煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第1期

• 煤矿智能化最新技术进展与问题探讨

  王国法,

  煤炭是我国一次能源中最经济、可靠的资源，煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。随着国家发改委、能源局等八部委联合发布《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》，煤炭行业供给侧结构改革和高质量发展脚步逐步加快，人工智能、大数据、云计算、工业物联网等新一代信息技术与传统采矿专业深度融合，推动了整个煤炭行业科技发展与工程应用至新的阶段。全面阐述我国自2019年以来智能化煤矿建设最新情况，分析了成功的典型技术与应用案例；详细阐述了煤矿智能化建设顶层架构全方位推动、指引技术进步与实践，构建了煤矿智能化基础理论体系，提出了分类分级智能化煤矿建设路径，基于不同地质煤层条件开展智能化煤矿建设示范工程，并取得了较好的成效；在煤矿智能化基础理论架构方面，提出了智能化煤矿数字逻辑模型与数据推送策略，构建了煤矿巨系统智能化子系统多种类、复杂关联架构与协同机制，通过梳理现有生产系统和生产关系研发基于5G＋新一代智能化系统，形成了坚硬薄煤层大功率高效智能化开采成套技术与装备、“掘锚一体机＋锚运破＋大跨距转载”远程控制智能快速掘进系统成套技术与装备、智能通风系统、井下锂电池驱动人车无人驾驶系统及智能调度系统、固定岗位无人值守系统等；分析了我国煤矿智能化技术发展面临的瓶颈，提出了井下车辆和机器人电动化、井下无线发射功率、5G煤矿应用场景与生态、透明地质模型、智能巨系统兼容协同、连续自动掘进与掘支平行、采煤工作自动调高与调直、无人操作系统常态化运行可靠性、ABCD＋煤矿技术体系、柔性煤炭生产供给体系等十个煤矿智能化技术发展方向及建设路径。

• 岩层采动裂隙演化规律与生态治理技术研究进展

  李全生, 李晓斌, 许家林, 徐祝贺, 张村,

  岩层采动裂隙是造成覆岩含水层破坏、威胁井下安全生产的直接原因，也是造成工作面推过后，地表持续下沉变形及生态累积影响的根源。为了解当前覆岩裂隙发生机制、演变规律、研究方法及生态影响与治理进展，实现资源开发与矿区环境的协调、可持续发展，阐述了采动裂隙演化规律与生态治理技术发展现状。介绍了煤矿采动裂隙的形成过程、裂隙类型、研究方法、监测手段及研究发展趋势；从开采影响的空间特征方面，依覆岩裂隙、底板裂隙与地表裂缝分类介绍了裂隙/裂缝演化规律及分布特征，重点分析了深部开采与我国西部沟壑区高强度开采地表裂缝形成的力学机制；探究采动裂隙在保水开采、煤与瓦斯共采方面的应用及生态治理技术，并给出基于开采参数优化的源头减损技术、覆岩承载结构稳定性维持减损技术、变形调控减损技术、覆岩离层注浆减损技术、采复一体化技术、土壤改良与植物修复技术、采煤沉陷区综合修复技术等，实现采煤同时兼顾对地下水、瓦斯、矸石等资源的合理利用与地表建筑及生态环境的保护。分析认为，采动裂隙多种方法综合运用、力学演化机制及量化描述、深部多物理场耦合、探索新应用领域及控制研究、厘清采动损伤科学内涵及评价方法、明晰矿区生态修复的科学理念、构建采动损伤与生态保护相协调智能化调控系统等将是未来亟需研究的关键科学问题。

• 急倾斜煤层开采技术现状与流态化开采构想

  王家臣, 杨胜利, 刘淑琴, 刘金昌, 张锦旺,

  急倾斜煤层开采难度大，研发新的安全、高效、绿色开采方法迫切。总结分析了目前急倾斜厚煤层开采常用的水平分段综放、走向长壁综采和走向长壁综放三种技术现状，针对水平分段综放技术还需要在采放工艺、合理分段高度、顶煤冒放性与端头放煤、智能开采等几个方面进行深入研究，以进一步提高顶煤采出率和开采效率；走向长壁综采技术还需继续研究工作面布置、设备的防倒防滑与开采工艺等问题；走向长壁综放技术需要科学合理地利用放煤规律并制定合理的采放工艺，以提高工作面支架稳定性和顶煤采出率。根据急倾斜煤层的赋存特点，提出了现代煤炭地下气化开采技术、新式水力采煤技术两种流态化开采技术构想。以创造有效气流运动、理想反应强度及最高能量利用效率为思想，提出了针对急倾斜煤层的两种气化炉型：单气化面线性开采气化炉和双气化面U型地下气化炉，总结了急倾斜煤层气化开采仍需深入研究的关键技术，包括气化过程的控制与强化、气化反应空间管理、气化工作面探测技术、地下水污染防治与控制。针对煤层厚度较大但不能进行水平分段开采的急倾斜煤层，可尝试水力开采并提出了该种条件下水力机械化开采的巷道布置构想；在厚度较小的急倾斜煤层中，可探索类似于煤炭地下气化的流态化开采技术以实现不掘进巷道和井下无人的远程水力采煤，是未来难采急倾斜煤层流态化开采的重要研究方向。

