煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2020年第9期

• 渭北煤田地下水特征及保水采煤研究进展

  马雄德, 严戈, 冀瑞君, 李勇, 贺旭波,

  绿色开采已经成为矿山建设的最基本要求。保水采煤作为绿色开采技术体系的重要组成部分，重点在于解决矿区煤层开采过程中地下水资源和生态环境保护问题。通过总结渭北煤田岩溶地下水的水文地质特征，阐明煤层开采与奥灰岩溶水的关系，综述渭北煤田开展保水采煤研究中取得的成果。结果表明：渭北煤田奥灰岩溶水位整体上呈下降趋势，近30年内水位下降了18.5 m左右，下降速率为0.64 m/a。澄合矿区东部及韩城矿区5号煤层均处于岩溶水位水平之下，煤层开采受到岩溶水的严重威胁。5号煤层底板突水机理包括：①底板有效隔水层较厚，断层切割K2（上石炭统太原组石英砂岩和灰岩含水岩组）与峰峰组二段灰岩含水层之间的铝质泥岩隔水层，水压破坏与采动底板破坏区相互导通，产生突水；②有效隔水层相对较薄，高承压水头产生的破坏区与采动底板破坏区相连，发生突水。将K2及以下隔水层全面进行注浆改造，使其产生25～30 m的有效隔水层，能实现保水采煤。围绕着注浆改造保水采煤，渭北煤田在地质条件综合探测、注浆材料研发、带压开采预测、地下水监测等方面都取得长足进展。渭北煤田承压水体上保水采煤技术在类似地区具有借鉴意义。

• 煤矿绿色开采20年研究及进展

  许家林,

  煤层开采引起的岩层破断运动导致了一系列采动损害与环境问题。绿色开采从广义资源的角度出发，通过控制或利用采动岩层破断运动，从源头减轻采煤对环境的影响，实现对煤层及共伴生资源的共采或保护。该理念得到了业界的广泛认同，绿色开采技术的研究与应用也取得了重要进展。从广义资源概念、基于岩层破断运动规律原则、源头减损及全生命周期理念等方面进一步论述了绿色开采的内涵，提出了全生命周期绿色开采技术框架，包括保水采煤、煤与瓦斯共采、矸石减排、减沉开采与环境修复，对近20年来我国煤矿绿色开采的研究历程进行了回顾。关键层理论是绿色开采技术研究的重要理论基础，其基本学术思想强调将覆岩作为整体进行研究，将采动矿压、水与瓦斯及地表沉陷研究有机统一起来；同时强调抓主要矛盾，即找出覆岩中对岩层运动起控制作用的关键层，避免采用传统研究中对覆岩岩性进行均化处理的方法。综述了在岩层移动与采动裂隙演化规律方面的理论研究成果，主要包括基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法、覆岩卸荷膨胀累积效应与瓦斯卸压抽采“三带”原理，论述了保水采煤、煤与瓦斯共采、充填减沉开采等方面的技术进展、现状及工程应用成效。提出了促进绿色开采技术进一步发展的建议，包括深化采动岩层运动规律研究、确定适合不同矿区特点的绿色开采技术模式、建立煤矿绿色开采的评价指标体系、开展煤矿全生命周期绿色开采设计、绿色开采技术的高效率和低成本化研究等，为我国煤矿绿色开采指明了方向。

• 我国煤矿“三下一上”采煤技术现状与展望

  郭文兵, 马志宝, 白二虎,

  我国“三下一上”（建筑物、水体、铁路等线性构筑物下及承压水上）煤炭资源储量大，“三下一上”采煤是我国煤炭资源枯竭型矿井提高资源采出率，延长矿井服务年限及实现可持续发展的有效举措。在分析建筑物下采煤现状的基础上，阐述了源头减沉控损开采技术措施，主要包括充填开采、部分开采，协调开采及弱化建筑物变形环境的覆岩离层注浆技术措施等。结合我国不同地区对水资源保护的要求，将水体下采煤分为地表水下开采和含水层下开采，通过分析煤炭开采引起的覆岩破坏传递过程，提出了基于该过程的覆岩破坏充分采动程度判据及其高度计算方法，揭示了煤层开采覆岩破坏高度形成机制，采用地面钻孔观测及协调开采法成功进行了水体及坝体下等不同地质采矿条件下采煤，并针对西北高强度开采对松散含水层破坏特征进行了大地电磁探测，分析了采动影响下松散含水层破坏特征，揭示了松散含水层破坏机理并验证了大地电磁法用于探测含水层破坏的可行性。结合我国在“三下一上”采煤研究现状及进展，总结了煤层安全开采的预测方法及安全技术措施。研究认为我国煤矿“三下一上”采煤技术将以源头减沉控损开采方法，覆岩破坏控制技术及采空区稳定性评价及其利用研究为主，地下煤炭原位保护开采技术将是未来含水层下开采的发展趋势。

• 煤矿固体充填采煤技术发展回顾与展望

  刘建功, 王翰秋, 赵家巍,

  介绍了我国煤矿充填开采现状。分析了充填开采上覆岩层运移规律和连续曲形梁形成的基本条件，得出了连续曲形梁和充填密实度与关键层的量化关系；描述了充填材料的制备及运输、固体充填装备、巷道固体充填及工作面固体充填技术的特点及其工艺。分析了固体充填开采采充平行作业、充填自动控制和煤矿井下“采选充留”一体化的技术装备体系。提出为保证充填的长期效果的散装固体改性充填技术方法。认为充填开采要向精准充填开采，建设全过程生态矿山努力。

