煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第9期

• 煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与试验验证

  康红普, 高富强, 王晓卿, 柏建彪, 王琦, 章冲, 王襄禹, 杨磊, 娄金福, 李延辉, 王学宁, 原贵阳,

  断层滑移型冲击地压是煤矿冲击地压的主要类型，目前对其发生全过程缺乏系统研究，其机理与防控仍是根本难题。为实现断层滑移型冲击地压的试验模拟，研制了煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统，开发了低强高脆相似模拟材料，制备了包含断层与巷道的大尺寸相似模型，开展了一系列验证试验，实现了巷道冲击破坏模拟与断层剪切滑移模拟。煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统具备三向六面加载功能，竖向加载能力为20 MPa，模型尺寸为1.50 m×0.75 m×0.75 m；主体框架创新采用键板连接，确保了主体框架的高刚度；发明了蜂窝加载壳结构，实现了密集油缸群加载，能够满足断层滑移型冲击地压试验模拟的要求。开发了适用于断层滑移型冲击地压模拟的相似材料，材料以水玻璃为胶结物、以氟硅酸钠为固化剂、以滑石粉为骨料，单轴抗压强度介于3.44～7.81 MPa，冲击能指数为9.2，弹性能指数为8.83，兼具低强高脆特性。基于试验系统和低强高脆材料实现了静载巷道冲击破坏模拟，验证了低强高脆相似材料模拟巷道冲击破坏的可行性，获得了巷道极限平衡状态的加载条件，巷道帮部连续片落为巷道冲击破坏的显著前兆特征。实现了粗糙锯齿断层的剪切滑移模拟，证实粗糙断层剪切滑移会对巷道形成动载扰动，获得了断层剪切滑移的合理加载方式，采用动区顶部先加载、底部后卸载的方式能够实现断层的瞬间滑移，并能消除对静区应力状态的影响。

• 深井高应力大巷煤柱释能改性防冲机理及应用

  朱斯陶, 张翔, 姜福兴, 马俊鹏, 张修峰, 夏开文, 王超, 李士栋, 刘金海, 朱权洁, 曲效成,

  针对当前我国深井高应力大巷煤柱频繁发生冲击地压的现状，采用现场调查、理论分析、数值模拟和工程试验等方法，研究了我国大巷煤柱冲击地压发生类型与机理，提出了一种高应力大巷煤柱释能改性防治冲击地压的新方法，基于该方法开展了防冲原理研究、技术体系设计、井下工业试验等一系列研究工作，得到：基于大巷煤柱冲击地压的主导力源类型，结合多起冲击地压典型案例，将我国大巷煤柱冲击地压划分为基础应力叠加型、附加应力诱发型和自身蠕变失稳型3类，分别建立并推导了3类大巷煤柱冲击地压发生机理的力学模型与工程判据，揭示了3类大巷煤柱冲击地压的发生机制。提出一种深井高应力大巷煤柱压裂–注浆协同防治冲击地压的方法，其防冲原理体现在“释能”和“改性”2个方面，井下工业试验发现弹核煤体起裂压力约40 MPa，整体最大压裂宽度达19.5 m，现场监测验证该方法能够降低大巷煤柱能量积聚水平，提高大巷煤柱整体冲击阈值。设计了深井高应力大巷煤柱释能改性防冲成套技术体系，包括孤立煤体冲击危险“评估–检验–校核”方法、弹性核水力压裂增缝释能技术和整体注浆加固改性技术。研发了大巷煤柱弹性核压裂“震动–应力–位移”三场监测设备和PS-Z-A/B型无机双组份速凝整体注浆改性材料。

• 特厚煤层垂直分层区段窄煤柱围岩稳定性及控制技术

  武超, 王志强, 刘耀儒, 李敬凯, 耿新胜, 林陆, 李廷照, 石磊, 王鹏,

  针对特厚煤层垂直分层区段窄煤柱大变形失稳控制难题，采用理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法，对内蒙古老公营子煤矿特厚煤层窄煤柱围岩稳定性及控制技术展开研究。笔者在对窄煤柱内三向应力计算的基础上，基于摩尔–库伦破坏强度得到窄煤柱平面应变的屈服准则，定性分析了窄煤柱破坏特征及损伤程度演化规律，进一步分析了区段窄煤柱失稳机理及其尺寸效应影响规律，最后给出区段窄煤柱围岩控制关键技术，并通过数值模拟及现场试验进行验证。研究成果表明：① 窄煤柱中部破坏程度大于两帮，中部自顶端向下煤体破坏程度由严重向轻微发展。随着宽高比增大窄煤柱内破坏程度及严重破坏区域占比逐渐减小，当宽高比大于1∶1，窄煤柱中下部开始出现大范围的轻微破坏区，当宽高比大于5∶3，轻微破坏区占比超过50%。当黏聚力C ≥ 3 MPa，或内摩擦角φ ≥ 20°时，窄煤柱两帮破坏程度转变为轻微。② 工作面回采巷道一侧为窄煤柱低强度承载区，在上部高应力作用下，大范围的低应力承载区煤体向巷道位移，造成两帮持续性大变形，进而影响顶板的稳定性。煤柱高度是中、底分层区段窄煤柱稳定的主控因素，窄煤柱宽高比增大，对高强度承载区承载强度影响程度较小，而低强度承载区承载强度增加较明显，合理的窄煤柱宽高比可平衡煤柱内高、低强度承载区比例，并提高承载强度。③ 分层窄煤柱留设需考虑工作面两侧采空时围岩稳定性，保证煤柱内部高强度承载区范围大于煤柱宽度及高度的一半，并通过联合加强支护措施使煤柱内形成由浅入深的多重联合控制区，共同维护煤柱的自稳能力。

