煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第6期

• 纤维素基柔性电致变色器件研究进展及展望

  刘鼎盛, 焦月, 梅长彤, 肖慧宁, 李坚,

  电致变色技术是一门极具潜力的应用科学，正逐渐引起学术界和工业界的深度关注。主要从电致变色器件(Electrochromic Devices，ECD)的工作原理、器件结构、材料应用等方面进行介绍和总结。新兴的柔性ECD其具有质量轻、灵活、便携等优点在智能穿戴和柔性电子产品中的应用更为广泛。然而柔性ECD在生产应用中仍存在一些缺陷亟待解决：① 常规的玻璃基底制备出的刚性电致变色器件柔性不足、原材料稀缺且不可再生；② 传统的液态电解质在使用过程中易泄露、腐蚀、蒸发，严重影响器件的安全性及使用寿命；③ 电致变色层电化学稳定性较差，影响器件使用寿命。从结构和性质方面讨论了纤维素材料用作ECD柔性基底、电解质、电致变色层的应用和优势。纤维素材料具有优异的光学、力学性能，以其作为ECD器件的基底可规避常规玻璃基底柔性不足、原材料稀缺等缺陷；在电解质层中合理引入纤维素，其三维网络结构及主干上的官能团可通过形成离子键、氢键的方式提高电解质的机械性能与导电性能；在电致变色层中合理引入纤维素，纤维素的三维网状结构能为材料发生氧化还原反应提供更大的比表面积及缓解电子/离子嵌入、脱出过程引起的体积膨胀，有助于改善电致变色材料的电化学稳定性，延长器件的使用寿命。纤维素基柔性ECD在节能建筑、显示设备及储能设备等领域具有广阔的应用前景，在柔性电子器件引入纤维素对扩展其应用范围和提升利用价值具有重要意义。

• 煤耦合生物质气化发电技术研究进展

  苏鑫, 刘静, 陈冠益, 姚金刚, 颜蓓蓓, 易维明, 程占军, 姚燕, 刘孝阳, 何建杰, 杨继开,

  煤电碳排放是我国能源消费碳排放的主要来源。生物质发电是一种零碳甚至可以是碳负排放的电力生产方式，因此发展煤耦合生物质气化发电技术可实现煤炭减量替代与碳减排效应，是一条煤电走向低碳化的可行路径。基于此，综述了煤耦合生物质发电的3种技术——直燃耦合发电技术、并联耦合发电技术和气化耦合发电技术，解析了3种技术的特点，提出了煤耦合生物质气化发电技术的优势，并基于气化耦合发电技术研究了原料的物理化学性质适应性及原料对气化炉的影响。重点解析了煤耦合生物质气化发电技术的工艺流程，包括生物质原料储存输送系统、气化炉(循环流化床(CFB)气化炉、双流化床(DFB)气化炉、下吸式固定床气化炉、上吸式固定床气化炉、横吸式固定床气化炉和链条炉)、燃气冷却降温系统、燃气加压输送系统、燃气耦合燃烧系统和气体净化系统，并进行了能源利用效率、经济性与环境效益分析，以期为煤耦合生物质发电技术的研究与应用提供理论参考与技术支持。此外，还综述了国家为推进煤耦合生物质气化发电技术出台的一系列政策及当前煤耦合生物质气化发电站的成功案例。最后对煤耦合生物质气化发电技术存在的挑战和未来的发展进行了展望。

• 生物质水热炭改性方法及应用研究进展

  钱黎黎, 王彦鑫, 倪俊, 王爽, 顾衡,

  水热碳化技术是实现生物质资源化利用的新型技术，具有可直接处理湿生物质、反应温度低、反应时间短、减量化效果明显等优势。由于水热炭具有发达的孔隙结构、丰富的含氧官能团、大比表面积、高热值等性质，在环境、能源、电化学和催化等领域获得了广泛的应用。简述了水热碳化技术的反应条件及反应过程，介绍了水热炭的物理活化和化学活化等传统改性方法，重点分析了低温等离子体、厌氧发酵、磁化、固态微波、聚乙烯亚胺、杂原子掺杂等新型改性方法对水热炭结构和表面官能团的作用效果。综述了水热炭作为重金属、有机物、CO2吸附剂，土壤改良剂，固态燃料、电极材料及催化剂的应用进展。作为吸附剂，水热炭对水体重金属元素(Cr、Cu、Zn等)的去除率可以达到82%～99%，对CO2的吸附量可以达到1.2～8.3 mmol/g。作为土壤改良剂，添加水热炭可以减少氮肥的施用量。作为固态燃料，木质纤维素制备的水热炭热值较高，可达30 MJ/kg，接近于烟煤的热值。作为电极材料，通过改善水热炭的孔径分布，提升水热炭中含氧及含氮官能团的数量可大幅提升其电化学性能，水热炭的比电容可达到300 F/g以上。在催化领域，水热炭本身可以作为催化剂或负载活性组分作为催化剂载体。最后，指出了未来应重点开展水热炭的复合改性、回收利用、对植物和土壤微生物的毒害机理等方面的研究，并进一步提升其燃烧性能、比电容、能量密度和稳定性，以实现水热炭的商业化应用。

• 酒糟基炭材料的制备及应用

  于天潮, 张晓沛, 刘伟峰, 符冬菊, 刘旭光,

  酒糟是乙醇工业和酿酒工艺产生的主要固体生物质废弃物，具有来源广泛、含碳量高、元素种类丰富等特点。酒糟在经过发酵、蒸馏等处理之后，仍含有丰富纤维素、木质素、粗蛋白和淀粉等物质，是理想的生物质炭材料前驱体。酒糟基炭材料是以酒糟为碳源，通过高温热解和水热处理等炭化方式，以及经过物理、化学等活化方式制备得到的炭材料。因其碳含量高、比表面积大、孔隙结构和元素种类丰富等特点，受到广泛关注和研究。综述了酒糟基炭材料的原料组成、制备方法及其在不同领域的应用，为今后对酒糟基炭材料的进一步研究提供了系统参考。首先分析了前驱体酒糟的来源和组成，不同地区、不同酿造方法产生的酒糟组成有所不同，主要体现为纤维素、木质素和粗蛋白等成分比例，以及N、S、P等元素质量分数的差别。然后总结对比了目前研究中典型的酒糟基炭材料制备方法，包括热解法、水热法和活化方法等，并展望了在未来酒糟基炭材料研究中可采取的先进制备方法。此外，介绍了目前酒糟基炭材料在能源(超级电容器、电池)、环境(重金属离子吸附、污水净化)、农业(土壤改善、缓释肥载体)和催化领域(氧还原、有机污染物降解)等方面的应用进展。最后，对现阶段酒糟基炭材料研究和应用过程中存在的问题及未来发展前景进行了展望。

