煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第9期

• 煤炭工业“十三五”发展成效与“双碳”目标实施路径

  王国法, 任世华, 庞义辉, 曲思建, 郑德志,

  煤炭是我国能源体系的基石，长期以来煤炭工业为我国经济社会发展和国家能源安全稳定供应提供了有力保障。回顾“十三五”期间，我国煤炭工业在国家供给侧结构性改革和行业高质量发展政策引导下，不断改革行业发展模式，在煤炭消费革命、供给革命、技术革命、体制革命、国际合作方面取得的丰硕成果和巨大成绩。分析了在“碳达峰，碳中和”目标下，我国煤炭工业面临的任务和挑战，提出基于我国能源资源禀赋和经济社会发展要求，在未来100年中，煤炭仍将在我国多能互补现代能源体系中扮演稳定器和压舱石的重要角色，以煤矿智能化为标志的煤炭技术革命、技术创新成为行业发展的核心驱动力，煤炭智能绿色开发与清洁低碳利用是发展主题，煤炭低碳利用技术的颠覆性创新将使煤炭成为最有竞争力的能源和原材料资源。要坚定不移地建设智能化煤矿，淘汰落后产能，发展以煤矿智能化支撑的柔性生产供给体系，发挥煤炭为“双碳”兜底、为能源安全兜底、为国家安全兜底的作用，实现新时期、新煤炭、新格局高质量发展目标。

• 类孤岛工作面复采方案优选分析研究

  王苏健, 金声尧,

  孤岛工作面是我国煤炭开采的一个技术难题，强矿压显现是孤岛工作面的重要特征，下石节煤矿类孤岛工作面因采动矿压显现剧烈而停采封面。为实现资源有益回收，延长矿井剩余服务年限，实现该类孤岛工作面安全复采，在综合现场调研、数值模拟计算以及理论分析等方法的基础上，总结分析了220工作面动压显现特征及其发生机制，提出了220工作面扩面和缩面2种改造方案，并综合对比评价了2种复采方案的动压、水、火、瓦斯防治的危险性以及经济效益情况。研究结果表明：220工作面动压显现与周期来压、顶板活动紧密相关，超高应力、上位多层厚硬岩层、宽煤柱以及频繁煤炮等综合作用是矿压剧烈显现的根源。确定了扩面改造(内错2301采空区15 m）、缩面改造(缩短50 m）为最优复采方案。综合对比2种复采方案的整体风险性以及经济效益情况建议：220工作面采用缩面50 m进行复采，安装简易机头、机尾单电机的综放推移方式，视情况再决定是否替换过渡支架以及安装正规机头和电机。

• 特厚煤层分组间隔放煤顶煤运移规律研究

  王伸, 黄贞宇, 李东印, 张伟宇, 王祖洸, 李化敏,

  综采放顶煤采煤法已成为我国特厚煤层主流的高产高效开采方法，但当前仍面临煤炭采出率低、含矸率较高的问题。塔山矿8222工作面顶煤平均厚度12 m，采用放顶煤开采，生产过程中尝试采用“大中小微”分组间隔放煤方式。为研究该放煤方式的原理及提高其放煤效率，并为开发智能放煤控制程序提供依据，采用CDEM颗粒离散元软件模拟分析了塔山矿开采条件下间隔放煤分组方法、顶煤运移规律、煤岩分界面特征以及顶煤放出率等，在此基础上揭示了组内支架数量对顶煤放出体形态的影响机制。数值模拟结果表明，顶煤厚度为12 m及见矸关门条件下，组内支架数量为9架是最优的分组间隔放煤方式；工业性试验表明，组内支架为9架的分组间隔“大中小微”放煤方式条件下的顶煤放出率为80.53%，含矸率4.00%，煤炭采出率高达85.31%。此外，组内支架数量对放煤漏斗形态影响较大；组内支架较少时，第1级放煤过程中相邻放煤口之间影响较大，中间形成畸形顶煤形态的可能性较大，在下一级放煤时容易出现混矸，导致架间残留煤量增加。分组间隔放煤的最佳支架间隔数量与煤厚密切相关；对于特厚煤层，合理增加间隔数可有效减少架间顶煤的遗留量，提高顶煤放出率。研究结果可为特厚煤层综放开采放煤工艺和参数合理确定提供参考。

• 仰斜综放开采煤层仰角对顶煤放出规律的影响研究

  何欣, 刘长友, 吴锋锋, 彭可平, 杨敬轩,

  为了深入研究仰斜综放条件下煤层仰斜角对顶煤运移的动态变化规律及顶煤损失、冒矸混入的影响机制，以平朔集团井工三号矿34201工作面为研究背景，结合现场的地质及生产技术条件，用数值模拟软件PFC2D 建立了仰斜角分别为0°、13°、23°、33°的数值模型，分析研究了不同条件下的顶煤位移场、接触应力场、煤矸分界面、顶煤位移始动点，并利用fish语言编程记录颗粒编号并反演出顶煤放出体形态，得出顶煤损失空间占位的分布规律，最后结合现场模拟了不同放煤步距下的顶煤流动规律及采出情况。研究结果表明：仰斜角加大了顶煤向采空区一侧的运移，使得煤矸分界面凸向采空区，顶煤放出体超前发育至支架顶梁上方，顶煤位移始动点前移，且随仰角增加位移范围增大；放煤口附近应力链稀疏区呈半圆拱状，随仰角在一定范围内增大，呈扩展趋势，放煤口附近煤体冒放性增强，有利于顶煤采出；仰角过大时顶煤放出困难，顶煤损失加大，损失范围主要位于煤层中上部；相对于其他角度，仰斜角为13°时的顶煤的采出率最高，为83.6%，这与上述结论吻合；统计模拟数据表明当前地质条件下采用两采一放时的顶煤采出率最佳，并在现场应用得到了验证。研究结果为现场仰斜综放开采合理参数确定及提高顶煤采出率提供了依据。

