煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2019年第10期

• 浅埋煤层采场围岩力链演化规律及工程应用

  谢广祥, 范浩, 王磊,

  浅埋煤层回采过程中,矿山压力显现剧烈,压架事故时有发生。 针对回采过程中易突发剧烈的矿压现象,系统研究了煤层围岩力学特征及支护结构的受力状态。 首先采用颗粒元计算软件模拟分析采场围岩力链演化特征,随后分别建立了覆岩强力链拱失稳前、后力学模型,工作面支架受力模型,推导出强力链拱迹线方程,获得强力链拱在失稳前、后支架荷载的计算表达式,并在此基础上结合现场实测对工作面支架荷载进行了分析。 研究结果表明:煤层开挖前,煤岩体受力架构由力链网络组成,围岩的承载作用主要来自于强力链,广泛分布的弱力链仅对围岩起辅助承载作用; 煤层开挖后,强力链集结成束形成力链拱,力链拱是承载采场上方煤岩体重量的主要力系,工作面 支架仅承担位于强力链拱下方的煤岩体重量;且随工作面的推进,强力链拱不断调整,先后经历了“形成—扩展—稳定—破断” 的动态演化过程。 随强力链拱拱顶的不断发育,当其承担荷载超过自身强度极限后便会失稳破断,导致剧烈的矿压现象,工作面支架荷载大幅增加,强力链拱的失稳断裂是工作面产生强动载现象的本质原因。 研究成果合理解释了浅埋煤层工作面突发的剧烈矿压现象,为煤层的安全高效开采提供借鉴。

• 软弱再生顶板巷道围岩失稳机理及其控制原理与技术

  王平, 冯涛, 蒋运良, 刘海, 李立新, 余伟健, 朱永建, 鲁义,

  针对软弱再生顶板巷道围岩大变形问题,结合现场调研、室内试验、理论分析等手段研究了软弱再生顶板围岩失稳机理,并提出了针对该类围岩的控制原理、支护原则和支护技术。 研究表明:软弱再生顶板具有自稳平衡拱结构,但极其不稳定。 在扰动作用下快速松散、破碎,表现出局部到整体的连锁失稳特征。 基于再生顶板围岩条件提出再生顶板“抛物线-半双曲线”扩展力学模型,即再生顶板平衡拱边界在纵向上以“抛物线”形式向上扩展,横向上以“半双曲线”形式延伸。根据该模型计算发现,巷道底臌使得两帮整体下沉或两帮肩角处破坏造成再生顶板自稳平衡拱结构不断地向围岩深部转移。 此时棚架上的载荷增加更快。 再生顶板松散范围的非线性增加使得棚架上的荷载急剧增加,围岩变形量增大,最终导致巷道整体失稳。 因此,提出了“护底→固帮→控顶”的软弱再生顶板围岩控制基本原理。 结合州景煤矿再生顶板巷道实际情况,通过疏干排水防止底臌、改善棚架结构加强帮、顶支撑,形成了“强化整体约束、优化棚架结构和架间协同控制”的支护原则,具体形成了“双层金属网+预支撑囧型棚架+可缩性纵向连接器”的组合支护技术,经工程试验表明该支护技术可有效控制软弱再生顶板巷道围岩初期的稳定,后期回采时建议采用“三支一体”支护体系进行加强支护,控制再生顶板围岩回采期间的稳定。

• 基于实际围岩变形的全长锚固锚杆杆体应力分布特征分析

  李英明, 赵呈星, 丛利, 孟祥瑞, 董春亮,

  在全长锚固锚杆支护过程中，锚杆与围岩之间会相互作用，进而引起锚杆应力分布变化。为探究全长锚固锚杆正常支护过程及临界失效时锚杆应力分布规律，以围岩变形为基础，建立了锚杆-围岩相互作用模型，推导出锚杆在正常支护过程中及临界失效时轴力及剪应力沿杆长分布解析表达式,进而获得了轴力及剪应力沿杆长分布曲线。并在考虑锚杆及锚固剂弹性模量、锚杆及锚固剂横截面面积等锚固参数的条件下分别分析了围岩条件、锚杆长度、托锚力对全长锚固锚杆杆体应力分布的影响。结果表明:在全长锚固锚杆正常支护过程中，杆体应力分布符合中性点理论;影响锚杆轴力、剪应力分布的因素有围岩条件、锚固参数、托锚力;在锚杆正常支护过程中，全长锚固锚杆杆体应力分布符合中性点理论，随着围岩变软，锚杆为了限制变形，中性点向孔口方向移动且所受轴力、剪应力增大;托锚力影响杆体应力分布，托锚力越大，轴力分布越不均匀，且孔口到中性点处剪应力越小，中性点到杆端剪应力越大。所以在工程实际中可实时监测锚杆托锚力，依靠本文理论依据可深入揭示锚杆支护过程中受力特征;在锚杆支护临界失效时，围岩越坚硬，剪应力及轴力越大，且分布更加集中;锚杆长度影响全长锚固锚杆的支护性能，但在锚杆长度超过一定范围后再增大锚杆长度并不能显著提升锚杆的锚固效果。

• 大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

  解盘石, 田双奇, 段建杰,

  为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及“支架-顶板”相互作用规律。 结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称“O-X”破断特征,且具有明显的时序特征,其中“O”破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;“X”破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。 顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为“砸—压—推”,而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的“倒”、“扭”现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4 个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。 为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。

• 冲击荷载作用下的井壁混凝土能量与损伤特性

  刘娟红, 周昱程, 杨海涛, 付士峰, 谷峪,

  针对深部矿井井壁混凝土产生类似 “岩爆”现象的问题，本文从典型种类混凝土动力学性能角度出发，采用直径为75 mm的分离式霍普金森杆(SHPB)和超声检测装置对普通高强混凝土(NHSC)、钢纤维混凝土(SFRC)和免蒸养活性粉末混凝土(NSC-RPC)进行动力学试验。研究单次和多次冲击荷载作用下，不同种类混凝土的应力、应变行为，能量输入与耗散特征以及损伤程度。分析子弹的冲击速度、混凝土内部能量和损伤程度三者之间的相关关系，探明不同种类混凝土的失效特征与机理。结果表明:3种典型种类混凝土的应力应变、能量和损伤值皆与冲击速度呈正相关性。NSC-RPC的能量承受和耗散能力是NHSC和SFRC的两倍左右，同时NSC-RPC要产生可测损伤值所需要的临界冲击速度亦高于另外两者。多次冲击荷载导致混凝土应力峰值降低，应变增大，材料的承载能力弱化，但多次的冲击行为对NSC-RPC的劣化程度最小，且在多次较低速的冲击荷载下，NSC-RPC仍未出现可测损伤值。在3种典型种类混凝土中，NSC-RPC具有最为优异的抗冲击能力，将NSC-RPC应用为深部地下工程井壁以及关键结构部位材料更具有优势。本工作从应力应变、能量与损伤等多方位因素，揭示深竖井井壁结构在服役期限内的损伤、失效机理，提出深部井筒支护材料的改善措施，为超深井井壁混凝土材料的选择提供可靠的理论依据。