• 纤维板水热转化氮在固液两相迁移与转化特性

  汪锦川, 徐德良, 卫俊涛, 李斌, 张书, 黄勇, 张红,

  废弃人造板氮含量高，热转化处理与应用存在NOx污染问题。重点研究纤维板水热转化过程中氮在固液两相的迁移与转化，分析了水热热转化温度及停留时间对氮在固液两相的分布与转化的影响，对氮迁移转化路径与机理进行了探讨。结果表明，纤维板中的外源氮在水热转化过程中易向液相迁移，140 ℃水热转化0 min仅有约10%氮保留在固相中。进一步提升水热温度，部分液相氮迁移回固相中。水热温度提升到220 ℃前，氮在固相中的固集作用随温度提升显著增强，分析认为主要是半纤维与纤维素水解的富含氧官能团的中间产物强化了氮固集的Maillard反应。260 ℃水热条件下，长停留时间促进了木质纤维素水解产物在固相中的缩聚，液相游离氮也广泛参与了此反应过程，由此氮的固集作用被显著增强。低温水热条件下固相氮以胺氮为主，水热温度达到180 ℃后，缩合、聚合以及芳构化作用的增强使固相中氮转变为杂环氮，水热温度的进一步提升使杂环氮向更稳定的结构转化。同时，高温水热固相产物中胺氮始终保持一定份额，验证了液相游离氮在固相中固集作用的发生。对应固相氮的迁移，液相氮含量在140 ℃达到最大值，此后随着温度的提升其含量一直保持下降趋势。液相氮以有机氮和铵氮为主，液相氮的转变由有机氮去氨基化反应和Maillard反应共同影响。低温水热条件下，提升温度导致去氨基化反应增强使铵氮含量有增加趋势，高温条件Maillard反应的增强又使部分铵氮返回到有机结构中。有机氮测试分析表明，低温水热下液相氮的结构主要以聚合度较高的大分子结构为主，180 ℃条件下开始有大量的挥发性杂环氮生成，且吡啶氮一直是有机氮的主要结构成分。

• Ni-Fe合金催化剂制备及催化硬脂酸加氢脱氧性能

  郭效博, 王玮, 赵佳平, 徐俊明, 赵平, 刘朋,

  以油脂为原料通过加氢脱氧方式制备烃基生物柴油的研究具有重要现实意义和广阔应用前景。在烃基生物柴油的制备过程中，为降低油脂加氢脱氧过程中碳原子的损失，制备高活性、高选择性的催化剂至关重要。采用浸渍法制备了一系列Ni-Fe双金属催化剂，并将其应用于催化硬脂酸加氢脱氧反应；采用XRD、TEM、HRTEM、XPS、NH3-TPD、H2-TPR等手段对催化剂进行表征分析，探索了制备条件及金属Fe的加入对Ni基催化剂理化特性及加氢活性的影响，结果表明，在500 ℃还原、10% Ni金属负载量、Ni/Fe质量比=3∶1条件下制备的催化剂表现出较佳的加氢脱氧性能，Fe的加入与Ni形成了FeNi3合金，Ni和Fe金属的内部相互作用还促进了Ni-Fe团簇的高分散性和形成了较小的粒径尺寸。此外，FeNi3合金的形成还降低了Fe、Ni催化剂的还原温度，提升了Fe、Ni催化剂的中等酸活性和总酸度，这促进了催化剂的加氢脱氧活性。考察了反应温度、初始H2压力、时间和催化剂用量等因素对硬脂酸加氢脱氧反应的影响。得出260 ℃、3.0 MPa、4 h、0.02 g催化剂用量为最优加氢脱氧反应条件，催化剂在该条件下实现催化硬脂酸加氢脱氧反应100%转化率和较高C18选择性(93.5%)。最后，通过与商业催化剂进行催化性能对比，表明该催化剂在反应活性及C18选择性方面均存在显著优势。这项研究为下一步油脂原料的选择性加氢脱氧提供数据支持及理论指导。

• 煤灰掺杂对气化条件下生物质中不同无机形态钾迁移转化的影响

  何紫萌, 邓玉洁, 石文举, 曹景沛, 赵小燕,

  钾(K)是生物质中一种主要无机元素，在生物质气化过程中它的迁移转化会造成结渣、积灰和灰团聚等问题，掺杂富含硅(Si)和铝(Al)的煤灰是解决这些问题的有效途径之一。大部分生物质中K主要以K2CO3、K2SO4和KCl等水溶性无机盐形式存在，但不同种类生物质中这几种无机K盐组成差异较大，导致气化过程中灰团聚、结渣行为有较大差异。因此，该研究利用了负载K2CO3、K2SO4和KCl的松木模拟含不同无机形态K的生物质，在水蒸气和CO2气氛下，系统研究了气化过程中煤灰对不同无机形态K迁移转化和在流化床条件下(石英砂为床料)灰团聚行为的影响。研究发现，尽管2种煤灰的晶体矿物组成不同，在气化过程中它们均与负载K2CO3和K2SO4的松木反应形成了钾霞石(KAlSiO4)。然而，对于负载KCl的松木，相比于水蒸气气氛，由于煤灰在CO2气氛下生成钾霞石的能力较弱，因此大部分KCl主要通过物理吸附保留，导致K保留比较低。另外，负载KCl的松木气化残渣中K的保留比显著低于负载K2CO3或K2SO4的松木，说明生物质中KCl易挥发且与煤灰的反应较弱，更易造成灰沉积和腐蚀等问题。然而，热力学平衡计算表明3种K盐和煤灰反应主要生成白榴石或长石，与实验结果差别较大。最后，尽管煤灰的加入不能阻止团聚物形成，但抑制了负载K盐的松木和石英砂生成低温熔融硅酸钾的过程，使形成的团聚物更易破碎，可以有效缓解流化床中的灰团聚等问题。

• 烘焙预处理对玉米秸秆气化产物特性的影响

  薛俊杰, 徐嘉龙, 马中青, 张志霄, 胡艳军, 王树荣,

  我国生物质资源丰富，是一种清洁可再生的原料，通过生物质气化技术将其转化为可燃气，用于替代燃煤和天然气供热或发电，对我国实现“碳达峰”和“碳中和”的“双碳”目标具有重要意义。然而，生物质原料存在含水率高、含氧量高及热值低等缺点，导致气化可燃气存在热值低和焦油含量高的缺陷，使得利用农林废弃生物质“变废为宝”面临较大挑战。选取玉米秸秆为原料，首先采用程序控温管式炉对其进行烘焙预处理，并用元素分析、工业分析、X射线衍射仪、傅里叶红外光谱仪、热重分析仪等仪器对其基本物理化学特性进行分析；其次，采用自制的小型固定床气化炉装置，研究烘焙预处理温度对玉米秸秆气化可燃气、炭和焦油产物产率和特性的影响。研究结果表明，随着烘焙温度的升高，玉米秸秆的O质量分数及挥发分明显降低，C质量分数与固定碳显著增加，使得热值从17.26 MJ/kg增加至25.50 MJ/kg；烘焙温度对气化产物的质量产率和特性也有显著的影响。随着烘焙温度的升高，可燃气的质量产率逐渐下降，H2的体积分数从13.85%大幅增加到22.56%，可燃气的低位热值在烘焙温度为220 ºC时达到最高值，为9.36 MJ/Nm3。较高的烘焙温度导致气化残炭的质量产率上升，并且气化残炭中的C 元素与固定碳增加，而挥发分与灰分减少，热值从22.74 MJ/kg增加至24.52 MJ/kg。较高的烘焙温度使得焦油的质量产率从21.07%大幅下降至12.67%，焦油组分主要由芳烃类、酚类及脂肪烃类组分构成，其中芳烃类物质与酚类物质的质量分数较高，随烘焙温度升高，芳烃类物质的质量分数先增加后减少，而酚类物质质量分数先减少后增加，其他脂肪烃物质质量分数变化规律不明显。因此，烘焙预处理可显著改善玉米秸秆的品质，进而提升气化可燃气的热值，降低焦油含量。

