煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第3期

• 我国煤矿综放开采40年：理论与技术装备研究进展

  宋选民, 朱德福, 王仲伦, 霍昱名, 刘一扬, 刘国方, 曹健洁, 李昊城,

  综采放顶煤开采技术作为我国开采厚及特厚煤层的主要方法之一，其引入我国近40年来，放顶煤开采理论与技术实践在我国均取得了长足发展与进步。系统回顾与总结了我国在放顶煤技术领域所取得的标志性成就，结合综放工作面技术特征、理论演化逻辑与资源开采新理念，将其发展历程分为初期试验、发展成熟以及智能化无人开采3个阶段。主要针对综放采场支架与围岩关系以及顶板（煤）结构与稳定性、顶煤破碎运移放出规律、以及综放“三机”装备的进展4个方面核心内容，对我国综放技术的发展进行了总结；围绕综放采场支架与围岩关系以及顶板（煤）结构与稳定性问题，依据机采高度的变化描绘了我国学者关于该问题研究的基本历程；从顶煤破碎机理、综放采场顶煤冒放性分类评价以及顶煤放出规律理论3个方面，阐述了我国关于顶煤破碎运移放出规律的发展道路；放顶煤开采工艺研究方面，则从常规的综放工艺、特殊地质条件下综放工艺以及综放工序的时空配合关系展开，再现了我国学者的研究路线；同时简要阐述了综放“三机”装备的发展进程与最新成果。明晰了我国放顶煤技术的发展脉络与研究思路，分析并探讨了现阶段放顶煤开采理论与技术发展前沿的相关难题，为我国综采放顶煤技术的进一步发展提供了研究基础与思维启迪。

• 采煤工作面断层超前治理技术研究

  张敦喜, 杨张杰, 王庆牛, 李世辉,

  淮南矿区地质条件复杂，断层构造多，为了解决采煤工作面过断层期间大尺度顶板岩块超前抽冒、煤壁片帮、支架失稳、护帮护顶困难及压架等问题，研发了一种用于工作面过断层的超前预加固无机复合注浆材料，优选了“两堵一注”耐高压囊袋封孔方法及注浆机具，结合长距离钻孔测斜验证，提出了采煤工作面断层超前预注浆治理技术。依据采煤工作面中断层的产状特征及赋存条件，按照断层加固区注浆钻孔全覆盖和提高注浆钻孔利用率的思路，将工作面断层超前治理预注浆钻孔布置分为如下3种方式：①对于断层组或断层走向与工作面回采巷道走向夹角较小（小于45°）的单一断层构造带，可在回采巷道内垂直采煤帮布置平行递进式预注浆钻孔；②对于断层走向与工作面回采巷道走向夹角较大（大于45°）的单一断层构造带，可在工作面回采巷道巷帮钻场内集中布置扇形预注浆钻孔；③对于煤层厚、落差大的断层构造带，可采用巷钻结合方式布置预注浆钻孔。工程实践表明：采用采煤工作面断层超前预注浆治理技术能够提高过断层期间顶板强度及稳定性，可有效避免顶板岩块超前抽冒，煤壁片帮及支架失稳等问题，有利于工作面快速通过断层构造带，为采煤工作面的安全生产提供了技术支撑。

• 大倾角煤层沿空留巷弓形柔性掩护支架控制技术

  沈平, 姜永东, 杨启军, 邹勇, 谢英亮, 李广,

  大倾角煤层占我国煤炭总储量的15%～20%，在我国西部，50%以上的煤矿属于大倾角煤层，为了实现大倾角煤层沿空留巷，需研发新型沿空留巷技术。基于大倾角煤层开采岩层移动“厂”型结构模型，发明了弓形柔性掩护支架，并成功应用于石洞沟煤矿31321大倾角采煤工作面，实现了沿空留巷，减少了煤炭损失，提高了采出率。研究结果表明：研制的弓形柔性掩护支架系统具有刚柔并举的功能，即单根支架刚度大，能承受高压力，在垮落带矸石的推力作用下，支架系统可整体水平移动，具有柔性功能。通过现场试验，发现弓形柔性掩护支架沿空留巷，充分发挥了支架的支撑和掩护作用，支架承受顶板的压力较小，不会发生向下弯曲和断裂，支架与压实的垮落带形成的组合体结构，能有效控制矿山压力，正常时期、来压期间，支架安全系数分别为2.724、1.363，且支架可回收重复利用。研究成果为大倾角煤层无煤柱开采提出了一种新的方法。

• 深埋超长综采工作面矿压规律及支架适应性研究

  丁国利, 鲁喜辉, 武少国, 刘永强,

  为了探究蒙陕地区深埋超长综采工作面的矿压显现规律及液压支架的适应性，以葫芦素煤矿21102首采工作面为工程研究背景，采用矿压理论计算、现场动态实时监测和KJ21软件分析等多种手段对液压支架的工作阻力、工作面周期来压及超前支承压力的变化规律进行了分析研究。结果表明：葫芦素煤矿21102工作面顶板初次来压步距38.5～45.9 m，平均为41.4 m，基本与理论计算吻合。周期来压最大步距为31.9 m，最小来压步距为12 m，平均来压步距为22 m。基本顶来压时，动载系数最大为1.09，最小为1.03，平均为1.06，动载系数很小，说明工作面总体来压现象不明显；液压支架压力沿工作面倾向分为“低压区、高压区、低压区、高压区、低压区”5个区域，呈“马鞍形”分布；工作面压力在走向上分为“低压区、过渡区、高压区”3个区域；工作面超前支承压力影响范围约为工作面前方45 m，显著影响范围约为工作面前方18 m，目前超前支护距离20 m满足要求，在保证回采巷道锚杆JP2支护质量和单体支柱支设质量的前期下，现有的4排超前支护单体支柱可缩减为2排；从ZY10000-JP16/32型二柱掩护式液压支架在21102工作面使用情况来看，支架工作阻力富裕量较小，建议在蒙陕地区类似煤层赋存条件的综采工作面选用工作阻力在12 000～14 000 kN的液压支架，以防工作面停产、过空巷和过断层期间顶板压力大导致大面积压架事故。

