煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2019年第11期

• 华北型煤田岩溶陷落柱研究70年:成因·机理·防治

  尹尚先, 连会青, 刘德民, 尹慧超,

  系统阐述了华北型煤田陷落柱及其突水的研究历程和取得的成就。20世纪30年代煤田岩溶陷落柱偶然发现于煤炭开采中，因其带来开采及安全影响，研究不断深化。新中国成立伊始，百业待兴，能源先行，陷落柱对煤炭开发的影响逐渐显现，在解决现场技术问题的同时，基础理论得到蓬勃发展，至1984年开滦范各庄矿陷落柱特大突水事故震惊世界，其成功封堵复矿标志着我国治理技术基本成熟，该事件成为划时代的里程碑；其后能源行业从萧条到黄金10年，煤炭开发向深部、西部转移，陷落柱突水威胁日趋严重，新理论新技术的应用，促进相关研究不断向纵深发展，到目前为止，基本理论及治理技术日臻完善。由于其局域性和特殊性，国外仅有岩溶塌陷和采矿垮落的理论可作为研究借鉴。从基本特征、分布规律、成因机制、导水性、突水模式及机理、预测探查和治理等方面全方位进行了总结，归纳了岩溶陷落柱空间形态特征、充填物特点、揭露特征、结构构造特征等，系统梳理了岩溶陷落柱分类及类型；探讨了岩溶陷落柱导水性，建立了岩溶陷落柱预测指标体系及预测模型，分类提出了陷落柱突水模式和机理及力学判据，研讨了陷落柱突水量预测的可行性，规范了陷落柱预测探查及治理的程序，总结了陷落柱治理技术。作者指出了目前陷落柱研究中存在的不足，凝练了岩溶陷落柱成因、导水性、预测、突水机理及突水量预测等方面的待解科学命题，列举了陷落柱精细化探查、突水监测预警、治理装备技术等方面技术难题，指明了未来探索及发展方向。应当指出，尽管现有成果基本成型，但距离技术理论体系的完善、满足保障矿井安全生产还有很长的路要走。

• 大数据下冻结井筒整体结构模糊随机可靠性模型建立

  姚亚锋, 程桦, 荣传新, 蔡海兵,

  为解决传统可靠性模型在表征深部地下结构稳定性时的不足，利用大数据挖掘算法对可靠性一次二阶矩法进行模糊随机改进，提出了更加符合实际工况的井筒整体结构的模糊随机可靠性模型。研究结果表明：将两淮矿区钢筋混凝土冻结井筒工程数据作为样本数据集，结合大数据隐马可夫(HMM)模型和最大期望(EM)算法，研究井筒整体外荷载和极限抗力的模糊随机表达式，可有效建立该区钢筋混凝土冻结井筒整体结构的模糊随机可靠性解析模型，获得其整体结构的模糊随机可靠性。此外，大数据模糊随机可靠性以区间值表示不同埋深井段整体结构的可靠程度，实例中井深426～483 m段的模糊随机可靠性区间极值分别比常规可靠性计算结果值偏小0.45%和偏大0.53%。该方法考虑了地下工程结构存在从有效状态到失效状态的渐变模糊过程的受力特点，相比常规可靠性的单值表现方法能更准确反映深井整体工况，其形式更具合理性。

• 积水采空区下淋水顶板巷道失稳机理研究

  郭亚欣, 宋选民,

  为研究黑龙矿积水采空区下淋水顶板巷道失稳机理，以黑龙矿2104工作面运输巷为研究背景，通过现场实测、矿物成分与水质分析、围岩崩解和力学特性测试，以及FLAC3D数值模拟等研究方法，对2104运输巷淋水顶板巷道失稳特征与机理展开研究。研究结果表明：积水采空区下淋水顶板巷道失稳受多重因素影响：①2104工作面运输巷顶板是黏土矿物发育的软岩，其中膨胀性软岩高岭石占岩石总成分的23.2%～32.2%，围岩强度较低；②由于偏酸性矿井水与顶板岩体矿物成分相互作用，顶板岩体矿物组分和微观结构发生改变，横向与纵向裂隙大量增加，岩体泥化和弱化现象明显，围岩的单轴抗压强度下降35%～38%，抗拉强度下降24.5%～42.0%，黏聚力下降17.5%～55.9%，内摩擦角减小7.9%～12.3%，弹性模量下降19.6%～43.4%，泊松比增加10%～16.7%；③掘进期间巷道受采掘扰动影响，导致应力集中，塑性区破坏范围增大21.4%～90.0%，巷道变形量增加16.6%～65.6%,巷道稳定性差；④回采期间巷道顶板受反复浸水和风化作用，围岩裂隙发育，巷道失稳加剧。

• 基于声发射幅频分布的大理岩岩爆试验研究

  杜帅, 王炀,

  为了对岩爆前后声发射信号在幅值、主频方面的分布规律进行对比分析研究，探究大理岩在岩爆破坏阶段产生的声发射信号本质特征以及大理岩岩爆破坏产生的内在规律，采用三向加载和单面卸载的方式模拟岩石的应力状态变化过程，将大理岩制成标准的试件并开展了2例岩爆模拟试验，采集了试验过程中的三向应力时程曲线和声发射信号，通过分析三向应力时程曲线将岩爆试验过程划分为加载初期、加卸载阶段和岩爆阶段3大阶段，并对比分析了不同试验阶段内的声发射信号在幅值和主频方面的分布规律，同时提出了声发射信号在幅值-主频平面内分布密度的概念，分析了岩爆前后声发射信号在幅值-主频平面内的分布规律，得到了不同试验阶段声发射信号在幅值-主频平面内的密度最大位置，研究了大理岩发生岩爆的内部破坏规律。研究结果表明：大理岩发生破坏的声发射本征固有频率在以90 kHz和270 kHz为中心的2个频率带中，不随加载应力的变化而发生变化；不同阶段的幅值-频率分布规律有明显区别，岩爆阶段的声发射事件密度最大处对应的主频不小于加载阶段，岩爆阶段出现声发射最高幅值，岩爆阶段的声发射平均主频在200 kHz以上，岩爆阶段的声发射最高幅值和平均主频均大于加载阶段，表明了岩爆阶段岩石发生了更加剧烈的破坏。

