煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第2期

• 基于Boltzmann时间函数的地表任意点沉陷动态预计

  徐良骥, 孙志豪, 刘潇鹏, 张坤, 曹宗友,

  煤炭资源的地下开采会造成地表沉陷，对地表生态环境及建(构)筑物的安全使用造成一定威胁，在采前获知开采过程中的地表沉陷动态预计值，是进行开采沉陷区生态环境动态修复设计的重要基础，是该领域亟待解决的问题之一。为实现煤炭地下开采导致地表沉陷动态过程的准确预计，根据地表沉陷动态规律总结出理想时间函数模型的形态，据此引入Boltzmann时间函数模型，从下沉量、下沉速度、下沉加速度3个方面对该模型进行分析，发现其能够满足地表沉陷动态趋势；探究该时间函数模型各参数对模型图像的影响，确定其物理意义并分别定义为最终下沉量A、最大下沉速度出现时间t0、下沉急缓程度系数B，从而构建基于Boltzmann时间函数的动态预计模型参数体系；通过对单点实测下沉量进行拟合发现该模型拟合精度较传统动态预计模型更高，拟合优度R2达到0.998 8；对矿区地表监测点实测下沉量进行参数反演，根据反演结果建立了沉陷盆地内任意点动态预计参数与地表最大下沉量、回采速度及覆岩岩性系数的相关关系，给出了该模型各动态预计参数在地表任意点的计算方法，并利用收集的6个工作面数据验证其精度可靠；构建了融合Boltzmann时间函数与概率积分法的地表沉陷动态预计模型，可实现对沉陷盆地内任意点任意时间的地表沉陷预计；运用该预计模型求得多时期下沉量并对其进行精度验证，结果显示开采过程中的动态预计相对误差保持在6.0%以内，相对误差最小值为2.7%。

• 基于深度学习的井筒变形预测模型与应用

  刘辉, 李国强, 朱晓峻, 张鹏飞, 程桦, 王金正, 李培帅,

  近年来我国东部矿区发生了多起立井井筒倾斜变形及破损灾害，严重影响了矿井安全与生产。针对厚含水松散层深立井倾斜破损灾害，以鲁南某矿深立井井筒(800 m)为研究对象，开展了井筒倾斜变形监测，研究了井筒倾斜时空变化特征，分析了井筒倾斜主要影响因素；在此基础上，基于深度学习理论，综合采用循环神经网络(RNN)、长短期记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)、一维卷积神经网络(1DCNN)四种经典深度学习方法，构建了井筒倾斜变形预测模型，并将预测结果与实测值进行对比，分析了井筒变形预测模型精度，研究了井筒整体和关键区域预测效果，验证了模型可靠性，并开展了工程应用。研究表明：① 井筒倾斜主要发生在松散层，倾斜值由浅到深线性减小、并偏向采空区一侧，最大为352 mm，基岩层变形较小，最大为88 mm；开采引起厚松散层变形传播范围增大、底部含水层沿井壁渗流疏水及地下水渗流场的变化是导致井筒倾斜变形的主要原因。② 模型与实测值Spearman相关系数最大为0.978，最小为0.867，4种模型与现场实测偏移量的最大差值为0.043 m，平均绝对误差EMA 在0.003～0.009 m内，均方根误差ERMS 在0.004～0.011 m内，整体预测效果以1 DCNN模型最优，主要倾斜方向(偏向采空区一侧的东西方向)预测精度略低于变形量较小的方向(南北方向)，且均能够满足工程需要。③ 井筒整体预测曲线与实际倾斜方向一致，井口、松散层基岩交界面EMA与ERMS 平均值均为0.005 m、0.006 m，井底精度略低，其对应值为0.012、0.013 m，井筒特征区域与整体预测效果均表现良好，表明基于深度学习的井筒变形预测模型具有良好的预测能力，研究成果在井筒注浆修复治理工程中得到了有效应用，为井筒安全管理提供了技术参考和数据支撑，为类似工程提供了工程实践经验。

• 西部生态脆弱矿区采动水资源与生态环境效应

  姚强岭, 于利强, 陈胜焱, 李英虎, 李学华,

  西部生态脆弱矿区是我国重要的煤炭生产基地，当前煤炭开采规模与强度已远超其环境承载能力，极有可能造成生态环境的不可逆破坏。后煤炭开采阶段地表生态修复将是该区域面临的最突出的环境问题，而水资源在此过程中起基础配置作用，“水–环”矛盾突出。煤矿采动水资源是指因采矿活动而转移、汇集并有效储存的水资源，为人造含水层，从区域水循环的角度来看其对地表生态修复具有举足轻重的作用。在总结已有研究成果的基础上，提出了采动水资源总量及采动空间存储量的计算方法，阐述了其与覆岩结构、水文地质、煤层开采及储水空间稳定性等影响因素之间的关系，建立了包含3个方面15种参数的采动水资源潜力评价体系；分析了区域水循环模式及采动影响下的生态损伤过程，探讨了维持生态平衡所需采动水资源总量的计算方法，定义了区域最佳、合理及最低生态需水量的概念，提出了地表生态环境修复效果评价指标，构建了基于煤炭开采全周期的矿井规划设计思路及技术体系；以西部生态脆弱矿区某矿为例，阐述了区域水循环下的水量平衡/超平衡状态，评估和预测了地表生态修复效果。研究表明：即使在枯水年，当前采动水资源总量亦能为地表生态环境提供可靠、足够的水资源，生态修复等级为Ⅱ级。平年和丰年则可以在Ⅰ级水平下修复1.53～2.26倍采空区面积的地表生态环境，同时可以维持更大区域的生态系统功能完整性，比例系数在丰年最高达9.03。采动水资源总量随煤炭开采面积增大而逐级增加，在满足区域生态用水需求的前提下，将其作为战略储备资源长期储存并适时用于国防、民生、工业等方面是下一步重点研究的方向。水是区域生态环境要素改变过程中最关键的影响因素，采动水资源的保护与利用对煤炭安全高效开采与生态环境修复均具有重要的战略价值。

• 结构瞬变激励下覆岩应变能场和重力势能场的演变机理

  罗生虎, 高佳波, 闫壮壮, 伍永平, 解盘石, 韩刚, 王红伟, 田程阳, 王同, 孙明明,

  揭示覆岩能量场的聚集与释放机理，是煤岩动力灾害防治的理论基础。采用模拟试验、数值计算和理论分析相结合的方法，通过构建坚硬岩层破断前、后2个稳态时的力学模型，对比分析了结构瞬变前、后采场煤岩受载的阶变特征，研究了结构瞬变激励下覆岩应变能和重力势能聚集与释放的演变机理。结果表明：受自重应力场和采动卸荷效应影响，采动影响范围内的各岩层相互作用、相互制约，存在紧密且复杂的力学联系。坚硬岩层破断诱发的结构瞬变，打破了岩层间原有旧秩序的平衡，导致岩层间的力学联系发生瞬变，覆岩载荷传递路径亦发生瞬变，覆岩的应变能场和重力势能场随之改变。并且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，造成不同区域覆岩能量的演变特征存在差异。这其中，下位坚硬岩层破断后，破裂面内力的瞬时卸载和覆岩载荷传递路径瞬变形成的瞬时加载，使其邻近采空区的部分区域瞬时向上回弹、释放应变能，回弹区以里的部分区域瞬时下沉、释放重力势能。与此同时，结构瞬变区域支撑载荷的瞬时卸载，使上位坚硬岩层瞬时下沉、变形量骤增，重力势能释放而应变能聚集。本质上，结构瞬变激励下采场煤岩的动力学响应过程，是采场煤岩原有时空结构被打破后向新时空结构演化的动力学过程，存在应变能、重力势能和动能的相互转换，并伴随有应变能和重力势能的聚集与释放。且整体而言，覆岩应变能的释放区域较小，主要集中在瞬时卸载区，其余区域瞬时增大；而重力势能的释放范围较大，仅在下位坚硬岩层的回弹区域略有增大。

• 基于能量传导机制的覆岩裂断损伤主控因素及表征

  张村, 樊柏强, 任赵鹏, 马健起, 赵毅鑫, 李全生, 赵勇强,

  采场上覆岩层的运移和裂断是影响工作面矿压显现的重要因素。从能量角度对覆岩损伤及破坏特征进行研究，能够更好地了解采动影响下覆岩运移与破坏的行为规律和潜在风险，为采场合理的开采参数设计提供有效的指导。以陕西神府矿区青龙寺煤矿为研究背景，通过能量耗散理论从二维平面及三维空间的角度对覆岩裂断损伤的峰后变形破坏特征进行研究。创新性地提出了煤层开挖赋予上覆岩层势能的总能量计算方法。在此基础上，采用数值模拟和理论分析相结合的方法，建立了基于能量传导机制的覆岩损伤程度表征体系。基于能量平衡和有限差分理论，推导了岩石耗散能有限差分方程式，采用FISH语言将其写入FLAC3D应变软化模型，补充了软件能量计算模块，弥补了常规采用塑性区定性表征工程岩体开挖导致的破坏程度及类型的不足。通过定义损伤度指标量化表征了指标参数尺度效应的能量耗散程度，并结合青龙寺煤矿工作面地质条件模拟分析了工作面长度和推进速度对覆岩损伤程度的影响。覆岩损伤度随工作面长度、工作面推进速度的增加分别呈“S”型增长和减小。最终确定工作面长度应小于303.26 m，推进速度应控制在10.13～18.00 m/d并匀速推进。若工作面参数超过上述范围，开采损伤将会引起上覆岩层中主要控制层的破坏，进而导致损伤比大幅度增加。最后，结合青龙寺煤矿5-20108工作面推进速度与其工作面来压步距的相关关系，发现工作面推进速度的增加使得来压步距增长，矿压显现强度增强，整体覆岩损伤程度降低，进而验证了基于能量传导模型表征体系的可行性。

• 深埋特厚煤层坚硬顶板多维分段水力压裂控冲减损技术

  谭毅, 王宇, 何满潮, 李辉, 郭文兵, 李林猫, 刘伟东, 张少普,

  水力压裂技术是煤矿顶板弱化及冲击地压防治的有效方法之一。以陕西某煤矿2305特厚煤层综放工作面为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场试验以及工程监测等手段对坚硬顶板区域弱化控制技术进行研究。基于“塑性绞线”理论构建基本顶“薄板结构”力学模型，提出了结合煤层采出过程中坚硬顶板初次破断临界状态积蓄的弯曲应变能及微震事件分布与响应特征确定水力压裂目标层位的方法，根据此方法确定2305工作面压裂目标层位为14.50 m厚粗砂岩；构建流固耦合模式下应变软化数值计算模型，在目标层位设计有无定向分段水力压裂数值模拟对比试验，并引入强度–应力比参数对顶板局部稳定性进行分析。结果表明：定向长钻水力压裂有效破坏了基本顶的整体性并缩短了基本顶来压步距，初次来压步距降低了25.81%，周期来压步距降低了24.64%，减小了因顶板悬空面积过大而形成巨大动载及诱发冲击地压的可能性；根据2305工作面地质条件，设计定向长钻+常规浅孔的多维分段水力压裂施工方案，20号、21号、22号定向长钻孔压裂过程中分别出现30、35、23次3 MPa以上压降现象，定向分段水力压裂使顶板的整体性得到破坏，常规浅孔压裂过程中不同裂隙的拓展形式在压裂曲线上表现出双阶段稳定型及多阶段发育型的不同阶段性特征，顶板以及顶煤压裂效果显著；联合多种监测手段对2305工作面围岩活动进行监测，多维分段水力压裂技术的实施破坏了坚硬顶板的完整性，与未实施水力压裂的2303工作面相比，初次来压步距与周期来压步距分别降低24、12 m，降幅分别达33.33%、32.19%，有效减小了采面支架工作阻力，降低了大能量微震事件发生的可能性，为井下安全生产提供了保障。

• 煤矿软岩泥化巷道梯级强化控制原理与技术

  李桂臣, 郝浩然, 孙元田, 李菁华, 杨森, 邵泽宇, 沃小芳,

  煤系沉积岩层普遍泥性显著、富水性强、岩性软弱，软岩泥化巷道围岩稳定控制难题日益突显。以淮北矿区典型软岩泥化巷道为工程背景，根据工程地质条件调研与实测，分析了黏土矿物成分与宏细观破坏特征，明确了富水环境和应力环境是诱发泥质巷道变形破坏的重要因素，围岩泥化失稳体现为泥质岩体水化作用、锚固结构承载失效、围岩泥态垮冒渐进破坏模式，实现应力–渗水耦合作用下巷道围岩承载结构稳定控制起到决定性作用；在此基础上提出了软岩泥化巷道梯级强化控制原理，即在保障“支护–围岩”相互作用关系中高预紧力、高刚度、高强度锚杆(索)支护承载闭环结构的前提下，根据泥岩水化程度判断工程失稳控制方法，形成了锚注一体泥质围岩性质改良、旋喷注浆浅表桩群结构强化、逐层锚喷泥化岩体强力置换3项重要技术路径；于芦岭煤矿西轨大巷应用了自主研发的矿用新型多钢绞线组合中空注浆锚索束进行底鼓治理，首次在涡北煤矿8204机巷开展了井下高压旋喷注浆工程实践，采用了人工构筑岩体强力置换泥态围岩的方式解决了朱仙庄矿Ⅱ水平第二皮带大巷泥化围岩失稳难题，巷道围岩变形量、支护围岩成型情况与钻孔窥视结果表明，研究成果较好地解决了软岩泥化巷道控制问题，多层次强化了泥质巷道围岩承载能力，保障了围岩长期安全稳定，为软岩泥化巷道围岩控制提供了有效的科学控制理念与技术支撑。

