煤炭工程

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• 双碳背景下煤矿能源系统多元互补利用模式研究

  葛志博,李　萌,孙　伟,王　伟,郭文兵,邓　波

  为提高矿井可利用资源高度集约化利用，文章通过能源系统多元互补利用构想提出了一种可基于煤矿自身基本生产特征和可利用资源情况的能源系统多元互补利用体系，梳理了该系统可应用的关键技术，构建了可持续利用能源供能的量化模型及评价指标。以陈四楼煤矿为工程背景，基于陈四楼煤矿的光伏发电技术、余热利用技术，对涉及的光能、矿井水余热、空压机余热进行量化分析。分析结果表明，部分能源的转化应用每年可节约900.85万元，CO2年减排10193.2t。证明本文所构建的煤矿能源系统多元互补利用体系，对促进资源高效利用、产业绿色健康发展，助力煤炭行业实现“双碳”目标要求，具有重要工程示范意义。

• 沙梁煤矿连采连充矸石固体充填—注浆工艺优化设计

  刘　辉,罗南洪,郭建平,杜超杰,宋宇晨,赵文华

  连采连充工艺可实现采-充平行作业，工作面设计灵活，对回收不规则块段煤炭资源具有显著优势。沙梁煤矿为了回收不规则煤炭资源以及处理矸石固废，采用连采连充矸石固体充填—注浆工艺。对比了全采全充、局采局充两套工艺，综合比较选择局采局充工艺。工作面长度控制在100m以内，支巷宽度按6m设计，其中采-充宽度为4.5m，留设1.5m煤柱。在支巷顶板挂设注浆管路，矸石固体充填完成后进行注浆，提高矸石充填体整体强度与稳定性。设计了充填系统与矸石固体充填-注浆工艺流程，优选了采煤与充填设备。开展了注浆材料流动性与强度测试，确定了注浆材料成分配比与合理浓度；结合注浆后矸石胶结体压缩特性，选用连续级配矸石进行充填。

• 刀柱式采空区遗留资源长壁综放复采关键技术及应用

  袁光明,张学亮

  针对刀柱式采空区遗留资源赋存情况不明、安全高效回收难度大的技术现状，以晋城矿区大桥矿为工程背景，系统研究了刀柱式采空区遗留资源长壁综放复采技术的适应性。首先，分析了单个刀柱的强度-尺寸效应，构建了刀柱式采空区煤柱群-顶板力学模型，研究了煤柱群-顶板系统的整体稳定性；其次，基于刀柱采空区遗留资源赋存特征探测分析，明确了复采工作面直接顶为散体结构、基本顶为块体结构，支架-围岩相互作用关系属于给定载荷状态，并据此构建了块体-散体顶板条件下的支护强度计算模型。现场回采验证表明，支架工作阻力满足回采要求，与理论计算相吻合；矿压显现整体可控，瓦斯非均衡涌出处于安全范围内，工作面资源回收率达到93.4%。研究结果验证了所提技术的合理性与科学性，可为同类刀柱采空区复采提供技术借鉴。

• 西湾露天煤矿采区间留沟模式及高度研究

  韩英华,张建清,董春雨,王恒荣,马　力

  为减少西湾露天煤矿采区转向期间二、三采区二次剥离量，在加高内排土场的条件下，对比分析倒梯形与倒三角两种留沟模式对剥离物料运输系统的影响，构建了留沟内排总费用模型。基于成本费用最小法，建立了留沟高度经济优化模型。研究结果表明：当留沟区域剥离物料量一定时，倒梯形留沟模式相对倒三角留沟模式对剥离物料运输系统影响较小；倒梯形留沟模式相对全压帮内排模式节约成本呈先增大后减小的趋势，相邻采区最佳留沟高度为45m，倒梯形留沟内排相对全压帮内排节约8230万元，具有良好的经济技术效应。

• 数字经济背景下煤炭企业智能化转型路径研究

  钱劲帆

  为探究数字经济背景下煤炭企业智能化转型的高效建设路径，文章采用通过案例研究法及清晰集定性比较分析方法，构建了技术层面、组织层面、环境层面、资金层面四维分析框架，在上述4个层面下选取了技术人才、技术开发、城市发达程度、资金投入、领导支持力度5 个解释要素探讨煤炭企业智能化高效转型的多重并发因果关系。结果表明：在技术人才、技术开发、城市发达程度、科研投入以及领导支持力度这五个条件变量中，单一的发展要素难以构成影响煤炭企业智能化转型成效的必要条件；进一步的组态分析生成3条等效路径，具体归结为包括“技术-资金-环境”驱动模式、“技术-管理-环境”驱动模式、“技术-资金-管理”驱动模式，这3种驱动模式符合所有实现智能化转型的煤炭企业。

• 深埋煤层竖井开挖条件下地层力学响应特征研究

  鲁永祥,刘小波,杨志江,商翔宇

  针对深埋煤层竖井施工过程中围岩稳定性突出问题,以鄂尔多斯某煤田为工程背景，采用FLAC3D数值模拟，系统研究了井筒开挖对地层的力学响应特征。结果表明，水平位移局部集中于井架底座区域，最大位移达到2.4mm，表现出显著的局部效应；竖向位移受井架设备和施工荷载影响明显，最大值高达36mm，且影响范围和深度较大；应力分布方面，井架底座附近形成明显的应力集中，水平向最大应力约0.14MPa，垂直向应力最高达0.5MPa，体现出垂直荷载在深部地层响应中的主导作用。当前模拟条件下围岩未发生明显塑性破坏，整体结构表现出较高稳定性。

