煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第12期

• 适用于围岩大变形的螺纹钢锚杆设计及工程实践

  韩军, 王鑫, 马双文, 张明, CAO Chen, REN Ting,

  矿用锚杆自20世纪90年代已开始大规模应用，但目前其螺纹几何参数仍与土木行业钢筋相同。钢筋螺纹是针对地面无地应力、且支护体变形控制在弹性阶段的钢混结构而设计，随着深部资源开采进展，地下巷道出现围岩大变形，原基于地面建筑的钢筋螺纹几何参数需针对高地应力、软岩大变形等地质条件进行优化。基于锚固力学载荷传递机理，明确螺纹钢螺纹是锚杆支护承载者，锚杆锚固性能与螺纹几何参数密切相关；通过分析锚固段的破坏方式，将锚固段破坏分为平行剪切破坏和剪涨滑移破坏；进一步通过分析2种破坏过程，阐明了螺纹几何参数(包括杆体直径、螺纹上升角、肋宽、肋坡角、肋高、肋间距)对锚固性能的影响和作用。针对深部资源开采，综合考虑巷道围岩的变形控制及离层控制，研发了一种适用于围岩大变形的新型螺纹钢锚杆，该设计通过螺纹几何优化提高了锚固段的峰后残余强度，通过增加锚固段吸能能力有效提高大变形围岩体的岩层控制能力。对新螺纹钢锚杆进行了实验室锚固力测试和现场拉拔试验，结果显示，围岩大变形锚杆平均拉拔力峰值比矿用左旋锚杆分别提高了13%和16%；从能量吸收的角度，新锚杆在实验室和现场的平均吸能较左旋锚杆提高了15%和55%，表明围岩大变形锚杆的锚固性能优于矿用的左旋锚杆。进一步对新设计锚杆进行了工业试验，在深部回采巷道设计安装了3种锚网支护方式，通过对比分析断面收敛量、顶板离层量、杆力及锚杆宏观破断失效方式等，进一步验证了新设计的围岩大变形锚杆支护更有利于深部巷道的岩层控制。

• 特厚煤层巨厚顶板分层综采工作面区段煤柱失稳机理及控制

  王志强, 武超, 罗健侨, 王鹏, 石磊, 张焦, 李敬凯, 苏泽华,

  针对特厚煤层分层综采工作面，采用理论分析及现场试验相结合的方法，对于巨厚直接顶下区段煤柱失稳机理及控制技术展开研究。首先分析各分层工作面沿空侧覆岩运移规律，通过建立覆岩结构力学模型，得到中、底分层工作面沿空侧覆岩载荷计算公式，其次基于弹塑性理论，得到窄煤柱及宽煤柱内部任意一点应力的解析解，并代入实际工程参数，分析不同尺寸煤柱内部应力分布规律，最后给出中、下分层工作面区段煤柱围岩控制关键技术，进行现场工业性试验。研究表明：中、下分层开采期间，上覆巨厚直接顶会形成“低位短悬臂梁+砌体梁+高位弯曲下沉带”的覆岩结构；将分层开采煤柱受力状态分为“宽煤柱弹性区应力叠加型”和“窄煤柱峰值应力叠加型”2种形式，分别求得宽煤柱内任意一点三向应力及窄煤柱内任意一点垂直应力的解析公式，其中覆岩应力集中系数、煤柱高度及煤柱宽度是主要影响因素；小于15 m的特厚煤层依然适合留设窄煤柱，其内部垂直应力峰值随煤柱高度增大而降低，再受到分层多次采动影响，窄煤柱内实际残余强度更低，更易失稳，而大于15 m的特厚及巨厚煤层不易留设窄煤柱；给出留设合理区段煤柱尺寸的方法，并提出“及时主动+2次被动+3次关键部位锚索注浆加强支护”的围岩控制方案，现场应用效果明显。

• 采空区垮落顶板形态及其演化特征

  李杨, 任玉琦, 王楠, 金向阳, 欧祥吉, 罗军波, 梅灿旗,

  揭示采空区垮落顶板形态特征对于近距离煤层上行开采、含水层下开采以及废弃采空区瓦斯分布等具有十分重要的意义。从开滦矿区12-1号煤层开采后垮落顶板的现场地质雷达探测结果出发，综合运用材料力学、矿压理论与UDEC数值模拟的方法，对采空区垮落顶板形态的典型特征、形成机理进行了充分研究，描述了采空区“正-倒置三角形”垮落顶板形态动态演化特征，给出了采空区“正-倒置三角形”垮落顶板形态的概念。研究结果：① 通过地质雷达探测反演结果可知，煤层顶板分层明显，采空区垮落顶板呈现正置三角形区域与倒置三角形区域交替出现的形态，其中正置三角形区域内下位岩块堆砌整齐、上位岩块堆砌杂乱，而倒置三角形区域内下位岩块堆砌杂乱、上位岩块完整性好；② 采空区垮落顶板形态的出现是基本顶及其控制的上覆岩层周期破断与已破断的关键岩块再次破断共同作用的结果，当各关键岩块的极限抗弯强度小于受到的最大弯矩时即发生再次破断，且基本顶岩块与上覆岩层发生再次破断的位置不同，2者再次破断位置的差异导致采空区垮落顶板被分为正置三角形与倒置三角形区域；③ 提出了采空区垮落顶板“正-倒置三角形”形态的概念，当基本顶及其控制的上覆岩层分层明显时，在煤层开采工作面周期来压后，基本顶及其控制的上覆岩层关键岩块在最大弯矩的作用下发生再次破断，周期破断与再次破断位置将采空区垮落顶板呈现正置三角形与倒置三角形区域，形成“正-倒置三角形”的垮落顶板形态；④ 运用UDCE模拟获得了采空区垮落顶板的形态特征，一定程度上验证了采空区“正-倒置三角形”垮落顶板形态的存在性与合理性。

• 冲击地压矿井不同采动强度下的开采扰动特征及其产能

  崔峰, 张廷辉, 来兴平, 王苏健, 陈建强, 钱德雨,

  开采扰动是导致深部煤岩体发生变形、冲击、失稳的根本原因，而开采扰动特征与采动强度密切相关。进入深部开采后，冲击地压矿井数量随采动强度的增大而不断增多，研究冲击地压矿井不同采动强度下的开采扰动特征，进而根据采动煤岩力学响应特征确定合理的采动强度对冲击地压防控具有重要意义。以典型冲击地压矿区彬长矿区为例，利用数值模拟及理论分析根据不同采动强度下煤岩采动应力、能量释放及覆岩垮落结构特征，分析了不同推进速度、不同采厚下的开采扰动特征，评估了不同采动强度时采动煤体的冲击危险性，并探讨了开采扰动特征在矿井产能调控及开采方法优选等方面的应用。研究结果表明：① 煤炭年产量与冲击地压矿井数量呈正比例关系，且深部矿井发生冲击地压的可能性明显高于浅部矿井；② 整层开采的顶底板应力、超前支承压力及冲击危险性均大于分层开采，且前者存在明显的应变能峰值前移现象；③ 工作面采厚增加将会引起关键块的回转角及断裂度增大，提高了滑落失稳及回转失稳的可能性，推进速度加快将会提高回转失稳的可能性，更易诱发上覆岩层破断及能量大量释放，从而提高冲击危险性；④ 揭示了不同采动强度下的深埋煤层工作面的开采扰动特征，提出了根据不同采动强度下的开采扰动特征反向确定矿井合理的采动强度，进而确定矿井产能的方法，并基于开采扰动特征优选了孟村煤矿开采方法，为指导矿井冲击地压灾害防治提供了科学依据。

