不规则工作面分单元抽采达标评价技术研究

瓦斯抽采是治理煤矿瓦斯的根本措施。为了消除煤层的突出危险,除了要实施瓦斯治理工程进行超前瓦斯治理外,对瓦斯抽采的过程管理工作同等重要。瓦斯治理工程、瓦斯抽采时间、瓦斯抽采效果指标及通风风量是否满足生产需要等因素,均是工作面安全生产的重要保障。为保证不规则工作面抽采达标评价的规范实施,大水头煤矿以东104综放工作面为研究对象,在实施分单元评价的基础上,对钻孔控制范围、布孔均匀度、预抽时间等参数进行了评价,对预抽后各单元的效果评价指标进行了实测。研究结果表明,在严格执行国家相关标准的基础上,工作面能够实现抽采达标。同时,针对工作面瓦斯赋存不均问题,提出了工作面实施抽采达标的具体执行流程,以期为类似矿井提供指导。

矿井智能通风联动调控理论与供需匹配实验研究

鉴于矿井通风系统动态匹配自动化调节的现场需求,分析了风量供需匹配原理与联动调控方法,建立了多元特征融合的主通风机调频、关联分支调阻及联合调节的数学模型.提出了通风网络分支供需匹配调控模型和稳定性判定方法,基于有毒有害气体涌出(排放)预测的需风模型,开发了矿井通风供需偏离的智能化应急调控软件.实现了通风供需失衡选择变频调节时,自动计算通风机最佳工作频率;选择关联分支风阻调节时,运用元胞自动机模型计算出最佳调节巷道,并通过风网反演计算模型获取调节风阻值;当单一调节方式失效时,生成风机变频与分支调阻联合调控方案;通过风网超前模拟分析实现风量供需匹配的可靠调节.运用典型矿井通风系统建立了风网分支需风量自动化调节实验模型,以现场有毒有害气体超限统计规律为分支需风量调控导向模型开展调风稀释实验,结果表明:三种调节方式下分支风量严格按照调控理论模型变化,调风过程中CO_(2)浓度变化延时明显,风机变频调节的风网波动较小,分支风阻调节对局部风网影响大,联合调节风网波动性大.实验验证了矿井通风供需匹配智能化调控系统的实用性和可行性,为矿井通风联动调控提供理论和应用指导.

我国煤矿气体检测技术研究进展

煤矿井下环境气体组分复杂且具有必需性、致灾性、预警性的特点,煤矿气体的定量检测对于矿井灾害危险性早期辨识、继发性次生灾害准确预警、应急救援科学决策具有重要意义。首先,分析了常用的催化燃烧式、热导式、光干涉式和电化学式等气体传感器技术,色谱分析技术,傅里叶变换红外光谱、非分散红外光谱和可调谐半导体激光吸收光谱等光谱分析技术的方法原理和研究进展,总结了各类气体检测技术的应用效果;其次,指出煤矿井下存在大气压力及温度变化范围大、相对湿度和粉尘质量浓度高、电磁干扰强的极端工况环境,从适用气体、优缺点、应用领域、代表仪器等方面对比了不同检测技术在煤矿井下的技术适用性;然后,在交叉干扰分析的基础上,针对CH_(4),O_(2),CO,C_(2)H_(4),C_(2)H_(2),H_(2)等单一气体检测、多组分气体在线监测及矿山应急救援期间爆炸环境有毒有害气体原位分析提出了应用建议,以检测精度、量程为首要条件,并应综合考虑性价比、背景气干扰、零点漂移等因素影响;最后,提出煤矿痕量气体低检出限、多组分混合气体交叉干扰、特定波长激光器及高性能检测器成本昂贵等"卡脖子"难题,为实现煤矿气体的原位定量分析和动态监测指明了研究方向。

基于非稳态扩散的复合煤体能量失稳致灾研究

在我国由于地质构造作用的影响,导致煤层中多存在原生结构煤和构造煤分层的现象;而构造煤的存在导致复合煤层突出危险性急剧增加,这严重制约我国煤矿安全生产。根据软硬复合煤体瓦斯的扩散状态,模拟分析了非稳态扩散复合煤体的力学失稳规律;建立了非稳态扩散的吸附瓦斯膨胀能计算模型,探讨了稳态扩散和非稳态扩散对于吸附瓦斯膨胀能的影响,从能量角度分析了吸附瓦斯膨胀能对突出的控制作用,阐释了非稳态扩散复合煤体的突出失稳致灾机制。结果表明:复合煤层中构造煤的存在能够增加其邻近原生结构煤的塑性破坏程度,提高了原生结构煤塑性区内的瓦斯运移速度,进而增加煤与瓦斯突出危险性;非稳态扩散条件下原生结构煤和构造煤的吸附瓦斯膨胀能是稳态扩散条件的0.50~0.57倍和3.36~3.38倍,复合煤层中由于构造煤的存在导致原生结构煤内部裂隙-基质系统间产生巨大的瓦斯浓度差,使得原生结构煤基质内部的吸附瓦斯迅速解吸,增加邻近原生煤中吸附瓦斯膨胀能,进而使得复合煤层的突出危险性显著增加。

