煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第1期

• 煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想

  袁亮,

  人民健康已成为国家优先发展战略，以煤工尘肺为主的职业安全健康问题严重制约“健康中国”发展。从煤矿粉尘现状、基础研究、关键技术装备、政策标准等方面系统总结分析煤矿粉尘防控与职业安全健康面临挑战，在此基础上，提出煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想。该构想基于理工医多学科交叉融合，以大数据、云技术、人工智能和物联网等高新信息技术为支撑，创新“四位一体”科学研究方法，以煤矿无害作业、职业病精准治疗和职业安全健康智能预警等为核心，最终实现煤矿从业人员职业生命全周期职业安全健康。本文凝练了煤矿粉尘防控与职业安全健康6个主要关键科学问题，围绕煤矿粉尘产尘机理与高浓度粉尘分源高效防控理论、煤工尘肺多维度多层次生命信息流的发病机理、煤矿无尘化开采及粉尘精准防控技术与装备、煤工尘肺智能判识与精准诊疗技术装备、煤矿粉尘与职业安全健康智能预警等方面提出了5个主要研究方向。我国应加强理工医交叉融合协同创新与科研平台建设，深入开展基础研究工作，研发适合我国煤矿生产实际的成套技术与装备，重视示范工程建设和成果转化，加大政策支持力度和标准体系完善，构建煤矿粉尘防控及职业安全健康长效机制，实现煤矿无尘化作业和职业病少(零)发病，以煤矿职业安全健康助力健康中国发展。

• 论煤炭绿色开采的地质保障

  王双明, 孙强, 乔军伟, 王生全,

  受“缺油、少气、相对富煤”能源资源禀赋特点制约，煤炭一直是我国能源安全的基础保障。煤炭资源是地球演化过程形成的层状沉积矿产，是近地表地壳的组成部分，煤炭开采会对地质条件和生态环境造成损害。煤炭绿色开采地质保障从煤炭资源赋存地质条件出发，为实现煤炭资源安全高效开采、减缓和减小采掘工程对地质条件和生态环境损害，提供地质理论和技术支撑。从绿色开采地质保障的内涵、科学问题、技术问题、研究思路4个方面系统阐释了煤炭绿色开采地质保障理论与技术。煤炭绿色开采地质保障突出深部煤炭资源开采扰动下的地质条件变化，强调煤炭开采活动与地质结构和地表生态环境变化的整体研究，关注地下采掘工程引起时空效应范畴的地质条件变化和生态环境演化之间的耦合机制。总体研究思路是开采前精细勘查、开采过程有效减损、开采后恢复利用。采前实施空天地一体化精细勘查，查明煤系矿产资源空间赋存特征及维系地表生态系统的主要地质因素，构建涵盖煤系资源、地质条件、生态环境等要素的高精度三维模型，评价煤炭资源最佳利用方向和区域环境承载能力;采中进行地质条件损害探测、监测，揭示应力场、形变场、渗流场变化规律，研究煤系气、地下水运移和涌出特点，分析导致围岩动力灾害发生的地质因素，提出煤与瓦斯突出、水害、冲击地压等灾害超前预警理论及防控措施;采后进行采空区水体、有害气体、遗留资源的探测，巷道围岩、煤柱变形特征监测，研究煤-岩-水相互作用及采空区稳定性变化，开展地质条件及地表生态恢复演化过程研究，提出地下空间及遗留资源的综合利用理论与技术。煤炭绿色开采地质保障涵盖找煤、勘探、开采及采空区利用全过程，追求煤系矿产资源和生态环境保护协调发展。

• 5G技术在煤矿智能化中的应用展望

  王国法, 赵国瑞, 胡亚辉,

  煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的保障，当前处于煤矿智能化发展的初级阶段，仍然面临泛在感知难、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差、融合大数据的智能决策效率低等问题,面向垂直行业智能化应用的第五代移动通信技术(The fifth Generation Mobile Communication Technology，5G)为上述问题的解决提供了契机。本文分析了5G中的高频通信、大规模天线阵列、超密集组网、设备到设备通信、网络切片和移动边缘计算6项关键技术和各自的技术特征;研究了煤矿智能化应用在信息感知、多类型数据传输、实时决策控制、新技术应用和异构物联设备互联互通需求等方面的短板，以视频传输为例分析了4G技术在未来应用中的局限性，研究了井下WiFi组网的不足之处，指出了煤矿井下应用5G技术的必要性;结合5G技术优势和煤矿井下实际需求提出了基于5G技术的高精度实时定位与应用服务、虚拟交互应用、远程实时控制、远程协同运维及井下巡检和安防等煤矿井下应用场景，提出了基于混合现实的井下智能化开采和远程实时可视化操控的构想，给出了井下应用5G技术的总体架构:有线光纤骨干环网加5G覆盖，分析了实施要点，指出与井下应用场景的结合才能最大程度发挥5G技术在煤矿智能化开采中的作用，简要展望了基于5G技术的物联网、大数据、云计算、人工智能和虚拟现实等技术在煤矿智能化中的融合应用。

• 大倾角煤层长壁综采：进展、实践、科学问题

  伍永平, 贠东风, 解盘石, 王红伟, 郎丁, 胡博胜,

  大倾角煤层属难采煤层，在我国西部地区赋存广泛，此类煤炭资源的开发对区域经济发展起到了重要支柱作用。受煤层赋存条件制约，大倾角煤层的岩层运动机理复杂，作业空间受限，综合机械化开采难度大。自20世纪80年代起我国学者及一线工程技术人员便开始针对大倾角煤层的开采方法、岩层控制理论、关键技术装备展开研究。发展至今，已在理论、技术、装备等方面取得了较大进展，构架了较为完整的研究体系。从大倾角煤层长壁综采的进展、实践、科学问题3个方面系统梳理了已经取得的研究成果、积累的实践经验以及未来需要突破的关键科学问题。提炼出以下主要观点:① 我国首次定义了大倾角煤层的概念(煤层倾角35°～55°)并给出了工程解释，但随着近年来装备水平与开采方法的不断提升革新，大倾角煤层倾角涵盖范围的工程解释应有所外延。自20世纪90年代起至今，在大倾角煤层长壁开采岩层控制基本理论与关键技术、工作面动力灾害防护方法、工作面主要装备研发等领域的研究与试验取得了较大进展。② 在工程实践方面，除大倾角中厚煤层综采技术已趋于成熟外，大倾角厚煤层大采高综采、特厚煤层综放开采和薄煤层伪俯斜综采技术均有所突破并取得了一定效果，但仍存在诸多“瓶颈问题”亟需从科学层面予以解答。③ 仍需进一步加强复杂采动煤岩体力学性状与量化表征、复杂采动煤岩体力学行为及其对工作面灾变的控制作用、长壁采场“支架-围岩”系统多维交互动力学与多目标非稳态控制方法、非规则回采空间随机分离体形成-运动-损害过程及防护机制等科学问题研究，并以此为前提发明颠覆性开采方法、研发关键技术与装备，最终实现大倾角煤层安全高效与绿色开采。

• 采动覆岩卸荷膨胀累积效应

  许家林, 秦伟, 轩大洋, 朱卫兵,

  地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源，研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究，揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程。受关键层结构控制，上覆岩层由下向上成组破断运动，关键层破断前，阻断了上覆载荷向下方岩层的传递，导致其因卸荷而产生膨胀，包括碎胀与弹性膨胀。随着关键层破断高度增加，覆岩卸荷高度同步增大，因卸荷而膨胀的岩层总厚度不断增大;同时卸荷煤岩也受到已破断关键层载荷的压实作用，从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。将这种覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度动态变化的现象定义为采动覆岩卸荷膨胀累积效应，进而建立了其理论模型，并通过淮北海孜煤矿巨厚火成岩下采煤覆岩裂隙实测进行了验证。结果表明，采动覆岩卸荷膨胀累积效应对采动岩层运动规律产生了重要影响，如影响覆岩关键层下离层量，影响覆岩关键层贯通破断的高度，影响不同开采条件的地表下沉系数等。采动覆岩卸荷膨胀累积效应改变了对离层存在形式的传统认识，该效应的存在导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%，覆岩可注浆充填空间并非传统认识上的“离层区”，而主要是注浆充填压力“压实”作用下将覆岩卸荷累积膨胀所转化出的那部分空间，该发现指导了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术的创新研发及其在建筑物压煤开采中的成功实践。

• 分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究

  柴敬, 雷武林, 杜文刚, 张丁丁, 马哲, 袁强,

  为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律，以义马矿区的地质条件为背景，利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系，结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型(3.6 m×2.0 m×2.0 m)进行物理模拟试验，采用压力传感器测试采场支承压力，分布式光纤传感技术(BOTDA)监测覆岩动态变形过程，多点位移计测试岩层内部位移，并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致，传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时，40 m厚亚关键层一细砂岩(煤层上方112 m位置)中的传感光纤V11出现了4次频移峰值，分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz，发生了4次破断，初次破断距为368 m，周期破断距为186 m，处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩(煤层上方225 m位置)中的传感光纤V12出现了1次频移峰值，为165.94 MHz，仅发生1次破断，初次破断距为736 m，但结构未失稳，处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩(煤层上方386 m位置)中的传感光纤V13最大频移峰值为38.61 MHz，远远小于光纤V11和V12的频移峰值，仅发生微小弯曲变形，处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致，但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大，巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断，会出现同步和非同步破断现象，增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度，易诱发矿井动力灾害。

• 基于深度学习的大采高工作面矿压预测分析及模型泛化

  赵毅鑫, 杨志良, 马斌杰, 宋红华, 杨东辉,

  综采工作面矿压显现的分析与预测对于复杂地质下工作面顶板管理，保证矿井生产安全具有重要意义。采用关系型数据库储存液压支架工作阻力数据以及利用工作面推进过程中矿压显现的时序特性，采用SQL语言，运用长短时记忆网络(Long Short Time Memory，LSTM)深度学习方法，以红庆河矿31101大采高综采工作面矿压规律为研究对象，对工作面支架工作阻力、支架不平衡力、支架安全阀开启情况及初次来压与周期来压等矿压显现规律进行分析;基于建立的数据库，预测了红庆河大采高工作面矿山压力，预测结果表明LSTM方法较BP神经网络预测更具准确性。为进一步讨论本研究采用的LSTM网络模型的泛化能力，在采用布尔台42103大采高工作面、上湾矿12401大采高工作面少量矿压数据的前提下，使用迁移学习方法，对矿压数据进行预测检验，结果表明:LSTM模型具有很好的泛化能力，相比于不使用迁移学习方法，迁移学习可提高模型的泛化能力。最后，探讨了模型在3个大采高工作面矿压预测表现的差别，发现数据量本身对模型预测行为影响较大，增大数据量可弥补原始数据缺失等问题。在预测模型基础上设计了周期来压预警模型，集成形成相应矿压分析与预警系统，经工程验证判定预警系统分析效果良好。

