煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第10期

• 千米深井超长工作面顶板分区破断驱动机制与围岩区域化控制研究

  王家臣, 王兆会, 唐岳松, 孙文超, 冯云贵,

  我国煤矿开采深度和工作面长度不断增加，矿压显现剧烈程度逐年走高。为提高深部超长工作面围岩控制效果，以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景，采用现场实测、理论分析、室内试验等手段研究顶板微震活动规律，揭示顶板分区破断与动态迁移机制。结果表明：千米深井超长工作面支架阻力呈现“中间小、两端大”的谷形分布特征，顶板破断有异于常规采场的“O-X”模式；工作面不同推进阶段，顶板破断引起的高能级微震事件位置在工作面长度方向上动态变化，表明基本顶破断存在分区和动态迁移现象；工作面中部高能级微震事件携带能量小于工作面两侧，造成中部动载冲击效应弱，与支架阻力谷形分布吻合；将超前采动应力大于基本顶初始屈服强度的区域定义为峰值影响区，区内应力集中驱动超前裂隙萌生，应力释放和应力旋转促进裂隙扩展，揭示了旋转性采动应力驱动超前裂隙发育机理；构建了基本顶分区破断与动态迁移力学模型，原生裂隙和采动裂隙改变了基本顶局部边界条件，引发基本顶分区破断现象，由中部峰值影响区至工作面两侧，基本顶极限承载能力降低，导致分区破断动态迁移现象；峰值影响区基本顶破断尺寸小于非峰值影响区，解释了121304工作面支架阻力呈谷形分布的原因；根据千米深井超长工作面基本顶分区破断与动态迁移模式，提出了工作面围岩区域化控制方法，中部峰值影响区液压支架采用成组协同移架方式，其他区域采用独立移架方式，提高了121304工作面围岩控制效果。

• 采动渗流场分析方法

  张建民, 李全生, 曹志国, 温建忠, 池明波, 杜文凤, 马正龙, 杨英明, 郭俊廷, 赵会国,

  煤炭高强度开采中含水层保护是绿色安全开采的难点，采动局域渗流响应规律则是含水层保护方法与技术的认知基础。研究采用多场源耦合分析思路和有限的矿区水文观测数据，通过剖析开采行为与渗流场响应耦合关系，构建采动局域地下水系统和分析采动渗流场时−空演化规律及采动−渗流耦合累积效应，结合典型案例分析，形成适于矿区地下水保护的采动渗流场分析方法。结果表明：① 分析提出基于“开采激励−覆岩应变−渗流场响应”耦合和开采动能量与渗流场势能量传递关系的采−渗耦合机制，构建了描述采动局域渗流场状态的采动渗流系统(MSS)和采动渗流场的导通区、扰动区和辐射区划分架构；② 构建集导通区“柱状渗流模型”和扰动−辐射区“井−渗”态模型为一体的采动渗流场分析简化模型，提出采−渗耦合系数、采动渗流量、视导水系数、源−位距等采动渗流场描述参数，含水层损伤、安全开采风险等含水层保护分析参数；③ 揭示采−渗耦合系数是影响局域采动渗流响应特征的关键因子，发现硬岩类较软岩类覆岩耦合强度和影响范围大，低导水性较高导水性含水层的采动渗流场响应区域窄、频度高和累积影响距离近，采动渗流量和介质导水性等响应显现周期性、振幅波动性和涌流脉动性等特点；④ 提出基于采−渗累积效应的导通区辨识分析流程，针对采区非均匀介质的采动区域渗流异常均衡分析法和采动工作面导通区辨识的约束均衡分析法，基于非均匀含水层开采损伤控制的开采风险、覆岩厚度和采高分析方法；⑤ 应用表明：采动渗流直接影响III含和波及II含，采动期(2012—2019)累积影响半径分别超过2 km和6 km；III含采动渗流量显著低于II含，但采−渗协同响应显著，总量接近同期全区工作面矿井水实测量。其中，主要导通区在首采工作面初采段，渗流量源于III含直接“排泄”和II含大量的越层“补给”，其他采区总量稳定且水平较低，主要源于III含采动裂隙渗流及少量II含周期性沉陷裂缝越层补给；巨厚多含水层时采用“保II控III”策略和“低进、高推、慢停”柔性回采模式，西区和东区安全采高分别提升到8～12 m和16 m左右后，续采区渗流异常水平显著下降和无采动涌水现象实证目标含水层保护效果显著。

• 采场等效孔模型及主应力旋转规律

  刘洪涛, 陈子晗, 郭晓菲, 韩子俊, 刘勤裕, 韩洲, 张红凯,

  针对采场侧方巷道非对称破坏现象严重、巷道周边主应力旋转规律不明确的问题，基于主应力方向旋转下的非等压圆孔塑性区边界方程和蝶形破坏理论，阐述了巷道周围主应力旋转与巷道非对称破坏之间的联系。建立采场等效孔的理论模型，研究了不同初始侧压系数下采场侧方主应力方向旋转的演化规律，以神东布尔台矿22205工作面为工程背景，通过理论分析与数值模拟，沿推进方向对采场的不同位置进行等效孔拟合，验证了采场等效孔模型的可靠性，为采场侧方主应力旋转角度的确定提供了一种新思路。研究结果表明：① 当巷道处于蝶形风险区时，其周围主应力方向的旋转会引起蝶形塑性区的旋转，对巷道稳定性造成影响。提供了采场等效孔的理论模型可用于计算采场侧方主应力的旋转角度，数值模拟结果与理论计算吻合度较高。② 采场前后一定范围内的侧方煤体中主应力方向会发生旋转，主应力的旋转角度由采场未开挖时周围的初始地应力与采场等效孔半径决定。当初始侧压系数大于1时，最大主应力由垂直方向逐渐旋转为水平方向, 可以用主应力旋转45°隐性方程对采场侧方旋转45°的位置进行判定；当初始侧压系数小于1时，最大主应力由垂直方向先向水平方向旋转一定角度，随后会回转至垂直方向。采场等效孔半径表征采场的影响范围，半径越大则采场的影响范围越大。

