煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第7期

• “煤矿快速智能掘进理论与技术”专题特约主编致读者

  吴淼,

  “十四五”是我国“两个一百年”奋斗目标的历史交汇期，是全面开启社会主义现代化强国建设新征程的重要机遇期，也是煤炭行业实现高质量发展的关键时期。在碳达峰、碳中和的“双碳”行动方案规划中，优化产业结构和能源结构、强化煤炭绿色智能开采、大力推动煤炭清洁高效利用，加强“新基建”、推进智能化发展新模式新业态是煤炭行业发展的大趋势。因此，煤炭行业强大挑战与难得机遇并存，严重困难与快速发展同在。 　　煤矿巷道掘进主要指在岩层或煤层中开掘各种井、巷、硐室，可分为开拓巷道、准备巷道和回采巷道，一般有垂直巷道、水平巷道和倾斜巷道3种。从掘进工艺方法角度，可分为钻爆法和综合机械化掘进法。近年来，较之我国智能化综采工作面的发展成效，智能化掘进发展水平明显滞后，效率低下，致使煤炭开采过程中“采掘矛盾”日益突出。针对掘进智能化发展理念不清晰，装备智能化不完备、相关标准与规范缺失、支撑理论与关键技术研究严重不足等问题，亟需深化理论研究、创新先进工艺、攻克关键技术、研发智能化装备，推动智能化掘进快速健康发展，满足煤炭智能化开采的需求。 　　面向智能快速掘进所需的工艺与装备需求，重点开展掘进、支护、钻锚机器人化新装备创新研究，创建掘进并行作业工艺，优化多机协同控制策略。研究高应力与快速掘进扰动下巷道围岩应力变化与临时支护装备之间的耦合机理以及围岩控制技术，创新复杂条件下智能快掘临时支护理论与智能调控方法。 　　在国家相关政策的大力支持下，掘进机自动截割、定位、纠偏控制等方面的相关研究已取得较多理论与技术成果，但随着对于智能掘进快速、安全、高效的要求越来越高，掘-支-锚群体设备协同控制方法的理论与技术瓶颈仍然尚待突破。《煤炭学报》特别组织策划“煤矿快速智能掘进理论与技术”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，在此，对大力支持本专题的专家学者表示衷心的感谢! 　　本专题共收到来稿80余篇，最终录用13篇，紧紧围绕以下12个专题展开，即：①掘进超前探测先进理论与技术;②掘进协同工艺先进理论与技术;③智能化掘进导航定位理论与技术;④智能化掘进纠偏定向理论与技术;⑤掘进截割钻进装备先进理论与技术;⑥掘进巷道锚护先进理论与技术;⑦掘进临时支护先进理论与技术;⑧掘进通风抑尘先进理论与技术;⑨连采机，掘锚一体机关键理论与技术;⑩岩巷快速掘进理论与技术;11智能化盾构机掘进理论与技术;12掘进机器人理论与技术。专辑将着重介绍原创性科研成果，以促进我国煤矿智能快掘新理论、新工艺和新技术的展示与交流。 　　希望借助于专题的发表，深入交流煤矿快速智能掘进新理论、新技术，探讨新标准、新规范，创新先进掘进工艺、攻克关键掘进技术、研发快速智能化掘进新装备，推动智能掘进快速健康发展。 　　艰难困苦，玉汝于成!希望社会各界能人志士不断钻研，勇于拼搏，为国家能源事业的发展而努力奋斗!

• 掘进工作面围岩稳定性分析及快速成巷技术途径

  康红普, 姜鹏飞, 高富强, 王子越, 刘畅, 杨建威,

  分析了煤矿巷道掘进技术与装备现状及存在的问题，采用数值模拟方法研究了掘进工作面围岩应力、变形、破坏分布特征;分析了围岩稳定性的主要影响因素，包括围岩强度、围岩结构及地应力等地质力学参数，巷道断面尺寸、开挖方式、空顶距、掘进速度等掘进参数，及临时支护、永久支护等。巷道开挖后在掘进工作面顶角和巷道四角周围出现应力集中区;围岩位移、破坏在超前工作面一定位置开始出现，随着远离掘进工作面围岩位移和破坏范围不断增大，达到2倍巷道宽度时基本稳定;煤层强度、地应力对围岩变形与破坏的影响十分显著;分步开挖的顶板下沉量及破坏程度明显大于一次开挖;空顶距越大，围岩破坏裂隙越多、分布越广;过快、过慢的掘进速度对围岩稳定性均不利;掘进后安装及时、主动、支护阻力大的临时支护效果好;分次支护围岩位移和裂隙场的扩展均大于一次支护，通过分次支护提高掘进速度是以影响锚杆支护效果为代价的，应限定在一定的围岩条件。根据煤巷掘进工作面空顶距及自稳时间，对煤巷掘进工作面围岩稳定性进行了分类，并提出了相应的支护要求;提出煤巷可掘性的概念，根据被掘煤岩体条件，对煤巷可掘性进行了分类;分析了围岩的可钻性、可锚性及对掘进速度的影响。提出提高煤巷掘进速度的主要技术途径:确定适合的掘进模式，优化掘进工艺，优选掘进装备;确定合理的支护形式与参数，适当降低支护密度;掘进全系统整体配套与协同。根据掘进工作面围岩稳定性、可掘性、可钻性及可锚性，提出煤巷掘进自动化、智能化技术总体架构及应解决的关键技术:自动化、智能化截割、临时支护、自动化锚杆施工、超前探测、定位与导航、围岩稳定性与环境监测及大数据分析等，最后提出我国煤巷掘进自动化、智能化的发展路径。

• 悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法

  吴淼, 沈阳, 吉晓冬, 王鹏江, 姜海, 郑伟雄, 李悦,

  悬臂式掘进机机身位姿参数的实时精准感知是煤矿巷道定向掘进，乃至综掘工作面智能化、无人化建设的关键环节，在综掘工作面复杂工况下目前还不能真正实现掘进机机身位姿实时、自主、精准感知。提出了一种悬臂式掘进机行走轨迹及偏差感知方法，旨在实时确定掘进机机身的方位偏差，为掘进机定向掘进提供纠偏基准参数。在以往研究的基础上，搭建了基于激光偏距感知、捷联惯导、二维里程计的掘进机行走轨迹及偏差感知系统，分析了掘进机机身方位偏差与巷道定向掘进的关系，制定了基于此系统的掘进机自主定向掘进策略;基于捷联式惯性导航系统在综掘工作面的适用改进推导了其初始粗对准和姿态更新算法，确立了掘进机航向角与偏角的联系;研制的二维里程计可同时测量掘进机横向和纵向里程增量，推导了基于二维里程和偏角的航位推算算法，得到了掘进机实时位置坐标。研发了掘进机位姿参数可视化交互式远程显示系统，搭建了包括掘进机井下、井上可视化远程控制平台、全站仪在内的掘进机行走轨迹及偏差感知精度验证实验系统。工业性实验结果表明所提方法实现了掘进机机身偏角、偏距(横坐标)、纵坐标的精准感知，验证了所提方法的可行性及优越性，满足巷道掘进对于掘进机机身定位定向要求。