• 深部煤巷帮部失稳诱冲机理及“卸-固”协同控制研究

  谭云亮, 郭伟耀, 赵同彬, 孟祥军,

  采用室内试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合的综合研究方法，研究了“煤体”自身能量释放型和“煤体+顶底板”共同能量释放型两类煤巷帮部失稳诱冲机理，分析了深部煤巷帮部不同破坏类型的能量释放特征，揭示了深部煤巷帮部“卸-固”协同控制机理，研发了深部煤巷帮部失稳“卸-固”协同控制技术。结果表明:① 顶底板及煤体内积聚弹性变形能共同释放是导致深部煤巷帮部发生冲击破坏的基本力学机制;② 深部煤巷帮部按破坏程度由弱到强依次为产生宏观裂缝、轻微帮鼓片帮、严重片帮和帮部整体抛出共4类破坏形态;③ 产生宏观裂缝和轻微帮鼓片帮破坏驱动能量主要来自煤体本身，而严重片帮和帮部整体抛出破坏驱动能量来自煤体和顶底板共同作用;④ 深部煤巷帮部冲击地压防控应从“卸”和“固”两方面入手，包括巷帮浅部破裂区煤体加固和巷帮深部完整区煤体及顶底板卸压，实现煤巷帮部冲击地压“卸-固”协同控制。如何提升巷道锚固支护系统与围岩结构耦合吸能水平，构建冲击地压灾害"卸-固"协同控制理论与技术体系，是深部开采冲击地压防治工程中需重点研究内容之一。

• 预裂锚固体力学特性及锚固机理

  王卫军, 董恩远, 赵志伟, 吴海, 袁超,

  为研究锚杆对深部巷道围岩的控制作用,通过制作三轴加载物理相似模拟试验系统,分析了锚杆支护强度、锚杆预紧力对预裂试件的锚固效果并构建了劈裂板梁结构模型。试验结果发现:无锚杆支护时,试件表现出脆性破坏;随锚杆支护强度及预紧力增大,试件承载能力得到提高且其应力应变曲线具有较好的屈服平台,表现出明显的延性特征;试件垂向位移量相近时,随锚杆支护强度及预紧力增大,试件体应变变小;试件主要沿最大主应力方向(垂直方向) 发生劈裂破坏,拉伸裂纹集中在临空面附近,剪切裂纹则分布在远离临空面的区域,在锚杆的作用下形成类似板梁结构,板梁挠度不仅与试件自身力学性能、外载荷有关,还与板梁长度、板梁结构形式有关。锚杆支护密度的增大改变了板梁结构形式,减小了板梁挠度,而较大预紧力能够降低板梁之间的离层量,相应的试件非连续变形得到控制。由此可知,锚杆支护不仅可提高破裂围岩的承载能力,而且可有效控制破裂围岩的非连续变形,从而提高深部巷道围岩的连续性和整体稳定性。

• 巷道防冲液压支架研究及应用

  潘一山, 肖永惠, 李国臻,

  针对现有巷道支护难以抵抗冲击地压产生的强震强冲作用从而造成支护失效、巷道垮塌及人员伤亡这一难题，基于巷道围岩-支护系统的静力学与动力学理论分析，提出了防冲支护设计的6项原则，即让位阻力可变原则、让位位移可变原则、让位刚度可变原则、让位频率可变原则、让位速度可变原则和让位能量可变原则。研制了具有吸能功能的巷道防冲液压支架，通过实验室试验对支架防冲装置中的诱导式预折纹构件进行了吸能特性研究，得到:单节防冲构件平均让位阻力1820 kN，让位位移100 mm，让位刚度和频率为0，让位速度为2.3 m/s，让位吸能为182 kJ;双节防冲构件平均让位阻力为2 010 kN，让位位移为200 mm，让位刚度和频率为0，让位速度为2.2 m/s，让位吸能为402 kJ，2种构件的实验结果都达到防冲液压支架的技术参数要求。进一步，对防冲液压支架在耿村煤矿井下的支护状态与吸能防冲效果进行了监测与分析，发现:防冲液压支架在ML3.0级强震过程中让位最大达16 cm，发挥了预期的吸能防冲作用，同时间接地证明了防冲支护设计原则的合理性。

• 冲击地压应力波作用机理

  王恩元, 冯俊军, 张奇明, 孔祥国, 刘晓斐,

  针对动载扰动下大型冲击地压的发生及演化过程难题，分析了采场动载应力波的产生机制，研究了动载应力波与静载耦合作用下煤岩体冲击破坏规律，从应力波的产生、传播与致灾过程详细解释了大型冲击地压演化机理。研究结果表明，采场高位坚硬顶板断裂与深部应力集中区煤体破断所产生的动载应力波幅值随着煤岩体强度增大而升高，应力波持续时间随着破断尺度增大而增大，说明在煤矿开采过程中，顶板或煤体强度越高、破断尺度越大，越容易产生大能量的动载应力波;动静载耦合冲击破坏实验结果证实，高静载、高动载应力波、静载与应力波耦合加载条件均能使煤岩体发生冲击破坏，且随着轴向静载的增大，试样发生冲击破坏所需的临界动载应力波强度先增大后减小，其上升段与下降段的分界点约为单轴抗压强度50%。当静载达到该临界点时，煤体发生冲击破坏所需的动载应力波强度急剧减小，说明高地应力环境煤岩体受到动载应力波的影响更为显著;现场大尺度模拟分析表明，动载应力波作用下，采场煤岩体塑性破坏区范围逐渐增加并主要集中在巷道两侧，且随着应力波幅值和持续时间增加，塑性破坏区范围不断扩大;研究提出了冲击地压应力波作用机理:动载扰动下冲击地压是静载、动载应力波与煤岩体结构耦合作用的结果，采场煤岩体大尺度破断产生高能量动载应力波，应力波与地应力耦合作用导致采掘空间围岩发生大范围破坏，最终形成冲击地压灾害。

• 我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术

  潘俊锋, 齐庆新, 刘少虹, 王书文, 马文涛, 亢鑫超,

  针对我国煤炭资源大规模步入深部开采，深部开采冲击地压事故频繁发生，为了厘清深部开采冲击地压特点、启动类型以及防治与浅部开采的区别，为深部开采防治冲击地压提供理论与技术指导，以我国煤炭资源深部开采冲击地压特征研究为切入点，从诱发冲击地压的载荷源角度，结合工程实例，建立力学模型，研究提出了我国深部开采冲击地压的3种类型，最后提出了深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控方法。结果表明，我国煤炭深部开采冲击地压特征总体表现为因基础静载荷充足，发生门槛降低，冲击显现位置点多面广，发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大，防治范围扩大，应力恢复快，高强度、长时效卸压要求突出;将我国煤炭深部开采冲击地压划分为3种类型，即深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型。深部动静载叠加型，因深部煤炭资源高地压环境，与浅部相比，较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发生冲击地压。深部高静载加载型冲击地压，其静载荷缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳，导致工程结构体结构动力失稳的结果，而深部高静载卸荷型冲击地压，其高静载荷最小阻抗带减小，静载荷卸荷过程是围岩结构稳定性遭到破坏，导致工程结构体材料动力失稳的结果，2者存在本质差别;深部冲击地压防控与常规浅埋冲击地压防控，差别在于基础静载荷充足，增量顶板等动载荷来源复杂，冲击危险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低，因此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防控，阻止诱发冲击地压的载荷条件形成;在动静载荷分源防控指导思想下，针对顶板动载荷源，开发了顶板“钻-切-压”一体化技术，深度弱化顶板，消除顶板动载源;针对巷道两帮垂直应力集中，开发了煤层一次成孔300 mm超大直径无人钻孔技术，高强度、长时效疏导煤体垂直应力;针对巷道底板高水平应力，开发了巷道底角联排桩基，高强度切断水平应力，阻止底板冲击滑移等技术，现场应用效果良好。

• 急倾斜煤层开采覆岩联动致灾特征分析

  来兴平, 代晶晶, 李超,

  针对乌鲁木齐矿区急倾斜煤层采空区顶板冲击失稳诱发动力灾害问题，根据乌东煤矿地质条件进行灾害成因分析，建立急倾斜煤层覆岩结构力学模型，结合顶板岩梁能量分布特征，明确致灾源头，提出防控措施;鉴于此，设计覆岩联动致灾物理相似模拟试验，采用红外热像与岩石破裂声发射(Acoustic Emission，AE)综合监测手段分析覆岩联动致灾阶段性“声-热”演化规律，结合3DEC离散元数值计算，确定灾源时空信息，指导动力灾害防控。研究结果表明:急倾斜煤层开采顶板岩梁与覆岩应力拱形成的“拱-梁”结构具有空间结构关联特征，该结构在高阶段水平分段短壁综放开采条件下失稳诱发动力灾害，将顶板岩梁按能量等级划分为本水平梁端起裂区、中部离层演生区和上水平拱脚高能区3个区域，其中上水平拱脚高能区为重点致灾区域;同时，在急倾斜煤层开采过程中覆岩结构动态破裂具有阶段性“声-热”演化规律，结合三区内热值异化程度与AE能率演化特征，将顶板破断周期划分为低水平发展、震前平静、加速活跃和松弛阶段，其中加速活跃阶段为灾害孕育期;基于研究结果制定了采空区顶板预裂爆破切顶解危措施，经全景智能钻孔窥视监测，致裂效果明显，灾害得到有效控制，为急倾斜煤层开采动力灾害防控提供借鉴。

