煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第5期

• 深部碳储空间探测与地质评价关键技术

  李文平, 曹丹平, 乔伟, 周正武, 常庆粮, 张松航, 刘双星, 沈奕, 李万军, 付欣, 刘博, 王衍, 王启庆, 李小琴, 杨志, 刘聪, 张政, 徐宏杰, 朱振南, 程香港,

  在全球气候变暖和“双碳”目标驱动下，深部碳储空间的高效开发与安全封存成为实现碳中和的关键路径。系统综述了深部咸水层、枯竭油气藏、不可采煤层及玄武岩层等碳储空间的探测技术、场地适宜性评价方法及规模化封存的关键理论技术难题。结果表明：CO2注入引发的多场耦合效应(热−流−力−化学)可能导致断层活化、盖层泄漏及地震风险，需通过多物理场数值模拟与动态监测构建风险评估框架。深部咸水层占我国理论封存潜力的98.64%，但其非均质性显著，适宜性评价需结合地质稳定性(断裂发育、盖层封闭性)和封存能力(孔隙率、渗透率)构建多尺度指标体系，联合层次分析法、GIS及机器学习方法优化选址决策。针对深部碳储空间复杂性，地震与电法联合探测技术可以显著提升储层识别精度，其中全波形反演(FWI)可刻画孔隙−裂隙结构，重磁反演技术实现深部构造建模，多物理场数据融合技术降低反演多解性。在煤矿绿色转型方面，创新提出“负碳充填”技术，通过CO2矿化钢渣、粉煤灰等工业固废制备充填材料，实现高固碳率，同时兼顾生态修复与动力灾害防控。深部不可采煤层CO2封存与煤层气驱替(ECBM)协同效应显著，需优化压裂—驱替—封存全生命周期管理模式。采空区CO2封存则面临碎裂煤岩体复杂渗流−吸附机理挑战，需构建多相动态模型评估游离态、吸附态及溶解态封存潜力。潜力计算方法随储层类型差异显著，咸水层采用封存机理法(构造圈闭、溶解、矿化耦合)，枯竭油气藏结合物质平衡法与数值模拟，煤层依赖吸附容量与置换效率评估。注入技术创新方面，微纳米气泡注入技术可提升CO2溶解率，玄武岩“水混合溶解态注入”模式实现高矿化率。未来需强化多学科交叉，通过多物理场联合智能探测与精细成像，突破多类型、立体碳储空间精细探测的行业难题，研发深部负碳高效充填开采材料与技术装备；构建深部立体集成空间CO2封存潜力计算与适宜性评价方法体系，形成技术标准体系和信息决策系统，为“双碳”目标下地质封存规模化应用提供理论与工程支撑。

• 矿山采空区卸压底板岩层资源化利用技术体系构建及展望

  朱卫兵, 李竹, 赵波智, 郭春雷, 宁杉,

  迄今为止，通过充填开采实现地表沉陷控制、降低导水裂隙带发育高度等相关研究均是从顶板岩层入手，充填空间主要聚焦于工作面后方未垮落采空区和覆岩离层区，并未关注到采动底板卸压区亦可作为潜在充填区域。为此，将采空区卸压底板岩层作为可用资源加以开发，即向采空区卸压底板岩层要空间、找资源、借力量，提出了“采空区卸压底板注浆充填、采空区卸压底板注水膨胀造拱、采空区卸压底板爆破致裂扩容增胀”3项源头减损绿色开采理念与技术方法，并对矿山采空区底板空间资源综合利用进行了深度展望。采空区卸压底板注浆充填岩层控制技术，即充分利用煤层开采后在采空区底板岩层中的卸压效应，从地面或井下施工钻孔至卸压底板岩层中的目标注浆层，向卸压底板目标层位进行高压注浆。注浆目标层及其上覆岩层在注浆压力作用下发生上凸隆起，借此大幅降低采空区顶板岩层回转下沉空间以降低采动裂隙发育高度和减小开采沉陷。采空区卸压底板注液膨胀造拱岩层控制技术，即针对卸压底板岩层中膨润土、蒙托石、伊利石等亲水矿物成分占比较高情形，充分利用其遇水膨胀特性，在底板岩层注水压裂形成高密缝网，而后大量注液激活水岩深度作用，诱导底板注水岩层体积大幅增胀，促进底板均匀破裂带及底板破坏带向上鼓起，形成拱桥结构以支撑采空区上覆岩层，达到降低导高和减缓沉陷的效果。采空区卸压底板爆破致裂扩容增胀岩层控制技术，即充分利用卸压底板岩层的爆破致裂碎胀效应和隆起特性，通过定向爆破手段对煤层底板进行精准致裂和破碎处理，借此增加底板岩层破碎程度以消弭部分煤层采出空间，等效增加煤层开采后垮落带中岩层综合碎胀系数，降低顶板岩层破断下沉运动空间。作为矿山采空区卸压底板岩层资源化利用的重要扩展，进一步提出了地下水资源自重导流转移与含水层再造重构技术，可将易与采动裂隙沟通的顶板含水层迁移至底板目标储水层。研究成果对进一步激发矿山采空区卸压底板资源化利用的科学思考，引导卸压底板岩层资源利用技术落地具有重要意义。

• 煤矿顶板深孔爆破封孔长度的确定方法

  李东印, 敖良凯, 王伸, 黄传波, 李红斌,

  煤矿巷道顶板深孔爆破是切顶沿空留巷、坚硬顶板预裂工程中的重要岩体致裂方法，既要达到爆破切顶效果，又要确保发生不冲孔且爆破后巷道围岩稳定，因此合理确定钻孔封孔长度至关重要。针对当前煤矿切顶爆破钻孔封孔长度缺乏理论依据的问题，首先统计分析了国内部分矿井切顶爆破工程的封孔参数，以爆破钻孔封堵机理和堵塞体在爆破过程中受力特征为基础，建立了深孔爆破数学模型，提出了基于爆破“不冲孔”为约束条件的最短封孔长度计算方法；其次，基于利文斯顿爆破漏斗理论，并结合装药结构，建立了顶板深孔装药爆破漏斗模型，得到了基于“最大内部爆破作用”的深孔爆破最短封孔长度计算方法。采用LS–DYNA分析了爆破后钻孔周围岩石中有效应力分布和裂纹发育情况，确定了基于炸药“最大能量利用率”的末端炸药与堵塞体合理间隔。从防止冲孔、保证爆破效果及减小对巷道顶板破坏影响的角度，提出了基于爆破“不冲孔”“最大内部爆破作用”“最大能量利用率”的煤矿顶板爆破钻孔合理封孔长度确定三元准则。以朝川矿22010工作面回风巷爆破切顶为工程背景，依据封孔长度三元准则计算了合理的封孔长度，以巷道顶板表面岩石单元的有效应力为指标，分析了爆破后巷道顶板稳定程度及封孔长度的合理性，并开展现场试验。试验结果表明，基于三元准则所计算的封孔长度不仅避免了冲孔，同时从孔深7 m处向孔底生成了贯穿爆破孔的切缝面，切断了目标岩层。研究成果可为煤矿巷道切顶卸压爆破钻孔确定合理封孔长度提供理论依据。

