煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第3期

• 深地工程多维信息感知与智能建造的发展与展望

  张茹, 吕游, 张泽天, 任利, 谢晶, 张安林, 严志伟, 米欧,

  随着大数据、云计算、人工智能等数字技术的加速演进，各领域智能化、信息化、数字化已成为未来的大势所趋。深地工程作为国家重大战略科技问题，必然面临智能化升级。然而，深部岩体“三高一扰动”的复杂特征给深地工程智能化转型带来严峻的挑战。为实现深地工程与数字技术的高效融合，研究基于“感知–传送–解译–分析–决策”的智能化实践路径，系统回顾了地下工程中智能感知、实时传输、信息解译、数据分析、智能决策等领域的代表性研究进展，并针对性提出了“多感知、快响应、大数据、优方法、精模型、强平台、易推广”的深地工程智能建造发展方向。研究表明：① 前沿的深地工程感知技术包括：光纤传感器、MEMS传感器、计算机视觉、自动化机器人等，待数据采集完毕后，通过兼具配置简单、容错能力强、可移动性好等优点的无线通信协议完成数据的实时响应，以实现深地工程监测数据的精准感知与实时传输；② 深地工程原位监测技术获取的数据类型主要包括图像、波、点云等，对原始数据解译及分析的模型众多，采用新一代的人工智能技术，如：人工神经网络和深度学习技术，可显著提高解译与分析的效率；③ 智能决策系统具备高效的学习能力，能够适应复杂环境下的不确定性，通过循环自主学习，以进行决策问题的智能解答。当前，我国深地工程智能建造的政策与产业体系已基本建立，大量智能建造系统已应用于实践。基于此，从智能感知与信息解译、围岩评价及安全评估、围岩控制与动态修复、平台开发及应用推广等4个方面展望了数智化深地工程的发展方向，进而构建了基于多源信息的深地工程围岩稳定性综合评价与分析系统构想。

• 我国深部冲击地压防控工程技术难题及发展方向

  潘俊锋, 夏永学, 王书文, 马文涛, 张晨阳, 王冰,

  随着煤矿开采深度不断加大，我国深部冲击地压发生及其防治变得常态化，为了提高深部冲击地压防控技术成效，从深部冲击地压防控现场工程技术难题出发，结合灾害防治工程实践数据统计，分析了我国深部冲击地压防控因自身地质赋存地应力高，人为开采扰动范围大，灾害防治过程围岩卸压后应力恢复快，冲击地压防治成效低下原因归结于防冲卸压工程实施与浅部开采相比，面临“三高一低”防控技术新要求，包括高强度的大尺寸钻孔卸压，以解决厚硬煤层不容易塌孔问题；小间距高密度施工钻孔，以解决钻孔卸压范围不联通问题；多轮反复高频度施工，以解决深部煤层卸压后应力恢复快问题；采掘工作面进尺低速度推进，以解决开采扰动强度大问题。针对深部冲击地压“三高一低” 防控新要求模式，为了进一步提高冲击地压防控安全可靠性，以常规源头防控冲击地压采用优化开拓开采部署的局限性为背景，提出了深部冲击地压上覆岩层结构与载荷主动调控区域防控冲击地压技术，并提出了进一步需要解决的科学问题；以近年来几起典型的冲击地压事故存在防治方案“漏靶”问题为背景，开发了深部冲击地压采掘空间局部靶向防控技术，并指出了下一步还需要解决的科学难题；以煤矿冲击地压防治措施实施后，难以评判安全性问题为背景，提出了深部冲击地压防治卸压达标评判技术，并指出了下一步还需要解决的科学难题；以煤炭行业大力推广开采智能化，治灾仍需靠人工，人员处于高危环境作业问题，探索了深部冲击地压防治过程智慧智能化新兴研究方向及其面临的科学难题。最后，客观的指出，冲击地压防控绝不纯粹是理论与技术问题，人类对专业问题的认知也是酿成事故的重要原因之一，结合现场工程实践，讨论了冲击地压概念、冲击地压机理是否清楚、冲击地压能否预测、冲击地压能否防治以及冲击地压矿井怎么办等行业焦点专业问题，指出冲击地压工程难题是人类与自然界作斗争，需要从业人员客观认知，客观接受并深入研究，成效是显著的。

• 宽高比对煤柱型冲击地压影响规律的实验研究

  朱志洁, 姚振华, 陈昆, 吕飞, 韩军, 王来贵,

  我国深部煤炭开采日趋复杂，区段煤柱在采动、构造或坚硬顶底板影响下极易诱发煤柱型冲击地压，煤柱型冲击地压的防治已成为煤矿安全高效开采的难题，研究不同宽高比条件下区段煤柱的力学性能及冲击破坏特性对煤柱型冲击地压防治具有积极意义。采用不同宽高比煤样的“岩–煤–岩”组合体进行了单轴压缩实验，通过分析煤岩组合体的冲击倾向性、动态破坏特征、分形维数和声发射特征参数等，研究了宽高比对煤柱冲击破坏的影响规律。结果发现：① 煤柱的宽高比对煤岩组合体的冲击倾向性具有显著影响，宽高比不小于2∶1时，其冲击能量指数KE为1.82～2.65，冲击倾向性无明显变化；小于2∶1时冲击倾向性呈先升高后降低的趋势，1∶1时KE最大，达到了15.43。② 随宽高比减小，煤岩组合体破坏特征依次表现为：拉压破坏—压剪破坏—拉剪破坏。煤柱宽高比为5∶1～3∶1时，煤岩组合体破坏较为缓慢；宽高比为2∶1时开始出现片状煤屑弹出，冲击破坏剧烈程度较低；宽高比为1∶1和0.75∶1时，具有明显的冲击破坏特性；宽高比为0.5∶1时，煤岩组合体整体稳定性下降，相对0.75∶1煤岩组合体煤柱破坏的剧烈程度降低。③ 峰后声发射能量释放率与分形维数D变化规律相似，均随宽高比减小呈先升高后降低的趋势。宽高比不小于2∶1时，煤岩组合体破坏过程中能量持续释放时间较长，煤柱破坏平缓；宽高比为1∶1时，能量释放率和D值明显增大，相较宽高比不小于2∶1煤岩组合体的能量释放率增大了约4倍，D值增大了0.18～0.23，煤柱冲击破坏最为剧烈；宽高比0.75∶1煤岩组合体能量释放率与D值分别降低了约10%和0.01，破坏剧烈程度与1∶1煤岩组合体相近；宽高比减小至0.5∶1时，相关参数的降低幅度约为0.75∶1煤岩组合体的6倍，破坏剧烈程度相对较小。研究表明：宽高比对煤柱的冲击破坏具有显著影响，整体上，煤柱冲击破坏剧烈程度随宽高比减小(5∶1～0.5∶1)呈先升高后逐渐降低的趋势；煤柱宽高比大于3∶1时，煤柱冲击危险性相对较小，煤柱宽高比为1∶1和0.75∶1时冲击危险性较大，0.5∶1次之。

• 覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”源头防治冲击地压技术体系及应用

  郝宪杰, 孙希奎, 唐忠义, 付鹏鑫, 罗江昊, 沈灵杰, 唐宽旭,

  主动卸压防冲是落实强化煤矿冲击地压源头治理的重要措施。现行的主动卸压防控方式，或采用回采工作面平巷布孔卸压，或采用井下原位水力压裂技术，具有卸压保护范围有限、卸压施工进度制约等不足；或采用地面水力压裂防冲系统，具有卸压范围广时效长等优点，也需要解决前期投入等。因此，秉持源头防治、防患未然、经济高效的一体化的防冲卸压创新战略思想，研究一种实践易行、效果显著、可全面推广的新型区域卸压源头防冲技术体系势在必行。提出了覆岩高位超前整层爆破卸压技术体系，针对可产生动载荷的较高位关键层，创新高位岩巷、高位钻场、爆破钻孔布置，将高位坚硬岩层超前、整体、均匀爆破预裂，从而形成“人造预裂层”。该方法突破了一般的长钻孔距离限制，使得岩层爆破的卸压高度、卸压范围、卸压效果均大幅提高，可形成覆盖整个工作面区域甚至多个工作面的超前工作面开采的高位“人造预裂层”。高位爆破“人造预裂层”首先使得该高位坚硬岩层的来压步距和来压强度大幅减弱，其次也缓冲减弱了其上硬岩层向下传递的矿山压力，最后还可降低其下方硬岩层的来压步距。在陕西长武亭南煤业3409工作面首次进行了覆岩高位整层爆破卸压“人造预裂层”技术试验后，现场实测效果表明采用该方法较之常规爆破卸压区域，支架的平均来压强度、来压步距、来压持续距离和压力报警频次均大幅减少；巷道深孔和浅孔应力也均减少；微震事件总能量、大能量微震事件大幅度减少，且密集程度显著降低，工作面中段的微震事件尤为稀疏；地音高能事件、震源CT获得的冲击风险区域也有减少，各种实测手段均验证了高位爆破人造预裂层卸压防冲技术的优越性。

