煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第11期

• 深地科学与深地工程技术探索与思考

  谢和平, 张茹, 张泽天, 高明忠, 李存宝, 何志强, 李聪, 刘涛,

  21世纪的深地科学进入了新的发展阶段，深地科学规律尚未探明，深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性，地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。因此首先从地球科学的视角定义了深地科学：以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象，旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度(深层和超深层)科学奥秘；理清了深地科学与地球科学的区别与联系：即深地科学是在已知地球科学知识体系上的延伸，是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向，包含于地球科学；定义了深部与深地工程科学的本质：即针对现有浅部工程的科学规律与技术无法适用于深部工程的难点，探索深部工程相关科学规律，突破深部工程关键基础科学问题，匹配人类在深部工程活动中的地灾防控需求，进而指导深部资源安全高效绿色开发、深部工程空间有效利用。提出深地工程技术定义，即指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备，为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。最后，进一步明确了深地科学的研究内容与规划，以及深地工程技术内涵与攻关方向(即深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深地隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维)，以期促进深地科学领域的发展。

• 我国沿空留巷围岩控制技术研究进展与展望

  张自政, 柏建彪, 王襄禹, 徐营, 闫帅, 刘洪林, 吴文达, 张伟光,

  我国煤矿沿空留巷技术研究与应用已超过60 a, 形成了充填式沿空留巷和切顶式沿空留巷两大技术类型，但是由于不同矿区煤层生产地质条件复杂多样、留巷巷道所处矿压显现强烈等诸多困难，导致沿空留巷技术推广应用呈现起伏。首先梳理了近年来我国沿空留巷主要技术类型、围岩稳定原理、巷内支护技术、巷旁支护技术、适应性评价与围岩稳定性监测方面取得的成效和关键技术进展，分析了现阶段不同技术的应用适用性。然后，总结了目前沿空留巷技术面临的难题与挑战：对强矿压工作面沿空留巷仍未能形成系统理论；充填沿空留巷围岩与支护体相互机制的理论认识仍然存在缺陷；巷旁支护体充填材料力学及变形特性尚不能适应深部、强矿压工作面沿空留巷；沿空留巷底臌机理及控制技术尚不完善；强动载或冲击地压沿空留巷充填体稳定控制研究尚处于空白。最后，针对现阶段我国沿空留巷技术应用面临的难题和挑战，提出了几项储备型技术：厚煤层综放/一次采全高沿空留巷有控切顶–充填围岩协同控制技术、面向强矿压工作面含外加剂改性高水材料沿空留巷技术；针对沿空留巷数值模拟岩石力学参数智能反演问题，建立了一套沿空留巷数值模拟岩石力学参数智能反演工作流，提出了沿空留巷支护参数智能优选设计方法。

• 基于改进Knothe时间模型的地表移动延续时间预测

  张亮亮, 程桦, 姚直书, 王晓健,

  地表移动延续时间是地表移动稳定评价的关键指标，精确预计该时间对于地表及地面设施的稳定性评估至关重要。首先分析了经典Knothe时间模型描述地表动态沉降规律的不足，然后基于该模型基本假设，提出新的模型假设，建立了仅含一个模型参数且能够精确描述地表动态沉降、沉降速度和沉降加速度的改进Knothe时间模型。其后，基于改进Knothe时间模型，建立了能够综合考虑煤层采高、平均采深和煤层开采速度等因素的地表移动延续时间预测模型，并根据概率积分法给出了模型参数的确定方法。最后，采用20个矿区地表移动延续时间监测数据对地表移动延续时间预测模型的合理性和精确性进行验证。结果表明：基于改进Knothe时间模型的地表移动延续时间模型预测结果与20个矿区监测结果基本吻合，2者均方根误差ERMS仅为64 d，小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》预测模型的882 d和Knothe时间模型的152 d，验证了地表移动延续时间预测模型的合理性和精确性；地表移动延续时间受煤层采高、平均采深和煤层开采速度的影响，且随煤层采高的增加而非线性增加，随平均采深的增加而线性增加，但随煤层开采速度的增加而非线性减小；当煤层开采速度小于5 m/d时，可通过适当增加煤层开采速度来缩短地表移动延续时间。研究可为煤层开采地表移动变形稳定时间预测提供一定的借鉴和参考。

• 隔水煤柱采动渗流耦合失效特征及其合理宽度

  李竹, 樊建宇, 冯国瑞, 张宏, 祁承恩, 张靖宇,

  采空区遗留隔水煤柱水浸软化及采动影响下的耦合失效，是诱发同层回采工作面突水事故的常见原因之一，探究采空区积水隔水煤柱失效特征及其合理宽度，对于矿井水害防治具有重要意义。以甘肃华亭砚北煤矿250209工作面同层上覆关闭采空区隔水煤柱安全宽度为研究对象，通过理论分析及FLAC3D数值仿真研究，分析了浸水侧煤体局部失效、坍塌及总宽度不足时隔水煤柱整体失稳灾变过程，揭示了水浸弱化、采动、渗流复杂影响下隔水煤柱内应力场、塑性区、渗流场耦合特征，掌握了不同煤柱宽度条件下隔水煤柱阻水能力及稳定性演化规律，提出了“渗水区+弹性压密阻水区+塑性区”3区联合型隔水煤柱宽度确定方法。结果表明：① 隔水煤柱在覆岩载荷及采空区积水水压叠加作用下浸水侧下部煤体率先剪切塑性破坏，随着积水侵蚀渗透范围的扩张及不同程度浸泡弱化，诱发该区域煤体承载能力劣化及坍塌，最终导致隔水煤柱偏心压缩不均衡承载的倾倒失稳。② 3个阶段中隔水煤柱上部、中部、下部塑性区发育宽度不同，均呈现出沿煤柱高度方向自上而下逐步增加的现象，即隔水煤柱浸水侧下部塑性区扩展范围相对中部及上部更大，表明隔水煤柱底部区域更易形成导水通道，与理论分析相一致。③ 隔水煤柱中塑性区体积占据了渗水区总体积83%以上，是隔水煤柱导水的主要区域，弹性区体积占据了渗水区总体积的17%，尽管其占比较小，但其决定了渗水区范围的最大扩展边界，且弹性渗水区呈现出“高应力低渗透小范围”和“低应力高渗透大范围”应力渗透耦合特征。④ 隔水煤柱阻水能力取决于浸水侧渗水区与采动侧塑性区范围及其连通特性，隔水煤柱宽度为110和120 m时，渗水区与塑性区完全连通；隔水煤柱宽度为130、140和150 m时，渗水区与塑性区不连通，两者之间弹性压密阻水区宽度分别为5.5、11.5和23.5 m。基于此，将渗水区与采动塑性区相连通作为矿井水突破隔水煤柱的临界条件，提出了弹性压密阻水区宽度不小于20 m的“渗水区+弹性压密阻水区+塑性区”3区联合型隔水煤柱宽度确定方法，指出了合理宽度不宜仅将弹性核区占比大于31%、塑性区不连通等常规支撑型煤柱稳定性指标作为隔水煤柱稳定判别方法，还应考虑隔水煤柱的阻水性能。