• 生物质热解挥发分化学链重整工艺模拟与分析

  刘根, 张榕江, 孙仲顺, 马广举, 张博, 杨伯伦, 吴志强,

  在常规生物质化学链气化工艺中，热解、气化、重整等众多复杂的反应过程被限制在同一个反应空间中，这些反应之间存在复杂的相互作用，导致碳转化率较低，且难以实现产物定向调控与系统自热运行。基于解耦策略的生物质热解与化学链重整相结合的工艺可实现上述复杂过程定向调控，从而一定程度上克服常规化学链气化面临的挑战。利用Aspen Plus软件对该工艺进行全流程模拟，并使用热解实验结果对模型进行验证。考察了热解反应器温度、重整反应器温度、蒸汽生物质质量比对工艺性能的影响规律。结果表明：热解温度在400～600 ℃所建立的工艺模型能够有效预测热解产物分布；随着热解温度的提升，合成气产量总体上呈现上升趋势，在550 ℃下获得最高的合成气产量为1 158.98 Nm3/kg生物质；在600 ℃热解温度下，热解半焦和载氧体氧化放热可满足重整反应器的热量需求，实现系统热自持； 重整反应器温度升高会增加合成气的产量，但是会降低合成气的氢碳比与能量效率，同时系统自热状态下运行所需的床料循环速率显著增加；蒸汽能够有效调节合成气产品的氢碳比，热解化学链重整工艺生产氢碳摩尔比为2.0的合成气，蒸汽生物质质量比仅为0.45，低于生物质化学链气化工艺所需的1.2～1.4。因此，综合考虑合成气产量及工艺性能，生物质热解结合化学链重整工艺操作条件以热解反应器温度550～600 ℃，重整反应器温度700 ℃，蒸汽生物质质量比为0.45较为适宜。

• CTAB辅助晶种法合成Zn/ZSM-5催化剂及其在催化重整纤维素挥发分的作用

  姚乃瑜, 曹景沛, 赵静平, 庞新博, 刘天龙, 蔡士杰, 陈晨旭, 赵小燕,

  石油的大量消耗和环境的日益恶化引发了人们对可持续化学的关注和发展。生物质能源是地球上唯一可再生的碳源，被认为是替代目前短期内无法再生的化石燃料的潜在能源。生物质热解挥发分在ZSM-5上催化生成芳烃是一种有前途的生物质增值化利用方式，通过调节ZSM-5分子筛孔道结构和表面活性位点来提高轻质芳烃的产率和抑制积炭的生成。采用十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为模板剂，使用晶种法在合成过程中添加了金属Zn合成多级孔Zn/ZSM-5分子筛，阐述了合成过程中金属Zn与CTAB的作用对ZSM-5晶化过程的影响，并将该催化剂应用于纤维素热解挥发分催化重整制备轻质芳烃的研究中。并使用XRD、SEM、BET、NH3-TPD和XPS等手段对催化剂进行表征，从而得到催化剂的物化结构。结果表明，适量CTAB的加入增大了分子筛的比表面积，显著增加了介孔，促进了反应物与产物的传质，抑制了反应中积炭的生成。并且CTAB的存在能够调控金属Zn的存在形态，加强了金属Zn与分子筛骨架的相互作用，形成更多的Zn-OH+活性位点，使催化剂拥有较强的脱氧能力和氢转移能力，促进了碳氢化合物的芳构化，金属Zn的加入也弥补了酸量的降低。ZnZ5-1(合成初始物料中CTAB/SiO2摩尔比为1)具有适宜的介孔(3～10 nm)和适当的酸量，表现出较好的催化性能，轻质芳烃产率最高达166.7 mg/g。在合成过程中使用介孔模板剂的同时引入金属活性位点，通过2者协同作用调控催化剂特性，为提高生物质挥发分催化重整制轻质芳烃产率提供了思路。

• 高压CO2水热处理对香蕉假茎理化性质和燃烧特性影响

  罗达, 江锋浩, 陈黎, 胡顺轩, 李俊国, 吴昌宁, 刘科,

  香蕉假茎废弃量大，但由于其含水量高、富含碱金属及碱土金属、能量密度低等问题，限制了燃料化利用，而高压CO2水热处理为非蒸发湿法转化处理工艺，可高效的脱水、脱碱，并提高热值。利用电子扫描显微镜(SEM)、气体吸附分析仪(BET)、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、热重分析仪(TGA)等表征手段，考察了高压CO2水热处理对香蕉假茎理化性质及燃烧特性的影响。研究表明，随水热温度升高，固体产率降低，其高位热值增加，且最大可增至25.76 MJ/kg。随水热温度升高，样品层间三维结构被破坏形成片状结构，随刻蚀程度的进一步加剧，进而形成新的三维网状结构。因此，样品比表面积呈现先增加，后减小，随后升高。而表观形貌复杂程度加剧，孔隙结构发达，使得样品的燃烧性能改善。与此同时，水热温度在120～200 ℃时，由于易燃的半纤维素与非晶纤维素解聚成小分子，直至完全消失，样品着火温度增加，综合燃烧特性指数增加。当水热温度在200～280 ℃时，纤维素Ⅰ开始分解并转化为热稳定性更高的纤维素II，进而样品着火温度降低，综合燃烧特性指数降低。此外，随着水热温度升高，木质素的含量增加，燃尽温度升高。利用Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法燃烧动力学分析，除280 ℃水热样品，其余样品的平均活化能均高于原样。综合比较能量回收率及燃烧性能，经过240 ℃的高压CO2水热处理后获得的水热焦其综合理化性能最优。

• 鸡粪对小麦秸秆燃烧过程中结渣影响的机理

  杨自强, 李风海, 马名杰, 赵薇, 刘雪飞,

  双碳背景下，生物质作为煤炭资源的可替代清洁能源，其高效利用成为目前研究的热点。通常生物质的碱金属和碱土金属质量分数较高，在燃烧过程中易造成结渣、堵渣问题。为此，在对小麦秸秆(XM)燃烧过程中灰熔融温度(AFT)及其结渣机理的研究基础上，借助X射线衍射仪(XRD)、共聚焦拉曼光谱仪(Raman)、扫描电子显微镜(SEM)等方法，结合FactSage热力学软件计算氧化性气氛下随鸡粪(JF)的加入小麦秸秆灰熔融过程中矿物质迁移转化行为。研究结果表明：当添加的鸡粪质量分数>15%时，变形温度(DT)>1 000 ℃，满足流化床运行要求。随着鸡粪质量分数的增加，镁黄长石(Ca2MgSi2O7)和镁硅钙石(Ca3MgSi2O8)等高熔点(MP)长石类矿物质的生成是XM四种特征温度升高的主要原因。从硅酸盐角度分析，鸡粪的加入促使灰样中桥氧键以及硅酸盐聚合度增加，导致混合灰样的AFT升高。根据灰渣的组成和灰熔融特性，并借助SEM对灰渣表面微观形貌进行观察，发现随着鸡粪质量分数的增加，950 ℃时灰渣表面由紧密光滑变为疏松多孔且粗糙，极大程度缓解了生物质结渣、烧结等问题。结合热力学软件FactSage计算不同温度下矿物质组成和液相质量分数，发现加入鸡粪提高了液相总质量分数。高熔点矿物质发生低温共熔现象，导致FT升高范围小于DT。鉴于以上结论，通过实验和热力学计算对生物质燃烧过程中的AFT变化和结渣机理进行研究，以期为生物质能源的规模化应用提供数据支持。

