矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建关键技术与装备

• 矿山灾害生命保障救援通道快速安全构建关键技术与装备

  田宏亮;邹祖杰;郝世俊;曹明;周光华;黄勇;顾海荣;王雷;

  矿山发生重大灾害事故导致井筒、巷道破坏，人员被困井下时，通过安全、高效地构建救援通道是最有效的救援方式。救援通道包括井下、地面2种形式，井下具备施工条件时，构建穿过坍塌段的大直径救援通道，是最直接的方式；井下不具备施工条件或易发生次生灾害时，则需先在地面快速、精准钻进小直径搜救孔，确定井下被困人员位置及身体状况，并及时输送给养，再构建大直径救援井，采用专用救援提升装备保障被困人员升井脱困。研究涵盖机械工程、钻井工程、电气工程、软件工程、流体力学、岩土力学、动力学、先进控制技术等多学科多领域，将理论分析、数值模拟、实验研究、型式试验、工程示范相结合，以“救援通道构建装备研制—生命保障通道构建技术开发—大直径救援通道构建技术开发—地面提升救援装备开发—技术与装备集成及工程试验”为主线，开发钻孔救援关键技术与装备。研制了3套应急救援集成装备，ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机最大提升力1 200 kN、最大转矩50 000 N·m，开发了钻机与配套机具的一体化集中控制系统，单根起下钻效率小于3 min/根；XZJ5240JQZ30型救援提升车开发了多传感器信息融合的通信监测控制系统，提升系统最大救援深度848 m;ZDG1500型井下大直径顶管机直径1 630 mm，最大顶推力8 541.2 kN。开发了复杂地层生命保障孔快速、精准钻进技术，地面大直径救援井精准、安全、高效钻进及透巷技术，井下大断面救援通道顶管快速施工技术3项矿山应急救援通道构建技术。在宁夏宁煤梅花井矿开展了国内首次生命保障孔及大直径救援井施工、救援提升的集成研究和工程示范，完成井径215.9 mm、井深670.5 m生命保障孔，用时46.83 h，井底水平位移偏移0.27 m，满足72 h黄金救援时间内成孔要求；完成井径830 mm、井深654.1 m救援井，井底水平位移0.19 m，介质溃入井下约7.5 m~3，并在救援井内成功进行了救援提升技术与装备试验。在广东省基础工程集团有限公司碎石场开展了顶管钻进工程模拟坍塌条件下的试验，施工长度102.5 m，日进尺43.92 m，顶进误差0.35 m。相关成果在湖南源江山煤矿、山东栖霞金矿、新疆丰源煤矿等5次矿山灾害应急救援中进行了应用。开发的3项救援通道施工技术及3套救援装备，构成了具有自主知识产权的矿山井上井下联合救援技术与装备体系，可满足600 m深度的矿山应急救援需求，为我国矿山灾害救援提供技术装备支撑。

  2022年11期 v.50;No.299 1-13页 [查看摘要][在线阅读][下载 3053K]
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• 矿山救援地面生命保障孔高效成孔关键技术

  张彪;康玉国;黄勇;张明;周光;任英举;刘建林;高科;赵研;

  地面生命保障孔作为井下被困人员的保障通道，是矿山事故造成人员被困井下时重要的地面应急救援方案之一，面对救援区易坍塌、易漏失、涌水大、易斜地层等复杂条件，单一成孔工艺存在地层适应性匹配差、综合钻进效率低、透巷难度大等问题，无法满足救援要求。为形成生命保障孔高效成孔工艺技术体系，提高应急救援响应速度，从解决钻效低、透巷难等科学问题和关键技术入手，快速安全钻进和精准透巷是高效成孔的两个核心任务：围绕快速安全钻进，针对深厚覆盖层、复杂基岩层，开展高压射流、空气潜孔锤跟管、复合钻进、空气潜孔锤、双钻头自平衡等钻进工艺研究，形成了深厚覆盖层安全高效钻进、基岩层复合“一趟钻”提速增效、基岩层空气潜孔锤“一趟钻”提速增效等安全快速钻进技术组合；围绕精准透巷，依据不同钻进工艺孔身轨迹控制机理，阐述了复合钻进轨迹监测控制与空气钻进轨迹监测关键技术方法，针对应急救援现场大偏移井无法透巷难题，提出了超短距离螺旋纠偏技术。成果应用于宁夏梅花井矿生命保障孔工程试验，钻孔深度670.50 m，成孔孔径215.9 mm，用时46.83 h，平均钻速14.32 m/h，孔底水平偏移0.27 m，从开钻至下套管高效成孔总用时55 h，证明该工艺技术体系能确保生命保障孔在72 h黄金救援时间内高效成孔，为地面应急救援钻孔的施工提供技术支持。