• 基于震源机制解析的巨厚覆岩矿震破裂机制

  白贤栖, 曹安业, 刘耀琪, 王常彬, 杨旭, 赵迎春, 杨耀,

  鄂尔多斯矿区侏罗系煤层覆岩中常见巨厚层状砂岩组，为了解释和量化巨厚覆岩下煤层开采矿震破裂机制与顶板破断特征，基于震动波P波辐射位移场与相对矩张量反演方法，提出了以震源群为单位、微震台站为对象构建反演矩阵进行煤矿矿震震源机制反演，提高了反演效率与准确性，求解了巨厚覆岩下实体煤段与临空段工作面回采诱发大能量矿震事件的震源机制，定量分析了顶板破裂演化特征与震动波辐射影响方位。结果表明：巨厚覆岩下临空段工作面回采白垩系巨厚砂岩层开始产生破断，地表沉降量快速上升，开始出现100 kJ以上的矿震事件，矿震分布较实体煤阶段更为密集；大部分大能量矿震事件位于采空区后方，与煤层上方厚层顶板破断、滑移密切相关；巨厚覆岩下煤层开采诱发的震源顶板张拉破裂占比85%以上，临空段回采期间震源有向上扩展的趋势，剪切滑移破裂相对实体煤回采阶段有所增加；破裂面走向方向大致与工作面推进方向一致或与工作面推进方向成“X”夹角，但临空回采阶段相较实体煤阶段走向“X”夹角由30°增加至45°；震源破裂面倾角0°～30°，占比50%左右，顶板以水平离层张拉、顶板回转压缩失稳为主，产生的P波大多向下方采空区传播，对工作面回采影响较小；仅部分顶板断裂张拉与剪切滑移失稳产生的P波向周围采场传递，可能对工作面影响较大。巨厚覆岩型矿震的防治思路可从弱化巨厚覆岩的整体性、使巨厚覆岩结构分层破断的角度出发，降低巨厚覆岩整体破断诱发矿震对工作面冲击危险性的影响。

• 掘进工作面水环保压聚能定向爆注卸压技术与装置

  王振锋, 王宇, 张涛,

  针对永城市薛湖煤矿局部聚能爆注效果差及未确定局部聚能爆注卸压的影响范围，不能在工作面合理布置聚能爆注孔间距的难题，通过理论分析、ANSYS/LSDYNA数值模拟及工业性试验，设计一种局部水环保压装置，对薛湖煤矿局部水环保压下聚能爆注卸压进行研究与应用，结果表明：① 通过ANSYS/LSDYNA发现，水的低压缩性能够聚集炸药爆炸的能量，煤体损伤范围显著增大，水介质耦合时煤体完全损伤范围为空气耦合时的3.14倍；水介质耦合时煤体损伤裂纹长度范围为空气耦合时的2.71倍。水介质使聚能炸药能量均匀作用在煤体上，减弱聚能管的定向作用，钻孔周围裂隙均匀发育扩展，无定向裂隙扩展，通过在水介质和钻孔壁间设置聚能管能够有效聚能和定向扩展裂隙。当炸药处于钻孔、水体中心时，煤体裂隙扩展、爆注空腔面积均优于炸药处于钻孔、水体下部时。② 水环保压装置使炸药始终处于钻孔、水体中心，环向约束炸药，减少炸药爆炸径向能量损失，增强炸药作用于煤体上的能量。水环保压装置内部设置聚能槽，使得存水保压、聚能一体化，起到有效的聚能定向卸压作用。③ 通过工业性试验对比聚能爆注前后钻孔内的瓦斯参数变化，得出薛湖煤矿局部水环保压下聚能爆注影响半径为2.5 m；在薛湖煤矿工作面以钻孔间距5 m布置局部水环保压聚能爆注孔，煤体局部裂隙扩展，集中应力得到转移与释放。通过爆注后的水环保压装置向煤层中注水，使得爆注孔变为煤层注水孔，可以进一步浸润煤体，改变煤体性质，改善工作面环境。由于水环保压聚能爆注技术存在爆破空腔面积大、定向聚能扩展裂隙及注水改变围岩性质的优势，可将此技术用于切割顶板，强制放顶。

