煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第4期

• 采动岩层整体移动“类双曲线”理论模型及验证——从二维“类双曲线”到三维“类双曲面”模型

  左建平, 徐丞谊, 孙运江, 李颖, 吴根水, 于美鲁,

  煤炭开采会引起上覆岩层自下而上变形、破断及移动，并导致地表沉陷等问题，其本质是一个力学过程，故亟需发展基于岩层破断力学机理的移动理论模型。首先简要回顾了国内外岩层移动理论模型，然后重点介绍了本团队近年来在岩层整体移动理论模型方面的研究进展。基于不同层位岩层的破断形态的力学分析和相似模拟试验结果，提出了采动覆岩整体移动“类双曲线”模型，其顶点大约位于上覆岩层主关键层的层位。进而建立了岩层移动内外“类双曲线”整体模型，给出了采动覆岩内外整体移动表达式及物理意义参数体系。针对不同覆岩和煤层赋存条件，分析了岩层整体移动“类双曲线”模型的演化规律。在此基础上，进一步将二维“类双曲线”拓展到三维“类双曲面”模型，建立了采动覆岩全空间“类双曲面”立体移动模型，该模型包含“类单叶”和“类双叶”双曲面。该理论模型是在我国很多前辈及学者的研究基础上，从系统科学的角度考虑岩层的整体移动规律，初步形成了采动覆岩整体移动“类双曲线(面)”理论模型框架，希望能为我国煤炭科学开采提供理论指导。

• 托顶煤巷道锚固“梁–拱”结构分类及顶板冲击失稳机制

  曹安业, 郭文豪, 温颖远, 王崧玮, 刘耀琪, 郝琪, 吕国伟, 李庚,

  我国煤矿托顶煤巷道冲击地压频发，且冲击动载下顶板灾害尤为严重。为探究托顶煤巷道顶板锚固结构类型和冲击失稳机制，以陕西某矿301工作面回风巷道大面积冲击垮顶为工程背景，运用相似实验、理论分析及数据统计等方法，分析了托顶煤巷道围岩应力、位移和巷表加速度的动载响应特征，研究了顶煤厚度与支护构件影响下顶板锚固结构的分类特征，探究了弹性波下托顶煤巷道的应力响应机制，提出顶板锚固“梁–拱”结构的冲击失稳机制，评估了301工作面回风巷道的抗冲能力，并提出了相应的抗冲支护优化方案。结果表明：① 冲击动载下托顶煤围岩应力和位移等监测数据验证了顶板存在内、外层的梁或拱形锚固结构，因顶煤厚度增加，顶板内层锚固结构存在由“梁”向“拱”的转换；② 基于顶煤厚度与支护构件相对关系，将顶板锚固结构划分为薄顶煤的“叠加梁–拱”、厚顶煤的“组合梁–拱”和特厚顶煤的“组合拱”，建立了厚煤梁由“梁”向“拱”转化的临界厚度指标；③ 顶板锚固梁结构和锚固拱结构的冲击失稳机制为动静载荷下分别达到其拉伸、剪切强度极限后破坏，锚固“梁–拱”结构对冲击载荷的放大效应受其尺寸影响明显；④ 特厚顶煤的“组合拱”结构中内层拱承载强度较低，可增加锚杆长度提升内层拱厚，对应的“组合拱”结构的承载能力上升明显，与抗冲能力评估结果相符。

• 动载扰动诱发巷道冲击的风险性分析

  刘洪涛, 陈子晗, 韩洲, 刘勤裕, 韩子俊, 张成璐, 张红凯,

  巷道冲击地压发生机理与风险性评估问题，对不同区域应力场中的巷道围岩分区能量释放规律进行分析，考虑动载事件扰动，建立了始态应力场、动载事件产生的瞬态应力场与巷道围岩破坏之间的力学联系，提出了动载事件扰动下的终态巷道围岩塑性区边界计算方程，阐述了动载事件与始态应力场共同作用诱发冲击地压的机理，并对不同因素变化下的巷道冲击风险性进行了分析，以震动事件发生角为指标对动载事件发生的不同区域进行了风险强度的划分。研究结果表明：区域应力场不均匀程度的增大使得巷道围岩系统在扰动平衡后的能量释放量增大，且能量释放的主要区域为区域应力场的最大围压方向；巷道冲击地压是巷道围岩受始态应力场与动载事件的瞬态应力场2者共同作用的结果，动载事件的影响会使得巷道围岩系统的终态应力场产生偏转，而围岩协调所释放的能量是冲击产生的主要原因；当始态应力场处于蝶形风险区时，受动载事件影响后的巷道冲击风险性更大，且动载事件的有效释放能量的增大、震源距离的减小与横波能量占比的增大会使得巷道冲击风险性随之增大；震动事件发生角影响着巷道冲击风险性，当动载事件发生在强风险区与次强风险区时，微小的动载事件也极易诱发冲击地压，巷道冲击风险性较高；当动载事件发生在弱风险区时，较大的动载事件也不易引起冲击地压，巷道的冲击风险性较低。

• 急倾斜巨厚煤层复杂空间结构区微震时空演化规律及诱冲机理

  崔峰, 张随林, 刘旭东, 来兴平, 姬松涛, 冯攀飞, 贾冲, 陆长亮, 王昊,

  煤矿冲击地压灾害的发生与空间结构密切相关，尤其在复杂空间结构区灾害发生更频繁。掌握煤层开采复杂空间结构区煤岩灾变规律并揭示其发生机制对于冲击地压防控具有重要意义。以乌东煤矿为研究背景，采用数值模拟、微震监测、理论分析等方法，研究了岩柱应力异常尺寸效应，分析了复杂空间结构区微震时空演化规律，揭示了复杂空间结构下冲击地压发生机理，评估了煤层开采不同区域的冲击危险性。研究结果表明：① 急倾斜岩柱厚度更窄、出露高度更大其撬动效应更强，岩厚变异应力异常形成5个分区。② 岩柱厚度更窄区域微震频次更多，能量更高，时空活动度更强，离散性更高。高应力区、应力梯度区、应力平稳区依次呈现“低频次–高能量”、“高频次–高能量”、“低频次–低能量”的微震响应特征。③ 特殊空间结构区域微震事件簇集且能级增大，时空活动度及离散性陡增，尤其在结构边缘该特征更明显，能量积聚及释放速率增大，冲击地压发生的概率及强度更高。位于岩柱更窄区域的特殊空间结构内微震活动更剧烈。④ 岩柱厚度越窄(煤柱高度越大)则岩柱向深的弯矩及能量增长速率越快，冲击危险性更高。依据结构面强度效应推断出断裂带发生滑移错动，是能量积聚与释放的优势区域。揭示冲击地压发生机理为高静载及低临界载荷共同作用，基于应力集中特征评估煤层开采不同区域的冲击危险性。

• 冲击地压矿井充填工作面超前采动应力对充填体充实率的反馈机制

  王兆会, 陈明振, 李强, 王伟, 李增强, 徐德生, 郑晓晨, 孙少龙, 吴传平, 郭心洋, 安君琦,

  高应力是深部矿井冲击地压灾变频率走高的主要原因，充填开采则是控制岩层运动，缓解采动应力集中程度，降低围岩破坏和冲击风险的有效手段。为研究采空区充填体对超前采动应力的控制能力，以山东古城煤矿1123充填工作面为工程背景，采用理论分析、室内试验、现场实测手段探究充填开采工作面采动应力分布规律，揭示超前采动应力对充填体充实率的反馈机制，指导冲击地压矿井充实率确定。结果表明：工作面开采初期充填体充实率低于80%，坚硬顶板下沉量大，超前采动影响范围大于30 m，应力集中系数达到1.5，断层影响区采动应力影响范围和集中系数分别增至60 m和1.65，片帮冒顶等围岩失稳现象增多；实测了采空区充填体承载应力全程动态演化特征，承载应力分布曲线划分为“快速降低—短暂稳定—快速升高—缓慢降低—二次稳定”5个阶段，低充实率条件下采空区上、中、下3个区域承载应力稳定值分别为1.9、5.2、2.8 MPa；将采空区充填体划分为非充分压实区和充分压实区，构建了充填体支撑作用下坚硬顶板连续沉降模型，得到了坚硬顶板“ʅ”型沉降曲线，非充分压实区范围随充实率近似呈线性减小；试验得到充填体弹性模量和单轴抗压强度随凝固时间的演化曲线，结合顶板沉降曲线和推进速度得到工作面前后采动应力全区域分布曲线；建立了超前采动应力集中程度与充填体承载能力的负指数函数关系，揭示了超前采动应力对充填体充实率的负向反馈机制，实现充填开采降载防冲效果的定量评价；提出了充填体充实率“三位一体”协同提升措施，将1123工作面充实率升高至90%，增强了充填体承载能力，超前采动应力集中系数降至1.3，厚顶煤膨胀变形量减少至50 mm，坚硬顶板破断致冲风险显著降低。

