煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第10期

• 孔隙型含水岩层钻井法凿井壁后充填技术研究

  姚直书, 方 玉, 乔帅星, 程 桦, 李欣慰, 王宗金, 王 晨,

  为解决西部地区孔隙型含水岩层钻井法凿井壁后充填技术难题，开展了充填层作用机理及材料配制研究。首先，以可可盖煤矿中央回风立井为工程背景，利用Comsol Multiphysics数值计算软件进行了围岩、充填层和钻井井壁流固耦合作用分析。计算结果表明:有效应力和孔隙水压力分布曲线呈现出明显的“压降漏斗”型特征（即越靠近井筒中心，两者降低速率越快），且曲线的陡降段位于充填层区域；由此可见，在西部孔隙型含水岩层中，充填层不但具有固井和封水作用，而且还具有减载功能。然后，基于有效应力原理和达西渗流理论，提出充填层材料应具有低渗透性、较高强度和较大比重、微膨胀、不收缩，同时拌合物的流动性好、满足泵送机械化施工要求。综上，提出采用高性能水泥砂浆作为西部地区孔隙型含水岩层钻井井筒壁后充填材料。最后，通过正交试验测定了充填材料的主要物理力学性能，并采用极差分析法研究了粉煤灰与膨胀剂质量掺量对充填材料各因素指标的影响；同时，将比重、三轴抗压强度、渗透系数3者作为其性能的最终评定指标；基于综合平衡法获得水泥、粉煤灰、膨胀剂、水、砂、〖JP2〗泵送剂等壁后充填材料的最优配合比为1∶0.286∶0.143∶2.144∶〖JP〗0.443∶0.014 3。论文研究结果为西部地区孔隙型含水岩层钻井法凿井的壁后充填提供了工程应用基础。

• 云贵地区煤矿 ＴＢＭ 施工技术应用研究

  代恩虎, 王 勇, 鲁义强, 邱洪登, 闫少宏, 杨 拓,

  云贵两省是我国南方重要的煤炭生产基地，初步探明贵州省南、北盘江腹地煤炭储量达330亿t，其中可就近通过水运的煤炭储量达到92亿t，急需高效、安全地开采煤炭。近年来，TBM（全断面隧道掘进机，Tunnel Boring Machine）因其高程度智能化、安全高效的优点已逐渐应用于煤矿巷道的掘进，尤其是中东部众多矿区。在立足于国内煤矿针对TBM施工进行了大量的应用研究工作之上，进行了大量调研，分析了TBM施工技术与煤矿常用的传统钻爆法和综掘法在现代化煤矿的不同类型巷道中的适用性与先进性，发现TBM施工技术因其高效的破岩方式在运输大巷等硬岩巷道施工中优势更加明显，掘支平行作业程度高，破岩时对围岩扰动较小，有利于围岩稳定，同时在长距离开拓巷道掘进时综合成本优势十分显著，且施工一次成硐，可实现一巷三用，但是对地质条件适应性较差。以贵能公司聚鑫煤矿+1 095 m运输大巷的掘进工程为工程实例，提出了满足全断面掘进机快速施工煤矿硬岩巷道特点与要求的巷道支护型式和施工技术，研发的“贵能二号”TBM在实际工程中实现了“小断面、大坡度、小转弯半径”的成功应用。将常规隧道TBM与不同采掘深度和服务年限特点的煤矿巷道相结合，开发出适用于不同类型煤矿巷道且具有特色的矿用TBM，大幅提高了矿井建设的高效性和安全性，研究对TBM施工技术在煤矿领域的发展具有重要的推广和借鉴意义。

• 基于煤岩冲击与大变形特征的统一脆延性指标研究

  李 震, 史文豪, 高 鑫, 张呈祥, 崔 恒, 徐玉龙,

  冲击倾向性和延性分别是硬脆性煤岩和软岩的本质属性，开展岩性表征和脆延转换研究对深部工程安全采掘具有重要意义。为提出一种综合表达脆性破坏和软岩大变形特征的评价指标，总结了现有的冲击倾向性指标，基于全应力-应变曲线建立了统一脆延性指标（Bu），并结合试验数据进行了分析与探讨。结果表明：统一脆延性指标反映了煤岩脆/延性变形特征与破坏程度，统一脆延性指标Bu＜0对应峰后应变硬化，Bu=0对应理想弹塑性变形，Bu＞0对应峰后应变软化，Bu趋于正无穷对应理想脆性破坏；基于统一脆延性指标将冲击倾向性划分为3个等级，Bu＜4.0时为无冲击倾向性，Bu介于4.0～28.0时为弱冲击倾向性，Bu＞28.0时为强冲击倾向性。统一脆延性指标为无量纲指标，可以反映单轴条件和不同应力水平下脆性破坏特征，以及软弱或高应力水平下煤岩峰后应变硬化特征，尤其突出了单轴条件下不同煤岩脆性跌落的差别，对测试峰后急剧跌落煤岩的冲击倾向性有非常好的适用性。

• 矿用聚氨酯类注浆材料改性研究进展

  侯 凯, 王 帅, 姚 顺, 牛小红, 李 振, 吴昌泉, 冯国瑞,

  随着煤矿向深部开采，以聚氨酯为代表的现有有机高分子注浆材料难以完成对井下高地应力、高地温、高岩溶水压的岩体赋存环境和强流变性、强湿热、强动力灾害的岩体工程响应。为了推动现有聚氨酯类有机高分子注浆材料的发展，提升聚氨酯注浆技术水平和使用范围。针对聚氨酯注浆材料在固化过程中会大量释热，导致反应温度较高以及力学性能较差等缺陷，总结了近年来聚氨酯注浆复合材料改性和性能分析的相关研究，提出了聚氨酯注浆材料在煤岩体充填加固和堵水防渗的可行性，着重从聚氨酯注浆材料改性的角度，阐述了助剂、传统注浆材料、黏土、固体废弃物、纤维和有机物对聚氨酯注浆材料的改性，并通过改性实现了注浆材料力学性能、阻燃性能的优化和成本的控制。

