煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第12期

• 煤Ⅰ型动态断裂裂纹扩展规律的试验与数值模拟研究

  赵毅鑫, 孙荘, 宋红华, 赵士琦,

  为研究冲击速度、层理角度及切缝深度对煤样Ⅰ型动态断裂裂纹扩展速度与扩展路径等断裂特性的影响，结合分离式霍普金森压杆(SHPB)试验和基于连续-非连续单元方法(CDEM)的数值模拟，对3种切缝深度的直槽半圆弯曲煤样(NSCB)开展不同层理角度和多种加载速率下的Ⅰ型动态断裂测试与数值模拟研究。得到煤样在冲击载荷下裂纹萌生、演化、扩展及贯通的渐进破坏全过程，模拟与试验结果吻合较好，证明CDEM数值模拟方法能够较好地模拟煤样Ⅰ型动态断裂从连续到非连续的渐进破坏过程。研究表明:煤样裂纹瞬时扩展速度随时间变化波动性较大，前期扩展较快，后期扩展较慢，可将试件裂纹扩展分为高速扩展阶段和稳速扩展阶段;冲击速度对裂纹平均扩展速度影响最大，切缝深度次之，层理角度影响最小。裂纹平均扩展速度随冲击速度增大而增大，但渐趋于平缓，而随切缝深度增加逐级降低。并在忽略层理角度影响的情况下，得出冲击速度与切缝深度对裂纹平均扩展速度的双因素预测模型;冲击速度越大，裂纹起裂时间越短，但其对裂纹扩展路径影响很小。层理角度对裂纹起裂时间基本没有影响，但对裂纹扩展路径影响较大。层理角度为0°和90°时，煤样裂纹最为平直，层理角度为22.5°,45.0°和67.5°时裂纹较弯曲，出现沿层理面扩展现象。

• 水-力耦合和隔离状态下孔道砂岩力学特性的对比研究

  赵延林, 廖健, 刘强, 李阳, 程建超,

  岩石的水力学特性与矿山突水灾害密切相关，为揭示不同的水岩力学相互作用，对比研究在水-力耦合与隔离2种不同力学状态下孔道砂岩力学特性的差异性。采用MTS815岩石力学试验系统，进行不同围压和孔压下孔道砂岩的常规三轴压缩试验。整个试验围压σ3分成10，20，30 MPa共 3个系列，每个系列围压试验中，孔压P设为4个级别，分别是围压σ3的20%，40%，60% 和80%。对水-力耦合下的岩石试件用热缩管进行包裹，对水-力隔离下的岩石试件加装隔水装置，在三轴静水压力状态(σ1=σ2=σ3)下采用0.005 mm/s的加载率对试件进行轴向加载，直到试件破坏。结果表明:水-力耦合状态下，孔道砂岩的峰值偏应力强度、扩容起始偏应力、残余偏应力强度和变形模量与围压呈正相关关系，与孔压呈负相关关系，而泊松比的关系则正好相反，试件呈现出明显的单一剪切面破裂，破裂角分布在53°~69°变化;水-力隔离状态下孔道砂岩峰值偏应力强度、扩容起始偏应力和残余偏应力强度均与围压和孔压在总体上呈正相关趋势，水-力隔离状态下试件破裂角变化不明显;在一定的围压与孔压下，处于水-力耦合下试件峰值偏应力强度和变形模量在总体上低于水-力隔离状态下的相应量值，而泊松比的关系则正好相反，随孔压的增加，2种力学状态下的岩石力学特性差异越大。水-力隔离状态内孔壁施加适量应力可以明显提高试件的三轴承载力。

• 底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制及其应用分析

  张晨阳, 潘俊锋, 夏永学, 杨光宇, 刘少虹, 陆闯,

  为研究底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制，以厚度为3 m以下的薄及中厚底煤为分析对象，基于掘进巷道底板冲击特征并采用理论分析，建立底板煤岩层叠体梁挠曲破坏力学模型，底板煤岩层挠曲变形曲线具有同步异幅的发展特性。公式计算表明，随着底煤厚度的增加，底煤积聚弹性能逐渐增加，增加梯度逐渐平缓，其与底煤厚度的4次方倒数具有负相关关系。通过FLAC3D数值模拟开展底板煤岩主应力、塑性区及弹性能分析，结果表明，巷道底板岩层是主要的冲击动力能贮存体，而底煤是主要的动力释放显现体;底煤通过影响底板潜在冲击启动区、潜在冲击能量传递区、潜在冲击地压显现区的范围、贮存能量以及3者之间的依存位置，进而影响底板煤岩层之间的能量储存与传递机制，从而影响底板冲击地压的形成过程。底煤相对于底板岩层具有较弱的弹性能储存能力，底煤厚度是影响底煤储存弹性能量的关键因素，底煤厚度通过影响底煤与底板岩层之间的弹性能量传递能力从而影响底板冲击危险性。随着底煤厚度的增加，底板冲击危险性逐渐增加，增加梯度逐渐降低;当底煤厚度增加到2 m时，底煤厚度的再增加对底板冲击危险性无明显叠加影响，呈现出底煤厚度对底板冲击危险性影响的阈值效应。留底煤底板卸压时，应针对底板岩层采取解危措施，阻断应力传递路径，减小底板能量积聚，从而降低底板冲击危险性。研究成果在现场进行了应用分析，通过钻屑法监测显示解危效果良好。

• 回采巷道围岩冲击破坏能量特征分析

  镐振, 郭林峰, 赵希栋, 陈国祥, 张国华,

  由冲击动力造成的巷道破坏是一种典型的煤岩动力灾害，严重威胁着矿井的安全生产。针对千秋矿21141工作面运输巷频繁发生冲击破坏的问题，在分析典型巷道冲击破坏微震监测能量特征的基础上，开展了常规三轴压缩试验并结合理论分析、数值模拟等手段，研究了煤岩体发生冲击破坏时的能量特征。研究结果表明:巷道围岩冲击破坏发生前，微震监测最大能量波动幅度较小，但是每次巷道围岩冲击破坏事件的发生均伴随有微震监测能量的急剧增大;试件双向载荷比值(轴压/围压)对声发射能量特征有显著影响，加载速率相同时，围压越大，能量峰值越小;在一定条件下，采动应力、巷道扩修、巷内爆破等事件产生的扰动加载作用能够改变区域应力场中巷道双向载荷比值，使得塑性区形态特征由非蝶形转化为蝶形，或导致塑性区蝶叶出现瞬时扩展，并以震动、声响和煤岩碎块抛出的形式释放存储于围岩系统中的大量能量，从而诱发巷道围岩冲击破坏。在实际的工程实践中，可以采取降低采煤工作面推进速度、控制开采截深、调控巷道围岩区域应力场等措施，以减小煤岩体的加载速率，防止大能量事件的产生，避免巷道蝶形塑性区瞬时扩展过程中能量的突然释放。

