煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第7期

• 矿山复垦土壤重构的理论与方法

  胡振琪,

  点击观看【《煤炭学报》大讲堂第23期】胡振琪：矿山生态修复的基础理论——土壤重构的理论与方法（答疑环节） 土壤是生物之基，土壤重构是矿山土地复垦与生态修复的关键和基础。本文的目的是革新土壤重构理念，凝练和提升土壤重构理论与方法，为矿区土地复垦与生态修复独特基础理论提供支撑。本文回顾了矿山复垦土壤重构的研究历史，从单元土体空间重构的视角，提出了四维重构的概念，即垂直方向（Z）的土壤剖面重构、水平方向（X，Y）的地貌重塑、时间维（T）方向的土壤改良，其中垂向剖面重构是土壤重构的核心，也是土壤重构的狭义概念。总结国内外矿山生态修复成功经验与失败教训，依据土壤发生学原理和师法自然的理念，提出了“土层生态位”和“土壤关键层”的概念，认为不同土层有其独特的生态功能和空间位置，将各个土层在空间的位置及其与相关土层之间的功能关系与作用，称之为“土层生态位”；将影响土壤整体功能和生产力的关键土层，称之为“土壤关键层”。矿山复垦土壤剖面重构的原理就是以土层生态位为理论基础、土壤关键层为构造核心，设计和优化土壤剖面构型并付诸实施的过程，其核心是优化设计各个土层生态位、确定和优化关键层。因此，土壤剖面重构方法就是在深入分析自然土壤剖面结构和损毁土地特征的基础上，基于需求确定重构土壤剖面的目标；然后对每一土层空间生态位适宜度进行分析；再通过土层生态位的空间位、宽度、重叠、差距和竞争等要素分析，确定可能的土壤剖面构型和关键层；最后通过室内外种植试验或模拟试验验证与筛选，从而获得最佳生产力功能的土壤剖面构型。基于这一原理和方法，提出了“分层剥离、交错回填”的土壤重构技术工艺原理，“分层”是满足“土层生态位”和“关键层”构造的要求，“交错”是实现土壤重构连续、高效的施工工艺，并以露天煤矿采复一体化和采煤塌陷地挖深垫浅复垦为例介绍了土壤重构工法。最后，以山东黄河泥沙充填复垦采煤沉陷地为例，介绍了土壤重构原理与方法的应用和实践。

• 煤与共伴生战略性金属矿产协调开采理论与技术构想

  黄炳香, 赵兴龙, 余斌, 贺桂成, 岳中文, 杨成祥, 王长申, 孟庆彬, 杨玉贵, 刘江峰, 冯秀娟, 陈大勇, 邢岳堃, 朱卫兵, 段晓恒, 鞠金峰,

  煤与煤系共伴生矿产协调开采是国家重大战略需求。 我国煤系共伴生有铝、铀、铁、镓等22种战略性金属矿产，种类多、储量丰富、与煤层叠置，赋存状态与开采方法差异大，各矿产开采的岩层活动、流体迁移等影响彼此正常开采。 传统煤矿仅开采煤炭，对煤系共伴生矿产考虑较少或没有考虑，导致资源浪费;近些年国内开始出现煤与共伴生矿产开采的矛盾，煤与共伴生矿产协调开 采迫在眉睫。 面向煤系全部共伴生战略性金属矿产，聚焦典型代表性的煤系铝土矿和铀矿，保障研 究成果的通用性。 煤与共伴生矿产协调开采亟需解决的核心共性重大科学问题是:协调开采的固 液气应力场、渗流场、化学场、微生物场、采动裂隙场耦合机制及岩层活动叠加影响规律。 亟需攻克 的关键技术包括:煤与共伴生矿产协调、协同及共采的分区错时协调开采技术、减振高效爆破开挖 技术、水位主动调控技术、污染物的微生物原位还原-矿化治理技术。 针对协调开采的重大科学问 题和关键技术，研究揭示协调开采多相多场耦合机制与岩层活动叠加影响规律，提出协调开采成套 方法，研发协调开采关键技术与装备，构建全资源、全生命周期协调开采规划理论，制定协调开采技 术标准，形成通用性的协调开采理论与技术体系，保障各矿产开采活动不影响彼此正常开采。 实现 煤与共伴生矿产可持续绿色协调性开采，释放矿产储量，保障资源集约开发，经济社会效益显著。

• 大倾角煤层长壁开采围岩应力传递路径时空演化特征

  罗生虎, 王同, 伍永平, 田程阳, 郎丁, 赵华涛,

  大倾角煤层开采中，受煤层倾角影响，采动应力在顶板岩层中的动态演化规律较一般煤层 开采时复杂，发现并揭示采动应力的传递路径与宏观展布形态的演化特征是实现该类煤层安全高 效开采的基石。 以某矿 25221 工作面为工程背景，采用模拟实验、数值模拟、理论分析互馈的研究 手段，在厘定围岩宏观结构演化规律的基础上，量化了围岩空间主应力包络面空间展布形态，揭示 了围岩采动应力传递路径时空演化特征。 研究结果表明:在大倾角煤层开采中，围岩破坏拱壳形态 在高度上呈现先增大后趋于稳定的特征，倾向上、下端头位置处，壳基随着推进距离的增大而向深 处煤体内偏移后趋于稳定;围岩应力包络拱壳呈现壳顶在工作面倾向中上部、壳基在采场四周煤体 内的非对称拱壳体形态;围岩支承压力峰值的演化分为峰值增长区与稳定区;主应力受采动影响在 煤壁前方呈现出先增大后减小的变化规律，而在采空区中部 3 者均下降且第一主应力下降幅度最 大;第一主应力受采动影响，其应力传递路径可分为原岩应力区、应力增高区、应力降低区 3 个区 域;应力增高区内，第一主应力在 Z 轴分量增加幅度最大，其方向自垂直于 Y 轴平面内旋转。 研究 结果揭示了顶板宏观应力拱壳与应力传递路径演化一般规律，丰富了大倾角煤层岩层控制理论。

• 煤矿固体智能充填开采方法研究

  张强, 王云搏, 张吉雄, 左小, 杨军辉, 张昊, 巨峰, 孙忠良, 魏连河, 史磊,

  固体充填采煤方法在固废处理与岩层控制方面具有显著技术优势，但其效率与传统综采相 比有所降低，基于充填技术升级、行业发展需要与矿山智能化建设三重需求，针对机构干涉状态判 别、充填参数智能感知、采充工序自动组织等关键科学问题，研究了煤矿固体智能充填开采方法。 给出了固体智能充填开采方法的概念、特征与难点，结合采矿地质条件、充填装备机构静态尺寸参 数及运行过程中的动态轨迹参数特征，构建了充填工序过程中机构典型干涉状态判断和解调方程， 形成了充填装备机构干涉状态调控机制，明确了采充工艺参数自我感知原理，形成了以数据智能感 知模块、干涉状态分析识别模块和位态调整工序执行三大模块为架构的采充工艺参数自我感知方 法，提出了采充工序流程自动组织策略，设计了以感知工序、识别工序、位态调整工序及采充响应执 行工序为主的固体智能充填采充工序。 阐述了多孔底卸式刮板输送机和充填液压支架智能化改造 方法，设计了固体智能充填控制程序与系统，应用 Keil5 软件进行了程序的编程。 研究可实现机构 间干涉状态智能识别与自主调整、采煤与充填的协同作业、减少工序所需人工劳力、促进充填效率 提高、充填工作面产能增加与回采工效提升，可为固体智能充填技术研发与应用提供理论指导。