• 松软厚煤层区段煤柱剪切滑块运动机理及协同控制技术

  王方田, 屈鸿飞, 张洋, 刘超, 郝文华, 江振鹏,

  松软厚煤层区段煤柱高、煤壁暴露面积大，加之煤质松软、裂隙发育，强采动作用下极易造成煤柱失稳，巷道维护难度极大。以山西伏岩煤业3号煤层开采为工程背景，基于剪切滑块理论，探究采掘扰动下煤柱变形破坏机理，求解煤柱剪切滑块运动范围及应力分布规律，揭示煤柱侧帮剪切滑块运动机理，提出煤柱稳定性协同控制对策并在现场进行工程实践验证。结果表明：① 采用极限平衡理论与叠加理论，确定了煤柱剪切滑块运动范围及煤柱垂直应力分布规律，阐明煤柱剪切滑块安全系数分布规律：0～1.26 m深度，煤柱上部安全系数较小；在1.26～3.95 m处，煤柱中线部分大面积安全系数较小，易受顶板来压破坏。② 提出了1种以“注浆加固—锚索强化—切顶卸压”为主体的区段煤柱协同控制技术，煤柱侧裂隙较无支护条件及原支护条件分别减少62.89%和46.26%，巷道围岩完整性大幅提高，形成了强承载结构，有效控制了煤柱变形及底臌。③ 根据松软厚煤层区段煤柱条件，合理确定了协同控制设计参数，并对煤柱防控效果进行试验监测评估。现场试验结果表明，煤柱裂隙得到充分填充，注浆后煤体强度提高63%以上；巷道位移、锚杆索受力、离层等均在可控范围，表明协同控制技术明显提高了煤柱承载力，回采巷道围岩变形得到有效控制，为工作面安全高效开采提供了空间保障。

• 采动覆岩裂隙演化的光纤监测耦合性及分带表征

  刘奇, 牛家宝, 李青海, 赵金海, 訾建潇,

  分布式光纤感测作为科学认识采动覆岩动态演变规律的重要工具，其监测数据的准确性主要取决于光纤–岩体的耦合关系。选择神东某矿作为研究对象，将分布式光纤感测技术应用于相似模拟实验，结合光纤–岩体耦合关系，探究采动覆岩垂直分带时空演化特征与光纤应变数据峰值点位置的内在联系。针对以往研究中光纤应变数据容易受光纤–岩体耦合关系影响，从而导致测试结果出现误差的问题，提出用岩体裂隙率表征光纤–岩体耦合关系的新方法。通过光纤–岩体耦合关系试验，得到光纤–岩体应变传递系数与岩体裂隙率之间呈线性函数关系，并采用二值化方法处理模型图像获取各区域裂隙变化量，分区域地计算出采动覆岩直埋光纤的应变传递系数，为进一步探究光纤应变数据峰值与采动覆岩垂直分带特征之间的关系提供了支撑。研究表明：光纤应变峰值点位置能用于关键层下方离层以及覆岩分带表征，利用构建的关键层下方离层及覆岩分带表征模型，结合峰值检测算法，得到关键层的位置分别为44、68、107 cm，以及垮落带、导水裂隙带发育高度分别为35、68 cm，算法识别结果与理论计算数值吻合，符合神东某矿的实际情况。

• 关闭/废弃矿井抽水蓄能开发利用现状与进展

  文志杰, 姜鹏飞, 宋振骐, 李利平, 蒋宇静, 梁桐凯,

  探索清洁能源发展的创新途径是实现我国“双碳”目标的重要推动力。为解决大规模可再生能源电力供应不稳定的难题，新型电力系统的提出与加速成长促进了抽水蓄能电站的建设与发展，但生态保护与地形等因素制约了传统抽水蓄能电站发展。关闭/废弃矿井，由于具有丰富的地下空间及水资源，可创新性地开发抽水蓄能并延长矿区的经济寿命，降低对环境与经济的负面影响。为助力建立适合我国国情的废弃矿井抽水蓄能利用模式和管理体系，通过文献分析法综述了国内外废弃矿井抽水蓄能技术研究与应用进展。详细阐述了关闭/废弃矿井抽水蓄能技术原理、分类及其优缺点；总结了关闭/废弃矿井抽水蓄能电站利用模式，并在前人研究基础上对选址要素进行了修订；梳理了关闭/废弃矿井改建抽水蓄能电站的水–气两相流动特性、水泵水轮机工况特性、地下空间围岩稳定性及地下蓄水空间体积测算等的研究现状，明确了水泵–水轮机关键技术、地下空间稳定性控制关键技术等亟待解决的技术难题。此外，对关闭/废弃矿井抽水蓄能相关的生态与环境保护、市场需求与经济效益、政策与法规等研究成果进行了广泛的文献综述。发展关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能技术可为我国井下空间资源利用提供思路，为保障国家能源安全与经济社会高质量发展提供新途径。

• 花岗岩劈裂破坏电磁–震动有效信号重构与混沌特征

  宋大钊, 童永军, 邱黎明, 韦梦菡, 王满, 郭明功,

  电磁辐射、震动监测技术广泛应用于地下工程动力灾害的监测预警，对地下工程的安全高效开发具重要意义。深入研究电磁–震动信号有助于推动岩体监测预警技术的发展，然而当前电磁辐射和震动信号(电磁–震动)分析主要集中于信号的相关性和时频特征，对于花岗岩破裂电磁–震动信号的非线性动力特征研究较少，相关特征尚未明确。基于此，利用经验模态信号(EMD)重构和分形理论相结合的方法，分析了花岗岩劈裂破坏电磁–震动信号的混沌特征，揭示了电磁–震动信号非线性动力特征。研究结果表明：花岗岩劈裂破坏产生的电磁辐射与震动信号在时间上具有较好的一致性，劈裂破坏产生的电磁–震动信号频谱集中在中低频段；花岗岩破坏有效电磁辐射信号的盒维数DE=1.600 6，有效震动信号的盒维数DA=1.594 8，两者频率结构特征高度相似；利用EMD分解重构方法可以获得花岗岩破裂有效电磁辐射与震动信号，使用EMD分解重构去除了高频存在的干扰对花岗岩破裂电磁–震动信号中的混沌特征描述更为精准。有效电磁辐射与震动信号包含的低频、大能量信号比原始信号更多，更能表征微小裂纹扩展；重构后电磁–震动信号的不均匀度相较于初始信号整体有明显的上升，不同能量信号出现的频率关系整体出现下降，重构后的有效电磁–震动信号以低频、大能量信号为主，但震动信号的不均匀程度大于电磁辐射。

