煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第4期

• 特厚煤层10 m超大采高综采关键技术及装备

  康红普, 雷亚军, 赵福堂, 徐刚, 李增林, 李明忠, 王锐, 黄志增, 刘江斌, 马英, 韩存地, 冯彦军, 张震, 张金虎, 任建超, 宋业杰, 曾明胜, 程利兴,

  超大采高综采技术是我国6～10 m特厚煤层实现高产、高效、高回收率开采的有效途径。在分析国内超大采高综采技术及装备研究现状的基础上，围绕陕煤集团曹家滩煤矿10 m特厚煤层超大采高工作面开采地质条件，从超大采高采场围岩控制、关键开采装备、智能协同控制3个方面分析了存在的难题，并提出了解决路径。经过5 a的技术攻关，取得一系列创新成果：① 提出“主动强力支撑与防护+区域压裂弱化卸压”的支–卸协同超大采高工作面围岩控制策略，研发出5 m3/min大流量井下水力压裂成套技术与设备，实现了超大采高工作面强矿压的有效防控。② 研发出10 m超大采高强力液压支架，创新设计了“双层伸缩梁+三级护帮”机构，实现了超大采高工作面顶板和超高煤壁的安全防控；采煤机分区润滑与分布式冷却方案提高了大仰角长摇臂采煤机截割可靠性；高可靠中部槽、下链道悬链及慢变动力启动提高了超大运量刮板输送机对超大采高工作面煤流运输的适应性。系统集成世界首套特厚煤层10 m超大采高综采成套装备。③ 提出10 m超大采高液压支架运行状态智能控制策略，采煤机自动控制策略，通过应用粗糙神经网络技术，构建了超大采高采煤机与刮板输送机的协调控制系统。形成了超大采高重型开采装备群智能控制模式及控制逻辑。④ 构建了基于“微震–岩层移动–应力–水文”的超大采高工作面多场多参量协同监测融合分析系统，实现了工作面覆岩破坏、地表移动变形、地下水流场和矿压显现间的多元异构数据融合分析。研究成果在曹家滩煤矿得到成功应用，实现了10 m特厚煤层高产、高效、高回收率开采，取得了显著经济效益，引领了国内外特厚煤层高效智能开采技术的发展方向。

• 超高工作面上覆厚硬岩组破断运动规律与多重动载产生机理

  王家臣, 王兆会, 孙文超, 李猛, 张鑫, 李家龙, 侯东鑫,

  大采高开采技术具有高产、高效、高采出率等优点，成为榆神矿区厚煤层开采的技术首选。大采高工作面采出空间和装备功率成倍增加，采动效应急剧增强，特别是超大采高与厚硬顶板并存条件下，强矿压现象频发，威胁生产安全。为提升超高工作面围岩控制效果，以曹家滩122104工作面为工程背景，采用现场实测、室内试验、理论分析等手段研究了10 m超大采高工作面厚硬顶板破断运动规律与支架载荷演化特征，探究强矿压产生机理及控制方法。结果表明：大采出空间、高推进速度、多厚硬岩组导致超高工作面液压支架具有“急增阻、高静载、多重动载、高频循环载荷”等承载特征，工况劣化导致顶板载荷快速向超高煤壁转移，引发坚硬煤壁板式劈裂破坏；超大采高导致工作面上覆3个厚硬岩组进入液压支架工况影响区，厚硬岩组呈现小变形破断模式，破断前以弹性变形为主，组内岩层无离层现象，破断后裂隙发育速度快，能量释放率高，破断岩块可形成错位岩梁平衡结构；得到了支架顶梁载荷三维分布曲面及其同顶板结构的协同演化特征，厚硬顶板破断前支架载荷小，分布于立柱支撑区，破断后支架快速增阻进入满负荷状态，多组硬岩破断导致液压支架承受多重动载冲击效应，顶梁载荷偏离立柱支撑区，引发异常支架工况；构建了考虑层间剪力的厚硬顶板短梁结构模型，其内部拉应力降低，剪应力升高，揭示了厚硬顶板小变形沉降原理和拉剪混合破断机理；得到了直覆厚硬顶板破断前后弹性应变能分布特征，给出了厚硬顶板动力破断和应变能释放条件，厚硬顶板弹性小变形破断特征决定了应变能以瞬间释放为主，向破断岩块动能的转换率达到21%，提出了动载冲击力计算方法，厚硬顶板高能量释放率和破断岩块下位大自由空间是超高工作面多重动载产生的直接原因；超前区域压裂后，厚硬岩组由弹性小变形向塑形大变形破断模式转变，高塑性耗散功与高劣化程度降低了动载冲击强度，提升了超高工作面围岩控制效果。

• 再论大采高采场顶板“组合短悬臂梁−铰接岩梁”定量化结构

  闫少宏, 路洋波, 尹希文, 徐刚,

  针对大采高采场“组合短悬臂梁−铰接岩梁”定量化结构进行研究，采高加大必然引起采场覆岩在横向、纵向的活动范围加大，由于采场覆岩自下而上运动以及冒落碎胀的特点，必将使采空区冒落空间在某一时间趋近于零，因此提出了对采场支架产生作用力的顶板岩层是有范围的，即存在边界层并给出了边界层的概念和判断方法。随着采场的继续推进，采空区冒落的矸石将继续在上覆岩层的作用下发生蠕变而再次压缩变形，从而引起上覆岩层多次下沉传导，引起地表沉陷直至最终稳定，因此从对采场矿压显现有影响的角度将采场至地表的覆岩分为近场岩层和远场岩层。近场岩层为支架上方至边界层内的复合岩层，远场岩层为边界层至地表的复合岩层，近场岩层运动规律是采场矿压研究的重点、远场岩层运动规律是开采地表沉陷研究的重点。基于大采高采场下位复合顶板在垮落前不能触矸而呈“组合短悬臂梁”结构、其上位复合顶板岩层在采场前方煤壁、支架与直接顶联合支撑体、采空区冒落矸石支撑下在采场横向呈“铰接岩梁”结构的特点，提出了大采高采场近场岩层中直接顶、基本顶的新概念并给出了定量化判定方法，从而形成了大采高采场顶板“组合短悬臂梁−铰接岩梁”定量化结构。呈“铰接岩梁”结构的基本顶岩层一般会有一层甚至多层，取决于采高与顶板岩层的厚度、强度、层位等，其形成铰接结构的基本条件是：① 基本顶可能下沉量小于其极限下沉量( \Delta _\mathrmm < \Delta _\mathrmj )；② 在结构面的中截面上部应力大于其抗拉强度( \sigma _\mathrmt＞R_\mathrmt )且下部应力小于其抗压强度( \sigma _\mathrmc < \leftR_\mathrmc\right )；③ 断裂步距大于其厚度的2倍。以曹家滩煤矿10 m超大采高采场为工程背景，通过现场实测分析得到边界层存在的客观性。作为大采高采场“组合短悬臂梁−铰接岩梁”定量化结构理论的应用，研究确定了曹家滩煤矿10 m超大采高采场设备回撤专用垛式支架的支护强度。

• 超大采高工作面厚硬顶板压裂卸压技术研究及应用

  雷亚军, 冯彦军, 康红普, 赵福堂, 尚晓光, 王锐, 王鹏, 张震, 任建超, 赵凯凯, 郑仰发, 刘晓刚,

  针对超大采高厚硬顶板综采工作面面临的超大开采空间、强矿压显现及超高煤壁稳定性控制等难题，以世界首个10 m超大采高综采工作面——曹家滩煤矿122104工作面为研究背景，系统开展了厚硬顶板压裂卸压机制、真三轴水力压裂裂缝重构试验、三维裂缝扩展流固耦合数值模拟、大流量复合压裂技术与工艺、水力压裂效果监测与评价等方面的研究。研究结果表明：厚硬顶板水力压裂卸压作用机制主要体现在结构调控、应力转移、能量释放、强度劣化等方面；延安组相较于直罗组脆性矿物含量更高，易形成复杂裂缝网络；排量由1 m3/min增至5 m3/min，裂缝平均半径由21.9 m增至32.5 m，增幅约为48.40%，排量越大水力裂缝尺度越大。研发了井下厚硬顶板水力压裂卸压技术及大流量压裂装备，开发了磨料射流预切缝与5 m3/min大流量复合压裂技术工艺，提出了一种井下长水平钻孔定向水力压裂“一场一策”分区设计理念，形成了一种动态更新压裂层位和压裂方案的井下长水平钻孔定向水力压裂方法，并在曹家滩煤矿开展了工程应用试验，实现了10 m超大采高工作面矿压显现的科学有效防控。通过地面微震实时监测技术实时捕捉缝网扩展轨迹，有效指导了水力压裂方案的优化，并获得了顶板水力裂缝空间展布特征。开展了水力压裂实施效果的多因素综合评价，对液压支架工作阻力、工作面周期来压步距和持续距离、来压动载系数、微震事件及能量等进行综合分析，综合评价了水力压裂效果。井下试验结果表明：曹家滩煤矿井下水力裂缝以水平裂缝为主，沿钻孔两侧扩展平均距离约为80 m，有效弱化了工作面范围内上覆厚硬、完整顶板，实现了区域顶板结构有效调控；通过区域压裂技术将厚硬岩层组提前预裂，减小了来压步距和动载系数，保障了10 m超大采高工作面安全高效生产。

