煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2019年第1期

• 煤及共伴生资源精准开采科学问题与对策

  袁亮,

  面临新一轮以大数据、云计算、人工智能、物联网、区域链、互联网为代表的信息技术革命，及煤、铀、油气相继走向智能化无人开采的发展趋势，深度融合现代信息技术、资源开采理论技术助推煤及共伴生资源无人(少人)开采，保障国家能源及战略需求，成为新时代能源资源开发模式变革的导向，基于此率先提出煤及共伴生资源精准开采的科学构想。煤及共伴生资源精准开采是以创新地球空间物理科学、多相多场耦合理论及智能管控系统为核心保障，互联网+现场监测、物理/数值模拟、基础实验的“三位一体”科研手段为支撑，实现煤及共伴生资源禀赋、原生/扰动地质灾害、开采装备工况全息实时展现，资源开发规划、矿井运行管理及退役矿井生态修复方案的智能弹性决策，潜在致灾因素的智能深度感知、精准圈定及高效解危，突发灾害的损伤体自主修复、管控系统韧性恢复、装备自适应调整的资源科学开发模式。煤及共伴生资源精准开采可有效破解资源开发面临的勘探监测、协同开发、灾害防控及环境负外部性等重大难题，为未来煤及共伴生资源开发提供了新思路。本文凝练了煤及共伴生资源精准开发的5个关键科学问题和7个主要研究方向，为实现新时代资源安全高效绿色开发提出了阶段性规划。

• 解决矿山环境问题的“九节鞭”

  武强, 刘宏磊, 赵海卿, 张萌, 刘守强, 曾一凡,

  矿山环境研究是建设“美丽中国”的具体行动之一，可以使废弃矿山变成绿水青山和“金山银山”。矿产资源开发曾经以牺牲人类生存环境为代价，造成了难以弥补的资源浪费和生态环境破坏，导致一系列严重的矿山环境问题出现。目前我国正在面临突出的矿山环境问题困扰，而矿山环境修复治理进度却相对缓慢。为科学解决矿产资源开发过程中诱发的众多矿山环境问题，采用系统工程思路，运用“九节鞭”手段，围绕矿山环境问题梳理、调查、评价与预测、修复治理技术与模式、矿山土地适宜性评价、监测与预警、信息系统研发、法规标准和矿山环境管理等9个方面探讨了逐步攻克和解决矿山环境问题的出路。提出了矿山环境问题的分类方案和各类型的效应特征;为规范矿山环境的调查和矿山环境数据采集，制定了矿山环境的现场原位调查技术方法和标准;为把握矿山环境现状和预判未来演化发展趋势，提出了矿山环境现状评价和针对不同开发方案其环境演化趋势预测的方法与模型;针对矿山环境的系统属性，开展了环境问题、修复治理目标、修复治理技术及修复治理模式等研究，建立了矿山环境修复治理模式体系;从修复矿山土地资源和矿山土地资源再利用的角度，构建了修复治理后的矿山土地适宜性评价理论与方法;以监测矿山环境、分析变化趋势以及预警突发事件为目的，开发了矿山环境监测与预警技术;为直观展示矿山环境修复治理成果、共享修复治理中的经验和教训，研发了基于云平台大数据等现代信息技术的矿山环境信息管理系统;整理了矿山环境相关的法律法规，对比分析了国内外矿山环境法规标准体系特征;阐述了政府和企业在矿山环境管理中的职责。最后，从消除矿山环境问题对生态环境产生的负面影响、开发闭坑矿山正效应资源并服务矿业城市经济建设与转型、深部开采矿山环境问题防治理论与方法、地下矿山生态环境、矿山环境问题及其公共安全防治理论与技术装备研发、矿山环境大数据平台建设与人工智能等角度，展望了矿山环境研究的未来发展方向和趋势。

• 中国煤矿井下地应力数据库及地应力分布规律研究

  康红普, 伊丙鼎, 高富强, 吕华文,

  收集了采用井下小孔径水压致裂地应力测量装置获得的煤矿地应力数据，以及其它采用应力解除法、水压致裂法等获得的煤矿地应力数据，共计1 357条。在此基础上建立了“中国煤矿井下地应力数据库”，绘制了中国煤矿矿区地应力分布图。分析了我国煤矿井下地应力分布特征和主要影响因素，取得以下研究成果:① 埋深是影响煤矿井下地应力的重要因素。垂直应力总体上随埋深增加不断增大，但数据存在一定的离散性。最大、最小水平主应力总体上也与埋深呈正相关关系，但数据离散性更大。② 在浅部煤矿，地应力类型主要为逆断型应力状态(H>σh>σV);在千米深井，主要为正断型应力状态(V>σH>σh);介于两者之间主要为走滑型应力状态(H>σV>σh)。③水平应力与垂直应力的比值(包括最大、最小水平主应力与垂直应力的比值;平均水平主应力与垂直应力的比值;最大水平主应力与最小水平主应力之差与垂直应力的比值)，埋深越小，这些比值离散性越大，分布范围越广。随着埋深增加，比值的离散性和范围越来越小，并逐渐趋于某一定值。④ 粉砂岩、细砂岩、泥质砂岩和泥岩4类岩性地应力数据统计结果表明，总体上，岩石强度越高，承受的水平应力越大。⑤ 弹性模量较大的岩石，水平应力较高;弹性模量较低的松软破碎岩层，水平应力较低。

• 智慧煤矿与智能化开采关键核心技术分析

  王国法, 赵国瑞, 任怀伟,

  为解决煤炭开采面临的突出问题，找到煤炭开采未来发展方向和急需突破的关键核心技术，分析了国内外能源结构及煤炭的现状，指出利用科技进步实现安全高效绿色开采和清洁高效利用是煤炭的发展方向，建设智慧煤矿发展智能化开采是煤炭工业发展的必然选择。提出了智慧煤矿的内涵和3个基础理论问题及研究方向:① 数字煤矿多源异构数据的统一表达及信息动态关联关系;② 复杂围岩环境-开采系统作用机理及设备群全程路径和姿态智能控制的理论基础;③ 矿井设备群的系统健康状况预测、维护决策机制。提出了建设智慧煤矿MOS多系统综合管理、井下机器人群协同智慧和馈电管理、井下精确定位导航和5G通信管理、地质及矿井采掘运通信息动态管理、视频增强及实时数据驱动三维场景再现远程干预、环境及危险源感知与安全预警系统管理、智能化无人工作面系统管理和全矿井设备和设施健康管理八大智能系统管理操作平台的构想，分析了各平台的功能、特征和关键核心问题，提出了相应的建设路径和方法;分析了智慧煤矿的构成和建设目标，提出了智能化开采的八大核心技术短板和亟待攻破的关键技术，提出了技术层面从数据获取利用、智能决策和装备研发3个主要方向进行突破，管理层面从科学产能布局、专业化运行服务和建立新规范规程体系等促进发展的措施，指出了智慧煤矿和智能化开采技术发展的目标和实现路径。

