煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第11期

• 我国综合机械化开采50年发展历程与展望

  闫少宏, 徐刚, 范志忠,

  分析了我国综合机械化的发展历程，总结了在机械化开采方面从引进、消化、吸收再到发展创新的成功经验，认为：①我国煤矿机械化开采历经50 a发展，大体可分为3个阶段，即探索阶段(20世纪70—80年代)、大发展阶段(20世纪90年代)和全面突破阶段(21世纪初至今)；②在工作面煤机装备发展理念方面，20世纪80,90年代总体是突出经济实用型，21世纪初至“十二五”末期，煤机装备突出重型化和高可靠性，以达到装备效益的最大化，“十三五”至今，煤机装备向智能化、无人化方向发展，以实现工作面设备集群的智能感知和协同控制；③采煤方法与工艺依然是煤矿机械化发展的基础，任何采煤方法或工艺的变革都会促进煤机装备产业的升级换代，甚至脱胎换骨的进步，而煤机装备是采煤方法与工艺的载体，因此采煤方法与工艺研究依然是煤矿开采的基础和根本；④尽管我国煤机装备的整体水平有了巨大提高，但在关键元部件、材料、工艺、整机可靠性方面，与国际先进国家依然存在一定的差距；⑤煤矿智能化是煤炭行业发展的必然趋势，是煤炭科技工作者的理想和努力方向，但其前提必须是装备要具有高可靠性，而且采煤工艺的可操作性与岩层控制的定量化理论也是智能化实现的基础；我国煤矿机械化的发展历程表明，煤机装备的研发和应用应立足于采煤方法与工艺的不断创新，适合煤炭赋存特点的多样化机械化开采模式也是我国煤炭科技发展的必由之路。

• 中国二氧化碳地质封存潜力评价研究进展

  孙腾民, 刘世奇, 汪涛,

  CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage，碳捕集、利用与封存）技术是减少化石能源发电和工业生产过程中CO2排放的关键技术，也是我国实现碳中和的兜底技术。CO2地质封存是CCUS技术的核心组成部分，决定了CCUS技术的发展潜力和发展方向，建立适用我国地质特点的CO2封存潜力评价方法，科学评估我国主要沉积盆地CO2封存潜力是我国CCUS技术发展的基础。国外将CO2地质封存潜力评价分为国家/州级筛选、盆地级评价、场址描述、场址应用4个阶段，并将封存地质体特征、区域地质、评估目的、地方保护、社会健康、封存安全和环境风险等作为主要指标，形成了一系列盆地级别评价指标体系，同时针对不同封存地质体，建立了CSLF(碳封存领导人论坛）法、DOE(美国能源部）法、欧盟法，ECOFYS和TNO-TING法等CO2封存量计算方法。我国封存潜力评估整体处于起步阶段，尚未建立统一、系统的封存潜力评估方法，采用的封存潜力评价方法主要是基于层次分析法的模糊综合评价，并发展了封存潜力的次级盆地评价方法和CO2封存量的溶解度计算方法。我国CO2地质封存潜力巨大、方式多样，封存有利区域为渤海湾盆地、松辽盆地、鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、苏北盆地和四川盆地。由于中国地质条件的复杂性，采用不同评价方法评估得到的CO2封存潜力差距较大，亟需对深部咸水层、正在开采或枯竭的油气田、深部不可采煤层、浅海等主要封存地质体开展CO2封存潜力的精细评估。

• 温度对二次炭化型煤吸附特性及孔结构影响的研究

  许江, 蔡果良, 彭守建, 甘青青, 王瑞芳,

  利用自主研发的二次炭化热压型煤成型试验装置，在炭化温度分别为250、300、350和400 ℃条件下制备了二次炭化型煤试件，采用扫描电镜、核磁共振、比表面和孔径分布分析仪对热压型煤进行了测试分析，研究炭化温度对热压型煤吸附特性、孔隙发育及微观结构的影响。结果表明：随着炭化温度的升高，二次炭化型煤的水分逐渐降低，灰分和固定碳含量逐渐升高，挥发分先升高后降低，密度先增大后减小；煤样在热解过程中会形成胶状物质并均匀分布在煤粒表面，并固化填充煤粉颗粒间隙，随着温度的进一步升高，煤样表面由光滑完整的层状结构转变为碎块结构；原煤中小孔占比最多，随着温度的升高二次炭化型煤小孔占比呈现先增加后减少的趋势，中大孔占比呈现先减少后增加的趋势；在300 ℃条件下的二次炭化型煤与原煤试件都以吸附孔为主，且孔隙之间连通性较差，随着温度继续升高后，二次炭化型煤以渗流孔为主，吸附孔相对减少；原煤试样和二次炭化型煤的等温吸附线符合IV型等温吸附线，原煤和二次炭化型煤的各孔径段比表面积分布较均匀，都呈单峰分布，随着炭化温度的升高，二次炭化型煤的比表面积呈现出先增大后减小的趋势，平均孔径呈现出先减小后增大的趋势，最大吸附量呈现先增加后减少的趋势。

• 多层叠置含气系统煤层气合采储层流体动态响应特征

  贾立, 彭守建, 许江, 陈捷仁, 吴斌,

  为研究多层叠置含气系统煤层气合采过程中储层流体动态响应特征，利用具有自主知识产权的多层叠置含气系统煤层气合采物理模拟试验装置，开展层间压差分别0.2、0.4和0.6 MPa的合采试验，分析了合采过程中的储层流体动态响应特征。研究结果表明：储层压力演化具有阶段性变化特征，储层压力变化曲线分为骤降型、屏蔽型和倒灌型。合采初期会发生层间干扰，使得流体运移呈现离心流变化特征，表明煤层气发生反向流动。在进行合采时，井筒连通了不同的能量体，煤储层系统之间能量动态平衡状态遭到破坏，使得流体从高能量含气系统向低能量含气系统转移，使得流体运移被抑制或屏蔽，而随着含气系统间流体能量差异的增大，则高能量系统的流体倒灌进入较低能势系统中。层间压差增大，层间干扰现象显著，合采兼容性变差，储层压力回升幅值增大，储层流场离心流范围增大，储层伤害面积增广。层间压差分别从0.2 MPa增加至0.4 MPa和0.6 MPa时，煤层气倒灌量分别从0.42 L增加至3.73 L和7.97 L，合采累积流量从218.74 L减小至208.61 L和192.21 L。