瓦斯抽采钻孔全孔段筛管护孔工艺技术研究

为了解决高瓦斯矿井松软煤层中本煤层钻孔易发生塌孔的问题,利用大通孔螺旋钻孔配合可开闭钻头对本煤层钻孔进行全程下筛管护孔工艺研究。采用该技术钻孔后,大幅提升了抽采效果,缩短了抽采达标时间,保障了矿井通风安全。

风险预控管理体系在煤矿安全管理中的重要性探讨

煤矿开采因其特殊的作业环境和开采方式而普遍具有较大的危险性,安全事故也屡见不鲜。煤矿一旦存在安全隐患,一方面威胁着生产人员的生命安全,另一方面也会给企业带来严重的经济损失。因此,加强和落实煤矿的安全管理工作,控制和减少煤矿开采过程中安全事故的发生,对于保障生产人员的生命和企业的财产具有重要价值。为解决现代煤矿安全生产管理中存在的相关问题,本文从风险预控管理体系建设的角度进行研究,提出增强风险预控管理意识、完善风险预控管理制度、培养风险预控管理人才等举措,以期为煤矿安全管理相关研究提供参考。

复杂地质条件下综放开采关键技术体系研究

为研究复杂地质条件下综放开采工作面的安全高效开采,以窑街煤电集团三矿七采区为例,根据5721已开采的六个工作面的开采经验,形成适用与该矿井的复杂地质条件下综放工作面安全开采关键技术体系。通过现场实践并验证,该技术体系的应用实现了工作面安全高效开采,得到了较好的经济效益,对类似条件下工作面安全开采具有重要的指导意义。

煤矿开采通风安全技术探讨

煤矿开采具有一定危险性,存在很多安全隐患,威胁工作人员的人身安全,给煤矿企业带来不必要的经济损失。就煤矿开采流程而言,通风环节发挥着重要作用,可以保证井道中的含氧量,实现安全施工。煤矿开采通风需要运用安全技术,但多数煤矿开采通风工作人员未掌握这一技术,容易引发安全事故。因此,为解决煤矿开采过程中的通风安全性问题,本文以通风安全技术为研究对象,提出完善安全制度、运用变频技术改造通风系统、建立科学监管体系、引入先进设备以及加强人员培训等举措,以期为相关技术人员合理运用通风安全技术提供参考。

含水排土场蠕变特性及长期强度研究

为揭示排土场岩土体蠕变特性及长期强度,采用ZLB-1型三联蠕变直剪蠕变仪,以分级加载形式开展一系列试验,研究不同含水率和固结压力下,岩土体蠕变特性及长期强度变化规律。试验结果表明:15%~39.2%(饱和)含水率范围内,排土场岩土体显示为非线性蠕变,且随着剪应力增加,蠕变曲线分别呈现衰减蠕变、非稳定蠕变及加速蠕变,直至试样发生破坏;施加剪应力瞬间发生较大瞬时应变,并随剪应力增加而变大;长期强度指标与含水率呈现指数递减趋势;对比15%含水率试样,饱和含水率下排土场岩土体长期强度指标中黏聚力降低66%,内摩擦角降低69%,其变化规律满足指数拟合公式。研究成果可为同类型含水排土场稳定性计算提供基础数据。

井下水泵房无人值守监控系统的应用研究

针对井下水泵房自动化程度低,人力、能源浪费严重的问题,设计一种水泵房无人值守监控系统。根据现场需要进行硬、软件选型、设计,综合水泵运行时间、水仓水位、水位变化率、用电时间段等工况参数控制水泵启停。现场应用证明,该系统运行稳定可靠,实现了水泵房无人值守的目的。

甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用

瓦斯灾害是制约煤矿安全生产的主要灾害之一,而甲烷是瓦斯的主要成分,因此对甲烷浓度的准确检测对有效预防预警瓦斯灾害意义重大。基于甲烷物理化学性质的差异性特征概述了催化燃烧法、热导法、光干涉法、非分散红外光谱法和可调谐半导体激光光谱法的甲烷检测原理,探讨了不同原理的甲烷检测技术发展现状。在煤矿环境对甲烷检测技术的影响分析基础上,通过煤矿井下技术应用对比研究得出:催化燃烧法利用甲烷可燃性特征,适用于检测体积分数4%以下的甲烷,不适用于氧气浓度过低、甲烷浓度过高或存在含硫气体的井下环境;热导法利用含不同浓度甲烷的空气热导率的不同特征,适用于检测体积分数4%以上的甲烷,不适用于甲烷浓度低、二氧化碳浓度过高等井下环境;光干涉法利用含不同浓度甲烷的空气折射率的不同特征,适用于井下绝大部分环境,但不适用于二氧化碳浓度过高的井下环境;红外光谱法利用甲烷的气体选择性吸收的特征,适用于绝大部分井下环境,其中非分散红外光谱法受水蒸气、烷烃气体干扰,需进行算法优化以减小误差,而可调谐半导体激光光谱受其他气体干扰影响较小,但两者皆需采用补偿算法来减少受温湿度影响引起的误差。最后,对不同原理的甲烷检测方法进行了技术适用性综合对比分析,以期对煤矿甲烷检测技术的应用提供借鉴指导意义。

液态CO_(2)相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO_(2)相变爆破钻孔布置参数,研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响,基于LS DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征,并在山西某矿15号煤层进行液态CO_(2)相变致裂现场试验。结果表明:液态CO_(2)单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大,两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通,当孔间距为5 m时,致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成,裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO_(2)相变致裂后,平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍,平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。

一种轮腿复合型机器人的步态研究与越障性能分析

为实现地面移动机器人在复杂地形下的环境探索需求,结合轮式机器人的高速特性和足式机器人对地形适应性强的特征,提出一种轮幅型轮腿复合型机器人,并针对其在移动过程中的振动问题以及爬梯过程中的越障问题,对机器人进行步态研究及性能分析。从静力学分析中得出机器人轮腿结构以不同姿态着地时的受力情况,结合实际情况中机器人运动约束对机器人在前进、转向和越障等任务中的步态进行分析,并基于动力学仿真ADAMS软件建立动力学模型来模拟机器人不同步态下的振动情况以及越障性能。研究结果表明,结合本文提出的步态控制方法,该轮腿复合型机器人在复杂地形环境中具有较好的行进效率和越障能力。

基于IMU的煤矿机器人定位算法研究

为解决在煤矿井下半结构化环境里机器人自主定位难以满足任务需求的问题,给出了一种基于IMU的煤矿机器人定位算法。首先采用安装于车轮上的光电编码器实时获取机器人的当前位姿信息,并进行测量值更新;接着将IMU获得的相对角度来替代编码器计算得到的数据,完成姿态更新;随后利用EKF滤波方法进行数据融合后对机器人的速度和位置更新,最终实现机器人的精准定位。仿真分析和实验结果表明:该算法噪声处理能力强,滤波效果平稳,具有较好的鲁棒性,定位精度良好,能够满足煤矿机器人的自主运行性能指标,可为其他机器人的定位算法提供可靠的技术参考。

煤矿火区发展蔓延尺度上联方法研究:从单煤颗粒尺度到采空区尺度

煤矿高温火区发展蔓延过程具有明显的介尺度特性。基于第一性原理,讨论煤矿高温火区发展过程中,介尺度对微观传热机理与宏观能量迁移现象的关联作用,有助于推动煤自燃及热动力灾害领域的深入研究。首先,采用离散元方法(DEM)模拟煤颗粒下落、堆积及压实过程,建立数字堆积结构;基于单煤颗粒尺度与采空区尺度之间的介尺度Ⅱ,建立煤颗粒堆积体内流动及换热过程的计算模型,经过实验验证该模型温度场预测平均误差小于1.77%,具有较高精度。其次,以所建立的颗粒堆积结构及相关数值计算为基础,发展了适用于煤矿隐蔽火源发展蔓延规律研究的有效导热系数尺度上联方法。此方法以温度场数值计算结果为基础,以最小二乘优化算法为核心,有效导热系数计算结果可以准确预测真实温度分布,有效地实现了单煤颗粒尺度到采空区尺度的信息传递。再次,计算了有效导热系数在颗粒雷诺数(Re_(p))介于3~6000区间内的变化规律,结果表明有效导热系数在该范围内与Re_(p)成线性关系。最后,提出了采空区内有效导热系数尺度上联经验公式。在其适用范围内(3<Re_(p)<6000),该公式平均误差为7.17%;针对采空区内实际情况(Re_(p)<200),该公式平均误差为4.50%。

