煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第10期

• 我国煤矿矿井水保护利用发展战略与工程科技

  顾大钊, 李井峰, 曹志国, 吴宝扬, 蒋斌斌, 杨毅, 杨建, 陈要平,

  我国煤炭开采对地下水资源的破坏是实现煤炭绿色开发和矿区生态文明建设需要解决的重大关键问题。通过调研咨询、统计分析、专家咨询等方式，系统分析了我国煤矿矿井水保护利用现状，提出了我国煤矿矿井水保护利用发展战略和工程科技。研究表明：目前我国吨煤开采产生矿井水为1.87m3，每年产生煤矿矿井水约6.88×109m3，煤矿矿井水平均利用率约为35%；根据煤炭产量发展趋势研究预测，2035年前我国煤矿矿井水每年可以稳定在6.0×109m3以上，煤矿矿井水将是我国长期稳定的非常规水资源，实现矿井水高效利用具有重大的经济社会效益。基于上述研究，提出了到2025年、2030年、2035年，我国煤矿矿井水利用率分别达到55%、70%、80%的总体目标；通过总结分析我国煤矿矿井水保护技术、矿井水处理与利用技术发展历程与趋势，提出了“2+5+5+3”的我国煤矿矿井水保护利用工程科技：即掌握“煤层开采覆岩裂隙带发育规律与地下水运移机制”、“矿井水水-岩耦合化学作用机理”等2项基础理论；突破“地下水赋存精准探测技术”、“煤矿地下水库群建设与运行技术”、“充填开采技术材料与装备”、“高矿化度矿井水大规模低成本处理技术”、“含特殊组分矿井水精准处理技术”等5项关键技术；建立“蒙陕接壤区煤矿地下水库技术示范区”、“宁东、哈密高矿化度矿井水处理利用示范区”、“蒙东草原区矿井水保护利用示范区”、“华北平原区充填开采水资源保护示范区”、“两淮矿区废弃矿井水资源利用示范区”等5个矿井水保护利用示范区；到2035年实现“煤矿地下水库储水规模达到5.0×108m3”、“充填开采技术成本下降50%”、“高矿化度矿井水零排放成本下降50%”等三大技术目标。同时对矿井水高效利用提出了政策建议和保障措施。

• 弹-塑性基础边界一侧采空基本顶板结构初次破断研究

  陈冬冬, 武毅艺, 谢生荣, 何富连, 孙耀辉, 石松豪, 蒋再胜,

  为了研究一侧采空条件下基本顶板结构的破断规律，构建考虑煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性变形的基本顶板结构力学模型，全面计算探究了侧方采空条件下基本顶板在煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态等。结论如下：① 煤柱区基本顶的破断形态有3类且随着基本顶厚度h、弹性模量E及弹性煤体基础系数kt增大，而煤柱宽度Lm与煤柱基础系数ksm、煤体塑化范围Lts与塑化程度ξs及跨度L减小时的破断形态变化规律为“单一连续长弧形”→“临界对接双长弧形”→“分隔式双短弧形”；② Lm及ksm主要影响煤柱区基本顶的破断位态；Lm及ksm增大，实体煤区主弯矩减小；③ 实体煤区基本顶破断位态有5类且随着h,E及ξs增大，而Lts,kt及L减小时的断裂模式演变规律为：“长边与短边断裂线均处于塑化煤体区”→“长边断裂线处于塑化煤体区而短边处于煤体弹塑性分界区”→“长边断裂线位于塑化煤体区而短边断裂线位于弹性煤体区”→“长边断裂线位于煤体弹塑性分界区而短边断裂线位于弹性煤体区”→“长边与短边断裂线均处于弹性煤体区”，存在长边与短边断裂线同时位于煤体弹塑性分界区的情况；④ h,E及Lts较大而L及kt较小时，破断顺序为：中部(靠近煤柱侧)→长边(3类位置)→短边(3类位置)→煤柱侧(3类位置)；⑤ 整体破断形态分为3类且随着h,E及kt增大，而Lm,ksm,Lts，ξs及L减小时，整体破断形态的变化模式为：闭合贯通式“非对称-非对称X”型→临界贯通式“非对称-非对称X”型→开口非贯通式“非对称-非对称X”型。针对研究一侧采空基本顶板结构破断的3类力学模型，从模型特征、破断影响因素、初次破断位置、煤柱侧破断形态、实体煤侧破断位置、整体断裂位态及工程指导意义共7个方面，总结对比了“三边固支+简支模型”(第1类)、“三边弹性基础+考虑煤柱宽度和支撑能力的单一塑化模型”(第2类)与建立的“三边弹塑性基础+考虑煤柱宽度和支撑能力的双重塑化模型”(第3类)的重要区别。

• 周期冲击载荷下巷道顶板开裂机理数值模拟

  王学滨, 刘桐辛, 田锋, 钱帅帅,

  周期冲击载荷在采矿、土木等工程中较为常见。在周期冲击荷载作用下，巷道围岩会在极短时间内产生大量裂缝，块体会以猛烈方式脱离巷道围岩，造成岩爆、垮塌等灾害。自主开发的拉格朗日元和离散元耦合的连续-非连续方法主要包括4个计算模块：应力应变模块、节点分离模块、接触力求解模块和运动方程求解模块。鉴于单元畸变和局部自适应阻尼可能导致单元弹射出模型时速度失真，为了准确模拟弹射现象，在该连续-非连续方法的基础上，对弹射单元进行了刚化处理。该方法的实质是确保弹射单元在碰撞前后作刚体运动，这是通过对节点速度取平均、消除单元应力实现的。对周期冲击载荷作用下巷道围岩的变形—开裂—运动过程进行了模拟。模型尺寸为40 m×40 m，被剖分成160×160个正方形单元，巷道尺寸为6 m×6 m。模型的左、右侧面均为透射边界，即应力波经过时不会发生反射。通过在巷道顶板布置多个测点，获取了最大主应力在整个模拟过程中的演化规律。该过程包括巷道开挖前模型的平衡过程、巷道开挖后模型的平衡过程及应力波在模型中传播过程。研究发现，当应力波在模型中传播时，弹射单元任一节点的水平速度呈现上升—稳定—衰减的变化过程，这与不进行刚化处理的结果相比更符合实际；巷道顶板左、右对称线上大部分测点的最大主应力呈现近似正弦波动上升—衰减—稳定的变化过程。在某一节点分离前，最大主应力首先呈现有规律的波动；然后，波动幅度突然增大，并伴随着剧烈震荡。阐明了顶板的拉裂机理：当应力波传入模型之后，顶板某一位置的最大主应力的波峰和波谷随着时间的增加呈增加的趋势，反射的多个拉应力波的累积作用不断提升该位置最大主应力的波峰，致使拉裂。另外，还初步分析了周期冲击载荷频率对单元弹射初速度和剪、拉裂缝区段数目的影响。分析发现，随着频率的增加，脱离巷道围岩的单元的平均弹射初速度增加，剪、拉裂缝区段数目减小。

