煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2020年第7期

• 我国智能化采煤技术现状及待突破关键技术

  葛世荣, 郝尚清, 张世洪, 张幸福, 张林, 王世博, 王忠宾, 鲍久圣, 杨小林, 杨健健,

  自实现机械化采矿后，进一步实现智能化以解放矿工就成为世界采矿界的科研目标。 在回顾智能化采煤技术发展历程的基础上，对我国智能化采煤技术研究与应用现状进行系统回顾分析，并对未来待突破的关键技术进行展望。首先，介绍了智能化采矿技术的发展历程，概述了动力化、自动化、信息化等发展阶段对采煤工作面的要求，进而提出了智能化采煤工作面的基本要求；其次，从科研计划研究、国内学术论文发表、相关专利授权以及国内煤矿实践探索等方面，对我国智能化采煤技术的创新现状进行分析与总结。结果显示我国从“十一五” 起就开始重视智能化采煤技术的研究，通过10余年的大力发展，批准了近10个与采煤智能化技术有关的国家重点研发计划项目，同时产生一大批学术论文和授权专利，这些创新成果形成了薄煤层、中厚煤层、大采高与超大采高、特厚煤层等4种智能化采煤基本模式，并建成了近200处不同层次的智能化采煤工作面；再次，从采煤机、液压支架、刮板输送机、带式输送机、巷道集中监控技术等5个方面，归纳了在初级智能化采煤工作面上已成熟应用的35项智能控制技术；最后，针对复杂条件下的智能化采煤工作面技术难题，提出了有待进一步研究突破的精准定位、煤岩识别、智能支护、自主纠偏和智能煤流感控等5项智能化采煤关键技术，并给出相应的技术突破思路。通过调研分析，认为我国现阶段的智能化采煤装备技术总体已达到自主化、成套化、实用化的国际先进水平，未来还需进一步提高智采工作面的自主能力和适用范围。

• “孔-井-地”一体化智能钻进系统及关键技术

  雷晓荣,

  根据国家出台和发布的一系列能源装备制造、煤矿机器人和煤矿智能化发展等政策和标准的方向性要求，结合煤炭行业智能化开采的发展趋势，在研究我国钻探施工过程中钻探电液参数、钻机姿态参数、钻孔几何参数、钻孔地质参数、工况环境参数测量和控制现状的基础上，针对钻探施工过程中操作、安全和决策控制等实际需求，提出了智能开采“孔-井-地”一体化智能钻进系统的定义和总体框架，介绍了框架的详细组成及节点测量参数，搭建了基于几何-地质-机械-环境全面感知的钻探数据融合的软硬件平台。研究了组成智能钻进系统的关键技术与装备：钻孔测斜技术的测量原理、组成框架和设计方案，伽马参数测量的原理、组成和设计方案，孔中工况参数的组成和采集方案；无线电磁波传输技术的组成框图、传输原理、基于偶极子天线的激励方式以及机械结构；一体化钻机工况参数测量的组成和实现方案；钻场环境感知参数测量与网络摄像头相结合的监测监控技术；基于目视化管理技术的地面可视化大屏电子看板软件系统。技术实现结果表明，系统利用矿井成熟的工业环网系统作为传输介质并结合多种传感器的采集、控制、传输和展示手段，实现“孔-井-地”一体化地面智能控制钻孔体系的思路在技术上是可行的，能为智能化钻进测量体系完善及技术发展提供参考。

• 基于时空约束的瓦斯事故知识库构建及预警推理

  刘鹏, 景江波, 魏卉子, 虞婧, 鹿晓龙, 刘明明,

  现有煤矿瓦斯事故预警方法多以基于监测数据的人工防控为主，为了实现瓦斯事故智能化分析预警以及相关知识复用和共享，基于本体和事故树理论，提出构建动态瓦斯事故预警知识库及推理模型，满足各致灾因素时间空间共存约束下的瓦斯事故知识描述和分析预警。构建本体模型及推理规则库，实现从根源危险源到基本事件的隐性知识推理，根据推理所得基本事件和顶上事件关系，计算出动态时空约束下的瓦斯事故顶上事件发生概率及事故等级，最后根据事故等级给出相应的决策支持。试验结果表明，提出的瓦斯事故预警知识库及推理模型，可有效计算各种时空约束下的动态瓦斯事故发生概率，在瓦斯事故知识描述和智能化预警领域做出了有益的探索。

• 井下电磁干扰特性及智能设备电磁兼容标准研究

  辛中华, 张晓冬, 刘涛, 陈贺, 张子良, 苏珂嘉,

  新型井下安全监控系统在应用中被干扰的问题仍偶有发生，为使智能化矿井的通信、控制设备在井下不受电磁干扰的影响可靠工作，调查走访了多家煤矿、分析研究了产生干扰的原因并对主要设备的干扰情况进行了现场测试。总结分析了现场测试数据，发现煤矿井下电磁环境的特点，提出井下设备电磁环境干扰类型和参数：包括低频干扰、射频辐射耦合的传导干扰、电压跌落与中断、辐射干扰等。变频器的干扰低频分量更大达到90 dBuV/m，超过了该频段标准限值，频段也超出了试验范围。在靠近变频器输出的位置高频段辐射甚至接近30 V/m，达到抗扰度4级水平；50 Hz工频磁场强度达到了0.19 μT，这个场强已经接近危险值。电压跌落和变化在井下电网中频繁出现，通过电源线冲击智能化设备的工作稳定性。基于现场电磁环境的测试结果结合现有智能设备的测试标准，分析了测试参数存在的问题并提出了解决方案。建议增加射频场感应的传导抗扰度试验、磁场抗扰度试验、电压跌落试验等作为补充。最后从井下设备电磁兼容水平的概念、以及为达到智能化煤矿无人工作面的目标，提出了建议的电磁兼容标准体系框架，包括稳态和瞬态的干扰参数和项目，通过使用不同标准的参数组合对整个频段进行覆盖。瞬态抗扰度试验应考虑井下实际干扰形式、设备的敏感线来确定标准参数等级。

• 智能矿山车联网体系架构与关键技术

  阎俊豪, 贾宗璞, 李东印,

  矿山车辆作为矿山生产的重要设备，其管理水平直接影响矿山生产、安全、经营管理的各个方面，应用车联网技术提升矿山车辆管理智能化水平是智能矿山建设的重要内容。为避免车联网在矿山车辆管理应用中因概念不清、目标不同、路径不同、体系架构不同、技术应用重点不同造成发展方向分散、重复建设投入、系统融合困难的问题，以智能煤矿为例，提出了矿山车联网的概念，并对其体系架构、关键技术和典型应用进行了分析探讨：首先，在回顾智能矿山和车联网发展的基础上，定义和阐述矿山车联网的概念；然后参考车联网和矿山物联网体系结构，设计了由感知控制层、网络层、服务支持层和应用层构成的矿山车联网体系架构；综合车联网和智能矿山信息系统关键技术，分析了矿山车辆定位与监控、矿山车辆智能感知和控制、矿山车辆无线通信、矿山车联网协同计算等关键技术；最后从“人、车、环、管”4个方面出发，对矿山车辆及驾乘人员监控、矿山车辆自动驾驶及无人驾驶、基于矿山车辆的矿山安全监测、矿山车辆智能调度等矿山车联网典型应用进行了探讨。研究成果为推动车联网技术在智能矿山车辆管理中深入有序应用奠定了基础，同时丰富了矿山物联网技术内涵，为矿山物联网其他技术分支在智能矿山建设中的应用积累了经验。

• 煤矿机器人视觉系统除尘方法研究

  胡而已, 李梦雅, 王一然, 吕东翰, 孙益壮,

  为了提高煤矿机器人视觉系统在高粉尘、高湿度等恶劣工况下的工作效率和控制精度，提出了一种镜头的复合式防尘除尘方法，为视觉系统镜头和视窗自动清洁提供了新思路。基于自揭膜的方式实现防爆摄像装置的自清洁，而且整个揭膜保护装置的设计满足矿用机电产品的防爆设计要求的原理，设计出典型的防尘系统的虚拟样机，在采集图像的过程中，根据曝光量和图像质量获得当前镜头的清洁度，将洁净度与所设置的能见度阈值进行实时比较，判断是否执行除尘动作，通过揭膜的动作完成主动防尘的动作。防尘的同时考虑在揭膜失效的情况下结合被动式喷淋除尘方法，设计了被动式除尘系统的总体架构，根据CCD成像原理获取镜头的曝光量，将其与预设的洁净度对比判断，进行镜头的清洗动作，在此过程中详细分析了机器人和喷淋冲洗系统间的定位方法和匹配措施。初步实验研究表明：井下现场的高粉尘环境对煤矿机器人视觉系统的图像采集质量影响较大，通过对视觉系统获取的图像进行在线灰度直方图分析，可实时判断图像的劣化程度，启动视觉系统除尘清洁装置，能够有效的提高机器人视觉系统图像拍摄质量，为煤矿机器人导航、定位、巡检作业等提供保障。

