煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第11期

• 顶板不同区域压裂程度覆岩采动响应特征

  邬建宏, 潘俊锋, 冯美华, 陆闯, 高家明, 闫耀东, 马宏源,

  为了获得顶板不同区域压裂程度下覆岩活动规律及其响应特征，进而为区域压裂防治顶板主导型冲击地压提供借鉴。首先根据地面区域压裂施工期间的微震监测结果，刻画了微震缝网的平面扩展形态，并依据微震缝网对工作面的覆盖程度进行区域划分；然后基于理论分析揭示了区域压裂超前释放累积应力和能量、覆岩结构调控控制载荷源以及压裂层自身“缓冲吸能”作用机理；之后分析了不同回采区域的微震事件迁移特征、日总能量频次特征、能量频次核密度分布特征及工作面超前和倾向的采动影响范围；最后对比分析了不同回采区域的矿压显现宏观特征及支架工作阻力变化特征。研究结果表明：微震活动时空响应特征与区域压裂程度有着密切联系，压裂充分区、压裂不充分区和未压裂区3个回采区域分别呈现“高频次、低能量”“高频次、高能量”和“高频次、高能量”微震响应特征，微震能量频次核密度分布与其具有一致性，区域压裂后微震活动度和丛集效应降低，且微震事件分布呈现从工作面前方向工作面后方迁移和聚集的趋势；覆岩采动影响范围与区域压裂程度成反比，区域压裂能够缩小悬臂长度，切断载荷传递路径，从而减小超前和倾向采动影响范围，压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比，超前采动影响范围分别减小20.6%、14.7%，倾向采动影响范围分别减小21.5%、10.0%；区域压裂能够有效缓和矿压显现强度，区域压裂对厚硬岩层整体性及其强度进行弱化，使覆岩破断块体减小且能够有序及时垮落，压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比，周期来压规律不明显、来压强度低，持续来压时间缩短，来压时间间隔增大，来压次数减少；综合不同回采区域覆岩采动响应特征，在针对厚硬顶板开展水平井区域压裂施工时，应确保区域压裂缝网有效覆盖工作面及巷道两侧煤柱区域，且避免在工作面形成未压裂区。

• 薄表土层覆盖区双层介质地基附加应力传递模型

  高超, 田国灿, 徐乃忠, 张玉军,

  在采空区对应地表兴建建筑物，地基附加应力的作用可能引起采空区已稳定结构的活化并产生地表残余移动变形，影响建筑物的安全使用；针对薄表土层地区的地基附加应力、荷载影响深度计算模型较少且不完善的特点，需从计算过程简单、参数较少且易获得等角度出发，进一步探索双层弹性介质地基附加应力传递模型。首先将薄表土层地区的地基简化为上部厚度较薄、力学强度较弱的表土层，下部为厚度较大、力学强度较大的岩石层地基模型；其次基于Boussinesp弹性解，假定双层地基的各分层分别为横观各向同性弹性体且地基附加应力传播过程中无动能的变化；再次基于岩土层分界面表土与基岩微单元层的弹性应变能守恒和竖向附加应力平衡条件，建立平衡方程，并借助Matlab对方程中的各分项式进行积分求解与化简，推导出适用于薄表土层地区矩形与圆形均布荷载作用下的基础中心点正下方地基附加应力求解方程；然后根据建筑物地基附加应力影响下的采空区稳定性分析方法，基于C#语言编写出薄表土层地区拟建工程对采空区场地稳定性影响分析软件，实现了地基附加应力计算与采空区稳定性评价的科学与高效化，同时对双层介质地基附加应力求解模型进行了验证并与广泛应用的均一介质模型计算结果进行了对比；最后对双层介质参数E1、μ1与E2、μ2对地基附加应力及影响深度规律进行了分析。结果表明：薄表土层地区双层介质地基附加应力传递模型求解简单、结果科学准确；薄表土层双层弹性地基内竖向附加应力在表土层中传播过程中存在一定程度衰减；相对于均一介质体，双层介质地基附加应力影响深度减少5.3%～10.3%；基岩与表土层的弹性模量E2/E1越大，基岩内部沿深度方向的地基附加应力衰减越明显、传递深度越小；地基附加应力对于表土与基岩的泊松比敏感性较差，但仍表现出μ1/μ2越小，基岩内部沿深度方向的地基附加应力越小、传递深度越小的特点。

• 高应力巷道切缝补偿卸压技术方法及应用

  张星宇, 杨军, 高玉兵, 薛浩杰, 郭鹏飞, 何满潮,

  随着煤矿地下开采深度及强度的增大，巷道矿压问题已然制约煤矿的安全高效发展。针对目前高应力巷道失稳难题，提出了巷道切缝补偿卸压技术方法。综合运用理论分析、数值模拟和现场试验手段，阐明了巷道切缝补偿卸压机制，解释了技术方法的关键技术参数及其应用。结果表明，面对矿井开采形成的动静荷载，巷道切缝补偿卸压技术方法并不强调对煤岩体的破碎以释放集中应力，而是综合利用顶板切缝和岩体碎胀作用，同时减小目标保护巷道的开采动静荷载，实现巷道主动卸压。在减弱开采动荷载方面，巷道切缝补偿卸压技术方法利用顶板切缝和岩体碎胀特性实现开采补偿，及时有效支撑上位顶板，弱化上位顶板动态加载效应，另结合切缝对动载应力传递的抑制作用，综合减弱开采动荷载；在降低开采静荷载方面，巷道切缝补偿卸压技术方法利用顶板切缝作用保护煤柱完整性，使其整体有效承载，并通过抑制采空区应力传递，综合降低开采静荷载。切缝角度和切缝长度是巷道切缝补偿卸压技术方法的关键技术参数，现场应用中可按所提理论要求设计切缝角度以保护切缝巷道顶板稳定，切缝长度设计则应使垮落碎胀岩体充满采空区。通过在典型高应力巷道的现场应用显示，巷道切缝补偿卸压技术方法有效降低了目标保护巷道所受的开采动静荷载，巷道稳定性明显改善。巷道切缝补偿卸压技术方法的提出与应用可为高应力巷道矿压防治提供切实可行的新方法及思路，助力现代化矿井安全高效开采。