• 大倾角走向长壁伪俯斜采场支架稳定性分析

  伍永平, 杨玉冰, 王同, 王红伟, 田双奇, 冯坤,

  大倾角伪俯斜工作面安全高效开采的基础是对“支架－围岩”系统的稳定性控制，受工作面矸石非均匀充填及倾角影响，“支架－围岩” 系统稳定性控制困难。以某矿3132工作面为研究背景，采用物理相似模拟实验与理论分析相结合的方法，研究了大倾角煤层伪俯斜采场垮落矸石充填时空演化规律，及其影响下的“支架－围岩”系统相互作用关系，建立了支架力学模型，确定了工作面伪斜角和矸石作用力对支架临界阻力的影响。结果表明：伪俯斜采场矸石滑移充填经历初步充填下部区域→矸石倾向下滑→充填凹陷区域3个阶段；采空区充填体接顶区长度随煤层倾角、直接顶厚度和工作面长度的增大而增大，随伪俯斜角和采高的增大而减小，邻空区长度随煤层倾角、采高和工作面长度的增大而增大，随伪俯斜角和直接顶厚度的增大而减小，矸石的非对称堆积形态改变了顶板的受力条件与破断特征，支架受载呈现明显非对称性和区域性特征；伪俯斜采场垮落矸石对支架尾部频繁产生冲击作用和接触作用，防止支架下滑和转动失稳的临界阻力随着矸石作用力的增大而增大，随着工作面伪斜角的增大而减小，工作面中、下部区域的支架比上部区域支架需要更大的支撑阻力抵抗矸石的影响；工作面现场监测结果验证了理论模型的合理性。研究结果对现场工程实践具有一定的理论指导意义。

• 煤岩弹性变形能的表征物理模型及实测方法

  齐庆新, 李海涛, 郑伟钰, 杜伟升, 杨冠宇, 李晓鹏,

  现有冲击倾向性测试结果常表现出与冲击地压事故互为不充分不必要条件的关系，对于工程的参考价值有待进一步提高。为此，从冲击倾向性描述弹性能的本质出发，构建了从功能上能够还原弹性能积聚与释放的统计损伤物理模型，从基本物理行为的角度对应力－应变曲线的升降趋势，以及加载过程中能量的积聚与耗散进行了研究。结果表明：外载做功和能量释放贯穿加载全过程，目前以应力－应变曲线峰前、峰后段的相关特征分别描述弹性能积聚和耗散的方式能够简化计算，但未能反应真实的力学行为，基于物理模型进一步指出，试件的变形势能增量ΔＷti本质上是当前时刻试件中仍具承载能力结构新增的变形能ΔＷ′ti与该时刻破断的承载结构所释放变形能ΔＷ″ti之差，而ΔＷ′ti在描述弹性能方面更具合理性，并给出了该指标基于荷载－时间曲线和声发射的实测计算路径，为获得更为准确的弹性能描述做出了有益探索。

• 煤矿巷道喷涂柔膜技术及适用性

  张农, 魏群, 吴建生,

  结合锚杆支护中常规金属网、喷射混凝土护表存在的问题，提出喷涂柔膜技术（ 简称喷膜）。总结了喷膜技术的发展过程和国内外研究现状。开展了喷膜在不同养护期的拉伸性能测试，分析了材料的拉伸应力－应变关系，揭示了喷膜材料承载响应快、变形能力大的力学特性，进而确定了一种适用于煤矿巷道的非反应型聚合物水泥基喷膜材料。通过直接拉拔法，测试了喷膜与红砂岩基体的法向黏结性能，结果显示破坏均发生于基体内部，表明喷膜与基体之间具有良好的黏结强度。开展了喷膜的块体承载能力测试，分析了喷膜承载的不同阶段，获得了被测喷膜的线性承载能力指标，基于所获得的指标对喷膜的块体承载能力进行了评估，认为喷膜理论上具有强大的块体承载能力。基于煤矿巷道工程特点，探讨了喷膜潜在的围岩封闭、金属支护构件封闭、注浆时壁面封闭等密闭作用，在承载及时性、承载能力、变形能力、与围岩表面贴合性、施工性能、结构性作用、密闭性能等方面，对喷膜与网、喷射混凝土开展了详细的对比分析，认为喷膜在大多数指标中表现优异，尤其在施工方面具有明显优势。进一步讨论了喷膜在煤矿巷道锚杆支护中应用的原则，分析了喷膜在锚杆支护中的功能定位和不能适用的３ 种典型工程条件，为喷膜在煤矿巷道锚杆支护中的应用提供了参考。

• 全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与评价方法

  刘志强, 宋朝阳, 程守业, 荆国业,

  针对全断面竖井掘进机凿井过程中软弱或破碎围岩失稳坍塌、高硬度岩石难破碎、地层涌水、地层节理构造等一系列地层复杂性带来的工程难题，开展了适用全断面竖井掘进机凿井的围岩分类指标体系与评价方法研究，考虑了全断面竖井掘进机凿井“岩”与“机”互馈作用下各因素的独立性和相关性，构建了围岩分类指标体系与评价方法，提出了全断面竖井掘进机凿井地层适应性综合判识方法。首先基于全断面竖井掘进机凿井工艺特征，分析了竖井掘进机凿井面临的地质难题以及防控措施，围绕竖井掘进机凿井“岩-机”相互作用下围岩岩石力学特性、装备破岩能力、岩体构造特征、围岩与装备相互支撑、地层防治水等多因素的影响，提出了围岩分类指标选取原则，构建了岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性3个准则层指标，以及所属13个基础评价指标组成的评价指标体系框架；确定了围岩分类指标体系权重值，并采用模糊综合评价和百分制方法量化基础指标，构建了多维矩阵结构围岩分类评价数学模型，经计算和分析将岩石可切割性、围岩自稳性、地层控水性划分为有利、一般有利、适中、不利和很不利5类，进而根据计算结果将竖井掘进机凿井围岩条件分为Ⅰ~Ⅴ类，评判了全断面竖井掘进机凿井与地层之间的适应性，提出了竖井掘进机凿井围岩控制措施；以我国首台套导井式全断面竖井掘进机凿井工程为例，验证了围岩分类指标体系与评价方法的可行性和合理性。全断面竖井掘进机凿井围岩分类指标体系与评价方法对破岩掘进、灾害防控、围岩稳定控制等技术方案的制定和实施提供了科学依据。

