煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第12期

• 降雨条件下含近水平弱层边坡的破坏机理物理模型试验研究

  陶志刚, 许闯, 刘凇源, 李勇, 修可馨,

  近年来，随着我国露天煤矿开采规模的不断扩大，露天矿区边坡的稳定性与安全性愈发受到关注。位于陈旗煤田的宝日希勒露天煤矿边坡具有岩石强度低、地层倾角小且含有软弱夹层等特点，在降雨条件下易发生严重的滑移破坏。为探究此类边坡在降雨条件下的破坏机理及NPR锚索支护体系对此类边坡的控制效果，利用模型试验与数值模拟进行研究。结果表明：① 由现场破坏特征与模型试验结果可知，边坡破坏模式为降雨作用下弱层带发生破坏而造成边坡发生剪切—滑移，降雨入渗是诱发边坡发生破坏的主要因素，破坏分为初始变形、弱层破坏与整体破坏3个阶段，且由位移监测结果可知坡体裂缝最宽可达35 mm，说明边坡滑移破坏明显；② 由数值模拟分析可知，在降雨条件下边坡变形量显著增加，在无锚固措施下其最大变形量可达40 cm。同时，在越靠近煤层位置，边坡剪切破坏塑性区的面积越大，在岩体沿软弱层滑移后，滑坡体出现大面积剪切破坏，这验证了边坡剪出滑移破坏的变形形式；③ 对比分析NPR锚索加固方案与PR锚索加固方案可知，NPR锚索的支护效果远优于PR锚索，NPR锚索支护下边坡最大位移减少17.6 cm，而PR锚索支护下边坡最大位移仅减少10.3 cm，且NPR锚索加固下边坡塑性破坏区基本消失，而PR锚索加固下边坡塑性破坏区仍存在且向坡体深处扩展，边坡存在滑坡隐患。研究探明了降雨条件下近水平弱层边坡的破坏机理，提出NPR锚索加固方案并验证其可行性，为相关边坡工程提供一定参考依据。

• 寒区露天矿岩质边坡裂隙岩体冻融损伤特征及力学特性试验研究

  田森, 赵映, 司鹄, 朱淳, 李全贵,

  我国露天矿岩质边坡规模大、数量多，易受到复杂地质地形、自然及工程扰动等多因素影响而导致滑坡灾害频发，特别是我国西北地区，复杂地形与地质构造、恶劣的气候及环境、长期的工程扰动等，致使滑坡灾害频发，给人民生命与财产安全带来严重威胁。针对以上问题，从露天矿岩质边坡特征岩体宏细观损伤演化视角出发，采用工程现场调研、理论分析、室内试验研究等多方位研究手段，综合了岩石力学、土力学等理论和方法，以新疆寒区某露天矿高陡岩质边坡为研究对象，根据实际工程地质环境特征，开展潜滑区岩体冻融损伤试验、裂隙岩体冻胀力演化试验、单轴压缩试验研究，探析不同倾角(0°、25°、50°、75°)裂隙岩体在不同冻融循环条件下的质量损失、波速衰减以及冻胀力演化特征，揭示裂隙岩体在不同载荷条件下的强度时效特征，以及冻融循环条件下力学特性演化规律。在此基础上，结合声发射裂隙场监测试验研究，阐明边坡岩体最终破裂模式以及在变形及破坏过程中的裂纹形态与扩展宏细观机理。结果表明：在冻融循环作用下(0、10、20、30次)，岩体饱和质量呈先增后减、纵波波速呈减速衰减趋势；冻胀力演化分为孕育段、起胀段、稳定段、二次起胀段、消融段5个阶段，且冻胀力产生、达到峰值所需时间以及峰值大小与裂隙倾角均呈正相关，裂隙倾角0°、25°、50°、75°岩样峰值冻胀力分别为3.68、3.88、4.04、4.13 MPa。冻胀作用使岩体承受反复张拉作用而强度下降，是该寒区边坡失稳的重要诱因；岩体单轴压缩应力–应变关系、裂纹体积应变趋势大致相同，分为微裂隙闭合、弹性变形、屈服、裂隙加速扩展以及峰后5个典型阶段。岩体抗压强度与弹性模量随冻融次数增加呈线性下降趋势，随裂隙倾角增大而线性上升。由岩样最终破裂形态及基于混合高斯模型的细观裂纹分类可知，岩样细观破裂以张拉为主，最多达到54.2%，其次为混合裂纹，最多达到42.3%。随着冻融次数的增加(20～30次)，细观混合裂纹比例增加，剪切裂纹减少，宏观破坏模式表现为张拉与剪切的混合破坏。

• 基于Gauss分布的抛掷爆破爆堆形态HHO–LSSVM预测模型

  马宁, 马力, 李胤达, 李天翔, 杨森, 刘福明, 周游, 王晓民, 张奇峰, 李蒙博,

  露天煤矿抛掷爆破爆堆形态是影响抛掷爆破–拉斗铲倒堆工艺系统作业效率和生产成本的重要因素。为了提高露天煤矿抛掷爆破爆堆形态预测的精确度，进一步优化抛掷爆破设计并降低矿山抛掷爆破剥离成本，依据黑岱沟露天煤矿抛掷爆破实测数据进行实例分析，采用熵值法–灰色关联度方法研究抛掷爆破效果影响指标与最远抛掷距离、松散系数和有效抛掷率的权重及关联度，孔距和剖面宽与抛掷爆破效果评价指标的关联程度较低，选取最小抵抗线、排距、炸药单耗、台阶高度、采空区下口宽、坡面角、采空区上口宽作为预测模型输入参数。引入高斯(Guass)分布模型模拟爆堆剖面曲线，通过1～8阶高斯分布模型对爆堆剖面曲线模拟分析，确定阶数为5时模拟精度与效率达到最优，利用训练完成的HHO–LSSVM预测5阶Guass分布模型15个参数作为预测输出的爆堆形态的控制参数，并采用Gauss分布模型结合HHO–LSSVM算法预测爆堆形态，与LSSVM、粒子群算法(PSO)优化最小二乘支持向量机和遗传算法(GA)优化BP神经网络模型进行精度对比，同时将本文所建立模型的预测爆堆形态与真实爆堆形态进行对比。结果表明：利用5阶高斯分布模拟的爆堆曲线误差平方和(S)参数趋于稳定为25.69，决定系数(R2)与调整后的决定系数(R_\mathrmA^2 )分别为0.999 2和0.999 0，均方根误差(R)为0.514 6；HHO–LSSVM对于5阶Gauss分布控制参数的预测误差大部分在1%左右，且误差没有超过5%，与LSSVM、PSO、GA–BP算法模型相比精度较高；以E5–8、E5–9及E5–10剖面为例，预测爆堆形态与真实爆堆形态误差R2和均方根误差R分别为0.998 7和0.614 2、0.999 2和0.493 1、0.999 2和0.505 2，预测爆堆形态接近真实爆堆形态。

