煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第8期

• 深部煤炭地下气化产气机制及影响因素

  刘淑琴, 王炜彬, 刘岳明, 戚川, 杨瑞召, 刘金昌, 畅志兵,

  深部煤炭地下气化(UCG)作为一种极具潜力的原位转化技术，通过将地下煤炭转化为富氢气体(如H2、CH4等)，为能源低碳化转型提供了重要途径。随着我国煤炭开采深度的逐年增加，深部煤炭资源的高效开发成为保障能源安全的关键。然而，深部UCG面临高气化压力、高地应力及复杂水文地质条件等挑战，亟需深入探究其产气机制与稳定性控制因素。从深部煤炭地下气化产气反应、气化稳定产气影响因素、燃空腔发育演化及约束机制3个方面综合分析深部UCG产气机制及影响因素，并对未来研究方向进行展望。研究表明：深部UCG的产气过程具有非稳态、非均匀性及热量—质量反向传递特征，其产气反应由煤的热剥落、煤的热解、半焦还原及均相反应共同驱动。高压条件促进产物中CH4的生成而抑制H2的产生；稳定产气过程主要受煤炭性质、煤层赋存特征、气化剂、燃空腔演化和地下水的影响，燃空腔的形成及地下水的侵入是影响深部UCG重要的因素。气化过程中干馏和氧化反应生成的水分以及渗入的地下水会使煤的结构特征发生改变，影响地下气化炉的连续稳定运行。燃空腔空间的动态演化，导致腔内的热量传递、质量传递及动量传递复杂多变，产气稳定性变差；燃空腔的扩展受煤体燃烧速率、氧气流速以及煤体剥落的显著影响，气化剂注入点后退可以约束燃空腔演化过程，多物理场耦合作用显著影响气化反应动力学、燃空腔扩展特征，并最终决定合成气的组分与产量。未来针对深部高压、高地应力特征，仍需系统研究深部高反应气体压力影响下典型多相反应的复杂动力学特征，深入揭示深部煤炭气化稳定产气影响因素及控制机制，以完善深部煤炭地下气化基础理论，为深部UCG工程运行及稳定产气提供理论指导。

• 基于汽氧比优化与阶段性气化反应分析的煤炭地下气化过程

  苏发强, 李雯, 李郊源, 陈艳鹏, 陈浩, 刘亚洲, 廉松傲, 石晨阳, 余伊河,

  在煤炭地下气化(UCG)研究中，引入水蒸气作为气化剂能显著提高可燃气体生成量，并推动煤炭清洁利用技术的进步。研究了煤炭地下气化过程中汽氧比变化对生成气体组分的影响，通过能量回收评价，分析了汽氧比的变化对煤气热值和煤气的热值与碳的燃烧热之比，即对气化效率的影响。在此基础上，将气化过程划分为理想气化阶段和二次转化阶段，考察了氧过剩量和气化过程中实际发生的反应与理想气化反应之间的偏差量对生成气体和热值的影响。结果表明：汽氧比的变化显著影响生成气体中主要可燃组分(CO+H2)的体积分数。当汽氧比从1.5∶1.0增至2.0∶1.0时，生成气体中(CO+H2)的体积分数随汽氧比的增加而增加，在汽氧比为2.0∶1.0时，达到最大值62.39%，H2体积分数稳定在约30%，气化效率和煤气热值均达到最大。但当汽氧比超过2.0∶1.0后，主要可燃气体的体积分数将会下降。通过分阶段分析，发现当氧气供应量超过了理想气化反应所需的氧气量时，会导致反应生成的可燃气体与过量氧气发生二次反应，生成了低热值的CO2，降低了气体的热值。而在偏差量增大时，水煤气反应和水煤气变换反应变得更加剧烈，导致生成气体中的(CO+H2)的体积分数增多，热值变大。但当水蒸气供应过多时，过量的水蒸气会降低反应温度，抑制水煤气反应，导致偏差量减小，从而减少了生成气体中CO和H2的体积分数，使得热值下降。因此，试验中应适度降低氧过剩量以减少CO2生成，同时适量增加水蒸气供给，提高偏差量，促进水煤气反应，提高气化效率和煤气热值。

• 高温作用下煤炭地下气化覆岩表面变形及破裂特性

  辛林, 王欣, 王若男, 杨敏, 李华龙, 徐伟豪, 尚振杰, 刁垌彤, 牛茂斐,

  煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)过程中，原位煤层经高温热解和气化作用不断被消耗转化为煤气并形成燃空区。燃空区顶板覆岩承受高温及开采引起的应力集中作用，热–力耦合效应显著加剧了围岩失稳风险，影响UCG进程的稳定性。以鄂尔多斯市上海庙矿区煤层顶板砂岩为研究对象，对高温热处理后的标准砂岩试样进行单轴压缩试验，结合声发射(AE)技术和数字图像相关(DIC)技术，探究试样内部AE信号和表面变形特征，揭示砂岩热–力耦合作用下的破裂机理。结果表明：① 砂岩的力学特性呈现显著的温度依赖性，弹性模量在温度达到200 ℃以后呈递减趋势，单轴抗压强度在温度为600 ℃时达到最大值54.51 MPa，对比常温状态下单轴抗压强度增加了57.8%，二者呈现弹性模量峰值先于抗压强度峰值的非同步响应。② 通过DIC技术观测发现，高温下应变场局部化现象加剧，温度为600 ℃时主控裂纹由试样内部向边界迁移，破坏范围扩大。③ 砂岩试样加热温度为200～1 000 ℃时，压密阶段到屈服阶段以拉伸裂纹为主，峰后破坏阶段以剪切裂纹为主，温度为600 ℃时剪切裂纹活跃度最高。④ 峰后阶段声发射b值呈现快速波动下降，以中、小尺度破裂为主，b值快速下降阶段早于砂岩试样最终破坏阶段。将AE和DIC技术相结合，形成宏、微观互补优势，当b值连续下降至该类岩石临界阈值且表面应变集中时，触发预警信号，通过调整气化参数等措施以防塌陷，研究可为UCG围岩稳定性控制、破坏预警以及温度场调控提供科学依据。

• 地下气化过程中煤体孔隙结构演化的核磁共振研究

  薛熠, 滕腾, 王林潮, 高峰, 刘冠男, 高亚楠,

  在全球能源结构转型与“双碳”目标背景下，煤炭地下气化(UCG)被广泛视为深部难采煤资源实现原位高效转化与清洁利用的战略路径。UCG过程中，煤体结构在高温及多阶段化学反应(如干燥、热解、气化、氧化)作用下持续演变，孔隙结构的变化对气化剂渗流行为与合成气产率具有重要影响。为揭示热作用条件下煤体孔隙结构的响应机制，基于低场核磁共振(NMR)技术，系统研究了不同气氛(氮气与空气)及加热温度(200、300、400 ℃)对煤样孔隙率、孔径分布与孔隙连通性的影响规律。结果表明，热作用促进孔隙的扩展和连通，表现为横向弛豫时间谱峰值整体增强，尤以中孔与大孔增幅最为明显。相同温度下，空气气氛下热作用效果优于氮气气氛。空气气氛下热作用提高了煤样的孔隙率，其增长率高于氮气气氛，在400 ℃时，空气气氛下孔隙率增长率达到90.04%，远高于氮气气氛下的65.24%。同时，随着热作用温度的升高，煤样的孔隙结构发生了显著变化，微孔的占比下降，中孔和大孔的占比增加。热作用促进了孔隙连通性的增强，有利于提升煤体渗透能力。在空气气氛下，400 ℃时煤样的有效孔隙率达到19.17%，占总孔隙率的75.56%，高于氮气气氛下的15.56%，占比70.53%。此外，随着热作用温度的升高，大孔和中孔的分形维数呈下降趋势，表明热作用处理使煤样的孔隙结构更加规则，连通性与渗透性同步增强。在空气气氛下的热作用处理过程中，煤样经历了干燥、气化和燃烧等多个阶段，导致其内部结构破坏更为严重。

