煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第2期

• 工作面顶板灾害类型、监测与防治技术体系

  徐刚, 黄志增, 范志忠, 卢振龙, 张震, 薛吉胜, 王传朋, 王元杰, 陈法兵, 李岩, 刘前进, 李正杰, 苏波, 李春睿, 张春会,

  长期以来顶板灾害在我国煤矿灾害事故中发生起数和死亡人数始终占据首位，是困扰煤矿安全生产的主要难题。开展顶板岩性、矿压显现特征和顶板灾害案例统计分析，结果表明：我国回采工作面顶板灾害主要表现为片帮冒顶、顶板大面积突然垮落和大面积切顶压架3种类型。系统分析了各类型顶板灾害的发生特点及致灾原因：片帮冒顶多发生于松软煤岩体，采煤方法不合理及工作面管理不当的工作面；顶板大面积突然垮落一般为坚硬顶板大面积悬顶、瞬时垮落所致；大面积切顶压架主要发生在薄基岩浅埋深工作面或顶板累积下沉量大引起顶板在煤壁处断裂的工作面。针对我国顶板灾害监测与防治，建立了工作面顶板灾害全景监测预警技术架构，即采用微震监测系统监测远场顶板活动，采用矿压监测系统监测近场顶板运动，采用三维激光扫描技术监测煤壁片帮时空演化，通过监测数据系统分析，动态掌握采场围岩的活动规律和支架工况，实现顶板灾害监测预警。提出了工作面开采全过程的顶板灾害综合防治技术体系，在工作面开采前确定合理采煤方法，合理工作面布置，科学开采参数及优化设备选型配套，这是防治顶板灾害的核心技术；在开采过程中保持支架良好的工况辅以顶板弱化技术，进而实现工作面顶板灾害防治。

• 厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制与防控技术

  杨科, 刘文杰, 李志华, 刘钦节, 池小楼, 魏祯,

  针对潘四东煤矿11513大倾角工作面煤壁片帮、支架滑移倾倒和顶板大面积来压问题，通过理论分析、数值模拟和现场实测的研究方法对厚硬顶板下大倾角软煤开采的灾变机制和防控技术开展研究。研究结果表明：在厚硬顶板下大倾角软煤开采初期，围岩塑性破坏主要集中在煤壁和底板岩层；邻近工作面区域煤岩体位移表现出煤壁挤出位移量>底板鼓起位移量>顶板下沉位移量的特征；由于厚硬顶板的存在，随工作面推进距离的增大，煤壁挤出位移量逐渐增大，煤壁片帮失稳的概率倍增。根据厚硬顶板下大倾角软煤开采围岩位移和变形破坏特征，结合现场观测提出厚硬顶板下大倾角软煤开采2种灾害模式，一是以“片帮-冒顶”为主导，诱发“支架-围岩”系统发生大范围失稳的动态互馈的时发性灾害，二是厚硬砂岩破断诱发冲击动力显现的瞬发性灾害。基于厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制，采用厚硬顶板深孔预裂爆破初次放顶技术，控制厚硬顶板运动；采取煤壁注浆加固、支架防倒防滑以及“铺金属网+工字钢”辅助液压支架管理破碎直接顶等措施，防治煤壁片帮和破碎顶板漏冒，保证“支架-围岩”系统的稳态工作。通过对支架工作阻力和煤壁片帮统计分析发现，11513工作面采取系列防治措施后，煤壁得到有效控制，初次来压时，支架工作阻力较为富裕，安全阀开启较少且支架无明显倾倒滑移现象，实现了厚硬顶板下大倾角软煤的安全高效开采。

• 工作面回采与支架回撤协同作业新技术

  王志强, 王树帅, 苏泽华,

  基于现有采区最后1个走向工作面与煤柱采出工作面开采衔接时间长、工艺复杂、煤炭采出率低以及支架回撤巷道掘进工程量大等问题，结合梧桐庄矿2号煤层三采区182312（简称312）走向工作面及182312外（简称312外）煤柱采出工作面地质生产情况，采用理论分析、工业性试验等研究方法，提出了工作面回采与支架回撤协同作业新技术：在312工作面回采过程中完成312外工作面生产系统，312工作面贯通三采右翼出煤巷，利用支架对出煤巷进行留巷，在312外工作面推至支架留巷段，边推进工作面边回撤支架。研究表明：由极限平衡区公式计算得支承应力峰值叠加区宽度为7.2 m，在压力拱载荷作用下，由不同支架控顶距计算得煤柱宽度为6.6～7.7 m，最终确定了贯通前让压煤柱宽度为8 m；分析了312工作面在贯通出煤巷前基本顶不同断裂形式及其让压调节机理，计算分析得基本顶预断裂位置超前合理断裂位置1.4 m，因此采用支架高阻力停采等压16 h；在312工作面距出煤巷50 m前完成了巷内补强支护；312工作面距终采线14 m进行挂绳铺网，并在距终采线2.4～13.0 m铺设风筒布；312工作面贯通出煤巷后，制定了支架留巷工艺；支架留巷完成后，开始回采312外工作面，在312外工作面推至支架留巷段，采用“掩护式迈步台阶支架拆除法”边推进工作面边回撤支架。此技术实现了出煤巷的“一巷三用”，提高了煤炭回收率，简化了工作面衔接及支架回撤工艺，节省了巷道工程量及支护费用，最终实现了工作面回采与支架回撤的协同作业。

