煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第12期

• 煤炭智能柔性开发供给体系模型与技术架构

  王国法, 赵路正, 庞义辉, 吴立新, 管世辉,

  针对新时期下我国煤炭资源安全稳定供给难题，系统分析了煤炭资源存在的开发供给不均衡、需求变化不确定等矛盾，剖析了提升煤炭高质量稳定供给能力存在的主要问题，提出了煤炭智能柔性开发供给技术体系与建设思路。系统分析了煤炭智能柔性开发供给体系的技术内涵与特征，提出了综合考虑煤矿生产能力柔性系数与煤炭运销能力柔性系数的煤炭开发供给柔性度的概念，采用运筹学等方法建立了煤炭智能柔性开发供给响应模型，基于物联网、区块链等技术建设全国煤炭供需监测预警平台（中心），采用分布式技术对煤炭全产业链数据进行监测分析，预测煤炭开发供给柔性度，确定由煤矿、运销中心和消费区组成的供应链最优供给方案。分析了构建煤炭智能柔性开发供给体系的核心要素，研究了基于全国煤炭供需监测预警平台（中心）的煤炭智能柔性开发供给支撑技术体系，主要包括生产端支撑技术、运输端支撑技术、消费端支撑技术与基础平台支撑技术，提出了煤炭智能柔性开发供给运行模式。

• 废弃露天采坑回填对井工巷道稳定性的影响分析

  李凤明, 蓝航, 韩科明, 韩震,

  为保证高寒高海拔地区露井联合矿区废弃露天采坑回填时和回填后其下方浅埋井工巷道的稳定性，分析了影响巷道稳定性的主要因素，包括：回填体载荷、施工车辆载荷及其动载、采坑积水后水体载荷及地面井下间的水力联系，通过分析采坑纵、横剖面井工巷道和采坑底部的垂直距离，确定了一区段回风斜巷为重点评价对象，圈定了评价范围。分析认为冷季时，冻土层的存在起到了隔水作用；暖季时，虽然存在季节性冻融影响，但地面井下之间的水力联系本身较弱，也不会因为采坑回填而加强。采用弹性力学理论计算了回填体载荷、施工车辆载荷及其动载和采坑蓄水后水体载荷产生的最大附加应力随深度变化值，采用极限平衡理论计算了巷道极限承载的覆岩高度，以最大附加应力达到该点自重应力10%时的深度为附加应力影响深度，通过比较最大附加应力影响深度与巷道极限承载覆岩高度之和与实际覆岩厚度的大小，得出在只考虑回填体载荷和车辆施工载荷条件下，一区段回风斜巷虽能保持整体稳定，但局部安全覆岩厚度不足1 m；考虑采坑积水水体载荷后，一区段回风斜巷起坡点以上60 m范围内巷道将整体处于不稳定状态。根据分析结果，提出了地面减小施工载荷扰动的工艺措施和井下注浆锚索加强支护和监测相结合的巷道保护方法。

• 极近距离采空区下大断面开切眼支护工艺优化研究

  高士岗, 陈苏社, 柴敬, 杨玉玉, 杜文刚,

  针对极近距离采空区下大断面开切眼及相关硐室围岩变形情况复杂，且该工况下支护结构可靠性验证及优化研究不足等问题，通过FLAC3D与ANSYS数值模拟软件对采空区下开切眼掘进过程围岩及支护结构变形及受力进行模拟计算，并对支护工艺及相关参数进行优化，对比不同支护排距下巷道围岩变形及应力集中状态，并通过现场工程应用及围岩变形实测验证支护方案的合理性。研究表明：通过薄板理论计算得到开切眼顶板无支护条件下初次破断距为19.6 m，周期破断距为8 m，因此在进行架棚支护时最大滞后距离不应超过8 m；数值模拟计算表明当支护排距为1 m时，在锚杆+金属棚+单体支柱联合支护段，相比无支护条件顶板减沉率达到38.73%，支护排距加密为0.5 m后顶板减沉效果显著提高，开切眼中部顶板减沉率达到60%以上，加密支护后中部顶板下沉量降至20 mm以内，完全满足顶板支护要求；现场监测顶板最大下沉量12 mm，最大离层量6 mm，顶板控制效果良好。优化后方案在顶板下沉量控制与顶板垂直应力减压方面具有显著效果。

• 高应力软岩沿空掘巷煤柱宽度确定及围岩控制技术

  王志强, 仲启尧, 王鹏, 石磊, 黄玄皓,

  为解决某矿在高应力软岩条件下巷道变形严重、难支护等问题，采用理论计算、数值模拟和现场实测等方法对巷道布置方式和支护方式进行优化，采用错层位沿空掘巷巷道布置方式，建立3个铰接岩块间力学模型，确定了作用在煤柱上的应力及应力集中系数，进而建立了缓斜中厚煤层采空区实体煤侧力学模型，通过理论推导、计算得出极限平衡区宽度，确定了沿空掘巷巷道位置，并提出了“相邻巷道联合支护技术和非对称控制技术”相结合的综合围岩控制技术。研究结果表明：作用在煤柱上的应力为55.71 MPa，应力集中系数为4.60，进而得出煤层垂向应力集中系数分量为4.33、倾向应力集中系数分量为1.57，极限平衡区宽度为11.35 m，确定煤柱宽度为5 m，数值模拟显示采用错层位综合围岩控制技术，1218回风巷顶板垂直应力大于原岩应力，可承载一部分上覆岩层质量，而传统巷道支护垂直应力低于原岩应力，说明顶板已较为破碎，不具备承载能力，传统支护右帮低于原岩应力，围岩破碎。2种支护方式煤柱均发生破坏，采用综合围岩控制技术时顶板有一部分未发生破坏，右帮破坏范围小，采用传统支护时顶板破坏范围较大，右帮破坏大，说明采用综合围岩控制技术可提高围岩强度和抗破坏能力。通过现场监测，在巷道掘进75 d后围岩变形量减缓。顶板最大下沉量为74 mm，底鼓量最大为32 mm，煤柱帮侧位移最大为58 mm，实体煤帮侧最大位移为45 mm，说明采用综合围岩控制技术可有效控制围岩变形量。

