煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第1期

• 深部煤炭资源安全高效开采科学问题及关键技术

  袁亮, 张通, 王玥晗, 王新中, 王雅亭, 郝宪杰,

  在百年未有之大变局加速演变国际大背景下，我国能源行业面临“双碳”战略目标实现与能源资源稳定供给的双重挑战，向地球深部进军成为我国能源资源开发的必由之路。系统梳理了地质勘测、智能开采、灾害预警、生态修复等领域的技术发展现状，分析了现有技术针对深部资源开发的适用性。基于现有技术现状及深部矿产资源原位贮存及采动特性，提炼出了深部矿井建设运营全过程面临的关键理论及技术问题，进一步指出了实现深部煤炭资源安全高效开采未来的技术攻关方向。通过分析数字孪生、人工智能、大算力模型等新兴技术的发展趋势，明确了地质透明化、智能开采工艺、灾害预警体系、生态环境修复等重要领域的技术突破路径，构建了深部资源安全−高效−智能−绿色开采的可行技术发展战略。未来，通过逐步在跨尺度地质体演化动态表征、非线性煤岩多相多场耦合致灾机理研究、耐高温高压多功能材料与新型勘探开采装备研发、泛适应性无人开采工艺构建、地质生态高效绿色精准修复、矿区建设−生产−修复区域智能决策大模型孕训等方向形成突破，奠定深部矿产资源稳定、高效、智能、绿色开采的基础技术保障，深部资源开采必将实现少人/无人开采及全网络分布式智能调控开采，为国家能源安全战略保障提供核心支撑。

• 矿井突水巷道涉水人员稳定性物理模拟试验研究

  武强, 姚义, 杜沅泽, 李会平, 赵颖旺, 徐华, 刘守强, 王潇,

  考虑矿井水害中多因素影响下涉险人员危险性的科学评价是人员应急疏散救援工作的重要研究内容。目前在水害中涉险人员的危险判断主要依赖经验，带有一定的盲目性，试验研究却鲜有报道。鉴于此，构建矿井突水巷道涉水人员稳定性物理模拟试验模型，开展不同巷道坡度上多种水流条件下圆柱体模型力学监测、人员涉水站立稳定性和涉水行走速度测试研究。通过试验数据分析，提炼矿井水害应急逃生过程中人员涉水稳定性和涉水行走安全速度潜在关系，以揭示矿井突水巷道中人员涉水逃生和巷道坡度、水流等因素的规律。试验研究结果表明：① 圆柱体模型力学监测试验中，随着进入巷道模型来流的单宽流量增大，距坡面5 cm高处传感器其60 s监测力的时均值和最大值均呈正相关性；其中力学监测值以一个范围“带”的方式出现，在均值水平上下波动变化，服从近似正态或正态分布；而45 cm高处的传感器出现被拉伸状态，表明人体在巷道水流作用下会出现滑移失稳的危险可能；② 人体站立稳定性测试中，在涉水逃生中同一水流条件人员不同站立姿态下，涉水稳定性差异明显，表明人体的有效迎流面积大小变化对稳定性影响关键且敏感；③ 巷道10°、15°和20°斜坡上人员涉水行走试验分析中，人员涉水行走平均速度下降为0.2 m/s左右时，人体涉水站立相当困难，可称其为涉水行走安全速度阈值；同时，提出“上游水位×拟合斜率+无水速度截距”式表征涉水行走安全速度与进水水位之间的线性负相关性，并可拟合确定预测函数；④ 在巷道斜坡上人员进行逆水上坡行走、顺水下坡行走和无水上坡、无水下坡多种测试，通过数据统计分析揭示人员在巷道斜坡上逆水上坡和顺水下坡与坡度的线性负相关性，提出“坡度×拟合斜率+水平速度截距”式拟合确定具体预测函数。开展矿井水害中巷道上涉水人员稳定性物理模拟试验，揭示人员涉水疏散的稳定性和安全速度阈值潜在规律，以期推动水害智能应急救援的理论优化和定量模型研究发展，为矿井水害智能应急救援系统辅助决策等研究建设提供科学支撑。

• 陕北黄土覆盖区煤层上覆岩系层状结构对开采区土壤损伤效应研究

  王双明, 宋世杰, 魏江波, 刘浪, 牛瑞琳, 李源红, 谈庆钰, 田雨,

  煤炭开采区生态保护是黄河流域高质量发展亟需破解的重大难题。科学认识煤层上覆岩层对煤炭开采采动损害向地表传递的响应规律是实现煤矿区生态环境全生命周期保护的重大需求。以陕北黄土覆盖区煤炭开采区为研究对象，综合运用野外地质调查、采样测试、数值模拟、室内实验和理论计算方法，针对覆岩层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置等层状结构对地下采煤的“响应−传递”特点，研究了相同采矿条件下煤层覆岩层状结构对采动覆岩应力场的影响规律，揭示了不同煤层覆岩层状结构下土壤物理、化学、微生物、侵蚀四大特性的损伤特征及煤炭开采区土壤物理、化学、微生物特性变化对侵蚀特性的作用机制。结果表明：① 相同或相近的采矿条件下，采煤沉陷区地表生态损害结果的迥异主要取决于煤层上覆岩(土)层对地下采煤活动的应力应变响应、由下向上的传递及土壤损害特点。在覆岩层状结构与采动应力传递的耦合下，煤层覆岩自下而上形成了垂向强力链塑性变形区(VCP)、水平强力链弹塑性变形区(HCEP)、水平强力链弹性变形区(HCE)的采动损害特征。其中，煤层覆岩下部的互层结构及特征对塑性变形区界面高度具有重要影响。煤层上覆岩(土)层和地表土层(壤)均是地下采煤活动及其损害作用的响应载体。岩层层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置及地表变形等是影响土壤损害类型及特点的重要地质因素。② 厚砂岩在覆岩中的位置是地下“VCP-HCEP”界面、“HCEP-HCE”界面发育高度和地表形变程度的第一主控因素，决定了“两界面”的发育位置和地表变形的程度，高位厚砂岩对“两界面”发育和地表形变具有较明显的抑制作用；砂层系数作为第二主控因素，在既定厚砂岩位置且砂层系数小于73%条件下与“两界面”发育和地表形变均呈正相关关系；③ 基于两大主控因素划分了4个覆岩层状结构基本类型，从“地下覆岩层状结构基本类型+地表形态变化程度+地表采动损害形式+土壤质量特性指标”耦合的角度，发现“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”类型对地表土壤损害效应最为显著，其中沉陷坡面土壤物理、化学、微生物特性指标的损伤均集中在坡顶、坡中部位，降幅介于11.81%～42.01%(p < 0.05)；采动地裂缝是沉陷坡面土壤损伤的主要原因；④ “低位厚砂岩+砂层系数大于73%”类型对坡面土壤可蚀性K值的放大效应最为明显，平均增幅为26.38%(p < 0.05)，其中坡顶部位土壤可蚀性K值平均增幅最大，为37.98%(p < 0.05)；沉陷坡面同一部位裂缝区土壤可蚀性K值平均增幅较非裂缝区高出92.28%(p < 0.05)；黄土沉陷坡面可蚀性K值与土壤孔隙度呈极显著正相关关系(p < 0.01)，与土壤含水率、黏粒质量分数、有机质质量分数、速效养分质量分数、土壤微生物数量及酶活性呈极显著负相关关系(p < 0.01)。因此，“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”的覆岩层状结构类型区是陕北黄土沟壑煤炭开采区生态损害的关键区域，应采取充填减沉、土壤改良等人工措施进行保护与修复，对于“低位厚砂岩+砂层系数小于73%”和“高位厚砂岩+砂层系数大于73%” 的覆岩层状结构类型区可采取人工辅助的生态修复方式，对于“高位厚砂岩+砂层系数小于73%”的覆岩层状结构类型区则可采取自然恢复方式进行生态修复。

• 煤炭高效开采数智技术与成套装备研究及应用

  王国法, 张金虎, 任怀伟, 杜毅博, 张德生, 闫汝瑜, 于翔,

  总结了煤炭数智化技术在现阶段的发展状况，分析了煤炭高效开采数智技术与成套装备研究及其应用所面临的新形势和新要求，针对不同煤层赋存条件面临的高强度开采围岩–设备状态全面感知、装备群一体化协同推进与联动控制等难题，将物联网、云计算、大数据分析和高精度惯导等先进信息技术与煤矿开采技术深度融合，实现了对采煤设备的状态监测和数据集成管理，通过精准感知、实时数据分析和智能控制，改善了煤矿开采过程中对设备的监测、管理和决策效率，提高了开采成套装备对不同煤层赋存条件的适应性。为解决中厚煤层超长工作面装备群一体化推进、协同控制等难题，通过地理信息动态感知与模型实时更新技术，实现了回采前方地质信息的同步映射，研发了适应超长工作面的大功率快速推进设备，构建了涵盖支–采–运各个环节的多区域同步推进工艺体系，形成了超长工作面支护装备群的联动机制，实现了装备群之间协同控制，显著提升中厚煤层开采效率和资源回收率。针对深部厚煤层复杂地质条件，研发了支架控制精细化、装备群组智能协同控制技术，实现了设备之间感知协调和自适应精准控制，提高了系统的可靠性和效率。针对8～10 m超大采高工作面超大开采空间煤壁防护、工作面围岩动载强烈、煤流载荷变化大等难题，提出了液压支架与围岩耦合自适应控制技术，增强了设备对超大采高工作面环境的适应性，研发了护帮板监测系统、采煤机稳定性自适应截割技术以及煤流负荷平衡和链条动态张紧控制等关键技术，使得设备能够在煤层厚度变化较大和强矿压条件下实现高效开采。针对煤矿高效开采数智化成套装备在海外的推广过程中，煤矿条件、安全要求、技术标准存在差异等难题，通过对技术装备的定制化调整，研发了集成监控和大数据分析系统，提高了对异常情况的响应能力，实现了工作面内设备群的自主感知、高可靠数据传输、智能分析决策、精准控制与执行。建立了适应不同工况的煤炭高效开采数智化成套装备技术体系，并在工程实践中取得了良好的效果，为煤矿智能化高质量发展提供支撑，为解决煤矿智能化建设的关键技术难题提供了解决方案。

• 永磁电机半直驱刮板输送机机−电耦合动力学行为

  葛世荣, 舒子龙, 鲍久圣, 王世博, 王小龙, 张磊,

  针对刮板输送机传统异步电机驱动系统传动效率低、工作能耗高以及永磁直驱系统径向尺寸大难以适应综采工作面安装空间及过载工况等问题，设计了一种新型永磁电机半直驱系统，利用MATLAB/Simulink仿真软件与台架试验研究了永磁半直驱刮板输送机的机−电耦合动力学行为。首先，基于永磁电机驱动技术，以SGZ1000/2000型刮板输送机为例，设计了一种永磁电机半直驱系统，并完成了驱动系统关键参数设计。其次，推导齿轮传动系统动力学模型，基于状态空间方程建模法搭建永磁电机半直驱刮板输送机的机−电耦合动力学仿真模型，通过仿真试验研究了永磁电机半直驱刮板输送机在多种工况下的机−电耦合动力学行为；结果表明：永磁电机半直驱系统在空载启动定常落煤、非定常落煤以及故障后满载启动3种工况下，能够实现零速重载运行、输出转速与电磁转矩的快速响应以及动态调节；在启动瞬间与负载突变下，链条速度、加速度与张力会发生明显波动，其中：在机头与机尾链轮处的波动峰值最大；随着链条传递波动峰值会发生衰减，距离机头与机尾链轮越远，波动峰值越小。再次，利用永磁电机半直驱系统试验台，开展空载启动落煤与满载启动模拟试验，得到了永磁电机半直驱系统的动态特性，试验结果与机−电耦合动力学模型的仿真结果基本一致。最后，基于台架试验性能参数，通过对比永磁电机半直驱系统与传统异步电机驱动系统的驱动性能后得到：永磁电机半直驱系统在全负载点的驱动效率均优于传统异步电机驱动系统，至少提升了16.3%以上，可显著提高矿山运输装备的节电率，有助于推进矿山朝着绿色低碳方向发展。

