煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第11期

• 水泥熟料预煅烧-烧成工艺特性试验研究

  徐靖, 周丽, 任强强,

  水泥行业属于传统的高煤耗、高排放行业，在“碳达峰、碳中和”的大背景下，面临着严峻的节能减排压力。《水泥单位产品能源消耗限额》对熟料煤耗做出了明确要求，降低单位质量熟料的煤炭消耗量和提升熟料生产工艺效率成为达到要求的关键。现有新型干法水泥生产线回转窑的传热效率较低，回转窑中的反应集中，导致水泥熟料烧成煤耗高。为了进一步降低熟料生产的煤耗与排放，基于水泥熟料主要成分与主要中间反应，提出“分步反应、阶段烧成”的思路，研究水泥熟料流态化预煅烧-烧成新工艺。与现有工艺不同的是，新工艺中固相反应（包括生料分解、硅酸二钙生成）在煅烧过程中进行，液相反应（主要是硅酸三钙生成）在烧成过程中进行。利用Rietveld全谱拟合计算矿物含量，扫描电镜观察矿物形貌，通过研究预煅烧-烧成过程对矿物形成的影响，得到预煅烧-烧成工艺的工艺条件，证实预煅烧-烧成预合成硅酸二钙对硅酸三钙的促进作用，获得合适的液相范围为20%~30%，并通过测算预估1000吨/天预煅烧-烧成装置的年CO2排放量减少23152吨。

• 660 MW燃煤锅炉屏式过热器壁温特性数值模拟研究

  王涛, 周托, 吕俊复, 吴玉新, 张天宇, 马有福,

  在“双碳”目标的背景下，燃煤火电机组向更高参数及深度调峰的方向发展，这对于燃煤锅炉的运行提出了更高的要求，防止锅炉受热面热偏差而导致的管壁超温是其中的关键问题之一。因此，精确预测燃煤锅炉受热面的热偏差和壁温对于机组安全、稳定运行意义重大。锅炉受热面的传热及壁温特性主要受到烟气侧和工质侧的共同作用，但在通过数值模拟方法预测热偏差问题时，常将模拟过程和边界条件进行简化处理，较难精准地分析受热面的传热及壁温分布特性。针对以上问题，利用Fluent对660MW前后墙对冲燃煤锅炉进行了数值模拟，建立了屏式过热器管内、外的耦合传热模型，提出了按管内工质流动方向的顺序计算方法，并基于UDF实现了烟气侧与工质侧的传热耦合计算。研究了外二次风不同旋流角度对屏式过热器传热的影响，获得了同时考虑烟气侧和工质侧的屏式过热器传热及壁温特性。模拟结果表明，屏式过热器各管屏第22号管子出口壁面温度与实测值的相对误差在4%以内；外二次风的旋流角度由15°增加至60°，煤粉气流刚性减弱，燃烧不剧烈，煤粉着火延迟，炉膛火焰面升高，且屏式过热器的温度分布由“两端高、中间低”向“两端低、中间高”变化；当旋流角度为45°和60°时，屏式过热器的最大壁温分别为945K和965K，超过受热面材料的最大允许温度，而当旋流角度为15°和30°时，屏式过热器的最大壁温小于受热面材料的最大允许温度，故最佳旋流角度应选取15°–30°。

• 基于超临界水气化制氢的煤炭利用技术研究进展

  吕友军, 金辉, 李国兴, 王 浩, 樊明境,

  中国以煤炭为主体的能源结构短期内无法改变。 传统“ 一把火烧” 的煤炭利用方式不可避 免产生大量的SOx、NOx、粉尘及温室气体，是雾霾和全球气候变暖等环境问题的重要成因。 郭烈锦 院士团队原创性地提出基于超临界水气化的煤制氢发电多联产技术，该技术可将煤在超临界水均 相环境中实现完全气化制得富氢混合物，其中的氢被完全氧化形成超临界 H2 O / CO2 混合工质后进 入透平做功发电，透平出口的乏汽经气液分离可实现 CO2 的自然富集。 针对上述方案中关键技术 的发展现状进行综述，重点介绍西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室近 10 a 来在该领域 取得的研究成果。 在超临界水煤气化反应过程强化方面，揭示了超临界水中煤气化过程的受控步 骤在于稠环芳烃的开环反应;建立了超临界水中多孔焦颗粒气化模型并获得其气化机理与影响规 律;通过将烷烃重整区高自由基浓度的流体循环注入反应器底部提高煤气化率约 17%;通过调整 喷嘴射流角度缩小了低温低流速的副反应区;通过添加催化剂实现了吸热-放热反应的原位耦合 匹配。 在超临界水流化床多相流动与传热方面，基于介尺度结构流动特性实验结果提出了新型能 量最小多尺度( EMMS) 曳力模型;基于压差实验数据获得了流化床内流型演变特性及相应计算准 则;基于实验结果揭示了流化床气泡动力学特性并提出气泡弦长与上升速度的计算准则式;建立了 流化床均质膨胀区和鼓泡区的床层-壁面传热关联式与基于颗粒团更新理论的传热模型。 在超临 界水环境氢氧化反应动力学方面，基于反应力场方法从原子层面获得了超临界水中氢氧化反应路 径与动力学参数;基于氧化反应段出口氢气体积分数数据建立了超临界工况下氢氧化总包反应速 率方程;建立了适用于超临界水工况的氢氧化基元反应模型并开展了反应路径分析与敏感性分析。 上述研究成果为超临界水煤气化反应调控与强化、气化反应器与氧化反应器的设计优化提供指导。

