煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第6期

• 急倾斜夹持煤体承载特征及地面斜井压裂防冲方法

  于斌, 李勇, 彭明贤, 高瑞, 杨文连, 李明, 邰阳, 尚子榆, 丁俊, 苗伟东, 赵鸿杰,

  我国西北部地区作为“一带一路”沿线的重要枢纽，同时作为国家煤炭资源的主产区，其能源安全保障意义重大。受复杂地质构造演化影响，该区域广泛发育急倾斜煤层。独特的地质赋存条件导致这类煤层开采过程中形成特殊的顶底板“夹持”结构，采场冲击地压灾害频发。然而，当前对“夹持”作用下煤体应力与能量分布仍缺乏定量分析，现有防治技术存在明显局限。为此，构建了基于Timoshenko梁理论的急倾斜悬臂顶板弹性支撑力学模型，结合Winkler弹性地基支撑力与挠度的定量关系，推导出煤体荷载与能量分布解析式，量化分析了顶板悬臂长度、厚度及倾角对两者的影响。创新提出了地面斜井区域压裂改造“夹持”结构、调控应力环境的冲击地压防治新方法，初步明确了该方法的防冲机理与效果。研究表明：煤体荷载与能量峰值随顶板悬臂长度和厚度的增加显著提升。悬臂长度由15 m增至45 m，煤体峰值荷载增长13倍，能量增加168倍；顶板厚度由10 m增至22 m，荷载与能量峰值分别增至11.5×109 N和3.9×1010 J，且峰值位置向远离煤壁端偏移。相比之下，岩层倾角对煤体荷载与能量分布影响较小。地面斜井区域压裂通过构建网格化裂缝，将完整顶板分割为规则岩段，使覆岩运动模式由传统悬顶结构周期性破断转变为压裂岩段沿裂缝面滑移失稳，从根本上弱化了顶底板对煤层的“夹持”作用，并将顶板破断动载由突发性冲击转变为渐进式释放，有效削弱了冲击地压风险。压裂后形成“采动−压裂”协同破裂效应，使致冲关键层提前破断，消除大跨度悬顶结构，缩短悬顶时间，煤层剪切应力峰值降低41.9%。此外，压裂裂缝的“通道”效应促进覆岩裂隙发育高度增加31.4 m，垮落矸石量增多，碎胀性作用下采空区充填质量增强，形成更稳定的“矸石−顶板”承载体系，有效抑制顶板弯曲变形，促使覆岩应力通过矸石向底板岩体转移。

• “一带一路”共建国家矿区生态修复碳汇潜力评估

  陈浮, 夏依, 邹铭, 巩人杰, 骆占斌,

  “一带一路”的共建促进了国家间的产业发展与经济互补，扩大了能源资源需求。然而，能源资源开发通常会引发生态退化、景观破碎和水体污染等诸多问题，威胁全球生态安全，促使气候恶化。目前，有关“一带一路”共建国家矿区生态变化及修复潜力的研究相对较少。为此，基于Google Earth Engine(GEE)云平台和全球环境科学数据库估算“一带一路”共建国家矿区净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity，NEP)变化，并采用随机森林(RF)模型评估生态修复固碳增汇潜力。结果表明：2000—2020年“一带一路”共建国家采矿区NEP总量呈显著的阶段性波动下降趋势，以碳当量计(下同)净减少量为282.1 Gg/a，降幅高达30.6%；“一带一路”共建国家53.1%的矿区表现为NEP净减少，总减少量达2262.5 Gg/a，减少量为151.2 g/(m2·a)，逐年攀升的NEP减少量反映采矿活动对共建国家生态的负面影响持续加深；“一带一路”共建国家矿区具有一定的碳汇修复潜力，NEP修复潜力为10.8 g/(m2·a)，最大修复潜力可达269.7 g/(m2·a)，但不同区域矿区NEP修复潜力差异显著，南美洲共建国家的NEP修复潜力最大，高达16.1 g/(m2·a)，欧洲共建国家NEP修复潜力最低，仅为7.9 g/(m2·a)；土壤有机碳、年降水量和总初级生产力是NEP恢复的最重要驱动因子，不同区域自然条件差异极大，亟需采取差异化生态修复策略和适应性管理模式。本研究厘清了“一带一路”共建国家矿区生态变化及修复潜力，为应对全球气候变化和受损矿区生态修复、规划决策提供了科学依据。

• 井下机器视觉系统表面自清洁技术现状与展望

  杨胜利, 陈勇升, 王家臣, 李良晖, 刘凤琪, 宋世雄, 惠鼎恒,

  井下机器视觉系统在煤矿智能化中具有信息采集和智能决策的作用，但面临煤尘、水雾和光照的影响，导致图像质量不稳定，影响智能装备的决策，研究高效可靠的清洁技术对保证井下机器视觉系统稳定运行至关重要。介绍了井下机器视觉系统表面自清洁技术的概念、原理和清洁过程，分析了井下机器视觉系统的工况与组成，指出粉尘质量浓度、光照条件等工作面环境因素对自清洁技术路径有影响，应明晰煤尘产尘机制，从而制定精确的自清洁策略。综述了表面自清洁技术在井下与常规条件实践中的研究进展，基于防污机制的不同，重点总结射流自清洁技术、超声波自清洁技术、激光自清洁技术3种清洁技术的研究现状，对其自清洁特性进行分析，指出高压水射流、表面声波适合清洁大面积污渍，气体射流、超声波振动、激光冲击适合颗粒清洁，辅助多功能表面会提升清洁效率。基于接触方式的不同，对比了直接接触式自清洁技术和间接接触式自清洁技术2类清洁技术的优势和劣势，指出直接接触式自清洁技术简单高效，但会损伤镜头膜基底，间接接触式自清洁技术对基地无损伤，但清洁效率较慢。从综合自清洁策略、优化防爆设计和镜头膜材料多功能化3方面指出了井下机器视觉系统面临的技术挑战，针对多技术协同和清洁质量控制的科学难题，提出了远近场协同控制方法，可为井下机器视觉系统表面自清洁技术提供相关技术支撑。进一步展望了机器视觉系统表面自清洁技术在采矿中的发展趋势，随着无人矿车应用到深地、深海和深空(月球)采矿中，开采变得更为复杂，势必将安装更多机器视觉、激光雷达等智能感知系统，利用视觉系统自清洁装置，能够有效提高视觉系统图像质量，从而保障无人采矿的准确性。

• 矿山微震智能处理基础模型构建及应用

  曹安业, 李茂涛, 杨旭, 杨耀, 李森, 刘耀琪, 王常彬,

  矿山智能化建设背景下，微震信号智能处理是矿山动力灾害精确预警的基础。矿山的复杂地质条件与作业环境导致微震信号呈现强噪声、高维、强非线性等特征，传统的微震数据自动处理方法精度低，通常需要人工干预来完成微震震源参数计算，难以满足矿山动力灾害智能预警的需求。为此，结合大数据与深度学习相关理论与方法，初步构建了基于Transformer的矿山微震智能处理基础模型。建立了包含30万余条微震波形的数据集，设计了微震多尺度卷积模块，研究了微震特征自适应融合策略，提出了基于特征聚合多头注意力机制的微震时序建模方法，并构建了微震智能处理多种任务解码器，可同时实现矿山微震事件检测、P波到时拾取、S波到时拾取以及初动极性判别的智能处理。矿山微震基础模型测试结果表明：事件检测准确率达到95.4%，96.6%的P波到时误差在50 ms以内，65.5%的S波到时误差也在50 ms以内，初动极性判别的准确率达到93.38%，可满足矿山微震数据智能实时处理的需求。在甘肃某冲击地压工作面开展了基于基础模型的矿山微震自动定位与自动震源机制反演应用。结果表明：以所构建的微震基础模型为基础，可实现矿山微震事件检测—到时拾取—初动极性判别—震源定位—震源机制求解全流程智能化处理。研究结果可为矿山动力灾害智能精确监测预警提供支撑。