• 壳聚糖联合EICP对露天矿排土场边坡抗侵蚀性影响机制

  王知乐, 田雨, 周伟, 王轶, 李蕊, 郭仪晗, 田涯, 陆澳,

  我国露天煤矿多处于季节性降雨明显和土层瘠薄的北方生态脆弱区，生态本底脆弱且土壤侵蚀严重。为了改善区内大型露天矿规模化开发引起土壤侵蚀和水土流失加剧的突出问题，提出采用壳聚糖联合脲酶诱导碳酸钙沉淀技术(EICP)对露天矿排土场边坡进行抗侵蚀改性。本研究通过不同温度与掺量下的EICP溶液试验，确定最优矿化反应参数，制备对照组、EICP和壳聚糖靶向诱导EICP三组边坡试样，通过边坡抗侵蚀相似模型装置分析边坡侵蚀状况、冲蚀量和表面强度变化规律，探究其对边坡抗侵蚀特性的影响规律。并对各组试样进行微观形貌、物相组成及热稳定性分析试验，探究壳聚糖联合EICP提高边坡抗侵蚀性的作用机理。结果表明：排土场边坡EICP抗侵蚀最优反应参数为尿素与氯化钙浓度1 mol/L、壳聚糖掺量5 g/L、温度不高于60 ℃；降雨侵蚀后，对照组分布不均匀表面凹坑，改性组则无明显变化，EICP和壳聚糖联合EICP组的最终土体冲蚀量分别降低了85.4%和91.6%，表面强度分别提高了9.8%、14.2%，EICP处理导致土体pH有所降低，而添加壳聚糖能够稳固脲酶活性进而保证尿素水解；壳聚糖分别通过静电作用和酸碱作用吸附脲酶与Ca2+为EICP提供成核位点，促进EICP稳态矿化产物(方解石)的生成并分散分布于土体颗粒间，且壳聚糖水凝胶与矿化产物都具有黏附、桥接和充填土体颗粒的固化作用，同时Ca2+可驱离强结合水降低颗粒间双电层厚度从而增强土体结构。结合室内试验与微观测试结果阐述了壳聚糖联合EICP技术提高边坡抗侵蚀性的有效性，揭示了其提高土体颗粒间联结力和减小坡面侵蚀力从而提高排土场边坡的抗侵蚀性的改性机制，研究成果有望对露天矿排土场边坡侵蚀防治技术的发展与工程应用提供有益借鉴。

• 高强度开采煤壁稳定性关键因素量化与危险性分级

  闫少宏, 薛博,

  针对高强度开采工作面易发生片帮从而制约工作面正常回采和智能化工艺预测与控制的难题，在已提出的高强度开采采场顶板岩层形成“组合短悬臂梁–铰接岩梁结构”基础之上，提出了影响煤壁稳定性的地质开采因素和4个开采技术因素，采用理论分析、数值模拟、物理相似试验相结合的方法，分析了高强度开采煤壁稳定性关键因素的影响。构建了煤体塑性屈服区短梁模型体，使用切比雪夫多项式对模型求解得到了复杂载荷作用下的挠曲线表达式，对表达式分析认为煤壁片帮受地质开采因素及开采技术因素影响较大。以曹家滩大采高工作面开采为工程背景，构建了开采技术因素正交试验，运用数值模拟和物理相似试验研究了各类开采技术因素对于煤壁稳定性影响的敏感度，提出以煤壁内塑性区面积与考察区域面积的塑性区占比η来衡量稳定性程度的指标，得出了各类因素与煤壁塑性区占比系数η的回归方程，据此定量得到了曹家滩煤矿大采高综放工作面煤壁稳定性与技术因素间关系式并给出了片帮风险预测危险性分级，结合物理相似试验验证了调整开采技术因素可在一定程度上控制煤壁发生片帮的范围和深度，为该矿大采高综放工作面煤壁稳定性智能化决策提供了理论依据，同时该研究手段也可用于其他工作面。

• 临空巷道坚硬顶板水力割缝–压裂联合控顶卸压技术

  张永将, 季飞, 赵同彬, 杨科, 武文宾, 江万刚,

  煤矿坚硬顶板工作面回采后易形成侧向悬臂梁结构，导致回采动压和侧向悬顶岩层引起的高静压叠加并通过关键层传递至采动大巷，造成邻近工作面回采巷道围岩结构失稳大变形。为改造顶板岩体结构、调整坚硬岩层破断运移规律，进而控制临空巷道强矿压显现，笔者在分析采动巷道矿压分布规律的基础上，采用数值模拟手段研究了坚硬顶板下临空巷道支承压力分布情况，探究了不同切顶参数条件下围岩结构传递载荷机理，提出了磨料射流水力割缝–压裂联合切顶卸压方法。研究结果表明，临空巷道矿压显现是动静载共同作用的结果，主要表现为回采引起的高采动压力及临空巷道侧向悬顶静载压力叠加作用下，经巷道两侧极限平衡区内围岩传递至底板，进而在底板产生大范围塑性变形。通过磨料射流水力割缝技术在坚硬顶板内预置缝槽，可为水力压裂裂纹扩展起导向作用，并导通岩体内原有裂隙增加水力压裂裂纹影响范围，在坚硬顶板中形成连续弱面达到削弱顶板应力传递目的，割缝深度与割缝压力和混砂比呈正相关。顶板岩层在垮落过程中会相互作用，破断角度及高度改变会导致破断岩体的下滑速度改变并对高位岩层的支撑力产生显著差别，破断角度在66°～86°，破断处岩层所受到的拉应力随破断角度减小呈升高趋势，且随着破断高度的增加拉应力升高速率越快；破断高度范围为26～56 m时，破断处岩层拉应力高于极限抗拉强度所允许的破断角度随着破断高度的增加而升高；依据上述研究在华阳一矿81403工作面开展了工业性试验，以支护结构载荷和围岩变形量为指标的现场监测结果表明，通过水力割缝–压裂联合控顶卸压后巷道顶板锚索受力降低35%，巷帮应力降低44%，巷道顶底板移近量减小57%，巷道两帮移近量减小42%，卸压效果良好，研究成果可为坚硬顶板条件下临空巷道矿压治理提供一种新技术手段。