• 煤热解过程中噻吩类硫化物迁移转化机理研究进展

  刘吉, 杨双维, 赵微, 胡斌, 夏源谷, 马善为, 陆强,

  噻吩类硫化物是煤炭中有机硫的重要赋存形式，在煤炭热解过程中，噻吩类硫化物会迁移至热解产物中进而影响产物品质或引发环境污染，因此明晰煤热解过程中噻吩类硫化物的迁移转化特性与机理对煤炭高效清洁利用以及国家双碳目标的实现具有重要意义。本文首先归纳了噻吩类硫化物在煤炭中的赋存和热解过程中的析出特性，噻吩类硫化物的含量随着煤阶升高而增多，热解过程中的噻吩类硫化物主要来源于煤中大分子结构热裂解释放，部分来源于无机硫和硫醚、硫醇等有机硫的转化。随后概述了噻吩类硫化物热解特性与反应机理的相关实验和计算研究结果，噻吩类硫化物的分解主要由C-S键均裂和氢迁移引发，裂解产生多种含硫自由基中间体进而生成H2S、SO2、COS和CS2等含硫气体，其他含硫基团相互聚合或与芳香环结合形成多环含硫芳烃迁移到焦油和焦炭中。然后总结了多种热解条件对噻吩类硫化物热解的影响，热解温度的升高通常能促进噻吩类硫化物的分解，升温速率越慢噻吩类硫化物的脱除越彻底；H2、水蒸气以及CO2气氛都对噻吩类硫化物的分解有促进作用，其中H2和水蒸气能够通过提供氢自由基攻击噻吩环上的硫原子，或者与不饱和的C=C键发生加成反应促进噻吩类硫化物热解；CO2的氧化性会降低C-S键断裂难度，促进噻吩类硫化物形成更多的SCO2、CHO和R-O自由基从而促进气相含硫产物的生成；煤中的高岭土能促进噻吩类硫化物的释放，钙质矿物则会与其反应向CaS转化；不同性质的添加剂能够作为反应物或催化剂影响噻吩类硫化物的热解反应。基于噻吩类硫化物的迁移机理，对煤热解过程的调控应从两方面入手，一方面定向促进氢迁移反应和C-S键断裂以促进噻吩类硫化物分解；另一方面提供热解环境缺少的氢自由基和含氧基团抑制多环含硫芳烃化合物生成。未来还需要在噻吩类硫化物向液相和固相迁移的反应机理、反应器型等多因素耦合作用下的噻吩类硫化物热解调控机制等方面深入开展研究。

• 燃煤电厂200 t /d生活垃圾无氧热解耦合协同处置优化

  王学斌, 周澳, 杨明辉, 王璟, 戴高峰, 范美军, 王建军, 冯旭明,

  随着我国城市生活垃圾的逐年增长，生活垃圾的减量化无害化处理变得越来越迫切。相比于填埋、焚烧等传统垃圾处理方式，热解法处理生活垃圾具有二噁英排放量少，二次污染小等优势，近年来受到了越来越多研究者的关注。针对我国县镇级别的垃圾处理需求，提出了一种新的生活垃圾热解耦合燃煤电厂协同处置的工艺路线，并结合现场实验数据，针对某55 MW燃煤机组耦合200 t/d垃圾的实际案例，利用Aspen plus软件对该工艺流程进行了验证和模拟。试验和模拟结果表明：在不抽取燃煤锅炉烟气的条件下，可以通过燃烧部分垃圾无氧热解产生的油气作为垃圾干化和热解过程所需的热源，并且还有部分富余的高热值热解油气的可送入燃煤机组燃烧。当抽取部分燃煤锅炉中高温烟气用于垃圾干燥和热解过程时，垃圾无氧热解可富余更多的高热值油气用于燃煤锅炉助燃调峰；同时，垃圾热解产生的高氯垃圾炭可以直接送进锅炉燃烧。对55MW燃煤机组耦合垃圾炭产生的二噁英进行了现场检测，试验发现：当不掺烧垃圾炭时，烟气中二噁英总含量为0.0061 ng TEQ/m3；当垃圾炭掺烧比为1%时，烟气中二噁英总含量为0.0053 ng TEQ/m3，二噁英含量在掺烧前后没有显著的变化，且远低于地方排放标准。干燥过程的高湿烟气再循环后进入油气燃烧热风炉，有利于提高耦合系统的富余热解油气。考虑到烟气输送安全，实际抽取锅炉烟气温度低于热解油气燃烧温度，故对本案例（55 MW机组耦合200 t/d垃圾）实际的最大锅炉烟气抽取量最大不超过锅炉总烟气量的2%，对锅炉总体性能的影响不显著。

• 煤颗粒流化床增压富氧燃烧脱挥发分模型

  李林, 段伦博, 武万强, 孙光,

  增压富氧燃烧被认为是最有前景的CO2捕集技术之一，近年来逐渐引起学术界和工业界的关注。而由于增压实验难度较大，燃烧过程如同“黑匣子”，燃烧信息获取不丰富等原因，目前关于煤颗粒增压富氧燃烧机理的研究尚不充分。本文通过建立煤颗粒脱挥发分数学模型研究了增压流态化条件下的O2/CO2和O2/N2气氛对煤颗粒脱挥发分过程的影响机制。模型考虑了煤颗粒与环境之间的传热以及颗粒内部温度梯度，采用非稳态一维颗粒模型描述煤颗粒干燥和挥发分的析出过程。研究结果表明，模型具有良好的适用性，脱挥发分时间的计算值与前期实验结果之间误差小于20％；模型敏感性分析表明床料比热容、燃料比热容、燃料尺寸、燃料密度、燃料水分含量以及总换热系数对颗粒干燥时间的影响较大；床料比热容、换热系数以及燃料的密度和尺寸对脱挥发分过程影响较大，而床料比热容、换热系数、燃料密度以及燃料尺寸是影响颗粒内外温度梯度峰值的主要因素；压力和床温的升高均会带来煤颗粒与床料之间换热的增强，从而带来较低的干燥时间和脱挥发分时间，提高颗粒内外温差的峰值；而与N2气氛相比，CO2气氛下干燥时间和脱挥发分时间略有下降，颗粒内外温差会增加；随着流化数（w）的升高，颗粒与环境之间的换热作用被加强，干燥和脱挥发分过程被缩短。

• 基于富氧燃烧的CO2压缩纯化技术研究进展

  江蓉, 张进, 李小姗, 倪宏伟, 赖勇杰, 曹峻, 张立麒,

  作为一种燃烧中的碳捕集技术，富氧燃烧可实现烟气中CO2高浓度富集，在进行CO2的封存和利用之前，需要在CO2压缩纯化系统中对富含CO2的烟气进行净化、干燥和液化，便于运输和降低成本。现有研究表明CO2压缩纯化系统在高压低温的条件下可以分别实现SOx、NOx及Hg的一体化脱除，干燥脱水，分离O2、N2等杂质气体从而液化提纯CO2气体。基于富氧燃烧碳捕集技术，分别介绍了CO2压缩纯化系统中酸压缩污染物协同脱除技术，对酸压缩过程协同脱除SOx、NOx及Hg的反应机理以及相互作用机制进行了探讨；简述了二氧化碳脱水干燥的几种方法，对分子筛脱水技术进行了探究；对比分析了高浓度CO2液化提纯技术的主要方法以及CO2液化提纯系统所需的低温冷能获取方式。综述了国内外富氧烟气CO2压缩纯化技术的中试示范应用，并指出了下一步发展方向。我国酸压缩污染物协同脱除技术的示范应用滞后于CO2液化提纯技术，需明确酸压缩污染物协同脱除的具体机制及运行参数的影响，在国内开展同步实现SO2、NOx和Hg联合脱除的示范应用研究。目前的中试示范项目对于CO2压缩纯化系统各单元设备运行特性的研究不够深入，需进一步开发工艺并完善系统集成方案，进行百万吨级CO2压缩纯化系统方案集成研究，促进CO2压缩纯化技术大规模工业应用。

