煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第4期

• 煤矿巷道支护与加固材料的发展及展望

  康红普,

  我国煤矿巷道支护与加固方法主要有4种形式，包括棚式支架、支柱、砌碹支护、喷射混凝土及巷道用液压支架等围岩表面支护型；锚杆与锚索围岩锚固型；注浆加固围岩改性型及联合控制型。系统介绍各种支护材料与构件的力学特性，注浆加固及充填材料的物理力学性能，分析其支护加固效果及适用条件。指出我国煤矿已形成了包括金属材料、非金属材料及复合材料的煤矿巷道支护加固材料体系，实现了从木材到金属的支护材料革命，被动支护到主动支护的技术革命。不仅显著提高了巷道围岩控制效果，而且降低了巷道维护成本，为煤矿实现安全、高效建设与生产提供了可靠的保障。最后，分析了支护加固材料与构件存在的问题，对其未来的发展进行了展望。

• 煤矿冲击危险性的定性与定量评价研究

  齐庆新, 李海涛, 李晓鹏,

  冲击危险性评价是将冲击地压抽象的能量本质具象化的关键环节，对于冲击地压有效防控有着直接的支撑作用。笔者梳理了冲击危险性评价的基本概念和功能定位，指出冲击危险性评价天然具有多尺度的属性，各尺度评价应相互兼容、逐级支撑，并对目前冲击危险性评价中指标间关联不足、危险区域划分偏主观、对于多要素和大数据的兼容性有限，以及评价工作趋于刻板等问题进行了剖析，为此，基于广义“三因素”理论，提出冲击危险性定性评价应兼顾“要素齐备”和“逻辑齐备”的原则，并基于“矿井自身数据，指导矿井自身生产”的原则给出了冲击危险性定量评价的基本方法，为解决冲击危险性评价现存问题做出了探索，明确了冲击危险性评价的后续攻关方向。

• 煤矿事故隐患消除科技支撑对策研究

  齐庆杰, 刘文岗, 李首滨, 杨敬虎, 孙祚, 王凯, 王海燕, 王安虎,

  基于系统科学和安全工程理论，分析了煤炭行业安全生产事故隐患分布特征，明确了事故隐患赋存的重点岗位、危险工艺、关键环节以及事故隐患类别，提出了“十四五”及今后更长时期从根本上消除煤矿事故隐患科技支撑的发展目标与路径。在分析隐患治理技术发展现状、问题和趋势基础上，提出了煤炭行业“从根本上消除事故隐患”的总体思路，构建了煤矿安全生产事故隐患消除科技支撑体系，提出了科技支撑主要任务。基于源头治理、系统治理、综合治理和精准治理的安全理念，提出了煤炭行业“十四五”期间“从根本上消除事故隐患”的科技支撑对策。研究结果表明：煤矿安全生产事故隐患涉及安全生产全过程、“人、机、环、管”全要素，可能导致的事故种类多、损失大，地区分布差异大，并不断动态变化。为此需要从源头、从安全生产全过程、从“人、机、环、管”全要素、从隐患演化全流程消除事故隐患。需要构建“全过程监管、全要素包含、全流程覆盖、全方位建设”的安全生产事故隐患消除科技支撑体系，实现隐患源头风险智能预警、隐患科学治理、灾害事故精准防控。“十四五”期间煤炭行业要从科技攻关、重点工程、政策举措等方面从根本上消除事故隐患，提高煤矿隐患治理和重特大事故防控能力。

• 综采工作面智能感知与智能控制关键技术与应用

  李首滨, 李森, 张守祥, 王峰,

  “十三五”期间，我国煤矿开采开始进入了智能化模式，但处于智能开采的初级阶段。首先，对国内外智能开采技术进展进行了分析，重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次，按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术，建立了智能感知技术体系，攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术，解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题；以物联网推动了围岩透明感知技术，基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量，具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力，高精度三维动态地质模型的动态修正技术；将机器人技术引入到综采工作面感知体系中，通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知；通过对传统VR的建模技术升级，建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术，建立了智能控制技术体系，研究了远程监督型控制技术和自主控制技术，利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别，实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制，开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺；通过对5G通信系统的协议改进，实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms 的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用，进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题：深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。

• 甲烷气体检测技术及其在煤矿中的应用

  梁运涛, 陈成锋, 田富超, 王敬燕,

  瓦斯灾害是制约煤矿安全生产的主要灾害之一，而甲烷是瓦斯的主要成分，因此对甲烷浓度的准确检测对有效预防预警瓦斯灾害意义重大。基于甲烷物理化学性质的差异性特征概述了催化燃烧法、热导法、光干涉法、非分散红外光谱法和可调谐半导体激光光谱法的甲烷检测原理，探讨了不同原理的甲烷检测技术发展现状。在煤矿环境对甲烷检测技术的影响分析基础上，通过煤矿井下技术应用对比研究得出：催化燃烧法利用甲烷可燃性特征，适用于检测体积分数4%以下的甲烷，不适用于氧气浓度过低、甲烷浓度过高或存在含硫气体的井下环境；热导法利用含不同浓度甲烷的空气热导率的不同特征，适用于检测体积分数4%以上的甲烷，不适用于甲烷浓度低、二氧化碳浓度过高等井下环境；光干涉法利用含不同浓度甲烷的空气折射率的不同特征，适用于井下绝大部分环境，但不适用于二氧化碳浓度过高的井下环境；红外光谱法利用甲烷的气体选择性吸收的特征，适用于绝大部分井下环境，其中非分散红外光谱法受水蒸气、烷烃气体干扰，需进行算法优化以减小误差，而可调谐半导体激光光谱受其他气体干扰影响较小，但两者皆需采用补偿算法来减少受温湿度影响引起的误差。最后，对不同原理的甲烷检测方法进行了技术适用性综合对比分析，以期对煤矿甲烷检测技术的应用提供借鉴指导意义。