• 基于NMR技术的玄武岩纤维喷射混凝土韧性演化规律

  焦华喆, 韩振宇, 陈新明, 杨亦轩, 王云飞,

  随着煤矿开采深度的增加,普通喷射混凝土支护结构易开裂脱落。玄武岩纤维(BF)的加入可以有效地提升喷射混凝土韧性与抑制围岩变形的能力。通过弯曲韧性试验研究了BF对玄武岩纤维喷射混凝土(BFRS)韧性的影响规律,通过核磁共振试验(NMR)研究了孔隙分布对BFRS韧性的影响,并进行了井下现场支护试验。结果表明:BF掺入后,BFRS7d与28d试块抗弯强度分别提高了9.8%,6.8%,且BF对早龄期抗弯强度提升效果更为明显;分别采用DBV与JSCE标准对BFRS韧性进行评价,实验发现最优纤维掺量为4.5kg/m3,此时 Df1 和 Df2 分别为29.5N·m 和57.9N·m,试件弯曲韧性比同时达到最大值0.875;对比可知,DBV多值韧性标准更适合评价BFRS抗弯韧性。通过NMR试验发现纤维掺量对BFRS孔隙结构影响较大,纤维掺量达到3kg/m3 时,BFRS大孔径孔隙占比仅为0.25%,当纤维掺量超过临界掺量4.5kg/m3,BFRS大孔径孔隙占比增加,喷射混凝土基体内部缺陷增多,韧性降低。进行井下支护试验发现BFRS抑制变形能力优于普通喷射混凝土,其中纤维掺量为4.5kg/m3时,支护段巷道35d收敛位移最小,仅为0.21mm, 此时支护效果最好。分布在BFRS基体内部的纤维可以形成稳定的三维承力结构,有效改善BFRS基体内部孔隙结构,增加BFRS韧性,提高被支护巷道抗变形能力。高韧性BFRS可以有效地满足深部大变形巷道支护要求,达到“变形不开裂,开裂不掉落”的效果。

• 煤岩破裂过程声发射时-频信号特征与演化机制

  丁鑫, 肖晓春, 吕祥锋, 赵同彬, 尹延春, 宋义敏, 杨小彬, 潘一山,

  掌握声发射信号时-频域特征及其与煤岩力学性质间的本质联系是利用该方法预测、预警煤岩失稳的基础。以具有不同夹矸和原始裂隙煤岩压缩破坏声发射监测试验为基础，引入小波变换方法，结合数字信号分析、岩石力学等相关理论深入分析煤岩破坏过程声发射时-频信号演化规律，构建了裂纹扩展释放弹性能引起应力波的振幅、频率力学表达。结果表明:受所含弱夹矸或裂隙增加影响煤岩强度、弹性模量降低，峰后软化特征明显，声发射存在由低幅振荡向高幅脉冲转化的信号激增点，强度越高，能量信号幅值显著提高、累积总能量越多，波形幅值增加，信号波形两相邻波峰间隔时间增长，夹杂的小幅振荡波越少;db5和sym2小波基函数分别与激增点、峰值点时域波形相似度最高，更适用于煤岩声发射信号研究;试验所用煤岩声发射信号主频带为0~70 kHz，煤岩强度越低信号频率分布越宽泛，随所受应力升高信号频带分布范围逐渐向主频移动。弹性模量和裂纹扩展速率共同确定了应力波振幅的变化范围，裂纹尺寸决定了振幅和频率的变化趋势，裂纹扩展速率是决定应力波频率的关键参量，进而三个参量共同影响声发射信号时-频特征。试验结果建立了裂纹表征参量与声发射信号频率、幅值的定性描述，为提高声发射信号监测准确性提供了理论基础，开展该理论的定量化的应用是后续研究工作的重点。

• 基于RFPA2D-Flow软件对裂隙岩体渗透特性表征单元体的研究

  王振伟, 马克, 田洪圆, 李全生,

  大型水利水电工程多依附于高陡裂隙岩体边坡而建，而边坡的渗控结构成为研究重点。为进一步研究裂隙岩体渗透特性及其各向异性的影响因素，本文基于C语言程序，考虑不同迹长、密度的概率分布，通过蒙特卡罗方法生成随机裂隙，然后将随机裂隙导入有限元渗流计算软件RFPA2D-Flow，形成渗流裂隙网络模型。通过对不同的方位、不同尺寸上的等效渗透系数的模拟计算，得到不同工况下的渗透张量，结合类张量特性和类常量特性判定依据，确定渗流表征单元体，并自定义渗透特性各向异性系数，研究裂隙的密度、迹长对岩体渗透张量、表征单元体尺寸和各向异性系数的影响。结果表明:① 裂隙密度和裂隙迹长对裂隙岩体的渗透主值影响较大，但对渗透主方向几乎无影响，随密度或者迹长的增大，裂隙岩体的渗透主值逐渐增大;② 在一定范围内，随着裂隙密度或迹长的增大，裂隙岩体的渗透表征单元体尺寸逐渐减小;③裂隙岩体渗透特性的各向异性系数r随密度增大逐渐减小，随裂隙迹长增大呈现先减小后增大的趋势。在此基础上，以锦屏一级水电站坝区左岸边坡裂隙岩体为例，根据地质勘探所获的裂隙概率分布特征及相关参数，利用本文研究方法进行渗流数值模拟计算，确定锦屏左岸裂隙岩体的渗透张量和表征单元体尺寸，并结合现场压水试验结果对本文数值模拟结果进行修正，修正系数在一个数量级之内，说明本文模拟计算结果与实测结果相近。

• 三点弯曲条件下不同层理面强度对裂纹扩展过程的影响

  韩伟歌, 崔振东, 唐铁吾, 张建勇, 王燚钊,

  煤矿、页岩气开采等工程均涉及到层状岩体力学问题，层状岩体的裂纹破裂模式直接决定了工程施工稳定性及能源高效开发利用。为了揭示层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响，利用ABAQUS模拟软件，通过全局嵌入0厚度cohesive单元的方法，创建了与最大主应力方向垂直的层理面，并且基于页岩XRD矿物成份分析结果，利用Python语言对软件进行二次开发，实现了页岩的层理各向异性与矿物颗粒非均质性。通过控制层理面的强度参数，研究了在三点弯曲条件下，层理面强度性质对裂纹扩展过程的影响。通过MATLAB编程处理模拟结果，实现了加载过程中的声发射(AE)模拟，根据声发射定位图和声发射能量数据，进一步分析了裂纹破裂类型及动态扩展过程。结果表明:层理面抑制了裂纹沿着最大主应力方向扩展，层理面强度越弱抑制效果越强;层理面强度较弱时，裂纹先从层理界面处起裂，产生顺层横向裂纹，阻隔应力波的传递，导致预制裂纹尖端应力场波及范围变小应力集中程度变强;层理面的存在导致裂纹扩展路径复杂，穿层破裂与顺层破裂交替出现，裂纹表现为断续位错式的破裂特征，层理面强度与最大主应力共同决定了裂纹路径;穿层破裂主要沿着最大主应力方向产生，表现为拉张破裂类型，顺层水平迁移裂纹表现为剪切破裂类型;层理面强度越弱，克服顺层破裂所需能量越大，峰值载荷越大;层理面强度与声发射事件数呈负相关性，层理面越弱声发射事件数越多，拉张、剪切破裂越多，顺层裂纹长度越长。

• 双软弱夹层岩质滑坡的滑动模式及变形规律

  龙建辉, 任杰, 曾凡桂, 吕义清,

  顺层岩质滑坡具有分布广，破坏性强，滑动机理复杂等特点，其滑动主要受软弱夹层的控制。在自然界中，顺层岩质滑坡往往受到双层或多软弱夹层的影响与控制。针对此特点，通过对山西吕梁山一带的顺层岩质滑坡发育特征与破坏规律进行总结，建立两种含双软弱夹层顺层岩质滑坡计算模型，基于极限平衡法，考虑软弱夹层的抗剪强度在滑坡不同发育阶段的强度衰减，分析发现滑坡在不同的力学判定条件下会以不同的模式发生滑动，且不同模式下滑坡的启滑机理是不同的，模式一为上层软弱夹层软化而引起的，启滑时，上层岩层首先失稳，而下层岩层暂时保持稳定;模式二滑坡的启滑是由于下层软弱夹层软化而引起的，失稳破坏的形式是整体失稳。另外，基于FLAC3D数值模拟，分析了双软弱夹层顺层岩质滑坡的破坏变形规律。结果表明:由上层软弱夹层控制的滑坡滑动变形时，软弱夹层会在前缘发生切层现象，在中部与后缘滑坡会沿上覆岩层与软弱夹层的接触面滑动;由下层软弱夹层控制的滑坡滑动变形中，在前缘断面上层软弱夹层处会发生不连续性变化;在由上下软弱夹层共同控制下的顺层岩质滑坡中，当上层软弱夹层首先软化启滑，下层软弱夹层的软化会导致滑坡上下岩层发生分离滑动;当下层软弱夹层首先软化启滑，上层软弱夹层的软化对滑坡的整体滑动影响并不显著。

