煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第12期

• 不同燃爆载荷作用下页岩破裂特性及孔裂隙结构改性规律

  翟成, 王宇, 刘厅, 徐吉钊, 唐伟, 罗宁,

  页岩储层甲烷原位燃爆压裂是一项新型无水压裂技术，不同燃爆载荷下井周的破裂特性及孔隙结构改性规律尚不明确，无法为关键工艺参数的确定提供依据。自主搭建耐压100 MPa燃爆管道，对ϕ55 mm×55 mm筛管完井页岩试样进行不同燃爆载荷的冲击压裂实验，实验过程中采集爆炸压力−时程曲线，取样表征页岩破裂形态随燃爆载荷的变化规律，通过典型裂缝面分析燃爆压裂致裂机理，通过ϕ1 000 mm×1 000 mm页岩相似材料燃爆压裂实验，阐明燃爆载荷压裂储层的主控因素，基于压汞法表征不同燃爆载荷下页岩孔裂隙结构的演化规律，主要结论如下：① 提升燃爆混合气体的初始压力能够显著提升燃爆峰值载荷和压力上升倍数，增强燃爆威力；② 随着燃爆载荷的提高，井周由单一主裂缝转变为多条径向裂缝协同起裂，但燃爆载荷过大容易在井周产生粉碎性破坏，本研究中最佳爆炸压力为71 MPa；③ 燃爆冲击波和爆轰产物气楔扩缝效应是导致裂缝起裂−扩展的主控因素，燃爆压裂有利于构建粉碎区范围小、裂隙区范围大的裂缝体系；④ 燃爆冲击波主导页岩大孔和微裂隙体积随燃爆载荷升高而显著提升，动态冲击和高温热效应的双重控制机制导致微孔呈先降低后升高的变化规律。本研究通过实验室及大尺度燃爆压裂实验阐明了燃爆载荷对井周储层破裂特性和孔裂隙结构改性的控制机制。

• 甲烷燃爆压裂冲击下页岩动态破裂响应规律实验研究

  吴飞鹏, 赵志强, 薛海洁, 范贤章, 陈佳豪, 李娜, 刘静, 郭天魁, 曲占庆,

  甲烷原位燃爆压裂是通过地面投放的助燃剂与地层产出的甲烷气，在页岩气井筒内目标层段原位燃爆，实现强化压裂储层的新技术。其中明确甲烷爆燃压裂中储层岩石动态破坏规律，是确保压裂效果和井身安全工艺设计的基础。基于此，为明确甲烷原位燃爆压裂过程中，聚能流体泄入性冲击破岩规律及其主控因素敏感性，借助岩石动态冲击损伤模拟实验装置，针对龙马溪组海相页岩露头，开展拟三轴、真三轴条件下的冲击压裂破岩实验共24组，通过对冲击破岩过程中模拟井眼压力的高频跟踪、压后岩样破裂形态及裂缝面特征观测，分别考察了120～285 MPa理论峰值压力、20.9～131.7 MPa/ms理论加载速率、储层应力与层理方位等对冲击破岩的影响，用铜箔对模拟井眼孔壁密封考察了应力冲击与泄入冲击对岩样破坏形态的影响。结果显示：聚能流体泄入性冲击可形成楔裂效应，降低页岩动态破裂强度，页岩动态强度与升压速率的正相关性弱于纯应力冲击；平行层理页岩、较低的地应力水平，均可减小页岩动态破裂强度；纯应力冲击更易形成复杂缝网，裂缝表面凹凸性强；聚能流体泄入冲击致裂后的裂缝走向平直，且随着升压速率增大，其裂缝条数及复杂程度增加、裂缝面剥离碎裂现象增强；模拟井眼轴线与页岩层理面平行时，压后裂缝面平整、粗糙度小、起伏小；模拟井眼轴线与页岩层理面垂直时，压后裂缝走向曲折、表面起伏大、裂缝网更复杂；页岩水平挤压应力较小，压后裂缝面粗糙，伴随有大量脱落物；随着岩样挤压应力增大，流体楔入基质实现二次冲击的阈值升高，压后页岩脱落物粒径逐渐减小。基于不同参数组合下页岩冲击破坏模式的对比分析表明: 甲烷原位燃爆冲击过程是应力冲击与流体泄入性冲击的复合作用，随着冲击升压速率的提升，聚能流体泄入性冲击作用程度逐步加大，压后页岩逐步呈现出应力致裂−流体协同扩缝(27 MPa/ms)、应力致裂−流体冲刷破坏(52 MPa/ms)以及纯应力致裂−流体二次冲击破缝(116 MPa/ms) 3种破坏模式；基于实验结果建立的3种破坏模式与加载速率、储层应力的关系图版，用于不同应力条件下甲烷原位燃爆冲击参数的优化设计。

• 甲烷燃爆压裂技术的实验研究

  江堃, 邓守春, 李海波,

  页岩气资源的高效开发事关我国现代化建设全局，承担着助力“双碳”目标实现的重要使命。鉴于水力压裂耗水量大以及压裂液造成地层不可逆污染，寻求一种更为科学绿色的压裂技术已成为国内外专家研究的热点。提出了采用甲烷原位燃爆压裂技术开发页岩气的新思路，该技术利用电火花点火使储层甲烷与泵入的助燃剂发生燃爆，依靠瞬间产生的高压冲击储层岩石进行压裂，使储层产生一定规模且不受地应力控制的复杂裂缝网络。其优势在于可以防止地层污染，减少地面运输费用，有望成为一种高效、环保的低成本无水压裂技术。利用自主设计的包括致裂装置、气体充装、点火控制和数据采集系统在内的甲烷燃爆压裂实验系统开展了大尺寸物模(ϕ2.0 m×1.5 m)的地面压裂实验，记录了致裂管内空腔压力和井壁压力时程曲线，并与爆炸压裂、水力压裂的井筒压力和成缝特征进行对比。结果表明：燃爆过程中管内膛压峰值为495.18 MPa，是充注压力的82.5倍；试样破碎度低且粉碎区小，主裂缝为7～9条，缝宽在厘米级；甲烷燃爆压裂致裂能量充足、影响范围大、对井筒的损害程度可由充注压力控制；与爆炸压裂和水力压裂相比，该技术拥有更长的高压作用时间，更有利于裂缝起裂扩展，裂缝数量多于水力压裂，长度优于爆炸压裂，可获得最佳压裂效果。通过实验研究记录了高初始压力下甲烷−氧气混合物发生燃爆达到的峰值压力和升压速率，验证了甲烷原位燃爆压裂技术开发页岩气的可行性，可为该技术未来的实际应用提供数据参考和技术指导。