• 超临界CO2作用下煤岩组合体力学特性损伤及裂隙演化规律

  张小强, 王文伟, 姜玉龙, 王开, 闫建兵, 岳少飞, 蔚默然,

  将CO2注入到深部不可采煤层是实现CO2地质封存的有效途径之一，但CO2在高压、高温作用下会处于超临界状态，为了探究超临界CO2作用对煤系储层结构的影响，基于自主研发的超临界CO2浸泡实验系统，结合声发射测试系统及RFPA3D数值模拟，研究了3种煤层厚度和3种顶底板岩性的“岩−煤−岩”(RCR)组合试件在超临界CO2作用下的力学损伤特性及其裂隙扩展演化规律。研究结果表明：① 超临界CO2作用后，随煤厚增加RCR组合体抗压强度劣化幅度逐渐增大，弹性模量劣化幅度逐渐降低，而当岩煤强度比不同时，抗压强度和弹性模量劣化幅度基本一致，未呈现较大差异；② 超临界CO2作用会促进煤体塑性破坏，加剧RCR组合体由拉伸劈裂破坏向剪切塑性破坏转变的趋势，RCR组合体塑性破坏程度与煤厚和岩煤强度比均成正相关关系；③ 超临界CO2浸泡作用促使RCR组合体更早进入弹性变形阶段，且经历更为短暂的弹性变形后发生失稳破坏，煤厚越大影响越大，而岩煤强度比影响较小；④ RCR组合体失稳态势与煤厚成正比、与岩煤强度比成反比，破坏时动力显现强度与煤厚成反比，与岩煤强度比成正比；⑤ RCR组合体总能量、耗散能、弹性能、盈余能随煤体厚度增加而逐渐降低，随岩煤强度比的增大而逐渐增大，超临界CO2作用会使RCR组合体试件弹性能占比降低，耗散能占比升高，盈余能占比降低。综合上述研究成果可知，煤层越厚的地层越容易发生失稳，顶底板岩层强度越高的地层越不容易发生失稳，地层失稳破坏时动力显现强度与煤厚成反比、与岩煤强度比成正比。故在满足CO2注入封存量前提的一定区域地层内，应选择顶底板岩层强度较高、煤层厚度较薄的区域地层封存CO2安全性更高。该研究成果可为CO2注入到深部不可采煤层进行地质封存的安全性提供一定的理论借鉴。

• 常法向刚度条件下人工结构面剪切力学特性及损伤演化规律试验研究

  焦峰, 许江, 彭守建, 何美鑫, 张心睿, 程亮,

  为研究起伏角和法向刚度对结构面剪切力学特性的影响，利用自主研发的煤岩剪切−渗流耦合试验系统，开展了常法向刚度(CNS)条件下人工结构面的直剪试验。结果表明：当起伏角为15°和30°时，剪切应力呈现周期性震荡衰减趋势，在剪切结束时，随着法向刚度的增加，峰值剪切应力的降低量分别是1.78、1.42、1.36和1.27 MPa，逐渐减小。当起伏角为45°时，在剪切应力达到峰值后逐渐趋于残余强度；法向位移演化和剪切应力具有一一对应关系。随着起伏角的增加，剪切刚度逐渐增加。随着法向刚度的增加，起伏角15°和45°结构面的峰值剪切应力基本上线性增加；当起伏角为30°时，峰值剪切应力呈现出分段函数的特征，但是峰值剪胀角却逐渐降低。通过分析剪切前后结构面的质量损失、碎屑粒径占比和三维形貌参数演化得到结构面的破坏模式，当起伏角为15°和45°时，破坏模式较为单一，分别为磨损破坏和切齿破坏；当起伏角为30°时，其破坏模式对试验条件的依赖性较强较为复杂，主要为齿尖剪断破坏和全切齿破坏。通过将结构面三维空间点云数据和对应剪切位移处的法向位移值相结合的方法，得到特定剪切位移处的结构面隙宽演化云图，从而分析结构面在剪切过程中的动态演化过程，得到其破坏机理。

• 煤与瓦斯突出相似模拟试验的能量原理

  程远平, 雷杨, 杨斯杰,

  煤与瓦斯突出作为一种破坏力极强的矿井动力灾害，由于这种动力灾害通常难以直接观测，煤与瓦斯突出的物理相似模拟成为了收集突出观测数据和研究突出机理的重要方法。然而，突出相似模拟试验的能量原理目前仍缺乏系统性研究。通过对过去70 a中突出模拟试验的回顾，发现实验型煤具有普遍较高的孔隙率(10%～40%，中位数为21.2%)，显著增大了煤孔隙中储存的初始游离瓦斯膨胀能(几倍到几十倍)。为了进一步获得突出模拟试验的能量释放特征，基于相似准则，利用真三轴煤与瓦斯突出模拟系统开展了一系列突出模拟试验。结合观测数据与能量分析，发现瓦斯膨胀能是突出能量的主要组成部分，占总能量的87.50%～95.31%，其中初始游离气体的贡献占比为1/3～2/3；证明了实验室模拟试验的本质，是将突出过程等效为煤中高压气体驱动的动力过程。特别是，由于实验型煤高孔隙率引起的高初始游离瓦斯膨胀能，模拟试验可以不依赖应力条件，甚至可以由非吸附性气体(如He)在低压下(约0.45 MPa)诱发。与现场实际突出相比，模拟试验往往表现为瓦斯膨胀能与应力能的同时释放，缺乏应力与瓦斯之间的相互作用，因而难以还原突出的激发过程。在未来的试验装置设计中，如何使实验型煤孔隙率与原始煤层相当(通常为1%～11%)是突出相似模拟能否在相似性上获得突破性进展的关键。

