煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第6期

• 双碳目标下废弃矿井绿色低碳多能互补体系建设思考

  袁亮, 张通, 张庆贺, 江丙友, 吕鑫, 李姗姗, 付强,

  双碳战略目标下煤炭行业高质量发展迎来新的机遇与挑战，充分释放废弃矿井负碳增能潜力，创新风、光、水、热等新能源开发利用耦合新型物化储能协同发展模式，推进绿色循环低碳能源体系稳定发展。应对清洁能源稳定供给与煤炭工业净零发展挑战，提出废弃矿井绿色低碳多能互补体系，集成全息地质结构重构、多种能源融合、物化联合储能、碳固结利用、多网智慧调控、智能应急救援的产-储-固智慧新型负碳绿色能源供储体系，以地表地下联合空间为载体，多源数据融合数字孪生技术为支撑，风险智能判识预警与灾害应急救援为保障，实现废弃矿区多维度分级分类分区域联动清洁能源生产、储备、供给与碳捕集、封存、利用。凝练了废弃矿井绿色低碳多能互补体系发展面临的数字工程地质、多场时空耦合演化、功能地层空间维稳、风险超前精准预警和智能应急抢修救援等5个关键科学问题，提出了数字孪生工程原态场景、工程扰动多场耦合灾变演化、创新多能互补技术体系、CO2工程封存与生态碳汇、分布式智能电网建设、数字风险预警系统和应急救援技术装备等7个主要研究方向，将为实现清洁能源稳续供给、碳永久封存、能-碳平衡循环发展，保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。

• 深地医学研究新进展

  谢和平, 刘吉峰, 高明忠, 王领, 文巧, 刘飞, 吴江,

  世界主要矿业大国相继进入深部开采，我国的深部资源开采也已经成为新常态。然而，深地作业环境，尤其是1 000 m以下，对矿业工人等深地作业人群的生理、心理以及病理的影响规律及其作用机制基本处于空白。基于前期的调研、初步研究成果，提出深地医学新概念；即系统研究深地环境因素对人的生理、病理以及心理影响程度及其潜在机制，也即深地的物质和空间健康效应，并探索对深地有害影响因素的防护措施，有益环境因素开发利用的专门学科。从医学视角深入分析了深井矿业工程作业环境的基本特征，本底辐射随深度逐渐下降、温度湿度随深度增加、氡气浓度尚在安全范围之内。发现矿井深部低本底辐射环境可以明显抑制正常细胞与癌细胞的生长速度，如喉癌细胞在地表培养2 d后细胞增加37.73%，而地下组仅增长7.53%，深部低本底辐射环境对癌细胞的生长速度抑制更胜正常细胞，且发现核糖体、线粒体可能是细胞应答深地低本底辐射环境主要细胞器。剖析了深部矿井矿工心理和作业环境的相关关系，深井矿作业工人的状态差于健康常人，约2/3的人群伴有睡眠问题，且其不佳的心理状况与井下的不良作业环境有关。提出深地医学未来迫切需要开展的前瞻性研究课题，为今后深地医学及相关生物学、生命科学研究提供参考。

• 废弃矿区游憩化利用研究评述与框架体系构建

  汪秋菊, 彭苏萍,

  加强废弃矿区游憩化利用研究，对推动区域可持续发展和实现旅游高质量发展具有重要意义。为实现废弃矿区游憩化利用研究的规范化与系统化，采用文献综述法和归纳分析法系统梳理国内外废弃矿区游憩化利用研究内容、研究方法等相关成果；针对目前研究缺乏“人地关系”视角和忽视游憩化利用的动态性等问题，阐释废弃矿区游憩化利用“人地”关系内涵，揭示废弃矿区游憩化利用动态演进规律，构建了基于人地关系理论的研究框架与方法体系。研究认为，废弃矿区游憩化利用实质是以“人”的需求为起点，通过游憩功能重构，来协调废弃矿区再利用中涉及的“人”与自然环境中“地”关系，实现人地关系的优化。废弃矿区游憩化利用是一个动态演进过程，可划分为3个发展阶段：矛盾阶段、调和阶段和协调阶段。在“人”需求推动下，废弃矿区通过资源化、资本化、产业化和区域化，逐步演化成为“人地”关系和谐的新型休闲游憩功能空间。废弃矿区游憩化利用未来研究应遵循“人”-“地”-“人地关系”的研究框架，研究“人”的动机目标、价值取向、利益诉求；剖析“地”的休闲游憩资源的构成及废弃矿区转换成为休闲游憩空间的条件；探讨“人地关系”和谐下废弃矿区游憩化利用模式、作用机制及其影响效应，提出废弃矿区游憩化利用的政策保障体系。

• 新常态下我国煤矿废弃矿井水污染防治与资源化综合利用

  孙文洁, 任顺利, 武强, 董东林, 甘先炎,

  随着我国经济发展进入新常态且供给侧改革不断推进，大量煤矿因资源消耗殆尽、产能过剩进入关闭行列，为有效应对矿山闭坑后因矿井水大量排出和废弃产生资源浪费、环境污染、资源化利用效率低等一系列问题，系统分析了我国关闭矿井时空发展性质和特征。阐述了我国矿井水污染特征、污染模式及晋陕蒙宁甘区、华东区、东北区、华南区、新青区“五大区”矿井水分布性质，针对废弃矿井水引发的地质灾害、造成地表水和地下水污染、土壤重金属积聚和影响植被生长等负面效应，在矿井闭坑前、废弃采空区和串层污染等方面提出了具有针对性的预控治理措施。结合我国废弃矿井水的实际水文地球化学特征，提出了一套关于洁净矿井水、含悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、酸性矿井水和含毒害物矿井水的处理方法及工艺体系。根据煤矿矿井水资源化利用现状，提出了建立地下污水处理中心和抽水蓄能发电站因地制宜的资源化利用途径，同时结合当地经济发展、水资源紧缺状况和生态文明建设等因素，制定了处理后废弃矿井水供井下生产和井上生活、农业、工业和生态等方面资源化综合利用体系。最后，展望了废弃矿井水资源化利用的绿色开发战略和未来发展方向，将积极推动废弃矿井水资源化综合利用，有效缓解我国部分地区水资源紧张的局面，实现煤炭行业的绿色健康发展和矿区生态文明建设，满足经济效益、社会效益和环境效益多方共赢。

