煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2020年第2期

• 我国煤矿粉尘防治理论与技术20年研究进展与展望

  程卫民, 周刚, 陈连军, 王刚, 聂文, 张清涛,

  近年来，随着矿井开采机械化、自动化、智能化水平日益提高，作业环境粉尘污染日益严重。为了进一步提高矿井清洁化生产水平，推动煤矿安全保障能力和职业健康水平，分析了我国煤矿粉尘防治的研究现状，总结了20年来粉尘防治理论及技术取得的成果，并提出了未来发展方向。全面阐述了现有的防尘基础理论，主要包括：粉尘弥散污染规律、粉尘微观润湿理论、尘雾凝并湿式除尘理论、湿式喷射混凝土除尘理论。基于上述理论，国内高校、科研院所研发了综采工作面局部雾化封闭与空气幕隔离、综掘工作面风雾双幕协同增效、煤层注水强渗-增润、矿山湿（潮）喷作业系统、高效环保抑尘剂等不同尘源控除尘技术工艺。同时针对现有研究的不足，在智能化防尘、煤层注水减尘、采掘作业环境降尘、抑尘材料等4个方面给出了下步研究展望。研究与实践表明，我国煤矿已经初步形成了粉尘防治的理论和技术体系，未来要以智能化防尘为抓手,实现粉尘高精度传感—输—评估预警，开发集雾化除尘、干式、干湿混合式、小型化、吸风量大等于一体的组合式除尘器,实现综掘工作面、综采工作面等广域复杂空间微细粉尘高效通风控除尘技术与装备体系；同时，在低渗煤层水力强渗-增润技术、智能化防尘机器人、化学抑尘等技术与装备方面实现突破。以此来实现矿山粉尘的分源高效治理，提升矿井的清洁化生产水平。

• 矿用预应力钢棒力学性能试验研究

  吴拥政, 吴建星,

  预应力钢棒具有预紧力等级高、延伸率高、受力状态好等优点，越来越广泛地应用于煤矿巷道支护工程中。为了进一步探究矿用预应力钢棒材料力学性能，在实验室进行了矿用预应力钢棒拉伸试验、金相组织分析、冲击韧性测试、预应力损失试验、偏载试验、安装推进阻力试验及配套锁具性能试验。结果表明：直径20 mm矿用预应力钢棒拉伸时极限承载能力为422 kN，与直径20 mm牌号HRB335锚杆杆体相比，增幅达176%，断后伸长率平均为13.3%，为锚索断后伸长率的2.4倍，断后呈杯锥状断口；钢棒拉断前后冲击吸收功分别为46 J和23.3 J，材料组织结构为回火索氏体，晶粒度为9.5和8.5，属于超细晶粒度；受力长度为1 230 mm和1 500 mm时，预应力损失为38.37%，和36.74%，随着载荷的加大，预紧力损失率减小；受力长度的增加，钢棒预紧力损失率减小；偏载角度为5°、10°、15°、20°及25°时，极限承载能力降幅分别为18.3%、22.5%、26.4%、26.9%及27.5%；采用28 mm钻孔时，直径18 mm和直径20 mm钢棒平均最大推进阻力分别为179 N和453 N，两者相差274 N，但两者推进均比较容易；预应力钢棒锚具平均承载能力为398.2 kN，锚环与夹片的洛氏硬度分别为27.78和58.39，能够满足国标和钢棒材料力学性能要求。

• 特厚煤层超前采动原位应力演化规律研究

  高明忠, 刘军军, 林文明, 邓光迪, 彭高友, 李聪, 何志强,

  特厚煤层超前采动应力演化规律是顶板控制的基础，但目前缺乏现场采动过程应力演化的研究成果。依托同煤集团同忻矿8309工作面，进行了特厚煤层采动应力演化规律原位实测研究。现场试验结果表明：随着工作面推进，前方煤岩扰动强度不断增大，支承压力由原岩应力逐渐上升至峰值强度，然后随着煤岩的破坏开始下降至残余强度；侧向水平应力则呈现出阶段性稳态降低的趋势。根据支撑压力规律，工作面前方煤岩具有扰动分区化特征：该实验点工作面前方200 m以上为未扰动区域；工作面前方100～200 m为弱扰动区域；工作面前方50～100 m为强扰动区域；工作面前方50 m以内为剧烈扰动区域，结合工作面前方不同区域扰动强度提出了针对性的分区支护措施建议。研究成果可为室内开展扰动应力路径加卸载试验和特厚煤层现场安全高效开采提供指导。

• 褶皱构造对深井采动应力演化的控制规律研究

  陆菜平, 张修峰, 肖自义, 王 超, 王保齐, 周 涛, 李欢, 贺志龙,

  针对褶皱构造引起的采场应力异常及采场动力灾害问题,采用FLAC3D数值模拟的方法，研究了褶皱区域煤层开采过程中的应力演化规律，分析了褶皱区域不同位置工作面煤岩应力分布特征。研究结果表明：受上覆岩层和水平挤压作用形成的皱褶，背斜与向斜轴部水平应力集中，其中背斜与向斜内弧压应力集中，外弧拉应力集中；在褶皱中回采时，水平应力起主要控制作用，工作面接近背斜轴部时，顶板岩层稳定性逐渐降低，而底板岩层稳定性逐渐升高；工作面在背斜与向斜之间推进时，自背斜轴部仰采推进时煤壁前方应力更低，回采更安全。赵楼煤矿千米埋深的7301工作面在褶皱中推进时，俯采接近向斜轴部时微震日平均能量增大，仰采推进至背斜轴部时发生工作面煤壁片帮，顶板破碎、垮落等现象，现场观测与模拟分析结果较为吻合。研究结果对采场褶皱区安全开采具有一定的指导意义。

