煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2025年第9期

• 深部原位多场环境重构概念下岩石力学行为研究进展

  陆明远, 周宏伟, 王军, 毛婷婷, 彭瑞东, 薛东杰,

  随着我国地下资源开发需求持续增长，深地力学问题已成为制约矿业、油气、地热等能源工程向地壳更深部拓展的关键因素之一。深部岩石长期赋存于高应力、高孔压、高地温等多场耦合环境中，其物理力学响应受控于原位环境状态。然而，常规岩石力学试验理念与深部岩石的原位环境状态缺乏对应关系，导致其难以揭示深部岩石在原位地层中的本真力学行为。鉴于上述认知空白，系统阐明了深部原位多场环境概念，归纳了基于松辽盆地1 000～6 400 m岩心开展的原位应力、孔压与温度环境重构试验研究，结合数值模拟方法预判了深部岩石在原位应力与孔压重构环境下的应力−应变行为。同时，辅以山东赵楼煤矿800 m煤样的核磁共振试验，验证了深部岩石在变温条件下的多孔介质热力学响应机制。结果表明：原位应力重构试验下，施加与地层等效的时间依赖应力边界可有效抑制原位应力释放对深部岩心的影响，通过促进裂隙闭合与颗粒间接触，提高岩心的结构致密度与承载能力，使其弹性模量与峰值偏应力较常规三轴试验提升约10%，并揭示了原位应力与成岩组分对不同深度岩石力学行为的协同控制作用；原位孔压重构试验下，深部岩心的力学强度在引入原位非均匀孔隙压力后普遍呈下降趋势，且该趋势随深度(围压)的增加而逐渐减弱，表明原位孔压对岩石强度存在削弱效应，但其影响程度受围压条件的约束限制；原位温度重构试验下，煤样与砂岩在室温−原位温度−超原位温度区间中，孔隙率、弹性模量与泊松比均呈现非单调变化规律，验证了深部岩石在室温至原位温度区间内的多孔介质热弹性恢复机制，仅在超原位温度条件下存在明显的热损伤与热塑性行为。结果表明：原位环境重构方法可通过在试验尺度上模拟原位边界条件，有效降低因试验边界失配导致的力学响应偏差。在此基础上，构建了面向深部固体资源开采的“重构−变载−响应”3阶段试验方法，将原位环境重构作为试验基准，将环境变载视为开采扰动过程的中间变量，在变载诱发的时空耦合路径中解析深部岩石从原位稳定状态到扰动失稳破坏的全过程响应机制。以此为深地资源开发中的岩石力学参数同步测试、稳定性评价与灾变机理识别提供可拓展的试验途径。

• 盐穴大规模储氢技术的经济性分析

  施锡林, 黄涯帅, 杨春和, 李银平, 许明楠, 李朋,

  以盐穴储氢为代表的地下储氢技术，具有大规模、低成本、高安全性等优势，已成为全球氢储能体系构建的重要突破口。经济可行性是工程推广的核心要素，尽管现有研究在盐穴储氢关键技术方面取得了重要进展，但其经济性评估仍相对薄弱。鉴于此，梳理了我国氢能产业现状及氢的理化特性，综述了盐穴储氢库稳定性、密封性及氢岩反应等关键问题的研究进展，对比分析了盐穴储氢与储天然气的建库经济性差异，进而对近年来典型地下储氢技术的经济性研究成果进行了全面综述，在此基础上采用模糊综合评价方法对盐穴、内衬岩洞、枯竭气藏及含水层储氢方案进行综合技术经济性评估。结果表明：盐穴储氢库建设成本相对较高，单方库容建设成本约为储天然气的1.5～2.0倍，单位储能规模建设成本约为储天然气的5～6倍，成本较高的主要原因是氢气更不易压缩、渗透能力强、化学活性高、易导致金属氢脆且体积能量密度低；盐穴储氢的全生命周期成本在氢能产业链中占比较低，目前平准化成本约为5.03～11.56元/kg，且随着储氢规模扩大和注采频率提高将进一步降低，由于盐穴储氢未来主要面向间歇性、波动性新能源电力的高频调峰，因此其全生命周期成本将具有很强的竞争力；基于模糊综合评价方法的地下储氢技术与经济评价结果表明，盐穴相比于其他地下储氢方案的综合优势明显，是当前我国最具工程化和产业化推广潜力的地下储氢路径。未来，需结合我国多样化的地质特征和能源布局，构建更符合中国国情的地下储氢经济性分析模型，在此基础上统筹供给与需求，推动我国盐穴储氢产业布局，为国家氢能政策制定提供更科学的依据。

• 温度−围压共同作用下高压磨料射流冲击花岗岩破岩特征实验研究

  葛兆龙, 崔予怀, 邓青林, 上官剑铭, 姚志, 李忠潭, 史卓林, 蒲厚翰,

  深部资源能源开发过程中高地温、高地压的特征显著影响岩石的力学行为，对磨料射流等岩石破碎技术提出了更高的挑战，而现有研究无法满足深地工程设计的需求。为揭示深部岩层中温度与地应力共同作用下高压磨料射流的破岩机制，以花岗岩作为研究对象，设置25、100、200、300 ℃与400 ℃五级温度梯度以及0、10、20、30 MPa与40 MPa五个围压水平，通过室内水射流实验平台开展冲击实验，并结合计算机断层扫描(CT)技术、三维重构技术与扫描电镜(SEM)技术，全面探究了花岗岩在不同温−压组合条件下的宏微观破坏模式、断裂形貌与裂纹演化特征。实验结果表明：温度升高劣化花岗岩结构，增强其易破碎性，试样在200 ℃以上开始出现复杂的裂纹网络，至400 ℃时结构完整性大幅削弱，在无围压条件下，400 ℃时冲孔深度相较常温提升约82.1%，裂纹体积和面积分别提升88.2倍和114.6倍；围压显著抑制裂纹扩展，常温条件下，围压从0提升至40 MPa使得冲孔深度减少约60.7%，裂纹体积和面积分别下降49.9%和49.1%；温度与围压的共同作用呈现出非线性的响应关系，在30 MPa以下围压限制破碎，而在400 ℃高温与40 MPa高围压共同作用时，裂纹体积与面积反而增加；基于CT扫描的三维重构结果表明,在无围压条件下,裂纹空间分布变化的临界温度区间为200 ～ 300 ℃，超过此区间裂纹体积和面积迅速增大；而在40 MPa围压下，该临界温度区间延迟至300 ～ 400 ℃范围内；SEM结果进一步揭示了磨料压痕、交错热裂纹与剪切剥蚀、犁削沟槽与碎屑剥落等典型的破碎特征，反映出磨料磨蚀、热应力和流体冲刷等多重作用机制。研究揭示了磨料射流破岩机制在不同热−力组合条件下，从“磨料磨蚀”主导向“热−力协同破碎”的转变过程，表明深部射流破岩过程中可利用岩体热劣化和流固温差诱导的热应力降低射流破岩能耗，同时应结合围压水平优化射流参数以避免裂纹扩展受阻，提高破岩效果。

