力学特征为基础,提出了采场顶板、巷道顶板控制、冲击地压、顶板水害,以及地表沉陷等煤矿灾害事故致灾条件及其控制措施,构建了相关采场灾害控制结构力学模型。建立的采场空间模型解释了"裂断拱"和"应力拱"结构演化规律以及采动应力与覆岩空间结构演化的相关性;指出了导水裂隙带高度与"裂断拱"高度范围基本一致,是顶板水害治理依据;建立了基于"应力拱"拱外岩梁下沉预测地表沉陷的方法;提出了对直接顶采取"给定载荷"控制方式,对基本顶采取"给定变形"和"限定变形"控制方式的支护方案;预测了冲击地压可能发生位置并提出了控制措施;提出了透水判据和不发生透水事故的合理工作面长度和开切眼位置的计算方法;建立了以开采工作面长度和覆岩裂断步距相关性为核心的采动沉陷模型,从力学的角度解释并计算分析了地表沉陷范围。实践证明,正确建立决策模型是实现煤矿灾害事故控制的基础,模型的建设有效实现了煤矿灾害事故控制从定性到定量的发展,可为煤矿灾害事故的有效预测和科学控制提供指导。

南屯煤矿深部泵房硐室群动压失稳机理及控制对策

采用工程地质调查、理论分析、数值模拟相结合的手段,针对南屯煤矿-670泵房硐室群在二次回采初期出现的失稳破坏现象,对其采动影响下的失稳过程进行了分析,并提出了相应的稳定性控制对策。认为-670泵房硐室群在相邻工作面相继回采过程中,已采工作面93上10对其影响较小,原支护能够保证泵房硐室群的稳定,数值模拟结果与现场观测值接近,两者吻合较好,而备采工作面93上08对其影响较大,二次回采扰动将使泵房发生极大的顶沉及帮缩现象,围岩稳定性急剧下降,围岩远部应力集中加剧,对围岩影响范围增大。据此提出了锚杆(索)与注浆相结合的耦合支护对策,充分利用二者优点,以注浆恢复岩体强度,关键部位锚索加强支护。数值模拟与现场应用结果表明,该支护方案能够满足泵房承受二次回采动压影响的稳定性控制要求。

浅部开采尾砂膏体巷采设计与地表沉陷控制

针对我国充填开采材料来源不足的问题,通过理论分析、室内实验及现场实测等方法,系统研究了尾砂膏体充填材料特性、充填工艺,进行了尾砂膏体巷采设计及地表沉陷效果分析。研究确定了尾砂膏体优化配比为水砂比1∶5,质量浓度为70%;提出了尾砂膏体巷采方案,建立了巷采充填地表沉陷模型,解决了采煤、充填、工作面通风和安全出口问题;相似材料模拟试验表明,在巷采连采连充过程中覆岩没有冒落过程,直接顶是以微裂隙和层间离层往上发育,基本顶以弯曲下沉为主;充填体密实性、变形监测及地表移动观测表明,尾砂膏体巷采对地表沉陷控制较好。研究成果在淄博市张店区沣水镇张赵煤矿102采区进行了成功应用。

大型危岩体崩塌灾害早期监测预警技术研究综述

作为中国常见的一种地质灾害,大型危岩崩塌成因复杂、分布范围广、隐蔽性和突发性强、危害性大,其早期预警一直难以实现。通过总结岩体崩塌灾害失稳机理与预警模型可知,开展岩桥结构面损伤识别及静力学-动力学-环境量参量(SDEI)的综合性监测技术研究是实现大型危岩体崩塌灾害早期监测预警的关键所在,而基于分离破坏前兆识别的早期预警机制研究是提高崩塌灾害预警时效性的有效手段之一。随着微机电系统与云边融合技术的发展,在未来有望形成一套稳定性动态评价、失稳工况预测与失稳时间预测模型实时联动的多元预警新范式。与此同时,还需通过不断丰富大型危岩崩塌等脆性破坏灾害预警技术体系,实现危岩体预警等级、稳定性状态、失稳工况、失稳时间的实时分析,进而有效解决大型危岩体崩塌灾害科学精准防控与智慧化应急决策的双重难题。最后,针对目前崩塌灾害早期监测预警研究中存在的技术瓶颈问题,提出具体的发展策略与应对措施,以期为中国地质灾害高风险区更好地应对大型危岩体崩塌灾害提供一些参考。