• 基于倾角效应的“支架−围岩”数字孪生模拟试验平台研制与测试

  解盘石, 张颖异, 伍永平, 杜玉乾, 杨航, 黄宝发, 林伟典, 易磊磊, 徐辉, 冯春,

  液压支架与围岩两者间的稳定性关系是长壁工作面开采及其智能化研究的重难点内容之一。大倾角、急倾斜煤层赋存条件复杂，“支架−围岩”稳定性控制难度大，严重制约了该类复杂难采煤层矿井的安全智能开采。为此，在实验室环境下研制了三维大比例模拟试验平台与配套试验液压支架，可最大程度模拟复杂难采煤层工作面的开采环境，工作面“支架−围岩”系统耦合控制、顶板周期来压及冲击来压效果。基于数字孪生技术，构建了“支架−围岩”试验平台孪生系统，可实现对物理空间模拟试验工作面“支架−围岩”系统的精确感知与高效仿真。开展了试验平台性能、异型液压支架研发支撑、“支架−围岩”试验平台孪生系统优化等一系列测试试验，确定了试验平台整体结构的稳定性和性能的可靠性、孪生系统的实用性和准确性，体现了试验平台的多功能性。基于测试试验，发现工作面顶板来压期间，支架在倾角效应下易发生侧向偏转失稳，支架间侧向挤压加剧；工作面顶板、支架、煤壁及底板组成的“支架−围岩”系统是协同承载体，四者任何环节变化都会影响整体的稳定性，也会加剧另外环节的破坏。针对性提出采取液压支架防倒滑装置、加强围岩控制和实时监测预警3项改进措施，来提升复杂煤层工作面“支架−围岩”系统的整体稳定性。

• 近直立特厚煤层采动应力分层分区特征及对矿压活动的影响规律

  李浩荡, 卢安良, 刘旭东, 杨立韩, 周雨, 钟涛平, 宋大钊, 李振雷,

  明确近直立特厚煤层采动应力时空演化特征是研究矿压显现规律和防治冲击地压的关键科学问题。以乌东煤矿为研究背景，综合采用数值模拟和现场监测分析的方法，系统研究了近直立特厚煤层水平分段开采的采动应力空间分布特征、微震活动时空演化规律及其与冲击显现的耦合机制，结合现场微震监测数据与5次典型冲击案例，验证了数值模拟结果的可靠性。讨论了近直立煤层矿压活动的原因，并定量对比了与水平/缓倾斜煤层在应力分布模式、震源机制及冲击特征的本质差异。研究表明：近直立特厚煤层采动应力场呈现典型三维非对称分布，水平构造应力主导的应力集中区具有显著分层分区特性。垂直方向上，开采层位下方形成范围25 m的应力集中带，峰值位于层位下方8 m；走向上，超前应力影响范围达60 m，峰值位于工作面前方10 m；倾向上，巷道两侧35 m为卸压区，上下方呈现双驼峰型应力集中区。微震事件分布呈现超前和横向扩展特征，微震频次随能级增加呈指数衰减，高能事件集中分布于工作面前方50～75 m、两侧30～40 m的高梯度应力区，能量密度与应力梯度呈显著正相关。冲击显现以巷道顶板下沉和底板鼓起为主，破坏形态与巷道上下方应力集中区强相关。不同于水平煤层垂直应力主导的工作面超前和巷道两侧应力集中以及顶板破断诱发矿震扰动，近直立煤层微震事件主要源于高水平构造应力驱动下的煤岩局部破裂，形成独特的高静载+矿震扰动致灾模式，而静载集中和矿震扰动区近似重叠，导致近直立煤层巷道顶底部破坏为主的冲击显现特征。研究结果为明确近直立特厚煤层开采矿压规律和冲击地压特征的基础问题提供了科学依据。

• 榆横矿区中厚煤层加长工作面高强度开采矿压显现规律与区域等级智能预警

  崔峰, 宗程, 来兴平, 谢涛, 白云虎, 张毅, 贾冲, 王昊, 罗钟, 刘浩,

  高强度开采和工作面长度增加使得矿压显现规律和时空分布特征出现变化，实现顶板来压的智能预测对于保障矿井安全生产具有重要意义。以陕西榆横矿区袁大滩煤矿中厚煤层加长工作面高强度开采的矿压演化趋势和分级预测为背景，分析了加长工作面支架阻力的分布特征和矿压显现规律，将工作面矿压数据动态映射至具有拓扑关系的空间网格单元，利用无监督聚类算法提取了工作面支架时空关联特征，形成了时空联动的支架阻力分析方法，构建了基于patch机制的Transformer(Patch Time Series Transformer，PatchTST)矿压预测模型，基于现场实测数据横向对比测试了多种预测模型，验证了PatchTST的准确性和对矿压长序列预测的适用性，最后进行了工程应用性能测试和预测误差分析。结果表明：袁大滩煤矿11207加长工作面倾向方向压力分布呈现“双波峰−谷间震荡”的“M”型特征，随着推进度和时间推移，“M”型压力场总体呈现出“形成−稳定−递归”的周期性演化规律；矿压数据经过空间网格单元的动态映射和聚类分析后，可以精确辨识工作面来压积聚区域并实现来压强度分级的自动求解；PatchTST模型在回视窗口240，预测步长为3的情况下预测精度最佳，评估指标MSE值和MAE值分别为0.095、0.240；横向对比多个基于注意力机制的模型，PatchTST模型均能做到最低的预测误差；工程应用性能测试表明，所用方法准确辨识了现场观测较为强烈的来压，误差分析同样表明模型的预测精度较高，准确率可达92.8%。研究可为加长工作面矿压显现规律及工作面来压的智能预测预警提供借鉴与参考。

• 基于结构动力学理论的矿震机理分析

  罗生虎, 闫壮壮, 解盘石, 伍永平, 王红伟, 朱广安, 王同, 田程阳,

  矿震是地下煤层开采中较常见的动力学现象，揭示矿震的力学原理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础，采用理论分析方法，探讨了矿震的力学原理与主控因子，研究了矿震中覆岩的下沉−振动响应特征，及其作用下覆岩应变能、重力势能和动能的演变机理。结果显示：在结构动力学视角下，矿震是一类典型的自由振动，由坚硬岩层破断等采场煤岩结构子系统的瞬时失稳触发，由采场煤岩结构瞬变后的初始状态驱动，不需要外部能量的输入，耗散采场煤岩自身的势能(重力势能+应变能)，受控于采场煤岩结构的力学性能与力学环境及其对应的瞬变特征。对于结构瞬变区域上方的覆岩，受坚硬岩层破断影响，覆岩载荷转递路径发生改变，采空区上方关键层上、下表面的承载量瞬时减小，采空区外侧关键层上表面的承载量瞬时增大。受此影响，关键层及其上覆岩层下沉−振动，其任意时刻的速度、位移和弯曲应变能线密度等响应特征均呈现出波动特性，且都以震源为中心迅速衰减。并且，在任意振动周期内，除了有能量的耗散外，亦存在不同能量间的相互转换；在第1个1/4周期内，重力势能向动能和应变能转换；在第2个1/4周期内，重力势能和动能向应变能转换；在第3个1/4周期内，应变能向重力势能和动能转换；在第4个1/4周期内，动能和应变能向重力势能转换。基于上述的理念，可以更直观地理解矿震中采场空间不同区域煤岩力学响应的发生机理及其内在关联等，为煤岩动力灾害的防控提供了新思路和新视角。

