煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第10期

• 基于GCDB-YOLOv8的矿用无人车井下运输巷道工作人员检测方法

  张传伟, 张天乐, 周李兵, 秦沛霖, 杨佳佳, 赵瑞祺, 赵聪, 许婧,

  针对煤矿井下辅助运输巷道中环境复杂，存在低光照、多粉尘等干扰因素，且工作人员检测时存在反射光干扰，导致使用车载摄像头的矿用无人驾驶车辆对巷道内工作人员检测精度低、实时性差，并且现有基于深度学习的目标检测器存在参数量大、模型计算复杂度高的问题，提出了一种基于YOLOv8的矿用无人驾驶车辆井下辅助运输巷道内工作人员检测模型，即GCDB-YOLOv8。首先，在特征提取网络中引入轻量级模块幻影卷积(GhostConv和GhostC2f)，以实现网络轻量化设计，降低模型参数量和计算复杂度。其次，设计C2f-EMA模块并使用其替换颈部的C2f模型，增强对低光照、复杂背景中重点区域注意程度，使模型高效利用工作人员的特征信息；同时，设计DicPSA模块并使用其替换主干网络中的空间金字塔池化模块(SPPF)，增强模型对关键特征信息的捕获、提取、利用能力；最后，设计改进了加权双向特征金字塔机制(BiFPN)并使用其替换原始的FPN+PAN结构以降低特征信息丢失问题，实现深层特征图目标语义信息和浅层特征图目标位置信息的充分融合和利用，提高检测精度。实验结果表明，在井下运输巷道工作人员检测数据集上，相较于基线模型YOLOv8n，GCDB-YOLOv8模型的检测精度达到80.64%，提高了6.06%；检测速度达到112 f/s，比基线模型更快，满足检测实时性要求；模型参数数量为2.70 M，计算复杂度为7.50 GFLOPs，分别较基线模型减少0.31 M和0.70 GFLOPs。与Faster R-CNN、SSD、YOLOv3-tiny、YOLOv5s、YOLOv7-tiny、YOLOv8s、YOLOv9s、IAT-YOLO、RT-DETR、MLFE-YOLOX、CDD-YOLO、YOLO_GD检测模型比较，GCDB-YOLOv8在检测精度、检测速度、参数数量和计算复杂度方面均优于其他对比模型。在煤矿工人动作数据集上，GCDB-YOLOv8的mAP@0.5和mAP@0.5～0.95分别达到87.69%和64.77%，较基线模型YOLOv8n分别提高3.43%和2.26%。GCDB-YOLOv8模型提高井下运输巷道内工作人员检测精度的同时，兼顾模型轻量化和实时性，便于部署在矿用无人驾驶车辆上，能够满足矿用无人驾驶车辆对巷道中工作人员的检测需求，降低安全隐患。此外，GCDB-YOLOv8对井下运输巷道内工作人员的精确实时检测能够为矿用无人车后续自主避障、路径规划、决策控制等任务提供安全保障，促进无人驾驶技术在智慧煤矿领域的应用。

• 面向煤矿复杂空间任务的人机XR共融精准作业方法

  王学文, 秦浪, 乔晓军, 谢嘉成, 肖智杰, 刘京铨,

  人机协作是煤矿机器人精准完成煤矿复杂作业任务的关键技术之一。为解决煤矿复杂作业任务人机协作存在的机器人对任务和环境信息感知能力不足、人机间通讯交流困难以及机器人自主规划控制能力不足等问题，提出了人机拓展现实技术(XR)共融精准作业方法，包括基于“人–机−任务”多智能体理论的虚实空间描述方法、基于“人–AR”虚实协同的空间任务编程测量方法和基于 VR 的“机–人”虚实协同精准解算与规划作业方法。基于“人–机−任务”多智能体理论的虚实空间描述方法是利用所构建智能体映射实际物体，获得底盘路径规划和机械臂轨迹规划所需要的目标和环境信息，提高机器人对任务和环境信息的感知理解能力。基于“人–AR”虚实协同的空间任务编程测量方法是利用人的主观感知决策能力对物体进行编程标记并从基准坐标系转换到机器人坐标系，再通过智能体传递给机器人，提高了人机间的通讯交流能力。基于 VR 的“机–人”虚实协同精准解算与规划作业方法是根据目标和环境信息以及编程标记，自主规划机器人底盘路径和机械臂轨迹并显示在AR中，提高机器人的运动规划能力，并且人可以通过AR对规划结果进行修改，提高了机器人的自主规划控制能力。搭建模拟煤矿作业环境的试验场地，开展虚实空间编程测量试验、机器人在线精准解算与规划试验和采煤机滚筒焊接场景人机协作试验。结果表明，基于“人–AR”虚实协同的空间任务编程测量方法感知精度服从正态分布误差均值–0.21 mm，标准差1.59 mm，最大误差4.1 mm；基于 VR 的“机–人”虚实协同精准解算与规划作业方法可以实现机器人自主规划控制，且作业精度服从正态分布，误差均值为0.245 58 mm，标准差1.678 06 mm，最大误差5.446 45 mm。应用人机XR共融精准作业方法执行煤矿复杂环境下的人机协作任务，可以不受其恶劣环境条件影响辅助机器人完成对任务和环境信息感知的感知，机器人根据感知结果自主规划底盘路径和机械臂轨迹并执行作业任务，且机器人的作业精度能够达到正常非煤矿场景中的作业精度，相较于传统煤矿场景中人机协作的作业精度更高。

