煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第1期

• 双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

  刘峰, 郭林峰, 赵路正,

  煤炭是我国的主体能源和重要原料，为中华民族伟大复兴做出了不可磨灭的历史贡献，在今后较长时期内，特别是推动我国能源转型发展中还将发挥不可或缺的兜底保障作用。作为“双碳”目标的主战场，能源产业的减碳、降碳是我国“双碳”工作的重点方向。由于我国以煤为主的能源禀赋现状，在保障能源安全的基础上，降低煤炭消费总量及其消费过程中的碳排放强度是实现“双碳”目标的必然选择。当前，“双碳”目标已对煤炭行业整体技术布局和攻关方向提出了全新的要求，煤炭行业比过去任何时候都更加需要科技创新，需要用系统思维谋划、从多个方面统筹未来煤炭科技发展路径，全面推动能源安全新战略向纵深发展。以科学定“量”、绿色提“质”、创新领“路”为纲，探索推进煤炭消费转型升级的技术路径。阐述了开展煤炭安全区间研究的现实紧迫性，分析安全区间上下限影响因素，提出煤炭安全区间需要研究的科学命题；结合世界主要煤炭生产消费国家的绿色低碳科技发展布局和国内低碳科技发展动态，总结了新中国成立以来煤炭绿色低碳科技发展历程，阐述了煤炭工业开拓前进、发展改革、洁净煤技术框架建立、煤炭清洁高效利用、煤炭高质量发展等5个阶段推动绿色低碳发展取得的理论、技术和工业应用等方面的进展，提出了双碳背景下我国煤炭科技创新发展存在的短板与科技攻关需求；围绕技术升级、低碳融合、颠覆突破、负碳固碳等4种类型，提出了智能绿色开采、清洁低碳利用、煤矿瓦斯抽采利用、矿区生态修复+碳汇、矿井空间开发利用、绿氢（电）与煤炭转化融合、煤与生物质/废弃物协同利用、地热资源利用、井下流态化开采与转化一体化、煤基高能燃料合成、先进煤基碳素材料制备、深部原位CO2与CH4制氢、煤矿采空区/残采区/关闭矿井封存CO2、CO2驱油驱气、CO2电化学催化转化捕集、CO2矿化利用等绿色低碳科技创新攻关方向，为新形势下煤炭绿色低碳转型发展相关科技政策的制定提供决策参考，对引导煤炭行业顺应能源革命新形势、满足行业高质量发展新要求、抓住世界经济和能源格局调整新机遇具有重要意义。

• 无煤柱开采围岩控制技术及应用

  康红普, 张晓, 王东攀, 田锦州, 伊钟玉, 蒋威,

  我国煤矿无煤柱开采技术研究与应用已有60多年。综合分析了沿空留巷、沿空掘巷、跨巷开采及采空区布置巷道等无煤柱开采方法及适用条件、围岩控制取得的研究成果。在沿空留巷方面的主要内容为：不同开采系统的沿空留巷类型、围岩变形与破坏特征；沿空留巷结构力学模型及围岩与支护作用关系；沿空留巷巷内基本支护、巷内加强支护、巷旁支护形式及支护性能；爆破与水力压裂围岩卸压机理及技术；沿空留巷断面优化及维护时间控制；沿空留巷支护设计原则及沿空留巷安全技术。在沿空掘巷方面，论述沿空掘巷的类型及小煤柱尺寸设计方法，分析沿空掘巷围岩结构特征、围岩变形的主要影响因素及沿空掘巷围岩控制技术。介绍跨巷无煤柱开采的类型，分析巷道与采煤工作面底板的垂直距离、工作面边界至巷道的水平距离等参数对跨采巷道围岩变形的影响。论述在采空区布置巷道的方式：在采空区形成巷道和掘进巷道，分析采空区巷道的应力环境及施工存在的难点。介绍陕西何家塔煤矿支卸组合泵充混凝土支柱沿空留巷、山西野川煤矿泵充钢筋混凝土墙与水平长钻孔水力压裂卸压沿空留巷围岩控制2个应用实例，分析沿空留巷围岩变形控制效果。最后，提出无煤柱开采方法及围岩控制技术的改进意见与发展方向。

• “双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索

  王双明, 申艳军, 孙强, 刘浪, 师庆民, 朱梦博, 张波, 崔世东,

  煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变，但煤炭工业发展面临着“碳达峰，碳中和”目标的新挑战，积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用，充分发挥煤炭安全供给的兜底作用，是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO2排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约，探索大规模、低成本CO2封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO2和CO2气藏赋存地质条件研究基础上，探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO2地下封存的技术途径，并明确了实现CO2地下高效封存的必备条件：① 煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO2封存的先决要求；② 构建功能性充填空间是实现CO2地下封存的核心工作；③ 由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO2封存量及封存效果的重要因素。据此，剖析了进行CO2地下封存亟待解决的技术难题：① 实现CO2地下封存的地质条件及评价方法；② 构建CO2封存空间的材料与工程技术；③ 煤炭开采、气化及热解扰动范围探测与CO2封存潜力评价；④ CO2充注与封存效果监测及评估。在此基础上，针对煤炭开采、地下气化及原位热解过程中形成的扰动空间特点，分别提出了煤层采空区碎裂岩体、煤地下气化灰渣及碎裂岩体、煤原位热解半焦进行CO2地下封存的实现途径。

• 智能化煤矿数据模型及复杂巨系统耦合技术体系

  王国法, 任怀伟, 赵国瑞, 巩师鑫, 杜毅博, 薛忠新, 庞义辉, 张潇,

  煤矿井下同步运行着通信、传感、控制等大小上百个子系统，形成了越来越复杂的智能化巨系统。针对整个矿井智能化巨系统缺乏统一数据模型、传感器数据不完备、跨系统数据融合等难题，提出统一的多源异构数据融合处理方法——基于“分级抽取-关联分析-虚实映射”的数据逻辑模型，构建了完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系，形成集井下现场生产状态、采掘空间信息、煤机装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知方案；基于煤矿多源异构关系数据的信息“实体”和虚实映射机理，提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配、推送策略与自动更新机制，解决数据实时连接及迭代更新难题；提出基于“ABCD”（即人工智能（Artificial Intelligence）、区块链（Blockchain）、云计算（Cloud computing）、大数据（Big Data））的智能化煤矿系统耦合技术，以煤矿安全保障系统耦合为例阐述了复杂巨系统数据交互、融合过程；建立了智能化煤矿数据标准体系；给出了煤矿复杂巨系统的统一数据模型及决策机制的理论和方法，建立了满足多目标决策下的智能化煤矿系统安全、高效、稳定运行体系。相关技术在陕煤张家峁煤矿应用，突破了多源异构系统的一体化集成技术，建成了全矿井跨域融合智能综合管控平台，构建了全时空信息感知及实时互联机制，打通多系统、多层面、多部门的业务数据壁垒，实现全矿井58个在用子系统和34个新建子系统的数据融合和运行决策优化。

• 智能采运机组自主定位原理与技术

  葛世荣, 王世佳, 曹波, 王世博, 吕嘉晨,

  智采工作面装备运行的2个核心问题是控制工作面开采装备在煤层中自适应截割、保持采运机组在连续推进过程中的直线度。解决这2个问题必须实时获取采煤机在工作面空间的准确定位信息。通过对比分析国内外采煤机定位系统的技术原理和硬件架构，发现开发采煤机定位误差消减算法是在井下GPS拒止环境下保证采煤机长时定位精度的关键途径。根据采煤机定位原理可知，采煤机定位误差主要来源于惯性导航安装偏差和惯性导航系统随机误差。惯性导航安装偏差是确定性误差，采用基于两点法的确定性偏差补偿算法可使定位误差减小99.12%。针对采煤机运行状态的非完整性约束特点，基于采煤机运动学模型的闭合路径优化算法和动态零速校正算法分别使采煤机定位误差降低了50%和30%。采用信息滤波模型将闭合路径优化算法和动态零速校正算法进一步融合，抑制了惯性导航系统航向角的漂移，抑制了惯性导航系统航向角的漂移。利用UWB基站群自主迁移方法实现了采煤机在工作面端头定位，采用VB-UKF算法平滑采煤机定位过程中时变的测量噪声，增加了运动轨迹的平滑性，使得IMU/UWB紧融合的定位轨迹更加精确，为惯性导航系统提供校准的基准。基于采煤机定位轨迹的刮板输送机轨迹检测方法实现了刮板输送机形状在线监测，为综采工作面弯曲度自动化检测和校直提供理论基础和试验数据。

• 图像识别智能放煤技术原理与应用

  王家臣, 潘卫东, 张国英, 杨胜利, 杨克虎, 李良晖,

  煤炭智能开采是煤炭行业高质量发展的必由之路，放顶煤工作面的智能化滞后于综采工作面。智能放煤是实现智能放顶煤开采的关键核心技术，低照度、小空间、高粉尘、煤矸叠压、声振信号干扰、夹矸误识别等问题严重制约智能放煤技术开发。在探索尝试图像、声音、振动等多种煤矸识别技术的基础上，提出了图像识别智能放煤技术。精准快速识别混矸率与适应恶劣环境是图像识别智能放煤需要攻克的主要技术难题。针对混矸率识别问题，将混矸率细化为投影面积混矸率、表面体积混矸率、内部体积混矸率。建立了轻量级的放顶煤工作面矸石识别及边界测量模型，实现了投影面积混矸率的精准快速识别。提出了快速写意重建和精准重建等2种煤矸块体三维重建方法，研究了煤矸块体三维形态特征与二维形态特征关系，揭示了后部刮板输送机上煤矸块体堆积特征。在此基础上，提出了“由表及里”的混矸率高精度预测2步走策略，以实现透明化煤流，达到混矸率高精度测量的目的。针对低照度、高粉尘等恶劣环境适应问题，提出了立体视觉照度智能监测与自适应调节方法，为图像采集实时提供最优照度环境。基于人体仿生学以及边缘AI技术开发了智能图像采集系统，提出了基于频域先验的单通道Retinex去粉尘算法以及空频域联合强化去粉尘算法，为图像识别持续提供高质量图像。形成了“三位一体”夹矸智能识别技术，对放煤过程中可能出现的夹矸进行了精准识别，减少了由于夹矸放出而引发的误识别、误操作。图像识别智能放煤技术可以提高放煤工序的智能化水平，提高资源回收率、降低含矸率，保证矿井安全生产，研究成果的科学应用将有助于高质量实现智能化放顶煤开采。