• 采动地表沉陷全过程预计方法与存在问题分析

  崔希民, 车宇航, MALINOWSKAA, 赵玉玲, 李培现, 胡青峰, 康新亮, 白志辉,

  精确、可靠的开采沉陷预计结果既是井下工作面优化设计、采动损害程度评价的重要依据，也是土地复垦、生态重建设计和老采空区地表再利用稳定性评价的基础。随着实践认识的提高，开采沉陷的研究热点也逐渐从传统的移动稳定的终态预计转向采动地表移动变形的动态预计；当连续6个月累计下沉不超过30 mm时，则认为传统的采动地表移动已经停止，但随着冒落破碎岩石的压实压密导致的缓慢残余下沉仍将持续，且残余下沉的预计也逐渐引起了研究者的重视。基于采动地表移动规律，将采动地表沉陷移动全过程划分为2个阶段：第1个阶段是包括初始期、活跃期和衰退期的地表动态移动变形期；第2个阶段为衰退期结束后的残余下沉期。针对第1个阶段，分析了现有预计方法的优缺点，提出了基于时间函数与概率积分法结合的开采沉陷动态过程预计方法和时空基准，明确指出了只考虑时间而不考虑开采过程进行动态预计、对比验证的错误，强调了终态预计只是动态预计的一个特例，且该动态预计只适用于滞后下沉而不适用于残余下沉的预计。针对第2个阶段，顾及冒落破碎岩石压实压密引起的残余下沉量小，基于衰退期下沉与残余下沉的连续性、残余下沉线性衰减性，给出了给定地质采矿条件下地表残余下沉持续时间和年度残余下沉系数表达式，可以定量计算残余下沉期内任一年度的残余下沉、累计残余下沉和未来潜在残余下沉，实现了采动地表沉陷的全过程预计。针对采动地表沉陷全过程预计方法研究现状，分析提出了动态过程预计存在的计算单元划分、不规则工作面、临近工作面相互影响等问题，以及残余下沉预计存在的诸如冒落破碎岩石压实压密系数、煤柱损伤与垮塌影响、预计的计算范围、预计结果的可靠性与不确定度等问题，为后续进一步研究提供了方向参考。

• 接菌对紫花苜蓿根系抗拉性及根菌复合土体抗剪强度影响

  毕银丽, 罗睿, 王双明,

  废弃矿井生态修复既包含井工采煤沉陷造成的根系拉伤修复，也包含露天开采边坡地质灾害治理。废弃矿井受采矿影响致使生态脆弱，植株成活率低，生态修复成为矿山环境治理的主要目标。利用微生物修复技术恢复根系功能成为研究热点。为了深入揭示2类共生真菌丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi，AMF)和深色有隔内生真菌(dark septate endophytes，DSE)对根系抗拉强度及根土复合体抗剪强度的影响，以紫花苜蓿为研究对象，布设室内盆栽实验，设置不种植物不接菌为纯对照CK1、种植植物不接菌为对照CK2、单接菌AMF、单接菌DSE和双接菌AMF+DSE 5种处理，研究接菌对根系力学特性及菌根复合土的抗剪强度影响作用。结果表明：接菌与对照处理的土壤粒径组成大致相同：细砂粒> 中砂粒> 粗砂粒，接菌前后土壤构成中粗砂粒所占比重增高，细砂粒含量成倍降低。5种不同处理下的平均单根抗拉力及复合体抗剪强度由大至小依次为AMF+DSE，DSE，AMF，CK2，CK1；平均单根抗拉强度依次为AMF+DSE，CK2，AMF，DSE。5种处理下深度10～20，20～30 cm处菌根复合土黏聚力比30～40 cm深度处的显著增加，黏聚力与根系分布相关；不同处理的根土复合体黏聚力均存在最优根径，即根径约为0.6 mm时黏聚力达到最大。该研究成果为微生物复垦机理提供了一种新的力学方法，为采煤沉陷地和地质灾害生物减损修复提供了一种新的思路。

• 废弃矿井地下空间反季节循环储能研究

  郭平业, 王蒙, 孙晓明, 何满潮,

  随着我国“碳达峰，碳中和”目标的提出，煤炭在一次能源消费结构中的比例逐步下降，关停矿井数量逐年增多。直接关闭或废弃矿井不仅造成巨大的资源浪费，还极有可能诱发一系列的安全、环境等问题，需要因地制宜的提出符合我国废弃矿井现状的剩余资源开发利用模式。基于此，系统梳理了国内外废弃矿井开发再利用现状，着重讨论了废弃矿井地下空间储能的利用模式，针对性的提出了废弃矿井反季节循环储能工艺系统，该系统充分考虑了废弃矿井地下空间资源、地热资源、水资源和地上可再生资源，通过在沉陷区布置太阳能和风能发电设备，为周边用户和整个系统提供电能，以井下恒温岩土体中的巷道群和采空区为储能空间，以矿井水为储能介质，通过太阳能集热和地热能资源为周边用户供热/制冷，在无需供热/制冷的季节将热能储存至矿井地下，实现反季节循环储能。阐述了废弃矿井地下反季节循环储能亟需突破的3个关键技术：多尺度空间热储评估方法、废弃矿井反季节循环储能井上井下整体优化设计方法以及反季节循环储能多源耦合的运行模式。最后，以京西王平村废弃矿井为例研究了该系统的节能减排效益，结果表明：与传统化石燃料相比，应用反季节循环储能系统供热制冷，每年可减排二氧化碳约2 781.1 t。若加入太阳能、风能集热发电系统，节能减排效果将更加明显。应高度重视废弃矿井资源开发利用，加大废弃矿井资源开发利用科学问题的研究力度。相关部门和矿山企业应积极稳步推进废弃矿井绿色低碳开发利用，提高可再生清洁能源利用比例，实施碳排放总量和强度“双控”，为国家“双碳”目标的实现提供助力。

• 建筑载荷作用下采空区覆岩结构稳定性判据及应用

  郭文兵, 杨伟强, 马志宝, 温蓬, 刘玄, 白二虎,

  采煤沉陷区的合理利用是解决城镇化建设和土地资源短缺之间矛盾的重要途径之一，沉陷区范围内采动覆岩结构的突然失稳将导致煤矿沉陷区新建建筑物破坏。采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法对新建建筑物载荷作用下采动覆岩结构稳定性进行了探讨与研究。采用理论分析方法对采动覆岩结构特征和地表载荷引起的岩体中附加应力分布特征进行了分析，建立了“载荷作用下采动覆岩结构力学模型”；对该模型进行了力学条件分析，并结合“砌体梁”结构失稳条件，得到地表载荷作用下采动覆岩随载荷增大是否产生滑落失稳的判据；当铰接岩块的回转角度和块度符合iθ1或i > sin θ1时，采动覆岩结构随着地表载荷的增大，失稳的可能性逐渐增大；铰接岩块的回转角度和块度符合0.5sin θ1iθ1时，采动覆岩随载荷增大不会发生回转失稳。在理论分析的基础之上，将建立的力学模型应用于某矿长壁老采空区地表工程建设实际，建筑施工前期采用数值模拟和理论分析相结合的方法，对拟建建筑载荷作用下采动覆岩结构的稳定性进行了分析评价，确定了拟建工程的安全性；并在建筑物完工以后，采用PSInSAR技术对新建建筑区域地表沉降特征进了监测，结果显示建筑物自建成1 a来地表未发生突然沉降，表明采动覆岩结构未发生失稳，验证了“载荷作用下采动覆岩结构力学模型”及其稳定性判据的合理性。

