煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第1期

• 主编王国法院士2021新年寄语

  王国法,

  煤炭作为我国一次能源中最经济、可靠的资源，长期以来为社会发展和国家能源安全稳定供应提供了有力保障。“十三五”期间，在“四个革命、一个合作”能源安全新战略的指引下，煤炭行业全力做好煤炭工业高质量发展这篇大文章，取得一系列重大成果。煤炭科技创新能力和装备水平显著提高，引领了世界煤炭智能化开采发展方向;煤矿安全水平持续提升，2019年全国煤矿平均百万吨死亡率为0.083，比2015年下降47.8%;新型煤化工、煤炭分级分质利用、燃煤发电超低排放等一批煤炭清洁高效转化利用技术达到国际领先水平;“绿水青山就是金山银山”理念深入人心，矿区生态环境治理取得新进展，有力促进了矿区资源开发与生态环境协调发展。　　科技期刊是科技事业不可分割的有机组成部分，煤炭科技期刊的发展一直与煤炭产业高质量发展同呼吸、共命运。作为煤炭系统的代表性品牌刊物，创刊48年来，《煤炭科学技术》见证和记录了我国煤炭行业各个历史阶段的发展历程。面对突如其来的新冠疫情，期刊逆势而上，始终将科技期刊的发展融入到国家科技创新的大环境中，聚焦行业需求，把握时代脉搏，在组约优质稿源、推广科技成果，搭建学术交流平台，弘扬科学家精神，端正学术评价导向，营造良好的科研氛围等方面积极作为，2020年取得了振奋人心的新成绩。期刊学术影响力排名稳居学科第2位，首次荣获“中国精品科技期刊”称号，首次有1篇论文入选“第五届中国科协优秀科技论文”，入选中国地学领域和煤炭领域高质量科技期刊分级目录T1类，成功被世界知名数据库《文摘与引文数据库》(Scopus)收录，期刊未来发展前景可期。　　驻足回眸，展望未来。在建设科技强国的道路上，科技期刊应牢记自己的使命和担当。2021年是“十四五”发展规划开局之年，也是两个“百年目标”交汇与转换之年，站在新的历史起点，能源和环境依然是当今人类面临的2大问题。在煤炭工业迈入高质量发展的关键之年，亟需一流科技期刊的支撑和助力。世界一流煤炭科技期刊的建设既是煤炭工业发展的需要，更是中国经济高质量发展的需要。习近平总书记“把论文写在祖国大地上”和“建设世界一流科技期刊”的召唤，以及煤矿智能化时代的全面开启，都为煤炭科技期刊的高质量发展注入了强劲动力。让我们以更足的勇气，齐心协力，发奋图强，以优异的成绩向中国共产党百年华诞献礼。　　期刊的点滴进步离不开各级领导的亲切关怀，离不开期刊编委会、青年专家学术委员会全体委员和审稿专家的辛勤劳动，更离不开作者、读者的鼎力支持，值此辞旧迎新之际，衷心感谢大家对《煤炭科学技术》的关心、支持和帮助!祝各位新年快乐、牛年吉祥、阖家幸福!

• 煤矿智能化开采新进展

  王国法, 徐亚军, 张金虎, 张坤, 马英, 陈洪月,

  智能化开采是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。经过多年发展，我国智能化开采形成了薄煤层和中厚煤层智能化无人操作，大采高煤层人－机－环智能耦合高效综采，综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤，复杂条件智能化＋机械化4种智能化开采模式。为了解决工作面综机装备智能决策难题，研发了工作面智能协同控制系统，实现采煤机自适应割煤与自主感知防碰撞，基于煤流量智能感知的采煤机、液压支架、刮板输送机等综采装备的协同联动，工作面综采装备与端头和超前支架的联动控制。上述研究成果在陕北侏罗纪1.1ｍ 硬煤薄煤层、金鸡滩煤矿8ｍ 超大采高综采、金鸡滩煤矿9 ｍ 以上硬煤特厚煤层综放开采进行应用，效果显著，实现了陕北侏罗纪1.1ｍ 硬煤薄煤层高效智能化无人开采，8ｍ 超大采高工作面人－机－环智能耦合高效综采，9ｍ 以硬煤上特厚煤层超大采高智能化综放开采。

• 我国煤矿矿井水处理技术现状与展望

  顾大钊, 李庭, 李井峰, 郭强, 蒋斌斌, 卞伟, 包一翔,

  系统梳理了我国煤矿矿井水的处理技术现状，对高悬浮物矿井水、高矿化度矿井水和含特殊组分矿井水的常用处理技术进行了对比分析。近年来高矿化度和含特殊组分矿井水逐年增多，相关水质标准大幅提高，给煤矿矿井水处理提出了更高的要求。为了适应新形势，煤矿矿井水处理技术应通过科技创新，实现矿井水大规模低成本处理，支撑矿井水高效利用，一是要大力发展井下处理技术，利用井下空间和岩体自然净化优势大幅降低矿井水处理成本，并实现矿井水大规模调配与利用；二是要因地制宜利用西部矿区丰富的太阳能、地热等新能源以及火电厂余热等，驱动低温多效蒸发、膜蒸馏等处理技术，可大幅降低处理能耗；三是要通过对相关标准体系的完善，促进矿井水处理实现“ 分级处理、分质利用”。

