煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第8期

• 综采工作面智能化关键技术现状与展望

  高有进, 杨艺, 常亚军, 张幸福, 李国威, 连东辉, 崔科飞, 武学艺, 魏宗杰,

  综采工作面智能化是我国煤炭开采的重点发展方向之一。综采工作面环境复杂，设备众多，开采工艺各环节高度耦合，且采煤过程中各设备之间的动作协同性要求较高，这给设备的智能控制带来了巨大挑战。为厘清综采工作面智能化的技术现状，发掘技术难题的解决方法，探讨未来的发展方向，首先从工程应用角度出发，围绕采煤机、液压支架群、供液系统、运输系统等核心设备，综述综采工作面智能化的发展历史和技术现状，介绍了智能化综采工作面现有的系统架构和关键技术，梳理智能化建设过程中的技术难点。其次从控制理论角度出发，重点阐述了采煤机滚筒自适应调高、支架姿态控制、支架自动跟机、工作面直线度调整、设备协调控制等技术难点所面临的科学问题，从系统建模、控制算法及优化决策等方面，介绍了解决上述问题的技术路径和国内外最新的研究成果。最后，根据人工智能研究领域的发展动态，展望了采煤机、液压支架、运输系统的智能化发展方向；结合计算机视觉、三维激光点云技术、大数据分析、多智能体控制与决策等方向的研究成果，探讨了综采工作面在视频目标识别与跟踪、关键设备三维姿态感知、透明工作面地质信息获取与建模、设备故障综合诊断、工作面信息挖掘与智能分析、设备集群智能最优控制等方面的智能化技术。

• 深部回采巷道锚固失效分析及支护对策

  宁义国, 马双文, CAO Chen,

  针对深部回采巷道围岩变形导致锚杆支护失效的问题，提出通过改善锚杆受力状态、改变锚杆锚固方式、优化杆体形状，减少锚杆破断的方法，在此基础上，设计了1种新外形结构的螺纹钢锚杆。进行了实验室拉拔试验，结果表明：矿用右旋锚杆、左旋锚杆和大肋间距高强锚杆的平均拉拔力为136.9、106.1、147.6 kN，且大肋间距高强锚杆吸能效果更好。在现场试验前，先对回风巷的围岩结构进行探测，包括顶板钻孔窥视和松动圈测试，依据围岩结构探测结果，确定最终的巷道支护方案。回风巷采用原支护方案和大肋间距高强锚杆全锚支护2种方案支护，并对顶板离层和锚杆受力进行实时监测，试验结果表明：大肋间距高强锚杆支护的巷道顶板最大下沉量较原支护方案减小36.4%，顶板离层量较原支护方案降低24.1%；顶板和两帮锚杆受力的结果显示大肋间距高强锚杆支护较原支护方案锚杆受力更小，两种支护方案顶板锚杆受力最大值分别为442.9 MPa和78.1 MPa，改进方案较原支护方案降低了82.4%；其回采期间，全锚大肋间距高强锚杆支护方案与原支护方案相比，支护失效锚杆数量明显减少，这都表明全长锚固的大肋间距高强锚杆更有利于维护巷道的稳定。

• 基于变权模糊理论的残煤连采可行性评价研究

  马进功,

  为解决目前采用连续采煤机开采残采煤区时只能定性确定可行性的问题，基于国内短壁连采现有工艺和装备，充分考虑残采煤区所处的开采和地质条件，探索和分析了残采煤区连采的可行性数学评价方法和准则。根据模糊数学提出了层次分析法、变权理论的综合评价方法，从地质构造条件、煤层赋存、开采安全要素、块段不规则要素等4个方面内容进行系统分析，构建了以残采煤区和连采技术特点为基础的可行性评价指标体系（19个因素），并参照国内煤炭行业规范标准或者专家打分法对各个因素进行量化处理，得到了不同指标的合理取值范围，建立了指标评判矩阵并确定指标初始权重。根据实际情况调整初始权重，调高 “差”因子权重，同时调低“好”因子权重，使之更符合实际，最终考虑最大评判指标的贡献，采用最大隶属度作为评定准则，确定残采煤区连采可行性。通过盛平煤矿、张家峁煤矿、南关煤矿3个案例评价验证了评价方法合理性和准确性。研究表明：此方法基于煤矿现场提出残采煤区可行性影响因素，赋予指标的权重合理、计算方法得当，是一种有效的定量判定残采煤区是否适用连采技术的数学评价方法，为小矿井先期决策引进连采技术具有重要的参考意义。

• 倾斜煤层露天矿横采内排采区合理宽度研究

  曹博, 汪帅, 黄云龙, 刘光伟, 张东旭, 石广洋, 孙磊,

  倾斜煤层露天矿在生产过程中，为降低剥采比、尽快实现剥离物内排、节约运营成本，开采方式由纵采转变为横采。目前针对露天矿采区宽度的确定多采用经济合理或技术可行的方式，这2种方式各有利弊，难以合理优化露天矿采区宽度。为对采用横采内排开采程序露天矿的采区宽度进行优化，提出了一种横采内排采区宽度优化方法。该方法基于露天开采原理，建立了倾斜煤层露天矿横采内排模型；分析了横采采区宽度与平均剥采比的关系与变化规律；探讨了剥离运输成本对经济合理剥采比的影响以及横采采区宽度与剥离内排运距的关系。通过建立剥离运输成本与运距之间的联系，间接地确定了横采采区宽度与经济合理剥采比的关系与变化规律。在规定了生产能力的前提下，分析横采采区宽度与露天矿年推进度的关系。通过以上方法确定经济合理的最大横采采区宽度，满足技术可行的最小横采采区宽度，并给出采区宽度优化原则。将此方法及确定原则应用于准东露天煤矿，对采用不同横采采区宽度时露天矿的平均剥采比、经济合理剥采比、年推进度进行了分析计算。结果表明：优化后的采区宽度为1.0 km，平均剥采比为1.89 m3/t，经济合理剥采比为2.11 m3/t，保证了矿山生产能力、提高了露天矿经济效益。