• 煤矿矸石井下分选协同原位充填开采方法

  张吉雄, 巨峰, 李猛, 周楠, 张强,

  煤矿开采伴随着矸石等固废排放和采场矿压与地表沉陷控制问题，推进煤矿绿色开发将是从源头上保护矿区生态环境的重要手段，统筹考虑煤炭采掘、原煤加工和固废排放的关系对于建设绿色矿山尤为重要，而煤矿井下采-选-充协同将是从根本上解决上述问题的技术途径。基于此，在充分考虑采煤、分选和充填基础上，以井下分选为核心，围绕充填开采方法构建了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式，阐述了煤矿井下采、选、充系统的时空协同关系，揭示了“就近分选+原位充填”的科学内涵，实现了充填能力与分选能力匹配、采充系统与分选系统布置、采充工艺与分选工艺组织和矸石物流运输与调控4个方面的协同;提出了实现不同目标层次的煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系，主要包括全粒级分选、煤矸分离和毛煤排矸3个不同等级的井下煤矸分选技术和实现采场矿压与地表沉陷控制、矸石处理和资源回收不同目标的井下原位充填技术2个方面;分析评价了新型跳汰分选、旋流器分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和γ射线分选5种井下煤矸分选方法的适用性，给出了煤矿矸石井下分选方法选择流程，确定了煤矿矸石井下分选系统及巷硐布置要求，探讨了煤矿井下全粒级分选的发展方向;提出了全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4种典型充填开采方法，明确了4种典型充填开采方法的定义、系统布置及技术优势，形成了充填开采方法选择流程，进一步对比分析了4种典型充填开采方法的地表沉陷与采场矿压控制效果。研究成果为实现煤矿煤炭开采、井下分选和矸石处理集约化提供技术借鉴，进一步丰富我国煤矿绿色开采的技术体系。

• 我国煤矿充填开采应用现状与发展

  刘建功, 李新旺, 何团,

  为全面了解煤矿充填开采可行性，国家煤监局组织对我国充填开采技术应用现状进行系统调研，获取了我国不同区域、不同井型煤矿各种方法充填开采的详细资料。充填矿井生产实践表明:实施充填开采，消除了矸石山对生态环境的污染，有效遏制了地表沉陷，保护地表和地下水资源，避免了地面基础设施和建筑物损毁和村庄搬迁，减少了井下采空区涌水、降低采空区瓦斯积聚、浮煤自燃等事故发生可能性，取得良好的生态和社会效益。调研发现，我国仍有很多矿井面临生态环境破坏问题，有的可以通过充填开采予以解决，但真正选择通过充填开采解决实际问题和坚持长期充填开采的煤矿占比很小，通过深度调研了解了充填开采实施过程中存在的问题，分析了充填开采初期建设投资大、周期长、充填成本高、充填物料短缺、充填能力没有很好的发挥和缺乏政策激励等制约我国充填开采发展的主要因素。利用调研结果，探讨了区域经济、地质、生态、资源禀赋、产业特点、产业政策对充填开采的需求程度，以及不同地区、不同井型矿山对充填开采方式的优先选择原则，并对充填材料来源和充填重点区域进行了分析，研究了我国充填开采技术与装备的发展前景，提出了利用精准充填建设全过程生态矿山和井下“采选充留”技术路线。

• 中国遗煤开采现状及研究进展

  冯国瑞, 张玉江, 戚庭野, 康立勋,

  我国煤炭开采储采比低，对我国煤炭资源的可持续开发带来严重挑战，而历史原因造成浅部大量优质煤炭资源未能有效采出，形成了遗煤。通过对遗煤储量计算及遗煤开采矿井的统计，分析了我国遗煤储量、储采比、赋存类型、开采特点、遗煤开采研究现状及尚需解决的关键技术问题。研究表明:全国遗煤可采储量约400亿t，初次回采率不高于20%的遗煤可采储量达271.6亿t，占全部遗煤可采储量的67.4%，开采价值巨大;遗煤对储采比的增加率呈现东高西低的趋势，东部地区平均增加95.9%，中西部地区平均增加51%;15个省份进行遗煤开采，其可采储量347.1亿t，约占全国遗煤可采储量的86%;遗煤开采在2006年前后呈现不同趋势，2006年前，88.5%的遗煤开采矿井集中于东部产煤省，2006年后中西部产煤省开始大量进行遗煤开采;在地域上东部遗煤开采矿井占全部的65.82%，山西省占24.1%，可见遗煤开采集中在东部省份以及中部的山西省;遗煤类型可分为整层、分层、块段及组合遗煤4类，块段遗煤分布最广，东西部遗煤主导类型不同，东部以边角煤和保护煤柱为主，中西部则以小煤窑破坏区遗煤为主;遗煤开采研究在遗煤探测技术、遗煤开采理论及技术和遗煤开采灾害防治技术3个方面取得了进展。但遗煤开采是一个复杂的系统工程，在遗煤开采危险源探测、遗煤开采方法、遗煤开采矿压显现规律及岩层控制方法、老空区水、气赋存和运移规律及治理、遗煤开采灾害防治新型材料方面仍需深入研究。

• 基于采动充分性的地表动态下沉预计方法

  李全生, 郭俊廷, 戴华阳,

  井工开采及其对地表附属物的影响是一个动态过程，目前常用的采动影响预测多为静态结果，难以准确评价受护对象的影响程度，科学预测采动影响范围及程度对指导工程设计及受护对象防护具有重要的实际意义。在分析国内外动态预计方法的基础上，将现有动态预计方法依据其建立方法和思路分为时间函数法、速度函数法和下沉折减法3类，分析了这些方法的优势和局限性。分析了随开采充分性变化地表下沉速度的分布特征，通过对4个工作面近水平开采条件下地表移动的长时间观测与理论分析，提出了开采过程中地表最大下沉速度的计算公式，避免了因观测时间间隔差异引起测得地表下沉速度不准确的问题，分别建立了起动距、超前影响距、最大下沉速度滞后距与工作面推进速度的动态关系;提出了走向主断面包含开采充分性的地表下沉速度的分布函数和走向主断面动态下沉预计方法。采用建立的动态下沉预计方法，对神东补连塔矿地质开采条件下地表动态下沉进行了预计分析，并与主断面实测下沉数据进行了对比验证，结果表明，当工作面推进速度变化不大时，所用方法平均相对误差为21%，具有较好的预测精度;建立的动态下沉预计方法弥补了以往研究成果对开采初始阶段研究的不足，比建立在充分采动区单点移动全过程的预测模型更为可靠。

• 我国煤矿瓦斯爆炸抑爆减灾技术的研究进展及发展趋势

  余明高, 阳旭峰, 郑凯, 栾鹏鹏,

  瓦斯爆炸严重威胁着矿井安全开采，瓦斯爆炸防治一直是煤矿安全工作的重点之一。我国相关研究机构、学者在瓦斯爆炸防治领域开展了较广泛的研究，开发了一系列的瓦斯爆炸抑爆减灾技术及装备。本文从文献研究的角度出发，从基础研究、材料开发、装备研制3个方面对我国瓦斯抑爆减灾技术及装备的研究现状进行了综述与讨论。瓦斯爆炸及抑爆方面，国内学者主要基于实验手段，采用宏观的参数(如最大爆炸压力和最大压力上升速率等)表征瓦斯爆炸在障碍物激励或者抑爆剂抑制作用下的最终结果，缺乏对瓦斯爆炸过程中详细的爆炸或抑制过程的理论认识。瓦斯爆炸火焰传播过程中爆炸火焰-湍流-压力波的多场耦合作用下的火焰传播理论仍需完善，抑爆过程中抑爆介质对瓦斯爆炸反应的详细作用机制仍需明确。抑爆装置研制方面，近年发生的重(特)大瓦斯爆炸事故表明现有的瓦斯抑爆、控爆装备较难在矿井发生瓦斯爆炸时对瓦斯爆炸火焰实现精准探测、快速响应和高效抑爆，致使瓦斯爆炸抑爆装备在防控瓦斯爆炸过程中作用较为有限。对于瓦斯爆炸抑爆、控爆装置的配置方式及如何高效的实现抑爆、控爆功能仍需要进一步研究。减灾装备研制方面，国内学者主要考虑改变风井防爆门的结构以实现快速开启、复位功能。在这些设计中缺乏对风井防爆门在瞬时(ms)冲击作用下的破坏动态力学特征与动作响应特征的考虑。在未来，瓦斯爆炸抑爆减灾技术体系的研究以瓦斯爆炸机理及火焰传播特性理论为基础，打破以实验为主的研究手段，发展数值模拟理论模型，深入基础理论的研究;以瓦斯抑爆介质及其抑爆机理为核心，探寻具有物理和化学抑爆耦合作用机制的高效复合抑爆材料;以瓦斯抑爆装备和减灾技术为保障，发展兼顾快速、高精确度、高稳定性的瓦斯爆炸火焰探测技术，优化各抑爆、控爆设备的配置方式，研制具有抗冲击、多次泄压、快速复位、锁扣密封及自动控制功能的主-备一体化智能风井防爆门。加快数字矿山和矿井灾变智慧系统建设对瓦斯爆炸防治具有重要意义。

• 直接法瓦斯含量测定结果准确性实验研究

  李成武, 王义林, 王其江, 高鑫,

  直接法测瓦斯含量是煤层瓦斯含量测定的重要方法，对井下瓦斯含量快速测定具有非常重要的作用。在该方法中，损失量计算的准确与否对瓦斯含量测定的准确性具有较大影响。为了探讨该方法的准确性，模拟了煤矿井下直接法测瓦斯含量的测试条件，设计了煤的瓦斯解吸实验。依据现行的直接法测定瓦斯含量的国家标准进行了实验测试，设置了不同的瓦斯吸附压力来改变瓦斯含量，设置了不同的煤样暴露时间来改变瓦斯解吸的损失量。实验采用通用的煤瓦斯吸附解吸实验系统，取用山西凤凰山矿9号原煤，将其粉碎为5种粒度后均匀混合，分别进行了不同压力、不同煤样暴露时间的解吸实验。根据实验数据，采用国家标准规定的方法进行了损失量计算。计算结果表明，国家标准规定的损失量计算方法具有较大的误差，误差原因为:在煤的瓦斯解吸过程中，瓦斯解吸速度随时间变化其规律性并不一致，而单一的√t规律或幂函数规律对解吸速度的变化考虑的并不全面。通过损失量计算及误差分析结果，结合瓦斯分子微观解吸扩散过程进行分析，将直接法测含量中瓦斯解吸过程应分为3个阶段，分别是:符合线性规律的初期高速释放阶段、符合√t规律的中期快速解吸阶段、符合幂函数规律的后期缓速放散阶段，并给出了不同阶段对应的解吸量与解吸时间的数学表达式。