• 基于保障生态地下水位的露天煤矿主动保水技术研究

  董书宁, 王海, 黄选明, 王皓, 曹海东, 王晓东, 张雁, 苗贺朝,

  我国露天煤矿大多分布在西部生态脆弱区，主要采用疏干排水方式控制地下水，导致矿区周边地下水位下降、植被覆盖度减少，地下水资源和生态环境均不同程度受到影响。为解决露天煤矿开采造成的水资源与生态环境问题，自20 世纪90 年代提出了地下防渗帷幕截流矿区周边地下水的思路和方案，历经近30 年的科研攻关，形成了以防渗膜与防渗材料复合防渗技术、低强度抗渗混凝土地连墙截水技术和超高压角域射流注浆帷幕截水技术为核心的露天煤矿保障生态地下水位主动保水技术，在扎尼河露天煤矿示范应用并取得成功。研究结果表明：露天煤矿生态地下水位主动保水技术经济、高效、环保，自开展生态地下水位主动保护技术以来，露天煤矿疏排水量逐渐减少，减少率75%以上，露天煤矿周边地下水位稳步抬升，目前已恢复至煤矿开采前的原始水位，并且植被覆盖度逐年增加，由较少植被过渡到适中植被。基于保障生态地下水位的露天煤矿主动保水技术可进一步应用到井工煤矿、非煤矿山等场景，保障生态地下水位，实现减损、保水、绿色开采。

• 大倾角压力管道斜井机械破岩钻进技术与工艺探讨

  刘志强, 宋朝阳,

  随着抽水蓄能电站装机容量增加，输水系统发电水头高度增加，长距离、大倾角和大直径压力管道斜井工程成为必然需求，然而，其施工难度大、风险高，成为制约抽水蓄能电站建设的关键技术问题之一。通过梳理目前抽水蓄能电站压力管道开挖方法，分析得出采用爬罐法开挖时，具有工作面通风条件差、人员职业伤害大、辅助作业时间长等缺点;而采用反井法钻进施工时，形成的压力管道直径较小，且反井钻进过程中无法对破碎地层进行有效的初期支护等缺点。鉴于此，以国家“ 十二五”“863 计划”项目研制的竖井掘进机为基础，通过设备改造、技术研究和工艺论证等一系列研究，并综合分析在现有专用定向钻机、反井钻机钻进技术和装备的基础上，提出了以定向钻机+反井钻机+井筒掘进机为基础装备的抽水蓄能电站压力管道斜井全断面机械钻进工艺，其简要工艺流程为：①采用定向导孔钻进技术钻进反井钻井超前导孔，钻孔偏斜率可控制在0.3% ～0.5%，并采用反井钻机扩大导孔;②采用反井钻机进行扩孔钻进，形成2.0～2.5 m 的导井;③采用竖井掘进机进行二次扩挖，并利用导井作为向下排渣通道。此项“三机分步”施工的技术与工艺，能够满足倾角为50° ～90°、长度小于800 m、最大直径达5.8 m 压力管道斜井的建设需求。机械破岩方式减少了对斜井围岩的扰动破坏，有利于保障围岩的稳定性，能够实现大倾角、长距离和大直径斜井高效机械破岩钻进成井，推动建井技术与装备的机械化、无人化、智能化的发展。

• 我国采煤沉陷区建筑利用关键技术及其发展方向

  胡炳南, 郭文砚,

  采煤沉陷区建筑利用是解决资源城市转型发展用地和沉陷区村庄搬迁选址土地资源短缺难题的重要途径。系统进行采煤沉陷区情况调研、城镇建设建筑利用需求分析和工程发展历程回顾总结。归纳采煤沉陷区建筑利用关键技术，首先凝练提出采空区精准勘察的多种物探勘察、钻探勘察、钻孔彩色电视和三维激光扫描等技术，并给出了５种物探方法适用条件；通过整体分析评价技术中采动空间和采动时间稳定性问题，并基于场地稳定性、地基稳定性评价判据提出了工程建设５种（不适宜作地基的区域、暂不适宜作地基的区域、要求井下采空区处理的区域、可作地基的区域和推荐作地基的区域）适宜性分类；总结列出采空区加固治理与地面建筑抗变形结构设计的井上下措施及其关键技术；最后，针对采煤沉陷区城镇建设中建筑利用技术难题和不足，提出加强采煤沉陷区城镇建设和建筑利用的空间整体规划统筹引领作用，提升采空区精准勘探和地基加固治理技术装备水平，拓展移动期后采空区残余移动变形时空规律研究，加强采空区与建筑结构变形协同作用机理和效果优化研究，加强建设场地和建（构）筑物监测监控技术装备研发等今后研究发展方向，为推动采煤沉陷区城镇化建设科学研究与工程实践发展提供借鉴和参考。

