煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2019年第7期

• 保水采煤研究30年回顾与展望

  范立民, 马雄德, 蒋泽泉, 孙魁, 冀瑞君,

  煤炭是我国工业化过程中最重要的能源，在我国经济发展中一直发挥着重要作用。但所有工业化国家所面临的一个主要问题是矿区环境退化，短期的经济利益都是以巨大的环境损失为代价获得的。保水采煤是针对陕北侏罗纪煤田开发过程中出现的环境问题而提出的科学采矿思路与方法，在过去20多年的时间中有了长足的发展。回顾了煤田发现历程，分析了其资源特征，重点强调了煤炭开发过程中出现的突出环境问题，如土地荒漠化和水资源供需矛盾。简述了保水采煤问题的提出和发展过程，解释了保水采煤的概念及科学内涵。以CNKI文献检索结果为准，详细梳理了围绕保水采煤问题而开展的科研项目、发表的论文、论著及学术会议，并指出了该领域主要关键科学问题。进一步介绍了矿区生态水位及阈限研究、浅埋煤层岩层控制、导水裂隙带发育高度、保水开采条件分区、保水采煤技术及地下水监测网建设等方面取得的主要成果。保水采煤是维护和提升矿山生态系统功能和环境质量的重要手段，必须长期坚持，持续实施。今后保水采煤技术工程实施，需要深入贯彻落实“山水林田湖草是一个JP生命共同体”重要理念，推广试点工程成功经验和实践模式，全方位推进国土空间的生态保护修复。

• 复合煤层物性差异性试验研究

  王兆丰, 岳基伟, 俞宏庆, 李学臣,

  煤层的物性特征与煤与瓦斯突出、煤层瓦斯含量密切相关，为降低复合煤层的煤与瓦斯突出的危险性、煤层瓦斯含量，分别采用低温液氮吸附试验、压汞试验、甲烷等温吸附/扩散试验对焦作矿区复合煤层中的软硬煤物性差异性进行研究。结果表明：软煤的BJH孔容及BET比表面积均大于硬煤；构造作用可使一部分可见孔或裂隙转化为中大孔，硬煤的孔隙联通性比软煤的孔隙联通性好。软煤中一端开放的细颈瓶型孔占的比例较大，造成软煤的退汞效率低，这是软煤易发生煤与瓦斯突出的重要原因之一；软煤的吸附常数a值稍大于硬煤，而比表面积却有显著差异，孔隙中吸附瓦斯不仅与比表面积有关，还与孔径大小、吸附层数及兰纳-琼斯势能有关；软煤的扩散系数大于硬煤，其衰减得比硬煤快，扩散系数与时间呈现出时变特性；在软硬分层进行现场须取心实测煤层瓦斯含量时，应以软分层漏失量最小为基准采取抑制瓦斯漏失的措施，以实现煤层瓦斯含量的准确测定；在软分层进行瓦斯抽采时应适当加长抽采时间、减小钻孔间距，达到软分层消突效果。软硬分层的瓦斯含量与软硬煤的水分、孔隙率相关，孔隙率越大游离瓦斯含量越大，平衡水分抑制煤体瓦斯吸附，平衡水分越大其吸附量越小。如果软分层的瓦斯含量大于硬分层的瓦斯含量，在进行瓦斯抽采效果检验时，软分层是首选检验对象；如果软分层的瓦斯含量不大于硬分层的瓦斯含量，在进行瓦斯抽采效果检验时，软分层和硬分层应同时作为检验对象。

• 采动影响下突出煤层地质异常区域的微震特征规律研究

  朱权洁, 李青松, 张尔辉, 张建, 衡献伟,

  煤与瓦斯突出灾害是当前威胁矿井安全生产最为严重的动力灾害之一，断层等地质异常区域极易诱发该类事故的发生。通过分析采动影响下突出煤层的断层活化力学机制，以贵州某突出矿井掘进巷道为例，利用高精度微震监测系统对掘进过程中的微震时空分布与演化规律进行了研究，分析并获得了采动范围内地质异常区域的微震响应规律。结果表明，工作面掘进期间微震事件群普遍分布于巷道周围，最远可达前方112.8 m、后方91 m；采动引起断层上下盘错动导致岩体内部能量的释放，是断层活化型微震活动的主要原因。通过对采动过程中影响范围内断层的实时监测发现，在与断层区域相距15 m时，该区域微震事件增加，初期以大能量震动信号为主；随着与断层距离的缩小（5 m），微震事件数逐步增加到峰值，并主要聚集于断裂面周围；随着断层形成新的稳定结构，微震活动减弱并逐渐恢复平稳，这时微震事件逐渐减少直至平静。由此可以看出，采动影响下的地质异常区域存在明显的微震响应特征，这为深入分析断层控制型瓦斯突出事故发生机理，实现煤与瓦斯突出的准确预警提供了一种新的思路。

• 断层分形与多重分形特征及其对突出分布的控制作用

  陈鹏, 彭是阳, 王鹏飞, 陈学习, 杨涛, 刘永杰,

  为了定量化研究断层构造分布及演化特征，揭示断层构造分形特征对煤与瓦斯突出的控制作用，以焦作矿区断层体系为研究对象，利用单分形理论分析了焦作矿区断层体系的分形特征，利用多重分形理论分别对不同区域进行了多重分形研究，将单分形与多重分形特征进行了对比分析，绘制了多重分形谱，提取了多重分形特征参数，根据焦作矿区实际发生的突出事故的统计规律，将特征参数与突出分布规律进行对比研究，结果表明：焦作矿区断层体系具有明显的分形特征，分维值较好地反映了断层的复杂程度，分维值呈现分区特征，由凤凰山断层和峪河口分为3个区域，各区分形维数与断层的实际展布形态相吻合；单分形分析仅能反映断层复杂程度，未能反映煤与瓦斯突出分布的不均衡性，焦作矿区断层分布具有多重分形特征，且不同区域的多重分形谱形状具有明显差异性；多重分形谱对称性Δf及谱宽Δα等特征参数综合反映了构造背景、断层组合和运动方式的差异，对称性Δf代表了大概率子集和小概率子集的数目，表征了大、小断层的发育程度，谱宽Δα代表了分形结构概率分布不均匀的程度，表征了断层分布的均匀程度；不同区域断层的多重分形显现存在着必然的瓦斯地质原因，谱宽Δα与各区域瓦斯突出严重程度呈现了很好的对应关系；断层多重分形特点与构造演化过程密切相关，通过对比分析不同区域断层多重分形特征，可挖掘断层构造的演化信息，深入认识断层对突出的控制作用，从而对矿区煤与瓦斯突出危险性进行区域性划分。