• 物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法

  曹安业, 刘耀琪, 杨旭, 李森, 王常彬, 白贤栖, 刘亚鹏,

  煤矿智能化建设的大背景下，如何高效的从冲击地压海量监测数据提取有效信息与提高预测预警准确率是未来的研究重点与难点。为解决目前基于物理指标冲击地压预测方法泛化能力较差、对海量数据特征挖掘不充分的困境，结合深度学习技术，初步尝试建立了物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法。以陕西彬长矿区某强冲击危险工作面为背景，分析了多次大能量事件发生前物理指标的变化特征，并统计剖析了仅使用物理指标驱动的冲击地压危险预测指标的短板与不足；提出采用物理指标与数据特征融合驱动的冲击地压时序预测方法，预测模型包括数据预处理、特征提取以及预警模型构建3个模块，数据预处理将原有微震监测数据处理为具有特定时间窗的前兆模式序列，特征提取主要包括基于物理指标的显式特征以及基于卷积神经网络的数据隐式特征提取，提出基于注意力机制的显式特征和隐式特征的深度融合方法，并通过全连接网络实现预测模型分类，实现对不同冲击危险等级的大能量事件进行预测。模型测试结果表明：预测时长为未来1 d、未来2 d以及未来3 d时预测F1分别可达0.956、0.950以及0.854，现场可根据需求选用预测时长；工程应用时模型可对大能量事件准确预测，误差分析结果表明模型预测准确率较高，可满足现场需求。

• 浅埋薄表土层特厚煤层强制放顶条件下主要地裂缝演化规律实测

  王朋飞, 牛一帆, 陈可夯, 张建利, 高梦男, 余洋,

  黄河流域是我国重要的生态屏障，也是我国重要煤炭基地集中区，生态保护与煤炭开采矛盾在此处异常突出。晋北煤炭基地具有典型浅埋薄表土层特厚煤层坚硬顶板的埋藏条件普遍采用强制放顶技术进行煤炭资源生产，但鲜见相关地理及技术条件下的地表主要裂缝演化规律研究，地表主要裂缝的产生制约着此类矿井生态保护与煤炭开采协同发展。为此，针对该条件下地裂缝的演化规律进行了实测研究，得到：① 主要裂缝产生于开采边界，表现为先张拉、后上下错动且裂缝上部与下部脱离、上台阶下方会出现空洞。② 工作面“见方”时，开采各边界主要裂缝发育情况类似，“见方”后，关键层按循环爆破步距(20 m)的3倍周期垮落，两侧巷道上方地表主要裂缝也按60 m“跳跃式”发育。③ 工作面正上方主要裂缝宽度及高差始终小于其他3处开采边界的主要裂缝，且闭合速度每隔一个放顶步距发生一次改变。④ 深(采深)厚(采厚)比较小、表土层薄时易造成对地表破坏最严重的边界不可自修复大裂缝，且裂隙带直达地表，绝大多数主要裂缝处于采场边界内，裂缝闭合周期更短，约9 d。⑤ 110和N00工法及错层位等无煤柱开采技术可扩大均匀沉陷区范围，缓解边界台阶裂缝损害，有利于源头治理和节省成本。

• 考虑实际接触节理微凸体对剪切强度不同贡献比例的峰值剪胀角模型

  班力壬, 候宇航, 杜伟升, 俞缙, 戚承志, 单仁亮,

  节理的剪切力学特性一直是岩石工程关注的重点，峰值剪胀角是描述节理抗剪能力的关键物理量，合理的峰值剪胀角模型应能充分反映节理的峰值抗剪强度。为预测节理峰值剪胀角，阐明节理峰值剪胀角与节理形貌的内在联系，首先明确了节理面上对剪切强度有贡献的微凸体分布范围，然后确定了实际接触节理中各部分微凸体对强度的贡献比例。在节理面上抵抗剪切的阻力是由面向剪切方向的所接触的微凸体产生的。提出了实际接触的最小视倾角 \theta _\textcr1^* 和剪胀破坏过渡到剪断破坏的临界角度 \theta _\textcr2^* 分别用于界定微凸体是否参与剪切过程，以及微凸体的破坏模式。对于有效视倾角\theta ^* 在 \theta _\textcr1^* ～ \theta _\textcr2^* 间的微凸体，其破坏模式为剪胀破坏，对剪切强度的贡献正比于\theta ^* 。对于\theta ^* 在 \theta _\textcr2^* ～ \theta _\textmax^* (其中，\theta _\textmax^* 为最大有效视倾角)间的微凸体，其破坏模式为剪断破坏，对剪切强度的贡献正比于 \theta _\textcr2^* 。进一步考虑实际接触节理微凸体对剪切强度不同贡献比例与微凸体面积比含量，推导出了等效实际接触节理平均角。将等效实际接触节理平均角等同于节理峰值剪胀角，提出了新的节理峰值剪胀角模型。新模型物理意义明确，现有相关所提粗糙度指标仅仅是等效实际接触节理平均角的一种特殊情况。采用89组试验数据对比分析了6种模型的计算精度，结果表明新模型的预测精度最佳(平均误差为10%)。新的峰值剪胀角模型中确定 \theta _\textcr2^* 较为关键，不同材料节理对应的临界角度 \theta _\textcr2^* 不同，考虑到模型形式的简化，取 \theta _\textcr2^* =32°来统一确定新的峰值剪胀角模型。简化后的节理峰值剪胀角新模型估算的相对平均误差为11%，预测精度高于本文列举的多个模型。讨论了 \theta _\textcr2^* 对不同形貌节理的影响及其取值依据。结果显示，节理粗糙度较大时，新模型精度高于其他模型，通过89组试验数据拟合得到\theta _\textcr2^* 取值是合理的。