• 超临界CO2致煤岩力学特性弱化与破裂机理

  梁卫国, 贺伟, 阎纪伟,

  含煤地层中含有大量的煤系气资源，高效开采煤系气资源对非常规油气资源开发利用与能 源革命具有重要意义与价值。 含煤地层中煤层与其他岩层叠置发育，增加了煤系气开采的难度。 在实验室进行了超临界 CO2(ScCO2)对含煤地层中的砂岩、煤样长时浸泡作用实验及其力学变化 特征的研究，并结合显微 CT 扫描，研究了水力压裂、液态 CO2 压裂和 ScCO2 压裂煤体后的裂缝分布 特征，揭示了煤样、砂岩在液态CO2与ScCO2压裂时的破裂特征及裂纹扩展控制机理。 研究结果表 明:1 ScCO2 浸泡对煤体力学特性弱化作用强于其对顶板砂岩力学特性的弱化。 ScCO2 浸泡 15，30 到 60 d 后，砂岩单轴抗压强度分别降低了 9.10%，21.97%和 48.93%，砂岩的弹性模量分别减小了12.70%，18.82%和 27.19%。 ScCO2 浸泡作用 20 d 后，弱黏煤、1 / 3 焦煤、贫瘦煤和无烟煤的单轴抗 压强度分别降低 65.25%，45.24%，56.02%和 67.94%，弹性模量分别降低 65.87%，52.50%，57.14% 和 65.91%。 2 煤体吸附 CO2 后膨胀变形导致其表面能减小，ScCO2 对煤中有机物的萃取及其进入 煤体微小孔裂隙内部导致煤体的孔隙压力增大，CO2 与水结合形成碳酸对煤中矿物的溶解是导致 煤体力学强度降低的主要因素。 3 含煤地层中 ScCO2 压裂优于水力压裂。 ScCO2 能够大幅降低煤 体、岩体的力学强度，减小煤体、岩体的破裂压力;CO2 分子能够进入到煤体、岩体的裂隙尖端，加速 煤岩体的损伤破坏，并形成多分叉、高曲折度、扩展距离远的复杂裂缝网络结构。

• 煤岩组合体冲击动力学特征试验研究

  杨科, 刘文杰, 马衍坤, 窦礼同, 刘帅, 魏祯, 许日杰,

  为探究冲击荷载作用下煤岩组合体承载结构的动力学响应特征，采用分离式霍普金森压 杆(SHPB)试验系统结合超高速摄像机，设计开展了4种典型岩样与相同煤样水平层状复合而形 成的煤岩组合体冲击压缩试验，对比分析了应力波由岩入煤情况下，煤岩组合体应力波传播规律、 动态应力-应变关系、能量耗散规律及破坏失稳特征。 研究结果表明:1.煤岩组合体与入射杆波阻 抗匹配效果的差异性对应力波传播的影响随冲击速度的增大逐渐减弱。 2 随冲击速度的增大，煤 岩组合体最大动态峰值应力和峰值应变具有明显的应变率效应，入射能呈线性增大且与试样无关， 反射能占比近似呈线性降低，最大动态峰值应力和吸收能占比近似呈幂函数增大。 3 冲击荷载作用下，煤岩组合体宏观裂隙起裂大多发生在远离煤岩交界面且强度相对较低的煤体或岩石端部，当 裂隙发育至煤岩界面处，且裂纹尖端应力大于“ 弱化” 煤岩强度时，裂隙将越过煤岩界面继续发育。4 煤岩组合体冲击破坏时，在组合体动力显现影响程度方面，呈现出冲击速度大于岩石强度，岩石 强度大于波阻抗匹配效果的规律。5 相同冲击速度下，随着岩石强度的增大，岩组分更多起到能 量的积聚和传递作用，岩石模式由劈裂破坏向剪切破坏转变，煤岩组合体动力显现逐渐向煤体转 移，煤体破坏程度逐渐增大，煤样破碎颗粒逐渐由块状向粉状过渡，煤样破碎块体块度平均粒径降 低，煤岩组合体分形维数逐渐增大。 研究结果对动压巷道围岩控制提供了基础研究。

• 高温富水环境下裂隙岩体注浆试验装置研制及 浆液扩散规律

  余永强, 张纪云, 范利丹, 王树仁, 徐峰, 杨杰, 任连伟,

  为研究隧道工程高温裂隙岩体注浆浆液的扩散规律，以大瑞铁路高黎贡山隧道破碎围岩为研究对象，研制了一套高温富水环境下破碎岩体注浆的试验装置。 以粒径2 ~ 5 mm 的堆积岩块模 拟破碎地层，通过对试验装置施加反向作用力实现模拟地层压缩变形，使各组试验的地层孔隙率误差 控制在0.5%以内。 运用均匀设计法构建开展了多组裂隙注浆试验，分析了地层温度、单位时间流量、 水灰比等因素对浆液扩散规律的敏感性，系统讨论了地层温度作用下，随单位时间注浆流量变化浆液结石体形状的变化规律。 研究结果表明:研制的试验装置可满足高温富水环境下裂隙岩体的注浆试 验，模拟破碎地层压缩变形量和孔隙率的试验值与理论值的误差均小于 0.1%，能够实现高温水的循 环与恒温作用时间控制，验证了模型的合理性。 发现地层温度、水灰比和注浆流量对扩散范围的影响 并非线性关系，而是多元幂函数关系，构建了对应的浆液扩散范围求解式，并对影响浆液扩散范围的 参数进行单因素和多因素分析。 本试验条件影响浆液扩散范围的主要因素是单位时间流量，地层温 度最小，水灰比居中，且水灰比和地层温度对浆液扩散范围的影响差距不大。 浆液的扩散形式以充填 压密为主，随单位时间流量从小到大变化，结石体形状从饼状逐渐过渡到锥形体，再到类似圆球车阻石的形状，随流量的增大球体直径的增幅大于饼状结构直径，最后，近似呈完整球形结构。

• CT扫描的煤岩面裂隙椭球模型重构与张量表征及其应用

  王守光, 穆鹏宇, 王嘉敏, 李海涛, 齐庆新,

  CT 扫描技术为观测煤岩内部裂隙提供了重要手段，然而由于煤岩 CT 扫描裂隙场的高度 复杂性，对其精确定量描述一直是行业内十分困难的问题。 通过 CT 扫描发现，煤岩内部裂隙结构 以面裂隙为主，因此针对 CT 扫描获得的煤岩面裂隙结构，提出了一种基于椭球模型的解决方案: 首先将煤岩 CT 扫描获得的面裂隙结构离散为三角形面网格，在 Geomagic Wrap 软件中对三角形面 网格进行简化和修复，得到一系列三角形裂隙面代替原有的裂隙结构;然后采用一种特殊的面椭 球，即旋转扁椭球，拟合每一个三角形面裂隙，据此实现对整个裂隙结构的椭球模型重构，详细给出 了二维空间和三维空间中面椭球重构的控制方程及求解策略，并验证了求解策略的可行性，给出了 椭球模型重构 CT 扫描裂隙场的精度分析;最后利用重构的椭球形裂隙场，分别设计面裂隙方向张 量与面裂隙组构张量，定量表征煤岩 CT 扫描面裂隙结构，同时给出了针对面裂隙方向张量与组构 张量的简便计算方法。 对于裂隙张量表征理论的应用，选取了简单面裂隙结构、CT 扫描获得的真 实复杂裂隙结构、真实裂隙场的演化过程等 3 个具体案例，验证了裂隙张量理论对煤岩复杂裂隙结 构的描述能力，并阐明了其与孔隙率、分形维数描述方法之间的异同。 关于椭球模型重构方法的应 用，除了有助于裂隙结构的定量表征，还介绍了其在裂隙煤岩等效弹性模量预测理论方面的应用前 景，并通过数值模拟分析初步验证了理论公式的适用性。