• 近水平煤层露天矿中间搭桥高度研究

  李胤达, 韩流, 尚涛, 陈树召,

  随着大型矿用卡车在我国露天煤矿的广泛应用，建立中间搭桥运输系统逐渐成为一种有效的节省运输费用方法。为了减少露天矿中间搭桥运输系统运输距离，优化该系统的重要参数——桥面高度，通过分析搭桥运输系统和双环运输系统卡车运输距离的变化规律，以坑底水平为基准，考虑不同水平到桥面折返距离的动态变化，依据运输功最小原则，得出不同工作面剥离物料的动态分界位置，并在此基础上建立内排运输功计算模型，进而得出运输费用，该模型扩大了搭桥运输系统的服务范围；为了减少拆桥二次剥离量，实现拆除桥体经济合理，从桥体搭接位置处的形状、组成桥体的成分及二次剥离过程3个方面进行分析，提出了经济合理二次剥采比的概念及计算方法，得出了经济上允许的最大二次剥离量与采矿量之比，从而确定最大二次剥离深度，进一步建立拆桥费用模型；根据收益最大原则，确定搭桥运输系统的桥体最佳高度，使近水平露天矿中间搭桥系统充分发挥作用，具有一定的普适价值。针对宝日希勒露天煤矿开采现状，通过模型计算得出随着桥体高度的增加，桥体服务范围整体提高，且服务范围内的台阶数量呈现由少变多再变少的规律；就某一台阶节省的运输费用，随着该台阶高度与桥体高差的增大而减小；不同桥体节省费用的最大值随桥体高度的增加而增大，最终得出最佳桥体高度为55 m，一次搭桥循环时间内，可增加收益约2 901.5万元。

• 基于BP神经网络的覆岩“两带”高度预测研究

  李奇, 秦玉金, 高中宁,

  为了研究五阳矿采动影响后上覆岩层卸压带高度变化规律，运用BP神经网络预测分析法，以控制“两带”高度的开采方法、工作面长度、工作面推进速度、煤层倾角、覆岩性质、回采高度等致裂因子为输入层，以垮落高度和断裂高度为输出层，借助MATLAB6.x神经网络工具箱，构建了“两带”高度BP神经网络结构，经过BP神经网络模型初始化，BP神经网络模型训练及检验，建立可靠的“两带”高度BP神经网络预测模型。利用BP神经网络预测模型与国外经典预测模型对“两带”高度进行预测对比，得出国外的几种计算方法的误差都比较大，“两带”高度BP神经网络预测模型因其具备非线性函数逼近的特征，计算误差较小；以五阳矿3号煤为研究对象，运用BP神经网络预测模型在多种开采环境下对“两带”高度进行了预测，预测结果与实测结果基本吻合，得出开采方法的改变，影响着“两带”高度变化规律，特定的开采方法条件下“两带”高度与采高呈正相关，增长幅度趋缓；卸采比与采高呈负相关；工作面长与“两带”高度、卸采比均呈正相关，且相关性不受开采方法影响，无论何种开采方法，工作面推进速度与“两带”高度均呈负相关性，且推进速度与“两带”高度线性递减梯度-2.4～4.2 m/(m·d-1)，推进速度增至4 m/d时，“两带”高度几乎不变，表明推进速度是“两带”高度发展的抑制因素。研究结果为五阳矿的瓦斯综合治理提供了重要的技术指导。

• 基于元胞自动机的房式煤柱稳定性研究

  李昊城, 宋选民, 朱德福,

  西部矿区浅埋煤层遗留大面积房式采空区，煤柱作为采空区内唯一的承载系统，其稳定性决定了整个采空区的稳定性，从而影响着下组煤层的安全开采。为了研究浅埋房式采空区煤柱破坏失稳演化规律，采用元胞自动机理论建立了浅埋房式采空区煤柱8Moore元胞自动机模型，并结合围压对煤岩单元储能极限的影响将煤柱元胞分为4个等级，以此定义了煤柱二维元胞模型储能极限分布规律，从各元胞间能量传递的角度分析了房式煤柱破坏失稳的演化规律；以石圪台煤矿3-1-1号煤层房式采空区煤柱为工程背景，通过数值模拟及现场揭露试验对提出的理论模型进行验证。研究结果表明：①煤柱的破坏失稳有2种演化模式，Ⅰ型演化模式下煤柱的弹性核区特征近似呈矩形，而Ⅱ型演化模式下煤柱的弹性核区近似呈四周凸起的多边形。②Ⅱ型演化模式中由于“等效元胞”的存在，其整体元胞储能极限高于Ⅰ型演化模式，在同样演化规则及外部施加相同广义能量的条件下，Ⅱ型演化模式的稳定性相对较好。③数值模拟结果表明，石圪台煤矿3-1-1号煤层房式采空区煤柱破坏演化规律与元胞模型Ⅱ型演化特征一致，计算平衡后的弹性核区形态特征也呈四周凸起的多边形。④现场揭露试验表明煤柱水平截面弹性核区形态特征与Ⅱ型演化结果一致，验证了房式煤柱元胞演化模型的正确性。