• 煤矿地面水力压裂防冲机理及效果评价方法

  马玉镇, 高永涛, 朱斯陶, 潘俊锋, 夏开文, 张修峰, 姜福兴, 刘金海, 王冰, 陈洋, 闫才,

  针对煤矿地面水力压裂防冲机理不明、防冲效果评价方法缺失问题，以孟村煤矿401102工作面水力压裂施工为研究背景，采用理论分析、现场监测、颗粒流数值模拟等方法，研究了地面水力压裂后采场覆岩结构与厚硬关键层运动形式及过程调控机制，分析了实施地面水力压裂后厚硬关键层运动形式及过程变化诱发动载荷扰动影响特征与覆岩结构变化对采掘空间静载积聚程度影响特征，揭示了煤矿地面水力压裂防冲机理，提出了煤矿地面水力压裂防冲效果评价方法并进行了应用，结论如下：地面水力压裂施工将完整的厚硬岩层沿主压裂缝破断为多个压裂岩段，厚硬岩层运动形式及过程被调控为回转或滑移运动，其运动产生的矿震能量及采场等效附加扰动应力降低，此外采场覆岩结构的调控导致采场静载积聚程度发生变化，超前支承压力水平降低，冲击危险区范围减小；与采场静载相比，地面水力压裂措施调控动载效果更为显著，通过理论计算，401102工作面压裂后覆岩运动附加等效采场扰动应力为1.72 MPa，走向支承压力峰值为42.26 MPa，冲击危险区影响范围为12 m，比未采取压裂措施相比分别降低了76.0%、8.5%、47.8%；压裂颗粒流数值模型中，压裂主裂隙为上覆岩层结构发育提供了路径，加速了压裂层位附近裂隙发育延展，促使压裂岩段发生回转或滑移运动，采场最终覆岩裂隙发育高度增加30 m，各测点走向支承压力峰值平均降低5.16 MPa；计算401102工作面防冲效果评价参数W=0.62，综合评定压裂防冲效果为优秀。

• 基于Adaboost_LSTM预测的矿山微震信号降噪方法及应用

  尚雪义, 陈勇, 陈结, 陈林林, 蒲源源,

  微震监测预警对保障矿井安全具有重要意义，微震信号降噪和P波初至的准确拾取是微震监测结果可靠性的基础。通过观察海量微震信号，发现单个微震信号的噪声段具有良好的重复性，由此创新性提出基于预测数据的信号降噪思路。具体地，构建了基于自适应增强(Adaptive Boosting, Adaboost)策略提升长短期记忆网络(Long Short-Term Memory, LSTM)的微震信号预测模型，提出了基于模型预测数据与观测数据之差的微震信号降噪方法，研发了长短时窗均值比(Short-Time Average/Long-Time Average, STA/LTA)与赤池信息准则(Akaike Information Criterion, AIC)联合的P波初至拾取方法(S/L-AIC法)，并使用P波初至拾取误差评估和方法比较不同降噪信号和拾取效果。含噪Ricker子波理论测试和耿村煤矿微震数据应用均表明，Adaboost_LSTM模型对于噪声具有很好的拟合性，而对于未进行神经网络训练的微震有用信号拟合性较差，且Adaboost_LTSM模型的信号预测和降噪效果均优于LSTM模型的结果。基于Adaboost_LTSM模型的预测数据几乎能全部去掉微震信号噪声，其降噪效果显著优于小波低频系数重构结果，对非平稳信号的适应性明显增强。小波和Adaboost_LSTM降噪信号能明显提升微震信号P波初至拾取效果，且Adaboost_LSTM降噪信号的P波初至拾取效果更优。S/L-AIC法的P波初至拾取效果优于STA/LTA法和AIC法，兼具了STA/LTA法的稳定性和AIC法的准确性特点，降噪信号S/L-AIC法P波初至拾取误差整体在10 ms以内。综上，矿山微震信号降噪和P波初至拾取方法能为矿山微震监测预警提供重要保障，可尝试推广至天然地震信号降噪和P波初至拾取。

• 深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统研制与应用

  彭守建, 许庆峰, 许江, 程亮, 周斌, 杨燕, 焦峰,

  为了深入研究深部地层煤岩体冲击地压及岩爆灾害致灾规律，自主研制了深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统。该系统主要由真三轴荷载加载系统、剪切加载扰动系统、油源与增压器系统、试件制作与输运系统、试验控制与数据采集系统构成。基于该系统开展了300 mm×300 mm×600 mm的粉砂岩及相似材料试验研究。试验结果表明：测试及功能试验证明系统具有良好的准确性和稳定性，能够较高质量的完成真三轴荷载试验，位移及力传感器测试精度良好，同时该系统能完成临空面冲击破坏试验和剪切扰动试验，破坏效果直观显著；巷道破坏现象与红外热成像云图呈现了较为一致的规律，破碎区域能量释放，温度云图颜色加深。整个应力加载阶段整体平均红外辐射温度逐渐增加，进入扰动加载期温度急剧增加；在临近全面破坏时巷道内部裂纹贯通，大量围岩从巷道壁面抛出，声发射计数和能量突增，并且保持在较高水平，声发射累计能量呈指数型增长。电磁辐射能量主要发生在扰动加载阶段的破裂期与全面破坏期，在全面破坏期呈现了明显的能量幅值急剧增加的现象，与声发射能量增幅较为相似，证明了冲击失稳破坏能量的剧烈释放。