• 松软煤体波速演化规律与破坏程度量化指标

  朱传奇, 谢广祥, 王磊,

  为合理评价松软煤体破坏状态，以淮南矿区潘一煤矿 11518 回采工作面为背景，选用型煤 代替原煤，采用 MTS 岩石力学实验机及 PCI-II 声发射仪，开展单轴压缩状态下煤体多路径波速实 时监测室内试验，分析波速变化特征;基于声波传播规律定义破坏程度量化指标;探究不同破坏阶 段煤体介质状态，并开展指标工程应用。 研究结果表明:1 随煤体轴向应变的增加，波速呈现平 稳、缓慢降低、急剧降低再平稳的基本规律，受载初期，型煤波速平稳，这与岩石材料呈现出的声学 特性有所差异。 2 破坏程度量化指标 K 为煤体某一破坏阶段纵波经过裂纹时间与完全破坏后纵 波经过裂纹时间的比值。 3 随煤体轴向应变的增加，指标先后经历平稳在 0 附近、缓慢增大、急剧 增大再平稳在 1 左右 4 个变化阶段，指标演化与煤体表面形态变化具有高吻合性，且与传统损伤变 量相比，指标突出裂纹对波速的影响，对破坏的敏感性更强，更能准确反映煤体破坏状态。 4 依据 指标变化规律区划了工作面前方煤体介质状态，在距煤壁 26.5 m 以远的煤体处于连续介质区;在 距煤壁 13.5 ~ 26.5 m 的煤体处于似连续介质区;在距煤壁 5.75 ~ 13.50 m 的煤体处于非连续介质 区;在距煤壁距离小于 5.75 m 的煤体处于散体介质区。 研究结果可为量化松软煤体破坏程度，防 控围岩失稳灾害提供一种新途径。

• 基于小波变换理论的岩石节理面粗糙度分级表征

  元宙昊, 叶义成, 罗斌玉, 阎要锋,

  岩石节理面粗糙度的准确量化表征一直是节理岩体力学领域关注的热点问题。 节理面表 面形貌是多尺度的，且一阶、二阶起伏体对节理面粗糙度的形貌贡献存在差异，如何在考虑节理面 多尺度特征的前提下实现粗糙程度的准确表征有待深入研究。 基于小波变换理论，提出了用于小 波基优选的能-熵比准则，结合基于能量保持百分比及信号标准差定义的临界分解水平准则，形成 了节理面形貌分解理论。 然后，以节理面形貌分解理论为基础，以 10 条标准节理面粗糙度系 数(JRC)曲线为对象，实现了标准曲线中一阶、二阶起伏体的准确分离。 对一阶、二阶起伏体的统 计参数(一阶导数均方根 Z2、节理面粗糙度指数 Rp -1)进行了计算，分析了一阶、二阶起伏体统计 参数之间的差异，揭示了标准曲线的统计参数随粗糙度增加而出现局部凸起现象的原因，建立了节 理面粗糙度的分级表征公式。 最后，开展节理面剪切试验对粗糙度分级表征公式的可靠性进行验 证。 研究结果表明:1 基于小波基优选准则确立的最优小波基 coif5 可实现节理面表面形貌的小 波变换处理;2 基于临界分解水平判别准则确立的第 4 分解水平适用于一阶、二阶起伏体的识别; 3 节理面中一阶、二阶起伏体的统计参数存在差异，二阶起伏体的统计参数普遍大于一阶起伏体 的统计参数，揭示了标准曲线的统计参数随粗糙程度的增加而出现局部凸起的主要原因是未考虑 一阶、二阶起伏体的形貌贡献差异;4 基于粗糙度分级表征公式得出的节理面粗糙度系数与节理 试样剪切试验结果的反算值吻合，且准确度比未分级的表征公式要好，表明粗糙度分级表征公式是 合理的。

• 自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流发生机制

  刘勇, 崔家玮, 魏建平, 张宏图, 徐向宇,

  煤层气开采过程中，经常出现井壁坍塌、渗透率降低等问题。超临界二氧化碳(SC-CO2 ) 钻井技术的提出为煤层气钻井提供了新的技术支撑，但较高的破煤门限压力和高能耗，仍是限制SC-CO2推广应用的关键。 射流形式是影响射流能量转化效率的重要因素之一，目前SC-CO2射流的相关研究均基于连续射流。 相较于连续射流，脉冲射流冲击压力大、具有更高的破煤岩效率，其 中自激振荡脉冲射流是与工程相结合的最现实的一种脉冲射流形式。 目前关于自激振荡脉冲射流的研究多是基于水射流开展的，但由于 SC-CO2 与水的流体性质存在较大差异，自激振荡脉冲水射流喷 嘴的相关结构参数是否适用于 SC-CO2 尚未可知，仍需进一步开展相关研究。 因此，为进一步提 升SC-CO2的破煤效率，提出自激振荡脉冲SC-CO2射流。 在传统Helmholtz共振腔的基础上，结合可压缩流体理论，明确了 SC-CO2 的自激振荡脉冲发生机制，确定了适用于 SC-CO2 的自激振荡喷嘴结 构;通过大涡模拟分析了 SC-CO2 的自激振荡发生过程，并开展了 SC-CO2 连续射流与脉冲射流破煤对 比实验，验证了自激振荡脉冲SC-CO2射流的破煤效率。 结果表明:SC-CO2射流的自激振荡脉冲机理 与水射流的自激振荡脉冲机理存在本质上的差异;SC-CO2 湍流的脉动主要由涡模态、声模态和熵模 态组成，其运动中的剪切过程决定了涡结构的形成与放大，是形成自激振荡扰动的根本，膨胀压缩过 程和热力学过程决定了扰动的反馈以及扰动频率，是完成自激振荡的关键。 并且涡模态、声模态和熵 模态之间相互耦合，共同作用;发现自激振荡脉冲 SC-CO2 射流喷嘴的设计关键是找到合适的振荡腔 结构;自激振荡脉冲SC-CO2射流相较于连续射流而言，射流能量转化率更高，冲蚀破坏效果更好。 综 上所述，该研究创新性提出了自激振荡脉冲 SC-CO2 射流，明确了自激振荡脉冲 SC-CO2 射流发生机 制，为自激振荡脉冲 SC-CO2 射流喷嘴设计奠定了基础，确定了较好的自激振荡喷嘴结构参数，并验证 了所设计喷嘴的适用性，进一步提升了 SC-CO2 射流的能量利用率，降低了系统能耗。

