煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第6期

• “煤矿热动力灾害防控技术与装备”专题特约主编致读者

  梁运涛,

  煤炭是我国的主体能源,截至2020 年底,全国煤矿共有4700 余处,其中95%以上为井工煤矿,开采条件复杂,矿井普遍存在煤层自然发火和煤尘爆炸等危险。由于煤自燃及瓦斯(煤尘)爆炸等热动力灾害具有易发性、继发性和严重性,长期以来对煤矿安全生产造成了巨大威胁。 因此,近年来国家相继布局了一系列煤矿灾害防治专项研发计划,在国家重点基础研究发展计划(973 计划)、国家自然科学基金项目、国家科技支撑计划等课题的支持下,我国在煤自燃机理、瓦斯(煤尘) 爆炸传播规律、采空区火区探测等方面取得了阶段性的重要研究进展,初步揭示了煤自燃反应特性,明确了瓦斯爆炸在不同巷道( 网) 条件下的传播规律,提出了采空区测温、束管监测、测氡等火灾探测方法。 “十三五”期间,国家重点研发计划特别立项了“ 煤矿热动力灾害防控技术与装备”项目,重点研究煤自燃、瓦斯(煤尘) 爆炸耦合致灾机理、高温火区煤岩体电磁异常响应特征、热动力灾害瞬态灾变信息演化机制等关键科学问题,研发了隐蔽高温火区三维探测、采场环境信息时空协同动态监测、煤自燃靶向阻化、采场隔抑爆装置分级启动与区域联控等关键技术。该项目在热动力灾害重大科学问题、关键技术装备、应用示范等方面取得了阶段性的研究成果,构建了煤矿热动力灾害防控技术框架,有效推动了我国煤矿热动力灾害基础理论和防控技术的进步。 现今,随着矿井开采深度的增加和开采强度的增大,采矿工程扰动更加明显,地温梯度显著增加,采空区煤自燃、瓦斯(煤尘) 爆炸等各灾种表现出动态性、耦合性的新特点,其致灾机理复杂,风险大、辨识难、预警难、防治难,亟需在煤自燃火灾与瓦斯( 煤尘) 爆炸耦合致灾机制、早期监测预警、隐蔽火区探测、安全环保材料、继发性瓦斯(煤尘)爆炸等方面继续开展科技攻关。 为了交流共享煤炭行业在热动力灾害防控方面取得的最新科研成果,促进我国热动力灾害研究发展,《煤炭学报》编辑部在2021 年第6 期策划出版“煤矿热动力灾害防控技术与装备” 专题。专题共收到来稿60 余篇,最终刊出10 篇。论文涉及煤自燃发生、发展机理研究,煤自燃预警体系构建,防灭火先进材料,采场抑爆、隔爆技术等研究方向。希望专题的刊出,能够为广大致力于从事矿山灾害防治工作的专家和学者以借鉴和启迪。 在专题刊出之际,衷心感谢各位专家学者的大力支持,特别感谢各位评审专家认真细致的审阅,以及《煤炭学报》编辑部为本专题的策划、评审和出版所付出的辛勤工作。

• 我国煤矿气体检测技术研究进展

  梁运涛, 田富超, 冯文彬, 邵振鲁, 孟祥宁, 陈成锋,

  煤矿井下环境气体组分复杂且具有必需性、致灾性、预警性的特点，煤矿气体的定量检测对于矿井灾害危险性早期辨识、继发性次生灾害准确预警、应急救援科学决策具有重要意义。首先，分析了常用的催化燃烧式、热导式、光干涉式和电化学式等气体传感器技术，色谱分析技术，傅里叶变换红外光谱、非分散红外光谱和可调谐半导体激光吸收光谱等光谱分析技术的方法原理和研究进展，总结了各类气体检测技术的应用效果;其次，指出煤矿井下存在大气压力及温度变化范围大、相对湿度和粉尘质量浓度高、电磁干扰强的极端工况环境，从适用气体、优缺点、应用领域、代表仪器等方面对比了不同检测技术在煤矿井下的技术适用性;然后，在交叉干扰分析的基础上，针对CH4,O2,CO,C2H4,C2H2,H2等单一气体检测、多组分气体在线监测及矿山应急救援期间爆炸环境有毒有害气体原位分析提出了应用建议，以检测精度、量程为首要条件，并应综合考虑性价比、背景气干扰、零点漂移等因素影响;最后，提出煤矿痕量气体低检出限、多组分混合气体交叉干扰、特定波长激光器及高性能检测器成本昂贵等“卡脖子”难题，为实现煤矿气体的原位定量分析和动态监测指明了研究方向。

• 煤矿采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害多场演化研究进展

  林柏泉, 李庆钊, 周延,

  我国是采空区复合热动力灾害最为严重的国家之一，探索采空区复合热动力灾害的演化规律对于灾害防治具有极其重要的意义。然而，目前对于复合热动力灾害各灾种间的耦合致灾机理、灾害演化规律、灾害信息探测与辨识等方面的认识尚不够深入，因此导致煤矿采空区复合热动力灾害的预防及治理尚缺乏有针对性的技术方法。基于此，探讨了我国采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害发生的现状，分析了该领域的国内外最新研究进展，指出采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害具有隐蔽性、耦合型、动态性、复杂性的主要特征，由此导致灾害表现出风险大、辨识难、预警难、防治难的特点。从国内外关于采空区复合热动力灾害多场演化规律的研究平台、多场耦合数学模型、气体体积分数场-温度场-风压场等多场耦合演化规律及其关键影响因素、灾害信息探测技术及采空区瓦斯与煤自燃复合热动力灾害的判别方法等角度，系统综述了采空区热动力灾害多场演化规律的最新进展。以此为基础，指出采空区复合热动力灾害亟需在多灾种间的互馈耦合作用机理、多场耦合动态演化规律、复合灾害的关键致灾因素及其临界指标、采空区复合灾害监测-预警-综合防控一体化理论与技术等方面展开进一步的深入研究与探索，研究结果将为采空区复合热动力灾害致灾机理和有效防治技术的研发提供参考。

• 基于等转化率法的煤氧化自热动力学参数测试方法

  仲晓星, 候飞, 曹威虎, 仲秋, 朱迪,

  准确获得煤氧化自热过程中的反应动力学参数是研究煤自燃及其特性的基础。针对现有方法尚无法获得煤自燃不同反应温度对应的动力学参数这一问题，开展了煤氧化自热动力学参数测试方法的研究。基于热分析动力学理论推导得到了以转化率为纽带的煤氧化自热动力学参数计算模型，提出了多升温速率实验和恒温实验相结合的测试方法。为确定测试方法的最优参数，引入了煤氧化自热反应时间作为对比参量。采用绝热氧化测试装置和同步热分析仪开展了3种不同变质程度的干燥煤样在纯氧条件下的绝热氧化实验、多升温速率实验以及恒温实验。根据多升温速率实验结果，分析了升温速率对煤氧不同反应阶段整体质量变化量的影响，确定了煤氧化自热动力学参数测试的最大升温速率。在此升温速率范围内，依据推导的计算模型，对比分析了不同升温速率组合和转化率计算步长对动力学参数计算结果的影响，发现转化率计算步长主要影响动力学参数计算结果的疏密程度，而升温速率组合对动力学参数计算结果的影响不大。根据绝热氧化实验结果，综合考虑测试时间成本，确定了获得煤氧化自热动力学参数的最优实验和计算参数，并对其准确性和适用性进行了验证。结果表明:当升温速率组合为0.2，0.5，1.0，2.0 ℃/min，转化率计算步长为0.03时测试得到的煤氧化自热动力学参数与实际最为贴近。