• 向斜构造区特厚煤层开采覆岩结构稳定性及突水压架机理

  刘怀东, 刘长友, 杨培举, 王晨鸿, 杨敬轩,

  针对陕西省永陇矿区褶曲构造带突水压架事故频发问题，以陕西省郭家河煤矿为工程背景，采用现场调研、物理实验与理论分析的方法，确定了导致工作面突水压架的主要含水层，得出了向斜构造区煤层开采覆岩破断失稳特征，建立了考虑承压水作用的覆岩结构力学模型，推导了工作面突水压架的临界水压力，揭示了向斜构造区突水压架机理。研究表明：① 1303、1304、1308等已开采工作面在向斜轴部区域均发生过突水压架事故，宜君组岩层是导致工作面突水事故的主要含水层，煤层之上102.5 m处厚度为28.53 m的中粒砂岩为隔水关键层。隔水关键层断裂后，其上部100.51 m载荷层同步破断，导水裂隙带导通宜君组含水层。② 在向斜构造区俯采阶段，顶板覆岩具有多层亚关键层并形成多离层区。向斜轴部岩层破断角竖直发育，顶板破坏程度最高，压架风险最大。③ 顶板突水致使覆岩结构失稳是导致压架事故发生的关键。承压水对顶板岩层稳定性的影响主要表现为：增加了覆岩载荷传递的连续性，降低了组合亚关键层的承载能力；构成了组合亚关键层的附加载荷。④ 防止突水压架所需的支护阻力随承压水压力的增大而加速增加，工作面发生突水压架事故的临界承压水压力为0.98 MPa。控制导水裂隙带发育高度与降低宜君组承压水压力是保证工作面不发生压架事故的关键。

• 深部巷帮煤体失稳机制及能量释放特征

  丁可, 顾清恒, 王连国, 郭嘉兴,

  冲击地压灾害已成为国内外煤矿井下开采的重大安全隐患。利用真三轴电液伺服加载试验系统，研究了巷帮煤岩组合体三向应力加载、煤体三向和两向应力加载下的应力-应变规律、破坏特征、声发射活动规律，建立了巷帮深、浅部煤体的强度准则关系，分析了深部巷帮煤体的能量释放特征，揭示了深部巷帮煤体失稳诱冲机理。结果表明：不同应力类型的煤体试样受应力环境及结构差异的影响，巷帮浅部煤体试样和高σ2围压条件下的巷帮煤岩组合体试样在峰值应力后均产生应力快速跌落现象，脆性破坏与冲击性较强；在破坏机制上，巷帮浅部煤体试样主要受张拉–剪切耦合机制控制；巷帮深部煤体试样主要受剪切机制控制；巷帮煤岩组合体试样靠近约束面、自由面区域分别受剪切、张拉–剪切耦合机制控制。同围压条件下巷帮浅部煤体更容易破坏，进而基于巷道煤帮冲击能量释放的来源，建立了深部巷帮煤体失稳模型，揭示了深部巷帮煤体失稳机制。

• 基于模态分解和深度学习的煤矿微震时序预测方法

  秦长坤, 赵武胜, 贾海宾, 高未己, 陈郁川, 于万泉, 梁记忠, 陈卫忠,

  微震监测数据对煤矿冲击地压等动力灾害预测和预警具有重要作用，利用历史微震监测数据来预测未来微震事件的演化特征是提高冲击灾害预测和预警时效性与准确性的有效方法。然而，由于微震数据是典型的非平稳时间序列，一般的时序预测方法很难进行准确的预测。为此，提出了一种基于模态分解技术和深度学习方法相结合的微震时序预测方法。该方法首先使用自适应噪声完备集合经验模态分解(CEEMDAN)将微震数据分解为多个本征模态序列。然后，通过样本熵将分解后的序列重构为高频、低频和趋势序列。接着，利用变分模态分解(VMD)将高频和低频序列再次分解为多个新的本征模态序列，用作微震数据的多元特征时间序列。最后，将一定时窗内的微震多元特征时间序列和历史微震数据作为输入，下一时刻的微震监测数据作为输出，建立了卷积神经网络(CNN)和长短期记忆网络(LSTM)相结合的微震时序预测模型，并采用贝叶斯优化方法对模型的超参数进行寻优，提高微震预测的准确性。依托新巨龙煤矿多个工作面微震监测数据，使用该方法对微震日最大能量、日平均能量和日频次进行了预测，并针对微震日最大能量数据进行了系列对比试验研究。结果表明，提出的方法能够较好地预测微震事件演化趋势，预测结果和实际监测值误差较小，具有良好的预测性能和泛化性能。

• 热力耦合作用下有机类岩石渗透率演化规律及机理

  冯增朝, 石建行,

  在原位改性流体化采矿中，利用高温对矿床进行处理是一种有效方法。探明原位条件下有机类矿层的热解特性、细观结构、渗透率、变形等随温度的演化规律对资源的高效开采具有重要意义。利用高温高压三轴试验机结合含应力显微CT扫描技术，研究了热力耦合作用下3种有机类岩石(油页岩、烟煤及页岩)的渗透率、热解产气、细观结构及轴向变形随温度(≥300 ℃)的演化规律，同时结合热解产气、轴向变形及细观结构对渗透率演化机理进行了探究。结果表明：热力耦合作用下，有机类岩石的渗透率演化存在阈值温度，在轴压10 MPa，围压7 MPa的应力条件下，油页岩、烟煤及页岩的阈值温度分别为400、450及500 ℃；当热解温度小于阈值温度时，有机类岩石的渗透率由岩石强度主导，孔裂隙随温度的升高而闭合，渗透率与温度呈负相关变化；当热解温度大于阈值温度时，有机类岩石的渗透率由岩石的热解程度主导，孔裂隙随温度的升高逐渐发育并沟通，渗透率与温度呈正相关变化；进行阈值温度前后特性比较，油页岩热解程度与岩石强度在3种岩石中提升幅度最大，有机质热解并排出促进了孔裂隙的新生及连通，岩石强度的增大减弱了应力对岩石孔裂隙的压缩闭合作用，油页岩的渗透率呈现大幅度的提升。

