煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第11期

• 千米级竖井全断面科学钻进装备与关键技术分析

  刘志强, 宋朝阳, 程守业, 纪洪广, 谭杰, 荆国业,

  千米级竖井全断面钻进技术是我国深地开发的重要技术支撑。围绕机械高效破岩与智能安全钻进这一主题，阐述了机械破岩钻井装备和无人化钻井的研究进展，梳理得出以竖井钻机、竖井掘进机和反井钻机3种钻机构成的机械破岩科学钻井技术、工艺及装备体系，并凝练出竖井全断面科学钻进过程中破岩、排渣、智能监控、支护和辅助钻进5项核心技术及其涵盖的12项关键技术;提出千米级竖井全断面机械破岩钻井需要攻克的关键技术问题与科学问题。针对深部高应力、高岩温和高水压条件下岩石强流变、强扰动等特点，以破岩与围岩控制技术、高效排渣技术、装备钻进与支撑技术的“三位一体”协同控制为核心，将重点攻克:① 深部破岩机理和井帮围岩控制理论研究，以及辅助机械破岩的高效破岩技术;② 多相流流动理论研究，优化多相比、提升高度、多相流速等参数，建立低能耗高效循环排渣模式;③ 围岩智能感知、判识与精准钻进轨迹的智能化控制理论研究，开发深部地层钻进多信息融合的钻机自适应钻进技术。为解决机械破岩、多相流循环排渣、钻井智能推进3者之间的协调性和匹配性问题，从基础理论分析、装备性能、工艺研究3个方面，构建了机械破岩科学钻井参数动态优化设计体系，基于以上机械化全断面钻井技术和装备现有条件和尚待攻克难题的梳理，有望为国家千米级竖井全断面钻进成套技术与装备的开发与升级提供借鉴。

• 煤矿高强度长壁开采覆岩破坏充分采动及其判据

  郭文兵, 赵高博, 白二虎,

  煤矿长壁开采引起的覆岩破坏高度对于水体下采煤、保水开采以及瓦斯治理的解放层开采等均具有重要意义。采用理论分析和数值模拟方法对煤矿高强度长壁开采引起的覆岩破坏高度及其达到覆岩破坏充分采动的判据进行了研究。基于覆岩破坏充分采动的定义，分析了覆岩破坏充分采动的特征及其影响因素，包括工作面开采厚度、开采尺寸(走向、倾向长度)、开采深度与覆岩岩性;提出了以“梯形-面积”、“四棱台-体积”为依据的覆岩破坏充分采动理论判别方法，并将煤矿长壁开采三维覆岩破坏及地表下沉简化为4类采动影响体积(采空区长方体体积、上覆岩层预破坏四棱台体积、覆岩破坏后的体积与地表下沉体积)之间的关系，得到了工作面达到覆岩破坏充分采动时的覆岩破坏高度理论表达式与覆岩“两带”破坏模式的判别式;基于某高强度开采工作面，建立并校核了考虑现场最大、最小水平主应力方向与工作面推进方向夹角的三维数值模型，采用离散元数值模拟方法分析了高强度开采工作面不同开采厚度、开采尺寸与开采深度对覆岩破坏充分采动的影响。结果表明:高强度长壁开采工作面达到覆岩破坏充分采动时的推进距离与工作面倾向长度、深厚比成反比，研究给出了高强度长壁开采覆岩破坏充分采动的判据及其适用条件。

• 我国煤矿整体失稳型冲击地压类型、发生机理及防治

  朱斯陶, 姜福兴, 刘金海, 马玉镇, 孟祥军, 张修峰, 姜亦武, 曲效成, 王保齐,

  整体失稳型冲击地压是近年来我国深部煤矿开采过程中发生的一种新的冲击地压类型，其释放能量和破坏性远大于常见的局部冲击地压。采用现场调查、理论分析、现场监测等方法，对我国煤矿3起典型整体失稳型冲击地压事故的工程特征和冲击显现特征进行分析，将当前我国整体失稳型冲击地压分为孤岛工作面整体失稳型冲击地压、大巷煤柱整体失稳型冲击地压和底煤整体滑移失稳型冲击地压3类。分别建立了3类整体失稳型冲击地压发生机理的力学模型，提出了3类整体失稳型冲击危险的评估方法和防治对策，揭示了3类整体失稳型冲击地压的发生机理。其中孤岛工作面整体失稳型冲击地压的发生机理为孤岛工作面上覆岩层自重和两侧采空区转移载荷叠加形成的总应力超过了孤岛工作面整体承载能力时，孤岛工作面中部弹性整体失稳破坏诱发冲击地压灾害;底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理为工作面超前支承压力超过底煤发生冲击和滑移的临界应力时，底煤冲击和滑移同时发生，形成底煤整体滑移失稳型冲击地压;大巷煤柱整体失稳型冲击地压发生机理为大巷煤柱在自重应力、构造应力和巷道开挖、卸压转移应力等叠加作用下应力高度集中，当应力集中程度超过煤柱整体承载能力时，煤柱中部弹性核发生整体失稳冲击，导致煤柱两侧大巷均发生严重冲击破坏。由于我国深部矿井开采条件复杂，实际生产过程中还会遇到很多具有隐蔽性的整体失稳型冲击类型，因此在现场冲击地压防治工作中，需要加强对这些隐蔽性整体失稳型冲击风险的判识和防治工作。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的借鉴意义。

• 综放工作面顶板缓慢活动支架增阻预测模型

  徐刚, 张春会, 张振金,

  检修和停产期间综放工作面顶板缓慢活动易引发压架灾害，预测检修和停产期间覆岩活动和支架工作阻力演化是相应压架灾害防治的关键。将综放工作面支架上方顶煤、直接顶和基本顶视作整体宏观顶板，引入广义开尔文模型模拟综放工作面宏观顶板的缓慢活动及其对支架工作阻力演化的影响，建立了综放工作面宏观顶板缓慢活动增阻预测模型。利用该模型预测了陕西宝鸡崔木煤矿303综放工作面液压支架工作阻力演化，分析了初撑力和宏观顶板性质对顶板缓慢活动和支架工作阻力演化的影响，结果表明：① 宏观顶板缓慢活动增阻预测模型能较好地预测工作面检修和停产期间支架增阻。② 模型中参数E2描述了宏观顶板的软硬。E2越大，宏观顶板越坚硬，初撑后宏观顶板下沉量小，支架增阻力也小。③ 初撑力增加，宏观顶板的E2值近似线性增加，支架增阻力近似线性减小。增大初撑力，能够提高宏观顶板的完整性，降低宏观顶板缓慢活动引起的增阻力。④ 宏观顶板黏滞系数η主要影响支架工作阻力随时间演化曲线的形态。η越大，支架阻力演化曲线收敛越慢。⑤ 将多个支架（或循环）的计算参数均值与本文宏观顶板增阻预测模型结合，可以预测工作面支架工作阻力演化行为。

