煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第9期

• “低品质煤浮选过程强化”专题特邀主编致读者

  刘炯天, 桂夏辉,

  “富煤贫油少气”的资源禀赋条件和经济结构现状决定了我国以煤为主的能源体系结构，煤炭作为主体能源的地位短时期内难以改变。但随着国家“双碳”战略的实施，如何为实现碳达峰、碳中和做出贡献是整个煤炭行业迫切需要思考和解决的关键问题。从能源安全角度看，中国的能源资源赋存结构和全球地缘政治形势，决定了中国不可能放弃煤炭利用，2060年保持适度的煤炭消费比例仍是必要的。从世界能源供给结构发展进程来看，现代储能技术的快速发展为新能源开发提供了有力支撑，但受间歇性、波动性和安全性的制约，新能源短期内仍然无法完全取代化石能源，对传统能源产业发展急停和盲目快上新能源项目并不是符合目前我国基本国情的正确选择，新能源的发展和国家能源安全仍需要煤炭作为主体能源的保驾护航。 　　 　　我国煤炭资源禀赋条件差，高含杂低品质煤资源储量丰富。低品质煤由于无法直接利用或得不到合理利用，造成了巨大的资源浪费和环境污染，对其进行洁净化提质势在必行。目前以重介旋流器为代表的粗粒低品质煤分选提质技术日趋成熟，浮选作为细粒煤泥提质的最主要方法面临复杂界面作用与多相流体动力学问题，分选效率较低，难度大。具体表现为低阶/氧化煤等低品质煤颗粒-气泡矿化难，高灰易浮难选煤分选选择性差，严重制约着煤炭企业经济效益提升和低品质煤泥大规模清洁高效利用，低品质煤泥浮选的基本作用原理与过程强化亟需研究。 　　 　　为此《煤炭学报》特别组织策划“低品质煤浮选过程强化”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50余篇，最终录用9篇，紧紧围绕以下几个学术方向展开：（1）低品质煤物性的全组分认知；（2）低品质煤浮选界面精准调控；（3）低品质煤浮选基础理论研究；（4）低品质煤浮选流体动力学强化。 　　 　　值此专题刊出之际，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。希望通过本专题，深入交流低品质煤浮选提质过程强化新理论、新工艺和新技术，创新矿物加工浮选新技术，推动细粒煤清洁高效利用快速健康发展。

• 低品质煤泥浮选过程强化研究进展及其思考

  桂夏辉, 邢耀文, 曹亦俊, 刘炯天,

  “富煤、缺油、少气”的一次能源赋存条件决定了我国煤炭的基础能源地位，与此同时，煤炭作为当前最主要的碳排放源，如何为实现碳达峰、碳中和做出煤炭贡献是整个行业迫切需要思考和解决的关键问题。我国煤炭资源禀赋条件差，高含杂低品质煤资源储量丰富，随着优质煤炭资源的逐渐消耗与国家“双碳”战略的实施，低品质煤大规模分选提质已成为保障国家能源安全和煤炭行业高质量绿色发展的战略选择。目前重介质选煤技术的快速发展与推广使得粗粒低品质煤分选日趋成熟，但细粒低品质煤(低阶/氧化难浮煤、高灰难选煤等)浮选仍面临着严峻挑战，低品质煤泥浮选的基本作用原理与过程强化亟需研究。从低品质煤泥难浮难选机理、低品质煤泥浮选界面调控及流动强化3个方面对低品质煤浮选研究现状进行了系统讨论,最后提出了未来低品质煤浮选过程强化的新发展方向与技术体系，主要包括基于多尺度微纳力学解析的低品质煤浮选分离新原理、基于单分子力谱融合深度学习的浮选药剂分子智能定向筛选设计、基于能量精准适配的调浆-浮选流场精细化构建、煤系固废资源化利用与规模化消纳及低品质煤浮选界面-流体协同强化全链条智能化示范工程建设，上述关键科学与技术问题的解决将为我国煤炭行业高质量发展和国家“双碳”战略实施提供新的助力。

• 起泡剂用量对低阶煤颗粒-气泡间相互作用的影响

  刘文礼, 孙小朋, 卓启明, 罗庆, 王鹏辉, 张耕苑,

  煤泥浮选过程中，颗粒与气泡的稳定黏附对颗粒能否被气泡成功捕集起着决定性的作用。经起泡剂改性后的气泡与低阶煤颗粒之间相互作用力的变化影响2者的黏附行为，起泡剂用量对低阶煤颗粒与改性后气泡间的微观作用机理尚未明晰。以鄂尔多斯地区不黏煤与经起泡剂(仲辛醇)改性前后的浮选气泡为研究对象，利用原子力显微镜探究了经不同浓度起泡剂改性后气泡与低阶煤颗粒之间相互作用力的变化规律，并利用分子模拟技术，对起泡剂在气液界面的微观作用机理进行揭示。最后，通过对颗粒-气泡间黏附效率的直接测定，从宏观尺度上对微纳尺度下的低阶煤颗粒-气泡间作用力的测量结果进行了直接验证。结果表明:气泡表面经起泡剂改性后，低阶煤颗粒与气泡接近过程中的“跳触”现象随着起泡剂浓度的增加而逐渐消失，2者的相互作用力也发生明显变化，随着起泡剂浓度的提高，颗粒-气泡间的黏附力显著减弱，甚至出现消失的趋势;低阶煤颗粒-气泡间的黏附效率也随之降低。分子动力学模拟表明，起泡剂在气液界面吸附时，起泡剂的亲水基团(—OH)与水分子形成的氢键，束缚了水分子在气泡表面的扩散运动，且随着起泡剂分子数量的增加，这种束缚作用更加强烈，因而大大降低气泡表面的疏水性。因此，起泡剂对气泡表面进行改性后，气泡表面疏水性的降低造成低阶煤颗粒-气泡间黏附力减弱，进而影响了2者的黏附行为。

• 驻波超声对浮选气泡的影响

  王卫东, 靳立章, 涂亚楠, 刘定桦, 徐志强,

  随着低阶煤开采量和采煤机械化程度的增加，低阶煤泥产量和灰分也不断增加，导致大量的低阶煤煤泥无法回收利用，造成资源浪费和环境污染问题。超声浮选结合了多种调控方法处理低阶煤，能够有效提高选择性及浮选效果。通过高速摄像系统，揭示了驻波声场中的气泡聚集过程及该过程的带煤情况，探究了驻波声场中的微泡产生及其作用,结合驻波声场中微泡附着的选择性探究和柱选试验结果，研究了100 kHz驻波超声对柱选的影响，分析了驻波声场在整个柱选过程中的作用。结果表明:将驻波超声加入柱选后，可以强化低阶煤煤泥柱选效果。精煤产率、可燃体回收率和浮选完善指标分别达到了21.93%，30.52%和23.77%，均高于常规柱选，精煤灰分为11.13%，比常规柱选低1.07%。驻波声场中的气泡有规律地聚集，在趋于稳定后，气泡聚集体以条纹状聚集态分布在整个驻波声场中,气泡聚集是驻波声场与扩散声场最明显的区别。声场驱动力提供了能量，促进了煤颗粒与气泡之间的碰撞。微泡可作为煤颗粒与其他气泡之间的“介质”，在很短的时间内促进气泡聚并，形成煤-泡聚集体，且该过程具有一定选择性。煤-气泡聚集体的形成提高了精煤产率、可燃体回收率和浮选完善指标。

