煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第10期

• 浅埋薄基岩工作面溃水溃砂模拟试验及影响因素分析

  杨俊哲, 吴作启, 李宏杰, 张彬, 季文博,

  针对榆神府矿区首层煤炭资源开采过程中在通过古冲沟区域时多次发生溃水溃砂灾害的问题，探究了古冲沟区域浅埋深、基岩薄、松散层厚且含水的工作面溃水溃砂灾害发生机理，利用自主研发的溃水溃砂启动测试仪实现了浅埋薄基岩厚松散含水层工作面溃水溃砂灾害过程的室内试验模拟。根据溃水溃砂灾害现场特征确定了水头高度、裂缝特征（裂缝大小和倾角）、砂土体厚度和密实度、黏土层厚度等6个溃水溃砂启动影响因素，基于正交试验原理设计并实施了25组水砂溃涌启动模拟试验，通过总结25组系列试验的试验特征得到了溃水溃砂灾害孕灾过程规律：渗水水量增大水变混水砂突涌。利用极差分析法定量研究了不同影响因素对溃水溃砂灾害启动的影响程度，得到了水头高度是影响溃水溃砂灾害发生的最主要因素，影响程度占比为37.5％，进而提出了采前疏放水是减少溃水溃砂灾害发生的有效措施。对比分析了不同水头高度条件下溃水溃砂灾害的孕灾与灾害特征，研究得到了灾害启动临界水力坡降与其他影响因素的数学关系，为溃水溃砂致灾机理的研究提供依据。溃水溃砂启动前松散含水层内部孔隙水压力突降的试验特征为现场灾害监测与预警提供了依据。

• 不同覆岩类型高强度采动裂隙发育特征对比研究

  李江华, 王东昊, 黎灵, 郭文砚,

  覆岩破坏裂隙发育高度是矿井顶板突水预测及防治的关键要素，而覆岩强度类型和开采强度是覆岩破坏裂隙发育特征的主要影响因素。对覆岩破坏高度进行预计时，覆岩类型划分标准和采煤方法对应的经验公式选择非常重要。采用钻孔冲洗液消耗量和钻孔电视观测相结合的方法，测得了坚硬和软弱地层高强度开采条件下覆岩破坏裂隙发育特征，得出坚硬岩层采动裂隙发育，冲洗液消耗量变化断断续续或者完全漏失，且岩层断裂倾角大，引起岩层采动传播影响角较大。软弱地层遇水易软化、塌孔，钻孔电视成像较为模糊，垮落带难以观测，需采用综合方法进行“两带”顶点的判别。对于近距离特厚煤层开采，下层煤垮落带高度波及到上层煤采空区时，需采用综合采厚计算下分层的导水裂缝带发育高度，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采指南》中综合采厚公式已不适用。为此通过构建近距离特厚煤层开采垮落带高度与层间距关系数学模型，提出了适合该地质条件的综合采厚计算公式，由于受煤层间距的影响使综合垮落带高度增大，并且上组煤对综合采厚影响较小，造成垮采比明显增大，得出坚硬顶板高强度开采综合垮采比为9.39～9.62，裂采比大于17.80，约为软弱覆岩的2倍，表明覆岩强度类型对高强度开采覆岩破坏裂隙发育特征影响明显，公式适用性强，研究成果可为覆岩破坏高度观测及水害防治现场实践提供参考。

• 大倾角过断层综采工作面支架失稳机理及控制技术

  刘啸,

  支架的稳定性控制是大倾角煤层走向长壁工作面安全高效开采的关键问题之一，以潘四东矿11513大倾角厚煤层综采工作面为背景，基于现场上覆岩层破断运移规律与支架受载特征的监测分析，采用理论分析方法，建立了工作面支架倾向力学模型，研究顶板载荷下支架的力学行为响应，定义了支架抗倒稳定性系数与抗滑稳定性系数，推导了支架倾倒、下滑临界倾角，并探讨了煤层倾角和设备参数等因素对支架稳定性的影响。结果表明：在大倾角厚煤层开采中，受采高增大影响，顶板破断运移的幅度与支架工作阻力比一般大倾角煤层开采明显增大，挤架、咬架现象明显；受工作面顶板运移的影响，支架随顶板运动而运动，增大支架与顶底板间的摩擦力和初撑力，可有效防止支架倒滑；多重因素耦合作用下，支架抗倒稳定性系数随底座宽度的增大而增大，随支架重心高度和质量的增大而减小；系统分析了11513工作面支架偏斜原因，得到煤层倾角大、断层构造复杂、防倒防滑措施不齐全是支架失稳的主要因素。提出了注浆加固破碎顶板，铺设双层金属网、加快推进速度、安装防倒防滑装置等措施；回采时，严控工作面3煤缺失区和异常区的顶板稳定并及时调整支架，提高工作面支护系统的稳定性，保障了安全高效回采。

• 动载扰动下深部大断面硐室围岩“帮-顶”联动失稳机理

  杨书浩, 王俊, 宁建国, 沈圳, 李壮,

  动载扰动下深部大断面硐室围岩结构性破坏与失稳是大型现代化煤矿面临的突出问题。以新巨龙煤矿井下典型煤矸分选大断面硐室为背景，基于FLAC3D模拟软件研究了动载扰动与高静载应力叠加下典型大断面硐室围岩变形破坏演化过程，揭示了典型动载扰动下深部大断面硐室“帮-顶”联动失稳机理，提出了多层次控制技术。研究表明：①动载扰动过程中，深部大断面硐室从帮部极限平衡区“板裂结构”率先破坏，联动诱发顶板锚固岩层的垮冒，最终表现为整个硐室围岩的失稳。②动载扰动是深部大断面硐室围岩失稳的诱发因素，而帮部极限平衡区应力是基础力源；③动载扰动下深部大断面硐室围岩失稳防控应从弱化动载应力和均衡强化锚固承载能力2方面入手，即采用深部消波吸能-浅部全断面锚固均撑支护-巷表柔性防护多层次控制技术。模拟表明，该技术控制了大断面硐室失稳，围岩塑性区体积下降了18.46%，变形量降幅高达31.78%，帮部与顶板整体性得到了强化。