• 特厚煤层动压巷道水力致裂卸压护巷技术研究

  程蓬,

  针对坚硬顶板难以及时垮落，造成工作面回采矿压强烈，巷道变形剧烈，治理难度大的问题，以马道头煤矿5209辅助运输巷为工程背景，通过现场调研、理论分析、围岩地质力学参数测试、工业性试验等多种手段，提出了基于单孔分段多次压裂为核心的特厚煤层坚硬顶板、强烈动压条件下巷道水力压裂切顶卸压控顶成套技术，包括钻孔布置、压裂参数、压裂装备及压裂工艺等。在5209辅助运输巷不同地段进行了单排孔和双排孔水力压裂切顶卸压现场工业性试验，工作面超前应力卸压以煤柱侧L孔为主，在终采线前方100 m范围增加采煤侧S孔卸压钻孔，并进行了现场试验与监测。压裂试验显示，K3粗粒砂岩最大起裂压力超过50 MPa，保压压力在15～30 MPa，压裂过程中临近观测孔出水效果较好，能够对坚硬难跨顶板实现分层分段预裂与软化。矿压监测数据表明：实施水力压裂切顶卸压后，动压巷道变形情况显著降低，巷道变形量降低70%，端头支架工作阻力降低35%，工作面回采超前应力影响距离从70 m降低至30 m内。研究成果在现场工程实践的成功实施，对于水力压裂切顶卸压技术在特厚煤层坚硬顶板工作面开采的推广应用提供了借鉴。

• 多放煤口综放开采起始放煤顶煤时空场耦合分析

  杜龙飞, 解兴智, 赵铁林,

  为了改善综放开采顶煤放出效果，提高顶煤放出率、降低含矸率，改进群组架间配合方式、优化放煤工艺参数，采用理论分析和GDEM离散元数值模拟分析相结合的方法，研究破碎散体顶煤放出体的发育形态及群组—起始放煤放出体的发育过程、顶煤运移轨迹、煤矸分界面下沉动态特征、顶煤放出影响范围和顶煤放出时空场的耦合关系。研究结果表明：顶煤放出体发育是由放煤口向煤矸分界面呈近似环状的过程，顶煤也呈近似环状松动放出；顶煤放出体发育体积随放煤口尺寸增大而增大，且经历“竖向椭圆形-类圆形-横向椭圆形”3个阶段，其中放出体发育宽度与同时放煤支架数满足三次函数关系。顶煤是沿着最小阻力路径以近似直线向放煤口移动放出的，且放煤口中心垂线附近顶煤模型颗粒优先到达放煤口，运移轨迹整体关于放煤口中心垂线对称；顶煤放出影响范围及位移随放煤口尺寸的增大而增大。煤矸分界面下沉动态曲线最低点位移和速度与放煤时间呈正相关；下沉动态曲线达到稳定所需时间与同时放煤架数呈负相关；煤矸分界面曲线整体近似为水平翻转的正态分布曲线，并关于放煤口中心垂线对称。研究对放顶煤开采有一定借鉴意义。

• 软岩巷道底鼓成因分析及关键控制技术研究

  张官禹, 赵龙, 尚玉强,

  针对西部矿井弱胶结软岩巷道易发生底鼓变形的问题，以新疆伊犁四矿21103水平石门为工程背景，通过围岩变形监测与现场观察，对软岩巷道的围岩变形特征及底鼓机理进行了分析研究。研究结果表明：伊犁四矿弱胶结软岩巷道具有岩性强度低、胶结性弱、裸露易风化、遇水易崩解、开挖大变形等特点，关键影响因素主要为底板岩性和结构状态、岩层应力、支护强度、水理作用。根据底鼓成因分析提出了巷道底板采用锚梁+锚杆+网喷+浇筑混凝土的联合支护技术，现场监测表明在巷道开挖后10 d内，底鼓速度小于顶板和两帮变形速度，开挖后10～40 d，底鼓以较为平稳的速度发展，直至50 d后底鼓基本保持稳定，说明底板联合支护结构发挥了较好的作用，该支护技术能够有效控制巷道围岩变形。

• 高冲击韧性锚杆吸能减冲原理及应用研究

  付玉凯, 鞠文君, 吴拥政, 何杰, 焦建康,

  为解决深部冲击地压巷道围岩冲击破坏难题，分析了冲击载荷下冲击地压巷道围岩破坏特征，揭示出冲击地压对支护结构破坏的本质是冲击载荷劣化锚杆杆体力学性能、撕裂护表金属网及降低锚固系统锚固性能。针对冲击地压巷道围岩失稳破坏机理，研发了600 MPa级高冲击韧性强力锚杆，高冲击韧性锚杆破断强度达到850 MPa，吸能能力和瞬时延伸率分别是普通锚杆的1.32倍和1.33倍。高韧性锚杆通过提高支护系统的强度、吸能特性使支护结构与围岩协调变形吸能减冲，大幅度提高支护系统抗冲击性能，通过支护系统吸收冲击地压释放的能量，降低剩余能量对巷道围岩的破坏效应。研究成果在义马矿区常村矿进行了井下试验，高冲击韧性锚杆支护系统经受多次大能量冲击载荷后，锚杆和锚索受力呈现锯齿状波动特征，支护结构有效控制了冲击地压巷道的变形破坏。

