煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2026年第3期

• 化石能源生物工程的内涵与外延

  苏现波, 赵伟仲, 周艺璇, 祁梦娇, 汪露飞, 王志远, 刘冰, 吕灿, 赵文杰, 王小勇, 直佳韦, 张志峰,

  化石能源生物工程是一门融合地质学、微生物学与能源工程的新兴交叉学科，其核心在于利用微生物驱动机制，实现化石能源的清洁转化、温室气体排放调控及二氧化碳捕集利用与封存(CCUS)的协同增效。以化石能源的载体——岩石圈、微生物的载体——生物圈、大气圈和水圈构建了“四圈三带”理论框架，系统揭示了微生物驱动有机质代谢的时空分异规律：浅部氧化带和弱还原带主要发生好氧菌主导的有机质降解，释放CO2、N2O等温室气体；深部还原带则以厌氧产甲烷菌为主，将有机质或CO2高效转化为甲烷并富集成藏。进一步提出“化石能源微生物碳泵”理论，阐明岩石圈作为关键碳载体，微生物作为核心引擎，通过“输入(碳源)—转化(生物催化)—输出(产物)”3个子系统，驱动碳元素在四圈层中的定向循环，建立了化石能源生物工程的研究方法：浅表层领域结合原位长期定点监测与梯度耦合微宇宙试验，评估含有机质岩石温室气体排放潜力；地面转化领域开发煤微生物催化转化一体化技术，聚焦低阶煤的生物液化路径，系统分析煤液化产物组分，探索煤基碳量子点作为光敏材料的应用潜力；深部煤储层领域建立原位温压耦合菌群富集培育技术，发展生物、物理、化学等多途径的微生物功能强化策略，提出煤层气生物工程的具体实施流程。该学科聚焦三大核心应用方向：浅表层方向——揭示有机质微生物降解机制及其引发的温室气体生成与逸散规律，以河南义马地区侏罗系碳质泥岩和济源地区上三叠统油页岩为例，野外定点监测发现一年四季均有温室气体的释放，说明浅表层含有机质岩石在微生物作用下释放温室气体具有长期性和周期性，进一步验证了微生物碳泵的温室气体排放潜力，同时证实了H2是一种具有温室效应的非温室气体；地面方向——煤的微生物催化转化，实验室模拟证实低阶煤的微生物液化率可达59.14%，煤的液化产物中除有多种化工产品外，发现了高附价值的碳量子点，以此作为光敏材料提供光电子，可以促进异养微生物固定CO2产乙酸(质量浓度为600 mg/L)；深部储层方向——形成原位条件下将煤、采空区残煤、枯竭油气藏残油以及注入的CO2高效转化为甲烷或高值化工产品的生物工程技术，物理模拟证实储层原位条件下煤/页岩生物甲烷产量分别为7.8和3.1 mL/g，采空区残煤甲烷产量为2.3 mL/g，同时实现了采空区充填煤基固废(450 kg/m3)，同步实现CO2封存(100 kg/t固废)。焦炉煤气注入煤储层经微生物催化高效转化为CH4(H2、CO2转化率> 95%)。55 ℃储层条件下，CO2微生物甲烷化效率较35 ℃提升68.3%，累计转化量为8.50 m3/t；枯竭油藏注入CO2与菌液实现残油产甲烷量为11.8 mL/g。同时，深入探索CO2在储层条件下的微生物甲烷化及其溶解、矿化、吸附等多路径协同封存潜力。该学科通过“地下/地面生物工厂”范式，推动化石能源由“原料+碳汇”转型，为能源绿色开发、工业煤基三废资源化利用及碳中和目标提供核心技术路径。

• 采空区水浸氧化遗煤生物降解产甲烷试验

  张晋伟, 米申昱, 郭红光, 王紫琛, 尹贻凡,

  采空区煤层气生物工程是实现矿井遗煤资源化利用的有效技术手段。经煤炭开采过程的氧化和后期封闭期间的水浸，采空区遗煤结构发生显著改变，其生物降解利用效能还未完全明晰。为此，通过模拟不同氧化温度、水浸时间和pH等条件下的水浸氧化褐煤，分析了微生物降解煤产甲烷过程中甲烷产量、煤微观结构、降解代谢产物及微生物群落结构演变规律。结果表明：经100 ℃氧化后并在pH为6环境下水浸30 d的氧化煤(O100I30C6)具有更好的生物可利用性，甲烷产量为原煤的1.8倍。即使在贫营养条件下，煤浸出液(O100I30W6)的甲烷产量仍能达327.14 μmol。氧化和水浸作用破坏了煤芳香层的有序性，使其结构变松散，煤中含氧官能团更容易被微生物利用。较降解前，O100I30C6中羰基与醚键的峰面积相对占比分别下降了69.38%和28.04%，羧基完全降解。O100I30C6与O100I30W6降解过程中富集了多种功能菌群，包括产氢产乙酸菌Thermanaerovibrio与Petrimonas，水解酸化细菌Lentimicrobium与Paraclostridium。煤大分子中含氧官能团经菌群共同作用后逐步转化为挥发性脂肪酸，使得O100I30C6发酵液中脂肪酸峰面积相对占比增加8.96%，O100I30W6中脂肪酸峰面积相对占比增加47.38%。该类有机物的增加刺激了产甲烷古菌繁殖，甲基营养型产甲烷古菌Methanofastidiosales相对丰度达76.18%，在煤产甲烷阶段发挥核心作用。浸出液在贫营养条件下发酵产甲烷后，乙酸营养型产甲烷菌Methanosaeta占据主导，相对丰度为70.55%。以上研究结果表明，采空区遗煤由于经历散热带和氧化带的氧化作用以及后期水浸作用，其结构更有利于生物降解，含氧官能团利用充分，产甲烷菌群生长活跃，甲烷生成量提升；同时采空区积水同样是生物甲烷的增长点，其中溶解了产甲烷菌群所需的营养物质。积水采空区集合了遗煤量大、空间广阔、水量充沛等优势，是煤层气生物工程的有利实施点。研究结果为提高采空区煤炭资源利用提供了理论依据，推动关闭/废弃矿井的再开发与综合利用。

• 有机溶剂萃取对褐煤生物产气的影响

  何环, 喀哈尔·如则巴克, 吴柏林, 黄新颖, 陈子豪, 陈林勇, 郭鑫, 刘健, 季长江, 黄再兴,

  煤中有机组分的生物可利用性是煤层气生物工程领域的核心研究方向，有机溶剂萃取虽已被证实可提升煤的生物产气效率，但其作用机制尚未明确。以内蒙古胜利5号褐煤为对象，采用甲醇、乙酸乙酯、石油醚、四氢呋喃构建溶剂极性梯度处理体系，通过超声萃取处理和生物产气试验，结合气相色谱−质谱联用(GC-MS)、气相色谱(GC)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)及高通量测序等技术，系统探究了有机溶剂萃取引发的煤质特性变化对萃余煤生物产气特征、微生物群落结构的影响机制。结果表明：4种有机溶剂萃取液在产甲烷菌作用下均仅产H2，未检测到CH4；萃余煤样生物产甲烷能力顺序为甲醇 > 乙酸乙酯 > 四氢呋喃 > 石油醚，其中极性最高的溶剂甲醇萃余煤产甲烷量最高，达31.12 μmol/g，显著高于原煤(11.86 μmol/g)，而极性最低的石油醚萃余煤产甲烷量与原煤接近。溶剂萃取通过选择性去除煤中低分子有机组分，改变了煤的物理化学性质，工业分析显示萃余煤的挥发分降低，固定碳升高；元素分析表明，O含量增加，C、H含量降低；XRD、FT-IR和SEM结果显示，溶剂处理后煤样芳香层间距增大，含氧官能团吸收峰强度增强、孔隙率增加，表明煤体结构发生疏松化，生物可利用性得到改善。微生物群落分析结果显示，萃余煤体系中细菌多样性及丰富度均高于原煤体系，其中厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度提升，螺旋体门中norank_f__Spirochaetaceae的相对丰度变化尤为突出；古菌群落中广古菌门(Euryarchaeota)、甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)及甲烷杆菌属(Methanobacterium)的相对丰度明显改变。相关性分析表明：细菌中的变形菌门(Proteobacteria)及古菌中的广古菌门(Euryarchaeota)与CH4积累产量呈正相关，为产气关键功能菌门；古菌中的海拉古菌门(Halobacterota)与溶解有机碳呈负相关，表明其可分解煤中有机碳并转化为CH4。综上，有机溶剂对煤生物产气的影响遵循溶剂极性−煤物化结构变化−微生物群落代谢级联效应，极性溶剂(尤其是甲醇)通过选择性萃取可改善煤体疏松度及官能团暴露，重塑微生物生态位以提升产甲烷活性。研究为深化认识煤结构变化与微生物产气机制提供理论参考。

