煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第1期

• 我国煤炭工业科技创新进展及“十四五”发展方向

  刘峰, 曹文君, 张建明, 曹光明, 郭林峰,

  煤炭是我国的基础能源和工业原料，长期以来为经济社会发展和国家能源安全稳定供应提供了有力保障。作为煤炭工业健康有序发展的核心动力，“十三五”以来，我国煤炭行业自主创新能力得到了大幅提升，实现了从跟踪、模仿到部分领域并跑、领跑的转变，取得了突出的成就。系统总结了“十三五”以来我国煤炭科技取得的主要成果，梳理了煤炭地质勘探、矿井建设、煤及共伴生资源开采、矿井灾害防治、煤机装备与智能化、洁净煤技术、节能环保与职业健康等七个领域所取得的理论、技术及工程应用方面的进展。分析了当前煤炭科技发展面临的共性问题，指出煤炭科技创新支撑我国煤炭工业高质量发展的能力依然不足。提出了煤炭科技自立自强、完善现代化煤炭开发利用理论与技术体系的“十四五”煤炭科技发展目标。围绕煤炭安全绿色智能开采和清洁高效低碳利用，明确了“31110”科技创新主要任务，包括煤炭绿色智能开采、煤矿重大灾害防控、煤炭清洁高效转化三大煤炭基础理论研究，煤炭资源勘查与地质保障、大型现代化矿井建设、煤炭与共伴生资源协调开采、煤矿灾害防治、煤矿智能化与机器人、煤炭清洁高效加工、煤炭高效转化利用、煤矿职业危害防治、煤矿应急救援、资源综合利用与生态保护十大重点领域核心技术攻关，煤矿井巷全断面快速掘进、复杂地质条件煤层智能综采、智能化煤矿建设、智能精细高效洗选、煤炭分质利用技术、煤炭液化及高端化工品制备、废弃矿井地下空间资源综合利用、矿区大宗固废资源利用、大型矿区生态修复、煤炭产品质量精准调控十项重大技术创新示范，复杂地质构造槽波地震探测、导井竖井掘进机凿井、掘支运一体化全断面岩巷掘进、煤矿井下水力压裂增透、干法矿物高效分离、采煤沉陷区土地复垦与农业生态再塑、智能无人综采工作面等百项先进适用技术推广应用，为“十四五”时期煤炭科技的发展方向提供了指导意见。

• 再论废弃矿井利用面临的科学问题与对策

  袁亮, 杨科,

  在经济发展新常态和供给侧改革背景下，关闭/废弃矿井数量逐年增多，仍遗留大量可开发利用资源，开展关闭/废弃矿井资源开发利用意义重大。目前，相关研究工作仍相对滞后，难以系统解决遗留能源资源及地下空间开发利用等方面存在的科学问题和技术瓶颈。基于山西省关闭/废弃矿井资源禀赋与开发现状分析，结合关闭/废弃矿井遗留煤炭地下气化、遗留煤层气地面抽采、地下空间储能储物等重大需求，亟需研究关闭/废弃矿井能源资源协同综合利用评价方法、固-液-气及应力-位移-渗流-温度等多相多场动态演化机制、复杂遗留空间煤层气运移规律与储集成藏机理、复杂岩体多场耦合作用机理及稳定性控制等四个关键科学问题，攻克关闭/废弃矿井能源资源协同利用安全与风险评价技术、遗留煤炭地下气化炉构建及气化工艺、遗留煤层气资源地面抽采与利用、地下储库（储水、储油、储气等）库容探测与防渗等四项关键核心技术。基于矿井全生命周期绿色利用科学理念，以白家庄煤矿为例，提出了山西省关闭/废弃矿井遗留资源和空间资源“能源化、资源化、功能化”协同利用综合性解决方案，创新了“政产学研用金”协同机制为基础的关闭/废弃矿井能源资源精准开发与利用新模式。

• 原位改性流体化采矿科学、技术与工程

  赵阳升, 梁卫国, 冯子军, 冯增朝, 杨栋,

  为了解决传统方法难以有效开发非常规地质资源能源问题，提出了原位改性流体化采矿方法，即在原位对矿体进行物理、化学性态改造，实施矿物的流体化开采的一种新型采矿方法，系统介绍了这一新型采矿方法的概念与内涵、科学理论、技术原理与关键技术、工程应用领域等核心内容。其突出内涵是在原位，采用物理与化学方法改造矿体与矿物，改造后的矿体多孔化、矿物流体化、矿物提质改性，实现矿物流体化开采。根据矿体性态变化特征，原位改性流体化采矿问题可分为残留骨架和无残留骨架两类问题。科学理论主要包括固流热化学耦合作用下矿体物理与力学特性演变规律、两类问题的固流热化学耦合的非线性理论模型。技术原理包括原位改性流体化采矿的适用性判据、物理改性原理和化学改性原理。建立的三维孔隙裂隙双重介质逾渗理论是该方法适用性确定的主要依据。概括介绍了覆盖的工业与工程领域及其相应的原位改性流体化采矿技术、工程的发展现状及其展望，这些工业与工程领域包括煤层气、盐矿、油页岩、放射性及有色金属矿产、天然气水合物、低变质煤、干热岩地热等。原位改性流体化采矿方法将有力推动极为广泛的、新型的、下一代非常规地质资源能源的清洁高效开发。

• 美国煤炭地下开采与自动化技术进展

  王家臣, Syd S.Peng, 李杨,

  美国煤炭的地下开采分为长壁式和房柱式两种技术。地质条件较好、井田范围大的矿井，一般以长壁开采为主，否则以房柱开采为主。1994年至2017年，美国地下矿数量减少了79%（2017年为237座）。但是单个矿井产量增加了230%，煤炭生产更加集中、高效。美国长壁开采以中厚煤层为主，采高一般为1.6～2.5m（最大开采高度4.2m，最小开采高度1.2m）。长壁工作面均采用多巷布置、矩形断面巷道、锚杆支护。近些年来，工作面尺寸、设备功率、设备尺寸逐渐增大，生产系统更加可靠。长壁工作面的自动化开采源于1984年的电动控制液压支架的研发与使用，此后开发了支架、采煤机、刮板输送机的单机自动化以及追机移架技术。2000年以后开发了半自动化工作面技术和采煤机远程控制技术。目前应用的主要是半自动化工作面技术，只有2个工作面应用了采煤机远程控制技术。这些技术解决了条件简单工作面的自动化开采问题，但遇到复杂地质条件时，仍需要人工干预。研发自动化开采的关键传感器和设备以适应地质条件变化、完善端部进刀系统，聚焦作业安全和粉尘与噪音防控，以及矿用大数据、高速通信与可视化技术是目前美国的重要研发方向。在近十年来，房柱开采的工艺变化不大，但是开采装备的多样化和开采系统的自动化、信息化、智能化的相关技术开发取得了重要进展。