• 特厚松软煤层巷道顶板拱－梁耦合承载作用机理

  段振雄, 苏学贵, 张斌, 刘强, 郝佩,

  由于特厚松软煤层巷道顶煤层理裂隙发育严重、黏聚力小、强度低，为解决此类巷道围岩破碎变形不易控制及其支护结构失稳的技术难题，综合采用理论分析、相似材料模拟试验、数值模拟分析的研究方法，提出了特厚煤层巷道拱-梁耦合主动承载结构支护体系，阐述了组合梁、承载拱的形成与作用及拱-梁耦合作用机理；并以金地煤业回采巷道为研究对象，运用数值模拟详细研究了锚索关键参数（长度、预紧力、间排距）对拱-梁承载结构稳定性的影响；同时建立了拱-梁承载结构稳定性评价体系，以加权平均的计算方法对关键参数影响因次做出排序。研究结果表明：拱-梁耦合承载结构是巷道支护结构的主体，此结构的存在有效提高了特厚松软煤层巷道的围岩强度及稳定性，改善了围岩破碎变形，控制了巷道失稳；采用形态参数评价拱-梁承载结构稳定性具有一定的客观性，得到结构形态参数贡献系数分别为：拱体积0.3，拱心压应力0.3，弧长0.2，梁体积0.1，梁心压应力0.1；锚索关键参数对拱-梁承载结构稳定性的贡献率依次为：间排距贡献率365.21%，预紧力贡献率80.34%，长度贡献率30.98%，影响作用为间排距>预紧力>长度；针对金地煤业回采巷道，优化支护参数（锚索间排距1 m×1.6 m、预紧力150 kN、锚索长度8 m、锚杆间排距0.8 m×0.8 m）后的拱-梁承载结构可保持巷道稳定，满足生产要求。

• 深埋巷道拉裂－剪切式片帮力学机理及支护技术

  于远祥, 王京滨, 王根元, 王赋宇, 陈宝平,

  针对深埋巷道开挖后煤帮发生的拉裂-剪切式片帮，根据摩尔-库伦准则和片帮体极限平衡方程，建立了深埋巷道片帮体在支承压力、自重应力、后缘拉力及剪切面上滑移力共同作用下的受力模型，并基于片帮体的极限平衡条件推导了片帮体的前缘高度、后缘拉裂深度及水平坍塌宽度等关键参数的理论计算公式，讨论了帮部岩体的黏聚力、内摩擦角、抗拉强度和水平坍塌宽度对片帮体后缘拉裂深度的影响。结果表明：巷道帮部发生拉裂-剪切式片帮时的后缘拉裂深度与帮部煤体的黏聚力和内摩擦角呈正相关关系，与巷道帮部煤体的抗拉强度和片帮体的水平坍塌宽度呈负相关关系；当巷道帮部煤体黏聚力、内摩擦角及抗拉强度达到一定量值时，煤帮的拉裂-剪切式片帮将发展为单斜面剪切片帮。在确定片帮体破坏参数的基础上，提出了针对片帮区域煤体的锚杆和锚索联合支护方法。当锚杆最佳安装角控制在为30°～90°时，可以与锚索形成有效兜护结构，优化后的支护方式可以有效防止煤帮发生拉裂-剪切式破坏。最后，以某矿401工作面运输巷130～225 m段为工程实例，运用上述成果从理论上分析了片帮煤体的前缘高度、水平坍塌宽度及后缘拉裂高度等关键参数，并优化了该段巷道帮部的初期锚杆支护方案，取得了良好的支护效果。

• 上覆残采煤层不均衡空间结构冲击致灾研究

  李康,

  为分析某矿上部不均衡空间对下部回采工作面在开采过程中的冲击危险性影响，采用物理相似模拟实验结合现场微震波速反演，得出以下规律：①工作面覆岩的运移都呈现倒“U”型分布形态，下层工作面推近上部不均衡开采空间时，裂隙有明显向前发育现象；②下部工作面开采至上层煤开切眼正下方时，下层工作面上覆岩层突然发生垮落，工作面前方与覆不均衡开采空间面影响区域贯通，表明在上部不均衡开采空间开切巷处附近为最危险区域；③结合相似模拟上覆空间结构破断活动特征以及微震能量分布特征获得的煤体应力演化规律，得到在距上覆不均衡空间结构区0～80 m具有强冲击危险性，冲击致灾性高；④分析现场微震波速反演，下层工作面在距上层工作面200 m范围开始，应力集中区域由W1123下平巷逐步向上平巷转移，直至到上部不均衡开采空间开切眼处应力集中程度达到最大，通过开切眼后，应力显著减小。

• 冲击地压矿井合理回采速度的确定方法研究

  张忠温, 赵雷, 韩刚,

  为了确定冲击地压矿井回采工作面合理的回采速度，通过分析冲击地压监测数据、冲击显现与工作面回采速度关联性，研究工作面见方效应、顶板预裂爆破、小煤柱护巷工艺、保护层开采等对工作面回采速度的影响，探索工作面在实际生产中合理推采速度的确定方法。结果表明：冲击地压矿井合理回采速度的确定需要坚持“一矿一策、一面一策”的基本原则；在工作面见方等强冲击危险区域可依据实际监测数据及动力显现分析结果，选择动载扰动最小的回采速度作为安全回采速度；顶板预裂爆破、小煤柱护巷工艺、保护层开采等措施有利于降低工作面动载诱冲风险，在确保防治措施效果，加强实时监测与分析的同时可适当提高回采速度；但即使采取多种防治措施，仍需注意对回采速度的合理管控，最大回采速度不宜超过本矿井存在动力显现、冲击地压事故回采工作面的安全回采速度；工作面短期停产与复采期间，微震事件恢复平稳存在一定滞后性，因此，应重视工作面短期停产、复采期间动力显现风险。