• 综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析

  李树刚, 刘李东, 赵鹏翔, 林海飞, 徐培耘, 卓日升,

  为研究综采工作面采动覆岩压实区演化综合因素影响效应，运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同采高（2m<4m<6m）、不同推进速度（3m/d<5m/d<7m/d）以及不同煤层倾角（0°<15°<30°）条件下的采动覆岩压实区裂隙演化规律的研究，得到了压实整体形态随工作面采高、推进速度以及煤层倾角变化的演化规律。结果表明：采空区覆岩“三带”高度随着工作面采高的增大、推进速度的减小以及煤层倾角的增大呈线性增大趋势。采空区上覆岩层离煤层顶板越远，其贯通度数值越小，并在达到一定高度后，出现迅速减小的现象。受更高层位岩层的挤压以及两侧煤壁的支撑作用，覆岩离层率呈现两侧高于中部的“马鞍形”。构建出以覆岩贯通度突减、覆岩离层率突增以及裂隙带发育高度为依据的综采工作面覆岩压实区边界判定准则，得到了不同开采条件下覆岩压实区整体发育形态，进而发现工作面采高对压实区影响主要表现在高度方面，煤层倾角对压实区宽度和对称度的影响较大，推进速度对压实区的高度与宽度都有较为明显的影响。基于采动裂隙椭抛带理论，结合物理相似模拟试验结果，构建了多因素影响下的采动裂隙椭抛带压实区演化综合效应模型，并结合工程实践，有效提高了现场瓦斯治理效果，保证了工作面的安全回采。

• 重复采动覆岩裂隙率空间分布相似模拟研究 ———以陕北矿区为例

  吴群英, 郭重威, 翟鸿良, 王建文, 张铭杰, 迟宝锁, 王二云, 郭书全,

  由于水资源短缺，陕北矿区利用采空区储存矿井水进行再利用，采空区储水量与采动裂隙空间分布密切相关，为准确预测采空区储水量，基于工作面上覆岩层断裂分带划分结果，确定煤矿地下水库的主要储水空间为垮落带与断裂带的裂隙空间，建立了采动覆岩裂隙率空间分布的计算方法，采用相似模拟试验得出了柠条塔矿1-2煤和2-2煤重复采动后上覆岩层的下沉曲线，计算出重复采动覆岩裂隙率在垂直和水平方向的空间分布情况。结果表明：沿垂直方向，随着高度增加，覆岩裂隙率逐渐减小，1-2煤开采后岩层裂隙率由1.87％逐渐下降为1.18％，2-2煤开采后，裂隙率由12.85％下降为4.11％；沿水平方向，垮落带、断裂带和弯曲下沉带的裂隙率在采空区边缘附近都会产生2个峰值，并且峰值位置逐渐向采空区中央移动，1-2煤开采后，中间压实区的最大裂隙率为1.21％，两边离层区的最大裂隙率为2.19％，2-2煤开采后，压实区和离层区最大裂隙率分别为16.1％和6.54％；重复开采后，上覆岩层的裂隙率显著增加，有利于地下水库储存更多的矿井水，煤层重复开采后，离层区裂隙率最大值由2.19％上升到16.1％，中间压实区最大裂隙率由1.21％上升到6.54％，分别增长了约6.4倍和4.4倍，重复采动覆岩的裂隙率显著增加，增加了储水能力，故下部煤层开采后的采空区能储存更多的矿井水。

• 裂隙岩体注浆理论研究进展及展望

  胡少银, 刘泉声, 李世辉, 桑昊旻, 康永水,

  开挖卸荷作用下，岩体内部节理、裂隙易发生扩展贯通，极易发生失稳破坏，从而影响工程岩体稳定性。工程实践证明，注浆是修复裂隙岩体、提高围岩稳定性重要的手段。在收集整理国内外研究资料的基础上，对裂隙岩体注浆领域的研究现状进行了全面的归纳和总结，得到了以下关键结论：数十年来，裂隙岩体浆液扩散运移规律取得了较大进展，离散裂隙网络介质理论已成为研究的主流方向，浆液在裂隙内流动的本质是多相流作用下的应力-渗流耦合动态响应与反馈的过程；注浆通过浆液与破碎岩体形成的固结体，显著改善裂隙岩体的物理力学特性，增加整体强度，达到胶结加固的目的；采用离散单元法对裂隙岩体注浆进行数值模拟，能够更好的反应浆液在裂隙中流动扩散的本质。同时，目前关于裂隙岩体注浆问题的研究尚未成熟，现有理论落后于工程实践，其成果大多对实际注浆工程的指导价值有限。因此，结合已有的裂隙岩体注浆理论，运用合理的数值模拟方法，采用适当的模拟试验对岩体注浆关键问题进行深入研究，进而指导现场注浆工艺具有重大意义。对裂隙岩体注浆的发展趋势进行预测，认为以下3个方向是今后研究的重点：(1)建立应力-渗流耦合控制方程，并实现这一动态过程的模拟仿真；(2)建立裂隙岩体工程的锚固注浆联合作用理论；(3)建立适用于深部裂隙岩体注浆的理论体系。