• 厚松散层薄基岩非对称开采井筒偏斜机理

  程桦, 张亮亮, 姚直书, 彭世龙, 郭龙辉,

  针对厚松散层薄基岩非对称开采井筒偏斜机理问题，以山东郭屯煤矿立井井筒偏斜为研究对象，在阐释厚松散层薄基岩煤层开采覆岩移动变形机理的基础上，采用煤层开采沉陷理论、土体固结理论和随机介质理论，根据叠加原理给出了该类地层煤层开采和底含疏水共同作用覆岩移动变形计算公式，并得到实测验证；基于对该类地层开采覆岩移动变形特征分析，揭示了厚松散层薄基岩非对称开采与底含疏水共同作用下井筒偏斜机理及其影响因素。研究表明：在煤层开采与底含疏水固结共同作用下，大幅增大了地层下沉与水平移动系数、沉降和水平移动范围；反演郭屯矿井筒偏斜参数，得到其松散层主要影响角正切值为0.6，远小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》规定的2.41～3.54；导致该矿工广内立井井筒偏斜的机理是，煤层开采引发的底含疏水固结沉降叠加作用，致使该矿主、副、风井均处于覆岩移动变形影响范围内，在非对称煤层开采(西北方向)条件下，上覆深厚松散层向该方向发生水平移动，从而导致井筒发生偏斜；井筒偏斜量与底含厚度M、松散层与基岩层厚度比k0以及底含水位降深Sw等因素成正相关，且影响敏感度依次为Sw，k0，M。

• 采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响因素

  许家林, 秦伟, 陈晓军, 胡国忠, 谢建林, 王晓振, 朱卫兵,

  采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程，将覆岩卸荷膨胀总量随卸荷高度及承受载荷不断累积而发生动态变化的现象称为采动覆岩卸荷膨胀累积效应。采动覆岩卸荷膨胀累积效应是岩层移动过程中的自然现象，对岩层移动规律具有重要影响。基于修正后的采动覆岩卸荷膨胀累积效应力学模型，以山西赵庄煤矿1311工作面内部岩层移动实测结果为基础，针对采高、采深和岩性对采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响开展了理论研究。结果表明：采动覆岩卸荷膨胀总量主要由垮落带和裂隙带的塑性膨胀与主关键层下部弯曲下沉带的弹性膨胀所组成，其中垮落带的塑性膨胀占比最大，弯曲下沉带的弹性膨胀占比最小。采动覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度的逐步增大呈现先增大到峰值后再逐步减小的过程，当覆岩主关键层破断后，弯曲下沉带的弹性膨胀量降为0，此时覆岩卸荷膨胀总量达到最小值，为覆岩残余膨胀量。采高对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同采高条件下垮落带与裂隙带高度不同。覆岩卸荷膨胀总量随采高的增大而增加，当采高由2.5 m增大至10.5 m时，卸荷膨胀总量峰值和残余碎胀量均增大3倍以上。与采高相比，采深变化一般不会改变垮落带与裂隙带高度，采深对覆岩卸荷膨胀总量峰值影响较小。采深对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同采深条件下覆岩残余膨胀量的不同，覆岩残余膨胀量随采深增大而减小，当采深由496.6 m增加至896.5 m时，覆岩残余膨胀量减少了32.5%。岩性对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同岩性碎胀煤岩被压实的难易程度不同，覆岩卸荷膨胀总量随岩性的变硬而增加。当初始切线模量和弹性模量由降低50%到增大50%时，覆岩卸荷膨胀总量峰值增加4.3%，但覆岩残余膨胀量增加110%。覆岩残余膨胀量决定了地表下沉系数大小，因此，覆岩卸荷膨胀累积效应可影响地表下沉系数变化规律。采高对地表下沉系数的影响并非单调线性的，下沉系数随采高增大是微量减小还是微量增大取决于关键层位置对裂隙带高度的影响情况。在充分采动条件下，由于塑性膨胀区残余膨胀量随采深增大而减小，下沉系数随采深增大而增大。当岩性由软变硬时，塑性膨胀区越不易被压缩，地表下沉系数相应减小。

• 保水开采覆岩等效阻水厚度的内涵、算法与应用

  张东升, 范钢伟, 张世忠, 马立强, 王旭锋,

  煤炭资源保水开采是实现绿色化开采的核心技术之一，保水开采可行性评价则是开展科学开采设计的基础问题。从采动覆岩整体阻水性角度入手，综合考虑覆岩整体的阻水行为与地下水系统的动态响应之间的关系，提出了将上覆隔水岩层（组）虚拟为等效阻水层的学术思想，形成了基于采动覆岩等效渗透系数计算等效阻水厚度进行保水采煤可行性定量评价的新思路与方法。基于达西定律、Kozeny-Caman方程以及采动覆岩移动影响函数递推关系，采用分层、分区组合等效方法，在单岩层水平方向上通过并联来计算整层垂向等效渗透系数，进而通过垂直方向上进行多岩层等效渗透系数串联计算，建立了基于采高、工作面长度、沉陷参数和岩层初始水理参数的采动覆岩整体垂向等效渗透系数的计算方法；以采后覆岩地下水渗漏速度与目标含水层补给速度相等作为保水采煤临界条件，确定了保水采煤最大临界渗透系数与采高、等效岩层厚度之间的关系；基于采动覆岩的渗透系数与其等效阻水厚度成反比的假设，建立了采动覆岩等效阻水厚度的计算方法，进而根据维持含水层水位稳定所允许的最大临界渗透系数，提出了基于采动覆岩等效阻水厚度的保水采煤可行性评价方法，并通过伊犁四矿保水采煤含水层水位变化实测进行了实例验证。研究成果为保水开采预测评价、方法选择和参数优化提供了新的方法。

• 特厚煤层综放煤-矸-岩放落流动的时序规律及识别方法

  刘长友, 张宁波, 郭凤岐, 安森, 陈宝宝,

  综放工作面放煤工艺中的煤矸智能识别是智能化综放开采的瓶颈，经过十几年的不断探索研究，基于煤层的沉积环境和岩性赋存特征，提出了煤岩层低水平自然γ射线辐射高精度实时探测方法和煤矸自动识别原理，为综放工作面放煤工序的煤矸智能识别控制奠定了基础。根据特厚煤层含多层夹矸的复杂结构特征，以提高煤矸识别的精准性为目的，分析了特厚煤层夹矸的赋存特点及自然辐射特性；开展了煤-矸(夹矸)-岩(直接顶岩石)放落流动的时序规律研究，得出顶煤中夹矸的层位、间距、层数等因素会影响放落流动时序，且呈现不同的时序状态，据此进行了放落流动时序分区；相应地不同时序区的混矸率会呈现不同的特征：当夹矸无时序放出时，混矸率在一固定的范围内波动，当煤-夹矸渐次放出时，混矸率呈现上升—稳定—连续台阶式上升的特征，直接顶矸石的混入，使得混矸率呈线性增加；基于煤-矸-岩放落流动的时序特征，得出了不同时序条件下自然射线的辐射变化特征，确定了自然射线辐射强度台阶式变化与夹矸赋存参数的影响关系，区分了放煤流中含有夹矸和直接顶矸石混入的辐射特征，确定了不同煤-矸-岩放落时序区的辐射强度范围，提出了以自然射线辐射强度作为煤-矸-岩自动识别的主要参数和2种不同关窗方式的识别方法；在同煤集团塔山煤矿进行了现场测试，测试结果与研究结果得到了很好的印证，达到了预期效果，为智能放煤的现场应用奠定了基础。

• 我国煤矿冲击地压防治现状与难题

  窦林名, 田鑫元, 曹安业, 巩思园, 贺虎, 何江, 蔡武, 李许伟,

  随着煤矿开采强度和深度的增加，冲击地压矿井数量和冲击危险程度显著增加，政府关注度不断上升，我国冲击地压防治研究取得了一系列重要进展，冲击地压矿井防治能力取得长足的进步，多数冲击地压矿井达到事故可控。基于冲击地压重要研究成果，全面地阐述了冲击地压领域在法规建设、发生机理、监测预警等方面研究进展与发展趋势，同时指明了未来冲击地压防治面临的难题。法规与标准方面，形成了《煤矿安全规程》和《防治煤矿冲击地压细则》为核心的法规体系，法规建设的具体化、标准化不断完善；冲击地压发生机理方面，形成了“三因素”理论、动静载叠加诱冲理论等多种机理共存的局面，从多角度叙述了冲击地压致灾过程，呈现多元化发展；冲击地压预测预报方面，形成了综合多因素、多系统、多前兆信息的复合预测预警体系，预警效率不断上升；冲击地压巷道支护方面，形成了三级支护理论体系，增强了巷道稳定性和抗动载扰动的能力；冲击地压限员管理方面，实现了智能化限员；冲击地压防治层面，形成了区域防范、局部解危相结合的冲击地压防治技术体系，灾害防控能力不断提升。当前我国建立了较为完善的冲击地压防治理论与技术体系，防治效果显著，但由于冲击地压的震动性、瞬时性、复杂性以及难预知性，还存在冲击地压与矿震关系不清、冲击危险预测方法难以定量、空间监测精度不足等问题亟待解决。

