煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第11期

• 冲击载荷下锚杆托板及组合构件力学性能试验研究

  吴拥政, 周鹏赫, 付玉凯, 孙卓越,

  为揭示冲击地压巷道锚杆支护系统中托板及组合构件的抗冲击性能，采用微机控制电液伺服试验机和自主研发的落锤冲击试验装置，对煤矿常用的拱形托板及其组合构件进行了力学性能研究，分别测试托板静载和正、反向及组合构件冲击力学性能，获取试样静载力-位移曲线、冲击力时程曲线、位移时程曲线及变形特征。研究结果表明：静载作用下，托板最大承载力为228~243 kN，最大变形量为14.10 mm，变形主要表现为拱高降低、四角翘起、连接部位向圆心转移；冲击载荷作用下，随着冲击能量增加，三种托板变形经历拱高逐渐降低，四角翘起量逐渐升高、拱高等于四角翘起量、拱高与四角翘起量同步降低等三个阶段。托板低能量冲击力时程曲线呈现急剧上升阶段、震荡作用阶段和迅速下降等3个阶段，高能量冲击震荡作用阶段可细分为震荡稳载阶段和震荡上升阶段；正、反向冲击力时程曲线轨迹线形态一致，组合构件时程曲线增加初期震荡和尾部震荡卸载阶段。三种试样冲击力逐渐增大，最大值分别为440、415.29、458.26 kN，均位于震荡作用阶段，此阶段作用时间逐渐增加且均不超过7.49 ms。试样位移时程曲线可分为弹塑性变形和回弹变形两阶段，弹塑性变形阶段变形量与作用时间呈现线性关系，正、反向及组合构件最大形变量平均作用时间占比分别为68.66%、69.25%、66.66%。总体来看，托板可抵抗2500 J冲击能量破坏，托板正、反向冲击力学性能及变形特征一致性较好，组合构件可实现吸能减冲、延长冲击力作用时间、改善托板承载特性等作用，研究成果为冲击地压巷道提供一定参考与借鉴意义。

• 冲击地压矿井巷道吸能防冲液压支架防冲效果研究

  安 栋, 陈 征, 宋义敏, 宋嘉祺, 许海亮,

  为提升现有巷道支护体系的抗冲击能力，在已有常规巷道门式液压支架的基础上进行吸能防冲设计，并从能量吸收、液压支架整体变形以及冲击荷载作用下支护反力大小、波动性等方面进行研究分析，验证吸能液压支架在冲击荷载作用下的支护性能。首先基于能量守恒原理对支护吸能特性的理论依据及必要性进行研究分析，结合现有预折纹自引导吸能装置进行数值模拟与试验分析。数值模拟结果与试验过程一致，明确了数值模拟的可行性，并总结其变形吸能特性，进而对常规液压支架进行吸能防冲设计。采用数值模拟的方法从多方面进行常规液压支架与吸能液压支架的防冲性能对比，结果表明：相同冲击荷载作用下，液压支架施设吸能装置后的吸能液压支架的支架部分塑性能仅为常规支架的65%，最大等效塑性应变仅为常规液压支架部分的62%，屈服区域面积占比为常规液压支架的85%，反力均值为常规液压支架的53%；采用快速傅里叶变换对支护反力进行频谱分析，从而对比分析常规液压支架与吸能液压支架在冲击荷载作用下支护反力的波动性，吸能液压支架的支护反力较常规液压支架更为平稳。结合各方面结果分析，吸能液压支架具有良好的承载特性及吸能防冲能力，施设吸能装置对于液压支架本身以及巷道围岩土体均具有一定的保护作用。

• 大倾角特厚煤层半煤岩巷道失稳地质动力条件及支护优化

  赵象卓, 王春刚, 周坤友, 郭 磊, 张 佼, 李云鹏, 张 伟, 孙郡庆,

  为明确大倾角特厚煤层半煤岩巷道失稳机制，提高巷道稳定性，以新疆乌东煤矿大倾角特厚煤层分段开采条件下半煤岩巷道为工程背景，利用地质动力区划、统计分析和数值模拟等方法，对乌东煤矿特厚煤层半煤岩巷道地质动力环境及其对巷道稳定性影响进行了研究，并对现有巷道支护方案进行了优化。结果表明：乌东井田主要受清水河子断裂、碗窑沟断裂、白杨南沟断裂等活动断裂影响；对乌东井田内地震活动时序特征和震源深度的统计分析表明，乌东井田尤其是其浅部地质动力活跃度逐年增强，浅部煤岩体能量不断积聚；井下地应力实测表明，巷道走向与最大主应力方向垂直，不利于巷道的稳定性控制。数值分析表明，同煤层上分层开采使巷道围岩应力升高，同水平邻近煤层开采使巷道围岩应力降低；受高水平应力、围岩岩性及煤岩交界弱面的影响，巷道顶底板破坏范围较大，且顶板锚杆和部分锚索处于塑性区内，导致锚固作用不能充分发挥；巷道顶板积聚大量弹性能，易诱发顶板动力灾害。在此基础上，针对巷道支护现状，提出了增加锚杆长度、提高锚杆预应力、采用全长锚固、调整锚索角度、改进护表材料以及采用全长锚固锚杆对巷道底板和底角进行加固等方法和措施，以期提高巷道稳定性，为类似条件巷道的支护提供有益借鉴。

• 分岔煤层下分层再生顶板地面预注浆加固区域研究

  翟晓荣, 吴基文, 胡 儒, 毕尧山, 刘 伟, 李 宁,

  分岔合并煤层受上分层采动影响，造成下分层顶板破碎，支护困难，严重影响下分层安全高效开采，常采用注浆加固技术对再生顶板进行提前改造，以提升顶板完整性。注浆加固区域对注浆效果有直接影响，为了给地面预注浆加固区域选择提供科学依据，以淮北矿区许疃煤矿分岔合并煤层为研究对象，采用理论分析与数值模拟，计算了上分层开采顶底板破坏高度及深度，获得了下分层再生顶板结构特征；基于数值模拟计算了采空区不同位置空隙率及渗透系数大小，获得了空隙率及渗透系数空间分布规律，最终确定了采空区不同位置注浆特征及其范围。结果表明：上分层开采顶板垮落带及断裂带（“两带”）发育高度21～28 m，底板破坏深度约10 m，下分层再生顶板由上分层底板破坏带、垮落带及断裂带三部分组成，岩体结构属碎裂-散体结构，完整性差；采空区垮落带空隙率在开切眼、终采线及两帮巷道处最大，可达50%以上，而向采空区中部及上方断裂带逐渐减小至10%以下，平面上呈“O”型分布，垮落带与断裂带渗透系数可相差3个数量级以上，采空区平面上可划分为注浆极易区、中等区及一般区，确定了平面上煤层间距小于10 m范围内巷道两帮、开切眼及终采线等位置是主要注浆区域，垂向上垮落带为主要注浆区域。研究结果可为类似近距离煤层下分层再生顶板地面注浆加固钻孔布置及注浆区域选择提供依据。

