煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第10期

• 坚硬顶板动力灾害超前弱化治理技术

  杨俊哲, 郑凯歌, 王振荣, 庞乃勇,

  随着我国煤炭开采深度的不断增加，坚硬顶板开采条件引发的强矿压动力灾害日益加剧，严重威胁矿井的安全生产。针对神东矿区坚硬顶板发育典型灾害发生区域，综合采用物理模拟、数值分析，工程应用等方法，研究了坚硬顶板综放开采条件下覆岩破断特征，提出了低位关键层“悬臂梁”回转破断促使动静叠加载荷过灾害阈值引发的矿压动力灾害发生的机理，揭示了顶板弱化治理强矿压动力灾害的有效性。据此研发了坚硬顶板分段水力压裂超前弱化治理技术，开发了基于孔内瞬变电磁的定向长钻孔(>400 m)的压裂影响范围的探测技术，并在神东布尔台煤矿典型的工作面开展了工程应用。单个钻场布置钻孔3个，钻孔长度330~600 m，钻孔孔径为96 mm，实现了单孔超过600 m分12段以上压裂的310 m工作面的全区域有效弱化，累计注水量达2 957.25 m3。应用结果表明，顶板分段水力压裂最高压力30.5 MPa，破裂压降最大达12.90 MPa，3.0 MPa以上压力降365次，形成了有效的压裂裂缝;探测压裂影响低阻异常区11个，判识压裂影响范围达35 m;与压裂前相比，压裂后工作面顶板来压步距、动载系数、支架峰值阻力分别降低18.90%～70.60%，5.79%～7.90%，13.65%～19.40%。工程实践表明坚硬顶板超前分段水力压裂，有效减弱了矿压显现强度，实现了坚硬顶板动力灾害的弱化解危。

• 控水采煤技术原理、关键技术及在砂岩含水层下综放开采实践

  张玉军,

  针对我国煤矿地质采矿及水文地质条件千差万别、水体类型错综复杂的现状和水体下压煤开采的工程实践，详细阐述了控水采煤技术的思路、技术原理、技术原则和关键技术，即综合考虑煤矿安全和经济合理等重要因素，针对不同充水能力与补给条件的含水层，通过钻孔预先疏放一定量的含水层静储量，同时采用采动裂缝垂向导水性的差异和滞后压实的特性，实现涌水量大小和形式可控。该技术解决了传统的水体下采煤留设不同类型防水煤岩柱技术而造成煤炭资源的大量损失，或者单一采用含水层疏降技术不仅容易形成人为导水通道，而且过量的钻孔对含水层的疏放增加矿井涌水量及排水费用，同时导致地下水位大幅度下降，使矿区生态环境遭到严重破坏等问题。将控水采煤技术与综放开采工艺特点相结合，应用到内蒙古铁北煤矿半固结砂岩含水层下综放控水开采实践中。研究结果表明:针对铁北煤矿煤层顶板砂岩含水层的赋存状态与富水程度、不同采动覆岩破坏程度、主采煤层与含水层的空间关系，基于控水开采采前预疏与边采边疏相结合的技术原则，利用综放开采采场沿煤层底部布置，放煤厚度灵活调整可控的特点，提出的“顶水开采与疏干或疏降开采相结合、先疏后采与边采边疏相结合、钻孔疏干或疏降与回采疏干或疏降相结合、分段控制放顶煤开采厚度与含水层疏降程度相结合”控水采煤的总体方案是可行的，实现了3～8 m阶梯型采厚安全开采，既控制了工作面的涌水量、改善了工作面作业环境，又有效防止了突水溃沙灾害的发生，取得了综放控水安全开采的成功。

• 重复采动巷道塑性区时空演化规律及稳定控制

  吴祥业, 刘洪涛, 李建伟, 郭晓菲, 吕坤, 王婧雅,

  针对双巷布置工作面留巷受重复采动影响围岩变形破坏严重、支护难度大、存在冒顶隐患等问题，以布尔台矿22205回风巷道为工程背景，采用理论分析、数值模拟及现场实测方法，分析了重复采动巷道围岩塑性区及应力时空演化规律，获得巷道围岩从掘进稳定到废弃的整个动态破坏过程，以及不同位置围岩破坏状态的静态空间展现，阐明重复采动巷道塑性区变化的动-静组合机制。研究结果表明:① 采动过程中塑性区扩展时间阶段与空间区域存在对应关系并根据现场实测得到空间区域具体范围，是分析巷道变形机理及提出分次支护方案的重要基础。② 获得塑性区非对称扩展机理:其范围由偏应力大小决定，方位则由主应力方向主导，偏应力大小及角度共同作用造成塑性区非对称扩展，进而产生非对称变形，并以此揭示了重复采动巷道塑性区随时空扩展力学机制。③ 根据塑性区扩展形态，得出一次采动过程中塑性区深度及范围扩展显著且顶、底板明显大于两帮;2次采动过程中塑性区深度变化较小，而范围明显增加，主要发生在煤壁帮顶角位置及煤柱帮底角位置。④ 基于重复采动过程中塑性区扩展时空关系，提出分次补强支护方法，解决重复采动巷道围岩稳定控制;根据塑性区扩展形态及现场实测明确具体补强时间、地点及参数，并进行顶板补强支护，节省工期同时保障了回采期间安全生产。

• 圆形巷道围岩加速蠕变影响下冲击地压的启动条件

  陈国祥, 郭兵兵, 镐振,

  针对高静载巷道蠕变型冲击地压现象，研究弹性区煤岩加速蠕变对巷道冲击的影响。基于等时应力应变曲线与全应力应变曲线的关系，得到了煤岩加速蠕变破坏的时效力学参数。通过分析巷道弹性区煤岩加速蠕变过程及其条件，并考虑围岩塑性区强度的应变软化，推导出圆形巷道围岩蠕变塑性区应力场。在此基础上，借鉴冲击地压扰动响应判别准则理论的思想，探讨了巷道围岩加速蠕变影响下的冲击启动机制，给出了冲击启动临界条件的解析解，分析了支护力和等时应力-应变曲线的割线模量比Mt对冲击临界条件的影响。结果表明:高地应力、初次支护的低支护力和煤的低单轴长期强度为巷道弹性区煤岩产生加速蠕变提供了有利条件，加速蠕变导致冲击启动通过弹性区煤岩强度的时效劣化实现;巷道所处地应力越高，弹性区煤岩只需历经较小的强度劣化，就可冲击启动;加速蠕变影响下，增大支护力对抑制冲击发生有促进作用，表现在支护力越高，弹性区煤岩需历经较大的强度劣化才可冲击启动，且启动时围岩内峰值应力较低、塑性区阻抗较大;煤岩单轴压缩峰后与峰前模量比(λ/E0)是巷道弹性区煤岩产生加速蠕变的非影响因素，但其是巷道冲击启动的重要影响因素，即巷道弹性区煤岩产生加速蠕变的临界地应力判据与模量比无关，模量比越小弹性区煤岩需历经更大程度的强度劣化才可冲击启动;抑制巷道蠕变冲击的核心在于控制弹性区煤岩不满足产生加速蠕变的条件。

