煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第9期

• 水−力耦合作用下砂岩力学特性与能量演化及强度准则适用性分析

  赵延林, 谭涛, 张春阳, 刘强, 张英杰, 吴连华,

  为探索岩石的水−力耦合特性。采用MTS815岩石力学试验系统对饱水砂岩进行水−力耦合下的三轴压缩试验，试验围压为10、20和30 MPa共3个系列，每个系列围压下，孔隙水压设置为7个级别，其大小分别为围压的0、10%、20%、40%、60%、80%和90%。然后分析了围压和孔隙水压对砂岩弹性模量和泊松比等力学参数影响；同时，从能量曲线，特征能量参数以及能量变化率3个方面探讨了水−力耦合作用下砂岩能量演化特性。最后分析了岩石峰值强度和残余强度的变化规律，并基于有效应力，讨论了水−力耦合下Mohr-Coulomb 准则和Hoek-Brown 准则的适用性。研究结果表明：① 砂岩的峰值强度、残余强度和弹性模量均随着围压的增大而增大，随着孔隙水压的增大而减小；泊松比随着围压的增大而减小，随着孔隙水压的增加而增大。② 水−力耦合作用下，试件以剪切破坏为主，且随着孔隙水压的增大，水力致裂显著，其破坏程度愈发剧烈。③ 结合试验所用砂岩和已公开发表文献的试验数据，以孔围比为特征参数，获得了水−力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度的归一化强度衰减方程，且岩石残余强度的强度衰减系数大于峰值强度的衰减系数。④ 砂岩的能量演化曲线趋势一致，其储能极限、峰值耗散能密度、残余弹性能密度与围压呈正相关，与孔隙水压呈负相关。⑤ 水−力耦合作用下岩石峰值强度和残余强度演变规律均符合Mohr-Coulomb 准则和Hoek-Brown 准则，岩石峰值强度和残余强度对应的有效内摩擦角差别较小，而峰值强度时对应的有效黏聚力和Hoek-Brown 准则参数远大于残余强度对应的有效黏聚力和Hoek-Brown 准则参数。

• 远场应力作用下底抽巷对底板隔水性能影响及加固技术优化

  李见波, 苗葳, 李振华, 韩久方, 许海涛, 李鹏,

  大水矿区底抽巷施工影响底板岩层隔水性能，增加煤炭开采的危险性并给底板注浆加固技术带来挑战。为此开展了远场应力作用下采动条件下底抽巷对关键岩层隔水性能影响及加固技术优化研究。根据底抽巷的轴向和断面特征，建立远场主地应力作用下底板关键岩层力学作用模型，求解有底抽巷和无底抽巷时底板破坏区下方粉砂岩的变形和弯矩理论解，进而研究底抽巷道条件下浆液充填套管在注浆加固岩层的应用效果，并进行数值验证。首先，根据研究区主要远场地主应力赋存特征得到局部坐标系中粉砂岩II承受的应力分量σ′；然后根据弹性矩形薄板单三角级数的Levy解，运用广义简支边和叠加法，得到两邻边自由条件下工作面推采距离与工作面长度比分别为0.50、0.75、1.00、1.50和2.00时底板破坏区下方粉砂岩II的变形和弯矩值。结果表明近似弹性条件下粉砂岩II在底抽巷交叉点处的位移最大，且大于四边固支条件下同尺寸岩层最大位移；底抽巷影响下粉砂岩II固定边承受的最大弯矩值比固支边时高一个数量级，同等条件下底抽巷使得粉砂岩II更易发生变形，降低了粉砂岩II抵抗变形性能和抗弯刚度。据此提出底板注浆加固工程优化方法，将浆液充填套管进入粉砂岩III垂直深度2 m，给粉砂岩II自由边增加约束，底板注浆加固工程中浆液充填长套管利用抗弯性能改善粉砂岩II边界条件增加其抵抗强度，数值计算结果验证了底板注浆加固工程中浆液充填套管实际作用效果。

• 不同岩石强度裂隙岩体约束自应力浆液加固试验研究与应用

  张进鹏, 李扬, 赵炜, 白云, 韩刚, 许峻豪, 贺敬平, 刘立民, 任喆,

  基于课题组提出的裂隙岩体自应力浆液加固方法，考虑岩石强度对自应力浆液−岩体耦合效果的影响，选取井下砂岩、炭质泥岩、砂质泥岩、煤为研究对象，进行不同岩石强度预制裂隙岩体的普通浆液和自应力浆液加固对比试验，分析岩石强度对注浆加固效果的影响；多角度探索约束自应力浆液对岩体裂隙界面的复合加固作用，揭示浆液自应力的加固机理；通过多个不同岩石强度的工程围岩案例，分析自应力浆液体系对不同岩石强度工程围岩的宏观加固效果。结果表明：自应力浆液对软硬岩等不同岩石强度裂隙岩体的加固效果均大于普通浆液，随着岩石强度变弱，注浆对裂隙岩体的加固修复程度逐渐降低，注浆加固岩体试样逐渐由沿着对角线方向的剪切破坏向劈裂崩解破坏过渡；浆液自应力改善了浆−岩界面的约束受力状态，通过增大摩擦力提高了界面的抗剪强度；浆−岩2种介质的接触连接效果被提升，自应力浆−岩界面的胶结密度明显大于普通浆−岩界面；自应力浆液结石晶体颗粒分布更均匀，密实性及力学性能均明显优于普通浆液。超细硅质自应力浆液体系在破碎软岩巷道、相对硬岩巷道、松软煤帮等工程加固中均取得了良好的效果。

