煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第8期

• 采动诱发断层覆岩耦合失稳的突变效应

  王宏伟, 田政, 王晴, 刘文岗, 姜耀东, 石瑞明,

  煤矿冲击地压灾害的频繁发生与复杂地质构造失稳关系密切，其中断层作为典型的地质构造是诱发冲击动力灾害的重要因素。推导了表征断层滑动特征的位移场和能量场的分布函数，并以河南义马矿区地质构造及千秋煤矿21221工作面为工程背景，搭建了模拟工作面开采过程和断层滑动的物理模型，监测了上覆岩层和断层区域位移、能量和温度等多参量演化规律，研究了断层覆岩失稳突变效应，探讨了开采扰动引起上覆岩层运动和断层滑移失稳关联耦合的力学机制。研究结果显示，开采扰动下，断层面上应力、位移及能量等参量极值点出现频率沿断层垂直方向从上到下呈现由密至疏的分布，断层面上部岩体较下部更易受到采动影响而处于非稳定状态，是断层滑动的主要动力源；断层滑动是一个由上到下、由局部到整体、先低能后高能的逐步加速且非连续的动态失稳过程，并伴随应变能依次表现出低能稳定、逐步积聚和高能活化3种状态，最大应变能增量出现于断层面上部，应变能的大量释放将加速断层自上而下的失稳滑移；断层面滑动过程中，岩体温度也随之呈现出阶次递增的特征，表现为微小扰动时的恒温阶段、应力积聚引起的局部上升阶段和滑动失稳引起的全域温度激增阶段；断层的非线性和非连续动态失稳现象与工作面上覆岩层的运动和垮落破断关系密切，基于开采扰动时上覆岩层运动和断层滑动之间发生的关联耦合响应，研究了断层覆岩耦合失稳的突变效应，具体表现为断层附近岩层压力的突增、断层面应力的剧烈变化、断层面位移加速变化并向下部发展、应变能大幅度频繁波动以及温度场的阶次递增。研究表明，覆岩垮落为断层的非稳态滑移施加了冲击载荷，应变能突然释放造成的断层严重滑移失稳也将对已经受过变形、遭受过破坏的上覆岩层带来二次剧烈冲击并发生大面积垮落，产生的卸荷作用为断层向该区域运移提供了附加空间，更加速了断层的滑移失稳和上覆岩层的垮落破坏，极易诱发冲击地压灾害。

• 我国煤与瓦斯突出预测与预警研究现状

  梁运培, 郑梦浩, 李全贵, 毛树人, 栗小雨, 李建波, 周俊江,

  煤与瓦斯突出是制约煤矿安全生产的重大灾害之一。我国煤层赋存环境复杂多变。针对时有发生的突出灾害事故，为了进一步提高突出预测和预警的准确率。梳理了突出发生机理的研究进展，指出地应力、瓦斯、煤体物理力学性质仍是防治突出的关键三要素，预测和预警的指标仍以此为基础；总结了突出预测的发展现状，指出预测的方法主要有单指标法、综合指标法和多属性指标法。主要存在预测位置局部、预测时间不连续、适应性差等不足；分析了突出预警的关键进展，指出基于突出孕育过程中的地应力、瓦斯、煤体演化机理，主要有声发射监测、电磁辐射监测、微震监测、瓦斯浓度时序监测，以及声电瓦斯综合监测预警方法。由于监测数据精度低、预警结果准确率低等不足而影响现场应用效果。基于当前突出预测和预警现状，以及煤矿安全智能化的需求，提出未来研究展望：突出预测应在启动判据与强度预测上，同时发展精细化、可量化指标；突出预警应跟踪指标的非线性变化，发展基于理论指标的趋势预警，基于事故经验的匹配预警，以及基于监控数据挖掘的前兆预警。通过组合预警模型，将定性与定量预警相结合，形成基于理论−经验−数据多重驱动组合预警模型，进一步提高预警准确率。同时发展矿山数字孪生建设，形成整体、连续、准确的煤矿突出灾害可视化智能预警。

• 煤系逆断层形成过程及其对采动灾害的影响规律

  陈绍杰, 张鑫源, 石瑞明, 李志远, 冯帆, 夏治国, 李学龙,

  为研究煤系断层形成及其对采动灾害的影响规律，改进了煤系逆断层形成模拟试验系统，采用液压伺服控制实现位移和应力双重精确控制，煤层开采试验时只拆卸煤层后方回采位置部分透明板，保持内部构造应力不被释放，利用该系统进行了煤系逆断层形成与开采试验研究。结果表明：逆断层形成过程中各岩层位移可划分为3个区域：位移区、压缩区、稳定区；位移区绝对位移最大，相对位移较小，其范围随岩层埋深减小而增大；压缩区自上盘向下盘绝对位移逐渐减小，相对位移逐渐增加；稳定区绝对位移与相对位移均最小，其范围随岩层埋深减小而减小；上盘测点位移角随着测点与断层距离的减小逐渐增大，最大达到87.5°；逆断层形成过程中顶、底板水平应力呈先增大后减小的规律，且上盘水平应力大于下盘；断层下盘顶板垂直应力呈上升趋势，上盘煤层顶板垂直应力呈增大—减小—增大的变化趋势；对比分析国内22处煤系逆断层地应力实测数据表明，逆断层构造区域最大水平主应力和垂直主应力比k主要集中在1～4，本文试验中断层稳定后上、下盘k稳定于2～3；煤系逆断层形成后下盘煤层回采过程中，顶板垂直应力与水平应力均呈先增大后减小趋势，近断层岩层在构造应力与采动应力相互叠加作用下产生应力积聚，其峰值应力更高，导致回采后上覆岩层运动更剧烈；工作面向断层方向推进可分为矿压周期演化阶段和动力灾变阶段，在矿压周期演化阶段，煤壁及工作面上方的垂直应力呈周期性显著增加，高应力区域向下盘构造煤迁移，动力灾变阶段中工作面已处于高应力区域，在断层活化的影响下易引发冲击地压等煤矿动力灾害。

• 恒阻吸能锚固岩体动力特性及控制机制

  王琦, 吴文瑞, 何满潮, 魏华勇, 王业泰,

  深部围岩动力灾害发生的本质在于围岩积聚能量的突然释放，通过锚固支护实现能量的有效吸收是围岩控制的常用手段，也是围岩动力灾害控制的关键。锚固岩体动力特性及控制机制研究是锚固支护合理设计的前提。基于此，研发了新型高强、高延伸率、高吸能特性恒阻吸能支护材料，开展了恒阻吸能锚固岩体动力试验，分析了锚固岩体的动力学响应特征与能量演化规律。结果表明，与无锚岩体相比，恒阻吸能锚固岩体表面损伤率和体积损伤率分别降低了62.1%和93.1%，中粒、细粒和微粒岩爆碎屑质量减少均在90%以上，总能量、平均能量和最大能量分别降低了87.6%、82.9%、80.3%，岩爆峰值应力增加了54.2%，岩爆时间延后了140.2%。同时对恒阻吸能支护构件的强度、吸能能力、剪切偏移等特征进行了分析，恒阻吸能材料的强度、形变和吸能安全储备率分别为38.8%、94.0%、97.9%，安全性好。试件上端和下端支护构件的上下总偏移量分别为0.886、0.403 mm，岩爆锚固控制应考虑围岩的剪切作用。基于岩爆能量计算模型，研究了岩爆峰值应力与能量释放的规律，明确了预应力锚固支护对岩爆的控制机制。恒阻吸能锚固使岩体岩爆的峰值应力从单轴抗压强度的1.6倍增加到2.5倍，加锚岩体岩爆所需能量是无锚岩体的2.3倍，预应力锚固支护有效降低了岩爆发生的风险。在上述研究基础上，从监测预警、控制方法、支护设计、效果评价等方面提出了岩爆防控的工程建议。