• 不同应力状态下底板岩体渗流特性分析研究

  张培森, 侯季群, 赵成业, 李腾辉,

  为研究煤层开采过程中底板渗透性变化规律，利用Rock Top 多场耦合试验仪，采用稳态和瞬态2 种方法测得不同应力作用下红砂岩渗透率，对红砂岩加载过程中内部裂纹发展变化规律及渗流特性进行分析，结果表明：对岩样进行应力差20 MPa 等梯度加载，全应力-应变曲线呈台阶状，根据裂纹体积应变法确定应力-应变各阶段的应变阈值，可将其划分为5 个阶段：压密闭合阶段—线弹性阶段—裂纹稳定扩展阶段—裂纹非稳定扩展阶段—峰后应变与破坏阶段;利用渗流进、出水口双泵设计，在5 个渗透压差下利用稳态法测试不同应力作用下岩石渗透率，结果表明在不同渗透压差下岩石渗透率均经历缓慢下降—缓慢增加—快速增长3 个阶段，与全应力-应变-渗流曲线规律一致，并与试件内部裂纹发展规律相对应;采用瞬态法测试得不同应力差下渗透率变化规律，与稳态法-渗流规律相一致，由于测试方法不同，瞬态法比稳态法测得岩样渗透率高出1～2 个量级，均表明红砂岩属于低渗类岩石;通过对完整岩样施加不同应力差模拟底板岩体状态，发现煤层底板压缩区渗透性减小，膨胀区渗透性增大，随着工作面推进，底板渗透性呈现先减小后增大的趋势，试验结果进一步揭示了随工作面推进底板岩体的渗流特性，为底板突水防治提供了重要的理论依据。

• 地震诱发煤矿次生灾害隐患排查体系构建

  齐庆杰, 刘文岗, 王安虎, 王伟, 王海燕, 孙祚, 白金燕, 赵尤信,

  矿山安全工作较少考虑地震灾害的影响，不能满足国家新时代新形势对矿山安全提出的新要求。研究了煤矿遭受地震灾害典型案例，探讨了煤矿生产事故与地震灾害之间的关系，并针对地震诱发煤矿次生灾害防治存在的主要问题，研究了以煤矿生命线系统为主的承灾体隐患类型，揭示了承灾体隐患与震后煤矿次生灾害类型之间的关系;在此基础之上，研究提出了地震诱发煤矿次生灾害隐患排查方法，构建了地震诱发煤矿次生灾害隐患排查指标体系。研究结果表明：煤矿抵抗地震诱发次生灾害的承灾体隐患类型较多，地震可能诱发的煤矿次生灾害类型包含次生矿井水害、次生瓦斯灾害、次生冲击地压灾害、次生机电事故、次生运输提升事故、井巷工程破坏、人员伤亡和设备受损等;以煤矿生命线系统为主线构建的地震诱发煤矿次生灾害隐患排查体系，包含煤矿地震灾害防治基础信息、地面工程排查、矿井工程排查等三大类型32 项基础信息24 项排查指标，能够全面覆盖煤矿主要地震承灾体，具有较强的针对性和可操作性，这对全面排查煤矿地震次生灾害隐患，精准提升煤矿抗震设防水平和抗震能力具有重要意义。

• 煤矿瓦斯灾害风险隐患大数据监测预警云平台与应用

  王恩元, 李忠辉, 李保林, 覃奔, 徐剑坤, 李楠, 夏宏宇, 张国锐, 李阳, 冯小军, 刘晓斐,

  瓦斯灾害仍然是我国深部煤矿开采的主要灾害，随着采深及开采强度的加大，危险性日趋严重。瓦斯灾害影响因素及耦合关系非常复杂，灾害事故时有发生。基于安全监测大数据进行瓦斯灾害和风险隐患一体化分析预警已成为煤矿安全管理、监管和监察的迫切需求。分析了瓦斯灾害与风险隐患的大数据特征，提出了基于安全监测大数据的瓦斯灾害风险隐患识别与突出危险性预警方法，研发了煤矿瓦斯灾害风险隐患大数据监测预警云平台，实现了动态信息资源“一张图”，并进行验证和应用。通过集成和挖掘分析所有相关实时数据、变化趋势及耦合关系实现了煤矿瓦斯灾害风险隐患大数据监测、自动识别、预警和结果分级推送等。

• 冲击地压矿井智能化防冲控采技术的思考

  祁和刚, 夏永学, 陆闯, 王凯, 张学亮, 余达桂,

  针对深部冲击地压矿井智能化工作面防冲开采面临的技术难题，围绕冲击地压煤层安全、高效、智能化开采的目标，将新一代信息技术运用到矿井生产活动和防冲管理中，首次提出了智能化防冲控采的技术思想，其科学内涵与技术途径为：首先，通过数据传输平台快速采集区域煤岩冲击危险信息及全工作面设备、工况环境、人员定位等实时信息，建立冲击地压与智能开采的多源信息数据库；其次，采用具有高吞吐量、低延时特性的分布式数据采集系统，实现对多源异构数据的清洗、存储、聚类、融合，将冲击地压监测预警的危险信息与智能化开采进行动态耦合，搭建冲击地压智能防冲大数据平台；最后，在冲击地压多源信息精准识别与数据融合的基础上，开发互联互通、分析决策、动态预测、协同控制的智能开采响应控制系统，在此基础上建立采煤机自调整、支架自适应、防冲风险自感知与自预警相叠加的智能化防冲控采模型，使开采强度与冲击风险相匹配，最终形成无人干预的自决策、自控制、自优化的防冲、减冲、无冲的智能防冲控采新模式。该技术通过将冲击危险预测、防治与智能化开采系统有机结合，形成智能响应闭环，可以保障冲击地压预警信息的高效反馈，实现采掘、运输、安全保障等过程的智能化运行。