• 巷道围岩蠕变特性及非定常蠕变模型研究

  鲁明星, 马占武, 田帅,

  为研究巷道围岩在不同围压特性条件下的蠕变特性，采用MTS812.02试验系统对取自阜新恒大煤矿的砂岩进行三轴蠕变试验。以西原模型为基础，通过引入影响损伤程度系数对蠕变模型的参数非定常化，分别对弹性蠕变、黏弹性蠕变和黏塑性蠕变进行积分求解，运用流变模型串联理论得到改进后的西原蠕变模型，将模型代入到Origin拟和软件中，采用最小二乘法对蠕变模型的参数进行识别，对试验数据和模型曲线进行对比，验证建立蠕变模型的正确性。结果表明：围压的增大，提升了岩石的蠕变承载能力，使加速蠕变启动时间延后，并且延长了岩石的破坏持续时间；当轴向荷载较小时，只有衰减蠕变阶段存在，蠕变迅速趋于稳定；当轴向荷载较大时，蠕变曲线经过先上凸后转变为直线，衰减蠕变阶段和稳定蠕变阶段都比较明显；当轴向荷载加大到破坏荷载时，蠕变的3个阶段都出现；围压为10 MPa和15 MPa时，岩石的轴向等时应力-应变曲线在应力水平分别在为60 MPa和80 MPa时开始出现明显的发散，说明了蠕变由线性转变为非线性；建立的非定常蠕变本构模型不仅可以很好地对砂岩的蠕变三阶段进行描述，而且也弥补了西原体难以描述加速蠕变特性的缺点；试验数据和模型曲线具有较好的拟合度，说明了通过对西原体参数的非定常化改进是正确的、合理的。

• 岩石压缩能量演化规律及非线性演化模型研究

  张佳,

  为了研究岩石在不同围压作用下的压缩能量演化规律，采用MTS815.02试验机对阜新恒大煤矿砂岩进行不同围压下三轴压缩试验，通过能量法计算出不同条件下的弹性能变化曲线，分析不同围压作用下岩石压缩能量演化规律，以及在同一围压作用下弹性模量对弹性能变化规律的影响。基于广义虎克定律和能量守恒定律，并考虑弹性能与能量释放率的关系，引入微元强度的概念，建立一种新型的能量非线性演化模型。结果表明：随着围压增大，岩石的弹性能和总能量在峰值处的数值基本呈线性增大趋势，且常规三轴压缩时的能量远大于单轴压缩时的能量，说明围压可以有效提升岩石的储能能力；在峰前阶段，模型曲线与试验数据拟合程度较高，在峰后阶段，模型曲线也可以较好地描述弹性能与轴向应变之间的关系，模型曲线与试验曲线具有良好的拟合度。这表明该模型更加接近围岩实际的变形破坏演化规律，建立的模型可以较好地反映岩石弹性能-应变变化关系，且建立的模型中的参数都可以通过试验进行确定，引入的分布参数也具有明确的物理意义。模型曲线与峰后试验曲线虽然有较大的偏离，但该模型不仅能描述峰前阶段曲线变化规律，也对峰后曲线变化规律有所描述，弥补了原有能量模型不能描述峰后曲线变化规律的缺点。

• 液态二氧化碳相变致裂掏槽破岩试验研究

  孙小明,

  为研究液态二氧化碳相变致裂技术在掏槽破岩作业中的适用性问题，分析了应力波与高压二氧化碳准静态荷载共同作用下的二氧化碳相变致裂破岩规律，并通过搭建压力测试平台，实际测得二氧化碳致裂器峰值泄放压力可达185 MPa,致裂作用全部过程持续约200 ms，致裂关键参数有利于破断岩石，结合岩巷掘进的工程实际，试验了2种致裂方式的掏槽破岩方案，并对试验过程的爆破振动进行监测。结果表明：相较于方案一中每个孔安放单根致裂器，方案二采用了二氧化碳致裂器多管联爆的方式，结合合理的致裂孔与空孔参数布置，可取得更好的掏槽效果，掏槽区域布置6个掏槽致裂孔、2个中心空孔，每个致裂孔安放2根首尾相接的二氧化碳致裂器，致裂后形成的掏槽槽洞深度可达1.6 m，落岩体积约4.2 m3，形成的掏槽空间能够满足掘进需求，作业效率更高，并且在损伤累积效应作用下，槽洞底部的扩展裂隙可为下一循环的掏槽作业创造有利条件；此外，致裂过程最大振动速度为0.376 cm/s，振动、噪声、扬尘都较小，不会影响周边环境，证明该技术适用于掏槽破岩作业，为岩巷掘进、城市地下隧洞开挖等工程提供了新的作业手段和技术参考。

• 极近距离煤层错层位巷道布置方式及围岩控制技术研究

  张宝优,

  为解决极近距离煤层群分层开采支护难度大、危险性高等问题，探索错层位巷道布置采煤法及区段间相邻巷道联合支护技术在极近距离煤层群开采中的应用前景，以官地矿8、9号煤地质条件为研究背景，经论证8、9号煤之间的夹矸层厚度较小，满足放顶煤要求，不会影响顶煤冒放性，以此确定采用错层位巷道布置采煤法进行极近距离煤层联合开采的回采方案。通过极限平衡理论、数值模拟确定了下区段沿底巷道位置，沿底巷道顶煤破碎区宽度为1.93 m，极限平衡区宽度为6.65 m。采用FLAC3D数值模拟软件对下区段沿底巷道位置进行选择，计算结果为侧向支承压力峰值与巷道侧距离为6.85 m，与前述理论计算得到的极限平衡区宽度基本相同。结合理论分析及数值模拟计算结果确定该地质条件下错层位外错式巷道布置方案水平错距为2 m。对区段间相邻巷道联合支护技术机理进行论证研究，并结合矿方原始支护方案最终确定区段间相邻巷道联合支护方案。对下区段沿底巷道顶底板移近量和两帮移近量进行现场实测，结果表明：下区段沿底巷道围岩变形整体处于可控范围内，错层位巷道布置方式支护方案设计较为合理，可以满足工作面安全生产需要，可为类似条件下工作面布置及围岩控制提供参考。