  2022年11期 v.50;No.299 14-23页 [查看摘要][在线阅读][下载 2748K]
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• 气动潜孔锤技术在矿山事故钻孔救援中的应用

  赵江鹏;郝世俊;

  气动潜孔锤作为一种高效冲击破岩工具，在国内外矿山事故钻孔救援中发挥了重要作用。笔者从破岩机理、结构型式、钻井方法与规程等方面阐述了气动潜孔锤的技术特点，着重分析了气动潜孔锤反循环类型及其特征。结合山西王家岭煤矿透水事故、山东平邑石膏矿坍塌事故、山东笏山金矿坍塌事故等成功救援案例，阐述了气动潜孔锤正循环钻进、气动潜孔锤与泥浆螺杆组合纠偏钻进在小直径钻孔中应用情况，以及气动潜孔锤随钻测量技术的研究进展。对于较浅小直径钻孔，气动潜孔锤采用保直钻进工艺可直接命中井下巷道；对于较深小直径钻孔，采用气动潜孔锤与泥浆螺杆纠偏组合钻进，方可命中井下巷道。结合国内外地面大直径救援钻孔成功案例，以及矿山大直径工程钻孔典型案例，介绍了气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等推广应用情况，气动潜孔锤下排渣最大钻深达688 m，气动潜孔锤反循环最大钻深达654.1 m。针对我国矿山开采逐渐向深部发展，矿山分布散、区域广，地质类型多、差异大的特点，面向复杂地层深孔救援，分析了小直径钻孔气动潜孔锤技术存在的不足之处，重点分析了大直径救援孔气动潜孔锤正循环、下排渣、反循环等技术面临的主要问题，明确其复杂地层钻进时技术缺陷实质，建议进一步开展气动冲击定向钻进技术、大直径钻孔气液双循环钻进技术的研究。

  2022年11期 v.50;No.299 24-34页 [查看摘要][在线阅读][下载 2252K]
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• 地面救援车载钻机的研制

  凡东;邹祖杰;王瑞泽;鲁飞飞;刘祺;王贺剑;

  矿山发生事故导致人员被困井下时，通过地面钻孔进行救援是一种有效的手段。救援车载钻机可适应多种钻进工艺，具有地层适应性广、机动性高、事故处理能力强等优点，是矿山事故救援的理想机型。鉴于国产车载钻机在生命保障孔及大直径救援井施工中存在的不足，研制了ZMK5550TZJF50/120型车载钻机，开发了适应多种工艺的大能力动力头，采用大通孔主轴、大通径冲管、气举反循环气管安设接口等设计，转速转矩调节范围宽，可满足多种钻进工艺，实测最大转矩51 350 N·m，具备施工大直径钻孔和处理事故能力；设计了油缸-钢丝绳伸缩式桅杆给进装置，实现长工作行程14 m，短运输尺寸13.6 m，实测最大起拔力1 205 kN，具备孔内事故强力解卡的能力。将动力及电液控制系统集成至动力泵站，为车载钻机、钻杆输送系统、井口平台提供动力源和控制源，分体式布局解决了钻进能力提升与整机质量尺寸间的矛盾，满足道路运输要求，能充分发挥钻机的高机动性。为提高起下钻效率、机械化程度，减少工人数量并降低劳动强度，研制了钻具自动加卸系统，通过HG2-01型换杆装置、液压提引装置、自动拧卸装置协同作业，实现起下钻具效率小于3 min/根。钻机在宁夏梅花井矿完成了直径830 mm、深度624.1 m救援井的施工，平均机械钻速3.1 m/h，透巷井深654.1 m，具备600 m深度的钻孔救援能力，为我国矿山灾害救援提供了装备保障。

  2022年11期 v.50;No.299 35-44页 [查看摘要][在线阅读][下载 3506K]
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• 大直径钻孔救援提升装备研究进展

  顾海荣;单增海;王龙鹏;邵涛;邹祖杰;高子渝;