• 低压磨料空气射流切槽辅助TBM滚刀破岩规律

  张宏图, 杨耀浦, 刘勇, 魏建平, 李志平,

  全断面隧道掘进机(TBM)在矿井开采中应用逐渐推广，坚硬围岩巷道与隧道施工过程中存在掘进困难、刀具损耗严重的问题，如何实现高强度高磨蚀性地层安全掘进对于指导地下工程建设和能源开发等具有重要意义。为此，提出低压磨料空射流切槽辅助滚刀破硬岩技术思路。基于低压磨料空气射流辅助滚刀破岩综合实验平台，研究不同切槽深度对滚刀破岩刀具受力和岩石破碎的影响。采用PFC数值分析不同切槽深度下刀具垂直载荷、裂纹扩展、比能耗和岩石应力场等变化规律，进一步解释切槽辅助滚刀破岩过程中刀具受力减小原因。形成以下主要结论：切槽底端是滚刀破岩过程应力集中区域，主裂纹从滚刀与岩石作用位置到切槽底端扩展贯通，当切槽深度大于8 mm后形成滚刀压痕处高、切槽底端低的“岩脊”状岩石破坏特征，随着切槽深度增加，岩脊高度逐渐变大。切槽后主裂纹与切槽边缘和岩石断面贯通，呈现三角状岩石破碎体，切槽深度越大，岩石块状破碎体的体积越大，同时滚刀最大垂直载荷越小，数值模拟结果与相关实验结果具有一致性。低压磨料空气射流切槽为20 mm时，滚刀最大垂直载荷为不切槽时的68%。切槽过后滚刀破岩过程中刀具两侧岩石应力减小，进一步使滚刀破岩过程刀具传递力的大小降低并朝着切槽底端传递，切槽起到移除侧向约束的作用，降低了刀具贯入的垂直载荷，形成大块状的岩石破碎体，从而减小破岩比能耗。

• 水压力和轴向静应力对红砂岩冲击能量演化及破坏特性的影响

  金解放, 王宇, 方立兴, 熊慧颖, 肖莜丰, 彭孝旺,

  深部岩体工程多处于高水压高地应力环境中，在爆破等动态扰动作用下易引起涌突水和围岩体失稳等灾害事故，研究水压力与地应力共同作用下岩石能量演化及破坏特性具有重要的理论和工程实践意义。利用自主研制的高水压高应力岩石动力学试验系统，对具有不同水压力和轴向静应力红砂岩试件进行相同冲击荷载下的冲击试验。分析岩石动态应力–应变曲线、能量反射率、能量透射率和能量耗散率随水压力和轴向静应力的演化规律，表征岩石能量耗散率的应变率效应；对冲击作用后的岩石进行筛分与纵波波速测定，计算其分形维数与损伤变量，探究不同水压力与轴向静应力对岩石(体)损伤、破碎特性的影响规律。结果表明：随着水压力的增加，反射波幅值越来越小，透射波幅值越来越大；岩石动态应力–应变曲线由Ⅰ型向Ⅱ型转变。红砂岩能量反射率随水压力的增加先快速减小后缓慢变化；能量透射率随水压力的增加呈指数函数关系递增，且轴向静应力影响二者之间的变化趋势；随着水压力由零逐渐增大，能量耗散率呈先短暂增加后持续减小的趋势，二者之间服从良好的高斯函数关系；轴向静应力影响岩石能量耗散率与水压力之间的演化路径，轴向静应力越大，能量耗散率增加，能量耗散率增加趋势随水压力增大呈先增后减变化。红砂岩能量耗散率具有明显的应变率效应，随着应变率的增加，红砂岩能量耗散率整体上先增加后减小。随着水压力的增加，红砂岩动态损伤变量逐渐减小，破碎分形维数呈“缓慢减小—短暂增加—急剧降低至零”的变化趋势；破碎分形维数短暂增加时的水压力随轴向静应力的增大呈一次函数增加。

• 富水环境对水泥基抗分散注浆材料水化产物黏附体系的影响

  孟祥喜, 岳兵, 卢润时, 孙易达, 田波, 潘从旺,

  在煤炭开采过程中，矿井巷道在穿过富水且构造发育的地层时，容易揭露导水通道进而引发突水事故。为提升水泥基注浆材料在富水环境中的工作性能，使用聚丙烯酰胺(PAM)与水玻璃作为外加剂对普通硅酸盐水泥进行改性。并采用分子动力学模拟的方法，构建水泥与外加剂混合产物的界面模型，通过调整层间水分子数量用以模拟水化产物所处的不同含水量环境。进一步地，采用多种微观表征实验对模拟结果进行了论证。结果表明：PAM–水玻璃结构展现出良好的亲水性，较强的亲水性使其与C–S–H的结合具有较强的黏附性，能够更好的适应富水环境；水泥–水–PAM–水玻璃界面脱黏功的变化具有无规律性，在含水量为6%时，水泥–水–PAM–水玻璃界面脱黏功达到最大临界点为37 465.715 mJ/m2，在更高含水量下，水分子透过孔隙结构与材料内部发生更深层次的水合反应，增强了界面稳定性；XRD图谱中的衍射峰与计算模拟中预测的C–S–H和PAM–水玻璃的存在形式相吻合，证实了聚丙烯酰胺和水玻璃会与水泥水化过程中产生的Ca2+和Si4+发生反应；SEM图像显示，水泥–聚丙烯酰胺和水玻璃界面上存在大量水化颗粒和微孔隙，包括针状和球状结晶，这些水化颗粒可能是聚丙烯酰胺和水玻璃参与水泥水化过程形成的增强界面黏附性的水化产物，而微孔隙的存在是导致模拟中出现相互作用能和脱黏功的变化主要原因。通过分子动力学模拟与实验结果的可以证明PAM与水玻璃形成的絮体结构具有良好的亲水性。相较于传统水泥注浆材料，PAM–水玻璃改性水泥浆液中絮体结构与水泥水化产物C–S–H的黏附性能更强，这有效锁住了水化产物层间水分，从而提高了富水环境中浆液的稳定性。

