煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第4期

• 矿山环境正效应开发利用理论模式与工程应用

  武强, 刘宏磊, 敖嫩, 曾一凡, 温挨树, 赵頔, 袁胜超, 韩贵雷,

  矿山环境正效应开发利用是延伸我国矿业全产业链的战略要求。随着能源结构的优化调整，煤炭在我国一次能源消费占比逐渐降低，面临关闭或已关闭的矿山数量越来越多。为了应对多元化、低碳化、清洁化的能源发展趋势，运用地质学、生态学及系统论等基础理论，从系统科学的角度提出资源化开发利用矿山环境正效应的理念，剖析了矿山环境正效应的内涵，建立了矿山环境正效应开发利用研究的理论框架。根据矿山环境正效应的不同属性，提出了4类正效应开发利用目标，即资源正效应、能源正效应、科普文娱正效应、生态服务正效应；在此基础上，按照“对象-目标-技术-模式”的系统化思维，秉承“目标导向”思路，分析了实现目标的具体途径，梳理了正效应模式在工程应用中所需的常见技术方法，构建了矿山环境正效应开发利用理论模式。以“生态立体农牧业”模式为例，通过内蒙古西部典型生产矿山的正效应开发利用模式实践研究，分析了矿山中赋存的正效应资源与模式技术的可行性，经案例工程实践验证了正效应开发利用理论模式的适宜性。最后，探讨了矿山环境正效应开发利用中面临的挑战和机遇。在能源格局演变和碳中和背景下，分析了矿山环境正效应开发利用与我国资源安全保障战略、资源型城市转型、矿山环境市场化之间的关系和意义。针对如何科学、高效地修复治理和开发利用矿山环境正、负效应并实现矿山的转型升级，提出在矿山环境研究3.0阶段重视推进矿山环境开发式修复治理、以流域为单元开展系统化修复治理，推动矿山环境正效应开发利用示范与工程落地以及数字化、智能化研究，实现我国矿山环境修复治理与开发利用的“双赢”目标。

• 双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵

  李树刚, 张静非, 尚建选, 林海飞, 王苏健, 丁洋, 侯恩科, 赵泓超,

  “双碳”的确定对煤气同采发展理念提出了绿色低碳的新要求。立足我国以煤为主的能源禀赋特点，针对煤矿CH4-CO2双重碳减排技术难题，通过探究煤矿瓦斯高效精准抽采、煤矿瓦斯全浓度梯级利用及煤层CO2捕获-封存-利用等关键技术问题，提出了以煤矿CH4-CO2近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系构想，从低碳融合技术与负碳技术两方面阐述了该构想体系，并简化分析了相应的碳源汇机制。煤矿瓦斯高效精准抽采涵盖瓦斯含量精准原位测定、瓦斯涌出量精准预测、瓦斯高效抽采区域精准辨识、瓦斯抽采精准施工设计、瓦斯抽采精准增透及瓦斯抽采精准调控；在瓦斯全浓度梯级利用方面，提出了高浓度瓦斯直接利用、乏风瓦斯及低浓度瓦斯提浓增效技术为主的阶梯式综合利用体系；煤层CO2封存作为典型负碳排放技术已处于商业运行阶段，笔者及其团队则聚焦煤矿CH4-CO2近零碳排放核心，提出了CO2煤矿采空区吸储与植被固碳理念。最后阐述了双碳目标下煤气同采技术体系的发展方向：①“地质透明化-抽采智慧化”与瓦斯精准抽采深度融合技术；②瓦斯富集-提浓-利用一体化技术及装备；③“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术；④煤气同采全生命周期CH4-CO2动态监测及管控技术体系。通过该构想的逐步实施，为我国煤炭行业碳中和目标实现提供新的发展思路。

• 碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻

  桑树勋, 袁亮, 刘世奇, 韩思杰, 郑司建, 刘统, 周效志, 王冉,

  概述了碳中和地质技术的形成背景及其在碳中和知识体系中的定位，提出了碳中和地质技术的概念和内涵，评述了关键碳中和地质技术的国内外进展，分析讨论和前瞻了碳中和地质技术在煤炭低碳化开发利用进程中的重要应用方向、应用模式和发展前景。已有研究工作表明：作为碳中和知识体系的碳中和科学与工程交叉学科正在形成，在地球科学基本背景上碳中和相关学科群交叉融通形成了当前碳中和科学与工程主要研究领域和技术发展方向，碳中和地质技术是碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分，也是实现碳中和目标的关键技术；二氧化碳捕集利用与封存技术、生态地质与碳增汇技术、煤层中甲烷减排与资源化开发利用技术、化石能源低碳化开发利用地质技术、地热资源高效勘查与开发技术、新能源高效安全开发利用地质保障技术、矿化固碳地质技术和地球工程等构成了碳中和地质技术的当前核心内涵；以CCUS（Carbon Capture,Utilization and Storage，碳捕集、利用与封存）大规模集群化部署与全流程技术、煤层甲烷接续高效抽采与低浓度瓦斯（含乏风瓦斯）利用技术、煤型关键金属探采选冶全流程技术、矿区生态地质修复重构与碳增汇技术、干热岩型地热地质新能源勘查开发利用技术、供能蓄能一体化水电和核电等新能源开发利用地质工程保障技术、太阳辐射管理前沿技术探索为代表，关键碳中和地质技术已取得重要进展；CCUS将成为低排放燃煤发电、煤转化、煤制氢、煤制特种燃料、煤基材料等煤炭低碳洁净高效利用关键技术的关键，煤炭基地或煤矿区CCUS以煤基CO2源、煤系CO2地质碳汇、CO2矿化固定与采空区充填封存为技术特色且具有紧迫需求；从原位煤层气高效勘探开发、煤矿瓦斯井下-地面协同高效抽采、关闭矿井瓦斯高效抽采到低浓度和乏风瓦斯高效利用，煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术应用模式将得到快速发展和推广；通过覆岩变形控制与地表植被生态系统保持、水资源与区域生态系统保护、采动裂隙与温室气体大气排放控制、数字矿山与节能提效等方式发展和应用绿色智慧矿山地质保障技术，实现煤炭生产过程减碳；应用煤矿区生态修复与碳增汇技术，实现煤矸石处置与减污降碳协同、塌陷区治理与碳增汇、土地整治利用与增汇固碳；加快应用和发展煤系共伴生资源共探共采与碳减排技术，实现煤系气、煤型关键金属高效勘查开发利用突破，对服务我国低碳洁净高效安全新能源体系构建和实现源头减碳意义重大。