• 露天矿保水材料持水效果及抗剪特性试验研究

  陈 涛, 舒继森, 韩 流, 钱 京,

  由于煤炭资源的大规模开采和高强度的采矿作业，特别是露天开采造成大面积地表挖损，植被退化和水土流失现象严重，保水材料在露天矿保水复垦工艺技术中得到越来越多的重视。通过对保水材料进行持水效果试验，总结出保水材料的吸水、释水特性，对不同配比的保水复垦土壤材料进行电导率EC值和pH值测试，分析了EC值和pH值变化规律，并基于直接剪切试验，揭示了保水复垦土壤材料的黏聚力、内摩擦角与保水材料含量的关系。试验表明：掺入60～100目(0.15～0.25 mm)的保水材料的保水复垦土壤材料持水效果较好；在常温和烘干条件下，不同目数的保水材料释水速率差距几乎相同，释水量大小差不多；随着测试时间的增加，质量分数为0.1%和0.33%保水复垦土壤材料的EC值逐渐减小且低于0.2，而0.50%和1.00%的EC值总体呈现增大趋势且在84 h时出现明显的突变，其pH值逐渐增大，且0.50%的pH值增大幅度较为缓和；保水复垦土壤材料的抗剪强度随着保水材料含量的增加呈现先增加后减小的趋势；黏聚力随着保水材料含量的增大逐渐减小，内摩擦角随着保水材料含量的增大呈现先增大后减小的趋势，当质量分数超过0.50%时，黏聚力下降速度增大，但内摩擦角达到最大值19.00°；在黏聚力相差不大的情况下，保水材料质量分数为0.50%时的内摩擦角比其他的都大，其保水复垦土壤材料的抗剪特性较好。

• 基于岩层挠曲变形的 “竖三带” 理论判别方法及工程应用

  杨伟强, 郭文兵, 赵高博, 马志宝, 杨达明,

  煤矿采动覆岩“竖三带”（垮落带、断裂带与弯曲下沉带）范围的合理确定，对瓦斯抽采、“三下”采煤和采煤沉陷区建（构）筑物的地基稳定性评价等具有重要意义。采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法研究了基于岩层挠曲变形的采动覆岩“竖三带”的理论判别方法，并将该理论判别法进行工程应用。根据某矿采矿地质条件，通过数值模拟试验方法，从采动覆岩的离层、破断和垮落三方面系统分析了采动覆岩的破坏运移规律，得到了垮落带和断裂带的分界判别依据（破断岩层能否形成稳定“砌体梁”结构）、断裂带和弯曲下沉带的分界判别依据（岩层是否发生破断）；基于上述分界判别依据采用理论分析方法，推导出了破断岩层的形成“砌体梁”的稳定条件和岩层破断临界条件下的挠度弯曲变形公式，提出了基于岩层挠曲变形的“竖三带”理论判别方法及其适用条件；该方法被应用于采动覆岩“竖三带”的理论计算与判别，并与现场双端堵水器观测法和钻孔电视观测法的实测结果进行了对比验证。研究结果表明：应用提出的理论判别法计算得到了采空区上方垮落带高度、导水裂缝带发育高度与弯曲下沉带厚度，该计算结果与现场实测结果相近，验证了所提出采动覆岩“竖三带”理论判别法的合理性及实用性。

• 浅部黏土层与地表饱水砂层平错隆起变形规律研究

  沈星宇, 张二蒙, 费 宇, 盖秋凯, 曹光明,

  受采动影响后的浅部饱水砂层具有移动流动性，为研究对其上覆黏土层变形的影响，采用专门物理模拟试验系统，研究了高潜水位的浅部饱水砂层受煤层采动影响后的活化规律，通过FLUENT模拟了注水加压条件下上覆黏土层形态和应力变化过程，分析了地表移动异常变形机理。研究结果表明：黏土层的移动变形是重力和渗透力共同作用的结果，自然安息角不能作为黏土层平错、隆起的主导因素；静水压力作用下砂层达到临界水力坡降使砂层活化流动，流砂层和黏土层产生流速差，出现黏土层平错和隆起现象，造成沉陷区异常扩展；从黏土层厚度由薄变厚的变化过程中，影响总体隆起高度的主要对象由砂层变为黏土层，黏土层厚度较大时，角度对砂层隆起高度影响较小；砂层角度与黏土层隆起长度、平错距离均呈正相关，且随角度的增加，变形速率逐渐加快，黏土层厚度与平错距离呈正相关，与隆起长度呈负相关，且厚度越小越易发生移动变形破坏，其中角度影响相对较大，砂层倾角的持续增大是导致层间错动加大、水平移动增加和地表沉陷影响范围扩大的主要原因。

• 区段煤柱留设宽度分析及优化-以崖窑峁煤矿为例

  张金贵, 程志恒, 陈昊熠, 殷帅峰, 陈 亮, 薛 傲,

  针对崖窑峁煤矿30103工作面保护煤柱过宽导致资源浪费这一问题，通过现场勘探、理论分析、数值模拟及现场监测的研究方法，建立了煤柱宽度计算模型，揭示了在6、8、10、12、15 m不同宽度的煤柱下应力、位移分布规律及塑性区特征，并确定了煤柱的合理留设宽度，利用钻孔窥视仪在现场进行监测并对比分析。研究结果表明：崖窑峁煤矿留设宽15、12 m保护煤柱时由于宽度较大，中间有大量未破坏区域，造成资源浪费；留设6、8 m保护煤柱时塑性区完全贯通，承载性能差，破坏严重；护巷煤柱宽度为10 m时，煤柱塑性区恰处于贯通或未贯通区间，煤柱内部具有一定的弹性核区域，并略高于理论计算的煤柱宽度范围9.55 m。通过对15 m和10 m的煤柱进行现场钻孔监测，发现无论15 m煤柱还是10 m煤柱是否受采动影响，煤柱内裂隙发育和扩展的影响不大，煤柱内存在一定范围未破坏区域，煤柱具有一定的完整性和稳定性。该研究成果为其他类似条件下矿井提供可参考的有效数据。

