煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2020年第8期

• 中国现代煤化工近25年发展回顾·反思·展望

  徐振刚,

  发展现代煤化工是国家能源发展战略的重要组成部分，是充分发挥煤炭能源相对资源优势，保障国家能源安全的必要措施，是缓解石油和天然气供需矛盾的现实手段。中国现代煤化工发展始于20世纪末，贯穿“九五”至“十三五”共5个“五年计划”近25年。现代煤化工区别于传统煤化工，包括煤直接液化、煤气化、费托合成、大型煤制甲醇、甲醇制烯烃、甲醇制芳烃、煤制乙二醇、煤制天然气等。回顾了中国现代煤化工近25年的发展历程，分析了各个“五年计划”期间在国家政策引导和宏观调控下开展的科技创新和产业发展工作的时代特征；介绍了中国现代煤化工从实验室研究、工程化开发、工业化示范到产业化发展再到进一步升级完善的历史脉络。概述了中国现代煤化工的发展现状，梳理了近25年现代煤化工快速发展过程中所取得的丰硕成果包括煤化工核心技术、专用催化剂、关键设备等方面实现的重大突破。煤直接液化、煤气化、合成气费托合成、甲醇制烯烃、煤制乙二醇等工艺路线的核心技术与关键设备均已实现重大突破，技术水平总体上已位居世界前列，其中煤直接液化、甲醇制烯烃、煤制乙二醇等已达到世界领先水平。阐述了5个具有特殊意义的典型现代煤化工工业化示范项目，汇总了中国现代煤化工各主要技术方向已建成投运的工业化示范项目及产业规模。最后对近25年的快速发展历程进行了反思，总结了各个不同发展阶段所取得的宝贵经验和值得关注的工作要点。面对煤炭工业转型升级、煤化工行业高质量发展的新机遇，分析了中国现代煤化工仍然存在总体技术水平需进一步升级，主要产品档次需进一步提高，项目经济效益需进一步改善等主要问题与面临的产业核心竞争力需进一步提升的严峻挑战，据此指出了中国现代煤化工未来科技创新的技术方向及工作重点。现代煤化工科技创新的突破口应是煤化工高端差异化新产品的开发，特别是高性能、高附加值类新产品的开发，这也是煤化工行业的本质特征。

• 深部特厚煤层对采对掘巷道围岩综合应力场演化研究

  姜鹏飞,

  深部特厚煤层对采对掘巷道受高应力及多次强烈采动影响，应力环境复杂，围岩控制难度大，井下综合应力场演化对于巷道支护方式及参数的确定有益。以麻家梁煤矿14103辅运副巷为工程背景，采用井下实测、理论分析和数值模拟方法，揭示巷道围岩原岩应力场、采动应力场、支护应力场及位移场演化规律。实测得出麻家梁煤矿巷道围岩原岩应力场分布特征；揭示出相邻工作面回采滞后采动影响阶段是巷道围岩采动应力增加的主要阶段；锚杆锚索施加高支护应力可在围岩中形成稳定承载结构。基于应力场、位移场综合分析，得出14103辅运副巷围岩采动应力增加先于巷道变形的增加；受二次采动应力作用，围岩发生扩容变形，出现应力增加不明显而变形显著增大的现象，揭示出采动应力场、支护体受力及位移场时空演化相互关系。该结果对巷道布置方式及支护方案提供了依据。

• 深部一巷多用巷道围岩重构及大变形控制关键技术

  杨永刚, 李世辉, 李琰庆, 刘小雷, 余大军,

  一巷多用是实现保护层、被保护层瓦斯联合治理和降低治理成本，提高治理质量和速度的有效途径，但巷道不可避免地要经受多个工作面重复采动影响，围岩变形极为剧烈。为解决深部高应力与多重采动应力协同作用下巷道围岩的大变形难题，以淮南矿区潘三矿17181（1）瓦斯综合治理巷为工程背景，采用地应力测试分析，围岩力学性质测试，钻孔窥视等地质力学评估方法，研究并应用了一巷多用条件下巷道围岩重构及大变形控制系列关键技术。采用孔壁注浆锚索同步实现了采动影响后顶板围岩注浆重构及锚索内锚破坏后的再次锚固；采用叶片式搅拌锚索使锚固剂各组分充分混合，内锚强度及可靠性显著提升；采用高强度、高刚度箱型梁使锚索组合构件承载能力较14号槽钢梁提高8倍以上。工程应用结果表明，试验巷道经受住了邻近两工作面的双重采动影响，并为邻近第3个工作面的瓦斯抽采创造了有利条件，实现了巷道的多功能化，整体节约成本1 300余万元，技术经济效益显著。

• 沿空留巷围岩卸压支护协同控制技术研究

  陈金宇,

  为解决沿空巷道受相邻采空区未断裂基本顶形成的悬臂梁支承压力影响的问题，采用水力压裂顶板卸压的方法，对采空区基本顶提前压裂，尽量减少相邻采空区基本顶形成悬臂梁结构，从而降低和转移沿空巷道顶板所受支撑压力的强度。在此基础上采用柔膜袋充填混凝土在沿空巷道和采空区间做假墙，对充填混凝土进行井下强度测试，同时对沿空巷道顶板以及所做的假墙进行强力锚网支护，使其最大限度恢复到三向应力状态，提高其抗载能力。通过现场假墙压应力和顶底板移近量监测对比表明：进行水力压裂卸压后，假墙承受沿空巷道顶板最大压应力为21 MPa,比未进行水力压裂卸压区域所受压应力降低了36.4%；沿空巷道顶底板移近量为320 mm，降低了46.5%。水力压裂卸压后，极大改善了3109辅助进风巷的应力环境，降低了沿空巷道顶底板移近量，保证了沿空巷道的安全使用，有效的缓解采掘紧张的局面。