• 大直径救援井高效钻井技术及装备现状与展望

  郝世俊, 张晶,

  大直径救援井能够连通地面与矿井下被困区域，快速构建井上下救援通道，是矿山应急救援的重要途径，但地层复杂性、工艺与装备适应性等诸多局限，限制了救援通道的构建效率。为进一步提升大直径钻孔救援通道构建能力，推动矿山应急救援技术发展，分析了主要复杂地层对大直径井钻井过程的影响，总结了大直径救援井钻井“钻得稳、钻得准、钻得快” 的技术特点，系统分析了大直径救援井不同井段优快钻井技术与装备的现状。首先，对比分析了覆盖层桩孔施工工艺，介绍了适用于复杂覆盖层的全套管钻进工艺与装备，研究了基于超声测距的大直径井井底位移计算方法；其次，归纳总结了以精确定向和复合钻进为核心的先导孔钻井技术、以大直径潜孔锤钻进为核心的基岩层段钻井技术，简要阐明了集束式潜孔锤井底软密封式反循环形成机理与配套装备，针对安全、精准透巷技术难题，研发了高精度随钻测量仪器与安全透巷钻井工艺。此外，以救援通道高效构建为目标，阐述了多领域多工艺技术融合应用，模块化和智能化钻探装备开发，区域适应性优快钻井技术研究与应用，大直径救援井钻井信息系统构建与不断完善，是下一阶段大直径救援井钻井技术与装备的发展方向。

• 水煤浆气化细灰碳灰分布特性及其分离试验研究

  何国锋, 柳金秋, 徐彤, 李磊,

  以三峰级配技术制备的高浓度水煤浆气流床气化细灰为原料，进行碳灰分布特性及其分离试验研究，通过SEM-EDS(扫描电镜-能谱)、XRF(X 射线荧光光谱)、XRD(X 射线衍射) 和BET(表面及孔隙度分析)对细灰的物化性能进行分析，采用煤中碳和氢的测定方法对不同粒度细灰的碳含量进行测试并对结果进行分析，得出气化细灰基本特征、碳-灰分布规律，使用实验室常规浮选试验方法探索气化细灰的碳灰分离方式。结果表明，在常规浮选条件下，灰分为47.98%的细灰，可获得产率为14.95%灰分为45.53%的精矿产品，常规浮选效果较差，主要原因为：原煤经过气化后，大部分的有机质转变成气体产物，一些不具可燃性的矿物质在细灰中得到熔融、富集和转化，捕收剂为容易与矿物表面接触的常规药剂，在相互作用时仅产生物理吸附作用，细灰表面的矿物颗粒会与捕收剂紧密贴合，导致矿物表面亲水性增强，捕收效果变差，且细灰孔隙结构发达，比表面积、孔容积均较大，会吸入大量水分和浮选药剂，不仅使颗粒表面亲水不易上浮，同时消耗大量药剂;细灰的碳-灰分布特性表现为灰含量随其颗粒尺寸的减小逐渐升高，可通过粒度分级的方法对中煤榆林细灰进行碳灰分离，当分级尺寸在0.1 mm 时，可获得碳含量为79.78%，产率为54.20%的高碳细灰产品。

• 冲击地压巷道 “卸-支” 协同防控理念与实现路径

  鞠文君, 孙刘伟, 刘少虹, 王书文, 杜涛涛,

  针对煤层爆破卸压造成冲击地压巷道支护失效、大变形等问题，采用现场试验和研究分析的方法，揭示了爆破对巷道支护的损伤效应，提出了冲击地压巷道“爆破卸压-支护加固”协同防控理念原则及实现路径。结果表明：煤层爆破具有“增塑、降载、耗能”的卸压减冲作用，但也会产生“围岩劣化、支护衰减、结构失稳、巷道变形” 等不利影响。坚持爆破卸压解危优先、巷道损伤最低的防控理念，“卸-支”辩证统一，协同双效。一旦爆破对支护造成过大损伤，需要进行补强支护，重塑稳定的巷道支护结构和承载能力。“ 卸-支” 协同防控原则包括：归一原则、统筹原则、精准原则、有序原则。“卸-支” 协同防控实现路径为：确定巷道冲击危险区域—煤层爆破卸压设计—爆破卸压施工与监测—爆破卸压效果及围岩损伤效应评价—爆破参数优化及巷道支护重塑。

• 锚杆附件力学性能匹配性研究

  吴拥政,

  锚杆附件力学性能匹配性是实现锚杆支护能力充分发挥的关键影响因素，锚杆附件不匹配易导致锚杆产生不协调变形，使其因非正常承载而破断，严重影响巷道支护效果。在分析锚杆支护巷道各附件变形破坏状况及原因的基础上，研究了锚杆螺母、托板、调心球垫及减摩垫片的力学性能及匹配性。研究结果表明：锚杆连接处的承载力与螺母强度等级、内螺纹齿高及厚度呈正相关关系，500号锚杆杆体选用的螺母强度不宜低于6级，齿高不小于0.7H，螺母厚度不小于20 mm;托板承载力与托板厚度、拱高相关，托板拱高必须达到一定高度才能具有足够承载力;球垫与托板孔口接触越合理、刚度越高越有利于锚杆角度调节，1010尼龙垫片预紧力转化系数高，且有一定延性，可有效发挥减摩效果。最后，确定了锚杆附件的技术要求，提出了不同强度等级锚杆各附件选择的原则和力学参数，并开发了相应的锚杆附件，在井下进行了试验，试验效果良好。