• 炭化/活化温度对碳酸钾活化玉米芯生物炭吸附苯的性能影响

  黄钰坪, 王登辉,

  生物炭作为一种新兴的碳质吸附剂，具有良好的VOCs控制功能。以玉米芯为原料，制备了一系列生物炭(BCx)和碳酸钾活化生物炭(KBC-x-y) (其中，x为炭化温度，y为活化温度)用于吸附苯。利用热重分析、氮气吸附−脱附、扫描电镜(SEM)以及元素分析(EA)等方法获得了生物炭(质)样品的热解特性、比表面积、孔容孔径、表面形态及原子占比等，通过吸附实验考察炭化温度/活化温度对生物炭吸附苯的影响。结果表明：碳酸钾活化后的生物炭比表面积最高可达576.76 m2/g，孔容积为0.325 m3/g，对苯的最大吸附量达到82.51 mg/g(较未活化生物炭提升2.9倍)；炭化温度与吸附能力呈现正态分布的趋势，吸附能力随着炭化温度的升高而增强，但过高的炭化温度(> 800 ℃)会导致气孔堵塞、数量减少，比表面积降低，吸附能力下降；低温/高温炭化下，生物炭吸附能力随活化温度变化呈现出相同趋势；高温炭化后(800 ℃)，最佳活化温度为400 ℃(KBC-800-400)，活化温度太高会导致微孔孔壁破碎以及挥发物的烧结效应，从而降低吸附能力，较低的活化温度未能使K2CO3在炭表面充分反应；低温炭化后(400 ℃)，最佳活化温度为(800 ℃)，低温炭化高温活化生物炭(KBC-400-800)吸附性能优于高温炭化低温活化生物炭(KBC-800-400)，可能是因为在低温炭化情况下，较高的活化温度有利于碳酸钾参与活化过程反应。

• 稻壳高温热解条件对焦结构演化的影响

  王鑫雨, 孙健超, 徐世明, 陶继业, 余波, 翟明, 周怀春,

  生物质焦利用过程中碳的转化水平决定后续利用的总体效率，而生物质焦的转化率一定程度上取决于生物质的理化结构。为探究稻壳高温快速热解过程中焦结构的演变，设计并搭建了稻壳高温快速热解系统。通过对稻壳热解停留时间和温度进行精确的控制，精确控制反应进程。以扫描电子显微镜、拉曼光谱、比表面积分析、傅里叶红外光谱等测量手段对所得稻壳焦的物理化学结构进行了表征。研究不同热解温度和停留时间下稻壳焦的产率、孔隙的种类与发展、化学官能团和碳结构的变化。结果表明，热解温度越高，停留时间越长，生物质焦产率越低，焦表面碎裂越明显，孔隙结构越发达。在热解温度为1300 ℃、停留13 s时，稻壳焦比表面积最大为141.17 m2/g，孔径主要分布在2～10 nm，表面出现明显碎裂痕迹。热解温度升高和停留时间延长，使得稻壳焦的化学结构变得越来越脱氧，碳结构高度有序化，稻壳焦中具有6个及以上稠合苯环的芳环浓度增加。高温对稻壳焦中C—O键、—OH破坏明显，导致支链和桥键断裂，含氧官能团释放和碳骨架石墨化。表面碳元素主要是以C—C/C—H为主，停留时间5 s时含量从900 ℃的63.86%增加到1 300 ℃的68.27%。而C—H、C—O、C=O和COO—含量均有不同程度的降低。表面氧元素主要以COO和COOH为主。随着热解温度升高，稻壳焦中苯环数量逐渐减少，芳香环平均数增加，表面亚甲基数量减少，碳活性降低。总结稻壳焦结构演化规律将为优化热解条件、提高热解效率及后续稻壳焦燃烧和气化利用提供参考。

• 水热处理过程中棉杆三组分衍变对其成型燃料物理性能的影响

  刘思梦, 郎森, 张守玉, 曹忠耀, 杨济凡, 周义, 胡南, 吴玉新,

  作为一种典型的生物质废弃物，棉杆经水热处理后热压成型可有效解决其结构松散、热值低和能量密度低等问题。以新疆棉杆为研究对象，使用高压反应釜完成180～280 ℃水热处理实验后制备成型颗粒，利用电子万能材料试验机与扫描电镜仪等手段分析了不同水热处理温度下棉杆成型颗粒的物理性能，使用傅里叶红外分析仪、X-射线衍射仪等手段分析了棉杆中主要化学组分(纤维素、半纤维素与木质素)的衍变，探究了生物质三组分衍变行为对其成型颗粒物理性能的影响规律，确定了影响棉杆成型性能的关键作用组分。结果表明：随着水热处理温度的升高，棉杆成型颗粒的抗压强度和表观密度均呈先上升后下降的趋势，并在230 ℃水热处理时达到最大值(抗压强度9.3 MPa，表观密度1 478.46 kg/m3)；在水热处理过程中，半纤维素于200 ℃前几乎完全分解，无定形纤维素和结晶纤维素分别在230 ℃及280 ℃前分解完毕，而木质素则是在280 ℃下水热后棉杆中存在的主要组分；结晶纤维素在棉杆成型颗粒中起到骨架支撑作用，是保证棉杆成型颗粒机械强度至关重要的组分，而木质素在棉杆成型过程中主要起黏结剂作用，且有利于增加棉杆颗粒间的结合程度。