• 煤层瓦斯赋存特征及其关键地质因素影响研究

  孔胜利, 杨洋, 贾音, 宋雨晴, 孙田力, 康润平,

  地质构造对瓦斯涌出有着明显的控制作用，以西山煤田屯兰煤矿为研究对象，通过分析煤层埋藏深度、围岩条件、水文地质、煤的变质程度、地质构造等地质因素的影响，发现断层是控制瓦斯赋存的关键因素。根据断层分布特征，将屯兰煤矿分为4个相对独立的地质单元，基于实测数据，分析了各地质单元内断层分布及其组合方式、局部小断层等对瓦斯赋存规律的影响作用，并以屯兰煤矿工作面瓦斯涌出量实测数据进行了验证。结果表明：屯兰煤矿煤层瓦斯赋存主要受埋深与NE方向断层的控制；区域构造对瓦斯赋存影响明显，断层及断层的组合方式使得矿井局部瓦斯含量出现异常；工作面瓦斯涌出量与地质构造存在密切的联系，在靠近大断层和局部小断层时瓦斯涌出量显著增加；地质单元的划分对地质构造复杂的煤与瓦斯突出矿井具有重要意义。

• 煤层冲刷带对瓦斯赋存影响效应及其涌出控制推理

  蔺亚兵, 刘军, 赵雪娇, 蒋同昌, 余智秘, 杨国栋,

  针对近年来煤层冲刷带瓦斯异常涌出，但瓦斯赋存及涌出规律不清的问题，从煤层冲刷带的形成模式和空间形态出发，结合陕西胡家河煤矿和山西新景煤矿采掘过程中遇到的不同类型煤层冲刷带瓦斯赋存和涌出实践，总结分析了煤层冲刷带对煤矿瓦斯赋存和涌出的影响机理。研究表明，当冲刷带顶部和底部存在封闭条件时可形成一定规模游离砂岩气，继承性冲刷带和后生冲刷带规模要大于原生冲刷带。同生冲刷带和后生冲刷带会对煤层开采瓦斯涌出产生影响，其中以后生冲刷带尤为严重。同生冲刷带由于煤层具有统一顶板有利于带状冲刷带砂岩中游离瓦斯赋存，煤矿回采过程中瓦斯涌出量高于两侧正常煤层，但受冲刷规模控制影响有限。后生冲刷带对我国煤矿采掘条件影响较大，煤层冲刷带过渡区是煤与瓦斯突出高发地带。煤层冲刷带过渡区由于岩性组合差异，致使煤层冲刷带过渡区存在剪切力煤层结构破坏，导致煤层冲刷带透气性变差，瓦斯赋存能力增强。采掘至此，工作面中部前方来压，煤层应力增大，加之冲刷带砂体中较高压力的游离瓦斯涌出，从而易在后生冲刷带过渡区发生瓦斯异常涌出。区域构造控制下的地应力场分布和地质历史时期构造运动对煤体结构的破坏为冲刷带瓦斯异常涌出提供了地质基础。鉴于煤层冲刷带对煤矿瓦斯涌出的危害，煤矿采掘前应利用三维地震等方法做好超前探工作并圈定煤层冲刷带，为煤矿瓦斯防治提供地质依据。

• 基于热-流-固耦合效应的地层构造控气特征研究

  叶桢妮, 侯恩科, 段中会, 高阳,

  地质构造控气特征是煤层气开发潜力评价的基础科学问题。为了揭示不同构造类型模式下煤层气分布特征，以郭家河井田一盘区地质构造精细勘查为研究背景，采用三维地震勘查及多属性融合技术方法，获得郭家河井田一盘区地质构造展布特征，并以一盘区1302回采工作面构造形态为案例，建立考虑热-流-固耦合效应的地质构造控气数值计算模型，分析背斜、断层和向斜的轴部/翼部位置附近煤层气密度、压力、温度和渗透率的变化规律，揭示不同构造部位附近煤层气分布特征。研究结果表明：通过建立考虑煤层热-流-固耦合效应的地质构造控气数值模型，得出厚煤层向斜构造轴部位置是煤层气富集区和抽采有利区，构造轴部位置附近煤层气密度、压力、温度和渗透率参量均较高且出现明显的抬升增长趋势；原始地应力对煤层构造挤压应力集中(无逸散通道)位置附近具有煤层气保压优势、无逸散条件下煤层气压力大于106Pa，原始地应力对断层带张拉作用不利于煤层气保压，而断层带为主要的煤层气逸散通道，断层上下盘位置附近煤层气压力变化有明显波动特征；郭家河井田三维地震勘查厚煤层向斜构造共10条，综合考虑井田煤层气含量和构造控气分布特征，得出一盘区1310工作面东部Xn1向斜轴部和1309工作面中部B6背斜翼部为煤层气抽采有利区。

