TOP15| 《煤炭科学技术》2023年度安全专业最受关注论文

2023年为《煤炭科学技术》创刊50周年。截至目前，《煤炭科学技术》2023年第1—9期已正式出版，包括《煤炭科学技术》创刊50周年纪念专辑（上下）、“矿井水防治与资源化利用”专题等。安全专业方面，邓军教授团队的“瓦斯对煤低温氧化过程微观结构及热反应性的影响研究”、周福宝教授团队的“矿井智能通风理论与技术研究进展”等成果收到了广泛关注和研究。为了协助读者了解当前领域内的研究热点和前沿问题，促进学术交流与合作，期刊整理了2023年度刊登的安全专业最受关注论文（数据来源于中国知网，统计时间为2023-10-11）。

行业视野: 安全
类别; 68个
关键词; 68位
专家; 14篇
论文; 4337IP
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高地应力条件煤与瓦斯突出冲击力演化规律研究

作者(Author)：唐巨鹏, 任凌冉, 潘一山, 张昕, 余泓浩

摘要：随着开采深度和强度增加，煤与瓦斯突出动力灾害频发，冲击力致灾机制成为目前研究的主要方向。为进一步揭示高地应力条件煤与瓦斯突出冲击力演化规律及破坏机制，采用自主研发的煤与瓦斯突出全过程模拟巷道系统，引入冲击力和声发射监测技术，以45%CO2和55%N2混合气体压力模拟煤层瓦斯压力，以轴压模拟上覆岩层应力作用，围压模拟围岩应力作用，以平煤十一矿突出煤层为研究对象，考虑埋深为600、800、1 000、1 200、1 400和1 600 m的地应力条件，进行了煤与瓦斯突出模拟试验，分析了煤−瓦斯两相流运移过程、煤粉分布及冲击力演化特征，得到了瓦斯压力、临界瓦斯压力、试验有效应力、声发射信号与冲击力之间的影响关系规律，从煤与瓦斯突出能量转化角度分析了瓦斯内能向冲击动能，即瓦斯压力向冲击力转化特征。研究结果表明：①突出孕育阶段受力情况及破坏程度影响突出发生后冲击力在巷道内传播特性，随模拟埋深增加，冲击力演化特征愈发复杂，具有明显脉冲特征，且随脉冲特征出现冲击力升高。②脉冲特征划分为高频阶段和低频阶段，高频阶段煤−瓦斯两相流速度快、强度高、突出危险性强；低频阶段危险性随突出发展进程逐渐减弱。③突出两相流动能主要由瓦斯内能提供，部分瓦斯压力转化成冲击力，冲击力强弱主要由瓦斯压力决定，在高地应力作用下，深部煤体相对浅部更易发生煤与瓦斯突出。④突出开始时，声发射振铃计数峰值点早于冲击力峰值点，声发射信号更早监测到突出危险性，但冲击力更能具象反映煤体破裂情况，声发射振铃计数出现陡增时，伴随脉冲特征出现，但脉冲特征出现不一定对应声发射振铃计数陡增。

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煤炭科学技术

2023年第08期

276

103
煤矿局部通风机风量智能控制系统研究及应用

作者(Author)：李团结, 黄维明, 潘伟华, 党利鹏, 诸德云, 郭文芳, 李博

摘要：矿用局部通风机切换过程中容易出现短暂的停风,从而引起瓦斯浓度超限的安全生产问题。为了避免通风机切换引起风量暂停现象的发生,根据恒定风量切换原理,研究了局部通风机恒定风量智能切换控制系统,利用恒定风量反馈模糊调节控制原理,开发了新型矿用局部通风机智能远程控制系统和 ZFJ1140 型局部通风机智能监控装置,实现了通风机切换过程中风量恒定和通风机运行参数的远程、实时地监控。在通风机风筒上进气处、测进气处、集流器进气通道和出气通道 4 个地方开展了空气动力性能测试表明,通风机的空气动力性能较好,通风机全压效率在 82.5%~85.0% 内波动。在陕煤黄陵矿业集团一号煤矿 1010 辅运巷道应用表明,ZFJ1140 型局部通风机在风量切换期间巷道风量变化控制在 8.89% 以内。与传统局部通风机切换方式相比,智能局部通风机的恒定风量切换功能有力保证了风量切换过程的巷道瓦斯浓度维持在安全范围。

