煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第4期

• 不同厚度岩层破断模式转变机理及力学模型分析

  左建平, 于美鲁, 孙运江, 吴根水,

  采动岩层的变形、破断、运动模式与采场矿压显现、地表沉陷等密切相关。薄岩层与厚岩层的破断模式又呈现出显著的差异，如何将不同厚度岩层的破断模式统一描述并建立力学模型是岩层移动理论难题。统计了23个典型工作面采动岩层破断结构，基于断裂力学理论对岩层的破断力学因素及运动模式进行了分类，详细分析了其与岩层厚度之间的关系。基于中厚板理论建立了不同厚度岩层破断力学模型，揭示了不同厚度岩层的破断力学机理及破断模式，并给出了相应的判据。结合数值模拟分析了不同厚度岩层在开采过程中的变形、破断和运动规律。研究表明，不同的应力边界条件作用在不同厚度的岩层上面，再加上开采条件的不同，岩层会出现不同的破断模式。随着岩层厚度的增加，岩层所受剪力不断增大，岩层的破断力学机理呈现出拉破断、拉剪破断及剪破断的演化规律；其相应的岩块结构则分别表现为砌体梁结构、分层破断以及台阶岩梁；统计数据表明岩块厚跨比大于0.5的岩层更易发生剪切破断而形成台阶岩梁。基于上述统计和分析，针对厚岩层可能发生的拉剪破断问题，提出混合破断模式的概念，将岩层破断力学因素细化为拉破断、拉剪破断及剪切破断3种；将不同厚度岩层的破断模式分为薄岩层常见的拉破断及遇断层引起的剪破断，厚岩层出现的拉破断、拉剪破断及剪切破断，其中拉剪混合破断分为端部拉剪混合破断、分层联动运动及分层非协调运动等7类破断模式。对岩层破断模式的进一步研究可为采场矿压控制及地表沉陷灾害的防治提供有益的理论支持。

• 基于D-Rb-C耦合模型的破碎岩体注浆加固作用机制与规律

  张洪伟, 姜汉, 刘世奇, 赵毅鑫, 孙晓冬, 平琦, 刘斌, 张通,

  注浆加固是工程岩体稳定性主动控制的有效方法，其作用机制主要是将浆液注入或渗入破碎岩体结构面中，形成注浆结实体，强化岩体稳定性和抵抗外力破坏的能力。为实现破碎围岩注浆扩散和固结全过程计算，提出了基于离散单元法的岩体注浆扩散−固结作用机制，考虑了注浆过程中离散单元体中的完整接触、水力破坏接触和力学破坏接触3种情况，建立了Bingham流体扩散−黏结−固结(D-Rb-C)耦合模型，给出了基于D-Rb-C耦合模型的解算原理，开展了模型校核和算例分析，实现了浆液扩散−黏结−固结全过程解算，结果表明：① 单裂隙岩体全长注浆后，岩体剪切峰值强度较未注浆裂隙有一定提升，主要依赖于浆液凝固后所产生的剪切摩擦阻力；② 在单裂隙岩体点注浆模拟实验中，随着注浆压力增加浆液不断扩散，岩体峰前剪切屈服阶段和峰后阶段不断强化。③ 对于工程尺度破碎岩体，随着注浆压力增加，扩散半径呈两阶段增大趋势；浆液向深处高应力区闭合裂隙扩展需克服更大压应力，才能继续流动；注浆压力升高以后，相邻钻孔扩散范围叠加，形成封闭巷道的注浆结石体；当浆液凝固黏结强度较低时，结构面仍是控制围岩破坏失稳的主控因素。

• 多孔弱胶结粉砂岩疲劳强度确定方法及疲劳破坏先兆

  梁明纯, 苗胜军, 蔡美峰, 黄正均, 王辉,

  为了研究多孔弱胶结粉砂岩的疲劳力学特性，通过单轴阶梯加卸载试验建立了一种新的特征应力定量计算方法，然后开展上限荷载位于不同应力区间的单轴等幅循环加卸载试验，研究粉砂岩的疲劳强度确定方法和疲劳破坏先兆。新建特征应力定量计算方法将岩石的体应变分离为以岩石骨架为主的固相结构线弹性体应变、以裂纹为主的气相结构非线弹性体应变及不可逆的塑性体应变，并提出气相非线弹性体应变最大点、塑性体应变最大点、塑性体应变由正转负点、总体应变由正转负点分别对应粉砂岩的闭合应力、启裂应力、损伤应力和绝对扩容应力。该方法具备科学合理的物理意义，并解决了特征应力划分受主观因素影响的难题。由新建方法获得的损伤应力和绝对扩容应力可以分别视为单轴循环荷载下发生高周和低周疲劳破坏的临界上限应力。当上限应力低于损伤应力时，循环荷载作用下粉砂岩骨架颗粒间发生错动滑移，使试件细观结构重新排列、体积逐渐压缩、体积柔量逐渐增大，随着循环次数增多，下限应力处残余体应变、体积柔量和声发射累计计数等逐渐趋于稳定。当上限应力高于损伤应力时，声发射累计计数持续增加，粉砂岩内部裂纹快速扩展使残余体应变和体积柔量迅速减小，试件最终发生疲劳破坏，而体积柔量由正变负可视为发生疲劳破坏的早期先兆。循环加卸载过程中声发射事件数与k呈对数线性关系，其中斜率 b_k 可用于描述岩石破裂模式，而 b_k 的陡增可视为发生疲劳破坏的临界征兆。

• 岩煤接触面力学性质对组合煤岩力学行为影响机制

  樊玉峰, 肖晓春, 丁鑫, 徐军, 王爱文, 雷云,

  为明确组合煤岩力学行为及其冲击倾向性与岩煤间接触面力学性质关系，开展了组合煤岩单轴压缩试验，分析了岩煤间4种不同力学性质的接触面对组合煤岩强度、弹性模量、应变软化现象、声发射特征信号、能量累积耗散特征和冲击倾向性的影响规律，研究了接触面黏结属性和破坏情况所引起的端面效应对煤岩局部变形特征及强度的影响机制。研究结果表明：接触面力学性质对组合煤岩的力学性质有一定影响，完整的接触面增强了组合煤岩的强度和弹性模量，提高了弹性能累积能力，抑制了峰前阶段的煤岩破裂，削弱了峰后的应变软化阶段；接触面的破坏降低了端面效应的影响作用，提高了组合煤岩的破坏程度，延长了峰后的应变软化过程；无黏结型组合煤岩试样的各项力学指标均低于其余3种接触面；建立了组合煤岩本构关系并提出了考虑接触面破坏的组合煤岩强度估算方法和接触面断裂的判定方法；理论计算结果与实验结果较为一致；随着岩煤间接触面力学性质的提高，组合煤岩弹性能占比提高，塑性能占比降低；厘清了岩煤间接触面力学性质对组合煤岩冲击倾向性的影响规律，认为接触面和煤岩相对力学性质是引起组合煤岩冲击倾向性各项指标冲突的重要影响因素。