• 冲击地压扰动响应失稳理论并行计算

  潘一山, 王学滨, 郑一方, 陈双印,

  目前，冲击地压理论研究已经完成了从定性分析到定量分析的转变。巷道围岩临界应力计算是巷道安全性评价的重要依据。鉴于冲击地压问题的极度复杂性，在理论上继续取得突破极为困难。基于理论公式的巷道围岩临界应力计算，无法考虑更复杂的实际情况，例如非圆形巷道、非静水压力和复杂岩层结构。冲击地压理论和数值计算相结合具有更加广阔的应用前景，能使冲击地压理论进一步走向实际应用，这是极有价值的发展方向。这方面研究成果的成功取得依赖于数值计算技术的快速发展。研究将当今较先进的岩层运动并行计算系统StrataKing(一种自主开发的以拉格朗日元与离散元耦合方法为基础的非线性断裂力学GPU并行计算方法)与冲击地压扰动响应失稳理论相结合，首次提出了圆形巷道扰动响应失稳理论的数值模拟方法。该方法的思想是将非线性断裂力学数值分析方法中的Ⅱ型断裂能设定为中间变量，从而建立了静水压力条件下圆形巷道围岩临界应力与冲击能指数之间的关系。为了获取冲击能指数的数值解，采用了仅出现一个剪切面的理想岩样进行单轴压缩数值试验，以排除其他因素对应力–应变曲线峰后倾向于直线部分斜率的影响。对于高角度剪切破裂，提出了将非标准岩样的计算结果转换成标准岩样的结果的折算方法。折算后冲击能指数的范围为0.17～13.52，位于全国131个冲击地压矿井的调研数据之内。巷道围岩临界应力的计算结果是理论结果的0.4～2.5倍，这与针对全国20个冲击地压矿井的调研数据(临界应力的修正系数普遍大于1，甚至接近8)定性相符，从局部化破坏围岩比均匀破坏围岩的承载力高的角度进行了解释。冲击地压与局部化的关系过去有讨论，扰动响应失稳理论与局部化过去并无关系。通过局部化，扰动响应失稳理论与冲击地压之间在破坏机理上产生了密切的关联。StrataKing可为冲击地压矿井巷道安全性评价提供强大的算力支撑。

• 中国立井冻结井壁技术的发展与展望

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

  分析了“深部化”和“大型化”趋势对中国深井井筒的设计、施工与运维带来的严峻挑战。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年以前国内外冻结井壁技术的状况。概述了2002年以来我国在400～800 m深厚土层中和在500～1 000 m深厚富水岩层中冻结井壁技术取得的重大突破及其应用情况，包括：冻结井筒C60～C100、CF80～CF110高承载力混凝土井壁设计与施工技术，深厚土层中冻结井壁破裂灾害防治技术，深厚富水岩层中低渗漏单层井壁技术等。针对2002年以来中国冻结井壁技术的发展，总结了井壁材料的进步；介绍了横截面、纵剖面井壁结构的发展；归纳了对土层的初始水平水土压力、内层井壁承受的水压、冻结压力、富水岩层中孔隙水引起的井壁水力荷载、井壁竖直附加力等的新认识；简述了井壁力学模型，高径向承载力井壁和内层可缩井壁的力学特性，双层复合井壁之内、外壁厚度的设计理论，含水岩层中单层井壁厚度的设计理论和内层可缩井壁的设计理论等的新进展；介绍了大厚度井壁裂漏机理及防裂技术、井壁腐蚀破坏及防治技术、信息化施工技术，以及内层可缩井壁和低渗漏单层井壁的施工工艺。针对我国在1 500 m超深土层中以及3 000 m深厚富水岩层中冻结井壁技术将面临的挑战，指出应重点研究：深厚土层中冻结井筒掘进期间浅部外壁破裂新机理，超深土的力学特性，高强、高性能筑壁材料与构件，超高承载力井壁结构及其力学特性，超深冻结井壁设计理论与施工技术等。

• 基于岩渣形貌及岩石磨蚀性的钻井法凿井滚刀磨损评估方法

  程桦, 谢鲍, 姚直书, 荣传新, 林键,

  针对西部地区侏罗系地层钻井法施工深大立井滚刀磨损严重问题，以西部某煤矿北一回风井钻井法凿井工程为研究对象，提出一种钻井法凿井滚刀磨损评估方法。首先，基于现场调研分析不同地层滚刀磨损程度及磨损分布特征，并提出相关量化指标；其次，对竖井钻机岩渣开展现场预处理，采用图像识别方法进行后处理，统计分析了岩渣几何形貌，并使用类指数分布函数描述其累积分布规律；此后，以皮尔逊系数为相关性评价指标探究了岩渣颗粒分布及矿物成分对滚刀磨损指标的影响，阐明了西部地区钻井法凿井滚刀易磨损致因；最后，基于相关性分析方法，选取若干主要影响参数，使用非线性拟合工具给出了针对不同岩层的滚刀磨损指标预测公式，并提出现场更换滚刀的评估方法。结果表明：钻井法凿井滚刀磨损与岩层地质条件密切相关，不同地层单位进尺消耗滚刀数量依次为：泥质胶结泥性地层 > 钙质胶结泥、砂互层地层≈钙质、铁质胶结砂性地层 > 极弱胶结砂性地层，西部钻井法凿井刀盘深磨区易集中于b、c、d刀圈，而中心刀及其附近区域多为浅磨区；岩渣几何形貌统计特征可间接反映不同地层单位进尺滚刀磨损程度，西部地区砂系、泥系地层岩渣粒径分布符合类指数函数，相关系数R2为0.976～0.997，根据拟合函数得到的岩渣均匀系数与磨损均匀性指标相关性最高，泥性地层及泥、砂互层地层滚刀磨损加剧的原因可归结为岩渣泥化、砂化；以岩渣圆度分布的箱宽、大颗粒占比、均匀系数、岩石磨蚀性指数为滚刀磨损主要表征参数，得到适用于不同地层的滚刀磨损预测模型，与现场实测对比，模型预测成功率达90.9%；提出的滚刀磨损评估方法可为现场提钻换刀决策提供有益参考。

• 深部煤矿“以爆抑灾”机理与技术研究进展

  杨仁树, 左进京, 李永亮, 马鑫民, 张渊通, 于冰冰, 王波,

  作为“三高一扰动”中的典型特征，高地应力与采动应力叠加作是深部矿山地质灾害频发的主要原因之一，极易引起厚硬顶板强矿压、冲击地压与采动巷道大变形等问题，是深部煤矿安全高效开采的重大隐患。为解决深部矿井厚硬顶板强矿压、冲击地压与采动巷道大变形等灾害治理难题，基于爆破技术提出了深部矿山“以爆抑灾”机理与防治新方法，实现地下矿山治灾“解连接、削峰值、控变形”的目标。首先，提出“点−线−面−体”的爆炸裂隙场原位监测方法，揭示了煤矿爆破现场爆炸裂隙网的形成机制，阐明了爆破卸压的围岩应力调控机理，从而为爆破技术在卸压防冲工程的现场应用提供了理论依据。其次，从参数设计、先进装备和效果评价3方面指出深部矿井爆破卸压的关键技术，涵盖参数设计、钻孔冲孔、装药封堵和综合评价的爆破卸压整体流程。然后，以淮南矿区(张集煤矿)、鲁西矿区(新巨龙煤矿)和宁东矿区(梅花井煤矿)作为典型工程案例，开展“以爆抑灾”指导爆破卸压的现场针对性研究，分别形成了松动预裂控制爆破，高位巷精细化控制爆破和采动巷道爆破的卸压应力调控技术。最后，围绕爆破参数的智能化设计，施工装备的无人化控制和超长炮孔的集约化装药3方向展望“以爆抑灾”的发展趋势，基于智能化、数字化和信息化的角度提出未来爆破卸压工程可能出现的研究重点和挑战性问题，对于深部煤炭资源开采过程中的灾害治理具有重要的理论和实际意义。

• 图像识别智能放煤含矸率高精度预测研究(I)——煤流表面含矸率

  王家臣, 杨胜利, 李良晖, 安博超, 宋世雄, 王雨兵,

  图像识别智能放煤是实现智能化综放开采的重要技术之一，其核心在于通过监测煤流含矸率控制放煤口开闭。而井下低照度环境、煤岩块体的不规则形状及堆积叠压等因素是制约煤流含矸率预测的主要难题。针对煤流表面含矸率，构建了不同照度条件下的煤岩图像数据库，研究了照度及煤岩种类对图像分割性能的影响，开发了综放开采“放−运”全过程高仿真实验平台，提出了基于多照度融合与光流场优化的复杂场景下煤流表面投影面积含矸率高精度识别方法。其次，探讨了不同投影角度和投影方式对煤岩块体二维形态学特征提取的影响，明确了不同维度形态学特征之间的量化关系，构建了“尺寸+形状”特征融合的煤岩块体体积预测模型，用于合理预测煤流表面体积含矸率。最后，结合实验室和现场数据验证了所提方法的有效性。研究表明：随着照度的增大，2种煤岩组合形式的识别精度均先增大后稳定，并略有下降。通过合理设置照度(比如17 730 lx)，煤+泥岩复杂组合的mAP@0.5由88.7%(3 180 lx)提升至92.3%。通过引入多照度融合和光流场分析，可进一步提升复杂场景下的煤流表面投影面积含矸率识别精度和算法适应性。合理选择光源波长，可以放大煤岩块体相对漫反射率差异，增加煤岩块体图像特征区分度。合理的图像投影方式也有利于不规则形状煤岩块体投影面积预测，预测偏差由60%降低至10%以下。通过引入形状特征辅助体积预测模型，体积预测精度显著提高，决定系数由仅考虑尺寸特征模型的0.941 6提升至0.969 2。