• 循环加载岩石界面滑移位移演化特征试验研究

  杨小彬, 周杰, 宋义敏, 韩心星,

  在岩土工程实践中，岩石界面摩擦滑移会引起工程失稳问题，严重威胁着人们的生命财产安全;岩石界面的滑移问题往往处于一种往复加载状态，目前大多数学者对于岩石界面滑移问题的研究往往是在单一的加载状态下进行的，而对于往复加载状态研究较少;为了研究循环加卸载作用下界面滑移位移场演化特征，设计并开展了花岗岩试件恒定围压下的双剪模型试验研究。利用CCD相机采集界面滑移过程中的散斑图像，并利用白光数值散斑相关方法对该组花岗岩试件在实验过程中的位移场、摩擦滑移位移在循环加卸载情况下的演化特征进行研究分析。试验结果表明:① 在循环加卸载作用下，随着循环次数的增加，位移场会发生明显的摩擦滑移，且当循环到一定次数，试件会发生整体黏滑现象;② 随着循环次数的增加，位移场随着循环加卸载发生明显的时空演化特征，空间上存在明显的剪切位移增大和减小区域，同时随着循环次数的增加位移存在明显的累积，表现为位移演化的分区性及剪切位移场累积效应。时间上存在剪切位移演化相对于剪切应力的滞后性;③ 相同剪应力水平下，随着循环次数的增加，垂直位移整体趋势有所降低，界面咬合程度增加，水平滑动位移有所增加，界面分区滑动机制改变，加载端和自由端存在明显的黏滑现象;④ 在试件发生整体黏滑前后，剪切位移随着循环次数的增加发生不同的变化;黏滑前，随着循环次数的增加，剪切位移缓慢增大，黏滑后，随着循环次数的增加剪切位移明显增大;即黏滑前后，界面滑移速率由小变大。

• 不同角度预制裂隙条件下双孔爆破裂纹扩展规律

  沈世伟, 李国良, 李冬, 廖文旺, 徐燕,

  隧道等地下工程爆破施工中，节理、裂隙等缺陷的存在往往对最终的爆破效果起到至关重要的作用，尤其倾斜缺陷存在时，超欠挖现象十分突出。基于含倾斜缺陷模型裂纹动态扩展的复杂性，采用新型数字激光动焦散线试验系统，在双孔同时起爆条件下，研究不同倾斜角度预制裂隙条件下爆生裂纹的扩展规律。研究结果表明:爆生主裂纹与衍生裂纹分别相向扩展，最终二者非直接相遇，而是以“勾连”形式贯通;裂纹扩展前期，爆生裂纹尖端同时受到压缩波及剪切波的作用，剪切波开始作用时间晚于压缩波，裂纹尖端主要以压缩波产生的拉应力作用而扩展，同一时刻爆生裂纹尖端应力强度因子KI大于KII;裂纹尖端的裂纹扩展速度、应力强度因子及能量释放率等特征量整体呈先增大后减小的趋势。裂纹扩展后期，裂纹尖端主要受爆生气体的准静压作用，特征量呈振荡式变化;在一定范围内，随着预制裂隙倾斜角度的增加，特征量峰值更高，爆生主裂纹和衍生裂纹扩展的时间更长，扩展的距离更远;随着预制裂隙倾斜角度的增大，爆生主裂纹与衍生裂纹尖端之间最终围成的破坏面积更大，爆炸荷载与预制裂隙相互作用更加明显。本试验的研究成果为分析介质存在节理、裂隙等缺陷时，爆破裂纹扩展的物理过程提供了参考。

• 基于BFGS算法的概率积分模型的参数反演

  杨靖宇, 刘超, 王彬,

  概率积分模型是描述煤炭开采引起地表变形规律的重要数学模型，通常采用传统优化算法和智能优化算法，对概率积分模型中的未知参数进行反演，以确定明确的地表变形特征。为了更有效地反演概率积分模型中的未知参数，引入最优化方法，提出一种基于BFGS算法的概率积分模型中参数反演方法，该方法利用相邻两迭代点之间的位移和目标函数的一阶导数构建近似Hesse矩阵，然后确定牛顿方程产生的搜索方向，通过非精确线搜索完成迭代过程，从而获得参数的最优解。仿真实验结果表明:新算法能够有效反演出全部参数，且在不同的误差水平下，新算法的参数反演精度均明显高于模矢法(传统优化算法)和遗传算法(智能优化算法);同时，在不同的粗差水平和数据缺失情况下，新算法的参数反演精度仍明显优于其他两种算法，一定程度上说明了引入新算法进行概率积分模型中参数反演的可行性和优越性。工程实例中，反演结果和下沉值的拟合曲线图进一步验证了新算法的可靠性，但工程实例中拟合单位权中误差明显大于仿真实验，其主要原因是矿区较大的地表起伏造成较大的概率积分模型误差，进而影响参数反演的精度。因此，对于具体的工程案例，除了采用有效的参数反演方法，还需要根据实际情况制定合理的反演方案，以达到更好的参数反演效果。

• 岩体崩塌的早期预警方法与试验验证

  杜岩, 吴志祥, 谢谟文, 刘日成, 陈晨,

  岩块体崩塌的早期预警一直是岩土工程灾害研究的热点和难点问题。传统监测方法大多关注于破坏阶段，因此很难实现崩塌等脆性破坏灾害的早期预警。实际上，崩塌通常经历分离和破坏两个阶段。关注分离破坏阶段的前兆事件，可更快提醒公众在灾难性的崩塌事件之前寻求庇护。本次实验应用激光多普勒测振技术，通过新型物理模型实验，开展危岩分离破坏前兆现象识别研究。实验采取新型的冰冻实验方法来模拟岩块体黏结强度不断降低，块体随着时间推移，稳定性不断降低，最终于117 s发生破坏。监测结果显示，频率监测指标分别在50 s和115 s发生分离和加速破坏前兆。基于分离阶段破坏前兆识别提前67 s实现预警，而基于加速破坏阶段的破坏前兆识别则在破坏前2 s触发预警。相较于传统的基于破坏前兆识别的预警思路，基于分离破坏前兆识别的预警方法提前65 s对岩块体崩塌破坏进行预警，具有更好的时效性，可有效利用早期预警的“黄金期”，为工程中更好地应对崩塌灾害争取时间。基于分离破坏前兆识别的岩块体崩塌灾害预警思路是矿山等高陡边坡岩体崩塌等脆性破坏灾害应急预防的发展方向。

