煤炭学报

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• 我国煤炭工业“十四五”科技创新进展及“十五五”发展思考

  刘峰, 郭林峰,

  “十四五”时期是我国煤炭工业履行保障能源安全核心使命，并加速向智能化、绿色化、融合化转型，实现高质量发展的关键阶段。系统总结了“十四五”时期我国煤炭工业科技创新取得的主要进展，分析了行业发展面临的新形势与新挑战，统筹国家战略要求与产业演进规律，提出了对“十五五”时期科技创新方向的思考。“十四五”时期，煤炭行业科技创新体系不断完善，在地质勘查、矿井建设、绿色开采、灾害防治、煤机装备、煤矿智能化、清洁高效利用、生态修复、节能环保、职业健康10个关键领域取得了一系列重大突破与标志性成果，行业整体实现了从跟踪模仿到部分领域并行乃至领跑的重大转变。当前国际能源格局深刻变革，国内能源结构加速调整，面向“十五五”时期建设能源强国与现代化产业体系的新要求，提出“十五五”时期煤炭科技创新在国家安全保障、能源体系建设、行业转型升级3个方面的发展目标：以推进煤炭科技自立自强保障巩固国家能源安全，以发展煤炭清洁高效利用支撑构建新型能源体系，以拓展AI应用驱动智能化建设引领行业转型升级。结合3个目标并梳理国家相关产业政策要求，提出对“十五五”时期煤炭科技创新的6个方向思考：① 深部煤炭资源开发。重点攻关 深部开采基础理论、 安全开采保障技术、 颠覆性前沿技术；② 产业链自主可控。全力推进开采装备、运输装备、自主可控工业控制系统及智能运维平台的国产化攻关与产业化应用；③ 煤炭清洁高效利用。重点加强绿色开采、清洁利用、低碳转化、新型煤基材料等方面的技术攻关；④ 煤与新能源协同融合发展。通过盘活矿区空间资源、推动生产用能清洁替代、构建源网荷储一体化系统，将矿区升级为多能互补的综合能源基地；⑤ 煤矿智能化技术升级。围绕智能掘进、智能采煤、露天智能采剥、智能选煤、辅运及其他系统，突破常态化稳定运行技术瓶颈，实现少人无人化开采；⑥ 人工智能+煤炭场景。大力推动AI技术在安全生产、煤炭转化、煤机制造、知识图谱、具身智能、辅助编程等领域的深度应用。提出构建高水平科技创新体系的5个方面举措，从而形成推动煤炭工业实现高质量发展、支撑中国式现代化建设的持续创新合力。

• 月球采矿前沿技术与发展趋势

  谢和平, 李存宝, 谢亚辰, 刘一飞, 李聪, 郝海春, 王俊, 张国庆, 龙西亭, 鲁义强,

  月球蕴藏着极其丰富且具有战略价值的空间和物质资源。随着人类月球探测逐步进入开发与利用的新阶段，月球采矿正从战略构想转变为现实可能。然而，月球岩土体的特殊性与深空环境的极端复杂性给月球采矿带来了极大的挑战，探索建立适用于月球原位环境条件的采矿基础理论与关键技术已势在必行。从采矿工程视角，系统梳理了月球矿产资源类型及其分布特征，对比地球采矿环境分析了月球采矿条件的复杂性与挑战性；重点围绕月球采矿涉及到的“勘−采−用”关键技术环节，详细总结了月球资源原位勘探与识别、开采与提取、转化与利用、月球基地建造及原位能源供给五大环节的主要技术现状，讨论了其核心机理与适应性挑战；在此基础上针对月球采矿关键理论与未来技术需求，提出了从微观到宏观的深空岩土力学理论研究架构，以及面向月球岩土力学性质的全月尺度遥感预测理论攻关方向，进一步凝练了月球大深度原位保真取心探矿技术、月球温差原位发电技术、月球地下盾构技术等关键技术内涵与攻关方向，并给出了理论构建和技术实现建议，有望为未来月球采矿工程、原位资源开发与利用、月面基地建设与月球地下空间开发等前沿领域提供理论与技术指导。

