煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第10期

• 鄂尔多斯盆地北部直罗组含水层研究进展与水害防治建议

  范立民, 迟宝锁, 王宏科, 马雄德, 焦养泉, 孙 魁, 苗彦平, 王建文, 胡 俭, 马万超,

  鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田原煤产量持续增加，在国家能源安全中具有重要地位。近年来，随着开采深度的增加，以直罗组含水层为突水水源的顶板水害威胁日益凸显。从含煤岩系沉积学、矿井水文地质学的角度，系统阐述了鄂尔多斯盆地北部直罗组空间赋存特征、与煤层的空间关系、直罗组含水层为水源的矿井涌水特点、直罗组地下水赋存特征和运移规律，总结了直罗组含水层水害防治存在的问题及展望。结果表明：直罗组垂向上可分为上、中、下3段，其中下段为一套半干旱气候条件下的河流相沉积，砂体规模较大，与下伏延安组冲刷结构明显。平面上，直罗组广泛分布于鄂尔多斯盆地北部，榆神北区—神府南区直罗组沉积时期，存在1条NW—SE向的古河道，形成了规模巨大的河流-三角洲充填沉积砂体；直罗组古河道砂体对延安组冲刷强烈，使延安组1-2煤、2-2煤和3-1煤在不同地区缺失。整体上，对延安组第5段冲刷作用最为强烈，第3段次之，仅有个别钻孔可见对第3段具有冲刷；以直罗组含水层作为水源的矿井涌水具有涌水量大且持续时间长、水位变幅小、稳定“供水”能力强的特点，且具有很强的隐蔽性；直罗组下段砂岩厚度、砂地比、隔水岩组厚度等从宏观上控制着直罗组地下水的赋存，良好的孔隙度、渗透率为直罗组地下水的赋存提供了良好的地下水微观储存空间；在研究区西部安定组覆盖区，直罗组与上部洛河组以及第四系萨拉乌苏组基本不存在水力联系，主要接受侧向的缓慢补给，补给条件较差，主要以静储量为主。而在研究区东部基岩风化区，直罗组与上部第四系萨拉乌苏组之间具有较为强烈的水力交换，补给条件较好，以侧向补给和上部含水层的垂向补给为主，地下水径流速度快，交替频繁，以动储量为主；针对鄂尔多斯盆地北部直罗组含水层及其水害防控问题，应从直罗组沉积体系控水机理、水文地质条件、矿井涌水量与直罗组古河道砂体含水层持续“供水”关系、地下水源头防治水技术、含水系统的供水及生态价值等方面开展深入研究。

• 鄂尔多斯盆地煤-水协调开采下矿区水资源异位回灌-存储技术思路

  孙亚军, 李鑫, 冯琳, 徐智敏, 陈歌, 刘琪,

  首先，阐述了鄂尔多斯盆地煤层开采与水资源保护间的矛盾问题，包括矿井水害、区域水资源、矿区生态环境三者间的关系。其次，结合对研究区38座煤矿矿井水水质特征的调研统计，阐明了煤-水协调开采下的矿井水处理的瓶颈问题。研究区矿井水常规离子超标占比68.4%、铁、锰超标占比20%、高盐高氟等特征明显，目前矿井水处理无法同时满足较低成本、大规模的需求。然后，提出了煤矿区“三减一治”的水资源异位回灌保水技术思路，包括充水含水层水资源异位回灌、老空水异位回灌、露天矿坑水异位回灌及含特殊组分矿井水异位回灌。结合鄂尔多斯盆地某矿超深回灌存储的工程案例阐述了超深存储相关的理论与技术框架、技术内容、技术难点，建成了研究区高矿化度矿井水超深回灌-存储的示范工程。最后，基于对全国87座煤矿TDS值和133座煤矿pH值的统计分析，提出将弱酸弱碱（44%）、高矿化度矿井水（69%）进行超深回灌存储，以减少对地下水资源的消耗、浪费及对生态环境的影响，降低矿井水治理成本，该研究对类似条件矿区的地下水资源保护有长远的参考价值。

• 神府南区中侏罗统直罗组古河道冲刷带的空间定位预测

  荣辉, 焦养泉, 高彬, 范立民, 张帆, 吴立群, 乐亮, 王建英, 郭亮亮,

  古河道冲刷带是含煤岩系中常见的一种地质现象，不仅可以造成可采煤层几何形态的变化，而且影响煤矿安全、高效生产。因此，准确预测古河道冲刷带的空间分布一直是煤矿地质领域关心的重要问题。目前，对古河道冲刷带的预测主要采用沉积分析、地球物理及地质统计等方法。由于地下地球物理探测干扰因素多、影响地质统计数学模型的地质条件复杂，导致物探方法和地质统计方法对古河道冲刷带的预测结果存在多解性和不确定性，而沉积学分析被认为是解决古河道冲刷带分布预测问题最直接、最有效的方法。神府南区是陕北侏罗纪煤田的主要矿区之一，该区延安组含煤岩系顶部发育的直罗组砂体属辫状河-辫状河三角洲成因，其对可采煤层可以形成明显的冲刷带。以直罗组古河道含水层为水源的煤矿突水危险性较大，古河道顶板水害成为威胁矿区安全高效生产的重要致灾因素之一。然而，目前对直罗组古河道冲刷带的分布规律仍然不清楚，给该区域矿井防治水工作带来了极大的挑战。鉴于此，本文在野外地质调查、岩心编录基础上，通过砂分散体系、煤层厚度及古河道砂体与下伏地层的接触关系编图，实现对神府南区含煤岩系顶板古河道冲刷带的空间定位预测。研究发现，直罗组下段古河道以大套厚层砂体发育为主，厚度多在30~70 m，由多个正韵律旋回构成，其对下伏延安组地层产生了明显的冲刷作用，造成延安组第Ⅴ单元、第Ⅳ单元地层缺失或减薄。砂分散体系、煤层厚度及下伏地层单元及岩性分布编图表明，神府南区古河道冲刷带主要沿着红碱淖-尔林兔-锦界一线发育，古河道对延安组第Ⅴ单元完全冲刷区域的宽度为17~28 km，而对延安组第Ⅴ单元冲刷区域的宽度却更大，达到37~46 km。直罗组下段古河道冲刷带对于神府南区煤炭开采的影响是区域性的，在古河道砂体冲刷带附近进行煤炭开采时要做好煤层顶板水害防治工作。研究成果不仅对精准预测含煤岩系中古河道冲刷带的空间分布具有重要借鉴意义，而且可为神府南区煤矿安全、高效生产提供指导。