• 卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用

  蒋静宇, 史孝宁, 王成浩, 程远平, 黄一鸣,

  煤与瓦斯突出（简称“突出”）多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。构造煤体在突出连续发展阶段中将经历连续复杂的卸压过程，为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理，选取地质构造复杂、突出灾害治理难度较大的平煤十三矿突出煤层煤样为研究对象，开展了不同卸压速度条件下的构造煤型煤三轴加载试验、筛分试验和煤粒瓦斯解吸扩散动力学试验。基于试验结果揭示了不同卸压速度条件下构造煤体的粉化特征和瓦斯解吸规律，反算了不同卸压速度条件下破碎煤体的瓦斯解吸量和瓦斯膨胀能，提出了一种突出连续发展过程中的正反馈模型。结果表明：卸压对煤样强度和抵抗变形的能力具有一定的弱化作用，卸压速度越大，弱化作用越强，越容易发生破坏。随着卸压速度的提高，煤样破碎后的粉化程度增强，瓦斯解吸量亦随之增高，导致瓦斯膨胀能增大。卸压速度从0.01 MPa/s增大至0.1 MPa/s时，破碎煤样的瓦斯膨胀能增加了21.05%~40.00%。卸压速度的增大，使得构造煤样的破碎程度、气体流动通道和煤体内能增加，初始瓦斯解吸量也随之增加，最终导致瓦斯膨胀能的增加。研究表明卸压速度对诱导突出连续发展有着关键作用，其控制瓦斯膨胀能的正反馈过程不断循环是影响构造煤层突出连续发展的重要因素。

• 采动影响煤与瓦斯突出中的孔隙压力与温度变化

  张建国, 王满, 张东明, 余北辰, 王玉杰,

  煤与瓦斯突出是采动应力等多重因素作用下，煤层发生破裂并伴随瓦斯迅速释放的复杂现象。深入剖析突出过程中应力、孔隙压力及温度的动态变化，对于揭示煤与瓦斯突出的本质机理、制定有效的煤矿突出防治措施具有重要意义。为了研究采动应力变化对煤与瓦斯突出过程的诱导机制，结合平煤十二矿戊组煤与己组煤部分区域上下叠加关系造成的煤体支承压力异常现象，利用多场耦合煤岩体动力灾害防控技术模拟系统开展了煤与瓦斯突出模拟试验，试验过程中详细记录了气压与温度的动态变化，并深入探讨了动荷载持续作用对煤与瓦斯突出过程气体压力与温度的影响。结果表明：采动应力持续加载造成应力集中现象加剧，引起煤体孔隙裂缝面积减小，内部孔隙压力升高，促进了煤与瓦斯的流动和传输，可能提前诱导煤与瓦斯突出。高频动荷载会使孔隙压力上升更快，当达到爆破临界压力导致突出事件发生，大量气体迅速释放，气体压力急剧下降。在温度演化方面，初始注气阶段由于气体分子间相互作用力增强、气体压缩过程中做功转化为热能以及气体的逐渐释放，煤体内部温度呈现上升趋势。随着进入吸附平衡阶段，内部气体压力趋于稳定，煤体内部的热量逐渐向外环境散失，温度略有下降。在注气诱导突出阶段，动荷载和气体注入的共同作用使腔体内部煤体温度再次升高。而在诱发突出阶段，由于气体的快速释放，温度大幅度下降。在煤矿生产中，制定控制煤与瓦斯突出事故的措施时，必须充分考虑采动应力对突出过程的影响。

• 应力波作用下煤岩层面超低摩擦特征解析理论研究

  王晓, 张学朋, 李文鑫, 蒋宇静, 李郑梁, 王春光,

  在地质构造、开挖面切割以及高应力、强采动影响下，深部煤岩大多具有明显的块状构造特征，当受到顶板断裂等动载应力波作用下时，这些块状煤岩层面极有可能会产生超低摩擦滑动现象，进而诱发滑移型冲击地压等动力灾害事故。为了探究应力波作用下煤岩层面超低摩擦特征，基于应力波传播理论推导了应力波与煤岩层面相互作用解析理论模型。在解析模型中，分别采用Bandis-Barton模型以及Coulomb-slip模型表征煤岩层面的法向和切向行为。通过将解析模型与已有理论模型以及相同的UDEC模型计算结果进行比较，验证了解析模型的可靠性。讨论了煤岩层阻抗比、煤层高度、应力波入射角对应力波作用下煤岩层面超低摩擦特征的影响。研究结果表明：随着煤岩层波阻抗比的增加，煤岩层面相对法向位移的变化范围越大，煤岩层面越容易产生超低摩擦现象，或更容易产生摩擦力更小的现象；煤层高度越高，煤岩层面的相对法向位移变化以及相对切向位移变化整体上越小，煤岩层面整体上越不容易产生超低摩擦现象；随着应力波入射角(10° ～ 40°)的增加，煤岩层面相对法向位移的变化范围越小，但煤岩层面的切向应力分量变化增大，若没有水平推力作用，随着应力波入射角的增加，煤岩层面发生超低摩擦滑动的可能性更大。