• 岩层控制的全柱状学术思想与实践

  许家林, 朱卫兵, 轩大洋, 王晓振, 秦伟, 金洪伟, 鞠金峰, 胡国忠, 谢建林, 屈庆栋, 吴仁伦, 汪锋, 何昌春, 李竹,

  岩层控制是通过控制采动岩层破断运动来减轻或消除采动损害的一门科学，目的是为了保障煤炭安全、高效、绿色开采。传统岩层控制研究思想与方法存在2方面局限：对覆岩进行均化而不能抓住主要矛盾，仅关注局部岩层运动而缺乏对全地层覆岩运动的研究。针对这些问题，在关键层理论应用研究过程中，形成了岩层控制的“全柱状”学术思想，其内涵包括2方面：一是 “抓主要矛盾”，找到对岩层运动起主要控制作用的关键层(即主要矛盾)，避免对覆岩均化处理。二是“关注全局”，将采动覆岩作为整体研究，充分考虑关键层所处的复杂地层场景条件可能对关键层破断的影响，从整个岩层移动角度研究矿压显现、水与瓦斯运移、开采沉陷等。按照全柱状学术思想研究岩层控制时，首先需要获取研究区域内不同开采尺度(矿井、采区、工作面及块段)地层的钻孔 “全柱状”，即包含从开采煤层直到地表所有岩层信息的全取心完整柱状，根据研究区域内多个钻孔柱状的关键层判别，形成研究区域内岩层赋存特征的整体画像，避免仅采用局部柱状或综合柱状，也不能对全柱状进行均化处理。充分考虑原岩应力、地质构造、地形地貌、水体载荷、开采部署等多种具体场景因素可能导致的关键层受载差异与破断异常，以及不同区域柱状关键层位置的变化可能对岩层运动产生的影响。在此基础上，建立关键层运动与各种采动损害的联系，据此分析问题发生机理并提出针对性的岩层控制方法。全柱状学术思想推进了岩层控制理论发展与实践创新，解决了压架、突水、沉陷等灾害防控的系列工程难题，取得了显著成效。利用全柱状学术思想取得的岩层控制理论创新主要包括：揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应，建立了采动覆岩“关键层−松散层拱”结构模型，提出了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法，建立了基于关键层结构的地表沉陷预计方法，为工程应用奠定了基础。全柱状学术思想在工程应用方面的典型实例包括：找出了浅埋煤层沟谷上坡段、松散承压含水层下等特定条件下开采压架的根本原因，彻底解决了压架防治工程难题；量化关键层位置对“导高”的影响，解决了顶板异常突水防治难题；提出了煤层群卸压瓦斯的“三带”分布，指导了卸压瓦斯抽采实践；研发了覆岩隔离注浆充填技术，创建了地面钻孔一注式高效充填绿色开采新模式，解决了地表沉陷控制等难题，已得到全面推广应用。

• 煤矿覆岩矿震关键层及其破断释能机制

  窦林名, 曹晋荣, 曹安业, 蔡武, 巩思园, 鞠明和, 周坤友, 阚吉亮,

  覆岩型矿震已成为部分煤矿面临的主要动力现象之一，理论判识矿震发生的主控岩层是实现矿震精准防治的基础。采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究方法，梳理了煤矿震动事件和煤矿矿震的内涵及类型，厘清了煤矿震动事件与煤矿矿震之间的关系。提出了覆岩矿震关键层概念，总结了覆岩矿震关键层特征及其与关键层之间的区别联系，給出了覆岩矿震关键层判识方法。通过分析覆岩矿震关键层破断过程中的裂隙发育和能量演化规律，揭示了覆岩矿震关键层破断释能机制。结果表明：① 煤矿震动事件包括微型震动、高能震动和矿震，煤矿矿震可划分为覆岩型、断层型、煤柱型、底板型、褶曲型和复合型；② 覆岩矿震关键层是指顶板中一层或数层对覆岩型矿震的发生和分布具有控制作用的关键岩层(组)，根据空间赋存位置，可将其分为高位和低位2种类型；③ 考虑厚硬岩层破断条件和能量条件，提出了覆岩矿震关键层判别方法，案例分析表明该方法具有一定的正确性和适用性；④ 除采空区两侧的裂隙带外，覆岩矿震关键层与低位顶板之间出现水平剪切裂隙，层间节理应变能和剪切耗散能集中，岩层间发生剪切–错动。此外，覆岩矿震关键层内部还出现了水平向的层内裂隙，层内存在节理应变能和剪切耗散能聚集区，覆岩矿震关键层具有分层破坏特征；⑤ 当岩体所承受的实际最大应力超过岩层或结构接触面强度极限时，覆岩矿震关键层出现破断或结构失稳，形成覆岩型矿震，该过程中部分弹性应变能和重力势能转化为矿震能量以及各类耗散能等。研究结果可为覆岩型矿震防控提供理论指导。

• 煤岩结构瞬变诱冲机理

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

  冲击地压是深部煤矿开采面临的主要灾害之一，揭示冲击地压的发生机理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础。采用理论分析、数值计算、模拟实验和现场实测互馈综合研究方法，在综合厘定覆岩空间结构与其力学响应内在联系的基础上，系统研究了结构瞬变激励下采场煤岩的力学响应和冲击地压的发生机理。结果显示：覆岩空间结构的力学性能和力学环境是其范围内的采场煤岩产生不同力学响应的内、外因，坚硬岩层破断等子系统的瞬时失稳，会导致覆岩空间结构大系统的瞬变，进而造成采场煤岩动态力学响应(矿震)的发生和静态力学响应的阶变。结构瞬变后，除了震源处的应变能会发生瞬变外，更大范围的煤岩应力场、位移场、应变能场和重力势能场等力学响应也会发生瞬变。结构瞬变区域上方覆岩瞬时下沉、应力骤减、应变能和重力势能的释放特征明显，结构瞬变区域外侧深部区域煤岩略有下沉、应力骤增、应变能聚集特征明显、重力势能略有释放；采场煤岩的总势能瞬时减小，这其中，总应变能瞬时增大，而总重力势能瞬时减小。同时，受坚硬岩层破断形成的卸载、回弹和下沉影响，矿震发生时，并非所有区域的煤岩都会被瞬时加载，临近结构瞬变区域的煤体会被瞬时卸载。工作面后方坚硬岩层的瞬时破断，会使走向支承压力“瞬时前移”，导致工作面前方煤体的高静载区域出现“高静载+负动载”的应力状态，而回采巷道煤体的高静载区域出现“高静载+正动载”的应力状态，造成回采巷道发生冲击地压的概率远大于工作面。在实际工程中，应基于煤岩结构与其动、静力学响应的内在关联，基于“调结构、控响应”的理念，建立针对性的防控措施。

• 沿空侧向覆岩结构改性防冲机理与实践

  谭云亮, 张修峰, 范德源, 刘学生, 朱斯陶, 牟宗龙, 陈洋,

  无煤柱(或小煤柱)开采已得到广泛应用，随着开采深度增加，当侧空覆岩存在坚硬岩层时，大能量动力事件频发，冲击地压显现日趋严重，已成为制约深部煤炭资源开采的主要瓶颈之一。围绕沿空侧向覆岩结构改性防冲机理与实践开展研究，主要包括：构建了沿空工作面覆岩结构力学模型，提出了上位覆岩等效载荷估算方法，揭示了下位覆岩结构特征及演化规律；获得了沿空工作面下位覆岩运动对煤体内应力的定量表征方法，提出了以煤体的静载支承应力及关键层断裂产生的扰动应力之和与煤体强度比值大小为致灾指数的覆岩致灾关键层判识方法；定义了覆岩关键结构失稳致灾力学判据，综合分析应力状态和冲击倾向性指数对“发生冲击地压”的隶属度实现了侧空覆岩致灾风险评级；给出了侧空覆岩结构改性方法及防冲流程，并在新巨龙6305工作面开展了工程实践。结果表明，6305工作面实施侧空覆岩结构主动改性后，微震事件频次增幅33.3%，平均每个事件能量降幅23.5%；煤体应力集中程度显著降低，最大降幅约27.2%；沿空巷道围岩变形量明显减小，最大减小约104.7%；侧空覆岩致灾关键层得到消除，冲击地压的可能性等级为由“很可能”降为“不可能”。

• 煤矿深部巷道碎胀大变形灾害控制及大变形灾变环境下TBM快速成巷技术

  刘泉声, 刘滨, 唐彬, 康永水, 卢海峰, 朱元广, 黄兴, 潘玉丛, 邓鹏海, 孙磊, 唐永志, 卢兴利, 张程远, 余宏淦, 李培涛, 雷一鸣, 贾浩男,

  随着浅部煤炭资源逐步枯竭，煤炭开采不断向深部发展，我国东部矿区和中西部部分矿区已经进入深部开采阶段。然而，由于深部岩体的高地应力环境及采掘过程的强扰动效应，深部巷道大变形灾害频发，严重制约了深部煤炭资源的安全高效开发。如何有效控制巷道围岩稳定及提升掘进效率已成为深部煤炭开发面临的重大技术挑战，主要体现在：对深部巷道米级大变形灾变的机理认识尚不清晰；缺乏适用于深部巷道大变形灾害控制的理论与技术；缺乏适应大变形灾变环境的快速成巷技术。针对以上问题，围绕中东部典型矿区深部巷道米级大变形灾变机理、深部巷道大变形灾害控制理论及技术体系、大变形灾变环境下的快速成巷技术等方面展开了系统研究，取得了以下进展：提出了深部巷道围岩应力场和变形破裂导致的围岩结构扰动演化过程的探测表征方法，发展了深部巷道大变形灾变过程模拟分析的FDEM方法，揭示了深部巷道米级大变形灾害孕育形成的破裂碎胀−大位移运动机理；提出了由“应力恢复、围岩增强、固结修复、应力转移−承载圈控制”四项控制原理构成的深部围岩稳定性分步联合控制理论，建立了精准介入围岩结构与扰动应力场演化过程、多重手段分步协同的灾害控制理论与技术体系；研发出深部巷道大变形灾变环境下TBM安全高效掘进关键技术，发展了TBM掘进过程挤压变形卡机灾害预测控制方法，建立了深部煤系地层TBM系统适应性设计理论与评价决策体系。研究成果实现了典型矿区深部巷道碎胀大变形灾害的有效控制和安全高效掘进，解决了深部矿井采掘接替的技术难题。

• 坚硬顶板特厚冲击煤层智能高效安全开采关键技术

  于斌, 孟祥斌, 邰阳, 尚子榆, 彭明贤, 匡铁军, 郭飞龙, 李东印, 王世博,

  针对坚硬顶板特厚冲击煤层难以实现源头消冲和高效开采的难题，首先开发了坚硬顶板特厚冲击煤层安全开采保障技术，为智能放煤高效开采创造了有利环境；在此基础上攻克智能放煤技术瓶颈，形成了坚硬顶板特厚冲击煤层智能高效开采技术，具体研究过程如下：在坚硬顶板特厚冲击煤层安全开采保障技术方面，采用Timoshenko梁理论建立了坚硬顶板周期破断弹性能集聚模型，分析了不同单轴抗拉强度下顶板能量密度分布规律，揭示了基于地面预制人工缝网的坚硬顶板特厚冲击煤层超前消冲机理，据此开发了地面水平井压裂技术和地面液体炸药爆破技术，形成了基于地面预制人工缝网的超前消冲技术；采用Reissner中厚板理论建立了坚硬顶板切顶前后的初次破断力学模型，分析了人工定向裂缝对顶板弹性能密度和煤体静载增量的影响规律，揭示了基于井下人工定向造缝的坚硬顶板特厚冲击煤层超前消冲机理，发明了复合爆破定向造缝技术，形成了基于井下人工造缝的超前消冲技术。在坚硬顶板特厚冲击煤层智能高效开采技术方面，发明了顶煤厚度雷达在线探测技术、基于近红外光谱的煤矸识别技术、基于振动特征辨识的煤矸识别技术、基于音频的煤矸识别技术和基于激光三维扫描的放煤量实时监测技术，形成了特厚煤层智能感知与识别技术；建立了智能综放工作面“人−机−环”多源信息数据库，开发了特厚煤层综放工作面采放协调决策模型，发明了智能放煤模式与工艺智能决策技术，形成了智能放煤模式与工艺智能决策技术；开发了智能综放工作面三机位姿高精度惯导检测与控制技术，建成了智能综放远程通信及综合控制平台，形成了特厚煤层远程放顶煤智能控制技术。基于以上研究得出：① 当抗拉强度分别为0.76、1.57、2.68、3.95和5.68 MPa时，坚硬顶板对应的弹性能密度峰值分别为6.5、25.4、71.6、168.2和340.1 kJ/m，弹性能密度峰值U_\max^\mathrme 与坚硬顶板抗拉强度σ0呈现二次函数关系，具体关系为U_\max^\mathrme = 10.715σ02−0.718σ0。② 定向人工裂缝改变的坚硬顶板的边界条件，以兖矿能源集团103上02工作面为例，理论上人工缝网使得工作面砂岩层的初次破断步距从250 m减小为123 m。③ 基于地面预制人工缝网的超前消冲机理：大量人工缝网在岩层中形成结构弱面，有效降低了坚硬顶板弹性能集聚量，削弱顶板破断产生的矿震强度，从而控制了工作面及巷道内的冲击地压；基于井下人工定向裂缝的超前消除机理：定向裂缝能降低甚至消除坚硬顶板在巷道附近的弹性能，同时减小切顶侧的静载增量，从而控制了巷道内的冲击地压。