• 我国东北矿区冲击地压发生特征及防治现状

  高家明, 潘俊锋, 杜涛涛, 闫耀东,

  东北三省是我国重要的煤炭生产基地，随着资源开采进入中后期，矿井开采深度加大，冲击地压事故频发，冲击地压防治工作面临巨大挑战。通过问卷调查和实地调研相结合的方法，分析我国东三省冲击地压目前的发生现状、矿井特征、发生特征、发生类型以及监测预警手段、防控防治方法等，剖析近年来典型冲击地压事故发生诱因，收集汇总矿方与监察部门反映及调研发现的共性问题并给出了建议。结果表明：东北矿区冲击地压发生历程可分为灾害初现、逐步增加、集中爆发和相对平稳4个阶段，矿区现有冲击地压矿井20座，具有煤层埋深大、赋存条件复杂、上覆厚硬顶板、地应力水平高等特征；冲击地压显现具有埋深较大，煤岩具有冲击倾向性和地质构造参与明显等共性特征，发生原因主要归结为上覆坚硬厚层顶板，开采布置不合理和地质构造活化等，近年来东北矿区典型冲击地压事故可划分为深部动静载叠加型和深部高静载加载型；东北矿区冲击地压防控工作开展较早，监测预警手段较全面且多种设备并行监测，但实际应用效率不高；现有冲击地压防治方法偏重局部解危，区域防范的重视与落实需进一步提升。

• 冲击倾向性煤岩动静载下破坏机理及声发射特性研究

  任建喜, 景帅, 张琨,

  煤矿巷道发生冲击地压破坏后果严重，具有冲击倾向性的煤岩具备发生冲击地压的潜质，在高应力状态下经动载诱发后极易发生破坏，其破坏与变形规律与常规静载不同。为了探究冲击倾向性煤岩在动静载下破坏及变形规律，以深埋煤层巷道高应力下具有冲击倾向性的煤岩作为研究对象,采用动载三轴及声发射检测设备，模拟煤岩所处高应力环境及动载条件，通过对比不同围压下的静载破坏试验，一定应力水平下动载诱发试验，不同应力阶段动载加载试验，分析其变形破坏机理及声发射能量演化规律。结果表明：与静载加载破坏相比动载导致煤岩提前进入屈服变形阶段且强度劣化明显，其破坏程度更加严重，并由剪切破坏转变为横向拉伸破坏；声发射点能有效定位煤岩破坏阶段内部裂隙发育区域及主破坏方向。煤岩达到动载破坏条件存在一个临界静载,未达到临界静载时煤岩在动载作用下裂隙发育及应变增长会逐渐稳定，超过临界静载后煤岩在动载作用下会迅速发生破坏。与静载相比动载后煤岩储存弹性能增加，破坏后释放更多能量；煤岩声发射能量事件主要发生在动载加载初期及峰后破坏阶段，动载加载后有明显凯泽效应。研究结论认为声发射能量演化规律可作为判断煤岩所处应力状态及先期动载加载应力水平的参考依据。

• 煤体单轴抗压强度统计与分级研究

  雷顺, 高富强, 王晓卿,

  为了解决现有煤体单轴抗压强度（UCS）测试数据利用率低的问题，采用数据筛选与分析、数理统计、聚类分析的方法，提出一种能比较有效地分辨、衡量煤体强度差异，并能对UCS测试结果进行定量评价和分类的方法。通过搜集整理山西、山东、内蒙古、陕西、新疆等主要产煤省份及地区129座矿井的808组煤体UCS数据，分析煤体UCS数据分布特征及分布规律并对测试结果进行评价，为煤体强度分级及煤系地层有关工程设计提供重要参考依据；基于煤体强度测试数据统计分析，将煤体强度进行分级同时根据其煤体强度分级与评价结果初步对煤矿巷道围岩支护参数类型提供参考和预测评估。结果表明：所统计煤体UCS分布范围为1.37～55.48 MPa，平均值为16.11 MPa，标准差为8.93 MPa，且满足正态分布。对煤体UCS分级：Ⅰ（1～10 MPa）、Ⅱ（10～15 MPa）、JP2Ⅲ（15～25MPa）、Ⅳ（25～JP40 MPa）、Ⅴ（40～60 MPa）。依据单轴抗压强度分级标准对其进行分值评价：非常差（0～10 分）、差（11～20 分）、较差（21～40 分）、中（41～60 分）、较好（61～80 分）、好（81～95 分）、非常好（96～100 分）。对煤矿单轴抗压强度进行分值评价，同时与不同支护参数进行对应分类划分，所提供的支护参数可为煤巷支护基本参数提供参考。