• 软岩巷道围岩卸荷破坏力学模型及影响因素分析

  欧阳振华, 彭瑞, 张同俊, 唐忠义, 赵启峰, 朱建明,

  为了研究深部软岩巷道开挖卸荷作用下的力学响应量及大变形失稳机理，基于统一强度准则和岩石三线段力学模型，建立了巷道围岩开挖卸荷力学模型，依据巷道开挖后围岩次生切向应力、等效剪应力分布特征，将围岩力学结构划分为浅承载圈、深承载圈、自稳承载圈、主承载圈和关键承载圈，通过理论分析，求解得到软岩巷道开挖后次生应力场、位移场以及软化区与破碎区范围解析解，结合某软岩工程相关力学参数，分析了巷道开挖卸压作用下围岩屈服应力，围岩破裂区、软化区影响范围以及围岩承载结构的影响因素。研究表明：围岩屈服应力随着初始黏聚力和内摩擦角的减小以及掘进速度的增大而减小，围岩越容易达到屈服发生破坏；围岩软化区范围与围岩初始力学参数相关，初始黏聚力越大的围岩，围岩软化区范围减小；破碎区范围随着黏聚力软化模量、剪胀角、掘进速度以及支护结构间排距等的增加而增大；主承载圈和关键承载圈的范围、径向应力和轴向应力的峰值随着围岩软化程度的增加而增大，且向巷道深部转移。

• 采动条件下褶皱构造区不均匀应力场演化特征研究

  王宏伟, 邓代新, 江灿, 石瑞明, 闫鑫,

  褶皱作为地壳岩层运动形成的地质构造之一，其附近岩层分布较大的残余不均匀构造应力，是诱发煤矿冲击地压的主要因素。针对这一问题，以义马煤田千秋煤矿21221工作面为工程地质背景，建立了褶皱构造赋存条件下的数值模型，施加了不均匀构造应力，分析了工作面开采时褶皱构造区域应力场的演化特征，研究了采动影响下褶皱构造不同区域矿压显现规律。研究结果表明:褶皱构造的原岩应力场的分布具有明显的空间分布区域性，即垂直应力和水平应力在向斜和背斜轴部表现出不同的分区特性，向斜轴部处出现了应力集中。随着工作面推进过向斜和背斜，水平应力和垂直应力在采空区顶板和底板均形成了椭圆形卸压区，垂直应力卸压区演化沿褶皱向斜或背斜法线方向逐渐扩大，垂直应力在工作面超前区域出现了一定范围的应力集中，应力集中区远离轴部扩大；水平应力在工作面垂直方向上较远处区域出现了应力集中，应力集中区逐步向顶板和底板远处发育，水平应力在卸压区内顶板应力的释放程度要明显高于底板。在工作面过褶皱轴部和翼部阶段，工作面超前支承压力的峰值随开采距离的增加而增大，应力集中系数则先增大后减小。工作面自背斜轴部俯采时工作面前方支承压力较大，自向斜轴部仰采时较小。当工作面过褶皱轴部时，直接顶受压状态的应力集中程度逐渐减小，减小的过程伴随着能量释放激增的现象，此时极易诱发冲击地压。

• 大采高工作面过空巷群顶板破断及矿压规律研究

  周海丰, 黄庆享,

  为解决大采高综采工作面快速通过大断面空巷群，避免发生冒顶压架问题，以哈拉沟煤矿22311综采工作面过26条空巷群为研究对象，采用理论研究、数值模拟以及现场监测等方法，研究了综采工作面过空巷群期间空巷失稳机制及基本顶破断规律，模拟了综采工作面过空巷期间采用泵送支柱支护效果，监测了综采工作面过空巷期间顶板下沉量及压力情况，最终22311综采工作面安全顺利通过了26条大断面空巷群。研究表明：空巷失稳主要是由基本顶超前破断引起的，其次是由于空巷支护不足导致的，泵送支柱支护应具有可切割、大断面、高承载与让压变形特征。采用“泵送支柱+锚索+W钢带”联合支护方式，使支柱与顶底板围岩处于协同作用状态，可保证综采工作面安全通过大断面空巷群。

• 井上下微震联合监测震源垂直定位精度优化研究

  徐刚, 陈法兵, 张振金, 王元杰, 李岩, 陆闯, 路洋波,

  震源垂直定位位置是煤矿冲击地压机理研究的重要基础数据，对冲击地压灾害的监测与防治研究具有重要意义。对于近水平煤层工作面，由于各微震台站之间高差较小，导致在进行震源定位计算时，震源参数的偏微分矩阵接近奇异，迭代计算无法收敛到准确解。对台站合理高差和无高差两种情况下的煤矿微震台网进行仿真模拟，结果表明当台网内台站处于同一水平面时，震源垂直位置的定位误差较大。为了解决这个难题，笔者在井下微震监测台站的基础上，增加了地面微震监测台站，形成井上下联合监测台网，有效优化了微震监测台网的空间结构，尤其是台站在垂直方向上的分布效果。对红庆河的微震数据进行分析可知对于2次方的微震事件，井上下联合监测系统的监测效能可达90%，3次方及以上的微震事件可达100%。通过对比10组井下断顶爆破引发的微震事件数据，发现井下微震监测系统定位结果基本位于煤层上方30 m的封孔范围内，井上下微震联合监测系统定位结果基本位于煤层上方30～60 m的爆破孔装药长度范围内;与单纯利用井下监测台站的定位结果相比，井上下微震联合监测系统的定位结果普遍距离真实震源更近，表明地面监测台站的加入有效提高了震源的垂直定位精度，解决了近水平煤层微震事件垂直定位误差较大的问题。

• 化学沉淀修复采动破坏岩体孔隙/裂隙的降渗特性试验

  鞠金峰, 李全生, 许家林, 李娟娟, 曹志国,

  针对覆岩采动破坏含水层的生态修复难题，以化学沉淀物封堵采动导水通道为思路，开展了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的修复降渗特性试验。采用单一裂缝岩样模型和石英砂管模型分别模拟地下水在破断岩层裂隙通道和破碎岩体孔隙通道中的渗流状态，通过注入可与地下水发生铁/钙质化学沉淀的试剂，评价沉淀物对采动岩体孔隙/裂隙的封堵降渗特性。结果表明：在为期近42 d的水渗流试验中，两试验模型降渗趋势显著，且均呈现先快后慢的分区降渗特征。裂隙岩样模型选用铁质化学沉淀进行封堵降渗，绝对渗透率由初始的15.1 D降低为0.01 D；试验初期受裂隙面岩石黏土矿物遇水膨胀作用的叠加，降渗速度快、时间短。石英砂管模型选用钙质化学沉淀开展降渗试验，绝对渗透率由初始的62.3 D降低为0.1 D；由于其宏观孔隙通道尺寸大、初始孔隙率高（32.8%），导致初期快速降渗阶段持续时间明显偏长，且试验末期对应绝对渗透率值也相对偏大。试验结果证实了铁/钙质化学沉淀对采动破坏岩体孔隙/裂隙的封堵修复效果，同时也为利用化学沉淀方法进行采动覆岩导水通道封堵的含水层生态修复研究与实践提供了重要参考。

