煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第9期

• 我国煤层气开发技术现状与发展趋势

  黄中伟, 李国富, 杨睿月, 李根生,

  我国煤层气资源丰富，但是由于赋存条件复杂、勘探开发技术难度大、不同地质条件下煤层 气开发技术通用性差等诸多难点，导致单井产量普遍较低。 首先梳理了近年来我国煤层气在钻井、 完井、压裂、排采、提高采收率、人工智能方面取得的成效和关键技术进展，分析了现阶段不同技术 在不同煤储层中的适用性。 然后，总结了目前煤层气开发面临的难题与挑战:复杂的煤层地质条 件;对煤层气赋存特点和增产机理认识不够充分;尚未形成针对我国不同煤层地质条件的适用性技 术;“地质-工程一体化”理论与技术尚不成熟。 为此，提出了煤层气高效开采的总体思路为:特定 条件+适应性关键技术，鼓励多气合采、煤气共采，并提出了几项具体的储备型技术:深部煤层超临 界 CO2径向井注入-聚能压裂-CCUS 一体化、液氮-氮气复合/ 循环压裂、水平井水力喷射分段造 穴、煤层气智能完井与排采决策系统及煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式等。 最后， 对“双碳”目标背景下煤层气高效开发的发展方向和趋势提出了建议:以“实现智能化、低碳化、配 套化、经济化、可持续化发展”为基本理念，以“研发智能勘探-钻采-生产管控技术装备、建设智慧 能源平台和数据中心” 为目标任务，围绕“ 地质-工程一体化” 的核心思想，强化基础研究，实施先导 性示范工程，突出原创性、引领性、颠覆性技术研发，构建智慧煤层气田。 以期为煤层气经济高效开 发及可持续发展提供参考与借鉴。

• 我国煤矿水射流卸压增透技术进展与战略思考

  卢义玉, 黄杉, 葛兆龙, 周哲, 刘文川, 管娅蕊,

  煤炭是我国能源安全的“压舱石”，具有重要的兜底保障作用。 随着我国煤炭开采逐步向 深部进军，深部矿井所面临的构造复杂、瓦斯压力大、渗透率低等情况日趋严重，以煤与瓦斯突出为 代表的灾害防治难度逐渐增大，严重制约着我国煤炭安全高效开采。 大范围提高煤层透气性是消 除突出危险性并提高煤层气抽采效率的关键。 传统煤层增透技术如密集钻孔等单孔增透范围偏 小、抽采效率较低;常规压裂技术受制于地应力作用常存在水力裂缝形态单一、易损伤顶底板等不 足，且裂缝两侧增透“空白带”内遗留瓦斯在后续开采过程中易诱发灾害。 近几十年来，以提高煤 层透气性、瓦斯抽采效率，减少煤与瓦斯突出风险为导向，诸多水射流技术因其效果显著、清洁等特 点，逐渐成为了煤储层卸压增透、强化瓦斯抽采的主要方法。 梳理了我国水射流技术增透煤层强化 瓦斯开发的研究历程及最新进展，系统性归纳了水力冲孔、水射流割缝卸压、割缝导向压裂、树状钻 孔均衡增透强化瓦斯开发理论及技术研究现状。 我国对能源安全战略布局不断深化，然而面对深 部煤层瓦斯动力灾害的复杂性、特殊性和突变性，目前煤矿水射流卸压增透措施仍存在技术协同性 不够等亟待攻克的难题。 基于新形势下保障国家能源安全的极端重要性，针对性分析了水射流强 化瓦斯开发技术在运用中所存在的不足与局限，提出了未来重点发展趋势及展望。

• 腔径比对自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流性能影响

  魏建平, 崔家玮, 张铁岗, 沈荷莲, 司磊磊,

  井壁稳定性低及煤层透气性低是限制煤层气开采的关键因素，超临界二氧化碳射流钻井技 术在煤层气开采中有其独特的优势，由于其高密度、低黏度和扩散性强等特点，在增强井壁稳定性 及提高采收率的同时，能够实现二氧化碳的地下封存。 但较高的系统能耗限制了超临界二氧化碳 射流钻井技术的推广应用。 在此基础上，自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流技术降低了系统能耗， 推动了碳利用、封存技术的应用。 为丰富完善自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流理论，开展腔径比 对于自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流性能的影响研究。 基于流场结构角度，采用数值模拟优选 出适用于自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的腔径比范围，分析腔径比对射流脉冲性能的影响。 开展不同腔径比条件下，自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲压力测试实验，得出腔径比对于 自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流脉冲压力的影响规律。 采用自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流 破煤岩实验系统，开展不同腔径比条件下的自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流破煤实验，对比验证 不同腔径比条件下的射流脉冲性能。 结果表明:腔径比并非孤立的影响因素，其与上游喷嘴直径相 关共同影响射流的脉冲性能及破煤效果。 不同的上游喷嘴直径存在与其匹配的最优腔径比，匹配 度越高，自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲压力越大、破煤效果越好。 上游喷嘴直径分别为 2.6，2.4 mm，腔径比分别为 3.5，3.0 时，自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流的脉冲性能最佳，射流破 煤效率最高。

• 双空化射流中心体结构优化及破煤岩特性

  涂翊翔, 樊辰星, 钱亦楠, 王晓笋, 康勇, 李登,

  水射流割缝造网技术是增加煤层透气性、提高煤层气开采效率的有效途径。与普通水射流相比，空化射流因空泡溃灭产生的强大冲击具有更高的破岩效率。为进一步增强空化射流破煤岩能力以促进煤层气开发，分别利用中心体和高低压射流产生绕流空化与剪切空化来提升空化效应，提出了新型的非淹没双空化射流。基于多相流Mixture模型和RNG  k-ε输运方程，对不同嵌入深度与不同形状中心体下的流场进行了数值模拟，分析了射流流场气含率和轴线速度分布特征，得到了双空化射流中心体结构的最优参数。随后，结合群泡溃灭动力学理论，将最优中心体结构下双空化射流的压力与气含率作为边界条件，利用多物质流固耦合算法与ALE（任意拉格朗日-欧拉）算法对双空化射流冲击煤岩进行了耦合求解。探究了煤岩破碎过程中流体与固体的相互作用特征及煤岩的破碎过程，并对比分析了双空化射流与普通水射流的破岩效果。研究结果表明，在中心体嵌入深度l=0.5 mm时，双空化射流的含气区域最大，在距中心体末端10 mm位置处气含率可达0.9，空化效果最好；中心体AB端均为90°锥角时，双空化射流的集束性与空化效果同时最优。由双空化射流破煤岩的流固耦合结果可知，其对煤岩的冲蚀深度和孔径明显大于普通射流，在100 μs时双空化射流对煤岩的冲蚀深度和孔径分别为普通水射流的2.4倍和1.3倍。随着时间的延长，冲蚀孔径不再明显增加，而冲蚀深度不断增大，且与冲蚀时间呈线性关系。研究结果证明双空化射流具有更强的空化效果，破煤岩能力更强，因而可在一定程度上促进煤层气的开采。