• 大倾角煤层开采飞矸威胁等级评估

  刘明, 伍永平, 耿霜, 多依丽, 吕文玉,

  大倾角煤层开采工作面飞矸运动具有复杂性、动态性和不确定性等特点，准确评估飞矸对人或设备造成的威胁等级是大倾角煤层飞矸防护设计的基础。以新疆乌鲁木齐市艾维儿沟2130煤矿25221大倾角大采高综采工作面为研究背景，基于飞矸对人或设备的伤损程度选取飞矸的速度、角速度和距工作面下端头人或设备的距离3个动态变量作为飞矸对人或设备的威胁的评判依据，采用专家知识结合工作面飞矸现场实测历史数据构建动态贝叶斯网络模型，依据维特比算法选取动态观测节点，得到飞矸沿工作面运动全过程的动态威胁等级概率。结果表明:在大倾角煤层工作面飞矸运动中，随着时间片的递增，飞矸的速度、角速度变量数值也随之增大，飞矸距离工作面下端头人或设备的距离逐渐减小，飞矸各变量所共同影响的威胁等级也随之变化。为避免飞矸灾害事故的发生，可在飞矸威胁等级较高的位置设置飞矸防护装置。理论方法与工作面现场实测下部区域设备破坏程度的情况相符合，进一步验证了本文方法的可行性。

• 动静耦合作用下无煤柱切顶留巷顶板成缝与稳定机理

  华心祝, 刘啸, 黄志国, 杨朋, 马 言,

  无煤柱切顶留巷开采核心工艺为超前工作面采用预裂爆破技术切断巷道顶板与采空区顶板力学联系。基本顶预裂爆破期间是动静耦合作用过程，动静耦合作用下既要保证基本顶炮孔连线间形成贯通裂缝，达到切顶效果，同时还要保证巷道基本顶稳定，装药长度与炮孔间距是决定性因素。以祁东煤矿7135工作面为工程背景，基于岩层中应力波衰减公式，分析了基本顶预裂爆破成缝机理，并以此建立基于抗拉强度的成缝判据，确定基本顶成缝时装药长度及炮孔间距的最小量化关系。基于预裂爆破过程基本顶受力特征，建立基本顶动静耦合作用力学模型，获得耦合作用下基本顶应力计算公式，分析了动载作用下基本顶不同时间应力分布规律，揭示了爆破应力波在基本顶内呈拉、压交替变换且巷道基本顶同一位置持续受到拉、压应力脉冲作用的传播规律;分析了静载作用下基本顶拉应力分布与不同侧向应力集中系数关系，揭示极限平衡区应力集中系数仅对巷道基本顶局部拉应力分布有影响(030m)的规律;分析了巷道基本顶稳定机理，并以此获得巷道基本顶稳定判据，确定巷道基本顶稳定时装药长度及炮孔间距的最大量化关系。根据编制的VB计算平台，得到祁东煤矿7135工作面回风巷预裂爆破装药长度为4 m，炮孔间距为600 mm。通过对炮孔进行窥视及顶板收敛观测，验证了理论计算模型的合理性。

• 锚杆杆体动态力学特性及应变率效应实验

  吴拥政, 付玉凯, 郑建伟,

  为了揭示在冲击载荷下锚杆支护材料动态力学特性及应变率效应，为不同震级冲击地压巷道支护设计提供参考与借鉴，最终达到冲击地压巷道分级防控的目的。采用实验室试验对不同冲击韧性锚杆的静态和动态力学特性进行了测试，从微-细观角度分析了不同韧性锚杆的抗冲击性能，分析了应变率大小对锚杆动态力学响应的影响规律。实验结果表明:CRM700锚杆的冲击吸收功分别是HRB500和CRM600的1.30倍和1.14倍，峰值载荷分别是两种锚杆的1.18倍和1.07倍，瞬时变形量分别是两种锚杆的1.33倍和0.91倍;CRM700锚杆和HRB500锚杆断口形态和金相组织显著不同，HRB500锚杆断口源区为韧窝形态，中部扩展区为准解理+少量韧窝，终断区为韧窝形态，金相组织为铁素体+珠光体;而CRM700锚杆断口附近全部为韧窝形态，金相组织为回火索氏体+贝氏体+铁素体。同时，应变率对HRB500锚杆的屈服强度、抗拉强度和应变影响显著，而对CRM600锚杆的影响较小，对CRM700锚杆的影响最小。对比3种锚杆的动态力学特性，CRM700锚杆的载荷曲线和冲击功曲线比较平滑，材料受到冲击载荷后呈现出缓慢断裂的特性，对冲击载荷具有良好的适应性。并且CRM700锚杆强度对应变率敏感性差，应变随应变率的提高显著增大，很好的适应了高应变率下的冲击载荷，在高应变率冲击载荷作用下，能通过增加瞬时变形提高吸能能力。两者晶粒度级别不同，HRB500锚杆的晶粒度为6级，而CRM700锚杆的晶粒度为10级，晶粒度越高，晶粒越小，强化效果越好;同时晶粒减小后晶体界面增多，有效阻碍了裂纹的扩展，晶界面面积相应也增大，晶界上的夹杂物浓度降低，从而避免了沿晶断裂，大大提高了锚杆的抗冲击性能。晶粒尺寸越小，位错在第2相周围积聚的梯度越低，其锚杆力学特性应变率敏感性越弱。总之，无论从冲击载荷曲线和冲击功曲线特征，还是在应变率的敏感性方面，CRM700锚杆均表现出对冲击载荷具有良好的适应性，其在高应变率冲击载荷作用下能通过增加瞬时变形提高吸能能力。

• 非静水压力条件下巷道围岩破碎区应力分布特征

  王宏伟, 张登强, 邓代新, 姜耀东, 刘洋洋,

  煤矿巷道围岩的应力状态与稳定性关系密切，巷道围岩破碎区的分布范围及应力分布特征的研究，对于确定巷道支护方案，提高巷道围岩稳定性具有重要的理论意义和工程指导价值。以非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区分布范围为研究对象，建立了非静水压力条件下巷道围岩应力状态分析的力学模型，给出了非静水压力条件下圆形巷道围岩破碎区及塑性区的应力与位移的解析解，对比分析了2者随埋深及侧压系数的变化特征。以大兴煤矿北二采区902工作面运输巷道为工程背景，通过数值分析和理论计算，对比分析了巷道围岩破碎区的应力与位移随埋深及侧压系数的变化特征，评价了围岩稳定性。研究结果表明:在巷道掘进后围岩环向正应力的变化明显比径向正应力剧烈，围岩破坏的主要形式是沿纵向开裂;由于不同区域的围岩变形特征不同，使其黏聚力及内摩擦角等物理力学参数的大小存在差异，从而导致围岩破碎区、塑性区和弹性区边界应力产生不连续现象;在一定埋深范围内巷道围岩破碎区及塑性区范围随埋深的增加而线性增大。当巷道埋深较小时，巷道围岩破碎区较小，巷道处于相对稳定的状态。当埋深较大时，巷道左、右两帮处较顶底板更易发生失稳破坏;塑性区及破碎区半径的比值随埋深及侧压系数的增大而减小，且随着埋深的增大，侧压系数对围岩塑性区及破碎区范围的影响程度逐渐减小，当埋深增大到一定程度时，围岩应力状态趋于静水压力状态;当埋深达到1 500 m时，围岩达到了极限平衡状态。