• 钙基工业固废循环捕集CO2性能研究进展

  赵雯涵, 吴水木, 李英杰,

  随着能源需求增长，煤炭、石油、天然气等化石燃料的大量开采，人为产生的CO2排放量不断升高。如何控制CO2排放、减缓全球变暖速度是亟待解决的难题。钙循环技术利用CaO的碳酸化/煅烧反应实现CO2的捕集，具有成本低、工艺简单、效率高等优点，被认为是具有前景的大规模脱碳技术之一。每年我国会产生大量钙基工业固体废弃物，填埋、露天堆积等不当的处置手段对环境和人体健康造成极大的危害。将钙基工业固废作为CO2吸收剂用于钙循环过程，不仅实现工业固废的资源化利用，还节约石灰石矿资源，进一步降低CO2捕集成本。本文对钙基工业固废循环捕集CO2的国内外研究现状进行了综述，总结了电石渣、冶炼渣（钢渣、高炉渣）、造纸白泥等工业固废的CO2捕集性能。电石渣、冶炼渣、造纸白泥等工业固废具有一定捕集CO2性能，粉煤灰、铝土矿尾矿等工业固废可作为添加剂提高钙基材料捕集CO2性能。与石灰石相比，电石渣、酸浸取后的冶炼渣和造纸白泥的循环捕集CO2稳定性更好。针对钙基工业固废捕集CO2性能较低的问题，重点介绍了多种提高钙基工业固废捕集CO2性能的方法，主要包括化学改性、添加支撑体/添加剂以及成型造粒等。钙铝酸盐（如Ca2Al2O6、Ca12Al14O33等）和MgO作支撑体能够提高钙基工业固废的捕集CO2性能和循环稳定性，具有工业应用前景。最后，对钙基工业固废捕集CO2的未来研究方向进行了展望。

• 煤结构演化及燃料、原料和材料属性开发

  李勇,

  “贫油、少气、相对富煤”的资源禀赋决定了我国必须长期坚持煤炭清洁高效利用道路。煤炭是一种富含碳、氢、氧等元素的有机岩,是供热、发电领域主要燃料,是冶金、化工和建材等领域重要原料,是天然气储存、CO2封存和能量存储转化的潜在材料。通过系统采集的16块不同变质程度煤样,结合显微观察、红外光谱、核磁共振、气体吸附等实验和分子模拟手段,解构显微组分、化学组分、分子结构和多孔结构差异,讨论物质结构分异的地质驱动,为其燃料、原料和材料属性多元开发提供支持。中低阶煤相对富氢,类脂体荧光性好,具有重要燃料和原料转化利用属性。煤化作用持续聚碳,结构逐渐致密且趋于定向排列,原料和材料属性不断加强。沼泽环境和泥炭化作用决定了煤初始显微组分组成,受气候条件、水体性质、植被类型和陆源碎屑等综合影响。煤化作用控制煤化学组分、分子结构和多孔结构演变,在镜质体反射率约0.65%,1.30%和3.50%呈现阶梯式跃变。实现多重属性有效开发,热解反应可获取煤中油气成分和焦油产品,结合力解等可实现多维碳结构制备和利用,米-厘米-纳米尺度上的多孔介质非均质性认识有助于实现材料属性开拓。在此基础上,充分认识“显微-化学”2种组分、“分子-多孔”2种结构在固、液、气分子多相态间相互作用,有利于实现煤基多元清洁能源和煤基材料协同转化和开发。上述科学与技术问题的持续攻关和认识突破,将为我国能源结构调整和“双碳”战略实施提供助力。

• CO2驱煤层气关键技术研发及应用

  张守仁, 桑树勋, 吴见, 周效志, 张兵, 杨瑞召, 郭建春, 刘旭东, 张伟祺, 李勇,

  CO2驱煤层气（CO2-ECBM）工业化应用是促进煤炭清洁高效利用、加快国家天然气发展、实现“碳达峰”和“碳中和”目标的重要途径。立足CO2注入、运移、封存和产出的全过程控制和监测技术需求，结合理论和现场工程实践，提出地质适配性的CO2-ECBM技术体系。研究成果表明，构建“分子-微纳米-岩心-近工程-工程”衔接的CO2，CH4和H2O多尺度赋存和流动实（试）验体系是揭示CO2-ECBM机理与技术应用的前提。实施CO2-ECBM需综合考虑CO2可注入性、CH4可增产性和CO2可封存性，结合高精度三维地质和数值模型优选有利井区。CH4增产效果受CO2注入方式、注入压力、注入速度和井底流压等多因素协同影响，为实现长期增产和有效封存双重目标，提出了包含“阶梯式增注提压、限压注入驱替、气驱水产能抑制、采气井增产、间歇式排采、采气井井场复垦”6阶段的CO2注-采技术体系。为监测CO2运移和封存效果，形成了涵盖“注入-驱替-封存”全过程的“空-天-地-井”立体监测网络，可通过地表微形变与环境变化遥感监测、近地表被动地震裂缝层析成像、动态多向多分量VSP监测技术和深井实时温压监测装置有效跟踪CO2运移路径。依托上述技术在沁水盆地柿庄TS-634井区实现CO2注入2 001.04 t，并有效监测了CO2运移方向和增产效果。结论认为，上述技术可服务于CO2-ECBM，进一步推动CO2-ECBM工业化进程，需从政策制定、市场机制和需求驱动等多方面综合优化，以期为我国能源结构调整和“双碳”战略实现提供技术支撑。