• 爆后岩石裂隙结构可视化及定量表征方法

  王雁冰, 王兆阳, 付代睿, 罗林,

  爆后岩石破坏特征的定量表征一直是工程爆破领域急需解决的关键问题，爆后岩石裂纹萌生、扩展演化直至贯通的过程是导致岩石破裂的主要原因。为了研究被爆岩石内部裂纹扩展和断裂模式的演化过程，利用工业CT对爆后岩石进行扫描观测，通过图像堆栈矢量化处理构建岩石三维裂隙模型，并对裂纹结构特征参数进行统计分析，定量化表征岩石破坏程度及裂纹扩展情况。结合数值模拟分析爆炸冲击波压力的衰减规律，通过SEM电镜扫描试验研究爆破过程中不同位置岩石的微观形貌特征，对比断口元素成分变化与断裂模式的关联机制。研究结果表明：用等效球体方法对岩体内不同尺度裂隙结构进行统计分析，微裂隙数目多且分布均匀，主裂隙体积大且连通性较好。随着裂隙等效球体直径的增加，裂隙表面积和体积整体上呈上升趋势；三维重构裂隙结构中裂隙率可以表征岩石局部裂纹扩展特征，爆炸近区裂隙率和三维分形维数远大于爆炸中远区的裂隙率和分形维数，说明岩石破裂过程中裂隙扩展演化主要在此阶段进行；相较于爆炸中远区，爆炸近区冲击波压力峰值高且衰减速率慢，使得整个爆破过程岩石微观断裂模式变化较大，大致呈现出由沿晶断裂向穿晶断裂、脆性断裂向塑性破坏的方向进行，非金属元素质量的变化对于各阶段断裂模式转变具有显著影响，断裂模式转变区域非金属元素质量发生明显减小。随着爆破作用的减弱，岩石破裂逐渐趋于无序和紊乱，破裂时断口也不限于解理面和晶粒边界。

• 多级脉冲超声波激励含水煤体瓦斯解吸特征的试验研究

  林海飞, 仇悦, 王瑞哲, 杨二豪, 严敏, 郝荷杰, 张笑盈,

  为进一步明确多级脉冲超声波对含水煤体瓦斯解吸特征的影响，利用含瓦斯煤体超声波激励试验系统，分析了超声波持续激励不同饱水度煤体以及多级脉冲激励饱水煤体条件下，煤的孔隙结构及瓦斯解吸的变化规律，揭示出多级脉冲超声波激励含水煤体促解增流机制。结果表明：随超声波功率和煤体饱水度的增加，煤的平均孔径、比表面积和总孔容均增大；超声波功率为1 000 W时，与干燥煤体相比，煤的比表面积和总孔容增幅由煤体25%饱水度的4.369%、3.504%分别增加到100%饱水度的7.699%、8.992%；煤的瓦斯解吸量与时间呈Langmuir型关系，煤的瓦斯解吸量、解吸率均与超声波功率、煤体饱水度呈正相关性；与干燥煤体相比，煤的瓦斯解吸量增幅、解吸率增幅均随煤体饱水度增加呈线性增大趋势，超声波激励对饱水煤体的孔隙改造及瓦斯解吸影响效果最好。随超声波多级脉冲次数增加，饱水煤体的比表面积、总孔容以及瓦斯解吸量、解吸率均增大；与1 000 W超声波激励相比，煤的比表面积及总孔容增幅与多级脉冲次数呈正幂函数关系，煤的瓦斯解吸量及解吸率增幅由多级脉冲1次的2.745%、4.598%分别增加到3次的27.222%、11.106%，与多级脉冲次数呈正线性关系。多级脉冲超声波激励含水煤体产生的振动和空化复合效应，使煤基质发生疲劳损伤，强化了煤的孔隙改造效果，并加剧瓦斯分子动能，进而促进煤体瓦斯解吸，现场可通过研发多级脉冲超声波发射器结合水力化技术增透煤层抽采瓦斯。

• 加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究

  张保勇, 赵国建, 高霞, 吴强,

  为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律，采用自主设计的应力–渗流–化学耦合作用煤体三轴试验装置，测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径：0.425～0.850(20～40目)、0.250～0.425(40～60目)、0.180～0.250 mm(60～80目)；3种饱和度：40%、60%、80%)应变及渗透率，获取加卸载条件下应力–应变曲线确定煤体变形特征，分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律，通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征，基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。研究表明：① 饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂，总体而言，随着饱和度增加，渗透率降低百分比越大，堵塞程度越显著。瓦斯水合物生成后，煤体渗透率明显降低，降低幅度为58.3%～83.3%(20～40目)、61.5%～95.0%(40～60目)、81.8%～90.9%(60～80目)，随着饱和度增加，煤体渗透率整体呈降低趋势，下降幅度为55.6%～86.1%。② 煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段，煤体渗透率与应变具有一定相关性，并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势，二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。③ 引入渗透率损失率，在相同水合物饱和度下，随着偏应力增加，煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。④ 引入体积膨胀变形角，在相同偏应力差下，随着饱和度增加，煤体体积膨胀变形角由19.0°～63.9°降至0.2°～38.2°，说明水合物饱和度越低，煤体体积膨胀效应越显著。

• 冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

  王登科, 张力元, 魏建平, 都海龙, 李振, 王志明, 董博文, 张富凯, 尹彦波, 张宏图, 卫彦昭,

  为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律，采用含瓦斯煤岩冲击损伤–渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试，并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构，分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明，冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响，具体表现在：① 受围压和轴压的影响，冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力–应变曲线无明显压密阶段；含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。② 冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用，气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数；冲击载荷越大，瓦斯压力越高，含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分，所形成的裂隙结构愈复杂。③ 含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展，冲击载荷耦合瓦斯压力作用下，含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动–裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式；含瓦斯煤冲击破坏后，随着气体压力增加以及气楔作用的增强，瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动–裂隙流动并存和裂隙流动；裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律，含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

• 基于应力松弛效应的黏弹性煤层地应力分布模型及在突出煤层中的应用

  李伟, 邓东, 郭敬杰, 周梦琦, 王海锋, 程远平,

  地应力是控制煤矿瓦斯动力灾害的核心因素，现有地应力模型主要基于弹性煤岩体属性而建立，而对于黏弹性煤层介质不适用，需要建立适合煤层属性的地应力分布模型。煤层尤其是构造煤呈现显著的蠕变和应力松弛特性，基于此，构建了黏弹性煤层分数阶麦克斯韦应力松弛数学模型，对扩展伊顿模型中构造应力项改进为黏弹性煤层的应力松弛项，建立了黏弹性煤层地应力分布模型。结果表明，在地质时间尺度内，煤层黏弹性对差应力有显著影响，煤体蠕变和应力松弛程度随黏性系数和分数阶因子的增加而增加；并随弹性模量下降，泊松比、构造比及瓦斯压力增加，煤层应力特征表现为静水压力状态分布趋势，其中弹性模量和泊松比对垂直主应力与水平应力之间差异贡献较大，构造比对水平应力之间差异贡献较大，瓦斯压力对3个主应力贡献相等，应力松弛效应可改变最大、最小水平主应力相对大小及降低应力各向异性。基于临界应力模型，在不同地应力状态下同样获得了摩擦因数降低及瓦斯压力升高的煤层趋近静水压力分布。构造煤力学属性更有利于在地质时间尺度中趋向于静水压力状态。运用地应力模型验证了现场实测结果，并对构造煤瓦斯富集和渗透率降低提出了新的认识。

• 液态CO2–水循环作用下煤体的物理改性规律及增润减尘效应

  王和堂, 王辉, 谭江龙, 王豪杰, 杨景皓, 何军,

  煤层注水是预防煤矿粉尘危害的主动性、治本性措施，也是防治瓦斯突出、冲击地压等灾害的重要手段之一。但我国大量煤层具有高地应力、低孔隙率、低渗透性的特点，传统方法和技术面临水注入难、注水周期长、煤体假性润湿等瓶颈。为此，利用液态CO2具有的低温冷冻、高渗透性、相变自增压、酸化解堵等优异特性，提出液态CO2–水循环作用致裂增润煤体的新思路，研制了液态CO2循环冷浸试验系统，联合低场核磁共振仪研究了液态CO2–水循环作用对煤孔隙结构的影响规律，联用电液伺服压力实验机探究了循环作用对煤体力学特性的改变机理，运用截齿破碎煤岩产尘试验系统研究了循环作用后煤体破碎过程的产尘特性。结果表明：液态CO2–水循环作用使煤体有效孔隙度(\varphi _\mathrmNF)增加，增幅与循环作用次数呈正相关，煤体内部束缚流体变少，自由流体增多，T2截止值(T2cutoff)随之降低，结合分形理论发现基于渗流孔隙的分形维数Ds具有明显的分形特征，煤体原生孔隙经历了“扩容”的过程，微裂隙与原始裂隙形成贯通，循环作用增强了有效渗流通道连通性，优化了煤的孔隙网络与渗流条件。随着循环次数的增加，煤的最大应力\sigma _\mathrmc呈指数衰减至4.93 MPa，应变\varepsilon _\mathrmc线性增加至2.29×10–2，煤的抗压强度减弱，变形能力增加，循环作用改变了煤基质间联结状态，产生的冻胀力对煤体施加挤压作用加剧了裂隙的扩展，脆性指数B_5最大降幅为34.71%，显著减弱了煤体脆性，具有了更好的抗动载荷或冲击能力；煤体对外加能量的存储能力弱化，改变了煤在截割过程中的破坏形式，试验条件下煤体破碎过程全尘产尘率降低了74%，呼吸性粉尘占比下降至2%，大幅减弱了粉尘危害性。

