煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第2期

• 钱鸣高院士寄语《煤炭学报》“新锐科学家”特刊

  钱鸣高,

  为全面展示我国煤炭行业青年学者的最新原创科技成果，鼓励我国煤炭行业青年科学家把更多的代表性科研成果发表在祖国大地上，助力青年科学家成长成才，《煤炭学报》编辑部于2021年第2期组织策划了“新锐科学家”特刊，专题稿件覆盖煤炭安全绿色开采、智能矿山建设、煤炭清洁高效利用等方向。值此特刊出版之际，中国工程院院士、采矿工程专家钱鸣高为《煤炭学报》第2期特刊撰写了寄语。 　　 　　中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，也是世界上较早发现和利用煤炭的国家之一。几千年来，煤炭为我国的社会发展和国家能源安全稳定供应提供了有利保障。新中国成立70年来，一代代煤炭科技工作者为了煤炭的科学开采与清洁利用，不畏艰险，励精图治，开拓进取，薪火相传，攻克了一道道技术难关，取得了令世人瞩目的伟大成就，煤炭产量从2005年21.5亿ｔ增至2020年39亿ｔ，煤矿百万吨死亡率从2005年2.76降至2020年0.058。无数科技工作者用爱国、奋斗、奉献书写着煤炭事业蓬勃发展的宏伟诗篇。 　　 　　采矿是从环境中获取资源，由此带来开采与环境协调发展和保障开采的安全问题。显然，只有深入研究采矿的科学才能实现科学地采矿，这也是人类利用煤炭资源长期探索的问题。科学研究要有进入科学殿堂的虔诚精神，才能排除名利的干扰，才能逐步形成正确的思路；正确的思路源于实践，而研究的成果又必须回到实践中经受检验，因此科学研究中必须坚持“实践—理论—再实践”的完整过程；同时，在研究过程中要始终保持勤奋，要“勤于实践、勤于学习、勤于思考、勤于总结”，4方面缺一不可；在研究过程中还要不断注意“整体-局部”、“森林-树木”、“现象-本质”的关系，可以少走弯路，避免钻牛角尖；一个人的思维往往是不完整的，而集体的讨论能弥补不足，因此学术争鸣是形成完整学术观点的不可或缺的重要手段；做学问应该实事求是，谦虚谨慎。中国的煤炭行业在近几十年的高速发展中为了实现现代化，无论从科学技术、还是从经济和管理都经历了根本性的变化。近十几年我国煤炭产量世界第1，开采的地质条件极其复杂，仍然有不少煤炭开采中的理论和实践问题需要行业的科学工作者去提炼和总结，才能实现煤炭开采的科学技术世界第1。因此我期望能够后继有人，继续推进前人没有完成的研究工作，形成我们的体系，使煤炭工业的科学技术、经济和管理达到世界领先水平，实现真正意义上的科学采矿。 　　 　　青年科学家思维活跃，精力旺盛，作为科学研究领域的生力军，是实现我国煤炭工业科学发展的动力源泉。我们要不断营造有利于青年人才发展的制度环境。《煤炭学报》作为能源领域最具影响力的学术交流平台之一，创刊57年来，一直关注和支持青年科学家的成长，在各方面给予了青年人才更多机会。为响应习近平总书记“把论文写在祖国大地上”和“建设世界一流科技期刊”的号召，助力行业青年科学家成长成才，《煤炭学报》以“青年·创新”为主题，在2021年第2期特别组织策划了“新锐科学家”特刊。对促进青年科学家之间的交流，繁荣煤炭科技发展将起到积极的作用。 　　 　　煤炭资源是关系着一个国家能源安全和经济发展活力的重要战略资源，更是保障一个国家强盛发展的底气。党和国家领导人历来高度重视煤炭工业发展，指出在以煤为主体能源的大格局下，在发展新能源、可再生能源的同时，还要做好煤炭这篇大文章。探索一条煤炭行业安全、高效、绿色的发展之路，成为当下工作的重中之重。能源梦、强国梦的实现亟需我们科技工作者，尤其是青年科学家继续结合实际，扎根一线，以解决现场实际难题为导向，大力追求求真、独立、合作、质疑的科学精神，以一往无前的奋斗姿态和永不懈怠的精神状态，勇挑重担、潜心科研，在新时代新征程中留下自己的奋斗足迹，以优异的成绩向中国共产党百年华诞献礼。 　　 　　希望《煤炭学报》以此次特刊为契机，今后更加关注和支持青年人才的成长和进步，在营造有利人才成长氛围和搭建人才成长平台上狠下功夫，注重在期刊出版活动中发现人才、培育人才、凝聚人才，使学报成为科技创新人才的重要孵化基地，为我国煤炭工业高质量发展不断培养更多的领军人才。 　　 　　 　　 　　 2021年2月8日

• 岩层移动内外“类双曲线”整体模型研究

  左建平, 吴根水, 孙运江, 于美鲁,

  岩层移动主要关注工作面上覆部分岩层移动规律，开采地表沉降则关注地面的沉降问题，这2个研究方向都涉及到开采后上覆岩层到地表土层的整体移动行为，可以建立一种能够描述覆岩移动到地表沉降的岩层整体移动模型。通过理论与试验分析得到了岩梁梯形块体结构的初次破断与周期破断形态，建立了岩层梯形“倒漏斗式”冒落拱与裂隙拱的冒落条件与判定方法。基于岩层破断移动边界“类双曲线”模型，提出了采用内、外“类双曲线”模型来描述岩层移动与地表沉降规律。内“类双曲线”模型指的是覆岩冒落拱与地表沉降移动拱“类双曲线”模型，在关键层近似“上下”对称;外“类双曲线”模型指的是岩层破断移动边界“类双曲线”模型，在工作面的中垂线附近近似“左右”对称。内“类双曲线”隐含在覆岩内部，可通过地球物理探测方法近似获得;外“内双曲线”体现在地表沉陷、岩层冒落等外部形态。通过理论分析、实例验证以及UDEC数值计算方法验证了厚松散层水平煤层开采条件下岩层移动与地表沉降内、外“类双曲线”模型。此外，还分析了内、外“类双曲线”共轭形成条件、影响因素与整体运移规律。结果表明:在厚松散层水平煤层开采条件下，建立岩层移动与地表沉降内、外“类双曲线”模型理论预测值与实际值误差较小，表明岩层整体移动存在“类双曲线”特征。