• 甲烷燃爆载荷下页岩裂缝网络发育特征与定量分析

  柴亚博, 罗宁, 张浩浩, 李鹏龙, 周嘉楠, 廖禹成,

  甲烷原位燃爆压裂技术是利用页岩储层原位解析的甲烷气体与人工注入的助燃剂混合燃爆，从而压裂页岩储层形成可供甲烷气体运移的有效裂缝网络的变革性技术。利用自主研发的燃爆系统，获得甲烷−氧气燃爆压力曲线特征，结合理论模型和数值模拟方法研究了甲烷−氧气燃爆压力载荷作用下深部页岩射孔孔道周围有效裂缝网络的发育特征，并对其进行了定量分析。研究结果表明：初始应力条件对岩体应力分布状态具有明显的影响，更大的初始应力偏差导致更高的应力集中；甲烷−氧气燃爆压力的平均升压时间为85 μs；初始地应力对裂纹网络的发育具有明显的抑制作用，各向同性初始应力条件下，裂纹发育均匀呈圆形辐射状，而各向异性时，裂缝更倾向于更高初始应力方向生长，且倾向程度弱于爆炸压裂；燃爆压裂能够有效减小燃爆破碎区域面积，更有利于形成更多、更长径向裂缝；燃爆峰值压力增高对于径向裂缝末端的环向裂缝生长具有促进作用，更有利于沟通储层内天然裂缝构造复杂裂缝网络；甲烷−氧气燃爆载荷下，页岩破裂(有效裂缝)和破碎损伤阈值Ds分别选取为0.15、0.70，裂缝发育率Ps与损伤阈值Ds间数学表达近似为幂函数；E−10、E−40、E−80工况条件下的有效裂缝发育率分别为18.92%、14.11%、8.85%，燃爆峰值压力的增高能够明显促进有效裂缝发育率的增加，促进形成高度复杂裂缝网络。

• 燃爆载荷冲击下五峰—龙马溪组页岩断裂韧性及破坏模式

  余旭, 石克龙, 王宇, 刘厅, 唐伟,

  燃爆压裂是页岩气储层改造增产的一种无水压裂技术，弄清燃爆载荷冲击下页岩断裂韧性及破坏模式是甲烷燃爆压裂推广应用的关键。断裂韧性是页岩储层压裂效果评价的重要指标，实现燃爆载荷冲击下试样裂纹复杂程度的定量表征以确定页岩的破坏模式。选取四川省宜宾市长宁五峰—龙马溪组一段页岩样品，基于自主搭建的甲烷燃爆冲击和SHPB试验系统开展研究，结合动态断裂理论确定了一种计算各向异性页岩动态断裂韧度的方法，并探究燃爆载荷冲击作用下页岩的断裂韧性及损伤破坏特征。结果表明：在不同燃爆加载速率下，试样动态断裂韧度随层理角度的增加呈线性增加趋势，相比静态断裂韧性显著增大，90°层理页岩试样的断裂韧度最大达到4.98 MPa·m1/2；随着加载速率的增大页岩动态断裂韧度显著增大，如0°层理试样在157.57 GPa·m1/2/s的加载速率下的断裂韧度值为4.93 MPa·m1/2，而加载速率为35.43 GPa·m1/2/s时的断裂韧度为1.72 MPa·m1/2，降低了2.9倍；同时，受页岩层理角度的影响，高加载速率下页岩试样裂纹扩展方向发生偏移转向、顺层延申和切层现象，使得裂缝网络整体结构更加复杂；在燃爆载荷冲击试验中，页岩初始起裂角为0°～70.51°，依据岩石断裂理论可知属于I−II型复合断裂类型；随着燃爆载荷由20～25 MPa增长到66～71 MPa，裂纹的尺寸和数量显著增长，且起裂角分布范围明显增加；燃爆压力达到50 MPa以上时，试样裂纹数量和偏转模式增多，伴随着岩体的剪切滑移现象，能够形成复杂树状裂纹，对页岩储层复杂裂缝网络有着正向作用。

• 自支撑条件页岩裂缝的压缩特性分布及各向异性演化

  黄婷, 翟成, 刘厅, 孙勇, 郑仰峰, 陈爱坤, 徐宏阳, 来永帅,

  甲烷原位燃爆压裂技术是利用页岩原位解吸甲烷与氧气协同燃爆产生的高温、高压气体冲击压裂页岩储层，具有广泛的应用前景。燃爆过程中会在压裂裂缝周围产生页岩碎屑颗粒，对裂缝通道形成一定的自支撑作用。其中，页岩碎屑颗粒作用下页岩压裂裂缝的压缩闭合行为及裂缝开度演化是亟待研究的关键问题。以平行层理无支撑(PBU)、平行层理自支撑(PBS)、垂直层理无支撑(VBU)和垂直层理自支撑(VBS)4种试样为研究对象，利用非接触式全场应变测量装置探究了应力加载过程中自支撑颗粒和层理对页岩裂缝压缩变形行为及各向异性演化特征分布的影响。结果表明，所有试样沿着加载方向均可划分为4个特征区域：裂缝区、近基质区、远基质区和无影响区，各区域垂直位移沿加载方向均呈线性下降趋势，且对应下降速率依次减小，在无影响区接近0。自支撑颗粒改善了层理方向对裂缝压缩特征沿裂缝走向分布差异的影响。自支撑裂缝的开度可压缩分量、不可压缩分量及可压缩分量占比分别为无支撑裂缝的47～56倍、11倍和4～5倍。引入层理各向异性系数(IBA)定量化分析自支撑颗粒对页岩裂缝变形各向异性演化特征的影响。应力加载过程中，各试样的IBA均依次经历了：IBA下降区、IBA陡增区、IBA震荡区和IBA平稳区。自支撑颗粒缩短了IBA震荡区范围(1～5 MPa)，提高了IBA平稳值(5.6)，消除了不同层理间的IBA平稳值差异。

• 厚煤层协调全采沉陷控制技术及在村庄下采煤中的应用

  戴华阳, 阎跃观, 刘存玉, 朱元昊, 白志辉,

  我国煤矿“三下”压煤严重，滞压资源的回采与受护对象的保护存在矛盾，寻求解决资源高采出率与受护体安全问题的办法，是我国矿山开采沉陷研究长期以来的一个技术难题。针对条带开采资源采出率较低、充填开采成本较高、同步协调开采实施难度较大的问题，考虑煤矿主要地质采矿因素，基于开采沉陷基本规律、上下煤层重复开采影响规律和采区内多工作面的相邻开采影响规律，提出了村庄下厚煤层横向采宽控制、纵向分层采厚控制、开采顺序优化控制的联合协调控制技术思路和采区内工作面跳采、全采、分层开采3个阶段沉陷控制方法。为了提高技术应用效果，提出了开拓系统单翼布置和大采区、长工作面的优化设计方法。通过实测和理论分析，揭示了协调式跳采全采方法精准控制地表变形、改善村庄地表变形过程和分布状况的机理，得出了开采各阶段工作面优化设计参数。经过不同煤厚、不同采深条件的多个矿井20 a的应用研究，解放了大量滞压资源，实现了多个村庄下滞压资源的安全高效全采，采厚3.5～5.7 m、跳采宽度达305 m、年度出煤量达128万t/a，村庄煤柱采出率达到93.5%，避免了上千户村民的搬迁和异地耕作，创造了良好的经济和社会效益。

