煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2019年第6期

• 煤矿全断面岩巷掘进机开发应用与发展

  杨生华, 芮丰, 蒋卫良, 张世洪,

  为了解决煤矿开采中岩石卷道快速掘进问题，提出应研制高级智能的全断面岩巷掘进机。煤矿全断面岩巷掘进机是集全断面连续截割、支护技术、自动定位、无线遥控技术、快速装运和机械除尘等功能，实现掘、支、运一体化的快速岩巷掘进的装备。它不仅能够提高煤矿建井速度，而且能够实现煤矿高产高效安全集约化生产，为煤矿科学开采、绿色开采和可持续发展创造了条件。详细以及20世纪80年代我国煤矿岩巷掘进中全断面岩巷掘进机国产化工程和产品的应用情况，介绍了21世纪的煤矿全断面岩巷掘进机发展、应用和趋势，指出国产化、煤矿化和专业化是煤矿全断面岩巷掘进机的发展方向，产品成套化、系统化、系列化、自动化、智能化和市场化是发展趋势，煤炭精准开采、科学开采和新能源的发展是新的应用要求，为数字煤矿和智慧煤矿及煤炭革命打下基础，对我国深层煤炭资源开发具有重大意义。

• 煤巷掘进装备技术现状及关键技术探讨

  惠兴田, 田国宾, 康高鹏, 刘一凡,

  通过对煤矿掘进机械的产生、应用和发展的研究，发现为满足锚网支护施工而以悬臂式掘进机为基础的改装加装临时支护和机载钻具辅助不能在安全性和有效性之间实现统一，如通过机载装置实现掘护锚施工不可能产生本质进步；通过对施工配套辅助装置演化的研究，发现很多情况下辅助装置功效不理想，迈步类支架在空顶状态下进行顶板反复支撑且行动缓慢、稳定性较差，而且不能满足临时支护要求快速的前提，履带行进支架的框架结构设计是迈步类支架的瓶颈，灵活性和适应性之间的矛盾很难调和；对综掘机组的研究发现，掘进辅助系统临时支护的的问题亟待解决；掘进机结构有待突破，同时提出掘进机发展应探讨的5项关键技术。

• 综掘工作面远程可视化控制关键技术研究

  高旭彬,

  针对综掘工作面智能化、信息化水平滞后的现状，在借鉴综采工作面智能化技术体系的基础上，提出综掘工作面远程可视化控制方法。通过分析综掘工作面作业需求，提出各单机设备、工作面成套装备必需的智能化信息技术支撑。阐述了成套设备协同控制、智能截割、智能锚护、智能运输、视频监控、故障诊断及预测6项关键技术。对现有综掘装备情况及技术可行性进行了详细分析，明确了综掘工作面远程可视化控制的技术路线。同时提出在辅料运输、环境安全监测等方面，需要因地制宜进行工艺革新，进而实现智能化系统集成的问题。在现阶段，通过远程可视化控制技术体系，实现了综掘工作面减人增效、安全作业、沉淀生产数据的目标。

• 截割头齿座参数化定位技术研究

  张梦奇, 闫献国,

  为提高掘进机截割头的设计效率、齿座定位精度和检测能力，提出了由设计模块、制造模块和检测模块组成的截割头齿座参数化定位系统。截割头参数化设计专用软件按照一定约束条件对截齿布置参数进行快速计算；根据工业机器人工作原理和齿座空间排布特点，研制了高精度齿座定位机器人系统，实现了齿座在截割头表面的快速准确定位；通过齿座定位机器人结合非接触式双目视觉测量技术，提出了齿座定位精度的数值检测方法。对掘进机截割头进行设计制造和定量检测的生产应用结果表明，截割头齿座参数化定位技术能够满足各类型截割头产品的高精度制造。

• 不同倾角巷道下掘进机的防滑控制研究

  臧富雨, 刘丹, 吕馥言, 张敏骏, 吴淼,

  为研究悬臂式掘进机在复杂底板行走时防滑控制的可靠性，基于综掘工作面巷道底板特性分析，得到不同情况下掘进机履带打滑率与牵引力的计算函数。掘进机牵引力因打滑率的增加而迅速减小，从而严重影响掘进机正常掘进，求取不同路况下的掘进机履带期望打滑率计算方法，并通过分析掘进机掘进阻力，建立了倾斜巷道中掘进机掘进动力学模型，提出了基于BP神经网络的PID掘进机履带防滑控制方法。通过Simulink与AMESim建立系统仿真模型与液压模型，基于Matlab得到控制算法，并模拟3种典型底板防滑控制情况。仿真结果表明，BP神经网络PID防滑控制系统具有较高的控制精度、响应速度与环境适应能力，保证掘进机在不同路况下的正常掘进。