• 通道式煤炭地下气化过程特征场演化规律

  梁杰, 李玉龙, 陈世琳, 杨彦群, 赵泽, 原航, 李哲,

  我国废弃矿井中遗留煤炭资源量约420亿t，废弃矿井煤炭资源井工复采技术难度大，安全性差，在经济上也不合理，因此必须探索新的回收技术，煤炭地下气化技术则是一条可行的技术路线，其可以依托老矿井原有的井筒和巷道建设地下气化炉，利用人工掘进的煤巷作为气化通道，形成通道式气化。煤炭地下气化发生与发展过程实质上是气化反应区特征场(温度场、体积分数场、应力场)的扩展过程，通过地下气化模型试验研究了通道式气化过程特征场的分布与扩展规律，结果表明，在模型试验条件下温度场沿水平通道(横向)和垂直通道(纵向)平均扩展速度分别为0.089 m/h和0.012 m/h, 横纵平均速度比为7.42倍，在注气点附近，横向和纵向扩展速度均达到最大值，分别为0.116 m/h和0.118 m/h；通道式气化以壁面燃烧气化为主，当横向扩展速度大于纵向扩展速度的11.4倍以上时，反应过程将失去稳定性；气化区中部(通道)附近气样中的H2和CO体积分数高于煤层气样中的H2和CO体积分数，因此通道壁面的还原反应是H2和CO的主要来源，CH4体积分数分布的总体趋势是煤层气样中CH4体积分数高于中部(通道)附近气样中的CH4体积分数，说明CH4来源于煤层热解；煤层和岩层交界面到20 cm高顶板处产生热弥散作用，距煤层20～40 cm内热弥散作用明显，弥散角为45°；顶板中各测点均发生应力集中现象，最大集中应力约为0.6 MPa，应力集中系数为2.0～2.5，沿通道方向上依次发生应力集中，时间延后，与温度场推进方向一致。

• 关闭矿山空间资源特征解析与转型路径

  董霁红, 吉莉, 高华东, 刘峰, 王蕾, 黄艳利,

  随着我国社会经济发展和煤炭资源的持续开发，部分矿井已到达其生命周期终点。预计到2030年，我国关闭矿井将达到15 000处，矿井直接关闭不仅会造成资源巨大浪费和国有资产流失，还可能诱发生态环境问题。针对关闭矿山引起资源浪费及环境与社会问题，如何科学开发利用关闭矿山资源，促进资源枯竭型矿区转型，已成为当今世界能源环境领域的重要议题。主要研究：① 分析国内外关闭矿山学术关注与相关研究热点，总结了关闭矿山领域主要有待研究解决的问题，探究关闭矿山研究理论体系及主要评价方法。② 采用卫星-机载-地面数据识别关闭矿山资源特征并划分了矿井地上/下资源类型，地上资源包括地表水资源、土地资源、工业广场和生活区建筑等，地下资源包括地下水资源、残留煤炭资源、地下空间资源和井下设备等。③ 运用井上/下空间资源评价模型，计算得到朱家河煤矿工业广场建筑空间体积为1.04×105 m3，井下空间包括井筒、巷道、硐室体积共1.18×105 m3，总残留煤炭资源量近5 600万t。④ 比较已有国内外关闭矿山转型利用方式，基于约束因子、转型适宜等级、资源条件等给出了关闭矿山转型路径技术体系。地上转型分为4个模式：矿业旅游开发利用模式、自然生态修复模式、融合地下空间利用模式、修复与开发综合利用模式。地下转型分为3个模式：地下资源再利用模式、经济利用开发模式、低碳生态发展模式。并根据资源转型路径确定步骤，制定了渭河流域15对关闭矿井最适转型路径。

• 关闭/废弃矿井地热能开发利用研究现状与进展

  浦海, 许军策, 卞正富, HOLGERSchüttrumpf,

  探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。低焓地热资源(< 85 ℃)是一种零碳清洁能源，可加快居民热能需求的脱碳进程。然而，低焓地热资源的开采面临着投资成本大、易诱发地质环境灾害等问题，限制了其大规模的开发与利用。而关闭/废弃煤炭矿井，由于具有丰富的水、热及空间资源，可创新性地开发低焓地热资源并延长矿区的经济寿命，降低对环境与经济的负面影响。为此有必要对废弃矿井开采地热能相关的技术、经济、环境和政策等因素进行全面的梳理。因此，进行了广泛的文献综述，从废弃矿井地热能开采原理的角度，概述了其系统、热源、需求及政策等方面的研究成果，特别是对矿井水体积、连通性和温度特征及其影响因素进行了详细的分析。在此基础上，讨论了以解析模型、数值计算及现场实验方法评估废弃矿井地热能利用可行性的研究进展。此外，为了直观地说明废弃矿井地热能的利用潜力，考虑围岩动态补热机制，以徐州矿区关闭张集矿为分析案例，估算了其可利用的地热资源。结果表明：张集矿静态储能约为278 000 MW·h，围岩动态补热量(0.5 a)约为4 731.4 MW·h，系统供能的碳排放系数仅为0.05 kg/(kW·h)，与化石能源相比碳排放量减少约13 000 t。尽管考虑了动态补热，废弃矿井地热能补给速率仍相对较慢，因此未来的研究应着眼于多能互补方式开发废弃矿井地热资源，结合风能或太阳能将废弃矿井作为产-储热能的关键结构，以提高系统的稳定性。

• 高温对煤炭地下气化围岩损伤的影响

  王喆, 梁杰, 侯腾飞, 魏永超,

  煤炭地下气化是煤炭无害化开采技术创新战略方向之一，该技术可以回收老矿井废弃煤炭资源，对传统采煤技术难以开采的煤炭资源进行原位清洁转化。气化过程中燃空区形成带来的结构应力和高温造成的热应力共同作用对岩石造成损伤。以大城勘查区深部煤层为气化对象，得出典型围岩热物性及力学参数随温度变化规律。基于连续损伤力学理论，在平滑Rankine损伤模型的基础上提出高温岩石损伤变量模型，使用COMSOL Multiphysics多物理场耦合软件对深部煤层地下气化过程围岩温度、主应力、损伤变量进行模拟研究。结果表明，5种典型岩石的比热容随温度升高整体呈上升趋势，导热系数随温度升高整体呈下降趋势，抗压强度和弹性模量随温度变化规律差别较大。围岩受温度影响范围随气化时间呈指数变化，气化10 d时，温度影响范围仅为3.27 m；气化50 d时，温度影响范围达到5.73 m；气化100 d时，温度影响范围为8.21 m；气化400 d时，温度影响范围达到18.20 m。结合地下气化过程中普遍采用的控制注气点后退气化法，岩石处于高温区的时间在40 d左右，温度场对围岩的影响范围约为4.7 m。燃空区上方及两端均出现损伤区，且相互连接形成“凹”字型，燃空区长度90 m时，损伤区高度为72.2 m；燃空区长度170 m时，损伤区高度为114.1 m；燃空区长度250 m时，损伤区高度为148.8 m；燃空区长度330 m时，损伤区高度为162.6 m；随燃空区长度增加，损伤区高度与燃空区长度之比降低。高温会对直接顶造成显著影响，但随着燃空区长度的增长，温度对直接顶损伤变量的影响逐渐降低，因此在气化初期高温会明显降低直接顶的损伤程度，使其更加难以发生垮落。