• 采空区场地高速铁路路基动力加载系统研发与模型试验

  任连伟, 李梁, 王自强, 邹友峰, 顿志林, 王树仁,

  随着高速铁路网的快速推进，一些关键线路不可避免地穿越采空区场地，对高速铁路的建设和安全运维提出了更高的要求，研发相关试验系统是研究此类科学问题的重要手段。针对国内外缺乏相关试验系统的问题，研发了一套采空区场地高速铁路路基动力加载模型试验系统。建立了几何相似比为1∶100的二维采空区场地高速铁路路基模型，利用三级傅里叶级数拟合得到相似常数为100时，时速360 km/h对应的40 Hz高速铁路M波。同时实现了误差10%以内高铁荷载M波输出，验证了采空区场地高速铁路路基模型动力加载试验的可行性，并进行了100万次不间断的高速铁路M波循环加载。依据模型试验结果，阐述了主关键层下三角形离层空间的成因，讨论了不同加载阶段动荷载在采空区覆岩中的传递路径，分析了垮落断裂带与弯曲变形带在动荷载作用下的相互作用，揭示了高铁荷载下采空区地基活化机理。研究表明：覆岩活化空间具有从移动边界到垮落覆岩中心逐渐减少的分布规律，其中覆岩横向离层则具有从顶板至关键层逐渐增大的分布特征，以此揭示了主关键层下三角形离层空间的成因。因主关键层下三角形离层空间的隔离作用，加载初期动荷载传递需通过覆岩移动边界的拉伸区向下传递至垮落断裂带，并最先影响移动边界的砌体梁结构使其失稳活化。随着动荷载的施加，主关键层下离层空间逐渐闭合，动荷载传递路径逐渐向采空区中心移动，剩余活化沉降量持续向上传递，整体沉降趋于平缓。由于荷载传递路径的变化，垮落断裂带活化具有先快后慢，由终采线向采空区中部发展的特征。垮落断裂带活化进一步影响了主关键层以上覆岩受力形式和模型表面不均匀沉降，使弯曲变形带具有横向、竖向、倾斜3种裂隙形式及沿路基两侧的分布特征。

• 低应变率动载下含水泥岩力学响应特性与损伤机制

  李桂臣, 杨森, 孙元田, 李菁华, 郝浩然, 邵泽宇,

  动载作用下富水泥质巷道围岩加速失稳破坏，已成为深部煤炭资源开采工程的突出问题，深入研究扰动荷载下含水泥质岩体的损伤机制具有重要意义。开展了泥岩低应变率动载扰动试验，分析了不同含水率、动载速率、动载强度等因素对泥岩力学响应特性的影响，阐明了动载扰动阶段的弹塑性变形行为特性，明确了泥岩不同加载阶段拉伸、剪切破坏分布特征，揭示了水岩及动载作用下泥岩细观结构演化机制。结果表明：① 低应变率动载对泥岩强度仍有弱化作用，泥岩抵抗动载扰动能力随含水率、动载速率、强度增大而降低，强度损伤最大分别达到28.47%、59.76%、31.56%。② 声发射特性参数规律表明加载过程中泥岩经历了初期损伤、损伤加剧、损伤平寂(加剧)、损伤发育4个裂隙演化阶段，动载扰动阶段各因素较低水平时Kaiser效应更明显，各因素较高水平时Felicity效应越显著。③ 初次动载扰动下泥岩的加载应变、塑性应变均最大，各因素较高水平时泥岩二次显著损伤时间提前；较高动载速率、强度试验中，扰动过程中加载应变与塑性应变关联性较高，且塑性应变始终大于弹性应变。④ 泥岩加载全过程中剪切破坏占比随着含水率的增大均有提升，其中动载阶段由干燥时6.94%显著增加至饱和时33.95%，宏观剪切破坏特征逐渐明显。⑤ 饱和泥岩中水的溶蚀及潜蚀作用、较高速率动载作用下胶结断裂、较高强度动载作用下颗粒胶结大范围位移是泥岩力学性能劣化的根本原因。⑥ 构建了考虑侧向应力与循环动载作用的泥岩损伤模型并利用不同含水率试样循环动载阶段加卸载应力–应变关系进行了验证，模型参数F0与参数m(m，F0分别为关于Weibull分布的形状参数和比例参数)相比对泥岩试样强度的影响更显著。研究成果为揭示低应变率动载作用下含水泥质软岩的损伤机制提供了科学依据，有助于深入理解动载扰动下富水泥质巷道围岩加速失稳问题。

• 动态荷载作用后尾砂胶结充填体再承载力学特性

  宋学朋, 樊博文, 王石, 张洪伟,

  爆破回采与采空区充填是地下金属矿充填开采的核心手段，作为采空区核心承载单元的充填体势必遭受临近矿体爆破动载扰动，进而诱导基体内部结构改变影响其再承载能力和稳定性，关乎矿山安全生产。基于分离式霍普金森压杆系统(SHPB)制备了考虑冲击幅值大小的动态损伤充填体，实现了充填体爆破扰动模拟，探明了充填体在动态荷载下的细观结构响应特征，揭示了动态损伤充填体的力学行为和裂纹扩展机制，实现了动态损伤充填体的失稳超前预警。结果表明：动态损伤充填体的细观结构劣化程度随冲击幅值增加而提高，与此对应的孔隙率增加34.48%，波速减小44.48%，初始损伤程度加剧；随着冲击幅值增加，动态损伤充填体的单轴抗压强度和弹性模量呈先缓慢减小再快速减小然后再缓慢减小的3阶段变化趋势，最大减小率分别为54.15%、69.02%。同时，动态损伤充填体的应力应变曲线的压密阶段随损伤程度增加而显著延长，峰值应变提高78.35%，充填体由脆延性向延性转变；声发射特征参数与充填体的破裂行为密切相关，由于初始损伤程度差异，动态损伤充填体基体内部裂纹萌生、扩展、传播的速率、数量、尺度显著不同，体现在声发射信号上为活跃程度和疏密性随冲击幅值增加先减小再增加再减小；声发射ib值呈“波动上升—剧烈下降—大幅波动”的变化规律。随冲击幅值增加，ib值剧烈下降区增多且向峰前阶段转移。将ib值剧烈下降区判定为失稳前兆信息，动态损伤充填体在较小应力下即达到失稳临界值。增加冲击幅值对动态损伤充填体破坏模式影响不显著，但表面塌落区面积提高破坏程度明显增强。

