煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第5期

• 弹–塑性基础边界两侧采空(留煤柱)基本顶板结构初次破断特征

  陈冬冬, 李子健, 谢生荣, 何富连, 罗昱, 蒋再胜, 马翔, 李辉,

  为了研究两侧采空留煤柱工程条件下基本顶板结构的断裂位态及工程指导意义，构建考虑实体煤弹塑性变形与两侧煤柱宽度及支撑能力弱化的基本顶板结构双塑化基础边界力学模型，基于有限差分算法与主弯矩破断准则系统计算了在非对称煤柱区和长边实体煤区的断裂线形态、区位属性及整体位态特征，并从7个层面、横纵向4对区域与传统模型对比，阐明新模型所得新结论及工程意义。结论如下：① 两侧非对称煤柱参数对长边实体煤区域的基本顶主弯矩及破断位置影响小，但分别显著影响煤柱区的主弯矩大小、位置及断裂形态。两侧煤柱区(较强/宽煤柱区+较弱/窄煤柱区)基本顶断裂线形态有3类演化模式，随基本顶厚度及弹模增大而煤柱宽度、支撑能力及悬顶跨度减小，其变化规律为：非对称的“连续单弧形+连续单弧形”→“连续单弧形+开口间断双短弧形”→非对称的“开口间断双短弧形+开口间断双短弧形”。② 长边实体煤区基本顶的断裂线主要有3类区位属性，随基本顶厚度及弹模增大而实体煤的塑性区宽度、塑化程度及悬顶跨度减小，其演变规律为：断裂线在塑性煤体区(C-S式)→弹塑性煤体分界区(C-TS式)→弹性煤体区(C-T式)；③ 考虑断裂线区位属性，随基本顶厚度和弹模增大而煤柱宽度、支撑能力及悬顶跨度减小的基本顶全区域破断模式及演变规律为：C-S式的→ C-TS式的→ C-T式的→ C-T式的→ C-T式的。针对研究两侧采空(煤柱)基本顶板结构破断的3类力学模型，从7个层面对比了3类模型的重要区别，从横向4个区域(开采区域的前方与后方、两侧煤柱区)与纵向4个区域(非对称遗留煤柱下伏、下伏开采空间出/进煤柱/体)阐明了其重要工程作用。

• 采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

  姚邦华, 李硕, 杜锋, 李振华, 张勃阳, 曹正正, 王戈,

  随着我国煤矿开采向深部延伸，断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果，笔者提出了采动岩体损伤破裂–破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型，推导了2种介质的渗透性演化方程，系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型；数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征，系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明：① 随着工作面不断推进，底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通，形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径，并随着冲蚀时间增加，最终发展成为数条优势导水通道，造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。② 随着渗流时间增加，断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定3个阶段，冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③ 在研究矿区地质条件下，为预防发生断层突水，可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法，超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前，若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

• 锚网–围岩接触面注浆充填预应力施加技术

  原贵阳, 高富强, 王涛, 李建忠, 王晓卿,

  针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题，开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法，阐述了网后注浆技术原理；其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验，分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律；最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验，得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值，验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明：① 金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素，围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段；② 在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加，面应力变化趋势主要分为：初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段；③ 网后注浆过程中，面应力变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关，面应力上升过程中，注浆压力、金属网变形量也随之升高；④ 网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度，面应力上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势，受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术，为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

• 基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律

  冯国瑞, 樊一江, 王朋飞, 郭军, 高瑞, 文晓泽, 张鹏飞, 朱林俊, 钱瑞鹏, 张洁,

  水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段，更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律，针对实验室常用的类岩石试件，利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM，建立了二维水力压裂数值模型，开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响，揭示了模型起裂机理，从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律，并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。结果表明：① 注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大，其增长趋势不断变缓，并逐渐趋近于5.6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小，其减小趋势同样逐渐减缓。② 累计裂隙数目随时间呈指数型增长，将水力压裂过程分为4个阶段(Ⅰ～Ⅳ)：无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段，分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大，第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小，第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多，第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。③ 随注液压力增量变大，次级裂缝数目由8条增至16条，裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢，进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由0.03 MPa增大至0.70 MPa，裂缝最终长度增大1.79倍。④ 模型内部能量随注液压力增量的变大而增加，且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后，高压水在裂缝尖端形成应力集中，促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下，裂缝扩展速度变快，颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近，对主裂缝的形成及扩展起抑制作用，而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用，裂隙类型均为张拉裂隙。

• 基于深度学习的轻量化炮孔智能检测方法

  岳中文, 金庆雨, 潘杉, 颜文婧, 覃逸峰, 陈震,

  在隧道(巷道)钻爆法施工过程中，智能装药可以取代人工作业，减少装药作业中危险事故的发生。然而，隧道中光线条件差、炮孔目标小和掌子面裂隙等因素会造成智能装药时炮孔的错检和漏检，同时车载计算机有限的算力也是制约炮孔识别大模型使用的难点。MCIW-2深度学习模型，可以解决在隧道掘进作业环境中的高精度炮孔检测和实时性部署问题。模型根据采集到的炮孔图像尺寸特征采取自适应锚框聚类算法优化检测框的长宽比尺寸参数；采用了具有动态非单调聚焦机制的损失函数WIoU(Wise Intersection over Union)，通过优化边框回归的损失应对低质量炮孔图片的挑战实现了高精度检测；采用了MobileNetv3-Small网络与CBAM(Convolutional Block Attention Module)注意力机制构建了主干网络结构，减少了模型参数保证了检测准确率，满足车载设备的轻量化部署需求。经实验证明，MCIW-2模型在炮孔识别精确率方面达到了96.18%，检测速度达到了59 fps。与基准YOLO(You Only Look Once)系列目标检测模型文件最小的模型相比，所构建的轻量化炮孔智能检测模型减小了75.86%，模型文件仅为2.80 Mb，优于YOLO系列的基准目标检测模型。使用MCIW-2深度学习模型对工作面现场视频进行测试，实现了快速、精确地检测炮孔，测试结果表明，该模型适用于智能装药工程的轻量化部署需求，具有良好的适应性，在综合性能方面具有显著优势。

