煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第9期

• 智能化采煤工作面分类、分级评价指标体系

  王国法, 徐亚军, 孟祥军, 范京道, 吴群英, 任怀伟, 庞义辉, 杜毅博, 赵国瑞, 李明忠, 马英, 张金虎,

  针对我国智能化工作面尚没有统一标准，无法对煤矿智能化建设和发展水平进行科学合理定量评价问题，开展了智能化工作面分类、分级与评价指标体系研究，给出了智能化采煤工作面定义，建立了智能化工作面指标体系数学模型，提出了智能化工作面分类、分级评价指标体系与评价方法，开发了智能化采煤工作面分类、分级评价软件，结合具体案例，验证了评价方法与评价结果的科学合理性。首先对智能化采煤工作面、工作面智能集控中心、智能化开采模式等术语进行定义，提出智能化采煤工作面一般技术要求与系统配套条件，根据工作面煤层厚度、赋存条件、采煤方法和开采技术参数对智能化采煤工作面开采模式进行分类，将智能化采煤工作面分为薄煤层和中厚煤层智能化有人巡视无人操作、大采高煤层人-机-环智能耦合高效综采和综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤3种模式。然后以煤层赋存条件为基本指标、开采技术参数为参考指标，建立智能化采煤工作面分类评价指标体系，将采煤工作面煤层开采条件分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类;将智能化采煤工作面系统细分为智能割煤、智能支护、智能运输、智能控制、网络通讯、智能视频、智能喷雾、智能供液、智能巡检、智能供电、工作面照明、工作面语音、通风防灭火和安全监测14个子系统，针对不同类别工作面生产条件，分别对其设备性能达标条件和设备运行工况达标条件进行评价，建立适用于不同类别的智能化采煤工作面分级评价指标体系，将智能化采煤工作面分为高级、中级、初级3个级别，综合评价智能化工作面水平。最后以具体的采煤工作面为例，对智能化工作面相关指标进行具体解析，验证评价指标体系与评价方法的合理性与科学性。

• 大倾角煤层综采工作面再生顶板与支架失稳机理

  杨科, 池小楼, 刘钦节, 刘文杰, 刘帅,

  针对底分层煤层开采诱导采场再生顶板二次破坏和支架失稳特点，以潘北矿1212(3)再生顶板下大倾角煤层工作面为例，综合运用井下钻孔三维成像对再生顶板结构实测、基于声发射监测技术的相似物理模拟和理论分析3种技术手段，对大倾角煤层综采面再生顶板顶板结构、垮落特征以及支架失稳模式进行了研究。通过对底分层再生顶板施工的3个钻孔进行孔壁成像确定了底分层再生顶板胶结压实状态，结合相似物理模拟确定了煤层回采过程中的再生顶板垮落规律，并采用理论计算分析了再生顶板运动对采场支架稳定性的影响程度。结果表明:① 受煤层倾角影响，再生顶板压实程度呈现出采场下部高于采场中部，采场上部压实程度最弱的非对称压实特征;② 底分层顶板3~5 m范围内岩层易在支架间冒漏，此范围再生顶板是改变支架位态的关键岩层;③ 底分层再生顶板破断失稳经历了6个阶段，基于声发射信号强弱程度确定了采场下部再生顶板高位悬臂梁的断裂和上部再生顶板的滑移是引起底分层顶板破碎严重的主因;④ 基于现场支架载荷数据，验证了相似物理模拟准确性，标划出采场上部是支架稳定性重点防控区域;⑤ 在综合厘定再生顶板-支架作用关系基础上，构建再生顶板运动下的大倾角煤层采场支架倾倒和下滑失稳模型，分析支架受力特征，获得支架在倾倒、下滑临界状态下的架间作用力分别为-126.8 kN,86.2 kN，揭示了再生顶板载荷作用位置对支架稳定性影响显著;⑥ 探讨了护帮、护顶和护架的三位一体协同支护体系。

• 深井工作面顶板疏水区高强度开采诱冲机制及防治

  王博, 姜福兴, 朱斯陶, 张修峰, 尚晓光, 顾颖诗, 吴震,

  陕蒙矿区深井工作面普遍具有顶板富水、高强度开采等特点，且工作面开采过顶板疏水区域时已存在明显冲击地压显现，根据事故现场勘查及监测数据分析，发现该类冲击地压与工作面顶板疏水及开采强度有密切关系。通过建立疏水后工作面支承压力估算力学模型，研究了富水区疏水前后应力演化规律;同时，建立了高强度开采支承压力分布模型，研究了推采速度对工作面超前支承压力的影响。综合分析了疏水及高强度开采对工作面应力分布规律的影响，揭示了深井工作面顶板疏水区高强度开采下冲击地压发生机理。得到如下结论:疏水引起的应力集中程度在工作面开采时已趋于稳定，形成增压区与卸压区，是煤层及其顶板的静应力源;同一推采时间下推采速度越快，基本顶悬顶距越长，断裂前积聚的弹性能越多，超前支承压力峰值距煤壁越近，峰值越大，相应位置巷道围岩变形速率越快;当工作面快速推采经过疏水形成的增压区时，应力叠加易超过发生冲击地压的临界值，能量释放促使工作面煤壁发生冲击。将研究成果应用于深井富水工作面开采期间冲击地压防治，提出了疏水区域前后推采速度动态调控的防冲方法，根据微震监测及理论计算制定了工作面的临界推采速度，保证了工作面的安全回采。研究成果可为陕蒙矿区深井富水工作面开采期间冲击地压的防治及推采速度的确定提供参考。

• 双节理贯通岩石锚固机理试验研究

  赵同彬, 邹建超, 傅知勇, 于凤海,

  锚杆支护在矿山采动巷道裂隙围岩中应用范围不断扩大，揭示节理岩石锚固控制机理有利于提出科学合理的参数设计。采用声发射和数字散斑相关方法对45°倾角双节理岩石单轴压缩试验过程中的声发射数和变形场进行监测，建立了应力-应变曲线与声发射信号的对应关系，研究了曲线的变化特征以及声发射信号的分布规律，并分析了锚固作用对双节理岩石强度及变形特性影响。基于不同加载阶段双节理岩石表面散斑位移场分布特征和演化过程，总结了锚杆对节理岩石变形破坏模式和形态的影响规律。通过分析双节理岩石在不同阶段的变形演化特征与声发射数据活跃点位置及数据的对应关系，对试件破坏过程进行了划分。结合锚杆的变形形态，建立了压剪状态下锚固节理岩石力学模型，对其在不同加载阶段下进行受力分析，分析了双节理岩石破坏模式以及锚杆抗压剪、抑滑移锚固作用机理。结果表明:① 锚固双节理岩石可以承受较大的轴向变形而不发生失稳破坏，其起裂强度、弹性模量、峰值应变比无锚试件分别提高了30.7%,45.0%,109.9%，而泊松比仅为无锚试件的50%;② 锚固双节理岩石的破坏模式主要为断裂失稳，断裂失稳过程分为节理填充物滑动、节理面错动致裂、底部岩石起裂、上部岩石裂纹扩展、裂纹贯通5个阶段;③ 基于锚杆自身抗剪能力以及完整岩石的协同作用增强了锚固体抗压剪强度，锚杆抑制岩石基体相对滑动提高了节理岩石的变形能力。