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煤炭科学技术

2023年第04期

328

180
煤自燃特征温度与微观结构变化及关联性分析

作者(Author)：张玉涛, 杨杰, 李亚清, 张园勃, 史学强

摘要：煤自燃灾害严重威胁了矿井的安全生产,掌握煤自燃微观基团和特征温度之间的关联性对煤自燃灾害的防治具有积极作用。为确定不同变质程度煤自燃过程中特征温度和煤微观结构的变化及相互联系,利用热重试验和傅里叶红外光谱实验分别测试了 4 种不同变质程度煤样自燃过程中的质量变化特性和微观结构,采用皮尔逊相关系数法确定了 2 者之间的联系。结果表明:随着变质程度的增大,煤中的芳香烃和脂肪烃含量增加,含氧官能团含量减少,3 种类型的基团中含量最高的基团分别为 C=C,—CH3 和—OH。变质程度高的煤失重曲线和特征温度逐渐向高温区移动,且各特征温度间的间距增大。煤自燃特征温度会随着芳香烃含量的增加而增加,随着含氧官能团含量的增加而降低。芳香烃含量越大,煤自燃越难发生,而含氧官能团则恰好相反。皮尔逊相关系数计算结果表明,随着温度的升高,正相关系数最大的官能团分别为 C—H,C—H,C—H,取代苯,C=C 和C=C,负相关最大的官能团分别为 COO—,COO—,C—O—,COO—,—OH 和—OH。整体而言,C—H 与特征温度之间正向相关性最大,而 COO—则与特征温度呈最大的负相关。特征温度的变化与最大官能团的含量呈较为明显的线性关系。基于皮尔逊相关系数的结果,利用与特征温度相关性最大的 C—H 和 COO—官能团的含量建立了煤自燃倾向性多元线性回归模型。

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煤炭科学技术

2023年第04期

314

151
基于微胶囊技术的瓦斯抽采钻孔密封材料研究

作者(Author)：张超, 范富槐, 李树刚, 翟成, 江丙友, 杨朴超, 曾祥真

摘要：煤矿瓦斯抽采钻孔密封材料的性能在改善钻孔密封质量、提高瓦斯抽采效率等方面起着至关重要的作用。为了改变传统水泥基钻孔密封材料在水化初期发生无效膨胀的问题,采用理论研究、物理试验与测试相结合的方式,提出了利用微胶囊技术延缓密封材料膨胀时间的方法。实验确定了以乙基纤维素 (EC) 作为囊壁材料、蒙脱石 (MMT) 为囊芯材料,以相分离法制备延迟膨胀微胶囊,并通过单因素实验与响应曲面分析法 (RSM) 得出各关键参数之间的交互作用,结果表明各关键参数对包封率的影响程度大小排序为:搅拌速率>芯壁比>聚乙烯 (PE) 用量。此外,根据 Design-Expert 软件得出微胶囊制备的最优参数为:芯壁比为 0.8,PE 用量为 1.5%、搅拌速率为 400 r/min。最后,通过自主设计的模拟钻孔密封性能实验表明:延迟膨胀密封材料相较于普通膨胀材料具有更好的密封性能,其有效密封时间可提高 60% 左右。

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煤炭科学技术

2023年第04期

313

220
典型可燃气体小孔泄漏危险范围预测模型研究

作者(Author)：赵开功, 张晓蕾, 李长明, 陈刚, 盖泳伶

摘要：为了缓解我国石油资源紧张的现状，发展合成油工业作为我国石油资源的补充是合理的途径，而在化工合成中，大多数反应都需要在加压环境中进行。泄漏是最常见的事故之一，而现阶段对于加压装置、管道气体泄漏的研究还有待完善。因此，通过CFD(计算流体动力学)数值模拟的方法，以化工合成中常见的气体(H2、CO、CH4)为研究对象，气体泄漏后危险浓度的范围作为气体泄漏危险范围，利用Fluent软件开展不同工况下气体泄漏扩散模拟，以研究不同气体、不同泄漏压力、不同泄漏温度以及不同泄漏口直径情况下气体泄漏扩散规律及泄漏危险范围，并构建泄漏危险范围预测模型。研究表明，在其他因素不变的条件下，随着泄漏压力的增大，气体泄漏危险范围随之增加；随着气体温度的增大，气体泄漏危险范围随之明显降低；随着泄漏口直径的增大，气体泄漏危险范围随之明显增加。在3个变量中，泄漏口尺寸的增大对于危险范围的扩大最为明显，当气体泄漏压力由1 MPa提高到2 MPa时，3种气体泄漏危险范围增加10%左右；当气体温度由300 K提高到400 K时，3种气体泄漏危险范围同样增加10%左右，而当泄漏口直径由2 mm增加到3 mm时，3种气体泄漏危险范围增加50%。通过对于3种气体(H2、CO、CH4)数值模拟结果中的泄漏危险范围的长度、宽度数据的定量分析，并对于参量进行无量纲处理，最终分别得出3种气体(H2、CO、CH4)泄漏危险范围(长度、宽度)的预测模型，其中泄漏危险范围长度和宽度为压力比和温度比的函数，预测结果可为泄漏事故救援和应急处理提供参考依据。