• 大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响

  解盘石, 张颖异, 张艳丽, 陈建杰, 张晓波, 段建杰,

  为了研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响，以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象，采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC3D相结合的数值模拟及现场实测的方法，深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶板-支架相互作用特征。结果表明，煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局部压剪破坏，随之向附近软煤夹层、夹矸扩展，导致顶板非均衡破坏，诱发架前冒顶、煤壁片帮等现象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非对称性，且随着夹矸层数增加，支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、架间相互作用等三种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面，煤矸互层顶板对支架作用力明显减小，支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于后柱，但随夹矸厚度的增加，顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果，提出了缩短空顶时间、分区域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施，其中，重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定，来保证工作面的安全高效生产。

• 超大采高综放工作面板裂化片帮特征及合理护帮控制

  许永祥, 王国法, 李明忠, 徐亚军, 韩会军, 张金虎,

  针对榆神矿区超大采高综采工作面煤壁板裂化片帮问题，基于金鸡滩煤矿超大采高综放工作面开采技术条件，采用理论分析与工程实践相结合的方法，分析了超大采高工作面煤壁板裂化片帮特征，研究了适宜的护帮板结构形式和合理护帮控制措施。发现板裂化片帮具有多种特征:板状板裂化、“洋葱皮状”板裂化、弹射型板裂化(俗称“炸帮”)和护帮板动载扰动下板裂化片帮，提出并求解了整体式和分体式护帮板承载能力曲线，将护帮板承载能力曲线作为护帮板承载性能评价指标，分别分析和对比了2种结构形式护帮板运动特性及其与煤壁结构耦合关系，从力学特性和运动学特性角度得出整体式护帮板具有承载性能优、灵活性好和结构耦合适应性强等优点，建议在满足护帮高度要求的前提下，优先选用整体式二级护帮板结构。结合工业性生产实践，对煤壁板裂化片帮特征及危害进行分析，提出并讨论了相应的煤壁板裂化片帮防治措施。分析和借鉴同一盘区相邻8.2 m超大采高一次采全厚工作面分体式三级护帮板应用情况及其对煤壁维护效果，结合7.0 m超大采高综放工作面支架-围岩结构耦合关系，认为7.0 m超大采高综放工作面宜采用整体式二级护帮板。生产实践表明:整体式二级护帮板能有效维护超大采高综放工作面煤壁稳定，便于自动化控制和工作面高效开采。

• 非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律

  赵洪宝, 程 辉, 王 磊, 刘一洪, 吉东亮, 张一潇,

  通过理论分析对受三向应力非静水压力条件下的巷道围岩偏应力场与应变能密度分布规律进行了深入研究，以此来探究巷道围岩破坏规律，巷道塑性区数值模拟结果与现场工程实例验证了理论结果的正确性。研究结果表明：(1)非静水压力条件下，不同的主导型应力场中，巷道围岩偏应力场分布规律差异较为明显。主导型应力场中，巷道顶底板偏应力大于两帮；主导型应力场中，巷道顶底板与两帮偏应力大小差别不大；主导型应力场中，巷道两帮处的偏应力大于顶底板。主导应力值的变化会引起巷道围岩偏应力分布数值上的变化，不引起偏应力分布形态的改变。(2)等p等q时，在与主导型应力场中，巷道顶底板应变能密度大于两帮，而在主导型应力场中，巷道两帮应变能密度大于顶底板。等p不等q情况下，三种主导型应力场中，巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的增大而增大；等q不等p情况下，巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的减小而增大。(3)三向应力状态下，巷道围岩应变能密度分布规律可以反映塑性区形态。M1时，巷道围岩应变能密度呈“8”字形或“X”形分布。处于主导型应力场中的巷道需注重巷道顶底板的支护；对于主导型应力场，巷道在围岩条件较差时，应注重全断面支护；对于主导型应力场，需注意围岩塑性区出现“X”形扩展。(4)回坡底1021巷围岩偏应力场与应变能密度均呈倾斜的“8”字形分布，工程现场与巷道围岩偏应力场及应变能密度分布规律相互验证。基于理论分析结果，对回坡底1021巷提出非对称性支护技术，现场应用效果良好。深入探究三向应力非静水压力条件下的巷道围岩偏应力场与应变能密度分布规律，对分析巷道围岩破坏与支护设计具有一定的理论价值与指导作用。

• 深部高强锚注切顶自成巷方法与验证

  王琦, 张朋, 蒋振华, 何满潮, 李术才, 王悦, 江贝,

  针对深部高应力回采巷道围岩控制难题，以我国最大采深矿井——山东泰安孙村煤矿为工程背景，对传统沿空掘巷、锚杆(索)支护巷道进行监测分析，结果表明:巷道围岩变形量大，破坏范围广，锚杆大部分处于强度劣化区内，难以发挥支护作用，锚索受力大，接近极限破断力。为解决上述问题，系统开展了不同煤柱宽度、地应力大小、顶板围岩强度、切顶高度等影响因素下的数值试验研究，建立了顶板应力释放率、侧向支承压力提升率与围岩变形控制率等定量评价指标，对比分析了多种因素下切顶自成巷与沿空掘巷矿压变化规律与围岩控制机制。基于此，提出了深部高强锚注切顶自成巷方法，利用高强锚注提高巷道顶板完整性，利用顶板预裂切缝切断采空区与巷道顶板之间的应力传递，使巷道处于应力降低区。为进一步验证该方法的合理性，利用自主研发的地质力学模型试验系统，开展了模型试验对比研究，高强锚注切顶自成巷围岩应力比沿空掘巷平均降低20.8%，围岩变形量为后者的45.1%，应力释放与围岩控制效果明显。结合上述研究，提出了相应的工程建议，并在孙村煤矿2215工作面进行了现场应用，监测表明该方法有效控制了巷道围岩变形，实现了无煤柱开采。

• 含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

  杨科, 魏祯, 窦礼同, 池小楼, 刘文杰, 张继强,

  为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验，并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析，获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律，分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明，冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素，煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程，随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大，但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加，且增加速率有减小趋势，同种加载气压下，饱和煤样的分形维数最大，干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主，破坏裂纹沿加载方向发育，率先在圆盘中部起裂，随后萌生多条次生裂纹，次生裂纹随加载气压的增大而增多，低加载气压下，劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长，扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域，且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。