• 我国煤矿运输机器人发展趋势及关键技术

  陈杨阳, 霍振龙, 刘智伟, 张袁浩,

  煤矿运输机器人是煤矿机器人体系的重要组成部分，可完成煤炭、煤机装备和人员的运输任务，对构建采矿智能运输系统和实现煤矿无人化开采有较强现实意义。为了系统性阐述煤矿运输机器人的未来发展趋势和关键技术，首先从煤矿主运输、辅助运输和露天运输三个方面综述了我国煤矿运输装备智能化发展的研究历程和产品应用现状；然后针对煤矿安全监察局提出的煤矿机器人重点研发目录中运输类机器人的功能要求，基于文件中初步定义的11种运输机器人，从机器人学角度采用归纳分析法提出了三类煤矿运输机器人体系：机械臂主导类机器人、清理服务机器人、自动驾驶系统与无人车，以安全为第一要素从煤矿机器人特殊性角度提出了一种通用安全目标：包括机器人主动安全系统和联动安全系统，基于上述4点全面地分析了煤矿运输机器人的未来发展趋势；最后，绕过煤矿机器人专用技术，围绕3类运输机器人共性研究，提出了几种与之相适应的关键技术：实时目标检测技术、煤矿环境定位导航与避障、路径规划与轨迹跟踪控制技术、汽车线控驱动技术、有人/无人系统协同技术，详细分析了各项技术在不同煤矿运输机器人中的应用，指出煤矿运输机器人的发展目标是形成“采矿智能运输系统有人，运输机器人平台无人”的人机共融状态。

• 煤矿巷道机器人管线视觉辅助定位与导航方法研究

  程健,

  在煤矿巷道安全巡检以及灾变环境应急救援等工作中通常需要使用到智能机器人。目前智能机器人的自主导航与避障的技术已经比较成熟，但是主要应用场景都是室外有卫星定位（GPS、北斗导航系统等）环境或者特定室内环境。对于煤矿巷道环境复杂、光照不均匀、井下空间狭窄等难点，智能机器人在煤矿巷道的自主导航方法还需要进一步的研究。常用的传统惯性导航是使用惯性测量单元（Inertial Measurement Unit，IMU）的加速度与角速度来推算物体在三维空间的位置信息，但是误差累积问题比较严重。煤矿巷道存在大量管线，结构化特征显著，通过机载摄像头获取井下巷道图像，使用机器视觉算法来定位巷道图像中的管线，并且通过解算机器人与管线之间的偏航角来辅助机器人的视觉导航。针对巷道中管线的颜色鲜明、几何形状特征明显的特点，结合颜色与几何特征，通过将图像纵向分割成多个独立的子图像，减小环境噪声对图像中管线分割带来的影响，然后从每个子图像中获取候选管线轮廓，并根据是否属于同一根管线进行轮廓分组，从每组候选轮廓中进一步根据管线轮廓所拟合直线的平行程度进一步筛选出较为鲁棒和稳定的管线轮廓，效果显著。结合相机针孔模型和偏航角解算模型，进而获得机器人当前的偏航角度，试验表明，上述方法不仅快速，而且计算的偏航角准确可靠，能够满足煤矿巷道机器人视觉辅助定位与导航需求。

• 综采工作面巡检机器人关键技术研究

  李森, 张学亮, 王峰, 赵文生, 刘帅, 张国栋, 荣耀,

  目前国内许多煤矿应用了可视化远程干预型智能无人化综采，但是综采工作面内仍然需要1名工人进行巡检作业，为了实现综采工作面支架支护区域内真正无人，需要研究一种综采工作面巡检机器人，实现对综采工作面巡检人员的替代，是智能综采的发展方向。在分析综采工作面巡检机器人研究现状的基础上，提出综采工作面巡检机器人研究目前处于起步阶段，指出了综采工作面巡检机器人研究需要攻克的5个方面的技术难题：综采工作面巡检机器人控制平台技术、高可靠行走驱动技术、移动通信实时控制技术、协同控制技术、应用配套技术。给出并具体分析了综采工作面巡检机器人发展所需的5项关键技术：柔性轨道技术、精准定位导航技术、高可靠控制技术、动态图像采集技术、三维采场模型构建技术。研制了一款综采工作面巡检机器人，以电池供电驱动行走机构沿刮板输送机电缆槽外侧的轨道实现快速移动，轨道之间采用具有一定承载能力的弹簧连接件实现柔性连接，综采工作面巡检机器人搭载惯性导航系统、三维激光扫描装置、红外热成像摄像仪、可见光摄像仪、无线移动终端等装备，可完成对综采工作面直线度、水平度检测、工作面精确定位、工作面点云扫描、采煤机运行状态巡检与工作面快速巡检等功能，并通过无线通信网络实现传感数据准确、快速传输至巷道集控中心。通过在神东榆家梁煤矿43101综采工作面应用，实现最大巡检速度60m/min;辅助构建出工作面三维点云模型实测精度0.2 m;实现搭载惯导系统360m综采工作面直线度可控制在±50mm;综采工作面巡检机器人在质量和电池续航两个方面仍需进行进一步的研究优化，以满足实际生产需求。研究成果可为煤炭行业综采工作面巡检机器人技术的发展提供有益的借鉴。

• 基于双目视觉技术的煤矿救援机器人研究进展

  翟国栋, 张文涛, 岳中文, 潘涛, 胡文渊, 卢杏浩,

  针对煤矿事故后的环境探测和紧急救援任务，研发和使用煤矿救援机器人是提高救援效率和降低救援危险系数的关键途径，而双目视觉技术是煤矿救援机器人获取事故现场信息和实现自主避障及路径规划的前提。首先，基于双目视觉技术的实现流程，介绍了视觉测距的数学原理。归纳了目前摄像机标定领域的代表性方法，包括传统标定方法、主动视觉标定方法和自标定方法。阐述了立体视觉匹配中全局匹配算法、局部匹配算法和亚全局匹配算法的最新研究成果，并比较了3类匹配算法的优缺点。然后，在近十年煤矿救援机器人研究文献的基础上，回顾了双目视觉技术在煤矿救援机器人中的应用和发展情况。结果表明，研究范围主要涵盖立体视觉匹配算法、模式分类与识别、视觉测量与3维重建、组合测量与定位、视觉伺服控制和基于虚拟现实技术的视觉算法仿真等方面。最后，根据煤矿非结构化环境的高动态和强干扰特点，总结了运动模糊和镜头污染、超广角镜头的非线性大幅畸变、弱/零照度条件等3项煤矿救援机器人双目视觉现场应用所面临的技术难题。根据煤矿救援机器人双目视觉的大视场、高精度、自适应感知等要求，提出了包括多自由度测量、多传感器信息融合、基于主动视觉的自适应感知等在内的3项未来发展建议。

• 基于数据驱动的综采装备协同控制系统架构及关键技术

  路正雄, 郭卫, 张帆, 张传伟, 赵栓峰, 杨满芝, 王渊,

  为解决智能化综采工作面关键技术难题之一的开采设备协同控制问题，提出了基于数据驱动的综采装备仿人智能协同控制模型，重点研究了大数据背景下智能综采装备的协同控制知识自学习、开采行为自决策、分布协同自运行等关键技术理论与方法。具体包括：从数据应用的角度分析了智能综采系统的数据特点，阐明了智能综采的三大数据化特征：泛在感知(数据获取)、信息融合(数据挖掘)、智能控制(数据决策)；构建了面向经验操作员决策过程表征的综采装备协同控制框架；提出了基于扩展有限状态机的综采装备运行状态演化方法和基于多标记决策信息系统的综采装备运动行为模式学习方法，来实现数据驱动下智能综采装备行为决策知识的获取；提出了面向经典采煤工艺过程的综采装备行为模态类的决策知识划分方法和基于CBR与RBR融合的决策行为混合推理方法，来实现智能综采装备动作行为的自主决策；探讨了人工控制模式下综采装备驾驶员控制策略的表征方法，发展了具有自学习、自决策、工况自适应的综采“三机”仿人智能协同控制方法；给出了基于平行系统理论的平行综采技术逻辑，为综采装备协同控制的研究提供方法。所提综采装备协同控制系统为大数据背景下的综采生产系统的协同控制提供了解决方案。