• 厚煤层沿空留巷围岩综合控制技术

  沙旋, 褚晓威,

  针对高河煤矿厚煤层开采条件下沿空留巷围岩的控制难题，首先分析了围岩的主要变形特征为顶煤和煤柱帮煤体剪切严重，碎胀变形大。采用数值模拟对不同充填体力学参数和巷内支护强度下围岩响应进行对比分析，结合前期试验经验，确定巷旁充填体宽度为1.5 m，抗压强度为30~35 MPa，巷内采用高预应力强力支护并在煤柱帮打设锚索。在E1302和W1309工作面进行了柔模混凝土和强力支护留巷试验，充填体应力、锚栓受力、单体支柱应力、表面变形等监测表明综合控制技术保证了留巷围岩的稳定，留巷取得初步成功。

• 顺层蠕滑型露天矿土质边坡滑距预测方法研究

  刘玉凤, 马明,

  边坡滑距预测是滑坡预测预报的一个重要指标，鉴于边坡所处的地质环境各异，滑动破坏规律也呈现不同的模式，传统的各类数学预测方法达到普适性的程度存在一定困难。基于边坡破坏形态空间预测理论与工程实践，针对顺层蠕滑型边坡，致力于探索一种合理、易操作的滑距预测方法。以魏家峁露天煤矿采场工作帮边坡为研究对象，考虑其工程地质特性、边坡形态、物理力学参数以及滑坡体内部颗粒受力等诸多因素，建立顺层边坡离散元三维颗粒流模型，对滑体的运动轨迹进行了模拟分析。随后选取了3种经典数学模型对同一边坡进行了滑坡滑距计算。将数值模拟结果、滑坡滑距预测公式计算结果一同与现场实测结果进行对比。结果表明：颗粒流离散元数值模拟方法计算得出的滑坡滑距与现场实测误差为10%，数学模型方法计算结果误差为33%～102%，数值模拟方法较传统数学模型方法计算结果误差更小，并由于该方法能够更客观的分析滑坡演化、发展过程，可在顺层蠕滑型露天矿边坡中得到较好的应用。因数值模拟方法考虑诸多影响因素，比传统的计算方法有更高的精度和适用性，具有重要的实践意义，可为类似滑坡的预测、避险、治理等方面提供科学依据。

• 近距离煤层水力冲孔破煤时电磁辐射信号响应特征研究

  曹佐勇, 王恩元, 汪皓, 王聪, 张光辉, 罗飞,

  为研究煤体在高压水作用下的破煤效果，以贵州松河煤矿近距离煤层为研究对象，应用电磁辐射技术监测了水力冲孔期间不同煤层、不同时刻的电磁辐射信号脉冲数、能量等参数变化情况，根据电磁辐射参数的变化，分析了作用于一定水压下的煤体破裂的规律。研究结果表明：水力冲孔过程中，煤体破裂越剧烈，产生的电磁辐射信号突变越明显；水力冲孔期间的电磁辐射信号符合赫斯特统计学规律，根据电磁辐射信号的强弱可将水力冲孔过程中的煤体破坏过程分为微破裂阶段、稳定破碎阶段以及异常破碎阶段等3个阶段。电磁辐射监测技术可用于水力冲孔破煤过程中煤体的内部破裂和蠕变监测。研究结果为监测电磁辐射信号,评价水力冲孔的破煤效果提供了理论支持，对水力冲孔破煤效果分析有一定的指导意义。

• 煤层气井液氮伴注压裂增透机制及应用研究

  张文勇, 司磊, 郭启文, 田坤云, 张瑞林,

  针对平顶山矿区煤储层“低压、低渗、低饱和度”的特点，为提高地面煤层气储层改造效果，增加煤层气单井产量，提出了采用液氮伴注技术对储层进行压裂改造。基于断裂力学理论，系统分析了液氮伴注压裂的增产机制：液氮汽化吸热致使煤岩降温所产生的温度应力和体积膨胀产生的孔隙压力两者作用下致使煤岩体发生破坏，生成大量微裂隙，提高煤储层渗透性，达到对煤储层改造的目的。采用液氮伴注压裂可显著提高施工砂比，降低压裂液滤失，减小对储层的伤害。压裂后能有效提高地层能量，提高临界解吸压力，缩短煤层气井排采见气周期。现场试验表明：单井最高日产气量达1708m3，累计产气量620000m3，在构造煤发育区实现了稳定、连续产气。

