煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第12期

• 矿井地质灾害隐患动态融合识别框架及关键技术

  彭苏萍, 许献磊, 马正, 席宇何, 耿恒高,

  透明矿井构建是我国煤矿智能化建设实施的关键。受矿井地质探测、多场融合识别理论与技术的限制，现有矿井地质灾害隐患识别的精度、准确度及时效性仍难以满足新时期透明矿井构建对多源地质信息数据的应用要求。在总结现有震电联合反演、井地联合反演、多波多属性联合动态反演、多源多尺度多物理场联合反演等技术发展的基础上，提出“三尺度–三精度–一个模型”的透明矿井构建思想，三尺度即矿区、采区(精度3 m)、工作面(精度0.5 m和0.1 m)三个尺度，一个模型即时空统一的透明地质模型。设计了多源异构数据管理方式，包括多源、多模态矿井数据的规范化采集、清洗、标注及湖仓一体化管理方法，为地质大模型提供了高可信度的数据支撑；提出了矿井地质灾害隐患动态识别技术框架，包括多源多场信息的实时感知与汇聚、多场地球物理数据的综合集成与处理、多场联合反演、特征构建与动态识别、预警发布、模型更新与大模型交互等5项技术内涵，通过“数据感知–数据处理–多场反演–特征构建–动态识别–反馈优化”的闭环流程实现矿井地质灾害隐患的持续感知与智能决策。系统阐述了矿井典型地质灾害隐患识别模型构建的关键技术，包括：地面地球物理多场联合反演及识别、掘进巷道随钻原位探测识别、综采面煤岩层位及结构识别、瓦斯地质识别、富水地质识别、以及扰动条件下地质构造动态识别等6类识别模型。为构建智能化、透明化、实景化的透明矿井地质云平台提供新的理论技术支撑。

• 矿井定向钻孔雷达煤厚识别及成像精度研究

  许献磊, 李菁淋, 曹仕龙, 张皓冉, 袁正涵,

  我国煤矿地质结构复杂，赋存煤层厚度及其走向的超前精准探测对煤矿安全智能开采具有重要意义。常规地球物理超前探测方法对煤岩结构的探测误差随超前距离的增加而不断扩大，而多数孔中物探设备受限于定向能力的不足，在煤厚识别中难以发挥有效作用。针对上述难题，研发了一种矿井定向钻孔雷达，通过定向雷达天线、高精度脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，PWM)电机控速与角度方位感知系统，并配套定位解算算法，实现煤层厚度的定向识别。开展定向钻孔雷达煤厚识别及成像精度分析研究，旨在为定向钻孔雷达现场作业以及随钻探测装备的研发提供指导。首先，系统阐述了定向钻孔雷达工作原理及煤厚探测方法，构建了定向钻孔雷达天线与目标体空间关系模型，实现目标探测方位的精准感知，方位角度感知误差最小为1°(电机转速低于3.71 r/min)；其次，在明晰矿井定向钻孔雷达中PWM占空比与电机转速关系基础上，设计不同PWM占空比下探测试验，分析不同电机转速对采集精度的影响，得到数据采样精度误差小于2%时，最优电机转速为7.84 r/min；针对矿井常规钻机推进速度为0.01～0.30 m/s，设计探测速度在0.05～0.40 m/s范围内的不同推进速度系列探测试验，详细分析并阐明了探测速度对采样精度，以及采集精度对成像精度的影响规律。试验结果表明，针对现有巷道钻机作业工况，当定向钻孔雷达采集转速为7.84 r/min、探测推进速度为0.05 m/s时，角度采集精度误差率最小为2.8%，采集定位精度为97.2%，目标体识别分辨率可达0.256 m。矿井实测结果表明，定向钻孔雷达可探测到煤岩界面与煤层深度及其方位信息，煤厚探测精度误差为3.15%。研究成果为矿井地质透明化以及煤矿智能化建设提供有效的技术支撑。

• 基于KAN神经网络的随钻岩性识别方法

  王勃, 谢刘俊, 陈泓云, 曾林峰, 申思洪任, 王乃川, 张德伟,

  随钻岩性识别是煤矿地质透明化探测的重要地质保障手段，传统的岩性识别方法主要为人工判别法，该方法依赖人的经验和专业知识的积累且受主观影响。近年来，智能化岩性识别方法涌现，利用机器学习的岩性识别模型智能判识岩性，常规相对单一钻进参数通过机器学习对岩性的识别准确率较人工高，但仍存在提升空间。基于此，基于履带式全液压坑道钻机升级随钻综合测量系统，开展不同岩性组合的岩层随钻试验，建立结合钻进参数和自然伽马的双参数岩性判别体系；针对SVM等传统算法存在的线性权重矩阵、需要参数量大、特征提取能力有限等弊端，将KAN网络运用到岩性智能识别。结果表明：对于SVM、KNN、DT及KAN等4种机器学习算法，利用钻进参数和自然伽马的双参数判别体系相比钻进参数或伽马参数的单参数判别法能够显著提高岩性识别的准确率；在机器学习算法方面，KAN网络相比另外3种传统机器学习方法提升了准确率，为精准识别地层岩性提供了有效方法。

