煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第6期

• “矿井冲击地压灾害防治技术及工程实践”专题客座主编致读者

  齐庆新,

  冲击地压是煤矿开采的典型动力灾害之一，经过70 余年的研究与攻关，我国从初期认识冲击地压阶段开始，经过冲击地压研究探索、冲击地压研究快速发展和冲击地压灾害新挑战等几个阶段，在冲击地压发生理论与防治技术上取得了诸多研究成果，初步建成了适合我国煤矿特色的冲击地压理论与技术体系。但随着我国煤矿开采深度的增加，冲击地压矿井数量和灾害危害程度显著增加。2018-2020 年，我国发生4 起重大、较大冲击地压事故，暴露出冲击地压防治形势依然严峻，治理任务十分艰巨，也必然促进冲击地压研究向更高的科学化研究阶段发展。冲击地压发生机理、冲击地压监测预警技术、冲击危险性评价方法、冲击地压防治技术、冲击地压巷道支护技术等仍需要进一步深入研究。　　为认真贯彻落实2020 年8 月10 日国务院安全生产委员会“关于进一步贯彻落实习近平总书记重要指示精神坚决防范遏制煤矿冲击地压事故的通知” 要求，《煤炭科学技术》于2021 年第6 期策划出版“ 矿井冲击地压灾害防治技术及工程实践” 专题。共收到近20 个单位的50 余篇稿件，最终刊登14 篇具有代表性的论文，集中报道我国在冲击地压发生机理、冲击地压监测预警技术与平台、冲击地压巷道支护理论与技术、冲击地压灾害防治技术、矿震类型与属性等方面的最新科技成果。　　衷心感谢各位专家学者为专题撰稿! 感谢评审专家对专题稿件的评审工作! 特别感谢辽宁大学、北京科技大学、中国矿业大学、辽宁工程技术大学、中国煤炭科工集团、国家能源集团、华北科技学院等单位给予的大力支持!

• “ 煤地质与煤结构” 专题客座主编致读者

  王绍清,

  我国能源资源禀赋特点决定了煤炭在能源结构中的主体地位。深入探索煤的资源和能源双重属性价值，有利于实现“ 双碳” 目标。成煤地质条件是影响煤化学结构的本质因素，而煤的结构特性直接决定其加工利用水平。因此，探究煤地质与煤结构关系是为实现煤炭清洁高效利用的基础，是贯彻落实李克强总理在2020 年政府报告中指出的推动煤炭清洁高效利用的重要指示，符合《能源技术革命创新行动计划(2016-2030)》提出的加强煤炭分级分质转化技术创新要求。　　煤具有复杂性和非均质性，具有博物学的特点。煤的分子结构复杂、多样，虽然煤化学家基于化学方法给出了煤的大分子模型，但与地质因素结合方面的研究还相对薄弱。为进一步研究受地质因素影响的煤化学结构的变化特征，“ 煤地质与煤结构” 专题基于自然地质条件，结合岩石学、计算机模拟技术等，共同探讨煤化学结构的演化，以期为煤的清洁高效利用提供理论支撑。专题刊登7 篇代表性论文，集中报道岩浆作用对煤化学结构煤岩学特征的影响、分子结构构建与演化、烟煤生烃结构演化以及煤炭资源化利用建议等方面的最新科技成果。　　衷心感谢各位专家学者为专题撰稿! 感谢各位审稿专家在稿件评审过程中给出的建设性意见! 感谢中国矿业大学、西安科技大学、太原理工大学、安徽理工大学、中国矿业大学( 北京) 等单位给予的大力支持!

• 冲击地压矿井综采工作面两巷超前支护液压支架研究

  潘一山, 高学鹏, 王伟, 肖永惠,

  针对我国工作面两巷超前支护区域由于应力集中程度增大和支护能力较差而引发的冒顶、冲击地压等愈发严重的问题，采用理论、对比及分类等方法，研究工作面开采特征及与两巷在矿压上的差别，分析支护对巷道稳定性影响以及工作面与两巷超前支护匹配性，研究巷道液压支护设计方法。研究结果表明：①由于开采深度、开采空间以及开采强度增大，采场矿压显现增强，与工作面相比，两巷应力集中程度更高，受采动影响范围更大，围岩破坏更严重，对支护要求更高；②巷道支护技术及装备发展严重滞后于工作面，单体液压支柱由于支护强度低、护顶效果差、稳定性差，加剧了工作面与两巷支护的不匹配；③巷道支护强度对工作面两巷稳定性具有重要影响，应当采取初撑力较高、刚度较大的液压支架对巷道加强支护；④系统地对巷道超前支护液压支架进行分类，总结每种支架类型特征、优缺点及适用巷道条件，并提出两巷超前液压支护设计方法。

• 典型近直立煤层群冲击地压机理及监测预警研究

  何学秋, 陈建强, 宋大钊, 何生全, 李振雷, 钟涛平, 薛雅荣, 周超,

  近直立煤层群由于特殊的煤岩赋存和开采方式，覆岩破断运动及其导致的围岩静载应力分布和动载扰动特征与缓倾斜煤层有较大差异，已有冲击地压灾害在近直立煤层群开采矿井（SICS）发生。为指导类似赋存矿井冲击地压防治，以乌东矿南采区典型近直立煤层群为工程背景，从诱冲机理、监测预警及防治技术方面展开了系统研究，揭示了近直立煤层群压撬型冲击地压机理，建立了适用于近直立煤层的预警指标体系，提出了近直立煤层降载减撬冲击地压防治技术。结果表明：近直立煤层群综放开采下冲击地压显现具有巷道顶底板侧不对称和岩体压撬显现特征；煤体所受顶板和岩柱的压撬作用是诱发冲击的基础静载力源，悬顶和层间岩柱破裂产生的动载扰动对冲击显现有重要诱发作用，近直立煤层群综放开采冲击地压是顶板和岩柱压撬效应耦合作用结果；各预警指标对冲击地压和大能量矿震均具有一定的响应，各维度和各系统预警指标综合预警可综合各自优势实现互补，提高预警准确性；深浅孔交替爆破可削弱对煤体的压载荷和撬动效应，现场实施后，微震日总能量和频次明显减少，顶板和岩柱每米能量104 J以上微震事件较实施前平均减少了96%，卸压效果明显，冲击危险性降低。

