煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第3期

• 缓倾斜厚煤层仰斜开采覆岩及地表损伤特征与机理

  谢晓深, 侯恩科, 赵兵朝, 冯栋, 侯鹏飞, 郭维强,

  为科学指导鄂尔多斯盆地西部缓倾斜厚煤层开采矿井灾害防治和生态环境保护，实现西部煤炭的绿色安全开采。以红柳煤矿I020213工作面研究为背景，采用相似材料模拟、实地调查、裂缝原位示踪开挖和理论分析相结合的方法，分析缓倾斜厚煤层仰采覆岩及地表损伤特征，并依此构建地表裂缝活动类型的判据，探究地表裂缝形成及活动机理。结果表明：I020213工作面顶板覆岩以“悬臂−断裂−铰接−垮落回转−滑移−稳定”的重复性结构向前扩展演化，采空区上方覆岩破坏形态呈斜梯形的非对称偏移形态，下山采空区压实度是上山采空区的1.2倍，采空压实区边界整体呈类似抛物线的椭抛面。覆岩离层裂隙宽度具有“增大−减小”的动态变化特征，竖向裂隙宽度则表现出“增大−稳定”和“增大−减小−稳定”2种动态特征；导水裂隙带发育高度呈“快增−缓增−稳定”的递进式动态发育特征，稳定后发育高度达145 m。采空区上方地表损伤形式以地表隆起为主，隆起高度达2.7～36.0 cm，平均为10.14 cm；工作面边界上方主要发育拉张裂缝和台阶裂缝，裂缝宽度为1.5～18.0 cm，落差最大约17.0 cm。根据裂缝宽度−深度变化特征，地表裂缝剖面形态可分为“类楔型”、“类梭型”和 “类树枝分叉型”3类，且具有偏斜特征，偏移量与裂缝发育深度呈二次多项式相关。宽度小于3.0 cm的裂缝垂向发育深度为1.70～3.10 m，垂向深度差为46.0～190.0 cm/m，平均垂向深度差为132 cm/m，裂缝发育深度与宽度符合线性函数关系。采空区上方地表隆起滞后回采位置发育，滞后距离为24.7～71.3 m，隆起高度均呈现“增加−稳定”的动态变化过程，活动时间为11～13 d；边界裂缝在拉张作用下呈现“持续增大−稳定”和“开裂−稳定”2种变化特征，活动时间为2～12 d。地表裂缝发育类型及活动特征与表土层性质和裂缝间距密切相关。一般情况下裂缝间距越大，越易形成无闭合活动的台阶裂缝，反之则容易形成有闭合活动的拉张裂缝。

• 基于钻孔数据的断层带结构数值模型构建及应用探索

  赵金海, 朱伟龙, 孙文斌, 马海龙, 乔洋,

  断层带数值模型的准确构建和参数赋值一直是煤矿地质工作者面临的难题，采动断层带涌水量预计存在结构复杂、渗透系数获取困难等问题。以采动影响下断层带涌水量计算为背景，基于钻孔探测数据进行断层带数值模型的构建与涌水量研究。首先运用随机裂隙生成方法结合Comsol Multiphysic有限元数值模拟软件，探究了单位面积内和单位体积内不同裂隙数量对孔隙水压力、渗流速度和渗透性的影响，获得了裂隙岩体中单位面积和单位体积裂隙数量与渗透率之间的关系，建立了二维与三维岩体中随机裂隙与渗透率之间的关系。然后基于钻孔探测数据，建立了裂隙岩体质量指标(Rock Quality Designation, RQD)与岩体渗透率之间的函数关系。同时根据钻探数据建立了断层裂隙带三维数值分析模型，研究了不同的岩体在煤层开采过程中，断层带导水和采空区涌水量规律。研究表明：裂隙数量与渗透率之间符合指数函数关系，且相较于二维裂隙模型，三维裂隙岩体中渗透率受裂隙数目增加所提升的幅度更为显著。通过钻孔控制区域范围内实体裂隙的线性延展和未探测区域RQD值参数赋值相结合的方法，构建了含断层带结构的数值分析模型，结合岩体多点钻孔分析，建立了岩体质量指标RQD与渗透率之间的指数函数关系，实现了应用矿井岩体质量指标进行涌水量预测分析。研究成果在矿井涌水预测、突水灾害防治及安全评价方面具有重要意义。

• 岩层运动并行计算系统中动力本构模型引入和巷道冲击破裂过程模拟

  王学滨, 张钦杰, 潘一山, 马立强, 李小帅, 刘栋, 白雪元, 陈双印,

  巷道围岩的动力冲击破坏研究对于巷道冲击地压的机理分析和预防具有重要的理论和实际意义。在微机上模拟巷道冲击时，现有的国外通用商业软件的计算规模小，计算效率低，功能有限。在历时10多年自主开发的岩层运动GPU并行计算系统StrataKing中，发展了动力模拟功能，通过岩样的单轴压缩动力实验验证了该方法的正确性。具体而言，以适于较宽应变率范围的朱−王−唐动力本构模型取代静力本构模型，即广义胡克定律，以提高系统的适用性；以动态黏聚力取代摩尔−库仑准则中的静态黏聚力，以考虑岩石的动力强度特性；以黏性阻尼取代局部自适应阻尼，以克服其在模拟动力学问题时的局限性。通过在巷道围岩模型上表面施加冲击速度，考察了不同应变率条件下巷道围岩模型的失稳规律。当应变率低时，巷道围岩的失稳呈间歇性，这是因为巷道围岩的强度较低，存储的应变能较少，失稳易于发生，也易于停止，但不足以为剧烈的大失稳提供足够的动能；当应变率高时，巷道两帮的开裂区发展较快，这是由于开裂区扩展所需要的能量能得到及时供给，巷道围岩的失稳具有持续性，只有当围岩储存的应变能较高时才能失稳，一旦失稳，则难以停止，这将造成严重的动力灾害。为未来支护条件下巷道抗冲击研究奠定了良好的技术基础。

• 不同椭圆率巷道冲击破坏特征试验研究

  许庆峰, 彭守建, 许江, 杨燕, 秦朝龙, 农晓莉, 贾立,

  为研究椭圆率对巷道冲击破坏特征的影响机制，利用自主研发的深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统，开展了真三维条件下椭圆形巷道冲击破坏试验，分析了不同椭圆率巷道冲击破坏演化规律。结果表明：试样峰值应力及轴向变形量会随椭圆率的增大呈现先增大后减小的趋势，椭圆率为1.25试样的峰值应力及轴向变形量最大；巷道破坏主要集中在边帮两侧，声发射三维定位也验证了这种破坏特征；扰动加载期声发射计数、能量突增，声发射b值突降，说明试样在扰动应力下产生了大尺度破坏。随着椭圆率的增加，声发射的最大计数、最大能量、b值下降幅度均呈现增加趋势。不同椭圆率试样声发射累计能量与时间均存在非线性关系，证明了冲击破坏的能量骤增原理。不同椭圆率试样红外云图和平均红外辐射温度在破坏时有明显的上升，其中椭圆率为1.25试样最为显著。试验结果为地下工程巷道断面防冲设计提供了理论支撑。

