煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第11期

• 热烟气强化增渗煤储层及驱替瓦斯效果分析

  林柏泉, 施宇, 刘厅, 黄涛,

  热烟气作为含CO2载热介质注入深部煤层，在强化增渗煤体、提高瓦斯驱替效果的同时，实现了CO2地质封存。阐明热烟气强化增渗煤体及驱替瓦斯过程多场耦合机制，是实现瓦斯增产效率科学调控的重要前提。基于纳米压痕测试的煤体力学参数非均质分布特性，构建了非均质煤储层地质模型，通过数值模拟分析了热烟气强化增渗煤体及驱替瓦斯过程多场时空演化特征。在此基础上，结合考虑气体突破效应的注气增产效率评价指标，探究了主要工程调控参数(烟气温度、CO2体积分数和压力)与热烟气驱替煤层瓦斯效率的内在响应关系。结果表明：韦伯尔概率分布函数更适合描述煤体微观弹性模量在空间上的非均质分布行为；煤体损伤释放弹性应变能与矿物溶蚀释放热能的输入导致局部异常高温区域的产生。近场和远场瓦斯驱替形式分别为热驱替和CO2驱替。N2虽然能很快突破储层，但其在驱替过程中承担提高渗流压力梯度与降低混合气体流动阻力的角色。热烟气注井邻近煤体升温范围内，矿物溶蚀效应更强的原因在于煤体在热烟气高温与高压作用下发生损伤，更有利于CO2富集。该区域煤体裂隙溶液内大量氢离子聚集，裂隙溶液酸性显著增强，导致矿物溶蚀速率增大。由于升温不充分区域内煤体温度不足以诱发煤体损伤，基质过度热膨胀导致煤体渗透率显著降低。驱替初期，热烟气注井邻近煤体升温不充分区域范围差别不大，但大量CO2富集导致低渗锋面外向扩张。随着驱替时间增加，热烟气注井邻近煤体损伤范围与程度均迅速增大并逐渐趋于稳定，同时裂隙内可溶性矿物含量显著降低，产生显著的增渗效应。热烟气驱替煤层瓦斯过程中低渗锋面面积呈现先增大后减小的变化趋势。通过多场调控优化瓦斯增产效率，应当基于实际增产周期长短确定主要工程调控参数。短增产周期内，与烟气CO2体积分数和烟气温度相比，烟气压力对注气增产效率影响更为显著，且低压烟气瓦斯增产效率更高；长增产周期内，高烟气压力、低CO2体积分数和高烟气温度条件，能产生更高注气增产效率。

• 可控冲击波松软低渗煤层顶板增透裂纹及损伤演化规律

  乔国栋, 刘泽功, 高魁, 张永民, 赵有志, 李永元, 傅师贵, 张健玉, 王子, 杨帅, 张鑫,

  可控冲击波技术作为一种新型煤层增透技术，具有安全可靠、能量利用率高、冲击次数及能量可控等特点，在改造煤层渗透率和强化瓦斯抽采方面有着良好应用前景。针对松软低渗煤层瓦斯抽采效果差、有效抽采时间短等问题，提出使用基于可控冲击波的松软低渗煤层顶板增透技术，然而不同放电电压循环冲击载荷下煤岩的裂纹扩展及损伤演化规律尚不明确，无法为关键工艺参数确定提供指导。根据相似准则构建煤岩组合物理模型，在实验室内自主搭建能够对物理模型进行不同放电电压循环加载的可控冲击波相似模拟试验平台，开展可控冲击波松软低渗煤层顶板增透相似模拟对比试验。提取模型表面宏观裂纹，分析不同放电电压下裂纹分布形态及演化模式；使用数码相机及Matlab-Ncorr开源散斑处理软件对模型表面位移场进行反演；建立了损伤因子与超声波波速之间的数学关系，定量化表征模型内部三维损伤演化规律。结果表明：放电电压和次数在可控冲击波松软低渗煤层顶板增透过程中起着关键作用，高电压下裂纹密度大，扩展速度快，放电次数增多可促进裂纹发展，形成“扇形”裂纹网络，优化增透效果；随着放电次数增加，煤岩模型的竖直和水平位移增大，位移量与放电电压正相关，位移的增加促进了煤岩体的裂纹扩展，提供了更多空间供瓦斯运移，有助于煤层卸压增透；可控冲击波循环冲击载荷作用下的煤岩损伤为累积性过程，损伤因子与放电次数和放电电压呈正相关关系；致裂钻孔及煤岩交界面附近煤岩损伤严重，高电压下损伤加速演化，最终形成完全损伤区域，推动煤层增透效果的提升。试验阐明了不同放电电压循环冲击载荷作用下裂纹、位移及损伤的动态响应特征，为工程参数的选取和优化提供了参考。