• 黔南灯影组巨厚含水层立井井筒帷幕注浆参数研究

  袁东锋, 高晓耕,

  黔南地区震旦系磷矿层顶板灯影组白云岩直接充水，且水文地质条件复杂，是制约矿井建设的主要因素。地面预注浆技术是井筒防治水的有效手段，在煤矿、铁矿、铅锌矿等矿山都有成功应用，鉴于溶蚀型白云岩含水层导水网络水文条件的复杂性，不能照搬现有井筒注浆帷幕设计参数。为取得黔南地区震旦系灯影组白云岩含水层帷幕注浆参数合理设计方法，运用理论分析、室内试验、工业性试验及工程类比等多种研究方法，对白云岩含水层溶蚀裂隙导水网络特征及黏土水泥浆扩散规律进行了系统分析，总结评价了灯影组含水层地面预注黏土水泥浆的可注性及其影响因素；然后充分考虑钻孔布设、压水试验成果、浆液配比及注浆效果检测等多方面因素，对黔南地区灯影组巨厚含水层立井井筒帷幕注浆参数进行了深入研究，结合类似工程案例确定了溶蚀型灯影组白云岩地面预注浆参数设计方法。研究结果表明：黏土水泥浆在灯影组含水层具有可注性，布孔间距宜取4.0～4.5 m，并推荐了黏土水泥浆成品浆液比例范围、稳定地层注浆段高70～100 m，破碎地层注浆段高30～50 m等注浆参数取值范围，注浆终止标准需同时满足设计注浆量和注浆终压要求。

• 基于最大周向应变的岩石复合型断裂准则解析与验证

  侯铁军, 满宇, 唐巍,

  为提高对线弹性材料复合型裂纹扩展预测的精确性，弥补常用的最大周向应力准则未考虑材料泊松比且无法区分平面应力与平面应变的缺陷，从应变角度出发，并考虑了非奇异应力项（T应力）在脆性断裂中的作用，建立了基于最大拉应变准则的线弹性材料裂纹扩展判别准则，研究T应力和泊松比对岩石裂纹扩展的影响。结果表明：裂纹倾角β<45°时，裂纹起裂角预测结果随无量纲特征距离α的增大而增大；裂纹倾角β＞45°时，裂纹起裂角预测结果随α的增大而减小；考虑T应力的最大周向应变准则起裂角预测值与试验数据更加吻合，裂纹扩展受T应力和应力强度因子的共同作用，T应力和无量纲特征参数均对岩石裂纹断裂特性具有很大影响，采用考虑T应力的最大周向应变准则判断岩石裂纹的断裂特征能够弥补基于应力的裂纹扩展判别准则的不足。

• 煤矿固体废弃物流态化浆体充填技术

  古文哲, 朱磊, 刘治成, 宋天奇, 潘浩, 张新福, 秋丰岐, 赵萌烨, 黄剑斌,

  煤炭资源为我国工业和经济社会的发展提供了基础动力，但是其大规模的开采和利用带来了一系列环境问题。为解决我国煤炭行业普遍面临的固体废弃物排放、环境污染等难题，通过总结传统固体废弃物处理技术的发展历程和技术瓶颈，明确了新型处理技术的具体要求，并创新性地提出了流态化浆体充填技术构想，阐述了其内涵和优势，详细介绍了流态化浆体充填技术包含的6项核心技术：智慧管道输送、四维协同充填、高效精准制浆、采动覆岩钻进、全息远程控制和安全生产保障技术。在此基础上，提出了井下智能分选+就地制浆充填和智能化浆体充填2大技术发展方向，初步形成了煤矿固体废弃物流态化浆体充填技术架构，并结合实际案例予以说明。流态化浆体充填技术的提出为我国矿山企业提供了全新的固废处理方法，丰富了我国煤炭行业固体废弃物处理技术体系，为实现煤炭资源绿色开采、清洁利用和零废排放奠定了基础。

• 基于萃取技术的煤自燃抑制机理研究及展望

  郭军, 金彦, 郑学召, 蔡国斌, 宋玉姗,

  作为一种有效的煤分子微观结构研究手段，萃取技术能够破坏、分离煤分子结构当中特定的基团结构单元。利用萃取试剂提取官能团、自由基、小分子化合物等微观煤自燃进程主体反应活性结构，并依据红外光谱、核磁共振等测定结果，可进行煤分子表征构成、微观煤自燃反应序列推定等研究。通过文献调研梳理了国内外学者在煤自燃领域应用萃取技术的研究进展，分析了不同微观活性结构在煤自燃反应进程中的主导阶段，归纳了萃取试剂进行煤分子微观结构靶向提取的工作原理，阐述了各类萃取辅助技术对于煤体结构的修饰效应。各类研究成果将为不同变质程度煤体自燃各阶段内的基团反应序列推定提供理论基础，为煤自燃阻化材料的配置提供材料优选基础，为萃取辅助技术的发展和创新提供研究思路。展望了煤分子活性结构靶向萃取技术在微观煤自燃机理深入研究和煤自燃事故防控技术发展两方面的应用前景。并基于萃取技术发展革新的实际需求，提出了发展兼具高效性和靶向性的新式萃取技术，萃取辅助技术联用以提升煤分子修饰效益的工作机制，分析了煤体萃取反应工作环境参数的影响作用等不同方面的研究思路。旨在充分开发基于萃取技术的微观煤自燃倾向惰化机制研究及煤自燃防控应用技术的革新突破。以期从根本上实现煤自燃的高效防控，保障煤炭资源绿色、安全开采，推动煤炭工业可持续发展。