• 无人矿卡卸载区典型点云缺损模式及修补方法研究

  杨健健, 张昱源, 张少聪, 桂天牧, 黄乾坤, 王国勇, 额尔德木吐,

  随着无人驾驶技术在露天矿的广泛应用，激光雷达点云数据的完整性对矿卡安全作业至关重要。针对卸载区复杂环境导致的点云缺损问题，系统研究了典型点云缺损模式及其修补方法，有效解决了露天矿卸载区点云空洞对挡墙识别与路面感知的威胁。首先建立了激光雷达点云缺损的几何遮挡模型，量化了障碍物遮挡概率与雷达参数、空间密度的关联性，以揭示其物理机制。基于实际采集的卸载区点云数据，统计并选取了六类典型空洞，结合多维特征详细分析了其缺损模式：I型(路面坡度变化)、II型(散乱岩土堆积)、III型(挡墙间隙)、IV型(挡墙结构缺损)、V型(岩土倾落)和VI型(扬尘遮挡)。前四类源于地形遮挡，后两类由动态高密度遮挡物引发，弥补了现有研究对矿区特殊场景的针对性不足。针对不同缺损特性，提出基于地形特征的复合修补策略，通过动态栅格投影与主成分分析分割路面与挡墙点云，采用分块平面拟合(BPFR)方法实现路面的高效修复，基于泊松重建方法与凹包约束精准还原挡墙三维结构，最后合并修补结果。实验表明，在保证修补效率的同时，复合方法在法向量一致性(NC=0.99815)、均方根误差(RMSE=0.04971 m)和全局偏差(SSE=75.92)上均优于对比方法，且能适应卸载区复杂地形与动态遮挡场景。研究验证了所提方法在真实矿区数据中的有效性，提升了点云完整性与环境感知精度，为无人矿卡下游任务提供了可靠数据支撑，对推动露天矿无人化作业具有重要工程价值。

• 多维度视觉感知增强的煤矿机器人高精度三维高斯溅射SLAM方法

  蔺小虎, 闫涛, 毛清华, 姚顽强, 马宏伟, 马柏林,

  三维高斯溅射作为辐射场建模的前沿技术为煤矿井下数字化进程开辟了新路径，已成为煤矿机器人自主导航系统与数字孪生体系构建的关键支撑。然而，现有煤矿机器人SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)方法在面对动态光照、深度感知缺失与复杂几何结构等因素时面临着挑战。鉴于此，提出一种多维度视觉感知增强的高精度三维高斯溅射(3D Gaussian Splatting, 3DGS)SLAM方法。首先，提出基于HIS(Hue-Intensity-Saturation)空间的多阶段图像增强校正算法，融合MSRCR(Multi-Scale Retinex with Color Restoration)、SWF(Side Window Filtering)和归一化伽马校正技术，通过非线性光照补偿与局部对比度优化实现RGB图像细节增强。构建彩色图−深度图特征引导的深度补全网络以填充深度数据空洞并抑制噪声干扰，提升原始数据质量。然后，设计混合欧几里德距离与重叠度结合的双阶段关键帧选择机制，通过空间差异性约束与视角覆盖冗余度控制，在保障场景表征完整性的前提下筛选最小必要关键帧集，实现精确高效关键帧选取。最后，设计透明度与时空加权观测频次双重约束的高斯管理策略，剔除低透明度区域的无效高斯椭球并对长期稳定观测的高斯椭球进行置信度强化，结合回环检测与位姿图优化实现全局一致的高质量建图。为验证所提方法有效性，依托自主设计集成的移动机器人平台，在采掘巷道等典型煤矿场景中进行了大量对比试验，结果表明：该方法在煤矿井下复杂场景中实现厘米级轨迹跟踪精度，其平均跟踪误差较当前最优基准方法降低12.4%；三维建图峰值信噪比(Peak Signal-to-Noise Ratio，PSNR)达22.4 dB并保持较高实时性，显著优于主流算法，为构建数字孪生矿山提供了可靠技术支撑。

