河南省煤矿安全管理现状与对策研究

【目的】为了解当前河南省煤矿安全管理情况,进一步推动河南省煤矿企业安全生产工作的发展。【方法】运用事故调查法和资料分析法,从煤炭能源保供、煤炭能源安全生产两方面分别展开分析,重点对河南省煤矿企业安全生产工作面临的主要问题展开探讨,并针对性地提出改进措施及建议。【结果】研究表明:河南省煤矿安全形势较之前十年有极大的改善,但尚未能实现“清零”,主要面临的问题有企业主体安全责任意识差、现场安全管理混乱、安全技术管理不到位、作业环境恶劣、瓦斯治理难度大、职工安全培训不到位等。【结论】当前河南省煤矿安全管理形势仍然相对严峻,希望通过本研究进一步提高河南省煤炭能源安全水平,确保能源的稳定供应,促进河南省的经济和社会发展。

基于网络化协同的煤炭企业巷长制安全管理体系研究

为解决煤炭企业传统安全管理中存在的主体责任落实不到位、科室协同性差等问题,寻求煤炭企业安全管理的新模式。首先,将网络化治理及协同治理理论引入煤炭企业,提出建立网络化协同治理理论模型;然后在此基础上构建涵盖"四大机制"的煤炭企业巷长制安全管理体系,并详细阐述了各机制的内容;最后,将该体系运用在三交河煤矿安全生产管理中。该体系具有"三道防线"、"双轴并行"、网络化、协同化、系统化等特征。

基于组合赋权三维云评估技术的深部煤矿顶板事故风险分析

为了更好地对深部煤矿顶板事故展开风险评价,提出了组合赋权三维云评估技术。基于事故统计及事故致因理论,对深部煤矿顶板事故风险指标体系展开研究,采用博弈论对改进层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和熵权法进行博弈分析,以实现风险指标的组合赋权,通过构建三维云模型,对深部煤矿顶板事故危险性进行可视化分析。结果表明:包括行为、技术、设备、环境、管理5大风险因素在内的一级指标并其下20个二级风险指标是深部煤矿顶板事故风险评价指标体系的主体内容,且以环境风险权重最大;由三维云评估技术分析可知,平煤九矿的顶板事故风险级别为Ⅲ级,即修复后可接受,与该矿生产实际情况相符。组合赋权三维云评估技术的提出有助于完善深部煤矿顶板事故风险评价方法,可应用于工程实践。

深部巷道围岩裂隙注浆加固浆液扩散规律研究

目的为了解决深部巷道围岩裂隙注浆加固难题,方法采用现场矿压观测、数值模拟等方法,结果研究得到深部巷道围岩破坏特征:深部巷道呈现“顶、帮、底”全断面大变形现象,围岩破坏深度显著增加;深部巷道围岩由浅至深形成裂隙发育区、裂隙扩展区和原生裂隙区,其中裂隙扩展区裂隙较小,注入难度较大。采用数值模拟方法,分析裂隙特征、注浆压力、浆液水灰比等因素对浆液扩散特征的影响规律,结果表明:裂隙开度对浆液扩散半径影响显著,而裂隙粗糙度的影响较小;对于裂隙开度较大的裂隙发育区,采用常规注浆压力;对于裂隙扩展区,裂隙开度较小(小于0.10 mm),应采用高于10 MPa的注浆压力;浆液扩散半径与注浆压力、水灰比呈正比,但对于深部微围岩裂隙而言,注浆压力存在临界点,不应盲目增大注浆压力,选取水灰比时,应综合考虑浆液扩散半径和浆液析水效应。结论对于注浆工程而言,选取浆液配比及注浆压力时,应考虑巷道开挖后围岩裂隙开度的发育状态。