• 中深部煤层开采对地表生态环境的影响及修复提升途径研究

  王双明, 侯恩科, 谢晓深, 杨帆, 刘英, 肖绪才, 石增武, 黄永安, 杨征, 谢永利,

  随着陕北侏罗系煤田持续开发，中深部煤层开采已成为当前和今后的重点，但目前对中深部煤层开采引发的地表生态环境损害尚不明确，且缺乏相应的生态环境修复提升途径研究。以榆神矿区为研究区，以中深部煤层开采典型矿井为研究对象，采用现场调查、理论分析等方法研究了中深部煤层对地表生态环境的影响。研究表明：①中深部煤层开采诱发的地表裂缝发育程度整体较弱，对地表的损害较小，面内裂缝会随着回采以“Ｃ”字型向前扩展，且具有“先开后合” 的单峰活动特征，边界裂缝具有“只开不合”的单趋向活动特征；第四系沙土层中地表裂缝发育深度小于2.5 ｍ，单位长度的深度差异在5～142ｃｍ／ ｍ；② 地表裂缝是影响地表生态环境的主要途径，裂缝不但会增加近地表水资源的下渗量，也会改变土壤水分的分布，减小20ｃｍ 以浅表土层的水分含量，增加40～60ｃｍ 深度区间的土壤水分，同时增加浅部表土层的有机质，使浅部土层由中性变为弱碱性，局部宽大裂缝会造成植被根系断裂、枯萎死亡，而短小裂缝则会增加禾本科植物（羊草）的丰富度；③ 提出了采前“一评两预”、采中“一追一减”、采后“三定一提”的生态环境修复提升体系架构，阐述了其内涵、内容和技术途径；在生态环境修复提升体系的指导下，给出了以自然修复为主的榆神矿区中深部煤层开采地表生态环境修复途径；结合榆神矿区中部生态环境现状，提出了“湿地建造”、“生态农业建设” 以及“观赏园林建设”的生态环境提升途径。研究成果对中深部煤层采动影响区生态修复提升具有参考价值。

• 我国反井钻机钻井技术与装备发展历程及现状

  刘志强, 宋朝阳, 程守业, 洪文浩, 荆国业, 李新华, 王来所, 赵钧羡,

  反井钻机钻井技术是煤矿、金属矿山、水力水电、隧道等地下工程中井孔钻凿的根本性变革技术。介绍了近40a来我国反井钻机钻井技术与装备的发展历程、反井钻机钻井理论与技术以及反井钻进工艺与应用的发展与现状；梳理了反井钻机钻井领域获批科研项目，以及围绕反井钻机钻井发表的论文和专利、出版的论著与标准；进一步介绍了反井钻机钻井围岩预加固和支护等稳定性控制技术，反井钻井机械破岩机理与破岩技术，反井钻机钻架稳定控制技术与动力驱动控制技术，反井钻机导孔钻具、导孔钻进排渣技术、导孔钻进偏斜控制技术以及导孔钻进风险分析与防控技术；反井钻机扩孔钻进钻头滚刀布置形制、扩孔排渣技术、扩孔钻进偏斜控制技术以及扩孔钻进风险分析与防控技术；反井钻机钻井降温除尘技术；给出了反井钻机在矿下溜矸孔、深大斜井、立井井筒延伸、双风井井筒和一次钻成大直径风井等工程中的应用，以及富水冲积层、冻结地层、注浆加固地层和瓦斯地层中反井钻井的应用。经过40a的研究与实践表明，我国在反井钻机钻井领域已经形成以机械破岩理论和钻进技术为基础的反井钻机钻井成套技术与装备体系，为地下工程中井筒的安全、高效、绿色钻进提供技术保障，为我国无人化、机械化和自动化全断面钻井技术与装备的进步做出了重大贡献。

• 煤自燃过程特性及防治技术研究进展

  秦波涛, 仲晓星, 王德明, 辛海会, 史全林,

  煤炭是我国的主体能源，但煤炭开采面临着有煤自燃灾害的严重威胁。煤自燃不仅烧毁大量煤炭资源，还易引发瓦斯燃烧、爆炸等重特大事故，造成巨大的经济损失和重大的人员伤亡。为了进一步提高煤矿企业对煤自燃灾害的防控能力,推动我国煤炭资源的安全高效开采，分析了煤自燃理论的研究现状，总结了煤自燃监测预警的主要方法和技术，对比分析了煤矿常规的防灭火技术，介绍了煤自燃防治技术的最新发展及应用效果，并提出了煤自燃过程特性及防治技术的未来发展和研究方向。较详细地阐述了煤自燃过程机理及特性理论基础，主要包括煤自燃的低温氧化过程机制、煤自燃分段过程特性及特殊条件下的煤自燃特性；较全面地总结了包括标志气体方法、测温法、示踪气体法等多种煤自燃监测预警技术的原理以及各类技术的优缺点。在上述煤自燃理论和监测预警基础之上，针对常规注浆、注惰气等技术对煤自燃防控效果有限、难以满足矿井安全高效开采的问题，研发了三相JP阻化泡沫技术、凝胶泡沫覆盖隔氧技术、无机固化泡沫堵漏控风技术、稠化砂浆等防灭火技术，同时提出借助液氮（液态二氧化碳）的相变吸热对煤自燃高温火区快速灭火降温。此外，为了满足煤矿智能化、精准化开采对矿井火灾防治的新要求，在矿井火灾监测指标信息化与预警智能化、火源辨识与防治技术控制精准化、防灭火材料绿色化等方面提出了下一步的研究展望。