• 基于EEMD和DE-PNN的随钻测震岩性识别技术

  刘金锁, 张平松, 刘盛东, 胡雄武, 张维鑫, 刘惠洲, 曹煜,

  针对坑道钻机在钻探施工过程中所遇到的岩性识别技术问题，结合切割岩石时钻头后方采集到的随钻振动信号，提出了一种基于集合经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition，EEMD)和差分演化(Differential Evolution，DE)算法优化的差分概率神经网络(Differential Evolution-Product Neural Networks，DE-PNN)的岩性识别方法。首先，通过采用不同幅频特征的正弦信号合成钻进模拟信号，分别选择振幅为10 g(g为重力加速度，1 g ≈ 9.8 m/s2)、频率为50 Hz的高频高能量信号和振幅为5 g、频率为20 Hz的低频低能量代表钻进所遇的岩石和煤层，对比经验模态分解(Empirical Mode Decomposition，EMD)和加入多次高斯白噪声的EEMD的模态分解结果，验证了加入多次高斯白噪声的EEMD在解决模态混叠上的应用效果；其次分别对中国贵州省某矿实采的切煤、切泥岩和切砂岩的1s时长振动信号进行EEMD分解，对其进行频谱分析得到相应的幅频特征，挑选前7个特征基本模式分量(Intrinsic Mode Function，IMF)为特征模态，并分别对其求取能量和归一化处理和奇异值分解来构建14个参数的特征向量；最后通过对中国贵州省某矿实采的切煤、切泥岩和切砂岩的各160组1 s时长的振动信号进行特征向量构建，输入经DE算法优化的PNN进行训练并验证识别效果，优化后的神经网络对剩余样本岩性识别率得到显著提高。结果表明：切割岩石的振动信号经EEMD分解和DE算法优化的概率神经网络处理，可高效、快速、准确地进行岩性识别，为进一步的随钻岩性识别提供了新的参考意义，更好地指导矿井钻探工作的开展。

• 煤矿工作面背景噪声面波走时层析成像研究

  潘登, 解志朝, 杨志立, 查华胜, 钱佳威, 郑强强, 高级, 张海江,

  煤层工作面断层、陷落柱、薄煤带等地质异常体的存在，严重制约工作面安全生产，因此有必要提前探测清楚其内部构造。地震槽波勘探技术被广泛应用于工作面内部构造成像，并且具有较高的分辨能力，但炸药震源在特定场景下的应用存在局限性，因此有必要发展不依赖炸药震源的工作面内部结构成像技术。与主动震源勘探技术相比，基于背景噪声的成像技术因其不需要主动激发震源，在结构探测中具有显著的优势。华宁煤矿将背景噪声面波层析成像技术应用到工作面内部构造探测的实践表明，利用矿井下机械及采掘活动产生的震动信号，通过弥散波场指标筛选波形数据用于互相关函数计算，可以减小非稳相区噪声源的干扰，获得可靠的面波频散数据。在此基础上，采用面波一步法成像技术直接从频散数据反演三维速度结构，成功获得工作面内部速度结构，并圈定工作面内部异常构造位置。速度成像结果与实际回采揭露的地质异常具有显著的对应关系，验证了背景噪声层析成像方法在工作面构造探测中的可行性和有效性。研究提出的弥散波场筛选技术和面波一步法成像流程为煤矿井下地质构造探测提供了新的技术手段，该方法不需要主动震源，具有绿色探测的优势，可为工作面安全高效回采提供技术支持。

• 槽波多属性断层断距定量探测方法

  杨睿, 王保利, 金丹, 李羽墨,

  槽波地震勘探技术因为具有分辨率高、探测距离远等特点，在煤矿井下地球物理勘探中已得到广泛应用。该技术可探测断层位置、走向等，但无法实现断层断距的定量探测。为实现断层断距的定量判识，首先，从理论推导与数值模拟的角度，分析不同断距的断层对Love槽波频散特征及能量分配模式的影响，解析能量分配的影响因素；然后，通过定量计算Love波振幅分布曲线、频散曲线，并与理论数据对比分析，提出等效反射系数(反射槽波能量与反射透射槽波总能量之比)这一敏感参数，导出断层断距与等效反射系数随波长的变化率之间的定量关系，并通过数值模拟法分析槽波数据定量关系式的适应范围；最后，通过实测槽波数据试验，验证等效反射系数断距定量方法的有效性。结果表明：数值模型的验证发现，断距大于1 m时，等效反射系数具有良好的探测精度；断距小于1 m时，由于能量拾取及计算中的误差，探测精度有所下降；实测数据发现，等效反射系数除了受到断层断距的影响外，还受到断层倾角等因素的影响，应用定量关系式预测的断层断距与实际揭露的断层断距绝对误差为0.58 m，相对误差为12.9%。实测数据预测断距与揭露断距基本相符，验证了该方法的有效性。该方法可为工作面安全高效生产及后续采煤工作面精准地质建模等提供技术支撑，但该方法在应用时受到断层倾角和观测系统的限制，在断层倾角较大和难以接收透射槽波的情况下精度会进一步下降，下一步将研究断层倾角探测并降低该方法对观测系统的依赖性。