• 强动压“三软”煤层巷道“卸-转-固”围岩控制技术

  徐佑林, 刘德成, 吴旭坤, 曹佐勇, 高永雄, 张仁松, 周泽, 周波, 许猛堂, 张辉,

  针对强动压影响下三软煤层巷道围岩控制难的问题，以仲恒煤矿三软煤层115-101回风巷为工程背景，通过现场调查、围岩松动和地应力测试，采用UDEC数值软件根据实际建立数值模型，研究了巷道变形破坏原因，并基于应力控制原理，提出受强动压影响的三软煤层巷道卸-转-固围岩综合控制理论。研究结果表明：115-101回风巷围岩松动圈范围0～5 m，应力峰值在深入围岩5～6 m处，采用卸-转-固围岩控制技术，在原有的29U型钢支护条件下，降低支护排距，根据煤层倾角及厚度设计并施工爆破卸压孔，在孔底连线安装炸药，利用自制的封孔设备将加固材料通过高压风压入钻孔进行封孔，实施爆破。爆破后，围岩应力重新分布，重新形成破碎区、塑性区和弹性区，并使应力集中的弹性区转移到围岩更深处，降低巷帮及底板浅部围岩应力集中，在巷道周围表层一定范围内形成低应力卸压圈，而在围岩深部形成了应力集中的自承载圈，集中应力主要由该自承载圈的岩体承担。该自承载圈的岩体处于围岩深部，基本处于三向应力状态，降低集中应力对巷道的破坏作用，稳定性得到很大提高。巷道围岩顶底板移近速率降低了79.43%，两帮移近速率下降了54.17%，巷道围岩变形量明显减少，有效控制了强动压影响下三软煤层巷道围岩变形。

• 张拉预紧式锚杆支护系统高能强化锚固机理研究

  王襄禹, 张卫东, 王广辉, 吴博文, 李军臣, 郑哲,

  目前传统转矩式锚杆预紧力损失大、锚杆主动性利用率较低，难以满足深部复杂困难巷道的支护要求，因此提出了张拉式高预紧锚杆支护技术，开发了张拉预紧式锚杆锁具及相关构件，并对系统在实验室进行了锚杆拉伸试验，结果表明：在锚具锥度为6°时，整个锚杆拉伸过程直至锚杆破断后锁具都可实现自锁，锚杆破断时，锚索总后退距离平均为3.3 mm，验证了锁具系统的安全性、匹配性及稳定性。而后采用数值模拟的方法建立了巷道锚固分离体模型，对比了低、高预紧力下锚固体的变形破坏特征与能量演化机制，最终得出高预紧力锚杆比低预紧力锚杆更能提高锚固体强度，减小锚固体受载变形的破坏程度，高预紧力产生的高储能可有效提高锚固体破坏峰值，减小破坏时的总耗散能，有效提高锚固体峰后残余能量。基于理论分析结果，在王庄煤矿91采区运输大巷进行了张拉预紧式锚杆与普通转矩式锚杆的对比试验，据矿压监测结果显示采用张拉预紧式锚杆的巷道段两帮最大移近量减少了32.6%，证明了提高预紧力构建高储能锚固支护体系可以有效减小巷道变形。

• 超深保护层开采巷道围岩控制技术研究

  张德飞, 张庆林, 张洪伟, 卢志国, 郑仰发, 范明建,

  华丰煤矿1 300 m超深保护层回采巷道稳定性控制是影响矿井安全高效生产的关键问题。基于现场地质力学综合测试、围岩非均匀性破坏机理研究，提出了超高强热处理预应力锚杆-锚注联合支护方案。研发了700 MPa级超高强热处理锚杆，其破断强度达850 MPa，冲击吸收功达100 J，并首次在1 300 m埋深煤矿巷道进行了工业性试验。开展了巷道锚杆支护力、顶板四点离层与围岩钻孔应力等多参量变化在线监测，分析得出：超深巷道在爆破开挖扰动下，距离掘进工作面80 m后围岩整体变形基本稳定，但围岩深部应力仍然长期蠕变且呈现大幅值增降循环规律。试验结果表明，相比较于同巷顶板全锚索支护方式，锚杆-锚注联合支护下回采超前段巷道变形量整体降低了50%，掘进支护效率提高了20%。

• 冲击地压矿井采区下山保护煤柱合理宽度研究

  刘金海, 郑学军, 刘虎, 王永, 卢绪涛, 王维斌,

  留设合理宽度的采区下山保护煤柱是防范采区下山发生冲击地压的关键。为探讨冲击地压矿井采区下山保护煤柱宽度的确定方法，以李楼煤矿采区下山保护煤柱合理的宽度确定为工程背景，运用矿压理论研究了工作面向采区下山推采过程中覆岩运动规律、支承压力演化特征、冲击地压类型及其发生机制，分析了现场工作面推采过程中的微震监测数据和应力动态监测数据，综合确定了李楼煤矿工作面采动影响范围，提出了以防范各类冲击地压为原则的采区下山保护煤柱宽度的综合确定方法，并进行了工程验证。结果表明：①随着工作面向采区下山推进，采区下山保护煤柱宽度逐渐减小，工作面超前支承压力与采区下山侧向支承压力及两翼工作面超前支承压力将发生叠加、集中，震动附加应力与采区下山侧向支承压力叠加程度逐渐增大；②采区下山可能发生静动载叠加型、应力叠加型和蠕变型等3类冲击地压；③工作面超前、滞后采动影响距离为235 m，侧向采动影响距离为110 m；④从防范采区下山动静载叠加型、应力叠加型和延后蠕变型冲击地压的角度，综合确定李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱宽度应≥235 m。回采后期现场监测结果与收尾情况初步验证了当前李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱240 m的合理性。