• 我国矿井通风技术现状及智能化发展展望

  张庆华, 姚亚虎, 赵吉玉,

  矿井通风作为矿井的“血液循环系统”，是矿井安全生产的基石，在智能化背景下发展智能通风技术装备是保障我国发展少人化、无人化煤矿的必由之路。从通风参数测定与监测、通风网络分析与决策、通风调控技术与装备3个方面对我国矿井通风技术装备近年来的研究与实践成果进行了系统梳理和总结，指出了实现智能通风仍需解决的4大难题，即通风参数测定与监测准确性低，难以满足精准决策的需要；风量调控缺乏有效决策模型，调控装备发展滞后，难以实现动态定量调节；通风动力与通风网络匹配性不强，联动调节能力弱；通风隐患、灾变判识技术发展不成熟，缺乏有效的预防预警与应急控制手段。针对这些技术难题提出了实现矿井通风智能化的3个重点研发方向：智能感知、智能决策、智能控制，给出了各研发方向应着力解决的关键核心技术内容，即通过研发通风系统自动成图技术、通风参数快速精确获取技术，实现通风基础数据智能感知；通过研发数据驱动的网络模型构建方法、通风网络与通风调控联动分析决策技术、通风隐患自动识别与报警技术，实现通风技术智能决策；通过研发通风灾变准确判识方法和灾变控制装备，实现通风灾变智能控制。依托以上技术装备，形成一套智能通风技术装备体系，实现矿井通风无人化、智能化。

• 基于主成分分析法的松软煤体煤尘润湿特性研究

  王亮, 廖晓雪, 查梦霞, 张锐, 裴晓东, 潘荣锟,

  矿井煤层产尘与煤体坚硬程度密切相关，而深部含瓦斯煤体往往呈现松软煤层的特征，为了研究松软煤层煤体润湿性的影响因素，以对粉化松软煤体产尘进行治理，以衡量煤样润湿性强弱和评价粉尘灾害的重要指标接触角为主线，从淮北煤田7个突出矿井选取了7种松软程度不同的煤样进行煤-水接触角测定，通过工业分析、煤与瓦斯基础参数测定、孔隙结构测定和红外光谱定量分析试验，采用主成分分析法系统探讨了松软煤体煤尘的润湿特性和主要控制因素。研究结果表明：松软煤体的润湿性主要取决于煤的灰分、水分、孔容、比表面积、坚固性系数、羟基含量，且影响程度依次减弱；其中灰分、水分、孔容、比表面积、羟基含量与接触角成负相关，是煤的亲水因素，而坚固性系数与接触角呈正相关，是煤的疏水因素；煤体强度越低，煤体越松软，煤-水接触角越小，煤的表面润湿性越好；通过主成分多元回归分析方法的结果得出灰分与煤-水接触角的相关程度最高，是煤表面润湿性的主控因素；瓦斯在煤层赋存过程中影响煤体的强度，瓦斯的吸附、放散作用促进原生裂纹的开裂和新生裂纹的产生，导致煤体物理化学性质的改变，间接影响了煤的润湿性。

• 最低点火温度条件下煤粉自燃特性试验研究

  马砺, 李超华, 武瑞龙, 邹立,

  火电厂及煤化工行业中需要将原煤加工成煤粉，煤粉在制备及输送过程中具有粒度小、环境温度高和供氧条件充分等特点，易发生自燃现象。最低点火温度Tm指在一定条件下煤粉能够发生自燃的最低环境温度，是衡量煤粉自燃危险性的重要参数。因此，研究煤粉在最低点火温度下的自燃特性参数及热动力学行为，对了解在最低点火温度时煤粉自燃行为、建立相应的预警机制具有重要意义。以3种不同变质程度的煤粉（张家卯弱黏煤ZJM、兖州气煤YZ和长治贫瘦煤CZ）为研究对象，采用油浴程序控温试验装置对煤样自燃特性进行测试，确定了3种煤粉的Tm和延迟点火时间ti；得出最低点火温度下各煤样耗氧速率、CO及C2H4产生量的变化规律；采用热动力学分析方法计算了3种煤粉的表观活化能。试验结果表明：①ZJM、YZ和CZ煤粉的最低点火温度分别为120、130、164 ℃，随变质程度的增加而增加；煤的变质程度越高，内部活性基团数量越少，自燃需要热量更多，导致高变质程度煤的最低点火温度较高；3种煤粉在最低点火温度处的延迟点火时间均约为20 min。②耗氧速率呈现出先增加后缓慢减少的趋势，在试验后期由于氧气浓度较低，引起煤粉氧化反应强度降低，最终导致耗氧速率出现缓慢下降；最低点火温度处的CO产生量随时间呈现出先升高后降低趋势，当煤粉温度约120 ℃时，产生C2H4。③最低点火温度处ZJM、YZ和CZ煤粉的表观活化能分别为24.33、29.50和18.67 kJ/mol，其中变质程度最高的CZ煤粉的表观活化能低于另外2个煤样，这表明高变质程度煤样的最低点火温度高，初期氧化反应速率较高。

