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2024年  第50卷  第3期

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科研成果
矿井无线电波防爆安全发射功率研究
孙继平, 彭铭
2024, 50(3): 1-5. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18184
<摘要>(234) <HTML> (95) <PDF>(61)
摘要:
5G,5.5G,WiFi6,WiFi7,UWB,ZigBee等矿井移动通信系统及人员和车辆定位系统等发射的大功率无线电波有点燃瓦斯和煤尘的风险。因此,需要合理设置防爆无线电设备发射的无线电波防爆安全功率阈值,限制防爆无线电设备发射的无线电波功率。欧洲标准CLC/TR 50427:2004《Assessment of inadvertent ignition of flammable atmospheres by radio-frequency radiation-Guide》规定了爆炸性气体环境中无线电波防爆安全接收点火功率阈值,但缺少无线电波防爆安全发射功率阈值的内容。国家标准GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》和国际标准IEC 60079-0:2017《Explosive atmospheres-Part 0:Equipment-General requirements》虽然有无线电波防爆安全发射功率阈值的相关规定,但错误地将欧洲标准CLC/TR 50427:2004中的无线电波防爆安全接收点火功率阈值修改为无线电波防爆安全发射功率阈值,大大降低了爆炸性环境中无线电设备所能允许的最大发射功率。由于煤矿井下没有能作为接收天线的起重机这类细长结构物体,且现有矿井无线通信及定位系统工作频率均远大于30 MHz,所以,无线电波防爆安全接收点火功率阈值应为8 W,而不是国家标准GB/T 3836.1—2021和国际标准IEC 60079-0:2017规定的无线电波防爆安全发射功率阈值6 W。在发射天线发射的无线电波能量全部被等效天线吸收的最不利于无线电防爆的传输和耦合情况下,无线电设备工作频率为等效天线谐振频率时,接收点火功率达到最大,为等效天线接收的总功率的一半,即发射功率的一半。在实际工程中,无线传输效率和耦合效率均不会为1,因此,无线电波防爆安全发射功率阈值应是无线电波防爆安全接收点火功率阈值2倍以上。煤矿井下无线电波防爆安全接收点火功率阈值为8 W,因此,煤矿井下无线电波防爆安全发射功率阈值应大于16 W。
煤矿井下水力压裂自动控制系统设计
刘波
2024, 50(3): 6-13. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023060078
摘要:
分析指出目前煤矿井下水力压裂技术面临压裂泵输出压力和流量无法快速精确调节、远程安全监控效果及自动化水平有待提高等难题。设计了一种煤矿井下水力压裂自动控制系统。根据煤矿井下水力压裂工艺及系统构成,明确了控制系统关键技术为高压大流量压裂泵输出流量和压力的快速精确调节,远程高可靠性安全、高速实时监控,一键启停及图形化分析等。以KXH12本安型控制器为核心,搭配变频器、组合开关、监控主机、电动开度球阀等设备,以及光纤加CAN总线的双线冗余通信方案,研发了控制系统硬件,并编制了压裂泵控制器、水箱控制器及中央控制器软件,实现了压裂系统快速变流量注水、稳定保压及远程高速实时监控和报警等功能。在煤矿现场对水力压裂自动控制系统进行工业性试验,结果表明该系统压力控制精度为0.1 MPa,流量控制精度为0.1 m3/h,在连续完成14次压裂过程中,每次煤岩层开裂后均能实现较好的保压效果,且操作简单,安全性高,满足煤矿井下水力压裂工艺要求。
基于边界隔离与系统防护的矿井网络安全系统研究
贺胤杰, 李晨鑫, 魏春贤