• 气体吸附过程肥煤纳米孔隙原位变形规律及机理

  柳先锋, 李闯, 聂百胜, 贾雪祺, 李嘉良, 韩涵, 何承毅, 祁林凡, 何学秋,

  纳米孔隙是煤中气体的主要吸附位点，直接影响煤中气体吸附、解吸和扩散能力。本文利用自行研制的基于小角X射线散射技术(SAXS)的气体高压吸附解吸装置和同步辐射小角X射线散射实验站，探究不同气体种类(CH4、CO2、N2)及气体压力对吸附过程煤体纳米孔隙变化特征的影响。使用Materials Studio软件采用巨正则蒙特卡罗模拟方法，使用Sorption模块进行3种气体的吸附模拟，设置0.5、1.0、2.0、3.0、5.0 nm 5种狭缝孔隙尺寸的吸附体系，进一步探究纳米孔隙、吸附压力、吸附气体种类和相互作用能之间的内在联系，揭示气体吸附过程肥煤纳米孔隙原位变形机理。研究表明：在1.0 MPa的吸附压力作用下，煤体吸附CH4、CO2和N2 3种气体时，煤体孔隙率最大值依次为19.57%、20.24%、19.37%，煤体比表面积最大值依次为9.83、10.53、8.84 m2/g，吸附CO2气体时对煤体孔隙率及比表面积影响最大。探究煤体吸附CH4气体时，气体吸附压力与煤体的孔隙率和比表面积呈正相关。伴随煤纳米孔隙的增加，削弱了煤大分子与气体分子间的相互作用力，相互作用能呈现减小趋势；且在2 nm的同一纳米孔隙尺寸的吸附模拟体系中，CO2气体与煤大分子间的相互作用能明显大于CH4和N2，且3种气体分子的吸附势能由高到低依次为：CO2 > CH4 > N2，进一步揭示了相互作用能与纳米孔隙变形的内在关系。

• 基于YOLO的矿井外因火灾早期识别轻量化算法

  王凯, 卢锋, 王纪硕, 黄露露, 王炎林, 马艳飞,

  煤矿井下外因火灾致灾因素众多且一旦发火致灾后果严重，火灾隐患的早期识别与处置成为风险防控的有效手段，但井下环境干扰因素繁多，且当前无公开的煤矿井下外因火灾数据集，使得现有目标检测算法对外因火灾早期识别的速度与检测精度面临诸多挑战。为解决矿井复杂环境下外因火灾早期难以精准识别的难题，基于You Only Look Once v8s(YOLOv8s)将DCNv3可变形卷积模块嵌入到特征提取网络中，引入RepGFPN重参数化特征金字塔，并添加P2小目标检测层等措施构建了VI–YOLO模型，同时构建了6400张多场景火灾图像、矿井无火图像和矿井模拟火灾图像的可见光火灾探测数据集。通过开展VI–YOLO模型与其他主流单阶段目标检测算法对比实验，基于OpenVINO与TensorRT对VI–YOLO模型进行推理加速，验证了模型在CPU设备和GPU设备部署应用的可行性，并将模型部署于低算力平台Jetson Nano B01中，验证了边缘端部署的可行性。结果表明，VI–YOLO模型相比基线模型mAP@0.5提升了2.4%，召回率提升0.8%，多尺度火灾特征的有效检测能力更佳；VI–YOLO模型mAP@0.5达90.1%，大幅超越同类单阶段目标检测算法，VI–YOLO模型检测速度为25 f/s，满足了井下视觉区域内火灾实时检测需求；在OpenVINO框架进行结构优化和模型精度量化后，半精度模型的推理时间为49.6 ms，减少了301.9 ms，检测速度达到19 f/s，速度提升约6.3倍；在TensorRT框架进行结构优化和模型精度量化，半精度模型的推理时间为4.6 ms，减少了32.4 ms，检测速度为118 f/s，速度提升4.7倍；在Jetson Nano B01部署及TensorRT框架下，单精度模型推理速度提升至12.3 f/s，mAP@0.5为97.6%，半精度模型推理速度提升至15.2 f/s，mAP@0.5为97.5%，为模型在CPU、GPU设备和低算力设备的部署应用提供了新思路。

• 煤与瓦斯突出过程中动力效应及能量耗散特征量化研究

  杨雪林, 文光才, 孙海涛, 闫发志, 程晓阳, 曹偈, 杨慧明, 郑普方, 杨梅,

  煤与瓦斯突出是一种煤矿开采过程中伴随复杂能量释放的动力灾害。为量化研究其动力效应和能量耗散特征，以龙滩煤矿典型突出煤样为研究对象，利用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验系统，研究了瓦斯压力、装煤量对突出强度的影响规律，并通过多元线性回归建立了突出煤量的预测模型。结果表明：瓦斯压力的增加显著缩短腔体压力释放时间(从0.789 s降至0.232 s)，并提高了突出煤−瓦斯两相流阵面峰值速度(从8.73 m/s增至51.52 m/s)，显著加剧了煤体的破碎程度，等效粒径从330 μm降至192 μm，新增表面积从1.495 m2/kg增至9.662 m2/kg；装煤量的增加延长了压力释放时间(延长51%)，同时提升了突出煤量(由25.25 kg增至40.74 kg)。多元线性回归模型表明，突出煤量(B)与初始瓦斯压力(P0)、装煤量(M)呈高度线性关系(拟合系数R2=0.96)，回归方程为B=10.146+26.62P0+0.41M。突出过程中煤体吸附瓦斯膨胀能仅有6.5%～15.0%参与了突出做功(用于破煤和抛煤)，其他能量以瓦斯的缓慢涌出的形式而耗散。参与突出做功的瓦斯膨胀能中约90%的能量用于煤体破碎，剩余约10%用于煤体抛出。瓦斯压力对膨胀能的转化有决定性作用，随瓦斯压力增大，参与突出做功的吸附瓦斯膨胀能越大，突出煤量增大。而随着装煤量增大，总体吸附膨胀能增大，但参与突出做功的膨胀能占比不变，尽管突出煤量增大，但相对突出强度不变。