• 深部巷帮钻孔煤体损伤演化特征及钻孔围岩强度弱化机理

  丁可, 张华磊, 王连国, 郭嘉兴, 孟尧尧,

  煤层钻孔卸压技术是防治冲击地压灾害的重要手段。利用自行研制的实时CT扫描真三轴加载试验系统，研究了不同孔径下的巷帮深部钻孔煤体(三向加载状态)和巷帮浅部钻孔煤体(双向加载状态)2种不同应力类型模型的力–应变规律、内部裂纹扩展演化特征，建立了巷帮深、浅部钻孔煤体的峰前裂纹损伤关系，揭示了深部巷道卸压钻孔围岩强度弱化机理。结果表明：相比于未钻孔试样，不同应力类型的煤体试样受应力环境及钻孔孔径影响，随着钻孔的打设和孔径的增大，巷帮深部钻孔煤体试样在峰值应力后，应力跌落现象消失，有利于降低试样能量的突然释放，而巷帮浅部钻孔煤体试样则无法消除应力跌落现象；在内部裂纹扩展上，巷帮深部钻孔煤体试样裂纹发育较少，裂纹呈一定角度发育，而巷帮浅部钻孔煤体试样裂纹均近乎垂直发育，随着钻孔孔径的增加，巷帮深、浅部钻孔煤体试样裂纹数量都有一定程度的增加，但巷帮浅部钻孔煤体试样裂纹产生数量更多，钻孔煤粉封堵情况更明显，钻孔及孔径变化对巷帮浅部钻孔煤体试样影响程度更大。同孔径条件下巷帮浅部钻孔煤体更容易破坏且无法起到卸压减灾效果，进而基于巷帮深、浅部钻孔煤体的差异性，建立了不同孔径下巷帮深、浅部钻孔煤体裂纹损伤变量的函数表达式，揭示了深部巷道卸压钻孔围岩强度弱化机理，提出了深部巷道扩孔卸压理念及方法。

• 基于激波管理论的突出冲击波超压预测模型及试验验证

  杨雪林, 文光才, 孙海涛, 闫发志, 杨慧明, 曹偈, 程晓阳, 鲁俊, 李虎虎,

  突出过程中常伴随极强的动力效应，产生的突出冲击波会造成一定的人员伤亡，甚至破坏风门等通风设施，进而扩大事故灾害范围。为了更贴近现场实际，根据现场实际突出事故现象，建立了煤与瓦斯突出动力学模型；基于激波管理论，阐释了巷道内突出冲击波形成机制，指出突出瞬间喷向巷道空间的高速瓦斯气流压缩空气形成突出冲击波，且突出瓦斯气流加速阶段释放的瓦斯膨胀能决定突出冲击波的强度；建立了基于突出孔洞瓦斯压力、突出口直径的突出冲击波超压峰值预测模型。利用煤与瓦斯突出冲击动力效应及致灾特征模拟试验系统，开展了不同瓦斯压力、装煤量条件下的突出动力效应模拟试验。试验结果表明：突出模拟试验过程中冲击波超压的实测值与理论值一致，验证了理论模型的正确性。且装煤量相同时，突出冲击波超压随瓦斯压力的增大而增大；而当瓦斯压力相同时，随装煤量的增大，冲击波超压变化较小。相同瓦斯压力条件下，突出口径会影响冲击波超压的大小。突出口径较小时，突出瞬间释放的瓦斯膨胀能较小，导致冲击波超压值较小。突出冲击波强度p'_2 和冲击波超压\varDelta p'与突出口和巷道直径之比s1/s2呈线性增加关系。因此，瓦斯压力和突出口径是影响突出冲击波强度的主要因素。此外，突出模拟试验过程中，突出冲击波超压在模拟巷道内随传播距离不断衰减。通过分析巷道内冲击波超压峰值数据，发现公式y=aΔPmaxx–1/2能够较好地描述巷道内冲击波超压衰减规律。突出冲击波传播至管道末端，由于障碍物反射作用形成二次冲击波。该研究可为突出矿井科学、合理地设计和布置安全防护措施提供指导。

• 煤层渗透性对煤与瓦斯突出的影响规律及控制机理

  张超林, 刘明亮, 王恩元, 王培仲, 姜巧真, 曾伟,

  煤与瓦斯突出是矿井灾害中一种破坏性巨大的瓦斯动力现象，严重威胁煤矿安全生产。煤层渗透性是综合反映煤层特性的重要参数，利用自主研发的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统，开展了不同渗透率条件下(1.38×10–15、6.69×10–15、7.34×10–15和9.10×10–15 m2)煤与瓦斯突出物理模拟试验。结果表明：随着煤层渗透率的增加，突出两相流运移形态逐渐由栓流演变为分层流和沙丘流，且煤粉运移速度及其峰值逐渐降低，由1.38×10–15 m2条件下31.98 m/s减小为9.10×10–15 m2条件下20.10 m/s；伴随突出两相流运移产生的冲击波呈现阶段式演化特征，对应负相压区间冲击波超压谷值的最大绝对值大于正相压区间冲击波超压峰值，且在巷道前端随煤层渗透率的增加而下降；4次试验对应相对突出强度分别为75.63%、44.65%、38.01%、10.97%，拟合得到相对突出强度随煤层渗透率增大呈指数下降关系。理论分析认为，瓦斯压力梯度是以渗透力的形式作用于煤体，而煤层渗透性主要是通过影响瓦斯渗透力动态变化，进而影响煤与瓦斯突出强度以及突出两相流运移状态；随着煤层渗透率的增加，瓦斯流动受到的阻力减小，瓦斯压力下降较快，难以形成高瓦斯压力梯度，同时暴露面附近的瓦斯渗透力较低，并快速向远处转移，无法进一步破坏暴露面煤体，导致突出强度下降，甚至不发生突出。最后，从瓦斯压力梯度和瓦斯渗透力的角度系统探讨了煤与瓦斯突出全过程演化特征，得出煤层渗透率在突出各个阶段均占据重要作用，结合我国煤与瓦斯突出预测现状及难题，认为煤层渗透率有望成为突出预测新指标，关键在于如何结合煤矿现场实际条件确定其临界值，分别从试验研究、理论分析和工程实践等方面提出了未来展望。