• 煤系腐植酸磁性颗粒对水中Pb2+和Hg2+的选择性吸附

  万克记, 范津津, 王国强, 许恩乐, 贺琼琼, 苗真勇, 张明亮,

  由于重金属的难降解性，为避免治理过程中的污染转移，重金属的资源化回收是实现环境与经济效益双赢的有效途径，这就要求吸附剂对目标重金属具有一定的吸附选择性。通过羟甲基化改性提高煤系腐植酸(HA)表面含氧基团密度，形成对重金属吸附的多齿配位结构，来提高HA吸附选择性。改性后的腐植酸进一步与Fe3O4共沉淀，生成具有吸附速率快、选择性高且易于固液分离的羟甲基化煤系腐植酸磁性颗粒(OHA-MNPs)，用于废水中重金属的深度分离。对吸附剂进行系统表征，并研究其吸附动力学、吸附热力学、微观吸附机制和多金属共存溶液体系中Pb2+和Hg2+的吸附选择性。结果表明OHA-MNPs表面腐植酸含量约为9.81%，颗粒粒径主要分布于7~11 nm，具有很好的溶液分散性;Langmuir和准二级动力学模型能够准确的描述OHA-MNPs对Pb2+或Hg2+的吸附热力学和动力学;OHA-MNPs对Pb2+或Hg2+的吸附作用以高密度含氧基团多齿络合配位为主，还伴有酸性基团离子交换和静电吸附;在模拟多金属离子共存废水中，OHA-MNPs对Pb2+和Hg2+均表现出较高的吸附选择性，吸附序列满足Hg2+>Pb2+Cu2+ Ni2+/Cd2+，且在总阳离子质量浓度是Pb2+的44.78倍的实际酸性矿井废水中，能够对93.76%的Pb2+选择性去除。OHA-MNPs同时具有良好的再生能力，是一种高效、绿色、低成本重金属吸附剂。

• 细粒煤磁稳定气固流化床流化特性及分选提质

  张博, 宋树磊, 张亚东, 赵鹏飞, 高天洋, 赵跃民,

  细粒煤在普通气固流化床中无法实现有效分选，为强化细粒煤按密度分层离析趋势，将外加磁场引入气固分选流化床形成磁稳定分选流化床，采用0.074~0.045 mm粒级的磁铁矿粉作为加重质，通过对流化床内床层磁场分布及轴向压力梯度的测量，研究了磁稳定分选流化床内的磁场分布特征及床层流化特性，并利用磁稳定分选流化床对细粒煤进行了分选试验。试验结果表明，在磁稳定分选流化床内，线圈中心位置磁场呈圆柱状均匀分布，且随着线圈间距的增加，磁场强度与磁场梯度逐渐减小，且床层磁场强度与线圈外加电压呈线性关系。磁稳定分选流化床的压力波动幅度随着气速与磁场强度的增加，均呈现先降后升的趋势，并在流化气速v=19.2 cm/s，磁场强度H=9 200 A/m时达到最低，此时床层压力波动最小，流化效果最稳定。随着磁场强度的增加，床层膨胀率减小，起始鼓泡流化气速及颗粒带出气速增大，床层密度增大但适合煤炭分选的调控范围减小，床层表面弧度增大;随着气速的增加，床层稳定性逐渐提升。此外，由分选试验结果表明，在一定范围内，磁稳定流化床的分选效果随着磁场强度的增高而增高，在磁场强度为9 200 A/m，流化气速v=15.4 cm/s 条件下，磁稳定分选流化床对细粒煤具有最佳分选效果，其两段分选的可能性偏差E分别为 0.136 g/cm3和0.156 g/cm3。

• 新型纳米粒子捕收剂强化低阶煤浮选机理

  廖寅飞, 任厚瑞, 安茂燕, 赵一帆, 郝晓栋,

  低阶煤表面含有丰富的含氧官能团、疏水性差，常规油类捕收剂难以吸附铺展，导致浮选效率低、药剂消耗量大，严重制约了细粒低阶煤的回收利用。采用四氢呋喃基团功能化的聚苯乙烯纳米粒子(TFPNs)作为捕收剂强化低阶煤浮选，借助Zeta电位仪、透射电镜(TEM)和X射线光电子能谱(XPS)分析了纳米粒子特性，比较了TFPNs、聚苯乙烯纳米粒子(PNs)和柴油(DO)的浮选性能，最后利用红外光谱仪(FTIR)、扫描电镜(SEM)和接触角测量仪研究了TFPNs强化低阶煤浮选的作用机理。纳米粒子特性分析表明:TFPNs呈球形且粒径在50~138 nm;随着乳化剂用量增加，TFPNs的粒径逐渐减小而Zeta电位逐渐增大，表面功能化程度与功能化单体用量呈正比。浮选试验结果证明:3种捕收剂的浮选回收率大小关系为TFPNs> PNs> DO;TFPNs的粒径越小，浮选回收率越高;随表面功能化程度升高，浮选回收率先上升后下降;四氢呋喃基团功能化能够增强PNs捕收性能，最佳的表面功能化程度在5.78%~6.56%。作用机理研究发现:TFPNs通过四氢呋喃基团与低阶煤表面含氧官能团之间形成氢键而吸附于低阶煤表面，提高低阶煤表面的疏水性和粗糙度，缩短气泡-颗粒诱导时间，从而提高低阶煤的浮选回收率。因此纳米粒子捕收剂为低阶煤浮选新型高效药剂设计开发提供借鉴。

• 煤族组分骨架结构的分子模型构建及分子动力学模拟

  连露露, 秦志宏, 李春生, 杨小芹, 林喆,

  为从分子水平上进一步深入认知煤大分子网络结构形成的内在机制，对煤全组分分离所得重质组(HC)、疏中质组(LMC)、密中质组(DMC)和轻质组(LC)分别进行分级分次快速溶剂萃取，以获得各族组分骨架部分和小分子部分;采用FTIR,XPS，13C NMP及元素分析获得骨架部分的结构特征参数，构建出重质组骨架(HC-S)、疏中质组骨架(LMC-S)和密中质组骨架(DMC-S)的分子结构模型;再对各分子结构模型进行分子力学和分子动力学模拟，获得其最低势能构型及模拟密度，并进一步探究各族组分骨架大分子形成多分子稳定聚集体的分子机制和能量机制。结果表明:HC-S的分子式为C246H186N4O15，LMC-S为C216H183N5O5S，DMC-S为C195H179N3O4S。LMC-S模拟密度最大，HC-S次之， DMC-S最小，模拟密度与实验室检测密度基本一致。当12个DMC-S聚集时，由于不同分子中结构单元之间的N…H相互作用而形成DMC-S-12稳定构型，其尺寸约50×10-10 m;当25个LMC-S聚集时，体系中产生较多的-相互作用而形成DMC-S-25较稳定构型，其尺寸约70×10-10 m;HC-S则不会形成20个骨架分子以内的稳定聚集体。该机理能够很好吻合实验结果。LMC-S回转半径最大，DMC-S次之，HC-S最小，表明骨架分子LMC-S的柔韧性最小，其形成聚集体时将更疏松;HC-S的柔韧性最大，形成聚集体时将更致密;DMC-S则居中。该结果与实验现象吻合度良好。并给出了各族组分骨架单分子及其聚集体的模拟计算与实验结果总结对照表。