• 橡胶垫层吸能缓冲构件对锚杆支护系统抗冲击性能的影响机理

  卢志国, 高富强, 娄金福, 董双勇, 彭相愿, 白刚, 王晓卿, 杨磊, 付玉凯,

  冲击危险巷道的防冲支护实践表明，锚杆支护系统中安装吸能缓冲构件可显著改善其抗冲击性能。以橡胶垫层作为吸能缓冲构件，采用自主研制的冲击试验平台开展了吸能缓冲构件对多锚杆支护系统抗冲击性能影响机理的试验研究。通过对有、无吸能垫层两种工况下锚杆支护系统进行冲击加载试验，得到锚杆变形、载荷、吸能及围岩破碎特征等参量的响应特征，定量阐释了吸能缓冲构件对支护系统抗冲击性能的影响机制。研究表明：锚杆支护系统经历冲击作用时，锚杆载荷的动态响应早于变形，且安装吸能缓冲构件时锚杆载荷、变形及响应“时−速”均显著降低，表明吸能缓冲构件能够改善锚杆支护系统的抗冲击性能；吸能缓冲构件通过塑性变形消耗部分冲击能量，降低支护系统中主要构件的吸能需求，锚杆吸能速率降低是能量吸收量降低与响应时间延长双重作用的结果；吸能缓冲构件有利于均衡锚杆群受力，与各支护构件协同承载，进而提升支护系统的抗冲击性能，支护系统各冲击响应指标的标准差显著降低，其中锚杆吸能速率降低尤为明显，降幅达77.89%；安装吸能缓冲构件，围岩破坏程度，围岩裂隙迹线长度、分形维数及质量损失比等定量指标显著降低，吸能缓冲构件防冲作用表现在抑制裂隙扩展、张开及防止破裂后碎块分离弹射2个方面。研究成果可为冲击危险巷道锚杆支护系统的优化设计提供有益参考。

• 基于数值模拟−机器学习的缓倾斜铝土矿矿柱承载力预测方法

  王德玉, 朱德福, 于彪彪, 王沉,

  矿柱强度具有显著的倾角效应，准确预测倾斜矿柱的强度是保障倾斜矿体地下采场安全的关键。为准确预测缓倾斜矿柱强度，融合运用参数化建模的灵活交互性、数值模拟的样本数据强扩展性与机器学习方法的数据驱动优势，建立缓倾斜矿柱强度预测模型。基于Rhino中Grasshopper平台编制缓倾斜矿柱参数化建模程序，结合某铝土矿裂隙产状参数构建了200组黏合块体−离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱数值模型。采用FLAC3D-3DEC耦合模拟方法，依据试错法标定后的岩块与节理参数，开展了缓倾斜矿柱承载特性试验，监测并建立了机器学习缓倾斜矿柱强度数据集，且验证了此数据集的可靠性。分别以支持向量机(SVM)、极限学习机(ELM)、轻量梯度提升机(LightGBM)构建了缓倾斜矿柱强度预测模型，利用遗传编程(GP)和改进的量子粒子群算法(IQPSO)2种优化算法进一步提高模型性能，建立了缓倾斜矿柱强度与其影响因子之间的非线性映射关系。结果表明：矿体倾角对矿柱强度影响显著，同一尺寸矿柱随倾角的增加其强度显著下降，而不同宽高比矿柱的影响规律存在差异；当宽高比小于1时，矿柱影响因子敏感性主次顺序为：倾角 > 高度 > 宽度；当宽高比大于1时，其影响因子敏感性主次顺序为：宽度 > 倾角 > 高度；交叉验证了SVM模型是缓倾斜矿柱强度预测的最佳模型(R2=0.921；REVS=0.926；RMAE=1.225；RMSE=2.367)，结合GP与IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(R2=0.976；REVS=0.977；RMAE=0.465；RMSE=0.862)。采用GP的符号回归方法得到了缓倾斜铝土矿柱强度表达式，对比经典矿柱强度理论验证了模型的准确性，拓新了倾斜矿柱强度的预测思路。

• 基于亚临界裂纹扩展的岩石蠕变−冲击变形破裂特征

  张广超, 周泽森, 周广磊, 徐涛, Heinz KONIETZKY, 赵西坡, 黄贺, 刘宇航,

  在深部资源开采过程中，深部岩石长期承受高应力及动载扰动，冲击地压、岩爆等动力灾害频发，严重制约了深部资源的安全高效生产。为研究深部岩石在蠕变和冲击载荷共同作用下的变形破坏机制，基于亚临界裂纹扩展理论及断裂力学理论建立了岩石蠕变模型，通过统一时间尺度的方式实现了蠕变和冲击2个不同应变率范围载荷的统一求解，并基于二维块体离散元软件UDEC开发了岩石在蠕变和冲击共同作用下的数值模型，在验证该模型的基础上，研究了不同蠕变应力水平和不同冲击载荷对岩石变形破裂特征的影响。研究表明：基于亚临界裂纹扩展理论的岩石蠕变−冲击模型能较好地描述岩石初始蠕变、稳态蠕变和加速蠕变3个阶段，且该数值模型可以准确地模拟冲击载荷后蠕变应变增加及蠕变破坏时间缩短的效应；随着亚临界裂纹常量B增大或应力腐蚀指数n减小，岩石稳态蠕变阶段应变率增大，岩石稳态蠕变阶段及蠕变破坏寿命缩短；随着蠕变应力水平的增加，岩石瞬时弹性应变及稳态蠕变阶段相同冲击载荷引起的瞬时应变随蠕变应力水平的增加而增加，且岩石在蠕变和冲击的作用下的破坏时间具有明显的非线性特征；随着冲击载荷增加，岩石的瞬时应变明显增大，在高冲击载荷下具有更快的增长率，且岩石失稳破坏时间随冲击载荷的变化差异明显，在高冲击载荷下，岩石试样失稳破坏时间明显缩短。

• 卸荷与补偿路径下深部岩体力学特性与变形破坏特征

  戚敏杰, 赵光明, 刘崇岩, 许文松, 王坤,

  为了研究应力补偿对单面卸荷砂岩力学特性与变形破坏特征的影响，采用真三轴扰动卸荷岩石测试系统对砂岩进行不同中间主应力单面卸荷试验和应力补偿路径下岩体破坏试验，基于Mg-C强度准则研究了2种应力路径对卸荷岩石强度参数的影响，分析了应力补偿后卸荷岩石的力学特性和变形特征。结果表明：在研究范围内，即使是在非常规真三轴状态下，中间主应力σ2的增大同样可以有效提高岩石的承载能力和稳定性，使岩石由塑性向脆性转化；2种应力路径下卸荷岩石的破坏模式存在差异，岩石的整体破坏模式随着σ2的梯次增大由张拉向张拉−剪切复合再到剪切破坏发展，卸荷面附近的破碎区逐渐由深部向浅部转移，而随着卸荷面补偿应力\sigma'_3 的梯次增大，整体破坏模式由张拉−剪切复合破坏向剪切破坏转变，卸荷面附近的破碎区逐渐由浅部向深部转移；岩石在单面卸荷与应力补偿支护过程中，伴随着ε3的扩容与压缩，ε2基本上无明显变化，但是ε1和εv发生2次明显的回弹变形，且ε1和εv的变形与ε3同步；应力补偿可以有效补偿卸荷引起的岩石应力损失，提高砂岩的黏聚力和破坏强度，使砂岩加卸载期间的补偿系数η(m1)、η(m3)、η(mv)逐渐增大，但对内摩擦角和η(m2)影响较小；在任意补偿应力条件下压裂系数ξ(m2)和ξ(m3)均为负值，岩石在σ2和σ3方向处于扩容状态，而ξ(m1)和ξ(mv)正好相反，在任意补偿应力条件下均为正值，岩石处于压缩状态。

