煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2026年第2期

• 厚松散层薄基岩开采“梁−拱”结构动态演化规律

  李振华, 任浩, 杜锋, 卢飞飞, 王文强, 翟明磊, 石建行, 孙荘,

  以新桥煤矿厚松散层薄基岩厚煤层开采为研究背景，采用相似模拟、现场实测、数值模拟、理论分析相结合的方法对厚松散层薄基岩采场覆岩运动规律进行研究，提出了松散层垮落拱−假塑性岩梁复合结构，建立了厚松散层薄基岩采场上覆岩层破断力学模型、工作面支架阻力计算模型。结果表明：厚松散层薄基岩煤层开采时，基岩处于风氧化带、覆岩强度小，致使覆岩自稳定性能与承载能力降低、处于垮落带的覆岩范围大，工作面支架阻力具有高静压−低动压的持续来压现象；在覆岩结构演化过程中，采动覆岩破坏分为基本顶破断、假塑性岩梁形成、松散层垮落拱形成、松散层垮落拱横向发育4个阶段，在假塑性岩梁形成阶段之前，工作面支架阻力主要来源于已垮落的破碎岩体，假塑性岩梁形成阶段后，工作面支架阻力由垮落岩体静载和假塑性岩梁给定变形共同组成；数值模拟过程中，通过力链分布和应力分布对覆岩承载过程进行分析，发现假塑性岩梁承载范围并非上方所有已垮落的岩土体，松动岩土体间所具有的力学传递机制使得假塑性岩梁的承载范围得以减小。在覆岩裂隙演化过程中，裂隙扩展分为偏应力张量主导和土拱效应主导2个阶段，结合覆岩裂隙演化过程提出了厚松散层薄基岩覆岩破断机理与破断力学模型，建立了厚松散层薄基岩工作面液压支架工作阻力计算公式，与现场监测结果具有较好的一致性。研究总结了厚松散层薄基岩“梁−拱”结构动态演化规律，可为我国厚松散层薄基岩综采工作面支架选型和顶板控制提供一定的理论参考。

• 离层注浆控沉部分参数优化设计与应用

  曾一凡, 朱慧聪, 武强, 石建祥, 段宏飞, 魏恒征, 陶鹏, 杨宁, 尹文斌, 薄涛, 杨江峰,

  采煤区地表塌陷是严重影响地表社会生产生活秩序、破坏属地生态系统平衡的关键地质灾害，煤层覆岩离层注浆充填是矿场一线开展源头控制地表塌陷的前沿技术之一，其中，对浆材物性、注采比、水灰比等关键注浆参量进行合理取值是确保注浆控沉成效达到预期的核心工作。为对浆材物性等参量进行协同优化预测及量化，提出一种考虑离层注浆多元下游参量联动控制效应的地表沉降量预测模型；探究浆材物性等关键参量之间及其与地表沉降量的协同−互馈演化关系，获得关键注浆参数匹配组合；通过自研多场耦合可视化物理相似模拟注浆试验，系统设计离层注浆控沉试验对理论预测模型科学准确性进行检验，并开展工程实践应用。结果表明：提出了一种考虑离层注浆多元下游参量联动控制效应的地表沉降量预测模型，结合研究区工作面实际获得了既定工程背景和材料属性条件下“二级粉煤灰+水灰比1.2∶1+注采比0.48”的满足工程控制目标的关键注浆参数匹配组合。基于自研多场耦合可视化物理相似模拟注浆试验系统开展了离层注浆控沉试验，当工作面推进至130.0 cm时，煤层顶界面之上109.0 cm处的目标层发育7号离层空间，同时压水水压进入恒压稳定阶段，符合理论预期，启动注浆时机显现；ZJ-01和ZJ-02孔浆液最大宏观扩散半径分别为238.7 mm和294.5 mm，结合等值线可知孔间形成了有效交圈覆盖区，构造控制作用下浆液分布异化形成强化区和薄弱区；试验获取地表最大沉降量为334.2 mm，终采线侧地表最大沉降量为143.2 mm，均达到预期控沉目标(<360.0 mm)。基于理论模型确立的关键注浆参数匹配组合设计注浆方案开展工程应用，监测周期内终采线侧地表最大沉降量为122.8 mm，交通干线沿线路基最大沉降量为243.9 mm，均达到预期控沉目标，检验了注浆层在关键时期内稳定地层结构的核心控制效能，有效维护了地表相关建(构)筑物的安全稳定性。

• 深埋特厚煤层采动覆岩破断及裂隙场演化特征

  谭毅, 张少普, 何满潮, 李辉, 郭文兵, 王宇, 白二虎, 朱淳, 杨军, 程浩, 郭纬宇, 王燃烈, 曹新发, 李林猫,

  揭示深埋特厚煤层采动覆岩破断失稳致灾机理与裂隙场演化规律，是煤矿工作面突水溃沙等灾害防治的理论基础。以陕西某矿2301工作面采矿地质条件为工程背景，基于数值模拟、分形理论、裂隙熵理论、力学模型构建及现场实测相结合的方法对采动覆岩破断运移和裂隙场动态分布特征展开研究。从采动裂隙场角度分析了覆岩裂隙率、分形维数、裂隙长度和裂隙熵动态演化规律，揭示了各子研究区域采动过程中覆岩裂隙张开闭合裂隙占比、裂隙长度及分形演化特征，量化了覆岩裂隙空间展布的各向异性，构建了覆岩应力拱平衡轨迹方程。结果表明：采动覆岩呈现显著成组破断运移规律和裂断拱周期性起拱特征，且裂断拱周期性起拱为裂隙场主控裂隙；裂隙带内裂隙呈现“弧形”破坏分布特征，平均裂隙率及分形维数分别为2.40%与0.81，采动裂隙场演化为大部对称“拱形”拓扑结构；采动裂隙场呈现“应力场重构—裂隙萌生扩展—结构失稳重组—自修复调控”演化特征，覆岩裂隙经历了“裂隙张裂—裂隙闭合”动态演化过程，优势裂隙群通过合并机制形成贯通型裂隙网络。采用裂隙熵理论量化了裂隙场不同区域裂隙空间展布的各向异性，并统计分析了采动覆岩不同区域内裂隙倾角演化规律及分布特征；基于三铰拱结构理论，构建了采动覆岩应力拱平衡轨迹方程；通过现场实测结果分析得出导水裂隙带高度为224 m，裂采比为24.9，现场实测结果与数值模拟结果基本一致，研究结果对类似地质条件工作面相关灾害防治具有一定的参考价值。

• 考虑煤矸嵌锁效应的水平分段综放开采合理分段高度确定

  张锦旺, 万晓航, 王家臣, 杨胜利, 程东亮, 魏炜杰, 宋正阳, 王世纪, 李欣洋,

  针对急倾斜特厚煤层水平分段综放开采中顶煤放出规律复杂、合理分段高度难以确定的工程难题，采用散体动力学理论、离散元数值模拟、物理试验与深度学习算法相结合的方法，揭示了放煤过程中煤矸块体间嵌锁效应主导的“松动—压实”循环机制，构建多参数数值模拟方案，开展物理试验验证，并建立基于序列数据的回收率及合理分段高度预测模型。探究了分段高度、工作面长度、煤层倾角对嵌锁效应及顶煤回收率的影响规律，发现煤层倾角和分段高度越大，嵌锁效应越明显，不利于顶煤的顺利放出，而工作面长度对嵌锁效应的影响不大，较小的分段高度有利于减弱嵌锁效应、促进顶煤的顺利放出。工作面长度越小、分段高度越高，工作面中部的放煤量更加均匀；煤层倾角越大、分段高度越高，靠近工作面顶板侧的放煤口放煤量逐渐增加。工作面长度越大，煤层倾角越小时，采用较小分段高度可以有效减少顶煤成拱、提高工作面的回收率，而当煤层倾角大于70°时，应选取较大分段高度可以削弱嵌锁效应、提升顶煤回收率。构建LSTM+Transformer的回收率及合理分段高度预测模型，实现回收率与合理分段高度的准确预测(R2=0.9469)。研究为乌东煤矿等水平分段综放工作面提供了分段高度的动态优化方法，有助于实现急倾斜煤层的高回收率开采。

• 煤矿立体充填开采方法及工程实践

  张强, 崔鹏飞, 张吉雄, 王云搏, 杨军辉, 宗庭成, 白雨, 金子山, 冯建业, 朱兴会,

  单一充填开采方法难以完全满足充填工程场景复杂化、地质条件特殊化、覆岩控制精准化的需求。创新性提出联合运用多种充填技术对覆岩全系不同层位采动腔硐空间进行立体充填开采的新方法，并拆解煤矿立体充填开采技术特征及工程内涵，剖析了煤矿立体充填开采典型适用场景；分析提取了立体充填低、中、高多层位可充采动腔硐空间动态发育模型，构建了立体充填多层位协同阻滞覆岩运动、稳定控制地表变形的核心机制，形成了“低位固体面充+高位地面下向孔注”“低位固体面充+中位回采巷上向孔注”等多种煤矿立体充填开采组合模式；设计了煤矿立体充填“钻采充注”典型生产系统，并揭示了立体充填各系统间“空间上多层位布置+时间上多指标顺序运行”的“分时分区”时空高效衔接机制；系统性建立了煤矿立体充填开采工程设计方法。结合河北某矿建下多条带遗留煤柱回收的工程背景，设计并应用了“低位固体面充+高位地面下向孔注”的立体充填开采方法，开展了立体充填“钻、采、充、注”系列工程，实测验证了立体充填低位固体主充和高位孔注辅充阶段协同阻滞覆岩运动控制效果，量化对比了立体充填在内多种充填开采方法的地表变形控制程度，结果表明立体充填控制效果更加显著，其充实率高达96%，实现了高上限、低扰动、强稳定性的地表变形控制。

• 煤与铀资源协同开采的理论及技术框架

  张传玖, 任建东, 王文, 李建华, 张通, 余伊河, 常聚才, 荣腾龙, 赵利信, 钟振成, 李从飞, 李鹏, 孙国权, 刘立国,

  煤炭与铀资源在鄂尔多斯盆地广泛共存，呈现“上铀下煤”的垂向叠置赋存特征。传统单一矿种开采模式存在资源浪费、相互干扰及放射性污染风险等问题，亟需构建煤铀协同开采的理论与技术体系。围绕多相多场耦合机理、铀矿快建快采、煤炭开采降扰、放射性监测预警、污染治理等难题开展深入研究，系统提出了煤铀协同开采的总体技术框架。在理论层面，揭示煤岩断续结构力学行为与多场耦合渗流演化机制，阐明含铀溶浸液迁移扩散规律与开采扰动互馈响应特征，厘清“上铀下煤”赋存条件下采掘活动的扰动互馈效应，并提出多模态降扰调控理论。在技术层面，首先要研发铀矿地浸过程四维动态成像、模块化快建工艺、高效溶浸调控、水力帷幕阻控等关键技术，形成以“精准预测−快速建井−高效浸出−动态管控”为核心的铀矿高效低扰开采技术体系，以有效降低铀矿开采对下伏煤矿安全生产与环境的影响。然后，提出基于精细化三维水文地质模型的煤铀协同开采分区方法，明确安全区、影响区与压覆区的划分标准，以建立兼顾资源回收、环境保护与经济收益的“减损降扰”开采模式。其次，通过部署分布式监测网络、开发智能预警平台、研发井下应急处理装备，构建井下“核素感知−智能预警−应急处理”的一体化防控体系，以形成“快速沉淀−吸附−过滤”多级净化工艺。接下来，开发多工艺联合修复体系、高性能吸附材料以及材料−微生物协同固化技术，创建“源头控制−过程阻断−末端治理”相结合的放射性污染综合治理技术框架。最后，计划在塔然高勒煤矿与纳岭沟铀矿开展的工程示范，验证理论技术在实现资源高效回收与环境污染有效控制方面的可行性和有效性。

• 基于激光扫描和深度学习的锚杆群受力测量原理与技术

  高富强, 刘文举,

  锚杆支护是矿山、隧道及地下工程中应用最广泛的围岩支护方式，其受力状态的准确监测对于围岩稳定性评估与支护参数优化具有重要意义。现有锚杆受力监测方法多依赖外置或内置传感器，存在适用性差、成本高、干扰大、安装复杂等问题，无法满足巷道全域、大尺度、多锚杆同步测量的实际需求。为解决上述问题，提出了一种基于三维激光扫描与深度学习的无损非接触式锚杆受力测量方法。首先从理论上推导出锚杆托盘三维变形场与锚杆轴力之间的数学关系，利用锚杆拉拔试验结合三维激光扫描技术采集托盘不同工况下的高精度点云数据，并建立归一化变形场计算框架。试验设置36种典型工况，共计获取1 000余组变形场与轴力数据。利用卷积神经网络(CNN)训练预测模型，实现托盘变形场向锚杆轴力的映射，平均测试误差小于±19.25 kN，具备良好的预测精度与泛化能力。基于该方法，研制了2种工程应用设备：一是便携式单锚杆轴力测量系统，采用手持激光扫描仪获取托盘点云，结合预训练模型实现单根锚杆快速测量；二是架站式巷道全域锚杆群受力测量系统，依托高精度激光扫描仪实现巷道全断面点云获取，结合改进的PointNet++算法实现托盘自动识别与分割，再通过深度学习模型批量推算各锚杆轴力。研究表明：三维激光扫描结合深度学习能够突破传统锚杆点测手段的局限，实现大范围、多目标、高精度的非接触式测量。该技术在锚杆施工质量检测以及围岩稳定性评估方面具备重要应用价值，为地下工程支护系统的智能化监测提供了新思路。