• 细泥罩盖对煤炭可浮性的影响规律

  梁龙, 李强, 胡鹏飞, 谢广元,

  细粒脉石在疏水性煤炭颗粒表面上的罩盖(细泥罩盖)是细泥污染浮选精煤的方式之一，同时也是造成煤炭可浮性变差、精煤回收率降低的重要原因。通过单气泡负载试验研究了3种不同的脉石矿物(石英、高岭石、伊利石)在煤炭表面的细泥罩盖程度以及对煤炭可浮性的影响规律。结果表明，随着煤炭与脉石混合搅拌时间的延长，3种脉石与煤炭之间的细泥罩盖程度逐渐增加，并且整个过程均呈现先快后慢的趋势，在40 min左右细泥罩盖程度基本不再变化。在流场剪切速率相同的情况下，石英的细泥罩盖程度最弱，高岭石次之，伊利石的细泥罩盖程度最强，这与超冷冻扫描电镜的观测结果以及煤炭与脉石颗粒间DLVO作用力计算结果是一致的。随着流体剪切速率的升高，3种脉石与煤炭之间的细泥罩盖程度均有所降低，煤炭的可浮性得到增强，其中石英的细泥罩盖在剪切速率为58 s-1时基本完全消除，但是高岭石和伊利石的细泥罩盖在剪切速率达到116 s-1时仍然存在。之后对煤炭-脉石混合矿物进行了在不同剪切速率下调浆后的浮选试验，结果表明在浮选前进行高速剪切调浆能够减少石英、高岭石和伊利石在煤炭表面的细泥罩盖，并提高煤炭的浮选回收率。但高速剪切调浆使脉石的分散性提高，造成浮选时脉石的水流夹带加剧，需要结合其他方法抑制脉石对浮选精煤的污染。

• 低阶煤显微组分含氧官能团的分布特征与差异

  何鑫, 王文峰, 章新喜, 杨奕涛, 孙浩,

  含氧官能团组成是决定低阶煤显微组分分选策略及分离效率的关键因素，同时对其在后续加工转化过程中的反应活性具有重要影响，因此探明低阶煤显微组分中含氧官能团的分布特征与差异尤为必要。结合元素分析、XPS、13C-NMR与化学滴定法等分析手段，分别从表面和内部结构层面探究了神华(富镜质组)与准东(富惰质组)低阶煤中显微组分的含氧官能团分布特征与差异。研究结果如下:元素分析结果显示准东煤显微组分的O含量高于神华煤，2种低阶煤镜质组的原子比O/C值均高于惰质组。但XPS测试中2显微组分的表面原子比O/C值十分接近，说明惰质组中含氧官能团相对集中在外表面，而镜质组的含氧基团则在外表面和内部孔隙的分布更加均匀。XPS定量分析结果表明CO(羰基或O—C—O)与COOH分别为镜质组与惰质组表面特有的含氧官能团，而CO与—OH分别为镜质组与惰质组表面主导型含氧基团。13C-NMR测试结果显示，神华煤惰质组及准东煤显微组分中不同含氧官能团占比排序一致:芳香族含氧基团＞羰基＞COOH＞脂肪族含氧基团，而神华煤镜质组中排序如下:芳香族含氧基团＞脂肪族含氧基团＞羰基＞COOH。其中镜质组的COOH比例较低，而脂肪族含氧基团在惰质组中分布最少，甚至在准东煤惰质组中完全消失。化学滴定结果指出酸性含氧官能团更易富集在惰质组表面，不同酸性含氧基团的含量分布在具体显微组分类别中具有较大差异，其中准东煤惰质组具有突出的酚羟基含量。

• 基于灵敏度分析与增强捕食-食饵优化的重介质选煤过程动态模型

  王光辉, 彭勇, 代伟, 董良, 马小平,

  重介质选煤是当前我国煤炭洗选过程的主要处理方式，其动态模型是特性分析、优化和控制的基础，因此精确的动态模型是实现选煤智能化的关键。为实现这一目标，将机理知识、统计分析和人工智能方法相结合，构建了一种机理知识与数据混合驱动的重介质选煤过程动态建模。① 基于物料平衡原理，建立了由矿浆混合、重介质分选以及重介质回收3个主过程组成的动态机理模型;② 采用基于方差的Sobol’灵敏度分析方法，利用低偏差Sobol’序列对所建立的模型参数进行灵敏度分析，决策出矿浆分离比例与溢流、底流灰分比例常数等对模型起主导作用的关键参数进行优化，非重要参数在一定区间内取值，减小了后续参数优化算法的计算成本;③ 为提高模型参数优化的准确性，提出了一种增强捕食-食饵优化算法，其利用增强学习思想使得搜索个体能够学习自身的历史信息实现步长的自适应变化，解决了传统捕食-食饵优化算法因恒定搜索步长而导致易陷入局部最优的问题，实现了对重介质动态模型的参数寻优。实验研究中，首先根据工艺知识和工程经验确定模型参数的取值范围，非重要参数在此区间内任意取值，进而根据实际数据，采用增强捕食-食饵优化算法对重要的模型参数寻找最优值。结果表明，增强捕食-食饵优化算法能够提高对关键参数最优值的搜索能力，使得所求得模型的均方根误差和概率密度标准差相较于其他模型较小，更能反应实际工业过程，表明了所提模型的有效性与准确性。这一研究成果为重介质选煤智能化系统研究与应用提供了重要的模型基础。

• 深部充填矿井的矿床-地热协同开采方法探索

  张波, 薛攀源, 刘浪, 郇超, 王美, 赵玉娇, 秦学斌, 杨奇星,

  为了降低深部矿井充填成本，缓解热害，实现深部矿床和地热能的经济有效开发，提出了一种基于深部充填矿井的矿床-地热协同开采方法。该方法基于矿山功能性充填的学术理念，将矿井充填、热害治理与地热开采3者结合起来，利用埋管采热技术变矿井热害为地热能商品以冲抵充填成本和降温成本。构建出矿床-地热协同开采的总体方案和协同体系，提出矿床与地热开采、采场降温与地热开采以及充填体养护与地热开采3种基本协同模式，实现在治理矿井热害或开采深部矿床的过程中同步开采地热能。以上向分层充填方法为例，从时间、空间、环境和工艺4个维度阐述了矿床开采、空区充填、地热开采3个子系统之间的基本协同原理和机制，充分发挥其在不同阶段的协同增效作用，提高开采效率，降低开采成本。在理论模型方面，构建了充填体埋管换热三维数值模型和地热资源评价模型，给出采热阶段和热恢复阶段的关键控制方程以及地热资源评价指标。利用建立的模型估算了充填矿井地热能潜在利用价值，结果表明围岩温度为45 ℃时，尺寸为3 000 m×20 m×105 m的充填采场能够每年以257.8~377.2 kW的功率为热泵系统连续提供热能(15.0~17.5 ℃) 5.6个月，总计1.2 GW·h，确保热泵系统在寒冷冬季高效稳定地产出50 ℃热水，实现4 600~6 855 m2办公楼的冬季供暖。矿床-地热协同开采技术在深部充填矿井的应用实现了深部矿床开采、空区治理、固废处置与可再生地热能开发的有机融合。