  大直径钻孔救援是一种高效的矿井应急救援方法，大直径钻孔救援提升装备的作用是将被困人员通过大直径救援井安全可靠地提升至地面，是大直径钻孔救援体系的关键设备之一。随着大直径钻孔救援技术逐渐被行业认可，大直径钻孔救援提升装备也取得了长足发展，形成了固定式和移动式两种提升装备类型及多种技术路线，我国在移动式大直径钻孔救援提升装备领域的研究取得了重要进展。按照功能模块，将大直径钻孔救援提升装备分为救援提升平台、救援提升舱和救援提升信息化系统3部分，总结归纳了救援提升平台承载运输系统型式、提升支持系统结构、卷扬提升系统卷扬滚筒结构、制动系统、钢丝绳抗旋转技术与缺陷在线检测技术、提升舱结构、救援提升过程信息融合技术、救援井结构参数检测与三维模型重构技术领域的研究成果。指出：基于大吨位全地面起重机的大直径钻孔救援提升平台，通过能力强、场地适应能力好、提升方便、稳定，能够更好地适应救援提升过程偶发性、随机性的需求；救援提升舱的柔性可弯曲结构设计，能够显著提升通过能力；大直径救援井、提升舱和救援提升平台的信息融合是提升过程科学操作和决策的基础，救援提升过程数字孪生化是大直径钻孔救援提升装备未来的发展方向。

  2022年11期 v.50;No.299 45-57页 [查看摘要][在线阅读][下载 2965K]
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• 煤矿大直径救援钻孔顶管钻进装备关键技术研究

  王雷;朱玉芹;张维娜;刘昊;赵文渤;杨闯;王冠雄;

  为解决煤矿坍塌巷道的救援难题，提高坍塌巷道大直径救援孔的钻进速度，提出了采用顶管工艺进行大直径钻孔施工。通过布置在硐室内的主顶装置，推动可以接续的管节及刀盘，对坍塌岩体完成破岩及排渣作业，最终形成由顶管管节组成的救援通道。研发了坍塌岩体条件下的大开口复合刀盘，由10把切刀、10把滚刀及2把刮刀组成，开口率为40%，能够满足大粒径渣石快速破碎的需求。研发了小直径顶管救援装备驱动系统及外周驱动、破排一体的新型排渣系统，主要结构包括出渣管、行星减速器、大齿轮、刀盘、电机等，电机带动刀盘及出渣管转动，出渣管内部焊接有螺旋的排渣条，煤岩破碎后进入刀盘，再由排渣管连接刮板机进行连续出渣，最大排渣粒径为300 mm，能够解决大流量大颗粒排渣需求和排渣系统小空间布置困难的问题。搭建了坍塌巷道的堆积体试验环境，完成煤矿顶管救援装备的工业性试验，顶进距离为102.5 m，折合日进尺为43.92 m，形成内径1 575 mm的救援通道，并实测得出顶进过程中的刀盘转矩和推进力的变化趋势。研究成果对提升我国应急处置与救援装备技术水平，对灾变条件下最大程度减少人员伤亡和财产损失具有重要意义。

  2022年11期 v.50;No.299 58-66页 [查看摘要][在线阅读][下载 2731K]
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• ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机钻压自适应电液系统研究

  常江华;赵良;鲁飞飞;王龙鹏;杨江波;

  车载钻机机动性强、工艺适应范围广，是救援钻孔施工的理想机型，传统的车载钻机均采用液控、液驱的方式，存在控制参数显示不直观、管线较多、难以实现闭环控制等难题，钻遇复杂地层时，司钻人员的反应速度往往难以适应工况的变化，不利于钻孔安全。为满足救援钻孔施工安全、自动化程度高的需求，ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机采用电控、液驱的方式。根据回转和给进两大主要执行机构的负载特性，设计具有无级调速和防吸空特性的回转驱动系统、具有防坠落功能的给进驱动回路；根据系统的控制、监控和驱动要求，设计集中操控和显示的救援钻机电控系统，实现分布式总线协议部署以及具有优先级的闭环散热调节；选取对钻压控制有影响的7个参数，采用BP神经网络技术对历史数据进行了训练、验证和测试，获取钻进参数与钻压控制的连接权值矩阵，实现对钻压的自适应控制(Weight on Bit,WOB)。该钻机在宁夏梅花井现场工业性试验中完成了预定的钻孔工作，电液系统运行稳定，温度控制系统可保证液压系统油温保持在40～60℃区间，柴油机冷却液温度保持在70～90℃区间，验证了温度闭环自适应控制系统的工作效果。ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机初步建立了钻压自适应控制模式，但由于地层的多样性和复杂性，还需要不断丰富样本数量、提高系统计算速度，使钻压自适应控制系统对地层的适应性更强。

  2022年11期 v.50;No.299 67-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 2407K]
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• 救援车载钻机同步自平衡式给进系统设计与应用

  邹祖杰;田宏亮;刘庆修;常江华;刘祺;朱国栋;