• 煤矿掘进机器人系统智能并行协同控制方法

  马宏伟, 王鹏, 王世斌, 毛清华, 石增武, 夏晶, 杨征, 薛旭升, 王川伟,

  煤矿巷道掘进长期存在的“采快掘慢”“掘快支慢”顽症，尤其是掘进工作面装备成套化、自动化、智能化程度偏低、顺序作业工艺技术落后等问题，严重影响生产接续和安全高效开采。对此，研发了护盾推移式煤矿巷道掘进机器人系统成套装备，提出了一种煤矿巷道掘进机器人系统智能并行协同控制方法。首先，结合掘进机器人系统与巷道的耦合关系，分析了掘进机器人系统中各个子系统之间的相关性以及多任务之间的相互影响机理，得出了决定掘进效率的关键因素在于截割机器人和钻锚机器人的并行协同控制;其次，针对钻锚机器人各钻机之间的时空关系，构建了多钻机多任务协同钻锚作业数学模型，获得了钻机布置排距、排数及其各排钻锚任务数，同时使用优化组合的方法进行求解，并对计算结果通过安全距离最大原则进行优化，获得了钻锚机器人各排钻机最佳时空匹配策略;最后，通过钻锚机器人系统并行协同控制仿真和实验，证明了该方法的有效性;通过对掘进机器人工作时截割机器人与钻锚机器人的时序分析，得出优化后的钻锚机器人工作时间能够与截割机器人工作时间有效匹配，2者能够并行协同的完成截割和钻锚任务。该方法已经应用在团队研发的煤矿智能掘进机器人系统上，实现了多机器人系统的智能并行协同控制。具有智能并行协同控制的掘进机器人系统已经在大断面(6.50 m×4.25 m)、夹矸与片帮共存的巷道运行近10个月，经受了夹矸厚度达2.1 m、硬度f=5~7的严酷考验，日进尺突破50 m。

• 煤矿智能快掘关键技术与工程实践

  王虹, 王步康, 张小峰, 李发泉,

  掘进智能化为智慧矿山建设提供不可或缺的科技支撑,智能快掘技术是煤炭安全高效生产的客观需求,是解决采掘失衡问题的根本途径。我国煤矿井下巷道掘进作业呈现作业环境恶劣、地质条件复杂、施工工序多、安全性差等问题,智能掘进主要面临掘进单机装备完备性、可靠性和能力不足、围岩时效控制技术薄弱、掘进工序高效协同和掘进装备群的智能化协作技术欠缺三大难题。针对智能掘进保障性技术不足的问题,提出了掘进设备可靠性、巷道围岩状态在线感知、巷道围岩时效控制、低比能耗高效截割、掘进粉尘综合防治5类智能掘进保障技术;基于掘支运一体化技术,提出了以“边缘感知、平台决策、设备执行、远程运维”4个维度的智能掘进系统基本架构,分析和讨论了掘锚(探)一体化、自动截割、智能支护、掘进导航、远程集控5种智能掘进关键技术;为扩大智能掘进核心技术支撑的覆盖面,针对不同掘进设备配套和不同煤层赋存条件,提出了掘支运一体化、全断面掘进机、双锚掘进机及5G+连续采煤机4种智能掘进模式,并在国能、中煤、山能、陕煤等集团得到推广应用;最后,提出巷道掘进智能化的发展方向和建议,建议研究井下空间定位导航新技术、支护效果动态监测与支护工艺精确调整、掘锚一体机器人、掘进工作面高精度智能感知与数字孪生、掘进系统平台化。

• 巷道掘进截割钻进先进技术研究现状及展望

  毛君, 董钰峰, 卢进南, 李玉岐, 张鸿宇, 谢苗, 吴霞, 刘治翔, 王贺, 田博,

  为响应智能化煤矿发展需要，同时为改善综掘工作面智能化无人化发展较综采工作面滞后现状，提出了掘进装备自主定型定向截割、掘进装备自主巡航、掘进机健康管理技术及多机多工序智能协同控制技术四大截割钻进装备先进技术并给出研究方向。针对掘进装备自主定形定向截割技术，通过研究不同掘进装备的截割轨迹规划、机身振动特征对截割头轨迹误差的影响规律及不同掘进速度下掘进巷道顶板稳定性分析方法进行掘进装备截割路径及截割速度规划研究;通过研究位姿监测技术、恒功率截割技术、记忆截割技术实现掘进装备自主定形定向截割控制;通过数字采集系统构建掘进巷道数字孪生虚拟模型，采用掘进机虚拟操纵平台实现掘进机远程自动截割控制。通过掘进巷道环境感知技术，构建掘进巷道的三维模型并标明巷道的安全情况;利用激光扫描及多种算法，形成巷道三维点云模型;对激光、通信、视觉及惯性等传感器等进行技术互补性融合，利用多种融合算法，实现高精度巷道感知;采用随钻测量系统进行瓦斯监测和超前探水作业;将视觉感知技术、激光测距技术、全站仪、超宽带定位技术等融入井下巷道的设备定位系统中，实时监测巷道内的掘进机位姿。通过结合掘进机健康管理技术发展现状，梳理出掘进机健康管理技术在故障预警技术、故障诊断技术、寿命评估技术3个方面存在的不足，并针对所面临的挑战提出了跨时空域度的监测信息多源数据融合技术、掘进机与断面岩层耦合作用机理、突发事件风险识别模型、自学习健康管理系统4项拟解决的科学问题。通过多传感器信息融合技术，研究掘进系统截割单元及临时支护单元的控制方法，分析多源信息分析处理及优化策略，以自动截割系统和超前临时支架移架系统为例，阐明了多传感器信息融合的运行机制，提出多工序协同控制技术难点及实现这一目标需要解决的2个关键点。

• 平行掘进:基于ACP理论的掘-支-锚智能控制理论与关键技术

  杨健健, 葛世荣, 王飞跃, 罗文杰, 张雨晨, 胡兴涛, 朱涛, 吴淼,

  虽然智能掘进技术已取得了一些进步，提出了护盾式、掘锚式等掘-支-锚多装备的样机设计，但从设备适用性及装备配套性角度，仍存在个体装备设计不严谨、样机改型成本高、装备控制不精准、巷道场景多样不适应、群体设备难一致协同等诸多问题。造成上述问题的首要原因是缺少煤矿特殊生产环境下群体设备联动协同控制的基础理论研究，主要表现为对智能掘进所需的设备模型、场景实验、数据驱动等基础理论缺少研究。针对掘进复杂系统难以建模与实验不足等问题，提出了平行掘进系统的研究思想，试图用一种适合复杂系统的计算理论与方法解决智能化掘进现存问题，主要利用大型计算模型、预测并诱发引导复杂系统现象，通过整合人工社会、计算实验和平行系统等方法，形成新的计算研究体系。以智能掘进复杂系统为研究对象，重点考虑掘-支-锚系统的整体控制理论与方法，结合智能化掘进相关研究基础和方法，融入当前国内外复杂系统研究的最新科研进展，基于平行控制基础理论及ACP(Artificial,Computing,Parallel)方法框架，运用代理控制理念及自适应动态规划多智能体研究方法，开展智能掘进复杂系统的掘-支-锚平行控制基础理论与方法研究。针对巷道复杂环境下的群体设备离散控制现状，运用整体系统论的方法，完成掘进系统的掘进、支护、钻锚群体设备代理模型的构建，根据多场景下复杂系统的计算实验克服掘进巷道环境复杂、恶劣的工程验证难题，最终实现智能掘进平行控制方法的理论创新与方法验证。