松散层下开采次生小断层影响工作面突砂机制——以山东省横河煤矿1931W工作面突砂事故为例

为研究松散层下开采次生小断层对工作面涌砂的影响,以山东省横河煤矿1931W工作面突砂事故为例,采用ANSYS有限元数值模拟方法,分析次生小断层对采动裂隙带高度发育的影响,根据模拟结果及流砂突出事故,对顶板流砂突出的机制和条件进行研究,得出在煤层开采过程中导水裂隙带受断层影响的一般规律,认为工作面推进过程中存在断层情况下,导水裂隙带最大发育高度和破坏程度会受到影响,导致其发育高度增大,引发涌水突砂事故。

西部大采高工作面保护煤柱宽度优化研究

保护煤柱尺寸一直是三下开采研究的热点问题,特别是在西部大采高软弱覆岩特厚煤层开采条件下,其对地表建筑物安全的影响有待进一步研究。以榆树湾井田20119工作面为例,综合利用数值模拟和概率积分法确定了合理保护煤柱宽度,并进行现场验证。结果表明:随着煤柱宽度的减小,地表沿X方向的水平移动呈现倒“S”型趋势,沿Y方向的移动呈现倒“U”型趋势,地表的最大下沉量随煤柱宽度的减小而不断减少;结合概率积分法对保护煤柱宽度进行预计,确定优化后的煤柱宽度为180 m;对现场村庄进行实时监测,地表下沉和倾斜值均满足现场施工要求,验证了保护煤柱宽度的合理性。

浸水煤表面结构演化与自然发火指标实验研究

为了提高浸水煤自燃预警的可靠性和准确性,采用扫描电镜实验与程序升温氧化实验研究了不同含水率煤与原煤的结构变化和氧化规律。首先对比分析了浸水煤的表面结构变化,然后通过浸泡法制备了含水率为4%、11%、18%、25%、32%的煤样,利用程序升温实验分析不同含水率煤样气体产生量随温度的变化关系。结果表明:浸水后,煤样氧化产生CO和C_(2)H_(4)的临界温度由73℃、180℃提前到62℃、161℃,各煤样升温过程中产生气体随温度升高而升高,含水率为18%的煤样产生的CO、CO_(2)、C_(2)H_(4)和C_(2)H_(6)体积分数最高;在CO、C_(2)H_(4)可作为标志气体的基础上,引入CO与CO_(2)体积分数比值γ和C 2H_(4)与C 2H_(6)的体积分数比值ε,分别作为煤吸氧蓄热阶段和自热氧化阶段的预测指标,即:γ≤0.019时,煤样温度小于136℃,处于吸氧蓄热阶段;0.752≤ε≤0.836时,煤样温度136~226℃,处于自热氧化阶段;γ≥0.908时,煤氧化温度大于226℃,处于加速氧化阶段。最后,基于CO、C_(2)H_(4)、C_(2)H_(6)三种标志气体和γ、ε值,建立了浸水条件下采空区遗煤自燃的分级预警防控指标体系。

煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究

针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题,采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测相结合的综合研究方法,研究了深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型3类冲击地压的致灾机理,提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标,建立了与冲击地压类型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系,获得了深部开采3类冲击地压的前兆信息特征,给出了以深部开采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法,研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表明:(1)深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果;与浅部开采相比,深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大,以及深部断层更易发生错动滑移;(2)深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、煤岩组合冲击能速度指数,而对于深部断层滑移型冲击地压,这两个指标均需增加;(3)深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主,但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据为主;(4)深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水;(5)采用钻孔施工与预警同步一体化技术,可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息,对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程,以科学分类为基础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。

上覆硬厚岩层破断运动及断顶控制

硬厚覆岩的破断与结构将发生显著的变化。针对汝箕沟煤矿二2煤层上覆厚层石英砂岩条件,采用现场实测、数值模拟、理论分析及现场试验等方法,研究了硬厚覆岩裂隙发育特征、破断运动、矿压显现特征及断顶控制技术,为硬厚覆岩工作面灾害防治提供了依据。研究表明,硬厚石英砂岩的微观结构致密完整,呈现大面积悬空、大步距破断运动,引起强烈的支架动载,甚至导致工作面风流逆转、沟通上部采空区隐形火区;硬厚岩层破断运移后产生明显的离层空间,并在开切眼上部和工作面上部及采空区中部形成覆岩主裂隙带,且发育高度大于经验计算数值,甚至与上方采空区沟通诱发灾害;实施开切眼深孔断顶爆破及降低工作面采高,有效缩短了硬厚岩层的初次破断步距,降低了支架动载及主裂隙带高度。