• 黏弹性水射流的集束特性及切割破岩性能试验

  张宏伟, 葛兆龙, 胡秋旭, 葛彬彬, 陈翾屹, 温森, 邓青林,

  针对煤层卸压增透中纯水射流割缝有效距离短、效率低的问题，提出并研究了一种基于高分子聚合物的黏弹性水射流破岩技术。为探明高分子聚合物对水射流集束特性与破岩性能的影响规律及作用机理，系统研究了不同质量分数PAM工作液的黏弹特性、射流流场结构演变规律及其对煤、砂岩的切割破碎性能与机制。试验采用分子量为2 200万的聚丙烯酰胺(PAM)作为添加剂，配制了不同质量分数(0.03%～0.15%)的黏弹性工作液。首先，使用流变仪对工作液的储能模量、损耗模量、表观黏度及弛豫时间等流变参数进行测试，并利用透射电镜(TEM)观察其微观胶束结构。其次，利用高速摄像技术捕捉不同压力及质量分数下射流的形态，定量分析射流的扩散角与相干长度。最后，开展对煤岩和砂岩的切割试验，在20和50倍喷嘴直径(d)靶距下对比纯水射流与PAM黏弹性水射流的切割深度、缝槽形态，并借助扫描电子显微镜(SEM)从微观尺度揭示2种射流的破岩机制差异。结果显示：PAM工作液具有显著的黏弹性与剪切稀化特性，高质量分数(≥0.06%)PAM工作液具有胶束结构，存在明显的弹性主导区。弛豫时间在0.12%质量分数时达到最小值0.01 s。TEM图像显示，0.12%质量分数的工作液形成了均匀稳定的网状胶束结构，实现了弹性与流动性的平衡。PAM的加入显著改善了射流的集束性，射流扩散角和相干长度随PAM质量分数增加呈“先增后减”的非线性关系。在最优质量分数0.12%时，射流扩散角较纯水最多降低83.9%，相干长度则提升了6.3倍。黏弹性水射流流场呈现出独特的结构演化：相干段出现因聚合物链弹性回缩导致的“腰缩”现象，随后进入由局部高剪切速率诱发的缠绕−破碎段。切割破岩试验表明：黏弹性水射流的破岩能力大幅提升。切割煤岩时，0.12%的PAM水射流形成了多层裂纹结构，而纯水射流仅形成规整缝槽。对于砂岩，在30 mm(20d)和75 mm(50d)靶距下，0.12%的PAM水射流的切割深度较纯水分别提高了278.4%和311.2%，且实现了切割深度增加与切口宽度减小的效果优化。微观破岩机制分析发现，纯水射流仅能引起矿物表层的物理剥蚀，晶体与胶结结构保持完整；而黏弹性水射流能够引发沿晶破坏与穿晶破坏，促进矿物颗粒崩解，破坏程度更深。因此，添加PAM形成非牛顿黏弹性流体，能显著优化水射流的流场结构、抑制其雾化与能量耗散，从而大幅提升其集束性与有效作用距离，在煤层割缝、卸压增透等领域具有应用前景。

• 深层页岩超临界CO2前置压裂裂缝扩展机制

  敖翔, 赖粮丰, 陆朝晖, 唐鸿坤, 向祖平,

  深部页岩处于高温高应力环境，页岩力学性质逐渐由弹脆性向延塑性转化，不利于形成复杂缝网。超临界CO2 (下文统一简称为SC-CO2)压裂可使页岩储层更容易形成复杂裂缝，但由于其压缩性与高扩散性导致现有裂缝扩展准则不适用，扩展机制与水力压裂差异大。基于G准则推导弹−塑性剪切模式下的临界能量释放率，结合相场法、流−固耦合原理、Drucker-Prager屈服准则，建立能描述SC-CO2相变的弹−塑性压裂裂缝扩展的相场演化模型。研究揭示了CO2的压缩性和高扩散性对裂缝扩展的影响机制，CO2积累的能量在裂缝扩展过程中得到释放使得CO2发生相变，而相变的能量给驱动能提供了额外的能量源使裂缝持续扩展。CO2的高扩散性会使页岩孔隙压力增大，一方面降低有效应力使破裂压力降低，另一方面使拉伸临界失效能降低，使裂缝产生分叉导致裂缝更为复杂；明确了围压对CO2压裂裂缝扩展的影响机制。在围压较低时，SC-CO2相变瞬间释放出大量能量且作用范围较为扩散，能量值远远超过了临界能量释放率，导致更加容易产生多分支裂缝；而随着围压的增加，SC-CO2压裂过程中相变产生的能量逐渐由1.74×108 J/m3降低至1.80×107 J/m3，作用范围受围压的影响逐渐变得单一，且随着临界能量释放率的增大，导致裂缝难以扩展从而产生简单裂缝。明确了相变能量对裂缝扩展的贡献率由34.55％降至1.78％。

• 多级荷载下煤储层支撑剂嵌入规律与弹塑性嵌入深度模型

  刘伟, 朱轩世, 魏元龙, 赵福平, 赵凌云, 黄腾达, 李江豪,

  为了研究煤层气开采中支撑剂的弹塑性嵌入规律，利用力学试验系统和高精度位移传感器，设计并开展了多级荷载条件下支撑剂嵌入特性试验。对比分析了每一级加卸载的荷载−位移曲线和支撑剂嵌入特征，根据加卸载过程中的荷载−位移曲线提出了一种测量支撑剂嵌入过程中弹塑性变形值的方法。利用该方法测试了6组不同粒径、不同铺置质量浓度的支撑剂嵌入值，并对支撑剂弹塑性嵌入特征进行分析。基于Hertz弹性接触理论和Von Mises屈服准则，建立了支撑剂弹塑性嵌入深度模型，并通过试验数据对模型进行验证。结果表明：随着荷载的增加，荷载−位移曲线逐渐表现出非线性特征，曲线呈现“疏—密—疏”的特点，压痕的变形由弹性逐渐向塑性转变。随着支撑剂铺置浓度的增大，支撑剂颗粒相互作用导致煤样在受轴向应力的同时也受到颗粒的切向应力，导致接触面处发生剪切破坏。支撑剂的嵌入主要发生在加载初期和高荷载期，嵌入值随着荷载的增加均呈现“增加—稳定—增加”的趋势，对应嵌入过程的3个阶段：由弹性变形主导的接触面局部压溃；由塑性变形主导的接触面塑性区扩展；高荷载下支撑剂完全塑性嵌入。对应着压痕弹性变形、弹塑性变形和完全塑性过程。所构建的模型与试验数据有较好的一致性，平均误差为13.5%，模型能够有效地描述不同荷载下支撑剂嵌入深度。

• 碎煤初期解吸瓦斯对煤与瓦斯突出动力效应影响的试验研究

  曹偈, 胡千庭, 赵旭生, 孙海涛, 戴林超,

  煤与瓦斯突出时快速涌出的大量瓦斯是突出冲击波、突出煤−瓦斯两相流等动力效应产生的重要原因，为明确解吸瓦斯对突出动力效应的影响机制，开展了不同气压及吸附/非吸附性气体条件下的突出动力效应物理模拟试验，分析了瓦斯对突出冲击波、突出煤−瓦斯两相流运移特征参数的影响，定义了可反应突出碎煤颗粒群瓦斯解吸速率的“瓦斯解吸等效粒径”，结合气体扩散动力学理论构建了突出煤初期解吸瓦斯膨胀能模型，从能量来源角度探讨了解吸瓦斯的作用机制。结果表明：由于突出冲击波形成时间极短(几毫秒)，煤中解吸瓦斯对冲击波的影响有限；气体压力对突出冲击波的影响较为显著，随气体压力的增加，超压峰值逐渐增大且其沿巷道衰减呈增大趋势；而突出强度随瓦斯压力及气体吸附能力的增大而增大，CO2试验条件下突出煤质量为He试验条件下的1.4倍。将突出动力效应的能量耗散分为破碎功、抛出功及突出冲击波耗散的能量，低气压条件下，能量耗散以破碎功为主(0.3 MPa占比达73.9%)；随气体压力增大、吸附能力增强，抛出功所占比例逐渐增大；突出冲击波耗散的能量占比基本小于10%。突出煤的解吸瓦斯对突出动力效应做功的能量贡献率在33%～90%，随气体压力及气体吸附性能的增大而增大。建立了基于瓦斯解吸等效粒径概念的碎煤初期解吸瓦斯膨胀能模型，利用模型计算得到突出煤在突出持续过程的解吸瓦斯膨胀能全部参与了突出动力效应做功。探讨了不同因素对突出煤解吸瓦斯膨胀能的影响：瓦斯解吸等效粒径对突出煤解吸瓦斯膨胀能影响最为显著，突出煤解吸瓦斯膨胀能随等效粒径减小先缓慢增加，当等效粒径减小到0.5 mm后显著增大，由此应力也能通过影响煤岩破碎程度影响瓦斯膨胀能的释放；突出煤解吸瓦斯膨胀能随吸附气体压力、初始扩散系数的增大而增加，增加幅度逐渐减小；随瓦斯含量的增大几乎呈线性增长关系。