• 红土膏体充填材料及其物理特性试验研究

  余伟健, 万幸, 刘芳芳, 王直,

  充填开采是实现矿山安全绿色开采的重要途径，但要求充填材料来源广泛、成本低，且必须能满足充填工艺要求，因此，许多学者和技术人员投入了大量精力来研究和开发新型膏体充填材料。以广西百色州景煤矿为工程背景，使用取材方便、成本较低的红土代替粉煤灰，将其与煤矸石，胶结材料混合制成红土膏体充填材料。通过试验测量不同固体材料质量比，不同干料质量分数的红土膏体充填材料的坍落度、扩展度、泌水率，并使用RYL-600剪切流变仪进行单轴压缩试验，测其抗压强度与弹性模量，进而分析红土膏体充填材料的强度特性,以及材料配比与干料质量分数对其性能的影响规律。研究结果表明：同等条件下与传统粉煤灰型充填材料相比，红土型充填材料强度差别不大，并且红土具有成本低、取材方便以及对环境无污染等优势；干料质量分数对充填体强度影响最大，当为80%时性能最优；随着红土掺量增加，充填体强度会降低，数据显示，红土与水泥质量比在1∶1、1∶2、2∶1时均满足充填要求，矸石、红土、水泥质量比为6∶2∶1时，充填材料既符合膏体充填工艺要求，又能减少充填成本。用红土制备膏体充填材料能合理利用资源，降低成本，对充填开采具有一定借鉴价值。

• 深部冻结井筒内壁早期温度-应力场演化特征研究

  张基伟, 李方政, 喻新皓, 丁航, 孔令辉,

  为了研究深部热-力耦合条件下冻结井筒内壁早期温度应力问题，基于固体热传导原理与轴对称热应力理论，提出了考虑如内热源、外部冷源、塑料板摩擦约束、上覆井壁荷载和地层侧压力等多种边界条件的深井内壁大体积混凝土热-力耦合方法。获得了深部冻结井筒内壁早期温度-应力场演化特征，确定了易出现早期温度裂缝的高风险区，提出了混凝土早期温度裂缝防治措施优化方向。结果表明：①应用热-力耦合数值模拟方法求解出内壁大体积混凝土温度、应变最大值与现场实测结果较一致；②由于内壁水化放热导致内壁浇筑后中心位置的温度远高于内、外缘附近区域，极易导致温度裂缝的出现；③内壁浇筑初期，内壁各个位置应变为正，呈内缘至中部大于外缘的规律；浇筑后期，内壁外缘至中心区域出现收缩变形，应变最大为-6×10 -5；④内壁浇筑初期，内壁内部储存了一定的压应力，分布规律为内壁中部压应力大于内、外缘。随着内壁温度的不断下降，内壁外缘拉应力达到2.2 MPa，极易在此区域内出现井壁早期温度裂缝。

• 露天矿背斜区内排土场边坡基底处理方式优选研究

  赵红泽, 邵志奔, 杜海瑞, 邓有燃,

  露天矿内排土场边坡的稳定是露天矿顺利生产的重要保障，而排土场基底的岩层赋存条件是影响排土场边坡稳定性的重要因素。安家岭露天矿开采进入背斜影响区，现有内排空间无法满足排土需求，需要在背斜区进行排土。为解决露天矿背斜倾角较大区域倾斜基底排土场稳定性问题，以安家岭露天矿内排土场为研究对象，提出了针对背斜区倾斜基底进行处理的3个方案：基底麻面爆破处理，跟踪排弃台阶坡脚处拉抗滑沟处理以及背斜区倾角12°位置留设抗滑煤柱；使用Geo-studio软件Morgenstern-Price法研究在不同基底处理方式下进行背斜区单台阶跟踪排土，排土台阶的滑移模式以及稳定性变化情况。通过计算各个方案的经济成本，跟踪排土台阶稳定性系数以及背斜区域的单位排土量，构建了成本、稳定性系数、排土量3个评价指标，采用基于熵权TOPSIS法对所选指标进行加权，并根据方案与理想解的贴近度大小确定基底处理的最佳方案。研究结果表明：背斜区单排土台阶滑移模式为以排弃台阶坡顶至排弃物料内部的圆弧滑面为侧滑面，以沿着基底平面为底部滑面的切层-顺层滑动；相同排弃参数的排弃台阶，在基底坡度从陡变缓的过渡区域，排土台阶的基底平面接近于圆弧面，且单台阶排弃量增加,台阶稳定性发生突变，安全系数较上部台阶显著降低；通过基于熵权TOPSIS法对3个方案进行优选，确定麻面爆破方案为基底处理的最优方案。

• 煤中CH4扩散影响因素的分子动力学分析

  唐巨鹏, 邱于曼, 马圆,

  为从微观角度分析煤中甲烷扩散影响因素，以孙家湾、大同、双鸭山3种煤样为研究对象，基于XRD衍射试验结果，构建3种煤大分子结构模型，采用分子动力学模拟方法，研究压力、温度、CO2、H2O对CH4分子在煤中扩散的影响，揭示了不同影响因素下煤中CH4扩散系数变化规律。研究结果表明：压力增加，CH4分子在3种煤中扩散系数先减小后趋于稳定，当压力增大到一定值后孙家湾、大同、双鸭山3种煤中CH4分子扩散系数将分别稳定于1.084×10 -8、0.770×10 -8、1.137×10 -8 m2/s；相同压力条件下，3种煤中CH4分子扩散速率由大到小顺序为双鸭山煤、孙家湾煤、大同煤。温度升高，CH4分子在3种煤中的均方位移均增大，有利于其扩散，不利于其吸附；温度变化对CH4分子在3种煤中扩散速率影响程度由大到小为孙家湾煤、双鸭山煤、大同煤。在一定范围内，水体积分数增加对CH4分子扩散具有阻碍作用，含水饱和度增加对孙家湾与大同煤中CH4分子扩散速率影响较大，对双鸭山煤中CH4分子扩散速率影响较小，注水采气法对孙家湾煤矿与大同煤矿更有效。随CO2体积分数增加，CH4分子扩散系数减小。CO2对煤中CH4分子扩散抑制作用由强到弱为大同煤、孙家湾煤、双鸭山煤。与H2O相比，CO2对CH4分子在煤层中的扩散抑制作用更强，从分子动力学扩散系数角度表明煤层注CO2采气法更有效。