• 我国充填采煤技术回顾及发展现状

  胡炳南, 刘鹏亮, 崔锋, 王浩宇,

  煤矿充填开采技术在固体废弃物处置、控制采煤沉陷、提高资源采出率和建设生态矿山等方面发挥着举足轻重的作用。自20世纪初至今，世界矿山充填开采技术已有百年的发展历史。根据资料分析，按照充填材料类型划分，20世纪矿山充填技术经历了废石干式充填、水砂充填、低浓度尾砂胶结充填和膏体充填4个发展阶段，回顾了当时我国充填采煤技术的应用和发展历程以及水砂充填、矸石自溜充填等主要充填工艺。21世纪以来，我国充填采煤技术取得了快速发展，形成了固体、膏体和超高水3种充填材料和应用于综采、连采工作面的2种充填工艺，固体废弃物利用种类、充填效果、机械化程度、整体技术水平大幅提升，对充填材料及其制备输送，工作面充填工艺特点进行了归纳总结，尤其是剖析了综采面充填的特点及生产效率制约因素，提出应从新型装备研发、临时护顶技术、充填空间高效密封措施等方面减少充填各环节时间。最后，结合实践效果，从充填采煤能力、地表下沉系数、充填开采增加成本、资源采出率和技术适用条件方面对固体充填综采、膏体充填综采、超高水充填综采、固体充填连采、膏体充填连采5种充填采煤方式进行了分析，为各矿选择适合自身的充填方式提供了依据。

• 矿山绿色充填开采发展现状及展望

  孙希奎,

  基于国家绿色工业和循环经济发展的要求，从煤炭工业绿色开采的科学内涵与技术体系出发，阐明了煤炭开采后形成的采空区是造成岩层移动变形、矿区地表沉陷、水土流失、矸石堆排、土地压占等生态环境问题的根源，指明了矿山采空区充填是有效保护矿区生态环境的根本途径。综述了矿山充填发展主要历程及我国煤矿绿色充填开采的主要类型，重点介绍了膏体充填、矸石固体充填、超高水充填及覆岩离层分区隔离注浆充填4种充填开采方法的技术原理、工艺流程及技术特点，并分别介绍了相应的研究现状与应用成果。重点从充填设备特点、充填工序特征、材料来源、膏体输送特性及稳定性、精准控制及标准化建设等9个方面明确了煤矿绿色充填开采当前面临的主要问题与挑战。指出了实现煤矿绿色充填开采需要从大采高充填岩层控制理论研究、生态脆弱区充填技术、智能化充填工艺、充填物料的精准输送及充填政策保障5个方面进行重点研究，从创新开发新型充填材料、关键充填装备的研发、构建智能化充填新工艺、标准化体系建设与政策扶持及研发矸石高效充填处理技术5个方面进行关键突破，并对煤矿绿色充填开采技术的发展与应用前景进行了展望。

• 神东矿区井上井下生态环境综合治理技术

  杨俊哲,

  为解决超大规模煤炭资源开采与脆弱生态环境保护之间的突出矛盾，以神东矿区井上井下生态环境为研究对象，研究了神东矿区煤矿高强度开采条件下对生态环境带来的破坏，提出了煤矿井上井下立体生态环境概念，包括煤矿井下生态环境、地表生态环境和矿区大气生态环境，开发了井上井下生态环境治理技术，并在神东矿区成功应用。结果表明:①对煤矿井下通风、瓦斯、粉尘、采空区浮煤、水资源、矸石等进行综合治理，可构建一个良好的煤矿井下生态环境；②利用地表生态系统的自我恢复能力，辅以人工措施，使遭到破坏的生态系统逐步恢复或使生态系统向良性循环方向发展，打造一个宜人的地表生态环境；③对洗选装车外运粉尘、锅炉烟气、抽采瓦斯进行治理和利用，打造一个适宜的矿区大气生态环境。

• 深部高瓦斯低渗透性煤层协同开采关键技术研究

  张建国,

  为解决深部煤层高瓦斯含量、低渗透率、上覆岩层赋存不稳定等复杂条件保护层开采的典型工程技术难题，基于平顶山矿区地质条件，研发了深部“复杂条件保护层开采方法→煤矸井下分选→瓦斯立体抽采→被保护层混采→瓦斯地面发电”集成的“采选抽充用”协同开采技术。提出了“采选抽充用”协同开采技术的需求与现实意义，揭示了在复杂条件下保护层开采的技术方法与基本原理，建立了井下重介浅槽煤矸分选系统，实现了煤流矸石分选；在原生产系统的基础上，研发了充填垮落协同式开采方法，并设计了固体充填与传统综采混合开采工作面，实现了煤炭开采与分选矸石井下回填，同时建立瓦斯立体抽采及地面瓦斯发电系统，实现了被保护层瓦斯安全卸压抽采及清洁利用。将“采选抽充用”协同开采技术在平顶山矿区十二矿己14-己15煤层进行了工程实践，实践结果表明：宽度150 m的复杂条件保护层工作面月推进度达120 m，井下分选系统入选能力达400万t/a，充填与垮落式工作面长达220 m，生产能力达300万t/a，矸石全部井下就地处理。协同开采技术在十二矿自2015年应用以来，共解放煤炭资源588.0万t，安全回采煤炭资源381.5万t，抽采瓦斯9 087.9万m3，瓦斯发电6 084.8万kW·h，取得了显著的经济效益，实现了煤与瓦斯安全高效绿色共采。