• 延川南煤层气田煤体结构模式及改造效果分析

  肖翠, 陈贞龙, 金晓波,

  煤体结构是影响煤层气井压裂改造效果的关键因素，准确预测煤体结构分布规律，厘清不同煤体结构组合模式对压裂改造的影响程度对于提高压裂工艺的适应性尤为重要。基于延川南煤层气田岩心和测井曲线建立煤体结构识别模板，开展煤体结构模式定量化识别和划分，明确不同模式的分布规律及主控因素，并分析不同模式的压裂改造效果，结果表明：煤体结构可以划分为硬煤和软煤2种类型，纵向上非均质性强，呈现为“两类五型”的组合模式：单层结构(硬煤、软煤）、多层叠加型结构(硬煤-软煤、软煤-硬煤、软煤-硬煤-软煤），不同模式的形成主要受构造和沉积共同控制，平面分布上以单层硬煤为主，单层软煤主要发育在气田东北部以及中部断裂带附近，其他类型在低序级断层附近局部发育；整体上可改造性：单层硬煤>多层软硬煤叠加结构煤>单层软煤，与开发效果的规律具有一致性，其中多层软硬煤叠加结构煤中硬煤厚度占比≥60%，产气效果较好；上述煤体结构模式的差异性导致常规压裂工艺存在局限性，根据不同煤体结构模式的改造效果差异，提出了针对性的压裂优化建议改善开发效果。研究成果对气田后期压裂施工中工程甜点段优选以及压裂方案优化具有较好的指导意义。

• 不同宏观煤岩组分润湿性差异及对甲烷吸附解吸的影响

  陈跃, 马卓远, 马东民, 李卫波, 李国富, 杨甫, 郑超, 滕金祥, 伋雨松,

  煤的润湿性是煤-水界面作用体现，也是影响甲烷吸附/解吸的重要因素。为了分析不同宏观煤岩组分润湿性差异及对甲烷吸附/解吸的影响，基于大佛寺井田4号煤不同类型镜煤、暗煤样品(空气干燥基样、平衡水样及不同活性剂改性后煤样）润湿性及甲烷吸附/解吸实验结果，分析不同宏观煤岩组分润湿性差异及其对吸附/解吸的影响。结果表明，煤-水接触角均小于90°，具亲水性，镜煤为66.9°，暗煤为61.2°，暗煤润湿性比镜煤好。不同活性剂溶液对煤样处理后润湿性由差到好依次为G502样(疏水性）、6501样、LAS样、JFC样，G502促使煤润湿反转，镜煤和暗煤接触角分别增大至98.8°、90.3°，其他3种活性剂均可改善煤的润湿性，接触角最低降至32.5°。相较于暗煤，镜煤的微孔隙相对发育，占比高达80%，孔隙连通性差，润湿性差，吸附甲烷能力较强，但甲烷解吸效率低于暗煤。煤的润湿性与吸附甲烷的能力负相关，不同样品饱和吸附量为5.63～26.98 cm3/g，G502样、空气干燥样、平衡水样、6501样、JFC样、LAS样吸附能力依次变弱。解吸能力则与润湿性呈正相关，解吸能力由低到高依次为G502样、6501样、JFC样、LAS样。煤的润湿性越好，煤-水界面分子作用越强，煤基质表面易被大量水分子占据，水、甲烷分子竞争吸附，煤吸附甲烷能力变弱，但同时也促进了甲烷解吸。

• 急倾斜厚煤层短壁综放采场承载结构泛化特征

  王红伟, 焦建强, 伍永平, 刘宝恒, 赵华涛,

  针对厚度4～8 m的急倾斜煤层难以实现机械化开采的难题，创新性提出了水平分段短壁综放采煤法。在龙泉煤矿3-3c急倾斜厚煤层布置采掘合一“单一巷道”工作面，螺旋钻机超前采出巷旁煤柱，纵横自移式支架采出顶煤，沿空成巷形成工作面“Z”形通风。并通过理论分析、数值计算和物理相似模拟分析确定了分段高度、采放比等主要回采参数，揭示了采场顶板运动演化、底板破坏滑移及围岩承载结构泛化特征。研究结果表明：分段高度10 m、采放比2.85时工作面放煤效果较好；急倾斜水平分段采场顶板结构迁移转化形成“跨层多梯阶砌体结构”、不同区域底板发生“挤出-平移”“挤出-下压”“挤出-上推”3种模式破坏滑移，顶板、煤柱、底板相互关联形成采场“顶板-底板-煤柱”链式结构。3个分段组成阶段高度30～45 m，能有效阻断采动过程中链式结构单元间强弱链相互转换，防止煤柱失稳造成顶板大面积垮落形成的冲击灾害。以上新型采煤方法的提出与研究为该类煤层的安全高效生产提供了方法与理论基础，对新疆乃至西部煤炭可持续开发具有重要意义。