• 温度冲击效应诱导干热岩孔裂隙结构演化及损伤破坏机制

  孙勇, 翟成, 丛钰洲, 郑仰峰, 唐伟, 王帅, 来永帅, 王宇, 陈爱坤,

  干热岩型地热能是一种清洁可再生能源，具有稳定高效、永久持续的优点，其开发的主要瓶颈是在深部低孔、低渗热储构造渗流换热裂隙通道。常规水力压裂方法在深部高应力束缚下起裂压力高，裂缝形态单一、难扩展。液氮循环冷冲击方法是通过周期向热储注入液氮，利用液氮对热储的温度冲击效应诱导强热应力，形成复杂裂隙网络。为研究温度冲击效应对干热岩的损伤破坏机制，对干热岩进行了液氮循环冷冲击处理，测试了温度分布、孔隙结构及力学特征变化，分析了“温度冲击–孔隙发育–力学损伤”级联破坏机制，结果表明：液氮冷冲击造成干热岩温度场时空剧变，降温速率高，温度梯度大，诱导热应力最高可达6.75 MPa；循环冷冲击过程干热岩孔隙数量增加，尺寸扩展，微、中孔增加最明显，孔隙率最高可达10.45%，而高温差和多冷冲击次数作用下干热岩大孔及裂隙数量增加，形成裂隙网络；这进一步导致干热岩塑性增强，抗拉强度降低，最低仅1.70 MPa，损伤阈值更小。温度冲击诱导矿物晶粒收缩，在晶粒边界产生拉伸应力，当其值超过抗拉强度，就会导致张拉裂隙产生。孔裂隙主要出现在石英晶粒边界及内部。温度是干热岩损伤的主控因素，冷冲击次数能够保证干热岩的持续损伤。矿物晶粒的热膨胀系数差异、液氮的快速降温、循环冲击的疲劳损伤作用是造成干热岩温度冲击损伤的主要原因。

• 岩浆侵入与接触距离对煤低温氧化过程热效应的影响

  于志金, 晋策, 汤旭, 张志鹏, 文虎,

  岩浆侵入煤系地层在我国广泛存在，侵入后煤体结构和组分发生改变，形成高阶变质煤，但其自燃特性尚不明确。探究岩浆侵入作用对煤低温氧化特性的影响，对开采岩浆侵入煤层自燃灾害的防控具有重要意义。以新安煤矿二采区–350工作面为工程背景，现场采集距侵入体不同距离的煤样，通过测试各煤样的工业成分并分析表面形貌的差异，得出岩浆侵入主要通过接触热演化作用使得原煤变质，表面孔隙和裂隙数量增多，并随着距侵入体距离的增加将变质煤依次划分为强侵蚀煤、弱侵蚀煤和同镜质组高阶煤。基于固定碳、灰分、镜质组反射率以及古地温等指标，采用曲线反推法计算了不同侵入变质煤的分布范围，预测出岩浆侵入影响范围约为侵入体宽度的172.34%～234.68%。采用C80微量热仪对不同变质煤和原煤进行了低温氧化过程热效应的对比研究。结果表明：不同供风量条件下，相比于原煤，强侵蚀煤、弱侵蚀煤和同镜质体高阶煤在低温氧化阶段的初始放热和热平衡温度点分别提前0.2～3.4 ℃和1.9～18.2 ℃，总放热量提高1.72%～135.75%，表观活化能降低1.62%～69.02%，越靠近岩浆侵入体的变质煤，氧化放热能力越强，自然发火期越短；在供氧充足条件下，岩浆侵入仅对距侵入体1.01～2.68 m的强侵蚀煤氧化反应放热能力提升较为显著，其开采量仅约占岩浆侵入影响范围的6.23%～12.15%。因此，在回采进入岩浆侵入区时，应加强对强侵蚀煤自燃的防治，并及时修正该区域煤自燃预报指标的临界值，从而保障煤层安全开采。

• 煤系页岩总有机碳含量与成熟度对厌氧发酵产甲烷性能的影响

  阮倩雯, 王乾, 苏现波, 赵伟仲, 高富博,

  煤系页岩气是煤系气的重要组成部分，且煤系页岩具有丰富的本源微生物和微生物代谢所需的分散有机质，这使得其具有厌氧发酵产甲烷的可能性，并为煤系气开发阶段的可采资源提供补充。然而，针对煤系页岩厌氧发酵产甲烷机制的研究仍缺乏，生物甲烷产出特征及其控制因素仍未清楚，限制了该方法的发展与应用。以不同地区的煤系页岩为研究对象，以煤系页岩本源菌群为试验菌群，通过厌氧发酵试验探讨其产甲烷潜力，评价总有机碳(TOC)含量、成熟度(Ro)对产甲烷效果的影响。结果表明：在本源微生物作用下煤系页岩普遍具有产甲烷能力，累计产量最高可达1.97 mL/g。煤系页岩厌氧发酵产甲烷周期一般为15 d，产量变化规律与煤相似，但周期明显缩短。根据微生物降解复杂有机质的代谢模型，可将煤系页岩厌氧发酵产甲烷过程划分为水解产酸、产氢产乙酸和产甲烷3个阶段。生物甲烷产量与煤系页岩TOC含量具有明显的正相关性，尤其当TOC含量大于10%，甲烷产量显著提升。另外，生物甲烷产量与Ro呈负相关性，当Ro增大至3.78%，几乎不再产生。煤系页岩TOC含量与Ro主要在水解产酸阶段发挥作用，随TOC含量降低、Ro增大，微生物降解页岩有机质产生的氨基酸等代谢产物减少，使得产氢产乙酸和产甲烷阶段微生物代谢所需的底物的物质的量浓度降低，最终生物甲烷产量减少。

• 深部煤及顶底板不同射孔位置条件下的压裂模拟——以鄂尔多斯盆地某气田8号深部煤层为例

  熊冬, 贺甲元, 马新仿, 曲兆亮, 郭天魁, 马诗语,

  鄂尔多斯8号深部煤层埋深超过2 000 m，地质结构复杂，目标煤层的顶部与底部分别存在灰岩层与泥岩层，现场采用水平井压裂作为8号深部煤层气的开发手段。为明确8号深部煤及顶底板不同射孔位置条件下的水力裂缝扩展路径规律，综合考虑储层地质结构、井眼轨迹以及储层岩石力学特性，形成了深部煤层水力压裂有限元模拟实现流程。首先，加工了井下实际岩心试样，基于三轴压缩试验明确了岩石力学特性，并利用CT扫描表征了基质孔隙与裂隙结构特征；然后，采用带孔隙压力节点的黏聚力模型等效表征了深部煤层中的弱面与孔裂隙对流体渗流的影响，并建立了考虑渗流–应力–损伤耦合的深部煤层水力压裂三维有限元模型，并基于现场压裂测试施工工艺进行了有限元模型的参数反演与验证；最终，进行了深部煤及顶底板不同射孔位置条件下的压裂测试模拟计算。结果表明：与顶底板岩石相比，煤岩弹性模量低、泊松比高、孔裂隙发育；煤层中射孔时水力裂缝被完全限制在煤层中扩展，水力裂缝难以穿过煤层与顶底板界面进入灰岩层与泥岩层中，水力裂缝在达到峰值排量前完全闭合；灰岩层中射孔时水力裂缝穿过灰岩层与煤层界面，进入煤层中扩展，煤层中的水力裂缝长度大于灰岩层中的水力裂缝长度；泥岩层中射孔时水力裂缝穿过泥岩层与煤层界面，进入煤层中扩展，泥岩层与煤层中水力裂缝长度均得到了扩展；顶板灰岩层与底板泥岩层中射孔时的起裂压力大于煤层中射孔时的起裂压力；由于大量压裂液在煤层中滤失，在顶板灰岩层与底板泥岩层中射孔时，煤层中的水力裂缝最先发生闭合。研究成果可以为深部煤层的水力裂缝扩展建模提供思路，并指导深部煤层气的高效开发。