酸化对高阶煤不同层理方向增透效果影响研究

为了研究酸化对寺河矿高阶煤垂直、平行两个层理方向的增透效果,开展了多组分酸煤粉和煤柱溶蚀试验,优选出了合适的酸液体系,分析了两个层理方向煤柱不同酸化时长下的溶蚀效果,并进行了两个层理方向煤柱的煤岩三轴吸附-解吸-渗流试验和低场核磁共振试验,对比了酸化前后的渗透率、孔隙度、孔径分布变化。结果表明:(1)寺河矿酸化选用质量分数2%HCl+2%CH3COOH+5%HF的酸液配比溶蚀效果最优;(2)酸化使垂直层理方向煤柱的孔隙率增幅更大,而平行层理方向煤柱达到最大增幅用时更短;(3)酸化后两个层理方向煤柱的渗透率、孔隙度均提升,垂直层理方向煤柱孔隙度增幅更大,渗透率增幅则小于平行层理方向煤柱,且二者的渗透率增幅都在滑脱效应拐点处最小;(4)酸化使两个层理方向煤柱的瓦斯吸附孔占比下降,其中平行层理方向煤柱降比更大,且酸化前后中大孔占比也都更高;确定了寺河矿酸化后以煤样平行层理方向作为钻孔瓦斯抽采方向能更好地提高瓦斯抽采率。

长壁工作面采动覆岩层理开裂机理及侧向裂隙发育规律

长壁开采煤层覆岩下沉变形过程中,岩层内部形成弯曲应力,并可能沿抗拉和抗剪强度较小的层理开裂形成侧向导水通道。针对相邻采空区积水侧向渗漏引起的工作面突水问题,研究了长壁开采覆岩层理开裂机理,分析了侧向裂隙发育规律。首先基于Winkler弹性地基梁理论建立采动覆岩弯曲下沉挠度方程,考虑煤柱和采空区上覆岩层不同支承压力与破坏程度确定对应的上覆载荷和地基系数,给出各层位岩层的下沉、转角、弯矩和剪力曲线计算公式。在此基础上,将采动覆岩层理裂隙分为张拉离层裂隙和剪切错动裂隙,并根据岩层非同步弯曲下沉特征与组合梁理论计算岩层内部弯曲应力分布情况,提出了张拉离层裂隙和剪切错动裂隙发育判断依据,给出了覆岩任意层理面上侧向裂隙发育位置、长度和隙宽等参数的计算方法。最后以凌志达煤矿15102工作面工程地质条件为依据,计算了上覆各岩层的挠度曲线和弯曲应力分布,分析了采动覆岩层理裂隙发育规律。结果表明,15102工作面在区段煤柱上方发育有超过50 m的剪切错动裂隙,超过了15101和15102工作面之间区段煤柱最大宽度;采空区边界上覆岩层中剪切错动裂隙和张拉离层裂隙共同发育;采空区中部上覆岩层中主要为张拉离层裂隙。采用钻孔窥视法探测了15101工作面采动侧向裂隙发育情况,对比验证了理论计算结果。根据研究结果确定沿层理发育的侧向裂隙是15101采空区积水侧向渗漏的主要导水通道。据此针对15102回采巷道制定超前钻孔注浆和滞后钻孔注浆措施,以及15101采空区积水疏排措施,从而有效减少了15102工作面回采巷道顶板淋水量,保证了巷道正常掘进和工作面安全开采。

矿业类“专业导论”课程内容与教学模式创新实践

矿业类专业早期的艰苦、危险形象深入人心,导致矿业类学生的学习积极性不高,转专业率、转行率较高,而实际上新世纪以来,我国煤矿矿井面貌、工作环境、职业福利待遇有了极大改善。在详细分析我国煤炭行业发展现状及智能化建设成就的基础上,借助智能矿山模型、VR虚拟矿山、视频连线生产现场、毕业校友回校报告等方式改革教学模式,让采矿专业学生客观、详细地了解采矿专业的重要性及行业现状,有效提高了学生的学习效率,激发了学生的学习兴趣,使采矿专业学生转专业率、转行率明显下降。