• 松软煤层空气射流冲孔卸压关键技术研究与应用

  刘勇, 张汶定, 陈长江, 张慧栋, 徐向宇, 杨涛, 赵启强, 孔德众, 孟飞鸿,

  我国松软低渗煤层分布广泛，瓦斯治理周期长，严重制约采掘交替和煤炭产能释放。采用水力化措施卸压增透容易导致喷孔、塌孔、堵孔等问题，无法高效解决瓦斯治理难题。气力化增透技术是解决松软煤层瓦斯治理难题的可行性路线。但目前气力化增透技术因成本、效率和技术适用性等原因，均无法广泛推广应用。为此，提出空气射流冲孔卸压增透技术。为实现该技术高效冲孔，本研究首先建立喷嘴最大允许长度和最大外径计算模型，针对直径为73 mm的钻具，确定喷嘴最大长度为20 mm、外径为13 mm的关键参数。其次，设计不同膨胀比(n=0.5、1.0、1.3和1.4)喷嘴结构，通过数值模拟对比分析不同膨胀比对空气射流流场结构和冲击压力的影响特征，并通过试验研究不同膨胀比喷嘴冲击压力随靶距变化的分布特征，分析空气射流扩孔半径随时间的变化特征；最后，研制完整的空气射流冲孔系统装备，并在新义煤矿开展了工程试验验证。结果表明：在受限空间内优化了喷嘴安装位置，确定了最优喷嘴结构膨胀比和设计原则，发现膨胀比对空气射流速度场与压力场影响显著，当膨胀比为1.0时，射流膨胀波与压缩波交替过渡发展最为平缓，与环境的热交换最小，等速核长度最长，形成的射流冲击靶距最远、冲击压力最大。随着冲击靶距增大，不同膨胀比喷嘴的冲击应力总体呈下降趋势，但在射流处于欠膨胀或过膨胀状态时，冲击压力随靶距增大呈现增大—减小交替发展的特征，而当膨胀比为1.0时，此交替发展特征不明显，且冲击压力始终大于欠膨胀或过膨胀状态；在压风压力为0.6 MPa条件下，对于f=0.3的松软煤层，冲孔半径超过0.5 m；工程试验进一步证实，空气射流冲孔半径可达0.56 m以上，瓦斯抽采流量相比水力冲孔技术提高了2倍，抽采达标时间缩短了1/3，有效解决了采掘失衡问题，开创了松软煤层瓦斯治理新模式。

• 喷嘴内部涡结构对自振脉冲SC-CO2射流能量转化效率影响

  魏建平, 井岗霞, 刘勇, 张慧栋, 高梦雅, 李翔, 李诗彦, 陈长江,

  利用高速射流破裂煤体，在煤层中构造煤层气流动通道，是提高煤层气采收率的重要手段。超临界二氧化碳(SC-CO2)射流自身的溶解、萃取特性可以提高煤层渗透性，并且，自振脉冲SC-CO2射流具有低破煤临界压力和高破煤效率的显著优势，在强化煤层气开采领域潜力巨大。然而，目前自激振荡射流喷嘴性能评价方法缺乏直接定量指标，导致确定最优喷嘴结构参数难度大，严重限制了其进一步推广。为此，基于喷嘴内部涡结构演化过程，提出自激振荡喷嘴能量转化效率计算方法，采用粒子图像测速技术(PIV)试验系统和大涡模拟(LES)相结合的方法捕捉喷嘴内部涡结构演化过程，分析喷嘴内部流体能量转化与分布特征。结果表明：通过分析射流开始喷射后1.75～1.79 s的射流流场拍摄图像，发现喷嘴中的涡结构主要出现在振荡腔内。振荡腔内沿剪切层运动的自激振荡脉冲SC-CO2射流与碰撞壁接触后先向上游运动，随着时间的推移，向上游运动的过程中逐渐与轴线上的射流汇合，下游喷嘴入口、上游喷嘴出口处壁面均出现强涡结构。SC-CO2射流在喷嘴入口输入的总能量转化为振荡腔内涡动能以及喷嘴出口形成的自激振荡脉冲SC-CO2射流总能量。腔径比为3.5时，射流能量转化效率高达80.80%，振荡腔内涡动能会诱导自振脉冲SC-CO2射流产生，但涡动能占比较大时会导致能量耗散，进一步，喷嘴出口处涡动能是用来调节射流集中性，喷嘴出口涡动能占比越小，喷射越集中。自振脉冲SC-CO2射流在不同喷嘴出口产生最大峰值应力排序为L3.5 > L1.5 > L2.5 > L2.0 > L3.0。