• SOCO–SAP 对高寒矿区不同级配煤矸石水分与披碱草生长的影响

  孙智龙, 杨建英, 史常青, 李成, 李睿杰, 王小展, 杨春艳, 邓莫楠, 杨欣蕊, 李佳静,

  煤矸石保水性差是影响植物生长的主要障碍因子，为提高煤矸石基质的保水性，以SOCO–SAP(高分子聚合物常用作保水材料，以下简称SAP)质量分数、容重、煤矸石粒径级配3个方面研究重构煤矸石基质水分及披碱草生长特性，筛选出适宜于高寒矿区保水层重构的材料参数规格。结果表明：SAP的使用极显著地提高了煤矸石的饱和含水量、毛管含水量、田间持水量，在容重和级配相同的条件下，其含量与SAP的使用量呈正相关；SAP可降低煤矸石的入渗速率，使用量越高，抑制水分入渗能力越强，在同一质量分数下，不同级配煤矸石的湿润锋到达土柱底部所用时间从短到长依次为偏砂 < 偏壤 < 偏黏；SAP质量分数为0.1%与0.2%时，不同级配煤矸石各深度体积含水率提升较小，但使用量为0.3%和0.4%作用效果明显，且2者无明显差异，表明SAP适量使用时，对煤矸石的水分运移效果最佳；随SAP使用量的提高，不同级配煤矸石基质所表现出的披碱草生物量为(偏壤 > 偏砂 > 偏黏)，且在偏壤级配下，SAP使用量为0.3%时，生物量最大。因此，建议首选容重为1.3 g/cm3、偏壤级配(2∶2∶2∶2∶2)、SAP质量分数为0.3%，来作为高寒矿区保水层构建的主要基质配比，其次是容重为1.3 g/cm3、偏壤或偏砂级配、SAP使用量为0.3%或0.4%，这些配比基质保水性能较好，但植生性较前者较弱。该结果可为高寒无土矿区生态修复提供理论依据和技术支撑，同时为类似典型矿区土地复垦和固废资源化利用提供参考。

• 不同材料充填对矿区复垦土壤钾吸附解吸的影响

  景可欣, 董周宾, 薄怀志, 王志亮, 胡绍豪, 李新举, 闵祥宇,

  煤矿开采造成土地沉陷、土壤环境破坏和农田养分流失，采用不同材料充填复垦是目前中国东部矿区修复沉陷土地的常用方法。钾作为作物生长发育的关键元素，探究其在复垦土壤中的有效性十分必要。为了研究不同填充材料复垦土壤中钾的有效性及其影响因素，文章选择以煤矸石(MGS)、湖泥(HN)、黄河砂(HHS)为填充材料的复垦土壤为研究对象，采用X射线衍射仪(XRD)、傅里叶红外光谱仪(FTIR)、电子显微镜(SEM)以及比表面及孔隙度分析仪(BET)对复垦土壤进行表征分析，利用吸附等温线试验和连续流液法吸附、解吸动力学实验测定并通过相应模型描述复垦土壤对钾的吸附、解吸特征。结果表明：不同材料充填复垦土壤的矿物组成、官能团组成、微观形貌、表面结构均与正常耕地存在差异。3种材料充填复垦土壤XRD图谱中伊利石的衍射峰以及FTIR曲线中由伊利石引起的—OH等特征峰均减弱，复垦土壤表面更加光滑，比表面积和孔体积更小；所有充填复垦土壤各吸附、解吸参数均低于正常耕地(ZC)，MGS充填复垦土壤吸附能力最强，其最大吸附量可达7.90～15.00 mg/g，HHS充填复垦土壤吸附能力最弱，其Qm仅2.66～3.91 mg/g。复垦土壤解吸能力差异不大，均处于较低水平，煤矸石充填复垦土壤填充层(MGST)的平衡解吸量(Qe4)最高，为4.40 mg/g，黄河砂充填复垦土壤填充层(HHST)的 Qe4最低，为1.81 mg/g；复垦土壤的吸附参数(最大吸附量、平衡吸附量)与含水量、土壤质地(粉粒、砂粒)、阳离子交换量、表面特征(比表面积、孔体积、平均孔径)显著相关；解吸参数(平衡解吸量)与含水量、黏粒、阳离子交换量显著相关。研究表明，矿区典型材料的充填会降低复垦土壤钾的有效性，这主要与复垦土壤对钾的吸附、解吸能力有关。MGS、HN由于其比表面积、黏粒含量、阳离子交换量较大具有较高的吸附量，但由于其伊利石和—OH含量较高，以不可逆吸附为主，可以通过研磨、筛分减小填充材料粒度及适当提高pH来改良；HHS由于比表面积、黏粒含量、阳离子交换量较小具有较低的吸附量和解吸量，可以通过复垦时掺加黏土及利用秸秆等富含—OH的材料煅烧制备适宜充填复垦的HHS材料来改良。