• 煤矿矿震类型及震动波传播规律研究

  窦林名, 曹晋荣, 曹安业, 柴彦江, 白金正, 阚吉亮,

  针对煤矿矿震分类缺乏定量化指标、矿震传播规律不清楚、危险性矿震难以判别等问题，综合采用数值模拟、理论分析及现场实测的方法，对煤矿矿震进行了分类，通过UDEC数值模拟再现了震动波在节理岩体中的传播过程，结合微震监测数据，统计分析了矿震震动波传播过程中质点峰值速度和震动波能量的衰减规律，初步探讨了危险性矿震判别方法。结果表明：煤矿矿震可分为采动破裂型、巨厚覆岩型和高能矿震型3种，其中高能矿震型又可细分为煤体内爆型、顶板失稳型和断层活化型。根据矿震是否对井下人员或设备造成危害，又可将矿震分为正常矿震和危险性矿震2大类。矿震震动波传播受多种因素影响，煤岩体中的不连续面对震动波传播作用明显。揭示了不连续面对震动波应力传递的阻断机制：当震动波传递的应力与原岩应力叠加超过不连续面强度时，不连续面发生破坏，出现一定位移，介质的不连续性阻断了震动波应力传播。矿震传播过程中，质点峰值速度与震动波能量之间具有内在联系，峰值速度、能量均与传播距离呈负指数型关系。实测表明：某矿区实体煤区域和采空区区域的质点震动速度吸收系数分别为0.003 75和0.007 6，震动波能量吸收系数分别为0.007 5、0.015 2，2种区域内震动波衰减差异明显，不连续面对震动波传播影响显著，验证了数值模拟的正确性。

• 煤矿冲击地压综合监测预警平台研究及应用

  潘俊锋, 冯美华, 卢振龙, 夏永学, 徐刚, 马宏源, 王元杰, 张建,

  为了全面提高煤矿冲击地压监测预警精度，提升日常监测的自动化水平，以冲击地压发生载荷条件为切入点，提出对冲击启动载荷源开展分源监测的思路，开发了煤矿冲击地压分源权重综合监测预警平台。结果表明，以现场监测数据为基础，为每种预警指标赋予属性权重和等级权重，进而得到可随冲击危险性动态变化的综合权重，采用冲击地压分源权重综合预警方法，可解决人为定权易造成主观误差的问题，回避固定权重中部分指标被中和的情况，预警结果更加客观可靠；开发了集成接口融合、格式转化、统计分析、指标优先、权重计算、等级预警等功能为一体的冲击地压综合预警平台，实现了对微震、地音、应力、钻屑等多参量、多尺度预警信息的深度开发与警情智能发布，大幅提高了预警效率及效果，在多座典型冲击地压矿井进行了成果应用。

• 煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨

  李海涛, 齐庆新, 赵善坤, 李宏艳, 舒龙勇, 陈理强,

  目前煤矿动力灾害的机理类研究多基于单一要素开展，由此获得的结论具有相对独立性，进而使得动力灾害研究呈现出复杂化的趋势。为回归其弹性能大量积聚和剧烈释放的本质，增强相关研究的关联性，以弹性能积聚为线索，通过常识推理提出了煤矿动力灾害形成的基本逻辑，包括：持续的能量补给；保证能量形式为弹性能的介质属性；能够使弹性能积聚至致灾量级且可以失效的制约机制，并指出，“能量源”包括稳定和偶发2种形式，前者来自开采卸荷后的等效加载作用，后者来自动载扰动；“介质属性”狭义上指物质种类，但对于冲击倾向性、渗透性等受限于细观结构的属性同样纳入本概念中；制约机制则是弹性能积聚至致灾量级并产生剧烈释放的关键，以结构面和块体组合为具体形式，是实现人为干预防灾的切入点。并将其分别概括为“力源因素”、“物性因素”和“结构因素”，其中，物性因素是一切行为的基础，力源因素与结构因素具有密切的互馈作用，据此提出了广义“三因素”机理，给出了其潜在应用场景及未来研究方向。

• 冲击地压巷道减隔震技术原理及应用

  高明仕, 贺永亮, 徐东, 俞鑫,

  冲击地压是煤矿开采过程中最严重的动力灾害之一，对煤矿安全开采造成了极大威胁。统计表明，约90%的冲击地压发生在巷道中，致使巷道损坏、垮冒甚至闭合以及人员伤亡。巷道支护已成为防治冲击地压的最后一道防线。基于冲击地压巷道围岩破坏过程及关键影响因素分析，研究了深部冲击地压巷道减隔震技术手段和实现方法，有效保护了巷道围岩结构的整体稳定性。提出了冲击地压巷道减隔震技术原理：隔震技术是在支护层与原岩之间致裂形成具有显著消波吸能作用的松散煤岩体，吸能机理主要体现在块体松散吸能、旋转吸能、空间散射吸能、反射吸能4个方面；减震技术通过锚杆锚索、O型棚、防冲单元架等支护构件的大延伸及让压位移，经过减震支护构件的强散射和释能作用，保护巷道支护锚固体在瞬间高冲击动载作用下的整体移动性和让压位移特征；隔震+减震的双重组合保护效应，实现了巷道围岩消波降载支护体整体释能抗冲的性能特征，从而维护冲击地压巷道围岩的稳定性。现场实践和微震监测显示：减隔震技术可以有效控制冲击地压巷道变形和破坏，巷道表面监测的微震能量降低了50%，巷道支护效果显著。

