煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第4期

• 低阶煤催化加氢转化研究进展

  赵云鹏, 吴法鹏, 司兴刚, 赵薇, 高寒冰, 康国俊, 曹景沛, 魏贤勇,

  低阶煤有机质缩合程度低，富含桥键和侧链，H/C和挥发分高，具有较高的化学反应性。催化加氢转化是从低阶煤中获取液体燃料和化学品的有效途径之一。然而，低阶煤氧含量和水含量高，在加氢转化过程中会增加氢耗和能耗，不利于油类的生成，且给产物分离带来困难。此外，催化加氢转化通常在高温高压条件下进行，产品组成复杂且重质化程度高，导致成本高但收益低。如何优化反应体系，进而提高低阶煤转化率和液体产物收率，是低阶煤催化加氢转化亟待解决的问题。催化剂是低阶煤催化加氢转化的核心，发挥着活化氢气、促进加氢转化和脱除杂原子的作用，直接决定反应体系苛刻程度和产物品质。反应条件作为反应体系另一组成要素，既可控制煤中共价键断裂速率及活性氢生成与转移，又能抑制缩聚反应，进而影响催化剂性能和产物组成分布。此外，预处理可以改变煤物理结构与化学活性，从而影响低阶煤催化加氢转化特性。本文综述了反应条件（温度、溶剂、气氛和压力）与预处理方法（热预处理、溶胀预处理、萃取预处理以及水热预处理）对低阶煤催化加氢转化或直接液化影响的研究进展，以及主要的低阶煤加氢转化催化剂，提出了下一步低阶煤加氢转化的研究方向，旨在启发研究者设计更高效的低阶煤加氢转化反应体系。

• 褐煤加氢反应中氧的分布、迁移与转化规律

  李旺, 冯杰, 冯敏敏, 王兴宝, 李文英,

  褐煤中较高的氧元素质量分数在加氢反应过程中极易生成水，从而增加了单位目标产物生成过程中的氢耗。反之，若将氧元素以酚羟基的形式保留在油品中，辅之以提酚工艺可将褐煤中的氧元素得到高值化利用。为了提高褐煤中O元素在液体产物中有机化合物的质量分数，在实验分析的基础上，将褐煤加氢反应过程分为3个阶段，以氧元素物料衡算为约束，通过定量分析各阶段加氢反应产物中含氧官能团摩尔质量浓度变化，揭示了褐煤中氧的热转化规律。第1阶段，氧元素的迁移方向为从四氢呋喃不溶物(THFI)转移至H2O和CO2，相应温度范围为室温~400 ℃;第2阶段，沥青质与前沥青质(PAA)和四氢呋喃不溶物中的氧元素主要迁移至正己烷可溶物和H2O中，同时，该阶段正己烷可溶物中酚类氧出现峰值，对应的温度区间为400~450 ℃，并在450 ℃保持30 min;第3阶段，随着液化反应过程持续，氧元素迁移方向转变为由正己烷可溶物转移至沥青质与前沥青质以及四氢呋喃不溶物。同时，由于发生了明显的缩聚反应，正己烷可溶物中的酚类化合物产率逐渐减少，此阶段对应的温度为450 ℃下保持30~60 min。通过上述3个阶段产物中含氧量分析，表明褐煤加氢反应产物中含氧官能团赋存形式不仅受化学环境影响，而且与反应条件直接相关。基于对含氧官能团的定性定量分析结果，褐煤中含氧官能团在加氢反应热转化过程中变化规律的揭示，将有助于对煤直接液化反应过程中化学问题的认识和理解。

• SiO2包覆对Ni2P/Al2O3催化剂结构和萘加氢性能的影响

  荆洁颖, 李泽, 杨志奋, 王九占, 刘道诚, 李文英,

  煤焦油中萘系烃类化合物通过加氢转化为氢化芳烃或环烷烃可显著增强喷气燃料的热安定性，该加氢过程实现的关键在于如何有效研制高选择性芳烃加氢催化剂。针对商业用金属硫化物催化剂尚不足以控制芳烃加氢选择性的问题，Ni2P催化剂因其具有特殊的晶体形貌和电子结构表现出很高的本征加氢活性，有望成为新一代高效芳烃加氢催化剂。但由于非负载型Ni2P催化剂存在比表面积小、活性相分散度、机械强度及散热性不佳的问题，研究者大多借助载体的高比表面积分散活性组分，而不同载体对Ni2P的生成、分散度和催化剂的活性都有着重要影响。因此，采用次磷酸盐歧化法制备了不同SiO2包覆量的Ni2P/Al2O3催化剂(Cat-xSi)以期调变前驱体中镍物种、催化剂中Ni2P与载体之间的相互作用，使得在适宜的载体与金属相互作用下生成更多Ni2P物种并实现更高的分散，同时系统考察了SiO2包覆对Ni2P/Al2O3催化剂结构和萘加氢性能的影响。结果表明:当反应温度为340 ℃，氢气压力为4 MPa，氢油比(反应原料中氢气与3%(质量分数)萘/四氢萘的正癸烷溶液的体积比)为600，重时空速为20.8 h-1时，所有SiO2包覆的Cat-xSi催化剂萘转化率(>65%)均高于未包覆SiO2的催化剂(萘转化率56%)，其中，Cat-16.0Si催化剂的萘转化率为72%，这是因为Cat-16.0Si催化剂中更小的Ni2P颗粒(4.0 nm)和更多的Ni2P数量使得催化剂中暴露出更多活性位点(CO吸附量为26.8 μmol/g)，而稳定存在的缺电子程度更高的Niδ+及催化剂表面更多的B酸位点进一步促进了芳烃的吸附。

• 新疆淖毛湖煤直接液化富产芳烃的催化加氢过程

  赵鹏, 刘敏, 李文博,

  为提升煤直接液化油品的附加值，凸显其高芳烃的结构优势，以新疆淖毛湖煤(NMH)和循环溶剂为原料，利用2 L高压釜研究了NMH煤加氢液化富产芳烃的过程调控和催化剂调控规律，借助1H-NMR进行了不同催化体系中馏程<150 ℃轻质油的芳香结构特征比对分析，借助傅里叶红外(FTIR)和热重(TG)研究了不同催化体系中间产物沥青质(PAA)芳香分子结构的改变，借助XRD，饱和磁化强度和扫描电镜对四氢呋喃不溶物(THFI)形貌，铁的晶型和磁性能进行了解析，分别探究了铁系催化剂在煤液化条件下的相变过程对NMH煤轻质转化影响。结果表明，420 ℃，17 MPa和 60 min 是NMH煤加氢液化富产芳烃的最优工艺参数，适宜的反应温度和停留时间能够降低沥青质(PAA)的缩聚和液化油的过度加氢，有利于馏程<150 ℃轻质油的生成，反应压力的提升有利于PAA的轻质转化，但对馏程<150 ℃轻质油的生成影响不大。传统催化剂的活性态Fe7S8在煤直接液化初期发挥了催化作用，加氢液化后期，Fe7S8活性态逐步向Fe9S10和FeS非活性态转变。与传统铁系催化剂相比，复合型催化剂在加氢液化过程中降低了Fe7S8活性态向非活性态的转化程度，显著促进煤和PAA的轻质转化，馏程<150 ℃轻质油产率提高了25.64%，具有更多的芳香分子结构，芳潜提升明显。采用复合型催化剂进行过程调控研究，初步形成煤直接液化富产芳烃的工艺基础。