• 煤与瓦斯突出对矿井通风系统的影响研究现状及展望

  魏连江, 李胜, 魏宗康, 王梦薇,

  为研究煤与瓦斯突出灾变时期矿井通风系统灾变机理以及瓦斯爆炸二次灾害的防控机制，从冲击波对通风系统的影响、突出瓦斯对通风系统的影响以及突出煤体对通风系统的影响3个方面综述了煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究现状：首先，分析了冲击波破坏通风设备设施的影响因素以及冲击波在巷道中的传播规律；其次，分析了突出瓦斯在巷道中的运移过程及其诱导井下风流灾变规律；最后，分析了突出煤体在巷道堆积的影响因素。结果表明：冲击波的破坏效应与冲击波超压等因素有关，冲击波在巷道中的传播受巷道截面面积等的影响；突出瓦斯在巷道运移过程中产生的瓦斯风压能导致井下风流灾变；突出煤体在巷道的堆积主要与煤层深度和煤与瓦斯突出强度有关。根据煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究现状，结合当前煤与瓦斯突出模拟试验条件，分析了煤与瓦斯突出对通风系统的影响研究成果存在的不足及其原因，并针对当前研究成果存在的不足提出了改进煤与瓦斯突出对通风系统影响规律研究的方向。煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究成果可以应用于煤与瓦斯突出影响范围的快速研判，以提高煤与瓦斯突出灾变时期的辅助应急决策能力。

• 基于长距离密闭取心的煤巷条带瓦斯预抽效检研究

  冯强, 龙威成, 李振福, 孙四清,

  区域瓦斯抽采效果检验是“四位一体”综合防突工作的重要一环，寺河矿采用残余瓦斯含量作为预抽煤巷条带瓦斯区域防突措施效果检验指标，采用常规取心测定瓦斯含量分段评价瓦斯抽采效果，该效检方法存在评价范围小、检验点轨迹偏差大、掘进与效检交叉作业等问题。在研究煤矿井下煤层长距离密闭取心技术及工艺的基础上，提出了基于长距离密闭取心的煤巷条带瓦斯预抽效果快速检验方法，并选择东区工作面瓦斯预抽煤巷条带进行试验。根据寺河矿试验结果，长距离密闭取心测定煤层瓦斯含量为常规取心测值的1.26～1.71倍，煤巷条带瓦斯预抽一次效检范围由90 m扩大至390 m。研究表明，基于煤层长距离密闭取心的煤巷条带瓦斯预抽效检方法是可行的，该方法实现了煤层钻孔精准定点、长距离、密闭取心，提高瓦斯含量测定结果准确度，大幅扩大区域瓦斯预抽效果一次效检范围，减少掘进工作面生产与效检工作的交叉作业，促进了矿井生产“抽-掘-采”平衡。

• 急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术研究

  郑三龙, 范酒源, 王刚, 王恩茂,

  由于急倾斜煤层地质条件与开采工艺的特殊性，在采用水平分层开采方式时下部卸压煤体释放的大量瓦斯流向回采工作面造成安全问题。为了治理急倾斜煤层综采工作面底部煤体瓦斯的威胁，降低急倾斜煤层底部煤体瓦斯流向回采工作面的浓度，提出了将水射流割缝与高压水力压裂相结合，形成切槽定向致裂增透急倾斜煤层底部区域煤体的瓦斯高效抽采技术。在神新集团乌东煤矿北区+500 m水平45号煤层东翼南巷40—400 m至上分层+525 m水平进行了工程试验研究。讨论与分析了急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术的增透原理与工艺流程，制定了详细的现场工程试验方案，优选出了适用于急倾斜煤层切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术的整套工艺技术装备。研究结果表明：采用切槽定向致裂瓦斯高效抽采技术增透急倾斜煤层回采工作面底部煤体瓦斯富集区域后，切槽定向致裂钻孔在注水压力为20 MPa条件下的瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升了6.7倍，割缝钻孔瓦斯抽采纯量较普通瓦斯抽采钻孔提升了3.0倍；增透直接扰动半径约为6 m，70 d的抽采时间内影响半径已达到8 m以上。研究结果表明应用此技术治理急倾斜煤层回采工作面底部煤体瓦斯效果明显，有效保障了上分层回采工作面的安全生产。

• 黔西突出煤的微观孔隙分形特征及其对渗透率的影响

  薛海腾, 李希建, 陈刘瑜, 刘钰,

  煤层气的运移、赋存与煤体内部孔隙结构密切相关。为研究贵州突出煤体的微观孔隙对其吸附性能及渗透能力的影响，以黔西青龙煤矿和兴隆煤矿的构造煤与原生煤煤样为研究对象，利用全自动氮吸附仪测得煤样的低温液氮吸附曲线，根据分形理论、毛细管平均迂曲度分形模型、渗透率模型计算得到了煤样的孔隙分形维数Df、毛细管平均迂曲度分形维数DT、渗透率K，并从分形的角度研究了黔西突出煤的微观孔隙分形特征与其吸附性能及渗透率的关系。研究结果表明：黔西突出煤孔隙度较低，迂曲度τ较大。随着毛细管平均迂曲度分形维数DT、迂曲度的增大，瓦斯的最大吸附量VL增加，Langmuir压力PL降低，瓦斯吸附速度增大。渗透率K与DT有较好的负相关关系。煤的渗透率低、瓦斯吸附能力强是贵州省矿区频发煤与瓦斯突出的主要原因。