• 煤厌氧发酵过程中固液气三相物质演化规律

  鲍园, 王小婧, 李丹, 胡宜亮, 山拓, 刘向荣,

  煤厌氧发酵技术是通过本/异源微生物降解煤有机质定向转化为甲烷、氢气等清洁能源，其核心科学问题在于揭示“煤结构演化−代谢物质传递−微生物群落响应”的多尺度协同作用机制。系统综述了煤厌氧发酵过程中固液气的演化规律，建立了煤厌氧发酵过程中固液气成分联合表征技术体系。固相成分分析包括煤预处理、孔隙结构和分子结构及其模型构建技术等，不同的预处理技术在实验室条件下能够显著提升生物甲烷产量，增幅范围达到24.98%～2 430.00%，但复杂的地质条件下的原位效应需进一步验证。煤储层孔隙系统作为微生物与煤基质界面反应的拓扑载体，其结构特征在厌氧微生物活动的影响下发生显著变化，微孔占比降低12.38%，而中孔和大孔占比分别增大15.84%和352.89%，孔隙度和渗透率增幅分别达到4.73%～64.90%和33.30%～40.00%。煤分子结构表征及模型构建技术研究为生物气化过程中煤表面官能团、碳骨架和化学键断裂位置提供了直接证据。微生物降解作用导致煤中范德华能降低幅度最大，达到8.74%～9.27%，其次是非共价键能和氢键能。液相成分分析主要包括分子生物学和中间代谢物质分析，分子生物学通过分析煤层微生物的多样性特征及其代谢潜力，突破了对本源微生物生命活动的认知瓶颈，为生物甲烷生成路径研究提供新途径，而中间代谢物质(如溶解性有机质、小分子有机酸和糖类等)的表征为代谢产物传递研究提供了重要的数据支撑。甲烷、氢气、二氧化碳等气相组分的定量表征有助于理解生物气化潜力及甲烷生成途径分析，未来可着重突破多场耦合作用机制解析、代谢网络工程改造及动态环境调控等关键技术，为实现煤层气资源的智能化生物转化与工业化应用提供理论支撑。

• 外源CO2对煤系泥页岩原位厌氧发酵系统生物甲烷产出的影响

  王乾, 高富博, 丁锐, 赵伟仲, 王小勇, 张雪珂, 杨嘉文,

  煤系气增产与CO2资源化利用的有机结合契合国家“双碳”目标，亦可助推我国煤系气大产业建设与循环化发展。研究发现，煤系泥页岩除了具有煤系气储层属性和厌氧发酵产甲烷底物属性外，还可驱动CO2生物甲烷化的发生，具有潜在的“CO2甲烷化工厂”属性。然而，针对含外源CO2的煤系泥页岩厌氧发酵系统的研究仍缺乏，制约了该技术的发展和应用。以义马煤田中侏罗统煤系泥页岩为研究对象，通过原位温压条件下的厌氧发酵试验，探讨外源CO2注入对煤系泥页岩厌氧发酵系统生物甲烷产出的影响。结果表明：外源CO2注入后，煤系泥页岩厌氧发酵系统的微生物群落结构与代谢功能发生了显著改变，生物甲烷的产出始终以氢营养型产甲烷途径为主，发酵后期有机质降解产生的乙酸被利用，有效延长了产甲烷周期。受外源CO2注入影响，发酵系统的生物甲烷产量明显提升，累计生物甲烷产量达常压发酵系统的2.12倍，增产效果显著。在发酵系统内以Clostridium_sensu_stricto_1为主的产氢菌的介导下，外源CO2注入后产生的H+借助铁氧还蛋白氢化酶等氢化酶的“催化电极”作用与电子结合生成了大量H2，实现了H2的内源供应并为氢营养型产甲烷菌提供了丰富的底物。然而，发酵系统内挥发性脂肪酸的积累对细菌和古菌群落均产生了明显的酸抑制效应，导致菌群多样性、丰度降低，代谢活性减弱，使得发酵系统在具有充足的CO2与H2条件下，产甲烷反应仍于30 d终止。因此，探索有效的缓解酸抑制的方法对提升该系统的应用潜力至关重要。基于上述发现，提出煤系泥页岩具有“CO2甲烷化工厂”属性。该“工厂”以外源CO2为原料、以煤系泥页岩孔裂隙为反应空间、以泥页岩有机质为激活剂、以产甲烷菌群为廉价劳动力，最终生成甲烷作为绿色产品，为煤系气的增产和CO2的资源化利用提供高效协同途径。

• 煤储层微生物分布特征及碳循环相关基因研究

  李洋, 唐书恒, 张迁,

  微生物协同代谢驱动有机物降解与CO2还原等碳循环过程，为煤炭资源的绿色开发和地质碳封存利用提供了新思路。阐明区域原位生态环境中微生物的分布与代谢及碳循环菌群的环境驱动因素对于提升煤储层氢营养型产甲烷菌等微生物的代谢效率和引导其代谢途径至关重要。以沁水盆地南部柿庄南区块为研究区，采集非雨季储层水，通过生物测序、功能预测和统计分析等方法探究原位环境微生物群落分布特征、代谢潜力及其影响因素。结果表明：变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、绿弯菌门(Chloroflexi)、厚壁菌门(Firmicutes)、硝化螺旋菌门(Nitrospirae)、螺旋体门(Spirochaetes)为主要优势细菌，广古菌门(Euryarchaeota)为主要优势古菌。其中，细菌菌群分布与多样性受溶解性固体(Total Dissolved Solids，TDS)、有机碳(Total Organic Carbon，TOC)等环境因素影响，古菌菌群受环境因素影响相对较弱。通过对比不同水文单元的微生物功能基因差异发现，研究区微生物协同共生关系受环境影响共同驱动碳等生命元素循环，西北滞留区有机物降解和甲烷代谢相关关键酶基因丰度较东南径流区显著增加。产甲烷古菌固碳途径基因丰度在滞留区较高，且受溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)、氧化还原电位 (Oxidation Reduction Potential，ORP)、TDS、TOC、\mathrmSO_4^2- 等调控。研究揭示了原位煤储层以氢营养型产甲烷菌等实现生物气增产和CO2生物利用的代谢功能潜力及其环境调控规律，为化石能源生物工程现场实践的区位优选或储层改造提供理论依据与数据支撑。

• 煤层后生生物H2S原位抑制机制试验研究

  周艺璇, 赵文杰, 祁梦娇, 吕灿,

  在煤层气排采过程中，无论是高硫煤还是高硫酸盐煤层水，均易产生后生生物成因H2S：高硫煤中的有机硫经微生物降解转化为硫酸盐后，再被硫酸盐还原菌(SRB)还原为H2S；高硫酸盐煤层水中的硫酸盐则直接被SRB还原。二者机理同源，仅底物来源不同。针对这一共性问题，以晋城太原组15号高硫煤及本源菌为体系，比较钨酸钠与钼酸钠的梯度添加对H2S的抑制效果。结果表明：钼酸钠虽能抑制H2S，但在质量浓度为1.0 g/L时几乎同时抑制CH4生成(H2S累计产量为0.03 mL/g，CH4累计产量为0.08 mL/g)；钨酸钠对CH4生成影响较小，其中在质量浓度为0.8 g/L时抑制效果最优。在此添加量下，气相H2S体积分数峰值由对照组第12天的240×10−6降至试验组第3天的27×10−6，峰值降低约88.8%并显著提前；H2S累计产量由5.72 mL/g降至1.88 mL/g，降低67.1%；CH4累计产量由4.25 mL/g升至4.50 mL/g，增加5.9%，且产气高峰提前3 d，说明钨酸钠的添加不抑制，甚至轻微促进产CH4。在添加钨酸钠的系统中，钨酸盐经TupABC/ModABC系统转运进入细胞后，竞争ATP硫化酶形成不稳定APW(5'−腺苷酸钨酸盐)，阻断\mathrmSO_4^2- 到APS(5'−腺苷酸磷酸硫酸盐)的起始激活，表现为整个发酵过程中\mathrmSO_4^2- 含量不降反升。宏基因组和菌群测试表明，水解菌Macellibacteroides相对丰度下降，上游有机硫向硫酸盐的供给减缓；硫酸盐还原菌Desulfitibacter及关键基因sat/aprAB/dsrAB相对丰度下降，而钨酸盐转运基因tupABC/modABC相对丰度上升；乙酸营养型产甲烷菌 Methanosaeta相对丰度较对照组提高了55.51%，底物(VFA)更多流向产甲烷途径；亦识别到细菌Wolinella以亚硫酸盐为受体产H2S及与甲基营养型产甲烷菌共生产H2S，但SRB路径仍是主要且可控靶点。研究为压裂与排采阶段后生生物H2S的原位抑制提供了一种有效的技术，可避免煤层气产出后的被动脱硫，不仅经济效益显著，而且有利于抽采管路的维护。

• Fe3O4纳米酶−过硫酸铵压裂液在煤层气开发中的增产作用

  佘开达, 苏现波, 赵伟仲, 赵文杰, 丁锐,

  煤层气的开发迫切需要一种集“增解、增扩、增透”为一体的增产技术，以弥补以往只关注压裂造缝增透的不足。纳米酶是一类既有纳米材料特性，又具催化功能的模拟酶活性的物质，其因高效催化功能和稳定易于规模化生产的特点，受到各个领域的广泛关注，其中类过氧化物纳米酶应用领域最为广泛，如Fe3O4纳米酶与过硫酸铵结合将产生强氧化性自由基\mathrmSO_4^- ·，该自由基能否对煤储层改性，进而实现煤层气增产还未见报道。为此，采用Fe3O4纳米酶−过硫酸铵构成的压裂液对长焰煤进行氧化降解试验，首先对降解前后的煤进行红外光谱、X射线光电子能谱(XPS)、拉曼光谱、C-13核磁共振(13C-NMR)和等温吸附测试，定性定量地揭示降解前后煤中官能团、分子量的变化以及对煤亲甲烷能力的影响，然后再对其进行压汞测试，探究降解前后煤孔隙结构的变化，最后对降解前后的煤进行渗透率测试，查明Fe3O4纳米酶−过硫酸铵压裂液体系对于煤储层渗透率的影响，结合以上试验阐明储层改性对煤层气产出的强化机制。结果表明：煤经过Fe3O4纳米酶−过硫酸铵压裂液作用后，整体含氧官能团、甲基和其他饱和官能团的相对丰度降低，由此降低了煤的亲甲烷的能力，实现增解增产；煤中的固态大分子部分被降解成液态小分子物质，基质孔隙度和总孔体积上升、曲折度和突破压力降低，实现增扩增产；煤储层渗透率也由此得以提升，实现了增透增产。试验研究证实了这种压裂液除了具有常规压裂液的造缝功能外，还具有增解、增扩、增透功能，可强化煤层气“上游”的产出。Fe3O4纳米酶−过硫酸铵压裂液既是纳米酶材料应用的拓展，又是一种具有多重增产功能的煤储层改造压裂液。