• 基于支架载荷的矿压双周期分析预测方法

  尹希文, 徐刚, 刘前进, 卢振龙, 于秋鸽, 张震,

  矿压动态预测是顶板管理和顶板灾害防治的重要手段，也是矿山压力与岩层控制领域的难点问题，目前国内外缺乏成熟、可靠的动态预测方法。采用现场实测、数据挖掘以及理论分析方法，从支架载荷在时间和空间2个方面周期性变化规律入手，构建了矿压双周期动态分析预测模型。从时间角度，基于覆岩结构及支架围岩关系分析，通过理论推导得到了3类液压支架载荷时序增阻函数，主要包括指数函数、线性函数、对数函数，通过实测数据验证，认为12401工作面支架载荷时序曲线由单一函数和分段函数构成，主要分为4种类型：单纯指数函数，单纯对数函数，对数+线性函数，对数+指数函数，采用滑动窗口动态预测方法和最大拟合优度的准则，建立了采煤循环内液压支架载荷拟合预测模型。从空间角度，分析了循环末阻力随工作面推进度的周期性变化特征，采用系统聚类和K-means两种聚类方法对周期性曲线进行分类并建立模板曲线，采用延伸窗口动态预测方法和最大匹配度准则，建立了循环末阻力模板曲线匹配预测模型。通过软件开发，实现了电液控制系统中立柱压力数据的采集、预处理、矿压特征指标分析、拟合预测、匹配预测等功能，以神东上湾煤矿12401工作面支架载荷数据进行初步预测实践，支架载荷及循环末阻力预测准确率86%以上。矿压双周期预测模型是结合覆岩运动模型和支架载荷实测数据而提出的矿压动态预测新方法，可为综采工作面顶板管理、围岩控制策略的超前制定提供参考。

• 松软厚煤层异型开切眼新型预应力锚注支护研究与应用

  张进鹏, 刘立民, 刘传孝, 文光才, 李青海, 孙东玲, 邵军, 张杰, 孙立庆, 邸广强,

  普通水泥基浆液加固煤体由于其自收缩常造成浆煤界面松弛及充填空隙，以综放厚煤层异型开切眼松软煤体加固为工程背景，提出基于预应力锚和自应力注的松软煤体锚注加固方法。基于该新型预应力锚注加固煤体原理分析，对比研究普通硅酸盐水泥和超细硅酸盐水泥的基本性能，为自应力浆液原材料的选取提供依据；通过浆液纵向自由膨胀率试验获得自应力浆液的最佳膨胀剂掺量；进行预制裂隙煤体普通硅质浆液和硅质自应力浆液加固试验，对比分析自应力浆液加固煤体的力学性能优势和破坏特征；通过数值模拟和现场监测分析新型预应力锚注加固异型开切眼的有效性。结果表明：通过浆液结石体的膨胀应力和注浆锚杆的轴向约束应力，能够使松软破碎煤体处于准三维的受力状态，实现了其强化与损伤修复；超细硅酸盐水泥浆液由于流动性更大、结石体强度更高而更能满足自应力浆液的加固要求；随着膨胀剂掺量增大，水泥浆液最大纵向膨胀率呈先增大后减小的趋势，自应力浆液的最佳膨胀剂掺量为10%；约束条件下自应力浆液加固煤体的峰值强度比普通浆液加固煤体提高4.6%，说明自应力浆液加固裂隙煤体的效果优于普通浆液；普通浆液和自应力浆液加固煤样初始宏观裂纹均出现在浆煤界面处，最终破坏形态均为以预制裂隙为基础的整体劈裂弹射破坏，但其裂纹发展过程有所不同，自应力浆液加固煤样的裂隙数量少于普通浆液加固煤样；在数值模型中，仅锚杆索支护时煤体悬臂梁结构下沉量较大，新型预应力锚注后其下沉量明显减小；现场监测中锚杆索受力相对稳定，加固煤体下沉量较小，说明新型预应力锚注加固松软破碎煤体的效果较好。

• 碎石锚固中压力拱形成与锚杆作用分析

  王晓卿, 康红普, 高富强, 娄金福, 李建忠, 杨磊,

  碎石锚固试验被用于证实锚固破碎岩体中存在压力拱，但压力拱的概念较为抽象，难以理解和应用。为研究锚固破碎岩体中压力拱的形成机制与锚杆的作用，克服颗粒锚杆批量生成与预紧难题，利用三维颗粒流程序（PFC3D）开发碎石锚固试验的数值模拟方法，开展系列碎石锚固数值试验，直观展示压力拱的形成，揭示压力拱的形成机制与成因，分析并验证锚杆在压力拱形成中的具体作用。在此基础上，提出极破碎岩体锚杆加固的建议。研究结果表明：① 锚杆加固碎石体内会形成拱形承载结构压力拱，压力拱由碎石咬合而成，碎石体全部质量由压力拱承载，压力拱的稳定依靠拱下碎石支撑。② 压力拱形成于碎石在锚杆作用下的自适应运动过程。移除碎石箱底板后，底部碎石向下运动，导致上部碎石重力向周边转移，在周边碎石形成拱腿，拱顶部位碎石在侧向约束作用下彼此咬合形成拱顶，最终以底托板为基础形成压力拱。③ 压力拱的形成和稳定需满足4个条件：强力的底部基础、足够的侧向约束、适当的碎石厚度和平衡的拱下碎石。④ 锚杆在压力拱形成和稳定中发挥侧向约束作用、支撑作用和护表作用。在成拱过程中，锚杆通过预紧提供侧向约束力，使碎石具有足以成拱的咬合能力。在压力拱形成后，锚杆通过对拱下碎石提供支撑和护表使其平衡，维护压力拱的稳定。锚杆预紧有助于增强侧向约束作用和支撑作用。⑤ 大范围极破碎岩体加固应围绕压力拱的形成，充分发挥锚杆的侧向约束、支撑和护表作用，包括提高锚杆预紧力、增大锚杆杆体粗糙度、减小锚杆间距、增大托盘尺寸等。

• 固体充填开采“三效”关系及其优化控制方法

  武中亚, 张强, 张昊, 郑庆学, 刘宏军, 田秀国,

  充填效果、充填效率和充填效益(简称“三效”)3者之间的关系是充填开采理论设计及工程实施过程中难以回避的问题，但目前尚未形成“三效”关系的定量表征方法。针对固体非密实充填和密实充填，提出了“三效”的内涵，给定了“三效”的表征原理，阐释了“三效”优化控制的概念。以充填体在机械夯实作用和采空区覆岩压实作用下逐渐密实的过程为纽带，构建了基于固体密实充填“三效”与充填工艺、充填材料参数和充填体密实状态关系的分析模型。采用理论分析方法阐述了充填效果、充填效率与充填效益之间的相互关系，给出了“三效”的量化表征方法、求解流程和计算公式。基于单因素变量分析方法，研究了夯实次数、单次夯实时间、单个支架落料时间和堆料高度4个充填工艺关键因素以及自然安息角和夯实前容重2个充填材料关键因素对“三效”的影响规律，得到了4种“三效”关系类型。根据“三效”关系变化规律并结合充填开采关键参数设计流程进一步提出了针对固体密实充填的“三效”优化控制方法。针对唐山矿T3292充填工作面的“三效”分析表明:充填开采过程中实施了富余的夯实次数，降低了充填效率和效益，建议优化充填材料并减少夯实次数，从而在保证充填效果的同时实现较高的充填开采效率和效益。