• 碳中和目标下煤炭变革的技术路径

  陈浮, 王思遥, 于昊辰, 陈润, 杨永均, 陆诗建,

  碳中和目标下传统能源体系面临根本性变革，煤炭作为国家能源安全的压舱石，如何引领绿色发展、实现双碳目标是煤炭行业发展的责任。为此，从碳中和目标的客观要求出发，明确煤炭在未来能源体系下不同情景（可控保底、优化保底、核心保底）弹性安全区间中的重要作用；利用全生命周期评价方法厘清煤炭资源全过程碳足迹，探索不同技术路径下煤炭技术变革和创新发展的可行性；最后，提出顺应碳中和愿景目标要求的未来煤炭行业颠覆式变革技术路径，并探讨2条技术路径的优劣性。结果表明：① 煤炭在未来能源体系下仍可发挥重要作用，尤其是作为保底安全能源不可或缺。在核心保底、优化保底和可控保底等3种情景弹性安全区间中分别占61.5%，47.1%，43.5%；② 2019年煤炭全生命周期碳足迹为71.3亿t，其中，发电和供热环节占56.1%，钢铁冶炼占26.6%，煤化工环节占8.1%。推行零碳高效发电、终端电气化和煤制绿氢是煤炭行业实现碳中和目标的技术变革之首选；③ 探讨了UCG-IGCC-CCUS发电技术和UCG-H2-CCUS制绿氢技术变革的可行性，与超超临界燃煤和IGCC发电相比，UCG-IGCC-CCUS虽发电煤耗上升，但可实现零排放。与其他制氢技术相比，UCG-H2-CCUS制绿氢技术具有明显的成本优势，且可实现近零排放。这些技术将成为煤炭安全、高效、绿色、零碳变革的必由之路，为碳中和目标下煤炭行业创新发展和技术变革提供科学理论和技术支撑。

• 8.8 m超大采高工作面支架与围岩相互作用关系

  徐刚, 张震, 杨俊哲, 刘前进, 范志忠, 李正杰,

  8.8 m超大采高综采工作面一次开采高度及开采强度大，采场围岩控制困难。采用立柱压力传感器、位移传感器对工作面回采期间支架工作阻力、顶板下沉量进行了全程系统监测，对工作面矿压显现规律、支架工作阻力循环曲线、顶板下沉量及割煤循环内下沉曲线进行了分析，对支架工作阻力、初撑力、支架刚度与顶板下沉关系进行了研究。研究结果表明：超大采高工作面开采具有来压区域性明显、来压急增阻、非来压恒阻、大小周期来压的宏观特征；工作面顶板下沉具有明显的时空差异性，空间上呈现工作面“两端小-中部大”的特征，时间上呈现来压期间大、非来压期间小的特点；工作面支架ΔF-T和顶板下沉ΔS-T均化循环曲线具有高度的一致性，来压期间2者均呈对数-大斜率线性复合增长，非来压期间呈现近常数或小斜率线性增长；顶板下沉与支架工作阻力呈线性对应关系，随支架工作阻力的增加而增大，安全阀开启后，顶板下沉速度明显增大，最大下沉速度为安全阀开启前的4.3倍，安全阀长时开启时顶板下沉速度由急增逐渐过渡至缓增状态，ZY26000/40/88液压支架在来压期间一定时间内可以将顶板下沉控制在一定的范围内，但并不能阻止其继续下沉；初撑力及支架刚度大小对顶板控制影响较为明显，随着初撑力的不断增大，顶板下沉及下沉速度显著降低并趋于稳定，临界点为15 MN，顶板下沉与支架刚度呈现类双曲线关系，支架刚度达到14 MPa/m以上时，支架刚度对顶板下沉的抑制作用减弱，顶板下沉趋于平稳状态。

• 长边采空与弹-塑性软化基础边界基本顶薄板初次破断研究

  陈冬冬, 郭方方, 武毅艺, 谢生荣, 何富连, 刘瑞鹏, 吴朝文,

  为研究长边煤柱（采空）条件下基本顶板结构的破断规律及工程价值，构建考虑长边煤柱宽度及承载能力与实体煤弹塑性软化特性的基本顶板结构力学模型，全面计算探究该条件下基本顶板在长边煤柱区及实体煤区的断裂位置、顺序及形态，并从6个层面、3个区域与传统模型对比，阐述模型所得新结论及意义。结论如下：① 长边煤柱宽度与承载能力可显著影响实体煤区基本顶主弯矩大小及初次破断顺序，但是对实体煤区基本顶破断线所处区位（弹性区、塑性区、弹塑性分界区）影响小，长边煤柱也可显著改变基本顶在煤柱区的破断位态（3类），且随基本顶的弹性模量E及基本顶厚度h增大，长边煤柱的支撑系数kcm、宽度Lcm，实体煤的塑化范围Lt-s、塑化程度ks-0、弹性煤体基础系数ktt及工作面跨度Ld减小，其演变模式为：1条连续“长直线+两端短弧线”型（CM-N式）→2条临接对称“直线+短弧线”型（CM-L式）→2条大间距对称“短弧线”型（CM-D式）；② 实体煤的长边与短边区基本顶破断线的区位特征有5类，且随着E及h增大，Lt-s，ks-0，ktt及Ld减小时的演变规律为：长、短边破断线均处于塑化煤体区→长边破断线在煤体弹塑性分界区、短边破断线在塑化煤体区→长边破断线在弹性煤体区、短边破断线在塑化煤体区→长边破断线在弹性煤体区、短边破断线在弹塑性分界区→长边与短边破断线均在煤体弹性区；③ 基本顶的整体破断模式有3类，且随E及h增大，kcm，Lcm，Lt-s，ks-0，Ld及ktt减小时的演变模式为：闭合断裂圈非对称“-X”型→临接闭合断裂圈非对称“-X”型→开口局部断裂圈非对称“-X”型。针对研究长边煤柱（采空）基本顶板结构破断的3类力学模型，从6个层面对比了模型的重要区别，从3个区域（长边煤柱区、短边区、长边区）阐明了其工程价值。

• 恒阻吸能锚杆力学特性与工程应用

  王琦, 何满潮, 许硕, 辛忠欣, 江贝, 魏华勇,

  地下工程面临大量高应力、极软岩等复杂条件，导致围岩应力集中、能量积聚，易发生围岩大变形。高强度、高预紧力、高延伸率以及高吸能特性的锚杆支护是大变形围岩的有效支护方式。传统锚杆支护存在强度低、延伸率不足等问题，支护体系易发生破断。基于此，自主研发了具有高强、高延伸率特性、可施加高预紧力的恒阻吸能锚杆，开展了新型锚杆、普通锚杆与恒阻大变形锚杆的静力拉伸与动力冲击对比试验。结果表明，在静力学性能方面，新型锚杆的屈服强度和破断强度分别为普通锚杆的2.06和1.62倍以上，具有高强、恒阻的力学特性。新型锚杆的最大力延伸率和断后延伸率分别是普通锚杆的1.52和1.26倍以上，单位长度吸收的能量是普通锚杆的3.05倍，具有高延伸率、高吸能特性。在动力学性能方面，新型锚杆的单次冲击平均位移量相比普通锚杆降低了47.0%，延伸率是普通锚杆的1.53倍，单位长度吸收的能量是普通锚杆的2.77倍，表明新型恒阻吸能锚杆具有良好的抗冲击能力和整体变形能力。恒阻吸能锚杆具有高强、高延伸率、高吸能特性，提出了恒阻吸能锚杆支护思路，并将新型锚杆在大断面隧道和深部高应力矿井现场进行了应用，现场监测结果表明，采用恒阻吸能锚杆的支护方式能够有效控制围岩变形。