• 真三轴卸荷条件下砂岩力学特性和剪切变形带预测模型

  王泽, 李文璞, 冯国瑞, 杜佳慧, 郝瑞卿,

  中间主应力和卸载作用对岩石剪切破坏特性具有重要影响。基于多功能真三轴流固耦合试验系统，开展不同中间主应力条件下砂岩加载和卸载破坏试验，分析其变形特征和强度特性，通过建立本构关系和剪切变形带角度预测模型，研究2者对剪切变形带角度的影响规律。试验结果表明：随着中间主应力增加，岩样峰值处偏剪切应力增加，且卸载条件下增幅较小；岩样最大压缩点呈现先增加后趋于稳定的趋势，达到最大压缩点后，加载条件下岩样体积应变由膨胀逐渐变为压缩，而卸载条件下均呈膨胀趋势。随着中间主应力增加，岩样偏剪切应变陡增，卸载条件下陡增提前。在峰值处，卸载条件下应力Lode角和应变Lode角均比加载条件下的大，且2个条件下2类Lode角的差值随中间主应力增加而增大。中间主应力和卸载作用可以通过应力Lode角反映岩石屈服特性，通过应变Lode角反映岩石内部裂隙演化方向。采用等效塑性应变表征内摩擦角和剪胀角，建立由三应力不变量构成的硬化本构关系；引入相关流动法则，构建剪切变形带角度预测模型。对比试验值，发现模型预测效果良好。随着中间主应力增加，变形带角度先减小随后趋于稳定；而卸载作用会减小变形带角度，并受中间主应力影响，角度减小幅度下降。

• 突出煤层群井上下联合抽采防突模式与关键技术

  张永将, 邹全乐, 杨慧明, 陈子涵, 曹建军, 程志恒,

  我国煤层具有地应力大、渗透率低、瓦斯压力大、瓦斯含量高等特点，煤与瓦斯突出灾害严重。因此，需采取有效瓦斯治理措施，而单一井上瓦斯抽采技术容易出现抽采盲区，导致抽采效果不佳；单一井下瓦斯抽采技术工程量大、周期长，难以在短时间实现煤层消突。通过将井上与井下瓦斯抽采技术相互联合，实现井上下联合防突，是保障煤炭安全开采的关键技术之一。而在煤层群矿井中，需针对煤层间距离的远近采用不同的井上下联合防突模式，实现煤层群快速消突。对此，基于井上与井下联合抽采瓦斯技术优势，阐明了井上下联合防突“时空转换−优势互利”的内涵。井上地面井长时间、广覆盖抽采瓦斯实现煤层降突，换取井下作业空间，实现“时间换空间”；井下钻孔在井下作业空间内，精准抽采目标区域瓦斯实现目标区域快速消突，缩短目标区域消突时间，实现“空间换时间”，提升煤层瓦斯治理效果。针对近距离煤层群层间采动影响大等特点，提出了近距离煤层群“孔群覆盖−协同抽采”井上下联合防突典型模式，实现了瓦斯突出治理的超前规划、提前施工、整体消突。针对远距离煤层群采动卸压范围小等特点，提出了远距离煤层群“强化增透−递进抽采”井上下联合防突典型模式，实现了瓦斯突出治理的强化卸压、递进消突。自主研发了近远距离煤层群井上下联合防突关键技术，并以沙曲一矿与朱集西矿作为近远距离煤层群矿井典型案例进行应用效果分析。应用效果表明：在近距离煤层群沙曲一矿中释放抽采达标煤量约80万t，高效抽采瓦斯量约420万m3。远距离煤层群朱集西矿中井下钻孔工程量减少约60%，抽采达标时间缩短约40%。

• 煤与瓦斯突出冲击动力效应及致灾特征模拟实验系统研制与应用

  杨雪林, 文光才, 孙海涛, 曹偈, 王波, 戴林超, 鲁俊,

  由于对煤与瓦斯突出激发后致灾特征及其诱导矿井风流灾变机制不清，现场常根据经验布设风门、布置自救系统等设施，尚不能有效地布置安全防护措施和制定科学合理的应急预案。为了准确掌握突出冲击动力效应及致灾特征，基于相似理论，研发了一套考虑突出孔洞周围卸压区煤体瓦斯补给作用的突出模拟实验系统，并基于突出模型和瓦斯渗流理论通过严格计算确定了补气装置的关键参数。该实验系统主要包括：突出孔洞动力系统、突出激发装置、巷道模拟系统和数据采集与控制中心4个模块，能够模拟巷道内突出冲击波形成和传播、突出煤−瓦斯两相流运移及瓦斯逆流等突出动力现象。开展了瓦斯压力为0.8 MPa的突出灾变模拟实验，利用高速摄像机直接观测到突出冲击波形成过程。结果表明：突出发生瞬间，在管道内瞬间形成空气冲击波，后面依次出现的是冲击气流、突出瓦斯气流和煤−瓦斯两相流。且空气冲击波速度 > 冲击气流速度 > 突出瓦斯气流速度 > 突出煤−瓦斯两相流阵面速度，4者最大速度分别为546.5、496.7、112.6、51.5 m/s，并沿管道逐渐衰减。突出过程中高压瓦斯从突出孔洞涌入巷道空间，造成瓦斯逆流现象。突出过程中突出孔洞内瓦斯压力呈指数下降。突出发生后巷道内瓦斯体积分数随时间变化存在“骤升期”和“缓慢下降期”，突出瓦斯在巷道内运移方式主要包括“驱替”和“扩散”。突出煤沿主巷堆积高度与堆积质量呈现出一致性。突出煤与原煤粒径分布差异主要集中于0～500 μm，而粒径分布最大差异主要集中于150～200 μm。此外，粒径分布于150～200 μm的煤粉占比随距突出口距离的增加而增加，表现出较强的分选性。