• 基于非线性规划的拉斗铲作业平台参数优化

  肖双双, 丁小华, 马力, 董国伟,

  为了提高拉斗铲作业效率，降低倒堆工艺系统生产成本，需要对拉斗铲作业平台参数进行优化。但由于拉斗铲作业平台高度与平台宽度之间相互影响、相互制约，不能对单个参数进行独立优化，而需要以2者为变量，建立优化模型，提出拉斗铲作业平台参数的综合优化方法。为此分析了拉斗铲单向走行、往返走行情况下的挖掘范围，分别推导了各种情况下的拉斗铲挖掘深度、正向及反向走行距离计算公式，提出了拉斗铲走行时间及作业周期的计算方法，建立了拉斗铲生产效率与作业平台高度、作业平台宽度之间的关系模型。利用抛掷爆破爆堆的三维扫描数据，建立平面直角坐标系，拟合得到爆堆曲线方程，进而提出了有效抛掷率、拉斗铲重复倒堆率、辅助剥离率、拉斗铲倒堆率等变量的计算方法，以倒堆工艺系统年剥离总费用最小为目标函数，综合考虑技术、经济、安全3个方面的因素，构建了基于非线性规划的拉斗铲作业平台参数优化模型，并全面分析了作业平台参数的约束条件，包括影响拉斗铲作业安全、高台阶稳定等的作业安全约束，影响拉斗铲倒堆距离、挖掘深度等的拉斗铲线性尺寸约束，以及拉斗铲、辅助设备等的生产能力约束，提出了模型的求解方法。通过计算可知，黑岱沟露天煤矿的拉斗铲作业效率随着作业平台高度、作业平台宽度的增大先增大后降低，作业平台高度为13.30m，宽度为118.10 m时，拉斗铲作业效率最大，为4043.02m3/h;其最优作业平台高度为14.60 m，作业平台宽度为118.00 m，优化后每年可节省剥离费用371.70万元。

• 煤岩显微组分组图像自动识别系统与关键技术

  宋孝忠, 张群,

  煤化程度和显微组分组成决定着煤的物理化学性质和工艺性质。煤的镜质组反射率和显微组分的煤岩自动化测定，不仅可以减少传统人工测定产生的差异，而且速度快、效率高，使煤岩测定结果应用于煤炭分类、煤炭加工利用等领域成为可能。国内外在煤岩自动化测定方面开展过大量研究工作，实现了镜质组反射率自动测定。但是由于煤岩显微组成和煤化程度影响的复杂性，显微组分的自动识别和图像分析测定仍然面临诸多难题。针对以上问题:① 研制了煤岩显微图像自动采集硬件平台，具有显微镜自动聚焦、自动扫描和显微图像自动采集三大功能模块，建立了煤岩显微组分组图像自动识别工作流程;② 开发了显微图像去噪预处理技术，可实现黏结剂与壳质组有效分割、受下方煤颗粒反射影响变亮黏结剂等的有效剔除，形成了基于Prewitt算子的煤岩显微组分假边界图像剔除技术;③ 开发出基于K均值聚类的煤岩显微组分组图像自动分割和识别技术;④ 形成了烟煤的煤岩显微组分组图像自动识别系统。应用本文研发的技术，对我国不同变质阶段烟煤的代表性煤样进行煤岩显微图像自动采集和显微组分组自动识别测定，并将测定结果与国内资深煤岩专家人工鉴定的标准结果进行比对。结果表明，两种方法测定的45个样品镜质组、惰质组、壳质组的极差平均值分别仅有2.3%,2.3%,1.5%;按照国家标准GB/T18510—2001给出的准确度分析方法，获得3个显微组分组的统计量tc＜tt。

• 煤发酵联产氢气-甲烷过程液相产物变化及其机制

  夏大平, 张怀文, 黄松, 董志伟,

  以煤为原料进行氢气-甲烷联产是一种具有探索性的生物发酵工艺，研究该工艺发酵过程液相产物变化和机理可实现对煤中高附加值液态产物的利用与产气效率的提高，并进一步丰富煤生物产气理论。以义马千秋矿长焰煤为研究对象，义马煤层矿井水为菌种来源，在适宜环境条件下开展联产模拟实验，并运用气相色谱法，气质联用法等对联产过程中的气体组分、中间液相产物等进行检测分析，以揭示其液相产物变化特征及其机制。结果表明:① H2和CH4高峰期产量分别为66.29 μmol/g(第3天)和55.78 μmol/g(第16 天)，分别占H2与CH4总产气量的25.78％和25.47％，反应结束后产氢、产甲烷的底物转化率分别为2.4%和4.9%;② 产氢阶段的pH呈现出先增加后降低又增加的趋势，COD在反应周期内逐渐升高，在第6天时出现最大值857.82 mg/L，而OD600在第4天达到最大值0.52。产甲烷阶段的COD变化趋势明显，在第15天时达到最大值873.73 mg/L，pH,OD600则维持在一个相对较为稳定的范围内。pH,COD与OD600的变化过程与关键有机中间液相产物的变化特征一致，液相产物的生成、降解直接地影响了pH,COD与OD600的变化趋势;③ 产氢阶段和产甲烷阶段均有挥发性脂肪酸、直链、支链烷烃、烯烃、含氮、含氧有机物及吡嗪、嘧啶类杂环化合物积累，产氢结束后的直链烷烃、支链烷烃含量较低，分别是67.05 μg/mL和21.16 μg/mL，且残留有大量的丁酸、丙酸等挥发性脂肪酸(332.63 μg/mL)，经产氢预处理之后的煤样为产甲烷过程提供了更多的有效可利用体，且产甲烷过程在液相产物中检测到更多的直链(最高为216.63 μg/mL)、支链烷烃(最高为112.28 μg/mL)、含氧(最高为110.49 μg/mL)、含氮大分子有机物(最高为108.65 μg/mL)及环烷烃、腈类、腙类、4-甲基芴等新生有机物。联产过程的液相产物变化特征进一步反映了煤发酵联产氢气-甲烷的优越性，有可能提高煤的总体能源利用率并优化产气过程。

• 介孔WO3H-2O2 光催化氧化低浓度瓦斯制甲醇性能与机理

  杨娟, 郝静怡, 戴俊, 魏建平, 王云刚,

  将低浓度瓦斯转化为易于储运的液态工业原料甲醇是其综合利用的一个发展方向，如何实现温和条件下甲烷的有效活化与甲醇的选择性生成是瓦斯催化转化制甲醇的两个关键问题。本文以有序多孔二氧化硅KIT-6为模板剂，磷钨酸-乙醇溶液为前驱物，合成了具有高比表面积的介孔三氧化钨(WO3)，通过X-射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及低温氮吸附-脱附技术对介孔WO3的晶型组成、微观形貌、比表面积及孔结构特性进行表征，以所制介孔WO3为催化剂、双氧水(H2O2)为电子捕获剂与氧化剂，构建了WO3/H2O2可见光催化体系，并对该体系氧化低浓度瓦斯合成甲醇的性能进行了系统研究。结果表明:甲烷初始体积分数、可见光照射强度、H2O2添加等均会影响甲烷转化率与甲醇选择性，且不同甲烷体积分数模拟瓦斯有不同的最佳H2O2;对于甲烷体积分数为20%的模拟瓦斯，介孔WO3在优选的H2O2溶液(浓度为13.5 mmol/L)中可实现甲烷的选择性转化，可见光照射120 min甲烷转化率为24.9%(是仅使用介孔WO3或H2O2体系的8.3与8.9倍)，且甲醇选择性高达82.5%，继续增大H2O2可进一步促进甲烷的转化，但由此产生的过量羟基自由基(·OH)导致生成更多的副产物乙烷(C2H6)和二氧化碳(CO2)，使甲醇选择性显著降低;电子自旋共振测试结果表明WO3吸收可见光产生的光空穴是活化甲烷分子的主要物种，甲烷分子首先经由光空穴抽氢反应生成甲基自由基(·CH3)，H2O2一方面作为电子捕获剂增强光空穴的生成，提高甲烷光活化效率，同时被WO3导带电子还原生成羟基自由基(·OH)，并进一步与·CH3相结合生成产物甲醇，即·OH是甲醇选择性生成的主要氧化物种。上述结果为煤矿低体积分数瓦斯的清洁利用提供新思路。