• 基于PNN神经网络的掘进机截齿磨损程度识别研究

  张强, 王禹, 王琛淇,

  针对掘进机截齿磨损在线识别问题,提出一种基于PNN神经网络的截齿磨损程度多特征信号识别方法，提取不同磨损程度的截齿在截割过程中的振动和声发射特征信号，分别分析振动加速度、声发射信号峰值以及2种特征信号频域图的均方根这4个特征参数，获取振动信号、声发射信号与不同磨损程度截齿的变化规律。建立5种不同磨损程度截齿的多特征信号样本数据库，采用多特征信号样本对PNN神经网络进行学习和训练，建立截齿磨损程度的识别模型，实现截齿磨损程度的精确识别。结果表明：基于PNN神经网络的截齿预测磨损状态识别模型识别精度较高,识别准确率和预测准确率约为93.3%和95%，与BP神经网络方法相比分别提高了3.3%和15%。因此该神经网络具有良好的可靠性与精确性。

• 深冷回火处理对掘进机截齿齿尖硬度的影响研究

  王学成, 闫献国, 董良,

  选取YG8硬质合金作为掘进机截齿齿尖材料，以YG8硬质合金维氏硬度为目的，采用L16(4.5)正交试验设计法对深冷回火工艺参数进行优化，分析不同的深冷温度、深冷速度、深冷时间、回火温度和回火次数对YG8硬质合金维氏硬度的影响，采用极差法得出最优工艺参数组合。研究结果表明，深冷回火处理对YG8硬质合金的显微维氏硬度的影响范围是-15.96~53.02 HV1，最大增幅为4.35%。深冷回火处理工艺参数对YG8硬质合金维氏硬度影响的顺序是深冷速度>回火次数>深冷温度>深冷时间>回火温度，最优工艺参数组合为深冷速度5 ℃/min、深冷温度-196 ℃、深冷时间12 h、回火温度150 ℃、回火次数4次。深冷处理可促使粘结相致密收缩，这对YG8硬质合金硬度的提高有所帮助。

• 悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统研究

  杨文娟, 张旭辉, 马宏伟, 刘志明,

  针对煤矿井下悬臂式掘进机机身及截割头位姿测量难题，提出一种基于激光束和红外光斑特征的悬臂式掘进机机身及截割头位姿视觉测量系统。在掘进工作面的巷道顶部安装3个激光指向仪，通过固定安装在掘进机机身上的防爆相机对激光束图像进行采集，利用改进的随机Hough变换对激光束进行直线检测，通过建立的基于两点三线的掘进机位姿解算模型得到掘进机机身在巷道坐标下的位姿。同时,通过防爆相机对截割部所安装的红外标靶图像进行采集，利用高斯曲面拟合算法对光斑进行中心定位，通过建立的基于对偶四元数的掘进机截割头位姿解算模型得到截割头在机身坐标系下的位姿，结合得到的机身坐标系与巷道坐标系间的转换关系，得到巷道坐标系下的截割头中心点位姿。最终,在实验室搭建了掘进机机身及截割头位姿视觉测量平台，并在该平台上模拟掘进机的实际工况位姿，结果表明，该方法测得的掘进机截割头中心点在巷道坐标系下的姿态测量误差在0.5°范围以内，位置测量误差在40 mm以内，可以满足掘进机机身及截割头位姿自动、准确、实时测量的要求。

• 厚表土井筒修复内套钢板混凝土井壁技术研究

  程桦, 张楠, 姚直书, 居宪博, 周瑞鹤,

  为解决由突水溃砂引起的厚表土地层井筒破损问题，针对其竖向压裂、法兰盘拉开及井筒偏斜等破坏特征，提出钢筋混凝土井壁与内套钢板（钢纤维）混凝土井壁结构相结合的全深套壁修复加固方案。以淮南矿区某在建煤矿副井为工程背景，结合现场井壁破坏形式及突水溃砂机理，提出井筒套壁设计原则和结构形式；根据现场井筒变形情况和相关规范计算得出套壁厚度以及钢板、混凝土应力；通过分析计算结果并结合现场实际，制定套壁施工方案；采用振弦传感器法对修复后内套井壁壁间压力、环向钢筋应力和变形进行监测，并长期观测检查孔水位。研究结果表明：①按组合筒公式计算得出，内套钢板（钢纤维）混凝土复合井壁结构钢板应力范围为187.6~292.0 MPa，混凝土应力范围为32.8~51.0 MPa，均满足设计要求；②施工完成后，壁间压力和环向钢筋应力监测最大值分别为3.2 MPa和113.4 MPa，均处于安全范围内；③修复后井筒涌水量约为4 m3/d，内套钢板混凝土复合井壁结构防水效果突出，井筒结构安全稳定；④在累深315.0~567.7 m段，井筒多处破损，以偏斜破坏为主，最大偏斜值达1 154 mm，在严重偏斜段，沿竖向采用分模、随偏、微调方式施工内套井壁，解决各模钢板接茬过渡施工难点。该方案利用单层内钢板（钢纤维）混凝土复合井壁结构其自身强度高、防水性能好等优点，不仅大幅减少内套井壁厚度，且保证修复后井筒的安全稳定运行。