• 鄂尔多斯盆地北部直罗组赋存特征及富水性

  孙魁, 苗彦平, 陈小绳, 王宏科, 范立民, 杨磊, 马万超, 路波, 李成, 陈建平, 高帅,

  鄂尔多斯盆地分布有黄陇、陕北、神东、宁东4个煤炭基地，主要开采侏罗系延安组煤层，顶板水害是区内煤矿开采的主要灾害，直罗组是主要突水水源之一。为研究直罗组含水层富水性特征，采用地学信息系统编图、微观孔隙结构测试与统计分析等手段，分析了直罗组含（隔）水岩组空间赋存特征，微观孔隙结构特征及其与富水性的关系。结果表明：受沉积环境的控制，直罗组可分为上、中、下三段，主要含水岩组为风化基岩段，粗粒砂岩、中粒砂岩和细粒砂岩段，主要隔水岩组为粉砂岩、砂质泥岩和泥岩段。风化基岩含水层段主要位于基岩顶部3.04～83.46m，呈南北向条带状分布于研究区中部，风化基岩厚度和风化程度从中部向南北两侧逐渐变薄和减弱；直罗组下段砂岩含水岩组厚度、砂地比明显大于中上段，且下段砂体展布形态呈现出泛连式，连续性明显好于中上段；直罗组下段隔水岩组累计厚度、层数明显小于中上段，中上段含（隔）水岩组非均质性明显强于下段；对于直罗组正常基岩而言，直罗组中上段砂岩孔隙度类型以低孔为主，渗透率类型以超低渗～特低渗为主。直罗组下段砂岩孔隙度类型以中孔为主，渗透率类型以中渗为主，相比中上段，下段孔隙度和渗透率较大。直罗组遭受风化后，岩石微裂隙明显发育，相比正常基岩，风化基岩孔隙度和渗透率较大，孔隙度类型总体以中-高孔为主，渗透率类型以中-高渗为主，储水空间相比正常基岩较发育。通过分形理论将直罗组砂岩孔隙结构类型划分为4类，直罗组下段主要以I类孔隙为主，中上段以II、III和IV类孔隙为主；根据Pearson系数法相关性分析结果，直罗组下段砂体厚度、直罗组下段砂地比以及直罗组下段隔水岩组厚度从宏观尺度上对直罗组富水性具有明显的控制作用，下段是直罗组富水性的主要“贡献”层段，根据3项指标将直罗组下段砂体分为3级；通过典型钻孔直罗组下段孔隙结构与富水性之间关系的分析，孔隙结构从微观尺度上对直罗组下段富水性具有一定的控制作用，微观孔隙越发育，富水性越好；通过相关性分析和抽水试验数据对比发现，风化作用使得直罗组下段砂体富水性明显增强，直罗组下段风化砂体厚度和风化程度对风化基岩富水性控制作用较为明显；通过层次分析法对直罗组下段富水性进行了评价，基岩风化区富水性总体强于未风化区域，一级砂体区域富水性强于二级砂体及三级砂体区域。

• 榆林地区北部侏罗纪古河道砂体与采煤涌（突）水关系分析

  吴立群, 王建英, 杨 帆, 郑宇航, 焦养泉, 荣 辉, 王宏科, 马雄德, 孙 魁, 陈雪永, 屈 伸, 李金辉,

  在水文地质条件看似简单的榆神-神府矿区，采煤涌（突）水事故时有发生，一些煤矿的涌水量位居鄂尔多斯盆地之首，以往普遍认为的充水含水层难以解释这些现象。基于20年来对直罗组底部铀储层（古河道砂岩）的研究，结合直罗组古河道砂体与延安组可采煤层的空间配置关系，以及砂岩型铀矿形成与开发的基本条件，特别是直罗组古河道隐伏露头与地表泉群（带）、采煤涌（突）水的相关性分析，认为直罗组古河道可能是榆神-神府矿区矿井涌（突）水的主要水源。主要认识有：（1）直罗组古河道砂体具有区域性的分布规模，在其上游形成的具有世界级规模的东胜铀矿田证实直罗组古河道是一套区域含水层，因为含水层是砂岩型铀矿形成发育和未来开发的必要条件。（2）在直罗组古河道隐伏露头的上方，集中发育了具有超常流量的泉群和泉带，它们距直罗组古河道越近其流量越大，说明直罗组古河道为重要的含水层，它为榆神-神府矿区泉带提供了主要的水源。（3）直罗组古河道含水层构成了延安组含煤岩系的直接顶板，采煤证实直罗组古河道含水层与煤矿涌（突）水具有明显的关系。位于古河道潜伏露头附近的煤矿易于发生涌（突）水事故，而位于古河道下方的煤矿涌水量罕见，且采煤涌（突）水量与古河道砂体厚度呈正相关。（4）从关键水文地质参数的空间配置、耦合关系及其采煤时域的角度，构建了榆神-神府矿区采煤涌（突）水的成因机理模型，该模型阐明了泉带的形成发育和演化机理，揭示了采煤涌（突）水的形成机制，为未来水害防治、保水采煤、煤-铀兼采等提供了基础地质“预警”信息。

• 神府南区直罗组下段古河道冲刷带水动力条件的定量表征

  郭亮亮, 胡俭, 张池, 荣辉, 任智智, 王建英, 郑宇航, 王宏科, 孙魁,

  古河道冲刷带是造成煤炭开采过程中水害的关键地质因素，然而，目前国内外对古河道带冲刷带的古水动力条件量化表征方面的研究却很少，限制了对含煤岩系中河道冲刷带形成过程的深入理解和精准预测。本文以鄂尔多斯盆地东北部神府南区直罗组下段古河道冲刷带为例，通过粒度分析方法量化表征了古河道冲刷带形成的古水动力条件。研究发现，直罗组下段从下往上可识别出a、b、c、d四个沉积旋回，从a旋回到d旋回，直方图中粒径逐渐分布集中；概率累积曲线以两段式为主，悬浮总体含量逐渐增多；颗粒粒径（Mz）表现为以细砂为主，含少量极细砂、粗砂；标准偏差（σ）集中在0.50～1.16，指示分选性呈中等-较好；偏度（Sk）以对称和正偏为主；峰度（Kg）主要表现为中等到尖锐；在C-M图上对应为PQ和QR段。a旋回到c旋回为辨状河三角洲平原分流河道沉积，而d旋回为曲流河三角洲平原分流河道沉积。以粒度参数及沉积环境为约束计算古水动力条件显示，a旋回底部砾石沉积的平均起动流速为1.78m/s，佛劳德数为1.05，属于高流态河道搬运，而a旋回到d旋回中砂岩沉积的起动流速分别为0.27m/s、0.26m/s、0.25m/s、0.25m/s，佛劳德数为0.16、0.15、0.14、0.14，属于低流体态河道搬运。直罗组下段底部砾岩沉积时期是形成河道冲刷带形态的关键时期，而其中砂岩沉积时期为对早期形成的古河谷的充填作用。成果对认识含煤岩系中古河道冲刷带的成因及研究区古河道冲刷带的预测具有指导意义。