• 矿山蓄热/储能充填体的热-力性能与传热过程

  张小艳, 文德, 赵玉娇, 刘浪, 张波, 郇超, 王美, 屠冰冰,

  我国地下矿山储存着丰富的地热资源，深部矿井资源的开采为地热资源的开发提供了有利条件。将充填采矿与地热资源开采相结合，利用蓄热/储能功能性充填体提取地热，借助深部矿井开采已有条件为地热开发的动力供应和管路布设提供保障，可有效节约地热资源开发所需的钻探和开采成本，促进矿区的长期可持续发展。蓄热/储能功能性充填的总体实施方案包括充填材料制备、采热管路布置、充填体蓄热/释热3个阶段，本研究在材料制备方面提出了适宜于矿山蓄热/储能功能性充填的材料特性及优化目标，并测试了使用石蜡作为相变材料替代部分骨料（如尾矿）的充填材料热力学性能，结果表明随着灰砂比或料浆质量浓度的增加，充填体的抗压强度增大，同时相变材料的加入会使充填体的抗压强度、导热系数下降，而比热容明显增大。采用实验测试的方法对不同管路布置及不同换热工况下采热系统的性能展开研究，并基于热平衡计算了系统的总能效系数，得到了最优的采热管路布置方式及设计参数，当采用蛇形管路布置，载热流体入口速度为0.7 m/s，围岩温度为35 ℃时，采热系统具有更高的总能效系数，其值为0.48。采用数值模拟的方法对添加石蜡的充填体蓄热/释热行为展开研究，结果表明：蓄热/释热过程中（20 h），添加质量分数10%石蜡的充填体比不添加石蜡的充填体多蓄存55.5%的热量，但释热量大幅减少，总能效系数降低。

• 深层地热储层水力剪切增透机制研究进展

  张洪伟, 万志军, 赵毅鑫, 张源, 卢帅峰,

  在增强型地热系统(EGS)中，低压注水触发裂隙网络剪切滑移是热储增透的主要技术手段之一，对提升储层取热效率具有重要作用。然而，多场耦合作用下水力剪切发生的机制异常复杂，已成为储层热提取效率提升的关键问题，也是地下工程诱发地震防控的热点和难点问题。多场耦合作用下水力剪切增透机制涉及许多新问题，很多现有理论在高温高压下不再完全适用，迫切需要基础理论的创新、试验装备的研发和工程技术的突破。在阐述储层水力剪切技术原理和回顾研究现状的基础上，紧扣多场耦合作用下裂隙岩体水力剪切滑移机制这一主题，阐明了该机制研究的关键科学与技术问题，主要包括:① 深部高应力岩体黏聚力和内摩擦角的温度效应;② 多场耦合作用下水力剪切滑动判别准则研究;③ 多场耦合作用下有效应力理论的适用性及参数优化;④ 多场耦合作用下裂隙岩体的剪切破坏动力学响应特征;⑤ 热冲击效应对干热岩水力剪切机制的影响与评价;⑥ 水力触发剪切与诱发地震的关系及地震人工解危思路。系统介绍地热储层水力剪切增透机制，全面评述水力剪切增透技术的发展过程，总结并讨论水力剪切机制的关键科学与技术问题，以便国内同行对其有全面的了解和认识，助力这项技术在国内的推广和应用。

• 综合工艺条件下抛掷爆破剥离系统工作线长度优化

  马力, 张建国, 来兴平, 孙健东, 刘晨东, 罗强, 韩流,

  为了优化综合工艺条件下抛掷爆破-拉斗铲倒堆剥离系统工作线长度，在分析抛掷爆破剥离台阶与综合工艺系统间耦合影响关系的基础上，确定了剥采工程延深程序约束下的抛掷爆破剥离台阶推进度是综合工艺系统中的制约性因素，以神华黑岱沟露天煤矿综合工艺系统为背景，系统地分析了抛掷爆破剥离系统工作线长度对综合工艺剥离费用、内排运输费用及倒堆工艺作业效率间的影响关系，并建立了影响关系模型。以间断工艺剥离费用、运输费用与抛掷爆破-拉斗铲倒堆工艺剥离费用构成的综合工艺总剥离费用最小为目标函数，确定了综合工艺总剥离费用与抛掷爆破台阶工作线长度的函数关系，以工作线两翼分区作业最小工作线长度、拉斗铲系统生产能力、露天矿生产能力、工作线长度非负等为约束条件，构建了综合工艺条件下抛掷爆破剥离系统工作线长度的约束非线性规划模型。依据黑岱沟露天煤矿综合工艺实测数据，求解结果表明：① 综合工艺总剥离费用和最佳工作线长度随生产能力增大而增大，而最佳工作线长度也与拉斗铲年实动率影响的年作业时间密切相关。② 在当前拉斗铲实动率及系统开采参数条件下，满足产能34 Mt/a要求的最佳工作线长度应为2.29 km，而现有采区划分实际条件所限定的2.30 km工作线长度及工况条件恰能满足34 Mt/a的生产能力要求。③ 在相同生产能力条件下，随拉斗铲实动率的增大，最佳工作线长度及总剥离费用都呈现降低趋势。

• 基于最小塑性区半径准则的岩石裂纹起裂规律

  高玮, 崔爽, 肖婷, 陈新, 周聪, 胡承杰,

  岩石的变形破坏过程实质是内部裂纹不断产生、演化和扩展的过程，研究岩石中多裂纹的起裂规律对岩体工程的稳定性具有重要的理论意义和工程价值。裂纹尖端塑性区的存在是材料抵抗断裂的重要因素，裂纹尖端塑性区对裂纹的起裂扩展影响很大。为了考虑裂纹尖端塑性区对岩石裂纹起裂规律的影响，本文基于摩尔-库伦强度准则推导了二维应力状态下岩石裂纹尖端塑性区尺寸的计算公式，并考虑塑性区内材料的硬化对其进行了修正，然后基于最小塑性区半径准则得到了岩石中裂纹的起裂角及起裂荷载。最后，基于理论计算，分析了裂纹长度比、裂纹倾角和裂纹间距对裂纹起裂规律的影响。结果表明:平面应力状态下受压裂纹的起裂角为定值70.43°，平面应变状态下受压裂纹的起裂角随硬化系数和泊松比的增大而增大;受压裂纹的起裂荷载与裂纹长度比成反比，与裂纹间距成正比，且随裂纹倾角增加先减小后增大，其极值点与裂纹面的摩擦效应有关;中心裂纹对裂纹长度比和裂纹间距最敏感，外裂纹内尖端次之，外裂纹外尖端对裂纹长度比和裂纹间距最不敏感;受压裂纹的起裂荷载与裂纹面的摩擦系数和闭合度有关，相同条件下，张开型受压裂纹起裂荷载小于完全闭合型受压裂纹的起裂荷载，且平面应力状态下的起裂荷载大于平面应变状态下的起裂荷载。