• 浅埋煤层长壁工作面围岩动态结构及应力特征分析

  任艳芳,

  地下煤层开采后的覆岩结构是覆岩破断和运移的结果，实质是煤层开采后围岩应力重新分布的表现。以浅埋深长壁工作面围岩应力结构为研究对象，利用数值模拟和理论分析方法，从煤层开采后围岩应力场分布规律入手，研究了围岩应力结构的形成与失稳过程，分析了覆岩受力情况。结果表明：浅埋工作面开采后的采场围岩中形成类椭球体的高应力区域，该应力承载结构随着工作面开采在沿工作面倾向、走向及垂直高度上不断发展变化，直至基岩层全部断裂后失稳破坏；初次失稳破坏后，该空间应力承载结构的后方支撑点会迁移至采空区压实矸石上，继续对工作面回采空间提供围岩应力的承载，其形成与失稳是受工作面回采影响的动态演化过程。基于此建立该空间应力结构沿工作面走向的承压拱力学模型，推导出其在覆岩中的形态参数方程和极限状态下的高度及跨距。根据极限承压拱迹线为各岩层弯矩为零的连接线，得到了承压拱迹线上任一位置处的力学状态。结合浅埋深煤层开采后基本顶及其基岩层周期性断裂特征的实践，认为承压拱结构的发展变化规律符合“悬臂梁-铰接岩梁”结构失稳特点，所得结论为浅埋深工作面顶板结构形式及其稳定性研究提供参考。

• 顶板定向钻孔水压致裂工作面强矿压控制试验研究

  高亮, 张农, 吕情绪,

  针对神东矿区布尔台煤矿42107工作面回采过程中频繁发生的强矿压显现问题，采用理论分析、数值模拟和现场实测方法，对井下定向钻孔水压致裂顶板厚硬关键层控制工作面强矿压显现进行了研究。研究结果表明：4-2煤层顶板厚度约22 m的粉砂岩亚关键层2是影响工作面强矿压显现的主要因素；理论分析通过顶板弱化降低亚关键层2的强度，在一定程度上能够削弱工作面强矿压；通过减小亚关键层2破断块体竖向节理的摩擦角以模拟顶板致裂效果，亚关键层2弱化改性后，42107工作面两侧的区段煤柱以及实体煤壁上的支承压力峰值显著降低，减小幅度约18.3%；实际在42107工作面顶板布置了3个定向钻孔，由该工作面内11台液压支架在致裂前后的工作阻力曲线得出，来压期间支架最大工作阻力由22 535 kN减小至19 599 kN，周期来压步距则由致裂前的21.0 m减小为致裂后的16.9 m，表明定向钻孔水压致裂覆岩关键层能够较好地控制工作面强矿压显现。

• 房式采空区下近距离煤层开采支架工作阻力研究

  许猛堂, 徐佑林, 金志远,

  为研究房式采空区下近距离煤层开采支架合理支护阻力，基于石圪台煤矿实际地质条件，构建了房式采空区下关键层初次破断与周期性破断力学模型，得到了初次来压和周期来压步距表达式，并构建了对应的“支架－围岩”相互作用力学模型，获得了支架工作阻力的计算式。研究结果表明：房式采空区下煤层开采关键层破断步距主要特点有2个：①=1\*GB3关键层初次破断及周期性破断步距与上覆留设煤柱应力集中程度密切相关；②=2\*GB3破断步距大小受关键层前次破断位置影响较大。理论计算31201 综采工作面关键层初次来压步距为40.1 m，前3次周期来压步距分别为20.4、18.9、20.8 m。与均布载荷条件下相比，房式采空区下支架支护阻力的主要影响因素有2个，即关键层受上覆岩层集中力的位置和关键层初次破断结构形态。理论计算获得该工作面初次来压和前3次周期来压合理工作阻力分别为17 372、11 722、15 252、15 206 kN。结合工程实例，验证了理论推导的合理性，研究成果为房式采空区下近距离煤层开采液压支架选型提供了指导。

• 煤矿井下无轨辅助运输巷道设计研究

  王连柱, 张燕滨,

  为了提高无轨辅助运输车辆在井工煤矿的适用性，基于对目前市场上各种无轨辅助运输车辆的研究和煤矿辅助运输巷道的现状，提出了对井下辅助运输巷道进行设计时，要从巷道的断面、路面、坡度、凸形变坡倒圆角、凹形变坡倒圆角、道岔加宽、不同巷道夹角的转弯倒圆角半径等方面进行系统性设计，以满足车辆在煤矿井下的运行环境要求。基于各种类型车辆的外形尺寸、转弯半径、离地间隙、轴距、接近角、离去角等参数，考虑车辆运行的安全间隙，推算出了不同类型车辆在不同巷道夹角处转弯时，巷道转弯处所需倒圆角半径的计算公式；不同车辆在经过凸形和凹形变坡时，变坡连接处所需的倒圆角半径计算公式。以山西天地煤机装备有限公司生产的运人车、运料车、铲板车、框架车为例，运用推导出的计算转弯倒圆角半径和变坡倒圆角半径公式，对巷道夹角为45°、90°和135°的情况下，各种车型所适用的倒圆角半径分别进行了测算，对凹形和凸形变坡角为18°、22°、24°、30°和40°的情况下，各种车型所适用的倒圆角半径进行了测算，计算结果很好地满足了车辆在转弯和变坡行驶时的运行条件。