• 树脂锚固剂搅拌过程仿真及高效搅拌构件优化实验

  刘少伟, 贺德印, 付孟雄, 张伟光,

  针对树脂锚杆工程应用中普遍存在的多种锚固失效问题，着重分析了树脂锚杆锚固系统黏结失效问题及影响因素，发现树脂锚固剂搅拌效果对其发生有重要影响。为有效降低锚固系统黏结失效问题的影响，提升树脂锚固剂的搅拌质量，根据锚固剂搅拌工作过程及搅拌效果影响因素，研发了一种可以套在锚杆(索)端部的锚固剂高效搅拌构件。采用理论分析、数值模拟和实验室试验相结合的方法，分析了树脂锚固剂对锚固系统工作性能的重要作用，同时，完成了高效搅拌构件结构设计及参数优化、工作原理、搅拌成效及改善锚固质量的作用效果分析。结果表明:高效搅拌构件搅拌截齿斜角为30°时，其结构参数设计较为合理，此时对树脂锚固剂具有较好的搅拌效果。在锚杆顶端安装高效搅拌，可有效提高搅拌过程中树脂锚固剂的运动速度，改善锚固剂搅拌混合的均匀性及固化效果，锚固剂体积分布更加合理密实。在构件的搅拌作用下，锚固剂封装袋将破碎成较小碎片，可避免较大封装袋碎片对锚固质量的影响，有助于提高锚杆锚固质量。锚杆拉拔试验对比分析结果显示，通过在锚杆顶端安装高效搅拌构件，锚杆的拉拔力峰值、拉拔过程能量吸收能力，相较于仅有锚杆作用时均有较大提高，说明锚固系统的锚固质量及抵抗破坏的能力得到了明显增强。

• 煤矿冲击地压巷道三级吸能支护的强度计算方法

  王爱文, 潘一山, 齐庆新, 徐连满, 高明仕, 刘金海, 代连朋, 肖永惠,

  针对冲击危险巷道防冲吸能支护缺乏量化设计方法这一难题，从冲击地压巷道围岩的静-动力学环境与结构特征两方面，开展防冲吸能支护强度计算方法研究。研究表明：由于支护与卸压双重作用，巷道周围形成了以巷内支护层、锚固层、卸压层以及原岩层为主的多层圆环结构，各层圆环内的围岩材料性能在巷道围岩径向方向形成典型的梯度结构特征。基于拟静态法，将远场冲击动载荷与围岩静载荷叠加，通过简化锚固层内锚杆（索）支护作用，弱化卸压层内煤岩力学参数，建立了冲击地压巷道围岩梯度结构力学模型。利用梯度结构内多层圆环接触面上的应力计算方法，进行了梯度结构围岩内多层圆环接触面间的受力分析，验证了弱化卸压层内的煤岩力学性能、增加卸压层的结构尺寸、提高锚固层的支护强度，可减小冲击载荷对巷内支护层的作用，提高巷内支护层的抗冲击能力。引入冲击破坏等级系数，建立了吸能防冲支护强度与冲击地压等级间的关系，给出了冲击危险巷道三级吸能防冲支护的强度计算方法，实现了冲击危险巷道吸能防冲支护参数的量化设计。结合某矿具体工程实践，核算了该矿所采用的“锚杆（索）+可缩性36U棚支架+液压抬棚和吸能液压支架”三级吸能防冲支参数最大能够抵抗等级为2级（相当于震源距离巷道100 m，释放108 J能量）的冲击地压。

• 长期载荷作用下柔性锚杆力学特性及工程应用

  谢正正, 张农, 王朋, 汪明坤,

  以联合强化支护为主的控制技术是当前深部煤巷围岩控制的主要手段，复杂化的支护形式明显降低巷道掘进效率，采掘矛盾突出，已成为制约煤矿高效生产的普遍性难题。而不受巷道高度限制且能实现快速安装的柔性锚杆已在静态拉伸下表现出良好的力学性能，可有效解决巷道安全与掘进效率相制约的问题。为研究柔性锚杆在长期载荷作用下的力学特性和动态变化特征，通过自主研发的锚杆(索)耐久性实验系统对柔性锚杆进行长达5个月加载实验，分别设置无处理对照组、不同淋水环境和不同安装角度3种相似工程环境，并对长期加载后的柔性锚杆开展静态拉伸实验。结果表明，与未经长期载荷作用的柔性锚杆相比，长期加载对柔性锚杆力学性能影响较小,峰值力仅降低1.2%;淋水环境下柔性锚杆出现多处锈蚀，其峰值载荷和延伸性能较无处理对照组均出现降低，分别降低8.6%和21.4%，而经防锈处理的柔性锚杆能保持自身的力学性能;不同安装角度的柔性锚杆有差异性的力学行为，角度过大时对柔性锚杆的承载能力带来不利影响;现场应用时，要确保柔性锚杆经过防锈处理且安装角度不宜过大。最后，在大倾角强动压巷道、高应力大断面巷道和厚顶煤巷道等复杂条件巷道中进行柔性锚杆单一化支护技术的现场实践，锚杆支护效率和巷道掘进速度有明显提升，同时围岩变形得到有效控制。

• 3种岩石动态拉伸力学性能试验与对比分析

  杨仁树, 李炜煜, 李永亮, 方士正, 朱晔,

  为研究不同岩性岩石动态拉伸力学性能的差异，选用岩石工程中较为常见且波阻抗差别较大的3种岩石:红砂岩、灰砂岩和花岗岩，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统分别对3种岩石巴西圆盘试件进行不同冲击速度下的动态劈裂拉伸试验，同时结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对试样表面应变场变化过程及其动态拉伸破坏过程进行了观测。对比研究分析了3种岩石的拉伸应变场和剪切应变场的动态演化规律，不同冲击速度和不同加载率下3种岩石的动态拉伸强度、拉伸敏感系数和破坏形态的变化规律，以及波阻抗对岩石动态拉伸力学性能的影响。研究结果表明:① 3种岩石破坏形态的差异主要体现在圆盘试件两端的楔形局部剪切破碎区，且局部剪切破碎区面积受冲击速度的影响。② 3种岩石动态拉伸强度随冲击速度和加载率的增大均表现出良好的线性增大的关系，且相同冲击速度下，花岗岩加载率和动态拉伸强度>灰砂岩>红砂岩。③ 红砂岩拉伸强度对加载率最敏感，花岗岩次之，灰砂岩敏感性最弱，且随冲击速度和加载率的增大，3种岩石拉伸敏感系数均呈线性增大关系。④ 相同应力波作用下，岩石的应力波传播过程、加载历史以及动态拉伸力学性能受岩石波阻抗影响，且几者之间存在递进影响的关系。

• 水泥石试件早期损伤特性与后期力学行为分析

  辛亚军, 吕鑫, 姬红英, 郝海春, 董帅,

  水泥石早期强度较低，较小扰动易受到损伤破裂，而早期水泥石损伤特性表现复杂，且不同损伤程度对其后期承载力学行为影响较大。基于对早期水泥石损伤特性的理论分析，采用相同比例水泥浆液预制100 mm×100 mm×100 mm的水泥石试件5组，在实验室利用刚性试验机，对筛选的5组10个水泥石试件进行3 d早期不同应力比损伤单轴压缩与28 d后期承载力学特性试验，分析了早期水泥石损伤机制及基本特性，引入了早期水泥石损伤系数概念，建立了早期水泥石试件全应力-应变曲线条件下的损伤量求解方程，确定了早期水泥石损伤阈值，研究了早期水泥石不同损伤(损伤量或应力比)对后期强度、变形的影响规律以及与弹性模量、泊松比的关系，提出了基于早期水泥石损伤的后期承载失稳模式。结果表明:早期水泥石损伤曲线分为压密损伤、损伤累积与损伤爆发3个阶段，单轴压缩破坏过程中存在典型全应力-应变曲线各阶段特征，水泥石试件完整损伤模型方程可分为两段式进行描述，能较好表征早期水泥石不同应力比条件下的损伤特征;随着早期水泥石试件应力比增加(75%～100%)，早期水泥石试件的轴向应变、横向应变、泊松比与损伤量呈增加趋势，且横向应变增幅大于轴向应变，而弹性模量则表现为衰减趋势;损伤量0.48(80%应力比)为早期水泥石损伤阈值，早期水泥石试件损伤超过阈值，试件内部裂隙扩展、贯穿至最后失稳，后期水泥石试件则由前期强度增强转为强度衰减;随着水泥石试件早期损伤量增加，后期水泥石试件的单轴抗压强度、弹性模量呈先增加后减小趋势，轴向应变、横向应变与泊松比整体呈增加趋势;早期水泥石损伤试件的后期失稳模式分为积累贯穿失稳及萌生发散失稳，高损伤水泥石试件由单侧破坏导致试失稳，低损伤水泥石试件由块体间失衡导致试件失稳。