• 地质构造及水动力条件对瓦斯赋存的控制作用

  赵俊山, 陈亮, 李瑞敬, 郭建行, 刘桂凤,

  为了掌握唐家河井田地质构造与水动力条件对瓦斯赋存的影响，基于大量瓦斯参数测试及瓦斯地质资料，深入总结了8号煤层瓦斯赋存区域分布特征，系统分析了地质构造演化、构造应力场及地质构造形态对瓦斯赋存逐级控制作用，采用数据统计和非线性拟合方法定量分析了水动力条件对瓦斯的生气-富集-存储全过程的影响。结果表明：唐家河井田8号煤层东翼瓦斯含量为西翼的1.7倍，且其挥发分小于西翼、镜质组反射率略大于西翼。煤层埋深东翼大于西翼，且与瓦斯涌出量线性相关性较好，其煤层顶板岩性变化较大，西翼则以泥岩为主，相应煤层倾角为西翼的1.5倍，相应煤层厚度及其完整性均强于西翼。研究发现受控于地质构造演化，成煤时期煤层东翼围岩透气性条件较好，并发育有0.2～0.4 m厚的构造煤，煤层埋深整体东深西浅；煤层东翼位于大两会背斜翼部，埋深较深，倾角相对平缓，其构造应力场主要呈现为挤压作用，利于瓦斯保存。成煤时期西翼煤层的水动力活动性较强，导致煤储层古地温略低于东翼，相应煤变质程度稍低，且其煤层完整性相对较差；后期东、西翼瓦斯运移与水流方向相反，分别呈现为水力封堵和水力运移作用，故西翼水动力条件不利于瓦斯的产生及保存。研究发现该井田工作面含水层涌水量与瓦斯涌出量满足对数函数关系，有助于揭示涌水量与瓦斯赋存之间的定量关系。

• 构造煤发育区K1值低指标煤与瓦斯突出原因分析

  张慧杰, 霍中刚, 舒龙勇, 闫志铭, 王晓东, 朱南南,

  工作面突出危险性预测及效果检验是煤与瓦斯突出防治的最后一道“关卡”，预测及效检结果的准确性是突出防治成功与否的关键。针对构造煤发育区“低指标突出”现象频发问题，现场跟踪测试掘进工作面钻屑瓦斯解吸指标K1并采集构造煤及原生煤煤样进行K1指标实验室测试，分析发现相同吸附平衡压力条件下构造煤的K1值明显高于原生煤， K1值与构造煤发育程度关系密切，构造煤越发育，K1值越大。为研究“低指标突出”问题的内在原因，采用恒温瓦斯放散试验对构造煤的瓦斯放散初期特征进行研究，基于试验结果对K1测定结果偏离真实值的技术原因进行分析，结果表明：采用巴雷尔公式计算K1的理论存在局限性；不同钻孔深度及不同结构类型煤体的钻屑混合是K1值测试结果偏离真实值的原因之一；煤样暴露时间越长，K1值测试结果与实际偏离越大。研究成果揭示了构造煤发育区“低指标突出”现象的技术原因，可为煤与瓦斯突出预测技术的改进提供技术支撑。

• 韩城矿区H3井组煤体结构测井反演及三维地质建模

  陈博, 汤达祯, 张玉攀, 李松, 冯鹏, 李宸宇, 刘丁,

  为定量判识煤体结构，研究韩城H3井组煤体结构分布特征，在分析钻井取心资料的基础上，结合不同煤体结构煤层测井响应特征的差异，建立了煤体结构指数N和深侧向视电阻率与微球聚焦电阻率比值R（LLD/MSFL）双参数判识煤体结构的方法。依据该反演模型完成29口井的煤体结构测井解释，厘清煤体结构纵向分布特征。进一步借助Petrel2015地质建模软件，采用随机建模方法实现了煤体结构空间分布特征的三维可视化。结果表明：在5号煤层中，N<40且R<81为Ⅰ类煤（原生-碎裂煤），N<42且82<R<108为Ⅱ类煤（碎裂-碎粒煤），65<N<95且R<95为Ⅲ类煤（碎粒-糜棱煤）；在11号煤层中，N<42且R<70为Ⅰ类煤（原生-碎裂煤），28<N<47且72<R<110为Ⅱ类煤（碎裂-碎粒煤），55<N<89且49<R<99为Ⅲ类煤（碎粒-糜棱煤）。韩城H3井组5号煤层煤体结构主要以Ⅲ类煤和Ⅰ类煤为主，分别占43%和37%，Ⅲ类煤主要分布于研究区东北侧，Ⅰ类煤分布于研究区西侧和东南侧，Ⅱ类煤仅占9.2%，还有少部分夹矸（占10.9%），厚度较薄；11号煤层煤体结构主要以Ⅰ类煤为主，约占62%，厚度较厚，Ⅱ类煤和Ⅲ类煤较少，各占20.6%和12.1%，其中Ⅱ类煤主要分布于研究区东部，Ⅲ类煤主要分布于研究区中部，二者厚度较薄，夹矸相对较少（占5.5%）。总体来看韩城H3井组5号煤层较11号煤层受构造影响大，煤体破碎严重，构造煤发育，对煤层气开采不利。

• 中高煤阶煤层煤体结构识别测井法适用性评价研究

  梅放, 康永尚, 李喆, 邓泽, 王伟洪, 顾骄杨,

  煤体结构对煤储层渗透率有重要影响，渗透率是煤层气勘探开发中的一个核心参数，而测井方法在大量煤层气区块煤体结构识别中得到应用，但尚处于探索阶段。分析研究了前人在不同煤层气区块煤体结构识别中使用的测井参数组合和针对不同煤体结构的测井参数数值，将这些区块按煤岩的镜质组最大反射率平均Ro,max划分为中煤阶区块（0.65%1.90%)，基于对前人成果中各测井方法使用情况的统计和对成果中测井参数与煤体结构相关性的分析，探讨不同测井方法在中煤阶煤层和高煤阶煤层的适用性。结果表明：井径测井在中煤阶煤层和高煤阶煤层均适用，自然伽马测井在此2类煤层中均具有参考作用,电阻率测井、声波时差测井和密度测井在此2类煤层中的应用效果差别较大，补偿中子测井在2类煤阶煤层均不适用；因中煤阶煤岩与高煤阶煤岩力学强度差异造成其对外力的变形差异和不同测井参数的敏感性差异，导致不同测井方法对不同煤阶煤层的适用性存在差异。在中煤阶煤层煤体结构识别中，建议以井径测井和电阻率测井作为主要识别方法，以声波时差测井和自然伽马测井作为次要识别方法；在高煤阶煤层煤体结构识别中，建议以井径测井、自然伽马测井和密度测井作为主要识别方法。