• 大采高综放动压巷道窄煤柱沿空掘巷围岩控制

  彭林军, 宋振骐, 周光华, 侯树宏, 何维胜, 郝建, 李安,

  为研究大采高综放工作面窄煤柱沿空掘巷动压巷道矿压控制问题，以宁煤集团羊场湾煤矿2-2特厚煤层130205大采高综放工作面回风巷为工程背景，在原巷道留设35 m护巷煤柱全断面锚索支护已无法维护采掘巷道断面条件下进行窄煤柱研究。采用现场实测、数值模拟和理论预测3者相结合的研究方法，建立了巷道围岩内、外应力场力学结构模型，运用FLAC3D模拟回风巷道5、6、8、10、15 m不同宽度煤柱围岩应力分布规律。理论计算内应力场为9.5～10.3 m，窄煤柱合理宽度为5.14～5.56 m；数值模拟显示0～10 m为低应力区，10～14 m为应力峰值区，14～45 m为应力高值区、缓降区，超过45 m后逐渐趋于原岩应力，煤柱内的支承压力呈单峰分布，通过研究确定护巷煤柱尺寸为6 m。经现场应用得出，6 m窄煤柱回风巷道回采期间两帮最大变形量为241 mm，顶底板最大变形量为92 mm，巷道支护设计合理，窄煤柱注浆效果显著，窄煤柱巷道回采期间整体满足生产要求。

• 千米埋深工作面煤层合并区应力演化与防冲技术

  李剑锋, 罗武贤, 李兵, 朱金标, 朱彦飞, 贺虎,

  煤层合并与分叉是诱发冲击地压的重要因素，合理确定煤层合并区应力分布规律与影响范围对冲击地压防治意义重大。以张双楼煤矿千米埋深煤层合并区工作面为工程背景，采用数值模拟与现场微震监测，研究了煤层合并区域采动应力演化规律与冲击危险监测预警方法。结果表明：煤层合并区超前影响范围约为100 m，而滞后影响范围约为80 m；工作面在煤层合并区回采时的峰值应力大于正常煤层，且合并区煤厚越厚，峰值应力越大。工作面接近合并区时应力梯度最大，冲击危险程度最高；进入合并区后随着底煤厚度变大，应力缓慢上升，应力变化梯度小，整体冲击危险程度较高，但冲击危险性变化不大；出合并区后一定范围内应力集中程度依然较高，具有明显的滞后性。基于微震监测系统，提出了采用冲击变形能作为煤层合并区冲击危险的预警指标，确定了预警临界值，进出合并区的监测预警结果与数值模拟以及现场矿压显现具有较强的一致性。针对合并区底煤范围大的特点，提出了合并区超深穿层底煤卸压-注水与顺层钻孔卸压相结合的防冲技术方案，实现了工作面底煤的全覆盖卸压处理，取得了显著的防冲效果，保证了工作面的安全高效回采。

• 冻融循环下排土场软岩边坡抗剪特性及时效性研究

  佘长超, 陈涛, 韩流, 宋仁忠, 韩兴, 闫石,

  为了解决冻融循环下排土场软岩边坡稳定性问题，基于内蒙古地区的露天矿散体软岩在排土场堆载之后受冻融循环的影响，其排土场边坡局部台阶上出现坡顶岩体崩落及单台阶滑坡现象为研究背景，对散体软岩物料进行颗粒级配及试样制备试验，进行了散体软岩物料的冻融循环和剪切破坏试验，定量分析了散体软岩物料的抗剪强度、黏聚力及内摩擦角与冻融循环次数、含水率间变化关系，提出了抗剪强度与冻融循环次数、含水率的关系的指数表达式和冻融循环边坡的时效稳定性计算公式，揭示了冻融循环下的排土场散体软岩边坡的时效性变化规律。试验结果表明：不同正应力下，散体软岩物料破坏时的抗剪强度随冻融循环次数的变化表现出相似的规律且呈指数型破坏模式，黏聚力及内摩擦角都随冻融循环次数的增加呈指数型衰减；含水率越高，其黏聚力与内摩擦角的弱化幅度都越大，且黏聚力的弱化幅度比内摩擦角的大，两者在冻融循环6次后趋于稳定值；排土场散体软岩边坡受冻融影响具有时效性，散体软岩堆积后的新边坡在初次受冻后岩土黏聚力、内摩擦角等会迅速受到弱化，造成堆积形成之后稳定性系数急剧下降，随着冻融循环周期年数的延长，稳定系数的下降速率逐渐降低，且在6～7 a之后边坡趋于稳定。

• 干热岩体热冲击后纵波波速演化规律研究

  武治盛, 冯子军, 惠峥, 石晓巅, 赵阳升,

  干热岩体花岗岩受构造运动影响，产生规模较大的节理裂隙，形成裂隙干热岩体，这些裂隙在后期被热液充填后，称后期热液充填裂隙干热岩体，充填体与母岩的胶结面是一个弱面，利用该弱面极易于建造干热岩地热人工储留层，大幅节省建造成本。为研究实际干热岩地热开发中注入低温水热冲击后母岩、充填体及其胶结面性质的演化规律，利用超声波检测技术研究了4类50 mm×100 mm标准岩样（花岗岩母岩、充填体、含纵向胶结面充填花岗岩、含横向胶结面充填花岗岩）在室温至600 ℃高温条件下反复热冲击及不同冲击氛围（0 ℃水冷却冲击和室温冷却冲击）下的纵波波速演化规律。研究结果表明： 室温下含胶结面充填花岗岩的开口孔隙率较母岩、充填体低，而波速较母岩、充填体大；室温-300～0 ℃水反复热冲击过程中，4类岩样在首次热冲击后波速降幅可达40%～50%，之后随着热冲击次数增加波速降幅减小，约3%；相同高温下，4类岩样在0 ℃水冷却冲击后的波速降幅均较室温冷却冲击时大，说明0 ℃水冷却冲击对岩石的损伤更强；相同热冲击方式下，含胶结面充填花岗岩波速降幅较母岩、充填体大，这是因为胶结面附近的矿物颗粒尺度差异最大，热破裂程度最强。研究结果对断层模式干热岩地热开发中储留层的建造及开发过程中储留层结构演化的认识有重要指导意义。