• 煤与瓦斯突出流体多物理参数动态响应试验研究

  许江, 魏仁忠, 程亮, 彭守建, 杨海林,

  为进一步认识煤与瓦斯突出后巷道内突出流体的运移传播规律以及突出灾害的防灾减灾机制，以大型物理模拟试验为主，研究了突出流体运动、煤粉堆积、冲击波阵面传播、静压和温度等多物理参数的动态响应特征，建立了突出流体运移模型，并着重分析了突出流体在弧形直角拐弯巷道的运移规律。结果表明：突出煤粉在巷道内堆积呈现出两头多中间少的分布特征，多数煤粉集中分布于拐弯后巷道；冲击波阵面的传播速度呈先增大后减小再增大的演化趋势，气流速度快于煤-瓦斯两相流运移速度；巷道静压在单相气流阶段动态响应大，在煤-瓦斯两相流阶段骤降；空气压缩气流、瓦斯气流和煤-瓦斯两相流对静压的演化有着不同影响；在拐弯巷道运移过程中，空气压缩气流内有压缩波叠加现象使得波阵面传播速度加快以及静压升高，瓦斯气流和煤-瓦斯两相流受能量损失影响使得静压降低；巷道温度呈现出迅速下降后缓慢回升的趋势；近突出口区域温度受压缩做功影响，呈现先增大后下降的趋势；巷道内温度呈波动式上升分布状态，部分区域存在一个阻碍巷道温度降低的机制；弧形拐弯后形成一个低温气体聚集区，使得其温度下降量较大。

• 密度梯度驱动的煤粒瓦斯解吸扩散模型及试验研究

  秦跃平, 徐浩, 毋凡, 张凤杰,

  为解决菲克扩散模型在煤粒瓦斯解吸扩散过程中存在较大偏差的问题，更好地解释瓦斯在煤粒中的解吸扩散机制，首先开展了封闭空间煤粒瓦斯解吸试验，得到不同初始解吸压力下的煤样瓦斯解吸数据，并评估了4种解吸经验公式的精确性；随后回顾了浓度梯度驱动的菲克扩散模型，提出了游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型；在此基础上，建立了相关的解吸扩散数学方程，并采用有限差分数值方法进行数值解算；最后将新模型与菲克模型的解算结果以及试验数据进行比较，讨论了新瓦斯扩散模型的优势。结果表明：不同的解吸经验公式拟合试验数据的精确度差异较大，优选出了一种能够在全试验时间尺度下拟合情况良好的经验公式；4种不同初始解吸压力条件下的新扩散模型的数值预测结果在整个试验时间尺度内与试验数据基本一致；相对来说，基于菲克扩散模型数值解算的结果准确性不高；在保证理论预测精度的前提下，新扩散模型中的微孔道扩散系数不随时间和压力而改变；而建立在常扩散系数的假设之上的经典菲克扩散模型的解析解和数值解会产生较大误差。新模型可以更合理和准确地描述瓦斯解吸扩散行为。研究结果旨在为瓦斯解吸扩散机理的认识、瓦斯突出解吸指标及煤层瓦斯含量的标定等工作提供一些新的思路和参考。

• 大倾角高瓦斯煤层采动覆岩“三带”微震监测及瓦斯抽采效果

  孟祥军, 赵鹏翔, 王绪友, 刘李东, 杨俊生,

  为了明确大倾角高瓦斯煤层采动覆岩裂隙发育情况，提高卸压瓦斯抽采效果，运用了微震监测技术对新疆硫磺沟煤矿（4-5）06工作面推进过程中采动上覆岩层的微震事件进行实时记录，据此分析了采动上覆岩层的裂隙发育形态特征和演化趋势，且运用经验公式对微震监测结果加以验证，并结合监测结果对高位钻场瓦斯抽采参数进行了优化，检验了卸压瓦斯抽采效果。结果表明：（4-5）06工作面周期来压步距约15 m，采动覆岩断裂带高度约60 m，裂隙发育形态整体呈不对称椭抛带，其中心对称轴向回风巷一侧偏移。以此为依据，对高位钻场瓦斯抽采钻孔参数进行优化，设计高、中、低3个层位钻孔，且全部布置于靠近工作面一侧的瓦斯优势运移通道带以内区域。通过分析现场瓦斯抽采监测装置记录的数据发现，高位钻场中高、中、低3个层位钻孔瓦斯抽采浓度及抽采流量均呈现先增大后减小的趋势，且中层位钻场瓦斯抽采浓度明显高于其余层位。优化后高位钻场瓦斯抽采流量为63～85 m3/min，钻场瓦斯抽采体积分数为6.22%～10.94%，井下回风巷及上隅角瓦斯浓度均低于阈值1%，有效保证了工作面的安全推进。实践表明微震监测技术可有效运用于大倾角高瓦斯煤层裂隙带高度发育情况与形态定位的监测，为高位钻场瓦斯抽采参数设计与优化提供一定的依据。