• 基于ESKF与改进IMM算法的煤矿无人驾驶车辆井上−井下无缝定位

  王凯, 鲍久圣, 吕玉寒, 袁晓明, 阴妍, 王茂森, 张可琨, 葛世荣,

  随着我国煤矿智能化建设的不断推进，矿井辅助运输车辆向无人驾驶的方向发展已成为必然趋势。定位系统作为无人驾驶车辆的核心单元，单一定位方式及传统定位算法均难以满足煤矿辅运车辆从地面料场−斜井巷道−井下巷道−采掘工作面的全流程、高精度、低时延定位要求。首先，根据煤矿辅运车辆的运行工况及巷道环境，设计了一种基于GNSS/UWB融合IMU的井上−井下无缝定位系统，提出采用模型切换延时(Model Switching Delay，DMS)作为无缝定位系统的性能评价指标；其次，针对UWB定位过程中的非视距(NLOS)误差问题，设计了UWB/IMU紧组合井下定位算法，并使用误差状态卡尔曼滤波(ESKF)对其进行滤波优化，仿真结果表明：ESKF优化算法平均定位误差为0.19 m，精度相较于单一UWB定位提高了56%；再次，分析了交互式多模型的影响因素，针对模型概率矩阵误差大影响无缝定位精度的问题，设计了一种基于ESKF与模糊自适应改进交互式多模型(FAIMM-ESKF)的矿井无缝定位算法，仿真结果表明：FAIMM-ESKF算法的定位精度比改进前提高了29%；最后，在实验室搭建模拟斜井巷道，利用无人驾驶试验车开展了无缝定位系统的定位与评估试验，结果表明：无缝定位系统在井上−井下交互区域的平均误差为0.131 m、最大误差为0.452 m，相较于传统算法分别降低了17.6%与14.8%；在整个试验过程中，FAIMM-ESKF算法的最大误差为0.498 m，平均误差为0.25 m，模型切换延时均值为35 ms，可满足煤矿辅运车辆全流程无人驾驶的定位精度与时延要求。研究结果可为推动建立煤矿井上−井下无缝衔接、精确高效的定位系统及定位算法提供理论参考，对于加快实现煤矿辅运车辆常态化无人驾驶、加速推进煤矿智能化建设具有重要理论意义和实用价值。

• 基于红外热成像的掘支锚机器人联合机组相对位姿检测方法研究

  苏国用, 帅洪锌, 郭永存, 胡坤, 赵东洋, 庞子金,

  针对煤矿掘进工作面高尘雾、低照度复杂环境下，掘支锚机器人联合机组相对位姿感知存在的定位参照差、标定工序复杂、检测参数不完全等难题，提出了一种基于红外热成像的掘支锚机器人联合机组相对位姿检测方法。首先，基于自主研发的掘支锚机器人联合机组，构建由红外热成像相机、热源标靶、迈步式锚支护装备等组成的相对位姿测量系统；通过红外热成像相机捕捉安装在掘支锚机器人联合机组上的热源标靶信号源，并对其输出的热成像图像进行畸变校正与图像增强处理；其次，采用UNet分割算法对热源标靶信号源进行区域分割，再利用图像二值化与形态学处理对分割后的信号源区域进行特征细化，并结合OpenCV库函数提取信号源中心点的像素坐标；再者，采用P4P方法求解4组信号源中心点的空间三维坐标，并通过坐标系转换解算掘支锚机器人联合机组的相对位姿参数；然后，以Realsense D435i深度相机结合奇异值分解算法测得的相对位姿参数作为真值，进一步计算所提方法的测量误差，以验证所提方法的可行性与有效性；最后，搭建了基于红外热成像的掘支锚机器人联合机组相对位姿检测实验平台，实验结果表明，在2.40～4.80 m测量范围内，在迈步式锚支护装备坐标系下，掘进机沿X、Y、Z三轴方向平移量相对误差绝对值均值分别为0.021 6、0.019 8、0.026 9 m，绕X、Y、Z三轴的旋转角度相对误差绝对值均值分别为1.45°、1.07°、1.27°，可以满足煤矿复杂环境掘支锚机器人联合机组相对位姿感知需求。

• 基于稳定性评价的无人矿卡轨迹跟踪无模型自适应控制方法

  王衍辰, 程德强, 寇旗旗, 张秋阳, 薛力戈, 徐飞翔,

  在无人矿用卡车的轨迹跟踪任务中，露天矿的地形信息繁杂且路面类型多样，导致跟踪精度与横向稳定性之间的矛盾突出；此外，无人矿卡轮地交互的动力学特性复杂，矿卡的轨迹跟踪面临建模难度大的挑战。针对以上问题，提出了一种基于稳定性评价的无模型自适应控制(Stability-based Model Free Adaptive Control，SMFAC)方法，以数据驱动的方式实现对行驶稳定性和跟踪精确性的协调控制。在Pacejka轮胎公式的基础上引入路面附着系数对矿卡的影响，结合简化的动力学方程构建矿卡的质心侧偏角−质心侧偏角速度相平面，并对不同环境工况的稳定域边界实现动态辨识，实时求解矿卡的稳定系数。基于径向基网络构建Actor-Critic无模型轨迹跟踪控制器，Actor网络依据系统状态计算控制量，Critic网络评估实时控制量的价值并对价值函数进行拟合；结合稳定系数设计学习过程中的网络误差，以最小化误差函数为目标求解隐藏层权值的更新律，通过矿卡与环境的交互迭代出轨迹跟踪的最优策略。基于CarSim与MATLAB/Simulink搭建轨迹跟踪联合仿真系统，以验证所提出的SMFAC方法的有效性。结果表明：相比于无模型的PID算法与有模型的MPC与LQR算法，所提方法在低速与高速的情况下均可兼顾角度跟踪精度与横向跟踪精度，在双移线、单移线、曲线工况中均取得最优轨迹跟踪性能。此外，SMFAC方法可抑制输出动作的波动，生成较为平滑的行驶轨迹，保障了无人矿卡的操纵稳定性。