• 爆炸冲击波作用下立井防爆门及风机叶片动态响应特性

  张学博, 高建良, 任镜璋,

  研究爆炸冲击波作用下立井防爆门及风机叶片动态响应特性，保证主要通风机连续、安全、可靠运转对保障矿井安全生产意义重大。根据相似理论设计搭建了小尺寸风井–风机–防爆门爆炸传播实验系统，开展了瓦斯爆炸冲击波传播实验，通过实验结果与数值模拟结果对比，验证了瓦斯爆炸冲击波传播数学模型的可靠性；利用分段接力模拟方法结合编写的描述防爆门运动过程udf代码，模拟了羊场湾矿Ⅱ020611回风巷掘进工作面发生瓦斯爆炸时冲击波传播过程，研究了冲击波作用下立井防爆门及风机叶片动态响应特性。研究表明：① 冲击波作用下，初期防爆门上远风硐侧超压高于近风硐侧，而后出现高超压区由远风硐侧向近风硐侧移动现象，在超压未达到最大值之前防爆门上超压已分布均匀。② 受冲击载荷作用，沿叶片径向方向出现不同的高压区，沿叶片的轴向方向，由叶片边缘向叶片中央超压逐渐增大。冲击波作用下叶片根部弯矩骤然增加至最高值又迅速降低，瓦斯爆炸当量越大，衰减越快。冲击波超压对叶片根部产生弯矩最大值与瓦斯爆炸当量呈对数关系。③ 对于叶片根部弯矩峰值，防爆门关闭时最大，防爆门被动开启次之，防爆门主动开启时最小。防爆门被动开启时，瓦斯爆炸当量越大，防爆门开启后泄压效果越差，配重对防爆门开启后泄压效果影响有限；相比于被动开启，防爆门主动提前开启可大幅度提高风机处的泄压效果，提高风机在灾变条件下的生存能力。

• 基于非线性渗流理论的破裂岩体突水危险性量化方法

  刘伟韬, 赵吉园, 孔德斌, 顾玉龙, 杜刚, 王建刚,

  破裂岩体是主要的突水通道之一，突水发生时地下水在破裂岩体中表现出非线性渗流特征，但由于破裂岩体内部结构的复杂性，对其突水危险性的研究以定性分析为主，难以量化评价。为了能够找到一种破裂岩体突水危险性量化方法，开展了破裂岩体非线性渗流实验，研究了破裂岩体的内部结构参数和水在破裂岩体内的非线性渗流参数的变化规律，基于多孔介质非线性渗流理论和分形理论，推导了非线性渗流数学模型，确定了破裂岩体的结构特征参数、非线性渗流特征参数与破裂岩体的突水危险性分级三者之间的关系，建立了基于非线性临界压力梯度的突水危险性判据，结果表明：非线性临界压力梯度可以作为评价破裂区域突水危险性的量化指标，该量化指标同时考虑了破裂岩体内部结构参数和地下水的非线性流动状态参数；相较于传统的突水危险性确定方法只考虑完整岩层的阻水能力，建立的非线性临界压力梯度突水危险性判据考虑了破裂区域岩层和完整岩层在内的所有岩层能够承受的总的临界水压值，反映了所有岩层的阻水能力。建立的非线性临界压力梯度突水危险性判据创新性地尝试了将非线性渗流状态参数应用到突水危险性量化方法研究当中，是一种将破裂岩体的内部结构参数和地下水的流动状态参数耦合的突水危险性量化方法。

• 硅油控制自旋射流钻头转速下的黏性力矩特性

  葛兆龙, 张娣, 卢义玉, 周哲, 崔予怀,

  利用转速可控自旋射流钻头破煤钻孔，可提高水力喷射树状钻孔技术的煤层气开发效率。在钻头有界环空内填充硅油产生的黏性力矩可有效控制钻头转速，但黏性力矩特性仍不明晰。量化分析了不同黏度硅油流变特性；基于自主搭建的流体有界环空受迫流动动力学测试装置，获得了不同转速和有界环空内径下硅油的黏性力矩；阐明了硅油在有界环空内的流动状态，推导了黏性力矩模型并进行了适用性讨论。结果表明：硅油依黏度不同可近似为牛顿流体(黏度≤5 Pa·s)和以Cross流变模型描述的剪切稀化流体。牛顿型硅油在有界环空内受迫流动时表观黏度基本不变，因此其黏性力矩随自身黏度和转速线性增加，随内径增加增速加快，这有利于多压力梯度下的转速控制。Cross型硅油的剪切应力随剪切速率呈现为增加、减小、再增加趋势，导致其黏性力矩存在由转速和内径协同控制的峰值，且硅油黏度越大，黏性力矩取得峰值时的转速和内径组合越多；为避免Cross型硅油控速时因黏性力矩减小而发生钻头转速失控，需根据转速控制范围合理选择硅油黏度和有界环空内径。在84%的测试转速和内径组合下，Cross型硅油黏性力矩大于相同条件下的牛顿型硅油，表明前者更适合高压力下的转速控制，后者更适合低压力。本次实验条件下，硅油在有界环空内的受迫流动为层流，推导的牛顿型和Cross型黏性力矩模型分别在内径不超过14.5 mm和等于14.5 mm下具有较高的可靠性，最大误差为14.3%。

• 富油煤地下热解过程中纳米孔隙结构特性演化规律

  许涛, 陈杰, 伍永平, 柯于斌, 解盘石, 吕文玉,

  富油煤地下热解是一种可有效提取煤中油气资源的绿色低碳技术，是煤炭清洁低碳利用的前沿方向。煤中纳米孔隙是地下热解过程中吸附和解吸焦油气的主要空间，因此探明地下热解条件下纳米孔隙结构特性演化规律，是提高富油煤地下热解工艺油气产率的关键科学问题。利用中国散裂中子源(CSNS)-小角中子散射(SANS)技术，模拟煤层地下热解环境，定量表征富油煤在无围限压力条件下不同加热速率与温度下纳米孔隙的散射强度、平均孔径与分形维数演变，结合低温吸附(BET)、热重实验(TG)、扫描电镜(SEM)等多种物理表征方法，揭示富油煤地下热解过程中纳米孔隙结构特性演化规律。研究结果表明：在地下热解过程中，纳米孔隙的平均孔径随温度的升高逐渐增大，在热解干燥脱气阶段(< 300 ℃)发育较缓慢，在活泼阶段(300～500 ℃)纳米孔隙发育最为剧烈，增长幅度为57.1%，在随后二次脱气阶段发育再次减缓；在低–中–高温(≤800 ℃)条件下热解没有引起富油煤表面分形维数Ds的明显变化。基于SANS散射光谱，分析发现热解过程中富油煤纳米孔隙分布呈现各向同性特征，表明热解反应不会影响本实验样品中纳米孔隙发育的方向性。对比不同加热速率(5 ℃/min与20 ℃/min)，实验发现加热速率对地下热解过程中富油煤纳米孔隙平均孔径与分形维数影响较小；较慢加热速率下富油煤的最终整体散射强度更高，纳米孔隙结构发育更充分，更有利于地下热解反应的进行。此外，与BET等常规表征方法相比，CSNS-SANS技术可检测到样品中的闭孔，且实验条件更符合原位环境，实验结果更具可靠性。