• 循环冲击下锚固体结构动态响应与损伤破裂规律

  蔚立元, 丁敏杰, 鞠明和, 张庆贺, 代连朋, 张志镇, 潘东江, 程如意,

  为探究锚固体结构在循环冲击荷载作用下的动态响应与损伤破裂机制，采用理论分析、室内试验与数值模拟相结合的方法，开展了端锚锚固体在“多次低能冲击+少数高能冲击”荷载路径下的动态力学行为研究。基于一维应力波理论和Kelvin弹性解，建立了锚杆中应力波传播与叠加的解析模型，并依托自主研发的锚固体结构冲击试验系统，定量研究并分析了不同能级动载循环冲击下锚固系统的动态力学行为与损伤破裂过程。结果表明：锚杆自由段存在明显的应力波叠加效应，应力峰值呈现分段式分布特征；锚固段内应力波随传播距离呈指数衰减，并测得锚固−自由界面的反射系数为0.332，反映了波阻抗不匹配导致的应力波显著反射特性。在循环冲击过程中，锚固界面呈现明显的渐进失效特征，破裂由锚固−自由界面处萌生并逐渐向深部扩展，形成“复合破坏区−损伤前沿区−无损区”的三段式破坏形态；锚固体结构累积位移随冲击次数呈阶段性非线性增长，尤其在超能量阈值后，高能冲击诱发的单次最大位移跃升至5 mm，界面已由微损伤累积进入宏观塑性破坏状态。数值模拟结果进一步揭示了损伤累积与应力波传播的相互作用机制，即锚固体结构的界面损伤从锚固−自由界面附近萌生并向内扩展，导致能量耗散机制从黏结滑移主导(衰减系数α=0.35)转变为接触摩擦主导(α降至0.12)，从而引发应力波衰减特性突变。研究结果不仅再现了循环冲击载荷下锚固体结构的性能劣化过程，也为深部高应力冲击危险巷道的支护参数优化设计与稳定性动态评估提供了重要的理论参考与数据支撑。

• 复杂交岔点稳定性分析与钢管混凝土墩柱群支护技术

  王军, 武兆龙, 刘洋, 武玉梁, 王波, 刘杰, 朱传根, 吕顺章,

  巷道交岔点作为井下开采的关键部位对矿井安全生产具有全局性控制作用，针对深部复杂交岔点悬顶面积大、围岩应力集中、支护难度大等问题，以阳城煤矿−650南翼轨道大巷与联络巷交岔点为研究对象，采用理论分析、数值模拟、室内试验及现场应用等方法，系统开展了交岔点稳定性分析和复合支护技术研究。通过分析交岔点围岩地质与力学参数及变形影响因素，建立了交岔点顶板变截面梁支撑体系力学模型，推导了顶板岩梁挠度计算公式，确定了顶板跨度为影响交岔点稳定性的最重要因素，划定了交岔点顶板下沉危险区范围，提出了交岔点关键部位变形控制技术。设计了基于钢管混凝土组合支架和基于钢管混凝土墩柱群的2种交岔点复合支护方案，模拟显示采用2种支护方案后交岔点顶板分别下沉100 mm和150 mm，表明2种支护方案均能有效约束交岔点顶板下沉并保证交岔点支护安全。随后从施工难易、支护成本及允许变形量等方面开展对比分析，确定基于钢管混凝土墩柱群的复合支护方案为首选，并设计了轴压承载力试验对钢管混凝土墩柱群结构进行承载验证分析，进一步开展了工程实践，实践表明：基于钢管混凝土墩柱群的复合支护方案在−650南翼轨道大巷与联络巷交岔点实施后，顶板及围岩稳定性显著提升。现场监测显示，支护结构实施2 a和5 a后顶板的累积下沉量分别为65 mm和126 mm，小于钢管混凝土组合支架复合支护方案的数值模拟预测结果，满足交岔点使用要求，交岔点持续稳定，现场支护效果良好，且施工简单，成本经济，为复杂交岔点支护提供了良好借鉴。

• 煤矿地热高效开发及岩层控制研究进展

  马丹, 闫璟泓, 高雪峰, 李国玮, 吴疆宇,

  煤矿地热开发条件优越、潜力巨大，利用既有矿井设施开展煤与地热协同开采，对延续矿区能源供给、保障国家能源安全具有重要意义。目前，煤热共采主要面临两大难题：一是在采动岩层中实现地热高效开发，二是在长期采热中控制岩层稳定性。为此，系统综述了煤矿地热高效开发及岩层控制领域的研究进展。在地热高效开发方面，总结了从微观孔裂隙至宏观裂隙网络的多尺度渗流−传热理论体系，揭示了采动应力对岩体渗透−换热行为的动态调控作用；系统梳理了充填埋管采热、储水采热、导水构造采热及采动激活采热等主动利用或改造采动空间的高效采热技术。在岩层控制方面，阐明了地热开发中在冲蚀、热循环和采动复合扰动下导水构造活化、底板导裂突水及煤柱性能劣化失稳的致灾机理；提出了适用于高承压动水环境的疏水−高强多层次注浆和浆−岩界面强化注浆等新型防控技术；总结了适应高渗压环境的超疏水纳米注浆材料等关键材料的研发进展。结果表明，现有研究已在煤矿地热高效开发与岩层稳定性控制方面形成技术体系雏形，但仍存在多场耦合理论对采动影响机理理解不足、关键技术缺乏规模化工程验证、防控材料在长期渗蚀−热循环耦合作用下的性能演化规律不明等短板。未来亟需发展考虑采动应力的热−流−力−化耦合理论模型与多尺度试验验证方法，研发基于探−注互馈的精准智能防控技术，开展极端环境下防控材料的长效性能研究与仿生结构设计，通过典型矿区工程示范推动技术标准与评价体系建立，为煤矿地热资源的安全、高效开发提供系统性解决方案。

• 基于Attention U2-Net的巷道围岩钻孔采动裂隙抗干扰识别研究

  单鹏飞, 康佳星, 来兴平, 代晶晶, 许慧聪, 李杰宇, 惠聪,

  采动裂隙演化特征是量化巷道围岩动力显现特征的关键依据之一。为了降低光照不均、噪声等对围岩钻孔成像的干扰以及孔内采动裂隙边缘模糊、形态多变等对采动裂隙识别的不利影响，提出基于Attention U2-Net的巷道围岩钻孔采动裂隙抗干扰识别方法。利用自主研发的巷道围岩态势全息感知装备来全天候实时采集高分辨率围岩钻孔采动裂隙影像，结合注入噪声、直方图均衡化调节、HSV中V通道色彩扰动与裂隙灰度三维投影等多种增强手段来提高非理想成像条件下图像数据环境泛化能力；通过在基准模型U2-Net中融合单通道注意力(SE、ECA)、空间注意力(CBAM)与全局多通道注意力(DANet)及组合注意力(CBAM+ECA)等机制，增强对低可见度裂隙等非理想采集环境下裂隙的感知与提取能力；在训练阶段采用深度监督复合损失函数(Dice+BCE)嵌入基准模型U2-Net的6个网络输出端，促进基准模型U2-Net以及Attention U2-Net模型的稳定训练与快速收敛，从而缓解小目标裂隙梯度消失与不连续问题。巷道围岩钻孔采动裂隙抗干扰识别实验结果表明：Attention U2-Net模型的IoU提升至83.1%、F1达到92.6%、EMA降至0.052，相较基准模型U-Net和U2-Net，训练阶段的收敛步长提前21轮次与10轮次，F1提高8.4%、4.0%。Attention U2-Net模型训练收敛更快，裂隙边缘检测、细长裂隙提取与复杂纹理分割能力更强，为准确分析围岩钻孔采动裂隙演化特征以及巷道围岩动力显现特征提供了可靠技术支撑。

• 高应变率下预制钻孔煤体动力学特性与防冲机制

  王爱文, 杨凯磊, 朱斯陶, 范德威, 辛壮壮, 张巍, 刘兴发, 刘瀚琦,

  煤层钻孔卸压是煤矿冲击地压防治中常用方法，其防冲效果与煤体力学性能相关。为深入探究不同冲击倾向性钻孔煤体动力特性及其防冲机制，采用霍普金森压杆对预制钻孔煤样进行高应变率冲击试验。结果表明：高应变率加载时，煤层钻孔在弱化煤体冲击倾向，减小透射能量比，降低煤样动态峰值强度、动态峰值弹性模量和能时密度等方面具有显著作用，且对强冲击倾向性煤样的弱化作用强于弱冲击倾向性煤样；钻孔改变了强冲击煤样能量耗散的途径和速率，使其破坏模式变为多裂纹的萌生、扩展和汇合，且能量释放时间被大大延长，从而显著降低其能量释放速率；钻孔会显著提升煤体中应力波反射能力以及波阻隔效应，冲击动载下，强冲击倾向性煤样反射能量比从19%增至33%，透射能量比从38%衰减至20%；弱冲击倾向性煤样反射能量比从43%增至60%，透射能量比从13%衰减至5%；随着钻孔孔径增大，强冲击煤样由单一主裂纹扩展成沿平行于加载方向的多条撕裂型主裂纹，且裂纹扩展速度明显快于弱冲击煤样；弱冲击煤样则是裂纹数量更多，沿加载方向45°角形成剪切型主裂纹，且在水平位移云图中观察到类似“W”形的不连续线，这是多条裂纹同时萌生、并行扩展并最终相互连接的结果。在能量耗散与裂纹扩展2个方面，发现了卸压钻孔对强、弱冲击倾向性煤体的防冲机制存在本质差异：强冲击煤体的卸压核心在于通过破坏模式转变以降低能时密度，而弱冲击煤体则在于结构强度的渐进弱化。

• 急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压发生机理

  何江, 邵嗣华, 李小龙, 苗伟东, 陈龙, 张迎港,

  为揭示急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压机理，建立了覆岩倾向悬臂梁结构力学模型，分析了覆岩倾向破断步距、移动规律、能量释放与煤层倾角的关系，采用UDEC数值模拟了覆岩结构破断运移规律和应力分布规律，理论分析了急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压发生机理。结果表明：急倾斜分段轻放开采顶板倾向破断步距与煤层倾角呈正相关关系，随着倾角增大，岩层倾向破断步距呈现非线性增大趋势，倾角越大，倾向破断步距增大越明显；顶板倾向破断步距与岩层厚度、抗拉强度均呈幂函数关系，拟合相关系数均在0.99以上；破断块体下滑对采空区下部充实度较大，破断块体可出现旋转、俯冲2种运动失稳类型；采空区上方覆岩呈现出低位横跨、高位成拱的双结构特征；采空区周边垂直应力主要在顶板外侧产生集中，水平应力、剪切应力主要在采空区下部煤体产生集中；采空区下部沿倾斜方向78.36 m范围内水平应力大于垂直应力，下分段工作面底煤水平应力明显高于垂直应力，巷道底煤6.54 m处剪切应力出现最大值，易产生底煤冲击破坏；急倾斜分段轻放开采静载来源于上部采空区覆岩低、高位双结构产生的夹持作用，当矿震应力波动载与底煤水平应力静载叠加达到冲击地压临界条件时，诱发巷道底煤冲击破坏。王家山煤矿东一采区急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压主要表现为底鼓性破坏特征，微震监测表明工作面回采期间主要为底煤及相近标高煤岩破裂释放弹性变形能，验证了急倾斜煤层分段轻放开采覆岩结构控制型底煤冲击破坏机理。

• 基于煤岩系统刚度变化的冲击地压全过程探讨

  蔡武, 刘爱鑫, 朱旭明, 袁莎莎, 窦林名,

  煤矿冲击地压因其发生过程的复杂性、突发性、多样性等特点，其监测预警与防治一直是困扰学术界及采矿界的世界性难题，该难题涉及的冲击地压全过程(孕育—启动—显现—结束)机理尚未得到有效揭示。在总结采场应力环境和动静载叠加诱冲理论的基础上，建立了顶板−煤层−底板冲击系统模型，探讨了基于煤岩系统刚度变化的冲击地压全过程解释，包括基于刚度变化的位移突变和能量释放2个准则，以及一种广义刚度启动条件和塑性变形与载荷增量2种动载诱冲效应；开展了组合煤岩试样的真三轴准静载、循环加卸载和动静组合试验，分别验证了刚度启动静载条件、塑性变形型和载荷增量型动载诱冲效应。结果表明：刚度启动静载条件是煤体屈服刚度大于顶底板围岩刚度，叠加动载作用下的广义刚度启动条件等价于降低围岩刚度，由此推导出的位移突变和能量释放准则可以预测冲击地压的时空位置；塑性变形型动载诱冲效应的本质是峰前累积的永久塑性变形超过准静载条件下的冲击启动临界应变值。载荷增量型动载诱冲效应的本质是输入的动载能量大于峰前应力状态发展至峰后冲击启动时所需的耗散能，且存在剩余弹性能释放；冲击地压定义的科学内涵包括冲击载体、物理参量和宏观现象3个特征，其中，刚度变化响应、表征和匹配是指导冲击地压监测与防治的关键。煤岩系统刚度变化解释了顶底板围岩加载系统与受载煤体的相对刚度变化对冲击地压的影响，以及由此引发的能量动态平衡问题，综合了动静载叠加、强度、刚度、能量、冲击倾向性等理论的核心思想，可为揭示冲击地压全过程机理和能量释放规律提供新的视角。