• 钻孔剪切力学参数表征修正方法及其实验研究

  张玉江, 郝武帅, 冯国瑞, 崔炳渊, 王千, 王怡宁, 朱德福, 袁红辉, 吴祥业,

  钻孔剪切法是现场快速实测岩石抗剪强度的重要方法，但因测量误差较大导致其应用受限。通过对钻孔剪切原理及研究成果分析，发现了不完全剪切是岩石钻孔剪切试验误差大的原因，提出了基于压、剪不等面积的钻孔剪切法修正方法。设计实验装置开展钻孔剪切模拟试验，研究了不同剪切板参数下砂岩剪切力学参数表征规律，证明了所提方法的有效性和修正效果，最后通过文献数据验证了该方法的适用性。具体结果如下：① 岩石钻孔剪切试验误差大的根本原因是受压面积和剪切面积选取失真且不相等，实际剪切破坏面积小于剪切齿齿间面积，且不同剪切齿长度情况下修正受压面积和剪切面积均随法向力的增大线性增大。基于剪切齿参数、受压面积和剪切面积的关系式，提出了钻孔剪切法修正方法。② 岩石钻孔剪切的剪应力–剪切位移曲线可分为压密阶段、似弹性变形阶段、塑性变形阶段和峰后阶段。随法向力增大，不同剪切板参数下正应力、剪应力和剪切刚度均增大，达到剪应力峰值时的位移减小。钻孔剪切参数与剪切力学参数表征值之间存在明显规律。随剪切齿齿长的增加，黏聚力线性增大，内摩擦角呈二次函数增大。随剪切板面积的增加，黏聚力线性增大，内摩擦角呈二次函数减小。③ 剪切齿齿长和剪切板面积增大可在一定程度上减少测量偏差。剪切齿齿长从1.0 mm增大到2.5 mm，黏聚力和内摩擦角测量值的总偏差从62.96%降低到19.91%，总修正提升值从30.8%提高到74.1%；剪切板面积从400 mm2增大到520 mm2，黏聚力和内摩擦角测量值的总偏差从64.07%降低到37.69%，总修正提升值从39.56%提高到56.05%。实验和文献数据验证均表明，本修正方法可以使钻孔剪切法测得的黏聚力和内摩擦角准确度分别提升约50%和6%。

• 基于液电效应的高压电脉冲岩体致裂特征及机理

  郭军, 米鑫程, 冯国瑞, 白锦文, 文晓泽, 朱林俊, 王子, 皇文博,

  基于液电效应的高压电脉冲致裂技术是一种新型的岩体致裂技术，具有安全高效、绿色环保、能量可控等特点，在煤矿井下围岩应力调控方面拥有广阔的应用前景。由于井下岩体往往处在较为复杂的应力环境，为深入研究该技术在井下不同围岩应力环境下对坚硬岩体的致裂效果，通过LS-DYNA软件对基于RHT损伤本构模型建立的岩石试样进行高压电脉冲岩体致裂数值模拟试验，对岩体内部的损伤和有效应力演化过程进行采集，分析岩体的致裂特征及其裂缝扩展机理，通过数值模拟弥补在室内试验中因放电过程快、电磁干扰大而导致的致裂过程中岩体内部难以有效监测的问题。利用自主研发的高压电脉冲岩体致裂试验平台，开展了不同围岩应力条件下的高压电脉冲岩体致裂试验，通过获得的岩体表面破裂特征验证数值模拟结果的可靠性。获得以下结论：① 基于RHT本构模型建立了LS-DYNA高压电脉冲岩体致裂数值模型，根据炸药爆破与高压电脉冲的能量等效关系，构建了高压电脉冲数值模拟等效参数。通过实验室试验与数值模拟结果进行对比，验证了数值模型与等效参数的可靠性；② 对试样上表面裂纹扩展情况进行分析，发现裂纹会向最大压初始应力方向偏转。在此过程中，裂纹总长度先是逐渐减小。当所有裂纹与最大初始压应力夹角均小于45°时，裂纹总长度开始逐渐增大；③ 通过数值模拟，发现在致裂初期，高压电脉冲放电产生的动态应力远大于围岩应力，对试样的破坏起主导作用。随着动态应力在传播过程中的快速衰减，初始围岩应力与动态应力的大小逐渐接近，并最终由初始围岩应力主导裂纹的萌生与扩展。研究结果表明，围岩应力是决定岩体裂缝发育和扩展特征的重要因素，特别是对裂缝的扩展方向有显著影响，在采用高压电脉冲致裂技术对深部岩体进行致裂时，应考虑岩体所处应力状态，科学制定致裂方案，以实现对岩体的高效致裂。

• 冲击荷载下加卸载效应对冲击性岩石力学特性的影响

  陈见行, 曾班全, 张俊文,

  为研究矿井基本顶周期来压对冲击性矿柱动力学特性的影响，采用一维动静组合加载SHPB实验装置对循环加卸载预处理过的冲击性砂岩开展动态冲击实验，实验中预先设置3种不同的轴向循环阈值：6、12、18 MPa，然后进行不同冲击气压条件下的动态压缩实验。探讨了不同循环阈值和冲击气压下冲击性砂岩动态力学响应特性、能量演化规律及碎块分布特征。研究结果表明：岩样动态应力–应变曲线整体划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。动态应力–应变曲线起始阶段近似直线，不存在静态单轴压缩中的裂隙压密阶段。平均动态抗压强度、平均动态弹性模量和平均动态变形模量随循环阈值增大先增大后减小；而平均动态峰值应变随循环阈值增大先减小后增大。临界阈值处岩样平均动态抗压强度、平均动态弹性模量和平均动态变形模量最大，平均动态峰值应变最小。反射能和耗散能密度随循环阈值增大先减小后增大；而透射能随循环阈值增大先增大后减小。临界阈值处岩样反射能和耗散能密度最小，透射能最大。冲击荷载下岩样呈4种破坏形态：粉碎破坏、岩块碎裂、岩块侧面剥落脱离、岩块劈裂。各冲击气压下岩样分形维数随循环阈值增大先减小后增大，随耗散能密度增加呈非线性增长。冲击性岩石致密性越好，冲击破坏时剧烈程度越弱，碎块块度越大，耗散能密度越小，分形维数越小。研究结果表明矿井基本顶周期来压小于冲击性矿柱损伤门槛值时，周期来压可提高岩层密实性，进而影响动态冲击时的破坏程度。