• 基于自修复效应的封孔材料裂隙自愈合特性

  司磊磊, 师伟峰, 魏建平, 刘勇, 姚邦华,

  水泥基材料是煤矿井下最常用的注浆封孔材料，但是受应力扰动、水泥材料失水收缩等影响，传统水泥基材料容易形成再生裂隙，导致钻孔内瓦斯抽采率降低。为了减小再生裂隙对瓦斯抽采效果的影响，研发一种自修复水泥封孔材料，当注浆位置再次产生裂隙后可实现裂隙的自愈合。首先，通过裂隙自修复实验研究了自修复水泥在空气条件下的裂隙自修复性能，采用高倍测量显微镜记录裂隙在不同时间内的宽度变化规律，发现在自然空气条件下，自修复水泥在4 d内能够修复最大宽度为0.46 mm的裂隙，裂隙处生成大量白色矿物，14 d内修复物体积仍有明显增长。刮去修复产物后，仍有白色矿物生成。为进一步研究自修复产物的生成机理，通过SEM-EDS对比分析了自修复水泥以及不加修复剂的净水泥2种水泥水化7、21 d的微观形貌和微观元素分布，并通过XRD、拉曼光谱仪对比分析了2种水泥的物相信息。SEM-EDS结果显示，净水泥中针状物质和絮状物质相互交联，整体结构致密，而自修复水泥中分布大量多孔状物质，结构比较疏松。相较于净水泥，自修复水泥水化产物中C、Na、Al、Si四种元素的质量分数明显较高。裂隙修复物表面分布大量排列紧密的长条状物质，主要元素组成为C、O、Na、Ca。XRD结果显示，和净水泥相比，自修复水泥中出现更多未水化硅酸三钙的衍射峰，相同水化时间，净水泥水化产物主要是氢氧化钙和钙矾石，而自修复水泥中出现了钠长石、沸石等铝硅酸盐矿物。裂隙修复物由沸石、钙霞石、硅灰石等多种硅酸盐矿物以及碳酸钙组成，其中碳酸钙的衍射峰数目最多。拉曼光谱结果显示，同净水泥相比，自修复水泥在2 860～2 960 cm−1处具有明显拉曼谱峰，水化7 d，净水泥拉曼峰普遍尖锐，而自修复水泥拉曼峰明显更宽。净水泥中出现较多高强度氢氧化钙的拉曼峰，而自修复水泥中则出现更多 \rmCO^2-_3中C—O振动的拉曼峰，峰面积更大，由此可知自修复水泥更易和空气中CO2反应发生碳化。水化21 d，2种水泥的拉曼峰都很尖锐，主要物相都是水化硅酸钙和氢氧化钙，而自修复水泥中还包括了大量未水化硅酸三钙。最终，分析了二次水化作用及碳化作用对裂隙自修复的影响，并结合实验结果推导了裂隙修复产物的生成方程式。

• 面向不平衡数据集的矿井通风系统智能故障诊断

  赵丹, 沈志远, 宋子豪,

  及时准确判断故障分支的位置对保障矿井通风系统的可靠性和安全性意义重大。针对实际工况下，矿井通风系统故障样本数据存在不平衡性，导致传统的机器学习模型诊断能力与泛化能力差的问题，提出了一种面向通风系统不平衡数据集的WGAN-div-RF故障诊断模型。以简单通风网络为例构造了不平衡比分别为2∶1、5∶1、10∶1、20∶1的故障数据集，深入分析了不平衡样本集对通风系统故障诊断的影响。搭建了基于Wasserstein距离生成对抗网络(WGAN-div)对不平衡数据集进行数据增强处理，在构建网络时创新性地加入了残差块，提高了生成数据的质量，实现原始样本的有效扩充。结合集成学习中的随机森林(RF)模型实现通风系统故障分支诊断。以东山煤矿通风系统为实验对象，分别进行了不同数据增强模型、不同分类模型以及不同数据生成率下的故障诊断对比实验，以多种评价指标及t-SNE可视化对模型有效性进行评估。结果表明：加入残差块的WGAN-div模型生成数据与真实数据具有很好的相似性，相较于GAN模型、WGAN模型和WGAN-gp模型，WGAN-div模型更具优越性；应用WGAN-div模型进行数据增强后，机器学习分类模型的性能提升明显；当扩充数据集达到平衡时，与其他集成模型及常用的矿井通风系统故障诊断SVM模型相比，RF模型在Re、Pr、Gmean和F1指标上均占优势。

• 煤层气中甲烷扩散及水锁效应的分子动力学研究

  黄林岗, 林凌, 罗文嘉,

  煤层气的开采效率受到很多因素影响，煤层开采过程注入的压裂液及煤层中自生的液态水常常会阻碍煤层气的扩散及开采，形成水锁效应，但其成因、机理以及缓解方法仍不完全清楚，也是目前研究的热点。基于大规模、可扩展、可准确反映煤层化学结构的分子模型，通过采用分子动力学方法，在微观尺度模拟了在煤层微孔隙中，甲烷在受到水膜阻碍的情况下，水气两相的流动规律。定量计算了水膜厚度、孔径、储层压力、压差等因素对甲烷及水膜运移速度的影响。结果表明，水的存在会极大地阻碍甲烷的扩散，即造成水锁效应；煤层中的孔径大小及流动压差也会影响甲烷/水的两相流动速率，较大的孔径及较高的压差都有利于甲烷和水的流动。通过对水膜在运移过程中发生的结构变化的分析，对水锁效应出现及消失的规律进行了探究。在大孔径及较厚水膜的条件下，水相可在流动过程中保持完整的连续相，完全封闭煤层中的孔隙，造成水锁效应。而在水膜较薄或孔径较小时，水分子与煤层之间的相互作用力使得水相更容易破裂为多个水分子团簇，并与甲烷气相混合，从而缓解水锁效应。通过纳米尺度的分子模型定量分析了煤层孔径、压差、水膜厚度等因素对水锁效应的影响规律，表明减弱水分子之间并增强水分子与煤层之间的相互作用可能有利于缓解水锁效应。此项研究可以为进一步理解水锁效应机理、提高煤层气开采效率提供启示。