• 煤层工作面槽波三维频散反演成像研究

  姬广忠, 刘可悦, 李志勇, 郭培虹, 郭曼, 范国玮, 胡泽安,

  目前大多数槽波频散反演煤厚的技术是基于理论频散曲线选择单频进行速度CT层析成像，且反演的工作面煤厚精度不高。为提高煤层工作面煤厚预测精度，计算了多层弹性介质模型的槽波频散曲线，并通过正演模拟验证了三维频散反演方法的有效性。利用广义S变换(Generalized S-Transform，GST)提取实际煤层中Love型槽波频散曲线，通过设置频率范围和步长对工作面进行层析成像，得到不同频率的工作面速度CT成像图。将工作面划分为若干块，根据层析成像结果计算每一块的频散曲线，对每一块频散曲线进行反演，整合反演结果得到整个工作面的速度分布和煤厚分布。频散反演算法选用非线性全局优化算法，如遗传算法、模式搜索算法、粒子群算法和模拟退火算法等，该类算法更容易找到全局最优解从而提高煤厚反演精度。选取某煤矿采煤工作面对槽波三维频散反演技术进行验证，该工作面平均煤厚为3.7 m，采用双巷透射法进行槽波地震勘探，利用广义S变换提取Love槽波每一道频散曲线，在100～250 Hz频段内，每10 Hz提取1次速度，利用层析成像得到16个频率的工作面速度CT成像结果，再根据层析成像结果计算工作面每一块频散曲线，利用遗传算法反演整条频散曲线。结果表明：槽波三维频散反演提高了煤层工作面煤厚预测的精度，对比巷道揭露的煤厚，平均拟合误差仅为0.22 m。因此，槽波三维频散反演成像技术在工作面煤厚预测方面有较高的准确性。

• 基于多点样条型旅行时插值的射线追踪方法研究及应用

  周官群, 梁希凯, 高永新, 张维鑫, 王亚飞, 金学良, 孟凡彬,

  地震波的走时和射线路径是地震数据处理中的关键参数，其计算的精度、效率和稳定性直接影响地震波成像精度和解析能力。然而，传统算法在计算效率和精度上存在不足。为此，提出了一种基于多点样条型旅行时插值(Multipoint Spline Traveltime Interpolation，MSTI)的射线追踪方法。通过理论计算分析，MSTI方法的走时曲线与理论走时曲线高度吻合，显著优于传统的线性插值(Linear Traveltime Interpolation，LTI)方法和抛物型插值(Parabola Traveltime Interpolation，PTI)方法。在数值模拟中，构建了均匀介质和垂向渐变速度模型，其结果表明：① 基于MSTI方法计算的走时更接近理论走时，即使使用较少的节点数，其计算精度也优于LTI方法；② 当单元边界插值节点数相同时，随着离散单元的细化，计算精度得到提升；③ 当离散单元大小固定时，增加节点数有助于快速提升MSTI方法的走时精度，而对LTI方法的精度提升影响较小；④ 在垂向渐变速度模型中，使用Snell定律计算的走时与理论走时更为接近，增加节点数使MSTI方法的计算精度显著提升，而LTI方法的计算精度提高趋于停滞。为进一步验证该方法的有效性，对比分析了不同异常体的反演结果，基于MSTI方法的层析成像技术能够精准定位不同异常体，显示出该方法具有一定的优越性。现场试验结果表明：基于MSTI方法的弯曲射线追踪2.5维层析成像算法反演速度异常区与回采实际揭露断层空间位置基本一致，为煤矿的安全高效生产提供了强有力的技术支持。

• 盾构隧道地−隧瞬变电磁随掘超前探测技术

  高兆丰, 姜志海, 朱姣, 李毛飞,

  盾构工法广泛用于公路、铁路及水利等国家重大隧道工程，同时，也逐步用于煤矿巷道掘进。在盾构施工过程中，必须采用地球物理超前探测技术来防控隐伏含水构造的突水风险。然而，在盾构机完全占据隧道空间的情况下，并没有进行常规瞬变电磁超前探测所必需的施工空间。针对这一技术难题，提出盾构隧道地–隧瞬变电磁随掘超前探测方法，即在地面布设电性源，在盾构机壳体上搭载8个电极，组成多分量观测阵列，协同观测围岩中的瞬态电场。建立了电性源地面−隧道瞬变电磁随掘超前探测地球物理模型，采用非结构四面体网格有限单元法对电性源地下瞬变电场时空分布进行了数值模拟，结果表明：电性源与隧道掘进方向垂直，中点偏离隧道轴向一定距离布设时，能够获取3个方向的瞬态电场，且在隧道周围观测到低阻异常体引起的异常响应；x方向电场对低阻异常体的空间位置变化较敏感，通过6个电场分量异常响应特征组合对低阻异常体位置定性解释；y方向和z方向电场对低阻异常体与工作面之间的距离变化较敏感，通过电场幅值变化对远距离的低阻异常体进行探测。以5%的幅值差异为阈值，对于尺寸为50 m×50 m×10 m、与围岩电阻率比为1∶100的低阻异常体探测距离可以达到60 m。研究成果为盾构隧道掘探一体化的实现提供了新的技术途径，为地–隧瞬变电磁随掘超前探测技术提供理论依据，目前尚未建立处理解释方法系统，未来将进行盾构机强金属体干扰校正与地下全区视电阻率公式推导研究。