2024, 50(3): 14-21. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023100008
摘要:
随着智能矿山信息基础设施不断建设推广,矿井终端设备在专网与公网间的切换为矿井网络引入信息安全隐患,需研究矿井网络隔离边界并构建系统防护手段。分析了矿井网络面临的主要风险,指出应对风险的关键是定义隔离边界、强化系统防护手段及研发特定井下设备。针对矿井网络安全防护需求,定义了经营管理网络与工业控制网络、传输网络与服务器区域、井下与井上工业控制网络三大隔离边界。提出了基于边界隔离与系统防护的矿井网络安全系统防护架构,设计了基于网络、主机、应用和数据4个子系统防护的矿井网络安全系统及相应的安全传输流程和防护思路。针对目前矿井网络安全防护主要侧重井上网络、缺少井下网络安全防护手段的情况,研发了矿用隔爆兼本安型网络接口作为井下网络安全防护设备,针对Modbus、Profibus、IEC 61850、RTSP等井下终端常用的工业协议制定了相应的防护规则。测试结果表明,该接口设备对网络攻击的平均识别率为98.8%,平均防护率为98.0%,千兆接口吞吐量不低于线速的95%,实现了井下信息安全防护功能,并保障了数据传输性能。
综述
面向智能矿山的数字孪生技术研究进展
邢震
2024, 50(3): 22-34, 41. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010079
<摘要>(234) <HTML> (50) <PDF>(59)
摘要:
智能矿山领域数字孪生技术的应用需面对较多复杂性、特殊性的技术突破。阐述了数字孪生在智能矿山领域的适用性,归纳梳理了数字孪生技术在煤矿安全、生产及运营管理等方面的研究及应用现状:在煤矿安全管理方面,数字孪生技术主要应用于灾害预警、风险管控、灾害救援等;在煤矿生产方面,数字孪生技术主要应用于采掘工作面区域整体、单机机械装备状态监测及控制、机械装备预测性维护。从物理实体、虚拟实体、连接交互、数字孪生数据及功能服务5个维度入手探讨了智能矿山领域数字孪生亟待解决的关键共性问题:物理实体维度需重点突破全面感知及控制装备的研发,虚拟实体维度需深入进行物理、行为、规则模型的研究,连接交互维度需攻关煤矿井下5G网络传输关键技术,数字孪生数据维度需解决高性能计算等问题,功能服务维度需研发仿真软件及人工智能算法,以便更好地适应现场环境。从矿井规划设计、开发、建设阶段的灾害预防性设计、生产系统设计、地质环境预测,矿井生产运营阶段的灾害预警及防控、生产调度决策优化、生产设备全生命周期管理等方面展望了数字孪生技术在智能矿山领域的发展趋势,认为宜针对关键部件或装备,核心环节,重要或危险场所、区域等进行精细化孪生。
分析与研究
基于YOLOv7−SE的煤矿井下场景小目标检测方法
曹帅, 董立红, 邓凡, 高峰
2024, 50(3): 35-41. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023090088
<摘要>(234) <HTML> (89) <PDF>(56)
摘要:
目前的小目标检测方法虽然提高了小目标检测效果,但针对的多为常规场景,而煤矿井下环境恶劣,在井下小目标检测过程中存在小目标特征信息提取困难的问题。针对上述问题,提出了一种基于YOLOv7−SE的煤矿井下场景小目标检测方法。首先,将模拟退火(SA)算法与k−means++聚类算法融合,通过优化YOLOv7模型中初始锚框值的估计,准确捕捉井下小目标;然后,在YOLOv7骨干网络中增加新的检测层得到井下小目标高分辨率特征图,减少大量煤尘对井下小目标特征表示的干扰;最后,在骨干网络中的聚合网络模块后引入双层注意力机制,强化井下小目标的特征表示。实验结果表明:① YOLOv7−SE网络模型训练后的损失函数值稳定在0.05附近,说明YOLOv7−SE网络模型参数设置合理。② 基于YOLOv7−SE网络模型的安全帽检测平均精度(AP)较Faster R−CNN,RetinaNet,CenterNet,FCOS,SSD,YOLOv5,YOLOv7分别提升了13.86%,25.3%,16.13%,12.71%,15.53%,11.59%,12.20%。