煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第8期

• 面间煤柱与顺槽“掘–充–留”一体化科学问题与技术

  王双明, 刘浪, 朱梦博, 蔚保宁, 庄登登, 屈慧升, 何伟, 邵成成, 夏磊, 周静,

  我国将煤炭作为兜底保障能源的局面短期内无法改变，仍将长时间面临煤炭资源保护与煤基固废利用率低的难题。通过创新采掘方法，同时实现提高煤炭资源回采率、规模化处置煤基固废，为煤炭行业绿色可持续发展提供了新途径。在深入调研煤炭资源开采技术发展现状的基础上，提出了煤矿“掘–充–留” 掘进新工法。从大断面巷道快速掘进、连续高效充填和巷道安全留设3个方面，通过理论分析、数值模拟等手段，系统论述了“掘–充–留”工法的科学问题和关键技术，研究结果表明：① 针对大断面巷道快速掘进、掘进工作面围岩稳定性控制等工程难题，凝练了煤岩特性与掘进机截割参数匹配机制、覆岩载荷空间传递机制与围岩变形机理、锚杆/索–顶板相互作用关系及支护机制3个科学难题，构建了以掘进区地质环境超前实时感知、落–装–运煤多工序智能协同作业、钻锚支架随掘随支围岩时效控制和大断面巷道防漏风及通风优化为核心的技术体系；② 从大断面巷道承载体系及时构建及其承载性能调控两个方面凝练了连续高效充填的科学问题，包括充填体–煤层–锚杆/索协同承载机制、多元固废基充填材料水化固结机制，明晰充填体物理力学特性时空演化规律，建立了充填空间安全高效搭建、充填材料工作性能调控、充填材料流动–固结感知为核心的连续高效充填关键技术体系，相关理论与技术的突破可以为充填材料的原材料优选及配比设计、添加剂开发/选型及工作性能调控、掘进速率及充填步距优化设计、充填体固结监测等提供基础理论依据；③ 基于巷道安全留设及全生命周期内围岩易断裂、易片帮和易损伤等关键难题，阐述了巷道围岩应力场时空分布特征、巷道变形与损伤演化机制、巷道围岩工程质量监测与稳定性调控理论3个科学问题，形成了以巷道围岩稳定性智能预警、巷道围岩变形控制为核心的关键技术体系。开展煤矿“掘–充–留”工法的科学研究与工程示范，实现固废规模化处置–面间煤柱高效回收–顺槽快速掘进的协同，可以推动煤炭行业绿色低碳转型发展。

• 深海金属采矿装备与技术发展现状及分析

  金永平, 董向阳, 万步炎, 刘德顺,

  金属矿产资源是保障国家经济发展与建设的重要物质基础。在陆地稀有金属供应初显疲态的形势下，世界各国纷纷将资源战略瞄向稀有金属蕴藏丰富的深海。开展深海采矿装备与技术的研发攻关，是实现深海矿产资源高效开采的关键。首先，系统论述深海采矿科学技术与装备发展历程，重点分析拖斗式、连续绳斗式、自动穿梭艇式、管道提升式技术特点，总结梳理国内外深海采矿车、深海扬矿装备、深海采矿船3类装备的发展现状；然后，以当前研究与发展动态为基础，围绕采矿、输运、支撑平台3个领域，梳理采集技术、牵引驱动技术、轨迹与规划技术、羽流演变评估技术4项采矿技术上取得的成效和进展，总结气力提升技术、水力提升技术、过流部件保障技术、力学行为分析技术4项输运技术的研究动态，探讨收放技术、升沉补偿技术2项支撑平台技术的研究方向及进展；最后，鉴于经济、环境、装备与技术3个维度目前的发展形势，提出深海采矿技术科学目标由装备可控转变为绿色采矿、安全采矿，为应对未来深海采矿装备与技术发展面临的环境与安全挑战，分析提出有待于聚焦研究的关键科学与技术问题，以此凝练出绿色行进采集技术、超深安全扬矿技术、全局协同保障技术、数字环境评估技术4项亟待突破的关键技术，以期为我国深海采矿装备体系研究与建设提供参考。

• 神东矿区综采工作面过同层位空巷强矿压显现机理及控制方法

  罗文, 余伊河, 王文,

  神东矿区各矿井在回采过程中由于工作面布置方式调整，工作面前方常会出现以往工作面空巷。为避免工作面过空巷期间发生顶板事故，总结了神东矿区多个工作面和空巷赋存条件、过空巷处理方法与矿压控制效果，分析了工作面过空巷期间顶板超前断裂失稳机理。综合考虑空巷、泵送支柱、煤柱与支架对顶板的不同支撑作用，采用数值模拟研究了不同煤柱尺寸、周期来压破断位置、空巷跨度与泵送支柱强度条件下，工作面过空巷期间顶板下沉和弯曲拉应力分布情况，结果表明：随着空巷与工作面斜角度从90°垂直减小至0°平行，空巷对工作面影响的推进长度减小，但过空巷期间工作面矿压显现范围增大，强度更加剧烈。工作面过空巷期间矿压显现强度主要受煤柱尺寸、过空巷前上一次顶板断裂位置、空巷跨度和空巷支护情况等因素的控制。随着工作面靠近空巷，煤柱必然逐渐失稳，且大多数空巷在工作面开采前已经存在，其跨度难以改变。神东矿区通过加强巷道顶板支护和通过等压调整顶板周期破断位置以实现工作面过空巷期间的矿压控制。随着泵送支柱峰值强度和弹性模量的增大，对空巷顶板的控制效果明显，但在顶板悬露过长时可能发生失稳破坏并失去承载能力。当顶板周期断裂位置分别位于过空巷前后，过空巷期间顶板能够承担主要上覆载荷，采场矿压得到有效控制；反之，顶板将在过空巷期间发生超前断裂，导致发生冒顶和压架事故。最后以神东矿区哈拉沟煤矿综采工作面过空巷为例，分析了泵送支柱和等压开采在工作面过空巷期间的矿压控制效果，为神东矿区乃至其他矿区工作面过空巷期间矿压控制提供借鉴。