• 不同地质条件下掘锚机的行驶通过性能分析

  陈洪月, 元世浩, 牛虎明, 张德生, 钟东虎,

  掘锚机行驶通过性能是影响其地质适应性的重要因素,为研究掘锚机在不同地质条件下的通过性能,以Sandvik MB670型掘锚机为研究对象,国内某煤矿5-2煤层为研究背景,采用履带动力学理论与多体系统动力学仿真方法构建了巷道内不同地形条件下的掘锚机行驶动力学模型,仿真研究了掘锚机的运动特性和稳定性。结果表明:纵向地形是影响机身振动的主要因素,坡度越大掘锚机滑转现象越严重,当5-2煤层底板纵向坡度为17%时,掘锚机的平均滑转率达到0.214;底板倾斜是造成掘锚机偏航角和偏移量迅速增大的主要原因,掘锚机在凹形底板上的偏航角和偏移量很小,在凸型底板上的偏航角近似不变而偏移量随位移线性增加。通过DEM-MBD耦合仿真方法研究了掘锚机在全煤层、含水煤层、含30 mm矸石煤层和含60 mm矸石煤层4种底板的上的动力学特性。结果表明:煤层表面保留30 mm矸石层时掘锚机爬坡角度可达到19.5°左右,而当矸石层厚度为60 mm时爬坡角度降低为17°,当煤层含水时掘锚机最大爬坡角度略低于全煤层时的19°;虽然不同地质条件下掘锚机的平均接地比压相近,与理论值误差在5%左右,但在含60 mm矸石煤层上掘锚机接地比压分布最不均匀,不同位置履带接地比压相差达8 N/cm2,高于其他3种底板,增加矸石层厚度还会带来底板沉陷和堆积问题。而少量矸石层在提高行驶性能的同时也导致掘锚机偏移量和启动阶段加速度增加,因此针对不同工况要控制底板表面矸石含量。

• 煤矿巷道智能化掘进感知关键技术

  胡兴涛, 朱涛, 苏继敏, 刘凯文, 代双成, 邢旭东, 郑光辉, 刘炳权, 王波, 张国玉,

  针对目前煤矿巷道掘进工作面智能化应用水平较低导致掘进效率低下、采掘接替紧张的问题，分析了制约巷道掘进工作面实现智能化的关键技术-快速掘进煤炭地质保障技术、智能超前自主感知技术、智能掘进大数据云计算及控制软件技术。论述了煤矿快速掘进理论及技术基础，以煤矿高分辨率三维地震勘探技术、矿井地质透明化技术为支撑，巷道围岩应力及其控制理论为基础，快速掘进设备为保障，形成实现煤矿智能高效掘进的探测、掘进、支护协同作业的基础支撑理论。重点阐述了煤矿巷道掘进工作面的智能超前自主感知技术，包括高分辨地质雷达探测技术、基于TSOA定位原理混合算法的掘进机位姿感知技术、基于同步定位与建图(SLAM)原理的掘进工作面环境感知技术、掘进设备运行状态感知技术。形成实现智能化掘进工作面的“掘进机位姿感知、工作面环境感知、设备状态感知”的空间一体化感知体系。在分析煤矿综掘工作面实现智能化快掘自主感知和调控技术的基础上，提出按照“以智能化超前感知为基础，以多源数据计算为中心，以安全智能快速掘进为目标”的原则进行设计和构建煤矿智能快速掘进技术体系。开发基于F5G通讯的多源数据和多源图像传输、存储技术，确保了数据传输的高效、可靠和稳定。依托大数据分析和云计算平台，开发具有CPU、存储和网络资源聚合计算基础架构VMware vSphere的软件-智能化掘进-SmartX，系统架构划分为数据源层、智能化超前感知数据采集层、多源数据和图像的传输存储层、大数据云平台数据分析层、决策应用层，包括超前地质探测精准感知、掘进设备位姿感知和掘进工作面环境感知等8个主要功能模块。形成智能化掘进工作面Hadoop&Spark一体化大数据云计算分析处理平台，智能化掘进-SmartX系统。分析煤矿巷道智能化掘进面临的挑战和未来发展，提出继续研制高质量感知设备与多源数据、图像深度融合技术，提高智能掘进设备上使用的感知设备种类、精度和智能性等，提升多源数据、图像在深度融合方面的精度和准确度。加大研发基于F5G通讯技术的掘进工艺智能化技术，智能化掘进设备在工作过程中，确保各项参数判定和指令动作在提前设定的状态下快速可靠准确完成。提出进一步提升巷道智能化掘进辅助生产环节的智能化水平，以减少现场作业人员数量，减轻作业人员劳动强度，实现掘进工作面智能化水平整体提升。

• 自振脉冲射流预制裂隙对机械刀具破岩过程温度影响特性

  李洪盛, 刘送永, 郭楚文,

  针对硬岩巷道掘进过程中机械刀具磨损加剧问题，利用高压水射流破岩系统以及机械刀具截割破岩试验系统，建立评价自激振荡脉冲射流预制裂隙情况下机械刀具破岩性能参数指标，研究了不同自激振荡喷嘴结构参数(振荡腔腔长、截面锥角)以及工作参数(系统压力、横移速度)对机械刀具降载减磨特性的影响规律，分析了自激振荡脉冲射流预制裂缝对机械刀具破岩过程中截割载荷与刀具温度的影响特性，试验结果表明，截割载荷与刀具温度均随射流系统压力的增加而降低，随振荡腔腔长与截面锥角的增加呈先升后降的变化趋势，随横移速度的增大而逐渐增大。相对于无预制裂隙情况下的截割载荷，当系统压力处于30，40，50以及60 MPa时，机械刀具截割载荷减小率分别为15.12%，20.84%，27.01%以及29.24%。当截面锥角分别为90°，120°，140°，160°及180°时，截割载荷受力变化率分别降低了22.87%，27.27%，31.13%，33.82%及29.78%。对于横移速度分别为4，6，8，9及10 m/min的截割载荷变化率分别降低了43.6%，35.3%，32.9%，31.1%及30.7%。当射流系统压力、振荡腔腔长、截面锥角及横移速度分别取50 MPa，65~75 mm，140°~160°，6~8 m/min时，自激振荡脉冲射流预制裂隙情况下的机械刀具破岩性能较好。

• 高原矿井掘进工作面截割粉尘污染效应及通风控尘参数分析

  蒋仲安, 杨斌, 张国梁, 曾发镔, 王亚朋,

  为降低高原矿井掘进工作面开挖过程的粉尘污染，改善工作面整体施工环境，根据海拔上升环境参数的变化，运用数值模拟软件对黏性流体及粒子运动特性的变化规律进行分析;研究掘进机动态截割煤岩时粉尘的污染效应，分析不同海拔高度下颗粒物的扩散及沉降特性，并根据颗粒物的扩散特性对高原矿井掘进工作面通风“控尘”及“排尘”参数进行确定。结果表明:截割落岩形成的粉尘受截割头运动和掘进工作面涡流的影响，粒子主要沿截割臂向回风侧方向运动，截割左侧岩体时涌向司机工作区的粉尘明显多于右侧，且以粒径在40 μm以下的颗粒为主。受海拔上升环境参数改变的影响，流体性质会发生变化，导致颗粒受力情况和运动轨迹改变，扩散距离变小，沉降加快，其中对PM5以上的微粒影响较为明显;虽然海拔上升流体携带粉尘的能力减弱，导致掘进工作面沿程粉尘质量浓度下降，但粉尘沉积量会增多，存在二次飞扬的风险。在掘进工作面安装压入式“附壁控尘风筒”后，会在掘进工作面形成顺时针旋转涡流风幕，可将产生的粉尘有效的控制在掘进工作面前段，而另一侧的“除尘风机”会将掘进工作面聚集的粉尘及时排出。当附壁风筒径轴风量比m≥0.7、压抽比n＜1时，在“射流、汇流以及旋转风幕”的作用下，能使距掘进工作面20 m之后的区域粉尘质量浓度降低70%以上，有效的降低了高原矿井掘进过程中粉尘对人员和机械设备的损害。