• 基于岩层运动并行计算系统的锚杆单元原理、实现及巷道支护效果分析

  王学滨, 岑子豪, 陈双印, 薛承宇, 杜轩,

  在自主开发的适于模拟连续介质向非连续介质转化或非连续介质进一步演化的岩层运动并行计算系统(基于拉格朗日元与离散元耦合连续−非连续方法)中，引入了一种能反映轴向和剪切变形的锚杆单元，形成了锚杆模块。2个锚杆节点与之间的构件组成锚杆单元，其本质是在任一种覆盖(将1个四边形单元离散成2个三角形子单元，离散方式有2种，即2种覆盖)中，锚杆节点相对于子单元的位置保持不变。控制循环由CPU执行，密集的计算任务由GPU执行，锚杆模块与其他模块同时执行以获得较高的计算效率。考察了拉拔试验中不同位置锚杆单元轴力的演化规律。随着拉拔的进行，距离拉拔端一定距离内的锚杆单元轴力呈振荡上升趋势，从围岩对锚杆作用的角度对此进行了解释。通过将目前的锚杆轴力分布与基于Mindlin问题的位移解推导出的理论结果进行对比，验证了锚杆单元的正确性。为了研究锚杆单元对巷道的支护效果，以巨野矿区某轨道大巷为背景建立力学模型，得到了有无锚杆支护条件下巷道围岩的变形—开裂—运动过程。研究发现，锚杆单元对于阻碍巷道围岩变形、控制裂纹发展和改善应力分布具有良好的效果，这是由于锚杆长度范围内围岩围压增大导致了围岩承载力提高。目前的锚杆支护条件下的结果(巷道附近破坏区内岩石单元之间的明显裂纹使围岩发生了较大膨胀)比传统连续方法的结果更符合实际。

• 冲击荷载作用下含双孔洞裂纹石灰岩动态断裂行为

  龚爽, 赵毅鑫, 周磊, 王震, 郭文兵, 姚世斌, 杨大鹏,

  深入了解不同孔洞缺陷结构对岩石动态力学特性和断裂行为的影响，对于巷道支护设计、岩体工程稳定性评价以及冲击地压动力灾害防治等均具有重要的理论指导意义。为研究含不同孔洞缺陷石灰岩试样在冲击荷载下的动态断裂行为，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击加载系统，对含双孔洞裂纹石灰岩试样进行冲击条件下的断裂特性测试，并采用高速摄像仪对动态裂纹萌生、扩展、贯通直至试样破坏全过程进行了记录，结合图像处理方法进一步分析了冲击荷载作用下含双孔洞裂纹石灰岩的动态抗压强度、动态变形模量、破坏模式和裂纹扩展行为。研究表明：峰值应力处试样破坏的峰值应变在0.00297～0.00493变化，孔洞间距的非对称增长对石灰岩试样峰值强度具有较大弱化影响，非对称孔洞缺陷的间距越大，其对试样的峰值强度弱化程度越高；当孔洞缺陷呈现为非对称状态时，由于受力不均易较早发生压缩破坏。石灰岩试样双孔洞缺陷的形状、间距和非对称性均对其动态抗压强度具有显著影响。石灰岩试样下方的孔洞缺陷对其主裂纹发育具有显著影响，使得初始拉伸裂纹扩展方向产生偏转，试样最终破坏主模式为剪切−拉伸复合断裂。在石灰岩试样的裂纹发育类型中，类型Ⅴ和Ⅵ的远场拉伸和剪切裂纹较为常见。此外，考虑扩展路径分形效应的裂纹速度为表观裂纹扩展速度的1.01～1.17倍。当孔洞缺陷呈非对称分布且间距较大时，最终形成的裂纹数量较少，裂纹扩展速度降低，且更有利于抑制岩石表面的岩屑剥落现象。

• 厚层坚硬顶板切顶留巷合理切顶参数

  许旭辉, 何富连, 吕凯, 王德秋, 李亮, 翟文立,

  切顶留巷工程实践中切顶高度和角度是直接影响因素，而顶板厚度变化范围较大的坚硬顶板所允许的合理切顶参数又有其特殊性。以同忻矿2号煤层北翼三盘区切顶留巷实践为工程背景，基于现场切顶留巷厚基本顶难以垮落形成大面积悬顶造成留巷效果差的事实，通过现场调查、理论建模研究、数值模拟分析及工业性试验相结合的方法研究了随坚硬顶板厚度变化的合理切顶参数。调查研究发现固定的切顶高度是无法适应顶板厚度的变化，在较小的基本顶厚度情况下，留巷效果较好，在较大的基本顶厚度情况下，留巷围岩变形较大。建立了切顶留巷力学模型，推导了未切顶部分拉应力与切顶高度、角度和顶板厚度的关系，得出在相对较小的切顶角度范围之内，随着切顶角度的减小，未切顶面处所受到的拉应力增大，且随着切顶高度的增加拉应力增加的越显著；未切顶处拉应力大于基本顶极限抗拉强度所允许的合理切顶角度范围随着基本顶厚度的增加而减小，从工程实践来看可以达到减小悬顶长度的目的；在一定基本顶厚度条件下，未切顶处拉应力大于基本顶极限抗拉强度所允许的切顶角度范围随着切顶高度的增加而增大，即切顶高度越高，对切顶角度的限制越小；基本顶厚度越大，未切顶面拉应力达到相同值所需的切顶高度越大，基本顶厚度较小时，切顶角度变化对未切顶面拉应力影响较小，随着基本顶厚度的增大，切顶角度影响程度增大。从顶板断裂面凹凸程度、巷道顶板裂隙发育特征、巷道顶板下沉情况、完成时间步数4个指标进行数值模拟分析，得到科学实施部分切顶方案，使未切顶部分在矿山压力作用下完成垮落，就可以达到工程实践目的。基于上述研究在现场进行工业性试验，以顶板变形量和切顶侧支架工作阻力为指标对留巷进行现场监测分析，结果表明留巷效果良好。