• 煤基活性炭定向制备：原理·方法·应用

  解强, 张香兰, 梁鼎成, 曹俊雅, 刘金昌,

  依托丰富的煤炭资源，我国成为世界上最大的煤基活性炭生产国。简要回顾了我国煤基活性炭工业的起源和发展历程，介绍了煤基活性炭的制备方法、生产工艺及应用现状，分析影响活性炭合理应用的因素，着重讨论了活性炭定向制备的概念、原理、方法及应用，提出了我国活性炭工业发展面临的重要问题和亟待研究的课题。结果表明：活性炭具有发达的孔隙结构，依据其对气、液相中微量成分选择性吸附的能力，在国防、医药、食品、化工行业得到广泛应用，近年来在能源、环境领域发现极大的应用前景；物理活化法是煤基活性炭制备的基本方法，原煤破碎活性炭、柱状活性炭及压块活性炭工艺是目前煤基活性炭的主要工业生产工艺，尤其是压块活性炭工艺，由于产能大、产品质量高且稳定并适于配煤、添加剂调孔，已成为新建、扩建活性炭企业的首选；孔结构、表面化学、形状、机械强度、流体力学性能等是影响活性炭应用的主要因素，“活性炭定向制备”即以用途对活性炭组成、结构和性能的要求为导向，制备具有适宜组成、孔结构、应用性能的活性炭产品，按照煤基活性炭定向制备涉及的指标及相互关系、影响因素、调控方法及难度，以孔结构调节为中心开发煤基活性炭定向制备技术成为主要策略；孔结构调控是在保证活性炭孔隙充分发育的前提下根据应用需求调节活性炭不同尺寸孔在总孔容中的比例，筛选原料煤、配煤、添加剂、优化工艺参数等措施，可以在不同程度上控制炭化过程，使炭化向生成各向同性、非石墨化、反应活性高、初生孔隙发达炭化物的方向发展，为活化阶段活化剂-炭基质间反应速度的调变打下基础，易于孔结构调控；煤基活性炭定向制备技术已应用于低灰高比表面积活性炭、磁性活性炭及兼有双电层电容和法拉第电容的高容量电极炭的研制，此外，在单种活性炭难以满足应用途径对活性炭提出的综合性能指标要求的情况下，配炭或是一种有效的解决途径。活性炭孔结构的精准量化调控、中孔活性炭的制备、配炭等研究尚待进一步深入；活性炭应用研究，利用西部高碱煤中内源性碱（土）金属调控煤基活性炭孔结构，开发洁净活性炭生产工艺，是煤基活性炭定向制备面临的新课题。

• 深部煤炭资源智能化开采技术现状与发展方向

  李伟,

  深部煤炭资源开采采场地应力高、采动影响强烈，冲击地压灾害时有发生。智能化开采是深地资源开采的重要手段，深部资源安全绿色、智能高效开采技术与装备亟需研发，以加快开展千米深井智能开采实践。根据兖矿集团多年来煤矿开采的技术经验，在分析智能化开采技术现状的基础上，围绕煤炭资源深部开采灾害防治和探-掘-采等关键生产环节，分别对矿井地质探测与建模、深井灾害防治技术、智能化掘进与开采技术现状及存在的问题进行了阐述，展望了深部煤炭资源智能化开采趋势，提出了各项技术相对应的具体研究内容及预期研究目标。目前三维地质建模技术可基本辅助规划井下安全生产，但仍处于起步阶段，探测精度不够，缺乏实时处理功能，实现地层精准模型构建有待高精度探测技术与数据处理方法展开研究；矿震观测系统的引进及发展有助于冲击地压防治，但仍需在关键层运动特征监测及灾害治理手段方面深入研究，同时须进一步提升矿井热害防治智能化水平；智能化采掘技术在基础理论、装备研制等方面取得长足进步的同时，应该向复杂地质条件下煤层及装备协同控制方面投入更多研究。

• 煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值研究进展

  程远平, 周红星,

  煤与瓦斯突出预测是突出煤层2个“四位一体”综合防突措施的关键环节，对确定突出预测敏感指标及其临界值具有重要意义。以往突出预测敏感指标及临界值的确定，包括地应力指标和瓦斯指标，是通过现场反复测试、试验确定的；而现今的突出防治管理模式不支持这种方法，故只能采取实验室试验研究，主要是针对瓦斯相关指标的研究，结合部分现场验证来确定。选取大隆矿12煤、芦岭8煤、祁南3煤、朱仙庄10煤、童亭7煤和新景3煤等6个煤样，煤种涉及中等变质程度的气肥煤到高等变质程度的无烟煤，试验研究了各煤样瓦斯压力P与瓦斯含量W，瓦斯压力P与钻屑瓦斯解吸指标K1和Δh2，以及钻屑瓦斯解吸指标K1与Δh2之间的关系规律。结果表明：突出预测的瓦斯指标之间具有单值对应关系，但各煤样的这种对应关系是变化的，国家相关标准给出的突出预测指标建议临界值之间并不对应，也不能完全反映煤层的实际突出危险性与突出严重程度，不同变质程度煤层很难存在统一的临界值；应用煤层瓦斯相关指标之间的对应关系，结合突出煤层的实际，如始突深度、突出动力现象、钻孔动力现象等，可间接确定突出预测敏感指标的临界值。同时，未来精细化的突出防治对突出预测敏感指标有更高的要求，进一步研究的方向应包含反映地应力状况、小构造影响下煤层赋存、预测煤层潜在突出强度的指标，以及适应突出灾害差异性的新突出预测方法及措施效果检验方法。

• 我国煤矿岩石与CO2突出机制探讨

  霍中刚, 薛文涛, 舒龙勇,

  由于煤矿岩石与CO2突出危害严重，但发生频度较煤与瓦斯突出低，导致多年来对岩石与CO2突出机制研究一直不够系统深入。为解决这一问题，在前人研究成果的基础上，分析了我国发生岩石与CO2突出矿区含煤地层的CO2成因，总结了岩石与CO2突出规律和特征，建立了岩石与CO2突出物理模型，剖析了岩石与CO3突出过程、力学环境和能量条件。结果表明：参与突出的CO2均为无机成因型，与岩浆岩活动和煤田自燃热解有关；岩石与CO2突出是地应力、承压气体、突出岩体力学性质等因素综合作用的结果，由于参与突出的气体富集受气源控制，岩石与CO2突出危险区域呈点状或条带状分布；基于煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论建立的岩石与CO2突出关键结构体模型与突出现场环境吻合，突出砂岩命名为结构1，对突出砂岩起支撑包裹作用的岩体分别命名为结构2、结构3和结构4；岩石与CO2突出过程经历了准备、启动、发展、终止4个阶段，突出准备阶段包括形成关键结构体直到突出激发完成，突出启动阶段是一个瞬态过程，突出启动与结构1的能量大小有关，只有当结构1积蓄的能量大于突出所需能量，即能量判据Ce≥1时才能成功启动；利用关键结构模型和能量判据能够揭示典型岩石与CO2突出事故的启动机制，为岩石与CO2突出防治提供了依据。