• 不同阶煤超临界CO2驱替开采CH4实验研究

  梁卫国, 张倍宁, 贺伟, 姚宏波,

  我国不同变质程度的煤层中均蕴含大量的煤层气资源，注超临界CO2驱替煤层气是解决目前深部煤层气开发困难有效途径之一。为研究超临界CO2在不同变质程度煤体中驱替开采CH4的效果，利用尺寸为100 mm×100 mm×200 mm的原煤试件，在恒定的温压(50 ℃，25 MPa)条件下，以10 MPa超临界CO2驱替压力对4种不同变质程度的煤(弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤)展开试验研究，结果表明:① 不同煤阶煤的孔隙发育程度和孔隙形态有较大差异，弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤包含的主要孔隙类型分别为墨水瓶型孔隙、楔形孔/平行板孔、楔形孔/平行板孔、狭缝型孔，微孔的D-R(Dubinin-Radushkevich)比表面积为无烟煤>弱黏煤>气煤>1/3焦煤;② 煤渗透率受成矿地质环境和构造活动等导致的煤体结构、变质程度、裂隙发育程度、煤岩组成等多种因素的影响，在相同的有效应力下，4种测试煤样渗透率随变质程度升高而逐渐降低，驱替过程中CO2注入量也随变质程度升高而降低，在25 MPa围压、10 MPa注入压力条件下，弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤的渗透率分别为4.58×10-18，2.75×10-18，0.91×10-18和0.05×10-18 m2，驱替实验结束时，CO2注入量分别为18.13，6.45，5.01和0.78 mol;③ 超临界CO2驱替效果与煤变质程度、渗透率和孔隙类型密切相关，4种煤试件的CH4产出率和CO2储存量均为气煤>1/3焦煤>弱黏煤>无烟煤。

• 裂隙煤体注浆浆液扩散规律及变质量渗流模型研究

  魏建平, 姚邦华, 刘勇, 王登科, 崔鹏飞, 姚帅,

  研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及降渗规律对于强化瓦斯抽采钻孔封孔效果具有重要意义。首先通过对注浆裂隙煤体内部质量变化进行分析，推导浆液封堵裂隙质量守恒方程及浆液流动方程;根据浆液对煤体裂隙结构影响推导了裂隙和渗透率变化方程，构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型。其次，利用注浆实验系统对裂隙煤样开展注浆试验，对注浆前后煤样分别进行CT扫描观测以及渗透率实验测定;最后，在理论模型的基础上，根据实验条件确定数值模拟初始条件及边界条件，对裂隙煤体注浆浆液扩散和降渗规律开展了数值模拟研究，结果表明:建立的基于裂隙煤体注浆的变质量渗流模型较好地反映浆液颗粒沉积过程对煤体裂隙结构及渗透率的影响;模型计算的浆液扩散与渗透率变化规律与试验结果吻合较好，验证了模型的合理性;在浆液渗流扩散作用下，煤体裂隙内浆液颗粒逐渐扩散并沉积，裂隙不断被充填，导致裂隙煤体渗透率不断下降。研究成果为定量分析注浆浆液颗粒运移规律、强化抽采钻孔封孔效果提供了新的思路。

• 基于热-流-固体系参数演变的煤与瓦斯突出能量演化

  许江, 周斌, 彭守建, 闫发志, 程亮, 杨威, 杨文健,

  基于气固耦合作用条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果，分析了突出过程中的温度-气压-应力体系演化过程，从热力系统能量守恒的思想出发，探讨了突出过程中多变指数的实时演化，并根据动态变化的多变指数推导出了多变过程中的瓦斯膨胀能的计算方法，在此基础上讨论了突出过程中的能量释放问题。研究结果表明:煤体不同区域的应力变化在突出过程中共呈现3种类型，即:初始下降-波动升降-平稳回升型、初始上升-小幅下降-平稳回升型和小幅下降-平稳回升型;煤体内瓦斯压力变化过程呈现两种类型，即:初始下降-波动升降-平稳下降型与平稳下降型;煤体温度则在突出过程中表现为单一的持续下降过程。煤体卸压区和应力集中区在突出前期为定温-定压-定熵相互转换的多变过程，突出中期为定温过程，突出后期为定温-定压相互转换多变的过程;应力升高区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程，突出中期至后期主要表现为定温过程;原岩应力区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程，突出中期至后期处于一个定温-定压-定熵相互转换的多变过程。突出过程中煤体的弹性应变能释放主要来自于应力集中区和应力升高区，煤体内各区域的弹性应变能的释放都会经历一个下降随后回升的现象，且该过程中各区域的弹性能不会一次性完全释放。突出过程中越靠近工作面区域释放的瓦斯膨胀能越大，膨胀能的释放并不是一个连续的过程，而是呈现阶段波动式，这种波动在突出后期尤为明显。根据本文的研究，在煤体物理力学性质确定的前提下，单独释放弹性应变能或瓦斯膨胀能都可以达到降低突出发生风险的目的，若同时对两者进行处理，则突出风险降低的概率更大。

• 深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统

  文光才, 孙海涛, 曹偈, 刘延保, 戴林超, 王波,

  深井煤炭资源的开采正日益成为行业的重点需求，然而高地应力、高瓦斯压力、高地温等深部环境下的煤岩瓦斯动力灾害的耦合伴生更加复杂，对这一科学问题的大尺度物理模拟分析研究是目前最适用的研究方法。因此，围绕高地应力、高瓦斯压力、高地温3个核心影响因素，理论分析了超千米深井环境对突出模拟系统加载能力、系统刚度、瓦斯压力和温度等的指标要求，提出了适用的临界指标。研究设计了由加载系统、密封系统为主体的超千米深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统，其垂直加载能力≥25 MPa、水平加载能力≥16 MPa、系统刚度3×1010N/m、瓦斯压力6 MPa、地温控制60 ℃，可满足在相似比为0.6~1.0条件下，1 000~1 500 m深井煤层赋存环境模拟。应用该系统对淮南丁集煤矿4·19动力灾害事故的发生进行了模拟分析，得到以下结论:突出过程突出孔洞后方不同位置处的煤体应力-气压耦合演变规律不同，大致可划分为突出孔洞所在区域、前突出影响区、后突出影响区以及未受影响区域等4个区域;在突出激发形成最初的孔洞后，突出影响区域内瓦斯解吸渗流速度将影响突出的进一步发展，应力主导下的突出持续时间较短，抛出煤量较少;实验共抛出煤样15.86 kg，还原现场突出煤量34.8 t，突出煤样的分选性不显著，呈现出典型压出型突出表象特征，与实际情况相符合，证明了该套系统的适用性及功能性。

• 羟基（-OH）对煤自燃侧链活性基团氧化反应特性的影响

  邓军, 李亚清, 张玉涛, 杨超萍, 张静, 史学强,

  针对煤结构及其氧化反应机理不明等问题，以羟基(—OH)和煤自燃侧链活性基团—OCH,—CHOHCH3和—OCH3为研究对象，采用密度泛函理论(DFT)的B3LYP-311G(d,p)方法，构建出了羟基(—OH)处于侧链活性结构邻位的小分子结构模型。基于前线轨道理论和量子化学理论，采用Gaussian 16软件对小分子模型的静电势、前线轨道的能级和电荷分布及煤氧复合反应过程中的热力学参数进行了模拟计算，探究了侧链活性基团的低温氧化特性和羟基(—OH)对其的影响。计算结果显示，在侧链活性结构中，氢原子周边呈强正电势，为亲核反应活性位点，而氧原子附近呈强负电势，为亲电反应活性位点。当羟基(—OH)处于侧链活性基团邻位时，会削弱侧链活性基团的亲电反应能力，增加—CHO和—CHOHCH3的亲核反应能力，而使—OCH3的亲核反应能力消失;通过分析各活性基团最高占据轨道(HOMO:Highest Occupied Molecular Orbital)和最低未占轨道(LUMO:Lowest Unoccupied Molecular Orbital)可知，侧链活性基团的稳定性与其前线轨道的成键能力并不一致，而活性基团与氧气发生复合反应的难易程度主要取决于该基团前线轨道中LUMO的成键能力，成键能力越强，复合反应越容易发生;由于羟基(—OH)改变了侧链活性基团前线轨道上的电子特性，故当其与侧链基团共存时，会使 —CHO和 —CHOHCH3与氧气的复合反应更容易发生，而使 —OCH3与氧气的复合由自发的放热反应转变为非自发的吸热反应。该研究成果可为揭示煤自燃微观作用机理和研发煤自燃新型高效阻化材料提供参考。

• 基于排采初期生产特征的煤层气合采地质条件分析

  秦勇, 吴建光, 张争光, 易同生, 杨兆彪, 金军, 张兵,

  煤层气高效合采的基础是深刻理解合采兼容性，其中的关键在于合采地质条件的量化分析。以滇东－黔西这一典型地区为例，主要基于11口合采试验井前150 d生产历史资料，采用地质统计及因素差异对比法，分析了合采地质条件特点，提出了研究区合采兼容性阈值及工程设计优化的地质建议。研究发现，合采产层组外在地质因素对排采初期效果的影响不一:产层组底界埋深显著影响排采初期生产行为，这是单采及合采的共性特征;产层组存在一个最佳跨度，但跨度阈值因地而异;产层组层数与初期产气量关系存在极大值，与初期产水量关系存在突变点，与压裂增渗倍数呈负相关关系，压裂增渗倍数随产层数增多而降低。产层组内在地质因素并非对排采初期效果都有影响:加权平均含气饱和度及其差异指数阈值因地而异，地层能量越低及储层可改造性越差，含气饱和度差异对初期生产效果的影响越强;原始压力状态差异对见气时间的影响主要存在于不同区块之间，在同一区块内没有实质性意义。发现产层组见气时间随平均压裂渗透率增大呈指数规律缩短，压裂改造效果与煤储层原始渗透率之间不存在必然联系，统一的压裂改造措施可能导致产层组各产层属性差异拉大，抑制了整体产气潜力的充分释放。为此，提出了合采产层组分层均衡压裂改造的设计思想，目的是通过差异性改造来弱化原始储层属性差异。先前采用的储层改造技术不适应于滇东地区800 m以深的煤储层;合理确定产层组的关键在于单井储层压力剖面精细分析;影响研究区储层可压裂改造性的关键地质因素是煤体结构;实现产层组产气潜力释放最大化的工程措施是各产层之间的均衡改造;合采井憋压与否、憋压程度因区块乃至因井而异，放气时机的把握十分重要。在合采井现行排采管控制度不变的前提下，建议控制产层组底界埋深和最大跨度，优选加权含气饱和度高、饱和度差异系数小和压力状态差异系数小的产层组，注重产层组中各产层的均衡改造。