• 采动应力旋转的内涵、原理、表征与工程应用

  王兆会, 王家臣, 杨胜利, 孙文超, 王世荣, 郑参喆, 李子健, 陈坤,

  采动应力是矿井围岩变形破坏的直接诱因，也是支护设计的前提基础，决定了围岩控制效果。由于煤炭开采强度和深度增加，采动应力分布趋于复杂，围岩失稳和动力灾变频率升高，控制难度增大。为保障煤炭资源安全高效开采，综合运用现场实测、理论分析、室内试验、数值计算等手段，发现了采动应力旋转现象，阐述了应力旋转的科学内涵、力学原理、表征方法及其在采矿工程中的应用实例。首先采用空心包体应变计实测了地应力张量和采动应力增量，提出了绝对采动应力计算方法；揭示了采动应力张量矩阵与主应力、主方向的关系，定义了采动应力旋转的科学内涵；基于应力张量矩阵变换特征给出了3种采动应力状态变化模式：主应力变化，主方向不变(Ⅰ)；主应力不变，主方向变化(Ⅱ)；主应力和主方向同时变化(Ⅲ)。实测结果表明采动应力张量属于变化模式Ⅲ，验证了应力旋转现象的存在性。阐明了岩层运动、采动卸荷导致采动应力渐进旋转及应力集中、释放导致大小主方向突变的力学原理。建立了采动应力旋转的极射赤平投影分析模型，得到了3类采动应力旋转轨迹，将三维空间旋转问题退化为二维平面问题，实现了旋转幅度和方位的定量分析；探讨了采动应力旋转与围岩稳定性的关系，以采动应力旋转轨迹为基础，提出了围岩稳定性的应力方向敏感区识别方法，实现了围岩破坏裂隙萌生位置和扩展方向的准确预测；阐述了采动应力旋转在“采掘工作面设计、顶板稳定性分析与支架选型、深部工作面断层活化治理、超长工作面围岩分区控制、拱形综放工作面强矿压控制”5类场景中的应用案例，形成了以采动应力旋转轨迹调控为核心的围岩控制技术，从开采源头提升围岩自承载能力，为矿井围岩控制提供新思路。

• 高位关键层整层预裂下岩层结构随块度演化模式及防冲卸压效果

  高歆于, 郝宪杰, 季金一, 吕卫东, 杨怀翔, 李航, 褚夫乐, 李一涵,

  针对坚硬顶板型冲击地压突发性强、破坏力大、影响范围广的特点，主动卸压防冲成为煤矿坚硬顶板型冲击地压区域解危的重要措施。在地质条件复杂的多关键层工作面中进行低位卸压时，易面临卸压范围有限导致的卸压效果差等问题，为此创新性地提出高位关键层整层预裂卸压技术，应用已有理论分析了不同预裂块度下的顶板关键层结构模型和演化过程，提出了随着预裂块度的变化，高位预裂层存在“砌体梁”—“短砌体梁”—“失稳结构”—“碎裂层”的结构演化模式，给出了合理预裂间距的确定方法。针对某矿2412工作面复杂的地质条件，结合预裂块度演化理论，选择了合适的预裂爆破层位与预裂间距，进行了高位关键层整层预裂爆破。通过工作面在常规开采区域和高位整层预裂卸压区域的支架压力、微震与巷道应力对比分析，验证了高位关键层整层预裂爆破的卸压效果。研究结果表明：高位关键层整层超前预裂爆破对高位厚硬岩层起到了显著的弱化作用，在工作面推进过程中降低了巷道应力，支架动载系数、 来压时长占比都有不同幅度的减小，且显著减少了2 kJ以上的微震事件数量和能量，有效降低了巷道和工作面的冲击风险，为类似地质条件下的冲击地压主动防控提供了可借鉴的理论依据和实践经验，对于推动我国煤矿安全生产技术的进步和发展具有重要意义。

• 固体充填采煤矸石体积可视化预测协同充实率精准控制

  张云, 童亮, 来兴平, 刘永孜, 曹胜根, 孙浩强, 杨彦斌, 何伟,

  固体充填采煤技术可有效控制顶板下沉和解决煤炭资源浪费问题，其充实率是描述充填效果的关键参数。当前充填采煤工作面智能化水平低，缺乏对采空区充实率的精准控制方法，固体充填采煤技术作为煤矿绿色开采的重要方向之一，亟需创新理论解决上述问题。提出集成图像识别和机器学习可视化预测矸石体积，进而精准控制充实率的方法。该方法以固体充填采煤工作面为背景，搭建矸石图像数据采集和矸石掉落模拟试验平台，将矸石静态图像训练特征迁移至矸石掉落瞬态图像的特征初始化过程，并对低照度、高粉尘图像进行图像增强；利用图像识别提取矸石轮廓和特征信息，并基于SHAP(Shapley Additive Explanations)对体积影响因素进行重要性分析，筛选出矸石周长、面积、外接矩形面积、外接圆面积、外接矩形宽度和圆形度等6个关键特征；选取极致梯度提升(XGBoost)算法构建矸石体积与其特征之间的映射关系，并联合使用贝叶斯算法(Bayes)和粒子群算法(PSO)寻找模型最优解，构建XGBoost-Bayes-PSO矸石体积可视化预测模型，其决定系数为0.876 13，均方根误差和平均绝对误差分别为0.029 85和0.021 28，相比其他模型具有更优的预测性能。为分析矸石粒径对充填效果的影响，比较不同矸石粒径下图像预测准确率，并建立FLAC-PFC耦合计算模型，探究不同矸石粒径对覆岩运移的规律。结果表明，预测准确率随矸石粒径增大逐渐增大，最高提升幅度达12.7%；随着矸石粒径增大，充填采场支承应力峰值逐渐增大，充实率逐渐降低，综合考虑固体充填开采现场经验、设备关键参数，以及矸石粒径与模型预测精度的关系，最终确定在工程设计时选择粒径40～55 mm的矸石进行充填。进一步，通过结合实际充填采煤工作面提出了一套工程设计方法，通过监测系统对采空区矸石充入体积进行实时监测，根据所需充实率来确定矸石的充入体积，以确保充实率达到设计要求。研究成果为提高固体充填采煤工作面智能化、无人化程度提供了理论支撑，推动了智能化绿色矿山的建设进程。

• 深井软岩巷道围岩裂隙时效演化规律及注浆强化时机

  唐芙蓉, 陆银龙, 宋浩然,

  深井软岩巷道围岩裂隙时效演化规律直接影响滞后注浆加固技术的施作时机，但目前尚未明确建立滞后注浆时机与围岩裂隙时效演化进程之间的联系。为解决深井软岩巷道围岩滞后注浆强化时机定量表征问题，通过系统开展一系列深井软岩巷道围岩裂隙时序钻孔全景测试，获得了巷道围岩裂隙空间分布特征及时效演化规律，开展了考虑掘进扰动和流变效应的深井软岩巷道滞后注浆过程数值模拟，分析了不同注浆时机对巷道围岩稳定性的影响规律，提出了综合考虑巷道围岩变形及裂隙演化过程的最佳注浆时机确定方法，并进行了现场试验与效果验证。结果表明：深井软岩巷道围岩结构呈现“破碎区−裂隙区−完整区”的空间分布特征，裂隙平均线密度随时间呈现“先急速增长后趋于稳定”的演化规律，裂隙平均线密度增速拐点可作为滞后注浆加固关键时间节点；随着注浆时机滞后，深井软岩巷道最终变形呈现“先减小后增大”的趋势，在巷道滞后注浆过程中存在一个“最佳注浆时机”，使得围岩最终变形量最小。最佳注浆时机区间上限为巷道围岩移近率增速拐点，下限为裂隙线密度增速拐点，在最佳滞后时机区间实施注浆强化，能够有效降低深井软岩巷道围岩变形速率，而未及时注浆的巷道围岩移近率则持续增长。