• 露天煤矿多干线运输系统无人卡车实时调度策略

  栾博钰, 周伟, 以斯哈·米萨尔·吉斯卡尼, 陆翔, 肖玉峰,

  运输效率与经济性制约了中国无人卡车在露天矿山的大规模应用，高效的实时调度是助力无人驾驶技术推广的重要技术。为解决高频率卡车调度容易影响露天煤矿多干线运输系统效率的问题，提出了间断式实时卡车调度策略。策略采用由调度系统主动触发、全局调度的模式，固定时间间隔监测实时货流量，预测不同运输路径生产能力是否满足计划需求，判断所有电铲富车与欠车状态，基于调度次数创建卡车分配计划，建立产能损失模型判定卡车分配合理性，目标减少非必要调度，降低频繁调度引起生产能力损失，提升单斗−无人卡车工艺在多干线运输系统中的生产效率。以伊敏露天煤矿生产数据为基础，搭建多智能体−离散事件联合仿真系统开展随机试验。结果表明：50次随机试验中，策略在多干线运输系统下生产能力表现明显优于DISPATCH策略；以固定配车策略为参照，策略以78%的概率提升了总生产能力或改善路径生产设计完成度，表明策略具备生产不稳定条件下的鲁棒性；分析随机种子为1时的仿真结果，相比与DISPATCH策略，间断式策略调度频率较低，实时货流量围绕计划货流量变化幅度较小，呈现了更高的调度准确性，表明间断式策略理论上可适用于近水平露天煤矿多干线运输系统，为无人驾驶技术大规模推广与未来自动化调度奠定了一定的理论基础。

• 基于积分链动力学和Gröbner基的露天矿自动驾驶车辆运动规划

  朱德昇, 陈云超, 黄誌鹏, 杨健健, 杨克虎, 葛世荣,

  露天矿自动驾驶能够减少作业人员数量，降低生产成本和安全风险，已成为露天矿智能化发展的重要方向。然而，由于当前自动驾驶算法规划的矿车行驶速度较为保守，导致其运输效率与有人驾驶相比还存在一定差距。为在不违反车路物理约束、保证行驶安全的前提下，尽可能提高规划速度，提出了一种基于积分链动力学和Gröbner基的露天矿既定运输路线运动规划方法。首先，根据矿车运动学特性和露天矿道路情况，综合考虑限速规则、道路曲率、地面附着力以及车辆前轮转角等条件，建立了既定运输路线全路段精细化速度约束曲线；随后，采用积分链动力学理论将露天矿自动驾驶运动规划问题表征为关于急动度作用时间的多元多项式方程组求解问题，利用Gröbner基理论将多元多项式方程组转化为带参数的正则化多项式系统，最终将运动规划问题等价为三角化多项式方程组的求解问题，实际部署中只需输入始末条件参数即可实现快速迭代求解，得到满足驾驶安全需求且加速度平滑的运动规划方案。利用该方法对内蒙古某露天矿真实运输路线的多个路段在不同的初始和终止条件下进行了运动规划，均能快速求得可行解；最后针对3.61 km长的连续弯道往返路线进行了运动规划，与目前该矿有人驾驶矿车的实际运行记录相比，平均运行时间减少10.7%，20 m的规划任务计算时间在100 ms以内，表明该方法能有效提升露天矿车辆的运行效率。

• 低光环境下无人矿卡遮挡目标检测网络

  徐飞翔, 张瑞, 程德强, 钱建生, 寇旗旗, 周晨,

  无人矿卡常需在低光环境下进行自主作业，而准确可靠的目标检测性能是保证其安全作业的前提。然而，露天矿区环境极为复杂，常出现目标被大面积遮挡，且无人矿卡与其他待检目标，如工作人员等存在多尺度特征互扰，这给低光环境下无人矿卡的遮挡目标检测带来了极大挑战。为此，提出了一种低光环境下无人矿卡遮挡目标检测网络LECODNet。首先，该网络设计了一个多感受野边缘感知模块，提取出富含局部细节信息与全局语义位置信息的边缘特征，强化目标边界信息；其次，构建了一个边缘引导特征增强模块，将提取的边缘特征作为结构先验，引导模型更聚焦目标区域；然后，在此基础上嵌入了通道感知映射注意力机制，增强了目标特征的表达能力；最后，在网络颈部部分设计了一个双向空间感知C2f，从水平方向与垂直方向同时捕捉目标空间上下文信息，增加模型对目标空间结构位置信息的感知能力。大量的试验结果表明，在自制低光环境下无人矿卡遮挡目标检测数据集LAOMD上，LECODNet的检测精度mAP@0.5与mAP@0.5∶0.95达到了83.5%与71.2%。相较于基线模型YOLOv8，分别提高了3.3%与2.3%；相较于目前主流的低光照遮挡目标检测模型FeatEnhancer，其mAP@0.5与mAP@0.5∶0.95分别提高了1.9%与1.5%。试验结果表明，所提方法可以有效增加目标区域的感知与特征表达，同时增强对空间结构关系的建模能力，有效提高低光遮挡环境下无人矿卡的目标检测性能。