综放采空区瓦斯与遗煤自燃耦合灾害危险区域重建技术

为研究综放采空区瓦斯与遗煤自燃耦合灾害危险区域空间分布规律,及时预防耦合灾害事故发生,研究了综放采空区瓦斯与遗煤自燃耦合灾害危险区域重建技术。在对遗煤自燃与瓦斯爆炸耦合灾害致灾特性研究的基础上,分析了耦合灾害发生原因、判定原理和判定方法。以试验工作面为例,对采空区各气体浓度场测量、重建与分析,考虑其他可燃性气体对CH4爆炸界限的影响,叠加确定了各空间高度上耦合灾害危险区域平面范围,利用三维场重建程序结合空间插值技术,重建出耦合灾害危险区域空间立体分布情况,并对灾害空间参数进行了提取。最后,对采空区高位钻孔瓦斯抽放、隅角注防灭火材料技术方法进行了改进,使之满足耦合灾害防治需要,保证工作面的安全开采。

火区下近距离煤层开采有害气体入侵灾害防控技术

火区下近距离煤层开采容易导致有害气体入侵灾害的产生,严重威胁着工作面的安全回采。陕西煤业化工集团孙家岔煤矿30110工作面上部采空区自然发火严重,虽然采取了注氮、堵漏风技术进行防治,但效果均不明显。针对此问题,利用PFC2D软件建立了火区下近距离煤层开采数值模型,对3号煤层开采过程中的裂隙变化进行动态追踪,结果证明了有害气体入侵灾害的产生并判断了灾害产生的时间节点,为灾害发生前的重点监测工作以及均压通风系统的应用提供了依据。为了防止有害气体的入侵并避免新鲜风流压入火区引发灾害的扩大,对30110工作面进行均压通风技术研究,将上部火区和下部工作面的气压差控制在一个安全的范围内。通过计算确定了均压通风系统试运行期间的安全压差为296 Pa,正常运行期工作面回风风窗压差安全调节区间为(118 Pa,166 Pa)。现场应用结果证明,均压通风技术能够有效地避免有害气体入侵灾害的发生,确保工作面的安全回采。

矿井通风系统危险源辨识、评价与控制

针对矿井通风系统影响因素多、难以辨识与评价的现状,首先采用故障类型及影响分析方法对矿井通风系统危险源进行辨识,得到由14个重要指标构成的危险源指标体系,并结合Delphi法确定了各指标的临界值。其次,利用模糊区间与层次分析相结合的方法确定了各指标的常权值,发现矿井是否独立通风、分区通风及风区风路是否角联对通风系统的可靠性影响最大。然后,根据模糊集值统计分析法对通风系统危险源进行了分级,并确定了每一级别的危险度值。再则,通过引入状态变权向量和加法合成法,构建了矿井通风系统动态变权综合评价模型。最后,以欢城煤矿为例,进行了通风系统变权前后的危险源评价,得到该矿通风系统为Ⅰ级危险源,并根据评价结果提出了包括增加通风网络可靠性、提高主要通风机能力、增大矿井有效风量、降低矿井负压在内的控制措施,增风降阻,保障矿井的安全生产。

危岩体崩塌灾害监测预警试验研究

岩体崩塌破坏的突发性使其成为最难预防的地质灾害之一,严重威胁人类的生命财产安全.边坡岩块体崩塌破坏多是系统不稳定导致的动力破坏,因此应用动力学指标进行监测预警更为有效.本研究通过引入多种时域动力学监测指标,开展了岩体崩塌破坏全过程的监测预警实验研究.通过振动幅值、峭度指标等时域动力学指标监测,可有效识别岩体分离破坏前兆现象,提前55 s实现岩块体崩塌的早期预警.多个时域动力学指标均可识别岩体破坏前的非协调性动力特征,其中变异系数在识别这一振荡特征上优势明显,可通过识别这一震荡特征实现崩塌灾害的早期预警.此外,破坏前岩体的振动速度是稳定岩体的2.1倍,岩体破坏发生时刻赋存较大的冲击能量,是岩体启程剧动的主要原因之一,可通过综合分析峭度指标等时域动力学指标,实现分离破坏前兆更为合理的判识.本研究不仅为岩体崩塌灾害早期预警提供了新的数据与技术方法支持,也为崩塌岩体启程剧动机制与破坏后运动特性研究提供了新的启示.

