煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第2期

• 构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

  程远平, 王成浩,

  煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害，尽管突出的综合作用假说已被广泛认可，相比于瓦斯膨胀能，煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略，对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论，认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心，而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中，为揭示构造煤变形能在突出中的贡献，开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验，实验结果表明：与原生煤的线性、小变形特征不同，构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征，构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型，构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型，该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系，确定了构造煤的幂指数主要为1.1～1.3，原生煤的幂指数主要为1.7～1.9，进一步表明构造煤的性质与土体更相似，而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下，构造煤的变形能更大，但构造煤在失稳后的对外释放能量很低，表现为损伤破碎时几乎不产生声发射信号。构造煤变形能的对外释放能量增加了煤体孔隙率，对内耗散能量为瓦斯快速解吸提供条件，2者综合控制了瓦斯膨胀能的释放。瓦斯膨胀能的研究对象应为参与突出做功的瓦斯，即突出煤体在短时间内的释放瓦斯，进一步的实验与数值分析结果表明，参与突出做功的瓦斯膨胀能与构造煤体变形能数量级相近，为102～103 kJ/t。煤体变形能与瓦斯膨胀能的释放存在时序性与因果性，在突出孕育–激发阶段，煤体变形能的预先释放是瓦斯膨胀能聚集的必要条件。突出由煤体变形能与瓦斯膨胀能共同控制，煤体变形能与瓦斯膨胀能在突出中具有同等重要的地位。

• 基于机器学习的煤与瓦斯突出预测研究进展及展望

  薛生, 郑晓亮, 袁亮, 来文豪, 张玉婷,

  我国煤矿安全生产形势不断好转，但煤与瓦斯突出事故仍时有发生。煤与瓦斯突出预测不仅能指导防突措施科学的运用、减少防突措施工程量，在一定程度上也可以确保煤矿工人的作业安全。机器学习(Machine Learning, ML)是一门涉及概率论、统计学和计算机学等领域的交叉学科，可以挖掘突出事故和指标间的非线性关系。将机器学习用于煤与瓦斯突出预测，已得到相对广泛的关注，并随着人工智能和计算机技术的快速进步，其在突出预测领域将发挥更大作用。因此，对机器学习在煤与瓦斯突出预测中的研究进行了全面的综述，分析其在突出预测中面临的难点并展望其发展方向。首先，简述煤与瓦斯突出假说、发生机理与预测指标选择的研究现状；介绍机器学习在煤与瓦斯突出预测领域的主要研究进展，包括支持向量机(Support Vector Machines, SVM)、人工神经网络(Artificial Neural Network, ANN)、极限学习机(Extreme Learning Machines, ELM)和集成学习(Ensemble Learning, EL)等算法的应用，以及特征选择和缺失数据填补在数据处理等方面的创新，同时也指出了目前基于机器学习的突出预测研究面临的挑战及存在的问题，例如事故与非事故样本的不平衡、数据的指标缺失和机器学习中的小样本等；最后，展望了基于机器学习的煤与瓦斯突出预测的未来发展方向，包括改进算法性能、优化特征工程和增加样本量等。随着计算机性能的提升，有望开发出更为复杂、精准的模型，以提高对突出事故的准确预测能力。

• 受载煤体微电流效应及煤岩动力灾害预警应用展望

  王恩元, 李德行, 刘晓斐, 王冬明,

  利用建立的受载煤体微电流测试系统，开展不同加载条件下煤样微电流测试试验，研究揭示煤体受载变形微电流效应，分析煤体受载变形过程微电流响应特征，研究微电流与煤体力学行为间的定量关系，提出微电流法预测煤岩动力灾害的原理，结合现场实践结果，对微电流技术的应用前景进行展望。结果表明，煤体受载变形能够产生微电流，微电流变化与应力变化具有较好的一致性，微电流与煤体力学行为(应力、应变、应变率等)紧密相关，在压密阶段和塑性变形阶段，微电流随应变率增加而增加，在弹性变形阶段随应力和应变线性增加；煤体在扰动载荷下能够产生随应力周期性变化的微电流，即脉动直流电，其变化与应力变化一致。微电流对煤体破坏具有较好的前兆响应，微电流在加速增加过程(塑性变形阶段)中的异常波动可作为煤体渐进性破坏的前兆特征，微电流在衰减过程中的脉冲式波动可作为煤体蠕变破坏的前兆特征。煤体受载微电流效应及现场应力梯度的存在，是矿井微电流测试的重要基础；微电流与煤体力学行为间的紧密相关性，是利用微电流技术观测煤岩体应力的重要前提；微电流对煤体破坏具有明显的前兆响应，是利用微电流技术预测预报煤岩动力灾害的重要保障。微电流技术具有响应灵敏度高、前兆信息明显和抗干扰能力强的优点，在煤岩体应力观测及煤岩动力灾害预警中具有很好的应用前景。未来需进一步开展受载煤岩微电流基础理论及应用技术方面的研究，为发展煤岩动力灾害精准时空监测预警的微电流法提供支撑。

• 含瓦斯煤体受载微破坏模型及失稳判识准则

  聂百胜, 赵丹, 王孟霞, 柳先锋, 刘鹏, 邓博知, 朱熹阳, 秦枫, 马昕钰, 赵九红, 彭守建,

  煤体内孔隙和骨架分布对煤储层内气体运移及瓦斯动力灾害的发生具有重要的影响。为进一步探索含瓦斯煤体微观破坏机理，针对含瓦斯煤的微观破坏过程，对其微破坏形式展开详细的研究。采用原子力显微镜对加载前后突出煤样和非突出煤样表面进行了原位测试，结果表明：不同煤样受载后，煤样表面结构均会发生变化，闭孔孔径有所减小，部分孔隙遭到破坏，相邻闭孔之间有连通趋势。加载前煤样孔隙呈无规律分布，加载后孔隙连通性增强，开孔孔喉数量有所增加。煤样加载后由于孔隙的连通导致突出煤样煤骨架模量降低，而非突出煤样由于本身强度较高，施加载荷导致煤体内部结构被压实，弹性模量略有增加。定义了煤体微观破坏类型及概念，分析了煤体孔隙及煤骨架周边应力分布特征，揭示了不同情况下含瓦斯煤体微观破坏机制。同时，对闭孔微气爆的影响因素展开讨论，狭长型椭圆孔端部孔壁处所受应力更大，更容易发生闭孔微气爆。描述了开孔微损伤的2种发生形式，揭示了孔隙“瓶颈效应”的制约对微破坏发生的机理。明确了原生缺陷结构为煤骨架的薄弱环节，并对其发生破裂的演化规律进行分析。基于线弹性断裂力学、弹塑性力学以及渗流力学等理论知识，提出了应力扰动作用下孔隙破坏和煤体失稳判识准则，总结了含瓦斯煤体微观破坏特征及其诱导煤与瓦斯突出的机制，并对煤与瓦斯突出的研究方向提出展望。

• 煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

  吴强, 张保勇,

  为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法，基于煤与瓦斯突出综合作用假说，提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物，不仅能降低瓦斯压力，而且能够提高煤体强度，以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质–渗透率原位测试，提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质–渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础，煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提，瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键，重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为：① 瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成，并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理；② 现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力，而且能改善其力学性质，高饱和度对提高煤体峰值强度明显；③ 瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段，且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞，导致其渗透率降低；④ 高瓦斯压力、高CH4体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物分解，有助于水合物的稳定存在。需要注意的是，瓦斯水合固化技术防突的可靠度仍需大量重复试验验证，以建立普适化的数据库。综合现有研究结果，对水合固化防突研究目前仍存在的局限性与挑战进行了讨论，并且给出了进一步的研究方向。

• 热压型煤成型条件优化试验研究方法

  许江, 贾立, 甘青青, 彭守建, 闫发志, 王旭, 戴诗杰, 焦峰, 李奇贤, 陈月霞,

  针对当前煤矿瓦斯动力学物理模拟试验中型煤材料存在低强度和高渗透率问题，建立了一套热压型煤成型条件优化试验研究方法。首先，自主研发了热压型煤试验系统，并对试验系统优势和今后改进方向进行了汇总，同时基于Horsfield致密堆积理论创建了型煤材料最优配制方案，最后形成了以马氏距离度量法和黄金分割法相结合的成型条件优化方法。为了验证试验方法的效果，通过控制成型温度为311.8 ℃、升温速率为5 ℃/min和保温时间为5.3 h，开展了不同成型压力条件下热压型煤试验研究，研究了不同成型压力条件下的热压型煤微观结构、物理力学特性和渗透特性等响应特征。结果表明：增加成型压力，总孔隙度逐渐减小，单轴抗压强度呈先增大后减少的变化趋势，破坏形式以块状剥落和纵向破裂为主，初始渗透率呈先减小后增大、最小渗透率则呈先减后增再减的变化趋势。以各成型条件的具体数值为试验点、热压型煤和原煤的关键参数为评价参量构建样本矩阵，计算各成型条件下热压型煤和原煤之间的马氏距离，再结合黄金分割法对试验区间进行优化求解，优化后的最佳成型压力为80 MPa，在此成型条件下制作的热压型煤密度、单轴抗压强度和初始渗透率分别为1.137 g/cm3、12.21 MPa、1.32 × 10–15 m2，与原煤的1.132 g/cm3、12.83 MPa、1.08 × 10–15 m2相似性极高，达到了提高型煤强度、降低型煤渗透率的目的。