• 锚索丝轴向受力–破断能量聚散演化与吸能防护机理

  涂敏, 郭福鑫, 张向阳, 王传兵,

  针对深部高应力巷道顶板锚索在拉伸、剪切、扭转等复合作用下，积聚应变能瞬间释放，引发锚索抽丝破断弹射事故，严重影响煤矿安全生产。以张集矿1421(3)锚索支护巷道为工程背景，运用理论分析、数值模拟、实验室试验相结合的研究方法，揭示锚索–围岩能量孕育演化机制与锚索防护装置吸能防护机理。结果表明：由锚索丝单轴拉伸试验与全量本构模型得到锚索丝破断应变能密度为55 MJ/m3，锚索丝破断弹射释放能量与锚索丝破断长度、轴力、直径呈正相关。根据数值模拟，锚索距顶板0.6 m处剪切应力集中，易发生锚索抽丝破断弹射，长度0.8 m锚索丝弹射初速度为102 m/s。通过仿真模拟结合强度理论，原方案锚索吸能防护装置冲击荷载极限为20 m/s，增加锚索防护装置底座护壁使冲击荷载极限提升至200 m/s，有效解决锚索丝冲击防护装置偏转失效问题。基于锚索防护装置静态拉伸试验与自由落体冲击试验对数值模拟结果进行可靠性验证，获得防护装置最大吸能阈值为1 189 J；无护壁防护装置弹簧底座在冲击力作用下产生侧向偏移，弹簧底部剪切破坏；增加弹簧底座护壁，可有效约束底座偏移，充分发挥弹簧拉伸吸能特性，防止弹簧剪切损伤后失效，试验结果与数值模拟结果相符。研究成果为同规格锚索巷道支护设计、锚索抽丝破断弹射与防护提供借鉴。

• 多孔套筒定向压裂力学机制及影响因素分析

  胡善超, 韩金明, 程亚飞, 亓佳利, 黄俊鸿, 高志豪, 郭世豪, 杨磊,

  坚硬顶板破断释放巨大冲击动能是诱发煤矿动力灾害的重要因素之一，在特定位置断顶实现岩层的定向断裂、减小坚硬顶板悬顶长度是防治煤岩动力灾害的关键。多孔套筒压裂技术具有操作简单、适用条件广泛等优点，在坚硬顶板弱化领域有着广泛的研究前景。为深入了解多孔套筒压裂机理，采用理论分析与数值模拟方法开展了多孔套筒压裂力学机制研究，揭示了不同影响因素下孔间应力变化规律，获得了压裂过程裂缝扩展规律及力链分布特征。通过钻孔切槽可提升套筒压裂预裂效果，为确定合理的布孔参数，基于线弹性断裂力学建立了含预制缝多孔套筒压裂力学模型，给出了缝端应力强度因子、临界膨胀力及裂缝临界起裂角计算方程，获得了不同影响因素下缝端应力强度因子、临界膨胀力及临界起裂角的变化规律。研究结果表明：① 侧压系数k对钻孔最小起裂应力影响显著，当侧压系数k > 1时，最小起裂应力随布孔角度的增大而减小；当侧压系数k < 1时，最小起裂应力随布孔角度的增大而增大。② 数值模拟结果表明：套筒间存在应力叠加效应，接触力链呈“放射状”分布。套筒压裂过程以张拉破坏为主，孔心连线处变形破坏最剧烈，均沿布孔方向形成了“条带状”断裂面。③ 缝槽改变了缝端附近的应力分布，相较无缝槽模型环向拉应力更大。当缝槽长度为0.5倍孔半径时，临界膨胀力最小，裂缝最易发生扩展。④ 临界起裂角由KⅠ与KⅡ共同决定，且小于70.53°。在泵压与地应力条件无法改变的情况下，可通过调节布孔角度与预制缝槽长度实现岩石的定向压裂。

• 水力耦合下煤样声发射分形–渗透率模型及试验研究

  姬红英, 王文博, 辛亚军, 张东营, 高忠国, 任金武,

  煤样轴向应力加载–水压渗流作用下裂隙(孔隙)发展直接影响煤样试件的力学指标与渗流特性，文中通过理论解析与力学试验方法，分析了煤样试件裂隙(孔隙)主导下渗透率与声发射分形维数、振铃计数响应关系，建立了水力耦合作用下煤样声发射分形–渗透率模型，开展了不同围压(2～5 MPa，Δpw(渗透压)/p'c(围压)=0.75)下水力耦合煤样渗流试验，分析了不同围压(水压)下煤样试件的力学行为、声发射规律与渗流特征，探讨了不同围压下煤样试件的强度提升特点与破坏形态–声发射定位关系，验证了水力耦合下煤样试件的声发射分形–渗透率模型合理性。结果表明：煤样试件渗流试验中裂隙(孔隙)变化与声发射振铃具有一致性，裂隙(孔隙)扩展与声发射分形维数、渗透率密切相关，声发射分形、渗透率可用体积应变表征，基于声发射分形的水力耦合下煤样试件的声发射分形–渗透率模型可采用2段式数学模型解析；煤样渗流全应力–应变过程中渗透率表现为短时减少—长时缓慢增加—急速增加—小幅回落过程，振铃计数呈快速增加—减少—增加—减少波浪型发展，渗透率最小值滞后体积应变压缩与膨胀临界点，最小渗透率变化在0.124×10–17～1.250×10–17m2；随着围压(2～5 MPa)增加，煤样峰值偏应力、峰值轴向应变与峰值体积应变均呈增大趋势，线性特征显著，煤样峰值渗透率滞后峰值强度呈减小趋势，减幅达到93.34%，最大声发射振铃计数(对应峰值强度位置)表现为增加趋势；水力耦合下煤样试件有效黏聚力和有效内摩擦角分别提高到6.511 6 MPa与36.56º，随着围压(2～5 MPa)增加，煤样试件的声发射信息由单斜面向不规整斜面过渡，主控破裂面角度由小角度向高角度转变，失稳由单块体剪切变为多块体压缩形态，试件破裂可采用声发射定位振铃计数表达；煤样试件声发射分形–体积应变、渗透率与体积应变、分形与渗透率3个试验曲线与理论曲线较为吻合，围压2～5 MPa试件压缩阶段相关性分别在0.882～0.999、0.950～0.998与0.849～0.997，围压2～5 MPa试件膨胀阶段相关性0.937～0.996、0.891～0.998与0.873～0.966。