• 不同应力加载速率下深埋泥岩力学特性与扩容特征试验研究

  李可, 余伟健, 廖泽, 郭涵潇, 潘豹, KHAMPHOUVANHViengvilay, 杨杰,

  岩石工程的损伤破坏过程和其扩容现象密不可分，扩容是岩石在偏应力超过屈服极限后表现出的体积增大的现象。为了进一步研究深埋泥岩扩容现象，对矿山现场钻取的埋深近1 300 m的岩石试样做了系列试验，包括XRD衍射试验、SEM电镜扫描试验和不同加载速率下(0.1、0.5、2.0和5.0 kN/s)的单轴压缩变形试验等。结果表明：泥岩成分以长石为主，岩石内部各矿物成分分布不均匀，长石呈条带状分布，其间填充其他矿物，填充物以绿泥石为主。在不同的加载速率下，各试样轴向应力−应变曲线属典型的塑−弹−塑性曲线，有明显的压密过程，加载速率越小，压密过程越明显，即曲线越平缓。进入弹性阶段后，加载速率越大，曲线斜率越大，即平均弹性模量越大。采用单因素方差分析方法对各组数据进行了差异显著性检验，结果显示试验加载速率(Vload)和泥岩岩石单轴抗压强度(σc)、平均弹性模量(E)、最大轴向应变(εa,max)、最大径向应变(εd,max)、扩容起始应力(f*)、扩容起始应力与单轴抗压强度比值(f*/σc)有关联关系，和试样最大体积应变(εV,max)、扩容起始体积应变与最大体积应变比值(εV,d/εV,max)无关联关系。加载速率越大，测试得到的泥岩岩石单轴抗压强度、平均弹性模量越大，加载速率由0.1 kN/s增大50倍至5.0 kN/s时，测得单轴抗压强度均值由26.8 MPa增大至36.5 MPa，平均弹性模量均值由3.5 GPa增大至5.9 GPa。加载速率越大，最大轴向应变和最大径向应变均越小，轴向和径向应变率均越大，即加载速率越大，泥岩岩石在未充分变形的情况下发生破坏的可能性越大。加载速率越大，试样扩容起始应力、试样扩容起始应力与单轴抗压强度比值越小，即试样加载荷载速率越大，越容易进入体积扩容阶段。认为泥岩强度参数、变形与扩容参数有显著的应力加载速率依赖性。

• 分段黏结非连续变形分析方法及其在砂岩破裂分析中的应用

  郑飞, 邓庆龙, 李芷, 王培瑞, 靳陆, 焦玉勇,

  深部采煤面临高地温、高地压、高岩溶水压及开采扰动的综合影响，岩石的非连续变形及破裂行为也比浅部更为复杂，开发模拟岩石破裂行为的数值计算方法，进行从实验室尺度到工程现场尺度的分析是研究岩石破裂相关灾害规律和机理的重要手段。非连续变形分析方法(Discontinuous Deformation Analysis，DDA)在接触理论、块体积分、计算收敛中具有严格的数学基础，采用子块体剖分和黏结处理的DDA模型可以有效模拟岩石及裂隙岩体从连续弹性变形到渐进断裂和完全破断的全过程。基于边−边黏结效应分段线性表征的朴素思想，提出分段式边−边黏结模型，将线性及非线性黏结本构关系通过分段中心点处的成对罚弹簧进行等效表征，嵌入三角形剖分的非连续变形分析求解框架内，实现模拟岩石断裂的优化DDA模型。通过简支梁中心受压、单轴压缩、巴西劈裂案例的变形、应力结果分析，验证了优化模型的准确性，获得了边−边黏结模型中分段数目、黏结刚度比、切向法向刚度比等参数的合理取值范围；通过完整及带孔洞的砂岩试样的单轴压缩试验，阐明了块体弹性模量、泊松比等变形参数及黏结单元抗拉强度、黏聚力、内摩擦角等强度参数的赋值方法，验证了优化模型在应力−应变曲线，裂纹起裂位置捕获的准确性；通过含单裂隙及组合裂隙的砂岩巴西圆盘劈裂试验的分析，验证了优化模型在裂纹起裂、裂纹扩展、多裂纹交汇等复杂裂隙扩展问题中的适用性；采用分段式边−边黏结的优化模型可推广用于包含复杂裂隙网络的岩体破坏规律和机理的分析。

• 岩体模型双向加载巷道开挖卸荷效应

  周俊, 赵光明, 孟祥瑞, 董春亮, 刘崇岩, 马龙培, 许文松,

  动态卸荷具有瞬时性，瞬态卸荷效应在深部岩体爆破开挖过程中产生影响。为了研究巷(隧)道围岩在动态开挖卸荷条件下的变形规律及破坏机制，实现围压加载条件下巷(隧)道开挖卸荷过程良好的模拟与再现，深入了解岩体开挖瞬态卸荷的动态特征及动力效应。采用自主研发的巷道围岩动力扰动相似模拟试验装置，进行巷道开挖瞬态卸载破坏的相似模拟试验，并使用应变仪、高速摄影仪及光纤解调仪对试验过程进行实时监测。获得了动态开挖卸荷全过程的应力−时间曲线，监测到裂纹产生与扩展及开挖后岩体测点的拉压状态。试验结果表明：在动态开挖过程中围岩应力经历了原岩应力阶段、动态加载阶段、动态卸载阶段、初始应力卸载阶段和蠕变阶段这5个阶段。巷(隧)道开挖后围岩布置的各监测点应变变化不一，有压变化也有拉变化，模型整体呈受压状态，开挖卸荷后岩体有蠕变现象。捕捉到卸荷效应过程中裂纹扩展，首先，动态冲击快速产生围岩径向裂纹，随开挖巷(隧)道形成，围岩储存能量快速朝临空面释放，在拉应力作用下产生环向裂纹。环向裂纹垂直径向裂纹产生并沿相邻径向裂纹扩展，产生的环向裂纹平行于临空面。巷道围岩动力扰动相似模拟试验系统监测到动态岩体模型开挖过程的瞬态卸荷效应，卸荷应变随距离产生变化，将开挖后的岩体模型分为卸荷近区、卸荷中区和卸荷远区。