• 考虑轴向应力作用的巷道偏应力分布与破坏特征关系

  刘洪涛, 韩子俊, 陈子晗, 郭林峰, 梁嘉璐, 韩洲, 刘勤裕, 姬越,

  通过理论分析建立了考虑巷道轴向应力影响的全平面应变问题三维模型，推导了三维应力场下巷道围岩第二不变偏应力J2隐式解析解，分析了巷道围岩在弹性状态和塑性状态时不同水平侧压和轴向侧压应力环境下的J2分布大小及形态演化规律。基于Kastner求解法得出了三维应力场下的巷道围岩塑性区边界隐式解，并运用数学与数值分析方法研究了不同应力条件下巷道围岩塑性区分布特征。建立了第二不变偏应力J2与围岩塑性区形态的相互对应关系，揭示了巷道围岩的变形破坏机制。以寸草塔二矿31205工作面回风巷为工程背景，对叠加采动作用下的巷道围岩J2及塑性区分布特征展开研究，量化了非对称变形破坏特征，寻求了支护阻力与J2的相互作用关系，提出了叠加采动巷道的稳定性控制技术。研究结果表明：固定轴向侧压值变化水平侧压值的情况下，J2和塑性区形态分布特征呈现“圆形–类椭圆形–类蝶形”的演化过程。固定水平侧压值变化轴向侧压值的情况下，J2和塑性区形态保持不变。轴向应力的改变对塑性区形态的影响较小，但会对塑性区尺寸产生较大影响。巷道围岩J2的集中程度越大，围岩的变形破坏程度越大，J2的分布形态一定程度上决定了塑性区的破坏形态。31205回风巷在叠加采动影响下处于高偏应力J2环境，且形成了向采空区一侧旋转的应力分布特征，致使巷道形成非对称大变形破坏。支护阻力的提高对巷道围岩的偏应力J2的降低作用有限，仅依靠锚杆(索)无法完全对巷道围岩进行稳定控制。基于上述研究，提出了超前强力支架+锚杆(索)支护系统的组合控制技术，现场应用效果良好。

• 急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击危险时序及等级智能预测

  崔峰, 宗程, 来兴平, 何仕凤, 张随林, 贾冲,

  实现煤矿冲击地压智能预警对于保障矿井安全作业具有重要意义。以新疆某矿急倾斜巨厚煤层的掘进巷道冲击地压发生时序智能分级预测作为背景，分析了急倾斜巨厚煤层巷道掘进期间各微震信息指标的时空演化规律，利用遗传算法(Genetic Algorithm，GA)优化的随机森林(Random Forest，RF)对预测冲击发展趋势性能较高的多项指标进行了优选，基于相空间重构技术(Phase Space Reconstruction，PSR)将数据映射至高维空间进行重构，结合长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory，LSTM)训练学习高维度数据特征，构建了基于深度学习与多元混沌时序的急倾斜巨厚煤层冲击地压预测模型(PSR-LSTM)，依据现场实际对模型的预测性能进行了评价。结果表明：急倾斜巨厚煤层巷道掘进下各微震信息指标对冲击预警的敏感性较强，彼此之间具有显著的相关性；优选出了预测冲击发展趋势性能较高的6项微震信息指标；多项指标的时间序列具有混沌特性，经过相空间重构后再进行LSTM学习训练，可有效增强模型的数据利用率与预测精度，所构建的PSR-LSTM模型在指定预测时长为1 d的情况下，预测准确率可达0.913 5、F1值可达0.911 6，均优于未经重构的LSTM模型。模型较好地预测了急倾斜巨厚煤层掘进巷道发生冲击危险的时序趋势及危险等级，研究方法可为急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击地压发生的智能预测预警提供借鉴与参考。

• 泥质软岩锚固孔钻渣泥化黏附特征及影响因素

  付孟雄, 黄帅帅, 刘少伟, 贺德印, 贾后省, 姚丙傲, 席晓龙,

  锚固孔钻进是煤矿巷道围岩锚固控制的必经环节，成孔质量直接影响锚固施工效率以及锚固剂与围岩界面的锚固黏结作用。泥质软岩锚固孔钻进时存在抱钻、卡钻现象，钻渣遇水泥化难以排出是制约其快速高质量成孔的瓶颈。因此，利用理论分析及实验室试验方法，对含高岭石泥质软岩锚固孔钻渣泥化黏附机理及影响因素展开了研究。结果表明：高岭石晶层表面电负性较强的氧原子会吸附水分子中的氢原子形成氢键，并不断吸水扩层，最终形成多层水分子的“水膜”。钻渣表面高岭石黏粒对水的吸附作用，使钻渣同样被“水膜”包覆，同时随着非泥质矿物的不断溶解以及钻渣颗粒的吸水膨胀，钻渣颗粒间距缩小，极易被彼此“水膜”间范德华力捕获，使彼此聚集形成黏聚体。钻渣自身“水膜”与钻头表面产生的静电力以及与钻头表面“水膜”形成整体结构的界面张力作用是造成钻渣黏附的主要原因，其中静电力在钻渣泥化黏附过程中发挥了重要作用。钻渣泥化程度随钻渣粒径、液渣比、钻具搅拌转速及时长、K+离子浓度的增加而降低，酸性溶液也会对钻渣泥化产生抑制作用。试验范围内各因素对钻渣泥化抑制的显著程度按照由大到小的顺序依次为：液渣比、钻渣粒径、搅拌时长、搅拌转速、pH及K+离子浓度。提出了钻渣泥化抑制对策，调整钻头结构，提高进液压力，增加钻具成孔转速，调整钻进液组分，可削弱泥质钻渣与水的泥化反应程度，降低其对钻具的黏附作用。研究成果可为提高泥质软岩锚固孔成孔质量、成孔效率及锚固支护效果提供一定理论参考。

• 侧向约束下加载系统刚度对砂岩非稳定破坏模式与能量演化的影响

  赵光明, 吴旭坤, 许文松, 刘之喜, 刘崇岩, 张启航, 周俊,

  为探究加载系统刚度对岩石破坏模式及能量演化规律的影响，利用自主研发的刚性与变刚度试验系统开展双轴压缩试验，分析侧向约束作用下加载系统刚度对岩石峰后非稳态破坏及能量释放规律的作用机制。结果表明：从能量耗散与释放角度来分析岩样与试验机系统之间的相互作用，揭示了加载系统刚度下岩石破坏过程中能量耗散与释放的关系，并将其划分为稳定破坏(Wd > Wu +We)、临界状态(Wd =Wu +We)及不稳定破裂(Wd < Wu +We)3种模式；在低刚度条件下，岩样的应力应变曲线表现出显著的应力跌落与起伏，呈现局部非稳态破坏，而在高刚度条件下，岩样的峰后应力缓慢下降，曲线呈台阶状并存在残余阶段；随着加载系统刚度的增大，岩样的最大应变能释放量和最大耗散能均呈非线性减少，而侧向约束力的增加则导致最大应变能释放量和最大耗散能的非线性增加；侧向约束的施加增强了刚度回弹效应，改变了岩石破裂时的能量释放模式，在峰后前期(∆Wpe > ∆Wpd)，能量释放较为迅速，峰后中期(∆Wpe < ∆Wpd)，能量主要以耗散为主，峰后后期(∆Wpe ≈∆Wpd)，能量释放和耗散进入稳定阶段。研究结果为理解加载系统刚度对岩石峰后破坏机制及动力灾害防治提供了理论基础，并提出通过侧向约束力、分阶段能量控制和降低岩体储能能力等措施，以改善能量释放模式，增强能量耗散，提升巷道围岩稳定性。

• 沉陷区大直径天然气管道受力变形全尺寸试验研究

  王文, 洪磊, 任建东, 芦晓伟, 龚爽, 郭润生, 董淼,

  为研究煤与天然气重叠区域内开采沉陷作用下埋地天然气管道的力学特征及变形演化模式，研制均匀载荷下大直径天然气管道受力变形试验装置，结合管道变形理论和数值模拟软件研究了采动沉陷对埋地管道变形的影响。同时，基于全尺寸力学特征试验探究了载荷作用下大直径管道的受力变形特征并做出了安全运维分析。结果表明：随着管道下沉量的逐渐增大，管道两端的下沉量相较于管道中心较小；管道的变形于管道中心大致呈左右对称分布；管道中心相对位移量小于管道两端的相对位移量。在自重和载荷作用下，管道顶部和底部分别受压力和拉力作用，压缩和拉伸变形量从管道两端向管道中心逐渐增大，最大压缩和拉伸变形位置均位于管道中心。随着施加载荷的不断增大,管道的整体变形形态呈现出从平底状到漏斗状的演化过程。在自重作用下管道最大沉降量为45 cm，达到管道最大允许沉降量的35%，在载荷作用下管道的最大下沉量为63.6 cm，达到管道最大允许沉降量的50%。根据管道的拉伸应变和最大允许弹性极限变形量估算了管道的安全临界值。结合管土协同和非协同变形数据，计算拉伸分别为31 mm和90 mm，从管道整体失效判据角度分析，管道处于安全变形范围内，能够满足管道安全运维需求。

• 采动影响下坚硬岩桥型断层活化与储能演变规律

  吕进国, 韩文鹤, 张学朋, 彭意胜, 潘一山, 代连朋,

  断层阻滑结构的存在会改变断层能量积聚与滑移行为规律，导致断层活化失稳机理与以往存在较大差异。为研究采动影响下坚硬岩桥型断层活化及储能的演化规律，理论分析了含坚硬岩桥型阻滑结构的断层活化条件；采用物理模拟试验方法，研究了开采扰动下含坚硬岩桥断层的滑移规律，分析了含坚硬岩桥与无阻滑结构的断层活化差异特征，研究了工作面回采过程中含坚硬岩桥与无阻滑结构的断层带正、剪应力变化特征；采用数值模拟方法，研究了临近断层开采过程中含坚硬岩桥与无阻滑结构的断层带应力分布与能量积聚规律。研究结果表明：开采扰动下含坚硬岩桥的断层呈现了更强的非均匀性滑移，但断层的滑移量明显减小，活化程度降低，坚硬岩桥可增加断层的稳定性，其稳定性的提高主要体现在断层面黏聚力的增加；靠近工作面的坚硬岩桥应力集中程度最高，最易发生剪切破坏，但在一定程度上坚硬岩桥会分散应力集中带；对于无阻滑的断层带，其弹性应变能密度随靠近断层开采而逐步增高，但增加幅度有限，且弹性应变能密度峰值始终呈现在工作面前方区域；而坚硬岩桥的存在改变了断层带能量的分布规律，其应变能密度峰值主要聚集在坚硬岩桥与断层带接触处位置。越靠近岩桥的断层带，其滑移挤压程度越高，能量积聚程度也越高；含坚硬岩桥的断层能量积聚程度远大于无阻滑结构断层，阻滑结构可大幅度提升断层带储能潜力。