• 砂岩破裂状态声发射梅尔倒谱系数判识方法

  何学秋, 杨菲, 李振雷, 李娜, 宋大钊, 王洪磊, SOBOLEV Aleksei, RASSKAZOV Igor,

  岩体结构破裂是严重制约矿山、地铁、隧道等地下空间工程建设及其安全运行的重要因素。实现对岩体结构破裂状态的识别是当下研究的热点与重点之一。为此，开展了不同条件的砂岩加载破坏实验，提取了加载全程的声发射梅尔倒谱系数及其波动差，研究了系数及其波动差在砂岩受载破坏全程的变化规律，分析了1号系数(一组声发射梅尔倒谱系数包括12个，1号系数指第1个声发射梅尔倒谱系数)及其波动差与砂岩破裂状态的相关性特征，基于此提出了砂岩破裂状态声发射梅尔倒谱系数判识方法，构建了判识准则并进行判识效果检验。结果表明：随载荷增加，1号系数整体上增大，系数及其离散性在破坏阶段显著增大并表现出显著的规律波动性特征；1号系数波动差具有阶段性变化特征，波动差的大小及其起伏变化可表征砂岩的破裂，波动差整体增大及突增的变化可反映砂岩非稳定变形和峰后破坏阶段的宏观破裂，波动差的突增幅度可反映砂岩破裂程度；声发射梅尔倒谱系数及其波动差对砂岩破裂表现出良好的响应特征，该特征受不同加载条件的影响较小，说明声发射梅尔倒谱系数在反映砂岩破裂上具有适用性；1号系数及其波动差与砂岩破裂状态具有较好相关性，该相关性可分为3个阶段，即1号系数及其波动差在砂岩微破裂阶段分布集中，在临近失稳破坏阶段分布范围急剧增大、整体值升高且出现高异常值，在峰后破坏阶段分布范围进一步增大、整体值更高、高异常值更多；利用1号系数的75%位点值和异常值、1号系数波动差的75%位点值和异常值构建了砂岩破裂状态判识准则，采用三分类模型混淆矩阵对判识准则的效果进行了检验，判识准确度和精准度分别为90.43%、94.45%。该成果可为其他种类煤岩的破裂状态识别提供借鉴，为煤岩失稳监测预警提供参考。

• 循环载荷作用下煤岩复合结构宏–细观破坏特征及能量–损伤本构模型

  王凯, 左晓欢, 杜锋, 孙加智, 鞠杨, 丰程涛,

  煤炭深部开采过程中，周期性开采扰动行为会使邻近煤层的煤岩复合结构承受循环载荷的作用，因此，研究不同循环载荷作用下煤岩复合试样的力学响应行为及宏–细观失效特征具有重要工程意义。选取3种不同的加(卸)载速率，开展了2种循环加卸载路径下的单轴循环压缩试验(同步测定声发射信号)，分析了煤岩复合试样的损伤失效特征；基于能量耗散原理，构建了煤岩复合试样在循环载荷作用下的能量–损伤本构模型，最后结合试验实测数据进行验证。结果表明：加(卸)载速率与复合试样的峰值强度呈正相关，当加(卸)载速率从0.05 mm/min增大到0.15 mm/min时，恒定下限逐步循环加卸载路径(路径I)、变上下限等幅循环加卸载路径(路径II)下，试样的峰值应力分别增加了22.44%和28.89%；高加(卸)载速率下，试样的内部裂纹扩展越快，煤岩复合试样中煤组分的破碎程度加剧，分形维数随之增大，试样的内部裂纹扩展越快；随着加(卸)载速率的增大，煤组分中沿基质破坏增多。循环分级跨度大的路径(路径I)有助于试样内部的应力传递，为试样内部裂纹的发育提供了有利条件，导致对应试样的破坏程度更高。试验曲线和能量–损伤本构理论曲线具有较强的一致性，表明所建的能量–损伤本构模型能够很好地描述煤岩复合试样在循环加卸载过程中的变形行为。

• 金刚石串珠绳锯切割煤层卸压增透效应研究

  李树清, 吕晨辉, 黄飞, 钱运来, 黄向韬, 赵天哲, 汤铸, 杨凤玲, 王晨,

  为探讨金刚石串珠绳锯割缝对缝槽周围煤层的卸压增透效应，首先建立基于缝槽顶板受力的两端固支梁力学模型，分析顶板梁的受力特征及缝槽顶板下沉接触底板(简称触底)特性，然后采用自行设计的物理相似模拟试验平台开展相似模拟试验，分析不同工艺参数绳锯割缝后缝槽上下方煤岩层应力、位移变化规律，基于FLAC3D数值模拟和开发的煤层瓦斯渗透率计算程序，分析随割煤工作面推进缝槽周围煤岩体的应力和渗透率分布特征和周期演化规律。研究表明：绳锯割缝使缝槽周围应力重新分布，缝槽顶板随着割缝工作面的推进经过顶板悬露、顶板触底，连续缓沉3种演化形态；顶板未触底时，缝槽上下方形成“U”形卸压区，最大挠度在顶板中心位置，也是最先触底部位，顶板触底之后，缝槽中间位置出现应力恢复，减弱绳锯割缝的卸压增透效果；串珠绳锯的直径越大，顶板发生触底的极限跨度越大，缝槽触底越晚，卸压效果越好；相同割缝直径增加第2条割缝，两缝槽卸压区连成一起，卸压效果相互促进，减弱两缝作用下的应力恢复现象，增大了卸压范围；缝槽推进距离足够长时，由于顶板触底，缝槽两边的卸压增透效果更好，割缝卸压的影响范围从左到右划分为应力集中区、卸压区、应力恢复区、卸压区、应力集中区，对应的卸压区和应力恢复区都有较好的增透效果。

• 非刀具破岩理论与技术研究进展与趋势

  魏建平, 蔡玉波, 刘勇, 余大炀, 黄逸, 李兴, 高梦雅,

  随着我国深地战略的逐步实施，深部资源开采和地下空间建设迎来新的机遇，但也面临诸多挑战，高地应力、高地温和坚硬岩体等极端地质条件层出不穷。岩石破碎技术是所有资源开采和地下空间建设的主要工程活动，是决定施工工艺和工程效率的主要因素。在极端地质条件下，以刀具为基础的岩石破碎技术由于刀具磨损快、岩石破碎效率低，已成为遏制深地战略顺利实施的关键技术瓶颈，为解决深地岩石高效破碎难题，保障深地战略的顺利实施，迫切需求革命性的岩石破碎技术。无刀具破岩技术作为刀具破岩技术的重要补充，是突破刀具破岩技术瓶颈的可行性思路。为此，将无刀具破岩技术归纳为冲击破岩、热应力破岩和冲蚀磨损破岩3类技术体系，系统分析了水射流、激光和磨料空气射流等16种岩石破碎技术，总结了每种技术的发展历史和技术原理，分析了其破岩优势和技术瓶颈。得出，目前非刀具破岩技术没有在资源开采和地下空间建设中广泛应用的主要原因为破岩能耗高、适用较差和技术装备复杂等。相比刀具破岩，非刀具破岩技术破岩能量利用率较低，水射流破岩比能耗为刀具的40～70倍。微波、激光和等离子体等技术对施工环境要求较高，无法适用于钻井、隧道掘进等受限和恶劣环境。为解决极端地质条件岩石破碎难题，提出多种非刀具破岩技术协同破岩的思路，充分发挥每一种非刀具破岩的技术优势，构建了以射流切缝卸除高地应力、粒子冲击体积破碎坚硬岩体的破岩理念，最大限度降低岩石破碎能耗，简化系统装备，为岩石破碎技术向非刀具化发展提供理论支撑。

• 煤层透气性系数新的测试计算方法

  秦跃平, 刘佳, 苏向云,

  煤层透气性系数是衡量煤层瓦斯流动难易程度的关键参数。现行的煤层透气性系数计算式中，将变压力非线性偏微分方程的系数假定为常数，理论推导结果存在较大缺陷，使得现场测定的透气性系数存在较大偏差。为解决煤层透气性系数测定失准的问题，推导了钻孔径向流量法测试煤层透气性系数的过程，并在推导过程中指出该方法存在的问题。以朗格缪尔式瓦斯含量和达西定律为基础，建立无量纲模型，将模型解算结果进行反演拟合，得到新的煤层透气性系数计算式，并通过现场实测钻孔数据进行验证，修正了现行的煤层透气性系数测试方法，提出准确可靠的计算煤层透气性系数的新方法。结果表明：用抛物线式表示煤层瓦斯含量并将变量煤层瓦斯压力p1.5视为常量推导而来的煤层透气性系数计算式，相当于将瓦斯含量拟合成与压力平方成正比关系，理论与实际测算均存在较大误差。采用朗格缪尔式无量纲模型计算出的无因次瓦斯涌出速度Y'进行反演拟合，可解决现行计算方法的缺陷；当吸附常数b与原始瓦斯压力p0的乘积(无因次原始瓦斯压力)不同时， Y'与无因次时间Fo'的函数曲线明显不同，由此得到了含有无因次原始瓦斯压力的透气性系数计算式；当煤层和钻孔条件一定时，由不同时间测试的瓦斯涌出量计算得到的煤层透气性系数λ值具有良好的再现性。新的煤层透气性系数现场测定方法与现行方法完全相同，不增加额外工作量，但新方法的计算更加精确可靠。