• 长壁开采覆岩内水平定向长钻孔位置特征与卸压瓦斯抽采机理

  郭明杰, 郭文兵, 赵高博, 袁瑞甫, 王雨生, 白二虎,

  长壁采空区卸压瓦斯抽采是煤矿绿色开采技术体系中煤与瓦斯共采的重要组成部分，在覆岩内布置水平定向长钻孔抽采卸压瓦斯近年来应用较多；与高抽巷、普通高位钻孔不同，其在采动覆岩内布置抽采时，对覆岩破坏及瓦斯运移的响应与敏感性具有显著的特殊性。通过理论分析、数值模拟与工程实例验证等方法研究了采动覆岩内水平定向长钻孔的位置特征与卸压瓦斯抽采机理。阐述了水平定向长钻孔抽采卸压瓦斯的技术原理，结合室内试验、数值模拟分析了水平定向长钻孔的3个位置特征：① 钻孔布置位置区域瓦斯积聚程度高，为钻孔抽采瓦斯提供浓度条件；② 钻孔布置位置区域裂隙较为发育，为钻孔抽采提供瓦斯源保障；③ 钻孔布置位置区域岩层受采动影响较小，为钻孔提供稳定性条件。在此基础上，从采动裂隙内瓦斯积聚程度、采动岩层渗透率和采动钻孔稳定性3个方面揭示了水平定向长钻孔布置抽采机理，提出了水平定向长钻孔的位置判据，给出了确定钻孔抽采位置的方法流程，并通过数值模拟、工程实例进行了合理性验证。研究结果表明：依据钻孔位置判据进行钻孔布置抽采的最大瓦斯抽采纯量达2.59 m3/min，为其他对比钻孔的2.56倍；在定向长钻孔抽采作用下，回风巷最大瓦斯体积分数为0.11%～0.72%，风排瓦斯量为0.69～2.79 m3/min，验证了按照钻孔位置确定方法进行钻孔布置抽采的合理性。研究成果可对矿井布置水平定向长钻孔抽采采空区卸压瓦斯提供技术依据，进而提高矿井卸压瓦斯抽采率、促进煤矿绿色开采技术发展。

• AEO3润湿褐煤性能及机理

  韩方伟, 胡福宏, 奚志林, 赵月, 刘美,

  为探究非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO3)对褐煤的润湿性能及润湿机理，采用实验与模拟相结合的方法开展研究。利用表面张力和接触角评估AEO3润湿褐煤性能，实验结果显示，AEO3溶液浓度逐渐增加到1.37×10−6 mol/L时，表面张力可由71.97 mN/m降为26.38 mN/m，接触角由73.35°降为28.43°。AEO3溶液临界胶束浓度(CMC)为2.80 mmol/L，在达到CMC前，AEO3降低水溶液表面张力和接触角的能力随浓度增加而增加。利用高速摄像技术，开展了液滴撞击实验，引入无量纲展铺系数以表征液滴撞击煤时液滴形态变化。分析得出液滴展铺过程发生动能、表面能、黏性耗散和摩擦耗散之间的动态转换。提高液滴撞击速度、合理添加AEO3能够增大溶液在煤表面展铺面积，缩短润湿时间，利于提高润湿效果。使用Materials Studio软件，通过量子化学方法计算实验材料分子的静电势，并与润湿性进行关联分析，得出褐煤分子和AEO3分子表面最大静电势大于水分子，水分子更容易被吸附，进而表现出润湿现象。通过分子动力学模拟，研究平衡状态时体系中分子相对浓度分布、均方位移及相互作用能，结果显示AEO3作为水分子吸附载体，可以增大水分子在褐煤表面相对浓度，限制水分子扩散，强化水/AEO3/褐煤体系分子间相互作用，提高溶液润湿性能。

• 天窗补给型衍生式矿井动力突水模式及其评价与治理技术

  曾一凡, 孟世豪, 武强, 庞振忠, 庞凯, 杨国庆, 梅傲霜, 李强, 王嗣桐,

  中西部煤炭资源富集程度最高，开发条件优越，随着开采效率的逐步提升，高强度大采高的开采模式对地下水系统的扰动程度也随之增加，特别是导水裂隙带发育范围之外含水层的地下水在煤层开采中逐渐参与到矿井涌水过程，此类模式导致了矿井涌水预测偏差大、水害危险性评价不准确和水害治理措施不明确等一系列问题，为当前的矿井水害防治带来了极大隐患。初步总结了一种衍生式动力突水模式，即随着煤层开采，顶板覆岩破坏导致地下水系统的演化会诱发新的灾害源，从而导致不同形式的突水模式。其内涵是将定义衍生式动力突水模式的基础从传统的开采前静态分析转变为考虑采矿全周期内变化的动态评价。矿井衍生式动力突水模式可初步分为三大类，分别是“天窗补给型”、“离层灾害型”和“导水通道增渗型”。此次主要针对“天窗补给型”衍生式动力突水模式进行初步探讨，以近些年高强度大采高的浅埋煤层矿区——陕西榆神矿区为例，深入探讨了“天窗补给型”衍生灾害的孕灾条件。通过补充分析间接充水含水层富水性和水力联系强度实现对顶板含水层涌(突)水危险性的综合评价，提出了灾害衍生模式的评价方法体系。通过开采方式的转变，构建了“三查、一定、两验证、两跟踪”的主动防治体系；通过采前多目标疏降和采后局部注浆治理构建了被动防治体系。通过进一步细化矿井涌(突)水致灾模式，优化了评价体系，建立了综合防治技术，为生态脆弱区的地下水资源保护与矿井安全低碳开采提供依据。

• 三塘湖−吐哈盆地富油煤赋存特征与资源潜力分析

  东振, 张梦媛, 陈艳鹏, 冯烁, 薛俊杰, 陈浩, 田继军, 陈姗姗, 赵宇峰, 王兴刚, 焦立新, 李斌,

  富油煤是焦油产率≥7%且具备煤、油、气属性的特殊煤炭资源，是煤炭清洁利用的重要资源和开发方向，对缓解国家油气资源紧缺、推动煤化工突破性发展具有重要的科学价值。新疆东部盆地蕴藏着大量富油煤资源，为探明富油煤的赋存特征与分布规律，通过沉积环境分析，结合煤工业分析、元素分析、格金低温干馏测试等手段研究东疆富油煤聚煤规律与赋存特征，采用地质块段法估算富油煤资源量。结果表明：三塘湖盆地富油煤层主要分布于八道湾组上段(J1b2)、三工河组(J1s)以及西山窑组下段(J2x1)3个层位，焦油产率约13.67%，总体属高油煤；吐哈盆地富油煤发育在西山窑组中段(J2x2)，焦油产率约7.6%，总体为含−富油煤。区内富油煤总体特征为特低−中低水分、低−中低灰分、中高−高挥发分，焦油产率高，富含镜质组和壳质组等生油组分，煤化程度低，形成于湖泊−三角洲的沉积环境。研究区富油煤资源潜力大，估算三塘湖盆地2 000 m以浅的富油煤资源量约670.83亿t，吐哈盆地2 000 m以浅的富油煤资源量约417.55亿t，可采煤层平均厚度达9 m以上。为有效动用富油煤资源，提出煤炭地下干馏的技术设想，即通过石油工程技术在地下煤层建立热量导入和产品产出通道，通过人工加热方式使煤原位发生干馏反应，热解产物包括焦油、煤气(CH4、H2、轻烃C2+等)、水等，煤中的碳元素主要以半焦形式留在地下，产生的二氧化碳可为三塘湖−吐哈盆地的油田提供气驱气源，剩余的二氧化碳可以利用半焦层原位埋存。煤炭地下干馏通过“取氢留碳”实现煤炭资源清洁转化，有望成为富油煤低碳绿色开发的重要技术方向。