• O型棚支护抵抗冲击地压等级计算方法

  徐连满, 潘威翰, 潘一山, 吕祥锋, 秦志娇, 肖永惠,

  O型棚支护具有良好的护表性，常被用于冲击地压巷道控制围岩破碎区的变形与破坏，但O型棚支护参数设计主要依靠经验法，缺乏相应的理论依据和科学计算方法。基于O型棚支护的工作原理，得到O型棚支护特性曲线及最大支护阻力，发现O型棚支护的最大支护阻力与U型钢的型号及壁后填充参数密切相关;通过理论分析冲击应力波在煤岩介质中传播规律，发现冲击地压对巷道支护的作用力大小程度主要取决于巷道附近围岩质点最大加速度，由此提出一种评价冲击地压等级的新指标——冲击地压破坏系数kg，用于冲击地压巷道O型棚支护参数设计;利用多层结构法计算得到围岩冲击载荷与O型棚支护阻力的关系以及震动能量与冲击地压破坏系数，进而得到O型棚支护可抵抗的冲击地压等级计算公式，并发现O型棚支护抵抗冲击地压等级大小主要受冲击地压能量大小、冲击源距巷道距离、围岩煤岩介质力学性质等因素影响。根据老虎台矿冲击地压特征及发生规律，设计了冲击地压巷道O型棚支护参数，通过现场应用效果对比发现，优化设计参数后的O型棚支护抵抗冲击地压等级明显提高，并成功抵抗住多次冲击事件，避免了支架塑性变形与破坏，说明了O型棚支护抵抗冲击地压等级计算方法具有较好的可信度。通过计算发现，普通36U型钢O型棚支护最大可抵抗中等冲击的冲击地压，因此对具有强烈冲击危险的巷道，还需增加液压支架进行补偿支护，提高巷道支护抗冲击能力。

• 综放工作面多区支撑顶板的力学模型及破断特征

  宁静, 徐刚, 张春会, 孙明磊,

  综放工作面一次开采厚度和宽度大，顶板破坏条件和影响因素复杂。为分析综放工作面顶板破坏特征，将基本顶视作为原岩区、液压支架控顶区、采空区、破断垮落顶板充填体等4区支撑的板，建立综放工作面多区支撑的顶板力学模型，开发有限元计算程序，结合二分法反演基本顶作用荷载和周期垮落步距。利用模型研究陕西崔木煤矿综放开采过程中顶板弯矩和剪力分布，分析基本顶沿煤壁前方断裂、煤壁处断裂和采空区断裂的条件、影响因素及影响规律，结果表明:综放开采多区支撑基本顶的最大弯矩发生在煤壁前方;若基本顶在煤壁前方产生拉伸破断，基本顶边界条件改变，引起弯矩重分布，最大弯矩位置转移至煤壁处;若基本顶不在煤壁处断裂，随着工作面推进，基本顶内最大弯矩增大，最大弯矩位置向采空区方向偏移，基本顶将在采空区上方断裂;基本顶最大弯矩位置受支架刚度、基本顶抗拉强度和厚度影响较大，随着支架刚度、基本顶抗拉强度和厚度增大，最大弯矩发生位置向采空区方向偏移，更容易在采空区上方位置产生拉伸破断;基本顶最大剪力位置受周期垮落步距、支架刚度、基本顶厚度影响较大，随着周期垮落步距、支架刚度和基本顶厚度增大，最大剪力发生位置向采空区方向偏移，基本顶更容易在采空区上方产生剪切破断。

• 基于FLAC3D横观各向同性模型的煤矿井田初始地应力场的反演方法

  余大军, 杨张杰, 郭运华, 杨永刚, 王波,

  大多数初始地应力场的反演均将对象岩体简化为各向同性弹性体，但是对于具有层状构造、倾角多变、力学性质方向差异较大的含煤地层，这样简化就会导致反演结果误差很大，同时这种多层交互岩体在计算建模、参数取值等过程中也存在难度。为了提高具有复杂地质条件的煤系地层初始地应力场反演精度，提出了基于FLAC3D横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的地应力反演方法。同时为解决多层交互、倾角多变等煤系地层的计算建模、参数选取等问题，根据岩层交互规律、岩性特征，通过对复杂地层进行地质概化，建立与实际岩层基本一致的计算模型，进行数值试验，得到了用于数值计算的多层岩体等效力学参数。根据数值试验结果，建立了局部区域的横观各向同性弹性模型和各向同性弹性模型相结合的计算模型，利用偏最小二乘回归方法拟合地应力场并将地应力场精确加载至计算模型并实现力的平衡，最终完成初始地应力场的加载。结果表明，采用建立数值模型来计算各层岩体的等效力学参数的方法优化了建模过程，提高了数值计算效率。对比两种方法反演结果，采用横观各向同性模型进行计算更能体现具有层状构造的煤系地层力学性质的方向差异性，能有效提高局部区域的地应力拟合精度，其地应力反演结果更符合实测值。

• 根键桩抗拔位移场分布特征及荷载传递模型探究

  张吉禄, 黄雪峰, 韦林辉, 周俊鹏, 袁俊, 王学明,

  为探究根键桩抗拔承载特性，基于PIV技术(粒子图像测速技术)与透明土组成的桩土变形可视化试验系统，对上拔荷载作用下同尺寸根键桩、扩底桩以及等截面桩进行非介入式模型试验。测得各桩荷载-位移曲线并对桩周土体位移场变化情况进行实时采集，通过对不同时刻各桩桩周土体位移场等值线图不同色阶部分像素点进行统计，实现对位移场发展规律以及土体塑性变形区域的精确对比，并进一步结合现有透明土三轴试验成果提出适用于小尺寸透明土模型试验桩土侧阻力计算模型，结果表明:试验条件下，虽然同尺寸扩底桩承载力更高，但是在中低荷载时，多层根键桩表现出对基础位移更好的控制能力，更适用于对位移有严格要求的建筑基础;根键的设置存在优化问题，为保证土体以及根键承载力的充分发挥，初步建议根键纵向间距以(4~6)L为宜(L为根键外伸长度);当根键层数较少时，根键对荷载扩散作用不明显，土体位移场范围相比等截面桩甚至出现小幅降低，而随着根键层数的增多，桩周土体位移场范围也随之显著扩大，在试验条件下，4层根键所带动的土体位移场面积约为扩底桩的113%，而塑性区面积仅为扩底桩的58%，根键桩承载能力提升潜力要优于扩底桩;极限荷载下，各桩桩周土体位移场均为“倒三角形”分布，且与水平面夹角均为(45°+φ/2);基于现有透明土研究成果所得桩土侧阻力计算模型能够在一定程度上反映基础荷载传递规律，由计算分析得，根键与扩大头的设置分别使土体极限承载力提高了1.27与1.18倍，变截面的设置使土体承载力得到了更大程度发挥，且深度效应对根键法向阻力影响远小于侧摩阻力。