• 山西西山煤矿矿区井下地应力场分布规律

  张剑, 康红普, 刘爱卿, 程蓬, 司林坡, 李中伟,

  西山矿区是山西省采煤区的重要组成部分,为补充矿区地应力测试空白和研究掌握矿区地应力场分布规律与变化特征，采用小孔径水压致裂地应力测量装置，在西山矿区9个煤矿，完成59个测点的原位地应力测量，从地应力场类型、地应力量级、水平主应力方向以及侧压比等多角度分析表征地应力场分布规律等参量的变化特征，分析矿区煤系沉积岩地层不同岩性岩体水平主应力及侧压比随埋深的变化关系，研究西山煤矿区地应力场分布规律，探究岩性对矿区地应力场分布规律的影响。结果表明:西山矿区主要为中深部矿井，井下地应力场以水平应力为主，构造应力场占绝对主导优势，地应力量级主要为中等水平，低应力水平次之，地应力值随埋深增加而增大，但离散性也非常显著，埋深不仅决定地应力场类型，而且影响地应力量级;水平最大主应力方向呈NW向和NE向，主要为N5°W～N90°W和N6°E～N87°E，约各占50%;正断层带附近水平主应力呈明显增大变化特征，水平最大主应力方向发生扭转，为导致矿区地应力值异常和离散的主要影响因素;最大侧压比为0.80～4.23，其大小与地应力场类型相关，小于1为自重应力场，大于1为构造应力场，超过2水平应力完全占主导地位，平均侧压比为0.61～3.19，与埋深拟合曲线和霍克-布朗提出的曲线相似，但由于仅为西山特定煤矿区沉积岩地层测量数据故数值上存在明显差异;岩性不同岩体水平主应力值大小随埋深增加均增大，但应力增长梯度显现出差异性，岩性不同岩体两类侧压比随埋深增加均趋向于定值，但两类侧压比曲率大小呈现出明显的差异化特征，岩性仅为影响矿区地应力场分布规律的因素之一，很难依据单因素精确判定构造应力场的分布规律。

• 突发定渗流作用下冻土温度场演化规律及判别方法

  张松, 岳祖润, 孙铁成, 张基伟, 苏彦林,

  在人工冻结法工程中，关于地下水与冻结温度场的耦合性研究主要着眼于恒定渗流工况，而对突发定渗流工况鲜有研究。为了分析突发定渗流作用下温度场演化规律，基于相似理论建立模型试验系统，开展了单排管冻结模型试验研究，得到了突发定渗流条件下冻结壁及温度场的演化规律。试验结果显示:① 突发定渗流速度vs接近恒定渗流条件下极限交圈流速vc时，上、下游未冻区温度随时间呈线性变化，当vs>vc时未冻区温度随时间呈二次函数型变化，vs越大该变化趋势越显著;② 随着vs的增大，试验末期冻结壁形态逐步由偏心冻结壁向独立偏心冻土柱过渡。研究表明:① 突发定渗流对温度场的作用可划分为未冻区的直接作用和冻土区的间接作用;② 基于突发定渗流发生后的冻结壁形态和温度场分布特征，地层冻结过程可划分为:持续扩展、减速扩展、发展抑制、全面损伤4个阶段;③ 渗流发生前，土体温度梯度呈三角函数分布，渗流发生后，上游温度梯度峰值将会迅速增大，峰值位置向冻土区移动，下游温度梯度逐步趋平。根据上述研究结果发现在地层冻结过程的持续扩展和减速扩展阶段完成突发定渗流的判定，对保证工程安全、减少冷量消耗最为关键，并提出基于地层温度和温度梯度分布双准则的突发定渗流判定方法。

• 不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源与其临界破坏前兆信息判识

  宋朝阳, 纪洪广, 张月征, 谭杰, 孙利辉,

  研究弱胶结砂岩声发射信号参数特征及参数之间的关联性，可以区分不同粒度弱胶结砂岩破坏过程的声发射信号源，是建立不同粒度弱胶结砂岩临界破坏判据的基础。通过对单轴压缩下不同粒度弱胶结砂岩的破坏全过程进行声发射试验，得到了弱胶结砂岩破坏全过程中的应力与AE特征参数随时间演化规律，分析了AE振铃计数与绝对能量、幅值和持续时间参数之间的分布特征，获得了不同粒度弱胶结砂岩声发射信号源特征，并基于AE峰值频率的演化特征分析，给出了弱胶结砂岩临界破坏前兆信息识别方法。研究表明，随着弱胶结砂岩粒度的减小，其峰值强度增加，岩样破坏时表现出的脆性破坏更加明显，AE振铃计数的峰值呈现数量级增加，能量集聚效应更加明显，岩样的自蓄能能力更强，且产生更高的AE幅值及更长的AE持续时间。弱胶结细粒砂岩在线弹性阶段初期最先出现更低频段(10~20 kHz);弱胶结粗粒砂岩在塑性变形阶段AE峰频出现更高频(275~285 kHz)，且AE峰频由2个主频段演化为5个;弱胶结中粒砂岩在达到应力峰值前，两个主频段(40~50，145~155 kHz)累积计数最大;AE峰频的更高频、更低频及主频累积计数值等变化特征可以作为鉴别不同粒度弱胶结砂岩单轴压缩破坏过程中声发射信号源的判识依据。岩样进入塑性变形阶段时，AE峰值频率表现为由初期的2个主频演化为4个或5个频段，频段增加特征亦可作为不同粒度弱胶结砂岩破坏前兆信息判识的依据。

• 考虑弹塑性耦合效应的应变软化模型

  王延宁, 张强, 李子仪, 蒋斌松,

  深部岩体峰后呈现应变软化特征、弹塑性耦合特征和塑性变形破坏等非线性特征。充分探明开挖工作面的岩体力学特征有助于预测围岩变形或破坏区域的形状，为后期的合理支护设计提供科学依据。然而，当前广泛使用的一维模型(例如Mohr-Coulomb和应变软化模型)无法很好的反映深部地下工程在高围压下的岩石变形特征。对此，通过三轴循环加卸载试验，获得各级围压下不同塑性累积阶段的岩石力学参数，进而研究塑性变形与围压二者综合影响下的围岩受力变形特征。通过构建应力-塑性剪切应变二维函数针对性描述其上述特征，建立了考虑围压影响的黏聚力、内摩擦角、弹性模量和剪胀角随塑性变形变化的数学模型。研究表明:黏聚力和内摩擦角可用指数函数及线函数分别描述其塑性变形和围压的相互关系，由此构建的二维函数，拟合精度可达95%;弹性模量随着围压增大而增大，可用负指数函数来描述，随着塑性变形而衰减，可用线函数来描述;剪胀角随着围压线性衰减，随着塑性变形先增大后减小，可用差值型指数函数描述;通过FLAC3D的二次开发，将该应变软化模型用于模拟岩石三轴压缩试验，证实模型设置准确合理。针对深部圆形硐室开挖，所提出的本构模型与应变软化模型和摩尔库仑模型相比，随着塑性区扩展，对围岩应力分布影响主要体现在切向应力峰值进一步向深部围岩转移，且径向应力随之降低;对位移场分布而言，随着塑性区扩展，所提本构模型得到的位移解逐步增长，符合岩体破裂后位移随损伤范围而增大的特点。