• 循环加卸载作用下CFRP约束煤样破坏及能量演化规律

  刘洪林, 贡霄汉, 赵红超, 黄海山, 石光锋, 田佳杰,

  碳纤维增强复合材料(CFRP)以其轻质高强耐腐蚀的物理力学特性在加固区段保护煤柱方面展现出良好的应用前景。为进一步探究CFRP约束煤柱在采动应力场动态演化(特别是循环加卸载)过程中的力学响应机制，基于能量耗散原理，采用声发射RA-AF分析方法，试验研究了循环加卸载作用下CFRP约束煤样破坏特征与能量演化规律。研究结果表明：① 相对常规单轴压缩，循环加卸载条件下0层、1层和3层CFRP约束煤样强度分别提升2.65%、10.17%与1.22%，其应力–应变曲线的包络线与单轴加载作用下的应力–应变曲线具有相似性。② 煤样在循环加卸载条件下表现出显著的变形记忆特性，其应力–应变曲线形成的滞回曲线面积大小及回转幅度同加卸载次数正相关，密集程度同加卸载次数负相关。③ 煤样积聚总能量、弹性应变能密度均随轴向应力的增大而增大，且在数值上与轴向应力呈指数函数关系。④ CFRP层数由0增加至3层时，耗散能密度从U型分布转为J型分布，耗散能率从L型分布转为V型分布，耗散能占比分别为6.62%、31.46%与42.56%，呈现出增速先快后慢的趋势。⑤ 循环加卸载作用下，不同约束条件煤样张拉破坏占比差异明显。试验研究揭示了循环加卸载作用下CFRP约束煤样的变形破坏与能量演化特征，为进一步推动CFRP在煤柱加固领域的工业性应用提供了理论支撑。

• 采动作用下复合坚硬顶板破断失稳及预裂弱化特征

  李延军,

  采动过程中坚硬顶板破断弹性应变能瞬间释放诱发冲击灾害。特别是在蒙陕矿区，随着开采深度增加，煤层上方存在多层坚硬顶板，其复合作用下顶板结构失稳诱冲机理复杂，导致采场冲击灾害难以控制，威胁矿井生产安全。以纳林河二号矿井31104工作面复合坚硬顶板条件下冲击灾害防治为工程背景，采用理论分析、物理相似模拟试验与现场监测相结合的研究方法，构建了复合坚硬顶板断裂力学模型，分析了复合坚硬顶板结构稳定性特征和矿压显现规律，揭示了复合坚硬顶板破断失稳规律及预裂弱化特征。结果表明：复合坚硬顶板工作面开采初期，下位坚硬顶板易形成悬臂梁结构，其周期性破断形成工作面周期来压，平均来压步距21.2 m，上位坚硬顶板受下部垮落矸石支撑作用，易形成砌体梁结构；工作面推进至一次见方位置时，上位砌体梁结构回转失稳协同下位悬臂梁结构切落失稳，上位、下位坚硬顶板协同运动导致转动惯量增大，破断岩块回转能量迅速升高，造成采空区强矿压现象。复合坚硬顶板预裂弱化后，内部形成大量裂隙，下位坚硬顶板能充分、及时垮落，工作面周期来压步距减小，平均来压步距15.2 m，较预裂前减少28.3%，下位坚硬顶板垮落矸石对上位坚硬顶板支撑约束作用减弱，破断岩块回转幅度和能量减小，上位、下位坚硬顶板协同破坏作用得到有效抑制。推进至一次见方位置，复合坚硬顶板预裂后，微震事件总能量和煤体超前应力峰值较预裂前分别降低62.5%和31.5%。现场工程试验表明，复合坚硬顶板预裂后，顶板微震事件总能量、频次和单刀能量分别降低了62.17%、56.32%和71.92%；工作面平均周期来压步距、来压范围、来压前峰值和来压时峰值降幅分别为53.5%、38.03%、8.63%和5.96%，表明定向水压预裂能有效抑制工作面见方位置强矿压现象。研究成果可为复合坚硬顶板冲击灾害防治提供有益借鉴。

• 条带采空区CO2气态封存下粉煤灰沙基封闭墙体抗渗性能研究

  张志义, 张吉雄, 周楠, 宋永泽, 程刚, 刘宁宁, 闫瑞兵, 孙大森,

  在条带采空区内进行CO2气态封存是我国西北地区大型煤炭煤电基地实现绿色低碳内涵式发展的理想模式，防止CO2气体水平逸散的采空区外围封闭墙体的抗渗性能是该模式成败的关键。以我国新疆荒漠化矿区准东二矿煤电项目为工程背景，通过高压渗透实验、酚酞滴定实验、XRD衍射实验、SEM电镜扫描实验和COMSOL数值模拟等方式，研究了0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 MPa的CO2气体在质量比为23(风积沙)∶11(粉煤灰)∶2(生石灰)∶1(石膏)组成的粉煤灰沙基试件内28 d的渗透过程，结果表明：① CO2气体在试件内的渗透速度均随渗透时间逐渐降低，5种气压下28 d的渗透深度分别为1.49、2.40、3.20、4.0和4.77 cm；② 粉煤灰沙基试件的孔隙率和渗透率亦在CO2气体渗透过程中显负指数趋势减小，5种气压下28 d的孔隙率和渗透率分别为30.44%和5.94×10–15 m2、29.44%和5.70×10–15 m2、29.03%和5.57×10–15 m2、28.13%和5.23×10–15 m2、27.02%和4.95×10–15 m2；③ CO2气体在粉煤灰沙基试件内渗透过程中生成针絮状分布的CaCO3晶体，其晶胞体积较Ca(HO)2增大1.15倍，使得试件更加致密；④ 通过对材料碳化前后渗透率的动态赋值，模拟得出5种气压下CO2气体在粉煤灰沙基封闭墙体内3 a的渗透深度距离分别为0.606、0.921、1.172、1.465和1.800 m。最后以新疆荒漠化矿区准东二矿煤电基地的矿井工程地质条件为背景，对采空区封闭墙体的构筑工艺参数进行设计，可为我国西北荒漠化矿区煤炭资源的绿色开采和低碳利用提供参考。

• 锚杆支护围岩附加压应力场空间分布规律研究与应用

  孙元田, 王尚, 李桂臣, 韩昌良, 郝浩然, 李菁华, 赵海森,

  煤巷锚杆支护已得到广泛应用，锚杆支护作用于围岩内的附加压应力场大小与空间分布范围是量化支护参数、优化支护方案的关键。为研究锚杆(索)相关参数对围岩附加压应力场空间三维分布影响规律，从理论方面分析了锚杆作用下围岩所受托锚力和黏锚力产生附加压应力机制，建立了围岩附加压应力模型，空间表征了附加压应力场分布特征，进一步通过模拟与理论对比，验证了模型的正确性；以围岩附加压应力≥0.02 MPa为基准，量化研究了锚杆(索)支护关键参数即锚杆(索)预紧力、长度和锚固长度对围岩附加压应力场空间分布的形态、最大扩散半径、高度(间距)及体积的影响。锚杆支护下随着预紧力增大，空间附加压应力场分布形态由竖向“椭球体”发展为横向“椭球体”；锚杆长度增加，形态从近似“椭球体”变成“葫芦型”；锚固长度增大，形态从“葫芦型”变成近似“椭球体”。随着锚杆预紧力和长度增加，锚杆支护产生的附加压应力场的半径、高度及体积增大，而锚固长度对附加压应力场影响相反。锚索支护下随着锚索长度增加，围岩附加压应力场的空间分布形态从近似“椭球体”变成“葫芦型”，当锚索长度超过5 m时，变成间断的上下2个“椭球体”且上小下大，即使预紧力和锚固长度增加，分布形态没有明显变化。随着锚索预紧力增加，锚索支护所形成的围岩附加压应力场的最大半径增加，体积增加，上下压应力场间距减少；随着锚索长度增加，围岩附加压应力场高度增加，随后间断成上下2个压应力场，其间距不断增大，半径及压应力场体积先增加后减少；随着锚索锚固长度的增加，围岩附加压应力场间距逐渐减小，半径先增加后减少，体积增加不明显。进一步分析了锚杆(索)组合支护下围岩高/低附加压应力对巷道顶板的作用，结合组合梁及悬吊理论的部分理念，确定了高/低阈值计算公式，通过对比围岩附加压应力场体积大小来确定锚杆支护方案优劣。以葫芦素煤矿21204工作面回风巷和城郊煤矿LW21106工作面运输巷为验证对象，分析了原/新支护方案特点，计算得到2条典型巷道围岩附加压应力场的高/低应力阈值及其在顶板覆盖的总体积。结果显示优化后方案锚杆(索)能在顶板形成有效连续的围岩附加压应力场，高/低压应力场体积均增加显著，围岩变形得到有效控制。