• 煤层甲烷吸附相密度、吸附模型、吸附机理的再认识

  刘会虎, 范正谱, 徐宏杰, 刘峻麟, 李娜娜,

  煤中甲烷吸附相密度的确定是准确测量煤中甲烷吸附量、评价煤中煤层气资源潜力的关键，也是认清煤中甲烷吸附控制机理、模型表征的基础。针对两淮煤田碎裂煤样(Ro,max约0.7%)进行了不同温度的高压等温吸附解吸实验，结合压汞和低温液氮对煤的孔隙结构定量表征，分析了煤中甲烷的高压吸附解吸特征，基于Gibbs过剩吸附量测量原理和截距法拟合分析了甲烷的吸附相密度、吸附相体积、理论吸附量与温度的关系，利用单分子层吸附理论的Langmuir模型、多分子层吸附理论的BET模型和微孔充填理论为基础的DA模型及其优化模型进行了拟合分析，基于截距法预测的甲烷吸附相密度和理论吸附量建立了基于不同吸附理论的混合模型，初步探讨了煤中甲烷的赋存及其控制机理。结果表明：甲烷过剩吸附量在吸附阶段和解吸阶段均会达到峰值拐点出现下降，过剩吸附量峰值对应的平衡压力与煤样的实验温度和煤样中孔隙结构有关；甲烷吸附相密度随温度升高而下降，两者呈幂函数关系，甲烷吸附相密度受温度和煤中孔隙结构控制，温度越高，孔隙越不发育甲烷吸附相密度越低。Langmuir模型、BET模型、DA模型及其校正模型对煤中甲烷过剩吸附量拟合表明：未经校正的吸附理论模型仅适用于低压阶段(低于10 MPa)煤中甲烷过剩吸附量的拟合，针对全压力段煤中甲烷过剩吸附量，未经校正的吸附理论模型和经过校正的多分子层吸附理论模型均不适合，采用甲烷吸附相密度优化校正的Langmuir模型、DA模型拟合煤中甲烷过剩吸附量时存在一定的偏差，能用于煤中甲烷过剩吸附量的拟合。建立的基于单分子层吸附和微孔充填吸附理论的混合模型拟合结果表明随着温度的升高，煤中甲烷赋存形式由单分子层吸附为主逐渐转变为以微孔充填为主，赋存方式的转变与温度、煤中孔隙的发育有关。

• 煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸的影响

  王金鑫, 周动, 冯雪健, 王梦露, 冯增朝,

  为了研究煤的非均匀势阱分布及其对甲烷吸附/解吸过程的影响，在吸附科学和分子动力学理论基础上建立了非均匀势阱模型。该模型可以表征煤的吸附/解吸性能以及精确计算出煤体内不同势阱所对应的势阱数量。为了验证非均匀势阱模型对煤的吸附/解吸性能方面的表征能力的准确性，将其与Langmuir模型分别对甲烷吸附/解吸过程进行拟合，再将拟合数据和等温吸附线的相关系数分别进行比较。结果表明，非均匀势阱模型在表征煤体的吸附/解吸性能方面更优。在研究煤体内的势阱分布时，发现煤在不同温度压力下对甲烷的吸附/解吸过程中，煤体内的势阱分布出现明显差异。在分析煤的势阱规律时，发现在吸附阶段煤体内的势阱数量比解吸阶段多，但解吸过程中煤的平均势阱深度比吸附过程大。并且平均势阱深度随着煤阶的降低而降低。在吸附阶段势阱数量集中在某个势阱深度的范围内，但在解吸阶段势阱数量的分布相较而言就更分散。在同一温度下，势阱数量随着煤阶的降低而减少。从势阱分布来看，在相同温度下，高煤阶煤的势阱分布方差明显比低煤阶煤的势阱分布方差要大得多。温度上升会使得平均势阱深度随着温度的升高而下降。对于同一煤阶而言，温度的变化对5～15 kJ/mol内的势阱深度影响更大，且这种现象在低阶煤中更为明显。研究发现，势阱深度较大的势阱更能抵抗温度变化对其产生的影响。在煤体加热或加压过程中，甲烷吸附/解吸率的非线性变化是由势阱的不均匀性引起的。

• 华北型煤田奥陶系岩溶水水文地球化学特征及其对地热的指示意义

  张杰, 陈陆望, 侯晓伟, 张苗, 胡永胜,

  华北型煤田奥陶系岩溶水是集水、热于一体的绿色能源，明确受煤层开采影响其补给来源、热储赋存环境、径流与循环等形成演化特征对于地热资源的勘探与开发具有重要意义。在充分了解典型华北型煤田−淮北煤田地质、水文地质及地热地质条件的基础上，采集区内岩溶地热水样品进行水化学及同位素测试并收集相关成果进行数据补充，揭示了岩溶地热水水化学成分特征及水−岩作用类型，明确了地热水补给来源，评估了岩溶热储温度及地热水循环深度，提出了研究区地热水形成演化模式。结果表明：淮北煤田岩溶地热水主要来源于大气降水补给，北部闸河矿区以直接入渗补给为主，水化学表现为HCO3−Ca型，水−岩作用以溶滤溶解为主，指示该区地热水更新速率较快、循环路径短；南部宿县和临涣矿区仅在部分区域接受大气降水蒸发入渗补给并与古地下水混合明显，水化学类型多样，包括SO4−Ca、SO4−Ca·Mg、HCO3·SO4−Ca·Mg、SO4−Ca·Na、Cl·SO4−Na、Cl−Na等，水−岩作用类型以溶滤溶解及阳离子交替吸附(正反向)为主并伴有脱白云石化作用，指示该区地热水滞留时间久、循环路径长，热储环境更为封闭。选用石英温标及改进的SiO2温标估算该区热储温度范围34.8～69.1 ℃，地热水循环深度881～2 281 m。淮北煤田岩溶地热水形成演化受构造控制明显，地热水循环更新能力、热储温度、循环深度以及水化学环境均存在显著空间差异，岩溶地热资源的开发和利用应综合考虑区域特点。