• 复合阻化剂抑制煤自燃过程的阶段阻化特性

  姜 峰, 孙雯倩, 李珍宝, 梁 瑞, 李 雷, 梁秋悦,

  为解决单一阻化剂阻化效果弱、作用时间短的缺陷，基于2种物质不同阶段的阻化特性，选用碳酸氢钠作为物理阻化成分，高效抗氧化剂茶多酚作为化学阻化成分，开展复配阻化剂优选的实验研究。采用TG-DSC和FTIR实验，结合氧化动力学分析方法及分峰拟合技术，分析了复合阻化剂对煤氧化过程特性参数和微观基团的影响，从宏观和微观层面验证了复合阻化剂对煤自燃抑制的高效阻化效果，揭示其微观阻化机理。结果表明：阻化煤样的6个特征温度较原煤提高，质量损失减少，低温氧化过程煤体吸热量增加，高温阶段煤体放热量减少，可燃指数及综合燃烧指数均明显降低，阻化煤样在氧化过程4个阶段的表〖JP2〗观活化能均得到提高，分析得到复合阻化剂的优选质量配比(碳酸氢钠∶〖JP〗茶多酚=3∶1)。通过定量分析原煤及阻化煤样的活性官能团在氧化过程中的变化规律，得出复合阻化剂的添加减少了煤中的活性基团(羟基、甲基以及亚甲基)以及煤氧复合反应中间产物(羧基、羰基)的含量，稳定的官能团醚键的含量增加。在煤低温氧化过程中，碳酸氢钠热分解生成CO2，通过表面CO2-O2竞争吸附效应，物理惰化抑制煤自燃；煤在高温氧化过程中，茶多酚内部羟基消耗煤体表面活泼基团并生成醚键，通过中断化学反应进程起到抑制煤自燃的作用。

• 低透气性煤层工作面煤与瓦斯突出灾害中心体致灾机理

  刘国磊, 王泽东, 曲效成, 崔 嵛, 尹永明,

  为有效揭示低透气性煤层回采工作面煤与瓦斯突出机理，提高监测和防治的针对性与有效性，基于瓦斯赋存状态和开采扰动等因素建立了突出灾害中心体力学模型，通过理论分析、相似模拟试验和现场试验的方法，验证了该理论假设，揭示了中心体致灾机理，并验证了微震与突出危险的关联性。相似模拟试验结果显示：在煤壁距中心体60～20 m时中心体逐渐孕育和发展，至20～10 m时中心体突出风险急剧升高，该范围即宏观的中心体突出临界区域，是重点防治时期和位置，该结论在寺家庄矿15112回采工作面基于钻屑瓦斯解吸指标K1值的试验中得到验证，突出灾害中心体致灾机理假设也得到验证。结果表明：吸附瓦斯在节理、裂隙等非均质性的孔洞中由于局部煤体破碎且渗透性升高而大量解吸为游离瓦斯，与煤粉混合成具有高能量的气固两相流体，形成突出灾害中心体；中心体在低透气性煤层中是客观性存在的，且赋存于多个位置，采动效应提供了外在动力，导致煤层应力环境和瓦斯状态发生变化，易诱发中心体突出；从中心体致灾的角度得到微震与突出危险间具有较良好的拟合关系，说明微震是有效的突出危险监测手段，为进一步提高突出监测及防治的针对性和有效性提供了方向。

• 综放开采瓦斯安全联动控制技术研究

  牛 磊, 张学亮, 刘 清, 霍 栋, 郝 跃,

  高瓦斯综放工作面上隅角瓦斯体积分数容易超限，影响综放开采的顺利进行。针对如何实现综放开采瓦斯安全联动控制，给出了综放开采工作面瓦斯联动控制方案，在现有综采自动化系统基础上加装瓦斯传感器进行瓦斯体积分数数据监测，通过对综采自动化系统进行瓦斯体积分数预测模型分析并进行程序设计，实现综放开采瓦斯体积分数与采煤机、综放开采放煤的安全联动控制。针对采煤机速度和放煤动作与瓦斯进行联动控制，利用自回归滑动平均模型预测以30 s为周期对未来5 min进行区间预测，形成瓦斯体积分数0.8%作为控制值但不超过1.0%的联动控制逻辑，给出了控制策略和控制逻辑图，同时划定0、1、2三级预警利于软件界面展示。在王家岭煤矿12309综放工作面进行了现场应用，现场应用表明，采煤机割煤速度稳定在5.83～7.00 m/min，实际采用同一时间放煤口开关数量不大于2个，实现了瓦斯与采煤机、放煤关联控制，综合提升采放效率20%以上。研究可为类似条件下的工作面安全高效回采提供借鉴。

• 构造区回采煤层瓦斯迁移规律分析

  李 普, 张小东,

  煤与瓦斯突出是煤层资源回采过程中一种常见的动力灾害，严重影响着生产作业的安全，而构造区则是煤与瓦斯突出灾害发生的主要区域。为了深入了解构造区煤与瓦斯突出的作用机理，以大平煤矿吴庄逆断层为研究主体，通过COMSOL数值模拟软件，建立了包含断层构造的二维矿山地质模型。然后将固体力学与达西定律模型进行耦合，对距离断层不同距离回采时煤层工作面的地应力、瓦斯压力分布和瓦斯迁移规律进行了研究。研究结果显示:①当回采工作面距断层450 m时，工作面应力提升为原岩应力的两倍，瓦斯流动状态为层流，在工作面前方20 m处瓦斯压力最大；②当回采工作面距离断层50 m时，工作面应力提高为原岩应力的3倍以上，瓦斯流动状态由层流变为紊流，工作面前方30 m范围内瓦斯压力均处于较高值；③回采结束后，瓦斯渗流速度迅速增大，在1 h后达到渗流速度达到最大，此时为煤与瓦斯突出灾害发生的高风险时间段，随后渗流速度将逐渐降低，突出风险也逐渐降低。因此为了保证回采的安全性，不仅要在回采前通过煤层注水、预掘疏压硐室等方式降低煤层应力状态，且需要采用水力冲孔、瓦斯抽采或其他有效方式降低瓦斯压力。通过对回采后煤层瓦斯迁移规律的研究，可以对通风设计与煤与瓦斯灾害防治提供有效的依据。