• K+改性生物炭对亚甲基蓝吸附性能的影响

  代泽宇, 周剑林, 刘伟银, 秦平, 陈章, 李志贤, 陈国梁,

  以玉米秸秆为原料，采用磷酸(H3PO4)活化改性、氢氧化钾(KOH)负载K+改性并炭化的方式制备改性玉米秸秆生物炭(以下简称生物炭)。利用SEM、BET、XRD、ICP、XPS以及FT-IR等表征手段，对生物炭的结构进行表征。以制备的生物炭为吸附剂，测定其对模拟废水中亚甲基蓝(MB)的吸附性能。结果表明，K+改性后生物炭为柱状片层结构并生成更丰富孔隙，表面含有－OH、－COOH等含氧官能团，且K+改性后含氧官能团呈现专一化发展趋势。生物炭对MB具有良好的吸附作用，中性与碱性环境下吸附效果较好，最大吸附容量为222.93 mg/g，较未改性生物炭(68.38 mg/g)和磷酸(H3PO4)活化改性生物炭(180.49 mg/g)分别提升226.02%和23.51%。K+改性生物炭对MB吸附的动力学和等温线模型分别符合拟二级动力学模型和Langmuir模型，吸附过程为单分子层吸附，且受物理吸附与化学吸附共同作用，其中化学吸附在吸附过程中占主导地位。针对吸附中的扩散过程进行了液膜扩散模型模拟和颗粒内扩散模型模拟，液膜扩散模型曲线斜率为0.6，因此液膜扩散不是扩散过程的主控步骤，颗粒内扩散过程分为膜扩散阶段(0～25 min)和颗粒内扩散阶段(25～140 min)，颗粒内扩散阶段较膜扩散阶段吸附速率明显降低(kid2=6.453 5<kid1=32.266 9)，且此模型拟合曲线不通过原点，颗粒内扩散阶段是控速关键阶段。通过热力学分析，得到K+改性生物炭对MB的吸附热力学参数，其中分离系数RL均在0～1，ΔH=7.611 2 kJ/mol>0，ΔG均为负值，表明MB在生物炭上的吸附是可逆且自发吸热的，升温有助于吸附进行；ΔS=30.041 5 J/(mol·K)>0，表明吸附过程中固液界面随机性增加。

• 废弃油脂促进褐煤转化生物甲烷效果与机理

  郭红玉, 宋博, 邓泽, 夏大平, 徐强, 陈林勇,

  为提高褐煤转化生物甲烷的效率，探讨废弃油脂与褐煤混合发酵的产气效果，采用NMR碳谱、三维荧光及宏转录组学分析转化效率变化的的内在机理，研究结果表明，废弃油脂的添加促进褐煤的累计甲烷产量增加了3.89倍，单位甲烷产量达到31.2 mL。褐煤中脂肪族碳相对含量降低11.4%，类富里酸酚羟基、酮羰基、羰基等基团含量增加明显。同时微生物菌群高峰期时活性产甲烷古菌例如Methanothrix, Methanoculleus占比增长50%以上。糖苷水解酶、脂肪酰辅酶A脱氢酶等与碳水化合物及脂肪酸降解相关的酶丰度增加明显。废弃油脂添加使乙酸及CO2转化甲烷途径分别占比59.2%、40.4%，甲酰甲烷呋喃脱氢酶以及乙酸激酶等功能性酶也得到提升，促进了生物甲烷的转化。褐煤中脂碳率降低表明了在厌氧发酵中微生物菌群更易与褐煤中碳骨架大分子结构中脂甲基碳、芳香甲基碳、亚甲基及甲氧基等发生生物化学反应转化甲烷。高峰期厌氧发酵液相中生物可降解有机分子含量增加，其来源于微生物作用在褐煤有机质中致使微生物发生生物化学反应产生酚羟基、酮羰基等易于合成甲烷的小分子物质。废弃油脂添加可显著改变微生物群落组成，使其基因功能表达改善，促进甲烷的生成。研究结果为提高褐煤的生物气化率和废弃油脂清洁转化提供了参考。

• 典型农林类生物质热解油裂解反应特性对比及其动力学研究

  李国通, 张玉明, 熊青安, 乔沛, 李家州, 张炜, 陈哲文,

  为提高生物质热解油的利用效率，探究生物质热解油在提质转化过程中的热解特性，进一步拓宽生物质热解油的利用途径，选取2种木质纤维素类生物质热解油作为研究对象，采用热重分析仪分别考察2种生物油的热解行为。选用Friedman法、FWO法2种等转化率方法求取生物质热解油整体热解反应的动力学参数，选用分布活化能模型(DAEM)法将生物质热解油热解过程分为轻质组分和重质组分2种虚拟组分热解过程，并求取2种虚拟组分热解的动力学参数。2种生物油的轻重组分含量差异导致2者的热解行为表现出不同特征，木屑热解生物油的最大质量变化速率对应温度和热失重反应结束温度均高于稻壳热解生物油。Friedman法计算所得2种生物油的活化能分别为89.92、145.98 kJ/mol，FWO法计算所得2种生物油的活化能分别为90.30、138.44 kJ/mol，2种方法计算结果具有较好的一致性；木屑热解生物油的平均活化能(142.21 kJ/mol)高于稻壳热解生物油(90.11 kJ/mol)。进一步采用DAEM方法将2种生物油热解过程分别分为轻质组分热解和重质组分热解，两组分DAEM方法动力学计算结果表明稻壳热解生物油和木屑热解生物油轻质组分的活化能(79.03、85.00 kJ/mol)小于重质组分的活化能(158.56、160.00 kJ/mol)。2种动力学方法计算结果表明生物油热解过程中轻质组分降低了生物油整体的活化能，2种动力学计算方法综合使用有利于对生物油的热解反应形成更为全面的认识。

• 弱胶结断层岩体蠕变–冲蚀耦合突水模型

  马丹, 段宏宇, 张吉雄, 李樯, 李振华, 侯文涛, 杜锋,

  为研究弱胶结断层岩体突水灾变过程的时空演化特征，构建了弱胶结断层岩体蠕变–冲蚀耦合突水模型。该模型拓展了连续等效介质渗流理论，分别建立了弱胶结断层岩体的蠕变子模型和冲蚀子模型，其中所建立蠕变子模型充分考虑物质间质量转化、应力–应变及应变–孔隙率之间关系；所建立冲蚀子模型充分考虑了物质质量守恒、颗粒迁移及非Darcy流动规律。根据质量守恒方程叠加原理及孔隙率–有效应力、孔隙率–蠕变材料系数、蠕变应变–孔隙率–渗透率3组影响关系实现了子模型间的耦合，并给出了一维径向渗流方向耦合模型的控制方程。设定了突水模型的定解条件，并基于COMSOL Multiphysics计算软件构建了模型在空间和时间域的数值解算方法。通过比较室内试验及模型计算的孔隙率演化结果，验证了该模型的有效性。在此基础上，求解并分析了突水过程中巷道弱胶结围岩蠕变–冲蚀特征的时空演化规律。模型计算结果表明，对于蠕变演化特征，随着时间增长，有效应力下降，蠕变应变增加，试样出现加速蠕变特征；有效应力和蠕变应变空间分布的非均匀性特征随蠕变–冲蚀耦合进程显著加强。对于冲蚀演化特征，蠕变–冲蚀耦合进程初期细小岩石颗粒在渗水作用下不断迁移流出，液化颗粒体积分数增加，渗透率和流速不断增长，弱胶结岩体内部不断形成新的导水通道，后因蠕变效应逐渐增强，冲蚀效应有所减弱，并最终陷入停滞状态；越靠近巷道内壁，冲蚀效应越强，冲蚀效应停滞后孔隙率和渗透率的空间分布呈现出明显的非均匀特征，水压空间分布在蠕变−冲蚀耦合进程中呈现出非线性–线性–非线性的变化趋势。