• 巷道快速智能掘进超前探测技术与发展

  张平松, 李圣林, 邱实, 郭立全, 胡雄武,

  新时代矿井智能化发展成为趋势，智能掘进条件下超前探测技术需要为掘进工作面安全生产提供保障。快速掘进、复杂地质条件下要求探测精度与预报实时程度高，随掘多源多场信息采集、大数据智能分析与透明化表达是超前探测系统构建的新发展模式。结合近年来隧道、井巷等领域超前探测技术发展现状，讨论其方法、技术、应用等方面的问题及动态;在分析巷道快速智能掘进超前探测技术发展面临的复杂地质问题与基础技术选择局限等关键问题的基础上，提出能够满足巷道快速智能掘进超前探测需求的技术主要为随掘探测技术以及超长钻孔孔中探测技术等。在关键技术创新方面，给出了适用于巷道快速掘进的2种超前探测技术体系，分别是应用于煤巷的掘进机震源随掘地震技术与超长钻孔孔中瞬变电磁联合的技术体系，以及应用于岩巷的TBM震源随掘地震技术与BEAM随掘电法联合的技术体系;并针对每种基础超前探测技术给出了发展思考，其中，随掘地震技术在原始信号脉冲化即重构处理研究的基础上，还需发展全空间三维立体探测、多波多分量方法、全波形反演、极化、散射等高精度探测与精细成像技术;超长钻孔孔中瞬变电磁技术首先需要突破有/无异常情况下孔中瞬变电磁信号数据特征的基础研究，在此基础上重点开展波场转换、全程全空间视电阻率反演等数据处理解释技术以及适用装备的研究;BEAM随掘电法技术的探测距离过短是未来首先需要解决的问题，其高精度数据解释与反演技术、含水异常体实时动态监测与定量化预测也是研究的重点与趋势。再者，为有效解决物探方法多解性问题，提出重点发展地震体波-槽波联合反演、地震-电法联合反演、地震-瞬变电磁联合反演等融合解释技术。在关键技术应用方面，提出构建地质保障技术体系海量基础数据库，融合5G通讯、大数据、云平台等智能技术，建设综掘工作面探测信息大数据分析平台，进行多源数据融合交互，实现对前方地质体的精准预报;充分利用含水异常体实时动态监测系统、随掘探测系统等提供的在线数据，创新数据智能解释方法，开发探测结果实时处理、动态成像等技术，提高探测时效性;通过异常判识精度与速度双重突破，促进掘进快速智能发展;在此基础上，构建高精度三维巷道地质地球物理模型，提高巷道超前地质透明化程度，动态展示随掘巷道三维空间地质条件，为实现快速智能掘进提供精准地质支撑。

• 深部高温矿井大断面岩巷TBM智能掘进技术、以“新矿1号”TBM为例

  张洪伟, 胡兆锋, 程敬义, 朱传奇, 赵毅鑫, 郑兴博, 吕长刚, 高翔, 周俊,

  我国中东部众多矿区相继进入深部开采，面临着采掘接续紧张的突出问题。大断面岩巷TBM掘进以其智能化程度高、作业安全、掘进效率高等特点已逐渐应用于浅部矿井，在深部矿井中却应用极少，匮乏建设经验。因此，为研究深部矿井岩巷TBM智能高效掘进技术，提升深部矿井机械化、智能化建设的水平，山东新巨龙煤矿研发了大断面岩巷TBM智能掘进系统(“新矿1号”)，系统集成了掘进、出渣、支护、除尘、通风、降温、导向、防爆、防冲等技术于一体，实现了深井直径6.33 m硬岩巷道智能掘进、掘进时锚杆自动化施工、掘支平行作业等技术。基于此，综述了深部高温矿井TBM全断面硬岩掘进机应用的关键技术，主要包括:① 适用于深部高温矿井的岩巷TBM掘进装备建造模式;② TBM大尺寸部件的大埋深、长距离运输与安装技术;③ TBM智能掘进技术;④ 深井超大断面安装硐室和掘进巷道围岩稳定性控制技术;⑤ 深部高温高地应力矿井TBM智能掘进综合保障技术，包括：TBM通过高应力软岩破碎带等不良地层的地质预报、降温、除湿、降尘等技术。旨在通过论述该设备的研发和应用过程，提出深部矿井硬岩TBM掘进的难点和解决方法，为类似矿井采用TBM法掘进岩巷提供一定的经验和技术借鉴，以便于国内同行对该技术进行全面认识与深入研究。

• 悬臂式掘进机视觉导航与定向掘进控制技术

  张旭辉, 赵建勋, 杨文娟, 张超,

  煤矿巷道掘进装备位姿测量是国内外目前研究的热点，不同的巷道快速掘进系统均面临定向导航难题。为解决煤矿井下悬臂式掘进机自动定向掘进控制难题，提出一种基于视觉导航的悬臂式掘进机自动定向掘进控制方法，利用单目视觉测量技术，以巷道中激光指向仪的激光点和激光束为特征构建基于门形结构的掘进机机身位姿视觉测量模型，通过空间矩阵变换解算巷道中机身位姿。根据悬臂式掘进机运动特点确定掘进机纠偏控制策略，基于悬臂式掘进机运动学建立掘进机定向掘进运动控制模型，采用backstepping方法，选取合适的Lyapunov函数设计掘进机轨迹跟踪控制器，有效解决掘进机轨迹跟踪控制问题。实验结果表明:悬臂式掘进机机身位姿视觉测量方法可有效实现井下工作环境中悬臂式掘进机机身的位姿测量，得到掘进机机身位置测量误差在±40 mm以内，姿态角角度测量误差在±0.3°以内;轨迹跟踪控制器可实现悬臂式掘进机的自动定向掘进功能，其运动控制精度在±20 mm以内，满足巷道施工的精度要求。该方法中工业相机固定安装于掘进装备机身，且利用激光指向仪点-线特征构建门型三线模型作为位姿测量基准，与相关研究对比，具有不易脱靶、标靶移动少等优点。

• 碳中和目标下煤炭行业发展机遇

  谢和平, 任世华, 谢亚辰, 焦小淼,

  碳达峰碳中和目标已上升为国家战略，相关路线图、时间表和政策措施正在制订和落地实施，将推进经济社会广泛而深刻的系统性变革。基于我国资源禀赋特征和现阶段经济社会发展实际，短期内仍离不开煤炭。科学研判碳达峰碳中和目标下我国能源消费结构和煤炭消费演变趋势，采取正确的应对措施，是实现碳达峰碳中和、能源安全稳定供应双重目标的客观要求。分析了美国碳达峰前后现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律，提出我国能源优化发展的三大路径，即持续提高能源效率，减少能源消费；大力发展新能源，优化电力结构；大力发展CO2能源化资源化新技术，推进CO2再利用；增强能源自给能力，保障能源安全。研判了我国能源消费格局演变趋势及不同时段煤炭消费规模，即我国能源消费格局演变分为煤炭由基础能源（2021—2030年）—保障能源（2031—2050年）—支撑能源（2051—2060年）、新能源对应由补充能源—替代能源—主体能源的3个阶段，新能源在能源消费结构中的占比分别为15%~29%,30%~49%,50%~80%。即使全面实现了碳中和，仍需要煤炭作为电力调峰、碳质还原剂和保障能源安全的兜底能源（15亿~12亿t/a）。阐述了碳中和目标下，我国煤炭行业将迎来的三大机遇，即实现煤炭高质量发展的机遇、煤炭升级高技术产业的机遇、煤炭抢占新能源主阵地的机遇。

