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煤炭行业青年科学家论坛（2021年）

来源：煤炭科学技术

专题来源于《煤炭科学技术》2021年第2期。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 144个
关键词; 166位
专家; 30篇
论文; 15530IP
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煤矿井下CO来源辨识与浓度超限原因研究———以内蒙古串草圪旦煤矿为例

作者(Author)：周效志, 桑树勋, 谷德忠, 于海秋, 张泽文

摘要：为准确辨识井下CO来源，查明CO异常涌出与浓度超限原因，更好指导煤矿安全生产工作。以内蒙古串草圪旦煤矿为研究实例，统计了该矿井下6103、6104和6106工作面1 059个气样组分测试数据，分析了采煤工作面、密闭采空区CO浓度变化特征，确定了井下CO主、次要来源，探讨了地质因素、工程因素对CO浓度超限的影响。研究结果表明：所有统计气样中，CO与O2浓度具有较好的负相关性，CO浓度超限主要在工作面上隅角、支架、密闭采空区等通风条件较差的位置；CO主要来源于煤炭开采氧化自燃，局部存在煤天然氧化次生CO；开采煤层埋藏浅、小型逆断层发育及煤变质程度低是CO浓度超限的地质原因；工作面长度过大，通风方式不合理是CO浓度超限的工程原因；地质与工程因素共同作用下，煤炭开采氧化自燃CO与天然次生CO叠加涌出，导致在风流速度低的位置CO积聚而引起井下CO浓度超限。

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煤炭科学技术

2021年第02期

685

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惰性气体对KHCO3冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响研究

作者(Author)：王燕, 林森, 李忠, 李璐, 温小萍, 纪文涛

摘要：主动式喷粉抑爆装置是煤矿甲烷爆炸的防控装备之一，该装置装填的超细粉体抑爆剂可在甲烷爆炸初期主动喷洒，使其中超细粉体颗粒形成冷气溶胶，减少后续甲烷爆炸危害。为进一步提升主动式喷粉抑爆装置的抑爆性能，探究冷气溶胶抑爆剂的抑爆规律，使用5 L爆炸管道系统，测试了N2和CO2两种惰性气体对KHCO3冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响。试验结果表明：N2、CO2显著强化了KHCO3冷气溶胶对9.5%甲烷/空气预混气的抑制性能，相比于空气驱动的KHCO3冷气溶胶，气体介质中含有惰性气体的KHCO3冷气溶胶使甲烷爆炸最大压力下降更为显著，到达峰值压力时间也更长；CO2对KHCO3冷气溶胶抑爆性能的增效作用强于N2。其中，体积分数0.03 g/L 的KHCO3冷气溶胶仅使甲烷最大爆炸压力降低60.4%，而在气体介质内充入15%～20%的N2或5%～10%的CO2时，同浓度KHCO3冷气溶胶可以完全抑制甲烷爆炸，继续增加惰性气体的体积分数可以进一步减少KHCO3冷气溶胶用量，从而降低主动式喷粉抑爆装置的成本。试验考察了在不同浓度KHCO3冷气溶胶与不同体积分数N2、CO2作用下的甲烷爆炸情况，得到了KHCO3冷气溶胶与惰性气体的最佳抑爆用量配比，能够为基于KHCO3冷气溶胶的主动式喷粉抑爆装置的设计提供理论依据及技术参数。此外，讨论了含惰性气体的KHCO3冷气溶胶系统的甲烷抑爆机理，并分析了惰性气体的增效原因。

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煤炭科学技术

2021年第02期

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三维可视化技术在智慧矿山领域的研究进展

作者(Author)：李梅, 姜展, 姜龙飞, 孙振明

摘要：三维可视化系统是智慧矿山建设的空间信息基础支撑平台（4DGIS）的有机组成部分。首先介绍了三维可视化发展历程；其次，结合当前三维可视化技术发展趋势，从三维数据获取与建模、三维软硬件技术、三维专业应用3个层次开展全方位的技术归纳与总结。重点阐述了透明工作面勘探技术及三维建模方法，介绍了三维巷道数据获取的激光LiDAR、全景图像和全景视频、立体视觉和深度相机等新技术，以及WebGL、云渲染等前沿网络可视化开发技术，探讨了虚拟现实、增强现实硬件技术进展。在应用方面，剖析了三维可视化系统在矿山领域应用的难点问题，指出一个通用的三维可视化或者三维地理信息系统是远远不够的，三维可视化系统应该从可视化展示局限性，逐渐深入到透明化勘探、智能化采矿设计、智慧通风、安全生产综合管理、工业智能管控、地表环境监测、灾害事故反演、虚拟仿真培训等领域形成各具特色的专题应用。此外，还介绍了最新的CityGML、Geo3DML、三维瓦片等国际三维数据标准。