• 基于孔壁形态的锚杆锚固体荷载传递机理及特性分析

  崔希鹏,

  在进行锚杆（索）拉拔试验时发现一个重要的力学现象，即当拉拔力加到一定数值，锚杆（索）体未从孔内拔出，岩体试件却伴随巨响或震动，瞬间沿孔壁径向发生整体开裂，由于这种径向压力足以引起整个岩石试件迅速开裂，可见其对锚杆承载力的影响是不可忽视的。针对该现象，通过深入研究岩-岩结构面剪切特性和扩孔理论研究成果中结构面受力剪切过程中必然产生的剪胀效应，分析认为钻孔孔壁形态是产生该径向应力的最主要因素。在适当的假设条件和考虑锚杆钻孔孔壁粗糙形态的前提下，基于非线性Mohr-Coulomb强度准则，结合荷载传递函数法和锚固体-围岩结构面剪胀效应及破坏机理，建立了适应于圆形巷道锚杆锚固体应力传递模型，分别求得破坏和弹性条件下锚固体轴力及剪应力解析式。基于所获得的解析式，深入探讨了锚固体轴力随剪胀角即钻孔孔壁粗糙度变化的分布规律和随圆形巷道应力场切向应力变化的分布规律。同等条件下，剪胀角越大即钻孔孔壁粗糙度越大，锚杆的抗拉拔性能越好，极限抗拉拔力越大；并且注浆锚杆的灌浆压力对锚杆的抗拉拔力有着重要的制约作用，建议在实际锚固工程设计和施工中适当增加钻孔孔壁的粗糙度以提高锚固效果和适当增加灌浆压力来改善锚杆的承载性能。

• 水玻璃参数对改性聚氨酯注浆材料稳定性的影响

  刘鲤粽,

  目前煤矿井下采掘工作面应用较多的注浆加固材料主要是聚氨酯类和水玻璃改性聚氨酯类材料，但后者因材料本身不燃、反应温度低等优势，逐渐成为最广泛的工作面超前注浆加固材料,但该材料在实际注浆中经常出现双组分中白料分层现象。为达到加固效果，并确保施工安全。探究了水玻璃中关键参数对白料体系稳定性的影响，如模数、波美度和铁离子含量；记录了不同参数下白料的析出量，且利用分光光度法测定了样品的铁离子含量；同时，利用傅里叶红外光谱剖析了析出物质的主要成分。结果表明：3.3高模数水玻璃极易造成体系凝胶，模数2.4、2.7对体系析出量影响不大，最终均造成4.0～5.0 mm的析出。但模数2.4的稳定性相对较好，且相同参数不同厂家水玻璃品质差异较大，其中2.4HP-50样品早期析出相对缓慢，1—7号样品铁离子质量分数为0.006 5%～0.035 0%，其中6号棕褐色样品铁离子质量分数最高，达0.035%。但铁离子含量与析出量无正相关关系，不是影响体系分层的主要因素。3—6号样品析出物红外谱图基本一致，可判定析出物质成分相同，经进一步特征峰分析，发现析出主要是甘油和催化剂。因此，体系析出主要因胺类催化剂打破了水玻璃胶体电荷平衡，依据相似相溶理论，醇胺类催化剂将甘油一起带出体系造成白料分层。

• 露天矿软岩复合边坡变形机理分析

  厉美杰,

  为研究露天矿软岩复合边坡的变形机理，以新疆某露天矿设有排土场的东帮复合边坡为研究对象，根据排弃高度、端帮与排土场距离两因素制定4种模拟方案，采用FLAC3D进行数值模拟，通过对4种方案的水平位移及监测点位移随时步变化的模拟结果进行分析，得出随着排土场排弃越高，排土场距东帮距离越远，边坡最大水平位移位置向边坡内侧移动；监测点位移随时间起初小幅波动，中期下降较快，后期平稳的变化趋势；变形过程中由于下部岩体对上部排土场的约束作用减小和排土场对下部岩体的挤压作用产生边坡变形连锁效应，加快边坡变形。对边坡变形机理从复合、软岩、开挖3个方面进行详细的分析，得出不同工况下边坡潜在滑移模式：拉裂-蠕滑、拉裂-切层-蠕滑、拉裂-切层-蠕滑-剪出。在失稳型边坡蠕滑机理基础上提出稳定型边坡蠕滑机理，主要包括初始变形阶段、减速蠕变阶段、等速蠕变阶段、减速蠕变阶段Ⅰ、减速蠕变阶段Ⅱ等5个阶段，并通过数值模拟对该机理进行了验证，稳定型边坡蠕滑机理对边坡滑移的预防具有一定指导意义。

• 瓦斯抑爆材料及机理研究进展与发展趋势

  程方明, 南凡, 罗振敏, 康晓锋,

  为了有效控制和降低瓦斯爆炸事故带来的破坏效应，不断完善抑爆理论体系，在调研国内外抑制瓦斯爆炸相关文献的基础上，按抑爆材料种类的不同，分别从气体、水雾、粉体以及多相复合抑爆4个方面总结和分析了近年来瓦斯抑爆材料和抑爆机理的研究进展，并提出未来的创新发展趋势。大部分研究通过试验研究对比分析各类材料抑爆效果的差异性，结合最大爆炸压力、最大爆炸压力上升速率、爆炸极限、爆炸威力指数、火焰传播、火焰温度等特征参数的变化规律，基于理论分析和数值模拟解释其爆炸抑制机理，主要基于物理惰化可燃气体及氧气浓度、冷却或吸收爆炸区域热量、隔绝热传递、消除甲烷爆炸支链反应产生的H、O、OH等关键自由基等进行瓦斯抑爆机理分析，发现能有效探明抑爆材料影响瓦斯爆炸反应微观作用机理的试验检测手段明显不足。多相态材料复合抑爆是近年来研究的热点，发现了多种抑爆材料联合使用时会出现协同增效现象，其抑爆效果明显比单一材料使用时抑爆效果好，但其协同抑爆机理尚未揭示清楚，有待深入研究。多种材料的组合抑爆规律、多种材料协同抑爆机理的精准揭示、使用先进的试验设备检测反应微观过程、高效环保的新材料抑爆剂研发等将是未来瓦斯抑爆研究的重点。