• 急倾斜煤层冲击地压地面区域压裂防控机理及工程实践

  高瑞, 赵鸿杰, 于斌, 邵嗣华, 李勇, 李作泉, 杨文连, 李明, 苗伟东,

  坚硬顶板急倾斜煤层开采，受煤层倾角影响，坚硬顶板易大尺度悬顶，造成煤体夹持应力高，厚硬覆岩破断冲击动载强烈，易诱发急倾斜煤层冲击地压。为实现急倾斜煤层厚硬悬顶结构区域调控，提出一种急倾斜煤层冲击地压地面斜井区域压裂防控技术，削弱冲击力源，降低冲击风险。以甘肃靖远王家山煤矿为工程背景，分析矿井历年冲击地压案例及微震能量事件，明确急倾斜煤层冲击显现特征。研究了急倾斜煤层覆岩结构演化及破断动载扰动，给定冲击震源防控关键层；研究获得压裂影响采场煤岩体应力—能量场演化规律，揭示了急倾斜煤层厚硬覆岩地面压裂区域弱化减冲机理，研究表明：急倾斜坚硬覆岩应力及能量集中明显，其大范围悬顶结构在回转挤压作用下，造成低位—高位悬臂“支点”处应力极值达26.7、28.6 MPa。地面斜井压裂通过构建区域体积缝网，切断应力传递路径，同时使应力向深部煤岩体转移，改善采场应力水平，低位—高位悬顶结构应力极值分别降低14%、44%，能量极值降低10.5%、20.9%，卸压释能效果显著。给出了冲击震源防控层判定方法，建立了地面斜井布置全轨迹方程，现场开展了急倾斜煤层地面压裂工程实践，结果表明：地面压裂可形成沿岩层倾向分布、走向扩展、规模达400 m×200 m×50 m的体积缝网，实现厚硬覆岩区域压裂，杜绝了104 J级高能事件，震动波CT反演结果表明，压裂区波速异常系数An均在0.20以下，应力集中程度为中等及以下，波速梯度变化系数VG均在0.05以下，冲击危险程度为无。研究成果表明了地面斜井区域压裂防冲技术的可行性，形成了地面斜井压裂科学设计方法，为急倾斜煤层冲击地压防控提供了一种新型技术途径，完善了急倾斜煤层冲击地压防治体系。

• 高力学相似性3D打印类煤岩材料研发与成型技术研究进展

  蒋力帅, 彭晓涵, GOLSANAMI Naser, 赵烨, 张哲, 徐清,

  精确、高效、可重复地制备与真实岩体力学特性和结构特征相符的试样是突破传统岩体力学试验瓶颈的关键。砂型3D打印所制备的试样力学特性与煤、砂岩等软岩相近，是煤岩体物理重构的重要技术和方法。为了解决砂型3D打印类煤岩试样强度偏低、应用范围受限的问题，开展了类煤岩试样打印成型全流程探究，研究了打印流程中基质材料、成型参数、后处理工艺等对试样宏观力学特性和微观结构特征的影响规律，提出了基于紧密堆积理论与材料复合增强理论的2种增强改性方法，研发了高力学相似性3D打印类煤岩复合材料。结果表明：在基质材料中，表面粗糙且形貌复杂的机制砂能够增强颗粒间的机械嵌合作用；在成型参数中，适宜的层厚、黏结剂饱和度和固化剂质量分数可改善颗粒间界面黏结强度；在后处理中，延长固化时间以及采用适宜温度的干燥方式均有助于提高试样的致密度与强度；在增强改性方面，优化颗粒级配可构建由大颗粒支撑、小颗粒填充的致密骨架结构，从而显著提升试样的密度与整体力学特性，而引入纤维增强材料则能够通过阻裂与桥接作用抑制裂纹扩展、改善应力分布并提高试样的峰值强度。研究结果揭示了3D打印类煤岩试样宏观力学特性与材料组成、微观结构之间的构效关系，研发得到了适于模拟煤系地层的高力学相似性复合3D打印类煤岩材料以及组分和配比参数，阐明了颗粒级配与纤维增强方法的增强改性机理。

• 水−岩作用下煤系一水硬铝石型铝土矿抗压力学行为及响应特征

  朱德福, 胡文硕, 贾勇杰, 王德玉, 霍昱名, 张纯旺,

  山西煤系沉积型铝土矿赋存于石炭系−奥陶系复合含水层系统，揭示水−岩作用下铝土矿力学响应特征与损伤演化机理是保障铝土矿安全高效开采的关键。以山西兴县煤系铝土矿为研究对象，通过吸水性试验和分子动力学模拟，探究其亲水特性；采用声发射(AE)和数字图像相关(DIC)技术开展不同含水饱和度(0、25%、50%、75%和100%)试样单轴压缩试验，研究其抗压力学行为；结合扫描电镜(SEM)、计算机断层(CT)扫描和摩擦试验，揭示其水−岩作用破坏机理。研究结果表明：铝土矿的主要物质成分为一水硬铝石，极易通过氢键作用与水分子相结合，宏观表现为铝土矿具有较强的吸水性。从干燥到含水饱和，铝土矿的抗压强度和弹性模量均值分别从89.866 MPa和62.499 GPa降至42.443 MPa和35.069 GPa；AE定位点数量和持续时间逐渐减少、破碎分形维数均值从1.63816降至1.42168，表明试样的破碎程度逐渐下降；AE振铃计数和累计振铃计数峰值逐渐降低，表明试样内部裂隙扩展速度变慢、累计损伤程度逐渐减少；在相同加载应力下，试样表面主应变随饱和度升高逐渐增大，表明其抗变形能力逐渐减弱。矿物的膨胀与溶解作用较弱，晶间摩擦阻力下降是导致铝土矿抗压强度弱化的主要内在机理。不同饱和度试样均以张拉破坏为主，干燥试样呈现以晶内Al—O共价键断裂主导的穿晶破坏模式，宏观表现为试样的张拉裂纹占比最大；随着饱和度升高，沿晶间氢键(O2—H…O1)断裂的沿晶破坏占比增大，宏观表现为试样的剪切滑移裂纹占比增加。研究结果为煤系一水硬铝石型铝土矿安全高效开采提供了试验依据。

• 液氧瞬态膨胀破岩致裂机理与应用研究进展

  王雁冰, 付代睿, 彭惠康, 郑文海, 李康成, 汪东宸, 赵小艳, 王建国,

  寻找兼具高效破岩能力与绿色安全属性的新型爆破技术，是“双碳”目标下破解资源开采与基础设施建设中环境、安全与效率矛盾的关键。液氧瞬态膨胀破岩技术因其构成系统简单、具有本质安全特性，且反应产物绿色环保，为此提供了一种潜在解决方案。为明确液氧瞬态膨胀破岩的致裂机理，以液氧瞬态膨胀破岩技术特征为基础，分析了液氧瞬态膨胀原理与装备；通过研究孔内热力学反应过程，揭示了炮孔周围岩体的受力机制，提出了考虑液氧超低温热损伤、应力波与高压气体协同作用的岩体断裂过程；依据高速纹影试验结果建立了反应三阶段假说：激发孕育、膨胀破坏和气体逸散；通过气体成分检测，构建了燃烧−相变比例计算方法，明确了液氧瞬态膨胀反应特征；借助数字图像相关方法与三维重构技术，研究了爆后岩体致裂特征，表明在气体主导冲击下岩体无粉碎区，裂纹以张拉破坏为主，扩展方向单一、无次生裂纹；安全性评估表明，液氧药包在静电与明火条件下具有较高触发阈值。在工程应用方面，则是利用其绿色环保、本质安全等特性，使其适用于多场景、复杂环境下的岩石破碎任务。未来针对液氧瞬态膨胀破岩致裂应从多角度揭示反应机理、动态断裂全程的三维裂纹扩展理论模型、致裂岩体的多尺度分析及孔内精确延时爆破技术等方向进一步扩展研究，拓宽液氧瞬态膨胀破岩的应用场景。

• 基于尖点突变理论的深部砂岩失稳诱灾预测研究

  邢鲁义, 崔同源, 孔朋, 陈海涛, 王超,

  砂岩巷道的长期稳定是确保深部煤炭资源安全高效开发的重要前提，其突发性失稳极易引发重大灾害事故。针对深部砂岩的失稳预警这一关键难题，建立一种有效的失稳前兆识别方法，实现对深部砂岩灾变前临界状态的精准预警。以尖点突变理论为基础，采用数值模拟软件RFPA2D (Realistic Failure Process Analysis)建立砂岩数值模型，开展了单轴及5、10、15、20 MPa围压下常规加载全过程数值模拟，同步获取声发射数据；基于应力－应变全过程曲线，分析了加载过程中弹性应变能的演化特征，构建了以弹性应变能为关键状态变量的尖点突变模型及时间序列势函数，以弹性应变能分叉集特征量化了深部砂岩的失稳预警信号。结果表明：在加载破坏过程中，弹性应变能分叉集函数值均出现2次明显的负值阶段，将第2次负值阶段的起始时刻定义为失稳预警时刻，同时将该时刻对应的轴向应力定义为预警应力；基于尖点突变模型的预警时刻在表征深部砂岩的失稳预警信号时具有充分提前量，预警时刻占最终失稳破坏时刻的比值普遍在80%以上，预警应力占峰值强度的比值亦稳定在80%以上；声发射活动的前兆特征在时序上与弹性应变能突变特征未表现出显著的一致性，其起始时间始终早于弹性应变能突变指标的预警时刻，客观反映了微观损伤的累积与活跃，而弹性应变能突变则标志着系统宏观稳定性的丧失，基于两者在信息源上的互补性，获取了自“失稳启动”早期预警点至“失稳临界”预警时刻的砂岩失稳诱灾“有效预警区间”；该研究通过系统数值模拟，揭示了围压对深部砂岩能量积聚－释放模式及预警时序特征的影响规律，从能量角度深化了对深部砂岩灾变演化机制的认识。

• 超声波激励煤层瓦斯促解增流强化抽采的研究现状与展望

  林海飞, 仇悦, 严敏, 李树刚, 王瑞哲, 张笑盈, 周行, 蔡如意,

  我国大部分矿区煤层渗透率较低，如何利用煤层增透技术提升瓦斯抽采效率是目前煤矿安全领域研究的重点。超声波激励因其能有效改善煤层孔隙裂隙结构、促进瓦斯解吸与渗流，被广泛认为是一种具有广阔应用前景的煤层增透方法。为系统把握超声波激励煤层瓦斯增流抽采方法研究现状及未来发展方向，分类梳理与总结了近年来国内外相关研究成果。回顾了超声波激励煤层瓦斯增流抽采方法的发展历程，阐述了其物理基础与作用机制，该方法通过机械振动、热效应及空化作用，促进煤体微裂隙的生成与扩展，改善孔隙连通性，增大瓦斯解吸动能，进而强化瓦斯运移能力。系统分析了超声波激励对煤层瓦斯增流的影响规律，发现煤体官能团断裂、孔隙裂隙改造程度及瓦斯增流效率与煤体含水率、超声波功率及作用时间呈正相关，低阶煤的孔隙裂隙改造及瓦斯增流效果优于高阶煤，提出不同液体环境及脉冲超声波激励煤层促解增流瓦斯新方法。为进一步推动该方法安全高效及规模化利用，未来重点研究方向为：超声波激励煤层瓦斯增流多场耦合及协同机制，研究超声波激励煤层瓦斯增流的地质−工程一体化适配性技术，研发超声波激励煤层瓦斯增流抽采装备以及该技术装备的智能化。通过对上述关键问题的深入探索，以期突破现有瓶颈，推动超声波定点激励与精准调控技术在低渗煤层中的实际应用，实现瓦斯高效增流与精准抽采。

• “爆破致裂+压裂驱动”均匀卸压增透防突技术研究及应用

  杨威, 温永瓒, 宋梦飞, 田威, 郭明功, 林柏泉,

  煤与瓦斯突出是制约深部煤炭资源安全高效开采的主要灾害之一。传统煤巷条带瓦斯治理技术受煤层高地应力与低渗透性的影响，普遍存在治理周期长、效率低等问题。为提高煤巷条带的治理效率、消除掘进工作面的突出危险性，笔者提出了“爆破致裂+压裂驱动”均匀卸压增透防突技术。该技术首先在煤巷条带外轮廓线施工控制孔，通过对控制孔水力冲孔重构煤层局部应力场、缓解应力集中；随后在控制孔几何中心处施工爆压孔对煤层进行预裂爆破，在爆压孔内形成均匀爆生裂隙；进一步利用爆生裂隙尖端应力集中效应引导水力压裂裂隙起裂，并结合控制孔所形成的卸压空间，促使水压裂隙定向扩展并与控制孔贯通；最终通过爆生裂隙与控制孔的梯级导控作用，构建均匀水力压裂裂隙网络，实现控制区域内煤层均匀卸压增透。基于此，揭示了控制孔缓解煤层应力集中作用机理和爆压逐级致裂均匀缝网构建机制。结果表明，当控制孔与爆压孔连线方向与最大主应力方向呈45°、孔间距为5倍控制孔半径时，控制孔能够调控爆生裂隙尖端的二次应力场引导裂缝扩展。与此同时，开发了成套技术装备实现了水封耦合爆破和控制压裂的安全高效作业。该技术在平煤股份八矿己15煤层进行了现场试验。结果表明：与传统工艺相比，钻孔工程量减少75%，治理周期显著缩短；抽采90 d后，钻孔瓦斯抽采体积分数提升2.4倍，抽采流量提升2.5倍；90 d累计瓦斯抽采量是传统治理技术的1.5倍。实现了“靶向致裂–协同卸压–高效抽采”的有机统一，为深部高瓦斯煤层灾害治理提供了创新解决方案。

