煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第11期

• 宏观顶板活动支架增阻类型与预测模型

  徐刚, 范志忠, 张春会, 于健浩, 张震, 刘前进, 李正杰, 卢振龙,

  回采工作面顶板活动引起支架动态增阻，为预测支架工作阻力随时间演化过程，采集石圪台煤矿31201工作面、千树塔煤矿13302工作面、长平煤矿5302工作面2 263个割煤循环矿压监测数据，分析不同回采阶段的支架增阻规律。根据支架工作阻力演化特征，将支架增阻曲线划分为第1类增阻曲线和第2类增阻曲线。引入广义开尔文模型和Maxwell模型描述宏观顶板的缓慢和剧烈活动，建立四区支撑的宏观顶板增阻预测结构模型，预测长平矿综放开采支架增阻过程，研究结果表明：① 典型顶板支架增阻曲线可以划分为2类。第1类增阻曲线由顶板缓慢活动引起，呈收敛特征，支架增阻力和增阻率小；第2类增阻曲线由顶板剧烈活动引起，支架增阻明显且增阻率大。② 长平5302工作面来压期间支架第1类增阻曲线概率为38.2%，第2类增阻曲线概率为61.8%。③ 基于四区支撑的宏观顶板增阻模型能较好地预测回采期间支架增阻过程。④增加初撑力能够减小支架增阻率和增阻量。⑤长平5302工作面支架为第1类增阻曲线时，支架工作阻力不超过11 MN，安全阀不开启。当支架为第2类增阻曲线时，6.2 h支架工作阻力达到11 MN，安全阀开启。为了避免支架压架事故，5302工作面应在6.2 h内完成1个采煤循环。

• 裂隙发育岩体巷道围岩工程特征与变形控制

  余伟健, 李可, 芦庆和, 郭涵潇, 杜少华,

  随着开采条件的复杂化，巷道围岩裂隙发育程度较高，极大的影响了围岩空间的稳定性，造成大量巷道难于维护。为进一步深入研究裂隙岩体巷道工程特征并提出相应的控制对策，基于现场调研与理论研究分析了裂隙发育岩体巷道及典型支护结构体的变形破坏特征，采用三测线不连续面量测方法对煤矿现场的裂隙发育情况作了调查统计，利用离散裂隙网络(DFN)在FLAC3D软件中对矿山现场调查得到的裂隙进行了重构还原，与现场监测数据对比分析后认为，裂隙重构模型能作为支护设计时不同支护方式和支护参数效果对比的定性参考；分析了我国南方地区部分矿区常规支护方式下典型裂隙巷道围岩变形破裂特征；提出了提高支护系统的初期支护刚度与强度、充分利用深层稳固岩体的承载功能、扩大支护系统的承载面积、准确把握支护系统，尤其是被动支护与主动支护的临界支护刚度、有效提高裂隙岩体的完整性及承载强度等5个裂隙岩体控制要点；运用叠加压缩拱承载理论，提出了以“长、短”锚杆(锚索)承载体系和可控注浆加固“内、外”结构承载为基础的联合控制技术，基于数值计算验证认为，该方案能消除或减小巷道围岩拉应力区，有效阻止裂隙围岩体的拉剪破坏形成松动变形。现场监测数据表明：在4个月的观测期间内，巷道两帮移近量0.10 m，顶底板移近量0.12 m，最终变形速率低于0.2 mm/d ，说明以“长、短”锚杆(锚索)并结合注浆加固的支护方案能有效控制裂隙岩体巷道的大变形。

• 深孔顶板预裂爆破力构协同防冲机理及工程实践

  赵善坤,

  通过对深孔顶板预裂爆破过程的分析，提出了深孔顶板预裂爆破力构协同防冲机理并对其类型进行划分，模拟分析了不同爆孔布置方式下的爆破岩体Mises等效应力场、塑性破坏区及典型质点有效应力和位移变化规律并进行现场冲击地压防治实践。研究表明，深孔顶板预裂爆破通过强力冲击动载破岩作用、高温高压高速爆轰气体冲击气楔作用和热交换回弹拉伸作用对顶板进行损伤破坏，降低岩体内部结构单元储能能力，促使相邻爆孔之间裂隙的贯通，形成岩层结构破断弱面，使其在矿山压力作用下沿预定位置弯曲破断，具有弱化顶板岩层介质力学属性和优化岩层破断结构的双重作用。相比于直线式和三花式爆孔布孔方式，深浅组合式使得爆破后Mises有效应力在作用范围和作用时间上更加充分，增加了爆破裂隙密度及多向发展的可能性，延长了爆破衰减能量作用岩石的时间，致使塑性破坏区范围更加发育，爆破块度更加碎裂均匀，当工作面由未断顶区域进入断顶区域或者进出相邻不同断顶预裂设计施工区域时，因人为造成上覆顶板岩层结构运动不协调，应力与能量传递不连续，易于诱发冲击地压。当顶板爆破施工区域微震监测出现“缺震”现象时，可将其作为冲击危险典型预测前兆信息。

• 冲击动载作用下加锚岩体抗冲时效试验研究

  邱鹏奇, 宁建国, 王俊, 杨尚, 胡善超, 谭云亮, 韦欣, 闫顺尚,

  冲击动载作用下巷道围岩锚固承载结构的破坏是深部煤炭资源开采的突出问题，深入研究动载作用下锚固围岩的抗冲机制具有重要意义。采用分离式霍普金森压杆研究了冲击动载作用下无锚、端锚、全锚和全锚+柔性锚杆4种锚固岩石试件的冲击破坏响应，获得了不同锚固岩石动态应力应变曲线，分析了锚固方式对加锚岩石试件动态裂纹扩展发育的影响，通过对比锚固岩石冲击破坏过程中锚杆与岩石的动态应变演化特征，结合锚固界面滑移破坏形态，提出了锚固岩石抗冲时效的概念，并以锚杆与岩体两者协同变形为原则提出冲击动载作用下保障锚固围岩稳定的合理建议。研究结果表明：① 冲击动载作用下锚固岩石应力应变曲线呈“闭口型”，锚固岩石动态强度与应变峰值的排序为：无锚岩石<端锚岩石<全锚岩石<全锚+柔性锚杆岩石；② 冲击动载作用下锚杆与岩石之间的变形可分为“协同变形阶段”、“不协同变形阶段”和“失效阶段”，其中锚固岩石在前2个阶段抵抗动载冲击的作用为“抗冲时效”;③ 锚固岩石抗冲时效与岩石/锚固剂和锚固剂/锚杆之间不协同变形直接相关，提高岩石、锚固剂和锚杆的抗滑移特性及协调变形能力可有效延长锚固岩石抗冲时效的时长，降低冲击动载对锚固围岩支护结构的影响。研究成果对深部巷道锚固支护工程具有一定的理论指导和借鉴意义。