• 卸载条件下逆冲断层滑移实验研究

  张宁博, 单仁亮, 赵善坤, 李一哲, 赵阳, 王寅, 秦凯,

  煤矿开采活动对断层系统的卸荷效应，往往诱发逆冲断层失稳进而导致冲击地压灾害。以义马F16逆冲断层为工程背景，采用实验室实验研究了卸载条件下逆冲断层的差应力变化特征，分析了逆冲断层卸载过程中的位移场、变形场演化规律，阐述了逆冲断层失稳瞬态的滑移位移及声发射特性，探讨了逆冲断层的失稳过程。研究结果表明：逆冲断层卸载失稳时发生多次差应力“突跳”现象，以首次“突跳”变化量最大，差应力突变量为0.36 MPa；断层不同部位滑移情况具有显著差异，其中下部滑移量大于中部和上部、下盘远场滑移量大于近场和上盘；断层岩体的法向应变和剪切应变呈“降低—突增—波动—稳定”的变化趋势，且变形场受位置影响较大，如下部法向应变“突跳”量大于中部和下部，两端剪切应变“突跳”量大于中部；断层失稳瞬间可分为启滑、主震、后震3个阶段，主震将释放大部分能量，为断层冲击地压的主要能量来源；卸载导致逆冲断层滑移的过程分为线性稳态、非线性稳态、亚失稳及失稳4个阶段，失稳瞬间剪应变的变化趋势为“突降—回弹—稳定”；开采扰动引起的卸荷作用，造成F16断层不同位置呈不同的滑移模式，即浅部逆时针滑移、深部顺时针错动。

• 工作面过废弃巷顶板微震时空演化机制及危险性分区

  张党育, 盖秋凯, 黄磊, 李玉宝, 沈星宇, 赵立松, 彭中鑫,

  研究过废弃巷期间顶板微震响应的时空演化，对于掌握顶板岩层的损伤程度与运移特征具有重要意义。以东庞煤矿9212工作面过废弃巷为例，首先通过理论分析和微震监测对研究阶段进行划分，然后对不同阶段微震事件的平面、剖面分布以及空间位置关系进行分析，并通过能量离散系数（AE）和空间双因子（S,α）研究了顶板微震事件的能量差异与聚集特征；之后应用主成分分析与熵权法确定综合权重，并基于脆弱性指数法建立了危险性评价模型；最后使用GIS技术绘制3个阶段的危险性等级分区图。研究表明：① 工作面过废弃巷期间共划分为3个研究阶段，分别为正常开采阶段、废弃巷超前影响阶段和过废弃巷阶段，各阶段分别以“低频次、低能量”、“低频次、高能量”、“高频次、高能量”为主要微震响应特征；② 顶板关键层破断前，存在前后2个AE异常区，前异常区以应力异常作为主要诱发因素，导致AE值突增到7以上，后异常区以周期来压作为直接诱因，引发连续性的大规模强震，其重要征兆为前异常区结束并出现AE值骤降的突变；③ 角度因子α一般集中在30°～60°，但在周期来压时α＜30°，且关键层破断前的α会以＞60°的高角度向上孕育，然后以α＜30°的小角度发生破断；面积因子S在高位关键层破断以及周期来压时会出现瞬时突增，而低位关键层超前断裂所导致的S较小，但煤岩体破碎程度较大；④ 3个研究阶段共划分为6个危险性等级，其中红色“Ⅰ级”危险区域发生顶板整体垮落以及大面积来压的可能性最大，其主要集中在过废弃巷阶段煤层上方0～60 m以及废弃巷超前影响阶段的顶板0～30 m内，并呈现上小、下大的分布形态。

• 矿用树脂锚固剂固胶比与锚固性能关系

  刘少伟, 何亚飞, 付孟雄, 姜彦军, 李永恩, 范凯,

  固胶比是树脂锚固剂制作时重要的指标，决定树脂锚固剂性能的优劣。针对树脂锚固剂在工程上的广泛应用，发现树脂锚固剂中树脂胶泥与固化剂配比对其工作性能存在重要的影响。为得到不同类型矿用树脂锚固剂的最佳固胶比，提升其工作性能，基于树脂锚固剂固化反应机理，采用数值模拟、实验室实验以及现场工程试验相结合的方法，研究了不同类型不同固胶比树脂锚固剂的锚固性能，得到了不同类型树脂锚固剂最佳固胶比例关系。结果表明：中速树脂锚固剂固胶比为2%(对照组)，4%,6%,8%和10%时，锚固工作时在锚杆横肋、锚固剂与锚杆横肋下表面接触区域均出现了不同程度的应力集中，应力峰值均在该区域；与对照组相比，随着固胶比逐渐增大，锚杆应力以及锚固剂剪应力峰值也逐渐的增大，且在固胶比为8%时两者应力值峰值达到最大。同理，对煤矿常用的超快、快速、中速3种树脂锚固剂依次进行固胶比与锚固力关系实验室实验，发现中速树脂锚固剂在固胶比为8%时锚固力峰值平均值最大，与对照组相比，其锚固力提升了23.70%；超快、快速树脂锚固剂在固胶比分别为8%,4%时锚固力峰值平均值最大，与对照组相比，锚固力分别提升了39.24%,7.35%。在煤矿巷道进行不同类型及固胶比的锚固实验得出，超快、快速、中速3种不同类型树脂锚固剂最佳固胶比分别为8%,4%,8%，为树脂锚固剂的配制以及选择提供了参考依据。

• 镁渣的改性及其在矿山充填领域的应用探索

  刘浪, 阮仕山, 方治余, 侯东壮, 张波, 孙伟吉,

  随着全球镁行业的快速发展，以皮江法为主的炼镁过程中产生大量冶炼废渣（镁渣）不断堆积，对环境的威胁与日俱增。如何大规模无害化处理镁渣，并实现镁渣的资源化利用，对推进金属镁行业的发展和环境的保护至关重要。通过总结镁渣的基本特性和应用现状，分析了镁渣的膨胀和胶凝特性机理。鉴于镁渣活性低，大多数镁渣的应用常常配合粉磨、急冷和添加激活剂等激活方式，但是仍然没有根本解决镁渣活性低和膨胀的问题。因此，提出了使用化学稳定剂对镁渣进行改性处理，阐明了改性原理和改性过程，并通过室内实验和工业实验成功获得了一种改性镁渣（MMS）。MMS呈完整球团状，硬度高且性质稳定，富含β-Ca2SiO4，具有良好的水化活性。在此基础上，研究使用MMS混合粉煤灰作为胶凝剂，并以风积沙为骨料制备了一种新型膏体充填材料（MFPB），发现MFPB具有良好的基本性能。其中，MFPB的mini-坍落度值在127～141 mm，28 d强度可达5.249～7.491 MPa，并且具有良好的环境稳定性。基于以上理论和试验研究，在麻黄梁煤矿开展了工业试验，将MFPB用于井下充填，井下28 d取心平均强度可达6.23 MPa。如将该技术推广，不仅能把镁渣、粉煤灰等固废进行大规模产业化处理，还可大幅度降低矿山充填的成本。

