煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第7期

• 低碳化现代煤基能源开发关键技术体系

  葛世荣, 刘淑琴, 樊静丽, 赵毅鑫, 滕腾,

  煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献，但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径，能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控，提升我国油气自主性，支撑电力清洁转型和新能源产业发展，是保障能源安全和实现双碳目标的重要创新方向。基于现代煤基能源概念及技术体系，系统梳理和介绍了现代煤基能源内涵和产品谱系。通过对现代煤基能源的煤基气开发技术、煤基油开发技术、煤基氢开发技术、煤基电生产技术、矿区动态碳中和技术等5个核心技术模块及其19个技术单元和61项关键技术进行分析和论述，提出了10项低碳化煤基能源开发的变革性技术：① 基于自移式等离子体气化机的智能煤炭地下气化技术，具有自动燃烧、自动推进、自动封闭、自动监测、自动调控组分等功能；② 煤炭地下气化与间接液化耦合可形成低成本、低排放、短流程煤制油路线(UCG-ICL)；③ 利用太阳能加热或干热岩加热的富油煤原位干馏化学开采技术设想；④ 基于原位碳捕集利用与封存(CCUS)的深部煤炭地下气化制氢路径(UCG-H2)，循环CO2作为气化剂提高煤气有效组分产量，捕集CO2就地封存于地下气化空腔，形成近零排放UCG-H2技术路线；⑤ 纳米富氢水煤浆掺氢发电技术，实现低温低压下的低碳煤基电生产，显著降低煤电CO2排放量；⑥ 煤炭地下气化耦合IGCC的低碳发电系统构思(UCG+IGCC)，减少了IGCC煤制气环节，显著降低CO2排放部分；⑦ 煤粉爆燃直线驱动发电技术架构，理论做功能量是煤炭燃烧的15倍以上；⑧ 基于现代煤基能源内循环的CO2加氢合成“绿色甲醇”路线，利用低碳UCG制取的煤基“蓝氢”与捕集CO2合成制取甲醇；⑨ 现代煤基能源产生的CO2原位地下封存技术系统，有助于实现零碳煤基能源生产；⑩ 矿区动态碳中和煤基能源系统架构，将智能保供、绿色开发、清洁转化、低碳利用、洁净排放耦合在一个矿区闭环系统中，实现矿区动态碳中和。

• 煤矿综掘工作面长压短抽除尘性能与尘源移动路径关系

  江丙友, 王一凡, 林汉毅, 王浩宇, 赵洋,

  长压短抽通风除尘是净化煤矿综掘工作面掘进区域高质量浓度粉尘的有效方法之一，特别是压抽配合产生的局部流场有利于对呼吸性粉尘的除降，而产尘源位置的动态变化对该方式除尘性能的影响不甚明晰。通过考虑产尘源位置沿横、纵2种方向的运动路径及往复次数，基于长压短抽试验平台设计了4种尘源移动路径，结合对长压短抽通风系统参数的调控，测试分析尘源在不同运动工况下对空间粉尘质量浓度、粉尘粒径质量浓度和粒径分布的影响。结果表明：在相同的通风参数下，横向路径对司机和行人呼吸带位置造成的粉尘质量浓度均低于纵向；而在横向路径中，当压风筒位于靠近抽风筒一侧且压风口位于司机前方约1 m区域时，司机与行人呼吸带位置的PM1、PM2.5和PM10粉尘粒径质量浓度最低，通风除尘效果最好。空间粉尘扩散表现为：粒径小于2.5 µm的颗粒极易跟随抽风流场被抽尘口收集净化，而粒径大于10 µm的颗粒则会从产尘源和抽尘区域逃逸到司机及其后方区域，并以自然沉降为主。基于前期试验所得最优尘源移动路径与通风参数，在陕北某煤矿2304综掘工作面开展现场试验。结果表明：横向路径下司机位置和行人呼吸带位置的总粉尘质量浓度分别降低至85.6 mg/m3和21.9 mg/m3，降尘率最高达到76.9%；呼吸性粉尘质量浓度分别降低至15.3 mg/m3和10.5 mg/m3，降尘率最高达到85.2%，除尘性能明显提升。

• 不同类型表面活性剂对烟煤润湿性能影响的分子模拟及实验

  唐明云, 金靖艳, 江丙友, 郑春山, 周亮, 高世强, 王乐乐,

  喷雾降尘是现阶段矿井使用最广泛的除尘方式之一，水对煤的润湿性能对喷雾降尘效果有着直接的影响，所以在水中加入表面活性剂可提高水对煤的润湿性能。为探究不同类型表面活性剂对烟煤粉尘润湿性能影响，以快渗T、1227、BS-12和APG 4种类型的表面活性剂为代表，采用分子模拟技术和实验室实验相结合对烟煤的润湿性能进行了研究。一方面，利用分子模拟手段构建了表面活性剂水溶液的界面体系，基于氢键形成数目和径向分布函数理论，对表面活性剂自身的亲水性进行了模拟分析，并开展了4种试剂的表面张力实验，研究发现，快渗T形成氢键的数目最多，为398个，且径向分布函数曲线出现峰值最早在1.99×10–10 m处，最易与H2O分子吸附，实验结果也表现为快渗T对水的表面张力削弱最强，即表面张力最小,为24.4 mN/m。另一方面，通过静电势计算，结合构建的表面活性剂/水/烟煤三元吸附体系相互作用能分析，研究了4种表面活性剂对烟煤润湿性影响，并分别开展了烟煤在4种试剂中的沉降实验和接触角实验，结果表明，快渗T与烟煤分子结合后该部位与水分子的电势差最大，为6.853 5 eV，其与烟煤间相互作用能也最大，为–2705.12 kJ/mol，实验结果也表现为2种烟煤在快渗T中的沉降时间最小，分别为26.3、10.22 s，接触角最小，分别为25.8°、21.7°，由此表明分子模拟结果均与实验结果一致，均验证得出阴离子型表面活性剂快渗T对烟煤的润湿性能为最好。

• 基于滤膜称重法的自动化粉尘质量浓度检测装置的研究

  陈清华, 许曾生, 王小润, 江丙友, 唐明云, 胡祖祥, 邱进伟, 周亮,

  传统滤膜称重法操作过程繁琐、检测周期长，且自动化程度低，虽精度高但无法满足粉尘质量浓度实时检测需求。设计了粉尘质量浓度自动检测装置，通过建立温湿度补偿模型，替代手工称重法中采样后滤膜烘干的步骤，进一步缩减粉尘质量浓度检测时间以及粉尘质量浓度检测装置体积。搭建试验样机并调试实验，结果表明，煤矿井下常用的CCZ-20A型粉尘采样器与本装置检测得到的粉尘质量折算浓度经过计算其标准偏差在5%以内，一元线性回归拟合分析下的实验数据拟合相关性较好。为进一步提升装置的检测精度，研究基于傅里叶级数、线性拟合以及周期拟合相结合的误差补偿方法，设计出装置浓度计算流程并代入原始数据中，将该装置检测浓度误差由原始的(–7.20%，–1.26%)集中至(–3.64%，3.65%)。引入装置浓度计算流程后进行多次对比实验，实验结果显示装置浓度检测误差均在此区间内，验证了装置浓度计算流程的可靠性。该装置缩短了粉尘质量浓度检测所需时间，同时检测误差控制在合理的范围内，进而为滤膜称重法在粉尘质量浓度在线监测方面的研究提供一定的参考。