• 特厚坚硬煤层超大采高综放首采面智能化技术研究

  许永祥, 李申龙, 王国法, 李明忠, 蔡逢华, 张金虎, 侯 刚,

  基于榆神矿区埋深较浅、特厚坚硬煤层赋存条件，针对超大采高综放开采首采工作面智能化开采所面临的难题，提出相应的解决对策，提高工作面自动化、智能化程度，减少工作面人员数量和劳动强度。讨论了超大采高综放工作面液压支架结构形式对智能化开采、支架-围岩“小结构”支护系统稳定性和顶煤冒放性的影响，认为两柱掩护式液压支架、整体式二级护帮板结构更适合超大采高综放工作面。针对顶煤冒放成拱问题，分析顶煤成拱形态和破拱措施，提出尾梁“小拱小摆、大拱大摆”的智能化摆动策略，提高顶煤冒放性和放煤效率。针对现阶段超大采高综放开采首采工作面顶煤冒放运移规律掌握不足、煤矸识别技术尚不成熟的情况，阐释了煤岩分界模糊段概念，将待放出顶煤分为纯煤段和煤矸分界模糊段，并提出纯煤段采用无需人工干预的智能化记忆放煤，煤矸分界模糊段采用人工干预反馈式放煤，在减少人员劳动量的同时保证顶煤采出率和降低含矸率。建立在线灰分检测智能评价和人工现场及时评价相结合的放煤效果综合评价系统，通过放煤键盘和反馈评价器及时、精准地控制放煤过程并给予反馈评价。针对采放不协调问题，提出和分析分区段成组放煤措施，提升放煤效率，促进采放协调。超大采高综放首采工作面智能化技术研究可为相似条件综放工作面提供参考和借鉴。

• 智慧矿山数字孪生技术研究综述

  张帆, 葛世荣, 李闯,

  煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。数字孪生面向煤炭工业领域的互联互通及智能化应用，发挥连接物理世界和信息世界的桥梁与纽带作用，将在煤炭开采、视频监控、人机交互等方面提供更加实时、智能、高效的服务。面向智慧矿山技术需求，提出了基于数字孪生+5G的智慧矿山建设新思路，将“数字孪生+5G”与AI技术相结合，为实现智慧矿山提供一种创新的方法。首先从智慧矿山建设进展及应用方面存在的问题入手，系统地梳理和分析了当前智慧矿山研究和发展现状，通过研究新一代信息技术与工业技术融合应用，阐述了数字孪生的概念内涵，指出数字孪生是智慧矿山发展的必然趋势并将为智慧矿山赋能；然后针对智慧矿山建设的难点和痛点问题，提出了基于“数字孪生+5G”的智慧矿山体系架构理论，通过构建矿山数字孪生模型（MDTM）实现物理矿山实体与数字矿山孪生体之间的虚实映射与实时交互。聚焦智慧矿山建设目标，以智慧矿山系统建设、优化和关键技术为核心，基于矿山信息物理空间的数字孪生和深度学习方法，以实际矿井为原型设计了智能开采的数字孪生一体化方案，构建了全域感知、边缘计算、数据驱动和辅助决策的智慧矿山平台。最后针对智慧矿山的数字孪生应用需求，提出并探讨了数字孪生赋能智慧矿山的关键技术问题，并指出了未来需要实现的关键技术路径。本文旨在通过对智慧矿山的数字孪生技术研究，为数字孪生模型构建、协同控制与交互优化等提供思路，为未来智慧矿山建设与设计提供理论借鉴。

• 煤矿智能开采初级阶段问题分析与5G应用关键技术

  赵国瑞,

  煤矿智能化是煤炭生产方式和生产力变革的新方向，是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，当前仍处于煤炭智能化开采的初级阶段。煤炭智能化的发展依赖于数据的高效传输和有效利用，如何解决多感知设备可靠接入、大容量数据高速传输和智能终端低延时控制的问题成为煤炭智能化开采面临的重要基础问题之一。为有效推动煤矿智能化开采的向前发展，分析了煤炭智能开采初级阶段在感知、决策和执行环节面临的短板问题；研究了在设备可靠性、信息传输和位置服务等基本保障技术方面的不足和未来发展方向；指出了工业控制软件在煤炭智能化开采和国家能源安全方面的重要性，提出了工业控制软件要实现自主可控，新技术应用要注重积累和重视基础研究的观点；从顶层设计、多网融合、网络转换、工控安全和应用场景5个方面分析了5G技术在煤炭智能开采应用中的关键问题，并指出5G不是要取代其他网络，而是能使得各种网络融合高效运转，同时提出工控安全将成为5G工业应用中的重要一环；给出了5G平台建设建议：建立微服务架构体系，设计好面向功能的MEC边缘计算模式，规划好针对场景的网络切片，重视5G智能终端研制，做好应用场景算法研究和软件开发。最后提出5G技术研发应用要注重技术生态建设，用好5G这一工具，推动人工智能、大数据、物联网、混合现实等技术在煤矿智能化开采中的落地。

• 煤矿智能一体化辅助生产系统及关键技术

  高士岗, 高登彦, 欧阳一博, 柴敬, 张丁丁, 任文清, 赵利虎,

  随着我国在智能开采和智能掘进技术方面不断取得重大突破，矿井各子系统智能化程度不均，矿井生产控制单一分散，各系统信息孤岛化等问题突显，因此需要建立智能一体化辅助生产系统，实现矿井所有设备的集中控制，数据的集中管理和信息的高度集成与共享，打破各系统信息壁垒，真正实现煤矿多系统智能化发展目标。针对智能矿山的现状和发展趋势，指出智能矿山的建设是由单个系统智能化向多系统智能化方向发展，矿井生产控制是由单一分散式向综合智能一体化方向发展，煤矿智能辅助生产系统是智能矿山建设不可或缺的一环，提出了智能一体化辅助生产系统建设的“五个一”基本原则。神东矿区通过融合智能主/辅运输技术、智能供电技术、智能排水技术、智能通风技术及智能通信技术，建立了煤矿智能一体化辅助生产技术体系。引入模块化管理理念，将矿井综采（综放）、掘进、主运输、供电、供排水、通风及安全监测监控等所有矿井生产系统高度集成在同一个平台，将各子系统数据接入区域煤矿集中控制中心，设计出一套集地面与井下为一体的辅助生产的整合控制方案，形成管控一体化平台。采取煤炭生产从采掘、运输和分选加工等一体化管理模式，形成了专业调度体系，优化了生产控制指挥流程，实现了“五矿六井”大区域煤炭生产的集中控制和海量数据管理及信息的高度集成与共享，形成新型煤炭生产体系。实践表明，神东矿区一体化智能辅助生产系统可对全矿区全周期生产数据进行分析应用，减少工作人员400人，降低人工成本8 000万/a，节电25%，设备利用率提高5%，全员工效提高16%。

• 煤矿智能化连续运输系统关键技术研究

  蒋卫良, 王兴茹, 刘冰, 郗存根,

  针对煤流系统存在逆煤流启车及始终全速的非最优运行状态，造成电能无效消耗及煤流系统传动部件无效磨损的现状，为提高煤流系统的运行效率，提出了煤流系统智能化调速无人化系统运行关键技术，主要涉及4个方面：煤量检测技术、智能控制策略、智能监控预警和煤流系统大数据远程监控云平台。煤量检测技术通过视频图像分析处理，检测出煤流输送线上煤料的宽度、截面积或体积，从而计算出瞬时煤量，作为煤流系统智能化调速的数据来源。智能控制策略通过改进煤流系统控制和运行工艺，即顺逆煤流自适应启动控制、煤量自适应调速和多级设备协同控制，提高煤流系统的运行效率和智能化水平，节能降耗，延长设备使用寿命。巡检机器人，搭载高清摄像装置、热成像仪及多种有害气体传感器，可执行煤流系统井下巡检任务，取代人工巡检，实现智能监控预警。煤流系统大数据远程监控云平台通过对煤流系统运行状态数据的采集、存储、分析和展示，解决了煤流系统生产故障排查耗时、滞后等问题，实现了煤流系统生产作业过程的少人化、数据化、远程实时监控。