• 基于RF-PSO-LSTM模型的探地雷达煤岩界面智能识别方法

  靳晓鹏, 邹冠贵, 彭苏萍, 许献磊, 王泽铭, 薛静雯, 韩成阳,

  面向煤矿智能化开采中煤岩界面识别的需求，针对多噪声、实时与动态场景下专家解释在效率与一致性方面的局限，构建了一种融合随机森林(Random Forest，RF)、粒子群优化(Particle Swarm Optimization，PSO)与长短期记忆网络(Long Short-Term Memory，LSTM)的探地雷达(Ground Penetrating Radar，GPR)煤岩界面智能识别方法。以山西阳泉新景矿15219工作面的钻孔柱状图为参照，采用有限时域差分法建立砂岩−煤层−泥岩的3层倾斜界面正演模型，模拟结果为特征的分析和筛选提供了无噪声的基础数据。对每道信号中的1 024个采样点提取18项时频域特征，利用RF算法，以贡献度大于总值的60%为阈值筛选出8个关键特征：一阶差分、原始信号振幅、希尔伯特包络、小波系数均值、中心频率、信号均值、低频能量与频谱带宽，并采用Z-score标准化消除量纲影响。在此基础上，采用粒子群优化算法对LSTM及作为对比的RNN和SVM模型进行超参数自动寻优，获得LSTM模型的最优参数：单元数128，初始学习率3.3×10–3，Dropout率0.394。针对不同模型特性，其中LSTM与RNN的模型输入为样本数, 1 024时间步, 8特征的张量形式组织数据，以确保模型可以学习到电磁波在介质中传播的动力学特征与相位连续性，SVM则使用对应的二维特征矩阵。最终在15219工作面低位抽采巷实测的GPR数据上开展试验。结果显示：在相同测试集上RNN模型的定量评价指标要优于LSTM模型，针对这种“反差”情况，对LSTM模型的预测结果进行分析，其预测的煤层顶界面中，呈现出连续性中断、剧烈起伏等与原始标签不符的异常区域，恰好对应工区内地质勘探资料所揭示的陷落柱和巷道地面积水区等地质构造影响范围。分析其机理在于，LSTM独特的门控机制使其在学习时可以从信号的局部与整体特征、细节与结构的信息中提取到蕴藏的深层次信息，结果更贴近实际矿区的地质情况，具有突破依赖人工标签的能力。相比之下，RNN仅能拟合训练标签，SVM难以处理高维时序特征而识别结果零散。综合结果表明，LSTM模型在探地雷达的时序数据特征解析方面具有独特的优势，不仅能学习给定标签信息，胜任识别煤岩界面的任务，更能深入挖掘GPR数据中隐含的物理规律，更加全面地识别出人工解释时难以察觉的，由地质构造引起的微弱的信号差异。

• 矿山含水岩层地巷核磁共振定量探测技术

  童雪瑞, 姜志海, 苗彬, 李毛飞, 朱姣,

  煤矿水害往往会造成严重的人员伤亡、财产损失并伴随矿井可采储量的减少，甚至会引发地面沉降塌陷等次生灾害，因此煤矿水害精准预测预报一直是矿井水害防治研究的热点方向。近年来，煤矿突水灾害预测技术水平取得了长足发展，但仍不能满足安全、高效、智慧、绿色矿山对水害定量精准预报的需求，亟需发展新的探测技术。磁共振技术是目前唯一能直接、定量探水的地球物理方法，然而目前采用的地面核磁共振法存在探测深度浅、抗干扰能力弱、对含水体边界区分能力差等问题。基于此，在地面核磁共振法的基础上，结合煤矿井下实际施工方式，提出了在地面布设大尺寸发射回线、在井下布设多匝小回线接收的地巷核磁共振法。首先对地巷核磁共振法进行了理论推导，基于常规含水模型分析了地巷核磁共振信号的响应特征和核函数分布规律，并采用数值计算的方式对比分析了地面核磁共振法和地巷核磁共振法的理论信号强度和有效探测深度，结果表明地巷核磁共振法在含水体埋深超过150 m时具有更高幅值的响应信号，相比地面核磁共振法具有接近其2倍的探测深度；然后，对顶底板含水体分别采用同步采集、定收采集、定发采集等3种数据采集方式进行了数值模拟计算，并利用初始振幅E0多测道成果图分析了不同数据采集方法对含水体边界的刻画能力，结果表明同步采集方式对顶板含水体的中心点和底板含水体的边界分辨能力稍弱，而定收和定发采集对顶底板含水体的中心和边界均具有良好的横向区分能力；同时分析了不同地倾角下核磁多测道剖面特征；最后，利用一维Occam反演算法进行了多种层状模型的自由感应衰减信号一维反演和顶底板含水体模型的拟二维反演成图，对地巷核磁共振岩层含水率定量探测能力进行了验证。

• 基于机器视觉的两阶段电法监测突水实时预警

  孙文斌, 丁铭康, 梁丽娟, 杨辉, 张晓波, 褚怡心,

  深部采掘工作面处于高地应力、高水压等复杂地质环境，使得突水灾害问题变得愈发严峻。随着人工智能技术的快速发展以及智慧矿山建设的不断推进，深度学习和计算机视觉在矿山安全监测领域逐渐被推广应用，为降低突水灾害风险提供了新路径。针对深部矿井的突水实时预警需求，创新性地将深度学习、机器视觉与电法监测相结合，提出了一种基于机器视觉的两阶段电法监测突水实时预警技术。监测过程分为2个先后阶段，即视觉识别阶段与分析决策阶段。在视觉识别阶段中，使用训练好的轻量化深度学习模型YOLO11s快速精准识别图像中的低阻区域并获取其位置坐标。随后将位置坐标传入分析决策阶段，在分析决策阶段中，使用OpenCV-HSV颜色过滤算法从个数、面积占比、颜色深度3个维度分析已识别的低阻区域的灾变特征，综合判断低阻区域是否为风险区域，并采用自动决策机制触发多级预警。结果表明：YOLO11s模型能够准确评估水源是否会导致突水问题，实现了自动决策触发多级预警，克服了其他监测手段在实时监测、灾变分析、早期预警等方面存在的局限；YOLO11s模型在识别低阻区任务中mAP达到90.2%，模型平均推理速度每帧34.6 ms，模型平均处理速率为 28 FPS。相较于YOLOv8、YOLOv5、Fast R-CNN具有更强的性能，能够实现对低阻区的精准、快速识别；系统使用的OpenCV-HSV颜色过滤算法对单帧图片的平均分析决策时间为7 ms，实现了对突水的实时预警。