• 基于蒙特卡罗的硫化氢吸附–扩散机理

  贾进章, 邢迎欢, 李斌, 贾鹏, 吴禹默, 杨强, 王东明,

  为了明确硫化氢(H2S)在煤中吸附扩散的微观动力学机理，揭示不同温度、压力对煤吸附H2S分子吸附扩散特性的影响机制，基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法，利用Material Studio软件研究了温度在273.15～313.15 K、压力1～1 000 kPa时H2S在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征。结果表明：温度由273.15 K升至313.15 K时，H2S的饱和吸附量由38.34 mL/g降至31.85 mL/g，降低了16.93%，当压力为1 kPa时，温度对吸附量的影响最为敏感。温度为293.15 K时，压力由1 kPa升至1 000 kPa时，最可几相互作用能由–39.391 kJ/mol升至–34.301 kJ/mol，随着压力的增加，最可几相互作用能先快速增加，后缓慢增加。在吸附H2S过程中，H2S的等量吸附热在36.63～41.43 kJ/mol内，为物理吸附，等量吸附热随着吸附量的增加呈现出负指数变化；H2S的吉布斯自由能ΔG为–3.57～–24.57 kJ/mol，吸附熵ΔS为–0.126～–0.194 8 kJ/(mol·K)，随吸附量升高ΔG和ΔS的绝对值线性降低，H2S的吸附自发性和系统的混沌程度均降低。H2S与气肥煤的相互作用能为–492.47～–3 390.95 kJ/mol，以范德华能为主，占总能量的58.67%，以静电能为辅，占41.33%，随着吸附量的增加，相互作用能绝对值增加，吸附量与相互作用能的变化具有一致性。H2S与羧基的相互作用最强，羟基次之，H2S在—OH、—COOH、—C=O周围存在双层吸附。温度由273.15 K升至313.15 K，H2S分子的扩散系数由1.066×10–10 m2/s升至2.025×10–10 m2/s，温度升高会导致原本闭合的孔吼孔道打开，增加裂隙的连通性，温度升高，增加H2S分子平均自由程，使得H2S扩散能力增强，H2S扩散活化能为11.206 kJ/mol。H2S相对体积分数分布呈现多峰结构，H2S在气肥煤大分子模型中呈层状结构分布。H2S的极限吸附热为42.898 kJ/mol，H2S与煤体上—OH、—COOH、—C=O活性基团产生氢键作用，H2S在吸附初期存在微弱的化学吸附。

• 矿井湿喷过程的产尘特性和复合降尘外加剂的制备

  蒋仲安, 司明理, 张国梁, 曾发镔, 李聪,

  矿井湿喷过程的粉尘污染是制约湿喷支护工程高效、清洁和安全生产的重要因素。为降低湿喷过程粉尘对作业人员的危害，提高矿山企业粉尘防治和职业健康保障的能力，运用气溶胶力学与HertzMindlin碰撞理论，构建了湿喷混凝土冲击产尘的动力学模型；并针对湿喷工艺特点，建立了湿喷混凝土相似实验装置，对不同工艺条件下的产尘特性进行分析；结合湿喷过程外加剂的降尘机制，对外加剂的减弹降尘性能进行研究，配置适用于湿喷工艺的高性能复合降尘外加剂。结果表明，湿喷过程中弥散在空气中的气溶胶颗粒粒径大部分在2 μm以下，2 μm以下(不含2 μm)颗粒数占比在90%以上。湿喷产尘主要受喷射距离、喷射压力和水灰比影响。喷射距离不宜太大或太小；随着喷射距离的增加，颗粒浓度呈先降低后增加的趋势。同样，喷射压力为0.4 MPa时，较为合适。当压力太大时，会导致回弹率和粉尘质量浓度增加；当压力太小时，物料到达受喷面时的动能较小，不能很好地黏附在受喷面。同时，在保证物料流动性的同时，可通过减小水灰比来降低回弹率和产尘量。研制的复合降尘外加剂主要由速凝剂、络合剂、早强剂、黏结剂以及表面活性剂复配形成。通过正交实验以及优化实验，最终确定的湿喷复合降尘外加剂配方及其质量分数为：A–55%、B–3%、C–4.5%、D–0.5%、E–0.15%、水–36.85%。掺入该复合降尘外加剂后，湿喷过程粉尘质量浓度下降了约57%，有效降低湿喷过程的粉尘产生量，降尘效果明显。

• 基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪的研制

  周福宝, 郑丽娜, 冯子康, 刘凌妤, 冯温婷,

  煤矿粉尘质量浓度精准测量是粉尘有效控制的重要前提。传统离线滤膜采样称重法测量周期长、操作繁琐，直读式光吸收/散射测量方法易受环境条件和粉尘性质影响。鉴于此，自主开发了基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪。通过有限元仿真探讨了振荡元件不同特性对振荡系统响应频率及质量灵敏度的影响，并采用最优梯度优化算法设计了振荡元件材料与形状，制造了一种具有高稳定弹性模量的振荡管，其频率温度系数为3×10–5 Hz/℃，受温度影响极小，保证了振荡频率在外界环境温度条件变化时的精确测量。开发了振荡天平质量传感器，设计了数字化自激振荡闭环控制电路，实现了谐振频率的自动控制以及实时输出，传感器质量灵敏度约为1 mg/Hz，质量检测限约为2 μg。最终，通过集成呼吸性粉尘采样头、总尘采样头、伴热管、质量传感器、气泵、流量控制与温湿度/压力传感器等部件，研制了国内首款基于振荡天平原理的矿工个体粉尘连续监测仪，粉尘平均质量浓度检测限为0.035 mg/m3。该仪器能够连续提供监测信息，包括当前时刻总尘或呼吸性粉尘质量浓度及当日累积职业接触暴露浓度。该仪器已在某煤矿现场应用，与传统滤膜采样称重法同步对比，2者相对误差仅为5%，表明该仪器可以实现煤矿粉尘质量浓度的快速精确测量，有望替代离线滤膜采样称重法和直读式光学测尘仪。

• 采空区煤自燃高温点识别与探测技术研究与展望

  邓军, 王津睿, 任帅京, 王彩萍, 屈高阳, 马砺,

  我国因采煤活动造成的采空区总量大、范围广，针对采空区煤自燃高温点的有效识别与探测是煤矿安全生产的重要保障。从采空区煤自燃发生过程、高温点的形成运移特点概述了采空区高温点的生成演化特性，为采空区煤自燃高温点的有效识别与探测提供基础理论支撑。围绕地下直探技术、地表及空天探测技术的基本原理、研究进展以及现场实际应用效果，从可靠性、稳定性等方面进行多元比较，剖析现有煤自燃高温点识别探测技术的适用性。针对探测中存在的实际难点，拓展分析了矿井声波温度信息探测、基于量子技术的热源探测、毫米雷达波探测技术等新兴技术的研究现状和应用潜力，进一步推动采空区隐蔽火源精细化探测技术发展创新。通过对现有技术的综合性研判及新兴技术的前瞻性思考，展望了煤自燃隐蔽火源探测技术的未来发展趋势，结合当前物探技术和多元信息融合理论的发展趋势，提出了采空区高温点动态运移智能可视化系统构想，从“空–天–地–孔”的综合化分时分区多维探测模式应用、“特征获取–场景仿真规划–动态决策”逐级时空演化数字孪生模型两方面阐述了矿井开采全生命周期平台建设的现实意义。通过该构想的逐步实施，为实现采空区隐蔽火源的高效识别预测和矿井智能化建设提供新的决策思路。

• 陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

  董书宁, 樊敏, 郭小铭, 刘英锋, 郭康, 姬中奎, 李超峰, 薛小渊,

  陕西省煤炭资源丰富，2022年煤炭产量达7.46亿 t，是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显，煤矿水灾类型多样，随着近年煤炭开采强度的增大，水灾事故时有发生，防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础，系统总结区域水文地质结构特征，界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布，论述典型水灾的形成机理及特征，并提出了相应的防控技术。研究表明：① 陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区，陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害，局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患；黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁；陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田，主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。② 陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成，导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水，部分区域充水强度较大，在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾，在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害，导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾；黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾，当含水层下部隔水层厚度较大时，可能形成离层溃水灾害，当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害；陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田，煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时，会引发极为严重的底板突水灾害，该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。③ 各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等，底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等；烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

• 鄂尔多斯盆地北部直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式

  范立民, 孙魁, 马万超, 胡俭, 马雄德, 王建文, 吴立群, 苗彦平, 荣辉,

  近十几年来，鄂尔多斯盆地北部煤矿开采频频受到了直罗组地下水的威胁，甚至出现了突水事故。区内以直罗组地下水为充水水源的大水矿井连片分布，且与直罗组古河道砂体关系密切。为阐释神府南区直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式，在直罗组古河道砂体空间分布及其对地下水赋存控制作用研究的基础上，从研究区尺度、井田尺度和工作面尺度，分析了直罗组古河道砂体与矿井涌水的关系，提出了直罗组古河道砂体下矿井涌水模式。结果表明：神府南区直罗组古河道冲刷带沿红碱淖—尔林兔—锦界一线发育，冲刷带内延安组第5段几乎被冲刷剥蚀殆尽，在局部地区延安组第4段也遭受了冲刷。根据砂分散体系分析和隔水岩组发育特征，将冲刷带内充填沉积的古河道砂体分为3级。直罗组古河道砂体富水性的强弱主要受控于砂体规模、物性特征和风化作用，一级砂体(主河道)区域富水性强于二级砂体(分支河道)及三级砂体(三角洲间湾、分流间湾)区域，当砂体遭受风化后，其富水性将进一步增强。基于不同尺度下砂体分级、风化砂体厚度与矿井涌水关系的分析，提出了研究区东部现阶段古河道砂体下生产矿井的3种涌水模式。强涌水模式，主要位于一级砂体分布区，风化砂体厚度一般≥30 m。中等涌水模式，主要位于一级砂体的边缘或二级砂体区域，风化砂体厚度一般10～30 m。弱涌水模式，主要位于三级砂体区域，风化砂体厚度一般 < 10 m。