• 流变扰动条件下红砂岩敏感邻域范围试验

  王波, 田志银, 马世纪, 任永政, 高翔宇, 孙宏旭, 黄万朋, 王军,

  在扰动载荷作用下，处于“敏感邻域”内的流变岩体容易发生变形破坏，为深入研究围压对扰动“敏感邻域”范围的影响规律，以红砂岩为研究对象，使用RRTS-IV型岩石流变扰动效应试验系统，对不同围压和轴压作用下的流变岩体进行扰动冲击试验，观察轴向扰动应变随轴压的变化规律，并分析不同围压条件下“敏感邻域”的变化情况，利用核磁共振分析系统，对比分析流变岩体在不同围压条件下，处于敏感区和非敏感区的流变岩体在扰动前后的孔隙率、T2谱曲线、谱峰面积和孔径分布的变化规律。试验结果表明:当围压保持恒定，轴向扰动应变值随轴压的增大呈现出先降后升的非线性趋势，且当作用于流变岩体上的轴压越接近于该围压条件下的长期强度时，动态扰动所产生的轴向扰动应变值越大。处于不同围压条件下流变岩体，会存在一个敏感过渡点(\sigma _m)，它决定了流变岩体对动态扰动的敏感程度。当 \sigma _1 < \sigma _m 时，流变岩体的敏感程度随轴压的增大而减小，当\sigma _1 \geqslant \sigma _m时，流变岩体的敏感程度随轴压的增大而增大，并根据流变岩体的敏感程度不同划分出3个敏感区域：R1非敏感区、R2敏感区和R3蠕变破坏区。确定了敏感邻域的范围(\Delta \sigma )应介于长期强度(\sigma _p)与敏感过渡点强度(\sigma _m)两者之间，并通过计算不同围压条件下“敏域比”的变化情况，发现围压对岩体内部裂纹扩展的抑制作用和损伤阈值的提高并非线性增加的，而是呈现出一种减速增长的趋势。当流变岩体处于敏感区时，外部扰动冲击会导致岩体内部产生新的微小孔隙，且在扰动冲击的作用下岩体内部的微小孔隙会逐渐贯通、扩展为新的大孔径孔隙，使得岩体内部的孔隙数量增大，同时外部扰动冲击对岩体内部孔隙发育的影响也会随着围压的增大而逐渐降低。当流变岩体处于非敏感区时，外部扰动冲击会使得岩体内部的大孔隙发生闭合，致使岩体内部的总孔隙数量减少，同时，岩体内部新生微小孔隙的形成速率和大孔隙的闭合速率都会随着围压的增大而逐渐降低。研究成果对于丰富三轴岩石流变扰动效应相关理论具有重要的现实意义。

• 复合煤岩受载变形破裂微震电压演化规律

  李鑫, 刘志勇, 杨桢, 李昊, 周婧, 卜婧然, 王艺儒, 颛孙忠明,

  受载复合煤岩在变形破裂过程中由于裂隙生成与扩展会有微小震动的产生，其变化特征与煤岩应力以及破裂形变之间有着紧密的联系。通过利用波动原理、震–电转化原理等相关理论并采用PVDF压电薄膜与相关信号放大滤波技术相结合，自主研发将微小震动转化成电压信号并采集的新型设备，在不同加载速率与不同煤层占比的条件下对复合煤岩进行单轴压缩试验，研究受载复合煤岩变形破裂过程中各个阶段的微震电压演化规律，得到复合煤岩体在变形破裂过程中微震特性以及其与煤岩体破裂之间的关联。结果表明：自研微震电压采集设备具有较高的准确性和灵敏性，采集到的电压数据能够作为描述受载煤岩微震特征的依据；受载复合煤岩在不同加载速率的条件下，应力变化过程与微震电压变化呈正相关，微震电压对于加载速率的变化相比应力更加敏感；各应力阶段微震电压演化规律不同，压密阶段微震电压的幅值由低缓慢上升，弹性阶段微震电压变化在前中期呈不规则的小幅度波动，后期微震电压出现由低到高的波动变化，屈服阶段微震电压波动幅值加剧，末期出现破裂前兆特征，破裂阶段微震电压出现与应力峰几乎同步最大的脉冲幅值，当煤岩完全破裂后迅速恢复到平稳状态；复合煤岩组合比例的增加导致微震电压主体幅值分布范围和平均幅值增大，峰值电压下降，煤岩破裂瞬间电压的幅值数量减少，整体分布由稠密变稀疏。将复合煤岩受载变形破裂过程产生的微小震动转化为电压信号并分析其演化规律，得到复合煤岩微震特征与煤体内部结构变化的关联，为煤矿行业的安全生产和可持续发展提供新的技术方法。

• 煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术研究进展、关键科学问题与展望

  杨科, 张寨男, 华心祝, 刘文杰, 吕鑫, 池小楼, 王长城, 李彩青,

  煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术是指导深部高瓦斯松软低渗煤层瓦斯高效抽采的关键手段。据此提出煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采工程全生命周期开发思路，包括前期科学规划、中期工程施工和后期安全管理3个阶段。梳理了煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采全生命周期开发研究进展，构建了煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采关键科学问题的总体研究框架，并概述了其未来发展方向。结果表明：煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展受地质因素、施工参数和物性参数等影响变得极其复杂，综合评价裂缝扩展多因素影响下的主次关系，揭示多因素影响下的煤层顶板压裂裂缝扩展机理是亟待解决的问题。探寻应力、水、温度与煤体因素耦合对煤层瓦斯吸附、解吸与运移的促进与抑制作用的临界关系，建立多因素临界指标下的煤层瓦斯吸附与解吸最优模型，是实现煤层瓦斯高效排采的关键。目前，煤层顶板压裂遗留水在污染水源、抑制瓦斯排采和危险性聚集方面的研究不足，且缺乏“中国化”的管理经验和技术支撑。以煤层顶板压裂工程全生命周期开发思路为导向，分析了其高耗水性、压裂液选择及潜在污染、支撑剂合理选择、空气污染和地震风险等人文环境问题，提出了与之相对应的政策法规制定思路。实现复杂环境中多裂缝竞争扩展实时精准监测，揭示多因素影响下煤层顶板分段压裂与跨界面裂缝扩展机理，构建煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展有效影响半径评价模型，探究三向应力与煤体结构双重异性条件下水气运移规律，实现煤层顶板水平井压裂水气聚合潜在危险区超前探测，建立煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采效果的精细化评价模型是目前亟待解决的关键科学问题。最后对煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术的精准化、协调化、智能化、综合化和示范化发展方向进行了展望。

• 柔性刀具冲击破煤能量演化及关键参数

  刘勇, 张志康, 魏建平, 徐向宇, 郜英俊,

  为解决硬煤层卸压范围小、增透效果差等难题，基于水动力柔性刀具破煤卸压增透技术，在末端刀齿动能恒定时，优选末端刀齿质量与冲击速度组合，提高能量利用率和破煤效率。为此，开展了柔性刀具冲击破煤试验，分析了不同末端刀齿质量和冲击速度条件下煤体破碎质量和平均破碎深度；采用颗粒流数值模拟方法建立了柔性刀具末端刀齿冲击破煤模型，分析了破煤过程中煤体能量和裂隙演化规律，揭示了末端刀齿质量、冲击速度对柔性刀具冲击破煤效果的影响机制。结果表明：末端刀齿动能恒定时，随着刀齿质量的减小和冲击速度的增大，煤体破碎质量和平均破碎深度均呈现先增加后降低的趋势；煤体张剪破碎区面积、总裂隙数和轴向主裂隙最深处距离煤体表面的长度均呈现先增加再降低的趋势；末端刀齿接触煤体后，刀齿动能迅速降低，主要转化为煤体可释放应变能和摩擦能，应变能的积聚释放导致大量裂隙在刀齿正下方生成，形成半圆状张剪破碎区，在张剪破碎区周边裂隙胶结薄弱处形成应力集中，裂隙贯通形成主裂隙向四周扩展；当末端刀齿动能为60.3 J时，刀齿冲击速度为38.8 m/s、质量为0.08 kg，煤体破碎效果最优。随着末端刀齿冲击速度的增大，单位时间内作用于煤体能量密度增大，但冲击力减小，导致煤体应变能峰值呈现先增大再降低的趋势，在应变能峰值最大时，煤体破碎效果最好。

• 十二烷基型表面活性剂亲水基团对含瓦斯煤润湿的调控行为及机制

  岳基伟, 李文琪, 王辰, 石必明, 尚政杰, 申晓静, 娄振, 郑梦浩, 李永鹏, 梁跃辉, 李阳,

  瓦斯和煤尘是制约煤矿安全生产、危害矿工生命健康的两大杀手。煤层注水被广泛用于煤尘防治和瓦斯治理，高瓦斯煤层中瓦斯严重干扰着水分对煤体的润湿，导致含瓦斯煤润湿效果差。十二烷基型表面活性剂(C12H25–HG)常被用于不含瓦斯煤的增润研究，C12H25–HG常见的亲水基团(HG)有—OH、—COOH及—SO3H，但其对含瓦斯煤润湿的调控行为及机制不清楚。采用试验及分子动力学模拟的方法展开了研究，C12H25–HG溶液与瓦斯之间的表面张力、与含瓦斯煤之间的接触角、界面能，C12H25–HG溶液及纯水浸润煤样后官能团的演化规律，疏水位点与水分子的电势差表明，—OH、—COOH及—SO3H亲水基团对含瓦斯煤润湿的调控效果逐渐增加；在表面活性剂溶液–含瓦斯煤微观分子结构模型中，—OH、—COOH及—SO3H亲水基团分别与水分子中氧原子之间的相互作用逐渐增强，其径向分布函数及配位数逐渐增加；—OH、—COOH及—SO3H亲水基团的存在，使得疏水基团与煤分子之间的径向分布函数及配位数呈现出增加的趋势；对于含有—OH、—COOH及—SO3H基团的C12H25–HG溶液，水分子的吸附程度逐渐增强、扩散系数逐渐降低，而聚集程度逐渐提高，甲烷分子被置换的程度逐渐增加、甲烷分子扩散系数逐渐增加；水中引入—SO3H亲水基团有助于提升含瓦斯煤的润湿效果。研究结果为高效筛选适用于煤矿瓦斯灾害防治的表面活性剂及揭示煤层注入表面活性水治理瓦斯的机制提供理论指导。

• 气体环境对自修复封孔材料裂隙愈合及修复机制的影响

  司磊磊, 赵桐宇, 魏建平, 刘正东, 华明国, 詹平, 姚邦华,

  注浆封孔是最常用的抽采钻孔封孔措施，受应力扰动等影响，注浆封堵的裂隙很容易开裂形成次生漏气通道。因此提出研发可使再生裂隙自愈合的注浆封孔材料，然而井下空气环境复杂，特别是封孔材料的裂隙愈合性能取决于其与空气环境产生物质交换后所生成的自修复产物，因此深入研究不同气体环境对封孔材料裂隙愈合性能的影响，对于改进封孔材料配比，实现抽采钻孔长效密封具有重要意义。研究了自修复封孔材料分别在真空环境、CO2环境及空气环境下的裂隙自愈合及修复产物生成规律。结果发现，在空气环境下封孔材料在6 d内可实现宽度为1.82 mm的裂隙自修复，在CO2环境下封孔材料在8 d内可实现1.51 mm的裂隙自修复，而真空环境下封孔材料在15 d内仅能使裂隙宽度减小0.1 mm，无法实现完全愈合。不同环境下封孔材料与外界的物质交换规律不同，其质量变化存在较大差异，其中空气环境下可分为失水减重阶段、动态增重阶段、二次失水减重阶段和稳定阶段；CO2环境下分为迅速碳化增重阶段、缓速增重阶段和平衡阶段；而真空环境下试件质量几乎保持稳定。结合碳化作用和水分蒸发作用分析了不同环境下封孔材料质量变化的内在规律。自愈合产物粗糙度测试结果表明，空气环境下自愈合产物粗糙度最大，真空环境次之，CO2环境最小。微观测试结果表明，CO2不会改变封孔材料的主体结构，仅能够略微提升封孔材料水化产物中CaCO3的含量，并造成基体孔隙减小；但CO2可明显提升自修复产物中CaCO3的占比，并对促进自修复产物粒径大小有显著作用。不同气体环境条件下自修复产物的生成原理具有较大差异，真空环境下自修复产物的生成在于多孔结构导致的析出作用；CO2环境下自修复产物生成以碳化作用产生的碳酸盐为主，析出作用为辅；二次水化作用生成的硅酸盐在空气环境下自修复产物的占比最大，碳化作用产生的碳酸盐次之，析出作用贡献最小。适度提高养护环境的CO2浓度及湿度对裂隙自愈合的效率具有促进作用。研究结果对于实现抽采钻孔长效密封具有重要意义。