• 鄂尔多斯盆地东缘煤系气合采接替方案优化

  张健, 申建, 朱苏阳, 张芬娜,

  鄂尔多斯盆地东缘发育叠置赋存煤系气储层,合采是解决单层产能低、综合效益差的有效方法。针对煤系气储层地质条件和开发过程中耦合流动机理研究不深入,难以揭示生产过程中耦合传质特征的问题,以临兴地区石炭二叠系煤系气储层为基础,通过多重相控建模技术,结合沉积微相划分和砂体控制程度分析,建立了多层叠置气藏高精细地质模型。在地质模型的基础上,基于静态产层组合分类标准,划分了有利开发气层组合。同时,研究根据煤层气和致密气微孔-裂隙-裂缝多尺度传质机理,建立了煤层气和致密气耦合传质链模型。研究结果揭示了互层连通、近距耦合和远距扰动的三重耦合作用下煤系气合采传质机理,其中耦合作用降低了煤层气和致密气合采的初期效果,但有利于长期稳产目标。进一步采用数值模拟方法,阐明了不同耦合关系条件下的动态合采特征,优化了静态产层组合与接替方案,提出了同井筒同压合采和分压合采条件下的合层排采工艺设计和设备选型方法,井筒工艺的研究确定了合采气水远距干扰的生产下限。研究区以山2段致密气作为气举气源,协同太2段煤层排水降压,煤层气解吸后可以实现“山2段致密气+太2段煤层气+本2段致密气”合采,接替以盒4段和盒8段致密气合采的方案最优,研究表明静态产层组合未考虑不同气藏生产过程中的动态干扰问题,产层组合优化应进行动态优选,探索了煤系气高效合采模式,可以为鄂尔多斯盆地东缘煤系气合采、增产等研究奠定理论基础,推动深层煤系气合理动用与高效开发。

• 煤储层氧化增渗作用机理及应用

  荆振华, 潘松圻, 王小明, 袁铭, 李勇, 刘恩涛, 刘翰林, UNDERSCHULTZ Jim, STEEL Karen,

  氧化法提高煤储层渗透率(氧化增渗)是指利用氧化反应溶解煤层割理周围有机质,增加割理宽度,提高煤储层渗流能力的一种煤层气增产方法。选择澳大利亚Bowen盆地煤样为研究对象,针对不同煤样大小,利用多种自主组装实验及孔裂隙、渗透率、CT扫描等测试手段,系统阐述氧化增渗的作用机理及应用前景。研究结果显示:煤基质在多种氧化剂中存在不同程度的溶解、膨胀和破裂现象,对比多种工业常用氧化剂对煤样的氧化效果,认为次氯酸钠(NaClO)氧化能力较强,可有效提高样品孔隙度,增加裂隙宽度。岩心驱替实验证明氧化法主要提高煤储层水平方向渗透率,微米CT扫描对比驱替前后岩心图像发现NaClO可刻蚀割理表面,在扩大割理宽度的同时在煤基质中产生新的孔裂隙。煤中矿物与氧化剂无明显反应,盐酸去除矿物的煤样氧化反应显示煤中渗流通道宽度增加,但是覆压条件下渗透率下降,显示矿物在围压条件下发挥支撑作用,保证煤体结构完整性。同一煤样不同煤岩组分的氧化反应强度差异主要受其孔裂隙差异性控制,与煤分子结构相关性较小。上述研究证明:氧化法提高煤储层渗透率,作为一种新型储层改造技术,有助于丰富煤储层改造手段,提高煤层气采收率,同时补充煤氧化机理的理论认识,推动煤层气产业发展。

• 煤气化飞灰合成有序介孔纳米氧化硅及其吸附罗丹明 B 的性能

  刘艳芳, 崔龙鹏, 侯吉礼,

  煤气化飞灰是煤气化产生的固体废物，其产量逐年增多。 受建材市场需求减弱的影响，煤 气化飞灰制备建工建材的传统利用方式受限，亟待寻求高附加值利用技术。 以煤气化飞灰为硅源 制备硅基材料可实现其高附加值利用，但硅提取效率低及所制备材料性能较差限制了该技术的应 用。 基于此，以 Shell 粉煤气化飞灰为硅源，采用微波加热碱溶(微波法)提取硅-水热合成两步法 制备了有序介孔纳米氧化硅(mSiO2)，并对比了微波法和常规水热法在提取 Shell 粉煤气化飞灰中 硅元素，以及以2种方法所得提取液为硅源制备的氧化硅性能上的差异。 采用小角XRD、N2吸附/ 脱附、TEM、FTIR 和 Zeta 电位等方法对所制备纳米氧化硅的结构、形貌、官能团和表面电位进行表 征，并研究了其对废水中染料罗丹明 B(RhB)的吸附性能。 结果表明:微波法能快速、高效、选择性 地提取煤气化飞灰中的硅元素，碱灰比(NaOH 与煤气化飞灰的质量比)为 0.5、反应时间为 30 min 时硅的提取率达 20.2%，且除低浓度的铝元素外，无其他杂质元素溶出，利于高纯度纳米氧化硅的 合成。 碱灰比在0.5~1.5时，相同条件下，微波法提取的Si元素浓度为水热法的2.4~3.3倍。 采用 微波加热碱溶提取硅-水热合成两步法制备的氧化硅为高度有序的介孔材料，比表面积高达 1 069 m2 / g，孔体积高达 1.02 cm3 / g，孔径在 2 ~ 6 nm，Zeta 电位为-63.2 mV。 mSiO2 对废水中 RhB 具有良好的吸附能力，室温下可在 10 min 内将溶液中的 RhB 吸附去除 90%以上，最大去除率达 96%，是以水热法所得提取液制备的介孔氧化硅的 1.9 倍。 mSiO2 良好的吸附性能归因于其多孔结 构和丰富的表面负电荷。 吸附 RhB 后的纳米氧化硅可通过煅烧再生。 良好的吸附能力和易再生 优势，使其在吸附领域具有广阔应用前景。

• 巨厚松散层下软弱覆岩破坏规律

  张广超, 陶广哲, 孟祥军, 李友, 曲治, 绪瑞华, 于善昌, 陈淼, 周广磊, 栾恒杰,

  为研究巨厚松散层下软弱覆岩破坏规律，以巨野矿区郭屯煤矿 3301 工作面为工程背景，综 合运用理论分析、数值模拟与现场实测相结合的研究方法对巨厚松散层下软弱覆岩破坏规律进行 了研究。 得出:1 阐明了巨厚松散层软弱岩层条件下覆岩破坏演化力学过程，明确了巨厚松散层、 软弱基岩及两者联动演化对覆岩破坏高度的综合影响机制，并考虑到软弱岩层塑性破裂特征，提出 了基于极限拉伸应变的软弱覆岩破坏高度计算方法;2 揭示了巨厚松散层下软弱覆岩破坏形态及 裂隙发育拓展规律，软弱覆岩破坏演化依次经历缓慢增长阶段、快速增长阶段与稳定平衡阶段，分 析了松散层厚度、开采高度对软弱覆岩破坏的影响机制，覆岩破坏高度与采高呈线性增长关系，与 松散层厚度呈指数函数关系，并基于回归分析理论拟合得出了相应的数学表达式;3 井下仰孔分 段注水现场探测表明，巨厚松散层(515 m)、软弱岩层、大采高(6 m)开采条件下的覆岩破坏高度为 78 m，为采高的 13 倍，发育至弥合性较强的泥岩岩层内，并基于工作面水害危险性分析、涌水规律 及采场矿压规律，对理论分析和数值模拟结果进行了验证分析。