• 矿用聚氨酯基加固材料稳定性研究

  于潇沣, 王玉超, 柏广峰, 赵昕楠, 张豫, 李洪蛟, 孙刚,

  采矿工程中应用较广泛的化学注浆加固材料主要有聚氨酯和硅酸盐改性聚氨酯2类，一般均要求双组分体积比为1，但实际施工中不能严格控制体积比准确无误，且生产过程均不可避免存在一定称量误差。为确保注浆加固材料在井下施工中性能稳定可靠，在实验室条件下模拟研究了双组分配比失调和主要组分称量误差，对反应温度和固结体抗压强度、抗剪切强度、抗拉强度的影响。结果表明：主要组分在±5%称量误差下，2类加固材料固结体力学强度波动较小。2类材料双组分浆液配比失调10%以下时，其固结体力学强度降幅不大。当双组分配比失调20%时，聚氨酯材料抗剪强度和抗拉强度分别下降56.9%和72.7%，最高反应温度升高6 ℃，硅酸盐改性聚氨酯加固材料AB组分混合后出现发泡、出水、泛碱和难成型等问题。因此，改变2类加固材料配方时，除了研究标准规定的相关性能，还应探究其最大配比容错能力，施工中尽量保持正常配比，避免因配比失调引发安全问题。其中，聚氨酯加固材料使用中，谨防白料过量引发力学强度大幅降低，及黑料过量致使反应温度升高。对于硅酸盐改性聚氨酯加固材料，配比大幅失调会出现严重异常现象，难以达到正常加固效果。另外，主要组分称量误差对2类材料力学强度的影响较小。

• 基于压力拱理论的螺旋钻机开采单层钻孔参数优化

  曲俊霖, 王继仁, 韩新平, 南存全,

  为科学设计某矿螺旋钻机钻孔布置参数，根据钻孔周围应力分布特点，提出相邻钻孔间煤柱有效宽度的确定方法，确定单层钻孔排布关键参数；结合压力拱理论，提出以永久隔离煤柱中点处应力集中系数为永久隔离煤柱宽度合理性的判定标准；利用正交试验法设计9组正交试验方案，运用有限元差分软件进行数值模拟，基于压力拱理论分析模拟结果，选取最优方案。结果表明：较小的相邻钻孔间煤柱宽度使钻孔上原本各自独立的压力拱形成1个压力拱，关键层能有效地限制压力拱外边界高度，永久隔离煤柱能有效消除相邻钻孔群间影响；所提出的相邻钻孔间煤柱有效宽度确定方法适合螺旋钻机开采参数设计；方案9，即相邻钻孔数目25个，相邻钻孔间煤柱宽度1 m，永久隔离煤柱宽度10 m，关键层下围岩较稳定，监测煤柱内塑性区宽度与有效宽度比值0.4，永久隔离煤柱中点处应力集中系数1.382，相比之下，该方案属最优。

• 纵向切槽水力压裂裂缝偏转规律研究

  徐成, 仇海生, 吕晓波, 张开加, 郭怀广,

  纵向切槽水力压裂作为一项强烈动压巷道切顶卸压技术，核心是控制裂缝开裂以及扩展方向，然而裂缝在定向起裂后通常受最大主应力的影响而发生偏转，裂缝的扩展方向与地应力条件、切槽角度、泵流量以及岩石力学性质等多种因素有关。对纵向切槽水力压裂多因素影响下的裂缝偏转规律展开研究，为纵向切槽水力压裂钻孔施工设计提供1种借鉴方法。采用ABAQUS软件中的XFEM模块，建立纵向切槽水力压裂二维模型，通过与前期纵向切槽水力压裂物理试验结果对比，实现了数值模型可行性验证，进而建立大尺寸纵向切槽水力压裂模型对煤矿顶板砂岩条件下的纵向切槽水力压裂裂缝偏转规律展开了详细研究。结果表明：水平应力比为重要的裂缝偏转距影响因素，在垂直主应力为10 MPa，最小水平主应力为6 MPa，水平应力比由1.5增加到3.5过程中，裂缝偏转距先后减小55.3%、56.9%和41%；切槽角度对裂缝扩展路径影响较大，对裂缝偏转距影响相对较小；水平应力比为1.5与2.0两种条件下，泵流量由30 L/min增加到180 L/min过程中，裂缝偏转距不断增大，且具有较大增长幅度，在水平应力比为2.5条件下，裂缝偏转距的增长幅度明显减弱；水平应力比分别为1.5、2.0、2.5的3种条件下，泵流量90 L/min对应的裂缝偏转距分别为4.05、1.81、0.75 m，可通过大幅提升泵流量，实现偏转距的较大增长；该研究对纵向切槽水力压裂泵流量的选取以及不同条件下钻孔间距的确定具有参考意义。