• 松软煤层护孔抗压多通道集输花管研究与应用

  王振锋, 曹良超, 卢志杰, 王峰, 谢文强, 魏民涛, 王永龙,

  针对松软煤层预抽钻孔封孔后出现失稳坍塌引起预留花管堵塞或破损阻断瓦斯运移通道、严重影响瓦斯治理效果的问题，研究一种用于松软煤层钻孔瓦斯抽采的集输花管，其结构由瓦斯抽采管、小花管、抽采管−花管连接器、端头连接器和护孔防堵器构成。通过理论分析、数值模拟结合现场试验的研究方法，对钻孔失稳坍塌造成花管失效原因进行分析，基于COMSOL与Fluent仿真软件对原始花管和集输花管的抗挤压强度及流体流动状态进行模拟分析。结果表明：采用1 m的集输花管单孔瓦斯流量比原花管提高42.5%，过流面积提升152%，增加花管与钻孔负压接触面积的同时提高了单孔瓦斯流量；在花管外部施加不同围压时，集输花管的变形量始终小于原花管，且大部分压力被外部花管承担，对内部花管起到了很好的保护作用；原花管中流体流动较为紊乱，而集输花管中流体流动稳定，集输花管有效避免了抽采管中涡流现象的产生，减少了流体在管道流动中的能量损失，提升了花管内部的瓦斯流量。现场工业性对比试验结果表明：抽采初期，采用2种类型花管的钻孔瓦斯抽采浓度和流量相近；抽采60 d后，采用集输花管的试验组钻孔平均瓦斯体积分数比采用原始花管的对比组提高50.7%，平均瓦斯流量提升57.1%，随着抽采时间的延长，试验组钻孔瓦斯浓度和流量衰减更慢，采用集输花管的钻孔抽采效果优于采用原花管的钻孔。集输花管提高了钻孔瓦斯抽采流量和浓度，缩短了煤层瓦斯的治理周期。

• 中国−塞尔维亚中新世浅色褐煤生物标志化合物组成及其成因

  刘帮军, 李敬智, STOJANOVIĆ Ksenija, 黄佳众, 刘悦婷, 孙雨萌, ŽIVOTIĆ Dragana, 王金喜, 孙玉壮, 赵存良,

  浅色褐煤在全球新生代褐煤盆地广泛分布，但其成因仍存在争议，查明其有机质组成和形成机制对重建古气候变化以及褐煤资源清洁低碳利用具有重要意义。以塞尔维亚科卢巴拉盆地与中国云南弥勒盆地中新世浅色褐煤为对象，利用索氏抽提、柱色谱分离及气相色谱−质谱联用等有机地球化学方法，通过对脂肪烃和芳香烃等生物标志化合物进行定性和定量分析，探讨浅色和暗色褐煤成煤过程中植被组成、微生物降解作用及沉积环境的差异性。结果表明：弥勒盆地浅色褐煤中长链正构烷烃相对质量分数较高(达82.5%)，显示出陆生高等植物(主要为被子植物)叶蜡的显著贡献，同时伴随较低的水生植物指数(Paq为0.16)和较高的植物叶蜡指数(Pwax为0.86)，指示其成煤环境偏干燥且并伴有较强的微生物降解作用；而暗色褐煤中链和短链正构烷烃含量增加，表明在沉积过程中水生植物和低等生物的输入增强。科卢巴拉浅色和暗色褐煤均以裸子植物贡献为主，其脂肪烃中二萜相对质量分数极高(浅色为87.3%，暗色为82.5%)，∑w(二萜)/∑w(二萜+三萜)值接近1，反映出古泥炭地中以针叶类植物为主的特点，同时，较高的w(C31(R)藿烷)/w(总藿烷)值和w(C30藿-17(21)-烯)/w(C30αβ藿烷)值表明科卢巴拉褐煤在相对氧化、酸性及低热演化条件下成煤。此外，苝及更高的CWDI值表明2个地方的浅色褐煤遭受更强烈的真菌作用，与藿烷的结果一致。通过对比新生代浅色与暗色褐煤的差异性，阐明了沉积环境是褐煤颜色变化的主控因素。

• 煤厚异常区对煤与瓦斯突出影响规律研究

  唐巨鹏, 张众华, 潘一山, 任凌冉, 张昕, 黄磊,

  煤与瓦斯突出是威胁我国煤矿安全生产最严重的动力灾害，煤厚异常区是影响煤与瓦斯突出发生的重要因素。为揭示煤厚异常区对煤与瓦斯突出影响规律，利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出相似模拟试验系统，以洛阳新安煤矿14151突出煤层为研究对象，结合声发射(AE)监测装置，分别模拟了煤厚4、5、6、7 m和煤厚变化率1、2、3、4 m/dam的煤与瓦斯突出相似模拟试验，结合现场突出事故，对比分析了突出的顶板坍塌情况、临界瓦斯压力、相对突出强度、声发射特征参数等试验结果，结合煤体内部裂纹破裂扩展情况，建立了煤厚异常区与煤与瓦斯突出前兆信息关系指标。结果表明：在相同地应力条件下，煤厚异常区相对突出强度受临界瓦斯压力和煤层稳定性共同影响。相对突出强度与煤厚变化率呈二次函数关系，相对突出强度随煤厚变化率的增加呈现先增大后减小趋势，在2～3 m/dam达到峰值。从AE能量角度分析，煤与瓦斯突出过程是一个由低能值的稳定态向高能值的非稳定态发展的演化过程，并提出第一临界点。煤厚相对增加1 m，第一临界瓦斯压力减小11.78%、12.82%、11.37%，煤厚变化率相对增大1 m/dam，第一临界瓦斯压力减小22.14%、17.54%、21.49%，表明煤层增厚，煤厚变化率增大，均会导致第一临界点越早出现，且煤厚变化率对煤层稳定性影响更为显著。根据不同阶段累计AE能量平均斜率的比值，定义了表征煤与瓦斯突出危险性弱、中、强的量化指标，为煤与瓦斯突出动力灾害防治提供参考。

• 煤层气井产出水微量元素地球化学特征、成因及开发意义——以黔西织金区块为例

  郭晨, 高俊喆, 秦勇, 易同生, 陈贞龙, 袁航, 王国玲, 卢玲玲, 李瑞腾, 程曦,

  为深化煤系流体地球化学形成机理与煤层气富集高产机制，促进煤层气效益开发，基于黔西织金区块煤层气井产出水样品采集与微量元素地球化学测试，揭示产出水微量元素组成特征、差异分布与成因机制，探讨其地质意义以及对煤层气富集高产的指示意义。结果表明：织金区块煤层气井产出水较高的微量元素浓度是水与煤中无机矿物相互作用的结果，源于黔西煤中微量元素的赋存方式主要为无机态。微量元素溶出与沉淀为水−煤相互作用的2种机制，滞留条件下，易溶元素大量溶出，导致煤层水中微量元素浓度增加，以Li、Ga、Rb、Sr、Ba这5种特征微量元素为代表，溶出来源主要为黏土矿物。当水中微量元素浓度较高时，碱性水环境将促进可溶性元素的沉淀，反馈煤中微量元素变化。产出水微量元素浓度在不同含煤向斜之间差异显著，源于向斜间水动力条件的差异。产出水Li元素浓度与平均日产气量具有正相关性，特征微量元素浓度蛛网面积与平均日产水量具有负相关性，可指示地下水动力条件与产能潜力。珠藏向斜煤系水动力条件弱，产出水微量元素浓度高，加之构造改造弱，煤体结构相对完整，具有最佳的煤层气富集高产条件；阿弓向斜在保证排液能力的前提下也具有高产潜力，由以南东向缓倾翼为典型。研究成果从煤层气井产出水微量元素地球化学差异分布与成因机理的角度出发，为理解织金区块煤层气富集高产的区控性原因提供了新的思路，并为下一步开发部署提供了方向。