• 基于加权D-S证据理论融合多域特征的岩体失稳预测方法

  罗小燕, 占鹏飞, 黄祥海, 邵凡,

  岩体失稳预测是保障采矿安全生产的重要手段，由于岩体在力学性质上存在非线性、非均匀性、非连续性、各向异性等特点，导致岩体内部状态难以描述，建立在传统单一物理量监测基础上的岩体稳定性评价方法难以满足要求。根据声发射现象的不可逆性，通过采集到岩体失稳所释放的声发射信号就可以获得其岩体内部结构变化的实时状态。因此，基于D-S证据理论，提出一种基于加权D-S证据理论融合多域特征的岩体失稳预测方法。在实验室条件下，以红砂岩为实验对象采用RMT-150C 型岩石力学试验系统进行单轴压缩试验，采集岩体失稳声发射信号，提取岩体失稳声发射信号的多域特征参数，通过敏感特征评价方法，筛选出岩体失稳各阶段的敏感特征参数，将多域敏感特征参数作为证据源，分别经遗传算法优化的BP神经网络预测模型进行初步预测，并将输出结果采用后验概率建模方法计算出各证据的基本概率分配函数，再引入相似性测度优化基本概率分配函数，最后利用加权D-S证据理论建立多域特征融合预测模型。实验结果表明:通过加权D-S证据理论将多域特征信息进行决策级融合，能够有效提升岩体失稳预测模型的准确率;采用多域特征参数取代单一特征参数的方法，为预测模型提供更可信的信号来源;随着融合的特征参数越多，预测模型的准确率越高;采用加权思想引入相似性测度对基本概率分配函数进行改进，能够有效消除高冲突证据导致传统D-S证据融合算法融合失效的问题。

• 黑岱沟露天煤矿断陷带区域抛掷爆破-拉斗铲倒堆工艺参数优化

  赵景昌, 孙健东, 白润才, 王东, 刘喜顺, 徐钟馗, 唐晓骞,

  黑岱沟露天煤矿二采区煤层断陷带的存在使抛掷爆破-拉斗铲倒堆工艺无法按正常区域设计与施工，影响原煤生产接续。通过分析断陷带断层对抛掷爆破高台阶稳定性、钻机倾斜穿孔有效深度、抛掷爆破有效抛掷率等方面的影响，确定了断陷带影响范围。按倒堆与采煤工作线推进度一致原则，建立了抛掷爆破台阶高度、原煤厚度与倒堆系统生产能力之间的函数关系，并结合倒堆系统作业能力分析、有效抛掷率与抛掷爆破台阶高度之间的关系曲线方程、煤层厚度变化情况等，初步确定了断陷带影响区域各采掘带抛掷爆破台阶高度，在此基础上，根据穿孔设备纵、横向作业坡度限制对抛掷爆破台阶顶盘面进行调整，优化确定了断陷带影响区域各采掘带合理的抛掷爆破台阶高度。根据不同抛掷爆破台阶高度条件下爆堆曲线拟合结果，对拉斗铲站立水平高度与倒堆系统各环节作业量进行分析，建立了拉斗铲站立水平高度与原煤生产能力、原煤平均厚度之间的函数关系，并根据各采掘带煤层平均厚度、拉斗铲倒堆作业量等，确定了断陷带影响区域各采掘带拉斗铲站立水平高度。根据断陷带区域地质条件变化，优化确定的抛掷爆破-拉斗铲倒堆工艺参数，可指导黑岱沟露天煤矿实现过断陷带期间安全、高效生产，确保原煤生产接续。

• 多中段高溜井卸矿口粉尘质量浓度影响因素的相似实验

  王九柱, 蒋仲安, 王亚朋,

  为了治理由冲击气流造成溜井卸矿口粉尘污染问题，利用能量交换分析了高溜井卸矿过程中粉尘产生机理，并通过高速摄像仪捕捉了粉尘的动态产生过程，理论分析了不同因素对高溜井卸矿口粉尘质量浓度的影响机理。在几何相似的基础上，通过量纲分析导出了相似实验所需满足的准则数，利用亚克力材料建立了可视化多中段高溜井卸矿相似实验平台，对不同影响因素下卸矿口粉尘质量浓度分布规律进行了研究。研究表明，与现场数据对比后，验证了相似实验的可行性;多中段高溜井卸矿后，与三、四中段卸矿口粉尘污染相比，一、二中段卸矿口粉尘污染较小，三、四中段粉尘质量浓度峰值分别可达295，345 mg/m3，而且粉尘质量浓度随着时间增加呈先增加到峰值后稳定一段时间再下降的趋势;不同影响因素对三、四中段卸矿口密度峰值持续时间影响较大，除卸矿流量1.2 kg/s外，随着卸矿流量、卸矿高度增加，粉尘质量浓度峰值持续时间增大，而随着矿石粒径、含水率的增加，粉尘质量浓度峰值持续时间降低;卸矿口全尘、呼尘质量浓度整体上与卸矿流量、卸矿高度呈正相关，但流量过大也会出现粉尘质量浓度突然降低的现象。卸矿口全尘、呼尘质量浓度与矿石粒径、含水率呈负相关，当含水率达到3.56%时，卸矿口全尘与呼尘的密度基本趋于稳定，不再降低;不同影响因素下，呼尘质量浓度约为全尘密度的31.0%~37.5%。