• 低频扰动下高应力砂岩非线性动态力学响应特征

  文晓泽, 冯国瑞, 郭军, 王朋飞, 白锦文, 钱瑞鹏, 于露杨, 张洁, 张鹏飞,

  受煤矿残采区上行开采扰动影响，层间岩层在高静应力和低频扰动荷载耦合作用下的失稳是引发遗煤资源复采动力灾害的主要原因之一。为研究低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的动态响应特征，以煤系地层砂岩为研究对象，基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机，开展不同幅值低频扰动荷载(5 Hz)作用下高应力砂岩(80% 单轴抗压强度(UCS))动态单轴压缩试验，揭示了低频扰动下高应力砂岩的裂纹演化规律、渐进损伤行为和非线性动态响应特征。结果表明：① 小幅扰动荷载作用过程中高应力状态砂岩并不会失稳，80%UCS预静载状态下诱使砂岩发生破坏的低频扰动幅值门槛值为15%UCS，在越过应力门槛值的扰动荷载作用过程中，高应力砂岩破坏前的扰动荷载循环周期数随幅值增大指数型衰减。② 在砂岩内部随机分布的微裂纹萌生和渐进扩展影响下，动态割线模量、峰值应变、耗散能密度和声发射b值随扰动荷载作用时间的非线性演化特征显著。③ 指数型应变演化曲线在砂岩破坏前有明显的拐点，可以作为低频扰动下高应力砂岩动态破坏的前兆信息，用于相应动力灾害预警。④ 在越过门槛值的低频扰动荷载作用过程中，动态割线模量演化曲线近似指数型衰减，且非线性拟合参数可以用以量化割线模量劣化速率，砂岩的割线模量劣化速率随幅值线性递增非线性变化。⑤ 扰动荷载作用初期的上升时间和幅值的比值(RA)可以用于砂岩动态破坏超前预测，相应地，扰动荷载作用过程中RA的突增可以作为砂岩动态破坏的前兆预警信息。未越过门槛值的低频扰动荷载作用过程中，砂岩微破裂以张拉或混合破裂为主，剪切破裂占比仅为12.15%；幅值为15%UCS、20%UCS和25%UCS的扰动荷载作用过程中，剪切破裂占比分别为37.17%、52.75%和53.62%，随扰动荷载幅值增大对数型增加。

• 超临界二氧化碳短时作用煤体裂隙演化CT/XRD实验研究

  刘勇, 李海超, 魏建平, 邓玉洁, 李翔, 高梦雅,

  ECBM可以在提高煤层气开采效率的同时实现CO2封存，推动“双碳”目标实现，在深部煤层气的开发中具有广泛的应用前景。煤层裂隙结构和分布规律决定了超临界二氧化碳(SC-CO2)的压裂效果，是提高煤层气开采效率的关键。长时作用下SC-CO2与煤体接触产生的吸附膨胀和溶解萃取作用能够改变煤体裂隙形态，但压裂过程中SC-CO2与煤体接触时间较短，短时作用下SC-CO2的吸附膨胀及溶解萃取作用对煤体裂隙的影响尚未明确。因此开展了SC-CO2短时作用下煤体的裂隙演化研究，通过CT扫描研究不同变质煤体裂隙随累计浸泡时间的变化规律；建立CT二维扫描图像的灰度分布函数并构建浸泡时间与裂隙演化规律的关系，定量表征煤体裂隙的变化。结合XRD实验研究浸泡时间对煤体物质成分变化的影响，明确SC-CO2短时作用煤体裂隙演化规律的主要原因。结果表明：SC-CO2短时作用下吸附膨胀作用会导致煤体裂隙收缩，溶解萃取作用使裂隙发生扩展；浸泡煤体过程中吸附膨胀和溶解萃取作用同时发生且强度随时间发生变化，在不同时间段内分别交替占据对煤体裂隙的主导作用；不同变质煤会影响吸附膨胀和溶解萃取作用的强度和主导时间。褐煤浸泡30 min时吸附膨胀占据主导作用，浸泡90～240 min溶解萃取作用增强并占据主导。烟煤浸泡30～90 min时吸附膨胀作用较强，浸泡90～240 min时溶解萃取占据主导。无烟煤浸泡30～150 min时吸附膨胀作用占据主导，浸泡150～240 min时溶解萃取占据主导。

• 基于物质点法的深部煤层水射流破岩成孔机制和影响因素

  周雷, 蒲艳, 彭雨, 夏彬伟, 房柳林,

  我国深部煤层气资源丰富，但深部煤层渗透率极低，高应力–压力环境下深部煤层气解吸困难，导致产量低下。水平井水射流冲孔造穴是一种大范围卸压增透煤层的新技术，但在深部赋存环境下其破岩成孔机制还有待研究。由于深部煤层赋存于高地应力、高应力差的地质环境，室内物理模拟实验难以开展。因此，首先基于黏弹塑性理论和物质点法建立了水射流冲孔破岩数值模型，该模型集成拉格朗日和欧拉算法的优势，能有效模拟射流破岩过程中的动量交换、煤岩大变形、破岩、流体剥蚀携岩反排等全过程。然后，通过该数值模型开展了深部煤层水射流破岩成孔机制和影响因素研究，得到结论如下：① 深部煤层以高地应力荷载作用造成的剪切破坏为破岩的主导机制，射流主要起到冲蚀和携岩反排的作用，而无应力荷载时以水射流碰撞煤岩产生的应力波造成张拉破坏为破岩的主导机制，由于煤岩塑性较强，水楔效应不明显。② 深部煤层高地应力荷载作用加速了破岩过程，冲出煤量比无应力荷载时高，同时应力荷载促使煤体向开孔方向移动，造成空腔体积减小，但塑性损伤区较无应力荷载时明显增大。③ 冲出煤量、塑性损伤区面积都随射流时间增加而增加，但增幅逐渐变缓。冲出煤量、塑性损伤区面积随入射角度的增加整体呈下降趋势，射流角度越小，水射流冲孔破岩效果越好，射流垂直入射并不是破岩的最佳方式。④ 冲出煤量、塑性损伤区面积随应力差、煤岩开孔宽度的增加而增加，但应力差的增加对深部煤层射流破岩的促进作用不大。煤层开孔宽度不宜过高，适当增加开孔宽度可以提高射流破岩效率。