• 水蒸汽与氧协同注入气化–热解无烟煤宏观渗流与细观结构演变

  王磊, 王磊, 康志勤, 孙丁伟, 贾毅超, 孟巧荣, 杨栋,

  为了研究煤炭水氧气化−热解反应过程中井网之间不同区域内煤层破裂规律与渗流演变特征，进行了水蒸汽与氧气协同气化−热解无烟煤的长距离反应试验，对距注热端不同距离的气化−热解煤样进行了宏观渗透率测试，通过高分辨率显微CT技术对煤样进行了细观物理结构表征，并借助专业图像处理软件对煤样的三维孔裂隙结构进行重构与统计，明确了无烟煤水氧气化−热解的物理改性特征。研究表明：注热端附近无烟煤失重率可达60%，渗透率高达3.42×10−15 m2，远高于初始渗透率(10−19 m2量级)，而距注热端较远处无烟煤失重率不到20%，渗透率为1.26×10−15 m2。整体上，从注热端到产气端无烟煤渗透率逐步降低，呈显著的Logistic非线性变化趋势，但最低渗透率亦可达初始无烟煤渗透率的8×103倍，这就为后续的气化−热解反应提供了更好的反应界面，无烟煤的气化或者热解反应、煤体内部的热应力效应、矿物质变化以及分解产物的排采共同作用致使无烟煤内部大量孔渗通道发育。将煤体内部细观裂隙结构划分为大裂隙、中裂隙和小裂隙3种级别，大裂隙的数量要远少于中裂隙和小裂隙，但其体积却远高于其他2种裂隙，整体上，不同区域煤体内部大裂隙占比处于88%～97%间，占绝对主导作用。从注热端附近的高温区(715～820 ℃)到产气端附近的低温区(410～535 ℃)，煤体孔隙度逐渐降低，其变化趋势与渗透率变化趋势趋于一致，高温裂隙系统的高度发育提升了煤体的孔隙度，进一步通过增强孔隙连通性提高了渗透率。本研究进行了从注热井到生产井热流体注入−煤氧化还原反应−煤热解反应−产物排采全流程的实验室模拟，对深部煤炭原位水氧气化产气过程的理解和技术优化具有现实意义。后续围绕提升气化温度、开展多次注氧循环、拓展煤种与粒径对比实验等方面，深化对煤体在高温水氧环境下物理改性与渗流演化机制的理解。

• 煤炭地下气化关键特性多尺度研究进展

  胡卓成, 姚军, 孙海, 李龙龙, 安国强, 武召辉, 闫霞,

  煤炭地下气化(Underground Coal Gasification, UCG)作为一种清洁高效的煤炭开发利用技术，具有广阔的应用前景。从多尺度视角出发，系统探讨了UCG技术的“五多”特性(多相、多组分、多物理场耦合、多尺度、多流动模态)及其研究进展。在分子(纳米级)尺度上，通过试验和分子动力学模拟方法，揭示了煤炭热解和气化过程中的反应路径及机理，明确了气化剂类型、煤阶、灰分等因素对反应速率和产物组成的影响。在孔隙(微米～厘米级)尺度下，研究了高温和气化反应对煤体孔隙结构和物性演化的影响，在煤炭被加热的过程中，骨架逐渐软化，裂缝不断发育，孔隙相互连接，挥发分和焦油逐渐析出，强度持续降低。实验室(米级)尺度的研究通过构建与原位UCG相似的物理化学环境，开展物理模拟试验，重现了气化过程中的关键现象，如温度场、压力场变化、气化腔结构和气体产物生成，研究表明运行压力、气化剂注入方式、煤阶等因素对合成气热值和组分有显著影响。在矿场(百米～千米级)尺度下，数值模拟方法成为优化UCG方案的重要工具，热−力耦合和热−流−固−化耦合的数值模拟研究揭示了气化过程中气化腔体的稳定性、岩层变形、特征场发展、气化腔拓展以及合成气生成与运移规律，为优化UCG工艺参数、提高气化效率和安全性提供了理论支持。然而，UCG技术仍面临诸多挑战，包括“多相”“多组分”反应和赋存机理复杂、“多物理场”耦合特征的演化规律不清晰以及“多尺度效应”和“多流动模态”的综合影响。未来的研究应进一步加强多尺度下的基础研究，加强对超高温、高压、高应力环境下的多相多组分流体生成与运移过程探索，发展跨尺度关联方法，完善多物理场耦合机制，充分考虑多流动模态影响，综合考虑气化期高效生产与闭井期污染防控全周期协同影响，以推动UCG技术的工业化应用和可持续发展。

• 煤炭地下气化数值模拟技术框架与研究进展及展望

  东振, 孔令峰, 陈艳鹏, 张梦媛, 薛俊杰, 赵宇峰, 任博, 蔡承政, 邓泽, 陈浩,

  煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)是一项具有发展潜力的煤原位转化清洁技术，数值模拟是研究复杂气化过程的有效手段。经过近50 a发展，UCG数值模拟技术取得了丰硕科研成果，但目前仍不成熟，成为制约UCG产业化的主要技术短板之一。为加快国内UCG数值模拟技术发展，更好地服务现场试验，提出了UCG数值模拟技术框架，阐述了气化过程的热物理化学行为，综述了国内外主要研究进展和最新成果，并指出了存在问题和攻关方向。研究表明：① 气化过程涉及的物理化学反应多、时间和空间跨度大、传质传热过程复杂，导致UCG数值模拟技术极具挑战性，从研究时间看，UCG数值模拟技术的发展可划分为3个阶段，虽与现场试验相比具有一定滞后性，但气化过程并非不可预测的“黑盒子”。② UCG的科学本质是“变空间的三传一反”问题，气化产物与气化腔扩展预测是数值模拟的主要任务之一，气化腔扩展机制包括化学反应消耗、煤剥落和顶板破坏坍塌，气化腔内流体流动主要由温度差和浓度差引起的双扩散自然对流控制，辐射传热处于热量传递的主导地位，碎石与煤灰的渗透率比值对气化腔形态发育具有较大影响。③ 填充床模型、通道模型和煤块模型分别在产物预测、气化腔扩展预测和干燥锋面、燃烧锋面跟踪方面具有优势，过程模型将气化涉及的主要物理化学现象通过不同功能模块刻画，是实现复杂气化过程模拟的可行策略，计算流体动力学模型近年来发展较快，是目前主要的模拟手段。④ 未来UCG数值模拟技术会向着更精准、更系统、更高效、更智能的方向发展，亟须尽快解决大尺寸块煤化学反应动力学问题、多功能一体化集成问题，离散元方法和连续介质方法的耦合问题，矿场尺度的三维地质建模问题，数值模拟技术与人工智能的融合问题。随着数值模拟技术不断发展完善，必将在UCG产业化进程中发挥更大的技术支撑作用。