• 冰粒磨料射流冰粒加速规律及破碎煤岩数值模拟

  黄飞, 焦杨洋, 米建宇, 李树清, 赵志旗, 刘勇,

  为了高效增加煤层透气性强化煤层瓦斯抽采，首次提出采用冰粒磨料代替传统磨料的煤层 射流割缝增透新技术，以解决常规磨料射流煤层割缝中出现的堵塞孔隙裂隙等瓦斯渗流通道、增加 孔壁摩擦阻力导致卡钻抱死等缺陷。 然而，鉴于冰粒磨料与常规磨料的差异性，其加速特性与破碎 煤岩效果尚不清楚。 采用理论推演法研究了冰粒磨料的加速特性和速度分布规律，在此基础上构 建了数值计算模型分析了射流速度、冰粒体积分数以及围压对冰粒磨料射流破碎煤岩效果的影响 规律。 研究结果表明:1 冰粒磨料掺入高速流体后获得了先增大后减小加速趋势，最终其速度可 接近纯水的速度，大幅提升了冰粒磨料的冲击动能，为后续数值模型冰粒速度的赋值提供了依据; 2 数值计算结果出现 V 型破碎形态，同时冰粒磨料在冲击煤岩前后出现消融现象，符合现有文献 研究结果和工程实际情况，表明所建数值模型具有适用性;3 煤岩纵向破碎深度随冰粒磨料射流 速度的增加而线性增加，横向破碎宽度随速度先增加后趋于稳定，煤岩纵向损伤深度约为纵向破碎 深度的 1.13 倍;4 冰粒磨料掺入纯水射流后，煤岩的纵向破碎深度和横向破碎宽度均出现大幅增 加，随着冰粒磨料体积分数的增加，破碎深度和破碎宽度增加的趋势变缓，煤岩横向损伤直径约为 横向破碎宽度的 1.3 倍;5 煤岩所受围压大幅抑制了其在冰粒磨料射流冲击下的纵向破碎深度， 围压越大，纵向破碎深度越小，而横向破碎宽度却几乎不受围压的影响。 研究结果可为冰粒磨料射 流煤层割缝技术的工程应用提供一定的理论支撑，同时可进一步完善高压磨料射流破岩理论。

• 过热液体闪沸喷射钻进羽流相互作用调控及成孔直径预测

  刘文川, 汤积仁, 张慧栋, 李怡静,

  射流钻进多层分支孔构造裂缝网络是进行煤层气储层改造增产的有效手段，高质量高效钻 进成孔是延长气井寿命、提高煤层气采收率的关键。 为实现均衡冲击，进一步提升成孔质量与孔壁 稳定性，提出了过热液体闪沸多孔喷射钻进技术，利用闪沸相变形成气液射流协同热应力共同作用 于煤岩钻进成孔。 为了调控羽流相互作用以进一步利用闪沸现象的优点，必须获得羽流相互作用 的调控准则及其对射流宏微观特性的影响。 通过高速摄影(DBI)和相位多普勒测试(PDA)获取了 不同羽流相互作用阶段闪沸喷射流场宏微观特性。 引入喷嘴喉部压力-焓关系计算得到新无量纲 参数，分析射流形态和宏观特征。 基于等熵-绝热两阶段模型以及喷嘴喉部流体状态，获取了闪沸 喷射钻头几何结构设计指标 CP 和工况参数调控指标 OP 。 提出了综合考虑液体性质、喷孔布置以 及环境压力的羽流相互作用调控新准则，并通过不同类型液体进行了验证，为羽流动态调控匹配冲 击力与冲击区域提供了支撑。 根据新准则，研究了羽流相互作用各个阶段的射流特性，发现不同类 型过热液体喷射锥角均在喷射坍缩临界点附近达到最小值，索特平均直径随闪沸的剧烈程度增加 而减小，其时空分布在羽流剧烈相互作用阶段更加均衡。 研究了导致羽流横向膨胀的主导因素，以 及在高过热度条件下不同因素对羽流膨胀的贡献。 高饱和压力有利于气泡的成核破裂以及随后的 羽流膨胀，并且由于能垒对成核的依赖性，表面张力也会影响羽流的膨胀。 喷嘴喉部的流动条件对 于确定以闪沸主导和羽流相互作用主导的阶段的射流特性都至关重要，据此提出了综合考虑成核 能量势垒及成核速率的冲击区域预测模型，能够有效预测不同类型过热液体、不同喷射参数、不同 靶距下的闪沸喷射冲击区域无量纲直径，准确度高达 95%以上。 羽流调控准则和冲击直径预测模 型的建立为闪沸喷射钻头结构设计准则及工艺参数选取提供了基础，研究成果还可进一步扩展至 可压缩流体、超临界流体等射流冲击作用区域预测及调控，服务于我国能源开采。

• 煤层气水平井水力喷射分段造穴技术探索

  杨睿月, 黄中伟, 李根生, 陈健翔, 温海涛, 秦小舟,

  我国煤层气资源丰富，但是“ 单井产量低” 长期难以改变。 提出了煤层气水平井水力喷射 分段造穴的新思路，旨在大范围释放储层应力、提高渗透率，从而提高单井产量。 首先介绍了水平 井水力喷射分段造穴的优势:灵活调控洞穴形状和尺寸、定点喷射、精准分段、多簇卸压、构建体积 缝网、符合煤炭原位流态化开采的科学构想。 然后，采用有限元-离散元耦合方法(Finite-Discrete Element Method)建立了水平井造穴诱导煤层应力演化流-固耦合模型，计算了多段洞穴形成的应 力释放区域，描述了穴周、穴间应力干扰区诱导形成的裂缝分布特征，阐释了水平井分段造穴应力 释放开采煤层气的原理。 其次，开展了淹没条件下磨料直射流和旋转磨料射流喷射煤岩的室内实 验，研究了磨料射流喷射煤岩的成孔形态和破坏模式及天然裂隙对破坏作用的影响，发现磨料射流 冲击下，层裂是煤岩重要的破裂机制。 接着，介绍了裸眼井、筛管井、套管井、顶底板间接改造井等 不同水平井完井方式下水力喷射分段造穴的井下核心工具、工艺流程和煤粉返排方式。 最后，探讨 了该技术的地质储层适应性和应用前景，有望在构造煤、深部煤、煤系薄互层及压裂造缝效果欠佳 或无法实现分支井眼重入的松软煤层等推广应用。