• 基于分区支承力学模型的综放工作面顶板矿压演化与压架预测

  徐刚, 张春会, 蔺星宇, 迟国铭, 范志忠, 于永江,

  为预测综放工作面压架灾害，在综放顶板分区支承力学模型基础上，提出了综放工作面大 采厚顶板矿压演化计算方法和支架压架判据，编制了相应的计算程序，分析了综放工作面顶板矿压 演化规律，研究结果表明:1 综放工作面顶板矿压演化包括 4 个阶段，分别为缓慢增阻阶段、顶板 断裂阶段、快速增阻阶段和失稳阶段。 2 缓慢增阻阶段顶板沉降量小，支架增阻量小，顶板来压不 强烈;快速增阻阶段顶板沉降量大，支架增阻显著。 3 顶板断裂阶段是矿压从缓慢增阻向快速增 阻转变的过渡阶段。 顶板煤壁前方断裂时，顶板的边界条件改变，顶板来压剧烈，支架增阻量大，易 于引起安全阀开启，若顶板沉降量超过支架活柱允许压缩量，引发大面积切顶压架事故。 4 当工 作面推进至断裂线处，顶板失稳，支架急增阻，若垮落覆岩作用于支架上的荷载超过支架额定工作 阻力，安全阀开启，易于引发大面积压架事故。 5 支架额定工作阻力和初撑力设计应遵循的原则 是:在缓慢增阻和快速增阻阶段，支架承担的荷载不超过支架额定工作阻力;在顶板断裂阶段，支架 应具有足够的可压缩空间卸位让压;在失稳阶段，支架应具有足够的额定工作阻力承担垮落覆岩作 用荷载。 6 酸刺沟煤矿 6105-2 综放工作面采用 ZF15000/26/42 四柱支承掩护式支架，初撑力 10 800 kN，支架额定工作阻力不足，易于发生大面积压架事故。

• 各向异性初始地应力软岩中自膨胀锚杆扩体-拉拔试验研究

  刘杰, 孙荣琪, 张研, 宋瑞, 王昊, 孙涛,

  研发了一种掺入了较多 HCSA 型膨胀剂的自膨胀锚杆，可提升锚杆的极限抗拔力。 但对于 刚度较低、易变形的介质，自膨胀锚杆的锚固力提升主要因素还不确定。 为探明自膨胀锚杆在各向 异性初始地应力软岩中的抗拔力提升效果，采用 3 种壁厚的钢管模拟不同径向刚度的围岩，向钢管 内部加入不同膨胀剂掺量的自膨胀锚固材料，通过测试锚固结构的径向膨胀应力和变形的演化规 律，推导了在各向异性初始地应力中自膨胀锚杆膨胀应力和位移的分布解析式，建立了应力、变形 与钢管壁厚、膨胀剂掺量的关系。 基于 ABAQUS 数值模拟方法验证了公式与试验相吻合，并通过 拉拔模拟得到了自膨胀锚杆在低刚度岩土体中的膨胀规律和极限抗拔力的提升效果。 研究结果表 明:1 降低钢管壁厚时，不同膨胀剂含量自膨胀锚杆对应的应力-变形的变化趋势高度一致，在膨 胀剂含量较大时，降低钢管壁厚，径向膨胀应力仅减小 8.6%，但径向变形量却增大 117%，说明扩大 头效应更明显。 2 膨胀剂含量为 25%的自膨胀锚杆极限抗拔力在不同刚度的围岩中提升幅度相 近，但自膨胀锚杆在相对较高的围岩中抗拔力峰前能量增幅明显更大，达到 819%。 说明摩擦力对 自膨胀锚杆锚固性能的影响比扩体效应更优。 最后，建立了以软弱围岩强度参数和初始应力等为 判据的膨胀剂掺量设计公式，并在某岩质边坡进行了现场试验，试验结果验证了该公式的可行性。

• 轴向冲击下锚固锚杆变形与应力特征分析

  司林坡, 娄金福, 杨景贺, 原贵阳,

  冲击地压因其特有的易发、多发、难防治特征，成为影响煤矿生产最为突出的动力灾害之 一，其中以回采巷道冲击地压发生最为显著。 冲击地压巷道动力显现过程中，锚杆支护系统往往伴 随着一定的动载冲击作用，关于锚杆支护系统在动载冲击作用下的力学响应研究对冲击地压防治 具有重要意义。 为研究锚杆支护系统中杆体不同位置对冲击载荷的响应规律，选择煤矿常用的 500 号左旋无纵肋螺纹钢锚杆，沿锚杆轴向不同位置粘贴应变片，利用锚杆力学性能综合试验台对 支护单元施加轴向冲击载荷，分别采用激光位移传感器和动态应变仪采集锚杆杆体及不同位置变 形数据，分析杆体变形规律及时序特征;利用 LS-DYNA 数值分析软件再现轴向冲击载荷下锚杆受 载变形过程，分析锚杆不同位置的应力和变形特征。 结果表明:1 在 171 kN 初始拉伸载荷状态 下，10 kJ 轴向冲击能量使锚杆端部载荷瞬时增加至 438 kN，此后处于振荡衰减状态，衰减速度逐 渐增大。 2 10 kJ 轴向冲击能量导致锚杆在 30 ms 内振荡拉伸和收缩，并最终产生 28.39 mm 的拉 伸塑性变形。 3 锚杆杆体不同位置的变形受应力波的界面反射效应影响较大，塑性变形大部分产 生在锚杆自由段，且距离锚固段与自由段分界面越近杆体塑性变形量越大。 4 锚杆不同位置对冲 击载荷响应具有时序性，拉伸和收缩变形均由杆尾向锚固端头依次响应。 5 锚固作用可有效约束 锚杆变形，吸收冲击产生的应力波，随着锚固深度加大，锚杆应力和变形响应幅值显著减小。

• 煤岩破坏电磁辐射定位技术方法

  宋大钊, 何学秋, 韦梦菡, 娄全, 刘洋,

  煤岩电磁辐射技术作为一种无损、实时、非接触、前兆性强的地球物理监测方法，在煤岩结 构稳定性及应力状态评估、煤岩动力灾害监测预警中发挥了重要作用。 然而，当前该技术主要通过 电磁前兆信号时序变化预警煤岩动力灾害，不能实现对灾害孕灾区域的定位，无法指导防治措施精 准实施，从而制约了该技术的发展应用。 对此，围绕煤岩破坏电磁辐射定位技术方法开展了系统研 究。 基于磁性多层膜材料的隧道磁电阻效应，研发了新型电磁矢量传感器，传感器在三轴方向上具 有显著的独立性，互不干扰，对夹角余弦的响应表现出高线性度，为煤岩破坏电磁辐射定位奠定了 基础，揭示了煤岩破坏电磁辐射的矢量特性。 三分量电磁信号在时域上同步到达，波形存在明显差 异，频域上信号主频一致，幅频分布相似，可视为主破裂产生的电磁场在 3 个方向上的分量。 基于 煤岩破坏发生时电荷分离、运动的过程，建立了等效的电磁辐射场源模型和煤岩破坏电磁辐射定位 方程，并进行了数值模拟和实验验证，定位效果理想。 研究成果是煤岩电磁辐射监测技术领域的原 始创新，初步将该技术从预测“危险是否会发生?”拓展到预测“危险将在何处发生?” 。 研究旨在 推动煤矿动力灾害监测预警技术装备的升级与创新，为我国煤矿智能化发展提供支撑。