• 微波辐射下页岩微结构的损伤特性与致裂效应

  胡国忠, 朱杰琦, 朱健, 孙超, 杨南, 秦伟,

  微波增产技术以其特有的加热特性、能源转换效率高和环保性，被认为是一种极具发展前景的页岩气开发新方法。为探索页岩气储层微波致裂改造的可行性与实效性，利用自主研制的微波辐射实验装置，开展了不同微波参量条件下页岩微波致裂实验;采用超声波法测定了微波辐射前、后页岩样的P波速度，研究了微波辐射下页岩微结构的损伤特性与破裂特征，初步探索了页岩微波致裂机制。结果表明:① 微波辐射下页岩温度快速升高且呈非均匀性分布，微波功率越大，非均匀性越强。② 微波辐射下页岩微结构损伤程度与微波功率、辐射次数、能量施加顺序以及页岩含水情况等因素相关。③ 相同微波能量作用下，完全饱水页岩的微结构数量增幅比干燥页岩要大。④ 页岩微结构演化存在微波能量阈值现象;相同微波能量作用下，随着辐射次数的增加，页岩微结构数量呈现“大幅增加→轻微增加→小幅增加”的趋势;相同辐射时间条件下，页岩微结构数量随着微波功率的递增总体上呈“轻微增加→大幅增加→小幅增加”的趋势，而其随着微波功率的递减则呈线性函数增加。⑤ 微波总能量小于120 kJ时，从小到大的能量施加顺序更有利于页岩微结构发育;微波总能量达到180 kJ时，页岩微结构发育对能量施加顺序不敏感。研究表明，微波辐射下页岩内所产生的热应力与蒸气压的共同作用，能使页岩内矿物晶体断裂、刚性矿物颗粒及颗粒界面产生微裂缝，引起页岩表面宏观裂缝发育，呈现显著的致裂效应，从而有利于提高页岩气储层渗透性。

• 昭通页岩气示范区旧司组页岩发育的古环境特征及勘探潜力

  王鹏万, 何勇, 李君军, 黄羚, 蒋立伟, 李娴静, 邹辰, 贾丹, 马立桥, 刘玲利,

  为实现昭通页岩气示范区可持续发展，寻找新的潜在页岩气目的层系，针对石炭系旧司组页岩气部署实施了A井，以期探索旧司组页岩含气性。基于A井样品有机碳、主量、微量及稀土元素的系统测试，结合岩石学、生物遗迹化石特征和色谱质谱测试，分析了A井旧司组元素地球化学特征，判别了旧司沉积期的氧化还原条件，揭示了黑色页岩发育的古环境。研究结果表明:昭通页岩气示范区A井旧司组岩石学特征和主量、微量及稀土元素特征，与五峰组—龙马溪组差异较大。A井钻揭的旧司组有机碳含量相对较高，平均值为1.13%，TOC含量与深度相关性不强。旧司组主量元素中Al2O3含量较高，以钙质页岩和黏土质页岩为主。微量元素及稀土元素等氧化还原指标揭示旧司组沉积期为相对富氧环境，且与TOC含量相互印证。旧司组灰质泥岩中的Chondrites遗迹组合化石、页岩色谱质谱特征也同时揭示了旧司组发育于海陆过渡相的古沉积环境，其古生产力相对五峰组—龙马溪组沉积期较低，故旧司组页岩有机质丰度相对较低。

• 多煤层条件下现今地应力特征与煤层气开发

  鞠玮, 姜波, 秦勇, 吴财芳, 李明, 徐浩然, 王胜宇,

  我国煤层气资源较为丰富，滇东地区是我国长江以南著名的煤层气产区，其内雨旺区块二叠系煤层气资源丰富，具有可观的开发前景。现今地应力状态是影响煤层气勘探开发的重要地质因素，对有效开发煤层气资源具有实践指导意义。但目前对雨旺区块现今地应力的研究仅限于利用注入/压降测试数据开展的地应力大小统计学分析，没有揭示出多煤层发育区不同类型岩石内地应力分布的差异性。本次研究中，首先通过对成像测井资料的解译，揭示钻井诱导缝和钻孔崩落的发育特征，并基于其与地应力的关系确定雨旺区块现今地应力方向;然后再利用常规测井资料，在注入/压降实测地应力数据约束下，基于Anderson修正模型预测雨旺区块二叠系煤层现今地应力的大小及其分布规律。结果表明:滇东雨旺区块现今地应力方向整体呈现为近N—S的优势方位;煤层现今地应力大小随着埋藏深度的增加而增大，水平最大主应力(SHmax)、水平最小主应力(Shmin)和垂向主应力(Sv)大小总体上遵循SHmax≥Sv>Shmin的关系，水平应力起主导作用，表现为走滑型应力机制。在现今地应力场的控制下，雨旺区块内煤储层渗透性随有效地应力的增大而变差，煤层内走向约为330°~150°的割理对煤层气开发贡献更大。走滑型应力机制会造成煤层压裂改造后形成的压裂缝沿垂向扩展。另外，雨旺区块煤层内水平应力差相对较小，一般在6 MPa左右，据此推测可在煤层内形成复杂压裂缝系统。本次研究量化分析了雨旺区块现今地应力状态，其结果可以为滇东雨旺区块煤层气勘探开发提供有益的现今地应力成果参考。

• 叠置煤层气系统合采渗透率动态演化特点及其影响因素

  彭守建, 贾立, 许江, 郭世超,

  针对“叠置煤层气系统”这一煤层群地层中普遍发育的煤层气成藏模式，借助重庆大学自主研制的“叠置煤层气系统合采物理模拟实验装置”，设计Ⅰ号、Ⅱ号、Ⅲ号、Ⅳ号模拟煤层的初始气体压力分别为1.0，1.4，1.8，2.2 MPa，通过叠置含气系统煤层气合采物理模拟实验，分析了合采过程中煤层渗透率动态演化特点及其影响因素。结果表明:① 合采过程中模拟煤层渗透率变化曲线可分为两类，一类以渗透率先上升后下降再上升为特征，以Ⅰ号和Ⅱ号煤层为代表;另外一类以先下降后上升为特征，以Ⅲ号和Ⅳ号煤层为代表;② 合采初期，渗透率差异系数变化显著，中、后期变化不明显，模拟开采结束时Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ号煤层相对于Ⅳ号煤层的渗透率差异系数分别为37.5％，26.5％和13.6％，表明合采过程中高储层压力煤层的气体倒灌进入了低储层压力煤层，产生了层间干扰，初期干扰显著，中、后期不明显，煤层受干扰程度随初始气体压力差的加大而增大;③ 煤层有效应力、煤体温度和煤体变形相互耦合，共同影响着模拟煤层渗透率演化规律，使得4个煤层的渗透率演化呈阶段性变化，其中Ⅳ号煤层渗透率变化影响因素在开采初期以效应力占主导地位，煤体温度和煤体应变分别在渗透率比下降至0.87和0.75时才开始对渗透率演化产生作用。