• 基于煤体卸压钻孔钻屑的冲击危险性检测方法及应用

  赵同彬, 尹延春, 任文涛, 张庆志, 高久国, 赵志刚,

  钻屑法是煤矿常用的冲击地压危险性检测方法，而大直径卸压钻孔的施工方法与钻屑法类似，但由于缺少相应的大直径卸压钻孔的钻粉率指数以及高效便捷的称重方法，大直径卸压钻孔钻屑法未能得到广泛应用。文中基于标准孔径钻屑法的钻粉率指数，提出考虑卸压扰动的大直径卸压钻孔钻粉率指数及临界煤粉量确定方法；通过开展室内煤样钻孔卸压−煤粉测量试验，探究钻孔孔径、煤粉量、煤样初始应力及卸压后应力间的函数关系，进而给出孔距为1、2和3 m条件下孔径为150 mm的卸压钻孔钻粉率指数及临界煤粉量的建议值；并结合研发的煤粉自动测量装置，在井下冲击危险巷道开展大直径卸压钻孔钻屑检测应用。结果表明：煤样钻孔煤粉量与钻孔孔径、煤样应力呈正相关关系，钻孔卸压后煤样应力降低率与钻孔孔径−孔距比呈正相关性；孔径为150 mm的卸压钻孔的钻粉率指数大于孔径为44 mm的钻孔的钻粉率指数，且随着钻孔间距的减小而逐渐增大；山东唐口矿6310工作面孔径为150 mm的卸压钻孔的煤粉量为25～93 kg/m，在巷帮12～14和18～20 m深处存在高应力区，沿空巷道煤粉量明显大于实体煤巷道。通过大直径卸压钻孔钻粉率指数确定方法和煤粉自动测量装置相结合，形成了基于煤体卸压钻孔钻屑的冲击危险性检测方法，为巷道高应力危险区“卸压−检测”同步作业提供了一种实用技术途径。

• 综放工作面沿空留巷墩柱巷旁支护承载规律及失稳判据

  刘子璐, 余伟健, 马占国, 李烨, 龚鹏, 王平, 吴根水,

  巷旁支护体与顶板接触面岩体的稳定是沿空留巷成功的关键，针对厚煤层综放工作面沿空留巷墩柱式巷旁支护体与巷内顶煤接触面失稳导致“冲顶、倒柱”难题，阐述了基本顶破断运移对下位煤岩顶板施载的几个主要阶段，建立了多跨非连续荷载作用下沿空留巷顶板力学分析模型，推导了墩柱在顶板深度方向引起的附加应力方程，揭示了墩柱巷旁支护体与顶板的应力传递机制，探讨了柱−顶接触面失稳模式，基于莫尔−库仑准则构建柱顶煤岩滑移模型，明确了影响柱−顶接触面顶煤稳定性的主控因素，开展了不同应变率下煤的力学性能指标试验，结果表明：柱顶区域煤体能量集度最高，并沿顶板深度方向逐渐降低；相邻墩柱跨中顶板浅表位置能量集度最低，并沿深度方向逐渐升高；柱−顶接触面边缘位置能量降梯度最大，是导致煤体畸变滑移的重要原因。当顶煤厚度、残余边界距离和施载宽度为定值时，柱−顶接触面临界荷载仅受顶煤体的黏聚力c，内摩擦角φ值影响。试验表明煤的c，φ值与应变率呈正相关，上覆岩层运移过程中动压施载持续时间越短，柱顶煤体表现出的极限承载能力越高。数值计算表明巷道顶板煤体的强化可提高柱−顶接触面煤体极限承载能力，并有助于相邻墩柱和顶板之间形成更稳定的力链骨架，降低墩柱“冲顶、倒柱”风险。结合王庄煤矿91-101风巷实际工程地质条件，提出合理的支护参数和顶煤强化方案，避免了“冲顶、倒柱”发生，将围岩变形量控制在了合理范围。

• 地下矿山微震响应空间探测概率特征与数据补偿方法

  王常彬, 曹安业, SI Guangyao, 王冰, 杨旭, 张宁, 岳阳,

  深部复杂地质环境高强度开采造成煤岩动力灾害频发，但地下矿山微震监测台网在数据探测完整性仍存在不足，极大增加了灾害预警的误报漏报风险。因此，将地震学中基于概率的完整性震级评价方法(PMC)应用于某井工煤矿，分析了各微震台站的震动波拾波能力，探究了台网对采场微震响应探测概率的空间分布特征，并提出了基于探测概率的微震活动补偿方法。结果表明：相比于地震学中经典的最小完整性震级评价，PMC具有不依赖古登堡−里克特关系、计算简单、评价精度高的特点，更适用于地下矿山台网布置受限、震源来源复杂、震动波高噪音、强衰减的微震监测环境。微震台站对震动波的拾波能力受其所在区域采动煤岩体环境影响，对不同距离、不同能级微震事件的拾波概率具有显著差异：震源与台站距离越短、震源能级越高，台站对震动波到时标定的概率则越大。微震台网对微震事件的探测能力与震源能级直接相关，探测概率受台站布置影响在采场空间呈现高度非均匀分布特征。针对微震台网探测数据不完整的问题，提出了基于探测概率的微震活动补偿方法，还原了超前工作面煤体微震能级与频次的空间分布特征，其高能释放区域所在超前巷道位置与动力显现频发区域基本吻合，验证了采场微震数据补偿结果的有效性。研究成果可为地下矿山高质量微震监测与高效灾害防治提供理论与数据基础。

• 基于矿坑开发的抽水蓄能电站下水库围岩稳定性分析

  赵倩, 孙清钟, 王丽娟, 骆祖江,

  在矿井改建抽水蓄能电站中，下水库开挖后引起地下渗流场改变，将导致应力场重新调整，易引起围岩的失稳和变形，因此围岩稳定性成为石砀山铜矿地下空间改建的关键。基于此建立考虑流−固耦合的地下水渗流和地应力数学模型，利用COMSOL Multiphysics软件和有限元方法构建数值模型，采用三维地质模型与二维剖面模型相结合的方式，开展石砀山拟建抽水蓄能电站中下水库围岩稳定性分析。结果表明：在下水库开挖后地下渗流场发生变化，渗流方向改变，水位呈漏斗状；下水库附近及顶部的孔隙水压力减小，高孔隙压力区分布在下水库两侧的模型底部。对比不考虑流−固耦合作用情况下，考虑流−固耦合后围岩应力、位移及塑性区发生变化，最大等效应力减小了0.9 MPa，最小等效应力增加了0.3 MPa，洞室两侧等效应力均呈减小趋势，边界洞室受孔隙水压力影响更大；整体洞室围岩的变形减小，边界洞室变形大于内部洞室；流−固耦合作用一定程度上减小了塑性区的分布。进一步基于流−固耦合数值模型，设计下水库在充/放水条件下围岩应力分布状态和稳定性，结果表明所设计的3种工况对围岩施加的静水压力、水位变化引起的孔隙水压力变化和软化效应引起的稳定性变化较小；软化效应在一定程度上减弱围岩稳定性，在下水库支护时需重视对洞室的衬砌，在设计工况下下水库围岩稳定性仍可以得到保证。综上在矿井改建抽水蓄能电站中运用数值模拟评价下水库的围岩稳定性，以提供数据支撑和保障工程的安全性。

• 冲击荷载作用下冻融红砂岩动力特性及损伤模型

  于洋, 江亲财, 王泽华, 卢毓崟, 郭啟翔, 曾慧明,

  为研究冻融岩石在冲击荷载作用下的动态力学特性和损伤演化特征，以寒区红砂岩为研究对象，开展0、15、30、45、60次冻融循环试验和动态冲击试验，分析了应变率和冻融损伤对红砂岩动态力学特性的影响，在考虑损伤阈值的损伤演化方程基础上，基于组合元件模型理论和统计损伤理论构建了冻融红砂岩的损伤黏塑性动态本构模型，并验证了模型的合理性及适用性。结果表明：红砂岩存在冻融循环效应和应变率效应，其动态峰值强度随应变率的增加或冻融循环次数的减少而降低，高应变率对冻融损伤的敏感性越强；引入动态峰值强度损失量γ可以消除冲击荷载作用下的应变率效应，能更直观地反映不同冲击荷载作用下冻融循环对岩石动态峰值强度的影响，冻融45次是损伤阈值点，经过45次之后冻融损伤趋于稳定；冻融与未冻融相比，内部形成了尺度较大的裂纹网络，破坏模式由劈裂向剪切破坏转变，冻融环境下力学特性劣化明显；砂岩的线弹性阶段表现明显在经过冻融循环之后，在D-P破坏准则的基础上，推导出了考虑损伤阈值的损伤演化方程，更具有合理性。基于朱−王−唐本构模型，引入了损伤体构建的黏弹塑性动态本构方程，体现本构模型的全面性；研究建立的动态本构模型很好地反映了红砂岩在受荷变形过程中所表现出的损伤软化、黏弹性和黏塑性等复杂特性，并且也反映出冻融损伤对红砂岩动态力学特性的影响； 所得结论可为研究季节性高寒地区岩石的冲击动态破坏提供参考。