• 复合弱结构失稳变形及冲击倾向性变化特征分析

  魏辉,

  为了解决矿井开采过程中冲击煤岩体应力集中及能量积聚的问题，提出了人为改变煤岩体强度形成复合弱结构的概念，并根据软硬岩层强度比例、体积大小等因素引入了复合度KC，可以对复合弱结构应力集中大小及能量耗散程度进行判定。在此基础上运用RFPA数值模拟方法对比分析了具有不同复合度煤岩体的变形失稳特征及应力-应变曲线变化形式，并从煤岩体冲击倾向性判定角度对复合弱结构改变煤岩体冲击倾向性进行了相关探讨。结果表明：强度比例和体积大小是复合弱结构控制冲击能量的主要影响因素；复合弱结构破坏失稳过程中的弱化阶段是其耗散冲击能量的特有阶段，且耗散程度与复合度KC的大小密切相关；复合度KC不仅能够改变整体结构的裂缝发育程度、破坏形式及应力-应变曲线形态，而且与煤岩结构的最大集中应力、应力峰值位置及能量耗散程度成反比例关系；利用冲击倾向性判定准则中弹性能指数WET和冲击能指数KE的曲线及面积变化特征验证了复合弱结构对冲击能量的耗散过程及控制作用，复合弱结构可以通过减小冲击煤岩体中储存弹性能比例，增加损失耗散能比例的方式对冲击能量的积聚与耗散程度进行控制，从而减弱煤岩体冲击倾向性，降低冲击能量释放程度及危险等级，达到防治冲击地压的目的。

• 冲击倾向性煤不同损伤程度声发射分形特征研究

  郭海峰, 宋大钊, 何学秋, 娄全, 邱黎明,

  为研究冲击倾向性煤单轴压缩过程中不同损伤程度声发射分形特征，对冲击倾向性煤进行了单轴压缩试验，基于声发射振铃次数损伤模型和声发射参数时间序列分形维数计算模型，对煤样破坏过程中的损伤演化和不同损伤程度分形维数进行了研究。研究表明：煤样有大破裂产生时，声发射会出现阶段性增高的现象，较大振铃次数的产生是裂纹扩展、集聚过程中能量释放的结果，冲击煤声发射活动频发大都发生在应力应变全过程的后期；煤样的损伤应变过程可分为3个阶段：初始损伤阶段，损伤演化阶段、损伤持续增长阶段，各阶段的声发射振铃次数占比分别为1.61%、14.83%、83.56%，冲击煤损伤持续增长阶段的时间占比少，但声发射振铃多。随着煤样损伤程度的增加，声发射分形维数先增大，当煤样损伤程度达到30%后突然下降，然后保持波动上升，在煤样损伤程度达到80%时，达到局部峰值后，发生突降，整体变化趋势呈现倾斜的“M”型。分形维数达到峰值后发生突降的现象可作为煤样失稳破坏的前兆信息。

• 花岗岩单轴压缩下电荷信号时频特征研究

  赵扬锋, 荆刚, 李兵, 程传杰,

  为进一步研究花岗岩变形破坏的前兆特征，采用自主研发的电荷感应监测系统，获得了花岗岩变形破坏全过程时-频域信息，并设计数字滤波器降噪。研究结果表明：岩石在变形破坏过程中伴随着电荷信号产生，随着加载速率的增大，能量积聚加快，岩石破裂所需积累能量时间越短，产生高幅值电荷信号越提前，应力调整次数增多，高幅值脉冲数量增多。对信号傅里叶变换并进行频谱分析，发现信号主频分布在0～100 Hz。岩石变形破坏频域特征总体表现为主频幅值在岩石产生应力降时急剧增加，且在岩石完全破坏时主频幅值增幅最大，主频幅值与电荷感应幅值增高具有同步性，可将电荷信号与主频幅值急剧提高作为岩石失稳破坏前兆特征之一。设计了数字滤波器，较好地滤除了工频干扰信号和高频噪声信号，提高了频谱分析准确性。

• 蠕变扰动效应下红砂岩强度极限邻域试验研究

  王波, 刘重阳, 陈学习, 陆长亮, 黄子康, 胡仕宇,

  为得到更合适的强度极限邻域及其划分依据，以红砂岩为研究对象，应用自主研发的RRTS-IV型岩石蠕变扰动效应试验系统及动态测试分析系统，通过岩石蠕变及其扰动效应下单轴压缩试验，结合理论分析，开展红砂岩强度极限邻域及其划分依据相关研究。依据试验结果，首先从分级加载蠕变曲线和应力应变等时曲线2个方面分析了横向蠕变和轴向蠕变所确定长期强度的差异性；然后从瞬时扰动变形量和残余扰动变形量转化规律2个方面对岩石横向蠕变和轴向蠕变所确定的强度极限邻域进行了对比研究；最后通过综合分析得到合适的强度极限邻域及其划分依据。研究结果表明：相对于瞬时扰动变形量，以残余扰动变形量转化规律确定强度极限邻域更合适；相对于轴向蠕变残余扰动变形量转化规律，以横向蠕变残余扰动变形量转化规律确定强度极限邻域更合适，由此得出红砂岩的强度极限邻域阈值约为32.5 MPa；长期强度确定的强度极限邻域阈值与残余扰动变形量转化规律确定的强度极限邻域阈值相差约2.5 MPa，但作为简单的初步分析判定，以长期强度界定强度极限邻域仍有较高的参考价值。