• 海藻酸钠改性垃圾焚烧底灰–矿渣基胶凝堵漏材料研究

  窦国兰, 简赫达, 仲晓星, 秦波涛, 刘根, 张恬,

  针对传统矿用水泥基堵漏材料存在的收缩开裂、高能耗及高碳排放的问题，探索采用海藻酸钠(SA)交联金属离子，制备SA改性垃圾焚烧底灰(MSWI-BA)–粒化高炉矿渣(GBFS)基胶凝堵漏材料(SWM)。通过抗压强度和凝结时间的测试，确定了最佳水固比为0.4。通过胶凝材料在不同温度下的抗压强度、收缩率及裂缝形貌的分析，探究了SA改性对胶凝材料的耐高温性能的影响，结果表明SA改性后，胶凝材料的耐高温性得到了改善，受热后改性胶凝材料表面裂缝明显减少，收缩率较改性前最大降低了26.5%，在400 ℃受热后，剩余抗压强度仍高达17.25 MPa。结合微观形貌、孔结构性能和热分析实验，探究了SA改性胶凝材料的形成机理，结果表明，SA改性MSWI-BA-GBFS基胶凝堵漏材料通过SA与底物中的Ca2+/Al3+的配位交联与碱激发底物形成的硅铝酸盐共价网络协同作用，细化孔径，减小孔容，在受热后保持基体结构的完整性，从而改善胶凝材料的抗收缩开裂性。堵漏风模拟实验结果表明，水固比0.4的SA改性MSWI-BA-GBFS基胶凝堵漏材料的堵漏性能优于矿用水泥基材料，表现出较好的堵漏性能。SA改性MSWI-BA-GBFS基胶凝堵漏材料的研制不仅为城市垃圾焚烧底灰的资源化利用提供了有效途径，还提供了一种抗压强度高、抗收缩开裂且耐高温的可以完全替代传统矿用水泥基堵漏材料的环保防灭火材料。

• 裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验

  魏迎春, 张琦, 刘子亮, 李彪, 谢天成, 任金伟, 王安民, 曹代勇,

  煤粉在煤储层裂隙中沉积会降低裂隙导流能力，制约煤层气井高效稳产开发。设计了裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验方案，通过裂隙中煤粉运移可视化物理模拟实验，分析了裂隙不同位置煤粉颗粒沉积面积的变化和沉积形态特征，揭示了煤粉运移、沉积的动态规律；通过裂隙中煤粉解堵可视化物理模拟实验，分析了解堵时间和流速对裂隙中沉积煤粉解堵面积的影响，揭示了煤粉启动、解堵的动态规律。实验结果表明：煤粉颗粒在裂隙不同方向和位置聚集状态不同，裂隙喉道由入口向垂直主运移方向的两端及主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐减少，支路通道沿主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐增加。裂隙喉道、支路通道和主路通道处煤粉沉积的形态分别呈鹰嘴状、层状和流线型，其原因是裂隙不同位置对含煤粉流体的阻力不同，导致煤粉在不同位置的沉积形态不同。在相同流速下，随解堵时间增长，煤粉解堵效果越好，但前期解堵面积大，后期解堵面积小，裂隙喉道处煤粉解堵效果明显优于支路通道，其原因是松散、易于解堵的煤粉颗粒会被首先解堵，随时间进行，剩余未被解堵的煤粉颗粒需要更大的启动流速。流速越大，裂隙喉道处和支路通道处的煤粉解堵面积越大，其原因是提升流速能增强煤粉颗粒的流动性。

• 煤岩吸附氢气特征及其地质意义

  韩双彪, 王缙, 黄劼, 金之钧, 刘全有, 万永平, 王振川, 刘宇, 乔钰,

  氢气有望成为接替化石能源的重要清洁能源类型，可以减少全球温室气体排放，但是规模化的氢气产业需要大型的储库来储存氢气，利用地下储层储集大量氢气已成为一条新的思路。以中国鄂尔多斯盆地、沁水盆地及宁武盆地石炭—二叠系山西组及太原组11个不同变质程度煤岩样品为研究对象，利用氢气等温吸附实验，结合朗格缪尔模型、比表面积和总孔体积评价了煤岩吸附氢气量，结合煤岩煤质、有机地化、矿物及孔隙结构特征对煤岩吸附氢气机理进行了探讨。研究表明：朗格缪尔模型适用于模拟煤岩吸附氢气潜力计算与评价，不同变质程度煤岩均具有较高的氢气吸附量，且变质程度越高、有机质丰度越高、微孔越为发育的煤岩，其氢气吸附量越高。煤岩中的氢气主要通过范德华力被物理吸附在煤岩表面，随着煤岩变质程度升高，有机质参与形成的微孔越多，提供的孔体积及总比表面积逐渐增加，提高了氢气吸附量，且较高的孔隙连通性可以提高氢气进入孔隙并被吸附的效率。煤岩吸附氢气量会随压力增大而增大，但由于分子间斥力等原因，吸附速率逐渐下降，氢气储存逐渐达到饱和。中国深部煤层较为发育，为煤层储氢提供了良好的基础，但由于化学反应、竞争吸附等问题，氢气在煤岩储层中会发生损耗和散失。利用高压进行氢气封存或采出氢气会对煤岩储层结构产生不可逆破坏，这对于通过煤岩储层进行氢气的一次或多次储存都存在不利影响。变质程度较高的深部煤层作为储氢层位具备一定潜力，但仍需进一步研究以克服氢气损耗和储层破坏等关键问题。

• 沁水盆地南部郑庄区块中北部煤层气直井增产新技术研究与应用

  胡秋嘉, 张聪, 贾慧敏, 张建国, 张文胜, 乔茂坡, 吴定泉, 刘春春, 王青川,

  为提高沁水盆地郑庄区块中北部煤层气直井产量，基于研究区评价井地应力测试资料、压裂裂缝监测资料，分析了研究区直井增产效果差的原因，提出了针对性增产技术，开展了现场对比试验，并对结果进行了分析，结果表明郑庄中北部直井产量低、措施增产效果差的主因为：① 研究区以垂直裂缝为主、压裂缝长较短，且随着埋深增加，相同压裂规模形成的裂缝尺寸减小；② 随着埋深增加，支撑剂嵌入深度增加，裂缝闭合加快，导致稳产时间短，产气曲线主体形态为“单峰型”；③ 经初次压裂后煤体结构更加破碎，新裂缝容易进入初次压裂裂缝，造新缝难度增加。针对上述原因，创新提出的充填预堵+大规模压裂+远端支撑增产技术，“充填预堵”即先采用相对较低的排量、砂比、规模充填初次压裂裂缝，然后再进行大规模重复压裂，实现堵老缝、造新缝。“大规模”压裂即大排量、大液量、高砂比压裂，将压裂液量由600～800 m3提高至1 300～2 000 m3以上，增加改造体积；将排量由6～8 m3/min提高至10～14 m3/min以上，增加裂缝长度和携砂性能；采用低黏压裂液体系配合低密度支撑剂，将砂比由7%～8%提高至10%～15%以上，提高铺砂强度，降低裂缝闭合程度。“远端支撑”即采用自悬浮支撑剂与大排量相结合，增长支撑剂运移距离，提高支撑裂缝比例。充填预堵+大规模压裂+远端支撑增产技术实施后平均单井日产量达到1 380 m3，比措施前增产1 190 m3，比邻井稳产气量增加近1 000 m3，实现了郑庄中北部中深储层连片低产区直井产量突破。现场对比试验表明：实施“充填预堵”后再进行大规模压裂，平均净施工压力比初次压裂增加了3.3 MPa，形成了新裂缝，比直接进行大规模压裂增量提高1 000 m3。总体上，充填预堵+大规模压裂+远端支撑增产技术关键参数数值越大，增产效果越好。