• （已撤稿）基于等效管网的岩体三维裂隙网络渗流特征研究

  李冠鹏, 罗从双, 吴旭阳, 刘恒,

  岩体中充满着裂隙，它对油气资源开发、地下水资源利用、污染物迁移、二氧化碳封存以及核废物地质处置等具有重要意义，因此，必须评估裂隙对岩体渗透率的影响。一般来说，通过盘状裂隙网络渗流模型分析裂隙连通性和渗流特性的方法有3种：有限元法；离散元法；将DFN转换为与平面裂缝具有近似等效连接性和水力特性的网络管道，也称为“管网模型”。对我国高放射性废物处置库新场花岗岩露头进行了研究，使用变截面等效管来模拟岩体裂缝的渗透特性，将复杂的裂隙盘网络等效为管网模型，并提出等效路径渗透系数来客观研究裂隙岩体渗流路径的渗透特性。当新鲜裂缝通过切割地表岩石暴露到一定深度时，某些走向范围内的裂缝属于张开型，而另一个走向范围内的裂缝属于胶结闭合型。不同条件下的等效路径渗透系数计算结果表明，裂缝胶结及部分胶结时，等效路径渗透系数平均值的量级分别为10-7 m/s和10-3 m/s。在此基础上，确定研究区裂隙岩体的代表性单元体积（REV）约为25 m3，通过旋转模型中的矩阵，得到该区域的空间渗透张量（包括渗透值和主方向），且所预测结果在钻孔资料范围内，可为相关工程提供参考。

• 煤矿重复扰动“采动-采空”地面井抽采技术及应用

  张志刚, 李日富,

  为攻克煤矿开采重复扰动地层导致地面井变形破坏的技术难题，深入分析了重复扰动下地层的移动规律、地面井的变形破坏力学机理、失效方式与特征，发现地面井破坏的直接原因是发生了过量的位移变形，据此总结分析出地面井破坏失效的判识条件：①套管剪切位移量超过其管内直径；②套管的最小拉伸安全系数小于阈值“1”。在此认识基础上提出了“避、抗、让、疏、护”五大地面井防护技术理念，能够从井位选择、井身结构、钻完井工艺、安全防护装置等方面有效减少重复扰动地面井的破坏性位移量。应用技术成果在岳城煤矿设计5口地面井，实现了“采动-采空”地面井持续抽采，累计抽采标况纯瓦斯量约5 240 万m3，保障煤矿安全生产的同时提高了瓦斯抽采利用量。进一步分析地面井抽采数据发现，采动区地面井经过5 a持续运行后的抽采影响半径超过800 m。

• 典型软硬煤全孔径孔隙结构差异性研究

  刘彦伟, 张帅, 左伟芹, 韩红凯, 徐鹏,

  煤体孔隙结构研究主要侧重于某一种孔隙结构测定技术方法，而单一测定方法在原理上不能准确表征煤体多尺度孔裂隙结构特征。在分析压汞法、液氮吸附法、二氧化碳吸附法以及小角X射线散射法4种试验方法的试验原理、适用条件和煤体物性特征基础上，提出了基于数据融合的煤全孔径孔隙结构集成测定和表征方法。采用新方法从孔隙形状、孔容、比表面积、孔径分布4个方面，研究了2种不同变质程度软硬煤孔隙结构的差异性。结果表明：煤全孔径孔隙结构集成测定和表征方法融合了上述4种方法测定孔隙结构的优势，结果更可靠、合理；2种煤样的软煤总孔容大于硬煤，软硬煤大孔孔容所占比例最大，且两者阶段孔容的差异性主要在于中孔和大孔阶段，其中中孔差距最为明显。而软煤微孔孔比表面积远大于硬煤。构造作用对于高变质程度煤的中孔孔容发育影响最大，对于低变质程度煤的大孔孔容发育影响最大；构造作用对于低变质程度煤的微孔表面积影响较小。上述研究成果为开展煤体多尺度孔隙的瓦斯吸附、运移规律和机理研究奠定了物性基础。

• 液态CO2煤层增透技术及应用研究

  赵丹, 刘晓青,

  为增加煤层透气性，强化瓦斯抽采效果，提高瓦斯的利用率，提出低渗透煤层液态CO2气爆致裂增透技术。基于煤矿瓦斯相关基础数据和液态CO2爆破致裂增透机理，阐述液态CO2爆破的原理、过程和能量的转化，分析液态CO2气爆能量释放的TNT当量转化；根据监测爆破过程中致裂器内CO2压力变化过程曲线的变化情况，分析爆破过程中在致裂器内液态CO2压力在4个不同阶段的变化。采用ANSYS/LS-DYNA模拟软件建立不同爆破参数下的爆破模型，模拟出单孔和双孔液态CO2爆破演化过程，从Mises应力云图、煤岩损伤云图对比分析液态CO2爆破效果。利用LS-DYNA有限元分析模拟软件对致裂器不同布置方式下煤岩损伤扩展规律进行模拟。根据数值模拟结果进行CO2相变爆破工业试验，综合评价液态CO2气爆致裂增透效果。结果表明：利用相对压力指标法测得单孔爆破半径约2.5 m，与数值模拟结果接近。经CO2相变爆破后，煤层透气性系数比增透前提高了50多倍；瓦斯抽采体积分数比增透前提高了73.7%；抽采流量是普通抽采孔的5.1倍。数值模拟和现场井下工业试验结果均证明，采用液态CO2爆破能够提高煤体吸附瓦斯的解吸率，增加低渗透高瓦斯煤层的透气性，促进煤岩体内原生缝隙的发育，使煤层瓦斯抽采效果明显提高。研究成果可为液态CO2气爆工艺的实际施工提供理论依据，为我国低透气性煤层瓦斯抽采难题提供解决办法。