• 抽采衰竭期注气增压强采欠压瓦斯技术研究

  王公达, 陈善文, 孙峰, 赵晶, 杨鑫, 宋鑫,

  瓦斯强化抽采技术是局部瓦斯治理的有效措施，为提高抽采衰竭期工作面的瓦斯抽采效果，基于流体力学理论分析了抽采衰竭期瓦斯抽采量下降原因，提出了抽采衰竭期注气增压强采欠压瓦斯技术，分析了技术作用机理、理论模型并开展了相关现场试验。研究结果表明：随着抽采过程中瓦斯压力的逐步降低，煤层瓦斯进入欠压状态，流动的驱动力不足，抽采进入衰竭期；注气增压强采技术具有“促流”、“增透”和“置换”的三重效果；推导了注气强采二元气体对流数学模型，以模型为基础进行了定量化注气强采效果数值计算；澳大利亚Sydney Basin的现场试验表明注气强采能够迅速提升抽采瓦斯混合量与纯量，注气期间瓦斯含量减少量为5.28 m3/t，降幅73.90%，常规抽采期间瓦斯含量减少量为2.93 m3/t，降幅39.1%。结果表明，与常规抽采相比较，注气强采能更有效提高煤层瓦斯抽采效果，实现欠压煤层的快速强采，减少了煤炭开采过程中的煤与瓦斯突出危险性及瓦斯异常涌出可能性。

• 水力冲孔对煤微观孔隙和结构成分影响的试验研究

  李冰, 刘见宝, 任建刚, 陈锋, 宋志敏,

  煤矿瓦斯灾害严重制约着我国煤炭工业的发展，瓦斯灾害大多发生在透气性低和抽采效果差的低渗透性煤层中，目前水力冲孔技术是针对低渗透性煤层的一种较为有效的治理手段。为探讨水力冲孔技术对煤微观孔隙和结构成分的影响，利用压汞、液氮、甲烷等温吸附、傅里叶红外光谱和拉曼光谱等测试分析手段，对水力冲孔前后的煤样进行了微观孔隙、甲烷吸附性能和结构成分等方面的试验研究。结果表明，冲孔过程对于煤体内部微观孔隙具有一定的改造作用，主要集中在过渡孔（尤其是50 nm以下）和微孔段。不同温度下，冲孔过程均使煤的甲烷吸附性能显著提高，提高幅度可达1～2倍。冲孔后煤样的傅里叶红外光谱各峰位强度有所减小，拉曼光谱D峰和G峰面积有所增大，即冲孔过程对煤的结构成分也产生了影响，主要表现为官能团的相对含量变化、结构缺陷发育和芳香型碳富集。水力冲孔作用不仅可大幅改善煤体内部的孔隙通道，从而提升煤体内部瓦斯的解吸-扩散-渗流能力，还可使煤体新产生一些小分子结构的气体，且赋存于煤体内部丰富的孔隙结构中。水力冲孔后煤体这些微观孔隙和结构成分的变化，很好地解释了生产现场水力冲孔后煤体的瓦斯抽采效率提升，瓦斯流量衰减系数较小和持续抽采能力变强这一宏观现象。

• 黄陵矿区围岩气体成因及致灾机理研究

  郑凯歌, 孙四清, 赵继展, 陈冬冬,

  鄂尔多斯盆地南缘黄陵矿区黄陵二号等煤矿在采掘过程中出现井下围岩大量油气异常喷涌现象,导致矿井停采停掘,对矿井的安全生产构成严重威胁。为了揭示黄陵矿区煤层围岩气体来源、运移途径，探讨采掘扰动下灾害发生机理。通过围岩气样地球化学参数测试结果分析，采用烃源岩对比、油型气类型鉴定、数值模拟等方法，结合研究区构造、沉积特征分析，综合采掘扰动效应围岩气灾害诱导作用进行了研究和探讨。研究结果表明：围岩气δ13C2含量平均低于2.88%，结合Schoell关系鉴别图版判识，该围岩气为典型的原油伴生热解类油型气，顶板气中夹有少量煤成气与油型气混合气；其为产于三叠系延长组烃源岩，通过基底构造形成的裂隙通道首次运移至底板围岩，在砂体运移通道及后生裂隙作用下，运移至煤层及顶板围岩的成因机制。采掘扰动效应下，打破原始应力平衡，地应力、构造应力耦合作用下，围岩发生变形和破坏，形成围岩气运移通道，在瓦斯压力催化作用下，加速围岩气异常涌出，导致灾害的发生。

