煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第12期

• 煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制模式及发展趋势

  孙海涛, 舒龙勇, 姜在炳, 胡健,

  煤层气与煤炭协调开发的关键在于协调煤炭开采与煤层气开发的时空关系。“十一五”至“十三五”期间，依托国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目的总体实施，煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制取得巨大进展。煤矿区煤层气开发由最初为保障煤矿安全生产的“瓦斯抽排”“煤层气抽采”“地面开发和井下抽采相结合”等形成“煤矿区煤层气与煤炭协调开发”的技术开发新机制。通过界定煤层气与煤炭协调开发范围、建立煤层气与煤炭协调开发评价方法、形成煤层气与煤协调开发优化决策平台，提出基于“协调开发、提质增效、技术支撑、平台决策、集成示范”的煤矿区煤层气与煤炭协调开发理念，依托煤层气与煤炭协调开发技术体系等成套技术系列，形成山西矿区煤层气“四区联动”全域协调开发模式、两淮矿区煤层群煤层气立体联合开发模式、松藻矿区复杂松软煤层超前增透协调开发模式、新疆矿区大倾角多煤组”三位一体”协调开发模式，进而带动全国煤矿区煤层气开发实践。煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制、模式与应用引领了我国煤矿区煤层气行业科技创新，显著提升煤矿区煤层气开发利用水平。随着国家能源战略的调整，“双碳”战略的实施和生态文明建设等新形势新要求，煤矿区煤层气发展面临新需求新挑战，指出需重点推进煤矿区煤层气地质精细探查、井下煤层气高效开发、废弃矿井煤层气抽采、煤系气协同共采等技术研发，构建煤矿区煤层气与煤炭清洁高效开发的新技术体系。

• 煤矿区煤层气“四区联动”井上下联合抽采模式与技术体系

  李国富, 张遂安, 季长江, 李军军, 王朝帅,

  为了更好地实现高瓦斯矿区煤炭与煤层气2种资源的安全高效协调开发，在“十一五”“十二五”研发的煤层气“三区联动”立体抽采模式基础上，依托“十三五”国家科技重大专项持续攻关，并紧密结合山西重点煤矿区生产实际，创新研发了全矿区、全层位、全时段的煤矿区煤层气“四区（规划区、准备区、生产区、采空区）联动”井上下联合抽采模式（新晋城模式）和系列技术体系，在山西重点煤矿区得到广泛应用并取得了良好效果。煤矿规划区煤层气地面抽采技术早期主要采用垂直井、定向井、水平井等技术，现已发展至以分段压裂水平井为主导的井工厂化集约开发模式与技术。经十五年的地面超前预抽，晋能控股寺河矿东五盘区3号煤层平均降幅超过55%，该盘区的5310、5311工作面已顺利完成安全高效采煤，实现了高瓦斯煤层的低瓦斯开采。准备区煤层气井上下联合抽采技术充分利用了压裂影响区渗透率大幅提升和井下开放空间抽采生产压差增大的优势，构建了立体抽采网络，提高了煤层气抽采效率，有效缓解了矿井抽掘采接替紧张，促进了高产高效。基于生产区采动活动剧烈和井下工程全开放特点，运用定向钻机精准完成区域递进式顺层钻孔、穿层钻孔、高位定向长钻孔等，精准均衡抽采生产区煤层气，有效解决了常规钻孔轨迹不可控、易形成抽采盲区、抽采效果差等难题，实现了生产区井下抽采精准达标，确保万无一失。针对煤炭采空区煤层气资源赋存规律不清、资源量评估困难、安全钻采技术缺乏等难题，创建了采空区煤层气资源量计算方法，研发了煤矿采空区地面钻采系列技术，已在晋城、西山、阳泉等山西重点煤矿区完成了129口井的示范推广，累计抽采利用煤层气1.28亿m3，相当于减排二氧化碳192万t。“四区联动”井上下联合抽采模式和系列技术体系在山西重点煤矿区的成功，有效实现了煤层气 “减少温室气体排放、保障煤矿安全生产、补充绿色气体能源”三重功效，为我国煤层气产量由2006年的25.8亿m3提升到2020年的191.7亿m3提供了有力的支撑，同时也为山西重点煤矿区煤炭采深逐年加深、矿井生产条件日趋复杂、生产矿井数量持续减少、煤炭总产量稳步增长提供了有效的保障。

• 淮南矿区松软低透煤层煤层气开发利用技术与思考

  孔祥喜, 唐永志, 李平, 王传兵, 陈建, 李琰庆, 袁本庆, 陈本良, 叶敏,

  为解决淮南矿区松软低透气性突出煤层群条件下煤层构造复杂、多源瓦斯涌出、抽采流量衰减快、岩巷与钻孔成本高、低（超低）浓度煤层气利用率低等制约煤层气资源高效开发难题，通过分析煤层群条件下保护层卸压井上下立体抽采煤层气开发模式，提出较为适用的、与淮南矿区煤层群开采条件下煤与煤层气协调开发模式配套的六大关键技术，即：地面水平分段压裂井煤层气抽采技术，煤层气抽采巷道盾构快速施工技术，井下松软煤层煤层气强化抽采技术，地面采动区井卸压煤层气抽采技术，“以孔代巷”施工技术，低浓度煤层气梯级利用技术。配套关键技术应用表明：形成的碎软煤层顶板水平井分段压裂工艺及精细化排采技术，有效提高煤层气预抽产量；煤矿深井巷道全断面硬岩掘进机大幅提高巷道掘进效率，实现硬岩掘进自动化、少人化；井下水力压裂加砂、超高压水力割缝实现井下大区域卸压增透；Ⅲ、Ⅳ型地面采动区井在煤层群采动卸压瓦斯治理方面可以取代顶板高抽巷，且减少其他措施工程量，减小投入成本和工期；“以孔代巷”技术显著提升了复杂顶板中高位定向钻孔成功质量；低浓度煤层气梯级利用技术大幅减少了煤层气排放量；六大关键技术保障了淮南矿区安全生产，提高了煤、煤层气产量与煤层气利用水平。最后，针对地面水平井水力压裂煤储层改造技术作业成本高、产量低、范围小与采动井存在破断风险、超低浓度煤层气梯级利用规模小等问题，提出了深部煤层气精准地质导向、超大规模高效储层体积改造、抽采效果评价技术、采动区地面井稳定持续抽采技术、井下大面积智能水力化增透技术、“一井多用”协同抽采煤层气技术、全浓度煤层气综合利用技术的发展方向。