• 8.2 m超大采高采场矿压显现特征及围岩控制

  彭林军, 岳 宁, 李 安, 蔡逢华, 李申龙, 李明辉, 闫国成, 刘 欢,

  为研究近浅埋超大采高工作面采场矿压显现问题，以金鸡滩煤矿12-2108工作面为工程背景，利用矿压在线实时监测和理论计算的方法，对8.2 m超大采高综采工作面矿压显现特征及围岩控制对策进行了研究。研究得出：顶板结构组成是覆岩运动规律变化的核心，直接顶厚度薄随采随落，不能充满采空区；基本顶岩梁属于多岩梁有内应力场结构，端部切顶形成“等效直接顶”，“等效直接顶”主要表现为双关键岩梁结构，下位关键岩梁断裂导致小周期来压（步距15 m，来压强度在30 GPa左右），当上、下2组关键岩梁同时断裂叠合作用导致大周期来压（步距31 m，来压强度在46 GPa左右），周期来压呈现大小周期特征，一般大周期来压约为小周期来压步距2倍左右。现场监测初次来压步距达到98～117 m，周期来压步距平均在22 m，实测结果与理论分析基本吻合。实践证明“等效直接顶”跨落厚度的增加，减小了基本顶主关键岩梁回转空间，迫使基本顶铰接点上移，延缓了基本顶关键岩梁来压强度。针对超大采高综采工作面矿压显现规律及支架承载特性，在现场采取了合理控制采高、加快工作面推进速度、提高支架初撑力及三级护帮板等控制措施，有效避免了近浅埋超大采高端面漏冒、台阶下沉和煤壁大面积片帮相关灾害的发生，大采高综采支架工况良好满足生产要求。

• 虚心旋转综放工作面矿压分布特征分析

  杨路林, 刘 倩, 史晨昊,

  旋转综放工作面覆岩运动规律因受采空区形状及工作面侧向约束条件等因素的影响，同一工作面不同区域或不同开采阶段的矿压显现程度各有特点。考虑旋转开采期间割煤工艺和调斜开采可能对其采场矿压显现造成的影响，针对旋转综放工作面不同区域的顶板结构及其顶板压力分布情况等问题，以长春兴煤矿301综放工作面为工程背景，根据其开采条件及其上覆岩层的岩石力学特性，在推算出旋转开采期间工作面不同区域顶板结构模型的基础上，采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法，对工作面旋转区的顶板压力分布特征与正常回采期间存在显著差异的现象进行了分析。研究表明：转采期间，由于机头推进速度远大于机尾，导致同一时期内沿工作面走向和倾向上各处的回采空间体积及采动影响范围差别较大；同时在机头区的三角弧形顶板影响范围内，随着转采步距的增加，距旋转中心越远的区域，弧形板悬顶面积就越大，加上覆岩采动影响范围内存在一层较厚的顶板可起到侧向传递力的作用，这3个条件共同作用的结果是采动空间较小处机头区的顶板压力比采动空间较大处的顶板压力明显增大，引起机头区的应力集中。

• 采动影响下大倾角复合顶板工作面矿压规律研究

  唐 龙, 刘 迅, 屠洪盛, 万 磊, 孙茂如, 赵吉诚, 蔡涤标, 马守龙,

  在采动影响下，大倾角复合顶板工作面中上部覆岩破坏严重，造成支架未接顶，严重影响安全生产。针对该问题，以新集二矿211112大倾角复合顶板工作面为工程背景，采用数值模拟和现场监测的综合研究方法，对采动影响下211112大倾角复合顶板工作面矿压显现规律及顶板控制技术进行了研究。研究表明：大倾角复合顶板比非复合顶板条件下的工作面最大覆岩卸压拱高度、宽度以及拱顶距上端头距离分别高出5、13、3 m；煤层开采后垂直应力在倾斜方向呈非对称性，工作面下端头前方支承压力最大值比上端头前方支承压力最大达32%；复合顶板比非复合顶板工作面覆岩最大垂直位移高10%，卸压快且工作面中上部的破坏程度更严重。现场监测表明工作面中上部受力较大，先来压，导致工作面中上部下沉位移量大，卸压程度高，与模拟结果相吻合，解释了211112工作面72～95号支架（工作面中上部）范围出现漏顶，支架未接顶现象。据此，提出采用无机注浆加固材料对破碎复合顶板进行充填的控制技术，现场试用效果良好，实现了大倾角复合顶板工作面安全高效开采。

• 连续采煤机开采优质稀缺残煤技术研究与应用

  马进功,

  边角残煤一直是影响我国矿井资源采出率的关键因素,尤其是一些资源整合兼并矿井，普遍存在能整装布置的综采工作面少，而三角块段、不规则块段、残留煤柱等边角残煤资源量大难以回收的问题，特别是边角残煤若属于特殊和稀缺煤种等优质资源，其解放开采意义重大。以盛平煤矿为例，针对其作为资源整合小矿井拥有优质稀缺资源却由于边角残煤太多难以开采的现状和难题，提出在条件适合的边角块段采用连续采煤机开采，将传统的旺格维利采煤法改进后形成全风压通风的开采系统，详细介绍了不规则块段短壁巷道布置设计、采掘工艺设计以及岩层控制矿压监测，采用数值模拟分析了采场不同宽度采硐间煤柱、隔离保护煤柱在开采时的应力场、塑性区分布以及变化规律，选取出采硐间煤柱宽度1.25 m、隔离保护煤柱8.0 m的较优方案并应用于现场实践，最后通过矿压实测，验证了模拟分析的正确性，得出了工作面岩层垮落与煤柱变形的初步相互关系。研究表明，提出的“连续采煤机+梭车+连运一号车+履带行走支架”的设备配置，较好解决了矿井浅埋深、近水平、低瓦斯、顶板中等稳定等煤层地质条件下的边角块段开采难题，采硐间煤柱宽度在1.25 m时既可以在开采期间支撑顶板又不影响采后直接顶的及时垮落，8 m隔离保护煤柱破坏极限发生的时间控制在间隔一个采空区后的回采区回采时，回采区受采空区顶板垮落影响较小，连续采煤机有效解决了盛平煤矿优质残煤资源的开采，示范效应明显。