• 基于POA−ELM的含煤地层异常构造分类

  高洁, 伊雨, 赵雯宇, 王元军, 王亮,

  为了更准确地对含煤地层异常构造识别分类，提出了一种基于鹈鹕优化算法(Pelican Optimization Algorithm, POA)和极限学习机(Extreme Learning Machine, ELM)的含煤地层异常构造识别分类模型POA−ELM。针对极限学习机随机生成输入权值和隐含层偏置导致性能不稳定的缺点，利用鹈鹕优化算法对极限学习机的输入权值和隐含层偏置进行寻优，从而改进极限学习机模型性能，并将POA−ELM应用到含煤地层异常构造的识别分类。首先利用COMSOL Multiphysics5.5建立小断层、冲刷带和陷落柱3种含煤地层仿真模型，以雷克子波作为震源信号，采用透射波法采集3种模型的槽波信号，建立槽波信号数据集。通过z-score法和主成分分析法(Principal Component Analysis, PCA)对槽波数据进行标准化和降维处理。通过MATLAB构建鹈鹕优化算法改进的极限学习机分类模型POA−ELM，对小断层、冲刷带和陷落柱进行分类，并通过准确率、精确率和召回率等评价指标以及交叉验证法对比和评估ELM、POA−ELM的分类性能，结果表明POA能够有效优化ELM，POA−ELM模型具有更高的分类准确率和更好的稳定性，POA−ELM对含煤地层异常构造的分类准确率可达99%以上。为验证POA−ELM的实际应用效果，将实际断层槽波数据进行小波去噪等预处理后，作为测试集导入POA−ELM模型进行识别，结果表明POA−ELM模型对实际断层识别准确率可达97%以上。基于同样的槽波数据集将POA−ELM与ELM、支持向量机(Support Vector Machine, SVM)和BP神经网络进行识别分类效果对比，结果表明POA−ELM模型的识别分类准确率最高。经研究与分析，POA能够有效优化ELM，POA−ELM模型能够准确分类地质构造，并有效识别出实际断层，效果优于其他方法。

• 煤微生物甲烷化的石墨烯强化机制

  周艺璇, 苏现波, 赵伟仲, 王乾, 于世耀, 汪露飞,

  强化煤制微生物甲烷的研究备受重视，是煤层气的一项有效增产措施。向发酵系统中添加导电材料可以有效促进直接种间电子传递提高甲烷产率，在强化有机物厌氧降解方面潜力巨大。以长焰煤作为底物构建厌氧发酵系统，通过对生物甲烷产气量、中间关键液相产物、微生物群落结构、产甲烷代谢路径以及发酵前后残煤表面官能团等的测试和分析，探讨了石墨烯对厌氧发酵产生物甲烷的促进效应。结果表明，在以煤为底物的厌氧发酵系统中添加0.4 g/L的石墨烯有效增强了整个厌氧发酵的进行，不仅提高了甲烷产气量，同时也提前了甲烷的产出高峰期。在发酵初期，水解菌群(Paraclostridium)和产氢产乙酸菌群(Alcaligenes、Sphaerochaeta)的活性增强，前期积累了充足的营养物质。在产甲烷高峰期，添加石墨烯后Methanoculleus丰度降低而Methanosarcina丰度显著提高，乙酰辅酶A脱羰基酶/合成酶β亚基和γδ亚基作为乙酸合成途径中的关键酶，分别增加了233.54%和3.32%，这使得Methanosarcina丰度明显上升且主要进行乙酸营养型产甲烷，细菌群落中能够利用乙酸乙醇类物质的Geobacter和Anaerovorax丰度增高，其中丰度升高较明显的Geobacter可能通过与石墨烯辅助的生物电连接与Methanosarcina进行DIET，这种电子传递方式在一定程度上加速了生物甲烷的生成。产气残煤表面的羰基碳(C=O)、羧基碳(COO—)在添加石墨烯后分别下降了42.8%和49.5%，说明石墨烯有效促进了微生物对煤的降解。石墨烯的添加提高了菌群的活性和降解效率，加快了厌氧发酵进程，为产甲烷菌群提供了丰富的底物，提高了甲烷产气量。

• 煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场驱动作用及数学模型构建

  孙亚军, 赵先鸣, 徐智敏, 张莉, 陈歌, 冯琳, 李鑫, 陈天赐, 袁慧卿, 刘琪, 郭娟, 张健, 刘嘉欣, 熊小锋,

  煤矿开采过程必然引起区域地下水动力场的改变，并在一定程度上影响着矿井水的水质形成与演化，甚至诱发煤矿区地下水环境的污染问题。研究并揭示煤矿矿井水水质形成与演化的水动力场驱动机制及其关键参数的定量计算方法，是定量刻画煤矿区地下水污染问题及开展相应控制与修复工作的前提。本研究以鄂尔多斯矿区某煤矿的采空区为地质背景，阐明了其积水形成的水动力场演化过程与机制，根据水动力场流动路径的差异将其分为采空区水位回升阶段和蓄满水量交换阶段；在此基础上，揭示了采空区水质形成及演化的以水动力场为主要驱动力，水化学场、微生物场等多场协同作用的复杂过程；建立了基于顶板导水裂隙带不同垂高空隙反演的分层渗透系数定量计算模型，为开采扰动后采空区积水水位回升及蓄满后水量交换的计算奠定了理论基础；利用相似材料模拟试验和室内三维箱式模拟试验的实测数据与模型计算结果进行对比，理论计算渗透系数K和采空区水位回升高度随时间的变化与试验实测误差分别约为13.2%和22.5%，验证了理论计算模型的可靠性；最后，在煤矿采空区水动力场以及水动力场影响下的水化学场、微生物场的控制方程的基础上，明晰了水动力场–水化学场–微生物场之间的耦合关系，构建了水动力场主导下的多场耦合作用本构模型，为进一步探究水动力场耦合驱动下的煤矿矿井水水质形成及演化规律的多场耦合数值模型构建提供启示。该研究补充和扩展了煤矿矿井水污染防治理论。