基于YOLOv7−SE网络模型的自救器检测AP较Faster R−CNN,RetinaNet,CenterNet,FCOS,SSD,YOLOv5,YOLOv7分别提升了12.37%,20.16%,15.22%,8.35%,19.42%,9.64%,7.38%。YOLOv7−SE网络模型的每秒传输帧数(FPS)较Faster R−CNN,RetinaNe,CenterNet,FCOS,SSD,YOLOv5分别提升了42.56,44.43,31.74,39.84,22.74,23.34帧/s,较YOLOv7下降了9.36帧/s。说明YOLOv7−SE网络模型保证检测速度的同时,有效强化了YOLOv7−SE网络模型对井下小目标的特征提取能力。③ 在对安全帽和自救器的检测中,YOLOv7−SE网络模型有效改善了漏检和误检问题,提高了检测精度。
基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法
徐慈强, 贾运红, 田原
2024, 50(3): 42-47, 141. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024030009
<摘要>(126) <HTML> (34) <PDF>(33)
摘要:
综采工作面的目标具有高速运动、多尺度、遮挡等特点,现有的目标检测算法存在精度低、模型占用的内存大、硬件依赖强等问题。针对上述问题,提出了一种基于MES−YOLOv5s的综采工作面大块煤检测算法。采用轻量化设计,将MobileNetV3作为主干网络,以减小模型占用的内存,提高CPU端的检测速度;在颈部网络添加高效多尺度注意力(EMA)模块,融合不同尺度的上下文信息,并进一步减少计算开销;采用SIoU损失函数代替CIoU损失函数,以提高训练速度和推理准确性。消融实验结果表明:MobileNetV3大幅减少了模型占用的内存和检测时间,但mAP损失严重;EMA模块和SIoU损失函数可在一定程度上恢复损失的精度,同时保证模型在CPU上具有较高的检测速度,满足煤矿井下目标实时检测需求。对比实验结果表明,与DETR,YOLOv5n,YOLOv5s,YOLOv7模型相比,MES−YOLOv5s模型综合性能最好,mAP为84.6%,模型占用的内存为11.2 MiB,在CPU端的检测时间为31.8 ms,在高速运动、多尺度、遮挡和多目标的工况环境下能够保持较高的召回率和精度。
基于区域生长的非结构巷道点云去噪方法
连忠文, 任助理, 郝英豪, 杨帆, 白刚, 方程, 袁瑞甫
2024, 50(3): 48-55. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010037
摘要:
目前针对地下巷道点云去噪研究未完全满足巷道点云的特殊去噪需求,尤其是在狭长、密闭且复杂的地下巷道环境中,未能充分应对管壁附属物、粉尘和人为噪声等因素造成的挑战。通过分析井下非结构场景和传感器误差,考虑行人、移动设备和管网带来的噪声,提出一种基于区域生长的非结构巷道点云去噪方法。利用三维激光扫描技术获得井下巷道场景的3D点云信息,并分析其中由于井下非结构场景和传感器误差造成的异常点,以及行人、移动设备和风/水管网形成的噪声特点;利用k维树(kd-tree)构建点云的拓扑关系,选取适当的种子节点和生长准则,设定合适的曲率和角度阈值,通过区域生长算法实现巷道点云的有效分割,去除未加入分割区域的离群点云;根据噪声特点,基于巷道点云区域分割结果进一步去噪优化。试验结果表明:对于巷道中存在行人、设备等特征的情况,建议将区域生长算法的角度阈值设定为10°左右,曲率阈值设定为3左右;在实际应用中,应平衡数据量的减少与去噪效果,以确保数据处理的有效性,同时提高数据质量;采用基于区域生长的非结构巷道点云去噪方法进行去噪时,点云数量减少幅度介于SOR滤波器和低通滤波器之间,能有效移除行人、设备等噪声。
基于结构纹理分解的矿井图像增强方法