• 煤岩单向加热模拟试验装置的研发与应用

  辛林, 冯洺泽, 谢军, 程卫民, 李凯旋, 刘伟韬, 李佳泽, 吴景,

  煤炭地下气化火焰工作面高温气体作用于气化通道周边煤岩体，使其呈单向受热状态，煤岩体法线方向的热损伤和热破裂呈现明显的梯度分布规律。为了对煤岩体在单向高温热作用下的热损伤特性规律进行研究并提供新的实验手段，自主研发设计了煤岩单向加热模拟试验装置，该装置主要包括加热和温控单元、温度和热应力监测单元、声发射监测单元、约束和加载单元4个部分。采用的试样尺寸为50 mm×100 mm，最大单向加热温度为600 ℃，热应力监测量程5 MPa。介绍了试验装置的主要功能和技术参数、结构与关键技术以及研制过程中的技术难点和解决方案等，并使用本试验装置开展了相关实验。本试验装置的显著特点包括:① 实现单向高温加热和单向约束，模拟煤岩体受热状态;② 实现加热过程的温度、热应力和声发射的多信息同步监测，便于多因素耦合分析;③ 边界加热温度程序可控，可模拟不同类型受热边界条件。采用该试验装置进行砂岩的单向高温加热试验，可以揭示煤岩体试样单向受热条件下高度方向上温度、轴向热应力以及热破裂声发射特性规律，并通过主频分析，进一步揭示煤岩体热破裂的演化规律。该试验装置适用于地热开发、煤炭地下气化等特殊环境下煤岩体受单向高温热源作用的热物理现象和规律的探索研究，为其提供新的实验手段。

• 基于标志气体统计学特征的煤自燃预警指标构建

  任万兴, 郭庆, 石晶泰, 陆伟, 孙勇,

  采空区煤自燃是影响矿井安全生产的主要灾害之一，标志气体与煤温是煤自燃预警的关键参数，2者之间的数学模型及其统计学特征是构建煤自燃预警指标体系的基础。通过程序升温控制实验，获得了88组煤样气体体积分数随煤温的变化曲线，选择指数函数、多项式函数和Logistic回归函数对气体体积分数进行拟合，以R2，方差SSE和均方差MSE等参数为评价指标，确定了Logistic回归函数为最佳拟合函数;利用Logistic函数拟合标志气体的变化曲线，得到CO与C2H4体积分数的4个参数A1，A2，p和x0，基于统计学特征确定上述4个参数的值并检验其有效性，得到“气体-温度”的本构方程;最后，归纳了不同标志气体的初现温度、拐点温度的统计学特征，构建了基于气体统计学特征的煤自燃预警体系并进行了煤自燃危险阶段划分。结果表明：① 30~350 ℃实验温度内，标志气体体积分数变化分为波动段、稳定段和衰减段，气体体积分数与煤温符合Logistic回归模型：CO与C2H4的拟合参数分别为A1(CO)=23,A2(CO)=14 990,p(CO)=11,x0(CO)=294;A1(C2H4)=0.3,A2(C2H4)=27,p(C2H4)=17,x0(C2H4)=283；② CO初现温度、第1拐点温度、C2H4初现温度、第1拐点温度和C2H2初现温度可作为煤自燃预警指标，预警值分别为30，156，120，204和285 ℃；③ 基于初现温度和拐点温度将煤自燃分为6个危险等级：安全、低风险、一般风险、较大风险、重大风险和特大风险，可根据等级不同采取相应的响应措施。

• 基于煤火发展演化模拟实验的松散煤体自燃温度纵深蔓延特征

  赵婧昱, 宋佳佳, 郭涛, 张宇轩, 邓军, 张永利, 张廷豪,

  针对现有对松散煤体自然发火温度场运移特点试验装置的不足，根据实际松散煤体燃烧特点，自主设计研发了煤火发展演化模拟实验系统。选取陕西咸阳孟村煤矿煤样为研究对象，利用该装置模拟松散煤体燃烧过程，分析松散煤体燃烧过程中高温区域的分布及纵深移动规律，再现松散媒体从着火至燃烧最后燃尽过程中高温区域的蔓延过程，剖析温度区域迁移机制，分析高温区域关键点氧体积分数变化规律。结果表明，在松散煤体燃烧过程中，煤样体系温度变化尺度随着时间的增加先上升后下降，试验运行600 h后，整体燃烧室降低至环境温度;试验过程中松散煤体高温区域集中于煤火发展演化模拟实验装置中部以及西侧部分;高温区域纵深移动方向呈现非线性规律；高温区域在纵深蔓延过程中关键点温度呈依次降低的趋势，且下降到极限氧浓度（1%~3%）的时间与其达到燃点温度时间相近；温度下降阶段，高温区域关键点在同层测点中下降趋势最慢;随着纵向深度加深，高温区域关键点燃点温度与峰值温度对应的时间差呈指数形式增长，关键点从燃点到达峰值的温度增长速率基本呈线性下降;高温区域关键点氧体积分数快速下降阶段所经历的时间范围随着纵深的加深逐渐增大。研究成果可为煤堆、遗煤、煤炭储存状态下等的松散煤体自然发火的防治提供借鉴。

• 黄原胶和氧化镁改性黏土-水泥基新型喷涂堵漏风材料的制备及特征

  张昊, 胡相明, 王伟, 梁运涛, 王兆喜, 刘金举, 白光星, 赵艳云, 吴明跃,

  针对传统黏土-水泥喷涂堵漏风材料(CCC)强度差、易开裂、堵漏风效率低的问题，提出经黄原胶(XG)和氧化镁(MgO)改性制备黏土-水泥基新型喷涂堵漏风材料(XM-CCC)。通过析水率测试、浆液时变性和流变性试验，确定了0.6的最佳水固质量比和20%(质量分数)最佳黏土掺量。通过力学性能试验和限制膨胀率试验确定了1.5%(质量分数)的XG最佳掺量和5%(质量分数)的MgO最佳掺量，XM-CCC的7 d抗压强度达到25.33 MPa、抗折强度达到9.18 MPa，21 d限制膨胀率稳定在0.028%左右。基于此，结合表征手段对XM-CCC的形成机理和堵漏风机理进行探究。结果表明，XG中羟基、羧基等活性官能团与浆液颗粒表面的Ca2+发生螯合作用，黏土颗粒被束缚在水泥颗粒的水化产物间，促进了XM-CCC力学性能的提升。MgO水化生成的六方板状Mg(OH)2晶体支承在体系的孔隙中，提高了XM-CCC的抵御收缩能力。孔隙结构方面，XG改变了XM-CCC的孔结构，降低了平均孔径;Mg(OH)2晶体充填孔隙，产生的晶体生长压力可以抵御孔隙压力，保持基体不开裂，同时降低了孔隙率;XG与MgO的共同作用使XM-CCC的气体渗透系数仅为1.47×10-12，远低于围岩渗透系数。经济性上，XM-CCC取材方便、制作简单，成本较低，喷涂工艺简单灵活。现场应用结果表明，XM-CCC的涂层均匀、完整，抗开裂与封闭性能较好，具有良好的应用前景。