• 不同变质程度煤孔隙结构分形特征对瓦斯吸附性影响

  陈向军, 赵伞, 司朝霞, 戚灵灵, 康宁宁,

  为研究不同变质程度煤孔隙结构分形特征及其对瓦斯吸附特性的影响，通过压汞试验测试了9组不同变质程度煤样孔隙结构，利用Menger海绵模型分析了不同变质程度煤孔隙结构分形特征，结合煤样吸附常数，研究了孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特性的影响。研究结果表明，煤孔隙在不同孔径段具有不同的分形特征，渗流孔分形维数D1和吸附孔分形维数D2均随变质程度的增加呈线性增大。煤孔隙分形特征对瓦斯吸附特性具有一定的影响，渗流孔分形维数D1与吸附常数b呈良好的线性关系，与极限吸附瓦斯量a的关联性不大，表明渗流孔分形维数D1对吸附瓦斯速率影响较大，对吸附能力影响较小；吸附孔分形维数D2与极限吸附量a呈正相关关系，与吸附常数b关联关系不明显，说明吸附孔分形维数D2对瓦斯吸附能力影响较大，对吸附瓦斯速率影响不明显。

• 煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响研究

  王燕, 齐英全, 温小萍, 王蔚, 甘向阳, 裴蓓, 纪文涛,

  瓦斯和煤尘复合爆炸是煤矿井下爆炸灾害的主要形式之一，研究瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律，是有效防治煤矿爆炸灾害的必备条件。为研究煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限的影响，特选用2种组分不同的煤尘（烟煤和无烟煤）。依据EN 14034标准，使用10 kJ化学点火头在标准20 L球形爆炸容器中，分别对2种煤尘的最小爆炸浓度、相同试验条件下的瓦斯爆炸下限以及煤尘与瓦斯的复合爆炸下限进行了测量。试验测得烟煤和无烟煤的最小爆炸浓度分别为50 g/m3和70 g/m3，瓦斯爆炸下限为4%。当煤尘中分别通入1%、2%、3%、4%的瓦斯后，烟煤最小爆炸浓度分别降低至40、20、5、0 g/m3，无烟煤最小爆炸浓度分别降低至50、20、5、0 g/m3。基于上述测量结果，对比分析了煤尘组分对瓦斯/煤尘复合爆炸下限变化规律的影响，并探讨了Le Chatelier、Bartknecht、Jiang等气粉复合爆炸下限预测模型对瓦斯/煤尘复合体系的适用性。结果表明：2种煤尘的最小爆炸浓度均随瓦斯浓度的增大而降低，但挥发分含量低的煤尘降幅更大，即瓦斯对低挥发分煤尘最小爆炸浓度的影响更为显著。Jiang模型预测值远远偏离实际测量值；Le Chatelier模型预测值高于实际测量值，且误差随瓦斯浓度的增大而增大；Bartknecht 模型适用性相对较好，且更适用于低挥发分瓦斯/煤尘复合体系。

• 瓦斯抽采钻孔非凝固材料性能与智能封孔装置研究

  程健维, 赵刚, 刘雨涛, 汤红枪,

  为了克服已有瓦斯钻孔封堵技术中固态封堵材料无法封堵次生裂隙、导致瓦斯抽采后期抽采效果急剧下降的难题，提出了一种操作简单、成本低廉、提高钻孔密封效果的瓦斯抽采钻孔密封方法，即通过注浆泵带压注浆的方法将一种非凝固的半流体封孔材料注入2段膨胀封堵材料形成的密闭空间内对煤岩裂隙进行封堵，同时为了配合非凝固浆液在井下需要长期保压的需求，研发了智能控制瓦斯抽采钻孔非凝固恒压浆液封孔系统，这套系统通过对抽采瓦斯钻孔封孔状况进行自动监测，可以在钻孔压力下降到一定数值后自动补浆，形成动态持续封堵机制。重点介绍了研制的非凝固材料成分，主要有钠基膨润土和高岭土构成，还添加了粉煤灰，三聚磷酸钠和硅酸盐水泥材料。通过测试不同水灰比范围为5∶1至20∶1的浆液的流动度、析水率的变化情况，得到4组符合要求的非凝固材料浆液水灰比，分别是8∶1、10∶1、12∶1和14∶1，最后通过测试这4组水灰比浆液在纱网中的滞留百分比，确定了非凝固材料在井下使用的最佳水灰配比为10∶1，同时对研发的智能瓦斯封孔系统也进行初步介绍。在城郊煤矿的应用结果表明：使用该技术，钻孔瓦斯抽采浓度比原有水泥基材料封孔提高了62％，同时抽采时间延长2倍。证明该工艺技术具有良好的应用前景。

• 再生顶板裂隙注泡沫流体扩散模型及参数敏感性分析

  鲁义, 王涛, 余伟健, 王刚, 王平, 晏志宏,

  泡沫流体因其优良的施工特性和应用效果是再生顶板裂隙漏风封堵及煤自燃防治的有效技术手段，基于再生顶板裂隙注泡沫流体工程背景，开展了泡沫流体在裂隙中的受力和流动分析，推导得出了泡沫流体在含原生介质阻滞作用的任意产状裂隙中的流动扩散数学模型，并采用ANSYS FLUENT软件构建了泡沫流体在再生顶板裂隙中的扩散数值模型，对比验证了数学模型的合理性。开展了泡沫流体再生顶板裂隙注浆扩散过程中的施工参数（含注浆压力、注浆孔半径）及裂隙参数（含裂隙开度、倾角、倾向、裂隙原始介质压力）对扩散规律的影响，并定量计算了参数对扩散过程的敏感度，得出裂隙开度对扩散距离影响最大、注浆压力次之、倾角和原生介质压力影响最小。

• 基于EDEM的边帮采煤机螺旋输送性能研究

  张强, 张晓宇, 吴泽光, 王聪, 张旭, 苏明星,

  为研究不同工况参数对边帮采煤机螺旋输送性能的影响，采用EDEM软件建立螺旋输送仿真模型，以输送速率、平均质量流率为定性评价指标，利用极差法分析螺旋输送机构螺距、转速、向下输送倾斜角度对两评价指标的影响规律及主次顺序，最后通过矩阵求解得到最佳输送组合及影响输送性能的主次顺序。结果表明：影响输送速率的因素主次顺序为螺距、转速、向下输送倾斜角度，输送速率随着转速的增加而增大，随着向下输送倾斜角度的增加而增大，随着螺距的增加而增大；影响平均质量流率的因素主次顺序为：向下输送倾斜角度、螺距、转速，平均质量流率随着向下输送倾斜角度的增加而增大，随着螺距的增加而增大，随着转速的增加而增大。影响输送性能的因素主次顺序为：螺距、转速、向下输送倾斜角度，并得出最佳输送组合为：向下输送倾斜角度为20°，转速为80 r/min，螺距为250 mm。研究结果为提高边帮采煤机螺旋输送性能提供理论基础。

