煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2019年第4期

• 煤炭开采与岩层运动

  钱鸣高, 许家林,

  采矿是从地层内获取煤炭资源的过程，是一次对矿区地层的扰动，必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变，从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此，采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题，对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性，至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题，明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为，坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性，破断块体互相咬合可能形成“大变形”结构，块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个“黑箱”，目前仅仅在控制原理上得到解释，达到“灰箱”程度。因此，岩层控制在很多场合只能是“宏观”控制。“砌体梁”结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下，按照4~8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要，在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限，个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题，还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性，将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型，提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前，由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防，为此，深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。

• 块度级配对散体顶煤流动特性影响的试验研究

  张锦旺, 王家臣, 魏炜杰, 李良晖,

  掌握破碎后散体顶煤的流动特性和放出规律是综放开采优化放煤工艺参数、提高顶煤采出率、降低含矸率的重要基础。不同块度的顶煤在松散煤块集合体中所占的比例称之为块度级配，块度级配是松散煤体流动特性的重要影响因素之一。为了研究块度级配对散体顶煤流动特性的影响，基于自主研制的放煤试验台，采用物理模拟试验和理论分析相结合的方法探究了块度级配对初始放煤量、颗粒运移轨迹以及煤岩分界面演化特征的影响。不同块度级配条件下的放煤试验结果表明，初始放煤量随顶煤平均块度的增大而增大;放出顶煤的块度级配变化显著，小块度顶煤占比高时，大块顶煤更易被放出;反之，大块顶煤因成拱频繁而放出量少;初始煤岩分界面演化过程中其最低点由放煤口中心线逐渐偏向采空区侧，且顶煤平均块度越大越显著，其运动轨迹基本符合横向抛物线形式。支架上方顶煤颗粒运动速度明显快于采空区侧顶煤颗粒;顶煤平均块度较小时，顶煤颗粒运动速度较快，成拱次数较少;顶煤通过放煤口以后，顶煤流动扩散角随顶煤平均块度的增大而增大。基于散体介质力学理论推导了支架侧和采空区侧初始煤岩分界面动态演化方程，结合放煤试验结果确定了不同顶煤块度级配条件下煤岩分界面理论方程的修正系数取值:支架侧初始煤岩分界面理论方程的修正系数kR的取值为0.30~0.35，采空区侧分界面理论方程的修正系数|kL|的取值为0.25~0.28;讨论了顶煤块度级配对方程修正系数的影响规律，发现随着顶煤平均块度的增大，kR和|kL|的取值范围呈增大趋势。

• 采场全生命周期及其应力的时空演化特征分析

  郑建伟, 鞠文君, 赵曦, 吴建星, 任硕, 赵朋朋, 王帅,

  井工开采过程中采场应力的分布及演化规律对于回采巷道及工作面围岩的稳定性控制至关重要。本文将开切眼到停采的全部过程称之为采场全生命周期，且将采场应力分为工作面超前支承应力和工作面顶板应力两部分，基于材料力学建立了采场全生命周期内覆岩结构模型得到了不同阶段超前支承应力的力学函数;借助UDEC软件来分析采动过程中覆岩结构的时空演化过程和超前支承应力的动态演化特征，得到了工作面超前支承应力和工作面顶板应力的协调非同步演化特征，认为单个周期来压内超前支承应力峰值会在空间和时间上超前于工作面顶板应力峰值出现，且二者均表现出周期来压前大于来压后的规律，在采场全生命周期内在采动达到非充分采动和充分采动交界点阶段先后达到极值，因此依据采场应力的演变规律将采场全生命周期分为发生期(Ⅰ)、发育期(Ⅱ)、稳定期(Ⅲ)3个阶段:发生期(Ⅰ)对应的是开切眼至基本顶初次来压，采场应力保持稳定的缓慢增长;发育期(Ⅱ)对应的是周期来压至非充分采动与充分采动阶段的交界点，采场应力保持不同的增长速率;稳定期(Ⅲ)对应的是充分采动直到停采阶段，采场应力保持着较为稳定的波动;通过对采场全生命周期及其应力的演化特征分析及划区可以预先对回采过程中的高位应力区进行判定，及早采取相应的措施，为采场的安全提供保障。

• 条带式Wongawilli煤柱特征及作用机理分析

  谭毅, 郭文兵, 白二虎, 杨达明, 王比比,

  条带式Wongawilli采煤法是一种新型高效减沉采煤法，对减轻采场覆岩破坏、控制地表沉陷、减少采动对地表建（构）筑物的损害具有重要意义，而煤柱是条带式Wongawilli采煤法减沉降损效果的关键。为研究条带式Wongawilli开采煤柱特征及其对覆岩作用，阐明了条带式Wongawilli采煤法煤柱系统与顶板的相互作用机理，本文结合王台铺煤矿地质采矿条件，采用理论分析、相似模拟及现场验证相结合的方法，研究了条带式Wongawilli开采煤柱形式及特征，建立了条带式Wongawilli煤柱的结构力学模型，分析了直接顶离层情况及不规则煤柱、条带煤柱的受力与支护强度。研究表明：条带式Wongawilli采煤法由刀间煤柱、不规则煤柱、条带煤柱形成了特殊的煤柱系统，刀间煤柱起临时支护作用，随着工作面的推进，刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力；不规则煤柱能对顶板的维护起到一定作用；条带煤柱是整个煤柱系统的关键。条带式Wongawilli开采直接顶与老顶发生离层，直接顶弯曲下沉形成“固支梁”或垮落形成“悬臂梁”2种结构，并作用于条带式Wongawilli煤柱；条带煤柱与传统条带开采煤柱类似，支撑直接顶及基本顶。不规则煤柱类似于支撑单体的形式（类单体）被动支撑直接顶，且不规则煤柱如果发生失稳破坏，条带煤柱的压缩突变量也会突增，影响其稳定性, 进而影响整个条带式Wongawilli开采煤柱系统的稳定。

• 卸荷速度对围岩变形影响的试验研究

  侯公羽, 梁金平, 周蒙辉, 崔永科,

  巷道/隧道围岩的开挖卸荷效应，直接关系到围岩稳定、支护设计和施工工艺的选择。利用自主研发的开挖卸荷试验系统，对水泥砂浆制作的厚壁圆筒小型围岩试件进行了快、慢速卸荷试验研究，获得小型围岩试件在开挖卸荷过程中的变形规律与破坏形态。试验结果表明:① 快、慢速卸荷的径向应变及切向应变与时间的关系曲线表现出明显的3个特征阶段:试件压密阶段、快速变形阶段、卸荷后缓慢变形阶段。② 同一横断面处，内侧的切向应变对卸荷作用反应更快、更显著，变形量更大。径向内侧产生的变形总量均大于外侧，而轴向内侧产生的变形总量小于外侧。③ 无论快速或慢速卸荷，同一测点处，切向应变最大，占据重要地位。径向变形集中在卸荷阶段产生，轴向变形集中在卸荷后维持阶段产生。④ 卸荷阶段，随着压差增大，慢速卸荷的切向、轴向应变呈加速发展趋势，内、外侧径向应变差值约为200×10-6。快速卸荷的切向、轴向应变呈收敛发展趋势，内、外侧径向应变基本相同。维持阶段，快、慢速卸荷切向、轴向内外侧偏差持续增大。快速卸荷时内、外侧径向应变在维持阶段才开始区别开来，且差值越来越大。⑤ 试件压缩高度变低，且外侧出现环状贯通面并伴随劈裂破坏，在内壁出现片状剪切破坏区;横断面出现两个类似于圆环破坏带的破坏区。