• 动压巷道区段煤柱合理留设宽度研究

  石崇, 杨文坤, 沈俊良, 金成, 刘苏乐,

  为了确定受工作面采动压影响下的区段煤柱尺寸，提高煤炭资源采出率，以付村煤矿3上403，405巷道为背景，采用理论计算和数值模拟的方法，建立了考虑中间主应力影响的三维离散元模型，探讨了支护参数优化后煤柱宽度分别为3、5、7、9、11 m下的巷道围岩变形和支承压力分布规律。研究结果表明：理论计算得到煤柱留设尺寸应为3.25～3.85 m；数值分析显示沿空侧煤帮变形量随煤柱的宽度的增加先减小后增大再减小，在煤柱宽度为5 m时达到最小值；煤柱内的支承压力均呈单峰分布且峰值大小且随煤柱宽度的增大而增大，煤柱宽度小于5 m时峰值应力小于原岩应力；动压巷道可以留设在距离煤帮0～6 m的应力降低区内，区段保护煤柱最优宽度为3.0～5.0 m。经现场实践，在高预应力让压锚杆支护体系下留设3 m煤柱，取得了良好的围岩控制效果，为类似情况下合理煤柱宽度的选择提供参考。

• 复采巷道过破碎顶板区钢梁支护研究

  何峰, 王振伟, 于洋, 张胜云, 周玉龙, 张小康,

  为了解决复采巷道掘进时频繁过空巷和破碎顶板区巷道支护的难题，采用理论分析、数值计算和现场实测相结合的方法，通过分析“破碎顶板-工字钢梁”相互作用机理，建立2种梯形棚梁力学计算模型，研究了复采残采松软破碎围岩梯形棚被动支护强度确定问题；并根据梯形巷道几何参数及覆岩力学参数，计算不同棚梁跨长不同棚距下顶板压力值并与工字钢梁最大支护载荷进行比较；对复采巷道过实体煤和破碎顶板区围岩控制平面应变力学模型进行数值计算。结果表明：将梯形棚立柱和顶梁简化成简支压弯构件模型，更符合实际；当棚梁跨长为3.2 m，单梁最大允许棚距为0.7 m；巷道顶板压力小于梯形棚梁抗拉强度和屈服强度，可满足复采掘进巷道支护要求。研究为复采矿井破碎顶板工字钢梯形棚支护方案确定提供理论依据。

• 褶曲构造内陷落柱形成机理及巷道支护技术

  史苗壮, 石永生, 赵辉, 张开加,

  为了确保长平煤矿43211、43212巷安全快速地通过陷落柱，同时保证后期回采过程中破碎带巷道围岩的稳定，在分析矿井褶曲构造内陷落柱的形成机理、数值仿真原始应力状态的基础上，提出了前期须锚网带与架棚主被动联合支护、中期须注浆加固围岩、后期巩固围岩强度的支护措施。研究结果表明：溶洞形成后，原岩应力发生变化，由于不同层位的岩层受张力与挤压力作用，背斜构造陷落柱截面呈正楔形，而向斜构造中陷落柱形状则反之；正楔形陷落柱在正常岩层边界产生局部应力集中，柱体内垂直应力整体呈低应力状态，柱体内水平应力小于正常岩层应力；现场初期支护使用主被动联合支护措施作用于应力集中带，中期取合理注浆滞后时间20 d，采取深部、浅部混合注浆模式，后期为了防止外载荷的扰动进一步巩固围岩强度，采用架棚支护提高柱体影响带强度，矿压监测围岩状态稳定。

• 淮南矿区岩巷钻爆法掘进速度影响分析及应用

  张召冉, 宋娇娇,

  针对淮南矿区岩巷掘进速度偏低问题，基于系统理论和解析结构模型对岩巷掘进速度影响因子展开研究。建立了钻爆法掘进三级影响因子指标体系（一级8个，二级39个、三级72个），得到了系统内部的影响因子的系统分析关系图和递阶因子链，利用解析结构模型对淮南岩巷钻爆法掘进速度影响因子进行分析，发现影响因子可分为表层、中层和深层3个层级，其中爆破技术、支护技术、凿岩机具、管理制度健全与执行4个方面对掘进速度影响最显著，范围最广。应用效果表明，采取针对性措施后，淮南矿区岩巷掘进速度显著提高，岩巷钻爆法掘进速度最高达到270 m/月，说明应用解析结构模型的因子分析结果可为提高岩巷掘进速度提供指导。

• 断层带承压水导升模拟试验系统研制与应用

  史莉红, 武守鑫, 刘冲, 安羽枫, 王金龙, 张宏伟, 张卫强,

  在相似材料试验方面对断层带承压水导升高度数据的采集缺乏有效的监测手段，因此仅从应力变化、裂隙扩展2个角度去研究断层的活化突水规律缺乏一定的系统性。为研究工作面推进过程中断层带的活化特性及注浆工艺对断层突水行为的影响，以新元煤矿的地质条件为背景，运用二维相似材料试验平台和自制的承压水导升系统，对注浆前后工作面推进过程中断层带及附近岩层的应力演化规律、裂隙发育规律、承压水导升特性进行了系统研究。研究结果表明：承压水导升系统不仅使得含水层对底板岩体的力学效用得以表征，且实现了采动过程中水流导升高度数据的连续采集；在工作面推进过程中底板岩体会先后经历采前压缩、采后膨胀、应力恢复3个基本阶段，断层带的“屏障”作用会造成其邻近区域内底板应力集中，破坏区范围加大；随着防水煤柱尺寸的减小，断层带及两盘灰岩含水层受采动应力的扰动越加明显，当煤柱尺寸缩减到小于30 cm后，断层带下盘区域离层量陡〖JP2〗增，并且对盘三灰～四灰含水层中原先被浆液封堵的裂隙再次张开；断层带内承压水的导升高度与煤柱尺寸宽度密切相关，注浆工艺有效保证了煤柱尺寸在从36 cm减到30 cm的过程中，水流高度一直保持在9.6 cm，但是工作面在30 cm宽煤柱的基础上再向前推进时断层带内承压水的高度又会急速递增。