• 西部钻井法“一钻成井”新型高强复合井壁力学特性

  姚直书, 许永杰, 程桦, 方玉, 王宗金, 王瑞,

  针对西部地区富水弱胶结地层中深、大钻井井筒“一钻成井”支护难题，提出采用高强钢板−混凝土复合井壁新型结构。首先，以内蒙古鄂尔多斯市陶忽图煤矿北风井为工程原型，基于相似理论推导了复合井壁结构模型试验相似指标，通过正交模型试验，研究了不同井壁厚度、混凝土强度等级和钢板型号情况下高强钢板−混凝土复合井壁的力学特性。其次，采用数值模拟方法，计算分析了高强钢板−混凝土复合井壁极限承载力的影响因素及其变化规律。然后，根据模型试验与数值计算结果，构建了高强钢板−混凝土复合井壁承载力和混凝土抗压强度提高系数计算公式，并给出了各影响因素的取值范围，同时提供了该种井壁结构的工程应用设计优化方法。最后，分析了复合井壁结构中锚卡的力学作用效应。研究结果表明，在复合井壁结构中，由于高强钢板屈服强度高，可更好地对中间混凝土产生复合约束作用，混凝土抗压强度提高系数可达2.3～2.6，井壁承载力显著提高。在相同条件下，与Q345钢板相比，高强钢板(Q460～Q620)−混凝土复合井壁的极限承载力可提高7.14%～19.46%，井壁厚度可减薄8.18%～19.52%，且增大内层钢板厚度更有助于提高井壁极限承载力。复合井壁结构中锚卡约束着内钢板，使其达到屈服应力后不会过早发生屈曲失稳，同时对中间混凝土提供约束作用，保证其处于三向受压状态，2者起到很好的复合作用，有利于井壁结构整体受力。

• 侧限条件下充填体−煤柱耦合承载协同作用机理

  赵兵朝, 王京滨, 张晴, 赵阳, 韦启蒙,

  为了解决蹬空开采过程中下伏采空区煤柱的稳定性问题，开展了侧限条件下的充填体−煤柱耦合承载压缩试验，研究不同充填体强度及充实率条件下煤柱的力学特性及其相互作用机理，分析充填体强度和充实率对煤柱的压缩特性、破坏形态、破坏强度和环向应变的影响规律，研究不同高度和强度的充填体内弹性模块上的径向应变特征，并据此建立充填体接顶和不接顶条件下的主动和被动约束分析模型。研究结果表明：充填体高度为90 mm的组合体在煤柱破坏之后的应力应变曲线表现为“阶梯式”变化，充填体高度为70和50 mm的组合体在煤柱破坏之后表现为“断崖式”下降；煤柱的破坏强度随充填体高度和强度的增长呈现非线性增长特性，随煤柱与充填体的单轴抗压强度差的减小而增加，煤柱的破坏形式随充填体强度的增加由剪切破坏逐渐过渡至劈裂破坏，充填体高度的增加可以显著提高煤柱破坏时的完整性和延长充填体包裹破坏后煤柱的承载过程。接顶条件下的充填体在轴向压缩后产生径向扩容为煤柱提供主动侧向约束，同时还要承受煤柱挤压充填体后，充填体为煤柱提供的被动侧向约束，而不接顶条件下的充填体仅为煤柱提供被动侧向约束；基于充填体接顶条件下与煤柱之间的受力分析，得到了充填体接顶条件下为煤柱提供的主动约束应力表达式，解决了充填体内主动和被动约束带来的拉压应变抵消后难以区分的问题，并利用摩尔−库伦准则得到了充填体不接顶条件下的煤柱破坏强度表达式。

• 基于深度迁移学习的矿山微震到时精确拾取与自动定位策略

  曹安业, 杨旭, 王常彬, 李森, 刘耀琪, 窦林名, 牛强,

  矿山智能化建设大背景下，微震监测作为冲击地压等复杂动力灾害智能预警体系建设的基础保障技术现已得到广泛应用，如何基于微震监测数据实现矿山动力事件的高效精确捕捉与定位是当前研究的重点与难点。为解决矿山低信噪比震动波到时自动拾取不准、定位结果受人为因素干扰等问题，结合大数据与深度学习相关理论与方法，初步尝试建立基于深度迁移学习的矿山微震实时自动定位方法。设计了基于百万条地震波数据的矿山微震到时自动拾取初始模型，为进一步使该模型适用于矿山微震定位与信息解析，结合所建立的一万余条矿山微震到时拾取数据集，构建了矿山震动波到时自动拾取模型，实现矿山震动波P波到时自动精准拾取。在此基础上，设计了微震定位台站自动优选方法，提出定位台站波速自动微调策略，实现了矿山微震事件自动精准定位。以内蒙古某煤矿强开采扰动工作面的顶板爆破数据为验证对象，结果证明自动定位算法在水平空间平均定位误差为27.88 m，三维空间平均定位误差为28.40 m，满足矿山冲击地压等动力灾害的微震定位精度需求，有效降低台站波速标定精度不足对事件定位误差的影响，鲁棒性较强，并将耗时数分钟的人工定位缩短至200 ms内完成，初步实现了矿山微震事件的自动实时定位。研究结果可为矿山动力灾害微震信息准确解析挖掘与智能预警提供可靠技术支撑。

• 结构瞬变激励下采场煤岩的力学响应

  罗生虎, 王同, 伍永平, 高喜才, 解盘石, 王红伟, 郎丁, 田程阳, 闫壮壮, 韩昊强, 尹建辉,

  煤岩动力灾害是深部矿井开采面临的主要灾害之一，揭示采场煤岩动力学响应的发生机理，是解决采场煤岩动力灾害的理论基础。采用理论分析、模拟实验和现场实测相结合的方法，研究覆岩空间结构瞬变激励作用下采场煤岩的动、静力学响应。结果显示：工作面形成后，覆岩发生变形破坏，破裂面以外、采动影响范围以内不同岩层组成的覆岩空间结构，是其影响范围内的采场煤岩产生不同力学响应的内因。回采过程中，坚硬岩层的破断等子系统的瞬时失稳，会造成覆岩空间结构大系统的瞬变，进而导致其影响范围内采场煤岩动态力学响应的发生和静态力学响应的阶变。在采场煤岩的动力学响应过程中，其动载是由震源区的震动和覆岩空间结构的瞬变共同引起的，其耗散的能量由震源区释放的应变能和覆岩空间结构释放的重力势能两部分构成；并且，采场煤岩的动力学响应具有区域性，远离瞬变区域的动力学响应不明显。受覆岩空间结构瞬变影响，瞬变前、后的平衡态时，其影响范围内采场煤岩的静态力学响应存在明显差异，工作面前方煤体上的支承压力峰值点前移，峰值减小，形成正、负阶变区。基于动静法，建立了一种覆岩空间结构瞬变过程中采场煤岩动−静载荷叠加的定量计算方法，最大动载量约为静态应力阶变量的2倍，工作面前方煤体上瞬时最大支承压力的峰值位置位于初始静载峰值的前方。