• 超临界二氧化碳浸泡作用下烧变长焰煤力学性质演化规律试验研究

  李怀展, 唐超, 郭广礼, 陈福, 查剑锋, 曹景春, 李锐恒,

  煤炭地下气化耦合二氧化碳封存为煤炭行业实现“碳达峰”“碳中和”目标提供了新的途径。然而超临界二氧化碳封存扰动下烧变煤体力学性质损伤可能引起隔离煤柱失稳，易诱发二氧化碳泄露风险甚至造成工程失败。针对目前缺乏超临界二氧化碳对烧变煤力学性质影响的研究，以长焰煤为研究对象，利用自制的超临界二氧化碳饱和增压装置，开展了烧变长焰煤的超临界二氧化碳浸泡力学试验。研究结果表明：① 随着温度的升高和超临界二氧化碳浸泡时间增加，烧变煤样的单轴抗压强度减小，温度对烧变煤样单轴抗压强度影响更大；② 超临界二氧化碳浸泡时间与温度使烧变煤样弹性模量降低，两者与弹性模量总体呈负相关关系，烧变煤样弹性模量对温度影响更为敏感；③ 烧变煤样抗拉强度随着温度以及超临界CO2浸泡时间的增加而减弱，温度作用下烧变煤样抗拉强度变化更为剧烈。结合力学试验数据，建立了温度、浸泡时间和烧变煤样抗压强度、弹性模量、抗拉强度的关系函数，并利用XRD(X-RayDiffraction)与SEM(Scanning Electron Microscope)揭示了超临界二氧化碳浸泡作用下烧变长焰煤弱化机理。

• 基于模糊评价-BP神经网络的煤炭地下气化选址模型研究——以新疆阜康矿区为例

  蔚雨, 杨曙光, 张娜, 李鑫, 王海超, 桑树勋, 曾志伟, 田继军, 来鹏, 陶建, 刘韫碹,

  煤炭地下气化(Underground Coal Gasification，UCG)技术作为我国天然气增储升产的战略替代方案，其安全高效开发高度依赖于精准的地质评价与选址，但传统UCG选址方法主观性强、时效性差。针对上述问题，以新疆阜康矿区26个煤矿的162组煤层数据为研究对象，在全面总结前人概括的UCG地质影响因素基础上，构建了涵盖建炉可行性、过程易控性等4项一级指标；井壁稳定性、轨迹可控性等9项二级指标和坚固性系数、煤层厚度等30项三级指标的评价指标体系；同时利用层次分析法和模糊评价法对各组煤层进行了综合地质评价，识别出了各煤矿中具备UCG开发潜力的最有利煤层；基于各组煤层的评价结果，引入BP神经网络构建了模糊评价-BP神经网络UCG选址模型；最终为验证模型的可靠性与高效性，进一步选取阜康矿区康龙煤矿作为典型案例进行实证分析。结果表明：煤层厚度(权重占比17.99%)、煤层倾角(7.33%)、褶皱复杂程度(7.26%)等地质因素是影响UCG选址的关键指标；35-36号煤在研究区UCG有利煤层中占比最大，达19.23%；模糊评价-BP神经网络模型通过输入标准化的地质参数数据，可快速生成选址适宜性评估结果，实现对其他复杂地质条件的空白评价区域进行快速准确的UCG选址。研究结果有望丰富UCG选址体系与选址方法，并为新疆难开采煤炭资源的清洁开发提供思路。

• 断层滑移诱发巷道冲击试验与模拟研究

  王学宁, 康红普, 高富强, 王晓卿, 柏建彪, 杨磊, 原贵阳, 李建忠,

  断层滑移型冲击地压对煤矿深部安全高效开采造成严重威胁，探究断层滑移诱发巷道冲击破坏的控制因素和本质机理对灾害防控具有重要意义。基于自主研制的煤矿巷道断层滑移型冲击地压试验系统，研发了低强高脆模型材料并制备了断层滑移型巷道冲击物理模型，提出了断层滑移的加载方法，成功再现了断层滑移诱发巷道冲击破坏全过程的地质灾害现象，辅以数值模拟揭示了断层滑移型巷道冲击地压机制。结果表明：① 低强高脆模型材料以水玻璃为主胶结剂，试样平均单轴抗压强度为7.40 MPa，黏聚力为3.35 MPa，冲击能量指数为18，弹性能量指数为9.2，在单轴加载条件下能发生弹射、飞溅等典型的动力破坏，适用于模拟断层滑移型巷道冲击地压。② 采用“先巷道临界加载–后断层激活加载”方案，实现了断层滑移型巷道冲击地压全过程的试验模拟。断层滑移过程具有显著的黏滑特征，对应巷道呈间歇性冲击破坏，且冲击破坏过程极其短暂。巷帮小颗粒弹射为巷道冲击破坏的显著前兆特征。③ 断层滑移型巷道冲击地压全过程的发生机制为：断层在剪断过程中锁固结构发生渐次破断激发震动波—震动波呈衰减方式传播至巷道围岩—震动波诱发高应力巷道围岩应变能释放发生冲击破坏。④ 断层滑移激发的震动波是断层滑移型巷道冲击地压的直接触发因素，断层滑移型巷道冲击地压发生的主要能量来源于巷道围岩释放的应变能，其中30%转化为滑动摩擦能，用于裂隙扩展使岩体破碎，5.6%转化为冲击动能，用于破碎块体弹射冲出。

• 含导水断层的煤层防隔水煤(岩)柱留设优化计算

  于小鸽, 罗文娜, 徐东晶, 项杰涛, 张宁,

  在近断层煤层开采中，断层活化沟通含水层时常诱发矿井突水事故，影响煤矿安全生产，因此，合理留设防隔水煤岩柱的宽度对矿山断层突水的防治工作具有重要意义。《煤矿防治水细则》对各种情况下的断层煤岩柱的留设进行了详细的阐述，给出了断层在导水情况下的煤岩柱留设计算公式，但是面对断层下复杂承压水的威胁，现有的防隔水煤(岩)柱计算公式还不够完善，计算结果还不够精确。为优化防隔水煤柱留设宽度问题，针对导水断层与煤层产状的空间关系及承压水的导水机制，结合承压水导升的水力学分析，根据恒定总能量方程建立了裂隙水流运动模型，分析断层导水过程中的渗流速度、压强与能量损失之间的关系，推导出承压水在断层通道内导升至任意位置的水压计算公式，进而对《煤矿防治水细则》中断层导水条件下的防隔水煤岩柱留设计算方式进行优化。以山东翟镇煤矿七采区近DF3断层待开采的F7202W工作面为工程实例，利用优化前后的公式计算煤柱留设宽度，对比计算结果表明：《煤矿防治水细则》原有计算公式没有考虑承压水导升的水压影响，将煤层底板水压理想化且根据煤层底板位置取水压估值，计算得出DF3断层煤岩柱宽度为117 m。经优化后的计算方法结合七采区各工作面奥灰含水层实际突水数据，计算得出各工作面的稳定流速，根据奥灰含水层突水的最大稳定流速，利用优化公式计算防隔水煤柱宽度为108 m。通过COMSOL Multiphysics建立三维流−固耦合数值计算模型，模拟了翟镇煤矿F7202W工作面的开采过程，根据巷道应力和断层水压分布规律图及不同防隔水煤柱下的断层渗透率变化图，进一步论证了优化公式计算出的108 m煤柱宽度的安全性及合理性，且较《煤矿防治水细则》计算出的安全防隔水煤柱的尺寸缩短了9 m，增加了回采煤炭资源。研究成果为矿井开采中不同承压水条件下断层防隔水煤岩柱留设宽度的精准计算提供了参考。