• 双重卸压效应下煤体力学行为响应及 对渗透率的影响规律

  刘厅, 赵洋, 林柏泉,

  为了揭示煤层气原位开发过程中储层力学行为响应特征及气体渗流规律，基于实验室试验 和理论分析研究了双重卸压效应下( 同时降气压和卸围压) 煤体力学参数的动态演化规律及其对 渗透率的控制机制。 首先研究了不同卸压路径下煤体渗透率的动态演化规律;其次同步获取了双 重卸压下煤体超声波波速及煤体力学参数的变化特征;最后探讨了双重卸压下煤体损伤演化规律 及屈服破坏机制。 结果表明:1 当应力降低梯度 dσh / dp1 时，渗透率 在初期由于原生裂隙的张开而缓慢增加，后期由于新裂隙的产生而快速升高;2 双重卸压过程中 煤体声波波速、力学参数以及渗透率之间存在显著的对应关系，波速的变化反映了煤体内部裂隙结 构的改变，波速降低表明煤体内部原生裂隙的张开或新裂隙的产生，对应地，煤体动态弹性模量和 剪切模量降低，泊松比升高，煤体渗透率升高;3 单轴应变条件下，基于孔弹性理论建立的水平应 力演化模型与实验室测试结果存在较大偏差，卸压后期理论预测值明显低于试验测试结果，这主要 是由于理论模型忽略了煤体损伤引发的弹性模量劣化而导致的。 4 双重卸压过程中，高 dσh / dp 下煤体发生破坏的概率明显高于低 dσh / dp 的情况，这是因为高 dσh / dp 下煤体垂直和水平有效应 力差快速升高，力学强度快速劣化，导致煤体更容易发生屈服破坏。

• 基于静电感应法的粉尘质量浓度检测装置优化

  陈建阁, 李德文, 王杰, 吴付祥,

  为了解决目前基于环状电极静电感应法粉尘质量浓度传感器对低质量浓度粉尘的测试误 差大、抗干扰能力差的问题，改进静电法粉尘质量浓度传感器的探测电极，将环状探测电极改为由 环状电极与板状电极组合的板-环探测电极。 通过分别建立环状探测电极、板环状探测电极的三 维有限元模型，采用 COMSOL 仿真软件计算与对比 2 种探测电极的空间灵敏度，仿真结果表明:相 对环状探测电极，板-环探测电极中心处多出一个驼峰，证明了板-环探测电极的空间灵敏度数值 较高，有利于低质量浓度粉尘的检测;然后分析了板-环探测电极结构尺寸对其空间灵敏度的影响 规律，确定了板-环探测电极的尺寸参数，板-环探测电极的直径设置为 30 mm，长度设置为 40 mm。 并设计了板-环探测电极感应信号处理电路，结合板-环探测电极、绝缘体、屏蔽层、数值信号处理 电路，研制出新型静电感应法粉尘质量浓度传感器。 最后通过试验表明，相对环状电极的静电感应 法粉尘质量浓度传感器，板-环探测电极静电法粉尘质量浓度传感器信噪比提高了约 3 倍，分辨率提高了约2倍，测量误差由目前的15%减少到 10%，提高了静电感应法粉尘质量浓度传感器的检 测精度。 促进了静电感应法粉尘质量浓度传感器在煤矿的应用，提升了煤矿粉尘质量浓度检测技 术的发展。

• 中煤级煤Micro-Raman结构对甲烷吸附的响应

  陈小珍, 李美芬, 曾凡桂,

  煤与甲烷、二氧化碳等流体作用后的体积膨胀及其机制一直是煤层气地质学和煤与瓦斯突 出防治研究中的重要课题之一。 以往的研究主要集中在宏观吸附膨胀及变形，并从力学的角度解 释其膨胀机制。 实际上，煤作为由大分子构成的分子体系，与甲烷、二氧化碳的相互作用是一种分 子现象，其膨胀变形的本质应该是分子体系发生了变化，因此揭示煤大分子结构对煤体吸附膨胀的 响应特征是认识其机制的基础。 应用显微-拉曼光谱法对吸附甲烷前后的 8 个中煤级煤样( 镜质 组最大反射率 Ro =1.08%~1.80%)进行了结构表征，并运用 origin 8.5 软件对煤样吸附甲烷前后的 拉曼光谱曲线进行了分峰拟合，在此基础上计算了煤样吸附前后的拉曼光谱结构参数。 结果表明: 原煤和吸附煤的 G 峰与 D 峰的峰位差 d(G-D)随着煤级的增加有增大趋势，G 峰半峰宽 (FWHM-G)呈减小趋势，表明在反射率 1.08%~1.80%阶段，煤结构有序度和微晶尺寸随煤级增加 而逐渐增加;大芳香环(≥6)的相对含量(AD /AG)出现先增加后减小的趋势，这是以较大芳香环的 生成为主转为向石墨结构生成为主的结果;随着煤级增加，原煤的大芳香环结构中“杂质”(AS /AD) 及氢化芳环上的 C—C 的含量( AS / Atotal ) 均有减小的趋势，反映出煤结构中 sp2 -sp3 杂化烷基碳或氢 化芳环逐渐减少，有序度逐渐增加;当 Ro >1.3%时，吸附煤相对原煤的 d(G-D)及 AD / AG 减少，小芳 香环相对含量(AGR+VR+VL /AD)，AS /AD，AS /Atotal和 FWHM-G 增加，表明甲烷吸附变形引起环数较大 的芳香环和微晶结构破裂形成较小的芳香环。 这一结果对于认识煤大分子结构与甲烷的相互作用 机制提供了理论依据。

• 煤层气水平井定向喷射防砂压裂技术及应用

  黄中伟, 李志军, 李根生, 杨睿月, 梅永贵, 牛继磊, 李宗源, 吴春升, 温海涛, 丛日超,

  我国煤层气资源储量丰富，但是单井产量低、增产难度大、稳产期短是煤层气高效开发的瓶 颈难题。 此外，煤层气井在排采过程中普遍存在着由于出砂、出煤粉导致关停井的现象，严重制约 了煤层气的开发效果。 为了实现定点、定向、体积造缝，研发了水力喷射定向多段多簇压裂配套防 砂工艺。 该方法通过采用“反重力法”在水平井段实现喷砂射孔喷嘴的精准定向，集喷砂射孔、水 力封隔、体积压裂为一体，提高产量的同时有效防砂。 以山西沁水盆地郑庄区块 3 号煤层为改造对 象，开展了 2 口 L 型水平井分段压裂工程试验，以“4 点钟—8 点钟”方向定向喷射造缝，取得了良 好的增产和防砂双重效果。 结果表明:1 2 口 L 型套管水平井均压裂 10 段，其中 1 口井含 1 段 2簇、簇间距 10 m，单段平均砂量 50 m3 、液量 800 m3 ，施工顺利，未出现压裂液大量滤失、窜层和砂堵 的问题;2 改造后 2 口井稳定日产气量分别为 10 100，16 000 m3 / d，日产气量达到 10 000 m3 / d 的 提产时间为 1 个月，具有提产速度快、达产时间短、稳产气量高的特点，日产气量是同区块直井单井 日均产气量的 5~9 倍，是水平井单井日均产气量的 1.4~2.3 倍。 3 现场取水样表明水质较清，2 口井均未出砂，排采设备运行平稳。 除了原生结构煤储层改造外，该技术还可推广应用于构造煤顶 底板定向压裂、多层 / 薄互层定点定向穿层改造等，为煤层气水平井的高效开发提供了新的技术支 撑和增产方向。

