煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第3期

• “深部岩体力学与开采理论”专辑特邀主编致读者

  谢和平,

  2016年全国科技创新大会上，习近平总书记提出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”。煤炭是我国的主体能源，深部煤炭资源开采是保障我国能源稳定供给的主要途径，是我国未来煤炭工业发展的主要方向，也是当前和未来相当长的一段时期内我国煤炭科学与技术攻关的主要战场。 　　 　　随着煤炭资源开采深度的延伸，面临的科学问题和技术难题前所未遇，这些问题和难题的研究与破解对煤炭行业科技工作者提出了更高要求，甚至需要颠覆性的理念和变革性的攻关范式。就基础理论而言，传统的岩石力学和矿山压力理论已经不能准确描述深部开采条件下的岩石力学行为，亟需从源头上重新认识、探索深部原位环境下开采力学等系列问题，包括从源头上研究原位岩芯的获取方式，从源头上研究原位岩石的变形破坏机制等。就工程技术而言，开采的深度和规模与日俱增，矿井建设环境复杂，传统工艺工法效率尚不能满足工程需要，技术装备自主化水平还需进一步提升；作业空间的高效、安全、绿色维护，包括巷道控稳、动力灾害防治以及采掘工作环境治理等关键技术还有待攻关；智能开采、超长工作面超大空间开采、煤与瓦斯协同开采等问题的工程倒逼，也要求科研人员在原有的技术理论体系和规范标准上进行创新实践。与此同时，我们清楚地看到，科技发展日趋多元化，深部煤炭资源开发整体协调发展不仅是矿业相关学科的任务，同时也需要多门类自然学科和工程学科的跨界合作和共同努力。 　　 　　“十三五”以来，国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项正式启动，作为我国深地领域重大科技攻关任务，专项针对我国深部资源开采理论和技术需求，设置了开采板块，从基础研究、共性关键技术到应用示范基地的建设，全方位汇聚专家学者协同攻关，在科学开采、安全生产、清洁利用等方面，取得了丰硕的成果，大力推进了科学、技术和行业的融合提升，促进了煤炭工业的快速健康发展。 　　 　　当前在国家重大需求牵引、国家科技任务引导以及国内学者的踊跃参与和无私奉献之下，深部岩体力学与开采理论方面的研究上升到空前热度和更高水平，为了展示我国该领域相关理论与技术成果，《煤炭学报》特别组织策划本期专题，专题自征稿发布以来，受到了煤炭科技界同仁的高度关注。专题共收到来稿百余篇，最终录用18篇，专题稿件紧紧围绕3个主题进行报道，即：① 深部开采基础科学理论；② 深部矿产资源绿色开采关键技术；③ 深部智慧矿山技术。在此，对大力支持本专题的专家学者表示衷心的感谢！ 　　 　　希望借助此次专题，深入交流深部岩体力学与开采理论方面的新理论、新方法、新技术以及新工艺，为国家煤炭科技事业的“十四五”和中长期发展提供积极良好的开端，也希望各行各业更多的科技人才和工程专家在煤炭科技领域扎根实干，为我国能源事业的发展而奋斗！

• 深部不同深度岩石脆延转化力学行为研究

  谢和平, 高明忠, 付成行, 鲁义强, 杨明庆, 胡建军, 杨本高,

  岩石脆延转化力学行为规律是深部岩石力学研究的重要内容之一，同时也是影响深地工程安全高效实施的关键因素。为研究深部不同深度岩石脆延转化力学行为差异性规律，以松辽盆地1000 m~6400 m不同赋存深度的砂岩、砾岩和安山岩为研究对象，开展了同一深度岩石不同应力水平下、不同深度岩石同一应力水平下以及不同深度岩石原位应力水平下的常规三轴实验，并采用峰前和峰后脆性指标分析了岩石的脆性特征，初步揭示了深部不同深度岩石脆延转化力学行为的关键影响因素与差异性规律。研究结果表明：不同深度岩石脆延转化并是非瞬时的，而是存在一个脆延性逐渐转换的应力区间。同一深度岩石不同应力水平下其脆延特征主要受围压影响。对于1600 m深砂岩，其脆性整体上随着围压的增大而减小，出现了从脆性—延性—应变硬化的转变，并且其峰后塑性逐渐增强，直到峰后呈现完全塑性。50 MPa~70 MPa应力水平范围为1600 m深砂岩的脆延转化区间；相同围压下不同深度岩石的脆延特征主要受其本身矿物组分的影响。对于松辽盆地岩石样品，其硬相矿物和中等相矿物的含量总体上随着深度的增加而增大，导致其脆性随深度的增加而增大，由浅至深表现出延性—脆延转化—脆性的特征；不同深度岩石原位应力水平下其峰后特征随着深度的增加呈现出不同的特征：1000 m~3500 m深砂岩表现出峰后应变软化特征、4800 m深砂岩和5100 m~5600 m深砾岩表现出峰后脆性特征、6400 m以深的安山岩表现出峰后塑性流动特征。岩石的脆延特征受诸多因素的影响，其中岩石的矿物组分和应力环境对其脆延特征的影响存在博弈现象。随着深度的增加硬相矿物和中等相矿物含量的增加会导致岩石的脆性增长，而岩石加载应力水平的增加，又会抑制岩石的脆性增长。研究结果有望指导深地科学探索及深地工程高效实施。

• 深部采动响应与灾害防控研究进展

  袁亮,

  掌握深部采动响应机制与灾害防控技术对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的现实意义。针对深部开采面临高地应力、高地温、高岩溶水压和强开采扰动的复杂环境，探讨了深部采动煤岩体响应特征。阐述了煤炭开采多物理化学场时空动态演化规律和多资源全生命周期动态叠加多相多场耦合致灾机理。最后，基于上述采动响应特征和多场耦合规律及致灾机理，从透明矿山及地质保障关键技术、灾害风险判识与监控预警关键技术和典型动力灾害防控关键技术3个方面讨论了深部采动灾害防控方法。未来应继续加大对深部开采基础研究支持力度，大力支持自主创新重大仪器及科学装置研究，重点开展深部煤炭开采应用基础理论和关键技术研究，依靠科技创新突破制约我国深部煤炭开采的理论与技术瓶颈。加强深部采动多物理化学场耦合灾变机理分析，实现深地资源地质精准勘探和三维地质可视化，建立深部采动灾害风险判识及合理性评价模型，以及开展多参量灾害预警与防控技术和装备研究，实现对灾害的有效预警和精准防控，综合形成深部煤矿灾害防控理论与技术标准体系。同时，在充分认清深部各种灾害特征、治理能力极限和技术经济可行性的基础上，科学确定开采下限。最终有效解决深部煤炭开采面临的科学问题和重大技术难题，促进深部煤炭安全高效开采。

