煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第2期

• 关键层运动监测及岩移5阶段规律——以红庆河煤矿为例

  鞠金峰, 许家林, 刘阳军, 马 祥, 王晓振, 王业征, 刘 乐, 谢建林, 赵富强,

  煤炭开采引起的岩移规律一直是采矿领域难解的“黑箱”问题，研究揭示其内部作用机制与演变过程是科学解决采矿工程系列问题的理论基础。基于岩层控制的关键层理论，采用地面钻孔原位监测方法，开展了红庆河煤矿深井特大采高开采条件下覆岩内部移动规律的实测与反演研究。结果表明，覆岩由下向上逐步运移发展的过程呈现5阶段典型分区特征，分别为覆岩超前受压变形阶段、逐层向上断裂运移阶段、覆岩整体快速沉降阶段、上位岩层向下压实阶段、以及覆岩整体稳沉阶段。依据5阶段岩移特征，拟合形成了覆岩超前运移的“类指数”岩移边界线，对应井上下超前影响范围分别为地表的340m以及煤层的99m；推演得到了关键层逐层向上断裂发展的83°断裂延伸角，对应320m埋深以下关键层发生超前断裂、以上为滞后断裂。同时，对覆岩“横三区”的具体分布进行了划分；沿走向推进剖面，“类指数”岩移边界线与关键层断裂线之间的区域为超前变形区(煤壁支撑区)，对应于岩移阶段1；关键层断裂线之后、直至井上下分别滞后工作面煤壁410m和190m的区域为离层区，对应于岩移阶段2~阶段4；再后方的采空区为重新压实区，对应于岩移阶段5。覆岩关键层运动表现出对地表沉陷的显著控制作用，随着其逐层向上断裂运移，地表沉陷活跃度不断攀升，在主关键层结束其正向回转并开始反向回转时，地表沉陷开始进入峰值状态，且这种峰值的持续对应于覆岩整体的快速沉降；当上位岩层逐步压实下位岩层时，地表沉陷活跃度开始降低；直至主关键层运移稳定，地表沉陷活跃期结束、开始进入衰退期；表明地表沉陷盆地的最终形态直接受控于主关键层的运移状态。研究结果可为红庆河及其周边类似条件矿井的岩层控制、灾害防治等科学采煤实践与研究提供参考。

• 大倾角煤层长壁开采顶板应力传递路径倾角效应

  罗生虎, 王同, 田程阳, 高喜才, 郎丁, 王红伟,

  大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制，而发现并揭示围岩采动应力的时空演化特征及其倾角效应是围岩稳定性控制的基础。以新疆某矿25221工作面为工程背景，采用现场实测、理论分析与数值计算相结合的研究方法，在综合厘定与分析工作面矿压显现一般规律及其成因的基础之上，研究顶板采动应力传递路径的时空演化特征及其倾角效应。结果显示：在大倾角煤层开采中，顶板采动应力随工作面推进的动态演化过程先后经历了增长期和稳定期，其对应支承压力峰值的演化呈现为先增大后趋于稳定的特征。受煤层倾角影响，顶板采动应力的三维传递演化沿走向对称、沿倾向非对称。在倾向剖面内，顶板应力的传递路径呈非对称拱形形态，且沿顶板自上而下，应力偏转位置由工作面倾向中轴线左侧逐渐向其右侧迁移，上覆岩层载荷以应力偏转界线为界，分别向倾向上、下侧煤体传递，造成倾向上侧支承压力集中系数大于下侧。在工作面走向剖面内，围岩应力的传递路径呈扁平拱形态，扁平拱两侧半拱形区域上覆岩层载荷除了向工作面走向两侧煤体传递外，亦向工作面倾向上、下侧煤体传递，而扁平拱中间直线段区域上覆岩层载荷主要向倾向上、下侧煤体传递。随着煤层倾角的增大，围岩应力传递演化的非对称特性显著增大，应力偏转界线与工作面倾向中轴线间的距离逐渐增大，二者交点的高度呈现为增-减-增的演化趋势；受此影响，工作面走向和倾向上侧支承压力集中系数亦呈现出增-减-增的演化趋势。顶板应力的非对称时空演化特征，造成采场空间不同区域顶板的力学性状与行为存在显著差异，这种差异性导致倾向不同区域支架的受载与失稳特征亦存在显著差异，且这一现象会随着煤层倾角的增大而愈发明显。

• 千米深井超长工作面采动应力旋转轨迹及其推进方向效应

  王兆会, 孙文超, 水艳婷, 刘鹏举,

  随着浅部煤炭资源开采殆尽，深部煤炭资源开发成为我国东部矿区面临的一大难题。深部矿井具有高应力、强扰动、节理裂隙发育等特点，导致煤壁高程度片帮、顶板大范围漏冒、巷道大变形破坏等围岩失稳现象频发，威胁安全生产。为提高深部开采围岩控制效果，本文以口孜东矿千米深井超长工作面为工程背景，采用现场实测、室内实验、数值计算和理论分析等手段研究超前采动应力旋转轨迹及其推进方向效应。结果表明：千米深井超长工作面支承压力呈现以峰值影响区为边界的空间分区特征，超前影响范围和煤壁破坏宽度分别达到150 m、8~12 m，采动应力发生大幅度旋转现象，高应力和应力旋转共同驱动工作面围岩破坏失稳。强采动影响下超前采动应力向采空区倾斜，走向影响范围达到200 m；两侧采动应力向巷道倾斜，倾向影响范围达到15 m。以平行于工作面推进方向的竖直平面为基准，采动应力旋转轨迹经历面外慢速偏离、面外快速靠近和面内协同旋转三个阶段。工作面推进方向对采动应力旋转轨迹具有强烈控制作用，当其与最小地应力方向平行或垂直时，采动应力旋转轨迹呈对称分布形态，两者处于其他空间位置关系时，采动应力旋转轨迹呈非对称分布形态。推进方向与最小地应力方向之间的夹角增大，采动应力面外慢速旋转阶段缩短，快速回旋阶段增长，但面内协同旋转阶段始终落在平行于工作面推进方向的竖直平面。基于围岩裂隙分布特征，实现围岩稳定性的应力方向敏感区识别，裂隙赋存稳定，应力方向敏感区为局部覆盖型；裂隙随机分布，应力方向敏感区转为全区覆盖型。根据应力方向敏感区形态提出了优势采动应力旋转轨迹确定原则，指导推进方向选择与优化，为深部开采围岩控制提供新思路。