• 深井超长工作面基本顶分区破断模型与支架阻力分布特征

  王家臣, 杨胜利, 杨宝贵, 李杨, 王兆会, 杨毅, 马焱超,

  开采深度和工作面长度增加导致采场矿压显现程度和空间分布特征发生改变，增加了该类采场围岩失稳类型的不确定性及控制难度。针对深井超长工作面异常矿压现象发生频率高、预测难度大等问题，采用理论分析、室内实验和实测等方法分析了该类采场基本顶破断类型和支架阻力分布特征。结果表明:开采深度增加提高了岩体中裂隙发育程度，裂隙尺寸服从对数正态分布,裂隙倾角和倾向服从正态分布;基于蒙特-卡罗模拟方法实现深井超长工作面基本顶三维重构，工作面长度增加导致基本顶中部存在裂隙的概率升高，增大了基本顶在工作面中部发生局部破断的可能性;建立深井超长工作面基本顶分区破断力学模型，采用上限定理推导出完整基本顶的整体承载能力以及基本顶中存在1条和2条原生裂隙时的局部承载能力,获得基本顶在裂隙影响区发生局部分区破断和迁移现象的力学判据;基本顶分区破断现象导致破断岩块在空间上呈非均匀分布，表现为工作面中部块度小、两端块度大的特征;分区破断模型预测结果同相似模拟实验结果吻合，解释了深井超长工作面开采实践中发现的顶板压力沿工作面方向的非均匀分布现象。

• 煤矿“采选充+X”绿色化开采技术体系与工程实践

  张吉雄, 张强, 巨峰, 周楠, 李猛, 张卫清,

  煤炭接续资源多在深部和优质资源多在西部并存的现状使得深部与西部开采成为煤炭资源开发的新常态，绿色矿山建设、绿色矿业发展与绿色化开采推进已势在必行。本文提出了煤炭资源“采选充+X”绿色化开采技术构想，即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选、矸石充填与“岩层移动主动控制、沿空留巷、瓦斯抽采、灾害防治、保水开采”一体化生产系统，形成了煤炭“采选充+X”(控、留、抽、防、保)协同生产模式;明确了“采选充+X”绿色化开采技术的内涵与技术框架，阐述了“采选充+X”的四代演化历程，分析了其践行绿色化的技术优势，给出了科学化的工程设计方法;阐述了5类典型“采选充+X”技术对应的技术原理、工程需求、设计流程与方法、关键技术及工艺装备等。工程实践分别证明了采选充+控、采选充+留、采选充+抽等“采选充+X”技术具有的显著技术优势与工程示范效应。未来“采选充+X”绿色化开采将延伸采选充+处、采选充+智、采选充+调、采选充+协等技术模式。整体形成的“采选充+X”技术体系，可为实现煤炭及伴生资源绿色化开采提供有力的技术支持。

• 结构充填开采基础理论与地下空间利用构想

  冯国瑞, 杜献杰, 郭育霞, 戚庭野, 王泽华, 李庆东, 李化运, 康立勋,

  为应对充填采煤面临的成本逐渐增高、效率相对低下、地下空间资源被大量浪费等挑战，提出了构造充填开采思想。构造充填是一种充填率低、结构稳定性强、充填效果好的充填开采，其目标为:高效利用矿区固废资源、降低充填成本，改进充填材料与工艺、提高充填效率，合理进行采充规划、实现对地下开采空间的再利用。构造充填的设计原则为:直接顶不发生破断且变形量在允许范围内、充填体抗压强度足够大且能长期稳定承载。根据此原则确定了构造充填的关键位置为:特殊地质构造区、围岩应力集中区、直接顶最大受力处、直接顶最大变形处和充填体自身薄弱点等。构造充填的关键技术主要包括:通过优化煤矸石骨料形态与颗粒级配、研发新型低成本胶凝材料、开发新型外加剂、发展多种替代原材料等手段进一步开发新型固废充填材料;通过构建不同形态高强构造充填体和直接顶自承结构构建“构造充填体-直接顶”复合承载结构;通过研发智能化充填材料制备系统、可视化充填料浆输送系统、独立式充填体构筑系统、移动式充填材料浇注系统、立体化充填效果监测系统构建井下一体化构造充填系统。基于“三下”压煤资源的开采需求，在构造充填开采思想的引领下，提出了在城市下建设地下综合体、在村镇与农田下建设地下农业基地、在铁路(公路)与水体下建设地下储库等构想。

• 固体充填开采顶板多跨超静定结构分析与充填支架控制作用研究

  刘建功, 赵家巍,

  为解决不同地质与开采条件下充填支架的关键参数确定问题，以充填开采条件下岩层移动的实际变形形态为基础，将基本顶作为研究对象，建立了基于多跨超静定结构的“顶板-支架-充填体”相互作用力学模型，煤壁和充填体为主要承载体，充填支架对顶板起限定变形作用，据此建立了连续顶板的力学平衡方程和变形协调方程，在充填支架支撑载荷未知的情况下进行问题的求解，将充填体分布弹性地基支承离散为若干跨等效弹性支承，取单跨隔离体进行分析，建立截面切口形变分量方程，进而推导得出跨间截面切口形变分量的矩阵表达式，得到的n+2个变形协调方程与3个平衡方程构成n+5个求解方程，对应n+5个未知约束，所求问题全部得解;为了更真实地反映顶板载荷的分布，更合理地分析顶板、支架和充填体的相互作用关系，尝试将力学模型与数值模型相结合，改变以往力学模型中将顶板载荷作为均布载荷的简化分析方法，建立与力学模型中充填支架作用和充填体参数一致的数值模型，将数值计算得出的覆岩应力曲线作为顶板载荷q(x)，代入“顶板-支架-充填体”相互作用力学模型，由此解出模型中所有支座的反力、梁体内力、梁端弯矩等未知量，从而得出顶板载荷、支架和充填体支撑作用力的相互作用关系，通过具体算例分析了不同充填体弹性地基系数和不同顶板限定变形量条件下双顶梁结构充填支架前顶梁和后顶梁支护强度的变化规律，为充填支架关键参数的确定提供有效依据。

• 综采工作面基本顶厚跨比对其初次断裂失稳影响规律

  赵毅鑫, 王新中, 周金龙, 李全生, 张 村,

  综采工作面基本顶初次断裂失稳机理对工作面支架选型及采场围岩稳定性控制至关重要。通过建立顶板力学模型分析得出:综采工作面基本顶初次断裂前，基本顶厚跨比从初始状态减小趋近极限状态时，其内部最大主应力σ1与最大剪应力τmax均逐渐增加;当厚跨比接近0.2时，σ1与τmax均出现陡增，但σ1增加速率大于τmax，易在基本顶两端顶部发生断裂，且基本顶初次断裂时极限厚跨比n1一般大于0.2。在不发生滑落失稳条件下，基本顶极限厚跨比n1随回转角θ的增大近似呈线性增加;证明了基本顶铰接结构回转初期(θ为0°～3°)易发生滑落失稳。在仅考虑厚跨比影响的条件下，基本顶铰接结构发生回转失稳的临界条件为极限厚跨比n1=0624。然而，当n1<0.624时，回转极限平衡角大于岩块回转平衡角所允许的最小值时，亦会造成铰接结构回转失稳。同时，在考虑支架弹性变形的基础上，建立了基本顶铰接结构滑落失稳对工作面支架动载系数计算方法，当直接顶与基本顶离层量Δh为0时，动载系数Fsd取最小值;Δh不为0时，Fsd随Δh增加而增大，但随直接顶与支架刚度之比、直接顶自重与基本顶传递载荷之比增加而减少。最后，通过对不同综采工作面初次来压时支架工作阻力与动载系数进行计算，验证了理论分析的有效性。