粉煤灰高水短壁部分充填技术研究与实践

针对承压水上、建筑物下开采技术难题,在系统分析粉煤灰高水材料特性、充填工艺和禁止井工煤矿使用的设备及工艺目录（2008年第2批）＂巷道式采煤＂的基础上,通过理论分析、室内试验及现场实测等方法,对粉煤灰高水短壁部分充填工作面设计及围岩控制下效果进行了系统研究。主要结论包括：①对粉煤灰高水充填材料发泡机理、材料特性、充填工艺进行了分析;②提出了短壁部分充填工作面设计方法及采-充程序及工艺,数值模拟表明50 m充填联合支撑体与20 m采空区底板塑性区范围为6-8 m,顶板塑性区范围10-12 m;③充填体密实性、原位强度和安全系数表明,充填体与顶板接顶率大于95%,原位强度1.93 MPa,安全系数6.8,粉煤灰高水充填体联合支撑体系能够保持围岩稳定;④充填体和底板变形监测表明,短壁部分充填采场顶板最大下沉量80 mm,底板最大破坏深度8 m,底板隔水层厚度在安全范围之内。在埠村煤矿9111工作面进行了现场实施,相关研究成果可以对类似条件下的煤炭开采提供参考。

深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析

大量实测地质资料与防治水实践证实,深部煤层开采底板含水层存在大量的局部高承压水区域,在强开采扰动下极易诱发底板突水灾害。基于"下三带"、"关键层"理论,将局部高承压水与底板隔水关键层简化为圆筒力学模型,分析研究隔水关键层在局部高承压水作用下的屈服破坏机制,得到了隔水关键层发生屈服的4个临界水压值公式;对各临界水压值进行区间划分,分析不同区间隔水关键层的屈服状态,确定了局部高承压水致使隔水关键层屈服破坏两个阶段的水压判据平衡方程,得出了奥陶系顶部岩层作为隔水关键层剩余隔水能力的计算表达式,并反演得到了开采深度上限、下限公式。结合九龙矿深部开采实际,对所建力学模型进行了验证与应用,进而提出了防止局部高承压水致灾的相关措施,对实现深部煤层安全带压开采具有重要的理论指导意义。

复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响

近距离煤层群复合采动影响下,层间岩层中隔水层的稳定性至关重要。若层间岩层中隔水层的稳定性遭受破坏,则上覆采空区中的积水会向下方渗流扩逸,甚至瞬间涌出,威胁下部煤层的安全开采。提出了复合采动影响下层间隔水控制层的基本概念,运用损伤力学的基础理论构建了复合采动影响下层间岩体损伤参量D的计算模型,分别研究了损伤参量D与层间岩体抗压强度及破坏范围之间的关系,分析了不同条件下复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响。研究结果表明:(1)层间隔水控制层是指复合采动影响下层间岩体中不发生破断失稳且能起到阻隔上方采空区积水向下渗流扩逸的控制岩层。(2)损伤参量D可以用来衡量复合采动影响下层间岩体的损伤破坏程度。(3)层间岩体抗压强度R_D与损伤参量D的关系为:随着损伤参量D的增大,层间岩体的抗压强度R_D表现出线性递减的变化趋势,其折减系数为1-D。(4)层间岩体破坏范围与损伤参量D的关系为:层间岩体的最大破坏深度/高度H_(max)及其距工作面端部的距离L_(max)均随着损伤参量D的增大而增加;D越大,H_(max)和L_(max)的增幅也越大。(5)层间隔水控制层的稳定性与复合采动产生的叠加损伤密切相关;通过综合考量上下煤层多重开采后层间岩体的损伤破坏范围与隔水控制层的层位关系,全面分析了6种不同条件下层间隔水控制层的稳定性,并给出了合理有效的控制措施,来减轻上覆采空区积水对下部煤层开采的威胁,并保障安全生产。复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响研究可以为积水采空区下伏煤层的安全开采提供理论指导。