• 基于改进RRT算法的露天矿路径优化模型

  黄金彪, 白润才, 刘威, 柴森霖, 刘光伟,

  露天矿山道路运输系统优化问题是矿山复杂大系统协同优化的重要组成部分，对于降低矿山生产运营成本、提高矿山生产及组织效率具有极为重要的现实意义。但近年来，随着我国露天矿山建设质量的标准化，产量规模、作业设备的逐步大型化，部分矿山运输系统的瓶颈问题开始凸显，特别是以静态道路网络分析方法为基础的传统路径优化规划模型及算法，当面临更加复杂、多变的调度决策任务时，部分规划模型及算法易受到基础能耗目标建模限制，很难给出全局现实最优解。为有效解决传统模型评价建模困难、寻径效率受限等问题，以神华新疆公司红沙泉露天煤矿为例，在时变运输功描述系统全局能耗波动效应的理论基础上，尝试融合车-路耦合思想，提出兼顾路面随机损伤作用下的费用评价函数及路径规划模型，并结合该矿道路阻力系数的隶属度函数模型给出了全局费用评价函数的合理估计；为进一步提高规划模型求解效率，提出采用快速搜索随机树算法(Rapidly exploring Random Tree，RRT)构建路径拓扑连通性的启发式策略的基本方法，并配合遗传算法对路径规划模型进行求解，实现了路径几何拓扑连通性与标量目标值约束解耦的同时，完成了对露天矿复杂路径条件下寻径问题的快速求解。经多组仿真实验验证，所述算法能快速收敛于全局最优解，经对比试验论证，所述方法及策略对于解决露天矿山路径规划优化问题可行且有效。所述方法为后续基于路面波动作用下的运输系统成本分析及评价提供了研究方向及基础，为融合交叉学科分析露天矿山复杂大系统的决策问题贡献了全新的体系方法。

• 水－力耦合作用下单裂隙灰岩三轴压缩与声发射试验及压剪断裂模型

  赵延林, 刘强, 刘欢, 廖健, 常乐, 谭涛, 宋飞,

  深部煤炭资源开采面临着高渗透压和高应力耦合作用的地质环境，水-力耦合作用下裂隙岩体力学行为及破裂特征研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律有重要意义。通过在灰岩标准圆柱体试件中部预制裂隙形成单裂隙灰岩试件，采用MTS815岩石力学试验系统和PCI-2声发射监测仪，对单裂隙灰岩试件进行不同围压和裂隙水压下的常规三轴压缩试验和破裂过程的声发射监测，其中预制裂隙倾角设置分别为15°、45° 和75°三种不同产状，围压分别设为10，15，20和25 MPa共4个系列，裂隙水压分别设置为0，2，4，6，8 MPa 的5种工况。试验结果表明:与完整灰岩试件相比较，单裂隙灰岩试件的应力-应变曲线呈现出独特的双峰值性态：前高后低双峰型和前低后高双峰型，经历第1峰值点后，其承载结构的刚度明显下降；单裂隙灰岩的起裂、扩容和峰值强度随水压的增加存在明显的降低趋势，而随围压的增加显著提高。在相同围压和水压作用下，裂隙倾角α=75°的试件起裂、扩容和峰值强度最高，α=15°的试件次之，α=45°的试件最小；裂隙倾角和水压显著影响了单裂隙灰岩的岩石破裂过程中声发射信号变化规律。随着裂隙倾角的增大，裂隙起裂和稳定扩展阶段振铃计数变得越来越稀疏，相对于高水压下的声发射特性，在低水压作用下声发射信号更为强烈。基于试验结果建立了水-力耦合用下单裂隙灰岩的压剪断裂判据,明确了压剪参数与裂隙倾角之间的关系，并发现破裂模式与|KⅡ/KⅠ|存在相关性，即随着裂隙倾角增大，|KⅡ/ KⅠ|也相应增加，压剪复合应力状态下岩石裂隙越趋向于剪切开裂。

• 岩石(体)破坏广义统一强度理论

  郭建强, 杨前冬, 卢雪峰, 陈建行, 蒋建国, 蒋磊, 伍安杰,

  强度理论是深部空间利用及灾害防控的基础，鉴于深地空间的“三高”赋存环境及传统强度理论在深部岩体稳定性适用性方面存在着较大不足，迫切需要建立适应于深部岩体的强度理论。基于能量转化是物质物理过程的本质属性，从可释放应变能角度分析了已有扩容准则、强度准则及岩爆判据的物理涵义及其不足之处，借鉴由强度数据最佳拟合得到的经验性强度准则，通过引入变形参数建立了能体现深部岩体应变能高度积聚、岩体完整性、岩体弹性模量、震源释放应变能及支护结构抵抗能的半理论半经验的广义统一强度理论，针对深部岩体中扩容、屈服或破坏、弱岩爆、中等岩爆及高岩爆活动5个级别，提出4个分级界限值(0.9，1.0，1.2和1.9)。广义统一强度理论首次实现了以下3个方面统一：广义统一强度理论所表征物理涵义与岩体扩容、屈服或破坏及岩爆发生的内在机理的统一；实现了扩容准则、强度准则与岩爆判据表达式的统一，便于深部岩体数值模拟计算；将震源释放应变能与支护结构抵抗能统一于同一个表达式，实现了地震与非地震条件下深部岩体稳定性计算公式的统一，并从理论上得出地下工程震害较小的内在原因。利用已有的岩爆经典模型与广义统一强度理论，对国内外经典扩容应力、真三轴强度及一些重大深部岩石工程岩爆情况进行了预测，结果表明广义统一强度理论与实际情况吻合得较好。