• 真三轴加卸载岩体各向异性及能量演化机制

  许文松, 赵光明, 孟祥瑞, 刘之喜, 刘崇岩, 戚敏杰,

  地下工程开挖过程中围岩处于极其复杂的应力环境中，尤其是在其各向异性的影响下，动力灾害的发生存在隐蔽性。采用真三轴卸荷扰动岩石测试系统对砂岩进行不同主应力方向加卸载试验，研究真三轴不同主应力加卸载条件下高应力岩体力学特性与破坏特征，分析不同主应力加卸载岩体次生各向异性及能量演化机制。结果表明：① 在岩体次生各向异性影响下， \sigma _1 (第一主应力)进行循环加卸载过程中， \varepsilon _2 (第二主应变)和 \varepsilon _3 (第三主应变)呈现相反变化， \varepsilon _V (体积应变)先压缩再膨胀，最终表现出膨胀的宏观现象；② 高围压岩体 \sigma _3 (第三主应力)卸载时， \varepsilon _1 产生压缩， \varepsilon _2 和 \varepsilon _3 产生膨胀变形， \varepsilon _2 变化量小于 \varepsilon _3 ，卸荷方向变形由线弹性状态转变为弹−塑非线性；③ \sigma _1 和 \sigma _3 卸载岩体积聚的能量差异较大， \sigma _1 卸载是一个能量释放的过程， \sigma _3 卸载是一个能量积聚的过程，卸荷方向的能量变化特征决定了其余2个诱发方向的能量积聚、释放规律， \sigma _3 卸载岩体的极限储存能量降低，且 \sigma _2 (第二主应力)卸荷时随着 \sigma _1 的增大加快了岩石的破坏，表明岩体卸载比加载更容易破坏；④ \sigma _3 卸荷速度越快，破坏时所释放的能量增加、耗散能降低，卸荷方向岩体能量密度和总积聚能量密度减小。动力事故发生的主要原因是岩体内部能量的积聚释放，岩体次生各向异性对岩体自身极限储存能存在很大影响，研究真三维加卸载次生应力对岩石极限储存能的影响特征为冲击地压防止提供了参考。

• 基于Bi-PTI模型的CT数字煤岩孔裂隙精准识别及阈值反演

  郝晨光, 郭晓阳, 邓存宝, 张兴华, 赵博, 王荀,

  在CT数字煤岩研究领域，灰度阈值选取直接影响空间结构重建的准确性。为使孔裂隙空间重构数据能更精准地表征真实结构，提升煤岩微细观渗流研究的可靠性，建立了CT数字煤岩孔隙率与灰度阈值的映射关系，采用灰度阈值分布规律定量分析了孔裂隙和基质骨架的发育特征；构建了识别孔裂隙结构的Biphasic Pore Threshold Inversion灰度阈值模型(Bi-PTI模型)，对不同变质煤CT扫描数据的孔裂隙最佳灰度阈值进行了数值反演，将模型计算获得的孔隙率与压汞测试值进行对比；基于最佳灰度阈值反演结果重建了孔裂隙空间结构，通过空间结构参数和拓扑结构参数与Otsu模型、MP-Otsu模型进行了对比分析。研究结果表明：CT数字煤岩孔隙率随灰度阈值的增加呈非对称S型分布，且具有指数增加−对数上升的分段特征；Bi-PTI模型能够较好地反映孔隙率与灰度阈值的映射关系，表征孔裂隙和基质骨架的发育特征；通过Otsu模型计算的孔隙率高达70%以上，MP-Otsu模型计算的孔隙率受矿物含量影响较大，而Bi-PTI模型在0.40%～16.22%，更接近压汞实测数据；Bi-PTI模型可以弥补因孔裂隙过度识别导致的空间重构缺陷，实现小尺度孔裂隙空间结构的精准识别；Otsu模型极易忽略部分孔隙拓扑结构，MP-Otsu模型对低矿物含量煤体的拓扑结构重建效果不佳，而Bi-PTI模型对缺陷位置拓扑特征具有较好的识别能力，能够真实还原孔裂隙拓扑体系的孔喉丰度和连通特性。

• 面容比对酸蚀砂岩溶解特性与力学性能的影响

  梁艳玲, 霍润科, 宋战平, 穆彦虎, 熊爱华, 宋子羿,

  为研究静态酸−岩反应体系中，面容比对砂岩溶蚀及劣化特性的影响，选择pH=2、5的盐酸与硫酸溶液为腐蚀环境，通过改变砂岩表面积以设置不同面容比，研究其对砂岩物理化学及力学性质的影响规律，并通过酸岩反应理论，分析面容比对砂岩腐蚀过程中扩散−溶解机制的影响。研究结果表明：在不同面容比条件下，砂岩质量损失率、总阳离子析出量与腐蚀时间均呈幂函数关系，且面容比与溶解速率常数呈正相关，对反应级数影响较小。不同环境下反应级数均小于1，砂岩腐蚀速率随时间逐渐减小。在pH=2、5的盐酸和pH=2硫酸溶液中，不同阳离子析出量N呈现N(Ca2+) > N(Na+) > N(Mg2+) > N(K+)，在pH=5硫酸溶液中，则N(Na+) > N(Ca2+) > N(Mg2+) ≈ N(K+)。酸岩反应可概括为扩散控制和化学反应控制2种机制，控制参数均与面容比呈负相关，与溶液pH呈正相关，硫酸溶液中各参数稍大于盐酸溶液中相对应的数值。不同环境下酸岩作用过程均由化学反应主导，且面容比对扩散作用的影响强于化学反应。酸蚀砂岩的力学性能发生劣化，单轴压缩下其破坏过程分为压密、弹性变形、塑性屈服、峰后4个阶段，砂岩峰值强度、弹性模量降低，峰值应变增加，脆性减弱，延性增强，面容比越大，其劣化越严重。整体上，溶液pH越小，面容比对砂岩溶解特性与力学性能的影响越显著，且盐酸溶液对面容比的敏感程度稍强于硫酸溶液。研究结果可为酸化学环境下岩体工程的安全性评估与灾害防治提供理论参考。

• 非均匀应力场瓦斯抽采钻孔扰动煤体变形破坏特征

  徐超, 秦亮亮, 王凯, 吴世敏, 张荣, 郭海军, 舒龙勇,

  深部松软低透煤层瓦斯抽采钻孔周围煤体变形破坏特征影响着煤层瓦斯预抽效果。基于非均匀应力场条件，构建了钻孔扰动煤体的力学模型，推导了钻孔扰动煤体破碎区、塑性区、弹性区的应力、应变及位移的解析解，分析了侧压系数、载荷条件、黏聚力及扩孔行为等因素对扰动煤体“三区”分布的影响规律，并通过工程实例验证了理论模型的可靠性。研究结果表明：在非均匀应力场条件下，扰动煤体塑性区、破碎区呈椭圆形分布，随着侧压系数的增大，扰动煤体塑性区、破碎区的上、下两翼的长度也越来越大，较小应力方向的塑性区、破碎区半径大于较大应力方向两区的半径；煤体塑性区、破碎区的半径均随着垂向载荷的增大而增大，随着初始黏聚力、残余黏聚力的增大而减小，垂向载荷对其形状产生的影响可以忽略不计；当钻孔直径由0.1 m扩孔为0.5 m时，距钻孔中心0～1.0 m的煤体产生强扰动作用，1.0～4.6 m的煤体产生弱扰动作用，4.6 m之后的煤体几乎无影响；通过古汉山煤矿16032底抽巷水力扩孔现场实例，观察到扩孔段扰动煤体的破坏程度较高，基于出煤量反推出扩孔直径为1.5 m，进而分别通过理论计算与数值模拟获得钻−扩孔煤体变形破坏特征，2者吻合度较高，从而验证理论模型的可靠性。