• 覆岩离层注浆层位判定及隔浆层稳定性研究

  郭文兵, 李龙翔, 杨伟强, 白二虎, 吴东涛,

  覆岩离层注浆减沉技术是保护矿区地表建(构)筑物的重要手段之一，其中注浆层位选择与其下方隔浆层完整性是决定地表减沉效果的关键因素。采用理论分析、工程试验以及现场监测等手段，对覆岩离层注浆层位判别及其下方隔浆层稳定性进行了研究。通过理论分析方法对覆岩离层注浆过程中的隔浆层变形特征进行了研究，建立了基于弹性地基梁理论的隔浆层挠曲线方程，并根据岩层破坏程度，分区计算了隔浆层下方岩体的弹性地基系数，得到了注浆压力作用下隔浆层的最大弯曲下沉值；基于岩层破坏条件给出隔浆层稳定性分析方法，计算了注浆前后隔浆层下方自由空间的高度，并依据隔浆层最大弯曲下沉值与其下方自由空间的关系，对固支梁及弹性地基梁状态下的隔浆层完整性进行了判别；在此基础上，综合考虑注浆地层条件及隔浆层稳定性，提出了一种新的覆岩离层注浆层位判别方法。该方法通过计算导水裂隙带及各关键层高度确定潜在注浆层位，然后依据隔浆层完整性分析对各潜在注浆层位的可行性进行判别，最后引入安全系数对其稳定性进行评价。以某矿11090工作面为工程应用实例，依据该判别方法确定了合理注浆层位，在距煤层139.1 m处成功实施覆岩离层注浆充填，结合地表实测数据及地表下沉预计结果，该工作面实施注浆后，地表最大下沉值为230 mm，下沉系数为0.12，减沉率达到77.6%。附近民房的最大倾斜值约为0.8 mm/m，水平变形值为0.7 mm/m，有效保护了矿区地表村庄民房，同时保障了井下采掘工作的正常进行，验证了注浆层位判别方法的合理性，为覆岩离层注浆层位设计及矿区地表沉陷控制提供了参考。

• 考虑力链屈服的垮落体中顶进阻力分析

  肖福坤, 谢锴, 劳志伟, 单磊, 刘刚, 郝传波,

  为安全高效的通过顶管法在垮落体中构建应急救援通道，探明顶进阻力的演变机制具有重要意义。通过结合物理相似模拟试验和数值模拟试验，对顶管过程中顶进阻力和垮落体颗粒宏观位移的演变特征进行了分析，并利用三维力链识别方法结合颗粒材料的力链屈服行为对顶进阻力的跌落特征进行了探讨。为进一步确定顶进阻力跌落特征的内在力学机理，选取颗粒堆积厚度、顶管半径、粒径及有效模量为正交因素，开展了针对顶管不同部位的顶管数值模拟试验。并在考虑力链屈服行为的基础上，结合顶进阻力跌落、接触失效、配位数突降、颗粒弹性势能释放和力链长度变化等顶进阻力及颗粒宏细观参数的变化特征进行了研究。结果表明：顶管过程中颗粒的宏观位移主要集中在顶管切口斜上方，且颗粒内存在较明显、连续的剪切滑移带，顶管阻力的跌落现象与局部范围内的颗粒失稳滑移和力链屈服行为相关联；顶进阻力跌落频率与管径和有效模量呈正相关关系，与颗粒厚度和粒径呈负相关关系，顶管切口试验的跌落频率明显大于顶管外壁试验，且顶进阻力的循环上升–跌落特征具有较高的相似性；力链长度及力链有效长度随着上覆颗粒厚度及粒径的增加而增加，扩大了力链影响范围，并进一步导致屈服接触分布范围、配位数变化幅度、力链压曲变形程度及弹性势能增加幅度的增加；垮落体在顶推作用下的力链屈服和解卡滑移，是颗粒内弹性势能释放、长力链分解的主要原因；顶管上方沿剪切面错动的颗粒在重力引导下的迅速失稳、跌落和堆积，是导致该部分颗粒弹性势能释放对顶管阻力整体影响较小的原因。

• 基于便携式里氏硬度测试的煤冲击倾向性分级判别准则

  赵毅鑫, 杨哲, 谢镕澴, 王涛, 赵良辰,

  判别煤的冲击倾向性是评估煤矿冲击地压危险程度的主要依据之一，考虑到现有判别煤冲击倾向性分级的流程相对复杂。为此，提出了一种基于便携式里氏硬度测试的煤冲击倾向性判别方法。对来自4个煤矿的20个煤样开展里氏硬度测试、纵波波速测试和单轴压缩试验，获取了煤里氏硬度与岩石力学参数之间的拟合关系式，并探究了不同里氏硬度煤样在受压破坏过程中的能量演化规律。定义了描述煤样破坏时能量释放速率的系数KPE，并分析了KPE与传统煤冲击倾向性指标的关联。基于里氏硬度与KPE之间的关联，构建了基于里氏硬度的煤冲击倾向性分级判别准则。为验证该准则的合理性，将其判别结果与国家标准及煤屑弹射质量比F的判别结果进行对比，并在鄂尔多斯盆地某强冲击地压矿井选择了2个工程应用场景进一步对该准则的工程应用效果进行检验。结果表明：煤里氏硬度与单轴抗压强度、弹性模量具有强相关性，而与纵波波速相关性较弱；里氏硬度越大，煤样的储能及释放能力越强。不同冲击倾向煤样的KPE差异显著，且与传统冲击倾向性指标相关性较好，表明KPE可用于煤冲击倾向性分级判别。煤样的KPE与里氏硬度呈幂函数正相关，表明随里氏硬度的增加，煤样的冲击倾向性显著变化。基于便携式里氏硬度测试的煤冲击倾向性分级判别准则与国家标准、煤屑弹射质量比F的判别结果具有较好的一致性，同时在2种工程应用场景下的应用效果良好，表明该方法具有一定的可行性和可靠性。

• 深部高突煤层典型特征、诱突机制及防治对策

  林柏泉, 杨威, 刘统,

  我国煤炭开采已逐渐进入深部，随着采深的不断增加，煤层的突出风险显著升高，突出发生的频率和强度均明显增大，给深部煤炭资源的安全高效开发带来巨大挑战。首先剖析了深部不同深度下煤层开采面临的复杂应力环境，并系统研究了深部高突煤层的典型特性，阐明了深部开采诱突机制，最后提出了深部开采突出灾害防治的对策建议。结果表明：对突出煤层开采而言，深部没有一个固定深度值，而是应力、瓦斯压力和煤体强度等因素综合影响下煤层所表现出的非线性力学状态。深部煤层应力高，采动煤体呈强塑性破坏；突出煤的孔隙率低且连通性差、高应力下煤层渗透率极低；高压瓦斯高饱和赋存、低压吸附能力强；煤的基质尺度大且通达性差、瓦斯跨尺度运移难；深部煤层最大水平主应力增大，强构造应力作用下构造煤破碎程度高，在构造应力集中带内形成高压瓦斯包，导致突出风险激增。当深部开采工作面前方遇到构造软煤时，工作面附近硬煤内更容易形成强应力集中，对构造软煤内高压瓦斯的封闭作用显著增强，造成工作面前方瓦斯压力高、梯度大，煤体内的瓦斯膨胀能显著高于浅部；同时高应力下工作面前方煤体更容易发生强塑性流变破坏，诱发变形能的猛烈释放。构造煤煤体发生大变形损伤，孔裂隙空间增大；基质尺度急剧减小，被封闭的大量瓦斯快速解吸。二者共同造成游离瓦斯存储空间和压力的同步迅速增大，引发游离瓦斯膨胀能的迅速升高，当瓦斯膨胀能高于突出阈值时，大量瓦斯将破碎并抛出煤体，导致突出事故发生。基于此提出深部突出灾害防治应通过合理化采掘布置，从整体上降低采掘过程中的局部应力集中；通过超前探测准确获取煤层隐蔽构造、煤岩力学参数以及瓦斯参数等关键信息，超前识别突出风险进而施行精准防控；强调了要通过深度卸压充分释放应力，降低煤层应力集中，提高煤层渗透率，同时诱导大量低压吸附瓦斯脱附解吸，通过强力造缝增透减小基质尺度并活化基质孔隙，加速瓦斯运移如有必要采用物理化学联合增透方法，构建基质孔隙−裂隙跨尺度流动通道，提高瓦斯抽采效果，充分降低煤层气含量，最终达到超前、精准和均匀消突的目的，实现深部煤层安全高效开采。

• 煤中吸附态与游离态甲烷的串联扩散特征及理论表征

  程远平, 易明浩, 王亮,

  厘清煤中孔隙结构对甲烷吸附以及扩散的内在联系是定量评价甲烷解吸量和解吸速度的基础。运用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对煤中多尺度孔隙进行了定量表征，获得吸附态和游离态甲烷的赋存场所和运移通道分别为0.38～1.5 nm的填充孔和1.5～100 nm的扩散孔，在此基础上建立了填充孔吸附态扩散和扩散孔游离态扩散的双孔串联扩散模型，并通过对甲烷解吸实验数据的拟合获得了甲烷扩散参数和孔隙结构参数。结果表明：基于多尺度孔隙甲烷吸附模型计算的甲烷极限吸附量与实测值匹配程度较好，其中90%以上的吸附态甲烷以微孔填充形式赋存于填充孔内，表明煤对甲烷的吸附能力取决于填充孔结构；解吸过程中填充孔内发生吸附态甲烷扩散，并不断流入扩散孔中以游离态扩散的形式流出，其中吸附态和游离态甲烷扩散系数分别处于10−13 m2/s和10−6 m2/s量级，而填充孔和扩散孔当量孔长分别为0.109～2.855 μm和0.525～3.106 mm，对应的当量孔数分别为1016～1017 个/g和1010～1012 个/g；由于填充孔数量更多、孔长更短，吸附态甲烷浓度更高，煤中吸附态甲烷的质量传输速度要远大于扩散孔内的游离态甲烷，煤中甲烷的解吸主要受到扩散孔中游离态甲烷扩散过程的控制。