• 不同膨胀比下气体射流流场结构及脉动频率

  陈长江, 刘勇, 魏建平, 汤积仁,

  磨料气体射流的破岩情况决定于磨料加速效果，而气体流场的时空特征是决定磨料分布和加速的最重要因素。又根据膨胀比β（射流压力和环境压力的比值）会影响气体流场空间结构及脉动频率。因此，基于膨胀比β研究了超音速气体射流流场的时空演化规律。为研究气体射流流场时空特征，采用纹影试验获取了不同膨胀比下气体流场的灰度照片，并通过建立灰度值与密度值转换模型，计算了流场密度，得到了流场空间结构。又通过对纹影照片进行时域与频域转换，获取了流场频谱，得到了流场的脉动频率。结果表明：膨胀比β可显著影响超音速气体射流流场的空间结构及脉动强度。当膨胀比β=1时，气体射流处于完全膨胀状态，流场核心段没有明显的波节结构，气流密度变化平缓，脉动频率集中于100 Hz；随着膨胀比β增加至1.12时，超音速气流出现轻微的膨胀-压缩，气流密度沿射流轴线方向变化加剧，流场核心段出现明显波节结构，等速核长度较长，此时，流场脉动强，同时存在多个脉动主频率；继续增加膨胀比β至2时，气流密度沿射流轴线方向交替出现剧增、剧降，等速核长度快速衰减，但此时，流场的脉动受到抑制，脉动频率迅速减小。再继续增加膨胀比β，气体出喷嘴后，密度会迅速衰减为环境密度值，流场振荡性减弱，脉动频率再次稳定于100 Hz。

• 煤矿综采工作面活性磁化水喷雾降尘技术体系与应用

  秦波涛, 周刚, 周群, 朱同功, 李广涛, 侯晋, 孙彪,

  为高效防治煤矿井下综采工作面粉尘，针对现有水喷雾湿润凝并粉尘性能差、不能有效覆盖主要产尘源的问题，基于所研制的强湿润性活性磁化水与新型喷雾装备，提出了综采工作面活性磁化水雾化封闭尘源降尘技术体系，构建了主要由活性剂定量添加系统、磁化装置、水动力湿式除尘器、负压卷吸除尘器等组成的综采工作面高效降尘工艺系统。论述了活性磁化水降尘技术体系的内涵及技术特点，同时从活性添加剂及其定量供给系统、高效磁化装置等方面研究了强湿润活性磁化水的高效制备技术，研发了能与磁化协同作用高效改善溶液湿润性能的新型活性添加剂，结果表明所制备的活性剂溶液在质量分数为0.03%时,以4 m/s的速度穿过磁场强度为300～350 mT的脉动与螺旋扰流耦合磁场，产生的活性磁化水具有良好的湿润性能，与质量分数为0.03%的活性剂溶液相比，粉尘沉降时间减少了44.26%，降至34.5 s；此外，针对综采工作面采煤机、移架及转载点3个主要产尘源，研究了新型喷雾装备雾化降尘技术，分别形成了水动力除尘器与内外喷雾装置联动降尘方法、负压卷吸喷雾降尘方法、防尘罩与负压卷吸喷雾联动降尘方法，并对其技术原理、应用工艺等进行了阐述。通过在平煤股份十矿24130智能综采工作面现场工程应用表明：该技术体系能大幅减少井下综采工作面粉尘质量浓度，其呼尘及全尘降尘效率分别达到85.3%,90.8%，显著改善了井下人员工作环境，同时有效提升了智能工作面监控视频清晰度，保障了地面人员对智能化设备的正常调控。

• 综掘工作面双径向旋流屏蔽通风控尘机理

  刘荣华, 朱必勇, 王鹏飞, 石佚捷, 高润泽, 邬高高,

  双径向旋流屏蔽通风是综掘工作面一种新型的通风控尘方式。为了获得该新型通风方式的控尘机理，以广西百色百矿集团某煤矿综掘工作面为原型，建立了综掘工作面双径向旋流屏蔽通风数值仿真模型。基于Fluent软件，采用 Realizable k-ε湍流模型和DPM离散相模型相结合，对该种通风方式下的综掘工作面风流流场和粉尘质量浓度分布进行了数值仿真。结果表明：双径向旋流屏蔽通风可在工作面形成2道旋转风幕，即掘进机司机前方的1号风幕与转载点前方的2号风幕；1号风幕在吸风筒吸风作用下形成具有独特的伞形结构，可将掘进产尘屏蔽在掘进端头有限区域；2号风幕可将转载点处扬尘与掘进机司机区域分隔，保证司机区域不被转载点粉尘污染；综掘工作面双径向旋流屏蔽通风所产生的环形径向旋转射流能在巷道横断面形成稳定旋风，而且整个断面速度分布均匀，相较于传统的附壁风筒通风形成的径向风幕具有更高的强度和粉尘阻隔效率；双径向旋转风幕将综掘工作面的两大主要尘源（掘进机产尘和转载点扬尘）与掘进机司机区域有效隔离，阻止粉尘扩散至司机区域，为掘进司机提供一个良好的作业环境；吹吸流量比是影响该通风方式控尘效果的重要参数，司机处粉尘质量浓度随着吹吸流量比的增大呈现先降低后增大的变化趋势，并在吹吸流量比为1.5时达到最低值。

• 超音速汲水虹吸气动雾化降尘技术

  张天, 荆德吉, 葛少成, 王继仁, 任帅帅, 孟祥曦,

  长期以来，煤炭行业受到高质量浓度呼吸性粉尘危害严重，常规湿式除尘方法针对性不足、捕集效率低、能耗高、可靠性差。为解决该问题，提出超音速汲水虹吸式气动喷雾降尘技术，并采用夫琅禾费衍射原理，测定其外雾场粒径分布；采用计算流体力学有限元方法，利用COMSOL软件SpalartAllmaras与液滴破碎雾化粒子追踪模块模拟研究了试验手段无法获得的喷管出口0～30 cm处的近场雾滴粒径、雾场速度分布特性。通过与超声波干雾抑尘技术的控尘对比试验，得出该技术的控尘特性、控尘机理；通过试验研究得到了不同工况参数、喷嘴出口锥度对雾化能耗和降尘速率的影响规律，研究结果表明：所设计雾化降尘装置，在低至0.2 MPa的气动压力下，达到负压汲水虹吸的微米级、高动力雾化效果。在气动压力为0.6 MPa时，雾场粒径分布范围为1.00～21.87 μm，喷嘴近场区域雾滴粒径10 μm以下的数量浓度占百微米以下的90%，5 μm以下的占80%；雾滴速度快、射程远，雾滴速度160 m/s以上的数量浓度占50%，50 m/s以上的占99%；耗气量与耗水量低，不同工况、开口锥度时，均随气动压力的增加而增大；喷雾角在60°～95°内，随喷嘴锥角的增大先增大后减小。降尘速率为超声波干雾抑尘方式的1.5倍，并随雾滴数量浓度、速度的增大而增加，瞬时效率提高了2%～26%；相同降尘效率时，采样滤膜上PM10以下粉尘占比减小24%；隔尘效果提高了10%。在敏东一矿06回风巷应用后，受到中心风速为0.86 m/s的风流扰动，依旧能将之穿透并覆盖全断面，对呼吸性粉尘的降尘效率达到了88.8%以上，证明该雾化系统可达到低湿、节水和高效的控尘效果。