• 采动-裂隙水耦合下含深大裂隙岩溶山体失稳破坏机理

  熊飞, 刘新荣, 冉乔, 李滨, 钟祖良, 杨忠平, 周小涵,

  岩溶坡体裂隙对山体的稳定性起到了控制作用。为研究采动和裂隙水作用下含深大裂隙岩溶山体的失稳破坏机制，依托贵州纳雍普洒“8·28”特大崩滑案例，在现场调查的基础上，分析了山体崩滑特征，采用离散元UDEC数值模拟，研究了地下开采和裂隙水渗流耦合作用下含深大裂隙岩溶山体的变形破坏过程和失稳机制，分析了采动诱发含深大裂隙山体的破坏特征，讨论了裂隙水渗流对采动山体变形的作用规律。结果表明，采动对坡体变形的影响是一个随开采不断调整的过程，随开采进行，坡体变形由坡体整体下沉转变为坡体中部临空挤出。岩溶山体的深大裂隙对坡体的变形和破坏起控制作用，其中延伸最长的主裂隙决定了坡体的破裂演化形式。坡体破坏时，坡顶岩体沿主裂隙向下滑移，挤推中、下部坡体，在中、下坡体内形成潜在滑面，潜在滑面向主裂隙底部扩展并贯通。采动作用下含深大裂隙岩溶山体的整体失稳破坏过程为：坡体沉陷变形—坡顶向坡内倾倒—主裂隙闭合—坡体上部沿主裂隙滑移—主裂隙开裂—坡体中部挤出—中、下部岩体破碎—潜在滑面贯通—崩滑形成。地下开采前，裂隙水是引起坡体变形的主要因素，但对坡体稳定性影响不大。开采后，采动对坡体的变形起主导作用，水力对坡体变形和破坏的贡献取决于开采阶段。随着开采的进行，开采对坡体的扰动强度先增加后减小，水力促进坡体变形的作用也先增加后减小。开采扰动越强烈，水力作用越显著，反之水力作用越弱。

• 含张开／闭合裂隙的巴西圆盘裂纹扩展过程

  唐世斌, 孙康, 张永亮, 吴斐,

  大量的岩体失稳与节理、裂隙的起裂、扩展和贯通密切相关，裂纹扩展机理及分析方法研究具有重要的科学和工程意义。数值模拟作为一种有效的岩石破裂分析方法备受研究者青睐，但目前的模拟方法在分析压剪闭合等复杂裂隙的力学行为时，还存在诸如扩展路径锯齿化、网格依赖、扩展步长受限等问题。基于此，以巴西圆盘为基本研究对象，开展了不同初始裂隙类型（张开、闭合、填充）、接触摩擦、裂隙倾角等物理力学参数对裂纹扩展特性的影响及破裂机理的研究。首先，基于岩石断裂力学理论和裂纹尖端应力场，运用最大周向应力准则（MTS）研究了张开、闭合等初始裂纹扩展过程，分析了产生锯齿状扩展路径的内在原因，以及传统方法在快速、有效的裂纹扩展路径模拟方面存在的问题。在此基础上，建立了准脆性材料破裂局部化理论的岩体断裂模拟方法，避免了断裂参数计算不准的难题，显著提高了计算的易操作性和精度。此外，通过裂纹尖端区域的局部网格自动重划分，单步的扩展长度并不受网格大小的限制，解决了裂纹扩展的网格依赖问题。最后，通过对裂纹扩展过程力学特性以及起裂角度、扩展路径等分析，获得了整个破裂过程中裂隙面的接触、分离及再闭合等状态以及裂纹扩展的力学机理。该研究提高了岩石破裂过程模拟的效率和准确性，弥补了目前有关压剪应力状态下闭合裂纹扩展研究的不足，实现了破裂路径的精细模拟。

• 压裂裂缝非线性断裂的声发射全波形多参量监测

  邢岳堃, 黄炳香, 陈大勇, 赵兴龙, 李炳宏,

  压裂是油气、地热等流态矿产储层增渗改造以及井工矿围岩控制的重要手段，缝尖断裂过程区（微裂缝区）及裂缝面两侧微裂缝带的发育使压裂裂缝呈非线性断裂，因此，刻画压裂裂缝的非线性断裂是深化压裂理论与有效监测控制裂缝扩展的基础。以岩石中形成（微）裂缝会释放声发射（弹性波）的物理机制为切入点，自主开发了岩石非线性断裂的声发射全波形多参量监测分析程序，优化了高质量波形拾取、波形同步与起振时间计算以及定位算法等系列环节，较现有商业声发射定位程序，定位结果与缝面形态的一致性提升，声发射事件空间分布的离散性降低，进而可通过声发射特征参数的空间展布刻画压裂裂缝断裂过程区与微裂带内能量耗散、损伤程度、多尺寸破裂及拉-剪-压缩（塌陷）断裂机制等空间演化特征，丰富压裂裂缝非线性断裂特性的表征参量。选用四川白砂岩开展了声发射监测下的真三轴压裂物理模拟试验，通过声发射全波形多参量分析方法刻画了压裂裂缝的非线性断裂特征：① 通过声发射能量空间分布识别了断裂过程区（31 mm长、12 mm宽）与水力微裂缝带，在压裂裂缝横截面呈条带状的断裂过程区具有非等向发育的特征，断裂过程区是压裂裂缝的优势扩展路径，宏观裂缝面在断裂过程区内部形成并近乎失稳扩展。耗散能在断裂过程区与微裂缝带宽度方向呈“中高两低”的对称分布，累积耗散能沿压裂裂缝扩展方向呈线性递减分布，线性相关系数达0.9。② 声发射波速越低表明震源周围损伤程度越高，在断裂过程区与微裂缝带宽度与长度方向，波速均呈起裂点低外侧高的分布特征，表明微裂缝带内损伤程度由起裂点向外侧递减。③ 在压裂裂缝扩展不同阶段，断裂过程区与水力微裂缝带内的声发射频率呈高低频交错的随机分布特征，表明断裂过程区发育与宏观裂缝的扩展均服从微裂缝萌生与融合同时进行的演化规律。④ 声发射断裂机制揭示了平面水力裂缝起裂与扩展均以拉张微破裂为主（51.7%～65.3%）的断裂特征，随压裂裂缝扩展，拉张微破裂占比由65.3%降低至51.7%，而剪切微破裂占比由19.3%升高至234%，可推断裂缝扩展对裂缝周围岩石压剪效应增强，增渗性提高。