• 一种基于弯曲能量优化的矿区机载LiDAR点云自适应滤波方法

  蔺小虎, 郭继尧, 姚顽强, 娄宁, 郑俊良, 马雄伟, 高毅楠, 张清宇,

  机载激光雷达(Light Detection and Ranging，LiDAR)技术为矿区面状沉陷监测提供了高精度的三维空间数据支持。然而，在矿区复杂场景中，地物空间分布密集、地形梯度突变以及地物与地面点高程特征相似性高等问题，导致现有点云滤波方法精度显著降低，严重制约了地面点云的提取精度与沉陷监测可靠性。为此，提出了一种基于弯曲能量优化的矿区机载LiDAR点云自适应滤波方法，实现了复杂矿区场景下地面点的精确提取，为矿区面状沉陷监测提供高精度的三维空间数据支持。首先，采用一维离散平滑样条法提取潜在种子地面点，并基于多尺度形态学开运算剔除潜在种子地面点中残留的非地面点；其次，基于地形弯曲能量与回弹比之间的定量关系，构建一种自适应复杂地形的布料刚度调节方法，动态生成高精度参考地形；最后，通过点至参考地形的高差阈值判定，完成地面点与非地面点的分离。为验证方法的有效性，在复杂矿区开展了多场景试验，结果表明：在Ⅰ类误差和Ⅱ类误差指标上，所提出的方法较现有方法的误差显著降低，平均总误差为6.08%，较现有方法降低了49.04%。该方法成功解决了复杂矿区场景下地面点云的高精度提取难题，为矿区面状沉陷监测、边坡稳定性分析等安全监测任务提供了可靠的数据支持，并为空天地一体化的矿山安全智能监测体系的构建提供了技术支撑。

• 三轴压缩下锚固岩石−砂浆结构面力学特性与强度预测模型

  赵延林, 张敏真, 唐雯钰, 吴秋红, 罗睿, 李天尧, 罗曦明, 刘钊,

  矿山锚喷支护的岩壁−混凝土喷层是一种典型的岩石−砂浆加锚异性结构面，为了探究锚喷支护的岩壁−喷层界面的力学行为，开展了三轴压缩下岩石−砂浆无锚与加锚异性结构面试件力学特性试验研究。采用MTS 815岩石力学试验系统进行了三轴压缩下岩石−砂浆无锚与加锚异性结构面试件力学特性研究，试验围压为10、15、20、25 MPa这4个系列，岩石−砂浆异性结构面设置为等腰三角形锯齿状，起伏角为30°、45°及60°。分析了锚杆锚固及围压对岩石−砂浆异性结构面力学特性及破坏模式的影响，同时对压缩试验过程中的声发射信号进行监测，并对破裂后结构面进行三维形貌扫描，最后建立了加锚倾斜异性结构面岩石的抗压强度预测模型。结果表明：岩石−砂浆异性结构面试件的峰值强度随围压以及结构面起伏角度的增加而增加，砂浆基体主导了岩石−砂浆无锚异性结构面试件的偏应力−应变曲线的走势。加锚后岩石−砂浆异性结构面试件的峰值强度提升明显，且试件承受塑性变形的能力大幅提升，在试件发生破裂后依旧能承受较大应力，偏应力−应变曲线呈现双峰值特性。对比加锚前后的岩石−砂浆异性结构面试件的破坏模式，发现无锚试件沿异性结构面剪切滑移破坏，在锚固后试件呈现“X”状共轭剪切破坏。对比加锚前后的岩石−砂浆异性结构面试件在三轴压缩下的声发射特性，发现试件锚固后的声发射信号在加载前期较稀疏，但在试件发生宏观破裂后振铃计数信号更密集，这代表锚固后在试件发生宏观破裂前锚杆很好地限制了试件内部微小裂隙的产生，在发生宏观破裂后锚杆更好地使结构面本身性能得到发挥。在对破裂后结构面进行三维形貌扫描后，发现岩石结构面磨损小于砂浆结构面，锚固后结构面磨损程度减小。将试验结果与强度预测模型结果对比，在不同结构面粗糙度下，其预测强度平均误差为6.64%，验证了预测模型的可靠性。