• 深部煤层瓦斯含量分阶赋存规律及其与突出危险的关联

  赵伟, 董虎子, 闫志达, 王凯, 舒龙勇, 冯忠凯, 卢守青, 胡科,

  我国目前采用的煤与瓦斯突出区域预测指标包括瓦斯压力和瓦斯含量2种，在不同矿区两者对突出危险的敏感性不一。煤与瓦斯突出机理是合理制定突出危险性预测指标的基础，“本源瓦斯主控说”突出机理暗示瓦斯含量在深部条件下对突出危险的敏感性要高于瓦斯压力。为了检验上述推论的正确性，对比选取了具有高地温、高压力特征的平煤八矿作为典型研究对象，其高地温与高压力特点使得深部煤层瓦斯赋存规律与浅部不同，瓦斯含量在某一“临界深度”以下产生负增长，导致瓦斯赋存规律呈现分阶特征，与瓦斯压力的线性递增赋存规律产生明显差别。采用理论计算、试验分析、数值模拟与现场验证相结合的方法，首先理论计算了平煤八矿瓦斯含量分阶赋存规律，并建立了考虑温度与压力竞争效应的固−流−热三场耦合模型，分析出现瓦斯含量随深度逆向减小的影响因素；然后对比地勘/采动时期的瓦斯含量和瓦斯压力的差异化赋存规律，验证了理论研究和数值模拟的研究结果；之后理论分析了研究矿区的突出能量纵向分布规律，并以现场瓦斯涌出量以及突出事故案例，对突出危险性分阶分布特征进行了正面和侧面验证；最后比较分析了深部条件下瓦斯压力与瓦斯含量对突出危险的敏感性差异，阐明了造成两者差异的内在原因。论文研究显示：深部逐渐增高的地温以及压力对瓦斯含量形成了竞争作用，使得瓦斯含量在某一深度以下可能产生负增长现象，形成临界深度。临界深度的大小受到地温梯度、吸附能力以及温度敏感系数等因素影响。“本源瓦斯主控说”强调吸附瓦斯在突出中的主控作用，在临界深度以深，瓦斯含量对突出危险的敏感性要大于瓦斯压力。尤其对于构造煤而言，瓦斯含量的区域预测指标要更为敏感可靠。论文研究成果从宏观角度验证了“本源瓦斯主控说”的正确性，对于深部煤岩瓦斯动力灾害防治具有一定的指导意义。

• 带压环境下煤体瓦斯解吸特性及模型

  梁跃辉, 石必明, 岳基伟, 钟珍, 韩奇峻, 张铖铖, 彭杰, 张海卿, 梅文强,

  煤层瓦斯含量是矿井瓦斯防治的一个关键技术参数，在直接测定煤层瓦斯含量取样过程中，由于钻孔内风压的存在，煤样在钻孔内瓦斯解吸处于带压环境。然而，目前煤样在钻孔内的瓦斯损失量是基于常压环境下瓦斯解吸量进行推算的，其造成煤层瓦斯含量测定不准确。基于此，开发了一套带压环境下煤体瓦斯解吸实验平台，探究了煤样在正压和变压环境下瓦斯解吸量、解吸率、扩散系数的演化规律，构建了带压环境下煤体瓦斯解吸模型，采用有限元分析软件数值解算了扩散系数方程。研究结果表明：煤样在孔内运移阶段，其瓦斯解吸过程处于正压环境，解吸量、解吸率、扩散系数与解吸压力呈现负相关的关系；在孔口接样阶段，煤样由带压环境向常压环境突变，常压环境下瓦斯解吸量、解吸率、扩散系数与瓦斯压力呈现正相关的关系；带压环境煤体瓦斯解吸模型计算的损失量更接近于实验测试的瓦斯解吸量，然而传统法(\sqrt t 法和幂函数法)推算的瓦斯损失量远远偏离实验测试的瓦斯解吸量；传统法需要测定常压环境下瓦斯解吸量，才能间接推算瓦斯损失量，而带压环境下煤体瓦斯解吸模型依据取样风压、瓦斯压力及取样时间，可直接获得煤样的瓦斯损失量；研究结果为瓦斯损失量的准确推算及煤层瓦斯灾害防治奠定理论基础。

• 双重卸载模式下含瓦斯煤力学特征响应及渗流规律

  周斌, 刘航, 李树刚, 双海清, 张东明, 彭守建, 刘子嘉, 王崇智,

  煤与瓦斯突出(简称“突出”)的发生是一个气压与围压同时卸载的过程(即“双重卸载”)。为判断应力和气压对突出煤体破坏的主控作用，明确其在突出过程中的作用机制，基于三轴渗流试验，分析了煤体试件在多种卸载模式及不同卸载比条件下的力学状态、渗透特性及破坏倾向性，并探讨了多种卸载模式下有效应力作用与Klinkenberg效应的作用机制，研究结果表明：煤岩体在气压卸载、围压卸载及双重卸载模式下轴向应变持续增大；仅卸气压时，径向应变线性减小，表现为煤岩体的最终渗透率增长率仅为36.88%，应力圆半径未发生变化，应力圆逐渐远离强度包络线，试件将逐渐趋于稳定；仅围压卸载时，径向应变线性增大，表现为煤岩体最终渗透率增长率高达990.91%，同时应力圆半径逐渐增大，应力圆逐渐靠近强度包络线，试件趋于发生破坏；而双重卸载模式下，在卸载前期体应变比最大，煤岩体最终渗透率增长率为149.24%，应力圆半径逐渐增大，应力圆远离强度包络线，试件逐渐趋于稳定。但随着双重卸载模式的卸载比增大，煤岩体轴向应变、径向应变及体应变变化速率均增加，有效应力在突出过程中的主导作用增强，进而导致渗透率增长速率升高，相应的应力圆半径增长幅度也将逐渐增大，应力圆将由远离包络线转至靠近包络线。由试验结果进一步得知，多次的阵发式突出过程中，受应力和瓦斯压力的双重控制，当发生典型的煤−瓦斯两相流动现象时，煤岩体表现为双重卸载过程，应力对突出的发展起到主导作用，而在突出处于短暂的停止阶段，煤岩体表现为仅的气压卸载过程，此时气压对突出的再次启动起到了主导作用。

• 微波激励下煤岩颗粒间电场强化特性研究

  孙晓婉, 洪溢都, 龙盛壹, 李贺, 刘猛, 阳富强,

  微波辐射诱发的热效应与非热效应均会对煤岩产生一系列的影响，微波感应放电属于微波非热效应中的一种现象。煤作为一种非均质性强的多孔、富矿的骨架结构，内部的孔隙、矿物等均会对电场产生影响，不同组分颗粒间的微波放电现象及电场强化特性具有较大差别；而目前相关研究主要围绕在煤体中的煤基质上，忽略了煤体中的矿物及矿物本身形状不规则性带来的影响，导致对真实矿物颗粒间的放电机制以及影响其放电强度的因素仍不清楚。因此，通过绘图软件将电子计算机X射线断层扫描机(XCT)扫描获得的真实煤岩颗粒形状描绘出来，利用COMSOL Multiphyics软件模拟了微波场下真实煤岩颗粒的电场强化特性，并探讨了其产生的原因。结果表明：微波的传播方式及极化特性对颗粒间电场强化有显著影响，颗粒间电场强度在x传播y极化时最大；相对于其他5种颗粒组合，粒径和间距对黄铁矿−黄铁矿组合的电场强化效果最明显，煤岩颗粒组合电场强化的最佳效果出现在大粒径、无间距的情况下；颗粒间夹角的变化对电场强化效果有一定的影响，且各颗粒形状对应的电场强化最大值均出现在夹角为0°时；规则矿石颗粒(圆、正方形、五边形等)的电场强化效果与颗粒圆度系数直接相关，颗粒间电场强度最大值出现在颗粒尖端角度为60°左右、圆度系数为0.71的正三角形时；而不规则矿石颗粒的电场强度与圆度系数、分形维数并无关系，且随曲率的增大而逐渐增大；此外，碳质材料的石墨化程度会对电场强化效应产生较大的影响，电场强度随着石墨化程度增加而增加。