• 煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势

  刘见中, 孙海涛, 雷毅, 曹偈,

  “十二五”以来，为响应国家油气生产供应多元化发展战略的需求，我国煤矿区煤层气开发利用技术取得了巨大的进步，虽然煤炭淘汰落后产能政策的推进使得我国煤矿数量由近20 000对直线下降到了不足5 800对，但煤层气产量仍由2010年的88亿m3提高到了2018年的184亿m3，利用率亦提升了10%，科技对产业的贡献巨大;但是也出现了单井排采产量低、气源分散性高等新的问题。因此，全面梳理了近10 a煤矿区地面抽采技术装备、井下抽采技术装备和煤矿区高、低浓度煤层气利用技术装备的科技创新、应用效果等，阐述了煤矿区煤层气开发利用在三级瓦斯地质分析技术、碎软低渗煤层地面井分段压裂顶板技术、煤层群分层控压联合排采技术、采动区地面L型顶板水平井技术、井下千米定向长钻孔技术、碎软煤层井下护孔钻进技术、智能化钻机远控钻孔技术、井下水力化压裂/割缝增渗技术等煤层气抽采技术及其配套装备最新进展和中高浓度煤层气深冷液化、低浓度煤层气分级压缩提浓、超低浓度煤层气蓄热氧化利用等煤层气利用装备的最新进展、技术指标。在此基础上，针对我国目前面临的深部开采、西部矿井开采及高强度集约化开采等特点分类整理了目前束缚煤层气产业发展的技术瓶颈和发展趋势，提出了煤炭开采与煤层气开发协同规划和联合开发的发展思路等。

• 基于Griffith强度理论的煤储层水力压裂有利区评价

  孟召平, 雷钧焕, 王宇恒,

  水力压裂有利区评价是煤储层压裂改造施工设计的基础。通过对沁水盆地西南部3号煤储层42个水力压裂地应力测试数据统计，系统分析了研究区煤储层地应力分布规律。采用378口水力压裂井资料，基于格里菲斯(Griffith)强度理论计算了研究区煤储层单轴抗拉强度，建立了煤储层破裂压力与最小水平主应力和抗拉强度之间关系和模型，揭示了研究区煤储层可压裂性特征，建立了基于Griffith强度理论的煤储层水力压裂有利区评价方法，对煤储层水力压裂有利区进行了评价。研究结果表明，研究区块3号煤层最大水平主应力14.67~45.05 MPa，平均为29.31 MPa，最大水平主应力梯度为2.00~4.84 MPa/100 m，平均为3.27 MPa/100 m;最小水平主应力10.51~29.09 MPa，平均为18.61 MPa;最小水平主应力梯度为1.44~2.85 MPa/100m，平均为2.09MPa/100 m，煤储层应力和压力均随深度的增加呈线性增大的规律。基于格里菲斯(Griffith)强度理论计算的研究区3号煤储层单轴抗拉强度为0.15~1.10 MPa，在平面上存在一定的差异性。根据单轴抗拉强度值将煤储层可压裂性划分为4类，对于较高抗拉强度区和高抗拉强度区(Ⅲ和Ⅳ)，煤储层抗拉强度值大，煤层气井水力压裂改造中起裂压力高，难以进行压裂改造。对于低抗拉强度区和较低抗拉强度区(Ⅰ和Ⅱ)，煤储层抗拉强度值小，煤层气井水力压裂改造中起裂压力小，易于进行压裂改造，评价结果与实际水力压裂情况相吻合。

• 煤炭生态地质勘查基本构架与科学问题

  王佟, 孙杰, 江涛, 林中月, 张博, 赵欣, 谢志清,

  基于煤盆地矿产资源与生态环境地质特征，以实现煤盆地多资源协同勘查开发与资源开发中生态环境和谐为目标，提出了煤炭生态地质勘查的理念与基本构架。煤炭生态地质勘查是指以煤炭地质基础理论和生态学理论为指导，针对煤盆地呈固、液、气、元素“四态”赋存的矿产资源、地表及地下空间关键层位、生态环境与其它自然资源，采用空、天、地一体化的多种勘查技术，涵盖资源勘查、开发地质保障、资源开发与环境保护、资源综合利用、生态修复与生态系统重构并贯穿于煤炭资源勘查开发到矿山闭坑全过程的相关地质与生态勘查工作。煤炭生态地质勘查是今后煤炭地质勘查工作的重要发展方向，核心理念是生态保护优先。基于煤炭生态地质勘查理念，以煤系矿产资源和水资源、地质关键层以及生态环境保护、监测、修复相关的主要地理要素、地质信息为对象，建立了煤炭生态地质勘查基本架构，分析了煤炭地质勘查工作向资源保障和环境保护与生态建设相结合的生态地质勘查方向转变的紧迫性。研究认为:煤炭生态地质勘查要统筹好资源保障与生态环境的关系，超前规划布局，优选遥感、快速精准钻探、高精度地球物理勘探等绿色勘查技术“空天地一体化”协同应用。根据煤盆地资源赋存特征选用煤与多种矿产资源的双目标、三目标、四目标、多目标协同勘查模式，同时在资源勘查、资源开采、采后修复全过程中注重地质关键层和生态环境信息的变化，实施环境保护与生态修复措施，并通过地质大数据分析技术，集成多维数据展示勘查成果，实现对煤系多种矿产资源、生态环境地质信息、开发地质条件的透明化、数字化。

• 上扬子地台上奥陶统五峰组页岩有机质聚集主控因素

  唐书恒, 郗兆栋, 朱卫平, 李洋, 闫欣璐,

  选择扬子地台东北部SY井上奥陶统五峰组为研究对象，对25个页岩岩芯样品开展了有机碳含量、矿物组分、主量和微量元素测试，重点分析了五峰组主、微量元素的变化特征及其所反映的沉积环境，讨论了五峰组页岩有机质聚集的主控因素。结果表明:根据有机碳含量的分布特征，晚凯迪阶—赫南特阶五峰组页岩可以划分为3个层段(WF1，WF2，WF3)，WF2具有最高的有机质丰度，WF1和WF3相当。氧化还原敏感微量元素Mo和U的富集特征指示WF1和WF3沉积于氧化-贫氧环境，WF2沉积于贫氧-缺氧的底水环境，沉积水体的还原性先增强而后有所减弱。五峰组3个层段均具有较高的Ba和生物成因硅含量，指示五峰组沉积时水体表面始终维持较高的古生产力，较高的Cd/Mo比值指示五峰组沉积时具有的高古生产力可能受控于上升洋流的存在。Al和Ti含量总体变化不大，反映五峰组沉积时海平面总体波动不大。WF1有机质含量与Mo和U的富集系数存在相似的变化趋势且与Al和Ti具有正相关性，认为有利的氧化还原条件是WF1有机质聚集的主要控制因素，而WF2有机质含量与生物成因硅存在明显的正相关性，认为较高的古生产力导致WF2有机质富集，WF3有机质含量与Mo和U的富集和生物成因硅均存在一定的相关关系，反映古生产力与氧化还原环境共同控制着WF3有机质的聚集。

• 中国煤型锗矿床中的关键金属和有害元素：赋存特征与富集成因

  魏强, 代世峰,

  煤型锗矿床是全球工业用锗的主要来源，其中富集的关键金属和有害元素值得密切关注。论述了我国内蒙古乌兰图嘎和云南临沧煤型锗矿床中富集的关键金属和有害元素的含量、赋存特征和富集成因。乌兰图嘎锗矿床富集的关键金属有Ge,W以及贵金属元素Au,Pt和Pd，富集的有害元素包括Be,F,As,Sb,Cs,Hg和Tl。临沧锗矿床富集的关键金属有Ge,W,Nb和U，富集的有害元素包括Be,As,Sb,Cs等。锗矿床中富集的Ge,W和U主要存在于有机质中。乌兰图嘎煤中的有害元素As,Hg,Sb和Tl主要与黄铁矿有关，还有部分As存在于有机质中，Be,F和Cs分别与碳酸盐矿物/黏土矿物、黏土矿物和伊利石有关。临沧煤中的Nb,As和Sb具有有机-无机的混合亲和性，Be存在于有机质和硫酸铍矿物中，Cs的主要载体为伊利石。乌兰图嘎锗矿床中关键金属组合Ge-W和有害元素组合As-Hg-Sb-Tl的富集是不同的热液流体侵入泥炭或煤层造成的，而临沧锗矿床中富集的元素组合Ge-W和Be-Cs-Nb-U为含N2的碱性热液和含CO2的火山热液混合后对花岗岩基底强烈淋溶的结果。

• 我国煤矿区水环境现状及矿井水处理利用研究进展

  孙亚军, 陈歌, 徐智敏, 袁慧卿, 张玉卓, 周丽洁, 王鑫, 张成行, 郑洁铭,

  煤炭长期占据我国能源消费结构的主体地位，因煤矿建设、开采、洗选、加工、废旧煤窑和矿井关闭等引发矿区一系列水环境问题尤为突出。国家大力支持“煤炭革命”，煤炭安全绿色开采成为新时代的主题，环保部门越发重视煤矿区的水环境问题。分析研究了我国煤矿矿区现阶段的水环境现状，针对不同矿区、不同矿井水类型，从矿井水污染模式和类型、含水岩组结构破坏、水资源流失、矿区土壤重金属富集和废弃矿井水位回升诱发的环境地质问题出发，总结我国煤矿区水环境研究现状、技术水平和未来发展趋势，并以矿井水处理为重点，分析归纳了洁净矿井水(物理法)、含悬浮物矿井水(混凝和超磁分离法)、高矿化度矿井水(蒸馏、离子交换和膜分离法)、酸性矿井水(物理、化学和生物法)、特殊组分矿井水(絮凝沉淀和离子交换法)和矿井水回灌(深层回灌)的水质特点、处理工艺和优缺点,并指明了未来的研究方向。根据煤矿区矿井水资源化利用现状，提出矿井水用于工农业生产、生活和特殊组分的矿井水资源化利用的优势和局限，针对特殊组分的矿井水提出了矿井水资源化利用的技术体系和理论框架，为进一步丰富和完善矿区水资源利用提供技术支撑。最后，针对矿井水资源化利用过程中的问题提出了“阻断、减量和保护”三原则，并对未来我国煤矿区环境现状和矿井水处理利用进行了展望。