• 电爆炸破碎岩石类脆性材料实验方法与应用

  闫广亮, 张凤鹏, 郝红泽, 高继开,

  炸药使用受到严格管控，限制了岩石等脆性材料在爆炸动载荷下破坏机理的研究。为了建立安全有效模拟炸药爆炸动载荷的实验手段，进而深入精细开展岩石等脆性材料在爆炸冲击载荷作用下的破坏机理等研究，提出了利用金属丝电爆炸模拟炸药爆炸进行破碎岩石与脆性材料的实验方法。设计并开展了金属丝电爆炸模拟球状药包和柱状药包破碎水泥砂浆试件实验，论述了试件模型的制作方法与实验流程。采用高速相机拍摄试件表面裂纹的形成与扩展过程，采用罗氏线圈测量金属丝电爆炸过程电流。研究了充电电压对试件破坏过程与破坏效果的影响，对比分析了电爆炸载荷与炸药爆炸载荷的异同点，以及金属丝电爆炸实验方法的优势。结果表明：随着充电电压升高，金属丝电爆炸的峰值电流越大，但是上升沿时间不变；金属丝电爆炸可有效破碎岩石类脆性材料，是模拟炸药爆炸破碎岩石类脆性材料的有效方法，具有安全、无污染、能量可控、使用方便、可重复性高等优势；在模拟球状药包与柱状药包爆破实验中，随着电压逐渐增大，试件表面裂纹出现的时间越早、数量越多，破碎块度越小；与炸药爆炸相比，金属丝电爆炸以冲击波作用为主，气体的作用可忽略不计；在电压为50 kV(能量5.0 kJ)条件下，直径0.4 mm、长100 mm的直线型铜丝电爆炸峰值压力约为49.05 GPa；金属丝具有细长的特点，通过改变电极直径与金属丝的长径比，可开展与现场爆破参数高度几何相似的小型化的球状与柱状药包爆破模型实验。

• 催化型复合粉体抑爆剂抑制瓦斯爆炸压力实验研究

  余明高, 王雪燕, 郑凯, 韩世新,

  矿井瓦斯爆炸影响着矿井安全生产，瓦斯爆炸防治技术一直是矿井安全生产的重中之重。除了泄爆、隔爆等安全措施，抑爆也是一种高效防治技术。目前，投产使用的瓦斯爆炸抑制剂大多效果不佳，为了获取高效的粉体抑爆剂，以传统灭火剂KHCO3为基体材料，加入适量的二茂铁和微量的助磨剂、干燥剂，运用行星式球磨机，采用干法复配技术得到催化型复合粉体抑爆剂。通过标准的20 L球型爆炸装置，测试催化型复合粉体抑爆剂对瓦斯爆炸产生最大爆炸压力、最大压力上升速率等相关特征参数的影响。根据爆燃指数的计算结果对催化型复合粉体抑爆剂减缓瓦斯爆炸的危害程度进行详细分析。基于粉体表征结果对催化型复合粉体抑爆剂的抑制机理进行讨论。结果表明，二茂铁的加入明显改善了传统灭火剂KHCO3的团聚现象，提高了其热解性能。干燥剂增加复合抑制剂的疏水性能，使其在常温常压下更易储存和运输。球磨机的研磨使得复合抑爆剂的粒径大幅减小，经检测，催化型复合抑爆剂体积加权平均粒径为40.61 μm。催化型复合粉体抑爆剂最佳的抑爆减灾质量浓度为0.1 g/L，当二茂铁、KHCO3、助磨剂与干燥剂3者质量比达到3∶16∶1时，催化型复合粉体抑爆剂展现了良好的抑爆性能：瓦斯爆炸最大爆炸压力降低31.6%、最大压力上升速率和爆燃指数均降低93.0%,抑制效果最佳。

• 低阶煤孔隙结构定量表征及瓦斯吸附放散特性

  蒋静宇, 程远平, 张硕,

  低阶煤广泛分布于我国西北、华北和东北地区且储量较大，但近年来部分低阶煤矿区瓦斯突出灾害严重。为研究低阶煤孔隙结构、瓦斯吸附放散特性及其对瓦斯灾害的影响，采用N2/CO2吸附法和小角X射线散射(SAXS)表征手段，开展瓦斯吸附/解吸试验，运用分形理论，对6组煤样开展系统研究。根据煤样孔隙结构参数和瓦斯吸附/解吸特性参数的关系，获得低阶煤微观孔隙结构与宏观瓦斯吸附放散特性的相关性。结果表明：试验低阶煤煤样≤2 nm的微孔孔容为0.055～0.064 cm3/g，总体上高于试验中阶煤样微孔孔容(0.026～0.060 cm3/g)；低阶煤介孔主要分布在2～8 nm，而中阶煤最发育孔径为2～4 nm。低阶煤介孔孔容和比表面积总体大于中阶煤；SAXS结果表明：低阶煤最发育孔径为10 nm左右，而中阶煤孔径在35 nm附近最发育。这与N2吸附法测得煤样最发育孔径约为3 nm存在较大差异，可能煤中存在闭孔或气体吸附法无法测到的孔。分形维数结果表明：低阶煤孔隙较中阶煤孔隙更为复杂。结合傅里叶变换红外光谱表明，低阶煤分子结构松散，含有较多长侧链的官能团，导致其微孔和介孔较为发育。微孔孔容与朗格缪尔体积(VL)存在正相关关系，介孔孔容与瓦斯扩散系数(D)亦存在正相关关系，而VL和D反映着煤体的吸附和放散特性。因此低阶煤具有相对较强的瓦斯吸附和放散能力，易于发生瓦斯异常涌出和瓦斯突出。

• 基于深度学习的地震多属性融合技术在导水裂隙带探测中的应用

  袁峰, 申涛, 谢晓深, 马丽, 汶小岗,

  导水裂隙带发育高度是“保水采煤”的基础参数，准确揭示导水裂隙带发育规律有助于实现保水开采。三维地震技术具有数据横向连续、纵向分辨率较高的特点，在一定程度上能够弥补钻孔资料的不足。为了研究陕北某煤矿不同开采阶段导水裂隙带发育范围及其演化规律，以该矿30101,30102工作面为研究对象，采用以漏失量为监督数据的深度前馈神经网络方法融合多种地震属性对研究区分层开采全垮落式采动损害导水裂隙带发育高度进行探测。首先，在钻孔冲洗液漏失量观测数据分析的基础上，优选地震属性，并进行有监督的深度学习;然后，融合多种属性信息建立裂隙模型，利用裂隙模型分析确定采动覆岩结构破坏和导水裂隙带的三维空间范围、形态特征、垂向岩石破坏程度及导水裂隙带发育高度;最后，通过分析两个工作面的开采时间差异，揭示导水裂隙的发育、闭合规律。研究表明30101工作面断裂带发育最大高度为120 m，30102工作面断裂带发育最大高度为133 m，以高角度裂隙为主，主要沿垂直、平行工作面方向发育。导水裂隙带的裂隙发育是先增大后降低，断裂带上部裂隙闭合较好，断裂带下部和工作面边缘裂隙闭合较差，采动后18个月裂隙比采动后4个月减少了21%，离层裂隙减少了50%。通过本次研究认为基于深度学习的地震属性融合技术对煤层采动引起的岩层破坏规律探测具有针对性，其精度能满足生产需要，费用低，是一种有效探测技术。

