煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第7期

• 瓦斯抽采“钻孔−管网”系统智能决策调控方法

  王凯, 王东旭, 周爱桃, 张俊文, 宋方舟, 杜昌昂, 郝玉双, 范席辉, 赵伟,

  瓦斯抽采负压的准确设置是确保瓦斯抽采系统高效抽采的关键，如何确定抽采系统中各位置的最优负压是目前亟需解决的技术难点。因此，为了合理、精准地调控瓦斯抽采系统负压，通过对比分析4种预测算法筛选出了表现最为出色的预测算法，并对其自身缺点进行改进，基于改进后的算法模型构建了钻孔负压智能决策调控模型；构建了瓦斯抽采管网解算模型并实现了管网解算模型的解算寻优，基于改进粒子群算法构建了管网智能寻优决策调控模型；在现场开展了试验研究，验证了智能决策调控模型的可靠性。结果表明：4种预测算法中LSTM(Long Short-Term Memory)与瓦斯抽采数据特征匹配度最高，改进得到的CNN-LSTM(Convolutional Neural Network- Long Short-Term Memory)模型能有效改善LSTM过度依赖时间序列的问题，基于CNN-LSTM模型构建的钻孔智能决策调控模型能够实现钻孔抽采负压的精准预测和调控。改进粒子群算法可以有效避免陷入局部最优的问题，得到迭代解算的最优解，同时基于改进粒子群算法构建的管网智能寻优决策调控模型可以对瓦斯抽采管网负压进行合理分配。现场试验中，1号和2号试验钻孔瓦斯流量在智能调控后分别提升了0.014 和0.013 m3/min，瓦斯浓度在智能调控后分别提升了11.91%和10.03%，抽采管网在调控后瓦斯流量提高了1.23 m3/min，瓦斯浓度提高了2.87%，表明智能决策调控模型可靠性较高。研究结果对提高瓦斯抽采系统抽采效率及保障矿井生产具有重要的意义。

• 真三轴四氢呋喃水力压注煤体孔隙多重分形特征

  薛生, 韩飞林, 郑春山, 刘帅丽, 柳炳俊,

  煤层气抽采效率与孔隙结构多重分形特征密切相关，理清化学溶剂水力压注作用下煤体孔隙结构的变化机制对煤储层溶剂改造具有理论意义。采用真三轴水力压注与渗流测试实验平台，开展了四氢呋喃溶液(THF)和清水压注煤体试验，基于低温液氮吸附和压汞测试结果，结合Barrett-Joyner-Halenda模型、Washburn方程和多重分形理论，研究了水力压注后煤体孔隙结构的非均质性变化规律和多重分形特征，并探讨了煤体孔隙多重分形参数变化的影响因素。结果表明：与3个原煤样相比，清水压注后煤体总孔容增加分别为9.98%、11.92%、99.63%，而THF压注后的总孔容增加分别为37.37%、27.49%、108.35%，归因于THF压注具有致裂煤体和溶解孔隙有机小分子化合物的协同作用，能够进一步提高孔容增大量。原煤与压注后煤样孔隙结构的广义分形维数谱和多重分形奇异谱符合多重分形理论规律，其孔隙结构均具有多重分形特征。相较于原煤，清水和THF压注后煤体孔隙数量均增加，奇异谱宽度Δα普遍增大(增大范围在0.034 7～0.350 5)，孔隙结构非均质性增强。THF压注后煤体微小孔的非均质性普遍高于清水压注煤体，但中大孔的非均质性略低于清水压注煤体。煤体孔容、比表面积与奇异谱宽度、低概率参数(D–10−D0)之间均呈正相关。研究结果为认识THF水力压注条件下煤储层孔隙结构非均质性和局部尺度属性变化规律提供理论基础，有助于揭示低渗储层孔渗特性改造机制。

• 基于纳米压痕和XRD-EPMA技术的超临界CO2注入煤体力学损伤演化机制

  聂百胜, 赵丹, 刘鹏, 王磊, 王大琳, 涂庆毅, 杨靖韬, 朱熹阳,

  CO2地质封存技术是实现碳减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一，为揭示注入过程中超临界CO2与煤体的相互作用机制及对煤体力学性质的影响规律，利用纳米压痕、XRD、SPM及EPMA综合表征技术，研究了深部煤层ScCO2封存条件下煤体表面形貌、矿物组分及微观力学性能随溶浸时间的变化规律，分析了煤体力学损伤与CO2矿化反应的关联机制。结果表明：ScCO2具有溶剂特性，会与煤体发生溶蚀作用，碳酸盐和硫酸盐相比于硅酸盐具有更高的溶解度和溶解速率，随着浸泡时间的增加，煤中碳酸盐和硫酸盐矿物含量缓慢持续减少。ScCO2溶浸显著改变了煤体微观力学性质，弹性模量和硬度均随ScCO2溶浸作用时间的增加呈指数下降趋势，弹性模量降至原煤的85.71%～90.33%，硬度降至76.07%～84.70%，其中溶浸2 d后煤体弹性模量和硬度衰减最为显著，分别下降超过86.9%和81.2%。由于溶浸过程中部分矿物质被溶解，导致煤体矿物种类和分布较为均一稳定，煤样力学性质均质性增强。在ScCO2溶浸过程中，煤逐渐由弹性变形转变为塑性变形，纳米压痕裂纹迅速拓展，煤表面微观形貌损伤严重，蠕变变形量线性增加。溶蚀反应对煤体孔隙结构的改变和煤体弹−塑性的转变，增强了纳米压痕载荷曲线的离散性，造成弹出事件发生频率增加。研究可为煤层气增产开发、深部煤层CO2储存安全性评估提供科学依据。

• 扩散主控型煤层定义、特征及瓦斯促抽路径分析

  赵伟, 王凯, 周爱桃, 舒龙勇, 林海飞, 臧杰, 徐超, 胡彪, 涂庆毅,

  随着我国煤炭资源生产重心向中西部转移、开采水平向深部延伸，煤层结构呈现多元化、差异化特征，导致瓦斯储运规律发生变化，构建适用于多煤体结构类型的差异化瓦斯抽采方案是发展趋势。当前，关于煤粒或煤体的瓦斯解吸特征演化过程仍缺乏数学性系统分析，对解吸曲线是裂隙(渗流)主控还是孔隙(扩散)主控仍存在争议。基于扩散与渗流的相互竞争制约关系，对瓦斯解吸曲线形态进行了综述性总结和归纳，并分析了其内在控制机制；对扩散主控型煤层进行了定义，探讨了低瓦斯厚煤层以及高瓦斯构造煤层瓦斯抽采的有效途径及隐含机制，并给出了扩散主控型煤层瓦斯治理的适配性方法；提出了未来扩散主控型煤层瓦斯储运规律的研究重点。研究表明：中西部低压厚煤层普遍瓦斯含量低、运移动力不足，可称为直接扩散体；深部构造煤层等效扩散距离长、运移难度大，可称为等效扩散体。扩散主控型煤层具有低压敏感性、应变敏感性、时间敏感性和压力差异化响应等特点，使得瓦斯治理时要着重考虑增能增扩和减距增扩，形成驱替、微生物降解基质、表面活性剂等基质面改性技术，以及水力冲孔造穴、保护层开采等基质体改性技术2类强化抽采措施。未来仍需在扩散力学模型及响应机理、扩散系数正向测试方法、扩散主控体瓦斯抽采评价指标等着重研究。研究结果可为煤层瓦斯差异化治理体系建立提供参考。