• 遗留群柱中关键柱判别方法与软件

  白锦文, 宋诚, 王红伟, 戚庭野, 冯国瑞, 曹光明, 王凯, 郭军, 史旭东, 崔博强,

  关键柱局部失稳会诱发煤柱群（简称“群柱”）体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。本文首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念，提出了四种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的方法，优化了遗留煤柱自身强度的计算方法；其次，引入应力扩散的最大距离L，改进了遗留煤柱承担载荷的计算公式；然后，分别确定了待研究区域内各个遗留煤柱的安全系数，并将安全系数最小的遗留煤柱判别为关键柱；最后，形成了遗留群柱中关键柱判别的技术方法，并运用Python语言开发了关键柱智能判别的KPDS软件。结果表明：①最小等效宽度为不同形态遗留煤柱的最小实用承载宽度；内切圆法、最短边法、辅助线法和短轴线法可以用于确定采空区规则/不规则形态遗留煤柱的最小等效宽度。②内切圆法适用于确定横截面为三角形和正多边形遗留煤柱的最小等效宽度；最短边法适用于确定“横截剖面存在最短边且其邻近两边相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度；辅助线法适用于确定“横截剖面存在最短边且其两条邻边不相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度；短轴线法适用于确定半圆形遗留煤柱、圆形遗留煤柱和椭圆形遗留煤柱的最小等效宽度。③遗留煤柱承担的载荷不只是从属面积上覆岩的载荷，还包括邻近范围覆岩所传递扩散过来的载荷；考虑应力扩散最大距离可以更加准确计算遗留煤柱承担的载荷。④基于最小等效宽度和载荷扩散最大距离，能够确定待研究采空区内安全系数最小的遗留煤柱，可以进一步判别出关键柱，并形成关键柱判别的技术流程。⑤关键柱判别KPDS软件是Key Pillar Determination Software的简称，主要包括：登录界面、参数导入界面、强度计算界面、承载与安全系数计算界面和关键柱判别界面；该软件可以快速智能地判别出遗留群柱体系中关键柱。该研究可以实现遗留群柱体系中关键柱位置的预先超前识别，有望指导遗留群柱链式失稳和围岩联动破坏的科学防控，并进一步促进煤矿岩层控制理论与技术的发展。

• 锚杆托板与缓冲垫层组合结构静、动载力学性能试验研究

  吴拥政, 付玉凯, 褚晓威, 孙卓越,

  针对锚杆支护系统受到冲击载荷作用时，围岩与托板间作用力瞬间增加，造成托板过载弯折、撕裂及接触区域围岩破裂、塌落等问题，采用实验室试验的方法，搭建了托板与缓冲垫层组合试样静、动载测试试验台，分别测试了5种组合结构托板的静、动载力学性能，获取了组合结构的静载力-位移曲线、冲击力时程曲线及应变时程曲线；研究了不同冲击载荷下组合结构的力学响应规律，分析了缓冲垫层材质、厚度对组合结构抗冲击性能的影响。试验结果表明：静载作用下缓冲垫层对托板变形形态有一定影响，刚度高的缓冲垫层会增加托板的变形量，但也会降低组合结构的峰值载荷；垫层厚度主要影响组合结构的变形能力，对承载力影响不大。不同冲击能量下托板的冲击力峰值基本相同，托板在较低的冲击能量下已达到峰值承载力，动载峰值承载力与静载最大承载力基本相同。不同冲击能量下托板变形明显不同，托板对角线上部的变形相对较小，中线上部的变形相对较大；缓冲垫层能降低组合结构的冲击力峰值，与未使用缓冲垫层相比，采用松木、橡胶垫层、废旧皮带及泡沫铝缓冲垫层时，组合结构冲击力峰值分别降低21.45%、17.55%、25.40%和2.80%，冲击力作用时间分别增加了41.94%、24.52%、47.74%和65.16%，缓冲垫层可降低冲击力峰值，延长冲击作用时间，有效吸收冲击能量；垫层厚度对试样冲击力和应变影响较大，垫层厚度越大，吸收的冲击能量越多，冲击力峰值越小，冲击力作用时间越长，垫层缓冲性能越好，合适的垫层材料和厚度能有效降低冲击载荷对托板结构的破坏效应。总体来看，与单独使用托板相比，4种缓冲垫层均能实现吸能减冲，不同缓冲组合结构的垫层对抗冲击性能影响不同，缓冲垫层吸能效果从优到劣分别为泡沫铝、松木、废旧皮带及橡胶垫。

• 基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用

  姚强岭, 李英虎, 夏泽, 李学华, 王烜辉, 晁宁,

  通过对巷道顶板岩梁的变形及破坏特征分析，确定了顶板失稳的宏观过程及力学现象；针对煤系巷道顶板沉积岩层的分层特征，建立了煤系巷道顶板叠加梁力学模型，基于其协调变形及共同承载特性，求解出叠加梁中各分层岩梁等效承载应力、层间作用力以及锚杆（索）支护强化参数，揭示了锚杆（索）对叠加梁结构的支护作用机理，即优化不同抗弯刚度的各层顶板的承载应力分配，充分发挥各岩层力学承载性能，控制顶板的整体下沉，同时提高叠加梁的内聚力及变形模量，间接强化整体锚固结构的力学承载强度。针对顶板叠加梁支护结构在巷道不同服务阶段失稳条件，提出了煤系巷道顶板支护的有效锚固状态以及有效锚固层厚度，用于评价巷道支护中锚杆（索）对顶板实际的锚固能力，从而形成了煤系巷道顶板叠加梁支护理论。基于该支护理论，以皖北煤电集团任楼煤矿Ⅱ7324S工作面风巷为工程背景，对其在近距离煤层、采空区下伏成巷条件下进行了顶板支护设计，根据层间距在大于6 m，4 m-6 m以及2 m-4 m的三种不同范围，将该巷道进行分区，通过对顶板叠加梁结构进行分析与有效锚固层厚度计算，分别确定了在不同巷道区域内使用锚杆与注浆锚索为主的支护方案对巷道顶板进行加固，并结合现场工业性试验验证了该支护方案的合理性与有效性。

• 地下工程微观NPR锚杆钢静力拉伸及锚固抗剪力学特性

  陶志刚, 任树林, 何满潮, 夏敏,

  资源开采和地下空间建设逐渐向深部发展，给深部围岩支护体系带来了新的挑战，研发具有高强高韧、超强吸能、可施加高预紧力的围岩支护材料势在必行。基于此，自主研发了一种高强度、高延性，具有微观负泊松比效应的锚杆钢新材料，又称微观NPR（Negative Poisson’s Ratio）材料，这种材料可以被用于加工成锚杆、钢筋、锚索、钢带等多种类型的工程应用材料。本文重点针对微观NPR锚杆钢的锚固剪切力学特性进行实验研究，首先介绍了PR（Poisson’s Ratio）材料、宏观NPR结构和微观NPR材料的基本概念及研发历史；然后开展微观NPR锚杆钢和普通PR锚杆钢的静力拉伸及锚固剪切实验；最后对比分析微观NPR锚杆钢的破坏形态、拉伸力学性能以及锚固抗剪力学特性。实验结果表明，在静力拉伸条件下，相较于普通锚杆钢，微观NPR钢拉伸曲线无屈服平台，具有恒阻大变形的准理想弹塑性特征，大大提高了锚杆材料的强度和变形性能，且其拉伸过程中均匀变形，破断后基本无颈缩；在锚固剪切实验条件下，加锚节理岩体在剪切荷载作用下具有显著的延性破坏特征，有效改善了无锚固节理岩体脆性破坏现象，微观NPR锚杆钢所能提供的抗剪强度远高于普通锚杆钢，并且其承受横向剪切变形能力是普通锚杆钢的2.5倍以上。实验证明微观NPR锚杆钢能够很好的平衡金属材料高强度和高延性的矛盾，极大提升了锚杆钢抗拉、抗剪能力，从材料本质上实现了锚杆的大变形超强吸能特性，在深部地下空间大变形控制等方面具有良好的应用前景。