• 巷道围岩蝶形塑性区蝶叶方向性形成机制及工程应用

  李季, 强旭博, 马念杰, 张荣光, 李博,

  针对经典巷道矿压理论在进行深部巷道矿压分析时适用性不强的问题，以非等压条件下圆孔周围塑性区边界方程及蝶形破坏理论为基础，理论推导出非静水压力场条件下圆形巷道围岩主应力方向偏转角度与塑性区边界上一点的极坐标角度的余弦四次隐性方程。基于此隐性方程，采用理论分析、数值模拟和现场试验等综合研究方法，研究了巷道蝶形塑性区分布特征随围岩主应力方向偏转的演化规律，揭示了巷道蝶形塑性区蝶叶方向性的形成机制，并对不同巷道断面形状(圆形、矩形、拱形)、围岩力学参数(软岩、中硬岩、硬岩)以及层状顶板结构(下软上硬型、下硬上软型、软弱夹层型、坚硬夹层型)条件下围岩蝶形塑性区蝶叶方向性的适用性进行了分析;在此基础之上，探讨了蝶叶方向性与围岩变形破坏特征的关系，并对赵固二矿回采工作面运输巷围岩非对称变形破坏机理进行了研究。研究结果表明:蝶形塑性区蝶叶会随主应力方向的偏转而发生偏转，且两者的偏转角度基本相等;同时，巷道断面形状、围岩力学参数以及层状岩层顶板结构均对蝶叶方向性无显著影响，蝶叶方向性具有普适性;受蝶叶方向性的影响，巷道蝶形塑性区的分布特征与围岩变形破坏形态具有一致性，导致蝶形塑性区蝶叶位置的围岩变形破坏相对其他位置严重，造成巷道呈现非均匀变形破坏特征，工作面运输巷围岩现场探测破坏形态与数值模拟塑性区形态基本吻合。

• 基于合成岩体方法的正交裂隙煤体围压效应研究

  王晓卿, 康红普, 高富强,

  煤体结构面分布具有正交的特点。为阐明正交裂隙煤体的围压效应与破坏机理，基于结构面采样与参数标定试验构建正交裂隙煤体模型，采用合成岩体方法开展不同围压条件下正交裂隙煤体的常规三轴压缩试验，提出结构面活化系数的概念，分析围压对正交裂隙煤体破坏特征、强度特性、变形行为与结构面活化的影响，提出并验证结构面活化机制以及围压条件下正交裂隙煤体的破坏机理。研究结果表明:① 正交裂隙煤体的力学性质表现出明显的围压效应。随围压增大，煤体的抗压强度、残余强度、弹性模量增大，抵抗膨胀变形能力增强;力学性质表现出脆延转化;煤块破坏形式由拉伸转为剪切;结构面活化比例降低，结构面对正交裂隙煤体力学性质的影响减弱乃至消失。② 存在围压时结构面活化难度急剧增加，正交裂隙煤体的围压效应在低围压时更为显著。③ 无围压时，正交裂隙煤体发生劈裂破坏，裂隙由结构面活化裂隙和翼裂纹组成;中、低围压时，正交裂隙煤体发生剪切破坏，形成贯穿的倾斜剪切裂隙;高围压时，正交裂隙煤体发生塑性流动破坏。④ 无围压时，结构面控制正交裂隙煤体的破坏;中、低围压时，结构面影响正交裂隙煤体破坏裂隙的形态，但随围压增大影响程度变弱;高围压时，正交裂隙煤体的破坏不受结构面影响。

• 滑动过程中砂岩节理摩擦因数演化规律

  王来贵, 赵国超, 刘向峰, 赵娜, 李喜林,

  砂岩等岩体内部通常含有节理，当受到外界载荷扰动时砂岩往往沿着节理贯通形成滑移面。砂岩沿着节理面滑动，节理表面凸体不断磨损，导致节理表面粗糙度不断变化，进而影响砂岩滑动的稳定性。利用自制滑动摩擦试验装置对劈裂砂岩节理进行了滑动摩擦试验，采用高分辨率相机、电子分析天平、动态应变仪和激光共聚焦扫描显微镜测量滑动过程中磨损面积、摩擦质量、摩擦因数和表面粗糙度的变化。结果表明:滑动过程分为初始滑动、磨合和稳定滑动3个阶段。在初始滑动阶段，砂岩节理表面的初始粗糙度值较大，磨损面积较小，磨损质量和摩擦因数都较大;在磨合阶段，已磨损区域表面的微凸体不断被剪断、磨平，表面粗糙度降低趋势变缓，新增磨损面积不断减小，但在总磨损面积的占比仍大于10%，磨损质量和摩擦因数出现局部跳动的现象;在稳定滑动阶段，磨损区域与金刚石磨片表面已基本匹配，表面粗糙度趋近于定值，新增磨损面积在总磨损面积的占比小于10%，磨损质量和摩擦因数都逐渐趋于稳定，最终在某一稳定值附近波动。利用激光共聚焦扫描显微镜对砂岩节理表面轮廓进行了测量，选取轮廓的均方根估算了节理粗糙度系数，发现节理粗糙度系数主要受磨损区域面积影响，局部粗糙度对节理粗糙度系数影响较小。建立了以磨损面积为变量的摩擦因数预测模型，模型能够反映滑动过程中砂岩节理摩擦因数的变化，当修正系数a=2.5时，摩擦因数预测值与试验值吻合良好，最小误差为2.89%。

• 端帮采场覆岩移动破坏规律及边坡稳定控制方法

  丁鑫品, 李凤明, 付天光, 李磊,

  受工艺和安全因素限制，我国露天煤矿端帮边坡角较缓，正常情况下仅为20°~35°，全国范围内数十亿吨的煤炭资源被端帮边坡压滞，随着内排及复垦工作的完成，这些压滞资源多数将无法回收。随着煤炭资源的日益减少和采矿技术的不断进步，煤炭开采逐渐由易采资源开采向深部资源和复杂难采资源开采过渡，露天矿端帮压煤及残煤回收逐步得到重视。工程实践表明，端帮采煤机开采技术是一种快速灵活、安全高效、经济环保的露天矿端帮压煤开采工艺，该技术的实质是在边坡下部煤层出露位置沿煤层施工一系列垂直于边坡走向的巷硐，开采全程无支护，通过各巷硐之间保留的支撑煤柱来支承上覆岩土体重量，致使“露采”和“巷采”2种开采方式的采动效应相互叠加、相互影响，最终形成了一个动态的空间形态多元化的复合系统，一旦支撑煤柱发生破坏，很可能诱发煤柱群的连锁失稳，从而导致端帮采场的大面积滑坡。因此，端帮采场安全的重要性不言而喻，而支撑煤柱和采场边坡的稳定性问题是保证端帮采场安全的关键。针对以上问题，以鄂尔多斯地区端帮采煤为背景，综合考虑“露采”与“巷采”2种采动效应叠加对边坡稳定的影响，构建了近水平条件下端帮采场岩土体变形破坏的3DEC数值分析模型，模拟研究了端帮压煤开采全过程采场覆岩的变形移动和应力分布规律。研究结果表明，根据岩土体移动变形特征，可以将采动边坡变形破坏过程划分为表生改造、结构改造、时效变形和最终失稳(稳定)4个阶段，结构改造阶段是边坡发生变形破坏的关键阶段，边坡上部区域是端帮采场边坡发生变形失稳的关键区域，可能的失稳模式为散体物料内部的圆弧滑动或沿软弱岩层的顺层滑动。通过研究，揭示了巷道群上覆岩体“扩大压力拱”的形成过程及其演化规律，提出了基于巷间煤柱合理留设的端帮采场覆岩稳定控制方法和永久隔离煤柱尺寸参数的确定方法，结合数值分析与工程实践，对理论公式的适用性进行了验证。