• 非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程及应用

  王卫军, 董恩远, 袁超,

  由于双向非等压应力条件作用下的圆形巷道弹塑性问题求解难度较大，目前难以得到精确解析解。基于Mohr-Coulomb强度准则，将Kirsch解代入塑性条件中研究了非等压应力条件下圆形巷道围岩塑性区近似边界方程、分析了塑性区影响因素及形成力学机制。结果表明:侧压系数影响塑性区形态，原岩应力方向影响蝶形塑性区蝶叶方位，巷道半径与围岩岩性对塑性区形态均没有影响，但对塑性区的发育深度起着决定作用;侧压系数不等于1时，最大主应力方向不再平行于巷道切向，最小主应力方向不再经过巷道中心位置，引起围岩剪切破坏方向发生变化，而塑性区的扩展受控于最大剪应力的分布，此时塑性区形态偏离圆形;剪应力峰值点曲线与塑性区边界均随侧压系数变化而发生变化，但塑性区边界总是位于剪应力云图中最大剪应力峰值位置，且侧压系数越小主应力方向变化越大，塑性区不规则形态越明显;该求解方法没有考虑塑性区对弹性区应力的影响，属于近似求解法，但塑性区形态、发育规律与数值模拟结果相一致，并对解决工程问题具有指导作用，说明该塑性区边界方程近似解法是可信的。通过该近似方程能够掌握巷道围岩塑性区发育扩展规律，依此提出的可接长锚杆支护技术能够有效解决深部巷道锚杆易随顶板整体下沉、锚索破断引发的冒顶问题，较好的消除了冒顶隐患。

• 考虑两侧煤柱与弹性煤体基础的基本顶板初次破断特征

  谢生荣, 陈冬冬, 曾俊超, 郜明明, 张涛, 刘俊,

  建立考虑两侧煤柱支撑与实体煤作为弹性基础的基本顶板初次断裂力学模型，采用差分算法及主弯矩破断准则计算研究得到如下结论。① 基本顶初始断裂位置为偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面(弹性基础系数k较小，基本顶厚度h、弹模E较大时)，反之为偏较弱煤柱侧的长边实体煤区上表面;② 两侧煤柱的宽度L1，L2及支撑系数km1，km2改变时，基本顶中部区与实体煤区的主弯矩及位置几乎不改变，而两侧煤柱区的主弯矩及位置变化显著;③ E，h大，而L1，km1，L2，km2小时，基本顶在两侧煤柱区不断裂，破断顺序为:偏较弱煤柱侧的悬顶区中部下表面→偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面，断裂特征为非对称“=-X”型;反之基本顶在煤柱区会断裂，破断顺序为:偏较弱煤柱侧长边实体煤区上表面→偏较弱煤柱侧悬顶区中部下表面→较强煤柱区上表面→较弱煤柱区上表面，断裂特征为非对称“O-X”型;而L1，km1较小，L2，km2较大时，只较弱煤柱侧基本顶不破断，最终断裂形态为非对称“U-X”型;④ 比值k/E或k/(Eh3)不变(k，E，h改变时，km1及km2与k保持某个任意比值不变)，基本顶破断规律不变。

• 煤矿采场智能岩层控制原理及方法

  李化敏, 王伸, 李东印, 王文, 袁瑞甫, 王祖洸, 朱时廷,

  煤矿采场智能岩层控制是智慧矿山及智能化开采的重要组成部分，是由“试误岩层控制”向“精准岩层控制”、由“静态岩层控制”向“动态岩层控制”发展的关键路径，是当前和今后一个时期采场岩层控制领域的重要发展方向之一。明确了采场智能岩层控制的内涵:即运用现代信息技术、人工智能技术及方法等，以采场智能装备系统为载体，实现开采全过程的采场围岩自动化、智能化控制。采场智能岩层控制分为3个关键环节:开采过程中的环境及设备运行数据的感知与汇集、动态分析与状态判别、实时决策控制与反馈。分析了矿山数据的构成、感知汇集方法及利用方式，矿山数据的主要用途为:岩层控制效果与事故灾害特征评价的大数据关联分析、为人工智能模型提供学习样本及分析对象、作为动态数值计算的反演分析参照对象、作为数据可视化与开采实景虚拟的信息来源。给出了采场智能岩层控制的动态分析与状态判别、实时决策与控制的技术路径，提出了采场智能岩层控制的关键科学问题:① 环境及设备运行数据的感知汇集方法与技术;② 矿山数据实时快速分析方法与技术;③ 采场智能岩层控制的关联分析与模型;④ 矿山数据可视化与开采场景虚拟构建;⑤ 基于大数据的快速动态数值计算原理及算法;⑥ 采场智能岩层控制“感知-分析-控制-反馈”全过程算法集成与系统构建。结合工程实际介绍了基于支持向量机和动态数值计算的采场智能岩层控制初步应用。

• 矿井群冲击地压发生机理与控制技术探讨

  齐庆新, 李一哲, 赵善坤, 潘鹏志, 魏向志,

  大型地质体控制下，相邻矿井开采过程中时常发生冲击地压。为研究大型断层和巨厚砾岩层顶板条件下两个相邻矿井间相邻工作面开采过程中冲击地压的发生机理，以义马矿区跃进矿23070工作面和常村矿21220工作面为实际工程背景，对两工作面回采期间冲击显现特征和微震事件时空演化及能量特征展开现场实测分析，并对井间覆岩结构应力分布开展理论分析和数值模拟。研究结果表明，义马矿区F16逆冲断层的活化运动和巨厚砾岩层的整体控制作用，为冲击地压的孕灾提供了力源条件，井间相邻工作面同时回采期间，采空区上覆岩梁与井间煤岩柱系统构成“非对称T形”结构，21220工作面煤体冲击导致应力转移至井间煤柱和23070工作面，从而诱发23070工作面冲击;井间开采扰动导致应力转移并诱发冲击地压，与滞后开采工作面初始冲击强度及推进长度具有密切关系;基于理论与工程实测结果，提出了以弱化矿井间高应力传递的结构链为核心的井间“弱链增耗”防冲技术。为巨厚砾岩层顶板矿井群开采条件下相邻矿井工作面冲击地压发生机理及控制技术的研究提供理论基础。

• 孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨

  姜福兴, 陈洋, 李东, 王存文, 盖德成, 朱斯陶,

  孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂，造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面，为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据，以山东某矿孤岛充填工作面为背景，通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究，建立了孤岛充填开采条件下“充填体-煤柱-顶板”力学模型，得到了充填工作面超前支承压力估算方法，提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:① 采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围，是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;② 受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响，工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性，弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体，工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;③ 充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形，当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止，充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;④ 决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理，通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施，可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。

• 煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究

  谭云亮, 郭伟耀, 辛恒奇, 赵同彬, 于凤海, 刘学生,

  针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题，采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测相结合的综合研究方法，研究了深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型三类冲击地压的致灾机理，提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标，建立了与冲击地压类型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系，获得了深部开采三类冲击地压的前兆信息特征，给出了以深部开采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法，研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表明:① 深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果;与浅部开采相比，深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大，以及深部断层更易发生错动滑移;② 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、煤岩组合冲击能速度指数，而对于深部断层滑移型冲击地压，这两个指标均需增加;③ 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主，但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据为主;④ 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水;⑤ 采用钻孔施工与预警同步一体化技术，可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息，对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程，以科学分类为基础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。