• 碱与硫酸盐环境下赤泥基充填材料的强度演化及硅铝活化机制

  朱德福, 刘济广, 闫川, 韩忠,

  赤泥是有色金属工业中排放量最大的固废，其碱性强、粒度细、组成复杂且综合利用程度低，制备赤泥基采空区充填材料是实现其资源化低碳利用与绿色处置的一种高效技术路径。以拜耳法赤泥、粉煤灰与脱硫石膏为原料制备赤泥基复合胶凝充填材料，对不同配合比的充填体进行力学性能测试，并采用X射线衍射仪(XRD)与扫描电子显微镜(SEM)微观测试技术，分析材料之间的复合协同效应，揭示充填体的水化产物与微结构演变机制。粉煤灰中活性硅铝组分的溶出动力学行为是决定赤泥基充填材料力学性能的关键因素，通过溶出试验，利用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)与SEM测试技术，探究粉煤灰中活性SiO2与Al2O3组分在NaOH溶液及NaOH与Na2SO4复合溶液体系的溶出动力学行为，引入经典溶出速率模型，探究活性硅铝组分的溶出动力学行为。结果表明：随着脱硫石膏掺量的增加，充填体强度呈先增加后降低的趋势，m(赤泥)∶m(粉煤灰)∶m(脱硫石膏)为4∶6∶0.9时的抗压强度最佳，3、7、28 d时，抗压强度分别为0.53、1.29、1.91 MPa，在碱与硫酸盐的协同活化作用下，形成了方沸石、斜钙沸石、钙矾石与硅铝酸盐凝胶等主要水化产物，密实了材料间的孔隙结构；粉煤灰中活性SiO2、Al2O3组分在碱溶液体系中溶出特性呈阶段性差异，早期以Si为主，后期以Al为主，硫酸盐通过调控离子平衡和反应路径，强化了溶出差异效应；在NaOH与Na2SO4复合溶液中，1D-diffusion模型适用于活性SiO2的溶解反应，Jander和1D-diffusion模型更适用于活性Al2O3的溶解反应，并阐明了粉煤灰中活性硅铝在碱与硫酸盐协同活化作用下的溶出机理。研究成果为铝土矿绿色开采提供了一种新型充填材料的制备路径。

• 煤矸石混凝土真三轴试验及破坏准则

  赵卫平, 何宇翔, 江孔亮, 杨家琦, 徐旸, 陈嘉龙,

  针对煤矸石大量堆存造成的污染以及混凝土天然骨料短缺的问题，将煤矸石作为粗骨料是解决上述问题的合理途径。为揭示煤矸石混凝土的力学性能以推广煤矸石混凝土在土木工程领域的应用，围绕煤矸石混凝土在多轴应力状态下的力学响应问题，设计了煤矸石体积取代率为0、30%和50%的3种混凝土配合比，制备了225个试件进行煤矸石混凝土的真三轴压缩试验。试验中共设计了20个真三轴压应力比，包括4种最小主应力比(σ1/σ3 = 0.05、0.08、0.13和0.16)和5种罗德角(θ = 0°、15°、30°、45°和60°)，对比分析了各煤矸石取代率混凝土在不同应力比下的破坏形态、强度特征及三轴压强度的提升程度，并基于煤矸石混凝土三轴压试验结果，建立了考虑煤矸石取代率的多轴强度破坏准则。结果表明：多轴破坏形态随应力比的变化呈现4类(柱状、层状、斜剪、挤压流动破坏)，与煤矸石取代率相关性小；随着σ2/σ3的增加，三轴压强度先增加后减小，在θ = 30°处为最大值；当σ1/σ3较小时，σ2/σ3对三轴压强度影响较不明显，σ1/σ3越大，σ2/σ3对三轴压强度影响越显著；煤矸石取代率越高，三轴压强度越低，且σ1/σ3越大，强度下降程度越明显；当σ1/σ3处于较低水平时，煤矸石混凝土与普通混凝土三轴压强度提升程度差别不大，当σ1/σ3较大时，煤矸石混凝土强度提升程度显著低于普通混凝土；建立的考虑煤矸石取代率的破坏准则与各煤矸石取代率混凝土三轴压试验结果拟合良好，能正确反映掺入煤矸石粗骨料对混凝土多轴力学特性的影响，可用来预测不同煤矸石取代率、不同应力比的煤矸石混凝土多轴强度。研究结果可为煤矸石混凝土的实际工程应用提供数据参考，以期实现煤矸石的固废利用。

• 真三轴压缩下中、小主应力卸载应力路径与速率对砂岩能量演化特征的影响

  刘之喜, 赵光明, 孟祥瑞, 秦志宏,

  煤矿深部开采过程中，受开挖卸荷的影响，深部岩石经历的卸载应力路径和卸载速率复杂多变。不同的应力路径和速率可能导致岩石不同的变形和破坏特征。为了理解深部岩石在真三轴卸载过程中，复杂应力环境下应力变化对岩石能量演化和损伤的影响，采用设计的真三轴应力平衡卸载试验分析真三轴卸载主应力试验的能量和损伤。首先，开展不同卸载应力路径与速率下的砂岩真三轴卸载主应力试验(σx-σy-σz试验和σy-σx-σz试验)；然后，设计一种无损伤卸载的真三轴应力平衡卸载试验，并采用声发射技术验证卸载过程的无损伤特征，在该试验的基础上，提出真三轴卸载主应力试验的能量分析方法；最后，通过分析卸载完成后试样外表面裂纹开裂程度与能量耗散联系，阐明卸载应力路径与速率对岩石损伤影响。结果表明：在某一主应力方向卸载过程中，其他主应力方向的输入应变能密度、弹性应变能密度和耗散应变能密度均会增大，且随着卸载速率的增大，非卸载方向的输入应变能密度、弹性应变能密度和耗散应变能密度也相应增大。此外，卸载主应力方向释放的岩石储能随着卸载速率的增大而增大，并且沿卸载方向释放的储能明显低于该方向的储能。通过比较σx-σy-σz试验和σy-σx-σz试验的结果，发现耗散应变能密度与砂岩损伤程度呈正相关性，即卸载主应力产生的耗散应变能密度越大，岩石损伤程度越高，且σy-σx-σz试验的卸载应力路径更容易引发岩体损伤。

• 基于深度神经网络模型的煤层水力压裂微震信号降噪方法及应用

  李全贵, 赵昱龙, 胡千庭, 梁运培, 孙万杰, 李文禧, 湛金飞, 何将福, 何坤, 陈海雨,

  为解决煤层水力压裂过程中煤体破裂诱发微震信号信噪比低、拾取难等问题，提出了一种基于掩码策略的深度神经网络模型(Mask Residual Attention Denoiser，简称MRAD)。该模型基于经典U-Net架构，通过引入掩码策略，引导神经网络分别学习有效微震信号与噪声的特征分布，输出相应的有效信号掩码与噪声掩码，将有效信号掩码与原始微震信号时频矩阵进行Hadamard运算，实现掩码加权滤波降噪。首先，采用人工标注的理想干净信号与随机噪声进行迭代叠加，构建了18 670个用于训练的微震信号样本；随后，在模型结构上，用残差模块替代了U-Net网络中的普通卷积模块及下采样部分，以缓解梯度消失问题，避免模型陷入局部最优；同时，在跳跃连接处引入空间注意力机制，增强网络对有效微震信号区域的关注能力。结果表明：测试集信号经过MRAD方法降噪后，信号平均信噪比提升至18.22 dB，均方根误差降低至0.042 4，归一化互相关系数达到0.969 9，能量比为1.028 6，尤其对信噪比处于0～10 dB的信号，降噪效果更为显著。此外，模型对单段微震信号降噪时间低于30 ms，计算资源需求较小，满足水力压裂现场实时微震监测与数据处理。为验证MRAD方法的有效性，分别使用该方法与传统降噪方法对合成的30个混合信号降噪处理，对比结果显示，MRAD方法在提升信号质量和降低失真度方面更具优势。将该方法应用于宁夏某煤矿的水力压裂微震监测中，3个钻孔压裂诱发的微震信号经降噪处理后，信噪比分布区间集中于10～25 dB，平均信噪比提升6.90 dB，充分抑制了噪声干扰，提高了P波到时拾取的准确性，微震事件数量由原始的487个增至653个，事件数增长约1.34倍。利用降噪后微震数据进行震源定位分析发现，钻孔压裂段诱发破裂的单侧范围集中在12～37 m，其破裂定位结果与钻孔压裂段施工参数有良好的对应关系。该方法可以为煤层水力压裂工程中微震信号的实时监测与压裂效果评估提供有力的技术支撑。