• 煤矿动力灾害前兆信息传感技术发展与应用

  郭清华,

  为了解决煤矿动力灾害前兆信息传感监测技术缺乏，传感设备精度低、稳定性差的问题，研究分析了煤矿动力灾害监测技术的发展趋势，提出以微震、应力、瓦斯体积分数监测技术作为突破点，开展光纤光栅微震、三轴应力、分布式多点激光甲烷等多参量光学传感技术研究。研制了基于光纤光栅传感原理的光纤光栅三分量加速度传感器、微震监测装置及系统，微震频率范围达到了0.5～300 Hz，平均定位误差约为11 m；研制了基于波分复用技术(WDM)的三轴应力传感器及监测装置，实现了三维空间应力向量测量，测量范围0～30 MPa，测量误差为3%；基于激光吸收光谱原理，利用光纤光路复用技术，结合参考气室自校正技术，研制了多光路同步数据采集的分布式多点激光甲烷监测装置及系统，测量范围0～100%CH4，测量误差±3%，标校周期达到120 d。最后，从采动应力扰动诱发动力灾害的本质出发，构建以微震监测、应力动态监测及煤矿环境监测三大系统相融合的煤矿动力灾害前兆信息集成监测技术架构，其中微震监测系统作为区域性监测手段，实时监测微震源位置、能量等宏观数据；应力动态监测系统作为临场性监测手段，以危险性预警为目的，实时判识冲击危险区域和危险程度；再结合煤矿环境监测系统监测的瓦斯涌出动态指标数据对煤与瓦斯突出现象进行准确监测与预警。该系统在山西新景矿进行了集中示范应用。

• 声发射信号研究进展及其在煤温感知领域应用前景

  郭 军, 王凯旋, 蔡国斌, 金 彦, 刘 荫,

  声发射信号已广泛应用于冲击地压、煤与瓦斯突出及顶板大面积来压等动力灾害预测预报、地应力测试、岩体稳定性评价等领域。借鉴声发射技术成熟的监测原理和有效的测试手段，也可快速检测煤岩体中温度等特征参数，并有望应用于矿井煤自燃灾害精准探测领域。通过文献调研，分析、归纳和阐述了声发射信号在非均介质、多孔介质以及煤岩体内传播时的畸变特征和传播衰减影响规律的研究进展及其应用，其主要是通过数值模拟、数学建模、特征变量控制试验，并结合声波传播理论进而研究非均介质、多孔介质及煤岩体内声发射信号传播特性和响应参数，并将研究结果应用于损伤检测、仓储粮食温度监测、矿山动力灾害预测预报等领域。重点梳理了声发射信号在不同煤岩体内的传播特性及影响因素，主要包括：不同瓦斯含量、含水率和压力载荷下的煤岩体。研究并总结了声发射信号的处理与分析方法，受制于矿井下煤自燃隐患发生时会加热煤岩体及周围环境空气，产生“燃烧音”的同时也会伴有一定的环境噪音，为推进声发射信号处理与分析技术进一步完善和系统化，将声发射信号特征参数处理分析与小波分析、声波滤除算法等理论有机结合，提出了构建声发射信号特征参数分析与提取算法技术思路来处理声信号。声发射信号在煤岩体内传播过程中，受煤岩体物理性质、煤种、瓦斯含量、含水率等多因素影响，尤其是在松散煤体内传播过程中，还会受到煤自燃形成的非均匀温度场、煤体块度、煤自燃气体组分浓度、松散煤体空隙特征等因素影响。结合声学和煤自燃理论，展望了声发射信号在煤体温度监测和煤自燃灾害预警领域的应用前景，其途径包括针对煤岩体内声发射信号的传播衰减特征开展试验模拟与数值仿真，以及理论分析与建模，以进行温度反演与非均温度场重建，为解决采空区等隐蔽空间火源精准探测难题提供新的思路。

• 煤对甲烷及氘代甲烷吸附性能研究

  岳基伟, 李 宏, 孙永鑫, 邵亨威, 吕振威, 李怀宾,

  煤层注水是一项综合灾害防突措施，常被应用于瓦斯、粉尘及冲击地压防治。获得煤-水-甲烷三相体系中水分的分布规律，对于揭示含瓦斯煤注水防突、防冲及防尘的机理具有重要的理论意义。对于煤-水-甲烷三相体系中水分分布的测试，无损检测法是一种首选的方法，核磁共振测试技术对于水分分布测试具有其独特的优势，然而采用核磁共振测试煤-水-甲烷三相体系中水分的分布规律时，甲烷分子中氢原子与水分子中的氢原子相互干扰，造成不能准确获得煤-水-甲烷三相体系中水分的分布规律。提出采用氘代甲烷（CD4）代替甲烷（CH4）研究含瓦斯煤中水分分布，需首先获得煤对CD4及CH4的吸附特性。采用等温吸附试验及分子动力学模拟的方法研究了煤对CH4及CD4的吸附量及等量吸附热。研究结果表明：煤对CH4及CD4的吸附量差别不大，且吸附量与吸附平衡压力满足Langmuir的函数关系；煤对CH4及CD4的等量吸附热随着吸附平衡压力的增加而减小，等量吸附热与瓦斯压力满足指数的函数关系；同一温度条件下，煤对CH4及CD4的等量吸附热差别不大；煤对CH4及CD4的等量吸附热随着温度的减小而增加，且等量吸附热均存在极限值、均为物理吸附。研究结果为采用核磁共振定量研究煤-甲烷-水分三相体系中水分的分布规律奠定理论基础。