• 冲击地压应力流理论及其数值实现

  齐庆新, 王守光, 李海涛, 穆鹏宇, 杜伟升, 杨冠宇,

  冲击地压作为应力敏感型动力灾害，具象化地描述应力在煤岩介质中的空间流动特征，对于冲击地压科学评价与防控具有重要意义。为此，完善了冲击地压应力流理论，指出应力流在时间上表征了应力率，在空间上表征了应力梯度，提出了应力流张量与应力流矢量的概念及计算公式，指出应力流张量描述了不同位置、不同时刻应力的流动趋势，而应力流矢量总是与应力梯度增量方向相同。理论推导表明应力流越大的区域，应力强度因子变化越大，材料可能更易发生断裂破坏。在非线性有限元程序中开发了应力流矢量计算程序，实现了应力流的可视化，通过数值分析还原了单轴压缩试验、单煤层常规开采条件下的动态应力状态，计算结果表明：岩石单轴压缩过程中，应力流矢量呈近水平分布，向外发散；常规开采过程中，垂直方向应力流较大，由顶底板岩层指向中间煤层，水平方向应力流主要指向工作面前方，当开挖距离增大，采空区附近应力梯度明显增大，应力流矢量分布区随工作面前移。通过单轴压缩试验，发现应力流矢量方向与试样破坏变形方向较为吻合，初步验证了应力流与岩体开裂破坏的内在相关性。最后探讨了工程现场的应力流监测方法。研究成果有望为煤矿冲击危险性定量评价与差异化防治措施制定提供直观的认知形式和实用的理论工具。

• 煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制研究进展

  谭云亮, 范德源, 刘学生, 张俊文, 宁建国, 姚强岭, 付小敏,

  煤矿深部超大断面硐室群因其围岩应力集中程度高、破坏影响范围大，特别是在复杂动载扰动下易发生连锁破坏失稳现象，其安全和稳定已成为制约深部煤炭资源开采的主要瓶颈之一。围绕煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制开展研究，针对现有煤矿硐室仅以断面尺寸划分的不足，综合硐室失稳临界埋深、断面面积、围岩综合抗压强度和围岩综合完整性系数等影响因素，提出了基于模糊综合聚类分析的煤矿硐室地质力学等效分类方法，实现了对煤矿深部超大断面硐室的有效判识；通过室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，考虑密实性系数构建了适于动静组合加载条件的岩石蠕变损伤本构关系，建立了深部复杂应力环境下硐室群围岩连锁失稳机理与能量判据，揭示了深部动静组合载荷下超大断面硐室群围岩变形破坏演化规律；提出了深部硐室群围岩协同支护机理，研发了新型高强超塑吸能支护材料及新型高强拉压耦合锚索，基于长期安全稳定性，构建了深部硐室群围岩递进式加固技术及分步设计方法；研发了超大断面硐室群围岩长时变形失稳监测预警平台，给出了围岩综合预警方法及阈值。在新巨龙煤矿煤矸分选硐室群，硐室断面最大收缩率约6.2%，松动圈发育范围1.0～1.5 m，保证了井下煤矸分选系统的空间安全利用。

• 浅埋深蹬空底板煤柱群动态失稳机理及防治

  冯国瑞, 朱卫兵, 李竹, 白锦文, 罗泽强,

  针对山西元宝湾煤矿浅埋深上覆和下伏柱式采空区中部煤层的安全复采难题,综合采用理论分析、实验室实验、物理模拟、数值模拟和现场实测方法,探究了柱采区蹬空开采底板煤柱垂直荷载及内应力分布形态,并基于Mises等效应力探讨了柱采区蹬空煤柱潜在破坏形式;揭示了柱采区蹬空开采底板关键柱破坏形式及破坏剥落体运动特征;阐明了底板煤柱破坏次序及柱群动态失稳演化规律。提出通过柱采区注浆充填强化底板煤柱承载能力的方法来进行中层遗煤资源的回收,并据此给出了确保元宝湾煤矿6107工作面中部遗煤蹬空安全复采的底板柱采区临界充填高度。结果表明:若底板9号煤层柱式采空区不充填,层间岩层的非均匀下沉将使柱采区煤柱产生偏心压缩,导致关键柱及其剥落体出现旋转下沉的现象;当柱采区关键柱破坏失稳后,覆岩载荷呈现出双向传递的特点,整个煤柱群表现为以关键柱为中心,双向多米诺骨牌式的链式失稳特征,而三维空间中则呈现出以关键柱为圆心的外向辐射波状失稳扩展特征,柱采区关键柱的破坏失稳将诱发底板煤柱群整体失稳,导致6107工作面蹬空开采区域采掘设备及工作人员、超前煤岩体大面积塌陷等动力灾害。数值模拟及物理相似模拟结果表明,确定6107工作面蹬空段安全复采的底板柱采区临界充填高度为6 m,即充填不接顶高度为2 m,这一结论亦得到了实测结果的证实。在此基础上,针对充填效果较差且充填高度未达6 m的局部区域,进一步提出了底板空洞二次充填和加固处理方法,确保了蹬空段中层遗煤资源的安全复采。

• 岩石灾变非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演

  鞠杨, 任张瑜, 郑江韬, 毛灵涛, 王凯, 周宏伟, 谢和平,

  煤炭对于我国经济发展与能源安全起到压舱石和兜底保障的作用，在“碳达峰、碳中和”国家重大战略决策背景下，研究如何充分发挥煤炭的保障能源与战略资源的作用、实现煤炭绿色智能低碳开发利用迫在眉睫。煤炭生产开发活动打破了地层初始应力平衡，引起围岩应力场重分布，诱发工程灾害。岩石是煤炭生产开发与工程建设的主要对象，研究和解决煤炭绿色智能安全开采问题的基础理论之一是岩石力学。然而，传统的岩石力学理论在定量分析和描述煤炭生产开发活动引发的岩石灾变行为及内禀机理时存在诸多困难，人们对岩石不连续结构演化引起的应力场、变形场和渗流场的变化认识不足，缺乏定量解析内部应力、变形与渗流等多物理场的方法、理论和模型，难以对不同开采模式可能引发的工程灾害进行超前研判、预警和科学防控。解决这些基础科学与技术难题，迫切需要建立和发展颠覆性理论与变革性技术，这已成为创新发展煤炭资源绿色智能安全开发理论与技术的基础性前沿课题。围绕岩石灾变的非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演，概述了岩石的三维数字重构、3D打印模型材料、透明物理模型、尺度效应、应力场、变形场和渗流场演化以及灾变机理的透明定量解析等方面的最新成果，分析了未来发展目标与面临的挑战,以求为发展非连续岩石力学与灾变分析理论，实现煤炭绿色智能开采及灾害超前预警防控提供研究基础与参考。

• 剪切载荷作用下岩体结构面动态接触特征数值模拟

  蒋宇静, 张孙豪, 栾恒杰, 王长盛, 王冬, 韩伟,

  准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础。首先，通过FISH语言修正了FLAC3D软件自带的INTERFACE本构模型，使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为；然后，采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究，分析了法向应力和结构面粗糙度系数（JRC）对接触特征的影响规律；最后，研究了结构面表面形貌-接触特征-剪切应力3者间的关系，揭示了结构面剪切应力演化机理。结果表明：FLAC3D自带INTERFACE模型无法很好地模拟结构面峰后剪切行为，是由于结构面凸起未啃断导致黏聚力和法向应力偏大，通过对INTERFACE破坏单元的黏聚力和法向刚度进行修正可很好地模拟结构面的损伤破坏行为。随着剪切位移增大，结构面的接触面积逐渐减小，但最大渗透深度却不断增加；随着法向应力的增大，结构面的接触面积和渗透深度都增大；随着JRC的增大，结构面的接触面积减小，最大渗透深度增大。剪切过程中结构面接触面积逐渐减小，结构面剪切应力集中现象越来越显著，当INTERFACE单元达到最大剪切应力后，最大剪应力分布范围增大；随着法向应力增大，结构面剪切应力分布范围和高剪切应力的分布范围都增大；随着JRC增大，结构面接触面积减小，但高剪切应力的分布范围显著增大。临界视倾角是判断结构面接触面积的重要参数，其随着结构面剪切位移的增大而增大，但增加速度逐渐变缓，呈幂函数关系；临界视倾角随着法向应力的增大而减小，随着JRC的增大而增大。结构面的剪切应力与接触面积有较强的相关性，不同剪切位移阶段的结构面接触面积比下降速率不同，弹性阶段下降最快，位移-软化阶段次之，残余阶段下降最慢。

• 原位应力下裂缝性致密砂岩各向异性地震波速及其渗透率关联特征

  XIA Kaiwen, 李星, 齐春艳, 姚伟, 肖香姣, 张杰, NASSERI M H B,

  超深层裂缝性非常规天然气藏的开发在能源领域所占比重越来越大，但目前关于该类型储层在原位应力下各向异性地震波速及渗透率的基础研究仍鲜有报道，一定程度上制约了其高效开发策略的制定进程。以塔里木油田克深2号裂缝性致密砂岩天然气储层为工程背景，利用先进的地球物理成像真三轴测试系统，开展了储层衰竭期间原位应力下完整砂岩与不同倾角裂缝岩样的各向异性地震波速以及各向异性渗透率演化规律实验研究，探讨了压缩波、剪切波、纵横波速比、3个主应力方向渗透率各向异性特性与内在机制，研究了地震波速与渗透率的内在关联特征。研究结果表明:首先，裂缝引起的结构非均质性以及三向不等应力作用下岩石各主应力方向微观结构的变形差异导致了地震波速的各向异性;储层衰竭期间地震波速度均随有效应力的增大近似线性增加，压缩波速度明显大于剪切波速度；纵横波速比随有效应力增大而单调减小，表明剪切波对外部荷载敏感性更强;通过压缩波速和纵横波波速比数据对比，发现剪切波S2速度对裂缝倾角更为敏感。其次，原位应力下各主方向渗透率均表现出显著的应力敏感性和结构（裂缝）敏感性，早期应力大小对储层衰竭中后期渗透率变化具有重要影响，渗透率各向异性随裂缝倾角减小而更加显著；与裂缝平面正（斜）交方向的渗透率相对比较平滑，而沿裂缝平面方向渗透率呈现出一定的波动特性，这主要是由于在压力流体冲刷和岩石骨架进一步受压变形双重作用下，破碎的微颗粒会在孔隙/裂隙中不断运移，造成岩石内部孔隙/裂隙周期性堵塞和疏通引起的。此外，在实验应力条件下（走滑应力状态），裂缝倾角越小，水平主应力方向上的地震波速度-渗透率相关性越不明显；最大与最小水平主应力方向上的地震波速度-渗透率关系应区分对待，最大水平主应力方向地震波速与渗透率的相关性明显优于最小水平主应力方向。