• 考虑真实接触微凸体的岩石节理三维粗糙度指标

  班力壬, 戚承志, 李晓照, 靳天伟, 李惊涛, 姜宽,

  节理在压剪作用下，仅仅是一小部分较陡微凸体发生接触而相互作用。以往在描述粗糙度时是考虑整个形貌面微凸体的分布特点，这使得所得粗糙度指标弱化了较陡微凸体作用而强化了较平缓微凸体对剪切强度的作用(实际上大多平缓微凸体在剪切过程中未接触)。为考虑实际接触节理的粗糙度，基于Grasselli 视倾角分布函数研究了不同视倾角的面积比含量，分析了较陡接触微凸体对节理抗剪强度的作用。对于完全耦合的并且没有填充物的节理，当承受法向荷载时，节理少部分接触微凸体会发生弹性变形，在最初接触的微凸体部分会发生屈服。随着法向应力继续增加，会有更多的微凸体相互接触并发生屈服，这一过程会连续发生直至相互接触的微凸体面积足够大能够承受给定法向荷载的作用。因此，所有接触微凸体中的最小倾角为在一定荷载作用下刚好屈服的微凸体的倾角。对于岩石节理在法向应力下的剪切问题，实际接触面积可以近似认为是作用在节理面上法向荷载除以岩石的单轴抗压强度。考虑实际接触部分节理微凸体分布特征，获取了实际接触节理微凸体平均有效视倾角，得到了合理的三维粗糙度指标。采用巴西劈裂试验方法获取岩石节理面，扫描并获取了节理形貌坐标数据，用以研究节理表面粗糙度。节理峰值剪胀角反映了在某一法向应力下节理的剪切性质，并且可以准确的反映节理峰值抗剪强度。对比分析了实际接触节理粗糙度与节理峰值剪胀角趋势变化，结果表明节理粗糙度新指标可以与节理峰值抗剪强度很好地联系起来。

• 筋土拉拔界面弹塑性模型的全历程分析

  杜常博, 易富,

  基于筋土拉拔界面理想弹塑性模型基础上，针对土工合成材料拉拔时出现的应变硬化和应变软化现象，提出了双线性剪应力-位移弹塑性硬化模型和三线性剪应力-位移弹塑性软化模型，将应变硬化筋材的筋土拉拔过程分为弹性阶段、弹性-硬化过渡阶段和完全硬化阶段，将应变软化筋材的筋土拉拔过程分为弹性阶段、弹性-软化过渡阶段、完全软化阶段、软化-残余过渡阶段和完全残余阶段;为了验证2种弹塑性模型的准确性与适用性，将2种弹塑性模型预测结果与试验结果进行对比，并引入几种经典的筋土界面模型进行对比分析;通过筋土界面基本控制方程，分别推导了拉拔荷载下应变硬化和应变软化2种塑性变形特征筋材不同阶段界面拉力、剪应力和位移的计算表达式，很好的反映了筋土拉拔界面的渐进性破坏;同时，为直观反映2种类型筋材拉拔试验过程中界面不同拉拔阶段的受力演化规律，对界面剪应力在不同拉拔阶段的分布规律进行分析。研究结果表明:2种弹塑性模型预测结果与拉拔试验数据吻合良好，能够较好的反映筋土界面的硬化或软化特性，且计算更为简便，具有更好的适用性，验证了所提出2种弹塑性模型对筋材在拉拔界面中渐进破坏分析的有效性;在筋材的拉拔过程中，2种弹塑性模型的过渡阶段一般均不明显。研究结果能够全面反映不同应变类型筋土界面的渐进性破坏。

• 表面活性剂作用下煤体力学特性及改性规律

  安文博, 王来贵,

  为了提高煤层润湿性，降低煤体结构致密性，减少或避免瓦斯事故发生，采用阴离子表面活性剂(SDS)改性煤体。以阜新长焰煤为研究对象，采用接触角实验和单轴压缩实验测定表面活性剂改性后煤样接触角、峰值强度、峰值应变和弹性模量等宏观物理力学特性随改性条件变化规律，采用X射线衍射(XRD)和傅里叶红外光谱(FTIR)实验测定表面活性剂改性后煤样矿物质组成和表面官能团等微观结构随改性条件变化规律，利用量子化学密度泛函理论探讨表面活性剂对煤体的改性规律，分析表面活性剂改性后煤体结构损伤过程。结果表明，当SDS溶液质量分数为0.5%、改性时间为48 h，改性温度为40 ℃时，煤体接触角达到最小，峰值强度和弹性模量降幅最大，峰值应变增幅最大。SDS溶液改性后，煤样中碳酸盐矿物含量减少，硅酸盐矿物含量增加，煤体的微晶结构完整性较差，煤分子内的官能团和各种桥键较为丰富，特别是脂肪类官能团较多，并且定向排列的有序性较低。基于量子化学密度泛函理论探讨了表面活性剂对煤体的改性规律，即表面活性剂通过静电作用力吸附在煤体上，在煤体表面发生化学反应，使煤体中有机矿物的官能团和化学键发生断裂，部分无机矿物发生溶解并分散，这也是煤体结构产生损伤的主要原因。煤表面的化学反应使煤体表面产生次生孔隙和裂隙，次生孔隙和裂隙相互连接形成裂纹，随着改性条件的变化，裂纹不断扩展延伸，直到裂纹贯穿整个煤体，导致煤体整体结构产生损伤，力学强度不断降低。

• 含孔试样孔周破坏的应变局部化特征

  张天军, 景晨, 张磊, 纪翔, 潘红宇,

  抽采钻孔孔周裂纹漏气是瓦斯抽采浓度低的原因之一，裂纹是由应变局部化带演变形成。为探究应变局部化带特征与宏观裂纹之间的关系，开展含孔试样单轴压缩破坏试验，利用数字散斑相关测量方法获取试样表面破坏图像序列及其破坏过程中的全场应变，分析不同阶段应变局部化带的分布特征，应力变化及能量演化过程。结果表明:根据受力与分布特征，应变局部化带分为主拉伸(T1)，法向剪切(NS)，第二主拉伸(T2)及倾斜剪切(IS)，宏观主裂纹是由T2，NS和IS应变局部化带贯通所形成。形成T1和T2应变局部化带的主导因素是拉应力，NS应变局部化带是由拉应力与压应力共同作用形成，IS应变局部化带的主导因素为压应力。T2，NS和IS应变局部化带的能量积累分别是T1应变局部化带的2.2，1.8和1.6倍，加载至应变的73.6%时，T1应变局部化带率先释放能量，产生微破裂，应力峰值后，T1应变局部化带持续释放能量，T2应变局部化带的能量变化呈下降、上升和下降趋势，NS与IS应变局部化带的能量变化为上升和下降，说明试样破坏过程为局部化带之间的能量调整，能量的调整与局部化带演化相关联。结果表明了含孔试样破坏过程中孔周应变局部化带的特征规律，揭示了钻孔应变集中带区域易发生斜交裂隙的本质。