• 深部沿空巷道锚固围岩破坏失稳能量驱动机理

  刘学生, 王新, 谭云亮, 李学斌, 杨生龙, 裴洪喜,

  深部沿空巷道受侧向顶板断裂所产生的动载影响，锚固围岩易产生大变形，甚至破坏失稳。以山东省孙村煤矿31120工作面上平巷为工程背景，首先采用YTJ20型岩层探测记录仪获得了锚固顶板裂隙发育规律及以脆性张裂破坏为主的破坏方式。然后，通过相似材料模拟试验方法获得了深部沿空巷道侧向顶板前期、过渡期和后期3个运动阶段典型特征，并分析了不同阶段锚固围岩破裂演化及能量释放规律；其中过渡期运动阶段锚固围岩内部应力、变形量急剧增大，裂隙发育明显，能量释放显著，对沿空巷道锚固围岩稳定性影响最大。最后，构建了侧向顶板断裂运动下沿空巷道结构力学模型，给出了锚固围岩输入能量与可抵抗能量定量计算方法，揭示了侧向顶板断裂诱发锚固围岩破坏失稳能量驱动机理，并定义了失稳能量判据，即当作用在沿空巷道锚固围岩上的能量大于锚固围岩可抵抗能量时，将发生破坏失稳。进一步地，提出了锚固围岩失稳风险等级划分方法和相应地控制技术，计算结果表明，31120工作面沿空巷道锚固围岩失稳风险等级为中风险。采取加强支护措施后，沿空巷道顶底板及两帮移近量分别减小35.47%和35.71%，锚索受力减小23.43%，变形速度明显降低，锚固围岩能量积聚程度减小。

• 分区内排露天煤矿压帮留沟模式及参数优化

  马力, 王恒荣, 罗科, 李瑞行, 靳新宇, 常治国,

  大型露天煤田安全高效集约化开发是露天煤炭开发的发展趋势，以分区开采为主要开发模式的大型露天煤田具有安全高效、回采率高、投资回收期短的显著优势，同时可以利用开采形成的采空区回填剥离物料形成内排土场，并降低剥离物料对土地的压占及破坏。针对大型露天煤矿分区开采衍生出相邻采区间二次剥离量大的问题，在考虑压帮内排留沟模式影响基础上，结合外排空间受限条件，以内排加高分析不同压帮留沟模式对剥采与运输系统的影响，建立全压帮及半压帮内排总费用模型，并对半压帮倒三角和倒梯形留沟模式进行对比分析。基于费用补偿法，以全压帮内排为参照，在剥离物料不外排的条件下，综合考虑内排容量，构建压帮内排倒三角留沟模式与倒梯形留沟模式的留沟高度优化模型以及内排搭桥移设步距优化模型。对山西河曲露天煤矿首采区与二采区间留沟高度及运输系统进行综合优化。结果表明：半压帮内排经济效益显著，压帮内排倒三角留沟总费用随着留沟高度的增加先增大后减小，总经济效益先减小后增大，最佳留沟高度为110 m，内排搭桥最佳移设步距为104 m，相对全压帮内排节约10080万元；压帮内排倒梯形留沟总费用随着留沟深度的增加先减小后增大，总收益先增大后减小，最佳留沟高度为67 m，内排搭桥最佳移设步距为264 m，相对全压帮内排节约24540万元。留沟面积相等的条件下，倒三角留沟模式留沟深度较大，对单侧剥离物料运输系统影响较大，内排土场工作线长度较长，一般适用于内排空间紧张的露天煤矿；倒梯形留沟模式留沟深度较小，内排容量受到一定限制，一般适用于内排空间较大的露天煤矿。

• 深部原位应力环境下岩心饼化响应特征及反馈机制初探

  高明忠, 何坤宸, 叶思琪, 谢晶, 杨本高, 李飞, 郝海春, 刘军军, 杨尊东,

  地应力数据是一切深部工程的基础，传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范，理论多是建立在诸多假设基础上，准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征，且不同应力环境产生的饼化形貌各异，通过岩心饼化反演地应力有望作为一种科学经济、方便快捷的地应力推算方法。试图通过探究深部原位应力条件下岩心饼化行为的力学机制，定义二维条件下的饼化烈度系数，以期实现基于岩心饼化特征计算原位地应力。以松辽盆地松科二井不同深度饼化岩心为研究对象，利用三维数据形貌采集系统获得了饼化岩心的宏观形貌，采用X射线衍射和岩相薄片等测试手段，分析得到了饼化岩心的矿物成分和微观结构；同时，基于离散元分析了不同应力条件下岩心的饼化行为力学机制。结果表明：松科二井饼化岩心形貌特征可分为破碎状、薄饼状、厚饼状、不规则状、半饼化状5类，端面断口形态包括错台状、平面状、灯盏状和花瓣状；岩饼的形貌特征与其埋藏深度、硬质矿物含量和破坏模式有较强的关联性；岩心饼化行为主要受到张拉应力控制，其裂隙起裂一般起始于岩心根部，由外向内向下呈凹陷状或平面状贯通岩心。水平主应力是影响岩心饼化行为的第一要素，高水平主应力能够诱发剧凹状的岩心断口和较宽的带状拉裂纹，垂直主应力是影响岩心饼化的次要因素，一般会抑制饼化行为的发生；钻进过程中岩心饼化行为的发生伴随着能量的规律性变化，其中总应变能呈阶梯状下降，耗散能呈对应的阶梯状上升，且总应变能的瞬时释放是造成岩心饼化的主要原因。研究成果有望为岩心饼化反演地应力提供新思路和有益借鉴。

• 循环冲击下预加静载岩石损伤破坏机制

  王汉鹏, 王伟, 张冰, 邱廷麟, 侯夫斌,

  为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制，利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统，开展了不同预加静载(0.45σc、0.65σc、0.85σc)叠加循环冲击荷载以及相同预加静载叠加不同频率(0.5、1.0、2.0 Hz)循环冲击荷载的砂岩动静叠加试验。试验结果表明：动静叠加试验中岩石峰值强度小于静载试验，最大变形量大于静载试验，表明动静叠加荷载对岩石损伤具有显著促进作用，且不同动静荷载叠加下岩石强度、变形、破坏等演化规律具有一致性，其中峰值强度、破碎持续时间与预加静载呈线性负相关，与循环冲击频率呈对数正相关；最大应变、裂隙分形维数、碎块分形维数与预加静载呈线性正相关，与循环冲击频率呈对数负相关；不同动静叠加下岩石表面裂隙与碎块粒径分形维数演化趋势基本一致，且前者略大于后者，表明岩石表面及内部裂隙发育的同步性，相比岩石内部三维应力状态，表面更利用裂隙萌生与扩展；不同动静叠加条件下岩样破坏模式发生转变，随着预加静载的增大或冲击频率的减小，破坏模式经历“斜面剪切破坏—竖向拉伸破坏—整体爆裂破坏”的转变，且爆裂破坏位置由底部向整体扩展。为定量表征循环冲击下预加静载岩石损伤机制，结合理论分析与试验数据，建立了综合考虑静载损伤与不同峰值、频率、次数循环冲击损伤以及应变率强化效应的动静叠加损伤因子，进而开展了4组不同参数下的动静叠加试验，理论计算与试验结果对照误差率分别为0.5%、1.8%、0.6%、1.7%，误差均较小；但基于动静叠加损伤因子的理论计算强度均小于试验强度，初步分析这是由于高频循环冲击下损伤发育存在细观滞后性，循环冲击实际产生的累积损伤小于单次冲击损伤的循环次数倍，后期可开展细观测试，探索循环冲击下岩石细观损伤演化规律，进一步完善理论模型。