• 深部沿空留巷顶板变形破坏规律及其控制研究

  刘具, 何瑞敏, 杨朋, 汤家轩, 吴建华, 孔德明,

  为解决深部沿空留巷顶板变形剧烈问题，采用FLAC3D数值模拟与工程验证相结合的方法，研究了顾桥煤矿1115工作面轨道巷基本顶从掘进到二次采动超前影响阶段运动演化规律。结果表明：①顶板变形在掘进阶段呈对称分布，一次采动超前影响阶段出现向工作面侧旋转的偏态特征，顶板下沉曲线交点的斜率为7.25×10-4，留巷阶段顶板向采空侧回转下沉，此时的交点斜率增长了6倍，偏态效应显著加强，二次采动超前影响阶段顶板下沉曲线交点的斜率比留巷期间增长了3.2倍，偏态效应有所增加，但以平移下沉为主；②顶板变形量随着留巷进行逐渐增加，掘进期间巷道顶板最大下沉量为69.2 mm。以后每阶段较前一阶段变形量增长了0.99倍、0.82倍和2.13倍，可见沿空留巷顶板变形逐渐剧烈，支护难度显著增加，应统筹对沿空留巷进行支护设计；③提出了保证直接顶完整、各阶段逐级强化和减弱顶板变形偏态现象的深部沿空留巷顶板控制原则，经工程验证可实现消弱深部沿空留巷顶板剧烈变形。

• 浅埋极近距离采空区下工作面矿压显现规律研究

  付兴, 王鑫, 苏志刚, 张宏伟, 周坤友, 霍丙杰,

  针对同一浅埋工作面同时存在极近距离采空区下和实体煤岩下的具体工程条件，运用理论分析和现场实测方法研究了极近距离采空区下工作面矿压显现特征，并与相同地质条件单一工作面矿压显现规律进行了对比分析。研究结果表明：在上覆已破断关键层形成的平衡“砌体梁”结构与下煤层距离较近情况下，工作面覆岩更易失稳，来压频繁且来压强度较高；相对于实体煤岩下，采空下工作面来压步距均值变小，降幅平均为19%，且在走向方向上变化幅度较大，没有明显的规律性和周期性，来压强度整体增大，增幅平均为6%，而动载系数又有所降低；采空区下工作面较实体煤岩下超前影响范围增大，支承压力峰值点距工作面距离基本不变，峰值强度和深处稳定煤体应力值均明显降低。采空下工作面回采过程中应加强顶板管理和矿压观测，及时采取相应措施，确保安全生产。

• 透明工作面的概念、架构与关键技术

  王存飞, 荣耀,

  为了提升工作面开采的自动化智能化程度，根据工作面开采自动化、智能化的发展趋势，针对一些煤矿企业在自动化智能化工作面建设过程中存在的待采区信息不明、生产过程决策缺乏足够客观数据依据等问题，探讨了基于物联网、虚拟现实等新型技术的透明工作面概念、4层技术架构及其建设意义。在分析煤矿企业自动化智能化开采特殊要求的基础上，提出了透明工作面建设的4层全域模型。从智能应用层、信息层、传输层与感知层4个层次对整个透明工作面的架构进行了设计，并分别对透明工作面建设的全域模型及其建设过程中所需的激光扫描、地质勘探、惯导、工况传感、虚拟现实等关键技术进行了详细描述。最后对透明工作面建设中感知技术瓶颈制约高层智能应用发展的现状与挑战进行了总结，结果表明，基于物联网与虚拟现实技术架构的透明工作面模型，对煤矿企业工作面开采的自动化与智能化建设具有一定的指导意义和参考价值。

• 基于物联网的煤矿粉尘监测云服务平台设计

  郑林江, 周龙辉, 王杰, 李戬, 黄靖,

  针对煤矿粉尘现有检测手段时效性差、人为抽检易失实、不能连续监测等问题，引入物联网和云计算技术，设计并实现了基于物联网的煤矿粉尘监测云服务平台。平台通过集成一体化粉尘监测智能终端、实时粉尘数据采集与传输、粉尘大数据存储与管理、以及应用服务，形成了一种煤矿粉尘监测云服务模式，构建了粉尘大数据中心，提出了粉尘监测云服务应用。通过开发的平台，多级监管部门、企业和作业工人能够实时监测粉尘状态，达成扁平化、非现场实时连续监管的目的，从而提升了整个行业职业病危害监管服务水平。

• 基于静电感应的小粒径粉尘浓度测量装置优化研究

  刘丹丹, 景明明, 汤春瑞, 李德文,

  为了解决现有煤矿粉尘浓度测量装置对小粒径粉尘浓度检测不准确的问题，基于文丘里效应与卡门涡街效应对现有测量装置的管道进行优化设计，提出了在文丘里管道的喉道段加入具有水平距离差的前气鞘与后气鞘。利用Gambit2.4软件建立改进装置的结构模型，通过Fluent6.3软件进行模型的仿真。获得粒子不同粒径下的相应速度云图，进而读取了速度值，通过MATLAB软件计算相关静电感应量。仿真结果表明：对比项目组研究的文式管，改进装置的总体静电感应量提高了12%；当粉尘粒径低于10 μm时，在2种测量装置的感应电荷量对比中，小粒径粉尘所带的静电感应量最为明显，提高18%。对于设计小粒径粉尘浓度测量装置具有参考意义。