• Ni，Pd，Pt负载α-MoC催化水煤气变换反应理论

  史肖, 邹雪燕, 黄伟, 左志军,

  氢能因清洁高效、可再生等优点，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源。水煤气变换反应是工业上常用的反应，在将CO废气回收利用的同时也是一种重要的制氢手段，具有治理环境和节能减排的双重优点。α-MoC作为一种催化载体，显示出优异的特性。Pd,Ni,Pt基催化剂是水煤气变换反应常用的催化剂。为了进一步了解α-MoC载体在水煤气变换反应中的作用和其负载不同金属时的催化性能，密度泛函理论和动力学蒙特卡洛方法考察了Ni4/α-MoC(111)，Pd4/α-MoC(111)和Pt4/α-MoC(111)上的反应机理和活性。研究结果显示，在Ni4/α-MoC(111)和Pd4/α-MoC(111)，水煤气变换反应为氧化还原路径:CO直接与H2O分解产生的氧结合，生成CO2;在Pt4/α-MoC(111)催化剂上，水煤气变换反应通过羧酸盐路径发生:CO与H2O分解产生的羟基结合，生成羧酸盐中间体，最后分解成CO2。Ni4/α-MoC(111)和Pd4/α-MoC(111)催化剂上水煤气变换反应的能垒较高，因此催化剂活性和H2的转换频率较低。Pt4/α-MoC(111)催化剂上，由于CO的强稳定性导致活性位点被其覆盖，反应活性较低;随着反应温度的升高，CO的脱附能降低，催化活性随之增高。总体来说，标准大气压下，反应温度在400~500 K内，H2O与CO的物质的量之比为1时，Pt4/α-MoC (111)催化剂H2的转换频率最高。相比Pt/Al2O3和Pt/TiO2催化剂，Pt/α-MoC是最佳的水煤气变换反应催化剂。

• 含氮/硫芳香族化合物的溶剂萃取

  贝鹏志, 李文英,

  含氮/硫芳香族化合物的有效分离直接影响煤焦油下游加工工艺。绿色萃取剂离子液体(ILs)和低共熔溶剂(DESs)的出现为高效分离氮/硫芳香族化合物提供了新思路。煤焦油中的氮/硫化合物主要以杂环化合物的形式存在，虽然含硫量较低质量分数为0.1%~0.4%，含氮量高质量分数为0.6%~1.1%，但这些化合物结构特殊，如能分离出高纯度的化学品或化工产品单体，如咔唑、噻吩等，不仅可以有效提高这些化合物的利用价值，也会增加工厂生产效益。笔者在总结了ILs/DESs对油品中氮/硫芳香族化合物萃取分离的基础上，评述了ILs/DESs与待分离物之间存在的氢键以及π-π相互作用的影响。氢键作为ILs/DESs萃取分离的主要驱动力，对氮/硫化合物分离效率的提高尤为重要，影响氢键作用的主要因素有:质子给予体的酸度，质子接受体的电负性，萃取剂取代基的大小等。此外，待分离样品煤焦油本身不仅组成繁多，结构复杂，而且含氮/硫化合物主要以芳香杂环的形式存在，因此，萃取剂与待分离物质之间的π-π作用在萃取分离的过程中同样有着不可或缺的作用，影响π-π相互作用的因素主要有:萃取剂环共轭体系的存在与否，萃取剂取代基吸/供电子能力，萃取剂本身溶剂化作用，金属离子的π络合作用等。除了上述影响溶剂萃取分离效果的2个本质因素外，为了提高分离效率和获得更好的化学品收率，溶剂萃取分离过程的操作条件也应考虑，如:① 操作温度与氢键，π-π相互作用之间定量关系;② ILs和DESs与氮/硫化合物之间的分子间作用力以及芳烃对分离过程的影响如何降低;③ 真实油品中化合物组成结构复杂，既有脂肪烃、芳烃、还存在醚类、酯类、不同杂原子的芳香族化合物，它们之间相互作用复杂、干扰严重，ILs/DESs对真实油品中含氮/硫化合物的分离如何排除这些干扰。为此，溶剂萃取分离含硫氮化合物的工作可能需要借助数学模型，通过计算分析，筛选出更为合理的溶剂体系，以提高从煤焦油中直接分离氮/硫芳香族化合物的萃取效率。

• 基于可分离-选择性破坏分析方法的煤沥青有机结构研究

  王玉高, 王志磊, 申峻, 牛泽世, 牛艳霞, 魏贤勇,

  我国煤焦油沥青(CTP)产量丰富，但利用水平低下。从分子水平上研究CTP的有机结构特征是实现其高效利用的前提。然而CTP结构复杂，通过单一的直接表征手段得到的仅是CTP中各种混合组分重叠交叉的平均结果。本研究以山西某焦油加工厂生产的CTP为样品，采取可分离-选择性破坏的研究思路，从分子水平探究CTP的有机结构特征。基于溶剂溶解度参数的差异及其对CTP萃取效果，使用甲醇、环己烷和甲苯对CTP进行逐级萃取将CTP分为3个萃取物和萃余渣，并采用现代仪器分析结合钌离子催化氧化手段，对各组分进行系统表征。研究发现，逐级萃取可有效地将CTP分为可溶组分和难溶组分，并能将可溶组分进一步分离为3个族组分。从甲醇萃取物到萃余渣，芳香度逐渐增大，热稳定性依次增强。其中甲醇萃取物中含有较多的含氮化合物，环己烷和甲苯萃取物中芳香族组分含量逐渐提高，在环己烷萃取物中5环化合物的相对含量最高，而甲苯萃取物中6环化合物的相对含量最高，萃余渣则以致密的迫位缩合芳环结构为骨架，结构单元中芳环平均尺寸接近7个。各组分通过分子间作用力构成CTP整体，可溶组分以游离或嵌入形式存在于难溶组分的大分子芳环骨架中。通过萃取作用，溶剂逐级破坏这些作用力，将可溶组分带走，而留下表面有较多凹陷和孔的萃余渣。