• 砌体梁结构下空巷围岩动态稳定机理及控制

  张栋, 郭永红, 柏建彪, 田志军, 张自政, 王瑞, 付豪, 刘帅刚, 邓敏, 朱前程, 吴文达,

  空巷围岩结构失稳将在工作面前方形成强动压影响区，严重制约工作面安全高效回采。采用现场调研、理论分析、工程实践的综合研究手段，梳理了盛平煤矿2216煤柱回收工作面研究现场空巷渐变失稳特征。基于砌体梁理论，建立考虑采空区矸石及直接顶动态压缩承载的空巷顶板结构力学模型，推导顶板砌体梁结构动态稳定的临界判据，并分析其形成机制及影响因素。基于直接顶变形压力传递特性，推导了泵送支柱承担载荷理论解析方程，分析泵送支柱受载响应机制及耦合承载系数演化特征。提出了“水压致裂顶板结构调控+高水材料泵送支柱非对称加固”控制技术并在研究现场成功应用。结果表明：工作面向空巷推进过程中，维持砌体梁结构弯矩平衡所需的直接顶压缩量δ呈现先减小后增大的趋势；减小关键块体B的长度l、直接顶损伤变量D或增大直接顶等效厚度hz、直接顶初始弹性模量Er能够促使砌体梁结构回转失稳临界位置向铰接点O1附近转移，降低工作面与空巷贯通期间顶板结构失稳风险；减小l、空巷宽度b及泵送支柱间距s等能够提高泵送支柱系统的耦合承载系数ζ。工作面过空巷期间，支架最大工作阻力平均为31.27 MPa，安全阀开启频率为4.67%～ 25.07%，未发生支架压死事故；工作面与空巷贯通时，空巷顶底板移近量最大为341 mm，泵送支柱应力最大为8.15 MPa(8号空巷)、10.31 MPa(9号空巷)，耦合承载系数ζ最大提升至0.998(8号空巷)、0.993(9号空巷)。采取提出的控制措施有效确保了煤柱回收工作面安全高效开采。

• 浅埋非均质地质、单一关键层工作面动载系数预测模型与工程验证

  张传玖, 易俊杰, 王巍, 程敬义,

  神东矿区浅埋煤层地质条件具有显著非均匀性，采用传统平均动载系数法进行液压支架选型时，难以准确反映实际载荷分布，易造成支架工作阻力设计偏差，诱发支架–围岩系统失稳，制约工作面安全高效开采。研究以哈拉沟煤矿22309工作面为背景，旨在揭示非均匀地质条件对动载系数的控制机制，建立适用于该条件的动载系数预测模型，为液压支架合理选型提供理论依据。 研究采用现场实测与理论分析相结合的方法。通过分析不同分段基岩厚度与埋深对动载系数的影响规律，评估支架适应性差异。基于能量等效原理，结合“浅埋、单一关键层”地质特征，将主关键层破断回转释放能量等效为动载源，构建融合埋深、推进长度与基岩厚度等参数的动载系数预测模型(DP模型)，并采用Levenberg-Marquardt算法对模型参数进行辨识。 结果表明：22309工作面动载系数呈梯阶分布，首段为1.10，次段为1.21，导致次段支架安全阀开启率较首段提高5.5%。DP模型对首段和次段动载系数的预测误差分别为8.95%和1.59%，精度较传统方法提升8.14%和4.86%。在22315工作面应用中，预测动载系数为1.202，与实际误差0.98%，据此计算出支护阻力为10165.2 kN，选用ZY12000/25/50D型液压支架。现场监测证实支护系统运行稳定。 研究构建的DP模型能够基于常见地质参数有效预测浅埋煤层非均匀条件下的动载系数分布，物理意义明确、预测精度高，克服了传统平均动载方法的不足。

• 露天煤矿经济合理剥采比动态预测方法

  汪帅, 曹博, 白润才, 刘光伟, 马力, 高金龙,

  在我国露天煤矿设计中，首要环节就是圈定合理的开采境界，其实质是通过合理手段控制境界内剥采比，确保其不超过经济合理剥采比。传统经济合理剥采比的计算方法(成本法、比较法)通常假设煤炭价格、剥采成本等参数为固定值，致使经济合理剥采比计算结果在较长时间内保持不变。然而，煤炭价格、成本、资源条件和开采方法等因素均具有较强的动态特征，不可避免地随时间发生变化。这就导致采用现有计算方法难以有效应对这些因素的动态变化，无法实现经济合理剥采比的动态预测，进而影响矿山整体经济效益。基于此，提出了一种基于动态经济理论的经济合理剥采比计算方法。通过改进经济合理剥采比计算公式，在计算过程中综合考虑了安全费用、生态成本、严寒气候影响等3项指标的影响。收集煤炭坑口价格与长协价格历史数据，识别出影响煤炭价格的关键因素，提出了基于VMD分解−SVR重构混合预测模型的时间序列预测方法，有效预测了煤炭价格的未来走势。同时，分析了不同开采工艺的成本结构，构建了单斗−卡车间断、单斗−卡车−半固定破碎站半连续2种典型开采工艺的成本计算模型，提出了综合开采工艺下剥采成本的计算方法。结合以上分析，提出了能够有效地应对煤炭价格波动、开采成本变化的经济合理剥采比动态预测方法。以准东露天煤矿为实例进行分析，结果表明：未来5 a该露天矿经济合理剥采比将由10.0 m3/t提高至16.4 m3/t，为其开采境界的合理圈定提供了依据。提出的基于动态经济理论的经济合理剥采比动态预测方法，能够为境界的合理圈定提供切实有效的数据支撑。

• 煤岩体多场多相流体介质压裂试验装置研制与监测应用

  种照辉, 邱冠众, 姚强岭, 李学华, 苏逢生,

  煤岩体压裂物理试验是检验理论推导、数值计算是否有效可靠的重要途径，同时也可为现场工业性应用提供技术支持。但在不同流体介质压裂试验对比、内部裂缝扩展监测方面仍存在不足。为掌握液态、气态、超临界态等多相流体介质注入条件下煤岩体在应力−裂隙−渗流多物理场中压裂裂缝的扩展机制，自主研发了煤岩体多场多相流体介质压裂试验装置。试验装置主要由高压流体注入模块、真三轴液压伺服模块、回压计量模块、数据信息采集模块组成。具体特点如下：① 不同压裂液的注入装置通过管路分别与KDHSH100型双缸高压精密注入泵或气体增压泵相连接，之后通过真三轴仪的气液进口与压裂管连接煤岩体试样开展压裂试验；② 高压流体介质泵注压力控制范围可达40 MPa，X/Y/Z三方向最大加载压力均为50 MPa，可容纳300 mm×300 mm×300 mm以内大尺寸试样开展试验；③ 可采用声发射信号的时域、频域、空间等多方面推演压裂裂缝扩展的隐蔽信息。利用该装置开展了胍胶水、纯水、N2、超临界二氧化碳(SC-CO2)等4种流体介质的真三轴压裂试验，揭示了不同流体介质压裂试样过程中声发射时域−频域−空间响应规律，分析了泵注压力、破裂形态、振铃计数、频域频率和幅值、空间定位等声发射多元信息。试验结果表明：4种介质中，SC-CO2作为压裂液注入试样产生最多的次生裂缝。注入介质为液体时，声发射振铃计数只是在一定范围内波动；声发射信号主控频率主要集中在高频段(HF)，占比均超过78%。而注入介质为非液态时，声发射振铃计数会在起裂压力附近出现突增，这是由于非液体介质的高压缩性在试样低渗透条件下产生憋压作用导致岩体破裂。液体介质压裂试样破坏事件的空间信息都集中在恒定稳压和致裂卸压阶段，N2压裂过程中破裂定位事件主要在缓慢增压和快速卸压阶段产生，而SC-CO2压裂则主要集中在快速卸压阶段。