• 采动巷道矿压显现特征及力构协同防控技术研究

  赵善坤, 苏振国, 侯煜坤, 赵斌, 徐阳, 王宏伟, 莫云龙,

  以西北地区典型冲击地压矿井为工程背景，研究采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性，通过对典型厚硬顶板条件下重复采动巷道冲击地压显现特征及主控因素的分析，研究通过对西北地区深部典型厚硬顶板条件下重复采动巷道冲击地压显现特征及主控因素的分析，采用“点-面-区”相结合的方式对深部厚硬顶板采动巷道应力分布进行了探测，确定了回风巷冲击地压严重的主要原因为区段煤柱侧向覆岩结构破断和采动应力的叠加作用。提出冲击地压防治要从采动巷道围岩结构和应力环境双方面入手，通过调整采动巷道围岩应力环境，人为干预高低位岩层破断位态，增加高低位厚硬顶板破断所释放弹性能量的传递损耗，优化巷道围岩支护参数，提高工作面超前应力峰值附近巷道刚性支护系统瞬时吸能让压能力，并根据采场煤层赋存条件、围岩结构特征和应力环境不断改变的特点，动态调整各种措施的时空组合方式进而实现采动巷道的围岩稳定性控制。通过典型冲击地压工作面现场防冲实际，验证了采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性，为西北地区深部厚硬顶板条件下采动巷道冲击地压防治提供理论指导。

• 基于能量计算的冲击地压巷道三级吸能支护参数确定

  王爱文, 范德威, 潘一山, 代连朋, 肖永惠, 徐连满, 陈建强,

  煤矿冲击地压的工程治理主要集中体现在冲击地压启动前的“防”与冲击启动后的“止”，而如何依据冲击类型及能量特征设计吸能支护参数，有效地“止冲”对削弱冲击破坏程度具有重要意义。为实现冲击地压巷道吸能支护参数的量化设计，通过分析不同类型冲击地压释放的能量主体与破坏特征，指出了冲击危险巷道三级吸能支护方式的选择原则；基于能量守恒原理，考虑冲击释放能级、围岩破坏特征以及支护装备力学特性，给出了三级吸能支护参数的确定方法。研究结果表明：煤体压缩型冲击地压释能主体为煤体，释放能量一般不大于106 J；顶板断裂型冲击地压释能主体为顶底板围岩，坚硬顶板断裂时释放能量不低于106 J；断层错动型冲击地压释能主体为断层，释放能量在107 J以上。不同类型冲击地压发生后，巷道围岩表现出不同程度的震动破坏，吸能支护设计应遵循原则：冲击能量分级设防、锚杆锚索主动支护优先、全断面主-被动联合支护、巷道支护结构整体稳定性与经济性。进行防冲支护参数设计时应采用逐次递进法设计吸能锚索、吸能U/O型棚、吸能液压支架的支护参数，当吸能锚索支护间距小于0.8 m时，升级为二级吸能计算，当吸能U/O型棚的排距小于0.6 m时，升级为三级吸能计算。现场实践表明：基于能量法的巷道支护参数可靠，防冲效果显著。

• 煤矿褶皱构造区冲击地压机理研究及防治实践

  曹安业, 薛成春, 吴芸, 王崧玮, 郭文豪,

  针对胡家河煤矿402103工作面褶皱构造区开采期间煤岩应力异常和强矿震事件频发问题，基于数值模拟和现场实测方法分析了褶皱构造区工作面回采期间顶板、煤层和底板的应力演化特征，探讨了褶皱构造区冲击地压发生机理。模拟结果表明：工作面开采至褶皱构造不同区域时，褶皱构造区垂直、水平应力场分布具有明显的分区特性；褶皱构造区工作面开采时，水平应力起主控作用，开采至背斜轴部区域时顶板围岩稳定性降低，开采至向斜轴部区域时底板围岩稳定性降低，开采至翼部区域时煤层稳定性降低；基于煤矿褶皱构造区冲击地压发生机理，制定了402103工作面巷道围岩系统的顶板、煤层定向爆破释能降载防治方案，卸压后日均微震总能量下降47.6%，日均微震总频次上升16.7%，有效降低了工作面冲击危险性。研究结果对煤矿褶皱构造区工作面开采动力灾害防范具有一定借鉴意义。

• 孤岛工作面防冲安全开采论证方法研究与应用

  刘金海, 黄涛, 王悦平, 朱斯陶, 李乃禄, 刘虎, 董续凯,

  为便于执行《煤矿安全规程》和《防治煤矿冲击地压细则》中关于开采冲击地压煤层孤岛煤柱应进行防冲安全论证的规定，提出一种孤岛工作面防冲安全开采论证方法，并进行工程应用。结果表明：孤岛工作面防冲安全开采论证包括冲击地压矿井属性论证，孤岛工作面冲击类型论证，孤岛工作面冲击危险等级评价，矿井防冲能力论证；依据煤层冲击倾向性鉴定结果和煤层冲击危险性评价结果论证煤层冲击地压属性，进而得到冲击地压矿井属性；对于冲击地压矿井，根据孤岛工作面支承压力分布论证冲击地压类型；在开展冲击危险因素排查和冲击危险性评价的基础上，计算防冲工程量；依据矿井防冲机构与人员配备情况、监测系统覆盖能力、卸压机具配备情况，论证矿井防冲能力；最后，综合冲击地压类型、冲击危险等级及防冲能力与防冲工程量之间的关系，得到能否保障安全开采的结论。

• 煤矿静载型冲击地压地音监测预警技术

  王传朋,

  针对静载型冲击地压的地音监测预警问题，从实验室煤岩体试件全应力-应变曲线与声发射频次关系出发，分析了试件在原生裂缝闭合阶段、线弹性阶段、弹塑性变形阶段及应变软化阶段的声发射响应特征，阐释了煤矿静载型冲击地压地音监测预警原理，介绍了基于地音监测指标能量变化率PE、频次变化率PN的煤矿静载型冲击地压地音监测预警技术，建立了煤矿静载型冲击危险等级地音监测预警模型，探讨了该技术在煤矿现场应用的主要影响因素，设计了地音传感器井下合理的安装方式。以某矿205工作面运输巷掘进期间地音监测预警为例，分别以小时及工作班为基础单位，构建以地音事件频次偏差、能量偏差及持续时长为指标的静载型冲击地压危险等级地音监测预警模型。结果表明：①冲击煤岩体在原生裂缝闭合阶段和线弹性阶段产生少量地音事件，在进入弹塑性变形阶段到极限承载能力间会释放大量的地音事件，这一显著特征是静载型冲击地压的地音监测预警的理论依据；②采用巷道帮部注浆、全长锚固、隔音棉填充等辅助手段可有效降低本底噪声，提高信噪比；③区分生产班与检修班数据、建立施工信息共享机制可加强人工剔除生产干扰；④针对205工作面运输巷掘进施工，地音监测系统提前19 h预警。