• 我国煤层爆破增透技术研究进展及展望

  刘泽功, 乔国栋, 刘健, 高魁,

  煤层爆破增透技术为我国煤与瓦斯突出灾害的防治做出了巨大的贡献，在增透机理和现场实践方面得到了广泛深入的研究。为了总结以往经验，进一步提高新时代下深部煤层爆破增透技术水平，分析了煤层爆破增透的机理，建立了考虑动态抗压(拉)强度和理想爆轰条件下的爆破致裂煤岩体的数学模型，反演了不同地应力工况下爆破孔壁及其周围应力分布状态，阐述了我国煤层爆破增透技术的发展历程及研究进展，总结了近几十年来出现的煤层爆破增透技术类型。我国在煤层爆破增透技术的增透机理、施工工艺等理论与实践方面取得了一系列创新成果，解决了大量的理论及技术难题。然而，随着我国煤炭开采向深部转移，煤矿瓦斯地质条件日趋复杂，对煤层爆破增透技术提出了新的要求。鉴于此，提出了煤层爆破增透技术未来的发展趋势与展望。在深部构造区域煤层爆破增透方面，应发展精准定向爆破增透技术，精准增透的同时避免深部次生煤岩动力灾害的发生；在松软低渗煤层增透方面，应改变传统布孔工艺，在顶底板岩层中施工爆破孔，发展岩层爆破增透技术；在智能化爆破增透方面，应当结合人工智能、大数据分析手段，在爆破方案智能设计、爆破效果智能考察方向进行深入研究，从而进一步提高煤层爆破增透技术，与我国安全、智能的煤炭开采发展方向相符合。

• 构造异常区能量单元切割理论及冲孔–爆破协同增透技术

  蒋静宇, 董晓斌, 魏民涛, 王成浩, 程远平, 史孝宁,

  煤矿构造异常区通常具有应力集中、高瓦斯赋存、低渗透性、构造煤发育及致灾能量分布不均匀的特点，是煤与瓦斯突出重点防控区域。水力/气动冲孔技术是构造煤卸荷瓦斯抽采的主要手段之一，相较于常规抽采钻孔，可明显提高卸压半径，但煤层相邻冲孔钻孔之间易形成新的应力集中带，限制和影响瓦斯抽采。采用理论分析，数值模拟和现场实验相结合的方法，研究了冲孔与爆破联合卸压增透降能消突原理。主要研究结论为：① 提出了突出能量单元切割理论及冲爆协同增透技术，结合突出潜能分布和突出启动能量判据，将煤层划分若干个能量单元，进行边界处切割、内部分区治理。针对构造异常区煤体采用先冲孔后可控定向聚能爆破的方式对煤体定向致裂、释放应力，冲孔孔洞为爆破影响范围内煤体移动提供了自由空间，在爆破点处形成了煤体自由面并改变了煤层的连续性，爆生气体与定向应力波可促进应力再平衡。② FALC3D模拟显示，冲孔可以降低孔周煤体应力，随着冲孔半径的增大，卸压半径亦随之增大。且冲孔后会在孔周卸压区外形成一定范围的应力集中带，限制瓦斯流动。③ 阐明了可控定向聚能爆破技术的介质–能量切割原理，爆破改变了被切割单元煤体自由面附近的突出潜能赋存梯度，实现介质切割控制能量切割。单元切割有效增加了采掘工作面前方阻能区长度，降低了低能–高能过渡带内作业风险。④ 利用ANSYS/LS–DYNA软件，模拟了煤层可控定向聚能爆破与冲孔孔洞协同作用，结果表明可控定向聚能爆破实现了对煤体的定向致裂，在聚能方向上侵彻煤体形成较大裂隙。随着时间推移，以冲孔孔洞作为控制孔的孔周产生环向裂隙网，并随着裂隙扩展逐渐与非聚能方向的裂隙贯通，实现对煤体的有效增透。⑤ 冲爆协同增透技术现场试验表明，爆破孔周围10 m范围内冲孔区域煤体应力和排渣量显著降低，单、双根聚能管爆破后的瓦斯抽采纯量分别提高1.76 ～ 4.35倍和1.35 ～ 8.60倍。水力冲孔瓦斯有效抽采半径仅为5 m，冲孔与爆破协同卸压增透影响半径大于10 m，卸压效果提高一倍以上，煤巷月掘进速度提高了20 m。

• 低阶煤体瓦斯减阻增渗与强化驱替试验研究

  陈勇, 王鹏飞, 刘荣华, 王俏, 刘开新,

  为实现低阶煤体瓦斯的减阻增渗与强化驱替，基于煤体多孔介质本真属性下瓦斯吸附与驱替机理，首先利用水介质、表面活性剂CTAB、微纳米气泡的共存特性获得了液气耦合介质，以环管流量、旋转黏度表征了液气耦合介质的优化性能与提质增效特征；之后结合渗流瞬时流量、气测渗透率量化了液气耦合介质对低阶煤体瓦斯的减阻增渗与强化驱替效应。结果表明：质量分数0.05%的表面活性剂CTAB可有效降低液相表面张力50.41%，微纳米气泡可平均降低液相表面张力5.50 mN/m；基于表面活性剂CTAB与微纳米气泡的表面活性，液气耦合介质环管流量相对蒸馏水介质、含表面活性剂介质分别增大1.44、1.27倍；转速为100、200、300、600 r/min时，液气耦合介质旋转黏度相对蒸馏水介质分别降低60.00%、71.43%、50.00%、45.45%，相对含表面活性剂介质分别降低42.86%、60.00%、37.50%、25.00%。煤体分别在蒸馏水介质、含表面活性剂水介质、液气耦合介质平衡作用下甲烷渗流驱替时，随着介质环管流量的增大和旋转黏度的降低，瞬时流量与气测渗透率呈现逐渐增大的趋势。基于液气耦合介质良好的减阻性能与流动性能，对长焰煤分别在轴压为3、5 MPa，围压为3、5 MPa瓦斯驱替时，瞬时流量相对蒸馏水介质分别增大1.43、1.67倍，气测渗透率相对蒸馏水介质分别增大1.44、1.68倍，且不同轴压、围压之间的渗流差异明显缩小。液气耦合介质进一步活化了表面性能，在高流量、低黏度作用下实现低阶煤体瓦斯的减阻增渗与强化驱替，尤其对煤体增渗解吸与抽采达标、高产工作面瓦斯涌出防治具有明确的工程导向。