• 萃取改造对煤体多尺度孔隙结构与甲烷吸附动力学的影响机制

  王亮, 郑思文, 付沈光,

  水力化技术作为煤层瓦斯治理的重要手段，常辅以有机化学抑制剂注入，通过抑制瓦斯的吸附行为来提升煤层瓦斯的抽采效率。为了探明有机试剂对煤体理化性质的改造作用及甲烷吸附动力学行为受到有机组分的影响机制，利用有机试剂二氯甲烷(DCM)、四氢呋喃(THF)、N,N–二甲基甲酰胺(DMF)和乙醇(EA)对试验煤样进行有机组分萃取和孔隙结构改造，综合采用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、场发射扫描电子显微镜(SEM-EDS)、拉曼光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、13C核磁共振(13C-NMR)等表征手段和低压N2、低温CO2流体侵入法等孔隙分布测试手段对萃取改性前后的煤体物理及化学结构进行定性定量分析，探索基于微孔填充的积分优化模型的计算结果与萃取改造前后煤体对甲烷吸附的影响机制。结果表明：萃取改造作用导致高变质程度的无烟煤中有机组分发生不同程度变化，其中DMF的改造效果较强，其含氧官能团相对含量锐减，导致了煤的甲烷吸附能力降低(最大程度可从空白对照组的26.536 4 cm3/g降至DMF处理后的10.983 0 cm3/g)；同时萃取改造作用改变了煤的孔隙结构，即中、大孔相对增加，微孔相对降低。通过优化微孔填充理论，解释了化学结构改变导致甲烷吸附量衰减作用机制；同时，利用分子模拟手段，通过径向配位分布函数定量对比了萃取改造下煤体限域效应强弱，获得了微孔填充与有机组分改变的内在关系，从微观化学角度解释了甲烷在煤体内部的吸附倾向。

• 采空区球−柱组装体压损预测模型及多孔介质流动特性

  陈方兴, 郝小礼, 陈世强, 张建伟, 田峰, 吴雪,

  随着煤矿向深部开采热动力灾害发生风险增大，快速预测采空区内流动损失成为煤矿精准防灭火的关键。结合采空区流动特征，提出一种孔隙率可调整的球−柱组装体采空区多孔介质物理模型，通过控制角度θ大小改变模型总体孔隙率。进一步地，划分模型流动最小体元，并将流动过程分为10个阶段，基于平均水力半径模型以及简化后的突扩−突缩并联通道局部阻力理想模型，建立单位长度压力损失表达式。通过计算模型预测压损数值，对比了试验、数值模拟以及Ergun方程计算结果，并验证了数值模拟结果可靠性。结果表明：试验数据与计算模型预测值相对误差最大不超过10%，证明计算模型方法可行；无量纲流动损失M在雷诺数Re∈0, 10区间内以黏性损失项为主，与总损失的偏差小于7%。在Re∈0, 10区间内，计算模型与Ergun方程的预测结果对比数值模拟计算结果相对误差均小于10%；在Re∈10, 1200区间内，Ergun方程结果相对误差超20%，而计算模型结果在10 < Re < 300情况下相对误差超出许可范围，最大为22%，说明计算模型可用于单位长度压损预测。多孔介质流态对压损的影响十分显著，对无量纲流动损失F的分析表明，随着雷诺数增大多孔介质流态发生转变，具体可划分为4个流动区域，分别为完全层流区(0 < Re ≤ 1)、层流主导区(1 < Re ≤ 10)、转捩区(10 < Re ≤ 700)以及完全湍流区(Re > 700)，根据流动损失的组成划分流动形式界限，当1 < Re < 10为达西流，当Re > 10为非达西流。研究成果可为采空区精准防灭火的工程实践提供理论依据。

• 综放工作面倾角影响卸压瓦斯运储区分形维数交叉融合研究及应用

  赵鹏翔, 常泽晨, 李树刚, 林海飞, 卓日升, 邵秋冬, 裴文博, 王捞捞,

  明晰煤炭开采过程中采空区卸压瓦斯的流动和聚集规律对于保障矿井安全作业具有重要意义。以新疆菏泽腾达煤矿B5煤层某主采工作面为研究背景，分析了不同煤层倾角下采动覆岩裂隙演化规律，确定了采空区卸压瓦斯运储区域范围，利用分形维数软件研究了卸压瓦斯运储区变化过程，构建了卸压瓦斯运储区倾角效应分形维数量化表征模型，揭示了倾角影响下瓦斯运储区交叉融合特征。结果表明：采动过程中上覆岩层离层量突变点1.87 m和贯通度突变点0.57可将裂隙场划分为瓦斯储集区、瓦斯运移区和覆岩压实区；通过研究不同区域的分形维数变化规律，掌握了瓦斯运储区随工作面推进呈现出“运储一体—区域显现—交叉融合—区域分离”的变化过程，在“区域形成—交叉融合—区域分离”阶段下的分形维数呈现出变化较小、剧烈变化和新发育3种状态；得到了煤层倾角影响下瓦斯运储区特征参数(区域高度、宽度)的大小，构建了瓦斯运储区倾角效应分形维数量化表征模型；依据现场实际情况计算出瓦斯运储区空间截面范围，对工作面卸压瓦斯抽采钻孔布置参数进行优化，优化后的卸压瓦斯抽采纯量和体积分数均有显著上升，验证了瓦斯运储区倾角效应分形维数量化表征模型及钻孔布置的合理性，研究结果可为倾斜厚煤层卸压瓦斯精准分域抽采提供参考。

• 煤矿采空区注液氮渗流相变压力损失与线性律

  吴雪, 陈世强, 陈方兴, 刘刚, 赵鹏涛,

  采空区煤自燃是煤矿热动力灾害之一，防治遗煤自燃发火的瓶颈是精准防灭火，其科学问题之一是液氮在采空区内流动损失及其快速预测方法。基于采空区多孔介质的结构，搭建采空区注液氮渗流相变压损试验平台，优选耐低温钙钠玻璃，形成多孔介质通道，开展渗流速度与填充粒径对液氮在多孔介质中渗流相变压损的研究，进一步利用数值仿真验证并拓展渗流速度对压损影响的数据组。结果表明：液氮在多孔介质管道中渗流时，由于重力和气化作用的影响，低温管道外壁出现上下分层润湿现象；其次，填充粒径由3 mm增加到6 mm，试验平台的多孔介质孔隙率由0.240 9增加到0.266 9，液氮在多孔介质通道中渗流相变，气化为氮气，体积增大，压强增大；在流体密度、黏度以及表面张力不变的情况下，随着渗流速度的增加，气液两相界面处毛细管力与黏性力相互作用，流体由牛顿流体向非牛顿流体转变，使得单位长度压损与渗流速度呈线性相关；此外，数值仿真所建模型的计算结果与试验相对误差不大于15%，且液氮的渗流速度从0.001 m/s增大到0.08 m/s时，单位长度压损与渗流速度线性拟合度为99%，进一步验证了试验结论的可靠性。所得结论揭示了液氮在多孔介质中渗流相变压损与渗流速度呈线性变化的规律，可为采空区精准防灭火提供理论依据。