• 基于调整局部滤袋渗透率的袋式除尘器流量分配方法

  林秀丽, 胡晓峰, 闫彩莲, 柳静献,

  矿山开采、矿石破碎等过程产生大量粉尘，袋式除尘器是去除含尘气流中颗粒物的有效设备。袋式除尘器在运行中存在滤袋过滤风量分配不均问题，现有增加导流板的方式增加了结构的复杂性。为解决中箱体下进风袋式除尘器滤袋质量流量分配不均的问题，提出一种基于调整部分滤袋渗透率的滤袋质量流量均匀分配方法。首先，选择Realizable k-ε双方程模型进行模型袋式除尘器流场的数值模拟，通过数值模拟结果与模型实验的结果对比验证了模拟方法的正确性；然后建立安装160条滤袋的中箱体下进风除尘器几何模型，利用数值模拟方法分析了0.5～1.2 m/min过滤风速下除尘器内流场特征、滤袋的质量流量分配规律和均匀性；最后以1 m/min过滤风速下滤袋质量流量分配不均问题为例，设计了减小质量流量大的出口侧滤袋渗透率的方法；并根据达西公式和滤料阻力计算公式，给出了渗透率与滤料厚度、纤维直径和填充率之间的关系。结果表明：本研究模型下，过滤风速增高会使滤袋质量流量分配更不均匀，除尘器出口侧滤袋的质量流量逐渐增大；将流量偏大区域的8～10列滤袋的渗透率由2.0×10–11 m2减小到1.7×10–11 m2，可使滤袋质量流量分布均方根偏差由0.158降低到0.099，且除尘器初始阻力的增长仅为6.1%，方法具有可行性。在滤料制作过程中可进行滤料渗透率的调整，故通过调整局部滤袋渗透率使滤袋质量流量分布均匀的方法可行。

• 压电过滤材料的传感性能及其在口罩中的应用

  王晨, 赫伟东, 毛宁, 柳静献,

  在劳动保护领域，实时监测劳动者的生理健康状态受到越来越多的关注。因呼吸中包含大量生理学信息，开发具有传感功能的可穿戴设备用于监测佩戴者呼吸状态成为研究热点。传统的商用呼吸监测装置价格昂贵、体积大、不易携带，限制了其在一线生产场所的使用，例如高粉尘质量浓度的矿山作业环境。为此，基于聚偏氟乙烯(PVDF)的压电性能，利用静电纺丝技术制备出具有传感性能的柔性PVDF纳米纤维膜，将高透气性碳纤维毡与PVDF纳米纤维膜设计为具有三明治结构的传感模块并嵌入到口罩中。传感模块将呼吸气流产生的机械能转化为电能，通过对电信号数据的采集和分析，完成对呼吸强度和呼吸频率的实时监测。结果表明：嵌有传感模块的口罩在不同呼吸状态下产生的压电信号有明显差异，在低强度(15 L/min)、中强度(50 L/min)和高强度(85 L/min)3种呼吸状态下，输出压电电压峰值分别为300、700、1 100 mV，电压峰值出现频率分别为18、16、14次/min。因此，基于压电信号电压峰值及其出现频率的分析，可以实现佩戴者呼吸强度和呼吸频率等呼吸参数的实时监测。此外，研究通过XRD、FT-IR、TG等分析方法确定了PVDF纳米纤维膜的压电性与其β相晶体含量有关，为进一步改善PVDF纳米纤维膜的压电性能提供了依据。研发的具有传感功能的口罩可用于矿山工人劳作状态的实时呼吸监测，在工人工作状态异常时反馈给管理人员以便于及时采取处理措施。

• 双向极不等压软岩巷道围岩裂隙分布及变形机制

  王卫军, 马谕杰, 范磊, 袁超, 吴海, 田芯宇,

  巷道围岩蝶形塑性区破坏是引起巷道围岩大变形的重要原因，近年来引起了巷道支护工作者的高度重视。掌握蝶形塑性区内围岩变形机制是实现软岩巷道围岩控制的基础。然而，有关于蝶形破坏理论中围岩变形机制的研究却鲜有报道。针对上述问题，以南方某矿一采区南运巷产生的大变形特征为研究对象，在分析巷道所处应力环境及地质条件的基础上，对围岩裂隙分布、巷道变形机制及控制方法进行了系统研究。结果表明：南运巷是典型的极不等压软岩巷道，巷道开挖后，围岩裂隙呈“蝶形”分布；“蝶形裂隙区”集中出现在“蝶形塑性区”范围内，蝶叶部位围岩裂隙以剪切裂隙为主，且蝶叶部位剪切裂隙大多围绕巷道呈“环形”分布，而张拉裂隙则集中出现在巷道围岩自由面附近。蝶形塑性区内围岩应力特征主要有2方面：一为围岩的主应力方向发生了偏转，具体表现为最大主应力围绕巷道呈环形分布，巷道上部最小主应力方向指向巷道中心，巷道下部最小主应力方向背离巷道中心；二为围岩最大/最小主应力比值较大，且主应力比值等值线呈“蝶形”分布。根据塑性区内围岩裂隙分布特点及应力特征，建立了含软弱面围岩力学剪胀模型，认为处于此应力特征下的围岩剪胀作用较强，剪胀作用使围岩向巷道空间内挤压，进而使巷道产生大变形。围岩裂隙分布不规则及原支护方案不合理是导致巷道产生大变形的主要原因。基于上述研究，提出了以“全断面预应力短锚索+关键部位长锚索加强支护+注浆”为核心的差异化支护方案，现场监测表明，新支护方案可有效控制围岩变形，保证巷道在使用期间的稳定性。