• 扩胀-摩擦式吸能防冲锚索及其力学特性

  王爱文, 范德威, 潘一山, 赵宝友, 代连朋,

  冲击危险巷道围岩冲击大变形造成锚固支护材料过载失效已成为深部煤矿巷道支护技术中亟待解决的工程难题。针对传统钢绞线锚索难以适应围岩冲击作用而出现的过载拉断问题，基于金属圆管扩胀塑性变形及摩擦耗能原理，研发了一种扩胀-摩擦式吸能防冲锚索。采用塑性力学理论开展了吸能防冲锚索吸能原理解析分析，并结合正交模拟试验讨论了吸能装置结构尺寸及材料属性对吸能阻力的影响规律及敏感性，得到了影响吸能防冲锚索吸能阻力的主控因素。研究结果表明：吸能防冲锚索的吸能装置在让位吸能过程中，吸能装置吸能总阻力可分为扩胀变形阻力和滑动摩擦阻力两部分。吸能套管壁厚、膨胀比、屈强比、摩擦系数以及扩径台锥角对扩胀变形阻力、滑动摩擦阻力的影响规律存在显著差异，吸能套管屈强比增加会导致吸能总阻力降低，扩径台锥角越大，降低速度越快；滑动摩擦阻力对吸能套管膨胀比变化较为敏感，而扩胀变形阻力对扩径台锥角变化极为敏感，增大扩径台锥角可迅速降低滑动摩擦阻力，增大扩胀变形阻力，从而改变二者在吸能总阻力中的占比；扩径台锥角相同时滑动摩擦阻力对吸能套管膨胀比的敏感性显著大于扩胀变形阻力；摩擦系数直接影响滑动摩擦阻力，而对扩胀变形阻力没有影响。6因素5水平正交模拟试验结果表明：影响吸能总阻力的因素主次顺序为吸能套管壁厚、扩径台锥角、吸能套管屈强比、挤压圆台高度、吸能套管膨胀比以及摩擦系数，吸能总阻力数值模拟与理论计算结果的相对误差在10%以下，吸能套管壁厚、膨胀比、屈强比、摩擦系数以及扩径台锥角，对吸能总阻力的影响趋势与理论分析基本一致。理论解析、数值模拟与实验结果具有较高的吻合程度，证实了吸能防冲锚索解析模型、数值模型的正确性，可作为吸能防冲锚索结构设计的理论依据。通过调整吸能装置的材料及结构参数，可以实现吸能阻力在300~500kN之间的调整，以匹配不同型号钢绞线。

• 坚硬顶板回采巷道冲击地压的卸载滑脱机制

  韩军, 崔露郁, 贾冬旭, 惠乾嘉, 朱志洁, CAO Chen,

  冲击地压严重威胁煤炭安全高效开采,研究冲击地压发生机制具有重要意义｡首先对矿井回采巷道冲击地压显现特征进行了归纳和总结,认为坚硬顶板和坚硬煤体是回采巷道发生冲击地压的关键地质特征,水平应力是冲击地压力源,巷帮煤体滑脱是回采巷道冲击的破坏特征｡基于弹性地基理论,分析了坚硬顶板条件下回采工作面前方和临空侧顶板向上挠曲､导致煤层竖直压力卸载的特性,并与现场监测工程实践进行对比验证｡在此基础上,以巷帮煤体为研究对象,建立了顶板-煤层-底板复合结构体的卸载滑移力学模型,通过分析煤块所受水平应力､煤体拉力及煤-顶板和煤-底板结构面摩擦力之间的力学平衡关系,建立了巷帮煤体冲击启动的临界方程,并对各变量的取值进行了讨论｡结果显示,开采过程中,悬顶使坚硬顶板向下弯沉,坚硬煤体导致工作面前方和侧方顶板向上挠曲,从而使工作面前方或者侧向煤层垂直压力降低,使得顶底板对煤层夹持作用减弱,巷帮煤体在水平应力作用下,克服顶､底板摩擦力及煤体抗拉力后冲入巷道,形成冲击地压｡基于建立的模型,分析了开采深度､顶板强度､弹模和厚度､煤层强度和弹模等控制要素的影响和作用｡最后,以唐山矿“8·2”冲击地压和红阳三矿“11·11” 冲击地压为例,应用提出的模型解释了坚硬顶板挠曲､巷帮煤体卸载滑脱的冲击地压发生机制,对提出的模型进行了验证｡

• 冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量响应规律

  曹安业, 陈凡, 刘耀琪, 窦林名, 王常彬, 杨旭, 白贤栖, 宋士康,

  矿震是冲击地压孕育及诱发的重要影响因素，研究矿震震源破裂机制对完善冲击地压致灾机理至关重要。为有效分析矿震震源破裂机制与震源参量响应特征，基于相对矩张量反演原理提出以震源群为单位反演矿震震源机制，并针对煤矿应用背景构建了反演矩阵，推导了反演所需最低射线数与震源数条件，优化了矿震震源破裂类型判识方法，提高了反演精度与效率，统计分析了褶皱构造区、深埋断层构造区以及高应力大巷煤柱区等3个冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量的响应规律。结果表明：矿震震源参量与破裂机制与其地质构造情况、震源层位以及应力环境等相关。褶皱构造区顶板型强矿震以拉张破裂占主导，煤体中强矿震以剪切破裂占主导，拉张型与剪切型矿震的震源破裂强度与应力调整程度差异较小，而拉张型矿震的扰动规模更大；深埋断层构造区拉张型矿震具有更强的破裂强度，剪切型矿震具有更大的扰动规模；高应力大巷煤柱区矿震震源类型以剪切破裂为主导，煤柱（体）极易在顶底板的夹持下沿应力优势方向发生连续性剪切破坏，剪切型矿震震源参量平均值（除视应力）明显高于拉张型矿震，表明剪切型矿震时冲击危险性显著高于拉张型矿震。不同条件下震源参量与破裂机制响应特征可为强矿震的精准判识和力学机制研究提供参考。

• 厚煤层一次采全高低位厚硬岩层垮落致冲机理与防治

  张俊文, 董续凯, 柴海涛, 宋治祥, 范文兵, 王黔, 吕玉磊, 郑波, 白俊杰, 刘志高, 贾乐乐,

  基于某矿31103工作面煤层及顶板的基本参数，结合该工作面已发生冲击事件，发现低位厚硬岩层垮落是该矿发生冲击地压的主要原因。为此，以防治低位厚硬岩层垮落诱发冲击地压为目的，选取该矿31103回采工作面顶板垮落控制为工程背景，采用现场调研、理论分析等方法，研究了厚煤层一次采全高低位顶板支托层与随动层的运动规律，建立了采空区侧向支承压力力学计算模型，揭示了低位厚硬岩层垮落诱冲机理。所获主要结论如下：1)确定了工作面低位顶板岩层的基本参数，并计算得出了工作面低位岩层中较厚的协同垮落岩层。在工作面开采过程中，随动层随支托层运动发生同步变形，当工作面顶板发生大面积悬顶垮落时容易造成大能量动力现象；2)建立了采空区侧向支承压力力学计算模型，得到了采空区侧向支承压力峰值位置距采空区边缘约为45m，影响范围约为90m，支承压力峰值约为55MPa，31103工作面回风顺槽处于采空区侧向高支承压力影响范围。在工作面开采过程中，回风顺槽围岩应力已达到发生冲击地压的应力水平；3)揭示了低位厚硬岩层垮落致冲机理：采空区侧向支承压力形成的高应力静载是主要冲击力源，回采工作面厚硬支托层与其随动层同时垮落造成的扰动动载是主要诱发力源，两者叠加作用导致冲击地压事故；4)提出了针对性的防治措施：在本工作面同时采用水力压裂技术与爆破切顶技术；在下一临侧工作面则采取小煤柱护巷布置方式，并在采空区侧进行爆破断顶；基于上述卸压措施，在工作面继续推采过程中微震事件总体呈现为频次降低、单次能量减小、总能量减小的特征。