• 欠饱和煤层气藏储量平均地层压力和采出率计算方法

  石军太, 张硕, 黄红星, 曹运兴, 陈明, 王凯, 吉义天宇,

  原始地质储量是煤层气开发的物质基础，平均地层压力和采出率是煤层气开采的主要评价指标。目前欠饱和煤层气藏原始地质储量评价方法多基于煤层气和水相物质平衡原理，考虑孔隙率和饱和度的变化，应用拟偏差系数Z*将吸附气等效为游离气，所需参数众多，计算过程复杂；煤层气藏平均地层压力计算方法除了考虑气相的产出，还考虑了水相的产出，在计算过程中需要循环迭代计算气体偏差系数Z，计算过程繁琐。实际上，对于欠饱和煤层气藏，无需具备众多参数，计算过程也无需循环迭代计算气体偏差系数。首先基于欠饱和煤层气藏吸附气物质平衡原理，直接采用吸附气剩余储量与压力之间的关系，包括Langmuir-Freundlich(L-F)吸附模型和基于微孔填充的Dubinin-Astakhov(D-A)吸附模型，建立了欠饱和煤层气藏物质平衡方程；然后基于此物质平衡方程，进行线性化处理，形成了欠饱和煤层气藏中煤层气原始地质储量的评价方法、平均地层压力计算方法和煤层气采出率计算方法；最后进行方法验证和实例应用。研究表明：提出的欠饱和煤层气藏储量和平均地层压力计算方法仅需少量吸附模型参数和生产过程中2次以上的测压数据及对应的累计产气量数据，即可评价出欠饱和煤层气藏中煤层气的原始地质储量和平均地层压力，并预测给定废弃压力下的煤层气采出率，计算过程简便，所需参数较少，节省了运算所需时间，并且精度满足矿场要求，便于大范围推广应用。基于概念数值模拟模型生成的生产动态数据，应用提出的储量计算方法评价的储量与数值模拟输出结果的相对误差为–0.762 577%，评价的拟稳态期平均地层压力与数值模拟输出结果的相对误差均在–0.60%～0.25%，验证了本方法的合理性和可靠性。对不同吸附模型的实例井进行应用并分析，储量评价结果与实际矿场认知相符；计算得到的平均地层压力曲线穿过了矿场实际关井测压压力点；给定煤层气藏废弃压力2、1.5、1 MPa，计算出煤层气井A的采出率分别为46.65%、55.54%和66.65%，煤层气井B的采出率分别为57.49%、65.05%和73.96%，对现场开发有重要指导意义。对于储量已知的欠饱和煤层气藏，无需实测平均地层压力数据即可计算出煤层气藏平均地层压力，相比于常规测量平均地层压力方法，本方法极大地提高了计算效率。研究成果可用于评估煤层气剩余储量、评价煤层气井产能和判断井间干扰情况，对气井生产动态分析、开发方式论证及排采制度优化等有非常重要的理论与现实意义。

• 煤层气排采过程中水岩耦合作用及其产能响应——以沁水盆地樊庄区块为例

  王勃, 徐凤银, 张傲翔, 王立龙, 王文龙, 李志, 屈争辉, 王硕, 史鸣剑,

  为了阐明煤层气排采过程中的水岩耦合作用机理及对产能的影响，针对实际生产过程中的不同类型产气井，按照相似性原则开展了基于水力冲洗的煤层气排采过程水岩作用模拟试验，对比分析了试验前后产出离子的变化特征，结合实际生产数据，揭示了产出水地球化学特征与产能的响应关系。结果表明：不同的矿化度和流速条件下，水岩作用的反应程度不同，较高的矿化度和较小的流速有利于水岩作用的进行，水岩反应产出溶液的矿化度和pH值均增加，且在矿化度2 000 mg/L，流速0.3 mL/min条件下矿化度增量最大。整体上，Na++K+和Cl–均随着原始溶液矿化度增加而增加；且特定的矿化度和流速范围有利于Ca2+、Mg2+产出；较高的矿化度和流速都会抑制\mathrmHCO_3^- 离子产出，当矿化度和流速超过某一阈值时，\mathrmSO_4^2- 会大量产出。煤层气井的高产受原始矿化度和排采水耦合作用的共同影响，樊庄区块高产井对应的矿化度范围为1 800～2 200 mg/L，多属中、低产水，相应模拟试验条件的水岩作用最强。3号煤层煤层气井产出水的Ca2+浓度和产气量呈现良好的正相关性，但不同产水−产气模式下Ca2+的产能响应机制不同。高产水中产气模式中Ca2+产出主要受底板砂岩含水层水岩作用影响，低产水高产气模式中Ca2+产出主要受煤中方解石溶解影响。

• 电泳降低煤层气排采中煤粉沉降机理研究

  郭俊庆, 刘鹏辉, 王昱清, 袁一博, 康天合, 李伟,

  煤粉堵塞严重影响煤层气高效开发，现有的解堵方法存在效率低、成本高等问题，为此，结合煤在水溶液中的带电特性，提出通过外加电场产生电泳作用驱动煤粉运移解堵。采用自制的电泳改变煤粉沉降特性试验装置，开展电位梯度对不同煤阶煤粉沉降特性影响的物理模拟试验，探究煤粉沉降规律，结合电动电位、接触角测量、红外光谱、粒子图像追踪PIV测试等表征手段，揭示电泳作用机理。结果表明：随着时间的增加，无烟煤、焦煤和长焰煤等3种煤阶煤粉的沉降质量均呈先快速升高、后基本稳定的变化规律；随着电位梯度的增大，3种煤阶煤粉的最终沉降质量均呈反比例函数的变化规律，即先快速降低后缓慢降低至稳定，其中焦煤的降幅最大；试验过程中观察到3种煤阶煤粉均出现聚团现象，且焦煤的聚团现象较明显，这是由于焦煤的羟基含量较高，导致其接触角小，亲水性好，从而使煤粉颗粒之间更易形成液桥；施加电场后，3种煤阶煤粉的运移轨迹类型由快速下降变为减速下降、先降后升的类抛物线或上升等3种，且焦煤的类抛物线和上升轨迹较多，并且加电后3种煤阶的平均运移速率均增大，其中焦煤增幅最大；电泳改变煤粉运移机理是外加电场和液桥2个因素改变煤粉所受合力，一方面外加电场提供电场力使得合力向上，另一方面液桥的存在增大了重力、浮力和电场力，其中浮力增幅比重力大，使得向上的合力增大，并且焦煤的液桥较多，向上合力最大。因此，外加电场可以有效地降低煤粉沉降质量，减少煤粉堵塞。