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煤炭科学技术

2021年第02期

460

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难采煤岩的高效破碎方法研究

作者(Author)：张强, 王聪, 田莹

摘要：针对我国难采煤岩比例日渐上升，传统煤岩开采方法效率低下的问题，开展了难采煤岩的高效破碎方法综述研究。首先按照工作原理分类，将现有的煤岩高效破碎技术分为纯射流破煤岩、射流辅助机械破煤岩、冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩、激光破煤岩、钻孔胀裂剂破煤岩，阐述了各煤岩破碎技术的工作原理，并初步总结了各技术的优势。其次综述了各煤岩破碎方法的研究现状，对当前国内研究基础进行了概括，并根据现有研究分析了各技术的局限性，通过建立的局限度指标，对不同煤岩破碎技术的局限性做出了评价，其中射流破煤岩局限度最低，激光破煤岩最高，冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩与钻孔胀裂剂破煤岩，在忽略理论局限指标基础上与射流破煤岩的局限度相同，具有同样的工程应用价值与理论研究价值。最后对我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势进行了分析，在考虑到国内煤岩地质条件向深部开采与难采煤岩发展的趋势基础上，提出了“高地应力的克服或利用”、“黏性煤岩的黏度预防或黏度失效”2个发展构想，另外考虑到我国物联网的发展与智能化开采的不断完善，提出了我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势与传统技术发展过程不同，是多种煤岩破碎技术并存且相互联合的构想，从而实现薄煤层、硬质煤层、高瓦斯煤层等其他复杂赋存条件下各种煤岩破碎技术的联合工作。

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2021年第02期

514

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典型含煤地层锚固孔钻进动力特性与地层信息识别研究

作者(Author)：张幼振, 张宁, 刘璞, 居培, 何玢洁

摘要：为研究煤矿井下巷道锚固孔钻进动力学特性，满足煤矿智能钻探技术需求，以顶板锚固孔回转钻进为研究对象，结合钻柱动力学理论推导、数值解析、有限元仿真和动力响应信号识别技术，深入分析了典型含煤地层锚固孔钻进过程中的动力特性。推导建立了钻柱动力学模型，得出了钻柱系统动载受力的解析解，包括轴向力、切向力和转矩的计算方法。在典型煤层中，动载轴向力和切向力随压入深度的幅值区间为0.18～0.31 kN；动载轴向力和切向力随钻速的幅值区间为0.17～0.29 kN。进一步得出钻柱系统的振动加速度解析表达式，结合巷道支护工程背景，确定了钻柱系统的横向和纵向振动加速度是钻孔施工中衡量含煤地层特性的重要指标。通过有限元仿真分析了锚杆钻头分别钻进砂岩岩样、煤层岩样、孔洞砂岩和碎软煤样等4种典型含煤地层岩样时的载荷变化曲线，结果表明：钻进载荷在岩样强度变化时差别明显，在典型煤层中的仿真结果与解析计算的结果基本一致。利用制备的4种典型含煤地层岩样开展了实钻试验，通过加速度传感器对钻具振动信号进行采集和处理，并对振动加速度信号识别地层方法的有效性进行验证，试验结果表明：振动信号能够在锚杆钻头回转钻进条件下快速有效识别典型含煤地层特性，尤其在面对空穴发育地层和碎软煤层钻进的特殊工况时，钻进振动响应信号对地层识别效果良好。研究结果为煤矿井下巷道地层信息动态智能探测和钻探质量提升提供了有效途径。

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2021年第02期

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566
考虑销轴间隙的液压支架运动虚拟仿真方法

作者(Author)：王学文, 崔涛, 谢嘉成, 沈宏达, 刘怡梦, 王彬彬

摘要：销轴间隙的存在会导致液压支架工作时发生横向倾斜，严重威胁液压支架平稳运行及支护状态。在对销轴连接结构分析的基础上，提出了考虑销轴间隙的液压支架运动虚拟仿真方法。分别从单销轴连接、双销轴连接以及多销轴空间约束3个方向对支架销轴连接结构进行分析，建立了液压支架多销轴约束模型；通过Unity3D为液压支架虚拟模型添加相关物理组件，基于重力及物理碰撞作用，实现了不同销轴间隙下液压支架姿态自适应调节；考虑后连杆销轴、前连杆销轴等7个因素对液压支架横向稳定性的影响，对仿真模型进行了七因素三水平的正交试验分析，并在液压支架样机系统上进行了试验验证，结果表明：仿真参数变化与实际液压支架运动参数变化基本吻合，立柱与底座连接销轴对于液压支架横向稳定性影响最大，后连杆与底座连接销轴的影响最小。该方法可为实现不同销轴间隙下液压支架姿态求解及其监测提供理论参考与应用借鉴。