• 冲击荷载作用下各向异性煤体中大孔结构变化规律研究

  梁为民, 李晓鹏, 李敏敏,

  为了研究冲击荷载对煤岩体孔隙结构中中大孔结构的影响，能够为煤层增透中爆破致裂技术参数的设置提供相关理论依据，对结构异性(垂直于层理方向、平行于层理方向)煤岩体采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar，SHPB)冲击试验，进行不同冲击气压(0.1、0.15、0.2、0.3、0.5 MPa)下的动态力学性能测试，然后利用压汞试验对不同冲击荷载下结构异性煤岩体进行孔径结构分析，进而探讨冲击荷载对结构异性煤岩体中中大孔结构的影响规律。结果表明：煤样的动态抗压强度随着冲击荷载的增加呈线性增加，当冲击荷载相同时，垂直层理方向煤样的动态抗压强度均大于平行层理方向。冲击荷载和层理方向对煤样的进退汞曲线特征、孔隙度、退汞效率和孔径分布均有影响，〖JP2〗当冲击气压为0.5 MPa时，对应垂直层理和平行层理方向动态抗压强度分别为29.624、24.339 MPa，〖JP〗较未受冲击荷载相比，垂直层理方向和平行层理方向煤样进汞量分别增加188%、205%，孔隙度分别增加155%、198%，退汞效率分别减少32%、69%，孔径分布中孔容最大值分别增加472%、492%。不同层理方向冲击荷载对煤样的孔隙结构的改善效果不同，当冲击荷载相同时，平行层理方向煤样的进汞量、孔隙度、退汞效率、孔容最大值，分别为垂直层理方向煤样的1.05、1.35、0.46和1.40倍。总体上，冲击荷载越大，煤样总孔容增量越大，且平行层理方向煤样总孔容增量大于垂直层理方向。

• 煤岩基质-裂隙相互作用下渗透特性研究

  王 斌, 李波波, 许石青, 高 政, 许 江, 张 尧, 陈 帅,

  为研究煤层气开采过程中温度、气体压力对煤岩吸附和渗流特性的影响，利用等温吸附试验装置与含瓦斯煤三轴渗流试验装置，分别进行等温吸附试验及不同温度条件下变气体压力的三轴渗流试验。考虑应力作用下毛细管分形特征，建立了裂隙体积应力敏感性模型，并在此基础上建立考虑煤基质内部膨胀变形、温度及气体压力变化的煤岩渗透率模型。结果表明：①在相同温度下，随着气体压力升高，煤岩瓦斯吸附量逐渐增大，但吸附速率呈相反趋势。在相同气体压力下，随着温度升高，瓦斯吸附量呈下降趋势。当有效应力恒定时，煤岩吸附变形量随着气体压力增大而增大，并且随着温度增大而减少。②在外部应力作用下，煤岩内部毛细管侧面发生收缩并产生径向延展。新建裂隙体积应力敏感性模型计算得到的裂隙压缩系数与实验室所得值在同一数量级，并随有效应力升高呈下降趋势。③新建渗透率模型能较好反映不同温度、气体压力下渗透率演化规律。在相同温度下，随着气体压力升高，煤岩渗透率先急剧下降后趋于平缓，孔裂隙周围基质膨胀变形对于渗透率的影响逐渐降低。

• 孔隙压力升降条件下煤岩双孔隙渗透率模型研究

  尧春洪, 李波波, 高 政, 李建华, 许 江,

  孔隙压力是控制煤岩渗透率的关键因素，为探究煤岩渗透率在孔隙压力升降过程的响应机制，利用含瓦斯煤三轴渗流试验装置，分别开展不同平均应力条件下孔隙压力升高和降低的渗流试验。基于煤岩具备的双孔隙结构介质的特性，综合升压过程中煤岩力学效应、滑脱效应、吸附膨胀及吸附层厚度变化等因素，构建包含基质与裂隙的双孔隙渗透率模型。通过引入修正函数L(p)，进一步量化降压过程中煤岩渗透率变化情况，并利用试验数据验证新建渗透率模型的合理性。研究结果表明：①当平均应力一定时，基质渗透率随孔隙压力增大呈先急剧减小后缓慢减小的变化趋势，裂隙渗透率的变化规律与煤岩总渗透率的变化规律较为接近；②当平均应力一定时，孔隙压力升降过程中的煤岩总渗透率均呈“V”型变化，但对于同一孔隙压力，降压过程总渗透率要低于升压过程总渗透率；③利用渗流试验数据对模型进行验证，发现新建双孔隙渗透率模型能够与试验结果保持一致；④修正函数L(p)中的敏感性系数c影响渗透率随孔隙压力变化的曲线斜率，敏感性系数d影响渗透率曲线整体高度。

• 六盘水地区煤层含气性地质特征及差异成因

  高 为, 韩忠勤, 吕 放, 白利娜, 金 军,

  六盘水地区是中国南方多煤层特别发育且地质条件较为复杂的地区，近年来煤层气试采效果较好，勘探进展明显，查明该区煤层含气性特征有助于深化对该区煤层气成藏规律的认识，提高勘探成功率。基于研究区多口煤层气参数井实钻资料及煤岩样品测试获取的大量气体组分、含气量、等温吸附及煤岩基础分析数据，分析了六盘水地区煤层含气性的空间差异特征，探讨了煤层含气性差异的关键地质控制因素。结果显示：区内煤层气组分以甲烷为主，中煤阶阶段容易出现重烃异常，重烃组分主要为乙烷，烃类气体与氮气呈高度线性负相关，局部高异常氮气主要来自大气混入，煤层气成因类型多样，且成因类型发生转换的镜质组反射率临界值在1.70%左右。煤层含气量和朗格缪尔体积普遍较高，低煤阶和高煤阶阶段一般为吸附气，中煤阶焦煤部分煤层表现为游离气特征。煤层吸附能力和含气量同时受聚集地质因素和保存地质因素影响，平面上具有一定差异性，影响吸附能力差异的主要因素为煤变质程度和温压环境，影响含气量差异的主要因素为煤变质程度、埋深和构造，一般同一勘探区内朗格缪尔体积的变化相对含气量的变化较小；受聚集地质因素控制，吸附能力和含气量在垂向上不同煤层之间也有一定差异，主要影响因素为煤岩有机显微组分和煤质。