• 曹家滩煤矿10 m超大采高工作面采场围岩控制技术

  王锐, 徐刚, 康红普, 张震, 雷亚军, 冯彦军, 马英, 黄志增, 刘前进, 刘晓刚, 蔺星宇, 马镕山, 赵振, 李正杰,

  曹家滩煤矿10 m超大采高开采一次开采高度及开采强度为世界首创，采场围岩的有效控制为工作面能否安全高效开采的关键。在分析煤层赋存条件及已采工作面矿压显现特征的基础上，结合工作面超大开采空间、超高煤壁的特点，明确了10 m超大采高开采围岩控制难点，建立了超大采高采场“叠合拱–梁”结构模型，提出了“主动支撑防护+区域卸压弱化+全方位监测预警”三位一体围岩控制策略，验证了10 m超大采高开采围岩控制效果。研究表明：多层厚硬顶板的赋存特征致使工作面矿压显现异常强烈，初采期间大面积悬顶，正常开采期间长悬顶顶板煤壁前方断裂及架后弯曲下沉造成工作面强动载来压明显。超大采高采场“叠合拱–梁”结构力学模型计算结果及已采工作面矿压数据表明，超大采高开采所需支架支护强度将达到2 MPa以上，现有支护装备难以有效实现工作面围岩控制，降低来压步距、弱化来压动载、防止煤壁片帮及防止工作面压架是10 m超大采高采场围岩控制的关键；液压支架“双层伸缩梁+三级护帮”结构实现了对架前空顶及超高煤壁防护的独立运行，解决了原有分体式护帮煤壁防护不全面的问题，高初撑力高工作阻力液压支架明显降低了工作面煤壁片帮冒顶概率，有效缓解了来压期间顶板下沉量；井下深孔5.0 m3/min大流量定向压裂弱化技术实现了多层厚硬顶板弱化，有效降低了工作面来压强度，控制了来压期间煤壁片帮量及顶板大幅度下沉，防止工作面压架；全方位监测预警有效保障了工作面开采期间支架支撑效率，实现了顶板破断的实时跟踪及强矿压的实时分析；超大采高工作面初采期间大面积悬顶及小型飓风问题得以解决，初次来压步距为49.35 m，来压持续距离为5.75 m，支架立柱安全阀开启比例为24.81%，周期来压期间矿压显现程度得到了明显缓解，液压支架立柱平均下缩量均值由0.48 m降至0.32 m，降幅达33.3%，最大下缩量由1.88 m降至1.44 m，降幅达23.4%，工作面周期来压平均动载系数大于1.5的占比由39.6%降至14%，工作面正常生产期间煤壁片帮处于可控范围内，煤壁片帮量集中于0.2～0.5 m。该研究成果对超大采高开采围岩控制具有重要的指导意义。

• 曹家滩煤矿10 m超大采高覆岩垮落结构模型及矿压作用机理

  张震, 黄志增, 刘晓刚, 任建超, 刘前进, 蔺星宇, 薛吉胜, 马镕山,

  曹家滩煤矿10 m超大采高工作面的成功开采标志着我国特厚煤层一次采全高开采技术进入了一个新的水平。基于压力、位移和能量传感器全方位监测超大采高工作面开采，分析10 m超大采高工作面的矿压显现特征，探究上覆岩层运移及破断规律，并建立多层厚硬顶板下超大空间开采覆岩结构模型，以阐述矿压作用机理。结果表明：10 m超大采高开采覆岩破断空间大，矿压显现强烈，具有“来压步距大、动载明显、支架下缩量大和安全阀开启率高”的特征，周期来压步距以10～25 m为主，平均17.8 m，较同翼综放开采增幅为5.2%～21%，周期来压最大动载系数为1.44～1.68，平均1.60，其中，周期来压最大动载系数为1.60以上的占比63%，较同翼综放开采增幅60%，支架最大下缩量聚集于0.4～1.0 m范围内，平均0.63 m，液压支架安全阀开启率为10.6%～78.9%，来压期间液压支架安全阀开启率大于50%的占比达48.1%；工作面来压区域性明显，且聚集于距机头75～250 m范围内，具有“大小周期来压、多次连续性大周期来压”的特点，大周期来压间隔距离为102～186.8 m，平均137.5 m，来压期间微震事件沿走向方向分布在工作面前后300 m范围内，大周期来压期间微震大能量事件聚集于煤层上方20、50和80 m处的层位，能量聚集层位随工作面的推采沿煤层走向呈“低—高—低”往复循环变化的波浪形分布，其上覆岩层在采空区后方处于长距悬顶状态，中上部厚硬岩层具有同步联动破断特征，进而造成工作面的大周期来压；应力拱扩展受坚硬顶板的影响，应力拱纵向发展临时中断，横向跨度增加，形成了前、后两端为半拱状、中部为梁的“拱—梁”结构；多层厚硬顶板下超大采高工作面开采上覆岩层呈叠合“拱—梁”结构，下位“拱—梁”破断造成小周期来压，破断后岩块成台阶状接触，中上部“拱—梁”破断造成大周期来压，其连贯性破断造成多次连续性大周期来压，破断后岩块呈铰接状态；中位主控承载层Ⅱ及高位主控承载层Ⅲ滑落及回转变形失稳时所需支架的支护强度分别为2.32～2.90和1.91～2.14 MPa，现有支护装备难以有效实现工作面的围岩控制。该研究成果对超大采高开采围岩控制具有重要的指导意义。

• 10 m超大采高工作面煤壁片帮“支–卸”协同防控原理

  刘江斌, 黄志增, 刘前进, 张震, 韩存地, 蔺星宇, 马镕山, 赵振,

  煤壁片帮是制约10 m超大采高工作面安全生产的主要因素之一，针对10 m超大采高工作面片帮机制不清、围岩控制难度大的问题，实测统计分析超大采高工作面煤壁片帮特征，研究水平应力卸荷对脆性煤体超高煤壁破坏失稳的影响规律和作用机制，提出了超大采高工作面围岩“支–卸”协同防控原理。结果表明：10 m超大采高工作面煤壁片帮形态以“半月”状和“斜台”状为主，工作面周期来压强矿压显现加剧了煤壁的片帮；煤壁片帮是采动应力作用的结果，煤壁前方煤体塑性损伤破坏主要发生在超前支承压力的峰后卸荷阶段，在该阶段，煤体水平应力和侧压系数呈梯度衰减变化，由于煤壁中部受顶底板夹持作用弱，水平应力衰减程度最大，且随着采高的增大，煤壁前方水平应力卸荷程度显著增强；水平应力卸荷导致的围压降低是脆性裂隙煤岩体超高煤壁破坏失稳的主控因素，煤壁破坏优先朝向水平应力卸荷程度最大和侧压系数最小的方向发展，据此得出了煤壁微裂隙群贯通轨迹，解释了煤壁“半月”状和“斜台”状片帮的机制。可通过减小作用在煤壁上的顶板载荷和增大煤壁水平支护力2方面来减轻超大采高工作面煤壁损伤破坏，形成了“高强度支护–大流量压裂卸压”协同控制技术，10 m超大采高工作面强矿压显现和煤壁片帮问题得到有效管控。