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煤炭科学技术

2021年第02期

437

709
采动覆岩高位离层演化特征及涌（突）水前兆信息研究

作者(Author)：乔伟, 赵世隆, 李连刚, 甘圣丰, 江传文, 刘梦楠, 张磊, 段玉路

摘要：采用理论分析、物理模拟和数值模拟相结合的方法，重点研究了招贤煤矿工作面的高位离层的时空演化，并将开采期间水位变化、微震监测数据作为高位离层涌（突）水前兆信息，揭示了特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙（纵向主导水裂隙和横向离层裂隙）演化特征及离层水害机理。以永陇矿区招贤煤矿为研究对象，黄陇侏罗系煤田永陇矿区煤层覆岩具有弱胶结、泥质含量高和单层厚度大等特点，侏罗系覆岩之上为巨厚高水压白垩系含水层，厚及特厚煤层开采时易在侏罗－白垩系交界上下形成高位离层积水；当导水裂隙与高位离层积水沟通时，形成离层水害。离层水害具有瞬时性、大流量并伴随强烈矿山压力显现等特点。研究结果表明：当工作面达到充分开采时，采空区两帮离层裂隙较为发育，中部处于压实区，最大横向高位离层位于梯形破坏区顶部；工作面上覆亚关键层的周期性破断造成工作面周期性来压、高位离层空间周期性扩张、闭合，导致宜君组水位周期性异常下降；工作面经长时间停采，恢复开采后，重复扰动覆岩诱发覆岩岩体结构失稳，导水裂缝带沟通离层空间，造成离层涌（突）水；水位突降、水位下降速率突增、微震大能量事件可作为1304工作面突水前兆信息；关键层的破断会引起微震能量事件，伴随关键层的快速回转、下沉扩大离层空间，造成宜君组水位异常下降；工作面多次复采造成覆岩自稳能力逐渐劣化严重，加快离层涌（突）水通道形成，离层涌（突）水通道逐步增大；随着出水次数增加，水位提前下降时间减少，微震能量事件能量降低，涌水量增大；采动过程中离层涌（突）水的前兆信息－白垩系含水层的水位变化以及矿井微震监测数据验证了模拟结果是可信的。

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2021年第02期

380

1064
基于LBM-DEM耦合方法的突水溃砂运移规律研究

作者(Author)：浦海, 郭世儒, 刘德俊, 许军策, 王健

摘要：我国西部矿区因其特殊的地质赋存条件及高强度开采方式易诱发突水溃砂灾害，迫切需要对灾害机理进行研究。为了解突水溃砂下水砂运移规律及致灾的关键原因，借助LBM-DEM耦合模拟方法对单裂隙开口通道模型中水砂两相运移问题进行了初步探究，通过对比截面流量及溃砂速率变化情况，分析了其受不同边界压力、裂隙开口宽度及砂层厚度的影响，基于Bulsara式拟合了不同边界压力时最大单位质量流量数值计算结果。研究结果表明：随边界压力增加，截面流量及最大溃砂速率单调增加，高压力下砂粒更容易在裂隙开口处堆积形成临时性密实结构阻碍水砂运移，截面流量及最大溃砂速率增幅逐渐降低，在Bulsara式基础上给出的修正式能较好的拟合最大单位质量流量曲线；随开口宽度增加，截面流量、最大溃砂速率和砂粒在开口处形成的密实结构体积均单调增加但增幅逐渐降低，发现灾害的关键影响因素之一为砂粒密实结构体积；随砂层厚度增加，砂粒密实结构持续时间增长造成阻碍效果逐渐增加，截面流量及最大溃砂速率逐渐减小且降幅逐渐降低，灾害发生点由初始水驱动砂快速流出裂隙孔口阶段转变为砂粒密实结构失稳造成砂粒倾泻阶段。

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煤炭科学技术

2021年第02期

408

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