• 煤炭高强度重复采动下地下水资源漏失规律研究

  许 峰, 靳德武, 高振宇, 何 渊, 王世东, 石 磊, 黄 欢, 段建华,

  我国煤炭资源开发重心西移，但西部地区生态环境脆弱，地下水资源宝贵，煤炭高强度开采与地下水及生态环境保护矛盾日益加剧。近年来，西部多数矿区逐渐开拓开采下组煤层，针对多层煤层重复采动对地下水资源影响规律研究不足等问题，以神东矿区布尔台煤矿42202工作面为研究对象，采用现场实测以及数值模拟手段，对该区煤层重复采动顶板导水裂隙带的发育高度进行了实测与计算，结果表明：42上煤开采后导水裂隙带最大发育高度达到顶板以上160 m，沟通了延安组和直罗组含水层，但未沟通白垩系志丹群含水层；基于导水裂隙带监测结果，采用FEFLOW数值模拟方法预计了42202工作面采后涌水量为63 m3/h，与实际涌水量55 m3/h接近，进一步表明工作面涌水主要来自延安组与直罗组含水层；42202工作面采后延安组含水层水位下降幅度达到57.3 m，直罗组含水层水位下降11.9 m，白垩系志丹群含水层水位基本维持稳定，由此可知，煤层采后对延安组含水层扰动程度最大，对直罗组含水层扰动程度次之，而并没有对白垩系志丹群含水层造成影响；煤层采动导水裂隙是地下水资源漏失的主要通道，其发育高度及规模决定了煤炭开采对含水层的扰动程度，抑制煤层开采后顶板导水裂隙带发育是实现西部大型矿区保水采煤的关键点，尤其是随着西部煤炭资源的深部开发，多层煤层开采后覆岩破断规律及其多场耦合特征、导水裂隙的演化规律是今后重要的研究方向。研究成果完善了多煤层开采保水理论，为实现我国西部煤炭资源的绿色开发提供支撑。

• 基于AHP-熵权法耦合方法的地质构造复杂程度定量评价

  左林霄, 高 鹏, 冯 栋, 王晓玮, 侯恩科,

  井田地质构造的复杂程度不仅会影响工作面的合理布置，当断层等异常地质构造具有导水性时可能引起矿井水害等地质灾害的发生。为了能够科学准确对井田构造复杂程度进行定量评价，以陕北侏罗纪煤田庙哈孤矿区沙梁井田为研究对象，在充分了解井田地质条件的基础上，结合研究区现有的钻探资料和物探资料所揭露的井田构造发育情况，最终选取断层分维值、断层强度指数、断层密度3个主控因素对沙梁井田的地质构造复杂程度进行定量评判。层次分析法（AHP）在进行权重赋权时主观性较强，在一定程度上影响研究结果的准确性，熵权法是一种客观赋权法，克服了主观性较强这一缺点。利用层次分析法与熵权法两者耦合的方法综合得出地质构造复杂程度主控因素的权重，建立了矿井构造复杂程度定量评价模型，并利用所提出的定量评价模型对研究区构造复杂程度进行了定量评价。在此基础上根据提出的定量评价模型，将沙梁井田范围内的复杂程度分为4个等级区域，包括复杂构造区、较复杂构造区、中等构造区、简单构造区，为地质构造复杂程度定量评价提供一种新的理论方法，该研究成果为地质构造复杂程度定量评价提供了一种新方法，旨在为矿井的高效安全生产提供一定的指导依据。

• 基于四面体模型的地质体三维重建

  石信肖, 王 健, 孙文潇,

  智慧矿山等数字化理念的提出，对三维空间数据的需求越来越多，同时对于地层模型也不再局限于直观的展示，更多需求在于地层属性及断层等地质结构分析处理。针对地质模型重建时缺少内部属性，以及断层等结构重建问题。以某矿区为研究对象探讨了体元数据结构下的地质三维重建。首先根据钻孔数据构建出合适的三维地质表面模型，对于断层部分借助局部法进行面模型的三维重建。然后对Tetgen算法进行编译得到Tetgen.a静态库文件，在此基础上对表面模型并进行封闭性、相交性等初始模型检验。调用库文件读取面模型的顶点，面片数据，借助剖分函数进行结构二次划分，从而完成将四面体模型重建。同时考虑四面体质量的前提下，调整剖分参数得到合适的边界纵横比，借此得到最优的四面体网格.从而完成了地质体以及断层结构体元模型的三维重建。借助某煤矿数据验证了该方法在地质建模的可行性,借助采集的巷道点云数据和采集的钻孔数据，利用四面体重建的方法完成地质层三维重建和断层结构的表达。结果表明以体元结构重建的三维模型能够对内部属性进行表达，同时对于断层等特殊地质结构也有较好的适用性，利用该方法完成的地质体重建，便于地质体的空间分析等后续应用为数字化矿山建设提供有利的数据支撑。

• 煤矿工业广场开挖边坡崩塌特征分析与运动模拟

  常一伦, 谢婉丽, 姬文龙, 杨 惠, 单 帅,

  陕北地区采煤活动频繁且持续，容易引发一系列的地质灾害。煤矿工业广场的开挖边坡易引发崩塌灾害隐患，给场地内的建筑、设备、人员和车辆等带来极大威胁。当下对于崩塌隐患的分析和预测常采用基于坡表剖面线的二维分析办法，存在人为选定崩塌运动路径随机性大，无法在第三维度研究崩塌分布范围、影响程度等缺点，难以对崩塌灾害进行高效的评估。为解决上述问题，以陕北某煤矿工业广场的开挖边坡为例，在现场调查的基础上，采用无人机自动航空摄影测量与自动化建立高精度三维地面模型技术、点云数据提取结构面参数技术及三维崩塌运动模拟技术，分析了历史崩塌分布的统计学特征，岩体结构面的产状和物源区危岩体等特征，并进行了开挖边坡崩塌危岩体的运动特征的模拟，通过模拟，获取了崩塌体的运动轨迹、影响范围和最优路径下的弹跳高度、能量分布等。结果表明，危岩区主要威胁工业广场东北侧的生活区和东南侧的停车场，不会对工业广场中部的G338国道、工业广场西侧的黄土路肩和河流水面构成威胁。其中，A危岩区对生活区影响范围最大，为62 m，D危岩区对停车场影响范围最大，为105 m；最优路径时，D危岩区落石质心距离坡面的高度最大，为8.33 m，A危岩区落石质心距离生活区的高度最大，为4.59 m，C危岩区落石质心距离停车场的高度最大，为5.85 m；被动防护网能较为有效地防护A危岩区的落石，对B危岩区的落石防护作用不显著，对C、D、E、F危岩区无防护效果。有关研究结论可以为崩塌的灾害治理、防治设计提供一定的指导依据。