• 房柱式采空区影响下露天端帮煤开采安全控制技术

  李正胜, 李宏杰,

  为了保障房柱式采空区影响下露天端帮煤的安全高效开采，采用瞬变电磁探测技术探明房柱式采空区与边坡的空间关系，运用自主研发锚固式多点位移计对端帮煤开采过程中的房柱式采空区顶板岩体进行了立体监测，并采用数值模拟对边坡临空面卸荷应力和顶板岩体垂直应力耦合作用下的岩体稳定性进行了分析，对端帮煤的开采方案进行了优化。研究结果表明：瓷窑塔矿南端帮存在复合采空区，其稳定性主要受3-1煤采空区影响，采空区距离2-2煤工作帮纵向埋深为30 m，嵌入露天采场横向距离为50 m；横向上各监测点呈现出“稳定-增长-再稳定”的位移趋势，远端帮监测点位移变化较为稳定；纵向上端帮煤的开采对采空区顶板浅层15 m以内的岩体影响较大，浅层顶板位移出现急剧增大的离层现象，离层区域出现是采空区顶板活化移动的前兆；端帮煤的开采使边坡出现滑移趋势，煤柱帮角岩体由边坡内及外出现“链式集中效应”，采空区上部岩体出现明显的卸荷应力区域，埋深为15 m，端帮煤开采应采取保留端帮煤区段2，将台阶高度由15 m降为12 m的开采方案。

• 矿井煤层冲击危险性多层次综合评价研究

  张科学, 亢磊, 何满潮, 刘金海, 程志恒, 孙健东, 李东, 赵启峰, 殷帅峰, 上官锋, 王晓玲,

  为了更合理评价矿井煤层冲击危险性，减少不同指标之间的相互影响，避免造成评价结果的不准确，应用模糊综合评价模型对矿井煤层进行冲击危险性综合评价，提出了基于层次分析法的矿井煤层冲击危险性模糊综合评价模型；得到了基于层次分析法的矿井煤层冲击危险性影响因素，即：开采深度、冲击倾向性、煤层顶底板性质、地质构造、开采技术；确定了评价因素集，建立了模糊综合评价关系矩阵，进行了模糊综合评价，创建了矿井煤层冲击危险性模糊综合评价模型；最后对矿井煤层冲击危险性做出无冲击危险性、弱冲击危险性、〖JP〗中等冲击危险性和强冲击危险性的定量评价，提高了评价结果的精确度。以内蒙古某矿评价应用为例，选取2-1煤层进行模糊综合评价，通过应用基于层次分析法的矿井煤层冲击危险性模糊综合评价模型，得出2-1煤层最大隶属度指数x=0.43，评价结果为中等冲击危险性，与采用综合指数法评价得到的结果一致，表明了该模型可以用于评价矿井煤层冲击危险性。应用该模型在对矿井煤层进行模糊综合评价时，更注重各影响因素之间的相互关系对结果的影响，因而得到的评价结果更合理。研究为矿井煤层冲击危险性模糊综合评价研究提出一种新的评价角度。

• 顺层钻孔瓦斯抽采漏气规律及封孔技术研究

  马智会, 潘荣锟, 马智勇, 李聪, 胡代民,

  顺层钻孔瓦斯抽采时，在矿山压力作用下，极易出现抽采漏气的情况，为了提高顺层钻孔瓦斯抽采效果，据巷道围岩应力分布规律，分析了抽采钻孔轴向和径向的应力和裂隙分布特征，提出顺层抽采钻孔的4种漏气通道分别为：封孔材料漏气、钻孔周围煤体漏气、封孔材料与钻孔壁间隙漏气以及邻近钻孔影响漏气。基于漏气通道分析结果，得出顺层钻孔抽采应堵实钻孔径向松动圈和设计合理的封孔长度的封孔原则。根据钻孔漏气机理及封孔原则并结合现场条件，对孟津煤矿原聚氨酯封孔工艺进行考察并优化，得出优化后的封孔深度应为20 m，并结合径向裂隙范围，提出了两堵一注全程注SRS-Ⅱ高强微膨胀型快速凝固封孔材料的封孔工艺，在12030运输巷进行了工业试验。通过对封孔优化前后的跟踪监测数据进行对比分析，得出封孔优化后的瓦斯抽采体积分数为原封孔工艺瓦斯抽采体积分数的1.1～1.9倍，优化后的瓦斯抽采纯量为原封孔工艺的2.6倍左右，且原封孔工艺较封孔优化后的抽采体积分数和抽采纯量衰减明显。因此，优化后的封孔工艺抽采效果较原工艺明显提高，为同类型矿井顺层抽采封孔提供了借鉴。

• 含水率对不同宏观煤岩类型甲烷吸附/解吸特征的影响

  高正, 马东民, 陈跃, 张辉, 张林,

  为研究低阶煤中含水率对不同宏观煤岩类型甲烷吸附/解吸的影响，采集大佛寺井田延安组4号煤样品并分离光亮煤与暗淡煤样品，分别采用液氮吸附、扫描电镜、接触角测定以及等温吸附/解吸等试验手段，分析煤样的物质组成、孔隙结构特征、润湿性特征、吸附/解吸等特征；并基于等量吸附热、表面自由能等热力学参数计算结果，从能量角度分析低阶煤中不同宏观煤岩类型的润湿性对甲烷吸附/解吸特征的影响。结果表明：①光亮煤的灰分、水分及氢、氧、氮元素含量低于暗淡煤，而挥发分及碳、硫元素含量高于暗淡煤；光亮煤的表面结构相对简单，接触角为56.3°，暗淡煤的接触角为51.7°，光亮煤的润湿性较暗淡煤差；②升压阶段，空气干燥基煤样的等量吸附热值大于平衡水煤样，且光亮煤的等量吸附热大于暗淡煤；降压阶段，平衡水煤样的等量吸附热小于空气干燥基煤样，暗淡煤的等量吸附热大于光亮煤。此外，无论光亮煤还是暗淡煤，降压阶段的等量吸附热均大于升压阶段的等量吸附热，表明甲烷解吸还需要从外界环境中吸收更多的能量，且降压不能促使甲烷完全解吸，甲烷解吸存在滞后性，本质是吸附和解吸过程能量的差异；③水分子易与煤基质表面断裂的化学键及煤基质内部的亲水性官能团结合，在一定程度上降低了煤的表面自由能，使甲烷-煤吸附系统达到平衡状态所释放的热量更少，并且，水与煤的分子作用力强于甲烷，可以占据煤表面的有效吸附位，使煤吸附甲烷能力变弱。研究结果可为区内后续煤层气高效开发工作提供理论依据。