• 基于弹–塑性变形的含瓦斯煤体渗透率动态演化模型

  龙航, 林海飞, 马东民, 李树刚, 季鹏飞, 白杨,

  煤体渗透率演化特征的研究对于合理布置煤层瓦斯抽采参数、提高瓦斯抽采产量具有十分重要意义。为研究不同煤体应力及瓦斯压力对渗透率的影响，开展了瓦斯吸附扩散与受载煤体变形实验，建立了受载煤体分段渗透率动态演化模型，结合实验测试结果对所建立模型的合理性进行验证。研究结果表明：瓦斯吸附量及煤体变形量均随气体压力增大呈Langmuir型变化规律，煤体瓦斯动扩散系数随时间变化呈指数衰减趋势；随着瓦斯压力降低，受载煤体膨胀变形量逐渐减小，渗透率逐渐增大，受载煤体渗透率及膨胀变形量均随煤体应力增大而逐渐降低，应力加载煤体渗透率整体呈现“V”形变化规律，应力峰值处煤体渗透率最小；所建立的煤体渗透率模型中，考虑了瓦斯吸附引起的基质与裂隙变形耦合作用、基质瓦斯动态扩散作用及基质与裂隙物质交换作用；利用实验结果对所建立煤体分段渗透率模型的合理性进行验证，基于弹性变形的煤体渗透率模型能够很好反映出煤体弹性变形阶段的渗透率演化特征，实验范围内，煤体渗透率实验测试与数值模拟结果绝对误差为–0.135×10–15～0.296×10–15 m2，由于渗流引起的煤体体积应变绝对误差为–0.327×10–5～2.026×10–5；考虑塑性变形的煤体渗透率模型也可以反映出煤体应力峰后渗透率变化规律，实验测试结果与数值计算结果的绝对误差为–0.435×10–15～0.997×10–15 m2。

• 有效应力下连续级配煤体的渗透特性试验

  张磊, 杨世华, 武晋宇, 刘荣涛, 潘红宇, 张天军,

  瓦斯抽采钻孔孔周煤体的应力变化是影响其渗透特性的重要因素之一。为研究瓦斯抽采孔周不同破碎程度的煤体渗透特性，采用连续级配法制备不同粒径区间的煤颗粒组合试样，开展不同Talbol幂指数n的三轴渗透试验，分析有效应力对破碎煤样孔隙结构和渗透特性的影响。结果表明：在加载过程中，轴向应力通过改变破碎煤体孔隙率从而影响渗透率，其随轴向应力升高呈幂指数降低。加载初期，轴向应力升高使得煤样体积压缩，其内部空隙闭合，引起孔隙率减小及渗透作用减弱，导致渗透率降低。当轴向应力加载到孔隙率趋于0.1时，煤样内部密实使得渗透率趋于稳定；破碎煤体Talbol幂指数n从0.1到1.0增大的过程中，渗透率k呈现出缓慢、线性、指数3个增长阶段，分别受低级粒径、粒径比例、高级粒径的影响。渗流速度受Talbol幂指数、压力梯度、围压和轴向应力的共同影响，但压力梯度的作用更为显著，表现出Talbol幂指数和压力梯度越大，围压和轴向应力越小，渗流速度越大，存在渗流速度的Talbol幂指数促进效应和渗流速度的轴向应力及围压抑制效应；有效应力能较好地表征渗流速度的轴向应力及围压抑制效应，不同Talbol幂指数的破碎煤体渗透率随着有效应力的增大总体上呈指数衰减，但Talbol幂指数增大对渗透率的促进作用逐步减弱，而有效应力对渗透率的抑制作用和幅值效应逐渐强化。有效应力与渗透率的关系方程参数变化存在与渗透率曲线对应的3个阶段。随着Talbol幂指数n增大，关系方程参数a逐渐减小，有效应力的抑制作用增强；而b逐渐增大，幅值效应逐渐强化。

• 广西上林万福矿区晚二叠世合山组煤系锂地球化学特征及物源研究

  张德高, 徐小涛, 孙杰, 张福强, 李宝庆, 张莉, 庄新国, 严晓云,

  广西上林晚二叠世合山组含煤岩系中广泛存在锂元素富集的现象，具有潜在的经济价值和研究意义。本次研究以广西上林万福矿区晚二叠世合山组煤系锂矿化层为研究对象，在对34件样品常量元素和微量元素测试，并对1件样品锆石U–Pb测年和锆石微量元素测定的基础上，综合分析了区内合山组煤系锂矿化层的空间分布、元素地球化学特征和物质来源。研究发现，合山组煤系自下而上有I、II、III和IV四套锂矿化层，锂质量分数由高到低依次为层I、层III、层II和层IV。与世界黏土岩均值相比，层I中Li元素属于高度富集，层II、层III中Li元素属于富集，而层IV中Li元素属于轻微富集；Al2O3–TiO2、La/Sc–Th/Co和V–Ni–Th×10物源区岩性判别图解显示，层I、层III和层IV的大部分样品点落在酸性岩浆岩区附近，层I中少数样品点落在中性岩浆岩区域，由此推断，万福矿区合山组煤系锂矿化层主要来自酸性和中性岩浆岩。通过对锆石U–Pb定年、锆石微量元素Th/Nb–Hf/Th和Th/U–Nb/Hf构造判别图、稀土元素分析以及Al2O3–TiO2、La/Sc–Th/Co、V–Ni–Th×10和Nb/Y–Zr/TiO2四个物源判别图的综合研究得出，万福矿区合山组煤系锂矿化层主要来自峨眉山大火成岩省和古特提斯二叠纪岩浆弧相关的中酸性岩浆岩。

• 矿物对无烟煤力学非均质性影响的分子动力学研究——以沁水盆地南部主要黏土矿物高岭石为例

  张彬, 孙蓓蕾, 王德璋, 康天合, 马鑫, 张晓雨, 李立功, 李昊洋, 梁晓敏, 朱文庆, 张俊爽,

  煤是由有机显微组分和矿物组成的混合物，矿物的存在会导致煤的大分子结构存在差异，使得煤的力学性质具有明显的非均质性，进而影响区块内整体的煤层气产量、压裂改造效果和成熟技术的规模化应用。以沁水盆地典型的无烟煤和高岭石矿物作为研究对象，通过分子动力学的方法定量研究高岭石及其含量对无烟煤力学性质的影响规律，分析不同矿物含量下无烟煤的分子结构和孔隙特征，从能量和有序化的角度揭示其微观机理。结果表明：① 煤有机质与高岭石相互结合过程中同时存在范德华力和氢键作用，且氢键作用强度要高于范德华力，煤有机质周围出现高岭石分子的概率、相互作用强度和有序性均随着矿物质量分数的增加而增大。② 无烟煤的孔隙率φ随高岭石质量分数a的增大呈线性规律(φ=–0.229 3a+9.629 5)降低，而无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量均随高岭石质量分数的增大呈线性规律增强，泊松比随高岭石质量分数的增大呈二次多项式规律降低。③ 无烟煤的力学非均质程度整体上随着高岭石质量分数增加而增大，其中不同高岭石质量分数下体积模量、弹性模量和剪切模量的变异性可分为很低、低、中等、高和很高5个部分，而泊松比的变异系数均小于0.1，变异性很低。④ 随着高岭石质量分数的增加，煤有机质与高岭石的相互作用能呈线性规律(Einteraction=4.558 5a+443.929)增大，与纯有机质相比，当高岭石质量分数达到20%时，无烟煤的键能和范德华能分别增加了63.86%和48.06%。⑤ 高岭石增强煤力学性质的内在原因是高岭石进入煤有机质后占据一定的孔隙空间，且与煤有机质的芳香碳骨架和不同官能团进行相互作用，高岭石质量分数越大充填煤大分子结构孔隙的程度越高，煤大分子结构的能量越大，导致煤大分子结构的孔隙率降低，有序性增大，使得力学强度和抵抗变形的能力增强。