• 基于真实煤层环境的液压支架运动虚拟仿真方法

  王学文, 葛星, 谢嘉成, 李娟莉, 李素华, 姜朔,

  为解决现有煤矿开采中液压支架无法根据井下煤层环境及时调整支护姿态的问题，提出了一种基于真实煤层环境的液压支架运动虚拟仿真方法。该方法在虚拟软件Unity 3D中基于真实煤层数据点直接生成顶底板煤层环境曲面，并结合液压支架模型对其进行物理组件的添加，实现了液压支架基于重力作用下对底板曲面的自适应贴合。通过对液压支架模型的运动学和煤层顶板曲面数据点的分析，确定出满足该顶板支护状态下的液压支架各部件角度信息值，在虚拟空间中预先实现液压支架对煤层环境运动姿态的调整。最后进行了试验，在试验中构建了煤层顶底板曲面模型，进行了液压支架在试验煤层情况下的支护姿态调整；同时在虚拟环境中生成相应的煤层顶底板曲面，并进行了虚拟环境中液压支架姿态的调整。试验结果表明，利用虚拟软件Unity 3D实现基于煤层环境的液压支架运动参数变化与实际液压支架运动参数变化基本相同。本方法为实现液压支架对围岩煤层环境的自适应调整提供了思路参考和应用实践。

• 采煤机齿轨铸件铸造过程模拟及工艺创新设计

  王成军, 余汉伟, 张子鹏,

  针对采煤机齿轨在作业中常出现断裂、销孔破坏等失效现象，为提高采煤机齿轨铸件的力学性能，保证采煤工作顺利进行，需要对齿轨铸件的铸造成型过程进行深入分析，寻求最优的铸造工艺方案。以五节距齿轨为研究对象，运用ProCAST软件对齿轨铸件的铸造过程进行数值模拟，通过对齿轨铸件凝固过程和孤立液相区的模拟结果进行分析，预测出齿轨铸件凝固后产生缩松缩孔缺陷的位置。运用TRIZ理论对齿轨铸件产生缺陷的原因进行因果分析，并采用物-场模型创新解决工具提出齿轨铸件工艺优化方案-倾斜浇注工艺方案：倾斜模样造型，浇注时砂箱与直浇道不倾斜；或浇注时将型腔与砂箱、直浇道保持同步倾斜。运用ProCAST软件对2种工艺方案进行模拟仿真，结果表明：齿轨铸件内部缩松缩孔缺陷均得到较大改善，但方案一不利于开模造型，且增加了砂箱的高度；方案二增加了浇注液对直浇道的冲刷，易引起夹砂。结合2种工艺方案的优点，得到最终的优化方案：将模样水平放置造型，浇注时再将型腔与砂箱同步倾斜，保持直浇道竖直状态。运用ProCAST软件对优化后的倾斜浇注工艺方案进行模拟仿真，结果表明：该方案可使齿轨铸件在凝固过程中保持递增的温度梯度，有效促进齿轨铸件实现顺序凝固，提高了组织致密性，明显改善了缩松缩孔缺陷，缩松缩孔体积由2.2％降低为0.052％。

• 煤矿机器人智能安全充电系统设计

  胡而已, 吕东翰, 王春涛, 孙益壮, 李梦雅,

  煤矿机器人工作在井下危险气体环境下，特别是对于井下移动式巡检井下机器人，其动力系统的能源供给方式主要以锂电池供电为主，目前《煤矿安全规程》对锂电池的井下使用有着严格的限制条件，其充电必须要求在专用的充电硐室中进行。为提高煤矿机器人的巡航能力和实用性，研究一种煤矿机器人智能安全充电系统，提出煤矿机器人专用充电硐室构想，设计煤矿机器人井下智能岔轨及硐室内充电技术，系统由煤矿机器人、煤矿机器人移动轨道、煤矿机器人转向用智能岔轨以及硐室内充电桩组成，通过井下巡检机器人专用充电硐室和智能岔轨技术的设计，可实现巡检类机器人井下在轨充电，有利于煤矿机器人井下不间断智能巡检作业。

• 柿庄南区块煤层气低产井原因分析及增产技术对策研究

  倪小明, 赵政, 刘度, 李忠城,

  准确确定出煤层气直井低产的原因并提出针对性的增产技术对策，是减少盲目投资、提高产气效益的关键之一。以柿庄南区块为研究对象，从煤储层地质资源条件、钻井工艺、压裂工艺、排采工作制度等4个方面分析了煤层气低产原因。在此基础上，通过实验室酸化解污试验、压裂参数优化模拟研究、解除煤粉堵塞工艺原理分析、降低泵挂深度增产原理分析等方法，提出了不同低产原因下的针对性技术对策。结果表明：钻井污染严重的井可采用酸化解污+常规水力压裂方式实现增产；煤体结构以原生结构+碎裂煤为主，压裂参数不合理造成的煤层气低产井，优先采用重复压裂技术；煤体结构以碎粒或糜棱煤为主的低产井，需根据顶/底板岩性及围岩补给情况，确定顶/底板压裂的可行性；泵挂深度在煤层5 m以上的且曾经有较高产气量的低产井，可通过加深泵挂实现增产；排采应力敏感的低产井，优化二次压裂泵注参数，实现裂缝转向的目的；井筒内煤粉堵塞、泵效低造成的低产井，优先选用冲洗泵等循环洗井装置洗井提高泵效，实现正常产液来提高产气量；井筒附近煤粉堵塞引起产水量、产气量急剧下降的低产井,优先选用氮气等解堵技术实现增产。现场部分增产技术的应用验证了理论分析的可靠性。该研究成果为煤层气低产井区二次改造方案设计提供了借鉴。