• 低阶煤微波辅助热提质研究进展

  刘淑琴, 脱凯用,

  微波热处理技术具有快速均匀、选择性加热和操作灵活、安全环保的优势，为实现低阶煤的清洁高效利用提供了新途径。从低阶煤的微波辅助干燥提质和热解提质出发，综述了低阶煤对微波的介电响应特性，梳理了影响低阶煤微波干燥提质过程的因素，阐述了微波干燥提质对低阶煤品质和理化性质的作用规律，不同工艺条件对低阶煤微波热解提质的影响以及引入吸波剂和催化剂对强化低阶煤微波热解提质的作用特性。结果表明：低阶煤中的水分和矿物含量是影响其介电损耗能力的主要因素，内在水分对微波的快速响应有利于实现微波对低阶煤的快速干燥提质。微波加热干燥有效提升了低阶煤固定碳含量和燃烧热值，内在水分被优先加热发生快速迁移可促进孔隙结构形成进而增强了其可磨性，极性含氧官能团在微波诱导下易发生分解有助于抑制低阶煤的自燃倾向。相比常规热解，微波辅助低阶煤热解提质表现出加热速率快、热解效率高、焦油轻质组分丰富以及合成气产量高的优势。微波功率、辐射时间、热解终温和反应气氛是影响低阶煤微波热解提质的主要因素，基于目标导向的热解工艺参数优化是实现低阶煤高效分级分质利用的核心。利用吸波剂和催化剂充分强化低阶煤微波热解提质，有利于提高微波能利用率、加深煤热解程度、定向调控产物分布以及改善热解产物品质。此外，微波辅助低阶煤和生物质、油页岩和废塑料等富氢物质进行共热解，能够增强焦油向轻质化的转变以及提升有效气体收率，是实现低阶煤清洁高效梯级利用的重要发展方向。

• 焦化废水深度处理新技术及其相互耦合特征研究

  何绪文, 员润, 吴姁, 夏瑜, 何灿,

  焦化废水具有水量大、难降解、水质复杂和处理成本高等特点，且随着“两山论”、“零排放”和GB 16171—2012《炼焦化学工业污染物排放标准》等新理念、新标准的提出，传统深度处理技术已难以使焦化废水处理达标；为了使焦化废水稳定达标排放，探讨了以非均相臭氧催化氧化技术、磁混凝技术和聚瓷膜分离技术为核心的单元深度处理新技术及其分别耦合深度处理新技术；分析了新型臭氧催化剂和新型臭氧反应设备、新型重介质、新型膜材料和新型膜结构分别作为非均相臭氧催化氧化技术、磁混凝技术和聚瓷膜分离技术的重要特征；介绍了3种单元新型深度处理技术及其分别耦合技术的应用现状，并指出耦合新型处理技术可以使焦化废水处理后稳定达到废水排放标准或废水回用标准，总结了不同技术的绿色环保、处理成本低、矿化程度高、处理效果好、短流程和运行稳定等技术优势。根据单元深度处理新技术及其分别耦合新技术的特点，形成了完善和成熟的集成技术工艺包，这将是今后焦化废水深度处理新技术发展的新趋势。

• 煤矿岩巷爆破掘进炮孔密度优化研究

  杨仁树, 王越, 林志博,

  岩巷掘进工作面的炮孔密度很大程度上影响了凿岩工作量和爆破效果, 为了实现岩巷的快速掘进，需要对岩巷爆破的掏槽结构和其他爆破参数进行优化，在保证爆破循环进尺和巷道周边成型质量的基础上减少全断面炮孔数目，降低炮孔密度。根据在岩巷爆破掘进现场收集的资料，建立岩巷掘进爆破参数数据库，其中包含施工时间、矿区位置、掏槽方式、岩石普氏系数、掘进断面面积、全断面炮孔数目、炮孔深度、炸药单耗和炮孔利用率9个特征维度。通过对关键参数维度下的炮孔数目与断面面积进行线性拟合，得出关键参数在不同区间的炮孔密度变化规律，研究表明：大部分工程的炮孔密度约为5个/m2；炮孔密度与各参数具有一定相关性。其中，中深孔爆破的炮孔密度拟合值大于浅孔爆破；炸药单耗增大时，炮孔密度明显降低；炮孔利用率增大时，炮孔密度出现增大趋势；硬岩巷道的炮孔密度显著大于软岩；斜孔掏槽形式下的炮孔密度大于直孔掏槽的炮孔密度。炮孔密度较大是由于受到岩石破碎机理影响与爆破技术的限制，从而提出改进爆破技术，即采用二阶二段掏槽技术和周边孔切缝药包定向断裂控制技术。通过现场试验，发现同时采用二阶二段掏槽和周边孔切缝药包定向断裂控制技术既能够大幅降低炮孔密度，由5个/m2降到4个/m2，还可以保证爆破效果。研究对提高我国煤矿岩巷的快速掘进水平具有参考价值。

• 工作面开采强度对RUSLE坡度坡长因子的影响规律

  杨俊哲, 雷少刚,

  水土流失加剧是西部煤矿区面临的主要生态环境问题之一，煤炭井工开采导致地表不同程度下沉变形，改变了坡度坡长因子，破坏了原有的地表水文过程，从而改变了矿区的水土流失状况。因此，掌握工作面开采强度对水土流失的影响规律，对科学设计开采强度、防控水土流失具有重要指导意义。坡度坡长因子是经典土壤流失方程中的关键变量，其对水土流失具有重要影响。针对工作面开采强度与修正的通用土壤流失方程（Revised universal soil loss equation, RUSLE）坡度坡长因子相关性关系问题，结合工作面现场地表下沉移动监测数据、开采沉陷概率积分法以及修正土壤流失方程，推导了坡度坡长因子计算方法，研究了地下开采强度与修正土壤流失方程中坡度坡长因子变化之间的关系，为平衡开采强度与矿区水土流失防治提供了理论依据。研究结果表明：① 基于概率积分法预测得到的坡度坡长因子剥离了采前自然起伏地形的影响，其结果能够更为直观地表现出开采强度与坡度坡长因子变化的相关性，得到的研究结论普适性更强；②坡度坡长因子与工作面采高呈正相关关系(r=0.7571,p=0.0487)，与深厚比呈显著负相关关系（r=-0.9522，p=0.0009），且二者相关度均较高；③在达到充分采动后，日开采体积、采宽的变化对坡度坡长因子的变化不产生显著影响。