• 岩石单轴压缩试验中能量演化分析方法

  刘之喜, 王伟, 罗吉安, 缪广红,

  为了探究岩石单轴压缩试验过程中的能量演化规律，利用RMT-150b岩石力学测试系统采用相同的加载速率对白砂岩分别进行了单轴压缩试验、单轴分级加卸载试验。基于裂纹产生及扩展模型研究，假设疲劳损伤和裂纹间的界面摩擦对弹性能无影响，则可以认为单轴压缩中与单轴分级加卸载各卸载点荷载相等处，弹性能均相等。基于上述假设对单轴压缩过程中弹性能、耗散能、弹性能占总能量比例、耗散能占总能量比例、弹性能与耗散能比值等进行分析。通过利用红砂岩单轴循环加卸载中弹性能的演化规律验证了这一假设的正确性。研究结果表明:① 通过对单轴压缩试验过程中能量演化规律分析发现塑性耗散能、弹性能、滞回效应耗散能存在于岩石单轴压缩的各个阶段。② 部分滞回效应能可以储存在岩石内部并且随着荷载增大呈线性增长。③弹性能与塑性能的增长速率都随着荷载增大而增大，通过对弹性能与耗散能比值分析，得出了不同荷载范围内岩石的弹性能与耗散能增长速率的比较，并且在岩石强度的80%左右处弹性能与耗散能比值达到最大，与弹性能量指数相等，说明该分析方法对岩石能量演化趋势的分析具有一定的合理性。④ 通过红砂岩单轴循环加卸载试验分析发现，疲劳损伤和裂纹间的界面摩擦会产生塑性变形导致岩石加卸载曲线逐渐右移，且对弹性能无影响。⑤根据单轴分级加卸载各卸载点弹性能分析单轴压缩试验过程中能量演化规律，并使用单轴循环加卸载试验的弹性能演化规律进行验证，说明了分析方法的正确性。

• 不同应力路径下深部岩石真三轴卸荷特性试验

  荣浩宇, 李桂臣, 赵光明, 梁东旭, 梁巨理,

  为了研究深部地下工程施工过程中，受开挖扰动影响下深部岩石的变形破坏特性，以砂岩为研究对象，采用真三轴扰动卸荷岩石测试系统，分别进行真三轴压缩试验、恒轴压单面卸荷试验、增轴压单面卸荷试验与降轴压单面卸荷试验，分析了深部岩石在不同应力路径下的变形破坏特征及力学参数演化规律。研究结果表明:三轴压缩条件下，岩石变形表现为轴向压缩以及沿最小主应力方向扩容，破坏模式为剪切破坏，破坏原因为外部载荷不断增大超过岩石承载能力。卸荷条件下，变形表现为沿卸荷方向强烈扩容，破坏原因为卸荷面荷载不断减小使岩石承载能力不断降低最终小于所受外部载荷，破坏模式为张剪复合破坏。不同卸荷路径下，最大主应力σ1变化对岩石变形破坏影响显著，增轴压路径下，卸载卸荷面应力的同时增加σ1，加剧岩石应变能的释放，破坏更剧烈。而卸轴压路径下，σ1的减小降低卸荷面应力变化对岩石变形破坏的影响岩石，岩石破坏变形过程相对较平缓，岩石破坏主要是因为卸除卸荷面应力使岩石承载能力降低速率大于外部载荷降低速率。三轴压缩条件下，随σ1增大，岩石变形模量E不断减小，泊松比μ不断增加，且变化速率随σ3增大而降低。卸荷条件下，E随卸荷的进行不断减小，μ不断增大，在临近破坏时变形参数劣化速率迅速增大。在卸荷条件下，岩石承载能力随着卸荷面应力的减小而不断减小，增轴压路径下卸荷的同时增大σ1促进了岩石内部裂隙的萌生扩展，岩石承载强度降幅最大，而卸轴压路径下，σ1的降低在一定程度上抑制了裂隙的扩展，岩石承载强度降幅相对较小。

• 基于内排空间利用最大化的露天煤矿排土线布置方法

  王东, 李广贺, 曹兰柱, 白润才, 宋子岭, 赵景昌,

  快速释放与充分利用内排空间是露天矿实现安全、降本、高效、绿色开采的重要途径。为解决横采内排开采程序的排土线布置难题，强化内排，对内排土场基底倾角、采场工作线布置等相关因素与排土线布置关系展开研究。兼顾水平、倾斜煤层露天煤矿，应用3Dmine软件，构建了内排空间利用最大化的采场工作帮、内排土场、端帮和基底的空间几何模型;在建立内排空间利用最大化的工程条件基础上，推导了露天煤矿排土线布置的数学表达式，理论上揭示了采场工作线布置及边坡角、内排土场边坡角、基底倾角对排土线布置的影响规律，将此方法运用于某露天煤矿。研究结果表明:横采内排开采程序实现内排空间利用最大化的充要条件为:基底倾角α小于内排土场边坡角βp;内排土场工作线布置方向θp与基底倾角α、采场工作帮边坡角βc呈负相关，与内排土场边坡角βp、采场工作线布置方向θc呈正相关;某露天煤矿横采区2023年计划采场工作线方向θc=90°，内排土场工作线布置方向θp=46.3°才能实现内排空间利用最大化。成果可用于优化排土工作线布置，弥补常用方法设计排土线布置试绘工作量大的不足，为横采内排追踪开采技术在工程实践上的应用提供理论基础。

• 矿井通风阻变型故障复合特征无监督机器学习模型

  刘剑, 尹昌胜, 黄德, 刘丽, 邓立军,

  目前矿井通风系统阻变型故障诊断方法需要收集故障样本方可进行故障位置和故障量诊断，且故障位置诊断和故障量诊断需要分别建立对应分类和回归数学模型。针对矿井通风系统阻变型故障样本收集难度大和故障位置及故障量无法同时进行故障诊断的问题，将矿井通风系统阻变型故障诊断转换为最小欧氏距离的优化求解问题，提出一种无需样本参与训练的矿井通风系统阻变型故障诊断无监督学习模型，利用协方差矩阵自适应进化策略方法对无监督学习模型进行优化求解，实现分类与回归预测一体化。通过进行风量、风压单一特征和风量-风压复合特征的对比模拟试验，结果表明:所提出的故障诊断无监督学习模型和所使用的求解方法可有效地解决矿井通风系统阻变型无样本参与的故障诊断问题;故障诊断过程中无需单独分别进行故障位置和故障量诊断;风量-风压复合特征比风量或风压单一特征下的矿井通风系统阻变型故障诊断可达到更高的故障位置诊断准确率和更低误差的故障量诊断性能;即使选用部分观测点，也可实现较高的故障位置诊断准确率和较低故障量诊断误差的性能，且故障观测点比例大小与诊断性能无直接影响关系。