• 基于物质点法的深部煤层气水力割缝卸压解吸增透规律数值模拟研究

  周雷, 彭雨, 卢义玉, 夏彬伟,

  深部煤层气储层具有渗透率低、储层压力大和地应力高等特点，导致煤层气解吸、运移困 难，开采效率低。 定向井+水力割缝是一种强化深部煤层气开采的新思路，但有必要对其卸压解吸 增渗效果开展量化研究。 数值仿真是研究该问题的主要手段，但传统有限元、离散元等数值方法无 法有效解决煤岩割缝引起的大变形、大位移、内边界持续变化和接触的复杂问题。 为克服上述难 题，基于物质点法建立了弹塑性损伤数值模型，模拟了水力割缝缝槽对临兴深部煤层气卸压解吸和 增透的影响，得到:1 基于物质点法建立的弹塑性损伤数值模型能有效计算水力割缝缝槽引起煤 层大变形、大位移和内边界接触问题;2 垂直于割缝方向呈现大范围应力下降，应力骤降区的范围 和塑性区域的范围重合，应力缓慢下降区则对应弹性小变形区域;3 卸压解吸气和增渗区域分布 特征与应力下降区分布特征一致，在弹性区和塑性区渗透率分别为原始渗透率的 1 ~ 5 倍和 10 ~ 20 倍，单个割缝促使煤层气解吸气量达数百至上千方;4 割缝宽度、长度、角度和增透区域面积以及 解吸气量基本呈线性相关，割缝宽度影响最大，其次是割缝长度，割缝角度影响最小。 通过上述研 究成果，在定向井+水力割缝基础之上提出了平行水平井错位多割缝卸压解吸增透技术，为深部煤 层气的高效开发提供了新思路和研究手段。

• 超临界二氧化碳射流冲击短时浸泡煤体破坏特征分析

  刘勇, 张东鑫, 张宏图, 魏建平, 司磊磊,

  煤体力学和物理性质在超临界二氧化碳氛围下容易劣化，尤其在长时作用下，超临界二氧 化碳能够充分发挥其溶解和萃取能力，改变煤体力学强度和孔隙结构。 超临界二氧化碳作为极具 应用前景的钻井液，在钻井过程中与煤体接触时间极短。 在较短接触时间内，超临界二氧化碳是否 能够改变煤体力学强度和孔隙结构对超临界二氧化碳射流冲击破煤效率和钻井效率至关重要。 为 此，为进一步研究超临界二氧化碳短时浸泡对破煤效率的影响，开展了超临界二氧化碳冲击破碎短 时浸泡煤体研究，分析了不同浸泡条件下煤体冲击破碎特征，通过对比分析浸泡前后孔隙结构和力 学性质的变化，明确短时浸泡对煤体冲击破碎特征的影响。 结果表明:在短时浸泡条件下，超临界 二氧化碳射流对浸泡煤体的冲击破坏特征具有重要影响。 仅浸泡 3 min，超临界二氧化碳便可使煤 体发生吸附膨胀，影响煤体的孔隙结构和力学强度，使煤体累计孔体积降低了 5.54%，力学强度降 低 13.10%，使煤体冲击破碎粒径小于 1 mm 煤屑增加了 5.76%。 延长浸泡时间，煤体冲击破碎程度 持续提高。 浸泡 60 min 后，超临界二氧化碳对煤体虽仍以吸附膨胀为主，但煤体出现矿物溶蚀现 象，致使煤体累计孔体积降低了 30.19%，单轴抗压强度降低 33.41%，导致煤体的破碎程度发生了 大幅提高。 相同浸泡时间条件下，提高浸泡温度和压力，煤体吸附膨胀作用增强，孔体积增大，抗压 强度降低，使破碎程度规律性提高。 但当浸泡压力超过 16 MPa 后，抗压强度降低了 38.43%，冲击 破坏程度显著提升。 综上所述，超临界二氧化碳射流辅助钻井过程中，其吸附膨胀作用是影响煤体 物理和力学性质的主要形式，有效降低了煤体孔体积和抗压强度，提高了破碎程度，有利于钻井效 率的提高。

• 基于应力波效应的磨料射流破煤能量准则

  陈长江, 朱英, 李志平, 张慧栋, 刘勇,

  磨料射流是一种操作简单、切割效率高的绿色加工技术。在矿山开采、油气开发等领域，被广泛应用于破碎煤岩。磨料射流破煤是射流能量传递、转化和释放的过程。射流能量以循环、冲击载荷形式直接加载于射流-煤岩接触区域，并以球面应力波形式向煤岩内部传递。当应力波能量高于煤体破坏阈值，煤体发生破坏。然而，目前磨料射流破煤过程中的应力波传播规律及有效破煤范围不明确。因此，基于应力波效应分析了局部微裂纹时起裂时的煤岩能量密度，结合磨料射流特性，建立了描述磨料射流破煤能量准则；采用能量等效方法，基于SHPB（Split Hopkinson Pressure Bar，分离式霍普金森杆）实验，研究了相同入射能量下煤样能耗规律及破坏特征，计算了能量准则中的煤岩参数；在此基础上，采用DIC（Digital Image Correlation，数字图像相关法）实验获取了磨料射流冲击下应力波传播规律，并采用能量准则计算了磨料射流破煤的理论范围；通过对比实际和理论破煤深度，验证了磨料射流破煤能量准则。结果表明：磨料射流冲击过程中，煤体发生破坏的能量阈值决定于应力波波速、煤岩破碎能耗密度、碎块平均粒径及磨料射流冲击频率。随入射能量增加，煤样应变率增大，能耗密度增加，但入射能量有效利用率降低；煤体吸收的能量，主要是被用于微裂纹扩展，且破碎后的碎块平均直径与煤样应变率呈一次函数关系。球面应力波传播过程中具有明显时空特征，且沿传播方向能量发生衰减；又由于煤体原生孔、裂隙发育，应力波会出现聚集、叠加，导致局部能量增加。当应力波能量高于煤体裂纹起裂时的能量阈值时，煤体出现破坏。