• 矿井煤层自燃程度精细划分与预警方法研究

  郭军, 金彦, 文虎, 刘荫, 蔡国斌,

  煤层自然发火程度的精准判识与预警一直是煤自燃防控领域亟须解决的世界性难题，需构建煤自燃阶段精细划分和精准预警方法。通过建立煤自燃分级预警体系，实现煤层自然发火早期精准预报和主动防控，可有效防控煤层自燃或继发灾害的发生。现场采集工作面新鲜煤样，破碎混合成试验煤样，通过大型自然发火试验台模拟工作面煤层实际氧化升温环境，开展煤自然发火试验测试。进一步分析得到煤层自然氧化升温过程中各反应阶段指标气体产物体积分数和生成速率等数值随煤温的变化规律，确定了煤自燃反应各阶段的特征温度点位。通过试验数据比对分析，确定煤层氧化升温过程精细划分的判定指标（CO、O2、C2H4、C2H6体积分数及φ(CO2)/φ(CO)、Graham值、链烷比）随煤温变化的阈值区间。将煤自燃全过程精细划分成6个预警等级，并建立了较为完备的煤层自然发火分级预警体系，定量确定了各阶段的判定指标标准。结合工作面实例应用中分级预警体系的效益表现，验证了所构建预警方法对于矿井煤层自燃进程的预测预报，并采取相应防控措施抑制煤层火灾发展的可行性。研究成果可为矿井煤层自燃进程预测预报和主动防控工作提供借鉴。

• 采煤沉陷区治理时高浓度浆液流变时效特性研究

  朱世彬, 王晓东, 武博强,

  研究高浓度浆液流变特性随时间变化规律对采空区注浆充填有重要意义为准确掌握高浓度浆液在采空区中形成的堆积体大小与形态。选取水泥为胶结材料，标准砂为骨料，对不同骨胶比高浓度充填浆液流变参数随着时间变化规律进行研究。结果表明，剪切速率在0～60 s-1递增过程中，浆液的剪切应力和表观黏度均会先突增至某一值然后下降；剪切速率在60～0 s-1递减过程中，浆液的剪切应力和表观黏度为线性递减。剪切速率上升时对应的剪切应力和表观黏度均大于下降时的剪切应力和表观黏度，浆液具有触变性。剪切速率在60～0 s-1递减过程浆液符合Bingham模型，且剪切速率减小过程更满足高浓度浆液充填采空区的实际工况。利用Bingham模型求得不同时间浆液塑性黏度和屈服应力，随着静置时间增加，高浓度浆液屈服应力和塑性黏度整体增加，触变性整体增加；相同静置时间下，骨料占比越多，浆液的塑性黏度和屈服应力越大。高浓度浆液随时间的流变规律主要受到硅酸三钙反应影响，生成的针状水化硅酸钙直接影响了不同静置时间下高浓度浆液的黏度、屈服应力和触变性，2 h以内，针状水化硅酸钙在砂颗粒之间的桥接作用使高浓度浆液的黏度、屈服应力和触变性都增加。水灰比一定，水泥水化反应一定，骨料越多，水泥浆液在骨料上形成的膜越薄，骨料之间生成针状水化硅酸钙越多。根据试验数据拟合了塑性黏度和屈服应力随时间的变化公式，为后续高浓度浆液充填工艺中关键参数设定提供一定的依据。

• 综放开采智能化控制系统研发与应用

  李伟,

  为推动智能化综放开采技术的发展和应用，全面提升智能采煤的技术水平，针对自动放煤和工作面设备自动协调运行等行业共性难题，在放顶煤开采技术实践的基础上，开发了以“装备自动控制、数据自动采集、岗位无人值守”为目标的智能化综放控制系统，提出了综放开采智能化控制系统的技术路径和总体架构，配置了MG750/1860-WD采煤机、ZF12000/22/42D液压支架、SGZ1000/2400刮板输送机、BRW630/37.5乳化液泵站和DSJ140/260/3×500带式输送机等高可靠性综放开采成套装备，研发了液压支架记忆放煤、采煤机记忆截割、三角煤截割工艺、输送系统联动运行、泵站自动控制、手持终端等关键技术和控制系统，建设了“地面总监控调度-巷道区域控制-子系统”的三级控制体系。在鲍店煤矿7302工作面（平均厚度9.04 m）开展了工业性试验，实践中解决了工作面端头自动截割复杂作业工序、智能时序放煤参数优化等难题，并通过关键环节管控、智能开采工艺优化、重要岗位作业标准建立等手段，以保障常态化智能运行。结果表明：智能化综放系统实现了“采-放-运”的自动、协调运行，时序自动放煤率达70%以上，记忆截割开机率达到85%以上，工作面工作人数减少近60%，开采能效大幅提升，达到了年产千万吨的能力，实现了“自动控制为主，人工干预为辅”的智能综放生产模式。

• 煤矿安全风险智能分级管控与信息预警系统

  王道元, 王俊, 孟志斌, 张雪峰, 李敬兆,

  煤矿安全风险预警是煤炭开采过程中实现安全保障的关键一环，在记录矿井下安全隐患数据时，采集相关的数据容易受到外界环境因素（如光线、温度、湿度等）和人为因素的影响，导致划分安全风险等级出现误差，从而使得安全隐患得不到有效处理。为解决煤矿等相关企业存在的安全风险等级划分不精确的问题，研究了一种基于改进基于粒子群算法（PSO）和卷积神经网络（CNN）的煤矿安全风险智能分级管控与信息预警系统。该系统采用基于改进PSO的智能数据筛选模型，利用PSO算法查找全局最优解的特性，筛选掉不合理的数据，减少了人工计算数据不准确或采集矿区信息过程中出现纰漏的问题；采用基于改进的CNN的智能风险分级模型，通过对数据特征的采集、融合处理，实现了高精确划分安全风险等级。实验室训练与应用结果表明:该系统对安全风险数值的查全率为85.6%，查准率为91.7%，较其他系统查全率提升了4.2%，查准率提升了2.8%，大幅提升了安全风险等级划分的精确度，对出现的安全隐患及时预警效果显著。此方法有效减少了安全隐患发生的频率。