• 大同煤田石炭—二叠纪优质煤系高岭岩的成矿机制

  柳建平, 张帅, 马小军, 袁堂琛, 刘钦甫,

  以山西省大同煤田小峪煤矿的石炭—二叠系太原组优质煤系高岭岩为研究对象，开展了岩相学、矿物学、全岩地球化学、锆石U–Pb年代学和Lu-Hf同位素研究，旨在揭示优质煤系高岭岩的物源和成因机制。研究发现优质煤系高岭岩的矿物成分以高有序度高岭石为主，不含碎屑矿物石英、长石和白云母。部分样品含有勃姆石，是高岭石脱硅蚀变的产物。高岭岩中的锆石是典型的岩浆锆石，且年龄均一，集中在300 Ma左右，与煤层的沉积年龄一致，证实它们由火山灰蚀变形成。此外，高岭岩中普遍含有板/柱状和蠕虫状高岭石，也是火山灰蚀变的典型特征。这些粗晶高岭石认为是由火山灰中的晶屑，例如斜长石和黑云母等，蚀变形成的假象高岭石。锆石的εHf(t)以变化范围较大的负值为主，指示产出锆石的岩浆主要来源于古老大陆地壳物质的重熔，与华北北缘内蒙古隆起上同期大陆弧火山作用形成的岩浆岩锆石εHf(t)一致，说明它们之间存在同源关系。锆石的微量元素地球化学指纹也指示锆石的产出岩浆来源于大陆弧构造背景。华北克拉通北缘在晚古生代时期是安第斯型大陆边缘，在晚石炭—早二叠纪的聚煤时期，其北部的古亚洲洋板片在华北克拉通之下持续南向俯冲，诱发了频繁的大陆弧火山作用。喷发的火山灰降落在华北海陆过渡的泥炭沼泽中，经淋滤蚀变形成煤系高岭岩。

• 逆断层控制带含煤地层地应力分布规律

  王晓东, 罗永江, 石佳林, 梁运培, 胡千庭,

  为深化对逆断层控制下含煤地层的地应力分布特征的认识，运用自主研发的大型真三轴仪器“矿山地质构造模拟实验系统”，基于相似原理，开展考虑深度、断层倾角、落差等影响因素的物理模拟实验。结合数值模拟，分析不同条件下扰动区宽度和地应力分布规律。研究结果表明：① 断层上盘的应力扰动宽度大于下盘，且2者都随深度的增加而减小。倾角45°断层的扰动宽度比60°断层小，在500、1 000、1 500 m深度处，前者分别为35.72、27.33、10.71 cm，后者分别为47.03、32.15、17.85 cm。② 临近断层处最大水平应力(σH)有明显的应力集中现象。当断层倾角大于45°时，倾角越大，应力集中程度越大。45°断层下盘临近断层处的4号测点在500、1 000、1 500 m深度的应力集中系数分别为为0.95、0.94、1.15，与区域应力场接近。而60°断层的4号测点在500、1 000、1 500 m深度的应力集中系数分别为1.11、1.44、1.42。③在远离断层处的未受扰动区，σH偏转角度较小，几乎都小于15°。在扰动区，σH偏转角度受倾角控制，σH偏转角度最大达到约90°。倾角45°断层中，σH偏转角度最大的区域在下盘临近断层处；在倾角60°断层，这一区域则出现在距离断层有一定距离的上盘中。④当落差大于煤层厚度时，扰动宽度(尤其上盘扰动区宽度)明显变大。应力集中区域出现在弹性模量更大的地层中，煤层中各测点σH离散性很大。

• 盐水层地质参数对CO2封存效果的评价

  张琳琳, 赖枫鹏, 董银涛, 戴玉婷,

  在二氧化碳捕集、利用与封存技术中，盐水层封存CO2由于具有分布面积广和封存潜力大等多重优势，逐渐成为应对全球气候变暖、实现2050年世界净零目标、减少CO2排放的有效方法。为提高盐水层中CO2的封存效果，以国内外现有的相关地质封存项目数据为基础，采用Petrasim软件中的TOUGHREACT/ECO2N模块，选取CO2溶解质量和气态CO2饱和度为评价指标，通过数值模拟方法，从盐溶液体系和储层物性参数2个方面，揭示地层盐水盐度、地层盐水组分、地层压力、地层温度和渗透率5个地质参数对盐水层CO2封存的影响机制，并定量评价CO2封存效果。结果表明：① 各地质参数主要通过改变CO2、地层盐水的密度和黏度、CO2溶解度以及CO2–盐水–岩石的化学反应等，进而控制地层流体的溶解度、流动性和传质性；② CO2的溶解度和地层盐水密度分别随盐度的增加而降低、增大，但前者受其影响程度更大，从而盐度对CO2的溶解表现出抑制作用，因此低盐度的盐水层更有助于增加CO2封存量及提高埋存安全性；③ 根据苏林分类法得到的4种盐溶液组分中，CaCl2水型对应的CO2溶解质量略低于其他3种水型，但整体上不同盐溶液组分对CO2封存效果影响不大；④ 在CO2溶解度和气液两相黏度比的共同作用下，CO2溶解质量随压力和温度的增大而减少，气态CO2饱和度变化相反；渗透率对气体流动性和运移距离起直接控制作用，因此地层压力和温度越低，渗透率越大的盐水层越有利于CO2封存。