• 西部矿区砂壤介质含水率精确计算方法研究

  吴群英, 王宏科, 倪建宇, 杜云飞, 崔 凡,

  土壤介电常数和体积含水率定量关系的确定是发展基于探地雷达（GPR）技术测定土壤体积含水率的重要基础。传统的探地雷达技术计算土壤体积含水率一般基于经典的Topp公式，但计算值与实测数值误差较大，难以满足不同地质条件下土壤体积含水率的计算精度。为解决该问题，采用探地雷达与浅层钻探相结合的方法，利用浅层钻探对介质层位的描述和深度标定，通过精确计算雷达数据剖面中雷达波到达各反射界面的双程走时，获得各层介质界面上方更加准确的相对介电常数，并通过对各介质的实测含水率进行回归分析，建立了适用于中国西部不同粒径砂壤的体积含水率精确计算的Topp公式形式的修正模型。结果表明：修正后的Topp公式形式的计算模型获取的体积含水率平均误差较修正前细砂降低了42 %，中砂降低了56%，平均误差率较修正前细砂下降了近58%，中砂下降了近67%，2种粒径砂壤使用修正后计算模型的体积含水率计算准确度均获得大幅提高。对比结果说明了利用实测含水率对Topp公式修正的计算模型的准确性，同时验证了基于探地雷达与浅层钻探相结合的GPR波速标定方法对中国西部砂壤介质含水率的精确计算方法的合理性。

• 保水采煤技术规范的技术要点分析

  范立民, 马雄德, 吴群英, 蒋泽泉, 迟宝锁, 王碧清, 王宏科, 仵拨云, 宋飞, 郭亮亮,

  保水采煤是绿色开采的重要组成部分，是解决西北干旱半干旱矿区煤炭开采与水资源和生态环境保护问题的有效途径之一。为了规范保水采煤工作思路与方法，指导煤矿企业在高效开采煤炭资源的同时保护含水层结构稳定，制定了陕西省地方标准《保水采煤技术规范》，规定了矿区水资源保护目标层（体）、地质工作要求、导水裂隙带高度确定、保水采煤主要技术以及保水采煤技术论证报告的提纲等。在详细阐述《保水采煤技术规范》研制背景的基础上，对规范的相关要点进行了进一步梳理和解释，这包括：煤层开采使地下水位埋深发生变化时，必须符合最大允许埋深和最小允许埋深要求；煤层开采过程中，矿区及周边河流流量不小于河道最小生态需水量；陕北侏罗纪煤田开采1-2、2-2（榆横矿区为3号煤层）、3-1、4-2、5-2号煤层时，主要目标含水层为第四系萨拉乌苏组含水层、烧变岩含水层和地表水体（湖泊、水库）；黄陇侏罗纪煤田开采3、4号煤层时，主要目标含水层为白垩系洛河组含水层和地表水体（湖泊、水库）；渭北石炭二叠纪煤田开采5、10、11号煤层时，主要目标含水层为包括但不限于奥陶系岩溶含水层。导水裂隙带高度的确定方法主要有探测法、经验公式法、数值模拟和相似模拟等；适于陕西省地质生态环境条件的保水采煤技术包括充填保水采煤技术、分层保水采煤技术、短壁保水采煤技术和注浆保水采煤技术等。为了加快推进矿山生态文明建设步伐，实现绿色开采，应加强保水采煤技术规范的贯彻和落实。

• 巨厚砂岩含水层下厚煤层综放减水开采技术

  靳德武, 刘英锋, 王甜甜,

  彬长矿区是典型的综放高强度开采矿区，矿井生产长期面临顶板巨厚洛河组砂岩涌水影响与威胁，减水（减少涌水量）开采是矿区实现可持续发展的重大课题之一。基于巨厚砂岩含水层水文地质条件的精细探查,总结了巨厚含水层具备垂向非均质的总体特征，指出了该特征是彬长矿区减水开采的水文地质基础。根据区域覆岩导水裂隙带发育高度探查成果的分析，总结了矿区综放覆岩破坏总体规律。通过对矿区含水层厚度、富水性及覆岩厚度等涌水量主控因素的分析，建立了矿区受顶板水影响指数P评价模型，将顶板含水层对开采影响划分为弱影响、中等影响、强影响等3个等级，并给出了影响分区划分指标表；首次提出含水层“楔入比”的概念，并分析了其基本原理及适用条件，并针对不同影响程度分区的开采水文地质条件，建立了采高控制型、限高-限宽型、隔离-注浆型等3种减水模式。矿区典型矿井开展了综放减水开采的工程实践，实现了弱影响区采后含水层水位恢复，中等影响区采后涌水量小幅增长（基本控制在100 m3/h以内），强影响区注浆隔离减水的绿色开采目标，取得了较好的应用效果。

• 闭坑矿井积水对相邻生产矿井防治水的影响

  许延春, 盖秋凯, 黄 磊, 禹云雷, 沈星宇, 庞龙,

  为研究闭坑矿井积水对相邻生产矿井安全开采的影响，以三河尖煤矿闭坑为工程背景，采用理论分析、数值模拟等方法多角度评价了三河尖-姚桥煤矿井田边界隔水煤（岩）柱安全性；并通过分析井田边界可能成为导水通道的钻孔、地质构造研究了三河尖煤矿闭坑积水对姚桥矿西翼采区安全开采的影响。研究结果表明：姚桥矿距F19断层留设了平面距离为160 m的煤（岩）柱宽度，可抵抗由于三河尖煤矿闭坑导致的顺煤层方向上的水压，危险位置剖面Ⅰ—Ⅴ在充水前后边界隔水煤（岩）柱宽度Ha均满足安全要求；封闭不良钻孔与陷落柱造成姚桥矿严重突水的可能性较低；边界断层整体富水性差、导水性弱，但在采掘活化后存在导水的可能性。分析认为：姚桥矿规划的7煤防水煤柱线位置合理，可实现姚桥西翼采区的安全开采，研究成果可为姚桥矿及类似条件下闭坑水害防治提供技术依据。