• 厚煤层成因机制：受天文周期控制的多期泥炭沼泽叠加模式

  邵龙义, 党星宇, 高祥宇, 王东东, 温和, 王学天, 高迪, 鲁静,

  蕴含丰富地质信息的厚煤层是重要的地质碳库，我国是煤炭资源大国，华北、西北、东北、华南等聚煤区都发育有厚煤层。传统煤田地质学理论认为，厚煤层是泥炭沼泽潜水面上升速度与植物遗体聚集速度长期处于均衡补偿状态下的连续聚集产物。但现今发育的泥炭沼泽单层最大厚度仅为20 m，考虑泥炭到烟煤成煤过程受到高达约6∶1的压实比例，均衡补偿成因解释厚煤层的形成可能存在一定的不合理性。基于煤岩学、层序地层学、旋回地层学的理论和研究方法，对不同盆地厚煤层中反映气候变化的天文周期信息开展研究。结果表明，厚煤层中煤岩显微组分以及灰分在垂向上的周期性变化和沉积间断面的存在，是多期次泥炭沼泽叠加形成厚煤层的重要依据。泥炭沼泽多期叠加及厚煤层中煤岩显微组分的周期性变化均受当时的气候环境演化影响，而气候环境的演化又受控于天文周期。综合已有的厚煤层成因观点和实例研究，提出受天文周期控制的多期次泥炭沼泽叠加成煤理论和模型，用于解释厚煤层的成因机制。

• 中国煤层气储层地质与表征技术研究进展

  刘大锰, 贾奇锋, 蔡益栋,

  我国煤层气资源丰富，发展煤层气储层地质学理论与技术有助于我国煤层气勘探开发的进一步突破。基于对文献调研与分析，阐述了煤层气储层地质与表征技术的研究内容及进展，分析了前缘发展方向。研究认为，煤层气储层地质学研究正在从宏观向微观、从定性向定量、从单学科到多学科协同发展，研究内容涉及煤储层成因类型、沉积环境、构造作用、应力特征、物性特征、几何形态、井网布置方式、储层改造及保护、井网调整及优化等产业全过程；煤层气运聚动力分为2类，一类是在气体浓度差作用下的扩散-渗流机制，另一类是压差或势差作用下的水动力-浮力机制；构造挤压应力主要通过骨架岩石的变形改变含水层与隔水层，并影响到流体渗流网络的疏导能力；沉积压实主要影响孔-裂隙空间及喉道，沉积物沉降速度过快容易形成异常高压带，不利于储层流体流动；流体在三维空间中所处的温度不同，温差效应常会引起流体发生瑞利和非瑞利对流驱动，一般浅部低温、密度较大的流体会向下运动，而深部高温、密度较小的流体会向上运动；渗透率研究经历了4个阶段，包括表观现象与经验推测定性分析、多种理化效应与细化各因素作用影响机制、数学模型与数值分析等多种模拟手段定量表征以及精细完善储层微米尺度传输介质渗透率动态变化。研究指出，未来需要精细研究深部构造煤和热改造煤储层纳米级孔隙气体的赋存状态与扩散运移机理，建立健全煤系非常规天然气合采技术制度，根据纳米孔隙超量吸附的聚散过程厘定不同温压条件下煤储层微纳米孔隙中气体凝聚与游离空间变化。

• 晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展

  孟召平, 李国富, 田永东, 王宇红, 李超, 陈浩越, 吴迪,

  废弃矿井煤层气资源丰富，抽采废弃矿井煤层气，已成为煤矿区煤层气的重要资源之一。基于山西晋城矿区废弃矿井煤层气抽采实际，系统介绍了废弃矿井采空区煤层气赋存特征及其地面抽采技术的研究进展，分析了废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究现状和存在的问题，提出了目前我国废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究面临的关键科学问题和研究内容。研究结果表明，煤炭开采形成的冒落-断裂带，为采空区煤层气赋存提供了储集空间。废弃矿井采空区煤层气主要来源于煤柱及残留煤层、临近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气，基于体积法对废弃矿井采空区吸附气和游离气资源分别进行计算和评价。为有效解决采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性及抽采效果的影响，将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构，优先采用压缩空气潜孔锤钻井技术，用氮气取代空气作为循环介质安全揭露含气断裂带的井工艺技术；根据晋城矿区废弃矿井采空区煤层气井抽采过程中压力和日产气量的变化特征，将采空区煤层气井抽采划分为自由放喷、气量快速下降、稳压产气和定量产气4个阶段，并提出了适用于废弃矿井采空区煤层气抽采的“四段制”抽采控制方法；最后，指出了目前面临“废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理和废弃矿井煤层气抽采条件评价及抽采参数优化方法”2个关键科学问题和“废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理、废弃矿井煤层气资源评价模型与方法和废弃矿井采空区煤层气抽采技术”等研究内容。

• 煤层CO2安全封存研究进展与展望

  何学秋, 田向辉, 宋大钊,

  以CO2地质封存为代表的负碳排放技术是实现我国碳达峰、碳中和战略目标的重要途径。煤层CO2封存成本低，同时可实现煤层气高效采收，符合国家绿色发展理念。尽早布局煤层CO2封存安全研究是保障我国碳达峰、碳中和目标的战略要求。对煤层CO2封存技术发展现状和安全问题进行了梳理和分析，当前煤层CO2封存仍处于示范阶段，规模化推广应用尚未实现。煤层CO2封存安全性主要受封存地质体结构、地质灾害、工程扰动等因素影响，现有安全监测方法多以CO2泄漏产生的某些环境效应为监测对象，缺乏对封存地质体自身安全性的监测。煤层碳封存全生命周期安全性存在诸多研究空白，严重制约着我国煤层CO2封存技术的发展。针对现存问题，总结提出了应对煤层CO2封存安全的4项关键技术，即煤层安全储碳机理与主控因素、煤层碳封存风险探测与安全评价方法、煤层碳封存全生命周期安全监测预警技术以及煤层碳封存风险应对与应急处置规范。通过上述4个方面的研究，有望构建煤层碳封存科学选址、安全监测预警以及规范应急全流程理论与技术方法体系，为我国煤层碳封存商业化、规模化奠定理论与技术基础。