• 基于离散元–机器学习的铝土矿矿柱强度预测方法

  朱德福, 王德玉, 于彪彪,

  矿柱极限承载能力与矿柱尺寸参数密切相关，科学地预测矿柱强度是空场法安全高效开采铝土矿的关键。为了准确高效地预测矿柱强度，融合运用离散元方法(DEM)的模型参数化、样本数据强扩展性与机器学习(ML)方法的数据驱动优势，选取矿柱尺寸参数(长、宽、高)作为影响因子，开发了Grasshopper参数化建模电池组，实现了等块体密度的矿柱黏合块体模型(BBM)的参数化构建，结合矿体节理分布特征实测结果，利用3DEC程序构建了300组黏合块体–离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱离散元数值模型，开展了矿柱承载特性试验，监测并建立了机器学习数据集，且验证了此数据集的可靠性；分别以支持向量机(SVM)、BP神经网络、随机森林(RF)、高斯过程回归(GPR) 4种算法构建了矿柱强度预测模型，根据回归类模型评价指标(判定系数R2、可解释方差EEVS、平均绝对误差EMAE、均方误差EMSE)开展了最优模型的评选，结合改进的量子粒子群智能优化算法(IQPSO)进一步优化模型，利用该模型建立了矿柱影响因子与强度之间的非线性映射关系。研究表明：由矿柱强度参数化模拟结果可知，随着矿柱宽高比增加强度显著提升，长宽比对强度影响幅度相对较小，当矿柱高度和横截面积相同时，不同截面矿柱承载能力依次为：正方形 > 长方形；当矿柱宽高比大于1时，方形截面矿柱强度影响因子敏感性主次顺序为：矿柱宽(长)度 > 矿柱高度；根据机器学习算法指标综合评价，SVM模型是矿柱强度预测的最佳模型(R2=0.953、EEVS=0.953、EMAE=0.608、EMSE=0.551)，结合IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(R2=0.985、EEVS=0.986、EMAE=0.373、EMSE=0.239)；将IQPSO-SVM矿柱强度预测值与3种经典硬岩矿柱强度公式计算结果进行了讨论分析，得出了Hedley公式针对铝土矿强度计算不适用，Krauland公式适用于宽高比小于4时，Esterhuizen公式可通过调整不连续因子(F)进行较为准确的强度计算。研究成果为硬岩矿柱强度的预测提供了一种解决方案，拓宽了矿柱(群)稳定性评价的思路。

• 透明土试验技术在滑坡降雨入渗中的研究与应用

  王櫹橦, 陈盟, 唐莹影, 袁仁茂,

  由于滑坡体内部结构的复杂性和不可视性，使得滑坡降雨入渗及其渗流过程无法直观观测，从而难于查明滑坡灾变演化全阶段中降雨入渗的具体作用过程，导致降雨诱发滑坡成灾机制的认识存在不确定性，因此，发展可以观测滑坡内部降雨入渗灾变过程的新技术手段，对深入理解降雨诱发滑坡灾变机理具有重要意义。而透明土试验技术则使岩土体内部非介入式、连续、无损、可视化测量得以实现。从透明土材料特性、岩土工程性质、试验设备与图像处理解析技术等方面，总结透明土试验技术发展现状及其在不同领域的应用，重点概述该技术在边坡工程领域的应用和渗流过程可视化模拟中的实践，并讨论将其应用于滑坡渗流直观观测的可行性。在此基础上，针对透明土材料进行筛选和对制备方法进行优化，利用透明土替代传统土工模型材料建立适用于渗流过程观测的滑坡透明土物理模型，开展降雨条件下滑坡渗流物理模拟试验，获取降雨入渗诱发滑坡灾变全过程信息，确定滑坡体内部地下水渗流过程及其变化特征。该模型试验是透明土试验技术在滑坡渗流可视化观测领域一次有效的应用实践，拓展了滑坡灾害可视化模拟新途径，进一步确定地下水渗流对滑坡的复杂影响，有利于揭示降雨诱发滑坡演化规律、深入探索滑坡滑动机制，为降雨滑坡灾害防治和灾害规划提供科技支撑。

• 粉煤灰基充填膏体制备过程中氨气释放的超声强化特性

  李亚娇, 罗阳, 王铁, 鞠恺, 金鹏康, 唐仁龙, 赵兵朝, 任武昂,

  将粉煤灰作为主要胶凝材料的膏体充填开采不仅能有效控制地面沉降、解决“三下”压煤问题、提高煤炭采出率，还可解决燃煤电厂粉煤灰堆积难题。而粉煤灰基充填膏体的氨气释放会对充填作业面的气体环境造成污染，亟需治理。提出一种利用超声波促进膏体氨气释放的新思路。通过对粉煤灰浆液进行超声处理，采用以超声时长(A)、超声功率(B)、固液比(C)作为考察因素，进行单因素实验，结果表明：随着超声时长、超声功率以及固液比的的增加氨气释放速率呈现出先增大后减小的趋势，并在超声时长、超声功率以及固液比分别为30 min、80 W和1∶10时达到最大值。在单因素实验结果的基础上进行响应面实验建立回归模型。通过响应面优化确定最佳实验参数。结果表明：影响因素主次顺序为：A>B>C，AB>AC>BC；去除氨气最佳实验参数为：超声时长为32 min，超声功率为80 W，固液比为1∶7.7。验证结果表明：实测值与预测值仅存在–1.6%的相对误差。利用优化后的实验参数处理粉煤灰，并制备成充填膏体测定氨气释放量，发现膏体氨气释放量平均减少了95.94%，氨气释放速率提高84.02%，膏体3 d和28 d的单轴抗压强度分别提高185.00%和86.50%，坍塌度、泌水率和凝结时间均降低，同时减少了膏体内部多害孔数量，使孔隙率由33.58%降低到28.13%，为粉煤灰基充填膏体的氨气释放治理提供新的方法与思路。

• 高水压高应力岩石声波时域传播特性试验研究

  金解放, 赵康艳, 黄方博, 王宇, 方立兴,

  地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中，水压力和地应力共同控制着岩石的物理力学特性，研究高水压和高应力对岩石声波传播的影响特性，有利于揭示深部岩体工程开挖时围岩损伤演化、动态力学响应以及水压力和地应力的反演。基于自主研发的高水压高应力岩石声波测试系统，设置多组水压力和轴向静应力等级用于模拟地下水压力和地应力环境，对红砂岩和石灰岩进行声波传播试验。选取岩石声波首波波形，研究岩石声波波速、首波幅值和能量随水压力和轴向静应力的变化关系，构建岩石声学参数的演化经验模型。研究结果表明，当承受的轴向静应力确定时，红砂岩声波波速随水压力的增大呈先上升后下降的变化趋势，2者呈良好高斯函数关系，石灰岩声波波速随水压力的增加先快速升高后缓慢降低。当承受的水压力确定时，2种岩石声波波速随轴向静应力的增大均呈先增加后减小的变化趋势，红砂岩声波波速与轴向静应力呈高斯函数关系，且红砂岩声波波速变化显著，石灰岩变化较小。确定轴向静应力工况下，红砂岩首波幅值和能量随水压力的增加先平缓发展后快速降低，首波幅值与水压力呈指数函数的变化关系；石灰岩首波幅值和能量随水压力的增加先快速增加后平稳发展或略有降低。确定水压力工况下，红砂岩首波幅值和能量随轴向静应力的增加先升高后下降；石灰岩首波幅值和能量随轴向静应力的增大先快速上升后急剧减小。研究成果对深部高水压环境下岩体工程开挖围岩赋存状态表征、应力波传播以及邻近结构的稳定性分析提供理论基础。