• 非均匀性对含瓦斯水合物煤体力学特性影响：试验与数值模拟

  张保勇, 王楠楠, 沈爽, 高霞, 杨书朋, 殷振元, 吴强,

  深入理解含瓦斯水合物煤体力学性质对于煤与瓦斯突出防治至关重要。然而，由于含瓦斯水合物煤体内部结构的复杂性，定量关联微观不均匀性与宏观力学行为的准确表征仍然是一个挑战。为了评估围压、饱和度以及非均匀性对煤体宏细观力学性质的影响，提出了一种基于Weibull分布统计函数的离散元模型，用以模拟含瓦斯水合物煤体的力学性质及破坏行为，并开展了室内三轴试验验证数值模型的有效性。通过改变数值模型的非均匀性，在不同围压、饱和度下进行了三轴压缩试验，分析煤体强度、接触力链、孔隙率等宏细观参数的变化规律。试验结果表明：含瓦斯煤体与含瓦斯水合物煤体的破坏过程均可分为弹性阶段、屈服阶段、强化阶段，且含瓦斯水合物煤体的刚度高于含瓦斯煤体，表现出更强的抗变形能力；瓦斯水合物生成提升了煤体承载能力，与含瓦斯煤体相比，围压从12 MPa增加到20 MPa时，含瓦斯水合物煤体峰值强度增加率为9.38%～36.78%。模拟结果表明：饱和度从0增加至80%时，与含瓦斯煤体相比，含瓦斯水合物煤体峰值强度增加率为8.09%～67.63%，表明水合物的存在增强了煤体承载能力；形状因子从2增加至30时，不同水合物饱和度下含瓦斯水合物煤体峰值强度增加率为31.62%～200.94%，并呈线性增加趋势。随着水合物饱和度的增加，形状因子对试样强度的影响程度显著增强，强力接触力链占比增加，胶结破坏数减少，试样强度显著提升；水合物饱和度从10%增加至80%时，平均法向接触力组构张量峰值增幅从17.03%增加至59.27%；试样内部非对称“X”型剪切带发育程度降低，颗粒旋转速度逐渐减小。随着形状因子的增加，试样非均匀性减弱，强接触力链分布更加均匀，试样结构趋于稳定；形状因子从2增加至30时，平均法向接触力组构张量峰值增幅从7.24%增加至31.84%；试样内部颗粒旋转速度逐渐减小，剪切带宽度逐渐减小，破坏程度减轻；轴向力主要由平均法向接触力提供，而水平方向的力主要由切向黏结以及摩擦提供。研究结果有助于深入理解含瓦斯水合物煤体的变形与破坏机理，对于提高水合物加固煤体强度效果，具有重要的理论意义和工程应用价值。

• 深部含瓦斯煤冲击动力学试验研究进展及展望

  刘晓斐, 张思清, 顾周杰, 王恩元, 周鑫, 王笑然, 张奇明,

  随着煤炭开采深度的增加，煤体所处的地质力学环境由浅部相对简单的应力状态，逐步演化为高地应力、高瓦斯压力、高地温及强扰动共同作用的多场强耦合状态，其动力响应规律显著复杂化。近年来，国内外学者围绕复杂应力、瓦斯环境下的煤体开展了大量的冲击动力学试验并获得了丰硕的研究成果。系统综述近年来含瓦斯煤冲击动力学试验研究、试验结果的最新进展，重点梳理了从单轴(σ1≥σ2=σ3=0)、常规三轴(σ1≥σ2=σ3≠0)到真三轴(σ1≥σ2≥σ3≠0)含瓦斯煤霍普金森压杆(SHPB)试验系统的发展演变，介绍了不同类型含瓦斯煤霍普金森压杆试验系统的主体构成，分析了各类冲击压杆试验中试样形状、尺寸的要求以及相应的数据解算方法，综合归纳了不同加载模式下煤体的应力−应变曲线演化、峰值强度与应变、冲击破坏模式、能量耗散与瓦斯放散规律，总结了基于试验数据的含瓦斯煤动力学本构模型及其在损伤演化、渗流耦合方面的拓展，探讨了动静载作用下含瓦斯煤力学特性及劣化机制。最后，对未来研究方向进行了展望，指出真三轴多场耦合−动静联合加卸载，动静载组合下含瓦斯煤体多源信号智能监测，高静载、瓦斯压力以及动载荷叠加对煤体冲击失稳灾变机制的深入研究，将成为含瓦斯煤冲击动力学领域的重要发展趋势。

• 钻孔环境下开放式微波破煤特性及其致裂机制

  胡国忠, 王同辉, 杨南, 郑杰, 许家林, 李国君, 杨海清, 曹迪,

  通过钻孔破煤进行卸压增透是解决低渗煤层瓦斯预抽困难的有效途径之一。微波破岩技术因具有热效率高、环保、非接触式破岩的特点在钻孔破煤卸压增透方面极具应用前景，但其破煤特性及致裂机理不明。为此，研发了一套适用于钻孔环境的开放式微波破煤岩实验系统，开展了钻孔开放式微波破煤试验，明确了开放式微波致裂煤体的破裂过程，获取了微波参量、煤体温升演化、声发射特征与裂缝扩展的变化关系，揭示了开放式微波破煤过程中煤体温升、起裂与裂缝扩展规律。在此基础上，利用煤层钻孔开放式微波破煤的热–力耦合模型，阐明了微波辐射下孔周煤体温度场与内部应力场的时空演化规律，确定了钻孔微波致裂的影响范围，揭示了钻孔环境下开放式微波致裂煤体的热力耦合作用机制。结果表明：开放式微波对煤体的热效应促使孔周煤体快速升温并形成“加热区–传热区–未加热区”的温度分区，引起剧烈的切向拉应力，使煤体在“传热区”外边界、原生裂隙或自由面上发生起裂，并向钻孔径向持续扩展与连通，进而实现大范围致裂。高功率微波辐射加速了孔周煤体的温升与热应力积累，使煤体破裂萌生期持续时长明显缩短、起裂阈值温度略有降低，促进了煤体裂缝的快速扩展，显著提高了孔周煤体的微波致裂半径。随着微波辐射时间延长，孔周煤体的温度分区范围与切向拉应力持续增大，导致煤体新生裂缝的数量、长度与开度均显著增加。微波对煤体的致裂效应增大了孔周煤体破碎区范围，降低了煤体有效应力，从而产生卸压效果。例如，在14 kW、400 min的微波能量作用下，孔周煤体的致裂半径为1.57 m、卸压半径达2.72 m。该研究成果为微波破煤卸压增透技术及装备研发提供了重要支撑。

• 高压电脉冲原位致裂煤层裂隙无损观测与增透试验装置研制及应用

  蒋长宝, 吴家耀, 潘一山,

  高压电脉冲(HVEP)技术在强化煤层气高效开采方面潜力显著，但受限于现有试验装置在揭示HVEP作用下受载煤体裂隙保真观测方面的不足，难以精确揭示真实应力环境下HVEP致裂煤体裂隙网络演化规律，制约了该技术的工程应用效能评价。为应对该技术难题，自主研制了HVEP原位致裂煤层裂隙无损观测与增透试验装置。该装置以射线穿透式压力室为核心，协同伺服加载、气体渗流、高压放电和数据采集4个功能模块，具有以下技术特点：实现了HVEP致裂前后受载煤岩的原位CT扫描，能够在地应力条件下高精度还原煤岩裂隙的发育特征；装置单次放电能量可达100 kJ，提升了HVEP试验的能量输入能力；可分别向试样提供200 kN轴向压力、60 MPa围压以及30 MPa的气体压力，由此模拟深部煤岩的真实应力环境，并在此基础上开展HVEP致裂煤岩增透的技术应用研究；可实现对煤岩变形、应力环境、气体流量、电路信号以及裂隙扩展情况的实时观测与数据采集。依托该试验装置，开展了不同放电电压条件下HVEP致裂前后受载煤体的原位CT扫描及渗流试验，验证了装置的可靠性。研究厘清了地应力荷载条件对HVEP煤体裂隙形态的影响，量化了不同放电电压下受载煤样裂隙原位三维特征参数的变化，揭示了HVEP技术在不同放电电压下致裂受载煤体的原位增透效果。结果表明：在地应力荷载条件下，煤样经HVEP致裂后未出现高度碎裂化现象，而在解除地应力约束后，裂隙末端重新张开，裂隙像素比及分形维数均有所增加，真实裂隙网络的复杂程度可能因此被高估。同时，在试验设定的电压范围内，提升放电电压有效强化了HVEP致裂煤样的裂隙扩展能力，并提高了致裂后煤样渗透率的涨幅。在0.8～2.6 MPa的进气压力下，致裂前煤样渗透率随气体压力呈“V”形变化，而致裂后煤样渗透率虽较致裂前大幅上升，但在气体吸附膨胀效应的影响下，其渗透率随气压增加呈下降趋势。

• 低压磨料空气射流喷嘴磨损特性及影响因素

  张宏图, 马欣悦, 魏建平, 刘勇, 叶红燕, 李博涛,

  低压磨料空气射流作为新型辅助破岩技术，在2 MPa压力下通过矩形截面喷嘴实现磨料的超声速喷射，提升破岩效率。但磨料与喷嘴内壁的碰撞磨损会影响射流稳定性及效率，为明确低压磨料空气射流中结构参数对喷嘴磨损特性的影响，采用CFD-DEM耦合方法，结合Archard Wear模型，对不同结构参数的拉瓦尔(Laval)矩形截面喷嘴内流体进行数值模拟，研究收敛段长度、喉部尺寸和扩张段长度对喷嘴磨损的影响。基于Box-Behnken试验设计方法构建二阶响应面模型，量化各结构参数对喷嘴磨损的显著性影响，并提出优化喷嘴结构设计。结果表明：矩形喷嘴的磨损主要集中于收敛段后端和扩张段前端，其中扩张段磨损区域呈U型分布；收敛段长度与最大磨损深度呈负相关，收敛段从10 mm增至30 mm时，磨损深度由1.25×10−5 mm降至2.82×10−6 mm，降幅达77.4%；喷嘴的最大磨损深度与喉部尺寸呈负相关，而随着喉部尺寸的增加，粒子最大射出速度先增大后减小；随着扩张段延长，喷嘴最大磨损深度先增大后缓慢减小，粒子最大射出速度逐渐增加；通过响应面分析可知，喷嘴的最大磨损深度对收敛段长度敏感度最高，扩张段长度对粒子最大射出速度影响最显著；优化后的喷嘴参数为收敛段30 mm、喉部3.12 mm×10.38 mm、扩张段157 mm，较标准喷嘴磨损深度降低68.87%，磨料粒子射出最大速度提升5.83%，实现了低磨损与高效率的平衡。

• 玻璃微珠及硅烷偶联剂对水泥基钻孔密封材料力学性能的影响规律

  倪冠华, 付正麟, 李钊, 巩俐, 张震宇, 马思聪,

  深部低渗煤层瓦斯抽采钻孔密封效果差、瓦斯抽采效率低是制约煤炭安全高效开采的瓶颈问题。玻璃微珠作为玻璃生产过程中的工业废料，可以降低水泥基材料的自身质量，同时因强度高、稳定性强的优良特性，可以提高水泥基材料的力学性能。为探究玻璃微珠对水泥基材料流动性和力学性能的影响规律，通过流动性测试研究不同类型及掺量的玻璃微珠对水泥基材料流动性的影响规律，通过单轴压缩试验、蠕变试验、X射线衍射试验和热重试验研究了空心玻璃微珠和硅烷偶联剂对水泥基材料力学性能和能量演变的影响规律。结果表明：空心玻璃微珠的掺入，能够提高水泥基材料的流动性，同时掺量越大，流动性越好，其中最优组流动性相比传统材料提高了8%，实心玻璃微珠的掺入效果与之相反；空心玻璃微珠的掺入，使水泥基材料的抗压性能显著增强，最优组的抗压强度达到55.025 MPa，KH-550硅烷偶联剂对空心玻璃微珠改性后，水泥材料的抗压强度得到进一步提高，可达60.191 MPa；在空心玻璃微珠和异丁基三乙氧基硅烷的协同作用下，水泥基材料的耐高压性能进一步提升，长时间承载后仍具有较强的抗压能力，最优组的应力峰值可达50.32 MPa，相比传统水泥基材料提高了67.85%；通过掺入以上填料，水泥材料水化程度得到明显提高，最优组存在更少的Ca(OH)2水化物和未水化的C3S，生成了更多的C−S−H水合物凝胶。研究揭示了硅烷偶联剂与空心玻璃微珠对水泥基材料多种性能的影响规律。

• 深部应力主导型煤与瓦斯突出宏−细观破坏特征及能量机制研究

  杜锋, 王凯, 孙加智, 丰程涛, 鞠杨, 徐超, 王亮, 王超杰,

  深部煤层开采中，以含瓦斯煤岩组合结构为载体，在低瓦斯压力、高地应力环境下频发的应力主导型煤与瓦斯突出，其机理显著区别于典型突出，给煤矿安全高效生产带来了严峻挑战，先前针对此类瓦斯灾害的研究还极为少见。为揭示此类灾害的宏细观破坏特征及能量机制，综合采用真三轴物理模拟试验与三维离散元数值模拟方法，系统研究了含瓦斯煤层−顶板组合系统在不同地应力条件下的失稳致灾过程。研究结果表明：垂直应力增大、水平应力减小及埋深增加是促使突出类型由典型突出向应力主导型转化的关键因素，其本质源于垂直−水平应力差和地应力水平的增大。应力主导型突出在宏观上表现为“口大腔小、上大下小”的孔洞形态及更复杂的层裂破坏；细观上则呈现更大范围的微裂纹区、以张拉为主的张拉−剪切混合破坏模式及强烈的声发射响应。能量分析表明，应力主导型突出中煤岩弹性能的贡献显著提升，高应力下其量级可与瓦斯膨胀能相当，两者共同构成了灾害的主要能量源。基于能量守恒原理，通过引入突出类型判别系数构建了应力主导型突出能量判据，该判据经淮南丁集矿“4·19”突出事故案例验证可靠。阐明了应力主导型煤与瓦斯突出的孕育机制，为深部煤矿此类灾害的精准识别与有效防控提供了重要的理论依据。