• 含水煤岩超临界等温吸附模型的对比分析

  韩文成, 李爱芬, 方齐, ASADULLAH Memon,

  甲烷在煤层中的吸附多为含水条件下的超临界吸附。为了对比分析含水和超临界条件下经典吸附模型的适用性和准确性，开展了不同温度和不同含水率下煤层气的吸附实验，并分别采用Langmuir模型、Dubinin-Radushkevich(D-R)模型、Dubinin-Astakhov(D-A)模型，以及考虑了煤层气溶解及煤岩膨胀的改进Langmuir+k模型、Dubinin-Radushkevich+k(D-R+k)模型、Dubinin-Astakhov+k(D-A+k)模型对含水煤岩的吸附数据进行了拟合及对比分析,并讨论了水分和温度对煤岩超临界吸附的综合影响。结果表明:Langmuir模型、D-R模型和D-A模型在中压和高压下与实测结果偏差较大，均方根误差介于0.01~0.06。而考虑溶解气及煤岩膨胀等因素的改进吸附模型具有更高的拟合精度，其中D-A+k模型最适用于描述含水煤岩的超临界吸附，拟合误差最小，拟合精度最高，其均方根误差介于0.002~0.009。不同温度下含水煤岩的饱和吸附量均随含水率的增加出现不同程度的降低，当含水率增加至某一值后甲烷吸附量趋于稳定。在30和60 ℃下当煤岩含水率由0增至6%时，甲烷饱和吸附量分别降低7.92%和2.49%。不同含水率的煤岩其饱和吸附量随温度的增加出现不同程度的降低，当温度由30 ℃升高至60 ℃时，干煤样的饱和吸附量降低9.05%，而含水率为2.5%的湿煤样其饱和吸附量降低4.61%，含水率为6.0%的湿煤样其饱和吸附量降低3.68%。可见甲烷在煤岩中的吸附受水分和温度的综合影响，含水煤岩的饱和吸附量随温度和含水率的升高而降低，温度越高时煤岩的饱和吸附量受水分的影响越小,含水率越高的煤岩其饱和吸附量受温度影响越小。

• 煤矿火灾诱发瓦斯爆炸危险性预测

  汪腾蛟, 周西华, 白刚, 李诚玉, 杨小彬,

  针对高瓦斯易自燃煤层火区封闭与启封过程中常发生的瓦斯爆炸问题，采用20 L爆炸装置，在实验研究环境温度为25~200 ℃和CO体积分数为1%~10%的条件下进行瓦斯爆炸极限测定，发现CO体积分数升高，瓦斯爆炸上限、下限均下降，温度升高，爆炸上限升高、下限下降;温度与CO气体耦合作用下，瓦斯爆炸上限升高、下限下降，瓦斯爆炸危险性增加，爆炸上限、下限与温度和CO气体体积分数呈二次多项式变化趋势。初始温度和CO气体对爆炸极限的耦合影响比单一因素影响大，其对爆炸上限的影响更为显著。在此基础上，基于变化瓦斯爆炸三角形与曲线拟合理论，研究了火区封闭过程中次生瓦斯爆炸危险性演化过程，根据曲线相交原则反演求出CH4体积分数与O2体积分数，结合CH4体积分数与O2体积分数随时间变化关系，求出可能发生瓦斯爆炸时间t。若可能爆炸点M(XM(CH4),YM(O2))点的O2体积分数小于临界点E的O2体积分数，即YM(O2)YE(O2)，O2充足，发生瓦斯爆炸时间依据CH4体积分数变化的爆炸时间t(CH4)确定，并分析了瓦斯易爆点监测位置及变化趋势。以水平巷道煤巷底板火灾事故为例，在前期建立50 m×4 m×3 m(长×宽×高)的长方体巷道数值模型基础上，应用瓦斯、O2拟合曲线与变化爆炸三角形理论对火区封闭过程中瓦斯爆炸时间进行估算，得到了瓦斯爆炸发生时间，为现场应急抢险救援提供借鉴。

• 多重地质属性约束下CO2 -ECBM 选址原则及实例

  蔡颖, 申建, 李超, 赵刚,

  CO2-ECBM通过将CO2注入煤层提高煤层气采收率并实现CO2地质封存受到业界的高度关注。为了探索CO2-ECBM在沁水盆地南部SZN区块大量低单井产量井技术适应性，实现低效老井区产量提升以及CO2封存的双重收益，基于区内地质条件及储层非均质性等特征分析，提出了老井低效煤层气井区CO2-ECBM可注入性、可增产性、可封存性三大类选址关键地质原则。在此基础上，阐释了研究区关键地质选址原则下煤厚、渗透率、煤层倾角、构造曲率、地下水流场、地温场、埋深、顶底板岩性、断层等地质约束条件，指出煤层厚度适宜且煤层结构简单、平均产气量较高、煤层倾角小于5°、处于平缓近等轴褶皱构造部位(构造曲率低于2.5×10-4)、距离断层1 km以外、相对较低地应力及主地应力差、煤层地下水径流与CO2注入流场协同、煤层顶底板以致密泥岩类为主等CO2-ECBM潜在工程有利区评价参数和指标，优选出SZN区块北部Z-1～Z-100、中部Z-160～Z-170、南部Z-180～Z-240区等作为CO2-ECBM潜在有利区。通过对比分析，在有利区基础上进一步优选出煤体结构以碎裂-原生为主、物性条件较好且采出程度较低的7个备选井组。采用煤层剩余含气量、渗透率、现今产水量、15 m内砂岩厚度、井距等CO2-ECBM井组优选参数，基于灰色关联分析方法，厘定了CO2-ECBM注入井组实施先后序列为T-7>T-2>T-1>T-3>T-6>T-4>T-5，即T-2与T-7为最优先注入井组。