• 碟盘刀具上刀齿切削煤岩的载荷特性研究

  刘春生, 刘延婷, 徐玉芸, 袁昊, 李德根,

  为探求碟盘刀具切削煤岩载荷规律和高效破碎煤岩机构特性评价方法，采用碟盘刀具结构简化处理方法，以一个刀齿作为等效分析单元，在载荷理论模型构建中，给出了等效切削厚度的概念和算法，以数值模拟、试验和理论方法获取了刀齿切削煤岩的载荷曲线，探讨轴向振动径向切削煤岩载荷特性和对比特征。结果表明：刀齿径向切削数值模拟、试验和理论载荷随楔面角的变化规律是吻合的，验证了刀齿径向切削煤岩力学模型的正确性，其理论径向载荷与试验最大值和平均值分别减小5%和增大14%，轴向载荷均值理论与试验均值减小19.5%，轴向载荷方向呈现正负的变化，当完全楔入煤岩中，轴向载荷方向呈现由向下变为向上的变化规律。类比分析了刀齿轴向向上振动与径向复合切削，其径向载荷理论值比径向切削试验均值减少了约32%，而轴向载荷比试验均值减少了约27%。碟盘刀具轴向振动径向复合切削方法破碎煤岩特性的研究，为研制硬岩破碎机构提供技术参考。

• 钻柱振动录井技术的时频分析方法研究

  刘金锁, 刘盛东, 张维鑫, 金标, 呼邦兵,

  钻头破岩时信号往往是一种非平稳、非线性的信号。为提取破岩时的有效信号，采用钻柱振动录井技术，通过在钻头后安装三分量加速度传感器采集破岩时的振动信号；分别采用短时傅里叶变换、小波变换、Hilbert-Huang变换等不同的时频分析方法，对数值模拟信号处理分析，以对比各种分析方法在时间分辨率、频率分辨率等方面的优缺点。通过比较不同的时频分析方法特点，采用短时傅里叶变换对贵州某矿的实采数据处理分析，结合时频信号在不同位置的特征来确定钻进过程中岩性变化的位置以及钻机不同工作状态的改变。研究结果表明：破岩较破煤时，200 Hz以下能量比破煤的能量强5倍以上，400 Hz和800 Hz位置能量较破煤时更明显，破岩仍具有很强能量，破煤只能在对应位置看到极少量能量，800 Hz以上破煤就无能量。钻机旋转未破岩在200 Hz和400 Hz都有很少能量，能量值不足破岩和破煤时的百分之一，钻机在水平进退钻时只存在10Hz以下原有钻机工作的固有低频。 钻柱振动录井技术対岩性划分和钻机工作状态的确定可为实际矿井钻探提供有力技术支撑。

• CO2近零排放的煤气化燃料电池发电技术及挑战

  董斌琦, 李初福, 刘长磊, 黄斌, 王琦, 范为鹏, 李萍萍,

  煤气化燃料电池发电（IGFC）是一种新型煤电技术，可大幅提高煤电效率，实现CO2及污染物近零排放。介绍了IGFC技术原理、优势及现状，调研了高温燃料电池的国内外进展，并介绍了正在开展的国家重点研发计划IGFC项目情况。利用Aspen软件建立合成气燃料电池发电系统模型，对即将开展的MWth级IGFC示范系统进行模拟和分析，并与天然气燃料电池发电系统进行比较。同时根据目前研究进展情况，总结了CO2近零排放的IGFC系统主要的技术挑战，包括电堆开发、多堆模块设计、尾气燃烧、热量回收和系统控制等方面，为后续MWth级IGFC系统开发及示范提供方向指导。

• 大采高智能化工作面液压支架自动跟机控制技术研究

  雷照源, 姚一龙, 李磊, 肖曲, 李川, 曹哲,

  大采高工作面支护作为安全高效开采的核心，伴随智能化工作面不断的实践探索，液压支架的时-空运动、支护效果更是首要条件，因此对液压支架在智能化工作面的应用进行了研究，以陕西黄陵二号煤矿有限公司416大采高智能化工作面为背景。通过地质条件分析、支架与围岩关系、理论分析、生产工艺等，最终确定选用国产ZY10800/28/63D型掩护式液压支架。基于对智能化元件的逻辑，支架时-空运动指标分析、调试，优化支架SAC系统的时间属性。完成了SAC系统与采煤机、刮板输送机的自动根机拉架和自动成组推溜作业等主要动作，形成统液压支架群组的自组织协同控制方法。液压支架的协调控制实现了工作面的智能开采。建立了符合矿井工作面的液压支架智能化标准，有效地保证了大采高智能化工作面“和谐-安全-高效”生产。

• 基于摄影测量视觉方法矿山相似模拟试验自动监测研究

  张春森, 景啸宇, 曹建涛, 骆希娟,

  为解决矿山相似模拟试验过程中测量自动化程度低、计算复杂、精度差等问题，提出了一种基于摄影测量计算机视觉方法，实现矿山相似材料模型自动监测的方法,该方法通过设计编码标志，实现对模型监测点的自动识别。鉴于矿山相似材料模型多为平面模型的事实，给出通过计算机视觉单应矩阵变换和基于物方的聚类匹配，实现对相似模拟模型自动变形观测,通过某大倾角厚煤层走向长壁综放相似模拟试验，验证了该方法的有效性。结果表明：所给方法除自动化程度高外，测量结果与全站仪所测监测点的平面精度相差0.001 m左右,所测位移场的下沉与水平移动均与实际变形情况一致，满足矿山岩层和地表移动相似模拟试验测量要求。