• 考虑初始损伤的压力水浸煤岩力学特性试验研究

  尹大伟, 丁屹松, 汪锋, 江宁, 柳慧敏, 谭毅,

  矿井关闭或废弃前，采空区遗留支撑煤柱受周边工作面采动、覆岩载荷等影响，产生了一定的损伤破坏；矿井关闭或废弃后，采空区一旦形成承压积水环境，将加剧煤柱支承性能劣化，可引发其破坏失稳，造成地表突然塌陷等灾害。为研究初始损伤和压力水浸对关闭或废弃矿井遗留支撑煤柱的耦合劣化作用，基于自主研发的煤岩压力水浸试验装置，进行了5组不同初始损伤的压力水浸煤样单轴压缩试验，结合XTDIC三维全场应变测量系统、扫描电子显微镜等系统，分析了煤样强度、变形破坏与能量演化等特征，从宏细观结构演化、矿物组分变化等方面揭示了煤样力学特性劣化机制。研究结果表明：① 基于煤岩黏弹塑性变形理论，将循环加卸荷产生的耗散能细分为塑性损伤能与阻尼能，重新定义了煤岩循环加卸荷初始损伤量，计算获得5组煤样平均初始损伤量分别为0、0.071、0.114、0.205和0.309；② 压力水浸煤样单轴抗压强度、弹性模量与初始损伤量呈负相关，而峰前塑性变形与初始损伤量呈正相关；随着初始损伤量增大，煤样缺陷处应力集中现象愈发显著，形成多个变形局部化带，其位移错动量变化率波动剧烈，且煤样破坏模式由拉伸破坏向拉–剪混合破坏转变，破碎程度增大；③ 初始损伤和压力水浸耦合作用下，煤样内部孔隙、微裂纹等萌生发育，颗粒间黏结力降低，内部结构由致密向疏松多孔转变，同时煤样宏观裂纹发育扩展，削弱了煤样实体承载结构，这是导致其力学特性劣化的根本原因，对应着煤样储能能力降低，峰后破坏动力显现强度减小。

• 基于声发射特征的含水煤体钻屑法临界指标优化试验研究

  朱广安, 刘欢, 苏晓华, 王红胜, 徐自豪, 刘海洋, 蒋启鹏,

  蒙陕部分冲击地压矿井由于受到洛河组砂岩含水层的影响，煤层含水率过高钻屑煤粉泥化成团导致钻屑量始终不超标，钻屑法结果存在误差甚至失效，影响现场冲击地压危险的监测预警。基于此，以不同含水率煤体为研究对象，开展不同应力加载水平下的三轴加卸载钻进试验，探究含水率0、1.7％、3.7％和5.6％煤体钻进过程中声发射(AE)及其损伤空间特征，获取计算理论钻屑量数值的方法，通过理论与试验称量钻屑质量比确定煤体在不同含水条件下钻屑法临界指标。结果表明：① 随应力水平和含水率增高，声发射事件呈现钻孔中心向周围扩散的现象，破坏趋势由剪切部分破坏向剪切整体破坏转变；② 载荷水平和含水率对由声发射事件空间分布确立的损伤椭球体(DE)体积影响较大，损伤椭球体与声发射事件空间分布特征具有一致性，计算得出的损伤椭球体质量为含水煤体受到应力及钻杆切削作用的主要损伤空间质量M；③ 通过分析理论与试验称量钻屑质量整体变化趋势，发现含水煤体受到水的弱化作用后理论钻屑量有所增加，但相较于水的弱化作用，水的黏结占主导作用，导致现场收集的钻屑量偏小；④ 依据理论与试验称量钻屑质量比值得出不同含水率煤体的钻屑法修正系数H，当含水率为0～1.7％、1.7％～3.7％和3.7％～5.6％时，H分别取值1.00、2.32和4.05，当含水率大于5.6％时，钻屑法失效。

• 煤层气储层水力裂缝扩展特征与控因研究进展

  李倩, 李童, 蔡益栋, 刘大锰, 李凌菲, 汝智星, 殷婷婷,

  煤层气储层水力压裂后的裂缝展布规律和内部控因在很大程度上决定了储层改造效果，了解水力裂缝特征及扩展机制对煤层气的高效开发具有重要意义，也是水力压裂工艺参数优化的关键理论基础。基于国内外煤层气储层水力压裂开发现状，综合压裂实验设计、理论计算模型和数值模拟等，梳理了不同方法的特征及其差异，并系统论述了煤层气储层内在地质因素和外部工程因素对水力裂缝扩展行为的影响机制，总结了现阶段煤层气储层水力裂缝研究中面临的问题及发展趋势。结果表明：在真三轴物理实验中配置声发射监测和光学成像组件等改进措施可以极大促进水力裂缝扩展的力学行为和延伸路径研究；理论计算模型可以有效量化水力裂缝扩展行为，但预设的裂缝形态和延伸路径会使计算结果偏离实际生产；数值模拟有助于探究储层原位条件下多地质因素控制的水力裂缝网络动态形成过程和多条裂缝之间的相互影响；总体而言，煤层气储层水力裂缝的扩展行为是由天然弱面、地应力、宏观煤岩类型、煤体结构和支撑剂等因素约束下的综合过程。未来研究应聚焦在：① 完善实现水力压裂物理实验中原位温压条件下的裂缝行为实时监控，并形成大尺寸样品制样标准；② 深入研究基本理论计算模型中天然裂缝几何形态及注水速率、压裂液黏度等水力压裂工程参数对水力裂缝交互模式产生的叠加效应；③ 结合现场压裂中的微地震监测数据，优化数值模拟方法中天然裂缝及水力裂缝的几何形态和扩展路径设置；④ 量化多场−多地质因素对水力裂缝网络的耦合作用。