• 煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系研究

  潘俊锋,

  冲击地压研究核心分为两大部分，一是冲击地压发生的理论认识;二是基于冲击地压发生理论认识的成套技术体系。传统的冲击地压理论认识在与实际采场、巷道等工程结构问题相对应，下一步如何监测，如何防治等方面尚需进一步发展。目前矿井出现冲击地压多参照法规要求，结合灾害程度开展监测与防治技术应用，由于缺乏针对矿井不同时期的、科学的技术体系指导，冲击地压防治效果甚微，为了实现矿井建设、生产各阶段冲击地压防治系统化、体系化目标，开展了煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系研究。采用控制论的黑箱研究方法，以冲击地压物理演化过程分解为突破口，采用理论与工程案例结合的方法，着重对冲击地压的冲击启动原理进行了分析，在补充完善冲击地压启动理论的基础上，将冲击地压启动理论与监测、防治技术关联起来，分析了冲击地压启动的主要类型，冲击地压启动理论4方面工程指导意义，从而建立煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系，并通过现场实践方法进行了可行性验证。研究可得:① 煤矿地质、开采条件为冲击地压发生提供静、动载荷源，并且主要影响冲击地压启动环节，而不是全过程影响;② 在煤层、顶底板、空洞组成的工程结构中，冲击地压启动原理为弹脆性单一结构体突破材料强度极限，材料失稳，导致工程结构体结构动力失稳的结果;③ 基于完善后的冲击启动理论的四个实践指导意义，针对建设期矿井，提出集中静载荷疏导的区域防范冲击地压的理论与技术体系，针对生产期矿井，提出在冲击启动类型确定基础上，以诱发冲击启动载荷源为中心，分源监测，分源防治，以“卸”为主，以“支”为辅，“卸、支”耦合防冲思想。建立的煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系，在陕西彬长矿区某矿井建设阶段、生产阶段分别进行了应用，实践证明，适应矿井全周期的冲击地压防治理论及技术体系，工程应用效果良好。

• 月球采矿中月壤/岩力学问题的理论与试验方法

  周国庆, 李瑞林, 严康, 赵晓东, 陈君, 莫品强, 王广,

  月球上蕴含丰富的钛、钍、铀、氦等矿产资源以及三斜铁辉石、锆石等地球上未发现的新矿物，月球矿产资源开发利用可有效解决地球资源枯竭及环境破坏等全球性问题，已成为新一轮全球范围太空开发竞争的焦点。然而，月球表面独特的重力、真空及温度等环境和月球地质体特殊的组分、结构及几何特征造就了月壤/月岩特殊的力学特性和工程行为，给未来月球采矿和月球基地建设带来了前所未有的巨大挑战。空间环境方面，月球重力场仅为地球的1/6，月面真空度高达133×10-12 Pa，温度最高130 ℃、最低-183 ℃，温差高达313 ℃。月球地质体几何特征方面，月壤颗粒呈现出多孔、多勾角的异型结构;结构特征方面，月壤呈现出粒径跨度大且夹杂月岩大颗粒的典型壤/岩混合体特征;组分方面，月壤及月岩富钛、富铁特征十分典型。因此，获得月球低重力引起的低应力水平和低应力梯度条件、月表超高真空和极端温度等特殊环境条件下月壤/月岩的力学行为，以及异形月壤颗粒形状引起的力学响应、月岩特殊组分及组构相关的力学特征等基础力学问题的系统研究成果，是实现月球矿产资源安全、高效开发的前提和基础。为此，需要对理论及试验研究方法进行创新，弥补现有研究方法和手段无法满足该领域研究需求的短板。理论手段方面，应该建立考虑应力梯度的月球地质体高阶力学方法，实现月壤/岩力学行为对低应力梯度响应的表征;实现月壤特殊颗粒形状的数学表征及数值重构，为揭示月壤复杂颗粒形状特征及其对力学特性的影响奠定基础;构建考虑复杂颗粒形状的月壤多尺度力学方法，实现月壤“细观颗粒形状-宏观力学行为”的跨尺度关联。试验手段方面，需要在地面构造与月面相似的空间环境并研制与月壤/月岩相似的试验材料，为在地球环境研究月球采矿基础力学问题构建试验平台。

• 动静载荷作用下片麻岩蠕变实验及非线性扰动蠕变模型研究

  王俊光, 梁冰, 杨鹏锦,

  深部巷道围岩应力状态处于岩石强度极限邻域内，围岩会产生较大的蠕变变形，特别是深部扰动荷载对巷道围岩蠕变变形的影响更为敏感。为了研究深部岩石在扰动载荷作用下的岩石非线性蠕变特性和蠕变扰动效应，利用自行研制的岩石三轴扰动蠕变试验台，以片麻岩为岩石试样，采用分级加载方式，开展静载轴压、不同扰动幅值、不同扰动频率作用下的岩石单轴压缩扰动蠕变试验，得到扰动载荷对岩石蠕变特性的影响。试验结果表明:轴压是岩石蠕变变形的主导因素，随着轴压的增加，岩石蠕变变形量逐渐增大;岩石蠕变变形量随着扰动幅值和扰动频率的增加而增大，在相同轴压和作用时间的情况下，扰动幅值对岩石蠕变变形比扰动频率明显;在相同的扰动条件下，随着轴压的增大，岩石蠕变破坏受扰动作用影响越大，当轴压大于40 MPa时，岩石蠕变受扰动影响敏感度越高;每次扰动加载后，岩石蠕变应变量出现台阶式突增，同时蠕变曲线也出现陡突现象，随着扰动幅值和扰动频率的增大，突变值越大。以试验结果分析为依据，引入非线性黏塑性扰动蠕变元件和损伤原件，并与Burgers串联，建立了岩石非线性扰动蠕变损伤复合模型。采用基于模式搜索的改进的非线性最小二乘法反演蠕变参数，并将蠕变方程计算结果与实验结果进行拟合，效果良好。

• 综采工作面过大落差断层深孔预裂爆破技术

  李廷春, 张浩, 张治高, 贾绪路, 孙广京, 万 晓, 张宪堂,

  为解决综采工作面遇大落差硬岩断层阻碍推采问题，分析传统过断层方法以及现有研究技术弊端，对过大落差断层深孔预裂爆破技术展开系统研究。针对大落差断层产状不明晰，过断层路径设计不精确的问题，提出了断层产状探测技术，优选断层探巷布置方案，根据其揭露信息建立了断层走向计算模型;针对深孔爆破技术在工作面、运输巷、回风巷不适用的问题，研究预掘爆破巷关键技术，提出了爆破巷布置原则及布置参数计算方法，确定了爆破巷内实施深孔预裂爆破的方案，设计了耳式硐室施工方法，解决了大药量集中爆破难题;基于岩石爆破理论，结合过大落差断层工程特点，针对性设计孔径、孔深、装药量、封堵长度、炮孔布置及爆破振动安全控制，形成了完整的爆破参数选取及计算方法。新巨龙煤矿2302N工作面下平巷揭露综合落差125 m硬岩断层，通过下平巷揭露点依次布置的6个探测孔，探明了断层向工作面延展初始走向，设计了垂直断层走向、沿煤层底板掘进探巷方案以及沿断层下盘煤层底板掘进爆破巷方案;通过实测信息规划了过断层路径，根据路径内断层产状变化划分了8个爆破区域，设计了各区域内爆破布置参数，并借助数值模拟对爆破效果进行了预测分析。应用效果表明，爆破裂隙贯通效果良好，采煤机过断层截齿消耗减少了40%~50%，相比传统过断层方法节省了时间一倍以上。新巨龙煤矿多个工作面均成功完成了过大落差工程应用，在保障工作面高效连续推采、减少过断层成本、保证爆破安全等方面取得了良好的效果。