• 基于Petri网的矿山物联网信息物理并发交互方法研究

  叶桐舟, 孙林, 李敬兆,

  针对矿山物联网在应用中存在的物理实体与信息处理间交互不畅问题，通过分析矿山物联网各层不同系统资源的耦合内容和耦合强度，结合矿山复杂场景多源、多模态感测数据特征，利用Petri网对离散事件的建模优势，自下而上建立起矿山物联网信息流网络模型。通过分析Petri网的网络特性和分层并发组合的思想，对矿山物联网网络结构进行精化，研究矿山物理实体与数据控制之间的主动交互机理与状态并构建矿山物联网分布式分层优化模型，实现网络在感知、传输、认知和控制层次上的自优化及其跨层、跨系统的数据优化调度；通过研究具有前向主动感知、状态映射和主动传播功能的矿山物联网信息与物理接口方法，对矿山物联网系统感传层进行优化，构建虚拟信息与物理实体的统一接口。分布式分层优化模型和节点接口模块优化了矿山物联网信息流与控制流的传输结构，建立了物理实体与信息处理之间的可靠交互通道。基于矿山物联网优化模型和传感节点接口模块的矿山运输系统应用表明：该系统明显提高了数据的分布式采集量、实现了矿山信息的并发传输和分类集中管理，大幅缩短了矿山运输系统的响应时间，显著提升了矿山运输系统的工作效率。

• 基于数字孪生的智能化工作面三维监测技术研究

  迟焕磊, 袁智, 曹琰, 胡登高, 宋振铎,

  针对智能化工作面设备运行数据监控、视频监控存在的不足，结合智能化工作面成套设备状态实时监控需求，提出了一种基于数字孪生技术的多元信息驱动智能化工作面三维可视化监控方法。分析了当前煤矿工作面设备监控、视频监测以及三维可视化等存在的问题，系统阐述了将数字孪生技术应用于智能化生产过程监控的可行性、设计思路、技术路线与关键技术。对工作面煤机设备传感器配套、数字孪生三维监测系统架构、设备精准建模、工作面数字孪生体搭建、模型数据驱动算法、实时数据采集、运行数据管理分析、人机交互界面设计等进行了详细介绍。基于鄂尔多斯中煤某矿大采高智能化工作面，开发了一套工作面数字孪生三维监测系统，内嵌了三维展示、数据监控与开采工艺仿真功能模块，集成了设备传感器数据、生产运行控制数据、历史数据、人员定位数据以及相关的派生数据等，实现对工作面成套设备的实时三维动态监测、数据和模型三维融合展示、设备异常状态诊断预警、工况和生产数据分析管理以及自动化开采工艺虚拟仿真等。实践应用证明，该系统能够直观再现和精准描述设备状态，对工作面设备运行数据和生产数据提供系统性管理，提高了监测的效果。

• 采煤机械标准体系分析研究

  于颖,

  为推动煤炭行业智能、绿色发展，必须充分发挥标准在行业发展过程中的引领指导作用，解决煤炭行业采煤机械装备与技术迅速发展与现行标准体系不够完善的现状，解决关键系统标准缺失带来的矛盾，以及现行采煤技术标准体系与采煤机械装备智能化自动化技术发展的不适应、不匹配问题成为当务之急。在深入研究分析国内外煤炭领域采煤机械标准体系建设现状及目前采煤机械标准立项与发展情况的基础上，认真分析现行采煤机械行业标准体系中存在的问题，深入研究采煤机械行业技术架构。基于现行采煤机械技术标准体系框架，分别介绍了该框架的基础标准、安全标准、机械结构标准、电气系统标准、控制系统标准、产品标准、管理标准等组成部分，并深入分析了采煤机械标准体系与其他煤矿行业相关标准体系之间的关联关系，最终提出了一套较为完善可行的采煤机械标准体系的改进建设方案。结果表明：研究提出的采煤机械标准体系架构，是一个开放性的行业标准体系，后期可根据技术发展情况以及使用过程的实际需求，及时更新调整。此标准体系具备覆盖面广、时效性强的特点。

• 基于深度卷积特征的露天矿卡车装载状况识别技术研究

  阮顺领, 景莹, 卢才武, 顾清华, 张雪飞,

  针对露天矿车辆运输过程中运载量管控受人为及环境等因素干扰较大，存在轻车跑票和人为套票等不利于生产管理的问题，提出了一种基于深度卷积特征的车辆装载状况识别方法。该方法通过构建试验数据集和对卷积神经网络AlexNet模型迁移学习，完成对露天矿卡车装载状况图像深度卷积特征的提取，并基于支持向量机多分类模型，实现对卡车装载状况的自动识别，在此基础上统计露天矿车队运载工作量。试验过程中，基于同一组试验数据集分别对GoogLeNet、ResNet、SqueezeNet、DenseNet模型进行迁移学习，提取卡车装载状况图像深度卷积特征，并使用同一支持向量机多分类模型对卡车装载状况进行自动识别。结果表明，在空间资源和时间资源约束下，迁移学习后的AlexNet模型在5种卷积神经网络中总体性能表现最佳，用其提取的图像深度卷积特征在卡车装载状态识别中准确率最高。相比于传统的人工设计图像特征，该方法能够更好地完成露天矿卡车装载状况自动识别任务，试验数据集的识别准确率达到97%以上，在此基础上对露天矿车队运载工作量进行统计，可有效鉴别露天矿卡车的实际装载状况，提高露天矿卡车运载的吨公里生产效率，有效解决露天矿山车辆运载工作量的管控问题。