• 水泥回转窑富氧煤粉燃烧数值模拟的优化

  黄冠硕, 周月桂,

  水泥生产是一种高二氧化碳排放的过程，其中煤粉燃烧产生的碳排放是水泥回转窑碳排放的重要组成部分，富氧燃烧技术在电站锅炉碳捕集利用方面的优势使得其在工业炉窑中的应用受到了广泛关注。前人对水泥回转窑富氧燃烧改造后炉内组分体积分数和燃烧特性进行了研究，但针对水泥回转窑富氧燃烧改造后与原有空气气氛下传热特性的匹配方法并不完善。为了获得在保证水泥生产质量条件下对水泥回转窑进行富氧燃烧改造的最佳策略，采用计算流体动力学(CFD)软件对500 kW水泥回转窑燃烧试验炉富氧煤粉燃烧进行了三维建模，研究了总体氧气体积分数(25%～35%)，恒定总体氧气体积分数条件下一、二次风的氧气分配方法和二次风预热温度(650～950 ℃)对炉内传热特性和火焰长度的影响。模拟结果表明，在富氧燃烧气氛下，不同总体氧气体积分数下的火焰长度相对于空气气氛增加了5%～8%。炉内峰值温度和热通量随着总体氧气体积分数增加显著提高，当总体氧气体积分数分别为29%和35%时，总体热通量和炉内峰值温度与空气气氛相同。保持总体氧气体积分数为29%，改变一、二次风氧气分配方法时，当一次风氧气体积分数从0增加至80%，总体热通量与空气气氛下热通量的差异的变化范围在3%以内。并且当一次风氧气体积分数为60%时，在保证总体热通量与空气气氛下的总体热通量基本一致的同时，可以进一步降低与空气气氛下的沿程热通量差异。在总体氧气体积分数29%，一次风氧气体积分数60%时，当二次风温度从650 ℃升高至950 ℃时，总体热通量和火焰长度分别增加16%和4%，二次风温度为720～760 ℃时可以实现与空气气氛相同的炉内总体热通量匹配。

• Mo2C/MWCNT催化剂制备及其电催化氧化甲醇性能

  毛磊鑫, 傅林, 刘雷, 高志华, 黄伟, 左志军,

  随着经济的快速发展，化石燃料需求量的逐年增加以及环保问题的日益突出，能源问题显然已成为焦点问题。亟需加快能源结构转型、提高能源利用率以及开发绿色新能源技术。同时国家也对新能源表现出极高的关注度，大力支持发展新能源产业。直接甲醇燃料电池是一种新型的能量转换装置，可以直接把化学能转化为电能，因其不受卡诺循环限制、能量密度高，清洁环保等优点引起研究者的广泛关注。直接甲醇燃料电池的阳极催化剂是其最关键的组成部分，其催化性能的优劣直接影响电池的性能。目前的商业催化剂主要为贵金属，昂贵的价格、复杂的制备过程以及易受中间体毒化等问题严重制约其商业化。Mo的碳化物由于其独特的d带电子结构，表现出与贵金属类似的催化活性。分别将MoO2、MoO3和Mo2C负载于多壁碳纳米管时，Mo2C负载于多壁碳纳米管的催化剂甲醇电氧化活性最高。为探究载体表面活性位点对甲醇电催化氧化的影响，以不同质量比的钼酸铵和多壁碳纳米管为前驱体，制备了具有一维纳米结构的Mo2C/MWCNT催化剂，并评价其电催化氧化甲醇性能。利用X射线衍射仪、扫描电镜、透射电镜等测试手段对催化剂形貌及结构进行分析。结果显示，0.7 V(vs. Hg/HgO)电压时，前驱体钼酸铵和MWCNT的质量比为1∶1时(Mo2C/MWCNT–1)催化剂的甲醇电催化氧化性能最佳，其电流密度为185 mA/cm2，且10 h后仍保留了初始催化活性的76.19%。此时Mo2C均匀分散在多壁碳纳米管管壁，粒径约3～12 nm。另外，较小的电荷转移电阻有利于甲醇电催化氧化性能的提高。

• 1 mm弹性筛分过程筛面挠曲形态与筛孔空间变形规律

  江海深, 杨然, 刘润宇, 于世杰, 郭朋, 潘淼, 黄龙, 段晨龙,

  潮湿煤炭筛分过程中，在水分与黏土矿物的作用下，细粒物间黏附作用强、团聚效应显著、颗粒离析分层困难、筛面堵孔严重，导致物料透筛困难、筛分效果较差，严重制约了煤炭的大规模提质加工。针对上述问题，结合振动测试分析与多柔体动力学仿真方法，开展了弹性筛面运动学特性及1 mm弹性筛分试验研究；分析了简谐振动作用下弹性筛面挠曲形态对激振参数的响应特征，阐明了弹性筛面挠曲形态及筛孔空间变形规律，重构了筛面挠曲响应曲面及弧形筛孔空间形态；结合筛分试验研究了激振参数等对1 mm弹性筛分效果的影响规律，确定了最佳的激振参数，对比分析了弹性、刚性筛面对不同水分煤炭1 mm筛分效果的影响。结果表明：简谐振动作用促使弹性筛面产生大变形挠曲运动，弹性筛面相比筛体可以产生较大的变形，筛面的挠曲变形特征能够有效克服边缘区域筛分盲区的问题，保障了筛面的有效开孔面积，且三维弧形筛孔显著增加细颗粒的透筛概率；在激振力、激振频率、振动方向角分别为8.5 kN、14.08 Hz、50°时，筛分效率最高可达80.15%。随着物料外水含量的增大，弹性筛面的大振动强度促使细粒聚团物碎裂解聚，强化物料松散与透筛，其筛分效果明显优于刚性筛面，证实了弹性筛面可以满足1 mm干法筛分的技术需求。

• 微细粒矿物浮选颗粒–气泡碰撞的湍涡作用机理及过程强化

  李晓恒, 王海楠, 郑恺昕, 王利军, 闫小康, 张海军, 刘炯天,

  微细矿物分选一直是困扰业界的难题，浮选是分选细粒矿物的主要方法，微细粒矿物质量小、惯性低、动能低，遇气泡易随流线绕流气泡而过，难以摆脱流线与气泡发生接触，与气泡的碰撞概率极低，是导致微细颗粒浮选回收困难的重要原因之一。强湍流流动因能提高颗粒动能以及颗粒–气泡碰撞频次，成为微细粒浮选的必要条件，然而，受制于湍流高频脉动及多尺度涡特征，颗粒、气泡在湍流环境中的运动及矿化过程与层流中差异极大，碰撞机理并不明晰。利用高频粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry, PIV)和高速显微摄像技术测量了各向同性湍流场中流体、颗粒及气泡的微尺度动力学行为，借助小波变换等数学手段，对湍流场的多尺度涡特性进行数学分解，从微观湍流层面解析了湍流小尺度涡运动对颗粒、气泡运动及碰撞过程的影响规律。研究发现：湍流场中微细颗粒运动受制于湍流小尺度涡运动，两者尺度具有相关性，在研究尺度范围内，流场所能够产生的Kolmogorov涡尺度越接近颗粒尺寸，颗粒滑移速度越大，颗粒摆脱流线与气泡发生碰撞的可能性越大；湍涡也会短暂“捕获”气泡且并影响气泡速度及轨迹；与常规碰撞矿化认知不同，大多颗粒在随流场主流宏观运动的过程中，局部跟随微观小尺度涡旋转，气泡在高涡量区内随涡体旋转且自转过程中裹挟颗粒，通过剪切碰撞的方式与颗粒发生矿化。基于此，提出了冲击流、涡流发生器等高涡量小尺度涡场的构涡方法，使浮选流场湍涡运动能有效作用到微细尺度颗粒上，提高微细颗粒–气泡碰撞概率，降低浮选有效回收粒度下限；不同类型纯矿物及实际矿物的浮选试验表明，通过对流场的湍涡调控，切实有效提高了微细矿物颗粒的浮选性能。研究将微细粒矿物浮选的过程强化从“调粒/调泡/调药”扩展到“调涡”，为低品质贫杂难选矿产资源的强化回收提供了新的思路和方法。