• 芽孢杆菌激发作用下的烟煤生物甲烷生成潜力

  郑春山, 赵呈才, 柳炳俊, 薛生, 杨洋, 周天尧, 张迅, 王俊煜,

  在煤层中添加营养物质(有机氮源为主)通常能够激发原有微生物产甲烷潜力，然而向4种不同挥发分的烟煤(PS (潘集三矿) 37.50%；ZJ (张集矿) 33.02%；QN (祁南矿) 25.19%；ZZ (朱庄矿) 14.01%)中添加营养物质未见明显甲烷生成，故在第30天向所有样本中各添加1 mL产气荚膜梭菌和枯草芽孢杆菌，分析了各烟煤产甲烷潜力变化规律，探究了产甲烷过程中古菌、细菌等微生物组成结构演变过程，并通过非靶向代谢组学分析，揭示了芽孢杆菌菌群作用下煤中含碳化合物降解的显著性差异代谢物变化规律。结果表明，芽孢杆菌激发作用下甲烷产量显著增加，在第54天甲烷产量峰值为PS (145.222 μmol/g)、ZJ (127.556 μmol/g)、QN (116.314 μmol/g)、ZZ(84.105 μmol/g)。自T1至T2时期(T1为仅添加营养物质培养30 d，T2为添加降解菌后培养30 d)，各培养组古菌Shannon多样性指数显著减小，产甲烷菌属Methanosarcina (39.74%～87.48%)、Methanoculleus (0.84%～18.72%)和Methanomassiliicoccus (2.44%～12.49%)成为古菌优势菌种，含量占比大幅增加。而细菌的Shannon多样性指数显著增加 (PS：由(4.17±0.19)到(7.35±0.11)；ZJ：由(4.72±0.17)到(7.35±0.07)；QN：由(4.48±0.21)到(6.29±0.10)；ZZ：由(5.58±0.07)到(6.57±0.07)。基于KEGG代谢通路及非靶向代谢组学分析，4组样本中产甲烷代谢功能基因相对丰度大幅度增加(PS：由8.79%到35.61%；ZJ：由5.56%到31.67%；QN：由7.54%到31.35%；ZZ：由8.45%到27.23%)，其中氢营养型(E23.1.101、E1.2.7.12)与甲胺营养型(E2.1.1.248)相对丰度较高。差异代谢物主要包括苯环、杂环和脂肪族3类化合物，功能菌的添加加速了这3类化合物的降解，为产甲烷古菌类群提供可利用底物，强化了微生物对烟煤的产气能力。

• 酸性SiO2纳米流体对煤体润湿性及瓦斯解吸的影响机理

  柳先锋, 李闯, 聂百胜, 何学秋, 贾雪祺, 何承毅, 韩涵,

  添加纳米流体可改变煤体化学结构进而增润煤体影响瓦斯解吸过程。为探究酸性SiO2纳米流体对煤粉增润机理和对瓦斯解吸的作用规律，试验配置了不同质量浓度和pH的酸性SiO2纳米流体改性煤样，利用接触角测量试验从宏观角度探究酸性SiO2纳米流体作用对煤体润湿性的影响，采用甲烷解吸动态试验系统，研究不同pH及不同SiO2纳米流体质量浓度的浸润溶液作用时改性煤样甲烷解吸规律；使用傅立叶红外光谱分析仪和扫描电镜从微观角度分析酸性SiO2纳米流体对煤粉的增润机理及煤体瓦斯解吸促进机制。结果表明：选取合适的质量浓度的SiO2纳米流体和弱酸性环境对煤体增润强化效果具有促进作用，浸润溶液处于SiO2纳米流体质量浓度为2.0%、pH为3的弱酸性环境时，测量接触角为25.2°，与原煤接触角相比减小74.5°；瓦斯解吸量由6.9607 mL/g增加至13.2794 mL/g；且伴随着试验中弱酸酸性环境的增强和SiO2纳米流体质量浓度的增加，接触角逐渐减小，煤体由疏水性逐渐向亲水性转变，润湿作用效果增强，瓦斯解吸促进作用增强；含氧官能团作为影响煤体润湿性的主要基团，其吸收峰总面积与煤水接触角呈负相关关系、与煤体瓦斯解吸量和瓦斯解吸率呈正相关关系；且在不同条件下的改性煤样表面形貌也发生了变化。合理选择酸性SiO2纳米流体浸润煤体，可增强煤体润湿性，易于实现煤尘高效降除，促进瓦斯解吸过程，强化瓦斯抽采效果。

• 不同气体环境下煤水润湿动态铺展变化规律及微观作用机制

  司磊磊, 谷一涵, 魏建平, 丁楠, 姜婉, 姚邦华, 温志辉,

  煤层注水是一种矿井综合性灾害防治措施，而水溶液在煤表面的润湿铺展是一个动态变化的过程。特别是煤层中含有一定量的瓦斯气体，其环境压力及吸附作用会进一步影响煤水动态润湿变化规律，因此有必要深入分析含瓦斯煤动态润湿机制，为煤层注水提供理论指导。搭建了含瓦斯煤润湿角实验系统，开展了不同气体环境下(吸附性气体CO2、CH4及非吸附性气体He)的煤水润湿角动态变化规律实验，采用分子动力学模拟的方法从微观尺度分析了不同气体环境下的煤水润湿角变化规律，分析了常压及3种不同气体条件下的煤水润湿动态铺展过程。结果表明，煤水润湿动态铺展过程可分为3个阶段：容易铺展阶段、缓慢铺展阶段及稳定平衡阶段。随着气体压力及气体吸附性能的提高，液体铺展速率降低，煤润湿难度增加。实验与分子动力学模拟结果均显示，在常压条件下，水分子形状较为扁平，随着气体压力及吸附能力的增加，水溶液铺展难度增加，液滴形状逐渐接近椭圆形或半球形。在吸附性气体环境下，煤表面会形成气体吸附层，且随着气体压力及吸附能力增大，吸附层厚度变大，水溶液难以突破气体吸附层，进而无法对微小孔隙润湿。通过分析不同气体环境下煤表面自由能变化规律发现，随着气体吸附性能及环境压力的增大，煤分子通过捕获气体分子以降低自身能量而趋于稳定，即表面自由能逐渐降低，煤表面系统相对越稳定，水溶液难以在煤表面铺展润湿，从而使煤水润湿效果减弱。研究成果可为含瓦斯煤注水润湿提供一定的理论指导。

• 露天煤矿岩土层重构的发展过程、原理与适配技术

  胡振琪, 张子璇, 孙煌,

  岩土层是生态环境的基础，露天开采彻底破坏了煤层上覆原始岩土层系统并严重影响生态环境，露天矿的生态修复是对岩土层全新的人工重构过程，岩土层重构是矿山生态系统功能恢复与提升的关键。在揭示露天煤矿岩土层重构发展演变过程的基础上，革新岩土层重构原理与方法，并探究重构岩土层剖面中关键层的适配性重构技术，以期为露天煤矿生态修复提供基础理论与关键技术支撑。系统梳理了露天煤矿开采对原始岩土层系统(地层)的破坏及其环境影响机制，阐明了岩土层与土壤重构、地球关键带和地球圈层系统的关系，定义了岩土层重构概念和内涵，明确了岩土层重构是对包括土壤层和岩石层整个岩土层系统功能的重建。认为广义的土壤重构与岩土层重构是一致的，狭义的土壤重构专指土壤层的重构。将露天煤矿岩土层重构研究的发展归纳为4个发展阶段，阐明了岩土层重构从1.0到4.0各发展阶段的背景、特征和研究重点，揭示了人们对岩土层功能认知不断提升、矿山修复技术不断完善的演变过程，同时得到了矿山土壤改良与重构工程在经济投入上呈显著负相关的关键结论。依据生物生态位原理和地质成土理论，创新性提出了岩土层“生态位”与“关键层”新理念与新认知，提出了露天煤矿岩土层重构的两大原理及其实施方法。“生态位原理”就是依据分层生态位特性的定量分析，尤其是生态位适宜度和竞争重叠性，确定各自的位置和相互关系，解决了是否层次合并、分几层和空间关系，形成基础剖面构型；“关键层重构”原理就是通过生态功能分析和提升措施实现关键层识别与功能提升，达到关键层功能最优和岩土层剖面构型最佳。基于上述原理与方法，以我国东部草原区露天煤矿生态修复为例，详细介绍了适宜于地质环境和气候等条件的适配性关键层重构技术，明确了重构剖面构型优化和表土关键层重构的具体方法，取得显著的实际效果。