废塑料催化热解制备碳纳米管及其生长机理

塑料因优异的易塑性、持久性、耐腐蚀等被广泛应用于生活中的各个角落。然而塑料在使用过程由于难降解、回收利用率低等缺点对环境造成严重污染。本文以低密度聚乙烯(LDPE)为原料,以硝酸镍为催化剂前体,通过一步热解法将聚乙烯塑料制备成具有高价值的碳纳米管(CNTs),通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜及气相色谱-质谱等技术对其结构和生长机制进行表征与分析。研究热解温度(600~900℃)和硝酸镍加入量(0.5%~2.0%)对CNTs结构形貌的影响。结果表明,在温度为800℃、硝酸镍质量分数1.0%的条件下制备得到形貌结构较好的CNTs。该条件下CNTs为多壁碳纳米管,石墨化度较高,长度为5~15μm,管平均外径为(28.43±0.56)nm,平均内径为(11.03±0.61)nm,层间距为0.340nm,接近碳纳米管的最理想的石墨层间距(d=0.3354nm)。结合气相色谱-质谱技术研究了CNTs的生长机理与模型,剖析出CNTs为顶端生长模型。将制备的CNTs用于去除废水中的微塑料并表现出了较好的去除性能,实现了“以废治废”。本研究以LDPE为原料采用一步热解法得到形貌结构优异的CNTs,实现了塑料的高质化利用,并为其他相似废弃物的利用提供了借鉴。

基于差分进化算法的旧采空区水分质利用优化配置

大部分矿井水污染程度低,稍加处理即可供饮用、工业、农业、生态等使用。焦作煤田吴村矿旧采空区水可供水量为718 m^(3)/h,矿区周围饮用、电厂、灌溉、养殖、生态等用户需水量为1073.74 m^(3)/h,旧采空区水仅能满足66.87%的用水需求;旧采空区水需处理达标后才能供给用户,不同用户的水处理工艺和费用差异较大,依据水质优化配置旧采空区水量具有重要意义。目的为了实现矿井排水综合利用效益最大化,方法以焦作煤田吴村矿旧采空区水为研究对象,在计算其供水量和分析水质基础上,结合矿区周围饮用、电厂、灌溉、养殖、生态需水量及水质要求,构建718 m^(3)/h旧采空区水分质利用优化配置数学模型,并利用差分进化算法求解。结果结果表明:灌溉期分配饮用水6.00 m^(3)/h、电厂用水334.95 m^(3)/h、灌溉用水353.89 m^(3)/h、养殖用水19.76 m^(3)/h、生态用水3.40 m^(3)/h;非灌溉期分配饮用水6.00 m^(3)/h、电厂用水688.84 m^(3)/h、灌溉用水0 m^(3)/h、养殖用水19.76 m^(3)/h、生态用水3.40 m^(3)/h时,旧采空区水分质利用年收益最大。结论研究结果可为类似矿井旧采空区水和矿井排水资源化利用提供借鉴。

全氟己酮与惰性气体对甲烷爆炸的协同阻爆作用

为探究全氟己酮及其与CO_(2)、N_(2)协同下的抑爆能力,通过改变全氟己酮用量和CO_(2)、N_(2)的压力来观测其对甲烷爆炸传播特性的影响。结果表明:在试验条件下,单喷CO_(2)和N_(2)不能实现对甲烷的完全抑爆;而单喷全氟己酮能实现对甲烷的完全抑爆;全氟己酮与CO_(2)或N2混合喷出有利于全氟己酮完全汽化、提升其抑爆能力;与N_(2)混合,抑爆所需的全氟己酮最小量由23 mL下降到17 mL,与CO_(2)混合,阻爆所需全氟己酮最小量从23 mL下降到5 mL,全氟己酮与CO_(2)混合使用的抑爆能力强于全氟己酮与N2混合使用的抑爆能力。全氟己酮/CO_(2)的协同抑制机理在于全氟己酮产生的自由基F会优先替代氧气产生的O参与基元反应,CO_(2)作为第3体参与反应会优先阻断OH的放热反应,二者具有良好的协同互补关系,从而更好地抑制和阻断甲烷/空气链式反应。