• 新型指向式旋转导向钻井工具导向轴振动特性研究

  张光伟, 侯朋朋, 李军强, 马建青,

  导向轴是指向式旋转导向钻井工具实现导向钻进的关键部件。在钻进过程中，导向轴受力复杂，易发生振动而影响旋转导向钻具的导向稳定性、精确性和可靠性，影响井眼轨迹控制、井壁质量和钻进效率等。以导向轴为研究对象，对其所受偏心环组的导向驱动力、旋转外套的转矩和地层岩石的侧向力进行受力分析，建立了导向轴力学模型，分析所受载荷。基于动力学理论和有限元方法对导向轴进行了纵向和横向2种振动的模态分析及谐响应分析；探讨了导向轴偏摆角对导向轴固有频率的影响，以及转矩、钻进压力和导向轴偏摆角对导向轴振动特性的影响。结果表明：导向轴偏摆角由0°增至6°过程中，横向振动固有频率增大较为明显，横向振动为导向轴的主要振动形式，距离导向节0.52 m处的导向轴与偏心环组连接处位置横向振幅较大；转矩和钻进压力对导向轴的纵向振动影响较大，随着转矩由1 000 N·m增大至1 600 N·m，导向轴的纵向振幅增大约1.3倍。

• 浅埋煤层过沟开采覆岩破坏特征及裂隙演化规律研究

  侯恩科, 陈育, 车晓阳, 谢晓深, 高彬,

  浅埋煤层覆岩破坏规律及裂隙发育特征是影响矿井涌水有关系，尤其在地表沟谷区，由于剥蚀作用使煤层埋深减小，为了研究清楚浅埋煤层过沟开采时，上覆岩层的扰动破坏规律与裂隙发育特征，以榆神矿区张家峁煤矿14213工作面的过沟段为研究对象，通过相似材料物理模拟与数值模拟的方法，对覆岩的破坏规律及裂隙发育特征进行了研究。结果表明，煤层开采过程中，顶板覆岩会伴随产生层间离层与切穿岩层的垂向裂隙，回采至60 m时，煤层顶板悬露面积达到极限发生垮落，原有层间离层伴随垮落消失，新出现的层间离层继续向上发展，离层空间与垂向裂隙交替发育，回采至105 m时，垂向裂隙导通至地表，离层结构完全破坏，岩层发生整体下沉。裂缝的动态发育规律是：斜坡裂缝的宽度随着开挖的进行由小变大并趋于稳定，坡脚裂缝的宽度则是由小变大、再变小至闭合，沟底裂缝的宽度由小变大再变小的趋势。地表裂缝的这种演化规律主要与地形和地表应力状态有关。坡肩和斜坡上部，采动裂缝形成后受斜坡拉应力的影响而宽度增大；坡脚采动裂缝形成后受坡脚压应力的影响而宽度变小甚至闭合；沟底采动裂缝形成后受压应力和坡段岩块压实调整宽度变小。

• 高速公路下伏采空区安全深度的数值模拟研究

  郭庆彪, 郭广礼, 吕鑫, 张义颖,

  基于高速公路穿越煤矿采空区的工程案例逐渐增多，当采空区埋深小于某阈值时，车辆外荷载可能诱使下伏覆岩结构失稳、活化，威胁行车安全。为保障采空区上方高速公路的安全运营，本文在顾及车辆荷载具有周期循环动态加载特性的基础上，结合数值模拟实验研究了不同路堤高度、路面刚度、车辆载重及行车速度等多工况条件的车辆荷载扰动深度，基于回归统计分析给出了车辆荷载扰动深度经验表达式，并提出了高速公路下伏采空区安全深度的确定方法。研究结果表明：随着路堤高度、路面刚度及行车速度的增加，荷载扰动深度逐渐减小，而随着车辆载重的增加，荷载扰动深度逐渐增大；荷载扰动深度与路堤高度之间呈线性相关，与路面刚度、车辆载重及行车速度之间呈非线性相关；经验公式计算值相较于数值模拟实验值的残差介于0.0～2.8 m，均方根误差约为0.95 m；高速公路下伏采空区安全深度应大于车辆荷载扰动深度与导水裂隙带高度之和。最终，将上述研究成果应用于武云高速，结果表明武云高速下伏采空区的安全深度应超过104 m，该值小于研究区域最浅采空区埋深（158 m），即武云高速外荷载不会导致下伏采空区结构失稳、活化。

• 黔西海陆过渡相煤系页岩气成藏条件及储层特征研究

  贾立龙, 舒建生, 姜在炳, 张东亮, 王博, 杜天林, 朱文侠,

  为深入研究黔西海陆过渡相煤系页岩气成藏条件及储层特征，针对毕节大方背斜区域的龙潭组富有机质泥页岩，采用了总有机碳质量分数（TOC）、镜质体反射率（Ro）、岩石热解、X-射线衍射、薄片鉴定、高压压汞、比表面积及联合孔径等测试分析方法，研究了海陆过渡相龙潭组富有机质泥页岩的有机质特征、矿物组成及孔隙发育特征。研究结果表明：该区龙潭组泥页岩单层厚度薄（平均1.8～2.8 m），与煤层频繁互层，累计厚度大，泥地比平均达70%；泥页岩有机碳质量分数较高（0.23%～22.10%，平均3.51%，主要分布1%～7%）；有机质热演化程度高，均处于过成熟阶段（Ro为2.67%～3.06%，平均2.85%），生气充分；较高的有机质丰度、较充分的生气过程为页岩气成藏提供了有利基础；矿物组成主要由黏土构成（48.4%～81.6%，平均66.3%），次为石英（7.4%～27.2%，平均16.5%），方解石、白云石、菱铁矿、黄铁矿等矿物质量分数较少，总体为2%～7%；黏土矿物以伊/蒙混层为主（73.0%～94.0%，平均85.1%），绿泥石次之（2.0%～23.0%，平均10.5%），含少量伊利石（1.0%～7.0%，平均3.5%），部分样品含极少量高岭石，脆性指数平均27%，天然裂隙发育及人工造缝扩展条件较同区海相页岩差；区内龙潭组泥页岩表现出典型的低孔、低渗特征，有效孔隙度平均3.66%，渗透率平均0.005 6×10-3 μm2，孔隙度与黏土质量分数表现出正相关关系，与脆性矿物质量分数之间则表现出负相关关系；泥页岩孔隙为开放型纳米级孔隙，其中介孔提供了泥页岩主要的孔隙空间和表面积，孔容平均0.019 88 cm3/g，孔表面积平均10.861 31 m2/g，为页岩气吸附、储集提供了有利条件。