• 基于主量元素地球化学的岩屑层位源解析

  桂和荣, 李俊, 陈永青, 余浩, 王浩, 叶爽, 陈大星, 梁展, 胡洋, 郭艳, 许继影,

  近年来，岩屑录井在“华北型”煤田底板灰岩层注浆加固工程中发挥了重要作用。然而，现有的岩屑录井仅停留在颜色、颗粒大小及形貌特征等物理指标的识别上，难以精准判层，钻孔设计“顺层率”难以保障，制约着底板灰岩水害区域治理效果。基于石炭纪太原组薄层灰岩及其碎屑岩夹层的元素地球化学差异特点，选取淮北煤田桃园煤矿为研究区，对太原组上段薄层灰岩L1灰～L4灰地层(注浆治理目的层为L3灰)垂直钻孔岩心进行取样，利用X射线荧光光谱仪(XRF)定量测定了薄层灰岩及其夹层的主量元素背景值，通过聚类分析、因子分析等数理统计手段建立薄层灰岩主量元素地球化学识别模式；同时对地面定向钻水平分支孔岩屑同样开展主量元素测试，并基于已建立的地球化学识别模式进行岩屑层位源解析以及识别模式验证。结果显示：高CaO丰度、烧失量(LOI)可以作为注浆加固改造目的层L3灰的特征指标，MgO(0.5%±)、MnO(0.03%±)、P2O5(0.08%±)丰度可作为注浆目的层上覆标志层J3的识别指标；聚类分析识别模式可有效区分太原组一灰～三灰(L1灰～L3灰)；以元素因子得分建立的识别模式可以将太原组碎屑岩夹层与薄层灰岩进行有效区分；以岩样地球化学背景值运行判别模型得到的Fisher判别方程对注浆目的层L3灰岩屑来源解析的准确率为100%。基于上述认识，论证了以确保设计“顺层率”为目标的水平分支孔岩屑地球化学源解析方法应用之可行性，进而提出了一种地面定向钻“顺层率”控制技术方案。本研究基于元素地球化学理论，对地面定向钻岩屑携带的特征地球化学信息进行了目的层层位辨识，在现场快速定量测试技术手段的支持下，可为解决华北型煤田底板灰岩水害区域注浆改造顺层难题提供了新的思路。

• 煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场–水化学场–微生物场耦合作用与数值模拟

  孙亚军, 熊小锋, 陈歌, 徐智敏, 张莉, 赵先鸣, DMYTRO Rudakov,

  煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂，受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著。深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础。以鄂尔多斯盆地某煤矿采空区为水文地质原型，在前期研究的基础上，进一步建立了煤矿采空区积水水位回升、蓄满后水动力–水化学–微生物场(HCB)多场耦合室内相似模拟和数值模型。采空区水动力场研究结果表明基质–裂隙双孔隙模型能有效模拟采空区水位回升过程，模拟误差为9.9%，其模拟精度远高于理论预测和单孔隙模型。水化学场模拟结果与试验较为吻合，\mathrmSO_4^2- 、\mathrmHCO_3^- 和pH模拟相对误差分别为3.0%、21.0%和6.2%，模拟结果较为可靠。模拟结果显示采空区蓄水过程中水岩反应和微生物作用不明显；而蓄满后水动力几乎停滞，但水化学场和微生物场较为活跃，2号煤和3号煤层中黄铁矿的氧化反应使得\mathrmSO_4^2- 质量浓度提升约24.6%；后期采空区水环境演化为弱酸性、厌氧还原条件，微生物降解作用凸显，将\mathrmSO_4^2- 质量浓度从高峰值降低了6.1%。研究结果表明：采空区封闭后矿井水具有一定的“自净”能力。通过调整微生物代谢速率常数，可将\mathrmSO_4^2- 降解比例提高到61.6%。实际工程场景中可通过补充碳源、人工建立密闭厌氧环境等强化手段实现这一目标。将多场耦合室内试验和数值模拟技术拓展到煤矿采空区积水水质形成与演化规律研究，研究结论可为煤矿区矿井水污染防治提供指导。

• 煤矿矿井水资源化绿色短流程关键技术与装备

  何绪文, 王绍州, 张学伟, 季晓晴,

  煤炭是我国重要的工业原料，与我国经济发展关系密切。煤炭开采过程中会产生大量矿井水，是重要的非常规水资源，需妥善处理。然而现有矿井水处理技术普遍存在占地大、流程长、需加药、运行维护复杂和出水水质不稳定等问题，为缩短处理流程、提高处理效率和保证出水水质，亟需研发新的关键技术与装备。采用聚瓷膜直滤技术处理矿井水，通过对膜通量、膜比通量、运行压力和循环流量等条件的对比分析，确定最佳运行参数为：运行压力0.2 MPa，循环流量18 m3/h，处理过程无需加药，出水悬浮物质量浓度稳定 < 1 mg/L，浊度稳定 < 1 NTU。采用广泛应用的膜堵塞模型来探讨膜污染机制，膜污染分析结果表明，膜污堵主要以滤饼层污堵为主，并伴随中间污堵，具体表现为膜的表面污染和膜孔的堵塞。通过水力反洗及时清除膜表面污染，最佳反洗时间为60 s，通量恢复率为85.12%；通过定时化学清洗清除膜孔污堵，用复配制剂清洗3 h，通量恢复率可达95%以上。工程案例表明，聚瓷膜直滤可直接取代“混凝沉淀–过滤–超滤”(一代三)，且已连续稳定运行2 a，满足设计产水量要求，系统回收率均在90%以上，处理后水质达到GB 3838—2002地表水环境质量III类24种标准限值要求，且自动化程度高，可无人值守，实现了矿井水资源化利用绿色短流程、节能高效和智能化新要求，可为该技术大规模推广应用提供技术参考。

• 新疆煤炭资源开发潜力与开发策略

  卞正富, 张益东, 王猛, 王长申, 韩晓彤, 牟守国, 任清晨, 李国栋,

  鉴于新疆煤炭资源赋存条件的独特性以及煤炭赋存区生态环境的脆弱性，科学开发新疆煤炭资源成为当务之急。为此，简要论述了新疆煤炭资源地质赋存条件、赋煤区水文地质条件、自然地理与生态环境条件，分析了新疆煤炭资源开发潜力。结果表明：新疆煤炭资源极为丰富，全区预测煤炭资源量2.19万亿t，占全国总预测储量的40%以上；新疆共有 24个预测资源量超过100 亿t的煤田，其中5个煤田预测资源量超过1 000亿t，8个煤田预测资源量在400亿～1 000 亿t，11个煤田预测资源量在100亿～400 亿t；潜在煤炭资源量中，1 000 m以下浅储量占比52.8%。新疆煤炭资源以低阶烟煤和中阶烟煤为主要煤阶，其次是中煤阶煤中的高阶烟煤，而低煤阶煤中的褐煤和中煤阶煤中的超高阶烟煤以及高煤阶煤中的无烟煤，分布范围和数量极为有限，所占资源总量的比例很低；综合考虑疆煤外运、疆电外送、西气东输以及本地煤化工产业规划，预计2035年新疆煤炭产能有望超8亿t。在此基础上，构建了生态环境承载力评价指标体系，对新疆规划建设的五大煤矿区生态环境承载力进行了评价，得出：新疆煤炭资源赋存区生态环境承载力整体处于中低水平，五大煤矿区生态环境承载力均值排序为伊犁(0.42)>库拜(0.38)>和丰(0.31)>准东(0.25)>吐哈(0.22)，呈现出由西到东递减的趋势。针对新疆煤炭资源开发条件与潜力，提出了优化煤炭资源开发布局、推动开采技术升级、推进智能采矿技术、强化绿色开采理念、拓展煤炭多元化利用渠道等策略。

• 煤矸石规模化生态利用原理与关键技术

  胡振琪, 赵艳玲, 毛缜,

  煤炭是我国主要能源，是能源安全的压舱石。煤矸石作为采煤和洗煤加工过程中的必然产物，每年产出量达7亿t以上，亟需规模化、生态化利用技术，以破解煤矸石作为企业发展绊脚石的难题。在分析煤矸石大规模利用中的生态损伤机理的基础上，提出煤矸石规模化生态利用原理，从技术视角探讨了环境安全的规模化生态利用具体解决途径，提出了酸性煤矸石山原位污染控制与生态修复和煤矸石地面充填造地两大规模化生态利用方式关键技术。结果表明：① 煤矸石规模化生态利用的关键是环境污染的防控，通过对矸石的可利用性和经济性评价，结合风险管控手段，可实现煤矸石规模化生态利用。② 对已堆积的矸石山采用原位污染控制基础上的植被恢复以实现生态化利用，提出了污染源头诊断–防灭火与污染阻隔–植被恢复一体化的生态利用技术。基于矸石氧化产酸产热导致污染的机理分析，采用热红外与测绘技术相耦合进行煤矸石山深部燃点(氧化点)定位；研发了杀菌剂与还原菌耦合的氧化抑制剂并结合惰性材料覆盖碾压进行抑氧隔氧污染阻隔；对自燃区采用喷浆控火与注浆灭火结合的安全灭火技术；氧化抑制剂结合惰性材料覆盖碾压的长效防火技术；提出以乡土草灌为主的防燃型植被恢复技术，可实现酸性煤矸石山的原位污染控制与生态修复。③ 通过地面充填生态化利用可行性分析、充填生态化利用技术和维护管理长期监测，可实现煤矸石地面充填造地的生态化利用。其关键是矸石材料筛选的污染风险分析、地面充填场地选择的可行性分析以及充填全过程的环保措施，包括充填前的场地底部防渗阻隔、渗滤液导排等安全环保措施，充填中的分层充填技术、防火控酸的污染防控和土壤剖面重构技术，充填后的侵蚀控制、植被恢复等技术。煤矸石规模化生态利用不仅解决了矿区固废堆存带来的生态环境问题，还通过对新、旧矸石的科学合理利用，打造矿区生态修复的新模式。