• 我国闭坑煤矿矿井水水质演化研究进展与展望

  张海涛, 许光泉, 陈晓晴, 李旭, 翟晓荣, 李洋, 李子璇,

  随着我国煤矿矿井关闭数量的逐渐增加，闭坑矿井水水质恶化和污染问题日益突出，准确掌握闭坑矿井水水质演化规律及机制，是目前闭坑矿山可持续绿色发展的重大科学难题，也是地下水污染有效防控和水资源合理开发利用的重要前提。在回顾关闭矿井发展历史的基础上，首先阐述了我国关闭矿井的分布情况，之后分别对闭坑矿井水水质特征、水质演化规律及水质演化的多场作用等方面展开综述，最后对我国闭坑矿井水水质研究中存在的关键问题和应用方向进行了展望。研究结果表明：① 截至2023年底，我国关闭矿井的数量已经上升到13 000多个，主要分布在山西、河南、河北、山东、江苏和安徽北部等地区；② 我国部分闭坑矿井水的pH、矿化度、硫酸盐、氟化物和铁锰重金属等水质指标含量超过Ⅲ类水标准，其中酸性矿井水(pH<6.5)主要分布在云贵、鲁西、山西等地区，高矿化度矿井水(TDS>1 000 mg/L)主要分布在鲁西、山西、河南、两淮、蒙东、宁东、新疆等地区，硫酸盐矿井水(硫酸盐质量浓度>250 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东、宁东、神东、新疆哈密等地区，氟化物矿井水(F质量浓度>1.0 mg/L)主要分布在两淮、山西、神东等地区，铁锰重金属矿井水(Fe质量浓度>0.3 mg/L、Mn质量浓度>0.1 mg/L)主要分布在云贵、鲁西、山西、蒙东等地区。③ 在闭坑矿井被完全淹没之前，其水质在空间上会出现明显的分层现象，即浅部的优质水层、中部的过渡水层和深部的劣质水层，这主要与矿井采掘空间分布、地温梯度和盐度等因素有关。④ 煤矿关闭后，矿井水水质的演变过程大致可分为3个阶段，第Ⅰ阶段为矿井水中典型污染物(硫酸盐和铁离子)质量浓度快速上升达并到峰值阶段，第Ⅱ阶段为污染物浓度快速下降阶段，第Ⅲ阶段为矿井水水质与邻近含水层地下水水质背景值相同并保持相对稳定阶段。⑤ 系统总结了我国闭坑矿井水动力场、水化学场、微生物场和温度场的研究进展，指出了闭坑矿井多相(水–岩–气–生)多场(水化学场–水动力场–微生物场–温度场)耦合作用机制的研究还不充分。⑥ 提出了我国闭坑矿井水水质演化问题的研究仍然面临着水质演化规律和水质演化机制不清楚等关键科学问题。

• 基于高分五号卫星的山西省煤炭行业甲烷点源排放特征

  康涵书, 秦凯, 鹿凡, 胡玮, 许庆, 科恩·杰森,

  甲烷是长效温室气体之一，其增温潜势是CO2的28倍，约占全球变暖效应的16%。煤炭生产活动是中国甲烷排放的主要来源之一，作为中国主要的煤炭生产基地之一，山西省煤炭行业排放了大量甲烷。利用高分辨率遥感数据对山西省煤炭行业的甲烷排放进行估算，可以为建立精细化的煤炭行业甲烷排放清单奠定数据基础，并为制定有效的减排措施提供科学依据。利用我国高分五号02星搭载的先进高光谱成像仪(AHSI)，使用2021年10月—2023年3月的数据，探测到山西省煤炭行业等408个厂矿的838个甲烷羽流，并计算各羽流的排放速率。结果显示：① 山西省煤炭行业的甲烷羽流排放速率呈现出非对称性，84%的羽流的排放速率在0.5～3.0 t/h，但也有少数极端情况，最高的排放速率超过10.0 t/h。② 山西省有6个煤炭行业甲烷点源排放密集区，其中5个密集区与XCH4的高值区域相对应。③ 检测到甲烷排放点源，以煤矿和焦化企业为最多。不同类型的排放源甲烷平均排放速率差异性较大，且排放速率会随时间和排放源的变化而波动。煤炭行业的各个环节都可能存在甲烷排放。④ 高度持续性排放源虽然只占所有点源的13%，但其贡献了41%的总排放速率。相反，高度间断性排放源虽然占了59%，但其只贡献了25%的总排放速率。全山西煤炭行业的甲烷综合排放速率为177.17±56.35 t/h，主要由煤矿类、焦化类和火电类企业的甲烷排放构成。

• 富油煤原位热解技术研究现状及进展

  王苗, 王长安, 宁星, 陈美静, 黄笑乐, 薛香玉, 毛崎森, 邓磊, 车得福,

  我国富油煤资源量丰富，原位热解提取油气不仅可以实现富油煤的高效清洁低碳利用，还可以缓解油气对外依存度，是未来富油煤开采利用的重要发展方向之一。简述了富油煤的热物理性质及分布特性，地面热解和原位热解的工艺特点，重点阐述了富油煤原位热解(布井方式、加热方式、原位气化热解一体化、余热利用、储层压裂、地下封闭技术)的研究现状及进展，最后对富油煤原位热解技术的发展方向进行了展望。① 梯级利用是富油煤地面热解的重要途径，井工式原位热解可实现井下收油，但需解决长距离输运管道保温问题，钻孔式原位热解是通过高温介质或电加热进行热解，可采用矿区的分布式能源加热载热流体。② 推荐采用对流加热为主，其他加热方式为辅的复合加热技术，可利用原位热解后的余热预热载热流体，也可将煤层局部氧化反应的热量用于富油煤原位热解过程，降低载热流体的注热能耗。③ 原位气化热解一体化技术可有效提高热能利用率，但气化空腔需进行填充。④ 综合考虑储层压裂和富油煤原位热解孔隙变化规律，控制煤层裂缝生成路径，形成裂缝网络，以增强煤层热传导效率，降低油气产物在煤层中的运移难度。⑤ 根据富油煤热解工艺特点，选择适宜的地下体系封闭技术，可促进富油煤原位热解过程中能量的高效利用及生态环境保护，其中CO2气驱止水技术在实现地下体系封闭的同时，还可以进行油气驱替并实现CO2的地质封存。