• 多孔骨架增强型甲烷/氮气分离用混合基质膜的制备及性能

  梁运涛, 王永敬, 冯文彬, 徐靖凯, 肖伟,

  煤层气作为一种富含甲烷(CH4)的非常规能源，其低浓度富集对于提升能源利用效率和减少温室气体排放具有重要意义。研究聚焦于通过膜分离技术实现CH4/N2的有效分离，设计一种具有增强骨架结构的新型膜材料。首先，采用静电纺丝法成功制备了聚偏氟乙烯(PVDF)多孔膜，并将其与嵌段聚合物SBS及金属有机框架材料Ni-MOF-74复合，形成具有增强结构的混合基质膜，并对所制备的膜进行了详细的形貌、结构及理化性能表征，包括X射线衍射、扫描电子显微镜、比表面积分析、拉伸强度和气体渗透测试。结果表明：PVDF多孔骨架与膜层材料间的结合性良好，形成了相互钳制的复合结构，显著提高了膜的机械稳定性。在最佳条件下，Ni-MOF-74与SBS聚合物质量比为0.2%的PM20膜具有显著改善的机械性能，拉伸强度达到29.5 MPa，较纯SBS树脂膜提高约50%。另外，PM20膜的单组分气体渗透性能优异，其CH4渗透率达到97×10−4 m2/s，CH4/N2理想选择性为4.03。对于CH4-N2二组分混合气体，该膜也表现出较高的CH4渗透性和选择性。因此，本研究的新型膜材料具备优异的机械性能和气体渗透性能，在甲烷富集领域有一定应用潜力。

• 低压磨料空气射流切割硬岩评价模型及应用

  魏建平, 蔡玉波, 张铁岗, 薛熠, 姬松涛, 陈长江, 张慧栋, 刘勇,

  低压磨料空气射流破岩能力强、能耗低，是一种解决硬岩掘进效率低、刀具损耗严重最具潜力的技术之一。但采用磨料射流技术进行破岩割缝时，由于评价指标(割缝深度、宽度、体积)单一、普适及通用性差，导致磨料射流在不同工况下的最佳割缝参数难以确定，极大限制了磨料射流技术的推广应用效果。为此，提出一种综合考虑磨料射流割缝深度、宽度和体积等缝槽参数之间定量关系的评价模型。通过对岩石割缝形貌进行三维重构，并进行均值化处理，得到射流割缝缝槽形态分布方程。将缝槽形态曲线方程的均值面积A与分布函数振幅a1的比值定义为割缝特征宽度b，并将b与a1的比值定义为宽高比P。利用P对磨料射流割缝效果进行评判，得到如下结论：在P≤0.5时，表示能形成更窄更深的割缝，且当P越小时，割缝窄深特征更明显；当P＞0.5时，表示能够形成更宽更浅的割缝。利用P对不同割缝参数条件下的割缝效果进行表征，得出当需要获得较深的割缝形态时，应控制射流冲击靶距为40 mm，磨料粒径在60～90目(0.16～0.25 mm)，磨料莫氏硬度应控制在7.0以上，采用16 ～32 g/s的磨料质量流量和60°的冲击角度。当获得宽且浅的割缝形态时，可选择磨料粒径大于90目(0.16 mm)，磨料莫氏硬度低于7.0，使磨料质量流量低于8 g/s并控制射流冲击角度超过75°，射流靶距大于40 mm。

• 基于FEDformer-LGBM-AT架构的采煤工作面上隅角瓦斯浓度预测

  梁运培, 李赏, 李全贵, 郭亚博, 孙万杰, 郑梦浩, 王程成,

  在煤矿智能化升级的大环境下，从海量的工作面监测数据中挖掘高质量的信息来构建科学的模型从而提高预测时长和精度是防范上隅角瓦斯浓度超限的关键。然而，上隅角瓦斯浓度影响因素众多，海量数据利用匮乏，瓦斯浓度预测精度高但时长较短，仅为0～30 min，而中长时30～60 min预测精度低、泛化能力差。为了解决这个问题，以山西某矿回采工作面为研究对象，对该工作面的煤层瓦斯含量进行动态提取，组建煤层瓦斯含量、瓦斯浓度、采煤机、风速的特征集合，并对该特征集合进行预处理，通过相关性分析对不同特征进行筛选，进一步构造相关特征的短时趋势、长时趋势、周期趋势以及拼接特征，首先构建基于频率增强分解Transformer(FEDformer)的瓦斯浓度预测层，构建基于轻量梯度增强机(LGBM)的残差修正层，然后引入自适应阈值(AT)技术构建阈值感知层，最终组成3层瓦斯超限预测模型架构，对未来60 min内上隅角瓦斯浓度进行预测，并通过召回率(TPR)，误报率(FPR)，平均绝对误差(MAE)以及平均绝对百分误差(MAPE)对预测性能进行考察。结果表明：所构建的基于FEDformer-LGBM-AT架构的上隅角瓦斯浓度预测模型的短时TPR为0.956，FPR为0.035，MAE为0.033，MAPE为0.183；长时预测的TPR为0.940，FPR为0.035，MAE为0.047，MAPE为0.262；与传统的灰色模型(GM)、支持向量机(SVM)、反向传播(BP)、门控循环单元(GRU)、粒子群优化的长短期记忆(PSO-LSTM)、Transformer等模型的长时预测能力相比，FEDformer-LGBM-AT架构模型具有更好的长时预测精度和泛化能力，自适应阈值感知使得模型对高值瓦斯浓度敏感。该架构模型弥补短期预测局限性和泛化性，支撑现场瓦斯超限防治措施，可为回采工作面瓦斯浓度智能预测提供一定的借鉴和参考。

• 煤矿采空区微生物驯化及抑制煤自燃特性

  邓军, 张敏, 易欣, 白祖锦, 王彩萍, 王凯,

  煤自燃的发生主要与煤炭的化学结构组成及其特性有关，而微生物对煤结构具有一定的作用能力。因此提出利用特定微生物对煤表面结构溶解−抑制煤自燃的思路，从褐煤中分离、提纯、定向驯化得到2种采空区煤源微生物，Aureobasidium pullulans (DA. pu) 和Staphylococcus pettenkoferi (DS. pe)，经处理煤样后，探讨煤源驯化微生物对煤低温氧化过程微观结构及氧化性能的影响特征。结果表明：不同微生物对煤活性结构作用效果具有差异性。DA. pu减少煤中羟基，但DS. pe却使羟基峰面积比例大幅增大。煤中的脂肪烃、含氧官能团面积比例均呈现出不同程度的减少。其中，DS. pe对煤中脂肪烃的破坏能力最强，可完全溶解—CH3，对芳醚键也具有较强的溶解能力，降低率高达66.37%。DS. pe将煤中芳香烃中四取代烃峰面积降为0，单取代烃的减少率达到了58.52%。处理煤样的γ峰与002峰的峰面积，堆砌高度与芳香片层数均减小。综合微观结构的变化特征，DA. pu比DS. pe对结构参数作用能力更为显著。微生物作用延迟了煤样的临界温度T1，DA. pu将燃烧阶段的活化能增大了4 428.11 J/mol，延缓了煤自燃发展进程。微观结构及氧化性能的表现一致，表明DA. pu抑制能力更强。这是由于微生物能够有效的溶解煤分子结构，降低煤分子的反应活性，使得煤的反应活化能增加，氧化性能降低。该研究结果为探索煤矿采空区微生物驯化及抑制煤自燃的设想提供了理论依据。

• 采空区煤自燃与瓦斯复合灾害防控研究进展及挑战

  秦波涛, 马东,

  采空区煤自燃与瓦斯复合灾害是煤矿最严重的灾害之一，往往会造成重大的人员伤亡和经济损失。为了进一步提高防控采空区复合灾害的能力，分析了采空区的漏风、瓦斯运移集聚和煤自燃火灾是发生煤自燃与瓦斯复合灾害的主要形成要素，指出了复合灾害具有耦合性、隐蔽性、不确定性、动态性、继发性和严重性的主要特征；提出了复合灾害防控技术体系，系统阐述了目前我国在煤自燃与瓦斯复合灾害动态演化特性、复合灾害辨识与预警技术、采空区绿色高效防灭火技术、复合灾害惰化抑爆技术和复合灾害应急处置技术等方面的最新研究成果及进展。但是，随着我国煤矿开采深度和强度的增大，开采环境发生剧烈变化，采空区复合灾害问题也日趋严重复杂，采空区煤自燃诱发瓦斯爆炸的重特大事故仍时有发生。针对采空区煤自燃与瓦斯复合灾害高效防控的迫切需求，通过分析最近发生的采空区煤自燃与瓦斯复合灾害事故，凝练出复合灾害耦合致灾风险的精准预判与评估、复合灾害信息的精准获取、封闭区域的合理选择、灾害区域的精准定位和智能定向处置是当前复合灾害高效防控面临的四大挑战，并提出了相应的研究方向和内容，为防范与遏制采空区煤自燃与瓦斯复合灾害事故、保障我国煤炭安全高效开采提供借鉴。

• 基于循环推进算法的采煤工作面围岩温度场数值模拟研究

  秦跃平, 郭铭彦, 唐飞, 刘强, 张冀昕, 侯浩楠, 赵微,

  随着浅部赋存煤炭资源的日益枯竭，深部开采已经成为煤炭资源开发的新常态。深部高温高湿的热环境将危害作业人员健康，增加机电设备故障率，极易引发井下安全事故。高温围岩作为采煤工作面的最主要热源之一，长期以来其散热量计算依赖于拟合经验式，缺乏科学合理的计算方法。基于傅里叶定律和能量守恒定律，建立了采煤工作面二维围岩温度场非稳态数学模型，运用有限体积法对模型进行了离散，提出了以坐标间断移动来模拟实际割煤进刀过程的循环推进新算法，显著提高了动态推进条件下高温采煤工作面围岩散热的计算精度。随后以单个节点为例详细介绍了循环推进算法流程，基于Visual Studio编程平台自主开发了数值解算程序，并结合工程背景开展了采煤工作面高温围岩温度场及散热规律的数值模拟研究与实测验证工作。结果表明：模拟结果与现场实测数据变化趋势基本一致，平均相对误差为6.15%；在连续循环割煤过程中，围岩温度场呈现周期性变化特征;在一个循环周期内，各区域围岩散热强度在进刀循环开始时达到峰值，随后不稳定换热系数开始快速下降，且下降趋势逐渐减缓；传统的拟合经验式忽略了割煤循环过程中围岩散热强度随时间的改变，高估了围岩散热能力；在热害严重的采煤工作面，通过适当减缓进刀速度或采用截深更浅的采煤机刀头可有效减少围岩散热。

• 复杂矿井通风网络快速等效简化算法

  贾进章, 尚文天, 刘剑, 邓立军,

  矿井通风网络等效简化技术是分析通风网络的有效工具。然而，随着矿井通风网络中分支数量的增加，通风网络的复杂性也在不断增加，传统的等效简化算法难以保持精度和计算速度。针对这些问题，提出一种复杂矿井通风网络的快速等效简化算法。该算法通过图论中的强连通块算法快速检测网络中的单向回路，并通过改进等效简化子网的判定公式，避免了对单向回路的错误等效简化；通过节点的出入度规律与分支的流出流入节点提出了局部串并联子网等效简化策略，从而实现对网络中不包含角联结构的串联和并联等效子网的快速等效简化；基于等效子网节点对出入分支的风量平衡规律，提出对网络中需进行深度搜索的节点对集合的优化策略，通过减少不必要的节点对深度搜索，来提高简化过程的精度和效率。首先通过具有100个分支与71个节点构成的矿井通风网络展示了所提算法的具体简化过程，验证了其有效性。然后通过对10个真实矿井通风网络的实证测试表明，所提的2种优化策略都提升了传统算法的性能，对于100～1001条分支的实际矿井通风网络，与传统算法相比，所提算法在增加等效简化完全性的同时，将以秒为单位的网络等效简化时间数量级自(10, 103)降低至(10−2, 1)。