• 西北大型煤炭基地地下水监测背景、思路及方法

  范立民, 孙魁, 李成, 高帅, 陈建平, 仵拨云, 彭捷, 郑苗苗, 姬怡微, 蒋蒙,

  我国14个大型煤炭基地中，西北地区分布有神东、陕北、黄陇、宁东、新疆等5个，2018年原煤产量占全国的46.28%。这些煤炭基地地处干旱半干旱地区，水资源贫乏，煤炭开发对含水层的扰动强度较大，甚至造成含水层结构损伤，地下水渗漏，水位下降并引发一系列环境问题。通过科学规划和采煤技术方法革新，调整煤炭开发布局和采煤技术方法，最大限度的减轻煤矿区含水层损伤，已经取得成效，但煤炭开发对地下水扰动动态影响的监控，必须通过建立矿区地下水监测网才能实现。论述了西北煤炭基地地下水监测网建设的背景和思路，介绍了陕西境内陕北、神东、黄陇三大型煤炭基地地下水网监测层位选择、建设部署及数据采集、传输与接收、管理。陕北、神东(陕西境内)和黄陇3个大型煤炭基地主要含水系统包括石炭系—侏罗系碎屑与上覆第四系松散层孔隙含水层系统、白垩系碎屑岩裂隙孔隙承压水-潜水含水系统和寒武—奥陶系碳酸盐岩岩溶水含水系统。地下水监测层位的选择以具有供水价值和生态意义，且受采动影响强烈的含水层为原则，陕北、神东煤炭(陕西境内)基地主要监测第四系萨拉乌苏组、第四系黄土、烧变岩和侏罗系风化基岩地下水，黄陇煤炭基地黄陇—永陇矿区主要监测白垩系地下水，渭北矿区主要监测奥陶系岩溶地下水。通过新建或改造原有水文长观孔，已经建成了由218口监测井构成的陕西境内大型煤炭基地监测网，监测数据采用自动化采集、无线传输与接收和统一管理，基本实现了监测数据的实时动态观测和规范化管理。

• 基于LBA-BP的矿井瞬变电磁法岩层富水性的定量预测

  程久龙, 赵家宏, 董毅, 董倩芸,

  作为巷道超前探测主要方法的矿井瞬变电磁法，目前仅能通过视电阻率来定性评价掘进工作面前方岩层富水性相对强弱。为了实现岩层富水性的定量预测，依据阿尔奇公式建立掘进工作面前方岩层富水性不均匀的数学模型，通过全空间三维时域有限差分(FDTD)数值模拟结果提取预测所用特征，根据所选特征与岩层富水性相关的地质参数确定富水性预测神经网络的结构。采用具有Lévy飞行特征的蝙蝠算法优化BP神经网络(LBA-BP)进行了富水性预测的仿真测试和现场试验。在仿真测试中，为接近实际情况，在数值模拟结果中加入了不同程度的噪声，对比测试结果发现尽管预测误差随噪声的增大而明显波动，但岩层孔隙度和含水饱和度预测的均方误差均不超过1%，预测准确度处在一个较高的水平。在现场试验中，根据现场地质资料划分富水性评价分级标准，由预测结果和视电阻率解释结果可以看出，LBA-BP预测方法对巷道前方岩层富水性的预测准确度要明显优于常规视电阻率解释方法。研究结果表明:感应电动势、采样时间、视电阻率、探测距离和对数坐标下的感应电动势衰减速率可作为岩层富水性预测所用特征，LBA-BP方法结合相应特征可以实现岩层富水性定量预测，提高了矿井瞬变电磁法对岩层富水性的解释精度。

• 西部重点煤矿区土地退化的影响因素及其评估

  卞正富, 于昊辰, 侯竟, 牟守国,

  中国西部生态环境极其脆弱，煤炭资源开发与自然因素共同作用导致的矿区土地退化不容忽视，本文旨在揭示我国西部煤矿区土地退化的成因、程度、分布与趋势，为矿区土地退化防治与国土空间生态修复提供数据基础与决策依据。提出了煤矿区土地退化的概念，将煤矿区土地退化的直接因素划分为挖损、塌陷和压占，间接因素或外在表现划分为土壤侵蚀、植被退化与沙漠化或石漠化，结合实地调查并辅以高分辨率与高光谱遥感数据解译，提取了上述土地退化因素信息，并提出了土地退化外在表现的分级评价标准，进而构建了西部煤矿区土地退化的综合评价模型，对分布于黄土高原区、西南山地丘陵区、北方草原区和西北干旱区的12个重点煤矿区进行了土地退化信息提取、土地退化因素分析与土地退化综合评价。结果表明:① 影响井工煤矿的万吨塌陷率的因素有累计采厚、平均采深、煤层倾角及上覆岩性，影响露天煤矿的万吨损毁率的因素包括煤层厚度、剥离岩土厚度及其堆放方式。② 不同地域的矿区土地退化主要表现有所不同:黄土高原区为植被退化和土壤侵蚀，西南山地丘陵区为土壤侵蚀，北方草原区与西北干旱区植被退化、土壤侵蚀与沙漠化3者兼有。③ 矿山尺度的土地退化要比矿区尺度的更为剧烈，露天开采引起的土地退化要强于井工开采;矿区尺度的土地退化程度与煤炭资源开发强度(用煤矿扰动面积与矿区总面积之比表示)有关，开发强度越大，矿区土地退化程度越严重，而土地退化程度与开发强度并不呈正比，它还与矿区的生态脆弱性或承载力有关。因此,不同区域、不同采煤方法造成的土地退化形式及退化程度不一，因此需要采取不同的修复策略;为防止过度土地退化，需要根据矿区生态承载力确定合适的开发强度。

• 再论煤矿区生态环境“边采边复”

  胡振琪, 肖武, 赵艳玲,

  煤炭资源开发与利用带来一系列生态环境问题，发展与保护的矛盾在经济高速发展背景下冲突日益显著。在当前生态文明建设背景下，矿区生态环境保护与修复成为热点与焦点。针对煤炭资源开发过程中形成的采煤沉陷、露天采场、固体废弃物堆积等损毁对象，以及由此产生的耕地损失、环境恶化、空气污染、矿-地冲突等矿区生态环境与社会问题，改变原有的“末端治理”理念，提出煤矿生态环境“边开采边修复”(简称“边采边复”)理念、技术以及实现路径。认为煤矿区生态环境“边采边复”是基于“源头和过程控制”的理念，而不是传统的“末端治理”理念，其特点是在采矿过程中，同步(时)治理。“边采边复”概念中的“复”既包含狭隘的“复垦(复耕)”，也包含Ecological Restoration中的“修复”的概念，其核心目的是为了及时恢复治理损伤的生态环境，缓解煤炭资源开发利用与环境保护之间的矛盾，确保矿业活动朝着可持续、循环与绿色的方向发展。因此，“边开采边复垦(广义的复垦)”、“边开采边修复”、“边开采边治理”都是一个意思，都可简称“边采边复”或“边采边治”。基于笔者提出的井工矿边采边复技术基础上，进一步凝练与阐述了煤矿区生态环境“边采边复”理念，讨论了煤矿生态环境“边采边复”的原理与类型，介绍了露天矿、采煤沉陷地、煤矸石3种主要损毁对象边采边复的关键技术。煤矿生态环境是一个整体与系统，“边采边复”是贯彻和实施山水林田湖草生命共同体，实现整体保护、系统修复与综合治理的有效保障。边采边复需要考虑治理修复过程的动态性、系统要素的均衡性、整体价值的最大性。为了促进边采边复理念与技术的发展与进步，仍有以下几个方面需要进行深入的研究:① 以系统思维的角度考虑自然资源要素的边采边复综合效益;② 加强边采边复与资源开采的耦合与优化调整机制研究;③ 加强新材料、新技术与新方法与边采边复技术的融合。

• 采用HYDRUS模拟采煤沉陷地裂缝区土壤水盐运移规律

  毕银丽, 伍越, 张健, 彭苏萍,

  煤炭的开采带来经济快速发展的同时也会带来一系列的生态环境问题，其中采煤沉陷产生的地裂缝是最直观的一种，其分布广、对土地破坏性大、对周边植物生长影响严重。西部矿井水矿化度较高，极易产生次生盐碱化，裂缝区的水盐运移对于该区域植物生长具有潜在的影响。为探究采煤沉陷地裂缝对土壤中水盐运移规律的影响，通过室内模拟试验，研究不同土壤盐浓度条件下，裂缝区土壤水盐分布特征，并运用数值模拟方法，建立采煤地裂缝土壤水盐运移模型，采用HYDRUS 2D软件进行模拟，将模拟值与实测值对比，结果表明:HYDRUS模拟数值与实测值呈现出相同的规律，满足精度要求，说明HYDRUS能够较好的模拟裂缝区域内的水盐运移。在56 d的模拟试验中，裂缝区土壤含水量在前3周为快速下降期，4~5周为中速下降期，5周之后为稳定期。越靠近地裂缝处土壤含水量下降越快，对于台阶为20 cm的地裂缝，其水盐含量影响范围约为水平距离裂缝45 cm处，地裂缝区域内土壤盐分运移趋势与水分基本一致，遵循盐随水行的运移规律，裂缝区含盐量有向下迁移的趋势，具有减轻次生盐碱化发生的潜力。

• 基于水化膜弱化促进煤泥脱水机理及试验研究

  闵凡飞, 任豹, 陈军, 刘春福, 彭陈亮,

  煤泥颗粒表面水化是煤泥脱水困难的重要因素之一，通过弱化煤泥颗粒表面水化膜促进煤泥高效脱水是一种新的技术方法。为掌握基于弱化水化膜促进煤泥脱水机理，采用密度泛函理论方法模拟了不同长链烷基季铵阳离子(表面活性剂)在煤泥水主要矿物颗粒表面的吸附，通过对吸附构型、Mulliken键布局及电荷的分析，研究了水及药剂在高岭石(001)面、α-石英(001)面和蒙脱石(001)面的吸附机理;通过开展煤泥脱水试验和接触角测试，探讨长链烷基季铵盐药剂对煤泥水分和表面润湿性的影响规律。结果表明，水分子在不同种类矿物(001)面的吸附稳定性顺序为石英>高岭石>蒙脱石，石英对煤泥脱水影响大于高岭石和蒙脱石;长链烷基季铵盐药剂在矿物表面的吸附稳定性明显高于水分子，说明药剂与水分子的竞争吸附作用顺序是蒙脱石>石英>高岭石;长链烷基季铵盐与几种矿物(001)表面吸附均是以静电引力为主，弱氢键为辅。随着长链烷基季铵盐药剂用量的增加，煤泥滤饼水分先减少后增加，当药剂用量为500 g/t效果最好，水分降低2.25%以上;随着药剂用量和链长的增加煤泥表面疏水性显著增加。控制药剂用量是实现高效煤泥脱水的技术关键，添加适量的表面活性剂有利于弱化矿物表面的水化膜，过量长链烷基季铵盐阻碍煤泥脱水。