• 呼吸性煤尘表面异质核化凝结效果预测及降尘试验

  林汉毅, 袁亮, 江丙友, 章玉前, 王一凡, 王浩宇,

  煤尘颗粒表面润湿性是制约湿式除尘效率的重要因素，煤尘颗粒表面异质核化凝结是一种无任何污染、无需考虑颗粒表面润湿性，且能有效提升煤尘颗粒被液滴捕捉效率的方法，而人为干涉温湿度环境变化是激发煤尘颗粒表面核化凝结效应的必要条件。为获得不同干涉条件对矿井呼吸性煤尘颗粒核化凝结效果的影响，基于颗粒核化凝结试验系统，围绕煤尘初始温度、干涉气体相对湿度、干涉气体凝结温差3个因素开展单因素分析和多因素正交试验。结合使用均方差赋权法、非线性回归分析法、预测效果评价指标，确定各影响因素在煤尘颗粒核化凝结效果中的权重占比，构建颗粒核化凝结多元非线性回归预测模型，且评价模型预测的准确性。搭建颗粒核化凝结与喷雾协同降尘试验系统，对比分析二者协同与单一降尘方式对呼吸性煤尘的治理效果。结果表明：干涉气体相对湿度对核化凝结效果影响最大，二者呈正相关性，且当干涉气体相对湿度大于70%时才能激发明显的核化凝结效应；干涉气体凝结温差对核化凝结效果的影响仅次于干涉气体相对湿度，凝结效果会随着温差的增大呈先下降后上升趋势；煤尘初始温度对权重的影响最小，且对于煤尘颗粒粒径≤1 μm和> 2 μm的颗粒群分别呈现正向和反向激励；基于多种方法结合构建的多元非线性回归模型的预测准确性较优，误差小，可用于量化表征一定范围内温湿度干涉条件下的矿井呼吸性煤尘颗粒核化凝结效果；利用颗粒核化凝结与喷雾协同降尘可以有效解决煤尘表面润湿性差的问题，相较于纯水喷雾的降尘效率提升了131.84%。

• 湿式疏水纤维栅强化排风流热湿传递过程模型与试验

  巫升祥, 陈世强, 邓欢, 黄敏华, 郭渊昊, 吴志荣, 蒋加川,

  如何逼近排风流热湿能量提取的极限，是矿井低品位余热回收技术的难题，关键是探索强化气液间热湿传递的新途径。针对喷淋式矿井排风流热回收装置，建立基于传质单元数(NTUm)—刘易斯数(Le)的气液串联热湿传递理论模型，开展喷雾耦合纤维栅气液热质交换试验，引入无量纲间距比，量化几何尺寸与水气比对气液热湿传递的影响。运用耗散理论，求解理论模型，探寻纤维栅强化气液间热湿传递的内在机理。结果表明：以耗散最小为传递过程优化目标，Le与耗散热阻成正相关，Le趋近于1，耗散热阻越小，提取热量越多，强化热湿传递过程。具体为，当纤维栅间距比为8、水气比为0.73时，NTUm随水气比增长越显著，风温最高降低8.1 ℃，相较于空腔状态下温降提高2 ℃，焓降值达到17.62 kJ/kg。再者，间距比越大，水膜更新频率快，增加气液接触次数，降温幅度越高，空气侧传热效率达到33%，水侧加热效率呈现上升趋势，热湿交换更趋完善；间距比越小，纤维填充率高，纤维栅持液量增加，水侧加热效率提高显著，但是，空气侧传热效率较低，热湿交换远离极限。所得结论，揭示纤维栅强化热湿能量提取的机理，指导纤维栅几何参数优选，实现高效提取特定水气比范围内排风流余热资源，推动绿色矿山建设。

• 构造煤中有机显微组分变形差异的力学及分子结构本质

  侯晨亮, 姜波, 李明, 宋昱, 刘和武, 程国玺,

  煤体微观变形的非均质性对煤层气赋存、运移产出具有重要影响，其中有机显微组分变形差异是煤体微观变形的关键，当前对有机显微组分变形差异性与其力学性质及分子结构之间的内在联系研究仍相对薄弱。以构造煤中有机显微组分变形差异性特征研究为基础，借助原生结构煤的高温高压变形物理模拟试验验证原位温度−应力条件下有机显微组分的变形规律，结合有机显微组分的原位纳米力学参数和分子结构特征等测试结果，阐释了构造煤中有机显微组分变形差异的力学及分子结构本质。结果表明：壳质组的分子结构松散、稳定性低、可抵抗的应力最小，表现出的硬度和弹性模量也最小，相同温度、应力载荷作用下蠕变位移最大，构造应力作用下易发生韧性弯曲变形；镜质组的分子结构相对紧密、稳定性较高、可抵抗应力较大，其硬度和弹性模量较大，相同温度、应力载荷作用下蠕变位移较小，构造应力作用下多出现脆性破裂变形；相比而言，惰质组的分子结构最为紧密、稳定性最高、可抵抗应力最大，其硬度和弹性模量最大，等同温度、应力载荷作用下蠕变位移最小，相同构造应力作用下产生的脆性破裂变形要弱于镜质组。

• 四川筠连煤层气井产出水地球化学特征及地质意义

  顾俊雨, 杨兆彪, 田文广, 韩永胜, 刘常青, 梁宇辉, 卢本举, 李存磊, 彭丽莎, 王海晨,

  煤层气井排采水地球化学特征包含着丰富的地层水来源信息，可反映煤层气保存条件，对煤层气富集机理和勘探开发研究具有重要意义。以四川盆地南缘筠连区块9组19口典型煤层气井为研究对象，开展了产出水常规离子、微量元素、氢氧同位素实验测试，并结合产出水常规离子随排采时间变化规律探讨煤层气井产出水的来源。结果表明：筠连区块煤层气井产出水中Na++K+含量超过90 %，溶解性固体(TDS)总质量浓度为1 203～143 099 mg/L，Cl−质量浓度为709～85 700 mg/L，\mathrmSO_4^2- 质量浓度为12～3 614 mg/L，\mathrmHCO_3^- 质量浓度为24～516 mg/L，具有“高TDS、高Cl−、高\mathrmSO_4^2- 、低\mathrmHCO_3^- ”的特征。在10 a排采期间，Cl−表现为波动性下降，\mathrmSO_4^2- 前期含量较为稳定，约为20～25 mEq/L，在排采1 500 d左右开始出现波动，\mathrmHCO_3^- 含量最低。筠连煤层气井产出水主要存在海相成因的原始沉积水、大气降水补给的渗入水与混合水3种类型，产出水变化在时间与空间尺度上均显示了一个大气降水渗入到原始沉积水的混合过程。随着大气降水的渗入，产出水水型由Ca/Mg-Cl型先转变为Na-SO4型，再转变为Na-HCO3型；微量元素含量逐步减少，其中Sr与B元素对产出水来源的敏感性较高；产出水氢氧同位素值逐渐减小，氢氧同位素拟合线也逐渐向大气降水线靠近。多种地球化学指标均显示处于宽缓向斜轴部的G1-2井封闭性较好，产出水主要为海相沉积水，而处于向斜翼部的G3井封闭性较差，来源主要为大气降水，其余井介于二者之间，为古海水与大气降水的混合水。