• 中国立井人工地层冻结技术的发展与展望

  杨维好, 李伟, 王衍森, 孟祥军, 杨志江, 任彦龙, 韩涛, 张驰, 张涛, 骆汀汀, 张雨,

  在我国矿产资源和地下空间开发向深部进军的过程中，立井施工面临高土压、高地应力、高水压、高地下水流速和恶劣岩性等严酷条件，亟需突破凿井技术瓶颈制约。总结经验教训，指出冻结法是复杂条件下深井井筒施工最主要的地层堵水与加固工法。回顾了2002年以前国内外冻结法凿井技术的状况；概述了2002—2022年在400～800 m深厚土层中和在500～1 000 m深厚富水岩层中中国立井人工地层冻结技术取得的重大突破及其应用情况；总结了中国在冻结法凿井物理模拟试验装备，深埋人工冻土试验装备与方法，深土人工冻土力学，冻结岩石的力学特性，地层冻结制冷技术与装备，超深冻结孔施工技术与装备，多圈管冻结温度场变化规律，深厚土层中冻结壁的变形规律，深厚土层中冻结壁厚度的设计理论，深厚富水岩层中冻结壁厚度的设计理论，冻结管断裂新机理与预防技术，分圈异步冻结工艺，分圈控制冻结工艺，局部冻结工艺，深厚岩层中冻结孔固管封水技术，井筒与毗邻硐室联合冻结技术等方面的新进展。针对我国在1 500 m超深土层以及3 000 m深厚富水岩层中采用地层冻结技术将面临的挑战，指出应重点在–80 ℃深冷制冷技术及其配套材料与装备，深埋深冷人工冻土的力学特性，深埋深冷冻结壁的力学特性与设计方法，高精度超深定向冻结孔施工技术与装备，超深井筒冻结壁形成与维护新技术等方面开展攻关研究。

• 基于数字岩石力学的煤岩截割参数优化准则

  王虹, 李海涛, 王守光, 张小峰, 陈明军, 刘驰, 穆鹏宇, 郑建伟, 陈宇龙, 张良,

  巷道掘进是煤炭开采及基础设施建设中的关键环节，其掘进效率和安全性直接影响工程经济性和人员生命安全。然而，煤矿巷道掘进全过程的截割参数优化仍面临诸多科学难题，且随着煤矿开采向深部进军，更为复杂的地质环境对截割参数优化提出了更高要求。为解决数字化时代掘进全过程的截割参数智能高效优化问题，结合以物性透明、结构透明和应力透明为核心的数字岩石力学方法论，提出复杂掘进环境下截割优化的全新解决方案。针对煤岩机械截割性能的精确评价问题，基于裂隙张量理论，多维度定量描述裂隙结构，实现了煤岩裂隙结构与可截割性之间的定量表征；针对截割滚筒截齿协同破岩问题，利用数字岩石力学求解器CoBums开展多齿协同破岩数值模拟，揭示了动态截割力与应力波传播规律；针对掘进截割工法缺乏智能截割规划问题，结合煤岩多源数据融合技术，优化了截割工艺参数的动态调整；针对巷道掘支协同作业与支护动态调整问题，利用可控震源和随掘地震探测技术，掌握井下煤岩体应力与非连续结构时间−空间演化规律，进而动态优化时间−空间分区支护参数；针对“深地”巷道低扰动高效截割技术问题，通过实验室及现场工程尺度的低扰动截割破岩研究，明确了掘进扰动与应力方向的关系，为减少动力灾害风险提供了指导。数字岩石力学方法与煤岩截割性、多齿协同破岩、低扰动截割及支护优化等方面的结合，为煤矿巷道掘进效率提升、灾害防控及智能化发展提供了技术支持，有助于推动掘进截割参数从经验判断向数字化、智能化自动优化的转变。

• 基于随钻数据的岩体强度预测模型及其适配性评价

  赵志强, 王箫鹤, 武璟,

  为了研究在锚杆钻机钻进过程中实时识别顶板岩层强度及结构状态，为巷道掘进过程中进行顶板隐患探测提供技术途径，采用综合研究手段，揭示了不同强度岩体及组合岩体的钻进信号响应规律，研究了基于钻进数据的岩体强度表征及预测模型，并对比评估了其适配性。结果表明：推力、扭矩及转速等信号对围岩强度的变化具有较强的响应性，与岩层结构变化呈现一致性，三轴振动对岩体强度的响应性较不明显，但在岩层界面处信号突变显著；各表征参量及其强度表征值趋势与钻进信号趋势基本保持一致，基于钻头单位体积研磨能的单轴抗压强度表征模型与真实值偏离度最小(适配性最优)；推力及扭矩与除三轴振动之外的其他参量均呈现较为明显的线性正相关关系，转速也同样具有较为明显的线性相关关系，但与除可钻性指数外其他特征均呈负相关趋势，三轴振动中，X方向与Y方向振动与其余各特征相关性程度较小，但仍存在一定相关性，其中Z方向振动中相关性程度极小。Attention-CNN模型在鲁棒性、准确率和适配性上表现最优，预测值与由单轴压缩实验所得的真实值之间决定系数R2达0.94，拟合度最高，在岩体单轴抗压强度预测上预测精度较其他模型的模型精度至少超出12%，研究成果为巷道顶板岩层强度实时感知及支护决策提供了理论与技术支撑。