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

  代世峰, 王绍清, 唐跃刚, 姜尧发, 任德贻, 赵蕾, 赵峰华, 邵龙义, 左建平,

  与镜质体和类脂体相比，惰质体具有明显的惰性，特别是在碳化过程中其惰性更为明显。惰质体的定义和分类是“ICCP system 1994”的重要组成部分。在“ICCP system 1994”中，惰质体包含7种显微组分，不包含亚组。这7种显微组分包括丝质体、半丝质体、真菌体、分泌体、粗粒体、微粒体和惰质碎屑体;前3者保存细胞的结构，分泌体、粗粒体、微粒体没有保存植物的细胞结构。对于具有结构的惰质体显微组分，只有那些具有高反射率的组织细胞壁才能鉴定为惰质体的组分。该分类方案有2个突出特点：① 真菌体和分泌体替代了旧分类方案中的菌类体;② 重新定义了显微组分粗粒体，以便使其与分泌体之间有清晰的分辨界限。真菌体仅包括真菌的遗骸;虽然分泌体和真菌菌核的光学性质近似，但前者实际上是氧化后又经历了煤化作用的植物分泌物。惰质体其他显微组分和旧分类方案(即Stopes Heerlen烟煤显微组分分类方案)没有太大区别。“ICCP system 1994”和国家标准《烟煤显微组分分类》相比，2者之间的显微组分是相互对应的，但是后者多了显微亚组分(即丝质体分为火焚和氧化丝质体;粗粒体分为粗粒体1和粗粒体2)。对煤中丝质体属于火焚成因还是氧化成因或者其他成因，尚存在不同的认识。不同于镜质体的分类适于中阶煤和高阶煤，惰质体的分类适用于从泥炭到变无烟煤整个煤化作用阶段。

• 大倾角煤层长壁开采覆岩走向受载与破坏特征

  罗生虎, 田程阳, 伍永平, 解盘石, 王红伟,

  对围岩的有效控制是大倾角煤层长壁工作面安全高效开采的关键，以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景，采用“理论分析+模拟实验+现场监测”相结合的研究方法，在对工作面矿压显现规律及其成因综合厘定与分析的基础上，通过构建采空区矸石充填模型和顶板走向力学模型，系统研究了采空区矸石的非均匀充填特征及其非均衡约束下工作面倾向不同区域顶板沿走向岩体结构的受载与失稳特征。结果显示，采空区矸石充填特征在工作面走向和倾向均呈现出非均匀性，在工作面倾向中上部区域支架后方采空区底板上易形成倒三角自由面，且其非均匀性随着煤层倾角、采高和工作面长度的增大而增大。在垮落矸石非均衡约束效应影响下，顶板的受载与变形破坏特征不仅在工作面倾向具有明显的非对称特性，倾向不同区域顶板沿走向的受载与变形破坏特征及其所形成围岩结构的基本形态之间亦存在显著差异。沿工作面倾向自下而上，受采空区矸石充填量与密实程度逐渐减小、矸石与支架间距离逐渐增大的影响，采空区充填矸石对工作面围岩稳定的贡献度逐渐减弱，围岩的运移空间、频次和幅度等逐渐增大，围岩结构的稳定性逐渐减弱，支架的受载量及其变化幅度逐渐增大，“支架－围岩”系统的稳定性等逐渐减弱，且易形成较大来压。

• 随机参数下大倾角煤层开采飞矸运动法向特征量理论

  刘明, 周一童, 吕文玉,

  大倾角煤层开采工作面飞矸冲击运动具有复杂性、动态性和不确定性等特点。准确的描述飞矸冲击运动是大倾角煤层飞矸防护设计的基础。以大倾角煤层开采工作面球形飞矸法向冲击运动为研究背景，考虑飞矸冲击运动参数的随机性影响，基于Hertz经典弹性碰撞理论，采用随机因子法建立飞矸法向冲击运动分析模型。利用求解随机变量函数数字特征的代数综合法和矩法，得到飞矸法向最大冲击力和法向碰撞恢复系数的均值和方差表达式。为验证准确性和可行性，与采用Monte Carlo法模拟的结果进行了对比。最后采用RocFall软件模拟得到飞矸弹跳高度的均值曲线，分析了参数的随机性对飞矸弹跳高度的影响。结果表明:计算的结果与Monte Carlo法模拟的结果具有高度一致性。大倾角煤层开采飞矸冲击运动参数的随机性对飞矸最大法向冲击力及法向碰撞恢复系数的随机性均有不同程度的影响，且变异系数越大，参数的随机性对飞矸法向最大冲击力及法向碰撞恢复系数的影响越大。飞矸法向碰撞恢复系数的随机性通过影响飞矸回弹速度，进而影响飞矸冲击后的弹跳高度，弹跳高度则直接关系着飞矸防护装置的高度设置。将飞矸冲击运动计算方法应用于工作面现场，可为飞矸运动轨迹的预测与挡矸装置的设计提供一定的理论依据。

• 煤层底板加固中浆液充填套管的空间受力特征及其应用

  李见波, 许延春, 尹尚先,

  为研究底板加固中浆液充填套管对底板岩层变形影响，以套管为主要研究对象，建立采动作用下浆液充填套管在底板岩层中的力学作用模型，理论分析浆液充填套管的应力分布和作用机制并进行验证。将采空区四周支承压力分区，根据集中力作用下半空间体内应力解，通过角点法积分得到矩形基底三角形分布支承压力角点下的一点应力状态，并运用辅助线法和叠加法得到了采空区下方底板岩层中任一点的空间应力分布。然后，基于浆液充填套管破断形态和抗弯刚度，结合采动作用下底板岩层变形破坏特征及套管布置方式，建立以浆液充填套管为中心的套管与岩层耦合作用力学模型，阐明了弹塑性极限平衡条件下浆液充填套管的空间受力特征及对底板岩层变形影响机制，得到了浆液充填套管在准破坏区界点处的弯矩公式和基于抗弯刚度和许用应力的套管容许最大变形公式。最后，根据工程实例建立数值模型，计算结果表明轴向上套管垂向位移形态以破坏区为界分为2段，破坏区内套管位移较大，套管位移形态阐明套管发生弯曲变形过程。施加套管时监测点位移变形量小于未施加套管时的变形量，且套管长度越大变形量越小，验证了浆液充填套管具有抵抗岩层变形的作用。数值计算结果与理论分析相符，组合浆液充填套管能够提高底板岩层抵抗变形的性能。