• 多孔炭基定形相变储热材料的研究进展

  冯利利, 侯玉星, 余润翔, 赵蕾, 刘一曼,

  储能技术可以解决能源供需在时空上不匹配的矛盾，从而提高能源利用效率。 相变储热是 一种极具潜力的储能技术，广泛应用于太阳能、节能建筑、工业余废热回收和热管理系统，其储热介 质为相变材料，具有潜热大、相变温度恒定等优点，可实现储热与控温双重目的。 固-液相变材料 是研究较多的一类相变材料，具有储能密度高、相变温度可调、化学性质稳定、价格低廉等优点，但 存在相变泄漏、热导率低等问题，一定程度上阻碍了其应用，将多孔材料引入固-液相变材料构筑 定形相变材料可以解决上述问题。 特别是，以多孔炭作为定形基体制备的定形相变材料机械强度 增强，导热率显著提升，封装性和稳定性优良。 对多孔炭基定形相变材料的研究进展进行了系统总 结，分析了膨胀石墨、碳纳米管、石墨烯氧化物、生物炭等多孔碳材料的孔结构、表面改性、质量分 数、分子间作用力等因素对定形相变材料定形能力、热性能和相变行为的影响，讨论了其他多孔碳 基体如活性炭、泡沫炭、氮化碳制备的定形相变储热材料的性能，概述了多孔碳基定形相变材料的 应用研究现状。 最后，通过对比不同种类多孔碳基体制备的定形相变材料的主要性能及所呈现出 的不同优势，提出应用时的材料选择建议，并对未来的研究方向进行了展望。

• 中低温固体氧化物燃料电池阴极界面改性研究进展

  郑紫微, 胡亮, 杨志宾, 雷泽, 葛奔, 彭苏萍,

  在碳达峰、碳中和目标下，我国迫切需要提高煤炭的利用效率，降低 CO2 排放。 固体氧化物 燃料电池(SOFC) 是一种将碳氢燃料的化学能直接转换为电能的高效、环境友好的电化学转化装 置。 传统 SOFC 运行温度较高(800~1 000 °C)，长期高温运行会导致系统成本过高，关键材料性能 衰减，以及组件间元素的互扩散、 相反应等诸多问题。 发展中低温 SOFC 已经成为未来 SOFC 技术 发展的必然选择。 然而，低温下，阴极缓慢的氧还原反应(ORR)动力学和不稳定性是制约 SOFC 技 术发展的主要挑战。 近年来，阴极界面改性作为一种提高中低温 SOFC 性能的有效策略得到广泛 研究。 通过设计不同的改性界面，可以显著加速阴极 ORR 动力学，有效地拓展阴极三相界面，提高 阴极电催化活性，进而提高电池电化学性能;同时有效限制阴极颗粒长大，减少二次相生成，提高电 池寿命。 综述了界面改性的结构种类和特征(复合结构，膜状界面结构，骨架/ 表面涂覆结构)，详 细介绍了原子层沉积、脉冲激光沉积、湿法浸渍 3 种阴极界面改性技术，以及阴极界面改性对氧离 子输运、氧还原反应活性以及稳定性的影响。 最后，讨论了目前阴极界面改性技术存在的问题与挑 战，以及克服这些问题的可能策略，为中低温 SOFC 阴极材料和结构的合理设计提供指导，为 SOFC 的实际应用奠定基础。

• 水系锌离子电池正极材料研究现状与展望

  杨文博, 谢孝坤, 武睿, 田函, 王晓东, 汤文皞, 邓亦锐, 刘瑞平,

  现代社会中生产生活的能源消耗量日益增加，随着“ 碳中和” 等政策的实施，新能源的开发和 利用成为新的发展方向。 风能、太阳能等新能源由于功率不稳定大大限制了其应用，而如何合理的储 存与分配能源成为广泛关注的问题。 现阶段的大规模储能方式仍然停留在储能水电站这样用水的势 能存储能量，这种方式对地域限制严格，占地面积大且能量转换率低，不适合进行大面积推广应用。 电池能量转化率高、不受地域的限制，是合适的储能方式，但成本过高、安全性差。 水系锌离子电 池( AZIBs) 由正极材料、水系电解液和锌金属负极等部分组成，相较于其他电池有着使用安全、价格低 的优点，成为未来电站级储能的潜在方式。 但正极材料容量开发不足、循环稳定性差，与理论容量仍 然存在不小的差距，成为了水系锌离子电池应用的制约因素之一。 首先介绍了现阶段水系锌离子电 池正极材料的储能机制，然后总结了常见正极材料(MnO2，V2O5 和 VO2 等)存在的问题、解决策略以 及目前的研究进展，分析了不同条件下正极材料的性能变化，最后通过对比研究其电化学性能，从机 制探究、提高导电率、制备新型正极材料、采用缺陷工程以及电解质改性等 5 个方面提出了多种可能 的优化策略以及未来的研究方向，为正极材料的优化提供了基础。

• 千瓦级交错流 SOFC 电池堆多物理场分布特性与性能

  熊星宇, 宋中辉, 梁考, 武鑫, 巴黎明, 彭苏萍,

  固体氧化物燃料电池通常运行在 700 °C 以上的高温环境中，大型电池堆的实验研究成本 高，且难以对电池堆内部运行状态进行测量，数值模拟成为探究其内部气-热-电分布特性的重要 研究手段。 由于固体氧化物燃料电池内部存在化学反应、电化学反应和传热、传质等多种物理场的 相互耦合，针对常规多物理场全耦合模型难以对大型电池堆进行仿真计算的问题，提出了一种基于 BP 神经网络的多物理场解耦模型，并对千瓦级交错流固体氧化物电池堆的流场、温度场分布特性 和 I-V 性能进行了模拟计算。 研究结果表明:通过增大燃料进气流量和运行温度可提高电池堆输 出功率，但前者影响电池堆燃料利用率和发电效率，后者导致电池堆内部的热应力增大，有密封失 效和结构损坏的风险。 合理选择燃料气流道高度和配气腔容积能够对燃料流量均匀性具有显著影 响。 计算结果显示，当燃料气流道高度从 0.5 mm 降至 0.3 mm 时，电池堆在燃料流量均匀性提升 2%的情况下最大温度差降低了 17%，表明较好的燃料流量均匀性能较大程度的改善电池堆内部温 度场分布，降低电池堆最大温度和热应力。 通过与自研的千瓦级电池堆实验结果对比，表明该多物 理场解耦研究方法能够很好的应用于大型电池堆的模拟计算。