• 基于沉陷对称特征的近水平煤层开采InSAR三维位移反演模型

  汤伏全, 董龙凯, 王宗良, 黄景偲,

  利用合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术进行煤矿开采沉陷监测时，所获得的雷达视线方向(LOS)位移是地表点垂直向、南北向、东西向三维位移的矢量叠加。将LOS向位移分解为地表下沉及沿工作面走向和倾向水平位移，是研究开采沉陷规律和获取地表移动参数的基础。目前，基于 InSAR LOS位移反演开采沉陷三维位移的主要方法有:利用不同轨道卫星的三幅SAR影像建立LOS位移方程组来求解三维位移分量;根据开采沉陷预计模型将地表水平位移视为下沉的关联函数，由单幅SAR影像来解算下沉及水平位移;或者直接忽略水平位移的影响，将 LOS向位移投影为下沉分量。本文在分析上述方法局限性的基础上，根据近水平煤层开采地表下沉和水平位移关于移动盆地主断面对称的基本特征，建立地表移动盆地对称点上多期InSAR LOS向叠加位移的几何方程组，并对该方程组进行叠加和差分处理，导出LOS向位移反演开采沉陷三维位移的函数模型。在工作面推进过程中，由于地表移动具有滞后性，使得动态沉陷盆地中心偏向开切眼一侧，本文依据移动盆地中央地表下沉达到最大且水平位移趋近为零的特征，基于相邻像元LOS向位移进行叠加和差分，自动搜索出地表移动盆地的动态中心位置，从而实现工作面推进过程中地表动态三维位移的分解。基于Matlab平台对上述三维位移反演模型进行了算法实现，并利用多期InSAR 实测数据进行了模型验证，其下沉和水平位移反演结果与实测资料较为一致，明显优于忽略水平位移而直接分解地表下沉的方法。上述模型能够用于近水平煤层开采地表移动稳定后和动态移动过程中InSAR监测的三维位移分解，具有较好的普适性。

• 采动应力下煤体渗透率模型构建及研究进展

  周宏伟, 荣腾龙, 牟瑞勇, 王路军, 任伟光,

  首先对煤体渗透率的经典模型进行了简介，其次结合采动过程中煤体内的力学变化机制及渗透率的控制因素提出了采动应力下煤体渗透率模型构建过程中的关键问题，并就每个关键问题的研究进展进行了总结和分析。关键问题包括以下3个方面:采动煤体各向异性特征、采动煤体损伤破裂特征和煤体吸附解吸特征的表征方法。其中，各向异性特征的煤体渗透率模型可划分为有效应力变化和几何参数变化进行表征的两类，有效应力变化角度的建模结果基本为指数型函数、几何参数变化角度的建模结果多为3次方的幂函数;损伤破裂特征的煤体渗透率模型被归纳为本构方程中含损伤变量和渗透率表达式中含损伤变量的2类，本构方程中含损伤变量的模型具有更广的适用范围，渗透率表达式中含损伤变量的模型能够更加直观的表示渗透率和影响因素之间的数量关系;在煤体吸附解吸特征的表征方法中对基于吸附热力学而建立的煤体吸附应变表达式进行了总结，同时指出在煤体渗透率模型构建中Langmuir方程形式的吸附应变表达式应用最为广泛。然后，对采动应力下煤体渗透率模型的研究进展进行了介绍，将采动应力下煤体渗透率模型归纳为有效应力型、几何参数型和系数拟合型的3类，依次对3类模型中代表性成果的表达式及应用情况进行了概述。最后，从每个关键问题的角度对后续构建采动应力下煤体渗透率模型的研究进行了展望。

• 煤与瓦斯共采三维大尺度物理模拟实验系统的研制与应用

  李树刚, 魏宗勇, 林海飞, 赵鹏翔, 肖鹏, 郝昱宇,

  为进一步解决煤与瓦斯共采模型实验研究手段不足的问题，自主研制了一套煤与瓦斯共采三维大尺度物理模拟实验系统。该系统采用模块化设计，高度集成机、电、液、气于一体，主要由大尺度箱体(30 m×25 m×18 m)与基座、自动液压开采、柔性加载、自动通风、瓦斯抽采、瓦斯注入以及综合数据采集与控制等7个子单元构成。按几何相似比1∶100计，加载单元可模拟最大采深2 105 m，开采单元可模拟采高0~12 m以及推进距离200 m;通风单元可模拟U型、U+L型、Y型等多种通风方式以及实现不同风量通风;抽采单元可模拟高位巷、高位钻孔、地面抽采等多种立体化抽采方式;瓦斯注入单元采用独立注入方式，实现不同瓦斯涌出量、不同位置的瓦斯涌出;综合数据采集与控制单元实现覆岩裂隙、矿山压力、瓦斯运移、瓦斯抽采等表征参数的采集以及对整个实验系统进行自动控制。该实验系统可进行工作面煤层开采、通风、瓦斯涌出与抽采等功能的模拟，实现煤层开采过程中覆岩裂隙演化、矿山压力分布、卸压瓦斯运移、瓦斯抽采等科学问题的一体同步研究。运用该系统对山西某矿302工作面开采过程进行模拟实验，得到了该矿条件下基本顶初次来压步距45 m，周期来压步距20 m，覆岩破坏在空间上呈椭圆抛物形态等覆岩破断与裂隙演化规律;工作面推进过程中应力峰值不断前移，应力集中系数211~263，超前工作面距离6~11 m等动态应力变化规律;在卸压瓦斯储集与分布规律方面，得到采空区后部76~120 m瓦斯浓度增加较快，120 m之后趋于稳定，采空区上部5~60 m裂隙带中瓦斯浓度逐渐增加，裂隙带最上层瓦斯浓度达到65%~68%。实验结果表明，该系统能够较好进行工作面煤与瓦斯共采全过程的模型实验研究。