• 煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验−模型−机理及意义

  李志强, 陈金生, 李林, 彭建松,

  多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一，已拓展到自然科学与工程技术的众多领域，作为多尺度科学的一个分支，煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙，孔径量级可达百万倍之巨，这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而，煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题，亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散−渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明：柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减，并呈现出2类时间多尺度特征，一种为连续光滑的动态衰减特征，一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型，该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型，采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型，并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准，划分了连续流−滑移流−过渡流−自由分子流等流域，以串联多尺度孔径为关联纽带，建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理，即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素，可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期，气体首先从外层大孔裂隙中流出，流动后期，逐渐从微小孔隙中流出，直至深达纳米级孔隙。随着时间延长，串联孔隙级数逐渐增长，等效孔径逐渐减小，其量级接近于最小孔径，进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减，渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期，努森数增大，滑移−过渡流态效应超过有效应力效应，并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建，解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题，弥补了单管理论的缺陷，表观意义上实现了扩散与渗流的统一，实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。

• 循环等离子体击穿受载煤体电学响应及孔隙结构演化规律

  张祥良, 林柏泉, 申建, 朱传杰,

  煤层增透是提高瓦斯高效抽采效率、降低瓦斯灾害事故的关键，以物理放电为基础的等离子体是煤层增透的有效手段之一。但以往的研究集中在单次击穿煤体孔−裂隙结构的表征，忽略了等离子体对煤体的极化效应，对循环等离子体作用下受载煤体电学性质及孔隙结构的演化特征缺乏深入研究。为此，对多个煤样进行了循环等离子体击穿实验，结合高压衰减棒和罗氏线圈监测了击穿煤体过程中的电压、电流波形，并分析了预击穿周期、等离子体击穿周期、波峰个数、峰值电压、峰值电流及能量转化效率等电学参数的变化规律；采用低场核磁共振方法测试了击穿1次、5次、10次、15次、20次条件下小孔、中孔、大孔及微小裂隙的演化规律；结合几何分形理论对击穿煤体渗流孔分形维数进行了探讨。研究结果表明，预击穿周期仅有首次放电是千微秒级别，之后会“断崖式”下降至几十微秒，而等离子体击穿周期则随着击穿次数的增加呈现出“阶梯式”的增长；能量转化效率维持在28.7%～55.9%，呈现出先快速增加后趋于平稳的趋势，说明等离子体对煤体电学性质的极化效应是有限的；煤体内部中孔、大孔的增长幅度最为明显，部分微小裂隙结构会实现从无到有的突破，表明等离子体对瓦斯的渗流会有显著的改善效果；分形维数在击穿后呈现出降低的趋势，则从孔−裂隙空间维度的角度证实了击穿煤体内原本孤立的孔隙结构会被裂隙沟通；孔隙率与能量转化效率变化趋势的相似性表明等离子体对煤体电学性质产生了影响，煤体电学性质发生改变后又会对等离子体通道的分布产生影响。

• 矿山抑尘泡沫基础特性及性能定量评估方法

  王和堂, 章琦, 王德明, 李星诚, 徐超航,

  源头抑制粉尘产生和飞扬是矿山粉尘防控的优先方向；泡沫作为一种含有发泡剂的气液两相介质，具有接尘面积大、黏附粉尘能力强、润湿粉尘速度快的独特优势，是一种高效的抑尘手段，尤其是对呼吸性粉尘有很强的抑制能力。但过去对抑尘泡沫本身形态及性能研究较为缺乏，导致在抑尘泡沫制备与利用中有一定盲目性，制约该技术在矿山的低成本应用。为此，采用理论推导、实验研究、定量分析等相结合的方法，研究了抑尘泡沫排液过程及规律、抑尘泡沫微观形态、性能影响机制及定量评估方法。结果表明：排液因子w与发泡过程的泡沫柱高度、泡沫含液量相关，即抑尘泡沫高度越高、含液量越大，排液因子w越小，利用排液模型计算得到的排液因子w、理论排液曲线预测值与实验值有较好的一致性；泡沫尺寸分布、平均直径随发泡剂的添加浓度(质量分数)变化而变化，当发泡剂质量分数小于0.1%时泡沫均匀性较差、数量较少，提高其质量分数至一定范围(0.3%～0.6%)后，泡沫均匀性和数量都有改善，泡沫可获得较大半衰期，其形态难以被破坏，但发泡剂质量分数大于1%时，泡沫的数量下降、大粒径气泡增多；在发泡剂中加入聚合物羟乙基纤维素的质量分数小于0.3%时对溶液在煤尘接触角无明显影响，但质量分数增大后接触角比未添加前有所提升，在发泡性能和稳泡性能方面，加入0.1%聚合物可达到较好地提升抑尘泡沫的产生效率和稳定性。基于从抑尘泡沫产生、输运到其作用于截割尘源全过程剖析，提出了抑尘泡沫性能的评价指标体系，并给出了抑尘泡沫性能定量评估准则及4个评价等级的判定依据。

• 智能通风精准调控系统架构及实现

  张智韬, 李雨成, 李俊桥, 张静, 李博伦,

  为满足矿井通风系统智能化升级的战略需求，研究了智能通风精准调控系统的设计原则、逻辑架构及具体实现。从状态感知、控制算法和调控策略3个方面梳理了智能通风调控系统的现状，针对当前智能通风调控系统各研究领域相互割裂、数据难以相互支撑的不足，从顶层设计入手，提出以融合感知算法与控制算法为核心的系统全生命周期设计原则，以此为基础提出了以边缘端“感控一体”为核心的逻辑框架；设计并搭建了矿井智能调风软硬件平台，采取各种措施保障人车安全与系统可靠运行；针对传统框架中状态感知与精准控制算法相对分离，导致风量控制对噪声敏感的具体问题，提出采用结合卡尔曼滤波的比例积分微分闭环控制算法精准追踪巷道风量，并融入了专家建模、算法寻优和设备联动的决策与控制理念。最后，在矿井智能调风软硬件平台中开展了正常时期的风窗风量精准追踪实验和灾变时期的风烟流排除实验。实验结果表明，结合卡尔曼滤波的比例积分微分闭环控制算法相比传统比例积分微分闭环控制算法在风量追踪的准确性、抗干扰性和整体效率3个方面分别提高了20.3%、17.4%和13.9%，实现了正常时期风量的精准高效控制；风烟流排除实验中，风窗两侧恒定压差实时调控可以兼顾窒息灭火与防止烟流入侵，实现了灾变时期烟流的精准控制。2者验证了智能通风精准调控系统设计原则和逻辑框架的有效性。