• 普阳煤矿新近纪M3煤层中钨的赋存状态与富集成因

  郭星星, 汪小妹, 程海见, 杨浩然, 潘思东,

  煤中战略性金属资源越来越受到人们的关注。随着传统钨矿储量的减少，煤中富集的钨极有可能成为一种新型的钨矿来源。沉积源区物质的输入和流体作用是煤中战略性金属元素富集的重要影响因素。在云南普阳煤矿新近纪M3煤层中发现了钨(W)的异常，但是缺乏对异常的成因以及元素赋存状态的研究。运用X射线衍射分析(XRD)、带能谱的扫描电镜(SEM-EDS)、X射线荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等技术对普阳煤矿新近纪M3煤层样品进行了矿物学和元素地球化学特征研究，通过逐级化学提取对W的赋存状态进行了研究，并通过碱萃取实验对比腐植酸、原煤中W元素的含量，来探究W与有机质(腐植酸)的结合能力。并探讨了物源区供给和流体作用对M3煤中战略性金属钨(W)的控制作用。结果表明：普阳M3煤属于低–中灰分、中高–高挥发分褐煤；M3煤的主要组成矿物包括石英、黄铁矿、方解石，以及少量的高岭石、伊利石、菱铁矿；M3煤中常量元素以Al2O3和SiO2为主；与世界低阶煤相比，M3煤中高度富集W元素(富集系数CC=59)，钨平均质量分数为70 μg/g(最高达到325 μg/g)，在煤灰中质量分数平均可达359.76 μg/g(最高达到1432.35 μg/g)。逐级提取实验以及相关性分析表明，M3煤中W可能主要赋存在有机质中，其次为硅酸盐和铝硅酸盐，少量的W可能赋存在黄铁矿中，还有一小部分W可能赋存在不溶性矿物或被有机质包裹的矿物中；通过碱萃取实验发现，腐植酸中W的质量分数范围在58.8～123 μg/g，平均质量分数为86.4 μg/g，是原煤中W质量分数的1.37倍，表明M3煤中W与有机质(腐植酸)的结合能力较强；普阳M3煤主要物源为文山地区酸性花岗岩，由于源岩的碎屑物质供给与流体作用，M3煤中W元素高度富集。

• 金属干扰环境下矿井瞬变电磁有限元正演模拟研究

  朱姣, 姜志海, 殷长春, 邱长凯, 李毛飞, 高兆丰,

  金属干扰一直以来都是影响矿井瞬变电磁探测数据可靠性的关键因素之一。不仅给数据解释带来误判、错判，甚至导致接收信号彻底无效，因此系统研究金属环境下的瞬变电磁响应特征至关重要。可采用三维矢量有限元法实现金属干扰环境下的瞬变电磁正演模拟。利用精细化四面体网格对全空间计算区域进行空间离散，同时引入二阶后退欧拉时间离散格式，将直接求解器MUMPS用于线性方程的求解，最终获得高精度的数值解。在验证算法精度的基础上给出金属干扰环境下的矿井瞬变电磁响应，证明非结构有限元法对交界面电阻率差异巨大、磁导率参数较大的含金属模型依然能够进行较好的模拟。为系统分析金属干扰环境下瞬变电磁响应规律，设计切合实际尺寸的典型块状金属和金属工字钢模型。以精细化四面体网格拟合金属模型界面并提取数值模型的电磁扩散剖面，分析金属体与接收线圈距离及金属体尺寸对响应信号的影响。非结构有限元法数值模拟结果表明：巷道内金属的存在使得电磁场信号产生畸变，感应电动势曲线在晚延时产生异常高值。并且金属体尺寸越大、距离越近，则感应电动势响应幅值更大、影响范围越广，甚至淹没目标含水地质体的信号。可移动的块状金属与连续的工字钢在响应特征上具有相似的规律，因此在工程实践中可通过调整距离等方式对其处理。

• 黄土高原露天煤矿复垦土壤−植被系统恢复力及协同/权衡关系

  陈浮, 朱燕峰, 骆占斌, 常媛媛, 杨永均, 马静,

  土壤−植被互作互馈推动受损矿山生态系统修复趋向良性循环，但目前对露天煤矿区植被恢复与土壤功能之间关联和互馈机制认识尚浅，限制了矿区植被恢复策略的科学制定。选取黄土高原黑岱沟露天煤矿4个不同时序排土场复垦区，利用野外调查、高通量测序和恢复力评估模型等方法，构建草地、灌木、针叶林、阔叶林和混交林等5类系统恢复力评估模型来探索生态恢复下土壤−植被系统功能之间权衡/协同关系。结果表明：① 与未复垦裸地相比，复垦8～30 a土壤各项指标恢复介于30%～80%，植被各项指标恢复介于20%～75%；② 第15 年时草地和灌木土壤养分保育和生态碳汇的功能恢复速率达峰值，针叶林、阔叶林和混交林则第25年时达峰值。土壤系统恢复水平为混交林 > 草地 > 针叶林 > 阔叶林 > 灌木，植被系统恢复水平为混交林 > 阔叶林 > 针叶林 > 草地 > 灌木。③ 草地、灌木和阔叶林与其土壤系统功能恢复力以权衡关系为主，针叶林和混交林则以协同关系为主。黄土高原露天煤矿区植被恢复显著改善了复垦土壤物理、化学、生物性状和群落特征，复垦年限对土壤−植被系统功能恢复水平和速率有着显著的影响。随复垦年限延长，各功能恢复力之间呈现此消彼长的权衡关系。研究揭示了复垦土壤−植被系统恢复力具有强时序性，为黄土高原露天矿区生态恢复过程中适时调配植被建群策略，促进土壤−植物系统功能协同发展，科学制定和优化生态修复方案提供理论依据。