• 不同产状裂隙煤样三轴承压下非Darcy渗流特性

  张天军, 庞明坤, 彭文清, 陈佳伟, 潘红宇,

  裂隙产状是影响瓦斯抽采钻孔孔周煤体渗流状态的重要因素之一。为探究裂隙的不同产状对煤体渗流特性的影响，分别制作了含有1，2，3条裂隙共5种产状的煤样;利用自主设计的三轴渗流试验系统，采用稳态渗透法对煤样进行渗流试验研究，得到了三轴应力下裂隙煤体的渗流雷诺数、渗透率和Forchheimer数变化趋势，并分析了裂隙煤体非Darcy渗流的演化规律。结果表明:① 渗流试验过程中，42%的渗流雷诺数分布在10~100，且渗流趋势符合非线性渗流特点;说明随着裂隙面面积的增大，流动过程中黏滞阻力和惯性力对流速的影响越来越大，其发生非Darcy渗流的可能性就越高;② 通过分析裂隙煤体受力状况，得到裂隙煤样渗透率k随着有效应力σ的增加呈下降趋势，且符合k=aσ-b关系;说明随着应力水平的增加，煤样内部部分裂隙发生闭合、渗流通道数目和宽度的减少，最终导致渗透率急剧降低;③ 通过计算各个阶段的Forchheimer数Fo，得到Fo与渗流速度v符合二次曲线规律增长，且随着Fo的增加非Darcy渗流效应也越来越显著，说明裂隙煤样渗透性的增强是导致发生高速非Darcy渗流的根本原因。结合以上结论，可在煤层瓦斯预抽工作中，依据钻孔孔周煤体瓦斯流动规律准确确定抽采钻孔影响范围，从而为钻孔布孔方式的设计提供重要的理论依据。

• BMIMBF4对不同变质程度煤自燃热行为的影响研究

  邓军, 吕慧菲, 李达江, 肖旸, 王彩萍, 蒋志刚,

  离子液体作为新型阻化剂可溶解破坏煤中活性基团，抑制煤氧化反应进程，从根本上达到阻化煤自燃的目的。但不同变质程度煤样微观结构不同，而且离子液体成本较高，因此，难以在煤自燃领域现场实施应用。基于此，考察了离子液体对不同变质程度煤自燃热行为特征的影响，且从经济性和实用性方面考虑，选用低浓度(质量分数为5%)1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)对褐煤、长焰煤、气煤以及1/3焦煤进行热重-差热联用(TG-DSC)实验和热物性参数测试实验，得出离子液体处理不同变质程度煤的特征温度、热效应及热物性参数变化规律。结果表明:离子液体延后了煤失重过程中的特征温度，提高了煤自燃过程中的初始放热温度和最大热释放速率温度，对最大放热速率以及放热量都有着明显的抑制效应，且抑制作用随着煤变质程度的升高而减弱，说明离子液体对于低阶煤效果较好;与原煤样相比，离子液体处理煤样的热扩散系数和导热系数较低，比热容则较高，说明离子液体降低了煤体之间热量传递的速度，增加了煤体温度上升所需的热量，弱化了煤体因温差传递热量的能力，对煤样的传热性能起到了抑制作用，并且煤的变质程度越低，抑制效果越明显。结果可为离子液体抑制煤自燃领域的推广及现场应用提供借鉴。

• 基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂韧性破坏模型

  梁卫国, 杨健锋, 廉浩杰, 王志勇, 沈文豪,

  线弹性断裂力学作为一种十分成功的断裂理论框架，已被广泛地应用于表征固体材料中裂纹扩展行为。对于线弹性岩石断裂力学来说，岩石一般被简化为脆性材料，相对于裂纹尺寸及试件尺寸，其裂纹尖端前断裂过程区(Fracture process zone,FPZ)范围很小可以被忽略。而另一方面，煤的破坏形式通常表现为韧性破坏，即其应力峰值后存在明显的应变软化区。对于这种韧性材料，其断裂过程区尺寸范围相对较大且会对材料的断裂行为产生很大的影响，因此线弹性断裂理论不再适用于描述煤体中裂纹扩展。而黏聚型模型(Cohesive zone model,CZM)被证明是一种有效的理论工具，能够描述韧性材料断裂过程区中的断裂行为。在该黏聚型本构模型理论中，裂纹尖端前的断裂过程区被简化为一条闭合的裂纹或闭合的裂纹面(分别对应二维及三维情况)，其中断裂过程区内非线性断裂行为通过黏聚力与相对位移之间的本构关系进行表征。通过对煤进行圆盘形紧凑拉伸试验建立了不同煤阶煤(其中包括弱黏煤、气煤、肥煤、贫瘦煤及无烟煤)的黏聚型裂纹本构关系，试验结果表明，随着煤试件煤阶的升高，其初始刚度及峰值载荷逐渐升高，最大张开位移逐渐降低，试验峰后软化阶段载荷-CTOD曲线趋于线性变化且破坏形式逐渐趋于脆性破坏。采用Karihaloo多项式黏聚型本构方程对5种煤阶煤软化曲线进行拟合，得到煤体中黏聚型裂纹模型本构关系的一般形式。针对煤层松软的力学特性和韧性破坏特征，建立了基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂多场耦合方程组，包括多孔介质变形方程、孔隙渗流方程、裂隙渗流方程及Karihaloo多项式本构关系方程。并采用包含裂隙流水压自由度的黏聚型界面单元法进行数值模拟。结合大型真三轴水力压裂实验，验证所得煤岩水力压裂模型的正确性;根据数值模拟和物理实验结果，讨论了煤岩松软的力学特性及其裂纹尖端过程区对水力压裂的影响。

• 矿井多波多分量地震方法与试验

  刘盛东, 章俊, 王勃, 金标, 刘金锁,

  多波多分量地震勘探近些年发展迅速，但其在矿井地震中的研究与应用仍不足。矿井全空间效应下波场复杂，在可激发出的体波、煤层槽波、巷道面波与声波等中的有效波与干扰波成分随成像波型选择而改变;同时来自空间多方向的地震波混叠，无方向性的成像难免会出现假象，影响矿井地震勘探的精度。为有效利用不同类型波进行成像，提出基于地震波偏振特性的矿井多波多分量地震方法。此方法利用三分量地震记录，通过时窗自适应的极化分析方法获取准确极化特征参数，避免了因时窗选取不准确而造成极化参数错误的问题;其在散射原理基础上构建的极化滤波函数包含偏振因子和方向因子，可随成像点空间位置及成像的波型的变化而实时更新;偏振因子利用信号的偏振系数可压制非线性干扰波，达到提取纵横波及勒夫型槽波等线性极化波的作用，提高矿井地震信号的信噪比;方向因子根据成像点空间位置与特定波型的振动方向的空间关系，不仅可分离振动方向不同的波(如纵波与横波)，还能获取空间任一点的地震波信号，从而实现针对空间任一位置的多波偏移成像。现场试验表明:在岩巷中可分别进行纵波和横波的成像，两者相互验证，提高了探测准确度，同时其探测区域空间位置不受地震测线的约束，可实现测线范围外的地震探测，解决矿井地震勘探施工空间受限的问题;在煤巷中可分别进行槽波与体波的成像，解决槽波反射探测距离受限的难题，故在槽波勘探中建议采用三分量接收，理想情况下，采用煤层三分量和顶板三分量同时接收，形成槽波、体波六分量记录，作为槽波、体波联合勘探的基础数据。