• 不同加载速率无烟煤蠕变特性及能量演化规律

  岳少飞, 王开, 张小强, 康天合, 闫建兵, 姜玉龙, 郭泽雄,

  动压影响下蠕变煤体的力学特性对复采区遗留煤柱的稳定性及其控制具有重要的工程意义。通过开展不同加载速率条件下无烟煤的分级加载蠕变和加卸载试验，对无烟煤蠕变过程的应变特征、弹性模量及蠕变速率演化特征进行研究，并基于无烟煤的线型储能规律表征了蠕变过程的能量耗散规律，进一步阐释了无烟煤蠕变“硬化−损伤”机制。结果表明：加载速率小于0.04 mm/s时，无烟煤试件的轴向应变表现出明显的瞬时特性，但径向应变表现出明显的滞后性和蠕变性；随着加载速率的增加，试样在加载阶段的轴向硬化及径向扩容现象显著增强，蠕变速率衰减特征越显著。试样的实际屈服应力与加载速率满足线性下降关系，其储能系数、蠕变极限弹性能随加载速率增加均呈现先增加后趋于稳定的趋势；各应力水平的能量耗散率演化呈现“降低—稳定—增加”的趋势，分别对应试件的压密、弹性和屈服破坏阶段。从能量耗散角度分析无烟煤试样的“硬化−损伤”机制：硬化及损伤效应作用于蠕变全过程，试样在弹性阶段硬化及损伤作用效果相当导致试样的能量耗散率稳定，试样进入屈服破坏阶段后损伤效应占主导地位导致能量耗散率快速增加；试样硬化及损伤效应均随加载速率的增大逐渐显著，加载速率小于0.04 mm/s时，试样硬化效应强于损伤效应导致试样极限弹性能快速增加；加载速率增大导致的屈服应力降低会加速试样的损伤演化，当加载速率大于0.04 mm/s后，试样的损伤效应显著增强，硬化及损伤相互制约导致试样极限弹性能趋于稳定。

• 构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用

  郭德勇, 揣筱升, 张建国, 张国川,

  为探讨构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用，运用瓦斯地质学、构造物理学和岩石力学方法分析了构造应力场对煤体结构、地应力和煤层瓦斯的作用，结合煤与瓦斯突出实例研究了构造应力场对突出分布、类型和强度的作用，揭示了构造应力场控制煤与瓦斯突出机理和作用形式。研究表明：构造应力场控制煤体结构分布、类型及煤体强度特征，挤压构造应力场是形成构造煤的主要应力作用形式，并于褶皱层间滑动带和压扭性断裂带形成构造煤发育区；构造应力场强度越大，煤体破坏程度越高、煤体强度越低。构造应力场控制地应力类型、大小和方向，强构造应力场作用区域属于大地动力场型并处于高地应力环境，构造应力场方向即地应力的最大水平主应力方向。构造应力场影响煤层瓦斯富集程度，强构造应力场作用区域煤层渗透率低、瓦斯含量高、瓦斯压力大，并于压扭性构造带形成瓦斯富集区。多期构造应力场演化作用造成构造煤、地应力和煤层瓦斯呈区域性分布，进而控制突出的分区分带特征；构造应力场产生的水平挤压作用控制突出类型以压出为主；构造应力场的最大水平主应力方向与巷道轴向夹角越大，应力集中系数越大，突出强度越大；最大水平主应力越大，煤岩体弹性变形能和瓦斯膨胀内能越大，突出强度越大。

• 煤微观结构化学调控及注水驱替瓦斯规律

  杨威, 罗黎明, 王一涵, 白海鑫,

  为揭示煤微观结构变化对瓦斯解吸的影响，以河南省平顶山八矿的煤样为研究对象，选取1−丁基−3甲基咪唑四氟硼酸盐、十二烷基硫酸钠对煤样进行浸泡处理，结合低温液氮吸附、红外光谱、X射线衍射、吸附常数a测量、接触角测量以及瓦斯驱替和卸压解吸实验进行研究。结果表明：表面活性剂可以显著改变煤的孔隙特征、分子基团以及微晶结构。煤样微孔的比表面积减少、平均孔径增大，孔裂隙网络更加畅通。煤样的化学官能团发生变化，平均链长和脂芳比减少、富氧程度比值增大。芳香环层片层间距和芳香度增加，芳香层片堆砌高度和芳香堆砌层数减小，芳香层结构排列更紊乱疏松，芳香环缩合程度降低，煤分子排列被打乱，有序结构范围减小。这些孔隙特征、分子基团以及微晶结构发生的变化，大幅改善了煤体的润湿性，使得溶液侵入煤样内部的难度减小，有助于强化瓦斯驱替，增强瓦斯抽采效率，同时滞留在煤体孔隙中的溶液增多，所以卸压后，煤样瓦斯解吸和排出受阻，瓦斯解吸速率降低，水锁效应增强。本研究结果为煤层瓦斯资源开采提供理论指导，通过添加表面活性剂等方式人为改变煤的微观结构，进而定向改变瓦斯解吸特性，提高瓦斯抽采效率，同时在煤层开采时，避免大量瓦斯的突然涌出，从而实现煤层气高效、安全抽采。

• 抽采钻孔失稳坍塌对瓦斯抽采的影响机制研究及应用

  张学博, 王豪, 杨明, 王攀, 韩林秀,

  抽采钻孔失稳坍塌是阻碍煤层瓦斯(煤层气)高效抽采的关键问题之一。为了解决松软煤层抽采钻孔失稳坍塌难题，基于实验室试验及变质量流压降等理论分析，建立了综合考虑钻孔变形失稳、煤层瓦斯运移及钻孔负压沿孔长动态衰减的耦合数学模型，数值分析了抽采钻孔失稳坍塌对瓦斯抽采的影响机制，提出了基于抽采负压分布测试的抽采钻孔失稳坍塌特性探测技术。研究表明：① 完整孔瓦斯抽采效果较好，钻孔负压损失很小，100 m长钻孔抽采1 d时总负压损失仅占孔口抽采负压的0.04%，孔口、孔底煤层瓦斯分布及有效抽采半径基本相同。② 孔底塌孔对瓦斯抽采效果影响有限，但孔口附近塌孔对瓦斯抽采效果的影响较大；孔底和孔口附近均塌孔90%时，抽采90 d后瓦斯抽采量比完整孔瓦斯抽采量分别降低了38.7%、69.6%，抽采180 d后孔底有效抽采半径分别是孔口有效抽采半径的88.7%、75.0%，抽采1 d总负压损失分别占孔口抽采负压的5.1%、28.4%。③ 钻孔堵孔严重影响瓦斯抽采效果，孔内堵塞煤体与周围煤体形成连续介质，孔内压力成为了煤层瓦斯压力，失稳段无法抽采瓦斯；抽采90 d时孔底堵孔瓦斯抽采量仅占完整孔瓦斯抽采量的17.6%。④ 钻孔抽采负压分布对抽采钻孔失稳坍塌特性较为敏感，提出了基于抽采负压分布测试的抽采钻孔失稳坍塌特性探测技术，通过在某矿25030工作面的应用，确定了其抽采钻孔失稳坍塌区域(65～80 m)及坍塌程度(严重塌孔)，建议矿方对钻孔失稳坍塌区域进行针对性的注浆防护。