• 大采高小煤柱沿空掘巷切顶卸压围岩控制技术

  张百胜, 王朋飞, 崔守清, 樊梦战, 丘玉铭,

  针对留大煤柱采出率低和留小煤柱护巷矿压显现剧烈存在的矛盾，采用矿压理论分析、FLAC3D数值模拟和巷道变形现场实测，对潞安集团阜生煤矿6 m大采高留小煤柱切顶卸压沿空掘巷机理与围岩控制进行了研究，得到:① 切顶卸压可人为控制基本顶的断顶位置，实现压力主动调控，切顶后，改变了基本顶原有应力传递路径，压力有效转移至采空区，减轻了采空区侧向实体围岩应力，沿空掘巷围岩应力更加均匀缓和;② 切顶后顶板断裂结构发生变化，由初次来压前基本顶四边固支变为三边固支，由初次来压后基本顶三边固支变为两边固支，垮落步距相应降低，顶板更易于垮落，切顶工作面的矿压显现也相应得到缓和;③ 切顶角度、切顶深度、切顶孔间距、切顶孔布置方式是实现精准切顶卸压的关键，16 m切缝深度恰能切断石灰岩基本顶，可有效缩短基本顶侧向悬臂长度，同时充分发挥采空区垮落矸石的碎胀支撑作用;④ 3种情况下的数值模拟显示，传统留25 m煤柱尺寸过大，造成大量资源浪费，且峰值压力较大，为18.2 MPa;仅留8 m小煤柱但不切顶时小煤柱所承受支承压力最大，峰值可达19.3 MPa，可能导致掘巷失败;切顶8 m小煤柱条件下的煤柱及其附近围岩塑性区范围最小，且小煤柱支承压力最小，峰值为12.7 MPa，采空区应力提高到0.11 MPa;结合切顶卸压，实现了对围岩压力的主动调控;⑤ 实践表明，采用切顶卸压和配套合理支护技术可实现小煤柱沿空掘巷在迎采阶段和本工作面回采阶段围岩稳定，为类似条件矿井安全高效开采提供借鉴和参考。

• 松软破碎煤体钻封注一体化锚固实验研究

  支光辉, 刘少伟, 贺德印, 付孟雄, 贾连鑫, 曾得国, 于涛,

  赵家寨矿“三软”厚煤层回采巷道为锚网支护全煤巷道，掘进过程中时常遇到松软破碎围岩段，该围岩条件下普遍存在锚固孔成孔质量差、塌孔现象严重及锚固力低下等瓶颈问题。为有效解决其支护难题，改善局部破坏严重段的巷道支护效果，研发了一种钻封注一体化注浆锚杆。采用理论分析、实验室实验及现场试验相结合的研究方式，对钻封注一体化注浆锚杆锚固机理、注浆效果及锚固性能进行了分析，研究结果显示:钻封注一体化注浆锚杆，具有较好的注浆封孔效果，可减少松软破碎煤巷注浆加固流程，加快施工进度;该注浆锚杆在松软和破碎煤体钻进过程中，注浆锚杆振动响应特征表现较大差异，依此实现煤体条件的判别，可为巷道围岩注浆参数设计及差异化注浆提供理论依据;实验室超声波无损检测注浆效果显示，该注浆锚杆能有效实现松软及破碎煤体注浆，且浆液扩散效果良好，说明该注浆锚杆可对该类巷道围岩实现良好的注浆加固作用;注浆锚杆现场拉拔试验结果显示，在松软破碎围岩条件下，相较于普通树脂锚杆，注浆锚杆锚固力提升约36.4%，说明该注浆锚杆能够对围岩起到更好的锚固作用。上述研究结果表明，钻封注一体化注浆锚杆，可明显简化松软破碎煤巷注浆加固流程，同时，可对松软破碎煤巷围岩起到更好的锚固效果，研究成果为提升松软破碎煤巷控制效果。

• 冲击荷载下煤系砂岩应变率效应及能量耗散特征

  余永强, 张文龙, 范利丹, 龚健, 杨蒙, 孙亮,

  在煤矿巷道掘进过程中，巷道围岩在动载作用下变形将会增大，为研究煤系砂岩在冲击荷载作用下的力学特性及能量耗散，以河南陈四楼煤矿巷道围岩中的砂岩为研究对象，利用直径为50 mm的分离式霍普金森压杆试验装置对煤矿砂岩开展单轴单次冲击压缩试验和循环冲击压缩试验，对冲击荷载作用下煤矿砂岩的应变率效应、能量耗散特征和破坏模式等进行分析。研究结果表明:在单轴单次冲击荷载作用下，随着平均应变率的增加，砂岩试样的峰值应力和峰值应变均增大，割线模量逐渐降低，砂岩试样的塑性增加，强度提高;且峰值应变与平均应变率呈线性递增关系，峰值应力近似与平均应变率的1/3次幂呈递增关系;随着平均应变率的增加，砂岩试样的单位体积吸收能呈线性增加趋势，且试样破碎程度不断增大，在压应力持续作用下砂岩试样内部裂纹不断交叉扩展，沿轴向发生劈裂破坏。在循环冲击荷载作用下，随冲击荷载作用次数的增加，砂岩试样的平均应变率和峰值应变均逐渐增大，峰值应力、割线模量和第2类割线模量均随着冲击次数的增加而逐渐降低;在固定冲击气压下进行循环冲击时，随着冲击次数的增加，入射能基本保持不变，反射能和吸收能均逐渐增大，透射能逐渐减小，砂岩试样的单位体积吸收能随冲击次数增加呈先缓慢增加后突然增加的趋势;在循环冲击荷载作用下，砂岩试样吸收能量的能力增强，随着冲击次数的不断增加，试样内部微裂纹分布增多且扩展速度加快，主要发生受拉破坏，沿轴向加载方向产生贯穿于砂岩试样的环状破坏面。

• 高原环境下矿井最低排尘风速的数值模拟

  张国梁, 蒋仲安, 杨斌, 姚尚辉, 彭亚, 王亚朋,

  为降低高海拔矿井开采过程中的粉尘污染，改善通风除尘效果，减少矿井粉尘对作业人员的危害，依据圆管湍流特征对井巷风流分布规律和粉尘受力情况进行分析，建立了最低排尘风速的理论模型;并根据海拔上升导致的环境参数改变，对排尘风速的变化进行定量分析。根据实测结果，以拉萨市甲玛矿4490分层6号探矿巷为研究背景，采用Soildworks和ANSYS建立掘进工作面通风除尘模型。在风流流场模拟的基础上，对不同海拔高度下各粒径的粉尘运动轨迹进行数值模拟研究。结果表明，粉尘在风流的携带作用下向前扩散，粒径越小，扩散距离越远;当海拔上升环境参数改变后，粉尘颗粒的受力情况发生变化，运动状态也随之改变。在相同风速条件下，当海拔升高后，颗粒沉降速度增大，扩散距离变短，风流中粉尘质量流率下降，特别是呼吸性粉尘;0.25 m/s的风速难以将呼尘全部携带排出工作面，存在二次飞扬的可能，所以高原环境下的排尘风速应随环境参数变化进行调整。因此，为了将作业过程中产生的呼尘排出工作面，对各个海拔高度不同风速下的工作面沿程呼尘质量浓度变化进行分析，得到了不同海拔高度的最低排尘风速。将模拟得到的风速值与理论模型进行比较分析，误差均在3%以下，所以该模型可用于确定不同海拔高度的最低排尘风速，以便于高原矿井需风量的准确计算。