• 煤矿井下旋转地质导向钻进技术装备研究

  姚克, 李泉新, 方俊, 方鹏, 王龙鹏, 田东庄, 陈龙, 许超,

  针对煤矿区井下瓦斯抽采定向钻孔施工技术装备存在的自动化程度低、目标地层钻遇率低、岩层钻进速度慢、钻孔直径小等局限性，开展了煤矿井下旋转地质导向钻进技术装备研发工作，突破了定向钻机无线遥控操作、机械自动加杆、实时参数监测与故障诊断、随钻煤岩识别、轨迹旋转调控等核心技术难题，研制出ZDY25000LDK型电液控制定向钻机、BLY800/12型高压力大流量泥浆泵车、YSG(A)型矿用动态方位伽马地质导向随钻测量系统、Ø133 mm液驱推靠式旋转导向钻进系统和配套钻具，其中定向钻机的最大转矩25 000 N·m、自动加卸钻杆时间小于55 s，泥浆泵车的额定流量800 L/min，地质导向随钻测量系统的自然伽马测量误差小于±5%、随钻地层探查距离≥0.5 m，旋转导向钻进系统的适用转速范围80 ~200 r/min、造斜力达到1.4 t；开发了煤矿井下近水平孔地质导向钻进技术和旋转导向钻进技术，详细介绍其技术特点与工艺流程。在内蒙古唐家会煤矿进行了现场试验，在煤层和岩层中实钻定向钻孔共4个，最大成孔深度820 m，总进尺2 419 m，定向成孔直径172 mm，煤层中综合钻进效率提高25%以上，岩层中综合钻进效率提高30%以上，实现了煤矿井下定向钻进从“几何导向”到“旋转地质导向”的跨越，提升了煤矿井下定向钻进智能化水平和钻孔成孔质量，为煤矿井下瓦斯高效抽采和智能矿井建设提供了技术装备支撑。

• 超高压水力割缝技术在中等硬度低透气性煤层的应用

  唐永志, 李平, 朱贵旺, 陈建, 陈德忠, 丰安祥, 唐志华, 杨洋, 叶敏,

  为提高高瓦斯低透气性中硬煤层瓦斯预抽效率，探讨了水力冲孔、水力压裂、水力割缝增透技术适用条件和优缺点。基于超高压水力割缝技术原理，研制了一种穿层钻孔超高压水力割缝装置，主要由金刚石水力割缝钻头、水力割缝浅螺旋钻杆、超高压旋转接头、超高压清水泵、高低压转换器、超高压橡胶管等组成，水压达到60~100 MPa，可实现钻进、切割一体化，使用简单方便。采用该装置在丁集煤矿1361（1）运输巷底板抽采巷11-2煤层穿层预抽钻孔中开展现场试验，煤层瓦斯压力1.43 MPa，瓦斯含量为8.05 m3/t，透气性系数为0.013 m2/(MPa2·d)，煤层坚固性系数为0.79；1361（1）运输巷底板抽采巷11号～15号钻场区域单元长度227 m，采用高压水力割缝增透措施，1361（1）运输巷底板抽采巷6号～10号钻场区域单元长度213 m，采用矿井低压水冲孔增透措施。结果表明：超高压水力割缝钻孔平均单刀割缝时间为10.7 min，单刀出煤量为0.31 t，等效割缝半径达1.38 m，煤孔段割缝密度为1 刀/m，平均每孔割缝2.6个；超高压水力割缝钻孔平均瓦斯抽采浓度56.97%，是低压冲孔的2.37倍；单孔平均瓦斯抽采纯量0.012 m3/min，是低压冲孔的2.99倍；瓦斯抽采达标时间约23 d，分别比普通钻孔和水力冲孔技术抽采达标时间缩短了74.4%和54.9%。相较于普通钻孔和水力冲孔技术，超高压水力割缝技术在低透气性中硬煤层中瓦斯增透抽采效果更为理想。

• 基于煤层气与煤炭协调开发的地面抽采工程部署关键技术进展

  降文萍, 柴建禄, 张群, 张培河, 姜在炳,

  煤矿区煤层气地面抽采具有煤炭安全开采效率高、清洁利用煤层气资源和减少瓦斯大气排放的多重效应，其煤层气产量多年来占了全国总量的主要比例。“十一五”至“十三五”期间，依托国家油气重大专项，基于煤层气与煤炭协调开发的指导理念，研究了煤矿区地面煤层气抽采工程部署的特点及存在问题，按照受煤炭采动影响与否将煤矿区煤层气地面抽采分为预抽和采动抽采2种类型，在对两种抽采类型的抽采对象、可抽采时间和空间特征研究基础上，分别总结形成了煤层气地面预抽和采动抽采的工程部署方法体系。结合原始条件下煤层气开发模拟技术现状分析，梳理了煤矿区煤层气地面预抽模拟技术体系；在采动抽采技术特点及关键储层参数变化规律的研究基础上，基于渗透性控制气体运移规律的认识，提出了采动抽采效果预测模拟方法。根据煤矿区地面抽采具有安全效应特征，提出了煤矿区地面煤层气抽采间接经济效益的评价指标，即地面抽采前矿井瓦斯灾害治理费用与地面抽采后矿井瓦斯灾害治理费用的差值，并建立了包含预抽和采动抽采的比较全面的地面煤层气抽采工程经济性评价方法。煤矿区地面抽采工程部署及相关技术是预判煤矿区地面煤层气低成本高回报效果、煤层气与煤炭资源协调开发的关键手段，建议在煤矿区进一步推广应用。

• 煤岩水力压裂物理试验研究综述及展望

  李全贵, 邓羿泽, 胡千庭, 武晓斌, 王晓光, 姜志忠, 刘乐, 钱亚楠, 宋明洋,

  水力压裂物理模拟是对压裂过程中裂隙演化及其动力学过程的近似再现，成为了煤岩压裂机理研究的重要手段。相似理论是现场原型与试验模型转换的理论基础，试验装置和相似材料是物理模拟试验的物质前提，监测方法及检测技术是评价水力压裂致裂效果的关键部分，从以上3点对水力压裂物理试验的相似理论发展、试验材料和装置的演变、常用监测检测方法的特点和适用范围等方面进行了总结。分析认为：水力压裂的相似准则已经初步成形，但需要结合煤岩物理力学特性进一步修正，并利用数值模拟手段探究相似准则推导中忽略的次要因素影响程度，提高经验方程的可靠性与适用性；针对煤岩的多种物理力学性质，现阶段已得出许多相似材料的经验配比方程，但仍需要一套详尽的配比试验规范及大量试验尝试，提升试验的可重复性，以建立更具普适化的相似材料配比经验方程数据库；压裂装置正向着模拟条件更多、模拟范围更广、模拟尺度更大的多场耦合方向发展，压裂方法也随着工程应用逐渐多样化，但压裂装置三轴加载精度有待进一步提高，以保证高应力条件下压裂试验的有效进行，降低试验操作对最终结果的影响；监测方法与检测技术对水力压裂致裂效果的评价各有优势，相似材料对监测方法与检测技术的有效性与准确性也影响显著，如何依据试验需求确定适合的相似材料、合理地选择和结合监测方法与检测技术，是应对微细观结构研究需求的关键。