• 矿区注水压裂诱发断层活化及震动响应机制试验

  蔡武, 汪林志, 王志驿, LEE J. Hosking, 焦彪, 史星星,

  矿区断层活化诱发冲击地压与矿震危害大，地面注水压裂作为调控断层活化减震技术极具潜力，但其诱发断层活化/滑移的力学驱动过程及其震动响应规律尚不明确。以注水压裂钻孔与断面连通和不连通2种现场工况为研究背景，开展了真三轴应力条件下注水压裂诱发断面滑移试验研究。首先，制备断面倾角45°、注水压裂钻孔与断面连通和不连通2种断面试样，尺寸为150 mm×150 mm×150 mm；然后，采用自主研发的真三轴应力加载系统模拟临界断面滑移应力环境，其中，连通试样应力环境为10、12、20 MPa，不连通试样为5、6、10 MPa；试验期间，全程监测断面滑移位移、注水速率、注水压力、声发射等参数，试验结束后采用CT技术对不连通试样进行三维裂隙扫描；最后，结合声发射时空分布、震源机制反演、CT扫描探测、力学机制等分析，证实了孔隙压力主导型和孔隙弹性耦合主导型2种注水压裂诱发断层活化/滑移的力学机理及其震动响应规律。结果表明：注水压裂全程可产生孔隙弹性耦合主导型断层滑移，期间在注水初期孔底部产生应力集中形成初始裂隙，然后压裂裂隙沿初始裂隙扩展，并沿垂直于断面切向应力方向发育延伸，直至与断面贯通诱发孔隙压力主导型断层滑移；断层滑移的震源类型主要表现为压缩剪切型，注水压裂破坏的震源类型主要表现为拉伸剪切型，对应的声发射事件均主要分布在断面及注水孔底附近；断层摩擦因数随着注水速率的变化会产生及时响应，以维持断层稳态滑移，且随着注水速率的增加呈现出先增加后减小的规律，验证了注水速率调控断层滑移速率的可行性，同时，分析得出低渗透地层调控断层滑移采用断层直接注水效果更好，高渗透地层采用注水压裂调控效果更优。研究结果可为断层附近注水压裂及其诱发断层活化/滑移信号的震动类型识别与诱发地震调控提供参考。

• 厚松散层地表下沉盆地外边缘区沉陷特征与预计模型修正

  郭庆彪, 邓雨, 罗锦, 郭俊廷, 杨英明,

  煤系地层上部覆有较厚松散层时，煤层开采后地表下沉盆地外边缘区将呈现出范围变大且收敛缓慢的特殊现象，为充分掌握厚松散层条件下地表下沉盆地外边缘区沉陷演变特征，构建出适用于厚松散层条件下的地表沉陷预计模型，以顾北煤矿13121上工作面为例，基于实测资料分析了地表下沉盆地外边缘区下沉收敛和扩展的动态演变过程，研究了地表沉陷特征与地质采矿条件间的相关性，揭示了松散层厚度对地表沉陷特征的影响机理，融合Logistic函数修正了传统概率积分模型，基于鲸鱼优化算法提出了修正预计模型参数反演方法，并讨论了地质采矿条件对修正模型新增参数的影响。结果表明：外边缘区地表下沉收敛具有明显分段性，快速收敛区的下沉收敛效应随采动程度增大呈现先快速收敛而后趋缓的过程；下沉盆地外边缘区范围历经先急剧扩展—再稳定扩展—后小幅收缩的演变过程，且地表最大下沉值、快速收敛区收敛效应系数曲线斜率和盆地外边缘区扩展范围与埋深、采高、采动程度系数和松散层占比线性相关；破碎岩体充分压密、采动下沉消耗减小、松散层介质压缩与含水层失水固结4个方面衍生的附加沉降是厚松散层地表下沉盆地外边缘区产生特殊沉降现象的主要原因；修正预计模型在恢复下沉系数q实际物理意义的同时，有效解决了传统概率积分法在预计外边缘区沉陷值收敛速度过快的问题，修正模型新增参数随松散层占比和埋深的增加逐渐减小，随采动程度系数的增加波动增大，但受采高变化影响不大。将修正预计模型应用于顾北煤矿13121上工作面工程实践效果较好，研究成果将为厚松散层条件下“三下”压煤开采方案设计提供科学依据，并促进两淮煤粮复合区资源开采与耕地保护的协同发展。

• 弱胶结充填型断层破碎带岩体渗流特性

  黄震, 汪振鹏, 古启雄, 张小军, 许汉华, 巫宇帆, 林元生,

  弱胶结充填断层破碎带在采掘扰动和地下水渗流作用下易发生突水事故，给深部资源开采带来极大威胁。断层破碎带的胶结充填特征直接控制着流体运移和渗流通道形成，有必要深入研究胶结充填特征对断层破碎带渗流特性的影响规律。因此开展了不同Talbot级配指数n的断层破碎带三轴渗流试验，采用CT扫描分析了断层破碎带在渗流前后的微细观结构变化特征，通过基于CT扫描数据的数值模拟研究了弱胶结充填断层渗流特性。结果表明：围压通过改变断层破碎带结构而影响渗透性，围压升高使得断层破碎带内部孔隙和裂隙被压缩，弱胶结充填断层破碎带渗透系数随围压增大而减小；Talbot级配指数n和含石率越大的断层破碎带其内部连通性和渗透性越好，更易形成渗流通道，反之Talbot级配指数n越小的断层破碎带孔隙率和孔隙连通性越低，渗透性能越弱，更难形成渗流通道；地下水渗流将使断层破碎带内部球状孔隙减少，扁平状孔隙增加，导致逐渐形成渗流通道；断层破碎带内部孔隙方位角和极角变化可反映渗流路径的改变；在地下水渗流作用下断层破碎带骨架间将逐渐形成优势渗流通道，进而形成突水通道，Talbot级配指数n对断层破碎带发生突水的涌水量影响显著，涌水量随着Talbot级配指数n的增大呈现先增大后减小的趋势。