• 应力波作用下水平倾向液体充填岩石节理动态响应规律试验

  朱建波, 孔骥, 黄震天, 孙家鑫, 吕岸霖, 张凯, 王加英,

  地下岩体工程中，液体充填岩石节理不可避免会受到地震、爆破等动力扰动。由于液体具有流动性，不同倾向节理中的液体呈现不同空间分布状态，受应力波扰动后液体的运动状态也相异。为阐明应力波作用下水平倾向液体充填岩石节理动态响应规律，利用辉长岩切槽试样、有机玻璃管与丙三醇制备了液体充填岩石节理试样，采用类霍普金森杆试验测试系统，开展了液体充填岩石节理试样的竖向冲击加载试验，考虑了节理匹配系数(JMC)、液体体积分数与黏度3个影响因素，并从应力波透射能量与液体运动2个方面分析了液体充填岩石节理动态响应规律。试验结果表明：液体充填岩石节理JMC增大，应力波透射能量增大；随着液体体积分数增大，高幅低频应力波的透射能量单调增大，低幅高频应力波的透射能量先不变后增大；当液体体积分数为50%时，应力波透射能量随着液体黏度增大而减小，而当液体体积分数为100%时，应力波透射能量随着液体黏度增大呈现先减小后增大的趋势；节理边界处，液体运动方向垂直于水平节理面向上，节理排液能力和液体运动剧烈程度随液体黏度增大而减弱。

• 震动载荷多次作用下烟煤孔裂隙结构演化特征试验研究

  马衍坤, 黄勤豪, 孔祥国, 冯俊军, 殷志强, 王超,

  煤层开采过程中频繁采掘扰动或远场顶板周期性破断会产生多次的震动载荷，震动载荷对于煤样微观孔裂隙结构和宏观力学行为具有重要影响。为探索震动载荷下煤样孔裂隙结构演化特征，选取烟煤煤样，利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统开展了多次震动载荷冲击煤样试验，借助低场核磁共振分析仪测试了每次冲击后煤样T2谱，并通过核磁共振成像(MRI)分析了煤样孔裂隙分布及其损伤演化特征。结果表明，随着震动载荷作用次数增加，煤样峰值应力与动态弹性模量均呈现线性下降趋势，震动载荷冲击效应使得煤样承载和抵抗变形能力显著弱化，因此有必要对煤样孔裂隙演化特征展开深入分析。从T2谱和MRI信息得出，震动载荷初次作用下煤样总体孔隙体积大幅增加，其中吸附孔体积增高达5.0倍，随着震动载荷持续作用，煤样微裂隙开始连通汇聚形成宏观裂纹，使得渗流孔之间连通性大幅提高，煤样总体孔隙率达到峰值，较煤样原始孔隙率提高约6倍。在煤样受震动载荷损伤、破坏的整个过程中，渗流孔的连通性逐渐提高与改善，其分形维数呈线性下降趋势。通过核磁共振成像揭示了震动载荷对煤样孔裂隙作用机制，结果表明煤样中部区域孔隙最先发育并逐步形成微裂隙，在后续震动波反射、拉伸作用下，损伤破坏区域向两侧逐渐演变直至贯通试样。

• 充填料浆中气泡作用机理及其流变特性演变规律

  杨柳华, 李金仓, 尹升华, 焦华喆, 陈新明, 寇云鹏, 王增加, 贾恒伟,

  充填料浆是由固–液–气三相组成的悬浮体，长期以来有关充填料浆研究重点多是固–液两相的流变特性，而气相因素对于具有复杂流变特性的料浆影响却鲜有报道。气相成分可以显著降低充填浆体的屈服应力、黏度，对于改善管道输送性能、降低管道磨损等方面具有显著优越性。首先，通过控制引气剂(TTAB)掺量调节料浆含气量，并测定充填料浆表面张力、空气体积分数、流变性能等参数，探寻料浆中气泡对其流变性能的影响规律。其次，引入毛细管力(Fcay)、无量纲屈服应力( \tau _\mathrmref/\tau _\mathrmy )气泡演变模型来分析料浆内气泡演变特征，以期探明气泡对料浆流变特性的作用机理。结果表明，当充填料浆含气量较低时(<12.5%)，气相因素对悬浮体料浆流变特性影响甚微，而伴随含气量增加气泡对充填料浆流变特性的影响愈发显著。引气剂作用下气泡表面对料浆内细颗粒体产生斥力，降低了水泥、固废(尾砂)等细颗粒的吸附力，导致料浆屈服应力表现为递减趋势，其流动性呈现增强趋势。基于毛细管力(Fcay)与无量纲屈服应力( \tau _\mathrmref/\tau _\mathrmy )理论分析了充填料浆不同含气量下流变特性演变机制，当含气量增加(12.5%～27.7%)，料浆的表面张力、屈服应力降低，气泡挤压变形；高含气量下(接近28.6%)，料浆内气泡极易破裂。另外，气泡滞留充填体内部导致强度劣化，为此就气泡对充填体力学性能影响及其解决措施开展了探索，并提出了3点有效措施。通过揭示气泡对于充填料浆流变特性影响与其演变特征规律，为高泡充填减阻减磨技术发展提供理论支撑。

• 深部开采高温热液侵蚀煤自燃特性

  潘荣锟, 胡代民, 贾海林, 晁江坤, 沈何迪, 刘伟,

  深部开采过程中，矿井水温度显著高于浅部煤层，高温热液侵蚀作用影响着煤体物化特征，进而对其自然发火特性产生影响。为研究深部开采热液侵蚀作用下的煤自然发火特性及其影响机制，通过低场核磁共振、分子动力学模拟、力学测试及C600微量热实验，分析了热液侵蚀作用对煤体孔隙度、孔径分布、力学强度、氧化热特征参数的影响规律，并结合相关性分析，定量描述了各个参数间的相关度。研究结果表明：热液侵蚀煤体受热应力和溶胀作用的双重影响，内部孔隙结构发生显著变化，热液温度与煤体总孔隙度之间存在显著正相关关系，相关系数为0.97；随着热液温度的升高，煤体总孔隙度由0.24%增长至1.35%，微孔占比由69%以上降至60%以下，中孔、大孔占比增大；煤体孔隙大小显著影响着氧气的扩散系数，随着煤体孔隙宽度的线性增加，氧气扩散系数呈指数增加；受高温热液侵蚀作用影响，煤体孔隙发育以及部分有机质的溶解显著降低了煤体的力学强度，从原煤到80 ℃热液侵蚀煤体，其抗压强度均值由23 MPa降低至11.6 MPa，降低了50%；相较于原煤，热液侵蚀煤体的放热强度更高，放热量更大，TH40、TH50、TH60、TH70、TH80放热量分别增加了12.61%、16.63%、17.32%、19.36%和25.02%，热液温度与煤氧化放热量间相关系数为0.92。高温热液侵蚀作用显著影响着煤的孔隙度及氧化过程，随着热液温度升高，煤体孔隙度增大，力学强度减弱，氧化过程耗氧量及氧化速率加快，放热量增加。高温热液侵蚀煤具有更高的自燃危险性，且热液温度越高，风险越大。

• 低共熔溶剂抑制煤自燃的机理

  戚绪尧, 王涛, 张兰君, 胡杰, 辛海会, 梁忠秋,

  化学阻化是防治煤自燃的重要手段之一，提出了一种基于低共熔溶剂(DES)的类离子液体阻化方法。首先，采用加热法制备并筛选了7种室温低共熔溶剂，分析了不同DES处理后煤样的官能团及热力学特性变化规律，在此基础上采用密度泛函理论分析了DES中氢键强度对煤理化性质的改性差异，推导了低共熔溶剂的阻化机制及其最佳氢键强度。研究结果表明：DES处理后煤中氢键网络被破坏重排，脂肪烃与芳香烃相对丰度增加了10%～37%，脂肪族支链结构参数降低了9.38%～20.65%，含氧官能团(C=O和C—O)相对丰度下降了22.88%～56.94%，游离的小分子化合物和矿物质被溶出。DES处理后煤的蒸发脱附阶段质量损失和吸氧增重阶段的吸氧量减小，低温氧化阶段和热分解阶段放热量降低，减小幅度分别为8.94%～77.51%和5.40%～26.20%。氢键受体(HBD)作用点位电负性越强，与氢键供体(HBA)形成的DES团簇氢键强度越大。DES中氢键强度与煤中氢键网络破坏程度呈正相关关系，与吸氧增重阶段的吸氧量和低温氧化放热量及矿物质脱除率呈局部相关性。DES通过溶解煤中活性成分削弱煤的低温氧化强度。并通过促进氢键重排，将低热稳定性氢键转换为热稳定性更高的环状氢键四聚体和OH—N氢键，以此提高煤的断键吸热量。但过高的氢键强度将会抑制活性侧链的脱除和溶解，因此抑制煤自燃的低共熔溶剂的最佳氢键强度应控制在69.45～160.00 kJ/mol。