• 采动下逆断层活化过程中工作面应力场响应研究

  任政, 张科学, 姜耀东,

  为了分析开采扰动与逆断层耦合作用下工作面应力状态变化情况，通过数值模拟手段，引入滑移倾向性指标Ts对下盘工作面回采过程中逆断层的复杂活化过程进行了综合定量分析，得到了开采扰动下逆断层对工作面应力状态的影响。分析结果表明：逆断层受开采扰动的影响会发生阶段性的转变，且可以划分为3个阶段：准静态阶段、活化阶段、滑移错动阶段。准静态阶段，逆断层面Ts处于活化危险基准面之下，逆断层面整体位移矢量沿着断层向上；活化阶段，逆断层小部分区域Ts位于活化危险基准面之上，逆断层面位移矢量由原来的向上开始向下逐渐转变；滑移错动阶段，逆断层面绝大部分区域位于活化危险基准面之上，逆断层发生大范围的向下滑动。断层在阶段性转变过程中对工作面支承压力影响不明显，但是，逆断层面倾角变化对工作面支承压力有着明显的影响，且断层倾角越小，工作面超前支承压力集中系数越大，越容易诱发冲击地压的发生。

• 基于IPSO-ELM模型的露天矿抛掷爆破效果预测研究

  马力, 张建国, 张雷铭, 涂宇航, 武璟, 廉开元,

  抛掷爆破效果直接影响露天矿剥离成本，对抛掷爆破—拉斗铲倒堆工艺系统生产效率具有重要影响，为提高露天矿抛掷爆破效果预测的精度，反馈优化抛掷爆破设计。在分析露天矿抛掷爆破效果影响因素的基础上，建立参数优化后粒子群算法和极限学习机相结合的露天矿抛掷爆破效果IPSO-ELM预测模型。利用Sigmoid惯性权重自适应调整和学习因子动态调整的参数优化方法，对传统粒子群算法中迭代效率低、易陷入局部收敛的缺点进行改善，采用黑岱沟露天煤矿抛掷爆破实测数据对该模型进行实例分析，选取炸药单耗、排距、台阶高度、孔距、最小抵抗线作为输入变量及有效抛掷率和松散系数作为输出变量，建立露天矿抛掷爆破效果IPSO-ELM预测模型，并将ELM模型、GA-ELM模型与其进行对比。研究结果表明：将常规粒子群算法中的惯性权值和学习因子进行自适应和动态调整的改进之后，模型的收敛速度明显提高；IPSO-ELM预测模型的运行时间短、收敛速度快，平均预测精度达到0.989 5，均方误差、平均绝对误差、平均相对误差控制在0.271 4、5.056 5%、0.260 3%，预测误差明显低于ELM、GA-ELM模型且预测精度最高，对预测露天矿抛掷爆破效果具有较好的适用性。

• 深部近距离下位煤层回采巷道围岩变形控制

  曹耀华, 李云婷,

  平顶山矿区戊组煤、己组煤均为(极）近距离煤层群，煤层层间距为2-15 m，戊组煤层与己组煤层间距180 m左右，覆岩厚度为700~1 000 m。因为埋深大、受上位煤层遗留煤柱集中应力和多次工作面采动影响，巷道围岩应力分布复杂、应力水平高、破碎且可锚性差，易发生大变形，投入维护成本高。为了解决深部近距离下位煤层回采巷道围岩应力分布复杂、多次采动影响造成巷道支护困难的问题，系统分析了己15-31010运输巷受采动影响的围岩应力分布及巷道变形特征，上煤层回采过程中，巷道围岩垂直应力峰值比下煤层回采时高出18.72%，巷道表面位移增速显著，两帮塑性区范围最大3 m，顶板塑性区范围最大1.5 m。基于降低围岩应力、提升支护强度的原则，提出了以“卸－让－抗”为核心的动态立体支护对策，设计了巷道顶板采用超高强让压锚杆+钢筋网+M型钢带+锚索，支护帮部采用等强树脂锚杆+钢筋网+钢筋梯梁+锚索支护，围岩应力集中区或关键部位进行卸压的总体方案，将锚索之间用单股钢绞线连接形成三维整体，对巷道围岩浅部和深部、横向和纵向进行全方位立体支护，爆破卸压释放围岩初期变形压力，局部高应力区钻孔将煤体较高的能量进行释放，让压锚杆缓解支护结构承受载荷。该方案有效地将巷道围岩集中应力从距巷道表面2.5 m转移到距巷道表面8.0 m的围岩深部，对该方案进行的工业性试验结果表明：上煤层开采时，巷道两帮最大移近量240 mm，顶底板最大移近量156 mm，下煤层开采时，巷道两帮最大移近量335 mm，顶底板最大移近量230 mm，巷道支护效果良好，能有效控制巷道围岩变形，可为类似条件的回采巷道围岩控制提供参考。

• 煤孔隙特征对瓦斯放散初速度影响研究

  安丰华, 贾宏福, 刘军,

  煤的瓦斯放散特性是表征煤与瓦斯突出危险性的关键指标之一，不同变质程度煤的瓦斯放散初速度ΔP差异很大。为分析其内在影响机制，采用N2吸附法和CO2吸附法对不同变质程度煤进行孔径分析，研究了大孔、介孔和微孔孔隙比表面积、体积和平均直径对ΔP的影响。结果表明：ΔP随Langmuir体积增大呈线性增加的趋势，而与Langmuir压力无关；随微孔比表面积增大，ΔP呈幂函数增长，ΔP与煤的大孔、介孔和微孔体积及平均孔径呈正相关；挥发分与Langmuir体积近似呈幂函数关系，与ΔP呈负指数关系；微孔比表面积大小、微孔孔隙体积、微孔平均直径是煤微观结构影响ΔP的主要参量。因此，随变质程度增高，ΔP呈增大趋势，主要是受煤内微孔发育的影响。