• 煤层倾角对仰斜工作面覆岩压实区裂隙演化规律的影响

  赵鹏翔, 刘李东, 李树刚, 徐培耘, 李刚, 魏宗勇, 贾永勇,

  为研究仰斜综采工作面采动覆岩压实区裂隙演化规律的煤层倾角效应，用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同煤层倾角条件下采动覆岩压实区裂隙演化规律的研究，得到了压实区高度、垮落角以及宽度随煤层倾角变化的演化规律，进而建立了压实区演化煤层倾角效应模型。结果表明：随着煤层倾角的增大(0°11.6 m>10.4 m），采动覆岩离层量逐渐增加。同时，以采动覆岩离层量和底板应力为压实区边界判定依据，分析得出压实区高度随煤层倾角的增大而不断增大，且压实区高度变化趋势所拟合的直线斜率所组成的曲线随工作面推进距离的增加出现平缓、陡增、平缓的变化趋势，即压实区在形成初期高度相差不大，但会在工作面推进至55～65 m时高差迅速增大，且维持此较大高差直至工作面回采结束；随煤层倾角的增大，开切眼侧垮落角逐渐减小，而工作面侧垮落角逐渐增大；以压实区的高度和垮落角的演化规律为基础，建立了压实区空间简化模型，进一步得到压实区宽度随煤层倾角变化的数学表达式。最后，以采动裂隙椭抛带理论为基础，结合试验结果，建立了考虑煤层倾角的采动裂隙椭抛带压实区数学方程，为仰斜综采工作面准确定位卸压瓦斯储集优势区提供一定的理论依据。

• 基于改进普氏平衡拱理论的层状顶板安全厚度研究

  罗霄,

  针对露天矿区对前井工开采矿留下采空区的处理是一个重要的安全问题，依托元宝山露天煤矿隐蔽致灾地质因素综合勘探治理研究项目和平朔东露天矿采空区(空洞)综合勘察与治理项目进行深入研究，结合东露天矿的现场实际条件进行理论分析，并以井工矿采空区顶板安全厚度为切入点，采用理论分析、模型构建、现场实测等方法，分析在垂直地应力和水平构造应力共同作用下平衡拱的形态演化规律和特征，对传统普氏平衡拱理论进行研究与改进，得到改正普氏平衡拱拱高计算方法，并在工程实践中得以验证。结果表明：层状顶板在垮落过程中须考虑水平应力的影响，平衡拱拱高随侧压系数的增大而减小，顶板的安全厚度也会相应减小；经现场对采空区顶板裂缝产状及发育情况观测，以改进普氏平衡拱计算所得的顶板稳定性要大于传统普氏平衡拱的结论，改进普氏平衡拱的计算结论与实际吻合较好。为保障露天矿工作面中的大型设备安全作业，进而为确定下伏井工矿采空区顶板安全厚度提供理论参考依据，同时为露天矿井采采空区稳定性的研究提供了基础。

• 近水平厚煤层微震垂向定位优化及实践

  曲效成, 徐旭, 辛崇伟, 靳国栋, 王颜亮, 魏全德,

  为提高微震系统在近水平厚煤层中垂向定位精度，设计通过安装深孔检波器提高微震台站间高差的方案，对近水平厚煤层中微震系统台站空间布设进行优化；采用数值仿真模拟结合工程试验的方法，研究了深孔检波器的安装对提高震源垂向定位精度的理论可行性，并通过现场实践进行了验证。数值仿真模拟结果表明：通过提高台站Z坐标，可以有效减小该台站附近的垂向定位误差。现场实践结果表明：深孔检波器安装后，煤层事件频次和微震能量的接收占比分别提高了10.42个百分点和6.64个百分点，顶板事件频次和微震能量的接收占比分别提高了11.58个百分点和12.73个百分点；对同一事件定位结果进行对比，深孔检波器在参与事件定位时，顶板事件垂向高度提高，平均提高36.61 m，最大升高92.64 m；微震能量也存在增大的情况，平均增大1 903.44 J，微震能量最大提高9 457.39 J；对同一事件的波形进行对比，深孔检波器与邻近的顶板检波器接收到的振动波存在有效到时差。通过安装深孔检波器，有效提高了微震系统对顶板事件的垂向定位精度，为近水平煤层微震台网布设优化提供了指导。

• 深埋构造区实体煤巷道矿震机制及防治

  秦子晗, 陈存强, 李福宏, 张勇, 杜涛涛,

  矿震作为矿井采掘活动中的常见动力现象，存在诱发冲击地压、破坏巷道、设备及造成人员伤亡的可能。为掌握深部矿井矿震发生规律及影响机制，并通过采取相应措施降低矿震对深部冲击地压矿井带来的威胁，以核桃峪煤矿大采深条件下的2804掘进工作面为工程背景，对千米采深条件下实体煤巷道掘进期间的矿震发生机制及防治技术进行了研究，通过微震监测和围岩变形监测，分析了巷道掘进期间的矿震响应特征，研究了深埋构造区实体煤巷道在卸荷作用下的矿震发生机制，并就矿震对冲击破坏的诱发过程进行了分析，进而采取相应的防治措施。研究结果表明：核桃峪矿掘进巷道在矿震能量达到104 J以上时，会发生轻度破坏；矿震源自地质构造高应力区掘进时发生卸荷作用，巷道围岩边界形成的高能量压降和高应力差促使围岩能量快速释放；矿震发生后震源本身造成围岩破裂，降低巷道抗冲击能力，且释放能量以矿震波形式向四周传播，在巷道极限平衡区能量叠加，达到其承载阈值时可诱发冲击破坏；针对现场掘进工作面，采用超前长距离钻孔卸压降低巷道开挖时的能量压降，大直径钻孔耗散围岩所积聚能量，同时增加帮锚索数量提高巷道破碎区抗冲击能力，保障工作面安全贯通。