• 本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径考察试验研究

  秦贵成, 李阳, 舒龙勇,

  针对本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径定义不明确、难以确定的问题，以古城煤矿3号煤层为背景，开展本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径考察现场试验研究，结合不同试验钻孔的瓦斯抽采流量现场监测，运用瓦斯储量法考察了本煤层分段水力造穴钻孔和普通钻孔的抽采半径，获得了不同类型试验钻孔的抽采半径时变规律以及本煤层分段水力造穴对瓦斯抽采半径的扩大作用。结果表明：①在相同抽采时间内，前进式本煤层分段水力造穴钻孔和后退式本煤层分段水力造穴钻孔的抽采瓦斯纯量平均值分别是普通钻孔的3.08倍和3.79倍，抽采半径分别是普通钻孔的2.14～5.62倍和2.58～5.88倍，本煤层分段水力造穴钻孔能够显著提高钻孔瓦斯抽采纯量，有效扩大钻孔瓦斯抽采半径，且后退式本煤层分段水力造穴钻孔的扩大作用更加显著；②普通本煤层抽采钻孔和本煤层分段水力造穴钻孔的瓦斯抽采半径均具有时变特性，即抽采半径随着抽采时间的延长而相应扩大，并逐渐趋于某一极限值；抽采240 d后，普通钻孔的抽采半径基本达到极限，60 d内仅增长了0.01 m左右，钻孔瓦斯流量逐渐衰竭，而本煤层分段水力造穴钻孔的抽采半径仍能随时间延长而有效增长，瓦斯流量仍保持稳定，说明本煤层分段水力造穴钻孔的有效抽采时间和钻孔抽采寿命比普通本煤层钻孔更长。

• 采空区煤体自燃温度场演变模拟试验研究

  刘振岭, 郑忠亚,

  为研究工作面采空区遗煤自燃过程中温度场的演变规律，基于几何相似原则及煤自燃原理，研发了采空区温度场分布规律相似模拟试验装置，将现场采集的大块煤样进行破碎后，选择粒径≤30 mm的混煤进行填充，设置热源和测点，模拟采空区煤自燃火源热传递过程，研究松散煤体内部温度场分布规律，热源温度对对松散煤体热量传递规律的影响以及Y型通风采空区煤体温度场分布规律。试验结果表明：无对流条件下，热源向周围煤体的热量传递呈各向同性特征，随着热源温度的增加，热源在松散煤体内的热量传递能力以非线性的形式快速增加，增速越来越大；恒温热源周围某测点的温度与恒温热源的距离和时间的关系，在测点距离或加载时间小于抛物线对称轴数值时，符合二次函数关系，在测点距离或加载时间大于抛物线对称轴数值时，测点温度基本稳定；煤自燃过程中的高温点会以加速度方式向氧气富集区域迁移，受火风压吸风效果影响，火源上部区域迁移效果更加明显。

• 基于大数据与AI驱动的智能煤矿目标位置服务技术

  胡青松, 张赫男, 李世银, 孙彦景,

  在大数据和人工智能驱动下，矿山目标与事件源位置可以提供丰富的位置服务，这些服务远超出了人员定位、装备定姿、机器人导航、无人驾驶等单个系统的范畴，宜从系统观点和全局角度进行统一设计。给出了矿山目标位置服务的框架结构，研究了其位置对象层、位置获取层、位置传输层、位置挖掘与服务层的主要构成和功能；探讨了矿山目标位置服务的3大关键技术，其中:①矿井动目标精确定位技术重点研究距离测量、距离测量优化、目标节点位置解算和定位系统研发；②矿山位置大数据技术研究大数据的获取、存储和分析策略；③矿山目标位置服务人工智能算法则主要研究感知智能、生产智能和决策智能。总结了矿山目标位置服务在应急撤离与应急救援、遥控采煤与无人采煤、矿井位置大数据应用等3大领域的研究热点，主要包括规划最佳逃生路径，确定被困人员位置与救援，事故原因分析与追责，采掘装备定位定姿与导航，多机器人协同定位与导航，矿井无人驾驶技术与装备，事件时空演化规律分析，基于轨迹的调度决策，煤矿生产过程一张图等。指出矿山目标位置服务正成为煤矿的基础设施，其发展趋势是构建融合时空属性的泛在一张网，融合位置推理的决策模型库和融合位置服务的智能矿山平台。

• 基于激光测距矿用带式输送机多参数检测方法研究

  王文清, 田柏林, 冯海明, 陈兴明, 李萍, 任安祥,

  为解决煤矿运煤带式输送机“逆煤流启动，顺煤流停止”控制方式下，运输系统存在的启动时间长、空转耗电量大、设备磨损严重、运输效率低下的问题，满足矿用带式输送机运输系统“顺煤流启动、顺煤流停止”控制方式与矿用带式输送机“运力平衡”控制方式对矿用带式输送机输送带上煤量检测可靠性的需求，全面分析了现有矿用带式输送机5种常用的煤流量检测方法（电子皮带秤法、核子秤法、激光秤法、超声波测距法、视频图像分析法）的特性与不足。提出了基于激光测距非接触测量的矿用带式输送机载荷分布状态的实时检测方法，分析了影响载荷分布状态测量精度和实时性的因素，并提出了解决方案，实现了矿用带式输送机输送带载荷分布状态的整体测量；提出了输送带跑偏的判定方法和输送带跑偏量的计算方法，实现了输送带跑偏判断及跑偏量测量；提出了基于激光测距矿用带式输送机多参数检测仪的设计方案。在此基础上，提出了矿用带式输送机载荷分布状态的校验方法：用机头多参数检测仪测量的结果与机尾多参数检测仪测出的同位置测量值进行校验；提出了“顺煤流启动、顺煤流停止”系统的控制策略：依据输送带上载荷的整体分布状态，顺煤流方向控制带式输送机的启/停和速度调整，让带式输送机接近额定载荷运行；提出了矿用带式输送机“运力平衡”系统的控制策略：调节分支矿用带式输送机的煤流量，接近主矿用带式输送机的额定流量，提高运输系统的有效运力。该方案可简化矿用带式输送机控制系统传感器的配置种类和数量，提高了控制系统的集成度与可靠性，降低了系统成本和维护工作量，为矿用带式输送机系统“顺煤流启动、顺煤流停止”与矿用带式输送机“运力平衡”系统的实施提供了一种性能可靠的煤量检测方案。