• 冲击载荷作用下矩形风窗动态分布特征与破坏机理

  李峰, 何子建, 张悦, 沙芳菲, 董新慧, 刘尧,

  瓦斯(煤尘)爆炸冲击波传播过程中在固定构筑物处会出现多个波峰震荡，有着显著的超压与振荡现象，对矿井通风设施破坏效应明显，但具体的破坏过程和机理尚不清楚。基于矩形薄板模型，建立了矩形风窗自由振动的Hamilton体系对偶方程与四边固支(C-C-C-C)矩形风窗振动的频率方程及其振型分析函数;基于振型函数的正交性与杜哈梅积分，得出了冲击载荷作用下矩形风窗振动的挠度动态分布方程。基于牛顿迭代法与MATLAB软件，得出了冲击载荷作用下矩形风窗振动模态主要由1阶、5阶、6阶主振型构成，并分别得出了其振动的固有频率;分析了应力、应变、弯矩、横向剪力、最大主应力与主应变动态分布特征，主要分布在四边中点及其附近区域、矩形风窗中心区域、矩形风窗四角附近区域。基于第三强度理论，得出了冲击载荷作用下四边固支矩形风窗发生损伤破坏的起始位置为四边中点区域，然后是矩形风窗中心区域;发展趋势是主要沿着矩形风窗长轴的中心区域破坏，其次是沿着短轴的中心区域破坏;由1阶主振型(主频)可推断出矩形风窗的起始破坏位置，由5阶、6阶主振型可以判断破坏的发展方向与趋势。基于Ls-DYNA软件，采用PLASTIC_ KINEMATIC材料模型，模拟分析了四边固支矩形风窗在冲击载荷作用下的动态破坏过程，验证了理论研究结果的正确性，初步揭示了冲击载荷作用下矩形风窗的破坏机理。

• 气射流破煤连续过程机理与数学模型

  宋鑫, 王公达, 马恒, 龚浩然, 崔聪,

  气射流破煤是高压气体经喷嘴加速，在空气中自由发展，最终冲击破煤的连续综合过程。基于空气动力学与岩石力学理论，分析了气射流破煤的连续过程机理，推导了连续过程数学模型并建立了破煤能力与破碎坑特征的判识准则。分析认为，高压气体经缩放型喷嘴实现超声速跃迁加速流动;自喷嘴喷出的气流在空气介质的剪切作用下，轴向速度衰减，径向断面扩张;当射流冲击作用于煤体后，产生破碎核和延展裂纹，在拉伸作用下发生失效破坏，形成塑性破碎坑。选取3种不同强度的煤体和1种砂岩进行的气射流破煤规律计算结果表明，当提高喷嘴入口压力和喷嘴直径时，气射流滞止点处压力均不断增大，在低压力入口条件下，气射流可对强度较小的煤体造成冲蚀破坏，当入口压力达到16 MPa时，可实现对砂岩的冲蚀破坏;随着射流压力的提高，冲蚀形成的破碎坑轴向深度和径向长度都不断增大，但轴向深度增加量要远大于径向长度增加量，破碎坑形状由最初的锥形渐变为橄榄球形。

• 松软煤层“ 护孔卸压” 钻进力学机制

  王永龙, 陆云飞, 王振锋, 孙玉宁, 刘春, 宋维宾,

  为解决常规套管钻具应用软煤层钻进存在着钻进阻力大、效率低的技术难题，提出“护孔卸压”钻进新观点，建立护孔钻进旋转阻力矩模型、轴向阻力模型及护孔数值模型，分析常规套管钻具应用于软煤层钻进存在的技术缺陷，探讨“护孔卸压”钻进工艺方法实现卸压、降阻的力学机制。结果表明:受软弱煤岩层钻孔收缩产生的围压影响，应用常规套管钻具钻进，在较短的钻孔深度范围内其旋转阻力矩和轴向阻力超过了钻机的额定扭矩及提拔力，钻杆将无法旋转及退钻，致使钻进终止;通过在套管钻具表面设置间隙或孔结构，减小护孔钻杆与钻孔壁的接触面积，为钻孔孔壁留设变形空间，钻杆表面形成的“卸压区”释放了钻杆周围煤体膨胀应力，并且旋转的钻杆不断切除膨胀的煤体，降低了软煤钻孔膨胀变形对钻杆产生的摩擦阻力;提出护孔面积比Sk概念，用来表征钻杆表面孔隙留设面积大小，伴随Sk减小，其旋转阻力矩和轴向钻进阻力呈逐渐降低趋势，降低幅度可达50%以上，从而降低了钻机的动力损耗，有效提高松软煤层的钻孔深度。基于“护孔卸压”原理，构建了螺旋护孔钻杆模型和多孔结构护孔钻杆模型，在实际应用中，结合施工地点的煤岩力学参数，合理确定护孔面积比Sk是护孔卸压钻具结构优化设计的关键。

• 基于钻孔瞬变电磁的煤层气压裂效果检测方法

  范涛,

  煤层气水力压裂技术是提高煤矿井下煤层气资源采出率的有效方法，但对于水力压裂效果的检测评价一直缺乏较为理想的方法，传统通过监测钻孔测量水压或介质含水性的办法成本高、效率低、不直观，为解决高效形象地检测水力压裂效果这一问题，提出一种煤矿井下在压裂孔内施工的动源动接收瞬变电磁探测方法。该方法使用由固定相对位置的极小发射线圈和接收探头组成的收发装置，在孔内沿钻孔逐点移动进行三分量观测，进而实现对钻孔径向微小低阻地质异常体的高精度探测。该方法对收发装置参数变化敏感，通过大量的物理模拟试验分析了单支曲线特征和多测道的异常响应特性，选定了最优的收发系统、发射线圈匝数、线径、发射电流强度、接收线圈匝数、线径和磁芯长度等参数，形成了最理想的单孔瞬变电磁探测装置;对比了该方法垂直分量观测曲线与常规矿井瞬变电磁探测曲线的形态，给出了垂直分量数据的预处理技术和数据处理方法;提出了水平分量数据的探头姿态变化影响的校正方法，采用趋势面提取技术完成了水平分量数据纯异常场的提取，通过异常场形态组合和幅值关系实现了异常体中心方位角定位;考虑压裂裂缝的特殊性，研发了利用Suffer和Voxler软件功能的充水裂缝三维立体成像技术。井下现场物理模拟试验对比了巷-孔瞬变电磁与单孔瞬变电磁的径向探测距离，验证单孔方法径向探测能力约为巷-孔方法的1/2。结合韩城煤矿井下的工程实践，对该方法精细检测煤层气水力压裂形成裂缝的性质、形态和规模的实用性和有效性进行了检验。研究表明:单孔动源动接收瞬变电磁探测方法是井下物探、钻探和煤层气压裂技术的有机结合与相互补充，能够有效应用于压裂效果的检测和评价。