• 基于冲击地压⁃矿震协同控制的隔离煤柱合理宽度研究

  朱斯陶, 王博, 姜福兴, 张修峰, 孙希奎, 孙翔, 刘金海, 张爱民,

  针对陕蒙地区深部矿区工作面隔离煤柱宽度设计不合理导致冲击地压和矿震频发的现状，采用案例调研、理论分析和现场监测等方法,对隔离煤柱区冲击地压和矿震的发生机理及隔离煤柱合理宽度进行了研究。以近年来陕蒙深部矿区工作面在隔离煤柱区发生的3起典型冲击地压和矿震事件为工程背景，根据动力显现特征和诱发机理不同，将其分为煤柱局部破坏型冲击地压、煤柱整体失稳型冲击地压和煤柱区厚硬砂岩组破断型矿震3类。分别建立了采空区侧向支承压力估算模型、采空区转移应力估算模型、煤柱承载应力估算模型和关键层挠度弯曲变形力学模型，揭示了不同宽度隔离煤柱诱发局部冲击、整体冲击和矿震的机理。研究结果表明：2101工作面和2201工作面间隔离煤柱不发生局部冲击的宽度为5～6 m或不小于128 m；不发整体冲击失稳的宽度为不小于138 m；不发生矿震的宽度为498 m。在此基础上探讨了不同宽度隔离煤柱对冲击地压和矿震的影响，提出了基于冲击地压-矿震协同控制的合理隔离煤柱宽度设计方法，以期为陕蒙深部矿区相似条件工作面隔离煤柱宽度设计提供参考。

• 不同冲击倾向性煤单轴压缩下能量演化与损伤特征

  杨磊, 王晓卿, 李建忠,

  为了研究不同冲击倾向性煤单轴压缩过程中的能量演化规律与损伤特征，基于实验室冲击倾向性等力学参数测试，通过颗粒流数值程序PFC2D获取能够较真实反映煤样宏观力学特性的细观参数，模拟分析了不同冲击倾向性煤单轴压缩下的能量演化规律与损伤特征。研究结果表明：不同冲击倾向性煤的能量演化规律相似，峰值强度前，边界做功主要转化为应变能，耗散能、滑动能与动能的占比则非常小；峰值强度后，应变能快速释放，耗散能、滑动能与动能开始迅速增长。随着冲击倾向性的增强，应变能释放与动能增长速率显著增大，提出应变能释放比率与动能增长比率2个指标，发现应变能释放比率、动能增长比率与冲击倾向性指标中的单轴抗压强度、冲击能量指数以及弹性能量指数具有很好的相关性，可采用该指标来辅助评判煤样的冲击倾向性。峰值强度前不同冲击倾向性煤样内部微裂纹演化规律近似，峰值强度点后微裂纹急剧增长，增速与冲击倾向性呈正相关关系。基于裂纹萌生与体积应变曲线的确定方法，得出煤的起裂应力水平主要分布在44.18%～51.67%，损伤应力水平在89.04%～93.86%。强冲击倾向性煤样的起裂应力水平与损伤应力水平均高于弱和无冲击倾向性煤样，起裂应力水平与损伤应力水平从细观损伤力学角度解释了强冲击倾向性煤样易积聚高弹性应变能并产生脆性冲击破坏的能力。

• 近直立特厚煤层冲击危险源辨识及控制研究

  林军, 杜涛涛, 刘旭东,

  为研究乌东煤矿南区近直立特厚煤层在特定区域冲击地压频发的原因，以五一煤矿、大梁煤矿的保护煤柱、大洪沟防洪渠保护煤柱、不同水平分层终采线形成的台阶结构等特定区域为工程背景，采用PASAT M便携式微震仪、ARAMIS M/E微震监测系统，开展近直立特厚煤层特定区域冲击地压致灾的动静载荷源辨识，得到了近直立特厚煤层引发冲击地压的静、动载荷源，针对冲击地压致灾的动载荷源，开展了近直立特厚煤层冲击地压分源控制实践。研究结果表明：特定区域是近直立特厚煤层冲击地压致灾的主要静载危险源，易引起煤体局部高应力集中； B2-B3煤层间岩柱活动是近直立特厚煤层冲击地压致灾的主要动载源，围岩活动产生的冲击致灾高能事件，70.4%发生在两煤层之间的岩柱中；采用煤体卸压爆破和煤层注水方法进行冲击静载荷源控制，通过多水平联合岩柱控制方法开展冲击动载荷源控制。实践表明：采取的分源控制方法有效降低了煤岩体应力集中和围岩活动强度，有效减少了近直立特厚煤层冲击地压灾害的发生频次。

• 京西煤制备氧化石墨烯分子结构模型的构建与优化

  唐跃刚, 陈鹏翔, 李瑞青, 郇璇, 徐靖杰, 樊江涛, 车启立,

  随着煤基碳材料的发展，石墨烯及石墨烯氧化物等二维碳纳米材料已成为目前新型材料中重要研究领域并成为研究热点。为查明煤基氧化石墨烯的化学成分组成和分子结构特征，以北京西山矿区侏罗纪门头沟系的8号煤层无烟煤为碳源，对京西原煤样和脱灰样进行了工业分析和元素分析，京西煤属于品质较好的低灰、低挥发分和特低硫无烟煤，脱灰后京西无烟煤的灰分产率从初始的9.26%下降到0.65%，表明矿物得到了有效去除。利用改良的Hummers氧化还原法制备煤基氧化石墨烯，并对制备的氧化石墨烯进行了核磁共振碳谱(13C-NMR)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X-射线光谱(EDS)和X射线光电子能谱(XPS)等分析手段测试。通过Origin软件对所得数据进行分析和图谱拟合，得到了所制备煤基氧化石墨烯产品的元素比和产品结构参数。研究表明：京西煤基氧化石墨烯的芳香结构以苯、萘、蒽和菲为主；脂肪碳以次甲基、环烷烃的形式存在，其中含氧官能团以酚羟基和醚氧基为主，还含有大量的羧基。在此分析数据的基础上，构建了京西煤基氧化石墨烯的分子结构模型，并运用13C-NMR预测软件ACD/CNMR predictor对其进行了结构修正，所得到的GO-JX分子结构模型与试验核磁共振图谱较一致。