• 基于深度学习融合多源信息指标的坚硬顶板型冲击地压时序预警方法

  伍冠东, 温颖远, 李虎威, 曹安业, 郭文豪, 刘洪林, 郭继森, 李增峰, 胡鹏飞,

  为了深入研究坚硬顶板地质条件下工作面的冲击地压预警问题，结合深度学习技术，提出了基于显式特征的物理预警指标和数据驱动的隐式特征时序预警指标融合的冲击地压时序预警方法，探究了大能量微震事件发生前多项物理预警指标的演化规律。利用遗传算法优化BP神经网络(GA-BP)算法筛选出微震活动平静度βn、小震动态参数P(b)、微震活动性指数A(b)、古登堡G-R关系经验常数b这4个适应于该坚硬顶板工作面的物理预警指标，并利用卷积神经网络结合t分布随机邻域嵌入(CNN-T-SNE)算法从微震和支架工阻数据中提取时序预警指标，采用星雀算法(Nutcracker Optimization Algorithm，NOA)、长短记忆神经网络(Long Short-Term Memory，LSTM)等深度学习算法，建立了坚硬顶板型冲击地压时序预警模型，并对模型预测性能进行了验证和实例分析。研究结果表明，采用GA-BP算法对微震信息指标进行反馈式迭代优选，基于预测F1值筛选出的物理预警指标为βn、P(b)、A(b)、b，其预测F1值为0.88、均方根误差RMSE为0.038，筛选出的物理预警指标对冲击预警的敏感性较强，在大能量事件发生前，b、P(b)、βn处于低值或快速下降状态，仅A(b)处于极大值或者接近极大值；通过CNN-T-SNE算法从微震和支架工阻数据中提取时序预警指标，T-SNE(T-Distributed Stochastic Neighbor Embedding)算法将CNN(Convolutional Neural Network)提取的特征进行降维可视化，不同的危险等级被明显区分开并有效提高了预测精度，其时序特征指标的预测F1=0.91、RMSE=0.021，微震和支架工阻指标的预测F1=0.80、RMSE=0.085，预警准确率提高了12%；采用星雀算法(Nutcracker Optimization Algorithm，NOA)对LSTM网络的学习率、批量大小、Dropout Rate 3个超参数进行寻优，其最优学习率为0.033、最优批量大小为8、最佳Dropout Rate为0.2，并通过LSTM-NOA网络对物理预警指标和时序预警指标进行训练学习，预测时长设定为1 d，其F1=0.96，与传统LSTM网络的预测方法相比，F1提高0.04，预警准确率提高了4%，且对大能量事件的敏感性更强。

• 冲击载荷下煤体巴西劈裂动态力学特性及损伤本构模型

  孔祥国, 李宇航, 李树刚, 林海飞, 刘厅, 马衍坤, 刘晓斐, 和递, 季鹏飞, 蔡雨初,

  在深部煤层开采过程中，煤体在冲击载荷扰动下的动态损伤与破坏是造成重大动力灾害的关键因素。为探究冲击载荷下煤样的动态拉伸特性，采用霍普金森压杆(SHPB)试验系统，开展不同冲击速度下煤的动态劈裂拉伸试验，并利用高速摄像机拍摄煤样的裂纹扩展过程，研究不同冲击速度下煤样的动态拉伸力学特性，分析巴西劈裂试验中煤样的破坏过程及破坏形态。基于组合元件模型理论和统计损伤理论，构建了煤体动态损伤本构模型，并验证了模型的合理性。试验结果表明：煤样的峰值拉伸强度与冲击速度成正比关系，而峰值应变与冲击速度成反比，这表明随冲击速度的增加，煤样的变形反应时间较短，在小变形之后就发生宏观破裂。动态劈裂试验中，中心主裂纹在煤样中心区域产生，随后产生的微裂纹不断扩展、汇聚直至贯通，导致煤样破裂，在近杆件端面处产生应力集中现象，出现压碎区域。随冲击速度的增大，煤样所吸收的能量也随之增加，入射能、反射能、透射能及耗散能均呈现增大趋势。其中，入射能的增长斜率最大，透射能变化幅度较小，增长斜率最小，煤样耗散能与反射能增长斜率近似相等。煤样能量耗散密度随冲击速度增大呈线性增加，这表明随冲击速度的增大，高能量的输入导致能量在煤体内部迅速传递积累，局部区域承受更高的能量密度，使得煤样的破裂程度更加显著。基于朱−王−唐模型及统计损伤理论，将部分弹性体损伤化并引入塑性元件，对朱−王−唐本构模型进行改进，构建了冲击载荷下煤体巴西劈裂的黏弹塑性动态损伤本构模型。该模型能够较好地表征冲击载荷作用下煤体的弹性阶段及塑性阶段，很好地反映煤体在不同冲击速度下的动态应力−应变关系，验证了本构模型的可靠性。

• 液滴在烟煤表面的润湿特性及驱动机制

  张江石, 梁云飞, 方磊, 张琪, 佟林全, 陈鑫洋, 柳鹏程,

  煤尘捕集的关键在于液滴与煤尘颗粒接触瞬间所产生的界面效应。为明晰界面结构驱动液滴在烟煤表面的润湿过程，选用滴落法进行动态润湿试验，并结合牛顿力学实现微观分子动力学模拟，研究了不同体积液滴在烟煤表面的润湿效果、造成驱动差异性的原因以及内在驱动机制，阐述了液滴在烟煤表面的润湿特性，揭示了水−煤界面润湿过程的驱动机制。结果表明：液滴润湿烟煤表面的驱动过程更易受界面力的影响，减小液滴体积可以增大界面驱动力，加快“惯性力驱动—界面力驱动—静态平衡”3个阶段的转变速率，使液滴能更快地完成动态润湿过程；液滴体积与界面润湿效果呈负相关，随着液滴体积减小，水−煤界面接触角降低，水分子的流动性受限程度减弱，吸附在烟煤分子表面的倾向性增大，能够更均匀地覆盖在润湿区域，表现出更稳定的界面润湿特性。液滴体积造成驱动效应差异的原因可从能量角度得到解释，在初始状态下，水分子仅受彼此间的非键结相互作用，水分子的平均内聚能近似；进入润湿阶段，小体积液滴内水分子的平均内聚能更小，界面结合处单位面积内的氢键数量更多；液滴在烟煤表面的驱动机制在宏观现象上表现为接触线的前移与停滞，使水滴沾湿在烟煤表面，微观机理是液滴界面边缘处的部分水分子在烟煤表面形成前驱膜，水分子实际是在前驱膜上运移，最终液滴在内聚能和界面结合能的作用下进入平衡状态；在防尘应用中，小粒径液滴能够更快速实现均匀润湿，而大粒径液滴适用于更大覆盖范围和持续润湿的场景。

• 基于FLAC3D-PFC3D的含瓦斯水合物煤体三维精细建模与模型验证

  高霞, 杨书朋, 王楠楠, 张保勇, 殷振元, 吴强,

  含瓦斯水合物煤体力学性质研究对有效评估瓦斯水合固化技术预防煤与瓦斯突出效果起着至关重要的作用。针对含瓦斯水合物煤体力学性质数值模拟中存在的试样真实变形特性复现不准确及计算效率低等问题，考虑将FLAC3D和PFC3D耦合方法应用于边界条件建立。为此，以水合物饱和度31%的含瓦斯水合物煤体室内三轴试验为例，建立三轴离散元数值模型。考虑了包裹煤样胶套的变形特性，采用FLAC3D-PFC3D数值耦合方法创建侧向柔性边界，即以FLAC3D模拟胶套宏观变形特征，保证数值模型剪切带的充分演化，以PFC3D模拟煤体细观力学特征，两者在离散和连续的接触界面处通过边界控制墙体建立耦合关系。为了计算模型的体积应变以用于模型剪胀特性的分析，提出了一种三维柔性边界体积应变与径向应变计算方法。为满足三维数值模拟工况验证需求，搭建了含瓦斯水合物煤体三轴试验平台，通过对比三轴压缩过程中含瓦斯水合物煤体的强度和破坏特征，确定了数值模型的细观参数，验证了模型的可靠性。结果表明：提出的模型不仅可以准确反映三轴压缩过程中含瓦斯水合物煤体的强度及破坏特征，同时在细观尺度上可以实现对其剪胀特性与剪切带发展的预测。该数值模型可以作为含瓦斯水合物煤体三轴试验的必要补充。研究成果为解决含瓦斯水合物煤体力学性质三轴试验的真实模拟以及计算成本问题提供了新工具，也为其力学强化以及基于细观力学原理的含瓦斯水合物煤体本构模型建立提供了理论依据。

• 原子尺度下低变质煤常温氧化机理试验研究

  赵兴国, 戴广龙, 秦汝祥, 周亮, 张德志, 赵俊杰,

  煤在常温下的氧化为煤自燃的发生提供了初始热量，研究煤在常温下的氧化机理可以为遏制煤自燃的发生提供理论基础。为与自然界煤和空气中的氧原子(16O丰度为99.756%)进行区分，使煤样分别在干空气和18O2气氛中进行了不同条件下的常温氧化试验。通过自制常温循环氧化及多组分气体实时在线监测系统分析了煤外部含氧气体分子(O2、CO和CO2)变化规律，通过傅里叶变换红外光谱仪分析了氧原子在煤中的迁移特征，通过同位素比质谱仪对比原煤中含氧官能团以及煤在干空气中氧化生成气体的氧同位素含量，分析氧化产物的18O同位素积聚分馏现象，最后，通过被18O标记的CO和CO2氧同位素分布将煤外部含氧气体分子和煤内部氧原子迁移进行关联，从而对低变质煤在常温下的氧化机理进行了探讨。结果表明：在低变质煤常温氧化过程中，耗氧速率由氧气浓度决定并且两者之间存在二次函数的关系，煤中与氧气发生反应的活性基团的数量足够且种类没有发生明显的变化。CO的浓度随着氧化时间呈现正比例函数增加后缓慢增加，CO2的浓度则与氧化时间满足一次函数的关系，CO和CO2的释放速率是由化学反应和脱附扩散过程共同影响的。通过分析氧气消耗规律同官能团之间的关系发现，煤中脂肪族结构是影响耗氧速率的关键活性基团，脂肪族结构与氧气发生反应为煤自燃提供了初始热量。使用自制常温循环氧化系统进行煤的常温氧化试验过程中不会出现氧同位素分馏现象，氧同位素示踪试验是可行的。低变质煤常温氧化生成CO和CO2是含氧官能团与脂肪族结构氧化协同作用的结果，超过88%的CO来源于醛基和羟基与羟基自由基发生的夺H反应，超过97%的CO2来源于羧基与羟基自由基发生的夺H反应。使用针对性抑制剂降低脂肪族结构活性以及羟基自由基浓度可有效抑制煤自燃和解决CO的上隅角超限问题。