• 复杂构造下保护层开采卸压瓦斯异常涌出机制及定量溯源技术

  陈学习, 陈星宇, 胡嘉英, 周爱桃, 肖健, 孙际宏, 严志龙,

  保护层开采是瓦斯灾害防治的有效技术手段，开采过程中工作面异常涌出问题是矿井安全生产的重要威胁。以象山煤矿21313工作面为研究对象，基于地质统计法数值建模实现21512工作面瓦斯地质精细反演，通过FLAC3D-COMSOL耦合模拟分析了复杂构造应力下保护层开采的力学演化规律及卸压增透机制，探究了开采后本煤层、邻近层瓦斯运移和瓦斯涌出量规律，结合现场统计、碳同位素测试、数值模拟对比分析实现了工作面异常涌出定量溯源，并针对性采取了底板卸压拦截定向长钻孔抽采措施。结果表明：当保护层工作面由40 m推进至200 m时，底板塑性破坏深度由8.5 m增至25 m，最大垂直应力由−19.09 MPa上升到−29.17 MPa，最大应力释放率由62%升至100%，反映随着推进距离的不断增加，煤岩层受采动破坏明显，底板岩体裂隙发育贯通到5号煤层，卸压范围及程度不断增大。开采200 m后工作面，计算得知保护层走向卸压角为66°、倾向卸压角为62°，5号煤渗透率约为原始煤层的600倍，卸压增透效果明显。随保护层工作面推进距离增大，瓦斯压力降低幅度及范围增大，本煤层、邻近层最大瓦斯压力在开采90 d时，下降幅度分别为3.7%、19.4%；瓦斯总涌出量随着推进距离增加而上升的同时，邻近层绝对瓦斯涌出量占比逐渐上升，推进到200 m时，邻近层绝对瓦斯涌出量占比63.00%。通过综合运用现场统计数据、碳同位素测试结果以及数值模拟方法的对比分析表明，采空区、上隅角瓦斯各来源比例随工作面向前推进基本保持稳定，瓦斯主要来源于邻近层，采空区、上隅角的邻近层瓦斯占比平均值分别为77.99%、49.33%，数值模拟得到的瓦斯涌出量略大于实测瓦斯涌出量，邻近层瓦斯涌出量占比小于实测值，增长趋势两者相符合。采取卸压瓦斯精准治理措施后，卸压瓦斯抽采率为55.80%、55.01%，工作面风排瓦斯量至少下降62.06%，回风流甲烷质量分数至少降低了52.38%，保护层工作面及被保护层瓦斯治理效果明显，实现了复杂构造矿区多煤层综合瓦斯精准治理。

• 引入风量波动因子动态解算矿井热流耦合通风网络

  贾瞳, 马恒, 高科,

  为解决非定常风流介质在通风系统管道域中热流动，导致矿井风量产生连续状态下的多尺度波动，使得利用静态热压湿变风网解算模型映射的系统状态精准度不高问题，在风流流动实质为空气动力过程与热力过程耦合形成的多变过程的框架下，将系统运行状态实时精准映射等效为动态解算时间序列下矿井热流耦合波动通风网络。溯源热流耦合风量多尺度波动原理，明确风量波动致因主体为风流密度，以此为表征变量，以非稳态环境场和梯度流动场为边界条件，利用微元法研究风流的热流耦合属性随时间变化规律，提出了以时间为根变量的风流瞬态流动特征模型。定义风量波动因子以表示波动风量瞬态位置，代入风网静态解算模型中，构建连续空间特征下波动风网解算模型，提出波动因子与风流瞬态流动特征模型的转换方程，将瞬态流动函数作为波动传递变量代入波动风网解算模型中，形成了时间序列下波动风网动态解算模型，达到了实时精准映射风网运行状态的目的。为验证模型生产可行性，以双马一矿为工程对象，将时间序列下矿井跨岩层热环境信息作为初始值代入动态解算模型中，完成了全局风网实时解算，实现了将初始固定风量值拓展为时间序列下风量波动区间，实时反映了在风流热流耦合作用下的生产矿井通风系统运行特征。波动风网动态解算通过实时分析矿内环境−通风变量耦合效应，实现了风网状态精准定量映射，为后续定量决策提供数据基础和优化路径以提高智能控风的动态适应性和本质精度。

• 超音速动力喷雾装置结构优化及尘噪协同控制效果研究

  张天, 陶爽, 葛少成, 李胜, 王长友, 穆新升, 郭雨浩,

  超音速同轴气动喷雾降尘技术在呼吸性粉尘方面治理良好，其具有喷雾浓度高、雾滴粒径小、运动速度快等优势，但会带来严重的噪声污染，尤其是高频噪声。为解决该问题，对超音速同轴气动雾化降尘装置进行了结构优化，通过COMSOL Multiphysics软件研究了该装置优化前后拉瓦尔喷管内流场速度分布及声场分布，验证了其可行性，并结合试验，利用YSD130噪声分析仪、激光粒度分析仪、粉尘采样器开展测量，研究了不同气动压力、水流量下的喷雾噪声特性和变化规律及两喷嘴的雾滴粒径、降尘效率。结果表明：在拉瓦尔喷管内，两喷嘴声压级沿中心轴向外皆逐渐降低。优化后喷管内超音速层的厚度减小，使其所对应的声压级降低。当水流量为10 L/h时，随气动压力增大，两喷嘴声源处高频段声压级均呈增长趋势，传播方向处优化前呈先增大后减小趋势转变为上升趋势。优化后声源处声压级降低了约16.7%，峰值声压级降低了8.5%～9.3%，传播方向处声压级降低了约18%。气动压力为0.4 MPa时，随水流量增大，声源处优化前声压级由一直增大转变为低频段声压级呈先上升后下降趋势，中高频段呈上升趋势，传播方向处优化前呈先增大后减小趋势转变为下降趋势。优化后喷嘴声源处声压级降低了约9.8%，峰值声压级降低了19.2%～20.9%，传播方向处声压级降低了约12.7%。压力为0.4 MPa，水流量为12 L/h时，两喷嘴雾滴数量在50%的雾滴粒径皆在11 μm左右，空间分布均匀。降尘效果随着测试时间的增加呈线性增长，降尘效率皆达到84%以上。研究在保证喷雾降尘效果的同时，通过结构优化降低了雾化过程的致噪声压级，为超音速动力降尘喷雾的安全应用及粉尘、噪声的协同控制提供了理论与技术支持。

• 深部煤岩储层地质力学影响机制及控制因素——以鄂尔多斯盆地大吉区块为例

  闫霞, 熊先钺, 徐凤银, 喻岳钰, 李曙光, 王峰, 刘敬寿, 冯延青, 唐志潭, 魏振吉,

  深部煤层岩石力学特性及微构造、顶底板岩性组合、煤层厚度、夹矸厚度对其应力影响机制不清，制约了差异化气藏工程设计、大规模压裂改造设计参数优化和单井产量的大幅提升。首先，采用三轴抗压试验、巴西劈裂试验、三轴抗剪试验及阵列声波测井曲线，探究静态岩石力学参数单井分布特征；然后，通过差应变试验方法明确研究区煤层、顶底板现今地应力大小；最后，基于力学试验结果，构建三维地质力学模型并开展了不同条件下的应力模拟，以获得不同微构造形态、岩性组合、煤岩厚度和夹矸厚度等因素对深部煤储层的应力影响机制。结果表明：① 基于岩石力学试验，研究区深部煤岩样品的煤岩平均弹性模量为7.19 GPa，平均泊松比为0.32，平均抗张强度为2.68 MPa，平均垂向应力为51.78 MPa，平均最大水平主应力为43.66 MPa，平均最小水平主应力为37.57 MPa。② 数值模拟表明煤岩微构造、煤层厚度和顶底板岩性组合等对煤岩地应力均有较大影响，在相同顶底板条件下，煤层从正向微构造向负向微构造转变的过程中，煤层最小水平主应力逐渐增大，负向构造部位地应力大于正向和平缓微构造部位，随着煤层与围岩力学性质差异性的增大，煤层地应力呈减小趋势，且减小幅度依次为负向构造>正向构造>平缓区；③ 鄂尔多斯盆地深层8号煤的6种顶底板岩性组合中，顶板灰岩−底板砂岩组合下的煤岩最小水平主应力最小，顶板泥岩−底板泥岩组合下的煤岩最小水平主应力最大，顶底板与煤层力学性质相差越大，煤岩应力值越小；④ 其他条件相同时，随着煤层厚度的增大，煤岩水平主应力、水平主应力差总体呈增加趋势，厚度变化对厚度小于4 m的薄煤层的应力影响更为敏感，当煤层厚度大于4～6 m后，水平主应力、水平主应力差增幅趋于平缓，故建议水平井开发的深部煤层厚度下限为4 m；煤层厚度从2 m增大至10 m，最小、最大水平主应力增幅分别为12.9%和23.3%，水平主应力差增幅达98.3%；⑤ 夹矸厚度从0.5 m增至7 m过程中，夹矸所受水平主应力及应力差下降幅度明显，降幅约为34.1%，当夹矸厚度大于3 m时，夹矸水平主应力、水平主应力差降幅趋于平缓。为深部煤层气开发方案优化设计、工程差异化设计及单井产量差异原因分析等方面，提供了重要的试验和理论指导依据。