• 无煤柱自成巷 N00 工法采留一体化装备与围岩控制关键设计

  王亚军, 何满潮, 王 琦, 杨 军, 王建文, 刘 辉, 陈 菲,

  无煤柱自成巷 N00 工法是我国自主创新的采煤新工法，其在提高资源采出率、降低巷道掘 进量、消减煤柱引起的应力集中等方面具有一定优势。 为进一步推进该工法发展，以陕煤柠条塔煤 矿 N00 工法工业性试验为工程依托，从采掘布局、围岩控制、装备系统 3 个方面梳理了 N00 工法核 心设计思路。 针对 N00 工法成巷围岩结构特征，考虑围岩空间结构整体稳定和运动全过程稳定 性，提出了“碎胀平衡降压+动静耦合支护”围岩控制设计思路，明确了 3 个控制对象、4 种控制技 术、8 项设计标准及相关设计内容。 基于 N00 工法“ 采留一体化” 采掘布局设计理念，形成了 N00 工法采煤装备系统和成巷装备系统布局新设计，明确了 N00 装备系统关键结构和功能设计内容。 工程试验结果表明，采用 N00 工法设计，采煤装备系统可实现工作面前无巷采煤，成巷装备系统可 实现工作面采后同步成巷，突破了传统采掘分离式装备布局模式，实现了采煤过程中无提前掘巷和 无留设煤柱。 柠条塔煤矿试验工作面留巷长度 2 344 m 内，巷道顶底板移近量最大 145 mm，巷道 围岩控制效果良好，完全满足安全生产要求。 无煤柱自成巷 N00 的成功应用，验证了 N00 工法采 留一体化装备和围岩控制关键设计的可行性，为提高矿井采出率、节约煤炭资源，减少巷道掘进、降 低开采成本以及缓解采掘接续问题提供了新途径。

• 高湿环境对白云岩膨胀过程中力学特性影响的宏微观机制

  陈伟, 万文, 冯涛, 王卫军, 赵延林, 吴秋红,

  为了探究深部开采后矿柱力学性能受高湿环境的影响规律，对湖南郴州茶山岭煤矿 -850 m白云岩矿柱取心制作标准试样，采用核磁共振(NMR)、扫描电镜(SEM)、电子能谱(EDS)和 X 射线衍射(XRD)对 4 种湿度环境(相对湿度 70%，80%，90%，100%)中 60 d 限制轴向位移的白 云岩孔隙尺寸、微观结构及矿物组分进行跟踪测定，研究吸水速率与孔隙结构的动态响应特征。 结 合室内单、三轴压缩力学试验结果，总结了白云岩吸水膨胀后的强度软化机制。 研究表明:1环境 湿度越高，白云岩的环向应变与轴向膨胀力前期的增速越快，趋于平稳的时间相对靠后，并在膨胀 力达到最大值后，出现明显的应力松弛;2 装置中环境湿度的升高以及湿度作用时间的延长削弱 了白云岩的强度并加剧了变形。 近似现场湿度下(相对湿度 90%)，内摩擦角在 60 d 中下降幅度较 为平均，反观黏聚力前后 20 d 变化较小，集中在 20 ~ 40 d 迅速下滑;3 白云岩在吸水前期核磁共振 T2 谱曲线出现双峰现象，且峰值对应弛豫时间持续向右移动，原本致密的层状结构发生开裂，小中 孔隙扩张并连通形成大孔隙。 基于吸水曲线及 T2 谱面积曲线特征，将整个高湿作用过程分为 3 个 阶段:急速吸水、减速吸水和稳定水化阶段;4 高湿环境下白云岩吸水后，由于结合水膜的润滑作 用以及黏土矿物的膨胀效应引起颗粒间胶结能力减弱，劣化其力学指标，最终改变了白云岩的极限 破坏模式。

• 非对称荷载下含中心孔洞煤岩变形损伤特性与本构模型

  王涛, 葛丽娜, 赵洪宝, 张向阳, 张欢, 李文璞,

  受地势起伏或工程开挖影响，隧道与地下开采巷道常受到不同程度的非对称荷载作用。 为 了分析非对称荷载对煤岩变形损伤规律的影响，以含中心孔洞原煤与型煤为研究对象，采用数字图 像相关( DIC) 的全场非接触应变测量方法，实时评估了不同程度非对称荷载单轴压缩下煤岩表面 应变场局部化演化进程，分析了不同加载方式下煤岩的损伤破坏过程;基于统计指标定义了损伤变 量，建立了能够同时反映原煤与型煤全应力应变特征的损伤本构模型。 研究结果表明:非对称荷载 不会改变原煤与型煤试样应力应变曲线的阶段性特征，两者应力应变曲线仍表现为初始压密阶段、 线性变形阶段、塑性屈服阶段与破坏后阶段;原煤与型煤试样的峰值应力、局部化启动应力均随着 荷载非对称程度的增加呈线性函数规律降低，荷载非对称程度越大，煤样越容易发生破坏;均布荷 载压缩时，中心孔洞可看做煤样的初始损伤，压密阶段原煤主要表现为原生裂隙受压闭合与中心孔 洞的变形，高应变值呈全域散乱分布，型煤试样主要表现为内部颗粒相对错动导致的颗粒间孔隙减 少与中心孔洞的变形，高应变值在中心孔洞集中，均布荷载压缩时含孔原煤主要发生近 X 型剪切 破坏，表现出硬脆性特征;型煤试样主要发生拉-剪复合破坏，表现出软塑性特征;非对称荷载作用 时，由于加载区与非加载区交界面剪切作用带的存在，原煤与型煤均发生宏观剪切破坏，应变局部 化带能够很好反映表面主控裂纹位置，应变局部化带与表面主控裂纹的形态受加载区与中心孔洞 的相对位置影响，且中心孔洞的存在可引导两者的演化方向，其引导效果受控于煤岩强度，煤岩强 度越大，中心孔洞对两者形态影响越小;建立的损伤本构模型能够较好地反映室内试验原煤与型煤 应力应变曲线各阶段特征。