• 邻空厚煤层高强度开采工作面煤壁失稳机理

  徐英俊, 付志鹏,

  针对西部矿区高产高效厚煤层工作面邻空开采时煤壁大面积失稳的问题，在现场调研的基础上，通过工作面液压支架工作阻力分析、顶板悬顶钻孔探测相结合的方法，研究了邻空高强度开采工作面煤壁失稳机理。结果表明：①工作面推进到相邻采空区附近，采空区侧煤层顶板失去支撑是引起煤壁失稳的主要原因；②工作面邻空开采时，靠近采空区一侧的液压支架工作阻力升高，且工作阻力与煤壁片帮次数呈正相关；③工作面邻空开采，采空区侧煤柱上方存在悬顶，煤柱进入塑性阶段失去支承能力使得侧向支承压力峰值移向煤壁，从而引起煤壁失稳。研究成果可为西部矿区邻空开采生产设计、矿压理论研究提供借鉴。

• 改性高水材料充填支柱尺寸效应及破坏特征分析

  王䶮, 熊祖强, 苏承东,

  为研究改性高水材料充填支柱尺寸对承载性能的影响，在高水材料充填支柱试样中添加0.2% 聚丙烯纤维进行改性，通过对比改性试样及未改性试样的单轴压缩试验结果、破坏过程及形貌，分析其尺寸效应和破坏特征，最后通过扫描电镜（SEM）对试验结果进行进一步讨论。结果表明：改性后高水材料充填支柱尺寸效应特征不变，随高径比增大，峰值强度及峰值应变逐渐降低，弹性模量逐渐增大；改性后试样的承载性能提高，峰值强度提高10.78%，峰值应变增大28.62%；试样破坏类型不受高径比和纤维的影响，均为“X”—劈裂型剪切组合破坏；由于纤维的阻裂效果，改性后材料试样的整体受压稳定性显著提高；SEM微观形态对比可知，纤维阻止原有裂隙发育的同时延缓新裂隙的产生，使材料具有更稳定钙矾石骨架结构，间接增大了材料强度并表现出较高的残余强度。

• 煤体结构面剪切力学特性的数值模拟研究

  赵科,

  为了研究煤体层理、割理结构面的剪切力学特性，给煤矿巷道围岩分类和围岩控制提供依据。本文以晋城矿区3号煤内的层理、割理结构面为研究对象，采用实验室试验确定了标准煤样的宏观力学参数，采用PFC软件建立了含真实煤体结构面的数值模型并模拟了不同粗糙度结构面的剪切破坏过程，采用理论分析的方法研究了结构面的细观变形破坏特征及剪切力学参数变化规律，结果表明：在低法向应力作用下，裂纹主要产生在层理结构面上较大凸起体的表面，且以拉裂纹为主；随着法向应力的增大，凸起体内部裂纹逐渐增多并连接贯通，形成明显的剪切裂隙带；随着煤体层理结构面粗糙度的增大，结构面会产生较大的剪胀变形，且沿凸起体根部会产生向试样内部延伸的宏观拉裂隙；煤体结构面模型的峰值剪应力及产生的剪切裂纹、总裂纹数量明显随粗糙度及法向应力的增大而增大，随法向应力的增大，剪切裂纹占总裂纹量的比重也逐渐升高，表明在高法向应力作用下，结构面发生的剪切破坏逐渐增多。割理会导致煤体结构面的抗剪切强度明显降低，最大减小量为0.3 MPa，降低幅度为11%，而割理分布方向的不同对煤体结构面的剪切强度基本没有影响，割理的存在会导致煤体结构面破坏时裂纹数量明显增多，且割理的破坏形式以张拉破坏为主。

• 含孔软煤试样破坏过程的细观裂纹损伤演化机制

  张天军, 郭海龙, 景晨, 张磊, 王康,

  细观裂纹的损伤累积是造成抽采钻孔孔周形成大面积裂隙漏气通道的主要原因之一。孔周细观裂纹的损伤累积表现为孕育、稳定发展及快速发展3个阶段。为探究孔周松软煤体在不同阶段的损伤演化和裂纹扩展特征，开展含孔软煤试样单轴压缩破坏过程中的细观裂纹损伤规律研究。将石膏与水以质量比7∶3混合制成类软煤含孔方形试样，进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)获取试样表面全场变形。基于此，提出了利用DSCM系统确定即时泊松比的方法，并将其用于计算细观裂纹密度以及松软煤体受荷载作用时的细观裂纹损伤本构关系的建立。结果表明：①基于DSCM技术，可以准确、可靠的求得含孔软煤试样的泊松比。②细观裂纹损伤的孕育和稳定发展阶段，细观裂纹密度增长缓慢，试样表面未出现明显的宏观裂纹。损伤的快速发展阶段，细观裂纹密度呈现指数式的增长，此时远离孔边的区域产生了明显可见的宏观裂纹。③弹性阶段微裂纹扩展十分缓慢，塑性阶段微裂纹扩展速率加快，应力峰值点是微裂纹扩展加速的突变点。④建立了松软媒体受荷载作用时的损伤演化模型，即时泊松比可以体现松软煤体细观损伤的非弹性等力学效应。