• 芴两步法合成9-芴甲醇在蒽渣提取分离菲中的应用

  郭美鑫, 叶翠平, 师田田, 梁美生,

  来自高温煤焦油的蒽渣富含菲和芴等高附加值成分，是典型工业有机固体废弃物。菲和芴是重要的化工中间体，在光电材料、医药、农药等领域具有广泛应用，由于菲与芴性质相近，采用常规分离方法很难实现有效提取。利用芴两步法合成9-芴甲醇的中间产物9-芴甲醛与菲的溶解性差异，采用反应-分离耦合技术，实现菲提取的同时可联产高附加值的9-芴甲醇。实验以芴为原料，在碱催化下，先将芴转化为9-芴甲醛，再还原成9-芴甲醇。考察了酰基化试剂、还原剂、助剂种类以及反应物配比、温度、时间等对反应的影响。结果表明:酰基化阶段采用一段式温度反应，以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂，质量分数20%乙醇钠-乙醇溶液为催化剂、甲酸乙酯为酰基化试剂，芴可高效转化为9-芴甲醛;还原阶段无需转换溶剂，以NaBH4为还原剂，加入可溶性无机金属盐助剂，如BaCl2或CaCl2等，可提高NaBH4的还原能力及产物的选择性，9-芴甲醇的选择性和收率可达100%。其他组分菲、蒽和咔唑不参与芴的反应，可在反应过程中实现与芴的分离。以芴与菲模型混合物为原料，经反应-分离后，菲的纯度为96.90%，收率为98.95%;9-芴甲醇纯度97.68%，收率最高可达91.58%。以蒽渣为原料，由于其他组分在预处理过程中积累，最终得到的菲与9-芴甲醇的纯度分别为83.88%和94.35%，收率分别为64.46%和89.49%。

• 基于化学族组成的煤化学研究体系构建及其应用

  田原宇, 谢克昌, 乔英云, 田斌,

  针对170多年来按照物理相似性、以显微组分为基础的传统煤化学研究方法普适性差和近70 a来借助现代分析仪器和量子化学计算得到的煤大分子结构模型无法解析煤结构和反应性的关联性的核心问题，提出表征可溶化程度的相对抽提率概念，构建了基于环己酮和CS2-NMP复合溶剂分步抽提煤的普适性可溶化体系，按照化学相似性将煤中有机物分为饱和分、芳香分，胶质、沥青质、碳青质和焦质6个化学族组分，开展不同变质程度煤化学族组分的物理化学结构、组成及其不同热解条件下的热解行为、热解特性、反应机理与动力学研究;提出煤热解反应主体由热离解的自由基主导的新观点，构建了普适性的煤热解自由基调控机理及其强化机制，并按照煤化学族组分的基元反应产生初始自由基、自由基调控和自由基复合3个阶段的反应机理合理有效地解析了煤等离子热解制乙炔过程反应历程与机理以及产物中乙炔选择性高达80%以上的现象、低阶煤快速热解提质实现焦油收率最大化的适宜条件等工业现象，从而形成了基于化学族组成的现代煤化学研究方法，实现了从分子水平识别、表征和描述煤的组成和物理与化学结构参数、煤中各种化学键和有害组分的存在形态，进而利用煤的化学族组成从分子水平研究煤转化过程的反应历程、反应机理和反应动力学，揭示各种煤在反应性方面的相似之处，提高煤转化过程效率、降低污染排放，为煤炭资源的高效清洁转化与利用提供借鉴。

• 生物质与重油共热解特性及气体逸出规律

  向欣宁, 张乾, 袁泉, 郝泽光, 栾春晖, 涂椿滟, 梁丽彤, 黄伟,

  生物质是一种丰富、清洁和可再生的有机燃料，生物质能的开发和利用可有效解决环境污染和能源问题。然而生物质热解油、气的热值低等问题抑制了其开发利用。生物质与重油共热处理改变了单一的生物质热解和重油加氢裂化加工模式，降低了重油加工的难度，一定程度上改善生物质热解油、气热值低等问题。采用热重-质谱联用技术对生物质(玉米杆)和重油(FCC油浆)的单独热解和不同掺混比例下混合样品共热解特性进行研究。通过将混合样品共热解的实验失重率与理论失重率进行比较，研究玉米杆与FCC油浆共热解的相互作用特性。结果表明，玉米杆与FCC油浆主反应温区较为接近，均在200~400 ℃发生明显失重，但二者发生的反应类型并不相同。玉米杆主要发生热裂解反应，伴随着大量H2，CH4，CO，CO2，H2O(g)等小分子的逸出。而FCC油浆更多是发生挥发或蒸馏反应，仅在温度高于400 ℃时发生热裂解缩聚成焦反应，并伴随着少量CH4气体的逸出。玉米杆与FCC油浆共热解的实验曲线与理论曲线基本一致，并未有突变现象发生，但在热解主反应区(＜400 ℃)存在相互作用，且随玉米杆比例增加，相互作用增强，而在焦结构演变区，混合样品之间的相互作用较弱。结合在线质谱分析，共热解过程中气体逸出随玉米杆添加量的增加而规律性增加，说明生物质与FCC油浆共热解过程中相互作用所产生的改变较为温和。通过玉米杆灰与FCC油浆共热解实验验证发现，玉米杆灰具有促进FCC油浆热解的效果，而FCC油浆与脱灰玉米杆共热解则几乎没有相互作用。

• 铁助剂对长焰煤“热解-燃烧”过程中的减氮脱硝作用

  阎志中, 张凯霞, 刘月华, 刘守军, 杨颂, 杜文广,

  煤燃烧产生大量氮氧化物(NOx)对生态环境破坏严重，而民用散煤燃烧排放的NOx是燃煤发电排放的一倍。因此，研究民用散烧NOx排放控制意义重大。基于此，提出对原煤经干馏制备民用洁净燃料，借助“热解减氮+燃烧脱硝”2步耦合机制，实现洁净燃料直燃过程NOx的超低排放。具体研究内容:在管式炉中将煤与金属助剂(FeCl3)先经热解制备洁净燃料，再考察洁净燃料燃烧实验过程NOx排放情况。系统研究铁负载比、热解温度、燃烧温度等因素对氮在“热解-燃烧”过程的迁移规律，并对铁助剂的作用机理进行探讨。结果表明:铁助剂的负载比为0.5%，热解温度为1 000 ℃时氮脱除效果最佳，氮脱除率为93.6%。高温热解后的焦炭中铁主要以Fe2O3，Fe3O4，α-Fe形态存在，这些铁物相能够催化更多的含氮化合物转化为无污染的N2;同时，温度的升高也有利于洁净燃料燃烧过程NOx的脱除，在燃烧温度为1 000 ℃时，助剂负载比为0.5%时，NOx排放的质量浓度为116.68 mg/cm3，相比原煤燃烧NOx排放减少了46.7%。燃烧过程形成的Fe2O3对NOx与CO，C的还原反应有一定的催化作用，可以催化燃烧过程形成的NO转化为N2。铁助剂的进一步引入，借助“热解减氮-燃烧脱硝”的机制，实现了洁净燃料燃烧NOx超低排放的效果。