• 甲烷在页岩黏土矿物中吸附行为的分子模拟

  吕兆兰, 宁正福, 王庆, 黄亮, 孟翰, 余雄飞, 秦慧博,

  页岩黏土矿物的吸附解吸特性对页岩气勘探开发及储量预测具有重要意义。为从微观角度研究页岩气在页岩黏土矿物中的吸附行为，利用分子模拟软件Materials studio构建了蒙脱石、伊利石及伊/蒙混层3种黏土矿物的模型，采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法对页岩气主要成分甲烷在黏土矿物上的吸附行为进行模拟。研究表明，甲烷在不同孔径蒙脱石、伊/蒙混层和伊利石上的平均等量吸附热均小于42 kJ/mol，说明甲烷在黏土矿物表面发生物理吸附。甲烷在3种黏土矿物表面的吸附等温线呈现出相同的规律，均符合I型吸附曲线特征，Langmuir模型的拟合精度较高。3种黏土矿物对甲烷的吸附能力强度顺序为:蒙脱石>伊/蒙混层>伊利石。在伊/蒙混层矿物中，层间离子比甲烷分子更靠近黏土片层，蒙脱石片层一侧吸附的甲烷密度大于伊利石一侧，表明蒙脱石片层的吸附能力强于伊利石，但伊/蒙混层矿物中黏土片层的吸附作用对甲烷吸附层密度的影响随着压力升高而减弱。本文分别构建了孔径为1，2和4 nm的3种黏土矿物模型，从微观角度研究孔径对甲烷吸附的影响。模拟结果表明，黏土矿物孔径越小，甲烷吸附的等量吸附热越大，证明吸附更加牢固，对甲烷的吸附能力更强，但受到孔内有限空间的限制，甲烷在黏土矿物内的绝对吸附量及饱和吸附量随孔径减小而降低。

• 寿阳和柿庄区块煤储层压裂效果及其影响机理分析

  孙天竹, 康永尚, 张晓娜, 邓泽, 皇甫玉慧,

  通过分析寿阳和柿庄区块携砂液阶段的压力曲线类型，对压裂效果进行了评价，创新性地对携砂液阶段的砂比曲线类型进行了划分，揭示出压力曲线类型与砂比曲线类型之间普遍存在的统计对应关系，以此为基础，考虑地应力类型、煤岩与围岩力学性质及应力差异多因素，分析了煤储层压裂效果影响机理。研究表明:① 压力曲线可划分为下降、稳定、上升和波动4种类型，是评价压裂效果的直接依据;② 砂比曲线可划分为连续和断续两种类型，发现压力曲线类型与砂比曲线类型之间存在普遍的统计对应关系，其成因机制为:在弱挤压应力井层(正常应力场)，在携砂液阶段早期垂直压裂缝扩展路径选择过程中，易出现砂堵，多形成断续型砂比曲线，随后，若满足垂直压裂缝压开顶底板临界条件，则垂直压裂缝垂向扩展压开顶底板，即逐层压开顶底板不同岩性层，易出现波动型压力曲线。若不满足垂直压裂缝压开顶底板临界条件，则垂直压裂缝被限制在煤层内侧向扩展，易出现稳定型、下降型和上升型不同类型的压力曲线;③ 与柿庄区块相比，寿阳区块出现断续型砂比曲线和波动型压力曲线占比的双高现象，整体压裂效果较差，其根本的地质因素是该区块的应力状态决定多数井层发育压开顶底板的垂直压裂缝，为无效造缝，使得压裂效果不佳;④ 砂比曲线可作为预警曲线，若砂比曲线为断续型，且压力曲线开始出现上升或波动，预期压裂效果差，可考虑提前终止压裂。

• 构造变形对烟煤级构造煤微孔-中孔的作用

  郭德勇, 郭晓洁, 李德全,

  煤作为一种复杂的天然多孔性固体物质，其纳米级孔隙对煤层气的储集和运移有着重大影响。我国受成煤盆地多期次构造运动影响，煤层普遍发育不同破坏类型的构造煤，构造煤纳米级孔隙结构在构造变形作用下发生重要变化，这一变化不仅影响着煤层瓦斯的储集和赋存状态，同时也对煤与瓦斯突出预测和煤层气开采具有重要意义。采集首山一矿和义安矿不同变形程度构造煤样品，基于低温液氮吸附(2~50 nm)和二氧化碳吸附(＜2nm)实验，利用多重分形理论分析了构造变形对煤的微孔-中孔结构的影响。结果表明煤样微孔和中孔均具有多重分形特征，微孔广义分形维数谱宽D10-~D10+和奇异指数α0随变形程度的增加整体递增，中孔则先降低后增加。弱变形阶段，微孔信息维数D1和赫斯特指数H逐渐降低而多重分形奇异谱谱宽Δα逐渐增加，中孔D1和H逐渐增加而Δα逐渐降低。强变形阶段，微孔D1,H和Δα均没有发生明显变化，中孔D1和H明显降低,Δα明显增加。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏强度的关系，弱变形阶段，构造变形作用导致煤的微孔结构趋于复杂，孔隙连通性较差，中孔结构趋于简单，归因于官能团脱落以及应力作用下部分中孔结构的收缩。强变形阶段，微孔结构差异依然较强，中孔结构差异则由弱变强，这与强构造应力作用下形成大量的分子间孔、缺陷以及气孔有关。

• 地孔瞬变电磁法超前探测数值模拟响应特征

  姚伟华, 王鹏, 李明星, 苏超, 程思远,

  为了避免传统井下瞬变电磁超前探测受巷道中电磁干扰信号、锚网、掘进机等影响，提出一种在地面布设发射回线，在煤矿井下掘进工作面或工作面水平钻孔中测量瞬变电磁场三分量信号的超前探测方法。该方法具有径向探测深度大、三分量接收探头离异常体近、异常场占总场的比值高而更易发现异常体等特点。基于瞬变电磁三维时域有限差分正演算法，对均匀半空间模型、均匀半空间含孤立异常体模型以及异常体位于水平钻孔不同方位的地孔瞬变电磁三分量的总场和异常场响应特征进行了系统研究。发现三分量总场和异常场之间总体符合烟圈效应，总场和异常场三分量衰减曲线或者多测道曲线形态随时间的变化特征可以采用不同时刻感应电流环相对于测点或者测线的位置来进行分析;在不考虑互感现象的情况下，地下接收的不同时刻的三分量响应完全可以看成是背景电流环和异常电流环的叠加，其中异常场的三分量形态可以采用垂直于一次场方向相同形状的电流环来拟合;另外当异常体位于水平钻孔不同方位时，异常场X分量均表现为S型，Y分量和Z分量表现为单峰异常，且不同象限异常场三分量组合形态不同，据此可以判断异常体所在钻孔的深度和方位。最后在地面进行了地孔瞬变电磁超前探测方法的相似性试验，验证了理论模型响应特征的正确性。