• 基于煤巷两帮基础刚度效应的控帮护巷支护原理

  蒋力帅, 张培鹏, 孔朋, 贾江锋, 马宁, 束佳明, 张臣,

  煤层巷道两帮煤体相对顶底板岩层强度低、可变形性强，两帮煤体大变形对巷道围岩整体稳定性有着极其重要的影响。基于煤巷两帮煤体严重变形的工程实际，考虑巷道两帮煤岩体的可变形性，建立了由Winkler可变形基础支承的顶板悬梁力学模型，分析并揭示了顶板的弯矩和挠度分布特征及规律，提出了基于煤巷基础刚度效应的“控帮护巷”支护原理:通过加强两帮支护提高锚固煤体的基础刚度，控帮支护的直接控制两帮煤体的变形和破坏，并进一步通过基础刚度效应改善整个巷道围岩的应力状态 ，抑制顶底板变形破坏，提高围岩承载能力和稳定性。通过数值模拟分析与现场工程试验，对基础刚度效应和“控帮护巷” 原理进行了分析和验证。研究表明:在两帮垂直集中应力作用下，巷帮煤体压缩变形明显，顶板岩层随基础变形而弯曲下沉，两帮基础刚度对顶板变形量影响显著，是顶板变形的关键影响因素;在顶板支护相同的条件下，加强两帮支护不仅使掘进和采动影响期间的两帮的塑性破坏范围和移近量显著缩小，还有效地控制了顶底板的变形破坏情况，是巷道围岩整体稳定性控制的有效途径。研究工作深化了煤巷围岩控制中对巷帮支护重要性的认识，揭示了控帮护巷的支护机理。

• 综放工作面煤柱巷道软岩底板非对称底臌机理与控制

  贾后省, 王璐瑶, 刘少伟, 彭博, 张伟光, 范凯,

  针对综放工作面煤柱巷道非对称底臌剧烈、支护维护困难、起底工程量大等难题，以大南湖一矿综放工作面煤柱巷道为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场试验等综合研究方法，分析了煤柱巷道围岩周边应力环境特征及其作用下的变形破坏形态。结果表明:煤柱巷道底板强度低下以及在采动影响下围岩应力环境出现非均匀现象，进而导致巷道底板塑性区出现非均匀分布，是造成非对称底臌的内在原因;底臌变形规律监测结果显示，非对称底臌程度与放煤厚度有内在联系，放煤厚度在5.9 m范围内，放煤厚度越大，基本顶岩层破断偏转角度亦越大，巷道围岩周边主应力比值、主应力旋转角度等参数越大，底板塑性破坏引起的非对称底臌变形越剧烈;底板最大塑性破坏深度位置随着主应力方向旋转角度的增加，逐渐向巷道中部位置移动，导致底臌变形最大位置分布不同，同时，煤柱巷道的这种底臌变形可控性较差，现有技术条件下企图采用高强支护是不可行的，控制上应以适应底臌变形为主;然而，当放煤厚度超过5.9 m，基本顶岩层有沿煤柱边缘失稳切落的可能，巷道围岩应力环境趋于原岩应力状态，巷道围岩塑性区分布范围大幅降低，底臌变形较小。据此，以巷道非对称底臌规律为依据，提出了以调整采掘关系、优化巷道底臌硬化方案为主的底臌控制对策，现场应用效果良好，底臌变形量有效减少的同时，巷道底臌处理工作量亦大幅降低。

• 等幅循环加载岩石变形局部化带位移演化规律

  杨小彬, 韩心星, 王逍遥, 张子鹏,

  岩石是一种非均质天然工程材料，在工程中往往处于一种循环往复加载状态之中，研究循环加载过程中岩石的变形局部化演化规律，为岩土工程结构的稳定性提供理论支持。将循环加载简化为等幅循环和分级等幅循环2种加载条件，开展红砂岩试件的2种循环加载方式下的实验研究，采用CCD(Charge-Coupled Device)相机对试验过程中试件的变形图像进行采集，基于数字散斑相关方法分析了等幅循环加载过程中试件变形局部化带位移演化规律。分析发现:循环加载全过程中，局部化带位移随加卸载应力呈现波动上升变化;相对于加载应力的变化，位移演化存在时间滞后性，且随着循环次数的增加位移存在明显的累积效应。循环加卸载过程中，局部化带位移顶点相对于加载应力顶点的滞后时间数值于循环前期呈平稳波动、循环后期呈上升波动;局部化带位移底点相对于卸载应力底点的滞后时间数值随循环次数的增加呈现平稳波动。整个循环过程中，当加载或卸载到同一应力水平时，局部化带的位移随着循环次数的增加而增大;每次循环过程中的同一应力水平下，卸载过程的位移数值大于加载过程的位移数值。随着循环次数的增加，局部化带位移存在明显的缓慢演化阶段和加速演化阶段。在试件破坏前，卸载底点处的局部化带位移值明显趋近于加载顶点处的局部化位移值，该局部化带位移演化特征可以作为循环加载过程中岩石试件或结构失稳破坏的一个前兆信息。研究可为循环荷载下的岩土工程材料或结构的失稳破坏提供新的特征力学监测量，即在某一特定应力环境中，当低应力状态的变形量值与相对高应力状态的变形量值都随时间发生增大且低应力对应的变形量值增加速率明显大于高应力对应的变形量值增加速率时，岩土材料或结构将会发生失稳破坏。

• 基于摩尔-库伦准则的岩石材料加(卸)载分区破坏特征

  张国军, 张勇,

  材料内一点的应力状态可以用摩尔圆来表示，而同一点的不同的应力状态可以用坐标系内应力圆的不断变化来表示，应力圆的变换主要可以分为“平移”、“翻转”、“半径扩大”“半径缩小”4种方式，这4种方式几乎包含了岩石材料的所有加(卸)载过程;加(卸)载速率可以用来表征不同应力状态间的转化的快慢程度，加(卸)载速率并不是单纯的单位时间的变化快慢，可以是单位空间尺度的变化，如单位长度、单位深度等;基于摩尔-库伦准则对岩石材料“双向受压”、“双向受拉”和“一拉一压”3种状态下的加卸载过程进行了分析，并获得了与之对应的临界破坏方程，在此基础上，通过引入时间加权平均加(卸)载速率，进一步分析了岩石材料破坏与时间加权平均加(卸)载速率之间的关系，并以时间加权平均加(卸)载速率为基础对岩石材料破坏与否进行了分区;采用FLAC3D对7种不同加载路径下常规三轴数值模拟实验，模拟所获得材料发生破坏时最大主应力峰值与理论计算结果吻合度高达98%;同时又进行7种轴向与径向加载速率之比、4种加载速率条件下常规三轴数值模拟试验。结果表明，只有当轴向和径向加载速率之比处于一定范围时，材料才会发生破坏，加载速率与材料破坏时最大主应力峰值正相关，与最大主应力和最小主应力之比负相关。

• 岩石节理粗糙度新指标及新的JRC确定方法

  班力壬, 戚承志, 燕发源, 刘源, 朱淳, 陶志刚,

  为使二维粗糙度指标能够反映岩石节理形貌的方向特征，同时可以克服采样间距取值对粗糙度指标大小的影响。将岩石节理面划分为一系列连续的长方体微凸体，提出一种确定长方体微凸体计算长度的计算模型。通过平均同一剪切方向上长方体微凸体的计算高度提出了一个新的描述形貌面粗糙度的指标c。指标c是由长方体微凸体2种破坏模式结合一种确定长方体计算长度的模型得到，可以将节理几何特征与剪切强度结合起来，进而将节理粗糙度与节理剪切强度结合起来，这就为考虑剪切方向性的岩石节理剪切强度公式的提出提供可能。粗糙度指标c可以将形貌面客观定量表示，同时具有方向性，即剪切方向不同时对应的c不同。以标准JRC曲线为例，基于图像分割技术提取了标准JRC曲线坐标信息，阐述了粗糙度指标c的计算过程。在某一测量间距下获取的粗糙度指标不足之处是比该测量间距较小的粗糙度将被掩盖，而小尺度的粗糙对于抵抗剪切的贡献不应被忽略。通过计算不同采样间距的粗糙度指标c，发现指标c随着采样间距增大而呈幂函数形式减小，显示具有分形特征。基于分形思想，提出可同时反映节理形貌面各向异性并且不受测量尺度影响的粗糙度评价系统。分析了粗糙度描述系统指标与JRC之间的关系，证明该描述系统指标可与节理剪切强度建立良好的关系。