• 颗粒流失对陷落柱充填物孔隙结构及突水行为的影响

  张天军, 张秀锋, 庞明坤, 刘楠, 张硕, 高航标,

  陷落柱充填物的颗粒流失是诱发矿井突水事故的重要原因之一。为了研究陷落柱充填物在颗粒流失过程中初始级配与孔隙结构、粒度分布间的关系，利用变质量破碎岩体渗流试验系统，采用稳态渗流法得到分级加载条件下陷落柱充填物的颗粒演化规律和粒度分布特征，进而分析颗粒流失过程中的孔隙结构和水流突变规律。结果表明:① 陷落柱充填物岩样普遍存在大量微观孔洞、裂缝和颗粒拼接等结构，颗粒流失在很大程度上取决于试样自身属性，外部荷载F和渗透压力P只起某种促进作用;② 流失前后的充填物颗粒满足分形条件，具有分形特征，整个渗透流失过程中细小颗粒占比高达34.4%，试样颗粒的分形维数D随级配n值的增大而减小，流失颗粒中级配值n=0.3和n=0.9的试样更易于破坏，造成结构性失稳;③ 整个渗透历程中孔隙度存在2个骤减区段，其值分别出现在渗透历程的63 s和484 s左右，孔隙结构的调整与粒径级配有关，水流与试样间的往复作用会在进出水口形成稳定的导水通道，渗透后充填体内部存在孔洞、塌陷和空腔;④ 颗粒流失下的试样突水过程可分为初始渗流、灾变失稳和管流涌水3个阶段，各阶段下的流速和时间关系总体上趋近一致，突水过程一般会持续5～10 s。渗透过程中溃出物的质量m与Talbol幂指数n值可用指数函数拟合，溃出物的质量随Talbol幂指数n值的增大而增大，且充填体结构崩塌时会出现明显的水流喷溅、水位差浮动和压头掉落现象。

• 基于化学浸取法的石煤中稀有金属元素赋存状态

  张卫国, 杨建业, 李军, 李焕同, 车晓阳,

  石煤中伴生有多种稀有金属元素，开发利用潜力巨大。稀有金属元素的赋存状态限制和影响了其从石煤中被提取出来的可能和效率，同时也决定了有害元素向周边环境的迁移、转化能力。立足石煤属性特点，设计了一套石煤稀有金属元素赋存状态分析的实验方案，根据物料平衡原则及相关参数对实验结果进行了系统的评价和验证，认为该实验方案设计合理、逻辑严谨、可操作性强，结果可信，适用于石煤中稀有金属元素赋存状态研究。通过对不同赋存状态中稀有金属元素质量分数分配情况进行分析得出，石煤中稀有金属元素赋存状态种类多样，总体以无机态为主，其中以杂矿态居多。其中Zr，Nb，Hf，Ta与杂矿态(石英、伊利石及难溶硅酸盐矿物)结合紧密，Li，V，Cr，Ga，Y，Ba，Bi，Th以杂矿态形式存在为主，Cu，Rb，Mo，Cd，Sb，W与有机质关系密切，Co，Ni，Zn，Y，Cd，Bi，Th与碳酸盐矿物存在联系，Y，Mo，Tl，Th存在少量的氧化物态，其他元素氧化物态含量较低;Co，Ni，Cu，Zn，Mo，Cd存在一定量的水溶态形式;大部分元素不存在或存在微量吸附态形式。研究结果有助于指导稀有金属元素的联合开发，有助于减缓有害元素向周边环境的迁移。根据石煤中稀有金属元素赋存特征，建议在石煤稀有金属元素提取工艺设计中选取温和、可控的破坏有机质方案，有机质破坏后再进行无机矿物态元素提取;重点关注“杂矿态”中赋存的稀有金属元素的联合提取，并且要注意残渣、废液的回收，以减少和监控有害元素向环境的迁移转化。

• 多层叠置煤层压裂裂缝纵向扩展模型与数值模拟

  杨兆中, 张丹, 易良平, 李小刚, 李宇,

  水力压裂技术是高效开发多层叠置煤层的一种方式。在多层叠置煤层中，各层地应力、岩石力学性质等都存在差异，而这些差异会对水力裂缝纵向扩展产生较大影响。因此针对多层叠置煤层中水力裂缝纵向延伸问题，基于孔弹性理论和损伤力学建立了多层叠置煤层压裂裂缝纵向扩展模型，该模型假设仅当单元应变超过岩石的临界应变时才会造成损伤;通过对岩石的初始渗透率和裂缝渗透率进行加权求和来计算单元渗透率，其权重系数是裂缝宽度和单元尺寸的函数;在初始状态下，除裂缝单元外，其他单元均无损伤。采用有限元数值离散方法和Newton-Raphson(NR)迭代法建立了相应的数值求解迭代格式，并基于MATLAB软件编写了相应数值计算程序。基于建立的模型，研究了原位应力差、砂煤岩界面强度、砂岩层(盖层)弹性模量和泊松比以及压裂液黏度对水力裂缝纵向延伸的影响。结果表明:原地应力差、界面强度越大，压裂缝穿过砂煤岩界面并在砂岩层中扩展延伸的可能性越大;砂岩层弹性模量越大，裂缝穿层后延伸高度越大;压裂液黏度越大，压裂缝越容易穿过层间界面延伸到上下隔层;如果水力裂缝沿砂煤层界面扩展，则界面处的裂缝宽度远小于煤层中的裂缝宽度;沿砂煤层界面扩展时的水力裂缝缝内压力高于穿过砂煤层界面在砂岩层中扩展时的水力裂缝缝内压力。

• 超临界CO2萃取提高褐煤生物甲烷产气模拟实验

  张宇杰, 郭红光, 李治刚, 梁卫国,

  超临界CO2（ScCO2）萃取可以减弱煤中有机物的分子间作用力，破坏非共价键，使小分子化合物从煤的大分子结构中脱离。因此，将ScCO2萃取作为一种预处理手段来提高煤的生物可利用度，具有增产生物煤层气的潜能。以褐煤为研究对象，开展不同温压下ScCO2萃取及生物降解产甲烷实验，明确萃余煤与萃取物的产甲烷效果、ScCO2对褐煤的萃取能力及萃取物组成；通过与非超临界CO2处理比较，结合萃余煤的二氯甲烷（DCM）二次萃取、低温液氮吸附实验，分析ScCO2萃取增产生物煤层气的机理。结果显示，不同温压条件下的萃余煤生物甲烷产量均高于原煤，最佳产气的萃取条件为40 ℃-10 MPa，每克煤的最大甲烷产量为245.46 μmol，高出原煤84.68%。萃取物含有微生物可利用有机物，厌氧降解实验证实了萃取物具有产甲烷能力。因此，ScCO2萃取能够促进褐煤的微生物降解、提高生物甲烷产量。此外，非超临界CO2处理后的残煤甲烷产量显著低于ScCO2萃余煤，说明温压并不是刺激生物甲烷产生的主要因素，而ScCO2对有机物的萃取作用是其关键。然而，ScCO2的萃取率较低且DCM二次萃取后仍检测到丰富的生物可利用的有机物，表明有机成分经ScCO2作用后仍大量残留于煤体。低温液氮吸附结果显示，萃余煤的总孔容和比表面积降低，孔隙结构分布发生变化，说明萃取物经ScCO2携带发生运移、吸附，导致大部分有机物残留于煤中。以上研究结果表明，ScCO2萃取作用于煤中有机组分，导致部分有机物与煤体分离；而大量生物可利用有机物在煤体中发生运移、重排，提高了残煤的生物有效性，从而提高生物甲烷产量。