• 围岩松动圈理论计算方法的评述与展望

  刘刚, 肖勇卓, 朱俊福, 靖洪文,

  研究围岩松动圈的目的是指导地下工程的设计与施工,相比于现场实测和数值模拟分析,理论计算围岩松动圈更为方便快捷。综述了2 种主要的松动圈理论计算方法———强度准则法和数学模型法。强度准则法以Mohr-Coulomb 准则、Hoek-Brown 准则和Druker-Prager 准则为主,普遍经塑性区半径推导、松动区与塑性区界分和岩石强度参数修正可得到较准确的松动圈半径,其关键在于松动区的边界条件和岩石软化方法,并建议以应力梯度作为边界条件和以参数反演修正岩石参数进行计算,同时也简要评述了以动静力学思路和统一强度准则为基础的松动圈计算。数学模型法主要是基于对松动圈影响因素的研究,常采用神经网络模型和支持向量机模型,以及未确知聚类模型和多元回归函数拟合等,其关键在于松动圈影响因素的选择和建模选型。松动圈影响因素选择的重点在于次要因素,而建模选型在于引入其他模型对原有模型的核心元素进行寻优。建议应因地制宜地选择影响因素或引入灰色预测模型,同时必须经本地数据库训练修正后使模型达到最佳。实际工程中,由于强度准则法基于均质岩体中静水应力作用下的圆形巷道模型,巷道半径和侧应力系数取值及岩性不均一将会严重影响计算精度;数学模型法受制于影响因素考虑不足及现有数据库噪声等条件而难以提高预测精度。结合围岩松动圈实测技术,由于受众多因素影响,巷道同一横断面内、同一巷道相邻地段的松动圈均在一定范围内波动,故任何非实测方法均不能精确预测松动圈厚度。在工程应用中,不主张在难以符合强度准则法的假设条件或者数学模型中未知的次要因素影响较大的条件下采用计算的方法确定松动圈厚度。后续研究可从新强度准则推导或多个单预测模型相结合与数据等维等方面进行,同时应关注在深部多种地质条件下松动圈的理论计算以及矩形和其它非规则形状巷道松动圈的理论计算,并提高预测精度。

• 煤矿热动力重大灾害中的几个科学问题

  王德明, 邵振鲁, 朱云飞,

  对我国煤矿发生的重特大事故进行统计表明，热动力灾害(火灾与爆炸)是煤矿重特大事故中占比最高、致灾最严重的灾害。然而，当前对其成灾原因、致灾作用和救灾风险等还认识不足，导致对热动力重大灾害的预防和处理仍缺少有效方法与技术，造成热动力重特大事故至今时有发生、救援处理常面临困境。针对防范与遏制煤矿热动力重大灾害的迫切需求，通过系统的国内外案例统计分析、亲历的事故救援经验总结和长期的深入研究与思考，凝练提出了煤矿热动力重特大事故防治需要解决的3个关键科学问题:采场中气、固相可燃物(瓦斯与煤)复合燃烧及点火特性，热动力灾害致灾因素与通风系统耦合的致灾作用，热动力灾害救援的不确定性风险特性与应对。为解决这些科学问题，需要有针对性地加强和完善瓦斯抽采与顶板控制技术，预防含瓦斯混合空气的形成，减少和控制矿井顶板周期来压造成的压电效应，消除瓦斯燃烧或爆炸的最初点火源，提高矿井的防灾能力;掌握冲击波与烟流在通风系统中传播范围及致灾程度的规律，构建可靠通风系统和有效避险系统，提高矿井的减灾能力;开发发现和处理不确定性风险的方法与技术，提高矿井的救灾能力。这些科学问题的研究解决，可突破现有技术瓶颈，提高预防煤矿热动力灾害、防止事故扩大和应对不确定性风险的能力，为防范与遏制热动力重大灾害事故、保障我国煤炭工业健康可持续发展提供借鉴。

• 新形势下中国煤层气勘探开发前景与对策思考

  孙钦平, 赵群, 姜馨淳, 穆福元, 康莉霞, 王玫珠, 杨青, 赵洋,

  在国家要求天然气“增储上产”及煤层气产业整体处于“瓶颈”阶段的新形势下，分析煤层气勘探开发前景和对策意义重大。鉴于此，分析了国内外煤层气产业发展成功经验与失败教训，从影响我国煤层气产量增长方面探讨当前产业存在的若干问题，分析了未来中国煤层气持续发展的重要领域和方向。基于我国煤层气开发的特点和技术水平，结合煤层气储量和资源潜力，综合应用产量构成法、生命模型法和储产比控制法预测了我国煤层气产业发展潜力与前景。研究认为:我国煤层气产业持续发展存在诸多制约因素，主要包括:① 后备区准备不足;② 单井产量低，整体处于低效开发状态;③ 地质条件复杂，煤层气勘探开发技术难以复制;④ 对外合作项目进展缓慢，推动难度较大。同时认为，煤层气仍是我国当前较现实的非常规天然气资源，高产老区稳产上产、低产低效老区改造、低煤阶与构造复杂区效益开发、深部及煤系天然气综合开发是未来中国煤层气产量持续增长的方向，2035年我国煤层气地面井产量可达到150×108～250×108 m3。在此基础上，提出了我国煤层气产业发展5项对策建议:① 加大勘探评价工作量，落实更多优质储量，夯实建产基础;② 加强优质储量动用，持续开展增产改造试验，助力老区稳产上产;③ 加强科技攻关和煤层气开发示范试验，确保新建产区效益开发;④ 加强对外合作区项目监管，推动合作区快速建产;⑤ 加大财政补贴及税收优惠扶持力度。

• 煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展

  薛国强, 李海, 陈卫营, 余传涛, 常江浩, 于景邨,

  老窖采空区、顶底板含水层、陷落柱、溶洞、裂隙等潜在含水体，是煤矿开采中的主要致灾因素，严重影响矿山安全生产。随着煤炭开采规模和深度的逐渐加大，地质条件和观测环境日趋复杂，此环境下含水体探测成为保障煤矿安全生产过程中遇到的巨大难题，亟需创新电磁精细探测理论与技术。瞬变电磁法能够获得地下介质的电阻率分布，由于煤矿含水体与围岩具有明显的电阻率差异，该方法成为探测含水体的主要方法之一。首先总结了煤矿含水体的赋存特征及其电磁法探测的物理基础。然后，综述了近年国内瞬变电磁探测理论、方法和技术等方面研究新进展，及其在煤矿含水体探测中的应用和前景。理论方面，重点介绍了近年被引入瞬变电磁场数值模拟的时变点电荷载流微元近场理论和矿井瞬变电磁法的物理基础——地下全空间电磁理论，这2项理论都得益于数值模拟手段的发展，近年取得了较大的发展。在方法方面，对修正式中心回线装置、电性源瞬变电磁法、半航空瞬变电磁法和矿井瞬变电磁法等新型瞬变电磁法装置进行介绍。随着相关数据处理和反演技术的发展，这些新装置开始在煤矿含水体中得到应用，并展现出与传统方法截然不同的技术特点。最后，指出瞬变电磁多分辨探测方法技术、大数据技术、煤矿多层采空区精细探测技术和瞬变电磁高分辨数据采集装备研发是近年煤矿复杂含水体探测的研究方向。