• 非均匀荷载下斜井井壁应力和位移场弹性分析

  杨仁树, 王千星,

  为了获得非均匀荷载作用下非圆形斜井井壁的弹性解析解，获悉非圆形井壁的应力应变分布规律，建立了受围岩土骨架压力与孔隙水压共同作用的直墙半圆拱斜井井壁模型，首先利用混合罚函数方法计算出不规则井壁的映射函数方程;其次利用复变函数理论，推导出井壁全应力和位移场弹性近似解析解，并通过数值模拟对解析解进行了验证，最后考虑了接触面孔隙率np、卸载率η、侧压力系数λ和井壁厚径比ξ等因素的影响。结果表明，映射函数可高度映射非圆形井壁断面，保证井壁形状对理论解的影响;针对直墙半圆拱型井壁，底板和侧墙与底板连接处应力梯度最大，井壁底板和拱顶内缘中心为防裂控制点，接触面孔隙率变大会缓解顶底板的拉应力，但同时会增加侧墙处拉应力，接触面孔隙率可改变拱顶和侧墙的受力状态，np≥0.8后，侧墙上端为防裂控制点，拱顶内缘转为受压状态;井壁厚径比ξ的变化可显著减小井壁的受力和变形值，但不改变井壁的受力和变形状态;因此在井壁设计时需综合考虑井径与侧墙高度比，合理优化井壁断面，围岩卸载率直接反映了井筒开挖后围岩作用在井壁上的荷载，在设计和施工时应充分利用围岩自承载能力，减小井壁所受荷载。

• 孔洞式三叉裂隙砂岩裂纹扩展特征颗粒流分析

  李学华, 牛志军, 姚强岭, 王伟男, 于利强,

  为研究节理和孔洞对岩体的力学特性影响规律，通过完整砂岩与含预制单裂隙砂岩试样室内单轴压缩试验和颗粒流程序PFC2D模拟试验试样的弹性模量和峰值强度等相关参数以及最终破坏模式的对比分析，最终选取了一组合理的细观参数，并采用该组细观参数对孔洞式三叉裂隙试样进行单轴压缩模拟试验。研究结果表明:随着裂隙倾角α、裂隙倾角β、孔洞直径d和裂隙长度2a的改变，孔洞式三叉裂隙试样的峰值强度和峰值应变呈非线性变化，且它们均显著低于完整试样，其中裂隙长度2a对试样的峰值强度影响最大。孔洞式三叉裂隙试样在加载过程中发生拉伸和剪切破坏，且主要以拉伸破坏为主;翼形裂纹一般萌生在预制三叉裂隙的外尖端或距其外尖端一定位置和预制三叉裂隙与孔洞交接处附近位置，次生裂纹一般萌生在翼形裂纹扩展过程中的某个位置或试样的边界部位;裂隙倾角α主要影响试样的破坏程度，裂隙倾角β主要影响裂纹的扩展模式，孔洞直径d主要影响次生裂纹的萌生位置，裂隙长度2a主要影响翼形裂纹的萌生位置;通过对孔洞式三叉裂隙试样裂纹扩展机制探讨，裂隙试样在初始裂纹萌生阶段，应力集中区一般产生在预制三叉裂隙尖端附近和孔洞边缘，并且伴随在试样内部产生声发射事件，最后随着应力的不断增加和应力场的不断演化，微裂纹逐渐汇集形成的宏观裂纹不断扩展最终导致了试样的失稳和破坏。

• 不同倾角岩体结构面在循环动力扰动下的力学特性

  于永江, 刘峰, 岳宏亮, 张伟, 张仕鹏, 王鹏博,

  为了研究大型硐室或边坡中不同倾角岩体结构面在动力扰动下的变形特征和破坏机理，采用微控电液伺服疲劳试验机对不同倾角结构面岩石进行不同振幅的周期性动力扰动力学试验，实验结果表明:动力扰动下结构面岩石试件发生破坏时产生大量的沿着轴向发展的竖向裂纹，随后结构面岩石试件碎裂成相对较薄的片状或条状碎屑，在宏观上表现出沿着结构面倾向膨胀;每次加、卸载的应力应变曲线都会形成一条封闭的滞后环曲线，且该曲线总体呈现出疏-密-疏3个阶段的特征;在结构面岩体倾角一定时，滞后环曲线的面积及岩体的变形模量随着扰动应力幅值的增大而增大，表明扰动振幅增加使得扰动岩石在每个循环周期中内部积聚更多可消耗的能量，用于矿物颗粒之间的黏滑消耗以及原有微裂纹的增生和新裂纹的产生，导致岩石达到破坏所需的累积不可逆变形总量会降低，劣化试件的抗载性能;当扰动应力幅值一定时，滞后环曲线的变化幅度随着结构面岩体倾角的逐渐增大而增大，岩体的变形模量随之减小，岩石的阻尼比呈现先减小，然后稳定，再增大的趋势，反映了岩石中裂隙从初始变形(空隙压密)到等速变形(微破裂稳定发展)到加速变形(裂隙贯通)后整体破坏的过程;结构面岩石试件发生破坏的扰动应力幅值存在一个可用静载荷和结构面倾角进行确定的扰动阈值，当扰动应力幅值＜扰动阈值时，随着循环加卸载周期的增大，塑性应变值趋于稳定值，结构面岩石未发生破坏，岩石塑性应变积累值与扰动循环加载次数符合负指数函数，反之，当扰动应力幅值＞扰动阈值时，岩石塑性应变积累值与扰动循环加载次数的关系符合朗之万函数逆函数，对这2种函数中待定参数值变化对损伤曲线簇的影响规律分析，确定了该函数中待定参数的物理意义，并通过不同振幅循环加卸载条件下不同倾角结构面岩石内部能量变化过程分析，揭示了结构面岩石在循环荷载作用下的能量破坏机制。