• 基于加卸载响应比的冲击地压矿井急倾斜巨厚煤层推进速度研究

  崔峰, 贾冲, 来兴平, 陈建强, 张随林, 何仕凤,

  工作面推进速度过快易诱发冲击地压等动力灾害，探讨合理的工作面推进速度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键。采用数值模拟、岩石力学试验和现场微震监测等方法，通过研究急倾斜巨厚煤层推进速度影响下工作面前方煤体经历的采动应力路径，分析推进速度采动应力路径下的煤样力学行为特征。完成了采动应力路径下煤样加卸载响应比的变化规律研究与急倾斜巨厚煤层工作面推进速度的合理确定，开展了现场工程实践验证。研究结果表明：急倾斜巨厚煤层随工作面推进速度增加使得采动应力峰值增大，同时其采动应力路径的循环加卸载幅度增加，循环次数减小，主要影响区域范围增加，而作用时间减小。不同推进速度应力路径下的煤样强度呈非线性递增趋势，且采动应力路径下的煤样强度普遍大于的常规路径，煤样破坏程度、声发射累计计数及能量均随应力路径所处推进速度的增加而增大。类比冲击矿压评价指标得到6.4m/d应力路径下的煤样可视为冲击煤样，同时引入加卸载响应比，提出了基于采动加卸载响应比的冲击地压矿井工作面推进速度合理确定方法，形成了不同推进速度采动应力路径影响的加卸载响应比评价指标，确定了满足+425水平工作面的安全高效开采推进速度。现场微震实测结果验证了基于采动加卸载响应比确定工作面推进速度的有效性。研究结果为冲击地压矿井工作面的安全高效开采提供了科学指导。

• 煤矿冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制研究进展

  王宏伟, 王晴, 石瑞明, 姜耀东, 田政,

  煤矿冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制研究对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的科学意义和工程指导价值。人类采掘活动使得在地壳运动等强挤压过程中形成的断层等复杂地质构造受到扰动，结构面的活化和失稳将释放大量在构造成型期间所积聚的弹性应变能，进而极易诱发冲击地压等动力灾害。从断层构造成因、地质赋存状态和高水平原岩应力环境的角度介绍了冲击地压发生的地质环境特征，总结了与断层构造相关的冲击地压发生模式，凝练了开采扰动下断层滑移失稳的力学机理和断层构造失稳诱冲的多物理场前兆特征等２个关键科学问题，建立了考虑工作面开采影响的断层结构力学模型和厚层顶板赋存的物理模型，推导了断层面上下盘相对滑动位移计算的逐点积分方法，提出了可表征断层滑动摩擦与能量释放相关性的断层结构势能的概念，分析了开采扰动下断层面位移场、应力场和能量场的动态演化特征，系统阐述了断层构造的失稳特点和诱冲力学机理。研究结果显示，工作面开采条件下断层区域位移场表现为由局部静态滑移突然向整体剧烈滑动转变的非线性动态演化过程，并伴随着断层面上下盘之间的相对位移出现由缓慢滑动突然变化为急剧滑移的失稳现象，断层面最大位移也由断层顶部突然转移至断层中部靠近煤层的区域，对工作面造成极大冲击破坏。随着煤层的逐步开采，断层面正应力和剪应力在同步演化发展过程中发生了分化的现象，表现出正应力增加而剪应力降低或剪应力增加而正应力降低的特征。断层结构面和上覆厚层顶板的交界区域在上覆岩层下沉和侧向压力的共同作用下完成了最大滑动静摩擦向滑动失稳摩擦的动态转换过程，位移场的缓急突变和应力场的正剪分化现象均出现在该转换期间，而最大位移的出现也预示着断层结构发生了剧烈的滑移失稳。断层结构失稳前，由于厚层顶板坚硬且不易破断使得断层结构保持相对稳定，此时断层结构势能处于长期积聚而未释放的状态。监测数据显示，与断层结构势能相关的微震事件数、声发射事件数和电磁辐射强度值等数据均出现缺失的现象。断层滑移失稳后，该类监测数据又由几乎为零转为突然激增，并伴随着剧烈的滑动和对工作面的冲击破坏。综上所述，在复杂断层构造赋存、高水平原岩应力环境和开采扰动下，岩层运动与断层滑移的耦合作用是断层失稳的主要原因，而伴随的位移场缓急突变、应力场正剪分化和能量场激增滞后等多物理场演化规律均可作为冲击地压发生的前兆特征。

• 冲击地压“双驱动”智能预警架构与工程应用

  陈结, 杜俊生, 蒲源源, 姜德义, 齐庆新,

  冲击地压预测预警有助于全面掌握灾害风险程度,提前采取针对性防冲措施,可以有效降低灾害影响｡冲击危险性等级､冲击危险性区域与潜在冲击时间的实时量化预测是冲击地压预测预警的核心｡为此,提出“双驱动”冲击地压智能预警架构,结合物理驱动与数据驱动,动态实时确定工作面冲击地压的等级､时间及区域｡在物理驱动的框架下,通过贝叶斯概率的综合模型,使用工作面实时微震数据､巷道实时应力､地震CT-微震等相关参数,对工作面冲击地压危险性等级进行动静态协同综合实时评价;在数据驱动的框架下,以微震大事件定量预测为切入点,构建一个结合普通卷积模块､循环神经网络模块与AR 自回归模型的深度学习模型MSNet,利用工作面历史微震事件作为模型输入,定量动态预测未来几次微震事件发生的时间､位置与能量,继而确定冲击时间与危险性区域,并基于Unity3D软件开发了相应的冲击地压三维智能预警平台｡创新性提出了基于物理及数据“双驱动”的冲击地压灾害预警技术,实现了冲击地压风险特征信息的动态智能预警预测和危险区域的三维可视化显示｡平台的现场应用表明,具有冲击危险性的等级预测精度可达0.88｡和现场微震记录相比,工作面微震事件位置坐标预测的平均精度达到0.977,时间预测的平均精度达到0.523,基于微震事件定量预测结果的冲击区域与时间确定和现场实际情况表现一致,显示出了良好的工程适用性｡

• 我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害分类、预测与防控

  朱斯陶, 刘金海, 姜福兴, 尚晓光, 孙希奎, 张修峰, 王超, 张明, 王爱文, 谢华东, 曲效成,

  针对我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害频发的现状,采用现场调查､理论分析､现场监测等方法,对顶板运动型矿震及诱发灾害发生机制､预测和工程分类技术进行了研究,得到以下主要结论:① 基于关键层运动模式将顶板运动型矿震分为关键层断裂型､关键层回转型和关键层滑移型3类矿震,建立了基于“关键层运动状态”的顶板运动型矿震的能量预测模型,分别提出了3类顶板运动型矿震能量的计算方法;② 基于顶板运动型矿震诱发井下和地面灾害机制,建立了顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害的一体化力学模型和评估方法,为煤矿顶板运动型矿震诱发灾害的预测提供了基础;③ 提出了分类防控､源头减震､吸能抗震协同防控顶板运动型矿震的理念,形成了以低矿震能量､低围岩密度和高抗震能力为基础的煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控体系,开展了地面直井压裂源头防控顶板运动型矿震的技术试验研究;④ 根据工作面在压裂区开采期间的矿压显现和相似材料模拟试验结果,大范围压裂措施能够降低大能量矿震发生频次,但也可能改变关键层运动模式,甚至增大井下矿压显现强度｡