• 基于不同气化通道类型的地下气化煤体破裂监测及扩展规律

  苏发强, 邓启超, 武俊博, 张涛, 代孟佳, 何小龙, 杨君楠, 余伊河,

  在煤炭地下气化过程中，高温产生的热应力会导致煤体不断破裂，可能会导致气体泄漏，因此煤体破裂的实时监测与规律研究对煤炭地下气化系统长期稳定运行具有重要意义。为此，采用声发射(AE)监测手段对不同气化通道类型的模型实验(带底部交叉孔的垂直同轴气化通道、垂直同轴气化通道、V形连接孔气化通道)中的煤体破裂活动进行了监测，并基于监测结果研究了不同操作参数(气化剂组分和流量)以及气化通道类型对煤体破坏活动及气化区扩展的影响，然后采用矩张量分析构建的裂纹分布模型定量分析了气化过程中声发射源处的裂纹类型以及裂纹方向，从而研究煤在气化过程中的损伤和破坏规律。研究结果表明：气化炉整体温度变化与声发射事件有非常强的相关性，在0～750 ℃内增加会导致声发射事件增多；实验中定位的声发射源可以较为准确的表示煤体破裂位置，通过对声发射源整体分布的监测可以预测气化区的扩展范围，垂直同轴孔模型气化区主要向两侧扩展，而V形连接孔模型的气化区则主要沿气流流动方向扩展；较高的氧体积分数以及气体流量在温度小于氧化区临界温度(900 ℃)时能显著地促进气化区的扩展；基于矩张量分析构建的裂纹分布模型能有效帮助研究煤炭地下气化过程中煤体的破裂规律，裂纹分布模型结果显示，拉伸破坏主导气化过程中煤体的破坏，裂纹总体的聚集方向接近煤层的分层方向，此外裂纹位置分布结果表明在还原区范围内裂纹的萌生与扩展活动较为活跃。

• 矿山生态环境数字孪生：内涵、架构与关键技术

  李全生, 刘举庆, 李军, 张成业, 郭俊廷, 王兴娟, 冉文艳,

  在双碳国家战略和新一代信息技术广泛应用的时代背景下，体系化、精准化和智能化是矿山生态环境治理的重要发展方向。我国矿山生态环境治理长期以来开展了较为丰富的信息化建设，但仍然面临缺乏综合性监测体系、生态演变建模不准确、生态治理依赖专家经验、无信息化决策工具等问题。据此，提出了矿山生态环境数字孪生(Digital Twin of Mine Ecological Environment, DTME)的科学内涵，并介绍了其总体架构、功能特点与系统构建关键技术。定义了矿山生态环境数字孪生是以天−空−地多源监测、人工智能建模为基础，在虚拟空间建立与现实矿山生态环境要素一一对应、演变过程相互映射、作用机制相互匹配的孪生系统，进而通过方案优化或反馈控制支持矿山生态环境全过程科学治理。详细介绍了DTME的总体架构，包括物理矿山生态环境、监测终端、孪生数据、信息链路、云边端服务、虚拟矿山生态环境和控制终端7个组成部分。DTME以现实应用需求为导向，具有矿山生态质量动态监测与体检、生态演变模拟与影响因子解析、生态变化过程预测、生态风险预警、智能分级分区生态修复、生态修复效果评价和生态环境监管等功能。最后，归纳了构建矿山生态环境数字孪生系统涉及矿山生态数字底座搭建、矿山生态数字场景构建、矿山生态演变过程模拟与预测、矿山生态治理智能决策4方面关键技术。DTME的应用将支撑矿山生态全过程治理的感知、表达、监测、模拟、仿真、预测与控制，有望大幅提高治理质量和效率。

• 电场对高岭石表面重金属离子吸附特征的影响

  闫珂, 柴肇云, 李天宇, 杨泽前, 辛子朋, 孙浩程,

  电动力学修复技术可有效去除煤矿区污染土壤中的重金属离子。为阐明电场对高岭石表面重金属离子吸附特征的影响规律，以矿区土壤中Pb(II)、Cd(II)和Cu(II) 3种常见重金属元素为研究对象，初步构建三维可视化模型，优化得到稳定的高岭石−溶液−高岭石模拟体系，运用分子动力学模拟方法，探究电场作用下重金属离子在高岭石(001)晶面的吸附方式、原子密度分布、扩散系数及径向分布函数的演化规律。结果表明：电场方向为+Z时，电场促进重金属离子和硅氧烷表面之间的络合作用，重金属离子第1水化壳的配位数随着电场强度增大而减少，外层配合物吸附百分比随着电场强度增大而增大。电场方向为−Z时，外层配合物吸附百分比随着电场强度增大而降低，高岭石表面与重金属离子相互作用减弱，更多的重金属离子游离在溶液中与氯离子配对；电场极化作用下重金属离子第1和2水化壳之间没有明显分界，水化壳之间存在水分子交换；电场作用下重金属离子在高岭石(001)面上的均方位移曲线MSD表现出各向异性，X、Y方向扩散系数大于Z方向，总扩散系数随着电场强度的增大而增大，扩散系数受电场正负方向的影响不明显；Pb(II)离子和Cd(II)离子在高岭石表面上仅存在外层配合物，Cu(II)离子存在内、外层配合物共存的吸附方式；高岭石对3种重金属离子吸附优先顺序为Pb(II) > Cu(II) > Cd(II)。