• 弱富水软岩水-沙混合型突水机制与防治技术 ——以上海庙矿区为例

  吕玉广, 肖庆华, 程久龙,

  近年来我国西北侏罗纪煤田弱富水软岩水-沙混合型间歇式突水事故多发，短时水(沙)量大，缺少有效的防范技术措施，严重威胁矿井安全生产。为揭示其形成机制以便于制定相应的防范措施，以内蒙古上海庙矿业新上海一号煤矿为研究对象，室内测试了岩石力学强度、软化系数等参数，井下实测了围岩松动圈，综合判定为典型的软岩地层;正交偏光镜下显示砂岩成熟度低，黏土质矿物胶结;水理性试验表明砂岩颗粒间泥质胶结物易产生溶蚀现象，能够形成固-液双相混合物，在水动力下具有流沙属性;泥岩极易吸水膨胀、泥化。根据含水层水位和地表岩移长期观测结果，推定低位覆岩内和高位覆岩内均可以产生离层裂隙，且离层裂隙具有汇集水源功能。将111084工作面突水溃沙过程中含水层水位历时曲线与水量历时曲线叠合考察，突水量与突水含水层水位升降变化之间有明显的相关性。初时突水量大、水位下降幅度也大;水量在趋于衰减过程中出现几次跃升，含水层水位在趋于回升过程中出现几次相应的跃降;跃升(跃降)的幅度梯次减小;两次跳跃时间间隔梯次延长。综合以上信息，提出离层裂隙的汇水作用可以强化弱含水层短时突水强度观点，弱胶结砂岩提供了混合突水的沙源;离层水体释放过程中水动力发生强弱变化，随着离层水体释放水动力减弱，大量泥沙封堵突水通道，表现出泥沙自封堵效应。覆岩持续压缩，离层裂隙储水能力逐渐弱化，表现为突水量梯次减小;离层水补给路径逐渐扩展，表现为突水休止期梯次延长。汇水—突水—封堵—再汇水—再突水—再封堵的过程交替进行，揭示了间歇性水-沙混合型突水模式的突水机制。离层水害发生需要具备水源(富水性)、时间、空间、通道、压力等5个必要条件，强调导水裂隙突水通道的重要性。工程应用表明，顶板水预疏干可以改变含水层的富水性条件，预置导流管改变突水通道和压力条件，可以有效避免此类事故发生，保障矿井安全生产;同时可实现无顶板淋水、采空区无涌水状态下开采，优化采场作业环境、弱化软岩效应，促进矿井高效生产。

• 基于改进AHP和熵权法耦合的风化基岩富水性预测方法

  侯恩科, 纪卓辰, 车晓阳, 王建文, 高利军, 田世雄, 杨帆,

  我国西北地区侏罗系风化基岩含水层是矿井充水的主要含水层，多次煤矿顶板突水事件均与该含水层有关。侏罗系风化基岩具有结构疏松、孔隙度大、岩层渗透性强和裂隙发育的特点，导致了其富水性在空间上极不均一，如何科学的评价预测侏罗系风化基岩富水性成为矿井防治水工作中急需解决的难题。以柠条塔井田南翼为例，分析了风化基岩富水性的控制因素，选取风化基岩顶面标高级别指数、岩性组合指数、风化指数和岩芯采取率指数4个指标作为风化基岩富水性预测的主要指标。针对AHP在确定权重时重专家经验而对指标实测数据特征考虑不够和熵权法在确定权重时重客观数据而未顾及专家经验的不足，提出了将改进AHP和熵权法通过最小二乘法耦合起来计算富水性预测指标权重的方法。利用柠条塔井田南翼172个钻孔地质资料和其中41个风化基岩抽水试验资料，进行了基于改进AHP、熵权法和改进AHP与熵权法耦合的柠条塔井田南翼富水性分区预测及结果比较分析。结果表明，基于改进AHP权重确定方法、熵权法权重确定方法和耦合两者的权重确定方法预测的富水性类别和41个抽水钻孔的富水性吻合度分别为68.29%,70.73%和92.68%，即就是基于改进AHP和熵权法耦合确定预测指标权重的风化基岩富水性预测方法效果最好。该研究成果为含水层富水性评价预测提供了一种新方法。

• 基于非线性动力学模型的矿山土地生态系统恢复力机制

  杨永均, 张绍良, 侯湖平, 陈浮,

  实现近零生态损害的资源开采、国土空间生态的系统修复，恢复力是关键。尽管一些研究直接或者间接地指出了恢复力的重要性，但目前对矿山土地生态系统恢复力机制的理论认识还很缺乏。构建了一个矿山土地生态系统的非线性动力学模型，利用数值模拟方法来揭示恢复力在矿山土地生态系统中的动力学表现和基本性质，以期为矿山区域国土空间的系统修复和保护提供理论依据。研究结果表明:① 恢复力是矿山土地生态系统的基本属性，是指在有限强度的扰动后，系统具有回复到平衡点、保持原状态和定性结构的能力;② 恢复力产生的原因是系统具有复杂结构，且是自组织的，在面临扰动时表现出自维持能力;③参数变量是决定恢复力大小的重要因素，其阈值空间是测度恢复力的直接指标;④ 恢复力具有可塑性，调控恢复力的基本途径是恢复力强化和克服，关键技术是对参数变量及其阈值、状态-参数变量间关系进行调控。矿山土地生态系统恢复力是一个客观存在的动力学属性，该属性为采矿前土地生态影响评估、采矿中土地生态系统状态维持、采矿后土地生态系统修复和可持续发展提供了基本依据。恢复力可以作为系统保护和修复的核心准则，恢复力思维则是指导土地复垦与生态修复的核心理论之一。未来需要加强对恢复力测度、调控和建设方法的研究，并在与采矿活动和环境保护的具体工程中大力推进恢复力机制的技术应用和集成。

• 相互作用力及液膜排液动力学研究进展

  邢耀文, 桂夏辉, 曹亦俊, 刘炯天,

  颗粒气泡间相互作用力及液膜薄化破裂动力学是揭示浮选黏附机理的核心，也是近年来浮选胶体化学领域的研究热点。为深入明晰浮选黏附机理，对当前颗粒气泡间相互作用力及液膜排液动力学模型理论研究进展进行了系统综述。对于颗粒气泡间相互作用力，疏水引力可克服颗粒气泡间范德华力和静电斥力，诱发黏附。不同作用程范围内疏水力的来源机制不同:长程疏水力(>20 nm)主要源于固液界面亚微米/纳米气泡桥接，而短程疏水力(<20 nm)则主要源于固液界面水分子重排效应。由于疏水力强烈的吸引性和气液界面变形，颗粒气泡间疏水力的定量表征仍存在较大的挑战。对于颗粒气泡间液膜排液动力学模型，最具代表性的有Stefan-Reynolds平坦膜模型，Taylor模型和Stokes-Reynolds-Young-Laplace(SRYL)模型。Stefan-Reynolds及Taylor模型并未考虑排液过程中气泡表面曲率的变化，其应用存在着较大的局限性。SRYL模型则在描述液膜薄化速率的同时，兼顾了气泡表面在流体力和表面力等外力作用下的变形行为。在给定起始与边界条件下，SRYL模型通过数值迭代法与液膜排液试验测试结果对比，可以计算出颗粒气泡间的相互作用力信息;也可通过与相互作用力试验结果对比获得液膜排液数据。在今后的研究中，应重点将SRYL模型与试验测试相结合，对颗粒气泡间疏水力进行定量表征，揭示浮选黏附机理。

• 密度对细粒煤颗粒与气泡间相对运动的影响

  卓启明, 刘文礼, 徐宏祥, 孙小朋,

  颗粒与气泡间相对运动的研究对浮选机理的认识十分重要，目前关于颗粒与气泡间相对运动的研究多为理论推导，试验研究比较匮乏且试验对象多为形状规则，表面性质均匀的颗粒。本文以内蒙古公乌素原煤为研究对象，利用自行设计搭建的试验装置研究了粒级为0.100~0.074 mm、密度级分别为-1.3，1.4~1.5和+1.7 g/cm3的煤样与气泡间的相对运动。试验通过追踪大量煤颗粒的运动轨迹，研究了颗粒沉降阶段、运动轨迹偏离阶段和碰撞阶段中颗粒运动特征参数的变化规律。试验结果表明:颗粒当量直径均值为0.092 mm，颗粒经短暂加速后便达到沉降末速，颗粒沉降末速随颗粒当量直径和密度的增大而增大。气泡会影响颗粒的运动轨迹，同一初始沉降区间内，竖直方向上煤样轨迹偏离点到气泡的距离随煤样密度的增大而减小。静水条件下颗粒和气泡碰撞角的主分布区间为20°~50°，且碰撞区间和颗粒集中分布区间随初始沉降区间向外扩展而扩展。颗粒和气泡的碰撞角小于50°时，碰撞点处颗粒速度减小比例随碰撞角增大近似直线减小，碰撞角大于50°时，碰撞点处颗粒速度减小比例趋于平稳，低密度颗粒的速度减小量大于高密度级颗粒的速度减小量，然而差异并不明显。理论计算发现，颗粒初始沉降位置距气泡中轴较近时理论碰撞速度较小，且颗粒理论碰撞速度随颗粒初始沉降位置向外扩展而增大，与试验规律较为吻合。