• 矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设

  王海波, 赵立厂,

  煤矿智能化是推动煤炭行业高质量发展，促进煤炭产业转型升级的核心技术支撑，矿山物联网技术的深入应用是提升煤矿数字化、实现煤矿智能化的重要基础条件。以煤矿监测监控系统为例，从传感技术与设备、子系统建设、信息化集成等方面分析了煤矿数字化建设的现状，提出了矿山物联网实现“万物感知、万物连接、万物智能”所面临的困难，包括：传感设备功耗大、稳定性不高、维护工作量大，标准规范滞后，子系统建设相对封闭、信息化集成应用受限等。结合智慧矿山的整体目标，概括了矿山物联网泛在感知、泛在连接和泛在智能的技术特性；以矿山物联网的泛在特征为主题，分析了感知的必要元素和能力、连接的必要标准和服务、智能的必要层面。以提升矿山物联网的泛在能力、实现煤矿智慧体系为总体目标，对实现大样本感知、互联互通和应用智能等层面所需关键技术的国内外现状进行分析，指出：泛在感知的实现需要通过超低功耗的传感技术、位置服务技术和能量捕获技术的结合，形成无源无线、免标校的感知终端；泛在连接的实现应基于能够与位置服务结合的无线传输方式，应推进标准体系建设、形成D2D的互联和D4D的服务；泛在智能的实现是以泛在感知和泛在连接形成的大样本、多参量信息为基础的终端智能和区域智能。作为一种技术支撑体系，矿山物联网技术的深入应用体现在煤矿各个业务中，需要材料、微电子、机械制造、信息与通信等多种学科的前端整合。

• 智能开采透明工作面地质模型梯级优化试验研究

  程建远, 刘文明, 朱梦博, 余北建, 王一, 张泽宇,

  煤矿智能开采工艺与装备对于地质条件适应性不足，急需在各种复杂地质条件下构建高精度透明化的煤层地质模型。以山西某地质条件复杂的矿井为例，选择陷落柱、断层、褶曲等较为发育的XY-S工作面，通过利用不同勘查、生产阶段获取的地质数据，递进式构建了设计阶段的黑箱模型、掘进阶段的灰箱模型、回采前的白箱模型和开采中的透明模型；以XY-S工作面7 400 m掘进巷道、1 470 m推采范围的实测数据作为统计依据，对不同模型的地质建模精度进行实证分析。试验结果表明：①煤层底板的建模误差：黑箱模型10~20 m（仅有钻探数据时）、5~10 m（钻探+三维地震），灰箱模型和白箱模型0~5 m，透明模型0~1.0 m；②断层、陷落柱的控制程度：槽波解释的3条落差1.5 m以上断层验证可靠，直径20 m以上陷落柱的解释准确率平均75%，但是槽波探测的陷落柱范围明显偏大、推断的异常区偏多；③煤厚预测误差：主采煤层平均厚度2.70 m，黑箱、灰箱、白箱模型煤厚预测最大误差1.5 m、均方误差0.5 m左右，透明模型的煤厚预测误差小于0.30 m，但是可统计的实证点偏少。按照智能开采工作面地质模型梯级构建的思路，智能开采前白箱模型的建模精度只能满足自适应截割模拟开采的需求，急需研发随采智能探测、孔中地质雷达、视频煤岩识别等新技术新装备，实现工作面高精度三维地质建模，为煤矿智能开采提供可靠的地质保障。

• 智能煤矿建设路线与工程实践

  钱建生, 胡青松,

  针对我国智能煤矿发展“三步走”战略，指出智能煤矿建设不但包括基础设施、生产监控系统、安全监测系统、生产经营管理系统等系统的建设，更包括基于大数据和人工智能的智能决策系统建设。从工程实践的角度提出了智能煤矿建设“3115”建设路线，煤矿企业可根据自身需求和信息化现状，按照该建设路线有选择、分步骤的进行智能煤矿建设。阐述了“3115”建设路线中的实施方法：通过“3个网络”建设企业管理网、工业网络和通信联络网，它们构成智能煤矿的基础，形成覆盖全矿井的统一传输网络平台；通过“1个平台”构建统一的智能集成控制平台，实现“六全”信息智能；通过“1个系统”建设煤矿大数据及云服务系统，实现数据和模型的统一存储，为智能决策提供数据和算力支持；通过“5个中心”建设数据中心、调度指挥中心、智能控制中心、安全监测中心和生产运营管理中心，为智能煤矿提供业务与决策支撑。以所完成的多个智能煤矿建设为例介绍了“3115”建设路线的工程实践。智能煤矿建设大幅提高了实施企业的生产效率和安全水平，特别是大幅降低了危险岗位和重复性岗位的员工数量，为企业创造了巨大的经济效益和社会效益。

• 煤炭工业互联网及其关键技术

  李首滨,

  煤炭工业互联网（Coal Industry Internet，CII)拥有快速、安全、绿色等优点，是煤炭行业向智能化转型的重要支撑。我国煤炭工业互联网尚处在初级阶段，存在技术体系不明晰、信息交互时延高、信息安全保障难等问题。针对以上问题，首先分析了煤炭工业互联网对煤炭行业发展及保障国民经济的重要意义；总结了煤炭工业互联网的国内外研究现状，归纳出国内外研究人员在煤炭工业互联网领域进行的探索及取得的研究成果。根据我国智慧矿山建设实际需求，构建了煤炭工业互联网体系架构，分为设备感知层、IaaS层、PaaS层、SaaS层和云边端协同5个层次，推动形成涵盖煤炭生产、物流、消费等领域的工业生产制造和服务体系；进一步明确煤炭工业互联网信息安全、技术体系、信息传输、生态环境等重点发展领域，指出了我国煤炭工业互联网在上述领域中存在的问题，并总结分析了解决上述问题的发展方向。最后，提出了煤炭工业互联网安全防护、数字矿山基础信息平台、煤炭工业互联网数据中台、矿山中央控制系统、5G+煤炭工业互联网等关键技术及其发展思路，以推动矿山智能化建设，促进煤炭行业高质量发展。

• 基于5G技术的煤矿智能化开采关键技术探索

  范京道, 闫振国, 李川,

  5G的到来，极大地促进了云计算、大数据和人工智能等技术的深度融合，成为包括煤矿智能化开采在内的各行各业升级转型的关键基础设施，必将推动煤矿智能化开采技术的创新与变革。首先阐述了煤矿智能化开采的发展历程，总结了相关的政策支持和技术发展态势，系统分析了智能化开采技术在应用推广过程中存在的8方面亟待解决的问题；并从宏观角度分析凝练了技术方面的制约因素，提出以5G技术为核心汇聚而成的技术生态必将成为解决上述问题的一种有效手段。其次，深入研究了通信技术和煤矿开采技术之间的关系，分析了5G技术在智能化开采中的特点和优势，构建了智能化开采核心技术与5G技术生态关联矩阵，指出了5G大带宽、泛在万物互联、低时延高可靠、切片技术等特性和技术在煤矿智能化开采发展中的关键支撑作用，阐述了5G生态在煤矿智能化开采中的重要性，并展望了随着5G技术生态的不断成熟，煤矿智能化开采将探索衍生出的一些高效关键技术和生产管理模式。最后，从多个方面探索了5G技术在智能化开采中的关键应用，包括：系统计算分析管控模式、4D-GIS透明地质和实时推演、工作面自动找直、视频驱动的智能化开采、井下环境感知等。最后针对煤矿智能化开采提出了一种基于5G技术的解决方案以供探讨。

• 智慧矿山顶层架构设计及其关键技术

  吴群英, 蒋林, 王国法, 叶鸥, 蒋泽军, 董立红, 郭建军, 符立梅, 史晓楠, 习晓, 薜忠新,

  智慧矿山建设目标是在工业互联网技术的基础上，能够完成对矿山“人、机、环”数据进行精准化采集、网络化传输、规范化集成，从而实现可视化展现、自动化操作和智能化服务的矿山智慧体。目前，智慧矿山的建设主要以单一的业务逻辑为基础，较少从数据运营、技术服务和业务逻辑等多方面，深入研究智慧矿山的体系架构问题，难以实现通用性和扩展性较强的智慧矿山建设目标。为解决上述问题，基于已有智慧矿山的基本概念及内涵，在对国内外智慧矿山研究现状分析的基础上，首先提出智慧矿山的基本内涵及其建设原则，并引入数据标准化、网络协同化、系统一体化和技术智能化的建设理念。其次，提出智慧矿山顶层架构体系及其关键技术。该顶层架构体系主要包括智慧矿山总体架构、业务逻辑架构、技术架构和数据架构4个部分，从总体设计、业务分析、技术实现和数据流转的不同角度，可以较为综合和全面的构建智慧矿山。之后，探讨和研究了智慧矿山顶层架构体系建设过程中涉及到的智能控制技术、通信网络技术、三维可视化技术、空间信息技术、大数据分析与挖掘技术、物联网技术、机器学习理论方法、媒体智能技术等关键智能技术。最后，在总结智慧矿山顶层架构设计及关键技术内容的基础上，指出了未来智慧矿山建设过程中需要解决的一些关键理论问题及系统设计、优化问题，为不断完善智慧矿山顶层架构的设计和智慧矿山的深入发展明确了研究方向和实现目标。