• 三轴应力作用下破碎煤体渗透特性演化规律研究

  尚宏波, 靳德武, 张天军, 李树刚, 王治宙, 赵春虎, 周振方, 柳昭星,

  深部破碎煤岩体受地应力和开采扰动常处于三向应力状态，其渗透特性是影响矿井突水灾害预防和瓦斯抽放的重要因素之一。为研究深部破碎煤体的渗透性能，采用自主研发的破碎岩石三轴渗流试验系统，并设计一套破碎煤体三轴渗流试验方案，进行三轴应力作用下破碎煤体渗流试验，得到破碎煤体渗透特性随围压及孔隙率的演化规律。试验结果表明:① 三轴应力作用下破碎煤样渗流雷诺数最大值为47.58，渗流速度与孔压梯度两者之间符合Forchheimer关系;② 三轴应力作用下破碎煤样的孔隙率与围压的变化规律呈负相关，各级轴向位移下，两者服从对数函数关系;③ 随着有效应力的增大，各粒径下的破碎煤样孔隙率逐渐减小，破碎煤样孔隙率的理论计算值与试验结果较为吻合，表明文中给出的孔隙率计算方法可行;④ 各级轴向位移下，破碎煤样的渗透率随围压增大而减小，不同粒径的破碎煤样渗透率随围压的演化规律可用k=menσ3公式表示，颗粒粒径越大，破碎煤样的渗透率随围压的变化越敏感;⑤ 颗粒粒径及孔隙排列方式影响破碎煤样渗透性能，不同粒径破碎煤样随孔隙率的减小，渗透率整体减小，非Darcy流β因子呈增大趋势，其中渗透率的量级为10-14~10-10m2，非Darcy流β因子的量级为107~1011 m-1。所得研究结论有助于增强深部破碎煤岩体渗透特性演化规律的认识。

• 考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

  李波波, 李建华, 杨康, 任崇鸿, 许江, 张敏,

  煤矿开采深度不断增加，煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多，给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注，其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此，为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化，利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置，开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究，建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型，探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:① 孔隙压力升高过程中，径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势，瓦斯流量的变化呈上升趋势，煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形，体积应变逐渐减小。② 当含水率恒定时，随着孔隙压力的升高，瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓，产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时，煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③ 在恒定含水率条件下，煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下，随含水率的增加，煤岩渗透率整体逐渐减小，而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱，水分子对渗透率的影响越强。④ 构建了考虑含水率的吸附量计算方程，并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型，其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致，反映了煤岩渗透率变化规律。

• 基于动态强度折减DDA法的边坡多滑面稳定性分析

  王述红, 朱承金, 张紫杉, 任艺鹏,

  为解决岩体结构面损伤的各异性问题及边坡多滑面分析中数值模型的选取问题，借鉴DDA计算位移的优势，考虑块体间相对位移，提出动态强度折减DDA法(Dynamic Strength Reduction Discontinuous Deformation Analysis,简称DSR-DDA)的边坡多滑面搜索，通过对不同破坏程度下岩体结构面动态折减不同的强度及动态变化边坡多滑面分析中的数值模型，以解决数值分析中岩体结构面损伤的各异性问题及边坡多滑面分析中数值模型的选取问题。利用倾斜平面滑块经典案例测试位移阈值，验证方法的可行性及计算精度，并将其应用到抚顺西露天矿岩质高边坡多滑面稳定性分析中，且与自主研发的GeoSMA-3D系统进行耦合。研究结果表明:在设定位移阈值为1mm时，DSR-DDA与理论解误差在0.5%以内，满足计算要求。后续得到了抚顺西露天矿边坡最危险滑落面(对应安全系数为1.136)，与分析现场监测位移得出的潜在滑落位置基本一致，并在首次滑坡后的数值边坡模型基础上，得到了次级滑落面位置(对应安全系数为1.189)，与常规分析得出的结果大相径庭，佐证了边坡多滑面稳定性分析中数值模型需动态变化的必要性。DSR-DDA法与GeoSMA-3D系统识别出的关键块体耦合效果良好，从块体理论角度印证了DSR-DDA法的实用性。抚顺西露天矿边坡破坏模式为牵引式滑动破坏，中下部油母页岩对边坡稳定性起关键作用，故不可继续开采剩余油母页岩，以免引起边坡上部大面积滑坡及矿坑-城市边界滑坡。

• 直线形单排管冻土帷幕平均温度计算

  胡向东, 刘阳辉, 洪泽群, 韩延广,

  在人工地层冻结工程中，平均温度是评价冻土帷幕状态，进行冻土帷幕力学性能分析的基本参数，本文研究单排管冻结形成的冻土帷幕的平均温度计算。基于单排管冻结稳态温度场解析解，直接对温度场表达式进行积分运算，运用分部积分法和积分中值定理，得到了单排管冻结平均温度计算公式，根据工程中的实际参数取值进行了公式的简化。考虑到温度场解析解在冻结管区域的不适用，采用相同的积分策略求解冻结管区域对平均温度计算的影响，进行了平均温度计算公式的修正。使用ANSYS进行了单排管冻结的热学稳态数值模拟与平均温度计算公式的结果进行比对，考察管间距l=0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4 m，相对厚度ξ/l=0.5，0.6，0.7，0.8，1.0，1.5共6种冻结发展状态，根据试验报告进行土质参数取值，冻结参数为工程中常用取值。对比计算结果显示，公式计算与数值计算的结果较为吻合。当管间距为0.4 m时，随着冻土厚度的发展(相对厚度的增大)，理论计算结果与数值计算结果的差值迅速减小到1 ℃以内，当管间距大于0.4 m时，对比结果的差值小于0.4 ℃，当管间距大于0.6 m时，差值小于0.2 ℃，当管间距为1 m及以上，差值小于0.1 ℃。通过数值模拟验证了平均温度计算公式的准确性，也说明公式简化和修正的合理性，公式计算的误差满足工程应用的要求。

• 露天矿计划阶段内离散块体物料运距预测算法

  柴森霖, 刘光伟, 白润才, 曹博,

  矿岩运距是衡量露天矿山卡车运输经济性的重要指标之一，但多年因受运输系统复杂、多变等多种综合因素限制，在进度计划编制期间进行逐条带的运距计算问题一直并未得到有效解决。特别是需要进行离散化的物料规划时，传统逐阶段的运距量测方法无法对离散块体进行逐个推估。因此，为有效解决计划阶段内离散块体物料运距计算问题，根据露天矿外排土场出入口选址及排土运输干线相对固定等空间特征，将非线性预测理论、因子分析法等技术方法应用于实际的矿山优化问题中，研究了排土场计划阶段内块体运距波动变化的主要控制因素;结合外排土场内运距波动变化的影响要素，提出了采用加权最小二乘支持向量机技术(WLS-SVM)拟合非线性运距曲线的预测算法，并对权向量、核参数等主观经验指标进行了动态修正，以实现对计划阶段内(两阶段工程位置间的)离散块体物料过程运距的时变预测;最终，利用拟合出的时变曲线，实现两连续工程位置间逐个物料块体运距的高效计算。实验结果表明:预测算法的误差期望分别为:训练集0.93 m，测试集0.84 m，且在实验中表现出模型精度易受样本规模影响的特性，且当样本规模N>90时，可控制绝对误差水平稳定在0.8%~1.2%。结果表明:试图应用非线性预测理论对处理计划阶段内缺乏时变路网条件的运距预测问题是可行的，提出的算法模型对解决计划阶段内的逐块体运距赋值问题具有现实有效性。常规的露天矿山运输优化问题其优化目标和特征参数之间往往存在紧密耦合关系，无法直接应用特定的优化、规划模型进行计算求解，尝试采用全新的解耦思想和求解思路对于有效解决露天矿山运输优化问题是十分有益的，也应该是今后露天矿山系统工程学科研究的热点问题之一。