• 大倾角工作面顶板漏冒飞矸运动轨迹分析及防护装置

  刘明, 李宽, 多依丽, 伍永平,

  随着大倾角煤层开采强度的不断加大，飞矸灾害的发生也越发的普遍。在大倾角煤层开采工作中，飞矸会以多种运动形式威胁开采工作面的人和设备。为了提高工作面系统的安全性，减少飞矸对开采工作面的操作人员和设备的威胁，对飞矸滑落的运动特征进行了研究。通过某工作面的实际工况分析，对其因顶板漏冒产生飞矸的影响因素、运动轨迹和飞矸与工作面之间相互作用进行分析，利用Roc Fall软件，建立飞矸运动模型，分析飞矸滑落运动特征并对飞矸防治位置进行预测。根据模拟试验结果，在距离工作面起点水平位置16.27 m和55.57 m附近建立防护装置。结合防护位置飞矸的瞬时速度，设计一种自动化的气动式挡矸装置。结果表明，采用Roc Fall对工作面飞矸轨迹进行模拟试验，可准确有效地分析飞矸运动状态。以SNS柔性网作为防护网，搭载于气动式挡矸装置，结合模拟数据确定回采工作面内飞矸的拦截范围，布置挡矸装置数量和位置，依据飞矸在拦截点的瞬时速度和需要防护的工作面范围，设计的光栅预警的气动挡矸装置可以有效地对飞矸进行防护。

• 综采工作面自动巡检机器人系统设计

  郝勇, 袁智,

  为解决综采工作面巡视作业空间狭小、设备间配合动作复杂、作业环境恶劣导致的人工巡检困难，巡检人员安全无法保障的问题，设计了一种占用空间小，适应三大设备相互动作，可以实现自动化巡检，集视频监控、数据融合、数据上传、温度异常报警等功能为一体的综采工作面巡检机器人系统。自动巡检机器人系统包括自动巡检系统、机器人本体、电气控制系统、通信网络系统和集控室集控系统。其自动巡检系统采用吊缆机构与悬轨支撑机构相结合的方式实现了综采工作面液压支架拉架动作后机器人巡检路径轨道的自适应；机器人本体上装载的可见光相机和红外热成像仪采集的工作面作业数据可通过通信网络系统实现与控制主机间的双向信息交互，采集的作业数据通过集控室集控系统实现可见光和红外数据的实时融合，为进一步通过智能分析算法实现更高级识别奠定基础；集控室系统可以对采集数据进行可视化处理，对巡检机器人工作状态进行实时智能控制，并在综采设备工作异常时报警。自动巡检机器人在中煤张家口煤矿机械有限责任公司综采工作面实验室进行了试验性研究，研究结果表明：在综采工作面的狭小设备空间中，液压支架经常性会进行拉架操作，现有的固定轨道的巡检机器人无法进行巡检，自适应轨道系统可以吸收拉架产生的设备位置变化，保证巡检轨道的畅通，实现了巡检机器人的无障碍通过；机器人本体采用高精度可见光传感器和热成像传感器，可以获取高精度的可视化图像信息，相较于现有人工目测或手持仪表测量，数据真实可靠，并可实时反馈现场环境状况。集控室系统可视化处理后的数据能直观反映出设备运作时的工作状况，提高了巡检人员对工作设备操控的准确度，其报警功能可以在工作异常时及时告知巡检人员作业异常原因及异常区域，提高巡检作业的安全可靠性。此综采工作面自动巡检机器人站地空间小，可代替人工实现对综采工作面的巡检作业，巡检作业安全可靠。

• 越层水文地质现象及对煤矿防治水的影响研究

  王新, 郭小铭,

  地层沉积作用直接影响地下含水层的发育条件，尤其是不整合接触地层界面含（隔）水层特征会发生差异性变化；通过对地层不整合接触面处发育的风化带、古河床性质分析，利用沉积规律与水文地质结构概化和水文地质勘探方法，提出了地层不整合界面易造成地层界线与水文地质边界不重合的越层水文地质现象，即含水层跨过地层界线同时发育于不同地层之中。对不同类型的越层水文地质现象进行了分类分析，概化出“平行-减薄”型、“平行-增厚”型和“侵蚀-增厚”型3种主要的越层水文地质结构模型。结合我国现阶段主要产煤区的沉积地质及水文地质条件进行分析，研究了鄂尔多斯盆地侏罗系煤田顶板直罗组砂岩含水层和华北地区石炭-二叠系煤田底板奥陶系灰岩含水层存在的越层水文地质现象及其对煤层开采的影响，并提出了考虑越层水文地质现象时矿井综合防治水措施。研究表明：侏罗系煤田开采顶板延安-直罗组地层间越层水文地质现象使得隔水层厚度减小，矿井水文地质条件更加复杂；石炭-二叠系煤层开采过程中，由于底板奥灰顶部的越层水文地质现象，使得底板隔水层厚度增加，可将部分奥灰地层作为隔水层进行利用，有助于煤层开采过程中的底板奥灰水害防治。