  车载钻机是矿山事故地面钻孔救援的核心装备，在国内外历次成功救援中发挥了重要作用，给进系统是车载钻机的主要执行机构，使用过程中暴露出长工作行程制约整机通过性、定位轮系维护困难、双油缸运动同步性不强、动力头偏载引起导轨磨损、液压表显示起拔力延时等问题。研制的ZMK5550TZJF50/120型救援车载钻机采用基于油缸—钢丝绳倍速传动机构的伸缩桅杆式结构，实现了长工作行程和短运输尺寸；设计快换式轮系、钢丝绳防扭转张紧系统，解决一二级给进机身的辅助定位系统安全保护和维护困难的难题；采用给进系统油路同步补偿和先导控制技术，解决给进装置双油缸同步的难题；研发抽屉式调平体和测力销轴结构，实现动力头钻进过程中自平衡式调节及起拔力监测。经过静态、模态分析、应变测试和现场工业性应用，给进系统最大起拔力达1 205 kN，能够有效处理大直径救援井施工过程中卡钻、埋钻等孔内事故，配合动力头、钻杆加卸系统，具有快速起下钻具功能，可大幅度提高倒杆效率，单根起下钻效率小于3 min/根。研究结果表明：救援车载钻机伸缩桅杆式给进装置运输尺寸短，钻机机动性强，道路通过性好；现场试验中处理了多次孔内卡钻、埋钻事故隐患，稳定和可靠性较高、可维护性好、起拔力监测准确、倒杆效率高，可以满足600 m深度救援井施工需求。给进装置轻量化，以及执行系统、传动系统、动力系统之间的响应匹配优化研究是今后的重点方向。

  2022年11期 v.50;No.299 76-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 3414K]
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• 救援钻孔用双钻头扭矩自平衡钻进系统理论与实验

  高科;张聪;赵研;李旭;闻育民;吕晓姝;谢晓波;

  快速安全构建应急救援通道是在矿山事故发生后解救井下被困人员的有效方法，常规救援井钻进技术主要有潜孔锤冲击钻进技术和复合钻进技术，存在钻机结构庞大、钻进工艺复杂、对地层扰动大和中靶率低等不足，尤其在破碎地层易产生二次事故，很难有效满足救援要求。为确保救援钻孔的地层适应性和孔壁稳定性，提出了双钻头扭矩自平衡钻进方法，建立了双钻头逆向驱动数学模型，通过独立逆向驱动内外2个钻头实现双钻头的同步逆向回转碎岩，上部钻具主要受简单的轴向拉压力作用，对井壁产生的扰动微弱。同时，双钻头交替给进互相扶正，可有效防止孔斜，实现精确中靶。双钻头扭矩自平衡钻进系统主要包括近钻头驱动局部扭力闭式自平衡、内外钻头钻压调节和钻具传压隔扭3大部分。依据该系统的功能需求，设计了钻具整体结构系统，并利用有限元分析软件对内钻头传扭轴、调压丝杆和传压隔扭轴承座等关键部件进行强度校核与优化，研制了一套双钻头扭矩自平衡钻进系统功能样机。对整套系统双钻头同步回转、交替给进、系统密封和自动控制等进行一系列测试和调控检测，并开展针对软、中硬和硬3种不同岩性岩石的室内钻进试验，结果表明：该系统对孔壁和岩心的扰动小、中靶率高，在不同岩性地层均具有较高的钻进速度，验证了双钻头在近钻头驱动下扭矩自平衡的可行性，为矿山灾害生命保障救援通道的快速安全构建提供了一种安全高效的方法。

  2022年11期 v.50;No.299 85-93页 [查看摘要][在线阅读][下载 3161K]
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• 矿山钻孔救援多源信息探测技术研究与应用

  郑学召;孙梓峪;郭军;张铎;陈刚;何芹健;

  矿山钻孔救援是一种新型救援技术，在其救援过程中为快速准确获取钻孔通道信息、被困人员位置距离、灾区气体环境特征，实现井下被困人员与井上救援指挥人员的双向视音频通信，采用多源信息融合、双码流网络视频服务、边缘计算、本安型电路控制及超宽带雷达等技术方法进行理论攻关和技术研发，提出2个关键技术：灾区多种传感器数据实时采集与传输技术、隐蔽空间生命信息探测技术，前者能够实现钻孔救援过程中多源信息的实时探测与呈递，而后者能够实现障碍物后的人员生命信息探测和定位。在此基础上进行样机试制和现场试验，研发出矿山钻孔救援多源信息探测系列设备：大容量便携式本安电源、超宽带雷达探测系统(可穿透障碍物探测生命)、钻孔救援多源信息(视音频、温度、气体环境参数)探测系统，运用该套设备参与山东平邑石膏矿、山东笏山金矿事故救援，均成功探测到被困人员，检测了钻孔通道信息和井下环境信息；在新疆丰源救援事故中对井下涌水、气体环境进行了实时监测，避免了救援人员的二次伤亡。系统包括潜水、视音频环境监测钻孔探测器、基于双绞线的钻孔通信线轮盘、系统监测终端。成果的研发与应用能够为长距离钻孔内多源信息探测提供一定的装备支撑和技术借鉴。