• 煤储层能量及其对煤层气开发的影响——以郑庄区块为例

  肖宇航, 朱庆忠, 杨延辉, 刘忠, 鲁秀芹, 吕帅锋, 周秋成, 张晨, 王刚, 王玉婷,

  煤储层内不同相态物质在地层演化过程中积聚有不同类型能量。为明确煤层气开发过程中，不同相态物质状态随能量变化而发生改变及其对煤层气开发影响，利用单位体积弹性变形势能公式和等效弹簧模型计算煤岩基块弹性势能及裂缝开度最大缩减量；利用朗格缪尔等温吸附公式和理想气体等温膨胀做功公式推算等温条件下吸附煤层气膨胀能；利用纳维-斯托克斯方程定性分析煤层水压强能、重力势能和动能间转化关系；利用氦气、甲烷和去离子水渗透率测试平行试验研究影响煤岩导流能力主要因素。综合分析煤层气开发全过程中，各相态物质间能量转化及各物质状态改变；并于郑庄区内选定地质条件相似但能量特征不同4个相邻煤层气井组，结合各自产出特征和局部煤储层能量特征，探讨煤储层能量对煤层气开发影响。结果表明：在系统能量平衡被打破之后，煤岩通过膨胀对外做功释放弹性势能，引发裂隙开度缩减；吸附煤层气是煤层气产出动力源，通过解吸、扩张释放膨胀能，同时持续侵占煤层水流动空间；裂缝开度缩减会阻碍煤层水压强能与吸附煤层气膨胀能间联系，使后者不再随前者变化而改变。研究认为：煤层水压强能越大，煤储层产水潜力越强；吸附煤层气膨胀能越大，越利于煤层气产出；煤岩基块弹性势能和裂缝开度最大缩减量越小，越利于煤层气开发；煤岩基质变形对煤储层内流体产出影响不明显，而流体运移方式以及传质效率的改变对煤储层内流体产出影响明显。煤储层局部小范围内所承载能量存在差异，此种差异对煤层气井产出影响显著。煤储层能量是决定煤层气开发效果关键要素。

• 基于路径积分的叠后绕射波偏移成像

  李勤, 沈鸿雁, 王鑫, 赵静, 李萌,

  绕射波是由地下局部非均质性引起的地震响应，携带了高分辨率的地质异质信息，利用绕射波识别和追踪异质体(区)的关键是将其准确成像。发展了一种基于路径积分的叠后绕射波偏移成像方法。通过求解各向同性零偏移距速度延拓偏微分方程，获得其f-k域解析解，再结合路径积分理论构建偏移滤波器；然后利用积分区间(速度)改变其滤波特性，通过振幅和相位控制来突出绕射弧顶点并弱化大倾角成分，从而实现绕射波的成像。为进一步提高绕射波成像质量，在滤波器中引入了高斯加权因子，并深入讨论了成像控制参数的选取原则。研究结果表明：该成像过程等效于将给定速度区间内所有等速延拓剖面进行连续求和，依靠累积稳定贡献提高绕射弧顶点能量的同时，通过连续相移抵消了偏移同相轴侧翼；然而，这种积分成像方式无法抵消区间端点值引起的偏移成分，将会导致结果中残存部分欠、过偏同相轴；为了压制尾线干扰，并使绕射同相轴收敛更聚焦，可在滤波器中引入高斯因子，利用高斯权值增强准确速度附近的叠加贡献，同时有效削弱错误速度引起的偏移成分。此外，对于高斯加权路径积分法，速度区间两侧端点值分别对应成像剖面中的欠、过偏成分，区间大小与偏移同相轴顶点的能量成正比，速度偏量和标准差则决定了绕射点的聚焦程度。绕射模型验证了方法的有效性，实际地震资料处理结果表明：该方法无需预先构建成像速度模型，而且在绕射波提取较为完整的前提下，能有效改善绕射波的成像质量。

• 废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的基础问题探索

  卞正富, 周跃进, 曾春林, 黄赳, 浦海, AXEL Preusse, 张保生, HABIL Christoph Bruecker, 白海波, 孟庆彬, 陈宁,

  废弃矿井抽水蓄能地下水库的构建既可有效利用废弃煤矿地下空间，又可实现风能、光能等可再生能源的大规模利用，还可防止废弃矿井地质灾害的发生。全面阐述了废弃矿井抽水蓄能地下水库的概念与构建技术，根据地下水库所处的工程与应力环境，指出了构建废弃矿井抽水蓄能地下水库至少有2个科学问题需要解决:一是水文地质、水化学特征与地下水循环过程对选址的影响;二是围岩体-支护结构的稳定性和密闭性对建设和运行的影响，并全面综述了废弃矿井抽水蓄能地下水库技术框架及研究现状。针对上述问题，结合废弃矿井抽水蓄能地下水库建设的矿井地下空间利用途径、岩体稳定性及地下水库库容、巷道围岩长期变形及支护的时效性与水循环对水源及水质的保障等方面的研究现状，分别从地下水库库容、地下水循环、围岩稳定性与水质因素等4个方面进行研究，揭示了废弃矿井抽水蓄能地下水库构建的关键因素，即准确计算地下水库特征库容，掌握地下空间有效库容的变化规律;良好的水循环既可保证地下水库合理的库容，又能保证水动力过程不影响工程的安全;明确矿井水文地质特征及水库密闭性、地下空间围岩稳定性及应对措施，保证地下水库合理库容及工程安全;实时全空间矿井水品监测、水污染预测与防治，保障地下水水质安全及抽水蓄能设备安全使用的需要。最后以江苏权台煤矿为例，指出在原有矿井基础上改建为矿井抽水蓄能电站需要采取的措施，论证了废弃矿井地下空间作为抽水蓄能的地下水库利用的可行性，为废弃矿井地下水库构建基础问题进行了有益的探索。