• 射流与搅拌协同式浮选机槽体内颗粒运动与分布规律探究

  王涛, 周伟, 王子磊, 王淑杰, 汪玲玲, 李亮,

  为了探究射流与搅拌协同式浮选机槽内颗粒运动与分布规律，建立了射流与搅拌协同式浮选机槽体几何模型，利用COMSOL软件模拟了槽体内部受叶轮搅拌作用下的流场分布以及颗粒运动，搭建了射流与搅拌协同式浮选装置试验系统并对其进行颗粒分散效果试验。结果表明：部分颗粒穿过叶轮叶片之间的间隙，在流场的作用下向下做螺旋运动；另一部分颗粒被叶片甩出，在叶片与流场的耦合作用下向四周与上方做螺旋运动；绘制了所有粒子的运动轨迹曲线用以探究浮选机工作过程中的颗粒运动与分布规律，颗粒在浮选槽底部、四周壁面以及槽体拐角处的粒子运动轨迹曲线重合度高，粒子运动至此处的概率大，大量粒子运动至此处，浮选槽体上部以及槽体壁面与叶轮之间区域粒子运动轨迹重合度较小，粒子运动至该处的概率低，少量颗粒在该处分布；粒子分布均匀程度并不随着叶轮搅拌速度的提高而增大，而是存在最佳叶轮工作参数，经模拟与试验得出射流与搅拌协同式浮选机在叶轮转速为6.25 r/s的条件下具有较好的颗粒分散性能；颗粒的分散效果受到槽体的形状及内部结构的影响，在槽体内增加挡板或者将方形槽体柱式化均能有效的促进颗粒均匀分布。探究射流与搅拌协同式浮选机槽体内颗粒的运动与分布规律，有利于优化装置结构以及提高浮选效率。

• 基于多特征融合的煤矿井下辅助运输车辆可通行性评估方法

  江帆, 刘一凡, 朱真才, 张超凡, 周公博, 彭玉兴,

  辅助运输车辆在煤矿井下人员、物料、矸石和设备等运输方面发挥着重要作用。煤矿井下巷道空间狭长、环境复杂、光线强弱交替，易引发辅助运输车辆驾驶人员疲劳、视线模糊、操作失误等导致的驾驶安全事故。随着我国智慧矿山建设的不断推进，提高辅助运输车辆的安全性、智能化对实现煤矿少人化、无人化具有重要的现实意义。针对煤矿井下辅助运输车辆的通行性评估问题，提出了基于多特征融合的煤矿井下辅助运输车辆可通行性评估方法。首先，利用边缘检测、形态学顶帽变换和八联通区域获得增强的铁轨二值化图像，通过消失点坐标设定阈值将铁轨分为直轨和弯轨两个模型，并分别采用渐进概率Hough变换和改进特征点选取的Catmull-Rom样条曲线拟合直轨和弯轨，形成基于可切换模型的铁轨检测方法；其次，基于煤矿井下巷道壁管道颜色属性，通过HSV颜色空间变换、边缘检测和最小二乘法拟合算法构建管道特征检测策略；再次，提出基于管道和铁轨特征点加权融合的辅助运输车辆行驶中心轨迹线提取方法，构建辅助运输车辆安全通行区域生成规则；然后，针对传统分水岭算法中过分割问题，采用基于标记的改进分水岭分割和Graph Cut算法对静态障碍物进行二维边缘和区域特征提取，选用小样本分类支持向量机构建基于HOG特征与LBP特征融合的煤矿井下行人检测模型，实现辅助运输车辆前方动态和静态障碍物综合检测；最后，通过欧式距离判断障碍物与安全通行区域的位置关系，判断障碍物入侵情况，得到辅助运输车辆可通行性评估结果。试验结果表明：所提方法能够实现煤矿井下铁轨特征、管道特征、安全通行区域检测，对煤矿井下辅助运输车辆可通行性进行有效评估。

• 基于氧化改性煤粉的水伏发电机的构筑及其性能

  赵建航, 左志超, 余雯雯, 叶亚楠, 朱凤博, 郑强,

  煤的燃烧发电伴随有大量污染物和温室气体的产生，因此开发煤炭的新型绿色发电模式具有重要意义。水伏发电技术是利用材料与流体界面的相互作用来产生电能的新型发电模式，因其绿色、可持续和低成本的优势在近年来引起了研究人员的广泛关注。以煤粉为原材料，通过氧化改性调控煤粉表面的含氧官能度，利用抽滤的方法制备了改性煤粉/滤纸复合材料，组装了基于改性煤粉的蒸发发电装置。当器件被浸入水中时，水分子在蒸发和毛细力作用下由煤粉/滤纸复合膜底部向上定向传输，同时在表面呈电负性的氧化煤粉堆叠形成的通道中不断解离，氧化改性煤粉可排斥带相同电荷的阴离子而吸引带相反电荷的阳离子并在煤粉–水流表面形成双电层，流体中的离子因为移动速率的差异会在其传输的上下游位置分别形成阳离子和阴离子富集的区域并由此产生持续的流动电势。采用傅里叶红外光谱仪和纳米粒度分析仪对煤粉表面含氧官能团进行了表征。采用扫描电子显微镜对复合材料的微观形貌进行了观察。利用数字源表对器件发电性能进行了测试。当结合不对称电极工作时，其在纯水中工作能够产生高达0.72 V的电压，输出电流为0.4 μA，输出功率最高达到29.28 μW/m2。以改性煤粉制作的发电机还克服了传统水伏发电机在高浓度盐溶液中发电性能下降的问题，经测试，在浓度为1 mol/L的NaCl溶液中依然可以保持0.9 V的稳定输出电压。通过多个水伏发电装置的串联还可实现对低耗能装置的供电，展现了其潜在应用价值。