• 煤岩体应力波传播规律及其影响因素的数值分析

  王振伟, 马克, 田洪圆, 李全生,

  大多数煤岩体存在不同程度的损伤，分布有大量裂隙，当应力波传播穿过裂隙时，会出现波速下降、能量衰减及时间延迟等现象。为了理清应力波通过煤岩体裂隙时间延迟的规律，并对其进行定量分析，反演煤岩体内部破坏程度，采用数值计算的方法，对应力波在含单个裂隙煤岩体内的传播规律进行了研究，分析了应力波过缝前、过缝中、过缝后的波形特征，和裂隙宽度、荷载参数及岩层参数对延时规律的影响。研究结果表明：应力波过缝延时与缝宽、密度和荷载周期等因素呈正相关，各因素的敏感性排序为：缝宽>弹性模量>岩层密度>荷载振幅>荷载周期。其中，缝宽引起的延迟时间是荷载周期的0.23倍。研究结果揭示了CDEM可以较好地模拟应力波在裂隙煤岩体内的传播规律。

• 砂岩循环加卸载下损伤特性及声发射Kaiser效应研究

  刘海涛, 秦涛,

  为了获得砂岩循环加卸载路径下损伤特性和声发射Kaiser效应特征，开展了不同围压下砂岩循环加卸载声发射试验；从轴向应力、加载应力水平、能量耗散损伤角度，研究了三轴循环加卸载下声发射的不可逆比变化规律；评价了三轴循环加卸载下岩石Kaiser效应判断方法。结果表明：循环加卸载下耗散能损伤参数能较好地反映岩石的渐进损伤破坏，基于耗散能损伤参数的计算，能较好地反映岩石不同阶段的损伤特性，避免了应变参数计算损伤时压密阶段损伤值异常增大的现象。从应力水平、能量损伤角度分析声发射FR，更真实地反映岩石声发射Kaiser效应，随着围压增大Kaiser效应失效的应力提前，同一应力水平、相同能量损伤下，围压越大FR越小，声发射不可逆性随围压增大逐渐变得模糊。

• 矿区岩溶裂隙岩体帷幕截流注浆参数确定研究

  柳昭星, 靳德武, 尚宏波, 石志远, 赵春虎, 刘基,

  In order to use curtain grouting to control the formation water damage of karst fissures in mining area,experimental tests were carried out the performance of cement slurries with different water-cement ratios,and the performance and variation of cement slurries with different water-cement ratios were obtained.The curtain grouting pressure and the diffusion radius of cement slurry were studied and calculated by theoretical analysis and numerical calculation.Combined with the hydro-geological conditions of the curtain wall construction area,the construction dimensions of the curtain wall,borehole spacing,grouting pressure and cement slurry selection process were determined comprehensively,which provided a scientific basis for curtain grouting control engineering design.Finally,the closure effect of curtain grouting wall was tested by water release test inside and outside the curtain wall.The closure effect achieved the design purpose and requirements.Therefore,the rationality of the selection of curtain grouting parameters was also verified.The results show that the cement slurry viscosity,stone rate and stone strength decrease with the increase of water-solid ratio,the setting time increases with the increase of water-solid ratio,and the rate of change decreases with the increase of water-cement ratio; the curtain wall thickness is 40 m,the borehole spacing is 20 m and the grouting end hole pressure is 4～6 MPa; the curtain grouting is used to compare the water level change curve inside and outside the curtain wall by water release test.It is by far the most direct means of curtain grouting effect test.

• 浅埋煤层地下水库流固耦合模型特征参数试验研究

  周保精, 梁宁宁,

  煤层采动引起的岩体运移、裂隙演化与渗流特性对煤矿地下水库的设计建造具有重要影响，为获取地下水库围岩体物理特征参数，开展相似材料流固耦合模型试验研究，结合典型浅埋煤层水文地质及开采条件，建立了立体相似材料流固耦合模型。通过监测煤层开挖过程中顶板下沉量、煤柱应力、含水层渗压等特征参数的变化，研究了煤层采动过程中破断岩体运移、裂隙演化规律及扰动岩层渗流特性变化规律。试验结果表明：煤层开挖后，煤柱上覆岩层形成倒台阶结构，煤柱应力先增大后减小。顶板岩层先后经历“弯曲下沉—裂隙发育—破断垮落”的动态演化过程，岩层裂隙发育程度决定了形成的导水裂隙带数量，可用岩层渗压下降速率表征岩层裂隙发育程度。岩层大面积垮冒滞后于导水裂隙带形成，含水层渗压突变先于岩层突降下沉发生，可将含水层渗压突降作为顶板来压垮冒的预兆之一。

• 露天矿黏土-砂岩重塑混合体K0固结试验研究

  陆翔, 吴榕真, 周伟, 尚涛, 舒继森, 韩流,

  随着各类大型工程项目的不断开展，土石混合体逐渐受到工程界和学术界的广泛关注，同时，松散土石混合体也是组成露天煤矿排土场的基本岩体材料，排土场的稳定关系到矿山生产和生命财产安全。静止侧压力系数K0值是岩土工程中十分重要的参数，是研究土石混合体变形特征和应力状态的基础。试验选取安太堡露天矿黏土和砂岩，混合重塑，利用GDS三轴试验仪，分别进行了固结应力为100、200、500、1 000、2 000、4 000 kPa下的K0固结试验，进而分析了黏土-砂岩混合体的固结变形特征和静止侧压系数K0变化规律。结果表明，随着固结应力的增加，黏土-砂岩混合体密度呈现幂指数增长，且增长速率逐渐减小；同时，压缩性逐渐降低，含石率50%的黏土-砂岩混合体压缩模量为7.778 MPa，属于中压缩性土；固结应力增加过程中，静止侧压系数K0先减小后趋于稳定。