• 抑尘液滴对煤表面动态润湿特征模拟评估方法

  韩方伟, 彭莹莹, 张金宜, 赵月, 李建,

  在煤体表面喷洒抑尘液是涉煤工业企业常用抑尘手段，而抑尘液滴撞击煤表面的润湿过程对抑尘效果具有重要意义。为研究抑尘液滴在煤表面动态润湿过程以及进一步评估液滴润湿性能，提出了液滴撞击煤表面过程中动态润湿指标，基于CLSVOF数值模拟法研究了液滴在煤表面动态润湿过程；利用无量纲润湿长度和无量纲润湿面积评价该过程中体现的润湿性能，并得出最大无量纲润湿长度与最大无量纲润湿面积相关理论表达，同时与表面张力的润湿性评估能力进行了比较。结果表明：CLSVOF方法能够较好地模拟液滴在煤表面的撞击以及动态润湿过程，可用来评估液滴对煤的动态润湿能力。液滴滴落在煤表面上，首先展铺为圆盘状，达到最大展铺时，圆盘边缘与中心存在速度差。当速度差较小时，液滴回缩汇聚成为一个液滴；当速度差较大时，液滴出现断裂行为，形成许多微小液滴。液滴粒径越大，断裂行为越早出现、现象越明显。一旦液滴在煤表面发生破裂，无量纲润湿长度与无量纲润湿面积并不是保持着一致性变化趋势，无量纲润湿面积评估能力更佳。液滴粒径相同时，撞击煤表面的韦伯数越大，润湿能力越好；相同速度下增加粒径对液滴润湿能力影响较小。与表面张力相比，无量纲润湿长度和无量纲润湿面积具有更好的液滴润湿性评估能力，体现出在润湿剂评价、优选中的潜在应用价值。

• 密闭管道内瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘爆炸传播特性

  江丙友, 洪汉, 苏明清, 鲁昆仑, 杨炳辉, 王培龙, 丁大伟,

  为了探究密闭管道内瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘爆炸的传播特性，在自主研制的瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘爆炸试验系统内，从爆炸压力、火焰以及压力–火焰的耦合关系等方面，研究了不同瓦斯体积分数及煤尘质量浓度下瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘爆炸的爆炸压力传播特性及火焰传播特性，并利用Fluent数值模拟软件分析了煤尘的卷扬分散特征。结果表明：密闭管道内瓦斯体积分数为10%时的最大爆炸压力整体高于瓦斯体积分数为12%和8%时的最大爆炸压力。当瓦斯体积分数为10%,煤尘质量浓度为250 g/m3时，最大爆炸压力传播规律表现为在瓦斯段先升后降再升，到达煤尘段后持续上升；随着煤尘质量浓度的增加，在瓦斯段则表现为先升后降，在煤尘段依旧持续上升。当瓦斯体积分数为8%和12%时，最大爆炸压力随煤尘质量浓度增加呈上升趋势，而瓦斯体积分数为10%时则呈现下降趋势。密闭管道内火焰锋面到达时间与传播距离呈正相关，瓦斯体积分数为10%时火焰锋面到达各测点的时间短于瓦斯体积分数为12%和8%的传播时间。火焰传播速度随传播距离呈先增大后减小的趋势，当瓦斯体积分数为10%时，火焰传播速度最快。密闭管道内瓦斯爆炸卷扬沉积煤尘爆炸的爆炸压力–时间曲线会出现2次峰值。第1次峰值是由瓦斯爆炸的前驱冲击波产生，当火焰传播至煤尘段后，压力同时开始上升，且压力峰值时刻和火焰峰值时刻耦合，达到第2次压力峰值，随着火焰信号的消失，压力逐渐减小直至反应停止。密闭管道内前驱冲击波与反射波使得煤尘卷扬分散，形成“漩涡状”煤尘云，促进煤粉与爆燃波接触。当煤尘质量浓度一定时，体积分数为10%瓦斯的卷扬程度优于体积分数12%和8%瓦斯；当瓦斯体积分数一定时，煤尘卷扬程度随煤尘质量浓度的增加而递减。

• 超低阻呼吸防护用聚乳酸纳米纤维膜制备及长效过滤性能

  朱金佗, 梁琛裕, 朱桂英, 王存民, 徐欢, 王亮,

  长期暴露于大气环境中高浓度的细颗粒物(PM2.5)会对人类的长期健康效应产生消极影响，传统空气过滤材料难以兼顾高效、低阻的防护效果，且不可降解，不仅加剧全球塑料污染，还易产生更强的微塑料危害。为此，制备了一种具有空气滑移效应、自供能且可生物降解的纳米纤维膜，以保障长效、低阻呼吸防护。提出两步水热法制备平均粒径49.6 nm、易分散的BaTiO3电介质，同时利用“静电纺丝–静电喷雾”法将BTO纳米颗粒(BTO NPs)原位嵌入PLA纤维膜，利用BTO NPs的摩擦电效应和尺寸效应同步调控纤维膜的过滤效率和空气阻力。通过控制喷雾悬浮液中BTO NPs的浓度，探讨其与PLA/BTO纤维膜电活性、过滤性能和力学性能之间的关系。微观表征和性能测试结果表明：PLA/BTO纤维膜具有优异的电活性、过滤性能及力学性能。PLA/BTO纤维膜表面电势可高达5.9 kV，介电常数达1.20 F/m，平均输出电压高达12.4 V；得益于增强的空气分子滑移效应和电活性，PLA/BTO10纤维膜在显著降低空气阻力(低至20 Pa)的同时，对PM0.3过滤效率提升了7.78%～9.05%，对PM2.5过滤效率提升了2.90%～13.19%，即使在85 L/min高测试流量下仍能保证高达97.25%的PM2.5过滤效率；同时，PLA/BTO纤维膜拉伸强度增幅高达60%(拉伸强度22.5 MPa)，断裂伸长率增幅高达68%(断裂伸长率25%)，而断裂韧性最高可提升1.3倍(断裂韧性3.6 MJ/m3)。因此，提出的兼具长效、低阻过滤且可降解纤维膜在呼吸防护领域具有广阔的应用前景，也为缓解废弃口罩加剧的塑料污染现状提供了一种新思路。

• 矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统及实验研究

  许献磊, 陈令洲, 彭苏萍, 梁鹏, 赵禹深,

  煤岩界面识别技术是煤矿智能化开采的关键技术之一。基于高频雷达波探测技术可实现煤岩界面的随采高精度探测，但仍存在矿井超大采高(≥6 m)片帮垮落带来设备的安全风险及采高突变(采高≤2 m)时空间限制设备通过的问题。在前期工作基础上提出了一种矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统并进行了煤岩界面探测实验研究，主要内容包括：① 阐述矿井节点式雷达观测系统原理，根据矿井工作面实际环境设计煤岩界面识别观测系统方案及雷达传感单元安装方式；② 研究并提出节点式采集控制系统和信息交互传输设计方案，实现数据动态采集控制及存储；③ 针对节点式采集方式及煤岩界面雷达反射回波特征，研究提出了节点探测数据增强处理方法、煤岩界面识别算法，可有效的实现煤岩界面智能识别与追踪、煤层厚度及空间坐标解算。为验证该方法的可行性，采用多个中心频率为1.5 GHz的探地雷达传感单元进行物理模型验证实验，并对节点式数据采集和连续数据采集结果进行了对比分析，实验结果表明：节点式采集方法与连续采集方法均可有效识别出煤岩界面，与连续采集方法相比，本文提出的节点式探测方法可实现数据的快速动态重复性采集，单次采集时长控制在10 s以内，煤层厚度探测结果平均误差为1.07 cm，最大误差为1.47 cm，平均误差百分比为7.64%。本方法为矿井智能化开采中煤岩界面的动态高精度探测提供技术支撑。

• 矿井瞬变电磁透视探测技术响应特征研究与应用

  李毛飞, 姜志海, 刘树才, 童雪瑞, 陈尚斌, 高兆丰, 代琦,

  针对大采长/超宽工作面内部隐蔽地质异构体常规地球物理探测难的问题，揭示了对侧发射接收的瞬变电磁透视探测电磁响应机制。采用理论研究、数值模拟和实测数据分析相结合的研究方式，对瞬变电磁透视探测技术电磁场扩散特征、数据影响机制以及探测能力进行了详细研究，研究结果表明：受地空边界的影响，全空间长条形发射回线瞬态电磁场扩散与半空间电磁场扩散不同，全空间状态下感应电动势极值长期位于发射线圈中心位置，无法直接沿用地面“烟圈效应”进行处理解释；对侧发射接收的瞬变电磁透视早期数据主要受一次磁场的影响，具有较高的左右低阻异常分辨能力和探测能力，晚期数据与同侧发射接收数据产生机制相同，为发射线圈附近产生的二次场相互感应扩散形成，其分辨能力和探测能力相对较弱；相较于同侧发射接收的瞬变电磁法，对侧发射接收的瞬变电磁透视技术结合早晚期数据，可以很好的区分低阻异常体相对于发射线圈和接收点的空间位置；低阻异常体越靠近发射线圈，对侧接收的早期数据受到的影响越大，晚期数据影响时间段有所增加，但影响程度越小，越靠近接收点所在巷道，其影响特征相反，以此可以粗略判断低阻异常体沿工作面切向的位置。早晚期数据相结合的瞬变电磁透视探测技术，能更加精细地解译工作面内部及附近隐蔽突水地质异构体的空间信息。