• 深部煤层低瓦斯耦合灾变机制

  李铁, 皮希宇,

  为探索深部开采中消突并达到安全开采条件煤层发生瓦斯异常涌出或煤与瓦斯突出的成因，通过文献调研和现场调查，确认含瓦斯煤层低压灾变的存在;通过现场瓦斯监测、微震观测、实证分析，认识消突煤层低瓦斯灾变的过程与成因;通过含低气压大煤样气-固耦合物理试验和理论分析，研究承压煤样低气压应力-应变-渗流场演化路径和气-固耦合物理灾变机制。结果显示，进入深部开采后陆续有消突达到安全开采条件煤层发生低瓦斯灾变现象的报道;现场观测和分析揭示出顶板来压、顶板来压破断冲击和底板来压起臌冲击作用下煤层低瓦斯灾变的模式;模拟采、掘工作面边界条件，0.4 MPa气压条件下的气-固耦合物理试验观察到了低气压灾变过程的3个阶段:弹性压密-气体常速与减速稳态渗流、塑性扩容-气体增速非稳态渗流、破裂失稳-气体非稳态渗流灾变。得到如下结论性认识:在防突措施扰动下，稳压区煤层已不再是原生状态裂隙，而有大量新生裂隙产生，为瓦斯解吸游离创造条件，可形成局部富集区，是瓦斯低压灾变的发动区;分析得出采动超前区段瓦斯赋存状态“三带”动态演化规律，根据峰值应力，定量划分出40%极限弹性、极限弹性和极限破坏载荷所对应的“三带”动态演化特征;采动瓦斯赋存“三带”动态演化是导致低压瓦斯灾变的主要原因;提出了瓦斯普通涌出-低值异常涌出-高值异常涌出-灾变的灾变过程和灾变条件;顶、底板破断冲击动压叠加作用下，可导致含瓦斯煤层低压灾变提前发动。

• 高地应力条件下高压空气爆破卸压增透技术实验研究

  吕进国, 李守国, 赵洪瑞, 谯永刚, 唐治,

  为探索高地应力条件下的非常规卸压增透技术，研究了深部矿井高压空气爆破卸压机理，分析了地面与井下气爆致裂煤体的差异性，构建了高地应力条件下高压空气爆破卸压范围的理论计算模型，以丁集煤矿为工程背景，理论计算了气爆致裂煤体的卸压范围;详细介绍了高压空气爆破技术与装备，开展了高压空气爆破的地面实验，得到了有、无位移约束2种条件下混凝土试件气爆破坏效果与破坏特征，分析了气爆压缩波反射作用对试件的破坏影响作用;开展了丁集矿的井下现场试验，研究了气爆卸压增透效果，分析了气爆前后钻孔瓦斯流量、瓦斯抽采量、衰减系数与透气性系数的变化特征，结合以往经验类比与理论计算，得到了气爆后卸压增透的最佳范围。研究结果表明:在气爆压力达到60 MPa左右时，有、无位移约束的混凝土试件破坏程度很高，主要呈现出径向断裂特征;在淮南丁集煤矿气爆后的煤层钻孔瓦斯流量是无气爆的6~8倍，瓦斯抽采量是气爆前的4~7倍，透气性系数是未气爆的5~1 050倍，衰减系数是未气爆的0.4倍，气爆的最佳卸压增透半径不超过2 m;首次气爆使爆孔周围煤体的力学性质得到弱化，相当于爆孔周围发生了卸荷效应，在二次气爆与高地应力共同作用下形成了较大的松动破坏范围，从而达到卸压增透目的。

• 煤层气中甲烷/氮气分离用椰壳活性炭的制备

  张进华, 曲思建, 李兰廷, 王鹏, 李雪飞, 李艳芳, 李小亮,

  为解决变压吸附法提纯煤层气中甲烷遇到的吸附剂难题，以我国海南产椰壳炭化料为原料，采用二次炭化-水蒸气物理活化工艺制备生物质基活性炭，采用高压电子天平测量了298 K、0～1.0 MPa下CH4/N2在制备得椰壳活性炭上的吸附等温线，利用比表面积和孔径吸附仪测量了活性炭的孔径结构，详细研究了活化工艺参数对CH4/N2吸附分离性能及孔隙结构的影响。通过变压吸附装置检验了最佳工艺参数条件下制备椰壳活性炭的CH4提浓效果。研究结果表明，随着活化温度的提高，平衡分离系数逐步减小，吸附容量逐步增加，最佳活化温度为850 ℃;平衡分离系数和饱和吸附容量均随水蒸气流量的增加呈先增加后减小的趋势，最佳水蒸气流量为2.0 kg/h;平衡分离系数随活化时间延长先增加后减小，甲烷饱和吸附容量逐渐递增，最佳活化时间为40 min。升高活化温度对孔结构的发育影响显著，比表面积、微孔孔容和总孔容均呈递增趋势，表明升高温度有利于微孔的发育，可制备出微孔发达的活性炭。变压吸附评价结果表明在水蒸汽活化工艺最优条件下制备得椰壳活性炭可将20%CH4-80%N2模拟煤层气中的CH4体积浓度提高到48.3%，提浓幅度大于25%，回收率为80.58%，产能达到108.82 m3/(t·h);同时，该吸附剂对中高浓度煤层气也具有较好的分离效果，体现出较好的分离性能。

• 煤炭自然发火介尺度分析:从表征体元宏观模型到孔隙微观模型

  梁运涛, 王树刚, 蒋爽, 胡沛裕, 林琦, 宋双林,

  煤炭自然发火存在明显的介尺度特性，应用介尺度科学理论将煤炭自然发火的微观反应机理与宏观变化特征相关联，有助于推进煤自燃领域的深入研究。首先分析了单煤颗粒、煤颗粒聚团及煤堆3个尺度的区别及相互联系，指出尺度之间正确的信息传递是多尺度模拟的前提，煤自燃领域尺度信息传递的主要方式是“尺度上联”。从数学建模角度提出煤颗粒聚团的本质就是煤堆的表征体元，以表征体元为最小单位的表征体元尺度数值模拟是一种忽略聚团内结构变化的基于宏观数学模型的计算方法，相对应的表征体元内考虑单煤颗粒相互影响的孔隙尺度数值模拟是一种基于微观数学模型的计算方法，由此明确了煤自燃研究中介尺度II所在的堆积态煤体层次的物理过程与数学概念。其次基于表征体元尺度的定义，考虑瞬时孔隙率和高温辐射换热特征，建立了连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和浓度方程，简述了求解过程，指出需要由孔隙尺度模型获取的参数有孔隙率、渗透率、对流换热系数等。接着论述了基于格子玻尔兹曼方程、考虑内部孔隙结构的孔隙尺度微观模型，并用实例展示了采用工业CT技术获取煤岩体孔隙物理结构、3维数字重构及表征体元提取的步骤。最后利用不同尺度之间参数的本构关系，提出从孔隙尺度获取宏观控制方程中孔隙率、渗透率、惯性系数和对流换热系数的尺度上联方法，从数学上实现了孔隙尺度微观模型到表征体元尺度宏观模型之间的信息传递，从而完成了从孔隙尺度到表征体元尺度的多尺度物理建模和数学建模。