• 扰动诱发高应力卸荷岩体破坏特征实验研究

  赵光明, 刘崇岩, 许文松, 孟祥瑞,

  为研究扰动诱发不同中间主应力单面卸荷岩体破坏特征，通过真三轴扰动卸荷测试系统和声发射监测系统，进行了不同中间主应力卸荷实验及卸荷扰动实验，研究了中间主应力对单面卸荷岩石强度特征、演变规律及破裂模式的影响，分析了中间主应力σ2方向扰动作用后卸荷岩石的力学特性。结果表明:在一定范围内，随着中间主应力的增大，卸荷岩石的稳定性和峰值强度都有所增强，但较大的中间主应力会逐渐弱化岩石的承载能力;随着中间主应力的增大，卸荷岩石的开裂模式由张拉-剪切破坏逐渐转变成张拉-劈裂破坏;在σ2≤30 MPa时，声发射信号经历了平静、持续出现伴随小幅突增、陡升高峰、持续低峰、大幅突增破坏;在σ2＞30 MPa时，声发射信号经历了平静、持续出现、多低峰、持续升高、突增破坏;不同类型扰动作用后卸荷岩石的破坏差异明显，中频中幅扰动后卸荷面形成明显V型破坏坑，分形维数最大，中频中幅扰动不仅加速了约束力小的卸荷面附近的小裂纹发育成核，同时也加速了远离卸荷面的大裂纹之间的连接贯通;扰动对岩石承载能力的损伤为中频中幅>高频低幅>低频高幅;工程建设时，不能简单增加σ2从而增强围岩承载能力，还要综合考虑σ2的增大会加剧卸荷岩体破坏时的剧烈程度，减少爆破和机械等对围岩的扰动，不能单一地改变扰动的频率或振幅。

• 关键柱柱旁充填岩层控制基础理论

  白锦文, 崔博强, 戚庭野, 朱卫兵, 王凯, 史旭东, 毋皓田, 康立勋,

  采空区遗留煤柱群链式失稳表现出明显的联动致灾效应。运用遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论，本文提出了关键柱柱旁充填岩层控制的技术方法，揭示了关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理，确定了柱旁充填体材料、强度、宽度和形态等技术参数，评价了关键柱柱旁充填岩层控制的效果，并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。结果表明：(1)关键柱柱旁充填岩层控制技术方法通过在采空区煤柱群体系的关键柱旁边实施柱旁双侧全部充填、柱旁双侧部分充填、柱旁单侧全部充填或柱旁单侧部分充填等工艺，使采空区中形成的柱旁充填体不仅能对关键柱起到侧护作用，还能形成“关键柱-柱旁充填体”的协同承载结构体，进而实现采场岩层移动的有效控制，并保障煤炭资源的安全高效绿色开采。(2)关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理主要体现在四个方面：①关键柱与柱旁充填体的耦合承载；②柱旁充填体对关键柱产生侧向约束；③关键柱的受力状态转变为应力强化；④减弱了关键柱强度的长度劣化。(3)关键柱柱旁充填体的材料以返井固废充填材料和原位固废充填材料为主，柱旁充填体的极限抗压强度应大于或等于其分担的载荷，柱旁充填后“遗留煤柱-柱旁充填体”耦合承载体中屈服区的宽度不能扩展与延伸至“关键柱”的原始弹性核区内，柱旁充填体的形态主要包括矩式、梯式、台阶式和多级梯式四大类。(4)柱旁充填后关键柱的应力集中程度会降低，其两侧塑性核区的宽度减小，且中央区域弹性核区的宽度增大；“关键柱-柱旁充填体”的应力分布与塑性区分布特征表明关键柱柱旁充填岩层控制的效果良好。(5)关键柱柱旁岩层控制基础理论不仅可以用于采空区遗留煤柱群链式失稳的防控，还能应用于优质遗留煤炭资源复采和地下空间维护与利用等技术领域，更能推广于非煤矿山资源开采技术领域。关键柱柱旁充填岩层控制基础理论的提出可以促进我国煤炭资源绿色开采理论与技术的发展。

• 考虑应力水平和损伤的胶结充填体蠕变特性及本构模型

  程爱平, 戴顺意, 舒鹏飞, 付子祥, 黄诗冰, 叶祖洋,

  充填采矿法中胶结充填体处于长期荷载环境，其蠕变特性会对矿山安全开采产生重要影响。基于此，制作胶结充填体的标准圆柱体试样，采用WDW-100 kN型微机控制电子万能试验机加载系统和DS2系列全信息声发射监测系统，进行了单轴压缩、分级蠕变和声发射监测试验，获取了胶结充填体蠕变变形及振铃计数、能量和振幅等声发射特征参数。根据试验结果，探讨了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形特征和声发射特征;对比单轴压缩试验，从宏细观角度揭示了胶结充填体蠕变破坏特征;考虑应力水平和损伤的影响，引入损伤变量、新的二次黏性元件和开关元件，构建了能表征不同应力水平下胶结充填体蠕变变形规律的改进Burgers模型，并通过试验结果进行验证。研究结果表明:① 不同应力水平下，胶结充填体的蠕变3阶段变形特征差异显著，据此将荷载应力大小分为减速、等速和加速3类应力水平;② 不同应力水平下，胶结充填体声发射特征与各阶段蠕变变形特征变化规律较一致:减速蠕变阶段内，声发射事件较活跃;稳定蠕变阶段内，声发射活动较少;加速蠕变阶段内，声发射事件最活跃;③ 对比单轴压缩破坏，胶结充填体蠕变破坏程度较为平缓，主裂纹沿扩展方向发生明显偏转，完整性较好，以结构性失稳破坏为主;④ 构建的改进Burgers蠕变模型能与各应力水平试验数据均有较高吻合度，较好的表征了不同应力水平下的胶结充填体蠕变变形规律。

• 微波辐射降低硬煤冲击倾向性试验研究

  胡国忠, 王春博, 许家林, 吴旭飞, 秦伟,

  如何有效地改变煤岩体物理力学性质是冲击地压防治领域亟待解决的关键难题，而微波致裂弱化法是解决这一难题的新途径。为探究微波致裂弱化法降低硬煤冲击倾向性的实效性，采用自主研制的微波辐射试验装置与C46.106型MTS电液伺服试验机，开展了煤体微波致裂弱化试验，研究了微波辐射对煤体的动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能指数、单轴抗压强度和纵波波速的影响规律，确定了降低煤体冲击倾向性的最优微波参量范围;在此基础上，研究了微波辐射下冲击倾向煤体的损伤致裂效应，分析了微波对煤体的热效应、煤体损伤因子与微波参量之间的变化关系，揭示了煤层巷道微波致裂弱化防冲机理。结果表明:① 微波致裂弱化法能有效降低或消除煤体冲击倾向性。煤体微波致裂后，煤样峰值强度大幅下降，应力-应变曲线峰后段应力降增多，使峰前积聚的总能量降低且分级释放，煤体由脆性向塑性转变;同时，煤样载荷-时间曲线峰后段表现出多台阶、分级跌落的特征，煤体积蓄的弹性能减少，从而导致煤体各项冲击倾向指标均有不同程度降低。② 微波辐射对煤体的减冲效果表现为能量阈值现象，而在微波能量恒定条件下高功率-短时间的能量组合更有利于煤体减冲。③ 微波对煤体内各矿物的选择性热效应使煤体产生热破裂，表现为煤样表面出现多条纵向裂缝以及与之垂直的分支裂隙。④ 煤样冲击倾向性与煤样纵波速度存在显著相关性。微波能量及其辐射强度越大，煤体纵波波速降幅越大，则煤体冲击倾向性越小。⑤ 煤巷微波致裂弱化防冲机理在于，通过增大冲击地压发生的临界塑性软化区半径，引起巷道围岩高应力区向深部转移，提高巷道围岩塑性软化区对弹性区释放能量的耗散能力;同时，煤体峰后软化模量显著降低，导致冲击地压发生的临界载荷增大，从而降低巷道发生冲击地压的可能性。