• CFRP布侧向约束刚度对轴压煤圆柱宏细观力学性质的影响

  李庆文, 潘创创, 郑志明, 贾志波, 聂帆帆, 徐康康,

  为研究碳纤维增强复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP)布侧向约束刚度对轴压煤圆柱宏细观力学性质的影响，利用WDW-300型万能试验机，开展了普通煤圆柱与单层CFRP布约束煤圆柱的单轴压缩试验。基于PFC3D−FLAC3D耦合模拟方法，建立了CFRP布约束煤圆柱的连续−非连续耦合数值模型，并通过单轴压缩试验验证了模型的有效性。基于此，进一步研究了CFRP布侧向约束刚度对轴压煤圆柱特征应力、法向接触力组构及裂纹演化的影响。结果表明：峰值应力随侧向约束刚度的增加呈负指数函数增长；随侧向约束刚度的提高，法向接触力组构的各向异性逐渐减弱，法向接触力差异呈负指数衰减趋势；裂纹数量随轴向应变的增加呈“S”形贝塞尔函数增长，峰后失稳阶段，当约束刚度小于0.95 GPa时，破坏以剪切裂纹为主，反之则以拉伸裂纹为主；提出了一种基于裂纹数随时步二阶差分确定屈服应力的新方法，通过分析裂纹数生成速率的变化，确定屈服应力集中分布在82.54%～89.85%水平，且其演化规律与峰值应力一致。研究结果可为CFRP材料在采空区遗留煤柱加固工程中的应用提供理论参考。

• 惰气氛围影响煤中活性基团氧化反应的试验和模拟研究

  高飞, 白企慧, 周西华, 白刚, 张勋,

  为了研究惰气氛围对煤中活性基团氧化的影响规律及惰化机理，以水峪(SY)烟煤和模型化合物为研究对象，采用程序升温和傅里叶变换红外光谱(FT-IR)试验与量子化学计算相结合的方法，从试验和模拟2个方面比较惰气对煤中不同活性基团氧化抑制效果的差异，并揭示CO2和N2对煤中活性基团与O2反应的惰化机理。结果表明：CO2相比N2能更加有效地惰化煤中活性官能团的氧化反应，减少煤中含氧官能团的生成。温度越高，2种气氛对活性基团氧化反应的惰化效果越趋于一致，2种气氛对含氧官能团氧化过程的惰化效果差异较大，对脂肪烃氧化过程的惰化效果差异较小。CO2和N2均会降低基团中活性H原子的反应活性，改变个别活性基团亲核反应活性位点的位置，并且CO2降低活性H原子反应活性的效果比N2更显著。其中，N2对烷烃与O2发生化学吸附的影响较大，而CO2对含氧官能团与O2发生化学吸附的影响较大。2种气氛无论是抑制还是促进活性基团的氧化反应，CO2与活性基团相互作用后的体系发生氧化反应的可能性相比于N2均更低，放热量均更小。惰气种类对含氧官能团与O2发生化学吸附和氧化反应的影响较为显著，对脂肪烃的影响较小。因此，CO2和N2对煤自燃惰化效果的差异与煤中官能团的种类和温度密切相关，在煤矿井下惰性气体防火技术中，应根据煤中官能团的种类、组成和现场温度综合评定惰气种类。

• 甲烷原位燃爆压裂助燃剂喷射投放储层孔道混合特性

  蔡承政, 高亚楠, 高明忠, 陶志祥, 孙伟福, 王博, 朱正超, 邹增信,

  甲烷原位燃爆压裂作为非常规天然气开发领域的颠覆性储层改造方法，通过储层解吸的甲烷与地面投放的助燃剂在井底混合燃爆，产生高温高压冲击作用，形成复杂压裂缝网。该技术的核心机理在于通过甲烷与助燃剂在特定浓度范围内的混合燃爆反应，在密闭空间中形成足够的燃爆压力致裂储层。其中，井筒−储层复杂流场环境下的助燃剂精准投放与混合调控，成为制约技术工程化应用的关键瓶颈。针对传统固定式投放方式存在的混合效率低、井筒安全风险高等难题，提出了采用移动射流进行助燃剂投放的思路。通过计算流体力学(CFD)方法，建立了井筒−储层孔道甲烷与助燃剂的三维混合流场模型，研究了移动射流作用下储层孔道混合流场演化规律，对比了轴向前置、斜向前置、径向侧置和斜向后置4种喷嘴方位对甲烷−助燃剂混合特性的影响机制。结果表明：当射流沿井筒移动时，射流边界层与孔道入口产生强烈剪切作用；孔道内形成了以孔口和孔内旋流场为主要形式的非稳态扰动流场。助燃剂与甲烷在孔口进行质量交换后，在孔内切向速度作用下进一步扩散混合。通过调整喷嘴方位与投放参数，可将孔内甲烷体积分数控制在燃爆极限范围内，同时使井筒内甲烷体积分数降低至最低燃爆极限以下，确保甲烷燃爆仅在储层孔道内进行。不同喷嘴方位对混合效率的影响存在显著差异，径向侧置喷嘴通过正交射流产生强旋流场(切向速度1.05 m/s)，促使助燃剂沿孔道轴向均匀扩散，混合非均匀度明显小于其他方位喷嘴；而轴向前置喷嘴虽然在提高孔道内混合均匀性上弱于径向侧置喷嘴，但其井筒稀释效果最佳(甲烷体积分数 < 4%)。综合考虑甲烷体积分数与流场非均匀性，孔内助燃剂喷射投放混合效果由高到低依次为径向侧置射流、斜向前置射流、斜向后置射流和轴向前置射流。其中，轴向前置射流在井筒甲烷稀释方面表现最优，而径向侧置射流则在孔道内混合均匀性上具有优势。为进一步提升助燃剂的投放效果，提出了采用径向侧置喷嘴与轴向前置喷嘴组合的方式进行助燃剂喷射投放，在确保井筒安全的前提下，进一步提高了孔道内助燃剂投放效果和混合均匀性。研究结果可为甲烷原位燃爆压裂中助燃剂的投放提供理论指导。