• 下保护层开采参数与保护效果定量关系研究

  贺爱萍, 付华, 霍丙杰, 路洋波,

  保护效果分析是保护层开采工程中开采参数确定和卸压瓦斯抽采方案设计等环节的重要依据。为了分析下保护层开采过程中不同开采参数对被保护层保护效果的影响，应用数据统计分析法研究了下保护层开采参数与保护效果的定量关系，并应用数值模拟方法进行了验证分析。通过统计分析16个下保护层开采矿井的样本数据，确定保护层采高为1.5、2.0、3.0 m条件下随着相对层间距的变化，被保护层原岩应力、透气性系数及瓦斯压力等参数与保护层开采参数呈二次函数关系。COMSOL数值模拟方法揭示了保护层采高为1.5、2.0、3.0 m条件下，相对层间距为15、20、30和40倍时，被保护层透气性系数渗透率的增加倍数和原岩应力减小率随着采高和相对层间距的变化同样为二次函数关系。2种研究方法得到了一致的函数关系趋势，进一步表明数据统计分析法建立的开采参数与保护效果函数关系的科学性。

• 地面钻井抽采被保护层采动区卸压瓦斯技术研究

  甘林堂,

  为了保证淮南矿区地面钻井能对被保护煤层卸压瓦斯进行有效抽采，实现被保护层的高瓦斯强突出煤层转变为低瓦斯煤层，基于下保护层工作面开采时，上覆关键层覆岩移动变形裂隙分布状况和不同岩（煤）层段的覆岩移动剪切破断机理，提出了淮南矿区抽采上覆被保护层卸压瓦斯的地面钻井设计参数和结构工艺，通过将地面钻井布置在工作面采动裂隙发育的“O”型圈内或中部离层裂隙发育区，钻井结构设计为采用软岩层、远岩层强抗固井，近岩层、硬岩层扩孔避让护井，减少钻井剪切破断。结果表明：平均单井抽采瓦斯量272万m3，钻井直径提高38%，抽采量提高69%，被保护层13-1煤瓦斯含量由9.02 m3/t降至3.61 m3/t，瓦斯压力由3.8 MPa降至0.2 MPa，取得了良好的安全经济效益。

• 基于增强CART回归算法的煤矿瓦斯涌出量预测技术

  刘鹏, 魏卉子, 景江波, 仰彦妍,

  预测采煤工作面的瓦斯涌出量属于机器学习中的回归问题，主流方法包括CART和支持向量机等。CART决策树回归算法具有抽取规则简单、准确度高、可解释性强的优势，但是算法稳定性差，容易过拟合，同时每个叶节点的输出部分均为定值，难以动态的模拟真实数据的变化规律。支持向量机具有较好的鲁棒性，能够通过求解最小结构化风险来提高模型泛化能力，但是算法复杂度高，面对高维数据算法建模效率低下。结合支持向量机提出一种增强CART回归算法，最主要的改进是在每个叶节点的输出部分使用支持向量机建模。试验结果表明，与主流瓦斯涌出预测算法相比，增强CART回归算法能够有效提高采煤工作面瓦斯涌出量的预测精度。

• 基于深度自编码网络的采煤机截割部减速器故障诊断

  毛君, 郭浩, 陈洪月,

  为了准确诊断采煤机截割部减速器故障，提出基于深度自编码网络（Deep Auto-Encoder Networks，DAENs）的故障诊断方法。DAENs模型以减速器箱体内油位、油液杂质量、齿轮磨损量、截割部电动机工作温度、冷却水流量、冷却水压力、油中水分7个特征参数作为可视输入，通过非监督逐层贪婪学习得到更好的高层特征表示，避免人工特征提取的繁琐与不准确，增强识别过程的智能性。最后对所提出的方法进行测试，测试结果表明该方法相比于BP神经网络，收敛速度快、避免了局部最优，且诊断精度及稳定性方面优越，可以对采煤机截割部减速器的故障进行准确诊断。

• 掘进机截齿磨损退化机制研究

  田莹, 魏训涛, 郝天坤, 张佳瑶,

  为解决掘进机截齿磨损的退化机制问题，引用Gamma过程与融合贝叶斯参数更新方法，提出了一种基于磨损量与时间耦合关系的截齿剩余寿命的预测模型。在监测数据的基础上，确定Gamma过程参数的先验值，在已知参数数据的基础上，利用贝叶斯方法对参数进行更新，得到可靠度函数，从而实现了对截齿磨损的剩余寿命的预测。并通过实例对该方法进行验证，结果表明：在一定失效阈值的条件下，通过融合贝叶斯参数更新的Gamma过程截齿剩余寿命预测值，随着监测数据的累积精度不断提高，更接近真实值，满足工程需求，为截齿磨损剩余寿命的预测提供了可靠的参考依据。

• 两柱掩护式液压支架内外加载支护对比试验研究

  张德生, 任怀伟, 何明, 卞冀, 李提建, 马强,

  为解决内加载无法反映液压支架真实工况，智能开采支护状态调控缺乏试验依据的问题，研制了ZY6400/17/31液压支架1∶2缩比模型，搭建了液压支架位移、压力等状态监测系统，分别采用内、外2种加载方式，按照GB 25974.1—2010对不同垫块接触条件下液压支架进行试验。试验结果表明：内加载与外加载合力作用点位置易产生偏移，液压支架响应差异明显，前者作用下表现出压力协同，后者作用下位移协同；平衡千斤顶在非调控外加载状态下，随加载次数将产生累积效应，导致压力不断增大，有失稳趋势；接触状态对立柱位移影响较大，因此井下现场必须对姿态予以测量，提供顶、底板围岩接触状态判断依据。