• 环空流体强化自激脉冲淹没水射流调制与破煤特性

  刘彦伟, 龙丽群, 左伟芹, 李怀珍, 韩红凯, 史进, 李运强, 苗健, 贾浩杰,

  针对下向孔淹没水射流卸压增透技术的瓶颈问题，即冲击力弱、破煤效率低、冲割煤量少、适应性差等，提出了环空流体强化自激脉冲水射流下向孔破煤增透思想和原理，以破除孔底压持效应和水垫增阻效应，提高淹没状态水射流的冲击力和破煤效率。采用大涡模拟、打击力测试和冲击釜破煤实验等研究方法，研究了淹没条件下环空流体强化自激脉冲水射流的高效调制和破煤特性。首先建立了适用于煤矿下向孔增透的环空流体强化自激脉冲喷嘴物理模型，优化了喷嘴结构参数；然后研制了淹没脉冲射流高频打击力测试系统和环空流体强化自激脉冲水射流喷嘴，量化分析了环空流体强化自激脉冲喷嘴在淹没环境中的打击力和流场特性；最后研发了淹没水射流破煤实验系统，开展了淹没水射流破煤实验，揭示了环空流体强化自激脉冲水射流的破煤特性。研究结果表明：在煤矿下向孔工程条件下，由两侧带有自吸口的亥姆赫兹型自激脉冲喷嘴能够有效产生环空流体强化自激脉冲水射流，最优喷嘴结构参数为上喷嘴直径d1=3 mm、壁面碰撞角α=120°、下喷嘴直径d2=3.6 mm、振荡腔腔长L=10.5 mm、振荡腔腔径D=27 mm、引入口直径d3=4.2 mm，泵压为10 MPa时卷吸环空水量最大值为0.28 L/s，平均0.19 L/s；泵压相同时环空流体强化自激脉冲水射流与自激脉冲水射流主频相近，环空流体强化自激脉冲水射流的主频为253～285 Hz，而自激脉冲水射流的主频为251～282 Hz；环空流体强化自激脉冲水射流的峰值打击力分别为自激脉冲水射流、连续射流峰值打击力的1.05～1.08倍和1.63～1.89倍，平均打击力是自激脉冲水射流的1.09～1.16倍，反映了环空流体强化自激脉冲水射流在淹没状态下能够持续产生较大的打击力，具有良好的脉冲射流特性；相同泵压和靶距条件下，环空流体强化自激脉冲水射流比自激脉冲水射流、连续水射流对煤样的破坏效果更强；环空流体强化自激脉冲水射流具备良好的冲蚀煤体破坏效果，约88.65%的煤渣粒度在8 mm以下，当泵压为10 MPa，靶距为10d1时，冲蚀时间为10 s，射流对煤样的冲蚀作用最佳，冲蚀深度47.32 mm，冲蚀体积15.7 cm3。研究成果不仅可破解煤矿下向孔水射流增透的瓶颈问题，同时具有少掘岩巷、节省成本的优势，有望替代和超越上向孔水射流卸压增透，在煤矿瓦斯灾害防治和煤层气开发领域，具有广阔的应用前景。

• 高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运–储区交叉融合机理

  赵鹏翔, 张文进, 李树刚, 卓日升, 林海飞, 索亮,

  裂隙结构具有复杂性和不规则性，对上覆岩层卸压瓦斯的运移和储集具有决定性影响。为了确定高瓦斯厚煤层综采工作面推进过程中瓦斯运移区和储集区交叉融合的动态变化对瓦斯赋存的影响以及在不同推进速度下上覆岩层中的瓦斯运储规律，采用二维物理相似模拟实验分析覆岩裂隙分布特征和瓦斯运–储区的几何变化规律，探究不同推进速度下运–储区随周期来压交叉融合的变化特征，并以工作面推进速度为关键参数，建立瓦斯运–储区的推速效应量化表征模型，揭示推进速度影响下瓦斯运–储区的对称周期性构建机制。结果表明，瓦斯的运–储区内外边界和运–储交界分别位于裂隙开合度和贯通度的突变区域，随着推进速度的增大，运–储区边界从采空区中部向两侧缩减；随着工作面推进，瓦斯储集区逐渐过渡成为运移区，两区域范围相互交叉融合，整个过程中运–储区在循环“构建—破坏—构建”，最终形成完整的对称椭圆抛物带状的覆岩裂隙场；裂隙熵的变化随工作面的推进先增大后减小，裂隙率的变化随工作面的推进分别经历了2次增大和减小，表明瓦斯运移区和储集区随工作面推进呈“初次形成—交叉融合—区域分离扩大”的动态变化；此外，在采动裂隙椭抛带理论的基础上，构建瓦斯运–储区推速效应量化表征模型，建立瓦斯运–储区边界及状态判定流程，揭示推进速度影响下的瓦斯运–储区交叉融合演化机理和对称形态的周期性构建机制，为研究采空区卸压瓦斯分布和实现瓦斯富集区定向精准抽采提供指导。

• 孔底组合钻具瓦斯喷涌阻尼机制及工程应用

  王永龙, 裴宇翔, 孙玉宁, 余在江, 丁立培, 吴越, 郭佳宽, 杜康,

  为解决抽采钻孔喷孔瓦斯超限的技术难题，提出将钻孔瓦斯喷涌压力在孔内进行削弱的思路，构建了孔底组合阻尼钻具结构模型，通过建立气流阻力力学方程、孔底组合钻具阻尼效果数值模拟，分析孔底组合钻具瓦斯喷涌阻尼机制，研制了孔底组合阻尼钻具，包括揭露钻头、熔涂阻尼钻杆、扩孔钻头，并在屯兰矿8号煤层18407轨道巷开展了现场钻进工业性试验。研究结果表明：① 降低钻孔孔底揭露面积和增加喷孔源高压气体流动的阻力是削弱瓦斯喷涌压力技术的关键，采用小直径钻头钻进、大直径钻头扩孔分层、分段逐渐增大钻孔，通过合理设计阻尼钻具“降压间隙”β，改变钻具相对粗糙度，提高沿程阻力系数，增加风阻，能够将喷出的瓦斯压力降低到初始的25%以下。② 数值计算表明：孔底组合钻具能够大幅削弱喷孔的气流压力，降低了高压气流在孔口高速喷出的风险；揭露钻头与阻尼钻杆形成的“降压间隙”对阻尼效果起决定作用。③ 现场使用孔底组合阻尼钻具施工，钻具供水阀门开度全开，钻进速度略有降低，同时在钻孔孔口处检测到2次明显瓦斯波动现象，钻孔揭露到高压瓦斯富集区，未出现喷孔瓦斯超限，表明孔底组合阻尼钻具对钻孔瓦斯涌出压力具有显著的削弱作用，降低了孔口防喷装置的防喷压力。