• 非均质弹塑性煤体水压致裂裂纹形态研究

  邱宇超, 梁卫国, 李静, 贺伟,

  常规储层煤层气开采，主要使用水力压裂的方法对煤体进行增渗改造，准确模拟弹塑性煤 体在水力压裂后的缝网形态，可为施工工艺的改进和储层开采价值的评估提供参考。 有限离散元 方法(FDEM)是一种模拟弹塑性材料内部裂纹扩展形态的有效方法，为获得模拟所用本构模型中 基于 B-K 准则的混合断裂能，对煤进行了变预制裂缝倾角的半圆盘三点弯曲( SCB) 试验;提出一 种使用环氧树脂包裹煤样的立方体试件进行水力压裂研究的试验方法，还原原位状态下水力裂缝 的扩展过程，验证数值模拟方法的准确性。 考虑到天然状态下煤储层的非均质性，引入统计学中 的 Weibull 概率分布，将密度函数中的形状参数 m 定义为非均质度系数，按照 Weibull 分布对数值 模型中的黏聚型单元的强度和断裂能进行随机赋值，模拟不同非均质程度煤储层在水力压裂作业 中的裂缝扩展形态，并充分考虑了裂隙流从 Darcy 流向 Poiseuille 流的逐渐转化。 结果表明:1 有 限离散元法适用于模拟弹塑性煤体中水力裂缝的扩展，以二次名义应力准则为裂纹的起裂判据，以 B-K 混合断裂能准则为裂纹的延伸判据，可准确模拟复杂应力状态下水力裂缝的扩展形态。 2 单 簇射孔情况下，非均质度系数 m=2~5 的煤层中，水力压裂模拟得到的注液压力-时程曲线呈现出 明显的压力峰，符合实际工程中的注液压力曲线。 3 非均质度系数 m = 1.5 ~ 5.0 的煤层中，水力裂 缝的扩展会出现分叉和偏转现象，非均质度系数过低(m5)的煤层会形成对称的双翼曲线裂缝，其中 m = 2 的煤层在水力压裂后形成的裂缝形态最 为复杂。

• 基于煤中瓦斯赋存和运移方式的孔隙网络结构特征表征

  张开仲, 程远平, 王亮, 胡彪, 李伟,

  煤层微观孔隙结构对瓦斯储运特性具有关键控制作用，厘清煤的复杂孔隙网络结构表征对 瓦斯高效抽采及灾害防治具有重要意义。 通过流体侵入法、光电辐射与数字岩心技术，分别从孔隙 多级性、网络特性、连通性、自相似性等开展对煤中孔隙网络结构特征的形态学、拓扑学和几何学新 表征。 结果表明:首先，随着孔隙尺度降低，多级孔隙形态由不规则外生孔转变为圆形矿物质孔或 气孔，且不同阶段孔径分布大致呈递减趋势，其中微孔空间占主导地位，孔容和比表面积分别占 56% ~ 85%和 92% ~ 98%;不同煤样多尺度孔隙的三维重构体现出多级性和相似性，具有微纳米网 络骨架特征且局部伴有纳米孔隙群，分别构成了储层气体运移微通道和主要赋存场所。 其次，根据 流体侵入法间接反映了孔隙网络连通性，运用分形维数论证了多级孔隙存在分段特征，且拟合系数 高于 0.9;利用数字岩心技术构建了具有拓扑等价的孔隙网络模型及其配位数，并基于泰勒多边形 的煤体微观分形结构阐释多级孔隙间以串联为主的结构配置关系，证明了煤样作为分形几何体的 可能性。 最后，论证了绝大多数瓦斯分子是以吸附态附着在“填充孔-扩散孔-渗流孔”多级结构 上，且微孔填充是煤中瓦斯主要赋存方式，其甲烷吸附量占比大都高于 90%;填充孔(100 nm)充当与外界连通的“门户”，在此理解上构建了基于瓦斯赋存和运移方式的孔隙网络 特征的表征模型。

• 硅藻土抑制瓦斯爆炸的微观机理分析

  何文浩, 郝朝瑜, 张亚超, 邓存宝, 张俭,

  基于量子化学理论，利用过渡态方法和吸附理论对硅藻土抑制瓦斯爆炸机理进行了分析。 以甲烷氧化初始链式反应为切入点，分析了硅藻土中 2 种主要硅醇( 孤立硅醇和连生硅醇) 与其关 键中间产物(·H，·OH 和 HCHO)的相互作用。 从动力学角度，利用反应能垒和反应速率常数随 温度变化(25~1 000 °C)的相互关系说明了硅藻土与自由基反应对链式反应的影响;从吸附角度， 利用吸附能和弱相互作用可视化分析说明了硅藻土对 HCHO 的物理吸附所属弱相互作用类型及 吸附对链式反应的影响。 结果表明:1 硅藻土中的 2 种常见结构———孤立硅醇和连生硅醇，在与 自由基的反应中表现出不同的性质。 其中连生硅醇具备更好的抑制效果，在 31 °C 时，便开始影响 链式反应;在 122 °C 时，与对应甲烷氧化链式反应达到相同速率，有效减弱链式反应;在 259 °C 及更 高温度时，有效抑制链式反应(为链式反应速率的 10 倍以上)。 2 硅藻土由于表面的极性羟基结 构，2 种模型均能与 HCHO 形成较为稳定的氢键结构。 其中，孤立硅醇具备更高的原子利用率，而 连生硅醇则吸附性能更强(两者相差约 0.9 kJ/ mol)。 3 连生硅醇在消耗自由基和吸附 HCHO 方 面均具备较好的效果，即天然硅藻土可以通过增加连生硅醇浓度以加强抑制效果。 4 参考连生硅 醇抑制机理，在未来筛选新型抑制剂时，可将表面极性羟基浓度作为评选标准之一。