• 裂隙煤岩组合结构渐近破坏行为及应力演化特征

  王凯, 张翔, 杜锋, 鞠杨, 李康楠, 孙加智, 王乙桥, 左晓欢,

  结构弱面对于岩(煤)体力学性能具有显著影响。在地质构造作用或开采活动的影响下，深部矿井中普遍存在含宏观裂隙的煤岩组合结构形式的围岩。因此，研究裂隙煤岩组合结构试样的力学性能对于深部井巷围岩控制以及煤岩动力灾害防治具有重要意义。研究对比分析了不同裂隙位置和裂隙角度对裂隙煤岩组合结构试样力学特性演变及渐近破坏特征的影响；进一步建立了裂隙煤岩组合结构的离散元模型，分析了裂隙位置与角度变化下的模型应力场演化、裂纹萌生扩展−特征应力值动态演变关系；最后，结合裂隙尖端应力场理论和界面约束效应理论，探讨了裂隙组合结构试样的力学机制。结果表明：裂隙主要作用于结构内的煤体，导致煤岩组合结构试样的强度和变形能力显著降低。试样的裂纹闭合应力、屈服应力、峰值应力、初始变形模量和弹性模量均随裂隙角度的增加而呈指数上升趋势。界面裂隙导致组合结构试样的损伤启动提前，屈服阶段的声发射计数在整个加载过程中占比较高。当裂隙角度靠近水平时，试样在达到峰值应力前裂纹扩展较快，累计损伤程度更大。不同试样的应变集中带均倾向于向煤体内传播，最终导致单材料或跨界面的宏观拉伸裂纹形成。研究还确定了力链场和应力场的特征区域分布，发现裂隙角度的变化会造成特征区域的偏转，其对界面约束效应产生显著影响。裂隙显著改变了常规煤岩组合结构中煤、岩体的极限强度分布。

• 煤中有害矿物质富集特性及其热工艺中迁移转化规律的研究进展

  唐跃刚, 张军营, 王绍清, 许德平, 陈博文, 胡耀锋, 袁东营, 丁华, 白向飞,

  低碳、零减排与提效是当今煤炭清洁利用的主题，煤中矿物质的结渣与污染性是制约洁净煤工艺的瓶颈。为揭示其瓶颈背后的科学问题，重新定义了有害矿物质，查阅大量国内外期刊、论著及标准文献，回顾了煤中矿物质及微量元素的研究现状，梳理有害矿物质类型、元素的赋存形式，介绍亲石元素及其矿物的结渣特性和亲硫亲铁元素及其矿物的污染性，提出了工业与环境有害元素及其矿物的分类，其有害性取决于元素及其矿物的赋存状态。分析了煤中矿物质赋存与富集分异特性，归纳了有害矿物质的成因类型，探讨了煤中矿物质热迁变的煤阶、矿物质结合方式、元素的地球化学亲和性、矿物质成分和反应温度、反应气氛、反应压力、灰中其他成分等地质与工艺影响因素，综述了煤中有害矿物质在气化、液化、热解炼焦以及燃烧过程中的迁移转化机制机理，揭示了气化、液化、热解和燃烧过程中微量元素的不同挥发程度。最后提出了目前存在的无定形矿物质、仪器精确定量、快速高温、碱性元素与硅元素相互作用、预测结渣出入、地质与工艺耦合和洁净度等主要科学、技术与工程问题，展望未来发展，应关注原煤非晶的类矿物和热熔融态无定形物的基础研究，关注同位素等示踪技术在热工艺的应用，建议大力发展洁净煤有害矿物质脱除与稀有元素提取的研发，促进洁净煤技术发展。

• 矿山地质层改性的理论架构、关键技术与工程应用

  王佟, 韩效忠, 吴兆剑, 赵欣, 曹安业, 张彪, 程彦, 李聪聪, 孙鹏杰, 王伟超, 宁建鸿,

  新时代煤炭工业高质量发展对煤炭地质勘查工作提出了新要求，以资源勘查为主的传统地质勘查理论与技术方法需进一步优化、创新与发展，以适应矿山绿色勘查、高效安全智能化开采及生态环境友好绿色开发的新需求。研究指出，矿山开发过程中的资源、安全和生态问题归根结底是地质问题，与岩层等地质层(体)的地质属性密切相关，通过人工措施实现地质属性的定向改造已成为地质勘查工作的又一新内容，可有效提升矿山地质保障能力。据此，从地质条件变化研究入手，提出矿山地质层改性的概念，从理论架构、研究内容、工程技术应用和发展方向等方面尝试建立矿山地质层改性理论和技术体系。地质层改性的科学内涵是在不改变地壳浅层空间系统稳定性的前提下实现区域局部或部分岩层地质属性的正向改良，科学问题是先天条件和采动影响下地质层(体)地质属性的制约机制，核心技术是基于地质属性差异的矿山地质层(体)的精细识别和精准改良技术，技术目标是实现地质层(体)由不利于开发的负向属性向符合预设条件的正向属性转化，以改良制约资源综合利用的不良资源地质属性，弱化采动引发的冲击地压、水害、瓦斯突出等有害安全地质属性，消减地表沉降、地形地貌破坏、水系断流、矿井水污染等失衡生态地质属性，为矿山资源综合利用、煤炭安全开发以及生态环境友好提供地质保障。矿山地质层改性理论将地壳浅层空间地质层(体)系统的观念贯穿整个改性过程，突出场效应和多场叠加制约下的地质属性及演变规律的重要性，强调基于自然优良属性的仿生改良和近似恢复重构等改性技术的系统性，从源头保障地壳浅层空间系统的整体稳定性，一体化推进资源、安全和生态地质属性的系统改性，为矿山绿色安全高效生产地质保障提供全新的理论和技术支撑。

• 煤系关键金属矿产研究：中美对比

  代世峰,

  关键金属矿产资源对经济发展和国防安全至关重要，从其勘探和开采到分离、提纯和应用全过程，均受到国际社会高度关注，并进入大国间地缘政治较量的核心议题，成为大国地缘政治博弈的重要战场。煤系关键金属矿产是煤地质学、矿床学、冶金学和选矿学等相关领域的研究前沿和热点问题，中国和美国是煤系关键金属研究最重要的2支力量。总结了目前中美两国在煤系关键金属成矿理论、勘探、提取和分离等方向的研究现状，对比分析了彼此的优势和短板。近10 a来，美国在煤系关键金属矿床的发现和分离提取领域取得了长足进展，而中国在煤系关键金属成矿理论、评价指标和标准建立方面取得了重要进展；前者得益于美国能源部统一部署(明确研发时间节点和核心研发技术)与大量资金投入，后者得益于中国的复杂成煤地质条件，使煤系中关键金属矿床种类多、关键金属的组合形式及空间赋存形式多。地缘政治竞争加剧了对关键金属矿产资源控制权的争夺，因此，实事求是地正确认识中美两国煤系关键金属矿产资源状况、研发现状及各自的优势和短板，对进一步发挥我国优势的关键金属矿产资源在大国地缘政治博弈中的作用，应对我国紧缺关键金属矿产稳定供应的严峻挑战以及减少对外部供应链的依赖具有重要作用。

• 煤层气压裂水平井生产动态分析及其渗透率协同演化机制

  郭建春, 张涛, 武玺, 赵志红, 李宗源, 曾杰,

  大规模压裂改变了煤层气低产、低效的开发现状，但煤层气压裂井生产动态不清晰、渗透率演化机制不明确，极大地限制了煤层气藏的高效开发。为此，考虑煤层吸附膨胀、裂缝压缩和非稳态蠕变条件下的总应变演化，结合立方定律建立渗透率模型，利用有限体积法(FVM)结合瞬态嵌入式离散裂缝模型(tEDFM)求解压力和渗透率场。依托嵌入式流量交换原理，建立吸附−游离多重采出计算框架，实现压后生产动态分析和产能计算。研究发现：煤层气压裂井生产动态包括初期高产、解吸上升、中期稳产、后期衰减和末期枯竭5个阶段。兰氏压力越大，吸附气上产越快，兰氏压力为2.6 MPa时，1 800 d后吸附气主导生产。兰氏体积增加至15 m3/t，解吸附贡献占比持续上升，吸附态甲烷在560 d后成为主要气源。水力裂缝越密集，泄压面积增大显著提升初期产能且衰减越晚。裂缝间距增大3倍，最高产气量减少48 %，裂缝半长增加50 m，初期产量增加近1倍。渗透率演化包括损失、恢复和增强3个阶段，裂缝压缩系数为0.03 MPa−1，800 d内损失率高达76 %。尽管裂缝闭合造成渗透率损失，当甲烷解吸并采出，膨胀应变减小，使得渗透率进入恢复阶段。压裂规模增大，渗透率恢复越快且程度更高，促进煤层气长效采出。当解吸附应变大于0.06，渗透率在生产后期可恢复并增强至初期的1.2倍。煤层黏弹性模量越低，蠕变造成的渗透率损伤越明显。

• 准南低质煤层气原位提质增量研究

  苏现波, 丁锐, 赵伟仲, 严德天, 李瑞明, 王一兵, 王海超, 黄胜海, 周艺璇, 王小明, 伏海蛟,

  煤层气作为一种非常规天然气，其开发利用契合国家能源安全目标，更是对碳中和的一种助力。准南是我国重要的煤层气资源富集区之一，也是目前中国煤层气开发的热点地区，但高产井数量不多，稳产困难，迫切需要一种能够增加单井控制范围内煤层气资源量的技术；同时高CO2和高H2S体积分数已经成为该区煤层气的普遍现象，迫切需要一种原位处置这2种有害气体的技术，煤层气生物工程为此类煤层气的“提质增量”提供一种潜在可行技术。现场的跟踪监测以及实验室物理模拟试验表明，CO2的体积分数与储层温度密切相关，产酸发酵细菌和产氢产乙酸菌能够在较为宽广的储层温度下保持活性而产生CO2；而相对较低的储层温度下氢营养型产甲烷菌代谢较弱、CO2很难被还原，这是该区CO2的主要成因。此外发现地下水中携带的有机质、\mathrmSO_4^2- 和原始菌群在运移过程中进行着代谢活动，随着排采的长期进行，当地下水补给速率、排采速率和产甲烷菌的代谢周期相匹配时，就会生成的H2S，被称为后生生物H2S。这2种酸性气体的存在，不仅影响安全生产，也大幅降低了煤层气的“质”。以准南低质煤层气为研究对象，提出了一种微生物介导的煤层气原位提质增量关键技术，并从必要性和可行性两方面阐述了该技术在煤层气增产、CO2原位微生物转化、H2S原位抑制方面的广阔前景。该技术的基本思路是将煤储层作为一个“车间”，微生物作为“劳动力”，将煤和原始储层中CO2作为“生产资料”，制造的“产品”为甲烷，对于CO2实现了生物甲烷化，对于H2S实现了原位抑制，对于煤层气实现了提质增量。该技术涉及的关键挑战包括高效菌群的培养(培育温度范围宽广的氢营养型产甲烷菌)、H2S原位抑制的生物压裂液研制以及提质增量的评价技术。物理模拟CO2微生物甲烷化实验表明随着储层温度的增加，CO2微生物累计甲烷化量逐渐增加，在55 ℃下达到最大值8.5 m3/t，参与该过程的糖酵解、丙酮酸代谢和TCA循环的关键酶的丰度在55 ℃下明显高于其他原位厌氧发酵系统，提高了CO2的转化效率与转化量；添加生物抑制剂的非CO2气氛厌氧发酵系统生物甲烷产量为4.5 m3/t，略高于对照组的4.38 m3/t；而气态H2S的体积分数比对照组减少了88.8%，且从第9天开始到产气结束一直为0，实现了H2S的原位抑制。