• 氧化作用下煤样渗透率与润湿性对有机质变化的联合响应

  张宝鑫, 傅雪海, ZENG Fanhua Bill, 邓泽, 杨兆彪, 康俊强, 段超超,

  氧化作用可改善煤层渗透率，但部分煤样氧化后亲水性增强，对煤层气长期产出不利，相近条件下氧化后渗透率显著增大且亲水性增幅小或减弱的“优质”煤层显然具有更好的改性效果。氧化作用下有机质变化为渗透率及润湿性的变化提供部分驱动力，当前可见煤样氧化后官能团呈同向变化但改性效果相反的报道。为探究氧化作用下煤层渗透率与润湿性对有机质变化的联合响应，对取自我国煤层气开发热点地区的8个煤矿样品开展了氧化改造前后渗透率、孔隙结构、润湿性及大分子结构测试。结果表明：煤样氧化改造后不同有效应力条件下渗透率多呈增大趋势，初始渗透率(无应力条件下，k0)与润湿角(θ)平均变化幅度分别为65.8%及–40.9%，但二者变化幅度未见明显相关性，k0与θ变化幅度比值的绝对值(\left| \dfracC_k_0C_\theta \right| )介于0.2～4.2。氧化剂进入煤样后，有机质被溶解形成新孔裂隙，导致总孔隙率及渗透率增大，k0增幅随孔隙率增大呈现出增大趋势。部分脂肪及羟基等被氧化形成极性不同的含氧官能团，是导致改性效果呈现出差异的根本原因。\left| \dfracC_k_0C_\theta \right| 与脂肪、羧酸变化幅度及羧酸与脂肪变化幅度比值的绝对值呈负相关，基于煤样有机质变化可初步评估氧化改性效果，当脂肪减幅超过20%且羧酸与脂肪变化幅度比值的绝对值小于0.5时，\left| \dfracC_k_0C_\theta \right| 超过2，指示相较于渗透率的明显改善，亲水性变化相对较小。

• 矿井水深井地质存储水动力学演化及井型优选

  冯龙飞, 王双明, 王皓,

  鄂尔多斯盆地部分煤矿面临高矿化度矿井水的处置难题，深井回注技术是实现其较低成本、大规模水治理需求的有效途径。以鄂尔多斯某矿深井回注案例为工程背景，采用基于热−流–固控制方程的数值模拟方法，针对矿井水深井回注多分支井型，开展了分支数量、井距影响下回注流量、目标层孔隙水压的时空演化规律研究；构建了倾斜钻孔注水流量−降深的理论解析并开展了多分支井型井距−流量的函数拟合，结合井建长度构建了单位回注流量的相对成本函数，并提出了最优井型和井距的确定方法，结果表明：① 多分支井的回注流量规模远高于直井，分支井个数越多回注能力越大，都随注水时间呈对数衰减，大约1000 d后注水流量趋于稳定；② 多分支井系统回注流量受分支井个数与井距联合控制，构建的井距−流量函数为Q = a - b c^x，拟合系数达到0.98，在一定范围内回注流量随井距增大而增加后趋于稳定，以多分支倾角5°为例，当3种井型的井距分别超过200、300、400 m后，回注流量保持稳定；③ 单位流量相对井建成本与井间距成正比，在相同井距离下多分支井个数越多成本增加越快，当2、3、4分支井的系统最大流量分别超过145、220、305 m3/h时，单位流量相对井建成本急剧增加；④ 以高矿化度矿井水回注需求为依据，以控制单位流量相对成本为目标，提出了多分支井最优井距与分支井个数的确定方法，以多分支倾角5°为例，当矿井回注流量需求介于77～149 m3/h时，优选2分支井；当回注流量需求处于149～201 m3/h之间时，优选3分支井；当回注流量需求处于201～306 m3/h，采用4分支井为最优方案，最优井距可结合对应的井距−流量函数确定。研究成果为矿井水地质存储工程设计提供科学依据。

• 基于无人机遥感的采动影响区冬小麦生物量分布特征

  王静, 郭文兵, 陈志超, 白二虎,

  为了监测煤矿采动影响下耕地损毁范围和程度，探索地表沉陷与植被长势之间的响应关系，以河南新郑种植的冬小麦为研究对象，利用无人机(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)激光雷达结合实时动态定位技术(Real-Time Kinematic, RTK)监测采煤沉陷情况，并验证地表高程与沉降数据的精度，基于UAV多光谱影像提取植被指数及纹理特征，采用皮尔逊相关性分析法筛选数据，结合田间同步实测生物量数据，构建决策树回归(DTR)、随机森林回归(RFR)以及支持向量回归(SVR)的生物量反演模型，通过决定系数(R2)和均方根误差(RMSE)筛选出最佳模型，以确定研究区冬小麦生物量的空间分布反演结果。结果表明：① 所选植被指数(VIs)与纹理特征(TFs)均与生物量显著相关，与单一变量相比，植被指数和纹理特征结合作为输入变量，模型估算精度最高，且采用SVR模型预测精度最高；② 研究区生物量在Ⅲ级(414～661 g/m2)和Ⅳ级(662～822 g/m2)的区域占整体的66.4%，表明大部分样本的生物量集中在中高范围，生物量低于414 g/m2的小麦区域占25.93%，说明植被长势受采动影响严重；③ 采动影响下从返青期到拔节期的下沉值与拔节期冬小麦生物量之间存在明显的负相关关系，即随着下沉值的增大，冬小麦生物量减小，在冬小麦返青期到拔节期下沉量大于2.1 m，生物量等级为Ⅰ级。研究结果为制定精确的土地复垦和生态修复策略提供了依据，为煤粮复合区耕地产能提升提供技术支撑。

• 新疆准东荒漠矿区砾幕层抗风蚀能力研究

  李敬文, 管伟明, 胡振琪, 谢猛, 李根生, 谭洁, 郑瑜, 孙嘉怡,

  砾幕层是由土壤结皮和砾石构成的荒漠矿区特有的重要生态屏障，天然砾幕层具有较强的稳定性，然而大规模的开采扰动导致砾幕层受到严重破坏。为探明砾幕层抗风蚀能力，采集准东5大矿区的砾幕层数据，采用遥感分析、风洞和数值试验，获取准东砾幕层的空间分布特征，并以此分析天然砾幕层砾石覆盖特征，揭示砾石覆盖度和覆盖类型对抗风蚀能力的影响规律及机理，以研究土壤结皮的力学特性及其理化性质，阐明二者间的定量关系。结果表明：① 准东地区砾幕层分布广泛，主要分布在五彩湾矿区和大井矿区的北部，受采矿活动的影响，部分区域的砾幕层遭到严重破坏；② 砾石覆盖度与砾幕层抗风蚀能力成正相关，砾石覆盖度增加15%可减少10%～30%的土壤风蚀；砾幕层中小粒径砾石占比与抗风蚀能力成正相关，相比粒径分布，覆盖度对抗风蚀能力的影响更大；③ 砾幕层土壤结皮抗剪强度与土壤理化性质之间存在相关关系，相关系数大小依次为黏粒(0.946) > 有机质(0.894) > 碳酸钙(0.888) > 含水率(0.518) > 粉粒(0.312)，黏粒对结皮抗剪强度影响最为显著，而黏粒含量也能通过影响碳酸钙含量(0.7741)和有机质含量(0.7733)间接影响抗剪强度；④准东地势西北低东南高，其土壤性质分布特征与准东地区的地势变化趋势相符。