• 基于迁移学习的煤岩壳质组显微组分识别模型

  王培珍, 余晨, 薛子邯, 张代林,

  为了提高煤岩壳质组显微组分的识别准确率，避免分类器构建中特征提取阶段的人工干预，采用深度学习的方法实现煤岩壳质组显微组分类别的自动识别。由于煤岩壳质组样本数有限，采用传统的卷积神经网络构建分类器对其识别容易产生过拟合，泛化能力较差。为解决该问题，提出了一种基于迁移学习的煤岩壳质组显微组分识别模型（分类器）。该模型在传统的卷积神经网络模型基础上，通过迁移学习共享预训练网络模型中卷积层和池化层的权值系数，并结合煤岩壳质组显微图像样本，优化网络模型结构和全连接层参数，进而构建适合于煤岩壳质组显微组分识别的深度学习网络模型。试验结果表明：与由传统神经网络直接构成的深度学习模型相比，本文构建的基于迁移学习的煤岩壳质组识别模型性能和效果均明显提高，尤其是以VGG16作为预训练模型构建的分类器在本文数据集上性能表现最优，其对测试样本识别准确率可达98.10%；由于模型的训练参数减少，模型的训练时间明显缩短，且在较短的训练周期内达到收敛且训练集的识别准确率保持稳定，表明了以VGG16作为预训练模型的分类器在煤岩壳质组识别中具备较好的性能，更适合于小样本数据集的识别。

• 基于TW-RN优化CNN的煤矸识别方法研究

  郭永存, 王希, 何磊, 刘普壮,

  针对小样本数据难以构建深度学习模型和实际工况下多尺度形态、颜色煤矸的识别率低的问题,提出了一种融合迁移学习思想与结构优化的煤矸深度识别模型的优化方法。模仿井下实际生产环境搭建机器视觉平台,采用CCD（Charge Couplect Device)工业相机实时获取煤和矸石图像,利用图像旋转、翻转以及增加噪声方式扩展煤和矸石数据集的多样性。从降低模型训练时间出发,提出一种迁移权重和简化神经元(Transfer Weight-Reduce Neurons, TW-RN)模型优化方法改进预训练卷积神经网络（Convolutional Neural Network,CNN)模型,构建了改进后的Im_AlexNet、Im_VGG16、Im_VGG19、Im_ResNet50四种煤矸识别模型。依托扩充后的煤和矸石数据集,仿真对比了4种模型在不同优化器类型、学习率设置方式下的训练结果,确定了每种模型的最佳优化器类型和学习率设置方式。以测试准确率、F1分数、模型内存大小、训练时间4种评估参数为基准,定量评价改进前后每种模型的性能,确定了基于TW-RN优化CNN的最佳煤矸识别网络模型。结果表明:基于TW-RN改进的4种煤矸识别模型的识别准确率均得到了有效提高,且模型训练时间、内存大小均显著降低。煤矸识别率与模型复杂度的关系呈非正相关,相比改进后的Im_VGG16、Im_VGG19和Im_ResNet50深度识别模型, TW-RN方法改进的浅层Im_AlexNet模型性能得到显著提升,其识别精度提高了2.149个百分点,达97.461%,占用内存降低了190 MB,单张图像的识别时间节省了0.788 ms。

• 面向煤矸分拣机器人的煤矸识别定位系统研究

  曹现刚, 刘思颖, 王鹏, 许罡, 吴旭东,

  随着煤炭分选行业对智能化干分选煤技术需求和煤矸图像识别方法需求的增长,研究煤矿复杂分选条件下煤矸混合特征图像的识别方法显得愈发重要。依据深度学习、图像识别和无线通信等理论,设计基于卷积神经网络的煤矸识别定位系统。根据煤矿分选过程的复杂条件,分析煤矸表面特征的5种状态类别,构建煤矸数据集。基于迁移学习的改进AlexNet网络和RPN网络获取煤矸混合特征图像样本的分类信息和像素坐标,通过相机标定方法获得像素坐标在相机坐标系中的位置坐标。构建煤矸分拣机器人分布式控制系统的局域网络,实现识别定位系统与主控系统的实时煤矸检测信息交互。基于煤矸识别定位系统对煤矸图像的检测模型进行测试,试验结果表明,煤矸识别定位系统的识别模型检测准确率可达90.17%,煤矸目标最大定位误差9.45 mm,系统响应测试时间低于350 ms,满足煤矿复杂分选的基本要求。该煤矸识别模型对煤矸混合特征图像具有较好的检测结果,为煤矸图像识别方法应用于煤矿智能化分选发展提供了研究基础。

• 综采巡检机器人关键技术研究

  张守祥, 张学亮, 张磊, 杨士军, 刘帅, 南柄飞, 张代祥,

  智能化综采工作面安装了大量固定传感器,但依然存在监控盲区和监控滞后的问题。引入巡检机器人技术,对综采工作面的全覆盖和实时监控,是智能化开采的必要技术手段。从国家宏观政策和智能开采技术2个层面,分析了智能开采对综采巡检机器人的迫切需求,根据综采工作面巡检机器人的发展现状,总结了综采工作面应用机器人需要解决的柔性轨道、移动通信无缝漫游、远程控制和自主操作等技术难题。通过研究用于综采巡检机器人的跨式柔性轨道、行走控制、移动通信、移动精确定位、惯性导航、动态图像采集和控制采煤机调高等7项关键技术,提出了建立巡检机器人的感知理论技术装备体系、研究井下机器人动力供应技术、建立高性能的无缝漫游移动通信系统、开发超高清热成像和毫米波对综采生产时的三维实景呈现技术、研制集成视觉雷达和煤层探测的超前探测机载装置等5个重点研究方向。在薄煤层综采工作面进行了工业试验,研制的巡检机器人搭载三维激光雷达和惯性导航系统,沿采煤机电缆槽上铺设的轨道边行走边检测,达到了60 m/min的最大巡检速度,实现了双频WiFi零切换的无缝漫游高速通信,根据机载激光雷达扫描和惯性导航系统建立了综采工作面三维截割地质模型,进行了巡检模式下的智能割煤工艺试验,工作面直线度检测和找直偏差不超过150 mm,验证了巡检机器人能够为智能开采提供安全、高效的技术保障。