• 废弃矿井抽水蓄能句法视角下拓扑模型构建及空间优化

  朱超斌, 周跃进, 卞正富, 陈宁, 夏晨阳, 白海波,

  废弃矿井抽水蓄能电站技术不仅是废弃矿井转型升级的重要途径，也是可再生能源规模储能的有效手段。废弃矿井巷道是抽水蓄能电站地下水库理想载体，但其复杂的空间拓扑结构制约了水体的流动性，因此需研究巷道地下空间结构优化方法，为抽水蓄能电站地下水库建设提供技术支撑。以我国淮南某矿东区为研究对象，阐述了空间句法视角下废弃矿井地下空间结构分析方法，建立小尺度多元凸空间的地下空间拓扑模型。借鉴空间句法中各形态分析变量，基于局部与整体层次特征研究巷道和硐室结构之间的内在逻辑性和拓扑关系，分析了废弃矿井地下空间在抽水蓄能电站地下水库建设中存在的问题，并对地下空间结构进行优化。研究表明：基于局部空间特征的地下空间单元可利用性与连接值、控制值、选择度、局部整合度成正比，与平均深度值成反比；基于整体空间特征的地下空间结构全局整合度、可理解度和空间智能度较低，反映在抽水蓄能电站地下水库建设中存在空间导向性差、空间利用率低和蓄能能力弱等问题。因此通过选取局部整合度与全局整合度均高于其平均值的空间单元重新构建新的地下空间拓扑模型，优化后地下空间单元数量减少73%，空间可理解度从很差(0.217)提升到一般(0.480)，空间智能度从较高(0.798)提升到极高(0.940)，提高了废弃矿井抽水蓄能地下空间结构的通达性与蓄能能力，为废弃矿井抽水蓄能电站建设中地下空间规划与利用提供优化策略。

• 倾斜厚煤层综放工作面煤柱-关键层结构失稳型矿震机理

  王高昂, 朱斯陶, 姜福兴, 张修峰, 刘金海, 王绪友, 宁廷洲, 张宇, 魏全德,

  采空区遗留煤柱支撑顶板导致厚硬关键层悬顶面积大幅增大，形成的“煤柱-关键层”结构失稳是诱发矿震和冲击地压灾害的主要原因。以新疆硫磺沟煤矿(4-5)06矿震频发工作面为工程背景，采用理论分析、数值模拟、微震监测和现场调研等方法，研究了“采空区遗留煤柱-关键层”组成的覆岩空间结构特征，分析了采空区遗留煤柱应力演化规律和关键层力学结构特性，建立了非对称覆岩空间结构下采空区遗留煤柱应力分布估算模型和倾斜关键层极限跨度计算力学模型，揭示了倾斜厚煤层综放工作面“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生机理：采空区遗留煤柱支撑顶板形成“煤柱-关键层”结构，随着工作面开采范围增大，煤柱应力集中程度不断增加，当煤柱集中应力超过其极限承载能力发生失稳时，悬露关键层长度超过其极限跨度，发生破断失稳并诱发矿震和冲击地压灾害。据此建立了包含遗留煤柱整体失稳冲击倾向性指数和关键层极限跨距的“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生判别准则，并采用数值模拟和微震监测进行了验证。按照“有震无灾”的防治原则，提出了“煤柱-关键层”结构下工作面“减震-防冲”的技术措施，分析了工作面推采速度与大能量微震事件的关系，确立了降低工作面矿震能量和频次的合理推采速度为不超过3 m/d，保障了工作面的安全回采。

• 一种改进的中空注浆锚杆连接段螺纹参数优化分析

  朱珍德, 舒晓云, 陈卫忠, 谭贤君, 田洪铭, 李喆,

  软岩大变形隧道需要及时锚固支护，特别是在围岩强度较低的隧道中，常采用对围岩扰动较小的中空注浆树脂锚杆施加预应力支护，而开挖后围岩产生的大变形将对锚杆性能提出更高的要求，如何提升锚杆强度与变形能力成为控制围岩稳定性的关键。考虑改进的中空注浆锚杆树脂锚固段+砂浆锚固段的螺纹连接特性，利用数值模拟分析了锚杆连接段内螺纹螺距、连接长度、外壁厚度对连接段强度与变形的影响，得到了连接段螺纹最佳组合参数。研究结果表明：连接段破坏模式受螺纹抗剪强度、钢筋与中空外壁抗拉强度的影响，可分为中空外壁拉断破坏、螺纹滑脱破坏、钢筋拉断破坏3种。当连接段长度较短时，易发生螺纹滑脱破坏，随着连接长度的增加，连接段强度薄弱点由螺纹转移至中空外壁。不同螺纹螺距条件下存在临界连接长度使得连接段内各强度均能得到有效发挥，从而提高锚杆连接段的整体强度。随着螺纹螺距的增加，连接段整体受力性能得到显著改善，当螺纹螺距为1.5 mm时，螺纹抗剪强度最差，在设计时应尽量避免。在中空外壁直径不变时，钢筋直径过大易导致连接段外壁拉断破坏，过小易导致钢筋拉断破坏，在设计时应合理匹配钢筋直径与中空外壁直径。随着中空外壁直径的增加，连接段破坏模式由中空外壁拉断破坏转变为钢筋拉断破坏，但连接段性能并未得到较大改善。对于中空外壁直径为32 mm的锚杆而言，钢筋直径为25 mm、螺纹螺距为2 mm、连接长度为16 mm时，锚杆连接段抗拉性能最佳，可满足软岩大变形隧道的使用要求。

• 巷道下向小孔径锚固孔钻进产渣特征及高效钻头设计

  付孟雄, 刘少伟, 贾后省, 马念杰, 张英, 卢运海,

  煤矿巷道下向锚固孔钻进是巷道围岩锚固控制的重要环节，成孔质量与锚固效果成正比。长期以来，小孔径下向锚固孔排渣困难是高质量快速成孔的瓶颈问题。因此，为了降低钻渣生成尺寸，提高排渣效率，利用理论分析、数值模拟、实验室实验及现场测试相结合的方法，研究了现有PDC两翼式钻头产渣尺寸及其周边钻渣运移特征，研发了一种小孔径下向锚固孔高效破岩钻头，优化了钻头进出液通道尺寸，并对设计钻头工作性能进行了分析验证。结果表明：现有PDC两翼式钻头在钻孔底部均会形成中心岩柱结构，其尺寸随钻头刀片间距的增加而增加。中心岩柱是大尺寸钻渣的主要来源，中心岩柱尺寸越大，产生的粒径> 2.5 mm的钻渣平均尺寸也越大。改变刀片结构，消除孔底中心岩柱，可降低钻渣生成尺寸；现有钻头结构会造成钻渣局部聚集，导致钻渣上返能量损失；设计的高效破岩钻头因其结构优势较普通钻头更能够减少液渣混合流的能量损失，使钻渣具有更高的上返速度，更有利于钻渣顺利排出；高效破岩钻头的主副刀片会使钻孔底部形成平台结构，保证了孔底岩石均为切削破坏，消除了孔底中心岩柱，使钻渣平均尺寸明显低于其他类型钻头，也具有更高的破岩效率；现场试验结果表明，高效破岩钻头有效降低了钻渣生成尺寸，具有更高的成孔速度及排渣效率，工作性能良好。