• 黏土矿物类型对煤力学非均质性影响的分子机制

  张彬, 孙蓓蕾, 王德璋, 康天合, 冯智杰, 李立功, 李昊洋, 梁晓敏, 朱文庆, 张俊爽,

  煤层气是我国重要的非常规天然气资源，但无机矿物影响下的煤储层具有强烈的力学非均质性，存在已成功使用的工程技术在其他煤层气井不适用的情况，深入研究煤中无机矿物与有机质的相互作用及其对煤力学非均质性的影响机制具有重要的意义。利用分子模拟对比分析了高岭石、伊利石和蒙脱石3种典型黏土矿物与无烟煤有机质的相互作用范围、位置和强度及差异性，阐明了不同黏土矿物对煤孔隙率的影响规律，揭示了煤力学非均质对黏土矿物类型的响应特征。结果表明：高岭石或伊利石与煤有机质的径向分布函数呈双峰特性，同时存在氢键作用和范德华力，而蒙脱石的径向分布函数呈单峰分布，相互作用以范德华力为主，占总能量变化的89.36%，不存在氢键作用；矿物分子进入到煤有机质后会相互堆叠填充，形成具有一定的非均质性且形状不规则的纳米孔隙结构，相同矿物含量下，含不同矿物类型煤的孔隙率大小顺序为：蒙脱石>伊利石>高岭石；黏土矿物与煤有机质的相互作用强度主要取决于黏土矿物分子的尺寸，呈反比例关系；不同高岭石含量下，无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量非均质性可分为5个部分，存在变异性极高的区域，而含伊利石和含蒙脱石无烟煤除了剪切模量存在高变异区域，其他力学参数均处于低变异范围以下，高岭石对无烟煤力学非均质的影响程度要大于伊利石和蒙脱石的影响。研究成果将为预测煤储层力学性质的变化规律且根据煤中不同黏土矿物特征有针对性的制定储层改造措施和开发方案提供力学依据。

• 页岩有机质限域空间内的气水相互作用

  张楚, 姚艳斌, 冯鹏, 张雨恒,

  页岩储层中基质−流体之间的复杂相互作用对评估页岩气资源量和开发潜力至关重要。传统研究受限于数学表征模型假设较多的固有劣势，对不同尺度储集空间内气水吸附行为及其赋存规律的刻画仍不完善，使得限域空间内的气水相互作用过程和机制尚不明确。鉴于此，选取6组四川盆地海相龙马溪组页岩，对提取的干酪根开展干燥和含水条件下的甲烷吸附试验，而后采用分子模拟方法和改进的Ono-Kondo模型表征微纳米孔隙中气水吸附行为，最后探讨微纳米限域空间内气水相互作用机制。结果表明：干燥条件下甲烷填充吸附行为对总甲烷吸附量起主要贡献，同时甲烷填充吸附主要发生在微孔中，甲烷表面吸附则主要在中孔中。在含水条件下，甲烷的吸附行为会发生显著变化，原本在干燥条件下以填充吸附为主的样品会转变为以表面吸附为主。水分子以簇状分布堵塞占据微孔空间，并驱使甲烷至高能含硫位点周围，从而显著降低甲烷的填充吸附能力；相比之下，由于水分子和甲烷吸附位点的差异，水分子对中孔中甲烷表面吸附行为的影响相对较小。

• 扎赉诺尔煤田煤炭地下气化地质评价与有利区优选

  崔义, 陶树, 王志珩, 吴亚宁, 井庆贺, 李寿君, 李德军, 郭洁, 闫寿庆, 焦扬, 邹迪,

  煤炭地下气化(UCG)技术是一种将原位煤层在地下进行有控制的燃烧，以获取可燃合成气的技术，该技术有望发展成为弥补我国天然气供需缺口的重要技术。 UCG过程的选址问题需综合考虑煤岩自身特性及煤层地质环境等诸多因素，客观的选址评价工作是地下气化稳定运行的基本保障。在查明扎赉诺尔煤田地质条件的基础上，从煤岩煤质特征、煤炭赋存条件、构造条件和水文地质条件4个方面综合分析伊敏组主煤层UCG的可行性。运用层次分析(AHP)法和模糊数学评价法，优选4个一级评价指标和13个二级评价指标以构建多层次模糊数学评价模型，明确扎赉诺尔煤田UCG有利区分布特征。结果表明：该煤田Ⅱ2-1和Ⅱ3煤层为褐煤，以中等全水分含量、低灰分产率、高挥发分产率煤为主，煤中氮、硫等有害元素含量低；2层煤的发热量平均值(Qnet,ar)分别为23.41和23.73 MJ/kg；气化活性(CO2，900 ℃)的平均值分别为91.90%和79.64%；热稳定性(TS-6)的平均值分别为58.95%和58.20%；煤灰熔点分别为1145和1170 ℃。煤层厚度大且侧向分布稳定(煤厚变异系数10.14%～33.55%)、埋深适中，断层复杂程度较低，煤层平均单位涌水量整体较低，含煤层系发育良好且稳定的隔水层。整体而言，扎赉诺尔煤田Ⅱ2-1和Ⅱ3煤层具有实施UCG项目的可行性，其中，灵东煤矿南部为Ⅱ2-1煤层UCG的Ⅰ类有利区，灵东煤矿、灵东煤矿南部和灵泉煤矿南部为Ⅱ3煤层UCG的Ⅰ类有利区，建议进一步开展有利区内煤炭气化物理模拟试验，获取气化产物及气化效率等关键参数，并落实气化炉建设方案、优化气化工艺。

• 海拉尔盆地伊敏组丝炭化学结构及成因探讨

  王扶静, 李耿, 秦勇, 张艳秋, 尚福华, 李久庆, 密文天,

  丝炭作为4种宏观煤岩成分之一，蕴含着丰富的古气候和古环境信息。以海拉尔盆地伊敏露天煤矿和大雁露天煤矿伊敏组16号煤层褐煤的丝炭组分为例，借助电子显微镜、核磁共振碳谱和电子顺磁共振等测试技术，量化表征丝炭的化学结构特征，并结合微区形态学观察讨论丝炭的成因。结果表明：丝炭的分子结构与煤自身的分子结构存在极大差异，丝炭中芳碳质量分数约75%，脂肪碳质量分数低，显示其较高的芳香化程度。伊敏组褐煤中丝炭火焚成因特征显著，其形态学差异明显，细胞壁薄且多呈白色，保存了较清晰的植物年轮和细胞结构，指示快速炭化及快速埋藏过程，另外丝炭化程度受控于多重地质因素。电子顺磁共振研究表明丝炭样品自由基浓度指示炭化温度应介于300～400 ℃之间，丝炭主要为火焚成因，通过形貌学与核磁共振碳谱分析进一步支持了火焚成因的推断。惰质组反射率分析得出的炭化温度与文中基于自由基浓度推测的炭化温度基本一致。受氧气体积分数、燃烧时间及空间位置等因素的影响，丝炭中丝质体反射率差异显著，反映了火焚程度的非均一性，揭示了地质历史中火焚作用的复杂性。基于研究区褐煤有机质δ13C值测试结果及煤相学分析，结合聚煤期古地理特征，进一步证实了海拉尔盆地早白垩世伊敏组成煤期气候炎热且野火频发的古环境特征。