褐煤中CH_(4)/O_(2)/N_(2)气体竞争吸附特性的分子模拟研究

为探究温度与摩尔比对煤中CH_(4)/O_(2)/N_(2)气体竞争吸附的影响规律,采用巨正则蒙特卡罗法(GCMC)和分子模拟方法,研究云南小龙潭褐煤在不同温度(303.15~383.15 K)和压力0~480 kPa条件下CH_(4)/O_(2)和N_(2)/O_(2)二元混合气体竞争吸附特性。结果表明:①在试验温度和压力范围内,温度升高均会抑制煤对CH_(4)、O_(2)、N_(2)三种气体的吸附,且煤对三种气体的吸附能力为CH_(4)>O_(2)>N_(2)。②煤对CH4/O2吸附选择性系数与气体摩尔比基本无关,而随着温度的升高呈现减小趋势;对N_(2)/O_(2)的吸附选择性与温度和摩尔比的关系均不显著。③随着吸附量的增加,二元混合气体中任一组分的等量吸附热均呈线性增大;CH_(4)/O_(2)和N_(2)/O_(2)在同等吸附量条件下,摩尔比越大吸附热越低,但当CH4吸附量低于0.029 mmol/g时,CH_(4)气体的等量吸附热与摩尔比的关系不大。研究结果为揭示CH_(4)与空气竞争吸附行为对煤低温氧化的影响机理奠定了基础。

采空区多场耦合模拟以孔代巷瓦斯抽采技术研究及试验

现阶段对以孔代巷瓦斯抽采技术的研究致力于最佳上隅角瓦斯治理效果方面,缺少该技术在瓦斯与煤自燃多场耦合条件下的致灾特性分析。因此,建立基于腾晖矿2-105工作面以孔代巷瓦斯抽采的热-流-化多场耦合数学模型,应用Fluent软件模拟钻孔深入采空区不同位置时的多场耦合情况;通过工程技术手段现场实测上隅角瓦斯浓度、采空区氧气浓度和温度;将模拟与实测结果对比分析,结果表明:钻孔深入采空区15~35 m为最佳抽采区间,布孔间距为20 m;最佳抽采区间内钻孔深入采空区35 m时为最易致灾时间点,进风侧112~168 m为高致灾风险区,以上研究结果能对该技术条件下的上隅角瓦斯与煤自燃的协同治理和预防起到指导作用。

矿井复杂风网火灾风烟流应急调控技术及应用

针对复杂通风网络井巷火灾预防和应急救援较困难现状,分析了风流场、温度场、烟流浓度场的风流扰动、热量传递、烟流扩散等规律。根据不同火源位置的烟流演化规律,提出一种能够同时满足排烟风量和采场风量需求的火灾风烟流应急联动调控方案。以鄂尔多斯转龙湾煤矿为应用案例,建立了转龙湾煤矿火灾烟流应急联动调控系统。为分析其控风排烟效果,结合实际的井巷和通风参数,基于Ventsim软件构建了其复杂通风网络三维可视化模型。运用VentFire模块对其不同火源位置火灾场景的风烟流蔓延效果进行模拟。分析了采取应急调控方案前后的排烟效果和风量分配情况。结果表明:当不同位置发生火灾时,及时启动应急排烟方案,在满足排烟风量的基础上其他各关键地点的风量仍能保证正常通风时的90%以上,能够满足转龙湾煤矿灾变期间的控灾、救灾需求。

青岗坪煤矿自然发火标志气体来源研究

为优化顶板含油煤层自然发火预测预报标志气体指标体系,采用现场取样和实验室检测方法研究了青岗坪煤矿采空区内气体的来源,确定了煤层原生气体和含油顶板气体的具体成分。研究结果表明:青岗坪煤矿42016工作面采空区内CO来源于采空区遗煤的低温氧化,煤层原生气体与油气成分中都含有C_(2)H_(6),但都不含有C_(2)H_(4)、C 2H 2,烯烷比(C_(2)H_(4)/C_(2)H_(6))与链烷比(C 3H 8/C_(2)H_(6))均不适合作为判断青岗坪煤矿自然发火进程的指标。

六轮摇臂移动机器人结构设计与越障动力学研究

为提高移动机器人在复杂地形环境中的越障性能,提出一种被动式越障的六轮摇臂移动机器人。针对爬台阶问题对机器人的越障性能进行研究,从几何条件分析得到机器人不发生底盘托底现象时结构参数与越障高度之间的关系,并分析机器人的关键越障过程,建立了前轮、中轮、后轮的越障动力学模型,根据动力学模型分析机器人速度、加速度、附着系数以及重心位置等因素对轮毂电机输出转矩的影响。基于样机实验与ADAMS仿真软件验证了机器人的通过能力,并得到了机器人轮毂电机的输出转矩曲线,指导电机选型。研究结果表明,针对爬台阶问题,该机器人具有良好的通过能力,为提高机器人在复杂地形中的越障性能提供了设计参考。