• 地面煤层气高强电爆震体积致裂技术及工程试验

  聂百胜, 包松, 柳先锋, 刘鹏, 张豪, 何珩溢, 李孜健, 周皓文, 贾雪祺, 何学秋,

  煤层气高效开发已成为清洁能源与瓦斯灾害防治的优选和战略发展目标，迫切需要创新煤储层改造理论和技术。为解决地面煤层气开发过程面临的储层吸附性强、渗透率低、运移通道易堵塞、水锁效应及水资源匮乏等一系列难题，本研究深入分析了地面煤层气井内高强电爆震体积致裂增渗理论，基于电爆震液相放电冲击波−应力波−震动波传播能量释放特征，建立了高精度能量调配顶底板及煤储层多点电爆震诱导体积致裂模型，提出了煤储层电爆震体积致裂强化煤层气抽采方法，形成了地面煤层气电爆震体积致裂技术及工艺。利用自主研制存储能量高达604.92 kJ且可调控的电爆震体积致裂增渗装备，开展不同电爆震能量循环致裂顶底板及煤层工程试验，在此期间采用地表微震监测系统实时表征储层缝网影响半径，并根据体积致裂效果和长期产气量考察初探电爆震体积致裂技术及装备的可靠性。结果表明：电爆震循环作用诱发裂隙或微孔隙的发育、扩展，形成了高裂缝密度的体积致裂效应；井近区微震信号幅值较大，随着距离增加逐渐减小，微震事件平面分布呈环状向四周扩散；电爆震能量和诱导次数增加导致煤储层缝网影响半径先增大后减小，电爆震水下激发能量361.97 kJ循环诱导形成的缝网影响半径高达200 m左右；重新排采期间平均产气量较衰竭期提高了0.80～1.53倍，验证了提出的电爆震体积致裂技术能够有效改善煤储层，促进煤层气解吸扩散和运移产出。研究成果对低渗透性松软煤储层缝网改造实现煤层气高效开发具有理论与工程指导意义。

• 矿井直流电法偶极–偶极超前探测装置模拟及其应用

  岳建华, 滕小振, 习丹阳, 张河瑞, 吴晓康, 鲁凯亮,

  煤矿井下直流电法超前探测是探查掘进工作面前方含导水构造的主要方法之一，现场实际应用时多采用基于球壳理论发展出来的三极超前探测装置，近年来许多学者对该装置的探测精度与分辨率产生了质疑，且该装置井下施工时需布置无穷远电极，进而造成施工效率低和成本高等问题。为提高直流电法超前探测精度和现场施工效率，提出了矿井直流电法偶极–偶极超前探测装置，通过理论研究、数值模拟和实测数据分析相结合的方式，对偶极–偶极装置的探测能力进行研究。首先，建立全空间地电模型对直流偶极子源的电场分布特征进行正演模拟，证明了该方法在直流电法超前探测中的可靠性与可行性。然后，通过设置均匀全空间地电模型和含不同形状低阻异常体的地电模型进行数值模拟，对比分析了单极–偶极与偶极–偶极装置的超前探测效果及对低阻异常体的响应特征。最后，通过现场试验，获得了掘进巷道工作面前方的电性响应特征，采用瞬变电磁超前探测方法进行对比分析，得到工作面前方5～45 m内有一处低阻异常，经钻探验证该异常属实。结果表明：采用矿井直流电法偶极–偶极超前探测装置可以有效地探查掘进工作面前方的低阻异常体，且该方法探测精度和施工效率高，节省了大量的人力和物力，具有理论意义和实际应用价值。

• 矿区复垦地接菌驱动植物–土壤系统中光合碳分配与稳定机制

  毕银丽, 张可, 肖礼, 王董董,

  接种丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF)与植被恢复联合已成为矿区沉陷地生态修复关键复垦技术，探究菌根修复多年后矿区植物光合碳在植物–土壤系统中的积累与分配现状及稳定机制，对于深入明晰矿区菌根复垦后植物–土壤碳固定流动过程、实现矿区固碳增汇具有重要意义。为此，在大柳塔菌根修复试验示范区紫穗槐样地的接菌区与对照区，设计原位13C同位素脉冲标记试验，结合碳同位素及代谢组学的方法，研究长期菌根复垦下矿区光合碳在植物–土壤系统中的分配及稳定策略。结果表明：叶片光合固碳后沿叶—茎—根—土的路径向下运移，长期菌根修复能增加光合碳在矿区植物–土壤系统中的积累量，标记接菌区平均光合碳富集总量是标记对照区的1.3倍；接菌提高光合碳向地下部(植物根系及土壤)的分配比例，标记接菌区地下部分配比例及平均富集量比标记对照区多13.4%，299.3%。光合碳13C进入土壤后，更多地以矿物结合态有机碳(MAOC)形式存在，其中光合碳13C在MAOC中的平均富集量标记接菌区比标记对照区多分配了246.8%，标记接菌区13C-MBC净富集量是标记对照区的4.5倍，维持了土壤碳库的稳定，同时菌根提高土壤有机碳转化的能力，有利于光合碳在土壤中的固存。结合代谢组学的结果发现，AMF菌丝网络通过调节脂质和类脂分子、有机杂环化合物、有机氧化物、苯丙烷和聚酮类等相关化合物的代谢，影响了酪氨酸代谢、糖解与糖代谢合成、氨基糖和核苷酸糖等碳代谢途径，最终实现土壤中光合碳13C的富集以及有机碳库的稳定。综上，微生物菌根复垦既可以促进土壤有机碳库积累，又可以调控有机碳库的转化与稳定，是矿区土壤实现固碳增汇的优选方法之一。

• 我国煤矿区矿井水水质空间分布特征及矿井水处理技术思路

  孙亚军, 郭娟, 徐智敏, 张莉, 陈歌, 熊小锋, 华景帆, 穆林杰, 吴文轩,

  矿井水是一种重要的非常规水资源，我国煤矿矿井涌水量巨大，不同类型矿井水的处理是国家与煤矿企业重点关注的科学问题。基于314座煤矿矿井水水化学数据调研与统计分析，阐明了矿井水水质空间分布特征及成因机制：矿井水水质主要以高TDS、高悬浮物、高硫酸盐、高Na+为主要特征，酸性矿井水和重金属主要集中于云贵等部分矿区；水质成因与煤矿区所处地域特征密切相关，如干旱与半干旱气候条件、充水地下含水层水质、煤层硫分含量、围岩岩性、微生物作用、岩浆活动等因素等，采矿活动对矿井水质形成及演化影响的权重较大。全国煤矿矿井水水化学类型以SO4−Na型、SO4−Ca·Mg型、SO4−Na·Ca型、HCO3−Na型和HCO3−Ca·Mg型为主。基于全国矿井水水质特征，阐述了现有矿井水地面处理技术与瓶颈，论述了现有井下矿井水处理工艺，并以“阻断、减量、保护”为主要污染防控思路，提出一种煤矿废弃采掘空间矿井水自然修复技术，通过过程减量，实现矿井水低成本井下处理与回用。然后，基于采空区位置选择、采空区储水空间计算、储水安全性评价、减量修复效果评价、减量过程水动力场−水化学场−微生物场演化特征和次生危害解决方案等问题构建了矿井水自然修复技术框架，并基于煤矿实例采空水水化学组分和微生物群落结构演化规律验证了矿井水修复技术的可行性，具有较高的推广应用价值。煤矿废弃采掘空间矿井水自然修复技术的构建能够降低矿井水处理成本，助力煤−水协调绿色开采，实现矿井水修复与资源化利用。

• 突水系数60年：面临困境及发展方向

  尹尚先, 姚辉, 梁满玉, 吴威, 连会青, 侯恩科, 赵鹏, 张义安, 王雄,

  自1964年突水系数诞生以来，60年里尽管历经多次改良变化，但其主体一直是我国预测和评价底板突水危险性的主要方法，在保障带压开采生产安全及推动带压开采理论发展方面发挥了重要作用。回顾了突水系数法的传承与发展历程，总结突水系数法发展历史，认为突水系数法演变主要围绕“有效隔水层厚度”这一概念展开，临界突水系数无法确定限制了其他版本突水系数法的应用。从充水水源、强度、通道、时间、水质5个维度阐释了浅部与深部水害特征及异同，指出了深部开采条件下突水系数法局限所在；总结改良版本，指明深部条件下突水系数法改良方向：围绕针对性不强、隔水层厚度影响、考虑因素单一等进行改良。剖析学科概念，回归突水危险性评价命题本身，危险性评价应回答突水的可能性及突水的危害程度两部分内容；梳理突水危险性影响因素，指出突水系数法缺陷：对地质构造、含水层富水性等重要影响因素考虑不全面。展望未来，探讨了突水系数法发展方向，包括与其他理论及方法形成组合模型、选用大数据评价方法。随着信息化技术的进步及煤矿智能化建设进程的稳步推进，深度学习、机器学习以及配套方法等将成为主流评价方法，特别是物理机制约束下的大数据评价方法是未来攻关热点。

• 西部典型煤矿区采动水文生态效应及修复途径

  王皓, 王强民, 董书宁, 王晓东, 葛光荣, 张溪彧, 曹书苗, 张全,

  西部干旱半干旱矿区已成为保障我国能源战略安全的重要煤炭生产基地，但大规模高强度煤炭开发诱发了一系列的水资源和生态环境问题，以水文视角解析生态问题，系统揭示煤炭开采引发的水文生态效应，并以水为基提出矿区受损水文生态的修复途径。研究结果表明：采煤塌陷地裂缝加速了降水入渗和蒸发过程，裂缝附近区域土壤含水率形成“漏斗区”；典型煤矿煤层开采导水裂隙带局部直接沟通松散含水层，地下水流场和资源量较采前发生较大变化，最大水位降深超14 m，平均水位降深超5 m，地下水负均衡差超2500×104 m3/a，地下水位下降导致河流径流量的衰减量逐渐增加，最大可达172×104 m3/a，在地下水位埋深小于5 m区域，地下水位下降大幅降低了植被的生态耗水量。针对水资源量短缺、生态水位降低、土壤保水性差、植被用水效率不高等现状，提出了针对性的受损水文生态修复技术途径：矿井水适度净化技术，该技术具有较宽的脱盐率区间，在面向生态的矿井水适度处理方面更具优势，处理后的矿井水可为水文生态修复提供合格水源；矿井水浅层回灌生态补水技术，研究区矿井涌水量较大、矿井水水质较好、第四系松散含水层储水空间可观，实施矿井水浅层回灌可抬升矿区不断下降的生态水位；矿区损伤土壤重构技术，在植被根系土壤层下衬垫隔水土层，可明显提升塌陷区土壤水分和植被耗水量；微生物修复技术，适宜的接菌处理可以扩大根系对土壤水分和养分的吸收范围和面积，调节与光合作用、糖代谢、谷胱甘肽代谢和Ca2+信号转导相关的基因的表达，提高植被的用水效能和抗旱性。文章研究成果为干旱半干旱矿区的水资源保护和生态环境修复提供科学依据和技术支撑。