• 矿物表面粗糙度对颗粒–气泡相互作用影响的研究进展

  卜祥宁, 童正, 孙玉金, 谢广元, 董宪姝,

  矿物表面粗糙度是影响浮选效果的重要因素。表面粗糙度会影响矿物的疏水性、药剂的吸附以及颗粒–气泡间液膜的破裂，对颗粒–气泡相互作用过程产生显著影响。然而，目前缺乏关于粗糙度影响颗粒–气泡相互作用过程相关研究工作的系统评述。为此，首先梳理了表面粗糙化修饰技术及粗糙度测试方法。其次，从浮选动力学、接触角、三相接触线形成时间、颗粒–气泡相互作用力4个方面系统地论述了粗糙度对颗粒–气泡相互作用过程的影响，明确了粗糙度尺度这一概念对于颗粒–气泡相互作用研究的重要性；基于粗糙度尺度与矿物表面疏水性在颗粒–气泡相互作用过程中的耦合机制，提出了矿物表面润湿状态在粗糙表面与气泡相互作用过程的重要性，并分析讨论了目前粗糙度对接触角、浮选效果的影响研究结论不一致的原因。最后，通过批判性分析和综述文献研究结果得出结论，并对未来的研究发展方向进行了展望。有助于更好地理解矿物表面粗糙度对浮选过程的影响，可以为调控矿物表面粗糙度创造有利的浮选条件，提高浮选的效率和选择性提供理论支撑。

• 炼焦煤热解收缩特性对焦炭成块性能影响

  刘洋, 王明登, 徐国忠, 郑亚杰, 李超, 钟祥云, 刘洋, 白金锋,

  在国家“双碳”目标及富氢高炉开发利用背景下，对焦炭在高炉中的性能提出了更高要求。除常规的热态性能指标外，焦炭的块度受到更多关注。炼焦煤的热解收缩性能是决定焦炭成块性能至关重要的因素。对不同变质程度炼焦煤进行2 kg焦炉炼焦试验，分析炼焦煤细度对其焦炭成块性能的影响规律。采用改进的奥亚膨胀仪对8种不同变质程度炼焦煤在300～900 ℃内的热解收缩性能进行深入研究，探讨了煤热解收缩系数与其收缩动力学特性对焦炭成块性能的影响，并建立热解收缩系数及热解活化能与焦炭平均块度的数学关系，试图通过炼焦煤热解收缩特性对焦炭平均块度进行预测。结果表明，焦炭的平均块度随炼焦煤变质程度的升高呈增大趋势。YK气煤的平均块度较低，仅为38.9 mm。SAJ焦煤和BBG瘦煤的平均块度较高，分别为50.5、48.5 mm。8种炼焦煤中除BBG瘦煤外，当入炉煤细度为75%时，形成焦炭的平均块度最大。BBG瘦煤在细度为85%时，焦炭平均块度最优。在热解过程中，不同变质程度炼焦煤第1收缩峰的收缩系数及收缩所需活化能差别明显。其中低变质程度YK气煤和SYS1/3焦煤热解收缩系数高于8.33×10−4 ℃−1，热解活化能均低于77 kJ/mol；高变质程度煤LH焦煤、SAJ焦煤和BBG瘦煤热解收缩系数低于4.55×10−4 ℃−1，但热解所需活化能均高于106.1 kJ/mol，说明变质程度高的炼焦煤，热解时需要更高的能量才能完成收缩过程。在相同的炼焦工艺下，炼焦煤第1收缩峰的热解收缩系数越大，所得焦炭的平均块度越小，且热解收缩系数与焦炭平均块度有很好线性关系，相关系数为0.90。同时，热解收缩活化能也与焦炭平均块度有较好关联。因此，能够通过热解收缩系数和收缩活化能对不同变质程度炼焦煤生成焦炭平均块度进行有效预测。

• 煤粉气流床气化炉预热燃烧特性及NOx排放试验研究

  谭厚章, 王肖肖, 周必茂, 周上坤, 王毅斌, 王学斌,

  煤粉预热燃烧技术已被证明是一种清洁高效的燃烧技术。针对大型燃煤机组四周空间及承重受限，提出采用结构紧凑的对冲气流床气化炉预热解煤粉并耦合燃烧的技术与系统，搭建了新型气流床气化炉预热燃烧实验台，对煤粉在气化炉内预热特性和预热燃料在燃烧室内燃烧特性进行研究，探索煤中氮元素在预热燃烧过程中的迁移和转化规律。结果表明，新型气流床气化炉预热燃烧实验系统能够自维持稳定运行，系统压力和温度波动很小；气化炉内温度梯度较大，高温区位于烧嘴平面附近，最高温度可达1 115 ℃，而出口温度降至850 ℃。气流床气化炉能够为下行燃烧室稳定提供高温煤气和预热半焦；高温煤气中CO、H2、CH4质量分数(干基)分别可达13.15%、8.72%、0.78%；预热半焦颗粒相比于原煤颗粒粒径减小，原煤50%切割粒径d50=43 μm，而预热半焦颗粒d50=24 μm，预热后颗粒比表面积从4.05 m2/g增到216.44 m2/g，同时，孔容积也增大，颗粒燃烧特性得到改善；预热过程中96.33%的挥发分和40.23%的固定碳释放到高温煤气中；同时，转化到气相中的煤N达69.74%，其中47.67%转化为N2，其余转化为NH3和HCN。预热燃料进入下行燃烧室后能够稳定燃烧，不存在着火延迟，温度分布均匀；主燃区预热燃料中的NH3和HCN，以及焦炭中析出的氮大部分转化为N2，主燃区内没有NO生成。实验台燃烧室出口NOx和CO排放质量浓度分别为143.02 mg/Nm3 (6% O2)和8.17 mg/Nm3 (6% O2)，燃烧效率高达99.75%。煤粉经过新型气流床气化炉预热后燃烧，煤N仅有4.69%转化为NO。