• 页岩甲烷高压等温吸附模型评价与改进

  董银涛, 鞠斌山, 刘楠楠,

  为确定合理的页岩甲烷高压等温吸附模型，以准确拟合实测过剩吸附量曲线，并计算其绝对吸附量曲线。选取常用的8种吸附公式及3种吸附相密度计算方法，分别组成高压等温吸附模型，并以过剩吸附量的拟合度R2、绝对吸附量校正的合理性、吸附相密度计算的合理性以及吸附理论选择的合理性为考核指标，分别采用333与363 K温度条件下共18组实测值对其进行定量评价。推导了吸附相密度关于压力与温度的函数，并组合使用Langmuir-Freundlich与Dubinin-Radushkevich吸附公式，构建了改进的高压等温吸附模型。结果表明:在3种吸附相密度计算方法中，拟合吸附相密度法最佳，该方法结合Langmuir-Freundlich或Dubinin-Radushkevich吸附公式构成的吸附模型最准确，其拟合过剩吸附量的R2平均值分别为0.998 3和0997 8;给定吸附相密度法构成的吸附模型对过剩吸附量的拟合度较低;而过剩吸附量与气体密度曲线计算吸附相密度法的准确性较差。改进模型对18组实测过剩吸附量的拟合度R2平均值为0.996 9;计算绝对吸附量的偏差为0.087，优于现有模型;且其具有物理基础，符合页岩甲烷吸附机理。

• 河流下浅埋砂泥岩互层超前预注浆时变模型及工程应用

  李基, 吴鑫, 赵红霞, 李国辉, 王雪梅,

  注浆是一种有效的地基加固及防渗处理技术，浆液扩散范围预测则是注浆技术的重点和难点之一，而层状岩体由于物理力学性质的各向异性使得浆液的扩散更加复杂。新维矿3条斜井均近距离下穿镇舟河底部，斜井顶板至河床强风化层最近距离仅约10 m，为消除施工过程中的涌水威胁，采用了超前预注浆防渗技术，掘进工作面循环作业，钻爆法开挖，超前支护，现浇钢筋砼拱，再进行防水处理;其次，结合现场近水平分布砂泥岩互层特征，并考虑浆液黏度的时变性，建立了砂泥岩互层时变性注浆模型，并对不同工况下的注浆扩散范围进行了模拟;结合模拟结果与现场条件，选用水泥单液浆为主，水泥-水玻璃双液浆作为补充材料，在掘进工作面布置注浆孔16个，注浆压力6 MPa，采用分段下行式注浆，每个预注浆循环的长30 m，从后往前一段一段地钻注至终深，单个注浆段长5 m，反复注浆，反复扫孔。注浆时利用P-q-t曲线对单孔注浆效果进行检验，以注浆压力达到预设值且注浆流量持续减小作为停注条件;此外钻孔取心试验发现浆液与裂隙岩体形成了渗透率较低而强度较高的结石体，且浆液在水平方向的扩散明显占优，远大于垂直方向的渗透距离，浆液扩散范围近似呈椭球形分布。此外，通过注浆前后围岩渗透性对比发现，注浆后按巴布金公式得到的渗透系数在3 mm/d左右，与注浆前压水试验得到的岩体渗透系数(0.239和0.204 m/d)相比降低了近2个数量级。实践表明，该超前预注浆技术及时变性注浆扩散模型在砂泥岩地层防渗中得到成功应用，保障了河流下矿井安全高效施工。

• 过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统研制

  董书宁, 杨志斌, 朱明诚, 张文忠, 石磊, 牟林,

  煤矿突水灾害抢险救援期间，保浆袋囊钻孔控制注浆可以解决常规过水巷道动水截流工程量大、工期长且易发生次生灾害等技术难题。为了进一步研究过水巷道动水快速截流机理并为抢险救援提供实验技术支撑，建立了过水巷道动水截流的水力学模型，结合对保浆袋囊控制注浆动水快速截流成功案例的分析，设计了过水巷道动水快速截流概念模型，开发了过水巷道动水快速截流大型模拟实验系统。实验系统包括4个功能系统和6个设备系统，其中4个功能系统分别为保浆袋囊和浆液投注系统、动力供水供浆系统、初始条件和边界条件系统、监测系统，6个设备系统分别为大型巷道模拟实验舱、动水模拟系统、控制注浆系统、稳压稳流系统、安全分流系统、图像数据采集与处理系统。通过实验舱强度验算、稳压稳流系统监测实验和抛袋实验，结果表明实验系统能够形成恒定的动水压力和动水流量初始条件、动态变化的动水压差和流量衰减边界条件，满足动水快速截流堵水环境要求，可以用于5 m宽、4 m高、动水流量2 000m3/h的过水巷道在不同矿井淹没水位、不同突水水源水位条件下的快速截流模拟实验，其中突水水源水位最高可达5 MPa。抛袋实验结果还表明保浆袋囊在未充满浆液的条件下提前脱落至巷道，单个保浆袋囊虽然未发生移动且能大幅减小巷道过水断面面积，但难以减小巷道突水水量，必须通过后期袋外补充注浆进一步封堵，才能实现动水快速截流成功，有待进一步深入研究。

• 砂岩微观孔隙结构类型及其对含水层富水性的影响

  王苏健, 冯洁, 侯恩科, 黄克军, 薛卫峰, 段会军,

  砂岩的微观孔隙结构特征决定了砂岩含水层的富水性、渗透性，砂岩含水层富水性预测是矿井防治水必须首先研究与解决的重要问题。以陕北侏罗纪煤田柠条塔煤矿为例，分别采集直罗组3块、延安组4块不同岩性典型砂岩样品，通过运用普通薄片、铸体薄片、高压压汞、核磁共振等实验测试技术，结合Matlab图像分析功能，研究了不同时代地层、不同岩性砂岩微观孔隙特征，联合高压压汞与核磁共振法获得孔喉半径分布，综合砂岩微观孔隙结构测试结果，将孔隙结构按照孔喉大小、分布及连通性的好坏依次划分为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ 3种类型，对比钻孔抽水试验成果的钻孔单位涌水量，分析了砂岩微观孔隙结构与富水性之间存在的关系。研究结果表明:Ⅰ类孔隙结构较Ⅱ，Ⅲ类孔隙结构的粗粒与中粒砂岩比例高、排驱压力小、T2谱主峰的位置靠后;高压压汞与核磁共振所得孔隙半径分布基本一致;相同地层时代相同岩性条件下，风化程度越强，富水性越强;相同地层时代不同岩性条件下，粗、中粒砂岩较粉砂岩富水性强;不同地层时代相同岩性条件下，直罗组微观孔隙结构较好的Ⅰ类孔隙结构富水性强于延安组微观孔隙结构较差的Ⅱ类孔隙结构。

• 生态脆弱矿区高强度植被恢复对地下水补给的影响

  王强民, 董书宁, 王文科, 王皓,

  为研究生态脆弱矿区高强度植被恢复对地下水补给的影响机制，结合野外裸土区和植被覆盖区两个原位试验观测点的观测数据，以两种模式下的降水—土壤水—地下水转化过程为研究对象，在遥感解译和野外原位观测试验的基础上，采用数值模拟分析不同叶面积指数条件下的植被耗水特征和降水入渗系数。研究结果表明:矿区尺度的植被指数和植被净初级生产力都呈持续增加现象，表现为低覆盖区连续减小，中、高覆盖区持续增大;裸土区20 cm处土壤总水势最大，表现为土壤水自20 cm处向上、下两侧运移，较易接受大气降水的补给。植被覆盖区土壤总水势远低于裸土区的土壤水势，在根系密集区出现水势低点，表现为上部、下部和侧向的土壤水向植被根系处运移，不易接受大气降水的补给;裸土区地下水位表现出缓慢上升的趋势，以低强度的入渗补给为主;植被覆盖区地下水位表现出明显的持续下降趋势，以高强度的蒸发排泄为主。受植被蒸腾耗水影响，地下水面处水分垂向交换量由-0.035 cm/d(入渗)增加至0.480 cm/d(排泄)，使得水分运移方向和水分垂向交换量都发生明显改变;随着叶面积指数的增加植被耗水量呈增加趋势，土壤中向下运移的水流通量逐步减小，导致地下水接受降水的补给量减小，表现出随着叶面积指数的增加，降水入渗系数逐步减小。数值模拟结果表明，裸土条件下风积沙的入渗系数为0.54，随着叶面积指数由0增大至3.5，入渗系数减小至0.198，减小幅度高达63.3%，对榆神矿区的地下水补给产生重要的影响。在榆神矿区植被恢复的工程实践中，应优先考虑植被类型和植被覆盖度两个基本要素，选择耗水量较小的植被类型和适宜的植被覆盖度，避免出现由于区域生态耗水量过大引发的降水入渗补给量大幅减小的现象发生，以实现生态脆弱矿区植被恢复与地下水资源保护的协调发展。