• 循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

  张振宇, 钟春林, 薛康生, 秦其智,

  为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制,开展了不同孔隙压力(1,3 和5 MPa)与轴向循环应力水平(饱和煤岩三轴强度的50%与80%)煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现,当最大循环加载应力水平为三轴强度的50%时,煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力1 MPa 和3 MPa 下变化不显著,表明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5 MPa,煤岩轴向和径向应变在循环加载过程中变化相对显著,说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现,试件的残余径向应变在循环加载过程中逐渐减小,这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实,孔隙流体排出所致,且孔隙压力越大,径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度的80%时,煤岩在加载过程中发生失稳破坏,且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升到5 MPa,煤岩试件遭到严重破坏,试件被大裂隙完全贯通。而且,高孔隙压力促使宏观裂隙之间产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增加,且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示,距离工作面较远的煤体首先经受低幅值循环外载作用,孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形,一方面会减小煤层局部的渗透性;另一方面会降低煤层水平应力,从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙流体在煤体中发生局部迁移和富集,当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局部高孔隙压力,进而改变煤层受力状态,加速煤岩动力灾害的孕育,加剧煤体在动态失稳中粉末化。

• 微生物发酵法合成生物抑尘剂的试验研究

  王和堂, 贺胜, 章琦, 赵侠,

  抑尘剂(降尘剂)是提高水介质防尘降尘效率的重要途径，但目前煤矿应用的抑尘剂普遍为化学抑尘剂，存在表面活性较低、成本较高，降解性差、对环境有污染等问题。为此，提出研制高表面活性、天然环保的新一代抑尘剂——生物抑尘剂。研发了枯草芽孢杆菌发酵合成生物抑尘剂BDS(Biological Dust Suppressant)的工艺，并采用响应面分析法和Design Expert软件分析了菌株高产的最优发酵条件;采用X射线晶体衍射和红外光谱技术探究了BDS的晶体结构和官能团结构;采用表面张力仪测试BDS溶液的表面张力，研究其在不同温度、酸碱度和含盐量条件下的界面性能和环境耐受能力;采用界面流变仪和扫描电镜测试BDS的润湿性能，并与化学抑尘剂AEO(Alcohol ethoxylate)进行了比较。结果表明:对枯草芽孢杆菌进行活化、优选和培养可得到含有BDS的发酵液，然后采用酸化沉淀、超声萃取和减压蒸发方法对发酵液进行提纯，即可提取出BDS;在温度A=37.56℃、酸碱度B=7.99、摇床转速C=220 r/min、接种量D=2.17%、装液量E=59.89 mL的发酵条件下，BDS产量最大，达2.09 g/L;BDS结构上表现为各向同性，是一种具有长烷链和多肽结构的非晶体活性物质;BDS的临界胶束质量浓度为30 mg/L，较低的使用浓度即可将水的表面张力降至27 mN/m以下，在较大的环境参数变化范围内(温度≤70 ℃、酸碱度5~9、NaCl质量分数≤15%)，溶液表面张力仍保持在27~30 mN/m;6 mg/L(1/5临界胶束质量浓度)的BDS溶液与煤尘的接触角仅为11.19°，其润湿能力与500 mg/L(临界胶束质量浓度)的AEO溶液相比提高63.5%，表现出优异的润湿性能。研究工作为破解传统抑尘剂面临的表面活性和润湿能力较弱、生物降解性和环保性不足等难题提供了借鉴。

• 索特平均直径对煤粉及其在瓦斯气氛下爆炸特性的影响

  汤其建, 秦汝祥, 戴广龙,

  为了研究索特平均直径(D3,2)对煤粉及其在瓦斯气氛中爆炸特性的影响，利用20-L球形爆炸装置，测量了煤粉初始样和混合样及其在瓦斯气氛中的爆炸特性参数，研究了粒径分散度σD对煤尘爆炸威力的影响，对比分析了粒径特征参数D50，D4,3，D3,2值与煤粉粉尘爆炸威力的相关性;同时收集了煤粉粉尘爆炸的固体残渣，并通过扫描电镜对其微观结构进行了表征;最后，结合煤粉粉尘爆炸实验数据和产物微观结构分析结果，探讨了煤粉粉尘及其在瓦斯气氛中爆炸的机理。实验结果表明:当D50值相同时，σD值最大(2.31)时煤粉粉尘的压力最大值Pmax和(dP/dt)max值较σD值最小(1.49)时分别增加了14.71%和68.05%，说明煤粉粉尘的粒径分散度σD会显著影响其爆炸性能;相对于D50值和D4,3值，D3,2值可以更好的阐述煤粉粉尘的爆炸特性，D3,2值最大(120 μm)时的粉尘爆炸压力Pex和(dP/dt)ex值较D3,2值最小(2.5 μm)时分别降低了33.33%和83.33%，说明D3,2值对(dP/dt)ex值的影响大于对Pex值的影响;在瓦斯气氛中，随着D3,2值的增加，煤粉粉尘的(dP/dt)ex值逐渐减小，低瓦斯体积分数时，D3,2值对Pex值影响较小，但高瓦斯浓度时，D3,2值越大则Pex值越小，而煤粉颗粒的D3,2值越小，挥发分燃烧速率更快，爆炸更剧烈，其残渣表面的孔洞越多,破碎程度也越大。