• 纳米颗粒复合表面活性剂对煤中CH4吸附/解吸和扩散的影响

  石钰, 阳梦, 李树刚, 薛俊华, 赵鹏翔, 马玉华,

  基于巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)和分子动力学(MD)方法，构建了固(煤)−气(CH4)−液(表面活性剂)三相作用的体系模型，从吸附构型、吸附量、相互作用能、相对浓度分布和扩散系数等方面，探讨了纳米颗粒分别复合阳离子表面活性剂CTAB、阴离子表面活性剂SDBS和非离子表面活性剂VAEO8对CH4吸附/解吸及扩散的影响规律。结果表明：表面活性剂和纳米颗粒在润湿效应及静电力作用下渗吸进入孔隙中占据煤表面CH4的吸附位点，造成煤基质处CH4相对浓度降低，而孔隙中游离态CH4增多。无纳米颗粒时，阴离子表面活性剂SDBS增强煤体亲水性，促进CH4解吸效果最好；而阳离子表面活性剂CTAB和非离子表面活性剂VAEO8增强煤体疏水性，导致CH4解吸能力变弱。纳米颗粒和表面活性剂具有协同降低固−液界面张力的作用，纳米颗粒复合表面活性剂促进CH4的解吸效果优于无纳米颗粒时相应的表面活性剂促进CH4的解吸效果。加入纳米颗粒后，煤体系中静电力及相互作用能均升高。原煤体系中CH4扩散系数 > 表面活性剂煤体系中CH4扩散系数 > 纳米颗粒复合表面活性剂煤体系中CH4扩散系数。从微观角度阐明了纳米颗粒复合不同类型表面活性剂对煤中CH4吸附和扩散的影响机制，研究为优化压裂液体系提高煤层气采收率提供了一定的理论依据。

• 煤层钻孔内注入液氮过程中的传热传质规律及煤损伤分析

  丛钰洲, 翟成, 丁熊, 余旭, 徐吉钊, 孙勇, 郑仰峰, 唐伟,

  低温流体液氮向煤层钻孔内注入过程中的传热传质规律及煤损伤分析，是目前液氮在煤层增透领域应用中亟待研究的关键问题。通过利用流量计、内视镜、热电偶、质量天平和超声探测仪，可视化分析了液氮注入过程中煤钻孔内液氮的初始累积过程和液位状态变化，探究了不同注入速率下钻孔内液氮的实际液位、净液位和注入效率随注入时间的变化规律，并对3个不同时刻下的煤体进行超声损伤检测。研究发现，液氮初始累积时会在钻孔底部煤的交界面处形成明显的莱顿佛洛斯特效应，随着钻孔底部煤温的不断降低，辐射换热系数不断减小，进而蒸汽膜厚度随之降低。不同注入速率下，1 m长钻孔内液氮的净液位最大增加量均为35 cm左右，这意味着，向长钻孔内注入液氮时，应实施分段注入，仅增加液氮注入时间会造成液氮的浪费。实际液位与净液位比值的变化规律均为先降低然后趋于稳定，稳定状态下2者的液位比相近。不同注入速率下液氮注入效率随注入时间的变化规律，均为降低—升高—稳定—降低。低速注入速率下的液氮注入效率更高，提升注入速率后单位体积液氮所相变的氮气，在钻孔内换热时间更短、向钻孔外排出温度更低，进而增大了液氮损耗，使注入效率变低。超声波测试结果表明，液氮能够渗入裂缝内部，使裂缝两侧在冷冲击的作用下冻缩，增加原有的裂缝宽度并使缝尖受到裂缝两侧冻缩力的作用拉伸扩展变形，形成新的裂缝。

• 无烟煤储层煤层水的相变传质过程及其煤层气开发的工程启示

  刘世奇, 王鹤, 桑树勋, 胡秋嘉, 贾慧敏, 毛崇昊,

  科学认识煤层孔裂隙中流体流动与传质机理是实现煤层气高效产出的治本之策。煤层气开发过程中，煤层水的赋存和运移产出特征不仅决定了煤层气井疏水降压效果，同时显著影响了CH4解吸、运移、产出过程，对煤层气井高效排采管控至关重要。以沁水盆地南部樊庄区块为例，基于煤层水赋存形式、产出过程和流动形态的认识，开展了煤层水相变传质机制的研究，并量化了工程背景下无烟煤储层煤层水相变传质的阈值孔径，探讨了其对煤层气开发的工程启示。结果表明：煤层水的赋存状态可动态转变，流体压差是发生动态转变的主要机制。水的单相流动阶段，可动水的运移主要受表面张力作用；工程背景下，大孔(孔径 > 50 nm)尺度孔裂隙中可动水的运移产出是煤层压力整体释放的前提，并奠定了煤层气井高产稳产的基础。气水两相流条件下，束缚水(毛管水)向可动水的转变受煤岩润湿性以及气水之间的界面性质与相互作用的重要影响，并因毛管效应发生而压力条件要求增加。其中，泡状流和气团流为主的阶段，CH4的解吸产出促进了部分介孔(2～50 nm)尺度孔裂隙中束缚水(毛管水)向可动水的转变，并决定了煤层压力的整体释放效果；指示了见套压后，煤层压力的整体释放是气水两相共同作用的结果，排水阶段向降压采气阶段缓慢过渡对煤层气井高产是必需，持续憋压可能造成介孔尺度孔裂隙中过早形成段塞流，不利于煤层气井高产稳产。随煤层压力降低，等效孔径 > 40 nm的孔裂隙中的液态水可汽化脱离形成气态水自由水，与吸附态CH4形成竞争吸附/解吸，而等效孔径 < 40 nm的孔裂隙中的煤层水则以液态形式保存或进行润湿迁移，对气水两相流阶段束缚水(毛管水)向可动水的转变影响较小。

• 构造裂隙对CO2驱煤层气地质封存的影响

  王梓良, 桑树勋, 周效志, 刘旭东, 张守仁,

  CO2驱煤层气地质封存(CO2−ECBM)过程中，煤储层中发育的构造裂隙在注入压力诱导作用下可能成为气−水渗流的优势通道，进而影响煤层气增产与CO2封存效果。基于理论分析建立了煤储层CO2驱替运移剖面，构建了CO2驱煤层气地质封存数值模型，探讨了构造裂隙优势渗流通道对CH4增产和CO2封存的影响规律，评价了试验井组注CO2驱煤层气地质封存效果，揭示了注入试验中CO2快速突破机制，剖析了CO2快速突破对注采工艺优化的启示内涵，并提出了构造裂隙发育煤储层注采工艺建议。研究结果表明，注−采井间可依次形成CO2富集区、CH4−CO2混合区、CH4富集区和裂隙水富集区。随注入进行，各富集区形成、演化并接续影响采气井，其中裂隙水运移难易决定了产能抑制强度，进而控制了采气井增产效果和储层封存效果。沿构造裂隙采气井能实现CH4高效增产，但裂隙渗透率偏大往往导致CO2窜流进而引起CH4累计产气量与CO2累计封存量降低。项目期内CO2注入对强突破井具有显著的增产效果，实际累计产气量提高10.4%，流压等效累计产气量提高92.3%。构造裂隙为CO2快速突破提供了潜在优势通道，注压是诱导其成为优势渗流通道的主要原因，储层压裂改造区的存在和液态CO2相变膨胀增能可能加速CO2运移突破，而煤基质膨胀降渗效应有望延缓突破。为达到更好的驱替封存效果，需要在前期快速提升井底压力，在产能抑制阶段微调注压或增加采气井排采强度，全阶段维持注入井井底压力低于储层最小主应力。突破后，通过不定期关启采气井或降低注压可增加CO2与煤基质接触时间，有望进一步提高CH4采收率。