• 采煤沉陷区建筑物抗变形技术研究进展与展望

  夏军武, 周宇, 王玉婧, 杨晗,

  随着采煤沉陷区范围的不断扩大，矿山城市建设土地日益紧张，建筑物抗变形技术是解决采煤沉陷区工程建设利用的重要措施。但是由于采煤沉陷区地质条件的复杂多变、地表移动变形对建筑物的影响规律异常复杂及建筑结构形式多样等诸多困难，导致建筑物抗变形技术推广应用呈现起伏。首先，梳理了采煤沉陷区的地表变形特征、地表变形对建筑物的影响分类、地基与建筑物的相互作用机理、土与结构界面的本构模型、地基−基础−结构相互作用力学模型、建筑物抗变形技术及工程运用实例方面取得的成效和关键技术进展，分析了建筑抗变形的原理与技术应用。然后，总结了目前建筑物抗变形技术面临的难题与挑战：地表沉陷预测模型准确性有待提升；采煤沉陷区地基−基础−结构相互作用机制不明确；地基充填材料力学及变形特性尚不能满足工程建设地基用土的要求；基础类型、基础刚度及构造等对结构抗变形的影响有待进一步研究；结构耗能和吸收地表变形的新型建筑物抗变形技术待完善与研发。最后，针对现阶段我国建筑物抗变形技术应用面临的难题和挑战，提出了一套基于物理模拟试验平台研发、框架结构抗变形的规律及机理、共同作用力学模型、框架结构抗变形技术及自适应变形技术的研究与设计方法。

• 多层厚硬顶板大采高综放工作面强动载矿压特征及机理

  张震, 黄志增, 徐刚, 刘晓刚, 刘前进, 赵铁林, 蔺星宇,

  针对榆神矿区特厚煤层多层厚硬顶板大采高综放工作面下开采液压支架立柱急剧下缩、工作面易压架等强矿压显现问题，采用立柱压力传感器和位移传感器对工作面回采期间支架工作阻力、顶板下沉量进行了全程系统监测；对工作面矿压显现宏观特征、近远场覆岩运移与矿压的联动性进行了分析，明确了多层厚硬顶板大采高综放开采工作面矿压显现特征，得到了多层厚硬顶板破断的空间形态及覆岩结构演化规律；阐述了矿压作用机制，建立了考虑煤壁前方弯曲变形、多层厚硬顶板各层位间受力关联下的低、中、高不同层位覆岩结构力学模型，给出了不同层位岩层破断失稳判据及支架临界支护强度。结果表明：多层厚硬顶板大采高综放开采工作面除具有“来压区域性明显、来压急增阻、大小周期来压、周期性强动载来压”的特点外，还呈现出强动载来压期间多次连续性或短距间断性大周期来压的新特征；强动载期间连续性大周期来压矿压显现程度总体呈先增大后减缓的趋势，工作面周期性强动载来压呈不规律性，每隔4～10个小周期来压，间隔120.9～241.9 m，平均161 m发生1次强动载来压，强动载来压期间矿压显现异常强烈；上覆岩层呈现“低位悬臂梁+中位非铰接梁+高位联贯破断叠合铰接梁结构”，低位悬臂梁结构位于煤层上方20 m以内，该结构的周期性回转破断造成工作面小周期来压，中位非铰接梁位于煤层上方20～70 m范围，该范围内岩层的架前拉伸破断或架后剪切破断导致工作面发生大周期来压，高位岩层位于煤层上方70 m以上，中部厚硬岩层破断后，对高位铰接梁有效接触及支撑力减小，造成高位铰接梁相继破断失稳，继而导致工作面多次连续性或短距间断性大周期来压的强动载来压；中位非铰接梁结构破断失稳时支架合理支护强度为1.897 MPa，高位联贯破断铰接梁回转变形失稳对应的支架合理支护强度为2.470 MPa，滑落失稳对应的支架合理支护强度为3.180 MPa，现有的高强度支架难以对顶板的强矿压进行有效控制，须采取顶板弱化的手段进行采场围岩控制。研究成果对特厚煤层多层厚硬顶板开采围岩控制具有一定的指导意义。

• 圆形巷道围岩蝶形塑性区蝶叶角演化特征

  刘洪涛, 靳祎炜, 郭晓菲, 韩子俊,

  蝶形塑性区理论中，蝶叶的扩展方向对巷道围岩变形破坏的治理具有重要意义。蝶叶角作为表征蝶叶扩展方向的重要参数，其变化反映了扩展方向的动态特性。然而，由于蝶形塑性区边界方程为隐性方程，无法直接求解蝶叶角。因此，文中对边界方程进行了数学变形，在此基础上分析并总结了蝶叶角的演化特征。基于理论推导和数值模拟，分析蝶叶角演化过程的关键影响因素，包括围岩的黏聚力C、内摩擦角φ、侧压力系数λ、最小主应力P3和巷道半径a。通过理论公式的推导与数值模拟的结合，研究不同影响因素对蝶叶角变化的作用机制，并验证理论与模拟结果的一致性。结果表明：① 随内轴特征半径的增加，蝶叶角变化表现为先减小后增大，变化过程中极小值所对应的内轴特征半径R1t及蝶叶角增区间上界可通过计算得出。② 蝶叶角演化影响因素包括黏聚力C、内摩擦角φ，侧压力系数λ、最小主应力P3，巷道半径a，不同影响因素下，蝶叶角大小与各影响因素相关性表现不同。③ 蝶叶角在演化特征上理论计算结果与数值模拟结果表现出一致性；在此基础上建立了蝶叶角演化模型，蝶叶角演化迹线形态上表现为“上凹”或“下凹”形。不同影响因素下，蝶叶角演化迹线的路径不同，不同路径下，蝶叶角极值、收敛变化存在差异。研究结果为复杂巷道条件下的塑性区扩展行为提供了理论依据，同时为巷道支护优化设计和围岩稳定性评估提供了技术支持。未来研究可进一步拓展至非线性材料模型和动态加载条件下的蝶叶角演化特征分析。

• 煤系地层数值模拟力学参数分布特征与取值范围研究

  王楠, 李杨, PANEIRO Gustavo André, 雷兴海, 石孝明, 李宜杭, 崔宇彤, 刘浩天, 曹晋龙, 王铁记,

  数值模拟方法在煤矿开采领域的应用广泛，尤其在模拟复杂地质条件和多变力学环境方面，为预测围岩动态变化、应力分布以及开采活动可能引发的问题提供了重要研究手段。在煤层开采数值模拟研究中，煤岩层参数的准确设定是实现模拟精确性的关键。为给煤层开采数值模拟提供更为准确的参数设定参考，收集整理了中国100余个矿井的1 000余条煤岩层数值模拟力学参数，通过MATLAB进行分类整理，构建了煤系地层数值模拟参数的取值参考数据集；基于该数据集，给出了各省数据可信度权重设定与动态优化方法，并对不同地区煤系地层力学参数的差异性和分布规律进行了多维度数据分析，揭示了其在不同地质区域的分布特征和多样性。结果表明：山西、陕西和内蒙古等地区数据可信度权重较高，研究活动较为集中；煤层力学参数数据点主要集中在埋深200～690 m，呈现出一定的趋势和特点，体积模量、剪切模量、弹性模量以及黏聚力等参数在实际应用中的差异性较大。不同岩性的统计分析表明：粉砂岩和细砂岩在研究中最为常见，各岩性在力学特性上的差异性明显，中砂岩在体积模量和弹性模量上分布最广，而石灰岩则在多个参数上表现出较高的稳定性。此外，通过对不同地区煤层与主要岩性模拟力学参数的分析，研发了煤系地层数值模拟力学参数取值范围参考与异常值检测系统，该系统可以实现快速查询煤岩层力学参数取值、异常值检测以及自定义数据集导入分析等功能，以期为煤系地层数值模拟研究中力学参数的确定提供更为科学的参考依据与便捷的工具方法。