• 煤岩瓦斯动力灾害冲击波作用下防突风门失效机理

  郭海军, 于英杰, 王凯, 席曦, 杨涛, 王亮, 周爱桃, 任波, 徐超,

  防突风门是保持通风系统稳定的关键构筑物，当煤岩瓦斯动力灾害发生时，形成的强烈冲击波在传播过程中会破坏防突风门，导致瓦斯逆流和瓦斯积聚现象，甚至会诱发二次灾害。为了研究煤岩瓦斯动力灾害冲击波作用下防突风门的失效机理，以冲击波的超压−冲量理论为核心，建立防突风门屈曲失效的超压−冲量理论模型(P-I理论模型)，利用LS-DYNA软件模拟防突风门在冲击波作用下的动态响应规律，并将模拟得到的风门的破坏情况和风门屈曲失效的P-I理论模型进行对比。结果表明：煤岩瓦斯动力灾害冲击波导致风门失效的根本原因是冲击载荷产生的超压和冲量使风门的响应形式发生变化；在灾害冲击波作用下，风门的薄弱位置在门扇中心区域、门扇与门框的连接处；当初始瓦斯压力超过1 MPa时，10 mm厚的Q235钢质风门发生屈曲失效，不同厚度风门的等效应力、位移、速度、能量场分布具有相似性，风门的厚度越大，在相同冲击载荷作用下获得的等效应力、位移、速度、能量越小，抗灾能力越好，且高强度的钢材料抗冲击性能更好；数值模拟结果和屈曲失效P-I理论模型对风门失效情况的判定结果一致，P-I理论模型可以用来判定防突风门是否发生屈曲失效；以风门材料的屈服极限为判定依据，建立了防突风门屈曲失效的极限状态方程，当极限状态方程大于0时，防突风门发生屈曲失效。

• 基于细观尺度变形煤体渗透率模型集及预测效果分析

  王伟, 李文智, 王亮, 方志明, 李小春,

  为准确预测煤体渗透率随气体压力的演化规律，基于立方定律与细观尺度变形规律构建了煤体渗透率演化模型集，验证了模型的准确性。分析了参数影响下模型演化效果，研究了参数变化对渗透率比最大值的影响，确定了参数的敏感性指标，讨论了内膨胀系数与裂隙吸附应变系数的关系。渗透率模型集包含真实应变模型、等基质宽度模型与等体积模型。结果表明：3类模型表征着单元体在细观尺度上的3种差异性变形特征，仅真实应变模型可描述内膨胀效应，且内膨胀系数为仅考虑吸附作用影响时单元体体积应变与基质体积应变之比。对于沁水盆地区域煤体，较小的内膨胀系数和较大的裂隙吸附应变系数对渗透率比的影响最为显著，内膨胀系数和裂隙吸附应变系数的取值变化分别引起渗透率比的最大值增大了34.29、24.60～38.07倍。相比相同工况条件下的真实应变模型，等体积模型与等基质宽度模型都极易高估渗透比最大值，等体积模型的偏差值在Langmuir最大吸附应变与初始裂隙率影响下分别达到最大值28.81与最小值8.31。等体积模型与等基质宽度模型的参数敏感性指标也偏大，说明参数取值的偏差极易造成预测精度降低，尤其是Langmuir最大吸附应变与Langmuir压力常数。仅当3类模型的裂隙体积应变相等时，内膨胀系数与裂隙吸附应变系数满足非线性关系。提出的3类反映细观尺度变形规律、可适用不同工况的渗透率模型，系统揭示了模型关键参数的影响机理，为多孔介质弹性力学、渗流力学等基础科学以及煤层气开发、矿井瓦斯防治与碳封存等工程实际提供理论指导。

• 气压致裂下煤岩各向异性有效应力系数演化及增渗研究

  余北辰, 刘应科, 张东明, 蒋长宝, 刘超, 刘玉冰,

  深部高应力低渗煤层瓦斯抽采过程中，煤岩体的压实与扩容、力学性能劣化、压裂缝网改造效果以及渗流演化特性与真三轴环境下煤岩体的有效应力(σeij=σij−αijp，σeij为有效应力，σij为主应力，αij为有效应力系数，p为孔隙压力)密切相关，定量有效应力效应的关键是确定αij的各向异性特性。研究了不同深浅部应力状态下CO2压裂过程中煤岩的各向异性有效应力系数演化特性及增渗效果。结果表明：在CO2压裂作用下，煤岩的αij会在压裂诱导损伤进程中表现出各向异性，随损伤程度增大表现出均匀的增幅，αij的各向异性也随之增加，并始终存在α1 > α3 > α2(α1为最大主应力方向有效应力系数，α3为最小主应力方向有效应力系数，α2为中间主应力方向有效应力系数)。三向初始应力的升高限制了致裂裂缝的扩展，初始致裂条件下高应力状态的αij要低于低应力。对于不同致裂方向，初始损伤阶段有效应力系数表现出αF > αB > αD(αF为面割理方向有效应力系数，αB为端割理方向有效应力系数，αD为层理方向有效应力系数)，随着压裂进程推进，与αB、αF相比，αD显示出了更大的增幅，说明沿层理面分布的天然裂隙在高压气体驱动作用下更容易扩展。CO2压裂煤时产生的拉应力作用可以激活尖端裂隙，并与层理、割理面合并发生裂隙偏转，形成剪切或拉剪复合裂缝网络，可提升渗透率与瓦斯抽采效果。但在高地应力条件下，瓦斯抽采效果会变差，沿割理方向致裂时，渗透率提升要优于垂直层理。基于Kirsch应力叠加原理与拉应力准则，建立了CO2压裂时煤岩的破裂压力预测模型，并分析了αij对煤岩破裂压力与裂缝扩展准则的作用。在中等压差条件下，忽略αij会显著高估气体压力抵消主应力的作用，导致计算变形小于实际变形；考虑αij的有效应力避免了对煤层稳定性的低估，在现场瓦斯抽采时，可适当加大二氧化碳致裂压力，增加瓦斯抽采量，有效提高矿井瓦斯治理水平。

• 煤与瓦斯突出的级联破裂发展机制

  雷杨, 程远平,

  煤与瓦斯突出是地下煤矿开采过程中最具破坏性的动力灾害之一，表现为煤层潜能的突然失稳释放与煤岩系统的快速破裂。现有研究虽已广泛探讨突出机制，但对突出灾害从局部失稳向系统性演化的内在机理认识仍显不足。基于煤岩破裂与能量转化的耦合演化规律，提出基于能量反馈驱动的“煤体破裂—能量释放—级联触发—能量放大”正反馈机制，揭示了突出级联破裂的动力学特征。基于真三轴突出模拟系统开展物理相似模拟试验，运用高灵敏度次声探测技术捕捉突出演化的动态特征。通过构建幅值积分序列解析方法，发现突出过程呈现明显的双相演化特征，即初始高幅值脉冲期(振幅为180～350 Pa，持续期小于0.2 s)和后续低幅值持续期(振幅小于100 Pa，持续期为0.2～1.8 s)。次声解析序列呈现的阶梯式增长为煤体级联破裂提供了直接观测证据。在此基础上，构建级联破裂演化定量模型，提出重叠触发、邻近触发及累积面积阈值等关键级联准则。通过工程实例验证，该模型可有效预测突出传播路径和发展规模，揭示了突出演化的3个关键阶段，即初始积累期(级联半径增长率小于0.2 m/次)、快速级联期(级联半径增长率为1.0～1.6 m/次，较初始期提高5～8倍)和衰减终止期(级联半径增长率趋于0)。结果表明：破裂路径在多尺度观测下呈现显著的分形特征，证实了局部与整体破裂模式的自相似性。突出发展表现出指数型增长规律，其最终规模主要由级联阶段的持续时间决定，能量赋存条件在这一过程中起着决定性作用。