• 基于VMD和GA-SVM的矿井地震自适应噪声压制方法

  王勃, 申思洪任, 蔚立元, 刘盛东, 曾林峰,

  煤矿井下地震信号往往呈现出复杂的波场特性且伴随着大量噪音干扰，导致地震信号的初至拾取精度降低，从而影响地震数据的反演与解释。针对复杂干扰环境下采集的低信噪比地震信号，提出了基于变分模态分解(VMD)和遗传算法优化支持向量机(GA-SVM)的地震噪声压制与初至提取方法，以提高煤矿井下复杂噪声条件下的地震信号质量。采用变分模态分解对含噪地震信号进行自适应分解，得到数个的变分模态分量(IMF)；对VMD分解得到的IMF分量进行特征提取，将提取所得的信号特征作为信号有效性判别的依据；利用遗传算法对支持向量机模型进行优化，得到最优的惩罚因子c与核函数参数g；利用优化后的支持向量机模型对IMF分量进行有效性判别并将有效分量重构成高信噪比信号；通过对人工加噪的地震信号应用噪声压制算法，煤矿井下常见的不同类型噪声被有效地压制，验证了算法的可行性；对矿井巷道实采的地震记录进行噪声压制处理，有效地压制了数据中的干扰噪声，极大程度地提高了地震记录的信噪比，使初至拾取得更加准确。结果表明，基于VMD和GA-SVM的地震噪声压制方法可以很好地提取含噪地震记录中的有效信号，提高初至拾取精度，在矿井复杂干扰条件下具有显著的应用潜力，对解决矿井复杂干扰条件下的地震勘探问题有重要意义。

• 我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径

  曾一凡, 朱慧聪, 武强, 王皓, 郭小铭, 崔芳鹏, 庞振忠, 刘守强, 杨维弘,

  我国是世界上成煤和赋存条件最复杂的国家，煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性，采动覆岩裂隙场与渗流场耦合的相互性和时变性以及煤层顶板突水的独特性和危害性，造成顶板水害是我国尤其是西部煤矿区的主要矿井灾害之一。为了更好地认识顶板水害和推广现有技术和探索新技术防控此类矿井灾害，在全面分析近年来我国煤层顶板水害事故规律与顶板充水含水层的赋存条件、突水模式、动力特征、力学行为等基础上，系统划分了顶板水害的类型、特征、主要类别的致灾机理及梳理了现有顶板水害的防治技术，并展望了未来顶板水害防治领域的发展方向。研究发现：① 顶板水害主体架构包括巨厚基岩含水层涌(淋)水、薄基岩弱胶结层水–砂耦合溃涌、离层空间蓄水储能突水、天窗补给型突水、围岩烧变增透致突等5种类别，集中分布于秦岭—淮河沿线以北地区，陕、蒙、宁是顶板水害主要聚集地。② 采动诱发巨厚基岩含水层下覆岩原生裂隙互馈–贯通发育“Z”型离层空间，导致采场出现大面积涌(淋)水现象；基于复合关键层破断力学条件，阐明了薄基岩弱胶结层水–砂耦合溃涌致灾的动力源；构建了离层失稳突水临界判别准则，将离层突水划分为静载扰动、“动+静”载复合扰动、复合煤层开采重复扰动3种模式；红土隔水层缺失及红土薄弱区采动劣化损伤是产生天窗越流补给的主要根源；围岩烧变增透，孔隙度增大，接受临近水源补水后形成新的含水结构体，在采动诱发下烧变岩水涌入采场发生水害事故。③ 梳理了当前煤层顶板水害“探–放–治”三位一体的解危防控技术体系，提出了井上下共轭联动、钻–采(掘)高位协同地质勘探系统，以防治水“三区”划分为导向的地质保障工作，“煤–水–生态”多目标齐抓共管的绿色开采和防治水理念，以及数智化、透明化矿山水文地质灾害信息维护系统等未来发展方向。

• 西北干旱露天煤矿排土场土壤重构与水盐运移机制

  张凯, 李晓楠, 暴凯凯, 姜凯升, 王潇芫, 谭栩荧,

  矿山排土场生态修复是煤矿露天开采面临的重大环境问题，是制约建设绿色露天煤矿的重要因素。土壤重构是排土场生态修复的重要步骤，以新疆为代表的西北煤炭基地，水资源短缺，盐碱化突出，土壤水盐运移是决定土壤重构是否成功的关键指标。目前研究集中在表层土壤重构改善土壤养分促进植物生长，针对保水控盐的功能化土壤重构的研究甚少，对不同土壤重构方式下的水盐运移机制尚不明晰。研究立足新疆煤炭资源禀赋特征，从煤炭循环经济的角度出发，采用能源化工副产物煤气化渣(CGS)作为重构材料，通过毛细水上升–蒸发试验，分析CGS重构后水盐垂向运移和水分供给能力，通过Van Genuchten模型拟合土壤水分特征曲线，分析CGS重构后土壤持水能力，研究CGS作为含水层重构材料的可行性。采用煤矿开采伴生岩石矿物红泥岩作为重构材料，通过土柱入渗蒸发试验，分析红泥岩重构后不同土壤深度的水盐变化情况，研究泥岩作为隔水层重构材料的可行性。结果表明，CGS重构改善土壤质地，优化孔隙结构，促进了土壤水盐运移，毛细作用增强，促进了下层水分向上供给，同时也增加了盐分表聚，重构改变土水特征曲线参数，增加了饱和含水量θs，降低了参数a和n，改善了土壤持水性能。CGS添加量越高，细渣质量分数越大，效果越明显。CGS作为重构含水层材料具有可行性。红泥岩黏粒和次生矿物含量高，孔隙结构丰富，物理吸附性良好，重构后0～24 cm深度下土壤含水率高于对照组，蒸发后的盐分在20～24 cm达最高值，红泥岩有效阻隔了盐分上移。红泥岩作为重构隔水层材料具有可行性。研究以期探索出一条适合西部煤炭基地排土场土壤重构模式。

• 沙柳木粉基高效吸附材料对煤矿废水中Fe(II)和Mn(II)作用特性及机理

  周刚, 栾国梁, 李帅龙, 陈冠双, 吕颖慧, 孙慧赟,

  针对煤矿酸性废水中含有较高质量浓度铁离子和锰离子的问题，以沙柳木粉为主要原料，遵循农林废弃物提取再利用原则，经过NaOH、Na2SO3等溶液处理后获得脱木素木粉(DWF)，通过微波辅助–原位合成的手段，制备了一种针对煤矿废水中Fe(II)和Mn(II)的吸附剂(AA-DWF-PAM)。借助扫描电子显微镜(SEM)、N2吸附–脱附、傅里叶变换红外光谱(FTIR)和红外热重联用(TG-FTIR)对产物的微观结构、反应机理、热稳定性进行了分析，探讨了AA-DWF-PAM的最佳吸附条件、吸附动力学、吸附等温线，研究了AA-DWF-PAM对Fe(II)和Mn(II)的吸附特性和吸附机理。表征实验结果表明：AA-DWF-PAM整体存在较多孔洞并呈现网状结构，且比表面积(BET)为150.83 m2/g，说明改性后的吸附剂具有较大的比表面积，能够为Fe(II)和Mn(II)吸附提供较多位点和空间；此外，AA-DWF-PAM热解气态产物主要有H2O、CO2以及少量CO，裂解温度较高，其结构稳定性较强。吸附特性实验研究表明：AA-DWF-PAM用量为4 g/L、溶液pH=4、吸附时间达到200 min，以及Fe(II)、Mn(II)初始质量浓度为100 mg/L和80 mg/L时，为AA-DWF-PAM的最佳吸附条件；经过计算得知，AA-DWF-PAM更接近于伪二级动力学假设，吸附主要控制过程为化学过程，且吸附过程更符合Langmuir方程的单层分子吸附，Fe(II)和Mn(II)的理论最大吸附量分别为192.29 mg/g和123.65 mg/g；通过Materials Studio对吸附过程进行分子模拟和量子化学计算得知，吸附过程中—NH2、—COOH以及—OH官能团起到静电吸附作用。因此，合理利用农林废弃物，为煤矿酸性废水治理提供了新途径，开发的AA-DWF-PAM吸附剂，能够有效处理煤矿酸性废水中的铁锰离子。