• 抚顺树脂残植煤中树脂体分子组成与结构模型研究

  杜美利, 刘雷, 贺成杰, 樊锦文, 李刚,

  树脂体分子骨架由萜类衍生物为主的小分子和大分子构成，树脂体中小分子及大分子结构与现代植物分泌树脂的演化关系是本研究的核心。利用逐级溶剂萃取、元素分析、碳13核磁共振（13CNMR)、傅立叶红外光谱（FTIR）、气相色谱-质谱联用（GC/MS）和X射线光电子能谱（XPS）等方法，系统研究了抚顺古近纪树脂残植煤中树脂体（琥珀）的分子组成。结果显示，树脂体中小分子化合物主要由1～2环芳烃、酯类化合物和直链烷烃（C16～C30）组成，含少量单萜、倍半萜类化合物。树脂体中的脂肪酸主要来源于酯类水解，脂肪烃则来源于树脂酸脱羧，芳烃（烷基苯、烷基萘及其衍生物）主要来源于萜烯酸与羟基脂肪酸或环状单萜及倍半萜歧化反应。树脂体的桥碳/周碳比（XBP）为0.18，脂碳质量分数（86.37%）高于芳碳质量分数（13.63%），说明其大分子结构具有低芳香度和长支链等特点；运用MS软件构建了树脂体大分子结构模型，其分子式为C96H152O8，相对分子质量1 432，芳香度0.126，大分子结构中主要含有环烷烃、萜类（单萜和倍半萜）、脂肪长链和烷基苯等结构片段，有机氧主要以不同含氧官能团存在（2个酚羟基、1个酯基、2个羧基）。树脂体小分子组成及演变方面的研究对其形成过程认识具有重要理论意义，对从分子尺度构建其大分子结构模型和研究其性质奠定了重要的理论基础。

• 煤表面官能团对CH4及CO2吸附性能的影响规律研究

  相建华, 雷蕾,

  煤表面官能团对CH4以及CO2吸附性能的影响已得到印证，但不同官能团类型对2种气体吸附行为的具体促进与阻碍作用以及影响因素尚未有定论。利用密度泛函理论，通过计算不同官能团化结构对CH4以及CO2的吸附能数据，揭示了表面官能团对CH4以及CO2吸附性能的作用规律。结果表明：无论是在经官能团修饰的结构中还是无官能团化碳-Layer结构中，CO2的吸附能均大于CH4，表明CO2与煤大分子结构间的作用均大于CH4。CH4在CH4/CO2竞争吸附的吸附能模拟中，吸附平衡距离大于单一CH4分子吸附模拟平衡距离；CO2在CH4/CO2竞争吸附的吸附能模拟中，吸附平衡距离小于单一CO2分子吸附平衡距离，CO2表现出竞争吸附优势。CH4在不同含氧官能团化结构中吸附能大小的顺序为羰基-Layer结构（-23.64 kJ/mol）>羟基-Layer结构（-19.44 kJ/mol）>羧基-Layer结构（-18.28 kJ/mol），上述吸附能均都小于CH4在无官能团化C-Layer结构中的吸附能（-25.37 kJ/mol）；含氧官能团的存在削弱了煤体的CH4吸附性能，且影响强弱与官能团的碱性与疏水性有关。CO2在不同含氧官能团化结构中吸附能大小的顺序为羧基-Layer结构（-36.33 kJ/mol）>羟基-Layer结构（-34.06 kJ/mol）>羰基-Layer结构（-33.43 kJ/mol），上述吸附能均大于CO2在无官能团化碳-Layer结构中的吸附能（-32.54 kJ/mol）；含氧官能团的存在提高了煤体的CO2吸附性能，且影响强弱与官能团的极性有关。吡啶氮官能团化结构中CH4的吸附能为-31.00 kJ/mol，大于无官能团化碳-Layer结构中CH4的吸附能；吡咯氮官能团化结构中CH4的吸附能为-6.40 kJ/mol，，小于无官能团化碳-Layer结构中CH4的吸附能。CO2在吡啶氮官能团化结构与吡咯氮官能团化结构中的吸附能分别为-50.56 kJ/mol与-14.71 kJ/mol。含氮官能团对煤体结构吸附CH4和CO2的阻碍与促进作用具有相同的规律，即吡啶促进吸附而吡咯阻碍吸附。

• 淮北煤田石台矿烟煤生烃结构演化研究

  李伍, 杨文斌, 杜仲华,

  随着煤化作用的进程，煤中不同显微组分可以生成油气，该过程可以通过热模拟试验完成。为获得烟煤生烃结构演化特征，采集了淮北煤田4煤层样品，基于黄金管热解生烃试验、傅里叶红外光谱（FTIR）和高分辨率透射电镜（HRTEM），分析了不同升温速率下烃类产率特征，研究了生烃过程中煤化学结构演化规律，计算了FTIR和HRTEM结构参数，探讨了生烃产率和结构演化之间的对应关系。结果表明：C1-5和甲烷随着温度升高，产率不断增大，且在中间温度区间急剧增大，C14+先增大后减小，且不同升温速率，达到峰值的温度有所差异。CH2/CH3和A2800-3000 cm-1/A3000-3100 cm-1呈现不一样的变化规律，但均有降低的趋势。0～0.1 nm芳香结构占比均为最多，0～1.0 nm表现出先降低-升高的周期性变化趋势。烟煤及热解产物的芳香结构主要包括2×2、3×3、4×4，含有少量的5×5尺寸芳香结构，45°主方向性变化降低、保持和升高的趋势规律。