• 地面压裂井衰竭期井下接替抽采时空衔接关系研究

  李阳, 舒龙勇, 凡永鹏, 郝晋伟, 周建伟, 何健,

  为了利用地面压裂形成的有利抽采条件进行地面压裂井衰竭期井下钻孔接替抽采，形成“地面压裂井超前治理+井下钻孔接替抽采”的井上下接替抽采模式，开展了地面压裂井衰竭期井下接替抽采的合理时空衔接关系研究。通过地面压裂井压裂裂缝展布规律分析、地面压裂增透促抽效果井下考察及煤储层参数变化规律数值模拟等工作，掌握了潞安矿区地面压裂井的影响作用及有效影响范围，采用数值模拟方法分析确定了井下接替钻孔与地面压裂井的最优空间布置关系；基于地面压裂井排采曲线，并结合衰竭期井下钻孔接替抽采的需求，探讨了地面压裂井衰竭期的定义和划分方法，提出了地面压裂井衰竭期的判别指标及关键时间节点。研究结果表明：潞安矿区地面压裂井的有效影响范围为井周80 m，在该区域内储层压力可以下降50%左右，透气性系数可以增加0.77~1.40倍，井下接替钻孔单孔抽采纯量平均值可达53.68~131.67 m³/d，提升了井下钻孔的抽采效率；当地面压裂井沿钻孔轴向上的位置固定时，则井下接替钻孔与地面压裂井的法向距离越短，抽采效果越好，当地面压裂井与接替钻孔的法向距离不变时，地面压裂井位于接替钻孔轴向中部位置时井下接替钻孔的抽采效果最好；将地面压裂井的产气速率作为衰竭期评判指标，潞安矿区地面压裂井衰竭期的判别指标临界值为产气速率200 m3/d，对应的衰竭期时间节点为8～10 a。

• 国家油气重大专项煤矿区煤层气科技创新的探索与实践

  胡健, 柴建禄, 岳超平, 李国富, 秦玉金, 郭玉辉, 陈建, 孙海涛, 刘柏根,

  国家油气重大专项形成的科技创新体系具有“新型举国创新体制”的特色，科技项目管理体系具有“全过程、多阶段、全生命周期”的特点。“十一五”至“十三五”期间，国家油气重大专项连续滚动支持煤层气开发和利用的基础理论、关键技术、成套装备的科技攻关和技术创新。煤矿区煤层气项目各参研单位以国家油气重大专项为契机，全力提升煤矿区煤层气科技创新水平，形成引领行业的煤矿区煤层气科技创新研发体系，全力支撑国家油气重大专项科研攻关目标的实现。国家油气重大专项煤矿区煤层气项目形成了一批重大标志性成果，构建了一系列行业创新平台，全面带动了全国煤矿区煤层气产业的技术进步和产业建设，有效推动了全国煤层气产业发展。结合项目/示范工程的组织实施和煤炭行业特点，系统总结国家油气重大专项煤矿区煤层气科技创新的探索与实践，凝练形成“以国家投入为引导，企业投入为主体，产学研用高度融合，持续引领行业科技进步”的国家科技重大专项煤矿区煤层气科技创新与实践。在建立健全组织管理机构、不断加强专项管理规范、持续发挥衔接纽带作用、协调促进科研管理创新、深入推进产学研用融合等方面形成了煤矿区煤层气科技创新实践的具体经验。

• 高预紧力均布承载型锚杆力学响应及应用

  侯俊领, 李垂宇, 赵能, 杜承航, 张敦喜, 李培,

  预紧力作为锚杆支护的关键参数之一，对主动支护起着决定性作用，国内外研究表明提高锚杆预紧力可降低冒顶事故的发生，为有效提高锚杆预紧力、降低断锚、失锚的现象发生。研发了滚动式减摩垫片和拉压分离型螺母，综合采用实验室试验、理论分析、数值计算，研究了滚动式减摩垫片、拉压分离型螺母转矩-预紧力转化关系，研究了普通螺母、拉压分离型螺母预紧过程中力学响应特征。研究表明：普通锚杆预紧过程中，约有60%转矩被锚杆螺母与托盘之间的摩擦所消耗，使用滚动式减摩垫片可将摩擦消耗的转矩降低至25%，转矩-预紧力转化率提高2倍左右；普通锚杆螺母内螺纹副应力沿着远离挤压面轴向呈指数衰减，螺母内前3圈应力值较大，该范围发生明显的应力集中，为锚杆杆体断裂的危险面，使用拉压分离型螺母后螺纹副应力呈均匀分布，消除了应力集中现象，螺纹变形协调；集成滚动式减摩垫片、拉压分离型螺母等发明了高预紧力均布承载型锚杆，可将预紧力提升至2.5倍，杜绝锚杆易从螺纹段断裂的现象，在淮南矿区朱集矿得取得良好的应用效果。

• 基于沉陷预测的上下煤层协同开采工作面走向错距研究

  任兴云, 郝兵元, 贺福帅, 王宏伟, 苗青旺,

  为研究层间距离较大、不属于近距离煤层范畴的上下煤层同采工作面的安全走向错距，以潞安集团伊田煤业2号煤层（上覆煤层）、11号煤层（下伏煤层）协同开采工作面为工程背景，基于下伏煤层采场顶板垮落特征及“竖三带”理论分析结果，提出下行协同开采条件下需要解决的科学问题为下伏煤层的开采活动不能影响上覆煤层的安全生产。建立了概率积分法开采沉陷计算模型，探究充分采动条件下，下伏11号煤层工作面开采对上覆2号煤层底板的沉陷影响范围。将下沉10 mm、倾斜3 mm/m、曲率0.08×10−3 /m和水平变形2 mm/m作为下伏煤层开采对上覆煤层的安全影响阈值，以上覆煤层工作面位于下伏煤层工作面开采沉陷影响范围之外为判据，并考虑1.5倍的安全系数，得出上下煤层同采工作面的合理走向错距为96.2 m。两工作面协同开采过程中，通过严格管控每班和每日的回采进度，使其前后错距始终大于96.2 m，监测上覆2号煤层工作面及其回采巷道的矿压显现情况，并与同类条件单层开采时的矿压规律进行对比分析。工程实践表明：2号煤层、11号煤层协同开采过程中，基于下伏11号煤层工作面充分采动条件下的开采沉陷范围，确定的上下煤层同采工作面走向错距合理可靠，上覆2号煤层工作面未受到下伏11号煤层工作面的开采沉陷影响，可以实现安全协同生产。