• 基于高压水力顺层钻割技术的冲击地压防治实践

  买巧利, 吴学松, 丁超, 陆祖军,

  为提高回采工作面高应力区防冲卸压效率和效果，针对煤层注水、煤体钻孔卸压、爆破卸压等传统卸压方法存在的应用缺陷，运用高压水力顺层钻割技术对综放工作面冲击地压显现危险区域进行提前卸压处理，从理论上分析了该技术的卸压原理和可行性，在现场进行了实践应用，并用数值模拟和电磁辐射方法对卸压效果进行验证。结果表明：①高压水力顺层钻割技术钻孔沿工作面倾向顺煤层层理布置，以压力高于30 MPa高度聚能的水射流束切割破碎煤体，形成卸压空间，同时浸润弱化煤体，钻孔由内而外形成破裂区、塑性区、弹性区，并随着塑性区及破裂区煤体变形量的不断地增加，塑性区及破裂区煤体变形、垮落，积聚的弹性能得到释放，煤岩体中的静载荷降低，消除冲击地压发生条件，防止冲击地压发生；②高压水力顺层钻割技术钻割时采用定点与反复动态相结合钻割方式，钻杆轴向与径向运动相结合，既保证钻进稳定性，又可形成多段圆盘状卸压空间和连续卸压孔洞，在煤层内可形成半径为300～400 mm的卸压空间，出煤量可达2.0～3.5 t；③数值模拟结果显示，采用高压水力顺层钻割技术卸压后煤体内部应力平均降幅达68.6%，电磁辐射现场监测钻孔施工前、后平均幅达60.92%，实施后巷帮应力降低区明显扩大，煤体内部应力显著降低，卸压效果良好。

• 基于动态贝叶斯网络的大倾角工作面飞矸威胁等级评估

  刘明, 周一童, 伍永平, 多依丽,

  为准确评估大倾角煤层开采过程中飞矸对人或设备的威胁等级，将工作面飞矸运动过程中具有的总动能作为判定飞矸威胁等级大小的依据，采用Rocfall软件建立大倾角工作面飞矸运动模型。选取飞矸的质量、初速度、工作面长度、煤层倾角、碰撞恢复系数6因素5水平进行标准正交试验，通过正交试验法得到6种因素灵敏度大小的排序。根据排序及工作面实际情况，选取影响飞矸动态威胁等级评估的主要因素为飞矸的质量、速度以及沿工作面运动距离3个动态特征量，采用Genie软件建立动态贝叶斯网络模型，通过仿真得到飞矸沿工作面运动全过程的动态威胁等级概率。仿真结果表明：飞矸威胁等级在飞矸运动初始阶段急剧增加，随着时间片的增加，在中期和末尾阶段威胁等级趋于平稳。为了减轻工作面飞矸动能过大对人或设备造成伤害，可在飞矸运动初始位置以及飞矸威胁等级较高的位置设置防护装置，以达到降低飞矸威胁的目的。

• 静动组合三轴加载煤岩强度劣化试验研究

  任建喜, 云梦晨, 张琨, 景帅,

  基于煤岩力学伺服三轴压缩试验系统，辅以声发射检测，对彬长矿区某矿煤岩进行高应力下不同频率动载试验，研究煤岩动载诱发后破坏机理与强度劣化规律。结果表明：煤岩动载扰动后强度劣化明显，峰值强度、应变与动载频率呈负相关；动载扰动后煤岩内部裂隙进一步发育，提前进入屈服变形；煤岩破坏首先从内部开始，逐渐延伸至表面，破坏形式由剪切破坏变为横向拉伸破坏。声发射定位点由中心向外部扩展，大量分布在煤岩表面，与煤岩裂隙发育区域及主要破坏方向基本保持一致；声发射能量事件主要发生在动载加载初期阶段及峰值阶段且峰值阶段达到最大，能量与煤岩应力水平呈正相关，破坏后能量迅速回落。煤岩动载结束后继续静载加载到其动载最大应力阶段前无声发射能量事件产生，发生明显凯泽现象；临近峰值破坏阶段声发射能量迅速回落，此特性可作为预测煤岩破坏的前兆。

• 再生细骨料掺量对矿用支护砂浆动态力学性能的影响

  曹可, 王亮, 徐颖, 沈文峰, 王浩, 王鹏举,

  再生混凝土骨料的高孔隙率特性对砂浆抵抗冲击荷载具有积极作用,为研究再生细骨料水泥砂浆在复杂地下环境中应用于井下支护的可能性，制备了0、10%、30%、50%四种不同再生细骨料质量替代率的水泥砂浆。使用50 mm的分离式变截面霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar,SHPB)试验装置，对水泥砂浆进行0.25、0.35和0.45 MPa三种加载气压下的冲击试验，并测试再生细骨料水泥砂浆的静态抗压强度。通过比较不同替代率的再生细骨料水泥砂浆在不同冲击气压下的动态特性，研究再生细骨料砂浆的抗冲击性能。试验结果表明，随着替代率的提高，再生细骨料水泥砂浆的静态抗压强度呈先增长后降低的趋势，在替代率为10%时最大，替代率为30%以及50%时，其静态抗压强度也并未低于对照组；在相同冲击气压下，随着再生细骨料替代率的提高，试块所能承受的冲击荷载也随之提高；在相同替代率下，试块的动态抗压强度以及极限韧性随着冲击气压的增大呈现增加趋势；在应变率60.29～143.379 s-1时，50%替代率再生细骨料砂浆的动态强度增长因子(DIF)均高于其他组，该替代率的水泥砂浆的动态抗压强度、极限韧性最高，并且静态抗压强度也不低于对照组试块，具有较好的抗冲击性能。