  2022年11期 v.50;No.299 94-102页 [查看摘要][在线阅读][下载 3589K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 煤层气生物工程关键预处理技术及其作用机制评述

  鲍园;常佳宁;刘向荣;夏大平;王亚亚;

  煤层气生物工程是以实现煤炭资源清洁化利用和煤层气资源强化采出为目标的一项新兴技术。为探究煤层气生物工程关键预处理技术的特点、生烃潜力及其作用机制，对不同预处理技术进行了归纳与总结，并按煤(有机质)与菌(微生物)的作用方式将预处理技术分为菌群优化与改良、煤的溶解与氧化、生物刺激与协同3种类型，通过不同预处理技术下微生物降解煤生成甲烷能力的强弱关系的比较，认为不同预处理技术均对生物甲烷具有增产作用，其中，菌群优化与改良技术增产效果最高，达到428.6%～2 335.2%(平均1 025.4%)，是通过提高产甲烷菌丰度或提升菌群数量来达到增产甲烷的效果，适用于烟煤储层及微量元素充足条件；其次是煤的溶解与氧化技术，甲烷增幅达17.6%～733.3%(平均223.4%)，作用机制是增加生物酶水解作用位点、降低煤分子间作用力、脱落含氧官能团、降低煤结晶度和破坏煤的芳香结构使煤更容易被微生物利用，适用于高阶煤储层及低孔低渗条件；生物刺激与协同技术，甲烷增幅达28.3%～620.5%(平均148.6%)，是利用不同方式刺激微生物体内的生物酶活性和增加菌-煤接触面积来增产生物甲烷，适用于褐煤储层及胍胶压裂条件。研究结果对于丰富煤层气生物工程基础理论和指导现场工程应用均具有重要的科学意义。

  2022年11期 v.50;No.299 103-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 14248K]
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• 黄陇煤田大佛寺井田煤层气成因机制研究

  刘恺德;姚凯文;陈能远;范章群;李姝佳;郑涵;岳文萍;李晓龙;

  摘要:彬长矿区大佛寺井田为典型的黄陇侏罗纪低阶煤煤层气田。井田内煤层气井较多，但有关煤层气成因机制方面的研究较少。厘清井田内煤层气地球化学特征及成因机制，对深化煤层气的形成机理认识和科学评价煤层气资源量具有重要指导意义，可为煤层气高、低产井产能差异化分析提供重要依据。采集研究区内6口煤层气井井口排采气样品，22块4号煤层煤样及煤层水和地表水样各1件，开展显微煤岩组分、气体化学组分、碳同位素和水样水质检测，并结合部分研究区相关的文献数据，分析大佛寺井田煤层CH_4碳同位素特征、成因类型及偏轻机理。结果表明：大佛寺井田主采的4号煤层显微煤岩组分中，有机组分含量明显趋高，平均为93.2%，其中，惰质组最具优势，平均68.2%；镜质组次之，平均22.8%，镜质体反射率R_(max)平均0.65%。煤层气组分以CH_4为主，CH_4体积分数为73.805%～98.006%，平均83.753%;N_2体积分数为1.259%～25.735%；平均15.220%;CO_2体积分数为0.040%～2.380%，平均1.023%;C_2及以上重烃含量平均不足0.005 4%;C_1/C_(1—n)>0.999;CH_4和N_2含量呈明显负相关性，煤层气组分在成藏后期受空气影响明显。δ~(13)C_1为-80.516‰～-62.400‰，平均-73.000‰；δ~(13)CCO_2为-41.693‰～-7.065‰，平均-18.660‰。大佛寺井田煤层气为次生生物成因气，其显著标志为δ~(13)C_1偏轻和重烃含量极少，呈现典型特干气特征，偏轻机理在于其绝大部分由CO_2还原而成，少量由乙酸发酵而成，且在这两种途径的生气过程中，最终均会出现生物甲烷富集轻碳同位素的结果，从而导致δ~(13)C_1偏轻。