• 综掘面多层螺旋雾幕与表面活性剂协同降尘机制及试验研究

  杨富康,金智新,曹孟涛,王宏伟

  为解决综掘面现有水喷雾降尘技术润湿性能差、降尘效率低的问题，提出一种表面活性剂协同多层螺旋雾幕的增效降尘方法，并开展协同降尘机理分析与试验研究。选取6种表面活性剂，分别设置7种质量分数，通过表面张力、接触角、煤尘沉降及雾滴粒径等润湿特性试验，优选出最佳表面活性剂；采用自主研发的煤矿巷道智能降尘模拟系统，对比分析不同喷射介质与降尘方式对综掘面粉尘治理效果的影响规律。结果表明：多层螺旋雾幕可形成全空间覆盖与负压控尘，表面活性剂可显著降低溶液表面张力，提升粉尘润湿与捕集能力；综合润湿特性试验结果可得，质量分数为0.05%的CDEA溶液表现出最佳的润湿性能；与传统环形喷雾+质量分数为0.05%的CDEA溶液方案以及多层螺旋雾幕+清水方案相比，采用多层螺旋雾幕+质量分数为0.05%的CDEA溶液方案降尘效果最佳，其回风侧全尘及呼吸性粉尘降尘效率整体提升约12%~20%，全尘最高降尘效率达96.45%，呼吸性粉尘降尘效率最高达90.88%，表面活性剂与多层螺旋雾幕具有显著的协同降尘作用。

• 深部立体交叉巷道倾角对围岩稳定性的影响研究

  余永强,王　雷,李培涛,范利丹,张纪云,徐中华,方志浩

  为探究深部立体交叉巷道围岩稳定性时空演化规律及机理，基于有限元分析方法开展了不同立体交叉倾角下巷道水平交岔口和变坡点处围岩应力场、塑性区及变形演化规律分析。结果表明：随倾角增大，交岔口顶板最大剪应力增大了5.44%，而底板降低了5.75%；变坡点处顶板最大剪应力增大了17.52%，而底板降低了10.90%。顶板应力集中显著增强，并向结构薄弱部位迁移，而底板应力逐步向围岩深部转移。围岩剪应力“壳”的厚度随主应力差的增大而增大，塑性区范围及位移量与剪应力变化呈正相关。立体交叉倾角变化导致顶底板应力场、塑性区和变形增幅并不相同，进而导致巷道局部围岩失稳风险增大。因此，在立体交叉巷道支护时应加强顶底板围岩区域精准协同控制。

• 软岩巷道帮部大直径卸压钻孔合理参数研究

  张　杰,倪锁红,钱万学,姬　东,唐青豹,陈洋洋

  针对软岩巷道自身围岩力学性质较差，易引发底鼓、片帮等围岩大变形灾害的工程问题，本文首先通过构建巷道围岩应力分布力学模型，揭示了帮部大直径卸压钻孔通过扩展围岩塑性区、转移应力峰值的卸压作用机理；并采用数值模拟方法，系统分析钻孔深度、孔径及排距等关键参数对围岩应力转移与分布特征的影响规律，确定了大直径卸压钻孔的合理参数，并结合补强支护措施控制围岩变形。研究结果表明：大直径钻孔能够有效扩展围岩塑性区，促使应力峰值向巷道深部转移，应力集中区主要分布于钻孔两侧；随着钻孔孔径增大，卸压效果逐渐增强，但孔径过大易引发过度卸压问题；钻孔排距过小易造成局部应力集中，排距过大则会削弱卸压作用；随着钻孔深度增加，应力峰值降低幅度及向深部转移的距离均增大。综合分析确定现场试验的合理参数为：孔径160mm、孔深10m、排距1.5m。工程应用结果表明，采用“大直径卸压钻孔+补强支护”的围岩控制技术后，巷道两帮变形量降低74.8%，顶底板变形量降低57.8%，围岩稳定性得到显著提升。该研究成果可为软岩巷道卸压设计及围岩控制提供理论依据与技术参考。

• 断层破碎带内撑式注浆提效增浓技术及应用

  李威振

  为解决断层破碎带施工抽采钻孔时卡钻频发、水力冲孔效率低、封孔不严导致的瓦斯治理进度滞后、抽采效果不佳等问题，以云盖山煤矿22202综采面正断层为工程背景，首先通过地质勘探精确查明断层破碎带位置。在前期负压辅助注浆、常规钻孔注浆等措施因浆液渗透不足、二次透孔重复进尺率高等原因未能达到预期效果的基础上，经技术论证与现场实践，创新提出“变径塔式钻头+分级压力、分级配比注浆+注水胶囊内撑式工艺”协同技术方案。采用变径塔式钻头降低卡钻风险、提升穿层施工效率；浆液按“先稀后稠”分级配比（水灰比1∶1、1∶1. 5 和1∶2），并匹配分级注浆压力（0~4 MPa），增强浆液流动性，扩大渗透面积；再配合注水胶囊“内撑式”注浆工艺，实现对浆液扩散范围的精准控制，减少注浆后二次透孔重复进尺。现场应用表明：断层破碎带经注浆加固后，钻孔单班进尺由22m提高至34 m，工效提升54.5%；水力冲孔煤量由每小时0.8t提高至2.5t，工效提高2.1倍；注浆压力由1.2MPa提升至3.8MPa，单孔注浆量由175kg提升至460kg。抽采1个月后，钻孔瓦斯浓度仍保持在40%以上，较前期普遍低于20%的水平显著提升。该协同技术方案显著提高了钻孔成孔率与瓦斯抽采效果，可为类似复杂地质条件下的瓦斯治理提供技术参考。