• 有效应力和滑脱作用对深部页岩气渗流的影响

  王军, 李文璞, 刘超, 张欢, 陈现辉, 张晓东, 孙永康, 崔少鹏,

  深部页岩气储层压力在衰竭过程中势必会产生滑脱效应和有效应力变化，两者对渗透率演化均起着重要影响，有必要探究它们对渗流的作用机理。进行了不同体应力和孔隙压力耦合作用下页岩的变形与渗流试验。研究表明：孔隙压力和地应力对浅部页岩气储层变形作用显著；在深部高应力作用下，页岩已处于致密状态，可压缩性显著降低，孔隙压力对其内部裂隙变形作用可忽略。随着页岩气储层由浅部进入深部，滑脱效应取代有效应力作用主导着页岩气渗流。在低应力和高应力作用下，页岩的渗透率有效应力系数均大于1，分别为2.90和2.95，表明未经实验验证而假定页岩渗透率有效应力系数κ=1是值得商榷的，这对页岩气产量预测会造成重大偏差。由于页岩微孔隙结构的形成与黏土颗粒密切相关，可利用黏土壳模型较好地解释κ＞1的实验现象。利用线性、二次和双滑移Klinkenberg方程对滑脱效应进行修正，发现表观渗透率和孔隙压力之间更符合二次函数关系式。在深部应力环境下，相较储层有效应力变化，随着孔隙压力衰竭，滑脱效应更加明显；滑脱效应在高气体压力下会减弱，滑脱系数呈指数降低。最后，通过确定有效应力影响区最佳κ，得到不同应力阶段的渗透率应力敏感性指数ξ，进而提出了一种量化滑脱效应对表观渗透率贡献的新方法。

• 煤层气原位注热开采的数值模拟研究及工程实践

  胡林杰, 冯增朝, 周动, 王幸, 石建行, 沈永星, 赵东,

  煤层的低渗透性和甲烷的强吸附特征是制约煤层气开采的关键性问题，如何快速高效开采煤层气是目前煤层气开采研究中的重要课题。首先基于构建的水−气−热−固耦合数学模型，建立了煤层气注热开采的物理模型并验证了模型的正确性，然后从水气运移角度分析了注热方法的产气规律，最后在煤矿井下进行了现场注热试验。数值模拟结果表明：煤层气注热开采过程中水气运移遵循“前期排水，后期采气”的变化规律。煤层中的水对甲烷的解吸和运移产生了重要的影响。注热过程中水占据了甲烷的运移通道，水对甲烷的抑制作用大于温度的促进作用；注热后的抽采过程中，高温促进了甲烷的解吸，解除了水对甲烷的抑制作用，使煤层气的产量大幅度提高。通过现场注热试验，已经形成了2种成熟的井下注热强化煤层气开采方法，即间歇注热方法和交替注热方法。2种注热方法具有相似的产气规律，即注热阶段的日产气量和甲烷体积分数一般比较低，而注热后抽采阶段的日产气量和甲烷体积分数均大幅度提高。现场注热试验结果表明，与传统的负压抽采方法相比，间歇注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和100倍以上，交替注热方法可以使甲烷的体积分数和日产气量分别提高10倍和50倍以上。现场注热试验结果与数值模拟结果共同表明，注热强化煤层气抽采的效果显著，注热后抽采阶段是煤层气的高产时间段。

• 超临界CO2作用下煤体结构面剪切硬化特征与本构模型

  韦婕, 陈跃都, 梁卫国,

  在深部煤层( > 800 m) CO2地质封存过程中，受高温高压作用影响，CO2常以超临界态存在。受非均匀地应力及注入流体压力作用下，煤层中发育的大量节理、裂隙等结构面会发生剪切滑移，进而影响煤体力学性能并增加CO2泄露风险。因此，揭示超临界CO2长期作用下煤体结构面剪切力学特性，是保证封存安全性的关键。通过开展超临界CO2不同浸泡时间后的煤体结构面直剪力学试验，结果表明：① 随着超临界CO2作用时间增加，煤体结构面剪切强度和剪切刚度均逐渐减小；超临界CO2浸泡14 d后，煤体结构面剪切强度和剪切刚度分别降低40%和28%。② 超临界CO2作用时间增加会导致煤体结构面剪胀变形减小，剪缩效应明显，同时造成结构面微凸体破碎体积增加；超临界CO2浸泡14 d后，煤体结构面破碎体积量增加至未浸泡的1.5倍。③ 煤体结构面剪切过程中剪应力与声发射参数之间存在着很强的相关性，振铃计数在峰值应力处增至最大；随着超临界CO2作用时间增加，声发射累计振铃计数、累计撞击数与累计能量等参数均逐渐减小，煤体结构面脆性破裂特征减弱，塑性增强。④ 未浸泡煤体结构面呈现出明显剪切软化特征，而超临界CO2作用后煤体结构面剪切向硬化特征转变，通过建立一种新的结构面剪切本构模型，能够很好表征上述转变特征，且模型理论值与试验值有较高拟合程度。

• N2泡沫穿层压裂煤岩组合体试验研究

  李文达, 肖贺成, 梁卫国, 廖涛, 王在勇, 陈跃都, 朱帝杰,

  一体化穿层压裂是实现近距离煤系储层多气共采的关键技术，但常规低黏活性水压裂液易沟通层理等弱结构面，限制了水力裂缝纵向穿层扩展。鉴于此，基于泡沫流体高黏、低滤失和易返排等特性，提出N2泡沫低伤害穿层压裂煤系储层方法，通过室内浇筑灰岩、页岩与真实煤样的组合体试样，利用自行研制的大尺寸真三轴压裂渗流模拟装置，分别开展N2泡沫与活性水的真三轴压裂物理模拟实验，对比分析2种压裂介质泵压曲线、压后裂缝形态、缝网导流能力以及主裂缝面粗糙度特征，研究N2泡沫压裂裂缝起裂特征及垂向扩展行为。实验结果表明：① 高黏与低滤失N2泡沫压裂液穿层扩展能力强于活性水，相同应力条件下纵向穿层数量更多，但泵压曲线压力峰值低于后者，有利于穿层压裂施工；② 相比活性水，可压缩N2泡沫流体压裂增压时间更长，且其页岩层破裂压力高于前者约8.7 MPa；③ 压裂完成后，原位应力条件下N2泡沫压后缝网的重注压力较活性水低3.6 MPa，表明N2泡沫压裂形成的缝网导流能力更高；④ N2泡沫与活性水压裂主裂缝面粗糙度分别为20.53和13.56，更粗糙的裂缝面有利于生产过程缝网导流能力的保持。结论认为，可压缩N2泡沫以其高黏与低滤失特性可实现更好的纵向穿层效果，但横向缝网复杂程度相对较低，建议现场采取“泡沫造主缝+气体/活性水压裂造分支缝”复合压裂工艺，实现多岩性煤系储层的一体化穿层压裂与缝网改造。