• 典型露天煤矿全生命周期碳排放核算及其区域环境影响

  刘明奇, 张小平, 王瑜, 杨志鹏, 于昕弘, 胡阿古达木, 杨国庆, 朱颖, 曹英楠, 刘伟, 郑天龙, 霍耀强, 刘建国,

  碳排放核算是减污降碳协同增效目标中的重要环节，煤炭行业是碳减排的重点领域之一。文中以典型露天煤矿为研究对象，构建煤炭产品全生命周期的碳排放核算模型，量化矿区各生产环节的碳排放清单，评估露天矿区碳排放对区域环境的影响。根据全生命周期理论，将煤矿生产企业的碳排放核算环节分为煤炭开采、煤炭洗选、运输储存、使用消费以及其他步骤，在核算过程中总结归类碳排放来源。其中，直接碳排放包括燃料燃烧CO2排放以及CH4逸散排放；间接碳排放包括净购入电力及水力消耗碳排放。结果表明：露天煤矿年碳排放量为153 817 8.60 tCO2e，每生产1 t原煤排放二氧化碳(CO2)当量数为0.05 tCO2e，露天煤矿的碳排放主要来自煤炭开采和矿后活动导致的甲烷(CH4)逸散排放(占比79.92%)。除此之外，化石燃料燃烧的碳排放占总碳排放量的13.71%；电力和水力碳排放占比最少(6.37%)。我国近10 a露天煤矿温室气体年平均碳排放量为(3.24 ± 0.77) × 107 tCO2e，相当于(5.23 ± 1.24) × 108颗树木1 a的固碳量，或(113.83 ± 27.00) 万公顷杨树林1 a的固碳量。同时，按照目前的开采方法和工艺，全国每年会产生超过23亿元的额外经济支出，并且随着露天煤矿开采量的增加而逐年增大。因此，减少煤炭露天开采过程中的碳排放极为重要，尤其需进一步关注逸散环节。研究结果对煤炭行业构建规范的碳排放核算体系、评估其区域环境影响具有重要的启示意义。

• 基于B-GFP荧光菌的煤层注水扩散的空间特征及隙网渗流规律的生物示踪研究

  肖栋, 彭苏萍, 李学臣, 何海伦,

  辨识煤层中裂隙发育特征对于评价煤层渗透性和水力压裂等措施作用效果方面具有重要意义，随着煤矿开采深度的增加，在地应力及构造应力等因素的作用下，煤层裂隙发育的复杂性更加显著，传统的探测技术难以准确识别水力化措施裂隙的渗流路径。为此，利用煤层杆菌与蓝绿荧光(B-GFP)表达质粒融合，构建具有荧光特征的人工基因改造蓝绿荧光菌，结合其在煤层环境中的优良适应性及稳定的表面吸附特性，确定B-GFP荧光菌生物示踪技术，系统分析不同稀释倍数的荧光菌在煤表面的吸附特征及其在煤层裂隙中的渗流路径，为煤层水力化措施效果评价提供了新途径。结果表明：菌液在煤层中的扩散受有机代谢物含量和裂隙特征双因素的影响，高浓度时具有较强的浸润性，易在煤表面形成菌−液两相膜，导致菌体聚集成易于观测的菌斑；而在高稀释倍数下，菌液的浸润性减弱，菌体更依赖鞭毛在粗糙表面分散吸附。50倍稀释度被发现是构建均匀菌膜的最佳条件，且具有最高的多类型的示踪可辨识度。此外，B-GFP荧光菌在预裂煤样贯通裂隙中能够稳定附着，不受裂隙二次发育和扩展的影响，能够可靠地标记出贯穿型大裂隙、缝网以及半封闭型裂隙分布。回采工作面煤层注水影响半径的生物示踪法评价研究发现，该项技术能够准确地刻画出不同裂隙的分布区域，且刻画出注入水的空间渗流特征。煤层注水的实际影响半径大于4 m，钻孔间距可扩展至8 m。该研究为优化煤矿瓦斯防治和水力化措施设计提供了重要的理论支持和实践依据，对提高水力化措施的有效性研究具有显著的应用价值。

• 煤炭地下气化燃空区动态演变下多场演化特征

  尹大伟, 苑啸天, 周广磊, 辛林, 周泽森, 王子涵,

  煤炭地下气化作为一种洁净煤综合利用技术，已成为“双碳”背景下煤炭无害化开采技术创新战略方向。为研究煤炭地下气化过程覆岩温度场、位移场及损伤场多场耦合变化规律，以山东某煤矿煤炭地下气化工程区域地质和生产条件为研究背景，首先开展了煤炭地下气化区域岩石力学特性试验，获得了不同岩性岩石试样的物理力学参数及热力学参数；其次开发了煤炭地下气化覆岩多场耦合数值模拟方法，该方法以最大拉应力准则及摩尔库仑准则作为损伤破坏准则，考虑了煤炭地下气化过程中燃烧点移动、燃空区形成过程应力平衡及燃空区降温的特点，给出了煤炭地下气化覆岩移动及损伤破坏过程数值求解方法；基于此方法研究了气化方向和垂直于气化方向覆岩温度场、位移场和损伤场耦合演化规律。结果表明：煤炭地下气化过程中，随着气化过程的进行高温影响范围先增大后减小，传播速率减慢，高温最终影响范围顶底板为5.4 m，巷道两帮为4.9 m；工程开始后，直接顶发生上移，表明了高温对气化巷道顶板承载能力具有一定程度的强化作用，地层冷却至室温后，煤层直接顶垂直位移达257.18 mm；随着气化工程的进行，气化巷道顶板发生明显拉伸损伤，顶板处的损伤破坏范围大于底板和两帮处，当工程进行至第150 d时，巷道围岩损伤区总体上呈近似“蝶形”分布；煤炭地下气化结束时，1号气化巷道顶板损伤高度为12.38 m，2号巷道顶板损伤高度为11.14 m，工程理论设计的15 m宽煤柱可保证气化采场的稳定性。

• 覆岩应力下富油煤原位热解行为模拟研究

  师庆民, 杨小龙, 王双明, 寇丙洋, 王生全, 石亚亚, 杨甫, 李久庆,

  富油煤原位热解油气转化为提高国内油气自主保障和推动煤炭绿色低碳产业提供了新思路，原位地层条件约束下富油煤热解行为与常规地面热解不同，造成油气产出规律差异显著，但相关研究甚少。通过模拟不同覆岩应力下富油煤原位热解过程，利用低温氮气吸附实验、X-射线衍射和高分辨率透射电子显微镜等手段研究地层应力对煤体热解宏观膨胀变形、微观孔隙结构演化和半焦分子结构的影响，探讨不同应力荷载对富油煤热解的作用机制。结果表明：随着应力荷载的增强，富油煤原位热解特性呈现出2个明显的阶段性特征。低应力荷载阶段(0～10 MPa)，由于煤样缺乏有效的径向围限压力，导致轴向应力的增强不断压裂煤体，从而增强了孔隙连通性和热解流体释放能力，一方面有利于在对流过程中形成大孔，即 > 50 μm热解大孔数量显著增多；另一方面降低了热解流体二次反应几率，进而提高焦油产率、促进煤分子结构有序化生长，表现为面网间距逐渐减小、堆砌度和延展度逐渐增大，镜质组随机反射率不断提高。然而，在高应力荷载阶段(> 10 MPa)，煤体被不断压实、裂隙闭合，内部热解流体运移受到显著抑制，一方面在较弱对流下更易形成2～25 μm相对较小孔隙；另一方面强化了热解流体的二次反应程度，从而使焦油产率降低、产气量和半焦产率提高，X-射线衍射和高分辨率透射电镜数据显示持续高压滞流造成煤基质膨胀变形不利于热解半焦芳香结构秩理化生长。