• 不同加载角压剪耦合作用下岩石强度与渗透性演变特征

  范钢伟, 范张磊, 张东升, 张世忠,

  华北型石炭–二叠纪煤系基底普遍发育奥陶系灰岩含水层，煤炭开采受到底板承压含水层突水灾害和水资源流失的双重威胁，压剪耦合下岩石水力特性是大倾角承压水上开采底板岩层阻水性能评价的基础。综合采用理论分析及离散元数值计算等方法，建立了不同压剪比例下莫尔圆旋转的岩石失稳判据，揭示了压剪耦合作用下岩石强度衰减机制，提出了综合裂隙角度、裂隙扩展速度、改进体积应变等指标的应力阈值确定方法，明晰了不同加载角、渗透压差及围压条件下岩石微裂纹扩展及渗透性演化特征。主要结论如下：压剪耦合作用下岩石承载能力降低表现在强度降低与弹性模量增大2个方面；岩石弹性模量随加载角增大呈现先缓慢增大(0°～15°)后迅速增大(15°～30°)再减小(30°～45°)趋势，但仍大于初始值；岩石强度和加载角呈线性负相关关系，降低幅度和围压成正比，2 MPa围压下强度降低速度是无围压的1.9倍，由等效内摩擦角控制；随着加载角的增大岩石破坏程度降低、峰后应力由脆性跌落向塑性转变；压剪耦合作用下拉伸裂隙诱导起裂及拉剪复合裂隙主导非稳定扩展解释了不同压剪比例条件起裂应力、损伤应力阈值非线性演化的内在机制；渗透率回弹位置处于起裂与损伤应力阈值之间并接近后者，随着加载角的增大，拉剪复合裂隙(优势渗流路径)分布较为集中；岩石强度随渗透压差增大而降低，降低速率和加载角呈负相关关系；岩石峰值渗透率随着加载角的增大而减小，降低趋势随着渗透压差的增大由线性向非线性转变；加载角较大时，渗透压差与围压对岩石强度及渗透性控制作用减弱。

• 基于DIC及CPG技术的热冷循环后花岗岩I型断裂特性

  吴秋红, 夏宇浩, 赵延林, 翁磊, 王世鸣, 冯淦,

  深部储层岩石的热力学特性，尤其是循环热冷作用下损伤破坏特性，对于增强型地热系统井壁稳定性分析及地热开采效率评估具有重要意义。针对中心直裂纹半圆盘(NSCB)花岗岩试样，首先进行不同热冷循环处理(加热温度400 ℃，最高循环次数13次)，然后开展3点弯I型断裂韧度特性试验。基于裂纹扩展计(CPG)和数字图像相关(DIC)测试技术，研究了热冷循环作用下花岗岩I型断裂韧度、断裂过程区(FPZ)、裂纹扩展速率及断裂轮廓特征的影响规律。试验结果表明：当热冷循环次数达到10次以上，花岗岩试样脆性明显减弱，而峰前软化特性和峰后延性增强；花岗岩的断裂过程区由裂缝尖端开始逐步孕育，断裂过程区长度随荷载增大呈先增大后减小的趋势，I型断裂韧度、最大断裂过程区长度及裂纹平均扩展速度随热冷循环次数增大而指数减小，I型断裂面随热冷循环次数增大越来越不平整。最后，基于X-ray衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等微观测试技术，研究了热冷循环作用对花岗岩矿物成分及微观结构的影响规律，结果表明花岗岩4种矿物成分的峰值衍射强度及矿物质量分数均随热冷循环次数增大而降低，而微裂纹大小及数量随热冷循环次数增大而增大。热冷循环作用下花岗岩的损伤劣化机理包含了多次高温热损伤、水冷冲击及水弱化等3方面的联合作用结果。

• 超音速同轴气动雾化降尘技术

  张天, 穆新升, 葛少成, 李胜, 佟林全, 陶爽, 王长友,

  在煤矿开采过程中伴随大量的呼吸性粉尘产生，严重危害工人健康。喷雾技术作为应用最为广泛的降尘技术，具高效、清洁等优点，但现有的喷雾技术对呼吸性粉尘的捕获能力不强，雾化效率低。为解决该问题，研发了超音速同轴气动雾化技术。通过实验和数值模拟的方法对该技术的雾化特性进行了研究，并基于自行设计的降尘实验平台对比了超音速汲水虹吸气动雾化降尘技术与超音速同轴气动雾化降尘技术的降尘特性。同时通过2种技术的隔尘对比实验揭示了粉尘在超音速动力微雾幕作用下的沿程沉降机理。结果表明：在不同气动压力下，超音速同轴雾化降尘装置所采用的同轴探针注水方式大幅降低了探针结构对超音速流场能量的损耗，显著提高了雾化效率，产生了大量11 μm以下、空间分布均匀的高速雾滴群，与虹吸雾化装置相比，粒径减小了12%～50%，在喷雾流场中形成了大范围高速细雾区域。雾滴场与粉尘场的耦合效果，可以由粉尘的瞬时分散度表征，并由雾滴场特性的分布特征决定。不同时刻，各个粒径区间的分级降尘效率的变化趋势不同，在不同压力下对总的降尘效率的贡献不同。超音速同轴雾化技术产生的大范围高速细雾易于捕集呼吸性粉尘，PM0～PM2.5的分级效率在75%以上，最高可达90%。压力的增大使高速细雾范围增大，有利于对微细颗粒的捕集。含尘气流在有限空间运移过程中粉尘在超音速动力微雾幕作用下的沿程沉降过程可划分为雾滴捕尘区、凝并沉降区、蒸发逃逸区。在不同区域雾滴与粉尘不同的行为与浓度分布，是受到喷雾气流及气载风流曳力运移，高速微雾碰撞捕捉、雾滴凝并沉降、雾滴蒸发失重作用的结果。