• 二次炭化型煤成型装置及型煤制作方法

  许江, 甘青青, 蔡果良, 王瑞芳, 彭守建,

  针对煤与瓦斯突出事故研究中物理模拟实验所需型煤材料具有强度低、渗透性高等特性， 自主研制了二次炭化型煤热压成型装置和型煤制作新方法。 该装置主要由电液伺服加载控制系 统、加热炉体及密封系统、真空及气氛保护系统、炉体电控系统、水冷系统和石墨模具、碳钢模具等 6 个部分组成，其最大轴压为 200 kN、最高温度为 1 200 °C 、炉膛温度均匀性为±6 °C 、升温速率为± 0.01~10 °C、炉膛使用真空度≤10 Pa、炉膛工作室尺寸为 φ240 mm×260 mm(直径×高)，石墨模具 和碳钢模具均可制备尺寸分别为 φ25 mm×50 mm 和 φ50 mm×100 mm(直径×高)的圆柱体型煤试 件。 该热压成型装置具有如下特点:1 系统采用计算机控制自动加荷载，实现力、位移的闭环控 制;2 炉膛尺寸设计紧凑、炉内温度均匀性好，能实现热压、无压、真空和气氛保护烧结等;3 模具 耐高温、热膨胀系数低，组装、拆卸均方便，可成型多种类、多数量热压型煤。 并利用该装置进行了 不同炭化温度的型煤试件的制作，其中煤粉颗粒配比采用致密堆积理论优化后其粒径为 0.250 ~ 0.425，0.125 ~ 0.150，0.075 ~ 0.083 mm ，占比依次为 91.77‥5.87‥2.35。 基于所开展的单轴压缩荷 载作用下的力学特性试验、三轴压缩荷载作用下的渗流特性试验等，通过对比分析热压型煤的密 度、单轴抗压强度、泊松比、弹性模量、初始渗透率和最小渗透率等，揭示了不同温度下型煤强度增 加与渗透性降低的影响机制。 其中密度变化率呈先增后减再增的趋势;单轴抗压强度和弹性模量 呈现先增后减，泊松比则为先减后增的趋势;初始渗透率及最小渗透率均呈不断增大的趋势，综合 考虑热压型煤的密度、强度和渗透率等，确定了二次炭化型煤制作中最佳炭化温度为 300 °C ，从而 优化了型煤与原煤之间的相似性，提高了煤与瓦斯突出物理模拟实验研究真实还原性。

• 受载煤自发渗吸过程水分运移规律及其影响机理

  岳基伟, 王兆丰, 董家昕, 王春光, 申晓静,

  煤层注水所引入水分的渗透过程迫使煤层内原有裂隙相互沟通或形成新的裂隙网，为水在 煤层内的流动提供网络通道。 自发渗吸过程水与瓦斯发生相互作用，渗吸过程是一个有效的润湿 过程，润湿效果与水分运移距离紧密相关。 为揭示受载煤自发渗吸过程水分运移的影响机理，采用 自主研发的“受载煤自发渗吸过程水分运移距离测试系统”，开展了受载煤自发渗吸实验。 研究结 果表明:水分侵入煤体后，水分与煤成为一个体系，煤样的电阻率发生突变、快变及渐变;等压渗吸 过程中，受载应力越大，多分支毛细管束模型中的竖向毛细管平均孔径越小，水分运移距离越大;等 压渗吸过程中，同一受载应力条件下，含瓦斯煤自发渗吸过程中水分的运移距离大于不含瓦斯煤自 发渗吸过程中水分的运移距离;一端开放的毛细管、两端开放且从两端同时渗吸的毛细管在渗吸过 程中均存在封堵效应;一端开放的毛细管渗吸过程中，毛细管周围的气体压力越大，封堵效应越明 显;等压渗吸过程中，吸附平衡压力越小，多分支毛细管束模型中的水平毛细管吸水长度越长，多分 支毛细管束模型中的竖向毛细管水分运移速率越慢，水分对微小孔的润湿效果越好。

• 倾斜裂隙中宾汉姆流体非稳定浆液运移机理

  徐斌, 董书宁, 尹尚先, 戴振学, 李树霞, 张润畦,

  水泥基宾汉姆流体浆液在倾斜裂隙中的扩散范围确定直接影响注浆工程参数的选择。 为 研究宾汉姆流体浆液扩散半径计算理论，根据宾汉姆流体浆液运移过程中具有“浆-水”分离的非 稳定特性，建立宾汉姆流体浆液改进的分层充填物理模型，并使用物理模拟方法验证分层充填假设 的可靠性;基于以上改进的物理模型，提出“ 有效扩散半径” 和“ 无效扩散半径” 的概念;利用改进的 分层充填物理模型和 N-S 方程推导了宾汉姆流体浆液在粗糙倾斜裂隙中的有效扩散半径理论公 式，该理论模型考虑了注浆压差、裂隙倾角、裂隙隙宽、裂隙粗糙程度 4 个主控因子对浆液扩散半径 的影响;考虑到注浆工程中通常将沿裂隙走向“ 有效扩散半径” 作为设计依据，进一步推导了对宾 汉姆流体浆液方位角 θ=90°时“有效扩散半径”的解析解;为了验证改进的分层充填物理模型和方 位角 θ=90°时“浆液扩散半径”的解析解的可靠性，将其与常规理论模型进行比较，并使用数值模 拟的方法对“有效扩散半径”的计算值进行验证。 室内浆液扩散试验表明，水泥基宾汉姆浆液运移 时确实有分层分区运移的现象，浆液在平面上的分布可分为 3 个区域:浆液混合区、分层扩散区、分 层扩散前锋面区，这一现象与数值模拟中浆液在最后一层充填时有明显的密度分区现象比较一致; 裂隙中有效扩散半径取决于最后一层充填时裂隙宽度、注浆压差、裂隙粗糙度等参数，而非注浆参 数和裂隙介质参数的初始值;与现有常用模型相比，改进后的宾汉姆流体浆液沿裂隙走向“ 最大有 效扩散半径” 的理论计算值与注浆工程现场经验值更加吻合。