• 管道内瓦斯非均匀预混火焰传播特性实验研究

  余明高, 陈传东, 王雪燕, 韩世新, 马梓茂,

  在实际矿井下，瓦斯泄漏后往往在巷道密闭空间内形成分层的、含体积分数梯度的甲烷-空气混合物。目前，国内外研究大多集中在均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性方面。为探究非均匀预混瓦斯爆炸火焰传播特性，通过自主搭建的小尺寸爆炸实验平台，对比研究了管道内甲烷不同自由扩散时间下，甲烷沿管道体积分数梯度分布及非均匀预混甲烷/空气爆炸火焰传播特性。实验通过浓度传感器、高速摄像机、压力传感器获取不同工况下非均匀甲烷爆炸过程中的甲烷体积分数分布、火焰传播结构、甲烷爆炸超压等数据，并进一步分析得出火焰传播速度、爆炸压升曲线等。结果表明:甲烷在管道内泄漏后，受浮力作用沿管道顶部横向传播，同时受体积分数差向底部纵向扩散，形成横向及纵向的体积分数梯度场，且自由扩散时间越短，体积分数梯度越大。体积分数梯度场对管道内非均匀甲烷爆炸火焰传播结构与爆炸超压有显著影响。甲烷体积分数梯度场下形成的非均匀预混火焰在管道内传播经历球形、指形、三重火焰、拉伸三重火焰4个阶段。当甲烷沿管道形成纵向体积分数梯度时，管道内出现三重火焰，且体积分数梯度越大，三重火焰结构愈发明显，三重火焰形态出现后，火焰传播速度、爆炸超压迅速下降，管道内甲烷纵向体积分数分布为16%—4.6%—0时，三重火焰稳定传播时火焰速度约为4.8 m/s。随三重火焰继续传播，火焰传播速度、爆炸超压略有上升趋势。管道内甲烷空气非均匀预混时爆炸超压呈现2个峰值，后波峰压力峰值约为前波峰2/3，压力峰值间隔时间随体积分数梯度减小而减小，且在不同体积分数梯度下，甲烷体积分数越接近当量比时火焰传播速度越快，爆炸超压越高。

• 基于爆炸强度与隔爆屏障作用技术的巷道隔爆实验

  薛少谦, 黄子超, 杜宇婷, 司荣军,

  为了提升煤矿瓦斯煤尘爆炸灾害的防治技术和效果，基于不同爆炸能量和隔爆屏障粉体质量浓度研究了大尺度巷道内主动隔爆系统的隔爆灭火性能。在敞开空间采用高速摄影技术测试了主动巷道隔爆系统隔爆屏障的形成过程及动态分布特征，隔爆器粉体能在120 ms时刻形成8.04 m2有效断面，在1 200 ms时刻覆盖20 m，在空间内持续作用5 000 ms以上，得出驱动气体压力是影响隔爆屏障动态分布和覆盖距离的直接因素。在此基础上，采用断面7.2 m2大型地下巷道，进行了瓦斯(煤尘)爆炸传播实验和隔爆实验，分析了实验过程中压力波、火焰阵面的传播特性。研究结果表明:粉体隔爆屏障能有效起到衰减压力波和扑灭爆炸火焰的作用，在粉体质量浓度较低时，爆炸火焰将穿越隔爆屏障，而随着质量浓度的增加，隔爆效果增强。在瓦斯隔爆实验中粉体质量浓度为277.8 g/m3时，40 m位置爆炸超压衰减为36.4 kPa;在瓦斯煤尘爆炸隔爆实验中，粉体质量浓度为625.0 g/m3时，70 m位置爆炸超压降低至54.0 kPa，对比同等强度的爆炸传播实验，最大压力下降率均大于60%。瓦斯(煤尘)爆炸隔爆实验中，驱动氮气和粉体所形成的隔爆屏障能有效起到冷却降温、隔绝窒息和消耗自由基的作用。随着粉体质量浓度的增加，爆炸火焰传播速度迅速下降，整个传播过程中的最大火焰速度前移，出现在隔爆器前端，爆炸火焰在隔爆器后20 m区域内被完全扑灭。

• 喷射超细ABC粉体对瓦斯爆炸的抑制与增强作用

  丁超, 王信群, 徐海顺, 唐庆, 孔丽丽,

  通过触发抑爆装置气体发生器产生高压运载气体(氮气)，驱动超细ABC粉体快速喷射的方式，在100 L爆炸容器内开展了甲烷/空气混合物爆炸抑制研究，旨在揭示抑爆介质喷射量、抑爆装置触发时间等关键参数对瓦斯爆炸抑制效果的影响。结果表明:在抑爆介质喷射总量40 g条件下，甲烷/空气混合物点燃后50 ms时间段内触发抑爆装置，超细ABC云幕均能将爆炸火焰轮廓完全覆盖，甲烷/空气混合物爆炸火焰传播得以完全抑制，当抑爆装置触发时刻超过55 ms时，仅使爆炸发展过程推迟，并不能降低爆炸强度。抑爆装置触发时间维持55 ms不变，只有将抑爆介质喷射量增加到60 g时，才能将爆炸火焰传播熄灭。研究还发现，在抑爆装置触发时间一定时，抑制爆炸所需的超细ABC粉体存在较为确定的临界量，当抑爆介质喷射量低于临界值时，在抑爆介质喷射的初始阶段，爆炸火焰传播有所衰减，但随后火焰传播更加迅速，整体上对爆炸火焰传播起到促进和强化作用;而当抑爆介质喷射量高于临界值时，过量喷射抑爆装置对爆炸抑制效果也起不到进一步改善作用。作为驱动超细ABC粉体的必要动力源，氮气喷射过程对爆炸的强化作用十分显著，通过合适的超细ABC粉体冗余量充装可有效克服上述不足。

• 碳中和愿景下煤炭行业发展的危机与应对

  陈浮, 于昊辰, 卞正富, 尹登玉,

  碳中和愿景擘画了国家碳减排与气候治理的宏伟蓝图，但中国经济结构和能源结构决定了该目标实现的艰难。当前煤炭仍是我国能源安全的基石，并将在未来很长时间内一直发挥着巨大作用。如何绿色开采、科学用煤是国家2030年碳达峰与2060年碳中和愿景实现的关键。为此，从“脱碳”与“去煤”非对等关系着手，引入全生命周期视角厘清煤炭行业与下游产业间的减排责任。依据6个不同机构设置的10种情景，选取重要参数，预测未来30 a中国的煤炭需求。审视煤炭行业发展与碳中和愿景之间差距，制定符合国情的从碳达峰—碳中和愿景实现不同阶段的发展路线图。研究表明:① 盲目“去煤”不符合国情，但煤炭行业要正视国家战略需求与行业发展目标之间的偏差，厘清行业责任以及切合实际义务的减排边界，明确煤电、煤化工等下游利用产生的碳排放不应归于煤炭行业。② 不同情景下煤炭需求存在巨大差异，大致分为维系现状、适度减少和净零愿景3个区间。所有预测煤炭占一次能源份额均趋于衰减，煤炭行业发展空间大大减少。2030—2050年既是行业存亡的关键期，也是技术变革的活跃期。③ 当前煤炭行业发展、规划以及战略导向与碳中和愿景目标仍存在很大的差距，包括标准规范、监管要求、治理能力、技术研发、激励机制等诸多方面。煤炭行业未来的发展空间最终取决于自身能否实现原位利用、近零排放，以及碳捕获、利用与封存(CCUS)技术能否应用与推广。因此，未来应科学评估煤炭全生命周期的碳足迹，树立“能源命运共同体”理念，推动低碳防污协同治理。将煤炭行业实现碳中和愿景划分为起步期(2020—2030年)、攻关期(2030—2050年)、巩固期(2050—2060年)3个阶段，不同阶段应付诸行之有效的技术路径，兼顾节能减排与开源增汇的双重策略，确保煤炭行业在新形势下健康、平稳、绿色、有序发展。