• 近水平露天煤矿相邻采坑临时中间桥对边坡的支挡效应

  王东, 梁祖超, 李广贺, 李雪健, 周志伟,

  露天煤矿分坑开采时，临时中间桥的合理布设与拆除对于控制边坡稳定性极为重要。 为解 决多坑并行剥采时，边坡与中间桥的动态协同设计难题，实现矿山安全生产和经济效益兼顾，对中 间桥支挡效应的定量表征方法与该种效应下的边坡稳定性计算方法进行研究。 将中间桥视为一种 特殊的边坡支挡结构，在构建边坡与中间桥三维力学模型的基础上，结合中间桥与边坡的相对位置 以及自身的空间形态，将中间桥沿边坡倾向划分为 3 个区域，基于摩尔-库伦抗剪强度理论，分区 推导了中间桥三维支挡效应的数学表达式，从理论上揭示了中间桥支挡效应与其断面面积及体积 的定量关系;由中间桥三维支挡效应产生的实质出发，应用合并同类项方式，提出了中间桥三维支 挡效应的二维等效方法，实现了等效黏聚力 cd 与等效内摩擦角 φd 的定量表征，阐明了中间桥空间 形态参数对支挡效应及边坡稳定性的影响规律。 研究结果表明:I区等效黏聚力 cd 即为中间桥底 界面的黏聚力 cj ，II区和III区等效黏聚力 cd 与中间桥底宽 d 呈正相关一次函数关系，各区域等效摩 擦因数 tan φd 均与中间桥底宽 d 呈正相关一次函数关系，与桥高 h、底角 α 的余切呈负相关一次函 数关系;工程示例中边坡稳定系数 Fs 随中间桥桥高 h、底角 α 增大而增大，上升梯度逐渐减小，且与 底宽 d、桥长 b 呈正相关一次函数关系。 成果可应用于露天煤矿中间桥形态参数的动态优化设计 以及中间桥支挡作用下的边坡稳定性治理。

• 考虑时变特性的煤层大巷群冲击地压机理及防治

  潘俊锋, 闫耀东, 马小辉, 谢非, 马文涛, 吕大钊, 孙晓东, 冯美华,

  针对正常使用的煤层大巷群屡次发生冲击地压问题，采用现场探测、力学分析、数值模拟等 方法，基于时变特性揭示了煤层大巷群冲击地压机理，并提出了新的防治方法。 结果表明，中央大 巷构造区域，断层、褶曲、埋深等提供了高应力基础环境，服务周期长的大巷群围岩由于塑性区及破 碎区范围随时间的延长而扩大，相邻巷道间煤柱弹性区范围不断减小，变为拥有共同的弹性区，两 帮应力峰值随时间延长相互叠加，促使本来濒临临界状态的围岩应力达到准平衡状态，巷间煤柱静 载荷高度集中，同时巷道内悬空面积增大的顶板断裂，产生动载荷对煤柱静载荷扰动诱发冲击地压 启动;造成中央大巷巷间煤柱静载荷高度集中的根本原因是上覆厚硬顶板长梁式悬臂与下沉，并且 随时间变化不断加剧，直至断裂产生了诱发冲击的动载荷;提出该类冲击地压防治，应该针对煤层 上覆厚硬顶板人为致裂，使其长梁变短梁，从而不再具备悬臂功能，也使得其上覆载荷由硬传递变 为软传递，降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;压裂后坚硬顶板能及时垮落并充填采空区， 减小了顶板来压产生的集中动载，使动载效应减弱，冲击风险降低。 采用千米钻机进行目标岩层深 孔压裂试验，达到了降低巷道围岩载荷、防治冲击地压目的。

• 煤矿矿震与冲击地压的区别与联系及矿震扰动诱冲初探

  朱建波, 马斌文, 谢和平, 高峰, 周宏伟, 周昌台, 郑福润,

  煤矿矿震与冲击地压是煤炭安全稳定开采所面临的关键问题，阐明煤矿矿震与冲击地压的 区别和联系是全面深入研究煤矿动力灾害的重要前提。 为解决矿震与冲击地压的概念模糊问题， 厘清矿震与冲击地压的区别与联系，获取矿震的本真特征，首先提出了矿震的定义与特点，并根据 岩体的基本破裂形式对煤矿矿震进行了分类，系统阐述了煤矿矿震与冲击地压在岩体破断空间分 布、能量释放与动力现象的位置对应关系、主要动力显现特征、从属关系与防治目标 5 个方面存在 的区别。 分析了矿震扰动导致的围岩性能劣化与围岩结构变化对冲击地压的影响，基于矿震扰动 荷载应变率阐明了研究矿震诱发冲击地压的理论基础，探明了张拉型矿震与剪切型矿震扰动作用 下围岩位移场的分布特征，分析了矿震扰动位移与冲击地压的关系。 研究结果表明，震动性是矿震 的首要特点，这是区别于冲击地压的首要方面。 矿震震动波对采掘空间围岩产生的静载或动载扰 动作用，都可能诱发冲击地压。 应以叠加原理为理论基础分析矿震静载作用诱发冲击地压，以工程 扰动岩石动力学和动静载叠加原理为理论基础分析矿震动载扰动诱发冲击地压。 矿震扰动作用方 向和强度与煤岩体空间方位具有很强的相关性。

• 地震作用下 NPR 锚索固坡效应振动台试验研究

  陶志刚, 王璇, 郭爱鹏, 陈佳钰, 舒昱,

  为研究恒阻大变形(NPR)锚索在地震作用下的吸能特性和动力响应规律，总结地震作用 下无支护边坡发生破坏的一般规律，利用振动台开展地震条件下无支护边坡以及 NPR 锚索支护边 坡的振动台对比试验。 结果表明:相同工况下经过 NPR 锚索支护后的边坡变形破坏情况以及岩土 体的破碎程度与无支护边坡相比改善显著，NPR 锚索支护边坡的最终破坏程度也远低于无支护边 坡，表明 NPR 锚索在地震作用下具有良好的吸能特性，能够通过吸收地震释放能量的方式增强边 坡的整体性，降低坡体破坏程度，为边坡提供有效支护;分析 NPR 锚索在试验全程的轴力变化情 况，发现在地震惯性力的反复作用下，锚索内恒阻结构产生疲劳效应导致轴力下降，随着施加振动 荷载强度不断提高，轴力下降到一定数值后便不再发生明显变化，可认为在地震作用下 NPR 锚索 的锚固特性始终存在，仍能对边坡提供有效支护;分析同一工况下 NPR 锚索支护边坡与无支护边 坡各测点 PGA 放大系数的变化趋势，发现 NPR 锚索用于边坡支护工程中时，可以很好的限制坡体 变形，对于滑坡位移具有一定的控制能力;根据试验现象及动力响应分析，将地震作用下无支护边 坡破坏过程分为 3 个阶段:张拉裂缝产生及坡顶松动阶段，裂缝持续发展阶段，滑动面贯通坡体崩 塌溃坏阶段。