• 无烟煤断裂韧度与断裂过程区各向异性试验研究

  龚爽, 赵毅鑫, 张寒松, 周永恒, 赵灿鑫, 王文,

  为了测定原生层理构造引起各向异性对无烟煤断裂韧度和断裂过程区(FPZ)孕育特性的影响，在MTS液压伺服试验系统上对不同层理倾角直切槽半圆弯曲(NSCB)无烟煤试样进行了I型三点弯曲加载试验。结合数字图像相关法(DICM)和声发射(AE)定位技术研究了裂纹尖端FPZ孕育过程。同时，基于Irwin-Bazant模型、Strip-yield均匀牵引模型和Strip-yield线性牵引模型，对无烟煤样完全发育FPZ长度进行预测，并与试验结果进行了对比分析。探讨了各向异性无烟煤FPZ几何形态以及不同层理角度无烟煤FPZ孕育过程中剪切和拉伸变形时序特征。结果表明：无烟煤的峰值载荷、峰值位移和断裂韧度均随层理倾角的增加而增大；与0°层理角度煤样相比，层理角度为22.5°、45.0°、67.5°和90.0°的煤样平均断裂韧度分别增大了6.76%、86.82%、85.47%和134.46%。Irwin-Bazant模型和Strip-yield均匀牵引模型预测的不同层理角度试样FPZ长度比试验值更短，而Strip-yield线性牵引模型预测值普遍高于试验值，Strip-yield均匀牵引模型对无烟煤FPZ长度预测与试验值最为接近。表明无烟煤试样裂纹尖端黏聚力分布形态更加趋于均匀。无烟煤试样FPZ长度(L)与断裂韧度(KIC)和抗拉强度(σt)比值的平方成正比：L∝(KIC/σt)2。裂纹尖端变形以拉伸为主，剪切为辅，拉伸变形起始时刻的范围分布于峰值载荷的27.71%～57.26%，剪切变形起始时刻的范围分布于峰值载荷的72.88%～92.40%，裂纹尖端的拉伸变形发生时刻优先于剪切变形。层理角度为0°和45°试样各环向测量线上的应变场分布呈类似洋葱切面纹理分布，而90°试样的最大主应变监测值在大部分测量角度呈波动无序分布。无烟煤试样FPZ尖端各方向发散测线上，应变增加梯度并不相同。

• 温度–应力耦合作用下深部盐岩蠕变损伤模型

  张胜利, 徐素国, 肖宁, 李静, 李超,

  随着我国盐岩储库工程的兴建，浅部适宜矿床逐渐利用殆尽，盐岩储库向深部发展成为必然趋势。为了研究深部盐岩储库实际运营过程中，围岩在三向地应力和温度耦合作用下的蠕变损伤特征，进行了不同温度和应力耦合作用下深部盐岩的三轴蠕变试验。考虑温度和应力对深部盐岩蠕变损伤的影响，认为温度损伤伴随蠕变全过程，所处应力状态达到屈服极限时应力损伤开始发挥作用，且温度和应力与损伤变量之间分别满足Weibull分布和负指数函数的关系。引入分数阶Abel黏壶改进西原正夫模型，建立了一种新的考虑温度–应力耦合效应的黏弹塑性蠕变损伤模型。该模型不仅形式简单，且每个参数都有明确的物理意义，方便模型在数值计算和工程实践中的应用。结果表明：深部盐岩的稳态蠕变率是偏应力和温度的函数，拟合出稳态蠕变应变率本构方程中材料参数A=32.39 MPa–4.83/h、激活自由能Q=7.84×104 kJ/mol、蠕变应力指数n = 4.83；不同温度和应力下的黏弹塑性蠕变损伤模型的理论解析解与对应试验数据有良好的吻合度，验证了模型的正确性和精确度。通过蠕变损伤模型各力学元件拟合参数结果验证了温度和应力对岩石蠕变性能的影响规律，证明了所建模型的合理性。所建模型不仅可以精确表征岩石的衰减和稳态蠕变阶段，也能较好地描述加速蠕变阶段的变形特性。

• 基于深度学习的煤岩Micro-CT裂隙智能提取与应用

  王登科, 房禹, 魏建平, 张宏图, 赵立桢, 王龙航, 夏缘帝, 李璐, 王少璞, 张强, 任海慧,

  为解决煤岩CT裂隙图像识别中矸石影响以及不同尺度裂隙识别的问题，设计并实现了一种基于深度学习的煤岩裂隙提取网络模型(MCSN)，该模型基于U-Net网络，利用其编码器－解码器结构和跳跃连接，可实现从复杂煤岩体中分割出完整的裂隙结构图像。首先，通过煤岩工业CT扫描系统获取煤岩体内部扫描图片后，人工标注出CT图像中的裂隙结构，并利用数据增强扩充标注的原始数据制作出煤岩CT裂隙数据集；然后，将训练好的VGG16模型权重通过迁移学习技术移至U-Net编码器部分，使得整个主干特征提取网络具有更强的裂隙结构特征提取能力；同时采用深度可分离空洞卷积模块(DCAC)和残差模块对U-Net模型中解码器部分进行改进，有效提升了CT图像中裂隙结构的识别能力，展现出了优越的分割精度和鲁棒性。为验证提出的煤岩裂隙提取网络模型的有效性，将MCSN的提取结果与经典的卷积神经网络及阈值分割方法的结果进行了对比，实验对比结果显示，提出的模型在定性分析和定量分析方面优势明显。这种多尺度融合的策略可以有效提取出复杂煤岩体图像中的裂隙，提高了裂隙识别效率和精度。将该模型应用到巷道围岩钻孔裂隙识别中，通过对钻孔成像仪采集到的窥孔视频和平面展开图进行裂隙提取，并结合二者提取结果进行交叉验证，得到了精准的巷道围岩裂隙分布范围，给出了穿层抽采钻孔的注浆封孔范围，提高了煤层瓦斯抽采体积分数。

• 煤体微观力学特性的纳米压痕实验研究

  刘鹏, 赵渝龙, 聂百胜, 柳先锋, 邓博知, 何珩溢, 曹明伟,

  煤体力学性质的测定与研究对煤炭高效开采和灾害预防具有重要的理论价值。煤较为松软破碎，强度较低，难以制备标准的力学测试煤样，也无法回收利用从而进行重复测试。亟需探索新的力学测试方法完善煤的力学特性研究。纳米压痕技术可以测定小尺度煤体微观力学特性，具有样品易制作、实验快速、样品无损的特点。结合矿物组分测试、形貌扫描和纳米压痕实验，研究了4种煤的物性特征及微观力学性质。结果表明，实验煤样矿物类别主要包括非晶态有机质和黏土、石英和碳酸盐类矿物，不同煤的矿物组分有显著差异。煤的3D形貌图显示不同煤表面粗糙度差异明显，煤中矿物分布具有显著非均质性。纳米压痕实验结果表明：① 煤样中石英和碳酸盐类矿物质量分数越高，会导致煤样表面力学性质越强，压痕深度越小；② 煤样表面的组分越复杂，煤的非均质性越明显，表面微观力学性质分布的离散程度越高；③ 煤的煤阶越高，变质程度越高，外部孔隙越发育，导致断裂韧度提高；④ 对压痕试验结果进行拟合，发现弹性模量与坚固性系数、弹性模量与断裂韧度均具有明显的线性关系，并且弹性模量与断裂韧度的线性关系受峰值载荷的影响。