• E-Ex 广域电磁法横向约束反演

  张继锋, 周光裕, 刘最亮, 孙乃泉, 张富翔, 王中圣,

  针对 E-Ex 广域电磁法反演剖面横向不连续性问题，在原有 Occam 反演的基础上添加了相 邻测点约束项，使得在模型反演过程中不仅仅考虑到了反演模型的纵向光滑性，同时尽可能使横向 相邻测点反演剖面具有连续性。 当存在测井先验资料时，该约束项可实现对钻井附近测点的纵向 约束，其余测点则通过上一测点进行约束，从而改善反演剖面的横向连续性。 为了充分利用先验资 料及减小剖面反演误差积累，采用测井附近的点或电场值较稳定的测点为剖面分割点，对整条剖面 进行分段反演，可减小累积误差。 采用一维横向约束反演目标函数，先后通过进退法和黄金分割法 求取拉格朗日乘子。 一维模型测试结果显示，采用参考点约束的反演收敛速度更快，反演电阻率在 中间层更趋近于模型本征电阻率。 二维模型测试结果表明:采用横向约束反演得到的剖面电阻率 连续性好，电阻率剖面更光滑。 基于横向约束的反演对于地层的精细分层和定量解释优于广域视 电阻率解释断面。 实际数据反演时，可首先对实测数据进行预处理和光滑，计算广域视电阻率，以 此作为反演的初始模型，能够快速收敛到真实模型。 最后，对山西某处广域电磁法野外实测资料进 行了反演，结果表明:一维横向约束反演比广域视电阻率在横向上连续性更好，纵向分层能力强，该 结果和实际出水点以及已知采空区吻合较好，与实际地质情况符合，表明该方法能够改善实测资料 的反演效果，提高广域电磁法在煤矿水文地质方面的勘探精度。

• 矿井直流电透视底板探测及三维反演解释

  李毛飞, 刘树才, 姜志海, 苏本玉, 陈爽爽,

  煤炭安全高效开采乃至智能开采对查明煤层围岩地质条件的精细程度要求越来越高，然而 目前常用的矿井直流电透视法在探测范围、能力方面还没有完全了解，制约了该方法的应用效果。 为实现矿井直流电透视技术的精细探测，通过数值模拟和实测数据研究，分析了不同形状、不同电 性、不同空间位置的地质体在电透视电位差曲线、视电阻率曲线中的表现形态，并对模拟数据分别 进行了全空间高阻煤层约束反演和半空间反演。 数值模拟与实测数据反演结果表明:在进行矿井 直流电透视探测时，异常体在工作面底板附近的电透视曲线表现出与异常体相反的电性，异常体与 工作面底板之间达到一定距离时，电透视曲线才可表现出与异常体相同的电性;异常体在接收点附 近时比在发射点附近时对电透视曲线影响大;矿井直流电透视三维反演结果可以准确解译底板空 间地质体电性及水平分布信息;全空间约束反演结果与半空间反演结果一致，半空间反演程序或软 件可用于高阻煤层屏蔽下的全空间电透视数据反演;受高阻煤层屏蔽影响，当电极布设于底板时， 可忽略顶板低阻体对观测数据的影响。 随着无线通讯以及并行数据采集系统的发展，矿井直流电 法一次施工可以获取多种装置数据，结合三维反演，可更加精细解译采煤工作面附近岩层电性信 息，为采煤突水灾害防治提供可靠探测手段。

• 基于小波散射分解变换的煤矿微震信号智能识别

  樊鑫, 程建远, 王云宏, 栗升, 段建华, 王盼,

  微震信号是一种典型的时变非平稳信号，微震监测系统在高噪声环境下采集信号的信噪比 偏低，影响了微震事件的识别准确率和精度，现有的微震事件识别方法仍然存在低速率、高时延、低 精度等问题。 以小波理论为基础，提出利用小波散射分解变换提取微震事件和噪声信号的特征，计 算 2 类信号的特征系数，并构成相应的特征矩阵;基于微震信号低频特性、不可预知性和突发瞬态 性的特点，对比分析了小波散射分解变换结构的主要参数:时不变尺度、散射分解次数和质量因子 对特征矩阵维数的影响;通过调整参数的大小有效控制特征矩阵维数，提高运算效率，最终选择出 最优的特征矩阵，利用 SVM 分类对 360 组煤矿微震信号进行分类识别。 实验结果表明:1 小波散 射系数构成的特征矩阵可以有效区分微震事件信号与噪声信号，且事件信号特征系数变化趋势具 有突变性，噪声信号特征系数变化趋势表现为无序性;2 采用 3 次小波散射分解变换构成的特征 矩阵，可有效表征微震事件信号与噪声信号的差异特征，提高程序运算效率，而随着变换次数增加， 事件信号的低频部分更明显;3 在时不变尺度和变换次数确定的情况下，为得到最优特征矩阵，各 阶小波散射变换的质量因子选择不宜过大。

• 基于化学计量理论的煤炭地下气化过程能量回收评价方法

  苏发强, 范伟涛, 浦海, 高喜才, 荆士杰, 辛林, 张涛, 武俊博, 邓启超,

  煤炭地下气化( UCG) 过程的能量回收评价对整个煤炭地下气化过程的有效控制具有十分 重要的意义。 评价内容包括对气化耗煤量、煤气产率及速率、气化产物热值及气化效率等煤炭地下 气化成效评价所需关键参数的设计、监测、计算和解析。 通过对选定煤样进行 UCG 模拟试验，研究 了不同链接孔方法和操作参数所产生的影响，建立了基于化学计量理论的能量回收评价方法，并定 义了能量回收率。 试验结果表明，链接孔模型所产生的生成气平均热值高达 10.26 MJ/ m3(V 形通 道)和 11.11 MJ/ m3(L 形通道);而同轴孔模型试验结果分别为 7.38 和 4.70 MJ/ m3;气化后链接孔 模型试验的空腔体积约为同轴孔模型试验的 2 倍;研究结果表明，气化通道类型和气化剂流量会影 响煤炭消耗量和生成气热值;链接孔气化通道类型对气化区后续气化燃烧的氧化表面和破坏裂隙 的发育有很大影响;本研究提出的基于化学计量法的气体能量回收评价方法简单可靠，计算结果与 实际测试值的误差在 10%以内，可有效评估气化过程中的气化煤量、煤气产量及热值等。