• 内蒙古西部干旱地区煤矿反渗透浓盐水的综合利用

  孙红福, 吴叶琪, 赵峰华, 权琳, 王溥, 蒲佳利, 卢铎, 杨柳, 周晓得,

  内蒙古西部地区气候干旱，煤炭资源丰富，但矿区地下水和矿井水的矿化度普遍偏高，淡水资源严重短缺。矿区水处理厂利用反渗透技术处理大量的高矿化矿井水，尽管该技术能够解决矿区生活用水的问题和提高矿井水综合利用水平，但是反渗透设备持续产生的浓盐水引发了存放和综合利用的新问题。介绍了反渗透浓盐水的各种处理技术及其优缺点，包括排放入海、蒸发池浓缩、零排放技术、离子提取技术等。以内蒙古西部干旱区上海庙矿区的反渗透浓盐水为例，基于矿区浓盐水水质和水量特征、矿区自然条件和太阳池原理，综合评估了浓盐水离子的回收利用可行性和太阳池的应用前景。研究结果表明：矿区反渗透浓盐水中Na+、K+和Mg2+含量与海水和盐湖中对应离子质量浓度低1～2个数量级，提取钠盐、钾盐、氧化镁技术成熟，但经济可行性较低；反渗透浓盐水中Li离子质量浓度尽管高于海水和浓海水，但与工业提取的最低质量浓度(30 mg/L)和盐湖中锂的质量浓度相差30多倍，浓盐水中锂的回收利用需要未来提取技术的提升；矿区浓盐水中铀的质量浓度同样高于海水和浓海水，但与盐湖中铀的质量浓度相差1个数量级。矿区所在的内蒙古西部属于“太阳能资源丰富带”，年总太阳辐射大于6 300 MJ/m2，具有建造太阳池的先天优势，反渗透浓盐水也为太阳池提供足够的盐资源，利用反渗透浓盐水建造太阳池能提供非常可观的热能，经济可行性高。

• 全球主要产煤国煤矿AMD污染特征与治理技术

  艾雨露, 陈宏坪, 陈梦舫, 黄勇, 韩占涛, 刘国, 高旭波, 杨丽红, 张文影, 贾郁菲, 李婧,

  酸性矿山排水(Acid Mine Drainage, AMD)污染是全球采矿业面临的重大环境挑战。通过构建煤矿全生命周期AMD成因与水质演化规律概念模型，在明晰AMD污染成因的基础上，进一步梳理了中国、美国、英国、澳大利亚和印度5国的赋煤特点，揭示了AMD污染特征及其关键影响因素。结果表明，在不同成煤环境、水岩作用及气候条件等因素的影响下，主要产煤国的煤矿AMD污染特征存在明显差异，尤其受煤中硫质量分数影响显著。中国华南赋煤区和美国东部含煤区在晚古生代石炭—二叠纪发育的海陆交互相高硫煤(硫质量分数 > 3%)产生富含高质量浓度硫酸盐和铁锰等重金属的强酸性AMD；而发育在三角洲平原环境下的赋煤区具有中−低硫煤特征，如美国西北含煤区的煤田产生低铁锰高硫酸盐的弱酸性或弱碱性AMD。英国的石炭纪低硫煤主要产生弱酸性或弱碱性AMD，其中一些矿区因海水倒灌导致采空区AMD具有高盐特征。澳大利亚和印度在晚古生代二叠纪发育河流三角洲相的低硫煤(硫质量分数 < 1%)，这些地区主要产生硫酸盐和铁锰等重金属质量浓度较低的中性或弱碱性AMD，酸性的AMD仅在印度东北部的新生代高硫煤中产生。根据AMD的不同特征，提出了低成本、可持续的原位多技术协同治理与防控策略。

• 大掺量粉煤灰基矿井充填材料的制备、工作性能与微观结构的研究

  周林邦, 孙星海, 刘泽, 王栋民, 朱磊,

  在煤炭资源开采及加工利用过程中，伴生着大量污染环境、占用土地资源且难以处置利用的煤矸石、粉煤灰、煤气化渣等煤基固体废弃物。将煤基固废应用于矿井充填材料制备以解决煤炭开采造成的地层塌陷、生态破坏等问题，能够科学处理固废、保护环境、保证资源持续开采。通过研究不同粉煤灰质量分数下煤基固废充填体新拌浆体的流动度、流变性能以及浆体硬化体的抗压强度和沉缩变化，对比了煤矸石骨料与传统风积砂骨料对充填材料工作性能的影响因素和性能优劣变化趋势。借助X射线衍射(XRD)、扫描电镜–能谱仪(SEM–EDS)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP–OES)等分析手段，分析了大掺量粉煤灰基矿井充填材料硬化体在不同水胶质量比、不同减水剂添加量时的水化产物、微观结构演变过程及重金属固化能力。结果表明，粉煤灰可有效改善煤基固废充填材料新拌浆体的流动性能，但粉煤灰掺量超过80%，不利于充填体抗压强度进一步提升；当粉煤灰掺量为60%，水胶比(水与胶质量比)为1.0时，加入0.2%聚羧酸减水剂，同等流动度条件下，充填材料净浆流体表现出良好的流变性能，新拌浆体硬化体7、28 d抗压强度分别为4.7、6.2 MPa；以破碎煤矸石做骨料时，充填体早龄期(3、7 d)抗压强度显著提升，充填浆体相对稳定，以传统风积砂做骨料时，充填体28 d龄期抗压强度劣化，不同粉煤灰质量分数下，破碎煤矸石骨料充填体沉缩率始终低于以风积砂为骨料的充填体；粉煤灰掺量为60%，水胶比为1.0时，硬化充填体28 d龄期微观形貌结构密实度高于水胶比为1.2时充填体，EDS能谱扫描Ca元素密集度最高，均匀性最优；28 d龄期时，水胶比为1.0的硬化充填体中Cd和Cr质量浓度相比于3 d龄期，分别降低了70%和41.2%，重金属固化效果优于水胶比为0.8和1.2时。

• 基于新陈代谢算法优化的GM(1,N)动态网络灰分拟合

  王传真, 吕锦涛, 刘海增, 王光辉, 于昂泓,

  煤炭是我国能源资源安全的压舱石，“双碳”背景下实现煤炭清洁加工与高效利用意义重大，而灰分检测对煤炭清洁化和智能化发展尤为重要。针对现有灰分检测存在的检测精度有待提高的突出问题，以两淮矿区典型煤样为研究对象，通过慢灰和X射线荧光(X ray fluorescence，XRF)测试系统地探究了煤样的灰分和元素组成分布规律，并结合机器学习理论构建了灰分−元素特征数据集；结合灰色系统理论和新陈代谢算法，构建了自适应的GM(1,N)动态网络灰分拟合优化模型，并详细设计了动态网络算法流程；提出了GM(1,N)动态模型的关键超参数，并通过与常规拟合方法对比，全面地评价了模型拟合性能。结果表明：两淮矿区煤可视为由可燃元素和成灰元素共同构成，且成灰元素中质量分数占比最高为Si和Al，次之为S、Fe和Ca等，最少为P和Cl等，并且煤中成灰元素总含量与灰分呈正相关，而可燃元素与之相反；以灰分为标签值、以组成元素为特征值，形成了煤的灰分−元素特征数据集；以样本数据划分→动态网络灰分拟合→模型评价机制→动态拟合模型自适应优化→鲁棒性提升→多轮迭代优化为主线设计了GM(1,N)动态网络灰分拟合模型及其算法流程，有效提升了数据集稳定性和新鲜度，并且迭代收敛速度快，灰分误差阈值5%时其准确率达100%；对比经典GM(1,N)模型和常规多元线性回归模型，证明了新模型的灰分拟合性能得到显著提升，其相对误差为0.16%～4.96%、误差均值仅2.29%。