• 综采工作面智能开采关键技术实践

  罗开成, 常亚军, 高有进,

  目前国内智能化开采技术与装备迎来了重要的历史发展机遇期，国内已累计建成200百多个以“可视化远程干预智能化开采技术”为主的自动化工作面。通过分析智能开采应用现状，指出由于煤矿工作面开采条件的多样性与复杂性，智能开采发展必然是分阶段、逐步实现，同时智能开采常态化应用受限于综采装备与控制元件等基础可靠性的提高及从业人员素质与能力的提高，因此智能开采发展与应用是一个长期的过程；基于现阶段国内自动化工作面的应用技术现状，从系统感知技术能力与特征的角度将智能开采发展阶段划划分为4个阶段，并指出现阶段国内总体应用水平还处于智能开采的初级阶段，部分矿井正在试验第二、三阶段的关键技术，离智能开采技术的理想目标还有很长的路要走。并围绕智能开采第二阶段的关键技术，重点阐述了基于装备主体结构件机械模型的液压支架与采煤机姿态感知技术、基于国产惯性组合导航装置的刮板输送机弯曲度检测技术、采煤机行走轨迹、开采刀识别以及工作面自动校直等技术原理与实践情况。通过工业性实践验证了液压支架与采煤机姿态感知技术以及工作面矫直方法等理论与工程的可行性，为工作面的液压支架防倾斜、防咬架、快速移架，截割面的开采规划与采煤机滚筒姿态调整、煤机干涉预警以及刮板输送机直线度调整等功能的具体实施提供了技术支撑。

• 深部煤层智能化大采长综采工作面关键技术研究

  张建国, 朱同功, 杨党委,

  针对平顶山矿区煤层埋深大，地质赋存条件复杂，采场围岩应力高，井下生产区域温度高的难题，结合可视化远程干预控制、井下信息传输技术及液压支架电液控自适应控制技术，以智能化工作面设备集成控制平台为基础，在平煤十矿构建了河南省首套大采长综采成套装备智能生产系统。建立井下井下万兆工业环网和4G无线通信系统，优化升级矿井信息化平台及通讯系统，支撑矿井智能化安全生产高效运营管理；通过采煤机自适应记忆截割和远程集中控制等关键技术的应用，实现了采煤机与支架的协调联动采煤及“可视远程干预遥控，无人化操作”的智能化生产模式；基于惯性导航调直技术，形成“测量—计算—调直”的工作面智能化高精度调直方法，克服了生产设备高精度定位和调直控制的瓶颈；并以智能泵站液压支架自动补液为例，分析工作面液压支架阻力频率分布规律表明：智能化控制系统对煤层赋存条件具有可靠的适应性，确保了液压支架与顶板岩层之间良好的耦合关系和工作面围岩的稳定性，能够满足安全高效生产的要求。

• 特厚煤层综放工作面智能控制关键技术研究

  鲍永生,

  煤矿智能化开采是实现我国煤炭工业高质量发展的核心支撑技术之一，特别是占我国煤炭产能比例最大的中厚及特厚煤层实现智能化开采意义重大。针对综放智能化成套设备系统可靠性、跟机自动移架及智能放煤可控性与放顶煤煤岩识别准确性三大特厚煤层综放工作面智能控制技术发展制约因素，提出了供液系统的多级过滤智能控制技术、综放工作面液压支架记忆放煤技术与放顶煤煤岩识别技术三大关键技术。并在同煤集团同忻煤矿8202工作面进行了现场工业性试验，该工作面通过集成综放自动化控制系统，实现了采煤机22种编辑状态下的智能程序割煤、支架智能跟机、智能放煤、视频智能监控和智能集成供液等系统的融合，实现了巷道和地面调度中心的远程集控智能化控制和人工干预，突破工作面年产量1 000万t以上，工作面回收率达到87%以上，吨煤耗电量小于9.1 kWh/t，产值达到46.5亿元，利润达到5.0亿元，实现了特厚煤层综放工作面智能控制关键技术的突破性进展。并针对8202工作面在工业试验中就存在的问题提出了解决办法。该研究成果对提升高端重大装备适用性研究与实施效果形成示范经验，对我国煤炭行业快速发展具有重要的现实意义。

• 千万吨级矿井智能化综采成套装备及关键技术

  孟祥军, 李明忠, 孙计爽, 李首滨,

  针对国内3~4 m煤层生产效率低、采煤机割煤速度慢、液压支架自移跟机可靠性差等问题，根据转龙湾煤矿Ⅱ-3号煤层233采区煤层赋存情况，为了实现转龙湾煤矿一矿一井一面的千万吨级智能化矿井建设目标，开展了3~4 m厚煤层液压支架、采煤机、刮板输送机等成套装备一体化设计，确定了成套装备的技术参数和关键结构，研制了高可靠性、智能化成套装备，突破了基于惯性导航系统的综采工作面直线度精确检测技术、采煤机记忆截割智能控制技术、基于煤流负荷模型的刮板输送机智能调速技术、工作面端头联合支护技术等关键技术，实现了采煤机自主定位、记忆截割，液压支架自动跟机移架、推移刮板输送机和自动矫直，刮板运输机智能柔性变频调速，2巷超前液压支架协同推进，设备列车的自动控制和快速自移。结果表明，上述关键技术保障了综采装备的成套协同作业和连续回采，工作面具备了年产1 000万t的水平，大幅减少了采煤工作面的操作工人数量，实现了远程监控和少人值守常态化模式的智能化采煤作业，自2015年10月在转龙湾煤矿23303工作面进行工程示范应用，效果显著，每班可减少操作工人5人，最高日产达到3.78万t，最高月产90.13万t，建立了3~4 m厚煤层年产千万吨的配套模式，为类似煤层赋存条件高产高效生产提供了经验。

• 煤矿智能化(初级阶段)技术体系研究与工程进展

  王国法, 任怀伟, 庞义辉, 曹现刚, 赵国瑞, 陈洪月, 杜毅博, 毛善君, 徐亚军, 任世华, 程建远, 刘思平, 范京道, 吴群英, 孟祥军, 杨俊哲, 余北建, 宣宏斌, 孙希奎, 张殿振, 王海波,

  煤炭是可以实现清洁高效利用的最经济、最可靠的能源，煤炭资源的智能、安全、高效开发与低碳清洁利用是实现我国煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。基于我国煤矿智能化初级阶段的发展要求，开展了煤矿智能化技术体系研究和工程建设。进行了智能化煤矿顶层设计研究，以“矿山即平台”的理念将智能化煤矿整体架构分为设备层、基础设施层、服务层与应用层，实现煤矿生产、安全、生态、保障的智能化闭环管理；针对智能化煤矿存在的信息孤岛问题，开展了多源异构数据建模、特征提取与数据挖掘等技术研究，研发了基于数据驱动的信息实体建模与更新技术；研究了智能化煤矿高精度三维地质模型构建方法，提出了基于地质模型动态更新的煤层厚度自适应截割控制方法；研发了工作面采掘接续智能设计技术，实现了接续工作面图纸、规程、规范的智能设计，大幅降低了采掘接续过程中的重复劳动；研究了掘锚一体机的位姿检测与导航技术、自动打锚杆技术、自动铺网技术、巷道三维建模与质量监测技术，探索了基于远程视频监控的巷道智能高效掘进技术与装备；以“有人巡视，无人操作”为特征的智能化开采工作面在全国逐渐推广应用，开展了基于三维地质模型动态更新的采煤机自适应截割技术研发与实践，在部分矿区取得较好的试验效果。较详细的阐述了神东矿区、兖矿集团、同煤集团、阳煤集团、淄矿集团、新汶集团等国内大型煤炭生产企业现阶段在智能化煤矿建设中取得的阶段性成果，从技术研发与现场实践相结合的角度分析了智能化煤矿建设过程中存在的主要技术难题与发展方向。进行了煤矿智能化标准体系研究，提出了煤矿智能化标准体系框架，起草制定了“智能化煤矿分类、分级技术条件与评价指标体系”、“智能化综采工作面分类、分级评价技术条件与指标体系”等相关标准，为智能化煤矿建设提供标准支撑。