• 不同强度冲击波诱导沉积煤尘爆炸火焰传播特性

  裴蓓, 张子阳, 潘荣锟, 余明高, 陈立伟, 温小萍,

  在全透明有机玻璃管道中，利用同步控制系统、高速摄像系统和高速粒子成像测速系统(PIV)，从爆炸超压、火焰传播速度、火焰温度和复合火焰演化规律等方面研究了不同瓦斯爆炸强度条件下诱导沉积煤尘爆炸特性和复合火焰传播特性，并分析了煤尘卷扬湍流特征。实验结果表明:3种工况下，随着甲烷体积分数的增加，爆炸超压和压力上升速率明显增高，压力峰值来临时刻减小，且当体积分数超过8.5%后，压力曲线和压力上升速率曲线出现明显的振荡特征;复合火焰传播速度远大于纯瓦斯爆炸工况，且复合火焰传播速度-位置曲线均呈波动上升特征;甲烷的体积分数越接近当量比，爆炸超压、波前流速、火焰锋面温度及其温度上升速率越高;甲烷体积分数为9.5%和8.5%时，复合火焰呈“倒钩形”，之后很快出现火焰加速;而甲烷体积分数降至8.5%后，复合火焰亮度降低，结构呈现破碎和不连续的形态特点。PIV测试表明:甲烷体积分数为9.5%时，初始爆炸强度高，波前流速快，煤粉可随冲击波整体快速运动,卷扬区整体湍流强度较高，大大加快了煤粉与空气的混合速度，促进了卷扬煤粉的燃烧。较高的冲击波波前流速和火焰锋面温度2种参数相结合是造成甲烷/煤尘复合火焰不断加速的原因。

• 煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术

  乔伟, 王志文, 李文平, 吕玉广, 李连刚, 黄阳, 贺江辉, 李小琴, 赵世隆, 刘梦楠,

  顶板离层水害对煤炭生产的威胁日益增大，近年来成为矿井水害防治的研究热点。系统整理和归纳了国内外关于煤矿离层水害的研究进展，从煤矿离层水的形成机制、致灾机理、水害预测预警及关键防治技术4个方面，对煤层覆岩离层水害问题进行阐述。综述了采动覆岩离层研究及覆岩离层水形成机理，将煤层覆岩离层水的形成归纳为3个基本条件：可积水离层、离层周边存在补给水源、离层空间持续时间足够长。根据开采条件、覆岩的工程地质条件、导水通道形成原因与突水特点，从多煤层叠加开采下的重复扰动出水、多煤层叠加开采下动力出水、单煤层开采下的静水压涌出水及侏罗系煤田离层水害形成机制4个方面阐述离层水害致灾机理；重点分析了侏罗系煤田3种典型的离层突水形成机制：崔木、招贤高位离层水害形成机制、新上海一号间歇式离层突水形成机制、携泥砂型离层水害；根据能量源和表现特征将离层水害归为三大类：离层动力突水、离层静水压涌突水以及离层携泥砂井下泥石流。从可积水离层位置预判、离层突水周期性预测及离层涌突水水量预测3个方面总结了覆岩离层水害预测方面的研究进展。分析介绍了目前主要的离层水害防治方法，结合目前离层水害较为严重的鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田，分析了鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田离层水害防治的难点：高位离层突水出现的强矿压问题以及离层水害引发的溃砂问题。提出离层水害防治未来的发展与研究方向：开展离层水害采前精准预测分区研究；发展钻探、地球物理探测等勘察技术使覆岩破坏从“灰箱”变为“白箱”；发展离层水害综合防控技术体系。

• 陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析

  赵春虎, 靳德武, 李智学, 申小龙, 王皓, 王世东, 许峰, 王强民,

  榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分，针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题，通过系统分析地质与水文地质结构特征，将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组，以及主、亚2个隔水保护层组;根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征，提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水，以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法，以榆神矿区典型矿井为研究对象，构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型，模拟结果显示，浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田)，主采煤层为4-2煤层，采动导水裂隙直接发育至松散含水层，工作面顶部含水层被疏干，总涌水量为47 m3/h，地下水流场受采动影响大;深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田)，主采煤层为1-2煤层，采动导水裂隙发育至基岩含水层，总涌水量为21.87 m3/h，以侧向涌水为主，由于主、亚隔水层复合保护，垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型(曹家滩井田)，主采煤层为2-2煤层(均厚约为11 m)，在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部，其侧向涌水量为23.17 m3/h，垂向涌水量为12.67 m3/h，地表松散含水层地下水流场变化较小，在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层，发育至风化基岩含水层底部，总涌水量增至131 m3/h，对松散含水层影响较大。此外，当导水裂隙带高度小于180 m、不能沟通风化基岩含水层时，随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大，当导水裂隙带高度大于180 m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时，涌水量增加幅度较大，由此可见，抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系，是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。

• 沁水盆地南部无烟煤大分子结构模型及其含甲烷力学性质

  张彬, 曾凡桂, 王德璋, 康官先, 张晓雨, 康天合,

  受地质因素影响的煤体结构能够影响煤层气井的产气能力，且在实际地质条件下，煤储层往往含有甲烷，使得含甲烷煤体的力学性质与储层压裂改造的效果密切相关。通过工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13C-NMR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段测试和分析了山西沁水盆地寺河矿无烟煤的元素组成、原子比和官能团类型与分布等分子结构特征，构建了其大分子结构模型，模型的碳含量和密度与实测值具有较好的一致性。采用蒙特卡洛法模拟计算了甲烷在无烟煤中的吸附量、吸附位和吸附热，得到了甲烷在无烟煤中的吸附构型。结果表明:甲烷在无烟煤中的饱和吸附量为22.4个/晶胞，Langmuir压力为1.12 MPa，无烟煤模型中的芳香碳、吡啶型氮和吡咯型氮以及羧基是甲烷分子主要吸附位，等温吸附热随吸附压力的升高呈对数下降，说明甲烷在低压力时率先占据无烟煤表面的高能吸附位;甲烷在无烟煤中的吸附热介于22.65 ~25 kJ/mol，远小于42 kJ/mol，属于物理吸附。采用分子动力学方法对无烟煤的含气力学性质进行了模拟，定量研究了含气量对无烟煤的体积模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比的影响。结果表明，无烟煤的体积模量、杨氏模量和剪切模量等随着含气量的增大呈对数规律降低，而泊松比随吸附量的增大呈线性增大;与不含甲烷的无烟煤相比，体积模量、杨氏模量和剪切模量最高降低了38.5%,24.4%和27.1%，表明吸附甲烷能够显著降低无烟煤的力学强度，其机理为无烟煤的体积和膨胀率随吸附量的增加呈指数增大，使得无烟煤基质之间的相互作用力降低，进而导致无烟煤的强度降低，抵抗变形的能力减弱。无烟煤的范德华能在吸附甲烷的过程中降幅最大，说明范德华能是保持煤体结构和力学性质稳定的主导因素。