• 卸荷条件下不等长共线双裂隙相互作用规律分析

  王建明, 王延廷, 陈忠辉, 周子涵,

  岩质边坡岩体内普遍存在不连续裂隙，边坡开挖卸荷诱发裂隙扩展贯通是导致滑坡失稳的主要因素。为探究卸荷条件下边坡岩体内裂隙扩展机制和相互作用规律，基于经典Kachanov法和叠加原理，推导了卸荷条件下一对不等长共线裂隙尖端应力强度因子表达式。定义了应力强度因子比F(双裂隙存在时与单裂隙存在时裂隙尖端应力强度因子比)，通过F值的大小分析了裂隙倾角、间距和长度对裂隙间相互作用的影响规律。进行了类岩石材料双轴卸荷实验，类岩石材料由425号普通硅酸盐水泥、标准砂、水按质量比1∶2.35∶0.5配制而成，实验在MS-500型三轴冲击岩爆试验系统上进行。结果表明:① 裂隙倾角对裂隙间相互作用无影响;② 裂隙间距开始大于任一裂隙长度时，该裂隙几乎不影响另一裂隙扩展;③ 裂隙长度大于裂隙间距时，该裂隙开始影响另一裂隙扩展。裂隙长度小于裂隙间距时，该裂隙几乎不影响另一裂隙扩展;④ 试件轴向起裂和峰值荷载随着裂隙间距的增大而增大。理论计算和实验所得裂隙起裂角及起裂位置基本一致，验证了理论计算结果的可行性与合理性。本次研究没有考虑裂隙充填对裂隙间相互作用规律的影响，且仅限于共线双裂隙间相互作用的探讨，后续研究将在考虑裂隙充填情况下，继续探讨共线三裂隙以及多裂隙间相互作用规律。

• 基于组合赋权和属性区间识别理论的岩爆烈度分级预测模型

  殷欣, 刘泉声, 王心语, 黄兴,

  岩爆是一种极易发生在深埋地下工程岩体开挖过程中的一种动力失稳现象，具有突发性、不确定性和强破坏性等特征，开展岩爆烈度分级预测研究已成为一项需要迫切解决的世界性难题。岩爆烈度分级预测是一个典型的多属性有序分割问题，采用属性区间识别理论建立预测模型。根据岩爆的成因及特点，从岩石物理力学性质、岩体完整性和地应力3个方面选取围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度比、岩石单轴抗压强度与抗拉强度比、弹性变形能指数和岩体完整性系数作为岩爆烈度分级预测的评价指标。应用层次分析法和反熵权法分别确定评价指标的主观权重和客观权重，克服了传统熵权法在确定评价指标客观权重时对指标差异度敏感性较大的问题，并在此基础上，提出一种基于离差平方和的最优组合赋权规则，建立了岩爆烈度分级预测的最优组合赋权-属性区间识别模型。以国内外12组典型岩爆工程实例对所建模型进行检验，由于均化系数对模型的预测性能影响较大，为了选取最优的均化系数，使其在区间0.05,0.95内变化，步长为0.1，经分析，当均化系数取0.05和0.15时模型的预测准确率最高，达91.7%。将均化系数取0.15时，模型的预测结果与模糊综合评判法、灰评估模型的预测结果以及实际情况进行对比，验证了该模型的可行性与适用性。

• 北方草原区露天煤矿外排土场平台土体裂缝形态特征

  李叶鑫, 吕刚, 王道涵, 刁立夫, 李朝辉, 董亮, 杜昕鹏,

  煤炭资源的开采不仅能够带来经济的快速发展,也会产生严重的生态环境问题,其中以露天开采最为严重。频繁不合理的采矿活动破坏土地资源,诱发矿区地质灾害。土体裂缝是煤矿区地质灾害中最直观的一种,也是危害最大的一种,其数量多、分布广、危害重,严重影响矿区生态安全。土体裂缝的产生极大程度地影响着排土场地表径流、入渗、蒸发等水文循环过程,也增加排土场泻溜、崩塌、滑坡等水土流失灾害发生的可能性。研究排土场平台土体裂缝形态特征可为认识矿区水分快速运动、植被恢复与重建提供科学依据。以内蒙古锡林郭勒盟锡林浩特市大唐国际胜利东二号露天煤矿南排土场为研究对象,通过现场调查、野外试验、室内分析、图像处理等研究方法,系统地研究北方草原区露天煤矿外排土场平台土体裂缝形态规律及其分形特征。结果表明:排土场平台土体裂缝发育严重,多为直线型,走向平行于等高线,集中在排土场平台前缘5 m 内;排土场平台土体裂缝长度主要集中在0 ~ 500 cm,占80% 以上;土体裂缝宽度在4.3 ~ 40.4 cm,深度在5.7 ~55.3 cm。土体裂缝尺寸的差异较大, 但可以根据裂缝宽度W 将其划分为小裂缝( W30 cm)3 个等级;GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ裂缝宽度依次为9.85,2.86,5.77 cm,各裂缝之间差异显著( P0.05)。随着裂缝宽度不断扩张,松散的砂质壤土会在裂缝开裂过程中坍塌而回填裂缝,影响裂缝深度。裂缝宽深比与裂缝深度之间具有较好的幂函数关系,两者达到极显著水平( P<0.001)。GFⅠ,GFⅡ,GF Ⅲ分形维数为1.437,1.240,1.309,回归方程的决定系数为0.986 ~ 0.994,P<0.001,排土场土体裂缝分布具有明显的自相似性。分形维数越大,裂缝的形态特征越复杂,对土壤及植被的扰动作用也越大。

• 降雨条件下全段高排土场边坡稳定性实验研究

  陶志刚, 李华鑫, 曹辉, 庞仕辉, 王贺,

  露天矿排土场主要面临着滑坡和泥石流的严重威胁，排土场稳定性问题不仅是一个安全问题也是一个经济问题。堆载和降雨是影响排土场稳定性最重要的2个因素，但目前精准、高效的排土场滑坡监测预警一直是一大难题，亟待开展相关方面的研究。针对以上问题，以辽宁本溪南芬露天铁矿Ⅱ号全段高排土场为研究对象，以监测光纤组成监控网对Ⅱ号全段高排土场的相似物理模型开展堆载及降雨模拟实验。结合不同堆载条件下排土场变形的数值模拟和降雨影响下模型材料的电镜扫描结果，以物理、数值模拟及宏观、微观多重手段相交叉融合的方式进行不同堆载和不同降雨条件下排土场不同位置的变形分析，得出排土场变形与堆载增量呈正相关，但深度的增加使边坡变形敏感度降低;与单位降雨时长呈正相关，但随着降雨总时长推移排土场发生排水固结，变形量减小使得二者呈负相关的时空演化规律。数值模拟计算结果显示堆载作用下排土场边坡形成贯通滑动面的过程;微观分析结果表明排土场边坡在降雨影响下泥质胶结材料冲刷流失，颗粒间接触力减小，排弃物间隙变大形成潜在滑动面。堆载增加使降雨在边坡内部产生的潜在滑动面扩大最终形成贯通的滑动面。结合物理模型实验结果对滑动面进行精准定位，最后依据室内物理模型实验和数值分析结果，建议使用光纤传感技术作为排土场边坡变形失稳的监测手段