• 深部建井力学研究进展

  何满潮,

  随着浅部煤炭资源的日益枯竭，我国煤炭开采朝着深部化和大型化方向发展，新建和改扩建的大型立井年生产能力已达1 000万t，开采最大深度已达1 500 m。千米深井在建井时所处的高应力、“各向异性”(包括岩体、结构、应力等)复杂地质力学环境，造成井筒以及井底车场大巷围岩出现塌方、岩爆以及冲击地压等大变形灾害，严重影响深部矿井安全高效建设。在国家重点研发计划“深地资源勘查开采”重点专项“煤矿深井建设与提升基础理论及关键技术”支持下，提出了深部非均压建井模式，以非均匀支护应对非均匀围岩压力;对煤系地层深部建井中典型的地层结构进行分类，并建立了深部不同应力条件下立井井筒力学模型;开展了一系列模拟深部环境下的多场、多尺度岩石力学实验，探明了深部建井岩体的各向异性与深部环境相互作用过程中的大变形力学特性，揭示了深部复杂地质环境下岩体大变形力学机理;研发了适用于深部建井岩体大变形控制NPR锚杆锚索新材料，进行了一系列拉拔力学实验对其优越性进行科学论证，并最终形成了一整套基于NPR锚杆锚索的支护技术;开展了无煤柱自成巷N00矿井建设研究，基于“切顶断臂梁”理论，建立了采矿损伤不变量的采矿工程模型。

• 煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注-喷浆协同控制技术

  康红普, 姜鹏飞, 杨建威, 王志根, 杨景贺, 刘庆波, 吴拥政, 李文洲, 高富强, 姜志云, 李建忠,

  针对煤矿千米深井巷道松软煤体大变形难题，以淮南新集矿区口孜东矿7 m大采高工作面运输巷为工程背景，分析巷道松软煤帮变形破坏特征及支护结构破坏、失效形式；采用井下试验和数值模拟相结合的方法，从锚杆锚索锚固力衰减、风化作用下煤体劣化及强流变性等方面，揭示出千米深井巷道松软煤帮大变形机理。提出千米深井巷道松软煤帮高压锚注-喷浆协同控制理念；采用数值模拟对比研究了单一锚杆锚索支护、锚注、锚注-喷浆3种方案巷道煤帮变形、裂隙及应力演化规律，阐明了巷道煤帮高预应力、高压锚注-喷浆协同控制原理。研发出高强度、高压、组合式注浆锚杆与高压注浆锚索，研究了注浆锚杆、锚索及注浆材料性能与锚注效果，形成了高预应力锚杆、锚索支护-高压劈裂注浆改性-表面喷浆协同控制技术。将上述研究成果应用于淮南新集矿区口孜东矿，提出试验巷道锚注-喷浆协同控制方案及参数，并进行了矿压监测。监测数据表明，采用提出的锚注-喷浆控制方案后，煤帮结构、完整性与强度得到显著改善，锚杆、锚索锚固力大幅提升，充分发挥了高强度锚杆、锚索主动支护作用。巷道两帮收缩量降低86%，锚杆、锚索破断率大幅减少，有效控制了千米深井巷道松软煤帮大变形，为此类深部巷道大变形控制提供了有效途径。

• 深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术

  王国法, 张金虎, 徐亚军, 任怀伟, 于翔,

  加长工作面长度是智能高效长壁综采发展趋势，工作面长度加长后一般会使矿压显现出现明显变化，工作面围岩和液压支架的控制难度加大。采用现场实测和理论计算相结合的方法，针对淮南口孜东煤矿千米深井长工作面开展了长工作面来压频率、来压峰值和来压范围的变化特性研究，研究分析了该矿121304工作面支架受力特性及姿态变化特点，建立了基于弹性独立支座的液压支架群组支护力学模型，发现了深井超长工作面支护应力特性，理论计算与实测具有较好的一致性，在此基础上对140502工作面支护参数及控制技术进行了研究。结果表明:随着工作面长度增加，综采工作面支护应力由单峰值逐步转化为多峰值，并向两端头扩展，工作面不同区域来压具有明显的时序性且强度区别较大等特点。深井围岩劣化(低强度顶板)增大了这种趋势，工作面长度300 m即出现了超长工作面多峰值的特征。工作面支护应力出现“M”型三峰值可作为超长工作面的判据，合理工作面长度的确定应综合煤层赋存条件、工作面参数和装备能力确定。根据液压支架在空间和功能的不同属性，结合长工作面不同分区特点，揭示了超长工作面判据和群组分区协同控制原理，提出了一种基于状态误差和代价函数的工作面装备群组协同控制方法，制定了“单架控制→组控制→群控制”三级协同控制策略和实现方法，可有效指导深井厚煤层超长综采工作面装备群实现最优协调控制。

• 采煤机自主导航截割原理及关键技术

  葛世荣, 郝雪弟, 田凯, 高传, 勒立坤,

  深部煤层构造较为复杂，实现采煤机无人驾驶开采更加困难。在总结采煤机结构和截割调控技术演变历程基础上，提出了采煤机截割调控技术在经历了人工目测截割、机载探测截割、示教记忆截割三个发展阶段后，已经进入到自主导航截的第四阶段,并提出了适用于深部煤层采煤机自动驾驶的导航截割理论与技术框架，包括导航地图、位姿感知、路径规划、姿态控制4项技术内涵，和精细化煤层截割定位地图、精准化煤层截割导航地图、动态化煤层截割导控地图、采煤机融合定位方法、定位精度提升、智采机组全位姿参数矩阵建立、物理-虚拟模型驱动与交互、无人驾驶防冲撞路径规划、截割作业智能调高调直九项关键技术。系统阐述了采煤机自主导航截割技术相关核心技术基本原理：首先，构建煤层智能化开采导航地图，从精细化煤层截割定位、精准化煤层截割导航和动态化煤层截割导控3个关键步骤实现地图构建及更新；其次，通过融合定位和定位精度提升方法，完成了采煤机位姿精确感知；再次，创建智采机组全位姿参数矩阵，并结合物理-虚拟模型驱动与交互技术构建出导航截割数字孪生系统；最后，基于实时综采装备位姿状态和煤层导航地图信息，实现了无人驾驶防干涉防冲撞路径规划、截割滚筒自适应调高控制以及行走路径自动调直控制。从而实现了深部煤层采煤机智能导航截割控制，为智采工作面实现无人作业提供了新的理论技术支撑。