• 基于谐振效应的自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流最优冲击靶距研究

  邓玉洁, 刘勇, 魏建平, 沈荷莲, 李翔, 李海超,

  超临界二氧化碳(SC-CO2)射流在钻井工程中具有广泛应用前景，并且其破煤压力阈值低、效率高，能够提高钻井效率。但因其较高的破煤门限压力和系统能耗，限制了其推广应用。自激振荡脉冲SC-CO2射流的高脉冲压力和谐振效应可有效降低破煤门限压力，显著提高破煤效率。基于此，开展了自激振荡脉冲SC-CO2射流脉冲频率和脉冲压力幅值对谐振破煤的综合作用研究。采用大涡模拟分析了射流流场结构，明确了流场轴向上脉冲频率和脉冲压力幅值的变化规律；通过脉冲特征测试实验研究了靶距对射流冲击频率和冲击压力的影响，并通过冲击破煤实验研究了脉冲特征对破煤的综合影响，得到了以下结论：自激振荡脉冲SC-CO2射流脉冲频率和压力幅值在射流轴向处并不会保持不变，随着靶距的不断增大均呈现逐渐减小的趋势。仅考虑脉冲频率并不能将谐振效应最大化，需要综合考虑脉冲频率和压力幅值对谐振效应的影响。采用位移响应振幅表征谐振效果，能够反映频率和幅值对谐振的综合影响。靶距较小时，即0～15 mm，位移响应振幅的主要影响因素为脉冲压力幅值；靶距较大时，即15～30 mm，其主要影响因素转变为脉冲频率。减小脉冲频率并增加压力幅值能够有效提高位移响应振幅。不同喷嘴结构条件下，位移响应振幅主要影响因素的转变位置不同，同时最优靶距也并不相同。该研究中，喷嘴a的最优靶距是22 mm，此处的位移响应振幅最大，破煤效果最好，而喷嘴b的最优靶距是26 mm。

• SCCO2作用下不同含水性煤孔裂隙结构变化机制

  张小东, 靳沙沙, 张瑜, 张硕, 韩磊,

  深部煤层封存CO2增产CH4产出过程中，处于超临界状态的CO2(SCCO2)与煤中矿物质发生反应，改变煤的孔隙性，进而影响煤层封存CO2的效果和甲烷增产效果。为发现SCCO2–H2O–煤岩作用对煤中孔隙的影响特征，以焦煤为研究对象，开展了不同含水条件下的超临界CO2改造煤实验，基于矿物组成和孔隙性测定结果，对比煤中主要矿物质和不同尺度的孔裂隙变化的差异，探讨了不同含水状态下SCCO2流体对孔裂隙性的作用机制。研究表明：① SCCO2作用后，煤体表面粗糙、疏松，且由于矿物溶蚀使得一些裂隙得到贯通，微裂隙连通性增强。② SCCO2流体对煤具有“扩孔”作用，表现为微、小孔含量下降，中、大孔占比升高，也即微、小孔隙向大孔隙的转化，且孔隙连通性改善；进一步发现，萃余煤吸附孔的分形维数稍微增加，粗糙度增大，而渗流孔的分形维数显著降低，复杂性和非均质性降低。③ SCCO2对煤中碳酸盐类矿物的溶解性最好，其次是黏土矿物，且随着含水率增加，萃余煤中的碳酸盐矿物占比先增加后减小。SCCO2使干燥基态、饱和水态煤样中碳酸盐矿物显著溶解，有效改善了孔隙结构，且对饱和水态煤样作用效果更好。空气干燥基态煤样经SCCO2作用后，新生成的白云石矿物聚集在孔喉中造成堵孔效应，缩小原有大孔隙尺寸，是引起不同含水性煤孔隙差异性变化的主要原因。

• 煤中超临界CO2解吸滞后机理及其对地质封存启示

  刘操, 闫江伟, 赵春辉, 钟福平, 贾天让, 刘小磊, 张航,

  将CO2注入不可采煤层地质封存既是降低温室气体效应最理想选择之一，也是煤炭工业降低CO2排放、实现低碳化可持续发展的必由之路，然而，煤层CO2地质封存悬而未决的关键问题是：“注入煤层中的CO2到底能否长期停留而安全封存?”。鉴于此，在弄清煤体CO2解吸滞后规律的基础上，揭示超临界CO2解吸滞后机理，建立煤层CO2地质封存量化模型，探讨利用解吸滞后实现煤层CO2长期安全封存。研究表明：煤中超临界态CO2解吸滞后程度大于亚临界态CO2，在超临界阶段，吸附与解吸等温线形成近似“平行线”的稳定滞后特征；解吸滞后的本质原因是煤中微纳米级亲水性孔隙形成弯液面、产生强大毛细压力、渗吸液态水、截断并固定超临界CO2流体、最终形成了CO2残余封存，例如，煤中直径40～10 nm圆柱形无机孔隙可产生7.30～29.12 MPa毛细压力，足以封堵超临界态CO2；以九里山煤样解吸等温线数据为例，采用基于煤层CO2解吸滞后的地质封存量化模型，评估出900～1 500 m深部二1煤层封存总量稳定在35～37 m3/t，其中，吸附封存约占80%，残余封存约占15%，而结构封存仅占5%；解吸滞后启示应尽可能采取措施提高煤层残余封存CO2比例，原因是毛细堵塞的残余封存CO2较围岩密封的游离和吸附CO2更安全且没有泄露风险，煤层灰分、水分、孔隙尺寸和形貌等物性参数是影响残余封存效率的主要因素。

• 考虑煤层割理的多分支水平井煤层气开发数值模拟研究

  徐加祥, 赵洋, 董丹丹, 王玫珠, 杨焦生, 田丰华,

  开发煤层气的多分支水平井形态多样且在对开发过程中割理的作用认识不清，有必要探究煤层中离散割理分布特征和多分支水平井形态对气井产能的影响。根据煤层中面割理和端割理的发育情况和正交特性，采用随机方法在煤层中分别构建了低密度、中密度和高密度的离散割理系统，并与等长型、纺锤型、交错型和哑铃型4种不同形态的多分支水平井结合，构建出多分支水平井开发煤层气的物理模型。在考虑开发过程中煤层有效应力变化和基质收缩效应的条件下建立了煤层基质和割理系统的应力敏感模型，并采用Langmuir定理计算煤层气的解吸附，建立了一种可压缩煤层气在煤层基质–割理系统–多分支水平井耦合中流动的开发模型，进而研究了多分支水平井形态和割理密度对煤层气开发的影响。结果表明：煤层中的离散割理可以极大地增加多分支水平井在短时间内对煤层的动用范围，但是仅限于与多分支水平井直接联通的割理及周围基质区域，未与多分支水平井联通的部分则需要较长的开发时间，这也是气井在较短的时间获得峰值产量并迅速减产的重要原因；等长型多分支水平井控制的储层范围最大，交错型、哑铃型和纺锤型的控制范围依次减小；在煤层中割理密度相同时，等长型多分支水平井的煤层气峰值日产量和20 a内的累积产量均高于其他3种类型的多分支水平井，可以取得更好的开发效果；增大多分支水平井主次井筒的夹角，等长型多分支水平井开发效果更好，同时纺锤型分支水平井的峰值日产量提高显著；交错型和哑铃型多分支水平井的峰值日产量对分支数量更加敏感，纺锤型多分支水平井的分支数量应不少于8条，而哑铃型多分支井的分支数量不多于6条。