• 不同拐角形式的加筋土挡墙变形特征分析

  李鸿强, 龙建辉, 任俊姣, 张吉宁,

  加筋土挡墙拐角部位的形态和结构比较特殊，且常在计算过程中将模型简化，使得该部位较挡墙的直线部位更容易引发工程问题。为探究加筋土挡墙不同拐角形式的变形特征，以某加筋土挡墙凸形拐角部位鼓胀病害为例，对加筋土挡墙拐角部位的变形破坏进行了成因探析，运用有限差分软件FLAC3D模拟了凸形拐角的3种常见形式，即折角、直角和圆角3种拐角形式，分析了加筋土挡墙凸形拐角的整体变形、竖向变形以及水平变形规律，并从3种拐角形式的结构特征出发，分析了造成3种拐角形式在拐角部位鼓胀变形区域特征不同的原因。结果表明：加筋土挡墙的变形集中在挡墙上部,其中竖向变形对整体变形的发展影响很大；3种拐角形式的最大竖向变形位置离面板的距离不同，圆角距离最近，折角居中，直角距离最远；在拐角段墙高的1/4～2/3段为鼓胀区，墙顶为外倾区；在整体变形以及水平变形方面，尤其是在对面板形态有重要影响的水平变形上，因折角形式的结构特征使得其在应力应变的扩散上更具优势，从而具有3种形式中最小的最大变形值，即折角在控制变形方面较其他2种形式有更好的优势，建议在工程设计中应优先使用。数值分析结果与现场变形测量结果所揭示的挡墙变形规律吻合较好，成果可为加筋土挡墙优化设计提供指导。

• 薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验研究

  李锋, 杨胜利, 李政岱, 杨文强, 杨敬虎, 陈肖龙,

  煤层一次采出厚度变大，导致直接顶冒落高度增加，并且在薄基岩条件下，顶板破断后不容易形成稳定的结构。顶板破断容易导致工作面突水溃砂灾害的发生,严重影响工作面的生产。为了揭示薄基岩、厚松散岩层在高强度开采条件下突水溃砂和顶板切落并发灾害机理，利用自主研发的顶板动压与突水溃砂试验平台进行了相似模拟试验，以锦界煤矿31406综采工作面为工程背景，试验采用平面应变模型，选取几何相似比为100∶1，结合辅助红外成像仪和超声波探测器等获取了顶板破断时能量的聚集与耗散特征以及裂隙的发育特征。试验结果表明：顶板发生超前破断时，同一岩层产生竖直贯通裂隙，在层理处因岩层强度和厚度不同容易产生“错动”裂隙；突水溃砂和顶板切落并发时产生了明显的动载冲击现象，支架工作阻力会有明显增加，引起压架和工作面发生突水溃砂事故；基于滚动摩擦基本原理建立了滚动摩擦力学模型，揭示了水砂涌入裂隙后导致块体产生滑落失稳的力学机理；水砂体由贯通裂隙进入顶板结构，原有滑动摩擦向滚动摩擦转化，显著降低块体间摩擦力，使顶板产生滑落失稳。结合试验和理论分析得到及时移架，增加支架初撑力，加快工作面推进速度等可以降低突水溃砂和顶板切落灾害发生的概率。

• 地下含水层帷幕注浆单液水泥浆扩散规律研究

  尚宏波, 靳德武, 柳昭星, 王皓, 赵春虎, 王晓东, 石志远, 王治宙,

  帷幕注浆逐渐成为矿井水害防治的主要技术手段之一,为解决帷幕工程中注浆孔间距的布设问题，通过室内试验得到帷幕注浆材料单液水泥浆的物理性能参数，采用COMSOL数值软件建立了地下含水层帷幕注浆单液水泥浆扩散数值模型，研究了地下含水层帷幕注浆工程中单液水泥浆的扩散机制。研究结果表明：单液水泥浆水灰比越大，浆液的凝结时间越长黏度越大，而结石率与抗压强度越小，根据所得浆液性能参数针对不同地层特征选取相应水灰比的浆液进行注浆；地下含水层帷幕注浆单液水泥浆的扩散形式以注浆孔为中心的圆形扩散，单液水泥浆的扩散半径随注浆时间的增加而增大，且扩散半径最终趋于稳定，稳定后的浆液扩散半径平均值为10.22 m，浆液扩散的范围可达到20.44 m；单液水泥浆扩散半径的理论计算与数值计算结果较为一致，理论解与数值解之间的误差小于5%，证明作者建立的数值模型用于研究帷幕注浆浆液扩散范围具有一定的可靠性。基于研究结果，选取帷幕注浆孔距为20 m，2排交错布孔，建立有效宽度约为40 m的帷幕墙，以阻隔帷幕墙外侧含水层中地下水向井田内的补给。帷幕墙建造完成后，通过检查孔对受注地层进行取心，得到含有浆液结石体的岩心，实验室测试得到其抗压强度为11.2 MPa，能够满足帷幕墙建设的强度要求，证实帷幕注浆工程中注浆孔间距布设合理。

• 浅埋深超大采高综采工作面过地表沟流防治水技术

  王春雷, 池明波, 崔东亮, 李宇, 曹志国,

  地表沟流对浅埋超大采高综采工作面的回采影响主要有2个方面，一是地表水通过导水裂缝渗入采空区，威胁生产安全；二是地表沟流成因使得流经区域基岩较薄，井下回采矿压显现不明显，坚硬煤体对生产造成不利影响。以上2类问题看似互不相干，却通常同时存在，成为矿井安全高效回采的难题。以神东矿区上湾煤矿12402工作面为例开展研究，研究了该环境下地表塌陷等情况，在此基础上提出了浅埋藏、超大工作面工作过地表沟流防治水措施，包括疏放地表积水、回填塌陷河床、加高堤坝等综合治理措施，用以保证河道畅通，提高河床防渗性，从而达到防治水的目的。此外，通过井下探放含水层等关键技术，解除了含水层涌水威胁；通过增大工作面及巷道的排水能力，有效解决了工作面涌水问题；未通过调整底板坡度，就达到了减少采空区积水的目的，使采空区内积水排向防水点，避免了采空区积水进入工作面，通过以上井下综合防治水措施可从时间和空间上分解防治水压力，达了较好的防治水效果。为了保证沟流下放工作面安全生产，结合基岩薄、埋藏浅矿压显现特征，采用数值模拟、现场试验等方法，提出了水力压裂弱化煤体强度来解决坚硬煤体强度的方法，通过数值模拟确定了压裂参数，优化了压裂设计方案，并在实际生产中不断完善，降低了煤体能耗，达到了保护设备和除尘降尘的效果。