• 近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律

  赵毅鑫, 刘文超, 张村, 刘焕海, 魏勇, 王朋朋, 师洋洋, 翟江澎, 高森,

  针对蹬空状态下煤层底板岩层完整性与承载力影响制约工作面安全高效开采的问题。以草垛沟矿8201综采工作面为研究背景，通过对8-2煤层下伏11煤巷柱式采空区顶板岩层结构与受载进行分析，建立基于弹性地基假定的顶板-煤柱系统力学模型，推导并解析了顶板岩梁弯曲下沉挠度函数；将工作面底板视为半无限平面体，建立工作面走向不同区段静载荷对底板采动附加应力模型，得到底板不同深度处应力分布规律及其岩层损伤破坏深度解析解；运用数值模拟软件对8-2与11煤层回采过程采场围岩应力、覆岩裂隙分布特征及其时空演化规律进行模拟研究，确定8-2与11煤层层间稳定岩层最小厚度；通过制定现场专项钻孔探测方案对下伏11煤巷柱式采空区覆岩裂隙带发育形态展开探测研究。研究结果表明：① 顶板岩梁在相邻介质交界面的弯曲下沉挠度具有连续性且在巷柱式采空区交汇处弯曲下沉最大为2 cm；② 8201综采工作面回采期间受采动应力影响下巷柱式采空区顶板-煤柱系统形成的稳定平衡结构仍具有稳定性，综合理论计算、数值模拟结果可确定8-2与11煤层层间存在稳定岩层且最小厚度D min1为14 m；③ 专项钻孔探测显示了8-2与11煤层层间稳定岩层最小厚度D min2为12.2 m。因此，近距离煤层间重复采动影响下8201综采工作面底板存在稳定岩层且岩层较完整具有一定的承载能力，排除蹬空开采期间下伏11煤层潜在安全隐患。

• 厚基岩采场弱胶结岩层动力溃砂机制研究现状与展望

  董书宁, 柳昭星, 王皓,

  我国西部矿区黄陇、宁东两大煤炭基地发生的采场顶板溃水溃砂与强矿压显现叠加灾害是一种厚基岩采场顶板弱胶结岩层动力溃砂灾害。该灾害类型在表象、物源和动力源上均不同于以往浅埋、近松散层采场的非动力溃水溃砂灾害，是一种新型的采场顶板灾害。由于该类型灾害突发性强、破坏性大、冲击力大，对安全生产带来严重威胁，致使如何有效防控灾害的再次发生成为许多矿区亟待解决的难题。目前揭示灾害形成的内在机制、探明其中蕴藏的科学问题是建立灾害防控技术体系的基础和关键。通过挖掘灾害形成的表象、物源和动力源特征，分析事故矿区覆岩结构、地层条件及相关研究现状，研究得到硬岩下方支承压力和基本顶载荷分布对弱胶结地层劣化的响应规律、硬岩破断作用下劣化弱胶结地层溃涌的动力形成机制和通道演化规律等2个关键科学问题是揭示灾害形成机制的瓶颈。因此，关于灾害形成机制研究形成了弱胶结地层遇水劣化对影响因素的反馈特征及响应关系、上硬岩层和基本顶受力条件随弱胶结地层劣化的变化规律、劣化弱胶结地层溃涌动力机制和增量载荷作用下通道演化规律等3个主要研究内容，并且提出了从根本上改变灾害发生客观条件的硬岩超前预裂和弱胶结地层注浆改性的综合主动防控技术思路。研究成果将为采场顶板溃水溃砂和强矿压显现并发灾害构建防控技术体系提供借鉴，保障西部煤田大规模安全开发。

• 烷基糖苷活性剂对煤体结构改性及甲烷解吸特性的影响

  李树刚, 闫冬洁, 严敏, 白杨, 岳敏,

  煤层注水是减缓瓦斯解吸速率、降低煤体采动后瓦斯快速解吸涌出的有效方法之一，添加表面活性剂可改变煤体化学结构并增强瓦斯解吸抑制效应。选用典型高瓦斯矿井煤样，配制了不同质量分数烷基糖苷（APG0810）表面活性剂，利用红外光谱仪（FTIR）、顺磁共振波谱仪（EPR）及微电泳仪等，研究了烷基糖苷活性剂对煤体改性前后官能团、自由基及Zeta电位等影响规律，采用接触角测定试验台分析了烷基糖苷表面活性剂对煤体接触角的影响，利用自主研发的外侵溶液抑制甲烷解吸动态试验系统，研究煤样在干燥、注水和注烷基糖苷表面活性剂等条件下甲烷解吸规律。试验结果表明：煤体含氧官能团总量与APG0810质量分数呈指数函数关系，煤样Zeta电位与APG0810质量分数呈负指数函数关系；自由基相对含量（Ng）随APG0810质量分数先增大后趋于平缓，样品中不成对电子摩尔浓度增加4.18倍；煤体接触角与APG0810质量分数呈负指数函数关系，接触角由79.15°降至25.63°，降幅为67.62%；甲烷最大解吸量、解吸速率与APG0810质量分数均呈负指数关系，甲烷解吸量最大降幅为31.59%，最大解吸速率降幅为78.23%；煤体接触角、甲烷最大解吸量、解吸速率与含氧官能团总面积、自由基相对含量呈负相关关系，与Zeta电位呈正相关关系；烷基糖苷活性剂与煤体接触发生物理化学反应，使煤体表面含氧官能团、氢键等增多，煤体表面负电性增加，自由基相对含量增大，接触角减小，改善了煤体润湿特性，从而减缓甲烷解吸速率，以期为预防甲烷超限或煤与瓦斯突出等灾害事故提供依据。

• 我国煤与瓦斯突出防治理论技术研究进展与展望

  王恩元, 张国锐, 张超林, 李忠辉,

  我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家，在突出预防方面进行了大量深入的研究和实践，突出防治取得了较为显著的效果，但近年来突出灾害事故仍时有发生。为了进一步提高深部矿井煤与瓦斯突出防控技术，提升煤矿安全、智能化水平和煤炭安全保障能力，分析了突出发生机理研究进展及现状，阐述了我国煤与瓦斯突出预测及监测预警手段的关键技术，系统总结了防治煤与瓦斯突出的措施及新兴技术。我国在煤与瓦斯突出机理、预测、监测和防治等理论与技术方面取得了系列创新性成果，解决了大量理论和技术难题。但是，随着我国煤矿开采深度的增加，煤矿突出危险性日趋严重复杂。与此同时，国家对煤矿安全生产的要求也越来越高。针对新形势下煤与瓦斯突出防治现状和需求，亟需建立更为适应完善的煤与瓦斯突出防治理论及技术体系。基于此，提出了未来发展趋势及研究展望：在突出机理方面，应加强复杂多变地层及不同构造条件下突出耦合演化机理和定量化表征研究；在突出危险性鉴定方面，需关注低参数突出多发背景下不同区域及类别突出危险性的适应性判定标准研究；在瓦斯参数测试方面，应聚焦精细化定点测量及随钻反演技术的发展；在工作面突出危险性精准探测/预测/监测预警技术方面，应加强物联网、大数据分析及人工智能识别技术在突出危险性综合监测、智能预警方面的研究与应用；在防治方面，应进一步发展煤层突出危险性远程、区域、智能防控技术；在风险隐患管控方面，应深入研究并推广瓦斯灾害风险大数据分析与预警平台，从而全面提高我国瓦斯灾害风险隐患管控能力和瓦斯治理水平。

• 瓦斯氛围下煤水固液接触特征

  魏建平, 王洪洋, 司磊磊, 席宇君,

  为了探明瓦斯氛围下煤水固液接触机制，搭建了瓦斯氛围下煤水润湿角测试系统，测试了CZ（山西成庄矿无烟煤）及DW（陕西大湾矿烟煤）2种煤样在不同甲烷及氦气压力条件下的润湿角变化，结合煤表面形貌测试、低压CO2吸附试验及XRD试验分析了瓦斯氛围下煤水接触角的变化规律。结果表明，随着气体压力的增加，煤润湿角逐渐增加，但在吸附性气体环境中，煤润湿角增加幅度更为明显，在0～2 MPa，CZ煤样的润湿角由72.99°增加到106.90°，从亲水性润湿过渡为中性润湿，最终转变为疏水性润湿，而DW煤样的润湿角由61.23°增加到85.14°，始终为亲水性润湿。分析认为，煤对甲烷的吸附能力是影响煤润湿角的主要原因。煤吸附甲烷后，在煤表面形成气膜，特别是在高压条件下，煤孔隙中的游离气体也会阻碍水对煤的润湿。而且吸附甲烷后，煤表面自由能降低，表面状态更加稳定，致使润湿性进一步减弱。气液竞争吸附也是影响煤水润湿性减弱的原因之一。进一步的，无烟煤的表面更加粗糙且具有更加发育的微孔结构，致使其具有较高的表面自由能，对甲烷的吸附能力更强，这是造成无烟煤在甲烷氛围下其润湿角变化更为明显的重要因素。此外，煤中矿物质可以影响煤的瓦斯吸附能力及表面润湿特性，也是影响含瓦斯煤润湿角的重要因素。