• 液态CO2相变致裂煤体破坏行为及渗透特性

  李钊, 倪冠华, 付正麟, 巩俐, 尚元梦, 崔迎雪, 李茉玉,

  深部低渗煤层瓦斯抽采效率低、治理时间长是制约煤炭安全高效开采的瓶颈问题。液态CO2相变致裂作为一种无水化增透措施，一方面可避免煤层水锁效应，另一方面可置换煤中瓦斯，强化抽采效果。为揭示液态CO2相变致裂对煤体增透的作用机制，以神木柠条塔和平煤十矿煤样为研究对象，通过霍普金森压杆动态冲击试验、高压CO2致裂试验和三轴压缩渗流试验，探究不同阶段的煤体破坏行为及渗透特性。结果表明：随着冲击速度的增大，煤样峰值应变率、动态峰值强度呈增加趋势，神木柠条塔煤样破坏方式由劈裂破坏向压碎破坏转变，应力−应变曲线不具有二次承压阶段，平煤十矿煤样破坏模式以劈裂为主，且具有明显的应变硬化现象；垂直主应力和煤体起裂压力之间存在显著线性关系，垂直主应力每升高1 MPa，起裂压力约增大0.6 MPa，对于裂隙发育程度较高的神木柠条塔煤样，致裂作用主要体现在裂隙的贯通与扩展，而对于结构致密的平煤十矿煤样则主要体现在新裂隙的形成；倾斜裂隙对煤体力学强度具有较强的劣化作用，可大幅降低煤体破坏所需的应力，围压作用下，含倾斜裂隙煤样其峰值应力较原煤降低约50%，其渗透率增大为原煤的12.7～14.9倍。研究揭示了液态CO2致裂“动态破碎—静态扩展—地应力挤压”3阶段的协同增透机制，可为液态CO2致裂增透技术的推广应用提供理论参考。

• 煤层钻孔过程中多孔液态CO2闪沸射流形态表征方法及参数分析

  刘文川, 张卓雅, 汤积仁, 崔家玮, 张慧栋, 卢义玉,

  水力化技术的应用能够有效提高煤层气开采效率。然而，现有水力化技术在深部松软煤层增透时易导致水锁效应、塌孔、卡钻等问题。无水化技术由于从根源上杜绝了水对松软煤层的影响，为这些问题提供了可靠的解决方案。CO2因其独特的物理特性，已发展出CO2射流冲击破岩及相变致裂爆破等无水化技术。CO2闪沸射流作为一种新的射流形式，因其具有相变冲击、作用面积大、作用力均衡等特点，在煤层钻孔应用中具备实现冲击能力与作业覆盖面积高效匹配的潜力。多孔液态CO2闪沸射流的膨胀及塌缩特性对其冲击效果具有决定性作用。然而，传统射流的表征方法对于复杂的多孔闪沸射流流场结构并不适用。运用统一的拟合方法和特征参数，能够准确对比不同射流的流场特征，进而明确各射流参数对流场的影响机制，为精准调控射流参数以提升钻进能力提供有效的表征方法。通过液态CO2闪沸射流可视化试验，收集射流流场图像，采用图像处理技术对射流边界点信息进行提取，基于边界信息提出多孔液态CO2闪沸射流流场形态表征方法。采用非线性拟合函数的形式对射流边界点进行拟合，发现了基于边界点拟合方法的局限性。提出2种基于固定极值点对射流边界点进行拟合的方法，对比发现基于相切曲线极值点的射流边界拟合方法具有更好的拟合效果。分别对射流的近场与远场区域进行拟合优化，得到射流分区域边界拟合函数。对于近场区域，引入修正系数 n 对拟合方法进行优化以对小喷孔偏转角度喷嘴施加补偿机制；对于远场区域，缩减射流拟合所需边界点数量以降低数据处理成本。分析了射流形态拟合函数中不同特征参数对射流形态的表征作用，射流远场拟合函数的特征参数 b 可以表征射流的径向偏移量；射流近场拟合函数的特征参数 k 可以表征闪沸射流的膨胀程度；射流近场与射流远场的 k 之比——塌缩比 \gamma 可以表征闪沸射流的塌缩程度。

• 液氮循环冷冲击煤体孔裂隙结构演化的多重分形特征

  温鸿达, 翟成, 徐吉钊, 孙勇, 王宇, 徐鹤翔, 孙培钦, 余子健, 温健,

  为探究液氮循环冷冲击对煤体孔裂隙结构的影响，开展不同循环次数(5、10、15、20次)液氮冷冲击致裂煤体试验。采用大尺寸核磁共振分析仪测试获得了循环冷冲击煤样T2谱以及核磁共振成像。引入多重分形理论对冷冲击次数煤体T2谱与核磁共振成像的非均匀演化特征进行量化评估，基于斯皮尔曼相关性分析建立循环次数与多重分形特征参数变化量的量化关系，从而揭示液氮循环冷冲击作用煤体孔裂隙结构非均匀演化特征。结果表明：液氮循环冷冲击处理显著改变了煤体孔裂隙结构，表现出非线性饱和特征。低循环次数(5～10次)时，孔隙率增量由1.76%快速提至2.05%。随循环次数的增加(10～20次)，损伤逐渐累积使微小孔隙相互贯通形成较大孔裂隙，孔隙率增量放缓由2.05%提升至2.13%。核磁共振成像揭示了煤体内孔裂隙非均匀分布的特征，循环冷冲击作用下新生孔裂隙主要沿原始孔隙扩展，孔隙发育区域更易发生贯通性损伤，形成局部条带状高渗透通道，使煤样孔隙连通性增强。T2谱与核磁共振成像多重分形结果联合揭示了循环冷冲击作用下煤体孔裂隙非均匀演化特征，随循环次数增加，煤体内部孔径分布的均质性增强，但孔隙空间分布均质性降低。T2谱多重分形主要侧重于对样品内孔径大小和数量进行量化表征，核磁共振成像多重分形更侧重于对孔隙空间非均匀量化表征。研究构建了多重分形参量变化量与循环次数之间的拟合关系，直观揭示了循环冷冲击对煤体孔裂隙损伤作用的非线性饱和特性。对核磁共振曲线与核磁共振成像的多重分形特征参数进行综合分析，可更直观地反映煤体内部孔裂隙非均匀动态演化规律，为液氮压裂现场施工参数设置提供数据支撑，对于施工参数优化具有指导意义。