• 基于Visual MODFLOW的煤层底板突水量预测研究

  朱宗奎, 黄鑫磊,

  随着我国东部矿区煤层开采水平不断向深部拓展，底板奥灰水突水事故时有发生，往往造成严重的人员伤亡和财产损失。为准确预测煤层底板突水量，以新安煤矿为例，在概化该矿水文地质条件的基础上，建立了底板奥灰水渗流运动基本微分方程并采用有限差分法进行求解，利用Visual MODFLOW软件实现了该渗流运动的三维可视化数值模拟，结合2011年3月至2012年2月一个水文年的实际水位观测值对该模型的模拟水位进行验证和校核，依据该模型模拟水位值采用水均衡法计算得出底板突水危险区域的奥灰水量，即为突水量预测值。研究结果表明：该模型的模拟水位最大误差小于11%，一般4%左右；应用该模型模拟水位值计算危险区域突水量为1 150 m3/h，与1995年该区域发生的特大奥灰突水事故平均突水量1 244.3 m3/h接近，预测结果真实可靠。

• 构造煤孔隙结构多尺度分形表征及影响因素研究

  郝晋伟, 李阳,

  构造煤的孔隙结构具有非均质性、自相似性及标度不变性等分形特征，难以用传统的欧式几何方法对其孔隙特征进行定量描述。为了研究构造煤不同尺度孔隙结构的分形特征及表征方法，采用低温CO2吸附法、低温N2吸附法和压汞法等分别测试了4种试验煤样（原生结构煤、碎裂煤、碎粒煤和糜棱煤）的微孔、介孔及大孔孔隙结构，分析了构造煤中不同尺度孔隙的分形特征，探讨了构造煤孔隙结构多尺度分形特征综合表征方法，运用灰色关联方法研究了构造煤孔隙分形维数的影响因素。研究结果表明：基于CO2吸附数据的微孔填充模型、基于N2吸附数据的FHH模型和基于压汞数据的热力学模型分别能够对构造煤微孔、介孔和大孔孔隙的分形特征进行有效表征，不同尺度孔隙的分形维数随构造煤类型变化的规律不同，其中微孔分形维数及介孔中2～6 nm孔径段的分形维数随构造煤的破坏程度增大而增高，其余尺度孔隙的分形维数变化则没有明显规律。以阶段孔容比例为权重，对构造煤不同尺度的孔隙分形维数进行加权计算，即得构造煤多尺度综合分形维数，其能够反映不同尺度孔隙的分形特征，表现为多尺度综合分形维数随构造煤变形程度的增强而增大。根据灰色关联度排序，中值孔径、微孔孔容、总比表面积、微孔比表面积等因素对分形维数的影响最大，最可几孔径、总孔容、介孔比表面积、微孔比表面积比例等因素次之，灰分、挥发分、介孔孔容、介孔比表面积比例等因素对分形维数的影响相对较小。

• 乌鲁木齐河东矿区煤储层渗流孔孔隙分形特征研究

  杨师宇, 姚艳斌, 魏韧, 张静仪,

  为准确描述乌鲁木齐河东矿区煤储层渗流孔孔隙特性，结合压汞试验及煤质分析试验，采取分段分形方法定量探讨了煤储层渗流孔孔隙结构特征及其影响因素，将渗流孔孔隙度与孔隙结构参数进行耦合，并进行了煤岩渗透率预测。研究结果表明：乌鲁木齐河东矿区43号和45号主力煤层孔隙结构较为复杂，但连通性较好，43号煤层样品压汞曲线表现进汞饱和度相似，退汞效率较高，煤样微小孔及大孔较为发育。45号煤层样品进汞饱和度为45%～85%，且退汞效率较低，煤样微小孔隙占有绝对优势，故43号煤层孔渗性优于45号煤层；煤岩渗流孔隙分形维数分布在2～3，中、大型孔隙均存在明显的分形特征，煤样的中孔分形维数D2高于大孔分形维数D1，故研究区煤储层中孔较大孔复杂；大孔分形维数随着镜质组含量的增加而减小，随着惰质组含量的增加而增加，随着煤中水分的增加而呈现倒“U”型的相关关系，随着灰分的增加呈现下降的趋势等；煤岩渗透率高低是渗流孔孔隙度和孔隙结构耦合而决定的，在95%置信带内大孔孔隙度P1与渗透率呈现强相关关系，中孔孔隙度P2与渗透率呈现中等程度相关，分形维数D1、D2则呈现弱相关关系。基于支持向量机方法将渗流孔孔隙度和分形维数作为煤岩渗透率的自变量进行训练，经检验得出的渗透率与实际测试渗透率拟合程度很好，渗流孔孔隙度与孔隙结构耦合可有效反映煤岩渗透率。

• 黔西地区龙潭组煤系泥页岩孔隙结构及分形特征研究

  邓恩德, 姜秉仁, 高为, 付炜,

  为了研究煤系泥页岩微观孔隙结构特征，以黔西地区龙潭组煤系泥页岩为研究对象，基于扫描电镜及低温氮气吸附实验测试手段，定性和定量表征页岩孔隙特征，同时运用分形理论分析了其分形特征，并探讨了孔隙结构影响因素。结果表明：黔西地区龙潭组煤系泥页岩扫描电镜下观察到粒间孔、粒内孔、微裂缝及有机质孔4类，微裂缝大量发育，为烃类气体运移提供通道，仅见少量有机质孔隙；泥页岩氮气吸附等温线与Ⅳ型等温线相近，曲线均呈反“S”型，反映出主要为中孔，在高比压区（0.45＜P/P0＜1.0）形成滞后回线，表现为H2型的细颈广体的墨水瓶孔和H4型的狭缝型孔；孔径平均值为8.36 nm，以中孔为主，比表面积较大，平均为12.03 m2/g，总孔体积较大，平均为0.017 379 m3/g；采用FHH模型对低比压区（0＜P/P0＜0.45）和高比压区（0.45＜P/P0＜1.0）2个阶段进行计算分形维数（D1、D2），分形维数较大，D1平均为2.576 3、D2平均为2.703 2；总有机碳含量对泥页岩BET比表面积和平均孔径影响较小，与BJH总孔体积呈一定的负相关性；矿物成分对泥页岩的孔径和比表面积有较大的影响，黏土矿物含量越低、石英含量越高，平均孔径越大,石英含量越高，比表面积越小；泥页岩比表面积越大、平均孔径越小，泥页岩黏土矿物含量越高、石英含量越低，分形维数越大，煤系泥页岩孔隙结构复杂，连通性较差，非均质性较强。