• 超深厚冲积层千米立井冻土爆破井壁振动响应特性研究

  于建新, 周廉浩, 郭敏, 李真珍, 张英才,

  随着我国对地下资源需求的不断增大，超深立井施工逐渐普遍化。在立井开挖时为了稳固井壁且减少井壁坍塌，一般会选用冻结法施工，但爆破时产生的振动仍然会对井壁的稳定性造成一定的影响，严重情况下出现的塌方现象，会造成一定的人员伤亡、延缓施工进度等危害。为解决此类问题，以赵固二矿西风井704.6 m深厚冲积层冻土爆破掘进工程为研究背景，开展深大立井冻土爆破井壁振动监测，并结合ANSYS/LS-DYNA分析软件建立立井多段爆破三维数值模型，深入探索冻结表土段冻土爆破开挖下井壁的振动响应规律。研究结果表明：冻土爆破引起井壁振动的时程曲线各段波形区分明显，段装药量大、炮孔分布密集的3段辅助孔爆破对井壁振动影响最大，合速度为8.39 cm/s，均在安全范围以内；掏槽爆破时，井壁主要受纵波影响产生振动，垂向振速大于径向和切向振速；辅助爆破时，随着自由面增大，爆破产生的作用力逐渐向水平向扩展，井壁径向振速逐渐占优，垂向振速相对减小；运用一维弹性波理论，分析了爆破引起井壁的振动速度对混凝土应力之间的关系，计算结果小于混凝土抗拉强度；对比数值模拟结果与实测振速波形，验证了模型的可靠性和准确性，并通过模拟分析获得离井壁最近质点垂直方向的振动速度为23 cm/s，在安全范围内。研究思路与方法成果可为同类型立井冻土爆破的施工与振动控制提供一定参考。

• 不同加卸载路径下岩石卸荷劣化特征及机制研究

  张风达, 张玉军, 于秋鸽,

  为研究深部煤层底板卸荷劣化破坏机理，开展了轴压不变卸围压、加轴压卸围压、卸轴压卸围压不同加卸载应力路径下的假三轴力学试验，分析并拟合了不同应力路径下岩石弹性模量、广义泊松比与围压的变化关系；构建了岩石断裂力学模型，分析了不同加卸载路径下，分支裂纹端部应力集中程度；从偏应力、能量、声发射事件等方面剖析了卸荷过程中岩石力学参数劣化机制。研究表明：①不同轴压加载方式下岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度依次为加轴压>轴压保持不变>卸轴压；相同轴压不同围压卸载速率下，岩样的弹性模量劣化程度和泊松比变化幅度与卸荷速率呈正相关变化。②围压卸荷过程中，轴向加载或保持不变的应力路径相比于轴向卸载的应力路径，岩石积聚的能量增长幅度较大；在围压卸载至一定程度时，内部闭合的微裂隙和原生裂隙重新被打开，用于裂纹扩展的能量迅速增加，泊松比和弹性模量变化比例明显增大，声发射事件振铃数呈现出非线性增长的特点。③不同加卸载路径下，偏应力是诱发岩石失稳破坏的根本原因，偏应力增长越快，岩石弹性模量劣化程度和泊松比变化程度越明显。工作面附近处于压剪破坏区偏应力相对较大，岩体劣化程度相对较为严重，这与工作面底板突水事故多发生在工作面附近相一致。

• 三向应力状态下超高水材料固结体损伤特征及力学特性研究

  胡世杰, 王方田, 高翔, 任帅, 冯光明,

  为研究超高水材料固结体在三向应力状态下的损伤特征及力学特性，进行不同养护时间（1、7、14、21、28 d）下超高水材料固结体的单轴压缩试验。借助PFC3D的平行黏结模型建立不同养护时间下的单轴压缩模型，得出与单轴试验强度相符合的5组PFC3D单轴压缩模拟试验强度。并统计各组平行黏结模型的细观物理力学参数，依据所得参数建立不同养护时间下超高水固结体的三轴压缩模型，施加与轴向应力相等的围压，记录不同养护时间下三轴试验过程中的应力-应变曲线及破坏时的力链分布。分析了超高水固结体在三向应力状态下的损伤特征，研究结果表明：①超高水材料固结体三向应力状态下的极限强度随养护时间的变化规律可由波尔茨曼方程表示。养护时间1~14 d时，极限强度增长最快；养护时间28 d时达到最大极限强度3.1 MPa。②超高水材料固结体三轴压缩模型力链贯通程度随养护时间的变化规律为：养护时间1~28 d，横向接触力链数目分别为4 006、4 561、4 891、5 017、5 062；纵向接触力链数目为4 029、4 439、4 716、4 917、5 123。表明超高水材料固结体的承载能力随养护时间的增加而增强，在养护时间0~14 d增长最快，14~28 d时承载能力趋于稳定。③以受拉力链模拟超高水材料固结体三轴压缩模型破坏过程中的裂隙发育过程，得出养护时间为1 d的超高水材料固结体破坏时的裂隙主要集中试样的上下两端。随着养护时间的增加，裂隙的发育程度增加，破坏时试样的中部开始出现裂隙，与上下两端的裂隙逐步贯通。

• 基于“云-边-端”协同的煤矿火灾智能化防控体系建设

  陈晓晶,

  针对智能矿山火灾防控子系统建设过程中数据采集及执行层不全面、边缘计算功能未体现、综合防控平台建设标准不明确等问题，对照国家及地方煤矿智能化建设标准中火灾防控相关条款，提出了基于“云-边-端”协同的架构体系。增设光纤测温、MEMS温度传感器、巡检机器人等火灾数据感知装置及灌浆、注氮、自动洒水、巷道快速封闭装置等火灾执行控制装置，形成数据感知与执行控制层，负责感知火灾数据信息以及执行云计算中心或边缘侧下发的控制命令；增加边缘计算装置，形成边缘计算层，实现对现场防灭火装置的联动控制；以“智能矿山基础信息平台”为中台底座，建立智能矿山火灾防控业务应用，形成平台防控层，融合专家知识库，对火灾防控关键指标进行专业分析。形成云平台层智能分析、边缘层就近分析控制、感知执行层数据采集及执行的综合防控体系，且辩证分析了“云−边−端”火灾防控体系三层之间的对立统一关系。探讨了无线低功耗火灾传感器、巡检机器人、火灾危险区域监测点部署优化、边缘侧配套物理装置、边缘侧火灾预警算法、决策边缘计算算法、边缘节点部署策略、综合防控平台、火灾数据治理、火灾预警及决策模型等关键装置及技术。