• 倾斜地层巷道锚杆-拱架联合支护破坏特征及控制对策

  杨博, 杨宁, 李为腾, 马海曜, 李廷春, 管清升,

  为明确倾斜地层巷道锚杆-拱架支护失效机理，寻求围岩变形控制对策，以典型案例为工程背景，利用FLAC3D锚杆-拱架精细化模拟平台，开展了不同地层倾角下的直墙半圆形巷道锚杆-拱架联合支护数值试验。结果表明：①地层倾斜对巷道变形影响显著，围岩以及锚杆、拱架的破坏情况具有明显的非对称性，且岩层倾向巷帮变形较严重；②巷道顶板沉降和巷帮内移受地层倾角影响较小，但巷道底鼓随倾角增大而显著增大。针对失效关键部位与变形破坏特征，以20°倾角为例，进一步开展了3种优化方案数值模拟对比分析。结果显示，通过增大锚杆直径取得的支护效果并不显著，拱腿仍率先屈曲变形进而造成整体失效，而关键部位锁拱锚杆的施加提高了拱架结构整体性。基于此提出倾斜地层巷道单侧锁拱等非对称支护对策，并得到现场验证。

• 煤矿主井地基静压注浆治理井架沉降偏移技术研究

  韩应伟, 江成凯, 王智慧,

  针对花园煤矿主副井井架基础发生持续快速沉降和不均匀沉降引起井架偏斜的问题，基于主副井井架沉降偏移实测数据和矿井工程地质条件，分析认为地基土层承载力低和基础受力不均匀是井架基础持续沉降的主要原因，实测主副井井架最大下沉量分别为70 mm和257 mm。为解决主副井架持续性沉降和偏移问题，提出了地基静压注浆加固方法并设计了井架基础注浆加固工艺，确定了注浆加固时的钻孔深度、注浆压力、抬升量以及注浆量。实测结果表明：井架地基注浆加固和注浆抬升基础后，副井井架FES、FEN、FWN和FWS分别抬升100、130、103、90 mm，不均匀沉降量由59 mm减小至19 mm，主井井架ZE和ZW分别抬升、162 mm，不均匀沉降量由23 mm减小至16 mm。结果表明本文提出的地基静压注浆加固法可有效控制和降低矿井井架沉降速度，可为同类矿井井架基础加固施工提供借鉴。

• 基于对数螺旋线离散算法的露天煤矿边坡稳定性研究

  王珍, 曹兰柱,

  对数螺旋线破坏机构可充分满足土体速度分离要求，因此对数螺旋线在边坡稳定性上限分析中广泛应用。但由于在平面直角坐标系下对数螺旋线无法显化处理，现阶段上限分析法对均质边坡稳定性分析给出了较好的解答，对于非均质边坡稳定性研究相对较少。为探究上限分析方法在非均质边坡稳定性分析中的应用，基于离散算法提出一种对数螺旋线拟合新方法，并将该方法应用于露天煤矿边坡稳定性上限分析工程实践中，同时基于能量平衡条件编制最危险滑面搜索及稳定系数计算循环程序，并应用剩余推力法从稳定系数与最危险滑面两个角度评价上限分析方法计算结果的准确性。研究结果表明：基于对数螺旋线离散算法计算结果与原曲线具有高度一致性，可保证相关系数大于0.999 5，同时该方法稳定性分析结果具有高度准确性，从稳定系数角度分析该方法计算结果为严格意义上限解，计算误差便于估算，从最危险滑面角度分析，该方法求得的最危险滑面可充分满足速度分离要求，具有更强的工程实践意义。

• 右旋螺纹钢锚杆横肋间距锚固优化数值模拟研究

  马双文, 张明, CAO Chen, 张怀东, REN Ting, 韩军,

  为了研究右旋螺纹钢锚杆不同横肋间距对其锚固性能的影响，通过ANSYS有限元数值模拟软件分析了在简支约束条件下60、100 kN载荷下横肋间距为12、24、36、48和60 mm的右旋锚杆锚固试件的受力状态。模拟结果显示：2种载荷下，锚杆杆体表面最大应力在横肋间距12、24、36、48 mm时增长较为显著，与横肋间距48 mm相比，横肋间距为60 mm时最大应力无明显增长；杆体横肋对应的树脂圈凹槽处易形成应力集中区域，且在横肋间距为48 mm时应力峰值达到最大；试件套筒外壁应变随着横肋间距增加先增大而后减小，在横肋间距为48 mm时达到最大。分析表明，在树脂与套筒内壁和杆体锚固段锚固密实情况下，横肋间距为48 mm时试件的锚固性能最优。

• 基于光纤光栅采动应力测试的冲击地压预警技术研究

  王健达, 秦凯, 邓志刚, 赵善坤, 安赛, 欧阳振华,

  为了提高我国冲击地压预警的准确性，结合光纤光栅测量领域已取得的研究成果，利用光纤光栅钻孔应力计、解调分站作为煤矿井下1孔多点采动应力数据的采集、解调装置，以应力控制理论为指导，研发了以采动应力监测系统软件为数据采集、分析软件，应力梯度为预警指标的冲击地压动态预警技术，集成了基于采动应力测试技术的冲击地压预警系统。研究结果表明：该系统可应用于煤矿工作面采动应力监测和冲击地压动态预警，能准确揭示工作面受采动影响应力的变化情况，推导出工作面应力场的时空演化规律。为矿井冲击地压灾害的预测预警增加一种新方法，从而有效减少冲击地压事故的发生。