• 燃用准东煤过程中碱/碱土金属迁移规律及锅炉结渣沾污研究进展

  吕俊复, 史航, 吴玉新, 张扬,

  准东煤灰分含量低、着火温度低、燃尽性能优良，是优良的动力用煤，但准东煤灰中碱/碱土金属含量高，在燃烧过程中易挥发进入气相并冷凝在受热面上从而强化锅炉的沾污、结渣过程，要实现安全、高效、洁净燃用准东煤，需对准东煤燃烧过程中矿物尤其是碱/碱土金属转化特性和灰熔融特性进行研究。对准东煤中碱/碱土金属(AAEM)赋存形态及燃用过程中AAEM的迁移转化、煤灰熔融特性、准东煤结渣、沾污机理等研究进展进行了介绍，总结了锅炉结渣、沾污关键影响因素及目前常用的防控方法。由于实验样品和条件的差异，AAEM在煤燃烧过程中的释放、转化特性及其对灰熔融特性的影响尚未有一致结论;对于AAEM释放多采用热力学平衡计算，相应的动力学模型缺乏深入研究;由于燃烧试验台实验工况与实际锅炉烟气组分、热参数等存在一定差异，燃烧试验台获得的结渣、积灰特性能否反映真实锅炉情况有待验证;实际锅炉沉积样品分析面临锅炉工况调整困难、可重复性差等问题，需对锅炉实际结渣污特性进行深入研究;锅炉设计、掺烧、参数调整等方法仅能减轻准东煤结渣、沾污等问题，为实现准东煤的安全、高效、洁净利用，仍需更加深入的研究煤灰结渣、沾污机理。应加强灰化温度、气氛等对煤热转化中AAEM的释放和转化特性影响的系统研究,进一步开展AAEM在煤热转化过程中的释放、矿物转化动力学模型研究，同时，需针对温度、气氛、煤灰组分等对准东煤结渣、沾污的影响规律开展更加细致地研究，为结渣、沾污防控提供支持。

• 煤热解焦油催化裂解和乙烷水蒸气重整耦合提高焦油品质

  胡浩权, 狄敏娜, 王明义, 靳立军, 王德超,

  本文旨在通过在炭基催化剂上发生的煤焦油原位催化裂解与乙烷水蒸气重整过程耦合以提高轻质焦油产率。以平朔煤(PS)为煤样，利用常压固定床反应器在氮气以及乙烷水蒸气混合气氛下进行焦油提质实验，并使用半焦(Char)，活性炭(AC)以及活性炭负载金属钴和镍(Co/AC,Ni/AC)作为提质催化剂，对比考察催化剂种类和反应气氛对提质过程中焦油及气体产物的影响。同时，为了解提质过程所得焦油产物的组成和性质，利用模拟蒸馏，GC-MS等表征手段对焦油进行检测分析。结果表明，活性炭负载Ni催化剂(Ni/AC)可催化乙烷水蒸气重整反应，产生的·CHx、·C2Hx、·H等小分子自由基可与焦油催化裂解产生的自由基结合，避免焦油过度裂解。与未加催化剂得到的平朔煤热解焦油相比，采用Ni/AC使轻质焦油(沸点低于360 ℃馏分)的质量分数和产率分别提高54.3%和52.4%，同时焦油中BTEXN(苯、甲苯、乙苯、二甲苯和萘)等芳烃组分产率明显提高;乙烷水蒸气混合气氛下(耦合过程)比同条件氮气下的焦油产率和轻质焦油产率分别提高38.1%和35.3%，焦油中C2~C3烷基取代苯和C1~C2烷基取代酚的相对含量有明显提高，说明乙烷和水蒸气被活化并参与了焦油形成过程。煤热解焦油的原位催化裂解的总体效果是将焦油中重质组分转化为轻质焦油和热解气，其提质效果与催化剂的活性组分密切相关，且反应气氛在煤焦油的形成过程中具有重要作用。

• 煤炭地下气化技术进展与工程科技

  梁杰, 王喆, 梁鲲, 李玉龙,

  介绍了国内外煤炭地下气化的研究历程，总结了煤炭地下气化的技术特点及研究成果，并指出了其工程科技问题及应用前景。结果表明，在100多年的开发研究过程中，形成了3种类型的煤炭地下气化技术:① 长壁式气流法气化技术，进气点和出气点固定，分别位于气化通道的两端，一个井进气，另一个井出气，利用气流流动速度控制气化工作面的移动;② 渗透式气化技术，利用煤层自然裂隙或人造裂隙作为气化通道;③ 控制后退注气点气化技术，在气化通道中设置注气管，利用注气管连续或间断后撤，实现注气点连续或间断后退移动。国内外煤炭地下气化技术还没有实现大规模产业化，需要进一步加强基础研究和工程技术开发，基础研究包括地质评价，实体煤层燃烧、热解、气化、贯通特性及气化过程特征场的演化规律，煤层上覆岩在高温作用下的热物性变化及冒落规律，地下煤气化污染物在燃空区的富集、迁移规律;工程技术开发包括规模化生产地下气化炉结构及构建技术，地下气化连续稳定控制技术，注气点移动控制装备，煤炭地下气化安全技术，污染物监控及燃空区管理技术，低成本的火区探测及气化过程分析技术，煤炭地下气化多联产技术。煤炭地下气化技术可以回收老矿井遗弃煤炭资源和开采深部煤炭资源，对保障我国能源安全具有重要的战略意义。

• 多喷嘴对置式气流床气化炉内热态行为的研究进展

  郭庆华, 卫俊涛, 龚岩, 祝慧雯, 于广锁,

  气流床气化具有原料适应性广、碳转化率高、单炉处理量大、环境污染小等显著优势，已成为当今煤气化技术的主流发展方向。气流床气化过程涉及高温、高压下多相流动与复杂化学反应的相互作用，炉内反应机理尤为复杂。开展多喷嘴对置式气流床气化炉内热态行为研究能为揭示气流床气化炉内反应机理、丰富和发展气流床煤气化理论体系以及为工业气化装置优化设计和长周期高效稳定运行提供重要依据。本文综述了气流床气化炉内温度场及撞击火焰结构、高温颗粒群动态特性(原位雾化、颗粒流动及演化行为)、火焰光谱辐射特性、煤灰熔融机理和流动特性、气化过程固体结构演变及其对气化反应机理的影响等多喷嘴对置式气流床气化热态行为关键科学问题的国内外研究进展。研究人员提出并验证了单视角重建气流床气化三维火焰结构及三维温度场的数学方法，揭示了气流床气化炉内热态颗粒形态、空间行为及壁面沉积过程统计学规律，基于火焰自由基分布特征揭示了撞击气化过程强化反应机理，获得了煤灰中不同矿物组分对煤灰熔融机理及流动特性的定性影响规律，系统考察了气化过程固体理化结构演变规律及其对气化反应的作用机制。展望了今后多喷嘴对置式气流床气化热态行为的研究方向。

• 褐煤直接液化过程中存在的问题与思考

  李文英,

  褐煤是初具芳香结构基本单元、煤化程度最低的一种煤，因其具有较高的H/C原子比、挥发分以及镜质组含量而具有良好的液化性能。同时，因O/C原子比含量高，加氢反应过程中容易生成水，不利于原料煤中含氧官能团在直接液化过程中有效生产潜在高附加值含氧化合物。在供氢溶剂存在下，褐煤大分子结构单元含有多种含氧官能团，如酚类、醇类、羧基、醚类等，在热转化过程中表现出不同的反应行为。在氢自由基不足的情况下，裂解产生的苯氧自由基容易发生缩合反应;在氢自由基充足时可将苯氧自由基稳定至酚类，这些稳定后的酚类化合物在较高的温度下将发生脱羟基反应生成水。上述两个过程都在很大程度上降低了生成含氧有机化合物的可能性。以酚类化合物为主要目标产物为例，既要考虑对褐煤中含有酚羟基官能团在加氢转化过程中的保护，又要考虑醚键、醇类等官能团缩聚向酚类物质的转化。与此同时，探索产生水或COx的最小化工况，不仅有助于减少氢的消耗，也相应获得高附加值的有机含氧化合物。因此，探索煤中含氧官能团在供氢体系下加热过程中如何得到“保留”和“抑制缩聚”的机制是很有必要的。本文旨在分析褐煤中含氧官能团热加氢转化行为，围绕含氧芳香族化合物高值产品导向生产存在的问题，提出定向转化的研究思路，并针对褐煤本身特点提出其高值化利用路径合理建议。

• 煤炭分级利用新思路-事前分离与精准利用

  秦志宏, 杨小芹, 林喆, 陈强,

  煤炭作为一种重要的能源和资源，其主要利用方式仍限于近百年前甚至千年前所形成的技术基础：燃烧、气化、焦化和液化。借助石油先分离馏分再分别加工利用的思路，在发明萃取反萃取法分离煤族组分的基础上，提出“事前分离与精准利用”的煤炭分级加工利用新思路，即先将煤全组分在常压室温下分离成重质组、密中质组、疏中质组和轻质组四大族组分，再针对各族组分自身的组成结构特点及其所展现的特殊性质，施以针对性的精准加工利用，使其使用价值获得最有效发挥，提高煤炭的综合利用效益。根据这一思路，本文在前期构建的煤嵌布结构模型理论及炼焦煤结焦新机理的基础上，进一步总结了课题组近年来在族组分分级利用方面所展开的实验研究及进展，探究了各族组分在资源化利用方面的可能途径，讨论了具体的加工利用方法及其产品性能，具体包括由疏中质组制备泡沫炭及多孔电极材料、密中质组制备中间相半焦、密中质组制备膜分离材料的理论分析、实验验证和工艺条件研究等，以及通过这些族组分建立新的炼焦配煤方法的理论依据和实验结果。结果表明:萃取反萃取法第1次实现了煤炭有机质在使用前的聚类分离;分离出的族组分彼此性质差别巨大，甚至是煤炭产生某方面特性的源质组分，如密中质组是炼焦煤产生流动性及生成中间相的源质组分，疏中质组是炼焦煤产生膨胀性的源质组分等;对这些源质分别进行的加工和转化，初步实现了各族组分“各尽其才”的资源化精准利用目标;所获得的初期产品性能良好，加工工艺简单，过程稳定可靠;提出的“事前分离与精准利用”设想完全可行。