• 冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采的影响规律研究

  任培良, 刘彦伟, 韩红凯, 王 迪, 左伟芹, 李运强, 史 灿,

  合理确定水力冲孔冲煤率，是保障水力冲孔措施取得良好卸压增透效果的关键，对指导不同煤层瓦斯赋存条件下，煤层瓦斯在规定预抽期内实现抽采达标具有重要意义。根据孟津煤矿的煤层瓦斯地质条件，运用数值模拟和现场试验的手段，研究了冲煤率对煤层卸压增透及瓦斯抽采效果的影响规律。结果表明：水力冲孔技术能够有效提高钻孔周围煤体的卸压范围，且随着冲煤率的增大，钻孔间煤体所处的应力状态，由邻近钻孔煤体处于卸压区、中部煤体处于增压区，逐渐过渡至两钻孔间所有煤体均处于卸压区。水力冲孔冲煤率越高，钻孔间煤体的卸压程度越大，引起煤体渗透率呈数量级的增大，邻近钻孔煤体的渗透率增大了上千倍，从而造成了抽采后煤层瓦斯含量的降低幅度越大，煤层瓦斯的预抽效果越好。应根据煤层的瓦斯赋存条件，选择合理水力冲孔冲煤率的煤层瓦斯预抽方案，对于厚煤区和瓦斯富集区，应加大水力冲孔冲煤率。采用预抽—水力冲孔—2次抽采的工序，可降低冲孔前钻孔周围煤体的瓦斯含量和瓦斯压力，使得水力冲孔期间钻孔发生喷孔的次数及强度显著降低，利于防治水力冲孔时发生喷孔及瓦斯的异常涌出。预抽时间越长，煤层的残余瓦斯含量越低，但随着抽采时长的增大，煤层残余瓦斯含量的降低速率有减缓趋势。基于上述研究成果，成功指导了孟津煤矿12050工作面不同煤层瓦斯赋存条件下，煤巷条带煤层瓦斯的安全高效预抽。

• 巷道掘进顶板突水危险性预测研究

  侯恩科, 严迎新, 文 强, 车晓阳, 苗彦平, 李海宏, 路 波,

  煤层顶板水害是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，近年来陕北浅埋煤层矿井巷道掘进时顶板突水事故常有发生，其主要原因是侏罗系风化基岩含水层相对松软，富水性较强，在煤层上覆相对隔水层厚度较薄区域，巷道掘进时围岩扰动沟通了风化基岩含水层，或直接揭露风化基岩含水层而引发掘进面突水，甚至突水溃沙（泥）。因此巷道掘进顶板突水危险区的预测十分必要。以红柳林井田4-2煤开采为例，选择风化基岩含水层厚度、风化程度、岩性组合、砂岩层数及古地形标高等5个主控因素，采用随机森林（RF）算法对风化基岩含水层富水性进行了分区预测，编制了富水性分区预测图。同时分析了巷道围岩岩性特征，并结合松动圈厚度实测数据构建了松动圈厚度的多元线性与指数函数回归预测数学模型，得到了围岩松动圈厚度预测结果，以巷道顶板正常基岩厚度与松动圈厚度的差值为主要指标进行了巷道掘进顶板安全性分区预测，编制了巷道掘进顶板安全性分区预测图。在此基础上，利用GIS软件将风化基岩含水层富水性分区预测结果与巷道掘进顶板安全性分区预测结果进行了空间叠加分析，得到了巷道掘进顶板突水危险性分区预测图。结果表明：4-2煤层巷道掘进顶板突水危险区及较大危险区主要位于北一盘区4-2煤层剥蚀边界附近，与实际突水位置基本一致。因此，该预测方法及结果可作为红柳林煤矿矿井防治水的重要依据，也可为其他地质条件类似矿井提供参考。

• 矿山开采损害InSAR / UAV融合监测关键技术及应用

  周大伟, 安士凯, 吴 侃, 胡振琪, 刁鑫鹏,

  煤炭开采引起的地质环境损害问题已成为关注和研究的焦点；尤其西部矿区以大规模、高强度开采主，引起的岩层及地表移动也呈现出变形速度快、损害程度深、波及范围广的特点，对其进行快速、准确、全面地监测是矿区生态环境保护、绿色矿山建设的关键。传统的地表移动观测方法和单一测量技术均难以满足需求；无人机（UAV）摄影测量与合成孔径雷达干涉（InSAR）优势互补，二者融合在地质环境损害监测方面具有优势，提出了融合UAV/InSAR监测矿山开采损害的关键理论、技术和方法。重点论述了UAV/InSAR融合新型多尺度观测站建立模式和二者协同观测方法；探讨了UAV/InSAR跨尺度异质遥感数据融合策略；提出了基于UAV/InSAR特征级融合的地表沉陷变形及关键环境因素精确提取的思路和方法；并以内蒙古王家塔煤矿为例进行了应用研究，首先采用UAV摄影测量和InSAR技术建立了工作面尺度“点-线-面”结合新模式观测站，同时获得研究区域的UAV光学影像、InSAR影像和主断面关键点水准数据；利用UAV/InSAR的特征级融合方法提取了矿区沉陷盆地，并利用UAV沉陷盆地和融合沉陷盆地分别进行求参。研究结果表明：UAV监测的最大下沉值为2 487 mm，中误差为81 mm，UAV测量误差对于沉陷盆地边界影响较大，导致无法精确获取盆地边界区域；InSAR监测的最大下沉为110 mm，远小于实际，InSAR受时空失相干影响，无法准确获取大变形区域沉降；通过InSAR/UAV特征级融合，得到了整体和边界区域精度更高融合下沉盆。在求参方面，单独UAV数据求取的下沉系数与水准结果的相对误差为1.4%，主要影响角正切偏差较大，约20%，主要为UAV下沉盆地边界误差较大所致。与单独UAV求参相比，融合下沉盆地数据求出的参数更准确，主要影响角正切的相对误差仅为5%，融合数据很好解决了单一UAV反演tan β误差偏大的问题。该工程案例表明了UAV/InSAR融合技术在西部矿区地表沉陷变形监测中具有显著的优势，可为西部煤矿开采地表损害监测提供技术支撑。