• 含双圆孔煤样渐进性破坏的孔周表面变形及裂隙演化特征

  张航, 张天军, 纪翔, 季冰, 纪丙楠, 庞明坤, 潘红宇,

  瓦斯预抽钻孔和防冲卸压钻孔协同布置能够一体化防治矿井冲击地压和瓦斯复合灾害，但密集布孔可能会诱发串孔、塌孔等，影响矿井瓦斯抽采效率。为了探究这类双钻孔结构煤岩体受压破坏过程中孔周表面变形及其裂隙演化规律，利用煤岩变形破坏数字图像观测系统对含双圆孔煤样开展单轴压缩条件下的3D-DIC观测实验，获取了不同应力状态下试样表面变形的时间序列图像，通过三维表面重构技术和VIC3D分析处理软件计算得到了试样表面三维全场变形，根据应变场分析结果结合统计指标分析法对应力应变曲线进行了5个变形阶段划分，精细化表征了孔周表面变形和裂隙演化特征。研究结果表明：单轴压缩下含双圆孔煤样应变场灰度整体向高灰度级方向移动，应变场灰度直方图谱峰占比以应力峰值为界先缓慢变化再快速变化；试样孔周径向位移曲线呈现出“从”字型，环向位移曲线呈现出“人”字型，且左孔H1孔周始终沿逆时针方向加速移动，右孔H2孔周始终沿顺时针方向加速移动；孔周裂隙以逆时针错动为主，并伴随着少数裂隙的顺时针错动；应变局部化带外区在加载峰值前主要体现为能量累积，加载峰值后主要表现为能量释放，同时也伴随着部分能量调整转移造成的能量累积；在试样加载过程中，应力场环境、裂隙端部几何形状以及裂隙长度不断发生变化，造成裂隙尖端的应力强度因子KⅠ 减小，存在阻碍裂隙扩展的作用。

• 基于博弈论–贝叶斯网络的煤矿瓦斯爆炸风险评估

  林志军, 李敏, 贺珊, 施式亮, 田孝娜, 王丹,

  为解决煤矿瓦斯爆炸风险分析中不确定性处理的不足和指标权重模糊性的难题，基于贝叶斯网络及博弈论提出了一种瓦斯爆炸风险评估方法。首先，基于专家经验和事故致因理论构建瓦斯爆炸风险拓扑结构模型，同时通过博弈论方法优化专家的主客观权重，然后基于模糊集理论计算风险因素的先验概率和条件概率；其次利用贝叶斯推理技术计算瓦斯爆炸发生的概率和风险因素的后验概率分布；最后通过敏感性分析和关键致因链分析，找出影响瓦斯爆炸关键性风险因素和关键风险路径。案例研究表明：山东省某煤矿工作面瓦斯爆炸发生的概率为6.5%，而导致瓦斯爆炸的主要点火源为电气故障、岩石间摩擦、放炮火花以及煤自燃；导致瓦斯超限最主要的原因为通风系统缺陷和通风系统设计。通过敏感性分析可知，通风系统缺陷和电气故障这两因素最为敏感。通过关键致因链分析可知，路径为电气故障→通风系统缺陷→通风措施→瓦斯控制措施→瓦斯超限和路径为电气故障→电火花→点火源的组合导致瓦斯爆炸发生可能性最大，相比于正常情况下，瓦斯爆炸发生的概率增加了301.5%。同时基于博弈论组合赋权法在提升指标权重的客观性和准确性上具有综合优点，评估结果符合煤矿实际情况。

• 浅埋火区无人机热红外监测温度补偿方法

  翟小伟, 郝乐, 王凯, 马腾, 宋波波, 李心田, 侯钦元,

  我国西北地区具有煤层厚度大、埋藏浅等特点，无人机热红外监测与温度补偿是浅埋煤火灾害信息监测的关键技术，对推进煤自燃灾害安全监测与影响范围预警评价有着重要意义。针对复杂环境下多参数对热红外温度监测结果的影响，提出了一种基于灰狼优化—双层广义回归网络与连续高度修正函数相结合的温度补偿模型。基于热红外装置中大气消光系数对接收辐射对比度的影响，选取热红外监测波段下影响温度结果的多种因素，并通过主成分分析法确定累计能够表征实际温度的指标因子，以多种环境下的无人机热红外监测实验中指标因子数据为GWO-双层GRNN网络输入，得到训练完成的离散温度补偿模型，并提出无人机高度的连续修正函数作为模型输入待补偿数据的前置流程，最后将完整温度补偿模型进行了试验与现场验证。结果表明，GWO-双层GRNN网络在数据测试中，离散补偿效果优于其他模型，达到了平均绝对误差≤0.008 1、均方根误差≤0.013 2、决定系数≥0.996 9，表明该模型具有良好的补偿效果；连续修正函数避免了无人机高度对热红外监测结果的影响，将无人机连续高度热红外温度回归问题划分为阶跃式回归计算，且最终模型具有良好的监测精度，提高了温度补偿模型的泛化能力。为应用无人机热红外监测结果划分浅埋煤火危险区域提供了配套计算方法，可进一步将该方法推广至对应的无人机应用与激光监测行业。

• 松散煤体准多孔介质声速煤–温映射关系模型

  郭军, 陈昌明, 金永飞, 蔡国斌, 文虎, 李帅,

  采空区等隐蔽空间煤温的精准判识一直是亟待解决的世界性难题，研究声学测温技术对精准探测松散煤体温度具有重要的实际意义，而声速与煤温之间映射关系的科学准确构建是声学法测煤温的关键。为此，考虑松散煤体自燃进程特征参数对声波传播的影响，建立了松散煤体准多孔介质的声速–煤温映射关系模型；设计搭建了松散煤体声学测温实验系统，通过开展多种粒径(0.6～1.5、1～3、3～5 cm)松散煤体的声波测温试验，研究了不同粒径煤样低温氧化阶段(30～50 ℃)所产生的气体组分、体积分数对声传播的影响规律，确定了等效路径转换因子 \lambda ；基于实测声速与等效路径转换因子间的关系，提出并确定了气体组分介质修正系数 \varphi ，验证了声速–煤温映射关系模型的可行性。结果表明：松散煤体声波传播路径受煤体粒径、温度及气体组分介质变化量等特征参数的影响，构建出声速–煤温映射关系模型；常温下声波在松散煤体准多孔介质中的传播路径主要受煤样颗粒间孔隙的影响，在煤样粒径为0.6～1.5、1～3、3～5 cm中的声波传输等效路径转换因子 \lambda 分别为1.426 1、1.371 1、1.315 2，与粒径呈负相关关系；煤温对声波传播的影响表现为煤自燃进程中气体组分 介质变化对实测声速结果的改变，验证了声速与煤温之间映射关系的可行性；模型反演的煤温与实验煤温间误差率在0～6.46%内，平均煤温误差2.52 ℃，能够很好地反映煤体温度。