• 煤吸附CH4体积测试与分析

  姜延航, 白刚, 周西华, 王玉玺, 付天予, 胡坤,

  煤层中CH4主要以游离态和吸附态赋存，煤吸附CH4性能往往受煤阶、温度、压力、粒径和含水率等多种因素共同影响，为研究多因素耦合对煤吸附CH4的Langmuir 体积影响规律，选取山西长治地区常村和赵庄煤矿煤样，利用HCA–1高压吸附装置测定不同环境温度、煤样粒径、含水率的煤样吸附CH4体积，然后以赵庄矿煤样试验结果为基础，通过 Design Expert 软件设计 Box Behnken 试验，构建煤吸附CH4体积2次回归响应曲面模型，分析温度、粒径、含水率3种因素耦合作用时对煤吸附CH4体积影响程度，并对不同条件下煤吸附CH4体积进行预测与验证，并探讨了试验结果的工程应用启示。结果表明：CH4吸附量随温度、粒径增加及含水率升高而降低；环境温度由15 ℃增加至40 ℃时，常村及赵庄煤CH4吸附量分别降低37.09%，37.5%；煤样粒径由0.15 mm增加至0.3 mm时，CH4吸附量分别降低14.87%、15.52%；常村煤样含水率由0.08%增至4.21%，CH4吸附量降低10.61%，赵庄煤样含水率由0.04%增至3.62%，CH4吸附量降低16.31%；温度、粒径、含水率单因素作用均对CH4吸附量表现为极显著影响(P<0.000 1)，3个因素对CH4吸附量的影响程度为：温度(F=2 307.95)＞煤样粒径(F=346.64)>含水率(F=133.32)；各交互项对CH4吸附量影响程度为：粒径和含水率(F=21.31)>温度和粒径(F=6.33)>温度和含水率(F=3.65)，粒径与含水率交互作用极显著(P=0.002 4)，温度和煤样粒径交互作用显著(P=0.040 1)，温度和含水率交互作用不显著(P=0.097 8)；编码区间外试验值与模型预测值的偏差最大为3.98%，最小为2.01%，平均误差率为3.315%；井下回采过程中，温度、含水率、煤样粒径等多因素变化时，首先实时监测温度变化，防止温度骤变引发瓦斯大量解吸，导致瓦斯超限甚至发生煤与瓦斯突出事故。

• 中低阶煤孔隙结构特征及其对瓦斯解吸特性影响

  刘纪坤, 任棒, 王翠霞,

  煤的孔隙结构是影响瓦斯储存和运移的重要因素。为了进一步研究中低变质程度煤瓦斯解吸特性，选取6组阜康矿区煤样进行压汞试验和瓦斯解吸试验。通过绘制进退汞曲线、统计各孔径段孔隙结构特征以及绘制瓦斯解吸曲线，着重分析了煤的孔隙形态、孔容、孔比表面积和体积分形维数及其对瓦斯解吸量及解吸速率的影响。结果表明：试验煤样均存在不同比例的开放孔，大孔主要以开放孔为主，中孔和小孔主要以半封闭孔为主，微孔主要以封闭孔为主；煤样孔容以微孔和大孔贡献为主，比表面积以微孔贡献为主。通过绘制瓦斯解吸曲线和解吸速率散点图，发现瓦斯解吸量随解吸时间先快速增加后趋于稳定值，进而拟合发现，中低阶煤瓦斯解吸曲线可采用1/Q=m/t0.75+n表示，拟合度在0.995以上，其中参数m为与瓦斯解吸速率相关的参数，参数n为解吸体积常数，系数0.75可能与煤变质程度有关，后期可对不同变质程度的煤样解吸曲线进行分析，解吸速率随解吸时间呈指数式递减。将不同孔径段孔隙结构特征与解吸特性参数拟合发现，在瓦斯解吸初期，大孔中的瓦斯优先被解吸，随着孔径的减小，优先率逐渐降低。中大孔分形维数介于2.879 1~2.991 5，分形特征明显，解吸初速度与分形维数呈明显正相关关系，n与分形维数关系不明显。

• 不同粒度构造煤的视电阻率特征

  刘世奇, 高德燚, 桑树勋, 王鹤,

  应力释放煤层气开发理论技术是构造煤煤层气开发的新技术方向，构造煤视电阻率的研究可以为应力释放煤层气开发提供构造煤识别的技术支撑。开展了单轴加载条件下，不同粒度构造煤的视电阻率与应力-应变监测试验，探讨了应力−应变过程中构造煤视电阻率变化规律与响应机制。结果表明，轴向载荷大于单轴抗压强度后，随载荷增大构造煤视电阻率呈负指数降低，至轴向载荷≥10 MPa时，视电阻率对载荷的敏感性降低；随粒度减小，构造煤视电阻率呈降低趋势，相同载荷下，粒度越小构造煤视电阻率对载荷的响应越敏感。受煤颗粒堆积方式和胶结类型影响，5~200目(4.000~0.075 mm)的构造煤具特殊性，其视电阻率整体较小、对载荷相对敏感。构造煤视电阻率随载荷的变化过程可划分为4个阶段。压密阶段，构造煤的视电阻率降幅取决于煤颗粒堆积方式和胶结类型；弹性阶段，粒度决定了构造煤视电阻率降幅，粒度越大，构造煤原有大孔和微裂隙保留越好，可压缩性越强，视电阻率降幅越高；扩容阶段，径向变形和微破裂导致构造煤视电阻率上升，构造煤力学强度则决定了视电阻率变化特征，随粒度减小，构造煤胶结强度和单轴抗压强度增大，视电阻率增幅降低；持续弹性阶段，破碎、压实作用使构造煤粒度分布更均匀、堆积更紧密，增强了电子导电性能，视电阻率降低。