• 螺纹钢锚杆搅拌树脂锚固剂端部形态优化试验研究

  刘少伟, 崔磊, 马念杰, 姜彦军, 李永恩, 彭博, 卢运海,

  常用的树脂锚固剂是实现螺纹钢锚杆与围岩黏结的重要介质，其工作性能对锚固质量存在重要影响，螺纹钢锚杆端部搅拌树脂锚固剂是锚固的关键步骤。为明晰螺纹钢锚杆端部搅拌树脂锚固剂问题，基于已有成果分析了螺纹钢锚杆搅拌端部类型，重点对双楔形端部搅拌树脂锚固剂进行了力学分析，得到了加制“V”型槽双楔形搅拌端效果良好的理论基础。锚杆端部加制“V”型槽有助于锚杆端头刺入锚固剂封袋，增加锚固剂所受的旋转力，更好破坏锚固剂封袋，增强锚固剂的搅拌效果；拉拔实验发现，双楔形角在60°～75°，随着双楔形角的增大，锚杆的拉拔力有逐渐递增的趋势，在双楔形端部加制“V”型槽的螺纹钢锚杆锚固时，平均拉拔力峰值比未加制“V”型槽的提高了22%，比传统原型锚杆提高了62%，相比于锚杆有横肋双楔形搅拌端，无横肋双楔形搅拌端的平均拉拔力峰值下降了约16%；通过高速动态非接触全场应变测试系统观察搅拌过程发现，锚杆原型搅拌端搅拌锚固剂时其封袋是被搅拌端挤压、摩擦破坏的，且破坏过程中锚固剂封袋几乎没有发生扭曲；锚杆单楔形搅拌端搅拌锚固剂时锚杆单楔形尖端从锚固剂与孔壁之间的空隙插入，将锚固剂推入孔壁的一侧进行挤压、旋转，并从锚固剂侧面破袋；锚杆双楔形搅拌端搅拌锚固剂时，双楔形端部使锚固剂封袋顶部产生凹陷、挤压、扭曲，最终使锚固剂封袋破坏，在双楔形端部加制“V”型槽后，锚固剂封袋发生更大扭曲，更有助于破坏锚固剂封袋，使树脂胶泥与固化剂充分混合，提升搅拌效率。

• 锚杆支护金属网力学性能及传力机制试验研究

  原贵阳, 高富强, 娄金福, 李建忠, 王晓卿,

  鉴于目前井下金属网常见的强度及刚度失效2类破坏方式严重制约巷道安全可靠性问题，采用自主研发的金属网静载试验系统对3类金属网进行了测试，得到了3类金属网在垂直载荷作用下的支护强度、刚度及变形破坏方式；借助有限元分析软件Ansys得到了3类金属网在垂直载荷作用下的应力分布规律；采用理论分析的方法得到了3类金属网的传力机制问题，并进一步根据3类金属网的力学响应特征、应力分布规律及传力机制分别给出了结构优化建议。研究结果表明：① 金属网支护系统在垂直载荷作用下的载荷-位移曲线变化可分为载荷传递阶段、网丝变形阶段及结构破坏阶段3部分。② 钢筋网具有高刚度支护特征，菱形网具有高强度支护特征，垂直载荷作用下经纬网的网丝错动会大幅度降低其支护强度及刚度。③ 钢筋网及经纬网以中心“十”字型区域内的网丝承受轴向应力，菱形网以中心“X”字型区域内的网丝承受轴向应力。④ 钢筋网支护系统在承载过程中呈现出中心“十”字型传力方式，菱形网呈现出中心“X”字型传力方式，经纬网网丝在外部载荷作用下由高应力区向低应力区滑移。⑤ 直接决定金属网支护作用的边界网丝，在垂直及水平方向上分别受到剪切及扭曲作用，且绑丝强度对边界网丝的水平扭曲作用影响较大。⑥ 3类金属网是否能进行有效支护，应围绕传力机制问题分别进行局部绑丝加固、节点约束防滑及配套锚杆间排距优化等加强措施。

• 基于微震群震动波能量衰减特性的冲击地压危险预测方法

  刘耀琪, 曹安业, 王崧玮, 杨耀, 郭文豪, 薛成春, 白贤栖, 李震,

  煤岩体应力调整和破裂伴随弹性能的聚散并向外辐射震动波，通过震动波的能量特性可描述煤岩体的累积损伤以及弹性能集聚，综合两者可用于冲击地压危险的预测。研究了微震震动波的能量衰减规律，特别讨论了大尺度破裂下震动波能量对震源能量、半径、能量衰减系数以及受载点距震源距离的衰减响应规律，以甘肃某矿250106-1工作面微震实测数据为基础统计分析了不同震源能级的能量衰减系数分布规律；提出了基于震动波损伤效应的静载强度指标s以及描述弹性能集聚程度的动载强度指标d，基于动静载叠加原理构建了冲击危险的综合预测指标sd，并进行了预测实例分析。结果表明：250106-1工作面24起冲击事件统计结果说明其工作面超前300 m临空回采巷道为冲击发生的高风险区域；震源能量、半径、受载点距震源的距离对能量衰减的影响较大，而能量衰减系数的影响相对较小；预测实例分析结果表明s对冲击显现区域的预测效果较好，而对大能量事件的预测效能较低；d仅可对部分大能量事件进行预测，同时预测的冲击危险区域较广，侧面降低了d对冲击显现区域的预测效能；对于综合预测指标sd，大能量事件位于中等冲击危险区域的概率超过70%，并且冲击明显显现区域全部位于中等冲击危险区内，说明sd可有效预测大能量事件和冲击显现区域，预测效果较好。

• 冲击载荷下煤样能量耗散与破碎分形的长径比效应

  王磊, 袁秋鹏, 谢广祥, 顾书豪, 焦振华, 刘怀谦, 陈礼鹏,

  为研究不同长径比煤样动态压缩下能量耗散规律和破碎分形特征，采用50 mm分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bars，SHPB）试验系统，以相同冲击气压0.35 MPa对直径50 mm，长径比分别为0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9和1.0的煤样进行单轴冲击压缩试验，定义了可判定应力平衡状态的指标——应力平衡系数ξ，发现了能量耗散的长径比效应并讨论了其与应力平衡的关系，分析了长径比和耗能密度对煤样破碎分形特征的影响。研究结果表明：不同长径比煤样应力-应变曲线形态基本一致，均包含弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段，随长径比增加，曲线塑性阶段增大；根据应力平衡系数ξ确定煤样的临界长径比为0.6，低于临界长径比的试件易达到应力平衡，超过临界长径比试件将难以在破坏前达成应力平衡；煤样动态压缩破碎耗能与耗能占比的长径比效应表现为：随长径比增加分2个阶段，且其分界点接近临界长径比，各阶段内呈线性增加关系，阶段间呈台阶式下降；试件尺寸增加引起原生缺陷摩擦耗能增加和端部摩擦效应增强，超过临界长径比的试件应力达到峰值前其变形量降低形成了破碎耗能和耗能占比的台阶式下降；碎块平均粒径随长径比增大线性增加，但破碎块度分形维数呈线性降低；煤样的分形维数与耗能密度呈乘幂关系，耗能密度越大试样越破碎，但其破碎效率逐渐降低。