• 煤的显微组分定义与分类（ICCP system 1994）解析I：镜质体

  代世峰, 唐跃刚, 姜尧发, 刘晶晶, 任德贻, 赵峰华, 赵蕾, 王西勃,

  煤的显微组分定义与分类的国际标准“ICCP system 1994”是国际煤和有机岩石学委员会（ICCP）历经26 a（1991-2017）完成，按照显微组分组和发表的时间，该标准共分4个部分，分别是镜质体（1998）、惰质体（2001）、腐质体（2005）和类脂体（2017）。“ICCP system 1994”目前已被国际上从事煤岩学和有机岩石学研究的科研工作者广泛采用。国际煤和有机岩石学委员会在1994年第46届ICCP年会上确定了镜质体显微组分组、亚组和显微组分的定义和分类，并于1998年发表，它是“ICCP system 1994”重要的组成部分。在“ICCP system 1994”镜质体分类方案中，镜质体显微组分组被划分为3个亚组，结构镜质体亚组、碎屑镜质体亚组和凝胶镜质体亚组，它们分别进一步被划分为2个显微组分。其中，划分亚组的主要依据是植物组织的破环（降解）程度，显微组分之间的区分主要依据是凝胶化程度和（或）形貌特征。该分类体系与ICCP腐植体分类体系紧密关联。基于“ICCP system 1994”，对镜质体各亚组和各显微组分的定义、光学特征、物理和化学特征、来源以及实际应用等方面进行了解析，对“ICCP system 1994”中镜质体显微组分分类提出了尽可能规范的中文名称。中华人民共和国国家标准《烟煤显微组分分类》（GB/T 15588—2013）和“ICCP system 1994”相比，前者采用了显微组分组、显微组分和显微亚组分的分类方案，将均质镜质体（Telocollinite；即本文中的胶质结构体Collotelinite）和基质镜质体（Desmocollinite；即本文中的胶质碎屑体Collodetrinite）划入无结构的显微亚组分。

• 煤系石墨鉴别指标厘定及分类分级体系构建

  曹代勇, 魏迎春, 李阳, 刘志飞, 李焕同, 王路, 吴国强, 宁树正, 徐祥,

  煤系石墨是煤经受岩浆热变质及构造应力作用进入石墨化阶段的产物，发育不同程度石墨结构、具有石墨或类似石墨的物理化学特征和工艺性能，是战略性矿床晶质石墨的重要补充。为了给煤系石墨矿产资源评价和开发利用提供可靠基础，从煤系石墨成矿机制及演化途径研究入手，深入分析相关测试技术方法的适用性，以我国典型煤系石墨矿区测试数据统计分析结果为依据，制定科学合理的煤系石墨鉴别指标，建立煤系石墨分类分级体系。研究表明，煤系石墨是由不同演化程度的石墨化组分和残留煤岩显微组分组成的集合体，具有矿物学与岩石学或矿石学的双重属性，不同于区域变质成因的晶质鳞片石墨矿物，难以简单地采用单一指标鉴别。煤系石墨的形成是化学成分单一化、分子结构有序化的演化过程，鉴别指标亦应包括成分参数和结构参数两大类。挥发分和反射率指标在煤化作用阶段变化规律较明显，进入石墨化阶段后敏感性降低，可综合运用于初步区分煤与煤系石墨。煤石墨化的实质是纳米级大分子结构由无序向有序转化、结晶度增加和缺陷消亡的过程，因此，XRD和Raman等结构参数是鉴别煤系石墨和划分煤系石墨类型的可靠指标。基于煤系石墨测试数据统计分析所揭示的规律，采用d002=0.344 nm,G峰位=1 590 cm-1和R2=0.6区分煤与煤系石墨两大矿种;煤系石墨划分为半石墨和石墨2种类型，其中半石墨鉴别指标为d002=0.338～0.344 nm,G峰位=1 585～1 590 cm-1,R2=0.5～0.6，石墨鉴别指标为d002＜0.338 nm,G峰位＜1 585 cm-1,R2＜0.5。此外，成分指标固定碳与煤变质演化没有直接的对应关系，作为石墨矿石的品位参数，可用于评价煤系石墨矿石的质量等级。

• 增量荷载作用下深部煤巷冲击破坏规律模拟试验研究

  孔令海,

  为研究深部煤巷道围岩应力状态与围岩结构冲击破坏之间的关系，探索深部煤巷冲击地压发生机制，利用设计的可水平和垂直双向增量加载相似模拟试验平台，试验分析了巷道围岩全过程(自掘进至成巷)应力演化及宏观破坏特征，研究了增量荷载作用深部煤巷围岩冲击破坏规律。研究得到:① 掘进成巷时，巷道围岩体为应力卸荷状态;成巷后，巷道围岩应力开始进入“缓增—快增—缓增”波动阶段;当巷道模型左侧和顶部载荷增加时，围岩变形增大、局部破坏明显，巷道围岩应力开始进入“快增—突变”阶段，巷道发生冲击破坏;冲击破坏后，巷道围岩应力进入“降低—稳定”阶段，与载荷增加前的围岩应力大小相比，顶底板岩层、左帮、右帮浅部等煤体应力基本恢复到冲击破坏前的大小，但巷道右帮煤体深部应力仍处于较高应力状态。② 深部煤巷围岩冲击破坏与其应力状态呈正相关关系，静载作用下围岩应力呈波动缓增状态，围岩结构破坏不明显;增量荷载作用下，巷道围岩应力呈快增突变状态，局部围岩破坏明显、冲击破坏发生，围岩应力经历了从初始增加到波动增加、再到突变及平衡共7个演化阶段，试验再现了围岩冲击破坏发生的全过程，揭示了冲击破坏发生时的围岩应力突变特征。③ 在山东滕东煤矿3下113综放工作面开展了工程实践研究，现场实测表明，试验结果基本符合现场实际，验证了本文试验方法及结果的可靠性。基于试验结果，提出优化调整巷道围岩应力时空变化和提高围岩整体性的围岩卸压与补强支护技术方案，为深部煤巷冲击地压防治提供了重要依据。