• 井工煤矿减损开采理论与技术体系

  李全生,

  煤炭开采改变了覆岩边界条件，引起围岩应力重新分布和覆岩变形、运动、破断，造成覆岩损伤自下而上传导，引起含水层、地表附属物、矿区生态系统等损伤。现代开采在保障经济社会发展能源需求同时，也对矿区地下水资源、生态环境和建/构筑设施造成较大损伤。为解决规模化煤炭开采与矿区生态协调的问题，在系统分析国内外减损开采理论与技术以及长期实践基础上，根据“源头减损”理念和“采前源头损伤控制、采中优化减损、采后生态要素系统修复”的开采全过程减损思路，提出了以“基于开采工艺参数优化的源头减损、硬岩采前预裂–软岩注浆改性与采后导水裂隙封堵控水、采中覆岩承载结构稳定性维持减损”的采前、采中、采后3类4项技术为主导的开采全过程减损技术措施，创建了井工煤矿减损开采理论与技术体系，明确了减损开采研究的重点和方向。在开采损伤监测方面，由于监测技术时空差异大，难以实现地表变形与裂缝的同时空监测和地表生态环境多要素一体化同步监测，仍需针对性地提出煤矿井工开采损伤多源监测异步数据的同时空校正与处理方法。在损伤传导理论方面，基于覆岩损伤传导理论，从能量出发提出了采动损伤场模型，并结合岩层软硬组合、岩土层介质的差异，提出了涵盖“覆岩–含水层–地表–生态”多因素指标的煤炭井工开采覆岩损伤场量统一与跨界面传导理论。神东矿区上湾矿12401工作面采用采前开采参数优化，采中垮落带注浆等减损技术，地表最大沉降值相对减小25%，地表裂缝由台阶型裂缝调控为动态小裂缝；此外，神东矿区自2010年实施减损开采技术以来，植被覆盖度由原来平均31%上升到74.1%。

• 西部煤矿区微生物修复促进植物水分高效利用策略

  毕银丽, 武超, 彭苏萍, 田乐煊, 张延旭,

  西部煤矿区生态环境脆弱，叠加高强度开采致使水土流失、土壤退化、根系受损，植物水分利用效率低，生态恢复困难，提高水分利用效率成为西部矿区生态修复或重建的关键。土壤水是限制干旱半干旱煤矿区生态修复的关键因素，它连接大气水、地表水、地下水与植被生长，是水分循环与养分运输的重要载体。土壤水分的高效与合理利用关系到生态修复的成败，因此探究植物根系水分利用策略对于西部煤矿区生态修复具有重要作用。分析了国内外植物水分利用的主要研究方法，比较了不同方法之间的优缺点及相应研究进展。在干旱半干旱煤矿区受损生态环境中，采用植物–微生物联合的微生物修复技术，能提高植物水分利用效率，改善植物水分利用策略。同时，接种微生物降低了植物从浅层土壤吸收水分的比例，有效地增加植物从深层土壤中吸收和利用水分，提升了植物水分利用效率，使接菌植物在干旱半干旱煤矿区表现出更高的生态适应性。分析了目前西部煤矿区植物水分利用的研究进展和存在的问题，探讨了煤矿区微生物修复对水分利用策略的改善，提出了西部干旱煤矿区生态修复中不同植物组合对水分利用策略的影响及其研究重点，为实现矿区绿色可持续、高质量发展奠定了扎实的基础，具有重要的生态应用价值。

• 黄河流域煤炭–煤电–煤化工场地特征精准智能识别方法及应用

  董霁红, 王立兵, 冯晓彤, 王蕾, 刘峰, 翟文, THOMAS Kienberger,

  黄河流域是“能源流域”，兼具生态环境治理和经济社会发展的重任，涉煤产业场地类型、数量及特征的精准智能识别是流域能源资源–低碳发展–生态保护的关键基础问题。研究融合多源数据与深度学习算法，从流域–基地–场地尺度对黄河流域13个大型煤电基地的煤基场地特征精准解析，获得煤电基地高精度、高质量的本底信息，提出一种实时实景智能识别涉煤产业空间特征的新方法。① 筛选Google image、GF-6影像、Sentinel-2影像等多源数据，采集13个大型煤电基地煤基场地样本，构建煤炭场地(露天)、煤炭场地(井工)、煤电场地、煤化工场地4类数据集，涵盖21种样本类型。按照每种样本六面体设定6×10个样本，共计1 260个场地样本，分析得出最适样本数量–最高识别效率–最优识别模型的置信区间为80%～86%。② 建立了煤基场地类型量化模型(Coal-based Site Classification Quantitative Model, CSCQM)和煤基场地范围特征模型(Coal-based Site Range Characteristic Model, CSRCM)，模型平均精准度为0.837。明析了黄河流域涉煤产业场地本底信息，提出Google image底图叠加场地智能识别模型解算结果的高精度场地智能识别方法。③ 解析了流域神东煤炭–煤电产业集聚区精准本底数据，依据遥感生态指数(Remote Sensing Based Ecological Index，IRSE)分析，煤基场地分布2 km核心区地表生态质量受煤炭、煤电产业影响明显，5 km缓冲区则影响不明显，而8 km控制区基本不受煤炭、煤电产业影响，从而给出了“动态修复”与分区域、分阶段重点治理等低碳路径。④ 解析了流域宁东煤炭–煤电–煤化工产业集聚区精准本底数据，2022年煤炭场地17.81 km2、占比34.1%，煤化工场地22.3 km2、占比42.6%，煤电场地12.2 km2、占比23.3%，煤化工场地 > 煤炭场地 > 煤电场地。进而采用PSR(Pressure-State-Response)模型得到风险管控综合得分53.93分，较2003年提高了27.2%。划分生态维护区、生产监测预警区、损毁修复重建区、其他调控区的分区管控模式。研究为涉煤产业煤基场地潜在污染控制、场地治理及区域生态修复提供技术方法与实践支撑。

• 高海拔低气压条件下烟气辐射特性

  车得福, 姚峤鹏, 王津, 董凌霄, 于吉明, 笪耀东, 邓磊,

  高原地区特殊的地理环境导致锅炉运行出现出力不足、排烟温度高等一系列问题。采用逐线法(Line-By-Line method，LBL)，基于HITEMP2010光谱数据库(High-temperature molecular spectroscopic database)，求解3组不同气压条件下(0.101 325、0.076 622和0.061 655 MPa)空气燃烧方式的烟气吸收系数和总发射率，分析了压力、温度和水蒸气与CO2的摩尔比对烟气辐射特性的影响，改进了灰气体加权和(Weighted-Sum-of-Gray-Gases，WSGG)模型关联式，建立了适用于低气压条件下的WSGG模型参数。结果表明，压力的降低会减小烟气的总发射率，4种工况下压力从0.101 325 MPa下降到0.061 655 MPa时，总发射率随行程长度变化的最大差值分别为0.093 4、0.084 5、0.091 1和0.084 3。在小行程长度下，摩尔比越大，压力的变化对总发射率的影响越大，而大行程长度下则相反。温度的升高会减小烟气的总发射率，4种工况下，温度从1 000 K升到2 500 K时，总发射率随行程长度变化的最大差值分别为0.273 6、0.270 5、0.251 5和0.250 5。在小行程长度下，摩尔比越大，温度的变化对总发射率的影响越大，在大行程长度下则相反。摩尔比的增加会增大烟气的总发射率，4种工况下摩尔比从1增加到2时，总发射率随行程长度变化的最大差值分别为0.088 1、0.100 4、0.088 9和0.100 6。在小行程长度下，温度越高或压力越低，摩尔比变化对总发射率的影响越小，在大行程长度下则相反。改进后的WSGG模型在不同工况下烟气总发射率的最大相对误差为3.67%，相比现有基于常压条件下开发的WSGG模型外推到低压条件的误差有明显降低，表明改进后的WSGG模型更适用于低气压空气燃烧气氛。

• Hg-CEMS烟气预处理关键问题研究与进展

  段钰锋, 李海洋, 汤红健, 黄天放, 金启航, 孙利娜, 尚瑜, 李晨池, 周玉星, 李天硕, 刘晓硕, 左言骏, 童姜毅, 金睿,

  鉴于汞在化石燃料和矿物资源中的天然禀赋以及能源与资源利用过程中汞污染物的排放与监管，研发我国自主知识产权的汞连续在线监测系统(Hg-CEMS)成为汞排放浓度监测的国家重大需求。烟气预处理技术是Hg-CEMS系统中最关键的组成部分，也是限制我国Hg-CEMS技术发展与应用的核心技术。对Hg-CEMS烟气预处理技术中的4个关键模块——稀释采样模块、Hg0/Hg2+分离模块、Hg2+还原模块、Hg2+标气发生模块的研究进展进行全面综述。首先，介绍稀释采样技术的原理与应用，阐述音速小孔和热稀释引射器的结构和设计要点，论述数值模拟与优化设计相结合的方法。其次，针对Hg0/Hg2+分离技术，综述湿法吸收、物理吸附和化学吸附的研究新进展，讨论选择性吸附剂KCl和CaO的理论和实验研究结果。第3，针对Hg2+还原技术，概述湿化学还原、低温还原和高温分解还原的技术，论证低温还原技术中固态还原剂的活性成分、反应温度以及烟气成分对氧化态汞还原的影响，探讨高温分解还原技术中填充材料、酸性气体组分以及除酸剂对Hg2+还原和抑制Hg0再氧化的新研究进展。最后，针对Hg2+标气发生技术面临的技术难点，提出固态标气发生新技术理念并指出其工业应用的可行性。结合当前Hg-CEMS技术的研究发展和应用现状，提出上述4个关键模块的研究思路、解决方案与应用前景。