• 鄂尔多斯盆地长7段页岩强度与变形尺度效应规律试验研究

  李帅, 陈军斌, 王汉青, 龚迪光, 聂向荣,

  页岩层理结构发育，非均质性极强，其强度与变形特征存在显著的尺度效应现象，致使室内小尺度岩样测试结果在表征矿场大尺度页岩岩体力学性质时存在局限性。为探究页岩强度与变形的尺度效应规律，以鄂尔多斯盆地延长组长7段陆相页岩露头为研究对象，采用RTR-1000岩石三轴测试系统对11块高径比为2，直径为17,20,25和38 mm等4类岩样尺度进行单轴压缩试验，分析页岩强度与变形的尺度效应规律及其内在机理，在此基础上，提出一种新的适用于页岩的强度尺度效应模型，并初步得到室内岩样在表征页岩矿场岩体时的合理测试尺度。结果表明:绝大多数描述页岩强度与变形的力学参数存在显著的尺度效应现象，其中弹性模量和泊松比随岩样尺度增大而增大，峰值强度、峰值应变、残余应变、残余应力和破裂时间等随岩样尺度增大而减小;不同尺度的页岩在弹性变形向脆性破坏转变时均是瞬态的，不存在明显的塑性屈服段，且破裂前均为线弹性变形，破坏后均为拉伸-剪切破坏，但剪切角较小，均在10°以内;页岩强度与变形参数的尺度效应现象是由岩样的加载方向、层理面方向、层理面力学性质和微观缺陷不均匀分布等共同造成的;基于Griffith微裂纹强度理论模型得到新的适用于页岩的强度尺度效应模型，该模型与试验结果吻合度较好，能准确预测不同尺度的页岩岩样强度;不同矿场页岩岩体力学参数所对应的合理的室内试验岩样尺度不同，当岩样高径比为2，长度超过160 mm时，室内测得的岩样力学参数经现场校正后均可表征矿场岩体力学参数;页岩强度与变形的尺度效应规律可以用于预测储层钻井时的破裂压力，井壁变形特征以及压裂时的起裂和稳定扩展压力，在当前体积压裂施工中，扩大沿层理方向的分支缝压裂规模或对于大而厚、沿层理方向微缺陷极为发育的页岩储层，可以考虑进行直井的分段多簇压裂以充分释放层理面有利于压裂裂缝扩展的力学优势，从而提高页岩气井产量。

• 无机盐类阻化剂和自由基捕获剂对煤自燃的协同抑制作用

  王婕, 张玉龙, 王俊峰, 吴玉国, 周春山, 张振乾,

  从隔氧降温和终止自由基链式反应角度出发，将无机盐类阻化剂氯化镁和氯化钙与自由基捕获剂N,N-二苄基羟胺(DBHA)和2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚(BHT)结合形成一种持续高效抑制煤自燃的复合阻化剂。以易自燃长焰煤为研究对象，采用阻化性能测定实验、活性官能团以及热分析表征实验研究复合阻化剂的阻化性能;以煤自燃过程中CO释放、煤中活性官能团的转化以及煤体质量的变化规律3者之间的关联性为基础，结合氧化反应热动力学特性，探讨复合阻化剂的阻化机理。实验结果表明:复合阻化剂对煤自燃过程起到协同抑制作用，具有物理化学双重阻化效果。与原煤相比，经复合阻化剂处理煤样，CO释放量在128 ℃时减少88.7%，在初始失重阶段和吸氧增重阶段抑制率均在80%以上，100 ℃时抑制率达到82.5%。复合阻化剂通过降低煤中羟基、甲基和亚甲基以及含羰基类活性组分的含量发挥阻化作用，其中芳香酮类化合物相对含量下降明显。添加复合阻化剂的煤体氧气吸附过程变短，吸附量减少，并且随着煤自燃进程发展活化能呈现出增加的趋势，特别在吸氧增重阶段活化能增加53.2%。在初始失重阶段，无机盐的保水作用对煤自燃起到物理隔氧和降温作用;在吸氧增重阶段，自由基捕获剂与煤中含氧活性自由基进行共价键重组，从而起到化学阻化效果。DBHA会释放出游离的H+，并提供未共用电子的氮、氧原子，从而形成多个吸收位点，可以同时对氧自由基和碳自由基等进行捕获;BHT与游离的含氧官能团发生反应，生成稳定的化合物，使得酮类、醌类和醛类化合物的生成途径被打断，阻断煤的自由基链式反应，从化学反应途径抑制煤自燃过程。

• 浅埋薄基岩工作面水砂溃涌通道形成机理

  杨俊哲, 张彬, 付兴玉, 吴作启, 季文博,

  神东矿区首层煤炭资源赋存浅、煤层厚、开采强度大，厚松散含水层和薄基岩共存的地质条件导致工作面溃水溃砂事故多次发生。为了研究浅埋薄基岩工作面溃水溃砂致灾原因，采用现场实测、理论分析、相似模拟等方法研究了工作面切顶压架导致基岩裂隙导通工作面与含水松散层的发生机理。建立了覆岩组合承载结构模型，论证了“主控层-软弱层”组合承载结构模型在神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩破断过程中的适用性与合理性，通过组合承载结构模型对神东矿区浅埋薄基岩工作面覆岩组合结构稳定性进行了分析并推导了覆岩组合结构滑落失稳判据，揭示了冲击荷载形成条件并给出了最大冲击荷载计算方法。利用相似材料模拟实验开展了基载比分别为0.625，0.750，0.875，1.125四种工况的相似模拟实验，研究不同“基载比”条件下覆岩结构破坏规律，实验结果表明基载比对主控岩层破断步距的影响方面:初次来压前4类工况中直接顶均发生初次破断冒落，当基载比为0.875~1.150时，直接顶初垮步距及冒落厚度增幅减小;当基载比为0.750~1.125时，初次来压步距呈现增大趋势，直接顶冒落厚度呈现减小趋势;当基载比由0.625增加至1.125过程中周期来压步距呈现明显整体增大的趋势，周期来压相对于初次来压冒落岩层厚度明显减小。基载比对覆岩结构形态的影响方面:当基载比＜0.625时，初次破断期间覆岩将发生贯通至地表的切落;基载比＞0.75时中上位岩层断裂岩块块度为i=0.09~0.50，部分岩层可形成稳定简支结构，覆岩表现为下位冒落、中上位“简支梁-简支梁”组合承载结构，基载比由0.625增加至1.125过程中，对于块度i>0.50的中位岩层断裂岩块，将形成单回转岩块结构，该层位岩块架后切落始终存在，对于块度0.25<i<0.50的上位岩层断裂岩块，将形成简支梁结构，整体覆岩形成协同运动的承载结构，覆岩表现为下位冒落、中上位“单回转岩块-简支梁”组合承载结构，模拟实验结果与理论模型相符。22402工作面初采区域支架实测阻力平均介于5 000~6 000 kN，且来压期间呈现明显的动压显现，支架类型为最大支撑阻力5 500 kN型支架，由于支架性能未能满足实际来压需要导致切顶，基岩裂隙导通工作面与含水松散层，发生溃水溃砂，因此通过适当增加支架阻力可有效防止溃水溃砂事故的发生。