• 大倾角地质耦合条件下煤层气开发效果与地质评价

  蒲一帆, 汤达祯, 唐淑玲, 陶树, 张奥博, 张泰源,

  准噶尔盆地南缘是我国中低煤阶煤层气资源产能建设的重要攻坚地区，根据其大倾角、多煤层、低热演化以及厚煤层等典型特征进行地质评价，是进一步勘探开发的关键。针对大倾角复杂地质条件制约下选区评价参数优选问题，通过对准南乌鲁木齐河东-大黄山地区产能建设示范区进行剖析，探讨大倾角地质耦合条件下中低煤阶煤层气井的产能影响因素，分析发现影响大倾角煤层产能的单因素作用效果往往有限，地质耦合条件制约下，各项地质参数匹配关系以及工程开发对策的合理实施是决定煤层气井高产、稳产的关键。因此，总结出了控制煤层气产能效果的三大综合因素：资源赋存条件、气藏关键要素以及开发技术对策，并结合勘探开发现状，优选出了适应性较强的评价参数。此外，针对现阶段选区评价过程中，低煤阶煤层气资源选区评价指标标准尚未明确的问题，采用模糊数学聚类分析方法，深入分析不同区域煤层同一指标属性值之间的逻辑关系，对研究区煤层含气量、热演化程度以及多煤层组合系数进行系统聚类，最终建立适用于本次选区定量指标参数的评价标准。最后利用多层次模糊数学综合评判（AHP），进行乌鲁木齐河以西地区煤层气资源潜力评价，结果表明，开发潜力由大到小排序依次为：乌鲁木齐河西地区、呼图壁地区、硫磺沟地区。

• 煤中硫分布特征及其沉积成因研究——以鄂尔多斯盆地榆横矿区南区为例

  马良,

  鄂尔多斯盆地陕北侏罗纪煤田是我国重要的煤炭基地，以低灰、低硫、低磷、高发热量的优质煤炭资源为主。作为陕北侏罗纪煤田的一部分，榆横矿区南区原煤硫分普遍较高，中高硫煤和高硫煤资源量占总资源量的比例超过60%，属于该区一种特殊的地质现象,同时，煤中硫的富集也严重制约了该地区煤炭资源的清洁利用。为查明榆横矿区南区高硫区的分布特征、变化规律和沉积成因，以煤岩煤质和钻孔资料为基础，从煤岩学、煤地球化学和沉积学入手，揭示高硫煤分布特征和变化规律，建立了沉积微相与煤中硫分分布之间的成因联系，分析了相参数与硫分之间的相关关系，建立了陆相含煤地层中硫的富集模式，进而为煤炭资源开发总体规划、清洁利用及生态环境保护提供依据。研究结果表明，原煤全硫含量0.31%～4.95%，平均1.83%（质量分数，下同），高于全国早、中侏罗纪煤中硫含量的平均值0.58%。平面上，原煤硫分由西北向东南、由物源向湖盆方向呈增高的趋势，垂向上自下而上逐渐增高。煤中硫的聚集主要受控于成煤同生阶段和早期成岩阶段沉积微相控制，分流河道以中硫煤为主，分流间湾以中高硫煤为主，高硫煤主要分布于局限浅湖发育区。硫化铁硫含量与煤岩显微组分中的镜惰比、灰成分指数之间呈正向变化，表明凝胶化作用和还原性水介质有利用煤中硫的富集，而水介质中Fe2+丰度是影响硫化铁硫含量的重要因素。

• 含断层煤层反射槽波数值模拟及响应特征研究

  黄超慧, 陶祥忠,

  槽波勘探是煤矿井下勘探的重要手段，其借助槽波在煤层中传播具有能量强，传播距离远等优点，实现采煤工作面断层或其他地质异常体的探测。透射槽波勘探研究较为成熟，已在煤矿生产中得到广泛应用。近年来，反射槽波逐渐得到关注，利用反射槽波预测断层落差是今后槽波勘探的研究方向，其理论依据研究并不充分。为了明确反射槽波能量特征与断层落差间的关系，建立6个不同落差的断层模型(断层落差分别为煤层厚度的1/8、1/4、1/2、3/4、1倍、2倍)，设计反射槽波勘探观测系统，基于高阶交错网格有限差分算法进行数值模拟，通过提取6个不同模型的反射槽波振幅信息，分析反射槽波能量随偏移距以及断层落差的变化特征，并分析带通滤波对反射槽波能量分布的影响。分析结果表明：断层落差小于1倍煤厚，随着落差增加，反射槽波能量逐渐增加；断层落差继续增加，反射槽波能量逐渐降低；断层落差不同，其对应的反射槽波能量随偏移距的变化趋势一致，但断层落差大于3/4煤厚时，远近偏移距反射能量出现显著差异；100~150 Hz和150~200 Hz带通滤波分别对断层落差小于1/2煤厚和大于3/4倍煤厚的反射槽波能量影响显著。因此，基于反射槽波能量分布特征进行断层落差探测，理论依据充足，具有实际应用价值。