• 煤基新材料-煤基石墨烯的制备及石墨烯在导热领域应用研究进展

  闫云飞, 高伟, 杨仲卿, 张力, 冉景煜,

  以石墨烯等为代表的具有优良物性和高附加值的新型材料得到越来越广泛的研究和应用，煤作为一种低价的高碳资源可通过不同的物理或化学方法制备成石墨烯及其化合物，使煤炭达到清洁高效利用，形成高附加值的煤基新材料。本文首先对石墨烯的制备方法进行综述进而引出煤基石墨烯的制备方法。煤基石墨烯是以煤炭为原料转化而成的石墨烯，通过高温热处理后，采用常规石墨烯的制备方法获取煤基石墨烯。随后对石墨烯具有超高的导热性能机理进行分析。随着电子工业的快速发展，越来越多的高性能电子产品面临越来越大的散热困境。石墨烯的导热系数是目前已知材料中最高，远超常规金属。利用石墨烯具有超高的横向导热机理，其单质或化合物可作为电子元器件理想的散热材料，逐渐取代传统金属导热材料，应用前景广阔。再分别对少数层石墨烯、石墨烯的复合材料、氧化石墨烯的复合材料在导热领域方面的研究进展及性能表现进行综述。其中石墨烯的复合材料的导热能力更强，应用范围更广。借助外力使石墨烯纳米片取向与传热方向对齐，可极大提高石墨烯复合材料导热能力。为进一步扩大石墨烯的应用范围、增强石墨烯平面外导热能力，可将石墨烯与碳纳米管结合。最后对煤基石墨烯的制备及石墨烯在导热领域的研究方向及发展前景进行了展望。

• 煤矿机器人体系及关键技术

  葛世荣, 胡而已, 裴文良,

  我国煤炭开采已从机械化、自动化正逐步向智能化迈进，煤矿智能化是涉及煤炭资源勘查、矿井建设、煤矿开采、安全保障、洗选分销等多个环节的系统工程，煤矿智能化发展需要经历自动化、信息化、互联化、智能化4个阶段，研发推广应用煤矿机器人是实现煤矿智能化、无人化的重要途径。综述了当前我国煤矿机器人领域的研究现状，科学阐明了煤矿机器人的概念和定义，详细分析了煤矿机器人研发历程和未来技术产品发展趋势。研究了煤矿机器人的分类方法，针对煤矿机器人的不同面向对象、作业区域、功能属性，构建了科学合理的煤矿机器人分类体系，从作业类型角度将煤矿机器人划分为掘进、采煤、运输、安控、救援五大类，结合目前机器人和人工智能技术领域的先进技术发展水平，按照由易到难、先零后整、各点突破、整体推进的基本原则，规划了不同种类、层次煤矿机器人的研发路径。提出了煤矿机器人研发过程中亟需突破的八大共性关键技术，包括:煤矿机器人防爆安全设计理论及方法、长续航高能量密度机器人动力技术、井下受限封闭环境下机器人自主精准定位导航技术、煤矿机器人的高可靠抗干扰通讯技术、煤矿复杂环境下机器人智能感知与险情识别技术、井下机器人群协同控制决策机制、煤矿机器人可靠性测试评估方法、煤矿机器人模块化设计方法,初步建立了我国煤矿机器人研发技术体系。

• 双绳缠绕式煤矿深井提升系统钢丝绳张力主动控制方法

  朱真才, 李翔, 沈刚, 汤裕,

  针对双绳缠绕式煤矿深井提升系统运行过程中钢丝绳张力不平衡问题，提出了钢丝绳张力主动控制方法。首先，分析双绳缠绕式煤矿深井提升系统钢丝绳张力与浮动天轮液压缸负载力之间的关系，考虑系统存在的非线性问题，建立了提升系统钢丝绳张力主动控制模型;其次，由于煤矿深井提升环境恶劣，因此钢丝绳张力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钢丝绳张力反馈信号通过无线传输存在不确定延时问题，基于系统控制模型构建了钢丝绳张力主动控制矩阵，设计了钢丝绳张力无线反馈信号传输延时补偿观测器，证明了包含延时补偿观测器的钢丝绳张力主动控制模型的稳定性;然后，考虑钢丝绳张力主动控制模型是一种严格反馈模型，存在输出约束问题，提出了反步控制和障碍李雅普诺夫函数相结合的钢丝绳张力主动控制方法，并证明了钢丝绳张力控制下的提升系统稳定性;最后，利用双绳缠绕式煤矿深井提升试验台对提出的传输延时补偿观测器及钢丝绳张力主动控制方法开展了实验验证，实验结果表明，延时补偿观测器可有效减小由于无线传输造成的钢丝绳张力反馈信号滞后量，与传统的被动式钢丝绳张力调节装置相比，在高速和低速工况下，提出的钢丝绳张力主动控制方法均可以更有效地减小2根钢丝绳张力差，进一步保证提升系统的安全运行。

• 基于熵权的正则化神经网络煤岩截割载荷谱预测模型

  刘春生, 李德根, 春平,

  截齿截割煤岩载荷是研制高性能采掘机械和智能化开采的重要基础，通过探究截齿截割煤岩载荷谱的变化规律和特征，为研究高效、高可靠破岩方法提供理论支撑，针对截齿破碎煤岩过程存在随机性，传统的理论推演载荷模型具有单值特性，难以准确描述任意截割条件下煤岩破碎的载荷历程，提出理论推演的截齿载荷幅值模型和有限实验载荷谱相结合方式，采用信息熵理论对理论与实验截割载荷谱进行综合，应用正则化神经网络对载荷谱综合进行模型化重构，根据最小二乘法提出基于有限载荷曲线族预测不同楔入角载荷谱的模型。结合30°~50°楔入角实验不同参数下载荷谱,以不同楔入角截齿的载荷谱和理论推演模型为例，对比分析不同楔入角下载荷谱的综合与正则化神经网络对其模型化重构，以及对不同楔入角的载荷预测。研究表明:构建了过程响应的截割阻力理论推演模型，在此基础上获得了30°~50°楔入角下理论与实验相结合的综合载荷谱，实现了载荷谱幅值与变化规律的表征，给出了载荷谱正则化神经网络模型化重构的方法;根据所建立的不同楔入角的载荷预测模型对30°,33°,50°和55°载荷谱进行预测，其中楔入角为30°和50°的预测载荷谱与正则化神经网络模型化重构载荷谱的互相关系数分别为0.971 7和0.983 9，呈高度相关，其幅值相对误差分别为4.04%和5.21%，表明该模型可以表征载荷幅值与截割煤岩载荷历程，模型具有一定优越性，为研究截齿的破碎机制提供了参考。

• 智慧矿山边缘云协同计算技术架构与基础保障关键技术探讨

  姜德义, 魏立科, 王翀, 范金洋, 任奕玮,

  随着工业互联网在全国各行各业落地应用，相关标准、体系和架构正在日趋完善，然而单一的云计算架构在不同领域应用中所暴露出来的问题也日益明显。在分析从数字矿山建设到智慧矿山建设进程中所采用的主流架构后，发现目前主流架构将无法满足日益增长的煤矿智能化的需求。为了科学设计智慧矿山建设的技术架构，基于煤矿五大业务域的数据特点，系统性地将煤矿领域的数据划分为两大类(边缘计算类和云计算类)，并以此为基础融合目前工业互联网领域提出的4层技术架构特点，设计了基于边缘云协同计算架构的智慧矿山技术架构体系。最后提出了保证该技术架构落地的3项解决方案:① 利用OPC UA技术提供一个具有统一性、跨层安全性和可扩展的架构来解决数据融合分析时面临的信息孤岛问题，保障了边缘计算数据和云计算数据跨层级交互能力;② 通过建设具有有界传输时延、低传输抖动和极低数据丢失率的时间敏感网络，并凭借其时间同步、数据调度、负载整形等多种优化机制，来保证时间敏感数据的实时、高效、稳定、安全传输，可以为数字孪生等未来新的智能化需求提供有效的解决方案;③ 在云端和边缘端分别部署相应的防护手段，同时在边缘侧与云端之间部署基于物理隔离技术的单向网闸等方式既保证了煤矿边缘云协同计算技术的安全防护能力又满足了煤矿智能化的实际需求。

• 智能工作面多参量精准感知与安全决策关键技术

  方新秋, 梁敏富, 李爽, 张磊, 严黄宝, 谢小平, 尉瑞, 吴刚, 吕嘉锟,

  煤矿智能化开采是我国煤炭综采技术发展的新阶段，也是煤炭工业技术革命和升级发展的需求和必然方向。围绕煤矿智能化开采技术、煤矿安全监测技术现状及发展趋势，介绍了煤矿智能化开采的技术内涵及核心三要素，指出智能感知是煤矿智能化开采的关键技术，传感监测技术是智能感知的核心。针对煤矿智能化开采感知层基础信息采集传感不全面、可靠性差、灵敏度低及安全决策技术落后等问题，基于“科学采矿”和“智能精准开采”先进理念，建立了智能工作面开采信息多参量精准感知与安全决策关键技术体系，研究了光纤光栅精准感知原理与传感特性，构建了光纤光栅-基体三层感知传递模型，揭示了光纤光栅粘贴长度范围内的应变分布规律，创建了光纤传感式煤矿开采巷道围岩安全状态信息和工作面装备姿态信息多参量信息感知体系，提出了基于光纤光栅智能感知技术的大容量、准分布传感网络拓扑结构，开发了基于大数据与云计算智能技术的多参量感知系统信息服务平台，构建了包括数据采集与感知层、数据传输层、数据处理与管理层和安全决策与控制层等4层系统架构，开展了基于光纤光栅的多参量感知与决策系统在煤矿开采中的具体工程应用，实现了现场生产状态、矿压信息、风险信息监测预报，为煤矿安全生产与管理提供决策支持。