• 煤中原生活性位点的水–气掩蔽效应及脱附后煤体的常温氧化

  李金虎, 徐天硕, 陆伟, 赵兴国, 何启林, 李金亮, 卓辉,

  煤的常温氧化为煤炭自燃提供初始热量来源，探究煤中可与氧气常温条件下发生氧化反应的原生活性物质是煤自燃理论研究的难题。此前进行的受热分解实验发现，热解煤中含有能在惰性气体中稳定存在并与氧气发生常温氧化的活性位点，因此推测煤中同样可能存在惰性介质下被迫封存的原生活性位点。为进行煤中原生活性位点的探寻，运用真空干燥技术，使原煤中能够在高负压的低温环境下完成水分的蒸发和气体的脱除。同时借助循环氧化在线监测技术，设计实施不同因素(煤种、脱附温度、氧化温度、粒径)条件下脱附后煤样的常温氧化实验，并结合相应的低温氮吸附、XPS、ESR实验分析反应机理。循环条件下的常温氧化实验表明，真空脱附后的煤体在常温氧化过程中会形成大量的CO和CO2等气体氧化产物，且气体在通入氧气后很快出现并不断积累，证明煤在常温下即可发生氧化反应。原生煤体脱附后的常温氧化实验说明原始煤体中存在大量受水–气掩蔽影响的活性位点，而负压脱附水分和气体后会导致活性位点的大量暴露并形成有利于氧气输运和反应的通道，从而迅速发生氧化反应。因此实验找到了导致原生煤体自发氧化的活性结构，实验将活性位点的常温氧化观点从受热分解的特殊状态扩展到一般状态。由气体产物生成规律对比可知，不易被孔隙吸附的CO会在原生活性位点与氧气接触瞬间迅速产生，据此得到CO相较于CO2而言更适合作为活性位点浓度的直观气体评价指标。煤体原生活性位点的常温氧化有助于煤炭自燃机理的揭示，为高瓦斯矿井瓦斯抽采自燃及低阶煤井下CO超限问题提供解决思路。

• 矿井通风参数缺失数据插补方法

  倪景峰, 刘雪峰, 邓立军,

  矿井智能通风系统对矿山智能化建设至关重要。为解决矿井通风参数在实际测量时，因为巷道不具备测试条件、仪器信号受到干扰、巷道断面风速不均一、人工操作不当等制约性因素，造成的矿井通风参数数据缺失问题，提出了1种基于随机森林–链式方程多重插补法的矿井通风参数缺失数据插补方法。采用链式方程多重插补法，通过迭代对每个缺失的属性值产生n个插补值，从而产生n个完整数据集，对n个完整数据集进行分析优化得到1个最终的完整数据集。为了提高缺失值插补精度，合理考虑了矿井通风参数缺失数据的不确定性对分析过程的影响，在随机森林的预测任务中，结合预测均值匹配模型对缺失数据进行插补。以潞新二矿为实验对象，利用智能矿井通风仿真系统IMVS对潞新二矿矿井通风参数原始数据集进行数据预处理，得到完整、准确的矿井通风参数完整数据集，对完整数据集分别进行了不同缺失属性、不同数据缺失率、不同迭代次数的对比试验。以多种模型评价指标对模型有效性进行评估。结果表明：基于随机森林的链式方程多重插补模型插补形成的完整数据集与原始数据集具有很好的相似性；对不同缺失列进行插补实验的结果显示插补模型可以轻松处理混合类型的数据，自主学习参数之间的相关性从而降低了插补复杂性；迭代后形成的n个数据集通过分析合并成一个最终数据集，提高了插补准确率；对初始插补后的完整数据集进行不同迭代次数的试验，发现迭代超过一定次数后，数据相关性一定会收敛。

• 煤层层理对微波破煤增透效果的影响

  朱健, 胡国忠, 许家林, 杨南, 王同辉, 王宏图, 秦伟,

  层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中，煤层层理与煤基质之间的相对力学性能是决定层理发育煤层微波增透效果的关键。为此，采用自主研制的微波辐射试验装置，对层理面与加载方向之间夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开展了微波破煤试验，探究了不同层理方向煤样微观孔隙结构与细观裂隙的演化特征，揭示了微波辐射下层理对煤体孔裂隙结构的数量、尺度与连通性的影响规律；对比分析了微波辐射前、后不同层理方向煤体的气体渗透特性，阐明了煤体在煤层层理与微波破煤叠加影响下的渗透率变化规律，揭示了煤层层理对微波破煤增透的影响机制。结果表明：① 煤层层理对微波破煤增透效果的影响显著，层理面与加载方向之间夹角越大，微波辐射下煤体的束缚孔减少幅度与连通性裂隙增长幅度也更大；与原煤样相比，微波辐射后不同层理方向煤样渗透率之间的数量级差异有效减小，渗透率各向异性弱化明显。② 微波辐射下煤体中细观裂隙发育具有显著的层理效应，具体演化过程为：沿层理面原生裂隙扩展→新的沿层理面裂隙萌生→与层理面相交的裂隙扩展。③ 煤基质与层理面的介电损耗和传热性质差异，使得微波对煤体的热应力分布受制于层理面。当层理面与加载方向垂直或平行时，煤体以张拉破坏为主；当层理面与加载方向斜交时，煤体以剪切滑移破坏为主。

• 煤粉侵入对支撑裂缝渗透率的动态影响规律

  张惜图, 胡胜勇, 武玺, 李国富, 冯国瑞, 王艳峰, 陈召英,

  煤粉侵入煤层水力压裂支撑裂缝容易导致裂缝堵塞，造成支撑裂缝导流能力和煤储层渗透率降低，进而严重影响煤层气井的稳定排采及产量。分别建立煤层气井停井前与重启后煤粉侵入支撑裂缝渗透率动态演化模型，并利用煤岩导流性能测试系统进行煤粉连续流动与间歇流动条件下的煤粉侵入支撑裂缝实验，验证了模型的正确性，研究了煤层气井停井与排采流速对支撑裂缝渗透率时空演化的影响规律。研究表明：随煤粉运移时间增加，支撑裂缝渗透率骤降后缓慢衰减，且沿煤粉运移方向，支撑裂缝内部空间孔隙损失率逐渐降低，裂缝内部渗透率沿煤粉运移方向逐渐升高。随煤粉持续侵入支撑裂缝，煤层气井关井重启后支撑裂缝孔隙损失率较停井前孔隙损失率更大，渗透率不能恢复至停井前。排采流速越慢，煤粉侵入支撑裂缝渗透率衰减速度越慢，渗透率越高，支撑裂缝渗透率受煤粉侵入影响在低排采流速下对流速变化更为敏感，缓慢排采流速下停井对支撑裂缝渗透率伤害更低。煤粉沉积系数越大，煤粉侵入过程中支撑裂缝近端渗透率越小，远端渗透率越大，而弥散系数越大，支撑裂缝远端渗透率越小，裂缝近端渗透率受弥散系数影响极小，煤层气井停井对支撑裂缝近端渗透率伤害更严重。煤粉侵入过程中支撑裂缝近端渗透率衰减速度更快，裂缝远端渗透率衰减速度更缓慢，沉积系数变化对支撑裂缝近端渗透率影响显著，而弥散系数变化对支撑裂缝远端渗透率影响更显著。