• 张拉裂缝在煤−岩界面处的跨界面扩展行为

  李贤忠, 郝士刚, 衡帅, 李振华, 吴涛, 杜锋,

  为深入认识张拉作用下裂缝在煤−岩界面处的复杂扩展行为及其控制机制，通过巴西劈裂试验，采用数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)、声发射监测和高速摄像机观测等手段，系统研究了张拉裂缝以不同角度逼近煤−岩界面时的时空演化特征，探讨了张拉裂缝在煤−岩界面处的跨界面扩展行为及其控制机制。结果表明：巴西劈裂时，裂缝均自煤体张拉起裂，随后近似沿加载直径扩展至煤−岩界面处时会发生转向、止裂或穿过等复杂扩展行为，且在界面附近会发生非平面扭曲；裂缝跨过煤−岩界面后，在拉应力作用下会再次转向至加载直径方向，形成弧形扩展路径。当裂缝沿煤−岩界面扩展时，一般在强度较低的煤侧，扩展形态较简单；当裂缝以锐角扩展至煤−岩界面时，会转向至界面扩展一段距离，而后再次转向至最大拉应力方向，扩展形态较复杂；当裂缝垂直扩展至煤−岩界面时，会直接穿过界面，扩展形态较简单。裂纹几何特征、扩展路径、DIC数字图像相关获得的试样表面位移场和声发射事件RA(上升时间/振幅)值和AF(平均频率)值等均表明，煤−岩组合试样巴西劈裂时发生的主要为张拉破裂，即使裂纹发生转向或转折，主要破裂机制仍是张拉破裂。研究结果对深入认识张拉裂缝在煤−岩界面处的跨界面扩展行为及其控制机制等具有重要的理论指导作用。

• 极近距离煤层卸压开采覆岩多场演化规律及瓦斯“阻−减−控”协同治理技术

  李康, 胡国忠, 曾端武, 许家林, 杨南, 秦伟, 朱家锌,

  卸压开采是煤层群开采条件下最经济、最有效的区域瓦斯治理措施。然而，相对于中远距离煤层群，极近距离煤层卸压开采工作面瓦斯涌出量具有瞬间骤增的特点，导致在Y型通风模式下仍发生瓦斯超限。为此，针对典型的山西某矿极近距离煤层群条件，研究了极近距离煤层下行卸压开采底板岩层采动裂隙场演化特征，提出了采动下伏岩层瓦斯卸压运移“三带”的划分方法及其判别准则，阐明了极近距离煤层采场卸压瓦斯的运移与富集规律。在此基础上，提出了以“顶板高位钻孔抽采”阻截瓦斯运移、“Y型通风主辅进风巷风量精准调控”减少瓦斯积聚、“低位采空区埋管抽采”控制瓦斯流场为核心的极近距离煤层采场卸压瓦斯“阻−减−控”协同治理技术模式，确定了最优的高位钻孔布置参数、主辅进风巷最佳风量配比以及采空区埋管布置参数，并开展了相应工业性试验。结果表明：下行卸压开采会引起底板岩层向采空区移动，导致下伏煤岩层卸压膨胀、采动裂隙发育与瓦斯卸压运移，形成了导气破坏带、底板卸压带和不易解吸带；与开采层间距极近的下伏煤层处于导气破坏带内，其瓦斯能够充分卸压，并沿竖向贯通裂隙急剧涌入回采空间，进而诱发开采层工作面瓦斯超限。顶板高位钻孔瓦斯抽采量最大达1.34 m3/min，且在钻孔开孔位置距工作面15～38 m期间抽采效果最好；主、辅进风巷风量配比为3∶1时，工作面瓦斯通风排放率最高；在平均抽采负压为27 kPa条件下，采空区埋管瓦斯抽采量达30 m3/min。极近距离煤层开采卸压瓦斯“阻−减−控”协同治理技术的实施，使工作面回风隅角和支架后方采空区的瓦斯体积分数分别降低了73.0%和64.6%，且均未超限。