• 大型燃煤发电机组低碳技术进展

  谭厚章, 王学斌, 杨富鑫, 邓双辉, 阮仁晖,

  当前我国碳排放总量约110亿t，其中约40%的CO2由燃煤机组产生，如何降低燃煤发电机组的碳排放是实现双碳目标的关键。针对燃煤发电机组大规模减碳技术，重点介绍低碳/零碳燃料替代技术(生物质、污泥、氢/氨等)和CCUS技术的研究进展：燃煤电厂耦合生物质包括直接耦合和间接耦合，但均受制于生物质原料供应和价格，生物质“种植—收割—转运—储存—预处理—燃烧”全链条控制掺烧模式可有效解决上述问题。660 MW机组掺烧试验表明，CO2排放可减少77.25万t/a；市政污泥含水率高达80%，进入锅炉前需干化处理，目前蒸汽或烟气干化均存在投资运行成本高、干化后的污泥水分较大且有臭气等问题，导致掺烧比例一般低于8%。基于生物质热源的污泥炭化技术可直接在污水厂生产无臭污泥炭，热值达10.26 MJ/kg左右，电厂掺烧比例可提高至20%～30%；掺烧氢/氨燃料需解决大比例掺烧下氨逃逸和NOx排放问题，国内已开展皖能集团300 MW和国家能源集团600 MW氨煤掺烧实验，通过燃烧调控可在NOx排放略微增加的情况下实现较高的NH3燃烬率，但商业化推广还受制于氢/氨成本；燃烧前脱碳技术(IGCC电站)的商业化运行案例极为有限，由于高居不下的成本，国外多个示范项目均已停运，推动该技术商业化需解决建设成本、发电成本和设备可靠性等问题。燃烧中碳捕集包括富氧燃烧和化学链燃烧，由于空分、再循环等过程能耗，常压富氧发电效率比空气燃烧低8%～12%，从常压富氧到加压富氧可进一步提高净发电效率；我国已建成全球最大的4 MW化学链燃烧示范装置，该技术也有望应用于气化领域；燃烧后碳捕集目前以溶液吸收技术为主，固体吸附技术的再生能耗更低，但大规模商业化需要继续降低能耗和成本。

• 催化剂对煤热解焦油品质的调控及其表面积炭行为的分析

  鲍卫仁, 王倩, 李挺, 田茜, 王旎晨, 闫伦靖, 王美君, 常丽萍,

  以催化剂为核心和焦油提质为目的的低阶煤热解技术是保障国家能源安全和实现“双碳”目标的煤炭清洁高效转化技术。鉴于煤焦油品质调控和催化剂表面积炭行为的复杂性，阐述了金属、金属氧化物、天然矿物质、分子筛和炭基催化剂对煤和热解挥发物的催化作用及其对热解产物分布和组成的影响，并对比分析了各类催化剂的优缺点。探讨不同催化剂物理化学性质的区别及其与催化性能之间的关系，结合煤及热解挥发物中C—C、C—H、C=C、—OH、C=O、C—O和—COOH等化学键的断键行为，揭示了不同催化剂的作用机制。在此基础上，针对催化过程中存在的焦油产率低及提质效果差的问题，提出了利用金属尤其是过渡金属改性催化剂活化热解体系中的内部小分子氢供体和外部固体/气体氢供体对重质组分裂解碎片原位供氢的方法，实现焦油产率的提高及焦油品质的改善。同时，针对催化剂易积炭失活问题，分析了积炭的物理化学性质和组成以及积炭形成的原因。从催化剂设计及热解反应体系出发，分析了多种有效抑制积炭的途径，如多级孔与金属活性位点的组合效应、双金属改性调控Brønsted和Lewis酸性位点的比例、酸碱双功能催化剂的开发以及引入H2O、CH4、C2H6和CH3OH等富氢小分子调控挥发物组成等，以期为低阶煤催化热解技术的发展提供理论基础。

• 超声空化–流体剪切协同强化油团聚分选煤气化细渣

  周安宁, 陈恒, 韩瑞, 张宁宁, 郭凯强,

  煤气化细渣(CGFS)具有较高的利用价值，但残炭回收率低极大地制约了其资源化利用。油团聚分选法在CGFS分选过程中具有明显优势，但炭灰共生结构严重限制了油团聚分选效率。为突破油团聚法分离富集残炭技术的瓶颈问题，考察了超声时间、超声功率、流体剪切时间及其交互作用对油团聚分选效果的影响，并结合BET、粒度分布、FT-IR、XPS以及SEM-EDS等分析手段，揭示了超声空化–流体剪切(UC-FS)协同预处理对油团聚分选效果的强化机理。结果表明：当超声功率为270 W、超声处理时间29 min、流体剪切时间23 min时，能分选得到灰分为9.55%的精矿、灰分为91.51%的尾矿，可燃体回收率可提高至90.54%。超声空化作用使原本致密的炭灰结构逐渐松散，与流体剪切的冲刷作用协同促进CGFS的孔隙结构的发展，使炭灰颗粒解离度增加，从而降低了精矿灰分。UC-FS协同预处理能够有效增加残炭表面C—C、C=C以及C—H等疏水基团的比例，使其接触角由110.34°增加到121.16°，扩大了炭和灰颗粒表面疏水性差异，提高了油团聚分选的效果。UC-FS协同预处理使炭灰颗粒高效分离的强化作用主要归因于超声空化气泡与细粒微球耦合产生的微磨料效应。可为实现CGFS分质资源化利用提供理论基础和技术指导。

• ML-QSPR方法预测煤基液体的燃料性能

  李文英, 王香玲, 范欢欢, 范鸿霞, 冯杰,

  煤基液体混合物如煤焦油、煤直接液化油的分子结构描述和性质预测是开发煤基液体产品高值化工艺和技术的重要基础。由于煤基液体主要由C、H、O、N、S元素构成数量庞杂、芳环结构各异的混合物，因此，使用Python中的RDKit工具包，利用简化分子线性输入规范(Simplified Molecular Input Line Entry System，SMILES)语言构建煤基液体中物质分子描述符，描述符包含样品元素信息、环数与环结构信息、原子数及分子量信息等共计115个分子描述符。对比人工信息提取方法，将所构建的分子描述符能够体现煤基液体分子结构碎片、分子量及原子个数信息等作为机器学习的特征输入变量，用于建立预测煤基液体的燃料性能的分子机器学习–定量结构性质关系方法(ML-QSPR)，实现对燃料低位热值(LHV)、液体密度(ρ)、闪点(FP)、十六烷值(CN)4个关键燃料性能参数的快速预测。模型验证分析表明LHV、ρ、FP模型的R2分别为0.996、0.988、0.987；CN预测中加入混合物数据进行预测，R2=0.959。与已公开报道的预测LHV、ρ、FP、CN性质方法对比，笔者提出ML-QSPR方法在预测4个关键燃料性能参数准确度方面有提升，在获取结果速度方面有显著优势。利用ML-QSPR模型预测得到的煤基液体制特种燃料性能参数数据库中的信息，分析增加不同族组分物质的碳原子数量时4个燃料性能参数的演变趋势，发现LHV、ρ、FP、CN四个燃料性能参数均受碳数(n)影响显著。由于LHV主要由n决定，不同族组分物质的LHV差距小；而不同族组分物质的ρ、FP和CN性质差距明显。此外，本研究训练好的模型可用于预测新的分子，为新型燃料分子设计提供参考；ML-QSPR方法作为迁移学习模型可在今后用于煤基液体其他场景相关理化性质的分析。

• 水合阳离子对煤泥矿物颗粒表面水化的影响机理

  闵凡飞, 束庆东, 陈军, 刘春福, 凌云嘉,

  为探索水合阳离子对煤泥矿物颗粒表面水化的微观影响机理，以煤泥中主要矿物高岭石和石英为研究对象，依据煤泥水溶液环境构建了Na(H2O)5+及Ca(H2O)82+两种煤泥水中常见的水合阳离子构型，并采用密度泛函理论对这2种水合阳离子在高岭石(001)面、( 00\overline 1 )面和α–石英(001)面的单一吸附及与水分子间的竞争吸附进行了模拟计算。模拟结果表明，单一水合阳离子在3种表面的吸附能均比水分子的吸附能低出50%以上，其在矿物表面的吸附稳定性顺序为：α–石英(001)面 > 高岭石(001)面 > 高岭石( 00\overline 1 )面；在竞争吸附作用下，竞争稳定构型的吸附能比单一水合阳离子在高岭石、石英表面上的吸附能低出34%～57%，其中2种吸附条件下Ca(H2O)82+构型均比Na(H2O)5+构型更稳定。水合阳离子在3种表面上单一吸附时，与表面形成强氢键作用，比水分子与高岭石、石英表面间的氢键作用更强，2种水合阳离子在矿物表面的氢键强弱顺序均为：高岭石(001)面 > α–石英(001)面 > 高岭石( 00\overline 1 )面；在竞争吸附作用下，Na(H2O)5+与矿物表面间的氢键作用增强，Ca(H2O)82+与矿物表面间的氢键作用减小；由于氢键作用不能完全对应吸附能的变化，经分析可知，吸附构型中存在静电作用，水合阳离子单一吸附构型中的静电作用比水分子吸附时更强，而在竞争吸附作用下，水合阳离子与矿物表面间静电作用增强，同时Ca(H2O)82+比Na(H2O)5+与对应矿物表面间的静电作用更强。由于水合阳离子在高岭石、石英表面的强吸附作用，导致煤泥颗粒脱水更加困难，同时可能增加颗粒间的水化斥力，从而导致颗粒在煤泥水中分散更稳定。