• 基于量子化学计算的煤低温氧化放热强度

  高飞, 白企慧, 贾喆, 滕弋非, 李应迪,

  煤分子结构是影响煤氧化放热特性的根本原因。以水峪(SY)烟煤为研究对象，采用量子化学计算与工业和元素分析、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、X射线光电子能谱(XPS)、程序升温、差示扫描量热等相结合的方法，构建并优化SY煤的三维分子模型，并对煤的低温氧化放热强度进行研究。研究成果如下：SY煤的变质程度较高，其中碳元素主要以四取代的芳香烃和环烷烃形式存在，氮和硫元素主要以具有芳香性的吡咯和噻吩形式存在；碳氧官能团中醚氧键(C—O)、羰基(C=O)和羧基(COO—)的比例约为1.5∶1∶1.5，煤中氢键主要以羟基自缔合氢键为主。构建SY煤三维层状结构模型的分子式为C203H140O18N2，分子量为2 893.01，确定煤低温氧化过程中的6种活性基团分别为：、、、、、；在煤的低温氧化阶段，前3种活性基团未发生开环反应，主要生成环己酮和H2O，后3种活性基团可发生多步反应至最终产物为CO和CO2。基团发生彻底氧化反应生成CO和CO2的反应热分别为 \Delta H_\text2 =−591.88 kJ/mol、\Delta H_3=−718.10 kJ/mol，未发生彻底氧化反应的最小反应热为\Delta H_\min =−366.99 kJ/mol，最大反应热为\Delta H_\max =−535.07 kJ/mol；结合耗氧速率、CO产生速率和CO2产生速率，可计算得到SY煤在不同低温氧化阶段的放热强度，与差示扫描量热实验所得放热强度相比，计算值和实验值基本一致，说明采用量子化学方法计算煤放热强度的可行性。

• 磁化荷电液滴除尘机理及碰撞浸润煤尘数值仿真

  熊光婷, 葛少成, 孙丽英, 庞星宇, 刘硕, 陈曦, 年军,

  为进一步改善液滴雾化润湿性能、提高微细粉尘防治效率，以疏水性晋城无烟煤煤尘为例，采用磁电耦合表面张力交叉实验、球形液滴−粉尘颗粒物碰撞Comsol两相流数值模拟及降尘效率对比实验相结合的手段，将液滴碰撞球形颗粒的动力学特征应用到喷雾降尘中，研究了磁化荷电液滴捕捉煤尘颗粒的动力学行为，揭示了磁化荷电水雾降尘机理。结果表明：磁化、荷电、磁电耦合作用对液滴浸润性改善能力大小关系为磁电耦合作用>荷电作用>磁化作用，且存在最佳耦合参数，在磁化强度为300 MT、荷电电压8 kV时，液滴表面张力达到最小值9.20 mN/m；在液滴与球形煤尘颗粒碰撞过程中，磁电耦合作用消除了相对碰撞速度和粒径比变化对液滴捕捉煤尘颗粒的不利影响，磁化荷电后的液滴在煤尘颗粒表面无回弹现象；相较于普通水滴，磁化荷电液滴更易分裂并产生卫星液滴，即雾化性能提高，微细液滴质量浓度增大，液滴与煤尘颗粒碰撞概率增大；磁化荷电液滴表面张力和黏度减小，在煤尘颗粒表面铺展范围扩大了44.98%，润湿性能显著提高。通过对比磁化荷电水雾与普通水雾的降尘效果，发现磁化荷电水雾全尘、呼吸性粉尘平均降尘效率分别达到94.07%、82.69%，其效率分别提高了39.16%、42.29%。

• 嵌入改进注意力机制的镜质组显微亚组分轻量级网络识别模型

  王培珍, 杨志豪, 汪正才, 薛子邯, 刘林, 张代林,

  为提高煤岩镜质组显微组分的识别准确率和识别模型性能，减少识别模型训练中的人工干预，以轻量级网络模型ShuffleNet V2作为主干网络，提出一种嵌入改进注意力机制的煤岩镜质组显微亚组分识别轻量级深度学习网络模型。首先针对镜质组样本数据量较少的问题，采用随机裁剪、旋转、镜像及加噪等方法对初始样本数据进行增强，提高训练模型泛化能力；然后以大型数据集ImageNet上完成预训练的ShuffleNet V2模型为基础，采用迁移学习的方法对模型进行微调，即在本文增强的镜质组显微图像训练样本集上将预训练模型中靠近输入的若干层冻结，对靠近输出的网络层权值进行微调，生成深层特征提取层；最后在ShuffleNet V2模型的输出部分嵌入通道注意力机制ECA，并根据煤岩镜质组不同显微亚组分图像具有明显纹理差异的特点对注意力机制进行改进，构建端到端的轻量级网络识别模型，实现对煤岩镜质组7类显微亚组分的自动识别。实验结果表明：采用本文方法对煤岩镜质组显微亚组分进行识别，其平均准确率可达97.85%，较之ShuffleNet V2原模型可提升5.71%；与经典的神经网络相比，本文模型具有较高的识别准确率、较少的网络参数和计算量及较快的收敛速度；与其他轻量级网络及嵌入其他注意力机制相比，该网络在保持较少参数量的同时，识别的准确率有明显的提高。