• 冲击动载激发应力波的能量特性及其对煤体的损伤特征分析

  王泽祺, 马衍坤, 陈魁奎, 李波, 程钊,

  明晰冲击动载激发的应力波对煤体的损伤特征，对无水化增透煤体技术的发展具有一定的推动作用。为研究冲击动载激发应力波的时频与能量特性，以及对低渗煤体的能量损伤特征，以山西五阳煤矿的低渗煤体为研究对象，开展不同冲击速率影响下的动态冲击试验，结合应力波监测设备，获得了应力波作用煤体前后的源数据。在此基础上，结合自适应最优核时频分析技术，采用MATLAB数值分析软件，优化分析了损伤煤体前后应力波的能量特性，明确了三向波对煤体的损伤机制。结果表明：不同冲击速率激发应力波的三向波随着冲击速率的增加，各频带的能量呈现出一致的不断增加的演化趋势，说明应力波各频带蕴藏的能量是造成煤体损伤的主要因素；冲击动载激发应力波对煤体的损伤能量与爆破应力波对岩体的损伤能量不同点为主要储存的频带不同，冲击动载激发应力波对煤体的损伤能量主要储存在中高频带，其主要损伤频率为39.06～312.50 Hz和625～2 500 Hz；冲击动载激发应力波各频带的主频主要集中在0.4 s左右，应力波穿过损伤煤体后各频带的主频存在延后的现象，整体来说延后时间约为0.05 s；冲击动载应力波在能量转移与消耗的过程中对煤体造成损伤，这种损伤为三向波蕴藏的能量共同作用的结果。所得结论可为研究冲击动载激发应力波对煤体的增透机理提供参考。

• 金属络合剂对水泥基封孔材料裂隙自修复及力学性能的影响

  司磊磊, 王迎辉, 魏建平, 孔亚冬, 赵桐宇, 孙飞杨, 王志明,

  注浆封孔质量是保障瓦斯抽采效果的关键因素，受采掘应力扰动及浆液失水收缩等影响，封孔材料容易开裂形成再生裂隙，导致抽采钻孔漏气。因此提出自修复注浆封孔思路，当抽采钻孔漏气时，封孔材料在自修复剂(主要成分为金属络合剂)的作用下可自发与环境中的水及CO2发生反应，生成CaCO3等沉淀产物，实现裂隙自愈合。然而，自修复剂会干扰封孔材料的水化反应进程，对其力学性能产生负面影响。因此在现有研究基础上，通过调节自修复剂掺量，使封孔材料保持良好自修复能力的同时，使其兼具较高的力学性能。结果表明：随着自修复剂掺量的减少，封孔材料的裂隙修复性能下降，S1试件在养护4 d时可修复最大宽度为0.88 mm的裂隙，而S2、S3试件需养护5 d时才能分别修复最大宽度0.73、0.71 mm的裂隙。但封孔材料的力学性能有所提升，抗压强度从S1试件的3.23 MPa提高到了S2试件的4.31 MPa和S3试件的8.85 MPa。为进一步研究自修复剂对封孔材料的影响，通过SEM-EDS试验分析了封孔材料的微观形貌及元素组成，通过XRD试验分析了封孔材料的矿物组成。SEM-EDS测试结果表明：随着自修复剂掺量的减少，水化产物的生成量增加，且产物间结合更为紧密，形成连续的网状结构。XRD测试结果表明：3组试件矿物组成相同，但随着自修复剂掺量的减少，未水化熟料(3CaO·SiO2、2CaO·SiO2)的衍射峰强度减弱，水化产物(C−S−H凝胶、Ca(OH)2)的衍射峰强度增强。通过对自修复剂掺量的改变，发现自修复剂掺量为12%时，封孔材料能够兼顾自修复性能的同时，又有效提高了力学性能。研究结果对封孔材料自修复性能及力学性能调控具有重要意义。

• 锚杆动静耦合力学性能与抗冲机制

  王琦, 许硕, 江贝, 刘竞轩,

  锚杆支护是深部地下工程常用的围岩控制技术。为对深部复杂条件围岩进行安全控制，需对锚杆施加预应力，同时受到围岩大变形、开采扰动和强冲击等影响，使锚杆处于动静耦合的工作状态。因此，研究锚杆在不同工作荷载状态下的抗冲性能与安全储备对深部地下工程支护设计至关重要。基于此，利用自主研发的锚杆动静耦合力学性能试验系统，开展了现场常用普通锚杆与高强锚杆在0～200 kN初始荷载条件下的动静耦合力学性能试验，明确了锚杆动静耦合力学性能与抗冲吸能特性。结果表明：在冲击能量方面，动静耦合条件下不同锚杆抵抗的冲击能量随初始荷载的增大具有相同的衰减规律。在吸收能量方面，锚杆的吸收总能量未随初始荷载条件改变而显著改变。同时，锚杆单次吸收能量随着初始荷载的增大而增大，导致了锚杆冲击能量显著下降，安全储备降低。在0～200 kN初始荷载条件下，普通锚杆与高强锚杆的冲击能量衰减率最大分别为58.8%、50.0%，二者吸收总能量的均值分别为13.0×104、14.4×104 J，吸能系数随着强度利用率增加均呈现先缓慢、后快速的“阶段性增长”特征。通过综合分析，明确了锚杆动静耦合抗冲吸能机制，提出了锚杆动静耦合强度−能量设计理念，建立了动静耦合条件锚杆预应力“双折线”设计模型，可为深部地下工程动力灾害安全控制提供新思路。