• 采动区地表异常形变SBAS识别与损害原因揭示

  刁鑫鹏, 孙全帅, 白志辉, 吴 侃, 杨 静,

  随着地下煤炭资源的大规模开采，异于常规沉陷规律的地表变形现象不断出现,开展地表异常形变识别提取与损害原因揭示的研究工作，对于沉陷控制理论的发展完善和沉陷区异常损害防护措施的制定具有重要的理论与现实意义。以河北省某城镇的异常损害为研究对象，基于短基线集差分干涉测量技术（SBAS-InSAR），利用25景Sentinel-1A雷达影像，反演了目标区2019-07-14—2020-04-27期间地表形变的空间分布形态和时间演变过程。通过与相近时期48个水准点位监测数据的对比得到，两者平均差值约为5.32 mm。最后结合研究区地质资料，对异常损害的原因进行了揭示。通过研究，得出结论如下：① 异常损害区自2019-09-24开始出现变形现象，随工作面推进地表异常变形持续发育，其终止位置近似呈一直线状。② 从地表变形的动态发育过程看，异常形变初始发育位置与常规沉陷盆地在空间上相对独立，而后随地下开采范围的不断扩展，两者逐渐发育为一体。③ 地表异常损害为F15断层“活化”的结果，且地表变形存在跨断层传递现象。研究表明，SBAS技术能够实现对采动地表异常形变的有效识别和提取，可为异常损害规律研究和原因揭示提供数据支撑，相关结论对于后续沉陷控制理论的发展完善亦具有借鉴意义。

• 矿用 Ｆ５Ｇ 架构的智能化煤矿建设方案研究

  温 良, 吴文臻, 李起伟,

  为进一步加快F5G技术在煤矿中的认知和应用普及，促进我国煤矿智能化发展，基于F5G新技术，针对矿用F5G全光工业网架构的PON网络大带宽、高可靠性、扁平化、易部署、易管理等优势特点，构建以物联网、云计算、大数据、人工智能、自动控制、移动互联、机器人为技术基础的智能化煤矿建设方案。论述了矿用 F5G工业光网功能、F5G+5G融合组网设备及架构，分析了矿用井下F5G+5G一张网应用优势特点；重点探讨了矿用F5G智能化建设方案的无源光网络满足煤矿井下防爆要求、无源网络自生长满足煤矿井下定期移动需求、应用场景的业务安全等3个方面的优势；研究了矿用F5G架构的智能化煤矿建设的4种典型应用场景：视频监控+边缘分析、远程控制网低延时实时传输、监测监控传输网、矿用5G+融合通信系统承载网，为F5G架构的智能化煤矿建设方案提供技术思路及方法。文中论述的矿井F5G网络建设特点、网络架构、应用场景、优势及生态等，为推动建设矿用F5G+智能化煤矿方案在煤矿井下的应用，有力促进煤炭工业的高质量发展；同时，煤矿F5G的深入推广应用，也需要全行业包括煤矿生产企业，集成商，网络设备供应商等的协力合作，构建创新、协同、开放、合作的煤矿F5G应用生态。

• 磁轮驱动钢罐道巡检机器人研究

  封 华, 李 强, 陈朋朋,

  钢罐道作为矿井提升容器的导向限位装置，其自身表面受损程度、与罐道梁的安装状态以及每段罐道间的位置关系等会直接影响提升容器的安全运行。目前钢罐道的巡检方式仍然为人工巡检，存在安全性差、效率低、漏检率高等问题。为提高立井钢罐道的巡检效率及安全性，提出了一种新型的磁轮驱动巡检机器人模型，并试制了原型样机。首先，根据立井钢罐道实际巡检工况的功能需求分析，对机器人进行结构设计，并研究了磁轮驱动下的可靠运行条件，进而对磁轮的设计尺寸进行优化；其次，在扩展卡尔曼滤波（EKF）方法的基础上，借助加速度计、陀螺仪和磁传感器（合称MARG传感系统）对所设计的机器人进行了姿态估计，并运用反步法对机器人在罐道面上的高效运行进行了步态规划；最后，通过仿真和试验的方法对所设计的磁轮驱动巡检机器人进行了验证。结果表明：① 所提出的姿态估计方法可以实现对机器人当前姿态的准确估计，偏差浮动范围保持在±0.1°内；② 所设计的巡检机器人可以实现直线和圆轨迹的快速、准确跟踪，当跟踪时间达到3 s时，局部位置误差趋于稳定并收敛到0；〖JP2〗③ 所设计的巡检机器人能够进行壁面跨越，当左右两侧舵机转速为0.1 m/s，〖JP〗转弯半径为49.5 mm时，可实现0°～90°的转弯，在转弯初始阶段会出现一定的偏差，当偏差达到1 mm左右时趋于稳定。

• 机器视觉灰度化金字塔卷积模型的煤流异物识别

  杨建辉, 黄子洋, 汪 梅, 符立梅, 刘安强, 李远成, 于振华, 王 征, 董立红,

  煤流的带式输送是煤炭能源生产过程中的一个重要环节，煤流中异物识别是智慧矿山智能矿井建设中不可或缺的重要任务。针对煤流的带式输送监测系统中异物识别问题，构造一种基于机器视觉灰度化的双路金字塔卷积识别模型。首先，提出一种基于权值训练的机器视觉图像灰度化方法，并根据输送带运输异物与煤的颜色差异和运动性差异，采用Lucas-Kanade光流算法，实现对异常颜色和异常运动像素点的识别。同时结合光照补偿处理，实现对煤流实时图像进行亮度校正和无关像素剔除的预处理。接着，构造了金字塔网络，提取煤流中移动异物的多尺度融合特征。之后本文构造图像的常规特征提取通路和特征差分通路的双通道网络模型，实现对煤和异物特征的识别。最后，对陕煤曹家滩煤矿的煤流输送带监测图像的异物进行识别。结果表明，基于机器视觉灰度化双通道金字塔卷积模型对煤流输送带的异物识别准确率为95.7%，比经典的卷积网络模型的识别精度提高了2.1%，相比于传统图像灰度化固定权值识别模型，基于权值自适应训练的异物识别模型精度提升了5.2%。