• 倾斜煤层区段煤柱爆破卸压工程应用

  曹民远, 李康, 闫瑞兵, 杜涛涛,

  为解决宽沟煤矿西翼I010203工作面进风巷受到下方采空区侧向应力影响造成的应力集中现象，采用现场煤体应力计监测数据对比分析和数据无量纲化处理相结合的手段，分别对进风巷上帮围岩应力和煤柱侧围岩应力分布情况进行了研究，研究结果表明：进风巷上帮煤体应力分布与巷道下帮侧煤体应力分布不同，巷道上帮侧煤体应力浅部应力高于深部应力且与至工作面距离正相关，孔深4.5 m煤体应力集中程度最高，采动应力集中分布在超前工作面50～110.6 m，显著影响范围为超前工作面50 m内；巷道下帮侧煤体应力深部高于浅部且与至工作面距离正相关，煤体应力集中位于9 m以上的深部位置，采动应力集中分布在超前工作面50～80 m，显著影响范围为超前工作面60 m内；确定了进风巷上帮煤体预卸压范围为50～120 m，巷道下帮煤体的预卸压范围为60～80 m。参考经验数据以及理论计算，确定了进风巷上帮煤体爆破卸压工程和下帮煤体大直钻孔卸压工程的相关参数，结合PASAT探测和围岩应力数据对比分析结果，设计的煤体爆破卸压工程能有效降低区段煤柱围岩应力集中现象，但大直径钻孔应确保一定的工程量，形成连续卸压面才能达到预期卸压效果。

• 基于物联终端的工作面甲烷数字场实现方法研究

  屈世甲, 吴雪菲,

  从系统监测和人工检测2个方面对现有综采工作面甲烷监测现状进行了分析，针对工作面现有甲烷传感器体积、功耗大，移动、维护困难和设备成本高等问题，在物联网技术和边缘计算理念的基础上，提出了利用微功耗甲烷数据采集、微功耗传感终端定位、无线数据传输和终端自供电4种关键技术和开发微功耗甲烷感知终端的思路，并提出了4种关键技术的具体技术指标和性能要求。针对监控系统工作面区域甲烷监测点少，人工检测甲烷数据实时性、可读性和共享性不足的问题，以工作面区域落煤甲烷涌出、煤壁甲烷涌出和采空区甲烷涌出三大主要涌出特征为基础，结合现场生产班和检修班的实测甲烷数据分布特征，提出了综采工作面区域按照26台物联甲烷感知终端布置方案。在26个甲烷实时监测数据点基础上，为更直观、清楚地展示工作面区域甲烷分布状态，对有限的甲烷监测数据进行插值，拟形成工作面区域甲烷浓度数字场。在笛卡尔二维坐标系下分别优选了工作面区域X和Y方向的数字场实现方法并进行了验证，结果表明该方法大幅提高了工作面区域甲烷监测数据的可读性和实时性，为进一步做区域甲烷分析预警提供了实时性高、覆盖面广、可读性强的工作面甲烷浓度表达方式。

• 不同煤阶煤制生物甲烷的代谢功能差异性研究

  侯彪, 王子升, 周艺璇, 杨伟强, 王银伟,

  为研究不同煤阶煤制生物甲烷产量与微生物代谢功能之间的耦合关系，选择褐煤、长焰煤、气煤和焦煤4种不同煤阶煤样，通过对发酵过程中生物甲烷含量以及其代谢功能进行测试，同时借助修正的Gompertz模型，对不同煤制生物甲烷的成气潜力、代谢功能丰度以及两者之间的相关性进行了分析。研究结果表明，以长焰煤为底物的煤制生物甲烷试验中累积产气量明显高于其他试验组，且生物甲烷产量较褐煤、气煤和焦煤分别增加了10.82%、38.88%和73.49%。修正的Gompertz模型拟合结果得出，长焰煤试验组的生物甲烷产气潜力最大，且随着底物煤阶的升高，滞后时间也在逐渐增加。长焰煤试验组参与微生物代谢功能的相对丰度明显高于其他试验组，这与生物产气结果几乎完全相符，且参与辅酶转运与代谢和碳水化合物运输和代谢这2种代谢功能与最大甲烷生成潜力之间存在良好的线性关系（R2=0.727，R2=0.945）。功能基因预测结果显示，长焰煤试验组中参与氨基酸形成与转化的天冬氨酸4-脱羧酶、谷氨酸脱氢酶、天冬氨酸转氨酶和肌氨酸氧化酶以及参与脂肪酸合成的3-氧酰基-［酰基载体蛋白］还原酶和乙酰辅酶A羧化酶丰度较其他试验组有大幅度的增加，且其生物膜合成相关的功能基因丰度也最大，这为发酵系统中挥发性脂肪酸（VFA）的合成提供更多的前体物质，同时也增强了微生物对环境压力的抵抗力和耐受力。

• 鸡西盆地梨树井田煤系气储层特征及改造工艺探索

  毕彩芹, 周阳, 姚忠岭, 张家强, 胡志方, 逄礴, 唐跃, 袁远, 谢石, 单衍胜, 迟焕鹏,

  煤系中煤层气、致密砂岩气和页岩气叠置组合极具开发潜力，但具有赋存类型多样、成藏组合类型复杂、储层力学性质和工程响应差异大等特点，探索煤系“三气”共探共采技术是实现煤系气经济高效开发的必然要求。研究煤系气储层特征，合理选择目标层位，确定射孔位置，优化压裂施工工艺和参数，实现多类型产气层均衡改造，可最大限度降低层间干扰，充分释放多产气层组的整体产气潜力。本文以鸡西盆地梨树井田HJD1井下白垩统城子河组煤层、煤系泥质岩和煤系致密砂岩互层发育段为研究对象，系统研究了煤系非常规天然气储层特征，优选了煤系气开发有利层段，优化组合了合采产层，探索了与煤系多类型储层特征相匹配的分段射孔、水力压裂工艺，优化了压裂施工流程与工艺参数。结果表明：城子河组煤层与煤系暗色泥岩和砂岩薄互层段含气量高、生烃潜力好，煤系气资源条件优越；优选了煤层与煤层、煤系泥页岩和煤系致密砂岩与煤层、煤系泥页岩-煤系致密砂岩等岩性组合的合采目标层段;优化施工方案为增加射孔段长度（煤层厚度的1.8～6.3倍、砂泥岩含气层厚度的1.2～3.0倍）、提高前置液比例（45%～55%），采用“大液量（1 200～1 800 m3）、大砂量（5.7～10.4 m3/m）、大排量（9.33～10.28 m3/min）、高砂比（7.9%～9.4%）、高注入压力（45.0～46.7 MPa）、多级阶梯式加砂”和投球分压施工工艺，通过煤系多类型储层差异性压裂实现储层均衡改造，达到了较好的体积压裂改造效果。研究工作对煤层群发育区煤系气高效勘探开发具有借鉴意义。