• 我国连续采煤机短壁机械化开采技术发展40 a与展望

  张彦禄, 王步康, 张小峰, 李发泉,

  连续采煤机短壁机械化开采技术在提高煤炭资源采出率、促进我国煤炭工业高质量发展等方面发挥着重要作用。改革开放以来，我国连续采煤机短壁机械化开采技术实现了“由弱到强”的发展历程，依靠相关技术与装备科技的创新，支撑着煤炭资源采出率持续提升。首先从煤柱及不规则块段开采、“三下”压煤开采、露天边帮压煤回收、中小煤矿采煤机械化升级改造和延长矿井服务年限等方面，全面系统阐述了我国煤炭工业对短壁开采的技术需求，并系统回顾和总结了连续采煤机短壁机械化开采的工艺、理论及装备的发展历程。工艺方面，连续采煤机短壁采煤法从房柱式发展到旺格维利式，再到以块段式采煤为代表的现代房柱式采煤法，形成了具有中国特色的短壁机械化开采技术体系。从回采方式、通风方式和顶板管理等方面总结了3种工艺的特点，并指出块段式采煤是短壁开采的高级阶段。理论方面，从短壁开采的煤柱稳定性、地表沉陷控制、顶板控制等方面总结了短壁开采理论的研究进展。装备方面，研制了连续采煤机、锚杆钻车、梭车、连续运输系统、给料破碎机、履带行走式液压支架、铲车、柔性连续运输系统等系列化、成套化的短壁机械化开采装备，促进了煤矿短壁装备的国产化进程及其技术进步，形成了适应我国不同煤层赋存地质条件和开采条件、具备自主知识产权的短壁开采装备体系，使我国煤矿短壁开采技术与装备水平跃升到新的台阶，支撑了我国煤炭资源的高效开发，引领了煤矿短壁开采技术与装备的发展方向。最后，分析了连续采煤机短壁机械化开采技术发展过程中的问题，围绕煤矿智能化建设主题，提出了短壁开采技术的发展方向及建议。

• 厚表土薄基岩特殊工程条件下的钻井井壁受拉破断机理

  程桦, 曹广勇, 姚直书, 荣传新, 张亮亮,

  以安徽淮南矿区某在建煤矿副井为背景，分析厚表土薄基岩钻井井筒受拉破断过程与特征，建立马头门上覆岩层弯曲变形竖向剪切拉应力力学模型，给出井筒围岩分层竖向位移函数，采用最小势能原理及弹性力学理论推导出井筒竖向拉应力解析解。分析表明，井筒马头门上覆岩层受施工多次扰动影响发生弯曲变形是产生作用于井筒之上的竖向剪切拉应力的致因;该剪切拉应力产生的作用于井筒之上的拉力由下而上积累到某一阈值，该阈值与井筒自重应力的合力超过钻井井筒极限抗拉强度时，在钻井井筒接头处发生第1次拉断破坏，其后，随着岩层弯曲变形发展，拉断处以上井筒继续受竖向剪切拉应力作用而发生第2次拉断破坏，并导致底部含水层水砂溃入井筒发生淹井事故。马头门围岩的稳定性对改变上部钻井井筒受力状态有重要影响，其上覆基岩越薄影响越大，越易发生钻井井壁拉断破坏，基岩与风化基岩弹性模量比和风化基岩与底含弹性模量比对井筒发生拉断破坏时的位置，以及对应马头门顶部最大竖向位移影响均较小。通过采用钻井井筒竖向受拉等强设计、钻井井筒底部设置壁座、马头门至钻井井筒底部基岩段设置1～2道水平隔离缝、地面L型注浆加固马头门软弱围岩等技术途径，完善现行相关设计规范，确保钻井井筒运行安全。

• 煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究

  潘一山, 代连朋, 李国臻, 李忠华,

  随着煤矿向深部发展，矿井动力灾害既表现出冲击地压的部分特征，又表现出冒顶的部分特征。2种典型的灾害打破以往冒顶与冲击地压的发生具有一种互为逆向性的认知规律，在深部高应力煤巷，特别是留顶煤巷道中出现了相互诱导、复合发生的新灾害类型。在总结山东、山西和新疆矿区典型巷道冲击致顶板(顶煤)动力灾害特征的基础上，提出了深部巷道冲击地压与冒顶复合灾害的概念、机理与分类，指出复合灾害机理关键点在于揭示巷道整体系统和破碎区子系统的稳定原理及其2者间的相互影响。建立了巷道发生复合灾害的力学模型，根据扰动响应失稳判据，提出并得到了巷道发生复合灾害的临界应力Pcr、临界软化区半径ρcr和最大容许采扰应力增量σmax，厘清了灾害发生的主控因素，分析了煤岩冲击倾向指数K、支护强度ps、巷道半径ρ0、煤岩强度σc等对灾害发生的影响规律，同时阐明了围岩塑性软化、破碎深度随地应力增加的发育规律。研究结果表明，破碎发育巷道的动力失稳主体为弹性区、软化区与破碎区构成的不稳定系统，垮落主体为破碎区;稳定的破碎区提升了巷道冲击启动临界值，使其启动难度增大，但破碎区的发育又易引起顶煤垮落;巷道稳定支护是解决复合灾害的关键，科学合理支护既能有效调控围岩破碎防冒，又能提升冲击启动临界值。通过理论研究，揭示了巷道冲击地压与冒顶复合灾害的发生机理，阐明了巷道软化与破碎区及其稳控支护对深部破碎发育巷道动力灾害防治的重要性。

• 采动诱冲动能估算及冲击危险性评价

  谭云亮, 王子辉, 刘学生, 王存文,

  能量积聚与释放作为煤矿冲击地压发生的基本力学机制，成为近些年来学术界与工程界关注的热点之一。如何突破传统的应力-应变曲线为基础的形变能诱灾机理现状，探讨动能驱动诱冲机理是科学解答冲击地压的瓶颈。根据回采工作面开采所引起的支承分布压力变化，基于开采扰动原理，推导了因采动导致煤体内产生动能计算方法，得到了不同深度、不同塑性区宽度、不同推进度与所产生动能之间关系，提出了冲击危险性动能评估指标。研究表明，工作面超前支承压力集中区产生的高变形能的释放是煤体破坏的必要条件，而支承压力变化促使变形能释放转化形成的动能是驱动煤体动力破坏失稳的充分条件；通过对开采进尺小于和大于塑性区宽度时支承压力变化所引起动能计算发现，当开采进尺要大于0.8倍的塑性区宽度时将开始产生动能；当开采进尺一定时，若塑性区宽度越大，则产生的动能就越小，因此松动爆破、大直径卸压钻孔等手段增大塑性区宽度有利于动能的降低；若开采进尺越大，则产生动能就越高，因此，降低推采速度减少进尺有利于降低产生的动能，基于获得的开采进尺与动能量级的关系，可以定量给出满足防冲要求的安全开采进尺，这为解答如何确定不同冲击地压煤层容许进尺提供了定量方法；根据单位体积煤体所承受动能与单位体积煤体所能够贮存的弹性能的比值，定义冲击危险性动能评估指标，强调动能驱动机制，此将更有利于判断冲击危险性程度。