  2022年11期 v.50;No.299 115-124页 [查看摘要][在线阅读][下载 2376K]
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• 乌兰图嘎富锗煤中微量元素在不同密度级煤中的分布特征

  段飘飘;王文峰;马萌芽;

  煤系关键金属的开发利用对于缓解我国战略性矿产资源紧缺具有重要意义。内蒙古胜利煤田乌兰图嘎低阶煤中除富集关键金属Ge以外，同时富集有害元素Be、F、As、Hg、Sb和W，出于对关键金属的提取利用及环境保护2个方面考虑，须对研究区煤炭进行洗选处理。基于前期研究认识，浮选对于乌兰图嘎煤中As、Sb和W脱除效果相对较好，对于F和Hg的脱除效果较差，基于此，采用浮沉实验(重选法)以及XRD、XRF、SEM-EDS和EMPA等实验方法和测试手段，研究关键金属Ge以及Be、F、As、Hg等有害元素在不同密度级煤中的分布特征，结果表明：(1)乌兰图嘎煤中矿物主要包括石膏、石英、黄铁矿、高岭石等，矿物含量随煤密度级增大而增加，电子探针分析结果表明，Co、As、Sb和Hg赋存在黄铁矿中。(2)经过重选，低密度精煤中Ge元素富集，表明Ge主要以有机态存在，Be、F、As等可能与有机质相关，或者赋存在嵌布于有机质中的微细粒矿物中，煤中Hg和大部分亲石性元素在高密度级煤中含量较高，表明其赋存在矿物中。(3)重选对于Hg元素的脱除效果较好，对Be、F、As和一些亲硫或亲铁性元素浮选脱除效果优于重选。建议乌兰图嘎低阶煤使用重选-浮选联合脱除法进行有害元素的脱除。

  2022年11期 v.50;No.299 125-133页 [查看摘要][在线阅读][下载 3326K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 煤层底板水害区域注浆治理影响因素分析与高效布孔方式

  虎维岳;赵春虎;吕汉江;

  对于导、含水岩层进行超前区域注浆改造与加固是华北型煤田煤层底板岩溶水害防治的主要技术手段。根据超前区域注浆改造技术应用的矿井水文地质基本原理，结合煤层底板水文地质结构、采动影响、定向钻进成孔与浆液扩散能力，以及受注岩层边界条件等因素，分析了治理煤层底板薄层灰岩与厚层灰岩水害的超前区域注浆改造与加固的一般应用模式。并从受注岩层地质条件、注浆材料、注浆工艺等方面，分析得出受注层的空隙连通性、开启性、粗糙性、孔隙水承压性，注浆材料的粒度、黏滞性、时变性、结石能力，以及注浆压力、钻孔空间布置、注浆方式等，是影响煤层底板岩溶水害超前区域注浆治理效果的主要因素。另外，依据注浆过程中有效注浆压力计算公式，分析得出浆液在钻孔和裂隙中流动时由于受到钻孔和岩层空隙综合阻力的抑制，水平孔中沿程有效注浆压力逐步衰减，易形成“锥形”浆液扩散范围。最后，针对目前常用的超前区域注浆孔水平段分支孔平行布孔模式，由于间距过大和有效注浆压力衰减可能造成的注浆孔间盲区问题，根据注浆孔水平段有效注浆压力与浆液扩散范围的衰减规律，以消除注浆盲区为目标，提出了长距离错位平行分支孔、长距离逆向互补弧形分支孔、短距离羽状分支孔等3类注浆孔高效布孔模式，可为煤层底板水害超前区域高效治理技术科学应用提供依据。

  2022年11期 v.50;No.299 134-143页 [查看摘要][在线阅读][下载 2327K]
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• 宁东能源化工基地粉煤灰重金属赋存特征及生态风险评价

  张治国;谭雨柠;胡友彪;郑永红;陈登红;蔡维卿;李雅婷;卢江伟;