• 基于 Google Earth Engine的采煤沉陷水体方向变化自动识别

  赵艳玲, 丁宝亮, 何厅厅, 肖武, 任河,

  煤炭开采在带来经济效益的同时，也造成了诸多环境问题。 在我国东部高潜水位矿区，地 表在采煤导致沉陷后出现积水，水体面积的剧烈变化使得耕地减少、农业生态系统变化。 因此，对 采煤沉陷水体持续监测对于研究该区域生态变化和制定修复规划十分必要。 为揭示采煤沉陷积水 区的变化情况，在 Google Earth Engine(GEE)平台上，以潘谢矿区为研究区，以通过 Landsat 遥感影 像数据提取出的 1989—2016 年沉陷水体数据为基础，构建了射线法获取年际间积水边界变化距 离，利用一元线性最小二乘回归法对矿区沉陷积水边界进行拟合，并通过扩张系数分析了沉陷水体 的空间位置变化情况。 研究结果:1 提出了射线法采煤沉陷水体方向变化自动识别流程，明确了 射线原点与射线间角度选取方法;2 通过对构建出的射线年际距离变化数据进行皮尔逊相关性分 析，表明射线原点距该沉陷水体边界的距离与其相对应的年份具有较强的相关性;3 对每条射线 构建一元线性最小二乘法回归方程预测了沉陷积水边界，总体上拟合的决定系数为 84.56%，拟合 程度良好;4 将通过回归方程预测出的 2017 年沉陷水体数据与遥感影像提取的 2017 年沉陷水体 数据进行对比，预测精度为 84.43%;5 经扩张性分析，谢桥矿、潘三矿、潘北矿、潘二矿、潘一矿沉 陷水体扩张速度慢，张集矿、顾北矿、丁集矿、朱集矿沉陷水体扩张速度较快，顾桥矿西北方向扩张 速度较快、东南方向扩张速度慢，与矿山企业的开采情况基本对应;6 立足 GEE 平台，从沉陷水体 的提取到射线法监测，整个研究基本实现自动化，能迅速且较准确地进行沉陷积水区的预测。 研究 结论:在缺少采煤相关信息的情况下，基于射线法的沉陷水体监测技术在一定程度上能揭示沉陷水 体各方向的变化情况，为矿区的生态修复提供一定的理论依据和数据支持。

• 水文保留曲面下草原露天矿内排土场地貌近自然重塑

  夏嘉南, 李根生, 卞正富, 雷少刚, 金慧霞,

  露天开采作为草原矿区开采的重要方式，采排复过程中形成的“ 梯田式” 内排土场传统地 貌面临占地面积大、景观破碎、水土侵蚀等问题。 基于自然的解决方案(NbS)可以自然地貌为师， 具有融合矿区原始景观的独特优势。 为构建与周边自然地貌相融合的内排土场地貌，在现有工艺 和团队已有成果上，提出一种采排复一体情景下，基于水文保留曲面( HPCS) 的内排土场近自然地 貌重塑模型，以新疆黑山露天矿内排土场为例，构建 HPCS 下近自然设计地貌(NNDL_HPCS)为实 验组，地表调整曲面下近自然设计地貌(NNDL_SAS)、原始自然地貌(PNL)和传统设计地貌(TDL) 3 者为对照组，结合 GIS 空间分析软件与 CLiDE 演化模型，模拟并评价 NNDL_HPCS 在地貌融合、 土方调配与土壤抗水蚀 3 方面的改良效果，结果表明:地貌设计上，基于 HPCS 的内排土场近自然 地貌重塑模型可依据预设采复周期下采复子区采前地表、矿层顶板和矿层底板 3 者的数字高程数 据(DEM)，自动求解复填可用土方量，获取复填子区地表高程设计结果;地貌融合上，NNDL_HPCS 较 NNDL_SAS 和 TDL 视觉上更接近于 PNL，其相对 PNL 的高程总方差较后两者分别低 50.37%和 37.92%，且其自然水文保留率较后两者分别高出 2.85%和 8.53%;土方调配上，NNDL_HPCS 土方 运移成本小幅增加，其土方平均运距分别较 NNDL_SAS 和 TDL 分别高出约 4.99%和 5.05%;土壤 抗水蚀上，NNDL_HPCS 较 NNDL_SAS 10 a 可减少约 55%的表土水蚀总量，较 TDL 减少约 72.6%，可显著提高内排土场表土抗水蚀能力。

• 低煤级煤的石墨化研究:芳香结构演化特征

  张小梅, 王绍清, 陈昊, 李雪琦, 张一岫,

  石墨因其特殊属性及结构赋予的优越性能而被应用广泛。 煤炭是碳的富集物，在制备石墨 等碳材料方面颇具潜力。 以低变质程度且富惰质体的榆家梁煤(YJL5)为研究对象，对其进行高温 热处理，对不同温度下样品进行 X-射线衍射(XRD)测试及扫描电子显微镜(SEM)表征，以探讨在 热处理过程中的芳香结构演化规律及形貌特征，揭示低煤级富惰质体煤芳香结构向石墨结构演化 的轨迹及规律，并分析煤中灰分对芳香结构的影响。 结果表明，低煤级富惰质体煤 YJL5 制备石墨 的石墨化度>80%，可作为制备石墨的原材料煤种来源;YJL5 石墨化产物以棒状石墨为主，其由层 状薄膜组成。 微观形貌特征显示棒状石墨的生长模式与结构参数揭示的微晶结构尺寸的生长模式 一致。 随着石墨化温度升高，YJL5芳香层结构尺寸(La，Lc)增大，芳香结构横向拼接作用和纵向堆 砌作用同时发生。 室温~1 800 °C时，以碳化作用为主，非碳元素逐渐以挥发分形式排出，碳元素逐 渐富集，该阶段芳香结构增长以横向拼接作用为主。 温度高于 1 800 °C 时，层间距 d002 <0.344 0 nm，石 墨结构初步形成。 随着温度升高，芳香结构增长先以纵向堆砌作用为主(1 800~2 250 °C)，然后以 横向拼接作用为主(2 250~2 850 °C)。 YJL5 中灰分对其石墨化具有一定的促进作用，但对芳香层 横向拼接和纵向堆砌影响效果不同。 1 800 ~ 2 850 °C ，未脱灰煤样的 La 大于脱灰煤样，可知 YJL5 中灰分对其芳香层横向增长具有持续显著的促进作用。 未脱灰煤样 Lc 仅在温度低于 2 250 °C 时大 于脱灰煤样，高于 2 250 °C 后比脱灰煤样的 Lc 更小，可知 YJL5 中灰分对芳香层纵向增长的促进作 用主要在 1 800~2 250 °C，高于 2 250 °C时无显著促进作用。

• 基于密度泛函的铁基改性生物焦汞吸附与再生机理

  秦舒宁, 樊保国, 贾里, 范浩东, 金燕,

  为进一步探究生物焦汞吸附特性与提升生物焦汞吸附性能，采用共沉淀法制备以生物基为载 体的铁基改性生物焦脱汞剂，基于密度泛函理论，结合多种表征和计算手段，通过高价金属离子、晶格 氧与氧空位结合，构建了缺陷型碳环掺杂金属的铁基改性生物焦分子模型，并对 Hg0 在铁基改性生物 焦表面吸附的反应路径进行研究，确定了 Hg0 在改性生物焦表面的吸附反应活化能垒和决速步骤，进 一步揭示了 Hg-Fe10%-BC 的反应机制和相应成键机理。 在验证不同铁基负载比率失活生物焦再生 可行性的基础上，揭示了失活生物焦再生反应机理，探究了反应条件和含氧官能团对吸附过程的影响 机制。 研究发现，Hg0 在铁基改性生物焦表面的吸附过程共包含扩散与吸附氧化阶段，其中 Hg0 作 为 Lewis 碱易与作为 Lewis 酸的改性生物焦发生非均相氧化反应，而 HgO 则为 Hg0 吸附后的主要赋存 形态;带有电子的氧空位为吸附过程的化学吸附位点，均匀分散在生物焦中的金属离子与对应氧化物中 的晶格氧为反应过程中的氧化位点;含氧官能团通过自身酸碱程度进一步影响生物焦汞吸附性能;失活 生物焦再生受到氧链长度增加的限制，最大汞吸附效率降至改性生物焦一次汞吸附效率的 90%;定量揭 示了铁基改性生物焦 Hg0 的吸附机理与失活改性生物焦的再生机制，为脱汞方法的优化提供理论依据。