• 基于浮选-化学联合作用对高炭煤的深度脱灰效应研究

  郝成亮, 初茉, 杨彦博, 曲洋, 张超, 周玲妹, 吕飞勇,

  煤炭作为化工原材料的应用途径正逐步向精细化、高端化利用转变，将高碳煤深度脱除矿物质制备成超纯煤可以作为高附加值先进炭素材料的原料。以太西无烟煤为原料，采用自制的微泡浮选柱通过Box-Behnken 试验设计方法优化浮选试验，借助XRF、XRD和SEM-EDS分析了最佳浮选条件下的浮选精煤，进一步明晰微泡浮选方法深度脱除矿物质的过程和不同矿物质对无烟煤深度脱矿的影响。同时也采用了NaOH-HCl方法深度脱除无烟煤中的矿物质，通过XRD、SEM-EDS分析脱矿样品的性质，明确无烟煤中矿物质的脱除机理以及限制深度脱矿的因素。微泡浮选试验表明，当捕收剂用量3.36 kg/t、起泡剂用量1.81 kg/t和调浆强度4560 rad/min时，浮选效果最佳，能得到灰分0.52%、产率66.25%的浮选精煤，由测试表征可知细泥罩盖和粒度小于2 μm、有机质占95%以上的连生体颗粒是限制微泡浮选方法深度脱矿主要原因。NaOH-HCl脱灰试验表明，随着样品粒度减小，样品灰分显著降低，当样品的体积平均粒径为8.01 μm时，脱矿效果最佳，能得到脱矿率86.81%、灰分0.36%的脱矿样品。而无烟煤中低反应活性的石英和伊利石以及被煤基质包裹的微细硅酸盐矿物影响太西无烟煤的化学深度脱灰。基于微泡浮选方法和NaOH-HCl方法在高碳煤深度脱矿过程中存在的极限问题，提出浮选-化学联合深度脱灰方法对太西无烟煤进一步深度脱灰，首先通过浮选预处理减少石英和伊利石等低反应活性的矿物质总量，再将浮选精煤中存在的矿物质与NaOH反应生成水溶性的硅酸钠和易溶于酸的硅铝酸钠而被脱除，并以此构建了浮选-化学联合方法深度脱灰历程描述模型，最终得到超低灰(0.12%)、高碳、高发热量能制备成高附加值炭材料的超纯煤样品。

• 预裂辅助冲击截齿的破煤特性

  张强, 王聪, 田莹,

  近年来我国煤炭资源持续性大规模开采，如今国内的整体煤炭开采难度与日俱增，硬质煤层和黏性煤层的比例增加是制约煤炭开采效率的主要因素，而传统机械破煤技术很难实现硬煤、黏煤的高效截割。因此针对传统截齿在硬质和黏性煤岩破煤效果不佳的问题，从煤壁辅助预裂与截割相结合的角度出发，利用理论分析和数值模拟的方法研究了冲击预裂与截齿截割煤岩破碎特性，在综合考虑实际工作中的牵引、回转与冲击运动，提出了截齿运动轨迹模型，建立了预裂辅助冲击截齿的破煤轨迹数学模型，得到了截齿破煤运动轨迹的解析解。并根据分析结果建立了预裂辅助冲击截齿与传统截齿的单截齿滚筒破煤离散元模型，从破煤颗粒实际占比、破煤难易程度、截齿受力波动等角度对两种截齿的破煤特性进行了对比分析。研究结果表明:在破煤颗粒实际占比上，预裂辅助冲击截齿在煤体硬度同为f6时提高了31%，当黏度黏聚力为2.6 MPa时预裂辅助冲击截齿的效率提升接近14%;在破煤难易程度上，预裂辅助冲击截齿在硬度值为f6时可降低50%的破煤难度，当黏度黏聚力为1.88 MPa时，预裂辅助冲击截齿可降低约12%的难度;在截齿受力波动上，预裂辅助冲击截齿在硬质煤或黏性煤均能够减小近7000 N的力，因此，开展预裂辅助冲击截齿的研究，将有利于破碎硬质和黏性等特殊煤岩介质。

• 含不确定性参数的锚杆钻机机械臂运动学误差分析

  张君, 李玉贵,

  矿用锚杆钻机广泛用于井下顶板和侧帮的打孔和支护，极大地缓解了掘锚失调的问题。为此以机械臂为研究对象，对含有不确定性区间参数的机械臂运动学进行了误差分析。由于传统微分法对机械臂运动学误差分析存在很大的局限性，故将Chebyshev扩张函数算法应用在求解含不确定性区间参数的机械臂运动学中。具体方法是采用了扫描法(SAS)、张量积(CTP)、与配点法(CCM)3种代理模型对含有不确定性参数的机械臂运动学正解矩阵进行响应区间的包络研究，3种代理模型在CPU时间消耗上均有所减少。其中配点法(CCM)的优势较为突出，与原始计算方法相比时间消耗减少了97.65%。同时也将理论值和3种区间代理模型计算出的上、下边界响应值进行了对比。结果表明配点法(CCM)、扫描法(SAS)计算出的边界值与理论值更加接近，产生较小范围的误差。最后在样机上对所提算法进行验证，紧密的包裹效果验证了本文提出算法的精度和有效性。其中扫描法(SAS)和配点法(CCM)这两种代理模型在上下边界值的求解中拥有较小的保守估计，张量积法(CTP)代理模型则在局部求解中获得较好的估计。对含有不确定性参数的响应区间研究，成为了预测机械臂空间轨迹跟踪和定位的新方法，确保机械臂的预测误差值最小。同时也为实现机械臂的最优结构的设计和高速、高精度的控制,提供一定的理论指导。

• 掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置的研制与实验

  陈景序, 荆德吉, 葛少成, 马恒, 孙丽英,

  为有效控制由掘进机截割头旋转破碎引发的粉尘污染，基于高压喷雾在涡旋气体射流场中的运动规律及二次雾化破碎特性，研制了一种可以阻隔工作区域高质量浓度粉尘迁移扩散的新型掘进机外气动涡旋雾幕控尘装置。绘制了包含掘进系统的气动涡旋雾幕控尘装置的比例模型，并通过利用CFD数值模拟软件获得该型设备外部风流场迁移规律和液滴粒子运动规律，以模拟结果为理论基础建立实验平台，并对设备的雾化性能及控尘性能进行了实验测定。模拟结果表明:在环状风筒前端形成了完整旋转风幕，外环高压喷雾受内环高速旋转风流冲击，加剧了液滴的破碎、迁移扩散与捕尘性能。雾化性能实验结果表明:该型设备雾化性能主要由气体射流与高压喷雾的相间速度差决定，喷雾夹角为45°~75°，相间速度差较大，气相射流风速对雾化性能影响占主导地位;喷雾夹角大于75°时，相间干涉减小，喷雾压力占主导地位;随着沿流向方向的距离增大，风速快速衰减，液滴运动趋于稳定。控尘性能实验研究结果表明:当喷雾压力、喷雾夹角不变的情况下，单独提高引射射流风速时，涡旋雾幕前方粉尘捕集较差，全尘和呼尘平均捕集率分别为21.3%和25.1%;而雾幕后方，不同风速下的全尘捕集率分别为88.9%，91.8%和92.8%，呼吸性粉尘捕集率为90.5%，93.7%和95.2%，照比传统高压喷雾表现出更好的控尘性能。