• 原位MOF化聚乳酸纤维膜制备及空气过滤性能

  李欣雨, 朱桂英, 王存民, 朱金佗, 徐欢, 何新建,

  颗粒物(PMs)是主要的空气污染物，对生态环境和人体健康构成严重威胁，特别是PM0.3颗粒小、穿透性强、危害性大。传统空气过滤材料难以有效去除PM0.3，且不可降解，易产生塑料污染和微塑料危害。为此，开发了一种高力学性能、高表面电势、高PM0.3过滤效率、低空气阻力且可生物降解的原位MOF化纤维过滤膜。提出了原位MOF化改性聚乳酸纤维膜，同时结合机械极化增强纤维膜表面荷电，提升静电过滤能力。通过调控MOF化时间，探究其与纤维膜综合性能之间关系。采用扫描电子显微镜(SEM)和能量色散X射线光谱仪(EDS)进行微观表征；采用X射线衍射分析仪(XRD)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)分析晶体结构；采用万能试验机测试力学性能；采用静电测试仪和电介质测试仪检测表面电势和介电常数，探究极化特性；通过自主搭建的过滤测试系统研究纤维膜的过滤性能并探讨其过滤机理。结果表明MOF化聚乳酸纤维膜具有优异力学性能和过滤效率：拉伸强度增幅高达27%(4.4 MPa)，而断裂伸长率最高增加6倍(36.1%)，断裂韧性可提升8倍(1.46 MJ/m3)，PM0.3过滤效率最高提升17.1%且不影响滤阻；经极化后，复合纤维膜的表面电势最高近4 kV，过滤效率可再次提升4.3%～7.7%。提出的全降解环境友好型多功能纤维膜在超细颗粒物的过滤中具有广阔应用前景。

• 声波对煤粉燃烧特性的影响：研究进展与展望

  杨延锋, 姜根山, 刘亮, 刘月超,

  “双碳”目标的实现对煤炭的清洁高效利用提出了更高的要求。因此，探索煤粉新型清洁高效燃烧技术具有重要意义。声学作为一门基础性和交叉性极强的学科, 近年来已渗透到几乎所有重要的自然科学和工程技术领域。尤其在燃煤电站锅炉中，声学技术的应用受到了广泛关注和研究，如基于声学原理的炉内温度场重建、测流、泄漏检测及声波除灰、声波团聚等技术。以上声学技术的研究和应用均涉及到声波传播过程中产生的声物理和化学效应。有关声场作用下煤粉颗粒燃烧特性的研究已有诸多报道，指出利用声波的物理化学效应可以为煤粉颗粒清洁高效燃烧提供新的技术手段。声波助燃技术已被证实是一种高效节能、清洁环保的新型燃烧技术，具有较大潜力。因此，在节能减排政策的高要求下，声波助燃技术在燃煤电站锅炉中的应用推广与发展研究应当得到足够的重视。目前针对声波影响煤粉颗粒燃烧的基础理论研究尚不完善，对声波物理化学效应的作用机制阐述不清。已有的文献中对声波影响煤粉燃烧的研究鲜见专著和综述性文章介绍。鉴于此，本研究较为全面地介绍了声波影响煤粉燃烧的作用机制，分析总结了国内外声波影响煤粉颗粒燃烧的研究现状，厘清了声波影响煤粉颗粒燃烧特性的主要技术研究路线，以便系统了解声波助燃的对象、方法、原理和实际应用。

• 氧浓度对氨煤混燃高温还原区NH3/煤焦/NO异相还原的影响

  陈萍, 蒋博宇, 花昌豪, 王佩佩, 顾明言, 樊建人, 汪一,

  在煤粉炉中掺入无碳燃料氨可有效降低火电CO2排放，近几年引起了越来越多的关注。然而，氨混烧增加了NOx生成途径，研究氨煤混烧过程高温还原区NO的还原机理对实现氨煤混燃低氮排放尤为关键。高温还原区并非无氧环境，探究还原区微氧对未燃氨耦合煤焦还原NO的影响机理十分必要。利用高温水平管式炉研究了O2体积分数(0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%)对NH3/NO均相以及NH3/煤焦/NO异相还原的影响机理，温度在1 373～1 773 K。研究结果表明，高温无氧环境下，随着温度升高，NH3均相还原NO的效率增加；当温度高于1 573 K时，NH3均相还原NO随温度的升高略微降低，未燃氨对NO的最佳还原温度为1 573 K。而煤焦的存在显著提高了高温下NH3还原NO的效率，且将NO的最佳还原温度拓宽到1 673 K，煤焦与NH3对NO的还原表现为协同促进作用。相对于无氧条件，O2体积分数在2.0%、温度不高于1 500 K时，微氧促进了还原性自由基NH2/NH的生成，对NH3/NO的均相还原表现为促进作用；进一步升高温度，有利于体系内NH2/NH的氧化，使得有氧条件下NH3均相还原NO的效率低于无氧条件。NH3/煤焦/NO的异相还原体系中，当温度不高于1 473 K以及O2体积分数不高于0.5%时，微氧条件下的NO异相还原效率高于无氧条件；但当O2体积分数和温度的进一步提高，NHi与OH/O等氧化性自由基的氧化反应相较于NHi/煤焦还原NO过程的速率更快时，NH3/煤焦/NO异相体系内NO的还原效率降低，表明存在促进高温还原区NH3/煤焦异相还原NO的最佳O2体积分数。

• 低变质烟煤与不同类型油共炼反应特性

  张宏文, 张乾, 涂椿滟, 彭泽宇, 黄伟,

  煤油共炼是集煤直接液化和重油加氢转化为一体的高效工艺，对缓解国内石油供需矛盾，平衡能源结构，保障国家能源安全具有重要的战略意义。对比研究了以煤焦油、FCC(催化裂化)油浆、DCC(催化裂解)油浆为油样，分别与一种低变质烟煤共炼的反应特性。结果表明：FCC油浆和煤共炼的煤转化率最高，DCC油浆和煤共炼次之，煤焦油和煤共炼的煤转化率及液体油产率均较低。分析发现，油样中芳香烃的组成和含量不同是导致煤油共炼过程中煤转化率及产物组成差异的主要原因。共炼油样中的多环芳烃的供氢作用是反应过程中自由基加氢的重要途径。多环芳烃先与反应体系中的活性氢原子结合生成氢化芳烃，氢化芳烃则可结合稳定共炼过程中产生的自由基。对油样中1～5环类多环芳烃分析推断，相较于低环数芳烃，油中高环数芳烃供氢能力更强，故4环芳烃含量较高的FCC油浆共炼效果要强于3环芳烃含量较高的DCC油浆。煤焦油中芳烃主要源于煤中芳香结构断键，与煤样具有较好的互溶性，但其高环数芳烃含量较低，氢传递能力弱，导致其与煤共炼时煤转化率及液体油产率相对较低。将FCC油浆和煤焦油掺混作为共炼油时，煤焦油中的芳烃可以保障煤在反应体系中分散，而FCC油浆中的多环芳烃能保障反应体系的供氢能力，2者相互协同促进了煤油共炼过程中煤的转化。