• 结构瞬变激励下采场煤岩静态力学响应的阶变机理

  罗生虎, 田程阳, 闫壮壮, 伍永平, 解盘石, 韩刚, 王同, 孙明明, 王红伟, 高喜才, 郎丁,

  揭示采场煤岩力学响应的发生机理是煤岩灾害防治的理论基础。采用现场实测、模拟试验和理论分析相结合的研究方法，通过构建结构瞬变前、后2个稳态时的静力学模型，系统研究了采场煤岩静态力学响应阶变的发生机理。结果显示：采场煤岩的力学响应与覆岩空间结构的瞬变特征密切相关。初次来压时，覆岩空间结构的瞬变具有对称性，造成其诱发的力学响应亦具有对称性；周期来压时，结构瞬变区域主要集中于工作面侧，造成其诱发的力学响应亦集中于工作面侧煤岩中；结构瞬变诱发的覆岩载荷传递路径的瞬变会对采场空间不同区域的煤岩形成不同的瞬时加卸载，导致不同区域煤岩的力学响应存在显著差异。其中，下位坚硬岩层的瞬时破断会在上位坚硬岩层的下表面形成瞬时卸载，使其瞬时下沉。与此同时，下位坚硬岩层破裂面内力的瞬时卸载，以及结构瞬变区域支撑载荷向采空区外侧转移形成的瞬时加载，会使下位坚硬岩层邻近采空区侧的部分区域瞬时回弹，而深部围岩中的部分区域瞬时下沉；受此影响，下位坚硬岩层上表面的承载量瞬时增大，支承压力峰值骤增、峰值位置向采空区侧跃迁。同时，受下位坚硬岩层的破断卸荷和下沉−回弹影响，煤体上的承载量瞬时减小，支承压力峰值骤减、峰值位置向煤体深部跃迁。随着结构瞬变区域转移载荷量的增大，下位坚硬岩层的回弹量减少，而煤体的承载量增大；随着转移载荷作用范围的增大，下位坚硬岩层的回弹量增大，煤岩受载的阶变量减小而阶变范围增大。

• 薄基岩工作面覆岩破坏电性响应特征及动态监测技术

  章俊, 刘盛东, 杨彩, 陈歌, 方金伟, 董亚,

  厚松散层薄基岩开采易导致工作面与松散含水层沟通，造成严重威胁煤矿生产安全的突水溃砂事故，亟需准确获取覆岩破坏发育情况。因此，以河南焦作矿区16041典型薄基岩工作面为研究对象，利用采动力学数值模拟、电法相似物理模拟与现场监测，开展薄基岩工作面覆岩破坏电性响应特征及动态监测技术研究。采动力学数值模拟和电法相似物理模拟结果清晰呈现了垮落带、导水裂隙带发育规律及典型响应特征。现场监测首先采用井下三维并行电法技术获取工作面基岩厚度三维空间分布形态，指导监测孔选址于停采线附近；进而利用并行电法远程监测系统，实现激励电场与自然电场的主被动地电参数同步采集。面对监测钻孔在基岩界面附近成孔性差导致监测高度不足的问题，提出融合超前探的视电阻率变化率动态成像技术，将有效监测高度延拓至75 m，突破钻孔物理盲区限制，并通过全空间反演交叉验证可靠性。现场监测结果表明：垮落带于随采监测中期压实稳定，实测高度18.5 m，止于二1煤层顶板上方砂质泥岩层内；导水裂隙带随开采推进持续向上扩展，后期达最大高度46 m，贯穿整个薄基岩层并延伸至第四系松散黏土层底部，可能形成直接沟通含水层的突水风险通道。厚松散层薄基岩覆岩采动破坏电性演化特征表现为，覆岩破坏的超前损伤可造成电场分布改变，回采位置刚触及电法监测区域时(电法监测区未有明显的覆岩破坏)，视电阻率呈现整体升高；强扰动区对应于垮落带，视电阻率变化最大，其呈现出中期稳定的特征；弱扰动区对应于导水裂隙带，视电阻率变化弱于垮落带，其发育范围清晰，发育过程呈现后期稳定的情况，符合采动覆岩破坏中期垮落压实稳定、后期导裂向上扩展的阶段性规律。构建的“采前静态探测(三维电法查明基岩厚度)−采中动态监测(钻孔超前探测延拓盲区)”技术模式，可解决薄基岩工作面覆岩破坏监测现场难题，实践证实该模式能够有效揭示垮落带与导水裂隙带的发育高度、空间形态特征，并有助于评估潜在的突水风险，为华东地区类似水文地质条件煤矿防治水及安全回采提供了关键技术支撑。