• 过渡金属离子促进煤自燃机理的量子化学计算

  王福生, 孙玮, 张渝, 张朝阳, 高东, 卓建坤,

  为研究低温氧化条件下典型过渡金属离子对煤自燃的影响，对褐煤(HM)、气煤(QM)、肥煤(FM)进行过渡金属离子的测定，选取过渡金属离子中含量较多且氧化性较强的Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)为研究对象。采用量子化学计算方法，分析了电荷分布、前线轨道和拉普拉斯键级，证明了活性位点的存在。探究了有无过渡金属离子情况下，Ar—CH2—CH3到Ar—CO—CH3的2种反应历程进行模型优化、过渡态计算和IRC验证，得到热力学相关参数。计算结果表明，无过渡金属离子参与的反应决速步的活化能垒为164.18 kJ/mol，有过渡金属离子反应决速步活化能垒为158.72 kJ/mol，过渡金属离子对总反应速度影响效果不显著。Fe(Ⅲ)、Mn(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)参与下，反应的总放热量分别为1535.52、1834.97、365.93 kJ/mol，其数值均大于氧气分子氧化脂肪烃所放出的热量(319.93 kJ/mol)，氧化脂肪烃中C—H的自由能垒分别为42.79、4.30、117.29 kJ/mol，其值都小于氧气分子氧化C—H反应的活化能值(146.38 kJ/mol)，过渡金属离子对C—H氧化能力从高到低的顺序为Mn(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)和Cu(Ⅱ)，反应过程中伴随着·OH和H+的生成，在后续反应中，会进一步与煤结构发生反应，加快煤自燃过程；为验证模拟结果的准确性，采用程序升温气相色谱联用仪对4种不同煤样的CO气体产物出现的时间和体积分数进行测定，发现4种煤样出现CO气体产物的温度点相近，添加锰离子的煤样在90 ℃时产生了CO，其余3种煤样在100 ℃出现CO气体产物，CO气体产物体积分数从大到小的顺序为Mn(Ⅲ)、Fe(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)和原煤样，这与计算得到的结果相一致，随着温度的升高，Mn(Ⅲ)对于提高CO生成速率效果逐渐减弱，铁离子和铜离子催化煤自燃效果逐渐显著，实验结果与模拟结果具有一定的相关性，相比于氧气分子，煤中过渡金属离子更容易与C—H发生氧化反应，不仅使自由基链式反应更早发生，还增加了反应的放热量和·OH和H+的生成量，从而促进煤自燃。

• 首山一矿深部地应力分布规律及影响因素

  郭德勇, 揣筱升, 张铁岗, 郭明生,

  为探讨平顶山首山一矿深部地应力分布规律及其影响因素，基于矿井实测地应力数据，运用构造物理学、岩石力学和数值模拟方法，研究了测点地应力类型、大小和方向分布规律，反演了地应力场分布特征，分析了埋深、岩性和地质构造对地应力的影响，确定了影响地应力分布的主控因素。研究表明：多元回归反演分析法获得的地应力计算值与实测值吻合，相对误差小于20%，结果可靠。矿井煤岩体处于三维压应力状态，煤层主应力关系为SH > SV > Sh，地应力由矿井北部向南部呈现先增大后减小再增大的变化趋势，地应力为28～44 MPa，属于高应力水平，地应力方向为NEE向。埋深影响地应力大小和类型，随埋深增加主应力增大，应力场类型向准静水压力场过渡；岩性与地应力密切相关，从泥岩到砂岩或灰岩，地应力增大，弹性模量越大地应力越大，地层岩性的差异造成地应力大小离散分布、应力方向偏转角不超过10°；矿井地应力与埋深、弹性模量的关系可表示为σH=0.0350H+0.4681E–8.5513。地质构造是影响首山一矿地应力分布的主控因素，褶皱形态控制地应力的水平应力分布，向斜内弧应力值大于背斜内弧，且褶皱弯曲程度越大，其内弧地应力越大，应力梯度越大；断层带内应力降低、断层尖灭端应力集中，地应力方向沿着断层走向偏转，与断层走向夹角越大，应力方向偏转角越大；断层切割复式褶皱时，断层与向斜构造组合区应力值大于断层与背斜构造组合区，且断褶构造组合造成地应力方向分布紊乱。

• 鄂尔多斯盆地神府区块深部煤层气体积压裂实践与认识

  安琦, 杨帆, 杨睿月, 黄中伟, 李根生, 公衍瑾, 于伟,

  鄂尔多斯盆地东缘神府深煤层大气田探明地质储量超千亿方，实现该地区深部煤层气高效开发对保障国家能源供应具有重要意义。但是，由于深煤层地质环境复杂，具有高地应力、中高温度、特低渗透、强非均质性、割理/裂隙发育等特点，导致现有中浅煤层压裂改造技术难以完全适用于深煤层，其施工规模与参数仍处于探索阶段。为了探究与深煤层地质条件相适应的增产改造技术，以鄂尔多斯盆地神府区块为地质背景，以深煤层大规模体积压裂为工程实践，围绕“极限动用+均衡扩展+有效支撑”的设计理念，提出“少段多簇适度密切割+等孔径深穿透限流射孔+复合液造缝(高黏液体破岩+低黏液体造复杂缝)+大排量高强度加砂+前置酸液降低破裂压力+多粒径组合支撑剂”为核心的体积压裂技术，并引入地质–工程–智能一体化压后评估方法，通过压裂–产能双重智能拟合校正，精细刻画了储层改造体积(SRV)和气体泄流体积(DRV)，预测了不同压裂规模及井型条件下的最终可采储量EUR。最后，通过统计神府区块深煤层压裂井地质、工程和产量特征数据，采用随机森林算法量化分析了影响深部煤层气产能的主控因素。实践结果表明：采用上述大规模体积压裂技术，已投产的直/定向井最高日产气量超过1×104 m3，水平井最高日产气量超过2×104 m3，说明深煤层可压性良好、开发潜力巨大；深部煤层气峰值产气量的主要影响因素为：煤层含气量、煤层厚度和加砂强度；累积产气量的主要影响因素为：煤层含气量、加砂强度和总砂量。