• 加载速率影响下裂隙细砂岩裂纹扩展试验及数值模拟研究

  于利强, 姚强岭, 徐强, 王伟男, 牛志军, 刘伟冬,

  为研究裂隙倾角和加载速率对岩石裂纹扩展及破坏模式的影响，采用中心钻孔法在50 mm×50 mm×100 mm的细砂岩试样上预制宽度范围为0°～90°的贯通裂隙，并对其进行声发射及摄影监测下单轴压缩试验和PFC数值模拟研究，综合分析其裂纹演化规律及变形破坏特征。结果表明：裂隙砂岩试样的破坏模式包含拉伸破坏、剪切破坏和拉伸/剪切混合破坏3种，根据裂纹起裂机理及发展轨迹可将其细化分为T1～4（拉伸）型、S1～3（剪切）型、M1～2（混合）型等9种类型，裂纹萌生亦可分为翼形裂纹、反抗拉裂纹、共面/非共面次级裂纹、横向裂纹等5种类型，且均与岩样加载破坏过程密切相关。岩样裂纹扩展及破坏模式受控于裂隙倾角α，随着α的增加，裂纹起裂应力升高，起裂位置由预制裂隙中央向尖端转移，裂纹前期萌生数量降低，岩样破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡。加载速率亦对岩样裂纹扩展及破坏模式产生影响，随着加载速率的增加，裂纹萌生类型由翼形裂纹变为反抗拉裂纹，且不再向其他裂纹类型转化，裂纹起裂时间缩短，破坏模式由剪切破坏向拉伸破坏过渡，岩样表面宏观裂纹数目降低。岩样的破坏过程与其声发射特征密切相关，声发射定位信息准确地反应了岩样的内部损伤情况。PFC数值模拟试验结果有效支撑了室内物理实验的结论，并反映出岩样裂纹萌生与扩展的根本原因是应力场的变化和转移，且压应力主要集中在预制裂隙尖端，而拉应力则主要集中在裂纹萌生的附近，一定程度上，拉应力场的分布揭示了裂纹萌生的主要趋势。

• 底板突水灾害大数据预测预警平台

  余国峰, 袁亮, 任波, 李连崇, 程关文, 韩云春, 牟文强, 王四戌,

  针对淮河能源集团当前开采深部A组煤，受底板水害严重威胁而缺乏有效的智能化、全覆盖预警技术的问题，提出了构建基于水文、充水水源及底板破坏实时监测物联网的多源信息大数据智能预警云平台而指导矿区内突水灾害事故预防的技术思路。以张集煤矿回采A组煤的1612A工作面为工程背景，构建了观测水源、水位、水压、水质、水温等参数变化的水文监测物联网数据传输系统，实时数据采集、数据传输、数据分析处理。而针对底板破坏深度则构建了微震实时监测物联网，传感器拾取底板破裂信号通过井上、井下的光纤环网传输到地面数据信号处理终端，实时监测反演底板破坏、导水裂隙通道分布。将回采、地质和监测数据各类因素考虑在内，建立了基于神经网络和深度学习的预警模型，确定了煤矿安全评价的主控指标以及评判指标，搜集全国大量矿井数据对模型进行了机器学习训练。集成数据采集、管理配置、设备监测、中控大屏、多维分析和故障预警5个模块，由网络集成技术和数据整合技术实现无缝连接，建立了煤矿底板突水灾害大数据预警云平台系统。将学习后的预警模型嵌入系统，基于整合的多源数据进行底板突水危险性评估与预警，与微震数据互馈分析实时发布决策信息。最后，选定淮南等矿区内的5组矿井数据进行了评估验证，并对1612A工作面回采进行了预警分析。结果表明，选定的矿井计算预测结果合理；张集矿工作面发生突水灾害的概率较小，监测期内未发生预警信息；证实了大数据云平台在煤矿底板水害防治应用的可行性，为淮河能源集团开采A组煤预防底板水害提供了新的技术支撑。

• 煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台研制与试验研究

  李杨杨, 张士川, 孙煕震, 沈宝堂, 孙文斌, 陈军涛, 赵金海,

  物理模拟试验可以直观展现底板突水全过程，并可获取采动底板突水灾变演化的多元化信息，成为研究承压水上开采的有效研究手段。对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统的突水流量监测、覆岩柔性加载、水平分级加载和恒压稳流试验舱等4个模块进行了改造，实现了突水水量区域化定量监测、覆岩柔性均布加载、双侧分区域独立加载、大容量恒压供水和全方位的密封等功能。借助改造后的试验系统和研制的非亲水相似模拟材料，以受底板承压水威胁的山东某矿为工程背景，研究了突水通道形成、流量灾变演化、隔水层应力变化等过程。试验结果表明：依据底板可视裂隙的扩展特征，将底板突水划分为横纵向演化阶段、横向周期演化阶段和灾变突水阶段；在第Ⅰ阶段，承压水顶界面主渗区首先产生于开切眼下方且位置不随煤层开采发生变化，随着开采可视裂隙向承压水含水层方向和工作面推进方向扩展，主渗区范围变大且流量显著提高；在第Ⅱ阶段，随煤层开采煤壁下方产生新的裂隙，上一轮回采产生的裂隙封闭，裂隙扩展呈现周期性变化特征，主渗区流量呈现降低—升高—降低—升高的周期性变化趋势；在第Ⅱ阶段，突水通道形成后，主渗区成为承压水突水的源头，其他区域流量不再发生突变，可将该阶段初期的流量急剧突变特征作为突水预警信息。试验结果不仅对中东部矿区承压水上开采底板突水溃砂过程中裂隙演化、突水流量特征研究提供实验指导，同时也对矿井安全性评价及灾害预测与防治提供参考。

• 过水大断面截流堵巷工程若干关键技术问题的探讨

  牟林,

  在过水巷道中灌注骨料建造阻水墙是实现突水矿井水害治理的重要手段，阻水墙建造的关键技术问题长期以来缺乏理论技术支撑。从骨料灌注期间的水力学状态、堆积体的“生长-接顶”机制、截流施工参数、墙体受力特征、建造技术综合优化等方面进行了研究和探讨，结果表明:① 截流过程可分为4个阶段，即骨料灌注前的施工准备阶段、铺底-充填阶段、骨料接顶阶段、注浆加固阶段，结合固液两相流数值模型验证了截流期间流量在时空上的动态分布效应。② 灌注期间骨料运移受流场作用存在筛选效应，堆积形态与流速密切相关，当骨料灌注过程与流速总体匹配时堆积高度和长度可同步增长并向上游逆向接顶直至成功截流，如果水流流速过低则会提前接顶并在孔间留下空腔。③ 巷道倾角越大骨料向上山方向的起动流速越大，向下山方向越小，且下山中灌注时堆积长度更大、高度更低，不利于成本和工期的控制。④ 从能量守恒、渗流突破、浆液初凝时效3个角度提出了骨料堆积长度的估算方法，分析了不同预测方法的适用性，指出巷道倾角、分支巷、冲刷效应对骨料灌注量的影响。模拟得出5 MPa上游水压对阻水墙的最大应力影响范围不超过50 m，表明注浆加固重点区域是上游距来水端较近的范围。⑤ 提出施工前尽量避开不利因素，综合研判设计治水方案，截流过程中结合施工信息动态反馈对技术方案进行实时调整，以最小投入实现最佳堵水效果。