• 暴雨作用下排土场边坡水土保持工程措施的减流减沙效益

  张宇宁, 吕刚, 张泰瑜, 熊姝臻,

  露天煤矿排土场具有坡度较陡、结构松散、稳定性较差等特点，在暴雨作用下水土流失强度较大，以往采用布设植物篱等的方法对控制边坡水土流失具有积极作用，但植被在未达到预期覆盖度前边坡的土壤侵蚀依然严重，而采取水土保持工程措施相较采取植物措施的施工时间短，且竣工后即可达到最大水土保持效益，进而达到快速控制水土流失的目的。为探明不同雨强作用下水土保持工程措施(水平沟、土工袋)对排土场边坡产流产沙的影响，以海州露天矿排土场边坡几何参数为基础构建排土场模型，并布设水土保持措施，基于阜新当地暴雨强度式计算值，以设计重现期50 a、降雨历时45 min为参数，设置降雨强度为60、90和120 mm/h，结合室内人工模拟降雨的方式，选取径流率、产沙量、减流效益和减沙效益等因子分析排土场工程措施控制侵蚀的效益。结果表明：① 不同雨强下，采取水土保持工程措施显著减弱了坡面径流的生成，增强了边坡的抗蚀能力，径流率相较对照组最多降低65.18%，产沙量相较对照组最多降低92.23%，低密度土工袋覆盖措施的减流减沙效果均优于其他工程措施。② 以降雨强度为60 mm/h时的对照组产流率、平均产沙量为基准值，窄埂水平沟组、低密度土工袋覆盖组、高密度土工袋覆盖组的产流率、平均产沙量2项指标与雨强均呈等比例增长。③ 产沙量与径流功率之间的关系在不同水土保持工程措施下存在差异，但总体而言，通过径流功率预测边坡产沙量更为合理。在无水土保持工程措施和宽埂水平沟处理下，径流率与产沙量的线性关系较强且成正比，这表明在没有水土保持工程措施或措施较弱的情况下，径流率的增加直接导致产沙量的增加；采取窄埂水平沟和不同密度土工袋覆盖的措施后，径流率与产沙量之间的线性关系显著减弱，从而说明水土保持工程措施的实施有效地减弱了径流率对产沙量的直接影响。采取水土保持工程措施后，边坡的水流动力学特性发生了变化，该措施影响了边坡水流的径流剪切力和径流功率，进而影响产沙量；而水平沟则通过分散水流和减缓流速，降低了边坡水流的径流剪切力和径流功率，从而降低了产沙量。

• 关闭煤矿采空区积水量预测及其演化过程分析

  丁艳青, 逄仁昊, 钱静, 段李宏, 陈太森,

  煤矿关闭之后地下水水位回升，但采空区内的积水演化过程鲜有研究。以徐州三河尖关闭煤矿为例，基于闭坑报告及钻孔数据资料，结合煤层底板标高三维(3D)曲线图确定采空区的积水途径，基于回采空间法分煤层和分水平预测矿井积水量，并依据水力学等相关理论，确定煤矿关闭后各水平的涌水量取值，探究关闭煤矿采空区积水的演化过程。研究表明：根据煤层底板形态3D图预测矿井水首先流向矿井南北两翼的深部采空区及巷道，随后流经矿区东西两翼边缘区域的中部采空区，最后汇集到龙固背斜与张庄断层所在的浅部采空区。三河尖关闭煤矿共计积水9.88×106 m3，其中基于回采空间法计算得到关闭煤矿各煤层积水体积共计9.35×106 m3(采空区和废弃巷道系统积水体积分别为7.86×106、1.49×106 m3)，其他储水空间积水体积为0.53×106 m3。随着积水水位的升高，涌水量逐渐降低，在标高为−350～−400 m的水平，涌水量最低，约为134.81 m3/h。煤矿关闭后采空区水位随时间回升的过程表明：积水初期，矿井深部采空区容积小、涌水量大、积水速度快；积水中期，采空区容积增大、涌水量降低且随着巷道数量的增加，积水高度上升速度减慢；积水后期，浅部采空区容积变小，积水高度随时间的增加迅速上升。由此预测煤矿关闭2546 d后地下水将回升至标高为−350 m的水平。

• 电催化臭氧技术去除高盐废液中有机物

  陈安妮, 郭强, 殷炎颖, 李井峰, 包一翔, 吴敏, 易世祚, 王建兵, 王会姣,

  矿井水高盐废液产生于废水零排放过程，由于其成分复杂，有机物含量高，其处理已成为世界性难题，研发高盐废液中有机物高效脱除技术迫在眉睫。电催化臭氧技术作为一项新型高级氧化技术，具有高效、灵活、环境友好的特点，为高盐废液中有机物深度脱除提供了一种颇具前景的技术选择。基于此，首先采用气相色谱−质谱联用仪(GC-MS)对西部某矿区矿井水高盐废液中的有机物进行了解析，共检测到15种有机物，可分为大环硅氧烷、酯类、腈类和酰胺类，其中邻苯二甲酸二甲酯(DMP)这种酯类化合物显示出很强的峰信号，峰面积占比20.38%。因此，DMP被选作矿井水高盐废液中的特征污染物，用于电催化臭氧技术的去除动力学和反应机理研究，在此基础上进一步探究电催化臭氧技术处理实际高盐废液的技术和经济可行性。结果表明：DMP由于其较低的臭氧反应活性，很难被常规臭氧技术高效去除。而电催化臭氧技术通过将电化学原位产过氧化氢与臭氧技术耦合，可以将反应体系中的羟基自由基(•OH)浓度提升1个数量级，因此可以明显加速和强化废水中特征污染物DMP的去除。理论计算显示：•OH进攻DMP的优势活性位点是苯环上的C4和C8点位，与检测出的降解产物结果一致。在实际矿井水高盐废液处理方面，电催化臭氧技术相较传统电化学和臭氧技术，显示出最高的有机物矿化效率和最低的能量消耗，初步论证了该技术在高盐废水有机物深度脱除方面的技术和经济可行性，展示出良好的应用前景。

• 煤气化渣一步重构碳/P沸石及其吸附结晶紫机制

  吴玉花, 刘彩珠, 马玉龙, 孙永刚, 吉文欣, 朱莉, 白红存,

  煤气化渣的高效资源化利用是当前能源、环保和可持续发展领域亟待解决的关键问题。作为煤气化过程的主要副产物，煤气化细渣的年排放量巨大。但其传统处理方法存在炭灰分离困难、原子利用率低、二次污染严重等技术瓶颈，严重制约了其资源化利用效率。本研究创新性地开发了一种煤气化细渣原位活化一步法重构技术，成功制备了碳/P型沸石复合材料(CPCMs)，实现了温和条件下细渣中硅、铝及碳元素的高效协同活化。复合材料具有花状多级孔结构，比表面积为107 m2/g，以介孔为主。此外，通过调控碱溶出时间与煅烧条件，CPCMs中的P型沸石可定向转化为钠十字沸石。CPCMs对水中结晶紫染料表现出优异吸附性能，在303 K时最大吸附量为454.6 mg/g。其吸附行为符合准二级动力学模型，R2 > 0.995，表明化学吸附主导。等温吸附数据与Langmuir模型高度吻合，证实单层均匀吸附特性。热力学分析显示，吸附过程为自发吸热，ΔG < 0，ΔH=33.92 kJ/mol，ΔS > 0。机理研究表明，吸附作用源于多机制耦合：P型沸石的介孔限域效应和静电吸引，pH > 7时吸附量显著提升；残碳组分的π-π共轭作用；复合材料中金属离子与结晶紫阳离子的离子交换以及络合作用。值得注意的是，CPCMs在宽盐度范围内保持稳定吸附性能，展现出良好的抗干扰能力。该研究不仅实现了煤气化细渣的高值化资源利用，还为工业废水处理提供了经济高效的吸附材料，具有重要的环境与经济效益。