• 木质素磺酸钙对固井水泥石变形破坏特性的影响及其改性机制

  邹全乐, 王鑫, 李左媛, 刘莹, 王伟志,

  在采动区地面井煤层气抽采工程中，工作面的回采会对上覆岩层产生较大的扰动，进而导致地面井变形破坏，不能有效发挥卸压煤层气地面井的抽采效能。固井技术能够有效延长采动作用下卸压煤层气地面井的寿命，水泥作为影响地面井固井质量的关键因素，其早期强度需满足较高的固井要求，水泥固结后形成水泥石，水泥石的力学性能对维持卸压煤层气地面井的稳定性至关重要。通过添加分散剂提高水泥石的力学性能是改善固井效果的有效途径。针对目前采动作用下木质素磺酸钙改性水泥石变形破坏特性的研究较少，通过开展循环荷载下不同质量分数的木质素磺酸钙改性水泥石单轴压缩试验，探究木质素磺酸钙对卸压煤层气地面井水泥石变形破坏特性的影响及其改性机制。研究结果表明：水泥石纵波波速和峰值应力随木质素磺酸钙质量分数增加呈现出先增加后降低的趋势，而水泥石声发射总振铃计数随木质素磺酸钙质量分数增加呈现出先减小后增大的趋势。随着单轴循环梯级的增加，水泥石的变形模量呈现出强化现象，且初始加卸载循环对变形模量的强化作用最为显著。随着木质素磺酸钙的加入，改性水泥石的破坏模式呈现出拉伸主导→剪切主导→拉伸主导的拉剪组合破坏模式，同时改性水泥石的分形维数呈现出先减小后增大的趋势，表明适量木质素磺酸钙的加入能够有效提高单轴循环加卸载下水泥石的抗破坏能力。随着木质素磺酸钙质量分数的增加，水泥石水化产物之间孔隙呈现出先减少后增多的趋势。适量木质素磺酸钙的加入会促进水泥石中C−S−H凝胶和钙矾石的大量生成，沉淀在水泥颗粒表面相互交织，可显著提高水泥石的峰值应力，对于提高水泥石的力学性能具有积极作用，同时也使得水泥石的孔隙率降低，进而导致水泥石纵波波速增加、循环荷载过程中水泥石累计声发射振铃计数减小。而木质素磺酸钙过量加入时，木质素磺酸钙的引气作用和电性相斥作用在水化过程中占据主导作用，会引入较多气泡，造成水泥颗粒之间间隙的产生，同时抑制了C−S−H凝胶和钙矾石的早期生成，对水泥石的力学性能造成消极影响。此外，会造成水泥石孔隙率增加进而导致水泥石纵波波速减小、循环荷载过程中水泥石累计声发射振铃计数增加。因此，木质素磺酸钙对水泥石的力学性能的影响具有双重效应。

• 压裂液矿化度对支撑裂缝及裂隙内煤粉运移的影响

  皇凡生, 桑树勋, 刘世奇, 陈强, 周效志, 王猛,

  在煤层气井水力压裂阶段，支撑裂缝内煤粉沉积以及裂隙内煤粉运移，将导致支撑裂缝和裂隙渗透率降低，影响水力压裂改造效果以及后续的煤层气井排采效果。为有效疏通支撑裂缝并避免裂隙堵塞，从优化压裂液矿化度的视角，提出了水力压裂阶段支撑裂缝及裂隙内煤粉防控新方法。基于石英砂充填柱和无烟煤样，分别开展了矿化度逐级递减条件下支撑裂缝及裂隙内煤粉运移实验，分析了煤粉运移对矿化度变化的响应特征；采用扩展Derjaguin-Landau-Verwey-Overbeek(DLVO)理论对煤粉运移进行了模拟，揭示了矿化度对煤粉运移的影响机制；并在此基础上，探究了兼顾支撑裂缝及裂隙内煤粉防控的最优矿化度范围。研究结果表明：支撑裂缝及裂隙内煤粉运移均存在临界矿化度现象，当矿化度低于临界矿化度时，支撑裂缝渗透率急剧增大，裂隙渗透率骤然降低，并伴有大量的煤粉产出；支撑裂缝内煤粉运移临界矿化度高于裂隙内煤粉运移临界矿化度，支撑剂表面电负性强于裂隙，而其疏水性弱于裂隙，是导致支撑裂缝内煤粉运移临界矿化度偏高的主要原因；随矿化度的逐级降低，煤粉与通道间的双电层斥力不断增大，当矿化度降至临界矿化度时，双电层斥力开始大于Lifshitz-van der Waals引力和Lewis酸碱引力之和，诱发煤粉运移；理论模型预测的支撑裂缝及裂隙内煤粉运移临界矿化度均与实验结果一致，证实了模型的可靠性。在水力压裂阶段，可将压裂液矿化度设计在支撑裂缝与裂隙内煤粉运移临界矿化度之间，从而促使支撑裂缝内煤粉产出，并抑制裂隙内煤粉运移，达到兼顾支撑裂缝及裂隙内煤粉防控的目的。

• 基于LLE和SVM的地震断层自动识别方法

  邹冠贵, 丁建宇, 任珂, 殷裁云, 董青山,

  传统地震资料的断层解释主要依靠解释者的知识和经验，存在工作量大、效率低的问题。基于机器学习的断层识别方法，可以融合已有的地质资料、解释人员的知识和经验，构建高质量的数据集，增加解释的准确率。为了提高机器学习方法断层解释的准确率，构建基于局部线性嵌入(LLE)和支持向量机(SVM)算法的断层识别方法。首先，介绍了LLE和SVM算法的基本原理，说明各算法的计算过程和主要参数；然后建立断层正演模型，分析不同属性的断层响应特征，针对训练数据集中多种地震属性之间的信息冗余，分别通过LLE和主成分分析(PCA)2种算法对地震属性数据进行降维，引入的量化指标计算结果表明LLE算法对于非线性数据体有较好的降维效果；利用西上庄井田6条巷道、5口钻井揭露的11 854个已知构造信息的数据点，分别训练SVM,PCA-SVM和LLE-SVM断层识别模型；以准确率A、查全率R、查准率P、F作为模型的衡量标准，对比各模型在工区数据上的预测分类性能；其中，LLE-SVM模型综合表现最佳，查准率可达94.4%，远高于其他模型；最后，利用构建的各模型对整个工区进行预测，并结合实际揭露情况和人机交互解释结果进行分析。综合结果表明，基于LLE和SVM的断层识别方法在去除冗余信息的同时能够有效突出断层响应特征，减少主观人为因素的影响，提高断层解释的效率。