• 液态CO2冻融煤体变形损伤特性研究

  白刚, 王亚东, 苏俊, 周忠杰, 范超军, 陈军典,

  改善煤层透气性是提高煤层瓦斯高效抽采的常用方法，利用液态CO2为压裂介质冻融煤体是改善煤层透气性的方法之一。液态CO2通过对煤体造成变形损伤改变煤层透气性，深入研究液态CO2冻融煤体变形损伤特性，是揭示液态CO2致裂增透煤体强化瓦斯抽采机制的基础。采用物理实验方法，基于自主研发的液态CO2冻融煤体实验系统，开展液态CO2冻融条件下煤体变形损伤特性实验，监测冻融过程中煤样表面温度、应力、应变及罐体压力参数，分析液态CO2冻融对煤体应力、应变的影响规律及罐中CO2相态特征，探究液态CO2冻融过程中热应力、水−冰相变冻胀力及汽化膨胀力对煤体造成的变形损伤贡献程度，揭示液态CO2冻融的三重复合应力对煤体造成变形损伤的机制。研究结果表明：液态CO2冻融煤样体积应变呈现先下降后上升的“U”字型变化趋势，低温冻结阶段煤基质发生收缩变形，融化阶段煤基质收缩变形逐渐恢复，最终形成了不可恢复的变形，总体表现为煤基质收缩变形与应变恢复2个阶段。实验过程中CO2相态呈现气态−液态(气−液共存)−气态的变化趋势，液态CO2冻融过程包括进液、冻结、缓慢卸压及室温融化4个阶段，对应煤样变形特征表现为冻缩变形、冻缩+冻胀+吸附膨胀变形、变形恢复及受热膨胀变形。非密封干燥煤样、密封干燥煤样及非密封饱水煤样的最小应变值绝对值分别为10056.636 ×10−6、11480.186×10−6、7881.893×10−6，残余应变分别为270.191×10−6、154.869×10−6、2033.636×10−6，胀缩率分别为2.686%、1.349%、25.801%。液态CO2冻融复合应力作用对煤样造成的总变形损伤量为2033.636×10−6，热应力、汽化膨胀力及水−冰相变冻胀力分别造成的变形损伤量为154.869×10−6、115.322×10−6、1763.445×10−6，分别占总变形损伤量的7.615%、5.671%与86.714%，水−冰相变冻胀力占据主导地位。随着煤样含水率增加，煤体最小应变值绝对值降低，残余应变增加，水冰相变冻胀力占比增加。研究结果从煤样变形的角度阐明了液态CO2冻融煤体变形损伤机理，丰富了液态CO2致裂增透煤体强化瓦斯抽采技术体系。

• 矿用PET基梯度复合纤维膜制备及滤尘–透湿性能研究

  周刚, 徐卓, 姜力玮, 陈冠双, 马云龙, 柳茹林, 王勇梅,

  井下湿热高尘环境中粉尘颗粒物对作业人员的身心健康造成了巨大危害，其中细颗粒粉尘易吸入后到达呼吸道深部肺泡区，是诱发煤矿行业职业性尘肺病的主要原因。为此，基于静电纺丝技术调控微纳米纤维材料结构，层合纺丝制备一种兼具高效捕尘与强化透湿性能的复合材料，利用超亲水纤维增强高湿条件下对水分子的吸附，利用疏水纤维避免材料中产生毛细水，引入润湿性介于疏水和超亲水之间的多级导流层，构筑多层梯度润湿型聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基复合纤维滤料，解决现有滤料制备难度大，佩戴亲肤性较差及热舒适性不足的问题。实验以PET为基材，引入羟基化石墨烯增强扩散和静电吸附效应以捕获粉尘，选择聚乙烯吡咯烷酮调节亲水梯度，提高复合纤维滤料的润湿性。微观表征和性能测试结果表明：所制备纤维膜具有微纳米尺度的直径、良好的结构规整性和相对光滑的表面形貌，实现了纤维直径和形态的较好调控，各纳米纤维膜的表面元素和官能团分布与其特性相符。对比实验表明，多层复合膜具有较好的滤尘防护性能，品质因子高达0.439 Pa–1，孔径分布于2.15～4.61 µm，同时接触角测试表明多层复合膜具有从超亲水(0°)到疏水(135.2°)渐变的润湿梯度，水蒸气透过量为5434.503 g/m2·24 h，比单独的亲水膜和疏水膜分别高出1.37倍和2.04倍。此外，通过太赫兹扫描成像分析的方法，开展纤维材料内部液态水的定量分析，阐明了纳米纤维膜对水分子的传输机制。因此，构筑的多层梯度润湿纤维滤料在工矿湿热高尘环境呼吸防护领域具有广阔的应用前景，同时为废弃物的资源化利用提供一种有效的途径。

• 超声处理辅助粉煤灰浸出钙离子矿化CO2及其产物防灭火特性

  史全林, 秦波涛, 孙永江,

  利用粉煤灰浆液矿化捕集CO2，并利用矿化浆液防控采空区煤自燃，能够实现减污降碳与灾害治理的双重效果。针对当前粉煤灰矿化CO2过程钙离子浸出速率慢、矿化量小等问题，提出利用超声波加速粉煤灰浸出钙离子、强化粉煤灰矿化CO2效能的思路，利用离子色谱仪研究低钙粉煤灰和高钙粉煤灰浆液中钙离子的浸出规律，采用低温N2吸附法和SEM-EDS技术分析超声波对粉煤灰颗粒结构的改变作用，借助CO2吸附与矿化反应实验系统测定超声波对粉煤灰矿化CO2的强化效果，探究超声波强化粉煤灰钙离子浸出的原理。试验结果表明：粉煤灰直接浸出Ca2+速率十分缓慢，直至30 d达到浸出平衡；经过超声波强化处理后，30 min时Ca2+浓度即可达到静置状态30 d时的浸出水平，表明超声波显著提高了粉煤灰Ca2+的浸出速率。此外，经过超声波强化处理后，低钙和高钙粉煤灰的比表面积分别增加了23.71%和184.71%，表明超声波的空化效应能够破坏粉煤灰颗粒之间的聚集和粘附，使得颗粒被细化、孔隙结构发育，促进了粉煤灰与水之间的Ca2+浸出等传质过程；矿化试验结果表明：低钙和高钙粉煤灰经超声波处理改性后，与未处理的原始粉煤灰相比矿化量分别增长了410%和22%，达到7.66 g/kg和82.02 g/kg，表明超声波增强了粉煤灰对CO2的矿化效果。在此基础上，利用粉煤灰浆液矿化CO2产物防控采空区煤自燃，与原始粉煤灰处理煤样的放热量相比，矿化产物处理煤样的放热量分别降低3.32%和14.24%，表明矿化产物具有更优异的煤自燃抑制特性。

• 巨厚白垩系含水层采动渗透性演化及高位离层积水模型

  乔伟, 孟祥胜, 杨眷, 李连刚, 梁启敬, 刘梦楠, 陶志和, 韩昌民, 孔维滕,

  离层水作为一种采动突涌水水源，其突水具有瞬时量大、周期性和突水征兆不明显等特点，危害极大，防控难度极高。以陕西省黄陇煤田永陇矿区招贤煤矿为研究区，针对白垩系含水层开展了长期群孔抽水试验，采用基于同步连续线性估计算法(SimSLE)的水力层析反演技术，分析了工作面采动过程中含水层渗透性演化规律，最后通过地下水动力学和数值模拟的方法，建立了考虑真空负压作用的采动覆岩渗透性演化–离层积水模型。结果表明：① 采动覆岩巨厚白垩系含水层的渗透性整体呈现先增大后减小的趋势，采空区范围内白垩系含水层渗透系数增长为天然状态下含水层渗透系数的23～392倍，采动影响范围内渗透系数增长为天然状态下含水层渗透系数的1～67倍，在平面上，随着工作面的持续推进，工作面前方的渗透性是依次序逐步演化增大的；② 以半无限含水层空间汇点概化模型为基础，推导了真空负压状态下的离层积水理论模型，通过COMSOL数值软件建立了经典稳态问题中的“圆岛模型”，数值计算结果与理论模型偏差较小，说明通过COMSOL数值软件建立的离层积水模型是合理的；③ 区块渗透性逐一发生演化时，离层积水速率仅有小幅度的提升，直至所有区块渗透性均发生演化后，离层空间的积水速率从14.09 m3/h提升到了98.95 m3/h，提升幅度达84.86 m3/h，同时绝对真空状态下相较于标准大气压进水速率高2.5 m3/h。论文提出的含水层采动渗透性演化–离层积水模型可以为高位离层积水速率的预测和演化提供研究思路。

• 榆神矿区中深煤层开采松散含水层地下连续墙侧向截水帷幕可行性分析

  赵春虎, 王世东, 姬中奎, 朱开鹏, 梁向阳,

  榆神矿区是陕北煤炭基地的主力矿区，高强度煤炭资源开发过程中煤层顶板水害与地下水资源流失问题突出，随着黄河流域生态环境保护战略的全面推进，对矿井水防治与水资源保护提出了超前化、主动化、源头化的地质保障要求。针对陕北榆神矿区井工煤矿煤层开采影响下近地表富水松散含水层涌(失)水问题，借鉴露天大水矿区地下连续墙的帷幕减渗成功经验，从稳定的补给水源、相对集中补给通道、防绕流托底3个方面总结了煤矿区开展地下水连续墙截水帷幕的基本条件；通过建立井工煤矿开采与松散富水含水层帷幕条件下矿井涌水量理论计算模型，得出截水帷幕墙体渗透能力越弱、厚度越大，以及距离采掘范围越近是减少煤层顶板近地表松散含水层涌(失)水的基本原理。以榆神矿区某矿工作面集中涌水问题对研究对象，依据井工煤矿地下水连续墙帷幕减渗基本原理，分析得出工作面集中涌水区段主要水源以近地表松散含水层地下水为主，且具备稳定可观的动态补给，煤层开采形成的导水裂隙突破顶板隔水土层揭露松散层内条带状古河道(古河道内隔水土层变薄、松散层增厚)，形成了相对集中的涌水通道，以及在“上含下隔”(上为富水松散含水层，下为相对隔水土层)的防绕流托底组合结构下，认为该区段具有建造侧向截水帷幕墙的可行性。建立了案例矿井正常开采与侧向帷幕墙建设条件下地下水系统数值模型，模拟结果显示，在工作面外围局部侧向帷幕工况下(侧向帷幕墙体长度600 m)，帷幕墙体内外松散含水层地下水水位梯度显著加剧，但由于松散含水层良好的渗透性，以及井田地面东高西低地形地貌控水条件，帷幕墙体外围近地表松散层地下水水位整体未发生明显抬升，原来通过薄基岩区、松散层增厚带进入工作面采空区的地下水径流量沿帷幕墙体外围导流至下游，600 m长侧向截水帷幕整体减水效率28.43%。研究成果为榆神矿区井工煤矿开展基于侧向截水帷幕的顶板水害防治与地下水资源保护可行性分析提供了科学依据。

• 我国不同类别煤层底板水害致灾机理与防控远景导向

  曾一凡, 朱慧聪, 武强, 王厚柱, 傅先杰, 王铁记, 王玺瑞, 樊九林, 胡荣杰, 才向军, 阚雪冬, 高生保,

  我国成煤条件苛刻，赋煤环境复杂多变，资源呈全域性跨多地质类型、点散式分布，导致回采共(伴)生地质灾害频现。同时，伴随煤炭资源开发布局优化调控，煤层底板水害负面导向性越趋显著，高承压水水力驱动及强敏感性缺陷构造活化的协同作用导致煤层底板水害宏观动力学表象威胁性显著提升，成为我国煤炭资源高质量转型发展的内生阻力。为全方位掌握我国煤层底板水害发展形势，探讨未来基于新技术开展防控作业的重点攻关方向，从时间、空间、突水量等多维视角下全方位展示了近年来我国煤层底板水害动态演变趋势，对类型进行了“总–分”式细划，并通过建立地质力学模型探讨了我国煤层底板水害力学互馈响应机制，基于灾害宏观表象等揭示了其内生致灾机理，指出了防控技术理念的新发展路径和远景导向。研究发现：统计分析了我国煤层底板水害多维视角下的演变规律和特征，探讨建立了我国煤层底板水害主体架构，依据事故核心致因体系及宏观致灾表象等将煤层底板水害划分为岩溶陷落柱突水、断层活化突水及裂隙导升(复合)灰岩水突涌3大类，进一步细化为全路径贯通增量导升型突水(岩溶陷落柱)、贯穿煤层型突水(断层)、单层随采卸荷直接型突水(裂隙)等12个子类，并针对性的独立分析了3个大类煤层底板水害地理空间分布规律；分析了地应力和承压水水压对岩溶陷落柱突水过程承压水导升路径异化发育作用机制，提出了覆岩顶板动/静载扰动诱发底板岩溶陷落柱突水模式，阐明了其力学启动条件及致灾机理；建立了煤层底板断层宏细观地质力学构造概化模型，基于诱发断层活化突水的核心致灾诱因识别并建立了不同类别煤层底板断层活化突水力学判据；以裂隙为基础单元，“由1至n”式建立了单一层位和复合层位承压含水层诱发裂隙型导升(复合)灰岩水突涌的临界判别条件，揭示了该类型底板水害全过程致灾机理；在总结现行煤层底板水害探查、预测及控制技术理念基础上，结合前沿发展方向，指出并建议在煤层底板本底地质基因的全生命周期采动诱变特征三维动态重构、适用于时空分异动态地质环境的煤层底板突水预测预报理念升级、低扰动强干预的随采随治保/控水互馈注浆治理技术应用、修复后地质生态系统长效监控诊断诊疗平台建立等方面展开攻关，构建煤层底板水害全时空防控大体系，紧跟新质生产力大背景下全煤行业新业态发展步伐。