• 浅埋煤层地表沟道采动裂缝溃水量预测方法

  侯恩科, 车晓阳, 龙天文, 叶桢妮, 文强,

  浅埋煤层地区煤炭资源开发受多种水患因素影响，在地表剥蚀严重的沟谷区，更是受采动地表裂缝溃水水患的严重威胁。但现实中矿井地表沟道裂缝溃水数据较难获取，数据量较少，难以形成对沟道裂缝溃水及各主要影响因素较为准确和系统的认识。为了研究浅埋煤层矿井地表沟道裂缝溃水规律及各主要控制因子的影响程度，根据地表沟道裂缝溃水的主要控制因素，自行设计建造了地表沟道裂缝溃水实验平台。该实验平台能够对影响矿井地表沟道溃水的几项主要影响因子进行控制调节，观察不同控制因素对溃水量的影响程度，可解决实际溃水数据量较少难以进行溃水规律研究的问题。根据裂缝溃水实验数据结果分析了影响地表沟道裂缝溃水的水流流量、裂缝缝宽、坡降等影响因素与沟道裂缝溃水量之间各自的二元关系，发现沟道裂缝溃水水量与裂缝宽度成线性正相关关系，与沟道水流流量呈1/2幂指数关系，与沟道坡降的倒数呈对数关系。在此基础上，建立了单宽渠道单条裂缝溃水量与裂缝宽度、水流流量及沟道坡降之间的数学模型，推导出了实际地表沟道采动裂缝溃水量计算公式。实际应用证明，所推导的公式能够比较准确的进行矿井地表沟道裂缝溃水量预测。

• 煤炭资源开发与利用的立体式生态模式——以陕北矿区“1+4” 绿色可持续生态建设为例

  吴群英, 陈国梁, 冯涛,

  煤炭资源开采、加工、转化，最终需转化成社会需求，这一全链条活动过程是否是生态型的，决定了煤炭开采绿色水平、全要素生产率的水平及煤炭资源开采的前途。运用系统工程方法论，研究了煤炭资源的开采、价值发挥和生态文明建设的相互关系，对涉煤的一、二、三产业门类进行多维度分层的基础上，提出了煤炭开采过程中的立体式生态模式，确立了煤炭开采立体式生态体系中自然环境生态、产业生态、社会网生态等方面的关键要素、逻辑关系、构建方式以及煤炭开采立体式生态系统的“内涵、途径、目标、措施”。立体式生态系统中的开采业务技术生态解决煤炭“安全高效清洁”的产出问题，解决“有煤”的问题;自然环境生态解决开采与环境的“共生协调”问题;产业链生态解决煤炭“高效清洁利用”问题，是煤炭价值最大化的问题;社会网生态解决“煤竭矿兴和低碳”的问题;煤炭资源开发与利用的立体式生态模式改变了以往业务主体的单体生态、行业或部门的单线生态的定位和功能，形成由单个主体、行业单线向立体网络化生态体系的迈进;立体式生态模式打破了现有模式局限，不再是环保、个体最优，而是相关方的综合生态，是协调共享、可持续的机制、效率变革、以全要素生产率提升而完善和发展的生态系统。在此基础上分析了陕北矿区“1+4”绿色可持续立体式生态建设，明确了立体式生态模式在煤炭资源开采和利用过程中的作用。

• 微生物复垦后土壤有机碳组分及其高光谱敏感性识别效应

  毕银丽, 郭晨, 肖礼, 杜善周, 王义,

  微生物复垦技术是矿区环境治理的重要手段之一，对改善矿区的生态环境具有举足轻重的意义，而矿区微生物修复是一个生态持续演变过程，科学评价微生物复垦多年后采煤塌陷区的土壤质量和生态效应是目前亟待解决问题。为了探明接种丛枝菌根真菌（AMF）复垦多年后对采煤沉陷区土壤改良的生态效应，科学评价微生物复垦技术在矿区环境修复中的重要作用，以陕西神东采煤沉陷地2012年种植的紫穗槐复垦地为研究区，分析了接菌区和对照区2种不同处理下土壤基本理化性质、土壤活性有机碳、高光谱特征及其相互影响关系。研究结果表明：接种AM真菌7 a后土壤质地发生明显变化，土壤中全氮、有效磷和有机碳含量分别显著提高了48.3%，17.7%和31.2%，增加了土壤的含水率；土壤酶活性在不同处理区表现出一定的差异，接菌区土壤脲酶和磷酸酶高于对照区，分别显著提高28.6%和50.0%；土壤光谱反射率明显降低，变化最明显的为可见光655 nm波段，敏感波段为630~680 nm；土壤光谱反射率的降低主要受土壤有机碳的影响；土壤碳组分中微生物生物量碳与有机碳及土壤各相理化指标存在很高的相关性，拟合度R2均高于0.7，显著性检验概率P均远低于0.01，达到显著水平，可作为一项指标用来分析光谱特征。

• 磁化水对细颗粒水汽凝结长大的影响

  张园园, 张军, 尹杰, 徐欢欢,

  为促进燃煤电厂烟气中细颗粒物水汽凝结长大，提高其脱除效率，提出了采用磁化水强化低过饱和度下颗粒长大效果的方法。以润湿性差的炭质颗粒为研究对象，测量了水磁化前后的表面张力变化以及对炭质颗粒接触角的影响;将热水与冷气溶胶接触形成过饱和环境，利用生长管实验研究了磁化水和普通水条件下炭质颗粒的水汽相变长大特性;基于经典异质核化理论，计算了磁化水对炭质颗粒长大所需的临界饱和度和过渡阶段长大速率的影响。实验结果表明:在800 mT磁场强度下，经过30 min循环磁化，水的表面张力降低了4.5 mN/m，与炭质颗粒的接触角降低了3°，炭质颗粒的润湿性得到改善;与普通水相比，磁化水条件下炭质颗粒几何平均粒径从原始的1.42 μm长大到3 μm以上，长大效果更佳，并且在较低过饱和水平下促进效果更明显。理论计算结果表明，在磁化水作用下，相同粒径的炭质颗粒异质凝结长大所需的临界饱和度明显下降，更有利于促进粒径较小的颗粒发生异质凝结;磁化水有助于提高低过饱和度下炭质颗粒过渡阶段的长大速率，磁化水条件下炭质颗粒过渡阶段的长大速率总是大于普通水;当生长管中过饱和水平较低时，相比于普通水，磁化水可明显提高过渡阶段炭质颗粒的长大速率，并且大颗粒凝结长大效果更好。磁化水耦合水汽相变技术将有助于促进炭质颗粒水汽凝结长大，间接提高烟气除尘效率。