• 整合压汞、N2和CO2吸附的中–高阶煤多重分形特征

  张苗, 刘钦节, 王兴阵, 董志勇,

  煤储层孔隙结构多重分形特征控制着煤层气的运移和可持续产出，直接决定了煤层气的开采效率，对煤层气开采具有重要意义。为了研究中–高阶煤孔隙结构多重分形特征及其在煤化作用过程中的演化趋势，针对取自沁水煤田生产矿井的中–高阶煤样，整合高压压汞、低温氮气吸附实验和二氧化碳吸附实验，结合多重分形理论，表征并探究了中–高阶煤储层宏孔(> 50 nm)、介孔(2～50 nm)和微孔(< 2 nm)的多重分形特征在煤化作用过程中的演化趋势及其影响因素。结果表明，中–高阶煤宏孔、介孔和微孔的广义维数谱(Dq–q)和多重分形奇异谱(f(α)–α)均满足多重分形特征，这意味着中–高阶煤宏孔、介孔和微孔均表现出多重分形行为。相对于宏孔和介孔，微孔表现出更大的奇异性指数α0和谱宽(∆D)与较小的赫斯特指数(Hurst，H)，即微孔具有更强的非均质性和更差的孔隙连通性。煤化作用促进了煤中大分子的聚合，使煤储层由宏孔优势型和宏孔–微孔并存型储层转变为更为致密的微孔优势型储层，煤中不同尺度孔隙孔径分布趋于均质化，导致中–高阶煤储层孔隙结构均质性的增强和孔隙连通性的改善。宏孔和微孔体积分数对其相应孔径范围内孔隙结构非均质性分别存在积极和消极的影响，而介孔体积分数并不是介孔孔隙孔径分布非均质性的有效约束。镜质组和惰质组对孔隙孔径分布非均质性表现出相反的影响，镜惰比(V/I)与H之间存在正相关性，与α0之间呈负相关性，富镜质组煤发育更多的微孔从而表现出更强的孔隙结构均质性和较好的孔隙连通性。

• 北部湾盆地涠西南凹陷咸水层CO2地质封存储盖优选及潜力评估

  熊鹏飞, 方小宇, 乐文喜, 陆江, 王思洋, 杨浦, 王凯, 郭俊阳,

  CO2地质封存被认为是实现碳中和目标的兜底技术，近海沉积盆地远离人类活动区，在实施CO2地质封存方面相比于陆上沉积盆地更具优势。为查明广东省近海北部湾盆地涠西南凹陷咸水层CO2封存潜力，基于盖层埋深、单层泥岩最大厚度、泥地比、断层密度和储层孔隙度、地层厚度、砂地比、渗透率等8个指标，构建了盆地二级构造单元的储盖评价体系，结合各地层岩心物性资料和三维地质模型，对涠西南凹陷储盖进行优选，并以US-DOE法对有效封存潜力进行了评估。研究结果表明，涠西南凹陷在海底以下800～3 000 m内，有2套适宜CO2封存的储盖组合。储盖组合1：新近系角尾组一段浅海相泥岩盖层–角尾组二段、下洋组滨浅海相砂岩储层，有效封存容量为7.49亿t；储盖组合2：古近系涠洲组二段中深湖泥岩盖层–涠洲组三段砂岩储层，有效封存容量为3.74亿t。在涠西南凹陷中优选出2套适宜咸水层封存CO2的储盖组合，有效封存容量为11.23亿t，按照广东省粤西地区CO2年排放量为7 000万t进行评估，能够满足该地区超16 a的CO2减排需求。

• 贵州无井式UCG选址选层“四性”地质评价模式与资源类型划分

  周泽, 易同生, 秦勇, 周永峰, 杨磊, 汪凌霞,

  为建立科学系统的“地质–工程”一体化地质风险评估模式，解决煤炭地下气化(UCG)选址选层难题，提出了一种以“建炉可行性、过程易控性、气化安全性、开发经济性”四性认识为基础，利用FAHP模糊层次分析法创建的包括4项一级指标、10项2级指标、26项3级关键地质参数的地质评价要素层次结构模型。该模型引入“阈值”概念，对断层指数、奥亚膨胀度、黏结指数、上覆含水层距离4项指标的超“阈值”情况实施“一票否决”，充分重视特定地质参数对UCG控制的关键作用；通过“两两判断矩阵”确定各指标权重向量，根据隶属函数厘定指标层隶属度；并提出了相应地质评价技术方法，配套建立了权重积、综合权重积以及最优3段分割等算法，将所涉及指标量化分析，精准判断资源类型与级别；同时基于矩阵结构混合编码方式，提出了“四性四级”五位编码的UCG资源类型表征系统。最终形成了以“四性”理论为基础，“算法”为骨架，“四性四级”五位编码为灵魂的科学化、系统化UCG选址选层地质评价体系。该评价体系可在多场耦合的UCG生产过程相关风险识别机制的前沿探索方面发挥关键作用，有效改善现有UCG风险识别理论局限于地质单方面，缺乏工程联系的问题，实现大区域的UCG量化选址选层，为省级乃至国家级煤炭地下气化战略规划提供解决途径，从而提出可供分步实施的典型地质条件先导性试验区建议，推动煤炭地下气化产业化进程。

• 煤炭生态型露天开采理论与技术体系及其应用

  李全生,

  煤炭大规模露天开采会引起土地挖损与压占、地下水疏干、水土流失、植被破坏、大气污染、区域景观破损等生态问题。针对现有露天煤矿生态修复技术较为单一，缺乏从开采源头减损和生态全要素系统性修复技术的难题，提出了“减损开采与生态系统修复”的理念，阐述了露天煤矿生态型开采的内涵与特征，提出了露天煤矿生态型开采关键科学问题和基础理论框架，研发了“采前生态化设计–采中减损开采–生态系统修复”的全生命周期生态减损开采和生态全要素(水、土、大气、植被、景观)系统修复技术，创建了露天煤矿生态型开采理论与技术体系，形成了可推广可复制的露天矿生态型开采模式。研究成果应用表明，半干旱区胜利露天矿生态型开采示范区减少土地挖损和压占面积60 003 m2/a，排土场生态修复期提前1 a以上，植被覆盖率较本底值提高41.78%，地面水库(蓄水量40万m3)实现了矿井水的分季节、分级分质利用；酷寒区宝日希勒露天矿生态型开采示范区减少土地挖损和压占面积106 672 m2/a，新生物种从14种增加到21种，土壤含水率提升10%，土壤年侵蚀率降低59.6%，植被覆盖率较本底值提高37.96%，露天煤矿地下水库(储水容量122万m3)实现了矿坑水“冬储夏用”，取得了显著的生态修复效果。