• 基于ERT技术的矿山充填管道堵塞三维可视化检测方法

  王湃, 刘卓, 加波, 刘浪,

  全尾砂胶结充填法，在金属矿山的开采中被广泛应用。充填料浆在管输过程中的堵管、爆管现象，给充填管道带来很大的安全隐患，是制约充填技术发展和应用的瓶颈。为了探索矿山充填管道堵塞的可视化检测方法，获取矿山充填管道内壁结块的几何形状与相对位置的三维信息，利用COMSOL软件建立多层ERT传感阵列的三维模型，采用有限元方法求解ERT正问题，阐明了ERT三维敏感场内电势与电流密度的变化趋势。在此基础上，以灵敏度为媒介分析ERT的“软场”特性，揭示了三维敏感场内检测灵敏度的分布规律。采用Gauss-Newton算法求解ERT的逆问题，对5种堵塞仿真模型进行三维图像重建，仿真结果表明正则化Gauss-Newton一步算法在重建图像质量上与正则化Gauss-Newton迭代算法差别极小，但在重建时间上优于正则化Gauss-Newton迭代算法，更适合三维图像重建。Gauss-Newton一步算法中选择Laplace先验知识优于Noser先验知识。最后，根据仿真模型，采用某金属矿尾砂制作尺寸不同的4种结块试件，养护14 h后放入充满质量分数为74%全尾砂充填料浆的竖直管道中的5个不同位置，模拟充填管道内壁5种不同的结块位置及堵塞程度。利用自主研发的48电极3D-ERT成像系统，采用Gauss-Newton一步算法，对以上5种堵塞情况进行三维成像实验。实验结果表明：实测结果与仿真结果一致，重建图像可以准确反映出管道内壁结块的几何形状和所处位置等三维信息。

• 高湿排风热质传递模型及不可逆换热过程分析

  樊思雨, 陈世强, 李瑾, 黄敏华, 吴世先, 刘纯玉, 吴涛, 戚子特,

  如何高效提取矿井排风中蕴含的大量低品位能量，是工程领域内关键问题。针对喷淋式扩散塔热回收装置内，高湿排风与低温喷淋水的热质传递问题，构建并求解了基于传质单元数(NTUm)与刘易斯数(Le)的热质传递理论模型，开展了高湿排风与低温喷淋水直接接触式热质传递试验。运用火 积耗散理论，明确了热质传递的实际不可逆换热过程，并揭示了Le与火 积耗散热阻之间的相互关系。研究结果表明：高湿排风与低温喷淋水的热质传递过程具体表现为减湿冷却过程和类等湿冷却过程。NTUm>0.1，高湿排风进行减湿冷却，经低温喷淋水换热后，最大温差可达到6.3 ℃，含湿量差为3.12 g/kg，该过程中Le偏离于1，Le与火 积耗散热阻呈正比关系，当Le逼近于1，火 积耗散热阻逼近于0，可达到最优换热效果；NTUm<0.1，高湿排风进行类等湿冷却，主要表现为高湿排风经过减焓冷却达到饱和状态后，空气状态沿饱和线变化直至换热完成，且排风出口温度接近于排风进口露点温度。值得注意的是，类等湿冷却过程中热质传递火 积耗散热阻远大于减湿冷却过程，高湿排风进行减湿冷却更有利于热质传递。在设计喷淋式扩散塔热回收装置时，为使换热单元内高湿空气进行减湿冷却，实现热湿能量的高效提取，风流速度应不大于4 m/s，水气比不低于0.2。

• 液氮冷冲击煤的作用范围及力学损伤机理

  丛钰洲, 翟成, 余旭, 徐吉钊, 孙勇, 郑仰峰, 唐伟,

  低温流体液氮对煤冷冲击的作用范围、煤内部因温差形成的热应力变化规律及其对煤形成损伤的力学作用机理，均是液氮在煤岩增透领域应用中亟待研究的关键问题。利用非接触式全场应变测量装置、红外温度场测量装置和热电偶温度测量装置，测得开放环境下液氮冷冲击煤样钻孔后，钻孔周边煤体温度场及应变场随冷冲击时间的变化规律。通过建立包含弹性模量、泊松比、热膨胀系数、测点温差及测点所在半径参数的热应力模型，设计实验测得模型各参数并代入其中求解，计算得到煤岩内部不同位置处的热应力及其随冷冲击距离和时间的变化规律，并针对3类不同变质程度煤的上述规律进行对比。研究结果表明，在液氮冷冲击过程中，3类煤样内部各测点处的温度均呈现出快速降低—缓慢降低—稳定的变化规律，各测点处的热应力均经历了快速增长—缓慢增长—无增长3个阶段。距离冷冲击钻孔越近，相邻测点间的温度相差越大，所产生的热应力越大。液氮冷冲击1 800 s后，3类煤样各测点处的热应力均基本达到稳定阶段，距离冷冲击钻孔1 cm处所产生的热应力均≥1.84 MPa。液氮冷冲击能够使煤内部产生4类变形进而对煤造成损伤，其中“因压致拉”所产生的II、III、IV类变形及3者相互组合的复合型变形，是煤体形成损伤产生复杂裂缝的根本原因。然而，液氮冷冲击对不同煤的降温及变形范围虽存在差异，但总体作用范围有限，仅能够在钻孔周边产生损伤，因此，液氮冷冲击技术建议结合压裂工艺进行应用，冷冲击所产生的损伤可用于降低起裂压力，并使压裂裂缝更为复杂。

• 煤炭地下气化产业政策建设困境与破局对策

  秦勇, 易同生, 周永锋, 杨磊, 王军, 金军, 汪凌霞,

  煤炭地下气化(UCG)是我国能源发展的必然选择和高效煤炭能源结构发展的战略所驱，产业化进程亟待各方协同推进，产业政策建设首当其冲。立足这一背景，广泛调研国内外相关情况，从UCG产业化战略价值、相关国家UCG项目市场准入及法制现状、我国UCG项目备案审批办法、UCG产业政策建设思考4个方面，分析论证了煤炭地下气化产业政策建设面临的困境，提出了破解困局的对策建议。分析表明，UCG项目在矿产资源管理方面涉及煤炭、石油和天然气3个领域，从环境保护管理来看涉及地下水、土壤及地表生态、大气等诸多方面，管理职责隶属于政府多个部门，申报和审批过程十分复杂。相关国家尽管在UCG产业政策建设方面做过较多尝试，但尚无任何一部现行且可持续的UCG产业激励政策，成为UCG产业化推进的“短板”。国外专家曾向本国政府建议，通过政策和监管框架尽早推出UCG技术，同时消除社会对UCG环境安全的担忧。我国长期以来对UCG项目的备案审批采用“一事一议”办法，部分UCG项目落地审批难的现象客观存在，极大制约了UCG产业化进程。基于上述困境，建议国家研究并制订出台具有可操作性的UCG产业政策体系，重点在于5个方向，一是建立UCG项目市场准入与审批制度，二是明确UCG项目矿产资源使用与财税优惠政策，三是将UCG科技创新纳入国家科技重大计划，四是建设UCG科技创新平台体系，五是创建UCG高素质专业人才培养基地，目的是为加大力度推进我国UCG产业化进程提供法制保障。