• 不同卸载速率下受载煤体裂隙结构演化机制

  刘永茜, 韩国锋, 王维华, 霍中刚, 孟涛,

  针对受载煤体卸压过程裂隙发育数据难以捕捉的现状，设计了受载煤体伪三轴瓦斯渗流实验，完成了受载煤体加载和卸载过程的应力-应变-渗透率动态监测。同时基于能量守恒定理，开展了卸载过程中不同卸载速率下的能量分配比较，阐释了卸载速率对裂隙发育和渗透率变化的控制作用，并通过煤样裂隙监测数据对比予以验证。研究结果显示，卸载过程中的煤体裂隙结构受卸载速率影响，围压卸载速率越高，I类和II类裂隙越发育(所占比率增高)，I类裂隙数量较原始数量增幅甚至超过1倍，II类裂隙数量提高74.13%;在卸载过程中渗透率曲线整体可分为3段:线性段、抛物线段和稳定段，而决定其3段曲线分布的关键因素是煤体弹性模量大小、加载强度和卸载速率;随着卸载速率的提高，煤体渗透率加大，线性段斜率和抛物线段曲率半径逐步增加，线性段斜率由0.054 8逐步升高至0.091 9，0.138 8和0.216 4，抛物线曲率半径逐步增大，顶点曲率半径分别达到1.232，1.334，1.863和2.014，渗透率稳定的应力临界点不断减小，由15.26 MPa降低至14.08，13.14和10.88 MPa;煤体渗透率的变化可以通过裂隙长度增量进行量化表征，相同实验条件下，渗透率增量与裂隙长度增量之间呈线性关系;统计数据显示，围压卸载速率越高，弹性能转化率越低，裂隙发育能耗越高，高速卸载(加卸比1∶8)可使煤体破裂能耗超过80%，而低速卸载(加卸比1∶1)的裂隙能耗仅有25.62%;比较研究发现，高速卸载过程中煤体能量释放的主体引发原有裂隙扩展，而不是导致新裂隙的萌生，裂隙发育能耗与卸载速率之间呈对数关系。

• 不同含水率条件下软煤等温吸附特性及膨胀变形特性

  张遵国, 赵丹, 陈毅,

  为研究水分对煤等温吸附特性及膨胀变形特性的影响，以软煤为研究对象，采用煤层瓦斯吸附解吸变形动态测试装置开展了不同含水率条件下煤吸附瓦斯过程中的吸附量与膨胀变形量同步测试实验，分析了水分对煤等温吸附特征和膨胀变形特征的影响，探讨了吸附膨胀变形量与吸附量的关系。结果表明，水分的存在抑制煤的吸附膨胀变形，煤样含水率由0增大到3.13%，极限吸附膨胀变形量由10.185×10-3线性减小到4.262×10-3，减小幅度为58.15%；而随着含水率的增加，饱和吸附量先减小后增加，含水率为1%左右时饱和吸附量达最小值。不同含水率煤样的吸附膨胀变形量与吸附量关系并不呈现单一规律：0~0.75%含水率的煤样含水率低，游离态瓦斯对煤膨胀变形整体表现为促进作用，煤样在吸附量达到饱和后仍能随瓦斯压力的增大继续产生膨胀变形，吸附膨胀变形量与吸附量呈抛物线拟合关系；煤样含水率增大到1.42%~1.66%时，水的软化作用和堵塞作用导致游离态瓦斯对煤基质的压缩作用产生的压缩变形量与对微裂隙的扩容作用产生的膨胀变形量抵消，吸附膨胀变形量达到极限值所需瓦斯压力与吸附量达到饱和所需瓦斯压力相当，吸附膨胀变形量与吸附量呈线性拟合关系；含水率进一步增大到2.66%~3.13%时，水的软化作用和堵塞作用使游离态瓦斯对煤膨胀变形整体表现为抑制作用，煤样在吸附膨胀变形量达到极限值后仍能随瓦斯压力的增大继续吸附瓦斯，吸附膨胀变形量与吸附量呈指数拟合关系。

• 低煤阶煤层气甲烷风化带划分方法及影响因素

  杨曙光, 许浩, 王刚, 王琼, 任鹏飞, 董文洋,

  为了研究准南乌鲁木齐矿区低煤阶煤层气甲烷风化带特征及影响因素，规避勘探风险，降低开发成本。依据低煤阶煤层气含气量低、次生生物成因气与热成因气共存的特点，利用煤层含气量以及主要气体(CH4，CO2，N2)浓度测试数据，提出了甲烷风化带划分的新方法，以甲烷含量≥1 m3/t，N2体积分数≤20%分别作为判断甲烷风化带经济边界和地质边界的指标。进一步利用该方法对乌鲁木齐河东、河西矿区甲烷风化带深度进行了划分，讨论了构造、沉积以及水文地质对矿区甲烷风化带深度的影响，分析了造成两个矿区甲烷风化带深度差异的成因。结果表明，河东矿区甲烷风化带深度在370 m左右，河西矿区甲烷风化带深度在200 m左右。在构造抬升前，河东、河西矿区均生成了部分热成因甲烷，此时甲烷风化带较深。研究区经历了晚侏罗世与新生代两次地层抬升运动，河东矿区煤层顶板以砂岩为主，一方面易于地表水渗入，使研究区生成大量次生生物成因气，随着地下水滞留程度的增加，大量煤层气富集;另一方面，较差的顶板封盖条件也造成了一定量煤层气散失，导致河东矿区甲烷风化带深于河西矿区。而河西矿区的泥岩顶板隔水阻气能力好，构造抬升后，地表水渗入能力有限，生成小部分次生生物成因气，但是顶板泥质岩阻气能力强，使得绝大部分的煤层气得以保存，甲烷风化带较浅。

• 液氮冷加载对不同节理煤样结构损伤的影响

  李和万, 刘戬, 王来贵, 左建平,

  煤体的节理结构是煤层气主要存储空间和渗流通道，而煤层的低渗透性是导致煤层气开采效率低的主要原因，由于节理的角度与贯穿程度不同，使得煤体的物理力学性能产生了较大差异。为了增加煤体的渗透性，利用液氮冷加载煤体的方式对不同种类节理煤样，实验选用阜新盆地长焰煤制成50 mm×50 mm×50 mm的正方体煤样。将煤样放入液氮中浸泡4 h，室温条件下放置20 h，为一个冷加载周期(T)，多周期冷加载直至煤样破裂。运用激光共聚焦显微镜、声波测试仪、单轴压缩试验机等仪器观测煤样的表面、整体裂隙损伤情况和单轴抗压强度的变化程度，揭示不同节理煤样结构在液氮低温冷加载作用下的损伤规律。研究结果发现:① 贯穿型节理煤样(Ⅰpb15°,Ⅰam45°和Ⅰal60°)分别在8T，6T和7T冷加载后，煤样节理结构累积损伤达到煤岩强度极限，发生破碎;② 在相同冷加载周期条件下，贯穿型节理较半贯穿型与未贯穿型节理扩展速度快。③ 煤样冷加载后，与层理呈45°的节理扩展明显。冷加载及作用周期都是煤样节理结构损伤的重要因素，实验结果符合断裂力学理论，并将对煤体结构损伤的进一步研究起到借鉴意义