  为拓展粉煤灰的资源化利用，以宁夏宁东能源化工基地鸳鸯湖电厂粉煤灰为研究对象，使用扫描电镜、能谱分析和X射线衍射等测试方法对粉煤灰理化特性进行表征和分析，并采用酸消解法、DTPA浸提法和Tessier五步提取法，对粉煤灰中铅(Pb)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、镉(Cd)和砷(As)6种重金属的全量、有效态、不同形态含量进行了测定。采用风险评价编码法(RAC)、次生相与原生相比值法(RSP)和潜在生态风险指数法评估粉煤灰重金属生态风险。结果表明：(1)粉煤灰微观结构良好，密度小，速效钾和速效磷含量丰富。(2)粉煤灰中6种重金属元素全量和平均值均超过宁夏地区土壤环境背景值，但未超过其他农用地土壤污染风险筛选值(基本项目)，超标倍数大小顺序为Pb、Cu、Cr、As、Cd、Ni。6种重金属元素有效态含量均未超过宁夏地区土壤环境背景值和其他农用地土壤污染风险筛选值。(3) RAC评价结果表明，As具有极高生态风险，Cd、Cu和Ni具有中高风险，Cr、Pb分别为低风险和无风险。RSP评价结果表明，重金属As为轻度污染，Pb、Cr、Ni、Cu、Cd均为无污染。潜在生态风险指数法结果表明，粉煤灰中6种元素全量和有效态潜在生态危害指数(RI)处于Ⅰ级，轻微生态危害水平，其中Cd是生态风险的主要贡献元素。因此，粉煤灰可以作为煤矿胶结充填材料进行大规模资源化利用。

  2022年11期 v.50;No.299 144-152页 [查看摘要][在线阅读][下载 3166K]
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• 水泥基注浆材料析水时变特性量化试验研究

  张润畦;徐斌;尹尚先;李树霞;常永旺;连会青;曹敏;

  水泥基胶结性材料是注浆工程中最常见的注浆材料，这类材料存在明显的析水效应，获得析水厚度的量化公式有助于提高浆液扩散半径的计算精度。通过试验观察叶腊石粉掺量(0%～35%)、聚乙烯醇掺量(0%～8%)与粉煤灰掺量(0%～90%)3种掺合料在水泥基浆液中的析水过程，获得三者的析水率、结石率、最终析水时间与析水厚度变化情况，认定浆液的析水厚度变化存在一定规律的析水时变特性，并引入皮尔生长曲线模型与幂函数模型，对其进行量化。结果表明：3种掺合料都可以降低析水率，其中，叶腊石粉对水泥基注浆材料析水率的影响程度最大，其次为粉煤灰，最后为聚乙烯醇；3种掺合料都可以增加结石率；叶腊石粉可以有效缩短浆液的最终析水时间，聚乙烯醇在1.5%～8.0%掺量内可以缩短浆液的最终析水时间，粉煤灰在10%～60%掺量内可以缩短浆液的最终析水时间；3种掺合料掺量的变化曲线都呈现半“C”形；采用数学模型对析水厚度数据进行拟合分析，由拟合优度R2评判可知，幂函数模型优于皮尔生长曲线模型，析水厚度变化规律比较符合幂函数模型。研究成果可为改良注浆材料和完善非稳定浆液运移扩散理论提供重要的基础数据。

  2022年11期 v.50;No.299 153-161页 [查看摘要][在线阅读][下载 2323K]
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• 砂-重晶石粉填料导热性能与传热机制研究

  贾海梁;朱子贤;周阳;孙强;

  地埋管地源热泵是浅层地热能利用的一种主要形式，回填材料的热物性尤其导热系数是影响热泵系统换热效率的关键。以砂和重晶石粉作为研究对象，探究不同重晶石粉掺比(体积分数)以及不同饱和度样品导热系数的变化规律；并基于体视镜、核磁共振分析等宏细观实验，揭示重晶石粉对回填材料导热系数提高的机制；最后，通过数值模拟手段研究该回填材料导热性能对换热效率的影响。研究表明：重晶石粉对回填材料导热系数的影响显著，掺比20%重晶石粉对回填材料导热系数提高的效果最好，最高可使导热系数提高52.09%；水的含量对导热系数影响也很显著，样品饱水后导热系数明显增加，相比干燥样品提高了4～5倍；重晶石粉对回填材料导热系数的提高主要由包裹效应和填隙效应引起，包裹效应为重晶石粉将砂颗粒表面包裹，而填隙效应则是重晶石粉将砂颗粒之间的孔隙填充；数值模拟结果证明重晶石粉提高回填材料导热系数进而提高地源热泵换热效率的可行性。研究成果为地源热泵回填材料的选择提供了参考。

  2022年11期 v.50;No.299 162-173页 [查看摘要][在线阅读][下载 3516K]
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煤田物探 矿井物探

• 采掘工作面地质信息数字孪生技术

  李鹏;程建远;