• 关闭/废弃煤矿甲烷排放研究现状及减排对策

  梁运培, 李左媛, 朱拴成, 陈强, 王鑫, 秦朝中,

  全球正向低碳能源结构转型，加之煤矿资源枯竭、瓦斯灾害等问题，关闭/废弃煤矿数量快速增加。煤矿关闭退出后，采空区残存甲烷持续向地面逸散，成为温室气体重要排放源。针对关闭/废弃煤矿甲烷残存量、排放速率、减排措施等系列问题，通过大量文献调研、梳理，明确了国内外关闭/废弃煤矿数量及高瓦斯矿井分布，归纳总结了采空区残存甲烷来源及残存量的估算方法，并借鉴天然气成藏研究领域中甲烷地质渗漏理论与研究方法，分析了残存甲烷排放机制及监测手段，最后提出了残存甲烷减排对策及面临挑战。研究发现：我国山西、贵州、重庆、湖南、江西等地区存在大量关闭/废弃煤矿，且残余煤主要是具有强甲烷吸附力的无烟煤，导致矿井残存甲烷量大，成为重要甲烷排放源；关闭/废弃煤矿甲烷从残余煤中解吸释放至采空区，然后经由井口、采动裂隙等通道排放至大气；通过卫星遥感、通量室法、地球化学探针法、微气象技术等手段，可实现对煤矿甲烷排放的有效监测。基于甲烷排放预测模型预测，到2050年关闭/废弃煤矿排放甲烷在煤炭开采释放甲烷总量中占比可能超过20%，解决关闭/废弃矿井甲烷排放问题刻不容缓。为此，提出了抽采利用、原位爆燃发电、微生物降解甲烷、注水淹没、甲烷排放通道封堵等减排对策，综合考虑减排成本、甲烷排放持续时间、地下水污染等限制性因素，认为采用矿化修复方法封堵覆岩采动微裂隙，可低成本实现关闭/废弃煤矿甲烷减排目标。

• 露采矿山复绿对土壤微生物群落及其组装过程的影响

  杨永均, 赵姣, 马静, 朱燕峰, 肖栋, 陈浮,

  植被恢复是矿区生态系统健康的重要标志，厘清植被恢复对土壤微生物群落特征及其组装过程的影响，对探索矿区生态恢复弹性及自维持机制至关重要。为此，采用MiSeq高通量测序并结合零模型分析技术，探测黄土高原平朔安太堡露采矿排土场已复垦18 a的灌木丛(BL)、针叶林(CF)、阔叶林(BF)、混交林(MF)和控制样地(CK，已持续生长大于30 a未受干扰的周边杨树林)土壤微生物群落组成、分子生态网络特征、关键菌群及其组装机制。结果表明：① 不同植被恢复类型对细菌群落α多样性具有显著性影响(P<0.05)，与CK相比，MF和CF的Sobs和Shannon指数分别增加了35.29%、3.50%和25.18%、1.05%，但不同植被恢复类型间真菌群落α多样性差异不显著；② 放线菌门、绿弯菌门、变形菌门和酸杆菌门是细菌群落优势菌门，且前2者显著高于CK，后2者则相反(P<0.05)。子囊菌门和担子菌门是真菌群落优势菌门，前者显著高于CK，后者则相反(P<0.05)；③ 随机性过程主导了土壤细菌群落构建过程，除MF土壤真菌群落由确定性过程主导外，其他真菌群落也由随机性过程主导。但无论哪种植被恢复类型，随机性过程对细菌群落组装的主导作用均远高于真菌群落。其外，变形菌门和酸杆菌门是细菌网络中的关键类群，被孢霉目、寡囊盘菌目、刺盾炱目、肉座菌目是真菌网络中的关键类群。植被恢复影响微生物群落多样性，BL、CF和MF增加了细菌网络的稳定性，MF使真菌网络更复杂；土壤细菌组装过程由随机性过程主导，除MF外真菌组装过程也由随机性过程主导。

• 水文融合的草原露天矿内排土场地貌重塑优化

  夏嘉南, 李根生, 李园园, 卞正富, 雷少刚,

  草原露天煤矿内排土场地貌受采−排−复活动中塑形方式与土方量等因素影响，面临景观破碎、水土流失等生态环境问题。在现有工艺与团队已有成果上，为进一步实现矿区重塑地貌与周边水文相融，构建基于水文保留曲面(HPCS)的采复子区划定优化模型，以新疆黑山露天矿内排土场为例，构建优化后的HPCS下近自然设计地貌(MNNDL_HPCS)为实验组，NNDL_HPCS、原始自然地貌(PNL)和传统设计地貌(TDL)3者为对照组，结合空间叠加分析与地貌演化模拟技术，评价MNNDL_HPCS在水文融合、土方调配与土壤抗水蚀3方面的优化效果。结果表明：① 采复子区划定上，MNNDL_HPCS内除开采子区位置划定调整外，其余区域位置保持不变；② 水文融合上，以PNL为基准，MNNDL_HPCS视觉效果最优，并在水文沟道空间重叠率和水文融合率指标上，分别较NNDL_HPCS与TDL高52.84%和7.04%，与66.66%和18.11%；③ 土方调配上，MNNDL_HPCS土方平均运距较NNDL_HPCS缩减约0.98 m/m3，较TDL高约4.93%，土方运移成本较优化前略有降低；④ 土壤抗水蚀能力上，MNNDL_HPCS较PNL、NNDL_HPCS和TDL的10年可分别减少约31.65%、56.86%和80.59%的土壤水蚀总量，其中平均坡度缓和(0.28°)是MNNDL_HPCS土壤抗水蚀优于PNL的主因，其通过HPCS模型内坡度缓和优化模块实现。研究成果可助于恢复研究矿区内原径流通道和原地貌与景观，提高矿区生态修复稳定性。

• 蒙陕接壤区矿井水中典型污染组分特征及来源

  杨建, 王皓, 王强民, 张溪彧, 王甜甜,

  蒙陕接壤区是我国能源兜底保障的核心区域，但是煤炭开采过程中产生的大量矿井水，常常含有多种污染组分，只有查清污染组分来源及特征，才能更加科学合理地处理利用矿井水资源。本研究在查清蒙陕接壤区地质、水文地质和煤炭开采扰动等条件的基础上，对煤层顶板含水层水文地球化学特征、矿井水中典型污染组分特征开展了研究，并分析了这些典型污染组分的来源。结果表明：蒙陕接壤区根据煤层埋深条件可分为浅埋区、中深埋区和深埋区，浅埋区矿井水来源为煤层顶板所有含水层水，中深埋区矿井水来源为煤层顶板延安组、直罗组风化基岩和完整基岩含水层水，浅埋区和中深埋区第四系和侏罗系地下水中TDS质量浓度均低于1 000 mg/L；深埋区矿井水来源于煤层顶板侏罗系延安组、直罗组含水层，封闭条件下长期水岩作用，导致地下水中TDS质量浓度>1 000 mg/L，主要超标组分为Na+、Ca2+和\rmSO_4^2- 。矿井水中污染组分包括2类来源：一类来自顶板含水层，长期水岩相互作用导致离子组分进入水体中；另一类来自煤矿井下生产活动，煤岩屑、粉尘、机油等释放，导致悬浮物、氮、有机物等污染溶入水体中。浅埋区和中深埋区矿井水中TDS质量浓度低于1 000 mg/L，主要为弱碱性HCO3-Ca型水；深埋区矿井水中TDS质量浓度为1 824.00～3 684.00 mg/L，Na+和\rmSO_4^2- 离子浓度增加占比最大；地下水进入采空区后，均会进一步发生水岩相互作用，导致Na+、\rmSO_4^2- 等离子浓度出现一定程度升高。大部分煤矿矿井水中COD出现了超标，但是TOC浓度和UV254均较低，矿井水中有机物以悬浮态为主；3DEEM光谱检测结果发现溶解态有机物主要为天然的氨基酸类和腐植质类，各类有机物荧光强度偏低，矿井水中有机污染物含量较少。