• 超大断面巷道支护关键技术及采动应力演化规律

  程利兴, 王锐, 张镇, 李增林, 任建超, 汪占领, 贾金河,

  针对超大断面巷道围岩变形控制难题，以曹家滩煤矿超大采高工作面回采巷道为研究背景，研究了曹家滩煤矿顶板岩层分布规律，分析了“高+低层位厚硬顶板”结构特征，明确了动压巷道围岩变形呈现非对称性、分区性、持续性的特征及其形成机理。采用数值计算分析了巷道断面尺寸对围岩稳定性的影响及支护预应力场分布特征，确定了合理的锚杆支护参数，提出了高预应力锚杆支护提高近场围岩稳定性、顶板水力压裂降低远场矿压动载的协同控制技术，分析了不同煤柱宽度下围岩应力及塑性破坏分布规律，确定了超大采高工作面合理护巷煤柱宽度为25 m，制定了超大断面巷道锚杆支护及水力压裂卸压技术方案。采用自主研发的超大断面巷道矿压监测预警系统平台，揭示了超大采高工作面动压巷道采动应力演化规律，获取了压裂区顶板微震能量演化规律及空间分布特征。结果表明：超大断面巷道掘进期间巷道未发生明显变形，锚杆受力很快趋于稳定。工作面回采阶段超前影响范围135.7 m，辅助运输巷滞后工作面229.6 m矿压基本趋于稳定，工作面超前支承压力峰值位于25.3～31.7 m内，锚杆受力及煤柱应力剧烈变化周期短，且很快趋于稳定，锚杆最大受力142 kN，锚索最大受力178 kN，煤柱最大应力增量8.6 MPa。相对于普通综放工作面，留巷巷道矿压影响周期明显减小，顶板水力压裂显著弱化了坚硬厚顶板，有效减小了煤柱侧向支承压力的持续作用。煤柱侧向顶板微震能量在超前工作面170 m至滞后工作面220 m显著增大，在滞后工作面20～60 m顶板活动最为强烈，随后迅速减小，表明顶板高低层位岩层及时有序垮落，微震能量与采动应力演化规律具有较好的一致性，揭示了顶板高低位岩层运移状态与矿压形成机理。超大断面巷道围岩全周期内均未出现明显变形，表明超大断面巷道采用高预应力锚杆支护与顶板压裂卸压协同控制技术，达到了较好的围岩变形控制效果。

• 10 m超大采高液压支架关键结构及其承载特性

  韩会军, 雷亚军, 张金虎, 韩存地, 曾明胜,

  针对10 m超大采高综采工作面围岩控制需求，研发了ZYA29000/45/100D两柱掩护式超大采高液压支架。阐述了超大采高采场围岩垮落及矿压显现特点，总结了10 m超大采高工作面注重顶板、煤壁防护及承受强动载的支护需求；在此基础上研发了10 m超大采高液压支架，给出液压支架结构关键参数，配套双层伸缩梁+三级协动护帮、ø630 mm大缸径抗冲击立柱等创新结构，具备断面全防护、结构抗冲击、架体自稳定等技术特点；以结构稳定性为切入点，在分析工作面倾角及采高对支架稳定性影响的基础上，研究了液压支架对不同工作面倾角及采高的适应性，分析得出支架横向临界倾倒角度为12°，适应采高7～10 m，液压支架在正常工作区域内，其理论支护效率并不会有较大变化，而掩护梁受载是超大采高液压支架与小采高支架的最大区别；针对两柱掩护式支架承载特点，分析了不同支架参数下顶梁力平衡承载区域及其迁移特性，两柱式掩护式支架力平衡区主要集中于立柱部位，立柱与顶梁铰接点位置的变化对力平衡区影响显著，平衡千斤顶参数的变化对力平衡区的影响有限；分析了不同型式护帮结构的煤壁防护性能，阐明双层伸缩梁+三级协动护帮结构在防护力度、防护面积等方面具有明显的优势；通过分析支架在增阻状态下的等效刚度，建立了液压支架动载力学仿真模型，通过模拟试验方法研究了其在“给定变形”工作状态下承受动态载荷的响应过程，得出顶梁承受动载主要通过立柱传递、掩护梁承受动载主要通过四连杆机构进行传递的特点；分析了支架在曹家滩煤矿122104工作面的使用情况，说明ZYA29000/45/100D对10 m超大采高工作面有较好的适应性，且满足工作面超大采高围岩控制需求。

• 超大采高综采新近系红土层采动隔水性监测及响应特征

  宋业杰, 鞠文君, 张玉军, 华照来, 尹希文, 胡皓宇, 刘前进,

  新近系红土的采动隔水性能是关系到超大采高综采工作面安全开采和浅层地下水保护的关键要素。综合超大采高工作面红土层赋存结构探查、工程地质特性测试、原位渗透性试验、采动隔水性及采动响应全周期监测等多种研究方法探测结果，研究了曹家滩煤矿122104超大采高工作面覆岩红土赋存规律、岩性结构及天然状态阻隔水性能，实测了超大采高综采过程红土层内采动应力显现及变形发展过程，探究了采动过程红土层隔水性能演化规律，揭示了红土层采动响应特征。结果表明：① 红土钙质结核存在导致土层力学强度降低，且易受扰动影响致使透水率增大；红土层矿物组分中含有较高黏土矿物，遇水具有膨胀性和变形特性。② 分段注水实验结果显示工作面推进时，红土层一直保持有超过30 m的稳定隔水区；萨拉乌苏组含水层水位长期动态监测结果表明采后钻孔水位缓慢下降逐渐保持稳定，开采未直接波及第四系松散含水层，红土层有效隔绝第四系地下水向下渗流；钻孔窥视结果显示红土层下部地层沉积稳定，完整性好，原生裂隙不发育，隔水性良好。③ 建立了隔水层采动响应监测系统，实现了采动全过程红土层全空间变形、沉降量的实时在线监测。监测结果显示在工作面推进过程中，位移曲线呈现出滞后性和非线性特征，红土层出现不连续变形；采动过程中红土层中出现泥盖效应，采后应变恢复裂隙弥合，隔水能力增强。④ 122104工作面土岩厚度比1∶2，在工作面推进过程中红土层横向、垂向上呈现出分区采动响应特征。横向上可分为“采动弱响应区”、“采动强响应区”和“采后弥合区”，纵向上可分为“上部非稳定隔水带”、“中部稳定隔水带”和“下部采动破坏带”，红土层横向延长土体采动响应时间，纵向保持红土层深部存在一段稳定的隔水区，响应滞后与稳定隔水层的特征是保证红土层具有稳定隔水性能的关键因素。

• 煤炭资源四元开发模式创新与实践

  张吉雄, 张强, 周楠, 李猛, 巨峰,

  我国煤炭开采技术经历了多次革新，煤炭生产集约化、现代化水平持续提升。为实现新时代能源高质量发展，煤炭资源低碳化开发和清洁化利用势在必行。提出了契合能源高质量发展的煤炭资源四元开发模式，即在井下构建井巷掘进(掘)、煤炭开采(采)、煤矸分选(选)及固废充填(充)四元一体的统筹开发体系，形成了井下掘–采–选–充协调生产系统布局。建立了四元开发理论与技术框架，在理论方面，包含矿井四元开发系统布局方法、充填开采岩层控制理论、四元开发受限空间分选方法和四元开发固废性能调控机制等关键科学问题；在技术方面，包含开拓准备、高效采充、高效分选和充填材料制配等关键技术。给出了煤炭资源四元开发工程设计方法，从系统布局、围岩控制、井下分选、材料性能调控等方面阐述了四元开发模式的理论与方法创新。同时，系统梳理了井巷掘进、煤炭开采、煤矸分选及固废充填等四元紧密关联的核心技术。典型工程实践案例验证了四元开发模式在减排降耗、弱化开采扰动强度和提高资源采出率等方面成效显著。四元开发模式破解了资源开发与环境保护之间的矛盾，是我国煤炭资源绿色低碳开发的重要路径，未来将与矿山新能源开发等需求相结合，进一步拓展其理论与技术体系。

• 爆破动载下锯齿状岩–充界面胶结充填体损伤规律

  邱泓杰, 邱贤阳, 张舒, 史秀志, 陶明, 曹日红, 曹铭宇,

  地下矿山采矿和充填作业过程中形成的胶结充填体在爆破动载作用下的损伤失稳与岩–充界面形态有直接关系。以往研究常将岩–充界面简化为平面状，但根据采场空区探测结果，岩–充界面往往具有锯齿状特征。运用连续介质理论和有限差分法数值模拟软件，建立了3种不同形态的锯齿状岩–充界面胶结充填体模型为试验组，1种平直状岩–充界面胶结充填体模型为对照组；推导岩体爆破等效腔腔壁上的爆炸荷载，并将其添加到数值模型中以模拟二步骤采场边孔爆破；结合充填体破坏损伤判据，研究了爆破动载作用下胶结充填体动力损伤响应，获得了岩–充界面锯齿宽度SW、灰砂比CSR、孔边距SHD、垂直应力σh等因素对充填体损伤范围和破坏模式的影响规律。结果表明：平面状岩–充界面下胶结充填体的损伤区域形状近似于矩形，而锯齿状岩–充界面的锯齿宽度越大，胶结充填体的损伤区域形状越接近菱形，更易发生楔形破坏；当σh相近时，对于CSR不同的两层相邻胶结充填层，CSR越大，充填体各质点的峰值振动速度衰减越慢，损伤区域面积也随之越大，相邻两层充填体之间越容易因振动速度不一致而诱发层间错动；当CSR相同时，σh越大，损伤区域面积越小。此外，胶结充填体的损伤区域面积与SHD呈明显负相关。在工程实践中，当边孔药量不可减小时，应选择合理的SHD以维持胶结充填体矿柱稳定。