• 宁夏回族自治区碳捕集、利用与封存源汇匹配与集群部署

  刘世奇, 莫航, 桑树勋, 刘统,

  “双碳”(碳达峰、碳中和)战略背景下，碳捕集、利用与封存技术(CCUS)是实现化石能源大规模低碳化利用的关键技术之一。近年，CCUS技术呈现出规模化和集群化发展趋势，而科学、合理的源汇匹配是CCUS集群部署工程选址的重要依据，能够建立高效CO2输运管网、降低减排成本。宁夏是国家能源安全战略布局的重要保障基地，能源结构偏煤、工业结构偏重特征明显，面临着巨大的碳减排压力。针对宁夏CCUS集群部署的源汇匹配问题，调研评估了宁夏工业碳排放源特征和地质碳汇潜力，构建了CCUS源汇匹配模型，在充分考虑源汇性质、捕集–输运–封存成本、CO2运输距离、区域地理条件、土地利用类型、人口密度等因素基础上，应用改进的节约里程法和基于地理信息系统(GIS)的最低成本路径优化法，结合ArcGIS平台和优化求解软件，获得了宁夏CCUS源汇匹配优化和应用方案，并提出宁夏CCUS集群部署建议。结果表明，截止2021年，宁夏工业碳排放源107个，碳排放总量2.26亿t/a，以化工(含自备电厂)和电力行业碳排放为主。宁夏主要封存地质体包括深部咸水层、深部不可开采煤层和油气藏，CO2理论地质封存容量151.55亿t，以深部咸水层封存潜力最大。宁夏CCUS源汇匹配效果较好，在源汇直接相连的情况下，区内年排放量10万t以上的大型工业排放源CCUS集群部署(30 a规划期)总成本约2.45万亿元，并以捕集成本为主，占比83.65%，单位减排成本402.32元/t，共需建设CO2运输管道2 459 km；改进的节约里程法和基于GIS的最低成本路径优化法可大幅降低CCUS集群部署成本，优化后CCUS单位减排成本降至380.49元/t，节约管道建设里程938 km。宁夏应聚焦电力、化工等“两高”(高耗能、高排放)行业，在以宁东能源化工基地为重点的北部、东部地区超前应用CCUS技术，打造宁东能源化工基地、银川—吴忠、石嘴山、中卫和固原5个CCUS特色集群，构建宁夏特色的工程化CCUS全流程技术模式。

• 绿色矿山建设碳源/汇与减排增汇研究进展

  王金满, 杨曼, 刘彪, 朱秋萍,

  为应对长期以来矿业开采导致的环境问题，绿色矿山理念及配套政策逐步发展。碳达峰碳中和目标导向下，绿色矿山倡导低碳化生产、生态开采等新的发展要求。为探究新时期绿色矿山建设在节能减排目标下的重要方向和关键问题，助力碳中和目标与绿色矿山建设的协同发展，该研究以绿色矿山、碳源/汇与减排增汇为关键词开展文献计量分析，总结“双碳”目标下绿色矿山建设内涵与要求，分析绿色矿山建设背景下碳源/汇与减排增汇研究进展，梳理矿区碳源与碳汇核算方法，探究绿色矿山减排增汇策略。得出：绿色矿山在理论与应用方面均具有较为丰富的研究及实践成果，具有良好基础以面对新的发展挑战；绿色矿山现存管理方案与考评体系成果完整，整体偏定性和基础推荐性要求；矿山碳足迹核算中，基于生命周期理念、采用排放因子法的核算模式已较为成熟，但在生命周期划分与核算因子选取过程中仍需慎重，注意加强因子的本地化选取；针对减排增汇目标，绿色矿山在策略上需重视能源与技术视角。在“双碳”目标下，当前绿色矿山相关验收标准在减排方面的关注度有待增强，指标体系的定量化程度与执行力有待提高；煤炭矿山的碳足迹核算与减排潜力分析是未来绿色矿山研究的重点之一；矿山减排研究中，由复垦产生的碳源与碳汇核算及矿山全生命周期的减排方案设计需得到更多关注。

• 压滤过程中煤泥滤饼结构演化规律及组合药剂优化机理

  马晓敏, 孙筱淞, 董宪姝, 樊玉萍, 常明,

  煤泥滤饼结构对脱水效果有重要影响，采用自制加压脱水装置及CT扫描等方法研究了压滤脱水过程中滤饼结构特性及其演化规律。将压滤过程修正为4个阶段，其中滤饼脱水阶段主要脱去滤饼内部水分，此阶段滤饼孔隙结构越发达则压滤脱水效果越好；滤饼压缩阶段主要对滤饼进行最后压缩，此阶段滤饼可压缩性越高，滤饼最终的孔隙率和含水量就越低。并采用聚合硫酸铁(PFS)和α–半水石膏(α-HH)对煤泥进行助滤实验。从煤泥颗粒絮团结构、滤饼物相组成、滤饼三维结构等多方面分析了助滤机理。结果表明：PFS和α-HH联合使用显著提升了煤泥的过滤效果，通过中心组合设计(CCD)，确定了2者最佳药剂量为1711.44 g/t和48.33 mg/g。在最佳条件下，滤饼含水量降低至16.97%，过滤速度提高至145.89 mL/(s·m2)。α-HH的加入使滤液Zeta电位的绝对值降低到1.45 mV，从而降低了煤泥颗粒之间的静电排斥力，增强了PFS的絮凝效果，使絮状物的弦长增加到71～171 μm。同时在PFS体系中，α-HH的水化反应被加速，形成大量二水石膏晶体，在煤泥絮体中形成交织的骨架，发挥了骨架构建体的作用，使煤泥压滤脱水指数(ICD)提升至176.30，增强了滤饼强度，使压滤过程中煤泥滤饼孔隙率从12.14%提高到14.39%，提高了煤泥滤饼的孔隙配位数及连通性从而提高了过滤效果。

• 流场涡旋中颗粒碰撞黏附机制的CFD-DEM(XDLVO)模拟

  林喆, 吴亚红, 郭语妍, 秦志宏,

  混凝装备中流场的涡旋特征是影响煤泥水等微细颗粒絮凝效果的关键因素之一。为解析流场涡旋影响颗粒混凝碰撞与黏附机制，以圆柱绕流产生的涡街为代表性涡旋流场，采用CFD方法模拟了流速和圆柱直径对流场涡旋强度和尺度的影响；引入XDLVO理论辅助描述离散元方法中颗粒间的相互作用力，对粒径为25～100 μm颗粒在上述流场中的碰撞与黏附过程进行CFD-DEM模拟，并试验验证。结果表明，在流速0.06～0.12 m/s、圆柱直径2～6 mm、雷诺数为120～720条件下，圆柱绕流场中的涡旋半径(r)与圆柱直径(D)的关系近似为r=0.133 3D+0.421 4，与流速无显著相关性；涡旋中心的最大涡量与流速成正比，涡旋强度与圆柱直径的2次方正相关。CFD-DEM(XDLVO)模拟方法获得的黏附聚集体的特征参数与试验结果吻合较好，说明其可较准确地描述圆柱绕流场中颗粒的碰撞与黏附过程。对流场涡旋分布特征和聚集体在流场分区中分布特征的分析表明，流场中的涡旋通过惯性离心力使颗粒远离涡旋中心向涡旋周边的黏性剪切区富集，在改变颗粒运动方向的同时，增加了颗粒在黏性区的局部浓度，从而提高了颗粒的碰撞概率，有效促进了颗粒的黏附并大。当涡旋尺度为物料粒径的10倍左右时最有利于颗粒的碰撞黏附，因此可根据应用场景的物料粒度来优化设计绕流圆柱直径，使其达到最好的黏附效果。