• 深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理与技术

  吴拥政, 付玉凯, 何杰, 陈金宇, 褚晓威, 孟宪志,

  针对深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压显现难题,分析了深部冲击地压巷道围岩变形破坏特征,确定了导致深部冲击地压巷道强冲击显现的防控难点,揭示了巷道冲击破坏机制。在分析深部冲击地压巷道破坏机制的基础上,建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型,分析了动、静叠加载荷、支护应力、围岩力学属性与莫尔圆间的相互作用关系,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理。通过对巷道围岩远、近场进行卸压,从动、静载荷角度降低巷道冲击能量和所受应力;利用高预应力、高强度、高延伸率及高冲击韧性“ 四高” 锚杆( 索) 主动支护,结合围岩结构重塑技术,提高巷道围岩自承载和抗冲击能力;结合钢棚、缓冲垫层及防护支架,通过高阻尼作用快速抑制巷道围岩的冲击震动。通过协调“卸压-支护-防护”3 种技术手段的时空关系,改变冲击地压巷道能量释放、传播及耗散形式。基于“卸压-支护-防护”协同防控原理,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控技术,开发了长、短孔分段水力压裂工艺,研发了配套的压裂机具和设备;研制了高冲击韧性锚杆(索) 系列支护材料,大幅度提高了支护材料的强度和韧性;提出了以钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的巷道复合防护结构,复合防护结构能有效吸收巷道围岩内的冲击动能,抑制围岩震动。研究成果在蒙陕和义马典型冲击地压矿井开展了工业性试验,“卸压-支护-防护”协同防控技术改变了厚层坚硬岩层冲击能量释放形式,有效抵御了高动、静叠加载荷,减小了巷道围岩整体冲击变形,控制了深部冲击地压巷道围岩稳定。

• 采动地表移动变形与建筑物损坏程度评价的再认识

  崔希民, 车宇航, 赵玉玲, 李培现, 白志辉,

  实测数据分析的目的是认识地表移动规律和确定预计参数，而沉陷预计的目的是评价采动损坏程度。无论实测数据分析还是形变预计，地表倾斜、曲率和水平变形等主要指标都是基于下沉和水平位移2个移动分量;不均匀下沉在引起地表倾斜和曲率变形的同时，也会导致采动建筑物水平变形和破坏。通过分析起伏地形和不均匀沉陷在实时位形上对地表变形的作用关系，建立了地表水平和起伏条件下采动地表倾斜变形引起的地表水平变形表达式;以采动地表正曲率变形为例，分析确定了建筑结构长度、高度、最大挠度、挠度比与地表曲率的关系，定性给出了建筑结构顶部伸长量、拉伸变形及其影响规律;进一步分析了建筑结构与地基相互作用的反力分布以及拉伸和剪切作用下建筑物损伤破坏特征。在继承我国现行规范中采动建筑物损坏评价优点的基础上，针对硬性分级存在的不足以及I，IV级损坏再划分的模糊性，借鉴英国沉陷工程师手册中考虑建筑物结构长度影响的思想，建立了综合考虑水平变形、建筑物结构长度和挠度比的采动损坏分等定级指标体系;实验结果分析表明，同等采动地表变形条件下建筑结构越长其损坏越严重，证明该指标体系的损坏程度评价结果比现行规范中单纯考虑地表变形的方法更科学、客观，同时消除了原来I,IV级损坏再划分的模糊性和不确定性。

• 采场覆岩变形破坏模拟试验的光测方法对比

  柴敬, 杨玉玉, 欧阳一博, 张丁丁, 杜文刚, 李淑军,

  物理相似模型试验是煤矿采场上覆岩层变形破坏规律研究的主要手段，将BOTDA,FBG与DIC光测方法相结合，建立“点-线-面”的试验测试系统以提高测试精度十分必要。基于光测原理，分析了BOTDA,FBG和DIC技术的应变测量，探究了应变局部化带对DIC检测应变的影响，FBG和BOTDA测试本质上是一种“线应变”，而DIC是“面应变”。统计已有的试验研究，得出了不同工况下物理模型试验BOTDA,FBG光纤应变监测数据范围。搭建3 m平面应力相似模型，模拟煤矿工作面开挖77次，推进240 cm。通过埋设在模型内部的1根BOTDA传感光纤以及3个FBG传感器对模型关键层内部变形状态进行监测，同时以DIC实时观测模型表面变形，研究这3种不同的光测技术所获得的关键层应变测试结果，进行对比分析覆岩变形破坏规律，得出3种不同的光测技术测试应变的量化关系，并分析他们对应变测试存在差异的原因。试验结果表明，BOTDA和FBG的测试应变量级相同，在均匀连续变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值范围为15.52~16.7，在非均匀变形区域DIC与BOTDA监测的应变比值范围为27~133倍;在应变曲线峰前阶段，DIC与FBG测试应变一致性好，峰后阶段DIC更好地反映了上覆岩层的变形;尽管在测试结果上有量级的差异，但随着岩层变形破断以及离层裂隙的张开、闭合，3种光测方法均可以反映岩层内外部同步性的变形，其发展趋势基本一致，BOTDA,FBG和DIC应变曲线峰值位置偏差较小;对离层出现位置，FBG的偏差为1.13%，FBG测试结果更好;对关键层破断范围，DIC测试的破断范围偏差为1.62%，测试结果更好。

• 遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论及其应用展望

  冯国瑞, 白锦文, 史旭东, 戚庭野, 王朋飞, 郭军, 王善勇, 康立勋,

  遗留煤柱群链式失稳会引发覆岩垮落、地表塌陷、动载矿压、瓦斯外逸或水体下泄等灾害。揭示遗留煤柱群链式失稳的核心机理是精准防控的基本前提。本文从链式失稳的源头出发，提出了遗留煤柱群的最弱失稳致灾模式，界定了关键柱的基本概念，分析了关键柱的主要特征，研发了关键柱判别的技术方法，揭示了关键柱局部失稳的诱灾机理，形成了遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论，并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。研究结果表明:① 遗留煤柱内在物理力学性质和外在环境因素等的差异性，导致采场遗留煤柱群呈现出最弱失稳致灾模式——遗留煤柱群体系中任一失稳致灾模式发生时，最弱失稳致灾模式必然已经发生，即遗留煤柱群体系发生链式失稳时，稳定性最弱的遗留煤柱必然发生了失稳。② 关键柱是指采空区中最先可能发生局部失稳的遗留煤柱;“关键柱”之所以“关键”，是因为唯有采空区“关键柱”发生局部失稳，邻近区域稳定性稍强的遗留煤柱的失稳破坏才可能被活化，采场遗留煤柱群的链式失稳也才可能发生。③ 安全系数最小的遗留煤柱可以判别为煤柱群体系中的“关键柱”，在进行关键柱判别的时候需要遵循区域性、相对性、动态性和复合性等四大原则。④ 关键柱局部失稳的诱灾机理体现在:关键柱载荷的逐渐减小使得最邻近遗留煤柱承担的载荷线性增大，即关键柱的局部失稳会引发覆岩载荷向最邻近的遗留煤柱中转移与扩散，导致进一步的失稳破坏，并最终可能引发遗留煤柱群体系的“多米诺”链式失稳与破坏。⑤ 关键柱理论不仅可以应用于柱采区邻近煤层开采、强矿压控制、煤柱留设、充填开采、瓦斯抽采和水害防治等技术领域，还能推广应用于非煤矿山资源开采矿柱群的失稳防控等领域。遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论的提出有望促进我国煤炭资源绿色开采理论与技术的发展。