• 煤堆粒径对煤堆自燃风速的影响

  曲国娜, 贾廷贵, 强倩, 王来贵, 刘剑, 郝宇,

  针对煤矿露天煤堆自热-自燃问题，为研究煤堆粒径对煤堆自燃的影响，运用多孔介质、传热传质、流体力学等理论，以某煤堆为原型建立了煤堆的自热-自燃二维模型。利用COMSOL软件对不同风速(0.05～13.00 m/s）条件下不同粒径(0.5～35.0 mm)煤堆的内部温度、氧化耗氧速率及漏风速度规律进行模拟分析，得到了不同粒径煤堆在不同风速下最高温度的变化曲线，对不同粒径下煤堆的自燃风速范围进行了划分，并得到了不同粒径下煤堆的最小、最大、最易自燃风速随煤堆粒径的变化规律。研究结果表明：除粒径0.5、2.0 mm的煤堆外，其他粒径煤堆内部最高温度均随风速增加呈现“快速增加—达到最大值—快速下降—稳定在一个相对较低值”的变化规律，区别在于随煤堆粒径的不同，其温升、温降的速率表现不同，较高风速条件下所能达到的稳定温度也不同。当自燃风速低于1 m/s时，在相同风速条件下煤堆平均粒径越小煤堆内部最高温度越低；当自燃风速大于1 m/s时，在相同风速条件下平均粒径小于10 mm的煤堆温度更高。当煤堆平均粒径＜0.5 mm时,一般不会发生自燃；当煤堆粒径≥1 mm时，在不同风速范围内,均存在着不同程度的自燃现象。当煤堆平均粒径≤10 mm，在自燃风速≤1 m/s时，粒径越小，煤堆最高温度越低；当自燃风速＞1 m/s时，粒径越小，煤堆的温度越高。

• 基于多维云模型的充填管道堵塞风险评估

  宋学朋, 柯愈贤, 魏美亮, 石海天, 廖宝泉,

  管道堵塞是充填系统主要失效事故之一，严重阻碍了充填作业的正常进行。为准确预测充填管道堵塞风险，基于充填管道堵塞不确定性与模糊性的特点，引进多维云模型对管道堵塞风险进行评估。选取充填倍线等11项指标因素作为多维云模型变量，根据云理论确定数字特征；考虑到管道堵塞是由多指标共同作用的结果，采用改进CRITIC法对指标值进行处理，与多维云模型耦合得到评估对象隶属于不同风险等级的综合确定度，以此判定充填管道堵塞风险等级。对国内4家采用充填采矿法矿山的充填管道堵塞风险进行评估，结果表明：金川龙首矿、河东金矿、大红山铜矿、新城金矿充填管道堵塞风险等级分别为Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅲ级。通过与模糊数学、未确知测度理论、一维云模型和SPA-AHP等评估方法进行对比，本文方法与其他方法获得的大红山铜矿的管道堵塞风险等级分别为Ⅱ、Ⅳ、Ⅲ、Ⅲ、Ⅱ级，该计算模型确定的风险等级在满足评估结果准确的前提下，对评估结果更加严格，实践中更能确保安全，也为充填管道堵塞风险预测提供了新方法。

• 煤矿事故案例存储与检索研究

  杨梦, 陈宁, 范誉航,

  为解决事故案例非结构化、多源异构、难以共享的问题，提高事故案例在应急救援管理中的利用率，利用网络爬虫技术获取由各地监管部门发布在互联网上的大量实时事故案例，通过框架法构建数据结构以表示事故案例蕴含的知识，建立了一个通用、全面、共享的事故案例数据库；在事故案例数据库的基础上，初步提出了一种新的案例检索算法，利用搜索引擎中倒排索引技术实现对案例非结构化数据进行检索，同时结合传统案例相似度计算方式对结构化数据进行匹配，实现利用少量关键信息进行非结构化案例数据的高效筛选，可使系统依据指挥人员意愿结合非结构化数据和结构化数据，进行有侧重、有倾向的案例检索，以中国煤矿安全生产网为例对瓦斯、水灾、火灾事故案例进行自动爬取,实践结果表明，此案例检索流程及算法提高了案例检索的有效性和实用性。

• 远程控制综采设备碰撞检测与预警方法

  王妙云, 张旭辉, 马宏伟, 杜昱阳, 张雨萌, 谢楠, 魏倩楠,

  针对煤矿综采工作面设备数量多、位置关系复杂，设备间碰撞检测手段匮乏，预警困难等问题，结合虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)、多传感器信息融合技术和包围盒碰撞检测技术，以虚拟环境开发平台为基础，提出一种综采工作面设备远程控制过程中综采工作面的虚拟射线与包围盒相结合的方法，实现了综采工作面设备间碰撞检测和预警监测，详细介绍了基于虚拟现实技术的综采设备碰撞检测和预警监测系统组成与实现方法，以滚筒和护帮板之间的位姿关系为例，对虚拟射线碰撞检测的原理与方法进行了详细说明；进而根据采煤工艺对设备之间的运动姿态进行分析，建立了滚筒-护帮碰撞检测数学模型，高效地实现了采煤机滚筒与液压支架护帮板之间的碰撞检测与预警监测；最后通过搭建的综采设备虚拟远程控制平台进行试验验证，在试验中将虚拟射线检测结果与实际测量结果进行比较，得到其碰撞检测结果的最大误差在49.6 mm之内，满足了实际工况要求。试验表明，虚拟射线检测方法可以高效识别设备间碰撞，并通过设置不同阈值可实现设备间分级碰撞预警监测，对实现综采工作面设备异常检测具有重要意义，可有望解决综采设备间碰撞等异常的实时预警监测。