• 煤体结构与宏观煤岩类型对煤体吸附/解吸瓦斯的影响

  赵方钰, 邓泽, 王海超, 王泽, 孙丕臣, 杨胜博,

  为研究高阶煤中煤体结构和宏观煤岩类型对煤体吸附、解吸的影响，收集了沁水盆地南部3号煤层55口煤层气井的79个煤岩样品的煤岩、煤质、等温吸附及解吸资料，对比研究了相同宏观煤岩类型、不同煤体结构煤样和相同煤体结构、不同宏观煤岩类型煤样的兰氏体积（VL）、兰氏压力（PL）、解吸率和解吸速率等的变化规律，探讨了煤体结构和宏观煤岩类型对煤体吸附、解吸的影响机理。研究结果表明：研究区煤样的VL平均为37.00 m3/t，其中86.61%煤样VL分布在33.00~41.00 m3/t，PL平均为2.82 MPa，其中82.28%煤样PL分布在2.30~3.30 MPa；碎裂煤的吸附、解吸能力均优于原生结构煤，由构造破坏引起的孔隙连通性的差异是导致原生结构煤和碎裂煤解吸、吸附特征差异的根本原因；原生结构煤与碎裂煤的孔裂隙发育程度不同，碎裂煤因孔隙更发育导致其破碎后的甲烷放散效果好于原生结构煤；煤吸附甲烷时表面自由能降低值规律为糜棱煤>碎粒煤>碎裂煤>原生结构煤，反映了不同煤体结构煤吸附甲烷能力的差异；3种宏观煤岩类型煤的吸附能力和解吸能力均表现为光亮煤>半亮煤>半暗煤，一方面是由煤的比表面积大致按照光亮煤、半亮煤和半暗煤的顺序逐渐减小反映的煤基质表面吸附点位差异所致，另一方面是由于镜煤与暗煤中镜质组和惰质组含量的差异所引起。研究旨在进一步揭示高阶煤储层煤层气赋存、产出机理，为煤层气有利区及目标层位优选提供依据。

• SDS/SDBS对无烟煤润湿性影响的分子动力学模拟

  陈炫来, 严国超, 阳湘琳, 冯志忠, 魏帅, 耿楠,

  为了探究阴离子表面活性剂在煤矿除尘中的微观作用机理，采用分子动力学模拟方法，选取2种常用阴离子表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)与十二烷基苯磺酸钠(SDBS)，研究其对无烟煤润湿性的影响。计算了表面活性剂–无烟煤吸附体系的表面粗糙度和相互作用能，分析了水–表面活性剂–无烟煤体系的相对浓度分布、径向分布函数(RDF)等系列性质，深入探讨无烟煤润湿性改变的微观原因。结果表明：阴离子表面活性剂在无烟煤上的吸附有2种方式，头基团朝向无烟煤表面的吸附与朝向液相的吸附；这种吸附是物理吸附，且范德华相互作用在吸附过程中起主导作用；SDBS中苯环的存在导致其更紧密的吸附在无烟煤表面，吸附构型更稳定。RDF与配位数结果进一步表明，在无烟煤表面酮基附近SDS与SDBS疏水能力相近；在羟基附近SDBS疏水能力强于SDS，这是SDBS吸附后无烟煤疏水性更强、润湿性改变程度更大的主要原因；苯环在无烟煤润湿性改变中起重要作用。这为煤矿除尘中表面活性剂的选取，提供了一定的依据，丰富和发展了无烟煤润湿性基础理论。对这2种阴离子表面活性剂的吸附行为和润湿性变化的分子动力学模拟评价与已有试验数据吻合较好。

• 注热强化煤层气抽采的试验研究及工业应用

  胡林杰, 冯增朝, 周动, 王幸,

  煤层气作为煤层中主要的清洁能源，其高效抽采和利用，将有利于提高资源利用率和保障煤矿安全生产。然而，甲烷的强吸附性和煤层的低渗透性，导致煤层气的采收率特别低。基于能量守恒方程，完善了注热强化煤层气抽采的理论，在实验室和煤矿井下分别进行了注热强化煤层气抽采的试验，研究了不同条件下甲烷的解吸规律和注热对煤层气抽采的促进作用。室内试验结果表明，注水解吸、自然解吸和注热解吸3种条件下的煤样终态解吸率分别为12%、37%和81%。定量计算结果表明，自然解吸和注水解吸后的注热强化解吸，分别可以增加46%和68%的解吸率，证明了注热具有强化甲烷解吸以及解除水锁效应的作用。阳泉矿区现场试验结果表明，注热方法不仅可以提高煤层气的抽采率，还可以缩短煤层气的抽采时间。注热方法可以将煤层气的浓度和日产气量分别提高10倍和100倍，其中最大煤层气浓度和最大日均产气量分别为98%和123 m3/d。8号注热钻孔的有效注热半径超过5 m，并且注热后的抽采阶段是煤层气高效抽采时间段。研究结果可为注热强化煤层气抽采的现场应用和煤矿井下局部瓦斯的防治提供参考。

• 奥灰承压水上采场底板沿工作面倾向破坏特征分析

  王兴明, 刘英锋, 南生辉, 郭康, 尚荣,

  准确预测承压水上采场底板最大破坏深度是预防煤矿底板突水的一个重要环节。为研究沿工作面倾向底板破坏特征的问题，基于矿山压力与岩层控制理论，考虑了采场底板受采动产生的支承压力、采空区压实后对底板的作用力以及承压水的共同作用，建立承压水上采场底板倾向力学计算模型，采用带有拉伸破坏的Mohr-Coulomb屈服准则对采场底板破坏进行判定。结果表明：周期来压时，采场底板沿工作面倾向破坏形态近似“倒马鞍形”，且最大破坏深度为12 m；工作面两侧底板破坏深度较大，采空区底板破坏深度较小。数值模拟计算结果表明：靠近工作面边缘弹塑性交界处底板最大破坏深度为13 m，破坏形式主要为剪切破坏；位于采空区卸压区段，采场底板破坏深度较小，破坏形式主要为剪切破坏及拉伸破坏。这与通过理论分析得到的承压水上采场底板破坏特征几乎一致。通过现场实测得到董家河煤矿22516工作面底板最大破坏深度为13.52 m，这与理论分析得到的12 m和数值模拟计算得到的13 m相比结果非常接近，验证了理论模型建立的合理性以及数值模拟分析的正确性。研究方法为分析承压水上采场底板破坏特征提供了新参考。