• 废弃采空区边界煤柱浸水结构演化与损伤劣化机理的模拟试验

  徐智敏, 熊世杰, 袁慧卿, 孙亚军, 韩宇航, 陈天赐, 卢伟宁,

  在煤矿生产过程中，为防止老空水害而留设的各类防隔水煤柱在废弃采空区蓄积的具有侵蚀性的矿井水长期带压浸水作用下，其宏观、细观结构不断发生变化并出现损伤劣化现象，导致煤柱的物理力学强度减小、稳定性降低，进而诱发煤柱失稳和突水事故的发生。论文通过自主设计的高压矿井水−煤耦合作用试验装置，开展了煤柱试样在不同水压、模拟矿井水、原样矿井水等条件下的长期浸泡模拟试验，并采用计算机断层扫描(CT)、X射线衍射(XRD)以及高压伺服压缩试验加载系统等手段，分析并研究了煤样长期浸水条件下的结构演化与力学损伤劣化过程和作用机理。研究结果表明：煤样结构在侵蚀性矿井水长期浸泡条件下表现为不规则孔隙−裂隙显著发育、孔隙率由0.25%增大到1.2%、孔隙发育的离散性随浸泡时间逐步降低；煤样在侵蚀溶液长期浸泡条件下的力学损伤劣化效应明显，受浸泡时间和浸泡溶液的pH值影响最为明显；煤样与矿井水在浸泡过程中产生相互作用，具体体现为初期的吸水膨胀作用与后期的溶解消耗作用。根据上述研究成果，论文阐明了废弃矿井及采空区各类边界煤柱在高渗透压、侵蚀性矿井水长期作用下结构演化与损伤劣化的物理−化学耦合作用机理，揭示了废弃采空区边界煤柱带压浸水作用下的动态响应过程与关键阶段：第一阶段以物理吸水膨胀作用为主，表现为抗压强度整体减小而抗拉强度先降低后回升再降低的现象；第二阶段以物理−化学联合作用为主，表现为黏土类矿物部分溶解、消耗导致孔隙率增大，进而诱发物理力学损伤劣化；最后，在“软化系数”的基础上提出了浸水煤柱“损伤系数”的定义和计算公式，并确定了浸水煤柱“损伤系数”的经验数值。研究结果对各类废弃矿井或采空区边界煤柱的稳定性评价和水害的防控具有重要的理论意义和工程实践价值。

• 煤层吸附气密度模型及气体吸附行为再认识

  武守亚, 梁卫国,

  明确煤层吸附气密度是研究煤层气吸附特征及煤层气真实含气量的基础，而现有吸附气密度计算方法未体现温度、压力的影响。鉴于此，采用气体分子间、气固分子间相互作用势能理论，构建了近壁面处气体密度非均匀分布模型，进而获得了吸附厚度与吸附层数计算方程，推导了吸附气密度计算模型，从而建立了吸附量计算模型。所建模型的可靠性通过了分子动力学模拟结果以及吸附物理实验结果的验证。通过模型分析可知，吸附气密度受气固相互作用强度、温度、压力的影响：煤体对气体吸附能力越强，气固相互作用强度越大，近壁面处气体密度越大，吸附气密度越大，吸附层数越大；距壁面1个分子层区域内为强吸附区域，强吸附区域内吸附行为主控因素是气固相互作用；距离孔隙壁面大于1个分子层吸附区域为弱吸附区域，强吸附区域内吸附行为主控因素是外压作用。随着压力升高，近壁面处气体密度增加，且气体吸附过程为优先填充强吸附区域，后填充弱吸附区域。吸附气密度与游离气密度均随压力升高而增大，但吸附层数减小。过剩吸附量在吸附气密度与吸附层厚度的综合作用下随压力升高呈现下降或稳定趋势。吸附气密度与游离气密度、吸附层数、吸附量均随温度升高而呈现降低趋势。降压和增温能够有效解吸距壁面大于0.2 nm范围内的吸附气，然而距壁面小于0.2 nm范围内气体吸附行为唯一控制因素是气固相互作用，通过减弱气固相互作用强度能够进一步增加气体解吸量。此外，温度升高和压力增大引起气体吸附层数下降是深部煤层吸附气占比下降的原因。

• 深部煤层气定向压裂孔/簇间流量及支撑剂分配特征

  杨睿月, 刘奕文, 李宇, 周蒙蒙, 公衍瑾, 黄中伟,

  我国深部煤层气资源丰富，开发利用潜力巨大，有望成为我国天然气供应的重要补充。但是，当前深部煤层气开发工艺尚处于探索阶段，储层改造主要采用大规模体积压裂工艺，存在产气效果差异大、产量递减速度快的问题，缺乏与地质条件精准配套的增产技术体系。“定向射孔+靶向控缝+精细压裂”有望成为深部煤层气地质适配性的压裂工艺方法。提出了7种深煤层水平井定向射孔布孔模式：定向水平向、4点钟—8点钟定向向下、扇面定向向下(向上)、扇面定向向下(向上)+水平向(240°布孔)、直线定向向下(向上)。为了研究定向射孔模式下深煤层水平井孔/簇间进液、进砂分布的均衡性，采用计算流体动力学与离散元耦合方法(CFD-DEM)，建立了水平井筒颗粒运移流固耦合模型，研究了不同定向射孔布孔模式、排量、砂比、段内簇数、组合粒径支撑剂影响下，段内簇间及簇内孔间流量分配及支撑剂分布特征。结果表明：不同定向射孔方式下孔/簇间流量与支撑剂分配均匀性各异，其中240°定向射孔(扇面向下或向上+水平方向)孔间流量分配均匀性较好，240°定向射孔和4点钟—8点钟定向向下射孔孔间支撑剂分配均匀性较好。大排量( > 16 m3/min)、控砂比(携砂液阶段最高砂比 < 25%)、提升小粒径支撑剂占比(0.212/0.109 mm、0.380/0.212 mm、0.550/0.270 mm质量比为6∶3∶1)、段内3～4簇，有利于孔/簇间流量与支撑剂的均匀分布，提升储层改造的均衡性。鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气现场应用表明定向射孔产气量高于常规螺旋射孔，“扇面向下+水平向(240°布孔)”定向射孔增产效果最显著。建议深部煤层气储层改造根据井眼轨迹在煤层中的位置(特别是与亮煤的相对位置)，开展“一簇一策”射孔设计，诱导裂缝定向起裂、靶向沟通“地质–工程”双甜点，实现“定向导控、差异设计、均衡加砂、有效支撑”的改造目的。研究结果有望为深部煤层气优质高效压裂提供理论基础与参数借鉴。

• 仿生学蒲公英支撑剂在类似煤层气裂缝网络中输运规律的物理模拟研究

  李骏, 刘平礼, 李年银,

  加快深部煤层气资源勘探开发是煤层气的重点发展方向，随着大规模体积压裂在深部煤层气开发中的应用，深部煤层压裂形成的裂缝复杂程度逐渐提升，但低黏度压裂液携带传统圆球形支撑剂在复杂深部煤层气裂缝中的输运性能和转向性能有限，导致传统圆球形支撑剂对于分支裂缝及远端裂缝的铺置效果差，严重影响深部煤层气体积压裂的效果。在此基础上，基于仿生学的理念，提出了一种能在低黏压裂液中具备高效输运和转向能力的仿生学蒲公英支撑剂，为进一步了解不同施工参数情况下该种支撑剂在深部煤层裂缝中的输运和转向性能，基于深部煤层中常见的T 型裂缝，构建了T型可视化复杂裂缝支撑剂输运试验系统，研究了排量、射孔位置、压裂液黏度、支撑剂粒径、支撑剂浓度等施工参数对于仿生学蒲公英支撑剂在T型裂缝中输运及转向性能的影响，发现随着排量的提升，仿生学蒲公英支撑剂在T型裂缝主裂缝中的砂堤面积和砂堤通道率逐渐提升，同时更多的支撑剂转向进入T型裂缝的分支裂缝中，说明排量增加，仿生学蒲公英支撑剂的输运和转向性能随之提升。仿生学蒲公英支撑剂在不同黏度的压裂液中均能保持较好的输运效率，同时能够堆积形成具有大通道的砂堤；中部单射孔时，仿生学蒲公英支撑剂能够在T型裂缝的分支裂缝和主裂缝中都形成更好的堆积效果；随着砂比的增加，支撑剂在T型裂缝的主裂缝和分支裂缝中的砂堤面积都逐渐增加，但增幅逐渐变缓，同时砂堤的通道率逐渐降低。基于施工因素的定性分析，综合推荐在深部煤层气应用仿生学蒲公英支撑剂时，采用中高排量、低黏度、中部射孔方式、小粒径支撑剂以及7%～11%砂比。本研究能促进仿生学蒲公英支撑剂在深部煤层压裂中的规模化应用，同时也对我国深部煤层气的高效开发具有重要意义。

• 深层煤岩气高效能变黏压裂液及在极限体积压裂中的推广应用

  林波, 陈帅, 严向阳, 陈萌琦, 杜良军, 陈恒, 鲁红升, 孙帅,

  极限体积压裂技术是深层煤岩气获得高产工业气流的有效手段，而压裂液是在该技术基础上充分“打碎”煤层、形成饱填砂复杂裂缝网络、实现煤岩增渗—促解吸的关键，充分满足现场工况、施工工艺和煤岩物性特征要求是煤岩气压裂液研究的重点。以高稳定性、速溶、低剂高效能和在线变黏一体化的减阻剂研发为着力点，通过无机盐刺激响应材料引入、开关型反相乳液聚合技术设计、多元共聚条件控制和促解吸剂复配等制备得到开关型乳液减阻剂。结合基础性能表征及评价，厘清了乳液减阻剂重要参数对压裂液性能的影响规律，确定水解度50%～55%、分子量1 800万左右、有效质量分数29%～34%的优化条件，得到预期的煤岩气专用减阻剂SFY-2，稳定性提高至50 d以上，抗低温−15 ℃以下，溶解时间降低至10 s，3 min增黏率达90%以上且增黏能力强，解决了常规乳液减阻剂稳定性和速溶性之间的突出矛盾，也为深层煤岩气极限体积压裂在线一体化施工提供了保障。借助SFY-2优势，契合煤岩气极限体积压裂设计思路构建了高效能变黏压裂液体系，制定变黏控制方案和施工工艺优化，实现充分“打碎”煤岩，造复杂缝网并饱填砂有效支撑的目标。对压裂液性能评价表明：高黏液、中黏液在70 ℃、170 s−1～1 500 s−1～100 s−1 模拟变剪切后黏度分别保持在35、20 mPa·s左右；高黏液、中黏液、低黏液降阻率分别可达66%、72 %、77 %以上，得益于压裂液良好的剪切稀释性，高剪切状态下高黏液、中黏液降阻率保持率超过100%；建立了压裂液悬砂性能与黏弹性参数tan δ的对应关系，当SFY-2体积分数超过0.2%(tan δ=0.84)后压裂液沉砂速度明显降低，体积分数达到0.4%(tan δ=0.395)后黏弹性显著，具有良好的携砂性能，利于高强度连续加砂进行缝网饱和支撑，并增大缝网有效改造体积；压裂液破胶后几乎无残渣，表面张力低至26 mN/m以下，破胶液可以有效改善煤岩表面润湿性，将接触角最高增大到108.2°，降低煤岩解吸伤害率最低至13%。该技术已在鄂尔多斯盆地深层煤储层累计施工超350井次(共2 000余段/次)，液体性能稳定，施工效率高，实时降阻率可达84.4%，加砂完成率高，增产效果显著，为实现深层煤岩气压裂技术进步及规模效益开发提供了强有力的支撑。