• 奥灰顶部含水层注浆改造浆液扩散主要影响因素试验研究

  张二蒙, 沈星宇, 苗葳, 马子民, 田雨果,

  为探究浆液黏度、溶蚀裂隙及岩溶孔洞对注浆改造过程中浆液在奥陶系顶部灰岩裂隙含水层中扩散、充填影响规律，自行研制一套可考虑裂隙分布、动承压水和注浆工艺因素的裂隙岩体动水注浆改造模型试验台。利用该装置模拟了3种黏度浆液在4类含岩溶裂隙、孔洞分布条件下的承压含水层中的扩散过程，总结了浆液扩散及充填规律；结合数值计算得到了11组注浆实验充填过程中应力分布及变化规律；最后通过超声波探测，分析了不同条件下浆液改造后岩体弹模变化规律。结果表明：① 均布裂隙中浆液扩散形态接近“∩”形，考虑不同条件作用后的浆液扩散形态呈现出非标准圆弧形；含有岩溶优势裂隙的浆液扩散形态呈现“Λ”形，裂隙开度越大，“Λ”形顶角越小；含岩溶孔洞的裂隙区浆液扩散形态出现“M”形，存在“︹”形的过渡形态。② 注浆改造后的裂隙岩体具有分区特性，可将其分为完全充填（FF）、部分充填（PF）、裂隙二次发育（DeF）和原岩裂隙(OF)4个区域；极差结果显示裂隙开度对SFF影响最大，浆液黏度对SPF影响最大；③ 溶蚀裂隙和岩溶孔洞经注浆改造后弹性模量明显增强，裂隙中的浆液压力分布呈现非线性递减，且裂隙岩体基质受到的应力大小和作用时间影响与改造后岩体动弹模成正比。

• 基于工业CT扫描的瓦斯压力影响下含瓦斯煤裂隙动态演化特征

  王登科, 张航, 魏建平, 吴岩, 张宏图, 姚邦华, 付建华, 赵立桢,

  为探索瓦斯压力影响下的含瓦斯煤裂隙动态演化特征及其规律，利用受载煤岩工业CT扫描系统开展了三轴压缩条件下的含瓦斯煤原位工业CT扫描试验，获取了不同变形阶段的含瓦斯煤原始CT图像和应力-应变曲线等测试结果，通过三维重构技术得到了含瓦斯煤的数字化模型，运用图像分析处理软件对数字化模型进行了裂隙结构的精确提取，实现了含瓦斯煤内部裂隙结构空间形态的可视化展布，并结合分形理论对含瓦斯煤内部裂隙结构进行了定性和定量分析。研究结果表明：围压一定时，不同瓦斯压力下受载含瓦斯煤的全应力-应变曲线变化趋势大致相同，均经历了5个变形阶段，即初始压密阶段、线弹性变形阶段、塑性屈服阶段、峰值破坏阶段和残余变形阶段，含瓦斯煤的峰值强度、弹性模量和残余强度均随瓦斯压力的增大而线性减小；全应力-应变过程中，在瓦斯压力作用下，含瓦斯煤二维裂隙的分形维数和裂隙像素比变化趋势基本一致，呈现出先减少（或不变）后加速增大再增速放缓的变化规律；含瓦斯煤三维裂隙的裂隙率、裂隙密度和三维分形维数变化趋势基本一致，均呈现出缓慢下降、缓慢增长和急剧增长的三阶段式演化规律；破坏失稳后，含瓦斯煤裂隙像素比和二维分形维数随瓦斯压力的增加而线性增大，并且含瓦斯煤的裂隙密度、裂隙率和三维分形维数也随之线性增加；瓦斯气体的存在促进了受载含瓦斯煤的裂隙扩展和贯通，二维裂隙和三维裂隙的数量及网络复杂程度随着瓦斯压力的升高均增大；吸附瓦斯的非力学作用和游离瓦斯的气楔膨胀作用共同导致了含瓦斯煤力学性质的整体弱化。

• 高突矿井采空区卸压瓦斯精准辨识及高效抽采

  丁洋, 朱冰, 李树刚, 林海飞, 魏宗勇, 李磊明, 龙航, 宜艳,

  高突矿井采空区卸压瓦斯富集区的识别和富集区内抽采钻孔的布置对治理高突工作面瓦斯超限和采空区卸压瓦斯抽采具有重要意义。采用物理相似模拟和理论分析对高突矿井采空区卸压瓦斯富集区范围进行研究，基于“三带”理论和“椭抛带”理论，提出逐步精准辨识高突矿井采空区卸压瓦斯富集区的判别方法，并创新椭抛带微分扫掠数值建模方法；采用RSM-BBD（Response Surface Methodology Box-Behnken Design）方法设计试验，运用Fluent软件对卸压瓦斯抽采参数进行数值模拟研究，分析各单因素和交互因素对抽采效果的影响，拟合出各层位抽采参数与上隅角瓦斯体积分数的回归模型，得出各层位最优抽采钻孔参数，并开展数值模拟对比验证最优参数抽采效果；最后根据高突矿井采空区卸压瓦斯富集区精准识别和富集区内钻孔参数优化结果进行高位定向钻孔现场抽采试验。结果表明：采空区存在“卸压瓦斯存在区”、“椭抛带形运移活跃区”和“环形卸压瓦斯富集区”；单因素对同一垂距下环形富集区内抽采效果影响程度依次为：钻孔直径>钻孔平距>抽采负压，抽采负压和钻孔平距的交互作用对上隅角瓦斯体积分数的影响也较为明显；优化抽采参数后，试验工作面抽采期间回风流和钻场总抽采管内瓦斯体积分数整体呈下降趋势，回风流平均瓦斯体积分数为0.32%，钻场总抽采管内平均瓦斯体积分数为12.95%，工作面瓦斯得到有效控制。

• 基于低场核磁共振技术的液态CO2循环致裂煤体孔隙特征演化规律

  徐吉钊, 翟成, 桑树勋, 孙勇, 丛钰洲, 郑仰峰, 唐伟,

  煤层低孔渗特征成为制约瓦斯高效率抽采的主要瓶颈，现多采用强化致裂增透技术来改造煤储层孔隙结构，旨在提高煤体渗透率。液态CO2循环致裂能够通过循环热应力、相变致裂及疲劳损伤的耦合效应协同致裂煤体，可联合低场核磁共振技术实现煤体孔裂隙结构的定量表征，而基于核磁共振技术对液态CO2循环作用煤体孔隙的几何特征演化规律研究较少。基于自主研发的液态CO2循环致裂试验平台，对多个褐煤试样进行循环冲击作用，采用低场核磁弛豫技术对循环作用煤体的孔裂隙结构进行统计监测，并结合几何分形理论探讨了渗流孔分形维数Ds、有效贯通孔分形维数De、T2截止值、孔隙率、渗透率的耦合关系。统计分析液态CO2循环作用后煤体端面不同裂隙形态的差异性与基质非均质性、原始孔裂隙结构的相互关系；“饱水-离心”联测法获得的T2弛豫谱曲线表征液态CO2循环作用煤体的总孔隙率φt、有效孔隙率φe、核磁渗透率kSDR-d及其增长率ΔkSDR-d均有所增加，利用基于T2谱构建的几何分形计算模型，论证了渗流孔和有效贯通孔具有较好的分形特征，而吸附孔不具备分形特征。Ds与T2截止值存在“快速增大—缓慢增大”的指数拟合关系，分别与φt，φe，kSDR-d和ΔkSDR-d存在负相关关系，而De分别与φe和ΔkSDR-d呈正相关，揭示了液态CO2循环作用能够促进煤基质内多尺度孔裂隙结构的扩容及延伸，裂隙间的贯通率和渗透特性大幅提升。