• 煤炭地下气化多场耦合数值模拟程序开发及多场演化规律

  张庆贺, 王晓蕊, 袁亮,

  开发了一种多场耦合作用下煤炭地下气化的数值模拟程序和方法，基于ABAQUS软件中DFLUX、HETVAL、USDFLD三个子程序同时进行了热−力−化学−位移的多场耦合计算。以贵州省盘州市山脚树煤矿12号煤层第1气化工作面为工程背景，通过该数值模拟方法实现了煤炭地下气化初期点火装置对煤体加热的模拟；实现了注入点不断后退移动下，煤体自燃引发的化学热变化的模拟；实现了煤气化反应后空腔形成的模拟。最后分析了山脚树煤12号煤层气化反应后温度场−应力场−位移场的演化规律。结果表明，温度场演化趋势整体先增后减，随气化点的后退移动依次达到温度峰值，上覆岩层在热传导影响下温度传导范围逐渐扩大，气化120 d后，温度整体传导范围近似泪滴形状，且随着高度的增加，上覆岩层的温度变化略微延迟，温度也逐渐降低；上覆岩层在高温环境下应力重分布，气化120 d后，上覆岩层的拉应力区近似呈现为“凹”形，下伏岩层的拉应力区近似呈现为“T”形，不同高度处岩层的应力演化规律差异较大，燃空区与直接顶交界面处岩层受空腔形成的影响，应力集中现象随着气化工作面的推移逐步发生；上覆岩层整体下沉，沉降量先增再减后趋向稳定，岩层的变形程度随高度的增加而减小，同时上覆岩层在高温影响下受热膨胀产生的热应力支撑岩层上移，沉降量减少，可以推论，在大型煤炭地下气化实际项目运行中，高温环境产生的热应力可在一定程度上阻碍上覆岩层的下沉垮落。本研究以期更接近煤炭气化实际工况，研究成果为模拟煤炭地下气化提供更加实际的新方法。

• 不同煤组成与分布差异传热特征及其机理

  张和伟, 申建, 李可心, 屈晶, 李伟,

  储层热诱导改造方法是提高煤层气单井产量的有效手段，其中不同煤组成与分布的传热差异性是煤储层热改造工程亟需解决的关键基础问题。以保德王家岭煤矿烟煤为对象，基于煤样宏观描述−显微镜−CT成像相结合的多尺度观测方法，精准识别并表征了显微组分空间分布特征。采用均匀平板加热−热成像采集实验系统表征了不同宏观煤岩类型样品动态传热过程，结合实验数据与热力学定律定量表征了显微组分热物性特征，揭示了显微组分组成与分布的差异传热机理。结果表明，传热过程中半亮煤温度呈双峰分布，暗淡煤呈单峰态，2者温度跨度均先减小后增大，半亮煤温度跨度显著宽于暗淡煤；镜煤+亮煤与暗煤+丝炭的占比越接近其温度差异越显著；根据温差演变特征将传热过程划分为快速升温、增速减缓、波动升温和动态平衡4个阶段。显微组分分布与温度展布对应关系显示，热传递受控于显微组成及其分布，矿物充填惰质组升温最快，形成高温区，惰质组一般形成次高温区，镜质组升温最慢呈低温态；此外，镜质组增温速率及平衡时温度与惰质组距离成反比。热物性定量分析显示，矿物充填惰质组具有较大的导热系数和热扩散系数，因而其传递热扰动的速度最快，达到热平衡用时最少，惰质组次之，镜质组最慢。热作用后煤中新生裂隙主要发育于镜质组中，多沿惰质组与镜质组交联处开裂，半亮煤裂缝热改造效果明显强于暗淡煤，是热改造优质目标。

• 贝叶斯优化的XGBoost在小断层地震解释中的应用

  丁昌伟, 王新, 陈同俊, 余婷,

  为了进一步提高小断层地震解释的精确度 ，提出了利用信息价值对地震属性进行约简，结合改进的贝叶斯优化算法，优化XGBoost参数以识别小断层。首先，对采区地震属性数据进行预处理，去除异常样本和大噪声样本；然后针对处理后样本的每一个特征进行卡方分箱，计算每一个分箱中的证据权重(WOE)，进而得到每一个特征的信息价值(IV)，以此作为各个特征的重要度，对信息价值小的特征进行约简，去除高噪声特征属性；同时，给小断层地震数据增加一定程度的噪声来增强模型的抗噪能力；接着，构建XGBoost模型，因正负样本分布不均衡，提出了一种改进XGBoost目标函数的方法来平衡正负样本的训练权重。针对其重要参数选择问题，选用贝叶斯算法优化XGBoost模型的参数。因为贝叶斯优化算法不易平衡“开采”(Exploit)和“探索”(Explore)的过程，导致寻优效率不高，易陷入局部最优点，提出一种自适应平衡因子变化算法，动态地平衡pi采集函数“开采”和“探索”的过程，提升参数优化过程的鲁棒性。实验数据表明：利用采集函数优化的贝叶斯算法，用来优化目标函数改进的XGBoost，构建的新XGBoost模型框架(SAPI-Bay-ImpXGBoost)相比于BP神经网络、支持向量机(SVM)、K近邻(KNN)、AdaBoost预测精度更高，有助于提高小断层地震识别的准确率。

• 导水裂隙的自修复——地下水混流沉淀的影响

  李全生, 鞠金峰, 许家林, 曹志国, 张凯, 王晨煜, 郭俊廷,

  采动覆岩导水裂隙在其产生后的长期演变过程中，会发生导水渗流能力逐步降低的自修复现象，研究揭示导水裂隙的自修复机制对于科学指导矿区采动地下水的生态功能恢复实践意义重大。基于神东矿区补连塔煤矿12401工作面采后15 a覆岩导水裂隙自修复的工程探测结果，就采后不同层位地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的修复降渗机理开展研究。结果表明，12401工作面采后覆岩导水裂隙直接发育至第四系松散层，已沟通多个含水层；由于浅层地下水含有较多Ca2+，而基岩地下水CO3 2−、HCO3 −质量浓度偏多，2种地下水在采动覆岩中交汇混流时会产生CaCO3化学沉淀；沉淀物随水迁移并不断吸附于裂隙通道表面，发生包藏−共沉−固结的结垢过程，经过长时间的累积，最终形成具备一定抗蚀能力的结垢物或包结物，堵塞并修复裂隙。室内试验测试发现，这一过程引起的导水裂隙自修复降渗效果相比水−(气)−岩相互作用产生的效果更为稳定且快速；裂隙岩样受2种不同水质模拟地下水混流通过近2个月时间后，绝对渗透率即由0.09×10−15 m2降低为0.002 5×10−15 m2，且在水压1.5 MPa条件下也未出现明显渗透性波动。由于这种不同地下水的交汇混流主要发生在开采边界附近的裂隙岩体中，因而覆岩不同区域导水裂隙的自修复过程及效果将出现明显差异。12401工作面中部区域覆岩导水裂隙的自修复主要由降雨入渗过程引起的水−(气)−岩相互作用引起，而开采边界附近覆岩导水裂隙则由不同地下水的交汇混流反应和水−(气)−岩相互作用共同主导其自修复，因而后者对应产生的自修复效果要明显偏好。现场探测结果显示，历经15 a的自修复演变，开采边界附近覆岩在深度86.7～179.1 m范围导水裂隙已全部实现自修复，而采区中部覆岩在对应自修复区域内仍存在局部未修复现象，深度在110.0～118.6 m，由此证实了地下水交汇混流产生化学沉淀对导水裂隙的良好修复效果。