• 循环冲击下弱风化岩石力学特性与渗透率演化

  刘伟, 曾鹏, 闫雷, 杨砚, 刘连生,

  低渗透弱风化花岗岩型稀土矿床中蕴含大量的中重型稀土，但矿体渗透性严重影响溶浸效率，提出利用爆炸冲击载荷对稀土矿体产生多次扰动，在确保矿体保持稳定性的前提下使内部细观结构发生变化，进而提高矿体渗透性。为探究爆炸冲击载荷多次扰动下弱风化花岗岩的力学特性及渗透系数的变化，利用Hopkinson冲击试验机、RMT-150C液压伺服试验机、核磁共振仪，对试件进行逐级循环冲击实验和冲击后的静态压缩实验，并测量试件的孔隙度与渗透系数。研究结果表明:逐级循环冲击下弱风化花岗岩存在裂隙压密阶段，但不明显;裂纹扩展阶段存在明显的应力松弛平台，且随冲击速度的增加愈加明显;动态峰值应力与临界应变随冲击速度的增加呈递增趋势;冲击后的静力学特性表现为随着冲击次数的增加，裂纹压密阶段持续时间增加，弹性阶段持续时间减少，裂纹起裂应力σci、裂纹损伤应力σcd、单轴抗压峰值强度σf逐渐下降，临界应变逐渐增大。试件中含有小中大3种孔隙类型，在逐级循环冲击下整体表现为中等孔隙占比增加，小型、大型孔隙占比基本不变，有效孔隙度逐渐增加，第1次冲击后这种变化较为明显。弱风化花岗岩经过3次冲击后，渗透系数达到最大，长期强度下降约13%。

• 开采沉陷倾向主断面动态预计模型与算法

  张兵, 崔希民, 赵玉玲, 李春意,

  针对开采沉陷动态预计精度较低及对倾向主断面动态预计研究较少的问题，为了提高预计精度和动态预计的针对性，加强动态预计成果在矿区生产和采空区土地利用中的指导作用，基于概率积分静态预计模型，采用“优化分段Knothe时间函数”，对地表倾向主断面动态沉降变形的预计方法进行了研究，主要包括:① 讨论了倾向主断面动态开采单元的划分方法;② 基于概率积分法和有限开采倾向等影响原理，推导了各动态单元的参数计算公式;③ 结合各单元时间函数值，根据叠加原理，建立了适应于水平和缓倾斜煤层的倾向主断面动态预计模型;④ 根据所建模型讨论了动态预计时的计算流程，设计了对应的计算机编程算法，分析了需要注意的难点问题，最后，根据模型和算法编制了动态预计程序，并将其应用到预计实践中。预计实践1表明:无论从上山或下山的任何方向开始开采，预计得到的地表动态移动变形规律都与理论揭示的移动过程相符合;并且，当给定的预计时间足够长，倾向主断面动态下沉预计结果与静态预计结果相一致，进而从理论上揭示了模型和算法的科学性，实现了开采沉陷动静态预计的一体化;预计实践2表明:通过将29401工作面的动态预计结果与实测结果的对比分析可知，预测中误差最小为 54 mm，最大为 452 mm，预计相对误差在总体上可控制在8.5%左右，证明了所建模型及算法的可靠性。

• 基于煤岩深孔爆破问题的液体炸药研发与技术

  杨敬轩, 于斌, 匡铁军, 刘长友, 李文龙,

  针对煤岩深孔爆破技术工艺问题，以及炸药爆炸瞬间威力高，但致裂围岩范围有限，破岩“后劲”不足的缺陷，提出了一种液体炸药深孔爆炸压裂技术。基于液体炸药优越的流动性及小临界直径起爆特点，以三级煤矿许用型水胶炸药配方为基底，通过除去炸药组分中的胶凝剂与交联剂，改变硝酸甲胺、硝酸铵、硝酸钠等成分比例，研发了一种煤矿用水胶液体炸药配方，药液性能稳定、感度低，具有良好的流动物理形态，解决了岩体大角度深孔装药难题，为岩体单孔重复爆破提供了条件。研究表明，煤矿用液体炸药析晶点温度控制在15.0～16.9 ℃，适应煤矿井下温度环境;采取亚硝酸钠化学发泡方式调节液体炸药密度为1.2 g/cm3，实测炸药平均爆速为3 852 m/s，基于此分析得到的炸药爆炸力学性能达到了煤矿安全炸药标准。以大同煤矿集团云冈矿新408轨道巷坚硬顶板深孔爆破测试为背景，实测得到的液体炸药性能稳定，能用导爆索可靠起爆;深孔爆破测试液体炸药、水胶炸药、乳化炸药的爆炸威力相当，坚硬顶板深孔致裂效果一致，满足煤矿安全炸药性能要求;液体炸药配合爆破聚能管使用，流动的药液能与聚能管真正实现耦合装药，使得爆炸冲击波在预定切缝方向精准碰撞，增强了硬岩在致裂方向的炸药能量利用率，取得了坚硬顶板大间距深孔定向爆破效果。

• 松软煤层及砂岩顶板水力挠动卸压增透效果对比分析

  田坤云, 宫伟东, 魏二剑, 张瑞林, 宋志敏, 张文勇, 李冰, 吴小旭,

  为了考察水力挠动措施对软煤及砂岩的卸压增透效果，克服采取高压注水进行煤层瓦斯增浓提效的盲目性。采用自行设计改造的“真三轴水力挠动-瓦斯渗流实验装置”对正方体砂岩及松软煤样试件进行了水力挠动实验。根据泵注压力实时演化曲线分析掌握了2种试件注水过程中裂隙发育、延展规律:泵注过程中砂岩试件经历压裂—多次压裂—完全破裂，最终被高压水完全压裂，其内部裂隙得到充分扩张、衍生，最终相互贯通的裂隙网形成;相反，软煤样试件则经过压裂—压实—闭合，最终被压实闭缝，内部裂隙网络未能展开连通。基于挠动前后渗透率分析对比的基础上实验验证了水力挠动措施对2种试件的适用性:挠动后砂岩试件的渗透率成百倍增加，而软煤试件的渗透能力几乎丧失。与模拟实验相对应，在试验井松软煤层及顶板砂岩中分别布置钻孔进行高压水挠动，措施后采用相关指标对挠动后的瓦斯抽采效果进行了考察:砂岩挠动钻孔措施后的抽采流量、浓度及纯量大幅增加，衰减系数急剧下降;而煤层挠动钻孔相应指标则呈相反趋势。实验结果及现场工程实践均表明:水力挠动作用下砂岩内部发生脆性变形，持续高水压作用下裂隙较好地发育、延展、贯通，较发育的网络系统形成，为下部煤体瓦斯解吸、扩散和运移提供了畅通的流动通道。相反，尽管挠动初期松软煤体内部出现裂隙，但随着注水持续，煤体发生塑性变形，水与煤体形成的煤泥堵塞了天然及人造裂缝(隙)，软煤逐渐被压实，瓦斯流动性弱化，渗透性降低。研究成果表明转移挠动对象松软煤体至其坚硬顶板是松软煤层卸压增透的有效途径之一，应用于不适宜采用水力挠动的低透气性突出煤层有望取得较理想的瓦斯治理效果。