• 煤矿冒落型突水溃沙的破碎砂岩水沙渗流特性试验研究

  张勃阳, 翁应康, 李振华, 林志斌, 王文强, 宋伟亚, 任浩,

  在神东和陕北矿区浅埋煤层高强度开采过程中，冒落型突水溃沙已成为威胁顶板水害防控的典型矿山工程地质灾害。深入研究破碎岩体水沙渗流特性，对揭示冒落型突水溃沙致灾机理具有重要意义。基于此，利用自主研发的破碎岩体水沙渗流试验系统，以谢和平提出的岩石碎块累计质量的分形维度计算方法为基础，按照Talbot连续级配公式制备了不同粒径配比的破碎砂岩样品，设计了变孔隙度和粒径配比的水沙渗流试验，分析了破碎砂岩中水及水沙混合物的渗透率随孔隙度和粒径配比的变化规律，建立了考虑孔隙度比和分形维度的渗透率表达式，量化了水沙混合物黏度对渗透率计算结果的影响，揭示了破碎砂岩溃沙质量随孔隙度和粒径配比的变化规律，构建了渗透率和分形维度共同驱动的临界溃沙判据，以哈拉沟煤矿22402工作面为工程实例，验证了判据的准确性。研究结果表明：① 破碎砂岩的水沙渗流过程包括初始波动阶段、相对稳定阶段和衰减阶段，渗透率随孔隙度和Talbot幂指数的增大而增大，水渗流的渗透率大于水沙渗流的渗透率；② 破碎砂岩的溃沙质量随孔隙度和Talbot幂指数的增大而增大，且溃沙质量与渗透率呈近线性增长关系；③ 现有研究中多数学者采用水黏度代替水沙混合物黏度的简化算法在本文的计算中可导致最大18.3%的误差，对应现场尺度突水溃沙灾害中此误差可能超过800%；④ 引入分形维度可以将破碎砂岩渗透率拟合误差降低约56.43%，基于渗透率和分形维度对溃沙质量的变化规律提出的临界溃沙曲线在哈拉沟煤矿22402工作面应用效果良好。

• 济宁煤田运河煤矿煤中关键金属的富集特征及其控制因素

  吕大炜, 韩岱庭, 郑雪, 陈文韬, 王东东, 张之辉, 贾海波, 梁太涛, 王志明,

  关键金属是重要的战略资源，在新能源、高新技术等领域具有不可替代的作用。随着我国经济和科技的快速发展，煤系关键金属的富集成因研究成为缓解资源短缺的重要方向。研究以山东省济宁煤田运河煤矿3号煤层为对象，旨在揭示该煤层中关键金属的富集规律及其控制因素。通过分层刻槽采样法系统采集煤及顶底板样品共计12件，采用X射线荧光光谱仪(XRF)和电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)等仪器，对所采样品进行主微量元素含量测试，结合主微量元素分析、稀土元素地球化学特征及物源示踪等分析方法对研究区关键金属富集机制进行研究。结果表明：运河煤矿3号煤层中锂的质量分数均值为26.7 μg/g，富集系数为2.23；钍的质量分数均值为6.72 μg/g，富集系数为2.04，二者均达到轻度富集水平，说明具有一定的开发利用潜力；通过w (Al2O3)/ w (TiO2)分析发现，研究区物源以长英质岩为主；同时，根据稀土元素配分模式对比方法并结合地质背景综合分析，表明煤层中物源可能来自于阴山古陆新太古代花岗岩和秦岭造山带新元古代花岗岩。结合沉积环境、地下水与下渗海水的相互作用分析，明确样品YH3-6和YH3-7中Li和Th含量较高，是由于在还原性的泥炭沉积环境中酸性地下水与下渗海水相互作用形成地球化学屏障所致。综上所述，通过系统的地化分析，揭示了运河煤矿煤系关键金属的富集机制，为山东地区关键金属富集和勘探提供了一定的帮助。

• 吐哈盆地大南湖煤田西段中侏罗世西山窑组古地理及聚煤模式

  梁开华, 齐争辉, 王文龙, 孙凡星, 黄杨杨, 何雪飞, 周丽丽, 邵龙义,

  吐鲁番−哈密盆地东南部的大南湖煤田蕴含着丰富的煤炭资源，但是煤田内煤层层数多，煤层厚度变化大，导致煤炭资源勘查难度加大。为了查明大南湖煤田西山窑组煤层聚集规律，以钻孔岩心和测井资料为基础，采用含煤岩系沉积学方法综合分析了煤田西山窑组聚煤模式及聚煤古地理。大南湖煤田西山窑组中段是主要含煤段，该段发育河流、三角洲和湖泊等3种沉积相类型，聚煤环境主要有河流岸后湖泊、三角洲平原分流间湾以及滨浅湖发育而来的泥炭沼泽，以分流间湾沼泽的聚煤作用最好。对西山窑组中段进行古地理及煤厚变化规律分析表明，当时发育冲积平原、三角洲平原、三角洲前缘及滨浅湖等古地理单元，煤厚大于95 m的2个聚煤中心位于三角洲平原分流间湾古地理单元。区内聚煤作用受古构造、古气候、古植物和古环境条件的综合影响，聚煤作用强度受控于物源供给和构造沉降的直接作用，进一步对煤层厚度与地层厚度和砂泥比的关系进行了矢量云图分析，结果表明，地层厚度中等、砂泥比较低的地区煤层厚度较大，说明有利于聚煤作用发生的是沉降速率中等、陆源碎屑供给相对较少的分流间湾，结合聚煤古地理分析，提出当时聚煤中心主要分布在一井田的中心区域以及F1井田的中北部。并以此建立了研究区分流间湾沼泽为主、河流岸后湖泊沼泽与滨湖淤浅沼泽相辅的聚煤模式。