• 微纳米CO2气泡水对煤的多尺度作用特性及微观作用机制

  岳基伟, 廖杰, 石必明, 张雷林, 韩奇峻, 李文琪, 马树俊, 王俏, 娄振,

  煤尘严重影响矿井安全生产及矿工健康。煤层注水是一种常用的预湿减尘技术。然而，由于煤的表面能较低，普通水难以有效润湿煤体，常采用表面活性剂增强润湿效果。然而，表面活性剂存在成本高、难降解等问题。微纳米气泡水具有表面张力低的特性，且CO2作为一种易获取、无毒的气体，具有较好的应用前景。微纳米CO2气泡水对煤的润湿作用是一个多尺度过程，其在不同尺度上的作用特性及微观机制尚不明确，限制工程应用。基于此，系统研究了微纳米CO2气泡水对煤的多尺度作用特性及微观作用机制。结果表明：微纳米CO2气泡水的光强和ζ电位随循环制备时间呈先升高后降低的趋势，在10 min时达到最大值；而其表面张力和pH则呈现先下降后上升的趋势，表面张力相对于水的最大降幅达47.86%；在宏观尺度上，微纳米CO2气泡水与煤的接触角随循环制备时间的延长呈现先减小后增加的趋势；细观尺度上，微纳米CO2气泡水处理后的煤样呈现无机孔隙增多、吸附瓦斯量减小的现象；微观尺度上，处理后的煤中氧元素含量上升，羰基、羧基等亲水官能团含量增加；基于煤的工业分析、元素分析及微光谱表征结果，构建了微纳米CO2气泡水处理后的煤分子结构模型C110H68N2O7。结合煤分子模型、Hirshfeld表面分析及静电势分析发现，处理后煤表面的吡咯氮和羟基区域吸附水分子能力增强。在煤−水微观润湿体系中，微纳米CO2气泡水处理后，煤−水交界面下方水分子相对浓度较高，界面上方相对浓度较小；处理后煤对瓦斯的吸附分子数小于处理前，且处理前煤−瓦斯体系之间相互作用能的绝对值大于处理后体系，即抑制瓦斯吸附，说明微纳米CO2气泡水能够提高煤的润湿性。研究结果为微纳米CO2气泡水应用于煤层注水提供理论支撑。

• 煤自燃微观活性结构动态演化与平行反应机制

  王凯, 李全芳, 邓军, 李鑫,

  煤自燃是多步平行反应协同放热并积聚的结果，其放热特性与微观活性结构演化密切相关。为揭示煤自燃多步平行反应路径，采用差示扫描量热、傅里叶原位红外试验与电子顺磁共振试验等手段，测试了变质程度由低到高的4种煤样(SYS、ZJM、YZ、LF)氧化升温过程中官能团与自由基演变特征。结果表明：4种变质程度煤自燃过程均存在脱水脱气、吸附氧气、氧化分解、气相燃烧、固相燃烧等5类平行反应序列，其放热曲线变化及特征温度点偏移与平行反应序列的叠加竞争有关。不同变质程度煤样的活性结构分布差异影响氧化自燃的反应路径，随着变质程度的升高，煤样氧化分解温度降低、燃点温度滞后。不同平行反应序列对煤自燃放热变化的贡献存在差异，脱水脱气与吸附氧气物理反应序列对煤自燃热量变化的贡献率十分微小，在2%左右。氧化分解反应对SYS煤样放热贡献率达67.4%，而气相与固相燃烧反应序列在ZJM、YZ和LF煤样中占据主导地位。ZJM和YZ煤样因放热型反应序列的叠加呈现双放热峰特征，升温速率提高会延迟特征温度但增强了燃烧强度。各阶段官能团与自由基的定性定量分析表明了煤自燃过程中的平行反应类型与协同作用机制。反应初期，羟基和脂肪烃与物理吸附氧反应生成氢过氧化物—OOH，自由基浓度先降后升，煤样热流曲线呈现微小吸热峰；随着温度升高，氧化分解反应占据主导地位，α位带羟基的次乙基键与氧气反应生成醚键，过氧化物大量分解，自由基浓度增长1.8倍左右。其中，中等变质程度的ZJM和YZ煤样因氧化分解反应放热，其热流曲线呈现肩峰。中高温阶段，芳环吸附氧形成的过氧化物前驱体裂解产生羰基，脂肪链断裂促使自由基浓度达到峰值。高温阶段，气相燃烧主导反应，C=O持续呈现高吸光度，芳烃—CH峰面积比衰减60%左右。研究阐明了煤自燃平行反应序列类型及微观活性结构演变规律，明确了平行反应序列的作用路径及煤自燃放热关键官能团。

• 基于火灾烟流演化的矿井防火分区划分与联动调控系统研究

  王凯, 卢锋, 王纪硕, 马砺, 张嘉勇, 王建华, 师嘉毅,

  针对矿井火灾烟流不可控蔓延易导致重大事故，现场应急调控难度大缺乏联动排烟系统的问题，基于火灾烟流演化规律确定了传感器布设位置，提出了灾变烟流调控的原则方法、控风目标和求解模型。以转龙湾煤矿运输巷为例建立模型，模拟分析了火灾蔓延、烟气运移、CO与温度场分布等规律，确定了传感器布设最佳位置，并以转龙湾煤矿通风系统建立火灾烟流应急联动调控模型，使用短路排烟法模拟研究了一水平Ⅱ−3煤运输巷与西部巷道有无控风措施的火灾烟流演化规律，探讨了不同火源位置的风烟流演化特征及联动控风排烟方法，提出了矿井大防火分区与小防火分区结合的划分策略，开展了不同防火分区模式下火灾烟气演化模拟并对比控风排烟效果，揭示了矿井复杂通风网络火灾风烟流的联动调控机制。结果表明：风速对烟气运移影响较大，风速在2.0～2.5 m/s时，烟流逆退消失，风速大于2.5 m/s，高温烟气不再逆流，火灾初期巷道顶部出现高温区，依风速在巷道顶部多区域布置传感器；一水平运输巷后部起火，烟流180 s后将蔓延至一水平尾部与232采区，控制烟流时70 s时烟气被导入回风巷，西部巷道中后部起火，1500 s时整个采区被高温烟气侵袭，控制烟流时烟气被导入西部回风巷；将转龙湾矿井划分为了4个大防火分区和9个小防火分区，开展了灾变时期网络解算，证明划分的防火分区可有效控制火灾烟流且满足关键巷道的用风需求。基于传感器精确感知、研发了矿井火灾烟流智能应急联动控制系统，集成了备用电源和压风动力，保障了灾变停电、压风动力破坏条件下风门(风窗)的自动控制，实现了巷网风烟流联动控制，为井下人员逃生和灾情的应急处置创造了安全条件。

• 煤系地层钻进仿真响应特征及其在岩性智能识别中的应用

  王勃, 王乃川, 孙华超, 曾林峰, 徐晓阳, 谢刘俊, 张德伟,

  煤矿井下复杂施工环境导致超前钻探中钻具响应与岩性映射关系通常难以直接建立，制约岩性识别精度。针对此问题，构建了聚晶金刚石复合片(PDC)钻头−钻杆破岩仿真模型，揭示了不同钻进条件下钻具对复合岩层的响应特征：固定钻速，提升转速会使钻头扭矩降低且波动减弱，而钻压波动相对稳定；固定转速，提升钻速会使钻压与扭矩同步升高。钻杆三轴向振动加速度随转速增大而增大，随钻速增大呈先减小后增大趋势。在岩性界面处，上述参数呈现突变特征，表明多参数联合可作为岩性识别特征。基于此，提出了一种融合双向长短期记忆网络(BiLSTM)、注意力机制与KAN (Kolmogorov-Arnold Network)的岩性识别模型——BiLSTM-Att-KAN，以KAN替代BiLSTM模型中多层感知机(MLP)分类器，突破MLP因使用Sigmoid/Rectified Linear Unit (ReLU)等固定激活函数导致的非线性映射局限，可提高复杂岩性识别精度。利用仿真数据和实际数据进行模型测试，结果表明：BiLSTM-Att-KAN在仿真数据集上的识别准确率达91.64%，优于K近邻、随机森林等传统分类模型，提升幅度7.00%～22.08%；在实际训练钻孔数据测试集与独立测试数据上的准确率分别为86.81%和85.28%，验证了模型有效性，可为煤系地层岩性识别提供技术支撑。

• 中国“十四五”时期深部煤层气勘探开发新进展与前景展望

  陶树, 张守仁, 毕彩芹, 杨帆, 郭江鹏,

  深部煤层气作为我国非常规天然气资源的重要接替领域，具有资源潜力大、勘探开发空间广的优势，日益成为国家能源安全战略保障的重要组成部分。“十四五”时期，在政策倾斜与关键技术联合推动下，我国深部煤层气勘探开发体系实现系统重构，地质理论、评价方法与工程工艺持续迭代优化，初步构建了适应复杂地质条件的地质–工程一体化技术体系。在地质理论层面，煤系沉积、成烃、储集及运聚耦合机制日趋明晰，成藏理论由单因主控向多场耦合演化升级，富集规律刻画由定性表征向定量建模跨越；在勘探技术环节，地质–工程双甜点评价、复杂构造靶区预测、高精度地球物理–测井识别等技术体系日益成熟，显著提升了有利区识别精度及钻探靶向性；在开发工程方面，围绕深埋、低渗及高应力煤储层条件，形成了以水平井分段体积压裂、智能控压排采为核心的高效开发工艺集成，大宁—吉县、临兴—神府、延川南等示范区实现了稳定、高效产能释放。实践表明：深部煤层气具备规模开发的工程可行性与产业潜力，但仍面临构造复杂性高、储层非均质性强、工艺适配性不足及系统集成度不高等挑战。面向“十五五”时期，应深化深部煤层气渗流力学与排采过程的多场耦合规律研究，完善改造与排采协同机理，推动智能化开发技术与工程实践深度融合。通过建立可复制的标准化示范体系，推动深部煤层气由“资源可采”向“高效开发”理论与实践的贯通。

• 深部煤层气井见气时间控制机理与排采制度优化

  郗兆栋, 唐书恒, 段利江, 张松航, 王之朕,

  鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气资源丰富，开发过程中气井见气时间差异显著，且缺乏针对性的排采制度指导，尤其对游离气富集程度与见气过程的定量关系认识不足，制约了产能高效释放。旨在阐明深部煤层气井见气时间主控机理，并建立以缩短见气时间、提升产能为目标的排采制度优化方法。以鄂尔多斯盆地东缘北部为研究区，系统收集了百余口井的地质与生产动态数据，提出了“见气饱和度”的概念，并构建了融合气体状态方程、Langmuir吸附理论与气水两相渗流机制的定量计算模型，实现了对见气饱和度的理论估算。结合实验测试与生产动态数据，分析了见气饱和度与游离气富集程度的耦合关系。进一步，针对单相排水阶段，采用理论计算与COMET3数值模拟相结合的手段，对排采制度进行了优化分析。结果显示：深部煤层气井存在“开井即见气”“短时排水见气”和“长时排水见气”3类生产模式，见气时间分布范围为0～276 d，平均值为30.6 d。见气时间主要受控于初始游离气饱和度与见气饱和度的相对关系，且与见气前的平均压降速率和解吸效率协同相关。理论计算与数值模拟表明，深部煤层气井单相排水阶段排采制度优化的关键在于合理控制压降速率，研究区该阶段合理压降速率区间为0.10～0.25 MPa/d。以此优化典型井排采制度，可使见气时间缩短8%～80%，平均日产气量提升5.9%～11.8%。本研究定义的“见气饱和度”概念及构建的定量计算模型，实现了对深部煤层游离气富集程度和见气时间的定量关联。所提出的单相排水阶段排采制度优化方法，为深部高饱和煤层气井实现早见气、提产能提供了差异化排采技术对策，为深部煤层气高效开发提供了理论支撑。

• 水力压裂煤层中砂和煤粉的分布及对煤层气排采的影响

  阎纪伟, 梁卫国, 宋晓夏,

  水力压裂煤层中的石英砂与煤粉混合，增加了压裂液和携砂液的运移阻力，降低了煤层渗透率，影响煤层改造效果和煤层气井产能，研究水力压裂后煤层中的石英砂与煤粉的分布特征，对煤层解堵及提高煤层气产量具有重要意义。通过观察采煤工作面揭露的经水力压裂改造后的煤层，结合扫描电镜、体视镜和显微电子计算机断层扫描(CT)，探究石英砂和煤粉的分布特征，分析二者混合堆积对煤层气井排采的影响。结果表明：水力压裂时，煤体破裂、石英砂与裂隙壁的碰撞、摩擦和嵌入过程以及返排压裂液时产生大量煤粉。距离煤层气井筒由远到近，石英砂和煤粉在平面上分区展布，分别是纯煤粉区、石英砂和煤粉混合区。主干裂隙内以石英砂和煤粉为主，次级裂隙内以煤粉为主。微观裂隙内的煤粉主要在煤层破裂及石英砂嵌入煤体的过程中产生。煤粉与石英砂混合堆积在裂隙内，阻碍了水及煤层气的运移。煤层气井排采初期，煤层中主要是单相水流或气水二相流时，煤粉容易被气水携带进入井筒，而在只产气阶段，煤粉主要沉积在裂隙内，石英砂和煤粉混合堵塞裂隙是造成煤层气井产气量波动的原因之一。研究结果为水力压裂改造煤体渗透率及煤层气井增产提供了指导。