• 煤系碳酸盐岩天然气勘探前景初探———以华北太原组为例

  王瑞瑞, 傅雪海, 张宝鑫, 冯嘉楠, 李伟松,

  煤系碳酸盐岩天然气的勘探前景是值得探究的重要问题，以华北太原组为例进行初步研究分析。太原组是华北最有利的生烃岩系之一，煤层之上发育多套灰岩。近年来，丰富的太原组碳酸盐岩天然气资源在山西霍西煤田被发现，该发现可为今后煤系碳酸盐岩天然气的勘探提供启示。首先剖析了霍西煤田太原组碳酸盐岩气藏实例，其次对太原组灰岩的空间展布规律、太原组烃源岩和热演化程度、灰岩储层发育、盖层、圈闭、运移和保存条件进行了总结。研究认为，太原组煤层-灰岩沉积组合与其上的多套泥岩和煤层可以组成生储盖组合，而储层的近烃源岩优势使得煤系气易于在太原组灰岩中聚集。从太原组煤和灰岩厚度分布特点来看，北部煤层厚而灰岩薄，南部煤层薄而灰岩厚。从烃源岩角度来看，太原组煤层和暗色泥岩是优质的烃源岩，而中等变质程度的煤有利于游离的煤成气的形成。从储集空间来看，华北许多地区太原组灰岩普遍具有较好的岩溶和裂隙储集空间发育。从封盖条件看，太原组灰岩层上覆的泥岩可作为良好的盖层。因此，太原组具有煤系碳酸盐岩气藏形成所需的物质基础。此外，华北太原组煤系碳酸盐岩气藏的形成需要多个地质要素在时间与空间上相互匹配。煤系碳酸盐岩储集空间和圈闭的发育是气藏得以形成的前提，晚期成藏是气藏能否形成的关键。华北主要含煤盆地均广泛发育圈闭，而盆地新生代总体伸展背景下的局部隆升以及现今煤矿采动导致的储层压力降低都可能有利于煤系气向煤系碳酸盐岩储集空间中运移和聚集。

• 矿井随钻测量数据处理软件开发与应用

  张军, 雷晓荣, 王信文,

  为解决矿井随钻测量数据处理软件功能单一、成果显示效果不佳、信息融合不足等问题，采用C#语言与SQL Server数据库开发了矿井随钻测量数据处理软件。软件具有数据实时传输、钻孔数据处理、钻孔轨迹评价、钻孔轨迹三维显示等功能模块，可实现现场测量数据实时传输。软件中数据实时传输模块使用网络传输协议实时接收井下矿用钻孔轨迹仪采集的原始数据，读取实时传输的原始数据并进行数据处理。数据读取模块中可以读取不同格式类型的钻孔轨迹数据，可对不同格式数据进行处理与成图。实现钻孔轨迹快速处理，钻孔轨迹数据的深度分析与评价，钻孔群数据库管理及轨迹钻机三维状态显示的作用。实现钻孔群中单个钻孔或钻孔群轨迹的三维成图技术，实现巷道、钻场、钻孔轨迹数据的三维立体展示。设计钻孔通过煤层段的进煤点坐标、出煤点坐标，实际钻孔轨迹通过煤层段的进煤点坐标、出煤点坐标，经过离散数据点网格化后生成进煤点曲面和出煤点曲面，以及煤层赋存图。对钻孔编号、钻孔深度等参数进行差异化标识，可直观显示钻场区域内钻孔的覆盖面图，从覆盖面图看出该区域钻孔分布是否均匀、是否存在空白带。对区域空白带通过覆盖面图采集的坐标自动计算补充钻孔的开孔角度，更好地指导后续钻孔施工。现场试验证明，随钻测量数据处理软件通信信号稳定、测量数据准确、功能全面、显示效果佳，为优化定向钻孔施工提供了有力的技术支撑。

• 基于非结构化网格的复杂构造建模方法研究———以四川双鱼石地区为例

  兰雪梅, 张连进, 徐伟, 蒲柏宇, 王俊杰, 王天琪,

  基于非结构化网格，利用petrel软件建立地质模型，提出弱化相交网格剖分方法优化地质构造模型，对复杂构造区的高陡构造展开建模方法研究，探讨了复杂构造条件下利用地球物理数据分析地层特征的方法并有效应用于四川双鱼石地区。结果表明：四川盆地双鱼石地区有一系列呈北东南西向展布、近平行的褶皱断高构造群，利用非结构化网格对高陡构造地质建模有较好的效果，直观有效解释了双鱼石地区断裂构造空间展布特征，对解决复杂褶皱变形、断裂发育地区构造拟合效果较好。利用非结构网格法下的属性插值，建立三角剖分的复杂断层模型，恢复了双鱼石地区主要目标岩层茅口组与栖霞组的地层特征，对断裂切割地层的方式与组合特征有效恢复，区域上结合渗透率和孔隙度模型，得到双鱼石地区渗透率与孔隙度平面分布特征。孔隙度与渗透率模型计算结果表明，双鱼石地区总体渗透率介于0.11%～7.49%，平均渗透率为2.09%；孔隙度介于0.010～1.052，平均孔隙度为0.26。总体上双鱼石地区茅口组与栖霞组渗透率与孔隙度较小，属于致密岩层，不同区域上岩层孔隙度与渗透率有一定程度的变化，西南部渗透率略微高于东北部区域。非结构化网格的运用对解决复杂构造区地质特征的有效表征提供了新的研究思路。

