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2021年  第6卷  第1期

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煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术“十三五”研究进展
袁亮
2021, 6(1): 1-8. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.001
摘要(584) HTML (228) PDF(63)
摘要:
冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿典型动力灾害的风险判识和监控预警是煤矿安全生产的重点和难点。在“十三五”期间，针对该问题重点开展了煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警关键技术研究及装备研发工作，建立了开采扰动和多场耦合叠加效应下煤矿动力灾害孕育演化机理和发生发展的新理论，提出了煤矿典型动力灾害多参量前兆信息智能判识理论及预警模型；开发了具有故障自诊断、高灵敏、标校周期长的前兆信息采集传感技术与装备；通过对异构数据融合、自组网、抗干扰等技术研究，提出了矿井关键区域人机环参数全面采集、多元信息共网传输新方法，为煤矿典型动力灾害监控预警系统安全无故障运行提供了技术保障；构建了自动化、信息化、智能化预警平台，平台具备故障自诊断、高灵敏、响应时间短、标校周期长、抗干扰等功能，预警准确率提升到90 % 以上。通过煤矿典型动力灾害监测预警基础研究-关键技术开发-应用示范的有机融合，实现了煤矿重大灾害灾变隐患在线监测、智能判识和实时准确预警。
PBA法施工群洞开挖时空效应的理论计算模型
刘波 , 付春青 , 李东阳 , 杨航
2021, 6(1): 9-20. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.002
摘要(340) HTML (124) PDF(19)
摘要:
针对大跨PBA法施工中出现的梁柱等结构尺寸偏差、初支裂缝和表观缺陷等问题，采用随机介质理论，建立群洞开挖时空效应的理论分析模型，分析了PBA工法左右不对称施工导致扣拱偏差的原因。以PBA典型车站实际工程中8导洞非对称开挖为例，研究了大跨断面隧道中多个导洞分步施工引起地层空间不均匀变化的机理。对扣拱偏差现象产生的本质成因进行分析，再现了地表沉降槽空间形态随导洞开挖而左右摆动的变形规律。根据以上研究，确定了分别成拱封闭成环、快速同步作业、侧洞分跨扣拱及施工优化来实现对称同步是消除或减小扣拱偏差现象的主要对策。
丛枝菌根与覆草对矿区玉米生长及土壤水分的影响
宋子恒 , 毕银丽 , 张健
2021, 6(1): 21-29. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.003
摘要(269) HTML (92) PDF(17)
摘要:
煤矿开采加剧了干旱胁迫与土壤贫瘠。如何提高水分利用率，促进植物生长与土壤改良成为矿区农田修复的关键所在。试验区土壤类型为风沙土，土质疏松，蓄水保肥能力较差。试验设定对照(CK)、覆草(F)、接菌(M)、覆草联合接菌(FM)共计4个处理，每个处理3个重复，共12个小区。试验结果表明：接菌可有效地提高玉米的生物量和产量，接菌玉米产量比对照组高出13 %；改进覆草方式后联合接菌处理，可以有效提高玉米产量；5月完成覆草后，当月的土壤水含量比未覆草的处理高出30 %；9月降水少、蒸发量增加，覆草有效减少了水分的蒸发，保水量比未覆草提高37.5 %。
基于Timoshenko梁的盾构上跨对既有隧道纵向变形影响研究
韦征 , 江玉生
2021, 6(1): 30-41. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.004
摘要(360) HTML (217) PDF(8)
摘要:
采用修正的Loganathan理论研究了盾构上跨过程中土体损失引起的既有隧道纵向位移，考虑剪切变形的Timoshenko梁理论分析隧道内力变化及管片间错台量，基于弹性力学理论中的剪切效应建立了隧道纵向变形微分方程并求解，研究了隧道剪切刚度、土体损失率对隧道弯矩、剪力、管片间错台量变化规律。将计算结果与已发表监测数据对比，分析了Timoshenko梁发生弯曲变形后梁横截面不再与中性轴垂直，与不考虑剪切变形的Euler-Bernoulli梁的差异。研究表明：考虑剪切变形的理论解能准确预测隧道纵向变形，能矫正不考虑剪切变形条件下弯矩、剪力内力值过大以及无法计算管片错台量的缺陷。研究为预测盾构近距离上跨对既有隧道影响分析提供一种有效方法。
新疆浅埋地层泥岩的吸水软化特性及隧洞支护对策研究
张勇 , 石富坤 , 王俊伟 , 张家瑄 , 卢昊 , 孙晓明
2021, 6(1): 42-50. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.005
摘要(327) HTML (121) PDF(15)
摘要:
新疆输水隧洞围岩为浅埋泥岩地层，吸水后强度软化，支护难度高，对工程进度影响较大。本文以新疆某输水隧洞泥岩为研究对象，在对隧洞的泥岩进行XRD测试分析的基础上，开展不同含水率状态下泥岩单轴压缩和电镜扫描分析实验研究，揭示了岩样内部裂隙、孔隙结构的变化规律及强度软化特征。结果表明：该隧洞泥岩黏土矿物含量高达50 %，易吸水软化。随着含水率的增加，岩样内部将经历微裂隙发育、发展及贯通的破坏过程，同时伴随内部原有矿物流失。通过分析其饱和吸水曲线，将其吸水过程划分为三个阶段：急速吸水、减速吸水及匀速吸水阶段；采用玻尔兹曼预测函数对吸水后岩样强度变化曲线进行拟合，可将其强度变化分为三种状态：强度无损、急速软化及软化休止状态，获得该类型泥岩吸水强度软化的临界点为含水率6 %；综合分析得出其吸水软化规律：泥岩中以蒙脱石为主的黏土矿物吸水能力强，随着吸水量逐渐增加，泥岩孔隙中自由水含量显著提高，骨架强度逐渐降低，形成不稳定态，在受到外力作用时极易发生变形破坏。据此提出了此类软岩工程稳定性控制原则：确定软岩类型及变形力学机制，制定有针对性的稳定性控制对策，采用具有恒阻、大变形及高预应力等力学性能的支护材料。研究成果对深入了解输水隧洞泥岩强度软化特征、隧洞围岩变形破坏机理及支护设计具有重要意义。
浅埋综采面采空区遗煤CO产生规律实验研究
杨小彬 , 聂朝刚 , 张子鹏 , 熊紫琛 , 裴艳宇
2021, 6(1): 51-59. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.006
摘要(364) HTML (109) PDF(9)
摘要:
为探究浅埋综采面采空区遗煤氧化过程中的CO产生规律，本文以高家梁矿浅埋煤层为研究对象，与阳泉矿深埋煤层相对比，利用油浴升温氧化系统对高家梁矿不同煤层的综采工作面煤样和阳泉矿煤样进行了升温氧化实验。研究表明：高家梁矿浅埋深各煤样在低温40 ℃时消耗O2产生CO体积分数达到1×10-4；各煤样在氧化升温过程中的耗氧速率、CO产生速率和放热强度随温度升高逐渐增加；高家梁矿浅埋深煤样产生了40 ℃和130 ℃两个临界温度，分别对应加速氧化反应起点和剧烈氧化反应起点，而阳泉矿深埋煤层煤样只有一个不明显临界温度，且相对滞后，达100 ℃~120 ℃；在相同煤温下，高家梁矿浅埋深各煤样CO产生量和产生速率、O2的消耗量和消耗速率均明显大于阳泉矿深埋煤层；高家梁矿浅埋深各煤层比阳泉矿煤层更早进入加速氧化阶段，且所需温度更低。可见，煤层埋藏越浅，升温氧化时煤的耗氧速率和CO产生速率越快，升温对浅埋深煤样的氧化放热促进作用更强。
厚冲积层下开采地表动态移动规律及预计研究
侯得峰 , 许胜军 , 戚灵灵
2021, 6(1): 60-70. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.007
摘要(330) HTML (69) PDF(19)
摘要:
为了研究厚松散层下开采地表动态沉降规律，以实测资料为基础，分析了地表动态移动参数随工作面回采的演化规律。结果表明：地表超前移动影响距和地表最大下沉速度及其滞后距随工作面开采距离的增加而增大；当工作面推进至350 m时，三个参数值增幅减小，并最终分别稳定于225 m、34.5 mm/d及124 m；此后，地表下沉速度曲线以固定形状与工作面保持一定距离向前移动。基于对国内部分厚松散层矿井开采案例多元统计分析，得到地表最大下沉速度及其滞后角正切值与地质采矿参数之间的经验关系式；结合地表动态移动参数演化规律，构建了工作面推进至任意时刻，地表走向主断面不同点处的下沉速度预计公式；通过与实测值进行对比，验证了其预计精度能够满足工程实践的需要。