张红, 索霆锋, 宋婉莹
2024, 50(3): 56-64. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023100005
摘要:
矿井下存在低照度、多灰尘现象,导致监控视频采集的图像具有光照不均、模糊及细节丢失的问题,影响后续智能图像识别,现有矿井图像增强方法普遍存在图像纹理细节不清晰、视觉效果差的问题。提出了一种基于结构纹理分解的图像增强方法。首先,利用maxRGB算法对原始图像提取初始光照分量,接着构建优化目标函数,依次优化求解初始光照分量中的结构分量、纹理分量及噪声分量:先对初始光照分量进行加权引导滤波,作为先验约束,迭代获得边缘清晰的结构分量;再结合最大邻域差方法和加权平均局部变分构建局部变化偏差函数,作为约束权重,迭代得到细节丰富的纹理分量。然后,将原始图像转换到HSV颜色空间,提取出原始图像的亮度分量,并结合结构分量、纹理分量及噪声分量,利用Retinex理论进行重构,得到增强后的初始亮度分量。为避免亮度过增强,引入带有截断因子的自适应伽马校正(AGCWD)处理图像初始亮度信息,以获得最终的亮度分量。最后,将图像转换到RGB颜色空间,得到增强图像。实验结果表明:① 基于结构纹理分解的图像增强算法能保证图像边缘纹理细节更加清晰,减少了图像增强过程中的光晕伪影,且增强后的图像灰度直方图更均衡。② 与结构纹理感知Retinex(STAR)算法、联合内外先验(JieP)算法、加权变分模型(WVM)、半解耦分解(SDD)算法、带色彩恢复的多尺度Retinex(MSRCR)算法等5种图像增强算法相比,基于结构纹理分解的图像增强算法的自然图像质量评价指标(NIQE)分别降低了8.69%,29.05%,11.2%,29.53%,33.54%,视觉质量保真度(VIF)分别提高了91.17%,117.86%,59.38%,48.78%,183.12%,信息熵指标(Entropy)分别提高了3.20%,8.02%,4.07%,3.49%,22.68%。③ 基于结构纹理分解的图像增强算法运行时间仅长于MSRCR算法,但增强效果更好,能够满足矿井下图像增强的需求。
基于Transformer的矿井内因火灾时间序列预测方法
王树斌, 王旭, 闫世平, 王珂
2024, 50(3): 65-70, 91. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023100084
摘要:
传统的基于机器学习的矿井内因火灾预测方法尽管具备一定的预测能力,然而在处理复杂的多变量数据时不能有效捕捉数据间的全局依赖关系,导致预测精度较低。针对上述问题,提出了一种基于Transformer的矿井内因火灾时间序列预测方法。首先,采用Hampel滤波器和拉格朗日插值法对数据进行异常值检测和缺失值填补。然后,利用Transformer的自注意力机制对时间序列数据进行特征提取及趋势预测。最后,通过调节滑动窗口的大小与步长,在不同的时间步长和预测长度下对模型进行不同时间维度的训练。结合气体分析法将矿井火灾产生的标志性气体(CO,O2,N2,CO2,C2H2,C2H4,C2H6)作为模型输入变量,其中CO作为模型输出的目标变量,O2,N2,CO2,C2H2,C2H4,C2H6作为模型输入的协变量。选取陕煤集团柠条塔煤矿S1206回风隅角火灾预警的束管数据进行实验验证,结果表明:① 对CO进行单变量预测和多变量预测,多变量预测相比单变量预测有着更高的预测精度,说明多变量预测能通过捕捉序列间的相关性提高模型的预测精度。② 当时间步长固定时,基于Transformer的矿井内因火灾预测模型的预测精度随着预测长度的增加而下降。当预测长度固定时,模型的预测精度随时间步长增加而提高。③ Transformer算法的预测精度较长短时记忆(LSTM)算法和循环神经网络(RNN)算法分别提高了7.1%~12.6%和20.9%~24.9%。
基于三维地质建模技术的煤矿隐蔽致灾因素透明化研究
王嘉伟, 王海军, 吴汉宁, 吴艳, 韩珂, 程鑫, 董敏涛