• 对称多分支水平井煤层气水电模拟试验研究

  李艳昌, 刘海龙, 贾进章,

  由于多分支水平井是复杂结构井，采用常规数值模拟方法和应用数学解析无法精准描述地下煤层气的渗流规律，为了更为直观地观察在复杂条件下煤层气的流动情况，基于多孔介质学理论，设计并搭建水电模拟试验平台，全面研究了分支数、分支长度、分支角度等井眼结构参数对煤层气压力分布规律、总产能和单位长度产能的影响，分析并验证多分支水平井之间是否存在支间干扰现象。结果表明：井眼结构参数对煤层气压力曲线的影响主要包括煤层气压力分布随着分支数量增加和分支长度的增加，在同等坐标点所对应的等压线数值不断变小，整体呈现出等压线变稀疏，即随着分支数的增加，煤层气压力曲线的形变幅度增大，抽采范围也随之增大；分支角度在30°、45°和60°情况下,对煤层气压力曲线的影响的形变幅度以45°支间角度最明显；煤层气压力曲线受分支的指端效应影响较大。对称多分支水平井分支井间存在支间干扰现象，控制支间干扰现象的关键是通过调整综合形态参数，合理控制分支数量、分支长度和分支角度关系，三者间的优化级为分支数＞分支长度＞分支角度；当试验参数为4分支数、200 mm分支长度、45°分支角度时，井眼结构参数可最大程度控制支间干扰现象，使煤层气生产效率和生产成本达到最佳状态。

• 大倾角煤层浅部露出区煤层气溢出问题数值仿真模拟

  王洪利, 张遂安, 黄红星, 张 潇,

  中国新疆阜康白杨河矿区42号煤层倾角大，浅部煤系地层露出，为研究煤层气从该区域溢出问题，防止煤层气资源浪费，基于大倾角煤层中气-水分异现象，修正了大倾角煤层三维气-水两相渗流模型，结合阜康白杨河矿区42号煤层实际地质资料与历史拟合储层再描述，展开了大倾角煤层浅部露出区煤层气溢出问题数值模拟仿真研究。研究结果表明:大倾角煤层浅部露出区煤层气溢出问题的存在；埋深300、500和700 m直井生产15 a累计溢出量分别为1.02×105、1.08×107以及1.33×107 m3，和产量比值分别是5.06%、668.02%以及335.77%，直井生产时会造成大量的煤层气资源浪费；溢出现象并非伴随整个生产周期，溢出量先增后降直到溢出现象结束，使用顺层井生产时可以完整观测这一过程，溢出现象持续了1 918 d，日溢出量上升和下降过程近似对称，累计溢出量为7.18×105 m3，和累计产气量比值为1.54%。补充400 m和600 m埋深直井模拟方案后，发现煤层气最大溢出量和累计溢出量与直井埋深呈正相关线性关系，而溢出现象开始时间随着埋深增加逐渐提前，500 m以深溢出现象开始时间保持不变。综合分析煤层气溢出现象是造成该区直井产能较差的原因之一，使用顺层井排采能有效提高经济效益和降低煤层气溢出现象。

• 煤层气井高产水地质与工程因素及控水措施

  胡海洋, 陈 捷, 娄 毅, 李玉魁,

  为解决高产水煤层气井难以有效降低储层压力的难题，需根据煤层高产水原因采取针对性措施进行煤层控水。通过对六盘水煤田古德井区高产水煤层气井从含煤性、孔渗性、含水性、构造、钻井、压裂、排采等七方面进行地质与工程研究，查找煤层气井高产水的具体原因，采取有效控水措施，实现煤层气井排水降压、解吸产气的目的。研究表明：古德井区多煤层发育，采取多煤层组段压裂、合层排采的方式，提高煤层气资源开发效率；古德井区地层含水性较弱，煤层孔渗性较差，地层出水性较弱，但断层构造相对较发育，增加断层破碎带含水、出水风险；煤层气井直接钻遇断层的概率较小，但压裂施工影响半径一般在100 m以上，易沟通井筒附近的断层破碎带，煤层气井高产水风险增加；古德井区煤层气井压裂施工沟通上部压裂段的断层破碎带导致高产水，可采取注水泥封堵的措施进行控水，控水作业后煤层气井产水量显著下降，产水降幅超过80%，储层实现有效降压。

• 基于压汞法对黔西青龙矿构造煤孔隙结构特征的研究

  赵健光, 王 猛, 马如英, 阿斯亚·巴克, 高星,

  煤与瓦斯突出地区基本都有构造煤的发育，构造煤的孔隙结构是瓦斯吸附、扩散和渗流的重要影响因素。为了研究不同类型构造煤孔隙的发育特征，以青龙煤矿构造煤为研究对象，基于压汞法表征其孔隙结构特征，并结合分形维数对孔隙进行定量表征，详细分析了青龙煤矿构造煤孔隙结构的复杂特征。结果表明：①构造煤类型主要有碎裂煤、片状煤、碎斑煤、鳞片煤和揉皱煤，孔隙发育微孔和大孔，不同类型的构造煤在显微尺度上表现出了明显的差异性，脆性变形与韧性变形之间特征显著；②碎裂煤微孔和大孔孔隙形态以半封闭孔和开放孔为主；片状煤微孔和大孔孔隙均发育半封闭孔和开放孔；碎斑煤微孔和过渡孔孔隙形态以半封闭孔为主；鳞片煤微孔形态以半封闭孔为主，大孔孔隙形态以开放孔和细瓶颈孔为主；揉皱煤中微孔和大孔孔隙形态均以半封闭孔和细瓶颈孔为主；③当进汞压力处在低压段（0.01～0.69 MPa）时，在脆性变形阶段，分维值变化规律为碎斑煤>片状煤>碎裂煤，韧性变形阶段，分维值变化规律为揉皱煤>鳞片煤；当进汞压力处在高压段（0.31～8.84 MPa）时，脆性变形阶段碎裂煤分维值最大，韧性变形阶段揉皱煤的分维值高于鳞片煤。构造煤在高压段的分维值整体比低压段高，高压段下的煤体变形程度更复杂，渗流孔复杂程度高，孔隙结构具有较强的非均质性。