• 基于深度学习的多产品煤料图像分类方法研究

  张泽琳, 章智伟, 胡齐, 王黎,

  基于传感器的智能矿石干选技术在煤炭领域备受关注，其节能、无水、智能、高精度和易使用等优点在井下排矸、选厂预富集和矸石再选等环节有着广泛的市场前景，具有降低成本、节能降耗的优势。为探索深度学习在基于机器视觉的煤料智能干选过程中的分类精度和应用潜力，基于深度学习提出了一种多产品煤料图像分类方法。在获取低灰煤、中低灰煤、高灰煤和矸石4类产品无烟煤图像的基础上，采用位置变换操作对煤粒图像集进行数据增强，为深度学习模型提供大量训练数据，进而采用基于Tensorflow、Keras框架的Inception_v3神经网络模型进行迁移学习。通过使用ImgNet大量数据集在Inception_v3神经网络模型上训练出初始网络参数和权重，将其迁移至煤料多产品分类模型中，采用Dropout对模型进行处理以防止过拟合，最终建立了针对无烟煤多产品的深度学习分类模型，并通过训练过程的损失值和准确率的趋势图判断训练过程是否收敛。通过多分类器对比分析，结果表明深度学习分类模型的测试精度和验证精度均达到90%以上，且随产品数量增加而略有降低，多产品验证精度分别为93.5%、91.3%和90.1%，均优于KNN、RF和SVM常规分类模型的准确率，其中SVM分类模型准确率较高，RF分类模型次之，KNN分类模型准确率最低。分析结果表明深度学习能高效区分产品间特征差异性，并在煤料多产品图像分类应用上具有较大潜力。

• 矩形巷道载波频率对近场区分界点的影响

  焦晓龙, 成凌飞, 张薇静, 陈诺,

  在矿井巷道、地铁隧道等类似限定空间中的通信受巷道壁粗糙度、电导率、空气湿度等因素影响，与地面上通信相比有着较大差别。精确描述限定空间中(矿井巷道)的通信，对其通信调度至关重要。基于分段思想对巷道电磁波传播特性进行了研究，将电磁波传播区域分为自由空间区、多模传播区、基模传播区、极远区，得到近场区电磁波传播机制的分界点，有助于实现对巷道电磁波传播机制的预测。在研究矩形巷道中电磁波传播机制分界点时，针对4种典型尺寸的巷道，通过不同巷道载波频率变化试验的测量及电磁仿真软件Wireless Insite建立巷道电磁波传播模型，改变传输频率得出不同的试验结果。结果表明：在矩形巷道中载波频率为900～2 700 MHz条件下，随着收发天线载波频率的增大，电磁波在近场区中的分界点值逐渐减小，受安装天线极化作用影响较小。

• 华北型煤田“三下一上”煤炭资源现状及开发利用研究

  吴涛, 方向清, 宁树正, 吴振岭, 徐飞,

  我国华北地区随着煤矿开采年限的增加，浅部煤炭资源越来越少，部分地区存在资源枯竭的现象。资源枯竭型矿井对“三下一上”煤炭资源的开发利用可有效延长矿井服务年限。为了合理利用我国华北经济发达地区的煤炭资源，通过对煤田地质、水文地质资料分析与研究，利用遥感解译技术手段和煤层底板突水系数法基本摸清了山西、河北、山东、河南及安徽等5个省的“三下一上”煤炭资源分布特征。圈定“三下”压覆面积21 819.27 km2，估算“三下”煤炭资源量约474.15亿t，占资源总量的12.10%。其中，建筑物下煤炭资源量约431.25亿t，铁路下煤炭资源量约12.86亿t，水体下煤炭资源量约30.04亿t。估算“一上”煤炭资源量约954.26亿t，占资源总量的24.35%。其中，埋深600 m以浅约1.69亿t，埋深600～1 000 m约311.66亿t，埋深1 000～1 500 m约640.91亿t。通过“三下一上”JP煤炭资源开发利用技术研究，认为减沉技术和减害技术是目前“三下一上”煤炭资源开发利用最有效的技术手段。分析了制约“三下一上”煤炭资源开发利用的因素主要有成本、材料、工艺等。最后指出随着新型充填技术和开采技术的应用，大量的“三下一上”煤炭资源可被开发利用。

• 西山煤田山西组震积岩特征及其煤系气勘探开发意义

  孙长彦, 杨宗楠, 杨恒,

  太原市西山煤田山西组地质勘探历程较早，但煤层气勘探开发起步较晚，虽然近年来投产的煤层气井不断增加，但整体产气量并不理想。西山煤田山西组2煤顶板、3煤顶板和1煤底板分别发育有3层震积岩，为查明震积岩特征及其煤系气勘探开发意义，开展了露头系统观测和室内测试分析。结果表明：①山西组共识别出同沉积断裂层、震积角砾岩、阶梯状小断层、震褶岩、液化均一层、球枕状构造、泄水构造、生物逃逸构造等8种震积构造，3层震积岩具有不同的垂向序列；②早二叠世晚期频发的地震事件对泥炭沼泽演化具有抑制作用，主要表现为破坏了地壳沉降速率和泥炭堆积速率的平衡，使得泥炭沼泽的可容纳空间减少，由此造成了泥炭沼泽的消亡，地震事件是造成山西组煤层相对较薄且分布极不稳定的主因；③2煤顶板震积岩形成于泥炭沼泽演化末期，总有机碳含量为1.22%～13.73%，平均为4.51%，是较好的烃源岩；孔隙度为2.53%～7.81%，平均为4.22%，地震作用形成的阶梯状小断层、震积角砾岩等构造增大了泥页岩的孔隙度，为煤系气的赋存提供了空间，为其运移提供了通道；脆性矿物含量为32.1%～75.9%，平均50.6%，震积岩可改造性较强；④在煤系气开发中，2煤可与顶板震积岩联合改造，这种联合改造可充分利用煤层的气资源优势和震积岩的可改造优势，突破以往在煤层中建立流态运移产出通道的技术瓶颈。