• 振动重介质分选流化床流化质量改善机理与细粒煤高效分选

  周恩会, 赵跃民, 董良, 张博, 段晨龙,

  煤炭清洁高效利用是国家重大战略需求。随着我国煤炭工业重心战略西移和综采技术的普及，所开采的原煤尤其是动力煤日趋“贫、细、杂”化，迫切需要细粒煤高效干法分选技术。细粒煤具有迎风面积小、重力效应弱的特点，风力分选时介质密度与分选密度差异大，传统的干法重介质分选时气泡大、返混严重，均无法在有限时间和空间内实现细粒煤有效分离。将简谐振动与上升气流协同输入气固重介质流化床，通过振动能量强化气固接触、抑制气泡兼并、改善流化质量。着重研究了振动能量在床层中的传递过程与床层响应规律，发现床层密度的扰动程度主要取决于上升气流与振动能量的竞争协调结果，气泡引发床层密度的随机性波动，振动能量将颗粒由无规律的随机运动转变为周期性振荡，沿床层轴向挤压破碎气泡；基于经典两相理论，结合床层塌落过程中气泡相与乳化相的逸出规律，计算得到了振动激励下气体在气泡相与乳化相中的分布比例，表明振动能量可以有效驱使气体由气泡相迁移至乳化相，气泡体积减少19.23%，削弱了气泡引起的床层波动，改善了流化质量，形成了均匀稳定的流态化分选环境。建立了振动对流化质量改善效果的量化评价模型，明确了适合细粒煤高效分选的振幅、频率、气速3因素协同操作范围，将新疆黑山矿薄煤层6～1 mm精煤发热量相较于原煤提高了4 571 kJ/kg。

• 复杂混合粒群简谐振动离析动力学特性

  乔金鹏, 杨金硕, 薛冬, 胡柯羽, 董良, 段晨龙, 江海深, 赵跃民, 蔚文朋,

  混合粒群在振动作用下的离析分层为矿物颗粒的筛分分级提供了实现基础，颗粒形状特征及粒级结构是影响离析速率及结果的重要因素。基于离散元法数值模拟探究了单个(非)球形大颗粒在小颗粒群中离析动力学特性，研究了颗粒形状对其离析速率的影响规律，分析了二元均匀混合粒群中形状与粒度之间的交互作用，揭示了多元混合粒群中离析速率及转动取向分布规律。试验结果表明：较强振动作用下，球形大颗粒离析速率随粒度比的增加呈现先增加后降低的非单调变化趋势，而非球形大颗粒离析速率显著高于球形大颗粒，主要原因是其颗粒底端延伸至孔隙率波动较大的深床层。此外，非球形大颗粒与球形大颗粒的离析速率差值随着振幅的增加同样呈现先升高后降低的变化趋势；当二元混合颗粒群中存在对流时，其离析速率明显高于无对流颗粒群的离析速率；二元混合料群中非球形大颗粒的离析速率与转动取向呈现“类高斯”分布特征，且非球形颗粒的形状与粒度对最终离析结果的影响存在竞争关系，导致球形大颗粒−非球形小颗粒床在小粒度比、低球形度条件下出现异常的“反巴西果”现象；此外，颗粒形状对离析速率的影响显著性高于粒级结构，增加中间粒级颗粒会减缓粒群的离析过程，而拓宽粒度分布范围同样也会造成离析速率下降。

• 基于润湿膜时空演化的颗粒−气泡间相互作用力数值求解

  李明, 刘秦杉, 朱春云, 桂夏辉, 邢耀文,

  颗粒−气泡间的相互作用涉及颗粒−气泡碰撞、黏附和脱附，作为泡沫浮选的基本单元直接影响浮选效率。其中，颗粒−气泡黏附伴随着颗粒−气泡间润湿膜的薄化破裂。明晰润湿膜薄化过程中颗粒−气泡间的相互作用，对强化难浮煤/难选矿浮选回收具有重要的理论指导意义。采用动态润湿膜测试系统(DWFA)研究了亲/疏水二氧化硅表面与气泡之间润湿膜的时空演化，基于润湿膜薄化动力学数据数值求解了颗粒−气泡间相互作用力，进一步分析了润湿膜薄化过程中流体力和表面力协同作用机制。结果表明，亲水二氧化硅−气泡间润湿膜最终呈现“U”型平衡轮廓，其中心点厚度为121.0 nm；疏水二氧化硅−气泡间润湿膜不稳定并于0.93 s快速破裂，中心点临界破裂厚度为157.8 nm。颗粒−气泡相互作用力学分析表明，分离距离较远时，马达以6 μm/s给定速度驱动样品接近气泡，流体力是颗粒−气泡润湿膜排液的最主要贡献力。当颗粒−气泡分离距离缩短至约300 nm时，表面力开始作用。亲水二氧化硅−气泡间润湿膜排液速率低、达到平衡所需时间久，在润湿膜稳定前，马达停止驱动，继而流体力减小，表面力增大，排斥性分离压力主导亲水二氧化硅−气泡间润湿膜缓慢排液至平衡。疏水二氧化硅−气泡间流体力持续增大，随着分离距离减小，吸引性范德华力或疏水力等表面力作用，诱发润湿膜快速破裂。因此，对于表面疏水性弱的二氧化硅，其与气泡间排斥作用强，不利于颗粒−气泡黏附；通过表面改性方法提高其表面疏水性，可诱发颗粒−气泡间润湿膜破裂，提高黏附概率，这归因于疏水颗粒−气泡间吸引性分离压力。

• 细粒煤螺旋分选流体−颗粒空间分布特征的CFD-DEM模拟研究

  刘鹏辉, 叶贵川, 樊玉萍, 董宪姝, 马晓敏,

  螺旋分选是细粒煤高效绿色分选的核心技术之一，探明细粒煤螺旋分选全过程流体−颗粒空间分布特征有利于深入理解螺旋分选行为。以螺旋分选全过程为研究对象，研究了流场、颗粒在螺旋分选全过程的空间分布规律。通过建立颗粒螺旋分选动力学方程并基于螺旋分选流场的多流态特性，构建了复合流态下流体曳力计算模型；结合颗粒堆积实验采用响应面法对颗粒间接触参数进行标定，优化了CFD-DEM耦合模拟方案。结果表明：① 依据流场分布和颗粒运动行为，细粒煤螺旋分选全过程可分为初始阶段(0～1/3圈)、过渡阶段(1/3～2圈)和亚稳定阶段(2圈以后)。在初始阶段，不同密度、不同粒度颗粒在螺旋槽中的分布基本一致：沿螺旋槽倾斜方向分布并逐渐向槽外缘聚集；② 过渡阶段内高密度颗粒随着粒度的增大颗粒逐渐向内缘聚集，低密度颗粒逐渐聚集在槽外缘；③ 在亚稳定阶段，高密度颗粒随着粒度的增大越来越多的颗粒聚集在螺旋槽内缘，不同粒度的低密度颗粒均主要聚集在槽外缘。此外，粒度对高密度颗粒空间分布有显著影响，而对于低密度颗粒分选行为影响不大，颗粒粒度低于0.1 mm时，颗粒间按密度差异分选的趋势降低，高密度细颗粒难以依靠密度差沉降到槽底参与二次环流的径向输送，导致其主要聚集在螺旋槽外缘，与低密度颗粒混杂，不利于细粒煤的分选。