• 基于角联子网的风量反演风阻病态改良算法

  李雨成, 李俊桥, 邓存宝, 刘蓉蒸,

  为解决矿井通风系统阻力测定过程中部分巷道受限于现场测试条件而导致的风阻测不准、甚至无法测定的问题，研究了基于节点压能的风量反演风阻算法，提出使用两组风量数据及部分节点压能数据反演风阻。针对算法的病态性质，对算法病态的原因进行了分析，得出反演风阻方程系数矩阵稀疏性和通风系统拓扑结构对算法的影响是导致算法病态的两个主要原因。基于此，提出基于角联子网的风量反演风阻病态改良算法与基于贪心策略的风压传感器优化布置算法，给出了算法步骤及程序框图，能够解决风量反演风阻算法的病态问题，实现布点合理、数量较少的风压传感器的优化布置。将上述算法应用于23条分支、16个节点的通风网络，验证了所有传感器布置方案下的风量反演风阻算法，其中65.2%的方案下的算法都是病态的。笔者应用本文提出的算法给出了角联子网划分方案及9个布点的风压传感器优化布置方案，在此基础上进行了风量反演风阻计算。结果表明:算法在实现了风压传感器优化布置的基础上，准确地反演了风阻，误差控制在10-4以内。算法在现场应用时结合矿井监测监控系统，可以进一步实现实时的通风系统基础参数(风量、风压、风阻)的采集、校验、计算、存储与反馈，是矿井智能通风的基础性研究。

• 分散度对煤粉爆炸特性的影响

  张江石, 孙龙浩,

  煤矿工作面煤尘呈多分散性，因此采用单一粒径的煤样评估煤尘爆炸风险存在缺陷。为了研究分散度对煤尘爆炸特性的影响规律，找出合适的平均粒径表示方式来评估分散度对爆炸风险的影响，以5种粒径分布范围相同但分散度不同的煤样为研究对象，采用20 L爆炸球实验装置，测量样品的最大爆炸压力Pex、最大爆炸压力上升速率(dp/dt)ex、开始点火至最大爆炸压力的时间段t1和开始点火至最大爆炸压力上升速率的时间段t2四个参数。后续采用热值分析、扫描电镜试验方法探究不同分散度煤尘的反应程度。借助方差分析和斯皮尔曼相关性分析研究测量结果组间的差异性、不同粒径表示方式与爆炸特性参数的相关性。实验结果表明:对于具有相同粒径分布的煤粉，分散度对煤粉爆炸反应速率影响较大。小粒径煤尘颗粒的质量分数越大，反应速率越快，反应越充分，释放的能量越大。当小粒径煤尘质量分数达到30%时，最大爆炸压力上升速率显著增大，t1和t2明显减小。粒径最小的原始样品3的爆炸产物热值最低，且爆炸产物表面形成了较为丰富的孔洞结构，说明小粒径煤尘较快的脱挥发速率能增加爆炸的反应程度。D10,D25(为投影面积的10%和25%的颗粒直径)、D3,2(索特尔直径)与最大爆炸压力上升速率、t1和t2三个参数的斯皮尔曼相关系数均落在高度相关和显著相关的区间，呈现出较好的相关性。对于多分散性的煤尘，D10,D25和D3,2可以较好的评估分散度对煤尘爆炸特性的影响。

• 考虑孔径分布的低渗透煤层气体渗透率计算模型

  李立功, 张晓雨, 李超, 张润旭, 康天合,

  渗透率是影响煤层气开发的关键参数之一，采用测井方法可以较为全面的获取储层渗透率，但测井方法求取的渗透率的准确度主要依赖于建立孔隙结构与渗透率关系计算模型。目前渗透率计算模型大都是基于平均孔径所建立的，忽略了孔隙分布特征对渗透率的影响。对于孔隙分布较为均匀的常规储层而言，孔隙分布对渗透率的影响不大，但对于孔隙结构复杂的低渗透煤层而言，孔隙分布对渗透率(尤其是气体渗透率)的影响不容忽视。采用上海纽迈公司生产的MesoMR23-060H-I型核磁共振仪及太原理工大学自主研发的气体渗透率测试仪对山西西山煤田古交区块8号煤孔径分布特征与气体渗透率的关系进行研究，建立了考虑孔径分布的气体渗透率计算模型;比较新模型、基于平均孔径模型所计算的气体渗透率与实测气体渗透率的差异;以孔径分布符合高斯分布为例，研究了孔隙分布特征对气体渗透率的影响。研究结果表明:在考虑孔径分布的影响后，考虑孔径分布气体渗透率计算模型计算结果与实测值符合度较基于平均孔径计算结果符合度更好;当孔隙分布满足高斯分布时，孔隙率、气体压力和分布期望相同的低渗透煤样，标准差越大，孔隙结构越复杂，气体渗透率越大，与基于平均孔径所计算的气体渗透率差异越大，当标准差从0.05增加到0.18时考虑孔径分布计算的气体渗透率由3.97×10-15m2变为4.2×10-15m2，变化幅度达10.7%，考虑孔径分布模型与基于平均孔径模型计算气体渗透率结果的差异率由0.97%变为11.78%;孔隙率、气体压力和标准差相同的低渗透煤样，分布期望值越大，气体渗透率越大，与基于平均孔径所计算的气测渗透率差异越小，当期望由0.35变为0.55时，考虑孔径分布计算的气体渗透率由2.18×10-15m2变为4.86×10-15m2，变化幅度达1.23%;在计算孔隙结构较为复杂的低渗透煤储层渗透率时，新模型可以更为准确的计算低渗透煤储层气体渗透率。

• 软硬煤复合的煤层气水平井分段压裂技术及应用

  许耀波, 郭盛强,

  针对软硬煤复合煤层的煤层气抽采效率低、煤层纵向剖面上抽采不均衡等问题，为了实现大面积快速、整体高效抽采煤层气，以沁水盆地赵庄井田3号煤层为例，对软硬煤分层特征进行精细评价，优化了软硬煤复合煤层中的局部硬煤段，研究了硬煤层中不固井水平井分段压裂开发煤层气技术方法，在对水平井压裂裂缝扩展规律研究的基础上，研究了分段压裂水平井开发煤层气技术对策。研究结果表明:3号煤层软硬煤结构分层明显，软硬煤存在明显的自然伽马和电阻率测井响应特征;硬煤层中水平井压裂能形成一条复杂不规则的垂直裂缝，裂缝易于沿脆性较强的顶板岩层扩展延伸，裂缝能够扩展延伸进入软煤层，提高软硬煤的压裂增产效果;硬煤层中水平井位置和压裂施工排量是影响裂缝扩展效果的两个因素，压裂施工排量影响程度较大、水平井位置影响程度较小。针对这一特点，进一步研究了硬煤层中不固井水平井分段压裂开发煤层气4个关键技术:① 水平井射孔、压裂段优选工艺技术;② 油管拖动大排量水力喷射防窜流工艺技术;③ “大排量、大规模、中砂比”的段塞式清水携砂压裂工艺技术;④ 气/水分井同步生产精细化排水采气技术。工程试验证明，该技术能大幅度提高煤层气水平井单井产量，突破了软硬煤复合煤层低产技术瓶颈，为软硬煤复合煤层的煤矿区煤层气抽采和瓦斯灾害治理提供了技术途径。