• 采动含水层生态功能修复研究进展

  鞠金峰, 李全生, 许家林, 曹志国,

  地下采煤活动显著影响、甚至改变地下水系环境，对区域生态环境和矿井安全生产极为不利；研究实施促进采损含水层恢复其生态赋存状态的修复技术和方法对实现煤矿绿色开采意义重大。受采煤扰动程度差异的影响，不同采损条件对应其含水层的生态功能修复策略也不同。含水层未受采动裂隙或破坏带沟通时，其赋水仅发生区域富集和流场变迁，不出现水体流失，但易出现地下潜水出露地表形成积水的不利局面，多以景观改造对其开展生态治理。含水层受采动破坏时，则形成了注浆封堵采动含水层导水通道以阻隔水源补给或流失路径的修复技术与方法，成功实现了底板采动含水层的加固与改造，但应用顶板采动含水层注浆修复时，常面临“注不进”、“堵不住”、“成本高”等问题；据此利用采动岩体导水裂隙易呈现水渗流能力自然降低的“自修复”特性和规律，探索提出了人工引导裂隙自修复的含水层生态恢复方法。针对已有修复手段侧重以“改造”或“防治”思路，从近自然生态修复角度对采动含水层生态功能修复尚需研究的问题进行了总结，提出了利用裂隙自修复特性开展含水层引导恢复研究的必要性。

• 煤矸石胶结充填管路输送不满管流及其防治方法研究

  黄玉诚, 段晓博, 王瑜敏, 罗浩天, 郝宇鑫,

  煤矸石胶结充填料浆质量浓度高，若管路布置和管输参数不合理，充填过程中容易发生不满管流及管路输送故障。为了探究煤矸石胶结充填管路输送不满管流产生的原因与危害，提出相应的防治对策，结合矸石高浓度充填料浆管路输送的实践，建立了泵送充填管路输送模型；基于浆体管道输送基本理论，研究了充填不满管流的产生原因，提出了不满管流状态的理论判别式；根据不满管流输送过程中浆体的运动特征，探讨了不满管流对管路输送系统的危害；结合实例分析提出了不满管流输送状态的防治途径。结果表明：影响充填料浆输送状态的主要因素有充填流量、管道的几何参数和布置方式、料浆的流变特性和密度。输送过程中，充填料浆及输送参量匹配不合理，在垂直钻孔管顶部，高浓度料浆将出现拉断现象，由连续体变为不连续体，导致了管道输送的不满管流状态。随着浆体拉断区的进一步发展，垂直钻孔管上部出现空管段，并呈现一定的真空度，处于负压状态，浆体由固、液两相流状态转变成固、液、气（汽）三相流。浆体状态的变化，恶化了充填管路输送的稳定性，对管路输送系统产生明显的影响和危害：“水锤”冲击作用、对管壁的冲蚀磨损、水平管道振动、料浆发生淤积堵塞、损害充填泵。为了避免管路输送不满管流状态的发生，管路建设中要合理选定垂直钻孔位置；实际充填工作中，可以适当提高料浆浓度或减小非主干管道的内径以增大管道摩擦阻力，以保持浆体满管流输送状态。

• 无煤柱自成巷工法留巷全周期矿压显现规律研究

  迟宝锁, 王建文, 刘辉, 明 灿, 李 珅,

  为了稳定控制无煤柱自成巷工法开采条件下的沿空巷道，以柠条塔煤矿S12012工作面为工程背景，采用现场实测的研究方法，对留巷及留巷复用期间的支护结构受力和顶板变形特征进行了研究。结果表明：留巷期间，巷道变形与切顶护帮支架压力演化过程可分为初始稳定期、剧烈变形期、缓慢过渡期、压实稳定期4个阶段。S12012工作面后方约0～30 m为初始稳定期，巷道变形量较小，结构受力增加不明显；工作面后方30～150 m为剧烈变形期，巷道变形量快速增大，巷内支护结构受力明显增加；工作面后方150～200 m为缓慢过渡期，巷道变形和巷内支护结构受力逐渐趋于平稳；工作面后方200 m以外为压实稳定期，巷道变形量保持稳定，支护结构受力也不再发生明显变化。留巷复用期间，巷道变形与切顶护帮支架压力演化过程可分为矿压稳定期、矿压渐变期、矿压剧烈期3个阶段。超前工作面约90 m以外范围内为矿压稳定期，巷道变形量普遍较小，超前临时支护受力无明显增大；超前工作面25～90 m为矿压渐变期，巷道变形量增长较慢，超前临时支护受力开始逐渐增大；超前工作面0～25 m为矿压剧烈期，巷道变形量和超前临时支护受力均急剧增大。全周期围岩变形控制在200 mm以内，研究结果可为做好现场巷道支护工作提供借鉴。

• 基于松散层拱结构理论的岩层控制研究

  汪锋, 陈绍杰, 许家林, 马波, 丁希阳, 刘尊欣,

  针对我国华东和华北部分矿区厚松散层下采煤诱发工作面压架、突水和地表塌陷等问题，在系统总结采动覆岩承载结构理论相关学术进展的基础上，基于前人研究成果，提出了厚松散层的松散层拱结构模型，综合理论分析、数值模拟、现场探测和工程应用等方法研究揭示了松散层拱对载荷传递、岩层运动及地表沉陷、覆岩破断失稳的影响机理。研究结果表明：松散层拱的形态为长轴位于工作面走向的椭圆，当松散层厚度大于松散层拱矢高和厚度之和时，松散层在运动变形过程中能够形成松散层拱。工作面回采过程中，松散层拱周期性失稳并逐渐向上部发展，控制着其上覆岩层移动和变形，同时将上覆地层载荷向采空区四周转移，受松散层拱承载作用影响，松散层下部岩层载荷分布可以划分为松散层拱内卸压区、松散层拱基增压区和松散层拱外原岩应力区，进一步获得了考虑松散层拱载荷传递效应的松散层载荷折减系数计算公式，修正了关键层判别时的松散层载荷折减系数的计算方法。松散层拱的破断和失稳将导致地表快速下沉，地表下沉速度会随松散层拱周期性破断失稳而呈现出跳跃性变化，当松散层中能形成松散层拱且关键块体能够保持稳定，厚松散层地质条件下开采时采空地层不会出现切落，地表不会出现塌陷，据此得到了厚松散层下开采地表不发生塌陷的工作面临界采宽和临界采高。松散层拱载荷传递作用下，基本顶的初次破断距增大、周期破断距增大，关键块不易发生滑落失稳和回转变形失稳，得到了适用于厚松散层条件下的工作面支架工作阻力的计算公式。研究成果在山东某矿6304工作面进行了工程应用，共计开采煤炭资源35万t，实现了厚松散层下工作面的安全开采。