• 矿区压实土壤接种AMF 对柠条生长的影响模拟试验

  殷齐琪, 毕银丽, 马少鹏, 肖礼, 李勃萱, 权一卓,

  土壤压实是露天矿区排土场土地复垦过程中面临的常见问题，对矿区植被恢复产生重要影响。为研究压实作用对植物根系发育和地上部养分吸收产生的影响，以及接种AMF对压实土壤中植物生长的效应，以矿区复垦常用植物——柠条为供试物种，采用室内模拟试验进行研究，结果表明:土壤紧实度影响植物根系构型发育，轻度压实(C1)促进柠条根系形态发育，重度压实(C2)抑制根系的生长，表现为根系总根长、根系平均直径、表面积和体积减小。接种AMF可促进压实土壤中柠条根系IAA,CTK,GA激素的分泌，且分泌量随压实程度增大有增加趋势，同时减少ABA的分泌，促进根系总根长、根系平均直径、表面积和体积增加。在重度压实(C2)下，接种AMF能显著提高柠条地上部N,P,Fe,Mn养分含量，提高柠条生物量，接菌柠条地上部分干重、地下部分干重和株高较对照分别增加48.08%，58.33%，6.91%。根系激素分泌与根系形态发育、地上部分各养分含量相互影响，根系IAA,CTK和GA的分泌与菌根侵染率、菌丝密度、地上部N,P,Zn养分含量显著正相关。紧实土壤中，接种AMF可以通过调节植物根系生理代谢活动，促进根系发育，提高宿主植物地上部对氮、磷、铁、锰、锌等矿质元素的吸收量，从而达到提高露天排土场压实土壤上植物生物量和抗压实胁迫的目的，实现高效生态恢复。

• 基于改进极限学习机的焦煤惰质组分类方法

  王培珍, 刘曼, 王高, 张代林,

  为提高焦煤惰质组显微组分分类的准确性，减少对分类器训练的人工干预，提出一种基于改进极限学习机(ELM)的焦煤惰质组显微组分分类方法。首先根据焦煤惰质组各显微组分在光特性及形貌特性上存在的差异及特点，从亮度、纹理等层面分别提取其显微图像中基于灰度统计分布的亮度比、均值、方差、偏度、一致性及峰度等6个亮度相关特征量和基于灰度共生矩阵的能量、熵、惯性矩、局部平稳性及最大概率等5个纹理相关特征量，构建11维初始特征量集，并采用主成分分析法(PCA)对初始特征进行抽取以降低特征空间维数、去除信息冗余;再将奇异值分解引入到极限学习机中，推导利用奇异值分解求解ELM隐含层输出权值矩阵的方法，构建改进的极限学习机。改进后的极限学习机解决了普通的ELM训练中为了求解权值矩阵需要通过大量实验确定参数的问题，有效地提高了学习机的智能化程度。实验结果表明:与支持向量机(SVM)分类方法相比，改进后的ELM方法对分类器训练及样本测试的速度、对焦煤惰质组测试样本分类的准确率均明显提高;与单一的ELM方法相比，改进后的ELM方法分类器的网络训练更加快速便捷，网络隐含层节点数减少近40%，对测试样本分类的准确率进一步提高，可达96.7%。

• 煤液化重油芳香分中硫氮化合物的高分辨质谱分析

  王琦, 李文博, 毛学锋, 曲思建, 钟金龙,

  为获得煤液化重油芳香分中硫氮化合物的分子组成结构，使用超高分辨率的电喷雾电离源结合傅里叶变换离子回旋共振质谱(ESI FT-ICR MS)对煤液化重油的芳香分进行了分子水平上的表征。结果表明，煤液化重油芳香分中硫氮化合物的分子组成较为复杂，ESI FT-ICR MS鉴定出了826种碱性氮化物、481种中性氮化物和333种含硫化合物的元素组成，正离子ESI模式下鉴定出5类不同分子组成的碱性氮化物，结合甲基衍生化手段鉴定出2类不同分子组成的含硫化合物，负离子ESI模式下鉴定出6类不同分子组成的中性氮化物，其中，碱性和中性氮化物相对丰度最高的均为N1类化合物(含1个N原子的化合物)，含硫化合物相对丰度最高的为S1类化合物(含1个S原子的化合物)。通过对各类化合物的等效双键数(DBE)和碳数分布的分析，获得了煤液化重油芳香分硫氮化合物分子组成的重要信息。N1类碱性氮化物主要母核结构为喹啉和吖啶，烷基侧链主要为C8~C17和C6~C11，N1类中性氮化物为主要母核结构为咔唑，带有C9~C14烷基侧链。N1类碱性氮化物的缩合程度和碳数分布均大于N1类中性氮化物，导致加氢过程中碱性N1类化合物较中性N1类化合物更难脱除。S1类含硫化合物的主要母核结构为二苯并噻吩和萘并苯并噻吩，烷基侧链长度在C1~C8，此外含有4~6个苯环的高缩合的噻吩类化合物。

• 煤油共炼油煤浆黏温特性

  张彦军, 舒歌平, 高山松,

  煤油共炼技术将煤化工技术与劣质重油加工技术耦合，是煤与劣质重油清洁高效利用的重要途径，油煤浆黏温特性是影响规模化制浆、输送、加压、预热设计和生产操作的关键因素。以塔河重油、煤焦油和低阶煤为研究对象，利用热重分析仪、傅里叶红外分析仪、表面孔隙结构分析仪及高温黏度计等，分析了油煤浆浓度、溶剂性质、溶胀时间及煤粉孔隙结构对油煤浆黏度的影响，研究了制浆过程和升温预热过程中油煤浆黏温特性的变化规律。结果表明，制浆过程中质量分数和重质油溶剂性质是影响油煤浆黏度的主要因素;当质量分数大于35%时，油煤浆黏度显著增大;相同条件下，塔河重油煤浆黏度大于煤焦油重油煤浆。随溶胀时间的增加，重质油煤浆黏度整体呈增大趋势;溶胀12 h以后，油煤浆黏度均快速增大，且塔河重油配制的油煤浆黏度增加更快;溶胀作用之后的煤粉颗粒表面形成新的孔隙结构，产生了大量大孔和部分微孔，导致油煤浆黏度增加;油煤浆制备过程中重质油发生脱氢、吸氧缩合反应而导致性质变化也是影响油煤浆黏度的重要因素。升温预热过程，随着温度升高，油煤浆黏度迅速降低;且浓度越高，黏度越大;当温度超过140℃时，黏度均降至较低值;当温度超过240 ℃时，开始出现黏度反增现象，浓度越高煤浆黏度出现反弹的温度越低，反弹幅度越大。