• 沁水盆地南部高煤阶煤层气水平井地质适应性探讨

  胡秋嘉, 李梦溪, 贾慧敏, 刘春春, 崔新瑞, 李玲玉, 彭鹤, 张光波, 毛崇昊,

  沁水盆地南部煤层气水平井开发10 a实践表明，相同地质条件下不同类型水平井开发效果存在较大差异，亟需就水平井开发地质适应性进行深入研究。基于樊庄—郑庄区块水平井开发现状，通过生产数据统计分析，结合煤矿井下观察和室内实验，研究了水平井完井方式、储层改造方式的地质适应性。结果表明，地应力大小、方向和煤体结构决定水平井完井方式。水平井完井方式主要包括裸眼完井、套管或筛管完井等，在保证水平井井眼稳定的前提下采用裸眼完井经济效益最好。但埋深超过600 m时，煤岩承受的垂向应力大于抗压强度，裸眼水平井易垮塌，应使用筛管、套管完井;当埋深为600~700 m时，筛管水平井产量可达3 000 m3/d以上，可用筛管完井;当埋深大于700 m，需要进行压裂，用套管完井。水平井井眼走向与煤层最大水平主应力方向之间夹角越小，井眼受到的有效应力越大，裸眼井眼越容易变形垮塌，应采用筛管、套管完井，当水平井井眼走向垂直于煤层最大水平主应力方向时，裸眼水平井产量最高，可以采用裸眼水平井完井。水平井井眼穿过碎粒、糜棱煤发育区，裸眼井眼易垮塌，裸眼水平井平均单井产气量仅1 000 m3/d左右，而筛管水平井可以达到4 500 m3/d左右，应采用筛管完井。煤层微观裂缝发育程度和垂向非均质性决定水平井是否需要压裂，微观裂缝发育程度可以用裂缝指数定量表征。当裂缝指数高于100时，筛管水平井产量一般高于3 000 m3/d，开发效果较好;当裂缝指数低于100时，储层渗透性差，单井控制面积小，筛管水平井产量低于1 000 m3/d，分段压裂后储层渗透率提高，产量达到7 000 m3/d以上。煤层垂向上存在局部裂缝指数小于100的低渗层时，气体垂向渗流阻力大，筛管井产气效果差，需进行分段压裂，分段压裂水平井产量可达到8 000 m3/d以上。

• 基于压汞、低温N2吸附和CO2吸附的构造煤孔隙结构表征

  李阳, 张玉贵, 张浪, 侯金玲,

  我国煤层受多期次构造运动影响构造煤普遍发育，构造煤孔隙大小分布尺度较广(毫米～纳米级)，孔隙结构较为复杂。不同尺度的孔隙结构控制着煤层气的吸附-解吸(孔隙表面)、扩散(纳米级孔隙)与渗流(微米~毫米级孔隙)等过程，是影响煤层气储存与运移的重要因素。为研究构造煤不同尺度孔隙结构的分布特征与演化规律，在潞安矿区采集4种破坏类型煤样，利用压汞法、低温N2吸附法及CO2吸附法分别测试了煤样的孔隙分布特征，对比分析了各测试方法的优势孔径段，提出利用CO2吸附法表征构造煤微孔(50 nm)的孔隙结构多尺度联合表征方法。实验结果表明所采煤样的孔容和孔比表面积均主要分布在微孔阶段，在0.6 nm左右时的孔隙孔容量和孔比表面积达到最大，其中微孔容占总孔容的70%以上，微孔孔比表面积占总孔比表面积的99%以上，煤中孔容和孔比表面积分布存在微孔>大孔>介孔的规律。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏类型的关系，随煤破坏程度增加，孔容和孔比表面积逐渐增高，大孔孔容比及介孔孔容比逐渐增大，微孔孔容比逐渐减小;孔容增幅主要体现在大孔阶段，比表面积增幅则主要体现在微孔阶段。其中大孔演化主要受控于角砾孔、碎粒孔及摩擦孔等外生孔，介孔演化受控于煤的大分子堆叠结构及分子间距，微孔演化主要受控于煤中芳香层片大小及排列方式。

• 陕西彬长矿区NDVI3g(1982—2013)变化趋势及气候响应

  马雯思, 马超, 刘玮玮,

  过去30 a，全球归一化差值植被指数(NDVI)呈增加趋势，植被返青期(SOS)提前，枯黄期(EOS)滞后，生长期(LOS)延长。作为人类经济活动最密集的工矿区，其生态环境问题是环境与发展的焦点问题之一，在全球变化的背景下，研究矿区及周边地区NDVI趋势，能很好地反映区域尺度上非自然生态区植被变化及对全球变化的响应。基于GIMMS AVHRR NDVI3g长时间序列遥感影像，利用IDL编程、线性回归、趋势拟合提取研究区1982—2013年植被覆盖的物候信息，分析矿区、缓冲区(10 km,20 km)及生态校验区月度、季度、年际变化情况，推算出植被SOS,EOS与LOS长度变化趋势，并结合气象观测记录分析气候驱动因子(降水、气温)与NDVI变化相关性。时序相关性分析表明:32 a彬长矿区年均NDVI总量随时间序列缓慢升高，32 a增长百分比达13.31%;生态校验区NDVI总量随时间序列升高趋势明显，32 a增长百分比达1945%;受人类活动影响，矿区NDVI阶段增长百分比明显低于生态校验区。空间相关性分析表明:彬长矿区NDVI原始基底值高于校验区，植被SOS提前6±3 d，EOS滞后5±3 d，LOS延长11±3 d;生态校验区植被SOS提前3±3 d，EOS滞后3±3 d，LOS延长6±3 d;矿区植被LOS延长天数高于生态校验区5 d。气候相关性分析表明:彬长矿区处于半湿润气候区，植被对气温变化的响应高于降水，植被生长对降水有2～3 a的滞后性，NDVI的增加与该区气温升高、降水减少的共同作用有关。研究认为，采矿活动使得矿区及其周边地区植被活动放缓，年均NDVI增长率明显低于生态校验区;在全球变化作用下，植被LOS延长的基础上，人类活动使得矿区植被LOS被再度延长。

• 辛置煤矿主要含水层的自由排水柱淋滤实验与水岩作用机理

  赵峰华, 郭元, 孙红福, 朱孟浩,

  辛置煤矿石炭系太原组K2灰岩含水层与奥陶系峰峰组O2f灰岩含水层水质参数相互重叠，利用传统的判别方法无法对这两个水源进行有效判别。为了解决辛置煤矿水源判别的问题，并揭示该矿4个主要含水层的水岩相互作用机理，对辛置煤矿4个主要含水层的岩芯样品进行自由排水柱淋滤实验。研究结果表明:① 岩芯样品含有非矿物相的硫酸盐，4个主要含水层地层同样也含有硫酸盐和石膏矿物，造成淋滤液和灰岩含水层水样均富含硫酸根离子;② K8,K3,K2和O2岩芯淋滤液中SO2-4离子当量百分比均超过74%，Ca离子当量百分比均超过40%，所有淋滤液对应的水化学类型均为SO4-Ca型;③ 所有淋滤液中阴离子含量大小顺序均为:SO2-4>HCO-3>Cl-，K8,K3,K2和O2f岩芯淋滤液中阳离子含量顺序分别为:Ca>Mg>K>Na,Ca>Na>Mg>K, Ca>Mg>Na>K和Ca>Mg>K>Na;④ K2灰岩岩芯样品和淋滤液中Mo,Sb,U和Sr含量均高于奥陶系O2f灰岩岩芯样品及其淋滤液，但Fe离子含量分布规律正好相反，该特征可以作为判别K2和O2f灰岩含水层的参考因素。辛置煤矿含水层的水化学特征受岩性、埋藏条件、地下水补径排及水动力条件的控制，含水层实际水质比淋滤液更为复杂多变。K8砂岩含水层和K3灰岩含水层的水化学类型分别为HCO3-Na型和SO4-Na型，与对应的淋滤液水化学类型差异较大;但K2和O2f灰岩含水层的实际水化学类型与淋滤液基本一致。二叠系K8砂岩含水层中主要的水岩相互作用为溶解斜长石为主，部分区域中可能存在少量的硫酸盐溶解反应。太原组K3灰岩含水层中的水岩相互作用主要为方解石和白云石矿物的溶解，以及部分硫酸盐和钠盐的溶解反应。太原组K2灰岩含水层和奥陶系峰峰组O2f灰岩含水层中主要的水岩相互作用均为方解石、白云石和硫酸盐的溶解，以及局部地段的脱硫酸作用。