• 气化渣水介重选及其分离炭制备脱硫脱硝活性焦试验研究

  任振玚, 井云环, 樊盼盼, 高艳春, 王建成, 董连平, 鲍卫仁, 樊民强, 常丽萍,

  对国家能源集团宁夏煤业有限责任公司GSP干粉气化炉产生的气化细渣进行了粒度组成、密度组成等基本物性分析，利用复锥结构水介旋流器对其进行了水介质重力分选，以产品灰分、产率、碳分布率为评价指标，对前期条件试验获得的结构参数和操作参数的优选组合，通过水介质重力分选一次分选得到了富碳产品、高灰产品和富灰产品3种分质产品。富碳产品产率占入料8.37%、灰分12.69%，与原渣相比，碳含量提高了51.62%;富灰产品产率24.36%，灰分95.68%;富碳产品和高灰产品合计碳回收率达到97.09%，实现了残炭与灰的高效分离与富集。从产品视密度差异和可选性差异验证了水介质重力分选的可行性。对原样及3种分质产品分别进行SEM-EDS能谱分析、BET孔结构分析、XRD测试等。富碳产品多为不规则多孔絮状物，具有较高的比表面积和孔体积，总比表面积287.82 m2/g，微孔比表面积为155.89 m2/g，具备制备活性焦的潜质。以富碳产品为原料，通过添加固定配比的焦煤、长焰煤、焦油、沥青等原料，基于前期不同煤种的配比方案及热解过程中的相互作用机理，采用配煤法在富碳产品掺比质量分数50%时，制得的活性焦耐磨强度达到97.00%，耐压强度498.5 N(实测值)。参考国家标准要求对制备的气化渣基活性焦进行脱硫脱硝性能评价，计算得到其脱硫值为32.63 mg/g，远高于标准要求，脱硝率为27.50%。

• 煤基石墨烯/Fe2O3自支撑电极的制备及其储锂性能

  张亚婷, 李可可, 任绍昭, 张永玲, 刘国阳, 周安宁,

  基于煤炭开发新型碳纳米材料，用于增强过渡金属氧化物电化学性能，构筑高比容量、高稳定性锂离子电池负极材料具有巨大的应用潜力。以宁夏太西无烟煤为碳质前体，采用高温石墨化-化学氧化策略制备得到煤基氧化石墨烯(CGO)，并以多孔泡沫镍为3D支撑骨架和集流体，依次以含铁的DMF/H2O混合溶液和CGO水溶液为电解液，通过二次原位电沉积技术构建了煤基石墨烯/三氧化二铁(CG/Fe2O3)自支撑复合材料。利用场发射扫描电子显微镜(FESEM)、X射线衍射仪(XRD)、拉曼光谱(Raman Spectra)等手段对产物的形貌结构和物相组成进行了表征。结果表明，DMF与H2O的体积比为1∶1时，所制备的Fe2O3自支撑材料呈鹿角状结构;CGO的质量浓度为0.1 mg/mL时，所制备的CG/Fe2O3-1复合材料呈现分级多孔自支撑结构。将CG/Fe2O3-1自支撑复合材料直接作为锂离子电池负极，在1.0 A/g大电流密度下，具有1 156 mA·h/g的高可逆容量，容量保持率达88.9%;当电流密度提升至5.0 A/g时，容量仍可保持在1 074 mA·h/g左右，展现出优异的倍率性能。电荷储存机理分析表明，CG/Fe2O3-1复合电极的电容主要源于电池充放电过程中CG产生的双电层电容以及Fe2O3氧化还原反应产生的赝电容贡献。这种出色的储锂性能归因于分级自支撑负极的宏观设计，其赋予CG/Fe2O3-1更加稳定的空间结构和通畅的Li+传输通道，能够有效改善Fe2O3充放电过程中的体积变化，加速锂化/脱锂动力学。

• 煤基碳纳米片宏观体的结构调控及电化学性能

  曾会会, 邢宝林, 徐冰, 谌伦建, 张传祥, 刘晓, 张宝庆, 孙琦, 张玉龙,

  煤炭的洁净加工与高效利用是国家实施能源发展战略的核心内容，而煤的材料化是实现其低碳高值化利用的重要途径之一。以自制煤基石墨为原料，采用液相氧化-热还原工艺制备三维层次孔煤基碳纳米片宏观体(CCNSs)，利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、低温氮气吸附仪、X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)和X射线光电子能谱(XPS)等手段表征其微观结构，并采用恒流充放电和循环伏安测试探究CCNSs用作锂离子电池负极材料的电化学性能。结果表明，煤基石墨经液相氧化-热还原处理可制备出富含多孔结构和石墨微晶片层的碳纳米片宏观体。氧化剂用量是影响CCNSs微观结构的重要因素，通过调节氧化剂的用量可实现对CCNSs中多孔结构和石墨微晶片层结构的有效调控。当氧化剂与煤基石墨的质量比为4时，CCNSs-3材料以相互交联的类石墨烯片层为主体骨架，辅以孔径为1.5~100 nm的“微孔-中孔-大孔”层次多孔结构，共同构筑成3D层次孔煤基碳纳米片宏观体，其石墨微晶含量约为38.9%，比表面积达285.6 m2/g，且含有5.47%的氧原子掺杂。在3D层次孔结构和石墨微晶片层的协同作用下，CCNSs材料用作锂离子电池负极材料表现出良好的电化学性能，在50 mA/g电流密度下的首次可逆容量最高可达917 mA·h/g(远高于传统石墨负极材料的理论容量372 mA·h/g)，在2.0 A/g大电流密度下可逆容量仍可达300 mA·h/g，经过120次循环后容量为1 047 mA·h/g，展现出优异的倍率特性和循环稳定性，是一种比较理想的锂离子电池负极材料。

• 粉煤灰合成地聚物及工艺参数的神经网络优化

  梁鼎成, 杨国明, 张香兰, 刘德钱, 刘金昌, 解强,

  合成地聚物是循环流化床锅炉粉煤灰高值化利用的有效途径，力学性能是地聚物作为建筑材料使用的重要性能指标，受粉煤灰原料和合成工艺过程诸多因素影响。采用山西朔州王坪电厂循环流化床粉煤灰，利用高分辨率扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和固体核磁共振仪(NMR)探究粉煤灰形成地聚物的演化历程和地聚反应机理，在此基础上考察主要工艺参数对地聚物力学性能的影响，并借助多层前馈神经网络对制备条件进行优化。结果表明，粉煤灰中无定形的硅铝化合物在激发剂的作用下形成硅、铝单体，单体再经水解、缩聚及凝胶化反应聚合为地聚物凝胶，凝胶间相互结合形成更大的凝胶体，此后向凝胶失水、硬化阶段转变，最终生成地聚物，构成地聚物的主要化学键为Si—O—Al。增加激发剂模数、减少液固比、提高激发剂中Na2O质量分数、降低养护温度等能够增加地聚物凝胶质量分数，从而提升力学性能;养护时间和搅拌时间过长，不利于产物力学性能的提升。基于脱模后常温养护7 d的地聚物实验数据，构建了结构为6-8-1的力学性能预测模型、进行神经网络优化，模型具有较好的训练精度和泛化能力，训练误差和测试误差分别为0.98%和3.85%。以高力学性能地聚物为目标，得到的优化工艺参数为激发剂模数1.6、液固比0.8、Na2O质量分数9%、养护温度20 ℃、养护时间24 h、搅拌时间20 min。