• 钙对氨煤混燃高温贫氧区NH协同煤焦还原NO影响机理

  汪辉春, 陈萍, 顾明言, 方瑶, 王莹, 樊建人,

  氨煤混燃可有效降低火力发电中CO2排放，但氨作为N源与煤混烧时会增加NOx排放，探究氨煤混燃过程中NO还原机理对实现氨煤混燃低氮排放非常必要。采用密度泛函理论探究氨煤混燃高温贫氧区内NO还原机理，进一步分析煤中重要矿物质钙对NH3协同煤焦还原NO的影响。理论计算结果表明，高温贫氧区内氨基/煤焦可将NO通过形成NNH、N2O等重要过渡中间产物进而还原成N2，NH协同煤焦还原NO中NNH的形成需克服438.49 kJ/mol能垒，成为体系反应决速步。矿物质钙不利于NH和NO在煤焦表面吸附，降低二者在煤焦表面的吸附能约187.09 kJ/mol。煤焦表面顶部Ca存在下NH还原NO可通过生成中间产物NNH(路径1)和N2O(路径2)2种路径实现，路径1决速步能垒为636.41 kJ/mol，较NH/煤焦/NO体系的决速步能垒高出197.92 kJ/mol；Ca参与下路径2中决速步N2O自由基的形成需455.74 kJ/mol，较NH/煤焦/NO体系的决速步能垒高出17.25 kJ/mol，2条路径均表明金属矿物质钙抑制了NH/煤焦对NO的还原。Ca的存在增强了NNH基团与煤焦表面结合能，使得顶部钙催化作用下路径1较路径2抑制作用更强。采用过渡态理论计算了Ca参与前后NH/煤焦/NO体系决速步动力学参数，结果表明，顶部钙参与下NH协同煤焦还原NO的速率低于无钙参与体系NO的还原速率，且路径1中NH协同煤焦还原NO速率比路径2更低，确定了顶部钙催化作用下路径1较路径2抑制作用更强，动力学结果与热力学结果一致。

• 多源数据融合智能识别煤矿山场景特征AI模型

  王立兵, 任予鑫, 马昆, 王蕾, 刘峰, 翟文, 董霁红,

  矿山场景数据是智慧矿山建设和智能管理的基础数据，如何利用包括遥感影像在内的多源数据快速识别和提取出复杂的矿山场景是重要的研究方向。采用2020年Sentinel-2 影像、GF-6 影像、GF-2 影像进行最优数据集筛选，使用2023年谷歌影像(Google image)数据扩充数据集，并与深度学习算法相结合，建立了2种露天煤矿场地识别模型。研究主要结论：① 利用10 m Sentinel-2影像、8 m GF-6原始影像、2 m GF-6融合影像、3.2 m GF-2原始影像、0.8 m GF-2融合影像建立矿山识别模型，量化选择不同数据产生的模型精度。结果显示，遥感图像空间分辨率从10 m增加到0.8 m，通过相同的方法建立的矿山场景识别模型的精度逐渐提高。其中使用0.8 m空间分辨率的GF-2融合影像建立的矿山场景识别模型的精度最高，平均精准度PA和(MIOU，Mean Intersection over Union)分别达到了0.702和0.824。② 从多源遥感图像中采集了3 162个多场景、多时段、多尺度矿山场景样本对所有样本进行统一融合处理，建立了矿山场地场景识别模型(MSSRM, Mine Site Scene Recognition Model)和矿山场地边界识别模型(MSBRM, Mine Site Boundary Recognition Model)。MSSRM的PA达到了0.758，MSBRM平均交并比达到0.864。③ 对比了Faster R-CNN(Faster Region-based Convolutional Neural Network)、YOLO-v5(You Only Look Once-v5)、DETR(Detection Transformer)3种目标识别方法与Mask R-CNN、U-Net、DeepLabV3+三种图像分割方法建立的煤矿场地识别模型精度，其中，DETR方法建立的识别模型与Faster R-CNN和YOLO-v5相比PA分别提高了7.6%和8.3%。DeepLabV3+建立的分割模型与Mask R-CNN和U-Net相比MIOU分别提高了14%和10.8%。④ 建立了从大范围的遥感影像中自动化、智能化、批量化识别矿山场地场景并绘制矿山场地边界的方法，以干旱、半干旱典型矿区(鄂尔多斯)露天煤矿场地识别应用为例，验证了智能识别矿山场景边界方法的性能，模型制图精度达到了0.817。

• 高压聚能射流发生装置设计及性能

  顾聪聪, 刘送永, 李洪盛, 孙敦凯, 江红祥, 周小磊,

  针对普通射流在破岩过程中存在的靶距短、喷嘴直径小造成的破岩能量小，难以实现岩石的高效破碎等问题，提出一种高压聚能射流发生装置。该装置利用阀芯改变流体介质的流动方向，使活塞在缸内往复运动，依靠活塞的高速运动实现射流的增压效果，并通过改变泵站流量实现对射流脉冲频率以及脉冲压力的可靠调节。首先，对高压聚能射流发生装置整体结构以及不同工作阶段进行详细介绍，阐述其工作原理。其次，基于流体力学和能量守恒理论，建立高压聚能射流发生装置动力学模型，分析装置不同结构参数与动力参数的关系，探究装置结构参数对射流冲击压力的影响，揭示增压活塞在冲击过程阶段的能量演化规律，进而得到射流冲击压力与泄油口面积、活塞杆直径、喷嘴出口直径以及系统压力均呈现先增大后减小的趋势、系统压力、喷嘴出口压力、泄油口面积、活塞杆直径对装置性能的影响程度依次降低的影响规律；在此基础上，构建高压聚能射流破岩试验系统及液压控制系统，开展高压聚能射流冲击破岩试验研究，以此验证系统可行性以及理论分析的正确性。试验结果表明：相较于普通射流，无论是在射流产生的破碎深度和破碎坑体积方面，高压聚能射流破岩效果均优于普通射流。高压聚能射流冲击破岩过程呈周期性变化，在10 MPa的输入压力下，输出压力可以达到72.5 MPa，具有良好的增压效果；在预定系统压力下，射流冲击岩石的最优靶距为10 cm；射流冲击频率随液压泵流量呈线性增长，且岩石破碎体积、破碎坑直径以及深度均随着冲击频率的增加呈现增长的趋势。