• 上喷式扩散塔喷淋装置热回收与除尘理论模型构建及求解

  崔海蛟, 陈世强, 郑旭, 雒存垚,

  矿井排风蕴含大量低温热能和粉尘。利用扩散塔喷淋装置，可回收矿井排风热能并捕集排风中的粉尘。针对上喷式扩散塔喷淋装置内排风与上升和下落水滴群传热传质问题及水滴群洗涤含尘排风问题，构建并验证了装置热回收及除尘理论模型。在MATLAB平台上利用四阶五阶Runge-Kutta算法对模型进行求解，获得装置内空气温度、湿度、水滴温度、水滴速度、雷诺数、传热系数、传质系数、粉尘浓度沿扩散塔塔高分布及不同直径尘粒绕单个液滴运动轨迹。研究结果表明，上升水滴传热系数和传质系数在水滴上升过程中先减小后增大，下落水滴的传热系数和传质系数在水滴下落过程中逐渐增大并趋于稳定；上升水滴的温度变化、传热系数及传质系数小于下落水滴，表明上升水滴群对热回收的贡献小于下落水滴群。喷嘴上部区域传热效果优于喷嘴下部区域，为提高装置热回收性能，应延长喷嘴上部换热区域；当气液间相对速度增大时，单个水滴的尘粒捕集效率增大；受气液间相对速度的影响，下落水滴群对除尘的贡献大于上升水滴群；尘粒直径越小，粉尘数浓度在最大液滴上升高度附近的变化速率就越快；除尘效率随着尘粒直径的增大而增大，在风速4 m/s、水滴直径1.7 mm、水滴速度6.5 m/s，水汽质量比0.56的情况下，装置对2.5，5.0和10.0 μm直径尘粒的除尘效率分别为29.2%，73.4%和87.6%。上喷式扩散塔喷淋装置热回收与除尘理论模型的构建和求解为装置性能评估、特性分析、参数设计及运行管理奠定了理论基础。

• 断裂体系对页岩气保存的影响——以滇东北地区五峰-龙马溪组为例

  向杰, 陈尚斌, 王阳, 蒋天国, 薛晓辉, 王笑奇, 朱炎铭,

  四川盆地周缘复杂构造区断裂体系的封闭性对页岩气保存至关重要。四川盆地西南缘滇东北地区五峰组—龙马溪组富有机质泥页岩厚度大、TOC丰度高、有机质成熟度适中，具备良好的生烃物质基础及潜力，但不同钻井储层含气显示差异显著，区域断裂构造对页岩气保存产生重要影响。基于区域页岩气地质调查及二维地震资料，通过不同含气性典型页岩气井岩心裂缝统计，结合裂缝中流体包裹体的测试，探讨该区断裂体系对页岩气保存的影响。结果表明：滇东北地区受到多期构造运动影响，断裂以逆冲走滑性质为主，近平行发育，多期活动；在距一级和二级断裂距离大于5 km、距三级断裂距离大于3 km，距四级断裂距离大于1.5 km和相对简单的断裂组合下，页岩气保存条件受断裂影响较小；断裂控制储层裂缝的发育，并促进层间缝和高角度构造缝的发育，形成复杂的裂缝网络，破坏了页岩储层自封闭性，不利于页岩气保存；中—新生代构造运动控制下本区主要断裂表现为燕山中—晚期和喜马拉雅早—中期持续活动型；与四川盆地内改造强度相对较弱的长宁—威远页岩气田不同，滇东北地区中—新生代水平挤压褶皱/冲断是地层抬升剥蚀的重要作用机制，褶皱强烈、断裂密集发育对页岩气的成藏保存影响强烈。基于断裂发育特征、构造组合样式、五峰—龙马溪组地层埋深、倾角等地质控制因素，提出逆断层侧向遮挡宽缓向斜翼部和逆冲断层间传播褶皱高位2种页岩气富集保存有利构造样式，是四川盆地周缘复杂构造区页岩气勘探开发的首选方向。

• 短路径“疏干-回灌”水循环数值模拟及回灌研究

  李颖, 杨卓, 程丽,

  为保持露天煤矿区域地下水系统平衡，避免由疏干造成的水资源破坏及不良环境影响产生，缓解露天煤矿疏干和排水之间的矛盾，尝试在降落漏斗范围内同层回灌露天煤矿疏干水。在保障采矿安全的前提下，通过短路径“疏干-回灌”地下水循环，实现疏干水零排放。以水均衡为理论基础，依据短路径地下水循环疏干理论，以露天煤矿为研究对象，采用FEFLOW地下水数值模拟软件，构建疏干-回灌协同开采地质模型，对露天煤矿疏干和回灌同时运行条件下的地下水流进行模拟。分析疏干井和回灌井的井数、井距、流量与疏干效果的关系。对比分析降水孔疏干法和短路径地下水循环疏干法的疏干效果，验证短路径地下水循环疏干法。通过数学模型得出回灌完全补给疏干时，形成短路径地下水循环。给出疏干与回灌同步、疏干流量稳定、回灌量尽量接近疏干量、回灌井与疏干井距离短4个关键问题。模拟计算出形成短路径地下水循环的回灌井布设数量与疏干井为1∶1；回灌井距降水中心的最优距离段是2 000～3 000 m，并且距离越大疏干流量降幅越大，距离越短达到最大回灌流量的时间越短。突破地下水同层回灌以疏干降落漏斗为界限的限制条件，定义短路径地下水循环疏干；提出临时利用含水空间和水在含水层中循环的时间，换取采煤工作区安全开采的疏干思路，得出短路径地下水循环疏干理论。研究以露天煤矿地下水实现疏干目标为前提，模拟短路径“疏干-回灌”水循环疏干过程。得出单环型等距布设回灌井时，回灌与疏干井数相等；循环较好的回灌井与降水中心距离段；通过分析疏干流量、回灌流量、回灌井距离降水中心距离和疏干时间之间的关系，推算出距离降水中心最近的回灌井布设距离计算公式，并给出了该方法用于露天煤矿疏干排水的应用步骤。结合某矿疏干实例，在达到与降水孔疏干法相同的疏干效果时，短路径地下水循环疏干还具有保持疏干系统流量稳定、使疏干设备高效能稳定效率工作等优势，并可通过调整回灌井布设位置和调节回灌井井内水位，控制区域降落漏斗的范围和形态。通过实例模拟计算对比2种疏干方法，短路径“疏干-回灌”水循环使疏干井日出水量稳定在最大出水能力的82.5%以上，降低了疏干水外排量33%～98%。