• 矿井通风阻变故障观测特征组合选择试验研究

  黄德, 刘剑, 刘永, 李向阳, 邓立军, 刘永红, 黄萍萍, 洪昌寿,

  针对矿井通风阻变故障诊断观测特征维度高、存在较多与阻变故障诊断无关和冗余特征的问题，以最小的观测点覆盖率和交叉验证误差为目标，建立基于多目标优化的观测特征选择模型，用于矿井通风阻变故障诊断的观测点选择。以k-近邻算法作为故障诊断模型的求解方法，利用非支配排序遗传算法Ⅱ对观测特征选择模型进行求解，解决仅在必要位置布设观测点，降低阻变型故障诊断的成本；剔除易导致观测特征之间的冗余或不相关特征，提高阻变型故障诊断学习器的性能；一定程度上缓解过拟合或欠拟合问题的发生，提高模型的泛化能力等关键问题。分别对7组特征组合方案进行观测特征选择比对试验，并以无样本模型进行验证试验，结果表明：相对观测点覆盖率降至0.2～0.5后，故障诊断准确率收敛于稳定的状态；风量单一特征类型在所有比对试验中均获得最低准确率；在确保故障诊断性能的情况下，观测特征经优化选择后很大程度上降低了阻变故障诊断模型的复杂度；优化选择的观测特征在无样本模型中具有与监督模型同样的有效性。因此，基于多目标优化的观测特征选择模型可有效地剔除冗余或不相关特征，从而提高阻变故障诊断模型的性能，为实时网络解算提供新的理论方法，为智能通风的实现提供技术支撑。

• 煤与瓦斯突出冲击波穿越门墙孔洞能量耗散规律及安全尺寸

  李希建, 薛海腾, 陈刘瑜, 刘柱, 代芳瑞, 张蒙,

  为揭示煤与瓦斯突出冲击波穿越防突风门孔洞时的能量耗散规律，以通车防突风门底坎为研究对象，基于不同突出压力、防突风门底坎尺寸条件下的煤与瓦斯突出物理试验和数值模拟结果，分析了突出冲击波在巷道中及穿越防突风门底坎时的传播规律，并根据突出冲击波超压与巷道通风阻力的关系，以及冲击波超压对人体的伤害准则，确定安全防突风门底坎尺寸。结果表明：① 通过巷道交叉口的冲击波主要在直巷道中传播；冲击波传播速度、超压与突出压力成正相关关系。② 导致距防突风门前较近位置处冲击波超压增大的主要原因是入射冲击波与撞击防突风门后的反射冲击波叠加作用；叠加后的冲击波超压、反射冲击波超压随防突风门底坎尺寸减小而增大。③ 防突风门底坎尺寸越小，冲击波受防突风门底坎阻滞作用越强，入射冲击波越难以绕过防突风门底坎继续向前传播。④ 分支巷道与防突风门较近时，应在分支巷道安装相应的防逆流装置。⑤ 防突风门底坎尺寸为15 mm以下时，穿越2道防突风门底坎后的冲击波不会造成瓦斯逆流，且穿越2道风门底坎后的冲击波超压不会对人体产生伤害，因此，矿井防突风门底坎的安全尺寸设定为15 mm以下较为合理。⑥ 理论分析、物理试验和数值模拟所得结果基本一致，说明分析结果是可靠的。

• 滇东弥勒盆地褐煤的矿物质特征：内陆盆地泥炭堆积过程中海水输入的新证据

  刘晶晶, 代世峰, SPIRO Baruch F, 宋晓林, 魏建朋,

  运用X射线衍射仪（XRD）、X射线荧光光谱仪（XRF）、电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）以及Triton Plus质谱分析技术，对云南弥勒内陆盆地中新世褐煤中的矿物和元素组成以及锶同位素进行了分析，发现了在陆相煤盆地泥炭堆积过程中海水入侵的新证据。除了煤中高度富集的自生石膏的锶同位素比值87Sr/86Sr与同时期海水中的锶同位素比值一致以外，石膏和自生黄铁矿的赋存状态也表明泥炭在堆积过程中受到了海水输入的影响。指示沉积环境的敏感元素对Ca/Mg，Sr/Ba，Th/U，V/Ni的质量分数比，以及P2O5的质量分数、稀土元素La和Gd正异常、Y/Ho质量分数比变化特征，均表明海水的入侵，并且随着泥炭的堆积，海水的影响逐渐减弱，而淡水的影响和陆源碎屑的供给逐渐增强。在泥炭堆积期间，弥勒盆地处于多期活动阶段的断裂带变形区内，该盆地通过哀牢山—红河断裂与特提斯海相连接，为海水输入至陆地泥炭堆积地提供了通道；与此同时，哀牢山—红河断裂带北部区域抬升，使弥勒盆地泥炭堆积时受到的海水影响随之减小。

• 煤演化过程中THF可溶低分子化合物组成及化学结构变化机制

  孙泽源, 张小东, 张硕, 刘晓, 衡帅,

  煤是由有机质和少量矿物质组成的混合岩，其中有机质组成和结构直接影响着煤的高效清洁利用，研究煤的有机组成和结构特征对煤炭高值化利用具有重要意义。为了揭示不同煤阶煤中低分子化合物组成和大分子结构的差异，以长焰煤、1/3焦煤、焦煤、贫瘦煤、贫煤和无烟煤等不同变质程度煤为研究对象，采用四氢呋喃(THF)索氏萃取，借助于气相色谱-质谱(GC/MS)和核磁共振碳谱(13C-NMR)等测试手段，比较了不同变质程度煤中THF可溶有机化合物的差异，探讨了煤化过程中化学组成和结构参数的变化机制，以期为煤组成和结构研究提供参考。结果表明：① 各类煤中的THF可溶低分子化合物均以含氧杂原子化合物为主，其中低、中变质的烟煤中以长链脂肪烃和含羧基的含氧化合物为主，高变质程度煤中以环烃和含醛基的含氧化合物为主。其次为脂肪类化合物，芳烃含量较少，且随着变质程度的加深，可溶组分的化合物类型呈先增多后减少的趋势。② THF萃取作用对芳香碳数影响较小，表现为低分子化合物溶出后计算得到的芳碳率(fa′)与原煤变化趋势相同，均随着煤演化程度增大，表现出先减小后增大的变化趋势。③ 烟煤和无烟煤中可溶低分子化合物组成和大分子结构的变化呈现阶段性：煤化作用第2次跃变期间(0.5%～1.3%,Ro,max)，羧基类低分子化合物逐渐减少甚至消失，芳环结构由1～2环的苯、萘等结构转化为1～3环的苯、萘、蒽等结构，进入第3次跃变(在2.0%Ro,max左右)阶段，芳香缩合反应加剧，芳香基本结构单元增大，出现芘等4环结构的稠环，强烈的热裂解作用使得低分子化合物脱离煤体，可溶组分显著减少。研究认为，不同煤阶煤的THF溶剂萃取率及其组成的变化，是煤化作用过程中生成的可溶低分子化合物含量和种类、赋存方式，及可溶低分子化合物与溶剂、大分子结构间作用力大小的不同的结果。