• 基于地表敏感变形和房屋因素的矿区建筑物损坏评价方法

  廖孟光, 戴华阳, 李梦涛, 阎跃观, 龙四春,

  针对目前建筑物采动损坏评价因素的不尽合理与区域性评判结果的局限性，提出基于地表敏感变形和房屋因素的矿区建筑物采动损坏评价方法。采用理论分析、数值模拟和现场调查等方法对建筑物采动损坏评价进行了研究与探讨。首先，采用数值模拟方法，揭示地表变形、建筑物结构类型、主变形方向与建筑物长轴的夹角等因素对建筑物损坏影响规律，模拟结果表明：① 当沿建筑物长轴的变形增大时，建筑物的损坏程度增大，得出了平房建筑加速损伤的地表变形临界值为曲率K=0.6 mm/m2，水平变形ε=6 mm/m；② 不同结构的建筑物损坏程度不同，其中具有圈梁或构造柱的建筑物抗变形能力强，研究并确定了二层砖混结构(圈梁和构造柱)损坏程度的地表临界变形值；③ 建筑物对其长轴方向的地表变形较为敏感，影响损坏大，但对其长轴的垂直方向的变形不太敏感，而变形与建筑物斜交方向的建筑物损坏程度介于2者之间。其次，基于地表敏感变形因素、主变形方向、房屋因素共选取7个评价指标，建立建筑物采动损坏评价的未确知测度模型，根据各评价指标对建筑物的重要程度，采用层次分析法定权；最后，应用于峰峰矿区和徐州矿区3个村庄的建筑物损坏实例，结果表明：在选取的50户140余栋建筑物评价中，预测准确率在80%以上，预测精度高于传统方法，且预测效果良好，弥补了传统评价方法的不足，验证了评价指标选取和评价模型的可靠性。

• 基于双极膜电渗析的膜集成技术的高矿化度矿井水资源化处理

  刘兆峰, 郭强, 王霄, 唐佳伟, 蒋斌斌, 曹志国, 张锁, 闫祖喻, 王群, 李井峰,

  在当前煤矿矿井水“零排放”及煤炭与水资源逆向分布背景下，西部矿区的高矿化度矿井水如若不进行合理处置便直接排放，不仅对当地生态环境造成不可估量的破坏，而且造成严重的水资源浪费，最终将制约煤炭绿色开发与生态文明建设。传统的高盐废水零排放技术主要是利用蒸发结晶技术将无机盐由溶液态转变为结晶态进行回收。从经济性方面分析，该技术受投资高、运行成本高、无机盐附加值低等问题制约。基于此，以西部某矿井水为原水，以矿井水资源化零排放利用及脱盐低碳化为目标进行膜集成工艺设计，并在此基础上重点探讨电渗析和双极膜电渗析工序不同操作条件(操作电压、进料液浓度、温度、酸碱度、电流密度等)对电渗析脱盐性能及双极膜电渗析制酸碱性能的影响规律，之后以实验数据及经济评估模型，探究其经济可行性，旨在探索出适用于西部矿区高矿化度矿井水处理的膜集成技术，为高矿化度矿井水绿色资源化处理工艺的开发提供新的研究思路。通过对电渗析–双极膜电渗析实验过程探究，发现双极膜系统进料液质量浓度应不超过80 g/L、适宜的操作电压为18 V、适宜的进料液温度为25 ℃、进料液pH保持中性、更适合采用恒电压操作。此外，证实了以双极膜电渗析为核心的膜集成系统可实现高矿化度矿井水绿色资源化处理，以电渗析系统进料液总含盐量20 g/L为例，总的净收益为18604299 元/a，且在耦合光伏电力供应系统时具有明显的二氧化碳减排效应，二氧化碳减排将超过3162 t/a，具有良好的经济效益和社会效益。

• 生物–电催化转化二氧化碳的高值化利用研究进展

  解佳乐, 张天宇, 彭章頔, 林日琛, 肖睿,

  中国是世界上最大的二氧化碳(CO2)排放国和煤炭消费国，且以煤为主的能源结构短期内难以改变。在“碳达峰”和“碳中和”背景下，将CO2捕集、存储或将其利用转化为高价值燃料和化学品，可减少对化石燃料依赖并同时降低CO2排放，为燃煤电厂和能源化工的绿色转型提供关键技术支撑。电催化和微生物转化是利用CO2生成可再生燃料及化学品的重要途径。电催化还原CO2反应速率快，但产物种类多限于C1和C2的产物。微生物固定CO2产物选择性高、多碳产物种类多，但电子传递和能量供给水平低导致反应周期长。将电催化还原CO2和微生物转化耦合，可充分发挥两者的优势，有望实现高效制备高价值的多碳产物。分别介绍了单一技术路线下电催化还原和微生物固定CO2的反应原理和典型产物，讨论了催化剂和反应器类型对电催化还原 CO2的影响，总结了微生物固定CO2的微生物种类和生物代谢路径；综述了原位耦合和异位耦合2种电催化–微生物转化技术的耦合方式，概括了其系统构成、工作原理、电极材料及高值产物类型等。最后，对比了不同耦合方式的技术成熟度，并从电催化还原CO2催化剂和反应器的开发和设计、高效工程菌种的构建、耦合体系的设计与集成和推动研究开发与产业联动4个方向进行展望。

• 深部煤层地下煤气化原位点火的CFD模拟

  张友军, 肖逸, 张正, 张浩宇, 郝军, 吕敏, 方灿, 邹仁杰, 罗光前, 李显, 姚洪,

  地下煤气化(Underground Coal Gasification, UCG)作为一种新型采煤技术受到了广泛的关注，但UCG的实验成本较高，在开展UCG实验之前应当对煤层的演变机理进行深入的探究。计算流体力学(Calculated Fluid Dynamics, CFD)可以凭借计算机强大的计算能力，以较为低廉的成本模拟UCG的生产过程。采用Ansys 公司开发的CFD软件Fluent模拟了1 000 K烟气加热下深部煤层的原位加热着火过程，重点分析了温度、氧气摩尔分数和孔隙度的变化。结果表明，泵入500 s的1 000 K烟气不足以点燃煤层，1 000 s的烟气加热时间足以点燃煤层，该结果在时间上与劳伦斯实验室的点火时间相当。在煤层内表面，高温主要集中在靠近入口0～0.6 m内的煤层。着火前的最高温度低于加热烟气入口温度1 000 K，而着火后的最高温度超过1 000 K，最高温度约1 250 K。O2在高温区几乎全部消耗，而在其他温度较低的区域，到达煤层内表面的氧气摩尔分数不到2%。高温区孔隙度迅速增长，在1 000 s时部分煤层孔隙度可达0.9左右。在煤层内部，煤层越厚，温度上升越低。在1 000 s和2 000 s时，7 cm线上煤层的最高温度仅为500 K左右，远低于相同加热时间下煤层内表面的最高温度。在2 000 s的点火过程中，渗入7 cm和14 cm煤层中的氧气较少，内部煤层孔隙度均在0.4以下。较低的孔隙度是由较低的温度和较低的氧气摩尔分数共同造成的。对温度、氧气摩尔分数和孔隙度的模拟可为如何促进煤层内部的反应提供参考。