组合多孔介质与氮气幕协同抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究组合多孔介质与氮气幕抑制瓦斯爆炸的协同作用,在自主设计的爆炸管道内开展了爆炸实验。氮气幕距离点火位置0.9 m。实验选择的组合多孔介质是由孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与20、30、40 ppi的泡沫铁镍形成的组合体,以及10 ppi的泡沫铁镍与20、40 ppi的泡沫铜组成的组合体。研究表明:合理改变多孔介质的组合能提升与氮气幕共同抑制瓦斯爆炸的效果;第一层使用泡沫铁镍和第二层使用泡沫铜的组合显著削减火焰到达多孔介质时的强度,降低超压峰值,同时能够防止刚度低的泡沫铜形变而造成淬熄失败;抑爆效果最佳的组合为孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与40 ppi的泡沫铜形成的组合多孔介质。

基于层理和煤阶影响的煤体固有频率特征研究

为探明振动波激励煤体共振增渗技术的优势频率,采用自主搭建的煤体固有频率测试试验系统,依据敲击法测试原理对高、中、低3种不同煤阶的正方体干燥煤样进行三维面固有频率测试和分析。结果表明:汉宁窗较适合煤体振动信号FFT分析,可以准确识别频谱峰值所对应的频率,从而直接得出煤体的固有频率;力锤敲击力度只影响振动信号加速度幅值大小,对煤体固有频率变化无影响;同一煤样平行于层理面的固有频率大于垂直于层理面的,且垂直于层理两个面的固有频率略有差异;受煤基质、矿物质含量等因素影响,高、中、低3种不同煤阶煤样的力学性质不同,这是造成不同煤阶煤体固有频率差异性的主要原因。研究结果可为振动波激励煤体共振增渗技术应用提供理论依据。

CO_(2)在{[Bmim][BF_(4)]+碱金属盐}金属络合离子液体中的溶解度及溶解机理研究

为更加经济有效地捕获CO_(2),减少环境污染,加强资源合理利用,制备不同浓度的[Bmim][BF_(4)]+MBF_(4)(M=Li^(+),Na^(+)和K^(+))金属络合离子液体,在压力100~4 000 k Pa,温度30,40,50℃条件下,使用反应釜进行气体吸收试验,测定CO_(2)在金属络合离子液体(metal complex ionic liquids,MILs)中的溶解度,并采用密度泛函模拟计算MILs与CO_(2)混合体系的稳定构型的电荷分布、Fukui指数和结合能参数,从微观角度分析MILs吸收CO_(2)机理。结果表明:CO_(2)在MILs中的溶解度随温度升高和压力降低而降低;添加碱金属盐可促进离子液体(ionic liquids,ILs)对CO_(2)的吸收,但当ILs中碱金属盐浓度≥1 mol/L时会抑制CO_(2)吸收;0.010 mol/L的[Bmim][BF_(4)]+KBF_(4)吸收CO_(2)量最高;密度泛函计算结果显示[Bmim][BF_(4)]+KBF_(4)体系的K^(+)体积大,氢键作用力强,且K+在ILs中溶解度小,造成的空间位阻较小,因而拥有更多的自由体积容纳CO_(2)。与纯ILs相比,MILs具有更高的CO_(2)吸收量,在温室气体治理中具有较好的应用前景。

Y型通风采煤工作面瓦斯爆炸传播规律模拟研究

针对Y型通风采煤工作面的瓦斯爆炸传播规律,利用Fluent模拟软件,结合余吾煤矿N2105工作面实际情况开展了数值模拟研究。结果表明:模拟结果与前人的实验结果之间的最大相对误差为11.3%,最小相对误差仅为1.7%,验证了数学模型的可靠性;确定了瓦斯爆炸数值模拟最合理的关键参数网格尺寸、迭代步长和点火温度分别为0.4 m、0.10 ms和1800 K;进风顺槽、胶带顺槽、回风巷道和工作面的瓦斯爆炸超压峰值与爆源之间的距离符合指数函数关系,到达超压峰值所需时间与爆源之间的距离符合线性函数关系;距巷道分叉口7.5 m处,工作面超压衰减率为41.03%,胶带顺槽超压衰减率为25.99%,发生爆炸时胶带顺槽内更危险;工作面分叉处湍流区由右侧逐渐向左侧移动,且巷道分叉处超压峰值会增大;回风巷道火焰消散时间最短,胶带顺槽火焰消散时间次之,工作面火焰消散时间最长;胶带顺槽和回风巷道火焰消散方向与瓦斯爆炸初期火焰传播方向相反,工作面火焰消散方向与瓦斯爆炸初期火焰传播方向一致。