• 不同阻塞条件下的隧道火灾全尺寸试验研究

  田向亮, 钟茂华, 刘畅, 李全明,

  为了研究阻塞条件下的隧道火灾危险性，选取某隧道网络中的某一支路作为火灾试验区，采用轴流风机通风，额定通风量为27 m 3/s，以甲醇池火为火源，火源功率分别为0.25、0.50 和1.00 MW。通过改变火源功率和隧道内风门的开闭模式开展全尺寸试验，分析火源横截面和隧道中心线竖直截面风速、隧道纵向拱顶温升、隧道中心面纵向温升等参数，研究了不同阻塞条件下的隧道火灾烟气扩散规律，获得了抑制隧道火灾危险性的风门控制模式。 研究结果表明：①在隧道通风网络中，对称风流通过风门后，隧道截面距风门22 m处风速在整流作用下逐渐趋于均匀；②建立了考虑隧道阻塞比的隧道风量衰减模型，该模型可根据隧道阻塞比的变化预测隧道阻塞作用下的风量损失，同时可以计算沿程阻力损失的风量；③在自然通风条件下，当火源功率大于0.50 MW时，火灾烟气在火羽流作用下迅速向隧道拱顶浮动，通过对流换热使得拱顶温度急剧升高，对于隧道结构的稳定性具有巨大的破坏作用；可采用调节风门的方式控制通过起火区域的风量，从而优化隧道火灾危险控制模式，局部风速大小对火灾危险性影响不大；当起火区域风量不足时，人眼高度处温度升幅较大，不利于人员逃生与救援；④阻塞条件下隧道断面不对称进风流易造成风流结构紊乱，使得隧道火灾烟气温度分布不稳定，危险性较大。

• 浅埋近距离煤层群工作面上隅角贫氧致因及综防技术

  潘荣锟, 刘伟, 李怀珍, 晁江坤, 王亮,

  我国神东、平朔、大同煤田赋存着大量浅埋近距离煤层群，浅埋近距离煤层群具有煤层埋藏浅、煤层间距近等特点，在开采扰动下，层间易产生裂隙形成漏风通道，当地表空气进入上覆采空区，易引起上覆采空区遗煤自燃，间接影响下层煤开采过程中工作面上隅角的氧气浓度，造成贫氧现象。为了探究浅埋近距离煤层群工作面上隅角贫氧致因，提出防治贫氧的措施，以大恒煤矿91103综采工作面为研究背景，采用理论分析、CDEM数值模拟以及SF6示踪气体漏风测试等方法进行了研究。结果表明：地面裂缝、沉积现象明显；模拟煤岩损伤、破裂过程、裂隙发育，得出地表与上覆采空区、工作面贯通模型；利用连续定量释放SF6示踪气体在工作面进行漏风测定，测定结果验证了数值模拟中地表、上覆采空区以及工作面的贯通。工作面上隅角贫氧是由于浅埋赋存煤体破碎析出的低氧气体、采空区氧化衍生气体以及防灭火注入的惰性气体，在通风负压和大气压力的双重作用下，通过漏风通道进入工作面，加之U型通风方式的通风特点等多种因素共同造成的，其中工作面与地表贯通造成漏风严重是上隅角贫氧的主要致因。基于对贫氧致因的研究，大恒煤矿采用了井上下堵漏、安设风帘、埋管抽采、风机配合风筒等综合性防治措施，有效解决了工作面上隅角贫氧对安全生产的制约和影响，确保了工作面上隅角氧气浓度始终处于正常水平。

• 煤矿采动影响下地面井群瓦斯抽采范围研究

  孙海涛, 付军辉, 张志刚, 胡君,

  随着我国煤矿开采强度的日益提高，矿井回采空间瓦斯涌出量大幅增加，即使低瓦斯矿井也有瓦斯“爆涌”问题显现。如何进行大范围、区域化的连续抽采，形成对回采空间涌出瓦斯的低成本长效控制，依然是目前面临的重要难题。采动区瓦斯抽采地面井在地面施工,能够连续进行采动区/采空区抽采，是区域化连续抽采控制回采空间瓦斯浓度的有效技术。因此，在对采动区内覆岩裂隙场渗流特征分析基础上，建立了采动区地面井抽采条件下地面井周围采动影响范围内的气体压力衰减梯度变化函数，提出了以采动裂隙场内气体压力衰减梯度曲线拐点为依据的地面井有效抽采范围判定原则；进而，建立了采动区瓦斯地面井（群）抽采效果评估方法，并提出了抽采率指标的计算模型；最后，以晋煤集团岳城矿为背景，采用COMSOL Multiphysics数值模拟分析和现场小井群抽采试验相结合的方法对采动区瓦斯地面井小井群抽采的参数优化、应用效果等进行了对比分析与验证，证明了采动区瓦斯地面井（群）抽采具有很高的实用价值。

• 瓦斯压力和应力对裂隙影响下的渗透率模型研究

  蒋长宝, 余塘, 段敏克, 殷文明,

  煤层的渗透率演化对研究矿井瓦斯抽采、煤层气开采及钻孔优化布置起到至关重要的作用。为了研究瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合作用对煤岩渗透率演化模型的影响，基于应变，探讨了瓦斯压力和应力作用对煤体裂隙变形和渗透率的影响，构建了基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率理论模型，并结合前人的试验数据，对建立的基于瓦斯压力-裂隙及应力-裂隙耦合的煤体渗透率模型进行了对比验证。研究结果表明：①将煤体的结构单元体简化为立方体模型，分别分析了瓦斯压力引起的裂隙变形与煤体基质吸附变形引起的裂隙变形对煤体渗透率的影响；基于煤岩裂隙宽度与渗透率的关系，推导了瓦斯压力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。②侧向应力对裂隙变形的影响与煤体吸附所引起的内膨胀变形相似，均通过改变煤体骨架向裂隙内部膨胀来影响煤体裂隙的变形；通过试验数据验证了侧向应力和法向应力对煤体渗透率的影响机理相同，构建了三向应力-裂隙耦合作用下煤体的渗透率模型。③结合前人的试验数据，进行了全局优化非线性拟合，与基于有效应力的模型相比，所构建的模型与试验数据吻合度较好，验证了所建立模型的可靠性，并发现裂隙对法向应力的敏感性远大于侧向应力。