• 煤矿井下水处理反渗透膜的污染机理研究

  韦文术, ZHANG Jeffery, 张健恺, 邹湘, 吕顺之, 李然, 赵康康, 王远,

  随着反渗透技术广泛应用于煤矿井下水处理系统，矿井水的水质复杂性容易造成反渗透膜污染，大幅度地影响了膜组件的除盐效率及使用寿命。为探讨造成山东新巨龙煤矿综采工作面集成供液系统水处理装置反渗透膜组件失效的原因，通过对源水水样中浊度、硬度、阴阳离子浓度及总有机物等进行检测和分析，依据Visual MINTEQ计算环境水化学平衡工具，初步建立了污染物预测模型。采取肉眼检测、烧矢量(LOI)、扫描电镜(SEM)和藤原测试方法，揭示出反渗透系统运行失败的机理。基于膜元件内部在浓水通道和膜表面发现大量固体颗粒，反渗透膜片存在由颗粒物造成的不同程度的机械损伤，推断其前端的保安过滤器存在失效的可能。考虑到膜表面污染物组成多为结晶状态下的无机盐，膜片存在少量有机污染现象，无氧化性污染物进入反渗透系统，排除了有机物污染造成系统失效的可能性。基于Visual MINTEQ的化学平衡模型对结垢物组成进行分析，结果显示其主要成分为钙离子，通过对膜结垢样品组成进行定量分析试验，验证了污染物预测模型的准确性。结果表明，该矿井下供水的浊度和硬度较高，造成反渗透膜的表面结垢及颗粒沉积是系统运行失效的主要原因。针对失效原因，提出了定期对保安过滤器进行检查维护、在RO预处理阶段增加阻垢剂等措施和新型水处理工艺的研究方向。

• 采动巷道侧向高低位厚硬顶板破断模式试验研究

  赵善坤, 赵阳, 王春来, 王寅, 陈增,

  陕蒙地区冲击地压显现大多发生在二次采掘扰动影响下，煤层上方厚硬岩层结构破断诱发工作面采场附近动压显现已成为煤矿生产中重大安全隐患。为阐明采动巷道上覆高低位厚硬岩层破断对区段煤柱受力以及巷道围岩稳定性的影响，建立高低位厚硬岩层破断结构的力学模型，得到破断扰动影响下区段煤柱结构变形特征及应力分布特征，以巴彦高勒煤矿11盘区煤样试样为研究对象，利用自行设计的高位岩层模拟加载装置，借助非接触式全场应变测量系统的数字散斑相关分析方法，对高低位厚硬岩层在区段煤柱上方不同破断位置组合下区段煤柱及低位岩层的应力变形特征进行了试验研究。分析了上覆高低位厚硬岩层侧向不同断裂位置组合下区段煤柱受力特征及应力传递机制，建立了巷道上部厚硬顶板不同断裂位置与结构整体失稳荷载的力学模型。结果表明：高低位厚硬顶板岩层破断将会引起煤柱采空区应力集中，高低位厚硬岩层不同的破断位置组合，对下部岩层的运动变形和区段煤柱应力分布和巷道围岩稳定影响显著。区段煤柱整体结构稳定性与破断点位置密切相关，煤体在回转作用下破坏所需的应力大小与高位岩层顶板破断点对采空区顶煤的力矩负相关。随着破断点远离区段煤柱，区段煤柱受力由压剪逐渐转化为采空区煤顶传递的压弯作用。高低位厚硬岩层顶板破断的相对位置影响低位顶板的破断情况，当低位破断点处于高位破断点以内，低位顶板随高位顶板破断1次，反之则低位岩层顶板将会随着高位岩层破断回转发生2次破断。随着高位顶板的破断，采动巷道及煤柱上覆岩层应力减小，区段煤柱稳定性下降，冲击地压风险增大。试验研究为陕蒙地区深部厚硬顶板条件下采动巷道动力灾害防治和区段煤柱设计优化提供了参考。

• 动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术

  邓志刚,

  深部开采冲击地压灾害孕灾过程中既有静态基础量又有动态变化量，剧增的原岩应力与覆岩断裂、井下爆破等引起的动载扰动是诱发冲击地压灾害的源头，因此实现冲击危险性快速、高精度评价必须综合考虑动静载作用。笔者开展了典型煤岩霍普金森压杆试验及数值模拟，分析了动载对煤岩体破坏作用以及对应力场的影响，针对应力变化可以直接引起介质中震动波波速变化，且波速变化前的幅值与变化幅度均受应力场影响这一特性，掌握了震动场与应力场的耦合关系，建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术：以原岩应力场表示煤岩孕灾过程的静态基础量，以采动应力场和震动场表示煤岩孕灾过程的动态变化量，以波速异常指数、波速梯度指数、应力异常指数、应力梯度指数为评价指标可实现煤岩冲击危险性动态评价。研究结果表明：动载作用下能量以震动波形式传递，造成应力场的重新分布，应力呈现分区传递特点，并且在能量达到某一阈值后引起煤岩损伤破坏，但无论动载直接作用在岩石上还是煤体上，岩石是能量传递路径，煤层是能量耗散、释放主体，破坏主要发生在煤体中。多场耦合冲击危险性评价技术在某工作面经现场应用，在工作面逐渐揭露断层过程中冲击危险性由强冲击危险性降低到中等冲击危险性，现场监测数据表明评价结果与现场实际相符。