• O2/Ar预热处理和K原子对预热焦炭燃烧机理的影响机制

  张雷, 王兴益, 孙锐, 王卓智, 袁梦帆, 陈登科, 陈永新,

  煤粉预热燃烧技术和催化燃烧技术可在保证预热焦炭高燃烧效率的同时降低温室气体及氮氧化物的排放。采用原子偶极矩校正的Hirshfeld(ADCH)和静电势(ESP)方法深入揭示O2/Ar预热处理和K原子对预热焦炭(SC-Ar和SC-K-O2Ar)结构特性的影响，并通过密度泛函理论(DFT)探究SC-Ar和SC-K-O2Ar的燃烧机理。结果表明，焦炭内K和酚官能团的存在有效改变了SC-Ar和SC-K-O2Ar的ADCH和ESP特性，其中，C6、C7、C8和C9的ADCH电荷分别由0.18e、0.03e、–0.25e和–0.01e变为–0.41e、0.01e、0.11e和–0.16e。在ADCH有色图中，由于O原子和K原子对电子的吸附能力显著强于C原子，所以，羟基中的H原子和K原子的正电荷特性更显著。K原子的ADCH电荷为0.68e，—OH中的H原子的ADCH电荷为0.34e。由所构建的焦炭燃烧路径可知，SC-K-O2Ar和SC-Ar的燃烧本质为焦炭内芳香环的断裂及重组。在SC-K-O2Ar的燃烧过程中，主要存在2条反应路径(Path 1和Path 2)。其中Path 1的决速步为 \textIM5\xrightarrow\textTS6\textIM6 ，能垒为325.01 kJ/mol，略低于Path 2中决速步( \mathrmIM2'\xrightarrow\mathrmTS3'\mathrmIM3' )的能垒(360.98 kJ/mol)，说明SC-K-O2Ar的燃烧主要遵循反应路径Path 1。SC-Ar的燃烧路径亦有2条(Path 3和Path 4)，Path 3的决速步为 \textR\xrightarrow\textTS1\textIM1 ，能垒为430.34 kJ/mol，Path 4的决速步为 \textR\xrightarrow\mathrmTS1'\mathrmIM1' ，能垒为425.09 kJ/mol，略低于Path 3的决速步能垒，说明SC-Ar的燃烧主要遵循路径Path 4。Path 4的决速步能垒低于Path 1，因此，SC-K-O2Ar的燃烧比SC-Ar更易发生，说明O2/Ar预热处理和K原子可有效促进预热焦炭的燃烧。

• 污泥燃烧过程中Pb迁移特性研究及机理

  史一林, 王彦霖, 乔晓磊, 贾里, 李艳红, 张欢, 金燕,

  污泥在燃烧过程中Pb污染排放问题一直受到人们广泛关注。通过试验研究和模拟计算相结合的方法，借助电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)、比表面及孔隙度分析仪(BET)和X射线衍射(XRD)等试验测试方法分析了污泥燃烧过程中Pb的迁移转化特性，探讨了添加CaO、水分和酸性气体等因素对Pb挥发和固相富集的影响，结合密度泛函理论揭示了PbCl2分子在不同表面吸附的活性强弱。试验结果表明，污泥在900 ℃燃烧后，Pb残留率增加到61.37%，主要是受熔融作用的影响。在燃烧温度为700～900 ℃时，添加4% CaO后不利于Pb在固相产物中的富集，而在1000 ℃高温下，添加4%CaO后Pb在固相产物中的残留率提高了7.82%。当污泥含水率为20%时，Pb残留率与燃烧干污泥相比减少了28.43%；酸性气体的存在有利于Pb的固定，但其促进作用随体积分数的变化不一致。CO2对Pb的固定有明显的促进作用，体积分数越大越有利于Pb的富集，当模拟烟气中通入30% CO2后，Pb的残留率提高了23.37%；而SO2对Pb的固定有微弱的促进作用，且随着SO2体积分数的增大，Pb的残留率先增大后减小，在通有0.15% SO2的燃烧工况中，Pb残留率增大程度最佳，仅为4.82%。负载4% CaO的污泥分别在20% H2O/20O2/80N2、20CO2/20O2/60N2和0.15CO2/20O2/79.85N2的工况下燃烧后Pb的残留率分别增大了–3.61%、8.77%和7.65%。模拟计算表明，PbCl2分子在洁净CaO(001)表面吸附后，Pb原子和Osurf原子发生轨道杂化作用，而在预吸附有CO2、SO2和H2O的CaO(001)表面上，PbCl2分子的Pb原子会和OH、OC和OS原子发生轨道杂化，这使得在预吸附有CO2、SO2和H2O的CaO(001)表面上PbCl2分子的吸附能较洁净表面相比分别增大了90.069、–13.458和–55.836 kJ/mol。综上所述，控制燃烧温度和添加适量的CaO可以有效提高Pb的残留率，水分存在会抑制Pb的固定，而CO2和SO2气氛有利于Pb在固相产物中的富集。

• 负载腐植酸生物炭对矿区土壤淋溶液中Mn2+吸附性能的影响

  代泽宇, 周剑林, 刘伟银, 秦平, 陈荣, 陈章, 李志贤, 陈国梁,

  利用玉米秸秆基生物炭(CSB)负载腐植酸制备腐植酸改性生物炭(CSB-HA)，用于吸附矿区土壤淋溶液中Mn2+并分析其吸附特性。借助SEM、BET、XRD、XPS和FT-IR 等方法对制备得到的样品进行表征分析，CSB-HA比表面积为7.911 m2/g，孔隙以介孔居多。优良的孔隙结构提供大量吸附点位，并促进与污染物的接触，使吸附性能提升。CSB-HA表面富含C=O、O=C—O和—COOH等含氧官能团，其中氧原子能与重金属离子进行络合配位形成配位键，从而去除Mn2+。CSB-HA对Mn2+的最大吸附量为21.493 mg/g，准一级动力学模型、准二级动力学模型、Langmuir等温式和Temkin等温式能较好拟合吸附过程，Temkin常数b<1 kJ/mol，能证明吸附过程存在物理吸附。准二级动力学模型和Langmuir等温式拟合度更高且更接近实际检测值，故吸附过程为单分子层吸附，受物理吸附和化学吸附共同作用，且化学吸附占主导地位。因此含氧官能团种类和质量分数对CSB-HA吸附Mn2+产生重要影响。由液膜扩散模型和颗粒内扩散模型分析扩散过程，液膜扩散模型拟合线与纵轴截距较小，因此该过程不是控速阶段。颗粒内扩散模型可拟合为膜扩散阶段(0～60 min)和颗粒内扩散阶段(60～240 min)，后者吸附速率明显降低(kid1=1.159>kid2=0.287)，且拟合线均不通过原点，故颗粒内扩散阶段是吸附过程的控速关键阶段。热力学模拟中，分离系数RL均在0.4～0.6，ΔH=15.41 kJ/mol>0，且ΔG均为负数并随温度升高而减小，表明吸附过程是可逆且自发吸热的，升温能促进吸附反应进行。ΔS=49.90 J/(mol·K)>0，证明吸附过程中固液界面随机性增加。模拟淋溶液吸附实验表明CSB-HA吸附Mn2+效果较好且对淋溶液pH有调节作用。