• 近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系研究———以山西吕梁沙曲矿区为例

  程志恒, 陈亮, 邹全乐, 王宏冰, 浦仕江, 齐庆新, 梁椿豪, 樊少武, 苏士龙, 闫大鹤,

  为掌握近距离煤层群叠加开采的应力-裂隙-瓦斯渗流规律，构建近距离煤层群煤与瓦斯高效共采技术体系及动态评价模型，以山西吕梁沙曲矿区为研究对象，采用物理相似模拟、超声波试验及SF6示踪气体现场监测相结合的研究方法，分析了沙曲矿区近距离煤层群煤层气资源的赋存特点，探究了沙曲矿区近距离煤层群多次扰动下煤岩损伤变量随应力的变化规律，建立了Boltzmann煤岩损伤方程，得出了沙曲矿区近距离煤层群叠加开采条件下采动应力演化-裂隙发育-瓦斯运移规律。研究结果表明：沙曲矿区煤层的孔裂隙结构特征不利于瓦斯运移，在近距离煤层群叠加开采条件下二次采动对于覆岩应力场和裂隙场的影响并非简单的效果叠加，而是“1+1＞2”的影响效果，下覆煤层在叠加开采下产生了贯穿型裂隙，并在其周围衍生了大量的次生裂隙，为煤层瓦斯运移提供了优势通道；根据沙曲矿区煤-气共采不同阶段的时空条件和消突要求，分区分级优选并集成了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术体系，即在规划区采用多种地面井规模化多煤层长时间预抽煤层气，在准备区采用多分支水平井井孔定向对接共采和保护层开采+底抽巷定向钻孔群抽采，在生产区采用大采高沿空留巷共采及大直径定向钻孔群共采技术；通过分析煤与瓦斯共采的影响因素，提出了近距离煤层群煤与瓦斯共采动态评价指标体系，建立了贝叶斯煤与瓦斯共采评价模型，实现了对沙曲矿区煤与瓦斯共采效果及矿井部署合理性的评价，得出沙曲一矿煤与瓦斯共采动态合理性概率为0.65、共采合理性等级为“较为合理”；最后阐述了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术存在的关键问题，展望了近距离煤层群煤与瓦斯共采技术未来发展方向。

• 煤矿井下CO来源辨识与浓度超限原因研究———以内蒙古串草圪旦煤矿为例

  周效志, 桑树勋, 谷德忠, 于海秋, 张泽文,

  为准确辨识井下CO来源，查明CO异常涌出与浓度超限原因，更好指导煤矿安全生产工作。 以内蒙古串草圪旦煤矿为研究实例，统计了该矿井下6103、6104和6106工作面1 059个气样组分测试数据，分析了采煤工作面、密闭采空区CO浓度变化特征，确定了井下CO主、次要来源，探讨了地质因素、工程因素对CO浓度超限的影响。研究结果表明：所有统计气样中，CO与O2浓度具有较好的负相关性，CO浓度超限主要在工作面上隅角、支架、密闭采空区等通风条件较差的位置；CO主要来源于煤炭开采氧化自燃，局部存在煤天然氧化次生CO；开采煤层埋藏浅、小型逆断层发育及煤变质程度低是CO浓度超限的地质原因；工作面长度过大，通风方式不合理是CO浓度超限的工程原因；地质与工程因素共同作用下，煤炭开采氧化自燃CO与天然次生CO叠加涌出，导致在风流速度低的位置CO积聚而引起井下CO浓度超限。

• 惰性气体对KHCO3冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响研究

  王燕, 林森, 李忠, 李璐, 温小萍, 纪文涛,

  主动式喷粉抑爆装置是煤矿甲烷爆炸的防控装备之一，该装置装填的超细粉体抑爆剂可在甲烷爆炸初期主动喷洒，使其中超细粉体颗粒形成冷气溶胶，减少后续甲烷爆炸危害。为进一步提升主动式喷粉抑爆装置的抑爆性能，探究冷气溶胶抑爆剂的抑爆规律，使用5 L爆炸管道系统，测试了N2和CO2两种惰性气体对KHCO3冷气溶胶甲烷抑爆性能的影响。试验结果表明：N2、CO2显著强化了KHCO3冷气溶胶对9.5%甲烷/空气预混气的抑制性能，相比于空气驱动的KHCO3冷气溶胶，气体介质中含有惰性气体的KHCO3冷气溶胶使甲烷爆炸最大压力下降更为显著，到达峰值压力时间也更长；CO2对KHCO3冷气溶胶抑爆性能的增效作用强于N2。其中，体积分数0.03 g/L 的KHCO3冷气溶胶仅使甲烷最大爆炸压力降低60.4%，而在气体介质内充入15%～20%的N2或5%～10%的CO2时，同浓度KHCO3冷气溶胶可以完全抑制甲烷爆炸，继续增加惰性气体的体积分数可以进一步减少KHCO3冷气溶胶用量，从而降低主动式喷粉抑爆装置的成本。试验考察了在不同浓度KHCO3冷气溶胶与不同体积分数N2、CO2作用下的甲烷爆炸情况，得到了KHCO3冷气溶胶与惰性气体的最佳抑爆用量配比，能够为基于KHCO3冷气溶胶的主动式喷粉抑爆装置的设计提供理论依据及技术参数。此外，讨论了含惰性气体的KHCO3冷气溶胶系统的甲烷抑爆机理，并分析了惰性气体的增效原因。