• 基于Usher时间函数的采空区地表动态沉陷预测模型研究

  王玉涛, 刘小平, 毛旭阁, 曹晓毅, 田延哲,

  采空区地表动态沉降预测是当前开采沉陷领域研究重点解决的问题之一，对沉陷灾害的预防和控制具有重要的作用。针对目前采空区地表沉降预测模型存在的问题，通过对煤矿开采引起地表沉陷变形规律的系统分析，认为采空区地表沉降是一个先加速后减速的S型沉降过程，大致可分为初始沉降、剧烈沉降和衰退沉降3个阶段。总结得出理想的采空区地表沉陷预测模型应具有能较好拟合地表沉降时间关系的沉降曲线，沉降速度和加速度应符合地表沉陷物理过程的基本特征。将用于描述增长信息随时间变化的Usher数学模型引入到采空区地表动态沉降预测中。通过对模型结构及其相关参数的深入分析，认为Logistic模型、Gompertz模型、Knothe模型、Mitscherlich Brody模型和Von Bertalanffy模型均是Usher模型的特例，Usher模型符合理想沉陷预测模型的基本要求，可较好地模拟采空区地表动态沉降过程，其参数可采用遗传算法进行求解。在上述研究基础上，将Usher模型与沉陷稳定后沉陷盆地走向或倾向主断面上的剖面函数相结合，构建了整个沉陷盆地内任意点、任意时刻的沉降量计算模型。研究结果证明，Usher时间函数模型比双参数Knothe模型、正态时间函数模型、Logistic和Gompertz等模型具有更强的适应性、更高的拟合精度和更好的预测效果，可为开采沉陷预测提供一定的借鉴和参考。

• 基于开采沉陷实测数据的Weibull时间函数模型参数研究

  刘东海, 邓念东, 姚婷, 尚慧,

  常村煤矿井田范围内铁路专用线下压煤量达3 500万t，在煤炭资源开采的同时还要保障铁路的安全运营，因此开展开采动态沉陷预测尤为重要。为准确预计该井田采动地表移动变形的动态过程，实施合理的地表抗采动措施对工作面开采方案实施优化，引入Weibull时间函数，通过理论计算与软件处理相结合的方式，分析了该函数在下沉量、下沉速度、下沉加速度方面的变化特征。研究结果表明：计算结果与常村煤矿的实测地表下沉量一致，表明该函数在时间和空间上具有很好的完备性；在对常村煤矿地表动态沉陷监测数据进行整理分析的基础上，选取了11个监测点数据进行拟合处理和对比分析，研究确定了模型参数c、k的主要影响因素，同时给出了参数c、k的变化规律和变化曲线，并通过实测数据论证了其可靠性。最后，基于上述研究，选取22、30号监测点，通过对下沉实测值和预测值的动态对比分析，发现预计相对精度分别为2.11%和2.66%，表明Weibull时间函数模型及参数确定方法对改进采动地表动态沉陷过程预计是可靠的。

• 基于变异函数的地表沉陷动态预计模型研究

  郭旭炜, 杨晓琴, 柴双武, 郭文朋, 梁永图,

  矿产资源开采引起的地表沉陷，危及人类生命和财产安全，研究地表沉陷随时间变化的动态过程对防治采空区地表建筑物变形破坏具有重要的指导意义。为了准确描述因开采引起的地表随时间变化的动态过程，基于变异函数理论，建立动态预计模型，并对其进行理论分析和试验验证。结合概率积分法相关理论知识推导出地表下沉时间，将其代入变异函数的变程中，为使模型描述地表点随时间变化的下沉量、下沉速度、下沉加速度符合地表下沉规律，对变异函数模型取不同的指数，并结合4个矿区下沉数据进行对比分析。研究结果表明：当模型分子指数H=4时，该模型预计下沉时间与概率积分法计算出的下沉时间接近，且分母指数K与地表点下沉时间呈正比关系，因此得出模型的最佳指数为H=4，K为待拟合值，进而提出了一种基于变异函数的地表沉陷动态预计模型；通过与2个矿区工作面实测数据对比分析得出：该模型预计地表点下沉量的均方误差分别为0.027、0.026、0.039 m，相对中误差分别为1.69%、1.62%、2.44%，最大下沉速度误差分别为4.7%、6.1%、8.1%，下沉速度均方误差分别为0.001 4、0.001 0、0.001 4 m/d，相对中误差分别为6.16%、4.46%、6.36%；预计采空区地表随时间变化的下沉过程与实测基本符合； 结果证实该基于变异函数的地表沉陷动态预计模型在描述地表点下沉量、下沉速度、下沉加速度，具有实用价值。