• 无烟煤中甲烷和二氧化碳混合气吸附运移规律

  张松航, 张守仁, 唐书恒, 信迪, 刘冰,

  煤中CH4和CO2的运移和竞争吸附，是煤中CO2封存和提高煤层气采收率(CO2-ECBM)项目注入优化设计、注入驱替效果评价的重要依据。针对沁水盆地南部3个高阶煤样品开展了煤岩煤质、孔隙结构测试(低温液氮和二氧化碳吸附实验)和纯甲烷、二氧化碳及其混合气(体积分数75%C4+25%CO2,50%CH4+50%CO2,25%CH4+75%CO2)吸附试验。基于混合气吸附相密度计算，分析了煤中混合气吸附的绝对吸附量和气体分离因子随压力的变化规律;同时采用双孔隙扩散模型计算了吸附实验中每个压力段气体的等效扩散系数和大孔扩散占比;最后研究了煤岩煤质和孔隙结构对煤中CH4,CO2吸附运移和竞争吸附作用的影响。结果表明:① 煤中超微孔比表面积较低温氮比表面积高1~2个数量级，是煤岩吸附的主要场所;② 高阶煤气体吸附分离因子(S(CO2-CH4))随平衡压力和气体组分摩尔分数于3~20变化，一般随压力的升高而下降，与煤中微、小孔发育正相关;③ 双孔扩散模型可以较好的描述混合气体的扩散过程，总体上受基质膨胀效应影响煤样的大孔等效扩散率随压力升高呈幂函数降低，且在相同压力下，大孔等效扩散率随二氧化碳体积分数增加而增高。煤样的小孔等效扩散率与气体体积分数和压力关系不明显，大孔扩散占比随压力升高呈“V”型变化。项目成果有助于深入理解甲烷和二氧化碳的吸附解吸过程。

• CO2集中力源的地震波场特征及应用

  王勃, 孙华超, 李兴兴, 邢世雨, 丁昕,

  CO2震源通过调节泄压头的出气口控制激发方向，实现集中力源的定向激发，克服了传统震源激发方向不可控的难题，然而CO2集中力源在煤层中激发的三维波场特征尚未揭示。基于此，笔者通过三维数值模拟、物理分析、现场试验对CO2集中力源进行研究，结果表明:不同集中力源在煤层中激发的地震波场差异显著，通过力学机制分析了均匀模型及煤-岩-煤模型X方向集中力源下多分量不同方向纵波、横波及槽波振幅差异特性，研究了煤层界面对地震波传播的影响机制，进一步解释了煤层内部激发X方向集中力源加载下体波、槽波的波场特征和传播机理。研究发现X方向集中力源在X分量中沿着震源位置的Y方向槽波振幅最强，Y方向集中力源在Y分量中沿着震源位置的X方向槽波振幅最强，Z方向集中力源的Z分量槽波振幅强。因此，X方向集中力源适合回采工作面Love型槽波透射探测，Y方向集中力源适合掘进工作面Love型槽波超前探测，Z方向集中力源适合Rayleigh型槽波勘探。利用X方向集中力源进行了面内透射试验，对多组CO2集中力源激发多道接收的地震记录进行了槽波能量衰减成像，探钻对比结果验证了CO2集中力源地震成像结果的可靠性。下一步重点围绕CO2震源多类型激发条件下的多波多分量地震波场特征开展研究。

• 黏弹TI煤层介质3层模型Love槽波频散与衰减特征

  姬广忠, 吴荣新, 张平松, 郭立全, 胡泽安, 焦文杰,

  煤层是典型的黏弹各向异性介质，将黏弹性和各向异性两种性质结合起来的槽波研究较少。以弱各向异性煤层为研究对象，应用Thomsen等效介质理论，采用Kelvin-Voigt黏弹性模型，研究了黏弹TI(Transverse Isotropy)介质3层水平层状模型Love槽波频散与衰减特征;推导了3层水平介质的Love槽波频散方程解，可以计算品质因子随频率变化的情况;分析了各向异性参数γ、煤层横波品质因子Qs值变化及煤层Qs随频率变化对Love槽波频散、品质因子和衰减曲线的影响;模拟了煤层Qs=10和Qs=20时三维槽波波场传播过程。得到：TI介质和各向同性介质的槽波品质因子和衰减系数基阶曲线差别小，各向异性参数γ对Love槽波品质因子和衰减系数影响较小;煤层Qs对Love槽波频散曲线影响很小，主要影响槽波品质因子和衰减系数曲线，煤层Qs=10时槽波衰减系数值比Qs=20和30时大很多;目前煤层Qs在0~1 000 Hz内是否随频率变化尚无定论，假设煤层Qs随频率线性减小，各阶槽波品质因子曲线低频部分差异很小，高频部分差异变大，当Qs减小到10时，槽波衰减系数随频率增长很快;对于三维槽波波场，煤层Qs=20时透射Love槽波和基阶Rayleigh槽波能量较强，而Qs=10时这些波衰减很快，对面巷道接收不到，说明实际工程中接收不到这些波的原因很大可能是煤层Qs很小;针对实际工作面探测中接收不到Love槽波和基阶Rayleigh槽波的情况，可以利用速度较高、衰减相对较小的高阶Rayleigh槽波探测。

• 基于钻孔TEM智能立体成像的快速掘进超前探测方法

  范涛, 张幼振, 赵睿, 刘磊, 刘耀波, 李博凡, 李宇腾, 田小超, 蒋必辞,

  采掘失调是煤矿安全生产的重大隐患之一，巷道快速掘进是保障采掘平衡的重要手段，矿井地球物理超前探测有效距离短，探测精度受井下复杂环境影响严重，制约巷道掘进速度，为解决探掘接续紧张矛盾，提出一种利用掘进工作面前方500 m长度定向钻孔开展探测工作的钻孔瞬变电磁探测方法，该方法可实现超长距离水害超前探测。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向，以孔口所在平面右向为X轴正方向，下向为Y轴正方向的坐标系下，钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“正弦曲线”或“反向正弦曲线”形态，通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限，结合由水平分量异常场矢量合成得到的异常体中心偏转角度计算了异常体中心XOY平面旋转角。在此基础上，视每一个由垂直分量反演得到的电阻率为独立异常体，基于深度计算系数与电阻率的关系曲线推导出深度-电阻率与采样时间的映射关系，实现了电阻率与测点测道的一一对应，进一步采用K-means聚类算法智能定位其分布象限，计算了其XOY平面旋转角，再以定向钻孔轨迹为旋转轴，以测点所在孔位的倾角和方位角为旋转角进行坐标空间旋转，实现了非直钻孔径向的电阻率立体成像。计算了三维数值模拟和水槽物理模拟结果，对钻孔径向的异常体均取得了良好的立体成像效果。结合山西某煤矿井下的工程实践，对该方法远距离超前探测能力和精细立体解释掘进工作面前方地质异常体的性质、形态和规模的实用性和有效性进行了检验。研究表明:基于聚类的钻孔瞬变电磁立体成像方法是地球物理与机器学习的有机结合，该方法能够为井下掘进工作面隐伏水害超前探测精细解释提供技术支撑，此外，在掘进前开展定向钻孔中的长距离瞬变电磁水害立体超前探测，可有效保障巷道高效快速掘进。