• 低渗低压煤层水平井密集多簇压裂高效开发技术及应用

  曹运兴, 石玢, 田林, 李丰亮, 曹永恒, 董轼, 周丹,

  我国煤储层地质条件复杂，煤矿瓦斯灾害严重，煤层气井产量普遍偏低，高效抽采技术是我国煤层气行业和煤矿安全生产迫切需要解决的瓶颈技术难题。以山西大宁井田低渗低压的3号煤层为对象，研发了水平井密集多簇压裂高效开发技术，并进行了工程试验，获得了高产开发效果。结果表明：（1）试验井LDP-02所在区段煤层的平均渗透率0.112 mD，储层压力梯度3.7 kPa/m，多分支水平井平均日产量800～1 000 m3/d左右，直井平均日产362 m3/d左右，具有典型的低渗低压低产储层特征。（2）产能模拟预测表明，采用15～25 m的簇间距，经过3.85～5.95 a排采，两簇裂缝末端中间位置煤层瓦斯含量可降低至8 m3/t，满足煤矿生产要求；单段压裂可形成4簇有效裂缝，在液量1 000 m3、砂量50 m3、排量10 m3/min的条件下，单簇裂缝半长为64.1 m。（3）LDP-02井为一组U型水平井，水平井煤层段长920 m，分10段38簇压裂，每段3～4簇，簇间距11～23 m。（4）排采生产893 d，其中产气687 d，气产量长期稳定16 000 m3/d，已累计产气890×104 m³，平均日产12 955 m³/d，日产量是同区段直井的20～36倍，是同井场多分支水平井的10倍以上。工程试验结果证明，该技术突破了低渗低压储层煤层气高效开发的技术瓶颈，大幅度提高了单井产量，为煤矿区煤层气开发和瓦斯治理提供了强大技术支撑。

• 正断层发育特征对煤层气直井开发的影响——以沁水盆地南部柿庄南区块为例

  韩文龙, 王延斌, 倪小明, 李勇, 陶传奇, 刘振明, 吴翔,

  为了深入挖掘断层发育特征对煤层气开发的影响机理，揭示其控产方式，以沁水盆地南部柿庄地区3号煤层为研究对象，分析了不同规模及组合形式的正断层对煤储层物性、工程效果和排采工作的影响;选取正断层控制下的含气量、煤体结构、渗透率、井径扩大率、破裂压力以及日产水量6个因素，采用灰色关联法分析了不同因素对产气量影响的主次关系，进而揭示了正断层对产气的主要控制方式。结果表明:正断层对产气的影响存在一定距离范围，该范围受控于断层的规模和上下盘位置，寺头断层上盘控制范围约为300 m，下盘约为250 m，F11断层上盘控制范围约为250 m，下盘约为200 m，由于正断层上盘为断层形成过程中的主动盘，沿断层面的剪应力大于下盘，造成上盘的影响范围大于下盘。随着距断层距离的减小，正断层所产生影响不断增大，影响特征为含气量和破裂压力逐渐减小，孔裂隙发育程度和井径扩大率逐渐增大，煤体结构更加破碎，压裂曲线形态更加复杂断层控制范围内煤层气井产水量普遍高于平均值。分析认为，正断层是在构造应力的作用下形成的，在断层面附近存在应力集中带，位于该区域的煤层受应力集中作用的影响，发生明显的变形破裂，力学强度大幅度降低，随着距断层距离的增大，应力作用强度也逐渐降低，其变形破裂也逐渐减弱;同时，正断层周围一般发育张性裂缝，随着距离的增加进而转变为压扭、张扭性裂隙，其张开度较低，到达一定的距离后，裂缝转为张性。故造成距离正断层越近，地质条件更加复杂，工程实施难度越大，产气效果一般。并且正断层主要通过控制渗透率、含气量以及沟通含水层来影响煤层气井日产气量，若要实现断层附近煤层气的高效开采，应优先关注这些参数是否异常。

• 自进式动平衡围压水射流钻孔试验装置设计与试验

  梁春苗, 姚宁平, 姚亚峰, 张金宝, 沙翠翠, 李坤,

  针对煤层气井极小半径侧钻增产技术与装备研究中高压水射流钻孔试验的需求，为模拟自进式动态平衡孔底围压射流状态，以更接近实际水射流钻孔试验情况，首先开发了自进式动态平衡围压水射流钻孔试验装置，该装置包含动态平衡测力、动态平衡配重和围压舱三部分，可对直径φ200 mm、长度300 mm的煤样进行淹没状态和10 MPa以内围压下自进力、钻进速度和不同喷头、喷嘴组合的水射流钻进试验。然后利用匀速运动时配重与装置内部密封阻力平衡的方法，对试验装置进行了标定试验，得到了不同围压下，密封件阻力与所需的配重之间的关系式。最后运用此模拟试验装置完成了非淹没、淹没和围压三种状态下水射流钻孔试验，得出了自进式旋转喷头钻进中喷射流量、角度、钻进速度、成孔直径和压力之间的关系。试验结果表明：同等条件下，淹没状态下钻进速度和自进力都有一定减小；围压状态下自进力、钻进速度和成孔直径都随着围压增大而减小，在围压2 MPa后自进力和钻进速度急剧减少；通过对比三种喷头试验结果发现，后喷角度较小时，自进力更大；旋转扭矩较小时，易于卡滞，因此建议选用后喷角为40°的方案，并增大旋转扭矩；同时喷射中实测流量与理论计算流量差别在30%以上，表明喷头有节流现象发生，建议增大喷头过流通径。

• 含水煤层复电阻正交裂隙阻容模型

  赵晨光, 雷东记, 张玉贵,

  针对复电阻率法应用广泛的Cole-Cole模型存在模型参数多、与物性参数关联弱等缺点，研究含水煤层复电阻导电机理及阻容模型，旨在发展适应于评价煤层含水性与水压致裂效果的复电阻率法理论与技术。依据电介质理论，在外加交变电场下，煤层含水裂隙既具有离子自由移动产生的电阻性，也具有离子界面堆积产生的电容性;基于激发极化和煤双重介质理论，借鉴岩石毛细管模型，将煤层含水孔裂隙等效成正交裂隙，即将含水孔裂隙的电阻性等效为与外加电场方向平行的裂隙，其电阻值为Rw，将含水孔裂隙的电容性等效为与外加电场方向垂直的裂隙，电容值为Cw;煤层本身电阻为Rc，电容为Cc;构建正交裂隙与煤层组成的含水煤层复电阻模型，由等效水平裂隙Rw、煤层Rc、等效垂直裂隙Cw及煤层Cc的一路串联，组成的3路并联等效电路。实验选取肥煤和无烟煤2种变质程度煤样，测量其在不同含水饱和度下的复电阻实部Rs和虚部X，使用模型拟合，获取相关的电阻电容参数，并计算煤样孔隙率。结果表明:阻容模型对不同含水饱和度煤样复电阻参数拟合良好，模型参数电阻R与电容C随含水饱和度的增加而减小，不同含水饱和度虚部X曲线极值向右偏移，与模型物理意义相同;阻容模型参数可计算孔隙率，与密度法、核磁共振法实测孔隙率匹配较好。基于激发极化理论和双重介质理论建立的复电阻正交裂隙阻容模型物理意义明确，数学计算简单，模型参数可预测煤样孔隙率。