• 沁水盆地武乡南煤层气赋存主控地质因素及富集区预测

  宋慧波, 安红亮, 刘顺喜, 于振锋, 金毅, 王保玉,

  通过对沁水盆地武乡南区块石炭—二叠系太原组15号煤和山西组3号煤的沉积环境、地质构造以及含气性和煤层赋存特征开展研究，探讨了煤层气富集主控地质因素，并采用模糊数学评价和层次分析法，综合评价了研究区煤层气的有利富集区。结果表明：研究区太原组潮坪灰岩-砂泥岩相、山西组三角洲分流间湾泥岩-粉砂岩相和泥炭沼泽-黑色泥岩相为煤层主要形成环境，其中潮坪和三角洲分流间湾中泥炭沼泽区为煤层发育的最佳地带；两层煤赋存形态一致，均为走向北北东向、倾向向西的单斜构造，埋深自东向西逐渐加深；煤层厚度太原组15号煤由西南向东北逐渐变厚，山西组3号煤则整体从北向南逐渐变厚。煤层含气量主要受控于煤层厚度、埋深、顶板岩性特征以及地质构造。含气量与煤层厚度、埋深呈正相关性；砂质泥岩、泥岩封盖性能好，有利于煤层气的赋存；构造因素中封闭性较差的正断层导致煤层气的逸散，逆断层则相反，往往具有较好的封闭性。因此，研究区煤层气富集区为构造简单或逆断层发育、煤层厚度大，埋深大以及顶底板岩性为厚层砂质泥岩和泥岩区域，同时多层次模糊数学综合评价表明，研究区煤层气富集区15号煤、3号煤分别位于勘探井W26-W31-W41和W1-W20-W2一带。

• 异形结构内甲烷赋存态模拟

  林轩, 白永强, 张雁, 吕秀丽, 宋胜浩, 姜继玉, 张翠婷,

  为了研究有机质孔隙形状对甲烷赋存状态的影响，建立了与实际较为相符的碳基椭圆孔隙和带有突出与凹陷特征的异形孔隙。在特定的页岩气储层温压条件下，使用分子动力学方法模拟甲烷的赋存状态。模拟结果表明，椭圆孔隙第1吸附层密度峰值为0.565 g/cm3，小于圆形孔隙第1吸附层密度(峰值为0.620 g/cm3)，椭圆孔隙第2吸附层密度峰值为0.482 g/cm3，大于圆形孔隙第2吸附层密度(峰值为0.408 g/cm3)。“突出”孔隙与“凹陷”孔隙中的突出部分均有甲烷聚集，由于壁面原子的势能影响，甲烷聚集后出现空缺，空缺的存在导致第1吸附层断开，断开程度受特征点处曲率半径大小影响，另外“突出”孔隙中的断开程度比“凹陷”孔隙中的明显。同时发现，“突出”孔隙中甲烷的平均密度大于“凹陷”孔隙中甲烷的平均密度。孔隙中游离气的存在特征受孔隙形状的影响。“突出”孔隙中，随着特征点处的曲率半径减小，游离气逐渐减小直至几乎消失。“凹陷”孔隙中，随着特征点处的曲率半径减小，凹陷部分的甲烷第2吸附层逐渐向无凹陷部分移动，最终导致两部分的第2吸附层重合，孔隙中的游离气几乎消失。研究结果表明，孔隙形状的改变会对甲烷在孔隙中的平均密度、分布规律产生明确影响，甲烷的赋存状态与孔隙形状密切相关。

• 淮北煤田太原组灰岩水水文地球化学形成作用及反向模拟研究

  陈陆望, 任星星, 张杰, 陈逸飞, 郑忻,

  随着浅部煤炭资源开采殆尽，华北型隐伏煤田的煤炭开采正逐步向深部发展，破坏了地下水系统原有平衡，以致水文地质条件复杂化，从而使深部地下水动力条件和水化学特征发生改变。通过对淮北煤田石炭系太原组灰岩(简称“太灰”)含水层地下水化学常规组分进行离子比例分析和主成分分析，探讨该含水层地下水水文地球化学形成作用及其控制因素，并选取淮北煤田南部的临涣矿区太灰含水层为研究示范，应用PHREEQC软件对其进行了反向水文地球化学模拟。研究结果表明：淮北煤田太灰含水层主要水文地球化学形成作用类型为溶滤溶解(包括方解石、白云石、石膏溶滤溶解和黄铁矿氧化)和阳离子交替吸附作用；反向水文地球化学模拟定量分析与离子比例以及主成分定性分析结果基本一致。随时间的延续，采动后淮北煤田南部太灰含水层溶滤溶解作用逐渐减弱，阳离子交替吸附作用逐渐增强，而北部太灰含水层因地层埋藏普遍较浅表现出与之相反的现象。淮北煤田南部太灰含水层水文地球化学形成作用受构造影响表现出较为明显的空间差异；而北部太灰含水层水文地球化学形成作用程度受其径流影响，表现出由东向西逐渐增强的特征。淮北煤田南部的临涣矿区太灰含水层反向水文地球化学模拟验证了水文地球化学形成作用及其空间差异性。

• 复杂构造井田含水层特征及其水力联系辨识

  乔元栋, 孟召平, 张村, 程岳宏, 史利章, 徐爱, 张强, 李琰,

  山西宁武北辛窑井田开采范围内发育5组含水层，加之复杂断裂构造导致各含水层水力联系不清，在巷道掘进过程中很难判断涌水源，进而无法针对性的提出防治水措施。基于此，综合利用氢氧同位素、氚同位素和14C同位素的示踪特性，结合常规水化学离子特征、微量元素(以F-为主)测试技术分析了各含水层的水力联系。厘定了北辛窑井田各含水层的水质特征及水力联系，构建了复杂水文地质条件下多层含水层水力联系的综合判别方法。建立了3种识别图版：常规水化学组分的Piper和Durov识别图版以及氘氚同位素识别图版，可实现含水层水源快速识别。氢氧同位素分析得出石盒子组与新生界含水层有水力联系，奥陶系含水层与太原组、山西组有水力联系；氚同位素示踪可确定石盒子组含水层与新生界含水层的地下水存在水力联系，太原组与山西组、太原组与奥陶系含水层有水力联系；14C同位素示踪表明石盒子组含水层与新生界存在水力联系，山西组、太原组、奥陶系含水层3者间相互混合。结合常规水化学离子和微量元素特征最终确定山西宁武北辛窑井田内奥灰水与太原组、山西组地下水存在水力联系，奥灰水越流补给其上2个含水层；新生界与石盒子组存在水力联系，并补给石盒子组含水层。