• 煤矿冲击地压发生理论公式

  潘一山, 代连朋,

  冲击地压是煤矿最严重的动力灾害之一,研究冲击地压发生机理的理论公式是实现冲击地压定量防治的第一前提。针对目前尚未有直接明了的冲击地压发生理论公式的现状,通过建立与地应力、煤岩物性、支护强度和工程结构参数直接相联系的巷道冲击地压发生力学分析模型,得到了一套冲击地压发生的理论公式。首先,系统探究了冲击地压解析分析所涉及的几何模型、边界条件、煤岩体变形破坏本构关系和冲击地压发生的力学判据;其次,结合煤岩体变形破坏的“双线性”本构关系和“三线性”本构关系,分别建立了巷道“弹性区、塑性软化区”2分区结构模型与“弹性区、塑性软化区、破碎区”3分区结构模型,对巷道围岩展开应力分析,得到了巷道平衡系统方程;最后,由系统方程与冲击地压发生力学判据,得到了冲击地压发生的临界载荷、临界破碎区半径与临界软化区半径指标及其理论计算公式。采用理论公式定量解答了冲击倾向性与冲击危险性的理论关系、矿井冲击地压发生临界开采深度的理论界定和支护在冲击地压启动过程中的作用及支护安全系数设计方法等科学问题,并对我国近30座冲击地压矿井的冲击启动临界载荷、临界开采深度和支护防冲安全能力进行了计算或验算。研究结果表明,临界载荷、冲击能指数和单轴抗压强度3个指标参量间具有明确的理论关系;表征冲击倾向性的理论指标为冲击能指数和单轴抗压强度,表征冲击危险性的理论指标为实际应力与临界载荷比值;基于冲击地压发生的临界载荷,可以得到矿井冲击地压发生临界开采深度的理论确定方法;支护强度的提高能够有效提升冲击地压发生的临界载荷。研究成果旨在继承并突破现有定性或统计定量的冲击地压理论,为实现煤矿冲击地压机理及应用的定量化研究奠定基础。

• 大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用

  于斌, 高瑞, 夏彬伟, 匡铁军,

  坚硬顶板强度高、破断步距大，矿压作用强烈，是煤矿顶板控制的一大难题，特别是特厚煤层开采条件时，因开采扰动范围广，大空间坚硬顶板破断失稳，造成采场矿压显现更加复杂、强烈。研究表明，坚硬顶板特厚煤层开采，高位厚硬岩层的破断失稳是造成采场强矿压的主要因素，但现有井下预裂技术无法控制。为此，首次提出了煤矿坚硬顶板地面压裂控制采场矿压的方法，开展了大型真三轴原位试件（2060×1200×1200 mm）水力压裂试验研究，揭示了水压裂缝扩展形态及压裂全过程试件应力应变演化规律；给出了地面压裂关键层位范围，综合工作面采位、压裂层位、覆岩应力及裂隙发育特征，建立了压裂位置确定的理论模型及选取准则；给出了压裂面积-流量-时间的关系模型，得到压裂面积随压裂时间、流量的变化关系；研发了水压裂缝井上下微震一体化联合监测技术，综合前述研究，形成了大空间坚硬顶板地面压裂控制技术体系，并进行了垂直井、水平井压裂工程实践。结果表明，地面压裂裂缝扩展范围大，垂直井分级压裂裂缝扩展长度达250m、218m，裂缝宽度30~120m，水平井分段压裂裂缝扩展长度196~216m，裂缝高度43~50m，裂缝扩展均覆盖了工作面范围，穿透了压裂目标层。井下采场矿压监测表明，工作面开采至压裂裂缝扩展区内，支架阻力降低21%，煤壁片帮率减少23%，超前单体无任何弯曲折损现象，巷道围岩稳定，压裂控制效果好。可见，坚硬顶板地面压裂技术，可从源头杜绝采场强矿压的发生，开辟了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径，对于解决类似由高位岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害控制具有重要意义。

• 煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探———以平顶山矿区为例

  张建国, 李红梅, 刘依婷, 李喜员, 谢晶, 代志旭, 叶思琪, 李露明, 周伟奇, 赵赟,

  煤矿开采逐渐向深部延伸，深部开采条件下煤尘灾害频发，防控难度高，除尘机理与技术仍然是深部开采科学高效除尘基础研究的难点与重点之一。以平顶山矿区丁、戊、己、庚4组煤层采集的原煤为研究对象，联合多种煤尘物理化学性质测试(工业分析,XRD,BET,SEM,FT-IR)、分子动力学模拟等手段，系统采用基础物性特征分析、润湿特性多因素影响探讨、分子层面润湿机理探索、抑尘剂改性讨论的研究思路，开展了基于煤尘微细观结构特征的除尘机理探索及新型抑尘剂研发初探。研究表明:平顶山矿区丁戊己庚4组煤层典型煤尘的润湿性大小顺序为戊>丁>庚>己，煤中有机质质量分数、水分质量分数、灰分质量分数、无机矿物成分质量分数、比表面积、含氧官能团等指标的显著差异将对煤尘润湿性能产生显著影响，比表面积、石英质量分数、羟基和醚键数量越多，润湿性越好，固定碳质量分数越高，润湿性越差。联合煤的红外光谱分析和分子动力学模拟，根据平顶山矿区煤尘亲水官能团特征，研究了水分子在不同数量羟基和醚键修饰的煤表面吸附过程，进一步揭示了煤尘润湿性能的强关联因素，表面羟基数量正相关于吸附水分子能力，而煤尘醚键数量对于吸附水分子能力存在极大值。基于煤尘微细观特征对其润湿性的影响机制，考察了3种非离子表面活性剂对4组煤尘的润湿除尘特性，基于表面活性剂分子结构对煤尘润湿的作用机理，针对平煤矿区煤尘提出了引入芳香环结构实现新型抑尘剂改性的解决思路。研究成果可为我国类似条件矿区深部开采科学高效防尘提供借鉴。

• 深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术

  刘志强, 宋朝阳, 纪洪广, 刘书杰, 谭杰, 程守业, 宁方波,

  深部矿产资源开采是我国资源持续供给和保障经济高速发展的重要物质支撑，井巷工程作为进入深部开采的安全通道是进入深部开采的咽喉，因此，深部矿井建设关键技术是实现深部矿产资源开采的重要技术支撑。基于深部矿产开采矿井工程设计与装备制造先行的理念，深部矿井建设模式、优化设计与理论、矿井建设技术与智能装备、智能监控技术体系、矿井建设与生态环境互馈等方面亟待取得突破。系统分析了矿井赋存地质条件探查、数据融合反演与透明化重构技术及其亟待攻克的科学问题；梳理了深部矿井井巷优化设计方法、建设模式、建井提运装备的发展现状和面临的难题；基于深部井巷围岩“应力调控-改性-支护”理念，提出了围岩应力调控技术，地面预注浆加固、抗渗、降-隔-保温技术等围岩改性技术，以及矿井工程支护结构等围岩控制理论与及其关键技术；提出了深井智能掘进装备与智能控制系统研发体系，梳理了机械破岩掘进装备制造与发展趋势，从高效破岩与排渣、装备构成与空间优化、精确智能钻井控制3个方面分析了上排渣竖井掘进机设计与制造亟需攻克的科学问题与技术难题；围绕破岩掘进复杂工序智能监控、围岩与井壁结构稳定智能监控、井筒内运行设备智能监控，提出了深部矿井全生命周期智能监控系统与关键技术体系。基于以上深部矿井开拓模式的优化设计、建井装备及其相应关键技术工艺的深入思考和分析，有望为深部矿井安全高效绿色建设提供解决思路。