• 采动裂隙突水溃砂过程物理参量变化特征试验研究

  张士川, 李杨杨, 李金平, 杨维弘, 王桂利, 文志杰,

  采动破断裂缝沟通上部浅埋松软岩层导致水砂混合物溃入井下，对矿井生产及相关工程设施的安全造成严重的影响，因此，研究浅埋松软岩层采动裂隙突水溃砂机制对认清突水溃砂灾害本质具有指导意义。首先，通过创建的裂隙内砂体突涌力学模型，分析了裂隙突水溃砂发生的极限平衡条件。其次，利用突水溃砂试验系统，借助流量传感器和孔隙水压传感器进行了不同初始水压条件下人工模拟裂隙内水砂溃涌试验，获得了流量、孔隙水压等参数变化特征，定量化分析了裂隙突水溃砂各阶段内水砂运移特征及各物理参量关联性变化特征。试验结果表明:裂隙内水砂溃涌全过程可以划分为4个阶段，即溃砂启动阶段、持续溃出阶段、淤积堵塞阶段和溃出平衡阶段。在第1阶段，流量瞬间增大，各监测点孔隙水压瞬间降低;在第2阶段，水砂逐渐充满通道内径，孔隙水压及流量基本保持不变;在第3阶段，通道内砂体发生部分淤积，造成流量逐渐降低，孔隙水压逐渐增大;在第4阶段可分为2种情况，一是当本阶段水压低于极限水压时突水溃砂停止，二是当高于极限水压时水砂突涌持续并稳定。一定初始压力下，发生运移的砂体具有一定的空间范围，距裂隙较远处孔隙水压的变化具有滞后性;随着初始压力的增大，裂隙通道砂体淤积堵塞所需时间降低，导致砂体持续溃出时间降低;初始水压达到阙值后，裂隙内水砂溃出体积率达到峰值且水压稳定。裂隙突水溃砂结束后，随着初始水压的增大砂体中部形成“塌陷坑”的空间分布范围存在增大的趋势。

• 露天矿坑隔水层重构及泥岩-地聚合物损伤渗透特性

  周伟, 时旭阳, 李明, 陆翔, 栾博钰,

  露天矿水资源保护与恢复是煤炭露天开采面临的重大环境问题，是制约露天煤矿大规模发展的重要因素。露天开采形成漏斗效应，对周边地下水资源破坏严重且难以恢复，根本原因是煤层以上隔水层被爆破剥离，隔水层缺失;内排物料结构松散，渗透系数大，达不到隔水、阻水的效果。目前针对恢复与保持露天矿水资源问题，鲜有系统研究及有效措施。因此研究团队提出，以泥岩-地聚合物材料构建露天矿内排土场重构隔水层，将露天矿山及周边工业固体废弃物纳入隔水层原材料选材范畴，在实现构建隔水层的同时，消耗大量工业废渣，形成以露天矿山为中心的工业生态圈。低渗透率是隔水层材料基本特征，其数值应在10-15 m2以内。重点考察了材料损伤渗透特性。以地聚物缩聚反应为理论基础，采用泥岩、矿渣、赤泥作为碱激发粉体材料，采用标准砂作为细骨料材料，水玻璃为激发剂，制备得到标准(50 mm×100 mm)泥岩-地聚合物试样。定义了一维应力条件下，以单轴加载水平为指标的损伤变量，通过渗透试验分析了不同损伤程度条件下材料渗透特性。结果表明，低损伤(当σ/σc＜0.3时)情况下，材料并未出现贯通裂纹，导致渗透介质未能穿过材料，所以未能采集到数据;随损伤的增大(当σ/σc≥0.3时)，试样的原始空隙与微裂纹迅速扩展、贯通，应力卸载后贯通裂纹不闭合，导致渗透率的急剧增大，且数量级介于10-16~10-15 m2。通过线性与指数2种形式拟合试验结果，确定了本试验条件下损伤变量指数n=6，损伤变量Dσ与渗透率k呈典型非线性关系。泥岩地聚合物材料，在无损伤至破坏全过程中，其损伤-渗透性能满足构建重构隔水层对渗透率要求。为实现永久隔水目的，应当关注其长期渗透性能，以及在地下水环境中是否释放重金属离子等污染性物质，研究团队将针对以上方面内容继续开展研究。

• 基于EDLVO理论的浮选药剂对煤泥颗粒间的相互作用

  程万里, 张秀梅, 邓政斌, 郭德,

  浮选药剂可改变煤表面润湿性，导致煤泥颗粒间相互作用产生差异，影响煤泥浮选效果。为探究不同种类浮选药剂及用量下煤泥颗粒间的相互作用及对浮选效果的影响，在0号柴油和仲辛醇2种药剂体系下进行浮选试验，利用接触角测量法计算出煤表面能参数，采用EDLVO理论对煤泥颗粒间相互作用能进行了计算和分析。浮选试验结果表明:2种药剂体系下浮选指标更好，0号柴油和仲辛醇的最佳用量分别为0.8和0.2 kg/t，获得精煤产率为75.67%，精煤灰分为10.28%，可燃体回收率为90.25%，浮选完善指标为59.92%。EDLVO理论计算结果表明:水介质中，煤泥颗粒间的范德华作用能和疏水作用能都为吸引势能，静电作用能为排斥势能;加入浮选药剂后，煤泥颗粒间均存在静电斥力、范德华引力和疏水引力，其中范德华引力较小，起主要作用的是疏水引力，且疏水引力大小比范德华引力大2个数量级，促进了煤泥颗粒的相互聚团。两种药剂体系下，0号柴油和仲辛醇有较好的协同作用，颗粒间以疏水作用能为主，较单一药剂体系下，颗粒间的总作用势能的“能垒”大幅度降低。当0号柴油和仲辛醇用量分别为0.8和0.2 kg/t时，颗粒间的总作用势能的“能垒”最低。“能垒”越低，颗粒间吸引能越大，越有利于细粒煤凝聚上浮，较好的解释了浮选最佳药剂用量的试验结果。