• 综采工作面大角度旋转俯采技术研究

  李顺顺, 高召宁,

  为解决芦岭矿Ⅱ104东翼采区原设计布置的3个工作面造成的回采巷道布置困难、工作面搬家频繁、综采工作面连续推进长度短的问题，利用数值模拟和现场观测，并基于Ⅱ104东翼采区煤层赋存条件及原巷道布置特点，将原设计的3个工作面合为1个Ⅱ1041工作面，对综采大角度旋转开采方案、工艺参数和旋转技术要求、矿压显现规律等关键技术进行了研究，并对整个采场的采动应力变化规律进行了分析，有效解决了Ⅱ1041工作面旋转开采期间刮板输送机的上下窜动以及支架旋转角度控制的问题。研究结果表明：采用进刀比为1: 8的旋转开采方案，经过54个循环，共旋转74°，旋转期间支架最大工作阻力为6 481 kN，与额定工作阻力相比仍有4.7 %的富余量，且支架无倒架、挤架的现象。实现了工作面在复杂条件下不搬家，连续推进，保证了工作面的正常回采。

• 基于煤体各向异性的煤层瓦斯有效抽采区域研究

  林柏泉, 宋浩然, 杨威, 赵洋, 查伟,

  为了探究影响射流割缝钻孔周围有效抽采区域变化的因素，基于煤体的各向异性考虑了瓦斯抽采过程煤体应变场和瓦斯渗流场的耦合作用，探讨了不同垂直地应力、初始瓦斯压力以及初始渗透率等参数对射流割缝钻孔有效抽采区域的影响规律。结果表明：垂直地应力F0越大，煤体的渗透率越低，有效抽采区域逐渐减小；初始瓦斯压力P0越大，抽采相同时间后瓦斯压力越难降至0.74 MPa以下，有效抽采区域逐渐减小；初始渗透率kx0和ky0越大，煤体裂隙瓦斯流动速度越快，导致在相同抽采负压下有效抽采区域逐渐增大。各向异性煤体的模拟结果与现场测试结果基本相符，证明了各向异性煤层垂直层理方向有效抽采半径是现场布孔的合理指标。

• 不同变质程度煤导热系数试验分析

  马砺, 张朔, 邹立, 拓龙龙,

  Coal spontaneous combustion is a serious threat in safe production of coal, which could result in a coal fire, causing waste of resources and serious injuries and fatalities.Heat transfer between coal and rock is one of the key factors causing coal spontaneous combustion.Thus, research on heat transfer between coal and rock is essential to reduce coal spontaneous combustion.The thermal conductivity of coal is a major parameter for determining the thermal ability of coal.In this study, we analyze the thermal conductivity of different ranks of coal and investigate the effect of temperature and moisture content on thermal conductivity.Five coal samples of different ranks,namely coking coal, long flame coal, lignite, anthracite, and non-stick coal,were tested respectively under different ambient temperatures and moisture contents.Meanwhile, the thermal conductivity of these five coal samples was measured by the LFA457 laser thermal conductivity meter.In addition, the Pearson correlation coefficient methodwas applied to explore the effect of different coal compositions on thermal conductivity.The results indicate that the thermal conductivity of coal samples is negatively correlated with thecoal rank.In another word, lower thermal conductivity is associated with higher coal rank.When temperature is -50～10 ℃, the thermal conductivity of coal increases swiftly with the increase of temperature.When temperature is 10～50 ℃, the thermal conductivity of coal increases slowly and then tends to be stable.A lower degree of coal maturity indicates a greater effect of moisture content on thermal conductivity.It is also found that ash has the most significant influence on thermal conductivity of coal, then followed by fixed carbon, volatile matter,and moisture.This experimental study provides an understanding of influence factors and variation laws of thermal conductivity of different ranks of coal, and further provides a theoretical basis for the prevention and control of coal fire disasters.

• 煤矿封闭采空区瓦斯发电气源储量预测方法研究

  郝元伟, 杨洋, 涂辉, 柳炳俊,

  为解决山西省重点工程高河煤矿乏风氧化发电项目瓦斯气源不足问题，提出了通过抽采已封闭采空区瓦斯，用以补充气源的方案，探讨了各类采空区瓦斯储量的计算方法及可利用性的评估方法，研究结果表明:高河煤矿W1303 和W1305采空区瓦斯储量分别为508 508 m3和1 163 879 m3，抽采可持续性较强，而E1302采空区瓦斯储量仅为105 147 m3，储量少，抽采时间短，可持续性较差，此采空区压斯预计抽采时间能够达到一年，但半年后有新的采空区可以接替，从而实现采空区抽采的持续性。此方法对瓦斯发电工程前期投资中瓦斯可利用性评估具有重要指导意义。