• 三塘湖盆地石头梅地区巴油页 1 井二叠系芦草沟组有机相分析

  徐银波, 毕彩芹, 李 锋, 张家强, 仝立华,

  为了研究三塘湖盆地石头梅地区二叠系芦草沟组有机相类型及油页岩形成的控制因素，通 过对岩心详细观察和泥岩系统取样，开展了有机碳、岩石热解、主量元素、微量元素、稀土元素测试 分析。 结果表明，三塘湖盆地石头梅地区芦草沟组根据沉积环境、有机质来源、保存条件以及干酪 根类型可划分为 B，C，D，E 四种有机相类型。 有机相 B 形成于半深湖-深湖沉积环境，有机质来源 以浮游生物为主，含少量高等植物，为还原水体条件，干酪根类型为I型和II1 型;有机相 C 形成于 浅湖沉积环境，有机质来源为浮游生物和高等植物混合来源，为还原水体条件，干酪根类型为II1 型 和III型;有机相 D 形成于滨浅湖沉积环境，有机质来源主要为高等植物，为还原水体条件，干酪根 类型为III型;有机相 E 形成于滨浅湖沉积环境，有机质来源主要为高等植物，为氧化水体条件，干 酪根类型为III型。 其中有机相 B 为油页岩发育的主要类型。 芦草沟组的有机相组合类型为 D— C—B—C—E，为升降型有机充填序列。 随着有机充填层序的演化，有机质丰度小—大—小，有机 质类型III—I—III，有机质保存条件差—好—差，气候条件炎热—温湿—炎热，水体盐度条件淡 水—半咸水—淡水。 其中油页岩形成的有机相 B 具有最高的有机质丰度，湖泊生物贡献最大的有 机质类型，半咸水水体条件，最接近温暖湿润的气候条件，和良好的还原水体保存条件。 芦草沟组 较为稳定的构造背景之下，海水的注入引起的水体盐度升高和温暖湿润的气候条件是油页岩形成 的重要影响因素。 半咸水环境下丰富的营养元素和温暖湿润的气候条件，使得湖泊生物勃发，有机 质的丰度和有机质中湖泊生物贡献增大，同时半咸水条件引起的盐度分层和深水还原环境，都为有 机质的保存提供了良好的场所，这些因素共同促进了有机相 B 中油页岩的形成。

• 基于 FE-SEM 的微生物降解煤岩孔隙演化特征

  鲍园, 安超,

  微生物降解煤岩作用具有增气、增孔、增解等优点已引起国内外学者广泛关注。 为探究微 生物降解过程中煤储层微观孔隙结构演化规律，利用场发射扫描电镜(FE-SEM)技术对鄂尔多斯 盆地南部黄陵矿区侏罗系原煤及微生物降解后煤的微观孔隙结构进行原位对比研究，发现了微生 物对煤岩微观孔隙改造的直接证据，基于图像二值化处理和盒维数分形方法定量表征了微生物降 解前后煤储层孔隙结构的分形维数变化规律。 结果表明:黄陵矿区原煤样品孔裂隙均比较发育，原 生孔以气孔为主，次生孔可见碎粒孔、角砾孔、摩擦孔等，裂隙以外生裂隙为主，宽度为 1 ~ 2 μm。 微生物降解后煤储层孔隙的形状和大小均发生改变，且孔隙直径变大。 煤有机质在微生物降解作 用下变得松散，并新增大量屑间孔。 在煤基质表面发现了微生物作用的痕迹，为微生物作用煤岩过 程提供了直接证据。 微生物降解后的煤孔隙结构分形维数降低，煤基质颗粒表面变得光滑，孔隙变 得简单，原始分形维数与其改变量呈正相关关系，表明煤储层的原始孔隙结构越复杂，微生物改造 效果越好。

• 贵州省煤层气开发进展、潜力及前景

  金军, 杨兆彪, 秦 勇, 崔玉环, 王国玲, 易同生, 吴财芳, 高 为, 陈 捷, 李 庚, 李存磊,

  贵州省西部晚二叠世龙潭组煤层气资源丰富，约占全国煤层气地质资源量的 10%。 在国 家能源战略规划中，该区是继已成功开发的沁水盆地和鄂尔多斯盆地东缘煤层气产业化基地外的 重要后备基地。 本文旨在提炼贵州省特殊的煤层气地质资源特征，评述 30 余年的开发历程，总结 贵州省煤层气的开发进展，理论技术突破，并对未来的开发潜力和前景作出展望。 贵州煤层气地质 资源特征具有“煤层层数多而薄，煤层含气量高、煤体结构复杂、大型气田为主、深部资源占比大” 的五大特征。 开发历程可划分为煤层气资源调查与开发技术借鉴阶段(1989—2010 年)、自主技术 探索阶段(2011—2015 年)和自主技术突破阶段(2016—现今)3 个阶段。 当前的快速发展得益于 多煤层煤层气地质理论和开发技术的突破，地质理论突破包括:叠置煤层气系统理论、产层优化组 合理论和合采开发单元优选理论。 开发技术突破主要包括:丛式井，U 型井和 L 型井的普及应用; 压裂规模的提高及压裂效果的提升。 展望未来，开发潜力巨大，规模化开发前景可期，需重点在全 省范围内推广小而肥区块“文家坝”和“杨梅树”高产地质⁃工程模式;从单井单层组开发走向层组 接序开发，提高单井纵向全层位产能动用能力并延长煤层气井寿命;加快深部煤系气的勘探开发， 是走向规模化开发的重要途径;重视新层系新领域上石炭统祥摆海相煤系气的开发潜力。

• 蒙陕接壤区矿井水中氟的污染特征及形成机制

  王甜甜, 薛建坤, 尚宏波, 周振方, 杨 建, 刘 基, 曹 煜,

  自然成因高氟地下水诱发的环境及饮用水安全问题受到国内外广泛关注，前人对其分布特 征及形成机制开展了大量研究，但高氟矿井水形成与地下水不同，受自然成因与人类活动双重控 制。 针对目前矿井水中氟的污染特征及成因机制尚不清晰的问题，以蒙陕接壤区某矿井为研究对 象，采集地表水、地下水、矿井水水样 71 组，地下含水层岩样 34 组，通过水岩样检测分析，研究矿井 水中氟的主要污染特征，并借助 piper 三线图、Gibbs 图、岩石 SEM-EDS，离子关系图等探究高氟矿 井水的形成机制。 研究结果表明:研究区 2-2 煤矿井水与 3-1 煤矿井水氟离子质量浓度相差较 大，2-2 煤及 3-1 煤矿井水氟的平均质量浓度分别为 0.29，6.36 mg / L，2-2 煤顶板及 3-1 煤顶板地 下水中氟的质量浓度分别 0.30，4.32 mg / L，3-1 煤高氟矿井水的形成与其顶板地下水中氟富集密 切相关。 3-1 煤顶板地下水氟富集的主要原因是岩石中氟质量分数较高，平均值为 609 mg / kg，氟 磷灰石、角闪石及云母等含氟矿物的溶解是地下水中氟离子的主要来源。 此外，3-1 煤顶板地下水 中氟富集还受绿泥石、伊利石及蒙脱石互层等黏土矿物表面的氟解吸作用及地下水 Na+ 与岩石 Ca2+、Mg2+阳离子交换吸附作用的影响。 较高质量浓度的OH-及HCO-3竞争吸附黏土表面的电位， 促进 F- 的解吸;且高 Na、低 Ca 的环境抑制了 CaF2 沉淀的生成，促进了氟的富集。 最终 3-1 煤顶板 地下水在采煤扰动作用下经导水裂隙涌入采煤巷道或工作面形成高氟矿井水，随后与采空区岩石 发生二次充分水-岩作用，进一步导致矿井水氟质量浓度升高。