• 煤层气低效井成因判识及治理体系构建研究

  李勇, 王延斌, 倪小明, 张松航, 吴翔, 韩文龙, 刘度,

  大量低产低效煤层气井的存在严重制约了煤层气产能转化率和资源动用率的提高，亟需开展低效煤层气井成因解剖和有效治理。基于沁水盆地柿庄南区块1 000余口煤层气井的钻井、测井、录井、压裂、排采和实验测试数据,开展了低效井判识、成因分析和治理体系构建。研究结果表明：基于不同排采阶段，以产气量为主要参数，结合动液面高度、井底流压和排采时限可定义低效井；钻井、压裂和排采等过程均会对煤层气井产能造成不同程度的影响；基于构造、含气量、储层压力、渗透率等关键地质参数叠加和模糊评价圈定了4类（Ⅰ～Ⅳ)可改造地质单元，产能预测表明Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类具有良好的改造潜力；通过递阶优选构建了低效井成因解剖体系，划分了3大类13小类低效井形成类型；提出了地质-工程-排采一体化的低效井综合治理体系，保证资源和储层的有效性，促进缝网井筒的高效连通，做到科学排采和区域协同降压控制。能提高煤层气单井产气量和产能转化率义。

• 滇东恩洪区块地应力分布及深部煤层气临界深度预测

  鞠玮, 姜波, 秦勇, 吴财芳, 兰凤娟, 李明, 徐浩然, 王胜宇,

  我国滇东恩洪区块二叠系煤层气资源丰富，该区块是今后煤层气开发的重点区域之一，地应力分布对于储层压裂改造等煤层气开发工程具有重要影响。 在注入/压降试井方法实测地应力约束下，基于Anderson修正模型对恩洪区块地应力分布进行预测，总体上，水平最大主应力SH，max、水平最小主应力Sh，min和垂向主应力Sv在不同深度段呈现不同应力机制类型，由浅至深依次表现为逆断型、走滑型和正断-走滑型。研究结果表明：在该区块二叠系宣威组内， 地应力遵循SH，max≥Sv>Sh，min的关系，呈现正断-走滑型应力机制，而宣威组煤层地应力数值较其顶底板小，表现为正断型应力机制；岩石类型与埋藏深度影响地应力分布，水平主应力随埋藏深度的增加呈线性增大，杨氏模量小的煤岩，其水平地应力值最低；滇东恩洪区块深部煤层气临界深度约为700 m；研究结果 可以为滇东恩洪区块煤层气开发提供新的地质参考。

• 黔北地区页岩孔隙结构特征及水渗流演化规律研究

  李波波, 陈帅, 杨康, 李建华, 任崇鸿,

  为探究页岩孔隙结构特征以及水渗流演化规律， 以黔北地区牛蹄塘组页岩为研究对象，首先采用低温液氮吸附试验以及高压压汞试验分析页岩内部微观孔隙结构特征,然后在恒定围压、轴压条件下利用三轴渗流装置进行了不同有效应力条件下的三轴渗流试验，探讨页岩有效应力与渗透率之间的关系，建立了考虑孔隙结构和压缩特性联动影响的页岩渗透率模型，并通过与初始渗透率受应力状态下的页岩渗透率模型对比分析验证其合理性。结果表明：黔北地区牛蹄塘组页岩是一个从微孔到大孔的连续分布体系，5种页岩的吸附-脱附等温曲线其类型与IUPAC分类中的Ⅳ型最为接近而且进汞-退汞曲线形态近似，大孔的类型以一端封闭的不透气孔为主，中孔则以两端开放的毛细孔等开放型孔为主，微孔主要以细颈广体孔和墨水瓶孔为主；页岩孔径分布复杂，含有大量的微孔和中孔，其中微孔和中孔提供了大部分孔比表面积，而大孔则是孔体积的主要贡献者；在相同围压、轴压条件下，页岩渗透率随着有效应力的增大呈逐渐减小的趋势，且渗透率和有效应力呈指数函数关系；考虑孔隙结构和压缩特性联动影响的页岩渗透率模型计算曲线与渗透率试验所测的数据基本吻合，且能很好反映恒定围压、轴压条件下有效应力与渗透率之间的变化关系。

• 矿区地表移动“空天地”一体化监测技术研究

  张凯, 李全生, 戴华阳, 郭俊廷, 阎跃观,

  矿区地表移动观测是研究开采影响规律、损害防治、矿区地质灾害预警、开采减损方案设计或优化的主要手段和依据。因观测技术的局限性和矿区地形条件的复杂性，使得观测工作在观测精度、观测效率、人力投入、经济成本及数据处理等方面难以满足实际需求。为实现复杂地形或大区域条件下矿区地表移动的高效、高精度观测，阐述了目前矿区常用的精密水准测量、导线测量、GNSS测量技术、InSAR测量技术、无人机遥感测量技术、激光雷达扫描技术在观测精度、作业效率、数据可靠性等方面的优势和不足；针对传感器空间位置特征、数据采集特征以及数据的可融合性，提出了传统高精度测量与现代高效快速大范围测量相结合的空天地一体化监测技术，建立了集数据采集、数据处理及结果展示为一体的空天地一体化监测体系；提出了数据采集以高精度、高效率、低成本，数据处理以高质量、快速，结果展示以直观、全面的空天地一体化监测准则。采用InSAR、GNSS、三维激光扫描技术在神东上湾矿进行了监测，较好地分析了地表下沉分布特征，协同监测结果表明，在开采面积0.58 km2时，地表沉陷面积0.71 km2，最大下沉量6 300 mm，下沉系数0.63～0.72，与动态实时监测结果一致。应用结果表明，空天地一体化监测多源数据融合方法，可以满足浅埋、高强度开采、复杂地形及植被影响矿区的地表移动观测需求。