• 加卸载条件下煤样应变与渗透性的演化特征

  祝捷, 王琪, 唐俊, 陈霁月, 姜耀东, 唐迪, 兰天翔,

  随着开采深度的增大，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井，相继发生冲击地压或兼具冲击地压和煤与瓦斯突出特征的煤岩瓦斯复合动力灾害。在煤层开采过程中，采煤工作面前方煤体垂直应力陡增、水平应力卸除。煤层高瓦斯内能与煤岩系统地应力、支承压力的叠加为煤岩复合动力灾害的发生提供了力学条件。因此，为了研究气体压力和采动应力对煤岩变形和瓦斯流动状态的影响机制，利用煤岩变形-渗透率同步测试系统，采用轴向加载、径向卸载的加卸载实验方案模拟开采过程中支承压力和水平应力的变化特征，观测了煤样在不同气体压力下加卸载过程中的应变和气体流量。实验结果表明:加卸载初期差应力较低，煤样以压缩变形为主，其内部裂隙闭合，透气性降低;当差应力达到某一值时，相继出现气体流量由降低转为升高的拐点和扩容现象;扩容之后煤样产生塑性变形，其透气性进一步增大，更多气体从煤样中析出。大部分实验煤样发生扩容之前出现气体流量拐点，可见扩容之前，煤样内部的微裂缝已经开始延伸或者扩展。随着气体压力的升高，扩容起始点和气体流量拐点对应的差应力降低，因此高瓦斯压力会导致采动影响下煤体内部微裂缝扩展的应力门槛降低。气体压力较高(2.0 MPa)时，煤样扩容起始点和气体流量拐点对应的应力差平均值仅相差0.102 MPa，扩容起始点和气体流量拐点几乎同时出现。由此可知:高瓦斯煤岩体在采动应力影响下，蓄能的弹性变形区极有可能在瓦斯气体还未大量析出时，迅速转变为耗能的塑性变形区。一旦煤岩变形系统失稳，弹性变形区煤岩与瓦斯可同时释放能量，显现复合动力灾害的破坏特征。

• 工作面顺序接续下综放沿空掘巷窄煤柱稳定性控制

  张洪伟, 万志军, 张源, 滕腾, 陈宇龙, 魏泽捷,

  为解决窄煤柱沿空侧因支护失效导致的侧向约束弱化问题，提出了基于上区段端头垮落煤岩体注浆充填/加固的窄煤柱稳定性控制方法。通过施工穿透煤柱的钻孔，窥视了鲍店煤矿6302综放工作面窄煤柱沿空侧煤岩体垮落堆积状态，直接摄像观测了工作面端头区煤岩体垮落堆积过程，分析了巷旁注浆加固的可行性。根据注浆加固前后煤柱的受力环境，建立了窄煤柱双面侧限(注浆前)及三面侧限(注浆后)的力学模型，并开展了窄煤柱承载力恢复实验，揭示了其承载力恢复机制。研究结果表明:① 由于工作面端头不放煤或少放煤，窄煤柱沿空侧基本被上区段端头垮落的煤岩体及巷道坠落的破碎顶煤充填严实，以垮落煤岩体为骨料进行注浆充填具备可行性。② 可以通过双面侧限转三面侧限的方式模拟巷旁注浆充填条件下的窄煤柱承载力恢复效果。在煤柱压缩过程中，注浆加固体与煤柱表面需要一定的着力时间才能紧密接触;紧密接触后，在充填体的侧向约束下，煤柱整体承载力稳步提高。③ 在双面侧限轴向压缩条件下，窄煤柱表现出“人”字形剪切破坏;注浆加固后，煤柱由原来对称的“人”字形剪切破坏转变为向自由面扩容的破坏形式，煤柱趋于稳定。④ 对垮落煤岩体注浆后，理想条件下可使煤柱残余承载能力提高30%左右。现场工程显示，侧向注浆加固后的窄煤柱整体比较完整，得到了有效的控制，虽然窄煤柱裂隙比较发育，但是由于巷旁充填体同时具备堵漏风的作用，在开采过程中并未发现采空区发火等现象。

• 窄柔模墙体沿空留巷围岩偏应力演化与控制

  王俊峰, 王恩, 陈冬冬, 张晴, 陈平, 董智宇, 闫志强, 肖海滨,

  为研究柔模混凝土巷旁充填下沿空留巷围岩偏应力的分布与演化规律，以山西吕梁贺西煤矿3301工作面沿空留巷为工程背景，采用实验室试验的方法确定了沿空留巷巷旁混凝土充填材料的单轴抗压强度，通过现场调研、理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法研究了本工作面回采过程中沿空留巷围岩偏应力和塑性区的分布及其演化规律，揭示了工作面回采扰动下沿空留巷围岩的非对称变形破坏机制。数值模拟研究结果表明:随着工作面不断向前推进，沿空留巷围岩偏应力以对称椭圆→非对称圆→窄“条带状”→宽“条带状”的形态进行演化，其塑性区呈现分区域扩展的动态响应特征，从而确定了超前与滞后采动区顶板、底板与两帮的影响距离;非对称分布的“条带状”偏应力峰值带呈现出由回采侧向实体煤侧偏转演化的趋势。基于工作面回采过程中沿空留巷围岩偏应力与塑性区的分布及演化规律，将沿空留巷围岩以偏应力峰值带与塑性区轮廓线为边界划分为2个区域，按围岩支护不同又将留巷围岩划分为实体煤帮A区、留巷顶板B区和柔模混凝土墙体C区，提出沿空留巷窄柔模墙体拉筋配合铁板加固辅以单体支柱护墙+巷内强力双排单体支柱+实体煤帮与顶板高强高预紧力非对称锚杆索的分区非对称耦合控制技术。现场工程实践表明，沿空留巷围岩控制效果良好。