• 煤体破坏过程感应电荷再认识与井下应用实践

  吕进国, 彭意胜, 唐治, 赵洪瑞, 王学滨, 王子琪, 包鑫阳, 符辉,

  为发展和完善煤岩动力破坏感应电荷监测技术及理论，以单轴压缩试验为基础，再认识了煤体破坏过程感应电荷变化规律与主控因素，提出了带电煤屑弹射过程的感应电荷产生机理；分析了感应电荷及其干扰信号的频域特征与影响要素，研究了感应电荷与煤体应力、应变能与变形破坏之间的定性关系，建立了受载煤体与感应电荷信号的损伤统计关系，分析了感应电荷与煤体能量的演化特征，进而提出了煤体应力与感应电荷的量化关系；研发了适用于井下复杂条件下煤岩电荷监测装备，在辽宁红阳三矿与河南平顶山十一矿开展了应用实践，分析了感应电荷与煤岩动力破坏、超前支承压力及巷道变形的相关性。结果表明：高幅值感应电荷信号产生的主因不是煤体的压电效应，而是煤体裂纹扩展、破裂面滑移摩擦与带电煤屑弹射的综合作用，特别是带电煤屑弹射到传感器时，感应电荷信号幅值将会突增；感应电荷信号以低频为主，干扰信号主频与外部供电网络谐波频率一致，但不同煤体的感应电荷信号主频分布范围存在差异；感应电荷强度与应力大小关系非直接相关，与应力非线性变化程度直接相关，特别是与应力降幅度呈正相关关系；感应电荷强度可直接反映煤体破坏程度，也可通过分析外载环境以及感应电荷信号和煤体损伤的统计关系，间接估算煤体应力；感应电荷强度与煤体弹性应变能存储量关系不显著，而与应变能耗散和释放量显著相关，即煤体破坏过程中耗散与释放能量越多，感应电荷强度越高。回采工作面支承压力影响区、高能微震频发区与巷道变形破坏严重区的感应电荷强度较高，说明感应电荷与煤岩动力破坏、超前支承压力及围岩变形具有良好相关性，可适用于井下动力灾害、采场来压与围岩稳定的监测预警。

• 含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形态及影响要素

  周雷, 李立, 夏彬伟, 于斌,

  随着煤矿开采深度向千米级发展以及大采高特大采高技术的研发应用，大空间远场坚硬顶板问题突出，其结构失稳显著影响工作面矿压以及工作面临空侧巷道变形。地面钻井水力压裂是治理远场坚硬顶板的防治措施之一，但是水压裂缝形貌受地应力控制、形态单一，难以达到顶板“横切纵断”目标，限制了其弱化远场坚硬顶板的效能。因此，基于试验和理论分析开展了含径向水力割缝钻孔导向压裂形成“横切纵断”裂缝的研究，揭示了水力压裂裂缝和导向裂缝的竞争扩展规律，建立了基于Iwrin等效模型的割缝导向起裂扩展模型、钻孔裸眼起裂扩展模型以及钻孔割缝压裂裂缝起裂模式判定准则，探究了塑性区临界特征长度、割缝半径、钻孔半径、埋深对于裂缝起裂模式的影响。研究结果表明：含径向水力割缝钻孔导向压裂存在3种裂缝形貌：“横切”型单一主裂缝、“纵断”型单一主裂缝、“横切纵断”复合型裂缝网络；割缝塑性区特征长度和钻孔塑性区特征长度与流体压力均呈正相关关系，形成“横切纵断”复合型裂缝网络对应的塑性区临界特征长度随JP2割缝半径的增大而增大，但是随钻孔半径的增大而减小；储层埋深对含径向水力割缝钻孔导向压裂裂缝形貌存在显著影响，随着埋深增加，裂缝形貌逐渐由“横切”型单一主裂缝向“横切纵断”复合型裂缝网络和“纵断”型单一主裂缝演变。特定埋深下，可以通过设计调整钻孔半径和割缝半径以使得钻孔塑性区长度和割缝塑性区长度同时达到塑性区临界长度，形成“横切纵断”复合型裂缝模式。

• 承压破碎煤体空隙率分形模型及试验研究

  徐义洋, 褚廷湘, 冯学文, 代文程,

  为了识别采空区应力加载对破碎煤岩空隙率的影响，基于采空区应力恢复及空隙率对煤自燃影响角度，分析了采空区空隙率对煤自燃发生中的漏风强度、氧气浓度分布、蓄热环境的影响。通过对恒昇采空区破碎煤体的压实实验，测试了其应力应变及空隙率变化特征。结合分形理论，建立了承压颗粒煤分形空隙率模型，明确了分形模型的初始参数，并对实验数据及理论计算数据进行比较。结果表明：① 在应力作用下，破碎煤体发生压实变形，造成颗粒级配发生变化，进而造成分型维数增大与空隙率发生变化，说明随工作面推进及采空区应力逐渐恢复状态下，采空区破碎煤体空隙率呈现动态变化；② 通过测试原始煤样与破碎后煤样粒径分布与级配变化，获得了承压破碎煤体的分形维数，发现承压破碎煤体分形维数增大则说明受载煤样更加破碎，在应力加载状态下其空隙率逐渐减小；③ 通过分形理论与承压破碎煤体的应力应变关系，建立了承压颗粒煤的分形空隙率理论模型，理论计算结果与实验结果误差在0.028～0.106，可满足工程需要；④ 分析了该模型的使用条件，在获得破碎煤岩应力应变函数及应力加载路径的前提下，该模型可对任意状态下的空隙率进行预测。