• 近距离煤层顶板水害立体防控技术研究———以蒙陕深部矿井为例

  周新河, 翁明月, 苏士杰, 李广疆,

  蒙陕地区深部侏罗系煤层开采水文地质条件复杂，矿井在开采期间面临顶板疏水难度大、排水系统压力大、掘进效率低、经济效益差等难题，提出“低位邻面截流、分区防控、层组治理”的水害防控思路，建立近距离煤层顶板水害立体防控方案和以单孔涌水量、钻孔水压力、静储量为指标的水害立体防控效果评价体系。以呼吉尔特矿区门克庆矿井3-1,2-2中煤近距离开采顶板水害防治为例，通过井上下钻探、物探立体探查手段，开展精细探查，建立和完善了井上、井下水文监测系统，在分析研究矿井顶板含隔水层沉积地质展布情况、富水异常区分布范围及层段和地下水流场特征等重要水文地质参数的基础上，实行上行开采的方式，首先有针对性的开展了3-1煤3101工作面的顶板疏放水工作，并通过疏放水试验精细预测工作面涌水量，建立完善可靠的排水系统，该工作面顶板疏放水钻孔累计疏放水量达2 659.3万m3。在2201工作面掘进期间，通过超前探放水钻孔发现，相较于3-1煤，其顶板含水层水压、水量均有不同程度的下降，说明先行开采下层3-1煤截流、降低了2-2中煤顶板含水层富水性，水害防治方案达到了初步效果。2201工作面在回采前，结合沉积地质分析情况及物探异常区圈定范围，开展重点区域和层段顶板水疏放工作，进一步优化顶板疏放水钻孔设计，根据各孔终孔水量、水压情况，2-2中煤顶板含水层富水性有了明显的下降，这都表明提出的以区域和煤组为单位大范围治理顶板水害的方法，形成的蒙陕地区深部矿井近距离煤层顶板水害立体防控技术，有利于近距离煤层顶板水害防治。

• 近奥灰薄隔水层底板岩体变形破坏机制研究

  李见波, 尹尚先,

  近奥灰承压含水层和薄隔水层条件给矿井的安全生产造成很大威胁，为研究奥灰影响下薄隔水层底板岩层变形破坏机制，基于岩层地质结构特征，构建了风化带影响下底板岩体变形破坏模型，进行理论分析并验证。以垂向底板岩层变形的差异性为基础，计算得到了特厚煤层开采时底板破坏区深度，分析了弹塑性条件下风化带上方完整岩层的扰动变形特征和基于I型应力强度因子的裂纹型岩层拉伸破坏机制。最后，基于井田构造和煤层赋存特征建立数值模型，模拟分析近奥灰承压含水层和薄隔水层条件下特厚煤层开采底板岩体的变形值和破坏规律。计算结果表明：岩层两端受压、中间受拉，形成类似薄板结构，岩层受到向上的垂向应力，加快了岩层的破坏；奥灰顶部风化带由于岩性较弱受扰动容易破坏，而且破坏区会向上发育；岩层破坏通过底板破坏区和风化带破坏区向中间不断发育贯通。特厚煤层开采时，破坏区能够贯穿风化岩层上方的整个底板岩层。监测点瞬态位移变化表明：监测点位移曲线垂向存在2个明显的拐点，将监测点位移曲线分为3段，分别对应着风化段上方岩层、风化段和奥灰层，奥灰风化带对底板岩层变形影响明显，需要采取相应加固措施。监测点全程位移曲线与瞬态变化曲线规律一致，数值计算结果与理论分析相符。

• 含水煤岩层下向钻孔多孔并联自动抽排水技术

  巴全斌,

  含水煤岩层的下向瓦斯抽采钻孔中一般会积存大量的水,造成钻孔堵塞和有效气流断面减小,影响煤层瓦斯运移产出和钻孔孔壁的稳定性,严重制约了瓦斯抽采效果。为解决含水煤岩层下向瓦斯抽采钻孔的积水问题,采用多孔并联自动抽排水工艺,开发了下向抽采钻孔自动抽排水系统,设计了多孔并联的排水管路布置方式,通过将排水管路下入钻孔内,并利用集排水管路实现多个下向抽采钻孔排水管路并联,在矿用隔爆兼本安型可编程控制箱控制矿用电动阀和矿用排水泵协调工作下,实现多个下向抽采钻孔自动循环排水操作,该技术克服了压风排水对钻孔稳定性影响和煤渣堵塞抽采管路的弊端,并且不影响抽采钻孔的正常瓦斯抽采,实现了集约化、高效化排水的目的,提升了煤矿井下钻孔排水的自动化程度。结果表明:通过在山西霍尔辛赫煤矿煤矿3307工作面开切眼开展多孔并联自动抽排水技术应用,试验下向抽采钻孔共5个,钻孔倾角3°～15°,钻孔深度75～100 m,排水管路和集排水管路采用直径25 mm和50 mm矿用聚氯乙烯管,系统设定单孔自动排水时间2 min。考察试验钻孔单孔瓦斯抽采体积分数由原来的5%～13.8%提高至23.3%～53.6%,提高了2.19～3.87倍;单孔瓦斯抽采纯量提高至0.028 9～0.052 4 m3/min,提高了1.68～2.94倍,显著提高钻孔瓦斯抽采效果,有效解决了含水煤岩层下向瓦斯抽采钻孔积水问题,确保了钻孔瓦斯抽采通道的畅通。