• 多源信息融合约束下的工作面电磁波CT探测智能反演方法研究

  郭昌放, 武祥, 杨真, 陈一鼎, 马留柱, 马中原,

  为满足煤矿工作面智能精准开采对地质异常分布精准感知的需求，进一步提高工作面电磁波CT反演的精准性，提出了多源先验信息约束下的电磁波CT智能反演模型。在对工作面电磁波CT反演稀疏矩阵方程进行泛函优化转换的基础上，分析了基本遗传算法(Single Genetic Algorithm，SGA)的寻优进化机理，探讨了不同遗传参数对SGA智能算法搜索优化性能的影响，设计了基于多种群自适应遗传算法(Multi-population Adaptive Genetic Algorithm,MAGA)的工作面地质异常电磁波CT反演目标函数求解机制。除此之外，提出了范围约束、就近约束和平均值约束3种约束模型，将生产过程中揭露的巷探、钻探及回采等多源先验地质信息作为约束条件，不断调整地质异常反演目标函数搜索的进化方向，最终形成了基于MAGA智能算法和多源先验信息约束的电磁波CT反演模型，并通过数值模拟和工程实例进行了测试和验证。试验结果表明：MAGA智能算法能够充分结合多种群协同进化和遗传参数自适应调节策略，相比于单一的遗传算法具有更高的全局及局部搜索准确性和稳定性；随着外部约束数据的增加，基于平均值约束的MAGA智能算法能够获得更优的电磁波CT反演目标函数收敛结果。以山西大同矿区8208工作面内电磁波CT地质异常反演和解释为例对所建模型进行检验，预测结果与实际揭露结果基本一致，进一步验证了多源信息约束下的智能反演方法在工程实践应用中的可靠性，为工作面内地质异常的精准反演和预测提供了一种新的思路和方法。

• 西部煤炭集约化开采损伤传导机理与源头减损关键技术

  李全生, 郭俊廷, 张凯, 阎跃观, 张村, 徐祝贺,

  科学认识开采损伤传导机理是井下安全生产、含水层保护及地表附属物减损理论发展及减损关键技术提出与实践的核心问题，研究西部煤炭集约化开采损伤传导机理与源头减损关键技术，对协调我国能源需求保障和矿区生态保护具有重要意义。通过分析集约化开采特征和现有减损技术特点，基于神东矿区集约化开采现场实测与模拟，研究了西部集约化开采损伤规律，揭示覆岩损伤传导机理。研究表明，神东矿区集约化开采具有矿压显现强烈、覆岩损伤严重、移动周期短、地表变形剧烈、地表裂缝发育等规律；首次发现神东上湾煤矿“基本顶破断-关键层断裂-地表主裂缝”呈“331”周期性传导规律，得出西部煤炭集约化开采覆岩及地表损伤具有周期性对应传导关系。揭示了覆岩损伤逐层上传、分区耗散的机理；提出了采动损伤能及极限损伤能临界值计算方法；建立了覆岩“三带”不同分区损伤系数与开采空间关系的损伤耗散模型，得出源头减损是控制开采损伤的主要途径。兼顾集约化开采特征，分别围绕覆岩损伤控制、地表变形控制等不同目的，提出了开采工艺参数优化、覆岩承载结构稳定性维持和变形调控减损的集约化开采源头减损关键技术，并给出工作面采高、面长及推进速度的合理区间。运用该方法对上湾煤矿12402工作面进行了开采优化，并用数值计算方法对比分析了优化前后覆岩损伤程度和控制效果。

• 燃煤电厂污染物脱除设备对PM2.5排放影响的研究进展

  夏祎旻, 吴建群, 杨松, 于敦喜, 徐明厚,

  对燃煤电厂传统的静电除尘技术进行改造是满足我国日益严格的污染物排放标准的必要前提。针对燃煤细颗粒物的生成机理、气体污染物脱除技术对细颗粒物排放影响及高效除尘技术进行了较全面的总结，其中高效除尘技术部分主要包括对强化尾部除尘技术原理、优点和局限性及投运情况和源头控制技术机理，发展趋势等方面的介绍。煤中无机矿物的气化凝结、异相作用和破碎是PM2.5的主要形成机理。电厂NOx和SOx等污染物控制技术对PM2.5的排放有复杂的影响作用。燃煤电厂可从强化尾部除尘、烟气预处理和燃烧源控制3个方面对PM2.5排放加以控制。强化尾部除尘技术通过对传统除尘设备进行技术改造，从而改善其对细颗粒物的脱除效果，如高频电源除尘技术、湿电除尘技术、电袋复合除尘技术等。烟气预处理技术通过外加条件对进入除尘器之前的烟气进行处理，使烟气中的细颗粒物发生团聚长大或降低烟温以提高除尘效率，目前常用的有团聚技术和低低温电除尘技术。团聚技术又主要包括化学团聚、湍流团聚、蒸汽相变团聚、声波团聚等。燃烧源头控制细颗粒物生成技术可解决传统除尘设备存在的穿透窗口问题，且无需增加额外设备，经济型较高，主要包括混煤燃烧技术和添加剂技术。深入理解气体污染物脱除技术对细颗粒物排放的影响的将为燃煤细颗粒物排放控制提供一种新思路。

• 煅烧煤矸石细骨料特性及其对砂浆性能的提升作用

  朱愿愿, 王爱国, 孙道胜, 刘开伟, 李燕, 楚英杰,

  煤矸石是采煤和洗煤过程产生的工业固体废弃物，其长期堆积造成的环境问题日益严重。将其制备成砂石骨料具有重要的环境和经济效益。以煤矸石为原料制备了煅烧煤矸石细骨料，通过XRD,FTIR和MAS NMR等测试方法系统探究了煅烧对煤矸石细骨料理化特性及其微结构的影响；对比研究了煤矸石细骨料砂浆和天然河砂砂浆的工作性能、力学性能、水吸附性能和干燥收缩性能；基于骨料特性分析了煅烧煤矸石细骨料改善砂浆性能的作用机制。结果表明：煤矸石细骨料(CGFAraw)煤粉等杂质含量和棱角较多、强度低，以其制备的水泥砂浆28 d抗压强度仅有27.1 MPa，砂浆吸水能力强、干燥收缩大。煅烧后煤矸石细骨料的吸水率和强度增加，600 ℃以上温度煅烧后煤矸石中的O—H和Al—OH振动峰消失，Si,Al结构转变，煤矸石产生活性。煅烧煤矸石细骨料吸收拌和水，降低了砂浆流动性。但活化煅烧煤矸石细骨料(600～900 ℃)显著提升了砂浆力学性能，且呈现早强特性，其中750 ℃煅烧煤矸石细骨料(CGFA750)砂浆的3,28 d抗压强度分别较CGFAraw砂浆提高了64.7%和92.6%，强度已超天然河砂砂浆。CGFAraw同水泥基体的界面黏结弱，砂浆的孔隙率、吸水能力和干燥收缩均较大。活化煅烧煤矸石细骨料降低了砂浆有效水灰比，释水后对其进行内部养护，在活性细粉及骨料表面Si,Al组分的共同作用下密实了基体孔隙、改善了砂浆界面，降低了砂浆孔隙率和吸水能力，显著增强了水泥砂浆的抗干燥收缩性能，其中CGFA900砂浆的90 d干燥收缩较CGFAraw砂浆降低了69.5%。弱组分多、强度低、成分复杂的煤矸石细骨料其品质较天然河砂差，热活化(600～900 ℃)处理是提升骨料品质及其砂浆性能的有效途径。