• 弱胶结软岩煤巷锚杆索-围岩变形协同控制方法研究

  谭云亮, 于凤海, 马成甫, 张广山, 赵伟,

  针对西部弱胶结软岩煤巷顶板支护易失效问题，在探究弱胶结泥岩物性组分及破坏力学特征基础上，分析弱胶结软岩巷道围岩破坏特征，揭示弱胶结软岩巷道顶板破坏失稳机理，提出弱胶结软岩高预紧力下锚杆-围岩变形协同机理，开发相应支护设计方法，并进行应用实践。结果表明：①弱胶结软岩黏土矿物含量高，微裂隙发育造成其强度小、黏聚力小、胶结性差、易碎胀，在低围压条件下就产生剪切滑移破坏，提高其等效黏聚力和围岩应力水平是提升其抗变形能力的最有效途径；②弱胶结泥岩特性、高水平应力及低锚杆（锚索）预紧力等因素综合作用下，弱胶结软岩顶板易发生整体性下沉，内部破裂严重，破裂范围最大达4.0 m，尤其是煤岩界面破裂剪胀使部分锚杆-锚索破断失效，加剧顶板破裂下沉；③锚杆支护作用体现在提高锚杆加固范围内岩层等效黏聚力，锚索支护则强调对其支护范围内岩层提供较强的支护应力，两者工作阻力越高支护效果越好；④高预紧力下锚杆与锚索联合支护时，锚杆、锚索变形与顶板变形下沉协同、相适应，且要最大程度发挥锚杆-锚索支护效能。现场应用表明，按照高预紧力锚杆-围岩形变协同支护后，弱胶结软岩巷道顶板控制效果好，达到设计预期，该方法为弱胶结软岩巷道支护提供参考。

• 矿山围岩变形与破坏光纤感测理论技术及应用

  柴敬, 刘永亮, 袁强, 张丁丁, 杜文刚, 韩志成, 马哲, 雷武林,

  矿山围岩应力与结构演化机理是深部煤炭资源开采围岩控制的关键科学问题。开展采场和巷道围岩应力演化与变形破坏监测，是掌握应力场动态迁移规律，分析覆岩分区破裂、结构演化的重要手段，也是实现井下灾害超前辨识和危险区域感知预判的基础。近年来光纤传感技术在解调原理、传感器研发方面取得了长足的进步，可实现不同尺度的围岩应力、变形，大范围、分布式动态监测，成为了岩体变形破坏的重要监测手段之一。分析了光纤传感技术在矿山围岩变形与破坏监测方面的应用进展，总结了用于采场和巷道围岩变形监测中的光纤传感理论及适用特点，归纳了光纤传感系统布设方法与安装工艺，讨论了采场覆岩“横三区、竖三带”分布，覆岩结构演化，支承压力分布，顶底板变形特征的光纤表征机制，介绍了光纤传感技术在矿山围岩变形表征中的最新成果。结果表明：光纤传感技术在矿山围岩监测中的应用仍处于现场应用研究阶段，在智慧矿山建设背景下，采场和巷道围岩变形监测技术向多参数、智能化、实时动态监测发展，光纤传感技术存在多参量、多尺度传感器研发，多维度光纤传感系统及布设工艺，大数据光纤传感数据智能分析系统构建等研究热点。研究成果对推动矿山围岩光纤传感智能监测技术研发与应用具有积极意义。

• “三下”采煤膏体充填开采技术研究

  孙希奎,

  膏体充填是控制采矿岩层运动、防治地表沉陷的主要充填开采技术之一。针对我国东部煤矿开采过程遇到的建筑物、水体、铁路下以及承压水体上压煤资源开采问题，以淄博矿业集团济北矿区主力矿井的开采条件为背景，分析了膏体充填的基本原理、工艺方法及试验应用情况，重点介绍了岱庄煤矿在建筑物下条带煤柱置换开采，高层建筑下压煤充填开采，承压水体上充填开采等领域的典型应用案例。通过应用膏体充填开采技术，地面受护建筑物移动变形数值均小于建筑物Ⅰ级损坏标准，受底板灰岩水威胁的工作面充填开采后底板破坏深度仅6.0～6.5 m，防范底板水害的作用显著。结合济北矿区未来的发展方向，认为膏体充填应该进一步在承压水体上开采的相关理论和工艺技术，重复采动影响下建筑物保护的理论和对应措施，复杂条件下充填工艺、设备、流程优化以及与井下煤矸智能分选系统相结合等方面着重进行研究攻关。研究结果对济北矿区膏体充填开采进一步应用有重要借鉴意义。

• 叠置含气系统煤层气开采物理模拟试验方法研究

  许江, 李奇贤, 彭守建, 闫发志, 张超林, 韩恩德,

  为了研究滇东-黔西地区的多层叠置含气系统煤层气开采过程中储层参数和产量的时空动态演化特征，在多层叠置含气系统的特殊煤层气成藏模式和已有试验设备的基础上，对煤层气开采系统进行了改造和升级，煤层气开采系统由开采管、开采管路和气水分离器以及其他附件组成。建立一套集合材料选取、试件制备和煤层气开采的煤层气开采物理模拟试验方法，最后对试验系统和方法的优势、今后改进方向和适用条件进行了汇总。为了对开采物理模拟试验方法进行效果验证，以直井为例开展了叠置含气系统煤层气开采试验，研究了4个煤层在煤层气开采过程中的瓦斯压力、煤层温度、煤层变形、产量等参数动态演化规律。结果表明：瓦斯压力以井筒为中心近似呈现椭圆状，越靠近井筒区域瓦斯压力越小，反之越大，气体运移速度由近井段向远井段逐渐降低；煤层温度下降量在煤层内以井筒中轴线为起点呈圆弧状向边界递减，越靠近井筒区域温度下降量越大，反之越小；1—4号煤层在第360分钟的最终体积应变分别为0.067%、0.109%、0.117%和0.154%，初始瓦斯压力越大的煤层，其最终的变形量也越大，且初始瓦斯压力越小的煤层，体积应变增长速率变缓的时刻越早；瞬时产量曲线呈现在开采初期迅速达到峰值并急剧下降的单峰曲线类型。研究结果验证了叠置含气煤层气开采物理模拟试验方法的可靠性，能够为现场煤层气开采提供参考。