• 盘关向斜火烧铺井田重烃含量异常的控制因素

  王海军, 刘善德, 马良, 舒建生, 王相业, 朱玉英,

  为了查明火烧铺井田煤中重烃异常分布特征及其控制因素，进而为区内煤层气勘探和盆地 深部重烃分布规律以及煤矿井下瓦斯抽采、矿井瓦斯防治提供参考。 首先，结合以往地面、井下不 同煤层钻孔瓦斯测试结果对深部进行地面瓦斯地质补充勘探、采样测试、气测录井、注入压降测试、 吸附解吸等多种技术综合分析各煤层中重烃含量特征;其次，分析重烃在平面、层域上的分布规律; 然后，分析重烃分布特征与地质构造、煤层埋深、水文地质条件、顶板封闭性、沉积环境和煤岩煤质 以及煤储层原岩应力场、渗透率的旋回性等多种因素的相关性;最后，总结火烧铺井田煤层中重烃 异常分布的形成机理及其富集模式。 结果表明井田内各煤层的气成分中含有一定量的重烃，重烃 的含量为 0.05 ~ 7.78 cm3 / g，平均为 2.35 cm3 / g;体积分数为 0.22% ~ 46.93%，平均为 18.42%;且存 在局部异常富集地段;各煤层气中重烃的含量与煤层埋深呈正相关性，各岩性段的平均含量由上向 下逐渐增高，不同编号煤层体积分数中 14 煤最高、22 煤最低;而重烃的含量中 14 煤最高、3 煤最 低，从上至下煤层中重烃的含量变化形态具有“ M” 型形态特征;重烃的异常分布主要受构造和生烃 母岩的控制，同时受水文地质、顶板岩性、顶板岩层完整性、沉积环境、煤岩煤质等地质因素的控制， 并构建了盘关向斜的重烃异常富集模式;研究成果可以为井田内深部煤层气勘探和矿井深部瓦斯 抽采和矿井瓦斯灾害防治提供参考，建议煤矿及地质勘查下一步应加强对矿井瓦斯成分、含量测试 中对重烃的测量以及其对瓦斯突出、爆炸以及发电利用的影响研究。

• 利用绕射波提高煤田陷落柱预测精度的方法

  刘建, 沈鸿雁, 席井昌, 李勤, 赵静, 李萌,

  煤田陷落柱的地震响应特征通常以绕射波的形式表现，因此绕射波是识别和追踪煤田陷落 柱的有效波场。 为了有效利用绕射波准确预测煤田陷落柱，基于中值滤波理论，在借鉴频域带阻滤 波概念的基础上，开发出一种利用中值阻滤波分离地震绕射波的方法，并建立了一套有效的绕射波 成像处理流程。 1 地震绕射波利用的关键是如何完整地分离出绕射波，由于绕射波与反射波的时 距特征存在差异，基于统计特性的中值阻滤波存在分离绕射波与反射波的可能性;2 为了有效压 制强能量的反射波干扰，需要通过正常时差校正( NMO) 处理，目的是进一步加大反射波与绕射波 的横向相干性差异，然后再对不同地震道上相同采样时间的一维地震信号实施中值阻滤波分离绕 射波;3 为了确保绕射波完整提取，通过建立主波数带与地震道数的关系，定量确定中值阻滤波窗 口因子;4 利用叠前地震偏移成像方法分别对分离出来的绕射波场和全波场进行成像处理，然后 联合绕射波和全波场成像结果预测煤田陷落柱。 通过一个典型的煤田陷落柱模型验证了方法的正 确性，并进一步应用于山西 Z 煤田的陷落柱预测。 研究结果表明:本文方法能有效分离地震绕射 波，绕射波偏移成像结果明显优于传统反射波成像结果，能清晰揭示出陷落柱的棱廓、规模等信息， 可有效提高煤田陷落柱的识别精度。

• 采掘扰动岩体破坏自然电场近源效应

  刘静, 刘盛东, 刘志新, 杨彩,

  在地下全空间地电场探测工作中，将自然电场对具体岩体动力过程( 岩体破坏、地下水渗 流、流固耦合演变等)的时域超前感应能力与直流电阻率法、激电法对物性的空间表征能力相结 合，有望获取多相耦合系统演化探测及灾变预警的新突破，但须厘清自然电场对不同岩体动力过程 的响应机理及特征。 为克服跨尺度研究的困难并突破自然电场多种参数(自电位、自然电位、表面 电位、感应电荷等)耦合分析的瓶颈，引入了矿山岩体力学相似材料模拟手段;基于对岩体破坏自 然电场异常成因的阐述和对岩样加载实验( 厘米级) 、物理模拟实验( 米级) 、矿山原位实验( 亚千米 级)3 种尺度的实测成果的系统论述，提出并阐述了采掘扰动岩体破坏自然电场响应过程中的近源 效应的内涵、科学意义，同时指出了面向岩体破坏探测的自然电场法研究尚面临的关键问题。 3 类 实测成果共同表明:自然电位的波动幅度、频率、相位都可指示采掘扰动岩体破坏特征，且因自然电 场受破裂成因主导，近破裂区(近源区)自然电位的波动与远破裂区(远源区)有所不同，相对表现 为高幅、高频、异相，故将其定义为一种近源效应;该效应的物理内涵为:自然电位波动幅度越 大(近源区会更大)，岩体释放能量越多、岩体破坏程度越高;幅度相当时，频率越高(近源区会更 高) ，破裂事件越频繁，破坏程度越高;相位相异点越多( 近源区会相异，远源区多相同) ，破裂点越 多，破坏程度越高。 对工程岩体破坏自然电场响应机理的深层揭示须受特定工程场景约束且有赖 于多学科交叉研究的深入、模拟水平与测试技术的提升、对非线性信号分析方法的引入等，基于此 可推动自然电场法、直流电阻率法、激电法并行探测及多参数特征融合方法的构建，为灾害源智能、 精准探测及临灾预警提供新的地电学理论支撑。