• 智能化煤矿大数据平台架构及数据处理关键技术研究

  杜毅博, 赵国瑞, 巩师鑫,

  随着煤矿智能化技术深度推进，其数据量级及类型均呈爆炸式增长，利用大数据技术针对煤矿多源海量数据进行集成分析与数据价值挖掘，实现动态诊断与辅助决策，成为煤矿智能化的关键。煤矿大数据平台向下实现多源异构感知数据的接入、集成和融合，向上为各种煤矿智能化应用提供数据服务，打通感知数据和数据智能应用之间的屏障，是煤矿智能化运行的基础。本文针对当前煤矿大数据平台建设初级阶段缺乏成熟建设体系的现状，在分析煤矿大数据数据来源、数据特征以及处理要求的基础上，提出由数据接入层、数据存储层、数据资产管理层、数据服务层构成的煤矿大数据集成分析平台技术架构；系统研究数据接入与存储系统，主数据管理系统及数据服务系统等大数据平台关键系统，从而建立大数据平台基础框架，为大数据融合分析处理提供基础数据与资源能力；针对煤矿大数据处理要求，研究数据获取与数据标准管理，提出基于位号的煤矿数据编码标准，实现煤矿数据标准化管理，并在此基础上研究数据集成与数据治理技术与数据可视化技术，实现数据全生命周期管理；研究提出基于循环神经网络的数据预测及基于知识工程的态势感知与推理等基于人工智能的处理算法实现数据纵向和横向的智能化分析。以陕煤张家峁煤矿及延长石油巴拉素煤矿为代表进行大数据平台建设与工程实践，为建设智能化煤矿大数据平台，构建煤矿数据生态提供技术参考。

• “智能化煤矿建设关键技术及工程应用”专题所有论文批量下载

  2020年3月2日，国家发展改革委、国家能源局等八部委共同印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，文件的发布实施对于加快推进智能化煤矿建设，构建智能+绿色煤炭工业新体系，实现煤炭资源的智能、安全、高效、绿色开发与低碳、清洁、高效利用，促进煤炭工业高质量发展具有重要意义。　　为促进矿山智能化技术成果交流与理论实践进步，推进我国煤矿智能化建设进程，进一步发挥《煤炭科学技术》的学术交流平台和桥梁纽带作用，组织策划了“智能化煤矿建设关键技术及工程应用专题"，组约国内煤矿智能化技术研究与应用领域的专家、学者撰稿，报道了煤矿智能化技术体系研究与工程应用、智能化煤矿顶层架构设计、智能化煤矿建设路线、智能开采关键技术、5G关键技术、煤矿机器人技术等方面的研究与工程应用进展。本次专题收稿145篇，录用稿件49篇，限于版面，2020年第7期刊登28篇论文,其余稿件将择期在机电与智能化栏目中刊登。在此衷心感谢各位专家为此专题撰稿，特别感谢《煤炭科学技术》杂志主编王国法院士、中国矿业大学校长葛世荣教授在专题策划、组稿方面给予的大力支持，同时感谢中国煤炭科工集团、中国矿业大学(北京)、陕西煤业化工集团、神东煤炭集团、兖矿集团、同煤集团、平煤集团、郑州煤矿机械集团、陕西延长石油集团等对专题给予的关注与支持!　　为了保证专题论文的时效性，《煤炭科学技术》编辑部已将专题论文进行网络首发，广大读者可通过识别二维码免费下载阅读专题论文。王国法：煤矿智能化(初级阶段)技术体系研究与工程进展葛世荣：我国智能化采煤技术现状及待突破关键技术孟祥军：千万吨级矿井智能化综采成套装备及关键技术鲍永生：特厚煤层综放工作面智能控制关键技术研究张建国：深部煤层智能化综采工作面关键技术研究罗开成：综采工作面智能开采关键技术实践吴群英：智慧矿山顶层架构设计及其关键技术范京道：基于5G技术的煤矿智能化开采技术研究与探索李首斌：煤炭工业互联网及其关键技术钱建生：智能煤矿建设路线与工程实践程建远：智能透明开采工作面地质模型梯级优化的试验研究王海波：矿山物联网的泛在特征分析与泛在能力建设蒋卫良：煤流系统智能化调速无人化系统关键技术高士岗：煤矿智能一体化辅助生产系统及关键技术赵国瑞：煤炭智能开采初级阶段问题分析与5G应用关键技术张帆：智慧矿山数字孪生技术研究综述杜毅博：智能化煤矿大数据平台架构及数据处理关键技术研究许永祥：特厚坚硬煤层超大采高综放首采面智能化技术研究路正雄：基于数据驱动的综采装备协同控制系统架构及关键技术翟国栋：基于双目视觉的煤矿救援机器人研究进展与发展趋势李森：综采工作面巡检机器人关键技术研究程健：煤矿巷道机器人管线视觉辅助定位与导航方法研究陈杨阳：我国煤矿运输机器人发展趋势及关键技术胡而已：煤矿机器人视觉系统防尘除尘方法研究阎俊豪：智能矿山车联网体系架构与关键技术辛中华：智能煤矿电磁环境及电磁兼容标准架构刘鹏：于时空约束的瓦斯事故知识库构建及预警推理雷晓荣：智能开采“孔—井—地”一体化钻探测量系统及关键技术

• 【视频】王国法院士推荐“智能化煤矿建设关键技术专题”

  王国法,

  点击“相关视频”，收看王国法院士对“智能化煤矿建设关键技术专题”的推荐。该专题刊登于《煤炭科学技术》2020年第7期。

• 【视频】葛世荣校长推荐“智能化煤矿建设关键技术专题”

  葛世荣,

  点击“相关视频”，收看葛世荣校长对“智能化煤矿建设关键技术专题”的推荐。该专题刊登于《煤炭科学技术》2020年第7期。

• 区段大煤柱水力压裂切顶护巷技术研究

  司瑞江, 李飞鹏, 赵璐璐, 许利军, 冯恒星,

  针对工作面回采过程中沿空留巷围岩应力高、蠕变变形大的难题，以赵庄矿井1309工作面为研究背景，用理论计算的方法开展了沿空留巷区域围岩结构力学分析，并提出了适用于该矿井的顶板双向水力压裂护巷工艺和效果检测方法。研究结果表明：13092巷道变形程度由煤体单轴抗压强度、煤层埋深、顶板岩梁强度共同决定，在以上因素的叠加作用下采空区侧向顶板挤压煤柱，煤柱塑性区范围扩大，侧向应力向煤柱深部转移，顶板断裂前煤柱内弹塑性过渡区域垂直应力达到最大值，受侧向应力峰值影响13092巷道发生强烈蠕变变形，巷道断面维护困难；通过在13091巷道布置双向水力压裂孔，提前弱化顶板，破坏其应力传递和能量积聚的条件，有效地进行了人为断裂线的预制，并改善断裂线在煤柱上方的倾向位置，减缓了煤柱受挤压程度；在巷道上方施工的水力压裂孔能够有效促使关键岩块B回转下沉，减小了1309工作面侧向悬顶的长度，垮落的关键岩块B能够较好地对高位岩层形成支承作用；在施工水力压裂孔后相应区域巷道变形量缩小40%，煤柱边界区域微震事件数和微震能量值均有大幅度减小，保证了沿空巷道在回采期间的围岩稳定性。该研究成果探索了顶板水力压裂护巷在晋煤矿区应用的可行性，并为类似矿井条件下开展压裂工艺提供了工程指导。