• 红砂岩破坏过程声发射震源演化规律及其主频特征

  龚囱, 包涵, 王文杰, 钟文, 许永斌, 赵奎, 曾鹏,

  采用GDS VIS 400 HPTAS三轴流变仪与PCI-2声发射系统，对红砂岩进行了单轴压缩条件下声发射震源定位试验，以矩张量分析方法为主要分析方法，研究了红砂岩破坏过程中剪切型、张拉型与混合型声发射震源空间分布特征与演化规律及其对应的主频特征，提出了基于累计声发射震源数非线性增长特征的起裂应力与损伤应力估测方法，与基于微裂纹非稳定发展阶段震源主频特征的岩石破坏预测方法。研究结果表明：在微孔隙压密阶段声发射震源分布远离试件的轴线，主要分布于试件上、下两端面附近。在弹性至微裂纹稳定发展阶段声发射震源遍布整个试件，并且具有向试件中心发展的趋势。在微裂纹非稳定发展阶段，声发射震源主要集中于试件中上部与中下部。不同类型震源演化规律与加载应力大小有关。当加载应力大于起裂应力但小于损伤应力时，剪切型震源迅速增长；当加载应力大于损伤应力时，张拉型与混合型震源进入相对快速增长期，并且剪切型震源快速增长起始应力与张拉型、混合型震源快速增长起始应力，分别与起裂应力、损伤应力具有良好的对应关系。在红砂岩破坏过程中，剪切型、张拉型与混合型震源的主频范围主要位于0～50，100～150与250～350 kHz。在微裂纹非稳定发展阶段，仅剪切型震源存在200～250 kHz信号，该特征可作为单轴压缩条件下红砂岩破坏的前兆特征。研究结果在一定程度上验证了在岩石破坏过程中不同类型震源具有不同的主频特征，可为基于声发射监测的岩石破坏预测方法研究提供参考。

• 超临界CO2作用后无烟煤力学损伤演化特性及机理

  肖畅, 王开, 张小强, 姜玉龙, 闫建兵, 岳少飞, 王文伟, 詹傲,

  超临界CO2作用后会导致煤体微观结构发生变化，进而导致煤体结构损伤，从而改变煤体的力学性能。为定量表征在超临界CO2作用后煤体力学性质的损伤演化规律，以无烟煤为对象，开展干/饱两种含水率下煤体的超临界CO2浸泡试验，确定在超临界CO2作用下无烟煤各力学参数的演化规律，结合声发射试验及电镜扫描试验，明确了无烟煤在超临界CO2作用下的损伤模型及机理。研究结果表明：① 超临界CO2对煤体的抗压强度、弹性模量及泊松比具有明显的损伤劣化效应，抗压强度、弹性模量均出现不同程度的降低，泊松比表现出升高趋势。水分也是影响煤体力学特性的重要因素，较干燥组煤样而言，饱水组煤样在超临界CO2作用下的劣化效果更为明显。不同试验条件下煤样的总劣化程度和阶段劣化度均表现出一定的时间效应和非均匀性，随着浸泡时间的增加，煤体损伤程度逐渐减弱，最后趋向于某个定值。② 煤体的声发射累计数随着浸泡时间的增加出现不同程度的减少，声发射累计曲线的4个阶段与应力-应变曲线中的4个阶段有良好的一致性。③ 构建了基于超临界CO2浸泡不同时间下煤体的损伤模型，由模型可知，弹性模量的变化趋势与泊松比的变化趋势成负相关关系，与试样结果相符合。随着浸泡时间的增加，超临界CO2对煤样的损伤不断增加，但增幅逐渐减小。④ 水+超临界CO2会与煤样发生一系列物理、化学反应，改变煤样内部的微观结构，使得煤样的微裂隙增多，从而导致煤体力学性能的劣化。超临界CO2对煤体的损伤演化效应是从微观到宏观的累积过程。

• 孟加拉国Barapukuria矿厚煤层分层协调减灾开采模式

  余学义, 穆驰, 王皓, 窦林名, 文虎,

  针对孟加拉国Barapukuria矿井开采中的顶板水害、冲击地压、煤层自然发火等危害矿井安全的灾害问题，在分析矿井“三厚二硬一强”地质特征及UDT强含水砂层水害、厚硬顶板断裂强冲击灾害和厚煤层多分层开采采空区遗煤的易自然发火灾害的致灾条件，LDT隔水层隔水性能和覆岩结构关键层稳定性的控灾条件的基础上，提出了厚煤层分层协调减灾开采理论。应用协调减灾开采理论、原理，构建了孟巴矿厚煤层分层协调减灾开采模式和顶板水害上保下疏，冲击地压动静转移和自燃火灾时空适配的多灾源防控技术体系，实现了孟巴矿厚煤层多分层安全开采。通过在孟巴矿的应用与实践表明，厚煤层分层限厚开采能够充分利用覆岩结构控灾机制，避免厚硬顶板整体断裂冲击灾害发生；厚煤层分层协调错距布置方法开采，能够分散转移厚煤层边界高应力、避免覆岩拉伸区叠加破坏，有效保护隔水层的完整与隔水性；厚煤层分层整体错距协调开采方式，能够有效释放上分层采空区煤柱应力，实现覆岩整体快速沉降，密实覆岩垮裂带空隙，降低采空区自然发火危险性。在多灾害叠加的矿井开采条件下，应用协调减灾开采方法能够从源头控制开采致灾强度，与常规灾害防治方法相结合，能够起到更明显的灾害防治效果。