• 瓦斯爆燃火焰在波纹阻火器内淬熄特性分析

  陆明飞, 丛立新, 周军伟,

  研究瓦斯爆燃火焰淬熄规律是开发防爆抑爆技术的基础。为有效抑制井下爆燃事故，探究瓦斯爆燃火焰在微细孔道内部的发展规律，以波纹型阻火器为研究对象，采用大涡模拟耦合有限速率/涡耗散模型的方法对波纹型阻火器阻火单元内甲烷/空气预混火焰的淬熄过程进行三维模拟。研究基于阻火单元内部温度和化学反应速率的瞬态特征，分析了火焰淬熄机理以及入口火焰速度和壁面温度对淬熄过程的影响。结果表明，火焰在波纹型阻火器内的传播受入口处火焰和内部燃烧化学反应的共同影响；火焰速度和内部燃烧化学反应速率都随着火焰传播距离的增长逐渐降低，但内部燃烧化学反应对火焰传播的影响逐渐占据主导。阻火器壁面对燃烧化学反应有重要影响，减小燃烧化学反应区域有利于火焰的淬熄。火焰速度和燃烧化学反应速率间存在相互促进关系。入口火焰速度越大，淬熄距离越远；随着入口火焰速度增大，影响逐渐减小，火焰淬熄距离增速减小。壁面温度的改变对化学反应速率影响较小；提高壁面温度将阻碍壁面散热，使熄灭层厚度减小。壁面温度越高，火焰淬熄距离越远；入口火焰速度越大，淬熄距离增长越明显。当壁面温度足够大时，火焰将穿过阻火器，造成阻火器失效。

• 缺陷钙钛矿LaMnO3催化煤矿乏风瓦斯燃烧性能

  王晓波, 邓存宝, 邓汉忠, 王荀,

  我国煤矿开采乏风瓦斯排量大，其温室效应是CO2的21倍，会引起严重的环境问题。催化燃烧作为一种高效、绿色的净化技术，在较低温度下可将低浓度甲烷完全转化。目前，甲烷催化燃烧反应的关键科学问题是氧活性位的确认及其催化机制。采用溶胶-凝胶法制备一系列不同物质的量比La/Mn的菱形钙钛矿LaMnO3-x催化剂，并考察其在甲烷催化燃烧的反应性能。通过X射线衍射、N2物理吸附、透射电子显微镜和H2-程序升温还原技术对催化剂的物化性能进行表征。此外，采用X射线光电子能谱、O2-程序升温脱附和拉曼光谱技术研究了钙钛矿LaMnO3-x中氧物种的种类和相对含量。X射线衍射结果表明，所有催化剂均为菱形钙钛矿LaMnO3结构，未观察到其他La和Mn物种的衍射峰。固定床评价结果表明，钙钛矿LaMnO3-90具有介孔孔道，比表面积较大，且具有最多的体相和表面晶格氧物种，使其催化活性最高。此外，缺陷钙钛矿LaMnO3-90具有良好的催化寿命和结构稳定性。钙钛矿LaMnO3-x催化剂的甲烷催化活性与表面晶格氧体积分数呈正相关。因此，推测表面晶格氧物种是钙钛矿LaMnO3-x催化甲烷燃烧反应的活性中心。

• 晚二叠世树皮煤(体)的结构和反应性

  王绍清, 林雨涵, 唐跃刚,

  自从1933年谢家荣报道江西乐平地区典型树皮煤以来，树皮煤（体）因其具有特殊的化学性质，引起了广泛关注。典型的树皮煤和树皮体主要存在于中国南方晚二叠世，尽管在树皮煤（体）化学性质方面已经取得了一些重要的研究进展，但关于其结构特征和热反应性缺乏系统研究，直接影响了树皮煤的合理利用。通过结合已有的大量参考文献和课题组的研究数据，围绕树皮煤和树皮体的结构和热反应性方面，进行了细致的总结与分析，重点探讨了树皮煤（体）的化学组成、有机地球化学特征、化学结构特征和热反应性，重新分析了对树皮煤定义的界定，推测建立了树皮煤化学结构与植物前驱体化学结构之间的关系图，指出了树皮煤（体）的元素组成方面至少表现出4点特殊性质：高氢含量、高H/C原子比、高挥发分以及高硫含量。结构上主要讨论了树皮体的物理结构和化学结构2方面，表明了树皮体最明显的化学结构特征是具有丰富的脂肪族结构，在镜质组反射率从0.67%增加到1.12%，树皮体的形态结构逐渐由纤维状向不规则网状结构演化，其定向性排列越来越强，与镜质组的结构演化特征相似。树皮煤（体）具有许多异常的热行为，如强烈的热解作用、超高的基氏流动度、良好的生烃潜力和液化性能。最后对树皮煤的进一步利用途径提出了建议，也指明了树皮煤（体）下一步需要解决的问题。

• 寺河井田采空区下伏煤层应力特征及其对煤层气开发的影响

  刘亮亮, 李国庆, 李国富, 丁德民, 王越, 吉泽宇, 张怡冬,

  采用过采空区的煤层气井抽采下伏煤层甲烷可以降低矿井瓦斯灾害风险、实现煤与煤层气共采，具有良好的应用前景。采空区下伏煤层应力分布是过采空区煤层气井开发效果的关键影响因素之一，而目前相关的研究鲜有报道。以山西晋城矿区寺河井田东区为例，基于地应力测试与压裂施工数据，分析了3号煤采空区下伏煤层应力、压裂工艺参数特征及采动井的产气效果。结果表明，研究区未采动的3号煤层应力为走滑断层应力机制，即最大水平主应力SHmax＞垂直应力Sv＞最小水平主应力Shmin，其向斜轴部存在应力集中，最小主应力及压裂施工压力高，破裂压力与施工压力之差较小；而3号煤的开采导致采空区下伏的9号、15号煤层的上覆荷载降低，3号煤层采空区下伏的9号、15号煤层水平应力与垂向应力之比高于未采动煤层；未采动井的破裂压力与施工压力之差为-4.9～11.7 MPa，平均值为2.14 MPa；采动井的破裂压力与施工压力之差为0.5～18.0 MPa，平均值为7.1 MPa；采动煤层的破裂压力与施工压力之差明显大于未采动煤层，采动煤层的破裂压力梯度高于未采动煤层，而采动煤层的施工压力梯度低于未采动煤层；位于采空区下方背斜轴部的煤层施工压力与破裂压力之差较大，渗透性相对较好；处于保护层煤柱下方的煤层段存在应力集中效应，破裂压力与施工压力之差较小，渗透性较差，但经过地面井压裂增透后，可以取得较好的产气效果，日产气量可达4 224 m3。