• 顾及物料流向−流量的露天煤矿开采时序规划方法

  郭伟强, 刘光伟, 白润才, 祝会忠, 郭直清, 袁杰,

  露天煤矿的开采系统是一个多工艺环节交叉的复杂系统，其三维动态时空演化需要科学规划。由于缺乏露天煤矿开采时序规划方法，露天煤矿开采计划仍然依赖手工编制，导致开采规划粗糙和生产决策调整频繁。为了在露天煤矿封闭时空场内形成最优的物料开采序列方案，指导矿山生产作业，分析露天煤矿封闭时空场内煤岩块段模型的流向−流量规划对开采计划优化结果的影响，将包含运输成本的块段模型经济价值属性与开采计划优化进行强关联，以总净现值最大化为优化目标，构建考虑复杂约束条件的开采计划混合整数规划优化模型；针对传统灰狼优化算法(GWO)在求解露天煤矿开采计划混合整数规划优化模型时收敛性能和局部逃逸极值性能弱的问题，融合Circle混沌映射增强种群多样性，引入非线性更新机制优化参数，提出改进的GWO算法设计全局搜索能力更优的个体信息共享策略，并通过仿真试验验证所构建模型和设计算法的正确性；以宝日希勒露天煤矿为实例，规划2024—2028年块段模型的物料流向−流量，编制对应的开采计划方案。结果表明：与传统手工制定开采计划方案相比，优化方案的总净现值提高了5.27%，效率提升了19倍；所构建的规划模型与改进GWO算法显著提升了露天煤矿开采计划的科学性与经济性，为露天煤矿开采自动化决策提供了理论支持。

• 玉米秸秆烘焙过程中碱金属的赋存迁移及烘焙炭与煤共成浆性研究

  茅力龚, 王春雨, 王家玺, 丁路, 于广锁,

  生物质资源丰富，具有碳中性，是化石能源的可持续替代品。开发利用生物质资源，是能源生产和消费革命的重要内容。低温炭化是一种有效的生物质预处理方式，可实现生物质的高效利用。选取玉米秸秆为原料，在180～240 ℃的温度范围对其进行湿法水热和干法烘焙处理，并通过微波消解技术与化学分馏法分析原料及烘焙炭中碱金属的迁移规律。研究结果显示，随着烘焙温度的逐渐升高，碱金属钾的总含量逐渐减少，并且发生了钾的赋存形式从水溶态向离子交换态的转变。将烘焙炭与煤混合制备炭−煤−水多元浆体，探讨了烘焙工艺对生物质颗粒的成浆性能的影响，并进一步分析了碱金属的赋存迁移与多元浆体成浆性能之间的相关性。结果表明，相较于湿法水热处理，通过干法烘焙技术制得的烘焙炭，在与煤制备炭−煤−水多元浆体时，具有更好的流动性能以及较低的表观黏度，在质量分数为56%、烘焙炭的掺混量为10%的条件下，浆体的最低表观黏度为469.31 mPa·s。这是由于水溶态钾与颗粒表面的羧基官能团反应生成了羧酸钾盐，减少了亲水基团的数量，相对增强了颗粒的疏水性，进而提高了浆体的流动性能并降低了黏度。

• 钠盐种类对煤灰熔融特性的影响规律及机理

  王丰吉, 梁泓立, 伊锦昊, 刘虎,

  含盐废水具有污染成分复杂、处理成本高、难度大等特点，处理不当会造成严重的生态环境破坏。焚烧法是一种含盐废水无害化处置方法，但因含盐废水中碱金属盐类可能造成灰熔融温度降低，造成焚烧设备腐蚀及积灰结渣等问题，因此有必要对含盐废水中常见盐类和煤掺混燃烧过程对煤灰熔融特性的影响及机理进行研究。采用浸渍法将含盐废水中常见的3种盐NaCl、Na2SO4、NaNO3分别负载至2种燃煤中，并在815 ℃的温度下进行制灰，获得不同煤样的灰样。针对负载不同钠盐的灰分样品进行灰熔点测试。研究发现，3%钠盐掺混比例下，NaCl、Na2SO4、NaNO3掺混均会显著降低煤灰熔融温度，煤1的变形温度和软化温度均在负载Na2SO4最高、负载NaCl时最低，造成煤灰结渣。同时，煤1负载3种钠盐之后，综合结渣倾向指数Rz>2.5，均有严重结渣的倾向。NaCl对灰熔融温度的影响尤为显著，且会产生副产物HCl，而Na2SO4和NaNO3对不同煤种的影响略有不同。此外，灰分样品的元素组成表明，相比于无钠盐负载时，灰分颗粒中的碱金属元素Na、Fe、Ca的总含量有所增加。根据扫描电子显微镜和X射线衍射分析，煤1灰–NaCl颗粒与颗粒之间存在明显的黏结现象，灰样中还生成了NaAlSiO4、KNa3(AlSiO4)4等低熔点物质，并可能进一步形成低温共熔体，造成NaCl负载煤样燃烧过程易发生结渣。因此，含盐废水的浓缩液或结晶盐和煤掺混燃烧时，必须严格控制掺混比例，尤其是NaCl含量较高的废水。