• 正融碎屑冰冻体剪切强度劣化机理数值模拟研究

  孟秋杰, 宋宜祥, 黄达, 马文著, 钟助,

  冰川碎屑冰冻体的冰水赋存状态对温度的变化非常敏感。近年受到气候变暖影响，由碎屑冰冻升温融化而引发的冰崩灾害被广泛报道。为了研究温升条件下碎屑冰冻体的抗剪强度劣化行为，提出了正融碎屑冰冻体的有限–离散元数值模型(F-DEM)。模型将碎屑冰冻体概化为冻土、碎石实体单元以及黏聚力单元，将根据试验所得的碎屑冰冻体抗剪强度升温劣化描述为黏聚力单元的黏结强度的升温劣化过程。首先，在冻土内预置使用“牵引–分离”准则的黏聚力单元来代表孔隙冰。然后，在Abaqus软件中使用用户自定义子程序VUSDFLD，通过温度场变量对黏聚力单元的黏结强度劣化规律进行控制。将数值结果与试验进行对比，发现峰值抗剪强度、变形模式、破坏模式等宏观响应特征和强度劣化规律与试验结果吻合较好。对融冰率、碎石率和载荷水平等条件对碎屑冰冻体剪切力学行为的影响进行了研究，结果表明：当融冰率≤2%，剪切破坏模式为粗糙的“锯齿状”；随着融冰率增加(> 2%)，剪切破裂面逐渐向较为平滑的“圆弧状”转变。在冻土–碎石界面，由于强度差异较大容易形成应力集中，导致裂缝沿该界面形成渐进式贯通。含石率的增加会导致碎屑冰冻体抗剪强度的降低。随融冰率增加，碎屑冰冻体抗剪强度对含石率的敏感性降低。对于维持着较高剪切负荷的碎屑冰冻体来说，环境温度的轻微上升可能导致剪切应变的突变。恒载下的变形可分为3个阶段：初始阶段、发育阶段以及快速变形阶段。在初始阶段，剪切应变先增加后稳定；在发育阶段，剪切应变出现拐点；在快速变形阶段，剪切应变快速增加。拐点的温度随着初始剪切应力的增加而降低，两者近似为线性关系。较高的应力水平下，碎屑冰冻体的剪切应变对温度的改变十分敏感。未来应就模型简化方法、参数取值规律、冰水相变和尺寸效应等问题进行进一步研究，以适应实际冰川案例中剪切强度劣化行为的模拟。

• 碎软煤层间接压裂破裂压力及裂缝形态演化试验

  朱帝杰, 梁卫国, 牛栋, 落弘业, 任森涛, 胡善为,

  顶板水平井间接压裂是一种碎软低渗煤层煤层气高效开采的有效技术，确保压裂穿层并在煤层中形成导流能力良好、形态复杂的压裂缝网是该技术的关键。为探究碎软煤层间接压裂不同射孔深度条件下破裂压力和水力裂缝形态的演化规律，开展了不钻孔深度煤–砂质泥岩组合体真三轴压裂试验，结合声发射技术监测水力裂缝扩展动态响应，利用三维形貌扫描技术刻画煤体水力裂缝面形貌特征，并系统分析了钻孔深度对破裂压力、穿层效果与裂缝面形貌的影响机理。试验结果表明：随着钻孔深度增大，砂质泥岩破裂压力和破裂时间显著减小，水力裂缝面更曲折粗糙。钻孔深度由25 mm增至45 mm时，破裂压力降低1.57 MPa，破裂时间减少7 s，水力裂缝由直接穿层转变为先沿界面扩展一段距离后再穿层，注入压力曲线出现“二次峰值”，对应稳定渗流的注入压力更高，煤体水力裂缝面粗糙度系数增加12.5，表明增大钻孔深度可促进砂质泥岩破裂，有助于在煤体内形成形态复杂、表面粗糙、导流能力良好的水力裂缝。钻孔深度越小，水力裂缝起裂扩展释放的能量和声发射事件数越多。相较于45 mm深钻孔，25 mm深钻孔对应声发射累积能量多0.81 nJ，对应煤岩组合体声发射事件数多70个，对应煤体声发射事件数多40个，对应水力裂缝形态因砂质泥岩断裂导致的高能冲击效应而更为平直，表明减小钻孔深度有助于水力裂缝由砂质泥岩穿层进入煤体。煤–砂质泥岩组合体的无量纲弹性参数值为0.38，明显小于应力在岩石内部均匀传递所需的0.5，导致砂质泥岩内产生张拉型内应力。该内应力是钻孔深度影响砂质泥岩破裂压力的重要原因。间接压裂顶板水平井距煤岩界面越远或射孔深度越小，水力裂缝越容易由顶板扩展至煤层，但同时在煤层内的水力裂缝形态更平直，不利于形成复杂压裂缝网。因此，间接压裂顶板水平井钻进层位和射孔深度理论上存在一个最优值，该值的确定需综合考虑穿层效果、煤层压裂缝网复杂程度及其导流能力。研究结果可为间接压裂顶板水平井层位和射孔深度优化提供理论指导。

• 联合震源破裂信息反演解析巨厚覆岩强矿震应力触发机制

  杨耀, 曹安业, 刘耀琪, 白贤栖, 王常彬, 薛成春, 王强,

  蒙陕矿区白垩系志丹群巨厚覆岩呈不整合沉积环境，深部开采导致引起地表震感的强矿震频发，已严重制约矿区高效生产。为解决矿区内强矿震震源破裂信息挖掘不准确、内部应力触发机制不明晰造成矿震灾害防控效果不理想的难题，以矿区内某矿典型强矿震频发工作面为研究背景，在初步探明地层岩移特征基础上，通过主成分分析预处理提取波形有效成分，结合混合矩张量反演方法筛选合理震源机制解，修正应力反演模型、优化应力反演算法，联合震源破裂信息反演了强矿震发生前后覆岩应力场分布特征，引入不稳定系数评估了覆岩运移状态，定量解析了强矿震应力触发机制。结果表明：主成分分析方法能够快速提取井下复杂波形有效信息，应用于矩张量反演可显著降低波形理论振幅与观测振幅间误差，保证获取用于应力反演的震源破裂信息的准确度；改进后的应力反演算法满足典型张拉、压缩及复合破裂模式震源反演要求，将主应力方向、应力形因子等误差评估系数由改进前的60%降低至20%以下，验证了改进算法应用于煤矿开采复杂破裂模式震源应力场反演的合理性；强矿震孕育过程中，最大主应力相对其他主应力显著增大且作用方位转变为近似竖向方向，最大主应力偏转对诱发巨厚覆岩强矿震起控制作用，覆岩结构破断失稳与主应力场状态变化相互影响，其竖向单轴挤压作用导致巨厚覆岩剧烈运动并瞬时断裂释放大量弹性能是强矿震频发的主要原因。研究结论可为从应力调控方面实现源头弱化减震提供理论支撑。

• 基于LIBS技术的岩石矿物–强度转换模型及单轴抗压强度的快速批量测试与应用

  张庆贺, 王晓蕊, 王传兵, 李维国, 宫凤强, 章新生, 李井国,

  由于深部工程灾害的复杂性和突发性，岩石的力学参数特别是单轴抗压强度在稳定性分析和风险评价、支护参数设计优化及智能化施工中显得尤为重要，因此需要考虑如何实现岩石强度的快速定量化。从矿物学角度实现岩石单轴抗压强度的快速定量表征，基于激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)技术建立了光谱–元素–矿物预测模型，提出了一种矿物–强度快速定量转换的新方法。结合LIBS技术建立花岗岩和变质砂岩的光谱信息库，并通过X射线荧光光谱(X-ray Fluorescence, XRF)和X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)测试分别获取岩石的元素和矿物数据集，基于支持向量回归(Support Vector Regression, SVR)算法解析岩石中矿物成分的质量分数，最终建立矿物–强度转换模型，通过矿物成分质量分数预测值计算岩石的单轴抗压强度，并通过标准力学试验验证其合理性与科学性。结果表明，光谱–元素预测模型中各元素的决定系数R2在0.96～0.99内变化，该模型可有效得到各元素含量；元素–矿物预测模型中石英和磷铝石的预测效果最好，长石矿物族和云母矿物族次之，绿泥石和浊沸石也有良好的预测效果；多元线性回归模型(R2 = 0.850 2)较最小二乘法(R2 = 0.719 6)更适用于矿物质量分数预测值与单轴抗压强度的非线性关系，修正系数的引入可以较为有效地实现矿物–强度的精准转换。最后，采用矿物–强度转换模型对工程现场不同里程处的工作面中岩石的单轴抗压强度进行快速批量测试，结合Kriging插值技术和Matlab技术实现工程现场UCS的三维连续可视化。