• 煤层气井排采中煤储层稳定性分析方法与应用——以郑庄区块为例

  章朋, 孟雅, 刘超英, 闫相宾, 蔡利学, 程喆,

  煤层气井排采过程中，煤储层原始地应力场发生调整，易导致储层失稳破坏，影响煤层气井抽采效率。基于单轴应变模型，考虑基质收缩效应，推导了排采过程中煤储层地应力动态模型，揭示了地应力动态变化规律。此外，建立了排采过程中煤储层稳定性分析模型，提出了煤储层峰值强度与最大主应力的差值（H）作为煤储层稳定评价基本参数，讨论了不同应力机制下地应力动态变化对煤储层稳定性的影响。研究表明：水平主应力在排水降压阶段呈线性降低，在产气阶段受基质收缩效应的影响呈非线性下降，解吸作用越强，下降速率越快。不同应力机制煤储层失稳破坏规律不同。正断层应力机制，排水降压和产气阶段，莫尔圆半径增大，圆心右移，接近破坏包络线，煤储层可能失稳破坏，解吸作用越强，莫尔圆半径增大速率越快，越容易破坏；走滑断层应力机制，排水降压和初始产气阶段，莫尔圆半径不变，向右平移，远离破坏包络线，煤储层稳定性增强，不发生破坏，而稳定产气及衰减阶段，莫尔圆向左平移，靠近破坏包络线，煤储层稳定性减弱，可能失稳破坏；逆断层应力机制，整个排采过程莫尔圆半径不断减小，远离破坏包络线，煤储层稳定性增强，不发生破坏。结合郑庄区块地应力测试井数据，对煤储层稳定性进行了动态评价。郑庄区块实测数据分析表明：排采前，郑庄区块煤储层H多在32～40 MPa，储层稳定性中等，由中部向西北和南部储层稳定性增强，而向西部储层稳定性减弱。排水降压阶段，区块各井H呈线性升高，储层稳定性好或中等；产气阶段各井H加速下降，储层稳定性减弱。当孔隙压力降为0.2 MPa时，区块煤储层稳定性由中部向西部逐渐减弱。郑庄区块排采曲线显示部分煤层气井产气峰值不稳定，持续时间较短，井底压力降到一定值时，日产气快速下降，产出大量煤粉，推测在较低井底压力条件下，煤储层可能发生了剪切破坏。煤层气井合理排采工作制度制定时应重点关注储层的稳定性。

• 基于煤粉堵塞的煤体解堵试验研究

  石建行, 冯增朝, 周动, 胡林杰, 胡巧荣,

  采用气-液-固三相驱替模拟系统，开展了煤样封堵及反向注水、气驱替煤粉解堵煤样的系列室内实验，探讨了不同封堵压力及解堵介质、压力下煤样渗透率的变化特征。结果表明：煤样封堵过程中液相渗透率随时间呈对数衰减规律；达到平衡时间随着封堵压力的提高呈现衰减的趋势；煤粉颗粒沉积在渗流入口端堵塞煤样的孔裂隙通道，是引起煤样渗透率下降的主要原因；当解堵介质为水：反向注水压力等于封堵压力时煤样最终液相渗透率低于封堵前的数值，反向注水压力大于封堵压力时煤样液相渗透率会在一定的时间段内有小幅度提高，而且反向注水压力越大，液相渗透率上升的反应速度越快，煤样的最终液相渗透率与封堵完成后相当；当解堵介质为气：反向注气压力大于或等于封堵压力时能够完全解堵污染煤样：煤样的气相渗透率变化曲线为类“S”型曲线且全过程气相渗流经历了线性增长阶段、指数增长阶段、稳定阶段；少量小粒径低密度悬浮煤粉颗粒产出促进了渗透率的缓慢提高；密度相对较大的下沉颗粒产出是煤样快速完成解堵的主要原因；反向注气压力越高，解堵速度越快且反向注气压力越接近封堵压力解堵速度对压力变化的敏感性越高；反向注气解堵污染煤样的能力强于反向注水，水、气体分子性质的不同及驱替速率的差异是反向注水、气结果差异性的主要原因。

• 基于保压取心的页岩含气量测试新方法

  周尚文, 张介辉, 邹辰, 田冲, 罗军, 朱千千, 焦鹏飞,

  含气量是页岩气储层评价和储量计算中的关键参数，其准确测试是计算地质储量和确定开发方案的基础。目前常用的现场测试方法，由于需估算损失气量，导致其数据可信度不高。为了明确我国四川盆地南部龙马溪组页岩的真实含气能力，开展了我国首口海相页岩气保压取心井的现场含气量测试。保压取心技术可以使取出的岩心保持在原始地层压力状态，能最大限度地减少页岩中气体的散失。考虑保压取心过程的特殊性，针对性地研发了页岩含气量现场测试设备，建立完整的测试流程和方法，实现了页岩含气量的带压测试。新方法需分段测试降压阶段解吸气量和常压阶段加热解吸气量，将两部分测试结果直接相加即可得到页岩总含气量，无需再估算取心过程中的损失气量。测试结果表明，该井常规取心段页岩总含气量平均仅为1.26 m3/t，保压取心段页岩总含气量平均达3.77 m3/t，明显高于常规取心段页岩含气量。此外，还建立了页岩吸附气量和游离气量直接测试方法，发现龙马溪组页岩游离气量均大于吸附气量，游离气量所占比例平均为64.48%，底部游离气量所占比例可达75%左右。与邻井同层位页岩气井的总含气量对比认为，采用目前的损失气计算方法明显低估了页岩的含气量，需结合保压取心结果进一步标定和建立新的损失气计算方法。建议未来增加页岩气保压取心井的试验井次，进一步明确页岩气储层的真实含气能力和储集能力。特别是对于深层页岩气、海陆过渡相页岩气等新区新领域的勘探，可优先试验保压取心。

• 混合纳滤反渗透净化洁净预疏放水工艺和水质预测

  张全, 杨建, 胡骁, 刘基, 葛光荣, 王甜甜, 王周锋,

  煤矿预疏放水属于未污染的地下水，水质优良具有开发成高质水资源的潜力，以煤矿预疏放奥灰水为对象，通过感官指数和健康指数分析法发现水质的感官指数偏低健康指数较高，为解决传统工艺产水水质感官指数和健康指数不能兼顾的问题，采用混合纳滤反渗透系统对传统工艺进行改进，通过对比NE40，NE70和NF270三种纳滤膜筛选出一级和二级纳滤膜，利用一级和二级纳滤系统分别提高水质的感官指数和健康指数，利用反渗透产水的稀释作用控制水体的溶解性总固体（TDS）在合理区间，混合脱盐系统的浓水TDS控制在1 000 mg/L以下，整个系统基于水质离子质量浓度预测公式设计一级纳滤、二级纳滤和反渗透系统的回收率。结果表明：一级纳滤系统选用NF270膜产水水质更优，预测公式显示随着回收率增加产水水质感官指数不断下降健康指数不断上升，一级纳滤采用70%回收率较为适宜，通过对比水质离子质量浓度预测值与实际值，发现预测偏差＜10%；二级纳滤系统选用NE40膜更优，预测公式显示随着二级纳滤系统回收率的增加感官指数和混合产水TDS加速下降，健康指数先匀速增加后急剧减少，浓水TDS先下降后上升，其中反渗透回收率越高变化临界点越前移，当二级纳滤和反渗透系统回收率分别为50%和75%时，产水水质预测值满足健康美味水要求，同时产水预测TDS适宜为224.01 mg/L，浓水TDS控制在标准线以下为987.85 mg/L；经过实测二级纳滤系统的浓水水质并利用盐平衡得出二级纳滤和反渗透系统回收率分别为50%和75%时的真实混合产水水质，其中感官指数为2.23，健康指数为8.88，TDS为238.4 mg/L，与预测产水水质结果接近，产水水质相比原水明显提升；经济分析显示混合脱盐系统相比于传统工艺运行成本只增加了7%，无机结垢风险小，同时增加了产水水质的附加值，因此该系统具有潜在的经济效益；工艺适用性分析发现系统具有应对不同原水水质的应用潜力。