• 胜利矿区煤炭粉尘污染时空变化特征

  霍江润, 李晶, 王党朝, 王科雯, 闫萧萧,

  露天煤矿开采产生的煤炭粉尘对矿区及周边大气、植被、土壤和居住环境造成影响，但煤炭粉尘污染程度、污染范围量化及其长时序趋势变化等相关研究滞后。提出了煤炭粉尘最大影响范围和持续影响范围概念，基于Google Earth Engine 平台和2006—2021年Landsat TM/ETM+/OLI影像，反演增强型煤炭粉尘指数(Enhanced Coal Dust Index, ECDI)和煤炭粉尘污染程度，综合运用线性回归和叠置分析方法，揭示了胜利矿区开采过程中煤炭粉尘的时序变化及空间差异特征。结果表明：① 煤炭粉尘污染年际变化可分为严重期(2006—2009年)、改善期(2010—2013年)和稳定期(2014—2021年)，与开采生命周期基本一致，且随开采时间的推进呈现先强后减弱的变化趋势；② 2019—2021年春季和夏季煤炭粉尘污染程度普遍偏高，季相变化在相对无污染区、轻度污染区和中度污染区相对明显；③ 煤炭粉尘持续影响范围的总体识别精度为92.67%(kappa系数为0.85)，随着原煤产量的递增，常年持续和最大影响范围不断缩小，下降幅度分别为43%和80%，年内持续影响范围空间分布保持基本稳定，年内最大影响范围下降；④ 2006—2021年相对无污染区面积净增191.69 km2(62.70%)，严重污染区面积净减4.59 km2(19.74%)，煤炭粉尘污染程度呈下降、上升趋势的面积分别占矿区面积的52.11%和4.07%。2021年相对无污染区和轻度污染区面积达矿区总面积的91.91%(约601.13 km2)。

• 基于SBG_XGBoost的煤矿安全应急物资储备中心选址研究

  刘战豫, 张宇飞,

  煤矿安全应急物资储备中心选址优化是推动煤矿安全应急体系建设的重要基础，为提高煤矿安全应急物资储备中心选址的准确度和合理性，提出利用人口因素、交通因素、经济因素和自然因素，建立融合多源空间数据的煤矿安全应急物资储备中心选址机器学习组合模型，提高煤矿安全应急物资储备中心选址的准确度和科学性。利用ArcGIS分别通过渔网划分、空间链接和投影等任务对多源空间数据进行处理，并利用SMOTEENN算法避免数据不均衡的负面影响，从而构建适用于机器学习模型分析的数据集。通过对不同机器学习算法、不同特征选择方法以及不同参数寻优方法进行比较分析，得出XGBoost机器学习算法、Boruta算法和遗传算法在对煤矿安全应急物资储备中心选址分析中，相较于其他机器学习算法、特征选择方法和参数寻优方法其表现更为优异。故基于各自优势，得到煤矿安全应急物资储备中心选址的机器学习组合模型。最后引入SHAP分析方法，对不同特征影响程度、影响方向等进行分析，定量评估输入数据在决策中的贡献，增强模型可解释性。研究结果表明煤矿安全应急物资储备中心选址组合模型性能优异，准确率、精确率、召回率、F1和AUC分别为0.976、0.966、0.989、0.977、0.996，可为选址决策提供有力支持，模型可解释分析也能够为煤矿安全应急物资储备中心选址提供科学参考。

• 西山煤田煤层气井水力压裂效果剖析及启示

  阎纪伟, 宋晓夏, 梁卫国, 李鸿雨, 李伟, 刘威, 孟艳军, 夏鹏, 卫强强,

  水力压裂是改善煤层渗透率的常用方法，其改造效果直接影响煤层气井的产能。详细观测了西山煤田屯兰区块5口煤层气井的井下揭露煤层及裂隙展布情况，并联合体视镜、扫描电镜和显微CT等研究煤体结构、微裂隙、石英砂和煤粉的分布特征，结合区域地应力和水力压裂施工参数，剖析煤层气井的压裂效果。研究结果表明：水力压裂产生的宏观裂隙形态复杂多样，包含水平型、垂直型、X型和T型。距离煤层气井筒越近，煤体越破碎，以碎裂煤和碎粒煤为主，水力压裂裂隙发育，远离煤层气井筒的煤体主要是原生结构煤，以原生裂隙为主。石英砂主要铺置在水平裂隙内，仅有少量分布在T型裂隙内。石英砂与煤的裂隙面强烈摩擦、碰撞和嵌入，与压裂液破裂煤体叠加形成大量煤粉，造成煤粉裹挟石英砂堵塞裂隙。宏观裂隙内的煤粉主要受水力压裂时煤体破裂、压裂液冲刷煤体及石英砂与裂隙面摩擦而产生，微观裂隙内的煤粉在煤体破断时产生。煤粉与石英砂混合堆积在裂隙内，对携砂液产生巨大阻力，造成石英砂无法向煤层气井的远端运移。地应力的大小和方向、煤层及顶底板的强度是影响水力压裂裂隙张开与延展方向的重要因素，携砂液黏度低无法悬浮石英砂，容易造成石英砂与煤粉聚集堵塞裂隙。

• 基于拓扑图论的煤岩裂隙网络分形渗透率模型

  罗亚飞, 朱永建, 黄飞, 夏彬伟,

  错综复杂的裂隙网络为煤层气渗流提供了主要通道，其结构特征显著影响着煤层气产能。针对现有煤层气渗流模型未考虑裂隙网络连通性这一不足，基于拓扑图论分析了煤岩裂隙网络的连通性，推导了裂隙分支长度的幂律关系表达式。结合分形几何，在经典立方定律的基础上构建了考虑裂隙网络结构特征的渗透率模型，模型表明裂隙网络渗透率是分形维数、裂隙率、迂曲度分形维数、比例系数、连通性、最大裂隙分支长度、方位角、倾角以及特征长度的函数。开展了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗流试验，分析了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗透率演化规律；试验结果表明：随着主应力σ1、σ2和σ3的升高，煤岩中的裂隙逐渐被压缩，气体的渗流通道变窄，裂隙网络渗透率随着主应力σ1、σ2和σ3的升高均呈现出了负指数降低的趋势。从试验规律和结果出发，将构建的煤岩裂隙网络分形渗透率模型和S&D模型(Shi-Durucan)相结合，建立了真三轴应力条件下煤岩裂隙网络渗透率计算模型，并通过试验数据验证了模型的有效性，获得的渗透率变化趋势与加载3个主应力的过程相吻合，能够体现出三向应力的变化对渗透率的影响趋势，相比S&D模型更能反映煤岩裂隙网络渗透率的各向异性特征。