• 煤层顶板巨厚基岩含水层空间富水性评价

  郭小铭, 王皓, 周麟晟,

  我国西部侏罗系煤田煤层顶板含水层垂向非均质性强，富水性差异大，使得导水裂隙带波及含水层深度不同时，工作面涌水量不同，水害威胁程度各不相同。为科学描述垂向不同深度含水层富水性对涌水的影响，将含水层简化为多层层状结构，由此概化出含水层空间富水结构表达模型。以彬长矿区亭南煤矿煤层顶板洛河组含水层为例，提出影响含水层空间富水性差异的含水系统、流动系统和地质构造3个方面，确定出含水层厚度、冲洗液消耗量、岩心采取率、中粗砂岩占比、地层埋深、水化学矿化度、褶皱构造7个主控因素，并采用AHP层次分析法确定各主控因素对富水性的影响权重，形成空间富水性评价模型。绘制含水层垂向各层状结构的主控因素专题图，并将其信息统一归一化处理，采用空间多源信息融合技术叠加，得出含水层上段、下段的富水性分区。评价结果表明，洛河组含水层上段可划分为“强、较强、中等”3个区，下段划分出“强、较强、中等、较弱、弱”5个区，对比表明上段富水性整体好于下段，并通过井田范围内不同层段含水层抽水试验成果进行拟合验证。由此得出，该富水性评价模型可充分反映含水层不同空间位置(平面、垂向）的富水性差异，对于导水裂隙带仅波及含水层部分层段条件下的顶板水害危险性评价有指导作用。

• 基于循环神经网络的煤层气井产气量预测方法研究

  董维强, 孟召平, 沈振, 宗志敏, 陈涛,

  煤层气井产气量是衡量一口煤层气井产气能力和工程开发效果的重要指标，准确预测日产气量是保证煤层气高效生产的一个关键问题。以沁水盆地南部郑庄区块3号煤层为研究对象，选取煤层气井排采动态参数，如井底流压、液柱高度、套压、日产水量和冲次作为自变量，分析了日产气量与这些排采参数之间的相关性，建立了基于循环神经网络的煤层气井产气量预测模型与方法。研究结果表明，煤层气井日产气量与冲次呈正相关性，日产气量与井底流压、套压、液柱高度和日产水量呈负相关性。基于深度学习随机森林算法中的特征重要性分析，研究了排采动态参数与日产气量之间的非线性关系以及预测模型中对日产气量的贡献率，得到了排采参数对日产气量影响的重要性排序表现为：井底流压>液柱高度>套压>日产水量>冲次。在此基础上，基于循环神经网络改进的长短时记忆神经网络预测模型，将Z4-026井排采数据代入模型计算，预测了煤层气井未来60 d产气量情况，并将预测结果与传统的支持向量机回归模型、随机森林回归模型以及BP神经网络模型对比，发现改进的长短时记忆神经网络预测模型，拟合效果相对较好，实际日产气量与预测日产气量之间的误差小于5％。在郑庄区块5口煤层气井的产气量预测分析中，相对误差小于10%。因此该方法将为煤层气井产气量预测和制定合理的排采制度提供了有效途径。

• 沁水盆地中南部太原组煤系页岩孔隙结构特征

  袁余洋, 李卓沛, 钟明洋, 王瑛,

  页岩孔隙结构及其控制因素的研究，对页岩气的勘探开发具有重要的指导意义。对沁水盆地太原组海陆过渡相煤系页岩进行了地球化学及低温气体吸附等试验，分析了过渡相页岩的地球化学特征、矿物组成特征和孔隙特征，在此基础上探讨了孔隙发育的控制因素。结果表明，沁水盆地太原组海陆过渡相煤系页岩有机碳质量分数为1.55%～5.21%，平均为3.53%，有机质类型主要为Ⅲ型，且多处于高-过成熟阶段。除少量的长石及碳酸盐矿物外，矿物质组成以质量分数占比55%～69%的黏土矿物和27%～40%的石英为主。黏土矿物中则以高岭石质量分数最高(为23%～65%，平均为48%)，其次为伊蒙混层、伊利石和绿泥石。中孔对页岩孔隙体积的贡献最大(贡献率为35.6%～53.7%)，其次为大孔(贡献率为25.7%～40.8%)。微孔对孔隙体积的贡献最小，但对比表面积的贡献最大(贡献为72.2%～88.2%)，而大孔对比表面积的贡献几乎可以忽略，仅占总比表面积1.5%～2.2%。有机碳含量对微孔及中孔的发育有一定正面影响，但对大孔的影响较小，热演化则不利于孔隙的发育。石英不利于海陆过渡相煤系页岩孔隙的发育，而黏矿物则对孔隙发育有促进作用，尤其是对中孔发育的影响尤为显著，其次是微孔，对大孔影响较弱。黏土矿物中，高岭石和绿泥石有利于页岩孔隙的发育，而伊利石和伊蒙混层则抑制了过渡相页岩孔隙的发育。