• 基于 TG / DSC / MS 技术的煤氧复合全过程及气体产物研究

  贾海林, 崔博, 焦振营, 赵万里, 徐倩倩, 孙沣楠,

  针对利用 DSC 曲线研究煤氧复合反应的阶段划分、热量变化及产物生成路径等方面存在 定义表述不够系统，TG 和 DSC 耦合分析不够深入等问题，利用 TG / DSC / MS 联用技术，开展惰气和 空气氛围下不同升温速率煤氧复合全过程的测试与分析。 实验表明:基于 DSC 划分法可将煤氧复 合全过程划分为水分蒸发及气体脱附吸热阶段、化学吸附和缓慢反应放热阶段、煤热解生成活性基 团放热阶段和挥发分与固定碳燃烧放热阶段。 通过特征温度的作图比较，发现 TG 划分法和 DSC 划分法的煤氧复合全过程的划分具有高度的重合性和一致性，这证明了 DSC 划分法的可行性和正 确性。 利用矿井火灾学、热分析动力学和煤化学理论，阐述了煤氧复合全过程相应阶段的温度范 围、生成产物。 通过气相产物的质谱分析和 Chem 3D 软件的建模分析，在构建煤结构单元局部片 段的基础上阐明了甲烷、乙烯、一氧化碳和二氧化碳等气体生成的反应历程及生成机理。 获得了煤 氧复合过程中 CH4 和 C2 H4 的生成趋势具有相似性规律，且离子流强度曲线出现的峰值温度基本相 同。 CO2 的逸出曲线呈抛物线，在 560 °C 时出现逸出峰。 发现了 CO 的离子流强度曲线具有双峰特 征，双峰对应的特征温度分别为 530，609 °C 。 研究成果可为厘清煤氧复合的全过程和煤自燃分级 预警提供理论支撑。

• 空气流量对煤粉-空气两相旋转爆轰波的影响

  祝文超, 王健平, 王宇辉, 李世全, 杨帆, 相博, 张国庆,

  理论上旋转爆轰发动机比传统爆燃发动机具有更高的热循环效率，因此被广泛研究。 但目 前关于气固两相旋转爆轰发动机的研究较少，而气固两相旋转爆轰发动机有望用在固体冲压发动 机上。 基于非预混的煤粉-空气旋转爆轰发动机进行二维数值模拟，气相采用具有体积反应的非 定常黏性模型，固相采用离散相模型，煤的表面燃烧反应采用动力学/扩散限制速率模型。 主要研 究空气流量对气固两相旋转爆轰波的影响，分析了不同模态下旋转爆轰发动机的工作特性，并将数 值模拟结果与实验结果进行对比。 结果表明:计算所得旋转爆轰波波速与实验结果吻合较好，旋转 爆轰波流场与实验研究定性一致。 由于入口附近颗粒注射速度低于空气注射速度，颗粒层与空气 层不能完全重合，导致爆轰波前局部当量比大于全局当量比。 空气流量从 38.14 kg/ s 增加到 114.40 kg/ s 时，爆轰波的速度和温度峰值先增大后减小，而压力峰值不断增大。 空气流量为 49.03 kg / s 时，爆轰波速度最大，并且发生模态转换过程。 相对单波模态，双波模态下的爆轰波的 强度和稳定性都有所下降。 根据燃烧室内气固两相的分布情况，爆轰波稳定传播时流场可分为填 充区、爆轰产物区和爆燃产物区 3 个区域。 研究结果对气固两相连续旋转爆轰发动机的实验研究 和工程应用具有一定的指导意义。

• 脱气温度对 3 种煤阶煤氮气吸附的影响

  颜志丰, 沈军平, 李丹, 张振国, 高莲凤, 宋清宇, 孙明晓,

  低温氮吸附实验是研究煤储层孔隙的重要方法，通过实验得到的数据能表征出煤孔隙结 构。 低温氮吸附实验结果受到样品粒径、脱气温度和脱气时间等因素的影响，其中脱气温度和脱气 时间受到样品本身性质影响较大且不易控制。 为研究低温氮吸附实验中脱气温度对结果的影响， 选取北宿矿的中变质烟煤、马兰矿的高变质烟煤和新景矿的无烟煤 3 种不同变质程度的煤样进行 低温氮吸附实验。 实验过程中采用相同的脱气处理时间，时间长度均为 2 h，脱气处理温度分别为 105，120，135，150 °C。 据此研究煤样在不同脱气温度下孔隙结构的变化，并对实验结果的差异性 进行分析。 通过分析 3 种煤阶的煤样在相同脱气时间和不同脱气温度条件下的质量变化率、吸附 等温线、吸附量、孔容、孔比表面积和平均孔径等参数，发现不同煤阶的煤样当脱气温度发生变化 时，实验结果相应发生变化。 通过实验发现在改变脱气温度时，影响煤孔隙结构实验结果的主要因 素是煤中的水分和挥发分。 随着脱气温度的升高，实验结果受水分的影响逐渐变弱，受挥发分的影 响逐渐增强。 在相同脱气时间和脱气温度的条件下，煤的变质程度越高，实验结果受水分的影响就 越小。 在脱气时间为 2 h 的情况下，煤样的脱气温度建议为 135 °C 。 低变质程度的煤由于挥发分 很高，对温度更加敏感，是不是遵循相同的规律还需要进行探讨。

• 基于核磁共振的煤岩注 CO2 吸附置换 CH4 试验研究

  郑司建, 桑树勋, 姚艳斌, 刘大锰, 刘世奇,

  注 CO2 强化煤层气开采( CO2 -ECBM) 过程的实质是吸附态甲烷在 CO2 -CH4 竞争吸附作用 下相变为游离态的过程，研究煤岩注 CO2 吸附置换甲烷的动态化相变过程对于理解 CO2 -ECBM 微 观作用机理和现场工程实施具有重要的理论意义和工程价值。 基于低场核磁共振技术开展一系列 不同压力状态下游离态甲烷实验，首先建立游离态甲烷核磁共振标定系数;随后选取准噶尔盆地南 缘长焰煤和沁水盆地无烟煤，基于自主研发搭建的低场核磁共振 CO2 置换 CH4 装置开展不同注入 压力、不同温度约束条件下 CO2 吸附置换 CH4 核磁共振实验，建立吸附态甲烷核磁共振标定系数， 并定量评价不同煤阶煤样CO2注入压力及实验温度对置换甲烷微观作用机理。 结果表明:煤岩甲 烷吸附核磁共振 T2弛豫谱呈三峰分布，从左至右分别代表了吸附态甲烷(P1 峰)、颗粒间游离态甲 烷(P2 峰)和自由空间游离态甲烷核磁共振响应(P3 峰);随着 CO2注入气体压力的增大，煤岩吸附 态甲烷核磁共振信号幅度明显减小;而随着 CO2 置换甲烷实验温度的增加，游离态甲烷核磁共振信 号幅度(P2 和 P3 峰)呈下降趋势。 煤岩注 CO2 吸附置换 CH4 过程中，最大甲烷吸附量随 CO2 注入 气体压力的变化呈明显两阶段分布特征:低压阶段，最大甲烷吸附量随 CO2 压力明显下降;高压阶 段最大甲烷吸附量的变化趋于平缓;同时，煤储层温度的升高会降低煤样 CO2 置换甲烷的能力。