• 矿井水影响下锚索应力腐蚀行为与机理

  李永亮, 杨仁树, 戴祥淋, 路绍杰, 刘智勇, 郭亮, 袁江震, 程永新, 都海龙,

  锚索是煤矿巷道围岩控制的主要支护材料。锚索在服役过程中不仅承受高应力荷载，而且受井下苛刻腐蚀环境的影响，应力与腐蚀耦合作用下导致的锚索应力腐蚀开裂失效问题凸显，已严重威胁煤矿锚索服役安全，其中矿井水是诱发锚索腐蚀的关键因素。为了研究不同类型矿井水对锚索应力腐蚀行为的影响规律，采用电化学阻抗谱、电化学极化技术、室内浸泡加速腐蚀试验和微观形貌扫描等方法，分析矿井水中不同的pH、SO42−和Cl−浓度影响下锚索的电化学行为与腐蚀演化特征，揭示锚索应力腐蚀开裂机理，阐明锚索应力腐蚀断裂模式。结果表明：矿井水pH为2～10时，随着pH增加，锚索腐蚀速率先减小后增大，不同的pH改变锚索的腐蚀反应类型，在酸性条件下更容易导致应力腐蚀裂纹形核。矿井水中SO42−和Cl−对锚索腐蚀的影响规律类似，均是随着浓度的增加，腐蚀速率逐渐增大，更容易诱发应力腐蚀裂纹萌生；不同的离子浓度范围，应力腐蚀速率增加幅度具有差异性。阳极溶解和氢致开裂是锚索应力腐蚀开裂的2种主要机理，锚索应力腐蚀裂纹萌生经历点蚀、点蚀生长和裂纹形核3个阶段；锚索应力腐蚀断口为台阶式破坏，具有典型的3区，即裂纹萌生区、扩展区和终断区。最后，从“材料、环境和应力”3个维度，提出了防止锚索应力腐蚀开裂的控制对策。

• 柱状药包不同位置起爆爆生气体演化规律

  任猛, 岳中文, 周星源, 金庆雨, 王鹏, 徐胜男,

  合理提高爆炸能量利用率是岩石爆破的重要研究课题，爆生气体在钻孔爆破中起着重要作用，但是针对柱状药包爆生气体演化机理的研究还有待深入。为探究爆生气体的演化规律，通过纹影试验系统进行了柱状药包的爆炸试验，分析了不同位置起爆条件下柱状药包爆生气体演化规律。结果表明：柱状药包爆生气体的演化过程分为膨胀、流动和自由扩散3个阶段。气体分布特征由爆轰波数量和传播方向决定，顶点起爆时爆生气体流场即单个爆轰波形成的气体流场，中点起爆和1/3点起爆时则2个相反运动的爆轰波形成的气体流场叠加形成，叠加后的流场分布特征取决于叠加前的流场动量，这是起爆位置影响爆生气体分布特征的根本原因。爆生气体产生后会向起爆位置流动，产生聚集效应。顶点起爆时，在空气反压的作用下气体堆积在起爆位置形成聚集区域；中点起爆时，两股相同动量的气流在起爆位置汇聚，轴向动量抵消形成聚集区；1/3点起爆时，两股动量不同的气流在起爆位置汇聚形成聚集区，高动量的部分气流会穿过聚集区继续沿轴向流动。聚集效应由强到弱依次为中点起爆> 1/3点起爆>顶点起爆，气体在径向的最大流动距离同样如此。爆生气体的聚集效应促进了聚集区气体的径向流动，使得起爆位置气体的径向流动距离远大于其他位置。

• 富油煤可控氧化自燃的原位热解开采理论与技术构想

  邓军, 卢俊辉, 王双明, 王凯, 孙强, 王彩萍, 师庆民, 耿济世, 王津睿, 苏畅, 屈高阳,

  富油煤作为一种战略性煤基油气资源，在我国储量丰富。开发富油煤的油气资源，对保障我国能源安全，助力“双碳”目标和能源转型具有重大战略价值。地下原位热解提取油气是富油煤低碳绿色开发和高效利用的重要途径之一。利用热解半焦自燃作为原位热解的热源，可以提高富油煤资源开采效率，但需要着重突破热解半焦自燃可控、传质传热高效、地质保障系统可靠、地下环境污染可控等难题。系统阐述了富油煤可控氧化自燃的原位热解开采科学技术构想，提出了富油煤原位热解开采的采动岩体力学理论、热解半焦可控氧化自燃理论、“四场”可视化理论、多物理场耦合传热理论，揭示了开采扰动下煤及围岩的耦合损伤机理、热解半焦自燃放热特性及可控条件、多物理场耦合岩体力学行为与能量演化特征，为富油煤可控氧化自燃的原位热解开采技术体系构建提供了理论依据。对开采技术中的关键环节，建立了热解半焦可控氧化自燃技术、原位传质传热增强技术、地下封闭体系技术和原位开采地质保障技术，为富油煤可控氧化自燃的原位热解开采提供了技术支持。在此基础上，构建了富油煤可控氧化自燃的原位热解开采理论与技术体系，明确了未来研究的难点和重点，提出了我国富油煤高效、低碳、安全开发工程化、产业化、规模化的技术路径与研究方向。

• 深部开采煤矿典型动力灾害孕灾主控因素与机制研究进展

  杨科, 郭鹏慧, 袁亮, 曹安业, 张永将, 马衍坤, 李家卓,

  煤炭资源的开采逐渐进入深部开采阶段，煤岩的非线性行为、大范围高能级灾害、多物理场耦合等现象加剧，冲击地压和煤与瓦斯突出二者相互诱导、相互激励，煤矿典型动力灾害危险性和危害性渐趋严重，已成为制约我国深部煤炭资源安全高效生产的绊脚石，防治煤矿典型动力灾害的前提和基础是深入研究其发生机理。因此，需要掌握我国煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究领域的整体进展以及孕灾主控因素与机制。文中总结了前人及研究团队已有研究成果，利用CiteSpace软件梳理文献，并通过关键词共现和突现知识图谱分析，阐述了煤矿典型动力灾害领域发展历程中每个阶段的研究热点以及未来的发展态势；厘清了不同孕灾条件对煤与瓦斯突出和冲击地压影响的差异性；探讨了煤矿典型动力灾害孕育的“五效应”机制。分析认为，围绕煤矿典型动力灾害领域的研究均以其发生机理及孕灾因素为基点，其中孕灾因素以天然地质条件为主、开采技术条件为辅，不同的孕灾环境形成的典型动力灾害表现形式不同，典型动力灾害孕育机制包括物质内在效应、应力超载效应、能量驱动效应、结构异变效应和煤岩体时变效应，五者相互作用、相互影响。根据当前深部开采面临的问题和亟需攻克的关键难题提出了研究展望，亟待深入研究煤矿典型动力灾害全生命周期孕育特征、演化特征、致灾机理，深部强扰动作用下煤矿典型动力灾害前兆信息智能辨识、预警指标融合，以及多灾种链生灾害联防联控体系，从而有效保障深部煤炭资源安全高效开采。