• 陷落柱对煤岩折射波的影响及相应成像方法研究

  王季, 刘最亮, 牛欢, 李刚,

  震源在煤层内激发后，当入射角等于或大于临界角时，将同时形成槽波和折射波，折射波沿煤层与顶底板的分界面传播并不断重新进入煤层而被检波器接收，与在地面激发和接收的折射波不同，在煤层内激发和接收的折射波具有很强的周期性和频散性，是井下地震波场的重要组成部分，但对其探测构造的能力一直缺乏深入的研究，为了验证折射波探测陷落柱的有效性，分析了折射波的形成与传播规律以及在遭遇陷落柱时速度与振幅的变化情况，通过对含陷落柱工作面模型的正演模拟，比较和分析了陷落柱对折射波与槽波振幅的不同影响，通过将振幅衰减系数成像方法应用于折射波上，实现了利用折射波对工作面内隐伏陷落柱的探测，对碾沟矿2101工作面实际数据进行了处理。结果表明：井下地震记录中既包含槽波也包含折射波，折射波的纵横波速度接近于围岩的纵横波速度，折射波振幅弱于槽波，但在特殊地质条件下会出现折射波振幅强于槽波的现象；陷落柱等贯穿煤层和顶底板的异常构造能够对折射波振幅造成较大影响，遭遇陷落柱时折射波的振幅衰减程度大于槽波，折射波振幅衰减系数的成像结果能够有效反映实际陷落柱的位置与边界；折射波成像精度低于槽波，可作为槽波探测的有效补充，特殊地质条件下槽波能量弱，此时折射波可替代槽波实现陷落柱探测。

• 煤岩的纳微力学特性研究：以Pocahontas煤岩为例

  唐旭,

  煤岩的力学特性是煤炭开采设计及安全开发过程中要考虑的重要因素。尽管目前对煤岩的宏观力学性质已经有深入的研究，但是对煤岩纳微尺度力学性能测试及相应的力学参数测试却少有涉及。笔者采用原子力显微镜峰值力轻敲模式（AFM Peak Force Tapping mode）对美国阿帕拉契亚山脉地区Pocahontas煤岩进行试验，定量分析其纳微尺度形貌，纳微尺度的力学参数及相应的纳微尺度力学特性。研究表明：原子力显微镜峰值力轻敲模式可以定量测定纳微尺度煤岩的形貌、折减弹性模量（DMT）、黏附力、变形量和耗散能，并将测试结果以二维和三维的形式进行展示。该测试煤岩的DMT模量为10~14 GPa， 黏附力约20 nN，最大变形量约12 nm，耗散能约3 keV。该结果表明：原子力显微镜峰值力轻敲模式可以用来测定煤岩纳微尺度力学参数，为研究煤岩的纳微力学特性及相应的煤岩力学数值模拟试验奠定基础。该试验方法不仅对研究纳微尺度煤岩破裂机理和解释煤岩瓦斯耦合作用（吸附等）而产生的力学现象有一定的指导作用，同时也为探索煤岩纳微力学特性提供一种新的研究方法和视角。

• 高碱煤燃烧过程中碱金属沾污特性的预测模型研究

  宋国良, 杨雪婷, 杨少波,

  为了克服传统预测方法的局限性，笔者提供了一种能够准确预测高碱煤燃烧沾污特性的模型，该预测模型还可以根据煤的沾污特性给出其适用的温度范围。本预测模型采用三步化学萃取法来检测煤样中的钠含量，以避免对煤进行灰化时造成钠的挥发损失，因此能够直接精确地测定煤样中的总钠含量及各个形态的钠含量。另外，本预测模型不仅考虑钠、钾和固相沾污源的影响，同时考虑到其它易挥发组分（如碱土金属、硫和氯）对煤沾污特性的影响，并将温度引入沾污模型中。按本模型获得的沾污指数RT预测量化区间如下：RT≤0.60，弱沾污性；0.601.00，强沾污性。为验证该预测模型的准确性，分别以沙尔湖煤和神华准东煤为试验对象对预测模型进行了验证，验证结果表明：① 700 ℃时，RT=0.591.0，沙尔湖煤处于强沾污区。②神华准东煤相比于沙尔湖煤沾污性较弱。850 ℃时，RT=0.53<0.60，神华准东煤处于弱沾污区；900 ℃时，0.60<RT=0.78<1.0，神华准东煤处于中等沾污区；950 ℃时，0.60<RT=0.87<1.0，神华准东煤处于中等沾污区。该预测结果分别与沙尔湖煤和神华准东煤的燃烧试验结果一致，进一步验证了预测模型应用的准确性与可靠性，可适用于高碱煤工业应用过程中碱金属沾污性的预测。

• 采场顶板关键层“横U-Y”型周期破断特征的试验研究

  朱卫兵, 于斌, 鞠金峰, 刘文兵, 齐祥瑞,

  针对部分坚硬顶板矿井采动导水裂缝带处于8～15倍采高的高位关键层，“横O-X”破断运动引发工作面动载矿压甚至压架、临采空侧回风平巷超前100～200 m底鼓大变形等动力灾害的问题，采用自制的大尺度三维物理模拟实验平台，研究高位关键层的破断运动特征。结果表明：关键层发生横向破断时，首先，关键层板正面两侧长边和反面中部长轴方向同时形成破断裂隙；其次，关键层板正面两侧短边形成弧形裂隙，而反面沿中轴线端点同步形成八字形破断裂隙；再次，在板正面形成“O”形裂隙的同时反面形成“X”形裂隙，正面形成“U”形裂隙的同时反面形成“Y”形裂隙；最后，正反面裂缝贯通形成“横O-X”型初次破断和“横U-Y”型周期破断，在工作面上方形成“弧形三角板”和巷道上方形成“梯形板”的破断块体结构。统计发现，“横O-X”初次破断步距与“横U-Y”周期破断步距长度基本一致；横向破断形成的“弧形三角板”块体角度为75°～78°，与腰线和弧形切线形成的夹角72°～82°基本相等，近似于一个等角的“弧形三角板”。砌块模型试验结果表明，“弧形三角板”块体大幅回转过程中，因其顶点易与“梯形板”结构发生回转变形失稳而出现脱离现象，导致“弧形三角板”滑落失稳从而会引发工作面强矿压。研究成果为大采高开采工作面强矿压灾害防治提供试验基础。

