矿井密闭全生命周期安全风险监测预警

矿井密闭是分隔生产系统与废弃系统的关键设施,做好全生命周期风险管控对保障安全生产意义重大。基于矿井密闭综合管控技术现状,从静态属性信息管理与动态信息监控2个方面剖析了现有密闭管理模式的不足。提出了密闭全生命周期智能管控的理念,指明基于物联网(IoT)+人工智能(AI)+云平台(CP)的大数据策略与集成云边端架构的密闭安全风险监测预警总体建设路径。应用IoT平台接入密闭单元的数字化监测与联动控制设备,实现密闭全生命周期管控透明化;以密闭信息演化征兆及边缘高效计算为核心,部署移动端、边缘计算机等现场终端,适配密闭服役状态的在线预测与超前预警;在智慧云端,以多源融合信息与数字孪生模型为核心,实时迭代重构分布式矿井密闭的虚拟现实场景及其全生命周期演化特征。分析了密闭环境演化信息的物理-数字驱动模式、密闭感知信息的多源异构数据融合模型、密闭异常边缘检测与分级智能预警、密闭全生命周期应急智能决策与协同防控等关键理论与模型构建方法。设计了基于IoT的密闭全生命周期安全风险监测预警系统的物理与功能架构,研制了现场嵌入式密闭多参数一体化监测传感器及配套的智能化主机,提出了密闭风险的早期感知与监测预警方法,以期实现数字赋能,切实推进智慧矿山建设。

基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪的研制

煤矿粉尘质量浓度精准测量是粉尘有效控制的重要前提。传统离线滤膜采样称重法测量周期长、操作繁琐,直读式光吸收/散射测量方法易受环境条件和粉尘性质影响。鉴于此,自主开发了基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪。通过有限元仿真探讨了振荡元件不同特性对振荡系统响应频率及质量灵敏度的影响,并采用最优梯度优化算法设计了振荡元件材料与形状,制造了一种具有高稳定弹性模量的振荡管,其频率温度系数为3×10^(-5)Hz/℃,受温度影响极小,保证了振荡频率在外界环境温度条件变化时的精确测量。开发了振荡天平质量传感器,设计了数字化自激振荡闭环控制电路,实现了谐振频率的自动控制以及实时输出,传感器质量灵敏度约为1 mg/Hz,质量检测限约为2μg。最终,通过集成呼吸性粉尘采样头、总尘采样头、伴热管、质量传感器、气泵、流量控制与温湿度/压力传感器等部件,研制了国内首款基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪,粉尘平均质量浓度检测限为0.035 mg/m^(3)。该仪器能够连续提供监测信息,包括当前时刻总尘或呼吸性粉尘质量浓度及当日累积职业接触暴露浓度。该仪器已在某煤矿现场应用,与传统滤膜采样称重法同步对比,2者相对误差仅为5%,表明该仪器可以实现煤矿粉尘质量浓度的快速精确测量,有望替代离线滤膜采样称重法和直读式光学测尘仪。

矿井智能通风原理、关键技术及其初步实现

针对我国现代化矿井通风信息化、智能化升级的重大需求,系统研究了矿井智能通风原理、关键技术及其系统组成。明确阐述了矿井智能通风的定义与内涵:矿井智能通风是通过智能控制实现按需供风,稳定、经济地向矿井连续输送新鲜空气,供人员呼吸,稀释并排出有害气体和粉尘,改善矿井气候条件及救灾时具有一定智能调控风流的作业;其内涵是将信息采集处理技术、控制技术与通风系统深度融合,按照“平战结合”的理念实现按需供风及异常灾变状态下智能决策与应急调控,既满足日常通风的自动化管理与维护,又实现灾变时期的应急控风有效抑制灾情演化。基于风网调节的非线性优化模型提出了矿井智能控风模型,设计了矿井多元信息智能感知→高效可靠信息传输→通风状态智能分析与决策→通风设施/动力智能调控执行与反馈的标准化工作流程;随后,围绕矿井智能通风系统功能的具体实现,分别从矿井通风参数精准监测、矿井通风异常诊断与智能决策平台、通风动力与设施智能调控等关键技术详细阐明了矿井智能通风功能的实现路径;最后介绍了矿井通风参数在线监测与风网实时解算、区域联动调控等矿井智能通风关键技术的现场试验及应用实例。