• 富油煤原位热解U型水平井产能预测：试验与数值模拟

  东振, 陈艳鹏, 张梦媛, 王兴刚, 焦立新, 冯烁, 任博, 陈浩, 薛俊杰, 赵宇峰, 黄蝶芳,

  “双碳”目标下“取氢留碳”成为煤炭清洁利用的必然选择，煤炭原位热解为国内油气增产提供了新思路，科学预测富油煤原位热解产能对于项目经济性和能量回报率评估至关重要。目前针对中深层富油煤原位热解的研究较少，考虑真实围压条件的块煤热解试验尚未见到报道，为预测中深层富油煤原位热解产能、查明油气生产规律，提出基于中深层煤炭原位热解特点的水平井开发方式，开展了三塘湖盆地2套主力煤层的块煤覆压热解试验，建立了基于Boltsmann函数的八道湾组富油煤覆压热解产率评价模型和U型水平井产能预测方法，并对油气产能变化规律、能量回报率进行了讨论。结果表明：① 煤炭原位热解具有资源丰度高、气体产物清洁低碳、地质风险小等优势，U型、L型、多分支水平井可采用间歇或连续方式生产。② 八道湾组煤比西山窑组煤具有更高的焦油和煤气产率，焦油在400～500 ℃时产量达到峰值，围压具有降低热解产物传质能力的负面作用和提高传热效率的正向作用，温度低于400 ℃时负面作用占据主导，随着温度升高，正向作用逐渐占据主导。煤气在300～400 ℃时产量快速增大，400～600 ℃时产量增速减缓，600 ℃后产量快速降低，煤气中H2和CO随温度增加单调递增，CH4和CO2随温度先增后减，施加围压后更有利于八道湾组煤的煤气生产。③ 富油煤热解产物产率随温度增加呈现“缓慢增大—快速增大—趋于平稳”的S形变化规律，Boltsmann函数能够较好的拟合富油煤热解产物产率变化规律，直线形和三角形井网分别形成类矩形和类圆形的温度场，井间煤层达到有效热解温度(350 ℃)所需的水平井井距分别为4.5、5.5 m，三角形井网的加热效果优于直线形井网。④ 油气产能分为“初期低产、中期快速上产、后期稳产”3个阶段，按照煤的导热系数为1 W/(m·℃)预测，单口U型井生产5 a的焦油、CH4、H2产能有望达到1.56×104 t/a、260.21×104 m3/a和201.83×104 m3/a，能量回报率能达到2.09，热解水和焦油在热解产物中质量比最大、产能最先企稳，煤气中CH4和CO2质量比最高，CO2随生产年限先增后降，CO和H2随生产年限单调递增，加热后期的产能贡献主要来自于煤气中CO和H2。⑤ 等热值情况下，煤炭原位热解相比地面煤燃烧减碳97%，理想情况下热解产生的CO2能够通过半焦层吸附埋存以实现自身“碳中和”。总体来看，煤炭原位热解具备规模发展的资源基础、技术可行性以及良好的经济前景，是一项具有发展潜力的化石能源清洁低碳开发新技术。

• 基于CBAM-TransUNet的地震断层识别方法

  王新, 张薇, 陈同俊, 张傲, 赵砀,

  断层的检测和识别在煤炭勘探开采过程中至关重要，传统的人工解释断层方法已经无法满足实际生产的需求，基于深度学习的地震断层解释方法在断层分割领域表现较为出色。常规卷积神经网络(CNN)感受野有限，不能很好地利用全局信息，会导致一些预测的断层存在连续性不足和断层缺失等问题。Transformer具有提取全局信息的优势，引入CNN和Transformer融合的TransUNet网络，构建一种基于CBAM-TransUNet的地震断层识别方法对二维地震断层图像进行识别。首先，将CBAM-Block注意力模块融入TransUNet网络，将该模块分别加入CNN断层编码器部分和连接断层编码器与断层解码器的3层跳跃连接部分，同时从通道和空间2个维度增强地震断层图像的识别能力；其次，选择Dice损失函数和交叉熵损失函数联合优化的损失函数，使得断层图像分割更为准确，CBAM-TransUNet断层识别网络在合成地震数据集上获得的DICE值和IOU值分别提高到0.84和0.75，试验结果表明断层识别的连续性更强，明显优于其他经典分割方法；最后，利用构建的模型对荷兰近海北海F3区块真实地震数据集进行了断层解释。试验结果表明：基于CBAM-TransUNet的地震断层识别方法在去除冗余断层信息的同时能够有效识别出断层，在断层识别准确度和断层识别连续性方面表现优异，识别出的断层细节更加丰富，提高了断层识别的精度，可以有效应用于实际地震数据中识别断层。

• 多源固废基固碳矿用材料制备及多场景利用关键技术

  刘浪, 夏磊, 王双明, 方治余, 朱梦博, 何伟, 高宇恒,

  冶金工业生产与煤炭资源开发过程中产生了大量难以有效利用的固废，并伴随地表沉陷、固废堆存及高碳排放等一系列问题。为实现“煤矿减损化开采−固废功能化利用–CO2低碳化处置”目标，创新性地提出了CO2矿化多源固废制备固碳矿用材料及多场景利用关键技术。以改性镁−煤基固废(包括改性镁渣、粉煤灰、煤矸石)为例，采用直接矿化法在地面将其矿化制备固碳矿用材料，以适应矿山多场景的应用需求。系统分析了固废直接矿化的工艺及其关键影响因素，制备了改性镁−煤基固废固碳矿用材料，研究了不同液固比条件下改性镁−煤基固废固碳矿用材料的基础性能(流动性能、强度性能、固碳能力)及其固碳机制。结果表明：液固比大于0.23时材料满足充填流动性能要求，且28 d抗压强度最高可达6.18 MPa；直接矿化搅拌10 min的矿化效率达到50.7%。针对多源固废基固碳矿用材料的多场景利用问题，提出了包括“固碳矿用预制件、固碳膏体充填开采、固碳矿用材料用于采空区治理、固碳充填材料用于矿井降温”在内的多场景利用关键技术。基于固碳矿用预制件，提出了高强低渗储库墙构筑技术及巷道掘进底板铺设一体化技术装备；在矿井膏体充填开采的基础上，创新性地提出了房柱式采煤固碳充填煤柱回收技术及冶金−煤基固废固碳充填材料的高效制备与充填应用一体化装备。此外，在采空区治理的应用方面，还需研究CO2在固废材料中的吸附−扩散机理、注浆材料与环境的多场耦合机制及CO2高效吸收搅拌反应装置，建立“采空区危险源监测−固废矿化注浆材料治理−注浆效果评价”等应用体系。研究为大宗冶金−煤基固废的合理处置和CO2的高效封存提供了有益参考，对于推动“双碳”目标的实现及煤矿区由“零碳”向“负碳”的转型发展具有重要意义。

• 基于地表径流调控的塌陷区水体系统性保护修复

  雷少刚, 徐俣璠, 张免, 陈东兴, 华夏, 郭栋,

  为解决东部高潜水位矿区地表径流紊乱、水体连通性差、水动力水循环能力弱等问题，并降低大量塌陷区水体周边的农业、工矿生产空间形成的面源污染、点源污染随地表径流进入塌陷区水体，引起水质退化与水生态环境风险，促进采煤塌陷区水体的持续性保护修复和塌陷区生态系统健康，基于山水林田湖草沙系统性保护修复理念、关键部位景观格局优化和地表径流系统性调控原理，创新性提出了一种“连通+截污”相组合的塌陷区水体系统性保护修复新技术，主要技术内容包括：基于高精度DEM的地表径流网络分析、各类水体识别及其水面高程精准监测、水体连通廊道网络构建及水动力提升效果评价、水体植被缓冲带适宜范围计算、缺失植被缓冲带空间识别、水体保护修复效果评价等技术环节。以山东兖州矿区为例，开展了基于地表径流调控的塌陷区水体系统性保护修复技术应用模拟分析，研究结果表明：① 通过在关键部位修建水体连通廊道，基于水体连通的水动力提升技术，有效连通了45个生态源地，连通后研究区东–西方向上的最大连通距离增加了5倍，流域整体的连通性得到提升，廊道内平均水速达到0.067 m/s，显著改善了矿区的水动力条件；② 通过基于关键部位植被缓冲带空间优化布局的污染物截留技术，以水体连通廊道和生态源地为关键区域，利用Phillips水文模型计算得出兖州矿区所需的植被缓冲带宽度主要集中在15～35 m，面积总计为5.59 km2，其中已有植被覆盖的面积为18 km2，缺失待建设的植被缓冲带面积41 km2；③ SWAT情景模拟分析结果进一步验证了该模式对矿区水体保护修复具有明显作用，通过该模式能够至少降低10.14%～15.5%的污染，且对磷元素的去除效果尤为显著。笔者提出的煤矿塌陷区系统性保护修复技术是景观生态学与生态水文学在矿区生态保护修复的典型结合应用，对于其他类型地区通过地表径流调控实现区域系统性保护修复具有重要参考价值。

• 黄河中游陕北煤矿区采动地裂缝对土壤入渗特性的影响及其侵蚀效应

  宋世杰, 成星, 王双明, 刘露, 李源红, 张家杰, 陈宝灯,

  破解黄河中游煤矿区采动地裂缝的水土流失效应，对于陕北煤矿区生态环境保护与高质量发展具有重要意义。以陕北柠条塔井田北翼典型采动地裂缝发育区内宽度0～10、10～20、20～30 cm的采动地裂缝周围土壤(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以浅)为研究对象，利用定水头法和仪器分析法分别测定土壤入渗速率、累积渗透量、饱和导水率(Ks)、有机质、机械组成、 > 0.25 mm水稳性团聚体含量，揭示了采动地裂缝对土壤入渗特性的影响规律，基于RUSLE2模型计算阐明了考虑入渗特性的采动地裂缝小空间尺度上的土壤侵蚀效应。结果表明：① 采动地裂缝周围土壤的入渗速率随时间变化而呈现出瞬变(0～3 min)、渐变(3～60 min)及稳定(60～110 min)3个阶段的动态变化过程；② 采动地裂缝发育提高土壤Ks的效应最显著，平均增幅为60.63%，该效应随采动地裂缝宽度的增大和距裂缝水平距离的减小而增强；③ 土壤累积入渗量和Ks与极细砂粒呈极显著正相关(p < 0.01)，而与黏粒、有机质则呈极显著负相关(p < 0.01)，与 > 0.25 mm水稳性团聚体也呈显著负相关(p < 0.05)；④ 考虑入渗特性计算的可蚀性K值变化幅度比不考虑时增大了1.12～2.13倍；基于指数函数构建了不同宽度采动地裂缝影响周围土壤入渗速率和可蚀性K值作用范围的预测模型，发现当距采动地裂缝水平距离分别超过226、157 cm时，采动地裂缝增大周围土壤入渗速率及可蚀性的效应基本消失，其可作为黄河中游陕北黄土采动地裂缝发育区水土流失效应的精准防控靶区。

• 生物炭对煤矿区复垦土壤微生物固碳潜力的促升机制

  马静, 邹铭, 骆占斌, 朱燕峰, 杨永均, 陈浮,

  生物炭对贫瘠土壤质量提升具有重要作用，但生物炭对煤矿区复垦土壤理化性状、酶活性及多样性的影响尚不清晰，尤其是微生物固碳潜力的促升。本研究将3种不同秸秆源生物炭(水稻秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆)施入到矿区复垦土壤中，测定不同质量分数生物炭添加对复垦土壤理化、酶活性及碳库管理指数的影响，分析土壤微生物群落结构及固碳功能基因等变化。主要结论如下：① 生物炭添加处理组土壤pH、电导率、铵态氮、硝态氮、有效磷和有效钾含量均有所增加(P < 0.05)，β–葡萄糖苷酶(BG)、纤维二水解酶(CBH)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)的活性得以提升，而β–N–乙酰基氨基葡萄糖苷酶(NAG)的活性降低。② 生物炭添加提高了变形菌门(Proteobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)的相对丰度(P < 0.05)，降低了放线菌门(Actinobacteriota)的相对丰度。同时降低了真菌中子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度，显著提高了担子菌门(Basidiomycota)的相对丰度(P < 0.05)。3种生物炭处理增强了细菌网络复杂性，但对真菌网络复杂性并未产生显著影响。③ 水稻秸秆、小麦秸秆、玉米秸秆等不同生物炭处理的碳库管理指数分别提升了4.7%、4.8%、24.0%。与对照组相比，添加生物炭组的固碳功能基因CBBL绝对丰度均显著提高(P < 0.05)，其中玉米秸秆处理的固碳功能基因PMOA绝对丰度显著提高(P < 0.05)。生物炭添加显著提高了环境因子与固碳功能基因、碳库管理指数的相关性，微生物是调控土壤固碳潜力的主控因子，为未来矿山生态修复固碳增汇提供了科学依据。