• 基于不同热解方式下烟煤裂隙结构演化的对比

  石建行, 冯增朝, 周动, 沈永星, 李学成,

  煤炭地下原位热解开采是未来煤炭资源利用的新趋势，探明不同热解方式下煤的孔裂隙结构、空间分布及连通性尤为关键，现有的关于煤热解后孔裂隙结构参数的研究均处于无应力状态且缺乏不同热解方式下孔裂隙结构参数的对比。基于以上不足，利用自制的高温高压热−流体−应力−化学耦合作用的三轴试验机，结合显微CT技术，探究了烟煤在自然、蒸汽原位热解(600 ℃)条件下的裂隙结构差异，进而就差异性进行了机理探究。结果表明：① 自然、蒸汽600 ℃原位热解后，煤样内部产生的裂隙形态以细长型裂纹及孔洞为主，蒸汽热解后裂隙尺度进一步提升，裂隙网络更为丰富复杂；② 在轴压5 MPa、围压3 MPa的应力条件下，烟煤自然热解后裂隙率为原始裂隙率的2.68倍，蒸汽热解后裂隙率为原始裂隙率的3.65倍且每一层位裂隙率更均匀；③ 蒸汽热解使得烟煤受热均匀，换热面积大，有机质热解更加充分。驱替作用保证热解产物的持续产出；孔隙压力的局部应力作用既扩大了原有的孔裂隙体积又会破坏孔壁弱面，大大增加了孔裂隙连通性；蒸汽剥蚀效应将盲孔及孔裂隙附着的黏稠度较高的焦油“冲刷−运移”至煤体外；富氢环境促进了重质焦油的裂解，增强了油品的流动性；④ 原位与无应力状态煤样热解裂隙率及裂隙形态存在较大差异，蒸汽热解是煤炭原位注热开采工程实践的最优加热方式。

• 准噶尔盆地东部构造抬升剥蚀对铀成矿的控制

  韩效忠, 吴兆剑, 林中湘, 王行军, 蒋喆, 季辉, 来强, 胡航,

  构造与成矿具有密切的动态耦合关系，长期研究发现目标层形成和之后的构造抬升剥蚀事件对砂岩型铀矿的形成和定位具有明显控制作用。为了详细地、较为合理地刻画不同类型、不同层位铀矿形成的机理和过程，实现理论模式向找矿模型的转化，建立一种可便于操作的远景预测新方法和新途径，以准噶尔盆地东部卡拉麦里山周缘铀矿床(点)为研究对象，采用盆地构造格架划分、埋藏与剥蚀史研究和蚀源区磷灰石裂变径迹模拟的方法，开展了系列研究工作。研究发现卡拉麦里山周缘不同类型的铀矿床(点)是其抬升剥蚀演化这同一成矿系统作用下的不同产物。盆地沉降曲线和蚀源区磷灰石裂变径迹模拟显示准噶尔盆地东部在中晚侏罗世以来经历了160～140、90～70和约20 Ma 以来的3次快速隆升剥蚀阶段，这些构造事件均诱发了明显的铀成矿作用，其构造抬升剥蚀的强度控制了铀成矿的规模，其期次严格地控制了铀成矿的期次。在铀成矿过程中构造发展演化起到了主导作用，规模铀成矿主要发育在有完整成矿系统的构造斜坡带上，如喀木斯特进积式(剥蚀)多期次同向叠加和北三台退积式远源铀成矿模式往往能形成大型矿床；构造形态复杂多变的区段一般不会发育规模铀成矿，如卡拉麦里山南缘山前地区。上述区域构造抬升、铀成矿序列和控矿组合等规律的总结，为该区铀成矿远景预测提供了科学依据，可推广应用到其他盆地砂岩型铀矿找矿当中。

• 水化学性质对支撑裂缝中煤粉运移的影响

  刘子亮, 魏迎春, 张琦, 张双源, 王安民, 曹代勇,

  煤粉问题制约我国煤层气的高效开发。选用韩城矿区山西组3号煤层煤岩样品，开展不同水化学性质对支撑裂缝中煤粉运移影响的物理模拟试验，分析裂缝导流系统渗透率及煤粉产出质量浓度变化，探究不同水化学性质对支撑裂缝中煤粉运移的影响。试验结果表明：Na2SO4溶液驱替条件下，煤粉产出质量浓度随矿化度的增加而降低，高矿化度条件下，煤粉聚集沉降性强，堵塞裂缝通道。NaHCO3溶液驱替条件下，煤粉产出质量浓度随矿化度的增加而增大，伴随矿化度的增加，水解产生OH−增加煤粉颗粒表面负电荷，增强煤粉间排斥力，缓解煤粉聚集效果，产出部分煤粉颗粒。6 000 mg/L Na2SO4和NaHCO3溶液驱替条件下流体具有更多的展布空间，渗透率最高。MgCl2溶液驱替条件下，煤粉产出质量浓度随矿化度的增加而增大，高矿化度增强煤粉间相互作用，试验样内部相对平衡被打破，煤粉产出量增大，试验样内部煤粉堵塞程度大致相同，渗透率数值变化不大。在相同矿化度(10 000 mg/L)条件下，不同水化学类型溶液驱替条件下煤粉产出质量浓度为：NaHCO3 > Na2SO4 > MgCl2，试验样平均渗透率为：MgCl2 > NaHCO3 > Na2SO4，煤粉聚集的程度，在一定程度上影响煤粉产出，Na2SO4和NaHCO3团聚作用低于MgCl2，部分煤粉运移，试验样末端堵塞程度高于MgCl2溶液，NaHCO3水解产生OH−，煤粉处于碱性环境中，改善试验样堵塞情况，提高渗透率。根据模拟试验中渗透率波动的上升状态、下降状态和轻微波动状态3个趋势，结合实测渗透率，统计渗透率变化趋势时间段，分析煤粉产出质量浓度与煤样渗透率之间的关系，回归模型的R2 = 0.834，说明煤粉运移影响渗透率的波动。