• 寺家庄矿综采工作面顶板走向高抽巷合理层位研究

  朱红青, 霍雨佳, 方书昊, 郭晋麟,

  阳煤集团寺家庄矿15106综采工作面瓦斯涌出量较大且具有突出危险性，针对该工作面上隅角瓦斯易超限的难题，基于工作面上覆岩层破坏的“O”型圈理论，提出了沿走向在顶板布置高抽巷进行瓦斯抽采的方法。为了探究高抽巷布置的最佳区域，首先应用理论计算及材料相似模拟的方法，得到采空区垮落带高度为0～20 m，裂隙带高度为20～60 m，弯曲下沉带高度为60 m以上；“O”型圈的导气裂隙圈在采动侧长为20 m；沿走向方向，开切眼侧破断角基本稳定在60°，回采侧破断角在43°～68°处波动，平均55°；当工作面推进距离与工作面长度相同时，沿倾向方向进风巷和回风巷破断角均为58°。应用Fluent软件分别模拟高抽巷与煤层顶板垂距为20、30、40 m，与回风巷内错距为30、40、50 m时的抽采效果，结果表明：高抽巷垂距为30 m、内错距40 m时，高抽巷内瓦斯体积分数最高，为21.2％，上隅角瓦斯体积分数最低，为0.54％。将试验所得方案应用于现场实践后，在回采初期，由于大裂隙尚未形成，上隅角瓦斯体积分数存在超限危险，随着工作面的推进，风排瓦斯量逐渐减小，高抽巷抽采瓦斯量逐渐升高；在进入正常抽采期后，上隅角瓦斯体积分数平均值约为0.6％，与模拟所得结果基本相符，该方案能够大幅缓解风排瓦斯的压力，有效解决上隅角瓦斯超限的问题。

• 晋城寺河井区煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术研究

  孟召平, 李国富, 杨宇, 李超, 乔元栋,

  随着煤层气勘探的不断深入，煤矿采空区煤层气已成为煤矿区煤层气重要资源之一。基于晋城矿区寺河井区煤矿采空区分布特征，通过地质分析、采空区煤层气成分、浓度试验和资源量模型计算等方法系统研究了煤矿采空区煤层气资源条件及地面抽采关键技术，揭示了采空区煤层气赋存规律，给出了不同赋存状态下煤层气资源量计算模型和方法，探索了煤矿采空区煤层气地面抽采关键技术。研究表明，煤矿采空区煤层气来源于煤柱及残留煤层、邻近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气。根据吸附气和游离气资源量计算模型计算寺河井区煤层气总资源为213.016×108m3，其中游离气资源0.102×108m3，吸附气资源为212.914×108 m3。采煤方法和采空区密闭性对采空区煤层气的来源和富集程度有重要影响。针对采空区上部岩体裂隙发育特征，将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构，实现了二开固井封闭裂隙带上部含水层，三开下入割缝套管护壁，有效解决了采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性影响及抽采效果等问题。在此基础上，研发了潜孔锤 + 压缩空气（氮气）钻井工艺，用氮气取代空气作为循环介质，形成了安全揭露含气裂隙带钻井工艺技术，为采空区煤层气安全抽采探索了有效途径。

• 底板岩巷穿层钻孔一孔多用瓦斯抽采时效性研究

  王兆丰, 席杰, 陈金生, 李学臣, 李艳飞, 马雄伟,

  为了提高穿层钻孔的利用率，基于煤岩动力学行为下的采动裂隙场和应力场演化规律，提出全生命周期的底板岩巷穿层钻孔一孔多用瓦斯抽采技术，即按先后顺序实现采前预抽、边采边抽以及采空区瓦斯抽采功能。以古汉山矿1604综采工作面为例，进行现场试验。结果表明：一孔多用试验钻孔的抽采效果具有明显的时变特性,为定性定量分析试验钻孔的抽采时效性规律，根据抽采纯量变化将抽采全生命周期划分为初始预抽增流期、高效预抽期、预抽快速衰减期、高效卸压增流期、低流枯竭期、采后纯量回升期和采后衰减低流期7个阶段；高效预抽期是全生命抽采周期中最关键的阶段，其次为高效卸压增流阶段，平均瓦斯抽采纯量可达到在预抽高效期钻孔平均瓦斯抽采纯量的61.4%；确定前方距离工作面70 m至后方距离工作面40 m范围内为穿层钻孔受采动卸压影响区，工作面超前35～40 m，抽采浓度和纯量最大；在边采边抽阶段，距离采面前方20～70 m的试验钻孔平均抽采纯量比卸压前提高5倍；古汉山矿底板岩巷穿层钻孔采前预抽合理抽采天数为260 d，边采边抽有效抽采期为46 d，采空区瓦斯抽采有效抽采期为26 d。通过一孔多用的底板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采实现了预抽达标和降低工作面瓦斯涌出的目标，具有良好的推广应用价值。

• 角联管网瓦斯爆炸超压演化及火焰传播特性研究

  石必明, 牛宜辉, 张雷林, 张煜, 钟珍,

  为了探索瓦斯在煤矿井下复杂巷网内爆炸后的超压演化规律及火焰传播特性，在实验室自行搭建了瓦斯爆炸试验系统，对甲烷体积分数为9.5%的瓦斯爆炸爆燃波传播规律进行了试验研究，并对瓦斯爆炸超压及火焰传播过程进行了数值模拟。试验与数值模拟结果表明：管网角联分支中，甲烷-空气预混气体爆炸后由于爆炸压力波的叠加，形成超压增高区域，但产生的火焰波很微弱，温度较低。并联分支中，随着爆燃波传播距离的增加，超压峰值和焰面传播速度呈逐渐减小的趋势，而火焰持续时间呈先增加、再减小的趋势。试验中火焰的最大传播距离为18.75 m，而数值模拟的传播距离为21.25 m，但试验值和模拟值的变化趋势一致。研究结论可对煤矿井下复杂巷道内瓦斯爆炸灾害的防控及救灾提供理论支持。