• 构造煤渗透率对红外辐射功率响应变化试验研究

  张永利, 董毓斌, 涂钰滢, 刘 婷, 马玉林,

  中国煤储层地质开采条件复杂，具有低压力、低渗透率、低饱和度以及含气量高等特点。 众 学者通过多种手段研究煤层气增产技术，实现了高速开采煤层气的目的，但由于对煤储层解吸渗流 机理的不明确，未能实现大规模开采。 通过温升实验，得到红外辐射下煤体温度变化规律，红外辐 射功率越大，煤体升温速率越快，所能达到的温度也越高。 分析得到煤体温度与红外辐射功率的关 系式，该关系式为探究红外辐射下煤体的温升规律及后续的红外辐射下煤体的解吸-渗流实验提 供参考。 基于自主知识产权的红外辐射三轴加载实验系统开展煤体的解吸-渗流实验，该系统主 要分为红外辐射子系统、三轴加载子系统、数据采集子系统。 分别以轴压、围压、孔隙压力及红外辐 射功率为变量对煤体的渗透率进行系统性研究，解决了红外场、应力场和渗流场不能同时加载的难 题。 该实验系统具有结构简单、安全性高、密封性好、压力范围大、数值稳定及参数可单独调控等特 点。 在现有研究基础上进行红外辐射作用下煤体渗流实验，定量分析煤体解吸渗流过程中的相关 参数及演化规律。 结果表明:在孔隙压力较低范围内，煤体渗透率随红外辐射功率整体呈上升趋 势，渗透率最大增加 45%。 在相同孔隙压力条件下，低围压状态下煤体的渗透率普遍高于高围压 状态下煤体的渗透率。 推导得出煤体渗透率与红外辐射功率关系式，并对关系式中孔隙率相关参 数 k0 及热膨胀相关参数 b 进行分析，在红外辐射影响下，孔隙率相关参数随围压的增加而下降，煤 体热膨胀相关参数在孔隙压一定时，随围压的增加变化范围在 0.004 5 ~ 0.003 0。 对红外辐射作用 下煤体渗透率损失率进行分析，低孔隙压力条件下，煤体渗透率损失率随红外辐射功率的增加整体 呈减小趋势。 考虑红外辐射功率敏感性，在孔隙压力一定的条件下，煤体红外辐射功率敏感系数与 红外辐射功率呈正相关。 在孔隙压力不同的条件下，煤体红外辐射功率敏感性存在差异，说明红外 辐射功率敏感系数不仅与红外辐射功率有关，更是孔隙压力与围压共同作用的结果。 通过对红外 辐射作用下煤体渗透率影响因素的分析得到红外辐射功率与渗透率的关系式及影响参数，可为煤 层气热采技术提供理论依据及实验基础。

• 生态地质层理论及其在矿山环境治理修复中的应用

  王佟, 刘峰, 赵欣, 林中月, 李聪聪, 王辉, 李永红,

  矿山开采活动不仅对地表植被、土壤层和地形地貌产生破坏，还会对所能影响到的地下岩 层等地质体产生扰动和破坏，引起区域地表和地下生态环境系统的变化。 因此，有必要从地质学角 度开展矿山生态环境治理修复的理论与技术研究。 基于对煤炭矿山开采造成的主要生态环境问题 研究，提出了如何从地质角度开展矿山生态环境治理的思路，分析了煤炭开采对生态环境的影响机 理，论述了生态地质层理论。 采用“将今复古”的治理原则，通过对破坏地层层序结构的研究和模 拟再造，形成了生态地质层的构建原理和修复关键技术，并列举了青海木里矿区“ 急、难、险” 生态 治理修复工程推广应用的实例。 研究认为:1 矿山开采造成生态环境破坏的根本原因是开采对原 始地层系统产生扰动和破坏，引起地层位移、变形、破裂、垮落，导致应力重新分布，引发地下水、气 系统变化、运移和重新聚集，造成地表上部或浅层的岩石发生变化，影响到地表土壤、生态环境的改 变，乃至水圈、大气圈的变化。 2 生态地质层是指对区域生态环境具有控制属性作用的地层或地 层组合层段，矿山勘查开采对生态环境破坏的实质是生态地质层的破坏。 3 矿山生态环境治理的 关键是构建和修复生态地质层，通过研究区域原始地层剖面和产状、岩石结构构造，采用人工干预 和相似材料物理模拟的方式，构建出具有与原始地层相似属性作用的类岩性层段。 根据治理修复 对象的不同，生态地质层可划分为土壤层、地形重塑层、煤层顶板岩层、含水层等，高原高寒地区还 包括冻土层。 4 生态地质层构建材料的选用是生态修复的关键。 提出无土地区可利用矿山开采 形成的废弃渣土，变固废为生态地质层构建修复的主要材料的技术与方法。 在青海木里矿区生态 治理修复中解决了高原高寒地区大范围生态治理修复时客土无法实现、渣土占地与环境不相融合 和污染等问题。 生态地质层理论的提出与构建原理解决了因地层变形、破裂、沉陷、地表水断流、土 壤层、地形地貌及冻土层等地质环境扰动与破坏引发的矿山生态环境治理与修复难题，为在复杂条 件下矿山生态环境治理探索出了一条地质学治理的新路径。

• 焦化厂区大气污染物质量浓度水平与分布特征

  李杨勇, 牟玲, 刘效峰, 刘添, 李晓帆,

  为研究焦化厂区大气污染物污染特征，采用在线多气体检测仪对山西某典型焦化厂炼焦及 化产各工段环境空气中非采暖季和采暖季总挥发性有机物(TVOCs)，NH3 和 H2 S 质量浓度水平和 时间分布特征进行分析，并使用 SPSS 软件分析不同工段大气污染物之间的相关性。 结果表明，焦 化厂区 TVOCs，NH3 ，H2 S 的平均质量浓度分别为 96，376，176 μg / m3 ，化产工段各污染物质量浓度 均高于炼焦工段。 化产不同工段中 TVOCs 质量浓度由高到低依次为冷鼓工段(147 μg / m3 ) >独立 罐区(141 μg/m3)>氨水泵房(107 μg/m3)>粗苯工段(77 μg/m3)>硫铵工段(35 μg/m3)，NH3质量 浓度排序为独立罐区(542 μg/ m3 ) >粗苯工段(500 μg/ m3 ) >硫铵工段(401 μg/ m3 ) >冷鼓工段 (392 μg/ m3)>氨水泵房(388 μg/ m3 )，而不同工段 H2 S 质量浓度无显著差异。 焦化厂采暖季 TVOCs和NH3质量浓度均显著高于非采暖季，H2S质量浓度几乎不变。 采暖季各污染物质量浓度 日变化趋势不明显，而非采暖季均表现出显著的日变化特征，且化产和炼焦工段日变化特征不同。 炼焦工段 TVOCs，NH3 ，SO2 ，NOx ，O3 ，PM2.5 ，PM10 之间具有较高的相关性，表明炼焦工段环境空气中 各污染物主要来源一致，且部分化合物之间存在较为复杂的化学反应机制;化产粗苯工段 TVOCs 和 NH3 显著正相关，而独立罐区、冷鼓工段、氨水泵房与硫铵工段 TVOCs，NH3 ，H2 S 之间不相关，表 明与其他化产工段不同，粗苯工段 TVOCs 和 NH3 具有相似的生成和排放规律。