• 采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究

  程志恒, 卢云, 苏士龙, 刘彦青, 陈亮,

  为了提高采空区顶板高位走向长钻孔瓦斯抽采效率，消除工作面上隅角瓦斯超限事故，以山西华晋吉宁煤业有限责任公司2102综采工作面为研究对象，采用数值模拟、理论分析与现场试验相结合的方法，利用3DEC软件模拟计算2102综采工作面回采期间采空区顶板裂隙场演化过程，根据裂隙场、应力场和应变场分布模拟结果在沿工作面推进方向上划分采空区顶板裂隙加强区范围与压实区范围，工作面推进期间煤层顶板在时间上先后经历裂隙加强区和重新压实区，处于裂隙加强区的钻孔部分为钻孔高效抽采作用区域，钻孔高效抽采段长度与钻孔高效抽采段裂隙发育程度共同决定高位走向长钻孔抽采效率，揭示了采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯作用机制；在此基础上，在采空区顶板裂隙带高度范围内布置多个高位试验钻孔，进行钻孔瓦斯抽采效果考察，研究结果表明：在保证高位钻孔布置于回风巷内侧顶板裂隙带前提下，最佳布孔层位为距煤层底板60 m左右，同时在高位试验钻孔作用下，上隅角瓦斯体积分数最大值由1.1%降低至0.6%，说明根据回风巷内侧采空区顶板裂隙带高度范围，布置高位走向长钻孔能显著降低上隅角瓦斯浓度。

• TDS智能干选机在井下排矸充填技术的应用

  梁兴国,

  TDS智能干选机采用X射线识别技术进行分选，具有设备体积小、系统简单、不用水和介质的特点。原煤井下开采分级后，块煤直接经TDS智能干选机进行分选，分选后的块精煤运输至地面，矸石则运回工作面，通过支护充填机直接抛入工作面的采空区内。TDS智能干选机分选技术助力井下矸石充填，既提升了出井原煤的质量，又实现了矸石不升井、以矸换煤、绿色开采的战略目标，取得了良好的经济效益与社会效益。

• 八矿选煤厂浮选尾煤梯次减量技术的创新和应用

  曾庆刚, 吴二东, 吕佳伟, 李振成,

  针对环保和选煤厂产能提升给浮选尾煤处理系统带来的压力，八矿选煤厂通过采用浮选尾煤梯次减量技术，实现了对浮选尾煤的三段浓缩、三段回收梯次减量化处理。生产实践表明，该技术不仅有效缓解了浮选尾煤处理系统压力，提高了选煤生产系统的稳定性，并且节约了生产成本，取得了良好的经济效益和社会效益。

• 气膜结构封闭式储煤场在吕梁选煤厂的应用

  邢宇峰,

  为解决产品仓缓存能力不足的问题，吕梁选煤厂在煤场封闭改造中采用了气膜结构封闭式储煤场，并对传统钢结构式和气膜式建筑结构进行了对比分析。应用结果表明，气膜结构封闭式储煤场具有施工周期短、投资成本低、运行环保智能等特点，在煤炭行业应用前景广阔。

• 基于机器视觉的煤中杂物智能分选系统研究

  王卫东, 张康辉, 吕子奇, 薛峰, 徐志强, 刘峰, 李佰云, 杨永强,

  为解决煤炭分选过程中杂物对生产的影响及由此产生的各种问题，设计了基于深度学习和机器视觉的集煤中杂物智能识别、定位和分拣于一体的杂物智能分选系统。该系统建立了基于语义分割的像素级杂物识别模型，计算成本比标准卷积网络模型降低8～9倍；构建了复杂环境条件下的机械手精准抓取策略，能够避开干扰物，实现硬质物料、轻质物料抓取点的精确选择。在涡北选煤厂的应用测试表明，该系统杂物检测准确率为96.647%，机械手分拣成功率为94.759%，系统分拣率为91.640%，能够高效除去煤中杂物，提高了杂物分选过程的智能化水平。

• 开采沉陷软岩地层条件下变电站压煤安全开采研究

  张峰,

  文中针对我国黄土高原地区软弱地层条件下,变电站下方压覆的煤炭资源进行了开采方案研究,通过留煤柱开采、小煤柱开采和协调全部开采多个方案的比较分析,提出了协调全部开采方案,经过试采、观测取得了成功。达到了既保障了地面变电站的安全正常使用,又充分采出了压覆的煤炭资源,研究表明在软岩地层条件下通过控制好工作面参数和开采进度能够实现地面平缓变形的目的,建(构)筑物下压煤实现全部开采是可行的。

• 采动影响下水库大坝的除险加固技术研究

  李幸丽, 田迎斌,

  由于水库下压覆煤炭资源的开采,导致郓城城南水库大坝出现了不同程度的塌陷和变形,为了对水库大坝进行加固除险,文中首先分析了城南水库工程区域水文和工程地质,介绍了井下工作面的开采情况,确定了概率积分法的预计参数并进行了大坝开采移动变形预测。最后根据预测结果在考虑环境和水源水质影响的条件下制定了有针对性的大坝除险工程措施:对坝体进行加高加固,根据沉陷程度不同修建挡墙和齿墙,修建护坡和道路等。

• 厚松散层下倾斜煤层开采地表移动规律研究

  骆兴鸽,

  文中基于现场实测资料,开展了厚松散层下倾斜煤层开采地表移动的观测与研究,获得了地表移动的角值参数、动态参数和预计参数,揭示了特定地质采矿条件下地表移动变形的一般规律和特点,为"三下"压煤开采和开采沉陷预计提供了技术依据。

• “3S”技术基于GPS的电离层震前异常分析

  李少卿, 霍亮, 袁梅,

  震前电离层会出现异常扰动的前兆。文中分析了各种因素对电离层活动的影响,基于GPS提取芦山地震前电离层TEC数据,绘制VTEC时序图和全球电离层异常图。基于时间序列对芦山地震全球电离层格网数据的TEC异常扰动进行分析。实验发现,震前两天观测到约为4 h的电离层TEC正异常和负异常。且电离层TEC异常均出现在震中附近,异常区域随时间向西移动,异常区域的形态关于赤道共轭。