• 煤炭地下气化注气方式与能量回收效率

  苏发强, 代孟佳, 何小龙, 杨君楠, 李郊源, 李雯, 余伊河,

  研究不同注气方式煤炭地下气化(UCG)能量回收情况，有利于发展更高效的UCG工艺。设计并实施了固定和移动注气点UCG模型实验，基于化学计量学和碳平衡法计算了气化煤耗总量及速率，对比分析了2种注气工艺对煤气组成和热值的影响。在此基础上，分析了不同注气方式下煤气产量和有效气体组成的变化，评价了2种注气工艺实验的能量回收效率。结果表明，固定注气点实验中提高O2净注入流量可改善煤气热值衰减的现象，但随着气化空腔的扩大，提高O2净注入流量对气化反应的促进作用逐渐降低；分3次提高O2净注入流量，煤气热值分别提高2.01、1.27和1.10 MJ/Nm3，气化效率(煤气的热值与碳的燃烧热之比)分别提高14.64%、9.45%和7.73%。移动注气点位置，可实现煤气热值和气化效率的短时间快速回升，分4次移动注气点位置，每次移动距离为300 mm，煤气热值分别提高2.95、3.32、3.37和2.54 MJ/Nm3，气化效率分别提高17.99%、21.04%、27.88%和13.92%。2种注气工艺实验分别气化了72.49 kg和91.47 kg的煤，平均煤耗速率分别为0.97和1.27 kg/h，气化效率和煤耗速率呈同步突变，这一现象在改变气化剂注入条件和移动注气点位置后更为明显，表明气化效率与煤耗速率具有一定关系。相比固定注气点实验，移动注气点位置可有效改善气化效果，相同的气化剂注入条件下，有效气体组分和气化效率分别提高12.5%和23.23%。

• Ca2Fe2O5催化剂对半焦基DC-SOFC性能的影响

  刘国阳, 周安宁, 刘倩, 王俊哲,

  半焦与CO2的气化反应速率是影响半焦燃料基DC-SOFC电池性能的关键。为提高半焦的CO2气化反应性，采用柠檬酸溶胶–凝胶法制备了具有钙钛矿结构的Ca2Fe2O5催化剂，用SEM、XRD、XPS、低温氮气吸脱附等分析手段研究了Ca2Fe2O5催化剂的形貌和结构，采用热重分析实验研究Ca2Fe2O5催化剂对半焦燃料的CO2气化反应催化活性；在Ag-GDC|YSZ|GDC-Ag电解质支撑电池系统上，研究了添加Ca2Fe2O5催化剂对半焦燃料基DC-SOFC输出性能的影响。结果表明，随着催化剂焙烧温度的提高，Ca2Fe2O5催化剂晶粒尺寸逐渐增大、比表面积降低，750 ℃焙烧的催化剂具有良好的分散性、颗粒尺寸约为0.1 μm，在半焦的CO2气化反应中催化作用最好；相较于CaO和Fe2O3，Ca2Fe2O5催化剂结构中吸附氧浓度更高，在半焦的CO2气化反应中表现出更为优异的催化活性；Ca2Fe2O5催化剂的循环稳定性取决于催化剂结构的热稳定性，其循环使用时活性降低主要归因于半焦燃料中无机灰分的包裹。催化剂对DC-SOFC输出性能影响表明，当半焦中添加10%的Ca2Fe2O5催化剂时，电池的峰值功率密度从15.3 mW/cm2增大到23.7 mW/cm2；EIS分析表明阳极传质阻力是影响DC-SOFC输出性能和燃料利用率的主要因素，降低灰分、催化剂累积带来的传质阻力可有效提高电池寿命和燃料利用率。

• 磁性煤基复合催化剂/H2O2类芬顿体系高效降解喹啉

  梁华根, 王安虎, 王圣, 程若霖, 陈浮,

  为实现煤炭资源利用最大化和煤化工废水中喹啉的高效去除，以煤化程度最低的褐煤为原料，经过酸洗和采用聚乙烯吡咯烷酮进行表面修饰，再通过负载普鲁士蓝类似物(CoFe-PBA)和高温煅烧，制备了CoFe@Coal-C复合材料，用作非均相类芬顿反应催化剂，展现出优异的喹啉降解性能。结果表明，CoFe@Coal-C具有适当的比表面积和孔隙结构，为活性物种提供了传输通道，有利于电子扩散和相互作用。同时，CoFe@Coal-C还表现出典型的超顺磁特性，有利于从水溶液中分离和循环利用。考察了催化剂投加量、初始喹啉质量浓度、溶液pH、及水中共存物质对喹啉降解效率的影响，结果表明，在仅有H2O2存在和仅有催化剂存在的情况下，喹啉的去除率几乎可忽略不计，表明活性氧物种是导致喹啉质量浓度降低的主要因素，而催化剂是催化H2O2产生强氧化性活性氧物种的必要条件。在有H2O2存在、初始喹啉质量浓度为10.0 mg/L、催化剂投加量为0.6 g/L、pH为7的条件下，反应30 min后，CoFe@Coal-C复合材料对喹啉的降解效率达到99.2%。此外，相比纯CoFe合金和纯Coal-C，CoFe@Coal-C对喹啉的降解速率常数分别提高了1个和3个数量级，表明CoFe合金和Coal-C的协同作用是提高催化剂活性的关键。Cl–、\mathrmHCO_3^- 、\mathrmSO_4^2- 和\mathrmH_2\mathrmPO_4^- 等共存阴离子，以及初始pH对CoFe@Coal-C/H2O2催化喹啉降解的性能几乎没有影响。自由基淬灭实验和电子顺磁共振光谱表明·OH是主要活性物种，通过高效液相色谱–质谱联用仪检测了喹啉降解的中间产物，并推测了喹啉降解的可能路径。研究表明磁性CoFe@Coal-C催化材料对洗煤废水中喹啉等有机污染物的去除非常高效，具有广阔的应用前景，为洗煤废水的高效治理和资源循环利用提供科学依据。

• 全清洁能源下的高品质矿区能源系统配置优化方法

  梁睿, 李嘉翔, 巩敦卫, 黄宏旭, 梁凯泽, 刘海龙, 李晓,

  面向“30·60”双碳目标，矿区能源利用方式的绿色、经济、高效转型成为我国能源革命的迫切需求。西部矿区拥有丰富的可再生能源资源禀赋，但仍面临着可再生能源就地消纳困难，电力设备投资成本高、利用率低以及外送输电通道有限的困难。为提升矿区用能清洁化程度，提升矿区能源供给的稳定性与可靠性，增强矿区对外部电网的支撑能力，提出全清洁能源下的高品质矿区能源系统(High-quality Coal Mine Energy System, HCMES)及其配置优化方法。首先，考虑西部矿山综合能源系统的负荷特点与伴生能源利用，结合可再生能源发电与废弃矿井抽水蓄能，构建全清洁能源下的HCMES架构。其次，考虑到矿区生产全流程负荷的需求响应能力，考虑系统的能量平衡约束，提出全清洁能源下的高品质矿区能源系统优化配置模型。最后，以系统年平均综合成本最小化为目标，将原问题转化为混合整数线性规划模型，求解生成高品质矿区能源系统优化配置方案。以我国西部某年产煤量1200万t的矿区实际数据为实例，验证所提模型与方法的有效性，并分析可再生能源出力与生产负荷需求不确定性对系统优化配置结果的影响。算例仿真设置了4种矿区能源系统配置方式：不配置储能、配置抽水蓄能、配置电化学储能、配置抽水蓄能(不外购电能)。结果表明，所提出的HCMES相较于其他配置方式可减少电气一次设备投资11.11%，相较于方式3可降低年平均综合成本7.91%，且最多可减少矿区生产用能总二氧化碳排放量91.17%。