低透煤层瓦斯超前排放钻孔布置方式优化研究

目的为有效解决低透气性煤层瓦斯突出问题,有效消除阵列布孔方式带来的瓦斯排放盲区以及对角圆相切布孔方式造成的钻孔数量增加、重复排放等问题。方法通过理论分析,在超前排放钻孔有效排放半径一定的情况下提出阵列菱形法优化超前排放孔的布置方式(R为有效排放半径,煤层走向排放孔的间距为√3R),其钻孔数量约为对角圆相切法的3/4,重复排放面积减少至11%,减少了对角圆相切布孔方式的重复排放面积,减少了钻孔的数量。结果运用COMSOL Multiphysics对阵列菱形法布孔方式进行数值模拟运算,结果表明,阵列菱形法布孔方式排放20 d后,钻孔有效排放半径内整体瓦斯压力低于0.5 MPa,排放100 d后瓦斯压力低于0.30 MPa,卸压效果优于对角圆相切布孔方式的。将阵列法和对角圆相切法两种布孔方式排放100 d时钻孔周围的瓦斯压力分布情况与阵列菱形法布孔方式排放20 d时的分布情况交叉对比,发现阵列菱形法布孔方式卸压速率更快,卸压范围更广。结论提出阵列菱形法设计钻孔布孔方式,并运用COMSOL Multiphysics对3种钻孔布孔方式的卸压情况进行数值模拟运算,对比发现,阵列菱形法钻孔布孔方式比阵列法和对角圆相切法布孔方式更具优势,且在相同时间内卸压速率更快、卸压范围更广,对低透煤层预防瓦斯突出具有重要的意义。

自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段,为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果,本文基于射流反冲理论,分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系,构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程,分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律,并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法,设计了自驱修孔钻头,并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明:(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数,通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下,钻齿结构对破煤体积影响较大,阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120N、扭矩0.6N·m时,阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为:钻头外径28 mm;后置喷嘴张角20°,偏心角90°;前置喷嘴张角90°,偏心角0°。(4)工程应用结果表明:瓦斯抽采纯量提高了1.96倍,瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍,修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构,设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

加卸载花岗岩强度与岩爆倾向性试验研究

为了进一步提高硬性花岗岩岩爆倾向性预测水平,系统开展了花岗岩巴西劈裂、单/三轴和不同卸围压速率应力路径下的岩石力学试验,详细分析了花岗岩强度和岩爆倾向性特征。研究结果表明:花岗岩在主应力σ_(3)–σ_(1)平面内,不同应力路径下的强度受围压和卸围压速率影响显著,呈带状分布;在τ_(oct)–(σ_(1)+σ_(3))/2平面内,不同加卸载应力路径下的强度都呈良好的线性特征。据此建立了花岗岩八面体强度计算通式,可统一表达不同加卸载应力路径;针对花岗岩硬岩的压密和屈服特性不明显,弹性特性显著的特征,提出了简化剩余弹性能指数岩爆分级法;并依据花岗岩试验岩样破坏形态和破坏声学特征,对已有花岗岩岩爆等级进行了细分。揭示了在相同初始围压下,卸围压速率越大,简化剩余弹性能指数越大,岩爆倾向性越强;相同卸围压速率下,初始围压越大,简化剩余弹性能指数也越大,岩爆倾向性也越强。研究成果可为更科学合理的评估花岗岩岩爆倾向性提供理论参考。