• 深部厚硬顶板下充填面留巷大变形分析及控制

  苗凯军, 屠世浩, 刘迅, 纪欣卓,

  为控制深部充填开采的沿空留巷大变形，以山东某采选充一体化矿井充填工作面留巷为工程背景。综合运用理论分析、数值模拟和现场实测的方法。分析了沿空留巷大变形的影响因素，建立了厚硬顶板下充填开采沿空留巷结构力学模型，结合等价采高原理得出了厚硬顶板充填面充实率与留巷顶板下沉量之间的关系，并据此提出了留巷大变形的控制对策:优先加强留巷侧采空区充填;提高矸石墙强度;优化矸石墙支护参数。采用FLAC3D软件计算分析了在不同的采空区充实率、留巷侧加强充填段长度、矸石墙强度、矸石墙支护让压距离下的巷道变形控制效果。选取不同工程条件下的留巷区域进行巷道位移观测，实测结果表明，在充实率较高的留巷区域，采取合理的让压支护方式可有效控制留巷围岩大变形。研究结果表明，充实率较高的情况下，厚硬顶板整体向采空区侧发生回转，实测顶板下沉量与所建留巷结构力学模型计算结果较为吻合;充实率是影响留巷大变形的主要因素，随着采空区充实率增大,采场的矿压显现强度明显弱化，留巷顶板的下沉量明显减小;采取适当的留巷侧加强充填措施，可在充填矸石量不足的情况下，有效控制留巷顶板下沉;提高矸石墙强度、选择合理的矸石墙支护让压参数可以有效控制矸石墙的侧向大变形。尚需开发高强度、低成本、易施工的混凝土材料作为巷旁支护体，研究工作面单侧加强充填的矸石物流、工作面设备配套问题。

• 软岩反底拱优化加固技术及应用——以上海庙矿区为例

  李磊, 文志杰,

  在西部软岩矿区，巷道底臌是一种常见的巷道破坏形式，由底臌所引起的围岩变形已成为阻碍矿井高效生产的主要难题，也是目前西部矿区亟待解决的关键问题。目前广泛使用的底臌控制方案为浇筑混凝土材料配合反底拱与锚杆支护技术联合控制巷道底臌。然而，分析现场破坏结果，浇筑反底拱的普通C20混凝土材料存在强度低、密实度差等明显缺陷，并不能有效控制底臌，巷道现场底角与两帮呈现大面积破坏。据此提出一种优化浇筑材料方案，提高其初凝时间和强度。优化混凝土浇筑材料治理方案是将生石灰按照不同配制比例掺入混凝土浆液中，制备试件;在不同龄期下测试不同生石灰掺入量的试件强度，进而选出最优配比方案;利用扫描电镜对浇筑材料的结构进行观察分析，确定优化后的浇筑材料满足反底拱结构中浇筑材料的性能要求。结果表明:在养护龄期内，材料最大单轴抗压强度为30.15 MPa，是普通C20混凝土材料强度的1.39倍，抗拉强度为1.75 MPa，是未掺入生石灰试件强度的1.41倍。利用扫描电镜观测分析，在生石灰掺量为10% 时，试件结构致密，浆体中的Ca(OH)2,AFt和孔隙数量明显减少，浇筑材料的力学性能有效提高。工程实践表明，采用优化后的浇筑材料进行反底拱设计，在50 d监测期内，最大底臌量仅为101 mm，巷道底臌量减少为原支护方案的34%，底臌控制效果明显。

• 裂隙砂岩变形破裂过程中应变场灰度及纹理特征分析

  张科, 张凯,

  为探究裂隙岩体变形破裂机制以及前兆特征，利用高速水刀切割技术对板状红砂岩试件预制不同倾角的裂隙，对其进行单轴压缩试验，通过数字图像相关技术实现试件加载过程中应变场的非接触式观测，引入均值、标准差、三阶矩、平滑度、一致性和熵6种灰度特征参数以及对比度、相关性、角二阶矩和熵4种纹理特征参数，量化研究了裂隙砂岩试件变形破裂过程中应变场灰度及纹理演化规律。研究结果表明:裂隙砂岩试件在裂纹起裂、扩展及贯通过程中，应变场灰度整体从低灰度级向高灰度级方向移动，灰度直方图形态从“矮胖”型转化为“高瘦”型，峰值频率随之增大。裂隙砂岩试件的应变场灰度/纹理特征参数-时间曲线可划分为波动段、平稳段以及突变段3个阶段;应变场灰度/纹理特征参数突变段的出现与裂纹萌生、扩展有关，对应的变化趋势可划分为增长型、降低型以及变异不明显型3种。绝大部分灰度特征参数与纹理特征参数的皮尔逊相关系数绝对值>0.5，说明这2类特征参数之间存在显著或高度的相关关系。灰度/纹理特征参数的第1次突变，对应于张拉裂纹萌生，且在试件临近破坏时出现，可视为前兆点，作为裂隙岩体即将失稳的预警信号，对应的前兆/峰值应力比为0.83~0.97，前兆/最终破坏时间比为0.85~0.95。相比于完整砂岩试件，灰度/纹理特征参数对裂隙砂岩试件的破裂前兆识别能力更强，这是因为预制裂隙的存在使得岩体的应变场不连续性更为显著。最后，针对完整岩石和裂隙岩体，分别提出了建议监测的灰度/纹理特征参数。

• 基于煤岩动力系统能量的冲击地压矿井临界深度判别

  荣海, 于世棋, 张宏伟, 梁冰, 韩军, 兰天伟, 杨振华,

  为了定量计算典型冲击地压矿井的临界深度，实现煤矿冲击地压的有效防控。应用地质动力环境评价方法，将冲击地压矿井划分为“典型冲击地压矿井”和“非典型冲击地压矿井”2种类型。通过构建的煤岩动力系统模型，研究了煤岩动力系统的能量特征及其与冲击地压显现的关系。分析了自重应力场和构造应力场下煤岩动力系统的能量特征，并分别确定了不同应力场条件下的煤岩动力系统能量计算方法，在此基础上提出了典型冲击地压矿井的临界深度计算方法，并在3个典型冲击地压矿井进行了准确性验证。研究结果表明:在自然地质条件下，煤岩动力系统的总能量与构造应力场下煤岩动力系统的能量相等，自重应力场下煤岩动力系统的能量为基础能量，煤岩动力系统释放的能量为构造应力场下能量与基础能量的差值。对于典型冲击地压矿井，煤岩动力系统的总能量主要源于构造应力场，在构造应力场条件下煤岩动力系统积聚的能量已经能够支撑冲击地压发生，在开采活动诱发下就会发生冲击地压;对于非典型冲击地压矿井，在构造应力场条件下煤岩动力系统积聚的能量不足以支撑冲击地压发生，需要其他工程条件补充能量，在开采活动诱发下才有可能发生冲击地压。根据验证结果，典型冲击地压矿井的临界深度计算方法，以及煤岩动力系统能量计算方法准确性较高，可达93%以上，可以广泛应用于矿井冲击地压的预测与危险性评价工作中。非典型冲击地压矿井的煤岩动力系统能量补充因素较多，如采掘活动、煤柱应力、顶板活动等，将在后续研究工作中深入研究。