• 蒙陕接壤区煤炭开采过程中矿井水来源

  杨建, 李慧,

  蒙陕接壤区作为我国能源安全的核心保障区域，同样也是黄河流域生态保护和高质量发展的关键地带。该区域煤炭资源的高强度开采可能对生态环境造成重大影响，尤其是对地表以下浅层第四系含水层的破坏。由于难以精确评估顶板各含水层的渗漏情况，这增加了制定科学、有效的保水采煤策略的难度。本研究基于对蒙陕接壤区地下水中环境同位素(D和18O)的检测与分析，应用同位素质量守恒原理，计算了矿井水水源的相对贡献量。研究发现，各含水层水中的环境同位素受地形地貌、地层结构和地下水赋存等因素的影响。研究区的第四系地下水主要来源于大气降水和地表水，具有快速的循环更替速度，表现为富含氚的现代水补给特征，其δD值和δ18O值大气降水和地表水相近。深埋区的白垩系与第四系水力联系紧密，循环更替过程较长，导致环境同位素值有所降低。白垩系和侏罗系地下水受垂向补给控制，循环更替速度减缓，δD值和δ18O值逐渐降低，其中白垩系地下水的δD值为–80.2‰～–75.6‰，δ18O值为–10.6‰～–8.7‰。浅埋区和中深埋区地层由于沉积时间长，成岩作用较好，加之后期构造运动的影响，与第四系或新近系直接接触，接受第四系地下水补给，导致δD值和δ18O值相对较高。而深埋区的侏罗系地层由于本身厚度较大，上覆有厚层的第四系和白垩系地层，地下水补给条件较差，地下水径流过程漫长且较为封闭滞流，因此δD值和δ18O值相对较低。本研究利用地下水中的δD值，通过二元混合模型计算得出，在浅埋区的矿井水中，第四系水的比例有所不同：SGT和HLG煤矿的占比小于20%，而BLT和LSJ等煤矿的占比介于28.0%～57.0%，YBJ煤矿的占比则接近80%。在中深埋区，矿井水中第四系水的比例通常小于20%，但在开发较早、顶板存在保德组红土层“天窗”的HLW和SS煤矿中，第四系水的比例分别达到了37.05%和26.24%。在深埋区，矿井水中白垩系水的占比约为30%。IsoSource模型的计算结果显示，第四系水的贡献率在7.6%～9.3%间，白垩系水的贡献率在12.0%～17.1%间，而侏罗系上段水的贡献率在74.9%～80.4%间，且不同矿区的矿井水中各水源的贡献率相近。本研究准确识别了矿井水中各含水层水的来源比例，对于蒙陕接壤区的保水采煤和生态环境保护具有重要的实际意义。

• 煤矿井下不同环境区域水体微生物群落特征及其环境响应

  张海涛, 许光泉, 陈晓晴, 李旭, 李子璇, 张延喜, 张刚, 贺江辉,

  为探究煤矿井下不同环境区域的微生物群落特征及其对环境因子的响应，以安徽淮南谢桥煤矿为研究对象，在涉及矿井水来源、形成和汇集全过程的8个井下区域(井筒、岩巷、煤巷、采煤工作面、采空区、水仓、砂岩水出水点和灰岩水疏放点)中采集了24份水样，进行水化学成分和微生物16S rRNA基因高通量测序检测，并利用多元统计等方法进行序列数据处理。结果表明：① 井筒水的水化学类型为Cl-Na·Ca型，砂岩水和采空区为HCO3·Cl-Na型，其余区域均为Cl-Na型。在不同环境区域水体中，Na+、Cl–、\mathrmSO_4^2- 、\mathrmHCO_3^- 、\mathrmNO_2^- 、\mathrmNO_3^- 和Fe含量存在显著变化。② 井下水仓水中微生物的丰富度和多样性最高，而岩巷水中最低。24个样本共检测到55个菌门和621个菌属，其中Pseudomonadota、Bacteroidota和Nitrospinota为优势菌门，Hydrogenophaga和Pseudomonas为优势菌属。Pseudomonadota在岩巷水中丰度最高，在灰岩水中丰度最低；Bacteroidota在水仓水中丰度最高，在岩巷水中丰度最低；Nitrospinota在灰岩水中丰度最高，在岩巷水中丰度最低。Hydrogenophaga在各区域水体中的丰度均较高，Pseudomonas主要分布在岩巷水中。③ 该煤矿井下微生物群落结构和分布受pH影响最强，其次还与营养元素(如C、N和S)、Temp、DO、ORP、Fe、Mn和Sb等氧化还原敏感物质有关。④ FAPROTAX分析显示，该煤矿井下微生物群落普遍具有化学异养和需氧化学异养的功能。不同环境区域水体中的微生物群落表现出多样的生态功能，涵盖了从基本的代谢活动(如物质循环和能量转换)到复杂的环境修复过程(如污染物降解和水质改善)。这些功能不仅维持了煤矿井下水体的生态平衡，还在生态系统的调节和修复中发挥了重要作用。

• CO2咸水层封存中岩心润湿性对渗流过程的影响

  美合日阿依·穆太力普, 薛福生, 李涛, 李延静, 刘瑜,

  为了明确CO2咸水层封存过程中岩心润湿性对渗流过程的影响，基于与核磁共振(NMR)技术相结合的孔隙级渗流模型的方法，研究了咸水层润湿性变化对渗流过程的影响，为揭示润湿性作用下的两相渗流规律提供了理论支撑。首先通过NMR技术测得了渗流过程中的饱和度参数，定量分析得到了平均弛豫时间和咸水饱和度的二次函数耦合关系。之后，在二维层面基于水平集法，通过将润湿性设置为不同润湿水平及空间位置函数，模拟CO2在多孔介质中驱替咸水中储层不同润湿性对渗流过程的影响。研究发现：基于核磁共振纵向弛豫时间(T1)及横向弛豫时间(T2)与咸水饱和度(S)的函数耦合关系，可以较好表征CO2驱替咸水过程中的岩心润湿性变化。基于孔隙级渗流模型表征孔隙尺度下的润湿性各向同性，发现当岩心润湿性处于极端情况，如强亲水(θ=0°)、中性润湿(θ=90°)或者强疏水(θ=180°)状态时，残余水饱和度较低，驱替效果较好。对于润湿性各向异性，驱替过程较为复杂，其对相对渗透率和残余咸水饱和度的影响各异，尤其入口端和出口端的不同润湿性表现会直接影响两相渗流过程，入口端越亲水且出口端越疏水时，咸水渗流速度越快；这可能是由于润湿性各向异性会导致渗流行为的不均匀分布，从而导致渗流速率和驱替效率在空间上和时间上的差异；可见，渗流通道的物性特征对渗流过程的影响较大。未来研究除了关注咸水层空间尺度下的相关变化外，还需注重时间尺度下的不同影响。

• 热分析获取锅炉内煤着火特性—Part I：比热容、着火温度和着火热

  刘洋, 石泽正, 陈朝帅, 苟皓语, 陶继业, 徐世明, 余波, 赵培涛, 傅培舫, 周怀春,

  现有热分析获取的煤/低温热解焦着火温度值比锅炉内煤着火温度低200～300 K，普遍观点认为热分析仪的升温速率β过低是导致上述结果的主因，但其本质原因应是以往的研究选择的样品反应性过高而导致煤/焦着火提前，同时常用的TG-DTG切线法求着火温度不够准确。为解决上述问题，采用非等温TG-DSC获取了2种高温(1 400 ℃)快速热解准东煤焦在不同β下的着火特性包括比热容、着火温度和着火热，考察了β对煤焦着火特性的影响。采用David Merrick模型获取了煤焦的比热容，发现其不受β的影响但与温度的变化相关；用指数函数描述了比热容与温度的关系，得到2种煤焦在0～1 600 ℃的比热容为0.65～1.99 kJ/(kg·K)。采用基于Semenov热爆炸理论的DSC或DTG拐点法和TG-DTG切线法获取了煤焦的着火温度，发现DSC拐点法和DTG拐点法获取的着火温度相当，即两者具有等效性，且始终高于TG-DTG切线法获得的着火温度；着火温度随着β的增加而增加，但增加幅度逐渐减少，可用指数函数描述。将β设置为锅炉中常见的升温速率如105 K/s，可获得煤焦的极限着火温度。采用DSC拐点法和TG-DTG切线法获得的煤焦极限着火温度分别为673～680 ℃和644～659 ℃，前者与文献中在携带流反应器(类似锅炉环境)中获得的同类型煤样的着火温度值一致，而后者则会低估着火温度。结合高温热解焦比煤/低温热解焦的反应性低的事实，指出制取反应性合适的高温热解(类似锅炉环境温度)煤焦样品和采用DSC或DTG拐点法获取煤焦的极限着火温度可实现热分析对锅炉内煤着火温度的预测。根据极限着火温度获取了锅炉内2种煤焦的着火热qig为3 414～3 669 kJ/kg，并计算了风煤比为0.9～2.5下2种煤焦的理论着火热为1 826～2 811 kJ/kg。qig比相应煤焦的理论着火热值大，表明理论着火热可能高估煤在锅炉内的实际着火能力。对热分析获取锅炉内煤着火特性的合理性进行了全方位诠释，所提出的热分析方法论可为获取CFD模拟锅炉内煤着火特性所需的基础数据提供参考。

• 两段式沉降炉内生物质与煤掺烧的NOx生成规律

  侯岩, 杨富鑫, 谭厚章, 熊小鹤, 陈发林,

  生物质与煤耦合利用是燃煤机组降碳技术之一。生物质掺烧位置对耦合利用过程NOx的排放有着重要的影响。因此，为了探究掺烧位置和温度对生物质与煤耦合时NOx排放的影响，利用两段式沉降炉，分别对生物质从主燃区预混掺烧和燃尽区分级掺烧时NOx生成规律进行研究，并分析生物质从燃尽区分级掺烧时燃料N的迁移特性。结果表明：生物质从主燃区和燃尽区掺烧，NOx排放行为存在显著差异。主燃区预混掺烧时，随掺烧比例从0增加到40%，任意温度的NOx排放呈现出降低趋势；且随着燃尽风比例增加，在燃尽风比例为0.33时，NOx排放最低。燃尽区分级掺烧时，在燃尽温度为1 000 ℃时，随掺烧比例从0增加到40%，NOx排放持续降低；而在燃尽温度为1 200、1 400 ℃时，NOx排放在10%掺烧比例时最低。燃尽区分级掺烧时，燃料N向中间产物HCN和NH3的转化存在显著差异。任意燃尽温度下，燃尽区掺烧时的燃料N向HCN的转化率随掺烧比例增加始终增加；而燃料N向NH3的转化在燃尽温度为1 000 ℃时随掺烧比例增加而增加；在燃尽温度为1 200、1 400 ℃时，10%掺烧比例下NH3的转化率最高。燃尽区分级掺烧模式下，在主燃1 200 ℃、燃尽1 400 ℃时，燃尽区掺烧的燃料N有94%左右转化为了N2和灰分N，大约5%转化为了NOx，而只有不到1%的燃料N转化为了HCN和NH3。生物质与煤掺烧相比于纯煤燃烧可以降低燃料N向NOx的转化，但随着掺烧比例的增加，燃料N向NOx和灰分N的转化率增加，向N2的转化率降低。

• 复合催化剂Ru/CoAl–LDH可见光深度还原低浓度CO2及其性能增强机理

  戴俊, 贾凤婷, 杨娟, 丰之翔, 王大钊, 冷冲冲,

  “双碳”目标下，利用清洁可再生的太阳能驱动CO2资源化利用成为重要的研究课题，但已有报道多以高纯CO2为研究对象，而实际燃煤电厂排放的烟气中CO2体积分数仅为3%～15%，为规避高能耗的CO2提浓过程，直接实现低浓度CO2光催化定向转化对节能减排及其资源化利用具有重要科学意义。采用共沉淀–水热法首先制得钴铝层状双氢氧化物(CoAl–LDH)，通过表面浸渍耦合氢气热处理将钌纳米颗粒负载至CoAl–LDH表面，构筑出可见光催化剂Ru/CoAl–LDH，其独特的表面组成与结构特性有助于实现以水为氢源的低浓度CO2深度光还原。利用X射线衍射、透射电镜、X射线光电子能谱与紫外可见漫反射光谱等测试技术对复合催化剂的结构组成和微观形貌进行测定分析，结果表明：负载的钌物种为零价金属态Ru，其负载未改变 CoAl–LDH的纳米片状形貌，但可显著提升复合催化剂的光响应性能。以Ru/CoAl–LDH为光催化剂、水为电子给体和氢源、10% CO2/N2混合气体为模拟烟道气，在可见光照射下考察Ru负载量对还原产物生成量及深度还原产物甲烷选择性的影响，其中1.6% Ru/CoAl–LDH具有最优的CO2光还原性能，可见光照射3 h后的甲烷产生量及选择性高达452.4 μmol/g和86.3%，分别是单一CoAl–LDH的10.4倍和3.3倍。同时，借助CO2吸附等温线、原位XPS、瞬态光电流与阻抗谱等测试结果探究了Ru/CoAl–LDH对低浓度CO2深度光还原的性能增强机理。CoAl–LDH表面的—OH基团利于复合催化剂对低浓度CO2的选择性吸附；CoAl–LDH优异的水氧化性能可为CO2深度光还原提供充足的原位氢源，无需使用具有爆炸危险性的氢气；负载的Ru作为光电子受体，在增强光生电荷分离与迁移效率的同时，作为CO2还原活性位能实现其多电子还原过程。因此，CoAl–LDH和助催化剂Ru的协同作用是低浓度CO2深度光还原性能得以提升的主要原因，复合催化剂Ru/CoAl–LDH实现了可见光水氧化与低浓度CO2深度还原的有效耦合，为本质安全且低能耗CO2转化体系的构建提供了重要理论指导，也为燃煤烟气CO2资源化利用提供了新思路。