• 温度对内旋式移动床热解产物的影响规律研究

  白效言, 曲思建, 马栋, 张飏,

  低阶煤热解产物的产率和性质与反应器类型及热解温度等工艺条件密切相关，直接影响下游产业链的开发与延伸，一直是煤热解工艺开发过程中关注的重点。为获得满足产物后续规模化利用要求的最优热解工艺条件，采用1 kg/h内旋式移动床连续热解试验炉，以神木煤为原料，研究热解温度对半焦燃烧性、可磨性、稳定性以及焦油产率和组分分布的影响规律。结果表明：内旋式移动床热解炉控制热解温度500～800 ℃，热解时间150 min时，半焦产率为68.53%～78.62%，焦油产率先升高后降低，在650 ℃时最高，为7.52%；连续试验中半焦挥发分波动在1个百分点以内，气流着火温度为562.1～730.5 ℃，着火性能处于易燃和中等可燃范围，哈氏可磨性指数随着热解温度先升高后降低；热解温度控制为600～700 ℃，获得较高焦油产率的同时，半焦质量可满足电站锅炉和高炉喷吹规模利用的要求；通过反应器温度场控制可以实现焦油组分的调控，反应器底部温度650 ℃，中上部温度450～550 ℃时，焦油中重质组分含量（>360 ℃馏分）最低为25.68%，有利于后续蒸馏、加氢等处理；反应器中上部温度高于550 ℃时，挥发物二次反应加剧，导致轻质组分含量降低。

• 环保型煤炭防冻剂的开发及其应用研究

  王玉超,

  氯元素是煤中常见的有害元素之一，在燃烧过程中主要转化为HCl腐蚀设备、酸化空气、危及动植物健康。传统氯化钙防冻剂由于其氯含量高（约64%），会导致煤中氯含量成倍增加，使煤炭在后续应用中产生较大危害，同时也超出了出口煤对氯含量的限制。为了促进煤炭资源的清洁化利用，采用非氯有机和无机复合降凝剂，同时添加金属复合缓蚀剂，首次研制了一种防冻性能优越、缓蚀性高的环保型煤炭防冻剂，其冰点可达-53 ℃，缓蚀性能优异，钢、铝、铜3种金属的腐蚀速率分别为0.03、0.04、0.03 mm/a，氯含量极低，仅为86×10-6。经有机元素分析，环保型煤炭防冻剂所含有机元素主要为C、H、O三种元素，其含量合计达74.83%，在煤炭使用过程中可以充分燃烧，降低了防冻剂对煤炭后续使用的影响。将该防冻剂与传统氯化钙防冻剂进行了工业性试验对比研究，结果表明，喷洒氯化钙防冻剂使3组列车煤中氯含量平均增加了10倍左右，而喷洒环保型煤炭防冻剂对煤中氯含量几乎无影响，其氯含量变化均在测试方法规定的再现性临界差范围之内。环保型煤炭防冻剂的防冻等其他性能同样优于氯化钙防冻剂，满足铁路煤炭运输防冻使用要求。

• 矿井涌水量预测方法的改进及结果准确性判定

  贺晓浪, 蒲治国, 丁湘, 段东伟,

  针对当前矿井涌水量（包括正常涌水量、最大涌水量）、疏放水量概念认识模糊、界定不清，涌水量预测结果与实际水量差距较大、难以精细化以及预测结果准确性判定存在歧义的问题，综合当前各类规范以及相关研究成果，提出了矿井涌水量的3重属性特征：统计属性、水文属性和生产属性。在此基础之上，探讨了矿井涌水量的基本定义，将矿井涌水量概化为充水水源与充水通道综合作用的结果，重点结合充水通道的动态变化特征以及含水层与采动空间之间的补给关系，阐述了“大井法”预测过程中的精细水量构成以及计算方法，提出了利用“同频率放大法”改进水文地质比拟法，得到涌水量预测动态曲线的过程；将时间序列分析和水文地质比拟相结合提高预测步长（即预测周期），增强时间序列分析法的适用性。比较了矿井正常涌水量、最大涌水量与预测正常涌水量、最大涌水量在各类规范、文献中的定义与煤矿防治水实践过程中的统计差异，总结了对涌水量预测结果认识存在分歧、忽视了涌水量预测的技术条件是当前矿井涌水量预测结果准确性判定存在的主要问题；论述了矿井涌水量预测结果准确性判定的绝对差值法和相对差值法2类基本判定方法，并以涌水量预测的主要功能为导向，提出了涌水量准确性判定的经济型、安全型、偏离型的分级标准，通过对比分析说明了2类方法的优缺点；提出在矿井涌水量准确性判断的实际应用过程中应当综结合2类方法进行综合判定的技术思路。通过统一技术背景，可实现矿井涌水量的预测、实际涌水量的统计、预测结果准确性判定在技术上的全过程闭环，进一步完善矿井水害防治的技术体系。

• 注水法预防井筒破坏机理及其应用研究

  杜明泽, 许延春, 姜鹏,

  注水法是近年来新兴的预防井筒破坏的方法，是从控制含水层疏降的角度考虑，通过维持厚冲积层底部含水层水位稳定来预防井筒破坏。针对注水法预防井筒破坏机理认识不足、现场应用效果及可行性还需要系统的研究与探讨等问题，采用室内试验、数值模拟和现场实践等方法分析了黄淮地区深埋黏土的工程性质及失水变形机理，研究了疏、注水条件下井筒受力状态和地层变形情况，并对注水法的应用效果及可行性进行了探讨。结果表明：深埋黏土主要由伊利石、高岭石等膨胀性物质组成，且随埋深增大向半固态转变，松散冲积层底部含水砂层失水上覆土层变形以整体滑移为主；疏水条件下井壁垂直压应力持续增大，地层压缩量增大，注水后，井壁垂直压应力减小，地层压缩量减小甚至出现微抬升，注水有效抑制了附加应力的产生，缓解了井壁的受压状态。在此基础上，通过对济三煤矿注水法的应用效果以及朱仙庄煤矿大降深疏降条件下注水法应用的可行性分析，得出济三煤矿工业广场松散底部含水层可控性较强，现场多孔联合注水效果较好，有效预防了井筒破坏；朱仙庄煤矿地层注水的可控性较差，在大降深疏放的条件下，不适宜采用注水法进行预防井筒破坏。研究结果进一步揭示了注水法预防井筒破坏的机理，为同类井筒破坏防治提供理论基础与应用参考。