• 煤系多气多层合采规律大尺寸物理模拟试验

  李瑞, 卢义玉, 阳保科, 夏彬伟, 钟栋梁, 徐鑫勤, 张乐, 张玉林,

  煤系多气多层合采过程中的储层参数动态变化深刻影响煤系气的高效产出。为了揭示煤系多气多层合采过程中的应力、储层压力、流体产出的动态变化规律及相互制约关系，以鄂尔多斯盆地临兴—神府区块深部煤系储层地质条件为参照，设计1 200 mm×1 200 mm×2 060 mm大尺寸叠合储层物理模型(含2层砂岩与2层煤岩)，利用自主研发的深部煤岩工程多功能物理模拟试验系统，开展了真三轴应力加载条件下的煤系多气多层合采试验，探讨了不同产层产气动态规律及层间流量干扰，分析注采过程中应力及储层压力传递特征及对邻近层的影响规律。结果表明：在合采过程中，储层瞬时产气量达到峰值后指数递减，且在高流量阶段砂岩层流量衰减更快，但低流量阶段煤层流量衰减速度更快；砂岩层流量大于煤层流量，厚煤层流量大于薄煤层流量；提高砂岩层流量会使煤层流量下降，降低砂岩层流量会导致煤层流量上升，表明各产层存在明显的层间流量干扰。合采过程中，厚煤层的储层压力降幅及衰减速率低于薄煤层。此外，对砂岩层注气，砂岩层和煤层的应力会增大，且加、卸载过程中改变储层应力会显著影响储层压力的变化。研究揭示了煤系多气多层合采过程中应力、储层压力、产气量之间的相互制约关系，对多气多层合采过程中的流量动态调控、跨层应力与压力传递及层间干扰协同控制具有启示意义。

• 煤层纳米孔结构中CO2吸附与扩散行为：三维表面粗糙度的影响

  都喜东, 王小磊, 周军平, 王光进, 贾云中, 张登峰, 光文峰, 尚德磊, 侯振坤, 程玉刚,

  为从微观角度研究深部煤层CO2地质封存过程中粗糙煤基质表面CO2的吸附扩散行为，揭示三维表面粗糙度对煤中CO2存储和运移过程的影响机制。首先，基于原子力显微镜(AFM)测试，获取煤中纳米孔隙表面的粗糙度数据，并结合分子模拟技术提出一种构建三维粗糙表面的新方法，构建更加接近真实的三维表面粗糙无烟煤模型，探究温度为318 K、压力0～20 MPa时，不同粗糙表面中CO2吸附扩散行为的差异性特征及其内在机理。结果表明：① 表面粗糙度对微孔中CO2吸附的影响更加显著。与光滑表面相比，粗糙表面可以扩大CO2的吸附区域(宽度为1、3和6 nm的狭缝孔分别扩大3.08倍、1.30倍和0.73倍)，增大CO2的平均密度，加快CO2的吸附速率，有利于CO2在低压下达到吸附饱和状态，且表面粗糙度可促使CO2吸附构型由平滑矩形转变为凹凸形，对CO2赋存分布特征产生显著影响。② 在表面粗糙的煤基质狭缝纳米孔体系中，凹槽空间因吸附力场的叠加效应，可形成更低能量的吸附位点，从而增强气−固与气−气相互作用，提升该区域的吸附能力。③ 表面粗糙度与CO2水平扩散系数呈负相关关系，孔径与CO2水平扩散系数呈正相关关系。④ 粗糙煤基质中CO2的吸附势能呈多峰分布，粗糙煤基质更有利于CO2的稳定吸附与存储。本研究可为更加精准地评估深部煤层CO2的封存潜力提供理论指导和科学依据，以便优化CO2的封存策略。

• 淮南煤田寒武−奥陶系岩溶地下水水文地球化学特征及其热指示意义

  张海涛, 陈晓晴, 许光泉, 靳清增, 刘璐, 李旭, 王朱亭, 王锴, 李子璇, 赵安安, 王浩,

  寒武−奥陶系碳酸盐岩含水层在我国华北地区广泛分布，具有富水性较强、水温较高和易于回灌等特点，是我国中深层地热资源开发利用的优先选择。早期研究主要集中在寒武−奥陶系含水层的渗透性、富水性和水化学特征等方面，对其地热水的成因尚不清楚，从而限制了地热水资源的评价与开发。以华北南缘的淮南煤田寒武−奥陶系岩溶地下水为对象，通过对区内32个地面水文钻孔及井下出水点的主要离子和环境同位素(^34\mathrmS_\mathrmSO_4 、^18\mathrmO_\mathrmH_2O 、^2\mathrmH_\mathrmH_2O 、13CDIC、14CDIC)进行测试分析，探讨并揭示了该含水层的水文地球化学及地热学特征。结果表明：淮南煤田南部碳酸盐岩露头区为地下水补给区，具有水温低(18.1～23.2 ℃)、溶解性总固体(TDS)低(0.28～0.49 g/L)的特点，水化学类型为HCO3-Ca型；中部隐伏区为地下水径流和排泄区，具有水温高(30.6～50.7 ℃)、TDS高(1.93～3.06 g/L)的特点，水化学类型为Cl-Na型。研究区中部地热水的形成过程主要以蒸发岩(岩盐和石膏、硬石膏)溶解和阳离子交换作用为主导，其次还受到碳酸盐溶解、去白云石化作用以及微生物作用等的共同影响。研究区地热水主要来自古大气降水的入渗补给，其校正年龄为3.108～3.683万年(平均为3.414万年)，对应于晚更新世。二氧化硅温标显示区内岩溶热储温度为59.8～80.1 ℃(平均为68.1 ℃)，地热水的循环深度为1 559.7～2 273.8 m(平均为1 851.8 m)。基于上述研究成果，建立了淮南煤田寒武−奥陶系碳酸盐岩含水层地热水循环演化的概念模型。在地形和重力驱动下，南部露头区的大气降水沿着裂隙和断层等通道向下入渗，并在地下深部不断加热形成地热水。在此过程中，地下水与夹杂有蒸发岩矿物的碳酸盐岩发生了水岩相互作用，形成了含高盐、高硫的地热水，最终以越流、井下钻孔和出水点的形式向外排泄。

• 鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田地下水更新能力

  杨建, 蒲悦, 李慧,

  随着煤炭开采重心的西移，鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田已成为我国重要的能源保障基地，但对煤炭资源的高强度开采可能会对该区域生态环境(尤其是地下水资源)造成极大的破坏。要揭示煤炭开采对地下水系统的破坏规律，必须查明煤矿区开采扰动前地下水补径排、更新能力等水文地质条件，基于研究区地形地貌、煤层埋藏、覆岩结构等条件，利用多座煤矿水文地质补勘工程，采集检测了不同埋深区地下水中放射性同位素氚，利用地下水中氚浓度与地下水多年平均更新速率，采用对数插值法等恢复了研究区降水氚浓度的历史数据，并利用全混合模型及等比例混合模型计算了研究区地下水更新速率。结果表明：浅埋区地下水主要来自第四系和侏罗系，氚浓度为8.60～16.20 TU，与大气降雨、地表水中氚浓度接近，地下水年平均更新速率为0.47%/a～3.89%/a，反映出浅埋区地下水主要来自大气降雨与地表水补给，具有补给充沛、运移路径短、更新速率较快、更新能力较强的特点。中深埋区地下水来自侏罗系延安组、直罗组，氚浓度为7.53～15.55 TU，与浅埋区地下水接近，其中Z1、Z2采样点氚浓度高于大部分浅埋区，计算得到的地下水更新速率为0.35%/a～3.28%/a，与浅埋区地下水接近，主要是由于榆神中深埋煤田区发育了侏罗系地下水更新速率较快的水文地质结构。深埋区地下水来自白垩系和侏罗系延安组和直罗组，氚浓度≤12.20 TU，均低于中深埋区(除了N4采样点)，更新速率普遍小于0.05%/a。这主要是由于深埋区地下水埋深较大，加之侏罗系为砂泥岩互层结构，地下水补给历程较长，下渗补给缓慢，导致其更新速率远低于中深埋区。在空间上，地下水氚浓度、更新速率随水位埋深增大而减小。在煤层埋深较大、导水裂隙带范围内直接充水含水层地下水更新速率较小的区域，煤炭开采对上覆第四系和白垩系含水层地下水资源影响较小，属于符合煤炭绿色开采的水文地质保障区域。

• 富油煤有机地球化学特征及其地质指示意义

  鲍园, 庄玉翡, 王双明, 郑瑞辉, 胡宜亮, 杨启,

  富油煤作为集煤基燃料、液态油气、气态能源三位一体的战略性矿产资源，其高效勘探与分级利用对于保障国家能源安全和实现煤炭资源价值最大化具有重要意义。针对当前富油煤有机地球化学特征认识不足及其评价中焦油产率单一指标的局限性，采用煤岩显微分析、可溶有机质族组分分离与生物标志化合物测试相结合的方法，系统分析了不同含油性煤的煤岩学特征、可溶有机质族组分组成及生物标志化合物分布规律，并探讨了焦油产率与煤岩−地球化学参数的关联性。结果表明：镜质体和类脂体与焦油产率呈显著正相关，惰质体与焦油产率呈显著负相关关系。富油煤(含高油煤)的氯仿沥青“A”质量分数(均值0.73%)显著高于含油煤(均值0.44%)，且氯仿沥青“A”与焦油产率呈显著的正相关关系。富油煤(含高油煤)的饱和烃质量分数(均值21.99%)显著高于含油煤(均值10.22%)，富油煤(含高油煤)的芳香烃质量分数(均值25.65%)显著低于含油煤(均值41.33%)。基于煤岩显微组分和生物标志化合物数据分析，建立了包含煤的显微组分、族组成及诸多分子标志物在内的3+3+9项综合评价指标体系。沉积环境分析表明，富油煤和高油煤形成于还原环境，其有机质来源以高等植物(如柏科、杉科)及浮游植物为主。研究成果能够科学、全面地预测和评价煤岩的含油性，有效弥补了焦油产率单一指标的局限性，为煤岩含油性预测提供了新的量化指标，对煤炭资源分级利用和高效开发具有重要指导意义。

• 煤储层原位厌氧发酵的自增温增解增产效应

  赵伟仲, 苏现波, 王乾, 周艺璇, 祁梦娇,

  煤层气的产出依赖复杂的“降压—解吸—扩散—渗流”过程，传统的储层改造技术难以提升煤层气的解吸和扩散能力。煤层气生物工程(Coalbed Gas Bioengineering, CGB)作为一种新兴技术，通过微生物厌氧发酵将煤部分转化为煤层气及其他液相有机物，具有增解、增扩、增透的多重增产效应。煤的厌氧发酵过程涉及复杂的生物化学反应，并伴随热量释放，精准计量发酵过程中释放的热量对于理解煤层气的产出具有重要意义。采用自研的集量热仪与模拟煤储层原位厌氧发酵系统为一体的装置，对长焰煤样进行厌氧发酵试验，通过监测温度计算厌氧发酵过程中释放的热量，并评估其对煤吸附甲烷能力的影响。结果表明：煤储层原位厌氧发酵过程中存在显著的自增温效应，温度提升主要分为4个阶段，即缓慢升温、低温保持、快速增温和高温保持。在厌氧发酵初期(第1—第12天)，一方面长焰煤易被微生物降解，大分子物质脱落过程中不涉及剧烈的化学反应，同时又涉及化学键断裂的吸收能量与释放能量相当，对反应体系温度影响较小，升温缓慢。在第13—第16天，系统所需能量与释放能量相当，温度保持在31 ℃左右；厌氧发酵中期(第17—第23 天)，产酸发酵细菌和产氢产乙酸菌主导的反应阶段，直链烷烃、胺类、酸类、酯类和苯环类衍生物逐渐增加，煤中大分子物质转化为这类物质的过程中会释放一定的热量，系统温度明显增加；当厌氧发酵进入产甲烷高峰期，乙酸、丙酸等有机酸和乙醇等醇类物质快速被微生物利用生成甲烷，释放出大量热量，系统温度快速增加。煤厌氧发酵过程中产生的总能量理论上可使固液体系温度升高6 ℃，导致煤对甲烷的吸附能力下降，起到增解作用。该研究为深入理解煤层气生物工程中的热力学效应提供了试验依据，并为煤层气增产提供了理论支撑。

• 基于景观格局与过程的地表水文联系指数构建

  雷少刚, 胡春辉, 孙浩宇, 蒋立翔, 张建莹,

  在资源开发、土地利用等人类活动高强度影响下，景观格局与地形地貌将发生显著变化，进而影响各生态单元之间的地表水文联系与过程。为空间定量表达景观格局变化对其所在流域内各生态单元土壤水地表径流补给能力的影响，描述各生态单元之间的生态关系，基于景观生态学和地表径流过程原理，借鉴重力模型创新性构建了地表水文联系指数。该指数主要由反映地表径流汇集和土壤持水潜力的土壤地形指数作为联系项，以及反映不同生态单元之间地表径流路径上阻抗强度的阻力项2部分组成，联系项与阻力项呈比值关系。该指数对于景观格局改变引起的地表水文过程变化具有较好的指示意义，其与斑块密度、聚合度指数等常见景观指数相比具有明显的物理过程机制，以及空间分布式表达的优势。以某半干旱地区大型露天煤矿为例，分析了露天开采前后矿区地表水文联系指数变化的空间异质特征，结果发现开采导致矿区地表水文联系指数的空间异质性增强，排土场等区域地表水文联系明显减弱，采场区域地表水文联系显著增强。露天矿区挖损压占活动对周边区域地表水文联系的影响主要受地势径流路径主控，而并非随采坑或排土场远近呈等半径弧形均质扩散影响。该指数在用于空间分析景观格局与地形地貌变化条件下，对流域或景观尺度下地表土壤水再分布及其生态效应具有重要价值。