• 矿井全空间三维主轴各向异性介质瞬变电磁场响应特征

  程久龙, 黄少华, 温来福, 董毅, 王浩宇,

  研究瞬变电磁场中的电性各向异性问题，可以为各向异性条件下的地下全空间瞬变电磁法资料处理解释工作提供理论指导，对提高瞬变电磁法探测精度具有重要意义。为了研究矿井全空间条件下主轴各向异性介质的瞬变电磁场响应特征，采用改进的交错网格有限差分方法实现了主轴各向异性介质的瞬变电磁场三维正演。将电导率张量加入麦克斯韦方程组，对Yee氏交错网格进行了改进以便于对主轴各向异性介质中的瞬变电磁场进行差分离散处理，形成了全空间三维主轴各向异性有限差分正演算法。在均匀全空间模型中对比各向异性有限差分数值解及均匀全空间解析解，验证了算法的正确性。建立了不同各向异性类型和不同各向异性对称主轴姿态模型，分别计算了其瞬变电磁场响应，最后结合工程探测实例，通过正演模拟分析了不同主轴各向异性介质对瞬变电磁场的影响特征，解释了探测结果存在偏差的原因。研究表明:在矿井超前探测模式下，对于HTI-X介质，各向异性系数的变化对瞬变电磁场的影响不明显，不同各向异性系数条件下的感应电动势曲线差异较小;对于HTI-Y介质和VTI介质，各向异性系数的变化对瞬变电磁场有明显的影响，随着介质各向异性系数增大，介质瞬变电磁场响应不断变小;随着各向异性介质对称主轴方向与探测方向之间夹角的增大，各向异性介质产生的瞬变电磁场响应不断增大，当对称主轴方向与探测方向一致时(HTI-X介质)，各向异性介质产生的感应电动势最弱，而对称主轴方向与探测方向垂直时(VTI介质)，各向异性介质产生的感应电动势最强;不同类型的主轴各向异性介质具有明显的各向异性瞬变电磁场响应特征。

• 煤中稀土元素分布特征及其开发利用前景

  黄文辉, 久博, 李媛,

  我国是稀土资源大国和生产大国，供应着世界上90%以上的稀土消费市场，传统稀土资源虽然丰富，但是储量也在日益减少，寻找更多的稀土矿产资源将具有重要的战略意义。国内外煤地质学家以稀土富集煤层为主线，对煤层、夹矸和顶底板进行系统采样，通过煤工业分析、电感耦合等离子质谱(ICP-MS)分析、仪器中子活化分析法(INAA)、X射线衍射(XRD)分析、扫描电镜—能谱(SEM-EDX)、反光显微镜等测试方法和手段，开展煤中稀土元素含量和聚集规律研究。本文对世界各地煤中稀土元素含量、分布特征、赋存状态、影响因素及相关问题进行调研。结果表明，煤中稀土研究主要环绕已发现的稀土异常富集煤层资源利用和工业开发、煤灰中再次富集稀土元素的能力、煤层夹矸及顶底板与煤层中稀土元素的富集能力对比，以及煤型稀土矿床成因机制等几类问题。煤中稀土既不会以纯稀土金属元素存在，也不会以单元素独立存在。因为稀土资源短缺，国际上许多国家正在加强研究，试图寻找到新的获取稀土的新途径。美国在2012年启动了一项从煤及其燃烧产物中提取稀土的重大研究项目，并且已经取得了一些重要进展，值得我们密切关注。我国煤资源丰富，煤种多样，一些地区煤层中含有丰富的稀土元素和其他伴生有益元素，需要我们加强理论研究，并进一步对其勘探和开发利用进行评价。如果取得突破，将极大提升我国稀土资源量水平，增加煤炭利用价值，强化我国稀土大国地位。由此可见，煤及其燃烧产物中稀土元素的研究具有重大战略意义和经济潜在意义，对我国煤地质学和煤中元素地球化学学科也将起到促进作用。目前寻找到更多富稀土元素的煤层并确定其资源规模是首要任务，开展从煤中提取稀土元素技术是今后开发利用的关键。

• 利用无人机遥感反演高潜水位矿区沉陷地玉米叶绿素含量

  肖武, 陈佳乐, 赵艳玲, 胡振琪, 吕雪娇, 张硕,

  有效识别采煤沉陷耕地损毁程度、面积及空间分布信息是矿区沉陷土地复垦、赔偿的客观需求。农作物受损后叶片叶绿素是很好的指示性指标，针对高潜水位矿区开采沉陷导致地面积水所引起的农作物渍害影响，基于无人机多光谱影像，在传统植被指数的基础上引入红边波段进行扩展，改进了现有的植被指数，结合田间同步实测叶绿素数据，采用经验模型法分别构建了单变量和多变量叶绿素反演模型，通过决定系数(R2)、均方根误差(RMSE)和估测精度(EA)3 个指标筛选出最佳模型。最终构建了多元线性回归MVI(red-edge),GNDVI,NDVI的叶片叶绿素定量反演模型，并采用野外对照区域样本对反演结果进行精度验证。结果显示:相对传统植被指数，引入红边后植被指数与叶片叶绿素的相关性得到显著增强，采用上述方法构建的多元线性回归模型的决定系数普遍提高0.10~0.20，达到了0.73，均方根误差降低了0.11~1.98，为0.938 SPAD，估测精度EA最终可达到83.4%，说明红边波段对采煤沉陷区作物的叶绿素响应敏感，引入红边波段构建叶绿素反演模型，可以应用于采煤沉陷影响下的玉米叶片叶绿素无人机遥感反演。结果显示:采煤沉陷盆地内玉米叶绿素含量主要集中于52~61 SPAD，面积占整体的75.1%，叶绿素含量在9~52 SPAD的作物面积占5.7%，玉米整体长势受采煤扰动影响较严重，叶绿素含量呈现从沉陷盆地边缘往中心逐渐降低的趋势。该研究为土地损毁监测与评价，土地复垦与生态修复等提供基础数据与理论支撑。

• 西部采煤沉陷地微生物复垦植被种群自我演变规律

  毕银丽, 申慧慧,

  菌根真菌可以与陆地上80%以上的植物形成菌根共生体，促进植物在逆境的生长。采煤沉陷地在人工接种菌根真菌后复垦植被种群进行了自我修复与演变，监测采煤沉陷地复垦植物人工接种菌根真菌复垦后4 a对植被种群的自我演变规律影响。以神东矿区大柳塔采煤沉陷地人工林樟子松、沙棘和文冠果为研究对象，野外原位监测植被种类、生活型组成及植被多样性指数，并利用地统计学方法进行克里金插值，对比接种菌根真菌4 a后(+M)与同期种植的自然状态下(CK)，两种处理样地内植被种类、数量及其多样性指标，揭示不同人工林在自然状态和人工接种4 a后，区域内物种个体种类、数量和群落多样性差异。研究结果表明:接菌提高樟子松人工林灌木层物种多样性，而降低草本层物种多样性;接菌提高沙棘和文冠果人工林的草本植物群落稳定性和物种多样性及其均匀度，抑制灌木层物种多样性增加。3种人工林微生物复垦4 a后多年生草本占优势地位。接菌组进入多年生草本＋灌木的生态组成结构阶段，而对照组则相对滞后，处于一年生草本＋多年生草本＋灌木的组成结构阶段，接菌促进了生态的演变进程。综合分析植物分布特征，发现植物的最优拟合模型以高斯模型居多，阿尔泰狗娃花、地肤、猪毛蒿、白花草木樨、牛心朴子、野樱桃、油蒿及柠条的预测值精度较好。接菌可促进地稍瓜、阿尔泰狗娃花、牛心朴子、达乌里胡枝子和柠条频度和数量的增加，可能使绳虫实、糙隐子草、苦苣菜和花棒的频度和数量下降。本文为煤矿沉陷区采用微生物修复人工林促进生态群落自我演变进程奠定了初步的研究基础。