• 气化灰渣基沸石分子筛PEI改性制备及CO2吸附性能

  张铎, 焦成成, 文虎, 邓军, 翟小伟, 刘春, 杜阳,

  针对煤制油气化灰渣产量大、利用率低带来的大宗固废堆积与环境污染等问题，结合“双碳”战略目标，提出气化渣功能性充填、CO2吸储封存及采空区再利用相结合的设想。以煤制油气化灰渣为基料，首先通过高温煅烧、酸浸等方法对气化灰渣进行预处理，然后采用碱熔融−热合成法制备气化灰渣基沸石分子筛，最后使用有机胺聚乙烯亚胺(PEI)对气化灰渣基沸石分子筛进行优化改性。采用XRD、SEM、BET、FTIR等试验对改性前后的沸石分子筛进行表征，探究改性前后沸石分子筛对CO2气体的吸附规律，剖析负载量和温度对吸附性能的影响。结果表明：PDF#39-0222标准图谱、规整的立方体晶体颗粒、SiO44–和AlO45–四面体结构表明利用煤制油气化灰渣固废成功制备出沸石分子筛，RNH2中N—H键、—CH3的C—H键等说明PEI实现了对分子筛优化改性，明确了改性前后沸石分子筛对CO2的吸附模式和吸附规律。相较于气化灰渣原料，沸石分子筛的比表面积增大30.24倍、孔容增大21.04倍、平均孔径减小0.49倍，吸附结构显著增加；沸石分子筛对CO2吸附量随温度升高而下降，表明吸附CO2过程是放热的物理吸附。随PEI负载量的增加，比表面积、外表面积及孔容逐渐减小，平均孔径逐渐增大，且胺基持续附着易出现团聚现象，导致物理吸附能力减弱；胺基基团与CO2的化学反应，又提高了分子筛化学吸附能力。298.15 K条件下，随PEI负载量的增加分子筛对CO2吸附量逐渐降低，A1-PEI-15%对CO2最大吸附量为92.71 cm3/g，相较于改性前提高了36.74%。PEI负载量为15%时，分子筛对CO2吸附量随温度的升高而增；328.15 K时最大吸附量为111.06 cm3/g，相较于298.15 K时提高了19.79%。

• 计及效率和寿命的多堆电解制氢系统运行优化

  梁丹曦, 宗正, 宋洁, 徐桂芝, 郜捷, 张永生,

  氢能是未来能源体系的重要组成部分，但目前制取仍以化石能源制取的蓝氢/灰氢为主，低碳化、绿色化形势严峻。通过可再生能源(太阳能、风能等)电解制氢，是制取绿氢的重要手段，也是实现可再生能源电力规模化消纳、支撑新型电力系统电力供需动态平衡的重要技术。而新能源电力具有强随机、波动性特征，现有多堆电解制氢系统运行效率、寿命难以保障。分析了质子交换膜电解制氢的性能特性，总结了电解制氢效率特性及过载、低载、启停等运行约束。其次，基于电解制氢特性模型，提出计及效率、寿命的多堆电解制氢运行优化策略，设计电解制氢4阶段优化运行模型，并提出结合基于健康状态(State of Health，SoH)的改进轮值策略。案例分析表明：研究所提策略下多堆电解制氢系统56%运行时间为稳定工况，与其他策略相比衰减降低了30.6%～39.8%，可见通过4阶段分段逐步链式分配运行，可有效降低启停、过载、波动运行时间，缓解匹配新能源运行过程中面临的运行衰减；通过基于最大效率点的功率调度，在效率上相对其他方案提升了2.9%～9.2%，综合经济性提升了50万～95万元；所提策略下各电解堆间运行差异稳定在额定电压0.1%内，基于SoH的改进轮值策略有效提升了各电解堆间运行均一性。所提优化运行策略改善了匹配新能源运行过程中多堆电解制氢系统的效率与寿命，对多堆电解制氢系统的实际运行具有指导意义。

• 脂肪酸羧基对低阶煤–水界面弱相互作用的影响机理

  刘泽晨, 董宪姝, 樊玉萍, 廖寅飞, 曹亦俊,

  复合捕收剂中脂肪酸的羧基数量对于低阶煤浮选影响机理的研究仍然有限。利用密度泛函理论(DFT)结合傅里叶红外光谱(FTIR)和Zeta电位，研究了不同羧基数量的脂肪酸(正癸酸和癸二酸)分别与十二烷组成的复合捕收剂在低阶煤–水界面的分子间弱相互作用。DFT计算结果表明有着2个羧基的癸二酸分子与苯甲酸/苯酚/水分子的氢键作用、电荷转移及相互作用能均强于有着一个羧基的正癸酸分子，而且癸二酸分子与水分子的相互作用要强于与苯/苯甲酸的相互作用，说明含有较多羧基数量的羧酸分子与低阶煤表面的相互作用受水的影响很大。FTIR和Zeta电位结果表明羧基数量对低阶煤疏水位点的吸附影响不大，具有2个羧基数量的复合捕收剂与低阶煤之间的氢键作用强度较强，同时对煤样表面的电位影响较小，表明部分癸二酸分子的羧基基团与水分子间发生氢键作用，导致煤样表面吸附较少的含有癸二酸的复合捕收剂。同时，使用含有癸二酸的复合捕收剂可获得较低的精煤灰分，但是牺牲了更多的精煤产率，而含有正癸酸的复合捕收剂在兼具捕收性能同时有着较好的选择性。说明在实际的浮选过程中，癸二酸与水较强的氢键作用以及静电相互作用削弱了其复合捕收剂对于低阶煤的捕收性能，这也证实了DFT、FTIR、Zeta的研究结果。

• 660 MW燃煤机组直接掺烧沙柳颗粒试验研究

  杨富鑫, 赵旭, 谭厚章, 王学斌,

  生物质能源是一种零碳、可再生能源，利用大型机组掺烧生物质不仅可以实现生物质的高效利用，还可以明显降低燃煤机组CO2排放量。基于某660 MW超低排放燃煤机组，开展沙柳生物质颗粒掺烧试验；利用电厂现有制粉和燃烧系统，提出了磨煤机单独碾磨生物质的“单磨单烧”和煤与生物质混合碾磨的“单磨混烧”燃烧模式，分析了掺烧生物质对磨煤机运行、机组燃烧特性、锅炉热效率、污染物排放及粉煤灰水泥特性的影响。结果表明：基于电厂现有制粉系统及燃烧设备，可以实现生物质颗粒的稳定掺烧；“单磨单烧”工况给料量建议15～20 t/h，“单磨混烧”工况掺烧比例在3%～5%为宜。HP磨煤机对生物质颗粒燃料具有良好的适应性，磨制后的粉料满足要求，且单独磨制生物质或磨制较高比例生物质与煤混合物料时，运行电流较纯煤低。掺烧期间，燃烧器均可稳定燃烧，未出现提前着火或烧结现象。炉膛温度略有降低，降幅约15～32℃；空预器入口处烟气温度变化不大，锅炉热效率始终保持在92.83%～93.93%，几乎与纯煤工况热效率相当。掺烧生物质后炉膛的燃尽性能良好，对锅炉效率的影响不大。氧量是影响燃烧NOx生成的重要因素，通过调整送风参数，掺烧生物质可以降低烟气中NOx；不同工况“单磨单烧”后，粉煤灰强度活性大于70%，满足建筑用材标准。

• 基于电阻应变悬臂梁的浮选颗粒−气泡间相互作用力测试研究

  任玺冰, 孙丽娟, 刘秦杉, 成宇龙, 桂夏辉, 邢耀文,

  浮选是依据颗粒表面疏水性差异实现有用矿物与脉石选择性分离的界面分选方法，其核心作用单元是颗粒−气泡矿化。颗粒−气泡间相互作用力直接决定了颗粒−气泡矿化效率，是窥视浮选微观机理的重要窗口，但纳微尺度下力的高精度低成本测试一直是领域内的巨大挑战。基于此，提出了基于电阻应变悬臂梁的浮选颗粒−气泡间相互作用力测试方法，采用电阻应变原理检测铝合金悬臂梁的微小形变与受力，并设计惠斯通全桥电路完成电阻变化与电压信号的转换−放大−输出。最后自主搭建了浮选微力测试系统，由电阻应变悬臂梁力传感器、位移驱动系统、图像采集系统、信号放大与采集系统、控制单元、隔振平台等模块组成，并探索了颗粒表面疏水性、气泡尺寸以及气泡接近速度对颗粒−气泡间相互作用力的影响规律，结果发现：浮选微力测试系统校准试验结果的线性拟合R2值为0.99989，表现出优异的线性响应特性，系统的力学灵敏度为72.57563 μN/mV，实际力检测下限约为2 μN。颗粒−气泡间黏附力随表面接触角和气泡尺寸的增加呈现单调递增趋势，在20～60 μm/s速度区间内，小梯度的气泡接近速度变化对颗粒−气泡间黏附力影响不大，同时力试验值与Young-Laplace方程理论计算结果相近。浮选微力测试系统具有结构简单稳定、灵敏度高、制造成本低等综合优势，在浮选界面作用基础研究领域有着广阔的应用前景。