• 煤层注气固碳增产的埋深响应机制及其临界效应

  范张磊, 范钢伟, 张东升, 韩学森, 任闯难, 岳鑫, 范祎博, 杨丛鑫, 张世忠,

  CO2/N2混合气注入深部不可采煤层是一种高效的碳封存和采出率提升方法。基于改进并验证的多元气体注入热−流−固耦合模型与嵌入数理统计储层物性参数的数值模型，分析了不同埋深条件下常规开采与注气开采对应的储层参数演变与固碳增产特征，并以提升甲烷采出率为指标优化了混合气摩尔分数，提出了基于采收特征的临界埋深效应。结果表明：常规开采条件下，随着埋深的增大，采出率呈降低趋势，产气速率峰值、储层温度降幅、渗透率增幅均呈现先增大后降低趋势，且在700 m埋深达到极值；埋深大于临界值时，储层压力增大的增产作用弱于温度升高、地应力升高、渗透率降低对采收的综合抑制作用；煤层气解吸和温度降低引起的基质收缩大于有效应力增加引起的裂隙压缩，渗透率随时间呈增加趋势且由温度主控。注气增产条件下，高CO2摩尔分数对应的煤层气采收速率差别较小，随着埋深增加，煤层气采收速率随CO2摩尔分数升高的变化趋势由单调降低转变为先降低后升高；高CO2摩尔分数及持续注入激活基质膨胀，注入井侧渗透率下降范围与幅度增大，并在800 m埋深达到极值；随着CO2摩尔分数的升高，储层温度场发生显著变化，由整体降温转变为注入井侧升温、生产井侧降温；测点温度变化幅值随埋深呈现先增加后减小的非线性特征，CO2摩尔分数升高导致拐点向浅部迁移；随着埋深的增大，裂隙系统流体压力比值逐渐增大，峰值对应时间先减小后增大；受CO2驱替效应和吸附竞争作用的双重影响，注入井侧CH4贫化程度显著高于生产井侧；碳封存量与埋深关系和渗透率比值与埋深关系较为一致；较大的埋深、较低的注入压力及较低的渗透率对应较低的最佳CO2摩尔分数；最佳CO2摩尔分数对应的甲烷累计采收量及其增产幅度随埋深呈单峰分布，分别在700、900 m埋深处达到极值；CO2吸附膨胀系数调控大基质应变效应控制最佳CO2摩尔分数与二氧化碳强化煤层气开采CO2-ECBM的有效性。分析注气增产效率、残余含气量等指标，发现埋深大于900 m时，单一注气增产技术效果不佳；对于低渗透储层，储层改造相较于注入参数优化更能显著提升CO2封存效率与煤层气采出率，低渗透率是制约深部储层开发的关键因素。

• 煤的微生物气化动力学建模研究

  朱柳, 姚强岭, 朱沛霖, 刁望杰, 黄再兴, 李学华,

  煤的微生物原位气化开采技术在未开采的遗留煤炭、原位煤层具有广阔的应用前景。为了更好地了解煤微生物气化过程，掌握煤微生物气化的关键影响因素，根据煤微生物气化的研究进展，建立了一个煤生物气化的动力学模型，模型包含煤降解的5个过程，即煤的增溶、水解、产酸、产氢产乙酸和产甲烷。每个过程采用生化反应式表示，采用元素平衡和电子平衡确定生化反应方程化学计量数。采用Monod动力学方程来描述微生物的生长和死亡过程，同时考虑生物自身生长抑制和产物抑制。为校核该模型，在实验室开展了煤的厌氧发酵试验，利用试验获得产甲烷数据校核该模型。结果表明：建立的模型对煤的微生物气化和营养强化煤产甲烷过程均有较好的描述。对模型参数进行了敏感性分析，通过改变模型敏感性参数，分析中间参数变化规律和产甲烷特征。结果表明：煤炭初始物质的量浓度越大，甲烷产量越大，但存在一个最大浓度，超过该最优煤炭添加浓度将会抑制甲烷生产。煤炭溶解速度可以缩短煤产生物甲烷的启动时间，采用煤预处理的方法可提高煤的平衡溶解浓度，提高甲烷产量。微生物浓度同样影响煤产生物甲烷的特征。改变溶煤细菌和水解菌的初始浓度，可以缩短产气的延滞期，溶煤菌浓度增大10倍(1 mol/m3至10 mol/m3)，延滞期可缩短83.33%，乙酸营养型产甲烷菌浓度影响最大产甲烷速率。添加蓝藻可以为微生物生长提供底物，同时也为产甲烷菌提供了产甲烷底物，显著提高模型的有机负荷率，提升甲烷产量，添加1.0、1.63、2.5、4.0 mol/m3蓝藻，甲烷产量分别提升了12.9、20.8、27.7、54.3倍。研究结果丰富了煤炭微生物气化领域的数据建模方法，为该技术的实验室试验提供了重要的理论支撑和指导。同时，通过实验室试验与数值计算相结合的研究方法，可以提高对煤产生物甲烷机理的认识。

• 基于二次反应修正的富油煤快速热解过程模拟

  杨盼曦, 郭伟, 俞尊义, 王晶, 李红强, 杨伯伦, 吴志强,

  富油煤具有产油潜力大的资源属性，与粉煤快速热解焦油收率较高的工艺特点相匹配。将富油煤作为快速热解原料可以获得较高的焦油收率，但依旧面临着焦油中重质组分较高的挑战。挥发分之间的二次反应是影响快速热解焦油品质的重要因素，深入分析热解二次反应的机理与特点是解决焦油低品质问题的前提与基础，然而目前缺少描述在反应器高温环境内气相挥发分之间二次反应的有效动力学模型，及其与计算流体力学进行结合以模拟真实热解反应器中二次反应作用的应用案例。从化学渗透脱挥发分(Chemical Percolation Devolatilization, CPD)模型出发，在简化煤分子结构及一次反应网络的基础上进一步构建焦油及轻质气体内部组分相互转化、焦油歧化生成气固产物的二次反应体系。采用OpenFOAM开源软件计算考虑二次反应修正的固定床快速热解过程中产物演变规律，探究了热解载气温度、颗粒粒径以及挥发分停留时间对富油煤热解产物分布的影响。结果表明：考虑二次反应修正的热解动力学模型能描述焦油产率随温度升高先增加后减小的趋势，焦油产率在载气温度为873 K下达到最高值10.1%。颗粒粒径主要影响热解的升温速率与挥发分的停留时间，从而间接影响焦油产率与品质。当粒径减小为48 μm(300 目)，焦油产率可以进一步提升至12.4%。随着停留时间的缩短，二次反应进行的程度减小，焦油总产率与品质也会有所提高，焦油产率相对增加将近20.1%，焦油轻组分质量分数由0.621提升至0.677。研究结果有望为富油煤快速热解焦油产物的品质调控提供理论指导。

• 半焦/烟煤富氧混燃时燃料N向NO的转化特性

  刘炎泉, 严谨, 梁绍华, 张颖, 谭文轶,

  鉴于我国的能源结构特点，煤炭分级技术得到不断地重视和发展，而它产生的固体副产物半焦在燃烧利用时存在燃烧特性差及NOx排放量高等问题。为解决这些问题，混燃是一种有效的手段。此外，在“双碳”目标的背景下，富氧燃烧技术的应用有利于控制CO2排放，同时也会对NOx的生成产生影响。据此，为了探究半焦/烟煤富氧混燃时NO的生成机理，利用固定床反应系统开展其燃料N向NO转化特性的试验研究。结果表明：随着混合燃料中烟煤掺混比例的提高，燃料N向NO的总转化率不断降低。相比O2/N2气氛，O2/CO2气氛中的CO2会更多参与到与焦炭的气化反应中生成CO，促进NO的还原，因而混合燃料中挥发分NO和焦炭NO的转化率均降低。随着燃烧温度的升高，燃料中更多的N会向NO转化。O2/CO2气氛中O2体积分数的升高也会使燃料NO的总转化率增加。同时，掺混燃料之间存在的交互作用对NO转化的促进会随着O2体积分数的升高先增强后减弱。在挥发份燃烧阶段，O2体积分数的提高会促进燃料N向NO的转化；然而，其对焦炭NO转化的影响与燃料种类有关。提高O2体积分数能促进烟煤中焦炭N的转化。在半焦燃烧时，较高的O2体积分数会让更多的吡咯氮(N-5)在挥发份析出时提前释放，使半焦及其混合燃料焦炭NO的转化率降低。此外，粒径越小越有利于燃料NO的生成。研究结果可以为半焦的清洁低碳利用提供理论基础。