• 污泥掺烧对燃煤电站污染物控制装置的影响

  王卫群, 黄治军, 张恩先, 段元强, 段伦博,

  利用燃煤电站进行污泥掺烧既可以实现污泥的高效消纳，又可以利用燃煤电站现有的污染物控制装置控制污泥燃烧生成的污染物。然而，燃煤电站的实际运行经验表明污泥掺烧后会影响污染物控制装置的稳定运行。文中在功率为660 MWe的超低排放燃煤机组上进行了污泥掺烧试验并开展现场测试，探究污泥掺烧对痕量元素分布、灰渣特性的影响机制，并评估污泥掺烧对选择性催化还原(SCR)脱硝、静电除尘及烟气湿法脱硫系统的潜在影响。试验所用的市政和印染污泥混合物中含有较高浓度的Ni、Cu、Zn和Mn等元素，但在湿污泥掺烧质量比为5%的工况下，并未改变重金属元素在系统中的分布情况，除了Hg以外的绝大部分重金属元素仍然分布在颗粒相中，仅有少量的Pb、Cr和Ni元素出现在脱硫石膏中；试验所用污泥的Cl元素质量浓度要远高于原煤，在SCR反应器入口采用EPA Method 26A方法采样并测试烟气中HCl和Cl2的体积分数。结果表明：燃烧时，燃料中75%以上的Cl元素都以HCl的形式释放到烟气中，使得脱硫浆液中含有较高质量浓度的Cl−离子；掺烧污泥后，PM1～PM10的超微米颗粒的生成量则要低于未掺烧工况，且污泥飞灰中较高质量浓度的Fe2O3、P2O5降低了飞灰比电阻，有利于提高混燃后静电除尘器的效率；污泥掺烧后部分细颗粒进入脱硫浆液，造成脱硫石膏脱水困难，而浆液中Cl−质量浓度的增加，进一步导致脱硫石膏含水率的升高。

• 褐煤腐植酸的超临界CO2萃取及增效作用机制

  樊玉萍, 金伟, 马晓敏, 付元鹏, 董宪姝, 朱本康,

  超临界CO2(ScCO2)萃取技术是煤炭中可溶性有机质提取的有效途径之一，其强大的溶解及萃取能力可改变煤样形貌特征及孔隙结构。以内蒙古某地褐煤及用10%过氧化氢溶液预处理后的褐煤为原料，以乙醇为共溶剂，进行褐煤的ScCO2萃取腐植类物质实验。利用ICP-MS电感耦合等离子体质谱仪、傅里叶红外光谱仪、扫描电子显微镜、紫外−可见分光光度计等对腐植类产物进行分析；利用扫描电子显微镜、比表面积及孔径分析仪等探究在ScCO2萃取过程中煤样的形貌特征及孔隙的变化，揭示ScCO2萃取技术对腐植类物质提取的作用机制。研究结果表明，过氧化氢溶液预处理后的煤样会让有乙醇共溶的ScCO2更有效地渗透到褐煤的孔隙中，与黄腐酸官能团之间通过氢键等作用发生相互作用，使得黄腐酸从褐煤基质中大量溶解到超临界流体中，萃取后的煤样整体疏松孔隙更多有利于后续腐植酸的提取。萃取出的黄腐酸溶液中Mg、P、K和Fe等植物营养必需元素的离子质量浓度大幅度提高，分别为21 432.77、148.83、8 823.84、415.12 μg/L。萃取后的煤样具有最大的总孔容为0.017 9 cm3/g及比表面积为3.374 3 m2/g，以其为原料制备出的腐植酸产率高(49.38%)、O/C高(0.74)、N/C高(0.12)、含硫量低(1.11%)、富含羰基和羧基、芳香度低、分子量较小、表面多孔粗糙。这表明ScCO2萃取技术对黄腐酸及腐植酸的有效提取及品质提高具有重要启示作用。

• 基于LBM的多分散颗粒−气泡湍流碰撞频率的直接数值模拟研究

  杨学松, 陈冬琴, 王云琳, 李哲, 邢耀文, 桂夏辉,

  浮选是细粒矿物提质除杂的重要手段，但面临微细粒回收率低的难题。湍流是强化微细粒浮选的必要条件，但其多尺度碰撞及调控机制尚未明晰。尤其对于多分散颗粒/气泡体系，传统的浮选理论与现代工业应用之间存在一定的差距。以湍流中多分散颗粒−气泡碰撞行为为研究对象，采用各向同性湍流直接数值模拟(DNS)，并结合碰撞动力学理论，以径向相对速度和分布函数为分析突破口，研究了大尺度涡输运−微尺度涡局部富集效应下的湍流碰撞特性，及其尺寸效应对碰撞过程的影响。研究发现：多分散效应和惯性作用导致点粒子直接数值模拟结果与经典Saffman & Turner模型预测值存在明显差异，明确了经典理论在预测多分散体系中的局限性，强调了高保真预测多分散颗粒气泡体系中湍流特征与理想碰撞频率的必要性。在大涡输运和微涡富集的竞争协调作用下，提高湍流耗散率和增大微细颗粒−气泡直径是提高多分散颗粒和气泡理想碰撞频率的有效途径。另外，随着颗粒−气泡尺寸离散度的增加，大涡输运作用被增强，但微涡局部富集效应被削弱。因此存在最佳离散度可实现较高的多分散粒度的颗粒−气泡群碰撞频率。这表明调控浮选过程中的颗粒−气泡尺寸分布对提高分选效率具有重要意义。阐明了大尺度涡湍流输运效应与小尺度涡局部富集效应的竞争协同作用下颗粒−气泡碰撞机理，为现代浮选颗粒−气泡矿化理论提供了丰富的理论支持。

• 动态颗粒间距下焦炭辅助劣质烟煤微波点火行为

  邹鹏, 薛乃源, 周伟, 李俊峰, 高继慧, 赵广播,

  在我国电力系统中，以劣质烟煤、焦炭为代表的低挥发分煤产量巨大，但低挥发分特性限制了其在燃煤发电中的应用。微波技术已被证明能够通过其独特的非接触式加热方式以及等离子体效应高效快速地实现电磁能向热能转化，并实现额外挥发分的原位生成。然而，目前很少有研究将这种微波增强效应应用于劣质烟煤、焦炭等低挥发分碳基燃料的点火过程。为此，以劣质烟煤及其煤焦为代表，在单模态微波反应器中进行焦炭辅助劣质烟煤微波点火试验。对样品在反应过程中的微波吸收情况、温度变化情况、放电情况，以及反应各阶段残炭的结构、理化性质进行表征和分析，以探究微波与炭颗粒间的相互作用对焦/煤微波点火过程的强化规律。研究发现点火前期(煤样加热阶段)煤样温升主要依赖于样品在小流量(0.25 L/min)下的热量累积；中后期(挥发分−焦炭共燃阶段、焦炭燃烧阶段)可以观察到明显的炭颗粒间放电现象，由此引发的多点局域燃烧会形成多个“火核”强化燃烧，大流量(0.75 L/min)下强化效果更明显。在微波热效应及电效应共同作用下，煤样的石墨化度先上升后下降，吸波及热转化能力随之先升高后降低；煤样表面裂纹不断增多加深，析出的灰分先形成一层灰壳阻碍氧分子扩散，后发生岛状聚集使炭表面重新暴露。综合来看，少量的焦炭掺混(焦炭掺混比为25%)对劣质烟煤的吸波能力及点火效果具有显著提升，煤样在挥发分−焦炭共燃阶段中期时具有最佳的燃烧反应性，可以脱离微波作用区域，进行自持燃烧。