• 低产煤层气水平井复合洗井提产技术

  张晶晶, 胡胜勇, 孙天玉, 孙修伟, 赵瑞锦, 郭舒云, 王紫襄, 任欣荣,

  煤泥产出是煤层气排采过程中普遍出现的问题，会导致煤层气井产能异常衰减。选用沁水盆地晋城矿区15号煤层气田低产煤层气井煤泥样品，通过静态悬浮试验和泡沫稳定性评价，复配出高效悬浮−携带煤泥颗粒物的解堵剂材料，开展了支撑裂缝内渗透率变化及井筒内沉积煤泥洗井解堵试验，提出了促进沉积煤泥排出的解堵剂氮气泡沫正反多次循环洗井工艺。研制了由柔性自转向连续作业设备、连续油管末端做笔尖探阻初洗以及投球式高能双向冲洗喷头等组成的配套装备，成功应用于晋城矿区低产井。结果表明：在由0.8%十二烷基硫酸钠(SDS)、0.4%氯化钾(KCl)、0.8%脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵(AESA)组成的解堵剂作用下，煤泥颗粒悬浮率可达95%以上，泡沫携带煤泥颗粒时间可达90 min以上。该解堵剂作用下支撑裂缝内气相渗透率，较清水作用下的气相渗透率提高了0.9～1.8倍，液相渗透率较清水作用下提高了1.5～1.8倍。随着注入解堵剂流速的增大，煤泥排出率逐渐上升。随着煤泥滞留量的增大，煤泥排出率在逐渐下降。解堵剂作用下沉积煤泥排出率可达45.30%～92.13%，是清水作用下的1.05～3.55倍。煤泥滞留质量分数为10%时，经过3次循环洗井解堵后，排出率可再次提升40%以上，累计煤泥排出率最高可达92.58%。该技术应用到4口典型低产煤层气井，洗井后相比洗井前4口煤层气水平井平均产气量提高了约3.6倍。

• 差压穿透法煤吸附气体表面扩散系数测定方法

  陈世强, 张玉贵, 张明杰, 闫江伟, 刘操, 李东会, 史广山,

  煤吸附气体表面扩散行为难以测量和定量表征，一直是煤层气(煤矿瓦斯)运移规律研究中存在的问题或难点。采用吸附动力学方法，基于Maxwell-Stefan扩散理论，利用每次吸附平衡时体相与吸附相化学势改变量的一致性，推导了覆盖度依赖性表面扩散通量方程并以Fick定律形式表达；结合质量守恒方程，建立了差压下煤中两相气体传输统一模型，提出了差压穿透法测定煤吸附气体表面扩散系数的原理与实验方法，并应用差压穿透法测得了表面扩散系数和两相气体传输贡献度。结果表明：覆盖度依赖性表面扩散通量方程的表面扩散系数与Maxwell-Stefan扩散理论的表面扩散系数符合HIO模型关系，是Maxwell-Stefan扩散理论的延展，能用Arrhenius 方程形式表示，理论推导结果正确，可用于表征煤吸附气体表面扩散行为。差压下煤中两相气体传输统一模型描述了差压下煤中吸附气体和游离气体传输的统一过程，该模型结合煤体多尺度孔隙结构串联物理模型构建，考虑了煤吸附气体表面覆盖度的影响，为差压穿透法原理的基础。基于模型构建差压−时间关系式，利用表面扩散的敏感参数(差压−时间曲线)反演表面扩散系数，提出了差压穿透法原理。基于原理，设计了差压穿透法实验，搭设了差压穿透法实验装置，测得了差压−时间曲线。差压−时间关系式与差压−时间曲线拟合度R2达0.977 6，验证了差压穿透法原理，可从总的气体传输过程(差压−时间曲线)中提取表面扩散系数。实验的表面扩散系数可用原理中煤吸附气体表面扩散系数表征公式描述，拟合度R2达0.997 9，拟合参数D0s∞、α在理论分析的取值范围之内，实验测定结果正确，可适用于煤中单组分气体且覆盖度为0～1内的表面扩散系数测定。在温度303 K，吸附平衡压力0.1～3 MPa，改变相同差压dp/dx实验条件下，煤吸附气体(甲烷−九里山煤样)表面扩散贡献度为95.70%～29.08%，游离气体运移贡献度为4.30%～70.92%，随着压力的降低，煤中气体运移过程由游离气体运移主导逐渐过渡为吸附气体表面扩散主导。实验结果表明煤中不仅存在吸附气体表面扩散行为，且在低压条件下(˂1.5 MPa)，煤层气(煤矿瓦斯)运移过程会由吸附气体表面扩散主导(贡献度超过50%)，煤吸附气体表面扩散行为不可忽略。评价煤中吸附气体的传输能力，可靠地预测吸附气体对煤层气(煤矿瓦斯)抽采效率的长期影响，煤吸附气体表面扩散系数的实验测定必不可少。

• 深层煤岩气体多级压裂固井水泥环密封劣化机制

  辛江, 杨焱岚, 王维, 吴建军, 韩金良, 李早元, 黄盛, 苏东华,

  深层煤岩气多级压裂工况下，顶部压裂段固井水泥环所处载荷环境复杂，井筒受高压及多轮次交变载荷的影响，水泥环易损伤，导致其密封性能劣化，严重制约深层煤岩气安全开采与高效开发。首先，基于深层煤岩气顶部压裂段水泥环应力分布特征，建立力学等效模型，并考虑井下套管−水泥环−煤岩服役状态，结合水泥环密封完整性评价仪，构建等效物理模拟试验方法，分析多级压裂工况下的水泥环密封性；然后，开展三轴循环加卸载、扫描电镜、核磁共振测试与水泥环应力分析，探究多级压裂工况下深层煤岩气顶部压裂段水泥环密封劣化机制。结果表明：深层煤岩气固井水泥环承载能力良好，能够承受165 MPa套管内压而不发生破坏；在75 MPa、45周次多级压裂载荷下，深层煤岩气顶部压裂段水泥环仍能保持密封性，但出现了多条未贯穿轴向裂缝；受深层煤岩低弹性模量的影响，水泥环应力增大，同时在多级压裂工况下，水泥环内部孔隙处的应力集中引发水泥环损伤萌生，且该损伤随压裂级数的增加而累积，是引发水泥环局部开裂、导致顶部压裂段固井水泥环密封劣化风险增加的主要原因。研究成果为深层煤岩气多级压裂固井水泥环密封性评价提供了新方法，对进一步认清深层煤岩气多级压裂固井水泥环密封劣化机制提供了理论支撑。

• 覆岩裂隙重构下分形−渗透特征

  邢景超, 梁冰, 房胜杰, 孙维吉, 任杰, 张尚宁,

  瓦斯超限是矿井安全生产的重要威胁。科学认识煤层充分采动下裂隙发育规律与覆岩渗透分布特性是实现选定高效瓦斯抽采位置的重要需求。以山西省某煤矿E2306工作面为工程背景开展了三维物理相似模拟试验，采用分布式光纤感测技术及钻孔窥视监测方法，明晰了充分采动下伏岩裂隙发育规律，反演得到了覆岩采动裂隙网络，结合分形维数对裂隙场定性分区，建立了裂隙岩体分形−渗透率模型，揭示了覆岩裂隙重构下分形渗透特征。结果表明：充分采动下，采空区边界裂隙数量沿走向变化呈抛物线型，采空区中部裂隙数量沿走向变化呈马鞍型。结合裂隙倾角、区域内裂隙纵横比值及分形维数，将重构裂隙场定性划分为原岩裂隙限制区、破断裂隙扩展区、碎胀裂隙交错区、结构裂隙压密区、结构裂隙离层区、剪切裂隙稳定区、支撑裂隙过渡区和承载裂隙压密区。走向破断裂隙扩展区与倾向支撑裂隙过渡区内分形维数达到1.3～1.5，裂隙高度发育。覆岩渗透率与采动裂隙分布相关，走向渗透率呈现“M”型分布，倾向渗透率呈现“W”型分布。垮落带渗透率为7.4×10−7～9.2×10−7 m2，裂隙带渗透率为1.1×10−9～4.2×10−7 m2。故最佳抽采位置为走向破断裂隙扩展区(距煤柱0～35 m)与倾向支撑裂隙过渡区(距巷道0～30 m)交界区域，高度为距顶板50 m左右。采用走向长钻孔抽采技术，单孔最大瓦斯抽采纯量达1.54 m3/min。

• 煤矿地下水库水体中钙镁离子迁移转化机理研究

  蒋斌斌, 李井峰, 胡瑜恬, 张海琴, 郝经纬, 李鹏,

  煤矿地下水库对矿井水具有一定的净化和除硬(钙镁离子)的功能，为矿井水井下直接复用提供了可能。然而，地下水库水体中钙镁离子的迁移转化规律及机理尚不清楚，制约了矿井水井下大规模、低成本处理与再利用技术的研发。为此，以神东大柳塔煤矿地下水库为对象，通过现场采样、室内试验和分子动力学模拟相结合，开展不同水−岩/矿物作用条件下水体中Ca2+、Mg2+质量浓度变化规律研究，揭示地下水库中Ca2+、Mg2+的迁移与转化机理。研究结果表明：煤矿地下水库中主要水−岩相互作用类型包括溶滤作用和吸附作用，其内部岩石对矿井水中Ca2+、Mg2+迁移与转化规律的影响，与所含矿物组成及质量分数、矿物理化性质、离子初始质量浓度等因素密切相关。当矿井水中离子的初始质量浓度较低时，可溶性矿物的溶滤作用占主导因素，使矿井水中离子质量浓度升高；随着反应的持续进行，黏土矿物的吸附和离子交换作用逐渐占主导因素，使矿井水中Ca2+、Mg2+离子质量浓度逐渐降低，并最终趋于稳定平衡状态。垮落岩石中高岭石和绿泥石对矿井水中Ca2+和Mg2+均有较强的吸附能力，其中高岭石对Ca2+、Mg2+的吸附能力分别为3.35、1.27 mg/kg，绿泥石对Ca2+、Mg2+的吸附能力分别为3.39 mg/kg和2.23 mg/kg。基于分子动力学和量子化学理论，构建了Ca2+、Mg2+在高岭石和绿泥石表面的稳定吸附构型，揭示了Ca2+和Mg2+在矿物表面的迁移转化机理，发现了Mg2+的吸附强度大于Ca2+，且高岭石对Ca2+、Mg2+的吸附强度大于绿泥石。研究成果为煤矿地下水库原位除硬处理技术的研发提供了重要理论依据。