• 钻孔瞬变电磁法接收线圈定向屏蔽物理模拟研究

  辛成涛, 程久龙, 李垚, 孔孟行,

  钻孔瞬变电磁(BTEM)扫描探测方法可以利用巷道已有超前探查钻孔，通过旋转置于钻孔内收发线圈对孔壁外围隐蔽地质异常体进行扫描探测，因收发装置位于钻孔内,不仅避免了巷道内电气设备和金属物的电磁干扰，而且可以提高钻孔利用率，减少钻探工作量。然而，钻孔瞬变电磁法受全空间效应的影响，在扫描探测过程中，以收发线圈法线方向为探测方向接收异常体二次场信号的同时，还易受到其他方向信号的叠加干扰。若无法有效压制干扰信号，将直接影响对钻孔孔壁外围地质异常体的精确定位。利用屏蔽的方法，在接收线圈上安装屏蔽罩，尽可能保留线圈法线与屏蔽罩开口一致的探测方向的响应信号，而对其他方向的信号进行压制，从而实现钻孔孔壁径向一定范围内指向性探测。首先通过物理模拟实验探讨了不同匝数、尺寸的收发线圈对瞬变电磁场响应特征的影响，对适用于钻孔内的收发线圈参数进行组合优选。然后针对所要屏蔽的电磁波，选择不同种类的屏蔽材料，开展不同材料对不同方向电磁波的屏蔽效果实验。通过对比探测方向和其他方向的感应电动势，证实以泡沫镍制作的屏蔽罩能有效地压制非探测方向的干扰信号。通过实验分别对屏蔽罩的不同形状、磁导率等物性参数进行瞬变电磁场响应特征对比分析，并探讨屏蔽罩开口角度与定向屏蔽效果的关系，优化定向屏蔽罩参数，增强屏蔽效果。最后使用参数优化后的收发线圈和定向屏蔽装置进行钻孔瞬变电磁法径向断面扫描探测现场实验，采用基于混合分布的混沌量子粒子群和Levenberg-Marquarat及Occam组合算法的反演方法进行电阻率成像。研究表明：以泡沫镍为屏蔽材料，安装在接收线圈上的弧形屏蔽罩定向屏蔽效果较好，可以有效地压制钻孔瞬变电磁法扫描探测过程中非探测方向的信号干扰，且能较大程度的保留探测方向的异常响应信号，进而可以实现对钻孔孔壁外围隐蔽地质异常体的精确定位。

• 某废弃煤矿区土壤重金属污染风险评价

  张永康, 曹耀华, 冯乃琦, 刘岩, 张耀, 王庆, 刘佳,

  煤矿在开采过程中产生大量煤矸石、洗煤水等废弃物，其中的重金属污染物经沉降、径流、淋滤等作用迁移、扩散至周边水土环境中，对生态环境构成威胁。为研究某废弃煤矿区土壤重金属污染状况，评价重金属污染生态风险，检测了该矿区煤矸石、水、土壤样品中Cu、Pb、Zn、As、Cr、Ni、Hg、Cd元素质量分数，利用单因子指数法和潜在生态危害指数法分别分析了土壤重金属污染状况和潜在生态风险；重点分析了矿区洗煤厂下游土壤重金属污染特征，并采用改进BCR连续提取法分析了洗煤厂下游土壤样品重金属元素(Cu、Zn、Cd)形态，借鉴风险评价编码法评价了重金属元素的生物有效性和环境风险。结果表明：① 以平均值计，废弃煤矿区煤矸石中重金属质量分数较低，仅Cr元素质量分数稍高于土壤中的质量分数，且煤矸石中重金属元素质量分数均未超过相应的农用地土壤风险筛选值，对矿区土壤重金属污染影响小。② 废弃煤矿区土壤重金属超标元素为Cu、Zn、Cd、Ni、As，Cu、Zn、Ni和As元素污染较轻微，Cd元素污染较严重；Cu、Zn、Ni元素污染区主要集中在矸石山西部和东南部地块，在空间分布上有一定重合；As元素污染分布在矸石山东北部地块，Cd元素污染在矿区广泛分布，以中度–重度污染为主。③ Cd、Hg元素存在潜在生态危害风险，Cd元素潜在生态危害风险程度高，重金属元素综合潜在生态危害风险等级较高，主要为中等–强风险。④ 洗煤厂下游区域沿水流方向土壤重金属元素总体呈递减趋势，Cd元素污染较严重，Cu、Zn、Ni、As元素污染集中在洗煤厂下游200 m内，剖面样品中垂向方向上重金属元素质量分数呈递减趋势，在垂向上没有累积。⑤ 矿区地下水水质较好，矿井排水重金属元素质量分数及pH满足Ⅲ类地表水水质标准限值，矿井水外排对周边土壤重金属污染影响小。⑥ Cu和Zn元素酸可提取态占比低，生物有效性低，Cd元素酸可提取态占比高，呈高度风险–极高风险，生物有效性强，环境风险高。基于矿区重金属污染现状，建议进一步加强土壤重金属污染防治工作，加强源头治理、农产品食品安全监测和Cd元素污染调查研究工作。

• 半干旱草原露天矿区生态累积效应：评估模型与应用

  梁佳欣, 李晶, 殷守强, 任河, 蒋斋,

  为揭示半干旱草原露天矿区生态环境质量状况，分离矿区人类活动生态累积效应并识别其演变态势，在厘清矿区生态累积效应概念的基础上，构建适用于半干旱草原的露天矿区生态环境质量评估指数(Surface Mining Areas Eco-environmental Evaluation Index, SMAEEI)以及矿区生态累积效应定量评估模型。选取内蒙古胜利矿区为研究区，量化分析1986—2020年区域生态环境质量和生态累积效应的时空分布规律，以及主要人类活动的生态累积效应差异。结果表明：① SMAEEI适用于半干旱草原露天矿区，能客观呈现各地类生态环境质量高低顺序。35 a间研究区生态环境质量呈极显著下降趋势，且其空间差异显著减弱。露天矿场、城镇扩张区、锡林河湿地及北侧草地生态环境质量出现极显著、显著的退化趋势。② 半干旱草原露天矿区生态累积效应定量评估模型能剔除气候因素对生态系统的耦合影响，分离并量化人类活动对矿区生态系统的累积效应，揭示累积的方向、程度和空间范围。35 a间研究区生态服务价值累积量(Change of Ecosystem Service Value Cumulant, COESVC)共减少1 186 157.03万元，出现负向生态累积效应，生态系统服务功能下降。高度、中度负向累积区集中在湿地和草地退化区、城镇区、露天矿场。③ 露天开采、城镇建设造成的单位面积负向生态累积效应最明显，前者在单位时间内带来的负向累积变化最剧烈，后者负向累积效应的局部影响程度和偏离度最大；放牧活动引起的负向生态累积效应影响范围最广、总量最大，但局部影响程度最小，生态系统服务功能较其余人类活动更稳定。研究成果可将矿区人类活动引起的生态环境实物量变动转化为价值量描述，为采用货币形式测算矿区生产生活行为的环境损害成本提供可行方法。