• 水溶Na对高碱煤热解及氮热变迁的影响

  杨天华, 杨小龙, 魏砾宏, 开兴平, 郭良振, 李润东,

  新疆准东煤田煤炭资源丰富，部分新疆煤含有超过0.4%的高碱金属含量而被称为高碱煤。在热利用过程中碱金属Na作为催化剂可改变煤的反应活性，进而影响其热反应过程及氮氧化物的排放。为研究水溶Na对高碱煤热解特性及氮热变迁规律的影响，选取准东煤作为典型新疆高碱煤，并采用盐酸对其进行脱灰预处理，在脱灰煤中添加不同含量的NaCl代表高碱煤中水溶钠，利用热重-差示扫描量热、红外、质谱(TG-DSC-FTIR-MS)联用仪开展热解实验，运用Coats-Redfern 积分法对煤热解反应进行动力学分析。结果表明，少量Na促进低温段(40~295 ℃)的干燥脱气反应，大量Na促进高温段(>800 ℃)二次脱气反应，Na对主热解阶段(中温段)影响较小。动力学分析表明Na含量≤0.6%时，煤热解表观活化能降低，Na对煤热解具有催化作用。通过红外与质谱的综合分析，发现在低加热速率条件下，对煤燃烧过程NOx气态前驱物以HCN为主，其生成量远大于NH3。Na的添加可明显促进煤热解NH3生成，0.7%Na的含量使NH3的析出量增加61%。较少的Na可促进HCN的生成，而当Na含量≥0.6%时，Na对HCN的生成起抑制作用。总体上Na含量超过0.6%时，可减少NOx前驱物的生成。研究认为0.6%的Na含量有利于高碱煤的热解利用:促进高碱煤热解，减少NOx前驱物的生成。

• 煤灰和煤焦对气化合成气水煤气变换反应特性的影响

  朱龙雏, 王亦飞, 张志丰, 李季林, 于广锁,

  利用管式炉反应器，研究了气化合成气在较短停留时间(1~2 s)内较高温度下水煤气变换反应的特性。考察了煤中灰分以及1 100 ℃热解煤焦对气化合成气变换反应的影响。研究结果表明，在900 ℃以下合成气水煤气变换反应较难发生，CO转化率接近于0，而1 300 ℃时能发生一定程度的逆向变换反应，但不易达到化学平衡状态。在一定条件下煤灰对正逆向水煤气变换反应有一定的促进作用，其只加快反应速率而不影响反应方向。尽管高温下煤灰出现了一定程度的烧结现象，但较高温度下，煤灰对反应的促进作用更加明显。在实验条件下，相比于空白实验，加入煤灰介质后，合成气CO转化率在700，900，1 100 ℃时分别增加了0.9%，0.8%，2.3%;而干燥合成气在700 ℃时仍检测不到反应的发生，在900和1 100 ℃时，CO2转化率分别提高了0.9%和2.4%。煤灰提供的表面积以及其中含有的铁等金属元素的催化作用可能是促进变换反应进行的原因，然而气固接触不佳和较小的表面积使得这种促进作用效果受到限制。原煤热解焦对水煤气变换反应的影响，与煤灰的促进作用相似，不同粒径的煤焦对变换反应的作用效果有着明显的差异。煤焦粒径对变换反应的影响存在较优值:粒径过大时，表面积减小，促进作用下降;而粒径过小时，床层局部阻力较高，易导致气体分布不均，影响气固接触，致使固相介质的促进作用显著下降。实验条件下粒径为0.8~1.5 mm的热解焦促进效果最显著，700 ℃合成气CO转化率比空白实验提高了1.7%。

• 无灰煤高效利用研究进展

  杨建校, 魏文杰, 祁勇, 吴伟, 张夏翔,

  由于我国“富煤贫油”的能源结构体系以及所面临日益严重的环境问题，建立和发展我国的煤炭清洁、高效利用技术已成为煤炭行业基础研究和技术创新的当务之急;煤炭资源的清洁高效利用已成为我国引导和鼓励发展的核心技术攻关领域。无灰煤是利用溶剂热萃取技术从原煤中制备得到的一种具有低灰分、高热值、良好热塑性、环境友好的新型高性能煤。无灰煤的制备技术起源于日本NEDO负责开发的洁净煤燃料发电项目，目前无灰煤技术已成为煤炭资源高效利用、解决环境污染和能源问题的可行思路之一。同时，无灰煤在高级燃料、配煤炼焦、碳纤维及活性炭制造等领域都显示出巨大的应用优势和广阔的应用前景，其制备和应用领域越来越受到广泛的研究与关注。结合近年无灰煤系沥青基碳纤维的研究基础，详细介绍了无灰煤的发展历程、结构性能与制备工艺，概述了无灰煤在传统的燃烧、气化、液化，以及新型的无灰煤系碳材料等领域的应用现状与发展。

• 深井巷道全断面硬岩掘进机及其快速施工关键技术

  程桦, 唐彬, 唐永志, 姚直书, 王传兵, 荣传新,

  针对煤矿深井硬岩巷道掘进效率低下的技术难题，综合考虑深立井煤矿巷道工程环境和全断面掘进机技术特点，通过全断面掘进机施工煤矿深井岩巷可行性研究，制定了煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机技术指标，研制了煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机;基于考虑全断面掘进机施工扰动影响的岩石循环加卸载试验，建立了全断面掘进机快速施工围岩准静态循环加卸载损伤本构模型和非线性强度准则，并用于巷道围岩稳定性数值模拟中;通过数值模拟和现场监测，揭示了全断面掘进机快速施工围岩力学响应机理，提出了满足全断面掘进机快速施工煤矿硬岩巷道特点与要求的巷道支护形式和施工技术;通过分析煤矿全断面硬岩掘进机施工巷道围岩的稳定性，提出巷道顶板锚杆快速支护方案，并得到现场实测验证;针对立井井筒运输能力受限、井下工作环境空间狭小、设备需要频繁拆装转场等问题，研发了全断面岩石掘进机井下有限空间运输、组装、拆解技术,创新了全断面岩石掘进机井下始发、掘进关键技术;采用掘进、支护、排矸、辅助运输同步作业方式，解决了硬岩巷道快速施工难题。最后，通过在淮南张集煤矿西二采区1413A高抽巷进行工业性试验验证研究成果。结果表明:全断面掘进机施工煤矿深井硬岩巷道，平均月进尺达404 m，最高月进尺达560 m，为现有硬岩巷道掘进效率的5~10倍。

• 矿用缓冲吸能装置的优化与实验

  高永新, 谭淼, 谢苗,

  为解决巷道液压支架让位吸能缓冲效果差的问题，通过结构分析以及相似计算的方法对缓冲装置进行了结构上的优化，将原有结构的卡销式改为卡箍式，降低了弹簧卡销部分占比空间，提高了液压立柱底座空间利用率。将单一刚体提供的支撑力改为内部填充泡沫材料作为吸能材料与刚体相结合来提供支撑力，分析了优化前后两装置的吸能效果，并且进行了3组实验来验证优化前后两装置载荷随位移变化的情况。理论分析表明:装置卡箍打开过程吸能量比原装置增加了3.9%;填充泡沫材料之后，吸能量增加了33.3%;总吸能量提高了22.6%，通过数据分析可见吸能效果与缓冲性能得到了明显地提高。研究分析表明:优化后装置初撑力明显增大，达到初撑力位移基本处于0.5 cm处，且波动稳定更加满足工程需要;卡箍打开过程吸能量增加了4.3%;泡沫材料吸能量增加了30.5%;总吸能量增加了21.2%;平稳阶段载荷波动系数下降9.3%;缓冲效果冲量提高21.6%;最大载荷波动值下降一半以上。优化之后缓冲装置所受冲击载荷大部分可作用于吸能材料，并且吸能材料可以方便地取出更换。相对于原装置提高了装置的使用寿命。吸能缓冲装置与填充材料组成的刚-柔耦合支护体系可有效增强立柱抗冲击能力，在一定程度上降低冲击地压事故造成的各种损失。

