煤炭科学技术

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• 煤炭产业共性技术发展预测与创新路径研究

  王国法, 庞义辉, 任怀伟, 张吉雄, 孟令宇, 丁华, 尹希文, 程健, 孙海涛,

  煤炭共性技术是贯穿煤炭开采、加工、利用全产业链的“技术底座”，是支撑煤炭产业升级和高质量发展的基础性、通用性核心技术，对推动煤炭产业高端化、智能化、绿色化转型发展具有重要意义。本文分析了全球能源转型的大趋势、格局变化、中国能源生产和消费结构，提出了通过先进技术移植和共性技术创新实现煤炭产业转型与可持续高质量发展的技术路径；全面阐述了煤矿智能绿色高效开采与煤炭清洁高效低碳利用技术取得的重要进展，提出了煤−电−化−新多种能源耦合发展的创新技术路径，通过“新能源为煤炭开发降碳、煤炭为新能源兜底”的双向赋能，推动煤炭产业绿色转型升级。围绕煤炭开发基础科学难题、煤炭安全生产共性技术、煤炭智能化无人/少人开采技术难题、煤炭绿色开发共性技术难题、煤炭清洁高效利用、人工智能+资源+能源+生态智慧综合体等行业六大共性技术维度，全面梳理煤炭产业实现高质量发展面临的重大难题，提出共性技术突破方向、攻关重点和系统性解决方案。基于目前我国煤炭开采、加工、利用共性技术发展现状，提出了“十五五”期间煤炭共性技术发展预测：实现地质模型与矿井生产系统的全息交互与智能决策；突破煤矿多模态垂直大模型构建，推进工作面10 kV技术装备研发与工程示范，升级迭代惯性导航、人员精确定位等技术装备，开展薄及较薄煤层工作面常态化无人/少人开采示范、厚煤层500 m超长工作面年产20 Mt工程示范及深井复杂条件冲击地压煤层无人/少人智能开采工程示范，攻克露天煤矿连续开采工艺及成套装备、半连续开采智能化成套技术装备的难题；实现绿色开采技术推广应用和智能洗选装备全面升级。提出2030—2050年中长期煤炭共性技术发展预测：到21世纪中叶，逐步建成完善的智能绿色开发技术与装备体系，实现煤炭高端化转化利用技术新突破，推动煤炭智能绿色柔性开发供给体系高效运行，形成煤−电−化−新全面融合的新业态，煤炭产业高质量发展进入新阶段。提出了煤炭共性技术创新体系架构，通过建立“政策引导—资源供给—应用反馈—服务支撑”的闭环创新生态体系，推动煤炭产业实现高端化、智能化、绿色化转型发展，为煤炭产业可持续高质量发展提供共性技术供给和保障。

• 大倾角煤层长壁综采研究与探索

  伍永平, 解盘石, 贠东风, 王红伟, 高喜才, 吕文玉, 罗生虎, 郎丁, 胡博胜, 张浩, 张颖异,

  为了破解我国大倾角煤层安全高效开采难题，支撑煤炭工业智能化转型，聚焦大倾角煤层长壁综采技术，系统阐述了大倾角煤层长壁综采理论与技术发展历程，并结合智能化开采趋势，展望了该领域未来拟解决的科学问题与技术发展方向。大倾角煤层（倾角35°～55°）自1996年被明确定义以来，其开采倾角上限随着技术与装备进步已逐渐延伸至70°，该类煤层在我国分布广、储量大，是保障区域经济社会发展的重要资源，亦是当前智能化开采的重点与难点。系统梳理了大倾角煤层长壁开采历经的非机械化主导、机械化探索、综采技术突破及技术体系完善4个发展阶段，并从薄煤层、中厚煤层、厚及特厚煤层3类煤层角度，总结了绳锯采煤、伪俯斜走向长壁分段密集采煤、综采、综放等多种采煤方法的工程实践适用条件与优缺点，指出长壁综采（综放）仍为主流技术方向。在理论研究方面，介绍了大倾角长壁采场“支架−围岩”关系、顶板结构稳定性、底板滑移机理、支架与围岩系统动力学、煤壁稳定性、飞矸发生机理、覆岩机构与致灾机理等关键理论进展，以及长壁伪斜开采、非线性工作面布置、水平分段联合综放开采等技术创新及其配备智能化装备等研发成果。针对当前煤矿智能化发展趋势，进一步介绍了基于长壁开采的数字孪生模拟试验平台建设、智能化成套装备研发及典型矿井智能化实践案例，明确了长壁智能化综采是实现大倾角煤层安全高效开采的必由之路。最后，提出了当前亟待研究的围岩智能控制、装备系统协同稳定、复杂环境感知可靠性等关键问题，并对未来技术发展方向进行了展望，为促进大倾角煤层安全高效智能化开采提供理论参考与技术支撑。