• 玻纤粉改性粉煤灰–水泥复合注浆材料水化产物与工程特性试验

  李秋利, 赵光明, 王艳芬, 程详, 黄顺杰, 李英明, 孟祥瑞,

  为助力绿色矿山领域低碳发展，提高固废利用效率，以硅酸盐水泥和粉煤灰为胶凝材料，利用尾矿玻纤粉(GFP)对其进行增韧，以获得新型高强度绿色水泥基复合注浆材料。通过浆液特性测试、力学强度测试、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)及热力学建模等方式，探究GFP掺量对复合浆液的工作特性、水化产物、凝结时间与力学强度等的影响特征；利用煤矸石骨料注浆固结模拟试验，评价新型注浆材料胶结碎石的力学承载性能，揭示GFP改性粉煤灰–水泥复合浆液对煤矸石的注浆加固机制。结果表明：添加GFP有助于缩短粉煤灰–水泥复合浆液的初凝时间，而流动性、析水率、结石体抗压强度随掺量的增加呈先增大后减小趋势，当GFP掺量为1%时，粉煤灰–水泥复合浆液工作性能最优，初凝时间缩短5.9%，3、28 d抗压强度分别提升12.6%、37.9%。微观表征证实：适量的GFP掺量有助于增加火山灰效应，促进Ca(OH)2的消耗，生成大量水化硅酸钙产物，且未被水化的GFP可发挥充填效应，改善基体致密性。注浆加固试验表明：1.0%的掺量GFP改性粉煤灰–水泥注浆材料可有效抑制荷载过程中煤矸石胶结体微裂纹与孔洞结构滋生，改善多重分形特征，其峰值应力提升12.1%，显著增强了力学承载特性，其加固机理可以归为水泥、粉煤灰与GFP三者之间匹配良好的协同耦合效应，为深部煤矿工程领域低成本、高性能绿色注浆材料的研发提供思路。

• 受载煤体多参量随钻监测试验与随钻突出预测方法

  舒龙勇, 闫振东, 刘正帅, 饶文铭, 李阳, 刘永茜,

  煤与瓦斯突出预测结果直接关系着煤层安全开采和防突措施科学实施，但现行以瓦斯参数为主的突出预测指标体系难以超前反映工作面前方煤体应力和物理力学性质变化。钻孔钻进过程蕴含着大量反映煤体突出危险性的信息，为深度挖掘钻进信息与煤体应力和物理力学性质的关系，自主研制了受载煤体模拟钻进与多参量随钻监测试验系统。该系统中，矿用液压回转钻机能够还原井下钻机钻进能力，三向独立加载和梯度加卸载模块能够还原井下煤体应力非均匀分布，4个300 mm×400 mm×400 mm的试验空间可以实现非均质煤体连续钻进，同时试验系统能够实现钻进参数和声发射信号的随钻采集。利用试验系统开展了不同煤体应力和物理力学性质条件下随钻监测试验，结果表明：随煤体应力增大，钻机转矩、推进力相应增大，转速相应减小；不同钻进参数对不同煤体物理力学性质响应敏感性不同，钻机转矩与煤体三轴抗压强度呈正相关关系，钻机转速与煤体单轴抗压强度呈负相关关系，钻机推进力与煤体内摩擦角呈正相关关系；不同物理力学性质煤体随钻声发射频带分布不同，峰值频率与单轴抗压强度、三轴抗压强度、内摩擦角呈负相关关系。进一步从理论分析与试验研究方面探讨了煤体应力、煤体物理力学性质、煤层瓦斯大小随钻评价可行性，并建立了煤与瓦斯突出危险随钻预测模型，讨论了煤与瓦斯突出随钻综合预测的可行性，研制了近钻头声振信号随钻采集装置，为推进煤与瓦斯突出随钻预测技术发展提供了一定的理论和技术支撑。

• 基于双重能量约束的煤与瓦斯突出发展及强度分析理论

  王成浩, 程远平, 王亮, 蒋静宇,

  基于“源–耗”关系的能量守恒模型长期主导煤与瓦斯突出的定量化研究，但单式约束在描述具体能量演化路径时存在局限性，注定其研究方法以对比分析为主，难以反映煤与瓦斯突出的动态发展过程。通过揭示突出激发阶段煤体变形能预释放与瓦斯膨胀能释放的协同作用机制，构建包含全过程能量判据的新型理论框架。首先，基于煤体拉伸破坏的临界应力–孔隙率耦合关系，推导瓦斯膨胀能阈值的解析表达式，并建立考虑工作面应力和瓦斯非均匀分布特征的突出激发能量判据；然后，将传统的能量守恒式作为突出发展的判别式，建立基于变形等效原理的突出不同阶段煤体搬运功计算模型、基于最小新增面积原理的煤体破碎功计算模型，以完善突出发展的多阶能量约束体系；最后，提出能量链式释放理论，通过“激发—发展”双条件时序约束机制，多阶段动态模拟突出过程。结果表明：随着与工作面距离的增加，煤层储能与突出阈值呈现非线性递增趋势，且突出阈值的超线性增长特性导致二者形成自下而上的交叉点，该临界交点决定了煤体抛出的空间范围；突出初始阶段受激发条件主导，后期转为发展条件控制；经参数敏感性分析，确定能量转化效率为30.5%～66.1% (μ=52.3%±13.1%)，该参数使模拟结果与近年来事故案例突出强度数据吻合度较好。研究发现，构造煤(f < 0.2)在高地应力( > 35 MPa)和低瓦斯压力( < 0.52 MPa)条件下仍具备突出潜能，建议将地应力监测提升为煤矿动力灾害防控的核心指标。本研究建立的“激发—发展”全周期能量链式分析体系，为突破难以定量化表征突出过程的瓶颈提供了新范式。