• 基于小角X射线散射的逐级加卸载下煤中纳米孔隙损伤特征

  李祥春, 石瑶玉, 聂百胜, 庞义辉, 宋浩楠, 张书豪, 张良, 高佳星,

  为了探究煤体在载荷下的微观力学及损伤特性，利用试验室自行研制的基于小角X射线散射(SAXS)技术的微型加载系统和同步辐射小角X射线散射试验站，进行了煤的逐级加卸载SAXS试验。通过小角X射线散射试验数据，分析了煤中纳米孔隙结构在逐级加卸载过程中的损伤演化规律，讨论了煤中开闭孔微观结构的损伤破坏机理。结果表明：煤样的逐级加卸载SAXS试验均表现出Porod正偏离，不同荷载方式不会改变煤体本身的Porod偏离方式，但外部荷载对散射强度有显著影响。逐级加卸载煤样纳米孔隙结构的表面分形维数、孔隙分形维数、比表面积、孔隙率随荷载值的增加均呈现出先增加后减小再增大的动态变化特征；根据这些阶段性的变化特征，将逐级加卸载作用下煤中纳米孔隙结构的损伤过程划分为：轻微损伤阶段、压缩阶段、破裂阶段。此外，通过结合微观结构的变化规律分析了单轴加载和逐级加卸载对纳米孔隙损伤机理的影响，指出逐级加卸载会加剧孔隙闭合、结构坍塌和贯通破裂过程，并讨论了含瓦斯与无瓦斯煤体中纳米孔隙受加卸载影响损伤破坏的致灾机理。研究结果为理解煤体在循环加卸载下的微观损伤机制及其致灾机理提供了新的视角。

• 基于时间效应的超临界CO2浸润颗粒煤力学特性及断裂机制

  刘敏轩, 王亮, 郑思文, 吴淞玮, 赵月辰, 张保勇, 刘超,

  深部不可采煤层的CO2增强煤层气采收率技术(CO2-ECBM)是实现“双碳”目标的重要途径之一，但其涉及的CO2在煤层中的长期封存安全性问题亟待解决，解决该问题的关键在于研究超临界CO2(ScCO2)作用下的不同尺度煤力学性能演化和破坏机理，而颗粒煤力学特性及断裂机制方面相关研究较少。本文选取陕西省郭家河煤矿烟煤为研究对象，开展了不同ScCO2浸润时间下的颗粒煤力学特性研究，基于颗粒单轴压缩试验研究颗粒煤力学参数随浸润时间的变化规律，结合扫描电镜实验(SEM)探讨不同ScCO2浸润时间作用颗粒煤力学性能的时间效应和断裂机制的演化过程。研究结果表明：颗粒煤力学性能随ScCO2浸润时间的不同具有显著差异，基于24 h为时间分界线，将ScCO2对颗粒煤力学特性的影响分为短时物理速劣效应和长时化学缓劣效应，在短时物理速劣效应中，ScCO2的吸附膨胀引起的微裂纹对颗粒煤弹性变形阶段产生快速影响；而在长时化学缓劣效应中，煤分子结构的变化、有机质萃取和矿物溶蚀作用成为主导，这些作用影响颗粒煤力学性能的速度较为缓慢且影响能力较小。ScCO2的膨胀变形、有机质萃取和矿物溶蚀作用使颗粒煤的弹性应变能释放和表面能降低，从而加速了裂纹扩展过程中的能量释放；通过构建颗粒煤断裂机制演化模型，进一步阐释了ScCO2时间效应对颗粒煤断裂机制的影响，短时物理速劣效应颗粒煤的断裂主要受微裂纹密度增加的影响，长时化学缓劣效应对颗粒煤断裂机制的影响以模型内部应力集中点位和孔隙数量增加为主。

• 大宁—吉县区块深部煤层多轮次压裂改造特征及关键技术

  刘川庆, 魏晓琛, 白坤森, 柳曈, 朱卫平, 梁利喜, 甄怀宾, 唐翰霖,

  大宁—吉县区块深部煤层气开发中采用多次压裂−闷井大幅提升直井的单井产气量与最终可采储量(Estimated Ultimate Recovery，EUR)，在增产的同时实现稳产。该工艺的成功实践对深部煤层气高效开发具有重要工程指导价值。然而，目前多次压裂及闷井对储层的改造特征尚不明晰，压裂后次轮水力裂隙破裂/扩展压力及扩展模式未形成系统性认识，需明确多轮次压裂增产机理，针对不同条件储层形成系统性的多次压裂参数优化方法。以DJ55井为研究对象，理论分析结合数值仿真，开展深部煤层压裂过程中裂隙扩展特征及压裂诱导应力演化研究，构建割理煤岩应力−渗流耦合模型，揭示多轮次压裂过程中储层物性演化特征及关键工艺。结果表明：各轮次压裂−闷井产生的诱导应力导致水平最小主应力随压裂轮次增加持续增大，压裂应力阴影导致局部应力转向，水平最小主应力方向由东西向转为近南北向。受压裂诱导应力量值和方向共同影响，次轮水力裂隙倾向于向首轮压裂未充分改造区域扩展，且次轮破裂压力随压裂轮次数增多逐步升高，渗透率升高范围随压裂轮次数增多持续增大。不同工作液组合条件下，胍胶−滑溜水−胍胶方案第2轮次滑溜水压裂后应力扰动范围显著增大，滑溜水压裂施工曲线为上升型，造复杂缝效果较好；而胍胶−胍胶−胍胶和滑溜水−胍胶−胍胶方案第2轮次压裂施工曲线均为下降型，第2轮次工作液优选为多轮次压裂的关键工艺。多轮次压裂技术的推广需考虑具体储层特征，大吉55井顶板灰岩和底板泥岩应力遮挡能力强且水平应力均衡性好，采用多轮次压裂技术取得了良好改造效果。除多轮次压裂增缝效应外，尚需进一步深入研究割理煤岩物性变化及气体解吸附等关键科学问题，综合论证技术适用性范围。

• 鄂尔多斯盆地煤油气共生矿井中原油来源及时空演化——以芦村矿区为例

  李得路, 王行哲, 孙学阳, 付常青, 陈应涛, 王生全, 薛海涛, 蔡玥, 许志龙, 王建虎,

  鄂尔多斯盆地南部大量矿井均有煤油气共生情况，煤矿开采过程中从其顶底板泄漏的原油为煤矿开采带来了巨大安全隐患，因此需进一步明确其原油来源及时空演化。以盆地南部芦村矿区延安组为研究对象，系统采集了煤系烃源岩及工作面原油样品，进行了有机碳同位素和气相色谱质谱等测试，分析了烃源岩及原油的碳同位素和生物标志化合物特征，探究了矿区内延安组原油的来源。通过查明矿区内断裂体系，探讨了断裂形成时代，结合区域应力场特征，综合揭示了鄂尔多斯盆地南部延安组煤矿中泄露原油的时空演化。结果表明：延安组煤矿中的原油来源于下伏三叠系延长组长7烃源岩；矿区内发育的北东向大断层，是受印支期构造应力影响，后经过燕山和喜山期构造运动改造调整形成的一个Ⅱ级断层，该断层为原油由延长组向延安组运移提供了主要通道；矿区内发育的东西向小断层主要受控于燕山中晚期北西西—南东东向水平挤压应力，东西向节理主要受控于喜山期北北西—南南西向应力作用，二者均为延安组煤矿开采过程中原油散逸的主要路径；早白垩世延长组长7烃源岩开始大量生烃，形成的原油沿着北东向大断层运移至延安组，最终通过东西向的小断层和节理流入矿井。研究结果可为煤油气共生矿井中原油泄露的防治及安全开采提供理论指导。