• 干旱矿区植被引导型修复中干旱阈值的生态机制

  刘英, 雷少刚, 李心慧, 王藏姣, 宫传刚,

  生态阈值识别是干旱矿区植被引导型修复中重要技术环节，其中干旱阈值是诸多关键生态阈值中极为重要一项。不同干旱阈值区间矿区植被结构和功能属性会发生变化，明晰不同干旱阈值下潜在生态机制对于干预合理程度及引导修复方向的判定至关重要，现有研究对于对引发这些变化的生态机制缺乏系统梳理。在文献调研的基础上构建干旱矿区植被系统对干旱程度的响应概念模型，将干旱矿区植被系统对干旱度的响应概括为植被衰退阶段、“土壤失调”阶段和“系统崩溃”阶段。植被衰退阶段，主要表现为植被应对极端缺水环境的光合生理适应方式和特性的改变；“土壤失调”阶段，主要涉及土壤和植物之间复杂互馈作用，通过土壤侵蚀途径、灌木入侵途径及生物地球化学途径进行传递；“系统崩溃”阶段，主要由于植物生理极限触发植物−植物和植物−大气的互馈作用，导致系统多样性急剧降低。未来可在典型植物选育、研究尺度扩展、干旱诱导的灌木性状发育机制、干旱诱导的生物地球化学循环突变机制、干旱胁迫解除后植物能够自行恢复其生理活动的时间节点、生物结皮产生机制等方面进行深入研究。综述结果为干旱矿区植被引导型修复干旱阈值潜在生态机制理解提供了一个基本框架，以期为科学判定干预合理程度及引导修复方向提供生态学基础。

• 煤矿悬臂式掘进机多信息监测系统设计与研究

  刘送永, 刘强, 崔玉明, 孟德远, 谢奇志,

  针对目前悬臂式掘进机作业数据可视化差、可靠性低的问题，提出了一种基于多传感分布的多信息监测系统，设计了系统整体框架，实现了监测程序的可靠运行。首先，分析了悬臂式掘进机远程监测的工作特性，采用降噪去雾算法对现场图片进行增亮与清晰化处理，提升图像质量，达到远程实时视频监测水平，结合瓦斯与温湿度传感器实现了掘进环境监测；其次，以掘进机截割头位置作为其作业空间边界，建立掘进机截割头位姿与运行轨迹方程，采用油缸位移信号与倾角信号冗余算法，实时监测掘进机截割空间位置，实现截割头空间位置在线监测；然后，基于朗伯−比尔定律，采用透射法，设计了油液污染度实测系统，结合温度、液位与流量传感器，实现了掘进机油液状态的在线监测；进而，基于指数退化方法建立截割部轴承的剩余使用寿命预测模型，嵌入到监测系统中，实时显示掘进机各关键部件的性能曲线，实现了关键部件的寿命监测；最后，利用多传感分布方法采集信号，采用多信息融合方法，通过TCP协议，结合PLC网口通讯，远程采集温度、压力、振动等信号，进行实时可视化及故障趋势分析，形成掘进机工作环境状况、截割状态、油液状态、寿命预测等方面的多信息监测系统，为实现掘进机的智能化提供了理论和技术支撑。

• 基于变权模糊理论的掘锚一体机组掘进适用性数学评价

  马进功, 宋德军,

  掘锚一体机组具有掘锚钻同体、全宽截割、掘锚平行、锚运同步、多锚平衡等显著技术优势，具备远程操控和地面集中控制，满足日进百米要求，已成为“十四五”时期煤炭行业实现中高级智能化高效掘进、缓解采掘接续的关键装备群。然而，国内近5 a、数十个矿区的应用表明，掘锚一体机组对掘进煤层地质条件有一定的适用性要求，若条件不匹配，其掘进效率、经济性方面相比传统悬臂式掘进机的提升并不明显。因此，针对掘锚一体机组适用性程度的评估是亟需工作，提出了将层次分析、模糊数学以及变权理论等数学原理相结合的方法，基于数十个矿区的应用实践经验建立了掘锚一体机组地质适用性程度评价的数学评价指标框架体系，包括煤层地质赋存特征、掘进巷道特征、地质构造特征、安全影响要素等4个二级指标，并划分确定了21个三级子指标以及这些子指标所对应的特征取值条件，这些取值条件严格遵循并符合表征适用性程度的4种评语子集(“差、中等、较好、好”)要求，然后通过层次分析法得出了子指标的判断矩阵与常权权重，采用模糊数学隶属函数建立了子指标的模糊关系矩阵，引入对数函数与Hadamard矩阵原理实现了常权权重的变权(调低“好”因子权重、调高“差”因子权重，使其更符合实际)，最后经过两级综合评判得出最终评价结果值并根据最大隶属原则即选择其最大值所属的评语子集，从而得出其适用性程度。至此，将创建完成的完整的变权模糊层次综合评价模型，引入已经应用掘锚一体机组的3个不同条件的矿井特征值参数(简称为HB矿、HL矿、XZ矿)，进行评价模型的准确性验证。结果表明，本研究建立的变权模糊层次综合评价模型，在3个矿条件差异较大的情况下得出的评价结果能很好揭示出各个矿井的指标在不同评语集下的表现与隶属程度，与现场实践的效果吻合，综合评价模型中的权重赋值、矩阵构成、变权方法等计算模型的构建贴近现场实际，变权模糊层次综合评价模型量化表征了掘锚一体机组对某矿井煤层地质条件适用性程度，有助于矿井提前做出决策。

• 基于钢丝绳张紧轮的矿井摩擦提升系统纵向振动主动控制

  宋延廷, 宋字宇, 郝惠敏, 王鹤, 黄家海,

  针对落地式摩擦提升机运行过程中产生的纵向振动问题，提出了基于液压张紧轮的纵向振动主动控制方案，该方案将液压张紧轮水平布置在上天轮下方，使得张紧轮输出力垂直于提升钢丝绳，通过控制液压缸输出力改变张紧轮位置以调整钢丝绳张力和系统虚功，从而抵消系统冲击能量，继而减弱系统纵向冲击与振动，使系统快速趋于稳定，并通过增设固定张紧轮调整输出力带来的钢丝绳水平偏移。基于广义Hamilton原理建立了含液压张紧轮的摩擦式矿井提升系统分布式参数模型，依据李雅普诺夫第二稳定性原理设计了一类状态控制器，并通过试验验证了无控制状态下系统分布式参数模型的准确性。以下放工况为例在MATLAB中进行了控制仿真，结果表明基于液压张紧轮的纵向主动控制方案是可行的，且具有良好的减振效果，尤其对于停车制动后的纵向振动抑制效果非常突出；状态控制可将停车阶段产生的最大振动加速度从原始系统的2.59 m/s2降低至1.6 m/s2，减幅达到38.22%，收敛至稳定仅耗时0.9 s；作为对比设计的PD控制仅仅将停车阶段的最大纵向振动加速度减小至2.3 m/s2，衰减幅度为11.20%，收敛至稳定耗时2.2 s。相较于传统浮动天轮主动控制方案，液压张紧轮减少了执行器高输出负载比。