• 生物质燃料颗粒热压成型过程分析

  张守玉, 黄健添, 郎森, 张邢佳, 陈旭阳, 梁宁, 吕邦勇, 杨楚轲, 胡南, 吴玉新, 吕俊复,

  “双碳”战略下，生物质因其可再生、低污染和“零”碳排等优点而备受关注。生物质成型制备燃料颗粒能有效地解决其结构松散、能量密度低等问题，可用作化石燃料的替代品，对于新型能源体系的建设具有重要意义。笔者概述了生物质热压成型过程的影响因素，分析并探讨了热压成型过程中生物质颗粒的演变行为和结合机制。生物质成型工艺主要包括冷压成型和热压成型。与冷压成型相比，热压成型能耗较低，制得成型燃料品质较高。生物质含水率(4%～15%)对其成型燃料密度影响较大，成型温度(70～150 ℃)影响较小，成型压力(60～130 MPa)和原料粒度( < 2.5 mm)对其成型燃料密度的影响因生物质种类不同而存在较大差异。生物质热压成型过程中纤维素主要起骨架支撑作用，半纤维素、木质素则起到黏结剂作用。在热压成型的微观过程中，生物质颗粒经惯性移动后黏弹塑性变形，形成机械互锁。脆性颗粒破碎后释放出天然黏性成分，在水分、温度和压力的共同作用下形成颗粒间桥接。机械互锁和桥接缩小了生物质分子间的距离，促进了分子间作用力的产生。在对生物质热压成型机制认识的基础上，利用不同生物质掺混或水热等预处理手段对生物质组分进行调控可提高燃料颗粒的品质。利用分子动力学手段对生物质成型过程进行仿真模拟，可获得生物质组分分子间的键合机制，有利于进一步探究生物质热压成型机制，对生物质成型燃料乃至成型材料的制备有着重要的指导意义。

• 深部煤炭地下气化制氢先进能效分析

  刘淑琴, 刘欢, 郭巍, 纪雨彤,

  深部煤炭地下气化制氢不仅可以利用我国丰富的深部煤炭资源，将传统采煤方法难以开采或开采不经济的深部煤层转化为氢气，而且有望成为一种理想的煤基低成本制氢路线。基于位于加拿大天鹅山的世界上唯一千米级深部煤炭地下气化试验数据，结合Aspen Plus过程模拟，以先进㶲为先进能效指标，对深部煤炭地下气化制氢能量利用情况进行分析。与商业化的Lurgi地面煤气化制氢路线作对比，以产出单位质量氢气的积累㶲消耗为指标，比较了2种制氢路线的能量消耗水平。结果表明，在氢气生产能力为12亿Nm3/a情形下，深部煤炭地下气化制氢从原料到产品的总㶲损失为451.79 MW。先进㶲分析可以有效量化气化过程可以避免的㶲损失，其中39.9%为不可避免㶲损失。甲烷重整单元的内部可避免㶲损\mathop E\nolimits_\mathrmdest,k^^\mathrmAV,\;EN 和外部可避免㶲损\mathop E\nolimits_\mathrmdest,k^^\mathrmAV,\;EX 分别为96.63和81.58 MW，具有最大能效提升空间，如能利用转化气、烟道气的热量副产蒸汽，可将其内部可避免㶲损失减少38.5%。地下气化单元的\mathop E\nolimits_\mathrmdest,k^^\mathrmAV,\;EN 和\mathop E\nolimits_\mathrmdest,k^^\mathrmAV,\;EX 分别为4.38和62.73 MW，表明降低其㶲损失的重点应放在提高其他单元的能量效率，从而降低外部可避免㶲损。其余单元改进空间均比较小可不予考虑。以积累㶲消耗量为标准衡量能量消耗水平时，产出1 kg氢气，深部煤炭地下气化制氢的积累㶲消耗为376.1 MJ，仅为Lurgi地面煤气化制氢的83.6%，表明深部煤炭地下气化制氢能够显著降低能量消耗水平。敏感性分析显示，2者积累㶲消耗的差距随着生产规模的扩大而增加。研究结果可为深部煤炭地下气化制氢的过程优化及技术可行性定量化提供科学依据。

• 准东煤半焦赤铁矿载氧体化学链燃烧及碱(土)金属迁移特性

  刘银河, 王儒儒, 关昱, 林啸龙, 王博, 王园园,

  准东煤在常规燃烧利用过程中出现严重的积灰结渣和CO2排放等问题，极大地限制了其低碳清洁高效利用。采用中低温热解低阶煤生产半焦、焦油和热解气是煤炭分质分级利用的龙头技术，准东高碱煤热解半焦气化活性高，采用化学链燃烧方式有利于实现其低碳清洁高效转化。以CO2为气化介质，赤铁矿石为载氧体，在固定床上开展准东煤半焦原位气化化学链燃烧特性研究，并探究了准东煤半焦中碱(土)金属(AAEMs)的迁移转化规律。研究表明，赤铁矿载氧体能够显著提高固定床反应器出口烟气中CO2体积分数，然而随着载氧体与半焦质量比(mOC/mC)不断增加，CO2体积分数先急剧增加而后趋于不变，最佳的mOC/mC为50∶1，而700 ℃热解制取的准东煤半焦经酸洗脱灰处理后固定床反应器出口相应烟气中CO2的选择性降低了8.95%，这表明准东煤半焦中具有催化活性的AAEMs显著影响其化学链燃烧性能。赤铁矿载氧体对准东煤半焦表面AAEMs的分布也有显著影响，与未加入时相比，Na、K元素在半焦表面呈现较为明显的团簇富集，Ca、Mg元素在空间分布上呈更为明显的依赖关系。采用原位气化化学链燃烧方式后准东煤半焦中的AAEMs向赤铁矿载氧体中发生迁移与转化，并生成霞石(NaAlSiO4)、钾长石(KAlSi3O8)、钙铝黄长石(Ca2Al2SiO7)、镁橄榄石(Mg2SiO4)等高熔点矿物质，有效抑制了准东煤半焦中AAEMs向气相的挥发。

• 粉煤灰矿化电厂烟气CO2技术及关键科学问题

  秦波涛, 冯乐乐, 邵旭,

  燃煤发电是我国能源安全的重要保障，但烟气中会排放大量CO2，同时，也会产生大量粉煤灰。利用粉煤灰矿化封存电厂烟气CO2，并将矿化产物进行综合利用，可达到大宗固废处置与CO2长效封存的双重目的。目前，粉煤灰矿化电厂烟气CO2技术仍存在矿化效率低、反应时间长、CO2处理量小等不足，其对应的关键科学问题和技术瓶颈亟待解决。简要介绍了粉煤灰矿化烟气CO2的基本原理，分析了不同反应条件对粉煤灰碱土金属离子浸出和CO2矿化反应效率的影响机制，对比了CO2直接矿化反应工艺、碱土金属预浸出工艺、CO2预吸收工艺等3种流程的优缺点，提出了包含粉煤灰碱土金属离子高效浸出、CO2矿化反应过程强化、粉煤灰矿化CO2智能装备、矿化效果综合评价等方面的粉煤灰高效矿化烟气CO2技术体系，总结了粉煤灰矿化CO2产物的物理化学性质，提出了粉煤灰矿化CO2产物高值化综合利用的构想。最后，凝练出了粉煤灰碱土金属离子快速浸出与CO2高效矿化特性、粉煤灰矿化CO2大型反应器中多相混合与反应规律、粉煤灰浆液矿化CO2产物性质的调控机制等3个关键科学问题，指明了基础研究–关键技术与装备研发–工程应用全链条的攻关方向，为粉煤灰高效矿化烟气CO2及产物综合利用提供了参考，对于双碳目标实现和固废综合利用具有重要意义。

• 智能采煤机器人关键技术

  马宏伟, 赵英杰, 薛旭升, 吴海雁, 毛清华, 杨会武, 张旭辉, 车万里, 曹现刚, 赵友军, 王川伟, 赵亦辉, 王鹏, 孙思雅, 马柯翔, 李烺,

  采煤机是综采工作面的核心装备，研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状，提出研发智能采煤机器人必须破解的“智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位–姿–速协同控制”五大关键技术，并给出解决方案。针对智能感知问题，提出了构建智能感知系统思路，给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构，实现对运行状态、位姿、环境等全面感知，为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障；针对位姿控制问题，提出了智能PID位姿控制思路，给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法，实现了智能采煤机器人位姿精准控制；针对速度控制问题，提出了融合“力–电”异构数据的截割载荷测量思路，给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法，实现了截割载荷的精准测量；提出牵引与截割速度自适应控制思路，给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法，实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制；针对截割轨迹规划与跟踪控制问题，提出了截割轨迹精准规划思路，给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨迹规划模型，实现了截割轨迹的精准规划；提出了截割轨迹精准跟踪控制思路，给出了智能插补算法的截割轨迹跟踪控制方法，实现了智能采煤机器人截割轨迹高精度规划与精准跟踪控制；针对“位–姿–速”协同控制问题，提出了“位–姿–速”协同控制参数智能优化思路，给出了基于多系统互约束的改进粒子群“位–姿–速”协同控制参数优化方法，实现了智能采煤机器人智能高效作业。深入研究五大关键技术破解思路，有利于加快推动研发高性能、高效率、高可靠的智能采煤机器人。