• 煤矿采空区失稳灾害链式效应与链式类型研究

  李文, 王东昊, 李宏杰, 马智勇,

  煤矿采空区失稳灾害特别是大面积房柱式采空区失稳诱发矿震或冲击气浪灾害一直缺乏有效的预测预防和控制。为了研究煤矿采空区失稳灾害的发生机理，进而达到预测预防和控制的目的，基于煤矿采空区失稳灾害主要影响因素分析，引入灾变链式理论，研究了煤矿采空区失稳灾害中致灾环境、致灾因素、作用方式、承灾体4个要素之间的关系，构建了煤矿采空区失稳灾害链式效应结构模型和数学理论模型，获得了煤矿采空区基本失稳模式和链式类型，并结合案例进行了分析。研究表明，煤矿采空区失稳灾害主要影响因素包括区域地质及构造分布、采空区/煤柱尺寸与形态、采空区覆岩及围岩岩性、水文地质条件、采空区上下及周围煤层开采情况、采空区类型及遗留时间、静载和动载等8个方面；通过研究致灾环境、致灾因素、作用方式、承灾体4个要素之间的关系，可以构建煤矿采空区失稳灾害链式效应结构模型和数学理论模型；煤矿采空区基本失稳模式和链式类型主要包括6种，即单一煤柱采空区失稳链、构造影响下采空区失稳链、含水采空区失稳链、开采扰动影响下采空区失稳链、静载影响下采空区失稳链、动载影响下采空区失稳链，每种灾害链的发生模式各有异同；案例表明，煤矿采空区失稳灾害大都为上述6种基本链式类型中2种或2种以上的复合类型。

• 煤矿井下定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术

  牟全斌, 闫志铭, 张俭,

  为了提高煤矿井下单一低渗煤层瓦斯抽采效果，基于普通中、短钻孔水力压裂技术在瓦斯治理方面存在的弊端，结合煤储层地质条件和定向钻进技术特点，提出了井下定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术，总结了长钻孔整体压裂和围岩梳状孔分段压裂2种水力压裂模式，分析了施工工艺和关键技术，以阳泉矿区为例，进行了定向长钻孔水力压裂试验，并考察了其效果。结果表明：长钻孔整体压裂采用基于扩张式封隔器原理的快速封孔技术，可在10 min内实现封孔工具组合快速坐封。梳状孔分段压裂施工采用裸眼封隔器滑套分段压裂工艺，利用孔口投球方式依次打开各级投球滑套，完成各个分支钻孔注水压裂作业。水力压裂影响范围内煤体全水分随着与钻孔距离的增大呈现先增大、后减小的现象，煤层瓦斯含量与煤体全水分呈现相反的分布特征。压裂过程中巷道受力变形现象明显，放喷初期水流大量携粉，排粉量达到6.5 t。长钻孔整体压裂和梳状孔分段压裂的最大影响半径分别达到58 m和60 m，比常规压裂钻孔增大2.32倍和3.53倍，平均瓦斯抽采纯量达1.51m3/min和0.25m3/min，比常规压裂钻孔提高24.40倍和13.89倍。分析认为压裂过程存在水驱气效应，且压裂对煤储层改造效果在空间上存在不均衡性。煤岩体吸水后发生体积膨胀和软化现象，改变了钻孔周围应力场的分布，导致了巷道受到挤压破坏发生变形。梳状孔分段压裂过程中围岩中裂缝通过牵引作用与煤层中压裂裂缝沟通，进而形成新的煤储层裂隙网络系统，有利于提高瓦斯抽采效果。指出下一步应在地质选区、压裂参数和压裂工艺优化设计、压裂效果监测技术等方面展开深入研究，构建完善的井下定向长钻孔水力压裂瓦斯高效抽采技术体系。

• 大直径顶板定向长钻孔替代高抽岩巷的瓦斯抽采效果分析

  李宏, 马金魁,

  为进一步提高采空区裂隙带瓦斯抽采效果以保障工作面回采期间安全，提出了一种大直径顶板定向长钻孔（203 mm）进行采动区裂隙带瓦斯定向抽采技术，并对其施工工艺、钻孔布置合理层位及抽采效果进行了研究。结果表明，钻孔布置的合理垂直高度45～50 m，钻孔与工作面回风侧的水平间距40 m。与高抽岩巷、普通顶板高位钻孔等常规采动区瓦斯治理方法相比，大直径顶板定向长钻孔的抽采量与高抽岩巷相当，是普通顶板高位孔抽采量的2.04倍；工程量大幅度降低，大直径顶板定向长钻孔既能实现高效率抽采，又达到节约工程量、降低施工成本等效果。大直径顶板定向长钻孔的成功应用为以孔代巷及传统顶板高位孔工艺的改进提供了实践基础和发展方向。

• 低透气煤层超高压水力割缝与水力压裂联合增透技术

  徐雪战,

  为了解决矿井瓦斯预抽中存在的问题，提高矿井瓦斯抽采利用效率，杜绝瓦斯灾害事故发生，以新集二矿瓦斯预抽工艺为研究背景，针对矿井采掘接替紧张、煤层透气性差、瓦斯抽采率低等技术难题，提出了超高压水力割缝与水力压裂联合增透技术。基于岩石力学与流体力学理论，分析了超高压水力割缝与水力压裂联合增透机理。并采用数字模拟方法研究确定了沿槽缝延伸方向，缝槽至煤体深部依次形成破碎区、塑性区、弹性区及原岩应力区，被冲割煤体受高压水射流剪、割应力作用影响，原岩应力区向煤体深部转移，煤体渗透率增大。得出水力压裂钻孔布置在超高压水力割缝形成的塑性区范围内能够达到较好的增透效果，并设计了超高压水力割缝与水力压裂一体化联合增透技术工艺：割缝水压为95～100 MPa，旋转水尾转速为40 r/min，割缝间距为1.0～1.2 m，单刀冲割时间为12 min；水力压裂钻孔直径为95 mm，并采用100 mm的钻孔洗扩装置冲、扩钻孔。通过在新集二矿2201采区220108底板巷2号上钻场的应用结果显示：超高压水力割缝与水力压裂协同增透技术能够明显改善煤层透气性，瓦斯抽采30 d以后，协同超高压水力割缝钻孔平均瓦斯抽采纯量为普通钻孔的10.3倍；协同水力压裂钻孔平均瓦斯抽采纯量为普通钻孔的6.4倍，且能够持续保证较高流量和浓度的瓦斯抽采效果。

• 水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术研究

  高鑫浩, 王明玉,

  为了增加低渗透高瓦斯煤层的透气性，提高瓦斯的利用率和抽采效率，提出了水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术，分析了水力压裂-深孔预裂爆破复合增透的爆破致裂机理，建立了在爆轰气体作用下的裂纹应力强度因子方程和裂纹二次扩展半径方程。运用RFPA2D-Flow模拟软件对水力压裂后孔壁周围煤岩体裂隙的产生过程与裂隙扩展规律进行模拟。利用ANSYS/LS-DYNA有限元分析模拟软件对不同长度预裂缝影响深孔预裂爆破后瓦斯抽采增透效果的程度进行模拟。同时在阳泉五矿8410工作面开展了现场工业性试验，以此验证煤矿井下进行水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术后的瓦斯抽采增透效果。结果表明：使用水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术后煤层的透气性与常规的深孔预裂爆破相比有显著提高，致裂孔的初始瓦斯涌出量是普通爆破孔的3.18倍，瓦斯含量的衰减强度降低了77.3%。深孔预裂爆破的有效影响半径随着爆破孔内预裂缝长度的增加而提高，而且二者呈线性关系。该研究中采用复合爆破后的有效影响半径可达到6.98 m，与数值模拟结果得到的有效影响半径6.763 m相近。同时数值模拟与现场工业性试验的结果均证明：提出的水力压裂-深孔预裂爆破复合增透技术，能够有效增加煤岩层的透气性，提高瓦斯的抽采效率，为其他低渗透高瓦斯煤层的瓦斯抽采增透技术提供了参考。

• 太行山东麓页岩储层地球化学参数测井计算方法研究

  薛冰, 刘度, 罗洪浩, 牛然,

  为了较好地进行太行山东麓的页岩气储层测井评价，地球化学参数是研究页岩储层的重要参数，对储层有效性评价具有重要意义。基于太行山东麓页岩常规测井资料和地球化学参数测试，以石炭系上统太原组泥页岩为研究对象，对页岩储层测井响应特征统计分析。通过对页岩储层总有机碳含量、镜质体反射率和生烃潜力与测井参数值相关性分析，优选敏感参数并建立相应测井计算模型，利用所建模型对页岩储层3个地球化学参数进行了计算，进而查明页岩储层总有机碳含量、镜质体反射率及生烃潜力平面展布特征。结果表明：此页岩储层测井响应特征总体呈现“三高、一低、一中”特征;总有机碳含量与自然伽马、密度和声波时差相关性好；镜质体反射率与常规测井响应的相关性比较差，与深度呈良好的正相关关系；生烃潜力与镜质体反射率、声波时差及自然电位相关性较好。采用多元回归分析方法建立了太行山东麓A区块页岩储层总有机碳含量、镜质体反射率和生烃潜力计算模型，计算结果与实测结果吻合度较高，总有机碳含量相对误差小于8%，镜质体反射率相对误差小于3%，生烃潜力相对误差小于5%，表明该计算方法对该区地球化学参数计算效果明显。