• 构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究

  程远平, 雷杨,

  构造煤是原生煤经过长期的强烈挤压，剪切变形后形成的，其具有黏聚力低、强度低和渗透率低等特点。长期以来，中国乃至全球的大部分煤与瓦斯突出事故都发生在构造煤层中，但是其根本原因尚未明确。为了揭示构造煤与突出的内在关系，对构造煤与原生煤的孔隙结构、甲烷吸附、解吸、扩散、渗流和力学性质进行了系统性的回顾与对比，并结合突出能量进行了定量分析。结果表明，由于构造作用，构造煤比原生煤具有更大的总孔隙体积和比表面积，其中大孔受到的影响最为显著。此外，构造煤的吸附/解吸能力和扩散系数普遍较高，而抗压强度和弹性模量则普遍较小。在突出激发阶段，煤体破碎依赖于应力能的释放，此时破碎煤体释放的大量解吸瓦斯是突出后续发展的重要能量来源，特别是小于临界粒径的突出煤体，起到了决定性作用。然而，能量分析表明，若要满足临界粒径的要求，原生煤所需应力条件远高于构造煤，甚至会远超过目前采掘深度的应力水平。因此，原生煤难以提供足够的能量支撑突出的发展。在实际情况中，即使首先发生破碎的是原生煤或者岩石，突出的持续发展也强烈依赖于破碎比功更低和解吸能力更强的构造煤，表明构造煤不仅仅是更易于突出，更是突出发展的一个必要条件。此外，就构造煤的储层特性而言，在实验室中获得的构造煤渗透性能显著高于现场获得的结果(差异可达2个数量级)，其主要原因可归结为实验室中重构的构造煤样品无法还原构造煤的原始物理性质。因此在未来的研究中，除了仍需要对构造煤体的孔隙结构进行系统性的研究外，探究构造煤样品重构的新方法也具有重要意义。

• 含瓦斯煤样冷冻取芯过程温度演化规律模拟研究

  王兆丰, 王龙, 董家昕, 王俏,

  冷冻取芯技术是一种能显著提高井下煤层瓦斯含量测定精度的取样技术，煤芯温度的高低直接影响着取芯过程瓦斯损失量的大小。为了研究冷冻取芯过程煤芯温度场的演化规律，依托自主研发的含瓦斯煤冷冻响应特性模拟平台，开展了不同管壁温度条件下的冷冻取芯煤芯降温物理模拟试验;并通过建立含瓦斯煤芯气固耦合传热模型，借助COMSOL数值模拟软件对现场取样过程中的煤芯温度场时空分布进行了预测。结果表明:常规取芯时，煤芯内部轴向温度Th随着轴向高度h及时间t的增加而升高，可采用Poly2D函数拟合;径向温度Td也随径向距离d，t呈Poly2D函数升高;当取芯管外壁温度为90~150 ℃,取芯时长30 min时的煤芯中心温度分别高达46.3~62.0 ℃,取芯时长60 min时，煤芯中心温度接近管壁的温度。冷冻取芯时，取芯管内的制冷剂能有效隔绝外壁的切削摩擦热量，并使煤芯迅速降温，前60 min内为快速降温阶段，随后降温速度减慢;煤芯内部沿轴向温度基本没有变化，而径向上存在明显的温度梯度，径向温度Td随径向距离d，t的增加呈负指数下降。当冷源强度一定时，随着取芯管外壁温度降低，煤芯所能达到的极限低温就越低，降温速度也越快;管壁温度分别为90，110，130和150 ℃ 时，取芯时长30 min时煤芯中心温度降至-27.30，-13.20，2.05和16.80 ℃,取芯60 min时煤芯内部各点基本降至同一低温，煤芯导热系数随环境温度降低呈线性减小。

• 单轴压缩破坏下分层型煤电阻率响应分析

  胡千庭, 宋明洋, 李全贵, 吴燕清, 许洋铖, 张跃兵, 邓羿泽,

  地层电阻率是地球物理勘探考察的重要物性参数，不同结构煤体受载破坏过程中电阻率变化特征存在差异。建立受载煤样电阻实时测试实验系统，对所压制未分层及不同厚度、不同强度的两分层型煤试样进行了单轴压缩实验，得出试样破坏过程的力学强度及电阻率变化规律，研究分层界面影响下不同结构型煤的电阻率响应特征。实验结果表明：型煤单轴压缩破坏下的电阻率呈现阶段性变化，未分层试样在压密后存在“U”型变化过程，最低点接近试样应力应变曲线屈服点；不同强度分层试样破坏过程中电阻率曲线先增加后呈现“U”型，破坏后电阻率为初始状态的2~4倍；不同厚度分层试样破坏过程中电阻率表现为先增后减，两分层厚度差异大的试样厚分层破坏更为剧烈，整体表现出的宏观电阻率值更大。分层试样弹性模量及抗压强度均较未分层试样小，峰值应力处的电阻率变化率为1~2，未分层试样则小于0.5；试样两分层厚度及强度越接近，压缩破坏产生的剥离部分越均匀，更容易产生区域“串–并联”现象，破坏后电阻率变化率越大。煤样本身或分层面空隙骨架的挤压破碎会导致煤层电阻率的增加。分层型煤试样破坏后表现出表面剥离，裂隙均匀连通的破坏形式，根据型煤受载破坏过程得出试样存在“纵向裂隙”和“纵向+横向裂隙”影响下电阻率变化数学模型。两分层及贯通界面的裂隙使试样呈“串–并联”形式连通电路，试样整体电阻率与裂隙电阻率及裂隙体积占比呈正相关。对分层型煤单轴压缩规律的描述反映了部分煤矿区地层物探过程中的电学各向异性特征。