• 煤与共伴生能源矿产无人数智化共采研究

  袁亮, 张通, 吕鑫, 张村, 王玥晗, 王新中, 黄鑫, 王雅亭,

  煤与共伴生能源矿产作为国家战略性保障资源，具有广泛的共生赋存特征，其绿色、安全、高效、智能协同开发是实现国家能源安全与资源稳定供应的关键保障。系统分析了煤与共伴生能源矿产开发在工程地质保障、矿权划分、共采地质响应、数智化开发技术装备方面的创新挑战，指出能源矿产共采过程中存在地层多相多场耦合响应感知、工艺工序协同部署、地下水扰动径流分布、污染物迁移管控与灾变应急处置等工程技术难题，明确“人工智能+”矿产共采范式是未来资源开发的发展之路。提出共伴生资源无人数智化共采模式，即针对高温、高渗流压、高地应力、低渗透性和互馈式强开采扰动共伴生资源储层响应特征，依托智能感知、数据融合与智能决策技术，构建多模态范式模型与多场景灾害预测−应急防控模型，揭示不同条件下多场耦合的灾害孕育与演化机理；发展具身机器人+边缘计算终端智能集群，构建双向传输的数据链网络，并通过多源机器学习算法训练形成韧性、自愈型分布式与集中式相结合的异构数据体系，实现人机协同远程+自主一体化的精准决策，形成“矿心+矿脑+矿体”的数智化范式。围绕资源共采扰动多场耦合致灾机理、资源一体化开发工艺技术、生态环境修复与链式灾害应急处理、协同开采数智网络与装备范式结构4大关键科学问题，开展共伴生能源矿产高效开发与安全保障、共采区域协同降扰技术方法、地下水调控与污染物迁移防控、矿井水污染防治与净化利用、无人数智共采未来矿区建设及矿井立体环境功能化开发利用6大方向攻关，加快推进煤与共伴生能源矿产共采先导示范工程，为煤系共伴生资源规模化共采提供技术支撑。

• 煤矿深部巷道围岩协同控制理论与成套技术

  康红普, 姜鹏飞, 杨建威, 黄炳香, 管学茂, 王志根, 吴拥政, 张镇, 李文洲, 高富强, 李嘉峰,

  我国深部煤炭资源丰富，随着浅部煤炭资源不断枯竭，深部煤炭开采势在必行。我国煤矿已有40余对矿井开采深度达到和超过1 000 m，最深达1 510 m，主要分布在中东部和东北矿区。此外，西部一些矿区，如鄂尔多斯、陇东、彬长等矿区也相继进入深部开采。与中浅部矿井相比，深部矿井具有高地应力、强采动、大变形(软岩)及强冲击(硬岩)等显著特点，巷道围岩变形表现为强扩容性、强流变性和冲击破坏严重。深入分析了深部巷道应力环境、围岩地质力学特性，研究了深部软岩巷道围岩变形破坏特征，发现深部软岩巷道围岩大变形主要由3种变形引起：扩容变形、煤岩体流变及结构性流变，揭示出深部软岩、高应力、强采动巷道围岩大变形与失稳机理。提出深部巷道围岩支护−改性−卸压协同控制理念，阐述了深部巷道围岩协同控制的本质内涵，分析了各种围岩控制方式时空协同作用，阐明了深部巷道围岩支护−改性−卸压“三主动”协同控制原理。提出深部巷道不同的围岩协同控制方式，研发出围岩支护−改性−卸压“三位一体”协同控制技术，包括高预应力锚杆锚索及薄喷主动支护、高压劈裂注浆主动改性与水力压裂主动卸压技术；研发出高预应力、高压锚注协同控制技术，用于工作面超前段加强支护，形成深部工作面全域巷道(包括巷道、开切眼、超前段)围岩控制成套技术。研发出700 MPa级超高强度、超高延伸率(断后延伸率30%)、高冲击韧性新型锚杆材料；开发出纳米改性亲煤、亲岩单液无机有机复合注浆材料及微纳米双液无机有机复合注浆材料等3款高可注、高黏结、高强度注浆材料，及高强度、高韧性巷道表面喷涂护表材料。研发出高预应力、高压注浆锚杆与锚索。研制出35 MPa级气动高压注浆泵、45 MPa级液压高压注浆泵与压力−流量−密度多参数注浆监测系统；研制出井下直孔水力压裂装备与井下定向长水平钻孔高压大流量水力压裂装备。系统集成深部巷道围岩协同控制成套技术，在新集、新汶、淮北、皖北、彬长等深部矿区的复杂困难巷道得到成功应用，包括千米深井软岩巷道、超千米高应力巷道、千米深井强采动巷道、深部松软破碎围岩巷道及厚硬顶板强冲击巷道等。巷道围岩变形大幅降低，围岩稳定性显著提高，有力支撑了深部矿井的安全高效生产。最后，对未来深部巷道围岩控制理论、技术、材料及装备等的发展方向进行了展望。