• 高变质煤HRTEM图像中芳香晶格条纹的MASK R-CNN识别

  王绍清, 常方哲, 陈昊, 王小令, 李雪琦,

  近年来，人工智能的兴起推动了我国煤炭行业在绿色环保、智能生产等方面的发展。针对芳香晶格条纹识别过程中存在的解译慢、周期长和误判率高等问题，提出了一种基于MASK R-CNN的智能提取方法。该智能提取方法通过调整特征参数和优化网络结构，对条纹特征的识别算法进行改进:① 跳过前期预处理过程，以端到端的模式进行芳香晶格条纹的特征提取训练，实现从原始HRTEM中自动识别芳香晶格条纹的功能;② 突破常规神经网络提取目标物外轮廓的思维桎梏，实现对线要素的快速准确分割。以人工解译结果为标准，通过智能提取结果和传统提取结果在精度评价、识别效果和参数提取等方面的对比，验证该智能提取方法的有效性。结果表明，在识别精度方面，智能提取方法的准确率、精准率、召回率和交并比的数值为91.2%，85.2%，83.4%和72.9%，分别高于传统提取方法的89.9%，62.1%，75.4%和51.6%;在识别效果方面，智能提取方法对细节的处理更加智能，提取的线条连贯性和平滑性更好，同时噪音更少;在长度和取向等参数的统计分析方面，智能提取结果与人工解译结果在取向和长度分布图上的匹配度更高。综上所述，该智能提取方法通过MASK R-CNN进行芳香晶格条纹的自动识别，降低工作成本，提高工作效率，为煤大分子结构研究提供更快捷可靠的数据支持。

• 基于低场核磁共振表征的矿物孔隙润湿规律

  夏文成, 毛玉强,

  孔隙润湿是影响多孔矿物(焦渣、褐煤、冶金渣等)可浮性的重要因素之一，然而准确、定量表征孔隙润湿的方法鲜有研究，润湿液体性质与孔隙润湿规律之间的内在联系还未被充分地揭示。采用原样和疏水活性炭开展基于液体物理性质的孔隙润湿规律研究，建立低场核磁共振(1H LF-NMR)测得1HLF-NMR孔隙率与称重法计算得到的称重孔隙率之间的定量关系，探讨1H LF-NMR检测样品在4种液体中润湿不同时间后的孔隙润湿率的可行性;研究4种液体对样品中不同尺寸孔隙的润湿规律;通过计算收缩数，揭示液体物理性质在样品孔隙润湿过程中的影响机理。结果表明:原样和疏水样品在4种液体中润湿后，1H LF-NMR孔隙率与称重孔隙率具有一次函数关系，故该设备可定量表征出4种液体对原样和疏水样品中孔隙的润湿率。4种液体润湿原样和疏水性样品时不同尺寸孔隙均符合“快增—稳定”的规律，润湿速率由快到慢的转折点在5 min处，总孔的润湿率与润湿时间均符合一级动力学方程，纯水对原样具有最大的总孔润湿速率但对疏水样品的总孔润湿速率却最小。对于原样，纯水具有最大微孔和过渡孔润湿率，正丙醇和正十六烷具有最大中孔润湿率且对疏水样品中孔润湿率相似，而硅油对所有孔隙润湿率都最小;60 min孔隙润湿率(除中孔)随收缩数增加而线性降低，表明液体黏度主导孔隙润湿过程。按照疏水样品微孔和过渡孔润湿率递减排序依次为正丙醇、正十六烷、纯水、硅油;60 min孔隙润湿率随收缩数增加先升高后降低，反映出表面张力和黏度对孔隙润湿过程的协同作用。

• 选煤水化学——循环煤泥水系统的水化学性质

  张志军, 孟齐, 刘炯天,

  煤泥水可称为选煤厂的“血液”，循环煤泥水系统则是选煤厂的“血液循环系统”。为深入了解选煤厂的循环煤泥水系统，提出了选煤水化学的概念，并通过介绍循环煤泥水系统的物质组成、无机盐类矿物的溶解、煤中无机硫的氧化、金属离子的水解与聚合、煤泥水的酸碱反应、黏土矿物对金属离子的吸附，全面解析了循环煤泥水系统的水化学性质。煤中矿物组成是影响水化学性质的关键因素，循环煤泥水系统中的一系列化学反应使煤泥水的水化学性质发生变化，包括离子组成与含量、煤泥水的酸碱体系、离子的存在形式。黏土矿物对金属离子的吸附对水化学性质有重要影响，金属阳离子在黏土矿物上的吸附形式包括静电吸附、羟基络合吸附、沉淀吸附，并从理论角度分析金属离子在黏土矿物上的吸附形态，同时其吸附过程也受pH的影响，最终使煤泥水中高价金属离子含量减少。通过反应原理、影响因素和实验模拟分别对各个反应过程进行分析，总结了多种反应之间的关联性，得出以上多个因素之间是相互影响、相互制约的，共同决定了循环煤泥水系统的水化学性质。循环煤泥水系统的水化学性质研究是实现高效选煤的基础，得出不同煤样和水质环境条件下的水化学性质变化规律，实现水化学性质的精准调控，可以有效改善煤泥浮选和煤泥水沉降效果。

• 基于无人机红外遥感和边缘检测技术的采动地裂缝辨识

  赵毅鑫, 许多, 孙波, 姜耀东, 张村, 何祥,

  西部矿区煤层赋存条件好，开采强度高，上覆岩层破坏严重，易诱发采空塌陷和地裂缝等灾害，造成地表生态损伤，甚至诱发遗煤自燃，威胁煤矿安全生产。为快速、及时、准确识别地裂缝，提出了基于无人机红外遥感及图像边缘检测技术的地裂缝识别方法。以神东矿区上湾煤矿12401工作面为工程背景，对工作面上方地裂缝发育观测区域进行全天候监测，获取了不同时刻的红外图像，并对不同时刻红外图像中裂缝、沙子、植被的温度信息以及裂缝长度进行了统计和分析。运用多种边缘检测方法及提出的改进边缘检测算法，对采集的典型红外图像进行地裂缝检测，评价了不同边缘检测方法的裂缝检测效果。对比分析了不同时刻地裂缝检测结果，给出了针对本文研究条件下无人机红外遥感技术识别地裂缝的最佳时间窗口。研究结果表明：基于无人机搭载红外相机及边缘检测技术可有效识别采矿导致的地裂缝；夜间相比于白天，地裂缝更易被识别，特别是3:00 am~5:00 am期间，地裂缝的识别效果最佳。提出的改进边缘检测算法的Pratt品质因数（PFoM）值为0.571，检测性能优于文中其他边缘检测方法；1:00 am至5:00 am和7:00 pm至11:00 pm，地裂缝边缘检测结果优于其他时间，检测结果中噪声较少，裂缝边缘清晰突出；其中尤以3:00 am、5:00 am时的地裂缝检测效果最好。