• 三维可视化技术在智慧矿山领域的研究进展

  李梅, 姜展, 姜龙飞, 孙振明,

  三维可视化系统是智慧矿山建设的空间信息基础支撑平台（4DGIS）的有机组成部分。首先介绍了三维可视化发展历程；其次，结合当前三维可视化技术发展趋势，从三维数据获取与建模、三维软硬件技术、三维专业应用3个层次开展全方位的技术归纳与总结。重点阐述了透明工作面勘探技术及三维建模方法，介绍了三维巷道数据获取的激光LiDAR、全景图像和全景视频、立体视觉和深度相机等新技术，以及WebGL、云渲染等前沿网络可视化开发技术，探讨了虚拟现实、增强现实硬件技术进展。在应用方面，剖析了三维可视化系统在矿山领域应用的难点问题，指出一个通用的三维可视化或者三维地理信息系统是远远不够的，三维可视化系统应该从可视化展示局限性，逐渐深入到透明化勘探、智能化采矿设计、智慧通风、安全生产综合管理、工业智能管控、地表环境监测、灾害事故反演、虚拟仿真培训等领域形成各具特色的专题应用。此外，还介绍了最新的CityGML、Geo3DML、三维瓦片等国际三维数据标准。

• 难采煤岩的高效破碎方法研究

  张强, 王聪, 田莹,

  针对我国难采煤岩比例日渐上升，传统煤岩开采方法效率低下的问题，开展了难采煤岩的高效破碎方法综述研究。首先按照工作原理分类，将现有的煤岩高效破碎技术分为纯射流破煤岩、射流辅助机械破煤岩、冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩、激光破煤岩、钻孔胀裂剂破煤岩，阐述了各煤岩破碎技术的工作原理，并初步总结了各技术的优势。其次综述了各煤岩破碎方法的研究现状，对当前国内研究基础进行了概括，并根据现有研究分析了各技术的局限性，通过建立的局限度指标，对不同煤岩破碎技术的局限性做出了评价，其中射流破煤岩局限度最低，激光破煤岩最高，冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩与钻孔胀裂剂破煤岩，在忽略理论局限指标基础上与射流破煤岩的局限度相同，具有同样的工程应用价值与理论研究价值。最后对我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势进行了分析，在考虑到国内煤岩地质条件向深部开采与难采煤岩发展的趋势基础上，提出了“高地应力的克服或利用”、“黏性煤岩的黏度预防或黏度失效”2个发展构想，另外考虑到我国物联网的发展与智能化开采的不断完善，提出了我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势与传统技术发展过程不同，是多种煤岩破碎技术并存且相互联合的构想，从而实现薄煤层、硬质煤层、高瓦斯煤层等其他复杂赋存条件下各种煤岩破碎技术的联合工作。

• 典型含煤地层锚固孔钻进动力特性与地层信息识别研究

  张幼振, 张宁, 刘璞, 居培, 何玢洁,

  为研究煤矿井下巷道锚固孔钻进动力学特性，满足煤矿智能钻探技术需求，以顶板锚固孔回转钻进为研究对象，结合钻柱动力学理论推导、数值解析、有限元仿真和动力响应信号识别技术，深入分析了典型含煤地层锚固孔钻进过程中的动力特性。推导建立了钻柱动力学模型，得出了钻柱系统动载受力的解析解，包括轴向力、切向力和转矩的计算方法。在典型煤层中，动载轴向力和切向力随压入深度的幅值区间为0.18～0.31 kN；动载轴向力和切向力随钻速的幅值区间为0.17～0.29 kN。进一步得出钻柱系统的振动加速度解析表达式，结合巷道支护工程背景，确定了钻柱系统的横向和纵向振动加速度是钻孔施工中衡量含煤地层特性的重要指标。通过有限元仿真分析了锚杆钻头分别钻进砂岩岩样、煤层岩样、孔洞砂岩和碎软煤样等4种典型含煤地层岩样时的载荷变化曲线，结果表明：钻进载荷在岩样强度变化时差别明显，在典型煤层中的仿真结果与解析计算的结果基本一致。利用制备的4种典型含煤地层岩样开展了实钻试验，通过加速度传感器对钻具振动信号进行采集和处理，并对振动加速度信号识别地层方法的有效性进行验证，试验结果表明：振动信号能够在锚杆钻头回转钻进条件下快速有效识别典型含煤地层特性，尤其在面对空穴发育地层和碎软煤层钻进的特殊工况时，钻进振动响应信号对地层识别效果良好。研究结果为煤矿井下巷道地层信息动态智能探测和钻探质量提升提供了有效途径。

• 考虑销轴间隙的液压支架运动虚拟仿真方法

  王学文, 崔涛, 谢嘉成, 沈宏达, 刘怡梦, 王彬彬,

  销轴间隙的存在会导致液压支架工作时发生横向倾斜，严重威胁液压支架平稳运行及支护状态。在对销轴连接结构分析的基础上，提出了考虑销轴间隙的液压支架运动虚拟仿真方法。分别从单销轴连接、双销轴连接以及多销轴空间约束3个方向对支架销轴连接结构进行分析，建立了液压支架多销轴约束模型；通过Unity3D为液压支架虚拟模型添加相关物理组件，基于重力及物理碰撞作用，实现了不同销轴间隙下液压支架姿态自适应调节；考虑后连杆销轴、前连杆销轴等7个因素对液压支架横向稳定性的影响，对仿真模型进行了七因素三水平的正交试验分析，并在液压支架样机系统上进行了试验验证，结果表明：仿真参数变化与实际液压支架运动参数变化基本吻合，立柱与底座连接销轴对于液压支架横向稳定性影响最大，后连杆与底座连接销轴的影响最小。该方法可为实现不同销轴间隙下液压支架姿态求解及其监测提供理论参考与应用借鉴。