• 西部深厚含水弱胶结基岩钻井法凿井关键技术研究与应用进展

  程桦, 姚直书, 荣传新, 王宗金, 朱建, 郭龙辉, 王晓云, 谢鲍,

  钻井法在西部深厚含水弱胶结基岩立井井筒施工中得到成功应用，体现了少人、安全、绿色、智能化建井技术发展方向。为解决该工法施工立井井筒出现的工程问题，笔者不断迭代发展钻井法凿井技术，从钻机、刀具刀盘、破岩钻进、井壁结构，以及施工工艺等诸多方面，分析存在的关键技术问题，介绍近期国内相应研究与应用进展，提出今后应重点研究方向。关键技术问题：我国现有竖井钻机难以满足西部地层特点及深大井筒施工要求，亟待研发新一代扭矩大、动力足、自动化水平高的大型竖井钻机；穿越西部侏罗系泥质砂岩时，排碴效果差、刀具磨损严重、钻进效率低下、易造浆等；适用于西部地层特性的井壁结构及设计计算方法；深大井筒井壁漂浮下沉过程的稳定性计算等。关键技术研究进展：研制了适应西部深厚含水基岩立井井筒施工的ZMD120/1200新型钻机；以破岩比能和岩石可钻性为特征参数分级指标，提出了侏罗系岩层可钻性分级标准；厘清了排碴流场分布规律及主要影响因素，提出了优化钻头吸碴口结构形式评判指标和方法，揭示了铣齿滚刀分区破岩力学机制。研发了低固相新型泥浆与调控技术，提出了适应西部地区条件的新型高强钻井井壁结构，完善了相应的设计计算方法，制备了大比重壁后充填材料，发展了深大井筒漂浮下沉与壁后充填技术。今后重点研究方向：钻机优化升级与智能化监控、刀盘刀具−排碴参数高效钻进全局优化、西部石炭二叠系地层钻井法凿井技术、西部地区钻井法凿井技术体系和相关标准规范等。

• 数字岩石力学工程探索与实践

  祁和刚, 李海涛, 郑建伟, 齐庆新, 蔡峰, 智宝岩, 马冠超, 王金国, 薛珊珊, 张海宽, 张良, 刘驰, 刘义勤,

  传统采矿工程长期面临“开采与风险并存”的困境，其高风险属性与资源贡献的双重性在深部开采条件下愈发凸显。随着煤矿开采深度增加，静态地质条件恶化与动态工程扰动叠加，巷道围岩失稳、采场破坏等问题频发，传统岩石力学理论基于简化假设的局限性难以适应复杂工程场景的需求。近年来煤矿数字化、智能化建设取得显著进展，传感器技术的普及大幅提升了工程状态感知能力，但数据治理碎片化、理论认知滞后与工程实践脱节等问题，导致数字化技术面临“华而不实”的瓶颈。针对上述挑战，数字岩石力学解决方案通过融合数据规律、力学逻辑与工程经验，提出“全面感知—数字驱动—主动解危—卸压开采”的技术路径，旨在构建以数字工程为核心的科学采矿新范式。具体而言，通过数字勘探与三维建模激活静态地质信息（地质保障先行，建立透明开采基础），借助智能感知与机器学习优化动态工程环境（设计源头防灾，形成友好开采工程环境），实现从“被动应对”到“主动防控”的转变（数字工程技术实现精准卸压与联动控制的自主联动）。这一路径不仅解决了深部开采中巷道变形、采场失稳等关键技术难题，推动了工程致灾向工程防灾创新与变革，更为千米深井安全高效开采提供支撑。数字岩石力学工程化范式有望重塑地下岩石工程，为煤炭及更广领域提供可持续、安全、智能的新方案。