• 无烟煤厌氧代谢产物对其纳米孔隙的影响

  张攀攀, 郭红光, 段凯鑫, 陈超, 梁卫国,

  为研究厌氧代谢产物对煤纳米孔隙发育的影响，选用山西沁水盆地寺河矿无烟煤作为底物，以寺河矿煤层气井产出水中富集并驯化获得的原位真菌与产甲烷菌混合菌群为菌源，开展微生物厌氧降解煤产甲烷实验。通过额外添加2-溴乙烷磺酸钠(BES)抑制生物甲烷生成，促进煤生物厌氧降解代谢产物的积累;利用低温氮气吸附、有机溶剂萃取、气质联用(GC/MS)等方法，分析微生物降解作用下的煤孔隙结构和有机物组成变化规律。研究发现，微生物厌氧降解后，残煤总孔容与比表面积降低，孔隙分形维数D1(<2 nm)和D2(2~10 nm)增大。说明生物降解导致煤孔隙发育降低，孔隙表面粗糙程度和孔隙结构复杂程度增加。添加BES增强了微生物厌氧降解对煤孔隙的作用。同时，微生物厌氧降解后煤中可溶有机组成及含量发生显著变化，降解残煤中芳香族含氧衍生物和杂环有机物含量明显增加。添加BES促进更多新产生的可溶有机质滞留于煤中，尤其是芳香族含氧衍生物中的对甲酚。此外，煤中芳香族含氧衍生物含量与煤的总孔容和比表面积具有显著负相关性，而与煤孔隙分形维数D1和D2具有显著正相关性。以上研究结果表明，厌氧代谢产物在微生物降解对煤孔隙影响中发挥重要作用;微生物代谢产生的可溶有机质，尤其是芳香族含氧衍生物在煤中的滞留积累是微生物厌氧降解影响煤孔隙发育的主要途径。

• 气/水两相驱替煤粉引起的煤裂缝导流衰减特征实验研究

  赵政, 倪小明, 刘泽东3, 吴翔,

  查明气/水两相驱替不同粒径煤粉引起的煤中裂缝导流衰减特征对煤层气井排采时气/水两相流阶段防煤粉措施的制定意义重大。采用自制的气-液-固三相驱替煤粉模拟装置，进行了气/水两相驱替不同粒径(40~60,60~80,80~100,100~150,150~200,＞200目)煤粉在树脂-煤芯柱样裂缝中的运移实验，通过对比无煤粉气/水两相驱替的空白实验，分析了驱替不同粒径煤粉时气、水的渗流规律差异。基于气/水两相驱替不同粒径煤粉的渗流模型，结合平板理论、拟合得到的气相渗透率与裂缝缝宽的关系，定量描述了驱替过程中气体流动、液体流动、煤粉封堵所占据的裂缝缝宽随驱替时间的变化规律，并以气体、液体流动所占裂缝缝宽之和的变化规律表征了树脂-煤芯柱样裂缝导流能力的衰减特征。结果表明:在几乎相同初始驱替压力下，气、水两相通过树脂-煤芯柱样时会相互争抢柱样内裂缝空间，且气相渗透率、液相渗透率随时间变化呈三角函数分布;不同粒径煤粉驱替前期，柱样气相渗透率、液相渗透率仍会表现出管弦状波动特征，但在煤粉堵塞一定程度后，二者开始同时减小;气/水驱替不同粒径煤粉时产出液内煤粉质量浓度、裂缝完全堵塞时间随煤粉粒径减小而增大;气/水驱替不同粒径煤粉时裂缝导流能力变化可分为液体产出前的裂缝快速封堵、气/液携粉产出的裂缝缝宽小幅增加、液体流动能力骤减的裂缝快速闭合、气体流动能力缓慢降低的裂缝完全封堵等4个阶段

• 中国南海海域煤地质特征

  张功成, 李增学, 王东东, 邵磊, 杨海长, 宋广增, 陈莹, 贾庆军, 刘海燕, 郭佳, 刘莹,

  通过分析南海北部岩芯、钻井等揭露的含煤地层信息，尤其是基于地震勘探资料，采用构造与盆地演化、钻井与地震剖面识别相结合、沉积与控制泥炭聚积主控因素相结合的分析思路与方法，分析了中国南海成煤盆地构造特征及演化、晚始新世—中新世南海各盆地沉积充填与成煤特征，获得了中国南海整体成煤及煤系分布基本认识。研究表明，南海北部盆地主要发育渐新统含煤地层，而南海南部盆地则相对较为复杂，始新统、渐新统和中新统含煤地层都有分布;含煤地层主要发育在南海北部、西部和南部的浅水区域，包括三角洲平原、扇三角洲平原、河流泛滥平原、滨湖平原、潟湖-潮坪等环境;晚始新世—早渐新世，南海北部和西部盆地边缘一般发育河流、滨湖、三角洲和扇三角洲沉积，南海南部盆地边缘发育三角洲和滨海沉积，这些都是成煤的有利场所。其中，渐新世的成煤强度最大。晚渐新世，南海盆地的海水影响范围扩大，陆相盆地范围缩小，陆相湖盆逐渐向海陆过渡相或海相演化，成煤强度逐渐减弱。中新世，南海盆地大部为海相沉积，仅在盆地边缘地带发育不同规模三角洲、扇三角洲等，分布范围不大，成煤强度较弱。基于中国海域区特别是大南海盆地典型时期的煤系发育与分布情况分析、预测，并综合中国陆域区已有的中国新生代煤系分布资料，完成了海域区与陆域区的煤系分布的整合，初步实现了中国新生代煤系分布及预测图的拼接。

• 柳江盆地岩浆侵入对煤层顶板岩石力学特征的影响

  王海军,

  柳江盆地内赋存石炭二叠纪、侏罗纪两个煤田，盆地成煤后经历了多个期次的岩浆侵入、喷发活动，岩浆活动对煤层及其围岩产生了改造作用，为了探究盆地内岩浆活动对石炭二叠系主力煤田煤层顶板岩石力学特征的影响，进而为煤层顶底板稳定性评价、矿井设计以及采掘设备的选型等提供岩石力学参数，为具有相同或相似地质条件的煤田提供参考。首先，从盆地内岩浆侵入模式入手分析其对煤层顶板的影响;然后，根据古火山口的大概位置，结合盆地构造特征部署勘查工程，详细开展地面地质调查、岩芯地质钻探、岩芯精细地质编录和工程地质编录;之后选择4条主干剖面上的11个钻孔，对钻孔揭露3煤层及其顶板不同岩浆岩侵入位置的岩性、相同侵入位置不同岩性的岩石进行系统的岩石力学和煤岩分层采样和测试分析;最后，对比分析、综合评价盆地内岩浆岩侵入对煤层及其顶板岩石力学的影响，并根据评价结果指出矿井开采存在的工程地质问题和采掘设备选型应注意的问题。结果表明，盆地内侏罗纪多期岩浆的喷发、侵入对煤层顶板产生了不同程度的改造作用，形成了吞噬、侵入、复合和原生强化型以及原生型5种直接顶板岩性组合类型;3煤层的顶板岩性以闪长玢岩侵入-吞噬型为主，侵入型顶板次之、复合型及原生型顶板局部分布;岩浆侵入、烘烤、填充及挤压等综合效应强化了煤层顶板的工程地质特征，表现为密度增加，孔隙度、含水率的降低，抗压强度、抗剪强度、岩体的完整性等关键力学参数增强;根据钻孔和井巷道揭露在盆地内初步圈定了5个岩浆吞噬区，且均位于古火山口或岩浆喷出通道位置上，沿着吞噬区向外煤层顶板类型逐渐递变为侵入、复合、原生带，在平面上具有环带状分布的规律;在矿井设计中吞噬区可以作为矿井关键硐室的理想选择位置，在开采过程中吞噬区是决定矿井能否正常生产的关键因素，复合型顶板区域是顶板事故的多发区，侵入区域的顶板存在坚硬顶板长期悬顶，需要采用人工强制放顶措施，是矿井冲击地压管理的重点区域，也是盆地内矿井安全生产的关键问题;原生区域中等-易于冒落顶板;在矿井设备选型中一定要考虑岩浆侵入对煤及其顶板岩石力学特征的强化作用，为了保证矿井正常开采，在工作面回采前需要对工作面内火成岩夹矸、吞噬体及其改造后的坚硬煤体进行有效的探查和超前预处理。