• 基于自然恢复的采煤沉陷区植物群落演替模拟系统开发

  米家鑫, 张绍良, 杨永均, 侯湖平, 丁忠义,

  为了确定采煤沉陷区植物群落自然恢复的时间和恢复后的格局，开发了基于自然恢复的植物群落演替模拟系统；以山西大同煤峪口矿内的一处采煤沉陷区为例，模拟了植物群落自然恢复至实际植被覆盖度的演替过程；分析了自然恢复过程中植物群落的时间变化和空间分布特征，讨论了导致植物群落空间差异的关键因素。结果表明，基于归一化均方误差（ENMS）并分别从不同景观尺度（10 m×10 m，20 m×20 m,50 m×50 m,80 m×80 m,100 m×100 m）下进行的精度评价，模拟结果的植物群落格局与实际情况间误差在0.04～0.59，其中灌木植被格局误差在0.06～0.59，草本植被格局误差在0.05～0.14，整体植被格局误差在0.04～0.12。以裸地为初始条件的50次模拟结果表明，研究区通过自然恢复使草本覆盖度达到35%与55%之间且灌木覆盖度达到7%与8%水平时，平均需要10.46 a。从时间变化上看，演替前期草本植物群落恢复迅速，但随着灌木植被的增加草本覆盖度随即下降并逐渐转变为灌木植物群落；灌木群落在自然恢复3～5 a后开始出现，并随着土壤养分的累积，灌木群落的恢复速度也随之加快；而乔木植被在50次模拟中仅有2次在自然恢复10 a后出现。从空间分布上看，高程较低的沟壑区域由于地表径流成为养分和水分富集区，总是率先演替出灌木群落并向周边发展，而坡度较小的阴坡同样容易演替出灌木群落。总体来看，构建的演替模拟系统能够较好的反映植物群落自然恢复过程中实际的时空动态变化，模拟自然恢复后的植物群落格局，可以为采煤沉陷区自然恢复策略的选择提供决策工具。

• 基于微观结构的高温熔融渣层导热特性

  潘翔峰, 邓慧, 王倩, 吴伟雄,

  气流床气化技术是大型高效煤气化技术发展的主流方向，主要采用液态排渣工艺。在液态排渣过程中，煤中灰分在高温下在炉内壁面形成液态熔融渣层。渣层的导热系数是影响熔融渣层的厚度分布和传热特性的重要热物性参数，进而影响煤气化炉的稳定运行。采用（CaO-Al2O3-SiO2-MgO-Fe2O3）5种氧化物组分模拟煤灰渣，搭建瞬态热丝实验台测量高温熔渣导热系数，结合分子动力学模拟方法构建熔渣微观结构，探究高温下五元熔渣微观结构及其导热特性。在研究温度范围内，导热系数的测量结果和模拟结果有较好的一致性，所有渣样呈现出相同的变化趋势，即随着温度的升高，导热系数逐渐降低。在确定组分下，高温熔渣导热系数的对数与温度倒数呈线性关系。构建了硅铝质量比在2.43左右时，导热系数与温度和硅铝和之间的经验公式，并在实际煤灰上进行了验证，预测值误差基本在18%以内，且能较好的预测灰渣导热系数的变化趋势。结合熔渣微观结构研究发现，温度升高会促进熔渣无序性增强，减弱原子间结合力，增大原子间距；同时会造成桥氧降低，非桥氧增加，加强四面体结构的非简谐性，这是导致导热系数随温度升高先急剧下降后趋于平缓的主要原因。

• 褐煤解聚产物利用及分离研究进展

  郝建秀, 丁志伟, 刘倩, 姚雪峰, 王晓璐, 陈宇新, 刘全生,

  褐煤等低阶煤直接作为能源物质利用效率低。同时褐煤又含有丰富的天然结构单元，具有较高的化学反应性，这使其作为非能源物质利用成为可能。探索褐煤清洁高值化转化新途径是褐煤非能源利用的现实需求和必然选择。褐煤解聚是实现褐煤清洁高值化利用的潜在途径，但由于解聚后产物组成复杂，如何实现解聚产物的有效利用是限制褐煤解聚这一途径的瓶颈问题。目前，关于褐煤解聚的研究主要集中在解聚方法的建立和解聚条件的优化上，对于解聚产物如何利用则报道较少。基于此，围绕褐煤解聚这一非能源转化利用途径进行文献综述，包括褐煤不同解聚方法及解聚产物组成特征、已报道解聚产物利用途径、解聚产物分离过程等，重点总结了褐煤解聚产物利用途径与分离方法的研究进展。目前褐煤解聚产物利用途径主要包括2个方面，一是根据解聚产物反推煤的原始结构，这方面报道较多；二是利用解聚产物的特点对其进行功能化利用，包括解聚产物不分离直接利用和先对解聚产物分离再利用其中单体，这方面也在逐步探索。而解聚产物分离方法的探索方面，除了常见的离心、过滤、萃取、柱层析外，低共熔溶剂法、抗溶剂法和金属离子配位分离等方法也逐渐用于这类复杂体系的分离。最后，在以上文献调研的基础上，对褐煤解聚产物利用领域中目前研究存在的问题以及今后发展趋势进行了分析。

• 煤液化残渣可溶有机质中杂原子结构片段的赋存特征

  杨倩倩, 赵雨晴, 左岳, 曹亦俊, 李鹏,

  煤液化残渣（CLR）是一种典型的煤化工固废。但煤液化残渣中的可溶有机质含量高，且富含缩合芳环结构，又可视为一种宝贵的重质炭资源。基于CLR在有机溶剂中的优良溶解性，选择等体积甲醇/甲苯混合溶剂为萃取剂，采用超声-索氏协同萃取法，实现CLR可溶有机质（CLR-SO）的温和提取，并通过逐级钌离子催化氧化，结合气相色谱/质谱联用分析，揭示CLR-SO中的杂原子结构单元特征，为其清洁转化和高值化利用提供支撑。结果表明，在CLR-SO的氧化产物中，含杂原子的酸类化合物中杂原子主要是氧、氮、硫，所构成的官能团有甲氧基、羰基、醚桥键、硝基、氨基、乙腈、吲哚、吩嗪、硫羰基等。此外，还检测到含氮、硫、氟等杂原子的酯类化合物。除了含氧化合物以外，其他杂原子化合物基本从第3级氧化产物中出现。杂原子结构存在于CLR-SO的大分子骨架内部，在氧化过程中，受到周围芳环的电子云保护，优先氧化CLR-SO分子骨架外围的芳环结构。除了酸和酯类化合物，在CLR-SO氧化产物中还检测到其他含杂原子的化合物，主要分布在第3，4级氧化产物中，且在第4级氧化产物中的种类最多。此外还检测到氯、氟等杂原子，以共价键的形式存在于CLR-SO有机质的分子骨架结构中。通过逐级选择性氧化，实现了有机质分子结构的“层层剥离”，获取了更多的结构单元片段，丰富了CLR中的杂原子结构信息。