• 砾石含水层中质量流失对孔隙渗透率的影响

  张天军, 李洋, 庞明坤, 孟钰凯, 张硕,

  突水溃沙灾害发生过程中砾石含水层内部沙粒流失是导致其渗透性改变的重要原因。为研究质量流失过程中砾石含水层的渗透性演化规律，采用轴向压缩位移控制法，研究了不同初始孔隙度试样在不同初始水压梯度下沙粒流失规律，并对变质量渗透过程中初始孔隙度对渗透率的演化敏感性进行分析。结果表明：① 在沙粒流失过程中水压梯度与流量首先由初始值开始缓慢变化，随后渗透状态发生突变，水压梯度骤降，流量剧增，最终2者稳定于某一数值，增大初始孔隙度和初始水压梯度均会使突变时刻提前；② 渗透过程中沙粒的流失受水压梯度、孔隙度、沙粒径等因素的综合影响，相同条件下细沙更易流失，根据初始孔隙度φ0与初始水压梯度Gp0对沙粒流失量的影响给出了孔隙度变化量E的表达式，能够对渗透过程中孔隙结构的变化给出定量描述；③ 渗透状态经历突变后，各试样渗透率由10-13增至10-11m2量级，随初始水压梯度的增大，孔隙度敏感系数下降，其中φ0=0.404的孔隙度敏感系数曲线峰值一度由550下降至200左右，各曲线峰值时刻随φ0与Gp0的增大而提前，且均处于突变阶段前，说明初始孔隙度对于渗透率的影响在渗透状态突变之前较为明显，随初始水压梯度的提升，初始孔隙度对于整个渗透过程的影响降低；综合以上结果，沙粒流失规律与含水层渗透性能改变具有良好的一致性，结合孔隙度变化量E与孔隙度敏感系数C可以对突水溃沙过程中含水层渗透性能的演变趋势作出预测，对其影响规律的研究可作为含水层注浆改造工程中设计实施与效果评估的重要参考依据。

• 煤储层渗透率测试、模拟与预测研究进展

  傅雪海, 齐琦, 程鸣, 张宝鑫,

  渗透率是煤层气开发的重要参数，煤储层较强的非均质性使得现场少量试井结果难以反映区域性渗透率规律，不同仪器、方法、样品尺寸、压力、温度及介质条件下获得的实验渗透率对比性也较差。对比分析了不同试井方法(钻杆测试、水罐测试、段塞测试、注入/压降测试)、不同实验测试方法(稳态法、非稳态法)的优缺点、适用条件及渗透率测试标准的演化历程，系统评述了单轴应变条件、恒定体积条件以及三轴应力条件下渗透率模拟模型的适用性，分析了基于裂隙、煤体结构、地应力、构造曲率等单一主控因素预测渗透率及人工智能(BP神经网络、灰色关联分析、支持向量回归机、多层次模糊综合评价)多因素预测的可靠性，总结了煤储层渗透率在测试、模拟和预测方面存在的问题，并提出了进一步研究的展望。研究结果表明现场注入测试是获取原位煤储层渗透率的主要方法，实验室非稳态法渗透率测试适合我国低渗煤储层；单轴应变条件下的P-M模型和S-D模型适用于恒定垂直外部应力条件下的模拟，恒定体积条件下的Ma模型对于多数煤类输入的参数均可测量，模拟结果可靠性较高，三轴应力条件下的Connell模型和Zhou模型更有利于通过实验室测定对模拟渗透率进行验证；基于煤层气井生产数据历史拟合得到的渗透率与原位煤储层更为接近，未进行煤层气排采试验区基于单一主控因素的煤储层渗透率预测效果较好，综合多因素的人工智能技术预测的渗透率较可靠。

• 卸荷煤体分数阶渗透率模型参数探讨及其在渗流模拟中的应用

  赵家巍, 周宏伟, 刘泽霖, 谢森林, 赵文慧, 钟江城, 史艳楠, 王毅颖,

  采动煤体卸荷过程中，因原始及新生裂隙持续扩展而产生损伤破坏，导致渗透率急剧升高，经典煤储层应力-渗透率模型适用范围仅限于煤体线弹性变形阶段，无法反映煤体峰后渗透率的变化规律。借助在描述非线性力学行为方面具备独特优势的分数阶导数，通过已有试验和理论分析，基于现有应力-渗透率模型提出的适应于采动卸荷煤体的双参数分数阶渗透率模型，当阶数γ=0时，分数阶渗透率模型退化为经典的S-D模型，表明S-D模型是分数阶渗透率模型的一种特殊情形，当阶数γ=1时，分数阶渗透率模型表现为S-D模型的幂函数形式，展现峰后渗透率的强非线性变化特征，从而将经典S-D渗透率模型的适用范围拓展至峰后阶段。然而，双参数分数阶渗透率模型参数的物理意义不尽明确，为此，根据改进的Mazars损伤准则，获得了煤体卸荷过程中损伤变量的演化规律，借此探讨了所建渗透率模型中2个参数的关系，得到了只含损伤变量D的单参数分数阶渗透率模型，将模型中的静态参数修正为动态参数，符合损伤扩容过程中煤体割理压缩系数不断变化的事实，弥补了现有应力-渗透率模型中所引入的静态参数与损伤变量不关联的缺陷，使其物理意义更加清晰。将分数阶渗透率模型应用于充填采动煤体瓦斯渗流规律数值模拟，获得了充填采动煤体瓦斯渗流规律，提高充填体弹性地基系数，加剧了本层煤的瓦斯突出风险而减小了下层煤向本层煤涌入的采煤工作面瓦斯体积分数。因此，实施充填开采以后，存在利害两面性，特别是对于瓦斯突出矿井，充填前需加强瓦斯突出风险的评估工作。

• 松辽外围火山-沉积盆地非常规油气调查发现及启示意义——以双阳盆地为例

  刘卫彬, 李世臻, 徐兴友, 周新桂, 张文浩, 王丹丹,

  松辽盆地常规油气勘探开发已进入中后期，后续接替资源不足，油气勘查亟需向外围新区、新层系、新类型拓展。通过实施三维高精度重磁电勘探、油气参数井钻探工程，结合高精度锆石206Pb/238U测年、有机地球化学测试、XRD矿物组分测定、核磁物性分析等手段，对松辽盆地外围东部双阳盆地非常规油气地质条件进行了综合调查研究。结果表明：双阳盆地发育石炭二叠系—白垩系完整的地层层序，共划分9套物性组合，存在2套具有低密度、低电阻率和低磁化的碎屑岩沉积地层，经钻探验证，在松辽盆地外围双阳盆地发现2套暗色页岩层系，根据地层综合地比和锆石年龄测定，2套页岩地层时代分别为下白垩系长安组和三叠系大酱缸组。其中，长安组页岩有机质丰度高，TOC含量平均1.63%，热解参数计算生烃潜力S1+S2平均值为1.21 mg/g，有机质以Ⅱ1，Ⅱ2型干酪根为主，热演化程度Ro处于0.55%～0.95%，中-低热演化程度，核磁有效孔隙度平均值为4.5%，脆性矿物石英+长石+碳酸盐矿物的含量均值为59%，具有较好的储集性和可压性，是有利的致密油、页岩油富集层系；大酱缸组页岩有机质丰度中等，TOC含量平均1.52%，生烃潜力S1+S2平均值为0.35 mg/g，有机质以Ⅱ2，Ⅲ型干酪根为主，Ro处于1.59%～2.64%，高成熟-过成熟演化阶段，核磁有效孔隙度平均值为3.3%，脆性矿物含量均值为56%，是有利的煤层气、页岩气富集层系。根据岩性组合及油气富集基本特征初步分析，上述2套有利页岩层系的形成，与火山活动有着密切的关系，松辽外围东部发育的39个沉积盆地同样具有火山活动期断陷湖盆沉积特征，推测具备非常规油气形成富集的物质基础和地质条件，指示松辽外围东部盆地群具有非常规油气勘查远景。