• 软硬互层岩体结构面宏细观剪切力学特性

  刘新荣, 许彬, 周小涵, 易立, 曾夕, 王继文,

  针对“软+硬”和“硬+软+硬”组合形式下的2类典型软硬互层岩体结构面，通过开展恒定法向压力下的室内直剪试验和PFC2D细观模拟，研究了不同含水率、法向压力及一阶起伏角下结构面的宏细观剪切力学特性，据此提出了其剪切强度估算公式并进行了算例验证分析。研究表明:① 结构面剪切应力(法向位移)随剪切位移的变化具有显著阶段性发展特征，即第1类结构面历经初始非线性压剪变形、应力稳定增长压剪变形和应力陡升-脆落塑性压剪变形3个阶段，第2类结构面历经初始非线性压剪变形、应力陡-缓升压剪变形和应力恒定塑性压剪变形3个阶段;② 2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切位移均随含水率增加而减小(最大法向位移则增大);2类结构面的峰值(残余)剪切强度和峰值剪切(最大法向)位移均随法向压力增加而增大;第1类结构面的峰值剪切强度随一阶起伏角增加而增大(残余剪切强度则先增大后减小)，第2类结构面的峰值(残余)剪切强度随一阶起伏角增加而增大，且2类结构面的峰值剪切位移总体上均随一阶起伏角增加而减小(最大法向位移则增大);③ 2类结构面的细观损伤裂纹数量(能量)随剪切位移的变化均可划分为3个发展阶段，即初期微增、中期近似“下凹弧形”陡增和后期近似线性缓增(裂纹数量)以及初期微增、中期近似“上凹弧形”缓增和后期近似线性陡增(能量);④ 宏观试验结果与PFC2D细观模拟结果吻合较好，统一概化描述了结构面宏细观损伤劣化机理，并将第1类和第2类结构面的典型破坏模式分别概括为压剪-起裂破坏、错动-脱空破坏和贯通-啃断破坏以及压剪-起裂破坏、磨损-啃断破坏和贯通-滑移破坏各3种基本类型;第1类和第2类结构面的细观损伤颗粒分别近似呈“倒U形”和“S形”分布于剪切面附近，且颗粒间接触力倾角于0°~90°内时损伤颗粒数量分布最多;⑤ 着重考虑硬性岩层起伏度的影响，提出了2类结构面的剪切强度估算公式，并采用极限平衡法和强度折减法对含典型结构面的边坡算例进行了稳定性分析，验证了该公式的合理性。

• 含水率影响下砂质泥岩直剪特性及声发射特征

  姚强岭, 王伟男, 杨书懿, 方杰, 周保精,

  剪切破坏是煤矿开采中岩石破坏的主要类型之一。开采扰动引起顶板覆岩结构与完整性遭到破坏，致使含水层以层间径流向垂向径流转变，水-岩作用下岩石剪切破坏特征将发生显著改变。为研究水作用下岩石剪切破坏特征演化规律，以神东矿区乌兰木伦煤矿3-1煤顶板砂质泥岩为研究对象，通过薄片显微鉴定试验得到了其组分及微结构特征;结合无损浸水试验装置测试了其含水率随时间变化规律，确定了砂质泥岩含水率状态，为研究含水率影响下砂质泥岩直剪特性演化规律提供了可能;利用自制的岩石直剪试验系统，并结合声发射监测结果，探讨了含水率影响下砂质泥岩直剪变形破坏规律、强度损伤及声发射特征。结果表明:砂质泥岩具有水平层理构造，其中的粉砂质碎屑质量分数为40%，泥质质量分数为60%，黏土矿物主要为高岭石和伊蒙混层，占整体矿物成分的75%;根据岩样含水率随浸水时间变化规律，将其划分为快速增长(0~18 h)、缓慢增长(18~42 h)和稳定(42 h~)3个阶段;随着含水率增加，岩样抗剪强度、黏聚力和内摩擦角分别呈指数、负指数和线性降低;由干燥到饱和，黏聚力和内摩擦角分别下降77.9%和33.3%;随着含水率增加，岩样声发射累计计数逐渐减小，破坏后宏观主裂隙平整度降低;峰值破坏阶段低含水率岩样产生大尺度张拉裂隙，高含水率岩样产生小尺度张拉裂隙。

• 变速率剪切滑移过程中页岩裂缝稳定性-渗透率演化规律

  贾云中, 陆朝晖, 汤积仁, 李大华, 贺培,

  页岩气资源开采的过程中，水力压裂技术常作为增产的基本手段。但是，大量流体注入地层后可能影响储层岩石的整体性、稳定性和渗透特性。同时，裂缝的渗透率是决定储层产量的关键条件。因此，选取了中国川东南龙马溪组页岩、美国Green River页岩和Marcellus页岩，通过进行变滑移速率的页岩裂缝剪切滑移实验，同时测量了页岩裂缝滑移过程中的摩擦因数和渗透率变化，基于速率状态定律评估了3种页岩裂缝的剪切滑移稳定性，分析研究了岩裂缝稳定性-渗透率演化规律。在实验结果观察的基础上，通过建立页岩裂缝滑移过程中的微观物理模型，讨论了页岩矿物组分对剪切裂缝剪切强度、稳定性和渗透率演化的微观控制机制。研究结果表明:页岩裂缝面的摩擦强度随网状硅酸盐质量分数的增加而增大，随层状硅酸盐质量分数的增加而减小;页岩裂缝剪切滑移稳定性参数(a-b)值随层状硅酸盐质量分数增加而增大，倾向于发生稳定性蠕变滑移，网状硅酸盐质量分数的增加使(a-b)值减小，更易产生非稳定性地震滑移;在含有高网状硅酸盐质量分数的裂缝中，滑移速率突然增加导致的剪胀作用导致裂缝渗透率的增大，并且伴随着非稳定性地震滑移;高层状硅酸盐裂缝滑移速率突然增大时，裂缝面的加速破坏导致裂缝渗透率进一步降低，同时伴随着稳定的蠕变滑移。研究结果对于控制水力压裂诱发页岩地层非稳定滑移提供了一定的借鉴。

• 微孔填充——煤中甲烷的主要赋存形式

  程远平, 胡彪,

  煤中甲烷赋存形式是其吸附能力的表征，也是其扩散和渗透特性研究的基础，厘清煤中甲烷赋存形式对煤矿瓦斯抽采和灾害防治具有重要意义。运用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对不同变质程度的6个煤样微观孔隙结构进行定量分析，基于微孔填充和单层吸附理论研究煤中甲烷极限吸附平衡状态，建立表征煤样甲烷吸附能力的量化方法，最后通过甲烷极限吸附实验结果验证理论结果的可靠性，获得甲烷在煤储层不同尺度孔隙结构中的赋存特征及其吸附能力的控制因素。结果表明:煤中0.38~1.50 nm孔隙结构的甲烷吸附能力受限于微孔孔容，而大于1.50 nm孔隙结构的甲烷吸附能力受孔隙表面积控制;6个煤样的孔隙结构中微孔孔容为0.028~0.065 cm3/g、占66.1%~96.6%，微孔比表面积为75.4~197.3 m2/g、占82.8%~98.2%;微孔填充计算的甲烷吸附量为14.50~32.27 cm3/g，孔隙外表面积计算的甲烷吸附量为0.10~7.31 cm3/g，计算的甲烷极限吸附量为14.60~33.35 cm3/g;通过实验获得的甲烷极限吸附量为13.30~35.75 cm3/g，与理论计算结果具有较好的相关性;说明煤中甲烷主要以微孔填充形式吸附在微孔孔隙中，5个煤样以微孔填充形式吸附的甲烷量超过极限吸附量的91%以上，0.38~0.76 nm微孔结构提供的甲烷吸附能力占总吸附能力的41.27%~55.32%;仅XQ煤样由于外比表面积的吸附作用，使其微孔填充形式吸附的甲烷量为极限吸附量的73.74%，0.38~0.76 nm微孔结构提供的甲烷吸附能力占总吸附能力的37.51%。