• FDTD矿井无线传输特性分析方法研究

  张高敏, 刘 毅, 彭 铭,

  为减少井下无线通信基站数量，提高井下无线信号覆盖范围和通信质量，需要研究无线通信基站天线和固定无线通信设备天线安装位置对矿井电磁波传播特性的影响。建立了由空气介质、巷道壁和完全匹配层组成的时域有限差分三维巷道模型，并根据该模型推导了时域有限差分迭代方程。提出了一种可变内阻激励源，以减小Yee网格间因感应电流引起的计算误差，并推导了该激励源的显式时域有限差分迭代方程，在巷道内测量了收发天线在巷道断面不同位置处的电磁波信号强度。结果表明：提出的可变内阻激励源计算出的电磁波信号强度仿真值与赫兹偶极子天线解析方程计算出的解析值在300 m自由空间内的衰减规律一致，性能优于透明激励源和硬激励源。激励源和接收点位于巷道断面中心时580、740、900 MHz三种频率电磁波信号强度的仿真值与测量值相比，衰减规律一致，表明提出的计算方法可用于研究巷道内电磁波传播特性。收发天线到同一巷帮等距时，两天线同步从巷道断面中心移动到巷帮附近，电磁波信号衰减逐渐增大；收发天线到巷帮距离在0～0.02 m范围内电磁波信号平均衰减梯度为217 dB/m，是0.04～0.30 m范围内的6.2倍，是0.02～0.04 m内的1.6倍。因此，在不影响行人和行车的条件下，无线通信基站天线应尽量远离巷帮，以获得最佳通信效果。

• 露天矿内排土场近自然地貌重塑研究——以新疆黑山露天矿为例

  夏嘉南, 李根生, 卞正富, 雷少刚, 宫传刚, 李恒,

  露天开采作为我国矿产资源的主要开发形式，其长期高强度人为扰动形成的传统“梯田式”内排土场面临占地面积大、景观破碎等问题。近自然地貌重塑作为矿区修复的重要手段，具有融合矿区内外景观的独特优势。为设计与周边自然地貌相融合的露天矿内排土场地貌，在现有开采工艺基础上，提出一种采排复一体下基于调整曲面的内排土场近自然地貌重塑模型；以新疆黑山露天矿为例，构建内排土场近自然设计地貌，及区域原始地貌和传统设计地貌2个对照组，结合CLiDE演化模型，模拟并评价10 a〖JP2〗内近自然设计地貌的抗水蚀效果。结果表明：①地貌设计上，近自然地貌重塑模型在采排复一体化过程中可依据采复子区采前地表、矿层顶板及底板数字高程数据，自动求解复填可用土方量，获取复填子区地表高程近自然设计结果；②土方调配上，近自然设计地貌土方平均运距较传统设计地貌高0.49 m/m3，较后者高约0.06%，两者土方平均运距极为接近；③视觉上，近自然设计地貌能够与周边自然景观相融合，相较传统“梯田式”地貌，其与周边自然地貌间无明显拼接痕迹；④土壤水蚀模拟上，近自然设计地貌较传统“梯田式”地貌10 a可减少约39.07%的土壤水蚀量，其可显著提高内排土场表土抗水蚀能力；⑤土壤运移演化上，近自然设计地貌表土流失及堆积区的空间位置与自然原始地貌重叠率达57.27%，较传统设计地貌高2.96%，其区域表土运移特征与采前自然地貌更为接近。

• 植被恢复对采煤沉陷区土壤团聚体稳定性的影响

  李文龙, 刘美英, 李雪, 李强, 杨艳,

  为了明确采煤沉陷区不同植被恢复类型土壤团聚体组成及其稳定性变化，进而筛选出最佳的复垦林型。针对神府-东胜矿区采煤沉陷地设置长柄扁桃、欧李、文冠果3种林型，同时以周边未复垦地作为对照，探究深0～20、20～40 cm土层土壤机械稳定性和水稳定性团聚体组成及稳定性对长期植被复垦的响应规律。结果表明：长柄扁桃、欧李和文冠果复垦提升了深0～20 cm和20～40 cm土层粒级>2 mm、〖JP3〗0.25～2.00 mm粒级机械稳定性和水稳定性团聚体的含量，降低了粒级0.053～0.250 mm〖JP〗和<0.053>0.25 mm机械稳定性团聚体（DR>0.25）、水稳定性团聚体（WR>0.25）分别较对照增加了17.86%～33.36%和12.94%～21.69%；平均重量直径（MWD）、几何平均直径（GMD）较对照样显著增大、分维形数（D）减小；文冠果土壤团聚体MWD和GMD最大、D最小，稳定性最高；0.053～0.250 mm和<0.053 mm粒级团聚体与粒级大于0.25 mm团聚体含量R＞0.25、MWD、GMD均呈极显著负相关。不同植被恢复林型均能促进粒级较小的团聚体向更大粒级团聚体转变，尤其是大于0.25 mm团聚体含量，增加土壤团聚体的稳定性；文冠果林大团聚体含量最高，稳定性最好，植被恢复效果更佳。

• 脱硫废水固化体力学特性研究

  刘文礼, 耿鹏岳, 卓启明, 马金虎, 李佳,

  为了实现脱硫废水、粉煤灰的无害化及资源化利用。通过研究粉煤灰、水泥固化/稳定脱硫废水，并通过正三角形取值试验法得到了固化体的最佳质量配合比，在此基础上探究了不同脱硫废水对固化体抗压强度的影响，结果表明：固化体最佳质量配合比为水泥：粉煤灰：脱硫废水：河砂为1.03∶0.2∶0.5∶1。在最佳质量配合比下，不同水样制得的固化体在养护28 d后的抗压强度排序为内蒙古脱硫废水>山东脱硫废水>去离子水。3种脱硫废水固化体X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）测试结果表明，脱硫废水中的氯离子与水泥中的3CaO·Al2O3反应生成了Friedel’s盐，其能有效提高固化体的密实性，进而提高固化体的抗压强度；脱硫废水制成的固化体中钙矾石与C-S-H凝胶相互交叉的结构提升了固化体的强度；以上2点也充分解释了不同水样所制得的固化体抗压强度间的差异。此外，抗压强度试验结果表明，去离子水、山东某电厂脱硫废水、内蒙古某电厂脱硫废水所制得固化体在养护28 d后的抗压强度满足《混凝土路缘石》（JC/T 899—2016）的要求，说明脱硫废水所制成的固化体可用于制作路缘石。