• 飞灰残碳量对除尘器性能影响规律

  夏少波, 段璐, 王建朋, 纪任山, 崔豫泓, 张朝,

  燃煤工业锅炉应用单一布袋除尘器已难以满足愈发严格的排放标准，电袋除尘器是实现燃 煤工业锅炉超低排放的选择之一。 基于耦合电袋除尘器实验平台，研究了残碳量对飞灰特性及布 袋除尘器和电袋除尘器除尘性能、运行情况及能耗等的影响，结果表明，堆积密度随飞灰残碳量降 低而增大，残碳量高于 18.18% 时增速较慢，低于 18.18% 时增速较快。 与布袋除尘器相比，电袋除 尘器出口总尘质量浓度和不同粒径颗粒物质量浓度均降低，总尘脱除效率和分级脱除效率均提高， 喷吹周期延长，喷吹压降最低值普遍降低，总能耗均降低，并且残碳量越低，除尘性能越好。 布袋除 尘器对不同残碳量飞灰有不同穿透窗口，脱除效率随飞灰残碳量降低而提高，而电袋除尘器对残碳 量低于 18.18% 的飞灰无明显穿透窗口。 两除尘器喷吹周期均随着喷吹次数增加而减小，压降最 低值随着喷吹次数增加而升高。 电袋除尘器对 4 种飞灰的平均喷吹周期分别是布袋除尘器的 3.27 倍、4.27 倍、4.91 倍和 1.92 倍，并且随着飞灰残碳量的降低，布袋除尘器的喷吹周期延长，压降最低 值减小，总能耗先减后增，电袋除尘器的喷吹周期则先延长后缩短，压降最低值先减后增，总能耗先 增后减，布袋压降是布袋除尘器和电袋除尘器总能耗的主要因素。 总体而言，电袋除尘器在除尘性 能、长周期运行和能耗等方面均优于布袋除尘器，是燃煤工业锅炉实现超低排放的有效途径之一。

• 离子固化剂对水泥稳定煤矸石结合料耐久性能的影响

  张建俊, 姚柏聪, 孙源骏, 刘晓龙, 王宝强, 梁世纪, 林增华, 刘静,

  水泥稳定煤矸石结合料用于寒区道路工程极易发生冻害,适量添加固化剂是增强其路用耐久性能的重要途径。通过7 d无侧限抗压强度试验、温缩试验、渗水试验、抗冲刷试验、冻融试验,分别研究离子型煤矸石固化剂(ICG)掺量(0,0.005%,0.010%,0.015%,0.020%)对水泥稳定煤矸石结合料(CS)的强度与耐久性的影响,通过压汞试验(MIP)、X射线衍射(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)及热重-微商热重联合法(TG-DTG),分析ICG对CS的孔隙结构与水化产物的影响,并对作用机理进行了探究。此外,基于压汞试验数据,研究了ICG固化CS孔隙结构的分形特征,构建了分形维数Ds与CS耐久性之间的联系。结果表明:CS掺入ICG后,弱结合水转变为自由水,同时水溶液中Ca2+浓度增加,促进了水化产物的生成,孔隙结构复杂化,Ds增大,孔隙体积缩小,孔隙率降低,CS孔隙结构密闭性增加,进而提高了CS的抗压强度、抗温缩性能、抗渗性能、抗冲刷性能及抗冻性能,从而提高CS的耐久性能,当ICG掺量为0.010%时,ICG的固化效果最显著。此外,分形维数Ds与CS的耐久性参数之间存在线性关系,因此Ds可以作为评价水泥稳定煤矸石结合料耐久性的一个新参数。研究成果可为离子固化剂应用于水泥稳定煤矸石结合料中提供一定的参考。

• 纳米锑掺杂氧化锡@ 粉煤灰抗静电复合粉体的制备及机理

  秋颖, 王彩丽, 王志学, 姚国鑫, 邹育秀, 杨润全,

  煤基固体废弃物处理问题和高分子材料火灾问题是我国亟待解决的 2 个重要问题。 研究 经济性煤基抗静电复合粉体对实现煤基固废高值化利用和解决高分子材料静电积累引起的火灾问 题具有重大价值和现实意义。 粉煤灰作为产量较高的煤基固废之一，将其作为填料实现高值化利 用受到越来越多的关注，但其在填充聚合物时电阻率高的问题仍未解决。 纳米锑掺杂氧化锡具有 良好的抗静电性能，但其分散性较差、成本较高。 基于此，根据“粒子设计”思想，采用异相成核法 将纳米锑掺杂氧化锡(ATO)负载在价格低廉的粉煤灰上制备核壳结构复合粉体来提高 ATO 的分 散性并且降低粉煤灰的电阻率。 研究了不同 pH、包覆量、SbCl3 与 SnCl4 ·5H2 O 摩尔比、煅烧温度 和煅烧时间对复合粉体电阻率的影响;采用扫描电子显微镜(SEM)，X 射线衍射(XRD)、傅里叶变 换红外光谱(FTIR)、能量色散 X 射线光谱(EDS)，X 射线荧光光谱仪(XRF)，Zeta 电位仪对粉煤灰 和复合粉体进行了表征，探讨了复合粉体异相形核机理和抗静电机理。 结果表明，当 pH 为 4、包覆 量为 30%，700 °C 煅烧 2 h，SbCl3 与 SnCl4 ·5H2 O 摩尔比为 1 ∶ 6 时，粉煤灰表面均匀地包覆了纳米 ATO 粒子，体积电阻率由 1.724×1012 Ω·cm 降低到 2.36×105 Ω·cm。 粉煤灰与 ATO 前驱体在 pH 为 4 时存在静电吸引力，Sn(Sb)—OH 与粉煤灰表面的 Si—OH 发生缩合生成 Si—O—Sn(Sb)键。 纳米 ATO 在粉煤灰表面以异相成核的方式进行沉淀，经过高温煅烧后生成具有导电功能的金红石 结构的Sb-SnO2。 ATO的导电载流子主要取决于Sb5+和SnO2形成的氧空位，导致粉煤灰体积电阻 率降低。 该复合粉体在作为抗静电涂料和塑料等填料方面具有良好的应用前景。