• 东部草原露天矿区接种AMF对植物–土壤养分积累及本土DSE定殖的影响

  解琳琳, 毕银丽, 刘涛,

  东部草原不同草种存在不同的生存空间比例，接菌对草原草本生长及竞争关系的研究对于揭示接菌对草原生态演变具有重要意义。针对内蒙古锡林浩特市胜利露天矿区土壤贫瘠、植被生长困难等现状，利用不同草种配比种植模式并结合微生物–丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi，AMF)接菌方式，旨在探明植物–真菌联合对矿区排土场土壤改良与植被恢复效应，并筛选适宜矿区排土场生态恢复的最佳种植模式。结果表明：影响土壤和植被恢复的主导因素分别是种植方式和接菌处理，综合影响力表现为：接菌作用 > 种植方式，矿区排土场的生态复垦中，接种AMF对植物–土壤养分积累具有积极的提升作用。豆科与禾本科相对权重为1∶3 + AMF的种植模式不仅能促进土壤改良，加速土壤养分的累积，还能很好地促进植物生长和养分吸收，是适合该区域排土场生态修复的最佳组合模式。此外，接种AMF影响了试验区的本土真菌中深色有隔内生真菌(Dark Septate Endophytes，DSE)在植物根系中的定殖，人工植物种植及接种AMF后，DSE定殖强度相比于自然恢复区有下降趋势；AMF定殖情况均呈现一级根系 > 二级根系，接种AMF降低了DSE在一级根系中的定殖，提高了DSE在二级根系中的定殖，AMF和DSE分别在植物一级根系和二级根系的生态位中占据优势，该环境下AMF与DSE存在位点竞争。DSE总定殖率与土壤质量和综合质量指数显著正相关，一定程度上DSE总定殖率的提高有助于土壤中营养积累和区域综合质量的提升。研究表明在露天矿区排土场生态复垦中加入AMF对修复效果具有积极的正向作用，为排土场使用微生物–植物配置复垦技术提供了数据支撑。

• Oxy-steam燃烧初期H2O及其衍生基团对煤–N迁移转化的影响机理

  岳爽, 丁浩浩, 赵硕, 张月, 洪迪昆, 邓海顺,

  近年来，以O2、H2O为工质的第3代富氧燃烧——氧–水蒸气(Oxy-steam)燃烧技术，因其巨大的CO2捕集潜力及优良的系统可靠性而备受关注。然而，H2O对煤粉着火燃烧的影响十分复杂且非线性，尤其对于高浓度H2O(体积分数30%～80%)作用下的煤氮热变迁机理尚且不明，传统的低氮燃烧技术或将不再适用于O2/H2O燃烧，进而加剧氮氧化物(NOx)排放超标风险。为此，借助基于ReaxFF的分子动力学(Molecular Dynamics, MD)模拟，结合原子示踪方法，研究O2/H2O燃烧前期脱挥发分阶段煤中有机氮的迁移转化特性，重点关注了含氮官能团赋存形态的演化过程及含氮前驱物生成反应路径，为开发适用于Oxy-steam燃烧的低氮燃烧调整工艺提供理论基础。结果表明：脱挥发分阶段初期，H2O的存在促进了氢氧基团尤其是·OH自由基与羟基官能团(C—OH)的生成，有利于含氮官能团所在芳香环的裂解以及含氮前驱物的释放，但这种影响在脱挥发分前期并不明显；大量氢氧基团的生成促使位于芳香环内部的季氮(N-Q)向处于碳链边界的吡啶氮(N-6)发生转化，同时加剧了煤中原有的N-6、吡咯氮(N-5)向氧化型/不定型氮(N-X)发生迁移，导致煤脱挥发分阶段前期，湿环境下得到的固相燃烧产物中N元素多以N-6、N-X的形式存在，煤中含氮官能团稳定性更低、活性更高；此外，随着煤氮热变迁过程的进行，H2O及其衍生基团的存在改变了含氮前驱物的生成来源，提高了N-6向HCN、N-5向NH3的转化率，但相同工况下HCN、NH3产率受H2O的影响不大。

• 80 MW煤粉工业热水锅炉快速启停特性

  刘鹏中, 刘增斌, 苗鹏, 郑祥玉, 邢文朝, 贾楠,

  燃烧器通常被认为是煤粉锅炉的核心设备，并逐渐成为灵活调峰中锅炉启停过程研究的重点。一种逆喷旋流燃烧器以其良好的稳定燃烧特性，广泛应用于中小型煤粉锅炉，以满足宽负荷、频繁启停运行的要求。以采用双锥预燃室逆喷旋流燃烧器的80 MW煤粉锅炉为对象，以采暖运行中运行负荷、供料频率、炉膛平均温度及选择性催化还原(SCR)系统烟气温度的实际测量数据为依据，对不同初始条件的启炉过程和正常停炉过程进行详细分析。结果表明，该煤粉炉具备较为快速的启停能力，其中启炉过程根据供料频率的变化分为负荷快速提升、负荷缓慢提升阶段，快速提升阶段，负荷提升率可达到3%/min以上，在冷态和热态启动(即回水温度低和高)的情况下，锅炉负荷提升率分别达到3.6%/min和3.11%/min。启炉阶段的负荷提升速率受限于煤粉燃烧速率与炉膛传热速率的不匹配性，即传热速率滞后于燃烧速率，而煤粉燃烧速率则受储仓式煤粉供料系统供料频率的限制。热态情况提升至满负荷时，传热的滞后性体现为13.18 MW的负荷升高，占额定负荷的16.48%。同时热态情况下的炉膛上、中、下部烟气平均温度高于冷态情况，但温度上升速率低于冷态情况；并且可以在较低负荷及较短时间内达到SCR反应所需的温度区间。停炉阶段，受益于供料频率的快速切断，负荷降低可分为快速和缓慢阶段，降低速率分别为9.69%/min和1.09%/min，炉膛平均温度与SCR烟气温度快速下降，实现快速停炉。