• 煤储层酸化氧化试剂体系优选及增产效果评价

  石军太, 范倩雯, 曹运兴, 徐凤银, 黄红星, 刘高峰, 刘成, 李星浩, 曹敬添, 邓婷, 王春琦, 孙政, 李相方,

  我国煤层气资源丰富，但煤储层多为低渗致密储层，单井产量和采出率普遍较低，现有的技术手段难以支撑我国煤层气产业的快速发展，需要探索提高单井产量和采出率的手段。除了水力压裂、裸眼洞穴完井的物理改造方式，采用化学法改造原始煤储层物性也是近年研究的热点。煤储层酸化氧化技术可以避免物理增产方式造成的储层伤害，并可以促进解吸并改善渗流能力，但对于不同煤阶煤储层，适宜不同煤阶煤储层的酸化氧化试剂需要优化，以及其酸化氧化的作用效果需要评价。通过室内实验，对比分析了保德、沐爱、新疆区块煤样物性特征，包括煤阶、煤体结构、煤的宏观特征、煤质特征、孔渗参数、元素分析、矿物组成方面的区别；通过煤粉酸液前置溶蚀实验，优选出了盐酸最佳浓度，并通过Design-Expert软件设计并开展了五因素三水平的酸液优选正交实验，找出了影响溶蚀效果的敏感因素，优选出了最优的氧化剂类型，并对保德、沐爱、新疆区块煤样，分别优选出了适用于各区块煤储层的酸化氧化试剂体系；应用优选出的各区块酸化氧化试剂体系，对保德、沐爱、新疆区块煤样，分别对比分析了酸化氧化前后的孔隙度、渗透率和润湿性；最后基于沐爱区块一个典型井组，通过数值模拟预测了酸化氧化改造后的产气效果。实验表明：盐酸浓度在3~4 mol/L内，酸液溶蚀效果最好；5个实验因素的影响效果从大到小依次是浸泡时间、酸液种类、浸泡温度、煤样种类、酸液浓度；最优的氧化剂为质量分数3%的过氧化氢溶液；保德区块混合酸化氧化剂配方为10%HCl+2%CH3COOH+2%HF+3%H2O2，沐爱区块的最佳混合酸化氧化剂配方为8%HCl+ 2%CH3COOH+ 4%HF+ 3%H2O2，新疆区块的最佳混合酸化氧化剂配方为12%HCl+1%CH3COOH+1%HF+3%H2O2，煤阶越高，最优酸化氧化试剂体系中HF含量越高。酸化和氧化对煤样的孔隙度和渗透率有提升作用，2者增大规律一致，低阶煤提升效果优于高阶煤。酸化作用使煤的亲水性增强，而氧化作用使煤的亲水性大幅减弱，经优选的酸化氧化体系处理的煤样亲水性减弱。数值模拟预测表明酸化氧化方案生产10 a达到废弃条件时采出率达到了64.64%，与同一时间未进行酸化氧化方案的采出程度相比增加19.72%，增产效果显著；与未进行酸化氧化方案生产18 a达到废弃条件时采出率相比增加0.97%，但酸化氧化措施节省了8 a生产时间达到最终采出率，降低了矿场运营成本。优选出的适宜于低、中、高不同煤阶煤层气藏的酸化氧化体系，改善了目标煤储层的解吸和渗流能力，提高了单井产量和采出率。

• 鄂尔多斯盆地北部直罗组地下水地球化学特征及其指示意义

  孙魁, 范立民, 马万超, 陈建平, 彭捷, 张鹏华, 高帅, 李成, 苗彦平, 王宏科,

  煤矿水害是陕北侏罗纪煤田的主要灾害，直罗组地下水是主要突水水源之一。为研究鄂尔多斯盆地北部直罗组地下水地球化学特征及其指示意义，借助Durov图、Piper三线图、Gibbs图、Stiff图以及主成分分析等手段，深入研究直罗组地下水地球化学特征，阐释其对直罗组与上覆含水层之间水力联系及地下水径流条件的指示意义。结果表明：自西部正常基岩区至东部风化基岩区，直罗组地下水pH以及TDS、K++Na+、\rmSO_4^2 - 、Cl–质量浓度均呈现出逐渐减小的趋势。直罗组地下水水化学类型存在一定差异，西部直罗组埋藏较深区域，地下水水化学类型以SO4−Na型、SO4·Cl−Na型和HCO3·SO4−Na型为主，向东至直罗组基岩风化区，地下水类型过渡为HCO3−Ca型和HCO3−Ca·Mg型等。直罗组地下水水化学形成受岩石风化作用、交替吸附作用、脱硫酸作用以及溶滤作用的控制。氢氧同位素和水化学特征对含水层之间水力联系具有明显的指示作用，氢氧同位素、典型钻孔地下水水化学离子浓度和区域地下水水化学特征分析表明，研究区西部直罗组正常基岩地下水与洛河组、萨拉乌苏组地下水基本不存在水力联系；东部直罗组风化基岩与萨拉乌苏组地下水水力联系紧密。卤族元素Cl–对直罗组地下水径流条件指示作用明显，研究区西部直罗组正常基岩地下水径流滞缓，地下水以静储量为主；而在基岩风化区，由于直罗组风化基岩孔隙、裂隙发育，储水性和渗透性明显增强，并与第四系地下水发生了强烈的混合作用，地下水径流强度大，地下水以动储量为主。

• 论露天矿区近自然生态修复

  雷少刚, 夏嘉南, 卞正富, 程伟,

  露天矿区生态修复面临着重建生态系统自维持力低、维持成本高，尤其是修复后“采矿痕迹”明显等问题，亟待协调好人工修复与自然恢复的关系，升级发展传统生态修复模式，促进露天矿区人与自然和谐共生。在长期的理论方法研究和应用实践经验总结基础上，① 提出了露天矿区近自然生态修复的必要性及其理论内涵与技术框架。近自然矿山生态修复是参照本地自然地貌、水文、土壤、植被、景观及其演变规律，使修复后的矿业斑块达到与周边自然生态系统近似的结构与功能状态，并与周边自然地貌、水系、景观相融合的修复模式，是对传统生态修复模式的升级，逼近“采矿无痕”是其追求的理想状态。② 近自然生态修复是露天矿生态化设计的重要构成，其技术环节主要包括，参照生态系统学习、近自然地貌重塑、水文衔接与调控、矿山活土层重构、植被重建与多样性重组等。参照生态系统学习为后续各个修复环节提供修复目标与参数。近自然地貌重塑是近自然生态修复的核心与基础，包括内排土场全生命周期近自然地貌重塑、外排土场近自然地貌重塑、邻近自然问题地貌协同重塑等。水文衔接与调控要解决河道沟道的优化布局、矿区上下游水系的衔接、以蓄代排径流调控等。矿山活土层重构包括矿山土物理结构重组、微生物和养分循环过程重构等内容；植被重建与多样性重组包括近自然的植物群落与多样性配置，以及近自然的植株空间布局等。③ 实践分析表明，露天矿近自然生态修复有助于减少土壤侵蚀，提高地貌稳定性，增强重建生态系统的自维持能力，有利于实现露天矿区“采矿无痕”，促进人与自然和谐共生。