• 基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术

  张永将, 黄振飞, 季飞,

  随着煤矿开采逐渐向深部延深，高强度开采瓦斯涌出量大，煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相耦合态势。针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题，基于高压水射流割缝卸压原理，提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。通过理论分析与数值模拟方法，分析了超高压水射流割缝破煤机制，研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重影响。研究结果表明：高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性，减弱了煤体对上覆岩层支承能力，能有效地缓解割缝区域内应力集中;钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式，由径向流动改变为径向、轴向复合流动，使煤层瓦斯含量、压力迅速降低，超高压水力割缝技术通过应力卸压及瓦斯抽采2 个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。经在胡家河矿现场试验，割缝区域内平均微震事件能量下降18%、单位进尺微震能量降低37%，采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下降17%，瓦斯抽采量提高4.1 倍，表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压，有效解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险，为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。

• 多通道逆喷旋流煤粉燃烧特性及NOx排放试验研究

  牛芳, 刘鹏中, 王鹏涛, 王学文, 于硕, 王乃继,

  煤粉燃烧器是煤粉工业锅炉核心技术，也是实现煤炭在工业锅炉领域清洁高效利用的关键。为探究14 MW多通道逆喷旋流煤粉燃烧器的燃烧特性及NOx排放特性，基于热态台架试验及14 MW煤粉工业锅炉工业试验，采用高温热电偶、烟气分析仪、高速工业摄像机和飞灰收集装置对预燃室内温度分布、组分浓度分布以及预燃室外火焰形态和尺寸、炉尾NOx排放浓度和飞灰发热量进行测量，定量表征了该燃烧器的燃烧特性、火焰特性及NOx排放特性。试验结果表明：①燃烧特性方面，逆向射流、旋转射流及预燃室技术的耦合，在预燃室内初级火焰区创造了高温(>1 200 ℃)、低氧(50 000 mg/L)和低NOx(<300 mg/Nm3)的强还原区，实现了煤粉在预燃室内的低氮、稳燃。紧贴预燃室壁面的直流外二次风形成了低于440 ℃的低温区域，其对于降低预燃室壁面温度、壁面高温腐蚀具有重要作用。②火焰特性方面，预燃室外燃烧火焰长度约为2 680 mm，火焰直径接近770 mm，火焰发散角为27.97o，火焰形态稳定、色泽明亮且具有一定的旋转刚性。火焰锋面上存在明显的褶皱，表明火焰锋面上的热质交换较为强烈，燃烧强度较为剧烈。③NOx排放特性及燃尽特性方面，炉尾NOx初始排放质量浓度为384 mg/Nm3(O2质量分数为9%条件下)，再结合SNCR技术可将NOx排放质量浓度降至164 mg/Nm3(O2质量分数为9%条件下)，而此时炉尾飞灰低位发热量仅为540 kJ/kg，计算得煤粉燃烧效率约为97.92%，具备低氮、高效的燃烧特性。

• 煤矿千米深井智能开采关键技术研究与应用

  任怀伟, 巩师鑫, 刘新华, 吕益, 文治国, 刘万财, 张帅,

  千米深井复杂条件煤层智能化开采是当前煤矿技术发展迫切需要解决的难题。以中煤新集口孜东煤矿140502工作面地质条件为基础，针对该工作面俯采倾角变化大、矿压显现剧烈、顶板煤壁破碎所致的采场围岩稳定控制难、液压支护系统适应性降低等问题，研究了千米深井复杂条件工作面智能化开采关键技术，为复杂难采煤层开采提供了技术与装备支撑。研发了基于LORA的工作面液压支架(围岩)状态监测系统，同时获取立柱压力和支架姿态数据。提出了基于大数据分析的矿压分析预测方法，采用FLPEM和ARMA两种算法组合预测提升精度和效率，采用数据分布域适应迁移算法解决了支护过程中时变工况导致预测模型失准的问题，模型预测精度达到92%以上。研发了基于Unity 3D的工作面三维仿真与运行态势分析决策系统，支撑复杂条件下的围岩控制和煤层跟随截割控制的智能决策。现场试验表明：工作面在试验期开采高度达到6.5 m，在14°～17°俯采、顶板相对破碎、煤层硬度1.6的条件下，月产达到31.5万t。设备可靠性和适应性较之前该矿使用设备明显提升，工作面安全性大幅改善，实现了千米深井三软煤层的安全高效开采。

• 鄂尔多斯盆地侏罗系煤田保水开采技术与应用

  张玉军, 宋业杰, 樊振丽, 尹希文, 赵秋阳, 张风达, 甘志超, 张志巍, 李友伟,

  煤炭是我国能源安全的压舱石，在保障煤炭资源开发安全的前提下，最大程度地实现对水资源的保护，是黄河流域煤炭工业高质量发展面临的重大科学难题。以鄂尔多斯盆地侏罗系煤田为背景，对不同水文地质和采矿条件下覆岩结构类型、导水裂缝带发育规律、地表裂缝分布特征、采动隔水层稳定性以及疏控水方案等方面进行了系统研究。针对厚基岩浅层地下水保护，监测分析了导水裂缝带与地表裂缝发育特征及其连通性，研究了保证隔水层稳定性的保水开采技术；针对浅埋薄基岩厚土层条件下的地表水体保护，探讨了黏土隔水层对导水裂缝带的抑制作用和采动影响下的阻水特性，研究了基于采动黏土阻水效应的保水开采技术；针对深部多重高压含水层，提出了“先疏后采与边采边疏相结合”的疏控水技术，实现了安全开采前提下的最大程度的对水资源的保护。