• 伊敏褐煤不同组分相互作用的热重-质谱分析

  李美芬, 邵燕, 李晔熙, 范晶, 曾凡桂,

  煤成烃及煤化作用一直是煤化学领域的核心问题，为深入理解煤成烃及煤化作用机制，选用伊敏原煤及其不同有机组分为研究对象，运用热重-质谱（TG-MS）联用系统，在详细分析伊敏煤6种不同有机组分的热解特征以及主要气态产物（H2、CH4、C2H6、CO2和苯）的在线析出行为的基础上，对不同有机组分的相互作用机制进行了深入探讨。原煤的热失重曲线及产物的生成曲线不是其不同有机组分热失重曲线和产物生成曲线的简单加和，表现为峰的个数和形状均存在较大差异，表明在热解过程中煤中不同有机组分间存在着相互作用。为进一步理解其相互作用机制，对不同有机组分间互不影响时各产物的逸出速率曲线进行了计算，详细分析了不同有机组分对不同气态产物生成的影响，结果显示：煤中的矿物质对H2、CH4及烷烃类的生成具有促进作用，对CO2的生成具有抑制作用，而对苯的生成影响不显著；腐植酸的存在促进了C2H6的生成，抑制了H2、CH4及苯的生成，对羧基裂解生成CO2的反应有抑制作用，而对稳定含氧官能团裂解生成CO2的反应有促进作用；沥青质对CO2的生成具有促进作用，对C2H6的生成具有抑制作用，对苯的生成没有明显影响。

• 岩浆侵入对煤结构的影响评述

  陈健, 李洋, 刘文中, 江佩君, 曾建, 陈萍,

  岩浆侵入煤系地层导致煤发生接触变质作用，形成天然焦，降低煤经济价值，增加自燃和瓦斯突出风险，改变煤层气赋存条件，还被认为是地史时期全球气候变化和生物绝灭的重要触发因素。为揭示岩浆侵入过程煤结构的变化规律，文章从煤层宏观结构构造到微观显微组分，从原始沉积结构的变化到新形成的特征结构，全面系统论述了岩浆侵入对煤结构的影响。岩浆高温、侵位压力、热液流体等因素导致煤层结构构造和煤显微组分发生显著改变，发育微孔裂隙、脱挥发孔或囊状结构、各向同性焦、各向异性焦、热解碳、石墨球粒和焦化沥青质等。受岩浆侵入影响煤层煤结构的变化规律是确定接触变质晕范围和气体赋存条件的科学基础，在热变质煤资源的安全开采和综合利用方面亦具重要现实意义。

• 热变煤特殊性质与其开发利用建议研究

  王绍清, 张小梅, 李雪崎, 陈昊,

  煤在较长一段时间内仍会占据我国能源消费结构的主体地位。随着煤炭的深部开发和开采，势必会遇到更多的侵入体及受其影响的热变煤，但相比于经历深成变质作用形成的煤，热变煤往往具有更高的瓦斯突出风险和自燃风险，从而带来一系列煤炭资源开发和开采过程中的安全问题。另一方面，由于热变煤性质特殊，在现有的煤炭利用工艺条件下，热变煤的利用价值普遍较低。因此，总结归纳热变煤的特殊性质，探讨热变煤潜在的应用价值，既有利于保障煤炭资源的深部开采与开发，也有益于热变煤资源的合理利用。在世界范围内，热变煤分布广泛，主要采煤国均有与热变煤相关的报道。自十九世纪中叶首次报道热变煤至今，国内外众多学者对热变煤的煤岩学、地球化学、矿物学等领域进行了大量的研究。基于此，本文归纳了热变煤在煤岩、矿物、元素、成熟度、生烃潜力、同位素、光学、孔隙、大分子结构等方面的特殊性质，并探讨了引起热变煤特殊性质的地质影响因素。结合热变煤的研究进展，提出了热变煤潜在的发展方向。基于热变煤化学结构变化特征，指出了热变煤是制备碳材料潜在的优良原材料。而热变煤中丰富的孔隙结构，加之岩浆岩侵入体普遍具有良好的封闭性，在适当的地质条件下热变煤会形成良好的煤层气储层。

• 露天矿多软弱夹层边坡变形机理与形态优化研究

  田宇, 张波, 刘博文, 王振伟, 魏真, 闫杰,

  针对露天矿多弱层顺倾到界边坡形态设计问题，结合现场实际情况，通过对地质构造、岩层岩性、软弱夹层赋存情况等工程地质特征进行分析，基于刚体极限平衡理论与数值模拟的手段，研究了含多弱层-断层构造复合顺倾边坡的变形破坏特征、滑坡模式以及不同弱层对边坡稳定性影响程度；采用分段优化方式对到界边坡最终形态进行优化，确保了端帮到界开采过程中煤炭采出的安全高效，为类似边坡工程的滑坡防治提供参考。研究结果表明:露天矿含多弱层-断层构造复合顺倾边坡中，上部岩体含多弱层且岩层风化严重，强度较低，随矿坑深度增加，下部断层带处岩体对上部岩体的约束作用减小，露天煤矿端帮多弱层顺倾边坡的潜在滑坡模式为下部牵引致使沿弱层发生顺层滑动，软弱泥岩是滑坡的主控层，泥岩弱层和断层破碎带的相对位置关系是滑坡的主控因素；当F5断层以上区段坡角为12°，F5断层以下区段坡角为18°，整体坡角为14°时，边坡能够处于稳定状态。