• 高矿化度矿井水的膜蒸馏处理

  郭强, 李井峰, 刘兆峰, 曹志国, 何瑞敏, 卞伟, 刘淑琴,

  我国西部煤炭主产区气候干旱水资源短缺，煤炭开采产生的矿井水普遍具有高矿化度高硬度等特点。目前高矿化度矿井水的零排放处理普遍存在工艺流程长、系统复杂和运行成本高等问题。为了缩短处理流程提高处理效率，针对高矿化度矿井水浓缩脱盐处理过程，采用真空式膜蒸馏技术替代现有多级反渗透膜浓缩技术，对经过石灰−纯碱软化处理后的西部矿区典型煤矿高矿化度矿井水进行不同浓缩倍率处理，并针对浓缩过程中的膜污染机理和膜清洗方法进行研究。结果显示随着浓缩倍率的升高，聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜的膜通量和脱盐率逐渐降低，而产水电导率缓慢升高，当浓缩倍率达到27倍时，膜通量为8.87 L/(m2·h)，脱盐率为99.7%，产水电导为26.6 μS/cm。膜蒸馏过程受矿井水中钙镁离子结垢导致的膜污染抑制，反冲洗和超声清洗等物理方式无法去除无机盐沉淀，连续运行96 h后PVDF膜的膜通量由12.85 L/(m2·h)下降到5.21 L/(m2·h)。预处理除硬工序对膜蒸馏过程钙镁结垢影响明显，当除硬率超过95%时，PVDF膜的脱盐率和膜通量衰减明显减弱。采用柠檬酸清洗剂可以有效去除钙镁沉淀引起的膜污染，在酸浓度0.87 mol/L、清洗温度38 ℃和清洗时间40 min的优化条件下，膜清洗效率可达到99.5%。采用原子力显微镜(AFM)和扫描电镜(SEM)对原始膜、污染膜和化学清洗后膜的微观形态和结构进行表征，结果显示清洗后膜表面沉积的污染物明显减少，但表面形态和微观结构都发生不可逆变化。

• 淮北煤田深层地下水微生物群落特征及其水源示踪意义

  陈家玉, 桂和荣, 郭艳, 李俊,

  煤矿开采及疏水降压,打破了深层地下水的天然平衡系统，导致不同含水层微生物群落的时空变化。利用淮北煤田矿井水文孔采集深度分别为600和750 m的二叠系煤系砂岩含水层(煤系)和石炭系太原组灰岩含水层(太灰)地下水样品,利用16S rRNA基因V4区测序方法，开展深层地下水微生物群落多样性测试与分析。结果表明,煤系水和太灰水样品微生物分类单元(OUTs)数目范围分别为968～3071和820～3894，平均值分别为1 980.43和1 847.81。ACE、Shannon和Chao值呈现煤系水 > 太灰水、Simpson指数呈现煤系水<太灰水的特征，说明地下水微生物群落组成多样性煤系水 > 太灰水；太灰水和煤系水中主要优势菌门均为Proteobacteria、Bacteroidota和Planctomycetota, 相对丰度分别介于41.48%～97.36%、0.57%～48.01%和0.13%～15.29%；煤系水主要优势菌属为Thiovirga、Hydrogenophaga和Flavobacterium，相对丰度分别占煤系水中总菌属的5.98%、4.39%、3.43%。太灰水主要优势菌属为Hydrogenophaga、Acinetobacter、Thiobacillus，相对丰度占比分别为11.13%、4.72%和4.40%；煤系水和太灰水含水层特有OTU数目分别为1 759和4 107个；F−、K+、ORP是影响地下水微生物群落的主要环境因子，K+对太灰水菌群群落丰度的影响大于煤系水，F−对煤系水和太灰水菌群群落影响相差不大；随着含水层深度的增加，F−和K+对菌群群落丰度的影响逐渐增大。淮北煤炭典型污染物F−质量浓度的升高强化了部分菌群,导致微生物群落组成发生变化。由煤田采动造成的地下水污染同时使Thiothrix在太灰水中得以富集。煤系水、太灰水是淮北煤田煤矿开采的主要充水水源，而且具有不同的微生物群落特征，从而为煤矿涌(突)水水源识别提供了一种新的方法，为煤矿水害防治提供保障。

• 基于高温除尘的燃煤烟气多污染物协同控制模拟及运行优化

  李顺, 王春波, 司桐,

  针对燃煤电厂烟气中飞灰易导致除尘器、空气预热器产生堵塞等问题，以山西某410 t/h燃煤锅炉为研究对象，提出一种基于高温除尘技术的燃煤烟气污染物处理路线，研究SCR前置高温除尘器对烟气处理系统流程的压降影响，确定各设备的最佳运行参数。利用Aspen Plus模拟软件，通过相关模块的组合搭建构建相关模型对烟气流经高温除尘器、SCR、臭氧氧化、氨法脱硫等烟气处理工艺进行模拟并进行技术经济性分析，同时利用工程试验数据对模型进行验证，通过灵敏度分析功能研究设备运行参数对污染物排放特性的影响。研究结果表明：系统中采用高温除尘器能够有效缓解SCR装置堵塞问题，显著降低流程压降、减少引风机功耗；SCR脱硝装置在320～350 ℃、氨氮摩尔比在1.0～1.1模拟运行时脱硝效率最佳；采用臭氧前置氧化时应控制O3/NO摩尔比在1.05左右；进入脱硫塔的烟气温度过高不利于烟气中SO2的吸收，进而导致脱硫效率降低；高温除尘器分离的高温灰热量损失是系统中㶲损的主要原因，因此通过高温灰热量的高效利用可提高能源利用率。模型模拟结果与实际运行结果相吻合，两者相对误差<7%，准确度较高，为基于高温除尘技术的多污染物协同控制优化和能效评价提供理论支持和运行指导。

• 煤基功能碳材料的合成及储能应用

  张永, 杨琪, 邵渊, 曾友, 邱介山,

  煤及其热加工转化的衍生品煤沥青等是重要的化工资源，基于分子化学工程的技术方法和多维碳材料工程的新理念，发展煤基功能碳材料是实现煤炭资源清洁高效高值利用的有效途径。煤炭及煤沥青在分子层面呈现稠环芳烃特性，可通过物理外场(微波、等离子体等)强化作用，利用分子化学裁剪、杂化改性、界面组装等技术手段,实现零维、一维、二维和三维煤基功能碳材料的可控合成，将推动煤基功能碳材料的储能应用。介绍了煤及其热加工转化衍生品的来源、种类及理化性质，系统总结了数种煤基功能碳材料如碳点、炭纤维、碳纳米管、石墨烯、炭纳米片、多孔炭、炭气凝胶、泡沫炭等的制备方法及优缺点；重点介绍了硬炭、软炭、多孔炭、杂原子掺杂炭等煤基功能碳材料的储能应用，突出了碳层取向调控、杂原子掺杂、限域空间构筑等技术策略在提升碳材料离子存储性能方面的重要作用；介绍了煤基功能碳材料与过渡金属或过渡金属化合物有机耦合制备复合材料的方法，诠释了煤基碳源之性质与高容量且体积变化明显的碳电极材料之结构性能间的本征构效关系；讨论了煤基功能碳材料面临的可控度低、前驱体分子结构演变复杂、合成方法优化等问题。基于分子化学工程理念及过程强化技术的发展，讨论了煤基功能碳材料的未来发展方向。