• 煤炭地下气化污染地下水的迁移与渗透反应墙净化数值模拟研究

  王凡, 谌伦建, 徐冰, 马娇, 邢宝林, 苏发强,

  煤炭地下气化符合我国能源低碳绿色转型发展方向，但地下水污染已成为限制其推广应用的技术瓶颈之一。渗透反应墙修复技术是地下水原位修复的研究热点之一。结合有井式地下气化的特点，利用数值模拟手段研究了渗透反应墙体厚度以及净化材料等对地下水中有机污染物迁移扩散和净化修复效果的影响。在对流扩散方程的基础上，假设：① 地下水中污染物的吸附净化所涉及的质量转移与液相和固相吸附污染物质量浓度的差势、固相当前吸附质量浓度与潜在最大吸附质量浓度的差势和过程时间等因素有关。② 活性炭较强的吸附性能可能导致固相吸附质量浓度逐渐累积而不再随外界液相质量浓度变化而解吸，采用有限元法和θ−格式迭代建立数值模型，利用MATLAB编写相应数值计算程序，对污染物迁移扩散以及吸附净化过程进行数值模拟与实验验证。结果表明：污染水的修复效果随渗透反应墙墙体厚度增加而增强，但增强幅度随着厚度的增加而减弱，墙体厚度的增加对污染物净化效果的影响呈边际效应递减趋势；墙体材料吸附净化速率越大，渗透反应墙对污染物的净化效果越好，渗透反应墙的吸附净化速率对污染物的净化效果也呈边际效应递减趋势；墙体厚度与材料的吸附净化活性之间存在协同效应，构建渗透反应墙时应根据墙体材料的吸附净化速率，合理确定渗透反应墙的厚度，以获得最佳的技术经济效果。

• 热解褐煤的渗透性与微细观结构

  李亚军, 孟巧荣, 陈涛, 林峰,

  为了研究褐煤热解过程中，热流固耦合作用下的微细观孔裂隙结构对渗透性的影响，利用太原理工大学μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统和自主研制的高温加热气氛炉，对低温热解褐煤进行实时CT扫描，结合三维可视化重构软件AVIZO对褐煤的微细观结构进行研究分析。通过对褐煤的有效孔裂隙的提取分析，从Kozeny-Carman渗透率估算方程与达西定律2种角度研究了无应力状态下的褐煤的渗透性和孔裂隙结构随温度的演化过程，结果表明：① 从室温~600 ℃，演化过程可以分为3个阶段:第1阶段，常温~300 ℃，煤体热破裂，导致大量孔裂隙产生，渗透率快速增加，发生量级变化；第2阶段为300~500 ℃，煤基质热解，新的热解产物改变了流体通道，使渗透率缓慢下降；第3阶段为500~600 ℃，渗透率又开始增加，渗透率进入下一个快速增加阶段；② 300 ℃时，褐煤的渗透率达到了15.5×10−12 m2，煤体基本完全渗透；③ 热流固耦合作用下，褐煤热解渗透率不仅取决于孔裂隙微细观结构，而且与流体在煤基质中的流动特性有关，随温度的增加，流体的传热传质特性对渗透率的影响越来越明显；④ 基于孔裂隙结构参数的Kozeny-Carman方程估算的渗透率和绝对渗透率相差不大，基本可以反应渗透率随温度的变化关系。基于真实孔裂隙结构上的渗透率估算可以大大减少高温高压渗流实验强度，为简化和验证岩体渗透试验提供一种方法。

• 多孔材料捕集烟道气中二氧化碳研究进展

  赵泽敏, 高慧敏, 屈婷, 荆洁颖, 李文英,

  化石燃料燃烧引起的CO2排放是全球气候变暖、极端天气频发的重要原因之一。目前中国一次能源以化石能源为主，CO2排放仍居高位。使用低成本、低能耗的CO2捕集方法是缓解上述情况发生的一种有效手段。与醇胺溶液吸收法相比，吸附法具有能耗低、对设备损害小、循环稳定性良好等优点，但同时它也存在吸附材料制备过程繁杂、成本高的缺陷。因此，亟待寻找一种成本低廉、CO2吸附性能优异的吸附材料实现对CO2的高效捕集。以多孔材料为出发点介绍了理想吸附材料应具有的性能，重点论述了烟气中水蒸气、SO2等成分对于多孔材料CO2吸附性能的影响以及多孔材料CO2吸附性能的改进方式。多孔材料具有比表面积大、孔径可调等优势，其中硅基介孔材料和活性炭材料价格低廉，MOFs材料功能多样，这些特征使得多孔材料被广泛应用于CO2捕集领域。值得注意的是，分子筛和硅基介孔材料对水蒸气敏感程度大，MOFs材料虽受水蒸气影响较分子筛小，但其在低压下吸附容量低，制备成本也比较高，活性炭材料同样也存在吸附容量低等缺点。因此，各种多孔材料还需不断改性以提高其吸附性能，目前大部分多孔材料的改性方式集中在孔隙结构调控和表面改性。未来研究还需深入探究多孔材料吸附CO2的内在机制以及表面改性与孔隙结构的协同调控等。

• 基于光学诊断技术的单颗粒煤着火及碱金属辐射特性

  李金云, 谢非, 宋旭东, 白永辉, 吕鹏, 王焦飞, 苏暐光, 于广锁,

  煤着火特性研究是实现煤高效和清洁利用的理论基础，煤中所含的K和Na等碱金属在燃烧过程中释放到气相中并进入系统容易引起反应器高温腐蚀、受热面结垢和炉内结渣等问题。单颗粒煤燃烧形式简单，其相关研究结果可以更好地揭示煤着火特性。基于单颗粒煤着火检测平台，探究了不同氧气体积流量下单颗粒羊场湾(YCW)烟煤和淖毛湖(NMH)褐煤燃烧过程中着火特性及碱金属Na*、K*辐射特性。利用高速摄像技术捕捉单颗粒煤着火过程中火焰演变过程，结合高光谱成像技术测定火焰中碱金属Na*和K*自发辐射光谱，获得碱金属的空间释放行为。结果表明：不同煤种着火过程不同，YCW煤颗粒挥发分燃烧过程中形成包络型火焰，NMH煤则由于挥发分高，着火反应比较剧烈，未出现包络现象，且整个着火过程中火焰亮度比YCW煤强。氧气增加对煤颗粒着火具有促进作用，随着氧气体积流量增加，YCW煤和NMH煤着火延迟时间减小，且NMH煤着火延迟时间小于YCW煤。着火产生时火焰亮度最亮，火焰外形相对平缓稳定。单颗粒YCW煤和NMH煤着火燃烧过程中碱金属Na*、K*辐射特性在煤颗粒着火后的挥发分反应过程和焦炭燃烧过程中不同，其中，挥发分反应过程Na*和K*辐射强度最强，Na*在挥发分反应过程和焦炭反应过程中分别存在释放峰，但K* 辐射强度在挥发分反应过程和焦炭燃烧过程并未出现明显的释放峰。当氧气增加，YCW煤和NMH煤碱金属释放时间逐渐提前，且NMH煤碱金属辐射开始时间小于YCW煤。另外，就单颗粒煤着火过程分析得出，燃烧火焰外围位置比中心位置碱金属Na*和K*释放强度更强。