• 超临界CO2聚能压裂开发煤层气可行性研究

  丛日超, 王海柱, 李根生, 杨睿月, 王斌, 刘铭盛, 赵成明, 夏志浩,

  煤层气资源的高效开发承担着保障煤矿高效生产、减少瓦斯事故的安全责任以及补充清洁能源供应、助力“双碳”目标实现的重要使命。提出了采用超临界CO2聚能压裂技术开发煤层气的新思路，该技术利用高压超临界CO2动态致裂煤体，配合“聚能冲击+油套同注”等工艺方式实现高压超临界CO2多次、持续注入，使储层产生一定规模且不受地应力控制的复杂裂缝网络，具有无水、环保、安全、高效等技术优势。利用自主研发的真三轴超临界CO2聚能压裂实验系统开展了高阶煤和低阶煤的室内压裂实验，并与常规水力压裂、超临界CO2压裂煤岩井筒压力和成缝特征进行对比。结果表明：与水力压裂和超临界CO2压裂相比，超临界CO2聚能压裂煤岩裂缝迂曲度更高，可形成主裂缝、微裂缝与层理缝相互沟通的网状裂缝；随着聚能压力的增加，煤岩裂缝形态变得复杂，针对特定煤岩存在合理的聚能压力范围确保形成网状裂缝的同时减少煤粉的生成；超临界CO2聚能压裂技术适用于原生结构煤，现场应用中对专业设备需求少、可操控性强，常规CO2压裂设备配合聚能工具即可满足施工要求；超临界CO2聚能压裂致裂能量充足、对井筒的伤害程度小、经济成本低，可作为煤层气老区盘活和新区改造的新型储备技术；建议现场应用中采用超临界CO2聚能压裂与水力压裂相结合的复合压裂工艺，确保形成网状裂缝、扩大改造范围的同时具有长期的导流能力。通过研究验证了超临界CO2聚能压裂开发煤层气的可行性，可望为煤层气高效开发−CO2地质埋存一体化提供一种新思路。

• 煤系致密砂岩储层注CO2启动压力梯度动态规律

  王千, 申建, 赵岳, 徐强,

  致密砂岩中气液渗流的启动压力梯度(TPG)随岩石有效应力变化而动态变化，即动态启动压力梯度效应，其动态变化特征受孔喉结构控制。为了认识煤系致密砂岩多层合注CO2开发过程中储层启动压力梯度动态规律，通过对不同物性岩心进行不同有效应力下TPG的测试，基于分形方法定量研究岩石孔喉结构及渗透率对动态TPG的影响规律，建立动态TPG的计算方法，并计算储层注CO2动态和常规固定启动压力及造成的产能损耗。研究结果表明：致密岩石有效应力由1 MPa增加到29 MPa，TPG随有效应力呈现对数上升增加趋势，增加幅度为 31.2%～120.1%。低应力下TPG取决于岩石渗透率，随渗透率整体呈乘幂下降趋势，孔喉结构分形维数控制动态TPG应力敏感性，岩石孔喉结构分型维数与TPG敏感性系数呈乘幂上升趋势；较大的注入压力和较小的注采井间距将减小动态TPG效应造成的额外附加压力消耗，减弱启动压力引发的层间干扰，根据固定TPG计算的储层最小有效注入压力偏小32.8%～69.6%，储层孔喉结构越复杂，估算值的偏差越大，注入压力增加到29 MPa时动态启动压力下降3.4～7.4 MPa，动态启动压力导致的额外附加压力损耗为1.0～5.8 MPa，相同注入压力下动态与固定TPG影响下的注入CO2波及范围差异为40.5%～51.3%；最大注入压力下动态TPG造成的储层产能损耗为24.6%～65.3%，比固定TPG大4.1%～21.1%，储层岩石孔喉结构越复杂，注入压力越低，动态TPG造成的额外附加产能损耗也越大。煤系致密砂岩多层合注CO2开发时，应避免储层压力衰减至较低值，采用较大的注入压力和较小的注采井间距，减小动态启动压力梯度效应造成的附加额外产能损耗，同时减缓层间干扰，提高多层合注CO2开发效果。

• Love型槽波三维地震物理模拟试验研究

  王盼, 程建远, 刘强, 胡继武, 贾茜, 王保利,

  三维槽波地震物理模拟技术一直以来都是超声地震物理模拟的一个难题，国内外开展的相关工作较少。要成功模拟出Love型槽波，需要从槽波波场特征、模型设计浇筑、数据采集系统、固体采集耦合等方面系统考虑。针对三维槽波地震物理模拟成功的关键技术参数分析、发射接收系统关键器件−换能器的性能特征、不同直径换能器组合的激发接收方式、槽波物理模型设计制作以及固体模型数据采集等方面开展试验研究，成功模拟出了特征明显的Love型透射槽波。研究结果表明：① 模型设计时煤层厚度不能大于30 mm，但必须大于换能器尺寸的2倍以上，且应与探头激发的波长相当，否则无法成功激发出明显的Love型槽波；② 直径1 mm的点状换能器和直径8 mm的平面换能器，在无负载条件下，从能量传输效率、子波幅频特性等方面对比，平面换能器均优于点状换能器；③ 点状换能器和平面换能器不同组合方式作为激发、接收点，在铝板和有机玻璃板为负载的综合试验情况下，要在现有设备条件下实现三维槽波物理模拟只能采用平面换能器作为接收点，激发源可任意选择；④ 平面换能器激发接收的Love型槽波信噪比高、艾里相能量强，能清晰分辨模型中断层，而点状换能器激发接收的槽波记录信噪比、艾里相能量较弱，无法识别模型中的构造。