• 基于TFA-DC到时拾取的双震相微震震源定位方法

  贾宝新, 李峰,

  针对双震相定位中S波初至到时拾取困难的问题，提出了同时使用由基于时频分析的下山比较法（TFA-DC方法）所得P波精确到时与S波峰值到时的双震相定位方法(TD-DL方法)。引入计算发震时刻估计值的双震相目标函数，将其中双震相波速整合为震相传播速度，并与震源坐标一同作为未知量代入粒子群算法中进行计算，以此同TFA-DC方法组成了TD-DL方法。利用TFA-DC方法拾取P波到时与S波到时的特点，结合模型试验下两种单震相与TD-DL方法的定位结果分析，获取了单、双震相定位之间的区别与联系，并论证了该方法提高定位精度的原理。通过对比矿震信号下两种单震相与TD-DL方法在定位精确度与稳定性方面的优劣，对该方法的优越性进行了验证。结果表明：由于S波到时约束信息的增加以及目标函数的最小值趋向作用，TD-DL方法提高了对检波器坐标、双震相到时等已知信息的统合能力，使其定位结果趋于两种单震相定位结果较真实震源误差更小的一方，并且利用TFA-DC方法对于P波与S波拾取到时的偏移关系，在一定程度上抵消了P波、S波单震相计算所得的定位误差，从而达到提高震源反演定位精度的效果；模型试验下TD-DL方法定位误差平均值分别为P波、S波单震相定位的23.9%和18.9%，定位误差标准差分别为P波、S波的50.9%和36.9%，工程数据下TD-DL方法定位误差平均值分别为P波、S波单震相定位的8.1%和12.6%；各坐标轴上坐标可变检波器的个数与定位结果在相应坐标轴上的误差呈负相关关系，高精度定位对检波器空间高密度布置的要求可简化为检波器在各轴对应自由面上的高密度布置。

• 低场核磁共振技术在煤孔隙结构精准表征中的应用与展望

  翟成, 孙勇, 范宜仁, 杨培强, 葛新民, 吴飞, 徐吉钊, 余旭, 刘厅, 赵洋,

  煤的孔隙结构对于瓦斯、水等流体的运移起关键作用，煤储层资源评估和致裂效果评价均有赖于高效的测孔技术。在众多的测孔技术中，低场核磁共振是近年来应用广泛的煤孔隙结构无损、快速、精准测试技术。该技术通过检测多孔介质中的饱和含氢流体（甲烷、水、油等）的核磁共振驰豫信号，反映孔隙结构及孔隙流体分布等信息。通过核磁共振弛豫谱分析可以得到煤的孔隙度、孔径分布、孔连通性、孔隙流体、润湿性和渗透率等物性特征，评价致裂增透效果；通过二维核磁共振可以区分水、甲烷等不同含氢流体及同一含氢流体的不同相态；通过核磁共振成像可以使煤内部的孔隙分布与流体运移可视化。高温高压核磁共振分析仪可以模拟深部原位煤层环境，实现水力压裂、注气驱替、瓦斯吸附/解吸、应力变形等过程煤心的实时分析与成像。介绍了核磁共振弛豫法和冻融法的测孔原理及相应的设备系统，总结了基于核磁共振的煤孔隙结构及流体特性分析体系，涉及了弛豫分布曲线到孔径分布曲线的转换、孔隙流体的划分、孔隙润湿性评价等关键问题，进而阐述了高温高压低场核磁共振测试系统在煤炭开发领域的最新应用进展，未来低场核磁共振技术将向着模拟原位煤层环境、结合大数据与机器学习以及煤矿现场应用的方向发展。

• 煤层瓦斯解吸扩散过程中甲烷碳同位素分馏动力学模型

  李伟, 杨康, 程远平,

  甲烷在多孔介质煤层中运移时，会发生显著的同位素分馏，目前的模型和机制并不能完全解释瓦斯运移过程中的同位素分馏现象。以不同分子间的竞争吸附作用、扩散能力差异性以及碳同位素分馏解吸—扩散成因等理论为基础，构建了煤层甲烷碳同位素分馏动力学模型。研究结果表明，在解吸过程中，甲烷碳同位素逐渐变重。瞬时同位素值在解吸后期呈指数级变重，累计同位素值随时间的变化与气体的累计脱气量随时间的变化相似。在气体扩散过程中，扩散系数比值(D1/D2)对同位素分馏具有显著的控制作用。煤芯中吸附气的含量占到90%以上，解吸/吸附引起的同位素分馏变化与耦合作用下引起的同位素分馏变化相近，该模型较好的预测了煤芯瓦斯解吸中碳同位素分馏实验。甲烷在孔隙中的解吸、扩散是碳同位素发生分馏的重要原因，在此过程中游离气和吸附气引起的同位素分馏具有阶段性。通过该模型的参数与煤芯的参数匹配后，可以获得煤芯吸附气含量、游离气含量，进而评价煤层瓦斯含量。将该模型应用到煤层钻孔瓦斯抽采过程中，结合现场测试和实验室测试确定模型参数，建立煤层钻孔抽采瓦斯碳同位素值与瓦斯抽采情况的关系。可以判断煤层瓦斯抽采所处的阶段，并计算残余瓦斯含量,为评价煤层瓦斯抽采效果的潜在应用提供理论基础。

• 基于流动扩散互竟关系的基质吸附态瓦斯表观扩散系数实验室测定准确性分析

  赵伟, 王凯, 李成武, 鞠杨, 刘晨熙, 魏诚敏, 袁廷璐,

  解吸实验初期高速涌出的游离瓦斯使得不同损失时间条件下观测到的解吸曲线形态发生剧烈变化，为实验室准确测定基质吸附态瓦斯表观扩散系数，以及工程中精确测定K1值与损失瓦斯含量带来了不便。基于瓦斯流动与扩散的竞争互抑关系，建立了引入游离瓦斯流动的全浓度表观扩散模型，确定了游离瓦斯和吸附瓦斯对于整体逸散瓦斯的贡献变化，同时构建了K1值时因衰减数学模型。利用自主研发的瓦斯解吸自动测试装置，精确测定了初期瓦斯解吸曲线，并获得了损失时间为1 min，5 min及10 min条件下的表观扩散系数有效值。研究结果显示：随解吸时间的延长整个解吸过程可分为三个阶段，分别为游离瓦斯流动主控阶段、过渡阶段和基质吸附瓦斯扩散主控阶段；裂隙游离瓦斯量与解吸时间呈线性规律，基质吸附瓦斯量与解吸时间符合单孔扩散模型规律，其在短时间内又符合t模型；随着损失时间增大，游离瓦斯在整体逸散瓦斯中的贡献逐渐减小，而吸附瓦斯扩散的比重逐渐增大，在宏观上表现为解吸曲线线性段缩短，而曲率增加；依此推导出的表观扩散系数和K1值亦随之逐渐减小，且减小速度初期较大。利用表观扩散系数时因衰减关系，论文最后给出了K1值及损失量测定的有效测算时间区间，并建立了精确度更高的瓦斯损失量推算模型，将原有t模型对实验样品数据的拟合度提升了20.8%。研究结果有助于煤与瓦斯突出防治工作中提升相关瓦斯指标测算的精准度。