2024, 50(3): 71-81, 121. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023110030
摘要:
隐蔽致灾因素是制约煤矿智能开采建设的关键问题,而三维地质建模是实现隐蔽致灾因素透明化的主要技术手段。目前煤矿三维地质建模技术以几何建模为主、属性建模为辅,缺少针对隐蔽致灾因素的灾害属性建模。针对上述问题,以陕北某煤矿作为研究对象,对煤层厚度、顶底板构造起伏、积水区、浅埋煤层地形地貌等隐蔽致灾因素进行三维地质建模。首先,完成对地质资料、物探、钻探等成果的数字化工作,建立煤矿地质数据库。其次,利用DepthInsight建模软件从全矿井和工作面2个尺度开展建模工作,即以钻孔分层数据作为地层控制点,通过煤层及地表等高线、虚拟钻孔等数据联合控制地层层序,并处理初始层面模型中的穿层异常,构建地层面模型和地质体模型,再运用数字高程模型对工作面进行地表模型构建。然后,采用岩体建模构建采空区、积水区模型并标注温度、气体等信息,利用工作面回采测量数据构建回采实测模型。最后,创建截断网格模型,通过序贯高斯模拟生成含水层渗透率、富水系数模型,实现区内水文隐蔽致灾因素透明化显示。基于三维地质模型,从地层、煤层及工作面、采空区及其积水区、水文属性多角度分析隐蔽致灾因素的分布及影响。研究成果可为煤矿隐蔽致灾因素的精准治理提供靶区,助力煤矿智能开采建设。
基于改进YOLOv7和ByteTrack的煤矿关键岗位人员不安全行为识别
韩康, 李敬兆, 陶荣颖
2024, 50(3): 82-91. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024030015
<摘要>(119) <HTML> (36) <PDF>(24)
摘要:
应用人工智能技术对矿井提升机司机等煤矿关键岗位人员的行为进行实时识别,防止发生设备误操作等危险情况,对保障煤矿安全生产具有重要意义。针对基于图像特征的人员行为识别方法存在的抗背景干扰能力差与实时性不足问题,提出了一种基于改进YOLOv7和ByteTrack的煤矿关键岗位人员不安全行为识别方法。首先,基于MobileOne和C3对YOLOv7目标检测模型骨干与头部网络进行轻量化改进,提高模型推理速度;其次,融合ByteTrack跟踪算法,实现工作人员跟踪锁定,提高抗背景干扰能力;然后,采用MobileNetV2优化OpenPose的网络结构,提高对骨架特征的提取效率;最后,通过时空图卷积网络(ST−GCN)分析人体骨架关键点在时间序列上的空间结构和动态变化,实现对不安全行为的分析识别。实验结果表明:MobileOneC3−YOLO模型的精确率达93.7%,推理速度较YOLOv7模型提高了52%;融合ByteTrack的人员锁定模型锁定成功率达97.1%;改进OpenPose模型内存需求减少了170.3 MiB,在CPU与GPU上的推理速度分别提升了74.7%和54.9%;不安全行为识别模型对疲劳睡岗、离岗、侧身交谈和玩手机4种不安全行为的识别精确率达93.5%,推理速度达18.6 帧/s。
基于岭回归改进规范变量分析的微震事件实时判识
程健, 石林松, 骆意, 周天白, 杨凌凯
2024, 50(3): 92-98. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.18170
摘要:
微震事件判识是煤矿微震监测的基础。现有的微震监测技术大多基于单物理量变化规律而开发,在处理含有大量噪声和干扰信号的煤矿微震数据时易产生误判情况。针对该问题,基于岭回归算法改进规范变量分析(CVA)的损失函数,实现稀疏化建模,以提升模型泛化能力。采用岭回归改进CVA对多通道煤矿微震监测数据进行融合分析,进而实时判识复杂微震监测数据状态。采用模拟数据和实际煤矿微震监测数据对岭回归改进CVA进行实验验证。在基于模拟数据的实验中,随着噪声方差由5×10−6增大至5×10−2,岭回归改进CVA的判识准确率较CVA提升了0.6%~5.4%,误报率和漏报率之和较CVA下降4.8%~17.3%。在基于实际微震监测数据的实验中,岭回归改进CVA对20个通道的微震监测数据融合分析结果能够反映出微震信号处于波动状态,验证了该方法具备微震事件实时判识能力,平均判识准确率为97.14%,较CVA高2.39%,误报率与漏报率之和为31.06%,较CVA降低0.07%,错误率为2.86%,较CVA降低2.4%。