• 供气压力对流体型超声喷嘴雾化特性及降尘效率的影响

  邬高高, 王鹏飞, 刘荣华, 韩涵, 崔燕, 李石林,

  为了掌握供气压力对流体型超声雾化喷嘴雾化特性及降尘性能的影响，借助自主研发的煤矿井下喷雾降尘实验平台，对流体型超声雾化喷嘴流量、雾化特性及降尘性能进行了实测。实验所涉及的喷嘴雾化特性参数包括雾化角、射程、雾滴粒径等，降尘性能采用全尘降尘效率和呼吸性粉尘降尘效率进行评价。实验结果表明:随着供气压力的增大，喷嘴空气流量呈幂函数形式增大，而水流量呈指数函数形式下降，气液体积流量比不断增大;喷嘴雾化角和雾滴粒径随着供气压力的增大而逐渐缩小，而雾滴速度和射程则表现为随供气压力增大而逐渐增大的趋势;对于本次实验所选取的供水压力，供气压力由0.2 MPa增加至0.7 MPa，喷嘴空气流量约增加100 L/min，水流量约降低1.3 L/min，雾化角和雾滴粒径分别约减小75°和60 μm，而雾滴速度和射程分别约增加7.5 m/s和 210 cm。喷嘴全尘降尘效率和呼吸性粉尘降尘效率均随着供气压力的增大呈现先增加后减小的变化规律，并在某一个供气压力下获得最高值。供水压力pL不同，获得最高降尘效率所对应的供气压力pair亦不同，喷雾降尘效果较优的气水压力组合有1号(pL=0.2 MPa,pair=0.3 MPa)，2号(pL=0.3 MPa,pair=0.4 MPa)和3号(pL=0.4 MPa,pair=0.5 MPa)。煤矿现场应采用以上气水压力组合，既可获得较为理想的雾滴粒径，同时能以较低的耗水量获得较高的降尘效率。

• 矿井通风系统阻变型故障诊断及风速传感器位置优化

  刘剑, 蒋清华, 刘丽, 王东, 黄德, 邓立军, 周启超,

  将矿井发生巷道冒落或变形、风门开关或者损毁、运输车辆堵塞等变化所引起的通风系统风量发生异常变化的现象称为矿井通风系统阻变型故障。根据故障发生后巷道风量的监测值，利用支持向量机(SVM)、遗传算法(GA)等人工智能方法可以诊断故障位置及故障量。由此引出的核心问题是如何确定井下安设传感器的最小数量以及安设位置？通过实际矿井的故障诊断模拟实验和金属矿山的现场试验提出了不需先验知识的基于邻域粗糙集属性约简算法的风速传感器安设位置优化方法，根据巷道风量对故障位置及故障量的重要度，得到的约简分支即为应当安设传感器的最优位置。研究表明传感器安设的数量与人为设定的邻域半径大小有关，邻域半径越大，传感器的安设数量就越多，故障诊断的准确度也就相对越高。提出用于描述λ取值、邻域半径、传感器安设位置，传感器所在分支风阻值、故障诊断准确率之间最优关系的扫帚模型，风阻较大的分支构成了扫帚把，风阻较小的分支构成了扫帚头，扫帚模型要求传感器应优先布置在风阻值较大的扫帚把上，扫帚模型的形状与λ取值有关，λ越大，邻域半径越小，扫帚头越小，亦即传感器数量越少。λ越小，邻域半径越大，扫帚头越大，亦即传感器数量越多。研究成果为风速传感器安设位置的确定提供了一种新的方法，实现了利用较少风速传感器监测数据对矿井通风系统阻变型故障的判识。

• 中、高阶煤样甲烷吸附应变及渗透性实验分析

  孟雅, 李治平, 唐书恒, 赖枫鹏,

  煤中气体吸附膨胀和解吸收缩应变是影响煤层气井排采中煤储层渗透率动态变化的重要因素。通过选取沁水盆地南部和鄂尔多斯盆地东缘二叠系山西组中、高阶煤样，通过煤的吸附变形-渗流模拟实验，测得了中、高阶煤样中甲烷吸附应变值，提出了采用12~24 h的吸附应变数据点拟合计算吸附应变的方法，分析了高、中阶煤中甲烷吸附应变及其渗透性的差异性，揭示了中、高阶煤吸附应变规律及其对渗透性的影响及控制机理。结果表明，中、高阶煤样甲烷吸附应变与吸附平衡压力之间的关系符合Langmuir等温吸附模型;中阶煤中吸附甲烷气体的Langmuir径向应变、轴向应变和体积应变分别为0.18×10-2,0.09×10-2和0.44×10-2,其对应的Langmuir压力分别为5.26,6.93和5.42 MPa;而高阶煤吸附甲烷气体的Langmuir径向应变、轴向应变和体积应变分别为1.91×10-2,0.22×10-2和3.99×10-2,其对应的Langmuir压力分别为7.87,4.57和7.49 MPa。在有效应力一定的条件下，随着煤中甲烷吸附平衡压力增高，煤样吸附应变增大，且高阶煤吸附应变明显要强于中阶煤样，煤中甲烷吸附应变主要受控于煤中甲烷吸附量。在有效应力一定的条件下，中煤阶煤样的渗透率要大于高煤阶煤样的渗透率，煤中甲烷吸附应变过程中，中、高阶煤样随着煤中甲烷吸附平衡压力增高，煤样渗透率均按负指数函数规律降低，且高阶煤样中甲烷吸附应变对煤样渗透率的影响要强于中阶煤样，因此在煤层气井排采过程中，在临界解吸压力后，高煤阶煤层气井产量提升效果要好于中煤阶煤层气井。

• HTI介质地震波各向异性AVO反演

  李勤, 王玮, 王瀚林,

  常规AVO反演主要针对各向同性介质进行，含有裂隙的地层实际上是各向异性的。地震反演问题是典型的不适定问题，各向异性参数的加入，使得地震反演问题的非线性程度显著增加，比传统反演难度加大。SA-PSO算法将粒子群算法与模拟退火法进行混合优化，具有全局寻优能力更强、克服早熟现象、不易陷入局部极小值等优点。将含有垂向裂隙的介质近似为HTI介质，基于HTI介质近似反射系数方程，建立关于各向异性参数的目标函数，通过SA-PSO算法实现HTI介质各向异性参数反演，进一步，利用流体因子、裂隙弱度与各向异性参数的关联，对裂隙相关参数及流体因子进行预测。建立含有HTI型煤层的理论模型，对原始数据同时使用SA-PSO算法与PSO算法进行反演，对算法的优越性进行测试，SA-PSO算法反演精度更高，反演过程更稳定;对多层理论模型数据分别加上信噪比为5，10，20的高斯随机噪声，对反演方法的抗噪性进行测试，反演结果误差较小，反演过程能快速收敛，反演抗噪性较好;根据HTI型含水裂隙中各向异性参数的特点，对Marmousi2模型的含水砂岩部分进行改造，引入各向异性参数，通过反演获取速度、密度及各向异性参数剖面，并实现流体因子预测，反演及预测结果与理论模型吻合，论证了方法的有效性。