• 鄂尔多斯盆地延安组富油煤和含油煤生烃特征差异及其成因

  郑瑞辉, 鲍园, 张楠, 薛交, 李嘉浚, 郝永辉, 山拓,

  富油煤的油气资源属性为立足国内增加油气供给提供了新的方向，生烃动力学特征是决定富油煤原位热解改质潜力和温度条件的关键因素，但富油煤与含油煤热解生烃特征差异及造成差异的成因尚不明确。以鄂尔多斯盆地黄陇侏罗系煤田延安组富油煤和含油煤为例，在2类煤生烃动力学特征、煤岩与煤质特征、地球化学特征分析的基础上，分析了富油煤和含油煤生烃特征差异性及有机、无机物质组成差异对2类煤生烃特征的影响。结果表明：鄂尔多斯盆地延安组富油煤和含油煤的有机质类型均为Ⅱ2型，整体处于低成熟阶段；富油煤有机显微组分中高的镜质组和类脂组含量使其生烃潜力明显高于含油煤。延安组富油煤的生烃活化能主频值(260～380 kJ/mol)相对较低且集中，生烃过程具有门限阈值低、转化周期短的特征；含油煤的生烃活化能主频值(330～470 kJ/mol)相对较高且离散，生烃过程具有门限阈值高、转化周期长的特征。延安组富油煤和含油煤的生烃过程及其特征受煤岩和煤质特征、古沉积环境和母质来源构成以及放射性元素的综合影响，富油煤和含油煤的生烃活化能主频值和分布的离散程度随有机显微组分中类脂组和镜质组含量的增大、沉积环境还原性的增强、母质来源中低等水生生物占比及陆源有机质中针叶树树脂含量的增大而降低，随有机显微组分中惰质组含量的增大、水分和黏土矿物含量的增大以及放射性元素铀、钍含量的增大而增大。

• 不同煤种粉煤灰矿化反应CO2吸收特性及固碳潜力评估

  秦雷, 吝思恒, 林海飞, 李树刚, 刘鹏飞, 母淼,

  不同煤种粉煤灰粒径分布与化学成分直接影响矿化反应固碳性能，研究矿化反应CO2吸收特性是评估粉煤灰固碳潜力的关键。 以中国石家庄多座燃煤电厂粉煤灰为研究对象，通过压降法与热重分析法综合表征矿化反应CO2吸收特性及固碳性能。试验结果表明，矿化反应压力增大、温度升高均可有效提升粉煤灰矿化固碳性能。当矿化反应初始压力从1.0 MPa增至2.0 MPa时，不同煤种粉煤灰CO2吸收量平均增大7.18 g/kg。当矿化反应温度从40 ℃升至60 ℃时，不同煤种粉煤灰CO2吸收量平均增大4.28 g/kg。对于2种粉煤灰矿化反应固碳性能表征方法，相比热重分析法，压降法会造成CO2非矿化吸收，导致矿化固碳性能计算结果偏高。不同煤种粉煤灰中，较小粒度粉煤灰具有更高比表面积，可促进CO2与活性物质接触反应，增强矿化固碳性能。不同煤种粉煤灰矿化反应CO2吸收量与Ca元素质量分数正相关，与S元素质量分数负相关。高Ca粉煤灰因具有更多反应原料，矿化固碳性能较强。粉煤灰中硫元素以硫酸盐形式存在，与Ca竞争反应抑制碳酸盐生成，降低矿化固碳性能。对于选取的不同煤种粉煤灰样品，安华能热电厂粉煤灰(AH)具有稳定CO2吸收量和矿化固碳效率；华电热电厂粉煤灰(HD)具有较高CO2吸收能力；西柏坡热电厂粉煤灰(XB)具有较高且稳定CO2吸收量及矿化固碳效率，在3个样品中矿化反应固碳潜力最高。

• 西部典型煤矿区生态环境驱动因子分析与风险预测

  王强民, 董书宁, 王皓, 方杰, 王晓东, 程伟, 王淑璇, 张溪彧,

  西部干旱半干旱矿区煤层开采经常诱发一系列的生态环境问题，为明确煤矿区生态环境驱动因子并形成生态环境风险预测方法，以位于我国西北地区的榆神矿区为研究对象，分析了气象、土壤、地下水、隔水层、煤层开采等因子与矿区生态环境要素的关系，形成了煤矿区生态环境风险预测模型，评估了煤层开采条件下生态环境风险指数分布特征。研究结果表明：矿区NDVI随降水量和潜在蒸散发量的增加而增加，植被耗水量随潜水位埋深的增大先减小后保持稳定。煤层开采条件下，松散含水层地下水损失量随隔水层厚度的增加而减小；导水裂隙带发育高度与采厚、采宽、采深呈正相关；地表最大水平变形与采厚、采宽呈正相关、与回采速度呈负相关。以此为基础，构建了由干旱指数、地表坡度、土壤类型、潜水位埋深、隔水层厚度、导水裂隙带发育高度、采深采厚比、采宽采深比、回采速度9个关键因子组成的煤矿生态环境风险预测指标体系，根据各指标的定性和定量特征，给出了各指标的等级划分和对应赋值。以榆神矿区典型大水煤矿为例，基于主观权重与客观权重，采用博弈论组合赋权方法确定了该煤矿各预测指标的综合权重，导水裂隙带发育、潜水位埋深、隔水层厚度、采深采厚比、干旱指数等5个指标的权重相对较大，其权重之和占总权重的99%，在生态环境风险预测中起决定性作用，预测结果显示该煤矿生态环境风险为中等的区域占58.95%，生态环境风险高的区域占41.05%，无低风险区；需要通过调整煤层开采参数抑制导水裂隙带和地裂缝发育、开展隔水层再造增加隔水层厚度、治理采动损伤区生态环境等手段降低采动生态环境风险。研究结果为我国西北干旱半干旱煤矿区生态环境保护与修复提供科学依据。

• 高潜水位矿区复垦土壤有机碳垂直特征及敏感性

  许睿娉, 李俊颖, 张冰姿, 李新举, 宋文,

  煤炭开采导致高潜水位矿区土地沉陷，土壤结构发生变化，土壤肥力退化，常采用充填复垦修复沉陷地。为比较何种充填复垦材料对矿区土壤有机碳恢复更为有效，以山东省济宁市高潜水位矿区黄河沙充填、客土充填、湖泥充填和煤矸石充填复垦地为研究对象，通过现场采集复垦地及其周边正常耕地0～20、20～40、40～60 cm土层土样，研究土壤有机碳(SOC)及可溶性有机碳(DOC)、微生物量碳(MBC)、易氧化有机碳(ROC)、胡敏酸碳(HAC)、轻组有机碳(LFC)和颗粒有机碳(POC)等组分在不同充填材料复垦土壤中的垂直分布特征，并进行敏感性分析。结果表明：不同充填材料复垦土壤有机碳及其组分具有明显的表聚性。LFC对湖泥充填和煤矸石充填最敏感，HAC对客土充填最敏感，ROC对黄河沙充填最敏感。客土充填对复垦土壤POC、DOC含量为正敏感，湖泥充填对复垦土壤MBC、LFC、POC含量为正敏感，煤矸石充填对复垦土壤MBC含量为正敏感。不同充填材料复垦土壤各有机碳组分间均表现为极显著正相关性(相关系数p < 0.01)，与土壤碱解氮(AN)、有效磷(AP)、速效钾(AK)含量呈显著或极显著正相关，与土壤容重(BD)呈显著或极显著负相关。经过综合比较，高潜水位矿区复垦中4种充填材料对土壤有机碳及其组分恢复效果由好到差的顺序为湖泥充填 > 客土充填 > 黄河沙充填 > 煤矸石充填。