• 瓦斯脱附扩散迟滞压力及双重孔隙煤体窜流函数

  刘清泉, 褚鹏, 黄文怡, 吕彪, 王亮, 张保勇, 刘嫄嫄,

  煤中瓦斯运移要经过脱附-扩散-渗流等贯序环节才能进入钻孔或巷道。大量有关残存瓦斯含量、煤的瓦斯吸附解吸残余变形及吸附解吸迟滞的研究显示，煤中瓦斯脱附扩散过程较吸附扩散过程存在不可忽略的附加阻力，其大小由扩散路径长度及复杂度所控制。脱附扩散附加阻力影响基质系统与裂隙系统间的质量交换，但当前被广泛的使用的双重孔隙煤体瓦斯运移模型并未考虑其影响，用于瓦斯抽采流场特性的理论分析时将使得瓦斯含量被低估。基质系统与裂隙系统间的质量交换也被称为窜流，窜流函数是计算基质系统与裂隙系统间质量交换量/速率的关键函数。为了修正煤层瓦斯运移模型，开展了以煤粒（煤柱）吸附解吸等温测试模拟裂隙压力恒定的窜流试验，提出了瓦斯脱附扩散迟滞压力用于定量评价附加阻力，修正了双重孔隙煤体窜流函数，并同试验结果进行了对比验证。获得如下成果：明确了瓦斯脱附扩散迟滞压力的概念与物理意义；当最大吸附平衡压力相同时，降压过程中瓦斯脱附扩散迟滞压力随粒径增大而增大，对于同一样品，瓦斯脱附扩散迟滞压力随压降值的增大而减小；使用修正模型模拟煤柱瓦斯解吸过程与实验获得的等温解吸数据匹配度较好，R2可达98.2%。随着开采深度增加，地应力增大，煤的基质尺度将大幅增大，脱附扩散迟滞压力对于煤层瓦斯运移的影响将更加显著，通过技术手段减小脱附扩散迟滞压力应成为深部煤层瓦斯治理或煤层气开发需深入研究的问题之一。

• 煤矿水害智能化防控平台架构及关键技术

  王皓, 董书宁, 姬亚东, 乔伟, 尚宏波, 朱开鹏, 周振方, 宁殿艳,

  推动煤矿水害防治由信息化向智能化转变是保障煤炭工业高质量发展的关键环节。本文立足煤矿水害智能化防控的多重需求，引入云计算、大数据、人工智能等技术，针对煤矿水害基础数据综合管理效率不高、水害超前防控精细程度不足、水灾应急决策时效性不强以及水灾事故发生后难以快速准确鉴定等技术难题，系统剖析了实现煤矿水害智能化防控的主要技术方法；开展了煤矿水害大数据管理、采掘三维地质体模型动态精细构建、水害超前数字化评价与防治、水灾过程应急决策远程辅助及灾后事故计算机辅助诊断等技术研发；形成了基于多源信息融合的煤矿水害大数据管理系统、煤矿采掘三维地质体动态精细建模系统、煤矿水害分析评价与超前防治数字化系统、水灾事故应急响应远程辅助系统以及水灾事故远程诊断分析系统；构建了煤矿水害智能化防控平台，并在煤矿现场进行了推广应用，有效提高了煤矿水害超前防控、灾中治理与灾后诊断各阶段的数字化、智能化技术水平。研究成果将有力推动我国煤矿水害防治技术的进步，可为煤炭企业开展基础数据管理与水害评价与防治，行业专家及国家安监部门开展水灾应急决策和事故诊断提供支持，是传统水害防治技术数字化、智能化转型发展的重要支撑。

• 微构造对煤层气的控藏机理与控产模式

  闫霞, 徐凤银, 张雷, 聂志宏, 张伟, 冯延青, 张双源,

  煤层气单井产量差异性强，实际开发效果与预期差距较大。分析微构造对煤储层地质条件和对煤层气开发生产的影响，剖析不同微构造部位压裂改造效果、压降漏斗形态、煤粉产出、气水动态对地质－工程因素的响应，讨论“动态气藏”形成及微构造控藏机理，明确了微构造的控产特征。研究表明：微构造、煤层气地质条件与开发动态特征的耦合作用，造就了不同微构造部位产气效果的明显差异。在长期开发过程中，不断解吸的煤层气顺着优势降压方向运移汇聚至微构造高部位形成“动态气藏”。与常规天然气圈闭控藏机理不同，“动态气藏”是开发生产过程中气水分异和运移聚集形成的新生气藏，这一机理得到生产实践验证。正是受控于这一机理，即使浅埋藏泄压区或背斜轴部煤层含气量不高，但若处于微构造高部位也可能获得高产。因此，相比其它地质因素，微构造对开发过程的影响更为重要。煤储层流场（气场和水场）在不同解吸阶段的变化规律与微构造形态有关：在浅埋藏和正向微构造条件下，煤储层将优先解吸产气；在正向构造背景的负向微构造、独立负向构造、地下水径流区、断层及陷落柱附近，沟通上下含水层井的产水量较大；在正向构造背景的负向微构造部位，煤层气井可为周边井做贡献且后期高产，形成高产水高产气型井；在独立向斜部位，煤层气井可为周边井做贡献，形成高产水低产气型井；其他4种地质条件下的井为“无效排水”的高产水低产气型井。据此，划分出六类煤层气井，其中五类井与微构造密切相关。在正向微构造与斜坡，以高稳产和缓慢递减A型井为主；产量突停B型井起源于煤粉卡泵，主要分布在构造陡变部位；在负向构造部位，以持续高产水低产气D型井为主；在采空区、断层附近，以间断产气E型井为主。上述成果改变了背斜轴部原位贫气等传统认识，有助于提高煤层气甜点评价和井位布置准确性，为预测未开发区相似地质条件煤层气井产能及开发规律提供了新的思路和依据。

• CO2震源的槽波勘探现场实验及前景讨论

  王勃, 刘盛东, 孙华超, 邢世雨, 章俊, 丁昕, 龚震,

  震源是地震记录的源头，是地震勘探的关键部分，直接影响地震信号质量，常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制，因此，亟需研究适合于矿井地震勘探的新型震源。基于此，在突出矿井中厚煤层工作面开展了新型CO2震源的槽波勘探实验，基于理论计算、数值模拟及现场实测等方法，进行了新型CO2震源激发地震信号的运动学及动力学特性研究，结果表明：在异巷激发-接收透射勘探及同巷激发-接收透射勘探地震剖面上均出现典型的纵波、横波及槽波，其中槽波主频最高，振幅能量最强；异巷激发-接收的透射槽波频宽约为200~350Hz，槽波埃里震相约为260Hz，同巷激发-接收的透射槽波振幅能量集中在250~450Hz，槽波埃里震相约为280Hz；2Kg液态CO2震源理论能量超过140g的TNT当量；因此，CO2震源激发下的地震信号的频率及振幅满足矿井地震勘探需求。相对于巷帮激发的炸药震源而言，CO2震源集中力源的激发方式有利于槽波发育，以及CO2震源具有深孔激发的优势，避开了巷道及围岩松动圈的影响，定向聚能作用于煤。同时，CO2震源激发具有方向性，利用CO2震源聚能方向性优势进行构造精细勘探是下一步重点研究方向；CO2相变致裂技术常被用于煤层卸压增透，借用CO2震源有望实现对掘进工作面前方的瓦斯富集异常、应力变化异常的随掘随探。