• 煤炭地下气化残渣中微量元素的环境风险评估

  马伟平, 梅霞, 李真, 杨兰和, 刘淑琴,

  煤炭地下气化是一种新的煤炭利用技术，具有安全、经济、环保等优势；然而，地下气化残渣的稳定性一直是人们关注的重点问题，也是地下气化技术应用的瓶颈问题之一。研究煤炭地下气化残渣中微量元素的化学形态对于理解残渣中微量元素的迁移和转化以及保护地下环境具有重要的意义。以乌兰察布褐煤为研究对象，制备了煤炭地下气化不同反应阶段的产物。采用逐级提取法研究了微量元素(Hg，F，Se，Zn，Pb，Ba)不同形态的分布。引入风险评价指数(Risk Assessment Code,RAC)评估了地下气化残渣中微量元素的危害级别。结果表明，Ba在热解半焦中以BaSO4的形式存在，F存在于碳酸盐矿物中。在900～1 300 ℃的气化灰渣中，大部分的Hg已经挥发到气相中，此时Hg对地下环境已无危害。Zn在900 ℃和1 000 ℃的还原灰渣中对地下环境具有高风险。Ba和Pb对地下环境的危害级别随着反应温度的升高而逐渐降低。氧化残渣(1 100～1 500 ℃)中F，Zn，Ba，Se和Pb主要是以残渣态的形式稳定存在。Zn和Se在1 100 ℃的氧化残渣中对地下环境是中等危害，随着氧化温度的升高，风险等级变为低风险。Ba和Pb在地下气化残渣中处于低风险等级。当地下反应温度达到1 200 ℃时，地下气化残渣中微量元素主要是以残渣态的形式稳定存在，其对地下环境的危害级别处于低风险范围(RAC<10%)，表明地下残渣已经达到了稳定。该研究可以为地下气化残留物的环境风险评估提供科学的指导。

• 煤炭地下气化燃空区发育及能量回收评价

  苏发强, 荆士杰, 于光磊, 范伟涛, 武俊博, 邓启超, 张涛,

  气化燃空区的发育状况监测以及能量回收的评价对于实现高效的煤炭地下气化（UCG）以及气化过程的精确监测与控制十分重要。在人工煤层构建2种不同类型的气化通道模型（链接孔模型/同轴孔模型），依次进行3次大型UCG模拟实验，通过分层位温度监测法观察气化过程中燃烧带和燃空区的发育衍化，研究了不同的气化剂组成（O2，CO2，H2O等）、配比、流速等实验操作参数作用下对生成气化产物中煤气成分及热值的影响，同时建立了基于化学计量理论的能量回收评价方法，并评估整个地下气化过程的气化效率、煤炭消耗量与煤产气量等。研究结果表明：分层位温度监测能反映气化过程中燃烧带以及燃空区的发育情况；气化区域的衍化范围以及衍化速率与气化通道的类型密切相关，2次链接孔模型实验所得的衍化范围与速率的结果均为同轴孔模型实验的2倍以上；地下气化过程中的高温环境更有利于气化过程的持续进行，在高温条件下生成煤气中可燃气体的组分比例增高；煤炭的消耗量以及能量回收率与采用的气化通道类型也密切相关，链接孔模型实验生成的气化燃气相对同轴孔模型热值较高，并且链接孔模型实验的能量回收率也高于同轴孔模型实验。

• 低阶煤及其热解半焦的超细粉碎特性

  杨雨濛, 刘建忠, 陈明义, 王景春,

  半焦的挥发分较低，燃烧过程中存在难燃、NOx产量高的缺点。在入炉燃烧前对其进行超细粉碎有效的改进方法。为研究低阶煤及其半焦的超细粉碎特性，利用管式炉制备神华烟煤、锡盟褐煤的干燥样品和700 ℃条件下的热解半焦。通过扫描电镜和X射线衍射仪进行微观理化特性表征，使用哈氏可磨仪和振动磨分别进行输入有限和过量能量条件下的破碎实验，采用激光粒度仪分析粒度分布规律，并结合分形理论研究破碎机理。微观理化分析显示，神华烟煤在热解过程中会出现热塑性阶段，产生了气泡状孔隙，锡盟褐煤的孔隙主要受脱水影响，无此阶段。相较于原煤，2种半焦均有芳香结构增长，炭化程度增大。破碎实验显示，在输入有限破碎能量时，相比于原煤，神华干燥样品的可磨变化不大，其半焦样品的可磨性则更差；锡盟褐煤的干燥样品和半焦的可磨性均要远好于其原煤。输入过量能量时，2种半焦的破碎效果均比原煤好。粒度的分形分析表明，相比于原煤，2种半焦的体积破碎所能延伸到的粒度范围更小。造成粉碎特性差异的原因为，破碎初期，发达且不规则的孔隙结构有利于节约输入的能量，提高破碎效能，也因此褐煤强烈的脱水过程可以有效提高其可磨性；破碎后期，在输入能量足够的情况下，由于热解半焦内部的微晶尺寸变大，且发生了不均匀的压实，引起内部应力升高，产生了更多的微小裂隙，最终使半焦宏观上显示出更多的脆性，使其容易发生整体性的体积破碎。

• 基于“首次穿越模型”的粉煤气化输送管道寿命预测

  张进春, 李昭乾, 牛国庆, 侯锦秀,

  煤气化管道输送过程中，管道受颗粒冲击导致的失效严重影响输送过程稳定和气化生产的安全运行。预测管道剩余使用寿命，合理地开展对粉煤输送管路系统的维修维护，可以有效减缓管道因煤粉冲蚀磨损而导致的失效，提高管路系统的使用寿命，从而保障设备的安全可靠运行。综合考虑了管径、壁厚、屈服强度等煤粉输送管道的结构参数，与管道内压、冲蚀磨损深度、长度及其速率等影响煤粉冲蚀的随机“激励”因素，运用“首次穿越模型”构建了粉煤气化输送管道的失效概率模型和剩余寿命预测的方法。应用FLUENT仿真平台构建粉煤气化管道冲蚀的仿真模型，通过不同冲蚀磨损长度、深度、速率、管径、管道压力和屈服强度等影响因素对管道失效概率进行概率敏感性分析，研究确定了影响管道寿命的因素，并最终对管道的剩余寿命进行了预测。结果表明：不考虑设备维修的情况下，针对本研究的煤气化粉煤输送管道，其安全使用寿命为40 a左右。在管道投入使用20～40 a之后,各种影响管道寿命因素的综合作用开始显现，管道的失效概率呈现明显上升的趋势。其中，冲蚀管道参数Vd=0.2 mm/a或VL=8.0 mm/a条件需作为管道的重点维修指标。较大的管径体现出较好的抗冲蚀性能，管道压力也是影响管道失效评定的重要因素。在管道的日常检修维护中，管道的冲蚀参数应当作为优先考虑指标进行重点维护，以提升管道的预期使用寿命。