• 回采工作面U+L型通风系统高效应用方案研究

  张春, 闻天翔, 栾铮, 王文熠, 王博涵,

  为了使工作面U+L型通风系统能够高效应用，采用理论分析方法，从回风巷瓦斯浓度、采空区煤炭自燃、通风系统管理及经济合理性4个方面对工作面U+L型通风系统高效应用的判定方法进行了分析；构建了U+L型通风系统模拟模型，应用数值模拟方法对工作面供风量分别为1 000、2 000、3 000、4 000 m3/min条件下的联络巷至工作面距离与工作面上隅角瓦斯浓度的关系进行了分析,对联络巷处于不同位置时工作面供风量与氧化带宽度的关系进行了研究。研究结果表明：联络巷至工作面距离与工作面上隅角瓦斯浓度近似满足指数函数关系，且风量越低这种关系越明显；以1%作为上隅角瓦斯体积分数超限标准，当工作面供风量为1 000、2 000、3 000 m3/min时，联络巷间距分别不能大于11、34、50 m；当工作面供风量为4 000 m3/min时，无论联络巷处于何处上隅角瓦斯体积分数均不超限。工作面供风量与上隅角瓦斯体积分数近似满足负指数函数关系，且联络巷至工作面距离越大这种关系越明显；当联络巷间距为10、20、30、40、50 m时，工作面的供风量分别不得低于1 000、1 500、1 800、2 400、3 000 m3/min。工作面供风量与采空区氧化带宽度近似满足指数函数关系，且联络巷至工作面距离越大，这种关系越明显；以50 m作为采空区允许的最高氧化带宽度，当联络巷间距设定为40、30、20、10 m时，工作面供风量不应大于1 200、1 900、2 200、2 000 m3/min。最后，以采空区氧化带最大宽度为50 m、工作面上隅角最高允许瓦斯体积分数为1%为标准，提出了2套联络巷高效排放瓦斯的技术方案：①当工作面供风量为1 000、2 000 m3/min时，联络巷的间距不能大于11、34 m；当工作面供风量为3 000、4 000 m3/min时，联络巷易引起采空区遗煤自燃。②当联络巷间距设定为10、20、30 m时，工作面供风量应1 000～2 000、1 500～2 200、1 800～1 900 m3/min。

• 深部远距离煤层群卸压主控因素及首采层优选方法研究

  王中华, 曹建军,

  为了选取合理的深部远距离煤层群首采保护层，进行了煤层群开采卸压主控因素正交模拟研究，构建了有效卸压的主控因素耦合关系，提出了深部远距离煤层群首采保护层优选方法并开展了工程应用研究，考察了首采层开采对邻近层的卸压保护效果，检验了保护区卸压瓦斯抽采区域防突措施效果，评价了深部远距离煤层群首采保护层优选方法合理性。结果表明：在不考虑煤层群层间厚层坚硬岩层的情况下，远距离煤层群下保护层开采对上覆邻近层的卸压效果影响的关键主控因素为保护层采高、煤层层间距，上保护层开采对下伏邻近层的卸压效果影响的关键主控因素为煤层层间距；常规采高条件下（采高≮10 m），深部远距离煤层群只能选择下保护层开采模式，层间距必须在《防治煤与瓦斯突出细则》要求的最大保护层垂距范围内，且达到不破坏上被保护层的最小理论层间距，同时保护层采高应达到最小保护层厚度要求；朱集西矿远距离煤层群13-1、11-2、8煤层应当选择11-2煤层作为首采保护层，其开采对上覆13-1煤层能够形成有效卸压保护、对下伏8煤层不能形成有效卸压保护，有效卸压保护范围内13-1煤层采用地面井结合井下钻孔进行卸压瓦斯抽采能够实现区域防突措施有效；基于关键主控因素的深部远距离煤层群首采保护层优选方法合理，以此形成的深部远距离煤层群井上井下联合抽采防突技术可靠。

• 煤矿井下钻孔破碎带水力复合扩孔试验研究

  张杰,

  为解决煤系地层常见的复杂岩层破碎带钻进塌孔而导致成孔难的问题，采用破碎带水力复合扩孔技术冲出破碎带碎渣以降低沉渣卡钻风险。水力复合扩孔技术是基于水射流扩孔与导向机械扩孔相结合的原理，开展水射流扩孔钻具研制，通过喷嘴射流冲蚀效果地面试验指导水射流扩孔钻具射流短节喷嘴结构设计。试验表明：喷嘴直径对喷嘴射流量的影响远大于射流压力对喷嘴射流量的影响；普通喷嘴和空化喷嘴射流冲蚀对煤样的破坏形态呈椭圆形且长短轴之比保持不变；空化射流的冲蚀深度是普通射流的2倍以上。水射流扩孔钻具射流短节优选3×2.8 mm的空化喷嘴结构，其机械扩孔短节采用89/120 mm导向扩孔钻头，形成了破碎带水力复合扩孔技术，应用于淮北某矿风抽联络巷A2顶板定向钻孔175 ～195 m破碎带扩孔，将孔径由98 mm扩至173 mm,降低了沉渣卡钻风险，保障了钻孔施工至深420 m。

• 复杂地层高位定向长钻孔成孔工艺研究与应用

  王建强, 张杰, 杜学明,

  为解决曙光煤矿复杂地层条件下泥岩水化导致顶板高位定向长钻孔成孔困难的技术难题，在曙光煤矿开展现场试验，采用定向先导孔和大孔径螺旋扩孔的成孔工艺，成功施工了9个孔深超520 m、孔径153 mm的顶板高位定向长钻孔，单孔最大深度达801 m，形成了适用于曙光煤矿复杂地层的顶板高位定向长钻孔成孔技术。研究表明：通过大孔径螺旋扩孔工艺可将先导孔孔壁四周泥岩水化区切削掉，有助于提高钻孔孔壁的稳定性；通过大孔径螺旋扩孔工艺形成的大环空复合排渣工艺，能够显著提高钻孔排渣效率。

• 大地电磁一维正则化反演算法研究

  周君君, 胡祥云, 肖调杰, 白宁波,

  为了解决大地电磁反演的不适定问题，正则化方法处理是用于解决该问题的主要方法。正则化方法是在数据目标泛函中增加一项稳定泛函，从而获得病态问题的稳定解。为了有效地改善大地电磁反演过程中解的不唯一性和不稳定性等问题，最小二乘光滑约束反演算法和同伦正则反演算法被提出解决该类问题。其中，同伦正则反演算法具有解非线性问题收敛性好的优点，该算法将同伦思想与Tikhonov正则化思想结合构造反演目标泛函。在大地电磁一维正则化反演算法正则因子的选取上与现有成果不同，这2种正则化算法均采用Morozov偏差原理决定正则因子。为了验证2种算法的稳健性，对理论数据添加随机高斯噪声后进行反演，基本上也能反演出模型参数，结果表明了2种算法都有较好的鲁棒性。考虑到同伦正则算法首次应用到大地电磁一维反演中，因此进一步将其对实测数据进行反演。反演数据来自吉林桦皮厂地热田的一个实测点，并将反演结果与Bostick反演和Occam反演结果进行了对比分析，同伦正则算法反演结果与实际勘探结果更加吻合，表明了同伦正则算法在大地电磁实测数据的处理中，有更高的精确度。算例结果证明了2种算法是有效的，能够改善大地电磁反演问题的不适定性。