• 水蒸气对脱灰煤焦O2/H2O燃烧特性的影响

  邓立华, 白孟龙, 孙绍增, 赵义军, 冯冬冬,

  为实现“30·60”碳中和的目标，先进的燃烧技术如 Oxy-steam 燃烧能有效减少燃煤 CO2 排 放。 基于新一代 Oxy-steam 燃烧技术提出的煤基固体燃料-氧-水蒸气燃烧近零排放发电系 统(OCCSS)是能实现燃煤 CO2近零排放的发电方式之一。 使用脱灰煤作为燃料能省去除尘装置，同时降低煤中灰分对设备的损害。 研究脱灰煤在 O2 / H2 O 条件下的燃烧特性，能为后续的燃烧室 设计提供理论依据。 采用三步酸洗法(HCL-HF-HCL)制取准东脱灰煤，使用高温管式炉在 900 °C 制备常压焦炭，在微型流化床 O2 / H2 O 燃烧实验系统进行温度为 950 °C 、O2 体积分数分别为 5%， 15%，21%，30%、H2 O 体积分数为 10%，25%，40%，60%的快速升温 O2 / H2 O 燃烧实验。 研究不同 O2 体积分数条件下，H2 O( g) 对脱灰煤焦的 O2 / H2 O 燃烧特性的影响，探究其对燃烧进程的促进 / 抑 制规律。 在单颗粒快速升温O2 /H2O燃烧条件下(950 °C)，O2体积分数为5%~30 %时，H2O(g)对 脱灰煤的燃烧过程均表现出抑制作用。 O2 体积分数小于 21%时，H2 O(g)体积分数变化对焦炭燃 烧的抑制作用尤为明显。 H2O(g)体积分数从 0 增至 60%时，低 O2体积分数(5%，15%)条件下焦 炭的转化时间分别为 34.67，23.22 s，是体积分数为 21%时转化时间的 1.81 和 1.21 倍。 在不同 H2 O(g)体积分数区间，O2体积分数对焦炭转化的促进效果会改变。 O2体积分数小于 15%时，其体积 分数的增加能明显促进焦炭转化;O2体积分数大于 15%时，其作用效果与 H2 O(g)体积分数有关， 当 H2O(g)体积分数不大于 25%，O2体积分数的增加对焦炭转化无明显的提升作用。

• 超临界CFB锅炉压火特性现场试验与数值模拟

  申欣, 贾里, 赵强, 乔晓磊, 杨海瑞, 张缦, 金燕,

  CFB 锅炉压火过程中，可能会发生料层温度下降快、蓄热少及污染物排放超标等问题，对 电厂的安全、环保以及运行构成威胁。 以 350 MW 超临界 CFB 锅炉为研究对象，对 CFB 锅炉压火 过程进行现场试验和数值模拟。 结果表明:超临界 CFB 锅炉模拟结果与实测数据具有良好的一致 性，模拟准确地预测了炉膛的压力、温度以及气体组分分布，压力平均误差为 5.6%，温度平均误差 为 2.3%，O2 体积分数的平均误差为 6.3%，NOx 质量浓度的平均误差为 5.7%，SO2 质量浓度的平均误 差为 8.5%，验证了数值模型的准确性。 压火过程，锅炉进入密闭状态，O2 体积分数稳定在 19.5%， 床温降至 905 K 后，降温速率为 2 K / min。 炉膛底部床料静止后出现了分层现象，底部床料 85%为 下层床料，下层床料堆积高度约为 1 m。 床料分层影响最大的因素是颗粒粒径，下层为大颗粒床 料，平均颗粒粒径为 1.2 mm，中层为小颗粒床料，平均粒径为 0.5 mm，上层床料所占质量分数仅为 5%，掺杂了大颗粒和小颗粒，颗粒处于悬浮状态，在密闭炉膛内悬浮高度保持不变。 压火时 NOx 质 量浓度与颗粒的体积分数呈负相关，下层床料 NOx 平均质量浓度为 31 mg / m3 ，中层床料 NOx 平均质 量浓度为60mg/m3，上层床料NOx平均质量浓度为121mg/m3。 炉膛进入密闭状态，随着床料回落 完成，SO2 质量浓度保持不变，炉膛上部 SO2 平均质量浓度为 756 mg / m3 ，炉膛下部 SO2 质量浓度同 样受到床料分层影响，上层床料 SO2 质量浓度最高，为 1 680 mg / m3 。 压火过程中炉膛内 NOx 平均 质量浓度约为 100 mg / m3 ，SO2 平均质量浓度约为 1 160 mg / m3 。

• 流化床条件下城市污泥和烟煤煤泥混烧对颗粒物排放特性的影响

  张柳, 贾里, 王彦霖, 王碧茹, 张佳栋, 金燕, 向军,

  污泥 / 煤泥作为高灰分低热值燃料，燃烧是大规模减量化处理以上 2 种物质的一种有效手 段，随着雾霾问题的日益严重，在此过程中需要特别关注其颗粒物的排放问题。 基于流化床实验 台，采用自行设计的颗粒物收集装置，并且利用 BT-9300HT 激光粒度分析仪和 X 射线荧光光谱 仪( XRF) 分别得到生成颗粒物的粒径分布和化学成分，揭示了污泥 / 煤泥单独燃烧和污泥 / 煤泥混 烧颗粒物的生成特性。 实验结果表明:污泥与煤泥在流化床中单独燃烧时颗粒物的粒径分布在 800 °C 前后表现出明显的变化差异，且 PM2.5 / PM10 体积分数排放量与粒径分布峰值一致，为焦油对 颗粒物的固定吸附作用、碱金属的熔融团聚作用与矿物质在燃烧过程中的气化、碰撞、破碎作用交 互影响所致。 燃烧产生的 PM2.5 主要成分为 K，Mg，S，Cl，P，PM10 主要成分为 Si，Al，Fe，Ca，且污泥 的 PM2.5 中 K，Mg，S，Cl，P 较煤泥高，煤泥的 PM10 中 Si，Al，Fe，Ca 较污泥高。 燃烧温度和污泥 / 煤泥 质量比会影响颗粒物的排放特性，其中燃烧温度的升高会导致粗模态颗粒物对应的峰值呈现向小 粒径方向且向上移动的趋势;不同质量比条件下颗粒物的实验值与线性加和值有明显差异，混烧明 显减少了燃烧后 PM2.5的排放量，原因在于燃烧过程中污泥中的易气化元素(K，Cl，P，S 等)与煤泥 中的矿物质与焦炭存在一定的交互作用。