• 矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价

  张源, 万志军, 胡淞博, 王朱亭, 张波, 赵东,

  传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价，用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上，建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区，基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料，采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System, GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型，呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况，并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法，采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算，并评价了热储的动态资源量，得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析，评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示，研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层，热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体；地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体，沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中，并持续接受深部基岩热量传输，形成水热型岩溶热储；寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3，蕴含热量1.19×1018 J；岩石中蕴含热量为3.25×1018 J；地热资源总量为4.44×1018 J；地热可采资源量为6.66×1017 J，折合标煤22.7 Mt；寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性，结垢性为轻微—中等，流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。

• 淮南煤田各类型地质体CCS源汇潜力评估及其匹配性

  方辉煌, 桑树勋, 张平松, 刘世奇, 王章飞, 郭金冉, 陈锐,

  开展淮南煤田各类型地质体CCUS源汇潜力评估及其匹配性研究，对于CO2–ECBM技术工程化推广意义深远。以淮南煤田各类型地质体(深部不可采煤层、残留煤体、采空区)为研究对象，首先，探讨了各类型地质体CO2地质封存潜力评估方法；其次，分析了各类型地质体CO2地质封存潜力；然后，基于成本最低目标函数及改进节约里程法，开展了CO2地质封存源汇匹配研究，并优化了其管网设计；最后，基于3步走思路，提出了CCS源汇管网规划设计思路的系统建议。研究结果表明：燃煤电厂年平均CO2排放量为0.588亿t，深部不可采煤层、残留煤体及采空区内CO2地质封存总潜力分别为7.620 0亿、0.051 7亿、0.824 6亿t，可分别封存CO2 12.97 a、0.088 a及1.40 a；10 a周期内，深部不可采煤层可封存CO2 5.876亿t，累计规划管道217.096 0 km，需要资金373亿美元；1.45 a周期内，生产矿井及关闭矿井可封存CO2 0.852亿t，累计规划管道464.516 1 km，需要资金73.6亿美元；基于改进节约里程法，CCS源汇匹配各地质封存汇点累计节约里程266.612 7 km，累计节约成本11.21亿美元，分别占管道运输总里程、总成本的57.40%、79.95%；基于3步走思路，可分阶段、分区域实现淮南煤田各CO2排放源及CO2封存汇的全线贯通，可实现CO2的全部运输及地质封存。

• 半干旱区丛枝菌根真菌复垦地生物结皮胞外酶活性及化学计量特征

  毕银丽, 李璞宁, 郭芸,

  丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF)对煤矿区生态恢复有长期促生效应，能直接影响生物结皮的生长发育，生态修复效应目前很少涉及生物结皮影响养分循环和胞外酶活性方面的报道。以大柳塔采煤沉陷微生物复垦示范基地修复11 a的对照(CK)区和AMF区为研究区域，选择2个区域里4种不同类型生物结皮：藻结皮、混生藻结皮(藻盖度>50%)、混生藓结皮(藓盖度>50%)、藓结皮为研究对象，分析不同类型生物结皮盖度、厚度，土壤、枯落物和林下植被的总有机碳(TOC质量分数)、全氮(TN)、全磷(TP)及β–1,4–葡萄糖苷酶(BG)、β–1,4–乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和碱性磷酸酶(AP)活性，研究土壤养分及环境因子对生物结皮胞外酶及养分限制的影响。CK区藻结皮盖度比藓结皮高31.3%，而AMF区表现出藓结皮盖度比藻结皮高27% ，AMF区和CK区生物结皮的厚度均呈现藻结皮 < 混生藻结皮 < 混生藓结皮 < 藓结皮的趋势，且AMF区生物结皮厚度大于CK区，表明菌根复垦促进了西部采煤沉陷区生物结皮的发育。生物结皮层土壤有机碳(SOC)、TN、TP及胞外酶BG、NAG+LAP、AP活性较裸土均显著增加，藓结皮显著大于藻结皮，表明生物结皮演替加速表层土壤养分恢复及循环。AMF区藻结皮、混生藻结皮、混生藓结皮3种类型结皮SOC和TN质量分数及胞外酶BG、NAG+LAP、AP活性均显著高于CK区。结皮土壤微生物群落受到P限制。生物结皮土壤从藻结皮发育至藓结皮呈现出C/P、N/P逐渐增加趋势，但ABG/(ANAG+ALAP)和ABG/AAP随结皮从藻结皮至藓结皮的发育降低(A为胞外酶活性)。RDA分析显示，生物结皮SOC、TN、TP质量分数与BG、NAG+LAP及AP活性存在正相关关系但与酶向量长度及角度呈负相关。AMF通过改善枯落物盖度、林下草本植被盖度及养分状况提升生物结皮养分含量及胞外酶活性，缓解P限制。

• 煤矿防治水“三区”划分方法及其水害防治意义

  曾一凡, 于超, 武强, 赵菱尔, 尹尚先, 张博成, 刘泽洋, 崔雅帅, 阚雪冬, 黄浩,

  为系统性认识矿井各类水害问题，规范化管理矿井防治水工作，国家矿山安全监察局于2022年6月将针对老空水防治的“三区”管理工作推广到顶板水害、底板水害以及构造水害等更多水害类型中。然而各地煤矿在防治水“三区”划分过程中暴露出水害致灾因素和水害治理情况等与划分标准结合不紧密，并且技术上未针对不同煤层和采区进行区别划分，同时划分区域范围和划分结果的规范性和时效性存在不统一。据此，结合防治水“三区”划分的目的，对比了新“三区”划分与老空水“三区”划分的异同，明确了以水文地质条件勘查程度、水害隐患分析、水害治理情况为要素的划分原则，理清了“三区”划分的技术路径；结合我国常见的5种煤矿水害类型特征，提出了不同类型水害的划分方法，即：地表水害应根据井田内地表水体的分布发育特征以及大气降水、滑坡等地质灾害对开采的影响程度等进行划分。顶板水害应根据导水裂隙带范围内是否存在富水性强或者富水性中等静储量丰富含水层、松散含水层等对开采造成威胁进行划分。底板水害应根据煤层带压开采区域底板隔水层厚度与矿压破坏带深度之间的关系以及底板突水系数大小进行划分。老空水害应根据矿井及周边矿井老空积水分布范围、积水量情况进行划分，构造水害应根据井田内断层、陷落柱、溶洞等地质构造和不良地质体的富水性、含水性、与水源导通情况进行划分；总结了划分工作的要点和难点，即：明晰划分时空范围、综合分析划分标准、明确“三区”管理职责、动态转换划分结果等；在此基础上，选择水害类型多样和水文地质条件复杂的典型煤矿井，遵循划分原则，根据划分标准，分煤层、分采区划分了可采区、缓采区、禁采区，并加以详细的解释说明；阐明了开展“三区”划分工作具有提升综合探测水平、强化预测预报能力、找准水害治理方向的水害防治意义，以期指导和规范我国煤矿防治水“三区”划分工作。