• 煤、铁资源开发与南水入冀下百泉泉域岩溶地下水地球化学过程及水质评价

  董东林, 张陇强, 张恩雨, 傅培祺,

  南水入冀新水情下，百泉泉域地下水环境发生改变，岩溶地下水地球化学过程有待查明。综合利用数值模拟、机器学习(自组织聚类)和同位素(δD和δ18O)等方法系统揭示了矿业活动与南水入冀下百泉泉域岩溶地下水地球化学过程，并基于熵变权水质指数( Entropy-weighted water quality index， EWQI)进行了水质分级评价。南水入冀后，百泉泉域岩溶地下水位整体抬升。时间上，呈现出既有年际动态变化又有年内季节变化特征。空间上，补给区表现为剧变型，而径流、排泄区呈缓变型。地下水降落漏斗主要分布在泉域东南部的煤、铁矿密集区。泉域岩溶地下水呈弱碱性，水化学类型以Ca−HCO3型和Ca−SO4型为主导。主要阴阳离子质量浓度遵循ρ(\mathrmHCO_3^- ) > ρ(\mathrmSO_4^2- ) > ρ(Cl−)和ρ(Ca2+) > ρ(Mg2+) > ρ(Na+) > ρ(K+)的顺序。各离子沿着径流路径呈现出逐渐增大的空间分布特征。岩溶地下水化学成分主要受岩石(方解石、白云石和石膏)风化溶解和反向阳离子交换作用主导。人为活动对泉域岩溶地下水系统中的\mathrmSO_4^2- 和\mathrmNO_3^- 质量浓度有一定程度影响。岩溶地下水来源于大气降水，并且在入渗前发生了二次蒸发作用，氘盈余值在径流过程中有所降低。水质评价结果表明，岩溶地下水质量整体优于第四系地下水，分别有50%的岩溶水和37.5%的第四系水样满足饮用目的。TDS、ρ(\mathrmSO_4^2- )和ρ(\mathrmNO_3^- )是影响泉域地下水水质的关键指标。引起泉域岩溶地下水系统水质恶化的潜在人类活动主要包括矿山排水、农业灌溉和城市污水排放。通过水质分级评价，提出了泉域地下水环境保护措施。研究结果将有助于为百泉泉域岩溶地下水资源的供水安全和地下水环境保护治理提供参考。

• 基于运动姿态感知的综放支架主动控顶空间研究

  曾庆良, 雷小万, 孟昭胜, 万丽荣, 班新亮, 胡雨龙,

  综放支架是综放采场关键支护与主动放煤装置，其主动触支顶煤行为可有效引导顶煤智能有序破碎。为开展支架主动扰控顶煤理论及相关研究，明确综放支架对顶煤的主动触支工作空间，提出一种综放支架各部件相对空间姿态及绝对空间位姿动态感知方法，以期提升综放支架对顶煤碎放过程可控性。首先，借助Denavit-Hartenberg (D-H)方法建立了综放支架空间姿态数学模型，分析得到支架顶梁和放煤机构在各关节节点坐标系与本体坐标系下坐标，明确了综放支架各关键部件之间的相对姿态及运动耦合关系；在此基础上建立了综放工作面全局感知模型并求解得到了支架的绝对空间位姿数据，获得了工作面顶板、底板倾角对综放支架空间支护姿态影响。其次，提出并计算了综放支架顶梁触支空间和放煤机构支护空间分布模型，获得了综放支架对顶煤的主动调控范围，同时使用初值优选的Levenberg-Marquardt (L-M)优化算法探究支架主动触顶姿态的调控方法与立柱的有效驱动行程。最后，搭建了支架姿态数据采集系统，依托山东省菏泽市赵楼煤矿7303综放工作面获取了支架运动过程中真实空间姿态参数数据，对比理论解算数据与传感器实测数据，验证了该空间位姿测量方法的可行性与准确性。结果表明，使用该方法解算的顶梁姿态与传感器测量结果重合率达98.26%，为进一步提高支架的空间位姿感知技术提供了研究思路。

• 论“掘进就是掘模型”的学术思想

  马宏伟, 孙思雅, 王川伟, 毛清华, 薛旭升, 刘鹏, 田海波, 王鹏, 张烨, 聂珍, 马柯翔, 郭逸风, 张恒, 王赛赛, 李烺, 苏浩, 崔闻达, 成佳帅, 喻祖坤,

  为了实现煤矿巷道安全、高效、智能掘进，提出了“掘进就是掘模型”的学术思想，给出了“掘进就是掘模型”学术思想的内涵和体系架构，凝练了“掘进就是掘模型”的关键技术问题，即融合多源信息的多元巷道模型构建技术、基于巷道模型的智能截割技术、基于巷道模型的智能临时支护技术、基于巷道模型的智能永久支护技术、基于巷道模型的智能导航技术和基于巷道模型的机群智能并行协同控制技术。针对巷道模型构建问题，提出融合地质勘探、巷道设计、超前探测等多源数据的巷道模型构建方法，为掘进系统各子系统模型构建提供统一基准；针对基于巷道模型的智能截割问题，建立了待掘巷道模型与截割子系统模型的耦合子模型，提出了智能截割轨迹规划以及截割参数优化方法，制定了巷道智能截割策略，实现了截割子系统自适应规划截割；针对基于巷道模型的智能临时支护问题，建立了截割巷道模型与临时支护子系统耦合的临时支护子模型，提出了临时支护位姿与支护力自适应调整方法，实现了临时支护子系统安全可靠作业，提高了围岩的稳定性，为掘锚并行协同作业奠定了时空基础；针对基于巷道模型的永久支护问题，建立了临时支护巷道模型与永久支护子系统耦合的永久支护子模型，提出了受限时空下永久支护子系统内部各钻锚设备的协同控制方法，实现了永久支护子系统的高效协同控制；针对基于巷道模型的智能导航问题，建立了巷道模型与导航子系统耦合的导航子模型，提出了“惯导+全站仪”的智能掘进系统精确导航方法，提高了巷道掘进精度和成型质量；针对基于巷道模型的机群智能并行协同控制问题，建立了巷道模型与机群协同控制子系统耦合的并行协同控制子模型，制定了多机并行协同控制策略，提出了多任务多系统智能掘进系统协同控制方法，实现了智能掘进系统安全高效掘进。基于“掘进就是掘模型”的学术思想，研发了护盾式煤矿巷道掘进机器人系统，成功应用于陕煤化集团陕西小保当矿业有限公司，破解了夹矸厚、硬度大、片帮严重等复杂地质条件煤矿巷道掘进难题，有效提高了巷道掘进的安全性、高效性和智能化水平。

• 液压支架大功率供液系统的现状与智能化发展趋势

  赵继云, 曹超, 王浩, 泮延召, 黄笛, 韩静, 苗运江,

  煤矿井下采煤工作面供液系统为液压支架提供高压大流量液压动力，其性能和可靠性是综采成套装备安全智能高效工作的关键。为进一步保障采煤工作面支护安全，保证液压支架跟机速度，总结供液系统发展现状、提炼智能供液关键技术需求和发展方向是实现大功率供液系统性能跃升的首要环节。以当前液压支架供液系统大功率化、智能化发展为背景，系统地归纳分析了液压支架大功率供液系统的构型和工作原理，论述并比较了多种泵控和阀控构型的稳压控制方法；着眼于大功率供液系统压力和流量连续控制需求，分析对比了相关研究中高压大流量高水基比例卸载阀和比例流量阀的先导驱动、结构原理、工作参数等方面的特点，指出了高压大流量高水基连续控制阀研发的重点难点；针对支撑按需供液精准控制的长管路动力传递环节建模和稳压控制方法，论述了液压支架长管路非恒定流动力学建模方法的现实意义，总结比较了面向液压支架周期复合动作的强时变供液系统稳压控制策略和方法；围绕系统安全可靠性保障需求，综述了包含监测和诊断的供液系统智能运维技术研究现状。聚焦综采工作面可靠高效应用需求和高水基液压系统智能化技术前沿，分析了限制供液系统控制性能突破的理论瓶颈，全面地总结了目前大功率供液系统关键技术研发的不足；论述了从元件和系统层面提升控制性能及其可靠性以支撑大功率液压支架供液系统智能化发展的必要性，并提出了液压支架供液系统的未来技术发展方向。

• 煤矿设备全寿命周期健康管理与智能维护研究综述

  曹现刚, 段雍, 王国法, 赵江滨, 任怀伟, 赵福媛, 杨鑫, 张鑫媛, 樊红卫, 薛旭升, 李曼,

  近年来，随着煤矿智能化技术快速发展，煤矿设备全寿命周期健康管理与智能维护技术作为实现煤矿设备运行健康状态智能感知、智能识别和维护决策，保障煤矿设备高效可靠运行的重要手段，相关研究受到了广泛关注。然而，目前煤矿仍然以事后维修、预防维修等方式为主，难以满足煤矿设备的高可靠性需求。基于此，综述了煤矿设备全寿命周期健康管理与智能维护的研究进展以推动其在煤矿的应用，阐释了煤矿设备全寿命周期的健康管理与智能维护内涵，给出了煤矿设备健康管理与智能维护总框架。从煤矿设备大数据管理方法、健康状态评估方法、剩余使用寿命预测方法、智能维护决策方法4个方面分析了煤矿设备健康管理与智能维护方法研究现状。在煤矿设备大数据管理方面，总结了煤矿设备多源信息感知、大数据清洗、大数据集成及存储方法的最新研究成果，深入分析对比了相关方法的应用情况，指出了现阶段煤矿设备大数据管理存在的挑战。在煤矿设备健康状态评估方面，从煤矿设备监测信号特征提取、健康状态等级划分、健康状态评估模型构建3个方面出发探讨了煤矿设备健康状态评估关键方法最新发展现状，对比分析了不同方法的优缺点，总结了该领域面临的难题。在煤矿设备剩余使用寿命预测方面，分析了统计模型方法、物理模型方法和数据驱动方法在煤矿设备剩余使用寿命预测上的优缺点，指出了煤矿设备剩余使用寿命方法存在的问题。在煤矿设备智能维护决策方面，明确了煤矿设备预测性维护决策主要步骤，对比分析了煤矿设备智能维护方法最新研究成果及其优缺点，归纳了现阶段煤矿设备智能维护方法研究的不足。结合煤矿设备全寿命周期健康管理与智能维护面临的挑战及发展要求，从煤矿设备大数据管理方法、时变工况下设备健康评估方法、多因素影响下设备剩余使用寿命方法、煤矿设备多目标智能维护决策方法、健康管理与智能维护算法集成及系统开发等方面对煤矿设备健康管理与智能维护提出了展望，指明了煤矿设备健康管理与智能维护关键理论、方法的研究方向，为提升煤矿设备健康管理及智能维护水平，促进煤炭工业转型升级和高质量发展提供依据。