• 易自燃煤氧化的力学特性

  潘荣锟, 马智会, 余明高, 晁江坤, 马智勇, 贾海林, 李聪,

  为了研究易自燃煤体氧化后的力学特性变化，通过程序升温和热重实验获得煤氧化过程中的特征温度，并对煤样进行氧化处理;通过测试煤氧化前后的波速，得出氧化后煤体的损伤因子;通过单轴压缩实验，分析不同氧化煤的力学参数变化规律;通过建立氧化煤受力模型，分析不同氧化煤力学特性的差异并对典型工况研究。研究表明:① 原煤和70，135，200和265 ℃氧化后煤样的平均纵波波速分别为1 642，1 416，1 261，870和557 m/s，不同氧化煤的损伤因子平均值依次为0.19，0.43，0.72和0.86，随着氧化程度加深，波速降低，损伤因子变大;② 原煤应力-应变曲线表现出较好的线性特征，其压密阶段和屈服阶段不明显;随着氧化程度加深，氧化煤应力-应变曲线压密阶段和屈服阶段越明显，多峰效应越显著，峰后台阶跌落效应越突出，且峰后存在明显残余强度，其塑性增强;③ 随着氧化加深，抗压强度从16.36 MPa降至4.10 MPa，弹性模量从3.779降至0.437，割线模量从2.05降至0.19，初始模量从0.609降至0.082，泊松比从0.37降至0.25;氧化对煤体的抗压强度影响最明显，其软化系数从0.89降低至0.25，并提出了“氧化煤动态工程强度”的概念;④ 随着氧化程度的增加，煤样的峰值应变和压密阶段最大轴应变逐渐增加，压缩阶段最大轴应变与峰值应变比值越来越大，当氧化程度达到265 ℃后，其比值近50%;⑤ 随着氧化程度的加深，煤样的破坏形式趋复杂化，破坏后的完整性变差，破坏后脱落的碎煤及煤粉增多，并伴随产生“起皮”现象;⑥ 氧化煤体由外向内划分为强氧化区、弱氧化区和未氧化区，并建立了氧化煤体受力模型，计算得出70，135，200和265 ℃氧化后的煤样未氧化区域直径为44.44，37.24，16.84和0.06 mm，分析了氧化煤体力学性质差异机制，并对典型工况进行了数值模拟分析。

• 煤的显微组分定义与分类（ICCP system 1994）解析IV：类脂体

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

  距国际煤和有机岩石学委员会（ICCP）讨论制定新的显微组分分类近30年后，国际煤地质学杂志（International Journal of Coal Geology）于2017年发表了类脂体新的分类方案“Classification of liptinite - ICCP System 1994”。在此之前，ICCP发表了镜质体（ICCP，1998）、惰质体（ICCP，2001）和腐植体（Sykorova等，2005）的分类方案。类脂体新分类方案的发表，标志着ICCP完成了对煤显微组分分类体系的构建。这四个分类方案统称为“ICCP System 1994”。与ICCP的旧分类方案（Stopes Heerlen分类）相比，该类脂体分类适用于所有煤化作用程度的煤和变质程度的沉积岩中的分散有机质。新的类脂体分类方案包括9种显微组分，即角质体、木栓质体、孢子体、树脂体、渗出沥青体、叶绿素体、藻类体、类脂碎屑体、沥青质体。“ICCP system 1994”和中华人民共和国国家标准《烟煤显微组分分类》（GB/T 15588—2013）相比，后者有树皮体和荧光体，并明确地划分出了显微亚组分（即孢粉体分为大孢子体和小孢子体，藻类体分为结构藻类体和层状藻类体）。“ICCP system 1994”有叶绿素体，并将荧光体作为树脂体的一种。其他显微组分在国家标准《烟煤显微组分分类》和“ICCP System 1994”中相互对应。与“ICCP system 1994”的适用范围不同，国家标准《烟煤显微组分分类》适用于中阶煤。

• 陕北保水采煤背景下MICP再造隔水土层的试验研究

  李涛, 高颖, 张嘉睿, 李殿鑫, 陈伟, 张鹏, 李博, 梅奥然,

  我国西北地区煤炭资源丰富，但生态环境脆弱。煤炭开采导致隔水土层破坏，产生水资源漏失、水土流失和生态环境退化。因此，隔水土层再造的研究有重要的理论和现实意义。基于陕北保水采煤现场条件，包括温度特征、环境特征、采煤裂隙特征、裂隙充填物特征、微生物钙源特征等，开展了一系列MICP(微生物诱导碳酸钙沉积)再造隔水土层室内试验研究。采用紫外分光光度计测试和碳酸钙产量测试等方法，研究了巨大芽孢杆菌在不同温度下的保种特性、不同环境的适应性和不同养护温度的适应性。利用浓缩的高钙洁净矿井水作为钙源和无机盐来源，利用煤矸石粉、黏土和砂体作为采动土体裂隙充填物质，利用尿素作为氮源，开展了一系列的MICP固化采动裂隙土体试验，包括微生物固化前后，无侧限抗压强度测试对比试验、变水头渗透对比试验、固化体X衍射实验、采动物理模型修复试验。研究结果表明:本次实验菌种在3 ℃下可以保种3个月，0~20 ℃常温条件下保种3个月再接种后的微生物样品活性有一定影响，但仍可用于采动土体裂隙修复。本次实验菌种在接种3次后培养7 d其OD600值超过2.0，说明3次接种后微生物能够适应当地环境。相比较30 ℃恒温养护，模拟陕北5月温度养护的样品同期碳酸钙产量更高，而在微生物富集阶段采用研究背景区温度驯化的微生物的同期碳酸钙产量进一步提高。利用高钙洁净矿井水浓缩后作为固化钙源虽然固化修复效果相比氯化钙试剂作为钙源固化效果略差，但通过4次反复注入可以部分弥补固化效果。采用煤矸石粉、黏土和砂作为土体裂隙充填物质，其质量比为1∶1∶2时，采动裂隙土体的物理力学和水理修复效果可以兼顾，且有利于后续植物联合修复。物理模拟结果发现MICP技术的隔水层再造效果显著，模型采动裂隙土体4次固化后，1 h内3 m高的水头仅下降0.1 m。研究结果为MICP技术用于隔水土层再造的工业化提供了试验支撑。