• 加压气化过程煤中矿物转化对典型有害元素迁移行为的影响

  王彩红, 刘淑琴, 姜哲, 郭小萌, 林雄超,

  揭示特定工况下有害元素的迁移规律、转化机理及影响因素，对建立气化过程中有害元素污 染过程控制方法，实现煤炭的清洁转化具有重要的理论指导意义。 煤中矿物质是有害元素赋存的主 要载体，在加压气化过程中矿物的转化会直接影响有害元素的迁移。 研究针对典型褐煤，在自制固定 床加压气化实验考察了特定气化条件下煤中矿物质转变对有害元素 F，Hg，As，Se，Cd，Pb，U 和 Be 演 化行为的影响。 结合 FactSage 热力学模拟，解析了气化过程灰渣中有害元素的演变规律。 结果表明， 有害元素在原煤中主要与矿物质结合，并在气化过程呈 3 种不同形式的迁移行为。 有害元素 As 易于 富集在直径略小于 10 μm 的细颗粒矿物质中;F 倾向于与碱性元素结合，并可能被吸附于层状矿物质 中;Pb 与黄铁矿伴存。 经加压气化后，F，Hg，Se 和 Cd，尤其是 F 和 Hg，相对富集系数 RE<1，呈耗散趋 势。 As 的 RE 随气化温度升高显著增大，由耗散转变为富集;而 Pb 则相反。 U 和 Be 在灰渣中富集， RE 始终大于 1。 在矿物转化过程中，黄铁矿分解促进亲硫性有害元素 Hg，As，Se，Cd 和 Pb 的析出;高 岭石等黏土矿物的转化有利于 F 的挥发。 温度高于 800 °C 后，白云母、钙基矿物质的分解进一步影响 As，Pb，U 和 Be 的迁移。 热力学模拟表明，As，U，Be 倾向于以砷酸盐、砷化镁、氧化铀和铝酸铍形式富 集在气化灰渣中，在灰渣的堆放及无害化处理过程中需给予关注。

• 煤直接液化溶剂研究述评

  李海军, 张小彬, 王兴宝, 李文英,

  近 3 a我国石油对外依存度达70%以上，严重威胁到了国家能源安全，稳步发展煤直接液化制油技术对于缓解我国油品短缺和促进煤的清洁高效利用具有重要的现实意义。为深入了解煤直接液化溶剂的重要性及溶剂中的氢传递机制，较全面地总结对比了国内外煤直接液化工艺的发展历程，重点介绍了神华集团开发的煤直接液化工艺在溶剂方面以及反应条件上的改进。首先，阐述了煤直接液化溶剂在物理、化学方面的重要作用，溶剂中极性化合物对反应的影响以及溶剂之间的相互作用对煤加氢液化反应的影响，溶剂不仅具有溶胀、分散煤的作用，还能溶解氢气、供氢和传递氢、稳定和保护煤热解生成的自由基，促进煤大分子中键的断裂。其次，依据全二维气相色谱-飞行时间质谱/氢火焰离子化检测器定性定量分析得到溶剂的组成和分子结构，探讨了煤直接液化溶剂的评价方法，如特性因子法、红外吸收光谱法和核磁共振法等。第3，深入分析了煤直接液化溶剂氢转移机制，如氢穿梭机制、氢解机制、热解自由基机制和协同-双氢转移机制，以及操作条件温度和压力对煤直接液化氢转移机制的影响。最后，对于如何降低企业运行成本和提高液化反应的碳转化率和目标产物收率，围绕液化溶剂应开展的工作提出了建议。

• 神华煤直接液化工艺中溶剂分子结构解析

  范欢欢, 白佳凯, 李旺, 王兴宝, 冯杰, 李文英,

  煤直接液化工艺中，除催化剂外，溶剂的组成和结构也是直接影响煤的转化率和液体产物 油收率关键因素。 近 10 a 稳定运行，在催化剂、操作条件无变化情况下，发现位于鄂尔多斯市伊金 霍洛旗神华煤直接液化工厂的油收率与神华上海研究院中试装置的油收率结果有些许差距。 为 此，对分别来自神华上海研究院中试供氢溶剂(RS-S)和鄂尔多斯煤直接液化工厂供氢溶剂(RS- E) 的物理化学结构，如官能团和芳香结构等，采用红外光谱、同步荧光光谱、全二维气相色谱⁃质谱 联用仪进行了定性定量分析。 在此基础上，采用密度泛函理论计算了溶剂分子中氢化芳烃的 C—H 键键能及化学环境对其影响的因素。 结果表明，2 种溶剂主要以带取代基的不饱和芳烃为 主，芳环数集中在 2~4 环;RS-S 中氢化芳烃含量要比 RS-E 高 15.79%，环烷烃含量要比 RS-E 的 低17.11%，说明 RS-E 被过度加氢，RS-S 的供氢能力要高于 RS-E;在一定程度上，芳环上不同取 代基可以促进 C—H 键的断裂，当取代基取代四氢萘 1 位时，对 C1—H 键键能的影响最大，吸电子 取代基比给电子取代基对四氢萘 C1—H 键解离能的影响更明显。 C—H 键键能与解离 H 原子后 C 原子上的自旋密度值呈现正相关性，H 原子解离后 C1 的自旋密度越小，C1—H 键键能越低，C1—H 越容易断裂;随着芳环数的增加，C—H 键键解离能降低，更容易断裂，导致稠环芳香族化合物更容 易被加氢饱和。 良好的供氢溶剂应该是由带取代基的、2~4环不饱和芳香烃组成的混合物。