煤矿工业物联网设备识别模型
郝秦霞, 李慧敏
2024, 50(3): 99-107. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023100092
摘要:
煤矿工业物联网(IIoT)设备计算与存储资源受限,易遭受非法网络入侵,造成敏感数据泄露或恶意篡改,威胁煤矿生产安全。精准识别煤矿IIoT设备可实现有效管理并维护设备正常运转,提高设备安全防护能力,然而现有设备识别算法存在特征构造复杂、内存与计算需求较高导致难以部署在资源受限的煤矿IIoT设备中等问题。针对上述问题,提出了一种煤矿IIoT设备识别模型。首先,对支持TCP/IP协议传输的流量数据进行流量切分、无关字段去除、去重、定长字段截取操作后转换为IDX格式存储;其次,使用卷积块注意力模块(CBAM)优化深度可分离卷积(DSC),从而搭建轻量级DSC−CBAM模型来过滤Non−IIoT设备;然后,利用带有阶段惩罚的Wasserstein生成对抗网络(WGAN−GP)扩充流量较少的煤矿IIoT设备数据,达到平衡偏移流量数据的目的;最后,在DSC−CBAM基础上引入多尺度特征融合(MFF)技术捕获浅层全局特征信息,并增加Mish激活函数提高模型训练稳定性,建立优化混合模态识别(MDCM)模型,实现煤矿IIoT设备精准识别。实验结果表明,该模型收敛速度快,准确率、召回率、精确率与F1−score指标均高达99.98%,且参数量小,能精准、高效识别煤矿IIoT设备。
煤矿井下爆炸性环境下电磁波热效应的安全性研究
郭波超, 田子建, 侯明硕, 石洋名, 杨维
2024, 50(3): 108-113. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023120069
摘要:
GB/T 3836.1—2021《爆炸性环境 第1部分:设备 通用要求》规定爆炸性环境中射频设备的阈功率不得大于6 W,该规定限制了大功率射频设备在煤矿井下的应用,而现有针对爆炸性环境电磁安全性的相关研究缺乏完善的理论分析和实验验证。针对上述问题,推导了电磁波热效应方程,分析得出影响电磁波耦合瓦斯和煤尘混合气体产生热能的可控参数为电磁波耦合时间、电场强度和电磁波频率。以GB/T 3836.1—2021中可能堆积煤尘的电气设备表面温度最高不能超过150 ℃的规定为依据,采用多物理场仿真软件COMSOL对不同发射功率的电磁波耦合瓦斯和煤尘混合气体的热效应安全性进行了仿真实验,结果表明:满足温度不超过150 ℃的电磁波热效应安全阈发射功率为16.48 W; 随着电磁波发射功率的增加,电磁波热效应安全时长(电磁波耦合瓦斯和煤尘混合气体产生的热能不会使环境温度超过150 ℃对应的时间段)逐渐减少,但只要在安全时长内,电磁波的发射功率不受限制。
智能化掘进机悬臂和铲台机构关联位置干涉解算模型
刘若涵, 刘永立, 刘爽
2024, 50(3): 114-121. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023090014
摘要:
智能化悬臂式掘进机在工作状态感知与控制过程中悬臂和铲台机构关联位置干涉,而现有悬臂式掘进机防干涉碰撞的研究主要是基于单一的控制方法,将防干涉碰撞条件融入到控制中的较少。针对上述问题,提出了一种悬臂和铲台机构关联位置干涉解算模型。基于多自由度悬臂式掘进机悬臂和铲台机构运动过程中的相对空间位置关系,将悬臂机构简化为分段空间直线、铲台机构简化为空间平面,根据悬臂边界等效分段空间直线上特定点和截割刀具边界点至铲台等效空间平面的距离,判断悬臂与铲台是否干涉。悬臂与铲台机构关联位置干涉解算模型应用实例表明:当铲台处在中位状态时,主悬臂和辅助悬臂无相对摆动下,悬臂和铲台不发生干涉碰撞的极限约束条件为主悬臂下摆动位置角不超过29.5°,截割刀具卧底量不超过42 mm;主悬臂和辅助悬臂协同摆动下,悬臂和铲台不发生干涉碰撞的极限约束条件为截割刀具卧底量不超过163 mm。悬臂和铲台机构关联位置干涉解算模型为悬臂与铲台干涉碰撞全域预测预警的数字化与智能自主控制奠定了基础。