• 基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望

  李夕兵, 宫凤强,

  深部围岩开采前处于高静应力状态，开采(开挖)过程中不可避免承受机械或爆破开挖带来的开采扰动、卸载扰动以及应力调整扰动作用，属于典型的动静组合受力状态。用动静组合加载力学研究深部岩石力学问题更加符合深部围岩开采的实际情况。从深部围岩开采受力全过程出发，介绍了“岩石动静组合力学”概念和试验研究的提出过程，阐述了岩石动静组合力学试验研究从一维状态到二维状态再到三维状态的发展历程，并重点介绍了真三轴动静组合加载岩石力学试验系统的研制情况和取得的研究进展。根据对深部岩石力学科学认识的不断深入，结合动静组合加载岩石力学试验相关研究结果，揭示了深部岩石在各种动静组合受力状态下的力学响应、破坏特征以及能量规律，科学再现并解释了岩爆、板裂及冲击地压等非常规岩石破坏现象和机理。在此基础上，系统总结了真三轴动静组合加载岩石力学试验机的共同特点，并提出了未来研究的4个重点发展方向:① 发展能实现“三维高静应力+卸载+冲击扰动”功能的真三轴SHPB动静组合加载试验机;② 发展大尺寸岩石内部卸荷真三轴试验机;③ 基于三维动静组合加载岩石力学试验聚焦深部围岩发生岩爆灾害的能量机理;④ 开展深部原位保真取芯的三维动静组合加载岩石力学试验。

• 深部煤体注水过程中渗流通道演化特征

  周宏伟, 刘泽霖, 孙晓彤, 任伟光, 钟江城, 赵家巍, 薛东杰,

  在煤炭开采中，煤层注水可有效防突降尘和防治冲击地压。为了研究深部煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道的演化过程，以平煤十二矿己15-31030工作面的深部煤体为研究对象，通过低场核磁共振成像设备在线测试了三个原煤试样在不同注水压力下的T2谱和含水量分布情况。通过对不同注水压力下的T2谱进行分析，获得了煤样注水过程中的孔径分布和孔隙结构的演化过程。通过核磁共振成像技术，初步实现了煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道演化的可视化，可更直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程，更深入地理解不同煤样T2谱演化过程异同的内在原因。进一步提出了一种根据T2谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法，定量分析了煤样注水过程中不同孔径的孔对水渗过程的贡献度。并对T2谱进行了孔裂隙的分形维数计算，定量分析煤样孔裂隙的渗流空间含量和异质性。研究发现：平煤十二矿深部煤样注水过程中T2谱表现出三峰特点，中孔、大孔和微裂隙的含量与连通性都大于微孔和小孔，注水过程中渗流通道主要由连通性较好的中孔、大孔和微裂隙构建。煤样注水过程中大孔和微裂隙贡献了99%以上的渗透率;微孔、小孔和连通性较差的孔主要参与储水而不参与运水。注水过程中当煤样孔隙连通性较差，不存在明显的优势渗流通道时，提高注水压力可以使更多的孔隙参与到渗流的过程中;但当煤样中部分孔隙连通性较好形成优势渗流通道时，提高注水压力也很难使更多的孔隙参与到渗流的过程中。在设计煤层注水参数时应特别关注这一现象。

• 地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

  卢义玉, 李瑞, 鲜学福, 葛兆龙, 夏彬伟,

  为了提高深部煤层气储层压降效果,针对深部煤层储层压力大,地应力高,渗透率低等特点,基于切割卸压提高储层渗透率原理,综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝2个过程。该方法增渗增产原理为:定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统,高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙,增加导流通道数量与连通性;水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间,利用地应力变化增加裂隙张开度,促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言,该方法更有利于形成网格化流体运移通道,扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且,能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害,因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异,提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题,包括水力缝槽参数控制,固相颗粒的返排,定向井完井与水力割缝匹配性,以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭强矿压与瓦斯灾害防治等方面具有应用前景。

• 深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理与技术探索

  高明忠, 陈领, 凡东, 杨明庆, 刘程, 李佳南, 赵乐, 田东庄, 李聪, 王瑞泽, 谢和平,

  煤矿瓦斯灾害防治是矿井安全生产的重点和难点,其核心是煤层瓦斯含量与压力的精准测定。目前含瓦斯煤层(或煤矿)取样普遍采用开放式或球阀密闭式取芯技术,取芯效率低,且瓦斯容易损失、测量时效性差,难以保证瓦斯含量与压力数据的准确性与有效性,不能有效评估煤层风险特征指标以指导工程实践。首先深入剖析了深部煤层原位压力内涵,阐明了原位保压保瓦斯取芯的基本目标,建议了原位瓦斯压力及含量的测定与计算方法。其次,基于牟合方盖几何原理,提出了保压保瓦斯取芯工具构想,采用多重防转的取芯结构设计和连续导管作业工艺,能够实现煤样低扰动取芯,确保所取样品瓦斯含量与原位煤层一致;设计了5种构型的自触发式保压控制器,基于自主研发的实验室保压特性试验平台开展了保压能力相关参数测试,结果表明随着保压控制器锥形角度的增加,边缘的有效支撑面增大,极限强度增加。同时,开展了连续导管抗扭特性实验,在扭矩、管长、外径一定时,连续导管扭转角随壁厚的增加逐渐变小、抗扭性能增强,岩芯受到的扰动降低。最后,研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理样机,由煤矿坑道钻机、连续导管装备、保压保瓦斯取芯器等组成,基于仿真模拟和室内试验数据,选定了马鞍形保压控制器(保压能力最高可达100.9 MPa),CT90钢的连续导管(直径38.1 mm、壁厚3.18 mm)。基于此,形成了原位保压保瓦斯取芯作业工艺,在现场测试过程中系统整体运行平稳并取得保压样品,初步验证了原理样机设计合理、装配精密可靠。该取芯系统具备保压能力强、取芯扰动小、取芯效率高、随钻随测等作业优势,有望突破测定煤层原位瓦斯含量与压力的技术瓶颈。

• 温度-围压-瓦斯压力作用下煤岩力学性质及有限变形行为

  高亚楠, 高峰, 谢晶, 滕腾, 闫伟城, 高琳,

  随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，深部开采已然成为常态。开采环境下，地温、地应力以及瓦斯压力是影响煤岩力学性质的重要因素，这些因素影响下的煤岩非线性力学行为也是深部开采过程中的关键基础问题。因此，本文从试验出发，基于正交试验原理，设计并开展了温度–围压–瓦斯压力作用下的煤岩力学试验。基于统计学原理，研究分析了温度、围压、瓦斯压力对煤岩力学性质的影响，结果表明：温度和围压对弹性模量、峰值应力和泊松比影响的显著性水平均为95%，瓦斯压力对弹性模量、峰值应力影响的显著性水平为95%，对泊松比影响的显著性水平为90%；同时发现，煤岩强度、弹性模量、泊松比随温度、围压和瓦斯压力的变化符合线性规律。进而，以有限变形理论为基础，结合试验条件，建立了煤岩非线性变形描述指标—平均整旋角，计算分析了其在煤岩变形破坏过程中的演化规律：平均整旋角随应力应变的变化基本可以划分为快速增长区、平缓增长区和加速增长区，这三区的出现也是煤岩压密、弹性、屈服破坏三阶段内在力学过程体现；切线模量随平均整旋角可以分为增长阶段和跌落阶段，反映了煤岩从压密、硬化到脆塑性转化的过程。最后将平均整旋角作为内变量，同时考虑温度、围压以及瓦斯压力的作用，建立了有限变形框架下煤岩大变形本构方程，通过与试验数据对比可知，本文提出的模型可以较好地描述煤岩变形破坏的全过程。