• 论引导型矿山生态修复

  雷少刚, 卞正富, 杨永均,

  “以自然恢复为主，与人工修复相结合”作为生态修复的基本原则，其引出的关键科学问题是，如何认知并利用自然恢复能力、如何协同人工干预与自然恢复。本文重点讨论分析了引导型矿山生态修复的基本原理和技术框架，以破解人工干预和自然恢复之间的争议和困惑，更好地处理两者之间的关系。引导型矿山生态修复的就是明确何时干预、何处干预、如何干预、干预程度等基础问题。引导型矿山生态修复强调了人工干预的针对性、及时性、持久性和有效性，以减少人工过度修复的人力、物力成本和能量消耗，是符合“双碳”目标的。分析表明，引导型矿山生态修复的主要理论基础是生态系统的抵抗力和恢复力等。引导型矿山生态修复技术框架的主要内容包括矿山生态问题诊断、引导修复方向的判定、引导修复的关键对象或区位的确定、引导修复的合理程度或生态阈值的识别、以及修复技术措施筛选等技术环节。生态修复的本质是对生态关系的修复，因此，矿山生态关系、过程、规律感知是引导修复的前提；障碍性和限制性影响因子和景观格局过程是引导修复的主要对象；生态阈值和生态参数的调控是科学引导的关键。引导型矿山生态修复模式的修复目标和对象明确、干预程度合理、能有效降低修复成本、提升矿山生态系统自维持能力，符合自然恢复和人工修复相结合的理念和现实需求，是传统人工干预修复模式的发展升级，可以在我国矿山生态修复工作中进一步研究推广。

• 高潜水位煤矿区开采扰动的长时序过程遥感监测与影响评价

  肖武, 陈文琦, 何厅厅, 赵艳玲, 胡振琪,

  煤炭开采导致地表沉陷积水，是东部高潜水位平原煤矿区的主要特征，对矿区开采中沉陷水体变化的长时序检测，有助于定量评估煤炭开采对土地、生态与社会的综合影响效应。在没有地下采矿信息为先导的情况下，如何识别与区分自然水体、人类地面活动导致的挖掘水体，以及沉陷水体，同时量化开采沉陷影响的边界与程度是目前单纯采用遥感手段进行监测的难题。以山东兖州煤田为例，利用Google Earth Engine（GEE）云计算平台，基于1986年以来可以获取的所有Landsat时序影像数据，结合CCDC（Continue Change Detection and Classification）算法开发了基于轨迹数据检测变化的沉陷积水年份和复垦年份时空动态制图的方法，在此基础上，以提取的沉陷水体图斑为依据，利用Sentinel-2数据分别反演了积水缓冲区反应土壤含水量的VSDI（Visible and Shortwave Infrared Drought Index）、 LSWI（Land Surface Water Index）、SMMI (Soil moisture monitoring index)三个指数，根据土壤水分空间变化规律，通过测度离沉陷积水区不同距离土壤水分空间分布特征，进一步对开采扰动的影响范围与程度进行定量分析。结果显示，（1）基于CCDC算法识别1986—2017年地下煤炭开采引起的地表沉陷积水与复垦年度时空数据，精度分别为85%、77%。（2）研究区自1990年出现沉陷水体，至2017年累计沉陷积水面积3021.08公顷，其中75.80%的沉陷积水发生在2001—2011年；沉陷积水复垦从1993年开始出现，累计面积888.37公顷，占沉陷积水总面积的29.41%，主要集中于2007年之后。（3）沉陷水体的影响主要集中在沉陷水体外围120米范围内，该区域出现剧烈的土壤水分变化；120-300米内存在扰动但是影响强度轻微；300米之外几乎无影响。本文通过分析矿区长时序的沉陷积水变化过程，并基于高潜水位矿区土壤水分的遥感反演识别开采扰动的影响范围与程度，为类似矿区开采沉陷水体的监测识别与影响评估提供了新的思路，并可推广应用至其他类似矿区。

• 煤泥调浆湍流强化作用机理与新型涡流强化调浆过程

  张海军, 王海楠, 陈瑞丰, 闫小康, 郑恺昕, 李丹龙, 蒋善勇,

  调浆过程为煤泥浮选提供良好的界面条件,是实现其高效分选的必要条件,其本质是一个多相流动过程,流体作用贯穿其中｡聚焦煤泥调浆过程中的“湍流效应”,搭建了实验室型搅拌装置,利用数值模拟分析其湍流特征参量,研究了不同流场条件下颗粒分散特性和颗粒表面疏水性变化规律,并通过浮选试验进行验证,以此构建了基于湍流能量密度适配的新型涡流强化煤泥调浆过程,并分析其流场特性｡研究结果表明:搅拌装置内存在流向相反的循环区,有利于颗粒分散,叶轮区流体流速和湍动能耗散率高于其他区域,叶轮叶片后存在尾涡,其发展状况与湍动能耗散率分布一致,叶轮区最小涡尺度最低,增强颗粒与药剂的相互作用,随着叶轮转速增大,流体流速和湍动能耗散率增大,最小涡尺度减小;颗粒分散浓度方差随着叶轮转速的增大而减小,低转速时搅拌装置底部颗粒浓度较高,分散效果差,包覆角随着叶轮转速的增大而增大,相同条件下,叶轮区颗粒包覆角最大,在试验范围内,叶轮转速增大,浮选产率增大;基于上述调浆过程中的湍流效应分析,构建了集成管流､错向旋流､撞击流等不同流场环境的煤泥调浆过程,并设计了MRM-800×3 600 mm型煤泥混合调质器,数值模拟表明该装置内湍流能量密度分配合理,旋流区流体流速较大,呈切向运动,撞击流区域流体运动剧烈,湍流能量密度大,最小涡尺度小,工业生产实践表明该装置矿浆通过量为300~500 m3/h,在原有工艺条件下,浮选精煤回收率提高超过4%｡

• 基于电容层析成像技术(ECT)对干法重介流化床中分离机制的研究

  段晨龙, 刘锡波, 周晨阳, 柴学森, 王烜, 赵跃民,

  我国煤炭资源与水资源呈逆向分布的特征，迫切需要开发高效的干法分选技术。研究干法重介流化床中气泡相与煤炭颗粒的运动行为特征，是揭示气固相间作用与煤炭密度离析行为的关键。电容层析成像系统 (ECT) 作为一种非侵入式三维成像测量手段，可以实现对气泡和煤炭颗粒的精准捕捉。利用电容层析成像技术，基于空气与介质颗粒间介电常数的差异，对气泡运动行为进行了精准捕捉，建立了气泡生长和运动速度的数学模型，揭示了床层中的气固两相分布特征。结合COMSOL仿真模拟证实了ECT对煤炭示踪的可行性，提出了一种可用于实时监测煤炭颗粒运动行为的技术方案，分析了操作条件及煤炭性质对运动行为的影响，实现了煤炭颗粒在径向和轴向的实时捕捉。结合上述气泡和煤炭运动行为的捕捉结果，分析了床层中气固两相分布特征，构建了适用于煤炭分选的密度模型，模型预测值与实验测量值的误差在20% 以内，能够分选密度的有效预测。通过将电容层析成像技术引入干法分选流化床分选领域，实现流化床分选行为的直接观测，解决了光纤探针、二维成像等技术对气固分选流化床中气泡运动行为捕捉的不足和煤炭分选过程可视化追踪的难题，为理解煤炭的分选机理提供了理论基础，并为流态化干法分选的精准调控提供了理论保障。