• 地下资源开采诱发的一种滑坡模式研究——以采空触发滑坡为例

  龙建辉, 朱清华, 倪向龙,

  矿山开采必然会带来一系列地质灾害问题，采动滑坡作为其主要灾害之一，严重影响着人类生产活动。然而，凭借笔者多年的工程实践经验，对山西煤矿区发生的滑坡灾害进行调查研究后发现，有一类滑坡从发育位置、变形特征、形成机理等方面均有异于传统意义上的“采动滑坡”，但又受采动间接影响，兹称其为“采空触发滑坡”。通过对山西煤矿区此类型滑坡的典型案例进行研究分析，总结该类型滑坡特征，区分其与传统采动滑坡的异同点，主要有以下4个方面：采空触发滑坡通常发育在采空沉陷影响区以外的一定范围内；其变形一般在采空沉陷结束后才开始显现，且变形通常持续时间较长；开采沉陷并非滑坡形成最直接的影响因素，而是由坡体内部软岩蠕变破坏所致；采空触发滑坡的发生是一个能量逐渐累积的过程，即具有聚能效应。结合笔者前期研究成果，最后对采空触发滑坡的形成过程和成因机理进行了初步分析发现，该类型滑坡形成机理分为4个破坏阶段，分别为应力调整阶段、蠕动变形阶段、变形加速阶段与斜坡失稳阶段，与其对应的破坏模式为采空沉陷结束—坡体内部岩体应力松弛—软岩蠕变—蠕变作用向坡顶发展—坡体挤压变形、破坏。

• 锦界煤矿侏罗系砂岩微观孔隙结构类型及富水性研究

  杨鹏, 杨伟峰, 马荣坤,

  砂岩富水性是顶板突水危险性评价的重要指标之一，研究砂岩的微观孔隙结构，对于认识其与含水层富水性的关系具有重要的意义，以锦界煤矿3-1煤顶板侏罗系砂岩为例，通过薄片鉴定和压汞实验对所采集到的砂岩样品的微观孔隙结构进行研究，最终对比钻孔单位涌水量，分析该区砂岩微观孔隙结构与富水性的关系。研究结果表明：侏罗系延安组砂岩中泥质的含量（平均25.5%）大于直罗组砂岩中泥质的含量（平均4%）。将砂岩的孔隙结构按照毛管压力曲线形态和排驱压力大小划分为Ⅰ类低排驱压力型、Ⅱ类中排驱压力型和Ⅲ类高排驱压力型。Ⅰ类低排驱压力型砂岩以大于10 μm的粒间和晶间孔隙为主，将该区大于10 μm的孔隙定为有效孔隙，则其有效孔隙占比达61.68%，且该含水层承压水头在66.30 m左右，具有一定的压力水头，大量赋存在孔隙中的重力水在一定的压力水头下自由移动，是其中等富水性的重要原因。Ⅱ类中排驱压力型砂岩以0.1～10.0 μm的颗粒内和粒间孔隙为主，该类孔隙体积占51.44%。Ⅲ类高排驱压力型砂岩以小于0.1 μm的晶粒内孔隙为主，该类孔隙体积占45.32%。Ⅱ类中排驱压力型砂岩和Ⅲ类高排驱压力型砂岩的有效孔隙仅占21.92%，此类砂岩为弱富水性。

• 天然裂缝对页岩储层水力裂缝扩展影响数值模拟研究

  沈永星, 冯增朝, 周动, 马玉林,

  页岩储层中存在大量的天然裂缝，对水力压裂过程中裂缝扩展影响作用显著。为探究天然裂缝对水力裂缝扩展规律的影响，考虑岩石储层变形与裂缝内的流体流动之间的耦合作用以及天然裂缝与水力裂缝的相互作用建立了页岩储层二维流固耦合水力压裂裂缝相交扩展模型，通过与经典KGD模型和室内试验结果的对比，验证了模型的正确性。在此基础上研究了水平应力差、天然裂缝相交角和长度对水力裂缝与天然裂缝相交扩展的影响。研究结果表明：随着水平应力差的线性增加，裂缝起裂注水压力呈线性增大趋势，最大水平主应力对水力裂缝与天然裂缝相交后的裂缝扩展路径有诱导作用；水力裂缝与天然裂缝相交时，注水点水压出现骤降现象，裂缝相交点处易出现应力集中区，裂缝相交处宽度出现间断现象；天然裂缝相交角越大，间断现象越明显，压裂裂缝长度越短，压裂裂缝面积越小；天然裂缝长度对压裂裂缝长度影响较小，但对压裂裂缝的宽度和面积影响明显。研究结论对优化页岩气水力压裂设计有一定的指导作用。