• 煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

  许江, 程亮, 彭守建, 周斌, 魏仁忠, 杨海林, 李奇贤,

  为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征，基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果，结合气体动力学理论，建立冲击气流的形成及其运移模型，并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析。结果表明：煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象，说明能量的释放是分阶段完成的；煤层应力的变化主要集中在卸压区、应力集中区和过渡区，其中，最大主应力的下降量和下降百分比皆高于最小主应力；当煤层瓦斯压力为2.0 MPa时，巷道内冲击气流速度可超过300 m/s，煤粉流速度受气体曳力带动可达70 m/s；冲击气流速度远大于煤粉流速度，存在气流先行煤粉滞后的现象，由此将煤与瓦斯突出过程划分为单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段；巷道断面冲击力呈现出不均匀的分布特征，其部分区域出现了冲击力陡增现象；随距离的增加，强冲击力有从断面中心向外部扩展的趋势；冲击气流的流动状态与煤层瓦斯压力、突出孔洞形貌特征有直接关联；冲击气流呈射流状，在射流中会周期性地出现膨胀波区和压缩波区，同时，射流截面会出现周期性的先扩大后缩小现象，从而导致射流边界上下起伏呈波纹状；在冲击气流运移过程中通过其速度演化可划分出高速射流区、平稳运移区和回流区，回流区内存在旋涡；冲击气流受膨胀-压缩波系的影响分别会在巷道内形成楔形真空区和锥形压缩区，其静压分别处于负压状态和正压状态。

• 改性高岭土抑爆剂对瓦斯煤尘复合爆炸压力的影响

  余明高, 贺涛, 李海涛, 郑凯,

  瓦斯煤尘复合爆炸严重影响了煤矿的安全生产，造成了大量的生产损失与人员伤亡。研发能应用在煤矿中高湿低温等复杂环境中的抑爆剂成为了研究的难点与热点。为研发出新型改性高岭土瓦斯煤尘抑爆剂，通过插层改性的方法制备了3种改性高岭土抑爆剂，采用热重分析、扫描电镜和红外光谱分析对样品的热稳定性、表面结构以及官能团变化进行了研究。选用重庆南桐煤样，通过标准筛对煤样进行筛分，通过粒径扫描与扫描电镜观测了煤粉的粒径分布与表面形貌。使用20 L球型爆炸系统对抑制剂抑制瓦斯煤尘爆炸的特性进行了研究，探究改性后高岭土对爆炸最大压力、最大压力上升速率及爆炸峰值时间等爆炸特征参数的影响；基于粉体表征结果及抑爆数据对改性高岭土抑制作用下的瓦斯煤尘爆炸的抑爆机理进行了分析。结果表明：改性高岭土抑爆剂兼具高岭土及插层粒子的双重抑爆效果，改善了高岭土的团聚现象，同时氨基磺酸铵粒子提升了高岭土的热解与抑爆性能。对瓦斯煤尘复合爆炸的抑制性能明显优于改性前粉体，且抑爆效果随着抑制剂质量浓度增加而增大，存在临界质量浓度，试验表明，当改性高岭土与煤尘比例为2∶3，且质量浓度为0.175 g/L时，最大爆炸压力的降幅达到了32.6%，爆炸峰值时间延缓了0.45 s，展现出最佳的抑爆效果。

• 鄂尔多斯盆地巨厚白垩系下煤层开采突泥溃砂物源及成灾模式

  李文平, 朱厅恩, 王启庆, 杨玉茹, 杨志,

  鄂尔多斯盆地是我国煤炭储量最大、煤质优良的富煤区，盆地腹部为厚度达数百米至上千米的巨厚白垩系含水砂岩层覆盖。近年来，随着盆地周边煤炭开采逐渐向腹地延伸，巨厚白垩系覆盖区侏罗系煤炭开采的一些矿井，发生了严重的突泥溃砂事故，给煤炭安全开采造成严重威胁。通过地质理论分析和区域露头地质调查，认为白垩系底部与中侏罗系顶部接触带(K1/J2)存在古风化壳，具备突泥溃砂的地质组成条件。进一步测试分析了古风化壳岩体结构、物质组成、粒度组成、水理性质，进行了点荷载强度试验和原位大型剪切试验；表明古风化壳岩性以泥质砂岩、泥岩为主，岩体结构在垂向上具有全风化土壤层、强风化碎石层、中-弱风化裂隙块石层的分带特征，天然状态下粒度组成以角砾为主，浸水后泥砂颗粒含量明显增大，遇水存在不同程度的泥化、崩解、碎裂性质，总体属于含泥砂量较高的软弱破碎岩体，岩体强度较低，整体性质与松散泥质砂性土类似，是区域上白垩系覆盖区煤炭开采突泥溃砂的主要物质来源。分析了K1/J2古风化壳下采动突泥溃砂的综合水文工程地质条件，给出了隐伏古风化壳识别方法，提出了K1/J2古风化壳下采动突泥溃砂灾害评价工程地质模型。

• 中国煤系气大产业建设战略价值与战略选择

  秦勇, 申建, 史锐,

  我国煤系气资源十分丰富，但产业历经30余年建设，2020年地面井产量只占全国天然气总产量的3.07％，发展规模不尽如人意。面向这一困局，中国工程院发起组织了煤层气有效开发建设大产业的战略研讨。笔者借此契机，放眼更为宽广领域，将煤系其他类型天然气一并考虑，在定义煤系气大产业基础上，论证我国建设煤系气大产业的战略价值和可能性，思考目前面临的困难和挑战，提出了突破困局的技术战略选择与保障条件完善建议。类比美国煤层气产业发展历程，认为煤系气大产业形成标志在于2个方面：一是年产量>300亿m3；二是对全国天然气年总产量贡献>4.5％。建设煤系气大产业具有三大战略价值：① 煤系气大产业是国家天然气安全保障基石之一；② 煤系气有效开发将持续助力我国主体能源产业健康发展；③ 煤系气规模性代煤将助力国家“双碳”目标得以实现。我国具有建设煤系气大产业的可行基础，包括强大的国家需求驱动、雄厚的资源基础、扎实的产业布局以及宽广的科技储备4个方面。我国实现煤系气有效开发进而建设大产业仍然面临5方面困难和挑战，即：业内外对煤层气产业发展缺乏耐心，单井产量倍增目标总体上仍未实现，对煤层气探明储量动用率关注不够，新领域新方向探索力度不足，不同类型煤系气矿业权单置。分析认为，发展适用性技术是高效低成本开发我国不同地质条件煤系气资源的惟一途径，机制创新是产业快速发展的保障基础。建议针对5个方面关键技术持续攻关，包括煤矿井下瓦斯低成本高效抽采、老区煤层气井改造与增储提产、深部煤系气优质储层评价与开发、薄互层煤系气勘探与有序开发以及煤炭地下气化-煤系气联采。认为保障条件建设的关键在于2个方面：一是持续组织实施煤系气国家科技重大计划，助推大产业尽快形成；二是先行先试煤系气矿业权合一，激励煤系气资源潜力最大限度释放。

• 高煤阶煤层气富集机理的深化研究

  桑树勋, 韩思杰, 刘世奇, 周效志, 李梦溪, 胡秋嘉, 张聪,

  高煤阶煤层气资源相对丰富是中国煤层气资源的重要禀赋之一，实现高煤阶煤层气大规模商业化开发突破是中国煤层气产业的世界贡献。以沁水盆地为代表的高煤阶煤层气生产基地是目前中国煤层气产量的主体来源，基于沁水盆地等高煤阶煤层气勘探开发工程实践数据和大量研究工作积累，开展了高煤阶煤层气富集机理的系统深化研究。研究工作表明：区域岩浆热变质作用成因高阶煤是高煤阶煤层气富集的基本地质背景，沁水盆地南部(晋城)、鄂尔多斯盆地东南缘(韩城—延川南)、沁水盆地北端(寿阳—阳泉)、黔北—川南(织金—筠连)等中国高煤阶煤层气富集区煤储层均以区域岩浆热变质成因为主；高煤阶煤层气富集规律是煤层含气量和渗透率在不同埋深和构造条件下耦合配置的结果，在沁水盆地高煤阶煤层气向斜富集模式、褶曲翼部斜坡带富集模式、构造高位富集模式分别对应于煤层埋深约500 m以浅、500～800 m埋深、约800 m以深；决定高阶煤储层渗透率的主控地质因素构成高煤阶煤层气富集关键主控地质因素，主要为煤层埋深、地质构造(含构造应力场)、煤体结构等；煤层渗透率随埋深呈负指数关系减小，煤层拉张裂隙发育且与现今最大主应力方向一致的构造部位煤层渗透率高，不同煤体结构高阶煤中碎裂煤渗透率最高；埋深、地质构造、煤体结构等关键主控地质因素通过煤储层地应力变化、裂隙发育与应变破坏等方式控制高阶煤储层渗透性，这是高煤阶煤层气富集的主要机理，在地应力场作用下煤岩应变破坏过程对煤层中裂隙发育的自然改造作用是高阶煤储层原始渗透率变化的根本原因。