• 煤炭企业工控网络安全防护与预测方法研究

  顾闯,

  针对煤矿企业工控网络的安全防护和预警在煤矿安全生产中的重要性，分析了煤矿工控网络安全防护的3个主要区域：井上安全防护体系、井下传输通信、井下控制执行及相关安全防护策略，并提出在数字监控系统网络安全防护中，尝试引入大数据分析的思路，应用LM神经网络预测方法，利用网络数据的包方向、包间隔、CAN协议数据位为体征信息集合，建立网络异常预测系统的架构和模型程序设计。并通过试验结果表明：通过对3层神经网络的隐含层神经元数量由3个分别增加到5个和7个之后，该模型趋近稳定、预测精度误差趋近0.007%，能够较好地对监控系统网络异常做出分类，以实现预测预警功能。

• 矿井救援绞车功能实现及仿真模型探讨

  张鑫全, 杨伟峰, 李路遥,

  为了保障在矿井安全事故救援过程中，及时安全快速地将困于井下的人员及设备输送至地面，提出了救援绞车应具备平稳运行、实时监测运行状况和易于控制的附属功能，因此探讨了救援绞车的功能实现方式，通过设置自动排绳机构、压绳机构实现绞车排绳稳定；设置自动称重元件、自动计深元件，实现绞车实时称重计深的功能；设置液压元件实现绞车良好的提升性能和平稳的运行控制。应用AMESim软件建立救援绞车的液压-机械联合仿真模型，模拟救援绞车液压操控的动作逻辑关系。探讨了救援绞车的功能，发掘了其实现的可行性，通过仿真模型表达绞车动力系统，可为救援绞车的设计和系统分析提供参考。

• 煤矿井下精准对穿钻孔技术研究

  石浩,

  针对突水隐患工作面存在专用排水巷道掘进以及高瓦斯、高粉尘巷道掘进工程量大、周期长、费用高等问题，研究采用螺杆马达结合随钻测量的定向钻进技术，以及回拖式下套（筛）管护壁技术施工中短距离巷道精准对穿孔，通过钻孔优化设计、轨迹精确控制等方法，总结了一套煤矿井下巷道中短距离精准对穿钻孔施工及下套管技术。在淮北矿区应用结果表明：200 m以内精准对穿钻孔可顺利对穿巷道掘进工作面（靶区范围3.6 m×3.0 m），可有效代替有突水危险的回采工作面排水巷道、解决高煤（岩）尘巷道掘进消尘防爆问题，可消除煤矿生产过程中安全隐患，提高生产效率，降低成本。

• 矿用通用型液压支架浓缩液的研制

  侯建涛,

  针对我国矿区配液水质复杂多变的现状，为实现支架浓缩液产品的水质适应性，解决高硬度、高阴离子含量水质产品选型难题，设计了通用型液压支架浓缩液配方体系，研究的关键是兼具高效润滑性、抗硬水能力的添加剂合成。选择植物油基羧酸，利用化学反应在其分子中引入耐硬水的新官能团，研究了物料配比、反应温度、反应时间等工艺条件，合成一种润滑、抗硬水多功能添加剂。性能评测表明，该添加剂可适应2 000 mg/L的硬水，1%质量浓度润滑性597.8 N，腐蚀试验无锈，具有良好的润滑及防锈性能，是优良的多功能添加剂。在此基础上，设计了通用型浓缩液产品，考察了产品性能，并与行业内具有代表性的高等级型号浓缩液进行性能比对。试验结果表明，研制的通用型浓缩液产品各指标均达到煤炭行业标准MT76-2011的技术要求，适应矿井水电导率超过3 500 μS/cm，支架传动介质三大主要性能稳定性、防锈性、润滑性均优于行业内代表性产品。

• 弛张筛浮动筛框与主动筛框合理质量比的研究

  王新文, 魏红波, 宫三朋, 朱国辉, 宋洁尘,

  为了丰富国内弛张筛关键结构部件的设计参考依据，对弛张筛浮动筛框与主动筛框的质量比进行了研究。建立了弛张筛有阻尼的力学模型，绘制了主、浮筛框幅频特性曲线，分析了质量比对弛张筛振幅稳定性的影响，设计并制作了一台半工业性弛张筛，进行了试验验证。结果表明：剪切弹簧刚度不变时，质量比增加，主、浮筛框的幅频特性曲线左移，主、浮筛框振幅降低；弛张筛加入物料后，振动系统的二阶共振频率会发生漂移，应选择合适的质量比，使其漂移幅度10%以内；在设计条件能满足的前提下，应增加质量比，以减少物料质量对弛张筛振幅的影响，为弛张筛的合理设计提供参考依据。

• 煤层气T型水平井柔性筛管泵送下入技术研究

  毕延森, 鲜保安, 高德利,

  为了解决煤层气T型水平井常规管柱无法下入的问题，实现T型水平井筛管完井及洗井作业，探讨煤层气T形水平井柔性筛管泵送下入技术可行性，重点研究煤层气T型水平井柔性筛管泵送下入工艺技术机理。基于井下管柱活塞原理及管柱力学模型，提出柔性管柱双层结构设计，形成煤层气T型水平井柔性筛管泵送下入技术。基于煤层气T型水平井管柱力学及井身结构特征优选柔性管柱，结合煤粉控制机理及排采原理对柔性筛管进行参数设计，并采用平板外载荷试验测试柔性筛管抵抗外载荷强度。国际上首次完成煤层气T型水平井柔性管柱下入专用工具及工艺流程设计，形成完整的柔性筛管完井管柱泵送下入技术。研究结果表明：直径112 mm井眼在曲率半径1.8 m的情况下，采用柔性筛管泵送下入技术，可以下入外径63 mm的柔性筛管，双层柔性管柱在下入过程中保持拉伸状态，不发生螺旋弯曲，筛管本体不发生塑性变形，解决煤层气T型水平井筛管下入难题。通过专用泵送下入工具及双层管柱结构可实现筛管下入及洗井作业一体化，消除钻井液对储层的伤害，提高单井产能。