• 煤气化细渣催化综纤维素热解制备羰基化合物特性研究

  刘元, 陈嘉龙, 孙振杰, 杨辰, 郭飞强, 吴松涛, 尤晓东, 熊明杰, 李振鸣,

  生物质与煤气化细渣的资源化利用对于保障国家能源安全、减少环境污染、实现我国“双碳”目标具有重要意义。热解作为生物质热化学转化基础，能够在极短时间内将生物质转化为生物油、生物炭和小分子气体，是最具发展前景的生物质高值化利用技术之一，但生物油组分复杂、稳定性差，难以直接利用。非原位催化快速热解技术能够在线调控生物质热解气转化路径，从而提高生物油中羰基化合物含量，富羰基生物油作为重要的平台物可以通过羟醛缩合、还原醚化等反应合成汽柴油、润滑油等产品，然而目前使用的催化剂存在合成方法复杂、成本高等核心问题。因此，创新性的将煤气化细渣应用于生物质催化快速热解领域，提出“综纤维素快速热解+煤气化细渣定向催化”的制富羰基生物油新方法，以实现生物质和煤气化细渣的综合利用。以玉米秸秆综纤维素为原料，煤气化细渣为催化剂，通过非原位催化快速热解技术，研究了热解温度、催化温度以及催化剂添加比例对热解产物分布和组成的影响，采用多种现代分析仪器对使用前后催化剂进行表征，最后考察了催化剂的循环稳定性与再生。结果表明：生物油和生物炭产率随热解温度升高而减小，450 ℃时生物油产率最高，约为49.8%；随着催化温度从400 ℃增加至550 ℃，生物油产率从40.1%下降至32.2%，气体产率从36.8%增加至45.4%，H2+CH4、CO2和CO产率分别从5.3、40.7、53.1 mL/g上升至57.2、55.9、124.3 mL/g；当催化剂添加比从0.5增加至2时，生物油产率从46.6%下降至36.2%，CO2和CO产率分别从36.4、46.3 mL/g上升至51.7、59.9 mL/g；当催化剂添加比从0增加至2时，羰基化合物峰面积比从48.9%增加至81.9%，酮类化合物峰面积比从41.4%增加至81.2%，其中羰基化合物主要包括1−羟基−2−丙酮等直链酮、2−环戊烯−1−酮等环状酮以及糠醛、5−羟甲基糠醛；当催化剂添加比从0增加至0.5时，1−羟基−2−丙酮峰面积比从1.41%提高至48.98%；催化剂使用后晶相未发生改变，但表面O与C的原子比减小；煤气化渣使用前表面铁中Fe2+原子比为60.08%，使用后Fe2+原子比减少；催化剂循环使用5次后，羰基化合物峰面积比从75.7%下降至67.6%，活性降低的原因主要为表面金属物种被氧化。

• 模拟原油废水用于煤气化渣浮选分离研究

  尚亚丽, 李梦杰, 滕道光, 李国胜, 范桂侠, 李鹏,

  煤气化渣是一种典型的煤基固废，煤气化渣中残炭和灰组分的分离是实现其资源化和高值化利用的重要保障。泡沫浮选是实现煤气化渣炭灰分离有效的方式，但存在捕收剂成本高、消耗量大的问题。原油废水含有长链烷烃、环烷烃、芳香族化合物及酚、酮、酸、酯类等物质，与煤气化渣常用捕收剂成分相似，具有应用于煤气化渣浮选分离的潜力。研究了煤气化渣的物化特性和原油的物质组成，并将模拟原油废水用于煤气化渣浮选分离，结果表明：煤气化渣中主要的物质为莫来石、硅铝酸盐、金属氧化物和不定形炭，煤气化渣中未燃炭的质量分数为25.37%；煤气化渣表面除了甲基和亚甲基外，还有丰富的含氧官能团如C—O/C=O/O—C=O等，导致煤气化渣的亲水性较强。原油中含有较多结构复杂的多环烷烃、长链烷烃和部分极性物质。多环烷烃及芳香烃对未燃炭的捕收能力强于一般正构烷烃，且极性组分的存在也有利于煤气化渣的浮选分离，因此原油具有较强的捕收能力；浮选结果表明：当搅拌速率1 800 r/min，矿浆质量浓度60 g/L，模拟原油废水质量浓度40 mg/L，起泡剂用量30 mg/L时，未燃炭回收率达84.62%，烧失量为76.82%；尾灰烧失量为4.31%，达到国家一级烧失标准( < 5%)；同时模拟原油废水的除油率达到41.50%，化学需氧量由219.70 mg/L降至82.77 mg/L，达到国家石油化工工业中的二级排放标准。FTIR分析结果显示：模拟原油废水作用后，煤气化渣表明的—CH3和—OH伸缩振动峰发生了偏移，可分别判断原油分子与煤气化渣表面发生了疏水作用及氢键作用。Zeta电位结果显示：模拟原油废水作用后煤气化渣表面的电负性增强，结合XPS结果进一步表明原油中极性含氧组分与煤表面含氧官能团之间发生氢键桥连，形成了大的三维空间结构荷电体，增强煤气化渣的表面电负性。通过煤气化渣与模拟原油废水的协同处置，实现了未燃炭产品回收与原油废水治理，具有较强的工业应用价值。