• 瓦斯地质区划及瓦斯异常分析——以顺和煤矿二2煤层为例

  韩松林, 赵亚娟, 高琳, 吕闰生,

  为提高煤与瓦斯突出矿井瓦斯有效分级管理水平和瓦斯分区防治技术水平，结合顺和煤矿地质条件和构造分布形态，基于瓦斯地质区划理论和瓦斯地质指标量化技术，运用数理统计学、瓦斯地质学等理论技术与方法，分析了顺和煤矿二2煤层构造演化与瓦斯赋存的地质控制特征，探讨了影响瓦斯异常分布的地质影响因素，运用数量化理论I筛选了影响瓦斯异常的主控因素，在此基础上建立了预测瓦斯异常区的预测模型并进行了有效性验证，对未采区进行了瓦斯地质区划。研究结果显示：顺和井田共划分6个瓦斯地质单元，边界大中型断层是控制瓦斯分区分带的单元边界；③号瓦斯地质单元局部瓦斯存在正异常，划分出2个瓦斯异常区，①和②号单元东部靠近岩浆侵入区瓦斯正异常，④和⑥号单元瓦斯负异常；基岩厚度、煤层顶板岩性和大型断层影响范围是局部瓦斯正异常的主控因素，基岩厚度和岩浆侵入是瓦斯负异常的主要因素；井田反相褶皱是控制煤层埋藏深度变化的主要因素。

• 基于储层特征不确定性的产能分析——以古交区块为例

  韩学婷, 杨刚, 何沛其, 赵刚, 张兵, 郭明强,

  古交区块开发面临平均产气量低，井间产气效果差异大的问题，明确产能主控因素并提出针对性增产措施是区块后期开发的关键。基于古交区块储层物性及生产特征，建立了古交区块典型数值模拟模型。基于典型模型，结合储层参数分布范围，通过蒙特卡洛插值方法，建立了不同参数组合下的数值模拟模型。通过参数敏感性分析，确定产能主控因素。研究结果表明：含气量、割理渗透率是影响产气量的主控因素。排采制度的制定，应重点考虑储层含气性及割理渗透率大小。先定产水量后定井底流压排采时，割理渗透率增加，累计产气量先增加后减小；定井底流压排采时，割理渗透率与累计产气量为正相关线性关系。同一含气量条件下，定井底流压生产比先定产水量后定井底流压生产的最终累计产气量高。割理渗透率、裂缝渗透率是影响压降扩展和产气的主控因素。割理渗透率为9.7×10-10 m2，裂缝渗透率为3×10-9 m2时，压降主要受割理渗透率影响；割理渗透率为6×10-11 m2，裂缝渗透率为3×10-9 m2时，压降主要受裂缝渗透率影响。因此，后期开发过程中需加强渗透率及含气量监测，根据储层条件制定合理的排采制度。同时，古交区块平均渗透率为1×10-10 m2，井距为300 m，很难实现井间干扰，后期可考虑体积压裂增产改造方式提高储层整体渗透率或打加密井以实现稳产增产。该研究成果为煤层气井稳产增产提供了开发建议。

• 基于瞬变电磁法发射线框通电时刻选取的研究

  裴建国, 张新军,

  对于瞬变电磁法，关心较多的是关断时间，通电时刻(建场时间）的重要性往往被忽略，常规采样方式是在设定足够观测时窗的采样频率下，赋予相同的激发建场时间，即对于正负极性观测时窗来说，正、负极性观测采样时窗和建场时间分别为固定的1/4周期。为研究并建立非对称式“发射-观测”时窗序列，以提高瞬变电磁法探测精度。 从瞬变电磁法激发场电信号的傅里叶变换入手，通过对不同建场时间下的电磁信号频率组分进行大量理论推导和计算，并进行统计分析，并且绘制了不同建场时间的频谱平剖图 ，得出了不同建场时间条件下信号频率组分(频谱）的变化规律。研究结果表明：建场时间越长信号频率组分中高频成分缺失越多，进而影响了浅层信息，以高频信号反演深度不超过盲区为宜；而建场时间越短信号频率组分中低频成分集中越多，有利于深部信号强度，当然受限于探测能力(极限探测深度），更短的建场时间也是不必的。然后又对该规律进行公式推导，得出了不同时刻建场电磁信号极大频率与时间的关联公式，进而得出了特定时刻的建场信号的频谱，最终提出了给瞬变电磁法设定若干非固定建场时间的设想，并将常规瞬变电磁法观测的合理建场时间范围锁定在发射线框通电后61.0 μs～12.7 ms ，更为合理地满足常规800 m以浅的瞬变电磁探测任务，进一步建立占空比由1∶1向1∶8过度的若干个非对称式“发射-观测”时窗序列，实现800 m以浅针对不同深度区的探测任务更为优化时窗序列。

• 坑道直流聚焦多点电源探测聚焦与偏转效应研究

  刘志民, 李冰, 潘越, 吴淼,

  为增加直流电法水平勘探深度，准确查明掘进前方异常体的具体方位，减少机电设备、轨道、地形起伏、电磁干扰等因素对探测结果的影响，开展了直流聚焦多点电源探测聚焦与偏转效应正演模拟。据聚焦电法探测机理，采用有限单元法对空间多点电源场各节点电位进行求解，并推导空间场的电场线微分方程。利用COMSOL软件建立三维地电几何模型，通过改变屏蔽电极与主电极发射电流强度，对不同异常地质情况下的空间电流场聚焦分布特征及电位变化百分比曲线变化规律进行有限元数值模拟。结果表明：聚焦效应探测可增加掘进工作面正前方空间电场线的分布密度，使异常体探测会更加敏感；当掘进工作面正前方存有异常体时，聚焦效应相比无聚焦效应探测效果较好，至少可增大50%的探测距离，且随着屏蔽电流增大，探测效果越好，但对至掘进工作面18 m外的异常体探测效果变化不大；当异常体为低阻体时，电位变化百分比的值为负，反之为正；当异常体偏离坑道中心轴线时，探测效果随着偏离距的增大逐渐变差，此时通过改变屏蔽电流大小使探测电场进行偏转扫描探测，依据主电极四周各方位测量电极的电位变化百分比的变化规律确定出异常体的具体方位。