• 煤矿巷道快速掘进的“长掘长探”技术

  程建远, 陆自清, 蒋必辞, 李鹏, 王盼,

  煤矿巷道掘进效率低是造成采掘失调的主要原因，而掘进巷道超前探测距离短、精度低，且与巷道掘进存在施工时间、作业空间和探测环境上的矛盾，是导致掘进效率偏低的地质因素，常规的“短掘短探”技术已经不能适应巷道快速掘进对长距离、高精度地质超前探测的技术需求。“长掘长探”的工作模式是以煤矿井下千米定向钻机施工的主孔与分支孔为基础，实现对掘进巷道前方煤层赋存形态、隐蔽致灾地质因素的长距离探查；在定向长钻孔中采用钻孔瞬变电磁、钻孔地质雷达和方位自然伽马等孔中物探新技术，对钻孔径向30 m范围的地质构造、富水异常区进行探测，满足了快速掘进巷道前方长距离、高精度、全方位构造探测和隐患排查的地质需求。工程实践表明：基于“定向长钻孔+孔中物探”的“长掘长探”技术，实现了沿掘进巷道方向的“长距离”探测、巷道周围近距离高精度探测，为巷道安全、快速掘进提供了地质依据；同时，“长掘长探”技术能够满足井下探放水防治水细则的要求，解决了超前探测与快速掘进在施工时间、作业空间和探测环境上的冲突，有助于提高巷道快速掘进的有效时间，具有较好的技术适应性和推广价值，将为今后煤矿巷道快速掘进的高精度长距离超前探测提供可靠的地质保障。

• 基于IABC-ICA的随掘地震去噪方法

  程久龙, 程鹏, 李亚豪,

  随掘地震是利用掘进机切割岩石产生的振动作为震源来进行探测，具有安全、简便、高效等优点，但随掘地震探测所采集的地震记录中波组成分复杂，有效信号能量弱，且被掘进机工作时产生的强噪声干扰，信噪比极低，去噪难度大，需要对随掘地震记录去噪方法进行研究。通过改进人工蜂群（IABC）算法搜索策略，提高了人工蜂群算法的收敛速度和收敛精度，将改进人工蜂群算法作为独立分量分析（ICA）方法的优化算法，提高独立分量分析方法的信噪分离效果。建立随掘地震超前探测地质-地球物理模型，给定加噪的变频变幅连续信号作为随掘地震震源子波，采用有限差分法进行数值模拟，得到随掘地震的地震记录，并在仿真地震记录中加入随机噪声；采用基于改进人工蜂群的独立分量分析方法（IABC-ICA）进行噪声与有效信号的分离，在此基础上利用互相关和脉冲反褶积方法进行压缩子波处理，得到与采用雷克子波震源模拟地震记录一致的波场特征，验证了该方法的去噪效果。结合现场试验的实测数据，进行IABC-ICA去噪、互相关、反褶积等处理，从信噪比较低的实际地震记录中提取了有效波信号。研究表明：基于改进人工蜂群的独立分量分析方法能够较好地分离随掘地震记录中的有效信号和干扰噪声信号，改善随掘地震有效信号的提取质量。

• 煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制及研究进展

  孙亚军, 张莉, 徐智敏, 陈歌, 赵先鸣, 李鑫, 高雅婷, 张尚国, 朱璐璐,

  煤矿开采必然产生大量矿井水，并可能引发水环境污染问题，研究并揭示矿井水的水质形成与演化机理，是煤矿区水污染防控的理论基础。矿井水的水质形成及演化过程非常复杂，受水动力场、水化学场、微生物场和温度场多场作用控制。通过矿井水水质形成的多场作用研究和文献调研，界定了煤矿区矿井水污染场地的研究范围，提出了我国矿井水水质形成的“三带”模型，以传统矿井水害形成的水文地质结构模型为基础，提出并阐明了华北型、西北—东北型、南方型3种典型矿井水水质形成的水文地质结构模式及主控因素；划分并阐明了矿井水水质形成的水动力场的演化阶段及作用过程，包括采前自然平衡、开采强烈扰动和闭坑后再平衡3个阶段；厘清了矿井水水质形成的水化学场控制因素，包括地下水原生化学背景、物源特征及主要化学作用、矿井水水质的总体特征及演化趋势等；提出并阐明了矿井水水质形成的微生物作用机制，论述了矿井水中微生物群落的分布特征、矿井水水质演化以及矿井水污染负荷减量的微生物作用过程；阐明了矿井水水质演化的温度场作用过程，分别探讨了矿区的原生温度场、采动温度场特征及其对矿井水水质演化的影响。在上述基础上，总体阐明了煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制，提出了多场耦合作用等问题的研究展望。

• 黄河流域矿区生态环境与黄河泥沙协同治理原理与技术方法

  胡振琪, 赵艳玲,

  黄河流域生态保护与高质量发展已经成为国家战略。黄河泥沙淤积和矿区生态环境恶化是黄河流域面临的两大生态环境难题。在分析这两大问题的特征及协同治理原理的基础上，提出了2者协同治理原理与技术方法。结果表明：① 黄河泥沙与矿区生态环境协同治理存在供需、空间位置、材质、政策、经济等5个方面的协同关系。② 黄河泥沙与矿区生态环境协同治理的关键是解决取沙、输沙、用沙三大环节的技术问题和3者之间的耦合。③ 取沙和输沙可通过多因素优选和设备改进与研制解决。④ 黄河泥沙可以分别用作充填材料、表土替代材料和土壤改良材料。⑤ 黄河泥沙用作充填材料时可采用划分充填条带并在条带末端加设土工布全断面排水沟的强化排水方法实现快速固结排水，采用“夹层式”土壤剖面结构和间隔条带交替式多层多次充填施工工艺实现土壤重构，恢复耕地可实现当年达产。⑥ 分别给出了黄河泥沙作为表土替代材料和土壤改良材料的技术方法，解决材质筛选和组配问题。经在山东省邱集煤矿和内蒙古自治区乌海市矿山生态修复案例分析，证明了黄河泥沙作为充填材料和表土替代材料的可行性。最后对协同治理的应用前景给予了展望。

• 碳中和目标背景下矿山生态修复的路径选择

  卞正富, 于昊辰, 韩晓彤,

  针对“双碳目标”背景，对矿山生态修复的内涵做出了新的阐释。新形势下，矿山生态修复的目标至少包括实现修复后生态系统的自我维持能力、正向演替达到新的生态平衡和区域社会经济可持续发展。实现目标的基本手段是以自我恢复为主，与适度人工干预相结合。从碳中和目标的实现路径出发，较为系统地分析了碳中和引发的社会经济与生态格局变化和结果，认为双碳目标必将加速后矿业时代到来，而生态修复是后矿业时代最为重要的任务之一。后矿业时代具有长久性、艰巨性和复杂性等特征。土地整治、环境治理、产业转型、社会转型、景观重建等是生态修复通常采用的人工引导措施，这些举措对碳中和目标的实现发挥着不同的作用。实现碳中和目标需要从能源替代、产业替代与升级、生态服务功能提升等方面延伸矿山生态修复措施，进一步分析了矿山生态修复在实现碳中和目标过程中发挥的能源替代、节能减排和固碳增汇3方面的作用和贡献，按贡献大小排序：能源替代>节能减排>固碳增汇。提出了碳中和目标背景下矿山生态修复的新路径，包括：① 更新标准规范，适应碳中和目标的需求，构建“1+N”标准与规范体系，提高规范与标准的针对性和适用性；② 改革管理机制，探索矿业临时用地政策，明晰地下空间产权，推进生态修复市场化机制，实现多措并举协同推进生态修复；③ 创新技术体系，开展分类施策、分区管控、分级治理、分步推进，推动生态修复全过程深度减排与长效生态增汇。

• 西部煤矿区深色有隔内生真菌修复机理与生态应用模式

  毕银丽, 彭苏萍, 王淑惠,

  煤炭开采过程损伤生态，扰动土壤与植被生长环境，加之西部矿区气候干旱，环境胁迫影响矿区生态自修复进程。微生物修复技术在矿区生态环境的应用是从修复生态系统的功能与结构角度出发的一种可持续方法。深色有隔内生真菌（Dark Septate Endophytes，DSE）不同于丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhiza Fungi，AMF），是一类更广泛定殖于植物根系的内生真菌，在微生物-土壤-宿主植物生态系统中发挥着重要生态学功能。与丛枝菌根真菌相比，DSE可以纯培养，利用DSE等有益微生物对矿区进行生态恢复更具有推广意义。针对DSE分类特征、不同宿主植物和不同生境中DSE的定殖规律进行总结。揭示DSE在促进宿主植物矿质营养吸收，增强非生物胁迫和生物胁迫抗性机理，特别是在非生物胁迫中，DSE可以帮助宿主植物抵御水分胁迫、盐胁迫、重金属胁迫和寒冷胁迫。提出DSE代谢物在宿主植物生态作用。基于此，为使DSE保持生物活性、延长存活时间、更大程度发挥其生态价值，提出菌液浸种搭载无人机飞播、DSE固体菌剂研发、DSE叶面肥涂抹技术等新的生态修复模式，促进植物快速吸收养分、提高抗逆性，最大程度地发挥DSE的生态功能，激发土壤潜在肥力，改善土壤结构，加速矿区植被恢复，为西部煤矿区生态修复奠定技术基础。