• 煤矿区固废矿化固定封存CO2与减污降碳协同处置利用的研究进展

  奚弦, 桑树勋, 刘世奇,

  “双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展提出了新要求。以煤为主的能源结构和煤炭高强度开发带来矿区固废占用土地空间、破坏生态环境和排放温室气体，已成为制约煤炭行业绿色低碳发展的突出问题之一。基于“利废固碳、从哪里来到哪里去”的理念，探寻煤矿区固废无害化、减量化、资源化、低碳化的处置新路径，创新发展矿区固废处置、采空区地下空间充分利用、CO2捕集利用与封存(CCUS)相融合的关键技术，是“双碳”目标下我国矿区绿色低碳发展的紧迫需求。研究工作表明：煤矸石、粉煤灰、炉底渣和煤气化渣等矿区固废在矿山地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的资源化利用路径与处置技术已取得重要进展，为矿区固废固定封存CO2研究提供了基础和启示，但矿区固废固定封存CO2的工程化技术研究亟待加强；矿区固废矿化固定与封存CO2潜力大、具有工程可行性，正在形成矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填新的技术体系；矿区固废与CO2基气–液–固三相介质矿化强化、高效吸收与矿化固碳调控技术、地下空间矿化固碳充填与CO2密闭封存、采空区充填固定封存CO2潜力评价与碳去除量核算、采空区充填固定封存CO2环境与安全性评价等将构成固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术体系的核心内涵；矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术是未来实现“煤炭生产加工–矿区固废处置–高效矿化固碳与CO2封存–地下空间充填与利用–矿区地面沉陷防治与生态修复”的无废矿山循环经济模式的关键，矿区固废+CO2基地下充填与封闭功能材料研发是重要突破口。矿区固废处置、煤基CCUS、采空区充填与地下空间利用、矿区生态修复保护等融合技术研发应用为绿色低碳型矿山建设提供了新的发展思路。

• 产物导向与机器学习驱动的富油煤热解提油热效应评估

  俞尊义, 刘根, 郭伟, 杨盼曦, 杨甫, 马丽, 王晶, 李红强, 杨伯伦, 吴志强,

  煤炭热解过程的热效应是煤炭热解机理研究、反应器设计等过程的关键参数。目前关于煤炭热解热效应的评估方法之间精度差异较大，其中应用最多且可行性最大的方法为基于同步热分析仪(TG-DSC同步联用)来进行测定，但该方法依然对仪器的测量精度依赖较大，且在得到热流曲线之后的热效应计算方法之间精度也存在差异，导致数据的可重复性差，难以适应大规模生产及工艺设计的需要。富油煤含有较多的脂肪侧链、桥键等富氢结构，在热解过程中受热裂解生成更多的焦油，是良好的煤制油原材料。热解工艺的调控是影响富油煤热解所制焦油品质的关键因素，这其中热解过程的热效应又是热解工艺开发的重要参数，因此无论是对富油煤热解还是对广义的煤炭转化来说，都迫切需要开发准确、高效的煤炭热解热效应评估方法。基于富油煤慢速热解实验结果并结合热解反应机理和经验公式，以产物为导向构建富油煤热解反应体系，利用经典热力学分析方法进行反应体系的热力学计算，得到富油煤热解过程的化学反应热，再结合热解过程中的物理吸热量，得到了富油煤中低温慢速热解过程中的热效应。结合已报道的煤炭热解实验结果和热解热效应测定值，利用机器学习方法中的随机森林模型对煤炭热解热效应进行非线性建模和预测。结果表明：基于实验结果，以产物为导向计算得到的富油煤慢速热解热效应数值总体要低于利用TG-DSC同步联用测得的数值，误差均在10%以内。基于机器学习算法预测得到的富油煤热解热效应的预测精度达到0.935 2。综合来看，所构建的2种富油煤热解热效应预测模型具有实用性和适用性。

• SO2对钾基吸附剂CO2吸附性能的影响及机理研究

  李艳红, 郭百合, 张靖超, 乔晓磊, 王彦霖, 金燕,

  燃煤电厂尾部烟气经脱硫后，存在的痕量SO2会导致钾基吸附剂CO2吸附性能恶化。以结晶氯化铝为前驱体，采用溶胶-凝胶法制备K2CO3/Al2O3固体吸附剂，利用固定床反应系统，模拟烟气组分，在含SO2(0、150、250、400 mg/m3)气氛下的CO2吸附特性进行了吸附实验，结合BET、XRD表征手段，分析吸附剂孔隙结构和物质组成，采用DFT理论研究了SO2对K2CO3/Al2O3(0001)吸附剂表面吸附CO2的影响及机理。结果表明，在理想气氛中，钾基吸附剂CO2累积吸附量为1.72 mmol/g，当反应气氛中存在150 mg/m3 SO2时，钾基吸附剂与SO2发生反应生成K2SO3，导致吸附剂的吸附量(1.38 mmol/g)降低了19.77%，SO2质量浓度增至400 mg/m3，钾基吸附剂CO2累积吸附量逐渐降至1.26 mmol/g，吸附剂吸附CO2性能恶化，钾基吸附剂在7次循环后吸附量降为1.1 mmol/g，循环性能变差。CO2、SO2两种分子在K2CO3/Al2O3(0001)表面吸附位点均为Al-O桥位，H2O分子的吸附位点为O顶位。K2CO3/Al2O3(0001)表面对SO2的吸附作用大于H2O和CO2。H2O和CO2共吸附时CO2分子中O-s轨道与H-s轨道重叠，使得2者在表面吸附时可以相互促进；SO2分子由于其S、O原子p轨道活跃，与CO2共吸附时，会优先抢占CO2的吸附位点，抑制CO2在表面的吸附。H2O分子对K2CO3/Al2O3(0001)表面吸附SO2的促进作用大于CO2，H2O的存在会加速SO2与表面的反应，导致吸附剂表面对CO2吸附能力变差。CO2与H2O共吸附于K2CO3/Al2O3(0001)表面时碳酸化反应机理为H2O分子中H+和OH−，分别与\mathrmCO_3^2- 和CO2形成\mathrmHCO_3^- ，反应能垒为1.12 eV，反应热为–1.47 eV。