• 2-甲基-6-丙酰基萘的酰化合成及其分子结构表征

  李军芳, 毛学锋, 胡发亭, 李文博,

  2,6-萘二甲酸(2,6-NDA)是合成聚酯新材料聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的重要单体，2,6-NDA结构的高度对称性使得PEN具有直链聚合物的特性，这种特性使得PEN在耐热性、阻气性能和化学稳定性等方面具备非常优越的性能。2,6-NDA的合成可通过氧化2-甲基-6-酰基萘得到，其制备过程中的关键步骤为β-甲基萘的酰基化反应。为了揭示β-甲基萘的酰基化反应过程和机理，以Lewis酸AlCl3为催化剂，采用丙酰氯和硝基苯分别作为酰化剂和溶剂对β-甲基萘的酰基化反应进行详细研究。β-甲基萘的酰基化反应结果表明，25 ℃下控制原料物质的量比n(β-甲基萘)∶n(丙酰氯)∶n(AlCl3)=1.0∶1.4∶1.7，在丙酰氯过量的前提下酰化反应5 h，β-甲基萘的转化率为92.53%，目标产物选择性达89.98%，反应得到的酰化粗品用15%的甲醇水溶液进行重结晶精制可得到纯度为99.99%的酰化纯品。采用气相色谱(GC)、质谱(MS)、红外(IR)、核磁(1H-NMR、13C-NMR)及二维核磁解析(gCOSY)对酰化纯品的分子结构进行了详细表征，分析了酰基化产物的官能团信息和分子结构骨架原子信息。结合Chemdraw软件的结构预测对比确认了酰化产物为2-甲基-6-丙酰基萘。β-甲基萘酰化机理分析表明，酰化剂与催化剂形成的活化络合物分子具有较大的尺寸，在进行Friedel-Crafts酰基化反应时，酰化剂与芳烃发生环上亲电取代反应所引起的空间位阻使得酰化剂只能进攻萘环的6号位，导致酰基化反应主要生成2-甲基-6-丙酰基萘。

• 煤炭地下气化的热环境下煤样内部构造变化及模型试验研究

  苏发强, 于光磊, 高喜才, 范伟涛, 荆士杰, 浦海, 王伟林,

  煤炭地下气化(UCG)是一种将煤炭资源低碳化利用的技术，在中国的低碳经济下具有很好的前景。然而，全球煤炭地下气化经历几十年的现场试验，目前仍有许多待解决的问题。在煤炭地下气化过程中，气化区域随着煤层中裂纹和裂隙的扩展不断扩大，若不能有效监测和控制气化区域，将会引起煤层顶板岩层过度破坏，从而导致气体泄漏、地表沉陷和水污染等问题。为此，提出了以声发射活动参数及变化规律为基础评价气化过程中煤体的破裂及演化活动。利用板状和柱状煤样进行了一系列热履历试验，采用声发射(AE)监测和X射线扫描技术监测煤样加热前后的内部结构变化，研究温度、层理面与加热面方向对煤样破裂和裂隙扩展的影响。结果表明在对煤样表面加热的过程中，煤样表面及内部会产生许多裂纹和裂隙，并释放大量声发射信号;煤样的加热温度变化越快，声发射活性越高，产生的微裂纹越多;煤样内部产生微裂纹的方向与煤层理面趋向于平行。介绍了一种基于声发射活动参量的地下气化破裂区标定模型试验。分别测定了气化过程中的温度分布、声发射活动、气化煤气成分和气化煤量等。揭示了气化条件下煤体内部裂隙产生演化与声发射的内在联系，证明了声发射监测技术能够达到对气化过程中煤岩体破裂及演化区域进行预测及评价的目的。

• 富氧地下气化灰渣中有害微量元素的浸出行为

  刘淑琴, 马伟平,

  富氧气化是煤炭地下气化生产高品质合成气的重要工艺方法。煤炭地下气化作为一种煤炭原位化学开采方法，主要提取煤中的含能组分，而将气化灰渣等污染物留在地下，煤中有害微量元素随地下气化过程的进行，富集在煤气、飞灰及灰渣中，气化后地下气化灰渣经过地下水长期浸出作用，其中有害微量元素可能进入到地下水体中，造成地下水污染风险。研究煤炭地下气化灰渣的浸出特性对于理解灰渣中有害微量元素的迁移行为以及保护地下水具有重要的意义。以乌兰察布褐煤为研究对象，通过不同体积分数的富氧地下气化模拟实验制备了富氧气化灰渣，采用XRD检定了灰渣中的特征矿物质，利用SEM-EDS表征了灰渣的形貌。采用ICP-MS和全自动测汞仪(DMA 80)测定了不同富氧气化灰渣中有害微量元素Hg,As,Se,Cd,Pb,Ni,Be,Cr,Cu,Zn,Ba,Ag的含量以及在不同pH浸出液中的浸出质量浓度。研究结果表明，Hg在气化灰渣中的富集系数极低，地下气化过程中主要迁移到气相中，而Pb,Be,As和Se经历了富氧地下气化后在灰渣中发生了明显的富集。不同体积分数的富氧气化灰渣中有害微量元素的浸出水平均低于我国颁布的关于固体废弃物毒性浸出标准(GB5085.3—2007)规定值，这表明富氧地下气化灰渣不具备浸出毒性。此外，灰渣中有害微量元素在去离子水中的浸出质量浓度远低于危废浸出毒性标准规定值，而且能够达到灌溉用水的标准。

• 基于深度学习的采煤机截割轨迹预测及模型优化

  陈伟华, 南鹏飞, 闫孝姮, 彭继慎,

  提高采煤机记忆截割精度对于实现采煤机截割滚筒的自动调高，提升采煤机自动化水平具有重要意义。针对目前采煤机传统记忆截割方法精度不高的问题，根据采煤机截割过程具有一定重复性的特点，提出了一种基于深度长短时记忆(Long Short-Term Memory，LSTM)神经网络的采煤机记忆截割轨迹预测方法，通过MATLAB平台实现了模型的构建与模型参数的优化，并使用实际截割数据对深度LSTM神经网络模型进行了验证。预测实验的结果表明，深度LSTM神经网络相对于支持向量回归与梯度提升回归树算法在截割轨迹预测方面具有更高的准确性。深度LSTM神经网络的平均绝对误差、平均绝对百分误差、均方根误差均低于支持向量回归与梯度提升回归树算法。实际生产中采煤机需进行多次循环截割，考虑到实时性问题，神经网络模型需要对截割轨迹进行多步预测。为了进一步提升模型能力，提高模型在进行多步预测时的准确性，提出了一种LSTM神经网络的改进结构。通过在LSTM神经网络中引入比例因子，强化了神经网络的记忆保持能力。缓解了随预测步数增加，深度LSTM神经网络模型预测误差增大的问题。并对改进后模型与原模型进行了预测对比实验，实验结果表明，相较于未改进的模型，改进后的预测模型在多步预测中具有更好的表现，且优势随着预测步数的增加而更为明显。