• 内排阻水对非工作帮边坡稳定性影响规律研究

  孙江, 田光, 韩流, 宋仁忠, 韩兴, 闫石,

  边坡稳定是确保露天矿开采安全、高效进行的重要因素。为研究胜利露天矿内排土场阻水性对岩体内渗流场及非工作帮边坡稳定性影响规律。以胜利露天矿采场非工作帮边坡为研究对象，利用排弃物孔隙度和渗透系数变化规律分析内排土场阻水机理形成原因；根据土力学知识对内排土场边坡垂直及平行层理方向渗透系数进行等效替代；通过GeoStudio软件SEEP/W模块建立模型，模拟内排前边坡内渗流路径及水位线分布情况；对相同边界条件下不同排土高度与宽度引起渗流场变化进行研究；分析孔隙水压力变化情况并耦合SLOPE/W模块进行边坡稳定性评价。结果表明：内排土场排弃物阻水性的形成是非工作帮内渗流场变化主要原因。受内排阻水影响，边坡孔隙水压力过渡区域变化范围增加，浅部土壤孔隙水压力基本维持在-10 kPa左右，土体接近饱和，局部为0，表现出上层滞水，坡顶有水渗出。随着滑移面向内排土场逐渐转移，边坡安全系数由初始状态增加至1.834并最终逐渐回落为1.673后趋于稳定，整体稳定性较内排前有所提高。

• 悬臂式掘进机井下精确定位方法及其视觉测量技术

  赵建勋, 杨文娟, 张旭辉, 杜昱阳, 张超,

  为解决煤矿井下低照度、高粉尘环境中悬臂式掘进机机身位姿测量问题，提出一种以激光点和激光束为特征的悬臂式掘进机机身位姿视觉测量技术。利用单目视觉测量原理，采用基于门形三线的视觉测量模型，根据激光特性对利用防爆工业相机采集的巷道图像进行处理，通过Hough变换与最小二乘法结合，获取得到2个激光指向仪的光斑和光束的点、线特征，通过空间矩阵变换计算出悬臂式掘进机机身的空间位姿。研究发现Hough变换与最小二乘法结合有效保证了杂光、粉尘和水雾等复杂背景下孤立点的消除，提高了激光点和激光线的检测精度。为验证所提出方法的有效性，分别在实验室悬臂式掘进机测试平台和煤矿井下工业现场进行位姿测量试验，实验室结果表明，结合Hough变换与最小二乘法进行特征提取得到机身位置误差在20 mm以内，姿态误差在0.3°以内，误差满足精度要求且小于使用传统Hough变换进行特征提取得到的位姿；煤矿井下工业试验表明，机身测量误差在40 mm以内，满足巷道掘进精度要求。

• 基于深度学习的煤矸石识别技术与实现

  郜亚松, 张步勤, 郎利影,

  针对传统基于图像处理的煤矸识别方法存在速度、效率低、精度起伏大及难以实际应用等问题，提出了一种改进型轻量级深度识别网络模型的煤矸识别方法，以MobileNetV3-large模块结构为基础，在保证模型参数体积及复杂度较少增加的前提下，对网络模型的性能做进一步的提升，使之能够更加适应开采或选拣的实际生产环境。首先在模型中采用CBAM注意力机制模块，该模块相比原模型中的SE模块具有更高的表征能力，能够更好提升网络对煤和矸石图像中感兴趣区域的复杂像素信息特征提取能力。然后通过对训练数据集采用颜色、位置以及图像模糊等相应的复杂图像增强技术进行处理，一方面增加识别模型对煤矸识别复杂生产环境的泛化能力，降低网络的过拟合风险，另一方面完成对数据集的进一步扩增，通过以上方法最终获得改进的轻量级深度识别网络模型。最后将改进的模型应用于煤矸识别技术研究与实现。试验结果表明：基于改进型轻量级深度识别网络模型的煤和矸石识别方法模型结构简单、网络易训练、易嵌入使用且识别精度高。在对煤和矸石识别的测试中精度相对原模型提高了2.3%，达到了97.7%，召回率提高了2%，达到97.8%，对于提高采煤和选煤工作面的自动化程度和生产效率，实现煤炭智能化开采和选拣都具有重要的应用价值。

• 煤矿智能无轨辅助运输技术现状与展望

  赵远, 吉庆, 王腾,

  电动化、智能化、网联化将是煤矿无轨辅助运输未来的3大技术变革，利用信息、通信、控制技术将车辆、路况、人员、物资紧密结合，最终实现智能互联，已是大势所趋。为解决目前煤矿无轨辅助运输行业安全隐患高、污染严重、资源利用率低等突出问题，同时提高煤矿运输效率和智能化程度，提出了矿用智能互联新能源无轨辅助运输综合系统。针对所提出的智能互联综合系统，首先阐述了目前国内外技术现状和国家相关产业政策，分析了全球煤炭市场未来的供需关系，无轨辅助运输车辆的市场规模和以绿色环保为主要元素的无轨辅助车辆带来的经济效益。基于新能源车辆新架构搭建智能化系统，在供电、数字信号获取等方面更加占优，避免了燃油车模数转换等问题，同时以新能源车辆为载体通过5G通信平台，以高度集成的智能调度、管理系统为基础，稳步提高我国煤矿辅助运输系统总体水平，改善目前信息化、智能化及自动化水平低的现状，大幅提升煤矿企业的现代化管理水平。然后在保障煤矿安全前提下以提高生产效率为宗旨提炼出实现系统所需的5大关键技术，旨在提高煤矿车辆的智能感知能力并最终实现无人驾驶。最后揭示了由于井下复杂环境与技术瓶颈系统所面临的问题，并对无轨辅助运输系统的未来前景进行展望，最终形成煤矿井下智能无轨辅助运输管控一体化解决方案。