• 非均布载荷下充填开采岩层连续弯曲移动力学模型

  孙运江, 徐丞谊, 左建平, 李蒙蒙, 史月, 周钰博,

  为了通过采空区充填控制顶板岩层连续弯曲移动，实现保护矿区生态，提出了充填开采覆岩移动“四带”划分：充填体压缩带、连续弯曲下沉带、关键层承载带和生态保护稳定带。试验研究了不同配比（2:1、3:1、4:1、5:1、6:1）矸石和粉煤灰的压缩力学特性，得出充填体的“应力-应变”关系近似呈抛物线关系。充填体压缩初期（0～2 MPa）快速变形，压缩后期（>6 MPa），变形量增长较缓慢，可知充填体初期捣实对岩层变形控制起重要作用。当矸石和粉煤灰配比为4∶1时，充填体抗压变形性能最好。分析了工作面后方应力降低和近似线性恢复的关键层承载保护机制。基于充填体压缩特性和工作面后方应力非均匀分布，建立了非均布载荷作用下充填顶板岩层连续弯曲力学模型，得出了充填开采顶板岩层连续弯曲变形的力学条件，实现对充填开采顶板连续弯曲移动的准确判定。数值模拟分析了不同充填率时上覆岩层移动规律，得知当充填率大于90%时，顶板岩层近似发生连续变形移动，且直接顶和地表最大下沉量的模拟结果与理论预测非常接近。

• 受限空间煤粒瓦斯吸附扩散特性及模型适配差异分析

  赵伟, 王亮, 陈向军, 潘荣锟,

  瓦斯吸附扩散系数与解吸扩散系数存在差异，而直接采用定压边界的单孔扩散模型拟含吸附数据从而获得定容条件下的吸附扩散系数有所欠妥。为了对比定压扩散模型和定容扩散模型的拟合差异，正确评价不同边界条件下的瓦斯扩散过程，采用工业分析、等温吸附及吸附扩散动力学试验的方法，对不同初始压力下煤粒的吸附平衡过程及扩散系数变化进行了试验研究。研究发现，定容条件下试验煤样吸附压力随吸附时间呈对数曲线逐渐降低，而吸附平衡时间的长短由煤体的孔隙结构决定。另外，根据真实气体状态方程，可将压降规律转换为吸附规律。利用定容和定压2种扩散模型对瓦斯吸附扩散规律进行拟合，可以发现定容扩散模型要比定压扩散模型拟合效果好，且定压模型测得的扩散系数较之真正的定容扩散系数要大约2倍，并随着初始压力的增加其倍数逐渐增大。恒定压力的边界相当于给了瓦斯分子一个容易逸散的空间，相较于浓度逐渐升高的定容边界来说，扩散难度更小，扩散系数更大。最后，根据定压扩散系数以及定容扩散系数的差异，确定了试验中以及工程中2种扩散系数的应用范围：定压扩散模型适合描述试验中的定压解吸试验或者定压吸附试验，以及工程中煤层卸压区等高渗区的瓦斯运移规律。相对地，定容扩散模型则适合描述试验中的定容吸附或解吸试验，以及工程中被煤层低渗区隔绝的瓦斯运移规律，如应力集中区隔绝的区域或断层、褶曲等构造煤发育的部位。

• 褐煤负载纳米FeS吸附材料制备及其除铬性能研究

  郭旭颖, 付赛欧, 狄军贞, 董艳荣,

  矿山开采等过程排放的酸性含铬废水造成了严重的环境污染，纳米FeS虽然能迅速将Cr(Ⅵ)还原为Cr(Ⅲ)，降低含铬废水毒性，但其易氧化、易团聚。褐煤具有良好吸附性能，且储量丰富、结构稳定，因此可以作为载体以增强纳米FeS的稳定性。采用超声沉淀法制备褐煤负载纳米FeS（nFeS-L）复合吸附材料，并检测其除铬性能。通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）对nFeS-L进行表征，利用单因素试验考察褐煤粒级、Na2S物质的量浓度和铁硫物质的量之比对Cr(Ⅵ)和总铬去除率的影响，采用Box-Behnken响应曲面法研究各因素交互性影响，确定nFeS-L去除Cr(Ⅵ)和总铬的优化条件。结果表明：①超声沉淀法可将平均长度为40～80 nm的棒状纳米FeS负载于褐煤颗粒。②通过单因素试验发现当反应进行90 min时，nFeS-L对Cr(Ⅵ)和总铬的去除速率均趋于平缓，确定nFeS-L的较优制备条件为褐煤粒级0.18～0.25 mm，Na2S物质的量浓度0.25 mol/L，铁硫物质的量之比2∶1，在此条件下Cr(Ⅵ)和总铬的去除率分别为79.3%和71.9%。③响应曲面试验拟合出Cr(Ⅵ)去除率和总铬去除率回归模型拒绝原假设值P均小于0.01，校正决定系数均大于0.9，说明模型达到显著水平，适用对Cr(Ⅵ)和总铬去除率进行分析、预测和优化。3个单因素对Cr(Ⅵ)和总铬去除率的影响均达到高度显著水平，且影响显著程度均为Na2S物质的量浓度>铁硫物质的量之比>褐煤粒级，但3个因素彼此之间交互作用不显著。④经响应曲面法进一步优化制备nFeS-L条件为褐煤粒级0.18～0.25 mm，Na2S物质的量浓度0.30 mol/L，铁硫物质的量之比2.5∶1，在此条件下Cr(Ⅵ)和总铬的去除率分别为87.5%和75.6%。