• 磨煤机分离器中气固两相流行为数值模拟

  王鹏皓, 戴俐, 胡晓红, 凡凤仙,

  为掌握磨煤机分离器中气固两相流运动行为与煤粉分离过程，针对实验室规模磨煤机分离器中气固两相流行为开展数值模拟。在欧拉–拉格朗日方法的框架下，采用Realizable k-ɛ湍流模型描述气相场，采用附加随机轨道模型的离散相模型描述煤粉颗粒运动，在网格无关性验证的基础上，将单向耦合和双向耦合模拟结果与实验进行对比，发现双向耦合方法得到的煤粉颗粒粒径分布与实验数据的吻合更好。进一步采用双向耦合方法，对实验室规模磨煤机分离器中气相流动行为、颗粒运动特性和分离器性能进行研究。结果表明，采用双向耦合模拟时，颗粒溢出更晚且所经历的时间更长。受颗粒影响，筒体内壁与内锥体外壁附近气流速度差异增大，内锥体内气流速度分布均匀性变差，一次分离区与二次分离区出现明显的回流区。随着进口气流速度的增加，颗粒溢出率升高，颗粒排放率线性下降；进口气流速度对总颗粒返料率影响较小，但对分级返料率有重要影响。进口气流速度较低时，分级返料率呈单峰分布，气流速度较高时，分级返料率呈双峰分布。进口气流速度一定时，随着颗粒直径增大，分级分离效率增加；进口气流速度越大，分级分离效率随颗粒直径增加得越缓慢，分离器的切割粒径越大。

• 平焰燃烧器煤/NH3燃烧特性实验研究

  崔名双, 牛芳, 纪任山, 王乃继, 张鑫, 梁兴, 底一, 王圣烨,

  随着“碳达峰，碳中和”目标的提出，将煤与NH3混燃逐步减少煤电是实现降碳的一种新途径，但煤/NH3的混燃特性尚不清晰。因此，基于平焰燃烧器开展煤/NH3燃烧实验，探究了掺氨比(E(NH3)，0～100%)、煤/NH3注入方式(预混、非预混)对燃烧特性的影响，采用相机、烟气分析仪，热电偶检测了火焰形态、燃烧器上方高度(Heights Above Burner，HAB)中心沿程烟气中气体组分及温度分布情况，并测定了飞灰中未燃碳的含量，得到：在燃烧初期，煤/NH3争夺O2的现象更明显，由于燃烧区NH3燃烧产生的富水气氛，使得在预混低E(NH3)下，CO与OH发生反应，CO质量浓度降低，而在高E(NH3)下，一方面NH3优先与O2结合，导致大量碳不完全燃烧，另一方面，富水气氛促进了煤的气化反应，导致燃烧还原区的CO质量浓度大幅升高，最高可达19773.05 mg/Nm3，但此过程改变了焦炭的孔隙结构，增加了焦炭的比表面积，加快了煤粉的燃烧进程，使预混条件下飞灰残炭量由13.90%(纯煤燃烧)降低至13.44%(E(NH3)＝80%)，过早注入NH3会减轻燃烧前期NH3燃烧对煤粉的预热作用，降低在火焰反应区的燃烧强度；掺NH3后NOx排放量大幅上升，随着E(NH3)增加，NOx先增加后降低，且NO质量浓度峰值提前，未燃NH3及氧体积分数分别是影响N2O、NO2生成的主要因素，增加煤/NH3燃烧的停留时间、减少未燃NH3体积分数、创造还原性气氛均是降低NOx的有效方式；在预混高掺氨比(E(NH3)≥80%、HAB=100 mm)及非预混工况下，CO2%随着E(NH3)增加呈现降低的趋势；预混E(NH3)=40%～60%工况更有利于实现煤/NH3的低氮、低碳、高效燃烧，煤粉掺NH3燃烧存在相互促进和抑制作用，需根据实际情况采取有效措施以发挥煤/NH3混燃的促进作用。

• 矿山辅运电动车辆加速踏板集成再生制动控制策略

  武仲斌, 任志勇, 赵远, 张君,

  煤矿斜井无轨辅助运输车辆在长距离下坡工况中存在大量的制动能量可供回收，受限于脚踏阀–本安电位计复合型制动踏板的并行结构，传统防爆型电动车辆多采用的机械–再生并行制动控制策略对制动能量的回收程度有限。为此，针对矿山无轨辅助运输电动车辆，提出了一种集成至加速踏板中的再生制动控制策略，以进一步提高再生制动能量回收率，有效增加矿井无轨辅助运输电动车辆的续航能力。基于车辆制动动力学和能量守恒定律，对再生制动过程进行了理论建模。结合辅运电动车辆驱动系统及加速踏板结构特征，建立了加速踏板集成型再生制动控制策略模型，并对车辆加速、滑行及制动过程中控制策略的工作原理依次进行了分析。根据国内某斜井煤矿辅运大巷人车转场运输作业载荷特征，制定了包含车速、坡道2因素在内的循环测试工况，以此为输入条件在Matlab/Simulink数值计算平台上对加速踏板集成型再生制动与制动踏板液压–再生并行制动2种控制策略进行了仿真对比分析，并在双滚筒转鼓式底盘测功机上对加速踏板集成型再生制动控制策略的仿真计算结果进行了实验验证。实验结果表明，加速踏板集成再生制动控制模型总电耗比原系统减少21.06%，等效工况续驶里程延长23 km，仿真与台架测试结果误差不超过5%，具有更好的能耗经济性。

• 弛张筛面大挠度非线性弹性变形分析及负载理论研究

  宫三朋, 吴涛, 郭嘉良, 刘博伟, 赵国锋, 范俊锴, 王新文,

  针对弛张筛面大挠度变形理论缺少对筛面材料弹性属性的分析及矿物冲击对筛面挠度变化影响规律的研究，考虑弛张筛面材料的可伸缩性，建立了筛面大挠度非线性弹性变形理论模型，并结合外激励正弦位移函数，首次提出了筛面在不同振幅和频率下的时域表达式；搭建了弛张筛面动力学特性测试平台，验证了理论模型在描述筛面挠曲变化过程中的准确性，通过响应面优化法明晰了大挠度弹性变形理论在描述筛面动态特性时的最优振动参数；结合空载筛面大挠度弹性变形理论提出了颗粒与筛面碰撞时筛面挠曲变化理论，求出了颗粒冲击力下筛面不同运动状态时的挠度曲线，揭示了筛面与矿物颗粒碰撞时不同物理参数对碰撞点局部变形程度的影响规律，并利用仿真试验验证了颗粒碰撞筛面挠曲变化理论表达式在不同初始约束下描述筛面动力学特性的准确性。研究结果表明：静态下筛面大挠度弹性变形理论与实验误差率在6%以下，动态下筛面大挠度弹性变形理论与实验误差率随着振幅与频率的增大而减小，且这种变化是非线性的；当振幅为7.33 mm、频率为11.75 Hz时各测点理论值与实验值误差率达到最低，筛面中点的平均误差率低于3%；颗粒入射角、撞击点位置、筛面安装倾角和运行状态是影响筛面撞击局部变形程度的重要因素，理论证明了在较大筛面安装倾角和颗粒入射角以及筛面靠近中点位置运动到最高点时，颗粒与筛面碰撞可获得最大初始动能，且碰撞后筛面挠曲变形理论表述撞击点位置与仿真试验结果的平均误差在4 mm以下。