• 榆神矿区浅埋煤层减水开采中预疏放标准确定方法

  靳德武, 刘基, 许峰, 王振荣, 庞乃勇,

  榆神矿区地处干旱半干旱地区，生态环境十分脆弱。疏放水是榆神矿区顶板水害防治的主要手段，但过度疏放不仅增加矿井排水负担，而且不利于保护浅层地下水资源。因此，在确保防治水安全的前提下，计算预疏放残余水头、确定预疏放阶段和回采阶段第四系松散含水层漏失量，从而实现总漏失量最小是煤炭减水开采中的一项重要课题。以榆神矿区锦界煤矿为例，在分析井田含、隔水层赋存特征的基础上，建立了煤层开采的两种充水模式，并对顶板含水层进行了富水性分区;以矿井涌水量实测数据为基础，分析了涌水量变化规律及其构成比例;采用Drain边界刻画多工作面连续回采内边界，建立了锦界煤矿采掘扰动条件下地下水流数值模型，研究了两种充水模式下预疏放残余水头在不同工况下的第四系松散含水层总漏失量变化规律，确定了工作面预疏放结束标准。结果表明:锦界煤矿煤层顶板为典型的沙(层)-土(层)-基(岩)型结构，主要充水水源为风化基岩水，主要充水模式为土层未缺失风化基岩充水型及土层缺失风化基岩和松散层混合充水型。采用GIS多元信息融合技术划分的井田富水性分区结果显示，相对强富水区位于井田二盘区局部地段、三盘区和四盘区大部分地段，与现场实际基本一致。矿井疏放水量与工作面回采残余涌水量曲线变化趋势基本一致，各占矿井涌水量的50%左右。通过数值模型计算得出两种充水模式下工作面预疏放结束标准为将充水含水层疏放至煤层底板以上15~20 m，保留一定的残余水头可进行回采，无需继续疏放。此时，第四系松散含水层水资源总漏失量最小，可起到减水采煤的作用。研究成果为榆神矿区浅埋煤层提供了“减水开采”的新思路。

• 高原高寒煤矿区生态环境修复治理模式与关键技术

  王佟, 杜斌, 李聪聪, 王辉, 周伟, 王宏, 林中月, 赵欣, 熊涛,

  矿山的生态治理与环境修复是保证资源开采可持续发展的必要条件。高原高寒煤矿区生态修复涉及煤炭资源勘查开发与保护、冻土、水资源、草甸湿地、土壤、植被、生态环境等多方面的科学问题，难度较大。根据问题导向、科学精准、集中整治、分类施策的要求，遵循“山水林田湖草是一个生命共同体”的理念，对青海木里矿区煤炭露天开采存在的生态环境问题研究发现，目前矿区存在的生态环境问题有地貌景观破坏、植被破坏、土地挖损和压占、冻土破坏、水系湿地破坏与采坑积水、地下水含水层破坏、土地沙化与水土流失、不稳定边坡8种类型。针对以往煤矿开发造成的八大生态环境问题，以煤炭生态地质勘查理论为指导，综合研究并形成了地形地貌重塑技术、土壤重构及植被恢复技术、水系自然连通技术、煤炭资源保护技术、边坡稳定性综合监测技术五大关键技术。综合运用以上技术，系统对采坑渣山治理、植被恢复、水环境和资源等进行统筹规划，对矿区生态环境进行综合整治，形成4种具有高原高寒特色的生态修复重点治理模式，分别为水系连通、引水代填、关键层再造以及依山就势。治理工程实践中按照“地质+生态”、“自然恢复+工程治理”的综合治理思路，通过与各井渣山边坡稳定程度、水系传输与采坑积水情况、资源赋存状态等相结合，最终形成“一坑一策”的7种治理方法:边坡阶梯整治+坑底部分复绿+引水代填形成高原湖泊(聚乎更三号井)、保留采坑积水形成的高原湖泊+边坡与渣山整治+覆土恢复植被+水文定期监测(聚乎更四号井)、采坑部分回填形成梯田+边坡与渣山整治+植被复绿+地表水系自然连通(聚乎更五号井)、资源保护+边坡与渣山整治+采坑形成高原湖泊+水系自然连通+植被复绿(聚乎更七号井)、边坡与渣山平整+植被复绿+保留高原湖泊+水系自然连通(聚乎更八号井)、资源保护+采坑回填+削坡整治美化+地貌恢复与周围环境相协调(聚乎更九号井)、采坑回填+边帮整形+坑底就势整平+景观协调(哆嗦贡玛区)。探索了露天煤矿区生态环境一体化修复治理路径，在木里矿区生态修复治理实践中得到有效的应用，为实现矿区生态与祁连山周边自然环境有机融合奠定了基础，为高原高寒地区的煤矿生态环境修复治理提供借鉴。

• 聚丙烯酰胺残留物在矿井水处理中的迁移规律

  郭中权, 毛维东, 肖艳, 马赛,

  聚丙烯酰胺(PAM)作为一种高效絮凝剂被广泛应用于矿井水处理过程中，PAM残留物丙烯酰胺(AM)单体存在于矿井水处理环节中，而AM已被国家癌症中心列为ⅡA类致癌物。为揭示PAM残留物AM在矿井水处理中的迁移规律，对10个矿区的矿井水处理环节进行了检测分析，并通过混凝沉淀与过滤实验研究了PAM投加量、分子量、水解度、矿井水pH值和含盐量等因素对AM质量浓度和处理效果的影响。结果表明:在调研的10个矿区的矿井水处理中，有80%的澄清(沉淀)池出水AM质量浓度>0.000 5 mg/L，在0.001 7～0.087 5 mg/L，有60%的过滤出水AM质量浓度﹥0.000 5 mg/L，在0.001 1～0.076 7 mg/L，过滤过程对AM的去除率在12.3%～99.1%，矿井水常规处理难以保证AM质量浓度满足饮用水标准，回用于饮用水需考虑PAM选型和投加量的优化，或采用反渗透等膜技术处理;在试验条件下(PAM投加量0.5～2.5 mg/L、分子量500万～1 800万、水解度5%～30%、聚合氯化铝投加量为80 mg/L)，AM质量浓度在沉淀与过滤2个处理环节均随各因素水平的增加而呈现先减小后增加的趋势，过滤过程对AM的去除率在30.0%～58.3%，当PAM投加量为1.0 mg/L、分子量为1 200万、水解度为22%，原水pH值为7、电导率为2 000 μS/cm时，沉淀和过滤出水AM质量浓度最低，实验中最低值分别为0.002 6和0.001 2 mg/L。

• 新疆淖毛湖煤田A4煤层优质直接液化用煤煤质特征与成因

  宁树正, 黄少青, 杜芳鹏, 张莉, 张建强, 朱士飞,

  试验表明新疆淖毛湖煤田A4煤层具有优质的直接液化特性，以淖毛湖煤田A4煤层为对象开展直接液化用煤研究，对优质直接液化用煤质量特征和成因认识具有重要意义。研究样品采集于淖毛湖煤田白石湖露天矿，测试结果显示淖毛湖煤田A4煤层煤中各样品的氢碳原子平均值达0.94，挥发分产率平均达49.2%，直接液化的活性组分(镜质组+壳质组)含量高达97.7%，而A4煤层灰分平均5.2%，灰分极低，且灰分中对直接加氢液化有不良影响的SiO2和Al2O3质量分数较低，对液化有催化作用的Fe2O3质量分数较高。所以淖毛湖煤田煤岩煤质“三高一低”(高氢碳原子比、高挥发分及高活性组分、低灰分)的特征为直接液化带来了有利条件。淖毛湖煤样镜质组最大反射率平均值为0.42%，处在直接液化的最佳煤化阶段。煤相研究结果表明，淖毛湖煤田A4煤层形成的早侏罗世八道湾组沉积所处的泥炭沼泽环境为富钙环境，保证了泥炭堆积早期的腐殖化作用和生物化学凝胶化作用，地层层序属于水进序列，能够很好的在泥炭堆积后迅速被上覆沉积物所覆盖，保证了泥炭处在缺氧的还原环境，使得凝胶化作用充分进行;同时，煤层上覆、下伏地层均隔水性良好，保证了煤岩组分的演化过程不易受到来自顶底板的富氧水的影响，上述因素，形成淖毛湖煤田煤超高的直接液化活性组分(镜质组+壳质组)的重要因素，为优质直接液化用煤形成提供了有利条件。