• 动态回采工作面煤壁瓦斯涌出数值计算及现场应用

  刘彦青,

  为了准确预测计算动态推采期间回采工作面煤壁瓦斯涌出量，以超化煤矿22051综采工作面为研究对象，建立煤层多组分瓦斯含量-压力赋存模型，考虑了工作面推进速度、采动影响下煤层渗透率变化，通过引入移动坐标系和采动作用下工作面前方煤层渗透率分布模型，构建了动态推采期间工作面煤壁多组分瓦斯涌出数值计算模型，采用有限差分法编制相应的解算程序，模拟计算回采工作面煤壁瓦斯涌出量。以瓦斯平衡方程、风量平衡方程为基础构建工作面瓦斯涌出量分源测算数学模型，结合工作面现场风量瓦斯分段测定法，实测了工作面煤壁瓦斯涌出量。对比分析了22051工作面煤壁瓦斯涌出量数值模拟结果与实测结果，研究表明：该工作面煤壁瓦斯涌出数值计算模型中工作面平均日推进速度参数应该由该工作面25～35 d的实际推进度计算得到，工作面回采进尺状况对工作面煤壁前方煤层瓦斯渗流运移具有重要影响作用，该工作面在当前开采条件和煤层瓦斯赋存渗流条件下，工作面煤壁瓦斯涌出量取决于25～35 d的工作面回采进尺状况，工作面煤壁瓦斯涌出存在明显的时间累加与延迟效应。

• 基于生命周期的采煤机绿色评价方法研究及应用

  张旭辉, 郭欢欢, 马宏伟, 车万里, 潘格格, 张超, 赵友军, 张玉良, 毛清华, 樊红卫, 杜昱阳, 薛旭升, 王川伟, 董明, 刘鹏, 夏晶, 曹现刚,

  针对采煤机需求量大，在加工制造过程中存在的耗能大和环境污染等问题，提出了一种基于生命周期评价的采煤机生命周期绿色评价方法，结合eFootprint软件分析，对采煤机加工制造过程进行量化评价。首先，以采煤机摇臂传动系统为研究对象，通过采用多目标分析理论对其进行稳健性优化设计分析，确定以质量作为绿色评价的重要影响因素；其次，以“从原材料开采到采煤机出厂”为系统边界，建立采煤机质量信息物料清单表，在eFootprint软件中对采煤机整机进行建模，并按照铸件、锻件、焊接件的分类方式进行清单分析，对采煤机各生产环节的能量消耗和环境影响进行定量分析；最后，以采煤机的摇臂、牵引部以及截割电机3个部分为目标，对比各零部件对不同影响指标的累积贡献。分析结果表明：摇臂过程中能源消耗与全球变暖了潜力的贡献率最大的是摇臂壳体，分别为49.50%和52.91%；牵引部过程中，机壳对能源消耗和全球暖化贡献率最大，分别为64.55%、63.95%；截割电机过程中对能源消耗和全球变暖潜力的贡献率最大的是冲片-硅钢片，分别为58.05%、63.27%。此方法可解决复杂机械产品绿色评价建模的问题，能识别出能源消耗最大的零部件以及对环境影响贡献最大者，可为企业提供绿色改进方向，同时为煤矿机械行业的绿色评价提供一定的借鉴与参考。

• 煤矿短壁开采自动化连续运输系统设计与实现

  郝建生,

  采用短壁机械化开采技术提高资源采出率，解决我国煤矿井下煤柱及不规则块段开采、“三下”压煤开采、露天边帮压煤回收、延长矿井服务年限等方面,具有重要意义。目前，我国连续采煤机技术装备发展迅速，替代进口取得了较好的应用效果，后配套连运系统缺失一直制约矿井产量提升，亟待开发。带式输送机具有长距离连续运输、大运量、可靠性高、性价比高的特点，且易于实现自动化集中控制。为提升煤矿房柱式开采工艺中连续采煤机后配套运输系统生产能力，基于长距离动态运输、跟随连续采煤机轨迹自动行驶对实现后配套连续运输的重要性，探讨了汽车列车型式连运系统的可行性，提出了直接控制汽车列车连运系统循迹行驶的自动控制算法，研究了车辆单元铰接机构和不同工况转向行驶算法等关键技术难点，测试结果表明应用汽车列车型式的带式连运系统实现自动循迹行驶能有效解决房柱式开采工艺中实现连续运输的技术难题，实现连续运输系统自动行驶，跟随连续采煤机轨迹进行精准循迹控制，减少作业人员，提升了行驶灵活性和环境适应能力。

• 矿用永磁直驱电动机温度场研究与分析

  侯红伟, 秦翥,

  针对低速大功率矿用永磁直驱电动机谐波含量较高、多物理场耦合、流体场复杂等特性造成电动机部件发热、磁场畸变严重等若干问题，对500 kW、60 r/min分数槽集中绕组矿用隔爆永磁直驱电动机进行损耗分析，得出定子铜损耗占总损耗比例最高，其次为定子铁心损耗及转子永磁体损耗。根据损耗特点，在电动机外部设置水套机座，内部通过风扇形成循环风路的冷却结构，使定子的铜损耗与铁损耗，通过热传导传至机座；定子铁心与水套机座采用热套结构，增加传热效果；定子端部热量经过铜绕组传至直线段，再由定子铁心传走；采用镀层分块、转子轭部叠片式结构，将转子永磁体热量携至定子铁心轭部并由机座冷却水携出。通过迭代计算的方式验证了当给定来流温度且电动机定子内径圆面处绝热时，转子热量将加载至定子轭部孔；当转子气隙空气温度加载到定子内径面处时，电动机部件基本达到热平衡。最后，截取该电动机定子轴向1/2半齿半槽及转子径向1/8作为仿真对象，利用Realizable k-ε模型对带有冷却结构的模型对象进行三维温度场仿真分析与数据统计。结果表明：低速大功率矿用永磁直驱电动机在冷却结构的协同作用下，可以有效降低定子端部及转子磁体产生的热量，减少转子引起的绕组发热不均及定子铜耗问题，确保电动机定子绕组和转子永磁体等主要电磁部件在安全温度范围内稳定运行，为低速大功率永磁直驱电动机在结构优化方面提供了理论依据。