• 低阶煤热解含尘焦油气品质调控及除尘分析

  王倩, 李挺, 刘倩, 申岩峰, 王美君, 闫伦靖, 鲍卫仁, 常丽萍,

  “双碳”背景下，以热解技术为核心的低阶煤分级分质转化利用对煤炭加工产业绿色低碳发展具有重要意义。针对低阶煤转化过程中存在的含尘热解焦油气高温除尘及品质调控等瓶颈问题，从煤热解和挥发物反应机理出发，阐述了含尘焦油气组成及挥发物反应特性等对焦油品质、析炭行为的影响，提出利用挥发物反应规律，通过煤种特性与工况条件的优化匹配，抑制含氧化合物对析炭形成的诱导作用，并对自由基碎片进行有效供氢，进而提高焦油品质，减少析炭形成，是有效缓解后续焦油气油尘分离压力的可行方法。并基于此，详细分析了热解焦油气除尘技术及焦油原位提质相关研究进展及技术应用情况，指出利用颗粒床除尘技术通过改变过滤材料的物理、化学特性和床层的空间效应调变挥发物反应路径，可实现高温含尘焦油气除尘和原位提质的协同效果。在保证焦油产率前提下开发适用于颗粒床过滤和焦油气原位提质的多功能介质材料尤为重要。多级孔炭基催化剂作为颗粒床过滤材料，在过滤粉尘的同时可实现重质组分裂解以及富氢组分活化的功能，既可减小重质焦油在孔结构中的传质阻力，又可通过活性位和孔隙结构的组合效应实现“同步供氢”，有效提质焦油并抑制析炭，有望为大规模粉煤热解及含尘焦油气高效气固分离技术的发展提供理论指导。

• 基于混合模型的煤气化过程模拟研究

  方薪晖, 安海泉, 刘臻, 李烨, 孙凯蒂, 彭宝仔,

  建立煤气化模型是研究气化过程的重要手段，为解决当前气化机理模型在变工况条件下存在残差较大，模型单次运行只能模拟一个工况，无法连续运行来表征气化炉长周期运行状态的问题，首先利用流程模拟软件Unisim，以国家能源投资集团榆林化工有限公司3000 t/d水煤浆气化炉为对象，建立了基于反应动力学的气化炉单工况机理模型，并基于ActiveX技术开发了气化炉的长周期机理模型，然后建立了机理模型并联BP神经网络模型的混合模型，对混合模型的模拟精度进行了验证与分析，最后对混合模型在气化指标预测和气化性能分析方面的应用进行了研究。结果表明：单工况机理模型对气化温度和合成气组成的模拟误差小于5%；长周期机理模型可以预测气化炉温的变化趋势，模拟值与运行值间的相关系数为0.822，但是模拟值的波动较大，气化温度模拟值的相对标准偏差(RSD)是运行值的3.8倍；气化混合模型的模拟精度比机理模型有着显著提高，其模拟值与运行值的变化趋势吻合良好，气化温度及合成气组成的误差小于2%；在更换工况后混合模型仍然有较高的准确性，模拟误差由之前的2%增大至4%以内。随着氧煤比从480增加至498 Nm3/m3，混合模型计算的气化温度由1160 ℃升高至1306 ℃，合成气中CO2摩尔分数由18.6%升高至19.9%，CO摩尔分数由42.6%降低至42%，H2摩尔分数由37.7%降低至36.8%，该变化趋势与机理模型保持一致，但是混合模型对机理模型有着明显的修正作用，其中对气化温度修正约38 ℃，对合成气中CO、CO2、H2的摩尔分数分别修正了−1%、−0.9%、1.5%。

• 基于强度和渗透性的煤炭地下气化采收率分析

  郝鹏程, 王创业, 刘猛, 曹望坤, 李翔, 袁淑霞, 吴松, 齐文娇,

  中深层煤炭地下气化是新型的煤炭利用技术，尚缺乏采收率评价标准。剩余煤墙强度和气体渗透性是气化后地层安全性的重要评价指标。为确保气化后地层安全性，基于强度和渗透性理论，采用有限元法对多因素影响下煤层应力分布状态进行分析，得到不同载荷作用下煤层产生裂纹的临界条件，确定不同形状气化腔、不同厚度煤层以及不同地层压力和工作压力下的最小预留煤墙厚度；采用Darcy定律对煤层渗透率进行分析。根据强度和渗透率计算地下气化过程可用于气化的煤量，结合煤炭采区回采率和油田原油采收率定义煤炭地下气化采收率，并针对不同煤层厚度、不同形状气化腔进行了采收率计算。研究结果表明，煤炭地下气化无法以回采率衡量其采收率，因气化腔的圆柱/圆锥形状特点，其采收率低于煤炭开采过程的回采率，预留安全煤墙后，煤炭地下气化采收率进一步降低。随着煤墙厚度的增加，采收率逐渐降低，但煤墙厚度对厚煤层影响较小，对薄煤层影响较大。煤层越厚，需要预留的最小煤墙厚度越大，但采收率越高，尤其是梨形气化腔更是如此。与煤炭开采不同，煤炭地下气化采收率受煤层厚度影响较大，如果采用梨形气化腔，薄煤层的开采价值较低。煤炭地下气化解决了深层煤炭的开采利用问题，由于国内外尚未建立起煤炭地下气化采收率评价方法，该研究结果可为煤炭地下气化选址、资源评价和气化工艺的制定提供参考，也可为煤炭地下气化采收率标准的制定提供参考。