• 微波辅助双压头冲击岩石类材料的细观–宏观分析

  王鹏, 岳中文, 徐胜男, 高丹, 任猛, 李阿康, 刘伟俊,

  由于炸药使用受限以及响应国家“双碳”目标，微波+机械冲击破碎岩石类材料的新方法，因其环保、破碎能力强而在硬岩巷道掘进、混凝土结构拆除等工程中拥有广阔前景，但其内在机理还不够明确。以灌浆料混凝土为研究对象，依托建立的双压头同步冲击试验系统(DHPB)和电镜扫描(SEM)设备，通过理论推导和试验验证的手段，探究双压头冲击下混凝土试件宏观比能耗和细观损伤随不同微波辐射时间的变化规律，尝试建立以临界应变能密度为媒介的宏观比能耗衰减度–细观损伤的定量函数关系。结果表明：微波辐射劣化混凝土力学性能具有阈值特性，当混凝土吸收的应变能密度小于初始裂纹扩展所需的应变能密度时，混凝土试件内部基本无损伤，而当混凝土吸收的应变能密度较大时，试件损伤随应变能密度近似线性累积；混凝土试件内部的细观裂纹扩展具有瞬时特性，随着微波辐射时间增加先静态扩展后转为动态扩展，扩展过程中由于大量能量在较短时间内释放会引起整个试件瞬间破碎；微波辐射能够显著影响混凝土试件在双压头冲击下的破坏形态，无微波辐射时混凝土试件的最终断裂路径与双压头连线方向基本一致，有微波辐射时的最终断裂路径则与双压头连线方向夹角较大，且会出现多条宏观裂纹；微波辐射下混凝土试件受双压头冲击的宏观比能耗最大值为0.69，相应的细观损伤为0.68，两者基本一致，意味着细观裂纹长度和数量的增加能够定量降低宏观比能耗，揭示微波辐射削弱岩石类材料抵抗冲击破坏能力的内在机理。研究结果为微波+机械冲击在工程中的应用提供了参考。

• 松软煤层无水化增透理论及技术发展趋势

  刘勇, 张汶定, 陈长江, 魏建平, 徐向宇, 张宏图, 南勤聪, 校朋伟,

  在未来相当长的历史时期内，我国仍然要坚持以煤为主的基本国情。煤炭作为兜底保障能源，其高效开采对我国能源安全极为关键。但我国70%以上的煤层为低渗煤层，瓦斯抽采难度大、时间长。瓦斯抽采率低导致的采掘失衡是遏制煤炭产能释放的首要因素。尤其是随着浅部资源的枯竭，深部资源复杂赋存环境将使这一问题更加凸显。因此对低渗煤层增透是实现瓦斯高效抽采、解决采掘失衡、提高煤炭产量的有效手段。水力冲孔、水射流割缝和水力压裂等水力化技术因其技术装备成熟、应用灵活，是目前使用范围最广、行之有效的增透技术。然而在松软煤层应用水力化技术时，钻孔易出现塌孔，导致抱钻、喷孔、瓦斯超限等问题。相较于水力化技术，无水化技术从源头上避免了水对煤体强度的软化。采用无水化技术增透松软煤层，能实现瓦斯通道长时间保持通畅，具备高效抽采能力，符合新质生产力的发展理念。因此，无水化技术是目前突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈的可行性方法。无水化技术种类繁多，但均没有在工程中得到应用或推广。为寻求无水化技术在瓦斯抽采领域的发展方向，促进无水化技术发展，突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈，系统梳理了机械刀具、可控冲击波及(磨料)空气射流等10种无水化增透技术，并将其归纳为3类：机械类增透技术、电磁波/机械波增透技术及气体相关增透技术。详细阐述了其技术原理、增透机制、优势及瓶颈，提出了无水化技术在松软煤层瓦斯抽采工程中发展的可行性建议。形成以下主要结论：无水化技术是以机械力、冲击力或热应力的作用形式破裂煤岩，形成卸压区域、裂隙网络，促进瓦斯解吸、渗流，提高瓦斯抽采率。受能量密度和力传递方式的制约，多数无水化技术相较于水力化技术的卸压范围小。这是遏制无水化技术工程应用的主要因素。此外，技术装备的成熟度，可操作性和适用性也是遏制其应用的重要因素。低压(磨料)空气射流在松软煤层应用中发现，在气体压力小于1 MPa条件下，扩孔半径仍可大于1 m，能够实现煤层大范围的均匀卸压。综合能量传递效率和技术装备成熟度，低压(磨料)空气射流在进一步完善安全保障技术的条件下，具有应用推广的潜力。

• 含瓦斯煤与水之间接触动态演化特性及微观机制

  岳基伟, 韩奇峻, 梁跃辉, 石必明, 申晓静, 郑梦浩, 张明月, 廖杰, 王辰,

  煤层注水治理瓦斯及粉尘的效果与水分润湿煤体的效果密切相关，含瓦斯煤与水接触后形成一个动态的润湿过程，其对于揭示煤层注水的润湿机理及煤层注水的应用至关重要，然而目前关于含瓦斯煤与水之间接触动态演化特性及微观机制还不清楚。基于此，采用自开发的水与瓦斯之间表面张力分析软件、含瓦斯煤接触角实验设备及水滴轮廓线提取软件研究了含瓦斯煤与水之间接触演化特性，结合分子动力学模拟揭示了含瓦斯煤与水之间接触动态演化的微观机制。研究结果表明：表面张力与瓦斯压力满足负指数函数的关系；接触角是关于瓦斯压力及时间的函数，其与时间负相关，与瓦斯压力正相关；同一瓦斯压力条件下，随着润湿时间的增加，煤水界面能逐渐减小，煤的表面能逐渐增加，黏附功逐渐增加；随着瓦斯压力的增加，煤水界面能变大，煤的表面能变小，黏附功变小，水分在煤体表面铺展的难度增加；随着润湿时间的增加，水滴轮廓最高点下降的高度逐渐增加，水滴与含瓦斯煤接触面的宽度逐渐增加；瓦斯压力分别与水滴轮廓最高点下降的高度、水滴与含瓦斯煤接触面增加的宽度负相关，其与分子动力学模拟获得的含瓦斯煤–水之间的接触演化规律一致；在煤水交界面的上方，水分子的浓度出现峰值点，在峰值点上方一定距离处，水分子浓度分布规律由随着瓦斯压力的减小而增加逆转为随着瓦斯压力的增加而增加。对于高瓦斯煤层，可将煤层增透措施与注水措施联合使用，采取增透及抽采措施降低煤层瓦斯压力后再注水，从而增加润湿范围及润湿程度。研究结果为揭示水分对含瓦斯煤的动态润湿机理及煤层注水的应用提供理论支撑。

• 煤矿井下锂离子蓄电池热失控燃爆风险防控技术研究现状与挑战

  姚勇征, 王奕渊, 周福宝,

  在“双碳”背景下，锂离子储能电池、信息技术与煤矿深度融合的能源电子产业蓬勃发展，2024年前4个自然月，MA“锂”相关认证同比增长94%，煤矿井下锂离子蓄电池应用新业态孕育而生。新业态为煤炭绿色转型带来了发展机遇的同时，新风险也随之而来。锂离子蓄电池作为一种高能物体，本质上仍存在火灾或爆炸风险，一旦锂离子蓄电池在煤矿井下受限空间发生热失控，灾害后果不堪设想。为保障煤矿井下锂离子蓄电池安全运行，电池被放置在1～2 cm厚高强度钢板制成的防爆外壳内部，且设置了较大的冗余空间容纳热失控产生的气体，但由于设备的续航能力受限，锂离子蓄电池应用于大型辅助运输和开采设备进程受到影响。为降低煤矿井下锂离子蓄电池热失控风险，提高设备续航能力，推动煤矿井下锂离子蓄电池向纵深发展，研究聚焦煤矿井下大容量锂离子蓄电池安全问题，剖析了煤矿井下锂离子蓄电池热失控机理、安全评价与管理、监测预警、电源结构与功能设计、充电与换电安全和应急处置6方面的研究现状及不足，提出了包括典型场景下锂离子蓄电池燃爆与煤矿灾害之间的耦合孕灾机制、适用于煤矿井下的高安全性锂离子蓄电池、煤矿井下锂离子蓄电池热失控超前预警技术与监控策略、煤矿井下锂离子蓄电池电源高强度阻燃隔爆与轻量化设计、煤矿井下锂离子蓄电池智能化安全充电与换电技术装备和煤矿井下锂离子蓄电池热失控燃爆灾害快速控制技术等6项亟需解决的关键问题，期望为解决新业态下的锂离子蓄电池安全问题和续航能力不足问题提供指引。