• 土层重构模式下接种DSE对玉米根系形态及水分利用的影响

  毕银丽, 李明超, 柯增鸣, 杨伟, 薛超,

  干旱半干旱区煤矿露天开采破坏了地表形态，加速水土流失，水资源的缺失严重影响了露天矿排土场植被恢复的效果。土层重构与微生物修复技术为解决露天矿排土场植被缺水困境指明了方向，但目前对土层重构下植物根系形态特征与土壤水分利用的关系以及深色有隔内生真菌(DSE)在其中起到的重要作用缺乏足够的认识，因此，本研究旨在探究土层重构模式下玉米根系生长和水分利用情况以及DSE的作用机制。研究对象为玉米，在温室进行为期4个月的土层重构室内模拟试验。试验布设3组处理，分别为空白对照(N-CK)、土层重构不接种DSE(L-CK)、土层重构且接种DSE(L-DSE)。试验结果表明：① 与纯砂土处理相比，土层重构处理的玉米根系总根长度降低了39.7%，根系中小于0.3 mm细根的比例提高了8.86%，深层(50～70 cm)土壤水分的利用率提高了16.1%。② 与土层重构不接种DSE处理相比，接种DSE玉米的叶片脯氨酸含量提高了69.8%，30～50 cm土层根系根尖数、比根长分别提高了106.6%、38.5%，且深层水分的利用效率相较于纯砂土处理及土层重构不接种DSE处理分别增加了29.3%、11.1%。③ 玉米根系的根尖数与比根长是土层重构模式下实现对深层土壤水分高效利用的关键根系特征。综合研究表明，土层重构有助于优化玉米根系结构，提高细根所占比例及根尖数目，改善缺水环境下玉米的水分利用模式，且土层重构模式下接种DSE可以通过提高玉米叶片脯氨酸含量，优化玉米根系结构等途径提高对深层土壤水分的利用率，进而提高作物的长期抗旱能力。

• 区域注浆影响下煤层底板太原组灰岩水水文地球化学演化规律

  郭艳, 桂和荣, 魏久传, 庞迎春, 胡满聪, 郭祥东, 洪荒, 聂锋, 崔亚利, 叶爽,

  淮北煤田下组煤开采，主要威胁水源是煤层底板灰岩水(包括石炭系太原组及奥陶系灰岩水)，淹井事故时有发生。针对底板灰岩水害治理，目前多采用地面定向钻高压注浆技术，对煤层底板太原组第3层薄层灰岩(简称“三灰”)进行区域性加固改造，以封堵三灰岩溶裂隙并阻断穿过三灰的垂向导水通道。但大规模高压注浆工程的实施，受注含水层地下水流场会受到干扰，在大量浆液析出水的耦合作用下，地下水化学场必然会受到严重扰动。以淮北煤田桃园煤矿太原组灰岩含水层(简称“太灰水”)为研究对象，基于常量组分监测数据统计、Piper图、离子组合比及饱和指数分析，开展了区域注浆前−注浆期间−注浆结束后(即区域注浆前−中−后“三时段”)太灰水水文地球化学演化规律研究。结果表明：① 三时段太灰水中Na++K+、\rmHCO_3^ - 、Cl−先减小后增大，Ca2+、\rmSO_4^2 - 和pH先增大后减小，Mg2+、TDS则整体减小。注浆治理区域Ca2+、\rmSO_4^2 - 相对较高，碱度较大，而Na++K+、\rmHCO_3^ - 含量相对较低。注浆前以SO4·Cl−Na和SO4·Cl−Na·Ca(混合型)为主，区域注浆“中−后”时段，太灰水则以SO4·Cl−Na·Ca和SO4·Cl−Na型居多，混合型水占比增大。② 注浆期间，太灰水中碳酸盐、硫酸盐溶解作用、脱硫酸作用和阳离子交换作用减弱，方解石、白云石的溶解作用增强，同时浆液析出水的混合影响作用明显。注浆结束后，碳酸盐、硫酸盐溶解作用、脱硫酸作用和阳离子交换作用逐渐增强，方解石、白云石的溶解作用逐渐减弱，浆液析出水的混合影响作用减弱。注浆结束1 a后水化学作用逐渐向注浆前状态恢复，但仍未恢复至注浆前状态，可知区域注浆治理对太灰水化学场扰动影响比较明显。③ 太灰水中白云石、方解石饱和指数较大，多呈现沉淀状态；石膏、岩盐饱和指数较小，多以溶蚀状态存在。三时段太灰水中方解石、白云石和石膏3种矿物饱和指数均呈先增加后降低趋势，其中白云石表现较为明显，而岩盐饱和指数变化不明显。多数矿物饱和指数与pH呈较强的正相关性，而石膏饱和指数则与TDS呈较强正相关性。④ 由于高pH的注浆浆液析出水的混扰，原来离子间平衡被打破，从而导致区域注浆以来太灰水常量指标相关性降低，且注浆结束后比注浆期间相关性更低。

• Shell煤气化炉气氛下熔渣中金属铁析出及对其黏度影响的模拟研究

  贺冲, 郭晶, 秦育红, 孔令学, 白进, 李文,

  气流床煤气化过程中，煤中无机矿物质升温熔融转变为熔渣，熔渣通过液态排渣单元连续排出炉外，因此熔渣良好的流动性(黏度)是气化炉长周期稳定运行的关键。我国高铁煤(煤灰中氧化铁的质量分数高于15%)分布广泛，比如内蒙古锡林浩特煤、河南义马煤、云南镇雄煤等。由于Shell煤气化炉内还原性气体(CO和H2)的总体积分数较高( > 86%)，高铁熔渣在液态排渣过程中易发生金属铁析出，形成大的含铁渣块，导致气化炉无法顺畅排渣甚至非正常停车，因此深入研究Shell煤气化炉气氛下熔渣中金属铁的析出行为是高铁熔渣流动性调控的重要依据。基于此，以热力学模拟为基础，依据金属铁析出和团聚机理，结合熔渣结晶特性，建立熔渣中金属铁析出和团聚的动力学模型，并定量分析金属铁对熔渣结晶和黏度的影响。热力学模拟表明，Shell煤气化炉气氛下高铁熔渣发生金属铁析出，且氧化钙的质量分数增加促进金属铁析出。分别以熔渣中还原性气体扩散和金属铁沉降为速控步骤，建立金属铁析出和团聚的动力学模型；氧化钙的质量分数增加或者温度升高，熔渣黏度降低，促进熔渣中还原性气体扩散，金属铁的质量分数增加且易发生团聚。提出金属铁团聚的临界时间作为判断金属铁团聚的关键参数；降低气化炉排渣温度或减少氧化钙的质量分数，金属铁团聚临界时间增加，避免熔渣中金属铁团聚。将晶体体积分数的热力学平衡值引入结晶动力学模型(KJMA公式)，获得金属铁对熔渣结晶和黏度的影响，发现金属铁析出促进钙长石结晶，熔渣黏度迅速增加；虽然较低排渣温度下钙长石的体积分数达到热力学平衡值所需时间更长，但黏度增加至排渣黏度上限25 Pa·s所需的时间更短。建议通过适当降低排渣温度，或添加富硅助剂，或与高硅煤共气化，可适当避免高铁熔渣中金属铁的析出和团聚，避免熔渣黏度突增和气化炉排渣不畅，有利于气化炉长周期运行。