煤矿瓦斯智能抽采理论与调控策略

基于瓦斯抽采的安全原则与效率原则,提出了瓦斯智能抽采的原理;建立了瓦斯抽采管网中瓦斯-空气混合气体流动控制方程,以最大瓦斯抽采纯流量为目标函数,建立了瓦斯抽采管网参数的优化模型,分别从瓦斯体积分数、流量以及效能比等参数约束条件定量判定瓦斯抽采安全与效率;以上述模型为基础,针对钻孔抽采区域温度高于临界温度、钻孔抽采纯量低于抽采纯量下限,以及钻孔抽采浓度低于瓦斯安全浓度下限等工况条件展开理论分析和数值计算,提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略,通过协同调整不同抽采钻孔的阀门开度和抽采泵转速,有效提高了抽采瓦斯体积分数、效能比和抽采纯流量,并提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略。最后,设计了由数据感知模块、通信传输模块、数据处理与决策模块、控制模块等部分组成的瓦斯智能抽采系统,开发了基于物联网的智能调节阀门,阀门的感知模块包括温度传感器、瓦斯浓度传感器和气压传感器等,通讯模块将数据上传至云存储端,通过电脑网页和手机客户端实现监测与控制;发明了采用高分子减阻剂提高水环真空泵效率的技术方法,以高分子减阻溶液作为水环真空泵的工作介质,有效降低了液环的湍流损失和流体与泵体过流部件的摩擦损失,并开发了地面全封闭式和井下直注式2种瓦斯抽采泵节能系统,该项技术在山西潞安集团余吾煤业成功应用,节电率和节水率分别达到22.5%和66.7%,为瓦斯智能高效抽采提供了借鉴。

综掘工作面干式过滤除尘技术实验研究及实践

煤矿粉尘易诱发严重的矿工尘肺病和煤尘爆炸,然而现有的湿式除尘技术净化效率普遍不高。针对煤矿综掘工作面环境条件特点,分析认为应用于综掘工作面的干式除尘技术的主要影响因素为空气喷雾、清灰均匀性以及清灰策略等。为此,构建了干式过滤除尘实验系统和样机,测试发现适度的喷雾量(2 200 m L/min)有利于提高过滤性能;滤筒内安装正椎体或柱锥体可以改善喷吹流场;而正序和逆序清灰策略则分别更有利于改善清灰效果和降低粉尘排放浓度。研制了KCG-200D干式除尘器并应用于葛泉煤矿,现场全尘和呼尘除尘效率分别为97.39%和96.41%。

二次封孔粉料颗粒输运特性的气固耦合模型研究

以气力输运下二次封孔堵漏的成功实践为研究背景,建立了理想状态下粉料颗粒在煤层裂隙中运移的数学模型,揭示了气力输运下粉料颗粒在煤层裂隙中气固耦合的运移特性:颗粒运移与裂隙类型有关,在曲线型裂隙中,颗粒做波浪式曲线运动;在直线型裂隙中颗粒做加速度递减的变速直线运动直至匀速,颗粒运移状态与压力梯度密切相关,同时还与颗粒本身性质有关。六枝工矿集团公司化处煤炭分公司的现场试验结果与模型理论分析相吻合,结果表明:对钻孔瓦斯抽采衰减期实施二次封孔可以明显提高钻孔瓦斯抽采浓度,在二次封孔段适当提高封堵压力可以明显提高封堵效率和封堵效果。

地面钻井抽采卸压煤层及采空区瓦斯的流量计算模型

以神华宁夏煤业集团乌兰煤矿地面钻井瓦斯抽采系统为研究背景,根据质量守恒和能量守恒定律,建立了确定地面钻井抽采卸压煤层及采空区瓦斯流量的数学模型,采用该模型对乌兰煤矿保护层开采区域钻井抽采的不同瓦斯源的流量进行了计算,结果表明,2、3号卸压煤层瓦斯抽采量占总抽采量的52.0%～89.1%,充分反映了保护层开采具有显著的卸压效果。

瓦斯与煤自燃共存研究(Ⅱ):防治新技术

基于瓦斯与煤自燃共生发生场所的不同定义了煤岩跨尺度裂隙场概念,深入探讨了共生灾害防控机理及技术方法,即通过合理改变跨尺度裂隙场中的场流分布以消除瓦斯与煤自燃共生灾害——共生区域S_e=0,提出固相颗粒输运改变煤岩体裂隙漏风场尺度、低温液态惰气改变采空区温度场和气体浓度场两种防治共生灾害新技术。建立了固相颗粒输运改变网络裂隙场场流模型,讨论了颗粒填充漏风裂隙场后,漏风裂隙尺度、可通路径的变化,致使漏风阻力增大,保证了瓦斯抽采处于安全的煤岩体裂隙场和低氧气浓度场;理论揭示了低温液氮防治共生灾害机理,并自主设计了液氮防灭火模拟平台,结果表明:液氮注入火区能迅速吸热膨胀,产生大量的低温氮气,扩散进入采空区空间,对热(火)源形成惰化隔离带,同时低温氮气携带水凝气与采空区隐蔽热(火)源产生的热风压进行热交换,降低热(火)源温度在可燃点温度以下,主动吞噬热(火)源。