• 页岩微观力学纳米压痕表征及储层可压裂性评价

  陈立超, 张典坤, 肖宇航, 王生维, 吕帅锋,

  页岩微观力学性质是页岩油气储层可压性评价、压裂工程甜点优选的关键依据。以四川盆地龙马溪组海相页岩，内蒙古石拐盆地长汉沟组、新疆塔里木盆地杨叶组陆相页岩为对象，采用纳米压痕试验获取不同沉积相页岩弹性力学性质、硬度、断裂韧度参数信息，提出一种基于加−卸载全程能耗比的页岩脆性评价方法，并结合不同沉积相页岩微观力学性质构建了弹脆性、弹塑性、塑性页岩微观断裂机理及储层压裂裂缝延展形式，最后提出页岩储层工程力学品质评价指标体系，结果表明：四川盆地、内蒙古石拐盆地、新疆塔里木盆地页岩加−卸载曲线滞回环依次增大，表明上述地区页岩塑性形变能占比随之增高，对外部能量吸收效率增强，指示岩石脆性减弱。试验显示四川、石拐、塔里木盆地页岩弹性模量分别为60.27、34.84、23.40 GPa，硬度分别为3.05、1.21、0.57 Gpa，断裂韧度分别为1.56、0.75、0.28 MPa·m0.5，不同沉积相页岩刚度韧性差异很大，其中四川盆地海相页岩断裂韧度高于石拐、塔里木盆地陆相页岩，能够形成高的裂缝净压力助推裂缝转向，利于营造复杂缝网；而陆相页岩断裂韧度较低不利于裂缝流体憋压，很难达到高的裂缝流体净压力，裂缝转向困难不利于形成复杂压裂缝网；笔者提出利用压痕实验全程弹性能与塑性能与断裂能和的比(脆性系数)评价页岩脆性，其中四川页岩脆性系数为0.89，属于弹脆性页岩，外载下裂缝沿矿物晶界开裂形成窄缝；石拐页岩脆性系数为0.27，属于弹塑性页岩，储层非均质性强，裂缝遇到坚硬矿物绕行形成曲折裂缝裂缝；塔里木盆地页岩脆性系数0.04，为塑性页岩，易形成宽缝；笔者综合岩石弹性模量、硬度、断裂性能、脆性指数、黏土矿物含量、矿物接触方式等7类指标综合提出一种页岩工程力学品质的分类评价方法，以期为页岩储层压裂品质评价及压裂工程甜点优选提供定量化科学依据。

• 鄂尔多斯盆地东缘下石盒子组砂−泥薄互层岩石力学特性

  丛日超, 杨睿月, 胡家晨, 夏志浩, 黄中伟, 李根生, 井美洋,

  阐明薄互层岩石力学性质是研究薄互层裂缝扩展规律和开展水力压裂方案设计的基础。然而，常规岩石力学实验难以精细表征薄互层岩石层间力学性质。针对上述问题，采用点矩阵纳米压痕、高分辨率扫描电镜和能量色散光谱技术(SEM-EDS)精细表征了鄂尔多斯盆地东缘下石盒子组砂−泥薄互层取心岩石中砂岩层与泥岩层的矿物特征及力学差异、分析了典型矿物的压痕特征和开裂模式；在此基础上通过巴西劈裂实验研究了倾角、夹层/弱面对砂−泥薄互层岩石抗拉强度和断裂模式的影响。研究结果表明：① 砂岩层石英、长石、赤铁矿和方解石等脆性矿物含量较高，平均弹性模量为51.4 GPa，平均硬度为1.74 GPa，平均断裂韧性为5.4 MPa·m0.5，分别是泥岩层的1.10、1.14、1.10倍。② 三棱锥玻式金刚石压头条件下单矿物压痕近似呈等边三角形，多矿物压痕主要受软矿物影响，易于向软矿物相一侧压入。③ 石英、赤铁矿/方解石、层状硅酸盐矿物的压痕尺寸依次增大，脆性矿物压痕易于产生剪切裂纹和径向裂纹，延性矿物压痕易于产生材料剥落。④ 随倾角增加(0°～90°)，砂−泥薄互层岩石巴西劈裂抗拉强度逐渐降低，破坏易沿着夹层/弱面产生；倾角从0°～90°的变化过程是砂−泥薄互层岩石的破坏模式由拉伸主导−剪切主导−拉伸主导的转变过程。研究区下石盒子组砂−泥薄互层岩石非均质性和各向异性显著，矿物组成及其力学性质差异是导致薄互层层间地质力学差异的重要因素。

• 煤系致密粉砂岩N2泡沫压裂特性试验

  肖贺成, 梁卫国, 李文达, 王在勇, 柴望阳,

  低用水量、低储层伤害、高返排效率的泡沫压裂是低压、低渗、强水敏煤系储层开发的潜在技术之一，但相关研究与应用主要聚焦于泡沫稳定性与流变性能优化，其压裂增渗特征研究不足。鉴于此，开展了不同泡沫干度(泡沫中气体体积分数)的N2泡沫、清水与N2气体压裂煤系致密粉砂岩的裂缝起裂扩展规律对比研究，并评价了裂缝面形态和导流能力特征。结果表明：① 泡沫为气液混合物，其压缩性介于清水和N2气体之间，且泡沫干度越高，压缩性越强，压裂增压时间越长；② 泡沫呈现高黏、低滤失特性，其岩石破裂压力高于清水和N2气体，且岩石破裂压力与泡沫干度正相关，泡沫干度越高，岩石破裂压力越高；③ 压裂液排量影响岩石破裂压力，40、20 mL/min排量下，90%干度泡沫的破裂压力分别高于清水15.66、6.08 MPa；④ 泡沫压裂的水力输入能量和声发射能量高于清水，且随着泡沫干度升高，其破裂时的最大和累积声发射能量均越大；⑤ 纯N2气体压裂致密粉砂岩的水力输入能量最高，但主要用于气体压缩，其破裂时的声发射能量最低，压后重注压力高，造缝能力弱。泡沫干度提高，无因次裂缝面积和粗糙度均增加，进而泡沫压裂裂缝导流能力高于清水和N2气体。强水敏储层泡沫流体可替代常规水基高黏压裂液，形成粗糙度和面积更大的高导流裂缝，可为强水敏煤系储层高效压裂增渗开采提供理论指导。