• CFB锅炉压火热备和快速启动调峰技术研究进展

  王海洋, 宋国良, 宋维健,

  在“双碳”目标驱动下，可再生能源电力并网规模迅速增长，严重威胁电力系统的安全稳定和传统煤电机组的经济效益。部分地域甚至出现“零电价”与“负电价”现象，要求进一步挖掘煤电机组的深度调峰能力，实现近零负荷调峰。循环流化床(Circulating Fluidized Bed, CFB)锅炉凭借强大的蓄热能力和独特的焖炉压火操作，具备了近零负荷调峰的可能性。压火热备与快速启动调峰技术有望成为解决零负电价问题的关键技术之一。基于当前CFB锅炉的深度调峰能力和国内外压火调峰技术的研究现状，阐述了压火热备和快速启动调峰技术的可行性和技术难点，总结分析了影响压火时间的关键因素。典型300 MW等级CFB锅炉可以通过抬高床温床压、降低压火期间机组负荷的方式延长压火时间。但由于锅炉总蓄热量有限，压火调峰时间只有2 h左右，距离完全解决零负电价问题还有很大的进步空间。为提高压火调峰的灵活性，需要摆脱传统压火方式“停煤停风”的限制，通过在压火期间向炉内补煤助燃并降低扬火启炉难度来延长压火时间。前沿技术包括周期性压火技术和预热−CFB耦合压火技术，但相关技术的操作难度较高且发展不够成熟，暂时无法推广应用。未来发展方向应包括更深入的基础理论研究、与储能等前沿技术的耦合匹配以及全新炉型和智能测控系统的开发，从而推动压火调峰技术的快速发展，助力解决电力市场调峰难题。

• FeCa氧化物对煤热解生成HCN的影响机理

  李经宽, 叶磊, 杨本军, 赵志承, 吴娇, 郭聪秀, 孟江涛, 王彦霖,

  Fe2O3和CaO是煤中主要的金属氧化物，对煤热解过程中NOx前驱体-HCN生成有一定影响。为了揭示Fe2O3和CaO对煤热解过程中HCN生成的作用机理，采用吡咯作为煤的含氮模型化合物，运用密度泛函理论(Density Functional Theory, DFT)，通过分子模拟手段，研究了吡咯热解生成HCN的不同反应路径，以及Fe2O3和CaO在不同反应路径下对吡咯热解生成HCN的影响机理。结果表明，吡咯单独热解生成HCN的最佳路径为：H原子从pyrrole-N的间位迁移到邻位，然后pyrrole-N与邻位C断开，发生开环反应，最后pyrrole-N上的H原子迁移到邻位C上，C—C键断开；该路径的决速步为内部H转移反应，相比其他路径，其活化能最小(2.54 eV)。在Fe2O3和CaO的作用下，吡咯热解生成HCN的最佳反应路径为：pyrrole-N与邻位C断开，使环打开，其H原子迁移到邻位C上，最后pyrrole-N邻位C与间位断开；该路径的决速步分别为开环反应(Fe2O3)和内部H转移反应(CaO)，相比其他路径，该路径决速步的活化能最低，分别为3.44 eV(Fe2O3)和1.69 eV(CaO)。Fe2O3作用下，不同反应路径下决速步的活化能均增大，即Fe2O3抑制了HCN的生成。CaO对不同路径表现出来不同的作用(抑制或促进)，在CaO作用下的最优路径中，决速步的活化能降至1.69 eV，即CaO催化了HCN的生成。同一反应路径下，CaO比Fe2O3对吡咯热解生成HCN的催化作用更显著，HCN形成更快。

• 熔融盐介质中生物质热化学转化研究进展

  张奥阳, 张梦玲, 韩永康, 梅佳坤, 杨秀婷, 张缦, 祝星, 杨海瑞, 李东方,

  随着能源消费的增长和环境问题的加剧，可再生能源得到了广泛关注。生物质作为唯一的可再生碳源，其高效热化学转化的研究引起了人们广泛关注。通过热化学转化技术，生物质大分子可有效地向小分子气体定向转化。由于熔融盐具有卓越的导热性、溶解能力和高催化活性，在作为传热流体和储能介质等方面有着广泛的应用。熔融盐介质在生物质转化中展现出显著的优势，能够有效提高合成气的产量和质量，显著降低焦油和焦炭产量，同时减少气态污染物和颗粒物排放。同时，熔融盐可以有效储存太阳能，为生物质的热化学转化提供必要的热量。重点综述了不同类型熔融盐的特性，强调了碱金属碳酸盐有着优异的熔点和稳定性，以及在提升三态产物质量方面存在显著优势。深入探讨了生物质在熔融盐介质中的热化学转化研究进展，详细分析了熔融盐对生物质热解和气化的催化机制，并探究了熔融盐阴阳离子对生物质热化学转化反应路径、产物分布的影响机制。同时，总结了熔融盐介质中生物质热化学转化的工艺进展，指出尽管该技术在实验室规模取得了一定进展，但距离工业化应用仍存在一定距离。此外，概述了当前熔融盐介质中生物质热化学转化的流程模拟的现状，并探讨了实现规模化应用所面临的潜在问题，最后对未来的研究方向进行了展望。

• 煤热解过程中多环芳烃的生成与排放特性

  赵旭, 杨富鑫, 李正鸿, 谭厚章,

  燃煤过程中产生的有机污染物对环境造成了严重危害。我国煤炭消费量大，燃煤产生的有机污染物排放不容忽视。以褐煤、无烟煤和高含氯量的天池煤为研究对象，使用傅里叶红外分析方法探究了煤中有机物的赋存形态。在固定床热解平台上探讨了3种煤热解过程中多环芳烃(PAHs)的生成特性及其影响因素，使用气相色谱质谱仪定量分析了16种PAHs的生成量，使用定性分析方法探讨了释放有机污染物的组成。结果表明：烷烃类是煤中主要有机物，在总有机物中质量分数为39%～61%。褐煤中的羟基种类和含量最多，含氧官能团更复杂；无烟煤芳香化程度更高。对原煤中PAHs提取时，12 h为最佳时间，此时无烟煤、天池煤和褐煤原样中PAHs质量分数分别为10.34、15.10、0.75 μg/g。热解时间是影响PAHs生成量的重要因素，30 min时可认为试验中样品已热解完毕，PAHs完全释放。随着热解温度的升高，褐煤和天池煤热解过程中PAHs生成量先增加后减小；在1 000 ℃时最大，排放量分别为3 168.15 µg/g和974.58 µg/g。无烟煤热解过程中PAHs生成量则先升高后减小再升高，在1 100 ℃最大，为853.93 µg/g。挥发分对PAHs的排放量有明显影响；随着不同煤中挥发分含量的增加，PAHs生成量不断增加。天池煤中的卤族元素会阻碍苯环的芳构化和缩合反应，影响多环芳烃的生成。褐煤和无烟煤热解气最大毒性当量分别出现在1 000 ℃和1 100 ℃，分别为85.59 µg/g和75.00 µg/g；而天池煤热解气最大毒性当量出现在800 ℃，为24.33 µg/g。