• 基于含水层-钻孔水量交换的疏水钻孔水量计算

  刘基, 靳德武, 王皓,

  疏水降压是煤矿顶板水害防治的主要工程手段，复合充水含水层中倾斜疏放水钻孔涌水量计算及参数优化是需要解决的关键技术。以“渗流-管流耦合模型”理论及能量守恒定律为基础，以含水层-钻孔间水量交换量为耦合点，构建了煤层顶板复合充水含水层倾斜疏放水钻孔定降深放水的含水层-钻孔系统耦合模型，利用母杜柴登矿井临时煤仓放水试验数据验证了模型的可靠性。以此为基础，计算了不同钻孔仰角、数量的钻孔涌水量及单位长度涌水量，确定了钻孔的最佳仰角和数量。同时，计算分析了150 m钻场间距下600 m工作面范围内不同疏降水头的钻孔涌水量、工作面内部降深的特征。结果表明:基于含水层-钻孔水量交换的疏放水钻孔水量计算模型充分考虑了疏放水过程中钻孔内的层流和紊流水流特征。模型计算的1个主放水孔水量和2个观测孔水位历时变化和现场实际情况基本一致，模型可靠性好，且能解决倾斜钻孔在复合充水含水层中的水量分配问题。随着疏放水钻孔仰角的增大，单位长度的钻孔涌水量呈现先增加后减小的趋势，在仰角为60°时，钻孔单位涌水量最大，稳定水量为165 m3/h，主要涌水层位为直罗组一段含水层，约占总涌水量的81%。此外，随着钻孔数量增加，单个钻场内钻孔总涌水量不断增加，单位长度的钻孔涌水量呈现逐步减小的趋势，钻孔数量增至5个后总涌水量基本稳定，钻孔稳定总涌水量约为440 m3/h。在150 m钻场间距下600 m工作面范围中，60 d内，780 m定水头疏降时，钻孔总涌水量由1 700 m3/h降至170 m3/h，降幅达90%;830和880 m定水头疏降下，钻孔总涌水量由1 530，1 350 m3/h分别降至153，135 m3/h，降幅均为90%。钻场内钻孔总涌水量受到周边钻场疏降干扰的影响，由两端向内侧影响逐步增大。780 m定水头疏降时，两端钻孔总涌水量约为309 m3/h，最中间钻场钻孔总涌水量约为142 m3/h。工作面内部水头分别降至780,830和880 m的时间分别为155,125和100 d。随着时间推移，不同降深范围逐步增大。随着疏放时间的延续，横剖面呈现以倾斜钻孔为中心的降落漏斗且范围逐步扩大，平面上则呈现以全部钻场范围为中心的降落漏斗且范围逐渐增大。

• 基于信息熵的采动覆岩应力动态演化与水害辨识

  杨鹏, 杨伟峰, 张鑫全, 王振荣, 杨茂林,

  煤层开采过程中裂隙的演化对于煤矿顶板导水通道的形成至关重要。以研究区煤矿2煤首采工作面为地质原型，采用相似材料模型试验研究了不同开采距离下覆岩应力的动态演化过程。基于信息论中的信息熵，对模型中应力的监测结果进行计算，得到不同开采距离下的应力信息熵，对采动覆岩应力变化过程进行定量化的动态分析。结果表明:应力信息熵的演化分为3个阶段，即发生期、扩展期和稳定期。应力信息熵随开采距离的增加呈波动上升态势,这是由覆岩系统内部离层和导水裂隙带的发育情况引起的。当离层产生以及导水裂隙带发育时，应力信息熵增大;当裂隙闭合时，应力信息熵会相应减小。在不同的空间演化中，应力信息熵也存在着较大的差异性。从竖向监测线来看，开切眼附近的应力信息熵随着工作面的推进波动减小，终采线附近的应力信息熵随着工作面的推进波动增大，中间位置的应力信息熵在开采前后基本一致;从横向监测线来看，在应力信息熵的扩展期裂隙发育最为强烈。通过对矿井水害致灾危险源进行辨识，揭示导水通道的形成阶段，在相似材料模型开挖至45~105 cm期间为应力信息熵的扩展期，此阶段导水通道形成。工程实例表明应力信息熵的扩展期与水害发生的危险期具有一致性，在此阶段及时采取防治措施，避免水害事故的发生。

• 采煤驱动下晋东大型煤炭基地地下水循环演变特征——以辛安泉域为例

  李向全, 张春潮, 侯新伟,

  晋东煤炭基地水资源相对短缺，生态环境脆弱，随着煤炭资源的大规模开采和人类活动加剧，区域地下水循环特征演变剧烈。以晋东煤炭基地辛安泉域为典型研究区，系统研究了采煤驱动下地下水循环演变特征。通过建立泉流量与矿井涌水量、岩溶地下水开采量和大气降水间的多元相关性分析，揭示了岩溶大泉衰减机制及主控因子;通过地表径流切割和氢氧稳定同位素组成混合比例计算，识别了不同水体间的相互转化关系和矿井水的水源组成;结合区域水文地质条件、水化学和稳定同位素特征，构建了采煤影响下的地下水循环模式。研究结果表明:① 辛安泉域岩溶大泉流量和岩溶地下水位总体呈下降趋势，1956—2017年泉流量衰减幅度达75%，1972—2017年岩溶地下水位下降最大达29.8 m;且均呈阶段性变化特征，表现为1956—1976年、1977—2002年和2003—2017年3个阶段分别为波动稳定期、快速下降期和缓慢下降期。② 矿区东部煤炭开采对岩溶水影响强烈，主要影响途径是采煤活动造成岩溶水补给径流区的上覆含水层结构严重破坏和地表径流量衰减，导致岩溶水补给量减小。随着煤炭开采向西扩展，煤层埋深加大，岩溶水为深埋滞缓区，煤炭开采对其影响减弱。③ 岩溶大泉流量衰减和地下水位下降的主控因子为矿井涌水量，在快速下降阶段，岩溶水开采也是泉流量衰减和水位下降的重要影响因素。④ 同位素计算表明，矿井水水源构成主要为裂隙水，其次为孔隙水。地表水渗漏和孔隙水越流是岩溶水的重要补给来源，采煤直接影响地表径流量和孔隙水含水层，进而间接影响岩溶地下水位和岩溶大泉流量。⑤ 泉域采煤条件下的地下水循环模式可划分为浅部、深部和局部地下水流系统。局部地下水流系统主要受采煤影响，表现为地下水向采空区集中排泄。

• 黄河流域陕北煤矿区采动地裂缝对土壤可蚀性的影响

  王双明, 杜麟, 宋世杰,

  黄河流域中游既是我国煤炭资源富集区，也是国家级水土流失防治的重点区，掌握煤炭采动损害产生的水土流失效应有利于实现煤矿区生态环境保护与高质量发展。以陕北柠条塔煤矿北翼开采损害区内采动地裂缝为研究对象，分别采集宽度为0~20,20~40,40~60 cm地裂缝周围(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以浅)土壤，利用MS2000激光粒度仪和总有机碳分析仪分别测定土壤机械组成和有机质质量分数，基于EPIC模型计算土壤可蚀性K值，剖析土壤机械组成和有机质质量分数的空间变化特征，解译小空间尺度下采动地裂缝的水土流失效应。结果表明:① 采动地裂缝会降低周围土壤的黏粒质量分数，平均降幅为17.06%~32.66%，当裂缝宽度＜20 cm时，该作用主要表现为水平负效应，且随着水平距离的增加而减弱，当裂缝宽度＞20 cm时，该作用主要表现为垂直负效应，且随着垂直深度的增加而增强;② 采动地裂缝会降低周围土壤的有机质质量分数，平均降幅为32.16%~54.01%，且随着裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强;③ 采动地裂缝会增大周围土壤的可蚀性，分化土层间的抗侵蚀能力，且裂缝宽度越大、水平距离越小，该作用越明显，土壤可蚀性的增大主要集中在水平距离83 cm以内，可作为陕北煤炭开采损害区水土流失精准防控的靶向区域;④ 采动地裂缝周围土壤可蚀性K值与土壤黏粒、有机质质量分数在小空间尺度上存在高度的一致性，相关系数分别为-0.569,-0.757，均达到极显著负相关水平(P<0.01)，这与采动地裂缝显著改变土壤孔性，损伤植物根系性状和微生物活性密切相关。越靠近采动地裂缝，土壤潜在侵蚀能力越高，抗侵蚀能力越差，应着重考虑人工措施，反之应着重考虑自然措施，从而为黄河流域中游煤矿区水土流失精准防控和生态环境保护提供科学依据。