• 黄河流域煤矿矿井水资源保护与利用战略研究

  武强, 高俊莲, 曾一凡, 程洋, 王宇璇,

  黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略，但水资源短缺已成为其发展的最大制约因素。矿井水作为重要的非常规水资源，充分挖掘其资源属性，不仅具有缓解区域水资源紧张的战略潜力，而且通过减少矿井水直接排放，减缓对地表水环境污染威胁，但目前矿井水总体利用水平不高且区域不均衡。通过系统剖析黄河流域矿井水资源特征与开发利用现状，探索构建了矿井水资源保护与利用的战略框架。研究发现：黄河流域矿井水资源目前呈现明显的区域差异性，涌水强度沿流域呈现自西向东逐级递增的梯度分布格局，涌水总量总体表现为中部高、两翼低的空间格局，水质呈现上游高矿化度、中游类型复杂、下游水质相对较好的梯度特征；根据煤炭产量与矿井涌水量的相对关系，形成了“高产低排型”“低产高排型”“产排均衡型”和“低产低排型”4种典型模式；矿井水利用率从不足30%到90%以上不等，利用结构以工业用途为主，生态与农业用途拓展不足。借鉴国际先进经验，构建了“空间−功能−时序−体制”四维协同的战略框架，形成“源头减量化、过程无害化、末尾资源化、终端回灌化”的全链条分层治理体系，部署了精准减排控污工程、矿井水智能监控网络、分质分级处理体系、矿井水创新利用模式、区域性回灌储存与地下水修复等重点工程，以及政策法规、协同治理、科技创新等保障措施，推动黄河流域矿井水从“环境负荷”向“战略资源”转变，为区域生态保护和高质量发展提供坚实的水资源保障。

• 5G+工业互联网智能化矿井及智能放煤关键技术研究与实践

  王国法, 孟庆勇, 侯林, 崔耀, 呼守信, 孟杰, 李旺年, 蒲阳, 李晨鑫, 任晓文,

  基于国能神东保德煤矿智能化煤矿建设任务，提出“统一数据、统一模型、统一平台、统一方案”5G+工业互联网智能化矿井建设总体方案，构建“四层+两翼”井下5G综合承载网架构：感知层部署多类传感器采集生产安全数据，传输层以5G+N×100G FlexE硬切片网络为核心实现高效传输，平台层承担数据存储与深度分析，应用层支撑多场景智能化应用；“两翼”为统一数据标准与工业安全防护体系，保障数据互通与网络安全。采用中频满足工作面大带宽需求、低频实现巷道长距离覆盖，通过TDD时隙翻转与SUL技术增强上行传输；依托FlexE切片技术划分5类切片，满足不同业务时延、带宽需求，有效支撑综采巡检、梭车远程驾驶等各类智能化场景。研发四大核心技术：① 多行为时序规划快速掘进技术，创新“掘锚一体机+梭车+自移机尾”装备，融合GA−BP神经网络自适应截割、激光雷达路障感知及电力载波通信，解决“最后100 m”运输瓶颈，掘进效率与进尺分别提升 10%、15%；② 5G+数字孪生长距离定向钻探技术，结合动态方位伽马地质导向提升钻探精准度；③ 特厚煤层“自动+记忆+智能”三级放煤系统，通过异步递进调度、PID闭环控制与AI(视频+声纹)煤矸识别，平衡煤质与资源回收率；④ 区域多灾种融合预警技术，整合多源安全隐患监测数据，采用CNN−LSTM架构构建模型，预警吻合度超95%。现场应用显示，研究实现保德煤矿全场景5G覆盖，成功预警水害、甲烷超限等事件，缩短灾害预警响应时间，提升了矿井安全管理水平。该研究通过5G+工业互联网技术与煤矿核心业务深度融合，实现矿井从单一监测向“智能判识、精准预警、联动处置”跨越，为煤矿智能化高质量发展提供技术范式与实践案例。