• 综采装备单机智能化向智能协同模式转型的探索研究

  黄曾华,

  为了进一步提升煤矿智能化应用技术水平，真正实现煤矿井下智能化无人开采的目标，笔者分析了国内外煤矿智能化发展现状，指出以单机设备智能化为主、智能化技术简单叠加的传统“装备+智能”模式已经不再满足煤矿智能化高质量发展需求，针对未来煤矿智能化发展建设的新需求，提出了“智能化+装备”模式(智能协同模式)，并定义了该模式下智能感知、智能识别、智能预警、智能决策、智能诊断、智能语音、智能控制(包括数字化割煤)等智能化功能，提出以装备作为智能化功能载体，探索研究“智能化+装备”模式下如何实现各项智能化功能相互关联、达到各系统协调、统一管控，实现工作面各设备的智能协同及融合控制功能，打造以流程智能为目标的智能化开采新模式。研究结果表明“智能化+装备”智能协同模式是未来综采智能无人化开采的技术保障，对于煤矿智能化建设发展方向具有重要指导意义。

• 厚表土薄基岩凿井突水溃砂井筒破坏治理技术研究

  程桦, 周瑞鹤, 姚直书, 居宪博, 王晓健,

  针对厚表土薄基岩地层凿井井筒溃砂涌水综合治理修复技术难题，以两淮矿区某在建煤矿副井为工程背景，分析认为马头门上覆岩层受反复扰动发生弯曲下沉变形是该矿副井井筒破坏的主要原因，主、风井井筒破坏为副井引发的次生破坏。本着修复、预防并重的原则，制定“注、冻、修、防”井筒综合治理方案，即通过地面注浆改善地层性能，防止下部基岩再次发生弯曲变形；通过套壁与原井壁形成复合井壁，提高井筒在该复杂地层条件下的结构安全度；既有井筒围岩冻结作为套壁措施工程，为其施工提供安全保障。研发了系列井筒及马头门修复施工技术：①下行式钻注结合，见漏就注，多级套管的挠动地层注浆孔施工与注浆技术；②副井内、外排孔分别采用局部、全深冻结，主、风井全深冻结，冻结壁内均设置水文卸压孔，测温数据与数值模拟结合预测冻结壁发展的控制冻结技术；③依据井壁破坏程度采取不同修补方式的井壁修复技术；④组合钢板拼装和焊接、高性能混凝土(钢纤维混凝土)配制等内套钢板井壁施工技术；⑤壁后注浆加固马头门围岩，破损马头门破除，超强复合永久支护控制围岩，两侧同时分层修复架设施工技术等。综合监测结果表明：工业广场内地表沉降稳定；修复后的3个井筒内套井壁内力和副井壁间压力均小于设计值；主、风井井筒涌水量各为1 m3/d左右，副井井筒涌水量为4 m3/d左右。采用该方案修复后的主、副、风3个井筒，符合相关规范(程)要求，井筒均处于安全运行状态。

• 大采高工作面矿压规律自动分析与仿真研究

  王超, 谢佳玉, 徐放艳, 孔超,

  为了高效、科学、经济地对采场顶板运动趋势以及变化情况进行有效分析，掌握其活动规律，借鉴工业生产中“计划-实施-检查-处置”(PDCA)的循环管控思想，研发了基于PDCA循环理念的大采高工作面矿压规律自动分析与仿真系统，系统可根据工作面实测矿压数据实现对采场上覆岩层力学参数的反演与修订。系统首先在工作面开采前依据模型中挠曲算法或步距算法判断传递岩梁支托层与随动层，并对相关采场覆岩运动参数进行理论预测；其次在开采中对液压支架阻力实测数据进行在线分析，提炼出顶板运动参数；最后通过反演修订采场顶板关键岩层的力学参数，使系统预测与现场实测分析结果误差逐步降低，并为采场其他相关参数的计算提供基础数据。系统在营盘壕煤矿2201工作面的应用结果表明：模型对工作面传递岩梁初次来压步距与周期来压步距等几个关键参数的计算精度得到了验证,系统仿真数据与现场实测数据的误差不断缩小，实现了对现场矿山压力显现规律进行定量分析。该研究思路对矿压显现观测理论计算与现场实测提供了融合途径。

• 地铁长联络通道双侧冻结温度场及地表冻胀变形研究

  陈冠任, 陈军浩, 李栋伟, 赵振伟, 姚志雄, 陈美玲,

  依托福州市地铁2号线某区间长联络通道为工程背景，对双侧冻结模式下，地层冻结温度场和地表冻胀的发展规律进行研究。温度场实测分析表明：地层的温度场发展可分为3个时期，积极冻结前期土体温度迅速下降，开挖区和非开挖区冻结壁的发展速度比约为1.0∶1.1；积极冻结后期受相变潜热影响，降温减缓；维护冻结期土体降温趋于稳定，但开挖区受施工干扰，温度有一定程度回升。利用ANSYS有限元软件，考虑土体的相变潜热建立有限元模型，与温度实测值进行对比，说明2种方法得出规律基本一致。地表冻胀监测研究表明：联络通道地表冻胀的关键区域为通道中部，其地表隆起值与增长速度均大于硐口处，最终隆起值约为硐口处的1.28倍，并对该区域的地表冻胀的发展以及所在断面的冻胀分布进行拟合，拟合结果与实测相符。