• 钴基催化剂催化矿井乏风甲烷与锅炉燃煤共燃性能

  王雪峰, 曹敏敏, 王荀, 金智新, 邓存宝,

  甲烷排放产生的温室效应是同体积二氧化碳的25倍，矿井乏风中的低体积分数甲烷排放量巨大且直排大气，不仅造成能源浪费，还加剧了温室效应。将矿井乏风通入燃煤锅炉，在高效催化剂的催化作用下实现矿井乏风中低体积分数甲烷和锅炉燃煤的催化共燃，不仅可以实现乏风中低体积分数甲烷的完全燃烧，减少甲烷排放带来的温室效应，还可以进一步促进燃煤的充分燃烧，增加燃煤锅炉热值。基于此，首先采用配位聚合物方法合成了高效Co3O4/SiO2催化剂。具体地，通过调变焙烧温度可控制备了Co3O4纳米颗粒尺寸不同的系列Co3O4/SiO2催化剂，利用XRD、BET、H2−TPR、O2−TPD等进行表征，建立催化剂结构与催化低体积分数甲烷燃烧性能之间的构效关系，筛选出最优催化剂。在此基础上，将最优催化剂应用于催化低体积分数甲烷与褐煤共燃体系，进一步揭示低体积分数甲烷与褐煤催化共燃机理。结果表明，Co3O4/SiO2−500由于其Co3O4颗粒尺寸最小、Co3+物种含量丰富以及氧传递能力优良，表现出最优的催化低体积分数甲烷燃烧活性。此外，在低体积分数甲烷和褐煤催化共燃体系中，Co3O4/SiO2−500催化剂的加入有效促进了褐煤挥发分的快速析出与燃烧，其燃烧放出的热量提供了甲烷燃烧必要的高温条件，使低体积分数甲烷完全燃烧温度由900 ℃降至700 ℃。该研究为矿井乏风中低体积分数甲烷的高效、大规模利用与节能减排奠定了一定的理论基础。

• 高速射流煤粉MILD燃烧的研究进展

  黄文仕, 吴玉新, 张海, 吕俊复,

  开发清洁高效的煤粉燃烧技术是应对我国乃至世界范围内日益严峻的环境污染问题的重要途径，煤粉低氧稀释(MILD)燃烧技术凭借其降低NOx排放、提高热流密度均匀性等优势而被视为颇具潜力的新型燃烧方式。同时，煤粉MILD技术结合富氧燃烧技术将是未来煤炭利用过程中减少碳排放的重要方向。综述了国内外煤粉MILD燃烧的发展历程、技术特点、研究现状等，并重点针对低温预热条件下的高速射流煤粉MILD燃烧技术探讨了研究中的关键问题和研究挑战等。煤粉MILD燃烧起源于气体燃料MILD燃烧，通过增强流场对高温烟气的卷吸并稀释反应物，使高温的火焰锋面模糊甚至消失，降低燃烧峰值温度并提升温度分布的均匀性，进而显著抑制了热力型NOx和燃料型NOx的生成。煤粉MILD燃烧可通过高温预热空气或提高射流速度实现，其中后者以其在经济性和可行性上的优势而更具发展前景，然而在速度达到100 m/s左右的高速射流的强烈剪切、湍流混合条件下的煤粉MILD燃烧机理及特性研究仍有待深入开展。在高速射流强烈剪切及卷吸作用下，煤粉弥散行为与常规射流燃烧相比有明显差异，而煤粉的弥散程度又直接关系到能否实现MILD燃烧。此外，强湍流混合会改变煤粉的升温、脱挥发分、焦炭燃烧等过程，进而影响着火延迟、火焰结构和污染物生成等煤粉燃烧过程中的关键问题。基于对上述关键问题的深入了解并结合气体燃料MILD燃烧的相关研究基础，可进一步发展针对煤粉MILD燃烧的系统、准确的定义，以更好地指导煤粉MILD燃烧技术的研究与应用。

• 超低排放燃煤机组重金属协同减排和分布特性

  顾永正, 魏书洲,

  煤燃烧排放的砷(As)、铅(Pb)、硒(Se)、铬(Cr)等重金属污染物已受到广泛关注。为探究超低排放燃煤机组烟气重金属的排放特征及分布规律，采用美国环境保护署(EPA) 29法和总颗粒物(TSP)采样系统对某350 MW超低排放机组(配置选择性催化还原(SCR)脱硝+低低温静电除尘(LLT-ESP)+湿法烟气脱硫(WFGD)+湿式静电除尘(WESP))不同点位烟气中气态和颗粒态重金属(As、Pb、Se、Cr)进行同步等速采样分析，考察了分形态重金属在燃煤电厂中的富集、迁移、分布、协同控制特性。结果表明：重金属(As、Pb、Se、Cr)在燃烧产物飞灰中的相对富集因子明显高于炉渣，飞灰/炉渣中不同重金属的富集程度与其挥发性具有较为明显的正/负相关关系；不同区域重金属质量平衡系数均在可接受范围内，燃煤过程中重金属(As、Pb、Se、Cr)主要分布在ESP飞灰和炉渣中，分别占总输出量的92.12%～95.33%和2.31%～6.70%，而在脱硫石膏和排放烟气中的合计占比仅为0.47%～2.98%；ESP、WFGD、WESP对4种重金属的脱除效率分别为98.70%～99.52%、13.03%～41.63%、23.67%～53.18%，ESP+WFGD+WESP组合对气态和颗粒态重金属的脱除效率分别为62.96%～92.99%和99.72%～99.96%，促进烟气中重金属向飞灰中富集和可溶性化合物中转化可成为燃煤电厂重金属污染物高效脱除的有效技术手段；排放到大气中的气态和颗粒态重金属(As、Pb、Se、Cr)质量浓度分别为0.11～1.89 、0.06～3.83 μg/m3，4种重金属的排放因子为0.15～1.72 g/TJ，不同分形态重金属排放的差异主要取决于其在煤中含量和挥发特性。

• 煤基芳香族化合物与CO2羧基化反应研究进展

  赵宇鹏, 王玉高, 申峻, 刘刚, 魏贤勇,

  燃烧化石燃料是目前获取能源的有效途径，但由此排放的CO2严重影响了地球的生态环境。同时CO2本身是一种低毒、不易燃、储量丰富且廉价易得的碳一资源，通过化学方法实现CO2的资源化利用不仅为CO2的固定提供有益的思路，同时还能得到高附加值产品。其中CO2直接羧基化因其在步骤经济和原子经济方面的优点而备受关注，此类反应中常用催化剂包括金属配合物、路易斯酸和碱等，其中金属配合物大多合成步骤复杂且价格昂贵。芳烃和杂环化合物是煤化工行业的重要产品，拓宽煤基化学品的下游利用是促进煤化工产业转型升级的重要途径。芳酸是一类非常重要的化工产品，目前大多数芳酸的生产过程需要多步反应且原子利用率低、成本高。综述了在路易斯酸或碱的催化下，以煤基芳香族化合物为底物，利用廉价易得的CO2作为羧基化原料合成芳酸的研究进展。相比于芳酸的传统合成方法，CO2羧基化法反应流程短，合成产品成本低，产物选择性和收率较高，是一种绿色、经济的合成方法。以煤基芳香族化合物为原料，通过与CO2羧基化制芳酸技术具有着广阔的发展前景。通过对比，负载型碳酸盐催化剂安全性和稳定性较好，且可以再生，但所得目标化合物收率及选择性都较低，在后续发展中需不断改进催化剂的性能以及安全性，促进该反应应用到大规模的工业生产中。