• 接菌对花生耐旱及表型结构的影响——以陕北煤矿区为例

  毕银丽, 周会丽, 马少鹏, 高雅坤,

  黄土高原煤矿区气候干旱，土质贫瘠，农田产出较低，利用微生物改良土壤与植物生长成为研究的热点。为了探究干旱胁迫下接种丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi，AMF)后土壤水分变化及其对植物表型结构的影响，以花生为研究对象，布设野外盆栽试验，设置干旱和接菌2种试验处理，利用EM50土壤温湿盐监测系统实时监测土壤水分变化情况，并在生长中期利用三维激光扫描技术和CI-690ROOTSNAP根系分析软件系统分别测量冠层和根系表型结构特征。结果表明:① 干旱胁迫使根系菌根侵染率较正常条件下降62.8%;② 接菌增强土壤保水作用，不同处理土壤含水率呈AMF>干旱+AMF>CK>干旱的趋势;③ 接菌改变植株冠层结构，AMF处理花生的投影面积、叶片数、叶片总面积、上层平均叶面积和开花数较正常对照处理分别提高6.0%，13.0%，7.5%，13.9%和22.7%，干旱+AMF处理较对照组分别提高37.0%，13.2%，38.0%，26.0%和57.0%;④ 接菌改变根系性状，增加花生较粗根和较细根所占比例，AMF处理的植物根系中根系直径大于0.1和0.08~0.10 mm的根分别占9.38%和18.27%，而对照处理分别占2.7%和13.6%;干旱+AMF处理的植物根系中根系直径大于0.08 mm和小于0.06 mm的根分别占26.7%和25.2%，而干旱对照处理分别占8.1%和15.7%;⑤ 地下根系表型与地上冠层表型显著相关，总根体积、平均根直径与叶片数呈显著正相关，相关系数分别为0.60和0.66(P<0.01)。干旱降低菌根侵染率，且抑制植物生长;接菌可以缓解干旱的影响，对土壤具有保水作用，并能改善植物冠层和根系结构，促进植物生长。

• 典型干旱半干旱草原矿区生态累积效应

  董霁红, 吉莉, 房阿曼,

  位于黄河流域中上游的内蒙古干旱半干旱草原区，是我国“两屏三带”生态安全屏障区，也是大型煤炭基地和煤电基地的分布区。由煤炭资源开采造成的土地退化、地下水位下降、生物多样性减少等生态问题，经过长期累积和空间外扩，对矿区及周边地区生态产生严重负面影响。针对这一区域生态累积效应的研究已经引起了国家和社会的关注。已有研究主要聚焦干旱半干旱草原矿区某一生态要素、某一时间段的生态效应分析，而煤矿发展具有生命周期和复杂的能量物质流动。为此，① 阐述了国内外干旱半干旱草原矿区的相关研究，分析了煤矿生命周期阶段，给出了矿区不同生命阶段的发展过程与草原生态系统演变的空间关系;② 解析了内蒙古东部干旱半干旱草原矿区生态效应累积特征，重点阐述了水、土、植被关键生态要素的累积源、累积途径及表征形式;采用趋势线分析法分析了内蒙古东部地区植被覆盖度时空累积变化趋势，1981—2015年61.29%的像元植被覆盖度变化不明显，通辽市西北部、赤峰市北部及呼伦贝尔市中部地区约16.86%的像元植被覆盖度呈现减少的趋势，呼伦贝尔市西部、兴安盟南部、赤峰市及通辽市西南部地区约21.85%的像元植被覆盖度呈现增加的趋势;③ 基于土地环境生态累积响应机理对生态承载力、生态累积效应、生态系统弹性3者关联关系进行了说明，提出了弹性调控的技术路径;定量研究煤矿全生命周期的生态累积效应有助于明确草原矿区生态系统演变规律，为干旱半干旱草原矿区生态修复提供理论基础和实践依据。

• 古土壤层对煤矸石淋滤液中典型污染物的防污性能

  董兴玲, 董书宁, 王皓, 王宝, 王强民, 周振方, 张溪彧,

  黄土区是我国重要的煤炭生产区，古土壤层在黄土区包气带中广泛发育。煤炭开采和洗选过程中会产生大量煤矸石，其中露天堆放的煤矸石在长期降水淋滤作用下会释放出含有大量污染物的淋滤液，对矿区周围的地下水造成污染。黄土区煤矸石淋滤液在进入到地下含水层之前，必将流经过古土壤层。要准确评价煤矸石淋滤液对地下含水层的影响，必须确定古土壤层对煤矸石淋滤液中污染物的防污性能。通过开展室内渗透试验和批式吸附试验，研究了古土壤对煤矸石淋滤液中典型污染物Mn2+，Zn2+，Cu2+和SO2-4的阻隔情况。渗透试验结果显示，煤矸石淋滤液作用下古土壤试样的渗透系数在0.852×10-9~1.01×10-9 m/s，比使用蒸馏水渗透时得到的渗透系数降低了1.5倍以上。古土壤试样渗透系数之所以会降低，是因为煤矸石淋滤液与古土壤之间发生了化学反应，生成新的沉淀物淤堵了古土壤试样中的孔隙。批式吸附试验结果显示，古土壤能够吸附Mn2+，Zn2+，Cu2+，吸附过程符合非线性的Freundlich模型;古土壤层中黏土矿物与重金属之间的离子交换反应，是古土壤吸附重金属的主要途径。古土壤颗粒呈电负性，与SO2-4之间存在相互排斥作用，几乎不吸附SO2-4。使用POLLUTE V7软件模拟预测了煤矸石淋滤液中典型污染物击穿古土壤层的时间，结果显示，厚度为1.0 m的古土壤层对污染物的有效阻隔时间可以达到10 a以上。总体而言，古土壤层具有较强的防污性能，能够限制污染物向含水层迁移，因此在进行黄土区煤矸石堆场地下水环境影响评价及污染防控时，有必要考虑古土壤层产生的影响。

• 神东矿区高氟矿井水分布特征及形成机制

  郝春明, 张伟, 何瑞敏, 李庭, 包一翔, 李井峰,

  神东矿区煤炭资源丰富，但淡水资源匮乏，高氟矿井水已成为制约矿井水循环利用的关键因素，然而高氟矿井水的来源和形成机制尚未进行过系统研究。系统采集了神东矿区62组不同水体样品，利用数理统计、离子比及因子分析等手段，在矿物溶解与沉淀，蒸发浓缩，阳离子交换，竞争吸附和人为污染作用等方面探讨了神东矿区高氟矿井水的F-质量浓度特征和空间分布规律，并分析了其来源和形成机制。结果显示:神东矿区矿井水中F-质量浓度为0.16~12.75 mg/L，平均值为5.01 mg/L，有77.78%的样品超过了《生活饮用水卫生标准》(GB5749—2006)。从空间分布看，神东矿区矿井水中F-质量浓度呈现西北高，东南低的态势，高氟矿井水主要分布在布尔台矿和乌兰木伦矿等矿区。垂向上看，高氟地下水主要集中分布在埋深150~300 m，主要为3-1煤和5-2煤开采后产生的矿井水的埋深范围。偏碱性，高TDS，Na+，HCO-3，和低Ca2+是形成高氟矿井水的主要水化学环境。延安组是高氟矿井水最主要的补给来源。高氟矿井水的形成主要受含氟矿物的溶解控制，方解石和白云岩的溶解饱和影响了萤石等含氟矿物的溶解平衡，造成矿井水中F-质量浓度的升高;阳离子交换作用提升了矿井水中Na+的质量浓度，HCO-3的竞争吸附置换出了黏土矿物表面吸附态的F-，均促进了F-在矿井水中富集，而蒸发浓缩和人类活动对高氟矿井水形成贡献较小。