• 基于岩渣粒径分布规律的TBM 刀具消耗分析

  闫长斌, 樊明辉, 陈馈, 杨延栋, 张兵, 杨继华,

  岩渣是TBM掘进过程中岩机作用的直接产物，其粒径分布规律是进行TBM地质适应性、掘进效率和刀具消耗评价的重要指标。针对刀具消耗评价问题，结合兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工，对TBM在不同岩体条件中掘进时产生的岩渣进行了现场量测与筛分试验，并对实测岩渣粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。对TBM掘进过程中刀具消耗规律进行了分析总结，探讨了不同岩体条件下TBM刀具消耗规律与岩渣粗糙度指数、岩渣颗粒级配系数以及岩渣粒径分组比例等参数之间的相关关系。研究结果表明:① 刀具消耗与岩体地质条件密切相关，岩石强度越高，耐磨性越强，刀具消耗越大，Ⅱ类和Ⅳ类围岩中TBM刀具消耗明显高于Ⅲ类围岩;滚刀直径对刀具消耗有一定影响，采用大直径滚刀可降低同等围岩条件下的刀具消耗;② 不同岩性条件下岩渣粒径分布不均匀，总体上属于级配良好，符合Rosin-Rammler函数，可采用Rosin-Rammler函数进行岩渣粒径分布参数计算;③ 刀具消耗与岩渣曲率系数的相关性不明显，与不均匀系数存在较好的二次函数关系，相关系数为0.875;④ 刀具消耗与岩渣粗糙度指数存在较显著的二次函数关系，相关系数为0.87,当岩渣粗糙度指数大于430时，岩渣粗糙度指数越高，TBM掘进效率越高，刀具消耗越小;⑤ 刀具消耗与岩渣几何平均粒径、R-R函数平均粒径呈正相关性，相关系数为0.84;⑥ 刀具消耗与岩渣形状含量比例之间密切相关。硬岩片状岩渣含量多时，刀具消耗较小，当片状岩渣含量大于40%时，刀具消耗降低速率加快;而块状与粉状岩渣多时，刀具消耗较大，当块状岩渣含量大于40%时，刀具消耗增加速率增高。研究成果建立了TBM刀具消耗与岩渣粒径分布规律之间的有效联系。

• 双绳缠绕式煤矿深井提升系统容器位姿调平控制方法

  李翔, 朱真才, 沈刚, 汤裕,

  针对柔性罐道工况下双绳缠绕式煤矿深井提升系统运行过程中容器倾斜问题，提出了容器位姿调平控制方法。首先，分析了双绳缠绕式深井提升系统的组成及各组成部分的几何关系，考虑提升系统和浮动天轮液压系统非线性问题，建立双绳缠绕式深井提升系统容器位姿调平非线性控制模型;其次，由于煤矿深井提升环境恶劣，因此提升系统容器位姿反馈信号通过无线装置进行采集，考虑提升系统运行过程中控制量在钢丝绳中传递存在的不确定延时问题，构建了容器位姿调平主动控制矩阵模型，设计了控制信号传输延时补偿观测器，证明了包含延时补偿观测器的容器位姿调平主动控制模型的稳定性;然后，设计滑模控制器实现提升系统容器位姿调平控制，考虑到控制器设计过程中需要容器角度的微分信号，利用高增益观测器为滑模控制器提供光滑的角度微分信号，进而提高控制性能;最后，利用双绳缠绕式煤矿深井提升试验台对提出控制信号延时补偿观测器及容器位姿调平控制方法开展了实验验证，实验结果表明，反步和本文提出的控制器相对于PI控制器具有更优越的响应速度，而提出的控制算法由于添加了延时补偿观测器和高增益观测器，具有更好的控制效果，可以减小容器倾角的峰值与均值，保证双绳缠绕式煤矿深井提升系统的安全运行。

• 基于余弦定理-PID的煤矸石分拣机器人动态目标稳准抓取算法

  王鹏, 曹现刚, 马宏伟, 吴旭东, 夏晶,

  针对煤矿生产中煤矸石分拣问题,提出了机器人分拣方案，并对机器人在跟踪和分拣煤矸石时出现延时、抖动、冲击、分拣速度低等现象进行了分析和讨论。通过分析发现，出现这些现象的主要原因是煤矸石属于大质量、快速移动分拣对象，同时决定了机器人机械本体具有较大的惯性负载，传统的跟踪算法由于较大的数据量不适于机器人对大质量、动态目标的快速跟踪与稳定抓取。针对该问题，结合实际工况以及不同追踪方法的优点，提出了基于余弦定理-PID的动态目标抓取算法。首先，利用梯形速度运动规律进行了轨迹规划，并建立了带有圆弧过渡的门字型轨迹;然后，对动态环境下的大质量、动态目标抓取问题建立了数学模型，并针对该数学模型提出了基于余弦定理-PID的动态目标抓取算法。该算法首先通过余弦定理计算出机器人理论抓取点，控制机器人快速到达理论抓取点后，再通过位置-速度双环PID算法控制机械臂末端与煤矸石进行同步。算法测试结果表明:该算法通过余弦定理计算出理论抓取点，能在很大程度上减小机械臂跟踪煤矸石时间，并使得机器人末端快速逼近目标，提高跟踪效率，并通过位置-速度双环PID算法控制机械臂末端与煤矸石进行同步，以保证机械手对煤矸石进行稳准抓取，有效解决了机器人在抓取过程中出现的延迟、抖动和冲击问题。样机实验结果表明:利用该算法能使煤矸石分拣机器人以最优时间进行大质量、动态目标的稳准抓取，单机器人抓取速度可达25次/min，验证了算法的准确性、高效性与稳定性。

• 基于自适应小波变换的煤矿降质图像模糊增强算法

  范伟强, 刘毅,

  为解决矿井下复杂光照条件导致视频监控系统中的图像降质问题，提出基于自适应小波变换的煤矿降质图像模糊增强算法。首先，通过多尺度小波分解将矿井降质图像分解为低频子图和不同尺度的高频子图，采用贝叶斯估计的小波收缩阈值方法，自适应调整不同尺度下高频子图的小波阈值;其次，设计了引入自适应权值因子和自适应增强系数的自适应小波阈值函数，在保持了阈值函数连续性的同时也能够避免产生固定偏差，从而实现了对不同尺度下高频子图的收缩阈值滤波和非线性增强;接着，采用双边滤波算法估计并去除低频子图中的照度分量，并对处理后的低频子图和各尺度高频子图进行小波重构，获取增强后的小波重构图像;最后，采用改进的隶属度函数和模糊增强算子对小波重构图像的亮度分量进行调整，得到最终增强图像。采用主观视觉和客观评价指标对降质图像增强实验进行分析验证，实验结果表明:所述算法具有最优的图像增强效果，能够有效抑制图像噪声、增强图像细节特征、降低图像失真、改善降质图像视觉效果，且克服了传统图像增强算法在矿井复杂光照条件下的局限性，具有较强的鲁棒性。其综合性能指标较CLAHE，SSR，MSR，BF-DCP，DGR，MSWT及PGCHE七种算法，分别提高4.42%，4.95%，15.35%，196.60%，88.93%，10.52%和12.10%。