• 热化学法处置退役风电叶片污染物生成特性

  熊小鹤, 张一楠, 李良钰, 张京晶, 谭厚章,

  风电叶片由于质量小、强度大、叶片长等特点，一直是固废行业回收处置的难点。热化学法处置退役风电叶片是一项有潜力的规模化工业推广技术。针对热化学法处置过程中的污染物排放问题，在管式电炉试验台上对风电叶片样品分别在N2、CO2和空气气氛下进行了400、600、800、1000 ℃四个不同温度下的热转化试验，测试了含氮、氯污染物排放情况。发现CO2和氮气气氛下，HCN和NO是主要的含氮污染物，随着温度增加，HCN逐渐增加，在1000 ℃时，HCN形态氮是最主要的含氮组分，占总氮比例达到88.3%，而HCl形态氯占总氯比例波动不大，维持在5%上下波动。空气气氛下，NO是最主要的含氮污染物，峰值体积分数达918.3×10–6，并且生成的NO中的氧主要来自风电叶片自身，而非外部空气。随着温度升高，HCl和HCN逐渐减小，在400 ℃达到最大，占总氯、总氮比例分别为46%、8.4%。CO2对产物的分布有显著的促进作用，这种促进作用与温度、组分相关。1000 ℃高温下CO2能显著促进HCN和NO的生成，但是在400 ℃低温下，促进作用并不明显。在400 ℃低温下，CO2对NO2的生成有显著的促进作用，1000 ℃高温下，CO2对生成NO2促进作用不明显。考虑到生成NO的氧主要来自叶片自身，传统的空气分级对降低氮氧化物并不明显，中试开发需要专门配套烟气除氮、除氯装置。

• 煤矿综采工作面人员入侵危险区域智能识别方法

  毛清华, 翟姣, 胡鑫, 苏毅楠, 薛旭升,

  为解决煤矿综采工作面人员尺度多变、危险区域动态变化等因素导致人员入侵危险区域时，视频AI识别准确率不高的问题，提出一种RSCA-YOLOv8s与危险区域自动划分的煤矿综采工作面人员入侵危险区域智能识别方法。针对综采工作面人员识别准确率低问题，在YOLOv8s模型基础上引入RFAConv-SE(Squeeze-and-Excitation with Receptive-Field Attention Convolution)与CCNet(Criss-Cross Attention Network)注意力模块提高复杂背景图像中模型对全局及上下文信息的捕获能力，C2f模块融合Res2Net网络提高模型的多尺度和小目标人员特征提取能力，通过改进的SPC-ASFF(Adaptive Structure Feature Fusion with Sub-Pixel Convolution layer)模块提升模型对多尺度人员特征的自适应融合能力。针对综采工作面摄像头跟随液压支架动态变化导致危险区域在视场范围内动态变化的问题，提出一种基于护帮板、挡煤板标志性目标关键特征点提取的危险区域自动划分方法。针对危险区域不规则变化与基于重叠度的判断方法参数设置困难的问题，提出一种基于射线法判断人员与危险区域像素坐标位置关系的人员入侵危险区域精准识别方法。通过消融试验、RSCA-YOLOv8s与YOLOv5s、YOLOv8-SPDConv等方法对比试验，以及综采工作面7组多场景危险区域自动划分与5组人员入侵危险区域识别试验测试，结果表明：RSCA-YOLOv8s的人员识别方法准确率更高，达到了97.2%，相较基线模型mAP@0.5提高了1.1%，mAP@0.5：0.95提高了2.5%，对小目标人员具有更准确的识别能力和更高的识别精度；该方法危险区域自动划分的平均准确率为97.285%，人员入侵危险区域的判别准确率为98%以上。

• 基于迭代压缩U型网络的煤颗粒分割与粒度分析方法

  程德强, 张瑞, 谢同喜, 刘敬敬, 郑丽娟, 寇旗旗, 江鹤,

  煤中甲烷气体传播与煤粒的粒度分布特征紧密相连，进而影响煤炭的安全开采和利用。随着数字图像处理技术的不断发展，基于数字图像分割的煤粒形态检测方法已成为获取煤颗粒粒度分布特征的主流方法。在数字图像分割过程中，全局信息和边缘细节起着关键作用，直接影响分割结果的准确性。基于卷积神经网络架构的U型网络过于注重局部信息，忽视了全局信息的重要性，容易导致过分割现象。而基于Transformer的网络利用多头自注意力机制有效地建模了全局信息，但却没有充分利用边缘细节特征，导致煤颗粒漏分割问题。为了解决上述问题，本研究提出了迭代压缩U型网络(Iterative Squeeze UNet, ISUNet)用于煤颗粒粒度分析。ISUNet模型引入了压缩激励空洞空间金字塔池化模块和基于Transformer的多路迭代编码器。压缩激励空洞空间金字塔池化模块通过增强不同尺度特征的通道信息和全局上下文信息，解决了煤粒过分割问题。编码器中的多头自注意力模块将ResNet50的卷积特征作为其中一个输入，通过点乘自注意力机制不断强化重要的边缘细节特征，解决了煤粒漏分割问题。与5种经典图像分割模型和4种目前主流的分割模型相比，ISUNet表现出色。相较于经典的分割模型TransUNet来说，平均交并比提高了6.6%，准确率提高了0.3%，召回率提高了7.0%，相较于目前主流的图像分割大模型Segment Anything来说，平均交并比提高了4.6%，准确率提高了0.2%，召回率提高了4.9%。在煤粒粒度测量方面，准确率达到了97.49%。这些试验结果充分证实了ISUNet在煤粒粒度分析中的有效性和优越性。

• 煤矿固体智能充填支护机器人及其关键技术

  张强, 张吉雄, 宗庭成, 杨康, 金子山, 吕浩南, 白雨, 邓攀博,

  固体充填开采技术已日臻成熟，但存在自主作业程度低、自适调控能力不足等瓶颈，智能化水平偏低，影响其应用效果与推广范围。煤矿大型装备机器人化是行业发展必然趋势，煤矿固体智能充填支护机器人的研究及其关键技术的突破势在必行。定义了煤矿固体智能充填支护机器人的概念并设计了其系统构成，揭示了其工序自驱作业机制与运行逻辑；构建了煤矿固体智能充填支护机器人全工况状态感知、运动学建模与控制方法；构建了全类别参数指标集，形成了全类别参数感知方法；对全工况场景类别进行了划分，建立了位姿精确表征与实时输出方法；形成了全工况场景运行状态判别与机械臂组自调控方法；构建了煤矿固体智能充填支护机器人虚拟样机仿真试验平台，设置了“俯采仰充”“水平采充”“仰采俯充”3种工况进行工序自驱仿真，仿真测试结果表明：充填支护机器人可精准判别干涉并解算出调控目标参数，系统整体运行及工序自驱执行等智能功能得到验证。针对煤矿固体智能充填支护机器人研发面临的关键科学问题，初步构建了煤矿固体智能充填支护机器人及其关键技术的研究框架、研发思路与技术路线，为深度升级充填开采技术、研发我国完全独立自主知识产权的煤矿固体智能充填支护机器人装备产品提供理论及技术支撑。

• 基于深度学习和模型压缩技术的轻量级煤矿人车检测模型——以贵州地区煤矿为例

  解北京, 李恒, 栾铮, 雷振, 李晓旭, 李卓,

  煤矿工人和载人车辆(煤矿人车)的智能识别是视频监控系统的重要组成部分，也是煤矿智能化发展的关键任务。然而，煤矿人车检测场景较为复杂，大型人车检测模型部署在有限的计算设备上难以实现，如何在模型检测性能和检测效率之间取得平衡存在诸多挑战。以贵州地区煤矿视频监控数据集为例，提出了一种基于深度学习和模型压缩技术的轻量级煤矿人车检测模型，该模型精准实时的完成了煤矿人车检测任务，对网络进行瘦身的同时几乎没有损失检测性能。具体来说，在网络模型设计阶段，以YOLOv8s为基线提出了一种名为FCW-YOLO的煤矿人车轻量级检测模型，首先将Faster-Block和坐标注意力和开发到网络的特征提取模块中，设计了一种新颖的C2f-Faster-CA轻量级架构，旨在减少网络的冗余通道同时自适应捕捉全局关键信息；其次，采用了WIOU边界回归损失函数以增加模型对普通质量样本的关注，降低了训练样本不平衡带来的回归误差等问题。在模型压缩阶段，联动剪枝算法对提出的FCW-YOLO模型进行通道级别的稀疏，模型可自动识别不重要的通道并对其进行删减，实现了煤矿人车检测模型二次轻量化设计FCWP-YOLO。在自建的煤矿人车检测数据集上的结果表明，提出的模型参数量，计算量和模型大小分别为2.3 M，4.0 GFLOPs，6.0 MB，对比基线模型分别实现了4.9倍、4.7倍、4.4倍的压缩效果，平均检测精度为88.7%，提高了1.1%，每张图像的处理时间仅为5.6 ms。对比多种轻量级架构和先进的检测模型，该方法精度表现优异，计算成本更低，实时性能更好，为资源受限的煤矿场景提供了一种可行的煤矿人车检测方法，满足煤矿视频监控部署要求，可为煤矿人车智能巡检任务提供实时预警。

• 基于自耦PID的磁电混合悬浮带式输送机支承系统交叉耦合协同控制

  胡坤, 蒋浩, 陈卓, 牛杰, 许刚,

  磁电混合悬浮带式输送机是一种新型低阻力、低能耗连续运输设备，其支承系统受输送带及其与悬浮系统连接产生的动力学特性影响，悬浮支承同步往往存在未知建模误差、耦合干扰等问题，导致系统的稳定性难以保证。通过改进磁路法建立悬浮支承系统电磁模型，以悬链线等效及截面稳定假设等依据构建支承系统动力学方程，基于自耦PID控制技术，结合交叉耦合策略实现悬浮协同。首先，考虑磁电混合悬浮系统气隙磁场分布及其磁路差异，通过改进磁路公式描述系统中电磁力变化，综合机电关系获得混合悬浮系统电磁控制方程；根据输送带—混合悬浮系统结构，整机输送带等效为若干支承点作用下的悬链线，假设物料稳定充满输送带内并形成稳定截面，对输送机支承系统进行简化，构建一种由刚体与弦组合等效的支承系统动力学模型。然后，基于动力学模型耦合问题及支承系统协同运行工况条件得出协同控制设计要求，提出一种基于自耦PID控制的交叉耦合协同控制策略，分别对系统跟踪控制和协同控制设计了自适应速度因子，并证明了协同控制方法的稳定性。仿真过程中采用30 mm作为设定气隙值，并模拟了在侧向与横向及其不同干扰条件下的系统响应。仿真结果表明，支承系统能够在设定时间内实现稳定悬浮，且在控制输出和气隙输入受到干扰时，协同误差的最大波动值分别为0.0005 mm和1 mm。实验研究通过悬浮实验装置，验证了在静态悬浮和气隙及物料加载干扰下系统的动态性能，结果显示在对应条件下，气隙波动和协同误差的最大值均为1 mm。仿真与实验结果验证了该方法的控制性能和稳定性，在实际整机大载荷物料的气隙波动干扰下，具有协同稳定的可行性。

• 基于多重信息自注意力的综采工作面目标行为识别

  杨艺, 杨艳磊, 王田, 王科平,

  综采工作面关键设备和人员的行为识别是开采环境信息智能感知的基础和核心。然而，综采工作面光照条件普遍较差，煤尘和水雾等干扰容易引起视频画面模糊，导致识别目标行为的关键特征难以提取，使得设备和人员的行为识别准确度无法达到实际工程应用的标准。为此，基于ResT网络架构，建立一种包含空间、时间、通道的多重信息自注意力模型和特征融合机制，扩展了模型特征提取的信息源，将其从单纯的空间信息扩展到空间、时间和通道的多重信息，提升了模型对目标行为的表征能力。其中，空间信息是对目标行为在空间上的深度解析，展现了目标的纹理、位置和形状等一系列深层特征；时间信息是从连续的视频帧中提取目标行为的时序特征，反映了行为发生的顺序以及演变关系；通道信息则是对空间和时间层面上的扩展与深入，从多角度挖掘空间和时间信息，并将原始数据表征在特征通道上，提供了目标行为的全局特征。算法的有效性在综采工作面行为识别数据集上进行了验证和对比试验。结果表明：在真实综采工作面环境下，行为识别的准确度可达到96.90%。相较于Swin-Transformer、Timesformer等主流的行为识别算法，识别准确率分别提升了11.06%和10.62%。算法经过ONNX模型转换和TensorRT加速后，在GPU上实现了推理，具备工程应用价值。据此，研发了综采工作面行为识别系统，并将算法模型以插件的形式嵌入到行为识别系统的Pipeline中，实现在DeepStream框架下对综采工作面关键设备和人员行为的实时推理和准确识别。