• 枯竭页岩气储层CO2地质封存机理及潜力评估方法

  成其, 汤积仁, 卢义玉, 陆朝晖, 贾云中, 周军平, 张弛,

  页岩气在我国已实现大规模商业化开发，未来大量资源枯竭的页岩气水平井可提供巨大的CO2封存容量。但页岩气储层的地质特征与深部咸水层、油气藏等常规封存地质体有显著区别，目前CO2在页岩地层中的圈闭机理、封存机制及封存潜力评估方法有待进一步研究。以页岩气储层的地质特征为基础，分析了CO2在页岩气储层中的圈闭机理及封存机制。CO2地质封存可以视作页岩气生产的逆过程，主要的封存空间为产出页岩气所占据的原始孔裂隙空间。基于改造储层体积(SRV)作为CO2封存空间的前提，结合有效容积法和“游离−吸附−溶解”多重封存机制，以盖层安全性为约束条件，建立了页岩气储层CO2封存潜力评估模型；基于我国页岩气开发的现状，初步评估了我国未来枯竭页岩气储层CO2封存潜力。结果表明：在垂直方向上，毛细管力封闭是页岩盖层对CO2的主要封闭机理；在水平方向上，SRV被未经改造的致密页岩包围，可形成对CO2侧向运移的有效屏障。基于以上机理研究，结合我国页岩气勘探开发的一般经验，计算得到页岩气水平井单井控制SRV内的最大CO2封存潜力可达71.2万 t，其中游离封存机制的占比为41.82%，吸附封存机制的占比为56.79%，溶解封存机制的占比为1.39%。初步评估我国现有页岩气井的CO2封存潜力为15.02亿 t，未来新增页岩气井的封存潜力为121.04亿 t。

• 融合断层势场的复杂煤层地质体隐式自动建模方法

  钟德云, 王李管,

  在煤炭透明地质系统建设中，对具有复杂交叉断层网络的煤层地质体进行自动建模及模型动态更新是一项极具挑战性的任务。为解决具有复杂断层网络的煤层地质建模问题，在非平稳地质统计理论和隐式建模势场插值理论的基础上，创新性地提出了一种融合外部漂移的径向基函数(RBF)插值理论和融合断层势场的煤层地质体三维自动建模方法。提出的隐式建模方法分为以下步骤：在断层插值约束方面，通过推导融合外部漂移的径向基函数插值式，提出了融合断层势场的径向基函数插值理论与方法。在断层势场表示方面，引入断层线势场来定义断层影响范围，可以插值不同类型断层与煤层间的不连续插值趋势和光滑过渡趋势。在断层网络定义方面，基于图论的思想采用有向图来表示断层网络之间相互影响的拓扑关系，并进而构造断层势场组合关系来定义断层网络之间的截断交叉关系。在模型曲面重构方面，采用保证几何精度的约束Delaunay三角剖分(CDT)方法实现断层线的保特征插值和保特征重构，以确保隐式曲面重构得到几何精度可靠的三角不规则网络(TIN)模型，无需进行网格后处理操作。基于以上方法，开发了面向煤炭地质保障系统的三维煤层地质体模型自动建模系统。系统支持复杂断层网络拓扑关系的自动构建，可以极大提高煤层地质体隐式建模的效率。为了测试融合外部漂移的径向基函数插值方法的插值效果和融合断层势场的煤层地质体建模方法的建模效果，以多个矿山真实数据集为基础，验证了融合复杂交叉断层的煤层地质体隐式建模方法的可靠性。所提方法可以对具有大量不同类型交叉断层网络的复杂煤层地质体进行高效自动建模，并满足断层运动特征和断层影响范围等地质规则约束，对煤层地质精准建模具有重要应用价值。

• 半干旱矿区植物根系对采动应力响应数值模拟

  刘英, 裴为豪, 郭勇, 陈孝杨, 雷少刚, 潘东江, 宫传刚, 陶慧玲, 陈航,

  根系损伤是半干旱井工开采煤矿区植物损伤的关键生态问题，采动岩层破断运动诱发的根土层应力变化对植物根系的损伤机理及影响因素仍需深入探究。依据准黏聚力理论和锚固理论构建基于FLAC3D的植物主根应力损伤数值模型，通过控制变量，分别模拟不同开采条件、不同根土层力学性质和不同根系密度和直径下植物根土复合单元与根系的宏观力学扰动特征，构建植物根系应力对不同开采深度、推进速度、煤层埋深、煤层厚度的状态响应函数。结果得到：开采基岩破断产生的顶板应力会传递到根土层，根土层塑性区破坏范围随工作面不断推进递增，扰动区根系上下部受到的最大剪应力增加，根系上下部所受应力的非一致性是诱发采空区边界附近根系损伤的重要原因。控制单一变量的情况下，扰动区根系受到的最大剪应力随着采厚的增加递增，随采深的增加递减，但采速的变化仅影响覆岩应力传递到根土层的时间，对根土层塑性区破坏范围基本无影响；随内摩擦角和黏聚力增加，土体的抗剪性能越强，根土层发生剪切破坏的区域递减，利于植物根系保护；随根径的增大，根系单位面积上的应力递减，而根系密度的变化对根系应力及根土层塑性区破坏程度影响较小。根系上下部应力差与采厚、采深、采速之间的响应函数类型均为连续渐变函数，与推进距离之间的响应函数为阶跃变化函数。植被保护或源头减损时须调控开采沉陷位态，或采用充填、部分充填等静态开采技术，尽可能降低开采扰动对植物根系的应力损伤。研究结果可丰富半干旱矿区煤炭井工开采诱发植物损伤机理。

• 双重活化多孔碳氮材料实现流动电极电容去离子高效矿井水脱盐

  贺琼琼, 彭海森, 孟振, 苗真勇, 万克记, 许恩乐, 高明强, 黄少萌,

  严格的环保法规驱动下，煤矿在高盐矿井水回收处理上面临的挑战不断升级，因此迫切需要研发高效的深度脱盐技术，以突破行业困境并实现非常规水资源的利用。虽然流动电极电容去离子(FCDI)技术在脱盐领域内崭露头角，但仍存在电极材料性能造成的脱盐能力壁垒。研究提出了一种双重活化多孔碳氮电极材料制备的新方法，以蔗糖为碳源，三聚氰胺为氮源，整合了双模板法、水蒸气活化、酸浸氧化及氮掺杂的优点，改善了材料的润湿性和导电性，同时使得电极材料具备独特整齐排列的柱状结构、更大的比表面积(1 039.76 m2/g)、更丰富的孔结构(0.32 cm3/g)、更多的氮氧电负性点位和更好的润湿性能，以此实现高效，低能耗的矿井水脱盐。该材料(H2O(g)-HNO3/CN)应用于FCDI装置中且经过电压、活性材料含量、处理液初始浓度及pH的工艺优化后对1 g/L的NaCl溶液脱盐5 h，除盐率高达100%，平均脱盐速率、脱盐量、电荷效率及标准脱盐量能耗分别为0.009 52 mg/(min·cm2)，37.08 mg/g，24.02%和481.98 J/mol，即使经过7次循环吸脱附试验，除盐率仍能达到95.71%。为了探究H2O(g)-HNO3/CN的吸附除盐机理，进行了电化学性能、吸附动力学及等温线的分析。结果表明其比电容高达99.38 F/g，内电阻极小；对Na+离子的吸附更符合伪二阶动力学模型和Langmuir等温线模型，对Na+离子的饱和吸附量为4.30 mg/g，饱和吸附时间为120 min。