• 粉煤灰浆液脱氨固碳耦合膏体材料制备方法构建与效能评价

  任武昂, 唐栋, 鞠恺, 李亚娇, 池玉蕾, 金鹏康, 孙丽萍, 唐仁龙,

  为同步解决粉煤灰用于膏体充填开采过程的氨气释放和因粉煤灰安定性不良导致的充填体强度失效问题，设计利用燃煤烟气吹脱粉煤灰浆液并将吹脱后的粉煤灰浆液制备成充填材料的试验研究；考察模拟烟气吹脱浆液过程中粉煤灰f-CaO含量、固液比、气液比和加碱量对脱氨固碳效率的影响，使用扫描电镜(SEM)、X射线衍射对粉煤灰脱氨固碳前后进行表征分析，并进一步探究吹脱粉煤灰浆液的膏体材料制备特性。试验结果表明：在控制固液比为0.2 kg/L、气液比为800 L/m3和加碱量为0.5%的情况下，经过30 min吹脱后，烟气中的CO2被粉煤灰中f-CaO矿化固定，3种粉煤灰浆液固碳量可达到理论值的80%以上，最大固碳量达到90.52 g/kg；SEM、X射线衍射结果显示：在吹脱过程中Ca(OH)2被转化成CaCO3且大多以晶体聚合状的形式附着在粉煤灰颗粒表面；此外，虽然烟气吹脱的脱氨效率仅为30%，但随着f-CaO对CO2的矿化固定，粉煤灰浆液pH降至中性，有效抑制了浆液制备充填材料养护时的氨气释放。经吹脱后的粉煤灰浆液制成膏体后，三者的氨气释放总量都降低了70%左右；充填体的28 d抗压强度分别为6.62、7.91、8.34 MPa，较空白组有大幅提升；膏体的流变性能虽然略微下降但仍满足规范指标要求。烟气吹脱粉煤灰浆液耦合充填材料制备方法将为含氨高f-CaO粉煤灰等工业固废的规模化消纳提供系统性解决方案，并为其提供新的资源化利用途径。

• Fe(Ⅱ/Ⅲ)晶格取代对煤系高岭石能带带隙的微观影响机理

  陈军, 包龙祥, 谢阿田, 尚欢欢, 程雅丽, 闵凡飞,

  为探究金属阳离子Fe(Ⅱ/Ⅲ)晶格取代对煤系高岭石能带带隙的微观影响机理，以煤系高岭石和Fe掺杂高岭石为研究对象，采用紫外可见漫反射光谱测得其光学禁带宽度；依据Fe取代形式构建Fe(Ⅱ)取代Al(Ⅲ)(Fe(Ⅱ)_Al)、Fe(Ⅲ)取代Al(Ⅲ)(Fe(Ⅲ)_Al)和Fe(Ⅲ)取代Si(IV)(Fe(Ⅲ)_Si)3种Fe晶格取代高岭石体相晶胞模型，并采用LDA+U校正的密度泛函理论(DFT)模拟计算Fe(Ⅱ/Ⅲ)晶格取代高岭石的晶胞结构与电子特性。结果表明：借助截线法算得煤系高岭石和Fe掺杂高岭石的光学禁带宽度分别为3.06和2.47 eV，陶克(Tauc)法算得二者光学禁带宽度分别为3.14和2.06 eV。完美体相高岭石具有5.055 eV的间接带隙，而经LDA+U校正后，Fe(Ⅱ)_Al、Fe(Ⅲ)_Al、Fe(Ⅲ)_Si晶格取代高岭石分别具有2.121、0.566和0.345 eV的间接带隙，即Fe晶格取代显著减小了高岭石能带带隙，并使得高岭石由间接带隙绝缘体转变为间接带隙半导体；Fe 3d轨道电子对费米能级附近的电子态填充贡献顺序为Fe(Ⅱ)_Al < Fe(Ⅲ)_Si≈Fe(Ⅱ)_Al。结合分析测试和DFT模拟结果可知，当U值取2.5 eV，剪刀算符位移值Fe(Ⅱ)_Al为0～0.5 eV、Fe(Ⅲ)_Al和Fe(Ⅲ)_Si为1.5 eV时，模拟计算结果与试验测试结果具有较高一致性。借助模拟计算解释能带带隙降低现象的微观机理：① 在完美体相高岭石中，价带顶由O 2p轨道主导，导带底由H 1s和Si 3s轨道主导；而Fe晶格取代后，价带顶和导带底均由Fe 3d轨道主导，导致带隙变化；② Fe晶格取代引入离域化的3d态和新的杂化态，占据了原有较宽的带隙，使得Fe晶格取代高岭石带隙显著降低；③ Fe(Ⅱ)晶格取代主要通过提升价带顶的能量来降低高岭石的带隙宽度，化学键的重组和电子离域化是导致价带顶上升的原因；④ Fe(Ⅲ)晶格取代主要通过降低导带底的能量来降低带隙宽度，电子束缚力减弱和Fe杂质态的形成是导致导带底降低的原因。通过光谱测试和DFT模拟揭示了Fe(Ⅱ/Ⅲ)晶格取代显著降低高岭石带隙宽度的微观机理，为高岭石在催化、功能材料等领域的应用优化和掺杂调控提供了重要的理论依据。

• 铁基载氧体在煤化学链燃烧中的热力学循环模拟

  黄敏婕, 尹雪峰, 梁东旭, 王浩, 刘浩, 孙天艺, 王雨辰,

  化学链燃烧(Chemical Looping Combustion, CLC)作为一种高效的碳捕集技术，通过利用载氧体在氧化还原循环中的反应特性，实现了化石燃料燃烧过程中CO2的高效捕集和分离。采用Cantera模拟软件，对铁基载氧体在煤化学链(Coal Direct Chemical Looping, CDCL)燃烧中的氧化还原循环进行了热力学模拟，系统研究了载氧体的损耗特性、循环性能对反应生成物的影响。结果表明，在设定的模拟条件下，循环次数最多为388次，在前120次循环中，载氧体以Fe3O4和FeO为主，具有较强的氧化能力，与燃料反应生成以CO2和H2O为主的气态产物。随着循环次数增加至270次，载氧体逐步还原至低氧化态(Fe)，氧化能力下降，还原反应占主导，生成更多的CO和H2，产物分布呈现出阶段性变化。之后的循环中，载氧体的氧化能力显著下降，固体损耗趋于平稳。此外，引入了基于能量调控的动态损耗机制，发现能量利用效率显著影响循环次数和反应平衡，能量差与固体损耗呈正相关。模拟结果显示，燃料反应器中，循环初期的能量差最高可达3.35×105 kJ/mol，随着反应的深入逐步下降并趋于平衡；空气反应器中，循环初期的能量差最高可达3.72×105 kJ/mol，氧化反应效率在初期较高，但随后逐步下降并接近平稳状态。从多次循环中的能量差出发，结合固态及气态产物的分布，为铁基载氧体在CDCL燃烧技术中的寿命评估和优化设计提供了思路。

• 氨/煤预热燃烧氮转化特性试验与模拟

  吕钊敏, 罗睿, 王毅, 肖勇, 熊小鹤, 王学斌, 阮仁晖, 孙波, 谭厚章,

  为解决电站锅炉因空间尺度大，其炉内流场、温度场和浓度场较为无序，易导致氮氧化物(NOx)排放激增从而限制煤氨混燃工程化应用的问题，提出了利用预热燃烧技术促进NH3和煤挥发分氮在预热区提前转化为N2从而降低进入燃烧区燃料氮总量的降氮策略。在自行搭建的电加热式两段沉降炉(drop-tube furnace, DTF)试验系统上考察了预热区过量空气系数(λ1)和混氨比(热值比例)对NO排放及飞灰含碳量的影响，并搭建详细化学反应机理模型对预热燃烧过程中氨氮和煤氮的迁徙转化路径进行了分析。预热燃烧试验和模拟计算结果表明，低预热区过量空气系数工况下，飞灰含碳量随混氨比升高而降低，但NO最大增长幅度超过一倍；此时通过增加预热区过量空气系数可使NO排放增幅逐渐缩小，其原因是氨氮和煤挥发分氮在此过程中向N2的转化率逐渐升高，并最终可达到100%，意味着此时的NO排放仅由焦炭氮的氧化生成量和还原量决定；进一步搭配空气分级可实现20%混氨工况NO排放与纯煤工况相当。预热区化学反应路径分析显示煤热解产物会改变NH3的转化路径，主要体现为促进NH3在CH3等自由基的作用下转化为HCN和HNCO；燃烧区化学反应路径分析则表明碳烟和HO2自由基是还原NO的关键物种。最后对利用开发的新型预热式燃烧器和气化炉预热系统实现氨煤预热燃烧的大型工程化应用进行了展望。