• 多煤层开采条件下高陡山体变形控制

  刘小平, 田延哲, 曹晓毅, 刘元均,

  采矿活动诱发高陡山体发生大范围高位远程滑坡，贯穿我国西南矿区规划、开发及闭矿整个阶段，前期规划时矿区采动坡体稳定性控制至关重要。为提高矿区防灾减灾水平，从西南地区地形地质及采矿条件出发，系统归纳了控制高陡山体稳定性致灾因素，提出了适宜于该矿区高陡山体稳定性控制的多煤层协调开采方法，采用离散单元法对山体变形特征及稳定性控制效果进行了模拟分析。研究结果表明：地下开采是坡体变形之诱因，重力场与采动应力场叠加引起应力集中，是引起岩体破裂及坡体失稳之本质。多煤层协调开采，可以将开采活动对覆岩变形及破坏速率降低，逐步释放总变形量，利用地表变形符号的变化，动态调整水平变形及倾斜等坡体稳定性敏感指标，提高采动坡体的稳定性。利用该方法，模拟计算某矿区采动高陡山体最大水平变形降低了67%～85%，最大倾斜值降低了41%～67%，梯子崖(永宁组灰岩)稳定性得到控制。多煤层协调开采技术是解决西南高陡山体下煤炭资源安全高效开采的有效途径。

• 巨厚松散层下开采地表下沉的影响因素分析

  李青海, 张存智, 李开鑫, 于胜文, 曹有勋, 杨涛,

  巨厚松散层下煤层开采地表下沉较大，对生态环境的影响较大。为揭示不同参数对地表下沉的影响规律，采用数值模拟的方法分析松散层厚度与基岩厚度比、煤层埋深与煤层厚度比2个尺寸参数，以及基岩抗拉强度、黏聚力、内摩擦角3个力学参数在地表下沉中的作用。模拟分析表明：下沉系数呈现随着松散层厚度与基岩厚度比的增加迅速增大并逐渐趋于稳定的趋势，下沉系数呈现随着煤层埋深与煤层厚度比的增大线性降低的趋势，下沉系数呈现随着抗拉强度的增大逐渐降低的趋势；基岩厚度一定时，存在临界黏聚力数值和临界内摩擦角数值，在小于临界值的范围内提高黏聚力或内摩擦角，下沉系数逐渐降低，当超过该临界值时进一步提高黏聚力或内摩擦角，下沉系数基本无变化。

• 刮板输送机中部槽多区域输运状态预测

  李博, 未星, 夏蕊, 王学文,

  刮板输送机是煤矿综采工作面大型输送设备，中部槽作为刮板输送机承载部件，其工作可靠性和使用寿命直接影响井下煤炭的输运效率。然而，现有的试验方法难以准确预测中部槽的输运状态和使用寿命。为深入研究煤散料在中部槽中的输运特征，散料对中板造成的磨损特征及其机理，利用离散元法建立了煤散料与刮板输送机中部槽耦合作用模型，采用校正后的模型参数对中部槽输运状态、中板的磨损、散料和中板的受力特征，包括不同满载情况下煤散料运动学形态、不同满载情况及不同含矸率下中部槽中板磨损，以及不同区域和不同满载情况下中部槽中板的受力进行预测研究。结果表明，煤散料在刮板输送机上分布具有“巴西果效应”，煤散料在中部槽不同区域的堆积质量有较大差异，运载量越大“巴西果效应”越明显；中板磨损主要集中在双排刮板链的正下方，该区域下磨损量远大于非链条排布区域；中部槽磨损量随着负载的增大而增大，140%负载下的磨损量是60%负载的3.49倍左右；中部槽磨损量随着含矸率的增大而增大，含矸率25%的煤散料对中部槽的磨损量是不含矸的4.11倍左右；刮板链下方中板所受法向平均载荷最大；负载越大，中部槽中板法向平均载荷越大。本研究可为中部槽不同区域进行相应的耐磨强化处理提供理论依据，可最大程度延长中部槽使用寿命。

• 煤矿用无人驾驶辅助运输车辆的蒙特卡罗定位方法

  鲍文亮,

  为解决煤矿无人驾驶车辆自主定位这一重要问题，研究了车辆在巷道环境中行驶时的蒙特卡罗定位方法。首先进行了场景分析，综合考虑工作任务和行驶安全性，得出车辆纵向和侧向位姿状态估计的不同要求，其中沿巷道轴线方向的车辆纵向位置在需要时获得，相对巷道中心线基准的车辆侧向位置和转向姿态角应实时精确解算,由此指出基于特征测量的定位方法在巷道环境应用时存在的局限，讨论了侧向激光测距扫描的适用性。进一步将矿井全域地图分解为典型场景区域地图的集合，提出了将车辆自主精确定位问题维持在一个典型场景所对应的区域地图范围内进行的策略。其次论述了蒙特卡罗定位算法的实现方法，分析了煤矿辅助运输车辆的转向结构形式，运用基于车辆的速度运动模型实现了算法的控制更新过程。为使测量概率随车辆位姿变化具有平滑性，建立了基于激光测距传感器的似然域模型实现了算法的测量更新过程，并提出调节似然域模型不确定性参数来避免定位算法失效的方法。最后，通过在典型场景内针对全局定位问题进行蒙特卡罗定位算法仿真，验证了定位策略和算法。通过高斯近似对粒子集进行密度提取来获得置信度分布，并以高斯分布均值作为车辆位姿估计。作为对比，在相同的车辆实际运行轨迹条件下，针对位置跟踪问题完成了基于特征测量的扩展卡尔曼滤波定位算法仿真。结果表明，蒙特卡罗定位中，车辆侧向位置估计和姿态角估计始终能够很好地反映实际状态值，纵向位置的后验概率由多峰分布收敛为单峰分布，反映了全局定位过渡到位置跟踪的过程。扩展卡尔曼滤波定位一方面不能解决全局定位问题；另一方面侧向定位精度受特征方位角测量误差的影响显著。在煤矿巷道应用环境下，基于激光测距扫描的蒙特卡罗定位所获得的侧向定位精度优于基于特征测量的扩展卡尔曼滤波定位情况。在区域地图范围内进行蒙特卡罗定位，实现了矿用车辆的全局定位和位置跟踪，满足了在巷道环境中不同位姿状态的估计及时性差异化要求。