• 基于多线激光雷达的井下斜坡道无人矿卡定位与建图方法

  顾清华, 白昌鑫, 陈露, 李萌, 付明宇, 王维,

  井下斜坡道的定位与建图是实现井下斜坡道无人驾驶的关键技术之一，矿山井下斜坡道区域为典型非结构化环境特征，且道路具有一定倾斜角度，采用传统SLAM算法无法获得精确里程计信息，导致定位与建图精度难以满足无人矿卡行驶需求。针对上述问题，通过研究激光SLAM(Simultaneous Localization And Mapping)算法LeGO-LOAM，笔者提出一种适用于矿山井下斜坡道环境的定位与建图方法。首先，针对井下斜坡道口两侧均为光滑水泥墙壁，特征点稀少问题，设计了基于人工路标的辅助增强定位方法，有效增加点云特征数量，从而优化位姿估计结果，避免建图漂移现象；然后在特征预处理阶段，提出了一种基于激光点云高度差与坡度信息融合的提取地面点高效算法，通过改善地面地点的选取策略，针对倾斜坑洼路面仍能有效识别地面点，解决了井下斜坡道定位与建图倾斜角度大、误差大等问题；其次，基于CVC(Curved-Voxel Clustering)聚类算法设计了一种斜坡道点云曲率体素聚类算法，采用曲率体素和基于哈希的数据结构对点云进行分割，大幅提高在井下稀疏、噪声环境下点云聚类的鲁棒性；最后，运用Scan-To-Map进行点云匹配，同时兼顾点云配准的性能与速度。在中钢集团山东某井下斜坡道的现场实验证明：与原算法相比精度提升13.15%，Z轴误差降低22.3%，地图质量明显提升，能有效解决井下无人驾驶建图及定位的难题。

• 周向超前割缝辅助碟形滚刀楔裂破岩性能

  江红祥, 张晓迪, 高魁东, 王欧国, 宋申, 李洪盛,

  碟盘滚刀基于底切破岩模式而具有较好的硬岩破碎性能，为进一步提高煤矿井下硬岩巷道机械化掘进效率，以碟盘滚刀为对象，探究了周向超前割缝预裂岩石辅助碟盘滚刀楔裂破岩性能。通过碟形滚刀楔裂破岩实验，明确了碟形滚刀楔裂破岩机理，揭示了周向超前割缝对岩石断裂特性的影响机制，并以滚刀载荷、岩石破碎体积和破岩比能耗为指标综合评价了切削参数和割缝参数对滚刀破岩性能的影响，采用正交试验得到了各因素对破岩性能的影响显著性及滚刀最优破岩性能时对应的参数匹配关系。结果表明：根据滚刀载荷波动和岩石断裂造成的声发射振铃变化特征可将碟形滚刀楔裂破岩过程划分为3个阶段，即压密阶段、应力积聚阶段和崩落阶段；相同切削厚度条件下，与无割缝条件相比，割缝深度和割缝宽度分别为16 mm和3 mm时碟形滚刀破岩载荷和滚刀应力分别降低40%和20%。基于三因素四水平正交试验得到的破岩性能最优条件下切削厚度、割缝深度和割缝宽度的匹配关系为30、16和3 mm，其中切削厚度对碟形滚刀破岩性能的影响最为显著，割缝深度次之，割缝宽度的影响程度最小。滚刀破岩载荷和岩石破碎体积均与切削厚度呈正相关关系，破岩比能随着切削厚度的增加先减小后增大，在30 mm切削厚度下得到最小值；各指标随着割缝深度的增加均呈现出先减小后增大的变化规律，最佳割缝深度为16 mm；当割缝宽度超过3 mm时，各指标受缝宽的影响不显著。周向超前割缝预裂岩石对提高碟形滚刀楔裂破岩性能具有较好提升效果，同时益于改善碟形滚刀受载条件、延长刀具服役寿命，进而为碟形滚刀掘进装备的设计提供一定的指导和参考。

• 低压超声速磨料空气射流喷嘴结构

  刘勇, 李志平, 魏建平, 蔡玉波, 余大炀, 黄逸,

  硬岩隧道掘进刀具磨损严重、换刀频繁是限制高效掘进的主要因素，低压磨料空气射流辅助刀具破岩是突破硬岩隧道掘进技术瓶颈的可行性思路，为实现辅助高横移速度刀具破岩，提出了矩形喷嘴。矩形喷嘴能有效提高磨料在移动方向集束性，进而减小切缝宽度，提高切缝深度。为明确矩形喷嘴对磨料加速及破岩的影响规律，采用加长扩张段长度和截面近似等效设计了圆形喷嘴及矩形喷嘴；然后基于数值方法确定了喷嘴扩张段长度对气体及磨料加速的影响，并对比分析了喷嘴不同断面形状对磨料加速和分布特征的影响。最后通过开展低压磨料空气射流冲蚀破碎花岗岩实验，研究了喷嘴结构和横移速度对冲蚀效果的影响，分析了不同断面形状喷嘴的切割效率，确定了适用辅助刀具破岩的最佳喷嘴结构。数值结果表明压力2 MPa时，加长扩张段长度，气固两相能量转化更充分，磨料加速更充分，但随着喷嘴扩张段持续加长，磨料速度提升不明显；相比圆形断面喷嘴，矩形断面喷嘴对磨料加速稍差，但仍能将磨料加速至300 m/s，且经矩形喷嘴加速的磨料在自由流域呈扁平矩形分布，有效提高了磨料在刀具横移方向的集束性。实验表明圆形喷嘴扩张段加长，岩石冲蚀深度不断增加，当扩张段长度为145 mm时，花岗岩冲蚀深度分别为23.90、20.23 mm，扩张段长度持续加长，岩石的冲蚀深度提高并不显著。当横移速度为0.02 m/s时，喷嘴C4、R1、R2切割玄武岩深度分别为3.35、12.15、8.25 mm，花岗岩深度分别为5.2、14.9、11.5 mm；横移速度为0.30 m/s时，喷嘴C4、R1切割玄武岩深度分别为0.8、3.0 mm，花岗岩深度分别为1.0、3.6 mm。对比喷嘴C4，和数值模拟结果相同，矩形喷嘴能使磨料聚能、磨料利用充分，切割效率较优。且喷嘴R1的切割效率最好，喷嘴结构最优。研究结论将为磨料空气射流辅助刀具破岩提供理论和技术支撑。

• 综采液压支架中部跟机多模态人机协同控制系统

  付翔, 李浩杰, 张锦涛, 王然风, 王宏伟, 秦一凡,

  我国煤矿智能化综采工作面建设处于初级阶段，液压支架电液控自动化技术已广泛应用，但目前液压支架单一固化的自动化控制逻辑难以适应复杂、多变、动态的工作面生产场景，现场实际控制过程仍大多采用自动化+人工干预方式。针对综采工作面复杂场景中液压支架人机交互协作任务需求，提出液压支架中部跟机多模态人机协同控制系统的理论方法与技术原理。首先，设计了人工式、分工式、批准式、否决式4种人机协同模态，以煤层地质、瓦斯粉尘、采煤机速度、液压支架智能水平、系统状态、岗位工技术水平、任务负荷等为判别因素，构建了基于AOG的液压支架人机协同模态选择模型，实现了人工、机器偏好的模态选择。然后，设计了液压支架中部跟机人机协同控制决策机制，提出液压支架中部跟机再次调控策略AI推理技术思路，利用现场数据学习人工操作经验，分别构建了液压支架是否再次调控决策树分类模型和再次拉架时间贝叶斯回归模型，基于上述模型开发了液压支架人机协同控制决策程序，实现了基于多模态与或推理和再次调控策略AI推理的液压支架人机协同控制。最后，采用云–边–端架构软硬件技术，开发了液压支架多模态人机协同控制系统，实现了模型进化、运算推理、程序执行等液压支架多模态人机协同控制功能。该系统在沙曲二矿3404工作面进行了工业试运行，相比于系统使用前，该工作面液压支架中部跟机效率平均提高2%。