• 不同含水及负压条件下煤层气等温吸附解吸规律

  王凤林, 袁玉, 张遂安, 马东民, 彭川, 赵威,

  为了探究水分含量和负压对煤层气等温吸附、解吸特征的影响，采用大样量煤层气吸附/解吸仿真试验设备对鄂尔多斯盆地东缘北部煤矿煤样进行煤层气常规等温吸附解吸过程和负压解吸过程的实验室模拟，通过将煤样进行处理得到干燥煤样、平衡水煤样、饱和水煤样3种不同含水饱和度煤样，分别对其进行等温吸附测试、常规等温解吸测试和负压解吸测试，得到了煤样在不同含水饱和度、不同负压条件下的压力与吸附量实测数据，并采用不同的吸附/解吸方程式进行拟合。通过对比分析，研究了水分对等温吸附过程、解吸过程以及负压对解吸过程的影响，并从分子间作用力的角度进行了解释水分对等温吸附解吸过程的影响。结果表明：煤样解吸过程与吸附过程不可逆，存在解吸滞后；由于水分子与煤分子间的作用力大于甲烷分子与煤分子间的作用力，水分在与甲烷的竞争吸附中具有优势，煤样含水率越高，其吸附甲烷的能力越低；煤样含水率较低时，含水对煤岩降压解吸影响不明显；当煤样含水率高于某一值时，外来水分抑制煤层气降压解吸，分析认为这可能与煤样的物质组成和煤分子结构有关；由于水分对甲烷的置换解吸作用，若水力压裂过程中压裂液滤失严重，将降低煤层吸附气量，延长排水降压阶段，减少累计产气量，因此应严格控制压裂液滤失；负压解吸阶段，单位压降引起的解吸量更大，说明负压排采增产措施具有潜力。

• 沁水盆地中高煤阶煤储层覆压孔渗试验研究

  黄强, 傅雪海, 张庆辉, 李玉寿,

  为了研究中、高煤级煤储层在覆压条件下孔隙度、渗透率及应力敏感性的差异变化特征，从山西沁水盆地采集4块中煤级样品和4块高煤级样品，开展了覆压孔渗试验对比研究，探讨了中煤级煤和高煤级煤的应力敏感性的差异，研究了应力敏感性随煤级改变的变化规律。研究结果表明：煤的孔隙度随镜质组最大反射率的增大呈现先增大后减小的趋势，而渗透率则与镜质组最大反射率之间无明显关系；中、高煤级煤覆压下的孔隙度和渗透率均随有效应力增加呈现指数式减小；高煤级煤平均孔隙压缩系数、应力敏感性系数分别是中煤级煤的1.61倍和1.26倍，高煤级煤的孔隙度和渗透率损害率分别是中煤级煤的1.42倍和1.1倍，中、高煤级煤的无因次渗透率曲率随有效应力的增加而降低，当有效应力为12 MPa时，高煤级煤的平均渗透率曲率是中煤级煤的1.33倍。随Ro,max的增大，煤的应力敏感性呈现增强的趋势，即高煤级煤的应力敏感性高于中煤级煤。因此，在不同煤级煤储层排采过程中，针对不同煤级煤储层所采用的生产压差应当有所差异。与中煤级煤储层相比，高煤级煤储层随有效应力增加孔隙度、渗透率损害率高，渗透率曲率降低幅度大，因此针对高煤级煤储层排采过程中所采用的生产压差应低于中煤级煤储层，才能获得较高的煤层气产出量。

• 寺河井田煤层气产能分布特征及影响因素分析

  常会珍, 郝春生, 张蒙, 田庆玲, 季长江, 杨昌永, 贾晋生, 邵显华,

  为研究寺河井田煤层气产能分布特征及其影响因素，以气井整个生命周期不同阶段的时间节点为分类标准，利用统计分析法对其历史排采数据进行归类，追踪气、水随时空变化特征，并从地质及工程两方面分析产能分布主控因素。结果表明：随着排采时间延长，煤层气井高产区范围逐渐扩大，低产区范围逐渐缩小，产能分布区域差异性大；构造、含气性、渗透率是产能的主控地质因素，含气性与产能分布一致度较高，构造通过影响含气性间接控制产能分布，渗透率差别较大时，产能与渗透率相关性显著；压裂、储层伤害、井下采掘活动是产能的工程影响因素，特别是储层伤害和井下采掘活动对产能影响较大，布井时需合理规划井上下联合开采时间关系，使气井达到产能最优化。

• 沁水盆地柿庄北区块深部煤储层特征测井评价研究

  郑贵强, 杨德方, 李小明, 毋学平,

  基于测井方法解释评价了深部煤储层的顶底板物性、煤体结构、孔隙度和渗透性，研究了沁水盆地杮庄北区块煤储层岩石力学特性、含气性特征和地应力的展布规律。研究结果表明：该区块3煤层的顶板物性和封盖性要比15煤的好；3煤的渗透性比太原组15煤的渗透性要好；3煤在研究区西部埋藏深、厚度小，而15煤埋藏相对较深、厚度较大。就地应力而言，3煤在柿庄北区块区西南部地应力数值最高，各向异性强，最大、最小地应力差别大；15煤在柿庄北区块西南部地应力数值最高，在北西方向各向异性强，地应力差别大，裂隙发育。最后，对深部煤层气储层特征和深部地应力的变化规律进行了分析，并对测井解释的发展和完善提出了建议。