• 大柳塔煤及显微组分在不同气氛下的热解行为

  史航, 靳立军, 魏宝勇, 王明义, 王德超, 胡浩权,

  煤热解与甲烷二氧化碳重整耦合(CP-CRM)过程是提高焦油产率的重要方法之一。煤的显微组分组成是影响煤热解反应过程的因素之一，N2气氛下的显微组分热解过程已有较为深入的研究，但显微组分在CP-CRM过程中的热解行为规律尚待研究。通过固定床实验探讨不同反应温度和气氛对显微组分热解产物分布规律的影响，对比研究了甲烷二氧化碳重整(CRM)与N2气氛下大柳塔原煤及显微组分热解特性的差异。通过模拟蒸馏、核磁共振和GC-MS等表征方法对焦油进行分析，认识显微组分结构对热解焦油组成的影响。结果表明，在N2气氛下，镜质组和惰质组展现出不同的反应特性，镜质组热解焦油产率明显高于惰质组，主要归结于显微组分结构的差异导致的反应性不同。CRM气氛能显著提高热解焦油的产率，尤其对惰质组的作用效果最明显，使惰质组的焦油产率相比N2气氛提高16%，主要归结于CRM过程产生的自由基参与煤热解反应。焦油组成分析表明，在N2气氛下得到的热解焦油中，镜质组具有较高比例的脂肪类物质，惰质组具有较高比例的芳香类物质;CRM气氛下焦油中1~2环芳香烃的比例提高，轻质组分中蒽油的相对

• 低阶煤中镉的赋存对其在热解中释放的影响

  周玲妹, 郭豪, 初茉, 畅志兵, 王晓兵, 张冠军, 龚永强, 曲洋,

  为了探明重金属镉元素在低阶煤热解过程中的释放机制，在铝甑反应器中考察了不同热解终温下(400~800 ℃)新疆淖毛湖煤和宝日褐煤热解过程中镉的迁移转化行为。提出了“原煤热解行为-镉在煤中的赋存形式-重金属镉的释放行为-FactSage模拟”这一技术路线，首先在TGA反应器中考察了2种低阶煤的热解特性，其次利用逐级化学提取法和电子扫描电镜研究了重金属镉在煤中的赋存形式，然后在铝甑反应器中研究重金属镉在煤热解过程中的释放行为，最后结合FactSage热力学模拟计算，分层次系统地揭示重金属镉元素在热解过程中的释放机制。结果表明，镉在煤中的赋存形式决定了其在煤热解中的挥发性:2种低阶煤中有机结合态的镉元素比例均较高，导致低温时镉元素即可随着有机质的热分解而逸出;宝日褐煤中铁锰结合态镉元素较多，且大多分布于煤颗粒表面，受热容易分解从而导致其挥发;高温时宝日褐煤由于其SiO2含量较高，高温下熔融硅酸盐可与气态的镉元素发生反应，使镉元素的挥发率降低，而淖毛湖煤由于其含有的碱金属和碱土金属较多，可与矿物形成低温共熔物而导致镉元素释放率持续增加。另外，FactSage化学热力学模拟的结果与实验现象相符。计算表明镉是一种易挥发的元素，低温时煤中的镉元素几乎全部以气态单质镉的形式挥发，镉不与煤中Si,Al,Cl,Fe和碱金属等元素反应，但是这些矿物对镉元素进行吸附或包裹会影响镉元素在热解中的释放。

• 改进分数阶Tikhonov正则化的截割煤岩载荷识别方法

  刘春生, 任春平,

  为探究截齿截割煤岩载荷的有效识别方法，实现截割载荷特征的提取与辨识，根据分数阶微积分理论，将经典的整数阶Tikhonov正则化推广到分数阶模式，构造改进分数阶滤波因子，提出了一种改进分数阶Tikhonov正则化方法和算法。根据时域方法理论建立截割煤岩载荷的识别模型，通过核函数方法将载荷表示为一系列核函数的叠加，测量载荷表示为输入载荷和核函数响应之间的卷积分形式，采用离散化将卷积方程转化为线性方程组，利用改进分数阶正则化方法将反求过程转化为一类无约束优化问题，并采用新超记忆梯度法求解目标函数。研究表明:随着分数阶次的增大，均方根误差(RMSE)及迭代次数值呈先减小后增大的趋势，存在着最小RMSE和最少迭代次数值，可以判断存在最优的分数阶次，即α=05，此时载荷识别效果相对理想。与整数阶和分数阶Tikhonov正则化方法相比较，改进的算法不仅能够保留较小奇异值对应的分量，且也能抑制较大奇异值对应的分量，从而能够有效克服载荷识别的病态性，且被识别载荷与试验载荷的均方根误差(RMSE)分别为0418 2，0388 4，0366 5，及迭代次数分别为19，14，11，具有较高的精度，能够克服其解的光滑性，且载荷细节特征能够较好被识别。据此，改进分数阶正则化方法在截割煤岩载荷识别方面具有更强的抗噪性和鲁棒性，为解决截割煤岩载荷及矿山机械工程中的载荷识别问题提供了一种有效研究方法。

• 脉冲雷达透地探测煤岩实验研究

  张守祥, 刘帅,

  传统的煤岩探测采用瞬变电磁、地震波、超声波和探地雷达等技术，发射和接收1 GHz以下的信号频率，不能兼顾探测深度和探测精度。综采工作面采煤机自动调高要求煤岩分界达到20 mm的检测精度，为此提出采用无线脉冲雷达穿透煤岩层的高精度深度探测技术。设计成单雷达芯片+射频电路的低功耗小型化的超宽带雷达，由脉冲产生器PG(Pulse Generator)发射亚纳秒级的窄脉冲电磁波形，输出中心频率为5.3~8.8 GHz、频宽为1.65~4.40 GHz和功率为-17.2~-10.5 dBm的超宽带UWB(Ultra-Wide Band)信号，输入电路采集从煤岩介质反射回来的峰峰值达54~72 mV的信号电压。超宽带雷达通过双Vivaldi型天线垂直于煤岩层贴近布置，发射天线发出低至-19 dBｍ的7阶高斯脉冲超宽带波段信号，接收天线以30 Gbps的速率采集512 级深度回波信号，利用煤岩存在明显介电常数差异所产生的脉冲反射与发射信号的传播时延，与现场煤岩介电常数标定后计算出的电磁波传播速率相乘，来推算出煤层厚度以精确地确定出煤岩分界位置。根据煤层深度和介电常数的变化建立了煤岩探测的脉冲垂直分辨率、探测深度与信号采样时窗长度关系，确定采样时窗长度为256 ns，测量分辨率达到4 mm。为了直观地分辨出煤岩分界位置，以采集的脉冲信号数据绘制波形灰度图，深黑色和亮白色分别表示信号的波谷和波峰，代表了介电常数有较大差异的煤岩两种介质的分界位置，并通过波谷或波峰到起点的时间差计算出煤层的厚度。在留顶煤开采的综采工作面和巷道现场测试，测量煤层厚度的误差小于20 mm，能够在煤层未开采前检测出工作面顶煤和底煤的厚度，为采煤机自动调高提供精准的位置参考。