• 多期构造运动对深部煤储层物性特征影响研究

  韩文龙, 王延斌, 倪小明, 吴翔, 高向东, 张雨健,

  煤的孔隙度、渗透率、裂缝和煤体结构等物性参数发育特征受控于构造及其演化特征。以沁水盆地南部柿庄地区为研究对象，基于野外节理和测井天然裂缝产状统计，利用节理（裂缝）的分期和配套、波叠加原理，对燕山期和喜山期构造应力场、构造形迹进行反演；通过地史最大构造曲率r表征了煤层在地质历史时期的变形程度，进而探讨了多期构造作用对煤储层物性的影响特征。研究结果表明：柿庄地区节理（裂缝）走向发育具有五个优势方向，分别为NNE向（10°～25°）、NEE向（45°～85°）、NWW向（85°～110°）、NW向（135°～145°）、NNW向（160°～175°）；倾角较大，主要分布在50°～90°，且大于70°的高达76%。自晚古生代以来的燕山期NWW—SEE向挤压和喜山早期NWW—SEE向拉伸运动造成煤层底板形态复杂，煤层物性差异较大。地史最大变形程度控制着煤体真实的损伤程度，随着地史最大变形程度的增加，裂隙发育增多，煤体破碎程度增加，当r150×10-6 m-1时，发育碎粒结构煤；糜棱结构煤基本不发育。在一定范围内，随地史最大变形程度的增加，煤储层渗透率呈现出先增大后减小的趋势，其界线值在r≈110×10-6 m-1处；煤层的孔隙度多受埋深和应力特征控制，地史最大变形程度对其影响不明显。为多期构造活动对煤储层物理性质影响的研究提供了一种新方法，可望应用于柿庄区块及其他煤层气区块的储层物性评价及预测。

• 冲击荷载作用下不同煤阶煤的结构演化特征研究

  李冰, 陈锋, 姜沛汶, 任建刚, 刘见宝, 宋志敏,

  瓦斯的高效抽采和合理利用对于防治煤矿瓦斯灾害、改善空气质量和增加清洁能源供应都具有十分重要的意义。为探讨冲击荷载对煤体的微观孔隙结构和大分子形态学结构的影响，以褐煤（HM）、烟煤（YM）和无烟煤（WY）为研究对象，利用分离式霍普金森压杆（Separated Hopkinson Pressure Bar，SHPB）冲击试验系统模拟冲击应力在不同衰减过程中的冲击波和应力波，结合低温液氮和拉曼光谱测试数据，研究了冲击荷载作用下不同煤阶煤的结构演化特征和规律。结果表明，在冲击荷载的作用下，褐煤、烟煤和无烟煤的液氮总吸附量、总比表面积和总孔体积都减小（例如，在冲击荷载分别为0、0.5、0.75和1.0 MPa时，HM-0、HM-1、HM-2和HM-3的BJH总比表面积分别为7.066、6.611、4.468和3.548 m2/g），微孔均逐渐向过渡孔或中孔转化，微孔的占比减小，而过渡孔和中孔的占比之和增大。冲击荷载可以促进微孔中吸附的瓦斯有效解吸，提高过渡孔和中孔中瓦斯的扩散和渗流速度，很好地解释了煤储层在外载扰动的过程中会产生超量煤层气这一宏观现象。随着冲击荷载的逐渐增大，不同煤阶煤拉曼光谱D1峰的峰位置逐渐向高波数移动，G峰的峰位置逐渐向低波数移动，ID1/IG逐渐增大，且冲击荷载后不同煤阶煤的ID3/Itotal均较原始煤样所有减小。这表明，冲击荷载导致不同煤阶煤大分子形态学结构中微晶结构单元的破坏，微晶生长程度向无序化方向升高的方向发展，大分子内缺陷程度逐渐增加，无定形碳的相对量减少。

• 矿井涌水量渗透系数构造分形优化研究

  徐慧, 牟义, 牛超,

  精准的水文地质参数在矿井涌水量预测中起到了极为关键的作用，其中渗透系数是水文地质中最常用的参数，不仅是含水层富水程度评价的重要指标，更是矿井涌水量预计、信息融合突水预测、岩体稳定性评价等定量计算的重要指标。为提高矿井涌水量的预测精度，采用分形理论,以分维数中的容量维为基本特征量，以赵庄二号井作为研究对象，通过选用网格覆盖法定量评价赵庄二号井矿井构造的复杂性，给予断层和褶皱不同的权重分形维数，并优化构造分形维数，得出修正公式。在此基础上，运用相关分析法，发现构造复杂程度与抽水试验所得渗透系数呈正相关关系，并对“大井法”的经验公式中的渗透系数取值进行了优化。研究结果表明：定量评价了赵庄二号井的构造复杂程度，计算出赵庄二号井全区的容量值为1.166 5，表明赵庄二号井内构造相对复杂，从全区构造网络容量维叠加图中可以看出，区内构造复杂程度具有明显的不均一性；将优化结果运用到赵庄二号井2309工作面“大井法”涌水量预测过程中，误差从42.5%降到7.8%，“大井法”采用优化后的渗透系数进行矿井涌水量预计极大提高了准确率；将分形理论中的容量维引入煤矿构造复杂程度的评价中，实现了构造复杂程度定量的评价及渗透系数优化，为水文地质参数较少的矿区预测矿井涌水量提供了一种较为便捷的方法。