• 采动覆岩高位离层演化特征及涌（突）水前兆信息研究

  乔伟, 赵世隆, 李连刚, 甘圣丰, 江传文, 刘梦楠, 张磊, 段玉路,

  采用理论分析、物理模拟和数值模拟相结合的方法，重点研究了招贤煤矿工作面的高位离层的时空演化，并将开采期间水位变化、微震监测数据作为高位离层涌（突） 水前兆信息，揭示了特厚煤层综放开采覆岩主控裂隙（纵向主导水裂隙和横向离层裂隙） 演化特征及离层水害机理。以永陇矿区招贤煤矿为研究对象，黄陇侏罗系煤田永陇矿区煤层覆岩具有弱胶结、泥质含量高和单层厚度大等特点，侏罗系覆岩之上为巨厚高水压白垩系含水层，厚及特厚煤层开采时易在侏罗－白垩系交界上下形成高位离层积水；当导水裂隙与高位离层积水沟通时，形成离层水害。离层水害具有瞬时性、大流量并伴随强烈矿山压力显现等特点。研究结果表明：当工作面达到充分开采时，采空区两帮离层裂隙较为发育，中部处于压实区，最大横向高位离层位于梯形破坏区顶部；工作面上覆亚关键层的周期性破断造成工作面周期性来压、高位离层空间周期性扩张、闭合，导致宜君组水位周期性异常下降；工作面经长时间停采，恢复开采后，重复扰动覆岩诱发覆岩岩体结构失稳，导水裂缝带沟通离层空间，造成离层涌（突）水；水位突降、水位下降速率突增、微震大能量事件可作为1304工作面突水前兆信息；关键层的破断会引起微震能量事件，伴随关键层的快速回转、下沉扩大离层空间，造成宜君组水位异常下降；工作面多次复采造成覆岩自稳能力逐渐劣化严重，加快离层涌（突）水通道形成，离层涌（突）水通道逐步增大；随着出水次数增加，水位提前下降时间减少，微震能量事件能量降低，涌水量增大；采动过程中离层涌（突）水的前兆信息－白垩系含水层的水位变化以及矿井微震监测数据验证了模拟结果是可信的。

• 基于LBM-DEM耦合方法的突水溃砂运移规律研究

  浦海, 郭世儒, 刘德俊, 许军策, 王健,

  我国西部矿区因其特殊的地质赋存条件及高强度开采方式易诱发突水溃砂灾害，迫切需要对灾害机理进行研究。为了解突水溃砂下水砂运移规律及致灾的关键原因，借助LBM-DEM耦合模拟方法对单裂隙开口通道模型中水砂两相运移问题进行了初步探究，通过对比截面流量及溃砂速率变化情况，分析了其受不同边界压力、裂隙开口宽度及砂层厚度的影响，基于Bulsara式拟合了不同边界压力时最大单位质量流量数值计算结果。研究结果表明：随边界压力增加，截面流量及最大溃砂速率单调增加，高压力下砂粒更容易在裂隙开口处堆积形成临时性密实结构阻碍水砂运移，截面流量及最大溃砂速率增幅逐渐降低，在Bulsara式基础上给出的修正式能较好的拟合最大单位质量流量曲线；随开口宽度增加，截面流量、最大溃砂速率和砂粒在开口处形成的密实结构体积均单调增加但增幅逐渐降低，发现灾害的关键影响因素之一为砂粒密实结构体积；随砂层厚度增加，砂粒密实结构持续时间增长造成阻碍效果逐渐增加，截面流量及最大溃砂速率逐渐减小且降幅逐渐降低，灾害发生点由初始水驱动砂快速流出裂隙孔口阶段转变为砂粒密实结构失稳造成砂粒倾泻阶段。

• 基于PCA-RA的滨海矿井水源识别技术研究

  陈绍杰, 刘久潭, 汪锋, 周景奎, 唐鹏飞, 高宗军,

  煤炭开采过程中矿井水害的发生，严重威胁着煤矿的安全生产，确定水源数量和类型对于矿井水害的防治具有重要意义。为了明确滨海煤矿矿井水补给来源的数量和类型，以龙口梁家煤矿为例，对矿区内不同水体（矿井水、第四系水和地表塌陷区积水）分别进行取样，并基于水化学和主成分分析-残差分析（PCA-RA）进行矿井水源识别。结果表明：梁家煤矿区内第四系水、地表塌陷区积水和矿井水中的主要化学组分含量差别较大，且受到了海水入侵作用的影响。就均值而言，矿井水中的阳阴离子质量浓度分别存在着ρ（Na +）>ρ（Ca 2+）>ρ（Mg 2+）>ρ（K +）和ρ（HCO -3）>ρ（Cl -）>ρ（SO 2-4）>ρ（Cl -）的关系。不同水体中，Cl -和Na +均为优势阴、阳离子，水化学类型以Na-Cl型为主，并且3种水体之间存在着一定的水力联系。选取的水化学数据适合进行PCA，但仅根据特征值大于1或是累计方差贡献率大于85%来确定主成分的数量，并不能很好地表征原始数据的全部信息。基于水化学和PCA-RA方法，确定了梁家煤矿矿井水共有5个补给来源，即海水、富HCO3基岩水、塌陷区积水、混合水和第四系水。PCA-RA法能有效地处理和表征原始水质数据信息，可更加合理地确定矿井水的补给来源类型和数量。研究结果可为滨海煤矿区的水害防治提供科学依据。

• 煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

  李波波, 王斌, 杨康, 任崇鸿, 袁梅, 许江,

  为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系，采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征，利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置，开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论，考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理，建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型，通过试验验证其合理性，对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明：①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙，其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好，具有2条清晰的宽度较大的裂隙，并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育，煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征，且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下，煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势，受孔裂隙结构影响，在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大，有助于瓦斯运移，渗透率呈上升趋势；④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高，与前人研究成果相比，无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用，且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。