• 烟气气氛对准东煤灰熔融特性影响的显微观察

  吕俊复, 史航, 吴玉新, 姚伟, 刘青, 张海,

  准东煤田预测储量高，准东煤灰具有高硫，低硅铝，高碱/碱土金属等特点，实际燃用准东煤锅炉出现了严重的沾污、结渣现象，影响准东煤的大规模开发利用。烟气气氛（含有大量SO2，SO3）可能影响高温下Na2SO4的生成/分解，从而影响煤灰的熔融过程。深入研究烟气气氛对准东煤灰熔融特性的影响，有助于加深对锅炉结渣过程的理解，为燃用准东煤锅炉结渣防控提供技术支持。为获得烟气气氛对准东煤灰熔融特性的影响规律，建立了单热电偶高温在线显微观察系统(SHTT)，比较了还原性气氛，氧化性气氛，惰性气氛及模拟烟气气氛下准东煤灰的熔融特性。结果表明，建立的灰熔融温度测试方法精度较好，96.92%的灰样熔融温度与标准灰熔点仪测得的流动温度相比偏差在3%以内(≤40 ℃)，最大偏差2.5时，煤灰组分中Fe2O3质量分数较高，导致还原性气氛下灰熔点降低。烟气中SO2对煤灰熔融温度的影响与煤灰组分相关，当R>2.5时，煤灰中碱/碱土金属及硫(AAEM/S)质量分数较高，烟气中SO2会抑制煤灰中CaSO4的分解，提升高温下煤灰中CaO质量分数，并减少长石，辉石等低熔点矿物的生成，进而提升煤灰熔融温度。烟气中SO2是促进富含Na/Fe硫酸盐或硫化物超细颗粒生成及沉积的重要因素。

• 多喷嘴对置式气化炉耐火衬里温度及应力场的有限元分析

  苏暐光, 史雨晨, 宋旭东, 王文鑫, 王焦飞, 白永辉, 姚敏, 于广锁,

  热应力过大是造成气化炉耐火衬里损坏的重要原因之一，分析耐火衬里的温度分布和应力分布能有效避免应力集中并优化耐火衬里结构。建立了三维多喷嘴对置式(OMB)水煤浆(CWS)气化炉炉壁K砖部位的计算模型，采用有限元法研究了稳态过程中热负荷对耐火衬里和钢壳的温度、等效应力、等效应变和总变形分布的影响。结果表明:热面砖热端面温度为1 300 ℃时，计算的钢壳温度为206.4 ℃，该模拟结果与工业数据基本一致;热面砖应力>背衬砖应力>钢壳应力>隔热砖应力，且热面砖热端面应力最大易出现裂纹，陶瓷纤维处应变最大，隔热砖绝对变形量远小于热面砖和背衬砖;随着热面砖热端面温度从1 100 ℃升高到1 400 ℃时，耐火衬里和钢壳的整体温度升高，钢壳外表面温度从177.2 ℃逐渐增加到220.9 ℃，温度变化不超过50 ℃，耐火衬里及钢壳整体应力增大，尤其是热面砖应力增加最为明显，热端面应力从0.68 GPa升高到1.1 GPa，等效应变也逐渐增加，且热面砖和背衬砖应变增加幅度较大，热面砖、背衬砖和隔热砖的绝对变形量也随之增加;随着热面砖厚度由60 mm增加到230 mm，耐火衬里和钢壳的整体温度降低，钢壳外表面温度从225.9 ℃缓慢降低到206.4 ℃，即热面砖厚度对钢壳外表面温度影响较小，热面砖和背衬砖应力迅速减小而隔热砖和钢壳应力变化较小，当热面砖厚度为180 mm时，热面砖整体应力大小适中，而且分布均匀没有明显突变，耐火衬里的应变逐渐减小尤其是背衬砖区域应变减小趋势最快，而且应变结果与应力结果的变化规律基本一致，背衬砖绝对变形量最大，热面砖绝对变形量次之，隔热砖绝对变形量最小。结合温度场、应力、应变分布规律，当热面砖厚度为180 mm时，最有利于提高耐火衬里尤其是热面砖的使用寿命。

• 煤基高能量密度燃料的合成及表征

  毛学锋, 李军芳, 胡发亭, 黄澎, 赵鹏,

  高能量密度燃料是为新型高性能飞行器提供动力保障的关键,其合成及应用研究具有重要的前瞻性和重大战略意义。煤炭是我国的主体能源和重要原料,通过煤直接转化获取的煤基油,充分保留了煤中特有的环状分子化学结构,具有良好的热安定性和较高的能量密度,被认为是高超音速飞行器的优选燃料。以煤直接液化工艺生产的煤液化石脑油馏分为起始原料,通过富集轻质芳烃、化学合成、催化加氢稳定和产物分离提纯等方法制备煤基高能量密度燃料,并对其产物进行分子结构表征和性能评价。结果表明,煤直接液化生产的石脑油馏分是一种优异的催化重整原料,经催化重整富集轻质芳烃后,其轻质芳烃质量分数高达71.05%。Diels-Alder化学合成主产物是由多个封闭环平面组成且具有空间立体构型的二环或三环烃类物质,质量分数为46.18%,因分子内存在较大的张力能,结构紧凑,其拥有更大的密度和体积热值。煤基高能量密度燃料的密度和体积热值分别为0.899 0 g/cm3与38.06 MJ/L,均大大超过现行的国内石油基喷气燃料(RP-3和RP-6)、煤基大比重喷气燃料、美国和俄罗斯军用标准。与单一纯物质合成高能量密度燃料(JP-10和T-10)比较,其密度与体积热值偏小。究其原因主要是轻质芳烃的富集度仅为71.05%,需进一步提高其轻质芳烃质量分数。另外,制备的煤基高能量密度燃料种类复杂,其主产物质量分数仅46.18%,下一步可重点调控合成产物的分子构型和纯化分离。