• 重介质旋流器分选过程的离散分析与数值模拟

  黄波, 徐宏祥, 陈晶晶, 朱子祺,

  重介质旋流器广泛应用于煤炭分选，分选过程十分复杂，试验测试研究重介质旋流器内部流场和颗粒运动特性费时费力，成本较高。随着数值计算技术的发展，国内外学者应用数值模拟方法研究旋流器内部的多相流流场。采用计算流体力学(CFD)与离散分析方法(DEM)耦合技术对重介质旋流器的分选过程进行数值模拟研究，为重介质旋流器的结构参数和操作参数的优化提供了一种新途径。用Fluent软件研究了旋流器内部悬浮液速度场、密度场、压力梯度场和黏度场，用EDEM软件研究了旋流分选过程中的煤粒运动行为及分选效果的评价。研究结果表明:悬浮液压力分布和压力梯度分布径向基本对称，溢流口和底流口处压力值最低。器壁沿径向形成了压力梯度，差值逐渐增大，空气柱边界处压力梯度最大;不同尺度的煤粒在旋流器内部的停留时间不同，相同密度的煤粒，粒度越小，停留时间越长。溢流中排出煤粒在旋流器中的停留时间明显长于从底流口排出的煤粒。溢流口排出的煤粒，密度越大，停留时间越长，底流口排出的煤粒，密度越大，停留时间越短。不同的旋流器结构参数对分选影响程度的不尽相同，其中溢流管直径的影响最为显著，溢流管直径超过500 mm时，不能形成完整的空气柱，无法分选。溢流口直径为300 mm时，分选效果较好;溢流管插入深度显著影响分选精度，插入深度为160 mm时，分选密度增大，细小高密度的煤颗粒将错配进入溢流，溢流管插入深度为320~800 mm时，分选密度接近悬浮液密度，分选指标Ep=0.084~0.100，分选效果较好。底流口直径对旋流器选精度影响较大，当底流口直径为272和306 mm时，分选密度与悬浮液密度接近，Ep值小于0.1，分选效果较好。圆柱段长度对于分选密度影响不明显。

• 内蒙胜利褐煤生物产气前后微生物群落变化

  赵晗, 何环, 王江泽, 谭凯丽, 赵娜, 任恒星,

  为研究微生物群落在褐煤生物产气过程中的作用以及产气前后煤样性质的变化。以内蒙古胜利褐煤为产气底物，寺河矿区煤层气井排出水中富集产气微生物为出发菌群，在实验室开展褐煤生物产气实验，采用Illumina高通量测序平台分析产气前后微生物群落变化，并利用气相色谱、扫描电子显微镜等手段对褐煤产甲烷量和产气前后煤样物化性质及其煤表面的菌体形貌进行分析。结果表明，内蒙胜利褐煤可以被所富集得到的菌群利用并产生甲烷，产气周期为49 d，期间累计产甲烷量为83.1 mL，净产甲烷率为7.84 mL/g煤。褐煤生物产气微生物样本中细菌群落多样性丰富，主要优势菌门为厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、WWE1、拟杆菌门(Bacteroidetes)、互养菌门(Synergistetes)和少量的脱铁杆菌门(Deferribacteres)。原始微生物群落结构多样性较高，经褐煤和基本培养基培养产气后，群落多样性降低。在微生物属水平上菌群结构变化较大，其中W22,Proteiniclasticum,VadinCA02,Tissierella_ soehngenia,Clostridium,Desulfovibrio等菌属在产气过程中发挥重要功能。内蒙胜利褐煤挥发分较高，富氢、富氧，煤表面结构松散有明显裂隙，有利于微生物附着降解，适宜进行生物产气试验。褐煤经微生物作用产气后，水分、灰分、挥发份均降低，固定碳百分比升高，H/C升高，S元素比例下降，利用扫描电镜观察到产气体系中煤表面附着大量短杆状和球状微生物，并存在类似微生物纳米导线的结构。

• 不同类型重油中碱性氮化合物分子组成及其加氢裂化转化规律

  吴艳, 马博文, 钟金龙,

  为获得分子水平上不同类型重油碱性氮化合物结构组成，采用超高分辨率的傅里叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)等分析手段，对高温煤焦油沥青、石油常压渣油及其悬浮床加氢裂化>500 ℃尾油这4种不同类型的重油进行表征，获得原料及加氢产物的分子组成，揭示碱性氮化合物在加氢过程中的转化规律。研究结果表明，高温焦油沥青中N1类碱性氮化合物主要是二苯并喹啉和三苯并喹啉类化合物，N2类化合物主要是三苯并吡啶吡咯和四苯并吡啶吡咯类化合物。渣油中N1类碱性氮化合物呈现出从喹啉、苯并喹啉至四苯并喹啉类化合物的连续分布状态，N2类化合物主要是苯并吡啶吡咯、二苯并吡啶吡咯类化合物。渣油中N1和N2类化合物的平均缩合度低于高温焦油沥青，但其碳数重心远高于高温焦油沥青，渣油中存在相当一部分高缩合度、长侧链的喹啉类、吡啶吡咯类大分子化合物，这部分物质是渣油中最重质、最难转化的大分子结构之一。加氢裂化过程中，高温焦油沥青中碱性N1类化合物主要发生加氢饱和及烷基侧链断裂反应，N2类化合物缩合度整体下降。渣油加氢尾油中N1类和N2类化合物DBE和碳数重心明显变窄。渣油加氢尾油中难以加氢转化的高缩合度、大分子量的碱性氮化合物较多，据此可推测，其加氢裂化性能低于高温焦油沥青加氢尾油，二次加工过程中会更易于结焦。

• 温度对煤矸石动态淋溶特性的影响

  冉洲, 刘文礼, 潘永泰, 刘文昌, 高自然, 赵英霄,

  煤矸石长期堆存将对周边环境造成酸性污染和重金属含量超标。为研究煤矸石山发生氧化自热对酸性污染物降雨淋溶释放特性的影响机理，以山西省阳煤集团煤矸石为研究对象，建立了自动温控喷淋系统，通过对不同温度煤矸石进行动态淋溶实验，研究了淋溶液中pH值、电导率(EC)值、氧化还原电位(ORP)和硫酸盐(SO42-)含量的淋溶规律，并对淋溶前后煤矸石矿物组成进行半定量分析。结果表明:风化煤矸石中含有大量硫酸盐等可溶性组分，且酸性组分含量大于碱性组分和黏土矿物组分中和量总和，初期润湿液(SO42-含量超过地下Ⅲ类水指标，可看作高度矿化水，呈弱酸性和氧化状态，但氧化性未超过一般界定氧化性土壤的值(400 mV);随着累计淋溶时间延长，淋溶液pH值先增大后减小并最终趋于稳定，在t=3 h达到最大值为7.34~8.03 ，(SO42-含量和EC值先急剧减小后趋于稳定，稳态值分别约为2 500 mg/L和2 mS/cm，ORP在325.9~435.2 mV波动;随着温度升高(50~200 ℃) ，淋溶液稳态pH值(pHs)和煤矸石剩余黄铁矿含量先减小后增大，150~200 ℃的pHs值小于5.79，(SO42-含量和石膏相对质量分数先增大后减小，ORP波动性增强，相对标准偏差RSD由9.54%增大到10.06%，EC值受温度影响不显著;淋溶液各项指标均在150 ℃条件下取得极值，pHs,min为4.98，呈较强酸性;ORPmax为435.2 mV，呈强氧化态。由此可得:煤矸石中产酸物质氧化作用可分为风化氧化和自热氧化，主要受环境温度、含水量和与空气接触程度的综合影响;煤矸石自热氧化造成的酸性污染演变过程是由碱性组分、含氮物质和氧化产生的酸性组分共同决定的，且3种组分淋溶释放速率经长期堆存后逐渐趋于稳定。本研究解释了煤矸石中黄铁矿氧化产酸受环境温度的影响机制，为自热煤矸石山降雨淋溶造成酸性污染动力学演变预测提供依据。