• 煤层气井缝网改造施工参数优化及裂缝形态监测技术

  吴建军, 刘学鹏, 孙晓锐, 张天翔, 方惠军,

  煤储层具有低压、低渗、低饱和的特点，且岩石力学特性表现为杨氏模量较低，各向异性变化大，上下隔层应力差小等特点。前期大量采用大排量和大规模活性水压裂工艺，裂缝高度容易失控，煤层压裂形成缝网体积难度较大，压裂效果不理想。为了达到最大程度地释放储层煤层气，提高储层改造体积，采用有效的裂缝监测技术手段，研究了在不同地质条件下，定性或定量分析压裂裂缝形态与施工参数之间的关系，优化压裂施工参数和压裂设计。通过上述工艺方法，可实现对压裂裂缝的图形化表征，有助于判断煤层压裂的裂缝形态。研究结果表明： 应力差系数是裂缝形态关键因素，应力差系数小于0.3的煤层，有利于煤层形成网状裂缝；应力差系数大于0.3的煤层，不易形成网状裂缝；在最大和最小水平主应力差较小的条件下，采用小排量高黏度胍胶压裂液施工工艺，可以形成网状裂缝；在最大和最小水平主应力差较大的条件下，可采用复合压裂液体系，前置液阶段应用低黏液体造网状裂缝，但低黏液体排量需要根据隔层应力差大小情况，确定压裂排量范围，防止压窜层，携砂液阶段采用高黏液体，提高裂缝导流能力，最终在煤层形成较为理想的网状裂缝。

• 煤系泥页岩有机地球化学特征及生烃潜力评价

  赵楷棣, 傅雪海, 张苗, 程维平, 渠丽珍,

  为了研究海陆交互相煤系泥页岩有机地球化学特征，采集沁水盆地榆社-武乡区块中石炭-二叠纪煤系10口页岩气井444块岩样，在开展总有机碳含量（TOC）、岩石热解、镜质组反射率等测试分析基础上，研究了榆社-武乡区块中石炭-二叠系海陆交互相煤系泥页岩的有机地球化学特征。研究结果表明：榆社-武乡区块下石盒子组、山西组、太原组泥岩TOC平均值分别为0.90%、2.38%和2.66%；泥页岩有机质类型主要是Ⅲ型干酪根；绝大多数泥页岩样品的最大热解峰温Tmax和镜质组反射率Ro分别大于465 ℃和2.0%，处于过成熟干气阶段，转化率水平较高；有机地球化学特征表明太原组是页岩气勘探的首选层位，山西组具有一定的页岩气资源潜力，而下石盒子组有机质丰度最低，不具资源意义。

• 大同煤田煤中微量元素富集特征及共生关系成因研究

  覃轩,

  山西是煤炭资源大省，但在煤中共伴生矿产资源的开发上却处于落后地位，为摸清山西省大同煤田煤中微量元素的赋存情况，实现“一矿变多矿”， 采用了收集钻孔资料和煤矿井下采样测试相结合的手段，对获得的煤样中微量元素的含量数据进行了聚类分析和相关性分析，分别从沉积物源性质、沉积古地理环境、岩浆活动和构造运动4个方面对煤中微量元素的成因进行了分析。研究结果表明：大同煤田侏罗系煤层中轻度富集元素为Rb，山4号煤层中轻度富集元素为Ga、Th、U，3-5号煤层中轻度富集元素为Li、Ga和Th，8号煤层中轻度富集元素为Li、Ga、Th、U；煤中Li、Ga、V、Rb、Cs、Sc和稀土REE类质同相存在黏土矿物中，U和Th主要赋存于无机矿物锆石和磷灰石中，Ge主要赋存在煤有机质中，V主要赋存在太原组8号煤层中；煤中Al、Li、Ga、Rb、Cs、Sc和REE主要是以细颗粒黏土矿物的形式带被到泥炭沼泽沉积到煤中，U和Th的成因与岩浆的侵入活动有关，Ge的成因则和腐植酸的吸附有关。

• 煤炭气化过程数学模型构建的研究进展

  张志华, 白金锋, 刘洋, 钟祥云, 李超, 吴诗勇,

  煤炭气化技术是煤炭资源清洁利用及向绿色工业生态发展的重要方向。煤炭气化过程数学模型具有诠释气-固复杂反应机理、分析气化工艺参数、预测气化产品特性等技术优势，是煤炭气化过程实现工程优化设计的重要理论基础。系统分析与综述了近年来煤炭气化过程热力学平衡模型、反应动力学模型、计算流体动力学CFD模型、降阶模型和智能化等相关模型构建的研究进展。针对煤炭气化模型研究，重点阐述了基于数据驱动的煤炭气化过程智能模型构建和简化及其相关参数优化的最新研究成果，深入分析了融合煤炭气化反应机理的智能化模型构建的研究工作。针对煤气化生产过程模型研究，重点阐述了在目标规划下的智能模型构建，分析了基于气化生产过程目标模型求解的差分进化算法DE、粒子群优化PSO、遗传算法GA等优化算法的构建，并阐述了Aspen plus模拟软件在目前气化模拟过程中的应用及基于该软件模拟模型的目标优化算法的改进等研究。同时，提出开发具有煤气化反应动力学等机理信息的智能化模型、气化整体流程中融入局部流体动力学等细节信息的跨尺度模拟模型将是未来气化模型研究的主要发展方向。其中对气化过程样本量的合理选择、模型算法寻优性能的有效改进、模型优化准则的选取策略等研究是智能化模型的研究热点。