• 神东矿区植被覆盖度时序变化与驱动因素分析及引导恢复策略

  刘英, 雷少刚, 陈孝杨, 陈敏, 杨英明, 李心慧, 张旭阳, 龙林丽, 卞正富,

  国家煤炭开采战略重心西移及集群化、高强度的开采方式，使得西部矿区的地表生态环境呈现出强烈扰动的态势，使本就脆弱的生态环境日趋退化，其中最直观的体现就是对植被影响。传统矿区植被恢复重建其生态恢复效益以及对生态环境影响还有待商榷，可能会形成了植被恢复资金高、投入与恢复低效率的矛盾局面。矿区植被恢复应严格遵循当地自然生态系统发展规律，避免对采后生态系统的再次扰动，科学配置，优化布局、引导恢复生态系统的自修复能力。而弄清煤炭开采扰动区植被覆盖度时序变化，是探索半干旱矿区植被引导型恢复有效方法的重要基础与前提。基于Landsat-NDVI时序数据，以神东中心矿区为研究尺度，分析了不同开采年份采区和非采区植被覆盖度的时序变化，依据不同时序植被覆盖度格点回归斜率、相关系数及标准差，对研究区植被覆盖度变化趋势以及年际波动程度进行评估，并对影响植被覆盖度变化的驱动因素进行了分析。结果得到：从2000—2016年神东中心矿区植被NDVI时序上整体呈物候性周期变化，由于大面积矿区植被重建，2005年后中心矿区植被INDV明显提升，INDV差异值时序变化与该工作面煤炭开采年份密切相关；煤炭开采塌陷对植被覆盖度的影响并不全是负面的，植被覆被度呈降低趋势的区域面积占中心矿区总面积的27.65%；土壤含水量是影响植被生长最重要土壤理化性质因子，其次为有机质含量、全氮含量和容重等；地下水埋深3.2 m和8.0 m为影响神东矿区植被INDV的2个重要阈值，地下水埋深通过影响土壤含水量来实现对地表植被类型的影响；降雨量是中心矿区植被覆盖度变化也有极其重要的影响的气候因子。半干旱矿区植被引导型恢复首先需要对地表永久裂缝进行识别和治理，创造沉陷区土壤水分恢复的前提条件；然后需要加强对沉陷区植物生长与土壤水分及地下水位埋深之间的耦合关系研究，分析植物生长受到干旱胁迫及植物死亡的相关土壤含水量及地下水位埋深阈值，为土壤含水量与地下水位埋深恢复到何种程度提供依据；植物配置、覆盖度控制可采用高空间分辨率的遥感影像对研究区地表植被进行精细分类，结合植被INDV时序变化趋势及波动程度，兼顾对植被生长立地条件的考虑，以植被INDV呈正向波动区植被组成情况作为的参考依据，且植物配置时尽量选择具有耐土壤贫瘠、抗旱性强、根系发达的本地植物物种；应加强对矿区地下水资源分布的探测，加强对采空区积水的循环利用，有计划地优先开采无、少地下水的区域，从源头减少或延缓对地下水的破坏。

• 煤矸石充填复垦土壤细菌群落变化

  焦赫, 李新举,

  煤炭开采造成大面积矿区土地塌陷，导致当地生态系统的脆弱性显著增加。煤矸石充填复垦是修复矿区塌陷地的常用方法，土壤细菌群落对于反映复垦土壤质量和生态健康状况具有重要的指示作用。为了了解矿区塌陷地煤矸石充填复垦对土壤细菌群落的影响，采用野外采样和高通量lllumina Miseq 16S rRNA测序技术，以周边普通耕地作为对照组（CK），分析了中国东部典型高潜水位矿区采煤塌陷地煤矸石充填复垦耕地（G）不同土层深度（0～20，20～40，40～60 cm）下土壤理化性质、土壤细菌群落多样性和结构组成的变化，以及土壤细菌群落与土壤理化性质的关系。结果表明:① 煤矸石充填复垦显著改变了研究区土壤理化性质，不同土层深度下土壤性质变化趋势差异明显；② 煤矸石充填复垦地的土壤细菌群落多样性与丰富度均低于普通耕地，且与土层深度呈显著负相关（P<0.05），40～60 cm层因煤矸石充填造成细菌群落组成差异大于其他土层。另外，变形菌门、放线菌门和酸杆菌门是所有处理中的优势菌门；③ 典型相关分析（CCA）和相关性分析（Pearson）结果表明，pH、含水量（MoiC）、有机碳（SOC）、速效磷（AP）和速效钾（AK）是影响土壤细菌群落组成的主要土壤理化性质，优势菌门仅与pH，AP，MoiC等部分理化性质显著相关。

• 水热提质褐煤的水分分布及吸附行为

  莫琼, 廖俊杰, 常丽萍, 韩艳娜, 鲍卫仁,

  褐煤脱水提质是其大规模利用的前提。水热提质是一种非蒸发干燥技术，具有节能降耗的优势。对褐煤提质过程中不同赋存形态水分的脱除、分布情况及提质煤水分复吸行为进行研究可为褐煤高效水热提质提供理论指导。采用水热法对我国内蒙古褐煤和云南褐煤进行脱水提质，通过等温干燥法测定了原煤及水热提质煤样中的水分和类型，运用化学滴定和氮吸附法分别测试了煤样含氧基团和孔结构，考察了水热提质对褐煤水分分布的影响;在30 ℃下进行煤样水分等温吸附测试，使用修正BET模型探讨了不同水热提质煤样的水分吸附行为。结果表明，水热提质降低了内蒙古褐煤和云南褐煤中的含水率，包括分子水、毛细水和自由水的含水率，其中分子水脱除率更高。水热提质脱除褐煤中的水分主要通过分解褐煤中亲水性含氧基团，使得所含分子水显著降低，同时毛细水和自由水也不同程度减少。提质褐煤含氧基团的减少和孔结构的变化分别影响提质煤的第1类水分(与含氧基团以强氢键结合的水分)和第2类水分(多层吸附和毛细冷凝吸附的水分)的吸附量。与内蒙古褐煤相比，煤阶较低的云南褐煤在水热提质过程中脱除了更多水分，其第1类和第2类水分吸附量降低更为显著，说明水热提质更适用于高含水的低阶褐煤。

• 黏结剂导入的工艺参数对沉淀铁基费托合成催化剂性能的影响

  常海, 程萌, 林泉, 朱加清, 吕毅军, 门卓武,

  为研究黏结剂二氧化硅的导入条件对沉淀铁基费托合成催化剂的结构及性能的影响，通过调变黏结剂的导入温度、陈化时间、pH值制备了不同的催化剂样品。利用低温N2物理吸附、XRD、磨损测试、H2-TPR等手段对样品进行表征，并在固定床反应器上进行费托合成反应评价，考察了黏结剂导入的工艺参数对催化剂的织构特性、晶相结构、抗磨损强度和费托合成反应性能的影响。XRD结果表明，不同的催化剂样品均呈水合氧化铁的晶相结构，不同的黏结剂导入的工艺参数对催化剂的物相结构并无影响。低温N2物理吸附结果表明，提高黏结剂导入温度、延长黏结剂导入后的陈化时间、降低黏结剂导入时的pH值使催化剂的孔体积略微增大，而对比表面积几乎没有影响。磨损测试结果表明，当黏结剂导入温度升高、导入后的陈化时间延长时，催化剂的磨损指数先下降后升高，表明这两个参数存在最佳范围。从长周期费托合成反应评价结果上看，在55 ℃下导入黏结剂制备的催化剂失活速率最低、选择性最佳。结合磨损测试结果，55 ℃左右应为导入黏接剂的最佳温度。当陈化时间延长至210 min时，催化剂的CO转化活性降低，稳定性变差。随黏结剂导入pH值的降低，催化剂的抗磨损强度明显提高。结合H2-TPR表征结果，降低黏结剂导入的pH值使铁-硅之间的相互作用增强是催化剂强度提高的主要原因。