• 发耳矿区煤储层敏感性对煤层气排采影响及控制对策

  胡海洋, 赵凌云, 陈捷, 颜智华, 李云魁,

  为了降低煤储层敏感性对排采的影响，研究发耳矿区煤储层的敏感性特征，以期为该地区的煤层气井排采方法和控制策略提供参考，通过对发耳矿区16号煤层进行敏感性试验，测试不同流速下的渗透率、不同净应力下的渗透率及不同累计注入倍数下的渗透率，研究了煤层的流速敏感性、应力敏感性及水敏感性伤害特征，分析煤层气井的临界产水量、应力敏感临界值及煤储层敏感性伤害对排采的影响，提出发耳矿区煤层气井降低应力敏感伤害的控制策略。研究结果表明：发耳矿区16号煤层为中等偏强的速敏损害储层、强应力敏感损害储层、中等偏强的水敏损害储层；为降低煤层气井产水初期的速敏伤害，应降低煤层流体流速，试验煤层的产水量应不超过2.46 m3/d；试验煤层的应力敏感临界值为7 MPa，当净应力值小于临界值时，煤层对应力变化的敏感性较强，随净应力值的增大，煤层渗透率快速下降；煤层气井产出水的矿化度越高，产出水对煤层的水敏性伤害呈快速增大的趋势，随着矿化度的降低，对煤层水敏性伤害增大的趋势逐渐减弱，研究结果和认识，对于该地区煤层气井降低压裂、排采过程中煤储层敏感性伤害具有重要指导意义。

• 烟煤中多环芳烃分布特征研究

  徐娇, 张水花, 尤朝贵, 刘鹏,

  煤在不充分燃烧和运输过程中都会释放出多环芳烃，给人类健康和环境造成危害。为了解不同变质程度烟煤中多环芳烃的分布规律，为煤的清洁化利用提供基础资料，采用微波萃取技术提取了7种云南富源烟煤煤样中的可溶有机物，并利用气相色谱质谱联用仪(GC-MS)测定提取液中美国环境保护局(USEPA)优控的16种多环芳烃(PAHs)的含量，通过试验优化了萃取溶剂、溶质比、萃取温度等微波萃取条件和PAHs的GC-MS测定条件，并研究了PAHs的分布与煤种、煤质参数之间的关系。研究结果表明：在萃取溶剂为二硫化碳（CS2）和二氯甲烷（CH2Cl2）,混合溶剂体积比1∶1,溶剂体积为20 mL,萃取温度为110 ℃条件下可获得理想的萃取效果。萃取物经柱层析分离、浓缩后，采用GC-MS的全扫描方式和选择离子扫描方式相结合的方法可以准确实现煤中多环芳烃的定性定量分析。7种原煤中PAHs分布均以3环、4环、5环芳烃为主，其中5环芳烃最多。随碳质量分数的增加，烟煤中PAHs总含量呈现先增加后降低趋势，当碳质量分数为81.32%时，PAHs总含量达到最大值36.77 mg/kg。随着H/C和O/C物质的量比的增加，PAHs总含量先增加后减小，在H/C物质的量比为0.347，O/C物质的量比为0.069时，PAHs总含量最高。

• 弱胶结地层条件下工作面溃水溃砂规律模拟研究

  石磊,

  针对工作面开采过程中上覆弱胶结古近系砂砾岩含水层易导致溃水溃砂事故的问题，以西部某矿井21-1煤层开采过程为研究背景，研究确定了安全开采煤层厚度，以降低工作面发生溃水溃砂事故的可能性。利用离散元颗粒流PFC3D软件构造工作面三维模型，依据工作面现场测得的宏观参数，通过宏细观参数转换公式转换成细观参数导入三维模型中，模拟工作面在开采厚度为2、4、6、8 m时水砂混合物流动的情况，从而分析工作面发生溃水溃砂灾害的可能性。结果表明:从溃水溃砂通道发育过程及含水层水压变化2个角度分析，煤层开采厚度为2、4 m时，溃水溃砂通道没有贯通到工作面，含水层水压还存在一定的压力，此时发生溃水溃砂事故的概率较小，而煤层厚度为6、8 m时，工作面与砂层之间竖向裂隙出现贯通，溃水溃砂通道形成，含水层水压在最终开采阶段逐渐降低至0，工作面发生溃水溃砂等灾害的概率较大，因此选择最优开采煤厚是降低溃水溃砂事故发生可能性的有效措施。研究为相似矿井工作面选取开采煤层厚度与防治溃水溃砂灾害提供理论支持。

• 榆神矿区地表水水化学特征及其影响因素分析

  刘基, 高敏, 靳德武, 杨建, 王强民,

  煤矿开采外排矿井水可能对地表水系水质产生影响，为了研究榆神矿区地表水的水质状况，采集了秃尾河和榆溪河沿程的地表水样各5组，采用数理统计法分析了地表水的水化学特征；运用Piper三线图分析了地表水的水化学类型及其主要离子组成特征；采用Gibbs图和离子相关关系等方法探讨了地表水主要离子的来源及其影响因素。研究结果表明：榆神矿区秃尾河水的TDS为404.32～794.17 mg/L，平均为529.68 mg/L，榆溪河水的TDS为303.73～434.77 mg/L，平均为356.88 mg/L，均为弱碱性淡水。地表水阳离子均以Ca2+和 Na+为主，秃尾河水的Ca2+和 Na+平均质量浓度分别为63.33和46.63 mg/L，而榆溪河水的Ca2+和 Na+平均质量浓度分别为61.08和16.44 mg/L；阴离子均以HCO-3为主，秃尾河和榆溪河水的HCO-3平均质量浓度分别为294.96和225.34 mg/L，地表水的水化学类型以HCO-3-Ca2+为主。秃尾河地表水各水化学参数呈现从上游到下游逐渐降低趋势，而榆溪河地表水各水化学参数呈现从上游到下游逐渐升高的趋势。根据地表水中各化学指标间的相互关系矩阵可知，TDS与K+、Na+、Mg2+、Cl-、SO2-4和HCO-3都存在显著的正相关关系，说明这些离子均对TDS有明显的贡献。HCO-3分别与K+、Na+、Ca2存在显著的相关关系，说明这些离子可能来源于同一样物质，可能来源于含钠硅酸盐的溶解。地表水中主要离子主要来源于硅酸盐的岩石风化溶解以及阳离子交换作用，其中SO2-4、NO-3和Cl-的浓度局部较高，大部分浓度均较低，说明地表水局部地段受人类活动的轻微影响，但由于河流的径流、混合和稀释等作用，人类活动对地表水水质的影响有限。

• 采场三维充水结构地质建模及动态可视化实现

  靳德武, 李鹏, 赵春虎, 王玺瑞,

  为了精细刻画采场水文地质结构和跟踪充水要素的动态变化信息，提高矿井水害监测预警技术水平，笔者提出了三维充水结构可视化概念。三维充水结构由静态模型和动态可视化模型组成，静态模型是实体模型，动态可视化模型是在静态模型基础上嵌套充水水源和充水通道时空变化信息的可视化模型。静态模型依据地质、物探、水文地质等勘探数据，在三维开源几何内核Open CASCADE与DSI离散光滑插值算法、克里金插值算法相结合基础上构建而成的，用来展示采场尺度水文地质结构体的静态特征。动态可视化模型是根据工作面推采过程中水压、水温、应力-应变、视电阻率、破裂范围等动态信息，形成水压导升面、破坏深度包络面等动态衍生信息，在静态模型上嵌入上述动态衍生信息，实现充水要素（充水水源与充水通道）时空展示功能，该模型对数据更新响应时间少于10～20 s；以底板“下三带”理论为基础，提出依据“水压导升面”与“破坏深度包络面”是否叠置作为建立突水预警判据的技术思路。以葛泉矿东井11916工作面为例，通过采集地质、物探、水文地质、采掘工程信息，并融合传感器、网络连续电法、微震等充水要素动态监测信息，构建了采场三维充水结构可视化模型，将其应用于底板突水综合监测预警工程实践中，为11916工作面底板水害监测工程设计及智能化预警提供了新的技术平台。