• CH4气氛在煤中低温热解阶段对焦油产率和品质的影响

  张君涛, 石润坤, 牛犇, 胡浩权, 梁生荣, 钟汉斌,

  富氢气体可调控煤热解产物组成，深入认识这一过程中产物的调控机制可有效促进工艺的优化及其产业化。笔者以淖毛湖固定床反应装置在N2，H2和CH4气氛下，不同温度条件进行煤热解实验，通过对比煤热解反应气氛和温度对焦油产率、焦油的馏分分布和焦油的组成的影响，充分认识CH4气氛对煤中低温热解阶段(400~700 ℃)焦油产物的影响。结果表明:当煤热解温度高于600 ℃时，CH4气氛可提高煤热解的焦油产率。在600 ℃时，CH4气氛下焦油产率略高于N2气氛下的焦油产率。在650 ℃时，CH4气氛下焦油产率明显高于N2气氛下的焦油产率，低于H2气氛下的焦油产率。模拟蒸馏结果表明煤热解过程中，轻油和萘油的生成集中在450 ℃以下，洗油和沥青的生成集中在600 ℃以下，酚油和蒽油的生成分别集中在500和550 ℃以下。当温度高于600 ℃时，CH4气氛有利于蒽油的生成;当温度高于650 ℃时，CH4气氛有利于焦油中各个馏分的生成，其中轻油和酚油馏分的提高最为显著，轻油的含量高于H2气氛下轻油的含量，而酚油的含量与H2气氛下酚油的含量基本相同。GC/MS结果表明煤热解过程中，脂肪烃、烯烃、脂类和醇类化合物的生成主要集中在450 ℃以下，芳烃和酚类化合物的生成主要集中在600 ℃以下。当温度高于600 ℃时，CH4气氛有利于酚类和醇类化合物生成;当温度高于650 ℃时，CH4气氛有利于脂肪烃、芳烃、烯烃、酯类和醇类化合物的生成，其中酚类化合物的含量提高最为显著，但稍低于H2气氛下酚类化合物的含量。当温度高于600 ℃时，CH4可以为煤热解自由基提供氢和CHx自由基，参与到煤热解自由基的稳定和初级挥发分的二次反应。

• 煤矸双能X射线图像多维度分析识别方法

  郭永存, 何磊, 刘普壮, 王希,

  环境适应能力强、识别精度高是有效分离煤和矸石的前提。采用双能X射线透视煤和矸石并成像，避免了粉尘、光照强度和物料表面等外界因素影响。但双能X射线探测器采集射线能量数据存在余晖效应、厚度效应和射束硬化效应等缺陷。为降低缺陷影响，提高煤和矸石识别率，提出一种联合R值图像与高、低能图像特征对煤和矸石进行多维度分析的方法。首先基于双能X射线采集系统获取高、低能图像，并利用比值法得到R值图像；然后针对所获取的三种图像，研究煤和矸石密度及灰分含量等关键物性参数与图像特征关系，据此设计特征提取方案，共计提取8个特征参量，形成一种强特征组合；最后采用Relief算法度量每个特征参量的重要性，进而设计分类试验。以不同地区肥煤、焦煤、气煤和矸石为试验对象，观察剔除权重较低的特征后，分类模型准确率，发现以特征组合 Rc, μlc, μl, R为输入，PSO-SVM分类模型对三种煤混合矸石识别效果最佳，识别率为99.4%。结合PSO-SVM分类模型和 Rc, μlc, μl, R的特征组合对肥煤、焦煤和气煤分别混合矸石进行识别验证，结果表明：肥煤混合矸石识别率为98.89%，焦煤混合矸石识别率为100%，气煤混合矸石的识别率为99.44%。本方法通过联合多张图像的多个特征，进行多维度分析，发现R值图像特征和高能图像特征对煤和矸石的区分度最好，可有效降低双能X射线缺陷影响，能以较少的特征，实现对不同煤种的较高识别率，优于现有方法。此外，以灰分、密度为参照选取特征阈值，贴合实际需求，减少了工程应用中根据矿区煤质差异进行参数调整的频次，提高了识别模型的泛化能力。

• 煤矿巷道智能掘进关键共性技术

  马宏伟, 王世斌, 毛清华, 石增武, 张旭辉, 杨征, 曹现刚, 薛旭升, 夏晶, 王川伟,

  依据我国煤矿智能化发展战略，深入分析了国内外智能掘进研究现状，结合我国煤炭赋存条件复杂，巷道掘进问题突出，智能掘进挑战严峻等实际，提出了直接影响和制约我国煤矿巷道智能掘进加快发展的智能截割、智能导航、智能协同控制和远程智能测控四大关键共性技术并给出了解决思路和方法。针对掘进系统智能截割问题，提出了基于视觉伺服的掘进系统智能定形截割控制方法和基于遗传算法优化的BP(GA-BP)神经网络的自适应截割控制方法，旨在提高巷道截割成形质量和效率;针对掘进系统智能导航问题，提出了基于惯导与视觉信息融合的履带式掘进系统智能导航控制方法和基于惯导、数字全站仪与油缸行程信息融合的液压推移式掘进系统智能导航控制方法，旨在提高掘进定位定向精度，实现智能导航;针对掘进系统中掘进、支护、钻锚、运输等多系统协同控制和多任务并行控制问题，提出了基于强化学习的并行作业控制方法和基于Agent的并行控制方法，以及leader-follower法和基于行为法的智能协同控制方法，旨在实现多机器人系统或智能设备的智能协同控制和并行作业，提高掘进效率;针对掘进系统智能测控问题，创建了本地控制层、近程集控层和远程监控层的智能测控系统架构，提出了数字孪生驱动的虚拟远程智能控制方法，旨在保证掘进系统安全、可靠、高效运行，实现身临其境的虚拟远程智能测控。破解煤矿巷道智能掘进的四大关键共性技术难题。

• 矿山动态协同作业场景无线通信关键技术

  孙彦景, 霍羽, 陈岩, 王博文, 周家思, 张晓光,

  随着智能化装备和工业机器人技术的发展,矿山开采过程逐渐趋向无人/ 少人化,亟需解决数据的高效连续传输问题,如矿山动态协同作业场景下大量的数据采集和传输、多样的用户设备接入以及低时延的控制操作等。深入剖析了矿山动态协同作业场景的通信技术需求、矿山无线通信技术的应用现状与发展趋势,分析了当前矿山无线通信的关键技术瓶颈、相关解决方案及其应用效果。得出分布式多源、多目标动态业务的激增及其并发式的传输是矿山高可靠、低时延多业务交互协同网络所面临的最大问题。如何利用矿山用户、设备群体的协同作业特点和对应的动态业务属性,有针对性地对通信网络的物理信道、物理资源进行管理和分配,则是从根本上有效优化网络可靠性,提高传输效率的关键。为此,提出了多业务属性驱动的矿山动态协同作业场景无线通信模式:在提取矿山非高斯脉冲干扰特征及无线信道空-时-频域统计特性的基础上,面向作业场景深入挖掘业务特性与物理层传输的内在关联,利用超图匹配、图论、博弈论、非正交多址接入等方法,从信道-链路-业务快速多维匹配的角度解决多用户协同交互传输通信链路和信道的匹配、多跳用户链路匹配、多业务QoS 要求与链路匹配等快速匹配问题。对解决动态协同作业场景下制约全面感知、交互和控制的无线通信关键技术瓶颈问题,推动矿山智能化开采技术革命有重要意义。