• 工作面推进速度对地表沉陷动态变形影响研究

  贾新果, 宋桂军, 陈凯,

  为了解决地表建构筑物受动态沉陷变形影响的保护问题，揭示地表沉陷移动过程中地表动态变形规律，整理统计了东胜矿区10余个地表岩移观测站实测数据，在此基础上建立了考虑工作面不同推进速度(2.5～20.0 m/d)的6个数值分析模型，分析总结了地表动态移动变形特征和规律。研究结果表明：地表移动时间、地表移动活跃期与工作面采深、推进速度之比存在线性关系；地表最大下沉速度与工作面推进速度和最大下沉量乘积的平方成正比，与采深的平方成反比；地表动态变形峰值与地表最终最大变形值的比值和工作面推进速度与主要影响半径的比值符合指数函数的关系；通过受护建构筑物地表临界变形值和地表变形参数建立了工作面安全推进速度计算模型，该计算模型可计算工作面最小推进速度。并以高压线塔下压煤安全开采为例，给出了工作面安全推进速度，实例验证了作者建立的工作面安全推进速度计算模型是有效的，为地表建构筑物的有效保护提供了技术依据。

• Rayleigh型槽波垂直分量探测的应用研究

  赵朋朋,

  在目前的槽波地震勘探中，Love型槽波被广泛应用，从施工和数据处理等环节分析发现，Love型槽波在勘探过程中存在一定的局限性，而Rayleigh型槽波的垂直分量（即z分量）相对于Love型槽波具有一定优势，可以运用于槽波勘探。为了研究Rayleigh型槽波比Love型槽波在勘探中的优越性，利用广义Snell定律并经理论计算证明，Rayleigh型槽波在通常情况下是存在的，基阶Rayleigh型槽波z分量的能量在煤层中央位置最强，且不受接收角度的影响，再通过使用二维数值模拟分析，Rayleigh型槽波在煤层中的传播规律以及能量分布规律，发现基阶的Rayleigh型槽波发育良好，煤层中央位置能量最强，与之前理论分析吻合。最后进行了槽波透射勘探和反射勘探的应用试验，数据处理时运用Rayleigh型槽波的处理方法，取得了良好的探测效果。研究结果表明：Rayleigh型槽波通常都存在，因炸药震源激发的弹性波以P波为主，Rayleigh型槽波z分量能量较Love型槽波更强，所以Rayleigh型槽波更适合槽波勘探，具体表现在勘探施工时相对于Love型槽波具有施工效率高，设备轻便的优势，施工时间可以缩短至之前的1/3甚至1/6；在数据处理阶段免去两分量记录旋转操作，简化了流程提高了处理精度。

• 高煤阶煤层气水平井和直井耦合降压开发技术研究

  鲁秀芹, 杨延辉, 周睿, 丁瑞霞, 周秋成, 张晨, 周智,

  高煤阶煤层气低产低效区的普遍存在，已成为制约我国煤层气产业发展的主要瓶颈之一，为此，以山西沁水盆地郑庄区块开发为例，通过综合运用动态分析和数值模拟技术，对合理的开发技术进行了研究。针对该区块井距偏大，单井实际动用储量低，不能实现井间协同降压导致低产的问题，利用水平井开发煤层气的技术优势，创新地提出了水平井耦合降压盘活直井技术，通过分支井眼与直井压裂裂缝的相互交错串接，使煤储层裂隙间畅通，大幅提高了裂隙的导流能力，实现水平井和直井井间耦合降压，盘活低效区。研究结果表明：该技术在郑庄区块试验取得了显著的开发效果，4口加密水平井平均单井日产气4 849 m3/d，产气量稳定，盘活邻井平均单井日增气量580 m3/d，提高了区域的储量动用程度和采出程度，因此建议在高煤阶煤层气低效区块广泛推广，可以有效提高地质储量的采出程度，整体盘活低效老井。

• 六盘水煤田杨梅树向斜主要煤层孔隙结构特征研究

  李惠, 王福国, 李振, 刘亚然, 刘瑞国, 毕彩芹, 单衍胜,

  为查明六盘水煤田杨梅树向斜上二叠统主要煤层孔隙结构特征，对其进行系统采样，基于压汞、低温液氮吸附试验分析了煤层孔隙发育特征及影响因素，并初步优选有利层段。结果表明：压汞测试各煤层以小孔、微孔为主，且微孔比表面积占绝对优势；低温液氮测试多数煤层以小孔、中孔为主，比表面积占比以微孔、小孔最大；压汞曲线和吸附回线均可划分为3种类型，分别代表一定的孔隙形态和连通性；大致以镜质体反射率Ro,max=1.65%为界，压汞测得孔容和比表面积随煤级先升后降，与无机组分和干燥基灰分含量呈负相关，而Barrett-Joyner-Halenda（BJH）孔容和Branauer-Emmett-Teller（BET）比表面积与各影响因素的关系呈正相关，2种试验结果与镜质组含量关系均不明显。经对比分析认为5-2、5-3、13-1、33、34号煤层具有煤层气开发的孔隙条件。

• 新疆淖毛湖煤直接加氢液化特性的研究

  赵鹏,

  为获得新疆东疆地区丰富煤炭资源合理高效利用的途径，分析了新疆淖毛湖煤的煤质特点，进行了新疆淖毛湖煤直接加氢液化特性的研究。以新疆淖毛湖煤和四氢萘为原料，在2 L高压釜中进行加氢液化试验，考察了反应温度、反应压力、停留时间以及催化剂对氢耗率、气产率、转化率、油产率和沥青类物质产率的影响规律。结果表明，新疆淖毛湖煤具有高挥发分，高镜质组含量和高氢碳比的煤质特征，特别是加氢液化的活性组分高达96.4%；420 ℃，15 MPa和60 min的反应条件下，煤的转化率可达93%，油产率65%，是一种直接加氢液化的优质原料。直接加氢液化过程中，普通铁系催化剂的添加体系有利于<350 ℃轻质馏分油生成，气产率，水产率和氢耗率均呈现小幅增加；420 ℃前后的2段反应温区，温度变化对液化效果及产物分布影响呈现显著差异；反应压力对转化率和油产率的影响缓和，高氢压有利于沥青类物质向油和气转化，也有利于<350 ℃液化轻质馏分油生成；30 min，淖毛湖煤呈现出良好的液化效果和反应性能，60 min，有利于沥青类物质向气和<350 ℃的轻质馏分油转化，停留时间进一步延长将引发沥青类物质的缩聚反应和液化油的过度加氢，导致油产率降低。淖毛湖煤直接加氢液化特性的研究为淖毛湖煤加氢液化工艺放大研究提供了基础数据，也为新疆立足本区资源优势，促进经济发展提供了技术参考。