超临界CO_(2)作用下高阶煤微观结构及力学特性-声发射特征研究

超临界CO_(2)压裂技术作为极具发展潜力的压裂煤体增透瓦斯技术,明晰其对煤体的影响机制,有助于推动该技术的机理研究和实践工程应用。为准确表征超临界CO_(2)作用下高阶煤的孔裂隙结构及力学特性变化,以焦煤集团中马村矿的高阶煤为试验对象,通过自主搭建的超临界CO_(2)浸泡试验系统,结合全自动物理吸附仪(BET)以及全自动压汞仪(MIP),对超临界CO_(2)处理前后高阶煤的孔裂隙结构变化进行分析,并利用单轴压缩和声发射试验系统对超临界CO_(2)处理前后高阶煤的单轴压缩力学特性和声发射特征进行测定。结果表明:超临界CO_(2)对高阶煤具有良好的扩孔增渗作用。超临界CO_(2)处理后高阶煤的微小孔孔容占比降低,中大孔孔容占比增大,且高阶煤的总孔容增大;超临界CO_(2)对高阶煤的力学特性具有明显的劣化作用。超临界CO_(2)处理后高阶煤单轴抗压强度和弹性模量均显著下降,降幅分别为70.06%和55.56%,且超临界CO_(2)处理后高阶煤的内部声发射信号活跃度明显下降,高阶煤单轴抗压时间、累计振铃计数以及累计能量分别降低了98.68 s、95.14×10^(3)个、200.30 V·ms,降幅分别为46.65%、37.65%、50.03%,高阶煤累计振铃计数以及累计能量平静期占比均显著增加,缓增期占比均降低,激增期前者占比降低,后者占比小幅度增加。研究成果将有助于推动超临界CO_(2)压裂技术的机理研究,对深部高阶煤的煤层气开采和CO_(2)地下封存具有一定指导意义。

超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合试验系统研制与应用

【目的】为了有效强化煤层气抽采效果,将脉动压裂与超临界CO_(2)压裂相结合,提出了利用超临界CO_(2)脉动压裂煤(岩)的新思路。【方法】自主研发了超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统,介绍了该试验系统的主要结构、特点和功能,然后开展了室内真三轴条件下超临界CO_(2)脉动压裂-渗流试验及超临界CO_(2)脉动压裂-声发射监测试验。该系统结合独立伺服系统与中央数字系统控制三向应力,采用双泵型恒速恒压泵脉动给压,具有高精度、全过程、真三轴、承载高温、高压及高应力的特点。【结果和结论】试验结果表明:超临界CO_(2)脉动压裂-渗流耦合真三轴试验系统可以实现良好的脉动压裂功能。超临界CO_(2)脉动压裂后,煤体渗透率较压裂前呈增大趋势,增大了2~9倍,且煤体渗透率皆呈现良好的指数变化规律。在声发射-超临界CO_(2)脉动压裂时期,煤体产生了新的裂隙通道,该通道由压裂孔中心直接贯穿至煤样表面,且可观测到超临界CO_(2)流体直接从煤中喷出,故超临界CO_(2)脉动压裂具有一定的扩展和连通裂隙的作用,能够有效提高煤层气的抽采效果。研究成果为强化深部低渗煤层增透技术提供了一定的试验支撑。

非对称泄爆条件下甲烷爆炸双向传播特性的研究

为探究非对称泄爆条件下甲烷爆炸双向传播特性,利用自主搭建的小型爆炸试验系统,对不同点火位置和左端泄爆口面积下甲烷爆炸双侧火焰传播速度和爆炸超压进行了试验研究。结果表明:非对称传播情况下,距离泄爆口较近的右侧火焰的传播速度更快;左端泄爆口面积的减小会进一步促进右侧火焰传播,同时抑制左侧火焰传播,当泄爆口面积小于或等于90mm×90mm时,左侧火焰出现逆流现象;随着左端泄爆口面积的减小,点火源两侧压力、压力差和最大压力上升速率均增大,从而导致爆炸指数增大,提高了爆炸危险性。