• 碱金属对Cu-ZSM-5 催化分解NO的影响

  孙瑞彬, 王晓霏, 张代鑫, 刘丁赫, 乔晓磊, 金燕, 樊保国,

  Cu-ZSM-5 直接催化分解烟气中的 NO 具有潜在的应用前景。 然而，高温的烟气中存在不 同种类的碱金属，碱金属对 Cu-ZSM-5 催化分解 NO 的影响机制尚不清楚。 采用液相浸渍法将碱 金属 Na，K 负载到离子交换法制备的 Cu-ZSM-5 催化剂。 探究了碱金属负载量对新鲜的 Cu- ZSM-5 催化剂直接催化分解 NO 转化率的影响，并采用 XRD，BET，SEM，TEM，XPS，H2 -TPR 和 O2 -TPD 等表征技术手段对其催化剂骨架结构、孔隙规律、铜物种种类、化学吸附氧和活性物种中 氧气的脱附进行分析。 研究结果表明，在最佳反应温度 550 °C 下，Cu-ZSM-5 催化剂催化分解 NO 转化率为 53%。 随着碱金属 Na，K 负载量的提高，Cu-ZSM-5 催化剂直接催化分解 NO 转换率有明 显的抑制作用，且碱金属 K 造成催化剂 NO 转化率降低的幅度明显高于碱金属 Na。 碱金属 K 可以 破坏的 ZSM-5 分子筛内部独特的三维交叉孔道结构，致使催化剂骨架结构坍塌，堵塞孔道，进一步 阻碍了反应物 NO 与活性位点Cu-O-Cu2+ 的接触，从而导致 NO 转化率降低。 活性成分Cu-O- Cu 2+ 部位可以与碱金属 Na，K 相结合致使催化剂失活，使其转变为新的铜物种 CuO 微粒，且随着 碱金属 Na，K 含量的增加，CuO 数量也逐渐增多，CuO 微粒可以占据催化剂孔道和覆盖在催化剂外 表面，致使催化剂微孔比表面积和微孔孔容降低。 碱金属 Na，K 抑制了催化剂活性成分Cu-O- Cu2+与Cu-□-Cu2+之间的氧化还原循环，进而阻碍了 NO 催化分解成 N2和 O2。

• 采煤机自适应调高控制策略

  王雅东, 赵丽娟, 张美晨,

  针对采用理想化信号模拟滚筒受载进行采煤机调高液压系统性能分析准确性差、基于传统 优化控制算法难以实现对采煤机滚筒调高的自适应控制、响应速度和跟踪性能不好等问题，提出一 种基于深度确定性策略梯度算法 DDPG(Deep Deterministic Policy Gradient)的采煤机滚筒自适应调 高控制策略，并利用虚拟样机技术、深层卷积神经网络( DCNN) 与深度强化学习等机器学习算法搭 建了采煤机自适应调高机-液-控一体化系统。 利用 Pro / E 及 RecurDyn 建立采煤机调高系统刚柔 耦合动力学仿真模型，根据某采煤工作面实际赋存条件，利用 EDEM 建立离散元煤壁模型，基于 DEM-MFBD 接口构建 EDEM-RecurDyn 双向耦合调高机构机械系统模型，基于 AMEsim 建立调高 机构液压系统模型，利用 Simulink 搭建了集信号处理模块(Signal processing)、时频谱图生成模 块(Continuous wavelet transform System)、数据样本扩充模块(Fancy PCA System)、截割状态识别模 块(Alexnet Transfer Learning System)、调高控制决策模块(Height Control decision)和 DDPG 高度调 节模型模块(DDPG Height Adjustment Model)6 个模块于一体的采煤机自适应调高控制系统模型， 基于接口技术搭建 EDEM-RecurDyn-AMEsim-Simulink 多领域协同仿真的采煤机自适应调高机- 液-控一体化系统模型。 利用该系统模型进行仿真并对其调高性能分析，研究结果表明:基于连续 小波变换、Fancy PCA 和 Alexnet 网络迁移学习能够实现煤岩截割状态的精准识别，识别准确率可 达95.58%，所搭建系统的仿真过程能够更真实地模拟采煤机截割煤岩破碎过程，系统仅经 0.6 s 左 右即能感知到截割工况的变化，且能够快速识别出煤岩截割状态并准确地将滚筒调整至目标高度， 响应速度快，能够根据工况变化自适应调节活塞运动速度;相比于模糊 PID 控制，基于 DDPG 控制 的采煤机自适应调高系统的活塞缩回位移稳态误差最大仅为 0.002 1 mm，为前者的 0.66%;对比调 高前后稳定阶段的控制性能，模糊 PID 控制的系统活塞运动速度和液压缸腔室流量波动显著增 大，而 DDPG 控制的系统则差别较小，表明后者具备更强的自适应性，更适于复杂煤层赋存条件下 采煤机调高液压系统的自适应控制;通过试验验证了采煤机自适应调高控制策略及仿真结果的正 确性，可有效提高采煤机对复杂煤层的适应性，促进煤矿智能化的发展进程。

• 基于激光惯性融合的煤矿井下移动机器人SLAM 算法

  杨林, 马宏伟, 王岩,

  煤矿巷道、采掘工作面等作业区域具有典型的半结构化或非结构化环境特征，且 GPS 无法 在煤矿井下直接应用，亟需构建适用于煤矿井下移动机器人的自主定位系统方案，解决机器人精确 定位、状态估计等问题。 针对上述问题，提出了一种基于激光惯性的融合 SLAM 算法，实现了移动 机器人在煤矿井下实时输出稳健的 6DOF 状态估计和全局一致的同步定位与地图构建。 该算法由 前端迭代卡尔曼滤波和后端位姿图优化 2 部分组成。 该方法首先在前端，将传感器数据经过预处 理，构建了观测模型和预测模型，建立了迭代卡尔曼滤波器，结合机器人先验位姿经过预测和观测 的状态传播过程，使其状态更新后的后验位姿更加准确，如此循环迭代得到了基于紧耦合的激光惯 性里程计，增强了机器人在这种非结构环境下的鲁棒性。 其次在后端，部署了关键帧的选取策略， 以限制状态估计的数量，满足其在大尺度场景下实时性的要求。 同时，在优化框架中添加了地面约 束和回环检测，优化了相邻关键帧之间的相对位姿，以确保全局地图的一致性，从而进一步提高了 机器人 6DOF 状态估计的整体精度。 最后，分别在公开数据集和自采数据集上验证了该算法的性 能。 实验结果表明:针对煤矿井下这种特殊的非结构环境，与现有的激光 SLAM 算法相比，提出的 算法使机器人具有更高的精度、实时性和鲁棒性，有效降低了系统的累积误差，保证了所构建地图 的全局一致性。