• 羟基磷灰石矿井水除氟试验研究

  李兰廷, 王 琦, 寇丽红, 王吉坤, 解 炜, 刘 敏, 李文博,

  水中过量的氟离子会对人体造成危害，羟基磷灰石( Hydroxylapatite，HAP ) 是一种理想的新 型环境功能除氟材料。 针对矿井水中氟含量超标的问题，采用 HAP 滤料吸附工艺，通过吸附柱动 态实验，考察了空床接触时间(Empty bed contact time，EBCT)、进水滤速、pH 及进水中氟离子质量 浓度等主要因素对含氟矿井水吸附除氟性能的影响;通过 SEM-EDS，FT-IR 等微观表征，探讨分析 了 HAP 滤料对水中氟离子的吸附机理。 结果表明，HAP 的除氟主要是滤料晶体表面的羟基与水 中氟离子的吸附置换反应，同时也存在一定程度的 HAP 的分解反应，反应后 HAP 滤料表面 Ca ∶ P ∶ F(物质的量比)≈5 ∶ 3 ∶ 1，羟基磷灰石主要变成了氟磷灰石。 空床接触时间越长除氟效果越 好，但将 EBCT 增长至 80 min 后，再增加 EBCT 来降低水中的氟化物含量将会很困难;进水滤速越 高出水效果越差，当滤速超过 0.37 m / h 时，会导致水中氟离子与滤料的接触时间相对减少，因氟离 子向滤料晶体结构内部迁移的速度较慢，使得滤料表面处于“ 饱和吸附” 的状态，而内部的晶格羟 基却未得到充分利用;出水中氟离子的质量浓度随进水中氟离子质量浓度的增加而升高，进水氟离 子质量浓度升高则水中氟离子的质量浓度传质推动力增大，但滤料晶体表面的氟离子向晶格内部 的迁移为控制步骤，速率较慢;过高的酸度与碱度均对除氟效果有负面的影响，酸性环境下氟离子 在水溶液中较难电离，碱性条件下 OH- 与氟离子存在竞争吸附，均不利于氟离子的脱除。 最佳的 除氟工艺条件是:EBCT 为 80 min，进水滤速为 0.37 m / h，进水 pH 为 7.5 左右。 在此条件下，进水氟 离子质量浓度为6.0 mg / L 左右时，出水中氟离子质量浓度可在低于 1.0 mg / L 的达标情况下稳定运 行。 进水滤速为 0.21 m / h 时可连续达标处理水量达到滤料床体积的 309 倍，稳定运行阶段的氟离 子脱除率可高达 97.5%以上，该羟基磷灰石滤料可作为矿井水除氟的优良吸附剂。

• 基于 CBAM-YOLOv5 的煤矿输送带异物检测

  郝帅, 张旭, 马旭, 孙思雅, 文虎, 王均利,

  输送带是矿井下煤炭运输的重要设备之一，运行过程中由于大块煤、矸石、锚杆、槽钢等异 物混入易导致皮带撕裂故障发生，严重影响煤矿安全生产，甚至威胁矿工生命安全。 为了实现煤矿 井下输送带上大块异物的自动、快速以及准确检测，设计了一种基于计算机视觉技术的大块异物检 测方法。 针对输送带中异物目标图像受煤尘干扰、输送带高速运动以及光照不均等影响造成传统 图像检测算法难以准确检测问题，提出一种融合卷积块注意力模型的 YOLOv5 目标检测算法，记为 CBAM-YOLOv5。 首先，通过自适应直方图均衡化算法来增强煤矿井下输送带图像的对比度，减少 煤尘干扰;然后，针对输送带高速运动易导致待检测目标图像模糊进而造成目标难以被准确检测的 问题，在 YOLOv5 算法框架下通过引入深度可分离卷积提高网络检测速度，并通过优化检测网络的 损失函数提高整个网络的检测精度;其次，针对受光照不均影响导致异物目标难以被准确检测的问 题，通过在 YOLOv5 检测网络中引入卷积块注意力模型来提升图像中异物目标的显著度，增强异物 目标在检测网络中的特征表达能力，进而提高异物目标的检测精度;最后，利用某煤矿井下输送带 监控视频数据制备训练样本和测试样本，并将提出的算法与 4 种经典目标检测算法进行对比。 实 验结果表明:所提出的检测算法可以较好的解决异物目标检测时易受煤尘干扰、输送带高速运动以 及光照不均对目标检测精度的影响，对于分辨率为 1 280×720 的图像平均检测精度可达 94.7%，检 测速度为 31 fps。

• UWR-FDTD 矿井电磁波数值分析方法

  张高敏, 刘 毅, 彭 铭,

  为减小 FDTD(Finite-Difference Time-Domain)对计算机内存空间与算力的需求，提高 FDTD 求解矿井电磁波的计算效率，根据矿井巷道断面小、轴向长的特点，提出了单位窗口循环使 用时域有限差分方法(Unit Window Recycling，UWR-FDTD) 。 该方法沿巷道轴向把待研究的巷道 平均划分多个虚拟窗口，虚拟窗口的断面面积与巷道断面面积相同，为一个同虚拟窗口大小相同的 单位窗口分配内存空间，所有虚拟窗口循环使用单位窗口的内存空间，执行传统 FDTD 迭代过程。 激励源设在第 1 个虚拟窗口，根据 1 个单位窗口电磁波传播时间，确定每个虚拟窗口的迭代次数， 按照时间步存储单位窗口内最后一个 Yee 网格的电磁场分量，作为下一个虚拟窗口的子激励源。 每个虚拟窗口在单位窗口内迭代完成后，均存储完成时刻单位窗口的电磁场分量，用于合成整个巷 道内的电磁场数值。 结果表明:同传统 FDTD 方法相比，UWR-FDTD 方法在一维二维三维计算空 间均可减少内存使用量，划分虚拟窗口数目越多，仿真时所需的内存空间越小，在三维空间内提高 的计算效率更加显著;在无耗介质、有耗介质计算空间，分别用时谐源和脉冲源作为激励源，在一维 二维三维空间内用 UWR-FDTD 计算出合成电场的周期和幅值，与传统 FDTD 计算结果一致。 UWR-FDTD 矿井电磁波仿真时间与巷道断面面积、巷道长度和电磁波频率有关;划分虚拟窗口的 长度为待研究巷道长度的 1 / 10 ~ 1 / 6 时，计算用时最短，计算效率最高。