• 基于机械力化学作用煤基石墨纳米片的制备及其电化学储能特性

  邢宝林, 曾会会, 郭晖, 徐冰, 康伟伟, 张传祥, 黄光许, 孙琦, 张宝庆,

  煤炭清洁高效转化是国家实施“碳达峰与碳中和”能源发展战略的重要内容，而煤的材料化是实现其低碳高值化洁净利用的有效途径。本文以自制煤基石墨为前驱体，借助高能机械球磨产生的机械力化学作用制备煤基石墨纳米片（CGNs），考察了球磨时间对CGNs微观结构的影响，并研究其用作锂离子电池负极材料的电化学储能特性，探索利用机械力化学作用制备负极材料用CGNs的可行性。研究表明，利用机械力化学作用可以从煤基石墨中剥离出富含纳米孔隙和含氧官能团等缺陷结构的CGNs，通过控制球磨时间可实现石墨纳米片微观结构的有效调控。当球磨时间为50 h时，CGNs具有由数层石墨微晶片层相互堆叠、交联而形成的三维网络结构，其石墨微晶层间距约为0.345 5 nm，且富含1.5~20.0 nm的纳米孔隙和少量的含氧官能团，比表面积可达573 m2/g。CGNs用作锂离子电池负极材料时表现出良好的电化学储能特性，其可逆容量最高达726 mAh/g，且具有良好的倍率特性和循环稳定性，在2.0 A/g大电流密度下的可逆容量仍可达252 mAh/g，经过200次循环容量保持率为88.1 %。CGNs负极材料的锂离子存储由扩散插层电容和表面吸附电容共同控制，引入纳米孔隙和含氧官能团等缺陷结构有利于提高表面吸附电容对负极材料储能容量的贡献。本研究为高性能石墨纳米片负极材料的研发和煤炭的材料化高附加值利用提供了新思路。

• AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与试验

  王学文, 刘曙光, 王雪松, 谢嘉成, 王彬彬, 王振威,

  为突破综采工作面数据驱动实时监控技术瓶颈，进一步满足对综采工作面协同运行状态的深度感知，以虚拟现实(Virtual Reality, VR)监控技术及成果为基础，以HoloLens2增强现实(Augmented Reality, AR)头显为主要开发设备，结合工业互联网、云技术、数字孪生(Digital Twin，DT)等先进手段，进行AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与实践，充分利用AR技术的特性弥补VR监控与真实场景有割裂感、监测数据来源较为单一的缺陷，使综采工作面智能监控体系得到完善与扩充。提出三种关键技术，并对各关键技术的具体解决方案进行剖析，具体包括：(1)构建了通用高效可扩展端云协同异步网络框架，基于该框架研究了多终端协同工作关键技术，实现了空间虚实融合全息辅助标注功能。该技术可为综采工作面智能监控全过程中的多人协作提供便利；(2)将基于稀疏匹配的识别跟踪方法与基于AR标识的识别跟踪方法相结合，实现了对综采工作面全综采装备的识别跟踪，为综采工作面的AR监测与控制提供了先决条件；(3)在由物理综采工作面、云服务器、数字综采工作面三者构成的数字孪生闭环上，进行多传感器与视觉融合的综采装备位姿监测与运行状态识别，并通过AR交互手段完成了对物理综采工作面的反向控制。在实验室环境下展开测试验证，试验表明，系统数据传输压力小，延迟低，操作流畅无卡顿，在保留VR监控已有优势的基础上进一步提升了沉浸感、便捷性与虚实融合程度，具备单人或多人协作监测综采工作面运行状态并进行反向控制的能力。可为综采工作面智能监控提供一种以VR技术为基础、AR技术为突破的AR/VR技术融合新思路。

• 基于三激光束标靶的煤矿井下长距离视觉定位方法

  杨文娟, 张旭辉, 张超, 万继成, 杜昱阳, 杨红强, 石硕,

  煤矿井下掘进装备长距离动态定位是巷道掘进智能化发展面临的首要难题，准确、可靠的位姿测量与估计对提高掘进效率具有重要意义。由于煤矿环境中存在振动噪声、磁干扰、静电干扰等因素，传统测量方法的稳定性和准确性难以保证。与其他定位方法相比，视觉测量方法以其无接触、无累积误差的优点备受关注。针对井下视觉定位面临的精度和稳定性难题，提出基于多激光束的煤矿井下长距离视觉定位方法，采用矿用激光指向仪构建了三激光束标靶解决低照度、高粉尘和复杂背景的干扰问题。以悬臂式掘进机为应用对象，构建了基于三激光束标靶的掘进机机身位姿单目视觉测量系统，提出基于颜色分量的峰值聚类约束的激光束标靶图像分割方法，利用Hessian矩阵求解激光束粗略中心线像素点的法线方向，结合泰勒展开实现三激光束中心线的亚像素级特征提取和定位；构建了三点三线（3P3L）掘进机机身位姿测量模型，并建立了测量模型的最小二乘法损失函数，结合最小化重投影误差实现非迭代全局最优解估计，获得了掘进机机身位姿的最优解，并对测量模型主要参数的误差分布进行了数值仿真研究。最后，搭建基于三激光束标靶的掘进机机身定位系统平台并进行实验评估，结果表明，该方法可满足煤矿井下恶劣环境下的精确定位需求。

• 截齿辅助冲击作用下坚硬煤体的破碎特性

  张强, 田莹, 王聪,

  近年来硬质煤层比例不断上升，传统机械截割方法在硬煤条件下的效率低下一直是我国煤炭生产行业的攻坚难题，寻求一种对硬质煤层具有强适用性的破碎方法成为煤矿智能化建设的重要科学问题。冲击与截割协同破煤技术是一种新型硬煤开采方式，其通过利用截齿在运动切线方向上的往复冲击使煤体内部产生破坏，降低硬煤开采难度。而考虑到截齿冲击的时空差异可能对破煤性能产生影响，将冲击截齿应用至采煤机滚筒，设计了具有截齿冲击功能的采煤机改造结构，基于该结构建立了不同截齿冲击时空关系的运动模型，并利用离散元方法分析了不同冲击时空关系的滚筒破煤特性，模拟结果表明，同步冲击方式在各硬度下的破煤效率均优于异步冲击的破煤效率，滚筒受力均值与峰值均低于异步冲击，且相对异步冲击更稳定；此外同步冲击在各硬度下的破煤性能相对传统滚筒均有较大提升，2种方式下的破煤效率差距最大接近24%，滚筒受力差距最大达到60 kN。为测试冲击与截割协同破煤技术的实际性能，设计了简化试验装置，开展了井下破煤测试，测试结果表明，截齿冲击与未冲击状态下的平均截割阻力分别为4 473,5 390 N，截齿冲击较未冲击时可降低截割阻力约17.22%以上，所得结果虽与模拟结果有偏差，但综合截割机构减小、煤体硬度减小因素，仍可认为冲击与截割协同破煤的实际性能取得了理想效果，并体现了冲击与截割协同破煤对坚固性系数煤层的有效性，同时也可以认为截割载荷降低程度的变化规律与模拟所得变化规律相似，验证了同步冲击时空关系对硬煤具有更高适用性的结论。