• 变速率加载砂岩力学响应及声发射破裂前兆识别预警

  华心祝, 李琛, 杨朋, 刘啸, 闫纪元,

  切顶留巷是深部煤炭安全高效开采的重要技术手段，但受一次掘进与二次强采动影响，围岩变形剧烈，底鼓问题突出。为揭示留巷过程中覆岩−底板的应力传递规律及底板岩石在变速率加载下的破裂演化机制，开展了相似模拟及单轴变速率加载试验，综合分析底板应力响应特征与不同加载速率下岩石力学、声发射与分形行为。相似模拟结果表明：巷道开挖后底板表面瞬时卸荷，随工作面推进与覆岩周期垮落，垮落矸石堆积压实使得底板应力回升；覆岩结构稳定后底板应力变化趋缓，系统进入准静态平衡阶段。在此基础上开展的变速率加载岩石力学试验表明，加载速率显著影响砂岩的破裂模式与力学响应，快速加载下应变速率高、裂纹集中起裂并迅速贯通，能量释放剧烈，表现为典型脆性破坏；较早切入准静态加载时，裂纹呈多点萌生与缓慢贯通特征，峰前非线性阶段延长，脆性减弱、延性增强；全程准静态加载下损伤累积最充分，破裂过程呈渐进性。声发射结果显示，快速加载下AE信号突发集中、计数与能量峰前急剧上升，预警窗口极短；降低加载速率后，裂纹扩展受抑、事件转为连续活跃，峰后仍保持高能量释放。多重分形分析表明，AE分形谱呈“钟形”分布，随应力增加先展宽后收敛。快速加载或晚期切速使谱形左偏、突发性增强；低速或早期切速下谱形更对称，表明裂纹渐进扩展。基于AE多参量方差构建的预警指标进一步表明快速加载下方差在峰前短时急剧抬升，预警信号出现晚、持续时间短；降低加载速率后，方差呈持续上升、多峰密集，L1、L2、L3三级预警依次触发，窗口明显延长；全程准静态加载时方差波动更密集，可提前识别裂纹加速贯通的过程，表明加载速率越低，裂隙演化越充分，破裂前兆越易识别。降低加载速率有利于裂纹的充分演化发展，从而增强岩石破裂前兆特征的可识别性与可预见性，为深部岩体稳定性监测与灾害预警提供理论依据。

• 厚煤层充填开采覆岩动态演化过程与煤基固废注浆充填实践

  杨科, 冯小伍, 何祥, 韩磊, 马国军, 赵新元, 张继强, 于祥, 刘振,

  厚煤层开采过程中，上覆岩层在采动应力作用下发生由局部变形到整体破坏的渐进式动态演化，形成原位采空区、低位垮落带、高位离层区等地下空间，引发岩层移动、地表沉陷等地质问题。同时，煤炭开采利用产生的煤基固废堆存不仅占用土地，还存在环境污染风险，其处置需求与煤层开采覆岩运移形成的关键空间具有高度适配性。因此，基于厚煤层开采覆岩空间的动态演化过程，揭示了初始采动、采动发展、采动稳定三阶段的特征差异。通过分析内在属性与外在因素对覆岩演化的控制机理，明确了覆岩关键空间的形成机制与分布规律，并提出了原位采空区注浆、低位垮落带注浆、高位离层注浆的差异化工艺，进而构建了“下承−中固−上控”的多层位协同注浆充填体系。开展物理相似模拟试验对覆岩关键空间动态演化及注浆充填效果进行研究，复现覆岩动态演化过程中的垮落、裂隙发育及离层形成过程，量化分析原位采空区注浆、低位垮落带注浆、高位离层注浆对覆岩移动的控制效果，为理论分析结论与技术参数优化提供了试验依据。在工程应用方面，豹子沟煤矿采空区注浆、任家庄煤矿垮落带注浆及霍尔辛赫煤矿离层注浆实践均实现了煤基固废的规模化处置，验证了注浆充填技术体系在不同地质条件下的适配性，实现了提升覆岩稳定性和有效控制地表沉陷的效果，为厚煤层绿色开采提供了可推广的实践范例。本研究成果通过理论−试验−实践的闭环验证，厘清了厚煤层开采覆岩演化与注浆充填的内在关联，构建了厚煤层开采多层位协同控制技术体系，为厚煤层开采覆岩灾害防治及煤基固废资源化利用提供了支撑与技术范式。