• 钙循环碳酸化过程CaO催化CO脱除NO的DFT研究

  初雷哲, 柴守冰, 李英杰,

  全球CO2排放量在过去几个世纪迅速上升，尤其是最近几十年，CO2排放量的提高加剧了温室效应。CO2排放主要来自化石燃料燃烧，特别是燃煤发电厂。钙循环，即CaO的碳酸化/煅烧循环，是燃煤电厂最有前景的CO2捕集技术之一。同时，燃煤发电厂也是NOx排放的主要来源之一。由于具有成本低、毒性小等优点，CO可以作为NO的还原剂。CaO对于CO还原NO具有催化作用。煅烧炉中CaCO3分解所需的能量由生物质燃烧提供。一些未燃尽的焦炭随CaO流入碳酸化炉，与烟气中的O2反应生成CO。因此，在钙循环的碳酸化炉内捕集CO2的同时可实现NO脱除。但关于CaO在碳酸化阶段催化CO还原NO的微观反应机理尚不清楚。利用密度泛函理论(DFT)计算研究了钙循环碳酸化阶段CaO催化CO还原NO的机理，确定了CaO(100)表面上CO和NO分子的结构、吸附和反应路径参数，包括原子布局、键长、吸附能和能垒。CO和NO分子在CaO(100)表面的最佳吸附位是O-top位，吸附能分别为−0.35和−0.79 eV。在CO2存在下，CaO(100)表面上CO、NO的吸附能分别为−0.36、−0.20 eV。CO和NO分子在CaO(100)表面上共吸附是可行的，但CO2对共吸附有明显抑制作用。在CaO(100)表面进行的CO还原NO反应路径，在经历CO2形成与吸附、N2形成这2个基元反应后，最终生成1个N2分子与3个\rmCO_3^2- ，总能垒为11.08 eV。其中，CO2形成及吸附(R→IM1→IM2)为整个反应过程的决速步骤。

• 基于㶲分析的CO2压缩液化能耗分析及新工艺

  汪静, 张习文, 杨林军,

  在各种二氧化碳捕获技术中，有机胺吸收是当下应用最广泛且最可靠的选择。将液化天然气冷能与二氧化碳压缩液化工艺相结合，一方面可以解决液化天然气冷能利用问题，另一方面也可以直接获得液化二氧化碳所需要的低温，降低能耗。提出一种将液化天然气冷能应用于化学吸收法捕集的二氧化碳压缩液化新工艺，采用有机胺吸收捕集到的高体积分数二氧化碳原料气，运用Aspen Hysys软件，利用Peng-Robison状态方程，对工艺流程进行模拟。探究了传统压缩工艺与泵送压缩工艺的系统性能，发现在泵送工艺下，系统单位质量能耗可由931.65 kJ降低到892.61 kJ，系统㶲效率从63.28%上升到63.67%，单位质量耗水量从3.84 kg降低到3.01 kg。在此基础上，对泵送工艺进行优化，根据换热介质串联方式的不同，提出了5种优化流程，在最佳优化流程下，系统单位质量能耗为892.60 kJ，系统㶲效率从63.67%提高到64.10%，单位质量耗水量从3.01 kg降低到2.44 kg。最后对最佳优化流程进行级间冷却温度、换热介质流量的系统敏感性分析，结果表明，级间冷却温度越低，系统能耗越低，㶲效率越大，10 ℃时，单位质量能耗最低为879.5 kJ，系统㶲效率最大为65.5%；换热介质流量对系统能耗影响不明显，但系统㶲效率随换热介质流量增大而增加，且液化天然气质量流量对系统㶲效率影响更大，水质量流量为8000 kg/h、液化天然气质量流量为1000 kg/h时，系统㶲效率最大为68.91%。

• 雅致小克银汉霉与芽孢杆菌联合降解义马煤产腐植酸

  陈林勇, 刘建民, 崔宇翔, 任恒星, 赵晗, 赵娜, 宋燕莉, 关嘉栋, 牛江露, 李国富, 王保玉, 何环,

  微生物降解是煤炭清洁高效利用的重要方式之一，但真菌细菌联合培养对煤的降解效果尚无定论。以雅致小克银汉霉(Cunninghamella elegans)和芽孢杆菌(Bacillus sp.)为降解菌，以硝酸氧化的义马煤为底物进行了煤的联合降解实验。利用紫外−可见分光光度计、pH计、电感耦合等离子体质谱仪对降解液的吸光度A450、pH、金属元素(Cr、As、Mn、Pb、Co、Ni、Cu、Zn、Mo)质量浓度进行测定。利用元素分析仪、红外光谱仪、气质联用仪对产物腐植酸进行分析。研究结果显示雅致小克银汉霉(Cunninghamella elegans)、芽孢杆菌(Bacillus sp.)、混合菌的腐植酸产率分别为58.17%、61.00%、67.17%，混合菌降解液的pH与细菌接近，混合菌降解的腐植酸样品中检出细菌的特征性产物而真菌的特征性产物则未检出，说明两株菌联合强化了碱性环境，提高了硝酸氧化煤的降解率，降解过程中细菌起主导作用。金属元素(Cr、As、Mn、Pb、Co、Ni、Cu、Zn、Mo)在降解过程中从煤迁移到了降解液，其中Cr、As、Pb、Ni、Cu、Mo的质量浓度与A450拟合的判定系数(R2)大于0.6，说明降解液中这6种金属元素的质量浓度可表征降解率的相对大小。化学提取腐植酸与生物提取腐植酸均富含羧基、羟基、羰基等活性官能团、长链脂肪酸(C16、C18)和4种吡咯衍生物，生物提取腐植酸还含有分子量较小的脂肪酸(C3、C4、C5、C13、C14、C15)、2种吡咯衍生物和呋喃等含氮化合物，生物提取腐植酸的C、H元素质量分数高于化学提取腐植酸。