• 深地煤炭流态化开发的爆轰发电技术创新路径

  葛世荣, 郭靖,

  在全球能源结构加速转型、需求持续攀升的背景下，深地煤炭资源因其丰富储量与巨大能源潜力，日益成为矿业工程领域关注的重点方向。为应对开采难度与环保压力，兼顾经济可行性与可持续发展，深地煤炭资源的开发应在确保高效利用的前提下，推动自身实现减排降碳与绿色转型。基于“深部煤炭资源流态化开采”“煤炭化学开采”与“煤基电”等技术思路，系统梳理并介绍爆轰−发电式深地煤炭资源开采模式与技术结构。该模式以煤粉爆轰燃烧技术为核心，结合爆轰燃烧−机械/磁流体前沿发电技术，构建爆轰−涡轮/磁流体(Magnetohydrodynamics，MHD)联合发电系统，为实现煤炭资源的高效转化与清洁利用提供方案支撑。通过对爆轰发电模式及技术架构分析，提出煤粉爆轰能量高效释放机制、爆轰−发电式耦合方案、全生命周期爆轰−发电式动态管理机制以及爆轰−发电式深地采煤新理论与新方法4项基本理论，并围绕煤/瓦斯气固两相稳定爆轰技术、爆轰模型构建与动态过程优化技术、爆轰−发电式发电效率及效益评估、爆轰−发电式采煤方法综合设计4项关键技术展开论述，阐明其在深部煤炭开采实践中的转型升级价值。在此基础上，提出系统化的工程应用策略，阐明开采工艺与爆轰发电模式的协同机制，明确各关键环节的安全管理与过程优化重点，完善爆轰−发电式深地煤炭资源开发的总体路径，为“煤基电”能源体系建设及我国深地煤炭资源的清洁高效利用提供参考。

• 冲击地压矿井“零冲击”防治研究

  潘一山, 高学鹏, 肖永惠, 任何,

  针对我国冲击地压矿井的安全需求，为落实国家无人员伤亡、无巷道破坏、无设备损坏的“零冲击”管理目标，提出了“零冲击”防治分级目标及技术路径。① 最高目标为“冲击不发生”，技术路径为“应力不超限”。理论推导得到了煤体压缩型冲击地压、顶板拉伸型冲击地压和断层剪切型冲击地压等3类冲击地压的临界应力公式。对“应力不超限”进行分析，系统地研究了3类冲击地压的实际应力与开采条件和地质条件的影响关系，以及临界应力与煤岩变形系统的几何参数和自身物理力学参数的关系。“应力不超限”可通过降低实际应力和提高临界应力实现，并系统地梳理了3类冲击地压降低实际应力和提高临界应力的工程措施。② 基本目标为“冲击不破坏”，技术路径为“能量无剩余”。理论推导得到了3类冲击地压的能量释放和能量吸收公式。对“能量无剩余”进行分析，系统地研究了3类冲击地压的最大释放能量和吸收能量，开展了岩石试样及支护结构的冲击试验，结果表明：岩石试样钻孔结构能够吸收冲击能量，减少岩石试样的整体破坏。吸能装置能够大幅度提高支架吸能能力，吸能装置吸能量占支架总吸能量的78.6%。“能量无剩余”可通过减小冲击地压释放能量和增大围岩与支护吸收能量实现。系统地梳理了减小3类冲击地压释放能量的工程措施，以及增大围岩吸收能量和增大支护吸收能量的工程措施。③ 底线目标为“冲击不伤人”，技术路径为“空间有保障”。分析得到冲击伤人的巷道变形量为：断面收缩率超过20%，支护变形量超过20 cm。“空间有保障”可通过吸能装置实现，吸能装置通过让位变形分担液压支架的冲击变形量可达70%，对巷道支护结构形成保护并将支护变形量控制在20 cm以内。工程措施为：巷道采用吸能液压支架进行加强支护，根据冲击地压最大释放能量、冲击载荷方位以及巷道条件选取合适类型及型号的吸能液压支架。研究证实，“零冲击”防治目标可通过控应力、控能量、控空间实现，为冲击地压矿井实现“零冲击”提供理论与技术支撑。