• 穿层钻孔瓦斯抽采胎囊式可复用封孔装置研究与应用

  王振锋, 曹良超, 卢志杰, 王峰, 范红光, 魏民涛, 谢文强, 王永龙,

  针对传统封孔工艺密封性能差、钻孔瓦斯体积分数衰减快、封孔经济成本高等难题，提出“自适应钻孔变形、柔性保压、动态密封、重复利用”的新型封孔技术，研发了一种瓦斯抽采新型“胎囊式”可复用封孔装置，并阐述了“胎囊式”封孔装置的基本结构设计和封孔技术原理。采用数值模拟、实验室试验和理论分析相结合的研究方法，探究封孔装置的核心构件(密封胎囊)的变形性能和密封性能。以神火集团新庄煤矿为工程背景，开展现场实践。结果表明：壁厚为1 mm和2 mm的胎囊能够在较低的注浆压力条件下迅速膨胀，满足钻孔封孔要求；胎囊与孔壁的平均接触应力随施加作用力的递增呈逐渐增大的趋势，与壁厚为1 mm的密封胎囊相比，壁厚为2 mm的密封胎囊随压力的递增其整体密封性能表现更加稳定；封孔试验表明，胎囊的极限承压能力与胎囊自身壁厚呈正相关，当注浆压力大于0.32 MPa时，封孔装置能够有效密封钻孔；结合数值模拟、封孔试验和注浆封孔力学分析结果，得出胎囊结构设计参数的最优组合解为长度1 000 mm，壁厚2 mm。现场工程实践表明：与传统“两堵一注”带压封孔工艺相比，在相同的抽采期内，新型封孔工艺较传统封孔工艺的钻孔平均瓦斯抽采体积分数提升126.6%，平均抽采纯量提高120%；首次抽采结束后胎囊的重复利用率为84%，3次抽采结束后胎囊的回收利用率达65%，瓦斯抽采体积分数整体提升30%以上，证明新型封孔工艺不仅能够提高钻孔的抽采效果，延长高体积分数瓦斯的抽采时间，同时达到了封孔装置重复利用的效果，为矿井瓦斯抽采方法提供了新的技术路径。

• 矿震对含气煤样力学及渗流特性影响规律

  穆海龙, 孟上九, 王淼, 秦艺峰, 孙志远, 祝威, ALEKSEI Sobolev,

  矿震频发给煤矿安全生产带来严重威胁，经调研表明矿震后易引发瓦斯灾害，呈现“先震后灾”特征，为矿震作用下瓦斯灾害预警提供了可能，但矿震作用诱发瓦斯灾害渗流规律不清。考虑煤体应力环境及瓦斯灾害发生原理，基于矿震波形特征分析，采用自主设计的动态三轴加载渗流试验系统，引入循环应力比(Cyclic Stress Ratio, CSR)来模拟矿震作用特征，同时考虑了动载频率和气体吸附压力，设计了动静组合加载方式，研究了动载作用下含气煤样的力学、微观孔隙及渗流特性。结果表明：在动载加载阶段煤样残余应变随振动次数开始快速增大后逐渐趋于平缓，煤样渗透率随动载频率和CSR的增大呈指数函数增大，而与初始吸附气体压力呈负指数函数变化，且CSR对煤样力学和渗透率影响最显著；损伤后的含气煤样峰值强度和弹性模量与动载频率、CSR、气体吸附压力均呈负相关关系，在CSR为0.75时峰值强度和弹性模量劣化率达到最大，分别为15.3%和68.2%，损伤变量为0.68；利用CT扫描和三维重构技术，得到煤样加载前后孔隙体积变化的定量表征，不同CSR加载下孔隙总体积最大增大到初始状态的7倍，分析了动荷载对煤样孔隙率的影响特征，解释了矿震动应力对煤体孔裂隙发展、渗流特征及损伤变形的作用特征及相关关系。研究可为矿震作用下深部煤岩瓦斯动力灾害的机理揭示及灾害预警提供支撑。