• 基于深度迁移学习的燃煤锅炉烟气流量预测及智能诊断

  江宇泷, 杜翰斌, 陆佳慧, 汤红健, 段伦博,

  燃煤锅炉烟气流量数据的可靠性是实现火电机组碳排放精准计量的重要前提。然而，流场的不均匀性、测点位置的选择以及取样管堵塞等问题，给烟气流量的准确监测带来挑战。针对烟气流量在线监测存在的难题，提出建立基于Transformer的多变量时间序列模型，以实现烟气流量的在线预测与数据诊断。首先，从某660 MW典型燃煤机组中采集了25 d的烟气流量数据以及相应的运行工况参数，建立了Transformer烟气流量预测模型。模型对于烟气流量的预测效果，在训练集和测试集上的回归系数R2均高于0.9，且预测精度显著优于随机森林、人工神经网络等非时序机器学习模型，以及长短期记忆网络等递归神经网络模型。结果表明：Transformer烟气流量预测模型可以准确建立机组运行工况变量与烟气流量之间的动态映射关系。然后，采用迁移学习方法，实现了将660 MW燃煤机组上已训练好的Transformer源模型迁移至另一台630 MW燃煤机组烟气流量预测的泛化应用。仅采用630 MW机组0.5 d连续运行的数据进行迁移训练，准确预测了后24.5 d的烟气流量数据，预测精度R2达到0.84。Transformer迁移学习模型具有较优的烟气流量预测性能，且迁移学习方法大幅度提高了模型的训练效率。最后，基于Transformer模型对于烟气流量良好的时序性预测性能，进一步实现了对燃煤机组烟气流量数据的智能诊断。

• 太阳能电池板热解特性及其金属资源回收

  彭薏冰, 赵鹏, 高奕, 韩菲子, 徐春方, 张衍国, 李清海, 周会,

  在全球推动碳中和的背景下，太阳能电池作为一种清洁、可再生且无污染的发电方式，近年来取得了显著的发展。晶硅太阳能电池技术相对成熟，已成为市场主流，并广泛应用于各类能源系统中。然而，晶硅太阳能电池的使用寿命通常不超过30 a，随着大量电池的报废，不及时且妥善的回收可能导致严重的环境问题，如重金属污染和宝贵资源的浪费。现有的太阳能电池板回收方法主要包括化学药剂法、机械破碎法及热处理法，而热解法凭借其高效的回收能力，已在工业界得到广泛应用。通过试验研究，详细探讨了不同热解条件对太阳能电池板回收效果的影响，重点考察了热解温度(400～600 ℃)、升温速率(5～15 ℃/min)以及热解气氛(N2、CO2、H2)的变化对电池板回收效率的影响。研究表明：5 ℃/min的升温速率、500 ℃的热解温度以及在CO2气氛下的热解条件最有利于获得完整的电池片。此外，随着热解温度和升温速率的增加，气体产物的产量也显著增加，尤其是在CO2气氛下。此外，温度的升高显著增加了CH4和C2H4的生成比例；在H2气氛下，C2H6、C2H4和C3H6的生成量更多。较高的温度和升温速率有助于提高铝的回收效率，但高温可能会降低铜的回收率。最后，对太阳能电池板回收的经济效益进行了评估。分析结果显示，银元素的回收对整个经济效益的贡献超过50%。这一研究为未来更高效、更环保的太阳能电池板回收技术提供了重要的参考依据。

• 基于系统工程的透明矿井构建技术与应用实践

  刘再斌, 刘见中, 范涛, 雷晓荣, 李贵红, 李卫, 马良, 李鹏, 晏俊生,

  针对煤矿智能化高速发展对透明矿井的迫切需求，阐明了科学构建透明矿井技术体系的必要性。从理论层面诠释了透明矿井、地质保障以及透明地质的内涵与技术特征，论述了透明矿井与透明地质之间相互依存、相互协同的关系。创新性的应用系统工程理论中的V模型思想，以透明矿井建设中的地质数据需求分析、地质模型分析评价、应用场景验证为主线，提出了以数据驱动、模型表达、场景应用为核心的多层级关联耦合的透明矿井系统工程技术体系架构。探讨了透明矿井技术体系架构实现的4大关键技术：多源巷−孔探测技术体系、多源异构数据融合、面向工程应用的动态地质模型更新和透明矿井实用场景构建。针对地质信息透明化探测的需求，研究了多源巷−孔探测技术体系中随掘地震实时探测、随采地震实时探测、定向长钻孔综合探测为核心技术手段的工作原理和数据处理流程；给出了一种融合物探、钻探、地质、工程等矿井数据的融合处理方法，实现对矿井多源异构空间地质数据的融合处理；为解决透明矿井应用场景支撑弱的难题，研发了涵盖采掘工作面地质透明化、隐蔽灾害地质透明化和工作面超前地质预测预报透明矿井实用场景关键技术体系，实现了透明矿井地质保障与生产业务场景的深度融合。通过对不同矿区3级透明地质保障系统构建、快速解决探掘协同平台、随采智能规划截割和超前立体预测预报4个方面的工程实践，进一步验证了系统理论具有较好的实践意义。

• 基于动态指数移动平均的半监督矿工不安全行为识别方法

  王媛彬, 刘佳, 贺文卿, 王旭, 闫昭旭,

  矿工的不安全行为是影响煤矿井下安全生产的主要原因之一，对矿工不安全行为进行识别对于实现井下智能监控至关重要。目前基于深度学习的矿工不安全行为识别方法需要利用大量标注数据进行训练，数据标注消耗大量人力资源。基于半监督学习的识别方法可以有效减少矿工图像的标注成本，但主流的半监督学习方法大多采用指数移动平均(Exponential Moving Average，EMA)对教师模型进行保守更新，使得早期教师模型学习速率较低，导致生成的伪标签质量不高，影响训练效果。为此，设计了基于动态EMA的半监督矿工不安全行为识别方法，结合指数衰减的思想，将EMA中的权重参数设置为随训练批次动态可变，以适应不同阶段的训练。同时，矿井环境昏暗模糊，难以提取矿工信息并且会加剧识别模型分类任务与定位任务的不一致，影响识别精度。针对这一问题，将高效局部注意力(Efficient Local Attention，ELA)融入特征金字塔网络中，构建高效局部注意特征金字塔模块(Efficient Local Attention Feature Pyramid Network，ELA-FPN)，提高矿工信息的显著度。为解决矿工不安全行为识别任务中分类与定位不一致的问题，设计特征对齐检测头(Feature Alignment Head，FA-Head)将定位特征映射到分类特征上，提高模型对矿工行为的识别效果。试验表明：在矿工不安全行为数据集使用10%有标签数据时，研究所提算法在不增加模型复杂度的基础上对于矿工不安全行为的识别精度达到71.008%，相较于主流的Unbiased teacher v1、Unbiased teacher v2、Consistent teacher、Dense teacher和ARSL算法分别提高了5.33%、1.76%、2.08%、1.24%和0.40%，且在不同的监督比率下均优于对比算法。可以得出所提算法在矿工不安全行为识别任务上优于目前主流的半监督学习方法，在有效降低标注成本的同时具有较好的识别效果。