• 基于频域分离算子的采煤机动基座SINS初始对准算法

  陈宇鸣, 李威, 辛改芳, 王禹桥, 司卓印,

  捷联惯导系统(SINS)是一种可用于煤矿井下采煤机定位的自主导航传感器。采煤机初始姿态角的确定作为导航定位的前提，后续导航的性能很大程度上取决于初始姿态矩阵的精确程度。采煤机截割煤壁时产生的剧烈震动会使得SINS敏感到高频噪声，高频噪声会严重降低传统动基座SINS初始对准的性能。为了克服煤矿环境下传统动基座SINS初始对准算法收敛速度慢及精度低等问题，提出一种基于频域分离算子的采煤机动基座初始对准算法。首先，根据采煤机的结构特点，运用质量块法构建采煤机截割煤壁时的动力学模型。在此基础上，利用MATLAB提供的基于Runge-Kutta变步长算法的Ode45函数分析和研究了采煤机截割煤壁时机身的运动状态，之后通过傅里叶变换将时域信息转化到频域，进而确定采煤机截割煤壁时机身的运动频率范围。其次，在传统动基座SINS初始对准算法的基础上，通过分析干扰加速度和采煤机截割煤壁时机身晃动的频率特点，进而引入频率分离算子的概念，并由此利用等纹波最佳逼近法精心设计了有限长单位冲激响应(FIR)低通滤波器，从而有效地抑制SINS敏感到的高频噪声。实验结果表明，所提出的算法可以有效地提高采煤机初始对准的收敛速度以及精度，俯仰角和横滚角的稳态误差<0.1°，航向角稳态误差<0.7°，满足后续精对准的要求。

• 含夹矸煤层滚筒磨损特性离散元模拟试验分析

  赵丽娟, 金鑫, 赵宇迪, 王斌,

  复杂煤层赋存条件下工作的采煤机，其螺旋滚筒所受载荷具有非线性、时变性、冲击性和强耦合性，磨损问题不可避免，且严重影响其工作性能和生产效率。基于虚拟样机技术，采用离散元数值模拟方法研究含夹矸煤层条件下螺旋滚筒的磨损特性，以提高其截割性能、延长其使用寿命。以煤岩截割机理和离散元素法为基础，分析了滚筒与煤岩体间相互作用关系及滚筒磨损模型;以MG2×55/250-BW型采煤机螺旋滚筒为工程对象，采用Hertz-Mindlin with bonding黏结模型为颗粒间接触模型、Hertz-Mindlinwith Archard Wear模型为煤岩体与滚筒间接触模型，利用Proe/E与EDEM建立滚筒截割含夹矸煤层耦合模型;采用正交试验法，分析采煤机牵引速度、滚筒转速、螺旋升角和煤岩抗压强度对滚筒磨损问题的影响趋势，经过多元回归分析得到截齿、叶片磨损深度的评价模型;基于实际工况，综合考虑采煤机截割比能耗、载荷波动系数和生产率，构造多目标优化函数，利用MATLAB求解得到滚筒最优工作参数。基于EDEM离散元仿真分析结果，发现滚筒组件存在不同程度磨损，其中截齿齿尖局部接触区域磨损最为严重，叶片主要磨损区域为尾片齿座根部位置附近。煤岩抗压强度、采煤机牵引速度增加，截齿、叶片磨损加剧;滚筒转速增加，截齿磨损深度减小，叶片磨损深度先增加后减小;螺旋升角增加，截齿磨损深度先增加后减小，叶片磨损深度逐渐减小;其中，煤岩抗压强度是造成截齿、叶片磨损的主要因素。当截割煤岩抗压强度为30 MPa的煤层时，采煤机牵引速度为5.66 m/min、滚筒转速为80.40 r/min、螺旋升角为11.35°时，滚筒性能达到最优，此时采煤机截割比能耗为0.713 2 kW·h/m3、载荷波动系数为0.081 9、截齿、叶片和端盘的磨损深度分别为1.595 μm,1.061 7 nm和0.907 nm，生产率为315.465 5 t/h。离散元仿真结果中滚筒磨损部位分布与现场工况下滚筒实际磨损情况具有一致性，验证了建立的仿真模型与过程的可行性。基于此研究方法可实现滚筒磨损问题的定量分析，极大地降低试验成本，有助于高效、强力、耐磨滚筒的研发。

• 基于非下采样轮廓波变换的矿井图像增强算法

  王满利, 田子建,

  为提高煤矿井下低照度、大噪声图像的可观测性，提出了一种基于非下采样轮廓波变换的矿井图像增强算法，该方法克服了常规图像增强算法无法兼顾对比度提高与噪声抑制的不足。根据Retinex理论，推导出了低照度含噪声图像的Retinex增强框架，该框架解除了噪声对估计光照图的干扰，并且分离实现了图像的对比度提高和噪声抑制。依据该图像增强框架，首先利用非下采样轮廓波变换将输入图像分解为低频子带系数和高频方向子带系数，解除估计光照图与抑制噪声的耦合;然后在轮廓波变换域，利用R，G，B三个颜色通道的低频子带系数，求出3个低频子带系数的亮通道图像，但该亮通道图像存在细节突变和过低灰度值，不符合光照图缓慢变化的特征，对亮通道图像做进一步的Gamma校正和均值滤波，获得灰度值提高了的平滑光照图估计值;接着在轮廓波变换域，根据阈值函数收缩高频方向子带系数实现噪声抑制;最后，为突显某一频带方向的细节信息和提高整体对比度，将收缩的高频方向子带系数乘以相应的增益完成特定细节加强，再利用细节加强的高频子带系数、低频子带系数和光照图估计值重构出整体对比度提高的增强图像。数值实验表明，该图像增强算法能够有效地实现矿井图像的对比度提高、噪声抑制和细节加强，且具有良好的稳定性和适应性，能够很好地满足矿井下图像增强的需求。

• 基于主动红外激励的煤岩界面识别

  张强, 孙绍安, 张坤, 张旭, 郭桐,

  针对综采工作面采煤机智能化截割时存在的煤岩识别精度低等问题，采用红外热像技术，建立了煤岩界面检测实验台。利用煤粉、水泥、沙子、黏合剂等材料分别浇筑全煤、全岩和煤岩混合3种试件，在单光源9 kLux的激励强度下，开展煤岩界面识别研究。实验过程中通过IRBIS3红外分析软件对3种试件检测表面不同时刻的温度场信息进行提取和分析，并建立温度场梯度模型加以研究。研究结果表明:煤、岩两种物质在相同的激励下的温度场特性有明显差异，当存在煤岩混合情况时，检测区域内的温差范围和标准方差会明显增大，可以此作为煤岩混合的一种预测识别依据;对煤岩试件进行主动激励时，检测区域前10 min内温升变化最为明显，温差范围和标准方差增大较快，10~30 min内温度缓慢上升，温差范围和标准方差缓慢增大，30 min后温度相对稳定，温差范围和标准方差无明显变化。激励时间的越长，煤和岩的温度场信息差异就越大，更利于提升煤岩识别的精度。但综合考虑温度场信息差异增长幅度和主动激励能源消耗等问题后，选在主动激励30 min时进行红外图像的提取较为合理;通过提取检测区域内的温度场信息，建立的温度场梯度模型可以较为直观地观察到煤和岩的分布位置及分布趋势，通过对温度梯度模型进行温线划分、煤岩分布划分处理以及建立煤岩分布模拟还原图像后可以准确判定煤岩分布的过渡区域，提升煤岩识别的精度，降低采煤机在截割过程中的截齿磨损程度，有效延长截齿的使用寿命。