煤孔隙结构对瓦斯解吸−扩散−渗流过程的影响
贾男
2024, 50(3): 122-130. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023110076
摘要:
充分认识煤层瓦斯运移机制是提升抽采效率的根本前提。而目前针对煤体瓦斯微观运移特性的研究探讨的多是煤微观孔隙瓦斯运移特性,忽略了瓦斯解吸−扩散过程。以焦煤为例,采用压汞测试、纳米级工业CT扫描和数值仿真,精准重构并定量表征了煤孔隙空间结构,从微观角度分析了瓦斯解吸−扩散−渗流的演化过程,初步探讨了煤孔隙空间结构对瓦斯运移的影响。结果表明:① 在孔隙中心位置的瓦斯压力相对较高,解吸−扩散由孔隙中心向边缘进行,不同时间及位置上瓦斯压力分布规律差异明显,造成瓦斯压力分布差异性的原因在于各代表性体积(REV)单元中孔隙与喉道的半径、长度、形状、连通性能不同。② 孔隙结构和拓扑优势拓展了瓦斯解吸−扩散−渗流范围,大尺寸孔隙结构能为气体分子提供多元化运动空间,削弱尺寸效应对扩散广度的影响,促进瓦斯解吸−扩散速率。③ 强非均质连通孔隙结构中,瓦斯渗流分散而高效,能通过广泛沟通煤基质完成气体由扩散到渗流的转变,提升瓦斯传质效率;弱非均质连通孔隙结构中,气体渗流路径单一、流线集中,渗流传质阻力较大,气体分子由扩散到渗流的转变效率低,不利于瓦斯高效运移。研究结果从微观角度丰富了煤体瓦斯运移理论,为瓦斯抽采工程实践提供了理论基础。
无煤柱切顶留巷覆岩破坏特征及微震实测研究
张颖异, 王同
2024, 50(3): 131-141. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023100062
摘要:
为进一步研究无煤柱切顶留巷技术开采后的覆岩破坏规律,以柠条塔煤矿S1201−Ⅱ工作面为工程背景,采用物理相似模拟与数值模拟的研究手段,结合现场微震监测技术建立了微震波形数据库,研究了随工作面持续开采,无煤柱切顶留巷不同阶段的覆岩采动裂隙演化及应力空间展布特征,得出了工作面覆岩周期性破断规律。研究结果表明:工作面发生初次来压时的覆岩裂隙发育高度为57.6 m,切顶前中部裂隙带发育高度为95.5~96.1 m,裂采比为23.8~24.0,边缘侧裂隙发育高度为105.9~106.4 m,裂采比为26.4~26.6。切顶后工作面两侧裂隙带最终发育高度为104.3~105.2 m,裂采比为26.1~26.3,工作面中部裂隙带由于上覆岩层的不断压实弥合,最终发育高度为94.3~95.2 m,裂采比为23.6~23.8。当巷道分别处于掘进、切缝阶段,顶板位移基本没有产生改变;当其进入顶板下沉、切顶成巷阶段,顶板位移不断增大。切顶卸压完成后,巷道侧支承压力峰值增大,表明切缝之后的工作面跨度进一步增大,倾向支承压力不断增大;工作面顶板卸压效果显著,顶板产生大范围应力释放现象。在该工作面布置了微震监测系统,发现微震事件的周期性产生与工作面周期来压有强关联性,其发展过程可划分为萌芽期—发展期—高潮期,进一步综合得出覆岩的周期性破断演化规律。
大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应研究
高利军, 晋发东, 梁东宇, 杨文斌, 汤业鹏, 王同
2024, 50(3): 142-150. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023100064
摘要:
煤层倾角是造成大倾角采场采动力学行为呈现复杂性、特殊性,诱发众多灾害事故的重要因素之一,为揭示煤层倾角对大倾角采场围岩控制及矿压显现特征的影响规律,采用物理相似模拟和数值计算相结合的研究方法,在综合分析了大倾角工作面顶板破断运移及矸石滑滚充填特征的基础上,利用有限元−离散元(FLAC2D-PFC2D)耦合算法建立了不同倾角的大倾角采场耦合数值模型,研究了大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应。结果表明:① 采动作用下,大倾角采场顶底板内围岩应力均呈非对称拱形分布,随着煤层倾角增大,拱形垂直应力释放区范围和向上部偏移程度逐渐增大,但水平应力释放区范围和应力值逐渐减小,无论是垂直应力还是水平应力都易在工作面上下端头顶板处出现应力集中,但最大集中应力会随煤层倾角的增大而减小;大倾角工作面顶底板内应力大小和传递方向均存在非对称特征,随着煤层倾角增大,工作面顶底板应力拱高逐渐降低,围岩应力的传递方向以围岩涌向采出空间为主,由初始近似竖直方向逐渐偏转趋于工作面垂向。② 工作面顶板破断及矸石的滑滚充填具有时序性和分区演化特性,并随煤层倾角的改变而呈现一定的倾角效应。随着煤层倾角增大,直接顶的初次破断位置将逐渐向工作面倾向上部区域转移,同时由于重力沿工作面倾向的分力变大,矸石沿倾向的充填程度更为密实,但充填长度减小,工作面中上部区域高位岩层的破碎程度和空洞范围增大。③ 采空区内矸石对围岩的作用机制主要体现在提供侧向应力和竖向支撑2个方面,且受矸石重力作用影响较大,会随煤层倾角改变呈现较强的倾角效应。
甜水堡煤矿煤巷支护参数与设备工艺优化研究
孟键, 朱长华, 牛志军, 王旭锋, 吕昊
2024, 50(3): 151-159. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2024010016
摘要:
目前巷道快速掘进技术研究主要针对巷道快速掘进的影响因素、设备优化等,对巷道空顶距、支护参数、施工工艺联合优化的研究较少。针对该问题,以甘肃省环县甜水堡煤矿2号井1309工作面回风巷为研究对象,对煤巷支护参数与设备工艺优化方法进行研究。分析了巷道掘进各工序的用时特征,得出掘进、永久支护、临时支护用时最多,占比分别为25.3%,49.9%,6.2%;以耗时最长的3个工序为重点优化方向,构建了掘进工作面空顶区顶板力学模型,得出掘进工作面理论最大空顶距为2.32 m,考虑现场受设备、地质、工艺等因素影响,确定空顶距为2.0 m;根据不同支护方案下巷道围岩应力、变形、塑性区的分布特征,结合巷道高效掘进需求,确定最佳锚杆间排距为800 mm×1 000 mm。结合巷道实际的地质条件,配套优化了掘进设备、临时支护工艺与施工工艺。现场试验结果表明,优化后最大日进尺由8 m提高到10 m,巷道掘进速度提高了25%;巷道围岩变形基本处于稳定状态,最大变形量为226 mm。优化方案不仅保证了巷道的安全稳定,还显著提高了巷道的掘进速度。
水力压裂弱化顶板护孔技术
薛江达, 孙永康, 王军, 张庚
2024, 50(3): 160-166. doi: 10.13272/j.issn.1671-251x.2023080114
摘要:
煤矿工作面单翼布置顺序开采的情况下,工作面顺层钻孔容易受到邻近工作面采动支承应力影响导致钻孔失效。现阶段的护孔研究集中在增强钻孔本身强度,未针对影响钻孔稳定性的根本性因素提出解决措施。针对上述问题,提出了一种水力压裂弱化顶板护孔技术。通过水力压裂弱化顶板,减小作用在邻近工作面煤体上的采动支承应力峰值,阻断高支承应力向顺层钻孔周围煤体的传递,并在顺层钻孔内全程下筛管,保证煤体逸散出的瓦斯可以进入顺层钻孔。采用数值模拟分析了水力压裂弱化顶板前后顺层钻孔周围煤体垂直应力和塑性区变化规律,结果表明:通过水力压裂弱化顶板,顺层钻孔周围煤体的垂直应力峰值由21.2 MPa降低为9.1 MPa,煤体塑性区范围由19 m减小为11 m。根据数值模拟结果确定的水力压裂参数进行了现场测试,结果表明:采用水力压裂弱化顶板护孔技术后,钻孔瓦斯抽采体积分数平均值由3.6%提高到14.1%,瓦斯抽采混合流量平均值由1.28 m³/min降低为0.464 m³/min,未出现大范围顺层钻孔内发生煤体氧化而产生CO的情况。因此,水力压裂弱化顶板护孔技术可有效避免钻孔失效漏气,提高钻孔抽采效果,保证钻孔抽采安全。