• 超临界CO2压裂深部煤体的显微裂缝分布特征及其控制机理

  王香增, 吴金桥, 张锋三, 曹文琦, 阎纪伟, 朱帝杰,

  深部煤层埋深大，煤岩结构致密，裂隙相对不发育，成为制约深部煤层气高效开采的重要因素。水力压裂主要在煤层中形成较宽大的裂缝，而超临界CO2 (ScCO2)由于其分子结构较小，黏度低，能够渗透到煤体微纳米尺度的孔裂隙内，从而产生较复杂的显微裂缝网络，有效增加气体运移空间。结合显微CT、声发射仪、形貌扫描仪研究了ScCO2压裂延安区块深部煤体后显微裂缝的分布特征及扩展规律，获得了不同应力约束条件下煤中压裂裂缝的分布特征，分析了煤体结构、地应力、ScCO2特性等因素对显微裂缝起裂与扩展的控制机理，定量表征了显微裂缝的形貌特征及其非均质性，揭示了显微裂缝扩展与分布的控制机理。研究结果表明，1～3号样的垂向应力差系数(Kv)均为0.4，4号样的Kv为0.6时，1～3号样的破裂压力均在25 MPa附近，而4号样的破裂压力仅为16 MPa，即Kv增加有利于煤体破裂。ScCO2压裂后煤体中显微裂缝发育，其形态复杂且连通性增强，有利于气体运移。ScCO2进入煤体，沿着较大孔裂隙通道逐步进入显微尺度的孔裂隙，随着注入气体量增大，ScCO2对煤体的挤压强度不断提高，煤体先发生显微破裂，随着ScCO2聚集压力增大，煤中裂缝被撑开发生整体破裂。由于ScCO2能够进入不同尺度的煤体内且其分布较均匀，因此形成的裂缝分布范围较广。1～4号样裂缝面的粗糙度分形维数分别为1.915、1.828、1.814和1.797，表明煤体的破裂压力越大，裂缝面的分形维数越高，裂缝的非均质性越强。煤体结构、地应力和ScCO2性质是影响深部煤体压裂裂缝展布的主要因素。研究结果为ScCO2压裂改造深部煤体渗透率提供了指导。

• 弱胶结覆岩下顶分层综放面强矿压机理及拱形工作面控制技术

  王家臣, 陈建强, 潘卫东, 彭宝山, 邓藏,

  弱胶结覆岩可导致工作面强矿压，甚至压架事故，严重威胁安全和影响生产。以准东二矿55 m巨厚煤层顶分层综放开采为研究背景，采用现场实测、理论分析、室内试验以及数值模拟等方法对弱胶结覆岩下特厚综放面矿压规律及控制技术进行研究。结果表明：准东二矿首采区覆岩赋存表现为基岩厚度大，整体胶结程度弱，软或极软岩层占比87%；顶分层首采1101综放面推进期间，基本顶砌体梁在高位岩块回转的动荷载下二次破断失稳，原砌体梁承载结构被破坏，支架由给定载荷转为与直接顶共同承担体系变形，导致强矿压；据此，建立了支架上方拱结构岩块段的稳定方程并揭示了不同位置的受力规律，进而提出工作面“拱形”布置及回采工艺，以便顶板形成倾向承载结构从而控制强矿压，并揭示其将部分覆岩载荷转化为拱块段之间的相互作用力的矿压控制机理；数值模拟结果进一步得出新工艺下工作面顶板塑性区发育程度降低，顶板下沉量减小33.1%，支架上方拱结构将部分上覆载荷转化为内力，结构的应力水平上升，垂直应力高于原来的18%，最终降低了支架整体承受的载荷。现场实践表明，该技术对强矿压控制发挥着重要作用，支架受力最高峰值下降12%，较强来压范围由20～120号支架缩小至40～100号支架，同时，拱脚处最大挤压力有利于工作面两端三角煤及顶板及时折断垮落。