• 动静荷载下含瓦斯煤能量耗散与破碎特征试验研究

  刘怀谦, 赵洪宝, 王磊, 马庆, 于美鲁, 胡浩, 王春华,

  为探究动静荷载下含瓦斯煤能量耗散与破碎特征，利用自主研制的可视化含瓦斯煤动静组合加载试验系统，开展了不同冲击速度与轴压比条件下含瓦斯煤冲击试验，探究含瓦斯煤破裂能量演化特征与耗能特性，探讨碎屑弹射机制及其分布特征，以期阐明含瓦斯煤耗能密度与碎屑分形间的内在联系。结果表明：① 含瓦斯煤冲击过程能量转化具有同步性，且耗散能时程曲线与煤体变形阶段相对应，即当含瓦斯煤丧失承载能力时，动态应力−应变曲线形态为抛物线型，耗散能时程曲线划分为弹性储能、弹塑性耗能、塑性耗能与能量释放阶段；特别地，当轴压导致含瓦斯煤处于弹塑性或塑性状态时，耗散能时程曲线可直接划分为弹塑性或塑性耗能阶段与能量释放阶段；当含瓦斯煤仍具有承载能力时，动态应力−应变曲线形态为倒钩型，耗散能时程曲线划分为弹性储能、弹塑性耗能、塑性耗能与耗散能回弹阶段，耗散能回弹阶段可导致煤壁片帮或巷道岩爆。② 含瓦斯煤耗散能随冲击速度升高而增大，耗能占比基本恒定，其值介于31.1%～34.0%，碎屑分维随耗能密度升高呈指数增长；存在临界轴压比使耗散能与耗能占比呈先下降后上升趋势，碎屑分维随耗能密度变化具有分段性，当试样处于持续储能阶段，碎屑分维随耗能密度的增加而降低；当试样处于持续释能阶段，碎屑分维随耗能密度的增加而升高，此时轻微动力扰动即可导致煤岩失稳。研究丰富了煤岩瓦斯动力灾害诱发机制的基础理论，可为煤岩瓦斯动力灾害的监测、预警以及防治技术提供理论支撑。

• 微纳米气泡−表面活性剂协同强化驱替煤中瓦斯效应与机理

  陈勇, 王鹏飞, 刘荣华, 刘开新, 邬高高, 王新喆,

  为实现煤体瓦斯减阻增渗与强化驱替，基于微纳米气泡、表面活性剂与水介质共存特性获得了液气耦合介质，通过环管流量、旋转黏度表征了液气耦合协同增效特征，基于渗流瞬时流量、气测渗透率量化了微纳米气泡−表面活性剂协同强化驱替煤中瓦斯效应，借助达西渗流揭示了微纳米气泡−表面活性剂协同增效作用下驱替机理。结果表明：微纳米气泡−表面活性剂协同增效后，轴压/围压3、5 MPa渗流驱替时，相对蒸馏水介质，无烟煤瞬时流量分别增大1.61、2.44倍，气测渗透率分别增大1.61、2.39倍，长焰煤瞬时流量分别增大1.43、1.67倍，气测渗透率分别增大1.44、1.68倍；相对含表面活性剂介质，无烟煤瞬时流量分别增大1.08、1.21倍，气测渗透率分别增大1.08、1.13倍，长焰煤瞬时流量分别增大1.07、1.11倍，气测渗透率分别增大1.08、1.11倍。相同变质程度煤体在蒸馏水介质、含表面活性剂介质、液气耦合介质渗流驱替时，瞬时流量、气测渗透率逐渐增大，且长焰煤相对无烟煤呈现出更为明显的增强效应。随轴压/围压的增大，不同介质渗流驱替强度均呈现一定幅度的降低；但微纳米气泡−表面活性剂协同增效作用显现，相同载荷条件下，液气耦合介质渗流强度均大于蒸馏水介质与含表面活性剂介质，且不同轴压/围压之间的渗流差异明显缩小。微纳米气泡−表面活性剂协同增效衍生减阻性能与边界滑移，提供了瓦斯渗流驱替作用动力，基于孔隙渗流与边界滑移特征，将煤体内部孔隙结构类比圆管孔隙建立了减阻渗流模型，借助达西渗流表征了液气耦合介质对煤体注水渗流驱替界面特性与作用机制。微纳米气泡−表面活性剂液气耦合协同增效为煤层注水渗流驱替与增透抽采提出了新的技术方向。

• 煤自燃初期低温氧化产热特性及关键结构演变特征

  刘浩, 李增华, 王刚, 牛会永, 谭波,

  煤自燃初期氧化产热是导致煤自燃的根源，也是衡量煤自燃危险性最直接的评价指标。为了测定煤在自燃初期消耗单位氧气产生的氧化热，创新性地通过六通阀与定量环组合，精确控制向煤样罐中通入的空气量，并基于煤氧化热理论构建计算模型，测定煤在自燃初期不同条件下的单位耗氧氧化热。结果表明：在50 ℃恒温氧化条件下，LJ、WD、ZZ、XT 4种煤样消耗单位氧气产生的氧化热分别为66.94、40.76、42.82、23.31 kJ/mol。这一发现表明，煤自燃初期产生的氧化热远低于数值模拟中常用的氧化热数值300 kJ/mol，且变质程度最低的LJ煤氧化放热量最大，4种煤样都在氧化时间为40 s左右时达到了最大产热速率。为了分析自燃初期不同煤样的产热量呈现差异性的原因，通过低温氮气吸附试验测试煤样的孔隙结构，结果发现煤的孔隙结构不是决定煤氧化放热量差异的主导性因素，孔隙结构更发育只是有效促进了煤氧复合反应。而电子顺磁共振试验结果表明煤自燃初期氧化产热是由反应位点控制的动力学行为，煤样原生反应位点的数量是决定产热量的主导因素。初始氧化温度的升高使得煤中初始反应位点增多，也使得煤产生反应位点的速率加快。反应位点的本质为自由基，自由基浓度的增加速率决定了煤氧化反应的速率。

• 深部煤层(岩)气渗吸置换开发机理及其实践意义

  周立宏, 闫霞, 刘洪涛, 熊先钺, 王峰, 李曙光, 张纪远, 刘川庆, 胡雄, 袁朴, 马千理, 朱学光,

  鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气(又称煤岩气)先导试验水平井吉深6-7平01井首试大规模水力压裂，实现了重大突破，带动了全国深部煤层气勘探开发，已成为非常规天然气增储上产重要领域，但水力压裂除增强渗流能力外，其对甲烷产出作用机理尚未理清，现场试验代价高且存在一定盲目性，制约了深部煤层气技术攻关方向和高效开发。通过物理试验与理论模拟相结合方法，开展了深部煤润湿性特征与界面分子作用机制分析，采用在线核磁共振扫描、真实深煤大分子建模、水相侵入驱替分子动力学模拟、不同含水条件煤岩等温吸附、不同矿化度条件渗吸试验、扫描电镜等手段，揭示了深部煤层气压裂改造背后的“压驱−渗吸−置换”作用机理，证实在大规模水力压裂过程中已发生气水渗吸置换、吸附态甲烷转为新的游离气产出的客观事实，促成了深部煤层气井初期“游离气为主”高产现象。即大规模压裂除了煤层增渗作用之外，更重要的是相当一部分吸附气通过气水“渗吸−置换”转为“新的游离气”，与原始游离气一起，共同被驱替出来。研究结果表明：基于矿物分析、高温高压润湿性试验及深煤真实大分子建模测试，深部煤岩因亲水性黏土矿物充填及含氧官能团的存在，呈现宏观整体亲水、微观局部强亲水特性；基于等温吸附试验与高温高压在线核磁共振扫描试验，压裂液能够显著削弱甲烷与煤分子间作用力，含水率每增加1%，最大吸附量平均降低1.82 m3/t；在液气压差为5 MPa的条件下，压裂液即可侵入岩心驱替出70.84%的游离气，并通过竞争吸附置换出10.42%的吸附气，推测高压差条件下置换和驱替率将更高；基于分子动力学模拟，在高压差驱动下，压裂液侵入纳米孔隙产生活塞式驱替效应，促使吸附态甲烷转化为游离态，能够将97.8%的甲烷驱替出纳米孔隙；基于不同尺寸毛管力试验分析发现，当煤基质孔径小于5 nm后，气液毛管力呈现陡增趋势，在原位和压后增压条件下，2 nm的强亲水(润湿角30°)和弱亲水(润湿角70°)孔隙中的毛管力可分别超过40.1和15.8 MPa，形成强烈的渗吸驱动力；基于矿化度分析与渗吸试验，因压裂液和地层水间的高矿化度差异，形成化学势梯度导致的渗透压作用可进一步强化渗吸作用，渗吸量提升46.4%以上；基于不同尺寸煤岩解吸试验，煤岩越碎，越容易解吸，煤岩尺寸由1.3 cm增加到5.0 cm时，解吸到达平衡时间延长14倍以上，吨煤累产气量下降了15.6%；基于试验和模拟结果，揭示了深部煤层气大规模压裂过程中压驱−渗吸−置换机理，耦合了“造(延伸)缝−增渗、增大接触面积、连通微孔、自发渗吸+置换、加压渗吸+置换、高压驱替”等多种促产出作用，明确了深部煤层气井产气贡献4个来源及阶段主力贡献，并依此提出了构建“密织缝网+增强连通性”压裂工艺、差异化焖井以强化渗吸置换作用效能、适时注润湿反转剂以调控减缓水锁效应、控压延长高压排采期等4项生产策略，同时明确了下一步3大攻关方向。研究成果可为深部煤层气井压裂改造技术攻关、排采制度优化和提高单井产量提供重要科学理论依据。