• 深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究

  李文洲, 康红普, 姜志云, 司林坡, 蔡瑞春, 郭罡业,

  为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究，首先采用小孔径水压致裂法对埋深500 m左右和1 000 m左右的地应力分布特征进行现场实测研究，以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征，拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系，探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型，采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。基于现场实测及数值模拟研究结果，通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析，结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求，提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。基于上述研究成果，在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析，最大注浆改性强化压力为30 MPa，一般为15~20 MPa，与提出的改性原则相符。通过现场取样表征分析、实验室扫描电镜对尺度2~20 μm浆液固结体特征进行对比分析，采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进行了分析，从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好。

• 碎软煤层韧性破坏-渗流耦合本构关系及其间接压裂工程验证

  李浩, 梁卫国, 武建军, 李峰, 王建美, 武鹏飞,

  间接压裂是提高碎软低渗煤层地面井煤层气产量的新技术之一，其成功与否的关键在于顶板水力裂缝能否有效穿透煤岩界面并进入煤层，核心要素是碎软低渗煤层的韧性破坏与渗流耦合响应特征。将二维问题的Park-Paulino-Roesler势能函数扩展到三维应力空间，结合立方定律，得到煤结构面的韧性断裂-裂缝切向渗流关系;构建煤基质塑性变形与拉、压损伤的Helmholtz 自由能表达式，结合达西定律，导出煤基质在塑性变形、张拉损伤变量影响下的渗透系数(或滤失系数)表达式。在数值计算中，将煤基质与结构面的力学属性分别赋予实体单元和零厚度的黏聚力单元，通过共享节点的方式连接并由此实现2者间的应力-渗流耦合。采用断裂力学实验识别材料参数，结合水力压裂实验验证碎软煤层的韧性破坏－渗流(DF-S)耦合本构方程组的合理性。在此基础上，模拟研究了多因素影响下水力裂缝从顶板向煤层延伸的过程，包括水平井和界面的间距D，竖向与最小水平地应力之差Δσ，煤岩界面摩擦因数fc,r。结果表明:① DF-S本构方程组可以较好地反映间接压裂过程中碎软煤层的韧性破坏－渗流耦合响应特征;② 煤岩界面会在很大程度上阻碍水力裂缝扩展，其机理在于水力压裂引起煤岩界面处煤结构面的韧性断裂、煤基质的塑性损伤、压裂液滤失引发的水力能量耗散，导致实际用于水力裂缝扩展的弹性能(或裂缝表面能)最低只占到水力能量的2%;③ 数值模拟条件下，水力裂缝穿透煤岩界面的临界fc,r与D呈正相关，与Δσ呈负相关关系。D对临界fc,r的影响更大，将D控制在1 m之内有望使18%~30%的水力能量用于水力裂缝扩展，提高间接压裂煤层技术的成功率。水力裂缝穿透碎软煤层与顶板界面的临界条件成果在山西晋城矿区赵庄矿得到应用，实现碎软煤层地面井煤层气增产，为煤层间接压裂方程设计提供了理论支撑。

• 基于实时CT扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律

  李兆霖, 王连国, 姜崇扬, 陆银龙, 李文帅,

  实时准确掌握岩石破坏全过程中内部裂隙扩展演化规律，对于科学指导地下岩体工程稳定性控制，推动矿山资源安全开采具有重要的工程意义。研制了一套能够与CT扫描系统配套的真三轴加载试验设备，位于CT扫描区域的设备部件均采用了新型碳纤维材料的设计，包含了竖向加载系统、横向加载系统、真三轴压力室等核心部件，使得X射线能够有效通过装置中预先设计的CT扫描区域，实现了真三轴应力环境下实时CT扫描的功能。利用该设备开展了三轴不同应力条件下完整岩石和含裂隙岩石加载实时CT扫描试验，获得了整个加载过程中岩石应力-应变曲线。获取了不同工况下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征，结果发现：与CTT条件下岩石内部裂纹复杂的空间扩展形态相比，TTT条件下岩石内部裂纹空间形态简单，为一沿方向的平面裂纹。说明了真三轴条件下岩石内部裂隙具有明确的扩展方向(沿方向扩展)。TTT-c2(含裂隙且沿方向)和TTT-c3(裂隙沿方向)两种工况下岩石内部均出现了4条萌生裂纹，但前者萌生裂纹均与预制裂纹前缘线共面，而且预制裂纹面仍然基本保持较为完整；后者均与预制裂纹前缘线垂直，呈现横切预制裂隙的趋势，最终形成了复杂的裂隙网络，导致预制裂隙多处出现挤压破坏。真三轴三种工况下所有的裂纹倾角分布极为集中，均与方向大致平行，表明了中间主应力对岩石内部萌生裂纹扩展方向起到决定性的作用，岩石内部裂隙扩展发育过程强烈依赖中间主应力方向。试验研究为地下工程岩体破裂演化规律研究提供了重要的依据。

• 基于井下生态保护的煤矿职业健康防护理论与技术体系

  顾大钊, 李全生,

  职业健康是人类社会发展过程中的焦点问题。煤矿采掘活动伴生的粉尘、尾气、噪声等恶化了井下生态环境。由于井下空间有限，仅靠人工通风难以快速将污染空气稀释至清洁空气的标准，对人员健康等均有不同程度的损害，甚至引发尘肺病。针对煤矿生产过程中尘肺病防治难，且从业人员众多的问题，分析了我国尘肺病治理现状;以煤矿井下生态保护为基础，系统分析了采掘过程中产尘途径和井下人员工作及设备运行环境，阐释了井下生态的概念及内涵，提出了以开发前规划、开发中保护、开发后利用为内涵的煤矿井下生态全生命周期保护利用理念;形成了以采掘源头降尘、除尘，扩散过程控尘及增强人员有效防护的“源头控尘-扩散降尘-有效防护”的系统防护模式;建立了基于开采源头减尘、降尘的煤矿开采规划布局及开采工艺优化的井下生态保护与高可靠、轻量化、智能化个体防护装置有机结合的煤矿职业健康防护技术体系。提出了基于源头减尘降尘的煤炭开采布局、煤层高效注水增润、高效环保抑尘降尘剂、干式高效过滤除尘、液压支架架间局部密闭隔尘、采煤机尘源自动跟踪喷雾降尘、难密封尘源高效捕收，综掘机气液联动吸风喷雾降尘等煤矿井下生态保护关键技术。研究工作为降低煤矿井下粉尘、改善井下作业环境提供借鉴。