• 碳中和目标下煤矿甲烷减排趋势模型及关键技术

  刘文革, 徐鑫, 韩甲业, 王勃, 李志, 严媛,

  “双碳”目标的提出，要求我国在强化CO2排放控制的同时加强对甲烷等非CO2温室气体的控排。在研究我国煤矿甲烷排放来源及构成的基础上，采用基于矿井实测法T3方法分析测算我国煤矿甲烷的历史排放趋势，辨识煤矿甲烷排放的影响因素，建立煤矿甲烷排放主因素分析模型(MFAME)，并按照基准、发展、新政策3种情景预测到2060年的煤矿甲烷排放量，提出甲烷减排的总体路径和减排关键技术。研究表明：煤矿地下开采过程中的甲烷排放是我国煤矿甲烷最主要的排放来源，露天开采过程中的甲烷排放和废弃煤矿的甲烷排放量呈现上升趋势。我国煤矿甲烷排放总量仍然较大，基于T3方法测算的煤矿瓦斯统计排放量峰值为591.6万t。碳中和目标下煤炭消费需求侧的加速减少会导致煤炭产量快速下降、煤矿数量减少以及煤炭供应生产结构的进一步调整，高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井等灾害严重矿井比例逐渐减少。预计不同情景下，到2060年，我国煤矿甲烷的排放量为365万～542万t。未来需加强煤矿地下开采、矿后活动及废弃煤矿瓦斯排放等重点排放环节的管控，按照“技术-经济-政策”协同发展路径，深入推动低浓度瓦斯高效提浓技术、超低浓度通风瓦斯催化氧化销毁和余热利用技术等瓦斯利用关键技术的研发，建立废弃煤矿瓦斯逸散监测及治理利用技术体系，提高煤矿瓦斯综合利用量和利用率。

• 生物质与油浆共热解产物分布及相互作用

  黄伟, 郝泽光, 张乾, 高增林, 张宏文, 彭泽宇, 杨凯, 梁丽彤,

  生物质作为一种全生命周期碳近零排放的可再生资源，从生物质中提取轻质燃料和化学品是实现碳达峰和碳中和的终极方向。将化石能源与生物质共转化是符合我国的基本国情、寻求化石能源和新能源优化组合的可行之路。以玉米秆(CS)与催化裂化油浆(FCC)为原料，研究了2者共热解过程中的相互作用及生物质内在矿物质对产物分布和产物特性的影响。结果表明，不同比例的CS与FCC油浆共热解过程中的相互作用以聚合反应为主，导致所得半焦产率均有所增加，进一步分析发现反应过程中的相互作用增强了热解焦油中含氧化合物的脱除，促进了烃类物质的生成，提高了焦油产物的品质。其中，酚类物质含量明显降低，芳香烃中3～4个环的稠环芳烃增加较多，脂肪烃中碳原子数量大于13的烃类含量有所增加。当添加30%FCC时，共热解油中酚类物质较计算值减少约7%，芳香烃和脂肪烃含量分别高出约2%和9%。与脱矿CS相比，未脱矿的CS与FCC油浆共热解促进了焦油的生成，抑制了半焦和气体的产生。矿物质的存在对2者的相互作用具有增强效果，不仅促进了油浆的裂解，增强了生物质的脱氧反应，产生更多的烃类，而且减缓了自由基的聚合反应，改善了共热解体系中稠环化合物的缩聚程度。焦油中蓖系物含量减少，脂肪烃含量增加。热重实验评价表明，共热解所得的半焦气化反应活性明显提高，有利于后续的利用。

• 毫米级颗粒在湍流场中的传热及着火特性

  吴玉新, 郭慧娜, 冯乐乐, 胡振坤, 张守玉,

  燃料在强湍流中的燃烧广泛存在于实际工业装置中，研究湍流脉动对燃料传热及着火的作用对准确理解燃烧过程具有重要意义。目前，对于气体燃料和液滴在湍流脉动条件下的蒸发着火等过程已经有了非常详细的研究，而对于固体颗粒受热和着火的研究，大多数试验方法，如落管炉、单颗粒炉和平焰燃烧器等，是在层流条件下进行的。湍流条件下的研究方法主要包括高速射流、一维炉和旋流燃烧器，但普遍存在着光学可视性较差以及湍流强度难以调控等问题。为此，通过搭建能够在高温下运行的四风扇对冲实验装置，建立起湍流强度可调的近均匀各向同性湍流场，研究了湍流脉动对毫米级单颗粒升温及着火的作用。通过在不同风扇转速及环境温度下测量流场的瞬态速度分布以及颗粒温升曲线，获得了不同环境温度及湍流强度下颗粒的传热特性。基于粒径为4.4 mm的铜球传热试验结果提出了考虑湍流脉动作用的颗粒传热模型，并利用粒径为2.0 mm的铜球升温试验数据进行模型验证。研究结果表明，所建立试验台测量区域流场的脉动速度具有各向同性特征，且远大于时均速度，脉动速度大小随着风扇转速线性增加。脉动速度的增大使得煤颗粒着火提前、铜球颗粒升温速率加快，说明湍流对颗粒传热的强化作用不可忽略。通用的Ranz-Marshall公式会明显低估强湍条件下颗粒的升温历程，进而造成计算的颗粒着火延迟时间偏大。通过在Ranz-Marshall公式中引入附加的湍流作用项，并根据强湍流场中的试验结果拟合其中的系数，可以准确地表征湍流对大颗粒传热的强化作用。

• 可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井关键技术与装备

  范京道, 封华, 宋朝阳, 任怀伟, 马英, 汪青仓, 谭杰, 刘全辉, 李川,

  我国西部煤矿资源开发是保障煤炭资源供给的战略性任务，少人、安全、绿色、机械化、智能化矿井建设是现阶段煤炭智能化发展的必然趋势和重要方向。首先梳理了我国煤矿斜井和竖井全断面机械破岩掘进技术和装备现状，分析了适用煤矿井筒掘进的不同类型装备机械破岩掘进工作面临的共性难题；针对可可盖煤矿典型的西部富水弱胶结地层条件，确定了可可盖煤矿斜井和竖井联合开拓方案，并从地层条件、装备性能、围岩控制和经济合理性等方面，研判了采用斜井TBM掘进和竖井钻机钻井的可行性，提出了智能化建井建智能矿井的理念，构建了可可盖煤矿全矿井机械破岩智能化建井模式；针对可可盖煤矿地层岩石强度低、扰动敏感的特性，突破了斜井敞开式TBM掘进高效破岩与围岩控制、连续排渣、装备推进与支撑协同控制等技术，实现了TBM姿态大幅度调整，一次掘进断面面积40 m2，形成了“探-破-支-运”一体化连续掘进技术体系，单月最高掘进进尺523.8 m；首次在西部富水弱胶结地层中采用竖井钻机钻井，提出了全岩地层竖井“一钻完井”工艺，形成了适用我国西部煤系地层钻井法凿井的大型竖井钻机及其配套装备体系，包括大直径全断面钻头结构、稳定钻杆、大型门式起重机以及竖井钻机高效集中控制系统，攻克了竖井钻机配套大型门式起重机安装、起下钻智能控制、竖井钻机高效钻进等关键技术与智能监控难题，实现了西部富水弱胶结岩石地层8.5 m大直径井筒高效钻进，单日最高钻进进尺10.8 m。

• 基于精确大地坐标的煤矿透明化智能综采工作面自适应割煤关键技术研究及系统应用

  毛善君, 鲁守明, 李存禄, 陈华州, 张鹏鹏, 范吉宏, 李鑫超, 陈金川,

  目前煤矿智能综采工作面存在生产环境状态不透明、成套装备难以应对煤层起伏变化、信息化与智能化集成度不高等问题，其系统的适应性和实用性受到影响。具体而言，主要是缺乏基于地理信息系统的可视化数字孪生管控平台，无法实现基于统一大地坐标驱动的透明化工作面的自适应割煤。为突破相关技术难题，提出并研究了测量机器人大地坐标传导、透明化工作面系统建立和动态修正、5G通信、采煤机与地质模型的自适应耦合以及基于时态地理信息系统（TGIS）的“一张图”一体化管控平台等多项关键技术，完成了多维可视化软件系统的开发与硬件系统的高度集成，实现了：① 采煤机、刮板输送机等固定或移动目标点达毫米或厘米级的精确定位；② 三维地测模型、设备模型、开采环境与工业控制之间的基于逻辑关系的一体化集成和数字孪生系统的构建；③ 综采工作面采煤机、视频、惯导、测量机器人和地质雷达等信息的可靠、实时传输；④为地面调度指挥控制中心的远程决策和智能自适应控制提供了可视化管控环境。系统已经成功应用于临沂矿业集团菏泽煤电郭屯煤矿3301,2305两个工作面，初步实现了较为复杂地质条件下的智能化自适应开采和地面远程管控。

• 采煤机截割状态与煤岩识别的关联载荷特征模型

  刘春生, 刘延婷, 刘若涵, 白云锋, 李德根, 沈佳兴,

  针对采煤工作面煤层的厚度变化、含夹矸和包裹体的不确定性，以及复杂煤岩占比和岩层位置辨识的差异，致使采煤机在截割过程中会产生无效调整截割高度的情况，影响其可靠性和智能化技术水平。截割煤岩载荷特征及其关联截割状态的模型可以预测、修正和决策采煤机截割行为，提升采煤机智能化程度。借鉴多信息实时修正记忆截割与煤层三维地质信息建模等方法，提出了采煤机自主调高-调速二元协同控制模式及截割状态关联特征模型，考虑煤岩赋存条件以及滚筒相对煤岩层的位置和工作参数，划分滚筒截割过程为顺转截割、逆转截割、向和逆自由面截割以及截割顶底板和夹矸等截割状态，分析截齿截割煤岩的过程与状态，构建了向和逆自由面截割状态特征量的数学模型和截割顶底板位置与占比的识别定量载荷关联特征模型，给出了截齿垂直、平行于层理方向截割力的累计占比计算方法，通过旋转截割实验验证截割煤岩载荷特征模型的准确性。根据截割顶、底板、夹矸岩层前后载荷变化导致的截割电机电流变化规律与调高液压缸两腔压力的关联性变化规律，结合截割状态的关联载荷特征模型，修正与预测截割状态和岩层位置，确定了修正采煤机调高调速行为协调控制的截割状态特征参量。研究表明：向自由面截割煤岩断裂位置大于逆自由面的，向自由面易于破碎煤岩，且截割载荷与比能耗均小；分别获取截齿截割顶底板载荷增量与方向角，载荷增量均与岩层厚度呈正相关性，但截割顶底板方向存在明显差异；随截割夹矸岩层厚度增加，截齿截割载荷增大，且截割载荷与夹矸位置呈抛物线关系；给出截齿垂直和平行层理截割力特征值占比的度量，反映截割顶板易于截割底板的特征；截齿向自由面截割煤岩理论和实验的截割阻力功特征值、断裂位置和断裂崩落线与截割点垂线夹角的平均误差分别为3.10%，3.37%和8.07%，验证了截割煤岩状态特征量数学模型的正确性。该研究通过给出融合载荷特征的截割状态修正与煤岩状态识别的理论基础描述，为进一步精准实现智能化采煤机调高-调速二元协调控制提供了借鉴。