• 高原高寒矿区生态地质层修复中的土壤层构建与成分变化差异

  王佟, 蔡杏兰, 李飞, 王辉, 刘金森, 周伟, 谢色新, 赵欣, 宁康超, 杨庆祝, 李聪聪, 高超, 孙浩, 龚雨杭,

  木里矿区地处高原高寒地区，经多年开采后生态破坏严重，土壤资源极度贫乏，能否将采矿渣土改良成适宜植被生长复绿的人造“土壤层”成为了生态修复过程中的科学难题。基于此，开展了适宜祁连山腹地高寒草甸生长的重构土壤材料和改良最佳配方的研究与试验。选用木里矿区渣土为土壤层构建矿基材料，以当地羊板粪、商品有机肥、牧草专用肥等为土壤改良材料，分土壤层构建和人造土壤肥力提升两大部分在矿区现场室内设置不同配比开展盆栽种草及出苗对比实验研究，重点分析了土壤层构建出的人造土壤与原始草甸土的差异。研究结果表明：① 通过将羊板粪和矿区内经过人工破碎筛选后的细纯渣土进行深度拌合，可以有效构建具备植被立地条件和基本生长条件的人造土壤；② 利用主成分分析法，分析了不同材料和配比在加入人造土壤后，土壤肥力提升的综合效果，得出渣土+羊板粪+商品有机肥+牧草专用肥(组合3)的土壤层构建方案最优，牧草长势好，与原始草甸土壤成分最相近；③ 现场大面积土壤层构建时，根据最佳的配比方案，制定了羊板粪用量为450 m3/hm2左右、商品有机肥用量为22 500～30 000 m3/hm2、牧草专用肥为225 kg/hm2的土壤层构建和肥力改良方案，复绿成效显著，在高原高寒木里煤矿区生态修复过程中，推广应用了土壤层构建方法，有效解决了当地无土的难题，矿区的生态环境得到有效治理，节省高额的治理费用，也为同类矿区大面积生态地质层修复提供参考和借鉴。

• 采矿对植被变化的影响提取与生态累积效应量化分析

  李全生, 许亚玲, 李军, 张成业, 郭俊廷, 佘长超, 宋子恒, 王菲,

  为将采矿活动和其他因素产生的生态扰动分离开，揭示采矿活动单独对植被的影响规律和特性，基于长时序多源数据提出了提取采矿干扰的两阶段法TS-EMD(Two Stage-Extracting Mining Disturbance)，并定义了采矿活动对植被覆盖度的扰动量FVC-MD(Fractional Vegetation Cover-Mining Disturbance)。首先，利用采矿前的长时序遥感、气候气象、社会经济等数据构建植被变化的驱动过程模型；然后，利用上述模型预测无采矿活动条件下的植被演变过程，进而与遥感监测的采矿活动背景下实际的植被演变进行对比计算FVC-MD。以内蒙古胜利矿区为研究区开展实验，量化分析了胜利矿区煤炭开采对植被覆盖度的扰动时空特征，揭示了采矿扰动量存在3个主要特性：① 距离衰减特性。高扰动多集中在矿坑附近，离矿坑越远扰动程度越低，扰动量与到矿坑的距离呈显著的对数关系；② 方向异质性。煤炭开采对植被覆盖度的扰动量在不同方向上具有显著的差异，地形是产生方向异质性的主要原因；③ 空间累积效应。2个矿之间位置尽管离2个矿都有一定距离，但由于叠加影响导致中间位置存在高扰动区，且高扰动区范围随着时间推移在扩张。实验结果验证了TS-EMD方法在一定程度上能够解决从矿区植被变化的多因素耦合影响中单独提取并量化煤炭开采影响的问题，为矿区生态环境保护与修复活动决策提供理论数据支撑。

• 液化油渣萃余物大规模气化行为

  陈茂山, 李君, 孙凯蒂, 鲍永杰, 刘臻,

  煤液化油渣萃余物气化制氢既可有效解决油渣萃余物的处理问题，又可为煤直接液化装置提供所需的原料氢气，是实现液化油渣萃余物资源化利用的有效途径。针对液化油渣萃余物大规模气化应用中的关键问题，开展了液化油渣萃余物的气化反应活性、干粉输送特性及灰渣特性的相关研究，对液化油渣萃余物的干粉气化适应性进行了评估。在此基础上，依托国家能源投资集团低碳研究院3 t/d规模的密相输送和气化中试试验装置开展了相关中试试验研究，重点考察了其工艺稳定性、液态排渣情况、气化性能指标等，提出了液化油渣萃余物大规模气化的整体解决方案。最后，依据中试试验结果，运用数值模拟方法分析了在神华鄂尔多斯煤气化制氢装置进行萃余物掺烧对其气化性能的影响。结果表明，萃余物焦的气化反应活性优于煤焦，萃余物焦添加后，混合物焦的气化反应活性有所提升。当萃余物的含量不高于20%时，含萃余物混煤可在背压4 MPa、压差0.5 MPa、管径25 mm工况下稳定输送。当萃余物含量高于20%时，混煤的熔渣由玻璃渣转变为结晶渣，在气化过程中有堵渣风险。中试试验验证发现：掺混20%萃余物的混煤在中试装置中气化时，气化炉排渣口发生较为严重的堵渣现象，而当将萃余物掺混量降为10%时，气化过程排渣顺畅，因此建议工业装置掺烧萃余物的比例应控制在10%以下。同时，数值模拟结果也进一步表明，当气化原料中掺混10%萃余物时，对工业规模气化炉内温度场及组分分布无显著影响。

• 离子固化剂固化煤矸石粉作用机理

  张建俊, 姚柏聪, 王宝强, 孙闯, 孙源骏, 蔡冀奇,

  现存有大量煤矸石危害环境，为高效规模化利用煤矸石，课题组研发了煤矸石专用离子型固化剂(ICG)。以阜新新邱矿区高值精选后的煤矸石粉为研究对象，采用不同掺量的离子固化剂(0, 2, 4 L/m3)进行固化处理，开展热重试验(TG)，通过TG-DTG-DTA联合法对吸附水类型和脱附区间以及质量占比情况进行了分析，采用X射线衍射(XRD)与压汞试验(MIP)，分析了不同孔径的孔隙结构特征，以及基于压汞试验数据，对孔隙分形特征进行分析，通过扫描电子显微镜和X射线能谱点扫联合测定法(SEM-EDS)，观测固化后煤矸石粉表面形貌特征及表面元素的演变，运用氯化钡缓冲溶液法和电感耦合等离子体发射光谱联合试验(ICP-OES)对阳离子交换量(CEC)及交换种类进行探究。此外，通过吸附水特性和孔隙特征以及阳离子交换量对ICG固化煤矸石粉作用机理进行探究。试验结果表明：固化后煤矸石矿物胶体表面和层间的一部分弱阳离子被ICG水溶液中电离出的的强阳离子和强阳离子基团交换，表面空缺的负电荷被ICG中强阳离子吸附中和，表面负电荷的静电引力减弱，另一部分弱阳离子被ICG中烷基磺酸根的磺基以离子键形式结合，导致阳离子交换量减少，疏水端烷基朝外，减少阳离子的水合作用，减弱材料的亲水性能，进而减少表面结合水的含量，在相同外力作用下固化后煤矸石粉的孔径和孔隙体积更小、孔隙率降低、孔隙结构更加简单，密实度更大。