• 预制钻孔煤样冲击倾向性及能量耗散规律

  王爱文, 高乾书, 潘一山, 宋义敏, 李岚,

  基于煤的冲击倾向性测定方法进行预制钻孔煤样单轴加载试验，研究钻孔煤样的冲击倾向性变化规律，引入破碎颗粒分形维数与新增表面积，分析钻孔煤样破碎过程中的能量耗散规律。结果表明:① 钻孔使试样以剪切劈裂破坏形式转变为在孔洞两侧孕育、融合裂隙并在岩桥之间产生贯穿裂纹的破坏形式，同时伴随塌孔现象。随钻孔排数增多，钻孔试样呈现出应力峰前塑性损伤逐渐增大，峰值强度降低、积聚弹性能减少，峰后破坏耗时延长、耗能提升的趋势，且单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数均逐渐降低，动态破坏时间显著升高，冲击倾向性逐渐减弱。② 试样破碎颗粒分形维数与新增表面积具有良好的负相关性:试样破碎程度越低，分形维数越高，新增表面积越小。③ 试样应力峰前能量的输入、耗散与新增表面积无明显关系。峰后能量释放及耗散规律与破碎颗粒新增表面积变化规律一致，新增表面积越大则峰后耗能越多。受加载速率及钻孔布置影响峰后能量差值与新增表面积变化呈“U”形变化趋势。钻孔减缓了试样峰后能量释放与能量耗散速率，且二者降低幅值较为相近，单孔试样降低约 17.0%，双孔试样降低约68.3%，三孔试样降低约 70.8%。钻孔卸压可以降低峰前积聚的应变能，降低峰后单位时间内释放的能量，使得不易发生动力破坏。

• 综掘工作面不同截割方式下的最佳风场调控规则

  龚晓燕, 韩郑, 薛河, 刘辉, 冯雄, 宋涛, 陈菲, 谢沛,

  针对目前综掘工作面局部通风方式下，出风口风流状态不能根据实际通风需求进行动态变化，造成巷道内粉尘与瓦斯聚集严重问题，通过最佳风场调控规则分析，以求有效降低粉尘质量浓度和瓦斯体积分数。采用正交试验及流场模拟实验方法分析不同截割方式下风流参数变化对风速、瓦斯及粉尘场分布影响规律，获取大量样本数据，建立风场调控参数与风速、瓦斯及粉尘质量浓度关联关系的初始化决策信息系统，并对其进行K-means算法离散化合并规约处理，建立离散化决策信息系统。基于粒计算和Matlab软件编写了风场调控规则获取的智能算法和参数化程序。利用风场调控规则获取方法和参数化程序分析并建立了陕西神木柠条塔矿S1212胶运巷道综掘工作面的最佳风场调控规则，并利用自主研制的风流调控装置进行了井下测试验证。结果表明:经使用最佳风场调控规则后，在巷道内风速在0.25~4.00 m/s及死角区域瓦斯体积分数低于1%的前提下，出风口距端面最近距离5 m时，回风侧粉尘质量浓度最高降低43%，司机处粉尘质量浓度最高降低38%;出风口距端面最远距离10 m时，回风侧粉尘质量浓度最高降低15%，司机处粉尘质量浓度最高降低37%。

• 基于WOA-ELM算法的矿井突水水源快速判别模型

  董东林, 陈昱吟, 倪林根, 李源, 覃华清, 韦仙宇,

  我国是世界上煤炭生产量和消耗量最大的国家，但由于水文地质条件复杂，在煤矿生产过程中煤层顶底板突水事故频发，常常造成严重的经济损失和人员伤亡，快速精准地判别水害来源是矿井突水水害防治的关键步骤。基于河北开滦赵各庄矿的67个水样实测数据，将Na+，Ca2+，Mg2+，Cl-，SO2-4，HCO-3六种离子的物质的量浓度作为输入项，突水水源类型为其输出项，应用鲸鱼优化算法(WOA)改进极限学习机(ELM)形成WOA-ELM判别模型实现突水水源判别。研究结果表明:以往的单一极限学习机具有稳定性差的缺点，采用鲸鱼算法对其权值和阈值进行迭代寻优，通过环形包围、气幕袭击、随机搜索3种方式的鲸鱼优化算法对最优参数进行搜索，收敛速度快、全局搜索能力强。根据座头鲸捕食行为建立的数学模型，由于猎物(突水)位置不确定，WOA算法首先假设当前的最佳候选解是目标猎物位置或最靠近猎物的位置，然后通过随机产生向量A和概率p来决定鲸鱼更新位置的方式。当|A|＞1时随机搜索猎物;当|A|＜1时，以0.5为分界点，p＜0.5选择环形包围模式，p＞0.5则通过螺旋运动来更新位置。依据最低适应度值得到最优个体的位置，最终将输出的42个最优权值和阈值赋给ELM模型，对待测样本进行判别。通过对比，WOA-ELM判别模型在矿井突水水源识别中的准确率高达95%以上，与单一ELM模型相比，准确率提升了15%左右。与支持向量机模型、粒子群优化的极限学习机(PSO-ELM)模型以及灰狼优化算法改进的极限学习机(GWO-ELM)模型等相比，该模型具有更快的收敛速度与更高的精度，稳定性和泛化能力也均得到提升。

• 生物成气中离子和微量元素变化特征及健康风险评价

  武俐, 王海坡, 李鹏, 赵同谦, 曹斌,

  向煤层中添加微生物群落和营养物质可产出甲烷，微生物在利用煤和营养物质进行成气时，典型离子与微量元素的质量浓度变化关系到周围环境安全性。为研究煤生物成气过程中液相微量元素的变化特征，选取河南平顶山、河南义马和山西长治3个地区的煤样，开展模拟生物成气实验研究。利用离子色谱和电感耦合等离子质谱(ICP-MS)对成气过程中液相的Na+，NH+4，K+，Cl-，PO3-4等常量离子与V，Cr，Mn，Co，Ni，Cu，Zn，As，Se，Ag，Cd，Sb，Ba，Ti，Pb等金属元素的质量浓度进行测定。结果表明，成气过程液相中，常量离子的质量浓度随产气时间的增加基本保持稳定，微量元素的变化与产气过程有很强的相关性，成气过程中V，Ag和Cd未检出，而As，Ba，Co，Ni和Pb等微量元素的质量浓度均随产气时间的增加而升高，Pb，Se和Ti质量浓度的变化与煤样有关。Ba质量浓度最高，为23.88~144.79 μg/L，As，Cu质量浓度分别为588~25.07，5.47~14.17 μg/L，其他金属元素质量浓度较低。煤粉浸泡前10 d，溶液中Ba，Cu，Ni和Se的质量浓度逐渐升高，需特别关注。健康风险评价结果表明，非致癌物质Pb，Ni，Cu和Ba的风险范围在4.37×10-12~1.48×10-9，远小于非致癌风险阈值1，其中，Cu的非致癌风险高于其他3种金属;致癌物As的风险范围在4.61×10-5~1.96×10-4，均超过了致癌风险阈值1×10-6，表明As是煤生物成气过程中对健康危害最大的潜在污染物质，应引起高度关注。