• 黄河流域下游煤矿采煤塌陷区耕地破碎化动态演变——以山东济宁市为例

  郭家新, 胡振琪, 袁冬竹, 梁宇生, 李鹏宇, 杨坤, 浮耀坤,

  黄河流域下游煤矿区多属于高潜水位矿区，煤炭开采引发地表塌陷，积水严重。同时存在耕地面积持续消退、生态失衡等问题，严重影响资源可持续利用和社会经济发展。在我国提出生态文明建设和粮食安全保障的重点时期，亟需揭示矿区耕地资源的动态演变规律和解决采煤塌陷区土地资源利用与保护问题。通过以黄河流域下游“煤-粮”复合区山东济宁市为研究对象，基于概率积分法预测2019—2030年采煤塌陷地扩张以及土地资源损毁情况，结合形态学空间格局分析(MSPA)选取1 pixel和2 pixel宽度阈值，通过斑块重要度指数(IdPC)分别提取不同阈值下研究区内集中连片且面积较大的耕地重要核心区，采用整体连通性指数(IIIC)定量分析2018—2030年耕地核心区因塌陷损毁导致的耕地破碎化动态演变过程。结果表明:① 济宁市2018—2030年间采煤塌陷区不断扩张，到2030年预测采煤塌陷区50 613.52 hm2，损毁土地中耕地面积32 603.65 hm2，且东滩煤矿损毁耕地最为严重;② MSPA分析中边缘宽度阈值设定将会导致斑块数量以及内部连接度显著变化，在1 pixel 阈值下表征塌陷导致的细小耕地破碎化作用明显;③ 未来10 a济宁市采煤塌陷造成耕地面积持续减少，耕地重要核心区域逐渐消退，煤矿区内耕地呈现破碎零散的分布状态，且小尺度的煤矿区耕地面积变化，导致周围大片耕地连接度降低;④ 不同资源赋存、生产利用状况不同，导致不同煤矿耕地破碎化特征明显差异。其中岱庄生建煤矿、北徐楼煤矿耕地平均IIIC值变化较大，分别下降0.65和0.64;高庄煤矿、横河煤矿、济宁二号煤矿、三河口煤矿和杨庄煤矿平均IIIC值分别下降0.58，0.55，0.55，0.51，0.51，表明未来10 a矿区内的耕地连接度大幅下降、破碎化程度加剧。综上所述，塌陷区耕地的减少在一定程度上降低了市域范围耕地连接度，因此在今后土地复垦工作中，各煤矿区需要强化耕地复垦的力度，从而减小对农业生产的负面影响。

• 特征压缩激活作用下U-Net网络的煤尘颗粒特征提取

  王征, 张赫林, 李冬艳,

  为研究煤尘颗粒的图像特征内在机理，以选煤厂为项目背景区，包含6个工作面1 500个煤尘图像信息为依托，搭建特征压缩激活U-Net卷积神经网络并对煤尘颗粒图像进行语义分割。首先通过现场采样获取煤尘颗粒样本，建立图像数据集并输入到分割网络;其次通过网络左半部模型完成煤尘特征的批量归一化和压缩激活，获得输出特征传递到网络右半部模型进行上采样以恢复煤尘特征图像尺寸，完成煤尘颗粒信息的二分类;最后运用二值交叉熵及合页协同损失函数训练网络并缓解分割任务中的颗粒特征类别不平衡问题。通过搭建模型进行仿真试验:① 通过试验仿真二值交叉熵及合页协同损失函数对网络分割性能的影响;② 通过试验评估所提出的优化网络与常规颗粒图像提取算法FCN，SegNet，DeepLab，SENet，U-Net网络的分割性能，并验证所提出的优化网络的特征信息提取能力;③ 在试验①,② 结果基础上，采用八邻域特征算法实现煤尘颗粒的定位标注，提取颗粒占比特性参数。研究结果表明，二值交叉熵及合页协同损失函数可获得较优分割效果;所提出的Unet-SE改进网络模型对不同形状及粒径的颗粒类别具有较优的学习效果，其学习性能指标:准确率、召回率以及F1分数分别提高到0.873 2，0.843 4和0.858 0。与其他识别算法相比，改进算法可有效增强煤尘特征的学习能力，大幅缩短训练时间，并精确获取颗粒特征更多细节信息。

• 基于GAN网络的煤岩图像样本生成方法

  王星, 高峰, 陈吉, 郝鹏程, 荆正军,

  煤矿智能化要求实现智能化开采，其中煤岩识别是实现无人化开采的核心技术之一，近年来基于图像的煤岩识别方法受到广泛关注。受采掘环境影响导致图像获取困难是制约煤岩图像识别的主要因素之一，针对煤岩图像数据短缺的问题提出解决方法并增加数据量，基于在单张图像上训练的生成式对抗网络提出Var-ConSinGAN模型并构建样本生成与特征迁移框架。ConSinGAN模型生成的图像虽然清晰但对于煤岩图像生成来说仍然缺少多样性，改进模型的训练方式和图像重构方法可提高生成煤岩图像的多样性。模型采用金字塔结构，使用多阶段训练方法，每个阶段训练不同尺度的图像，可以生成任意数量图像。在模型中提出了新的图像尺寸变换方法用来生成分辨率不同的重构图像，同时采用曲线函数使每一阶段的迭代次数逐步增加，之后对第1阶段用单张图像生成的结果使用基于辅助分类器的条件生成式对抗网络进行特征迁移。新图像重建方法保持重建图像高分辨率阶段的密度大于低分辨率阶段的密度，新训练迭代函数在减少模型学习图像结构的次数的同时增加模型学习图像纹理细节的次数。新的训练迭代函数可以减少模型迭代的总次数，从而减少模型训练时消耗的计算资源。模型需要输入一张符合正态分布的噪声图片，经过训练，生成器输出满足真实图像分布的生成样本。实验在500张煤岩图像上进行，每张图像生成400张仿真图像，并使用SSIM指标对生成图像的亮度、对比度、结构等3方面进行测评。其中结构性强的煤岩图像其SSIM指标值很低，反之，结构性弱的煤岩图像其SSIM指标值较高。根据实验结果可得结论:Var-ConSinGAN模型缓解了原始GAN在数据不足时无法训练和ConSinGAN生成的煤岩图像具有明显“边框”感且多样性不足的问题;Var-ConSinGAN与ConSinGAN相比模型性能提高了13.8%;特征迁移的实验结果显示不同种类的煤岩之间学习到了彼此没有的特征;增加了煤岩图像数据量。