瓦斯安全抽采及其建模

为提高煤矿瓦斯抽采运行过程的安全性,围绕瓦斯抽采过程由于空气的导入而造成抽采区域煤自燃、抽采管网中瓦斯燃爆等潜在风险开展研究,明确给出了瓦斯安全抽采的概念,提出了瓦斯安全抽采的定量评价指标——抽采安全度,并通过联立煤层瓦斯抽采中气体扩散-渗流,煤-氧反应以及热量传输方程,定量描述了抽采过程中场流演化,建立了抽采安全度的计算模型。以盘江煤电山脚树矿瓦斯抽采工程为例,揭示了抽采负压、封孔质量、巷道卸压区渗透率、煤层瓦斯吸附特性及煤自燃特性等因素对抽采安全度的影响机理,给出了提高抽采安全度的技术措施。

复合浆体喷涂新材料及其隔风特性

针对传统喷涂隔风防灭火材料的缺点,如混凝土作业操作困难,材料运输量大,化学喷涂材料价格昂贵,难以大范围应用,以黏土和水泥为基料,配以添加剂和玻璃纤维,研制出了一种新型复合浆体材料,并利用压汞实验和电镜扫描考察了其隔风堵漏性能。研究结果表明,复合浆体材料结构致密,微裂隙普遍发育,粗大孔洞及裂隙不发育,渗透系数仅为1.181×10-10 mm/s,巷道喷涂后的平均百米漏风量为5.5 m3/min,隔风性能优越。

新型气囊式自动封闭装备研究

针对传统封闭技术及设施、装置的不足和煤矿火区安全封闭的需求,基于压力自动控制原理,研制出一种能自动充气进行封闭火区的装备,并进行了煤矿井下的现场测试.结果表明：对于断面为5.66 m^2的非规则粗糙壁面巷道,气囊自动充气封闭的时间仅为12-13 min,比常规密闭的施工时间短;采用褶皱和裙边结构,气囊漏风率仅为5%左右,具有良好的封闭效果.气囊的充气封闭过程实现了自动化、无人化,对具有爆炸危险的井下水水区进行封闭时,可防止密闭施工过程中发生人员伤亡.

矿井通风系统优化评判的模糊优选分析法

针对现有矿井通风系统优化评判方法的不足 ,提出用模糊优选分析法进行优化评判 .建立了矿井通风系统模糊优选评判的理论模型 ,开发了模糊优选评判的程序 ,并对庞庄煤矿张小楼井通风系统改造方案进行了优化评判 .

煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源原理与技术

煤层群开采工作面瓦斯涌出来源及比例的定量分析,是矿井瓦斯抽采设计与治理的重要前提。稳定碳氢同位素法基于瓦斯气体混合前后碳、氢同位素总量各自保持不变的原理,可以对工作面瓦斯各来源比例进行定量计算,成为工作面瓦斯精准定量溯源的有效方法。稳定碳氢同位素分析实现的必要条件是混合气样的瓦斯体积分数不低于10%,对此,首先提出煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源原理,并构建了高效分离低浓度瓦斯方法,研究了吸附柱中甲烷、氧气和氮气的分离规律,对比确定了优化的吸附剂种类和吸附柱尺寸,对上隅角、回风巷等地点的超低浓度瓦斯进行分离,进而进行稳定碳氢同位素测试。然后通过测得的各煤层端元气体以及工作面不同位置混合气体的甲烷碳、氢同位素值,利用二端元、三端元线性混合模型,定量分析了西山矿区东曲矿和屯兰矿的4个试验工作面各位置瓦斯来源的占比及规律。最终确定了近距离煤层群回采工作面瓦斯的重点抽采目标:工作面上隅角只有5%来自上邻近层,本煤层占比达到78%,因此应着力加大本煤层瓦斯抽采强度;采空区、上隅角、回风巷的瓦斯主要来源于本煤层卸压瓦斯,从采空区到上隅角和回风巷,上邻近层瓦斯占比呈现上升趋势;采空区、上隅角瓦斯各来源比例受工作面推进度影响较小,基本维持稳定。煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源技术实施简便,效果显著,有效解决了上隅角、回风巷等地点精准定量溯源的重大工程难题。