• 基于掘进机随掘震源的巷道侧前方断层成像技术

  王季, 覃思, 陆斌, 吴海, 赵朋朋,

  基于掘进机随掘震源的地震超前探测，以掘进机切割煤壁和岩石时产生的地震波作为震源，通过在巷道内长时间连续采集地震波并从中寻找反射波实现巷道超前探测。为了使用连续的随掘地震数据实现巷道前方的地质异常体成像，分析了随掘反射波成像的原理，将数据处理和成像的过程分成了5个主要步骤，首先将随掘数据划分为多个一定长度的时间片段并对每个时间片段进行分析，从中挑选出掘进机正常工作时间较长的片段，通过与参考巷道互相关获得脉冲化记录，再依据每个脉冲化记录中直达槽波的信噪比筛选出合格的脉冲化记录，最后，采用基于射线的绕射偏移法对巷道前方和侧帮区域进行成像。并在阳煤榆树坡矿1215工作面回风巷内开展了随掘探测试验，由布置在煤壁内的检波器采集多日的随掘地震数据，对数据进行了处理和成像。结果表明：将掘进机随掘震源地震数据脉冲化后采用绕射偏移法可以实现掘进面侧前方断层的成像；随掘地震数据中包含大量无效数据，评价数据质量并筛选数据是提高成像质量的重要步骤；直接对掘进工作面前方成像缺乏理论依据，由成像结果推断侧前方断层与巷道延伸线的交点可实现巷道正前方断层位置的预测。

• 热接触变质煤制备石墨烯：化学结构演化

  王绍清, 沙吉顿, 张浩, 董泽宇, 王凯旋,

  作为具有优异性能的碳材料，石墨烯应用前景广阔。我国煤炭资源储量丰富，以煤为原料，探讨制备石墨烯的研究需不断深化。受岩浆影响的热接触变质煤具有高碳含量、高芳香度等特点，但其制备石墨烯的可行性值得研究。以淮北煤田朔里煤矿5号煤层为研究对象，采集3个靠近岩浆侵入体的热接触变质煤为原料。煤基石墨烯的制备采用改进Hummers法，原煤经石墨化后，通过氧化、超声剥离、还原成石墨烯。采用傅里叶变换红外光谱 (FTIR)、拉曼光谱和X射线衍射对煤基石墨、氧化石墨烯和还原氧化石墨烯逐一进行分析。结果表明：3个样品制得的煤基石墨的(002) 晶面间距均为0.338 1 nm。氧化石墨烯的分子结构中含有羧基、羟基和环氧基，在还原后这些官能团脱落并形成了还原氧化石墨烯结构中的缺陷。煤基石墨和还原氧化石墨烯的红外光谱都出现了羟基的特征吸收峰，区别在于煤基石墨中的羟基为石墨化过程中所残留的，而还原氧化石墨烯中的羟基则是氧化石墨烯未彻底还原所残留的。拉曼光谱分析的结果表明氧化石墨烯在还原后ID/IG>1，为还原过程中石墨烯片层表面的环氧基脱落形成的面缺陷所导致。由朔里热接触变质煤所制备出的还原氧化石墨烯的平均层数分别为4.29、3.97和4.31，均属少层石墨烯，热接触变质煤可作为制备石墨烯的原料。

• 煤分子结构模型构建及优化研究

  张志军, 王露, 李浩,

  从分子层面认识煤的分子结构特征对实现煤炭合理利用及高效转化具有重要意义。以淮北矿业集团青东煤矿煤为研究对象，通过工业分析、元素分析、核磁共振碳谱（13 C-NMR）及X射线光电子能谱（XPS）等测试方法，对其分子结构进行研究。结果表明，青东煤的芳香化合物以2、3环结构为主；脂肪结构以甲、乙基侧链及环烷烃形式为主；分子结构中芳香桥碳与周碳比为0.35。氧原子以羰基和酚羟基形式存在，氮原子分别以吡啶和吡咯形式存在，硫原子含量较低，在该模型中不再考虑。依此构建青东煤大分子平均结构模型，其分子式为C142H128 N2O3 ，分子量为1 910.60。煤的大分子结构中芳香结构单元包括2个苯环，2个萘，4个蒽；杂原子以2个羰基和1个酚羟基、1个吡啶和1个吡咯的形式存在。对单个大分子结构模型进行结构优化和退火动力学模拟研究，桥键、脂肪键等化学键发生了明显的扭转，分子内芳香片层之间的π-π相互作用使相邻芳香片层之间趋于近似平行排列；总势能由2 121.14 kJ/mol下降到1 255.85 kJ/mol，其中键伸缩能及范德华能占主导地位。将18个青东煤大分子模型构建成聚集态结构模型。经过分子力学和分子动力学模拟优化后，大分子受周围分子的制约，原本近似平行排列的片状芳香碳结构发生扭曲形变，结构杂乱。研究构建的青东煤大分子结构模型可为选择浮选药剂提供模型基础。

• 煤系通用型碳纤维的制备与研究

  刘金昌, 杨帅, 解强, 梁鼎成,

  与聚丙烯腈基碳纤维和中间相沥青基碳纤维相比，通用型碳纤维具有突出的价格优势，但较差的强度性能限制其只能应用在建筑补强等低附加值领域。因此，在控制通用型碳纤维制备成本的同时提高其强度性能从而拓宽其应用领域已然成为研究热点。迄今，原料选择与调整以及沥青前驱体合成方法的改进被认为是解决上述问题的极具潜力的途径。煤加工过程中副产的煤焦油等产品是制备通用型碳纤维的重要原料。结合我国能源结构特点，研发与优化煤系通用型碳纤维的制备方法和技术对我国碳纤维行业的发展具有重要意义。以煤系通用型碳纤维的制备研究为主旨，首先从原料的角度讨论了煤系原料的种类、前处理方法、性质与特点以及在用于通用型碳纤维制备过程中优缺点；此外，详细论述了通用型碳纤维的制备方法，包括热缩聚法、共炭化法、加氢聚合法和卤化-脱卤化法。未来的煤系通用型碳纤维的研究开发工作应该多集中于如何从分子层面实现沥青前驱体的可控合成，从而提高碳纤维的强度性能，而不应该再仅关注简单地改变原料比例和调整反应条件。