• 西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究

  曹志国, 张建民, 王皓, 张国军, 张文忠,

  针对西部煤炭主产区矿井水保护利用技术难题，以煤水协调开采为基本原则，自主设计了包含实验材料配制系统、模型框架加载系统、水压控制系统、柔性隔离层注浆控制系统、数据采集系统等5部分组成的煤水协调开采物理模拟实验平台;研制出由骨架结构物和胶结物组成的相似材料，其中骨架结构物用于调控相似材料弹性模量，胶结物用于调控相似材料整体强度，经检验，所研制材料的力学和渗流特性均满足相似模拟实验的基本要求;以西部宁东煤田麦垛山煤矿2号煤首采区为研究对象，开展了煤水协调共采物理相似模拟实验研究，工作面回采3~5个周期来压步距后，通过对隔水层进行注浆改造或压裂处理，分析煤水协调开采过程中导水裂隙带高度演化特征、7个测点水流变化情况以及顶板破断特征，研究表明:隔离层压裂改造位置应位于超前基岩顶板扰动范围之外，隔离层注浆改造应在岩层充分压实后(3~5个周期来压后)进行，采用压裂和注浆封堵相结合的工艺手段，隔离了“地下水”向下渗流通道，可以实现地下水原位保护。模拟研究了4种工况条件下人工隔水层的保水作用，首先对2号煤首采区上覆含(隔)水层系统进行数值概化，建立研究区地下水系统数值模型;然后利用矿区水文监测孔的水位数据对模型参数进行校核，获得最终含水层参数、模拟期水均衡项以及流场信息;最后结合区内用水情况、地下水开采现状，设置2号煤实际开采条件下工作面布置与回采方案，利用参数校核后的模型对研究区地下水水位和流场进行情景模拟分析，结果表明:人工隔离层建造位置越靠下，隔水效果越显著。

• 机器人运动学与时序预测融合驱动的刮板输送机调直方法

  王学文, 李素华, 谢嘉成, 任芳, 暴庆保,

  随着智能化开采的不断发展，刮板输送机直线度控制对于煤矿安全、高效开采具有重要意义。针对刮板输送机的调直精度不高的问题，提出了一种基于空间运动学与长短时记忆神经网络轨迹预测相融合的调直方法。首先，利用工业机器人的空间运动学知识对液压支架和刮板输送机浮动连接机构的运动规律进行了解析，并以C#语言的形式编入Unity3D仿真系统底层，通过推移机构连接头捕捉刮板输送机中部槽上的关键点，实现液压支架与刮板输送机的连接，实现了液压支架的精准推移，较理想化地解决了销耳间隙的影响;其次，综合考虑到传感器噪声与截割底板轨迹对刮板输送机轨迹检测的影响，在仿真系统中进行相关的补偿后，在MATLAB中利用LSTM(Long Short Time Memory)神经网络对刮板输送机的轨迹进行预测;最后，根据实际工况要求建立了目标调直轨迹的修正模型和轨迹-姿态转换模型，以得到的刮板输送机轨迹为基础，确定及时移架后的液压支架位置与对应中部槽的相对位置差，基于浮动连接机构运动规律液压支架精准推移，实现刮板输送机调直。通过虚拟试验的验证，建立的修正模型和转换模型具有较强的可靠性，在仿真系统与实验室条件下分别在底板存在起伏时进行了调直试验，提出的调直方法的直线度误差分别在±0.2 cm和0.08 cm内，符合调直精度要求，研究结果对刮板输送机的调直研究提供了思路。

• 一种废弃矿井地热资源再利用系统研究

  浦海, 卞正富, 张吉雄, 许军策,

  废弃矿井的再利用对矿业产业的可持续发展起着至关重要的作用。矿井废弃后仍赋存着丰富的资源,有潜在的积极用途,尤其是大量可再生地热资源有着巨大的应用前景。分析了国外废弃矿井地热资源开采与利用现状,提出了一种废弃矿井地热资源利用循环系统模型,该系统利用顶板垮落后采空区的储水优势,能够充分利用废弃矿井地热、水及空间资源,进行清洁能源的生产,避免了矿井废弃后资源的浪费与次生灾害的发生,同时可有效地降低温室气体排放和环境污染。研究结果表明:倾向长度350 m,走向长度4 000 m,高度6 m近水平工作面采空区的储水能力约为580 000 m3,静态储能约为5 200 MW·h;考虑不同地层采空区的温度特性,设置冷热源水库,整个系统运行时功率可达8.4 MW,年供能约24 960 MW·h,可约为250 000 m2住宅空间进行有效的供暖或制冷。与传统化石能源煤炭相比,系统运行时每年可减少约为7 812 t二氧化碳排放,碳排放系数仅为0.072 kg/(kW·h),降低了81%以上。此外,相关部门应建立健全废弃矿井的管理机构,提前做好矿井关闭前再利用计划。同时,矿业企业要做好再利用的技术储备与措施,实现废弃矿井的再利用,推动采矿区域环境恢复和经济复苏。

• 新一代人工智能在矿山充填中的应用综述与展望

  齐冲冲, 杨星雨, 李桂臣, 陈秋松, 孙元田,

  随着我国浅部矿产资源日趋枯竭，深部资源开采成为矿业发展的必然，而充填采矿法是深部资源开采的主要采矿法之一。目前，充填采矿法的推广受限于充填成本高，如何提高充填设计效率，进而降低充填成本，是矿山充填推广的关键。随着人工智能(AI)技术的发展，以神经网络、决策树等为代表的智能算法正逐渐替代或辅助人类从事各种场景中的简单或复杂工作，推动传统工业领域的跨越式发展。矿业作为传统行业的支柱产业之一，也立足自身发展需要，结合新一代人工智能方法，展开了面向智能化革新的进程。笔者从矿山充填中的人工智能方法出发，简要介绍了人工智能的基本概念及常用的人工智能方法(包括人工神经网络、决策树、随机森林与梯度提升树、支持向量机及非监督式学习方法等)。讨论了人工智能方法在矿山充填中的应用难点，系统分析了新一代人工智能在全尾砂絮凝沉降、充填配比、充填料浆流变及管道输送、充填集成设计及多目标优化等方面的最新研究进展。同时，展望了新一代人工智能在矿山充填中的发展方向(包括性能提升、小数据集问题及应用思路扩展)，并提出了智能充填系统的构想。新一代人工智能方法在矿山充填中的发展及应用对实现充填设计的绿色化、智能化和高效化，促进充填技术推广和资源生态协调开采具有重要意义。