• 筠连地区煤储层敏感性及配伍性分析

  于宝石, 郑瑞, 计玉冰, 蒋一欣, 呼赞同, 李莹,

  储层敏感性，包括速敏、水敏、盐敏、酸敏和应力敏感性(五敏），直接影响钻井、压裂等施工过程中的流体选择和煤层气井产能。为查明筠连地区煤储层敏感性和注入流体配伍性，采集筠连地区二叠系乐平组C2+3和C7+8号煤层样品，分析其低温液氮吸附和核磁共振分析孔渗特征。在此基础上，通过岩心流动试验进行五敏性测试，并选择不同井的地层水与压裂液进行配伍性试验研究。研究结果表明：测试样品主体为半暗型煤、中高灰分、镜质体反射率在2.2%以上。煤层渗流孔发育较少，孔隙类型以吸附孔为主，微孔和小孔占优势且微孔-小孔与较大孔连通性差。低温液氮吸附测试的煤岩比表面积平均为4.55 m2/g，总孔体积平均值为0.004 9 mL/g。针对JL-1和JL-2两口井段煤岩样品，测试的速敏伤害率为20.74%和25.26%；水敏伤害率分别为12.52%和19.29%；盐敏损害程度分别为14.68%和19.84%；酸敏损害率为负伤害，分别为-0.077%和-0.057%；应力敏感性损害程度分别为76.82%和47.67%。根据SY/T 5358—2010《储层敏感性流动实验评价方法》，煤储层呈现弱速敏、弱水敏、弱盐敏性和无酸敏性，但分别表现出了中等偏弱和强应力敏感性。将地层水与压裂液过滤后分别按不同体积比例混合(0∶1、1∶1、1∶2）测其浊度，总体压裂液与地层水配伍性良好，浊度清亮，无沉淀产生。相关成果对查明煤储层敏感性影响因素，指导后续压裂施工提供科学依据和技术支持。

• 基于挤压爆破技术的煤矿地表沉陷裂隙治理研究

  张磊, 许琳, 陈连城, 朱润生,

  地下采煤引起的地表裂隙是开采沉陷破坏的直观表现，对建筑物和土地造成严重损害，同时贯通裂隙易造成工作面通风系统紊乱，严重影响矿井正常有序生产，因此提出切实可行的地表沉陷裂隙治理体系对地表开采沉陷研究和矿井高产高效生产具有实际意义。为解决大同矿区“双系”煤田煤矿地面沉陷裂隙，甚至局部与采空区连通的难题，以塔山煤矿30509工作面地面沉陷裂隙为工程背景，通过对目标区域裂隙特征分析，探讨了挤压爆破以及裂隙爆破充填原理，制定了裂隙爆破充填方案，确定了挤压爆破合理爆破参数，并进行了现场应用。结果表明：地面沉陷裂隙主要分为2类，沟谷东部为岩石裂隙，沟谷西部为土层裂隙，裂隙最大宽度超2 m，沉陷区域最大沉降深度达6 m。岩石裂隙采用挤压爆破充填方案，裂隙宽度大于100 cm时，采用双侧布置炸点挤压爆破法，宽度为30～100 cm时，采用单侧布置炸点挤压爆破法，宽度为20～30 cm时，采用裂隙内侧布置炸点挤压爆破法。土层裂隙采用松动爆破充填方案，裂隙宽度大于70 cm时，采用裂隙内双侧布置炸点爆破法，宽度小于70 cm时，采用裂隙内单侧布置炸点爆破法。采用铺设金属网和上部夯实土层回填技术，由于金属网比土层或岩层具有较大的抗拉强度，可确保裂隙沿金属网向下部向两侧运动，避免向上传递，同时金属网和上部夯实土层具有一定承载力，可确保地表完整和安全。实施挤压爆破后，结合地面沉降监测数据，地表沉陷裂隙得到有效改善，满足了矿井正常生产。

• 燃煤过程煤中有害矿物质的迁变行为研究进展

  王晓帅, 唐跃刚, 马腾达, 陈一凡,

  煤中的矿物质是燃煤引起环境问题的主要因素，其种类繁多，在燃煤过程中的迁移转化规律也极其复杂，理清其迁变规律，对燃煤排放控制极为重要。燃煤过程中矿物的热转化涉及蒸发、破碎、分解、融合及凝并等过程，不同矿物会发生不同的反应与转化，最终分布去向可概括为：炉渣、底灰、飞灰和燃烧废气悬浮微颗粒等。燃煤过程矿物质所表现出的性质和行为，主要与煤中矿物质的地质特征和燃煤工艺条件2个因素有关，其中温度和气氛是主控因素。目前对矿物质热演化行为的原生地质影响因素研究较为薄弱，具体为煤中矿物质的天然与燃煤过程的富集分异机理、煤中矿物质的地质特征与其热演化行为之间的潜在关系，地质背景与燃煤工况对矿物质热演化行为的双重影响与控制等。

• 煤及煤灰中锂的地球化学及其提取研究进展

  徐飞, 秦身钧, 李神勇, 崔莉, 王炎, 齐德娥, 赵贵,

  国内盐湖和矿石锂资源的开发利用难以满足消费需求，急需开拓新的替代资源，而中国煤及煤灰中锂超常富集，对煤及煤灰中锂的测试方法、含量与分布、赋存状态、燃煤过程中锂的迁移规律及其提取等5个方面进行了综述。结果表明：我国高锂煤主要分布在华北石炭-二叠系煤层、华南和西南二叠系煤层，其中内蒙古准格尔、山西平朔、广西扶绥和重庆南武、南桐等矿区煤中锂的含量大部分达到工业利用品位，有可能成为战略性关键金属锂的替代来源；测试煤及煤灰中锂的有效常用方法是电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS）；煤中锂的主要载体是高岭石、绿泥石和伊利石等黏土矿物，部分与有机质有关，其富集主要受物源区母岩、低温热液、区域地质构造和环境的控制；燃煤过程中锂的迁移受煤种、赋存状态、燃烧气氛、温度、粒径和锅炉类型等影响；煤灰中的锂二次富集，主要赋存于玻璃相中，也存在莫来石等矿物晶相中；介绍了煤灰中锂的已有提取工艺，并简要分析现有工艺的优缺点，同时指出提取锂的关键是如何破坏硅铝键和浸出液中锂的回收、提纯这2个方面。在机械/化学协同活化-深度脱硅的基础上，本着绿色高效的理念，应当借鉴盐湖提锂技术，加大对铝基吸附剂的研究，建立多种元素协同提取的工艺流程；最后提出今后煤伴生资源锂的研究方向。