• 煤基多孔大比表面前沿杂化碳材料定向制备及构性

  巩冠群, 张英杰, 袁鑫, 徐良伟,

  近年来，随着材料科学的迅速发展，自然储量丰富的煤炭资源成为高值利用的重要碳源材料。煤炭既有与其他碳源材料相似的高含碳量，又具有煤炭组分分子本身特殊的化学及丰富的分子物理结构特征，因此在煤基炭材料生成制备过程，由于高温、电磁场及氧化还原等强作用生成环境因素影响及材料分子特性结构定向制备需要，不同分子物理结构的碳原子可以实现多种杂化生成及选择自组装，从而定向制备不同杂化纯碳材料分子及杂化碳掺杂煤基炭材料。与此同时，不同型杂化碳原子建构了不同煤基炭材料的功能特性及应用领域，其中多孔大比表面炭材料具有重要理论及特殊应用价值。 研究了煤基碳源的多孔大比表面前沿功能炭材料生成、特性及应用。首先简介了不同杂化类别多孔大比表面煤基炭材料构成；重点揭示和归纳前沿热点炭纳米纤维(CNFs)及泡沫炭(CF)等煤基活性炭类、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene) 及碳量子点(CQDS)等碳材料及碳/碳复合材料的转化生成规律及制备方法；结合多孔大比表面煤基炭材料结构特征阐述了相应物化、量子学、光电及材料等方面性能及相关基本指征；揭示和建构了官能团富集煤基炭材料的低密度、大比表面、优异的光电特性、生物相容及化学活性等特征信息。展望了多孔大比表面煤基炭材料在生态环境、生物医药、新能源及光电材料等方面发展前景。

• 风粉流动特性对煤粉燃烧影响的试验研究

  刘鹏中, 牛芳, 崔豫泓, 王鹏涛, 罗伟, 周建明,

  为了研究风粉流动特性对煤粉燃烧的影响，以带预燃室的逆喷旋流燃烧器为对象，利用14 MW煤粉燃烧试验台架对逆向射流和直流2类进入方式进行热态台架研究。基于高温热电偶、烟气分析仪和高速摄像机3种测量手段，获取温度、组分体积分数、火焰形态尺寸数据，结合煤粉燃烧基础理论分析不同区域的燃烧过程，揭示了不同风粉流动特性下煤粉燃烧的差异。研究结果表明：风粉逆向射流和直流进入时，煤粉在预燃室内实现稳燃低氮，且避免高温腐蚀结渣现象，其差异为预燃室内煤粉燃烧份额及预燃室外火焰行程。在预燃室内，逆向射流的煤粉停留时间长，与旋流内二次风混合充分，温度最高为1 255 ℃，O2径向衰减过程中平均下降速率为0.139%/mm，形成环状还原性气氛区域，CO体积分数超过50 000×10-6，煤粉燃烧份额较高同时抑制NOx生成；直流的煤粉停留时间短，与旋流内二次风混合弱，温度最高为1 096 ℃，O2平均下降速率在上游为0.135%/mm，下游为0.080%/mm，形成中心还原性气氛区域，CO体积分数同样超过50 000×10-6，抑制NOx生成的同时煤粉燃烧份额较低。在预燃室外，逆向射流煤粉随旋流内二次风前行，火焰明亮粗短发散，长度为2 697 mm、出口直径和发散角度为760 mm和24.11°，行程较短；直流煤粉随高速射流前行，火焰细长亮度略低，长度为5 747 mm、出口直径和发散角度为536 mm和7.81°，行程大幅增加。

• 矿山生产作业场景视频结构化分析关键技术

  董锴文, 孙彦景, 陈岩, 云霄, 程小舟, 王博文, 周玉, 王斌,

  随着5G通信、边缘计算、大数据和人工智能等技术在煤炭工业生产场景的应用，各类视频设备和功能系统急剧增多。为提高矿山安全生产的协同管控能力和智能决策水平，解决矿山各业务系统智能化程度低、深度信息感知能力差以及决策能力弱的问题，需要对具体生产场景下的视频结构化分析相关技术进行深入研究，构建跨场景的态势感知与协作、全流程的生产状态监控的智慧矿山生产视频结构化分析系统平台。建议从人、机、料、法、环5个维度融合分析矿山视频数据，通过场景认知和生产规则建模以应对复杂作业场景下业务场景识别的需求，对矿山生产业务及规则进行结构化特征建模，从时间、空间以及语义等方面对目标特征进行组合分析与分级索引，在云边协同技术架构下，让感知数据上行、规则模型下行，研发能够快速进行全系列结构化数据传递、全场景语义信息融合以及全流程生产风险管控的云边协同视频结构化分析平台，形成更加符合矿山工业形态的非结构化数据治理模式。在深入分析矿山安全生产需求和视频结构化分析技术特性的基础上，提出研究矿山作业场景视频结构化分析机制、矿山作业场景认知与规则建模技术、人员安全行为分析督导技术、设备状态视频监控联合分析技术、视频分析应急协同与联动技术等关键技术，对建立集人机督导和生产监控于一体的智慧矿山生产视频结构化分析系统，促进矿山安全生产系统由局部信息化、自动化向多系统协同智能化发展具有重要意义。

• 220 t矿用电动轮自卸车燃油消耗规律与应用研究

  王群, 张瑞新, 石宁, 吕帅康,

  露天矿矿用自卸车燃油消耗费用占总成本最高可达1/3，因此燃油消耗分析对矿山降低成本、节能减排以及运输系统的智能化极其重要。但是矿用自卸车燃油消耗估算模型及监测手段均存在精度不高、实用性不强的缺点，进而导致自卸车燃油消耗规律不清、考核指标不准等问题。以某露天矿220 t矿用电动轮自卸车为研究对象，对自卸车驱动力与行驶阻力进行平衡分析，轮边驱动力可简化为滚动阻力、坡度阻力、加速阻力之和；对自卸车发动机功率进行平衡分析，发动机的功率主要分配为滚动阻力功率、坡度阻力功率、加速度功率、非行驶功率和传动系统损失功率。其次，应用车轮—牵引系统—动力转换系统的后向建模，提出一种准确的电动轮自卸车燃油消耗率的估算模型，模拟不同工矿条件下自卸车发动机的燃油消耗率，并从理论上归纳自卸车发动机燃油消耗率的多维特征参数为载重、速度、滚动阻力系数、坡度阻力系数和加速度。在此基础上，结合驱动/电制动性能曲线，量化载重、速度、滚动阻力系数、坡度阻力系数对矿用自卸车燃油消耗率、单耗的影响规律；最后，以该露天矿为实例，引入高精度、高可靠的容积式油耗传感器，验证该型矿用电动轮自卸车燃油消耗率估算模型的精度。结果表明：3条运输干线的矿用电动轮自卸车单耗预测误差分别为4.18%,0.96%,5.88%，验证不同工况条件下的模型精度，且满足现场单耗估算的精度要求，研究成果可应用于不同运输道路燃油消耗考核指标制定及成本预算方案编制，优化露天矿间断开采工艺或半连续开采工艺的燃油消耗量。