• 北大巴山逆冲推覆带鲁家坪组泥板岩微孔隙结构表征

  田涛, 付德亮, 段中会, 姚建明, 杨甫,

  北大巴山逆冲推覆带发育大量富有机质泥板岩，为研究该区极浅变质泥板岩的微观孔隙结构，通过低温氮气物理吸附、高压压汞、氩离子抛光-场发射扫描电镜(Ar-FESEM)、X-射线衍射(XRD)等试验，定量、定性表征下寒武统鲁家坪组富有机质泥板岩微观孔隙结构特征和影响因素。试验结果表明，鲁家坪组泥板岩微观孔隙结构具有强烈的非均质性，孔径范围分布广且组合形式多样。紫阳地区鲁家坪组泥板岩的微孔、介孔、大孔发育程度相当或更偏向于介孔-大孔；岚皋地区以微孔发育为主导，辅以发育介孔和大孔。鲁家坪组泥板岩孔隙大小和类型与岩石矿物组分密切相关，石英、长石、碳酸盐岩等脆性矿物相关孔隙类型以粒内溶蚀孔、边缘孔缝、粒间孔为主且多被黏土矿物、有机质充填，脆性矿物颗粒挤压黏土矿物和有机质内部微孔、介孔，致使其改造甚至是闭合，约束孔隙体积发育；黏土矿物相关孔隙类型以层间孔缝为主，孔径大小以介孔为主，是提升鲁家坪组孔隙体积的主要孔隙类型；有机质孔是鲁家坪组微孔孔隙主要类型，提供了大量比表面积，是气体吸附的主要场所。鲁家坪组泥板岩的微观孔隙结构利于天然气吸附保存，但总体孔喉细小、连通性较差，不利于游离气运移。

• 基于地震多属性融合技术的煤层巷道探测识别方法

  彭凡, 杜文凤, 刘洪栓,

  常规地震属性解释方法利用单一属性，或多种属性单独解释、相互印证的方式来识别地下异常地质体。虽然在一定程度上能够满足勘探要求，但客观存在准确性不高的问题。为了准确查明地下煤层巷道的展布情况和边界范围，提出了基于地震多属性融合技术的煤层巷道探测识别方法。设计了地质模型，利用正演模拟研究了巷道的地震响应特征。巷道是一种处于煤层之中且与煤层有着共同顶底板岩层的特殊地质空腔体，一般充水或空气。由于与顶底围岩间存在的较大波阻抗差异而形成的强反射界面，会导致巷道处反射波能量出现局部变强的现象。从正演结果中提取多种煤层地震属性表明，相对波阻抗和振幅类属性可以很好的描述这种异常。沿目的煤层从实际地震数据中提取了相对波阻抗、瞬时振幅和平均振幅3种不同地震属性，将这3种地震属性视为R、G、B颜色分量，利用RGB色彩融合技术对这3种地震属性进行融合。利用含有3种地震属性信息融合后的属性，成功查明了煤层巷道的平面位置及其边界范围，说明利用地震多属性融合技术来识别巷道是行之有效的。结果表明，相较于单一地震属性，地震多属性融合后的属性可以展现出更丰富的地质信息，巷道及边界更为清晰和连续，提高了解释精度，为探测识别煤矿巷道提供了依据。

• 准噶尔煤田阜康矿区小黄山煤矿煤的矿物学特征

  张宁, 许云, 宁树正, 赵彦,

  煤中矿物类型及组合特征对煤炭的加工利用具有重要意义，其决定了煤在燃烧、气化、液化等方面的性质。为了使准噶尔盆地阜康矿区的煤炭资源得到清洁高效利用，采集发育在小黄山煤矿6号煤的11个样品，对其进行工业分析、全硫分析和发热量分析，运用X射线荧光光谱、低温灰-X射线衍射、电子探针对煤灰中的常量元素、煤中的矿物进行了分析，并研究其成因。研究结果表明：小黄山煤矿6号煤层属中高挥发分、特低灰分、特低硫，特高热值煤。煤灰中Na2O相对质量分数为10.91%，具有顶部和底部高中部低的特征，分析表明煤中的矿物并非Na的主要来源，煤中的Na部分可能来自于表土层中的Na，地表水在下渗透过程中将其带入到煤层中，部分可能来源于中生代地层中具有超压的Na2SO4型水。低温灰化后主要矿物组成为白云石、片钠铝石、石英、钠长石、黏土矿物、方解石及少量的磷灰石、针铁矿等。片钠铝石是由煤化过程中产生的CO2与硅铝酸盐矿物反应形成，白云石和方解石作为后生矿物由煤化过程中产生的CO和CO2与赋存在煤中的流体反应形成。磷灰石作为后生矿物由热液活动或者是有机物分解过程释放出的磷在适当的化学条件下再沉淀形成，针铁矿为煤中铁的硫化物被氧化形成。

• 延川南煤层气田深部煤层气藏排采制度的建立与优化

  赵兴龙, 汤达祯, 张岩,

  为了建立适合延川南煤层气田深部煤层气藏的排采制度，一方面通过镜质组反射率测试、压汞试验和核磁共振试验等手段，分析了延川南煤层气田煤层孔隙性发育在各煤阶煤层中所处的水平；另一方面主要通过与沁水盆地南部煤层孔隙发育、地应力特征、煤岩力学特征进行对比，分析了延川南与沁南煤层气地质条件差异，并结合延川南煤层气井现场排采参数，建立了相适应的排采制度。结果表明：延川南煤层气田煤层镜质组反射率在2.5%左右，压汞孔隙度和可动流体孔隙度在所有煤阶中处于最低水平，且孔隙系统以微小孔为主，各级别孔隙间连通性差，对煤储层渗透性极为不利；与沁水盆地南部相比，延川南煤层气田煤储层具有孔渗性差、地应力高的特点，加之煤岩本身抗压强度低，所以在排采控制过程中要采取比沁水盆地南部更为缓慢的排采制度；将延川南煤层气田深部煤层气藏排采制度划分为5个排采阶段，分别是：快速降压阶段、稳定降压阶段、上产阶段、产量波动阶段和稳产阶段，其中快速降压阶段日降井底流压控制在0.100 MPa左右，稳定降压阶段、上产阶段和产量波动阶段要采取精细化排采控制，稳定降压阶段日降井底流压在0.003 MPa左右，上产阶段日降井底流压0.005 MPa左右，产量波动阶段日降井底流压要控制在0.003 MPa左右。