• C12H25–(HG)亲水基团对无烟煤润湿影响的试验和分子模拟

  张江石, 贾宏福, 任晓锋, 王亚南, 张琪, 佟林全, 王彦辉,

  表面活性剂被广泛应用于水基降尘技术，其润湿煤尘的主控因子为亲水基团(HG)。为明确表面活性剂中HG对煤尘润湿性的影响，通过宏观润湿性能测试、量子化学计算(DFT)，并结合分子模拟，探究了十二烷基型表面活性剂(C12H25–HG)常见亲水基团(\mathrmSO_4^- 、PO4H、OH、COO–)在无烟煤表面润湿差异及固–液界面调控机制。结果表明：亲水基团对无烟煤的润湿效果排序为：\mathrmSO_4^- > COO– > PO4H > OH；HG吸附至无烟煤表面，相对增加了疏水位点C—O质量分数，易形成氢键，有助于改善无烟煤润湿性；无烟煤中大部分正负电势区域都小于水分子之间的正负电势极值是无烟煤润湿性差的内在原因，HG与水分子的极值差(ΔESP)与接触角呈线性负相关，可作为评价表面活性剂润湿性能的参考指标；表面活性剂溶液–煤微观润湿界面中，根据径向分布函数(RDF)判断含不同HG的表面活性剂在无烟煤界面的吸附能力依次为：\mathrmSO_4^- > COO– > OH > PO4H；相比于其他亲水基团，HG(\mathrmSO_4^- )，煤与水的相互作用能最大，氢键数目最多，水分子扩散系数提高了46.3%，吸附量增加了27.43%；HG一方面与水分子具有较强的相互作用，易形成强氢键，另一方面其吸附于煤–水界面，增强了水分子向煤表面的扩散系数，导致水分子吸附量增大，进而强化了煤尘润湿性；筛选或设计降尘剂时，可考虑引入强极性HG(\mathrmSO_4^- )以提高无烟煤润湿效率。研究结果为矿井粉尘治理中表面活性剂的应用提供理论依据和参考。

• 大宁−吉县区块深部煤层气井排采制度研究与实践

  陈明, 王大猛, 余莉珠, 孙俊义, 冯鑫, 张康, 古现锋, 王立伟, 尹泽松, 张欢,

  与中浅层煤层气相比，深部煤层气在赋存方式、产气机理、举升工艺等方面存在较大不同。排采作为煤层气开发过程中的重要一环，直接影响投产后深部煤层气井的产气效果，探究与其相适应的精细化排采制度十分必要。基于大宁−吉县区块地质条件与储层物性分析，针对主力产层8号煤开展等温吸附试验，分析深部煤层气含气性和赋存方式；考虑气井生产规律和配套采气工艺，分析先导试验29口深部煤层气井生产动态数据，初步划分深部煤层气井生产阶段，明确了不同阶段主要任务和生产特征；结合“人造气藏”开发理论和气井全生命周期生产制度设计理念，整体将气井全生命周期划分为5个生产阶段，探索形成了1套标准模板；开展现场试验，按照设计的精细化排采制度进行生产，评价深部煤层气井排采制度适用性。研究结果表明：① 8号煤层整体发育稳定，煤体结构为原生结构煤，等温吸附试验显示兰氏体积普遍大于20 m3/t，兰氏压力大于2.8 MPa，深部煤层气储层含气饱和度较中浅层增加29.6%，以饱和−过饱和赋存状态为主，游离气占比可达20%～30%；② 利用煤岩兰氏曲线及曲率变化、弯曲情况，得到大宁−吉县区块8号煤启动压力、转折压力、敏感压力分别为8～10、5～7和2～3 MPa，进一步通过29口气井生产动态数据生产时间与水平段长归一化处理，初步认定深部煤层气井目前经历了4个生产阶段，第Ⅰ阶段为压后放喷返排，第Ⅱ阶段主要表现为投产初期快速上产，第Ⅲ阶段主要任务是摸索合理配产，第Ⅳ阶段为产气递减阶段，圈定气井各阶段压力、产气量、产液量、返排率等参数变化范围；③ 依托气井全生命周期生产的客观规律，以控压开采为核心，将深部煤层气井生产阶段划分为5个阶段，分别为返排阶段、上产阶段、稳产阶段、递减阶段和低产阶段，同时量化了各阶段的控制指标与技术界限，因尚未有气井进入低产阶段，低产阶段有待进一步验证；④ 4口试验井平均稳产时间已达360 d，远超先导试验井平均水平，首年平均单井产气量增加71.35%，精细化排采制度初步显示出较好的适应性。

• 低产煤层气井无机矿物泡排酸蚀解堵特性

  张惜图, 胡胜勇, 冯国瑞, 赵瑞锦, 范雯莉, 李国富, 武玺,

  煤层气开发中无机矿物堵塞容易导致煤层气井低产，严重制约煤层气井的连续稳定排采与产量，酸蚀溶解是高效清理无机矿物的有效手段之一。基于无机矿物的多组分酸液溶蚀试验，考虑泡排作用对无机矿物的润湿携带效果，研究了起泡剂复配酸液解堵剂对低产煤层气井无机矿物的泡排酸蚀解堵特性。结果表明：氢氟酸对以硅酸盐岩为主要成分的无机矿物的溶蚀效果较盐酸与乙酸最佳，酸液质量分数超过12%对无机矿物溶蚀率增长不显著。多组分酸较单组份酸对无机矿物溶蚀率更高，普遍达40%～80%。当复配解堵剂中起泡剂质量分数小于0.6%时，随起泡剂浓度增大，溶液表面张力、溶液与无机矿物表面接触角均逐渐减少，泡排作用下泡沫越绵密，起泡能力越强，泡沫半衰期逐渐延长，泡沫携粉含量越高。当起泡剂质量分数超过0.6%后，复配解堵液表面张力呈紊乱趋势，泡沫稳定性变差。十二烷基二甲基胺乙内酯(BS-12)泡沫体系泡径大，较脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)泡沫体系泡径大小不均对泡沫半衰期影响更为严重。由于十二烷基葡萄糖苷(APG)复配酸液表面张力最小，泡沫稳定绵密且对无机矿物润湿性最好，选取耐酸性强的非离子型表面活性剂APG作为起泡剂复配酸液为优选的溶蚀无机矿物解堵剂。泡排作用促进无机矿物溶蚀率少量增长，酸液浓度对泡沫稳定性、泡沫半衰期起抑制作用，泡沫携带排出的无机矿物粒径越小，粒径范围越窄。

• 石墨烯对高硫煤厌氧发酵产H2S的影响机制

  赵文杰, 苏现波, 赵伟仲, 周艺璇,

  煤层气生物工程为煤层气的增产提供了一条行之有效的路径，如何提升煤储层生物甲烷产量，是制约该技术发展与应用的关键。随着对微生物之间电子传递机制的深入研究，导电材料成为了增强有机物降解的外源添加剂。采用石墨烯促进厌氧发酵系统中的电子传递速率以提高甲烷(CH4)生成率是一种可以现场实施的、有效的强化措施。对高硫煤而言，石墨烯强化了甲烷产出，但其添加除了影响产甲烷能力外，是否会影响硫化氢(H2S)的生成尚不明确。以晋城15号高硫煤为碳源和硫源、石墨烯作为导电材料进行实验室厌氧发酵试验，通过对生物甲烷和硫化氢的产气特征、煤中形态硫含量变化、煤表面元素赋存状态、关键液相物质变化以及微生物群落结构等检测和分析，系统探讨H2S的成因及影响机制。结果表明：在以煤为底物的厌氧发酵系统中添加石墨烯强化生物CH4产出的同时，也强化了H2S的生成，添加石墨烯的发酵系统中累计CH4产量为4.86 mL/g、H2S产量为5.52 mL/g，比不添加石墨烯的厌氧发酵系统的2.74、4.94 mL/g高出77.37%和11.74%。石墨烯的添加更是加速了有机硫的降解，残煤中硫醇和硫醚也被微生物完全转化。针对关键液相小分子有机物，添加石墨烯的厌氧发酵系统中各类物质的降解速率明显高于不添加石墨烯的厌氧发酵系统。细菌群落中Desulfovibrio和Geovibrio以及古菌群落中Methanosarcina的丰度在添加石墨烯后显著上升，其中Geovibrio可为产甲烷古菌提供额外电子，Desulfovibrio与Methanosarcina之间潜在的直接种间电子传递(Direct Interspecific Electron Transfer, DIET)是影响CH4和H2S生成的原因，这种电子传递方式提高了菌群的活性和降解效率，加速了产甲烷和硫酸盐异化还原过程中关键酶的合成。H2S具有2种形成机制：一是甲基营养型产甲烷菌直接利用有机硫化物的甲基基团生成CH4的同时产生H2S；二是水解菌表达的硫酸酯酶与硫酸盐还原菌协同作用，主要归功于细菌Macellibacteroides的作用，且是H2S的主要成因。这一认识给煤层气生物工程的现场实施提出了要求，即针对高硫煤储层进行微生物增产时需要添加H2S的生物抑制剂抑制其生成。