• 高潜水位采煤沉陷区积水时空演化特征研究 以安徽省矿区为例

  孙茹, 朱晓峻, 张鹏飞, 梁明, 张鑫, 宁正源, 彭雪妮, 刘辉, 杨晓玉, 黄文山, 颜宇, 段长征,

  随着煤炭资源大面积、高强度开采，高潜水位矿区积水问题尤为突出，对周围生态环境产生了严重影响。为了给采煤沉陷积水区生态环境修复提供科学依据，开展了高潜水位采煤沉陷区积水的时空演化特征研究和影响因素分析。以整个安徽省矿区为研究区域，基于Landsat TM/OLI遥感数据，采用归一化水体指数法（NDWI）和目视解译法对1995—2020年（共计22期）和2020年12个月份（12期）沉陷区积水区域进行提取，获取了近25年安徽省采煤沉陷区积水空间信息，并结合水文和降雨资料分析和讨论了沉陷区积水时空演化的影响因素。结果表明：①近25年来，安徽省采煤沉陷区积水面积的增长呈“缓慢—快速—稳定”3阶段分布特征。研究期内平均积水面积增长了约6倍，从18.95 km2增长到118.09 km2，年均增长3.97 km2。②从时间尺度上沉陷区积水演化分为3阶段：第1阶段（1995—2005年），由于积水初步形成还未稳定，增长速度较为缓慢，年均增长率为4.65%；第2阶段（2005—2013年），基于安徽省煤炭开采量进入快速增长期，积水面积也增长迅速，年均增长率为6.64%；第3阶段（2013—2020年）增长率开始不断减小，积水面积逐渐趋于稳定，年均增长率为3.42%。空间尺度上，安徽省沉陷区积水主要集中在淮南市和淮北市，约占全部积水面积的70%。③安徽省采煤沉陷区积水演化长时间尺度的主要影响因素是煤炭开采量，短时间尺度的主要影响因素则是大气降雨。④利用Logistic回归曲线建立了安徽省采煤沉陷区积水面积预测模型，预测得到在未来一段时间安徽省采煤沉陷积水面积将仍处于低速增长阶段，到2030年，枯水期积水区面积约达到130 km2。获取了高精度的沉陷区积水信息，分析了其时空演化规律及影响因素，可以给高潜水位采煤沉陷区积水的治理以及沉陷区的生态修复提供科学依据。

• 带式输送机智能化关键技术现状与展望

  王海军, 王洪磊,

  带式输送机是煤炭主运输系统的关键装备，带式输送机的智能化是矿井煤炭安全高效运输的重要保障，对于提升煤矿安全水平、保障煤炭稳定供应具有重要意义。在新技术革命的推动下，带式输送机智能化领域处于加速发展阶段，信息系统平台、智能控制、测量感知等智能化关键技术不断取得进展，呈现多点突破、全面发展的态势，但相关技术在煤矿企业多为试验性应用，未得到普遍推广。综述了近年来带式输送机智能化关键技术的发展情况，分析了工程应用中存在的问题，指出了带式输送机智能化关键技术的发展趋势。首先，概括介绍带式输送机智能化的发展历程，重点阐述不同承载方式的带式输送机的技术特点及对智能化发展的技术要求；然后，以托辊式带式输送机为对象，分别介绍带式输送机节能运行技术、煤流量感知技术、健康状态监测技术和安全保障技术等智能化关键技术的研究现状，梳理了计算机视觉、大数据分析、智能控制与决策等技术在工程中的应用情况，对存在的问题及未来发展趋势进行讨论；最后，结合对国内外相关技术研究成果的分析，从智能化监测与控制研究的角度出发，指出了带式输送机变频节能控制、非接触式煤流智能感知、基于多源信息融合的透明输送和虚拟现实等智能化关键技术的研究方向。

• 综采工作面巡检机器人柔性轨道设计与运动学仿真

  张旭辉, 杜永刚, 霍鑫健, 王川伟,

  煤矿井下综采工作面空间狭小、设备动作频繁，位置关系复杂等问题，导致常规巡检机器人难以直接在工作面运行，自动化监测难度大。根据工况需求，结合环境及设备群动作特点，提出工作面巡检轨道设计要求，采用模块化设计、仿真模拟和样机试验的方法，设计一种新型跨座式巡检机器人柔性轨道，实现在工作面环境的安装调节及当安装设备发生动作变形时轨道自身的自适应补偿。首先设计了巡检机器人柔性轨道的机械结构并确定安装运行方式。其次，以轨道跨接在刮板输送机线缆槽一侧为例，分析刮板输送机在平直、弯曲和起伏3种工况下的弯曲和俯仰变形量，并对柔性轨道进行运动学仿真。在3种工况下，该轨道可随工作面设备完成水平弯曲0~5.4°、竖直倾斜0~6°、伸缩变形0~120 mm，满足实际工况要求。巡检机器人通过柔性轨道时，其主运动方向始终保持匀速直线运动，水平或竖直方向在柔性过度段存在波动，波动幅值均在安全允许范围内。最后搭建柔性轨道物理样机及工作面试验平台，对工作面巡检机器人柔性轨道进行性能验证。结果表明：新型跨座式巡检机器人柔性轨道结构设计合理，可以适应工作面巡检的不同工况，对实现煤矿井下综采工作面机器人巡检具有重要意义。

• 工作面智能供液技术进展与应用

  李然, 刘波, 王大龙, 陈敬斌, 王统诚, 周如林, 王剑强, 赵康康, 于远征, 秦怀新, 刘明亮, 王超,

  工作面智能供液技术是智能化开采的核心技术之一。为解决工作面智能化开采中感知、决策、控制环节中对高数据传输速率、高传输稳定性和高数据处理能力的要求，研制了基于百兆工业以太网的集中分布式泵站控制系统，研究了故障预测与健康管理技术及智能按需供液控制技术，提升了智能化控制功能；分析了工作面液压系统工作介质质量综合保障技术的发展需求，创新了井下一体式反渗透（RO）水处理技术、高效多级过滤技术、全自动化乳化液自动配比及浓度矫正技术等关键技术。攻克高强度抗腐耐蚀材料、纯水介质吸排液可靠性技术、纯水电阻率保障技术等关键技术难题，研制适用于纯水工作面的智能供液系统，推进了绿色开采技术的发展。攻克了无人值守智能安全控制技术、及时快速供液和回液中继技术、综合多参数监测的远距离供液管路安全监控技术等核心技术难题，解决了复杂地质条件矿井远距离安全、高效供液难题。上述成果在国家能源集团神东矿区、中煤能源山西矿区、山东能源兖矿矿区的薄煤层和中厚煤层的综采、综放工作面进行了推广应用，满足现阶段智能化开采发展的对供液技术及装备的需求。