• 镁质消石灰高温干法脱硫反应机理及增效技术

  何学富, 樊向黎, 由长福, 王海名, 金燕,

  石灰石资源的不可再生性导致优质石灰石逐渐稀缺，开发以低品位镁质石灰石为生产原料的钙基脱硫剂对于高污染行业控制SO2排放具有重要意义。以镁质消石灰为研究对象，利用固定床脱硫试验系统，结合XRD(X-Ray Diffraction)表征技术，探究了镁质消石灰在高温条件下的干法脱硫性能，以及Mg物相对Ca(OH)2晶体结构的影响。采用等效粒子模型，通过反应动力学方法研究了Ca(OH)2晶体结构对脱硫反应表面化学反应阶段和扩散控制阶段的影响作用，明确了制约镁质消石灰脱硫反应的关键步骤。基于密度泛函理论(DFT)，研究了SO2在洁净和Mg掺杂Ca(OH)2表面上的吸附行为和硫化反应，并探究了Ca2+在2种晶格体系中的扩散行为。研究结果表明，Mg2+通过取代Ca2+对消石灰中Ca(OH)2晶体结构产生影响，Ca(OH)2晶体结构是造成镁质消石灰脱硫性能发生改变的主要原因。表面氧原子是Ca(OH)2吸附SO2的活性位点，Mg2+取代Ca2+加强了表面基底对SO2的吸附作用，硫化反应能垒从1.40 eV降至1.11 eV，因此对脱硫反应表面化学反应阶段起促进作用；同时也增强了Ca(OH)2晶体内部Ca2+和OH–的键合作用，Ca2+扩散能垒从0.98 eV增至1.55 eV，不利于晶体内部的离子扩散，因此对扩散控制阶段存在抑制作用。NaOH的掺量为5%时，Ca(OH)2的晶格畸变度达到最大，硫化物容量达到了98.42 mg/g，提高了约42.92%。Na+掺入Ca(OH)2晶格能够削弱Ca—O的键合作用，Ca2+扩散能垒降至1.26 eV，可以促进晶体内部固态离子迁移，显著提高镁质消石灰的脱硫性能。

• 页岩油中含硫化合物热解生成机理的密度泛函理论计算与热力学分析

  潘朔, 张钰, 王擎, 柏静儒, 徐向明, 王琦, 刘斌,

  采用固定床反应器，利用气相色谱−硫化学发光检测仪(GC-SCD)对不同热解终温页岩油中含硫化合物进行了检测，采用密度泛函理论(DFT)计算方法，构建了8种含硫结构模型，围绕硫醇类、噻吩类和苯并噻吩类含硫化合物模型设计了21条反应路径，系统地分析了各反应路径的反应能垒和反应能量，获得了含硫化合物的热解规律。结果表明，2-戊硫醇化合物首先发生碳硫键的均裂，生成巯基自由基，随后与相连碳原子的邻位甲基中氢原子结合生成硫化氢和1-戊烯，该过程的反应能垒和反应能量分别为466.1和192.2 kJ/mol。与β位碳原子氢相比，巯基更易与α位甲基氢反应生成硫化氢。当反应环境中存在氢自由基时，2-戊硫醇较易发生巯基脱除反应生成戊烷和硫化氢产物。丁硫醇中巯基和β位碳上氢原子断裂(反应能垒为456.1 kJ/mol)，形成自由基并结合生成硫化氢，反应能量为407.3 kJ/mol。烷基噻吩组分的相对含量总体上随着热解温度的不断升高而减小，丁基取代基中末端甲基氢与噻吩环中氢原子断裂生成氢气，过渡态经过自由基反应形成C8H10S化合物结构，随后发生两步脱氢反应生成苯并噻吩，此过程反应能量为725.2 kJ/mol。而烷基苯并噻吩和烷基二苯并噻吩化合物的相对含量则随着热解终温的提高而呈现增大趋势。各噻吩类化合物倾向于发生链状烷烃取代基的芳构化反应生成苯并噻吩类化合物。苯并噻吩侧链丁基取代基首先由链状结构变为环状结构并发生分子内脱氢芳构化反应，反应能量与反应能垒较分别为526.9和250.8 kJ/mol。烷基取代基的种类对噻吩类化合物热解反应所需能量具有明显的影响作用。

• 兰炭基硬炭的微结构调控及电化学储钾性能

  苏方乐, 康伟伟, 黄光许, 邢宝林, 李强, 胡涵, 曾海涛, 贾建波, 张传祥,

  兰炭末的低碳高值化洁净利用不仅可以提高资源利用率，而且能够减少环境污染，有助于实现“双碳”目标。以兰炭末为前驱体，经炭化制备钾离子电池硬炭负极材料，研究炭化温度对兰炭基硬炭的碳相(高度无序碳、准石墨碳以及类石墨碳)、碳微晶尺寸以及碳层间距、缺陷浓度、表面性质等微结构的影响规律，并评价不同微结构兰炭基硬炭的电化学储钾性能。研究发现：随着炭化温度的升高(600～1600 ℃)，硬炭中的高度无序碳向准石墨碳以及类石墨碳演变，碳微晶的横向与纵向尺寸均逐渐增大，硬碳中sp3杂化碳的含量逐渐降低，向sp2杂化碳演变，硬炭的有序度逐渐升高。此外，兰炭基硬炭的比表面积和总孔容随炭化温度的升高呈降低趋势，碳微晶层间距先增大后减小。1000 ℃下制备的硬炭ZN-1000的高度无序碳、准石墨碳以及类石墨碳含量分别为31.2%、34.5%、34.3%，介孔孔容高达0.04 cm3/g，含有C=O、C—O、—OH等官能团，并且呈现出较高的平均碳层间距(d002=0.375 nm)。作为钾离子电池负极材料，ZN-1000在20 mA/g电流密度下的可逆比容量达到207 mAh/g，在1000 mA/g的高电流密度下呈现出32 mAh/g的可逆比容量。兰炭基硬炭优异的电化学储钾性能与其微结构密切相关，K+通过在兰炭基硬炭的高度无序碳、缺陷、含氧官能团、开放孔等活性位点上进行吸/脱附以及在有序碳层中的嵌入/出来进行存储。可为兰炭末的洁净化、高值利用以及钾离子电池碳负极材料的开发提供新思路。