• 低阶煤催化解聚半焦的孔结构特点与CO2气化反应性

  梁丽彤, 张乾, 黄伟, 刘建伟, 彭泽宇, 梁虎珍,

  低阶煤催化解聚技术旨在通过催化剂的作用，促进煤大分子结构在低温下解聚形成更多的焦油成分。前期研究发现催化剂在使煤热解焦油收率增加、焦油品质轻质化的同时，也使半焦的聚合度降低。本研究旨在探讨催化剂作用下聚合度降低的半焦其相应的孔结构及气化反应性发生的变化。应用N2吸附与TG分析仪考察了铁基催化剂与钼基催化剂对中温催化解聚半焦的孔结构特点与CO2气化反应性的影响。认为催化剂促进了煤中含氧基团的断裂，使半焦中氧含量降低，表面性质发生了变化，从而使内蒙煤在催化剂作用下解聚半焦的吸附等温线由原煤热解半焦的Ⅰ型变为Ⅴ型，新疆煤焦的吸附等温线由原煤热解半焦的Ⅱ型变为加钼后的Ⅳ型和加铁后的Ⅴ型。在催化解聚过程中，催化剂通过对热解半焦碎片的加氢，抑制了半焦的缩聚，使半焦的介孔数量增多，比表面积和孔容增大，其中钼催化剂的增孔作用更为显著，内蒙煤加钼半焦孔容为原煤半焦的2.14倍，新疆煤加钼半焦孔容为原煤半焦的16.5倍。催化剂本身对半焦的气化反应没有明显影响，而是通过干预煤的热解过程使半焦形成更多介孔，增大半焦的比表面积及孔容而使半焦的气化反应性能得到明显提高。半焦等温吸附线的变化及孔容的增加，也为拓展催化解聚半焦的利用途径提供了可能，作为多孔材料，可进一步考察煤解聚催化剂对半焦吸附性能的影响，探讨其在污水处理、气体净化等方面的应用。

• 神华煤安全清洁燃用技术研究与实践

  王树民, 宋畅, 刘志江, 李巍, 陈寅彪, 张翼, 张清峰,

  神华煤储量丰富，具有低灰、低硫、中高热值、易燃等特性，存在灰熔点低，易结焦、爆炸等难题。从安全和清洁2个维度总结了神华煤安全燃烧、清洁利用技术及创新实践。分析了神华煤燃烧、结渣及掺烧特性，探讨了大容量锅炉结渣防治技术和燃烧系统设计、运行关键技术，提出了大容量煤粉锅炉燃用神华煤的炉膛设计选型准则，实现了神华煤型号标准化。提出了燃煤锅炉烟气污染物排放达到天然气燃气轮机组排放限值的“近零排放”企业标准，开发了除尘脱硫脱硝脱汞核心技术，率先在燃用神华煤的大容量锅炉上应用推广。结合50 000 m3/h燃煤烟气污染物全流程控制中试平台试验研究，形成了宽温度窗口脱硝、湿式机电耦合除尘等新技术，获得了烟尘，SOx，NOx和汞的排放特征及多污染物协同控制规律;通过燃煤锅炉示范应用，实现烟尘，SO2，NOx和汞排放质量浓度分别不高于1，10，20，0.003 mg/m3;探索并提出了“1123”生态环保排放限值，分析了燃煤烟气污染物减排效果。未来将持续开展新一代高效发电、烟气多污染物一体化脱除及资源化回收、非常规污染物深度脱除和CO2“近零排放”等技术的研发与应用。

• 烧结烟气脱硫-除尘-脱硝系统流场模拟及结构优化

  曹博文, 钱付平, 刘哲, 王来勇, 徐兵, 黄乃金, 吴昊,

  烧结烟气作为钢铁行业污染物的主要排放源，对其进行有效治理是实现超低排放的关键。为改善某钢厂烧结烟气脱硫-除尘-脱硝系统的流场分布，提高系统的运行效率，利用计算流体力学商业软件ANSYS-Fluent对该系统流场进行数值模拟，分析一体化模拟的可行性与计算成本，通过速度、质量分数、温度分布及其偏差系数对流场均匀性进行定性与定量评估。在此基础上，设计4因素3水平多指标正交试验，分析不同结构参数的脱硫塔渐扩管、除尘段入口区域、导流片和静态混合器等对系统流场均匀性的影响，并得到结构优化的最佳组合方案。结果表明:一体化模拟与单体模拟相比更贴近工程实际，能更准确地分析除尘段与脱硝段的流场。一体化模拟网格数约为1 600万，并行计算时间约为60 h，计算成本在可接受范围之内。改进方案中通过减小脱硫塔渐扩管角度、将除尘段进口直管改为渐扩管以及增设弧度为75°的导流片和格栅间距为400 mm的静态混合器，系统的流场均匀性显著提高。脱硫段主床高度1/2处无量纲流速在0.5~1.5的区域明显增多。除尘段中心剖面的速度分布偏差系数分别降低了7.6%与9.6%。脱硝段第1层催化剂上侧1 000 mm处质量分数与温度分布偏差系数均降至10%以下。

• 类气相ClO2脱除燃煤烟气中氮氧化物实验研究

  孙淑君, 马素霞, 杨秉川, 王杰, 崔荣基,

  燃煤电厂排放的烟气中含有大量的氮氧化物，不仅对生态环境造成了巨大的危害，也是产生雾霾的主要原因之一。氮氧化物中的主要成分为NO，NO不溶于水的特性使其难以在传统脱硫塔中进行脱除。为经济有效的脱除燃煤烟气中的氮氧化物，采用氧化吸收法进行脱硝研究。通过对比不同氧化剂的氧化性能，选取ClO2为氧化剂，将其在140 ℃的条件下进行气化，转变为类气相氧化剂。将烟气中NO预氧化成易溶于水的NO2，再结合饱和氢氧化钙溶液吸收氧化产物进行燃煤烟气脱硝研究。通过电子顺磁共振检测(ESR)以及·OH抑制剂添加实验说明类气相ClO2在氧化过程中产生了·OH等强氧化性自由基，极大地促进了对NO的氧化。实验结果表明，脱硝效率随物质的量比(ClO2/NO)的增加而增加，当物质的量比(ClO2/NO)大于0.84后，脱除效率增加缓慢;在110~170 ℃内，温度对类气相ClO2脱除NO的影响较小;酸性条件有利于NO的脱除效率的增加，但总体影响较小，当烟气中SO2与NO共同存在时，类气相ClO2优先氧化烟气中的NO。最佳反应条件为:物质的量比(ClO2/NO)=0.84，反应温度为140 ℃，溶液pH=3左右，此时NO的氧化脱除效率可以达到92.5%。采用离子色谱对氧化产物分析，指出NO的主要氧化产物为NO-3并提出类气相ClO2对烟气中NO的氧化脱除机理，表明类气相ClO2结合碱液氧化吸收具有良好的工业应用前景。