• 基于FES技术的O2/CO2燃烧气氛下准东煤中不同类型碱金属盐的释放特性

  赵京, 杨本超, 魏小林, 倪文翔, 乔瑜, 娄春,

  O2/CO2燃烧技术被认为是一种清洁的燃煤发电技术，然而高碱准东煤燃烧过程中释放的大量碱金属通常是引起锅炉受热面积灰、结渣以及腐蚀的重要物质，严重危害了设备的安全稳定运行。因此，探讨O2/CO2燃烧气氛下准东煤中不同类型碱金属盐的释放特性对于煤炭的清洁高效利用具有重要意义。基于火焰发射光谱技术(FES)，在金属丝网反应器上研究了煤粉燃烧过程中不同类型碱金属盐在O2/N2和O2/CO2两种气氛下的释放特性。结果表明：在O2/N2气氛下，挥发分燃烧会产生明亮的火焰；与O2/N2气氛相比，O2/CO2气氛下煤粉燃烧强度降低，火焰温度下降，着火时间延迟，挥发分和焦炭的燃烧时间延长，使得煤粉中气相Na的释放过程受到抑制。对于NaAc、Na2CO3和Na2SO4来讲，O2/CO2气氛延迟了其释放过程中质量浓度降低的时间，使煤粉中气相Na从开始释放就进入稳定释放阶段，气相Na质量浓度变化率波动不大；但NaCl会在释放的4 s左右质量浓度变化率变为负值，导致释放的气相Na质量浓度一直降低。同时CO2气氛还会使得NaAc、NaCl等类型盐转化形成更难释放的Na2CO3，进一步抑制气相Na的释放过程。而Na2CO3的质量释放率在O2/CO2气氛下也降低的主要原因则是CO2抑制了Na2CO3向Na2O的分解过程。Na2SO4则由于其本身释放就比较困难，因此其质量释放率降低的主要原因是燃料燃烧温度和强度降低导致的。

• MOFs负载聚乙烯亚胺(PEI)对硫化氢的吸附

  杨永杰, 刘萱, 杨超, 王业双, 樊惠玲,

  煤炭清洁高效利用是当下煤炭资源发展的主题，煤炭加工利用过程中会产生以硫化氢(H2S)为主的硫化物，对生产和环境造成了不利影响。近年来，吸附脱硫因其高脱硫效率、高精度、操作简单等优点成为广泛使用的脱硫方法。金属–有机框架材料(MOFs)具有大的比表面积和孔隙率、易于修饰和功能化的优势，在气体吸附领域具有很大的潜力。聚乙烯亚胺(PEI)是同时含有伯、仲、叔胺的高分子聚合物，对H2S有强亲和力并发生可逆的化学反应，将PEI引入MOFs中有望进一步提升H2S吸附性能。为此，采用浸渍法制备了PEI负载的MIL-101(Cr)、UiO-66、MOF-801、ZIF-8吸附剂，研究了载体类型和PEI负载量对H2S吸附性能的影响，考察了吸附剂的循环使用能力。结果表明，负载PEI后，所有载体的吸附容量均有所提高，ZIF-8提高的最多，归因于ZIF-8载体本身大的比表面积、孔体积、负载后晶体结构的保持以及PEI与ZIF-8之间的相互作用。而其余MOFs由于比表面积和孔体积较小或负载PEI后结构发生破坏，负载PEI之后的吸附容量不理想。PEI的负载量会影响ZIF-8的孔隙结构和骨架的稳定性；50%(质量分数)PEI负载后的ZIF-8穿透硫容最高，为56.3 mg/g，是载体本身的55倍。再生循环实验表明，负载PEI的ZIF-8只能实现极少部分再生，并且负载量低的吸附剂的吸附循环性能比负载量高的更好，PEI的引入使ZIF-8更易遭受H2S的进攻生成ZnS。

• 煤粉质量浓度及表观形貌对煤粉/乙烯/氧气爆轰波起爆特性的影响

  熊凯, 罗永晨, 杨浅舒, 张锋, 续晗, 郑权, 翁春生,

  为实现煤粉连续旋转爆轰发动机的可靠点火，探究煤粉质量浓度及表观形貌对煤粉/乙烯/氧气起爆特性的影响机制。在乙烯氛围下(初始总压100 kPa，当量比0.5)，采用高能电点火装置对不同煤粉当量比和表观形貌下的煤粉–氧气混合物进行直接起爆实验。实验结果表明：添加少量5PA煤粉(实验所用2种煤粉记为PA、FA。PA和FA分别为多孔状无烟煤和片状无烟煤的缩写，如5 μm多孔状煤粉简写为5PA煤粉)后，乙烯/氧气混合物的临界起爆能量迅速减小，在全局当量比0.7处达到其最小值2.53 J，随着当量比继续增加，煤粉/乙烯/氧气混合物的临界起爆能量逐渐增加；在全局当量比1.0处5FA煤粉的临界起爆能量(5.20 J)高于5PA煤粉的临界起爆能量(2.95 J)；在5.80 J的点火能量下，5PA煤粉和5FA煤粉在全局当量比0.7～1.5内均可直接起爆，在4.10 J的点火能量下，5PA煤粉在全局当量比0.7～1.5内均可直接起爆，但5FA煤粉仅在全局当量比0.7处可直接起爆，进一步增加当量比后不可起爆。研究结果表明：对于贫燃料乙烯/氧气(当量比低于1)，在一定煤粉质量浓度范围内，煤粉可以促进爆轰波的形成和自持传播，但煤粉质量浓度过高会抑制爆轰波的形成和自持传播；煤粉的表观形貌会影响煤粉混合物的起爆特性，相较于片状煤粉，多孔状煤粉的化学反应速率更高，临界起爆能量更低，更容易起爆。