黏度对浆液在裂隙岩体中扩散与充填规律的影响
许延春 , 张二蒙 , 赵霖 , 沈星宇 , 李志宇
2021, 6(1): 71-81. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.008
摘要(398) HTML (196) PDF(30)
摘要:
为研究浆液黏度对注浆加固过程中浆液在裂隙中扩散、充填规律的影响，基于新研发的实验系统模拟了三种黏度浆液在承压含水层裂隙中扩散过程，总结了浆液扩散及充填规律；采用Fluent对注浆过程进行仿真，得到了不同黏度浆液充填过程中应力分布及变化规律，解释了物理实验过程中出现的异常现象，并通过超声波探测得出不同黏度浆液改造后的岩体弹性模量变化规律。结果表明：高黏度浆液注浆过程中形成的区域高应力驱动裂隙不规则发育，浆液扩散向右侧偏转；相同应力下岩块弹性模量增强度(λ)与浆液黏度(μe)成正比，实验中λmax=108.07 % (μe=16.67)；中等黏度浆液改造效果最好，非完全充填区域面积占比23.35 %，未出现浆液堆积等异常现象。
管道输送危险废物泵送压力试验研究
郭光明 , 郑晓雯 , 吴淼
2021, 6(1): 82-90. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.009
摘要(373) HTML (155) PDF(29)
摘要:
蒸馏残渣与危废污泥混合物料通过管道输送到水泥回转窑焚烧是最优的协同处置危险废物的方法。物料是固-液两相流，黏性大，并混有铁皮、木材，固体泵长距离泵送是个难题。本文基于固体泵脉动式工作原理，通过分析管道压力的组成及产生机理，建立了基于稳态流动时的泵送压力数学模型及管道压力试验平台，管道输送含污泥质量分数为35 % 的混合物，每米水平摩阻损失为3.1 kPa，摩阻损失折算系数比为水平1 m∶垂直1 m∶水平90°弯头∶垂直90°弯头=1∶3∶16∶18。试验结果表明，配伍污泥质量分数为35 % ~40 % 的物料，泵送压力均随污泥质量分数的增加呈指数增加，与流速成线性关系，温差系数为1.5，重启系数为1.1，屈服应力系数为1.1。
基于低频涡流检测的露天矿破碎机运动铁磁物体监测研究
徐江野 , 赵四海 , 赵泽性 , 刘玉潇 , 孙海龙
2021, 6(1): 91-99. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.010
摘要(459) HTML (166) PDF(10)
摘要:
在露天煤矿生产作业过程中，采掘及运输时脱落的电铲配件、铁板等较大铁磁物体随煤块进入破碎机，将导致破碎机卡死、破碎齿损坏、电机烧毁等严重生产事故。本文基于低频涡流检测原理可检测出铁磁性物体的特点，开展了露天矿二级破碎站运动铁磁物体监测研究；以SANDVIK的CR610/14—35双齿辊式筛分式破碎机为实验对象，依据电磁互感原理对检测系统的机理进行解析建模。建模及实验的结果表明：由于强背景噪声的存在，铁磁物体产生的涡流信号属于微弱信号，通过对检测探头进行参数的优化设计和对被检测物路径的合理规划，可有效地提高信噪比；根据实验对象特点，在金属物半径与检测距离之比为0.048，检测探头的线圈半径与检测距离比值为0.044 5时具有最大的信噪比；在1~35 kHz的频段，低频段信噪比要高于高频段信噪比；垂直于检测轴线进入检测区域的路径相比平行于检测轴线进入检测区域的路径的初始值和响应时间更具有明显优势。
基于SSD-LeNet的矿井移动目标检测与识别方法
张帆 , 栾佳星 , 崔东林 , 徐志超
2021, 6(1): 100-108. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.011
摘要(533) HTML (384) PDF(30)
摘要:
针对井下雾尘、低照度环境中矿井移动目标检测与识别存在检测精度低、实时性差等问题，提出了一种基于SSD-LeNet的矿井移动目标检测与识别方法。利用视觉传感器捕获矿井移动目标原始图像的一帧来构建模型输入，据此制作含有数字序列位置信息的数据集；离线训练的单镜头多盒检测器(Single Shot multibox Detector，SSD)模型可以输出与自身位置对应的目标特征类别，并利用该训练好的SSD学习模型对测试集中移动目标图片上的数字序列位置进行检测；根据数字序列位置对应的矩形区域进行字符分割操作，将分割后的单个字符依次放入LeNet网络中进行特征识别；识别出的单个字符按顺序合成数字序列快速检索出移动目标的身份信息。研究表明，本文方法与其他深度学习目标检测与识别方法相比，对矿井低照度及噪声环境下的目标检测与识别具有较高的准确率和较强鲁棒性，能够满足实时性要求。
基于臭氧氧化对煤化工废水中苯系污染物去除的研究
彭思伟 , 何绪文 , 刘海洋 , 白玉勇 , 谷小兵 , 李叶红
2021, 6(1): 109-114. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.012
摘要(337) HTML (157) PDF(13)
摘要:
苯、甲苯、乙苯、二甲苯(BTEX)是煤化工废水中的典型有机污染物，通常情况下较难被生物降解，实际生产过程中通常使用化学手段对其进行去除。本研究以臭氧氧化过程中产生的强氧化性自由基为基础，采用臭氧氧化技术对模拟废水中的BTEX进行去除实验。探究了pH值、温度、臭氧投加量以及臭氧投加模式对BTEX降解效果的影响；使用叔丁醇作为羟基自由基抑制剂、自由基歧化酶作为超氧自由基抑制剂，探究臭氧降解BTEX时的反应机理。实验结果表明：当pH值为8、反应温度为30 ℃、臭氧投加量为3.5 g/L、臭氧投加模式为逆流投加时，BTEX的降解效果最佳；羟基自由基和超氧自由基的存在是臭氧有效去除水中BTEX的根本原因。
基于深度学习的煤中异物机器视觉检测
王卫东 , 张康辉 , 吕子奇 , 谷诏闯 , 钱瀚文 , 张情意
2021, 6(1): 115-123. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.013
摘要(1130) HTML (269) PDF(86)
摘要:
在煤炭生产加工过程中，由于开采条件的限制，原煤中混入了大量的异物，导致重介质系统管路的堵塞，严重影响了煤炭加工的生产效率，制约了煤炭质量的提高。为有效解决煤炭分选系统中异物对生产的影响，使用机器视觉技术完成异物检测。本文针对煤中异物的不规则形状和复杂特征，构建一种多尺度特征融合的语义分割网络，对实际生产现场采集的煤中异物图像进行端到端检测。网络中，编码器端采用残差卷积块提取异物图像特征和捕捉上下文信息，将池化操作得到的多尺度特征图谱在解码器端进行融合；将编码器与解码器使用跳层连接，更好地结合图像的背景语义信息，进行端到端的训练；通过类激活图可视化方法分析了模型误检原因，提出了一种损失函数用于缓解模型因煤矸石表面和背景干扰产生的误检情况，并使用条件随机场对网络分割结果进行细化，最终得到一幅二值图像。实验结果表明：该模型能够对煤矸系统中的异物进行有效分割，最终模型在测试集上的均交并比(MIOU)为77.83 %。
基于Citespace文献计量工具的数字矿山与矿山安全文献综述
杨洋 , 张文博 , 张建敏 , 左晨曦
2021, 6(1): 124-138. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.01.014
摘要(330) HTML (62) PDF(41)
摘要:
本文以1999—2019年矿山安全和数字矿山安全管理的中、英文文献为研究对象，以Citespace可视化软件作为研究工具，从文献数量、研究主题、主要学者和研究机构、关键词及其中心性、高被引文献等方面进行了系统梳理和分析。结果表明：从数字矿山视角研究矿山安全问题的论文，占矿山安全领域研究论文的20 % 左右，并呈现逐年上升的趋势，说明数字矿山在矿山安全管理领域的相关研究一直是本领域的热点；高被引中文文献多为理论方法或管理类研究，而高被引外文文献多为工科技术类研究，说明中外学术刊物载文存在一定差异性。外文文献的作者61.9 % 来自于中国，说明我国学者在本领域研究中作出了巨大的贡献，同时也说明我国学者兼顾了理论方法研究、管理类研究和工科技术类研究。国内外的现有研究集中程度高、研究力度强、具有很强的前瞻性，基本实现了新兴技术与数字矿山安全管理的结合，为数字矿山在矿山安全管理中的应用和发展提供了理论支撑。

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