• 带式输送机压陷滚动阻力温度特性试验研究

  周利东, 韩亮亮, 孟文俊, 王雷, 曹雪芹, 陈向辉,

  为研究温度对带式输送机压陷滚动阻力的影响，采用在实验室进行不同温度下压陷滚动阻力试验的方法，并对采集的数据进行数据处理和曲线拟合，得到了不同温度下带式输送机压陷滚动阻力和压陷滚动阻力系数的变化曲线。试验结果表明：在载荷、带速恒定的情况下，环境温度小于0 ℃时，压陷滚动阻力和压陷滚动阻力系数随温度的升高而增大；环境温度为0～25 ℃时，压陷滚动阻力和压陷滚动阻力系数随温度的升高而减小；环境温度大于25 ℃时，压陷滚动阻力和压陷滚动阻力系数随温度的升高而增大。其次在温度、载荷恒定时，压陷滚动阻力随带速的增加而增大；在温度与带速恒定时，压陷滚动阻力随载荷的增大而增大。

• ZYWL-4000SY型遥控钻机设计及关键技术研究

  张始斋, 王庆文,

  针对煤矿井下钻探工作环境恶劣，工人劳动强度大，容易发生安全事故的情况，设计开发了ZYWL-4000SY型遥控钻机，介绍了该钻机的总体方案，简述了钻机的基本性能参数和主要结构特点，并结合井下钻进施工的流程，详细论述了钻机的液压系统、自适应钻进技术及关键零部件的优化设计等关键技术问题。通过智能防卡钻技术，降低了钻进作业中因地压、瓦斯压力突变导致的抱钻等事故发生的概率，提高了接、卸扣过程中电控比例电磁阀的控制精度及增设溢流系统，满足了动力头钻进与旋转速度的匹配需求，使主动钻杆使用寿命延长2倍以上。通过四关节机械手实现了将钻杆箱中的钻杆准确运送至双夹持器，并与主动钻杆轴线保持一致，为接扣做好准备；并将夹持器卸完扣的钻杆准确送回至钻杆箱，代替人工操作。钻杆箱作为钻杆的盛放系统，与机械手配合实现了打钻和卸钻的完整结合，为钻机连续性工作提供了保障。通过对现场生产应用案例分析证明，遥控钻机可以通过机械手代替工人进行上下钻杆工作，实现一键自动化打钻卸钻，有效降低了工人的劳动强度，实现减人增效；钻机通过防卡钻程序控制钻进过程，有效避免卡钻事故的发生；通过遥控无线操作，避免施工过程中工人与钻机的接触，提高了钻机的安全系数。

• 煤矿坑道钻探钻杆断裂智能CT检测研究

  贾晓亮, 秦怡,

  在煤矿钻杆生产和加工过程中，由于加工、生产、制造等工艺缺陷易造成钻杆自身存在间隙、夹杂、裂纹、缺陷和密度不均匀等质量问题。而在煤矿钻杆在井下钻进过程中，由于钻杆受到复杂钻进外力的影响，通常会因钻杆本身质量问题而造成钻杆发生断裂，进而阻碍正常生产，造成重大经济损失。针对这些问题，采用传统工业CT检测方式，可有效检测出钻杆本体存在的气孔、裂纹、间隙、缺陷等质量问题，进而提高钻杆加工工艺和成品质量。然而，在传统的钻杆CT检测过程中，采用人工装配和卸载钻杆的方法进行上下料，存在检测效率低、收益小、自动化程度弱等缺点，不能满足煤矿设备智能化发展的要求。在此基础上，将智能机器人系统、流水线扫描技术和伺服运动控制引入钻杆工业CT检测系统中，该检测系统主要由图像分析软件、电气控制软件、射线源系统、探测检测系统、运动伺服系统、智能机械手及其控制系统、流水线扫描系统以及安全防护系统等组成。采用上、下2层控制结构，将智能机械手及其控制系统作为从站，将运动伺服系统配置为主站，通过上位机软件控制这些底层系统的运行、动作，实现智能化钻杆CT扫描、断层分析和结构检测等功能。从而，可大幅缩短人工上、下料的时间、增强钻杆检测的效率和检测工艺，保证钻杆装备智能、安全、高效地进行，进而提高钻杆加工、制作等工艺流程，提高钻杆本体质量。

• 液压支架健康评估与寿命预测模型研究

  马旭东, 王跃龙, 田慕琴, 许春雨, 宋建成, 陈昆, 宋单阳,

  为解决当前综采工作面液压支架健康状态评估和寿命预测的迫切需求，提出了一种应用于液压支架的层次型模糊综合评价方法。该方法采用基于三标度法的改进型模糊层次分析法计算健康状态参量的权重向量，引入变异系数和梯形模糊数的概念对评价结果去分歧化，提高了综合评价结果的一致性和有效性。在综合评价的基础上可得到液压支架健康指数和综合健康水平。同时，在此基础上建立了基于健康指数的液压支架寿命预测模型，实现了液压支架综合健康管理。以晋煤集团古书院矿152313工作面所使用的液压支架为例分析健康状态评估和寿命预测，结果表明;该方法所预测的评估时刻到失效大修的剩余寿命为13.45个月，而这与预期大修时间13个月基本一致，验证了上述模型的合理性和有效性。