• 分级循环加卸载煤体变形破坏特征试验研究

  李树刚, 刘思博, 林海飞, 双海清, 李磊明, 于涵旭, 罗荣卫,

  瓦斯抽采钻孔在采动影响下所处的应力状态比较复杂，随着工作面的推进，经历复杂的加载和卸载共同作用，易导致抽采钻孔失稳破坏。为深入研究采动影响下煤体钻孔的变形破坏特征，通过开展单调加载及分级循环加卸载试验，分析不同加载路径下试样的强度特征，并结合数字散斑技术(XTDIC)分析试样单轴压缩过程中裂纹扩展及孔周位移演化规律，通过布置“虚拟引伸计”分析试样局部化带位移演化特征。结果表明：与单调加载路径相比，分级循环加卸载路径下试样的抗压强度减小，减小幅度为4.59%；分级循环加卸载路径下，含钻孔试样的最终破坏是由远场裂纹与钻孔两侧的剪切裂纹贯通形成宏观破裂带导致的，不同加载路径下试样破坏模式均为拉剪复合破坏，破坏形态呈“X”状；试样加载顶点与卸载低点的张拉、错动位移随着循环次数增加逐渐增大，呈波动上升趋势，并且在时间上滞后于应力变化；孔周位移测点层位越高，试样加载至相同时刻的位移越大；分级循环加卸载路径下，试样卸载阶段的测点位移有轻微恢复现象，最大恢复量为0.149 mm，位移随时间增长表现为“台阶式”递增现象。

• 煤粉自然发火临界参数的影响因素与预测

  马砺, 魏泽, 邹立, 易欣, 何铖茂,

  煤粉广泛应用于火电、化工及冶金领域，在制备及输送过程中，由于氧化活性增强极易自然发火并诱发燃爆事故，严重威胁作业人员生命安全。为预防煤粉灾害事故发生，研究最低着火温度对应着火延迟时间等关键临界参数的影响因素及预测具有重要义。通过搭建煤粉自然发火演化试验系统，采集硫磺沟矿和红柳矿的2种变质程度煤粉，并放置于反应池进行恒温氧化试验，分析了煤粉自然发火临界参数影响因素；同时建立了煤粉自然发火临界参数数学预测模型，对煤粉自然发火临界参数进行预测。结果表明：氧浓度和堆积厚度是影响煤粉自然发火临界参数的重要因素。煤粉的最低着火温度和对应着火延迟时间随氧浓度的降低显著增加，氧浓度降低抑制煤粉活性结构与氧气反应，减缓煤粉的升温速率，进而增加煤粉的最低着火温度和着火延迟时间。随着煤粉堆积厚度的增加，煤粉氧化释放的热量更容易蓄积，煤粉的最低着火温度逐渐降低，最大降幅可达34 ℃。而煤粉堆积厚度的增加可减缓氧气进入煤粉内部的扩散率，对应着火延迟时间表现出增加趋势。利用线性回归方法建立了数学预测模型，可用于计算煤粉自然发火临界参数，为煤粉自然发火引发爆燃事故防控提供了依据。

• 矿用大直径钻孔连杆式回拉扩孔钻头研发及应用

  米陇峰, 王传留, 高晓亮, 范运林, 马少明,

  针对大直径钻孔成孔存在需多次提钻、钻孔轨迹难以控制、施工效率低的问题，设计了一种可开闭的300/153 mm连杆式回拉扩孔钻头，通过调节泥浆泵流量使刀翼在正常钻进过程中处于闭合状态，至目的地层张开实现提钻作业与回扩作业同时进行。详细介绍了连杆式回拉扩孔钻头结构及原理，分析了回拉扩孔钻头开闭机构的力学特性，得到了刀翼所受力矩与切削刀翼张角、曲柄长度、连杆长度和偏心距等因素有关；确定了偏心距及活塞行程，通过理论分析方法得到了使钻头开闭机构具有最佳传力性能的连杆及曲柄尺寸组合以及刀翼所受的推动力矩变化规律；基于自由水射流模型，提出了水流对活塞的推力计算方法，得到了泥浆泵达到最大流量时水流对活塞的推力，并给出了影响切削刀翼张开和复位的关键部件复位弹簧的设计计算。研制的钻头在煤矿井下进行了试验，现场结果表明：300/153 mm连杆式回拉扩孔钻头能够实现正常钻进保持153 mm钻孔钻进，回拉扩孔时实现300 mm钻孔回扩;钻进过程中切削刀翼开闭灵活，钻头钻进稳定、可靠性高，验证了连杆式回拉扩孔钻头结构设计及适用于普通非联络巷大直径钻孔成孔施工工艺的可行性。

• 准南米泉地区煤层气成因及其富集成藏机理研究

  李跃国, 姚程鹏, 杨曙光, 伏海蛟, 王刚, 张娜, 刘紫薇,

  准噶尔盆地南缘(下称准南)蕴含着丰富的中-低煤阶煤层气资源，但勘探程度相对较低，气体成因和气藏形成机理认识不足，一定程度上制约了开发。为探究准南米泉地区中-低煤阶煤层气成因及其富集成藏机理，基于18口煤层气生产试验井的气样及其伴生的煤层产出水样，系统开展了相关样品的稳定同位素、水文地球化学以及放射性同位素定年等室内试验，综合运用经典的天然气识别图版等手段分析数据。结果显示大部分样品点落在图版“生物成因气”、“二氧化碳还原”、“微生物产甲烷伴生CO2”区域；水型表现为Na+·HCO-3·CI-型，煤层水矿化度较高；煤层水放射性同位素3H<1.0 TU及14C< 0.44%(现代碳百分数)。分析认为：准南米泉地区煤层气以生物成因为主，CO2还原为其主要的形成途径，该区异常高浓度CO2与微生物产甲烷活动密切相关。此外，米泉地区水动力场较为停滞，煤层水地质年龄较为古老，没有或较少现今地表水补给，该区现今水文地质条件不利于产甲烷菌生存及其产甲烷活动，现存的生物气资源应大多产生于较早地质历史时期。最后，综合区域构造与水文地质背景，结合古气候资料和煤层埋藏史等，研究提出米泉地区广泛发育封存性次生生物气藏，其形成分别经历了埋藏与成煤、抬升与剥蚀、地表水补给与生物气大量形成、产甲烷作用停止与水动力封存4个地质阶段。