• Cl/S与Na相互作用对Shell气化炉合成气冷却器入口积灰机制的影响

  蔡兴瑞, 王跃凤, 杜雨佳, 薛皓天, 贺冲, 卫月星, 李晓姣, 秦育红, 赵保明,

  Shell干粉煤加压气化是煤炭洁净高效利用的重要技术之一，由碱金属化合物引起的合成气冷却器入口积灰结垢是导致气化炉非正常停工检修的主要原因。以添加不同含量的Na、Cl和S的Shell气化炉飞灰为原料，利用自主设计的高温竖直炉中沉积探针模拟Shell气化炉合成气冷却器入口管路，通过对积灰进行内、外分层研究，探讨内外层积灰质量的变化，并结合ICP-MS、IC、SEM-EDS和XRD等表征手段对内外层积灰的理化性质进行比较分析，获得Na、Cl、S和Fe等不同元素之间的相互作用对积灰行为的影响。结果表明，内层积灰质量随时间延长而增大，含S化合物的添加会降低内外层积灰质量，且外层积灰质量会随着时间延长而减小。Na更多以铝硅酸盐形式在外层积灰中存在，促进积灰增长；Cl通常以碱金属氯化物的形式集中在初始黏性层；S的存在会减缓管路积灰；当Cl和S共同存在时，Fe易与灰中的Si、Al和Na形成多种低温共熔物促进内、外层积灰熔融。Shell气化炉合成气冷却器入口积灰形成机制为：飞灰颗粒组分在Na、Cl、Si和Al的共同作用下，于内层形成碱金属氯化物和铝硅酸盐共晶；同时Cl、S的存在促使Fe和Na迁移到这些共晶中，形成Fe-O-Si、Fe-O-S和Fe-Na-O-Al-S共熔体。进而，铝硅酸盐与多种低温共熔体相互熔融使灰颗粒尺寸增加，促进积灰的进一步生长。

• 煤系沥青包覆再生石墨微观构造及电化学性能

  岳彦龙, 林雄超, 张玉坤, 高红凤, 张续春, 王永刚,

  石墨负极材料易在石墨层间与电解液发生共嵌入导致石墨层膨胀、粉化脱落，严重影响石墨负极材料的循环稳定性。利用沥青对石墨负极进行包覆，形成不定型碳层包覆的“核壳”结构，可减少石墨层的膨胀脱落，提高石墨负极材料的电化学性能。以中温煤焦油沥青为原料，通过空气氧化和聚合交联制备得到高结焦值、高软化点的包覆沥青。通过液相包覆方法，考察了对再生石墨负极的包覆性能。采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)、氮气吸附、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)等方法分析了再生石墨包覆形貌与界面微观结构变化，并对材料电化学性能进行了测试。结果表明，沥青包覆可有效完善再生石墨微观构造。随着沥青包覆量的增加，石墨表面缺陷减少，比表面积和孔容降低；炭化后包覆界面形成不定型碳层，包覆界面无序度随沥青包覆量的增加而升高。不定型碳包覆层的形成显著提高了石墨负极性能，包覆12%沥青的再生石墨比容量达到450 mA·h/g，相比未包覆石墨提升140 mA·h/g；沥青包覆石墨负极首次库伦效率增加11.5%，并且循环稳定性获得改善；在5 A·h下比容量提高至285 mA·h/g，相比未包覆再生石墨提高242.8 mA·h/g，倍率性能突出。

• 烟煤镜质组分性质及对活性炭结构特性的影响

  朱玉雯, 王天阳, 徐杨, 刘健, 刘汉桥,

  以大同烟煤和新疆烟煤为原料，采用密度离心分离法提取镜质组富集物，采用气体活化法制备活性炭。对比研究原煤及其镜质组的结构性质差异，以及经炭化和CO2活化后微晶及孔结构的特性变化。采用傅里叶变换红外光谱法对比分析了原煤及其镜质组芳香烃和脂肪烃结构的差异，采用X射线固体粉末衍射法全过程分析了原料、炭化料和活性炭的微晶结构参数及芳香度变化，采用N2吸附法研究了炭化料和活性炭的孔结构特性变化。结果表明：相比于原煤，镜质组富集物的微晶单元尺寸较小，脂肪链长度较短，且支链数量较多，有利于增强炭化过程的流动性。经热重分析法得到镜质组的炭化失重率较高，且失重峰较宽。上述结构性质及反应性差异影响了炭化料的结构特性。经过850 ℃炭化后，镜质组炭化料的微晶层片尺寸和堆积厚度均增加，原煤炭化料仅增加了层片尺寸，而堆积厚度有所降低，说明显微组分差异主要影响了炭化过程中芳香层片的纵向堆叠。同时相比于原煤炭化料，镜质组炭化料的芳香度较高，BET比表面积和总孔容积相对较大。经过CO2活化后，活性炭的微晶堆积厚度及层片尺寸均低于对应的炭化料，说明CO2活化烧蚀了微晶结构。同时，活化形成了以微孔为主的孔结构，其中镜质组活性炭的BET比表面积分别达到744.1和797.4 m2/g，显著高于原煤活性炭。镜质组活性炭的微孔和中孔容积也较高，其中微孔容积达到原煤活性炭的1.7～2.2倍。上述结果说明芳香度较高、初始孔结构较多的炭化料有利于活化形成更加丰富的微孔结构。

• 4种新疆煤无机特性及其对超细颗粒物生成的影响

  朱京冀, 曾宪鹏, 喻鑫, 于敦喜, 周子健, 刘芳琪, 吴建群, 徐明厚,

  深刻理解新疆煤的无机特性对其燃烧颗粒物生成的影响规律，对于新疆煤的清洁高效利用具有重要意义。选取五彩湾煤(WCW)、万象煤(WX)、天池煤(TC)和西黑山煤(XHS)，深入研究了它们的无机特性及其与超细颗粒物生成之间的关联关系。结果表明，4种新疆煤主要为低灰、低硫褐煤；煤灰富含碱性元素，其中，Na2O质量分数普遍高于常规动力煤(3.58%～7.13%)，WCW和WX煤灰中CaO质量分数超过33%，但SiO2和Al2O3质量分数较低，WX煤的高Na、高Cl特性尤为突出；煤中Na以水溶态为主(占比62.3%～90.6%)，K则主要以盐酸不溶态存在，Fe以盐酸溶态和盐酸不溶态为主，而Ca、Mg在不同形态中的分布因煤种而异。新疆煤燃烧超细颗粒物组成均以Na、K、Cl、S为主，以Na2O+K2O+Cl+SO3的质量分数高于50%为判定条件，准确界定了超细颗粒物的粒径范围。其中，WCW煤、TC煤和XHS煤的超细颗粒物具有相似的粒径范围(≤0.07 μm)；而水溶态Na含量最高的WX煤的超细颗粒物粒径范围更宽(≤0.76 μm)。研究发现超细颗粒物的生成量y与煤中水溶态(Na+K)总量x呈高度线性正相关，关系式为y=0.528x–0.239，相关系数为0.948。