• 纳米SiO2改性粉煤灰−水泥基注浆材料性能及声发射特征

  赵光明, 李秋利, 王艳芬, 程详,

  为研发新型绿色高性能矿用注浆材料，以普通硅酸盐水泥(OPC)和粉煤灰(FA)为原材料，通过引入纳米二氧化硅(nano-silica，NS)对粉煤灰−水泥基注浆材料(FCGM)进行改性，构建高性能复合注浆材料体系。采用不同宏观与微观测试方法，系统研究NS对FCGM浆液性能、力学特性及水化产物演变规律的影响。通过砂岩骨料注浆固结试验，对比分析NS改性对胶结体宏观力学行为及声发射(AE)损伤演化特征的影响规律。研究结果表明：NS掺量对FCGM具有显著影响，可明显提高FCGM的抗压强度，缩短凝结时间，减少泌水率，降低流动度。尤其当NS掺量为1%时FCGM抗压强度最佳，3 d和90 d抗压强度较对照组N1分别提高了10.58%和98.00%。微观表征（XRD、FTIR、TG-DTG及SEM）证实NS可有效促进FCGM水化进程，显著优化结石体内部微观结构。砂岩注浆加固试验表明：1%NS改性FCGM固结体的28 d单轴抗压强度提升了90.8%，并有效抑制裂纹扩展与孔隙发育，改善其多重分形特征。AE监测进一步揭示NS增强机制，改性后胶结体的损伤前兆信号更早、更活跃，表现为高幅值振铃计数与累计能量的同步快速增长，最终使其宏观破坏模式从张拉−剪切复合型转变为张拉主导型。研究通过建立材料改性、微观结构、宏观力学与损伤演化之间多尺度关联，阐明了NS增强FCGM的综合机理，为高性能深部注浆材料研发及预测其工程失效行为提供理论依据与数据支撑。

• 面向月球深部采矿的绳系式自掘进钻取方案及试验研究

  高明忠, 李加华, 郝海春, 谢晶, 李元如, 周浪, 高政, 吴岩, 季冰, 王智鹏, 周雪敏,

  月球矿产资源开发利用是化解地球能源危机的重要突破口。钻进取芯作为月基剖面样品采集的有效手段，是精准探明月球资源禀赋特征的关键前提。受月球极端环境、钻采能源动力、地层剖面复杂等限制，当前月基钻取仍存在“钻不深”的技术瓶颈。为突破低功耗条件下月基大深度样品采集难点，团队提出了绳系式自掘进钻进取芯方案，基于团队自主研制的绳系式自掘进钻进取芯机器人，开展了5 m深度拟实月壤钻进取芯试验，揭示了拟实月壤自掘进钻取过程中的取芯、排屑运移规律，验证了钻进方案的可行性。针对月基苛刻工况，本文探明了不同钻头构型钻进力载演化规律，优选了适配的取芯钻头构型与钻进规程参数。试验结果表明：① 拟实月壤绳系式自掘进钻进取芯过程中，转矩在4 N·m 范围内，钻杆排屑良好，能够有效获取壤芯样品；钻孔窥视显示，孔壁稳定性好，未随时间推移产生明显变化；② 针对孤石、探头石钻进工况，复合片钻头相较于金刚石钻头，钻进力载显著降低，而钻进速度明显提升，展现出更优异的钻取综合性能。③ 针对拟实月壤，转速增加可有效降低钻进力载，而取芯率随转速增加呈先降后升趋势；相同进转比条件下，进尺速度与转速越大，其钻进力载与取芯率显著增加，这意味着钻进参数选取时需要兼顾取芯率与钻进力载的平衡。本研究可为我国未来月球无人深钻采样探测提供参考。