• 固-液界面纳米气泡稳定性及其强化浮选黏附机制研究进展

  杨海昌, 郭涵, 邢耀文, 桂夏辉, 曹亦俊,

  颗粒-气泡黏附是浮选核心作用单元，驱动其自发黏附的主要作用为疏水颗粒-气泡间疏水引力。作为长程疏水引力主要来源，界面纳米气泡对浮选界面调控有重要影响。从纳米气泡的基本性质、稳定性机理及浮选强化机制3个方面进行了系统讨论。纳米气泡异常稳定性和接触角一直是近20 a来的研究热点。经典物理学理论预测纳米气泡寿命在微秒尺度，而试验发现纳米气泡寿命通常可达数天以上。针对纳米气泡异常稳定性提出污染物层、动态平衡、三相线钉扎等假说，然而各假说均无法解释所有试验现象，其稳定性机理仍需要深入研究。纳米气泡接触角(气侧)远小于Young接触角，高密度气体导致的固-气界面能降低可能是接触角异常的主要原因。对纳米气泡强化浮选黏附机制进行了探讨，一方面界面纳米气泡可通过边界滑移促进颗粒-气泡碰撞过程中液膜排液，另一方面纳米气泡桥接使颗粒-气泡出现长程引力，同时颗粒-气泡间的DLVO力由排斥力转变为引力，从而促使颗粒-气泡黏附。目前已有试验表明纳米气泡在煤、磷酸盐、白钨矿及铁矿石等多种矿物的浮选中均有显著提升效果。在浮选日益精细化的背景下，纳米气泡强化技术可为浮选界面调控提供新的理论视角与技术手段，是未来浮选领域重点研究方向之一。

• 气化细渣疏水-亲水双液分离可行性与机理分析

  薛中华, 董连平, 刘安, 樊民强, 杨崇义, 王建成, 鲍卫仁, 樊盼盼,

  煤气化细渣是一种资源化利用率较低的固体废弃物, 其残炭与灰质的相互混杂制约了针对其中残炭或无机矿物质(灰质)利用的2个方面, 残炭与灰质分离是气化渣高效资源化利用的前提。重力分选对于气化渣中+0.125 mm较粗粒级分选效果较好, 但气化细渣0～0.074 mm粒级含量高, 常规泡沫浮选细粒级药剂消耗量大, 泡沫残炭产品中细粒灰质夹带严重, 多段分选工艺复杂, 泡沫残炭产品水分较高。疏水-亲水双液分离(HHS)是集分离与脱水为一体的技术, 采用HHS技术对宁夏煤业公司的气化细渣的残炭与灰质分离进行了试验研究, 考查了搅拌速度、搅拌时间、疏水液体用量对煤气化细渣炭、灰分离效果的影响规律。结果表明, 随搅拌速度增加残炭产品灰分由66.35%降低至20.80%, 尾矿灰分由79.70%提高至98.25%, 炭、灰分离效果明显变好；随着搅拌时间增加, 残炭产品灰分由33.96%降低至28.96%, 对于炭、灰分离效果影响较小；随疏水液体用量增加残炭产品灰分由28.98%降低至24.31%, 再升高到26.09%, HHS中疏水液体为样品质量的60%时最佳。HHS相比泡沫浮选可得到更好的炭、灰分离效果, 残炭产品灰分在30%以下, 灰质产品灰分在95%以上。通过SEM-EDS、工业分析、元素分析、XRF分析和BET孔结构分析, 得到从原样到HHS精矿与尾矿的表面形貌变化、元素组成富集情况、孔结构变化趋势, 为气化细渣炭、灰分离后的分质利用提供了依据。通过残炭与灰质表面性质的测定, 利用Zeta电位分析、接触角分析、XPS分析以及扩展DLVO理论计算分析了煤气化细渣疏水-亲水双液炭、灰分离机理, 为后续强化炭、灰分离机制提供了理论依据。Zeta电位分析表明残炭与正庚烷油珠的黏附性更强, 炭经正庚烷处理后C—C/C—H官能团的含量增加了3.61%, 接触角由36.11°增加到76.13°, 使炭表面疏水性显著增强；而灰经正庚烷处理后接触角由28.08°增加到42.05°, 其表面疏水性增加程度较小, 说明正庚烷处理有助于增大炭与灰表面疏水性差异性。利用扩展DLVO理论计算HHS过程中各种颗粒间的总作用势能, 发现炭-炭颗粒间与炭-正庚烷的较大液滴间在60 nm先于灰-灰颗粒与炭-灰颗粒发生絮凝, 实现大部分炭颗粒在油相和灰颗粒在水相的富集, 两相分离进而实现煤气化细渣的炭、灰分离。

• 基于采煤机和刮板输送机能耗模型的速度协同优化控制

  陈迪蕾, 郑征, 黄涛, 张国澎,

  综采工作面“智能化+装备”协同控制是实现煤矿综采智能化关键技术之一，采煤机和刮板输送机作为综采工作面的两大核心装备，其协同运行状态决定了整个综采过程的智能化程度、效率和能耗。基于前期研究建立的采煤机能耗模型，结合双向割煤工艺特点，通过对刮板输送机在不同工艺阶段的煤量线密度、实时煤量及运行阻力的分析，建立了刮板输送机的能耗模型。为验证该模型的合理性，以山西某煤矿9105综采工作面双机系统作为研究对象，通过MATLAB仿真得到的双机基准速度及其同比率增加或减少时的系统能耗变化趋势与实际经验相符。为明确牵引速度、滚筒转速及刮板链速度变化对采煤机和刮板输送机能耗的影响，通过对45组不同速度协同组合下采煤机和刮板输送机的能耗变化情况进行仿真分析，得出双机能耗最速下降路径的速度协同组合方向。其次，在满足采煤量、速度要求、生产时间等约束条件下，以采煤机和刮板输送机协同运行时的总能耗最小为目标，建立了双机速度协同优化模型，提出基于双机能耗模型的速度协同优化控制方法。为突出协同优化控制方法的优势，以同一综采工作面为研究对象，通过仿真得到优化协同速度及相应的能耗，与基准速度下的能耗相比，在一个生产循环中，采煤机可节能4.47%，刮板输送机可节能11.71%，双机系统总节能可达10.9%，因此，所提出的协同优化控制方法能有效降低采煤机和刮板输送机双机系统的能耗。