• 分形理论在矿物加工中的应用基础及研究进展

  刘欣然, 周伟光, 谢广元, 彭耀丽, 梁龙, 李懿江,

  随着我国矿产资源的开发利用，矿产资源开发难度增大、矿山固废处理困难等严重制约了矿物加工工程绿色、经济、高效和可持续发展。为促进矿物加工学科深入发展，部分研究者立足行业发展需要，尝试借鉴其他学科领域理论和方法开展研究工作，以期实现矿物加工学科理论及工程技术的升级与创新，并最终服务于工业实践。作为一门非线性科学，分形理论广泛应用于自然界中各类无规则现象研究。在矿物加工领域，研究者基于分形理论研究了诸多工艺环节(包括矿石拣选、矿石碎磨、调浆、矿物浮选、沉降、过滤等)中的多种分形现象，相关研究成果为解耦矿物加工工艺环节过程、阐明相关机理、实现选别过程调控与参数优化奠定了重要基础。但总体而言，目前分形理论在矿物加工领域部分工艺环节中的应用多停留在理论研究和试验阶段，大部分研究成果尚未应用于生产实践，且研究者们对分形理论及其在矿物加工领域的应用途径和前景仍缺乏全面深刻的认识，阻碍了矿物加工领域分形理论研究的发展。因此，分形理论在矿物加工领域相关研究的广度及深度仍有较大发展空间。从分形理论的基本定义出发，针对矿物加工工艺中部分具有自相似性等分形特征的单元环节，根据环境干湿程度、矿石颗粒粒度以及是否涉及微细矿物颗粒混凝过程等条件，将各单元环节分为“矿石拣选、碎磨及过滤”、“调浆−浮选与絮体沉降”2部分进行研究，在介绍不同工艺环节中各类分形现象及其变化规律的同时，总结其中分形理论应用基础研究发展动态，重点分析了基于分形理论的矿浆混凝行为研究的相关问题，并根据现有研究，展望了分形理论未来在矿浆混凝理论研究以及选矿数字化、智能化生产过程中的发展方向。

• 碟盘刀具截割煤岩温度及磨损行为研究

  刘春生, 党振乾, 刘延婷, 刘若涵, 徐鹏, 王磊, 马化凯,

  采掘机械截割刀具与煤岩体作用的产热机制、磨损行为及截割载荷与煤岩特征定量关系，是解决截割刀具磨损失效、寿命短，实现安全、高效掘进巷道的关键。通过综合分析温度对刀具寿命、磨损及截割效率的影响，探究碟盘刀具截割煤岩的温度及磨损分布规律，揭示碟盘刀具截割煤岩的产热机制与磨损特性，在无振动和轴向激励振动截割条件下，通过摩擦做功分别确立了刀具楔面和刀刃的热流密度计算关系式，基于瞬时点热源情况下半无限体传热模型和热补偿原理，给出了碟盘刀具楔面不规则面热源和刀刃线热源的传热模型，建立了任意一点的温度数学模型，解算分析相关参数对刀具温度场影响，利用有限元ABAQUS和离散元EDEM软件，模拟不同进给速度下碟盘刀具截割煤岩的温度场及磨损特性，搭建碟盘刀具振动截割煤岩的实验系统，测试碟盘刀具破碎煤岩的温度特征，综合理论、模拟和实验探究碟盘刀具温度与磨损行为特征及分布规律。结果表明：碟盘刀具温度变化特征主要集中在刀刃上，从刀刃向楔面逐渐递减，沿碟盘刀具圆周温度呈类抛物线分布，温度从中间刀刃向两侧逐渐减小；不同进给速度下，无振动和轴向激励振动理论计算(截割时间趋于无穷大)获得的稳态平均最高温度分别为374.76和245.72 ℃，模拟获得的(截割时长3 s左右)平均最高温度分别为80.13和73.60 ℃，无振动的平均最高温度高于振动8.87%，实验获得的(截割时长3 s左右)分别为72.56和66.99 ℃，无振动的平均最高温度高于振动8.45%，模拟和实验的平均误差为11.69%；碟盘刀具截割煤岩实验过程中刀具出现的周向自旋现象利于其均匀磨损，振动截割相对于无振动更为明显；碟盘刀具刀刃温度耗散呈现非线性下降趋势，从刀刃向楔面快速传递，其结构形式可避免因温度累积集中而加剧刀具局部磨损；碟盘刀具磨损集中在刀刃处，圆周相对磨损量呈类抛物线分布，中间刀刃相对磨损量较大，两侧刀刃相对磨损量逐渐减小，ABAQUS模拟结合刀具磨损模型估算刀刃相对磨损量特征规律与EDEM模拟给出的相同；碟盘刀具圆周相对磨损量与温度特征规律相吻合，相关性系数均高于0.90，截割温度能够表征刀具磨损情况。综合理论、模拟和实验获得了碟盘刀具截割煤岩的温度分布特性与磨损规律的内在关联，3者温度变化规律具有一致性，验证了刀具传热模型的准确性和有效性。

• 瓦斯抽采水环真空泵减阻节能新方法与应用

  张一帆, 周福宝, 李金石, 康建宏, 李点尚, 高波,

  水环真空泵是瓦斯等易燃易爆气体安全输送的主要动力设备，其性能对煤矿瓦斯抽采效果至关重要。针对现有水环真空泵运行能耗高、效率低的问题，基于水环泵工作原理与能耗损失过程，提出了水环真空泵减阻节能新方法，阐释了高分子减阻液的黏弹性特性对泵内气液两相流场流动的影响机制。构建了水环真空泵性能测试系统，揭示了减阻剂类型、浓度及泵转速等参数对节能效果的影响规律，优选出适用于水环真空泵内高湍流强度、高剪切作用下的高分子减阻剂。此外，搭建了适用于煤矿瓦斯抽采泵站运行工况下的水环泵节能提效系统，介绍了减阻液配补一体化装置、泵内定量供水装置、水环真空泵节能运行监控系统等关键设备功能及技术工艺流程，并进行了现场工程试验。结果表明：随减阻液浓度增加，节能率增大，吸气流量略增，发现最佳节能效果的减阻液质量浓度为4.5 g/L；随吸气压力增加，节能率呈二次函数关系增大，但气量增加率随之降低；泵转速增大，轴功率快速增加，节能率越明显。通过在淮南矿业集团张集煤矿东风井瓦斯抽采泵站现场应用表明：该系统可大幅降低水环真空泵的运行能耗，在抽采负压不变的条件下，泵节能率达21.1%，进一步通过成本−效益分析得净节能率为18.2%，节能效益显著，有效缓解了瓦斯抽采系统能耗大的问题。