• 基于煤颗粒–结合水复合相的水煤浆导热系数预测模型

  蒋海锋, 张华驰, 赵辉, 许建良, 梁钦锋, 李伟锋, 刘海峰,

  水煤浆气流床气化是目前大型先进煤气化技术之一，提升水煤浆气化效率有助于推动煤炭清洁高效利用。水煤浆预热技术被认为是提高煤气化能源利用效率的关键技术之一。目前，复杂液固悬浮液导热系数的变化规律和内在机理仍未被完全认识。导热系数是介质流动换热的重要基础参数，表征着其在稳态导热过程的导热能力。利用瞬态热线法测定不同温度下相同质量分数水煤浆的导热系数，实验结果表明：温度越高，导热系数越高。在室温下测定不同质量分数下水煤浆的导热系数，实验结果表明可以分为2个阶段：质量分数从51%增大到58%时为下降区，导热系数快速下降，由0.401 W/(m·K)降至0.358 W/(m·K)；而质量分数继续增加，从58%到67%时为恒定区，导热系数基本保持在0.358 W/(m·K)。基于实验结果，综合考虑平行模型、麦克斯韦模型、广义自洽模型等复合材料模型，提出煤颗粒–结合水复合的水煤浆导热系数平行预测模型。水煤浆中的水分包含自由水和结合水，结合水会和煤颗粒形成煤颗粒–结合水复合相，将水煤浆视为复合相和自由水相组成的两相复合材料。在下降区，随着煤颗粒质量分数的增加，自由水相减少，复合相不变，水煤浆导热系数快速降低；在恒定区，随着煤颗粒质量分数的进一步增加，复合相中的结合水量减少，但复合相的导热系数基本维持稳定。

• 矿用防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统设计及性能试验

  张磊, 唐彬展, 鲍久圣, 胡志伟, 彭振, 胡德平, 阴妍, 袁晓明,

  防爆柴油机是矿井辅助运输车辆使用最为广泛的动力源之一，受防爆改造以及井下恶劣环境的影响，导致其尾气污染问题严重，有悖于绿色矿山发展战略。煤矿井下自2020年12月开始实施非道路国III排放标准，但现阶段矿用防爆柴油机尾气净化多采用机内前处理技术，无法满足非道路国IV及更高标准的排放要求。针对防爆柴油机尾气污染严重及净化技术滞后的问题，设计了一种新型四元组合式尾气后处理系统，并通过仿真和台架试验开展了关键部件结构参数优化及尾气污染物净化性能研究。首先，按照煤矿井下防爆要求，超前面向非道路国IV尾气排放标准，设计了一种由氧化催化剂(DOC)、颗粒捕集器(DPF)、选择性催化还原器(SCR)和防爆温控装置(EPTC)组成的防爆柴油机四元组合式尾气后处理系统；采用STAR-CCM+仿真软件对防爆温控装置结构进行传热分析，结果表明：管壁面温度均小于150 ℃，可满足煤矿安全规程防爆要求。其次，以某型60 kW防爆柴油机为研究对象，基于GT-Power软件分别搭建了DOC、SCR和DPF后处理部件的仿真模型，并对其关键结构参数及净化性能开展正交试验进行优化，确定了尾气后处理系统关键部件的最优结构参数，得到如下规律：污染物的净化效率随DOC和SCR的载体直径、载体长度和通道密度的增大而提高；载体长度和载体直径对DPF捕集效率与DOC和SCR规律一致，而DPF因其特殊的壁流式载体结构，随着通道密度增加，PM颗粒物的捕集效率可始终维持在96%附近。在此基础上，建立了防爆柴油机和后处理系统的耦合模型，开展了防爆柴油机尾气排放污染物净化效率、动力性与经济性仿真试验。最后，研制了四元组合式尾气后处理系统样机并开展台架试验，将试验数据与仿真数据对比分析，结果表明：尾气后处理系统对CO、NO、HC与颗粒物的净化效率分别大于95%、90%、83%以及95%，可满足非道路国IV排放要求；加装尾气后处理系统的防爆柴油机整体输出扭矩平均下降4.83%，整体燃油消耗率平均增加1.19%，对防爆柴油机的动力性与经济性的实际影响较小。

• 基于多特征融合的露天矿区道路负障碍检测

  阮顺领, 鄢盛钰, 顾清华, 卢才武,

  随着智慧矿山概念的逐步落实，智能化、无人化逐渐在矿区落实，露天矿卡车无人驾驶日益成为矿山智能化建设的主要内容，为解决露天矿区复杂多变的道路因坑洼、塌陷等路面小部分下陷出现的非规则负障碍而导致矿区无人车、重载卡车侧翻等安全难题，提升矿区安全驾驶系数，提出一种多特征融合的露天矿区道路负障碍检测方法。该方法使用BiFPN特征融合模块，提高小型负障碍检测权重占比；引入空间和通道双注意力机制提高对负障碍边缘的特征提取和特征融合能力，从而提高对道路小尺度负障碍的检测精度；采用SIoU Loss作为模型边界框损失函数并使用K-means++方法优化Anchor以提高负障碍检测模型的收敛速度和边界框定位效果，并基于遗传算法优化超参数让模型更贴合矿区场景，最终实现对矿区道路负障碍的快速精准识别。实验表明该检测模型能快速准确识别复杂背景下露天矿区道路负障碍目标，对道路负障碍目标的检测精度、召回率、平均精确度均值分别达到了96.9%、89.9%、95.3%，且该模型大小仅有12.7 MB。对比其他主流检测网络，该网络模型更适合复杂环境下露天矿区非结构化道路行驶安全需求，且该检测模型的鲁棒性好，可适配于多种情况的露天矿区，为实际环境复杂多变的露天矿区非结构化道路负向障碍检测提供了可行的方法，为露天矿无人卡车安全生产运输提供安全预警。