• 基于苝酰亚胺超分子的新型光自芬顿体系高效降解苯酚的效能与机理

  郭英杰, 崔杨, 李冰爽, 李莹, 刘迪,

  将芬顿反应与光催化体系相结合构建的光自芬顿协同体系，无需外部添加过氧化氢即可展现出十分优异的氧化降解污染物能力。采用羧酸侧链型苝酰亚胺超分子(PDI-C)与Fe3+相结合的PDI-C/Fe3+光自芬顿体系，获得了极高效且持久的苯酚(含酚废水的模型污染物)降解率。通过系统探究催化反应中铁物种形态与含量的变化，双氧水的产生机制与含量变化以及各活性物种的含量变化等，揭示了PDI-C/Fe3+体系协同降解苯酚的催化过程机理。Fe3+通过与PDI-C超分子羧酸侧链位点的相互作用，一方面发挥其电子捕获的作用，接受光生电子转变为Fe2+，并大幅促进了体系光生载流子的分离；另一方面，光催化过程原位生成的双氧水，与光催化介导的有效循环的铁离子对，形成了光自芬顿体系，进而协同促进了苯酚的高效、持久降解。研究还发现，随着反应的进行，于PDI-C表面生成的α-FeOOH造成的铁损耗及其对PDI-C表面吸光位点的遮蔽，是催化活性降低不可忽略的因素；而加酸不仅可抑制α-FeOOH等的生成，还可将已生成的α-FeOOH溶出并使其再参与铁离子对的有效循环，进而协同促进了光自芬顿体系的高效运转。同时，还揭示了此体系中光催化自产双氧水的2种途径及其主次要关系，并揭示了在Fe3+存在下，羟基自由基和超氧自由基的生成存在竞争关系。基于此，所构建的PDI-C/Fe3+光自芬顿体系，不仅展现出可见光辐照下对苯酚污染物高效、持久的降解性能，且其成本低廉、操作简单，应用潜力巨大。

• 数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割方法

  张旭辉, 王甜, 张超, 万继成, 杜昱阳, 杨文娟, 毛清华, 石硕, 刘彦徽, 余恒翰, 王亮, 乔杰, 田江伟, 李晓鹏,

  针对当前掘进设备智能化程度低，掘进过程中超挖、欠挖和异常碰撞等情况难以具体描述，传统自动截割和记忆截割技术难以适应复杂地质条件等问题，提出了一种数字孪生驱动的悬臂式掘进机虚拟示教记忆截割控制方法。通过分析数字孪生技术在当前煤炭智能化开采领域的研究情况，设计了数字孪生驱动的悬臂式掘进机记忆截割控制系统总体方案，对复杂工况下悬臂式掘进机记忆截割关键技术进行研究。首先，充分利用数字孪生和虚拟现实技术的特性，研究复杂工况环境下的虚拟示教策略，基于Unity3D平台建立对应实体等尺寸的工作面及设备虚拟孪生模型、截割部运动学模型和虚拟碰撞检测模型，在虚拟端通过智能交互界面控制虚拟模型运动，结合工人经验设计示教轨迹并优化，使其作为轨迹跟踪的目标期望轨迹，弥补传统井下人工示教由于恶劣工况环境导致的过度依赖工人经验等问题；其次，为提高断面成形质量，研究记忆自动截割阶段示教轨迹跟踪再现控制方法，利用拉格朗日法建立截割部动力学模型，采用迭代学习与滑模控制相结合的方法提高末端执行器对示教轨迹的跟踪控制精度；最后，搭建悬臂式掘进机记忆截割仿真控制平台，通过虚拟空间与物理空间以及各模块之间的实时数据传输与交互，在虚拟空间中完成记忆截割虚拟示教与轨迹跟踪控制过程的三维可视化仿真，进而生成记忆自动截割轨迹跟踪控制指令并发送至悬臂式掘进机物理实体的末端执行器，驱动其按照示教轨迹进行断面成形截割，同时物理传感器采集悬臂式掘进机机身及截割臂位姿数据，反向驱动虚拟模型同步动作，实现对机器人虚拟模型和物理实体的闭环控制。在此基础上对系统的虚实同步性、虚拟样机与物理样机运动一致性和轨迹跟踪再现控制精度进行验证，实验结果表明，系统数据传输延迟较低，能够保证虚实一致性和同步性，且轨迹跟踪控制精度满足实际使用要求，该方法为掘进设备记忆截割与智能化控制提供了新的思路。

• 煤矿胶带转载点多径向旋流卷吸除尘技术

  马明星, 荆德吉, 张天, 葛少成, 刘鸿威, 蒋卓, 张强,

  胶带转载点粉尘危害与治理是实现煤矿高效、安全、清洁生产的重要问题之一。为解决转载点粉尘污染问题，降低转载点粉尘危害，根据旋流卷吸理论，提出胶带转载点多径向旋流卷吸除尘技术。该技术是在竖直设立的落料管侧壁上安设一定数量和射流角度的进风口，抽风口设置在落料管正上方。工作原理是落料管侧壁射入的风流遇到侧壁改变方向，进风口射流相互作用下，在落料管内形成向上流动的旋流，抽风口负压牵引旋流携带粉尘流入除尘器，实现粉尘净化。通过建立高度仿真的3D实体模型和搭建胶带转载点多径向旋流卷吸除尘技术试验平台，采用数值模拟和试验测试相结合对转载点内风流分布、粉尘运移分布进行研究。数值模拟和试验测试中在落料管4个侧壁上分别设有8个倾斜向上且与水平面夹角为10°的进风口，导料槽上设有4个进风口，进风口朝向与下级胶带上粒子释放位置的圆相切。根据旋流卷吸理论得出：落料管上进风风速越大，落料管边界与中心压力差越大，对粉尘的聚集效果越好。模拟结果得出：多径向旋流卷吸除尘技术最佳进风速度为8 m/s，此时可收集下落过程中粒径小于50 μm的粉尘和煤料与下级胶带撞击产生的粒径小于30 μm的粉尘。对比试验中下落前后煤料分散度得出：除尘技术应用后下级胶带上煤料中粒径小于50 μm的颗粒占比减小47.96%，粒径小于5 μm的颗粒减小44.62%，降低煤料中有害颗粒的占比；通过测定导料槽两端及入料口处粉尘质量浓度，试验确定多径向旋流卷吸除尘技术最佳进风速度为8 m/s，此时，导料槽左右两端及入口处粉尘质量浓度最低，除尘效率分别为97.71%和99.92%，转载点整体的除尘效率可达95%以上。证明转载点多径向旋流卷吸除尘技术可以解决转载点粉尘污染难题，改善转载点处工作环境。