• ReaxFF模拟加压富氧燃烧过程中CO2/H2O气氛对焦炭转化的影响

  陈颢, 郭欣,

  加压富氧燃烧技术作为未来燃煤电厂CO2捕集的主要方向之一，近年来受到学界的广泛研究，其中，循环烟气含H2O的湿循环加压富氧燃烧过程被认为有更好的经济性。采用反应分子动力学方法(ReaxFF MD)研究了4～10 MPa压力内，CO2/H2O气氛对焦炭片段加压富氧燃烧的影响。通过原子标记法定量计算了氧化反应、CO2气化反应与H2O气化反应对焦炭转化的贡献，探究了压力与CO2/H2O气氛对焦炭转化的作用机制。结果表明：在焦炭/O2/CO2/H2O混合体系燃烧条件下，H2O的增加抑制了焦炭转化，在较低压力下，H2O约使碳转化率降低10%，在较高压力下，H2O约使碳转化率降低1%；CO2的增加促进了焦炭转化，在所研究压力范围内，CO2约使碳转化率提高了6%～9%。焦炭的整体碳转化率随压力的升高而增加2%～14%，提升幅度随着H2O的增加、CO2的减少而增加，加压使气化反应对焦炭消耗的贡献提高，却降低了氧化反应贡献，该现象在30%-CO2气氛下最明显，随着压力的升高，碳转化率提升14%，氧化反应贡献率降低3%，气化反应贡献率提升17%。氧化反应、CO2气化反应与H2O气化反应三者之间存在竞争关系，在4 MPa，40%-H2O/60%-CO2条件下，随着H2O体积分数的提高，氧化反应贡献降低了22.4%，CO2气化反应贡献降低了5.5%；随着CO2体积分数的提高，氧化反应贡献降低了10%，H2O气化反应贡献降低了12%，氧化反应与气化反应的竞争体现在气化产物与焦炭对O2的竞争上，气化反应之间的竞争体现在对活性位点的竞争上。

• 基于改进PPO算法的钻锚机器人机械臂路径规划

  张旭辉, 田琛辉, 雷孟宇, 杨文娟, 田江伟, 董征, 田思昊,

  煤矿巷道支护装备的自动化与智能化水平较低，制约了煤矿巷道的成形效率，是造成“采掘失衡”的关键原因。为解决煤矿巷道支护装备自动化程度低、支护效率差的问题，针对一种集成悬臂式掘进机和多自由度机械臂的钻锚机器人，提出了一种基于深度强化学习的钻锚机器人机械臂路径规划方法。在虚拟环境中构建煤矿巷道环境，并建立机械臂与机身、煤壁以及支护钢带的碰撞检测模型，使用层次包围盒法在虚拟环境进行碰撞检测，形成煤矿巷道边界受限情况下的避障策略。在近端策略优化(Proximal Policy Optimization，PPO)算法的基础上结合多方面因素提出改进。考虑到多自由度机械臂状态空间输入长度不固定的情况，引入长短记忆神经网络(Long Short Term Memory，LSTM)的环境状态输入处理方法，可以提升算法对环境的适应能力。并且在奖惩稀疏的情况下引入了好奇心机制(Intrinsic Curiosity Module，ICM)，通过给予内在奖励鼓励智能体更大程度地探索环境。基于奖惩机制建立智能体，根据钻锚机器人的运动特性定义其状态空间与动作空间，在同一场景下分别使用2种算法对智能体进行训练，综合奖励值、回合步数、Actor网络损失值、Critic网络损失值等指标进行对比分析，最后经过仿真消融实验测试对比。实验结果表明，在原始PPO算法不能完成任务的情况下，改进后的算法路径长度比同样能完成任务的PPO-ICM算法缩短了3.98%，所用时间缩短了25.6%。为进一步验证改进后算法的鲁棒性，设计多组实验，改进后的PPO算法均完成路径规划任务，路径终点与目标位置的距离误差在3.88 cm之内，锚杆与竖直方向夹角误差在3°以内，能够有效完成路径规划任务，提升煤矿巷道支护系统的自动化程度。结果验证了所提方法在煤矿井下巷道支护时锚孔位置多变的情况下钻锚机器人多自由度机械臂在路径规划的可行性与有效性。

• 煤矿井下掘进机位姿视觉测量系统相机在线标定方法

  万继成, 张旭辉, 杨文娟, 赵友军, 张超, 雷孟宇, 杜昱阳, 董征, 康乐,

  视觉测量因其系统简单、非接触测量而被广泛应用于煤矿井下掘进机位姿测量，但视觉测量精度受到相机参数标定精度的影响，而井下复杂工况、光照不均及危险区域等因素导致掘进机位姿视觉测量系统相机标定精度低且标定困难。为提高井下掘进机位姿视觉测量系统相机标定自动化水平、标定精度和标定速度，提出一种掘进机位姿视觉测量系统相机在线自动标定方法。以掘进机位姿视觉测量系统的红外标靶作为标定目标，基于二次曲线极点极线约束以及直线射影变换交比不变性质构造标靶平面及其对应像平面上的虚拟点线特征，完成标靶平面及其对应像平面间的点线特征映射，并建立基于点线双特征约束的相机参数单应性求解模型，求解出相机参数的线性解。考虑镜头畸变影响，引入点特征的最小化重投影误差及线特征的直线间距离误差，建立包含动态权重系数和约束的组合目标函数，以单应性求解模型得出的相机参数的线性解为优化初始值，采用非线性迭代优化算法做进一步优化，得到优化后的相机标定结果。开展了标定视图数及噪声对不同标定方法标定精度影响的仿真分析，与其他方法相比，此方法只需要较少视图数时，标定误差趋向收敛，且具有较好的抗噪性能。搭建掘进机位姿视觉测量试验平台，对不同方法进行了相机标定试验并应用此方法完成位姿测量试验，结果表明：此方法获得的相机参数与真实值误差较小，fx、fy、u0、v0、k1、k2的相对误差分别为1.155%、1.144%、0.463%、0.450%、1.887%、4.082%，平均重投影误差为0.197 pixel，位姿测量试验验证了标定方法的有效性，实现了井下掘进机位姿视觉测量系统相机在线标定，为高精度的位姿视觉测量提供了重要支撑。