• 颗粒间距对煤粉颗粒着火和燃烧行为影响的理论研究

  许扬, 黄骞, 宋民航, 李水清,

  为了探究复杂燃烧组织形式下煤粉颗粒间距变化所带来的颗粒着火和燃烧行为的差异，以典型烟煤为研究对象，开展了不同颗粒间距下煤粉颗粒着火与燃烧特性的理论模拟研究，主要考察着火延迟时间、着火模式及关键流场、组分场特性随颗粒间距D的演变规律。结果表明，当颗粒间距较大，煤粉颗粒群的燃烧行为与单颗粒燃烧行为相似；对于粒径为70 μm的烟煤颗粒，在1 500 K-0.2O2的条件下，均相着火滞后于非均相着火发生，且该现象对于气相反应机理的选取不敏感。当颗粒间距缩小（≤8 d），煤粉颗粒的气相燃烧行为与单个煤粉颗粒有较大的差异。由于颗粒之间的相互作用，挥发分在下游颗粒边界处发生富集，气相着火点在下游颗粒边界产生，并逐步发展至上游颗粒，促使气相连续火焰的形成。由于上述颗粒间的相互作用，上游和下游颗粒的挥发分着火均有所提前，使得颗粒的着火模式向均相着火倾斜，且下游颗粒着火模式倾斜程度较上游颗粒更为明显。当颗粒间距缩小，多颗粒燃烧形成火焰包络面，导致颗粒边界层富燃贫氧区域的扩大，这对燃烧过程中氮氧化物等的生成具有重要影响。

• 矿井红外热成像远距离测温误差分析与精确测温方法

  孙继平, 范伟强,

  为实时监测煤矿井下高温热源，及时发现矿井火灾并报警，分析了矿井红外热成像远距离测温误差，提出了矿井红外热成像远距离精确测温方法，并通过了试验验证。建立了热成像仪接收的单波辐射照度与图像灰度之间的函数关系，得到了热成像仪的辐射测温公式；通过对矿井空气中主要成分的体积分数和红外吸收强度的分析，确立了影响矿井红外热成像远距离测温精度的环境参数，分析了辐射路径中水蒸气、CO2、SO2和CH4吸收、粉尘散射对红外测温精度的影响；结合测量环境条件，对矿井空气透过率进行实时修正，并根据水蒸气、CO2、SO2、CH4的吸收衰减和粉尘的散射衰减，构建了矿井空气总透过率与辐射测温距离的衰减模型；结合热成像仪的辐射测温公式、热成像仪接收的单波辐射照度与图像灰度之间的函数关系和矿井气体和粉尘的衰减模型，提出了红外热成像的远距离精确测温方法，并进行了试验验证。结果表明：提出的精确测温方法测得的物体温度比辐射温度更接近于物体真实温度；目标表面温度变化对测温精度的影响较小，测温路径中的辐射衰减对测温精度影响较大；随着测温距离的增大，红外辐射的总透过率逐渐减小；在35 m测温处，热成像仪自带算法测得的平均相对误差为12.22%，精确测温方法测得的平均相对误差为2.85%，温度测量误差大幅下降。

• 水下跨介质射流破岩性能试验研究

  刘送永, 商港, 李洪盛,

  针对水下岩石破碎过程中存在环境阻力大、破岩效率低等问题，提出一种水下气体辅助水射流的跨介质射流破岩新方法。在分析水下气体辅助水射流基本特性的基础上，搭建了可模拟气体辅助水射流破岩试验系统，探究了工作参数和喷嘴结构参数对水下气体辅助水射流破岩性能的影响，结果表明：岩石破碎是由水相水锤压力与气相空泡溃灭微射流共同作用的结果。在研究范围内，气流压力小于0.4 MPa时，气相空泡溃灭微射流引发的岩石破碎对气流压力的变化更敏感，而大于0.4 MPa时，水相水锤压力造成的岩石破碎对气流压力的变化更敏感。外喷嘴收缩段结构的变化对空泡发育的影响与其对射流冲击动压的影响相比较小，增大外喷嘴出口直径，射流的集束性出现先增加而后减小的趋势；随着外喷嘴直线段长度的增加，水下气体辅助水射流中空泡发育程度逐渐增强，但由气、液动量交换和摩擦阻力引起的能量损耗随之增加。与普通淹没射流相比，气体辅助可使得水射流破岩体积最大提高约1.5倍，比能耗则降低40%。随着气流压力的升高，岩石破碎体积先增大后减小，最佳取值为0.4 MPa；延长冲蚀时间，岩石破碎体积随之增加且有逐渐减缓的趋势，冲蚀时间设为30 s可兼顾水下气体辅助水射流的破岩性能与经济性。外喷嘴最佳结构参数组合为：指数型收缩段、出口直径3.5 mm和直线段长10 mm。

• 激光辐照热裂破岩规律及力学性能

  郭辰光, 孙瑜, 岳海涛, 李强, 何顺之, 张寅,

  分析了激光辐照热裂破岩工艺参数对岩石力学性能的影响规律，以提高激光辐照热裂破岩效率。开展了激光辐照热裂破岩正交实验研究，分析了激光功率、辐照时间及辐照距离对激光辐照热裂破岩温度变化及岩石形貌损伤的影响规律，基于X-ray diffraction（XRD） 物相图谱分析了激光辐照热裂破岩后岩石不同区域物相成分及含量，探讨了激光功率、辐照时间及辐照距离对激光辐照区物相含量变化的影响趋势，研究了激光功率、辐照时间及辐照距离对岩石强度的弱化程度。研究表明：随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩石反应区温度变大，热裂纹生成数量增多且裂纹深度变大，岩石热破碎反应增强；激光高温辐照后岩样所含高脆性、低强度、低导热率和低热膨胀系数的石英和钙长石含量占比增加，且随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩样烧灼孔内所含石英和钙长石成分增多；激光辐照后岩样烧灼孔内冷凝沉积物主要成分为石英和钠长石，且冷凝沉积物中部分晶体在激光辐照作用下转变为非晶体结构；激光辐照时间对岩石强度弱化程度影响最大，激光辐照距离次之，而激光功率对岩石强度弱化程度影响最小；随着激光功率和辐照时间增加及辐照距离减小，岩石抗压强度由83.89 MPa显著降低至36.13 MPa，岩石轴向挤压形变量变大，挤压破碎效果增强，岩石强度弱化程度变大。结果表明，激光辐照岩石可以有效降低岩石强度，提高激光辐照热裂破岩效率。