• 煤基纳米功能材料的制备与应用研究进展

  李神勇, 秦身钧, 门长全, 侯佳佳, 吕大炜, 郑雪, 庞薇, 郝龙龙, 赵道远, 章少卓,

  我国“富煤、贫油、少气”的资源禀赋决定了煤炭在能源体系中的基础地位，但传统燃煤利用作为主要碳排放源，与“双碳”目标存在根本性矛盾。通过煤炭清洁高效利用实现高碳资源低碳化转型，既是保障能源安全的现实需求，也是培育新质生产力的战略路径。纳米材料因其独特的量子效应与表面特性，在电子信息、新能源、生物医药、环境治理等领域展现出独特优势。煤炭有机质中的稠环芳烃网络和无机组分(如硅铝酸盐)为功能材料构建提供了结构基元，前者通过定向碳重排可转化为零维碳量子点、二维石墨烯及碳纳米管等纳米碳材料；后者经矿相重构可合成分子筛、介孔材料等纳孔体系，其中未燃尽碳与无机灰分共存的“碳−灰复合体”为功能化设计提供了新思路。系统分析了煤基纳米材料的“结构−性能”调控机制，解析煤炭有机质分子构效关系及热化学转化路径对碳纳米材料维度的影响规律，发现碳纳米材料维度受煤变质程度主导，详细综述煤基纳米材料的制备技术及其在锂电池负极材料、电催化、污染物检测等领域的应用进展；阐明了煤基固废中硅铝矿相演变与纳孔材料合成机理，探讨硅铝基纳米级孔隙结构材料等在CO2捕集、重金属吸附等环境治理中的潜力。当前研究需突破原料组分非均质性导致的产物一致性差、酸碱处理工艺的环境风险等瓶颈，未来应聚焦分子尺度结构精准解析、多源固废协同转化、绿色制备工艺开发等研究方向。随着“原料替代”战略推进与纳米技术迭代，煤基纳米材料有望成为煤炭增值利用的新兴方向，为构建清洁煤基材料工业体系提供科技支撑。

• 热力耦合作用下深部煤层超临界CO2相态转变与渗透率演化规律

  姚宏波, 梁卫国, 韦婕,

  深部煤层封存CO2过程中，注入的超临界CO2随着运移距离的增加压力逐渐降低而转变为气态CO2，这种在煤体中发生相态变化的CO2被称为复合相态CO2。复合相态CO2在煤中的压力分布特征及渗透率是影响煤层封存效果的重要因素。传统的达西渗透率以假设气体压力是线性分布为前提。然而，复合相态CO2物理性质复杂，煤体内孔隙压力线性分布的假设可能不再适用。在ø100 mm×200 mm的圆柱形无烟煤试件上，研究了不同温度(40、55、70、85 ℃)和轴压/围压(25、35、45 MPa)条件下，复合相态CO2压力分布特征及渗透率演化规律。结果表明：① 煤体内部复合相态CO2压力呈先缓后急的非线性降低趋势。实际平均孔隙压力为注入压力的0.6 ～ 0.7倍，高于传统的达西渗透率的线性平均假设值。② 基于修正的平均孔隙压力计算得到的复合相态CO2渗透率值与传统达西定律计算值之间的差值随着轴压/围压和温度的升高逐渐减小至20%以下。③ 在煤体热膨胀、CO2解吸及黏度的综合影响下，复合相态CO2渗透率随着温度呈先降低后增大的变化趋势。④ 当超临界CO2注入时，随着孔隙压力的降低，内部渗透率呈U形变化，最小值出现在CO2相变区。气态CO2渗透率随着孔隙压力的升高而降低，而超临界CO2渗透率随着孔隙压力的升高而增大，这是吸附膨胀与有效应力共同作用的结果。

• 华北地台晚石炭世野火记录与间冰期气候变化联系

  王野, 邢志学, 杨敏芳, 王雷, 孙涛, 宋德邻, 邵龙义, 鲁静,

  当前，大量温室气体排放等人为因素造成的全球变暖，使表层地球气候正在逐步由第四纪的冰室期向间冰期或温室气候过渡，并伴随着不断增加的野火频率和强度。为了揭示古野火发育在冰室期气候变化中扮演的角色和作用，以晚石炭世冰室期气候的华北盆地柳江煤田的本溪组−太原组煤系为研究对象，利用泥岩干酪根组分中惰质组含量为古野火强度指标，进行了古野火发育与同时期大气CO2浓度、火山活动以及高纬度地区冰期−间冰期气候变化之间的对比研究。结果表明：研究区晚石炭世记录了3次野火增强时期(晚巴什基尔期/WF-1、晚莫斯科期—早卡西莫夫期/WF-2和晚格舍尔—早阿瑟尔期/WF-3)，这3次野火增强时期都处于晚石炭世冰室气候的间冰期阶段，并伴随着升高的大气CO2浓度和增强的全球火山活动。认为间冰期增强的野火是全球变暖的产物，同时又与气候变化呈相互促进关系。全球变暖通过使全球气温升高、水循环加剧导致频繁的闪电增加野火的数量和强度；而野火通过燃烧植被、氧化有机质和融化冰川−冻土，释放大量CO2等温室气体进入到大气，进而促进气候变暖。认为野火是冰室期造成表层陆地生态系统恶化的直接工具。研究对深入认识晚古生代冰室期冰川旋回对低纬度地区环境变化的影响及其驱动机制具有重要意义，可以为未来第四纪冰室期环境−气候变化预测提供一定的科学依据。

• 稠环芳烃加氢饱和催化剂活性调控策略研究进展

  荆洁颖, 田涛, 张雨, 李文英,

  作为煤焦油主要成分，稠环芳烃保留了煤中特有的多环结构，其加氢饱和产物环烷烃是高能量密度燃料的优质组分。然而，稠环芳烃自身结构的高稳定性、中间产物的空间位阻及竞争吸附阻碍了其吸附活化导致加氢饱和困难。系统分析了稠环芳烃加氢饱和反应特征，作为可逆放热反应，低温高压的反应条件有助于稠环芳烃加氢饱和，全氢产物具有较高的热力学选择性，但反应速率随着加氢程度的加深而降低。综述了催化剂中活性金属和载体的调控策略，活性金属与稠环芳烃间的吸附机制表明，适宜的缺电子结构有利于反应物的吸附活化，而活性金属的电子结构可通过金属载体间相互作用、掺杂其他原子促进电子迁移或晶格畸变及利用金属集团效应等方式调控。除了借助多孔结构充当活性金属的分散平台外，载体还能通过表面酸性、官能团功能化或缺陷工程等方式调控表面性质，实现反应物在载体表面富集与转化。总结发现，具有分散良好的缺电子活性金属和辅助反应物扩散吸附的载体的催化剂是稠环芳烃加氢饱和的关键。未来催化剂的设计研究应着重考虑以下3方面：煤焦油原料的复杂，反应中多组分稠环芳烃间的影响规律及针对影响规律的多功能催化剂的设计；溢流氢与载体表面上稠环芳烃的反应拓展了反应场所，L-H(Langmuir-Hinshelwood)机理无法直接应用导致催化加氢饱和途径和催化剂设计需重新审视；以及不同体系加氢饱和催化剂的失活机制与抗失活研究。