• 天然气调质煤粉再燃中关键参数的实验研究

  李玉凯, 孙绍增, 赵义军, 张文达, 冯冬冬,

  针对煤粉再燃技术，提出了一种结合再循环烟气输送煤粉和天然气调质的方案。其目的在于提高再燃煤粉的还原能力，从而降低燃煤锅炉产生的氮氧化物排放。为了探索如何利用天然气中高活性成分，创造一个更有利于煤粉还原NOx的环境，利用模拟实际燃煤锅炉条件下的多反应控制段携带流反应器实验系统，研究了天然气调质的整个过程。结果表明，天然气调质产生的大量还原性物质，如CO*、OH*、H和CHi等优化了煤焦的物理化学结构，增强了煤焦还原氮氧化物的能力。与传统的再循环烟气输送煤粉相比，添加天然气调质后，NOx的还原效率提高了约12.23%。通过实验和数据分析，解析了天然气调质技术对于煤粉再燃的显著影响，并提出了在工程应用中的具体参数要求。从工程应用角度来看，为了实现高效率的氮氧化物还原，并兼顾煤粉的燃烬和经济性，需要对再燃区的过量空气系数、停留时间和燃料比进行精确控制，分别为0.8、0.6 s和20%。总的来说，采用天然气调质技术可在保证氮氧化物超低排放的同时，尽量减少活性气体的使用，从而提高系统运行的经济性。该灵活的天然气使用技术不仅在实验室条件下取得了良好的效果，也为工程实践提供了可行的方案，保证系统运行的经济性。

• 基于图像内凹度的矿井外因火灾识别及抗干扰方法

  孙继平, 李小伟,

  尽早发现矿井火灾并处置，可避免或减少人员伤亡和财产损失及次生事故的发生。井下没有日光、月光、星光及闪电等自然光源，影响矿井火灾图像识别的主要是矿井光源。圆形度能够排除圆形光源的干扰，但难以排除非圆形光源的干扰。矩形度能够排除矩形光源的干扰，但难以排除非矩形光源的干扰。在工程实际中，因摄像机的拍摄角度不同，矿井光源图像会出现变形，无法呈现理想的规则形状，使用圆形度和矩形度算法难以排除矿井光源的干扰。揭示了火焰图像轮廓外接图面积明显大于其图像实际面积，圆形灯、长方形灯和正方形灯等矿井实际光源图像轮廓外接图面积近似等于其光源图像实际面积等特点。提出基于图像内凹度的矿井火灾识别及抗干扰方法，计算目标图像面积与图像轮廓外接图面积的比值(即图像内凹度)，根据火焰图像内凹度数值较小，而矿井光源图像内凹度数值较大，区分火焰与矿井光源。提出的内凹度方法不受摄像机距检测目标距离和图像大小、摄像机安装位置和摄像机拍摄检测目标的角度、矿井光源形状等影响，适应性强，识别准确率高。实验表明，内凹度识别方法计算得到的矿井干扰光源减去火焰图像平均差值最大，波动最小，区分度最好，受摄像机拍摄角度及距离影响最小，抗干扰能力最强，准确率为91.6%。矩形度识别方法计算得到的矿井干扰光源减去火焰图像平均差值较大，波动较小，区分度较好，受摄像机拍摄角度及距离影响较小，抗干扰能力一般，准确率为72.5%。圆形度识别方法计算得到的矿井干扰光源减去火焰图像平均差值最小，波动最大，区分度最差，受摄像机拍摄距离影响较小，受摄像机拍摄角度影响大，抗干扰能力最差，准确率为12.0%。因此，提出的内凹度识别方法，优于矩形度和圆形度，区分度最好，受摄像机拍摄角度及距离影响最小，抗干扰能力最强。

• 智采工作面三机数字孪生驱动控制架构

  尤秀松, 葛世荣, 郭一楠, 苗丙,

  为了进一步提高煤矿综采设备智能控制水平，实现智采工作面常态化运行，提出基于数字孪生智采工作面驱动控制的相关概念和系统架构。智采工作面数字孪生系统由物理设备、虚拟孪生体、虚实交互模型组成，通过数字化方法建立与实体设备相映射的虚拟模型，来达到综采设备在作业过程中虚实交互、智能决策、精准控制和动态演化的目的。阐述智采工作面常态化运行要求和采煤机、液压支架和刮板输送机的相关控制难点。提出了智采工作面单机数字孪生驱动控制架构，包括机理模型、控制模型、孪生数据模型和数字孪生模型同步与演化等要素；研究数字孪生虚实交互方法，利用信息物理系统来保障信息交互能力，采用知识模型来解决数据拥堵问题，为智采工作面数字孪生控制系统的虚实交互提供实时性。提出智采工作面数字孪生驱动的三机协同控制方法，包括三机关联关系、智能采煤控制、智能支护控制与智能运输控制。最后以矿山数字孪生实际应用为例，通过建立相关模型和设计相关实验方案，对数字孪生智能控制进行验证。通过展开数字孪生智能控制架构、模式等理论研究，旨在解决目前综采工作面存在的环境感知程度低、设备预测精度差和人工干预强度大等问题，实现在复杂环境条件下设备的自适应控制与人机交互，为煤矿智能化建设提供借鉴意义。

• 基于机器视觉的煤尘环境下掘进空间煤岩界面感知与精准识别

  张云, 童亮, 来兴平, 曹胜根, 闫保旭, 刘永孜, 孙浩强, 杨彦斌, 何伟,

  巷道掘进过程中煤岩识别技术是掘进机截割头自动调整的核心，同样是制约矿山智能化建设的关键难题之一。针对当前采掘失衡，掘进工作面缺乏成熟有效的煤岩识别方案，现有基于图像的煤岩识别模型存在分割精度差、无法灵活部署等问题，提出一种应用在掘进工作面下基于图像分割的煤岩截割界面感知与精准识别方法。该方法结合掘进工作面实际截割情况，采用MobileNetV2特征提取网络作为DeepLabV3+的主干网络，使模型更好地兼顾分割精度和模型复杂度；将空洞空间卷积池化金字塔模块输出的高级特征进行通道注意力(SE)操作，分配通道权重以强化对重点特征信息的训练；在主干网络输出的浅层特征引入通道空间注意力(CA)机制，使浅层特征图中的低级表征信息加权，从而设计出融合双注意力机制于DeepLabV3+的煤岩截割界面识别模型。同时搭建煤尘环境下煤岩识别实验平台模拟掘进机截割后形成的煤岩截割面，研发巷道掘进过程中煤岩截割界面采集方法，并以实际矿井的掘进工作面为工程背景，验证该煤岩识别模型的分割精度以及实际应用性。研究结果表明：SE-CA-DeepLabV3+模型的平均交并比和平均像素精度分别为97.15%和98.51%，相较于其他模型具有更优的分割性能。将所建立模型对来自陕北试验矿井掘进工作面的原始煤岩图像进行验证，平均误差为0.7%，每秒传输帧数为43 fps，满足井下现场应用部署条件。