• 发泡温度对常压自发泡煤基泡沫炭结构和机械强度的影响

  杨暖暖, 高翔宇, 王美君, 申岩峰, 孔娇, 常丽萍, 吕永康,

  煤的材料化是实现其低碳高值化利用的重要途径之一，煤基泡沫炭因其独特的物化性能 具有良好的应用前景。 以强黏结性焦煤为原料，采用常压自发泡法，在塑性区间内不同发泡温度条 件下制得以开孔结构为主的无定型煤基泡沫炭;利用 SEM、XRD、全自动压汞仪和真密度分析仪等 手段表征了泡沫炭的微观形貌、泡孔结构和微晶结构，并采用电子压力试验机测定了泡沫炭的机械 强度，分析了发泡温度对泡沫炭结构和性能的影响。 结果表明，发泡温度不同引起原料煤热分解以 及胶质体流动性行为变化，导致制备过程中煤样的发泡程度不同，进而对泡沫炭生料( NCF) 的泡孔 结构及碳骨架结构产生影响，使得在最大流动度对应的温度(480 °C)作为发泡温度时所得 NCF- 480开孔率最高(70.89%)、体积密度最小(0.460 g/cm3)，但其碳骨架结构相对致密导致其机械强 度提高，抗压强度和抗折强度分别达到 1.63 MPa 和 1.11 MPa。 经高温炭化，炭化泡沫炭( CCF) 的 孔径减小，开孔率和体积密度增大，同时缩聚反应使碳骨架更加致密，导致其机械强度明显提高。 其中，CCF-490 的平均孔径、开孔率以及体积密度均处于中间值且孔径差异较小，其机械性能表现 最为优异，抗压强度和抗折强度分别达到 8.52 MPa 和 5.14 MPa。 合成的具有良好结构性能的煤基 泡沫炭材料表现出优异的应用前景，同时也为煤炭的材料化高附加值利用提供了新思路。

• 100 kWth 加压循环流化床富氧燃烧试验研究

  昝海峰, 陈晓平, 刘道银, 马吉亮, 钟文琪, 梁财, 耿鹏飞, 徐劲松, 刘威, 潘苏阳,

  加压循环流化床富氧燃烧技术(PCFB-OFC)是一种新型清洁高效的燃烧技术，其高碳捕获 率和低能耗的特点受到广泛关注，具有很好的发展潜力和工业应用前景。 受限于燃烧压力升高后 带来的问题，现有关于加压循环流化床富氧燃烧的研究多着重于理论建模或基于小型试验台的试 验及机理研究。 东南大学自主研发了热输入功率为 100 kW 的加压循环流化床富氧燃烧热态试验 装置，实现了加压循环流化床富氧燃烧技术的规模化示范，并获得了热态试验数据和设计及运行经 验。 试验结果表明，该装置能够实现空气燃烧和富氧燃烧模式的平稳切换，在 0.6 MPa 压力下循环 流化床能够稳定运行，炉内温度变化平稳，并且加压富氧燃烧模式下干烟气中 CO2 体积分数能够稳 定维持在 90%以上，达到预期设计目标。 燃烧压力的提升加快了化学反应速率并且延长了气体停 留时间，再结合 2 级配风模式，使燃料氮更多的转化为氮气，最终表现出压力升高显著降低尾气中 NO 和 N2 O 的排放。 此外，压力升高提升了燃烧效率，烟气中 CO 和 CH4 的体积分数显著降低，并分 别在 0.4 MPa 和 0.2 MPa 时达到较低体积分数。

• 基于响应面法的仿生凹坑型中部槽耐磨性

  王学文, 刘朝阳, 李博, 马继磐, 刘俊, 李娟莉, 麻豪洲, 夏蕊,

  刮板输送机是实现煤炭长距离运输的重要装备，中部槽是其重要组成部分，且长期受到煤 与刮板的混合摩擦作用，磨损十分严重。 为了提高中部槽的耐磨性，以蜣螂体表的非光滑凹坑结构 为仿生原型，借助仿生非光滑理论，在中部槽表面设计仿生凹坑型结构，研究仿生凹坑型中部槽的 耐磨性。 首先，为了可以更高效地进行仿生参数的探究，设计了与刮板输送机工作原理类似的磨粒 磨损试验机往复模型，并建立了磨粒磨损机 DEM-MBD 双向耦合模型，通过 EDEM 离散元法进行 磨损深度分析，通过 RecurDyn 多体动力学进行相关约束的建立和仿生中板的受力分析。 其次，借 助响应面法对不同凹坑仿生结构的参数组合进行筛选，获取耐磨仿生的最佳参数组合，结果表明: 在试验条件下，凹坑型仿生中部槽最小磨损深度的参数组合为:形貌圆坑，直径 0.9 mm，深度 1.8 mm，角度 90°，横向间距 13.6 mm，纵向间距 10 mm，其中直径、深度和横向间距为显著性影响因 素。 然后，为了验证仿真结果的可靠性，加工了最优耐磨参数组合下的仿生中板，并与光滑中板进 行耐磨性试验对比，结果表明:与光滑中板相比，凹坑型仿生中板具有良好的减磨性能，减磨效率可 达24.81%。 此外，通过建立的与SGZ880/800型刮板输送机等比例的简化中部槽模型，对凹坑参数 进行了进一步验证，发现:最优耐磨参数下的凹坑仿生结构能够有效地减小煤、刮板与中板间的三 体磨损，中板磨损均匀，进一步验证了凹坑仿生耐磨参数组合的合理性。 最后，分析其耐磨性发现， 凹坑结构不仅能有效的减小煤散料与中板的接触面积，破坏接触的连续性，还能使中板与煤散料接 触表面形成空气膜，降低摩擦因数。

• 基于多场耦合能量和熵产分析的矿用双盘式磁力耦合器参数多目标优化

  王爽, 郭永存, 李德永, 程刚, 马鑫,

  传统煤矿机电装备的传动装置存在污染性介质、传递效率低、占地体积大、维护费用高、使 用寿命短等缺陷，造成故障发生率高，严重影响机械化采、掘、提、运、通、排等工作的安全高效生产。 而矿用双盘式磁力耦合器具备高效调速性、适应能力强、运行成本低等优点，是革命性的节能传动 装置。 电磁-温度-应力耦合能量作用是一个相当复杂的问题，已成为磁力耦合领域的热点课题之 一，针对不同工况下矿用双盘式磁力耦合器的安全运行和高效传动问题，提出基于多场耦合和熵产 最小化理论的多目标优化方法。 基于矿用双盘式磁力耦合器热力学模型，以综合考虑提高传动效 率和散热量为优化目标，以输入电机转速、散热翅片个数、散热翅片长度、气隙长度为参数变量，建 立了多目标优化模型。 为了减少试验成本，采用有限元法获取各参数变量组合对应的散热量和熵 产，并通过物理实验验证其有效性。 基于四因素三水平的仿真数据，利用改进的高斯回归模型构建 预测散热量和熵产，并对比改进模型与其他两种模型的性能，证明了改进模型在精度和响应时间上 的优势;采用多目标粒子群算法，以最小熵产和最大散热量为目标，优化得到参数变量的 Pareto 前沿。 物理试验结果验证了该算法的有效性。