• 煤矸石与气化飞灰的热重–质谱混燃机理

  林建功, 张孝禹, 惠吉成, 朱书骏, 朱建国,

  为了明确煤矸石与气化飞灰的混燃机理，在获得乌海煤矸石和宿迁气化飞灰理化特性的基础上，采用热重–质谱分析方法对乌海煤矸石、宿迁气化飞灰及其混合物的燃烧特性以及气体释放特性进行研究。热重分析结果表明：与宿迁气化飞灰相比，乌海煤矸石具有更好的着火特性，乌海煤矸石可提高混合燃料的着火性能，宿迁气化飞灰则可提高混合燃料的高温燃烧特性。基于Coats-Redfern(C-R)法、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)法和Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)法进行燃烧动力学特性分析，结果表明：乌海煤矸石表观活化能为48.25～152.22 kJ/mol，燃烧反应符合Jander模型；宿迁气化飞灰表观活化能为106.34～312.79 kJ/mol，反应符合n=1/4的反应级数模型；乌海煤矸石与宿迁气化飞灰掺混的质量比为1∶3时的表观活化能为102.24～301.58 kJ/mol，反应符合成核生长模型。通过混合燃料质量变化速率理论值与测试值之间的偏差来探究各组分间的相互作用，结果表明：乌海煤矸石与宿迁气化飞灰混燃过程存在明显耦合作用，整体相互促进，改善了燃烧反应特性，相互促进作用随宿迁气化飞灰质量占比增加逐渐增强。综合燃烧特性与气体释放特性，乌海煤矸石与宿迁气化飞灰较佳的掺混质量比为1∶3。含氮气体释放特性研究表明：在挥发分和固定碳燃烧阶段NH3均有释放，NO和NO2气体释放最高强度的峰值对应的温度与热重曲线最大反应速率对应的温度基本一致。

• 石油焦和煤化学链燃烧发电系统能耗、效率和温室气体排放研究

  夏莹莹, 柳凌晨, 朱梦祥, 曹慧菊, 项东,

  劣质石油焦由于其碳含量高和热值高常被用作燃料，但其在燃烧过程中会排放大量CO2。将石油焦用于化学链燃烧发电是实现其清洁利用的有效途径，但该过程仍面临石油焦转化率低的问题。将石油焦与煤混合作为燃料可显著提高石油焦的燃烧反应活性。因此，建立了石油焦−煤以质量比1∶1为燃料和煤单独为燃料的化学链燃烧发电系统，对燃料反应器中分解燃料充分反应所需载氧体循环量和空气反应器中再生载氧体所需空气流量进行优化，并从系统效率、生命周期化石能源消耗和温室气体排放方面将其与石油焦单独化学链燃烧发电系统的性能进行分析比较。结果表明，石油焦–煤化学链燃烧发电系统和煤化学链燃烧发电系统中所需循环载氧体和燃料的质量比为26.43和24.19，再生载氧体所需空气与燃料的质量比为9.22和8.43。石油焦–煤化学链燃烧电厂的效率为36.77%，分别比石油焦和煤单独为燃料的电厂高8.96%和2.20%。石油焦−煤混合为燃料电厂的生命周期化石能源消耗和温室气体排放为9.52 GJ/MWh和302.76 kg CO2 eq/MWh，分别比石油焦和煤单独为燃料电厂低2.56和0.27 GJ/MWh、35.27和4.03 kg CO2 eq/MWh。将石油焦与煤混合作为燃料提高石油焦的燃烧转化率后可显著提高发电系统的能量效率，同时降低发电过程的生命周期化石能源消耗和温室气体排放。

• 基于简化区间核全局–局部特征融合的采煤机智能故障诊断

  李宁, 丁华, 孙晓春, 刘泽平, 浦国树,

  采煤机作为煤炭开采的主要装置之一，其健康状态受工作环境恶劣、操作空间狭窄等因素影响而难以准确监测，且极易受到煤岩的冲击而发生故障，直接影响采煤机工作效率。此外，由于采煤机特殊的工作环境，使采集的振动数据极易受到各种因素的干扰而变的难以使用，影响其监测可靠性和智能化水平。为准确监测采煤机健康状态，以采煤机正常状态下的电流、温度、流量等容易获取的数据为基础，综合考虑数据集的全局和局部特征以避免其结构信息的丢失。利用主成分分析PCA (Principal Component Analysis)和局部保持投影LPP (Locality Preserving Projections)构建的目标函数，结合互信息、核函数、区间内积估计和重构贡献的方法建立了一种基于简化区间核全局–局部特征融合SIKGLFF(Simplified interval kernel global–local feature fusion)的智能故障诊断方法，用于对表征采煤机状态的非线性不确定数据进行特征提取。并使用山西斜沟煤矿采煤机实际运行数据模拟故障和沙曲二号煤矿实际故障数据对所提方法的性能进行评估实验。结果表明，与中点–半径核PCA、核局部保持投影和区间核全局–局部特征融合算法相比，所提方法对采煤机的单变量模拟故障、多变量的截齿损耗和水路堵塞故障具有良好的监测效果，其故障监测准确率分别达到了99.90%、99.40%和98.70%，计算时间分别只有0.324、0.367和0.345 s，而且可以准确识别产生故障的相关变量，为采煤机故障位置的确定提供理论依据，也为工作人员维护性决策的准确实施指明了方向。