• 基于改进Otsu的煤体CT图像阈值分割算法的研究

  王刚, 陈雪畅, 韩冬阳, 秦相杰, 冯净,

  煤体CT图像阈值选取的准确性对于三维重建的模型能否还原真实煤体结构至关重要。Otsu阈值分割法（简称Otsu法）对煤体CT图像中孔裂隙结构的过分割，使得三维重建的煤体模型与实际不符。为克服该缺陷，首先探究了Otsu法对煤体CT图像阈值分割失效的机理，并据此确定合适的权重因子修正Otsu最佳阈值选择公式，提出了一种改进的Otsu阈值分割法（MP-Otsu阈值分割法，简称MP-Otsu法）。最后利用MatLab软件检测MP-Otsu法对煤体CT图像的二维分割效果，同时利用Avizo软件对煤体孔裂隙结构进行三维重建并对比改进前后孔裂隙参数的变化。结果表明：煤体内部矿物含量与Otsu法确定的阈值两者之间呈正相关关系。煤体内部矿物组分的存在导致目标和背景区域方差差异大，低孔隙率导致煤体CT图像灰度分布直方图呈单峰分布且不能提供足够的方差信息，这些特征是Otsu法对煤体CT图像阈值分割失效的主要原因。MP-Otsu法引入矿物含量与Otsu阈值的拟合曲线斜率，目标在图像中所占的大致比例等3个权重因子改进Otsu阈值分割法，得到的二值图像与原图像高度契合，能够准确提取孔裂隙目标区域。三维重建的模型孔隙率和最大喉道尺寸与Otsu法相比分别下降了96.18%和80.07%，有效克服了Otsu法对煤体CT图像过分割的缺陷。此研究能为进一步探究与孔裂隙结构相关的煤体物理特性提供基础。

• 基于遗传算法与BP神经网络的支架跟机自动化研究

  王虹, 尤秀松, 李首滨, 魏文艳,

  针对综采工作面液压支架跟机自动化过程中移架动作存在的丢架、推移不到位等问题，提出了基于遗传算法（GA）与BP神经网络组合模型的控制方法。通过建立BP神经网络控制器为主体的反馈控制，将支架的运动参数作为模型的输入，神经网络控制器用来计算实际输出与理想输出之间误差，判别是否需要回调控制，并添加遗传算法来优化更新模型的各层阈值和权值，从而得到网络模型的最优解，最终由执行部分来完成输出动作。组合网络模型具有良好的非线性特性，可以更好的满足非线性环境，利用神经网络的预测值与实际输出的差值来得到拟合曲线。通过对BP神经网络模型、GA模型、GA-BP组合模型的均方误差（mse）分析，判断出GA-BP组合模型具有更快的训练速度和更高的预测准确率。相比较于单一的BP神经网络模型和GA模型，GA-BP组合模型可以很大程度地提高液压支架跟机过程中的推移精度，从而更好地适应综采工作面的环境和设备变化。基于对模型稳定性的分析，绘制组合网络的适应度曲线，种群在第5次迭代后趋于收敛，在第5次到第15次迭代的适应度值就已基本达到稳定，在迭代第15次后种群已达到最优参数集且恒定不变。采用上述方案的液压支架电液控制系统能够自主感知设备各项运动参数的变化，实现支架自身的静态调整和动态演化，可为综采工作面无人化建设提供技术支撑。

• 基于多传感器组合的钻锚机器人机身定位方法研究

  马宏伟, 姚阳, 薛旭升, 王川伟, 高佳晨,

  针对目前煤矿钻锚作业仍以人工为主，作业强度大、环境恶劣且效率低的问题，为提高效率、保障工人生命安全，研发了煤矿钻锚机器人以提升钻锚作业自动化水平。针对工况环境下的钻锚机器人机身定位困难、干扰大、精度低、效率低等问题，提出了一种基于激光测距传感器和激光雷达的组合传感器定位方法。根据钻锚作业需求，研究基于分布式激光测距传感器的钻锚机器人与掘进工作面之间的距离信息，建立“机器人-工作面”定位模型，解算钻锚机器人前移过程中与掘进工作面的位置关系；以机器人后端顶部锚杆为目标，利用激光雷达扫描获取锚杆与钻锚机器人的动态点图信息，建立“机器人-锚杆”定位模型，解算钻锚机器人后移过程中与锚杆的空间位置关系。搭建组合定位系统，通过样机试验验证表明：“机器人-工作面”定位模型距离误差≤10 mm，偏航夹角误差≤1 °；“机器人-锚杆”定位模型距离误差≤20 mm，偏航夹角误差≤1.5 °，可以实现煤矿巷道钻锚机器人机身自动、准确、实时的定位目标。

• 基于透明地质大数据智能精准开采技术研究

  毛明仓, 张孝斌, 张玉良,

  透明工作面是目前智能化开采的重要研究方向，是实现无人化开采的重要途径。针对记忆割煤应用效果较差、传感器精度低、大数据融合应用率低、无法根据工作面地质条件变化进行自主感知、决策和调整等问题，开展了基于透明地质数据智能精准开采的研究与实践应用。通过钻探、巷道测量和槽波勘探等物探手段来构建较精准的透明工作面三维模型，提前规划截割模板，再联合应用惯性导航技术、雷达定位技术和大数据分析决策技术，来不断修正截割模板，最后通过井下精准控制中心来完成对采煤机和液压支架的精准控制。该技术将当前基于记忆截割的“智能开采1.0”阶段升级为基于透明地质规划截割的“智能开采3.0”阶段，实现由传统的记忆割煤向三维空间感知和自动截割的技术跨越，具有很强的适应性和实用性。