• 固溶体催化CO2加氢制甲醇催化活性和反应机理

  陈志远, 王宇宁, 周嘉斌, 龚杰松, 黄振辉, 艾兆, 李东方, 高文桂,

  固溶体催化剂应用于CO2加氢制甲醇研究具有较好的催化活性，得益于其固溶强化、晶格畸变和固溶体结构等性能的变化。固溶强化可以有效提高催化剂的热稳定性，能够在高温和高压的条件下保持稳定的催化性能。晶格畸变可以调整催化剂的电子结构和表面活性位点，增强界面结构间相互作用促进反应物分子的吸附和活化。固溶体结构可形成较多的氧空位和双金属位点协同效应，在高温活化CO2的过程中，使反应的关键中间体更加稳定，从而有效抑制CO的生成。CO2加氢制甲醇反应机理的争议主要集中在甲酸盐物种(HCOO*)和羧基物种(COOH*)2种中间体上。其中，固溶体催化剂更倾向于甲酸盐机理，认为甲酸盐(HCOO*)和甲氧基(CH3O*)是反应的关键中间体。镓锆、铟锆和锌锆是最为常见的3种固溶体催化剂，针对这3种催化剂CO2加氢制甲醇催化活性和反应机理进行总结。最后对固溶体催化剂在CO2加氢制甲醇领域存在的问题的进行了探讨和展望。

• 交叉筛透筛率影响因素及其智能预测模型

  赵啦啦, 徐峰, 段晨龙, 郭辰昊, 汪维, 江海深, 乔金鹏,

  湿黏细粒原煤的干法深度筛分是实现煤炭高效洁净利用的关键技术之一。交叉式细粒滚轴筛(交叉筛)是一种新型干法深度筛分设备，有效解决了传统干法筛分设备易出现“筛面堵孔”等问题。针对筛分过程的数学模型和DEM(Discrete Element Method)模型均存在难以准确预测实际筛分性能的问题，基于机器学习方法对交叉筛的透筛率智能预测模型进行了研究。利用斯皮尔曼相关系数矩阵热力图分析了给料率、外水含量、筛面倾角和筛轴转速4个特征变量与透筛率之间及各特征之间的相关性，分别基于线性回归(Linear Regression, LR)、支持向量机(Support Vector Machine, SVM)、决策树(Decision Tree, DT)和随机森林(Random Forest, RF)算法建立了4种交叉筛透筛率智能预测模型，并结合粒子群算法(Particle Swarm Optimization, PSO)对支持向量机、决策树及随机森林3种模型进行超参数组合优化，得到模型的最佳参数组合并提高了模型的预测性能和泛化能力。利用拟合决定系数R2(Coefficient of Determination)、均方误差EMS(Mean Square Error)和平均绝对误差EMA(Mean Absolute Error)3个评价指标，比较了各模型的预测性能。其中，PSO-SVM预测模型性能最好，对数据的拟合能力最强，其评价指标R2达到了0.976 1，且预测的结果与实际值的误差最小，相应的评价指标EMS和EMA分别为3.110×10−4和1.353×10−2。LR模型的预测性能最差，其评价指标R2仅为0.722 2，且预测的结果与实际值的误差最大，EMS和EMA分别为1.320×10−3和3.137×10−2。此外，相比于LR模型，添加L1和L2正则化获得的模型预测准确率分别提高了20.26%和4.43%。研究结果为建立交叉筛的透筛率机器学习智能预测模型提供了参考，为分析交叉筛的特征变量对透筛率的影响机理提供了新方法，为实现交叉筛的智能化控制及结构优化提供了理论依据。

• 垃圾焚烧炉水冷壁材料20G钢在硫氯气氛下的腐蚀特性

  周寅聪, 熊小鹤, 谭厚章,

  受热面高温腐蚀泄露严重威胁垃圾焚烧炉安全运行，腐蚀性元素S和Cl在其中发挥着重要作用，但H2S和HCl在与合金及氧化膜反应中呈现着不同的理化特性和腐蚀特征。由此，进行了气相腐蚀动力学实验，对比了不同温度、浓度气氛下高温H2S腐蚀和HCl腐蚀的速率差异，并基于Pilling-Bedworth理论对腐蚀深度模型进行优化，优化后的模型可以对不同气氛下的腐蚀深度进行预测，进而在一定程度上用于垃圾焚烧炉管壁材料的生命周期计算。气相动力学实验结果表明：在450 ℃和550 ℃下，H2S的腐蚀速率大于HCl。而在650 ℃下，虽然反应刚开始H2S腐蚀速率较大，但72 h后，HCl腐蚀速率开始大于H2S腐蚀速率。H2S和HCl腐蚀速率与温度呈现正相关性，温度越高，腐蚀速率越大。H2S腐蚀反应的平均活化能为22.8 kJ/mol，低于HCl腐蚀反应的平均活化能(52.0 kJ/mol)，但HCl腐蚀反应对温度更敏感，随着温度升高，HCl腐蚀速率增加幅度明显快于H2S。H2S腐蚀速率与浓度呈现正相关性，H2S浓度越大，腐蚀越快，但HCl腐蚀速率与浓度没有显著相关性。此外，氧气对于H2S、HCl的腐蚀速率存在协同作用。氧气存在情况下，H2S和HCl的腐蚀速率与无氧气情况相比明显变大，腐蚀速率增幅平均为52.5%。腐蚀产物的表征分析发现H2S和HCl主要通过点蚀的方式渗透进入铁基体，样品表面主要成分为铁的氧化物，H2S和HCl腐蚀产物分别为FeS和FeClx。

• 浮选颗粒−气泡湍流脱附机理与试验技术方法研究进展

  丁世豪, 史文庆, 陈宏基, 徐梦迪, 桂夏辉, 邢耀文,

  浮选是细粒矿物及煤炭提质除杂的重要方法，但其分选过程存在明显的尺寸效应，其中湍流诱发颗粒−气泡脱附是导致浮选存在分选粒度上限的主要原因。为了提高浮选粒度上限，强化粗粒浮选效果，颗粒−气泡脱附研究一直是领域内的热点与难点。从颗粒−气泡准静态脱附理论、湍流脱附机制以及试验技术方法3个方面对颗粒−气泡脱附研究现状进行了系统综述。目前颗粒−气泡法向脱附机理已经形成广泛共识，毛细力是维持颗粒−气泡矿化气絮体稳定的主要作用力，颗粒−气泡脱附可分为气泡拉伸变形、气泡滑动收缩及气泡颈缩断裂3个阶段。同时，颗粒−气泡湍流脱附机制认识已日趋系统，颗粒的离心运动、气泡的变速运动以及气泡的振荡是引起颗粒−气泡脱附的主要机制。此外，脱附力测试技术、高速动态摄像技术、粒子图像测速技术及数值模拟等试验方法的综合运用，形成了一个涵盖“脱附力测试、界面行为捕捉、流场解析和过程仿真”的综合研究体系，极大地推动了颗粒−气泡脱附研究向更微观、更深层次的方向发展，为揭示浮选颗粒−气泡湍流脱附机理提供了充足可靠的试验保障。最后提出了未来颗粒−气泡脱附研究的发展方向，包括不同分离角度下毛细力数学模型构建、湍流诱发颗粒−气泡脱附能量作用机制及多元湍流涡协同诱导多颗粒−气泡脱附机制研究。上述关键科学问题的解决不仅有助于完善脱附理论，还将对提高浮选粒度上限和强化粗颗粒浮选具有重要指导意义。