• 地-井瞬变电磁法线性导体正演及异常响应特征研究

  刘百祥, 孙喆, 袁永榜,

  地-井瞬变电磁法采用地面发射、井中或巷道接收的方式，距离异常较近，可以提高对异常分辨力和增加探测的深度，为了对深部小异常进行精细探测，基于二维时域有限差分和地面瞬变电磁探测原理，在均匀介质背景条件下，以大定源回线装置作为发射场源，建立不同深度和不同位置的板状、方形导体的多个场电模型；采用地面、钻孔（巷道）2种观测方式，并进行数值模拟正演分析，对小异常体的垂直磁场强度和及差值EA多测道曲线响应特征进行研究；并利用垂直磁场强度曲线的极值点和EA曲线的交叉点，可对小异常进行准确定位作出解释。研究结果表明：时域有限差分法能够对建立的线性导体场电模型进行有效准确的计算，能够获取小异常的响应曲线特征；地面-钻孔观测方式下基于垂直磁场强度曲线的极值点，能够确定异常的纵向位置和区分多个异常，且幅值随时间增大越来越小；而地面-巷道观测方式下通过EA曲线的交叉点，能够确定异常的横向位置和区分多个异常，且至异常越近EA值越大；以极值点和交叉点对小异常进行准确定位，提高了纵横向分辨力。

• 厚松散层下采煤地表沉陷特征研究

  高永格, 牛矗, 张强, 张开,

  为掌握地表沉陷的一般变形规律，需研究厚松散层下采煤地表沉陷终态变形特征和地表沉陷动态变形特征，对云驾岭矿三采区开展了系统的地表沉陷监测，分析研究了地表沉陷终态移动变形特征及角量参数求取，地表下沉速度，地表下沉速度滞后和地表移动延续时间。研究结果表明：地表沉陷范围广，充分采动角为：走向左70°、走向右61°、走向边界角57°、下山边界角81°、走向移动角67°，下沉速度快，下沉活跃阶段仅为15 d，占整个地表移动时间的6%，最大下沉速度滞后距分别为146 m和143 m，衰退阶段下沉量小，但周期较长，上述结果验证了厚松散层下重复采动时，地表下沉与采动程度呈正比，活跃期的下沉周期短，衰退阶段周期长等特征。

• 基于测井参数的页岩有机碳含量支持向量机预测

  李泽辰, 杜文凤, 胡进奎, 李冬,

  为了解决传统的有机碳含量TOC测量方法成本高和无法获得TOC含量连续分布的问题，提出了一种TOC含量的统计预测方法。由于地层的岩性的不同，TOC含量的差异非常大，因此，首先对原始的测井数据聚类，通过聚类的方法将不同岩性的地层区分开，对不同的地层分别建立TOC含量的预测模型，再通过聚类的方法提高了各测井参数和TOC含量的相关性，这不仅提高了模型的准确性，而且使得模型更有说服力；然后通过粒子群算法优化SVM模型参数，避免了因人工选择参数带来的模型不稳定的问题，依此建立测井参数优选的SVM-RFE模型，对每一类分别进行测井参数筛选，有效的规避了各测井参数之间的信息冗余和不相关参数带来的模型性能降低和训练时间增加的问题；最后利用优选后的测井数据和SOM的分类结果，对不同的地层岩性分别建立SVR模型进行预测。结果表明：通过与其它TOC含量预测模型对比，SOM-SVR模型更加稳定，更有说服力，预测误差小，平均相对误差约6%，平均绝对误差不超过0.2。由此，可以通过SOM算法对不同岩性的地层进行聚类之后再建立TOC含量的预测模型，更有利于提高模型的精度。

• “三探”技术在顶板高压低渗水形成机理分析中的应用

  姜鹏, 陈清通, 邱浩,

  为弄清掘进巷道顶板高压低渗水的形成机理， 以物探、钻探及化探一体化技术为辅助手段，通过物探探测岩层富水性、钻探验证富水区情况及放水试验、化探分析含水层水化学特征，结合固-液-气三相耦合特征对顶板高压低渗水形成机理进行了研究。研究结果表明:顶板岩层岩性为软硬交替的岩层组合形式，利于顶板含水层水的赋存，且上下含水层之间难以越层补给；断层带的影响改变区域应力场的分布，破坏了岩体原渗流场与应力场的平衡状态，导致岩体发生变形，岩体破碎度增加、岩体裂隙变大，使断层带区域具有更好的储水能力及地下水渗透性；由于岩体是由固相、液相、气相三部分交织组成的多相物质，使得顶板高压水压、气压及高差重力协同作用下形成混合压力，通过工程实例对“三探”一体化技术的有效应用,得出的机理可以对煤矿水害进行有效预测。