• Cu-BTC基改性生物焦复合吸附剂的脱汞性能及机理

  贺玲, 冯有祥, 余靖翔, 程鹏, 聂浩田, 武亚文, 闫祺祯, 张震, 贾里,

  为了获得经济高效的烟气脱汞剂，基于掺杂Fe/Cu多元金属的改性生物焦与作为金属有机骨架材料(Metal-organic Frameworks，MOFs)的Cu-BTC两者均含有不饱和金属中心与含氧官能团的基础特性进行结构设计，利用原位生长法制备MOFs基改性生物焦复合吸附剂。在获得样品Hg0脱除特性的基础上，针对Cu-BTC与改性生物焦以及所含各类型活性中心之间的耦合机理及协同机制进行了研究。同时在综合研究微观特性的基础上构建了复合吸附剂的分子结构单体模型，基于密度泛函理论，并利用分波态密度函数，对Hg0在复合吸附剂表面的吸附过程进行理论计算，进一步揭示深层次的脱汞机理以及关键作用机制。结果表明：Cu-BTC材料的脱汞性能优于改性生物焦，而基于2种材料进行复合所获得的Cu-BTC基改性生物焦样品脱汞性能获得了显著提升，最优负载比例为50%，对应汞脱除性能高达239.18 μg/g；复合吸附剂的分子模型主要以芳香结构为主，并含有2个吡啶氮并苯，1个蒽并苯以及1个呋喃，分子式为C75H34O28N3Fe2Cu13，分子量Mr=2361.5；多元金属团簇、氧空位和碳骨架的协同作用利于活性中心的暴露，同时改性生物焦作为底物载体，可在负载于交联的MOFs骨架中提供更多的金属中心和碳骨架，进而在提升反应体系电子受体容量和传质能力的基础上，防止金属氧化物粒子在热处理过程中自聚集形成高度分散的金属中心，从而协同促进对Hg0的脱除。

• 锌钴钼复合脱硫剂中温脱硫与加氢催化耦合

  宋昕芮, 赵玉, 王玉晓, 苏哲林, 寇佳伟, 杨超, 樊惠玲,

  在当前的工业脱硫领域，处理脱硫剂产生的固废正面临巨大的挑战。为了缓解这一压力，实现固废资源化再利用已成为一项亟待解决的研究课题。为了更好地应对这一挑战，研究者们正致力于改进和优化脱硫剂。其中，钼元素因其独特的理化性质受到了广泛关注。采用溶胶凝胶法制备了钼改性的锌钴复合脱硫剂，以期提高其脱硫性能以及硫化后对噻吩的加氢催化性能。通过XRD、XPS和氮气吸附/脱附等表征手段分析了新鲜脱硫剂和硫化样的物相组成和结构并与其脱硫和加氢性能相关联。结果表明：钼物种通过影响比表面积、物相组成以及形成特定活性相前驱体等方式，增强了锌钴脱硫剂的脱硫及后续加氢性能。钼物种的引入与钴相互作用形成了与H2S更具反应性的CoMoO4物种，同时该物种也是CoMoS活性相的前驱体，这将对脱硫及后续加氢性能产生积极影响。此外钼改性提高了脱硫剂的比表面积，有利于活性位点的暴露，从而提高脱硫性能。在350 ℃的条件下，钼物质的量分数为20%的锌钴钼复合脱硫剂穿透硫容为223.6 mg/g。钼改性后MoS2和CoMoS活性相的形成是加氢活性提高的关键。当温度为250 ℃、压力为0.1 MPa、C4H4S质量浓度为(150±10) mg/m3、H2的体积分数为10%和体积空速为7 800 h−1的条件下，钼物质的量分数为20%的加氢活性是未改性的2.46倍，这表明钼改性显著提高了加氢脱硫性能。通过钼改性使脱硫剂的脱硫能力提高，同时使其硫化产物可作为噻吩加氢的高效催化剂，实现脱硫和加氢过程耦合，为废脱硫剂的再利用提供了新的途径。

• Na/Ca/Fe金属间相互作用对高碱煤热解氮变迁的影响

  刘一文, 魏砾宏, 周艳玲, 赵永昊, 尚吉锋, 娄堃堃,

  我国新疆高碱低阶煤具有低灰、高钠和高反应活性的特点，开发高碱煤清洁高效转化为高值化学品技术，将对解决高碱煤资源利用、助力“双碳”目标的实现具有重要战略意义。高碱煤中活性矿物组分Na、Ca、Fe对煤热解具有催化活性，对氮的演化有显著影响。目前尚缺乏矿物组分之间相互作用对燃料氮热转化的影响机制研究。阐明金属间相互作用对高碱煤热解过程中氮变迁的影响，对制定高碱煤梯级利用过程中氮在气、液、固三相中分配的调控策略具有重要的指导意义。通过等体积浸渍法与顺序浸渍法分别将Na、Ca、Fe单金属和双/三金属负载到脱灰煤上，开展高碱煤固定床热解氮转化研究。利用GC-MS、XPS、溶液吸收法，定量分析单金属与双/三金属对煤热解含氮产物分布影响，对比分析热解试验结果与理论计算值，研究双/三金属间相互作用关系。通过分析煤样热解含氮产物的产率/残留率变化，研究双/三金属对高碱煤热解氮转移路径的影响。结果表明：双/三金属通常对氮向气相的迁移具有金属间拮抗作用，对HCN、NH3的抑制强于单金属。Na/Ca、Fe/Ca组合对半焦中N−6、N−5组分向焦油中杂环氮、胺−N等物质的转化具有金属间的协同作用，其对焦油中含氮物质生成的促进作用往往强于单金属。Na/Fe、Na/Fe/Ca组合对半焦内部N−6向N−Q的转化起到金属间的协同作用，促进了氮的固定。

• 基于颗粒团聚行为的灰熔聚流化床气化炉建模

  张家琦, 曹志凯, 周华, 张权聪,

  流化床煤气化技术因具有良好的混合与传热性能被广泛应用于煤化工领域。流化床内气固混合剧烈，高温将导致排灰残留大量碳。传统流化床气化采用低温操作降低灰渣含碳量，但相应气化效率不足。为此，研究人员提出灰熔聚流化床气化技术，通过煤灰有限度的团聚增加床层温度。团聚体尺寸是灰熔聚流化床气化的关键参数，因此需对颗粒团聚过程进行研究。灰熔聚气化炉内颗粒运动情况复杂，仅用实验方式进行分析会付出高昂成本，需结合反应器数学建模实现高效研究。然而，现有灰熔聚流化床气化炉数学模型很少体现颗粒团聚过程，并采用平均粒径模拟团聚体尺寸，无法准确描述反应器内实际的传递和反应过程。为此，本研究提出一种新型灰熔聚流化床气化炉模型：① 气化炉分为鼓泡区和自由空域，鼓泡区由气泡相和乳化相组成，自由空域视为拟均相；② 考虑床内灰分团聚现象建立颗粒团聚机制，并结合颗粒初始粒径分布描述鼓泡区内灰分团聚过程。然后对所建立的模型进行求解并对比实际装置的运行数据与模型的模拟结果，两者偏差小于10%，说明模型的有效性。最后利用本模型计算不同氧气煤比的团聚体尺寸和碳转化率变化情况。进一步分析颗粒团聚对碳转化率的影响关系，团聚体处于临界尺寸时的碳转化率最大，若尺寸继续增加则颗粒无法维持流化状态。