• 界面纳米气泡强化锂电池电极材料浮选分离机理

  李臣威, 张雅婷, 张海军,

  废弃锂电池电极材料中石墨和钴酸锂等有价组分浮选分离是实现锂电池二次资源循环利用的环节之一，然而由于2者粒度较细，利用传统浮选技术难以对2者实现有效分离。将界面纳米气泡引入该浮选体系，通过冷水升温法诱导纳米气泡在固液界面成核，联合原子力显微镜(AFM)软物质成像技术、胶体探针技术、聚集体尺寸表征、颗粒−气泡相互作用可视化装置和浮选试验系统研究了界面纳米气泡强化电极材料浮选分离机理。原子力显微镜成像结果表明，通过原子力显微镜间歇接触成像模式分别在高定向热解石墨(HOPG)和氧化铝固液界面观测到了界面纳米气泡图像，冷水升温可有效诱导纳米气泡在固−液界面成核。利用原子力显微镜在接触模式下对界面纳米气泡进行了扫描，纳米气泡在原子力显微镜针尖推动下的兼并及擦除现象有力证明了纳米结构的气相本质。纳米气泡通过在颗粒间的桥接作用增加了颗粒间的最大黏附力分布：常温水条件下颗粒间最大黏附力在10 nN以内，纳米气泡存在时颗粒间最大黏附力高达110 nN，随矿浆pH的变化而有所不同。纳米气泡诱导石墨颗粒间形成了更大的聚集体，和常温水中相比，冷水升温条件下石墨颗粒聚集体尺寸增加了2～11 μm。纳米气泡在石墨颗粒表面成核及其诱导形成的石墨颗粒聚集体协同促进了颗粒与浮选气泡的黏附。浮选结果表明，在不同pH和氯化钠离子浓度的矿浆中纳米气泡均有效改善了石墨颗粒的浮选效果。

• 基于2种典型固废制备托贝莫来石及其对Cd2+的吸附性能

  叶鸣雨, 邹晶晶, 陈大野, 宋永红, 孙一平, 郭春彬,

  以2种典型固体废弃物粉煤灰提铝酸渣和造纸白泥为原料，采用一步水热法制备托贝莫来石，并用于吸附Cd2+实验。通过X 射线衍射仪、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、全自动比表面及孔隙分析仪和差示扫描量热同步热分析仪等表征手段，阐明了托贝莫来石形成机理以及对Cd2+的吸附机制。结果表明：当Ca/Si摩尔比为0.8、水热时间6 h、温度180 ℃、NaOH加入量为2.5%～5.0 %时可制备出比表面积80.956 m2/g、总孔容为0.218 cm3/g、孔径为1.21 nm、相对结晶度为97%、以短纤维为主，且在650 ℃以下具有较好热稳定性的托贝莫来石，其形成过程可分为4个步骤：造纸白泥中氧化钙转变成氢氧化钙和粉煤灰提铝酸渣非晶态二氧化硅转变成硅酸钠，氢氧化钙与硅酸钠溶液形成的凝胶块体材料，托贝莫来石晶须形成，晶须逐渐剥落并不断劈裂并长大形成托贝莫来石纤维状材料。将制备的托贝莫来石吸附Cd2+，结果表明：当托贝莫来石添加量为2.5 g/L、含Cd2+废水pH=3、Cd2+质量浓度为100 mg/L时，托贝莫来石对Cd2+去除率达99.99%；托贝莫来石吸附Cd2+符合准二级动力学方程和Langmuir模型，由膜扩散和颗粒内扩散联合控制，以化学吸附为主，是单层吸附。研究结果表明利用粉煤灰提铝酸渣和造纸白泥制备的托贝莫来石对Cd2+具有良好的吸附效果，实现了2种不同行业典型固废资源的协同综合利用，为处理含Cd2+等重金属离子废水提供一种潜在方法。

• 考虑破岩模式的TBM滚刀破岩力计算模型

  曹久磊, 俞缙, 张竹清, 冯学卫, 常方强, 蔡燕燕,

  滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数，提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配。通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析，认为协同破岩时岩石主要发生压拉破坏，非协同破岩时主要发生压剪破坏，基于此提出了一种新的刀具荷载计算方法；建立单滚刀及双滚刀线性破岩三维离散元模型，统计不同贯入度下的侧向裂纹扩展长度，以此为基础计算各刀间距和贯入度组合下的理论破岩模式，并通过分析各工况下岩石内部裂纹交汇及其水平应力分布情况，验证了破岩模式划分理论的正确性；以岩石内部裂纹分布特征为基础，提出了协同和非协同破岩模式下破碎岩片体积的计算方法，利用指数函数对岩渣破碎厚度比和刀间距之间的关系进行拟合，定义了协同系数β，并结合新破岩力公式推导出了比能耗表达式。研究发现：由新破岩力模型计算得到的垂直力和滚动力相较于实测值的误差分别为7.3%和11.0%，其相比于CSM和线性计算模型的误差较小；岩石破碎区域取决于破岩模式，协同模式下的破碎区域主要为滚刀之间，非协同模式下为刀刃下方及其两侧；随刀间距增大，岩石内高应力区逐渐分离并出现上移现象且面积下降，最优贯入度增大而最小比能耗值减小，当贯入度增大时，比能耗值先减小后增大，同时比能耗曲线变化趋势和相关破岩试验结果具有一致性。

• 基于大气散射模型的采煤工作面尘雾图像清晰化算法

  赵猛, 任志浩, 褚海峰, 王毅, 张坤, 程学珍,

  煤炭开采过程中产生了大量粉尘、水雾等悬浮颗粒，导致图像出现低照度、高尘雾且分布不均匀等降质现象，现有的图像清晰化方法处理效果不理想。提出一种基于大气散射模型的采煤工作面尘雾图像清晰化算法，解决了复杂采煤环境下模型参数(环境光值和透射率)估计不准问题。主要包括3个部分：根据采煤图像尘雾浓度分割图像区域；估计各区域的环境光值与透射率；融合区域参数后，基于大气散射模型恢复清晰图像。首先，通过分析采煤工作面尘雾分布特征，依据图像通道差异、亮度等信息，将采煤工作面尘雾区域分割为浓雾区域和非浓雾区域。然后，采用Max-RGB方法估计出尘雾图像初始光照图，为更好的保留尘雾图像结构信息和边缘信息，对初始光照图进行精细化处理，并利用精细化光照图分别计算出两区域的环境光值；在浓雾区域，依据尘雾浓度及分布特点，采用优化的颜色衰减模型，估计出浓雾区域的透射率；在非浓雾区域，利用暗通道先验以及该区域环境光矩阵，计算出非浓雾区域透射率。最后，对不同区域的环境光矩阵及透射率矩阵进行Alpha融合，并利用引导滤波在保留图像边缘信息的同时对融合过程产生的噪声进行抑制，得到全局的环境光和透射率，代入大气散射模型恢复低照度尘雾图像。为验证本文提出算法的有效性，选取了具有代表性的算法进行对比，试验表明提出算法能有效降低图像中雾的浓度，改善图像照度，保留图像边缘信息，总体性能更佳。