• 基于多传感融合的粉尘质量浓度检测技术

  赵政, 李德文, 吴付祥, 刘国庆,

  粉尘质量浓度在线检测技术是矿山通风安全和尘肺预警的重要基础，而技术的核心是检测误差。为了减小粉尘质量浓度在线检测的误差，提出一种基于多传感融合的粉尘质量浓度检测技术。调研发现目前应用最多的粉尘质量浓度在线检测方法是光散射法和电荷感应法;基于2种方法的基本原理，研制了光散射传感子单元和电荷感应传感子单元。为了解决光散射传感子单元的污染问题，借助气幕控尘技术，设计了一种带气幕隔尘的光散射传感子单元;再将2种传感子单元进行结构融合，得到串联型的多传感融合单元。然后，基于实验准备与系统，对多传感融合单元进行系列实验，采用多传感数据融合方法，将光散射子单元和电荷感应子单元的AD值进行数据融合，提出一种粉尘质量浓度检测算法，形成了多传感融合的粉尘质量浓度检测技术。最后，实验发现:光散射传感子单元的气幕隔尘结构尽量避免了粉尘对光学器件的污染;多传感融合单元的检测误差≤8.5%，比光散射传感子单元小6.4%，比电荷感应传感子单元小6.2%;多传感融合单元的平均标定灵敏度是2 911.4，与光散射传感子单元相比提高了32.3倍，与电荷感应传感子单元比较提高了124.4倍。证明:多传感融合技术克服了光散射法和电荷感应法对粉尘质量浓度检测的局限性，集中了2者的优点，进一步减小了检测误差和提高了标定灵敏度。

• 大斜度井段排采泵三层流场低速液流携粉运移特性

  刘新福, 刘春花, 何鸿铭, 李博, 綦耀光,

  分析大斜度井段排采泵的泵筒3层流场及其液流携粉运移特性对提高排采泵的可靠性和保障煤系地层水平井和斜井的连续稳定排采具有重要意义。综合大斜度、低流速和低黏度等多因素耦合的作用，并结合大斜度泵低速液流携粉运移实验测试与分析结果，提出适用于大斜度井段排采泵低速流场的静止层、移动层与悬浮层3层流动模型，推导大斜度泵腔3层流场连续性方程、动量方程和扩散方程，建立水粉两相流动数学模型并依据数值求解和井场测试结果揭示大斜度泵分层流场低速液流携粉运移特性，为水平井和斜井的大斜度泵选型设计及其系统优化以及冲程和冲次等排采制度和煤粉防控措施制订提供依据。结果表明，大斜度井段泵腔三相流场中，增大泵倾斜角和煤粉密度会增加悬浮层和移动层的压力梯度，其中泵倾斜角的影响尤为显著，移动层压力梯度受煤粉密度的影响相对较弱;增大水粉两相流煤粉体积分数时，移动层沿程压力损失始终增加，而悬浮层压力损失先是不断增加而后逐渐减弱;增大水粉两相流黏度会增加悬浮层和移动层的压力梯度，而增大液流携粉运移流量时，移动层沿程压力损失持续减小，且流量越大时压力损失减小的趋势越明显，而悬浮层的压力损失先是显著减小而后趋向平缓;大斜度井段柱塞伴随杆柱运动的过程中，大斜度泵入口处的水粉两相流煤粉体积分数随柱塞速度不断减小而逐渐增大，且速度波动对3层流场中悬浮层煤粉沉积的影响要小于其他2层。

• 新疆阜康地区多煤层组合条件下开发层段评价优选

  蒲一帆, 汤达祯, 陶树, 唐淑玲, 张奥博, 张泰源,

  多煤层地区优势开发层段评价以及优势组合层段选取是决定煤层气资源动用率、开发经济效益的重要工作。从煤储层可改造性和排采关键参数出发，优选煤岩力学性质、有效压裂厚度、煤体破碎程度、临储压力比和试井渗透率5个评价指标，利用模糊数学层次分析法优选甜点层段。考虑资源适配性、层间兼容性和排采稳定性，选取煤层相对埋深、含气量、临储比、储层压力梯度和渗透率5个关键参数，采用聚类分析对优势产层组合关系进行探讨。评价结果显示:以潜力值U>0.75为节点可优选出A2,A5,39,41,42共5个甜点层段，资源配置优，渗透性好，可改造性强;优选出A3~A4,A7~A8和41~42共3套优势组合层段，组合层段间具有相似的渗透率、压力梯度以及临储比，排采过程中易达到生产“同步”，评价优选结果与气井产能特征基本一致。进一步结合排采特征分析认为，多因素的耦合作用是四工河矿区煤层气井的主要控产机理，生产部署应着重考虑构造部位、埋深特征，首当考虑优势单煤层开发(A2,A5煤)，多煤层优势组合多为低潜力煤层(A3~A4,A7~A8煤)，可于开发后期进行开发部署;白杨河矿区煤层气井产能整体受控于煤体结构、多煤层排采组合以及生产井型，应在充分考虑煤体结构的非均质性以及煤层发育的不连续性的基础上，规避碎粒、糜棱煤发育区，对优势单煤层开发(42煤等)的同时可兼顾优势煤层组(41~42,39~41~42煤)合层排采，提高煤层气资源动用率。

• 鄂尔多斯盆地直罗组聚煤规律及其对古气候和铀成矿环境的指示意义

  焦养泉, 吴立群, 荣辉, 张帆,

  鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系不限于延安组，其始于富县组沉积末期(Toarcian晚期)，终于直罗组沉积早中期(Bathonian期)。关注侏罗纪含煤岩系衰退演化阶段的直罗组聚煤特征与发育演化规律研究，不仅有助于阐明鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系的地层结构，重塑Bathonian期古气候变化和迁移的细节过程，还有助于从外部还原介质的角度剖析砂岩型铀矿的成矿环境。结合区域露头调查并通过大范围钻孔资料的地层对比发现，在直罗组下段下亚段沉积时期，全盆地具有较大范围的聚煤作用，聚煤区围绕盆地沉降中心呈环带状展布,说明此时的古气候尚处于潮湿环境。但是，聚煤规模却远不如延安组，以发育薄煤层、煤线和碳质泥岩为特征，说明Bathonian期鄂尔多斯盆地总体处于由潮湿向干旱转变的古气候背景中。调查发现，从直罗组下段上亚段沉积期开始，全盆地聚煤作用步调不尽一致。此阶段，盆地南部、中部和东部聚煤作用终结，预示古气候已转变为干旱型。而在盆地北部和西部，聚煤作用持续发育，自东向西聚煤层位逐渐抬升，目前见到最高的聚煤层位位于贺兰山二道岭地区的直罗组中上段，煤层最厚可达6.60 m。这预示着，始于Toarcian晚期开始形成的潮湿古气候经由Aalenian-Bajocian期和Bathonian期的演化，最终从贺兰山二道岭地区退出而被干旱古气候所取代，古气候迁移的途径为南东—北西向。近10 a来，鄂尔多斯盆地北部的“煤铀兼探”实践证实，直罗组微弱的聚煤作用是砂岩型铀矿形成的关键制约因素(外部还原介质)。它不仅在一定程度上限定了砂岩型铀矿的成矿层位，而且直接参与到了铀成矿的全过程之中。直罗组微弱聚煤作用的产物——煤层或碳质泥岩被认为是东胜铀矿田的重要找矿标志之一。