• 脱硫废水烟气蒸发过程中氯离子气固相分配模型及实验研究

  马双忱, 柴晋, 万忠诚, 武凯, 张净瑞, 陈嘉宁,

  随着国家“水污染防治行动计划”政策的提出，脱硫废水零排放已成为电厂水污染深度治理的新趋势。针对高温烟气蒸发脱硫废水技术应用中面临的核心技术问题，即不同工况条件下氯离子气相转化特性问题开展模型及实验研究。将经典的气液相平衡理论应用于复杂的脱硫废水混盐体系，基于状态方程法计算得出理想体系中以温度为自变量的氯离子气固相分配系数模型。之后，将得出的理想模型用复杂体系废水即脱硫废水进行验证和线性修正，引入修正系数ε和修正常数φ。利用自行设计的实验台开展实验研究，分析各个影响因素对氯离子气固相分配的显著性，影响最大的因素为温度，其次是pH和氯离子浓度，脱硫废水中所含的主要阳离子影响最大的是Mg2+，其次是Ca2+和Na+。得出的实际废水和正交实验数据用以拟合数据，确定了修正系数ε=1.068，修正常数φ中包含了上述影响氯离子气相转化的关键环境参数和水质参数。以MATLAB为计算工具对数据进行拟合,选取指数、对数及线性函数三种拟合形式，其中线性拟合的相关性最高，拟合度R2为0.925 8,达到拟合要求。得到了适用于180~380 ℃温度范围的氯离子气固相分配系数模型。研究结果为脱硫废水烟气蒸发技术的应用提供了关键数据，实现了对脱硫废水蒸发过程中氯离子挥发量的量化及预测，可为该技术的工程实践提供参考。

• 基于 TSOA 定位原理混合算法的掘进机位姿检测方法

  刘超, 符世琛, 成龙, 刘丹, 沈阳, 吴淼,

  为实现掘进机的位姿检测，提出了一种面向掘进机的混合算法的位姿检测方法。基于超宽带(Ultra-wideband) 测距和(Time Summation of Arrival，TSOA)定位原理，系统地推导了混合算法的计算过程，将间接法得到的定位点初始坐标代入Taylor级数展开法，循环迭代，通过混合算法得到了掘进机的坐标值，将坐标值代入姿态角解算公式得到了掘进机的姿态角。实际实验中需要其他测量方式的标定才可验证真值，且任何测量方式均有误差，因此基于MATLAB进行仿真分析研究规律。绘制了混合算法程序流程图，仿真对比了间接法和混合算法在15 m和90 m的定位点空间分布状态、三轴误差，以及2种算法在10~100 m的测量范围内定位点均方根误差和三轴均方根误差变化情况，分析了混合算法在15 m和90 m的姿态角精度，仿真结果表明:混合算法的定位性能优于间接法，精度高于间接法，姿态角误差可控制在0.008°以下。搭建了掘进机位姿检测系统实验平台，在模拟巷道中进行了实验验证，完整地采集了UWB测距的相关数据，在MATLAB中通过曲线拟合绘制了误差随距离变化的曲线图，得到了误差随测量距离变化的规律，实验结果表明:在3~94 m测量范围内，X轴误差可控制在4 cm以内，Y轴误差可达到毫米级，Z轴误差随测量距离增大而增大。为实现综掘装备的自主导控提供了理论基础。

• 矿井供电系统串联型故障电弧仿真分析及诊断方法

  刘艳丽, 郭凤仪, 李磊, 郑佳,

  因接触不良或机械损伤，煤矿供电系统会产生串联型故障电弧，串联型故障电弧是引发煤矿电气火灾的原因之一，目前缺少有效的检测手段，影响了井下的供电安全。井下可能存在瓦斯和煤尘等易燃易爆物质，不宜开展串联型故障电弧实验，无法获得大量故障电弧电流样本，加大了井下串联型故障电弧诊断工作的难度。为研究矿井供电系统串联型故障电弧的典型特征及诊断方法，论文首先在Mayr-Schwarz电弧数学模型的基础上，建立了矿井供电系统串联型故障电弧仿真模型，并结合实验结果对仿真模型的性能进行了评估;然后对矿井供电系统的采煤系统、胶带输送系统、泵房排水系统、照明系统的串联型故障电弧、过电压、单相接地、两相接地短路、两相短路、三相短路电气故障进行仿真分析、特征分析，以电流信号的过零点数、峰峰值、方差、峭度系数、裕度因子、谐波畸变率、单边功率谱频率方差、小波包系数能量熵、小波包系数峰峰值为特征量，建立了矿井供电系统串联型故障电弧特征参数数据库;最后综合比较决策树、K近邻、Bagged trees多分类模式识别方法在故障电弧诊断、选相及抗负载电流波动扰动、抗背景噪声扰动方面的性能，提出了K近邻矿井供电系统串联型故障电弧诊断方法。结果表明，建立的串联型故障电弧仿真模型能够用于仿真分析矿井供电系统串联型故障电弧，所建立的特征参数数据库能够反映矿井供电系统串联型故障电弧的典型特征，提出的K近邻串联型故障电弧诊断方法可用于矿井供电系统串联型故障电弧诊断及选相。

• 基于GRPM井下定位的MPMD匹配算法的试验研究

  汪金花, 郭云飞, 郭立稳, 张博, 吴兵,

  针对井下生产管理、灾后避险以及定点搜救的高精度定位需求，提出一种标签识别与地磁匹配组合定位的GRPM方法。GRPM方法是从井下物联网的智能化角度，设计的一种高精度、自主、新型的井下定位方法。结合井下实际地磁测量时噪声干扰较大，地磁异常场空间分布不明显、缓变或特征相似情况下的地磁匹配定位精度低的问题，建立了一种地磁空间向量积的最优估计匹配模型MPMD，也称为磁特征参量联合距离匹配算法。试验选取了模拟矿井的2个水平巷道H-11和H-21，通过对2个巷道地磁数据的均值、标准差、粗糙度和信息熵的统计分析，评价出H-11为地磁定位弱适配区，H-21为强适配区。在H-11和H-21巷道内开展了MSD，MAD，MPMD算法匹配定位的对比试验，分析了3种算法在地磁变化、噪声扰动下的地磁匹配的精度和抗噪性能。结果表明:在地磁特征丰富的H-21强适配区，3种算法的总体匹配概率都达到了95%以上，但MPMD定位精度高于MSD，MAD算法，基本上保持在一个网格间格内;在地磁特征贫乏的H-11弱适配区,MPMD算法能够较好的处理模糊匹配多值问题，不易出现虚定位。在H-21强适配区开展了算法性能测试，当噪声为200 nT时，MSD和MAD匹配有少量虚定位，MPMD算法匹配结果基本无误差，效果很好;在噪声400 nT和600 nT抗噪性能试验中，MSD和MAD匹配出现大量虚定位，MPMD算法有少量虚定位，总体匹配概率也达到了89%，表现出较强的鲁棒性。MPMD算法是一种有效高精度地磁匹配方法，在准确度、精度和鲁棒性方面确实具有明显优势，但匹配过程耗时较多，需要从搜索策略上进一步优化。