• 分散碱性基质法处理闭坑煤矿酸性矿井水试验研究

  李向东, 蔡洁莹, 冯启言, 王锋利,

  贵州凯里鱼洞河区域多数关闭煤矿产生大量酸性矿山排水，造成严重水环境污染。为探讨石灰石和木屑构成的分散碱性基质系统处理闭坑煤矿酸性矿井水的效果，共进行50 d酸性矿井水处理模拟试验。采用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定不同时间反应进出水中Fe、Al、Mn、Zn、Cd金属离子浓度，滴定法测定酸碱度，便携式测定仪测定pH、氧化还原电位ORP和温度等。结果表明，试验结束时，分散碱性基质处理柱可有效提高酸性矿井水的pH，使出水pH维持在6以上。随着时间推移，系统的反应区段不断下移，反应结束时，可有效释放碱度的区段已移至系统的最深层，此时对应Al、Fe、Zn各元素去除效率分别可达98.58%、51.51%、35.45%，但对Mn、Cd无明显去除效果。由反应柱中固体沉淀物的X射线衍射仪(XRD)矿物成分分析、扫描电子显微镜(SEM)微观形貌分析和能量色散X-射线光谱(EDX)微观化学成分分析可得，Fe2+经过氧化后形成Fe3+，再通过水合或沉淀作用形成氢氧化铁，氢氧化铁不稳定导致一部分会转为其水解产物（针铁矿，纤铁矿等），一部分则会通过与SO42-的络合作用形成纤铁矾等从溶液中去除。通过对不同深度下各金属离子矿物形式的饱和度计算可得，系统表层0～8 cm还可能存在Al的相关矿物沉淀，如羟矾石，一水软铝石，一水硬铝石等。

• 含氟矿井水混凝吸附联合除氟技术工业化应用研究

  赵焰, 陆梦楠, 孙斌, 李井峰, 徐志清, 腾东玉,

  我国西部矿区大多属于高氟地层，煤炭开采使地层中的氟转移至地下水造成地下水及矿井水氟含量超标。为解决氟污染问题，内蒙古矿区要求矿井水经过处理后必须达到地表Ⅲ类水标准（氟化物排放限值为1 mg/L），这使得原本可以达标的矿井水因微量超标的氟化物而禁止排放，煤炭行业环保压力巨大。针对含氟矿井水氟化物排放限值低、处理水量大的特点，提出“聚合氯化铝混凝沉淀+羟基磷灰石吸附”的梯级除氟方法，可不拆除原有矿井水处理站进行原位除氟。结果表明：①絮凝除氟时，PACl作为除氟剂对典型矿区含氟矿井水的除氟效果较好，其中35%Al2O3PACl的氟去除率高达91.37%，单独处理后氟化物浓度低于0.6 mg/L，低于地表Ⅲ类水标准的氟化物排放限值；②吸附性能试验以羟基磷灰石作为滤料时，准二级动力学模型可以较好地描述F-在羟基磷灰石表面的吸附，吸附等温线符合Freundlich模型，即吸附原理为多层化学吸附，主要为OH-与F-的置换。动态吸附试验结果表明，以2 BV/h的水力条件吸附54 BV后出现穿透点，碱作为再生液多次再生后吸附剂性能恢复较好，建议使用1.5%或2%NaOH溶液再生。PACl加药与羟基磷灰石梯级除氟工艺经济性较好，可有效避免因过量加药导致的TDS显著增高和大水量吸附时因进水浓度高或水质波动导致出水不达标的问题。

• 深井高应力切顶卸压沿空掘巷围岩控制技术

  别小飞, 王文, 唐世界, 李化敏, 刘世峰, 张广杰,

  为解决矿井采掘接替紧张，沿空掘进的巷道变形严重、支护困难等问题，以赵固一矿为工程背景，提出了超前预裂切顶卸压沿空掘巷技术。基于切顶卸压沿空掘巷技术原理，对沿空掘巷围岩所受力学环境进行理论分析，确定了超前预裂切顶卸压技术中爆破、装药及沿空掘巷支护等相关技术参数，并在现场进行了工业性试验。试验结果表明：超前预裂切顶卸压沿空掘巷技术能够人为预裂成缝，切断巷道顶板与煤柱帮顶板之间的联系，改善沿空掘巷力学环境，确保其顶板结构整体稳定；在工作面回采巷道实施预裂爆破切顶卸压技术对相邻工作面沿空掘巷起到良好的卸压效果，巷道顶底板相对移近量为60～180 mm，两帮相对移近量为25～80 mm，锚索的载荷压力最大值为24 MPa，掘进过程中巷道围岩压力变小，有效抑制了巷道变形，支护质量显著改善。切顶卸压沿空掘巷技术在赵固一矿的应用使采掘接替紧张等问题得到有效解决。

• 连续采煤机短壁机械化开采发展现状研究

  马进功,

  针对连续采煤机短壁机械化开采技术发展现状，简述了连续采煤机短壁技术与装备的国内外发展历程，列举了4种短壁采煤方法，详细比较了优缺点、适用条件，并重点介绍了其中的旺格维利式全风压开采工艺，然后分析了国外装备制造商最新连续采煤机及配套装备在适应不同煤层条件、不同开采要求下的主要特征，研究了2007年以来国产连续采煤机成套装备的发展现状，成套装备在我国不同矿区、不同开采条件下的工作特征，及设备配套、关键工艺配套、进尺及产量情况、顶板控制等实际工程效果，基于这些现场实践，总结了短壁开采工效，短壁开采成本构成与预计方法。研究表明：我国已形成了成熟的装备制造、掘采工艺、工作面设计、岩层控制等连续采煤机短壁开采技术，且已成为长壁综采技术的重要补充，吨煤成本可达130～185元，为边角煤、不规则块段甚至“三下”压煤资源的安全、高效、绿色开采提供了保障。最后根据国内需求，分析了国产装备重点参数和短壁矿压研究等方面不足，展望了连续采煤机短壁开采发展。