• 浮选颗粒-气泡间脱附过程能量作用机制

  丁世豪, 尹青临, 张友飞, 何琦, 冯鑫, 杨超, 曹亦俊, 桂夏辉, 邢耀文,

  浮选颗粒-气泡间稳定性分析是浮选领域内的研究重点，传统脱附理论认为当颗粒所受外 力大于颗粒-气泡间最大黏附力时颗粒从气泡表面脱附，忽略了颗粒-气泡间气液固三相润湿周边 滑动收缩的动态过程，未考虑脱附力作用时间对脱附过程的影响。 为了完善浮选颗粒-气泡间脱 附理论，以单颗粒、单气泡为研究对象，采用黏附力测量仪测量颗粒-气泡间脱附过程的临界脱附 力和脱附能，并借助颗粒-气泡振动脱附观测系统观察颗粒-气泡在脱附过程中三相润湿周边滑动 收缩规律，最后从热力学角度出发提出了一种基于能量分析的颗粒-气泡间稳定性评判方法。 结 果表明:随着颗粒接触角的增加颗粒-气泡间稳定性增强，发生脱附时需要的临界脱附力和脱附能 增大。 颗粒-气泡间脱附能由气泡拉伸变形阶段的形变能和三相润湿周边滑动收缩阶段的滑动能 两部分组成，两部分能量均随颗粒接触角的增加而增加。 颗粒从气泡表面脱附一方面要求外力大 于颗粒-气泡间最大黏附力，另一方面还需外力作用足够时间以保证气液固三相润湿周边完成滑 动收缩。 从能量角度来看，颗粒-气泡间不受外力时可看作是一个处于平衡状态的热力学系统，当 外力做功小于脱附能时颗粒-气泡间通过气液、液固和气固界面面积的变化维持稳定;但当外力做 功大于脱附能时颗粒与气泡分离。

• 基于高速动态摄像的气泡铺展过程动力学行为

  江晓凤, 陈仕兴, 许恩乐, 孟献梁, 吴国光, 苗真勇,

  泡沫浮选分离过程中，矿物颗粒的黏附行为包含液膜薄化、破裂和三相润湿周边的形成。 先前学者对液膜薄化及破裂机理展开了深入研究，而关于三相润湿周边的动力学演变行为尚未得 到充分关注。 采用高速动态摄像机追踪气泡在均质固体(特氟龙、有机玻璃、玻璃、不锈钢)以及非 均质固体(褐煤和无烟煤)表面的铺展过程，借助扫描电镜(SEM)、红外光谱仪和接触角测量仪分 析了固体表面物理化学结构特性，并运用 MATLAB 软件探究了均质与非均质固体表面三相线铺展 机理和气液界面形态演变规律。 气泡铺展实验结果表明，三相润湿周边主要经历快速铺展和慢速 铺展 2 个阶段，快速铺展阶段三相线时空演化呈现普遍的自相似行为特征，而慢速铺展阶段三相线 运动特性与固体界面性质密切相关。 采用幂律模型 L = atb 分析了气泡在均质固体表面铺展动力 学，结果表明快速和慢速铺展阶段分别呈现 1 / 2( 惯性控制区) 和 1 / 10( 黏性控制区) 指数，并且煤 样表面快速铺展阶段同样出现1/2指数特征。 基于固体表面物化结构分析得出，均质/非均质固体 表面疏水性越好，对气泡吸引力越大，其三相线铺展长度越长;固体表面越不规则，孔隙 / 沟壑越多， 对铺展过程三相线长度( L) 、气泡最大宽度( W) 及其对应位置( H) 影响越大;褐煤和无烟煤由于非 均匀物理化学结构而产生的钉扎效应以及气体融合效应，使得其三相线运动规律和气液界面形态 演变与均质固体相差较大。 总之，颗粒气泡黏附过程中三相线铺展行为与固体表面物理化学结构 及其均匀性密切相关。

• 基于混合射线追踪的矿井电磁波分析方法

  孙继平, 张高敏,

  矿井无线通信设备的传输距离和天线安装位置有关，为不影响行人和行车，无线通信设备 天线一般安装在顶板或巷帮附近，因此需要研究适用于收发天线位于顶板或巷帮附近时矿井电磁 波的分析方法及电磁波传播特性。首先用射线追踪法计算出收发点在巷帮或顶板附近时的接收信 号强度明显高于其位于巷道截面中心附近的接收信号强度，证明了射线追踪法不适用于研究收发 点同时位于巷帮附近时的电磁波传播特性。 在传统射线追踪法的基础上，提出了修正射线追踪模 型，设计了发射点或接收点位于顶板和巷帮交界线上以及在同一顶板或巷帮时有效射线的判定方 法，细化了每个反射点入射能量的路径损耗和反射损耗，减小了射线追踪法计算信号强度的波动范 围，并扩大了该方法在巷道内的适用范围。 为进一步提高射线追踪法在整个巷道截面内的适用性， 在修正射线追踪模型和位置衰减系数的基础上，提出了混合射线模型，给出位置衰减系数的定义和表达式，在煤矿辅助运输巷道内开展了收发天线在巷道内不同水平位置处接收信号强度变化的测 量实验，根据现场测量数据和修正射线追踪模型的仿真数据，计算出天线沿巷道水平位置变化的水 平位置衰减系数。 实验表明:相同误差条件下，修正射线追踪模型在巷道截面中心区域外的适用范 围比传统射线追踪法提高了 25%。 混合射线追踪法在整个巷道水平范围内仿真值和测量值之间 的纵向平均误差均小于 5 dB。 这表明，提出的混合射线追踪法扩大了传统射线追踪法的适用范 围，可以更准确地计算出天线靠近巷帮时，矿井电磁波传播特性，为矿井无线通信设备天线的安装、 优化布置提供指导。

• 煤矿机器人环境感知与路径规划关键技术

  杨春雨, 张鑫,

  煤炭生产是典型的高危、艰苦行业，现有煤矿设备需要技术工人直接或间接参与，存在较高 的安全隐患和成本代价。 从产业的安全性和效率性考虑，使用煤矿机器人代替人参与煤炭生产是 煤矿企业实现“少人化”甚至“无人化”生产的必然途径，也符合“数字化”矿山的基本目标。 煤矿 机器人自主运行需要环境感知技术获取工作环境信息，完成自身安全状态评估并为机器人决策规 划提供基础数据，而路径规划是实现机器人移动的基础，也是连接环境感知和底层控制的关键技 术。 综述了掘进类、采煤类、运输类、安控类、救援类等 5 类煤矿机器人的工作原理、功能需求、任务 目标和环境复杂性，分析了近 15 a 来 5 类煤矿机器人在以上环境感知与路径规划关键技术的重要 研究成果。 最后，从感知与认知、规划与决策和系统集成等 3 个方面展望了煤矿机器人关键技术的 未来发展方向及挑战。 感知与认知的发展趋势不但要求煤矿机器人具备感知能力，还需要机器人 根据少量可用信息完成规律事件外的认知学习，其关键挑战是开发多元传感器融合技术和小样本 学习方法;规划与决策的发展方向可分为单目标点规划和多目标点决策，煤矿机器人使用感知与认 知信息实现点对点的单目标路径规划及避障，并根据工作需求完成多任务之间的最优化决策，提高 煤矿机器人工作效率;研制机器人协作系统和通讯交互系统是系统集成的主要挑战，通过完备的 内、外网络系统完成煤矿企业管理人员、技术工人、机器人设备之间的实时闭环交互，形成多数量、 多工种煤矿机器人的协调合作。