• 基于剪切弹簧非线性模型的振动弛张筛动力学分析

  宫三朋, 王新文, 于驰, 赵国锋, 林冬冬, 徐宁宁, 朱国辉,

  振动弛张筛可有效解决潮湿细粒煤炭的干法筛分问题，且剪切弹簧的动态特性对其动力学响应以及筛分效果具有重要的影响。为了深入研究振动弛张筛剪切弹簧动态特性与振幅和频率的相关性，建立了基于非线性弹性力、摩擦力和分数导数力的剪切弹簧非线性模型，其中非线性弹性力用来描述剪切弹簧静态非线性弹性，摩擦力和分数导数力分别用来表示剪切弹簧动态特性的振幅相关性和频率相关性。将剪切弹簧动态测试实验结果与所提出模型的理论计算值进行比较分析，结果显示，在描述剪切弹簧动态特性振幅相关性时，剪切弹簧动刚度及滞后角的理论计算值与实验测试值的平均方差分别仅为0.525和0.007，平均误差分别为0.323%和5.580%;在描述剪切弹簧动态特性频率相关性时，剪切弹簧动刚度及滞后角的理论计算值与实验测试值的平均方差分别仅为0.041和0.011，平均误差分别为0.107%和5.260%，该数据表明，建立的模型可较好的描述剪切弹簧的动态特性。将该模型应用于振动弛张筛动力学分析系统中，利用Newmark算法计算了振动弛张筛在不同系统参数条件下的动力学响应，结果表明，由于剪切弹簧动态特性具有振幅和频率相关性，在二阶共振区内，随着剪切弹簧阻尼的增加，系统共振峰值减小且共振频率增加，随着激振力的增加，系统共振峰值增加且共振频率减小，故在研究振动弛张筛动力学响应时，应考虑剪切弹簧动态特性对系统的影响。

• 旋流器内部流场的数值模拟方法研究

  李娟, 闫小康, 李晓恒, 粟文兵, 张玉胜,

  旋流器以其操作简单，运行成本低，物理尺寸小等优点广泛应用于化工分离行业。其内部流场情况对其分离精度及分离效率起着关键作用，准确模拟该流场具有重要意义。流场变量梯度高、旋流特征强，尤其中心空气柱的存在增加了其数值模拟的不确定性。借助CFD(Computational Fluid Dynamics)软件，对75 mm经典旋流器系统地进行了气-液两相流非稳态数值模拟，研究了湍流模型，压力-速度耦合方式以及离散格式对旋流器内部流场计算结果的影响，并将其空气柱直径、切向速度以及轴向速度进行对比。结果表明:RSM(Reynolds Stress Model)湍流模型可以较为准确地预测旋流器流场,仅在空气柱附近区域预测的速度值偏低。RNG k-ε(RNG k-epsilon)、Realizable k-ε(Realizable k-epsilon)以及Standard k-ε(Standardk-epsilon)湍流模型预测的该流场与实际流场存在较大差异。其中，RNG k-ε模型误差较Realizable k-ε以及Standard k-ε模型稍低;QUICK与Second Order Upwind离散格式在预测旋流器内部流场时差别不大。Third-order MUSCL,Power Law以及First OrderUpwind离散格式没有求解出流场中完整的空气柱;SIMPLE，PISO及Coupled三种压力-速度耦合方式对计算结果的影响不大，相比较而言SIMPLE算法为较适合计算旋流器流场的压力-速度耦合方式。Coupled较其他2种算法在溢流管段预测的空气柱直径偏大，速度偏小，部分锥段空气柱直径偏小，速度偏大。结论对准确模拟旋流器、旋流泵、离心机等以旋流为主要特征的设备流场具有重要参考意义。

• 基于人工智能的TBM选型适应性评价决策支持系统

  詹金武, 李涛, 李超,

  随着我国西部的大开发和“一带一路”的建设，迫切需要大力发展交通、矿山、水利等重大“生命线”工程，而深埋长大隧道往往是这些生命线工程的关键控制性工程。限于地质、地形和自然环境条件，从施工工期、造价和技术进步3个方面考虑，TBM(Tunnel Boring Machine)工法是深长隧道开挖的优先选择。深长隧道TBM的适应性受到众多因素的影响，难以进行有效和定量的评价。主要影响因素为不良地质，如突涌水、软岩大变形、断层破碎带、岩爆等;此外，隧道的设计、隧址地质条件等对TBM的选型也有重要影响。人工智能方法具有能够分析复杂因素影响和处理复杂问题的突出特点，可用于TBM选型适应性的有效评价。首先，基于层次分析法和模糊综合评判方法，通过TBM选型评价知识的获取，选取能够充分反映不同机型地质适应性差异、具有代表性和区分度高的7个评价指标，构建了TBM选型适应性评价指标体系及模糊综合评价模型，确定了各个评价指标的模糊隶属函数。其次，通过编写权重辅助计算程序，确定了3种TBM机型选型适应性评价指标的权重;其中，为了避免单指标决策的局限性和主观臆断的缺陷，采用智能设计理论和决策理论相结合的方法，完成了多指标智能决策的定量化选型。将评价模型与知识获取相结合，以规则的形式表示知识，构建了TBM选型适应性评价知识库。最后，基于智能评价决策支持系统平台IDSDP，开发了TBM选型适应性智能评价决策支持系统，为深长隧道TBM选型提供了一种新的量化评价方法。利用该系统对高黎贡山铁路隧道TBM的选型进行了适应性评价，评价结果与实际情况相吻合。

• 综采工作面多视觉全局坐标系研究

  刘鹏坤, 王聪, 刘帅,

  现阶段综采工作面分布的摄像仪较分散，且煤矿智能化应用多需大场景且高分辨率的图像，井下广角视觉相机与全景相机的引用试图恢复尽可能宽广的综采工作面视野，但是由于设备从单一测点进行图像采集，获得的图像会出现畸变，甚至图像失真，因此有必要进行多视觉全局坐标系的技术研究。介绍图像采集装置的安装设计，使其满足所采集图像有一定重叠且特征稳定，探讨该布置方式下的图像标定方法，利用最小二乘法的方式能更好的进行摄像仪模型的标定，拟合精度高且鲁棒性低。通过对工作面图像进行灰度范围压缩或拉伸，提出一种改进型直方图均衡化方法，提高了工作面低照度情况下的图像细节体现与部分强光下的抑制效果，使得井下环境的辨识度更高，优化其图片质量。通过比较目前比较成熟的特征点提取算法，最终采用Surf算法进行特征点的匹配与提取，分配特征点的主方向并完成特征点的描述子。针对该算法出现的误匹配特征点较多的情况，研究消除误匹配特征点的RANSIC算法，并通过角点检测配对的方式提高了有价值的特征点数量。最终通过坐标点坐标建立透视矩阵表达式与全局坐标系从而完成图像的拼接，采用加权平滑的方法对拼接的图像进行去裂缝处理，最终实现多视觉图片的快速有效融合。试验表明该方法可有效增强井下图像细节，去除井下图像误匹配特征点，可快速消除拼接的裂缝，并能快速准确的完成两、三幅图像的拼接融合。该方法具有误差小、效率高且拼接速度快等特点，使拼接图像满足综采工作面图像应用的层次，应用范围与前景广阔。