• 基于GT-ANP理论的生态脆弱区煤-水协调绿色开采度评价

  刘晓民, 王文娟, 王震宇, 陈琼,

  开采煤矿不可避免对矿区周边水资源、生态环境及赋存的地质结构产生扰动影响,目前我国尚未形成有效的煤-水绿色开发评价体系和评价标准，无法对煤-水协调绿色开采程度和实施效果进行科学合理定量评价。针对这一问题开展了煤-水协调绿色开采度评价指标体系与评价方法的研究，首先基于“煤矿全生命周期绿色开采”理论，将煤矿开采过程划分为规划设计、建设生产和闭坑恢复治理3个阶段，结合不同阶段煤矿绿色开采要求，以维系矿区系统稳定为基准，综合考虑地质、采动、自然资源、生态环境、地质灾害和社会经济等6大系统的影响因子，构建生态脆弱区煤-水绿色开采度评价指标体系；其次引入Graph Theory（图论）与Analytic Network Process（网络分析法）构建GT-ANP模型，利用“超矩阵”综合分析其混合权重，并将煤矿划分为不合格、合格、良好和优异4个等级。以大海则煤矿为案例，验证了评价指标体系与评价方法的科学性与可靠性，评价结果基本反映该矿井的绿色开采度，为绿色矿山建设与综合治理提供依据。

• 吸附热对煤-气相互作用的数值模拟研究

  李曜辰, 王春光,

  煤层气开发或二氧化碳地质封存均涉及气-固界面吸附-解吸效应。已有大量研究证实气体分子在固体表面吸附或解吸过程中会释放出热量或吸收热量，进而导致气-固系统温度上升或下降。但是，常用的研究方法是在温度-压力平衡条件下评价煤吸附气体能力。而煤储层产气或注气过程是非平衡态过程，会产生大量的吸附热改变煤体温度，这与绝大多数研究中的恒温假设条件矛盾。为了研究吸附热对煤-气相互作用的影响，在固体变形-气体流动-吸附/解吸耦合关系中引入吸附热，将煤-气系统的储热项划分为裂隙系统与基质系统，吸附热表达成放热功率的形式；并以固体应变作为耦合项，考虑了煤与环境热交换过程，建立考虑吸附热的“变形-渗流-扩散”耦合计算模型。模拟的煤表面温度能较好拟合文献实验数据。此外，二氧化碳封存模拟结果表明恒压注气时吸附热导致的注气效率的降低约为16.8%；恒速注气时，预计最终6.2 MPa可完成的注气速率保持工作，在吸附热的影响下需要将注气压力提高至7.2 MPa，为煤层气开采时煤层温度演化提供参考。

• Fe2+、Ni2+及络合物对煤制生物甲烷的影响及动力学研究

  丁锐, 夏大平, 王新杰, 闫夏彤,

  厌氧发酵产甲烷过程及结果与微量元素及络合物的存在密切相关，为了研究Fe2+、Ni2+及络合物对煤制生物甲烷生成的影响以及产气过程中参数的变化,采用对比和放大试验的方法，以义马煤矿低煤阶煤为研究对象，矿井水作为菌种源，设置4种不同的方案，分别记录其产气数据和COD，并利用改进的Gompertz模型对各试验方案的产甲烷及降解过程进行模拟。试验结果表明：对比试验中加有15 mg/L的Fe2+和0.005 mg/L的Ni2+对生物产甲烷具有促进作用，有利于提高煤生物制甲烷的产量以及对有机质的降解，在上述试验基础上再加入5 mg/L的EDTA可以更好地促进产气，并使底物降解率更高，而放大试验的产气效果和底物降解率均要优于小样试验；改进的Gompertz模型对各试验方案的产甲烷及降解过程模拟结果得出，在加有Fe2+、Ni2+和EDTA的小样试验中，其产甲烷潜势（24.344 59 mL/g）、最大比产甲烷率（0.765 24 mL/(g·d)）、底物降解率（4 535 mg/L）及最大底物降解速率（197.8 mg/(L·d)）等参数都是最优的，且放大试验的以上参数均要优于小样试验。对各试验方案建立了相应的动力学方程，用数理统计方法对其进行检验，得出所建立的回归方程是可靠且高度显著的。该试验及其动力学研究有助于了解微量元素及络合物对煤制生物甲烷的影响，并有助于对产气过程中的各参数变化有进一步的认识，为煤制生物甲烷工程化提供一定的试验基础。

• 高速煤粉燃烧器大占比掺烧秸秆共燃烧试验研究

  陈隆, 王乃继,

  为了研究煤粉工业锅炉大占比掺混生物质的燃烧特性和NOx排放特点，以高速煤粉燃烧器为研究对象，在型号为WNS的6 t/h蒸汽锅炉系统上进行试验研究，燃料为秸秆和神府烟煤混合粉体。首先研究混合燃料在高速煤粉燃烧器中的燃烧稳定性，其次研究掺混占比、锅炉负荷及空气分级对燃烧和NOx的影响。研究结果表明：不对燃烧器做任何改动，不同占比的混合燃料均能够在燃烧器中着火和稳燃，工况4条件下锅炉从点火到额定负荷只需26 min，燃烧器观火孔处火焰橘红色，炉尾火焰亮红色，锅炉运行氧含量与炉膛压力波动平稳；当深度空气分级时，三次风达到总风量的质量浓度50%，秸秆占比为0时的NOx最低排放质量浓度为420 mg/m3左右，飞灰热值5 525 kcal/kg；秸秆占比分别为50%和70%时NOx最低排放质量浓度为110～120 mg/m3，飞灰热值2 511～2 930 kJ；秸秆占比为100%时NOx最低排放质量浓度为200 mg/m3，飞灰热值为0，表明大占比掺混生物质有利于提高深度空气分级时的燃烧效率和低氮效果；当锅炉负荷从4 t/h提高到6 t/h，掺混秸秆占比为50%和70%的混合燃料燃烧和低氮效果变优，燃用纯秸秆粉体NOx排放质量浓度从135 mg/m3增加到218 mg/m3；二次风是影响NOx排放的决定性因素，以50%掺混占比的混合燃料为例，使用空气分级技术，100%负荷时锅炉二、三次风阀开度分别为27%和100%，NOx初始排放质量浓度从417 mg/m3降低到182 mg/m3，80%负荷时锅炉二、三次风阀开度分别为20%和70%，NOx初始排放质量浓度从711 mg/m3降低到205 mg/m3。