• 基于多感知方式组合测量的采煤机位姿检测系统研究

  张子悦, 符世琛, 刘超, 李永泽, 兰玉, 吴淼,

  近年来我国煤矿井下瓦斯爆炸、透水等安全事故频发，严重威胁矿工生命安全。为实现煤矿井下综采工作面采煤机位姿无人化、高精度检测，改善矿工的工作环境，提高煤矿机械化、自动化程度，对比了现有的检测综采工作面上采煤机实时位姿的技术方法，提出了一种基于多感知方式组合测量的采煤机位姿检测系统，该系统采用全站仪和UWB(Ultra Wide-band)定位系统组合测量采煤机的空间位置坐标，采用倾角传感器和寻北仪组合测量采煤机的姿态角(航向角、横滚角、俯仰角)；建立了系统的三维模型，将全站仪安装在区段运输平巷与运输上山的交点处，将UWB固定基站群安装至综采工作面与区段运输平巷交点的转载机处。为实现UWB移动基站移站时的自主标定，液压支架顶端和底端分别安装UWB模块，将UWB定位节点安装至采煤机机身，将倾角传感器和寻北仪安装至采煤机机身。推导了全站仪与UWB固定基站群的坐标的测量方法，UWB定位系统基于TOA(Time of Arrival)定位模型的CT(Caffery-Taylor)算法以及全站仪坐标系与UWB固定基站群坐标系间的坐标变换矩阵。详细介绍了采煤机倾角传感器和寻北仪的系统结构和工作原理，分析了该系统在实际应用中的受限因素，并简要提出了相应的改善方案。该系统理论上可实现采煤机在综采工作面中的实时位姿检测，为系统仿真分析和实验平台搭建提供了理论参考。

• 基于双目视觉的悬臂式掘进机位姿测量技术研究

  张超, 张旭辉, 杜昱阳, 杨文娟, 张楷鑫,

  煤矿井下巷道掘进过程中，高粉尘、低照度、背景复杂的工况环境导致掘进装备位姿检测困难，已经严重影响了巷道掘进的自动化、智能化进程，因此提出基于双目立体视觉的悬臂式掘进机位姿测量方法。悬臂式掘进机是当前巷道掘进主要装备，其运动特点呈现出移动缓慢、摆动大等特点，分析了当前掘进机位姿检测研究现状，构建了悬臂式掘进机双目视觉位姿测量方案与测量结构。说明了双目立体视觉基本测量原理，相比于单目视觉，双目立体世界可以比较容易地计算出特征深度信息。煤矿井下低照度、高粉尘、高水雾的复杂工况下存在着严重的特征信息缺失，红外LED光源具有稳定性和穿透性,可以较好地适应复杂的掘进工况环境，因此将红外LED光源组成图像测量标靶人为构造图像特征来解决特征选取问题。采用高斯拟合法实现光斑中心点特征的快速精确提取，并在此基础上提出了基于时域图像序列的特征点环形匹配方法并验证了其有效性，最后采用3D-3D运动估计方法实现了位姿参数求解。针对双目视觉测量距离有限的情况，设计了双标靶交替移动测量策略，实现连续不间断测量。最后搭建实验验证平台，结果表明：该测量方法在X方向即横向位移的测量误差在±30 mm，航向角的测量误差在±1°以内，满足煤矿井下巷道掘进的要求。

• 刮板运输系统煤流通道堵塞防控技术

  崔卫秀,

  为提高煤炭开采的生产效率，最大限度地发挥工作面输送设备潜在的生产能力，改善工作面设备配套的合理性，以全面提升刮板运输系统的运输效率为背景，通过国内、外同类产品刮板链速的对比，结合变频调速技术在刮板运输系统中的成功应用，系统阐述了提升刮板链速的可行性。针对刮板链速提升后，高速煤流对刮板运输系统的各个“拐点”的冲击增大的现象，结合当前中厚煤层开采中大块煤对刮板运输系统造成的危害，在总结煤流运输通道发生堵塞的规律基础上，将刮板运输系统中容易发生堵塞的位置分为过渡段、卸载口、入料口、爬坡段。基于散体煤的在刮板运输通道内的运行状态，提出了“提前阶梯式抬高大圆弧过渡”“滚筒式直驱破碎”“犁煤板超前活中板”“四连杆液压冲击破碎锤”“等高侧板链道退让式凹槽”等相关煤流通道堵塞防控技术与方案，并分别在陕西未来能源金鸡滩煤矿117工作面刮板运输装备中得到了应用。现场工业性试验表明：大块煤在进入机头架前得到了有效破碎，下链道回煤量明显减少，转载机凸槽和凹槽的中、底板及翼板的寿命相对提高，煤流在刮板运输通道内运输较为顺畅。采用上述技术方案的刮板输送系统保障了煤炭的连续、顺畅、高速运输，同时为国产刮板运输系统链速的全面提升提供了技术支撑。