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煤炭科学技术

2023年第03期

173

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地面井分区式瓦斯抽采技术体系及工程实践

作者(Author)：李延河

摘要：为有效减少煤层瓦斯含量，实现瓦斯资源的高效利用并降低井下瓦斯治理难度，结合首山一矿现场地质特征，构建了地面井分区式瓦斯抽采技术，旨在实现矿区瓦斯治理体系化。基于采矿活动的时空分布特征，将井田划分为未采区、采动区和采空区，分区建立不同地面井进行瓦斯抽采，实现瓦斯治理向瓦斯利用并重转变。体系化瓦斯治理技术包括地面井井位科学布置、井身结构及施工设计、未采区储层压裂增透和排采与集输工程4部分。综合考虑空间层位、煤层特征、地面位置、煤层回采和瓦斯赋存条件进行地面井井位选取。在采动区，基于煤层回采后垮落带和裂隙带高度，设计采动区直井和L型井井底层位分别位于裂隙带中上部，借助本煤层回采的卸压效果，实现区域内多煤层瓦斯高效抽采。设计了未采区L型井井身、采动区直井井身、采动区L型井井身和采空区直井井身。对未采区煤层进行水力压裂实现煤层增透，选用定向射孔+泵送桥塞式光套管压裂的复合压裂工艺进行煤层压裂，采用深穿透加强弹进行射孔作业，支撑剂采用0.841/0.42 mm石英砂。在首山一矿进行地面井分区式瓦斯抽采技术工程实践，统计了矿区内不同类型地面井瓦斯抽采情况，结果显示：采动区地面井单井瓦斯日产量最高可超过4万m3，单井累计瓦斯抽采量高达259.7万m3，井田区域内目前在抽钻井11口，累计抽采量高达1 425.2万m3。现场效果检验表明实施地面井分区式瓦斯抽采技术可实现瓦斯的高效抽采，形成了“采一层治多层”的瓦斯治理模式。

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煤炭科学技术

2023年第03期

175

159
特厚煤层开采卸压瓦斯储集区演化特征分析及工程应用

作者(Author)：林海飞, 王旭, 徐培耘, 孔祥国, 双海清, 赵鹏翔

摘要：为研究特厚煤层开采卸压瓦斯储集区动态演化规律，采用3DEC 数值模拟软件，分析了采动覆岩应力及位移分布规律，研究了卸压瓦斯储集区演化特征，提出了卸压瓦斯储集区位置判别方法，并在试验工作面高位钻孔瓦斯抽采进行了实践。结果表明：特厚煤层开采后，覆岩垮落带高度49.5 m，裂隙带高度104 m。工作面侧卸压区范围内关键层失稳后，其下方形成卸压瓦斯储集区。卸压瓦斯储集区划分为3 类：①关键层处于弯曲下沉带，其下方形成高位储集区；②关键层处于裂隙带，砌体梁下方形成中位储集区；③关键层处于垮落带，悬臂梁下方形成低位储集区。储集区形态及面积与其上方控制关键层状态密切相关，控制关键层破断前，面积持续上升，低位储集区形态呈矩形，中位和高位储集区形态呈半椭圆形，拓展至三维形态呈矩形截面环体和椭圆截面半椭球体；破断后面积快速下降，之后随覆岩来压呈现周期性变化，低位储集区形态呈梯形，中位储集区形态呈三角形，高位储集区形态呈半椭圆形，拓展至三维形态呈矩形截面环体、三角形截面环体和椭圆截面半椭球体。现场将高位钻孔的终孔位置布置在中位储集区范围，进行了抽采验证，单孔最大抽采浓度34.5%，平均抽采浓度16.8%，抽采后上隅角瓦斯体积分数0.55%，瓦斯抽采效果良好，说明据此方法布置高位钻孔具有合理性。

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煤炭科学技术

2023年第02期

340

469
断层对煤层瓦斯封闭性定量方法研究

作者(Author)：刘永茜, 韩鑫涛

摘要：断层对煤层瓦斯具有封闭和通道的双重作用，这主要取决于断层的封闭能力。针对断层对瓦斯封闭能力定量化表征方法，结合断裂带结构发育多元学说，分析了断裂带结构参数（两盘煤层对接系数、泥质含量、紧闭系数等）对断层封闭性的影响规律；考虑了诱导裂隙带宽度与渗透率的相关性，提出了一个断裂带泥岩等效厚度的计算公式和一种渗透率补偿算法，以此为基础，依据低速渗流理论，实现了断层极限封闭压力计算，继而对断层封闭性进行量化表征。研究结果表明：①断层封闭性主要受控于断裂带内部结构与断层端面受力状态，考虑顶底板围岩封闭能力和煤储层压力，利用断裂带结构参数和断层封闭压力可对断层封闭性进行综合定量表征；②诱导裂隙带煤层渗透率与距端面距离负相关，离端面越远，综合渗透率越低，最后趋近于原始煤层渗透率；③等效泥岩厚度越大，断层极限封闭压力越高，断层封闭性越好；④沁水盆地郑庄−樊庄区块的寺头断层封闭性计算结果显示，该断层封闭压力高于4.67 MPa，大于储层压力3.83 MPa。然而，该断层走向上的封闭能力存在差异，北东向断层端面封闭性好，西南向断层端面封闭能力则相对较差。研究成果对于科学判识断层的瓦斯封闭能力，指导井下煤与瓦斯突出预测及地面煤层气高效开发具有重要技术支撑作用。

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煤炭科学技术

2023年第02期

223

267