• 褐煤显微组分及碱处理对其结构和燃烧性能的影响

  王延君, 赵云飞, 何润霞, 周华从, 李娜, 滕英跃, 宋银敏, 刘全生,

  抑制褐煤的自燃对于安全运输和高效利用褐煤具有重要意义。以胜利褐煤为研究对象，利用光学显微镜分选出惰质组和腐植组2种显微组分，并对其进行NaOH处理，以研究不同显微组分及NaOH处理对褐煤结构与燃烧反应性能的影响。通过SEM-EDS、XPS、FT-IR、XRD、Raman等手段对所制备煤样的结构进行表征，分析其主要官能团的变化差异，并利用热重分析仪考察NaOH处理对不同显微组分褐煤燃烧反应性能的影响。研究结果表明，腐植组褐煤的起燃点温度较惰质组提前约10 °C，但惰质组褐煤的综合燃烧特性指数略高于腐植组。经NaOH处理后，不同显微组分的褐煤均出现燃烧滞后现象，分别在200～500、650～800 ℃有2段明显的失重，且质量损失主要集中在第2个失重区间，腐植组褐煤表现更显著，其最大燃烧反应速率对应的温度较惰质组滞后约60 °C。对煤样燃烧过程进行动力学分析，表明不同显微组分褐煤经NaOH处理后燃烧反应活化能明显增加，且腐植组褐煤高于惰质组。XPS/FTIR分析结果表明，不同显微组分褐煤在NaOH处理后羧基含氧官能团含量均减少，主要是因为在NaOH处理过程中Na+与褐煤中的羧基含氧官能团作用形成羧酸钠结构，且腐植组褐煤中形成的羧酸钠结构含量较惰质组多，认为对不同显微组分褐煤燃烧的抑制作用主要归因于羧酸钠结构的较高稳定性，且与Na结合形成羧酸钠结构的数量是2者燃烧反应性能差异的主要原因。XRD/Raman分析结果表明，褐煤中羧酸钠结构的生成使煤样碳微晶结构有序度增加，其中腐植组褐煤的有序度高于惰质组。

• 基于多模型切换控制的煤气化工业过程先进控制

  张天辰, 赵众,

  煤气化是煤化工生产过程的重要组成工艺。煤气化过程以煤和氧气作为主要反应原料，在高温高压条件下发生化学反应生成粗合成气。相较石油化工行业，煤气化工业过程的先进控制(APC)实施有较大难度，原因在于煤气化过程中煤质不断变化，导致传统的基于单一模型的先进控制方法会引起控制器模型失配问题，引发生产过程中关键参数(氧煤比、气化炉温度)的较大波动。针对上述问题，基于水煤浆气化炉的生产实际，提出了一种基于多模型切换的动态矩阵控制方法。在离线状态下，利用不同煤质工况下的过程数据，构造多工况模型集。在线控制时，采取累积平方误差−总平方波动(ISE-TSV)作为控制器性能指标表征控制器性能与模型失配程度，同时使用多模型预测值作为模型切换准则。通过多模型切换动态矩阵控制，实现了煤气化单元的先进控制。根据所提方法开发了多模型切换控制软件Wisdom-Controller，在UniSim平台上进行了控制模拟，并进行了工业应用测试，模拟及工业应用测试结果证实了所提方法能够在煤质工况波动的情况下，实现氧煤比及气化炉温度的精准控制。对比传统的人工手动操作，基于多模型切换控制的先进控制方法降低了氧煤比及气化炉温度均方控制偏差。同时减少了比煤耗，增加了合成气体产量，显著提高了装置的经济效益。从而为实现煤气化工业过程的先进控制提供了一条新的有效途径。

• 富油煤钻井式地下原位热解提取煤基油气资源的几个关键问题

  付德亮, 段中会, 杨甫, 马丽, 王振东, 田涛, 贺丹,

  富油煤是一种具有油气资源属性的特殊煤炭资源，开发富油煤所蕴含的煤基油气资源，实现煤炭这一高碳资源的低碳利用，对于保障国家能源安全、实现“双碳”目标具有重要意义。钻井式富油煤地下原位热解是在工程钻井的基础上，通过煤层人造裂缝，实现多口钻井的连通，然后利用电加热或气体热载体加热等技术加热煤层，使富油煤热解产生油气资源，并在抽采井完成油气采集。目前，煤层加热方式、煤层热解温度、储层改造技术、热解油气的高效抽采等问题亟待解决。① 反应热加热、传导加热、辐射加热等在富油煤地下原位加热应用中均存在不同缺陷，以气体热载体加热为主的对流加热方式更加适用，但是针对不同的地质条件，优选经济安全的载热流体，营造高效的热解氛围尚需要开展针对性的研究工作。多种加热方式相互配合，有望成为富油煤地下原位加热方法的突破方向。② 350~450 ℃是目前普遍较为认可的高效热解温度，但是不同煤质特征以及不同热解氛围，其相应的优势热解温度区间略有不同，富油煤热解的化学热力学和动力学研究是科学预测热解温度的有效手段。③ 在储层改造方面，水力压裂技术、超临界CO2压裂技术和液氮致裂技术，在富油煤地下原位热解应用中均具有一定的适应性，但同时也不同程度的存在一些缺陷，对于不同的地质条件而言，需要做具体客观的评价方可确定相适应的技术手段。可控冲击波技术在岩层致裂方面具有高效可控的优势，未来有望在本领域得到广泛应用。④ 富油煤热解产生的可燃气体以CH4、H2、CO为主，同时伴随较高含量的CO2，易于直接抽采，而热解油为高密度、高黏度的煤焦油，其凝结温度高，180 ℃以下便会大量凝结，存在井筒堵塞的风险，针对性的制定抽采井温压保持方案，是提高热解产物抽采效率的关键所在。此外，未来研究工作中，有关富油煤地下原位热解地质工程一体化综合评价、原位热解反应进程监测、全过程数值模拟等系统性问题同样需要重点关注。