• 新疆高钠煤中钠元素的地球化学研究现状

  杨承伟, 丁 华, 白向飞, 唐跃刚, 何 金, 袁东营,

  新疆煤炭资源丰富，以低灰、低硫、低磷的发电和化工用煤为主，已成为我国煤炭开发利用的主战场。但由于特殊的地质环境和地下水作用，新疆部分煤层中富集了大量钠元素，引起的锅炉结渣结垢问题一直制约着高钠煤的清洁高效利用。新疆高钠煤及其中钠的分布赋存特征成为近10年来煤化学基础研究领域的一个热点。系统总结了煤中钠赋存状态研究成果，概述了煤中钠含量的测定方法,分析了控制煤中钠富集的关键地质因素，并讨论了煤炭利用过程中钠的迁移规律及其影响因素。研究表明:煤中钠的赋存状态以无机钠为主,少量为有机钠，逐级化学提取结果进一步表明煤中的钠以水溶态为主。目前对煤中钠含量的测定主要是通过燃烧和一定条件下的灰化、消解后进行的，但针对于新疆煤中钠以水溶态为主要赋存状态这一基本事实，逐级提取法可以减少样品前处理中钠的损失，进而更准确地反映煤中钠的含量。煤中钠的富集成因主要包括生物成分累积、碎屑沉积物输入、泥炭孔隙中溶液沉淀，以及成煤后期海水作用等。以往国内外对高钠煤的研究比较关注海水侵入的影响，但新疆的高钠煤中钠的富集需要重点考虑地表水淋滤和地下水驱动因素。在煤炭加工利用过程中,钠的赋存形式和煤炭利用方式决定了其释放途径。深入研究煤中钠元素富集的地球化学控制机理以及煤炭燃烧等过程中钠的迁移机制，对高钠煤的合理开发利用意义重大。

• 外在水分对煤矸图像特征影响的试验研究

  李 曼, 何仙利, 杨茂林, 段 雍,

  针对实际选煤生产中，原煤自身干湿状况以及受潮湿、雨淋、喷淋、冲洗等影响，导致煤和矸石表面含水量不同，煤矸图像特征变化大的问题，通过试验法研究了不同外在水分下煤和矸石图像灰度和纹理特征参数的变化规律。设计试验方案并搭建图像采集系统，分别建立煤、矸石外在水分由饱和至干燥7种不同状态下的图像样本库。选取干燥状态下煤矸图像特征差异较大的9种特征参数，提取各参数在不同外在含水率下的值分析得出，含水率较低时，各特征参数变化相对稳定。随着含水率升高，煤、矸图像各特征参数均呈现较为明显的变化，且水分含量变化对矸石图像的影响大于煤。对试验得到的图像特征参数进行归一化处理，对比煤与矸石同一特征参数的偏差值受含水率变化规律，结果表明：灰度特征中煤与矸石方差的偏差值受含水率变化影响最大，在整个含水率变化区间，煤与矸石的偏差较大的参数是偏度；纹理特征中煤与矸石对比度和同质性的偏差值受含水率变化影响最大，在整个含水率变化区间，煤与矸石的偏差较大的参数是对比度和同质性。不同外在水分对煤矸图像特征参数影响规律的研究，可为工况条件下基于图像的煤矸准确识别提供基础数据和参考。

• 基于批量式强化学习的群组放煤智能决策研究

  杨 艺, 李庆元, 李化敏, 李东印, 杨延麟, 费树岷,

  在综放开采过程中，影响顶煤破碎和运移动态特性的因素庞杂，难以通过预探测结果对开采环境和放煤过程进行精准建模，使得放顶煤开采的智能控制缺乏模型基础，难以通过简单的放煤工艺过程实质性解决顶煤采出率和出煤含矸率之间的矛盾。将液压支架群转换为多智能体，将顶煤放出率与出煤含矸率的最优控制转换为马尔可夫过程的最优决策，从而在多智能体框架下，采用强化学习实现多放煤口的协同控制。为此，将顶煤赋存状态作为马尔可夫过程的状态，建立“顶煤赋存状态-放煤口控制”的关联机制，在线生成放煤口控制策略。为实现智能体对上述关联机制的充分学习，提出一种批量式Q值更新方法，对状态采集过程中出现的“状态跳变”现象进行优化，进一步提高智能体的在线学习效率。为验证算法的有效性，结合塔山煤矿8222工作面煤层条件及液压支架主要技术参数进行数值模拟仿真，基于离散元方法在Linux系统中搭建了放煤过程的三维仿真试验平台，并通过该平台对连续放煤、分段间隔放煤、群组智能放煤展开对比试验。一系列仿真试验结果表明，提出的批量式强化学习放煤决策方法能够根据顶煤赋存状态动态调整放煤口的动作，在群组放煤过程中将煤炭与矸石进行有效分离，实现了放顶煤收益最大化。

• 液压支架工况综合评价与预警模型研究及应用

  刘前进, 徐 刚, 卢振龙, 张 震,

  针对液压支架工况不良导致支架支护能力得不到有效发挥并容易诱发顶板灾害的问题，为实现支架工况的有效监测预警，分析了液压支架工况的主要影响因素，通过液压支架工作阻力数据挖掘获取了反映液压支架工况的多个关键指标信息，确定了支架工况综合评价及实时预警的6个主要指标，即：支架初撑力不合格比例、工作阻力高报比例、安全阀开启比例、支架不保压比例、不平衡比例、工作阻力不合格比例。根据模糊数学隶属度综合评价方法建立了支架工况多参量综合评价与预警模型，将支架工况按照良好、中等、较差、很差划分为4个等级，给出了液压支架工况等级隶属度区间和各预警指标参数对应的隶属度函数，并基于变权理论确定了各预警指标的变权重系数，突出了预警指标状态量变化对支架整体工况的影响，最终得出支架工况的综合评价与预警等级，并在系统预警界面以雷达图的形式展示支架工况预警信息。该预警模型在KJ21顶板灾害监测预警系统中得到开发与现场应用，验证了该支架工况评价体系的合理性，有效提升了综采工作面液压支架支护质量。