• 无反复支撑自移带式输送机机尾中间架结构优化设计

  马联伟,

  针对煤矿传统掘进工作面“退机—人工拉移—人工调偏—地锚固定”的带式输送机机尾拉移工艺现状，为实现高效快速掘进，研制了适用于破碎顶板掘进工作面的新型无反复支撑自移带式输送机机尾。综合考虑自移机尾输送能力、输送带带宽、带速、托辊结构形式以及抬升机构等因素，进行了中间架架体结构设计；为提高自移机尾中间架架体的可靠性与适用性，基于工程实际与虚拟样机技术，建立了自移机尾中间架实体模型；根据自移机尾工作过程，选定最恶劣工况下中间架体受力作为静力学仿真分析载荷；通过仿真分析发现了中间架体的薄弱环节，并进行了结构优化。优化后中间架体所受主应力由优化前的150 MPa降低至35 MPa左右；架体最大变形量减少36.1%，中间架体强度、刚度得到了明显提高，有效保障了无反复支撑自移机尾在井下安全、可靠运行。同时，分析发现在型钢焊接中，接头处易发生应力集中，此处焊缝的焊接质量对整机的使用寿命有显著影响。

• 基于手机图像处理的煤炭GSI检测系统设计与实现

  王泰华, 董征, 刘加奇, 郭红玉,

  煤炭地质强度因子（GSI）是煤矿工程中一个重要参数，反映了煤体强度的稳定性。使用Android Studio软件开发设计了基于Android手机平台的煤炭地质强度因子（GSI）检测系统、将煤炭样本制成相应规格的煤心后，通过手机拍照或相册获取煤炭图片，然后对其进行图像处理后得到煤炭裂隙图，再根据分形维数对煤炭裂隙图进行处理即可计算出GSI数值，并能即时显示检测结果。利用Java语言和OpenCV计算机视觉库在Android手机上实现煤炭GSI图像处理与检测。结果表明：通过该系统获得的GSI数值与实际数值具有线性拟合关系且误差较小，检测时间小于5 s，大幅缩短了GSI数值确定的时间，减少传统人工测定产生的差异，对煤矿勘探和开采具有一定的实际应用价值。

• 浅埋煤层采空区直流电法探测水槽模拟试验研究

  解海军, 屈婷婷, 李志强,

  浅埋煤层采空区因其埋藏浅，易造成地表塌陷，给人们生产和生活带来严重影响。直流电法探测是查明其分布状况的有效手段，浅埋煤层采空区直流电法探测电性响应特征研究可有效指导野外生产并提高探测精度。以直流电法的探测理论为基础，以水槽模拟为研究手段，选用不同介质模拟充气高阻浅埋煤层采空区和积水低阻浅埋煤层采空区，根据相似准则建立了浅埋煤层采空区的地电模型，通过水槽模拟研究了直流电法温纳装置、施伦贝谢装置和单边三极装置下浅埋煤层采空区的地电场响应，通过不同图件对比分析了高阻、低阻采空区在直流电法3种不同装置上的响应特征。水槽模拟试验结果表明：浅埋煤层采空区在直流电法不同装置上均有明显的电性差异，四极测深和三极测深均能较好地反映出高、低阻采空异常体在平面上的位置；温纳装置对高、低阻采空区反应都较好，且垂向分辨率较高；施伦贝谢装置随探测深度加大分辨率会降低；单边三极装置对采空异常反应最为灵敏，但异常位置稍有偏差。

• 复杂水文地质条件下矿井水害综合防治技术研究

  张耀辉, 熊祖强, 李西凡, 王䶮,

  针对大石河通过导水通道引起矿井采空区积水增加的现状，为了解决采空区积水引起的煤矿安全生产问题，在掌握矿井水文地质条件的基础上，分析了矿井涌水增加的原因及地表水对矿井的危害，并利用多功能注浆材料采用地面帷幕注浆和煤柱加固的方法对导水通道封堵和提高煤柱防水能力，消除由于地表水引起的矿井突水隐患。在施工过程中优化施工工艺和设备，并采用瞬变电磁和钻孔窥视检验治理效果。研究结果表明：地表水与小煤窑采空区沟通，形成持续高压水，严重影响工作面安全回采。根据工程需要研发了多功能注浆材料，该材料能够适用水灰比（6.0～0.8）∶1.0，凝结时间为4～41 min，抗压强度为0.84～18.70 MPa，且可通过调节水灰比满足不同施工需求，帷幕注浆和煤柱加固的综合治理方法可在阻断导水通道的基础上加固煤体，提高煤柱防水能力，防止突水事故的发生。对比帷幕注浆加固前后瞬变电磁探测结果发现，加固区域电阻率大幅提高，视电阻率由5 Ω·m提高至40 Ω·m，富含水区范围缩小，钻孔窥视结果表明注浆加固能够较好加固破碎煤体，浆液能够填充煤体裂隙，胶结情况良好，通过注浆加固消除了矿井突水隐患，保证了工作面安全回采。