• 煤矿地下水库水岩作用机理研究——以大柳塔煤矿为例

  房满义, 李雪妍, 张根, 刘骞, 脱凯用, 刘淑琴,

  煤矿地下水库运行中发现顶板垮落岩石对矿井水具有净化作用，而水岩作用机理尚不明确。为揭示大柳塔煤矿地下水库水岩作用机理，选取水库顶板岩样和矿井水为研究对象，采用X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱仪（XRF）、扫描电子显微镜（SEM） 、傅里叶红外光谱（FT-IR）对顶板岩样进行了化学组成分析以及结构分析表征，开展了岩样中5种典型矿物与矿井水的静态作用试验研究，基于矿井水电导率以及其中K+、Na+、Mg2+、Ca2+四种阳离子的浓度变化，探讨了可能的水岩作用机理，并研究了Ca2+在绿泥石上的吸附等温线行为及其影响因素。研究结果表明，该水库中的水岩作用包括顶板岩样中可溶矿物的溶解作用，钠长石、钾长石、高岭石、伊利石、绿泥石的水解作用；其中矿井水中增加的K+主要来自钾长石、伊利石的水解作用。顶板岩样对矿井水中的金属离子具有吸附作用，顶板岩样对Mg2+的吸附作用大于顶板岩样中绿泥石的水解作用所释放的Mg2+，而矿井水中Ca2+的减少主要是顶板岩样中绿泥石的吸附作用所致，矿井水中生成CaCO3的沉淀作用也能引起Ca2+的减少。此外，水岩作用可能包括Ca-Mg、K-Mg的阳离子交换。绿泥石对Ca2+的吸附过程存在多分子层的非均匀吸附，且绿泥石表面的吸附位点是不规则的，吸附位点之间的吸附并非相互独立。

• 改性褐煤对酸性矿山废水中Fe2+、Mn2+的吸附特性研究

  狄军贞, 张思怡, 杨逾, 梁冰, 王显军, 孟凡康, 李增新, 郭建志, 李拓达, 张伟,

  针对酸性矿山废水(Acid Mine Drainage, AMD)中Fe2+、Mn2+含量高，褐煤吸附饱和量有限等问题，以褐煤为试验材料，利用扫描电镜（SEM）、傅里叶红外光谱仪（FT-IR）、X射线衍射仪（XRD）等手段分析褐煤的吸附机理。同时，采用静态烧杯试验，并基于NaCl浸泡改性、超声波辅助NaCl改性褐煤的方法以及吸附等温线、吸附动力学原理，研究褐煤及改性褐煤吸附Fe2+、Mn2+特性和机理。结果表明：褐煤的表面孔隙结构发达，褐煤主要由高岭石、方解石、菱铁矿、石英等矿物组成，含有丰富的—OH、—C〖KG-*5〗〖FY=,1〗O、—CHO等活性基团。超声波辅助NaCl改性褐煤对Fe2+、Mn2+的吸附效果最佳，平衡时吸附饱和量分别为6.775 0 mg/g和8.092 5 mg/g，较未改性褐煤提高了28.44%、22.47%。褐煤及其改性褐煤对Fe2+、Mn2+的吸附过程均符合Langmuir等温模型。研究表明，褐煤及改性褐煤表面均匀并且为单分子层吸附，被吸附的Fe2+、Mn2+之间没有相互作用力。褐煤及改性褐煤的吸附能力大小为：超声波辅助NaCl改性褐煤>NaCl浸泡改性褐煤>褐煤。其中，吸附效果最好的超声波辅助NaCl〖JP2〗改性褐煤对Fe2+、Mn2+的Langmuir拟合方程分别为y=0.069 95x+0.139 24、y=0.070 73x+0.425 16。〖JP〗褐煤对AMD中Fe2+的吸附过程符合准二级动力学模型，说明褐煤对Fe2+的吸附机理以离子交换作用为主；NaCl浸泡改性褐煤、超声波辅助NaCl改性褐煤对AMD中Fe2+的吸附现象符合颗粒内扩散模型，表明该吸附过程是由膜扩散和颗粒内扩散共同控制。褐煤及改性褐煤对AMD中Mn2+的吸附均符合准二级动力学模型，说明褐煤及改性褐煤对AMD中Mn2+的吸附以化学吸附为主。其中吸附效果最好的超声波辅助NaCl改性褐煤对Fe2+的颗粒内扩散模型方程为y=0.480 24x+0.453 12；对Mn2+的准二级动力学拟合方程为y=0.103 44x+3.415 11。

• 煤气化渣特性分析及综合利用研究进展

  刘艳丽, 李强, 陈占飞, 赵 江, 赵 俞, 孙利鹏,

  以煤气化技术为龙头的现代煤化工在气化过程中产生大量的煤气化渣。随着国家生态文明建设的快速推进，环保高质量发展的要求迫使煤气化渣的综合利用成为现代煤化工领域迫切需要解决的课题之一。然而，目前煤气化渣综合利用率低下，仍以露天填埋堆放为主，长期堆放对水体、大气造成较大污染。针对煤气化渣的研究主要包括制作气化渣营养基质或吸附材料、用作建筑材料、气化渣金属元素的回收利用，以及脱水脱碳资源化利用等方面，其研究路径存在利用率低、成本高、规模化效应差的不足，因此煤气化渣的综合利用仍然是社会各界高度关注的课题。鉴于此，采用资料查阅、野外调研与室内分析统计相结合的研究方法，在全面掌握煤气化渣的主要来源及危害、煤气化渣物理性质、化学性质及环境风险等基本特性的基础上，系统剖析了煤气化渣在建材领域、土壤改良领域、吸附催化材料等领域的研究与应用现状。同时，基于煤气化渣全产业链理念和资源化利用思路，结合野外调研实践，进一步提出煤气化渣处置无害化+消纳本地化相结合，低值规模化+高值精细化相结合，环境效应跟踪监测+综合利用装备系统研发相结合的综合利用思路和路径。期望为气化渣综合利用及煤化工清洁生产和循环发展提供参考。