• 千米深井特大型箕斗直线电机辅助提升系统及控制策略

  庄吉庆, 鲍久圣, 刘 勇, 葛世荣, 张 磊, 阴 妍, 刘同冈,

  千米煤矿深井中特大型箕斗的应用能够有效提高生产效率，但是随着箕斗体积和容量的持续增加会对传统钢丝绳矿井提升方式提出挑战，产生钢丝绳强度不足、寿命减少以及安全性降低等问题。针对传统钢丝绳提升箕斗时面临以上问题显露的不足，以煤矿千米深矿井作为工程背景，提出了一种采用垂直式永磁直线电机辅助驱动的特大型箕斗提升方案，能够在目前载重最大50 t箕斗的基础上再增加20%载重。首先，对辅助提升系统涉及的总体提升方案、矿井布置与选择、箕斗结构及增量设计、辅助提升电机结构设计等问题依次进行分析；其次，详细阐述了一种主从控制和并行控制相结合的控制策略，能够实现多种电机对箕斗的协同驱动，保证该辅助提升系统能够稳定运转；最后，利用MATLAB/Simulink建立了垂直式永磁直线电机辅助提升系统的单元电机和多电机矢量控制仿真模型，分析了该系统在匀速、速度突变以及制动工况下速度和推力的变化情况。结果表明，单元电机在恒速变负载情况下具有电机响应速度快、电机推力和速度变化稳定等特性；多电机控制模型在匀速和速度突变情况下主从电机速度以及输出推力跟随状况良好；辅助提升系统若采用主从速度跟随控制策略，难以在突发情况下及时稳定地进行制动，故在系统制动时应采用并行式同步控制策略。考虑到千米深井运行工况复杂，该仿真模型虽有所简化，但仍具有足够优良的同步跟随性和稳定性，研究结果对超深矿井特大型箕斗提升系统的设计开发具有重要理论价值和实际意义。

• 煤矿地下水库研究进展与展望

  师修昌,

  针对西部生态脆弱区煤层埋藏浅、煤层保水开采地质条件较差特点，突破以往以堵截地下水渗漏为主要技术手段的被动保水开采理念，提出了以“导储用”为核心的煤矿地下水库地下水保护理念，通过近年来的研究，煤矿地下水库在基础理论和工程实践等领域取得了大量成果。系统地总结了煤矿地下水库六大关键技术（水源预测、库容设计、水库选址、坝体结构、安全运行和水质保障）的研究进展，前3项技术是煤矿地下水库建设的前提，其研究主要涉及煤矿工程地质与水文地质条件、煤炭开采地下水运移规律、采空区垮落岩体空隙与碎胀性等；坝体结构研究主要涉及各种复杂力作用下煤柱坝体、人工坝体的稳定性及二者的连接问题；安全保障和水质保障主要研究分别为煤矿地下水库安全监控系统建立和采空区垮落岩体对矿井水的净化机理。阐述了煤矿地下水库水资源井下和地面的利用情况，实现了矿区由耗水大户向供水水源地转变。在总结相关研究成果的基础上，以煤-水-生态相协调为宗旨，展望了煤矿地下水库研究的方向。

• 煤矸石对草原煤矿区生态风险影响研究

  王新富, 王彦君, 高良敏, 周晓芳, 赵 恒, 何建国, 陈 军, 吴求刚,

  鄂尔多斯市处于农牧交错带型生态脆弱区，是我国北方地区的生态屏障，也是我国重要的煤炭能源生产基地，属于典型的草原煤矿区，整体生态弹性力较差。目前，煤田开发与环境相协调已成为矿区建设的重要议题，草原煤矿区脆弱的生态系统使得煤矸石带来的环境污染问题越来越突出。为明确煤矸石的理化特征及草原煤矿区所面临的生态风险，通过采集鄂尔多斯市某矿区的煤矸石，进行煤矸石理化特征及生态风险评价研究，结果表明：煤矸石岩性以泥岩为主，整体上呈现出分选性较差，磨圆度呈棱角状至次棱角状的特征，表面裂隙宽度大于10 μm，矿物组成以石英和高岭石为主，化学成分主要为SiO2、Al2O3及Fe2O3，占比分别达53.17%～61.23%、18.27%～22.55%和1.92%～8.42%，Ba、Ga、Zn、Cu、Cr和V等元素在煤矸石中的富集程度较高，新鲜煤矸石中微量元素的质量分数高于风化煤矸石；重金属Hg和Zn的潜在生态风险处于严重污染水平，Cd、Cu和Pb处于中度污染水平，As和Cr属于偏中度污染水平，Ni属于轻度污染水平，其中Hg是重金属综合潜在生态危害指数评价中贡献度最大的污染因子，导致综合指数处于很强污染等级；重金属污染的程度的强弱顺序为Zn＞Hg＞Cd＞As＞Pb＞Cu＞Cr＞Ni，研究区生物毒性不利影响的可能性在33%～81%。