• 新疆低质炼焦煤改质及高强度冶金焦炭的制备

  武强, 朱子宗, 焦万谊, 姚利, 王峰,

  新疆炼焦煤因其独特的成煤地质条件和较晚的成煤地质年代，使得新疆中等挥发分炼焦煤具有较低的煤化度和较高的氧含量，导致全新疆炼焦煤所制焦炭具有较高的反应性(CRI)和较低的反应后强度(CSR)，尽管在新疆炼焦煤中配加高比例的内地中等挥发分炼焦煤能明显改善焦炭质量，但炼焦成本显著上升。为此，以4种新疆低质炼焦煤和2种内地优质炼焦煤以及自主研发的一种改质剂为原料，开展了单种煤以及配合煤的10 kg铁罐改质炼焦试验。结合显微光度计、扫描电镜、XRD试验探索了改质剂的添加对焦炭结构影响，并且通过改质剂与新疆煤的热重分析试验揭示了改质剂对焦炭强度的改质机制。实验结果表明:添加0.3%的改质剂与全新疆低质炼焦煤共炭化炼焦，所得焦炭的热态强度指标明显改善(CRI下降约14%，CSR提升约15%)，而且改质焦炭的综合性能指标能达到现有新疆焦化企业配入高比例的内地优质炼焦煤所制焦炭指标。改质剂能结合低质炼焦煤快速热解阶段形成的活性含氧片段，使得该阶段自由移动H与含氧片段的反应减少，进而自由移动H的消耗将减少，这将促使胶质体的数量和稳定性增加，导致焦炭的微晶层片尺寸增大、间距减少、堆砌高度增加，使得焦炭的微晶体积增大，各向异性程度增加，气孔率下降，致密度上升。

• 循环流化床锅炉炉膛流动特性数值模拟进展

  杨照, 刘雪敏, 张肖阳, 齐国利, 董勇,

  循环流化床锅炉(CFBB)燃烧技术是目前最好的洁净煤燃烧技术之一，锅炉炉膛内的流动特性决定了炉内的燃烧和传热，是循环流化床锅炉最具有研究价值的内容之一。传统的实验方法存在研究成本高、准确性低等局限性，因此数值模拟方法成为了更多研究者的选择。CFBB模拟须从气固多相流模型入手，首先综述了近10 a来炉膛流态模拟的研究进展，数值模拟能提供更详细的流动细节和可视化结果，有助于加深对炉膛内气固两相宏观和微观流态特征的认识，还能提供更为详细的物理参数并完善对炉膛流态的定义。然后综述了决定模拟成败的关键因素——曳力模型，应用于炉膛模拟的曳力模型可以分为均匀模型、关联型模型和EMMS模型3类，讨论了曳力模型的应用范围和优缺点，其中EMMS模型具有描述介尺度结构的能力，是目前最好的曳力模型。最后归纳和分析了多相流模型和曳力模型的耦合方法，TFM多相流模型与EMMS曳力模型耦合的方法在目前得到了最多应用和较好成果，但具有无法实现粒径分布和缺乏尺度分离的不足。而将CPFD多相流模型与EMMS曳力模型耦合的方法兼具考虑颗粒粒径分布和介尺度结构不均匀性对炉膛流动特性影响的能力，在循环流化床锅炉炉膛流动性模拟更具有发展潜力。

• 基于红外热像的夹矸巷道断面记忆截割试验研究

  张德义, 刘送永, 贾新庆, 崔玉明, 姚健,

  夹矸煤巷掘进过程中，截割夹矸会引起载荷突变，导致截齿严重磨损与机体剧烈振动，进而增加悬臂式掘进机的故障率，降低其使用寿命。为保证夹矸巷道断面截割平稳性，提高掘进设备服役可靠性，提出“红外热像+记忆截割”的掘进机避矸截割策略。考虑截齿磨损特征，分别对未磨损及存在磨损截齿截割热封闭系统进行解析，建立截割产热与煤岩强度数学关系模型，证明采用非连续截割温升判断煤岩强度合理性;对不同配比岩样进行摆进截割试验并获取截割红外热像及温度信号，分析稳定阶段截割温度随煤岩强度的变化规律，验证基于截割温升区分巷道断面的夹矸的可行性;以掘进机截割试验台为基础，以上一轮截割获取的红外热像及截割温度信号为依据，以避开大块矸石为目标，研究基于红外热像的夹矸断面记忆截割过程。研究结果表明:与未磨损截齿相比，存在磨损截齿截割产热包含煤岩受截齿挤压剪切产热、煤岩与截齿前刀面的摩擦产热、煤岩与截齿后刀面的摩擦产热，截割温升总量与煤岩强度成呈正相关关系;随着岩样强度的增大，平均截割温度，最高截割温度及平均截割温度变化幅值均呈现增大趋势，证明了采用红外热像识别巷道断面夹矸可行性;截割头截割夹矸位置时，红外热像特征及截割温度变化非常显著，基于红外热像的记忆截割策略使截割夹矸产生最高截割热量降低60%左右，最大机体振动加速度降低90%左右，有效地提高夹矸巷道断面截割平稳性。

• 基于域适应的煤矿环境监控图像语义分割

  杨潇, 陈伟, 任鹏, 杨文嘉, 毕方明,

  煤矿复杂场景监控图像的解析是煤矿安全高效生产的重要保障。语义分割是图像智能分析的关键技术，为图像中的每个像素分配类别标签。全卷积神经网络、DeepLab系列、DFN等较高性能的语义分割模型需要依赖大量的像素级标签。针对煤矿监控图像缺少标注信息及容易混淆外观相似的不同类别目标的问题，提出双对齐网络模型。该模型从特征级和像素级两方面减少域间差异，将在合成数据集上训练的语义分割模型迁移到煤矿真实场景中，实现煤矿监控图像语义分割。在特征空间中，使用特征级域适应网络学习域不变特征，减少2个领域之间特征表示的分布差异，实现特征级对齐；在像素空间中，使用像素级域适应网络将源域图像风格转换为目标域图像的风格，减少因纹理、光照等因素造成的域偏移，实现像素级对齐。分割网络使用具有煤矿环境风格的源域图像进行训练，学习煤矿监控图像光照、纹理等特征，增强煤矿监控图像中不同类别目标的区分度。判别器中添加空间注意力模块和通道注意力模块，用来提高双对齐网络模型中判别器的判别能力。通道注意力模块为每个通道的特征分配不同的权重，空间注意力模块使用非局部操作获得不同位置间的关系信息。实验选取GTA5-to-Cityscapes和SYNTHIA-to-Cityscapes两个典型的域适应任务验证双对齐网络的有效性，将该算法与AdaptSegNet，DCAN，CLAN等算法进行对比实验。实验结果表明，双对齐网络的平均交并比提高到43.7%和45.80%。对于煤矿复杂环境，选取SYNTHIA-to-Coal Mine域适应任务进行实验。双对齐网络模型的平均交并比为38.26%，比AdaptSegNet，DCAN，CLAN等算法分别提高7.19%，8.34%和5.56%。针对煤矿监控图像缺少标注信息的问题，双对齐网络减少合成图像与煤矿监控图像的域间差异，较好地分割不同类别的目标。