• 煤矿采动覆岩离层水害致灾因素勘查与预测评价

  乔伟, 刘梦楠, 孟祥胜, 程香港, 冯培超, 李小琴, 李文平,

  采动覆岩离层突水在我国各地矿区均较为常见且危害性较大，现有的规范中鲜有针对离层水害的具体工程地质和水文地质勘查方法。探索煤矿离层水害工程地质水文地质勘查与评价方法，能够推动我国矿井水害防治水平进一步提升。首先从煤矿采动覆岩高位离层水害孕灾机制出发，分析了离层水害从孕灾到致灾的工程地质条件，将我国现有的离层水害归纳为3种典型类型：离层动力突水、离层静水压涌突水和离层携泥砂突水。然后，确定了“水源”“通道”“力源”和“物源”为控制离层水害类型与强度的关键隐蔽致灾因素，将位于传统导水裂隙带以上，可发生离层突水的复合层位称为采动覆岩“突水离层带”，并提出了煤矿采动覆岩“突水离层带”的判别流程，划分勘查阶段，指明勘查要点。煤矿离层水害采前勘查应包括2个阶段：① 开展覆岩基本工程地质和水文地质条件勘探，评估勘探区离层水害的可能性并确定潜在“突水离层带”的层位；② 将“突水离层带”和“物源”层作为勘查目标层，开展离层水害致灾因素专项勘查，评定离层水害类型和强度。回采期间对水动力条件和覆岩裂隙演化进行探查。最后，基于离层水害致灾因素互馈演化致灾机制，建立了适用于采动覆岩离层水害的矿井区域预测综合评价模型，提出了全矿井/采区尺度的区域危险性分区、采前工作面突水位置判定及涌水量预计的煤矿采动覆岩离层水害预测评价方法。

• 煤层底板含水层区域注浆改造浆液扩散范围现场示踪试验

  郭艳, 桂和荣, 洪荒, 陈永青, 孙晓宇, 胡荣杰, 郭祥东, 赵群, 戴亚男, 余浩, 李俊, 孙亮, 高川,

  近年来，为解放底板高承压灰岩水上煤炭资源，华北煤田普遍采用地面定向钻技术，对太原组薄层灰岩进行区域性注浆加固改造(习称“底板区域治理”)，以全面封堵灰岩岩溶裂隙并阻断垂向导水通道。该技术中，与浆液扩散范围(半径)密切相关的“水平分支孔”孔间距设计问题，一直备受学界和业界的广泛关注。皖北矿区底板区域注浆工程量大，特别是深部资源开采，将有数十亿元的注浆工程，有必要查清浆液扩散范围真实数据。为此，以皖北矿区恒源煤矿为研究基地，依托Ⅱ63采区底板区域治理工程，设计并实施浆液扩散范围示踪试验，在中间的水平分支孔(Z8-7)投放荧光剂(示踪剂)，在两侧的水平分支孔(Z8-6、Z8-8)以及交叉分支检测孔(Z8JC)取岩屑样鉴别荧光水泥，以获得浆液扩散范围，进而在浆液扩散影响因素分析基础上，构建恒源煤矿底板区域注浆治理浆液扩散范围计算公式。结果表明：① 综合岩屑现场及室内鉴别结果分析，获得恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围为38.3～44.0 m，且水泥分布密集区在水平分支孔浆液扩散范围30 m以内，该区域内注浆效果最佳。② 通过现场岩屑快速鉴别与室内岩屑精准鉴别，取得的浆液扩散范围基本一致，证明了荧光示踪浆液扩散范围的有效性。③ 通过对比分析，认为在计算参数、边界约束等符合实际注浆工况条件下，浆液扩散范围理论计算和数值模拟结果，与现场示踪试验实测结果较为接近。④ 利用示踪试验过程中的压水试验及注浆参数、钻遇构造及水文地质响应等数据，考虑重力、构造、地下水径流等因素影响，借助SPSS非线性拟合软件，得到恒源煤矿Ⅱ63采区底板区域注浆浆液扩散范围计算公式。⑤ 基于恒源煤矿受注层实际地质、水文地质条件，利用拟合的浆液扩散范围计算公式得出Ⅱ63采区Z8场地浆液扩散范围为37.8～42.9 m，与浆液扩散范围示踪试验实测结果相近，计算公式可在类似条件下推广应用。本次煤矿底板区域注浆浆液扩散范围现场示踪工程试验，不仅取得了浆液扩散范围的真实数据，而且阐明了浆液扩散与多种地质、水文地质因素之间的内在联系，揭示了超深、超长定向钻注浆浆液扩散机理，构建了浆液扩散范围计算公式，为类似条件下底板区域治理工程水平分支孔孔间距的合理设计提供了参考依据。

• 湍流环境下颗粒与气泡黏附过程的数值模拟研究

  张志军, 黄旭贝,

  研究湍流环境中颗粒与气泡的黏附过程对于探究浮选微观过程具有重要意义。基于EDEM的API(应用程序编程接口)二次开发模块，建立了颗粒与气泡黏附过程相互作用的三维离散元法(DEM)模型。在Fluent软件中通过构建规则格栅以激发各向同性的湍流，并将湍流环境通过计算流体力学–离散元(CFD–DEM)加入到EDEM软件中。模拟了颗粒粒径为0.10、0.15、0.20、0.25和0.30 mm，颗粒密度为1500、2000和2500 kg/m3，球形度为0.746 ～ 0.854的不规则颗粒，和气泡直径为1.00、1.20、1.60和2.00 mm，在气泡与格栅间距离为1.00、1.50、2.00和3.00 mm的湍流环境下颗粒与气泡的黏附过程。研究了颗粒、气泡、流场各参数对于颗粒与气泡黏附过程的影响。结果发现，无论规则颗粒还是不规则颗粒在湍流环境中与气泡的黏附均存在临界脱附流速(颗粒与气泡发生脱附的最小湍流流场流速)。密度大的颗粒和粒径大的颗粒与气泡黏附的临界脱附流速更小，表明粒径和密度大的颗粒与气泡难以稳定黏附。气泡的直径越大，颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小，颗粒越难以稳定黏附。在相同的流速下，气泡与格栅间距离越小，则流场湍流强度越大，颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速越小，表明湍流强度的增加不利于颗粒与气泡的稳定黏附。球形度小的颗粒与气泡稳定黏附的临界脱附流速也较小，表明球形度小的颗粒与气泡难以稳定黏附。

• C/CO2摩尔比对CO2气氛流态化预热活化半焦特性的影响

  张海霞, 虎慧, 朱治平, 郑思奇, 齐晓宾,

  我国工业领域涉及的行业多，碳减排压力大。富氧燃烧是燃烧中碳捕集的核心工艺，将流态化富氧预热活化与工业窑炉富氧燃烧过程耦合是拓宽燃料适应性、实现工业领域燃烧中碳捕集的新途径。利用小型流化床连续给料实验系统，在1 050 ℃、CO2流化速度为0.17 m/s条件下，通过调整给料速度，考察C/CO2摩尔比(CC比)对半焦原料(RC)流态化预热活化的影响，分析煤气组分及低位热值，计算CO2还原率，表征粗颗粒活化半焦(LC)和细颗粒活化半焦(FC)的比表面积、孔隙结构和碳架结构，并利用高温管式炉热天平实验系统评价了RC和FC在1 300 ℃条件下的反应活性。结果表明：采用流态化预热活化技术实现了CO2的资源化利用，制备出富CO煤气，CC比由1增至4时，煤气中CO+H2体积分数由69.24%增至79.08%，CO体积分数最高为68.96%， CO2体积分数由29.48%降至20.13%，CO2还原率由50.37%提升至57.56%，煤气低位热值由8.69 MJ/m3增至9.83 MJ/m3，是参考文献所述工程产出煤气低位热值的1.55～1.88倍，有利于窑炉系统的着火及稳定燃烧。随CC比增加，FC和LC的比表面积先增加后减小，FC和LC的最高比表面积分别为291.21 m2/g和477.15 m2/g，分别为半焦原料的48倍和78倍；FC和LC具有丰富的微孔结构，且石墨化程度比RC降低、活性点位增加；FC和LC的微孔面积占比表面积的54.93%～68.42%；相比较而言，LC具有更高的比表面积和增量孔容积，主要是由于LC在反应器内的停留时间较长，促进了孔隙的发展，形成了大量微孔。不同CC比条件下所得FC的反应活性指数R0.5、质量平均反应速率均高于RC，表明FC具有较高的反应活性，可预测在高温气固活化态热燃料燃烧过程中，FC将实现高效转化。提出了碳基燃料流态化富氧预热活化–高温气固活化态热燃料富氧燃烧的新思路，获得了CC比对CO2气氛流态化预热活化半焦特性的影响规律，揭示了CO2作为碳和氧载体的积极作用，研究结果为流态化预热活化技术在工业窑炉富氧燃烧行业的应用提供了数据支持。