• 页岩与富油煤生烃动力学差异及原位共采温度条件

  郑瑞辉, 鲍园, 张枝焕, 袁轩,

  鄂尔多斯盆地上三叠统延长组7段(长7段)中−低成熟度页岩占该段总面积的90%以上，下侏罗统延安组富油煤资源量约为1 414亿 t，长7段页岩和延安组富油煤原位热解转化共采技术是实现煤与页岩内蕴油气资源协同开采的重要途径。针对页岩和煤生烃动力学特征已开展了大量研究，但页岩和富油煤的地球化学特征和生烃动力学特征差异尚不明确，制约着富油煤原位热解开发和资源潜力准确评价。基于对长7段页岩和延安组富油煤的地球化学特征对比分析，选取成熟度相近、有机质丰度不同的4个页岩样品和焦油产率不同的4个富油煤样品，比较了页岩和富油煤的热解生烃转化率和活化能分布特征；并将试验所得的动力学参数外推至原位转化条件下，探讨了页岩和富油煤原位热解页岩油、煤焦油共采的可行性及其温度条件设置。结果表明：长7段页岩和延安组富油煤均具备生油条件，且长7段页岩的生油条件优于延安组富油煤。在成熟度相近条件下，页岩的活化能主频值随有机质丰度增大而增大，富油煤的活化能主频值随焦油产率增大而降低，且页岩的活化能分布范围较富油煤集中。在原位转化条件下，相近成熟度页岩主要生烃期对应的模拟温度随有机质丰度增大而增大，相近变质程度富油煤主要生烃期对应的模拟温度随焦油产率增大而降低，且长7段页岩(TOC=5%～38%，Ro=0.68%～0.71%)主要生烃期对应的模拟温度范围(226～443 ℃)涵盖延安组富油煤(Tar,d=7%～15.3%，Ro=0.67%～0.72%)主要生烃期对应的模拟温度范围(282～435 ℃)。因此，对于鄂尔多斯盆地长7段页岩和延安组富油煤而言，当热解温度达到长7段页岩主要生烃期对应温度时，即可实现页岩油和上覆煤焦油的原位共热解开采。

• 煤显微组分对成炭过程及储钠行为的影响

  何润东, 郭行, 孙仲超, 李文翠,

  煤成本低廉、芳香结构丰富，是制备钠离子电池硬炭负极材料的优质前驱体。目前煤基硬炭材料的结构调控及储钠性能优化已有较为深入的研究，然而煤的组成复杂，煤自身组成对成炭过程及储钠行为的作用机制尚未明晰。基于此，以新疆烟煤为前驱体，采取密度梯度离心法富集煤中有机显微组分，并在酸洗脱灰后通过高温炭化制备不同显微组分基硬炭材料。探究各显微组分在热解过程的差异及其对硬炭材料中石墨微晶生长过程、孔隙结构和表面元素组成的影响，并结合恒电流充放电、恒电流间歇滴定、电化学交流阻抗和循环伏安测试等方法探究各显微组分基硬炭材料储钠行为的差异。结果表明：镜质组与惰质组热解过程存在差异，惰质组的热稳定性更好，镜质组更易生成片层尺寸更大的石墨微晶，在相同炭化处理温度下镜质组基硬炭的石墨化程度更高，且镜质组基硬炭材料表面含氧官能团的总量高于惰质组基硬炭材料。在储钠行为方面，镜质组基硬炭与惰质组基硬炭的电化学性能随着炭化处理温度展现出不同的变化规律，其中镜质组经1 200 ℃炭化制得的硬炭材料因其较多的层间储钠位点与含氧官能团总量表现出最优的储钠性能，其在0.02 A/g电流密度下可逆容量达到305.8 mAh/g，首周库伦效率为82.2%，并且其在0.2 A/g电流密度下仍能保持235.7 mAh/g的可逆容量，倍率性能优异。

• 热分析获取锅炉内煤着火特性——Part II：本征反应动力学

  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,

  煤焦的本征反应动力学模型是计算流体力学(CFD)模拟锅炉内煤着火燃烧速率所需的关键子模型，通常可由热分析获得。热分析反应动力学的研究虽然已发展了数十年，但仍然存在3个问题：① 非等温和等温动力学参数的不统一；② 定值动力学参数和变动力学参数均值的不统一；③ 缺乏不含不确定参数的通用动力学模型，如常用的n级动力学模型、随机孔模型和自催化模型分别含有不确定性参数，如反应级数n、结构参数ψ、反应指数a和c。为解决上述问题，提出了通用表面活化函数模型GSAFM，其反应机理函数f(X) = 1 − X(X为转化率)，且活化能EX和指前因子AX是随转化率变化的。采用4种等转化率法(变动力学参数模型)包括等温(ISO)GSAFM、非等温(NON)GSAFM、Flynn-Wall-Ozawa(FWO)和Kissinger-Akahira-Sunose(KAS)，以及一种定值动力学模型ISAFM，对将军庙(JJM)和红沙泉(HSQ)煤焦的非等温和等温燃烧的本征反应速率进行了预测。结果表明，ISO GSAFM具有最好的预测效果；FWO和KAS的预测效果很差，主要由于这2种模型涉及的温度积分近似处理给EX的求取带来了一定的误差，该误差在求取AX时呈指数级放大。ISO GSAFM获取的煤焦等温燃烧的EX均值为141 kJ/mol，与ISAFM获取的146 kJ/mol接近，从而解决了问题②；其获取的动力学参数可以很好地预测煤焦非等温燃烧的本征反应速率，表明非等温和等温试验可以共用ISO GSAFM获取的动力学参数，即解决了问题①；其f(X) = 1 – X，具有不含不确定参数的通用性，即解决了问题③。ISO GSAFM得到的煤焦的EX在着火区间达到最大值，这一现象表明，煤在锅炉内的着火过程是其燃烧过程中最困难的环节；随后，EX由于煤焦燃烧进入稳定阶段而逐渐减小，但在反应后期会转变为快速增大的趋势，这符合煤焦在反应后期存在失活现象的事实。因此，ISO GSAFM在解决问题①～③的同时还能解释试验现象，有望为以基于定值动力学模型的CFD模拟提供新的本征反应动力学子模型。同种煤阶的JJM和HSQ煤焦存在理化结构上的差异，但两者的EX随转化率变化的趋势相似且大小差异小于5%，采用各自变动力学参数的算数平均可对其本征反应速率进行准确预测，表明同种煤阶的不同煤焦的本征反应速率可以用基于GSAFM的均值动力学参数进行预测，即有望实现同一种煤阶的煤焦反应速率采用同一种变动力学参数(多样本的均值)进行预测。此外，GSAFM表明煤焦的EX只与其化学结构相关，利用变活化能的特征值可精细化地研究煤焦的化学结构对其本征反应性影响的内在机理，如前述的着火困难和失活机理等；用煤焦的化学结构预测出EX后，可通过GSAFM直接预测出煤焦的本征反应速率；上述关联方法为煤焦结构与反应性的研究提供了新的思路。

• 基于激光诱导击穿光谱技术的碱金属Na定量检测

  沈思劼, 李驰, 周王峥, 王珍珍, 严俊杰, 侯宗余, 王哲, 出口祥啓,

  低品质煤等高碱燃料在热利用过程中释放的碱金属化合物会影响热力设备的正常运行，因此，低品质煤中碱金属质量分数的快速在线检测对控制燃烧过程中碱金属释放具有重要意义。以碱金属Na元素为检测对象，采用不同比例的石墨与氯化钠粉末的混合样品为试验样品，研究了激光诱导击穿光谱(LIBS)技术测量样品中Na元素的影响因素。对比了2种信号强度的计算方式对信号稳定性的影响，分析了试验参数对信号强度和信噪比的影响规律，并建立了Na元素的定量计算模型。研究表明：Na元素的特征谱线Na I 588.995 nm和Na I 589.592 nm适合作为主要分析谱线，采用Na元素双线特征谱线的面积强度作为信号强度，可以有效地提高信号稳定性。当激光能量为60 mJ、延迟时间为1 000 ns时，光谱信号强度的相对标准偏差较低且信噪比高。以光谱信号强度为输入量，样品中Na元素的添加量为输出量，采用传统定标法、偏最小二乘法(PLS)及支持向量机(SVR)建立定量计算模型，并对比分析各模型的精度。结果表明：在样本数量少而输入量多的情况下，PLS模型会出现过拟合现象。SVR模型的拟合精度为0.978 3，训练集的根均方百分比误差为13.42%，测试集的根均方百分比误差为13.51%；相比传统的定标模型，在样本数量较少的情况下，SVR模型精度最高，可以更好地校正基体效应带来的影响，提高低品质煤中碱金属定量检测的精度。