• 龙泉煤层气田产甲烷菌群富集的厌氧产气中试研究

  魏国琴, 何环, 王江泽, 韩作颖, 牛江露, 陶鲲鹏,

  为探讨龙泉煤层气田产甲烷菌群降解烟煤产甲烷的潜力，研究富集并驯化了龙泉煤层气田产甲烷菌群；以龙泉矿烟煤为母质，开展产甲烷菌群降解煤产气的实验室研究以及中试研究。结果表明，龙泉煤层产甲烷菌群经富集驯化后，降解烟煤产甲烷的浓度由8.2%上升至19%，且产气周期缩短。中试试验中，产甲烷浓度最高达27.06%，产甲烷速率达0.159 mL/(g·d)；且在中试发酵产气的衰退期，向发酵罐内添加酵母粉、氮源、磷盐、镁盐、维生素、微量元素，可重新激活产甲烷菌群的活性，使其降解烟煤产甲烷的浓度回升。由此可见，富集驯化龙泉煤层产甲烷菌群可显著提高其降解烟煤产甲烷的能力；在发酵产气衰退期补加营养物质，可以活化产甲烷菌群，恢复其降解烟煤产甲烷的能力。

• 半焦点火特征时间的试验研究

  倪文婧,

  为了设计符合半焦燃烧特性的燃烧系统，在保证其系统安全性的前提，进一步提高其能源利用效率，通过新型高频振荡单分散煤粉给粉器，结合多元扩散火焰燃烧器技术，并配合煤粉全辐射信号分析试验方法，研究了温度和含氧量变化对半焦颗粒着火特性的影响。试验结果表明：当选择归一化信号强度0.1作为点火点时，半焦的特征点火时间在10 ms量级；增加环境温度会加快半焦表面的化学反应速率，从而缩短半焦的点火时间，1 800 K时的点火时间小于1 200 K约4 ms；增加同样会缩短半焦的点火时间，氧气浓度为0.1时的点火时间较0.2时降低了约2 ms；由于点火特征时间改变带来的燃烧器特征尺寸变化约为0.15 m。

• 厚覆基岩下煤层开采突水溃砂机理研究

  彭涛, 冯西会, 龙良良, 王英, 牛超, 刘英锋,

  为了揭示较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂灾害的形成机理，以照金煤矿突水溃砂事故为例，结合最新补勘地质资料，从导水通道、充水水源、物源、储水空间、动力源和地质构造等多方面对该类型灾害机制进行综合分析。研究结果表明：在采动条件影响下，富水性弱～中等的洛河组含水层也可能发生破坏极大的水害事故；较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂的发生并非单一因素造成，而是由多个因素相互作用最终造成水砂混合流运移和突溃的现象；照金矿202工作面综放开采产生的导水裂隙带导通洛河组含水层，水进入宜君组与直罗组之间的离层空腔，随着积水量增加，渗入煤系含水层和古河床相松散体中形成似泥石流体，并会沿工作面切落形成的集中通道瞬间溃入工作面，导致煤层顶板上覆较厚基岩发生突水溃砂。

• 基于动静应力分析的复杂工作面冲击危险评价

  贺虎, 郑有雷, 张雄, 吴修光, 桂兵,

  为在回采前定量评价复杂条件工作面冲击危险等级及划分冲击危险区域，基于冲击矿压发生的动静叠加诱冲原理，以济宁三号煤矿复杂条件工作面为工程背景，提出了基于动静应力分析的冲击危险评价方法。实验室试验研究表明，煤体动力破坏的临界应力与煤的单轴抗压强度密切相关，根据煤体单轴抗压强度，确定了济宁三号煤矿复杂工作面冲击临界应力为70 MPa。采用FLAC3D数值软件，研究了工作面原岩应力与采动支承压力分布规律，得到了静载应力分布曲线。探讨了工作面过断层期间的应力演化规律，根据断层至工作面的距离，将采动作用下断层附近支承压力对冲击影响程度分为4级，即小于10 m时为塑性变形区，10～20 m为冲击弹性区，20～50 m为应力叠加区，大于50 m为原始应力区。采用理论分析，计算了坚硬顶板破断来压的能量释放规律，工作面基本顶破断步距在50 m时，释放能量达到105J，对应动载应力为10 MPa。基于动静载应力水平，给出了冲击危险等级评价与划分标准，将冲击危险性分为4级，动静载最大叠加应力小于50 MPa为无冲击危险；50～70 MPa为弱冲击危险；70～105 MPa为中等冲击危险，大于105 MPa为强冲击危险。对123下04工作面冲击危险进行了评价与分区，与现场微震监测结果具有较高的一致性，为工作面的安全回采提供了支持。

• 榆社－武乡区块煤储层孔隙结构特征及其影响因素

  黄婷, 刘正,

  为研究低孔低渗煤储层制约煤层气井高产的原因，以沁水盆地中东部榆社-武乡区块山西组和太原组煤储层为研究对象，采用扫描电镜电子成像技术和低温液氮吸附试验分析方法，研究探讨了煤储层孔隙结构特征及其影响因素。结果表明：研究区煤储层纳米级孔隙多发育在镜质组中，少数发育在惰质组中，以变质成因孔最为常见，亦发育原生孔和矿物质孔；孔隙形态以墨水瓶形孔和狭缝形孔为主；煤储层平均比表面积1.3429m2/g，平均孔容0.125px3/g，平均孔径15.7442nm，孔隙系统渗流能力较差。随着变质程度加深和镜质组百分含量增加，比表面积呈现出简单的递增趋势；而孔容、孔径最重要的影响因素为煤体结构，碎裂煤的孔容和孔径要明显高于原生结构煤。