• 井下高压突水钻孔引流注浆封孔方法研究

  任胜文,

  为了彻底消除塔然高勒煤矿主井冻结孔高压水水害危险，在揭露的高压突水钻孔旁施工向下倾斜的与其连通的引流孔进行引流泄压，引流孔内安装引流管和第1注浆管，引流孔下方填充有利于封堵高压突水钻孔的矿渣层，内插设有第2注浆管，在对引流管和矿渣进行注浆加固后，利用引流管对高压突水钻孔采用升压注浆的方法进行封堵。研究结果表明：对高压突水钻孔通过采用引流泄压后升压注浆封堵方法，将失控的高压突水钻孔转化为可控钻孔，有效地减少了工作量，提供了有利的施工条件，改善了注浆封堵效果，从而提高了封孔效率、封孔可操作性、封孔安全性和封孔可靠性，同时为孔口防突措施失效的钻孔处理提供一种可行的处理思路。

• 煤化工含酚废水高效萃取研究

  章丽萍, 戴瑾, 魏含宇, 宋学京, 马项阳,

  针对煤化工含酚废水常用的MIBK、DIPE萃取剂对多元酚的萃取效率低等问题，开发出一种新型的酚类物质萃取剂-环己酮，对比了环己酮与MIBK、DIPE萃取效果，探讨了萃取相比、萃取温度、pH等主要影响因素，并进行了萃取剂回收试验。结果表明：环己酮对对苯二酚、间苯三酚的萃取效果分别高达91.65%、83.52%，远高于MIBK的74.05%、49.77%和DIPE的27.95%和7.84%；在温度40 ℃、相比1∶3、pH在8及以下的最优条件下，环己酮对苯酚、间甲酚、对苯二酚和间苯三酚4种典型的酚的萃取率分别为98.30%、96.83%、96.31%、91.67%；在最优条件下，对按不同配比的初始浓度分别为750 mg/L、1 000 mg/L的混合配水进行环己酮萃取，单元酚和多元酚去除率分别高达97.81%、94.74%、 96.96%、94.31%；在温度为155 ℃，常压下对混合废水萃取液进行蒸馏回收试验，环己酮的回收率可达95.5%以上。新型高效脱酚萃取剂环己酮的开发可以有效降低水中酚的浓度，减轻后续生化处理负担，为该类煤化工废水的处理与综合利用、行业的可持续发展提供技术参考。

• 臭氧耦合过氧化氢去除煤化工废水中对苯二酚研究

  陆曦, 牟伟腾, 刘宁, 卢清松, 岳培恒,

  为解决煤化工废水中多元酚难处理的难题，研究了O3耦合H2O2对氧化降解典型多元酚——对苯二酚效率的影响因素及其降解机理，优化了体系的反应参数，为处理实际碎煤制天然气高浓含酚废水奠定理论基础和技术支持。试验结果表明：O3投加流量和30%H2O2投加浓度比在去除和矿化酚类物质中起重要作用。在pH为7.0，O3投加量为210 mg/(L·min)，对苯二酚初始浓度为150 mg/L，H2O2投加浓度为0.15%，反应温度为25.0 ℃时进行试验，对苯二酚的去除率可达100%，TOC去除率为39%；毒性研究进一步表明氧化反应可使多元酚的急性毒性由强毒减弱为中毒，降低了废水的毒性，达到预期处理目标，满足进入生物处理系统的条件。

• 煤自热低温阶段“自限制”特征的理论与试验研究

  王海燕, 方熙扬,

  为深入分析煤自燃特性，以有效减少煤矿内因火灾，根据气固反应动力学相关理论，提出外部环境允许条件下煤氧反应低温阶段温度也并非始终“加速上升”，在一定时期会内出现“自限制”特征，基于此，对颗粒煤低温绝热条件下的反应步骤进行分析，推导出考虑界面效应的煤低温绝热氧化升温理论模型，然后根据4个不同变质煤样的绝热氧化试验结果进行论证。结果表明：煤颗粒的绝热氧化反应前期，温度随时间不断增长且升温速率随试验的进行而加快，呈类指数分布特征，但后期中低变质煤升温速率随试验进行开始逐渐减慢，服从半抛物线趋势变化；随着变质程度的提高，煤低温绝热氧化反应“自限制”温度有向高温方向偏移的趋势，极大升温速率逐渐降低；低温绝热氧化升温过程可分为物理吸氧放热升温阶段、自由加速升温阶段、受限减速升温阶段和全面反应阶段，其中受限减速升温阶段主要是由于“氧化层”界面作用产生，实际自燃状态分析中应注意该效应的影响。

• 低渗欠饱和煤层气井产能分析新方法研究

  孙政, 李相方, 徐兵祥, 肖芝华, 张砚, 苗亚楠, 彭泽阳, 王小果,

  为准确获取煤层气井物理性能参数，提出了一种简便的基于生产初期排水数据的产能分析新方法，首先，考虑煤层普遍具有的低渗特征，引入调查半径公式，计算各个时刻煤层气井压力波前缘位置，然后，基于连续稳态方法，推导各个时刻考虑应力敏感与压力波扩展的稳态渗流方程；最后，对渗流方程进行线性化处理，得到适用于低渗欠饱和煤层气井的产能分析新方法，该方法的可靠性与应用性通过与数值模拟以及现场实例对比进行研究。研究结果表明：新方法预测的渗透率与实际渗透率间的误差为2.38%，表皮因子的误差为6.59%，满足现场工程应用需求，新方法能够准确获取储层物性参数，为气井后期产能预测，生产制度调整提供有效理论依据。