• 比表面积N2吸脱附法在牛粪颗粒及其高效燃烧产物表征中的特性

  赵萌, 侯卜瑛, 梁渊超, 刘晓英, 武林杰, 焦小龙, 兰兴博,

  能源绿色低碳发展的大背景下，生物质能源的清洁高效利用技术成为目前研究的热点，为生物质能源可以逐渐替代煤炭资源做技术支撑。影响燃烧效率的物理条件主要有燃料颗粒的粒径大小、不同的燃烧工况、燃料颗粒表面特征等。为此用透射电子显微镜直观观察不同粒径牛粪颗粒及它们在不同工况下燃烧所得产物的微观结构，用比表面积检测方法对比出不同粒径原牛粪及其不同工况燃烧所得灰样的各颗粒孔径及比表面积的特征，并用元素分析得出各组牛粪燃烧的效果。通过对各颗粒特征参数的提取和计算，讨论各样品的燃烧效果。结果表明：在3种粒径中200 μm的更适合燃烧，且随着牛粪粒径越接近合理数值，工况对燃烧效果的影响差距在不断缩小；经6组试验效果对比，牛粪粒径在200 μm，且给料量为115 kg/h，风量为101 m3/h时，燃烧效果最好；对于灰样颗粒吸附作用，低压吸附时，使用灰样颗粒粒径较大的吸附效果较好；高压工况时，灰样颗粒粒径较小的吸附效果较好；通过高分辨率透射电镜技术观察发现，灰样的晶格条纹尺寸较牛粪颗粒的晶格条纹尺寸大一些。上述结果说明风量大小、燃烧温度和颗粒粒径等因素都对牛粪燃烧过程产生影响，且影响效果不单调；牛粪颗粒粒径过小，风量过大都不适合燃烧。

• 回转窑内煤粉–烟气混合燃烧特性

  赵楠, 刘鹏, 马梓舰, 胡仁国, 刘安洲,

  为了解决矿热炉冶炼过程中存在排放大量高温烟气造成能源浪费、环境污染的问题，提出回收矿热炉烟气中CO等可燃成分作为回转窑辅助燃料的工艺，并设计了一款新型5通道燃烧器，以此实现回转窑内煤粉–烟气燃料的混合燃烧，利用CFD(Computational Fluid Dynamics)理论，建立了煤粉–烟气混合燃烧的数学模型，数值模拟了回转窑中气固两相燃料混合燃烧的过程，分析了气固两相燃料不同混合比时，回转窑内温度场、燃烧特性(组分场)以及NOx的变化情况。结果表明：回转窑内存在内外循环区，可加速燃料与空气的混合，提高窑内换热量。烟气燃料的加入有助于改善煤粉的燃烧特性，当烟气燃料发热量占总发热量的比值由20%增至40%，窑内温度场均呈现轴对称分布，黑火头的长度逐渐由4.51 m减小至2.32 m，火焰峰值温度逐渐降低，挥发分的燃烧速率逐渐由4.21 mol/(m3·s)提高至7.33 mol/(m3·s)，炉窑出口处NOx的质量浓度逐渐降低，由1 013 mg/m3下降至677 mg/m3。当烟气燃料发热量占总发热量的比值由20%增至30%时，火焰形状由“球团状”逐渐变长变窄，煤粉的燃烧位置由X=4.68 m前移至X=2.26 m，回转窑焙烧带长度由18.50 m增至20.50 m。但随着烟气燃料发热量占总发热量的比值由30%增至40%时，火焰形状逐渐向“棒槌状”转变，煤粉的燃烧位置无明显变化，焙烧带长度由20.50 m降至16.43 m。综合分析焙烧带长度、燃料燃烧等特性，确定当烟气燃料发热量占总发热量的比值为30%时为最佳掺混比。

• 基于多元变分模态分解与改进小波阈值的矿用电缆局放去噪方法

  曹继元, 王彦文, 陈鹏, 周暄, 朱伟雄, 张一赫, 王乐,

  矿用电缆的绝缘状态对矿井供电系统的稳定运行起着重要作用，局部放电在线监测是电缆绝缘状态监测的重要手段。针对矿用电缆局放信号极易淹没于现场白噪声与周期性窄带干扰中，以及降噪方法适应性普遍不强等问题，提出了基于多元变分模态分解与改进小波阈值的局放去噪方法。首先，以最小平均包络熵作为适应度函数，采用麻雀搜索算法实现多元变分模态分解模态数和惩罚因子的自动寻优，从而以分解出最大确定性程度的局放特征信号为目标，准确分解局放含噪信号。其次，计算各本征模态函数的峭度值，区分局放主导分量与噪声主导分量，利用维纳滤波可通过局部方差自适应调节滤波效果的特性，准确提取局放主导分量中的局放特征信号，通过3σ准则归类局放特征信号为粗大误差，反向抑制噪声主导分量中的高斯白噪声与窄带干扰信号，将局放主导分量与噪声主导分量进行重构得到局放重构信号。最后，构建指数衰减型小波阈值函数，该阈值函数在克服硬阈值函数的不连续性与软阈值函数的恒定偏差的基础上，能够快速逼近硬阈值函数，利用新型改进小波阈值算法对局放重构信号进行去噪，得到局放去噪信号。将该方法与常见的几种方法进行比较，结果表明，该方法对仿真局放信号与实测局放信号均具有较好的降噪效果，且算法运行效率表现良好。

• 基于结构和纹理感知的井下低光照自监督图像增强方法

  潘杉, 于挺, 陈伟, 田子建, 岳中文,

  受井下复杂空间环境和不均匀人造光源影响，井下视觉设备采集的图像易呈现整体或部分区域光线不足、图像内容可见度差的问题。对于井下低光照图像的增强，现有图像增强方法的结果易出现对比度差以及部分区域过曝和欠曝的问题。基于此，提出一种基于结构和纹理感知的井下低光照自监督图像增强方法，以摆脱训练时对配对的井下低光照/正常光照图像的依赖。首先，为产生分段平滑的光照图，设计了一种自监督结构和纹理感知的光照估计网络，根据自监督训练损失保留场景的边缘结构并平滑纹理细节。为了深入挖掘低光照图像中的局部纹理特征和全局结构特征来提高光照估计网络的性能，在光照估计网络中引入了局部–全局感知模块。该模块利用卷积操作中较小感受也能够捕获局部特征的能力以及视觉Transformer的自注意力机制能够实现全局信息交互的特性来实现低光照图像中局部和全局特征的提取。其次，为了实现自监督学习的训练方式，针对光照图分段平滑的特性，采用了一种结构感知的平滑损失。为了进一步细化光照估计网络产生的光照图，使其具有合理的亮度和对比度，引入了伪标签图像生成器来合成具有良好对比度和亮度的伪标签图像。通过重建损失约束，增强图像与伪标签图像之间亮度和对比度之间的一致性，从而间接约束光照图。在多个公开的基准数据集和井下真实场景的低光照图像数据集上进行主观和客观评价的试验结果表明：该方法具有较好的低光照图像增强效果，在面对井下场景的低光照图像时，该方法也具有良好的泛化性能。

• 基于多环嵌套的矿山车辆铰接系统差动折腰转向控制策略

  吉志勇, 武仲斌, 任志勇, 张瑞亮, 王铁,

  铰接车辆在随动折腰时存在滞后性，特定工况下其转向特性还可能呈现非线性特征。为进一步提升矿山车辆铰接转向的操控性能，采用位置–速度双闭环结构对随动折腰过程进行协同控制，并根据横摆运动误差对随动目标进行实时补偿，在此基础上，针对差动转向构型，提出了一种基于多环嵌套的差动折腰转向策略。构建包含铰接矿车前、后车体水平运动及车轮旋转运动的8自由度非线性动力学模型，通过对其折腰转向过程的时域分析，确定系统位置和速度闭环控制参数，并基于控制器频率特性，对比分析单、双环控制下随动折腰系统的穿越频率、相位延迟以及带宽分布。在位置环的输入端，也即折腰参考位置的计算中，以车体实际横摆运动偏差为依据对驾驶员期望折腰位置进行正补偿，其中，横摆角速度参考点通过线性离散化的8自由度差动转向模型实时计算获得，由此形成了多环嵌套结构。基于MATLAB/Simulink数值仿真平台及分布式电驱动折腰转向比例样机实验平台，对折腰转向控制策略进行验证，结果表明：在良好路面上，与原单环控制相比，多环嵌套控制策略在5º、10º、15º的阶跃转向测试中，折腰角上升时间分别减少了56.8%、50%、51%，在幅值为10º、20º、30º且频率为0.8 Hz的正弦转向角输入测试中，相位延迟分别减小了75.6%、80.4%、75.4%，在稳定转向的同时，系统带宽得以提升；在低附着路面测试中，多环嵌套控制策略可使车辆在湿滑路面下的横向位置偏差减少56.8%，横摆角速度相位差减少40.3%，显示出比单环控制更好的轨迹跟踪能力。