• 复杂煤层条件下采煤机自适应截割控制策略

  赵丽娟, 王雅东, 张美晨, 金鑫, 刘宏梅,

  采煤机是综采工作面的核心装备，复杂煤层条件下，其工况恶劣、环境复杂，采掘装备智能化程度不高，导致我国煤矿开采灾害多、煤机适应性不强、故障率高、效率低，提高煤机装备的可靠性与适应性是煤矿智能化发展的主要任务之一。采煤机工作机构与复杂煤层耦合作用机理及煤岩截割状态与动力传递系统的导控机制，是实现采煤机智能高效截割的关键。基于虚拟样机技术、模糊控制技术，结合数据自适应加权融合算法、深度强化学习算法，采用多领域建模与协同仿真及试验分析相结合的方法，构建机-电-液-控一体化的采煤机自适应截割系统模型，研究其自适应截割控制策略。利用AMEsim建立调高液压系统模型，并与EDEM-RecurDyn煤岩截割双向耦合模型集成；根据煤层实际赋存条件划分煤岩坚固性系数等级范围，以采煤机综合性能最优为目标，利用改进的MOGWO（Multi-Objective Grey Wolf Optimizer）算法对采煤机的牵引速度和滚筒转速进行分级优化。以采煤机截割部的时域振动信号作为煤岩截割状态识别的特征参数，运用数据自适应加权融合算法对其进行融合处理；以特征参数融合值为依据利用模糊控制实现煤岩截割状态的智能识别；利用Simulink搭建基于深度确定性策略梯度算法DDPG（Deep Deterministic Policy Gradient）的采煤机牵引速度-滚筒转速（vq-n）协同调速和自适应调高控制系统模型，利用接口技术实现EDEM-RecurDyn-AMEsim-Simulink耦合，构建机-电-液-控一体化的采煤机自适应截割控制系统模型并进行仿真。研究结果表明：系统以煤岩截割仿真数据流为主线，能够实现对煤岩截割动态过程的感知分析、信号特征处理和自适应调节的决策控制。利用物理试验验证了基于EDEM-RecurDyn耦合仿真的可行性与结果可靠性；在保证煤机综合性能最优且动态可靠的前提下，当螺旋滚筒位于上位，且识别到煤岩体坚固性系数f>7时，首先按滚筒截顶工况界定，采用vq-n协同调速及自适应调高控制策略，并可根据调高过程中采样时间（2 s）内滚筒截割阻力方向振动加速度波动的变化趋势，进一步判断其是处于截顶亦或截割坚硬煤岩层或硬结核（f>7且非顶底板），若识别结果为后者或煤岩体f≤7时，仅采用vq-n协同调速策略；当识别到煤岩体坚固性系数f值减小的工况时，选用vq-n同时调控策略可全面考虑采煤机各性能指标；当识别到煤岩体坚固性系数f值增大的工况时，为保证采煤机的动态可靠性，选用牵引速度优先于滚筒转速的顺序调控策略，其相比于同时调控策略能够使滚筒受载降低23.7%、载荷波动减小28.1%；仿真过程验证了系统能够按照预期的调控策略对采煤机牵引速度、滚筒转速及滚筒高度进行精准调控，最长仅经0.64 s即能感知到截割工况的变化，具有调节的实时性和响应的快速性，实现了复杂煤层条件下的采煤机自适应截割，并通过物理试验验证了所搭建的采煤机自适应截割控制系统及仿真结果的正确性，可有效提高采煤机对复杂煤层的适应性。

• 矿山信息化发展及以数字孪生为核心的智慧矿山关键技术

  丁恩杰, 俞啸, 夏冰, 赵小虎, 张达, 刘统玉, 王卫东,

  矿山信息化建设在经历了单机自动化、综合自动化、数字矿山几个阶段之后，在物联网、人工智能、大数据技术的推动下，正朝着矿山智能化和智慧矿山的方向发展。以数字孪生技术为核心，围绕矿山生产场景和智能装备的知识服务体系是智慧矿山下一步需要重点研究的方向。首先回顾了矿山信息化技术的发展，然后分析了智慧矿山的核心关键技术，从智能感知与智能装备、边缘计算与网络服务、数字孪生知识建模、平台与应用系统4个方面进行阐述。智能传感装置和智能装备的不断涌现，为智慧矿山前端感知和执行提供了基础，而即时的感知、分析和决策是智能装备自治、自主工作的前提；随着边缘网关计算能力的提升，需要设计面向应用场景的轻量级算法模型和高效云边协同机制，以满足智能装备即时服务的需求，同时，围绕5G的通信技术在矿山的应用，将进一步提升知识服务的快速响应能力；矿山运行机理、经验知识、大数据分析与数字孪生建模技术融合的矿山生产场景可信数字孪生模型，将成为智慧矿山知识服务的核心；面向大数据和知识模型的平台技术是矿山数字孪生和智能化服务的载体，大数据高效存取、分析和利用能够有效的促进矿山智能化应用服务的融合。矿山数字孪生及相关智能化技术的突破，将实现对矿山物理世界实时可测、可观、准确控制、精确管理和科学决策，从而建立少人化或无人化的矿山生产模式，为智慧矿山的发展奠定基础。

• 煤矿远程智能掘进面临的挑战与研究进展

  张旭辉, 杨文娟, 薛旭升, 张超, 万继成, 毛清华, 雷孟宇, 杜昱阳, 马宏伟, 赵友军, 李晓鹏, 胡成军, 田胜利,

  煤矿巷道掘进智能化相关理论与技术研究是当前解决“采掘失衡”难题的基石。远程智能掘进是实现少人甚至无人化掘进作业的根本目标和远景，面临单一掘进装备定位与控制、设备群协同、人-机-环感知与呈现，以及远程智能决策等瓶颈问题。聚焦巷道近程或地面远程智能掘进场景控制需求，提出了数字孪生驱动掘进装备远程智能控制技术构架，通过构建掘进工作面数字孪生体，将井下人员、设备、环境相关信息呈现到数字空间，虚实融合，共智互驱，达到数字掘进与物理掘进智能协同的目标，破解掘进施工中人-机-环共生安全难题；针对掘-支-运并行作业要求，提出以掘进为智能化核心，自动钻锚和高效转运辅助的远程控制构架，介绍了远程虚拟呈现、精确位姿感知、孪生数据共享、虚实同步驱动、工艺记忆截割、设备群碰撞预警等方面的研究进展，以“DT+VR”远程决策、“视觉+”位姿测量、“人工示教”记忆截割，以及“虚拟设备”碰撞预警等四大核心技术，解决智能决策、精确定位（定向导航和成形质量的基础）、轨迹规划和设备群碰撞预警难题，总结了平面防爆玻璃以及光学球罩折射建模与矫正、振动工况下成像模糊机理、掘进机机身位姿精准测量、定向导航与纠偏、轨迹示教记忆截割，设备群协同与数字孪生驱动等基础理论和技术，以视觉感知的成像折射校正和去模糊入手，系统介绍视觉技术在定位、定向、定形截割方面的进展，并分析了数字孪生驱动技术是实现智能远程掘进工作常态化生产的有效途径。上述核心技术在实验室测试及陕煤小保当、榆林大海则等煤矿井下掘进工作面进行了初步验证，为解决煤矿远程智能掘进提供了新的实现路径。

• 基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法

  王忠宾, 司垒, 王浩, 张修峰, 赵世豪, 魏东, 谭超, 闫海峰,

  防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备，其准确定位和定姿是实现卸压作业无人化的基础和前提。通过分析国内外移动机器人及煤矿井下移动设备定位技术的特点，提出了一种基于空间阵列式惯性单元的防冲钻孔机器人位姿解算方法。在分析常规惯性传感单元定位误差类型及来源的基础上，建立了空间阵列式惯性单元数据融合模型，推导出角速度和比例加速度的融合方程，设计了空间阵列式惯性单元位姿解算流程。通过分析防冲钻孔机器人的实际运行工况，模拟了防冲钻孔机器人的曲线运动轨迹，并对钻孔机器人的位姿解算方法进行了仿真分析，仿真结果表明，在曲线运动时,空间阵列式位姿解算方法的位移和姿态角解算精度均优于原始位姿解算方法和差分式位姿解算方法。为了验证所提方法的可行性，根据现场实际情况搭建了移动载体运动工况模拟实验台，根据设定的真实轨迹曲线进行轨迹跟随及监测实验，结果表明：空间阵列式惯性单元的位姿解算精度较高，在x，y，z三轴方向的位移平均误差分别为5.83，8.76和0.84 cm，俯仰角、航偏角和横滚角的平均误差分别为0.07°，0.15°和0.06°。为了进一步验证所提方法的实用性，搭建了防冲钻孔机器人惯性单元位姿监测实验平台，进行了防冲钻孔机器人的直线行走实验，实验结果表明：基于空间阵列式惯性单元解算的钻孔机器人俯仰角、航偏角和横滚角平均误差均小于0.5°，在x，y，z三轴方向的位移平均误差均小于2.00 cm，位姿解算误差均满足实际要求，验证了所提防冲钻孔机器人位姿解算方法的可行性和有效性。