• 考虑多因素的页岩气吸附模型———以川东南五峰组—龙马溪组页岩为例

  李爱芬, 韩文成, 孙海, ASADULLAH, Memon,

  甲烷在页岩中的吸附同时受页岩本体物理性质和外部储存条件的综合影响，为了建立考虑多种因素影响的页岩气吸附模型，以川东南五峰组—龙马溪组页岩为例，开展了不同总有机碳含量(TOC含量)的页岩在多个不同温度、不同含水率下对甲烷的吸附实验，采用Langmuir吸附模型对吸附数据进行了拟合，分析了饱和吸附量及Langmuir压力分别与温度、TOC含量及含水率的定量关系，最终建立了考虑温度、压力、TOC含量及含水率综合影响的多因素页岩气吸附模型，并通过与实测吸附数据对比验证了该模型的准确性。结果表明:Langmuir模型能很好的拟合五峰组—龙马溪组页岩在不同特定条件下的吸附数据，拟合精度较高，决定系数R2介于0.972 8~0.998 2。饱和吸附量与TOC含量呈正线性相关，与温度及含水率呈线性负相关。Langmuir压力与TOC含量呈线性负相关，与温度及含水率呈线性正相关。30 ℃下TOC含量为4.17%的页岩干样吸附量比TOC含量为2.95%的页岩干样吸附量高约39%。当温度由30 ℃增至80 ℃时，TOC含量为4.17%的页岩干样其饱和吸附量降低约306%。对于TOC含量为366%的含水页岩，当含水率由0增至42%时，30 ℃和60 ℃下页岩气的饱和吸附量分别降低了23.1%和11.4%。基于Langmuir模型建立的考虑多因素的吸附模型能准确的计算不同TOC含量、不同温度及不同含水情况下的页岩气吸附量。经与2组实测吸附数据对比验证，整个实验压力范围内的相对误差均小于6%，平均误差分别为3.67%和2.48%。经采用其他文献中不同物性的页岩吸附数据验证，表明多因素吸附模型对不同页岩有很好的适用性。

• 鄂西地区五峰组—龙马溪组岩石相与页岩气富集关系分析———以鄂红地1 井为例

  何伟, 陈杨, 雷玉雪, 钱程, 陈科, 林拓, 宋腾,

  鄂西地区页岩气勘探起步较晚，现阶段成果显示该区具有较好的页岩气勘探开发前景，尤其是五峰组—龙马溪组页岩受到诸多关注，但关于该区的岩石相划分和岩石相与页岩富集关系的研究还未系统开展。目前，涪陵气田和威远—长宁国家示范区的成功商业化显示龙一段为勘探开发潜力最大的层段，通过对鄂西地区地质调查井(鄂红地1井)龙一段岩石相开展定量划分，旨在揭示该区不同时期五峰组—龙马溪组岩石相特征，从而为优质页岩分布预测提供科学依据。采用系统取芯、岩芯观察、笔石生物地层划分、相划分等方法，结合TOC含量、主微量元素、矿物成分、氩离子抛光、含气性测试等系统测试和分析，主要进行了2个方面的研究:① 从岩性、岩矿、地化、古生物、电性等方面入手，将龙一段划分为浅水陆棚和深水陆棚相，然后利用TOC含量、石英、黏土矿物和笔石4个参数对鄂红地1井龙一段的岩性进行定量分级，将龙一段页岩进一步划分为8类岩石相。其中，富碳富硅富笔石硅质页岩、富碳富硅富笔石放射虫硅质页岩相为最有利岩石相，为页岩气勘探开发的最有利层段。② 探讨了不同岩石相与微量元素、储集空间和含气量之间的关系。岩石相通过有机质丰度和矿物组分控制了页岩气富集，其中，富碳富硅富笔石硅质页岩和富碳富硅富笔石放射虫硅质页岩相对页岩气藏含气量影响最大。

• 高阳炼焦煤碳、氧结构研究与光谱学表征

  葛涛, WANG Meng, 李芬, 闵凡飞, 张明旭,

  通过对山西高阳炼焦煤煤质分析及13C 交叉极化/魔角旋转-核磁共振(13C CP/MAS-NMR)、傅里叶红外光谱(FTIR)、X射线光电子能谱(XPS)的联合解析，获取煤中芳香结构、脂肪结构、羟基基团、含氧官能团结构特征，以及芳碳率、芳氢率、芳核平均结构尺寸(Xb)等煤结构单元基本参数。研究结果表明，高阳炼焦煤中芳碳率为0.73~0.77，芳核平均结构尺寸Xb为0.43。苯环五取代、苯环四取代和苯环三取代是高阳煤中主要的芳香烃结构，占比分别为41.42%，30.65%和19.82%。亚甲基是高阳煤中最主要的脂肪烃结构，占比达到41.85%，甲基和次甲基含量分别为29.86%，28.29%，说明煤中含有较多的烷基侧链和环状脂肪烃。羰基和酚羟基是煤中最主要的含氧官能团，与芳环上π电子形成的羟基 π 氢键占煤中羟基结构的73.20%。在芳香烃碳原子个数为118的高阳炼焦煤分子模型中，脂肪烃碳原子个数为25~32，其中，甲基碳、亚甲基碳、次甲基碳、羰基和羧基的个数分别为7~8,9~11,6~8,5。氧原子个数为7，其中，羰基和酚羟基为6个，醚氧键和有机硫中的砜或者亚砜结构共用1个氧原子。构建高阳炼焦煤精准大分子模型需要更多的碳、氧原子个数，因此，必须对煤中硫、氮等杂原子结构做进一步的分析。

• 内外二次风量比对逆喷旋流燃烧器特性的影响

  贾楠, 牛芳, 王鹏涛, 王乃继, 周建明, 郭飞, 王建朋,

  逆喷旋流燃烧器是一种同时将逆向射流稳燃技术和旋流稳燃技术耦合的适用于烟煤的低氮燃烧器，具有良好的节能减排效果，但是，目前该燃烧器的稳燃机理研究不深入限制了其进一步推广应用。其中内外二次风量比、逆向一次风率、旋流强度等是影响逆喷旋流燃烧器基本性能的关键因素。为了探究不同内外二次风量比对该燃烧器流场特性和燃烧特性的影响，通过等温模化原理，建立与原14 MW逆喷旋流燃烧器比例为1∶2的燃烧器模型，使用飘带网格方法测量了耦合回流区边界，使用Dantec Multichannel热线风速仪测量了平均速度分布和RMS(Root-Mean-Square)速度分布，根据耦合回流区边界和平均速度计算得出相对回流率，然后在燃用神府东胜烟煤的14 MW逆喷旋流燃烧器上使用Testo 340烟气分析仪测量了预燃锥内沿程气体中NOx质量浓度和O2体积分数分布。试验结果表明:随着内外二次风量比增加，耦合回流区的面积增大，长度不变，最大直径从0.67 D 增加到0.87 D,相对回流率峰值从0.83增加到1.23，测量截面b的O2体积分数增大，靠近预燃锥壁面附近NOx质量浓度降低;在0.3≤X/D≤0.8的耦合回流区内平均速度较低但是湍动强烈，内外二次风量比2∶5在截面X/D=0.8附近脉动速度峰值达到最大,内外二次风量比10∶23和内外二次风量比10∶28均在截面X/D=0.75附近火焰稳定且强度较高，因此从流场特性和燃烧特性2个角度均表明，耦合回流区内0.3≤X/D≤0.8的区域起到稳定火焰的作用;靠近预燃锥壁面附近形成一个高速低湍流的空气保护层，且该区域O2体积分数均大于7%，有利于防止壁面出现高温腐蚀现象。