• 煤炭主动适应性开采耦合耕地保护新策略及最优设计方法

  李怀展, 李锐恒, 郭广礼, 唐路, 查剑锋, 刘文锴, 殷和健, 胡青峰, 薄怀志, 刘峰建,

  耕地是粮食安全的根本基石，煤炭是能源安全的坚实保障，是国家发展与社会稳定的坚实基础。但我国平原地区煤炭和耕地资源分布重合的煤粮复合区面积大，采动引起的地表沉陷易导致耕地损毁、农田生态系统失衡，对区域可持续发展构成了重大挑战，如何实现煤炭开采和耕地保护协同是区域发展亟待解决的瓶颈难题。针对目前耕地下采煤设计时缺乏统筹考虑地上地下协调问题，以山东省某矿为研究对象，以采动影响下耕地100%复耕为目标，以区域地表变形量为纽带协调井下控制措施与地面复垦措施，以提出的主动适应性开采区域沉陷控制模式为方法，分析了主动适应性开采耦合耕地保护机制，提出了平原煤粮复合区主动适应性开采耦合耕地保护新策略；在此基础上，兼顾煤炭地下开采和地面耕地复垦效益，创建了煤粮复合区煤炭开采与复垦耦合数字模型，实现了主动开采协同地下保护机制的综合成本收益计算，并利用白鲸优化算法完成了模型的准确计算及效益最优设计。工程案例结果表明：相较于煤粮复合区传统的“先开采，再复垦”治理模式，新方法不仅可以实现煤粮复合区耕地100%复耕且耕地下压覆资源能全部采出，而且从长期视角看具有显著的经济效益和社会效益。研究成果可为我国煤粮复合区耕地保护和煤炭稳定供应提供技术支撑。

• 煤矿沉陷区表层土壤细菌群落固碳固氮功能对水蚀强度的响应

  郝春明, 罗鹏宇, 王菲, 樊星, 唐佳伟, 易四海,

  煤矿沉陷区水力侵蚀(水蚀)前后，表层土壤细菌群落的多样性、结构及其固碳固氮功能的变化已受到关注。然而，针对不同水蚀强度下细菌群落特征演变规律的研究尚不系统。为此，系统采集了煤矿沉陷区34组不同水蚀强度下的表层土壤样品，并采用高通量测序、结构方程模型及分子生态网络分析等技术手段，探索了轻度、中度和重度水蚀强度下表层土壤细菌群落特征、组装机制及固碳固氮功能的演变规律。结果表明：与未水蚀区域相比，轻度、中度和重度水蚀强度下，煤矿沉陷区表层土壤有机碳分别下降了33.57%、69.66%和82.63%，而总氮质量分数分别减少了57.02%、71.33%和85.28%。与此同时，细菌群落的Sobs指数下降了18.82%、23.17%和36.60%，ACE指数也随之下降了22.96%、25.83%和36.52%。虽然不同水蚀强度下煤矿沉陷区表层土壤细菌群落的构建模式仍以随机性过程为主导，但随着水蚀强度的增强，随机性作用逐渐减弱，而确定性作用则逐渐增强。表层土壤中固碳固氮细菌群落与环境因子之间的关联性逐渐加强，而细菌群落间的协作性、信息传递效率以及能量流动速率则逐渐降低。

• 基于多时相SAR的矿区沉陷积水遥感监测方法研究

  孙灏, 王蕴佳,

  矿产资源开采引发的地表沉陷积水是高潜水位矿区耕地资源破坏的重要原因，也是制约矿山绿色发展的瓶颈之一。面向矿区沉陷积水早期监测识别需求，建立了基于多时相合成孔径雷达(SAR)遥感影像的矿区沉陷积水监测方法，命名为矿区雷达水分指数(Mining-area Radar Water Index, MRWI)。以山东省龙堌镇某井工(地下开采)煤矿区为研究区域，收集并处理了2017年哨兵1号(Sentinel-1)GRD产品IW模式29景10 m空间分辨率的SAR影像数据，进行了沉陷区积水的动态监测及其演变分析。利用查准率P(precision)、查全率R(recall)以及两者的调和平均数F1 这3种定量指标，对比分析了MRWI与光学水体指数(Visible and Shortwave Infrared Drought Index, VSDI)和单时相雷达水体指数(Sentinel-1 Dual-polarized Water Index, SDWI)的监测性能。结果表明：对于存在明显地表水体覆盖区域，MRWI、VSDI以及SDWI均能有效识别出水体范围，其中MRWI与VSDI相比的P、R和F1平均值分别达到了94.45%、94.83%和94.46%；MRWI与SDWI相比，P、R和F1平均值分别达到了99.86%、94.03%和96.85%。MRWI具有较强的沉陷积水早期监测能力，以2号积水区为例，MRWI在2017年6月6日监测到了沉陷积水现象，此时VSDI和SDWI均不能指示这一现象；在2017年7月12日左右，沉陷积水导致地表被水体覆盖，此时MRWI、VSDI和SDWI均能指示出沉陷积水现象。MRWI具备较强的时序监测能力，基于Sentinel-1雷达数据的MRWI能够做到至少每12 d为一期的时序监测，并且能够利用长时序的结果对矿区沉陷区积水变化进行时空演变趋势分析。MRWI可为高潜水位矿区沉陷积水现象的早期监测与治理提供有力技术支撑。

• Fe-Zr双金属改性银杏叶生物炭的制备及其去除矿井水中硫酸根的机理

  苏佩东, 赵桂峰, 郭鑫蕾, 唐佳伟, 焦鸣宇, 张春晖, 于博文, 郭强,

  黄河流域部分矿区矿井水中硫酸根离子(\mathrmSO_4^2- )超标问题突出，但现有的膜处理和稀释混合法存在成本高、效果不确定等问题。为此，采用热解耦合高能球磨方法制备银杏叶生物炭(Zr-Fe@BC)，并进行过渡金属(Fe和Zr)改性修饰，开发针对矿井水中\mathrmSO_4^2- 的高效低耗去除技术，探究了制备条件、吸附条件及干扰离子对\mathrmSO_4^2- 去除效率的影响。结果显示，生物炭最佳制备条件：在空气氛围条件下，改性剂与生物炭质量比为0.2，热解时间为6 h，热解温度为700 ℃，球磨时间为2 h。经ZrOCl2·8H2O和FeCl3·6H2O双金属改性修饰后，Zr和Fe均成功负载于银杏叶生物炭表面。高能球磨处理能够显著提升Zr和Fe的暴露活性且使生物炭比表面积显著增大。通过X射线光电子能谱技术(XPS)分析确定，Zr-Fe@BC中Zr和Fe的质量分数分别为1.94%和0.11%。利用MINTEQ软件对\mathrmSO_4^2- 在pH为1～12的形态进行了模拟，并通过试验发现Zr-Fe@BC在pH为2时，对初始质量浓度为500 mg/L的\mathrmSO_4^2- 去除率为74.8%。虽然pH升高伴随的OH−质量浓度增加会和\mathrmSO_4^2- 竞争Zr-Fe@BC的活性位点，但即便pH增加到8，溶液中\mathrmSO_4^2- 的质量浓度仅为231 mg/L，满足GB 3838—2002《地表水环境质量Ⅲ类标准》的排放标准(\mathrmSO_4^2- 的质量浓度< 250 mg/L)。通过竞争离子吸附试验发现：\mathrmCO_3^2- 显著影响Zr-Fe@BC对\mathrmSO_4^2- 的吸附，其次为\mathrmPO_4^3- 。相比之下，Cl−的存在对Zr-Fe@BC吸附\mathrmSO_4^2- 的影响最小。经吸附热力学和动力学分析，Zr-Fe@BC吸附\mathrmSO_4^2- 更符合Langmuir吸附等温模型和准二级吸附动力学模型，且吸附机理主要靠物理吸附(范德华力)、静电吸引、离子交换(\mathrmSO_4^2- 和Zr—OH及Fe—OH中的—OH)。利用Zr-Fe@BC能够对实际矿井疏干水中的\mathrmSO_4^2- (初始质量浓度436.4 mg/L)在20 min完成达标处理。整体来看，本研究合成的Zr-Fe@BC吸附性能稳定，能够为黄河流域矿井水中\mathrmSO_4^2- 的深度去除提供技术支持和理论依据。

• 纳米羟基磷灰石去除地浸铀矿山退役采区地下水中铀的性能及机理

  贺桂成, 曹羞月, 黄炳香, 王灿, 丁德馨, 张青林, 张辉, 蒋国清, 谭韬,

  针对地浸铀矿山退役采区铀污染地下水问题，采用凝胶法制备了纳米羟基磷灰石(hydroxyapatite，HAP)材料，并研究了反应时间、六价铀U(Ⅵ)初始质量浓度ρ0、反应温度及干扰离子等因素对U(Ⅵ)去除效果的影响，探讨了HAP去除U(Ⅵ)的反应动力学和热力学行为。通过X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等测试技术，对HAP去除U(Ⅵ)前后的产物进行了表征，进一步阐明了HAP去除U(Ⅵ)的机理。最后，评价了HAP对真实地浸铀矿山退役采区地下水的修复效果。结果表明：pH=3.0的酸性U(Ⅵ)溶液，反应在120 min内达到吸附平衡，HAP对U(Ⅵ)的去除率为96.87%，其最大吸附容量达40.36 mg/g；pH=7.0的中性U(Ⅵ)溶液，反应在360 min内达到吸附平衡，HAP对U(Ⅵ)的去除率为96.04%，展现出了优异的吸附性能。不同干扰离子对HAP去除U(Ⅵ)的效果存在差异，在pH=3.0时，Al3+对HAP去除U(Ⅵ)的效果具有抑制作用；在pH=7.0时，\mathrmHCO_3^- 对HAP去除U(Ⅵ)的效果具有抑制作用，而\mathrmPO_4^3- 则具有促进作用。不同pH条件下，HAP去除U(Ⅵ)的机理也存在差异，在pH=3.0时，其去除U(Ⅵ)的机理主要通过HAP的溶解−沉淀、表面络合和离子交换实现；而在pH=7.0时，则以表面络合和离子交换为主导。HAP对实际铀污染地下水同样表现出良好的处理效果：在酸性条件下(ρ0=10.05 mg/L，pH=2.86)，HAP对U(Ⅵ)的去除率达87.5%；在CO2+O2中性环境下(ρ0=10.3 mg/L，pH=7.58)，其去除率达到94.5%。综上，HAP具有良好的吸附U(Ⅵ)的能力和环境适应性，可作为地浸铀矿山退役采区地下水中铀污染的修复材料。

• 非对称交流电化学用于粉煤灰中主要金属的回收性能与机制研究

  李轩, 孙艺菲, 苏佩东, 秦兆伟, 赵桂峰, 张凯, 荪布日, 于博文, 阿布力克木·阿不都瓦克,

  面向粉煤灰高附加值利用，探究了非对称交流电化学回收其中的金属的性能与反应机理。首先利用NH4F对粉煤灰中的主要金属元素进行低温活化，并使用乙二胺四乙酸(EDTA)溶液进行浸出处理。在此基础上，开发了一种基于改性碳毡电极的非对称交流电化学体系，用于对溶液中金属元素的电化学回收。此外，还考察了NH4F活化温度、EDTA物质的量浓度以及液固比等因素对粉煤灰中金属元素提取性能的影响。X射线衍射图谱(XRD)、电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试结果表明：Si—O—Al网络结构被有效破坏，导致Al、Fe、Ti弱酸提取态占比分别升至42.8%、76.5%、95.2%；反应结果显示，在活化温度为80 ℃时，Al、Fe、Ti浸出率分别为31.83%、72.08%、94.40%。进一步优化电化学回收体系发现，在0.2 mol/L EDTA、液固比15∶1、80 ℃、260 r/min的条件下，浸出效率相较于酸浸方法提高30%以上。结合Visual MINTEQ阐明EDTA与金属的配位机理，结果显示：开发的非对称交流电化学体系能够通过周期性电位调控实现“吸附−还原−再生”的协同作用，并利用功能化电极表面化学的特性，有效增强选择性，从而实现金属的有效分离及回收。此外，在优化条件下，Al与Fe的回收率分别达到95.6%与86.3%，电流效率提升40%以上。电极经5次循环使用后，通过酸洗与电化学修复，性能可恢复至85%以上。研究为粉煤灰温和高效资源化提供了新路径。

• 我国某露天煤矿开采碳足迹与大气污染物核算及减排路径

  涂坤, 强柯允, 武强, 魏博微, 高俊莲, 赵甫, 孔梓茜, 于慧,

  煤炭行业是我国减污降碳重点领域，厘清煤炭开采过程中CO2与大气污染物排放特征对实现“双碳”目标至关重要。以我国某露天煤矿为研究对象，利用LEAP模型构建了基准(BS)、低碳(LC)和强低碳(ELC)三种情景，研究不同政策和措施下能源消费演变规律、CO2与大气污染物排放的特征，并提出了减排路径。结果显示：LC情景和ELC情景下，该露天煤矿的能源消费结构均发生显著变化，由以柴油为主转变为以电力为主，从而有效控制开采过程中CO2和大气污染物的排放。与BS情景相比，到2050年，LC情景下CO2排放的削减率达到51.2%，CO、NOx、硫化物和PM2.5等大气污染物排放的削减率为37.6%。具体来看，运输环节是露天煤矿CO2和大气污染物减排潜力最大的环节，到2050年，LC情景下运输环节CO2排放的削减率达到59.2%，CO、NOx、硫化物和PM2.5等大气污染物排放的削减率为43.2%。研究表明：运输环节清洁化与能效提升是露天煤矿减污降碳的关键。优先推进高能耗、高排放环节的改造，重点在运输环节推广电动矿卡和氢能矿卡等清洁运输装备，分阶段推进运输清洁化，降低对化石燃料的依赖。同时，提升穿爆、采装和排土等环节的能效，也是降低露天煤矿开采过程中CO2和大气污染物排放的重要举措。研究结果可为露天煤矿的节能减排路径制定和绿色低碳转型提供参考。