• Co掺杂ZnO/SiO2复合脱硫剂常温脱硫性能及再生性能

  苏哲林, 李敏麒, 杨超, 王业双, 樊惠玲,

  煤炭清洁转化与高效利用是国家的战略需求，而煤气精脱硫净化是煤炭高效清洁利用中的关键环节。氧化锌是工业上普遍使用的中温脱硫剂，常用于精脱硫的最后一道工序，其在常低温条件下更有热力学优势，可实现超精脱硫，但受动力学制约，活性很低。同时，无论中温还是常低温氧化锌脱硫剂的再生性能均很不理想。目前工业上鲜有可再生循环使用的氧化锌脱硫剂，因此产生的固废使其面临巨大的环境压力。采用溶胶凝胶法制备了Co掺杂ZnO/SiO2复合脱硫剂，探究了Co掺杂量对ZnO/SiO2复合脱硫剂脱硫以及再生性能的影响。研究结果表明，Co物种是以Co2+的形式掺杂进入ZnO，适量掺杂Co可增大脱硫剂的比表面积，使ZnO表面晶格缺陷增加，进而提高脱硫剂表面碱性，促进H2S的解离，从而促进脱硫性能的提高；当掺杂量为3%时，穿透硫容为143 mg/g，是未掺杂ZnO脱硫剂的1.6倍。从程序升温氧化结果看，Co掺杂可以降低ZnO脱硫剂的再生温度，同时还可降低再生过程金属硫酸盐的生成量。尽管Co掺杂可在一定程度上降低ZnO脱硫剂的再生温度和抑制高温再生过程中生成硫酸盐，但并不能避免硫酸盐的生成。再生形成的硫酸盐会降低脱硫剂表面碱性，也会使脱硫剂的比表面积急剧下降，使得再生后脱硫剂的工作硫容明显降低。获得可循环利用的常温氧化锌脱硫剂仍存在较大的挑战。

• 基于混合寻优的矿山车辆重载牵引实心轮胎模型参数辨识

  任志勇, 石琴, 沈杰, 武仲斌, 赵远,

  矿山重载车辆多采用橡胶实心轮胎，其力学行为与传统充气轮胎具有较大的差别。由于缺乏准确的轮胎模型参数，无法对矿山重载车辆的实际运动状态进行准确描述，严重制约了矿山车辆动力学和稳定性的研究。为了建立矿山车辆重载牵引实心轮胎准确参数辨识模型，基于PAC2002魔术公式模型对轮胎纵向力计算公式进行了修正，确定了其待辨识的参数，并综合运用高斯牛顿迭代、遗传迭代和模拟退火3种迭代手段，提出了针对重载橡胶实心轮胎经典模型的混合寻优参数辨识算法。通过六分力测试设备获取煤矿井下25 t级重载辅运车辆所配橡胶实心轮胎的基础实验数据，采用混合寻优算法和遗传算法对纯纵滑及侧偏−纵滑复合2种工况下的轮胎模型参数进行辨识，并引入相对均方根误差和确定系数作为辨识精度评价指标。结果表明：针对2种工况的参数辨识模型，其目标函数值的均方根误差最大分别为0.081 35和0.079 65，确定系数分别为0.998 15和0.987 65，且混合寻优过程比单纯的遗传迭代具备更好的全局把控和快速收敛能力，收敛至全局最优的平均代数上减小了36%，收敛至全局最优的平均时间减小了31%；最后，通过进行不同载荷工况下整车牵引特性实车实验，试验结果表明依据辨识参数计算得到的单个轮胎纵向牵引力与实车实验结果之间的偏差不超过4%，验证了辨识模型的有效性。

• 复杂条件下新型锚固钻机系统振动特性分析

  任泽, 毛君, 谢苗, 张鸿宇, 卢进南, 李玉岐, 刘治翔,

  针对煤矿井下掘锚比失衡问题，提出一种新型掘支锚平行作业机组，可对复杂地质条件下的巷道断面形状、煤岩属性及顶底板不平整性具有高适应性，通过搭载多姿态新型锚固钻机系统，实现掘锚同步并行快速作业模式；考虑掘锚作业空间位置关系、锚固断面形状尺寸及锚固作业耦合振动影响等因素，提出一种锚固钻机系统钻进抑振装置，采用“顶天立地”式稳定支撑形式，减少锚固钻机群组系统在同步作业时相邻系统耦合振动影响；考虑锚固钻机群组为多质量块、多自由度系统构成，提出一种基于复杂地形工况下机组变姿作业状态振动传递模型图，利用有限元分析软件Abaqus模拟钻进不同岩石属性工况，分析可得到不同煤层条件下钻杆的推进阻力变化规律；为求得锚固钻机系统关键部件在抑振装置作用下其刚度变化规律，基于材料力学中变形协调等方法求解横梁伸出不同长度及油缸支腿伸出/缩回状态的刚度变化范围；通过数值分析软件Matlab对上述锚固钻机系统动力学模型进行求解，得到在左右横梁伸出及支腿伸出与缩回等不同工况条件下钻机群组本体振动参数，分析可知钻机支腿对于减缓锚固机组横滚振动效果十分显著。通过进行锚固系统样机试验分析，验证锚固钻机系统支腿抑振效果满足要求，通过提高锚固系统稳定性可为锚固自动定位、钻孔成孔质量等方面的研究提供一定的理论基础。