• 碟盘刀具截割姿态倾角与破岩模式特征

  刘春生, 程硕, 刘延婷, 徐鹏, 刘若涵, 郝鑫,

  刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础，而刀具截割姿态对破岩模式影响显著，探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联，反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态，在非线性岩石破坏准则的基础上，根据Mohr-Coulomb准则给出了岩石拉剪耦合破坏条件，扩展延伸成三段式线性岩石破坏全域准则(拉破坏、拉剪耦合破坏、剪破坏、压剪耦合破坏和压破坏)，给出了不同破岩模式下刀具楔面挤压应力的数学描述，基于楔面作用的最小能量原则提出了破岩模式识辨方法，构建了刀具倾斜姿态截割岩石的载荷模型，并通过数值模拟和实验分析了不同截割姿态倾角下刀具载荷特性和岩石破碎特征(岩石块率分布和粉尘粒度分布)与破岩模式之间的关联特性。结果表明：碟盘刀具楔面能耗表征值与姿态倾角呈正比，破岩模式由拉剪耦合破坏向压剪耦合破坏转变；振动截割时刀具楔面能耗表征值明显小于无振动截割，且多以拉剪耦合破坏为主，而无振动截割时拉剪、压剪耦合破坏近似等比存在；当轴向速度楔面分量大于进给速度楔面分量时，摩擦力转变为破岩助力，楔面能耗明显下降；碟盘刀具破碎岩石宏观形态呈大块月牙状，岩粉细观形态呈类多面体和类球状，刀具姿态倾角与岩石碎片量呈反比，与岩粉量呈正比(类球状粉尘减少、类多面体粉尘增加)，表明姿态倾角增大，刀具齿刃碾挤压作用减弱，楔面挤压产生粉尘能耗增加，与破岩模式识辨过程中截割姿态对楔面能耗的影响规律相一致；碟盘刀具径向载荷与姿态倾角呈下凹规律，理论和模拟与实验径向载荷规律具有一致性，其平均误差分别为8.46%和9.55%，验证了碟盘刀具破岩模式识辨方法、倾斜姿态截割岩石的载荷模型和数值模拟的合理性。

• 我国煤矿快速掘进20 a发展与展望

  王虹, 陈明军, 张小峰,

  针对煤矿智能化快速发展，煤矿掘进面临新的机遇和挑战，笔者对我国煤矿快速掘进20 a的发展进行全面综述，以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势，以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面，双巷掘进开辟了截割、支护在不同巷道同时作业的新途径；掘锚同步工艺，时间–空间多维同步快速掘进工艺打破了先掘后支、及时全部支护的传统，创立了掘锚同步、迎头必要支护与多维空间永久支护动态匹配的分区支护方法。在掘进装备方面，形成了以纵轴、全宽横轴截割滚筒为主，全断面截割滚筒为辅的截割滚筒结构形式，并且在高功率密度减速器及整机设计理念不断突破的基础上，成功研制纵轴截割功率达315 kW、全宽横轴截割功率达560 kW的系列高效截割系统。在锚护装备方面，由传统的单体锚杆钻机发展出锚杆钻机、一键操作流程化钻机、钻机集群等，在有限空间内钻机的数量和作业安全性得到大幅提升，作业流程得到大幅简化，锚孔识别、锚护路径自动规划等智能化技术已进入工业性试验阶段。柔性运输系统的发明解决了掘进面短距离高效转载难题。在成套装备配置上，形成了以连续采煤机、掘锚一体机、掘锚机(掘进机+机载锚杆钻机)、煤矿全断面掘进机为龙头的四大类快速掘进系统，在四大快速掘进系统下，又分别形成了不同的作业线, 实现了对不同地质条件巷道快速掘进的全覆盖。掘进工程系统层级上实现了具有成套装备的远程控制、集中控制、视频监测、闭锁联动、人员接近预警等智能化功能。回顾快速掘进的发展历程，提出完善时间–空间多维同步快速掘进理论、以智能掘进搜集透明地质的基础大数据、加强掘进巷道辅助作业工艺及设备研究、加强装备的智能化核心技术研发等智能掘进的发展方向。

• 煤矿智能快速掘进关键技术研究现状及展望

  毛君, 杨润坤, 谢苗, 卢进南, 王贺, 刘治翔, 王帅,

  针对煤矿巷道掘进智能化建设情况，探讨了现阶段分别以连采机、掘锚一体机、全断面掘进系统、掘锚机为核心的四大类智能快速掘进成套装备发展现状，分析了四大类智能快掘装备与地质条件适用性，提出了实现煤矿智能化掘进需要解决的关键技术的问题，探讨了以信息传输与智能分析技术、智能感知技术、精确定位导航技术，自主定型定向截割技术、掘进机远程自主截割控制技术以及多级多工序智能协同控制技术为基础的智能化掘进实现途径；基于复杂地质条件下煤矿巷道掘进亟待解决的关键问题，提出了以掘进作业功能需求、掘进工艺要求为依据的系统化分析、模块化设计、功能优化组合的设计方法；研究了以虚控实、虚实结合的多级数字孪生构架，基于掘进巷道设备、环境、地质构造多维信息再现实现掘进机远程控制；提出了单机智能化、系统协同化、井下智控与地面远程监控相协同的控制方法。开发了新型的无重复碾压柔性超前支护技术、截割部多级伸缩截割技术、智能锚固机组多钻机并行作业等技术，研制了具有掘、支、锚、运、探多工序并行作业的新型快速掘进作业联合机组，提出了掘进机器人、超前支护机器人、锚固机器人、辅助运输机器人组柔性并行作业技术；提出了基于数据驱动的多机多工序协同控制行为规划决策方法。提出构建完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系，构建集井下现场生产状态、掘进巷道空间信息、掘进装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知智能化监控平台，实现虚拟系统与实际掘进系统实时通信，通过数据驱动规划分析实现智能化、少人化掘进。

• 矿井提升机天轮智能润滑系统设计及控制策略

  寇子明, 李腾宇, 吴娟,

  天轮是提升系统中的重要组成部分，一旦其出现故障，不仅会影响煤矿的生产效率，而且会引发安全风险。润滑不良是导致天轮故障的主要原因之一。针对目前煤矿现场普遍的人工润滑方式导致效率低下、难以保证润滑的均匀性和及时性等问题，设计了新型天轮轴承智能润滑系统，并实现其现场应用。从天轮结构出发，考虑天轮轴端滚动轴承和游动轮滑动轴承的不同运行方式，提出了采用自动润滑和人工辅助相结合的方式对天轮轴承进行润滑，通过对润滑系统的实时监测实现单泵多点不同用脂量智能配送功能，同时提供废脂回收功能避免废油对轴承的损伤。研究了基于润滑状态异常识别的智能控制策略，根据对润滑状态的判断结果调整系统的润滑周期和润滑量。考虑到润滑状态识别准确率对系统运行结果的影响，构建了基于局部保留投影算法(Locality Preserving Projections，LPP)与支持向量数据描述(Support Vector Data Description, SVDD)相结合的润滑状态智能识别模型。针对特征降维方法中近邻点数量会严重影响降维效果的问题，提出以样本集的高低维特征集的信息熵差为目标函数，采用粒子群优化算法对LPP算法参数进行优化。采用现场实测数据对该模型进行验证，结果表明所提方法可有效识别天轮轴承异常状态，现场工况下识别准确率达82%。最后，在某煤矿进行了天轮轴承智能润滑系统的现场应用研究，以单泵对4个天轮进行润滑，结果表明润滑系统可实时获取自身的运行参数并实现远程控制，保证润滑效果的持续性和均匀性，满足现场的实际需求。

• 煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术

  王忠宾, 司垒, 魏东, 戴剑博, 顾进恒, 邹筱瑜, 张聪, 闫海峰, 谭超,

  针对高地应力矿井钻孔卸压作业智能化程度低的技术难题，总结分析了国内外钻孔卸压技术和装备的研究现状，指出研发高性能、高可靠、高效率的防冲钻孔机器人全自主钻进系统是破解冲击地压防治难题的重要发展方向。为此，凝练了影响钻进系统性能的“孔位精准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关键技术，并给出了解决思路和方法。针对在复杂恶劣环境下卸压孔的精确识别问题，设计了融合图像尺寸调节和多阶段训练模式的卸压孔图像样本扩充SinGAN模型，引入多层特征融合优化的Faster-RCNN，构建了基于改进SqueezeNet轻量级网络架构的孔位识别模型，以实现卸压孔位的准确快速识别；针对钻具姿态精确感知问题，提出了基于改进梯度下降法算法优化无迹卡尔曼滤波的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)初始对准方法，设计了多个IMU的空间阵列布局方式，研究了基于BP神经网络的钻具姿态误差补偿方法，旨在提高钻具姿态的解算精度，实现精准钻孔卸压；针对复杂地质环境下钻进工况的精确检测问题，搭建了煤矿井下随钻测量无线电磁传输系统架构，探讨了微弱电磁波信号自适应调制和随钻高速双向电磁传输技术原理，研究了孔底地质参数、几何参数和工程参数的测量原理和实现过程；针对钻进系统运行状态识别问题，构建了钻进信号时域、频域、时频域的多域特征和深度网络高级特征提取架构，提出了钻进系统关键零部件健康状态评估和故障诊断技术，构建了基于改进蝙蝠优化长短期记忆网络的卡钻风险因子预测模型，实现对卸压钻具卡钻状态的准确预测；针对钻进系统的精确控制问题，分析了钻进系统的液压系统工作原理，构建了考虑煤岩性状的钻进系统精确控制方案，探讨了基于转矩和位置的钻进系统最优控制参数求解原理，旨在实现钻进回转系统和给进系统的智能协同控制和并行作业。