• 准噶尔盆地南缘富CO2低阶煤层气藏的形成机理研究

  李站伟, 汤达祯, 唐淑玲, 蒲一帆, 张奥博,

  准噶尔盆地南缘部分地区低阶煤储层中CO2的富集，不仅反映了煤层气系统形成和改造过程受多元干预作用，也影响到煤层气资源的品质。为查明该区煤层中富CO2低阶煤层气藏形成机制，基于煤层气排采井气样，开展了煤层气地球化学研究。结果显示：准南地区煤层甲烷碳、氢同位素整体上偏轻，δ13C CH4为-6.82%～-4.38%，δ13D CH4为-29.00%～-30.41%；米泉地区煤层气以生物成因气为主，四工河及玛纳斯地区深部煤层主要发育热成因气，白杨河地区则以混合成因气为主；准南地区煤层气中CO2浓度差异大，多元地质因素干预明显，二氧化碳碳同位素偏重，δ13C CO2为-1.54%～2.51%，CO2来源主要为煤化作用初期热解和微生物成烃伴生。地下水动力条件是决定CO2富集的关键因素，煤化作用初期生烃阶段产生的CO2在滞流条件下聚集，微生物作用伴生CO2在弱径流条件下混入保存；煤层自燃致使烧变岩系发育，进而地表水下渗作用增强所引起的非烃类气体参与煤层气成藏，则符合真正意义上煤层气风氧化作用机制。综合研究认为，差异性地层水溶解消耗作用以及生物成烃改造作用主要影响煤层CO2的分布特征，煤层气成藏过程中存在的CO2干预作用形成了封闭滞流原位型、半封闭扰动型以及开放连通型三类煤层气藏，承载着煤层气成因、煤层气藏赋存特征等信息。

• 青龙寺井田主采煤层古泥炭沼泽演化规律研究

  王双美,

  煤相及相关地球化学特征可揭示主采煤层形成时古泥炭沼泽的水介质条件及演化序列，为煤炭清洁利用、富油煤的赋存特征等研究提供地质依据。基于神府矿区青龙寺井田主采煤层5-2煤的显微组分特征、煤化学性质和元素地球化学等测试分析结果，划分了宏观煤岩类型，总结了煤化学特征，重点对该煤层的煤相及微量元素分布特征开展了精细研究。结果表明：从底板至顶板方向，5-2煤层垂向显微组分含量构成6个演化旋回，对应煤相演化的6个阶段，其中第Ⅰ阶段至第Ⅲ阶段，成煤作用由湖泊湿地沼泽相开始，至下三角洲平原低位沼泽相或山前冲积平原干燥森林沼泽相结束。第Ⅳ阶段至第Ⅵ阶段，成煤作用主体经历了湖泊湿地沼泽相。时间序列上，5-2煤层的沼泽水体的水介质条件呈现出波动式变化，第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅳ阶段水动力条件经历了由强变弱的演化过程，第Ⅲ阶段水动力条件经历了由强变弱再增强的演化过程，第Ⅴ阶段至第Ⅵ阶段水动力条件由弱至强的演化趋势，阶段内部存在不同程度的波动变化。单个旋回多表现为底部盐度低、顶部盐度高的特征，且各演化阶段盐度变化的趋势与煤岩学参数指示的水动力条件变化趋势基本一致。

• 陕南石煤矸石中主要伴生元素迁移规律研究

  张卫国, 杨帆, 张池, 王凯玲, 李明超, 赵志成,

  石煤是特殊的煤，因其伴生多种元素而被重视。陕南地区石煤资源丰富，石煤矸石中伴生有多种有害元素。为查明石煤中有害元素向周边环境的迁移能力及规律，通过测试石煤及其矸石中钒、铬、钼、磷元素的含量，发现陕南石煤样品中钒、铬、钼、磷元素含量较高，普遍高于中国煤中元素含量均值，钼元素富集特征明显。矸石样品中也普遍富集钒、铬、钼、磷元素。利用浸泡试验模拟4种条件下石煤矸石中钒、铬、钼、磷元素的浸出（迁移）过程，试验周期长12个月，计算了浸泡条件下矸石样品中4种元素的浸出率，结果显示：酸性环境更有利于钒元素迁移，偏酸、偏碱条件都能增大铬元素的迁移性能；石煤矸石样品钼元素在4种类型溶液中迁移能力总体较弱，酸性环境更有利于磷元素迁移，而碱性环境能抑制磷元素的迁出；石煤矸石中钒、铬、磷元素在酸性溶液具有较高的浸出率，不同样品中钒、铬、磷元素浸出率变化趋势相似，石煤矸石中钒、铬、钼、磷元素在碱性溶液的浸出效率总体较低，碱性环境在一定程度上对矸石中钼和磷的迁出存在抑制现象。石煤矸石中钒、铬、钼、磷元素在矿井水溶液的浸出效率总体不高，矿区周边水环境有利于铬和磷元素的迁移，应当引起高度重视。

• 绒囊钻完井流体在煤系三气合采中对储层伤害的研究

  杨刚, 吴通, 孟尚志, 刘皓, 张林强, 时翔宇,

  绒囊流体在单一煤层气藏和致密砂岩气藏等非常规储层的工程作业效果和储层伤害控制效果皆满足现场要求，但由于没有合适的评价方法，室内仍缺乏对合采储层的整体伤害试验评价应用于煤系合采地层。室内试验利用可分别计量单层和多层合采流量、压力的储层伤害评价系统，模拟临兴煤系储层压力及温度条件，选用下石盒子组致密砂岩及太原组煤岩共7枚，采用气体恒流量法，测试砂/煤单层开采模式、“砂+煤”双层合采模式及“砂+砂+煤”三层合采模式共4组试验。试验记录各层单采及多层合采伤害前后稳定时的流量共7组，稳定时的进出口压力共14组，利用达西定律计算得出7组渗透率数据，以此作为基础数据，对比流量法评价绒囊钻完井流体造成的储层整体伤害程度。试验结果表明：①砂、煤单层开采时，稳定流量损害率分别为7.96%和7.91%，接近渗透率损害率的8.48%和8.55%；②双层合采时，合采稳定流量损害率为7.24%，整体渗透率损害率不能计算，单层渗透率损害率分别为7.24%和7.81%；③三层合采时，合采稳定流量损害率为8.83%，整体渗透率损害率不能计算，单层渗透率损害率分别为6.48%、11.97%及9.68%。结论认为，室内用流量法评价绒囊钻完井流体多层合采储层整体伤害率满足现场控制伤害要求，且同时印证了流量法可替代渗透率法评价工作液储层伤害程度，并为现场优选技术应用提供了新的评价方法。