• 基于RS-GIS的干旱半干旱煤矿区生态累积效应研究——以鄂尔多斯市为例

  王文铭, 闫庆武, 仲晓雅, 李茂林, 刘政婷, 赵蒙恩, 吴振华,

  煤炭是我国的主要能源之一，保障煤炭开采的生态环境安全是煤炭开采中必须要解决的重大问题，而煤矿开采的生态影响具有典型的累积的特征，因此明确煤矿开采的生态累积效应对于减少煤矿开采对周边生态环境的损害，促进矿区可持续发展具有非常重要的意义，但目前关于煤矿区的生态累积效应的研究尚显薄弱，特别是生态薄弱的干旱半干旱地区的煤矿。为了研究干旱半干旱区煤矿开采的生态累积效应，以内蒙古鄂尔多斯地区为研究对象，利用RS(遥感影像)和GIS技术（地理信息系统技术），选取景观格局干扰累积指数、植被退化累积指数和空气污染累积指数作为生态累积效应的评价指标，对鄂尔多斯以及煤矿区周边地区的生态累积风险进行了评价。结果表明：①鄂尔多斯2000—2010年的生态累积风险低于2000—2019年的生态累积风险，即研究期内鄂尔多斯的生态累积风险有所上升。②煤炭开采对周边生态累积的影响一直是正面影响，即煤矿开采能够降低周边地区的生态累积风险，证明矿区生态治理效果良好。③由于城市和工业区的影响，周边地区空气污染累积风险上升，导致2000—2019年矿区周边生态累积风险分布变为异常的“内外低，中间高”，因此需要加强周边城市以及工业区的生态治理，特别是空气污染方面的治理。

• 不同煤阶煤的生物产气特征差异研究

  杨玉亮, 贾奇锋,

  为研究不同煤阶煤制生物甲烷产量出现差异的可能性原因，选择长焰煤、焦煤和瘦煤三种不同煤阶煤样，通过对不同煤阶生物甲烷含量测定、GC-MS(气相色谱-质谱联用仪）测试和扫描电镜检测，分析煤制生物甲烷的成气特征、有机物组成与煤表面结构变化规律以及菌群附着特征。研究发现，煤阶越高，生物产气总量越低，并且低煤阶煤的生物甲烷产量明显高于高煤阶煤。通过GC-MS测试，3个煤阶煤生物产气过程第10天有挥发性脂肪酸（VFA）和甲基化合物等物质生成，长焰煤试验组与焦煤试验组在第15天未检测到VFA等小分子物质存在，并且伴随有新的大分子物质生成，瘦煤试验组并未在第15天检测到VFA，可能归因于瘦煤试验组发酵后期产甲烷菌活性的降低。同时，高的脂肪酸含量是抑制甲烷生成的原因之一，芳香烃较脂肪烃更适合被微生物降解，所以其在液相产物中的占比也是影响最终甲烷生成量的主要因素。扫描电镜检测结果显示，3种煤样表面细胞形态有明显差异，且在产气高峰期3种煤样表面细胞密度均有所增加，长焰煤表面凹凸不平，粗糙度逐渐增加，焦煤与瘦煤表面无明显变化。以上研究结果表明：低阶煤更适合作为碳源供产甲烷菌利用，液相产物中VFA、脂肪酸和芳香烃含量可间接反应煤制生物甲烷反应的剧烈程度，也可以间接表征煤样表面菌群的吸附特征，并且煤样表面菌群细胞密度与生物甲烷产气量之间成正比关系。这些结果为煤的液化以及清洁利用提供借鉴。

• 湿黏细粒煤干法筛分理论及交叉筛技术发展现状

  赵啦啦, 江海深, 赵跃民, 段晨龙, 李允旺, 刘初升,

  湿黏细粒煤的干法深度筛分理论与技术是当前国际筛分领域的研究热点和难点。其中，筛面易堵孔和筛面寿命短是湿黏细粒煤干法筛分时的核心基础问题。为了掌握当前湿黏细粒煤干法筛分理论及技术的发展现状，分析了2种广泛应用的细粒煤筛分设备：基于等厚筛分理论的等厚筛和基于弛张筛分理论的弛张筛的应用及研究存在的问题，讨论了筛分过程基础理论中颗粒分离机理的研究现状，总结了基于离散元方法(DEM，Discrete Element Method）的筛分过程中有关筛面颗粒流动特性数值模拟研究存在的不足。结果表明：筛分过程基础理论是发展新筛分技术和提升筛分设备设计水平的关键，非球形湿黏颗粒系统的分离行为和筛面高湿黏颗粒流动特性及透筛机理是筛分过程基础理论的关键问题，利用基于DEM的数值方法可以实现从颗粒尺度深入研究筛分过程中非球形湿黏颗粒的有关运动行为。此外，阐述了交叉筛的结构特点及筛分过程机理，总结了国内外有关交叉筛技术的应用及研究现状，分析了交叉筛的筛分过程基础理论研究的不足，以及存在缺少交叉筛关键结构及工艺参数的优化设计理论和方法的主要问题，提出了基于筛面-颗粒耦合模拟的交叉筛分过程机理、交叉筛结构轻量化设计及节能优化控制等研究展望。

• 煤矸石淋溶液重金属释放规律与生物毒性研究

  杜雪虹, 刘芳池, 李向东,

  为了解煤矸石堆放过程中的污染物释放规律及环境危害，以贵州某酸性煤矸石堆为研究对象，采用静态淋溶与动态淋溶对不同固液比、不同粒径条件下的煤矸石中重金属的释放规律进行了研究，同时通过明亮发光杆菌T3（Photobacterium phosphoreum T3）法测定了不同粒径煤矸石动态淋溶液的发光度，以此分析其生物毒性。结果表明：①静态淋溶时,固液比越大，静态淋溶液的pH值越小，SO2-4及Fe、Mn元素的含量越大，而重金属的溶出量并未随固液比增加表现出明显的变化；在相同的淋溶条件下，中粒径溶出的重金属浓度相对较大；②动态淋溶时，随着淋溶时间的增加，淋溶液的pH值逐渐增加，SO2-4及重金属的溶出浓度逐渐减小。不同粒径的煤矸石累计释放的重金属总量不同，对不同粒径的煤矸石累计重金属释放量与时间的关系进行2次拟合，发现重金属的释放速率不受煤矸石粒径的影响，淋溶初期时的重金属释放速率最快，随后逐渐减缓直至趋于稳定；③未稀释时的淋溶液相对发光度均为0，表现为剧毒状态。稀释100倍后，不同粒径的相对发光强度在56%～65%范围内，中粒径煤矸石的淋溶液的生物毒性最大。对不同重金属浓度与发光度进行线性拟合结果表示，所研究的6种重金属均对发光菌有抑制性，其中Zn、Pb、Mn起主要抑制作用。