• 论“运输就是运流量”的学术思想

  马宏伟, 毛清华, 薛旭升, 王川伟, 王鹏, 聂珍, 段优优, 司马俊雷, 柴建权, 陈彦璋,

  煤矿连续运输是煤矿开采的关键环节，是实现煤矿安全、高效、智能、绿色开采的重要组成部分。深入分析了连续运输系统在煤流检测、节能控制、设备全生命周期管理和多系统协同控制等方面的研究现状，指出了连续运输系统存在的能耗大、监测难、协同性差、智能化程度低等关键技术问题。为了不断提升煤矿连续运输系统的智能化水平，提出了“运输就是运流量”的学术思想，定义了学术思想的内涵，构建了学术思想的逻辑架构，凝练了煤矿连续运输系统智能化的四大关键技术，给出了基于煤流量的连续运输系统四大关键技术及其解决方法。建立了煤矿连续运输系统各节点煤流量检测模型，提出了多信息融合的煤流量检测方法，构建了煤流量数据库，实现了连续运输系统数字化，奠定了连续运输系统智能化的坚实基础；建立了基于煤流量数据的连续运输设备智能调速模型，制定了“煤多快运，煤少慢运，无煤停运”的节能调速控制策略，提出了基于煤流量的神经网络自适应速度控制方法，实现了连续运输设备节能高效运行；建立了基于煤流量数据的连续运输设备全生命周期智能维护与健康管理模型，提出了以过煤量数据预测设备状态信息的智能维护方法，确保了连续运输设备安全、稳定、持续、高效运行；建立了基于煤流量数据的多连续运输设备协同控制模型，提出了基于“时效−能效”的速度和煤流量匹配方法，实现了多连续运输设备高效协同运行。“运输就是运流量”的学术思想已在陕煤、宁煤等煤矿得到应用，实现了多个连续运输系统节能调速与协同运行，提升了煤矿多连续运输系统的安全性、高效性、可靠性和智能化水平。

• 融合综采装备姿态约束的采煤机截割路径规划方法研究

  宋述阳, 王世博, 王赟, 王丽杰, 宋栋帅,

  采煤机截割路径规划是实现综采工作面智能化开采的关键问题之一。现有的采煤机截割路径规划技术对综采装备在截割空间的适应性考虑不全，缺乏综采装备对截割顶板和底板、工作面方向与工作面推进方向4个维度约束的综合考虑。针对此问题，提出一种融合煤层地质特征和综采装备姿态多维约束的采煤机截割路径规划方法。首先根据综采工作面开采工艺要求，建立了以液压支架、刮板输送机与采煤机姿态为约束条件的工作面截割空间约束模型，实现煤层顶底板异常区域搜索。然后构建以最小割矸量、最小漏采量为优化目标，以液压支架、刮板输送机与采煤机在截割空间的通过性与姿态限制为约束条件的异常区域优化模型，利用NSGA-Ⅱ算法求解最优截割路径。仿真试验结果表明：规划后整体割矸率为0.11%，采煤率可达99.78%，煤层顶底板截割规划路径平滑可靠，在煤层断层处，沿工作面与工作面推进方向截割规划路径均消除了断层现象，综采装备布置姿态得到有效改善，刮板输送机中部槽垂直弯曲度最大值由18°优化至2.5°，液压支架俯仰角由−10°～35°优化至−12°～8°，液压支架横滚角由0°～25°优化至−4°～12°，液压支架顶梁间距由−0.7～0.8 m优化至0～0.18 m，液压支架顶梁俯仰角由−20°～20°优化至−4°～4°，液压支架歪斜角度由−40°～40°优化至−5°～2°。所建立的方法能够实现在三维地质模型的基础上进行采煤机截割路径规划，有效提升采煤率、降低割矸率并且提升综采装备在截割空间的适应性，为智能化综采工作面高效常态化运行提供了可借鉴的技术手段。

• 基于深度学习的煤矿钻进机器人送钻位姿测量方法

  罗江南, 李建平, 江红祥, 张德义,

  井下钻孔是一种常用的施工方式，需要反复进行钻杆的装卸。为了实现钻杆的智能装卸，送钻位姿的测量尤为重要。然而，煤矿井下的复杂环境中，存在多尘多雾且光照多变的情况，使得传统方法的识别能力难以满足要求。此外，送钻时钻杆并没有安装在钻机上，直接测量不切实际。针对煤矿井下送钻位姿难以测量的问题，提出了一种基于深度学习的送钻位姿测量方法。该方法由基于改进的PointNet++分割模型和基于动力头与夹持器点云配准两部分组成。首先，为应对目前公开的钻机点云数据集规模不足的问题，搭建钻机点云获取平台，使用3D相机在夜间采集钻机点云数据。采集时，光照完全来自LED灯，以模拟井下光照不均的情况。为了模拟多尘多雾的井下环境，在点云数据中增加椒盐噪声，并在建立标签时将噪声单独分类，以达到去噪效果。其次，在PointNet++的基础上集成生成对抗网络以捕捉更复杂和微细的点云特征；同时，采用聚焦损失函数，提高模型对动力头和夹持器的关注度，并使用贝叶斯参数优化算法进行超参数调整。然后，使用点特征直方图(FPFH)和迭代最近点(ICP)算法对被测点云进行配准，以得到被测点云至源点云的转换矩阵；最终，确定送钻位置和方向向量，并以此定义送钻位姿。为了对所提方法的测量精度进行评估，采集6组钻杆安装在钻机上的钻进场景点云，通过Cloud compare软件手动分割，测量钻杆位姿。在自建数据集上的实验结果表明，改进的PointNet++模型在交并比(IoU)和分割精度(Precision)方面分别提升了17.7%和37.8%。其中，对于动力头和夹持器的IoU分别提升了34.9%和60.3%。在送钻位姿测量方面，平均距离误差为6.39 mm，径向距离误差为5.34 mm，平均角度误差为1.6°。因此，所提出的送钻位姿测量方法是可行的，在煤矿钻杆装卸的智能化领域具有潜在的应用价值。

• 综采工作面对讲系统非平稳噪声低功耗去噪方法

  杨艺, 谭晓, 常亚军, 王科平, 刘斌斌, 王田,

  综采工作面语音对讲系统面临严重的非平稳噪声干扰。在功耗限制条件下，实现对讲系统的超低信噪比语音去噪，是确保工作面语音信息正确传输的核心技术之一。基于IMCRA算法，提出一种面向综采工作面语音特点的非平稳噪声去除方法MIMCRA。其中，针对先验信噪比估计延迟导致的非平稳噪声估计不准的问题，引入改进2步噪声去除方法。即利用前一帧的先验信噪比和当前帧的纯净语音来滚动估计当前帧的先验信噪比和下一帧的纯净语音，实现了先验信噪比实时估计。针对固定平滑因子对含噪功率谱进行平滑处理容易引起噪声过估计，从而导致语音信息难以提取的问题，引入帧−频动态平滑因子调节机制。以平滑功率谱密度和噪声功率谱密度的最小均方差为依据，对含噪语音的功率谱实现动态平滑处理。针对信噪比过低，噪声去除不彻底的问题，提出一种面向弱语音分量保护的噪声存在概率检测机制。根据2～4 kHz频率范围内，噪声与弱语音能量分布的统计特性差别，对去噪后的信号再进行噪声检测，并消除存在的残余噪声。对比试验结果表明：当输入语音信噪比为−5～10 dB时，MIMCRA算法与IMCRA算法相比，分段信噪比提高约3 dB，分段误差降低约0.3，对数谱距离降低约0.2。特别当语音信噪比为−5 dB时，MIMCRA算法仍然能将分段信噪比提高到−2.799 5 dB，表明该算法对超低信噪比含噪语音有较强的去噪能力。MIMCRA算法在郑煤机最新研发的综采工作面对讲系统中实现了低功耗部署，芯片功耗为16.5～66.0 mW；处理32 ms帧长的语音帧耗时约16 ms，达到实时性要求。