• 近距离煤层采空区下综采支架合理工作阻力研究

  杨路林, 李亚春, 吴士良,

  针对近距离煤层采空区下综采工作面顶板压力实测值与“传递岩梁”理论计算值存在显著差异的问题，以大柳塔矿21305综采面为背景，采用理论分析方法确定了顶板压力力源，采用位态方程和实测统计相结合的方法，研究了采空区下综采面支架合理工作阻力的确定方法。结果表明：采空区下综采面矿压规律因受多种复杂因素的影响，表现出明显的特殊性与差异性，直接顶和基本顶重力以及上覆采空区矸石附加静载荷组成了工作面支架上的顶板压力；采空区上方矸石随着工作面支架前移而在工作面上方附近及时随动，对其产生附加静荷载作用，导致了21305综采面顶板实测压力值相比“传递岩梁”理论计算值明显增大；支架均值偏阻力12 326 kN和支架均值上阻力12 903 kN所对应的顶板控制效果均极好，超限比例均较小，但当支架合理工作阻力选为12 903 kN时，超限比例为0，支架工作阻力富裕程度较高，因此本着降低生产成本，减少投资的原则，选取12 326 kN为21305工作面的支架合理工作阻力。

• 断层附近软岩巷道围岩破坏机理及控制研究

  谢小平, 吴 刚, 尉瑞, 刘晓宁,

  基于某煤矿断层附近软岩巷道围岩变形破坏严重的问题，采用试验测试、理论分析和数值模拟相结合的方法，分析了原回采巷道支护方案及其效果，研究了该煤矿断层附近巷道围岩破碎区范围、构造应力规律及泥岩风化和水理共同作用的崩解软化特征，研究了断层附近软岩巷道围岩变形控制对策，提出了“锚带网喷+中空注浆锚索”联合支护技术方案。根据现场2408工作面回风巷的实际条件，通过钻孔录像对新开掘巷道围岩内部进行观察得出：巷道围岩1～3 m较为破碎，4～5 m破碎程度较小，但是也存在一定得裂隙，矿井断层带附近软岩巷道围岩控制应充分考虑对破碎区围岩的加固；通过地应力测量结果可知：该煤矿井下断层构造应力以水平应力为主，即矿井巷道围岩控制应充分考虑水平应力的影响；数值模拟分析结果显示巷道采用原有支护方案时，巷道左帮、右帮、顶板、底板最大变形量分别为-109、-160、-133、-112 mm，巷道采用优化支护方案时，巷道左帮、右帮、顶板、底板最大巷道变形量为-66、-65、-49、-86 mm，即巷道采用优化支护技术方案后，围岩变形量明显降低，进而确定了回采巷道优化联合支护的技术参数。2408回风巷掘进40 d后，巷道围岩逐渐趋于稳定，两帮的相对移近量和顶板下沉量均小于50 mm，相对于采用原支护方案围岩变形量降低50%以上，巷道围岩变形得到有效控制。

• 矿用锂离子电池电源防爆保护技术及标准分析

  刘见中, 王运鹏, 谢斌, 赵良, 祝琨,

  锂离子电池电源由于能量密度高、放电特性平稳、循环寿命长等优点，目前已在各类矿用装备逐步应用，然而在煤矿井下爆炸性瓦斯气体环境中使用时，锂离子电池电源由于其高能化学属性，存在着热失控并造成爆炸性极端事故的危险隐患，需要采用合适的安全和防爆技术加以保护和应对。因此，根据IEC 60079系列和GB 3836系列标准及相关操作手册说明，介绍了目前适用于煤矿井下电气设备的防爆保护技术以及不同防爆保护技术对应的设备保护级别，突出了特殊型、保护型式以及EPL Ma的实现方法。在分析锂离子电池电源固有危险因素及热失控发生原因和严重后果的基础上，系统阐述了锂离子电池在煤矿井下瓦斯爆炸性环境中使用时需要采用的电池管理技术、防爆保护技术和相关的评估技术，以及所用技术需要达到的安全完整性等级及其确定方法。针对目前国内外尚未形成关于矿用大容量锂电池电源的技术标准这一现状，结合IEC 60079系列和GB 3836系列中的特殊型保护方法及既有的风险评估技术，探讨3个潜在的研究方向以及形成相关行业标准和国家标准的可行性。

• 高寒地区煤灰一体双向运输系统关键技术研究

  王树民, 李志明, 刘志江, 孙晓, 宋伟刚,

  按照“安全高效、绿色环保、煤来灰去、清洁低碳”设计理念，以高寒地区建设露天无廊道、正向输煤、反向运灰的运输系统为研究目标，通过建立带式输送机弹性和黏弹性力学模型，应用动力学对带式输送机空载和满载启停进行动力仿真分析，验证集正向输煤、反向运灰、连续转载、同步运输、水平转弯技术于一体输送系统方案的可行性，设计应用多台变频器配置同步控制柜，增设输送带张力检测方式，实现长距离带式输送机驱动功率平衡与多点驱动控制，通过设计应用中转运灰带式输送机、回程带面槽角优化以及同步给料控制技术，实现多条带式输送机正向输煤、反向运灰、连续转载、同步运输的目的，通过设计采用“绞车+重锤塔架式”的拉紧方式，优化设计全封闭防雨罩，应用翻带技术、惯性转载技术、粉煤灰降尘技术等，实现对生态环保、防寒防冻、智能化等方面的独创性设计。按照缓冲系统、输煤系统、运灰系统及智能化系统4部分，设计并提出了“长距离、大运量、正向输煤、反向运灰、煤灰一体、连续转载、同步运输、多曲线水平转弯”的运输系统工程设计整体方案，攻克了高寒地区散状物料双向运输系统运行环境差、工程地形复杂、生态环保要求高、正向输煤、反向运灰、煤灰一体等技术研究与工程设计难题，实现了理念创新、设计创新、工程创新，对保护草原生态环境，推动煤电耦合发展和能源生产技术革命，落实“四个革命、一个合作”能源安全新战略具有重要意义。