• 超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术

  易恩兵, 张永将,

  针对高地应力、低透气性煤与瓦斯突出及具有冲击地压危险性煤层复合煤岩动力灾害防治的难题，研究了超高压水射流横向切割煤层、纵向切割预裂顶板防治复合煤岩动力灾害技术。理论分析了超高压水射流切割煤岩体机制，超高压水射流切割冲击煤岩体促使其内部产生剪切应力和拉伸应力，加速煤岩体内部裂纹产生与扩展，促使煤岩体沿轴向和径向发生破坏。揭示了超高压水射流防治复合煤岩瓦斯动力灾害原理，超高压水射流横切是指切割煤体卸压增透，纵断是指切割顶板卸荷消能。通过相似材料配比切割实验得到切缝压力100 MPa，喷嘴直径2.5 mm，钻杆旋转速度60 r/min，单刀割缝时间为10 min条件下，切缝深度最大可达152 cm。数值分析表明钻孔内割缝间距为2 m和割缝钻孔间距为8 m时，卸压增渗效果较好。综合分析确定超高压水射流横切煤层纵断顶板合理工艺技术参数，并应用于中煤新集二矿220108工作面灾害防治实践:切割煤体后单孔平均抽采纯量较未割缝钻孔提高3.5倍，煤层透气性系数较未割缝区域提高30倍，瓦斯抽采达标时间缩短38%，煤体支撑压力降低35%;切割顶板后工作面支架阻力分布在20~25 MPa，厚层坚硬顶板均匀垮落，未出现高能量远场动载荷冲击采场现象，表明超高压水射流切割煤岩体显著降低远、近场应力载荷，减弱煤岩瓦斯复合动力灾害的发生。

• 鄂尔多斯盆地东缘石西区块含氦天然气的发现及成因初探

  刘超, 孙蓓蕾, 曾凡桂, 畅向东, 郭盛强, 王宇红, 张绍韡, 陈建伟, 李健,

  氦气是国防军工和高科技产业发展不可或缺的稀有战略性资源。我国氦气资源匮乏，对外依存度达98%以上。基于鄂尔多斯盆地东缘石西区块25口井81个天然气样分析资料，发现氦气浓度为0.02%~0.23%，平均值为0.089％，具备潜在利用价值。石西区块内天然气氦稳定同位素组成（3He/4He）为0.02×10-6~0.05×10-6，R/Ra（(3He/4He)样品/(3He/4He)大气）值为0.01~0.08，属于典型的壳源氦。石西区块位于离石鼻状构造带，区块东部柳林尖家沟发育燕山期金伯利岩带（B.P.180~100 Ma），该岩带之北百余公里发育与其同源的燕山期紫金山碱性岩体 (B.P.158~130.4 Ma)。航磁异常图显示，石西区块位于北东向展布的正磁异常带边缘。这些地质背景条件表明，石西区块内氦气的来源可能与尖家沟－紫金山岩体深部放射性元素衰变生气有关，该区东部离石断裂带可能提供了氦气运移的主要通道，区内多套储盖层组合为氦气提供了良好的保存条件。石西区块含氦天然气的发现及关于其地质成因的认识，表明鄂尔多斯盆地在适宜的地质条件下可能形成富氦天然气，为该盆地富氦天然气资源进一步调查提供了新的依据。

• 煤粉运移与沉积对支撑裂缝渗透率动态影响规律

  胡胜勇, 郝勇鑫, 陈云波, 冯国瑞, 李国富, 张惜图,

  煤粉沉积导致的支撑裂缝渗透率的伤害是影响煤层气排采效果的重要因素之一。基于毛细管束模型，结合Carman-Kozeny公式建立了考虑煤粉运移与沉积的支撑裂缝渗透率演化模型，并利用煤岩导流性能测试系统进行了不同条件下的煤粉侵入支撑裂缝实验，验证了模型的正确性，探讨了煤粉沉积特性对支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率时空演化的影响。研究结果表明:沿煤粉运移方向，支撑裂缝内沉积煤粉浓度逐渐减小，大量煤粉沉积在裂缝入口端，导致裂缝入口端孔隙堵塞程度较大，裂缝内孔隙堵塞程度较小，支撑裂缝渗透率沿煤粉运移方向减小，且随着煤粉运移时间增加，支撑裂缝内悬浮煤粉浓度先快速上升到峰值，随后保持不变，沉积煤粉浓度不断增大，支撑裂缝内孔隙的堵塞程度增大，支撑裂缝的渗透率不断减小。煤粉沉积系数与弥散系数是影响支撑裂缝内煤粉分布规律及渗透率的重要因素，且随着煤粉沉积系数增大，煤粉运移越困难，支撑裂缝入口端沉积煤粉量增大，运移至支撑裂缝内的煤粉量减小，支撑裂缝内悬浮煤粉与沉积煤粉浓度减小，煤粉占据孔隙体积变小，支撑裂缝渗透率增大;而煤粉弥散系数越大，煤粉越容易运移，运移至支撑裂缝内的煤粉量越大，支撑裂缝内悬浮煤粉质量浓度与沉积煤粉体积分数越大，煤粉占据孔隙体积越大，支撑裂缝渗透率越小。

• 浅埋煤层沟道采动裂缝发育特征及治理方法

  侯恩科, 冯栋, 谢晓深, 从通, 李民峰, 冯冲, 刘凡凡, 杜超杰,

  黄土沟壑区浅埋煤层开采诱发的地表裂缝灾害相对严重，特别是在沟道底部等煤层埋深极浅区域易与覆岩内部裂隙贯通形成导水通道，致使地表水溃入井下威胁生产安全。为研究黄土沟壑区浅埋煤层回采造成的沟道地表裂缝发育特征及其引发的地表溃水水害防治方法，笔者以陕西省安山煤矿125203工作面菜沟段为研究对象，采用无人机遥感技术和现场实测相结合的方法对沟底裂缝进行填图和动态监测，揭示了采动地表裂缝的平面展布规律、动态发育规律及其与工作面生产进度之间的关系。在此基础上通过实地调查沟道地质条件，提出了沟道地表裂缝不同区域的分区治理方式，并进行了现场实践应用。研究表明:① 沟底平行开切眼裂缝多以“台阶状”发育，宽度在5 cm以内的地表裂缝占64%，宽度在5~10 cm的地表裂缝占20%，宽度在10~20 cm的地表裂缝占10%，宽度超过20 cm的地表裂缝占6%;② 沟底平行开切眼裂缝初始发育位置与回采位置基本一致，超前或滞后回采位置不足6 m，裂缝角近似垂直;③ 随着工作面推进，正向坡裂缝呈现出“开裂—稳定”的动态变化特征，反向坡裂缝呈现出“开裂—闭合—稳定”的动态变化特征，平均动态变化时间为3.70 d;沟底平行开切眼裂缝呈现出“开裂—闭(半闭)合—再开裂—稳定”的动态变化特征，平均动态变化时间为5.25 d，有一定的自愈合能力;④ 基于沟底地形地貌和地表裂缝发育特征及土地利用方式划分了4种治理区域，并针对性地提出了不同区域沟道溃水水害防治方法;⑤ 工程实践应用结果表明本文提出的分区治理方法能够有效预防沟道地表裂缝溃水水害。