• 刮板输送机中板用新型耐磨钢的磨料磨损性能

  朱瑾, 陈华辉, 滕子, 马峰,

  刮板输送机中板的严重磨料磨损造成了运输效率降低、维修费用增加等问题，同时也影响着煤矿的生产安全。对新研制的拟用于刮板输送机中板的新型不同Ti含量低合金耐磨钢Ti20与Ti60的组织、相结构进行了研究，并在橡胶轮干砂磨粒磨损试验机上进行了石英砂和煤砂混合两种磨料的磨料磨损试验，并与常用于刮板输送机中板的马氏体耐磨钢Hardox450做了对比研究。新型耐磨钢Ti20和Ti60的含Ti量分别为0.2％和0.6％，铸造后轧制成板，热处理工艺为900 ℃淬火后200 ℃回火。研究结果表明:Ti20与Ti60的组织为板条马氏体。随着Ti含量的增加，耐磨钢的原奥氏体晶粒度减小，马氏体板条长度也减小。Ti与C在原奥氏体晶界处原位生成了尺寸为1~5 μm的不规则TiC颗粒，TiC颗粒起到了钉扎晶界、细化晶粒的作用。在石英砂和煤砂混合两种磨料的磨损实验中，由于煤砂混合磨料主要成分煤粉的硬度远低于石英砂，颗粒较为圆钝，因此，耐磨钢在石英砂磨料的微犁削沟槽深度和宽度远大于煤砂混合磨料的磨损。无论在石英砂还是在煤砂混合的磨损条件下，耐磨钢的磨损失重都随着Ti的增加而降低。加Ti的新型耐磨钢的耐磨性可达Hardox450的1.3倍。耐磨钢的磨损机制主要为微切削和微犁沟。随着Ti含量的增加，Ti元素集中区域较为光滑，犁沟受到阻碍，犁沟和切削槽深度变浅。原位生成的TiC颗粒起到了局部强化作用，增强了周围区域的硬度和对磨料的阻碍作用，提高了新型耐磨钢的耐磨料磨损性能。

• 超前支架自适应支护理论与应用

  徐亚军, 张坤, 李丁一, 朱军, 张德生,

  针对现有超前支架反复支撑破坏巷道顶板和锚护系统问题，提出了超前支架自适应支护、转换矩阵、峰值助力概念，给出了超前支架自适应支护定义，在综合分析超前支架自适应支护基础上，建立了超前支架自适应支护理论。根据结构形式和控制方式的不同，将超前支架自适应支护分为支护阻力自适应、支护姿态自适应、支护方式自适应3种形式。结合具体结构特点，对上述3种自适应形式进一步进行了区分，将支护阻力自适应分为初撑力分布形式自适应、支护阻力和初撑升降柱自适应，将支护姿态自适应分为顶梁姿态自适应和整体支护状态自适应，将支护方式自适应分为移架方式自适应和行走方式自适应，介绍了每种形式自适应支护原理及其实现方法;采用线性代数理论建立了自适应性顶梁结构量化关系，基于液压传动与控制原理给出了支护阻力自适应控制方法，利用AMESim软件构建了立柱位置和压力控制回路仿真模型并进行了仿真，采用运动学原理分析了螺旋推进器行走部的超前支架的自适应移架方式与具体行走方法。试验结果表明，自适应结构和装置大幅提升了支架适应能力，有效地解决了超前支架与巷道顶板和锚护系统协调匹配性难题，提高了超前支架适应巷道围岩变化能力。

• 自移式临时支架的异步耦合调平控制方法

  李瑞, 蒋威, 王鹏江, 程佳萌, 吴淼,

  首先设计了一种新兴的综掘巷道自移式超前支护装备并阐明了其装备组成及工艺原理,为确保其自移式临时支架在非水平底板环境下实现煤巷顶板的快速有效支护,提出了一种自移式临时支架的异步耦合多液压缸调平控制方法。基于煤巷地质成分不均造成的非水平底板工况与自移式临时支架的结构特性,采用了适用于自移式临时支架的逐最高点双向异步控制方法,并利用三维空间欧拉角法原理解算出了自移式临时支架支撑立柱液压缸的期望位移坐标值。然后针对自移式临时支架顶梁空间姿态调平过程中相邻支撑立柱液压缸之间同步误差的权重失衡问题,采用了多缸驱动下的相邻交叉耦合控制结构并构建了基于变权因子调节器的同步控制器,实现了对自移式临时支架支撑立柱相邻液压缸之间的同步误差精度优化。最终通过Interface Block 模块实现了AMESim 与Matlab/ Simulink 的情景交互,并进行了基于异步耦合调平控制模型的半实体物理联合仿真,仿真结果表明:异步耦合调平控制方法相较于模糊PID 控制,可使得自移式临时支架的4 个液压缸之间的同步误差值从±4 mm 精确到±1 mm 范围内,同时其同步误差的波动幅度更为均匀平缓不易于发生震颤现象,验证了所建立异步耦合调平控制方法的可行性与先进性。

• 煤矸分选机器人图像识别方法和系统

  李曼, 段雍, 曹现刚, 刘长岳, 孙凯凯, 刘浩,

  现有煤矸分选主要有人工分选和机械分选，这些方式存在劳动强度大、能耗高、易造成环境污染等问题。近年来，煤矸分选机器人的研究受到业内广泛关注。对煤矸分选机器人而言，煤矸的准确识别是一个关键且具有较大难度的问题。研究了基于图像的煤矸识别方法，并在此基础上开发了识别系统。介绍了煤矸分选机器人中图像识别系统的硬件组成，研究了实际工况条件下各部件的选择和安装方式;在实验室搭建图像采集系统，选取韩城矿区的煤和矸石为样本，由所搭建的系统获取样本图像，建立了样本图像库;对样本图像采用3种不同的滤波器进行降噪处理，对比分析得出非线性低通滤波处理效果最佳;基于煤和矸石表面物理特性在灰度和纹理两方面有一定的区别，分别对煤和矸石样本图像的4个灰度参数和5个纹理参数进行分析对比，得出在灰度方面灰度均值和最大频数对应的灰度值2个参数区分度更高，在纹理方面纹理对比度和熵2个参数区分度更高;选用最小二乘支持向量机(LS-SVM)为煤和矸石图像识别分类器，以灰度均值和最大频数对应的灰度值组成的灰度特征、纹理对比度和熵组成的纹理特征、最大频数对应的灰度值和纹理对比度组成的联合特征作为分类器的输入向量分别对分类器进行训练和对比验证，得到以联合特征进行训练的分类器识别效果更好;以LABVIEW为平台开发了包括图像采集、图像滤波、联合特征向量的提取、样本分类等程序。在煤矸分选机器人实验平台上搭建了识别系统，随机选取实际工况下的煤和矸石样本，对识别系统分类性能进行测试，系统图像降噪采用非线性低通滤波器，分类采用联合特征训练的分类器。测试结果显示煤和矸石分类准确率分别为903%和83.0%,平均识别时间为0.153 s。