• 内蒙古矿区矿震发生特点及防控对策与实践

  曹安业, 杨耀, 陈凡, 王常彬, 白贤栖, 顾颖诗, 马祥, 秦续峰, 丁国利,

  我国煤炭资源开发重心已向西部矿区优势资源快速转移，期间大规模、高强度开采诱使2.0级及以上矿震活动频发。2024年内蒙古原煤产量跃居全国第一，但矿震灾害尤为突出。为有效遏制内蒙古矿区矿震突增势头，统计了内蒙古矿震频发矿井地质沉积特征，梳理了自2020年以来发生的26起2.0级及以上矿震案例，总结了矿震发生特点及发展趋势，结合地表岩移监测与覆岩离层观测结果，初步揭示了复杂沉积地层破断活动特征对频发矿震活动影响的特殊性，明确了矿震发生原因，提出了以主动卸压、减沉降载和生产布局优化为指导的矿震防控思路，并在受矿震严重制约生产的矿井开展了防控工业性试验。结果表明：内蒙古频发矿震矿区白垩系地层经历河流与风化沉积且发生大规模碳酸胶结作用，与下伏侏罗系地层形成重大不整合面，整体赋存形态和力学属性均表现出“骤变型”空间展布特征，造成了内蒙古煤矿矿震发生规律与机理的独特性；矿震多发生在邻空开采期间，震源位于采空区，对井上下几乎没有影响，发生过矿震的工作面复产期间降速开采甚至停产仍会再次发生矿震，凸显了矿区内覆岩断裂诱发矿震的复杂性；对矿震起控制作用的岩层动态变化，矿震发生后，地表快速下沉呈“阶梯式”，引起矿震的岩层及其上覆岩层内部裂隙快速扩展，裂隙扩展范围的所有岩层错动失稳均可能诱发矿震，这是内蒙古煤矿矿震难以有效防控的主要原因；矿震防控工程实施后，白垩系地层积聚能量稳步释放，地表沉降得到有效控制，减震效果显著；通过优化开采布局，降低了高强度开采带来的不利影响，实现源头防控矿震的同时，也促进了内蒙古煤矿矿震与冲击地压协同主动调控技术升级，对于后续矿井产能稳步释放具有重要意义。研究成果可促进对内蒙古矿区矿震的理性认识，并可为矿震有效防控提供宝贵思路。

• 煤矿灾后巷道混杂坍塌体结构分类

  连会青, 张庆, 尹尚先, 姚辉, 晏涛, 康佳, 李启兴, 王旭, 乔秀杰, 梁建斌,

  煤矿发生安全事故后，巷道坍塌堵塞现象极为普遍，如何快速研判混杂坍塌体内部结构、打通救援通道是现场迫切需要解决的问题。目前，没有指导混杂坍塌体结构快速研判的方法，现场需要花费大量时间研判混杂坍塌体结构，制约了救援时效性，不利于救援通道的快速打通。为此，采用案例分析的方法开展了灾后巷道混杂坍塌体结构特征及其影响因素研究，建立灾害类型、围岩岩性和支护类型3个维度，每个维度依据其内在属性提取差异化指标，灾害类型维度分为渐进破坏和触发破坏2个指标，围岩岩性维度分为硬岩、中硬岩和软岩3个指标，支护类型维度分为锚杆/索支护系统、钢构和复合支护3个指标，3个维度不同指标组合得到18种混杂坍塌体结构类型及其特征，得出一种灾后巷道混杂坍塌体三维特征快速分类法，分类结果以代码（111−233）表示，第1位数表示灾害类型，1=渐变破坏型，2=触发破坏型；第2位数表示围岩岩性，1=硬岩，2=中硬岩，3=软岩；第3位数表示支护类型，1=锚杆/索支护系统，2=钢构，3=复合支护。对某矿113101工作面运输巷冒顶事故案例进行精细化分析，采用灾后巷道混杂坍塌体三维特征快速分类法对其灾后混杂坍塌体进行分类，分类结果是“131型”，主要特征是软岩塑性流动形成均匀致密堆积，锚杆被岩体包裹呈散落分布，金属网拉伸变形覆盖底部；采用颗粒流数值模拟软件对事故坍塌特征进行模拟，其模拟结果为软岩塑性破坏，锚杆和锚索在岩体中变形或断裂，金属网拉伸变形覆盖表层，模拟结果与“131型”分类结果特征分析基本吻合。并对两例案例进行应用，分类结果分别是“121型”和“132型”，且两例案例中混杂坍塌体结构特征与事故现场勘察结果吻合，验证了分类结果的合理性，证明了灾后巷道混杂坍塌体三维特征快速分类法的可行性，该方法可为煤矿事故应急救援中混杂坍塌体内部结构的快速研判与救援通道打通提供科学支撑。