• 综采面”三机”设备位姿测量技术研究现状与展望

  李帅帅, 任怀伟,

  为实现综采工作面设备运行姿态的自主监测和协同控制，以满足煤炭智能化开采需求，针对工作面三机设备现有惯性测量、传感器测量和视觉测量等位姿测量技术的研究现状，分析已有测量技术在井下工作面实际应用中存在的问题，提出了当前煤矿井下三机设备位姿测量技术所面临的难题及相应解决对策，对今后综采工作面设备位姿参数的全面精确获取，设备位姿状态的实时远程监测及设备位姿信息的有效关联和姿态优化等技术进行了展望。分析表明：现有测量技术虽能基本上实现三机位姿状态信息的获取，但测量效果受工作面地质条件影响较大，且在测量精度、测量参数的全面性和自动化测量程度等方面有待进一步提高；多数矿井仍需采用传统测量方式，人工劳力未能得到完全解放；其他领域先进位姿测量技术在综采工作面的应用已见成效，但因井下特殊开采环境产生的系列技术难题仍待进一步突破。通过深入研究，促进多种测量技术相互融合，实现三机设备位姿信息间的互补与校正，突破现有测量技术瓶颈，解决先进测量技术跨领域应用的适应性难题，同时自主研发精度高、稳定性强的工作面设备位姿测量系统，提高工作面设备位姿智能化监测水平，是保证煤炭安全高效生产，实现智能化、无人化开采的重要途径。

• 基于无人船与GIS的沉陷区水资源监测研究

  叶伟, 徐良骥, 张 坤, 宋承运, 张传才, 牛亚超, 李科, 王伟,

  张集矿、谢桥矿、丁集矿、顾桥矿及顾北矿5对矿井是以往大规模开采煤矿，在矿井附近形成了大范围的沉陷水域，并且大部分沉陷水域处于无利用和网箱养鱼的现状。为了合理利用沉陷水域水资源，需要对其库容量和水下地形进行准确地获取。基于无人船测量水深精度高以及具有目标探测和自动避障等优点，对于40 000 m2以内的小面积空阔沉陷水域采用遥控器控制模式进行无人船测量，对于大面积网箱（竹竿拉网）覆盖以及超过40 000 m2的大面积沉陷水域等特殊水域，采用航线规划模式进行无人船测量，对于河蚌养殖、杂草覆盖的特殊沉陷水域，通过机动船载人近距离使用遥控器控制无人船进行测量。无论应对何种类型沉陷水域，无人船测量均采用网格状航行路线，并采用打标点的数据采集模式进行测量，打标点间隔设置为5 m。通过无人船配套软件对水深数据信号进行校正，校正后的数据导入ArcGIS生成水深分布图。通过MATLAB编程构建Delaunay三角网，结合ArcGIS生成水下地形，并利用“表面体积”工具计算水下库容。以淮南矿区为例，分别在枯水期和丰水期对张集矿等5对矿井附近的沉陷水域进行水深测量、水下库容量计算，以及通过TIN获取水下地形。通过利用虚拟CORS参考站技术结合测绳对顾北矿、张集矿附近沉陷水域的检核点进行测量，并与无人船在相应点的测量结果进行对比。计算结果显示：所研究沉陷水域枯水期和丰水期的水下库容分别为1.76亿m3和2.19亿m3，同时准确获取了水下地形分布图。结果表明，无人船测量具有较高精度且效率较高，水资源监测结果可为这5对矿井附近的大面积沉陷水域的合理利用提供详细的资料参考。

• 采动地裂缝三维形态探测方法研究及精度评价

  张健, 毕银丽, 彭苏萍,

  煤炭开采诱发地裂缝发育，量化描述地裂缝三维形态是研究地裂缝对环境影响的基础。为获取采煤塌陷地裂缝三维形态信息，结合地裂缝形态特点，研究应用3种新的地裂缝形态测定方法，通过实例应用比较其探测精度，并与传统钢尺量距法作比较，评价其适用性。研究表明，传统钢尺量距法仅可获取地裂缝宽度、长度和深度等信息，无法构建地裂缝三维模型获取体积、面积等其他信息。3种新的地裂缝形态测定方法均可获取地裂缝三维模型，技术特点为：①三维激光扫描法可全面获取地裂缝三维形态信息，对地裂缝宽度和台阶信息测量具有较高精度，但对地裂缝深部探测效果较差，在10 cm台阶高度地裂缝探测试验中，三维激光扫描法所得地裂缝深度、面积、体积相比石膏注浆法分别偏小47%、59%、77%；②三维激光扫描辅以石膏注浆法可获取地裂缝宽度、深度、体积和面积等信息，其中裂缝宽度及深度测量结果与钢尺量距法相比偏差分别低于13%和25%，精度较高，适于对地裂缝三维形态精度要求较高的研究工程，但成本高、具有破坏性，不适于长期动态观测型试验；③探地雷达侧面扫描法操作复杂，且精度受人工主观判断影响较大，但可无损获取地裂缝信息，特别是对于室内模拟地裂缝试验，该方法能方便获取地裂缝形态，满足无损持续观测需求。