• 邵寨矿区解磷细菌的分离及其对煤矸石中有效磷和有效硅的增溶

  刘丹, 申文盛, 付德亮, 郑罡, DAMIR Nussipov, KUANYSH Tastambek, 刘向荣,

  针对煤炭开采洗选过程中产生的固体废弃物煤矸石，提出了一种基于微生物技术的资源化利用新途径。选取甘肃邵寨矿区煤矸石作为研究对象，首先从煤矸石中筛选出一株具有高效解磷能力的细菌，经鉴定为贝莱斯孢杆菌(简称为XK2细菌)，再利用XK2细菌处理煤矸石，探讨了煤矸石中有效磷和有效硅的增溶效果。通过单因素实验和正交实验探究了培养基pH、菌液接种量、煤矸石粒径、XK2细菌对煤矸石处理时间等因素对XK2细菌增溶煤矸石中有效磷和有效硅的影响，确定了XK2细菌增溶煤矸石中有效磷的最佳条件：pH为8，菌液接种量为10.0 mL/50 mL培养基，煤矸石粒径0.25～0.50 mm，处理时间4 d。在此条件下，煤矸石中有效磷质量分数达到343.56 mg/kg，是原煤矸石的41.49倍。采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)、X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和高效液相色谱(HPLC)对XK2细菌处理后的固液相产物进行分析，FTIR分析显示经XK2细菌处理后的煤矸石中Si—O—Si(473 cm−1)、Si—O—Al(537 cm−1)、Al—OH(908 cm−1)和Si—O(1 030 cm−1)吸收峰减弱，表明难溶性硅铝酸盐被分解；XRD分析显示经XK2细菌处理后煤矸石中含磷矿物三斜磷钙石(CaHPO4)及含硅矿物白云母(KAl2(AlSi3O10)(OH)2)的衍射峰减弱，表明XK2细菌通过溶解上述矿物以促进煤矸石中有效磷、硅元素增溶；此外，HPLC分析显示XK2菌株通过分泌丙酸、琥珀酸等有机酸破坏煤矸石中的硅铝酸盐结构，促进磷元素和硅元素的增溶。

• 双转子永磁传动不平衡和失准耦合振动的抑制控制方法

  郭永存, 马鑫, 王爽, 李德永, 杨豚,

  大型带式输送机在启制动工况或非均匀负载条件下，双转子永磁传动系统易受周期性激励和扰动产生较大振动，特别是该系统磁场呈现非正弦分布以及存在涡电流谐波等因素，使得该系统运行中的振动控制变得尤为重要。双转子永磁传动系统具有调速高效、运行成本低、适应能力强且等优势，但其非线性特征明显。神经网络迭代学习控制算法通过引入非线性激活函数和深度结构，使得网络能够拟合系统的非线性特征，在迭代学习过程中，网络根据系统的实时振动数据不断调整参数，以实现振动抑制的目标。故采用该算法对转子系统的振动抑制开展研究，对提升系统整体的稳定性，确保其安全高效运行有着重要意义。针对双转子永磁传动系统中磁场非正弦分布及涡电流谐波等因素诱发的传动不平衡与失准耦合振动问题，提出一种改进的神经网络迭代学习控制算法(MNN–ILC)，创新性引入了基于误差值的自适应因子σ和正则化的权重衰减系数λ，以快速响应系统变化并减少误差，旨在有效抑制振动。采用多物理场有限元仿真，模拟系统在不对中不平衡状态下的振动特性。为验证所提算法的有效性，以1台55 kW的双转子永磁传动系统为研究对象，测试其在不同转速下的实时缓振能力。结果显示：未施加控制时测量点的最大振幅为18.7 μm；施加MNN–ILC算法后，振幅最大值降低至3.1 μm，减幅达到约83.4%。通过对比MNN–ILC算法与传统ILC算法、现有改进的ILC算法，发现施加控制后约10 s时，传统ILC算法开始发散，而MNN–ILC算法仍能保持良好的稳定控制性能，将振幅控制在±3.5 μm以内。MNN–ILC相较于ILC，振动抑制效果提升了约51.9%、58.1%、61.4%；在响应时间上分别减少了约33.4%、32.0%、32.5%。该研究为双转子永磁传动系统的振动抑制提供了重要的理论参考。

• 基于数字孪生的刮板输送机中部槽结构响应预测

  张强, 刘伟, 王阳, 马寿祥, 苏金鹏, 张润鑫,

  数字孪生技术作为推进工业4.0和新一轮科技革命不可或缺的智能化技术，在矿山智能化开采领域引起广泛关注。受限于数值模拟求解规模与计算性能的矛盾，当前综采装备结构力学响应状态难以实时同步映射到孪生模型中，以刮板输送机中部槽为例，提出基于机器学习的结构响应数字孪生建模方法，通过有限元分析获得中部槽不同载荷工况下的节点响应，利用层次聚类法对大量相似数值的节点进行聚类，通过深度神经网络(DNN)对不同载荷工况下节点的聚类结果和聚类中心值进行预测，并使用聚类中心预测值替代聚类域内所有节点值，根据节点坐标和节点预测值重构中部槽全局力学响应状态。基于Unity开发了刮板输送机数字孪生模型可视化界面，通过部署传感器采集刮板输送机载荷信息，利用传感器采集数据实时驱动DNN，预测中部槽不同载荷工况下的全局变形响应和应力响应，实现中部槽孪生模型与物理实体力学响应同步映射。结果表明：利用DNN预测所有节点到完成三维节点云图重构所用时间0.32 s，应力和位移最大预测误差分别为0.97 MPa和1.98×10−3 mm，构建的数字孪生模型能够根据传感器采集信号连续对中部槽应力分布情况开展预测，中部槽测试点处应力预测结果与试验测量值的最大相对误差33.31%。验证了基于机器学习的中部槽结构响应数字孪生模型具有可行性，为刮板输送机状态监测提供新方法。

• 改进SURF–FLANN的综采工作面视频拼接特征提取与匹配算法

  毛清华, 王孟寒, 胡鑫, 翟娇,

  针对目前视频拼接技术中的主要问题，即SURF(Speed Up Robust Features)特征提取算法与FLANN(Fast Library or Approximate Nearest Neighbors)特征匹配算法在综采工作面恶劣环境中存在特征点误提取和特征点匹配正确率低的问题，提出一种改进SURF–FLANN的综采工作面视频拼接特征提取与匹配算法。为了提高特征点提取正确率，该方法通过将传统的高斯滤波换为更为先进的双边滤波提取图像中的SURF关键特征点，同时在特征向量中引入特征点4–领域内的特征点描述符信息，从而改进了描述符算子，进一步提高了特征点的描述能力。为了提升特征点匹配速度，提出了R–FLANN(Random Sample Consensus–Fast Library or Approximate Nearest Neighbors)特征匹配算法，该算法利用 RANSAC算法获取特征点的匹配先验信息剔除无匹配、误匹配的特征点，从而提高特征点匹配速度。为了验证改进效果，通过消融试验验证了改进SURF–FLANN的特征提取与匹配算法有效提升综采工作面视频图像特征提取和匹配正确率。通过本文方法与SIFT+FLANN，Hairrs与SURF+FLANN的特征提取与匹配算法进行特征点提取与匹配的对比试验，结果表明本文方法特征提取与匹配平均正确率和平均匹配速度最高，分别达到了81.47%和51.47帧/s。通过运用本文方法与SIFT+FLANN，Hairrs与SURF+FLANN的特征提取与匹配算法进行视频图像拼接对比试验，结果表明本文提出的方法在拼接效果清晰度、对比度、熵、拼接速率指标都最好，得到了最佳效果。