• 液电脉冲激波碎煤能量转换效率分析

  刘毅, 吴敏干, 林福昌, 孙建军, 刘思维, 任益佳,

  能量转换效率是煤破碎技术实际工程应用中最为关注的指标之一，液电脉冲激波碎煤作为一种新型的碎煤技术，对其能量转换效率的研究相对缺乏。为研究利用液电脉冲激波碎煤过程的能量转换效率，指导液电脉冲激波碎煤新技术的工程应用，根据液中高压脉冲放电产生冲击波的原理搭建了液电脉冲激波碎煤综合试验平台，从能量转换的角度分析了液电脉冲激波碎煤的物理过程。利用液中高压脉冲放电等离子体通道等效电阻、液电激波压力和煤破碎能量的数学模型，结合液电激波碎煤过程中的能量转换平衡特性，建立了放电回路参数和碎煤能量转换效率之间的关系。避免了复杂的电气、等离子体、流体力学和断裂力学等环节的分析，得到了不同电容充电电压，即不同电容初始储能条件下，液电脉冲激波碎煤过程中各能量参数及其转换效率。分析和试验结果表明：随着电容充电电压的提高，电容储能增大，煤破碎的程度越大，破碎的效果越好，即小粒度的破碎产物所占比重增加；在特定的应用条件下，液电脉冲激波碎煤能量效率存在最大值，试验条件下的液电激波碎煤最高能量效率为0.64%。综合考虑液电脉冲激波碎煤过程的能量转换效率和经济效益，低能耗、高效率的液电脉冲激波碎煤技术是未来发展的方向。

• 我国西部生态脆弱矿区煤－水共采问题分析

  姚强岭, 汤传金, 刘梓昌,

  煤炭在我国能源结构中占有主导地位，是我国能源战略安全的重要组成部分。我国煤炭能源时空赋存特征及国内外政治经济环境决定了当前以西部生态脆弱矿区煤炭资源开发为主的格局，该区域已成为我国煤炭能源供给的重要战略基地。根据已有的研究成果可知，大规模高强度开发已超过该区域部分矿区的生态环境承载能力，极有可能造成生态环境的不可逆破坏。我国能源的赋存特征又决定了必须科学有序开发该区域煤炭资源，兼顾考虑国家能源战略安全与生态环境长期稳定与恢复是当前亟待解决的关键科学问题。其中，保水开采与采空区储水（地下水库）技术的推广应用在一定程度上缓解了煤炭开采与生态环境保护的矛盾。但是，从长远来看，该矛盾将伴随着煤炭开采全生命周期及其后煤炭开采时期。分析认为，应建立国家西部生态脆弱矿区煤炭资源开发与环境保护协调中心，由国家发改委能源局主导协调多部门参与，以煤炭开采与生态环境保护为主线，制定考虑生态环境承载能力的煤炭开采中长期规划，建立开采前充分论证评价，开采中与开采后连续监测的全周期煤炭开采技术体系；同时，应加大该区域煤炭开发的科技投入，采矿、生态环境保护与监测、人工智能等多学科交叉融合解决煤炭开采与生态环境保护矛盾。

• 黄河流域煤炭富集区生态开采模式初探

  张会军,

  黄河流域是我国煤炭资源的主要富集地和主体能源产出区，单一的煤炭资源开发在带动地域经济发展的同时，也逐渐凸显出煤炭行业直接面临的资源衰竭、安全事故多发、伴生资源破坏严重、生态环境恶化、后续产业发展乏力等严重问题。在充分调研分析黄河流域煤炭富集区煤炭资源分布特点、煤炭开发相关危害特征、邻近区域生态环境现状的基础上，围绕目前业界已开展的绿色开采现状进行了总结分析，同时深入剖析黄河流域煤炭开发领域技术现状、煤矿采动损害特征，以生态文明建设为核心理念、绿色及循环发展为主线，提出了以煤矿全生命周期为绿色开采时序边界、采复一体化动态生态保护和修复为技术引线、煤矿突出重大灾害源头主动减灾和安全应急防控事先预置的生态开采模式，并就相关技术外延与内涵进行了定性总结，同时在充分借鉴国内外循环发展模式和典型实验案例的基础上，基于我国煤炭工业发展方向和技术现状，提出了黄河流域煤炭资源开发“六位一体”发展模式，将煤炭资源全生命周期开发、生态开采技术、安全生产建设、采复一体保护、伴生资源开发利用、转型发展全面融入到以新发展理念为指引的循环发展模式中，旨在为黄河流域煤炭资源富集区绿色高质量发展探寻一种新路径，对资源富集城市特别是资源枯竭城市的转型与循环发展模式提供参考和借鉴。

• 煤－水协调共采全生命周期影响因子研究

  王震宇, 刘晓民, 刘廷玺, 王文娟, 薛莲,

  煤-水协调共采对维持西部矿区生态平衡、缓解区域水资源短缺具有重要意义，亟需通过揭示我国西部矿区煤-水协调共采的影响因子及其作用程度，为矿区水资源保护与生态文明建设提供参考。提出了一种基于全生命周期理论的煤-水协调共采的影响因子研究方法，按照煤炭开采对地下水系统的不同扰动程度与由此引发的其他生态互馈反应，将煤矿开发周期划分成3个阶段，在此基础上总结了各阶段的影响特点。通过分析部分井工开采煤矿开发现状与煤-水共采水平，结合西部矿区特殊生态环境特点，优选影响煤-水协调共采的相关指标，判别指标间的依赖、反馈、支配关系并划分锥底元素与锥顶元素，基于尖锥网络分析法(Cone-ANP)构建分析模型，建立不同阶段下的尖锥元素集，将其用于推求各影响因子的权重分布。研究结果表明：规划设计阶段含水层性质对协调共采影响作用较强；建设开采阶段采煤方法与开采工艺、塌陷土地治理率变成协调共采的主要影响因素；闭坑整治阶段老空水利用率与水质情况、废弃井巷利用率对协调共采影响程度最大。该研究成果为西部生态脆弱矿区协调共采综合效益的提高与开采技术的改进提供了一定的参考。