• 富锂煤层碎屑物源探讨——以平朔矿区安家岭煤矿太原组煤层为例

  成贤康, 孙蓓蕾, 刘超, 曾凡桂, 解锡超, 畅向东,

  平朔矿区安家岭煤矿太原组煤层中Li,Al等有益元素的富集主要受陆源碎屑的影响，为明确其物源区，以煤层顶、底板和夹矸样品为研究对象，利用岩石薄片、ICP-OES、ICP-MS等方法对4,8,9和11号煤层的顶底板和夹矸的岩石学和地球化学特征进行分析，进而探讨了其物源属性。岩石学结果表明，研究区砂岩样品中碎屑成分以石英和岩屑为主，杂基含量低，胶结类型主要为钙质胶结。地球化学结果显示，研究区样品主要成分为SiO2和Al2O3，其他元素的含量都比较低。微量元素Li在各个煤层顶底板和夹矸中的富集系数变化较大，其中11号煤层样品中Li富集程度最高，9号煤层样品中相对富集，8号煤层样品中表现为相对亏损，4号煤层3个样品中仅有夹矸样品富集，顶底板样品均不富集。其余微量元素表现为Th,Hf,Zr和Nb等相对富集，Co,Sc,Cr,Ni,V，Rb,Cs和Ga等元素相对亏损。根据元素质量分数比值等地球化学参数和SiO2-TiO2,Hf-La/Th，∑REE-La/Yb,Dickinson图解及DF(A-P)MT图解,结合区域地质背景，研究区富Li和不富Li的煤层顶底板和夹矸中碎屑物质主要来源于华北北缘的内蒙古隆起。这2类煤层顶底板和夹矸的源岩类型都是以长英质火成岩为主。相较于富Li煤层顶底板和夹矸，不富Li煤层样品的源岩中有更多沉积岩的加入。

• 煤矿地下水库高盐矿井水封存对地下水的影响

  吴宝杨, 李全生, 曹志国, 郭强, 孔军峰, 武书泉, 张宗鲜,

  以宁夏灵新煤矿地下水库建设为工程背景，分析了在煤矿地下水库建设和运行过程中，可能对邻近含水层造成影响的两大因素:① 煤层工作面重复开采引起的覆岩裂隙导通含水层，会对矿区地下水资源造成初次影响;② 在高盐矿井水注入地下水库的过程中，由于浓度梯度的作用，矿物离子将主要沿着裂隙通道进行扩散，进而可能对矿区地下水资源造成二次影响。这2种影响方式都与采空区覆岩中的采动裂隙是否形成贯通的渗流通道密切相关。基于上述分析，首先通过固-液耦合相似模型试验与数值计算相结合的方法，分析了灵新煤矿拟建煤矿地下水库区域重复开采条件下采空区覆岩的裂隙网络演化规律和渗流通道特征，进而深入分析了重复开采对煤层上方各含水层的影响，具体表现在:一采区工作面回采结束后，采空区上覆岩层裂隙相互连通并扩展至K4含水层，但K3含水层与采空区之间未出现明显的渗流路劲，表明重复开采对K3含水层的影响较小。综合上述相似模拟试验和数值计算得到的裂隙网络特征，采用OpenGeoSys多场耦合数值模拟软件，模拟了高盐矿井水在采动裂隙网络中的渗流过程，分析了高盐矿井水在煤矿地下水库中封存后对上覆含水层的污染风险。研究结果表明:注水条件下，高浓度盐水首先在裂隙采空区流动，随后沿着覆岩断裂裂隙进入K4含水层，并最终在K4含水层及其邻近覆岩断裂裂隙中流动，渗流场离K3含水层较远。浓度场在自身重力所用下10 a后扩散速度有所减缓，在50 a内，浓度场主要在K4含水层邻近覆岩、K4含水层和底部泥岩中扩散，只有微量高盐矿井水会扩散至K3含水层中。

• 榆神矿区地下水埋深上限阈值

  马雄德, 祁浩, 郭亮亮, 朱占荣, 曹虎生,

  减少矿产资源开发过程中水资源损失是生态脆弱矿区水资源管理的重点，量化地下水位埋深与潜水蒸发速率关系，可为西部干旱矿区水资源保护提供科学思路。以隔水岩组厚度与导水裂隙带高度之差，划分了榆神矿区煤层开采地下水位变化趋势分区;以水位埋深变浅区覆盖的风积沙为试样开展潜水蒸发试验，分析蒸发过程及不同水位条件下潜水蒸发规律;通过在水分特征曲线的转折点处构建双切线，推导求取地下水埋深上限阈值的解析公式;采用漏斗法测定榆神矿区风积沙的水土特征曲线，利用最小二乘法求取特征参数，求取榆神矿区煤层开采区地下水埋深上限阈值。结果表明:榆神矿区地下水位变化趋势可分为3个区，即水位埋深变浅区、过渡区和水位埋深增加区。水位埋深变浅区多位于榆神三、四期规划区，此区域水位埋深<4 m的面积占矿区面积的59.1%，开采沉陷极易造成地下水浅埋或出露;榆神矿区风积沙蒸发过程可分为2个阶段，即稳定蒸发阶段和水汽扩散阶段，地下水位埋深0.5 m左右时蒸发过程中的水分传输机制发生了转变，蒸发进入水汽扩散阶段;在稳定蒸发条件下建立了土壤水分运移方程，推求了地下水埋深上限阈值计算公式，地下埋深上限阈值与毛细上升高度和进气压力值有关，在数值上等于表层土与地下水之间毛管水力联系中断时表层土的基质势;地下埋深上限阈值可以通过van Genuchten方程的拟合参数α，n来求解;利用实测风积沙水土特征曲线的参数，确定榆神矿区地下水埋深上限阈值为50 cm，与蒸发试验结果一致。水位埋深变浅是中深部煤层开采遇到的普遍问题，对于干旱半干旱地区的榆神矿区而言，控制合理的水位埋深上限已成为煤层开采中需要面临的新的科学问题。

• 保德煤矿峰峰组隔水性能多尺度定量化评价

  许峰, 靳德武, 杨俊哲, 黄欢, 王世东, 姬亚东, 石磊,

  针对华北型煤田下组煤开采奥灰水害威胁问题，以河东煤田保德煤矿峰峰组地层为研究对象，采用室内岩样薄片鉴定、微-CT扫描分析与现场压水试验相结合的手段，从微观-宏观多尺度分析了峰峰组岩性、孔隙结构以及渗透性特征，对其隔水性能进行了量化研究。研究表明:峰峰组地层岩性在垂向上存在明显差异性，上段岩性以泥晶、粉晶灰岩为主，总体呈晶粒结构，主要为泥晶方解石，部分为泥质结构，黏土质透镜体呈层状分布，下段岩性主要为粉质白云岩，晶间孔隙和溶孔多数被泥晶方解石和泥晶基质充填，岩石受到明显的压实、胶结和重结晶作用;峰峰组地层孔隙度为2.42%～3.18%，其中96.35%～96.74%的孔隙半径在2～8 μm，78.9%～87.6%的喉道半径在0.6～1.5 μm，孔隙与喉道半径分布集中且单一，总体表现为低孔隙性特征;峰峰组地层全段压水量为0.43～1.16 L/(m·min)，平均压水量0.95 L/(m·min)，透水率为0～2 L/(m·MPa·min)，压水量随深度呈现出逐步增高的趋势，峰峰组顶部压水量最小，进入峰峰组地层96.4 m深度压水量最大，变化趋势稍有波动，但总体较为平稳;采用霍斯列夫公式计算峰峰组全段渗透系数的数量级在10-3～10-4 m/d，总体呈现出弱透水性特征;从带(水)压开采角度，峰峰组全段可作为隔水层加以利用。