• 煤焦颗粒群异相反应特性的数值模拟研究

  张泽武, 乐笑宇, 李小姗, 邬凡, 罗聪, 张立麒,

  煤焦异相反应是煤粉燃烧区别于气体燃料燃烧或液体燃料燃烧的特征之一，其反应过程占整个煤粉燃烧时间约90%，对煤粉高效燃烧至关重要。通常情况下，煤粉颗粒以稠密相而非以稀疏相或单颗粒形式进入炉膛，颗粒间的相互作用会影响煤焦异相反应，因此，深入开展煤焦颗粒群异相反应行为研究对于煤的高效利用十分必要。采用准稳态的数值模拟方法研究煤焦颗粒群的异相反应行为，对比分析了煤焦单颗粒和煤焦颗粒群的反应特性，相比于煤焦单颗粒，煤焦颗粒群燃烧峰值温度升高约300 K，颗粒表面温度降低约100 K，碳消耗速率降低56%～65%，说明颗粒间作用影响了煤焦颗粒的燃烧反应进程。对3种典型分散形式下煤焦颗粒群燃烧反应特性进行研究，随着颗粒间距的增加，各分散形式的煤焦氧化反应占比增加0.22%～2.20%，碳消耗速率随之增大9.8%～26.1%，较大颗粒间距有利于O2分子在颗粒间的扩散，促进了氧化反应以及煤焦消耗。探究了不同反应气氛下煤焦颗粒群的燃烧反应特性，相比于空气气氛，高CO2和H2O气氛下燃烧群峰值温度增加4%～30%，颗粒表面温度升高0.5%～3.7%，其中30% O2/70% H2O工况的碳消耗速率最大，较空气气氛高80%。综合对比，各颗粒间作用、颗粒间距和反应气氛工况下3种颗粒群分散形式的煤焦燃烧碳消耗速率依次为：形式C > 形式B > 形式A(形式A：颗粒群呈正方形分散；形式B：颗粒群呈正菱形分散；形式C：颗粒群呈正三角形分散)，因此颗粒与气流之间的扰乱作用对煤焦的消耗产生不可忽视的影响。

• 褐煤基硬炭微观结构调控及其储钠特性

  邢宝林, 徐巧妙, 曾会会, 冯来宏, 张传祥, 黄光许, 韩学锋, 康伟伟, 屈笑笑, 程松,

  煤炭的多元化清洁高值利用对促进我国煤炭工业低碳可持续发展具有重要作用，而煤的材料化是提升煤炭清洁高效利用水平的重要途径之一。充分利用褐煤含芳环结构、原生孔隙发达、表面活性基团丰富等特点，通过高温炭化(1 000～1 600 ℃)处理华亭褐煤制备出褐煤基硬炭， 探究褐煤基硬炭中类石墨微晶、无定形碳与纳米孔及表面官能团等缺陷结构在高温炭化过程中的形成机制与演变规律，揭示炭化温度对煤基硬炭微观结构的影响，并通过恒电流充放电、恒电流间歇滴定及循环伏安测试等研究不同褐煤基硬炭用作钠离子电池负极材料的电化学性能，探索微观结构对负极材料电化学储钠性能的影响机制及褐煤基硬炭的电化学储钠机理。研究表明，通过调节炭化温度可实现对褐煤基硬炭中类石墨微晶、无定形碳、纳米孔、含氧/含氮官能团等缺陷结构的调控。当炭化温度为1 400 ℃时，所制褐煤基硬炭LHC-1400富含合理层间距(0.371 nm)的类石墨微晶，兼有适宜含量的无定形碳和纳米孔等缺陷结构，其比表面积为4.92 m2/g，且含有C—O、C=O、O—C=O及吡啶氮、吡咯氮、石墨氮等含氧/含氮官能团。该硬炭用作钠离子电池负极材料的可逆容量达275 mAh/g，且在0.2 A/g电流密度下可逆容量为111 mAh/g，经200次循环后容量保持率仍可达96%，展现出良好的倍率性能和循环稳定性。褐煤基硬炭优异的储钠性能与其不同微观结构所发挥的功能与作用密切相关。硬炭中合理层间距的类石墨微晶可为Na+的快速嵌入/脱出提供传输通道，以插层储钠来提供容量；硬炭中的无定形碳、开放的纳米孔和含氧/含氮等缺陷结构可为Na+存储提供足够的活性位点，以吸附储钠来贡献容量；而硬炭中少量封闭孔则可为Na+的存储提供足够的空间，以填充储钠来提供容量。褐煤基硬炭中“吸附–插层–填充”3种储钠方式相互协同，最终实现其高效的电化学储能。

• 铜改性TiO2/碳纤维膜光热协同催化H2O2脱除燃煤烟气中NO性能

  杨娟, 冷冲冲, 张鸽, 单启月, 丰之翔,

  燃煤电厂排放的烟气中含有大量氮氧化物(NOx)，太阳能驱动的光催化技术为烟气脱硝提供了近零排放的新途径，但单一光催化脱硝效率有限，为实现燃煤烟气中高浓度NO的有效脱除，亟需开发基于光催化的协同氧化脱硝技术。采用水热法并结合氢气还原处理制备了富含氧空位的TiO2纳米片(Defective TiO2，D-TiO2)后，利用液相浸渍法将铜氧化物(CuOx)负载至D-TiO2表面，制得复合样品CuOx/D-TiO2。利用透射电镜(TEM)、X-射线光电子能谱(XPS)、室温电子顺磁共振(EPR)及紫外–可见漫反射光谱等表征技术对复合催化剂的微观组成和能带结构进行测定分析，结果表明，负载的铜物种为混合价态CuOx，CuOx改性未影响D-TiO2的微观形貌，但可使D-TiO2的导带电势负移，增强光生电子的还原能力。以CuOx/D-TiO2作为活化H2O2的催化剂，在模拟太阳光照射下考察CuOx负载量对NO脱除率的影响，并以性能最佳的5% CuOx/D-TiO2为光催化剂，研究模拟烟气流速和NO初始体积分数对脱硝活性的影响。基于密度泛函理论的DFT计算结果表明，氧空位有利于NO吸附与活化，光电化学和EPR测试结果表明，复合CuOx不仅增强了D-TiO2的光生电荷分离效率，同时CuOx作为H2O2分解产生·OH的活性位点，起到了助催化剂的关键作用。自由基猝灭实验结果表明，表面·OH是NO光氧化脱除的主要活性自由基，助催化剂CuOx和氧空位的协同作用使NO脱除率由TiO2的15.1%提升至5% CuOx/D-TiO2的63.8%。同时，将5% CuOx/D-TiO2固载至改性碳纤维(MCF)表面构筑了整体式催化剂CuOx/D-TiO2/MCF，MCF载体的光热效应可将吸收的近红外光转化为热，使CuOx/D-TiO2表面产生局部温升，有效加速光电子界面传输与H2O2分解反应动力学，进一步提升NO脱除率达95.2%。此外，NO光氧化脱除的主要产物是可用于生产氮肥的\rmNO_3^ - ，副产物NO2的质量浓度仅为4.7 mg/m3，NO2与残余NO质量浓度均远低于燃煤锅炉NOx质量浓度不超过50 mg/m3的超低排放标准，且该整体式催化剂可在连续操作的工况下净化烟气中高浓度NO。基于CuOx/D-TiO2/MCF的光热协同催化体系在实际工业烟气脱硝与氮资源化利用领域具有良好的应用前景。

• 煤液化固渣萃余物的组成结构及铁催化剂活性相回收

  李导, 高山松, 王洪学, 谢晶, 程时富, 王乾浩,

  为解决大规模煤直接液化催化剂铁源供应问题，同时实现煤液化固渣萃余物的无害化分质利用，从固渣萃余物中回收铁催化剂的角度进行研究，探索采用物理磁选法进行铁催化剂富集回收的可行性。首先采用粒度分析、XRF、XRD、SEM、TG、SEM-EDX等表征手段对固渣萃余物进行全面的物化性质表征，确定铁催化剂的质量分数和存在形态。由分析可知，工业装置固渣萃余物主要由未反应煤中的炭及残炭、挥发分及灰分组成，其粒度均匀且没有团聚，其中铁元素质量分数为5.96%，铁物种仍以具有顺磁性的Fe1-xS活性相存在，被未反应煤、残余沥青掺杂、包裹，与各种元素Ca、Si、Al、O等均匀混杂分布在萃余物中。在此基础上，选用4种型式的磁选设备在不同磁场强度下进行磁选富集，并将富集后的样品作为催化剂用于煤直接液化反应，考察其直接液化反应性能。试验结果表明，湿式立环脉动高梯度磁选机一方面将所产生的高梯度磁场力作用于磁性催化剂细粉，同时脉动流体力在一定程度上消除了非磁性颗粒的机械夹杂。在清水作为分散介质及洗涤介质下，更有效地实现了固渣萃余物中铁催化剂细粉的精细分离。在640 000 A/m外加磁场强度下，含铁催化剂物料富集率为10.48%，铁元素质量分数可达11.37%，高压釜萃取油产率为41.96%，与无催化剂时相比高7.17%，比固渣萃余物提高8.99%，可掺混至新鲜催化剂中实现有效回用，部分解决催化剂铁源短缺的问题。