• 同轴气化通道煤炭地下气化产品气热值分析及预测

  苏发强, 李郊源, 李雯, 陈艳鹏, 刘亚洲, 廉松傲, 余伊河, 周泽,

  在煤炭地下气化(UCG)过程中，操作参数和煤的性质不同会导致UCG系统表现出不同的气化过程，产品气热值稳定产出一定时间后也会出现下降趋势。在人工煤层构建2种同轴煤炭地下气化模型，研究同轴气化通道对生成气化产物中气体成分及热值的影响，并对比分析压力、气化剂流量、气体组分对热值的影响，提出Informer热值预测模型，使用ERMS、EMA和R2作为评价指标，将结果与4种机器学习模型(LSTM、MLP、RNN和ARIMA)进行比较，对比分析不同预测时间长度下产品气热值的实际值、预测值及误差。结果表明：不同的同轴气化通道能够影响气化效果，改变气化通道延展长度，可以改变产出气体中可燃气体组分比例。同轴模型1产品气中有效气体组分(CO、H2和CH4)的体积分数为33.45%，平均热值为 4.68 MJ/Nm3；同轴模型2产品气中有效气体组分的体积分数为35.09%，平均热值为 4.75 MJ/Nm3。相比同轴模型 1 ，在同轴模型 2 中，H2的体积分数由6.17%提高至8.10%，而CH4的体积分数则由1.19%减少至0.61%。调整气化剂流量会改变气化炉的平衡状态，从而短暂提高产品气热值。与其他参考模型相比，EMA下降了22.42%～42.78%，ERMS下降了15.38%～30.49%，Informer热值预测模型表现优异，预测精度高。模型在不同的数据集、预测长度和采样频率下均具有较高的预测精度。同轴模型1数据集的平均误差为8%～18%，同轴模型 2 数据集的平均误差为5%～12%。Informer模型在预测不同时间段热值曲线时，能够有效预测出热值变化的不同趋势，且可以预测参数调整后的系统表现。

• 煤炭地下气化过程废水中典型有机污染物析出特征

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

  煤炭地下气化(UCG) 被认为是煤炭清洁绿色开采技术，尤其是可利用衰老报废矿井遗留煤炭资源生产高氢组分煤气，并实现地下燃空区二氧化碳储埋封存，对促进我国煤炭高效清洁利用和“双碳”目标实现具有重要意义和广泛的发展前景。然而，UCG 过程控制不当造成潜在地下水污染风险，是制约其产业化应用的因素之一。研究收集了煤热解和煤炭地下气化试验中的气体洗涤水。采用因子分析，结合气化废水污染指标，揭示焦油中有机污染物随高温煤气迁移对地下水的污染特征。结果表明：热解温度为300～700 ℃，热解煤气洗涤废水中的有机组分复杂，主要以脂肪烃、酚及其衍生物、苯及其衍生物为主。UCG 洗涤水与UCG 现场取样废水相似，酚类占比最高，超过37.5%。UCG 工程现场井下抽排废水的化学需氧量(COD)为413 mg/L，高于炼焦化学工业污染物排放标准值。随着热解和气化温度的升高，大量水溶性有机物生成，煤气洗涤废水总有机碳(TOC) 和化学需氧量(COD)的浓度增加，更多脂肪烃类有机物随煤气迁移，并通过冷凝作用富集在煤气洗涤废水中。通过因子分析将TOC和COD合并为单一有机污染指标，且该指标与温度有关，水污染程度F值随温度升高而增大。通过阐明煤炭地下气化过程中水溶性有机污染物的形成机制，研究为煤炭地下气化过程中的地下水污染防治提供了理论依据。

• 陕煤集团400万t/a CO2捕集与封存技术研究与探索

  肖江, 王会民, 王为锋, 常成, 刘兰兰, 殷小峰, 马幸, 王涵,

  现代煤化工在紧扣国家能源安全需求的同时，探索源头减碳、末端减排的绿色发展路径，对应对全球气候变化、保护环境、促进可持续发展和实现碳中和目标具有重要的意义。陕煤集团规划建设400万t/a CO2捕集与封存项目(CCS)在带动自身绿色低碳发展的同时也助力国家早日实现“双碳”目标。从CO2捕集、压缩、输送、封存环境、监测等角度考虑，采用工艺优选、方案优化、数值模拟等方法研究了在鄂尔多斯盆地东缘区块开展大规模CO2地质封存的可行性及可靠性。结果表明：结合“真空解吸+空冷”工艺设计了从煤化工装置低温甲醇洗中捕集的高浓度CO2(摩尔分数为99.9%，捕集量为387万t/a，处理公称能力为400万t/a)，经4套CO2压缩机组压缩加压至超临界状态输送至封存场地的工艺流程；借鉴正方形、五点法等油气藏开发井网模式，提出采用井排(两排)井网方式来满足400万t/a CO2封存规模需求，并设计了在注入井端增设加压站，通过与各注入井口串联连接达成单排井网200万t/a的CO2注入规模布局；根据榆碳1井全井段岩心分析化验及神注1井CO2注入实践成果研究，优选出1 000 m以深的延长组至马家沟组5套储盖层作为大规模CO2封存的场所；利用数值模拟方法，对比多套封存工区地层面积方案和考虑一类有利库容区域(咸水层)的单井注入能力，得出动用400 km2的地层面积和构建30口注入井可保障未来0.8亿t CO2封存量的需求，并提出井口CO2注入压力设计参数指标；考虑CO2永久地质封存安全周期，构建了早、中后期CO2封存监测思路，部署了4项监测工作机制建议和监测井的规划，形成400万t/a CO2安全封存的全流程监测体系，为国内外开展大规模CO2地质封存提供借鉴。

• 多永磁电机串联驱动刮板输送机机−电耦合建模与试验研究

  张强, 王阳, 刘伟, 苏金鹏, 张润鑫, 孙守吉, 田莹,

  为顺应超长综采工作面的发展趋势，解决传统机头机尾异步驱动系统存在的传动效率低、功率集中、故障率高等缺点，提出了多永磁电机串联驱动刮板输送机新构型。利用离散单元法和Kelvin-Voigt模型构建了多永磁直驱式刮板输送机链传动系统的动力学方程，确定了多永磁直驱式刮板输送机关键技术参数，并计算离散化动力学模型参数，通过永磁同步电机转矩与负载的关系构建了多永磁直驱式刮板输送机机−电耦合模型，在MATLAB/Simulink中建立了多永磁电机串联驱动刮板输送机链传动系统的动力学仿真模型，仿真分析了多永磁电机直驱系统在空载启动、满载运行、冲击载荷等多种工况下永磁同步电机的输出转速、转矩以及刮板链的速度、加速度、张力等动态特性变化规律。随后搭建了小型多永磁电机串联直驱刮板输送机模拟实验台，同步开展了空载启动、带载启动、冲击载荷等多种工况试验，获取了永磁同步电机的动态特性曲线，验证了所建机−电耦合模型的正确性。仿真和试验结果表明：多永磁电机串联直驱系统对于各工况下负载变化具有较快的响应速度，中间驱动在链传动系统中参与动力传递的程度随工况变化；该系统可实现刮板输送机整机链条张力的分段控制，显著降低负载波动对整机链条的冲击影响，可在保证刮板输送机输送能力的前提下减小链条抗拉上限，降低链条自重，减少系统运行能耗，有助于推动矿山装备智能化与能效优化发展。

• 智能综采工作面时空区域来压事件动态预报方法

  付翔, 贾一帆, 张小强, 张智星, 闫明, 孙岩, 秦一凡, 王然风, 王泽华, 张磊磊,

  综采工作面周期来压预测预报在预防顶板灾害和保障矿井安全生产中具有重要意义，当前综采智能化建设发展使工作面产生海量压力数据，数据驱动与数智赋能是工作面周期来压预测预报的技术发展关键。基于来压预报技术需求与数据动态分析技术优势，提出了智能综采工作面时空区域来压事件动态预报方法体系。首先提出区域块来压判别方法，设计基于区域块划分的特征提取和来压判别算法，利用现场数据对比分析单架与区域块来压判别结果，验证了区域块来压判别方法更易揭示工作面来压周期性时空显现规律；然后构建了基于CNN-BiLSTM-Attention融合网络的区域块循环末阻力特征预测模型，利用200个工作循环的液压支架立柱压力现场数据作为样本进行建模分析，通过对比评估不同模型验证了该模型的优越性，其均方误差低至0.002 3，达到应用标准；最后构建基于局部莫兰指数的来压区域自相关聚合模型，设计开发区域块循环末阻力特征自相关聚合算法流程，实现自动地、动态地预报来压事件及其区域范围，与真实来压工况对比模型预测准确率达85%。上述模型方法分别在本工作面、不同矿井相似地质工作面、同一矿井不同地质工作面进行模型应用，分析结果表明：本工作面可以较准确地动态预测预报下一阶段循环来压事件及其区域；在相似地质条件下模型仍具备一定的应用价值，泛化能力较好；在不同地质条件下模型应用效果显著下降，需重新建模以提升预测准确性与实用性。该方法为工作面周期来压预测预报提供了切实可行的技术路径，在矿井安全监测和灾害预警方面具有重要的应用前景。

• 基于YOLOv11s融合结构相似性的深井钻孔内壁环状全景自适应拼接方法

  刘迪, 张泽家, 卢才武, 顾清华, 江松,

  为实现深井钻孔内壁形态的高质量全景可视化，克服传统图像拼接方法在自动化水平、拼接质量及处理效率方面的局限，提出了一种融合YOLOv11s(You Only Look Once)与结构相似性(Structural Similarity Index Method)的智能图像拼接方法。研究旨在突破现有技术对人工干预依赖性强、易产生接缝、亮度不均及视觉伪影等瓶颈，提升钻孔内壁图像拼接的精度、连续性与整体效率，为后续钻孔质量评估与爆破设计参数优化提供高保真、高一致性的视觉数据支持。在技术方法上，引入轻量化YOLOv11s目标检测网络，充分利用其深层特征提取能力与多尺度检测优势，精准识别钻孔图像中的圆形边界，自动提取圆心坐标与半径参数，有效克服因镜头畸变、光照不均或局部遮挡引起的定位偏差；随后，基于精确的几何参数进行极坐标变换，将环形内壁区域逐帧展开为矩形图像，保留原始纹理信息的同时构建空间有序的展开图集。在此基础上，创新性地融合SSIM结构相似性度量与滑动窗口匹配策略，通过系统分析相邻展开图像在重叠区域内的亮度、对比度与结构一致性，自适应搜索最优配准位置，实现高效、无缝的图像拼接，最终生成完整内壁环状全景图。试验结果表明，该方法在处理240张图像时，拼接耗时仅为34.98 s，同样实验条件下，相较于传统SIFT特征点匹配方法所需的271.35 s，该方法耗时更短且拼接结果具有更高的视觉连贯性与几何保真度，抑制了接缝错位、亮度跳变和纹理重复等常见问题。创新在于提出了一种自动化拼接流程，融合YOLOv11s与SSIM算法，提升了拼接效率与视觉质量。

• 矿井复杂环境下低质图像超分辨率重建关键技术及研究展望

  寇旗旗, 汪鹏, 崔文, 江鹤, 程德强,

  基于我国煤炭工业在能源安全与经济发展中的重要地位以及国家“双碳”目标和能源革命战略的时代背景，煤矿智能化建设逐渐成为煤炭工业转型升级的核心路径。煤矿智能化旨在通过技术创新推动煤炭产业的高质量发展，不仅要求提升生产效率和安全性，还强调对复杂环境下数据的精准获取与处理能力。然而，矿井环境复杂多变，光照不足、粉尘弥漫、设备噪声影响等因素导致采集到的图像质量普遍较低，严重制约了基于视觉的智能化监测与分析系统的应用效果。低质图像在煤矿安全生产、设备状态监测、灾害预警等关键环节中难以满足高精度识别与分析的需求，成为制约煤矿智能化进程的技术瓶颈之一。在此背景下，图像超分辨率重建技术作为一种能够从低分辨率图像中恢复高分辨率细节的关键技术，近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并逐渐成为解决矿井复杂环境下图像质量问题的有效手段。超分辨率重建技术通过利用图像处理与深度学习等方法，能够显著提升低质图像的清晰度与细节表现力，从而为煤矿智能化提供高质量的视觉数据支持。由于矿井环境的特殊性对图像超分辨率技术有着更高的要求以及更广的需求，因此针对矿井复杂环境下的低质图像超分辨率重建关键技术进行研究具有重要的理论意义和实际应用价值。系统性地阐述了图像超分辨率重建技术的研究现状及其在矿井复杂环境下的应用进展。首先，从方法角度对图像超分辨率重建技术进行了分类概述，详细介绍了基于插值、基于重建和基于学习的3类主要方法的基本原理及其数学基础；其次，从技术发展脉络出发，梳理了从传统方法到深度学习方法的演进过程，重点分析了基于卷积神经网络、生成对抗网络以及Transformer等主流深度学习方法的技术特点与实现机制，并对各类方法的性能指标、适用场景及局限性进行了对比分析，同时结合矿井复杂环境对基于深度学习的主流超分模型的性能效果进行了试验分析；在此基础上，结合矿井环境的特殊性，深入探讨了低照度、高噪声、非均匀退化等矿井复杂条件下图像超分辨率重建面临的技术挑战，从物理退化模型构建、多模态数据融合、轻量化网络设计等维度提出了针对性的解决思路；最后，立足当前研究进展与实际应用需求，对矿井图像超分辨率重建技术的未来发展方向进行了展望。通过系统梳理理论方法、总结技术进展、分析挑战对策，该研究旨在为矿井复杂环境下图像超分辨率重建的理论创新提供方法学参考，为相关技术的工程化应用提供实践指导，进而推动煤矿智能化建设与安全生产水平的提升。