• 基于多传感融合的巷道三维空间映射

  刘峰, 王宏伟, 刘宇,

  针对我国煤矿掘进工作面智能感知能力不足的问题，提出了一种基于多传感融合的煤矿巷道三维空间映射方法。该方法利用激光雷达等3D传感器预览煤矿巷道环境信息，并构建实时自主映射模型，为大型煤机装备提供空间感知信息。基于姿态感知理论的多传感融合技术，对扩展卡尔曼滤波器算法进行优化，通过局部误差状态滤波估计和全局状态迭代估计，提出了一种基于距离残差的空间映射方法，实现了在几何退化的巷道环境下全局地图的快速更新和映射的高精度。其主要贡献在于将多传感器数据进行融合，构建出高精度的地下三维地图，并提高了巷道环境的智能感知能力和自主操作水平。首先，采用先进的激光雷达(LiDAR)传感器获取巷道内部的点云数据，提取点云特征，并建立帧间特征映射模型，从而构建出厘米级别的地下三维地图。同时，通过迭代误差状态的卡尔曼滤波器实现激光雷达与惯性导航的数据融合，提高了系统的鲁棒性，确保了地下三维地图的准确性和稳定性。此外，还考虑了井下粉尘和水雾等因素对巷道三维空间映射精度的影响，优化卡尔曼滤波增益调节激光雷达里程计权重，增强了低质量浓度粉尘条件下三维空间映射的环境适应性。实验结果表明，相较于LeGO-LOAM和LINS，笔者提出的三维空间映射方法在轨迹估计准确度、映射地图的点云数量以及点云密度等方面均表现更优。笔者所提出的方法可用于高精度、快速更新三维地图的自主掘进装备，提高煤矿掘进工作面的智能化水平，为巷道环境的智能化感知和自主作业提供了数据支持。

• 煤矿井下图像的双分支耦合Transformer网络增强方法

  程健, 宋泽龙, 李昊, 马永壮, 李和平, 孙大智,

  受煤矿井下光源少、光照不均匀等因素影响，井下采集到的图像存在照度低、呈现大量暗区、细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声等问题。现有图像增强方法在进行低照度图像增强时容易出现色彩失真、细节信息丢失等缺点，另外深度学习低照度图像增强方法在一定程度上解决了低照度图像亮度增强的问题，但其模型泛化能力较差，在实际煤矿井下场景应用效果不佳。针对上述问题，利用Transformer本身泛化能力强的优势，提出一种基于Transformer模型的低照度图像增强算法。融合Swin v2模块与卷积模块，构建煤矿井下低照度图像的乘法图和加法图，并与原图像进行叠加拟合，以解决细节信息模糊或缺失、过暗产生噪声的问题。同时采用多尺度模块的注意力机制对叠加拟合后的图像进行色彩处理，以解决图像亮度提升有限、存在大量暗区以及色彩失真的问题。经实验表明，相较于LIME、Zero-DCE、RetiNexNet、MBLLEN、KIND算法，本文算法在客观质量指标峰值信噪比(PSNR)和结构相似性(SSIM)上的表现，分别提高了34.76%、55.73%，47.32%、52.76%，22.52%、25.7%，19.615%、12.285%，5.81%、2.625%。同时定性分析结果表明该方法能够对煤矿井下低照度图像进行显著增强，图像亮度达到可视范围，相比其他方法，色彩更加真实，图像细节信息更为清晰。说明本文提出的算法在图像噪声程度、色彩失真程度、对比度、结构相似度以及亮度等方面均具有良好的性能，整体相对较优。

• 基于蓝图分离卷积的轻量化矿井图像超分辨率重建方法

  寇旗旗, 程志威, 程德强, 陈杰, 张剑英,

  煤矿井下复杂受限空间中，人造光源照明不均匀、工作面尘雾浓度大及复杂电磁干扰等环境因素都会严重影响井下监控视频的高清成像。针对受复杂环境影响下的矿井图像出现分辨率较低、模糊不清的问题以及目前图像超分辨率重建方法多以牺牲网络深度和宽度为代价来提高图像重建效果，从而导致算法的复杂度大幅增加、网络模型的内存占用率变大、难以应用到实际边缘移动设备中的问题，提出了一种基于蓝图分离卷积的轻量化矿井图像超分辨率重建方法。首先，该方法使用高效率的蓝图分离卷积替换残差块中的标准卷积，设计出一种轻量残差注意力模块，接着引入坐标注意力机制并添加跳跃连接对残差块进行改进，使模型保持较低参数量和计算量的同时也具备良好的特征提取能力。其次设计了一种增强层次特征融合模块，对网络中的不同层次特征以先局部再全局的方式融合，进一步促进网络中的信息流动，增强模型的特征利用率。最后在网络末端添加像素注意力机制，用于增强网络对信息特征的关注度，提高模型的特征表达能力，为图像重建模块提供更丰富的细节特征。实验结果表明，基于蓝图分离卷积的轻量化超分辨率重建网络所重建后的图像质量不仅在客观指标和视觉感受上均优于其他对比算法，而且能够在模型性能和复杂度之间取得更好的权衡。当缩放因子为4时，相比于轻量级算法AWSRN-M，参数量相当的情况下，在煤矿井下测试集上客观指标PSNR平均值提升了0.177 2 dB，SSIM平均值提升了0.010 7，浮点运算量减少了66.9%。结果证明了所提方法可以有效提取不同层次的细节特征信息，实现浅层特征和深层特征的深度融合，且更加高效地重建出纹理细节清晰的高分辨率图像。