• 基于全生命周期的富油煤原位热解碳排放

  薛香玉, 王长安, 邓磊, 宁星, 车得福,

  控制碳排放已成为当前和未来中国社会必须解决的重大战略问题。在碳达峰的目标愿景下，煤炭行业亟需更加安全、高效和低碳的利用方法。中国西部的富油煤资源丰富，但多被直接用于燃烧发电，造成资源浪费和环境污染。富油煤原位热解提供了一种全新的煤提油路径。该方法在原位将煤炭转化为油气资源，与传统煤炭开采手段相比，减小了采空区体积，岩体结构变形损伤小，可减轻对地质构造的破坏和环境污染。但作为一个起步阶段的研究方向，鲜见到对其从全生命周期角度进行的碳排放评价。采用全生命周期(LCA)的评价方法，对富油煤原位热解项目从煤层改造、原位加热、产品加工、产品输运以及进入消费终端的全过程碳排放量进行了分析。同时，与煤间接液化和煤直接液化的碳排放清单进行了横向对比，系统分析了富油煤原位热解的碳排放量。研究结果表明，采用低碳能源是实现富油煤原位热解绿色低碳发展的关键，电力来源为常规电网时，处理1 t煤原位热解的LCA碳排放量约为2.234 5 t (以CO2计)；而电力来源为新能源风电时，处理1 t煤原位热解的LCA碳排放量仅为0.608 6 t (以CO2计)。与煤间接液化和煤直接液化相比，富油煤原位热解具有明显的碳减排优势。为有效降低碳排放量，需综合运用多种减排措施，包括提高能效利用、优化加热方式以及加大清洁能源比例等。

• 露天矿区无人驾驶行车风险评估及防控策略仿真研究

  陈志发, 余贵珍, 张传莹, 丁能根, 周彬, 李在友, 欧阳东哲,

  行车风险评估及防控是露天矿区无人运输系统的关键技术之一，为保障无人驾驶车辆在露天矿区安全运行，从露天矿区车−路−云的运输场景出发，建立了行车安全保障模型。综合车端−路侧−云平台的多源信息，对无人驾驶车辆进行行车风险等级评估并设计了相应的行车风险防控策略。行车安全保障模型由行车状态感知模块、行车风险评估模块和行车风险防控模块3部分组成。在行车风险评估方面，引入车辆前方道路坡度信息对预碰撞时间指标的阈值进行修正，引入车辆前方道路坡度及车辆载重状态信息对最小制动安全距离指标进行修正，结合预碰撞时间指标和最小制动安全距离指标提出了综合行车风险评估策略，可以对露天矿区无人驾驶车辆实时行车碰撞风险进行等级量化。然后，基于有限状态机设计了考虑不同行车风险等级的碰撞风险防控决策系统，针对不同状态制定了满足最小安全距离要求的车辆平稳制动控制策略。最后，基于PreScan与Matlab联合仿真技术，搭建了某露天矿区无人驾驶车辆的数字孪生仿真系统，并进行了水平道路场景、上下坡道场景和满载工况的车辆遇障停车仿真测试。仿真结果表明：行车风险评估模块在下坡道场景可以提前评估风险并及时制动停车，说明引入前方道路坡度信息的综合行车风险评估策略可以提高上下坡道场景车辆的行车安全；同时，通过引入车辆载重信息来修正最小制动安全距离指标，可及时评估满载车辆前方的潜在碰撞风险，提高了露天矿区满载车辆的行车安全；行车风险防控模块的紧急制动控制策略可以在10 m安全距离前实现平稳制动停车，提高了大载重车辆在遇障停车时的平稳性。

• 废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网关键技术及瓶颈问题

  王浩, 李斌, 王雨婷, 李绍令, 张国澎, 杨大山, 白利军, 王聪,

  从废弃矿井残留能源与空间资源协同利用出发，在废弃矿井绿色低碳多能互补体系框架下，统筹考虑废弃矿井采空区煤层气开采活动用电需求与采煤沉陷区可再生能源发电潜力，以及低浓度瓦斯发电和储能作为补充，提出探索构建集成风−光−气−储的废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统。相较于普通直流微电网，低系统惯量、弱电网连接、分布式发电随机波动和周期变工况负荷大扰动等多重不利因素叠加使得废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统稳定运行面临更加严峻的挑战。为此，有必要围绕废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统这一废弃矿井残留能源与空间资源协同利用潜在场景涉及的关键技术及背后的瓶颈问题展开系统梳理与探讨。首先，阐述了废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统的拓扑结构与组成单元，并从能量流动模型出发探讨了在寻求系统容量优化配置过程中需要考虑的约束条件。接着，提炼出煤层气抽采机电动机周期变工况负荷分析、低浓度瓦斯发电机气−电转换环节耦合、电压稳定控制及协调运行等破解废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统可靠稳定及协调运行难题涉及的关键技术，总结和回顾了已有研究进展，分析了目前工作存在的难点和问题，同时探讨了可能的解决方法及后续工作建议。进一步指出亟待攻克低浓度瓦斯发电机气−电耦合长时间尺度与风光储短时间尺度联合建模，以及低惯量、弱连接、大扰动等多重不利因素作用导致的电压振荡机理等关键技术背后的核心瓶颈问题。最后，从已有工作基础、研究进展及经济效益评估等方面展望了构建废弃矿井残余煤层气开采多能互补直流微电网系统的可行性及应用前景。

• 基于双屏视觉标靶的掘锚机机身位姿测量技术

  黄喆, 李佳雄, 杜文阳, 徐叶倩, 沈小玲, 赵世艺, 王浩森,

  针对掘锚机在煤矿巷道掘进过程中难以实现机身位姿的实时精确测量，进而导致难以实现定向掘进的问题，提出一种基于双屏视觉标靶的掘锚机导向方法。由2块竖直安装的感光成像屏组成双屏视觉标靶靶面，巷道中的激光器发射指示激光并在前、后靶面上呈现光斑，利用视觉测量、高精度栅格标定等技术，建立光斑质心的图像坐标与三维空间坐标的映射关系，以形成坐标点云数据；再根据栅格索引、坐标变换、欧拉角解算等原理，结合标靶底部的双轴倾角仪来获得掘锚机机身的实时位姿，并解算出机身关键点相对于巷道设计轴线的横向/纵向偏差，为掘进过程中的偏差纠正提供数据支撑。通过构建数学模型对系统脱靶问题进行了分析，同时搭建实验平台验证了该导向方法的有效性。实验结果表明：该方法能够实现机身六自由度空间位姿的精确测量；在9 m测试距离下偏航角重复性测量精度优于0.01º、偏航角绝对测量误差小于0.05º；在15～40 m测量范围内，用全站仪与矿用激光器设置计划线时机身关键点横向/纵向偏差测量误差分别小于5、15 mm。基于该方法研发的导向系统已成功应用于煤矿井下巷道掘进中，满足了巷道施工与掘锚机机身定位的精度要求。该导向方法的误差特性与测试距离无关，且该方法中涉及的所有光学测量功能均在标靶内部实现，可有效屏蔽井下复杂环境对测量功能的影响，大幅提升了现场应用时的抗粉尘干扰能力。