• 突水淹没矿井动水巷道截流阻水墙建造技术研究

  董书宁, 牟林,

  在突水巷道中通过灌注骨料实现截流堵水的过程涉及多个力学演化阶段，实践中为了快速复矿需更重视堵水效果，阻水墙建造的关键技术问题研究很少受到关注。结合以往工程案例的堵水过程数据，分析了从骨料灌注到注浆截流的水力学模型，提出了阻水墙建造的关键技术参数设定方法，研究了阻水墙内部应力分布状态及破坏机理。研究表明：①阻水墙建造可分为4个阶段的水力学模型，即突水稳定阶段的管道流模型、骨料灌注阶段的管道流-低速渗流模型、骨料接顶阶段的高速渗流-低速渗流模型、注浆截流阶段的低速渗流模型；②动水中骨料堆积形态是水平和垂向两个维度共同生长的结果，堆积过程与流场存在动态平衡关系；③考虑压差、巷道阻力、堆积段阻力、浆液初凝时间4个要素，提出了堆积段长度估算模型，建立了不同灌注阶段巷顶流速的预测方法和骨料粒径选择方法；④注浆后阻水墙的最大剪应力发生在距来水方向较近的位置，相较堆积段全部长度，受力影响范围仅为其很小一部分；水压力越大，剪力和轴力越大，但分布状态、影响范围及峰值位置均不变；围岩与墙体弹性模量比越大，阻水体剪应力分布越集中，峰值剪应力越靠近来水方向；当剪应力最大位置首先达到抗剪强度后,剪应力将向下游产生塑性变形直至形成新的平衡状态，否则失稳破坏。

• 神南矿区煤炭绿色开采的水资源监测研究

  吴群英, 彭捷, 迟宝锁, 宁奎斌, 王宏科, 李成, 王碧清, 姬怡微, 范立民,

  陕北毛乌素沙地地质环境脆弱，水资源贫乏，煤炭绿色开发已经成为陕北煤炭基地可持续健康发展的必然选择，而陕北煤炭基地大规模、高强度的煤炭开采对水资源的影响程度一直是煤炭绿色开采的重要考核指标之一。为了研究陕北煤炭基地以水资源监测为核心的绿色开采监测，完善该地区水资源监测网的内容，以神南矿区柠条塔煤矿、红柳林煤矿、张家峁煤矿3座大型现代化矿井为例开展了水资源监测研究，结果表明：神南矿区内的萨拉乌苏组和风化基岩组为中强富水性含水层，烧变岩组为强富水性含水层，这3个岩组是区内的主要含水层，神南矿区针对区内不同含水层位共布置了60个监测钻孔，其中布置在萨拉乌苏组8个，烧变岩6个，风化基岩37个，直罗组基岩1个，延安组基岩8个。地下水监测数据通过自动监测系统的无线传输系统传输至数据中心，通过中心的监测管理软件实现数据的远程采集、远程实时监测。地表水监测则是在考考乌素沟上游及下游、肯铁令河、小侯家母河沟、塔沟、肯铁令沟、乌兰不拉沟及常家沟水库等地表水体各布置1个地表水监测点。通过以神南矿区60个地下水监测井、8个地表河流及泉监测点构成的水资源监测网为例，实施矿区水资源动态监控，以期为陕北煤炭基地煤炭绿色开采水资源监测提供借鉴。

• 基于SBAS-InSAR的矿区全盆地开采沉陷求参方法研究

  谭志祥, 杨嘉威, 邓喀中,

  传统测量手段监测矿区开采沉陷时所需的成本较高，且无法全面反映地表移动盆地的沉降情况。为了使矿区地表沉陷监测更全面高效，从而获得更高精度的概率积分预计参数，以内蒙古某矿区为例，先采用SBAS-InSAR技术处理27景Sentinel-1A卫星数据，获得2017年9月至2018年7月间的全矿区地表时序形变情况，再结合改进步长的果蝇优化算法实现地表全盆地3 723个点的共同求参。结果显示，工作面开采导致的地表最大沉降值为201 mm，与实测数据相比，其绝对误差的平均值为3.48 mm，标准差为51.16 mm，均方根误差为10.64 mm。研究结果表明：SBAS-InSAR技术与传统手段相比，对于监测矿区工作面开采引起的地表全盆地沉陷具有较大优势；此外，采用改进步长的果蝇优化算法能将全盆地开采沉陷结果用于概率积分预计参数的求取，得到一组效果良好的参数；获得的研究区域最优概率积分预计参数为：下沉系数q=0.33，主要影响角正切tanβ=1.83，拐点偏移距s=0.045H，开采影响传播角θ0=89°。研究成果为今后矿区地表的开采沉陷监测与概率积分预计参数确定提供了科学依据。

• 新疆煤基固体废弃物处置与资源化利用研究

  黄艳利, 王文峰, 卞正富,

  新疆煤炭资源储量丰富，是我国重要的煤炭生产接续区和战略性储备区，开发利用过程中产生的煤基固废合理处置与资源化问题是制约矿区环境保护的难题之一。总结分析了新疆煤基固废的理化特征和分类形式及其产生的地质背景。分析表明：吐哈、准噶尔、伊犁、库拜四大煤田产生的煤基固废的理化特征存在明显地区差异，以低阶烟煤为主的低变质煤田区域的煤矸石多以砂岩、黏土岩、钙质岩为主；通过对典型煤基固废的综合评价，提出了新疆煤基固废梯级资源化利用的产业链布局模式；提出了以煤基固废的就地充填为基础，协同发展保水开采、净水开采、储能开采等煤基固废利用的新方法，探讨了煤基固废-电-化、煤基固废-电-建等高附加值开发利用产业布局模式，详细阐述了煤基固废的发电利用、建材利用、化工产品制备、充填处置及工程填料等方面综合资源化利用方法的原理和技术路线，提出了以合理处置矸石和水资源保护为目标的煤炭资源高效集约化开采技术。研究成果对新疆地区优化煤炭产业布局、煤基固废梯级资源化利用及矿区生态环境保护具有重要的指导意义。