• 面向多人–多机复杂协作任务的煤矿XR智能运维系统

  王学文, 刘曙光, 王雪松, 谢嘉成, 刘京铨, 王禧龙,

  随着煤矿智能化的发展与煤矿机器人的研发应用，煤矿操作员与煤矿机器人之间的高效协作对于井下复杂任务起到至关重要的作用。为优化多工种煤矿操作员与多机器人协作的复杂运行关系，基于数字孪生理念与在XR领域的长期实践，开展面向多人–多机复杂协作任务的煤矿XR智能运维系统设计与关键技术研究。首先，针对复杂任务中2类煤矿操作员(包括集控操作员与就地操作员)与2类煤矿机器人(包括探测机器人与作业机器人)协作的典型场景，设计了系统总体架构，将系统划分为物理子系统、VR运维子系统与AR运维子系统3部分，并对各部分的内容、功能以及3部分之间的协同运行关系进行介绍；然后，对系统涉及的VR运维子系统构建、AR运维子系统构建以及通讯网络构建等关键技术进行剖析，对各关键技术对应的解决方案进行了探讨，并实现了2类煤矿操作员、2类煤矿机器人与VR/AR运维子系统的集成运行；最后，在实验室环境下模拟井下复杂环境搭建了试验场地，在试验场地中设定了任务点与具体任务，对系统的可行性与有效性进行测试验证。试验结果表明，煤矿XR智能运维系统能够在不同复杂任务对应的多人–多机协作情形中发挥作用。通过VR运维子系统与AR运维子系统的协同运行，可实现虚拟空间和物理空间的协同感知、决策与控制，能够在虚拟空间中对物理空间的复杂任务进行迭代、优化和验算，形成了人–人、人–机、机–机交互协作的智能运行模式。

• 超长柔性悬挂固体充填刮板输送机异常工况表征及自主调控方法

  张强, 张吉雄, 宗庭成, 金子山, 韩雨, 杨康, 张斌, 傅瑞华,

  固体充填刮板输送机是固体充填开采技术的关键装备，其高效智能化的程度制约着固体智能充填开采技术的进步，暂难突破超大采长、大功率、高可靠性的瓶颈，运行状态受地质条件、充填工艺等主控因素影响显著，异常工况自主调控问题亟待解决。总结了固体充填刮板输送机特征；构建了固体充填刮板输送机位姿形态与运输状态表征方法；通过分析异常工况的形成机理，选取异常工况判别指标，结合位姿与运输状态表征方法，给出了其空间位姿、牵引状态等异常工况判别准则与典型异常工况的调控路径，揭示了多工况状态下固体充填刮板输送机运载调控机制，提出了实时调控充填材料运输量、直线及水平程度组合的异常工况自主调控方法。全国首个260 m工作面长固体充填工程案例表明：通过异常工况自主调控，平均最大水平偏移距每减少100 mm，刮板链牵引力可减少85 kN，输送功率损耗可减少55 kW；平均最大垂直偏移距每减小100 mm时，输送功率损耗可减少7.2 kW；单位长度货载运量每减少100 kN/m，刮板链牵引力可减少31.9 kN，输送功率损耗可减少38.2 kW。所提出的异常工况自主调控方法可显著提升固体充填刮板输送机的输送效能，可助力实现固体智能充填开采。

• 基于平行感知卸载区边缘工程结构规范性检测

  杨健健, 佟艺博, 王凯帆, 刘晋腾, 张玉增, 徐钟馗,

  当前露天矿无人驾驶技术在卸载阶段面临的主要挑战是安全隐患，尤其是在卸载区边缘工程结构的稳定性与规范性检测方面。为应对这一挑战，提出了一种平行感知理论驱动的点云模型解析AC-VIT算法，旨在实时稳定地检测露天煤矿卸载区边缘工程结构的稳定性与规范性。首先使用无人矿卡后向激光雷达扫描得到三维点云数据，随后应用网格平均方法、统计滤波法以及映射离散网格模型对点云数据进行处理，进而通过高度场梯度特征提取进行初步地形标记，并结合改进的AC-VIT神经网络进行规范性的识别与分类，AC-VIT模型通过全基于自注意力机制的平行计算和多层级的注意力机制，能有效捕捉长距离依赖关系。此外，在人工场景仿真环境中，基于内蒙古哈尔乌素露天煤矿实际生产作业环境搭建卸载区平行仿真环境，以获得大量多样性人工场景数据，在此基础上结合实际场景数据，利用提出的算法平行执行，进行平行感知计算实验的设计和实施，完成有效的检测算法训练和科学评估。实验结果表明，平行感知理论驱动的点云模型解析AC-VIT算法在准确率方面达到了98%，较传统神经网络模型的准确率与效率有所提高。此外，AC-VIT算法的成功应用不仅增强了露天矿卸载作业的智能化水平，还为其他类似的工程结构安全检测提供了有力的技术支撑。

• 一种基于暗亮通道分割融合的低照度环境图像去尘雾及增强方法

  樊红卫, 张超, 曹现刚, 刘金鹏, 张旭辉, 赵寒,

  受煤矿井下粉尘、水雾和低照度环境影响，对皮带运输系统的监测图像精准识别极为困难。针对现有去尘雾方法的图像处理结果和效率欠佳的问题，提出一种基于暗亮通道分割融合的低照度环境图像去尘雾及增强方法。首先利用阈值分割结合伽马变换修正通道差，解决因低照度环境影响导致的尘雾浓度较大区域与其他区域间像素值差异不明显的问题，修正后通过引导尘雾图像做引导滤波得到更加符合实际情况的全局大气光强；然后为解决暗通道先验在尘雾浓度较大区域失效问题，引入亮通道先验进行补充，使用通道分量来辅助暗通道及亮通道透射率融合，避免因多次分割而导致的边缘像素归属问题；最后将去雾后RGB图像转至HSV空间，对亮度分量进行直方图均衡化并将均衡化前后的亮度分量进行加权融合，采用客观指标评价，选择最优聚合权值进行聚合，同时考虑去雾过程中饱和度损失和亮度分量与饱和度分量间的相关性提出饱和度自适应矫正函数，对图像饱和度进行矫正，色调分量保持不变，随后将图像转回至RGB空间，得到亮度适中、信息保留丰富和色彩鲜艳的图像；为验证所提方法的有效性，采用主观视觉、客观指标和目标检测精度及置信度进行算法对比，实验结果表明所提方法在上述4个指标上均优于被对比算法，其图像细节保留丰富，图像视觉观感更佳。

• 基于IMU-LiDAR紧耦合的煤矿防冲钻孔机器人定位导航方法

  司垒, 王忠宾, 魏东, 顾进恒, 闫海峰, 谭超, 朱远胜,

  防冲钻孔机器人是冲击地压矿井卸压的关键设备，其在复杂卸压巷道的精确地图构建和的稳定导航是实现钻孔作业智能化的基础和前提。在分析激光雷达点云畸变成因和同步定位与地图构建(SLAM)算法缺陷的基础上，设计了基于惯性测量单元(IMU)连续时间轨迹的点云畸变矫正方法，建立了激光雷达和IMU的数据融合模型，提出了基于IMU-LiDAR紧耦合的防冲钻孔机器人定位建图方法。根据煤矿卸压巷道特点建立了密闭坡道模型，开展了建图效果仿真分析，结果表明，所提算法在定位精度、轨迹误差方面均优于现有常用算法。在此基础上，设计了基于改进人工势场法和快速扩展随机树的动态路径规划方法，建立了适用于防冲钻孔机器人的路径规划与导航融合方案，并设计了2种仿真运动场景，结果表明，所提路径规划方法在全局路径规划和动态路径规划的平均路径长度、平均运行时间、平均生成节点数等方面均具有较好的综合性能。为了进一步验证防冲钻孔机器人定位导航方法的实用性，在校内模拟巷道、地面实验基地和井下卸压巷道等场景下开展了多组对比实验，结果表明：将IMU数据与LiDAR数据紧耦合后，所提方法的定位建图精度明显提高，在特征退化场景中具有优越的定位建图性能，且规划路径的运算效率和路径代价方面均具有良好的表现，验证了所提定位导航方法在多种场景中的可行性和优越性。