特大型火区的地面钻孔注三相泡沫灭火技术

介绍了地面钻孔大流量注三相泡沫的新工艺及其在宁夏白芨沟矿特大型火区治理中的成功应用。现场应用实践表明地面钻孔注三相泡沫具有流量大、工艺简单、稳定可靠等特点,非常适于处理大范围、高冒落空间、火源位置难以推断的特大型火区。

矿井火灾烟流滚退距离的数值模拟

根据质量、动量、能量和组分守恒原理建立了考察烟流滚退距离的数学模型,并采用计算流体力学方法进行了数值求解,求解结果与试验结果基本一致.以一个大规模火灾为例,考察了不同通风风速和火源热释放速率对烟流滚退距离的影响.结果表明:烟流滚退距离随通风风速的增加而显著降低,随火源热释放速率的增强而不断增长且在低热释放速率时增加幅度较大.

矿山火灾防治的性能化设计方法

根据消防工程学的原理和方法 ,参照建筑防火领域性能化设计方法 ,提出了矿山火灾防治的性能化设计方法 ,给出其定义 ,提出了矿山防火性能规范的制定流程 ,介绍了性能化设计的定量分析工具与方法。矿山防火性能化设计方法是一种新的防火思路 。

巷(隧)道火灾烟流滚退距离的无因次关系式

应用因次分析法推导出表征巷(隧)道火灾烟流滚退距离变化规律的通用无因次表达式,该表达式包含影响滚退距离的火源热释放速率、通风风速、巷道倾角和形状等因素。在此基础上开展了考察烟流滚退距离的模拟实验,实验得出了无因次滚退距离与火源热释放速率、巷道风速等参数之间的函数关系式。研究结果为巷(隧)道通风防灭火的设计提供了参考依据。

煤层瓦斯含量井下一站式自动化精准测定方法

煤层瓦斯含量是预测煤与瓦斯突出危险性和评价矿井瓦斯储量的基础参数。针对现有测定方法需要井上和井下分阶段测量、测定周期长的不足,提出了煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定新方法,介绍了煤样井下直接破碎系统、瓦斯解吸量自动化计量系统和数据自动采集处理系统等关键单元构成及主要技术指标。其次,针对现有测定方法中损失瓦斯量估算误差大的难题,考虑煤孔隙结构的非均匀性建立了瓦斯分数阶扩散模型,以此准确推算煤样暴露过程的损失瓦斯量;搭建了模拟井下煤层瓦斯含量测定流程的误差分析系统,通过设定不同吸附平衡压力来改变瓦斯含量,设定不同暴露时间来改变损失瓦斯量,并通过与传统模型对比来验证分数阶模型的准确性。实验表明,分数阶模型推算损失瓦斯量的误差在10%以内,测定瓦斯含量的误差在5%以内,而传统■模型和幂函数模型测定瓦斯含量的误差达到20%以上。最后,基于煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定方法,研发了CWH12型煤层瓦斯含量测定仪,在淮南矿区朱集东矿和潘三矿进行了现场应用,并使用煤矿原有瓦斯含量测定设备对同一地点、同一深度的煤样进行了测定比较。现场试验表明,CWH12型煤层瓦斯含量测定仪比原有设备的测定值平均提高了13.5%,测量时间缩短至1.5 h以内,实现了煤层瓦斯含量的快速精准测定。

矿井火灾下行风流逆转的突变动力学分析

为了寻求下行风流火灾的有效控制途径,应用突变理论推导了下行通风主干风路风流逆转的突变势函数,揭示出其逆转过程具有突变特征,分析了下行风流逆转具有的突跳、分叉、不可达、滞后、多模态等多种非线性特征,实验验证了下行风流逆转的突变过程。研究结果表明:下行风流逆转在跨越临界点时具有突跳特征,巷道风量维持较高数值时仍具有随时逆转的可能性。研究结论初步突破了对传统的风流逆转过程的认识,有助于寻求下行风流火灾的有效控制途径。

矿山通风网络火灾的计算机仿真模拟

应用矿山通风网络火灾模拟软件对矿山井下的水平巷道火灾和倾斜巷道火灾分别进行了全网络的计算机仿真模拟,得出了火灾烟流侵入巷道的时间和温度、人员在通风网络中逃生的避灾路线、火灾期间烟流滚退现象发生的临界风速、烟流滚退的距离及救灾决策要点等结果。仿真模拟结果表明:该软件的计算结果可靠、界面友好、功能实用,可作为矿山防灭火工程性能化设计的重要手段。