• 低阶煤挥发分与水煤浆电解制氢性能的关联性试验研究

  喻帆, 商惠玉, 武云飞, 杨学松, 徐梦迪, 周博博, 李哲, 邢耀文, 桂夏辉,

  低阶煤虽储量丰富但品质较差，燃烧、气化和热解等传统利用方式热效率低、环境污染大且资源浪费严重，难以满足“双碳”目标。水煤浆电解技术不仅可以降低电解水制氢过程的能耗，还可实现煤炭的多级能量转换，是一种极具潜力的新型高效绿色煤炭利用方式。研究以3种典型低阶煤为研究对象，采用电化学试验并结合傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、比表面及孔隙率分析仪(BET)、扫描电子显微镜(SEM)、气相色谱−质谱联用仪(GC-MS)等一系列表征手段，系统地比较3种低阶煤辅助电解水的制氢性能，并探究温度和搅拌速率对水煤浆电解性能的影响。结果表明：煤种挥发分越高，电解制氢性能越好，这与产生挥发分所对应结构的反应活性密切相关。进一步分析显示，产生挥发分的主要化学结构和孔隙结构显著影响电解性能。具体而言，化学结构主要包括芳香结构、脂肪结构、含氧官能团等。其中芳环缩合度越低，煤结构稳定性越差，越易发生电解反应；脂肪氢相对含量越高，煤种越易在阳极液中参与氧化反应；煤样的含氧官能团在电解后不同程度地增加；煤种的孔隙结构越松散，Fe3+越易与煤的内孔表面接触，并发生非电化学反应，使电流密度增大，反应活性随之增大。除此之外，还发现电解后，煤的孔隙增多、平均孔径增大、煤表面粗糙度增加、表面碎屑增多。随温度的升高，电流密度增大；搅拌速率增大，电流密度增大，搅拌速率达到400 r/min后，增加效果不明显。研究旨在为开发高效清洁的煤炭利用技术、低成本的电解水制氢技术提供理论依据和技术支持。

• 振动流化床气泡响应压力信号重构与流型识别研究

  张亚东, 樊玉超, 董良, 张博, 段晨龙, 周恩会,

  采用微差压传感器在线采集二维振动流化床轴向不同位置的床层压力信号，通过非线性信号分析方法对原始压力信号分解，重构气泡响应压力信号，结合图像分析方法，准确表征气泡运动行为对床层流型演变的影响。研究床层轴向不同位置的压力分布规律，分解重构振动−气流激励诱发作用下气泡多形态响应压力信号，识别提取响应压力信号的时域与频域特征；计算分析气泡响应压力信号熵值变化规律，提出了床层流型演变评价方法，并研究了−6+1 mm细粒煤在振动流化床中的分选特性。结果表明，气泡引起的响应压力信号主频为3 Hz。随着床层轴向高度的增加，气泡响应压力信号功率谱密度峰值增加，但在较大操作参数下压力信号主频消失，频带变宽，与气泡运动行为一致。通过分析响应压力信号香农熵能够表征床层流型变化规律，随着气速的增大，各振动参数下的信号香农熵呈先降低后增加的趋势，此时，床层流化状态依次为不均匀流化、均匀流化和剧烈流化。当f=20 Hz, A=2 mm, v=16 cm/s时，床层中下部空隙率分布均匀，随着床层轴向高度的增加，在振动与气流协同作用下，气泡聚并行为受到抑制，气泡的破裂较聚并频次高，较多小尺寸气泡集中在床层上部。通过研究细粒煤选后产品的灰分和产率可知，在最佳流化状态下，−6+1 mm细粒煤的分选效果相对较好，精煤灰分为8.3%，产率为87%。

• 图像识别智能放煤含矸率高精度预测研究(Ⅱ) 煤流内部含矸率

  王家臣, 杨胜利, 李良晖, 张鑫, 陈勇升, 侯东鑫,

  图像识别智能放煤技术的主要任务是通过分析图像监测煤流含矸率，进而确定放煤口关闭时机，然而通过二维图像无法直接获得煤岩块体三维形态以及煤流堆积信息。在煤流表面含矸率识别基础上，针对煤流内部含矸率识别难题，以煤岩形态学研究为基础，提出了一种煤岩块体形态学基因的定点诱变新技术，研究了不同诱变位点、不同诱变强度下的煤岩块体形态学特征变化规律，量化了煤岩块体形态学基因位点与煤岩块体宏观、细观以及微观形态学特征的关系，探究了快速批量生成具有预期形态学特征分布的煤岩块体群的可行性。研究了刮板牵引扰动下的煤流煤岩块体的堆积特征，确定了煤流表面含矸率与煤流内部含矸率的映射关系，综合考虑煤岩块体不规则形状以及煤流堆积叠压因素，建立了基于区间体积含矸率的累积体积含矸率预测模型。研究结果表明：煤岩块体不同尺度形态学特征被存储在形态学基因的不同位点中，形态学基因位点越大，所存储的形态学特征就越细微，将形态学基因进一步划分为宏观、细观和微观形态学基因。利用形态学引物对煤岩块体宏观、细观和微观形态学基因进行定点诱变，实现对块体特定尺度形态学特征的精准修饰和可控变异，可以用于快速批量生成具有预期形态学特征分布的煤岩块体群。确定了图像识别智能放煤技术合适的图像采集位置，充分利用刮板的牵引、扰动，改变了煤流堆积状态，提升了煤流内部体积含矸率预测精度。使用区间含矸率代替瞬时含矸率作为关闭放煤口的依据，可以在不明显增大含矸率的前提下，增大放煤时间、提高采出率。累积体积含矸率预测模型的决定系数为0.9783，实现了利用二维图像对煤流内部体积含矸率的合理预测，进一步提出了基于双能X射线透射技术的煤流内部含矸率预测精度保障策略，为保障复杂条件下智能放煤含矸率预测精度提供了思路。

• 综采工作面柔性地形模拟系统运动控制策略

  陈策, 王洁, 牟晋娟, 张代祥, 肖永惠, 王涛, 张建卓,

  综采工作面柔性地形模拟系统是在实验室模拟各综采设备在复杂地质环境中智能协调控制的试验平台，其主要功能之一是根据输入曲线快速模拟出综采工作面底板的倾斜状态。由于其柔性地形模拟系统运动模块多，各运动部件之间具有强耦合性，在运动过程中受力变化复杂，且要求各运动部件高度协同运动，这给综采工作面柔性平台的运动控制带来挑战。针对这一难题，提出一种具有力学感知能力的运动控制策略训练方法：基于数值模拟与深度学习构建结构降阶模型，并结合数字孪生技术搭建具有力学感知能力的虚实一体化综采工作面柔性试验训练平台；通过引入一种带任务分配机制的多智能体深度强化学习算法，将柔性试验平台各运动部件的应力、变形等力学信息引入多智能体深度强化学习环境，实现各智能体实时感知自身力学状态的能力，并建立任务分配机制，根据多智能体的训练状态优化任务分配机制，在保障协同运动安全的前提下提高协作能力，降低多智能体深度强化学习的难度，得到综采工作面柔性试验平台各运动部件的最优控制策略。结果表明：该方法能够降低柔性试验平台各运动部件运动过程中的应力变形峰值和突变范围，协同180个升降油缸快速完成综采工作面复杂底板倾斜状态模拟，为复杂条件下综采工作面的智能控制研究提供试验平台。

• 含夹矸特厚顶煤电磁波波场响应特征及精准识别方法

  樊克松, 张耀宇, 梁运涛, 刘少伟, 贺德印, 钱红亮, 董明丽,

  特厚煤层综放开采中，提前掌握含夹矸顶煤厚度变化规律对工作面精准高效放煤至关重要，超宽带探地雷达技术虽为顶煤厚度探测新手段，但目前对含夹矸复杂顶煤结构电磁波波场特征认识不足，夹矸位置、厚度及属性精准辨识能力等有待提升。研究基于时域有限差分法原理，建立探地雷达电磁波衰减模型，推导电磁波在煤矸混合介质中的传播衰减机理，明确介质参数与衰减规律的关联；通过GprMax软件进行数值仿真分析，构建包含不同夹矸位置、厚度及属性组合的地质模型，系统探究电磁波传播特性；搭建8种不同煤矸构造的室内试验模型，在豫西煤田某煤矿12240含夹矸特厚煤层综放工作面开展现场实测，验证研究成果的可靠性与工程适用性。结果表明：煤层介质内电磁波传播速度不受电导率影响，随煤层相对介电常数增大单调降低，随中心频率升高轻微减小，而煤岩分界面处电场峰值强度随煤层电导率升高持续衰减，与相对介电常数呈显著负相关，与中心频率呈弱正相关。电磁波在夹矸上下界面产生反射，夹矸内传播速度、电场强度明显小于煤层，衰减幅度与介质属性同步变化，夹矸位置变化会诱发波长相关相长或相消干涉现象，传播速度随夹矸厚度增大线性减小，厚度超垂直分辨率阈值后煤岩分界面电场峰值强度衰减幅度趋近稳定，夹矸相对介电常数升高会导致波速显著降低及场强衰减。基于所得波场响应特征，构建兼顾穿透深度与分辨率的雷达电磁波最佳中心频率模型，计算结果误差控制在7%以内。提出夹矸结构分层识别精确方法，通过提取夹矸上下界面反射波双程走时，结合已知煤层电性参数反演夹矸位置、厚度及相对介电常数，实现夹矸多参数同步解译，室内试验与井下实测验证结果显示，该识别方法的反演误差在 5% 上下浮动，具备较高的精准度。研究揭示的电磁波在复杂煤矸介质中传播波场响应特征及界面反射波随构造结构变化规律，可为探地雷达在煤矿井下工程应用提供理论基础。