• 煅烧温度对Cu/ZSM5催化剂催化活性的影响

  王治宙, 郭毅定, 李炳宏, 葛光荣, 张全,

  为了研究煅烧温度对分子筛催化剂催化效率的影响，以浸渍法制备了负载型铜基ZSM分子筛催化剂，考察煅烧温度对催化剂NO选择性催化还原活性的影响。利用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（SEM）、氮气物理吸附等表征手段研究了煅烧温度对Cu/ZSM5催化剂的催化活性影响机理。结果表明：500 ℃煅烧所得催化剂的选择性催化还原（SCR）活性最佳，在180～300 ℃取得95%以上的脱硝效率；煅烧温度为500 ℃时，催化剂具有最大的比表面积299 m2/g，以及发达的孔隙结构，当煅烧温度为600或700 ℃时，由于催化剂表面出现烧结现象，比表面积减少至125 m2/g以下，不利于催化反应的进行。研究表明：Cu/ZSM5（500）催化剂具有良好的抗硫性，210 ℃时，O2体积分数300×10-6下催化剂的脱硝效率能达到89%以上，并且催化剂在270 ℃，SO2体积分数400×10-6下连续运行180 h，其脱硝效率依然保持在88%以上。

• 表面活性剂改善浮选精煤脱水效果及其机理研究

  平安, 王梦蝶, 牛晨凯, 夏文成, 彭耀丽, 谢广元,

  为研究表面活性剂促进浮选精煤脱水的机理，以难脱水浮选精煤为研究对象，采用十二烷基硫酸钠（SDS）、十二烷基三甲基溴化铵（DTAB）和月桂醇聚氧乙烯醚（Brij35）对浮选精煤矿浆进行改性，并开展脱水试验。结果表明：DTAB助滤效果最好，在最佳药剂量下滤饼水分降低7.67%；SDS助滤效果次之，在最佳药剂量下滤饼水分降低6.61%；而Brij35助滤效果最差，在最佳药剂量下滤饼水分仅降低了3.94%。采用接触角测量仪和X射线光电子能谱仪对煤表面与不同药剂作用前后的性质进行表征,发现3种表面活性剂均可在一定程度上提高煤表面的亲水性。通过表面张力测试仪测量了3种药剂作用后滤液的表面张力，结果表明：表面活性剂可大幅降低滤液表面张力，尤其是DTAB作用后的滤液表面张力仅为无药剂作用时的一半，表面张力的降低可促进煤颗粒间毛细水的脱除，是降低浮选精煤滤饼水分的主要原因。

• 煤炭地下气化“三带”残留物的物化特性研究

  马爱玲, 谌伦建, 徐冰,

  与传统的煤炭开发利用技术相比，煤炭地下气化被誉为“绿色采煤技术”，但其潜在的地下水污染风险不利于该技术的推广应用。基于地下水对燃空区气化残留物的浸淋是造成地下水污染的原因之一，气化残留物的组成、孔结构等物化性质一定程度上影响残留物中有害物质的溶出及污染地下水的吸附净化等实际，借助自建的煤炭地下气化模拟试验系统，采用富氧/水蒸气两阶段气化方法完成焦作无烟煤气化试验并收集“三带”残留物。采用SEM、低温氮吸附仪、XRD和FTIR等分析手段对残留物的表面形貌、孔隙结构及表面官能团等物化性质进行研究。结果表明：氧化带残留物主要为灰渣，还原带残留物主要为气化残焦，干馏干燥带主要为热解半焦。还原带残留物的孔隙发达，其比表面积和孔容分别可达56.43 m2/g和0.031 cm3/g；干馏干燥带残留物的比表面积和孔容分别为15.65 m2/g和0.014 cm3/g；与还原带和干馏干燥带残焦相比，氧化带残留物的比表面积和孔容积较小，石英、莫来石是其主要矿物组分。还原带和干馏干燥带残焦具有类石墨微晶结构，同时可能含有酚羟基氧或醚氧等含氧基团。残留物的组成和结构对其所含有害物质在地下水中的溶出有一定贡献，同时也使其具有一定的吸附潜力，研究结果为了解并掌握气化残留物中污染物的溶出迁移特点及残留物对污染地下水的吸附净化规律奠定基础，丰富了煤炭地下气化地下水污染及其防控理论，也有助于该技术的应用推广。

• 煤岩受载过程与瓦斯渗透特性映射规律试验研究

  邹银辉, 程波,

  为研究煤岩受载过程与瓦斯渗透特性的映射规律，利用自主研发的可连续实施约束环形应变与轴向受载的煤岩瓦斯渗流试验系统，对原煤试件首先实施约束环形应变条件下不同瓦斯压力、不同压差的渗透特性测试，之后对其施以轴向压力，分析煤岩试件在受载过程中的瓦斯渗透特性。结果表明：在约束环形应变条件下的含瓦斯煤渗透特性测试中，随着煤岩吸附瓦斯含量的增加，试件的渗透率逐渐降低，且二者之间较好地服从幂函数的数学关系，这与前期研究成果的结论一致；轴向应力的添加使得渗透率降低了近1个数量级；有效应力对煤岩渗透特性的“负作用”效应强于吸附作用的“正作用”；建立了煤岩受载全过程的瓦斯流动模型，并将瓦斯在煤体内的流动按照受载情况分为3个阶段。建立的煤岩瓦斯气体流动模型对表征煤岩不同受载条件下的运移特征更为完整，使渗流阻力组成更清晰，物理意义更明确。