• 煤矿区重构土壤剖面水气变化及其对温度梯度的响应

  陈敏, 陈孝杨, 王校刚, 张凌霄, 张迪, 朱建明,

  煤矿区用煤矸石作为基质进行土壤重构，恢复生态环境和土地复垦的立地条件工程大量存在。但是，煤矸石氧化放热过程会对重构土壤剖面的水气变化产生影响，进而影响矿区生态修复的效果。为了研究重构土壤的水气运动特征及其对温度梯度的响应，设计了一种重构土壤水气热耦合运移室内模拟装置。在重构土壤不同深度布设温湿度传感器连续监测重构土壤剖面含水量和温度，利用CO2体积分数检测仪测定不同深度CO2体积分数，并通过底部的加热装置对重构土壤进行加热，研究重构土壤温度分布及其对水气运动的影响。结果表明:Hydrus-1D软件能较好地模拟重构土壤剖面体积含水量分布，但水分入渗过程存在明显的滞后性，水分在土壤层累积。气体在扩散过程中也表现出了明显的滞后性，在80 cm矸石层累积。当底部加热时，重构土壤剖面会形成稳定的温度梯度。在温度梯度的作用下，重构土壤中的水分会从底部向上运动，导致底层含水量明显降低，而其他层的含水量均明显上升，其中60 cm层的含水量增速最大，为0.057％/h。此时，气体易在矸石层及层间界面累积，并且累积效应随着温度梯度的增加而增强。温度和含水量均会影响重构土壤气体的扩散，但温度梯度的增加会削弱含水量对气体扩散的影响。另外，在重构土壤层间界面可能存在一个“障碍带”，当水分和气体接触到层间界面“障碍带”时开始受阻，从而导致水分在土壤层开始累积，气体在矸石层及层间界面累积。

• 西露天矿周边建筑物损害区位特征分析

  高安琪, 王金安, 李飞, 谢江,

  近百年来，辽宁抚顺西露天矿在开采过程中引发的地裂缝、地表沉陷导致周围城区建筑物开裂、倾斜甚至拆迁，严重影响到周边居民的生产与生活。通过对抚顺西露天矿周边城区36 km2内建筑物的详细调查，综合分析城区地质情况、地表监测数据和数值模拟，得到边坡影响区的地表变形规律，揭示了位于露天矿边坡不同距离、修建年代、结构形式的建筑物损害特征，并提出针对不同区位建筑物的加固建议和措施。研究表明，城区建筑物损害主要是砖混结构，损害机理按距矿坑边界距离分为北帮0~100 m内为边坡卸荷变形、北帮100~500 m内为地表沉陷、北帮500~700 m与南帮0~600 m内为地裂缝活动。卸荷变形区由于北帮边坡坡顶产生指向坑内位移，引起建筑物基础剪切破坏，上部墙体产生裂缝。地表沉陷区由于北帮“三角楔形体”向南倾倒，导致位于沉陷外缘区建筑物墙体受拉错动。地裂缝区建筑物由于地裂缝活动产生的不均匀沉降造成建筑物墙体受剪破坏。针对建筑物损害特征，提出距矿坑边界不同距离建筑物加固建议。北帮距矿坑0~100 m内建筑物重点加固基础，100~500 m内建筑物重点加固墙体及梁柱，500~700 m内建筑物重点加固墙体及阳台;南帮距矿坑0~200 m内建筑物重点加固基础，200~600 m内建筑物重点加固墙体及梁。

• 数字孪生驱动的掘进工作面出风口风流智能调控系统

  龚晓燕, 雷可凡, 吴群英, 崔小强, 吴悦, 朱斌, 杨富强, 张红兵, 刘辉,

  为满足掘进工作面通风系统智能化的发展需求，针对传统局部通风系统无法实时监测及智能调控风筒出风口风流状态而导致风速场分配不合理，死角区瓦斯积聚严重和粉尘污染等安全隐患问题，提出一种基于数字孪生技术的掘进工作面出风口风流智能调控系统，优化风流场分布。分析建立了系统实现的整体框架、运行流程及关键技术，利用Zigbee自组网功能进行巷道风速、瓦斯体积分数及粉尘质量浓度等实时数据的监测采集，通过ARIMA时间序列预测模型对下一时刻瓦斯体积分数及粉尘质量浓度进行智能预测分析，并引入小生境四段式编码遗传算法提取相应出风口风流智能调控规则，结合GPRS无线传输技术实现出风口风流状态的智能调控，在此基础上，运用Unity3D构建系统虚拟模型并实现了物理实体与虚拟孪生体的映射交互。通过设计搭建的数字孪生系统实验测试平台，验证了系统实时监测、决策评价、智能调控、虚实融合等关键功能技术可行性，并结合具体案例对系统智能调控效果进行了对比分析，结果表明:调控后司机位置处风速明显上升，上隅角瓦斯体积分数由0.623%降低为0.306%，降低率达50.8%;司机位置粉尘质量浓度值由1 180 mg/m3降低到695 mg/m3，单点降尘率达41.1%，回风侧行人高度沿程粉尘质量浓度由430 mg/m3降低为150 mg/m3，降尘率达65%，进一步优化了掘进工作面巷道风速、瓦斯及粉尘场的运移分布。

• 基于超像素粒化与同质图像粒聚类的矿井人员图像分割方法

  李晓宇, 杨维, 刘斌, 范伟强, 张向阳,

  矿井人员图像分割是实现煤矿井下人员检测、行为识别、视频定位跟踪等技术的重要任务之一。然而，由于矿井下环境特殊，常规图像分割方法均难以满足对井下人员的准确分割要求。为解决矿井人员图像的分割问题，提出一种基于超像素粒化及同质图像粒聚类的分割方法，能够适用于煤矿井下多种场景的人员图像。首先，使用简单线性迭代聚类(Simple Linear Iterative Clustering，SLIC)模型将井下人员图像初始分割为超像素单元，并通过测量离线样本图像中所标记人员像素点与超像素之间的RGB相似度值判定人员超像素。其次,由邻居超像素辅助检测欠分割人员超像素并将其彻底分割为2个子超像素单元，选择其中之一的精英人员超像素并提取其纹理和灰度特征。接着,将具有最相似图像特征的邻接精英人员超像素定义为同质图像粒，同质图像粒相互融合并聚类形成具有特定语义信息的同质人员区域。最后，由所有同质人员区域共同构成完整的人员区域，并实现人员区域与图像背景的分离。通过对煤矿井下4种场景下的人员图像进行算法性能验证，实验结果表明:超像素粒化算法的F-Measure值分别较对比算法平均值高出2.11%，3.36%，13.16%，6.82%，同质人员图像粒聚类算法精度值分别达到99.0%，100%，94.4%和93.75%，并且所提分割方法对井下4种不同场景中的人员图像均具有较强的鲁棒性和较好的分割效果。