• 高潜水位采煤沉陷区人居环境与生态重构关键技术———以安徽淮北绿金湖为例

  刘辉, 朱晓峻, 程桦, 苏丽娟, 戴良军, 郑刘根, 方申柱, 姜春露, 张琼, 孙庆业, 李玉, 李栋衍,

  以两淮高潜水位矿区为代表的我国东部大量采煤沉陷积水区的形成，严重影响了煤炭资源型城市的可持续发展，特别是城中采煤沉陷区水土资源撂荒、生态系统紊乱、人居环境恶化已成为制约城市建设的三大瓶颈，严重阻碍了经济社会发展和生态文明建设。为解决煤炭资源型城市生态修复与可持续发展问题，通过分析高潜水位采煤沉陷区地表沉陷积水演化规律和生态损害特征，基于开采沉陷原理和“采复一体化”理论，提出了地表沉陷积水动态预测方法，构建了沉陷区地形改造分区重构数学模型；研发了沉陷区边采边复施工、水循环与水资源调控、建筑分区设计、水土流失控制与基质改良、水陆复合生态系统重构等关键技术；探索了城中采煤沉陷区人居环境与生态一体化治理新模式，并以淮北绿金湖沉陷区为工程背景，开展了工程实践。研究表明：① 融合Knothe时间函数和水量平衡模型参数，可实现开采任意时刻地表沉陷积水深度、积水面积、积水体积和最大库容的精准预测，最大相对误差为9.7%；② 依据土方量平衡条件，建立了采前地形重构数学模型，将沉陷治理区划分为以地表沉陷盆地中央为中心、两侧对称的中央挖深、边界垫浅4个特征区域，土地闲置时间由14个月缩短至8个月，为高潜水位采煤沉陷区“挖深垫浅”超前治理提供了理论依据；③ 研发了环保疏浚退水及人工湿地尾水处理系统、底泥一体化机械深度干化系统、高填筑围埝多级装配式退水系统等成套施工关键技术，退水效率提高了17%，节约排泥场面积5 260 m2；④ 提出了“平整地建筑-斜坡地水土保持-浅水区水生植被-深水区生态渔业”沉陷区分区治理技术，实现了沉陷区水土资源的100%高效利用；⑤ 与引江济淮、生态走廊、绿金城市等重大民生工程相结合，探索了集市场运作、科学修复、可持续运营于一体的沉陷区综合治理新模式，为城中采煤沉陷区生态环境治理和可持续发展提供了理论依据和技术参考。

• 高原高寒露井联合矿区生态地质环境综合治理模式

  李凤明, 丁鑫品, 白国良, 刘祥宏, 孙家恺, 桑盛, 任慧君, 郭孝理,

  矿产资源开发所造成的环境污染与生态破坏是矿区生态环境退化的主要影响因素。干旱、寒冷、土壤贫瘠的高海拔地区，煤炭开采诱发的高寒草甸破坏、冻土层退化、生物多样性锐减等问题更加突出。在工程地质勘查和生态环境现状调查的基础上，对2003年以来青海木里煤田的生态地质环境问题及其演化规律进行了比较全面的梳理和分析，结果表明：长期大规模的煤炭开采导致矿区生态系统急剧退化、生态服务功能显著降低、地形地貌遭到破坏、生态地质环境风险不断增加，生态环境亟待整治修复，然而高寒缺氧、表土匮乏、复绿植物自我更新困难等不利因素是生态修复工程必须面对的难题。针对以上破坏问题和治理技术难题，以江仓一号井高原高寒露井联合矿区生态地质环境综合治理工程为背景，遵循“山水林田湖草是一个生命共同体”理念，坚持“节约优先、保护优先、自然恢复为主”的方针，以“技术可靠、经济合理、依法依规”为出发点，充分借鉴已有经验，按照“因地制宜、分区管控、消除隐患、贴近自然”的生态地质环境综合治理思路，针对性的提出了基于“渣山削坡整形+采坑回填缓坡+井巷工程保护+岩壁坡面整治+微地形地貌重塑+土壤重构与植被复绿”的采坑、渣山一体化治理模式，构建了基于“地质灾害防控+生态环境修复”理论的高原高寒矿区生态地质环境综合治理关键技术体系。采用基于“最大限度揭露原位土、优先利用剥离土、适当配以人工土”的地形地貌重塑技术和“腐熟羊板粪基础增容—商品有机肥优化提升”为核心的快速土壤改良重构技术，解决了复绿表土缺乏的问题；采用“削坡减重”和“回填压脚”相结合的边坡稳定控制技术，解决了冻融高陡复合边坡易发生变形失稳的问题；采用井上“分区施工-双向回填-缓坡推覆”和井下“锚杆-注浆加强支护”相结合的回填施工工艺与巷道保护技术，解决了浅埋巷道工程易受采坑回填扰动破坏的问题。

• 煤气化RSC中灰渣沉积层结构、组成及传热分析

  张燕, 乐恺, 张欣茹, 毛炜, 王广, 张礼, 张欣欣,

  随着热量回收技术在现代煤气化领域的应用，辐射式合成气冷却器（RSC）换热表面的灰渣沉积问题已成为该技术发展的瓶颈。以RSC底部换热面灰渣沉积层为研究对象，通过表征沉积层的形貌、结构及成分，探析灰渣沉积机制及其对水冷壁传热的影响规律。沉积层沿径向方向，分为3个主层：内层是由微米级颗粒构成的薄层；中层为烧结层，整体呈多孔状，微观呈连续块状；内层与中层之间由块状含铁大颗粒连接，连接强度低、易脱落；外层为熔融层，呈致密块状；各主层又分为形貌特点不同的2个子层。各元素含量在沉积层中的分布规律不同：Fe元素呈内高外低的分布特点；S元素从内2层开始大幅降低，与铁的硫化物在还原性气氛下分解有关；Na，K元素在内层富集，中层降低，外层再次增加。外层存在NaCl，KCl晶体颗粒，推测其沉积位置的温度高于其熔点温度、低于其冷凝温度。构建了沉积状态与传热特性关联的计算模型，计算结果表明，内层形成时热流密度下降25%，3层沉积均形成时热流密度下降40%，内层形成时主要热阻是表面辐射换热热阻。研究表明，RSC灰渣沉积防治策略应以抑制内层的形成与增长为主，阻止或延缓中外层的生成；中外层已形成时，可通过诱发层间剪切运动，促使沉积层从连接薄弱处断裂、脱落。

• 折流内构件移动床新疆淖毛湖煤热解试验研究

  周琦,

  为了提取低阶煤中天然赋存的油气资源以获得高品质的焦油和煤气产品，并解决现有热解技术无法处理小粒径煤、焦油产率低、焦油品质差等技术瓶颈，提出了一种新型外热式折流内构件移动床热解工艺。以新疆淖毛湖煤为研究对象，考察了热解温度、分段控温、多段集气等因素对热解产物分布和品质的影响，验证了新型反应器（折流内构件和多段集气系统）强化小粒径低阶煤热解反应的可行性和先进性。结果表明：折流内构件移动床热解工艺可以处理小粒径低阶煤；折流内构件可强化颗粒的运动，可显著提高颗粒的传热速率，当颗粒进入第2床层时（大约需要40 min）可达到目标温度，且整个试验过程的温度分布较稳定；淖毛湖煤在低温下热解所得焦油品质较差，焦油中的脂肪烃含量较高，适当提高温度会促进焦油的二次反应并有助于提高焦油的品质；通过建立逐渐升温的温度梯度可以提高焦油品质；多段集气系统确保了挥发分物质及时排出，并抑制了挥发分物质在高温下的二次裂解反应；对于粒径为0.4～6.0 mm的新疆淖毛湖煤，当进煤量为5.0 kg/h、停留时间为2.0 h、热解温度为550 ℃时，焦油产率最高为10.81%，占格金焦油产率的82.5%，焦油中沸点大于360 ℃的重质组分含量为15.0%，该条件下的焦油的产率及品质均较高；在折流内构件强化热解反应的同时，通过协同调控反应器温度和分段集气可有效提高焦油的产率和品质。