• 气流床气化炉辐射废锅内灰渣的力学性能实验研究

  邵琳涛, 刘崇国, 江灿成, 夏至文, 周志军, 匡建平, 杨卫娟,

  气流床气化炉辐射废锅中易发生的积灰结渣现象会导致传热效率和生产能力的降低。灰渣特性中的力学性能反映了渣的黏合强度和脱除难易程度，是认识积灰结渣现象、有效除灰的基础，但针对辐射废锅中灰渣的力学性能研究较少。以某气化炉辐射废锅中不同位置实际渣块(停炉后取样的水冷壁渣和底部渣)和飞灰烧结渣为对象，实验研究了其化学组成、晶体矿物组成、熔融温度、样貌特征以及力学性能等特性。结果表明，辐射废锅水冷壁渣灰熔点更高，并含有更多钙铝晶体矿物;辐射废锅底部渣和飞灰烧结渣灰熔点较低并含有更多方解石晶体，其中飞灰烧结渣富集K和Na元素，非晶态物质较多。水冷壁渣微观结构相对规则，主要由灰颗粒以及微小的泡沫状空穴连接组成;飞灰烧结渣则存在有较多大小不一的空泡，且烧结温度越高导致粘结程度增大，并产生更大体积空泡，微观表面更光滑平整。辐射废锅中不同位置渣的力学性能有较大差异，其中壁面渣的弹性模量大小在550~750 MPa，抗压强度在20~22 MPa，较废锅底部渣和烧结渣的弹性模量(7~54 MPa)和抗压强度(1.2~3.0 MPa)大很多。底部渣和烧结渣的力学性能较为接近，但仍存在着较大的离散系数(0.35~0.50)，这说明气流床气化炉辐射废锅中渣块力学性能变化范围大，与当地成渣温度、成渣细颗粒组分、熔融特性和孔隙率等性质密切相关。

• 长期不同施肥复垦土壤大团聚体中各有机碳组分的变化特征

  曹寒冰, 谢钧宇, 洪坚平,

  研究采煤塌陷区复垦土壤大团聚体中各有机碳组分的变化特征对不同施肥措施的响应，从而更好地理解土壤有机碳固持机制，并为该区域改善土壤质量、提升土壤肥力提供科学依据。通过采集复垦6 a定位试验不同施肥处理0~20 cm土层土样，采用物理分组法，分析土壤大团聚体中各有机碳组分(粗颗粒有机碳(cPOC)、细颗粒有机碳(fPOC)、大团聚体中微团聚体内颗粒有机碳(iPOC)以及矿质结合态有机碳(MOC)组分)的变化特征及其与土壤有机碳之间的关系。试验包括不施肥(CK)、施化肥(NPK)、单施有机肥(M)以及有机无机肥配施(MNPK)4个处理。研究结果表明，同CK相比，施NPK肥对大团聚体中各组分的有机碳含量均无显著影响;而M处理显著降低了MOC含量，达36.45%;MNPK处理显著提高了cPOC和fPOC含量，分别是CK的4倍和2倍，但是显著降低了MOC含量，达39.01%。4个组分中，仅有cPOC和fPOC含量与SOC含量呈显著正相关，说明复垦土壤有机碳首先固存于未受保护的有机碳组分中。CK,NPK,M和MNPK处理下土壤固碳速率分别为0.82,0.68,1.36和1.58 mg/(ha·a)。土壤固碳速率与年均碳投入量呈显著的线性相关关系(R2=0.58，P < 0.05)，每年约有31%的投入碳转化到土壤中。综合来看，采煤塌陷区复垦土壤仍有一定的空间固存有机碳，有机无机肥配施是提升该区域土壤有机碳含量的有效途径，增加的有机碳优先固存于未受保护的有机碳组分中。

• 蛇纹石负载羟基磷灰石对矿区地下水中氟、铁和锰的动态吸附性能

  李喜林, 于晓婉, 李磊, 王来贵, 刘思源,

  针对矿区地下水中氟、铁、锰污染超标问题，利用湿法化学共沉淀法制备蛇纹石负载羟基磷灰石(Srp/HAP)复合吸附剂，通过动态吸附试验，研究Srp/HAP对F-,Fe2+,Mn2+的同步吸附性能，考察吸附床高度、流速及进水质量浓度对穿透过程的影响。采用Adams-Bohart,Thomas模型拟合和SEM,EDS,XRD,BET,FT-IR等微观表征，分析Srp/HAP对F-,Fe2+,Mn2+的吸附机理。结果表明，制备的Srp/HAP复合吸附剂颗粒紧实，既有Srp表面的片状卷曲结构，又解决了HAP表面团聚问题，负载后颗粒的比表面积、孔容均有明显增加，具有较好的表面孔隙结构，有利于氟、铁、锰的同步吸附去除。吸附柱吸附总量随床柱传质区高度的增加和3种离子初始质量浓度的升高而增加;在进水流速为4 mL/min时动态柱对离子的动态吸附容量最高，流速过大和过小都不利于复合吸附剂的动态吸附;在吸附剂填充高度15 cm，进水流速为4 mL/min时，动态柱对初始质量浓度分别为5,20和5 mg/L的F-,Fe2+,Mn2+的最大动态吸附容量分别为1.567,7.008和1.615 mg/g。采用Thomas模型能较好描述Srp/HAP对F-,Fe2+,Mn2+的吸附动力学特征。微观分析表明，吸附过程既有表面物理吸附，也有化学吸附，化学吸附主要表现为离子交换和表面络合作用。F-部分取代HAP中的OH-，Fe2+和Mn2+则取代Srp中的Mg2+，使得F-,Fe2+,Mn2+在复合颗粒表面的赋存状态主要以Fe3Si2(OH)4O5,Mn3Si2(OH)4O5,Ca5(PO4)3F化合物存在，另外HAP晶体表面的PO3-4与Fe2+和Mn2+也可能发生络合作用。蛇纹石负载羟基磷灰石复合颗粒可作为矿区处理含氟、铁、锰离子地下水的优良吸附剂。