• 基于GIS的工作面探煤数据管理方法研究与应用

  骆云秀, 毛善君, 张鹏鹏, 李振, 马远平, 王艳彬, 滕岩,

  为提高煤矿回采工作面开采过程中煤矿储量动态计算的效率，丰富回采工作面三维地质模型构建过程中所需的动态更新数据，通过对回采工作面探煤数据管理的专业需求、业务流程、技术路线以及数据结构的充分分析和深入研究，提出了一种基于GIS的回采工作面探煤数据管理方法。在数据层面，优化了探煤数据管理的业务流程，设计了不同类型探煤数据的数据结构和存储方法，利用GIS的空间数据组织和管理方式实现了基于空间关系数据库的回采工作面探煤数据的共享与管理。在表示层面，基于从底层自主研发的国产地理信息系统平台—LongRuanGIS实现了探煤数据和图形的交互管理。在业务层面，提出了一种探煤线的绘制算法，以实现不同模式探煤线的快速绘制；设计了探煤点数据结构、绘制样式以及绘制方法和数据管理方法，以保证探煤数据的成图美观和数据的高效再利用；提出了一种利用探煤厚数据动态更新回采工作面地质模型的方法，丰富了煤矿回采工作面高精度三维动态地质模型的动态更新数据源。经过在多个矿井的常态化应用结果表明：基于GIS的工作面探煤数据管理方法实现了不同类型的回采工作面探煤数据的统一管理与共享，实现了探煤数据的快速自动成图与动态更新，提高了煤矿地质人员的绘图效率；同时，探煤数据的及时更新为回采工作面储量动态计算及高精度三维地质模型的动态更新提供了便捷有效的数据管理措施，保证了探煤数据的高效利用。

• 酸化处理对焦煤萃取性能的影响

  王芳芳, 张小东, 刘晓, 李贤忠, 平晓朵,

  为了研究煤中矿物质脱出对溶剂萃取行为的影响机制，采用不同浓度的四氢呋喃（THF）溶剂对盐酸（HCl）和氢氟酸（HF）酸化处理前后的焦煤进行萃取试验，借助于常规煤质分析和气相色谱-质谱（GC-MS）测试方法，分析了煤样脱矿物前后THF萃取率和萃取物成分的差异，探讨溶剂浓度、萃取时间、温度、矿物质对其影响机制。结果表明：①煤样经酸化处理后，灰分产率高达97.3%，含量显著降低，固定碳含量增加21%，挥发分含量相对增加，而水分含量基本不变；C、H元素含量下降，O、N、S元素含量增加，其中C、O元素含量变化较明显；②酸化处理后的煤样萃取率显著增大，但随着THF浓度的增加，萃取率增幅呈现不断减小的趋势；同一条件下达到同样的萃取效果，酸化煤萃取时间较原煤快1.25~5.00倍；酸化处理放大了温度对萃取率的影响效应，使得35 ℃的萃取优势更为显著。③原煤萃取物中杂原子化合物相对含量占比最高，而酸化煤萃取物中以脂肪烃为主，其中直链烃含量随着THF浓度的增大不断增加，最高可占总含量的91.92%，碳原子数主要集中于C15~C22，但萃取物种类数显著少于原煤。总体而言，酸化处理可有效提高THF的萃取能力，大幅度缩短萃取时间，且提高了对煤中高碳烷烃的萃取能力。此外，尽管萃取过程中水不占据主导地位，但在一定程度上也会影响THF的萃取能力，使得低浓度的THF溶剂萃取能力优于THF纯溶剂。

• 采煤沉陷地复垦土壤团聚体碳氮磷化学计量特征

  刘美英, 李文龙, 赵晶, 许学慧,

  为明确不同林型复垦土壤团聚体养分及其化学计量变化，揭示采煤沉陷地土壤养分的固持及限制特征，进而筛选出最佳的复垦林型。本研究在神府-东胜矿区采煤沉陷地上设置长柄扁桃、欧李、文冠果3种复垦林型，同时以附近未沉陷且未种植的废弃农田作为对照，基于干筛法探究0~40 cm土层土壤机械稳定性团聚体组成、土壤有机碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）含量及其化学计量特征对长期植被复垦的响应规律。结果表明：不同复垦林型土壤微团聚体含量下降而大团聚体含量增加，各林型>0.25 mm大团聚体总量均超过了70%。不同林型土壤<0.053 mm矿质颗粒中SOC、TN、TP含量最高，大团聚体次之。团聚体对土壤SOC、TN以及TP的贡献随团聚体粒级的增大而增加，3种林型>0.25 mm大团聚体对土壤SOC、TN和TP的贡献率分别为72%~83%、66%~74%、65%~82%。不同林型土壤团聚体C/N、C/P和N/P均低于全国及全球平均水平。土壤TN与SOC、TP呈显著正相关，与C/N呈显著负相关；TP与C/P、N/P呈显著负相关。主要结论为植被复垦增加土壤大团聚体含量，而大团聚体对土壤碳氮磷的贡献率最大，其中文冠果对土壤碳氮磷的贡献率大于其他林型。不同林型土壤团聚体C/P的变化范围为5.44~20.83，低于全国及全球平均水平，表明采煤沉陷区土壤缺乏氮元素,氮元素是主要养分限制因子。

• 资源型城市生态修复需求空间异质性分析 以徐州市贾汪区为例

  陈媚楠, 丁忠义, 侯湖平, 倪庆琳, 王雪晴,

  资源型城市经过长期的煤炭资源开采，导致煤矿区资源开发与生态保护之间不平衡、不协调的矛盾突出；在生态文明建设背景下，厘清生态修复需求空间异质性、合理安排生态修复工作优先次序，成为开展高效协调的生态保护与修复的基础性工作。从生态系统和人类福祉协同发展的综合视角切入，选取徐州市贾汪区为研究对象，以2000、2010、2019年3期历史遥感影像以及历史矿井信息和社会经济统计数据为数据源，采用当量赋值法核算区域生态系统服务价值并作系数修正，综合地形位指数、矿区扰动指数和景观脆弱度指数构建景观生态风险评价体系，分析研究区生态系统服务价值和生态风险指数的时空格局，并引入夏普比率进一步探讨生态修复需求空间异质性。结果表明：① 2000—2019年贾汪区生态系统服务价值总量先增加后减少，生态风险指数值先下降后上升，增长速率较为平缓，均表现为小幅度；生态服务价值和生态风险等级的空间分布均呈现出总体连片，局部圈层向外推移的态势，城镇化与采煤塌陷地治理是空间格局差异化的主要影响因素。②在数量层面，单位面积生态系统服务价值和生态风险指数具有较强的负向等级相关性，但没有明显的函数关系；在空间层面，2000—2019年贾汪区单位生态系统服务价值与生态风险指数的全局Moran’s I指数均为负值，存在负向空间关联性。生态风险与生态系统服务具有明显的错位特征。③贾汪区生态修复需求异质性指数R值呈现一定程度上的梯度空间变化趋势，整体生态修复需求降低趋向，但局部区域仍存在R指标过高或过低的现象；随着偏离度等级增加，生态修复需求高值区范围逐渐缩小并向低值区转化，需要进行重点生态建设的区域更加趋向集中化。研究结论能够为资源枯竭型城市的系统性、整体性生态修复决策安排提供参考。