• 聚集态结构热模拟演化特征HRTEM分析——以内蒙古伊敏煤为例

  范晶, 李美芬, 曾凡桂, 赵云刚, 王小令, 邵燕,

  以伊敏煤为研究对象，利用高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)对伊敏煤热模拟后4个不同温度点(384,456,528和600 ℃)产物的聚集态结构特征进行了研究，并利用热重质谱联用(TG-MS)实验分析了伊敏煤热解过程中主要气态产物的析出特征。研究结果表明，伊敏煤热模拟过程中，芳香层片的长度、弯曲度、有序性、层间距及堆垛高度等均随温度增加发生了阶段性变化，并与热解过程中气态产物的生成密切相关;384~456 ℃阶段,1×1芳香层片增多，而较大尺寸的芳香层片减少，弯曲度为1.0~1.2的芳香层片增多，较大弯曲度的芳香层片减少，有序性变好，这些现象均与芳香结构内羧基或其他含氧杂环裂解有关，与此同时芳香层片层间距减小，堆垛高度增加;456~528 ℃阶段，体系内芳香甲基或芳香甲基醚键断裂生成甲烷，新形成的芳香结构聚合，导致1×1芳香层片减少，较大尺寸芳香层片增多，弯曲度为1.0~1.2的芳香层片减少，较大弯曲度的芳香层片增多，有序性变好，同时芳香层片层间距减小，堆垛高度增加;528~600 ℃阶段，煤热解以小芳香层片的缩聚反应生成大量H2占主导地位，因此1×1芳香层片大幅减少，较大尺寸芳香层片大幅增多，弯曲度为1.0~1.2的芳香层片减少，较大弯曲度的芳香层片增多，芳香层片有序性变差，芳香层片层间距略有增大，堆垛高度显著增加。

• 磁性Mo/HZSM-5@SiO2@Fe3O4催化剂可控制备及煤催化热解

  张军兴, 周安宁, 闫宁, 陈福欣, 贺新福, 杨志远, 张亚婷,

  低阶煤炭资源量丰富，催化热解是实现其清洁高效利用的重要途径。目前，低变质煤催化热解技术存在焦油产率低，重质组分高，催化剂回收难等发展瓶颈。为此，设计制备了磁性核壳型载体HZSM-5@SiO2@Fe3O4(简写为HSF)和煤热解磁性Mo/HSF催化剂。研究了SiO2隔热包覆层的层数，热处理温度和时间，以及包覆HZSM-5载体层对HSF磁性的影响。以补连塔煤为研究样品，探讨了磁性Mo/HSF催化剂的煤热解催化活性及磁选回收特性。研究结果表明，在常温条件下，随着SiO2包覆层数不断增加，SiO2@Fe3O4饱和磁化强度和磁选回收率均呈现不同程度的降低，当SiO2包覆层数为2层时，饱和磁化强度和磁选回收率下降程度最小，但提高热处理温度或延长热处理时间，包覆HZSM-5载体层均使其磁选回收率降低。以2层SiO2包覆的SiO2@Fe3O4为磁核制备的5%Mo/HSF磁性催化剂催化性能最好。在5%Mo/HSF作用下，补连塔煤热解的焦油产率达到10.8%，焦油中苯类质量分数增加了2.31%，酚类几乎不变，脂肪烃质量分数增加了8.44%，稠环芳烃质量分数减少9.64%。活性组分Mo的引入不仅可以提高焦油的品质，而且也提高了煤气中甲烷和CO比例，煤气中甲烷体积分数达50%以上。Mo/HSF催化剂初次磁选回收率可达到90.3%。随着该催化剂磁选回收次数增加，催化剂活性和磁选回收率明显下降，主要是因为催化剂表面积炭和磁核被还原，磁性减弱所致。

• 考虑截齿损耗的多传感信息融合煤岩界面感知识别

  王海舰, 黄梦蝶, 高兴宇, 卢士林, 张强,

  为了实现采煤机开采过程中煤岩界面的精准识别，提出一种基于多传感信息融合的煤岩界面感知识别方法。考虑截齿损耗对采煤机截割特征信号的影响，测试采煤机截齿处于新齿、轻微磨损、一般磨损以及严重磨损4种状态下，截割不同比例煤岩过程中的振动信号、电流信号、声发射信号以及红外闪温信号，建立截齿不同磨损程度下的多截割信号特征样本库。根据相邻截煤比各截割特征信号的模糊特征，以最小模糊熵为优化目标，采用自适应权重粒子群算法优化求解各截割特征信号的隶属度函数。构建基于D-S理论的“与”决策准则，实现对煤岩界面的精准识别。通过分析截煤比识别结果信度值的分布特征及趋向性，确定截煤比识别结果在不同截煤比的信度值与实际煤岩比例的匹配关系，利用识别结果的信度值对煤岩轨迹进行进一步的优化。根据实验结果可以得到:① 截齿磨损程度对煤岩各截割特征信号的变化影响显著，截齿不同磨损程度下各截割特征信号的最优隶属度函数呈现动态变化;② 煤岩界面轨迹的识别结果逼近具有最大信度的截煤比，且对于次大信度截煤比具有一定程度的趋向性;③ 基于单一优化隶属度函数进行隶属度求解及融合识别，煤岩界面识别精度随着截齿损耗的加剧大幅度下降，最大下降幅度达到43.04%;④ 考虑截齿损耗的多传感信息融合识别模型克服了截齿损耗对信号的误差影响，对煤岩界面具有更高的识别精度，识别误差浮动在1.54%范围内。

• 基于超像素特征与SVM分类的人员安全帽分割方法

  李晓宇, 陈伟, 杨维, 王文清, 范伟强, 田子建,

  安全帽分割是实现煤矿人员智能视频监控的关键技术之一，可促进人员定位、跟踪、安全帽佩戴检测等相关技术的研究，为此，提出一种基于超像素特征提取与支持向量机(Support Vector Machines,SVM)分类的矿井人员安全帽分割方法。首先，采用简单线性迭代聚类(Simple Linear Iterative Clustering,SLIC)模型将人员图像粒化为一定数量内部像素点颜色特征相似且空间位置相近的超像素。其次，提取超像素在RGB，YCbCr，Lab，HSV空间上的颜色特征及其灰度直方图纹理特征，通过分析安全帽二维轮廓线上的斜率变化特性建立安全帽轮廓特征模型。最后，在训练集人员图像中分别提取安全帽正样本超像素和背景负样本超像素的颜色、纹理特征训练SVM分类器，采用已训练的SVM将测试集中的人员图像超像素二分类为安全帽正样本和背景负样本。进一步通过安全帽轮廓特征模型判别SVM误分类的虚假正样本并对其进行类别修正，识别同时包含正样本像素点和负样本像素点的欠分割样本超像素，并通过求取正样本区域边界掩模与Prewitt算子所提取轮廓的差集对其进行二级像素分类，分离出其中的正样本像素区域，得到安全帽的最终分割结果。文中对测试数据集中的100幅人员图像进行实验，结果表明:所提安全帽分割算法的精确度Pr(Precision)均值达到96.94%，召回率Re(Recall)均值达到95.83%，对不同场景下的人员安全帽图像具有较好的适用性与鲁棒性。