• 煤矿井下灾区快速密闭技术及装备研究

  姜文忠, 肖长亮,

  针对煤矿火灾、瓦斯爆炸等热动力灾害严重威胁着煤矿安全生产和作业人员的生命安全的问题，通过分析火灾发生机理和瓦斯爆炸冲击波区域破坏效应，构建采煤工作面瓦斯冲击波压力的数据模型，提出抗冲击密闭装置受冲击波强度计算方法，确定密闭装置设计强度；根据煤矿井下多装备复杂巷道情况，合理设计出组合式模块化密闭装置结构，保证密闭装置的密封效果和抗冲击能力满足要求；利用灾害环境及可视化监测技术，设置电控、气控、手动三种控制方式，实现了远程控制快速隔离密闭灾区；经过实验室试验和现场工业试验，采集试验数据，验证该装备及技术能够实现远程控制快速密闭且具备良好的抗冲击能力，符合煤矿快速阻害治灾理念。解决了工作面多装备复杂巷道内火、瓦斯等各类灾害的快速密闭难题，建立了煤矿主动防控减体系，保障了救灾人员的安全。

• 不同变形机制下构造煤大分子结构演化机理

  范顺利, 李云波, 宋党育, 张新宾,

  构造煤是一期或多期构造应力作用的产物，其物理和化学性质均发生了深刻的变化，并显著制约了煤层瓦斯突出和煤层气产出。为了探讨构造应力对煤中有机大分子结构的影响，应用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对淮北矿区不同类型构造煤的大分子结构及演化进行了对比分析。结果表明：煤中有机大分子结构对构造应力十分敏感，随着构造煤变形程度增加,煤中脂烃减少13.28%、芳烃增加25.45%、脂肪侧链长度减小1.29、芳环缩聚程度增加4.9。不同应力-应变环境对构造煤结构影响迥异，与原生结构煤相比，脆性变形序列构造煤（片状煤和碎粒煤）脂烃降低了9.24%，芳烃增加了18.89%；而韧性变形序列构造煤（揉皱煤和糜棱煤）中的脂烃减少量比脆性变形煤高6.36%、芳烃增加量高4.02%，说明构造应力对韧性变形序列构造煤的改造作用尤为明显，韧性变形过程更易促使脂肪链发生裂解重组，并促使脱落的小分子物质缩聚成稳定的芳香结构。

• 冲击倾向性对受载破坏煤样电荷规律影响的试验研究

  王岗, 潘一山, 肖晓春,

  为了用电荷感应方法预测煤体冲击倾向性，研究了煤样冲击倾向性、物理力学特征以及电荷信号规律，重点分析了不同冲击倾向性煤样破坏全程电荷信号分布特征以及冲击倾向性指标与电荷相关参量的量化关系。研究结果表明：随着冲击倾向性增强，煤样破坏形式逐渐由破碎型向共轭剪切型再向单剪型转变；煤样破裂电荷信号的产生与应力突变具有较好的一致性；强冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰前的强化损伤阶段，煤样发生失稳破坏电荷前兆信息比较明显；弱冲击倾向煤样电荷信号主要集中在强化损伤和峰后破坏阶段；无冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰后的破坏阶段，煤样发生失稳破坏电荷前兆信息不再明显；煤样冲击倾向性越强，应力峰后累积电荷量越少，但应力峰后电荷变化率w越大；冲击能量指数KE与应力峰后电荷变化率w具有幂递增函数关系，弹性能量指数WET与应力峰后电荷变化率w具有线性递增函数关系。因此可以通过电荷信号整体分布规律以及应力峰后电荷变化率的大小来初步判断煤体的冲击倾向程度。

• 动压作用大巷破碎围岩分区域差异性修复技术研究

  王猛, 郑冬杰, 李杰, 岳振, 李文彪,

  为解决动压作用大巷破碎围岩稳定性维护困难的难题，以黑龙煤业2号煤层运输大巷延伸段为工程背景，综合采用现场实测、理论分析、数值模拟和工业性试验等方法，分析了试验巷道围岩变形破坏特征，研究了单次采动支承应力演化以及重复采动应力叠加效应，总结得到了动压作用大巷围岩大变形的主要影响因素及影响规律，揭示了动压作用大巷围岩变形失稳路径：试验巷道受采动影响后处于高应力环境下，巷道邻近断层发生活化，加上巷道揭露泥岩强度低，原支护结构体不足以控制其碎胀变形，诱发巷道产生大变形。同时，由于终采线设计不合理，巷道在工作面超前应力叠加影响下发生局部冒顶，严重影响了矿井安全生产。为此，提出了动压作用大巷围岩稳定控制路径：充分利用强度较大、岩层较厚的细粒砂岩岩层（顶板）自身承载能力，优化支护参数和控制停采线位置，促使锚杆（索）与围岩形成统一承载结构，改善巷道应力环境，保持围岩稳定，最终提出了动压作用大巷分区域差异性修复技术，形成了以“改善应力环境+高强高预应力支护+底角支护+滞后注浆”为核心的围岩控制技术体系，并成功应用于现场工业性试验。矿压监测结果表明，该技术的应用取得了良好的围岩控制效果，保证了矿井安全高效生产，可为类似条件的巷道支护、修复提供借鉴。