• 基于改进U−Net的煤矸图像分割模型与放煤控制技术

  袁永, 秦正寒, 夏永琪, 武让, 李立宝, 李勇,

  煤矸识别技术是综放工作面实现智能化的关键技术之一，同时也是该领域面临的一个重要挑战。针对目前煤矸图像数据集整体质量差、数据规模小、煤矸图像分割模型检测速度慢、识别精度低等问题，参考实际综放工作面搭建了大尺寸等比例综放开采相似模拟平台，基于该平台建立了煤矸图像采集系统，采集构建了高清仿真综放工作面煤矸图像数据集，提出一种基于特征金字塔网络(FPN)和空洞空间金字塔池化(ASPP)的改进U−Net煤矸分割模型，提高了煤矸图像的分割精度。通过在U−Net模型的跳跃连接中添加FPN模块，同时在解码器部分引入ASPP模块，建立了FPN−ASPP−U−Net煤矸分割模型，消融试验验证了FPN模块和ASPP模块对U−Net模型性能的提升。结果表明：FPN−ASPP−U−Net模型分割效果最好，均准确率(MA)为97.29%，均F1得分(MF1)为97.44%，均交并比(MI)为95.65%，模型参数量(MP)为29.64 M，浮点运算量(F)为341.29 G，每秒帧数(f)为41.1 f/s，与U−Net模型相比，MI、MF1和MA分别提升了2.64%、1.06%和1.15%，模型参数量仅仅增加了0.33 M，改进后的模型在图像分割速度上有少量提升。设计了FPN−ASPP−U−Net模型与PSPNet、SegFormer、DeepLabV3+、PSANet语义分割模型的图像分割效果对比试验，结果表明：FPN−ASPP−U−Net模型对煤矸图像分割的性能最好，同时模型整体计算参数量最小，在分割精度和分割速度之间有着较好的平衡。对于粉尘影响下的不清晰图像，采用暗通道与高斯加权相结合的方法对图像数据集进行去雾增强，轻度粉尘、中度粉尘、重度粉尘去雾前后的模型对煤的分割精度提高了14.81%、17.79%、23.62%，对矸的分割精度提高了11.73%、14.50%、14.86%。基于研究结论提出了FPN−ASPP−U−Net模型的煤矸图像混矸率计算方法，开展了煤矸图像分割控制放煤试验，以混矸率20%作为放煤口关闭的阈值，单次放煤口开关期间真实混矸率与模型预测混矸率平均误差率为4.71%，验证了基于煤矸图像混矸率对放煤控制的可行性。最后，封装模型代码研发了煤矸图像智能识别软件，设计了煤矸分割现场应用方案，在榆树田煤矿110501综放工作面进行了图像控制放煤试验，验证了该方法能够对煤矸图像进行精准分割，对放煤口开关进行合理控制，提高了综放工作面的智能化水平，为推动煤矿进一步智能化建设提供了有效的技术手段与参考价值。

• 西部地区矿井多能互补热电协同供能系统配置优化

  王龙飞, 王帅, 李庆, 李瑞华, 武进, 向轶, 邴喆,

  随着“双碳”目标的深入推进，利用可再生能源资源降低煤炭开采过程的碳排放成为重要发展趋势，而矿井供能采用可再生能源面临着资源禀赋条件复杂、可再生能源波动、能源利用技术多样、用能负荷需求多变等多重问题。为实现对煤矿不同供给需求边界条件下的定制化开发，以西部地区年产8 Mt纳林河2号矿井热电供能系统为研究对象，提出了结合可再生能源及煤矿伴生资源的矿井多能互补热电供能系统与配置优化方法。该系统利用光伏、风电、热泵、储能等能源生产转换储存设备在可行边界条件下实现能量生产转化与平移，实现煤矿电能与热能互补互济与能源共享。通过分析矿井热电等能源需求及矿区太阳能、风能和伴生资源的源荷特征，在气象条件、分时电价、设备容量等边界约束下，采用供能总成本最低的方式满足矿井热能与电能的实时需求。基于负荷数据、设备模型、优化算法构建了多能互补热电协同供能模型，并提出了基于经济性、能效性、环保性、安全可靠性多维度评价指标体系，对该系统进行了研究分析与评价。结果表明：多能互补热电协同供能系统能够实现矿井供能系统的清洁低碳热电协同供能，有效降低对化石燃料的依赖，以年产8 Mt纳林河2号矿井为例，采用多能互补热电协同供能系统可大幅降低能源采购成本，系统运行总费用可降低50%以上，系统绿色能源占比可提高到65%以上，实现80%以上可再生能源发电量自发自用，每年可以减少二氧化碳排放45%以上。

• 煤电机组灵活性指标对风光发电调节作用的量化研究

  刘玉华, 吕清刚, 高政南, 朱书骏, 符津铭, 张伟, 高鸣, 柴祯,

  在以风电、光伏为代表的可再生能源快速发展过程中，提升支撑性电源的调节能力是新型电力系统建设的重要保障，其中，充分发挥煤电机组的灵活性潜力是重要路径之一。目前，对于煤电机组灵活性指标(最低运行负荷、变负荷速率和启动时间)的要求正在不断提升，但其对风光发电调节作用的量化分析尚不完善。为解决这一问题，在综合考虑风光时序生产特性和功率平衡的基础上，利用Python语言构建了煤电机组调峰能力计算模型。此外，以内蒙古某区域风光实际发电曲线为算例，在分钟级的时间步长下，对煤电机组在不同最低运行负荷、变负荷速率和启动时间下的运行特性进行了分析。研究结果表明：在该区域风光装机和资源条件下，随着煤电机组最低运行负荷的降低，单位最低运行负荷变化区间(10%)内所能产生的风光消纳增量逐渐下降，但当最低运行负荷由30%降至20%时，其增加的风光消纳电量仍然能够达到该区域全年风光发电总量的4.88%。煤电机组变负荷速率的提升可加强煤电对系统负荷波动的平抑作用，当煤电机组变负荷速率达到6% Pe/min时，与无煤电时相比，可将系统总负荷的年平均变化率降低35%。随着煤电机组启动时间的降低，单位启动时间变化区间内(1 h)所多消纳的风光发电量增多，且当启动时间由4 h降至1 h，机组单日进行启停的概率由15.9%增长至60.4%。

• 基于图像数据驱动的冻土强度智能识别方法

  姚兆明, 王洵, 魏航, 王晓龙,

  在冻结法施工中，保证冻结壁稳定性至关重要，传统的现场检测方法因其间断性而无法提供实时监测，限制了对冻结壁潜在灾变的及时响应，采用冻土的深层原位精准探测是揭示冻结壁重大工程灾变机理及灾害预警的有效手段。基于卷积神经网络提出一种基于图像数据驱动的冻土强度智能识别方法，通过对93组试样的多角度图像捕获及随后的单轴抗压强度试验，标注试样图像与实际强度数据并结合图像数据增强技术，构建了深度学习模型训练所需的图像数据集；利用迁移学习深度残差网络34层(ResNet-34)模型，并对比其他不同模型的训练过程和测试结果，发现ResNet-34模型效果最佳，准确率为92.8%，且没有出现过拟合现象；应用深度学习模型对冻土强度的影响因素土质、温度和含水率进行识别，发现模型能有效识别出3个变量，证明了模型识别冻土强度的科学性和可靠性；此外研究了模型在不同干扰条件下的表现，模拟典型干扰场景并分析其对模型预测性能的影响，为后续改进数据增强策略和模型优化方向提供依据；引入Grad-CAM(Gradient-weighted Class Activation Mapping)可解释性分析方法揭示卷积神经网络在冻土强度识别任务中的内部特征提取过程，发现利用模型能够提取和分析冻土的关键图像特征，实现冻土强度的快速判识。研究成果为冻结壁状态的实时监控及早期灾害预警提供了新方法，可为冻结工程安全施工提供技术支撑。