  矿井地质透明化是智能化煤矿建设的基础，三维地质建模是实现矿井地质透明的重要手段，以往采掘工作面地质建模存在插值算法不符合地质规律、多源异构地质数据融合程度低，以及煤矿生产装备与地质信息耦合少等问题。提出煤矿采掘工作面地质信息数字孪生的概念，采用离散光滑插值(Discrete Smooth Interpolation,DSI)算法，利用钻探数据及地震构造解释数据地质建模，建立DSI平行相似约束后迭代计算得到的地质综合模型。开发了三维地质建模软件，实现了点(地质点)、线(地质界线、地层界线)、面(三维地质界面)、体(封闭地质体)4种地质对象的构建，在体对象基础上开发了立方网功能，基于区域统计学算法对体对象内的空间数据进行属性插值。使用建模软件构建掘进、回采工作面数字孪生的地质模型载体，接入微震监测系统、电阻率监测系统、随掘地震监测系统、随采地震监测系统实时监测数据，实现工作面地质信息数字孪生，反映采掘扰动下的地质变化；为煤矿掘进生产提供基于地质模型的场景仿真和掘进规划巷道断面曲线下发，指导掘进机自主掘进，提供掘进前方地质异常距离预警，保障掘进地质安全；为回采工作面提供基于地质模型的场景仿真和规划截割曲线，指导采煤机自主规划截割，提供回采前方地质异常构造位置、应力集中区位置距离预警，提高回采工作的安全性。该技术在内蒙古鄂尔多斯唐家会煤矿进行了应用，为安全、高效采掘工作提供地质保障。

  2022年11期 v.50;No.299 174-186页 [查看摘要][在线阅读][下载 3796K]
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• 透射槽波相邻道质心频率的层析成像方法

  田瀚;吴荣新;胡泽安;杨巧楠;

  槽波勘探是煤层工作面小构造探测的主要方法之一，该方法主要是利用槽波的能量衰减特征。当检波器的耦合差或工作面存在较大地质异常时，会显著影响槽波在不同频段上的能量分布，降低槽波探测结果的稳定性和准确性。利用槽波信号的质心频率变化特征进行反演成像是一种创新且有效的方法，但该方法存在震源质心频率准确估算及兼顾震源差异性的难题。为此，提出基于透射相邻道槽波信号，估算其质心频率相对变化量的层析成像方法。基于理论分析，推导出相邻道槽波质心频率相对变化量(M_i)的计算公式；采用二维数值模拟方法，验证槽波M_i值与传播距离的正向线性变化规律；通过槽波实测试验，对比分析了相邻道质心频率成像方法的效果。结果证明，槽波信号存在频移现象，槽波相邻道M_i值层析成像方法是有效，该方法克服了震源差异性和震源质心频率人为选择不当对成像结果造成的影响，为槽波勘探数据处理提供了一种新的思路。

  2022年11期 v.50;No.299 187-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 4220K]
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• 基于探地雷达的路基地下异常体全波形反演

  胡磊磊;陈康;黄德军;杨荣;

  路面塌陷及地下空洞隐患往往较为隐蔽且事发突然，造成了人们生命和财产的巨大损失，对于道路塌陷及地下空洞隐患的检测分析显得至关重要。探地雷达(Groud Penetrating Radar, GPR)因其具有精度高、效率快、连续无损、实时成像等优点，是目前城市道路塌陷隐患探测的主要方法。针对GPR传统目标函数全波形反演(Full Waveform Inversion, FWI)中激励源子波估计不准确而导致反演准确性和可靠性降低的问题，提出了一种褶积型目标函数FWI算法。对于路面塌陷及地下空洞2种情况，通过建立合成数据模型，与传统目标函数FWI的反演结果进行对比，说明了褶积型目标函数FWI算法在激励源子波估计不准确的情况下依然可以得到良好的反演结果，验证了该算法的有效性；最后将该算法用于2组不同灾害类型的GPR实测数据中，分析反演得到的地下介质相对介电常数分布情况，验证了褶积型目标函数FWI算法对于实测数据的实用性，从而为路基地下异常体探测提供理论依据。

  2022年11期 v.50;No.299 195-202页 [查看摘要][在线阅读][下载 2256K]
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• 《煤田地质与勘探》征稿简则

  <正>《煤田地质与勘探》于1973年创刊,月刊(2022年1月起变更),中煤科工西安研究院(集团)有限公司主办,是煤炭地质行业学术与实用技术并重的综合性期刊。主要刊载煤炭地质,矿井地质,煤系气,煤伴生矿产,水文地质,工程地质,环境地质,煤田物探,矿井物探,钻掘工程等方面,具有较高学术、技术水平和实用价值的基础理论、先进技术与方法、先进经验等科研或工程实践成果。本刊发表的文章在国内外具有较广泛的影响,欢迎煤炭地质及相关领域的广大科技工作者踊跃投稿。

  2022年11期 v.50;No.299 203页 [查看摘要][在线阅读][下载 679K]
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