• 煤储层中微地震事件震级影响因素分析

  李德伟, 杨瑞召, 孟令斌, 王力,

  近年来,随着微地震技术发展，微地震的应用深度也在不断拓展。如微地震监测从最初简单的震源点定位到震源机制反演、地层主应力状态以及储层渗透率等高级解释参数。在众多解释参数中，微地震事件震级是一种极为重要的震源参数，它是表征在生产作业中诱发震源强度大小的物理量。不同地区诱发事件震级分布特点不尽相同，目前对于震级大小的影响因素尚不十分明确。以山西沁水盆地南部煤层气井水力压裂地面微地震监测为例，综合现有资料对该井压裂事件震级的影响因素进行了分析。首先，通过压裂施工曲线定量统计了施工中油压的平均压力和峰值压力，然后分别与微地震事件震级进行交汇分析;其次，应用Gutenberg-Richter定律研究事件震级在空间和时间频率的分布特征。最后基于三维地震相干体属性解释储层天然裂缝，应用摩尔库伦破裂准则分析天然裂缝对破裂压力的影响。分析表明:① 水力压裂中事件的平均震级或峰值震级都与水力压裂压力具有明显的正相关关系，压力是影响微地震事件震级的大小的直接因素。② 强震级集中区域表现为明显的低b值特点，表明该区域附近岩性相对更偏脆性，应力积累能力大于周围区域。③ 天然裂缝会降低地层的破裂压力，因此在煤层中裂缝发育区域诱发事件震级较低。水力压裂施工中诱发事件是一个复杂的过程，限于资料的限制，尚有一些影响震级的因素未进行分析，如地应力、储层脆性等。下一步工作将搜集尽可能多的资料，对震级影响进行更全面的分析。通过对水力压裂事件震级影响因素进行分析，有助于掌握事件震级的发生规律，从而保障水力压裂施工安全以及顺利进行。

• 侏罗纪巨厚基岩下采煤突水溃沙典型案例分析

  吕玉广, 赵仁乐, 彭涛, 赵宝相, 管彦太, 张勇, 魏永强,

  国内学者对浅埋煤层开采引起的上部松散含水沙层溃入采场的研究十分深入，泥沙来源于第四系松散层已成为共识。近年来西北侏罗纪巨厚基岩下采煤引起的水-砂混合突涌事故日益增多，成为一种新的危害性较大的地质灾害，目前国内学者对此鲜有研究。为揭示基岩突水溃沙的孕灾机理，制定科学的防范措施，以陕西黄陇煤田某矿采煤工作面突水溃沙事故为例，首先对前人做出的事故原因分析和认定提出技术商榷和探讨;依据补充勘探成果，结合突水溃沙过程，提出该起事故具有离层水害特征:离层空间汇集水源功能将砂岩裂隙水转化为“自由”水体，引起短时高强度突水，进而提出离层水害需要同时具备5个条件，即岩石力学条件、富水性(水源)条件、汇水时间条件、离层空间条件、导水通道条件等。其次，根据大量的岩石物理力学试验数据，判断4-2煤层上覆岩层具备离层产生的物质基础;根据离层水害时间、空间条件，借用“经验公式”推断引起该起事故的离层空间应该位于4-2煤顶板上30.54～77.10 m的地层内，并将这个高度范围内的地层作为富水性评价的目标层段;选取砂岩层厚度、脆塑性比值、构造分维等3种地学信息，采用新型复合叠加方法，绘制了富水性综合指数等值线图，事故点位于相对富水区内，证明离层空间所处的围岩具备离层水害的富水性(水源)条件;室内对现场采集的砂岩做了吸水崩解性试验，试验表明4-2煤层上覆砂岩遇水极易崩解，在水动力下具有显著的流沙属性，结合历次勘探没有发现到古河床(或称松散地质体)这一事实，分析该起事故的泥沙来源于含水基岩。最后，依据离层水害发生必须具备的5个基本条件，提出改变地层富水性条件或破坏离层空间封闭性条件(或汇水时间条件)等源头治理的技术措施。通过对本起典型案例的研究，揭示了西北侏罗纪煤田基岩下突水溃沙的孕灾机理，强调事故偶发性，对西部条件类似矿区煤炭资源安全开采具有一定的借鉴作用。

• 660MW超超临界CFB锅炉物料平衡模拟

  陈陆剑, 陶欣, 张缦, 高新宇, 赵孔友, 张守玉, 杨海瑞, 吕俊复,

  CFB 锅炉炉内的物料平衡可以影响CFB 锅炉安全稳定高效运行,研究炉内的物料平衡有助于指导实际锅炉的运行。根据清华大学提出的成灰磨耗实验方法,获得了660 MW 超超临界CFB 锅炉燃用的3 种煤种的本征成灰特性数据。对该660 MW 超超临界CFB 锅炉的结构进行一定的简化,仅保留炉膛、分离器与回料阀等部分,利用一维小室模型,考虑颗粒磨耗、退档、颗粒分层等条件,对该CFB 锅炉回路的物料平衡进行了数值模拟。实验结果表明,3 种不同性质的煤样按一定比例掺烧有着较好的效果,可以满足CFB 锅炉物料平衡的要求;当炉内床压为5 000 ~7 000 Pa时,提高床压降可以增加物料在炉内的停留时间,对于中间粒径档(0.125 ~3.200 mm) 的颗粒,停留时间的增加效果较为明显;仅提高床压降对于增加炉膛上部稀相区颗粒密度的影响比较有限;在维持5 000 Pa 较低床压降下,优化煤样粒径分布对颗粒在炉内的停留时间影响较小,但对提高炉膛上部颗粒密度有着明显的提高作用。在优化给煤粒径分布后,该660 MW 超超临界CFB 锅炉的优化床压降为5 000 Pa,在较低的床压下也有着较好的运行效果,这可以降低实际电厂的风机电耗,让电厂更加节能。