• Ca(NO3)2改性对煤基多孔炭结构及甲苯吸附性能的影响研究

  于馨凝, 华哲生, 杨洋, 刘少俊, 郑成航, 高翔, 许德军, 姜欣彤,

  挥发性有机物(VOCs)是光化学反应形成细颗粒物(PM2.5)、臭氧(O3)等2次污染物的重要前驱体，对大气环境和人体健康具有严重的危害。多孔炭吸附法具有效率高、成本低、可再生等优点，在VOCs处理技术中应用广泛。然而目前国内生产的煤基多孔炭以中低端产品为主，存在孔隙不够发达、传质过程受限等问题。围绕多孔炭制备过程的结构原位调控以及VOCs在孔道内的扩散/吸附机制开展了深入的研究。以褐煤为原料，KOH为活化剂，通过酸洗脱灰和Ca(NO3)2浸渍预处理，在碱煤质量比为2∶1的条件下制备煤基多孔炭，并选择甲苯作为目标VOCs进行吸附机制研究。结果表明，Ca(NO3)2改性后制备得到多孔炭的石墨芳香片层堆叠高度(Lc)减小、层间距离(d002)增大，说明Ca(NO3)2改性导致石墨微晶的破坏程度加深，有利于发达孔隙结构的形成。以甲苯分子动力学直径(0.57 nm)作为孔径范围的划分尺度，发现PC-Ca0.2在甲苯分子直径1～3倍(0.57～1.71 nm)具有最高的孔容积，同时也具有最高的甲苯吸附容量(746.2 mg/g)。采用Weber-Morris颗粒内扩散模型分析甲苯吸附的速率控制步骤，发现吸附过程由内扩散和外扩散共同控制，PC-Ca0.2具有最大的吸附速率常数和最小的扩散边界层常数。因此，当多孔炭在甲苯分子动力学直径1～3倍内具有较大的孔容积时，其孔隙结构更有利于甲苯吸附过程的扩散传质。

• 基于CPS感知分析的煤岩截割状态识别系统

  张美晨, 赵丽娟, 王雅东,

  煤岩截割状态识别是实现采煤工作面“无人化”开采的关键技术，为了实现煤岩截割状态信息的实时感知与精准判别，结合虚拟样机技术，提出基于CPS（Cyber Physical Systems）理念的煤岩截割状态识别方案，将煤岩截割状态信息的获取、处理、识别等异构数据进行多领域融合。开发不同赋存条件的煤岩离散元模型，建立采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机模型，利用DEM-MFBD（Discrete Element Method-Multi Flexible Body Dynamics）双向耦合技术确保运动信息与煤岩状态特征信号数据的实时传递，获取采煤机截割煤岩的振动信号，并通过STFT（Short-Time Fourier Transform）算法将其转化为二维时频图像。结合时频域信息特征，实现煤岩截割状态信息识别模块的搭建。构建一种基于DCGAN-RFCNN（Deep Convolutional Generative Adversarial Networks-Random Forest Convolutional Neural Networks）网络模型的煤岩截割状态识别方法，通过使用改进的DCGAN网络进行时频图像的扩充，采用增加梯度惩罚项的方式提升合成样本维持原始样本特性的能力，生成每类仿真工况包含5 000个合成样本的煤岩时频图像数据集，将仿真原始数据集与合成样本数据集混合作为煤岩截割状态识别网络的训练集与测试集，采用改进的RFCNN算法对模型进行训练，得到模型识别结果。选取不同数量合成样本的数据集以及不同识别方法的网络模型进行对比分析，结果表明，当RFCNN识别网络中未添加合成样本时，其平均识别率为89.74%，随着合成样本数量的增加，煤岩截割状态的识别率提升，当添加合成样本数量达到5 000时，识别效果最佳，平均识别率达到98.09%，验证了采用改进的DCGAN网络丰富数据集的优越性。RFCNN网络模型与CNN，PSO-BP，BP网络模型相比收敛速度快、泛化能力强、识别率高，在煤岩截割状态识别中效果显著，可对软岩硬煤、夹矸层较多等复杂赋存条件做出准确判断。通过构建的煤岩时频谱图像数据集对DCGAN-RFCNN网络进行试验验证，利用混淆矩阵统计煤岩截割状态的识别率为98.41%，与仿真结果接近，验证了该方法的可行性。依托Simulink仿真平台，成功构建基于CPS感知分析的煤岩截割状态识别系统，实现实时数据共享、在线感知与控制，使采煤机具备智能截割能力。

• 基于塔式池化架构的采掘工作面煤岩图像识别方法

  高峰, 殷欣, 刘泉声, 黄兴, 伯音, 张全太, 王心语,

  煤岩识别技术是实现开采、掘进智能化和无人化的关键技术之一。为提高煤岩图像识别技术的精度和效率，提出了一种基于塔式池化架构和卷积神经网络技术的煤岩图像分割识别网络模型（Coal-Rock Pyramid Network，CRPN）：① CRPN模型在图像编码部分采用了深度可分离卷积，使用了混合空洞卷积技术和嵌入全局注意力机制的残差卷积模块，在提高计算效率的同时扩大模型的感受野，并降低了全局无关特性对后续特征图的不利影响。CRPN模型在图像解码部分采用了基于空间塔式池化架构的计算框架，弱化了特征图内部不同区域之间关联信息的损失，显著增强了对全局信息的有效表征。② 为保证模型训练的有效性，使用高感光度井下防爆相机对煤矿井下薄煤层采煤工作面原位煤岩图像进行了信息采集，包括完整状态、含有裂隙和阴影、暗光条件、暗光且有支护遮挡等4类典型条件下的煤岩分布图像。通过噪声添加、改变图像的特征和形态等数据预处理方法，建立了含有6 400个有效样本的煤岩高清图像数据库。③ 提出了基于交叉熵损失函数和修正自适应矩估计的训练优化算法，兼顾了模型的训练效率和精度。④ 选择像素准确度和交并比指标对CRPN模型的识别效果进行评估，结果表明CRPN模型的2项指标平均值分别为96.05%和91.54%，优于U-net模型和Segnet模型等现有其他煤岩图像识别方法。CRPN模型单张图像计算时间平均值为0.037 s，高于井下防爆摄像设备25 fps的成像能力，具备现场应用部署条件。将CRPN模型部署在工作面现场获取的动态视频中进行测试，测试结果表明该模型在稳定和抖动条件下均取得了良好的煤岩识别效果，验证了该技术在复杂环境中的可行性、鲁棒性。