• 气流床煤气化炉渣特性及综合利用研究进展

  宋瑞领, 蓝天,

  我国煤化工技术的快速发展使煤气化炉渣排放量急剧增加。气化炉渣的减量化、资源化、无害化利用已是当前煤化工行业的研究热点。概括了气流床煤气化炉渣的矿物学和物化特性，总结了国内外气化炉渣在建材、污水处理、锅炉掺烧等领域的研究现状，提出了当前气化炉渣利用存在的局限性问题，展望了未来煤气化炉渣利用技术的发展方向。结果表明：气流床煤气化炉渣以无定形物(残碳和玻璃体)为主，少量矿物晶体包括石英、方石英、莫来石、钙长石等；其化学组成主要为SiO2、CaO、Fe2O3、Al2O3等，与煤燃烧后灰化学组成相似，对于液态排渣炉型，由于助溶剂的加入，其CaO质量分数＞10%。气化炉渣SiO2、Fe2O3、Al2O3含量低(部分气化渣三者总相对质量分数小于60%)，残碳、全水质量分数高(湿排气化细渣残碳高达30%，全水60%)、成分不稳定，是制约其资源化利用的主要因素。气化炉渣的利用存在领域窄、附加值低、产品质量差、掺量少、缺乏相关标准和技术规范等问题。目前，建材化、循环流化床锅炉掺烧是气化炉渣的主要利用途径，烧结陶粒和作为吸附剂处理废气、废水是其高附加值综合利用途径。气化炉渣资源化利用研究应以适合的脱水技术、残碳和灰分的高效分离、残碳与玻璃体的分级利用为突破，应因地制宜，寻求气化炉渣高附加值与大规模消纳相结合、适合市场的综合利用方案。

• 微波和紫外改性煤沥青脱除毒性多环芳烃

  王伟, 冯永辉, 申峻, 王玉高, 刘刚, 李瑞丰, 徐青柏,

  煤沥青(CTP)中因含有大量对生态环境有害的多环芳烃(PAHs)而限制了其应用和发展。为降低或抑制CTP中毒性PAHs的释放，采用了微波和紫外辅助10-十一烯醛，以KHSO4为催化剂改性CTP的方法，考察了美国环境保护局优先监控的16种PAHs的脱除率和改性前后苯并a芘当量毒性的变化，对比分析了不同时间微波、紫外和微波紫外对CTP中毒性PAHs的脱除率。结果表明，微波和紫外共同改性脱除PAHs效果最优，在改性CTP中16种PAHs的最大脱除率在60～120 min内可达91.59%，总含量可小于7.41 mg/g，与无辅助反应相比节省2～3 h。改性前后CTP的傅里叶变换红外光谱(FTIR)、拉曼光谱(Raman)、固体核磁共振碳谱(13C CP/MAS NMR)和X射线衍射(XRD)等特征分析表明，在强化改性试验过程中，10-十一烯醛与多环芳烃发生了亲电取代反应，占据了毒性位点或改变了毒性PAHs的结构，从而降低16种优先监控的毒性PAHs的含量。

• 神东矿区高硅铝比煤灰黏温特性研究

  张昀朋, 丁华, 白向飞,

  神东矿区煤灰分较低，矿物组成的波动对煤灰黏温特性影响较大，尤其是高硅铝比煤在高温下黏度普遍偏高，造成气化过程中堵渣问题严重。通过浮沉试验，利用扫描电镜定量分析了神东矿区煤中主要矿物组成，利用高温煤灰黏度测定仪测得煤灰黏温曲线，采用FactSage7.3以煤灰成分为基础对其进行了黏温特性模拟。结果显示：神东矿区样品矿物组成主要是伊利石型黏土矿物(相对质量分数为20%～70%，下同)、方解石(6%～34%)、黄铁矿(2%～10%)、菱铁矿(3%～50%)，存在部分碎屑成因石英(6%～24%)与伊利石共生；伊利石含量高且部分伴生石英造成样品硅铝含量及硅铝比高，煤灰成分中硅铝相对质量分数为50%～75%，硅铝比为2.3～3.1，这是导致神东煤灰黏度较大的主要原因；样品中方解石是主要的含钙矿物，填充于煤的裂隙或有机质组分中的结构孔隙中，由于高温下钙离子对熔体网络的解聚和破坏作用，所以钙含量较高会导致黏度相对较低；另外，铁系矿物主要是硫化物矿物黄铁矿和碳酸盐矿物菱铁矿，铁含量相对较高导致较多二价铁离子与6个氧原子连接形成八面体结构致使网络结构松散，也会在一定程度上降低煤灰黏度。对神东矿区4种商品煤混配后的模拟结果表明，煤灰的最佳配比质量为4∶6到7∶3，煤样配比为4.1∶5.9～8.3∶1.7能够较好地满足液态排渣气化炉的操作温度和黏度区间。