• 混煤燃烧过程中汞释放特性

  王淑勤, 刘丽凤, 尹大琪,

  为了提高高-低硫混煤的燃烧特性，在混煤中加入添加剂(生物质、钙基添加剂、催化剂)后在管式炉中进行脱汞性能实验。采用微波辅助溶胶凝胶法制备了纯二氧化钛(TiO2)和钕掺二氧化钛(Nd-TiO2)。为探究脱汞机理，对催化剂进行了比表面积(BET)、X-射线衍射(XRD)、电镜扫描(SEM)、X-射线光电子能谱(XPS)和电子能谱(EDS)表征分析。对生物质进行了傅里叶红外光谱(FT-IR)分析，对确定方案样品进行了热重(TG-DTG)分析。脱汞性能实验结果表明:混煤选择低硫煤A和高硫煤C按质量比为4.5∶5.5进行混匀，在混煤中同时加入生物质油菜秸秆(煤油质量比为7∶3)、钙基添加剂氧化钙(CaO)(Ca/S物质的量比为2∶3)、催化剂Nd-TiO2(Nd-TiO2的质量=煤的质量×8%、1% Nd、500 ℃)，脱汞效率为72.7%，比混煤中只加油菜秸秆和氧化钙的脱汞效率提高了14.1%，比混煤中只加入油菜秸秆的脱汞效率提高295%。表征分析结果表明:稀土离子Nd3+掺入二氧化钛在一定程度上造成晶体表面发生微小畸变但未改变其晶型结构，催化剂的比表面积从12.20 m2/g增加至66.79 m2/g，增大了近4.5倍，提高了TiO2的催化活性。油菜秸秆对Hg0的脱除主要集中在表面的羟基官能团的吸附作用和含氧官能团的氧化作用，同时，油菜秸秆中含有大量的碱性化合物Fe2O3等可以催化氧化Hg0;氧化钙降低烟气中SO2的浓度，解除了高浓度SO2对Hg0的抑制作用;Nd-TiO2协同油菜秸秆及氧化钙促进汞的去除。

• 中温煤焦油沥青逐级萃取的产物组成与结构分析

  崔瀛丹, 钟梅, 哈丽丹·买买提, 杨超, 樊星,

  以中温煤沥青为原料，根据Hansen溶解度参数软件(HSPiP)的计算结果，选择无水乙醇、正戊烷、异丙醇、甲苯、四氢呋喃和N-甲基吡咯烷酮为萃取剂对沥青进行逐级索氏抽提，以解析其结构与组成。高分辨质谱分析结果表明各级萃取物中含有3 000多种化合物，分子量集中在100～400 u，CH类化合物的含量高达60%，相对含量较高的20种化合物中芳香杂环为9种，以含氧化合物为主,Nn类化合物的相对含量为4.3%～12.9%，主要是吡啶型和吡咯型氮化物;ONS类化合物的相对含量之和为10.1%～12.0%。各级萃取物的不饱和度双键当量(DBE)值主要分布在15～19，碳数为21～28。对萃余物进行XPS、红外、热重、13C NMR和晶相分析，结果表明C主要以芳碳形式存在，比例高于80%;相较于吡啶氮，吡咯氮更易被溶剂萃取，致使其相对含量随萃取级数增加而下降;S则主要以噻吩硫形式存在。13C NMR分析显示沥青及各级萃余物中表征平均芳环尺寸大小的Xb约为0.7，意味着其平均芳环数约为5;芳桥碳含量fBa超过65%，说明各级萃余物中芳碳缩合度较高。随着萃取级数的增加，各物质中弱键和侧链等基团逐渐减少，分子量增加和芳环缩合度增加，热稳定性增强，各物质的饱和链间距和芳香片层间距逐渐减小，芳香层片间的直径、堆砌高度及芳香片层数逐渐增加。

• 基于机构拓扑结构的悬臂式掘进机空间位姿偏差分析

  方立霞, 王彤, 李一鸣, 吴淼,

  基于悬臂式掘进机机械结构的拓扑结构分析，分别对悬臂式掘进机行走/支撑并联机构在空间掘进工作平面/滚动平面内可补偿的仰俯角偏差、巷顶距偏差、横滚角偏差，以及其回转并联机构/升降机构在空间掘进水平面内可补偿的水平偏角偏差、水平偏距偏差、车前距偏差进行深入研究分析，实现首次建立悬臂式掘进机机身空间全方位位姿偏差数学模型。应用空间机构结构学正/逆解求解思想，利用MATLAB及正解求解出已知各结构回路几何参量状态时，机身动平台的空间瞬时位姿偏差信息及可补偿空间位姿偏差的范围;逆解求出机身处于可补偿空间极限位姿偏差状态时，对应悬臂式掘进机的可调几何结构参量均满足工程设计要求。分析结果表明:通过调节前铲板/后支撑液压油缸驱动量，可实现补偿机身最大仰角偏差26.731°，最大俯角偏差27.468°，可补偿最大巷顶距偏差20.253 7 mm;同时，通过实时动态调整截割臂的截割姿态，可实现补偿机身最大水平偏角偏差36.067°。实验结果同样也验证了结论的正确性、可实施性与高效性。基于拓扑结构分析得到的掘进机机身空间位姿偏差数学模型可为实施智能化悬臂式掘进机实时动态精准纠偏提供有效思路和依据。

• 双绳多层缠绕式提升机卷筒结构对钢丝绳张力差的影响

  邓勇, 龚宪生, 唐涛, 王海隆,

  超深矿井缠绕式提升机钢丝绳之间的缠绕同步性保证对于提升系统的安全可靠运行具有重要作用。针对卷筒两缠绳区在钢丝绳缠绕过程中所引起的缠绕变形不同步导致的两钢丝绳间张力差异问题，考虑两钢丝绳长度差异与张力差异之间的相互影响，利用弹性基础梁理论对厚壳弹支结构卷筒在不同受力情况下的径向变形方程进行了推导，建立了钢丝绳动态张力、钢丝绳长度差异与卷筒径向变形三者相耦合的理论计算模型。通过求解不同卷筒结构在钢丝绳缠绕过程中的两钢丝绳间张力差异最大值，总结得出了卷筒的不同出绳方式和不同支轮布置位置对两钢丝绳间张力差异的影响规律，并通过有限元分析软件验证了理论计算模型的正确性。结果表明:超深矿井双绳多层缠绕式提升机卷筒结构对钢丝绳间的提升同步性具有重要影响，卷筒出绳方式与支轮布置位置的不合理组合会导致两钢丝绳间张力差异超过10%，危及提升系统的运行安全;卷筒左右与右左出绳方式下的两缠绳区变形同步性在左、右轮孔距离分别相等时是相同的;卷筒同左与同右出绳方式下的两缠绳区变形同步性在左、右支轮布置位置互为对称时是相同的;卷筒在左右或右左出绳方式下，左、右支轮对称布置时的卷筒结构所引起的两钢丝绳间张力差异最小。