• 水溶性钠对高碱煤及模型化合物燃烧特性的影响

  孙正威, 周艳玲, 崔爽, 窦浩, 盖安俊, 魏砾宏,

  新疆准东高碱煤中钠、钙等碱金属和碱土金属含量高，其中钠分别以水溶态、醋酸铵态、盐酸态和不溶态4种形态存在。水溶态钠占比高达82%，易于水洗去除，且对燃烧过程挥发分的析出速度及对着火温度和燃尽温度有明显影响。为进一步探究水溶性钠对准东高碱煤燃烧特性的影响机制，利用差示扫描量热值仪与质谱联用仪（DSC-MS）开展燃烧试验，对比研究水溶性钠对准东脱灰煤（DC）及模型化合物（MH）燃烧特性的影响，分析着火温度、燃尽温度、最大燃烧速率、综合燃烧特性指数等燃烧特性参数，并采用Coats-Redfern积分法对燃烧反应进行动力学分析。结果表明：①MH与DC的平均失重速度和综合燃烧指数都有较好的一致性，可以利用模型化合物代替高碱煤开展燃烧特性及污染排的放特性研究；②钠对DC和MH的挥发分析出阶段无明显影响，主要促进了固定碳的燃烧；③动力学分析验证DC和MH的反应级数均为1级；④钠对DC及MH的挥发分析出及着火阶段（温度低于490 ℃和530 ℃）无明显影响，但对固定碳的燃烧起到进作用。

• 高矿化度矿井水纳滤膜适度脱盐技术研究

  葛光荣, 吴一平, 张全,

  高矿化度矿井水在我国西部矿区普遍存在。近年来随着煤炭西进战略的实施，该区域的干旱、水污染和生态退化问题日益凸显，迫使关于高矿化度矿井水资源化和达标排放的政策法规日益趋严，进而倒逼高矿化度矿井水节能高效脱盐技术不断发展。为进一步提高西部矿区高矿化度矿井水的资源化利用水平、降低脱盐成本，基于广泛的矿井水水质水量、分布现状和脱盐技术现状调研，针对现阶段高矿化度矿井水脱盐主流技术因非选择性脱盐和单纯追求高脱盐率而产生的过度脱盐、工艺复杂、高能耗、膜污染等问题，提出针对煤矿区溶解性总固体（TDS）在1 000～3 000 mg/L微咸矿井水分级分质回用适度脱盐工艺。适度脱盐核心是对矿井水中特定离子（如Ca2+、Mg2+、SO42-等）进行有选择性的脱除，在满足相关水质要求前提下使脱盐成本最小化，实现节能脱盐和降本增效。将微咸矿井水的适度脱盐作为目标，将纳滤膜（NF）的筛分、道南效应作为理论基础，通过室内配水试验、现场小试、实验室表征等，系统性研究微咸矿井水的适度脱盐工艺及其关键运行参数。结果表明NF在允许部分一价离子通过的同时能够截留矿井水中高价态特征离子，其较为宽泛的脱盐率区间（37.4%～98.25%）相对反渗透技术在微咸矿井水适度净化方面更具优势；由于纳滤膜运行压力低、膜孔径大，相比反渗透膜的抗污染能力更强，纳滤适度脱盐工艺在无机污染物较重的微咸矿井水净化方面具有较大应用前景。

• 煤粉燃烧时富氧部分气化对NOx生成的影响研究

  程晓磊,

  燃煤锅炉运行中氮氧化物（NOx）初始排放浓度高，影响其系统运行的经济性。为减少煤粉燃烧NOx的生成量，从源头控制NOx，提出了煤粉富氧部分气化耦合燃烧的低氮燃烧技术思路。煤粉在燃烧器内低过量空气系数和富氧气氛条件下生成强还原性气体，并通过炉膛分级配风实现控制煤粉燃烧初始NOx排放的目的。数值模拟，气相反应模型采用有限速率/涡耗散（FR/ED）模型，考虑了煤粉在气化反应中涉及的反应动力学机理，更适合于煤粉富氧部分气化反应模拟。结果表明：采用氧体积分数为25.9%的富氧气氛时，燃烧器内反应进行程度明显提升，燃烧器内温度由897 ℃升至1 007 ℃，燃烧器出口温度由1 255 ℃升至1 356 ℃，CO体积分数由5.48%升至7.17%，碳转化率由61.54%升至86.27%。7 MW双锥燃烧器的富氧试验结果验证了数值模拟的结论，燃烧器内采用合适的氧浓度和过量空气系数，可形成强还原性气氛；燃烧器内过量空气系数越低，燃烧器出口CO和CH4等还原性气体的浓度越高，燃烧器内空气中氧体积分数由21.0%升至28.3%时，燃烧器出口中心处CO体积分数由9.540%提高至20.258%，燃烧器出口NOx生成量为0。工业现场试验结果表明，富氧部分气化和空气分级均能起到降低锅炉NOx初始排放的作用，两者结合低氮效果更好，在富氧比例为28.3%、分级配风比例为41.2%时，锅炉NOx初始排放质量浓度可由546 mg/m3降至159 mg/m3。