• 氧化锌常温精脱硫性能主要影响因素及研究进展

  刘植龙, 杨超, 苏哲林, 王业双, 梁美生, 樊惠玲,

  硫化氢是一种无色、有臭鸡蛋气味的有毒气体，广泛存在于煤制气、沼气、天然气等工艺气体中。硫化氢不仅会腐蚀管道、毒化下游催化剂，而且危害人类健康，即使微量硫化氢也会致人死亡。此外，当硫化氢排放进入空气中其氧化产物二氧化硫会导致酸雨，后者会严重危害植被并污染地下水。因此，为了保护人体健康和生态环境、维持工艺设备的正常运行，各种工艺气体中的硫化氢必须进行深度去除。氧化锌是目前应用较为广泛的一类脱硫剂，在工业生产中作为把关脱硫剂使用。常温下氧化锌脱除硫化氢更具有热力学优势，能将各种工艺气体中的硫化氢质量浓度降低至0.1 mg/m3以下，可以很好地满足各种工艺和环保法规对原料气中硫化氢含量的要求。但受反应动力学影响，氧化锌常温脱硫活性非常低。为了提高氧化锌常温脱硫活性，适应日渐严格的环保法规及新兴工艺技术如质子交换膜燃料电池等对原料气中硫化氢含量的要求，总结了氧化锌脱硫过程中可能的脱硫机理，概述了晶粒尺寸和比表面积、孔隙结构、晶格缺陷、异质结构和相对湿度等主要因素对脱硫性能的影响机制，综述了负载型和多孔纳米氧化锌脱硫剂的研究进展，最后分析了使用后废脱硫剂的再生状况，以期为脱硫剂的优化设计提供借鉴与参考。

• 煤矿井下5G电磁波瓦斯引燃机理及功率安全阈值

  张勇, 孟积渐, 陈湘源, 王晓峰, 陈晓晶, 陈海舰, 郭子文,

  5G技术凭借其大带宽、低时延和广连接等优势，在煤矿行业的智能化转型中展现出巨大潜力。针对5G射频信号在煤矿井下使用可能引发瓦斯爆炸的潜在风险，以及现行标准对5G射频应用的局限性展开系统性研究。首先，对现有防爆标准进行了溯源与分析，阐明其历史演进与适用范围，并建立了煤矿井下射频设备发射端安全阈值评价体系。随后，综合考虑低温等离子体动力学、电磁波传播理论和瓦斯爆炸反应动力学等因素，构建了空气/甲烷混合气体环境中电磁波功率安全阈值的通用计算模型。通过半波振子天线的参数匹配设计，实现了射频能量对放电电极的有效馈入，并在试验室条件下完成了瓦斯点燃试验。结果表明，射频能量能够引燃瓦斯，且安全阈值受到调制方式、频率、温湿度、能量积聚、天线增益及多源叠加等多重因素的共同影响。研究发现，5G NR 700 MHz频段电磁波的功率安全阈值不低于43.3 W；以发射端作为评价指标时，不需要考虑天线增益对安全阈值的影响。基于相关系数与天线分集的方法可有效量化多源叠加对安全评估的影响，并指出在满足特定条件时可忽略多源叠加，从而提升射频功率的利用效率。本研究明确了煤矿井下700 MHz频段5G基站的功率安全阈值，为其他频段及射频设备的安全研究提供了参考，并强调了修订相关标准的重要性，以便在复杂井下环境中更加精准地评估电磁波引燃易燃气体的风险，从而助力煤矿行业的智能化转型与安全生产。

• 基于分步视觉伺服的钻锚机器人控制方法

  雷孟宇, 张旭辉, 杨文娟, 万继成, 杜昱阳, 余恒翰, 田琛辉,

  煤矿巷道支护装备的自动化和智能化程度不足，严重阻碍了煤矿巷道成形效率的提升，成为造成“采掘失衡”现象的关键因素之一。为解决煤矿巷道支护装备自动化程度低、支护效率差的难题，设计了一种集成悬臂式掘进机和多自由度机械臂的钻锚机器人，提出了基于分步视觉伺服的钻锚机器人控制方法。首先提出了基于双目视觉的锚钻孔空间定位方法，利用三角原理实现锚钻孔精确定位；其次，通过机械臂关节布置的位移传感器和角度传感器检测对应关节的移动距离和旋转角度，利用改进的Denavit-Hartenberg (MDH)方法构建钻锚机器人机械臂运动学模型，实现机械臂末端执行器空间位置解算，确定末端执行器初始位置和目标位置；然后，提出一种基于分步视觉伺服的钻锚机器人机械臂运动控制方法，利用末端执行器位置构建基于位置的视觉控制模型，控制机械臂接近目标锚钻孔，实现机械臂的粗略控制；以锚钻孔外切矩形4个顶点的图像坐标为特征点，建立特征点运动速度与机械臂关节运动速度的映射关系，构建基于图像的视觉伺服控制模型，控制末端执行器快速精确对准目标锚钻孔中心，实现机械臂的精确控制；最后，搭建钻锚机器人实验平台，在实验室环境下完成锚钻孔视觉定位与机械臂视觉伺服控制仿真及实验。结果表明：提出的锚钻孔定位方法在X、Y和Z 3个方向定位平均误差分别为7.5、7.8 、8.1 mm；提出的分步视觉伺服控制方法能够实现机械臂的粗略和精确控制，末端执行器可以快速精确到达目标锚钻孔目标位置。基于分步视觉伺服的钻锚机器人控制方法能够有效提升支护系统的自动化程度，为巷道支护的减人提效奠定了良好基础。

• 轻量化炮孔图像检测与定位方法

  潘杉, 于挺, 岳中文, 田子建, 金庆雨,

  在岩巷掘进工作面爆破作业中，目前采用人工装药或由经验丰富的人员操作机械臂进行装药，作业的有效性和安全性难以保证。装药机械臂的智能化发展是实现掘进面爆破作业中药物填充操作安全高效运行的关键，而炮孔图像检测算法是装药机械臂智能化控制系统的核心算法。为实现装药机械臂的智能化控制，保证炮孔图像检测精度的同时降低控制装置的功耗，使装药机械臂嵌入式控制装置满足本质安全型电气产品的安全要求，提出了一种轻量化炮孔检测与定位算法Mv3-SCD。该算法在炮孔检测精度方面，针对炮孔受围岩背景、岩石阴影影响产生的误检现象，以及炮孔在图像中表现出上下文信息少、可识别特征有限导致的漏检问题，首先设计了一种炮孔检测头结构，通过使用高分辨率的检测头来减少过多的下采样导致的炮孔特征损失；然后引入了Mv3_Block使算法在浅层特征便具备较强的炮孔语义抽象能力，通过配合空洞金字塔池化模块增大感受野，以捕获复杂围岩背景下炮孔和岩石遮挡形成的阴影之间的细粒度差异特征；最后，为了提高炮孔边界框回归的准确率，对损失函数进行了优化。针对炮孔图像检测与定位算法网络模型参数量大、每秒帧数小的问题，提出了一种轻量级的Sc_C2f模块来对网络结构进行优化。为了验证算法的有效性，分别从主观和客观2个方面对Mv3-SCD系列进行了分析。与最小基线模型相比，Mv3-SCDn炮孔算法具有最优的炮孔检测效果，炮孔检测模型参数量下降了7.17%，检测速度提高了45.44%。实验结果表明，提出的算法能够有效提高智能装药机械臂的精准度和网络模型的轻量化程度。