• 再论智能煤矿建设路线：人工智能3.0视角

  胡青松, 钱建生, 李世银, 孙彦景,

  合理的建设路线是煤矿智能化技术落地应用的重要保障。指出智能煤矿=煤矿智能化愿景+人工智能3.0特征，只有实现了人工智能基本要素，才能让传统煤矿企业发展出“智能”；只有遵循煤矿企业发展规律、以煤炭行业高质量发展为愿景的人工智能，才能称为煤矿智能化。提出一套人工智能关键要素驱动的智能煤矿建设思路，它包括煤矿应用、计算能力、知识库、算法库和数据设施5大部分，简称ACKADa（Application, Computing, Knowledge, Alogorithm, Data）。应用平台包括一个大平台、若干小平台和N个子系统，数据设施包括感知网络、骨干网络、自动化改造与综合接入、大数据中心，计算能力包括边缘计算、云计算和部分大数据中心设施，算法库包括智能设备健康算法、智能采掘算法、智能定位导航算法、智能视频分析算法等，知识库包括周知型知识库和习得型知识库。相比其他建设方法，ACKADa思路的建设内容更加完整合理，且具有理论上更易理解、实践中更易使用的优势，并能将综合自动化、矿山物联网、大数据、云计算、边缘计算等技术统一在一个井然有序的逻辑体系。

• 煤炭地下气化面临的挑战与技术对策

  许浩, 陈艳鹏, 辛福东, 东振, 尹振勇, 陈姗姗, 王琼,

  我国能源结构具有“富煤、贫油、少气”的特点。煤炭地下气化是在原位条件下，通过对煤炭资源进行有控制的燃烧获得气体资源，具有煤炭洁净化利用和低碳能源资源保障两大优势，将成为我国清洁高效现代能源体系发展的重要领域。本文系统总结了国内外煤炭地下气化的发展历程。基于众多实例的剖析，指出全球已开展的煤炭地下气化试验绝大多数都是在浅煤层进行的，安全性、环保性和经济性是煤炭地下气化规模化开展面临的挑战，相比于浅部煤炭资源，深部煤炭地下气化具有更多优势。分析认为我国煤炭地下气化的有效进行将面临3个关键问题：煤炭地下气化选区评价体系尚未建立，与地质条件相匹配的气化炉建造技术研究开展较少，不同类型煤炭资源气化剂与气化产物的关系研究尚不明确。为顺利推进先导性试验和工业化试验，亟需结合煤炭资源赋存地质条件，建立适用于我国的煤炭地下气化选区评价技术；系统开展不同类型煤炭资源的气化技术适应性研究，开发适用性的气化炉建造技术，优选合适的气化工艺控制气化产物中经济性物质的比例，不断调整优化，形成针对性的气化产物控制技术。在实现煤炭资源的安全、高效、清洁开发的同时，保障能源安全、改善能源结构、创造经济效益。

• 煤炭地下气化过程中温度场及其传热特征研究进展

  吴财芳, 蒋秀明,

  煤炭地下气化（UCG）技术作为一种环境友好的采煤方法，可被用来开发深部煤层与矿井遗留的煤炭资源。当地下气化时，随着气化时间的推移，煤炭在煤层内部“燃烧”逐渐形成气化炉，炉内温度最高可达1 200 ℃。从UCG过程中的放热反应出发，综述了热量来源、温度场的变化及其传热特征等，总结了研究温度场的重要手段。分析认为，UCG是一个复杂的温热动态变化过程，在此过程中氧化还原反应、吸热和放热的可逆反应同时进行，导致了气化炉的温度场及其传热机制的复杂性。研究气化过程传热机制的方法主要有物理模拟、试验监测、理论计算和数值模拟4种，各自具有不同的适应性。其中，物理模拟的可操控性强，但是难以解决地层接触关系导致的接触热阻误差；试验监测能真实反映温度场等的变化情况，但是实际操作的经济性差；理论计算通过对气化过程的拆分，从理论角度定性定量了UCG的温度场特征，但理论计算难以考虑到温度渗流等对温度的影响；数值模拟借助计算机进行温度场的多场耦合，综合考虑了渗流、变形、温度等对传热的影响，但多场的物理耦合计算难度较大，且煤层及岩石的热物理性质随温度变化会产生较大的差异，导致数值建模的计算难度增加，制约了数值模拟方法的应用。综上所述，现有的UCG温度场的研究手段难以真实反映出气化炉的传热特征，各种研究方法只能研究特定情况下的温度变化，难以与实际情况结合。因此，基于现场试验数据，结合大型物理模拟试验与数值模拟手段，开展多物理场之间的耦合机理研究是后续煤炭地下气化的主要研究方向。另外，岩石热物理性质在高温下的变化规律及其对温度场的影响作用，也将是值得重视的研究方向之一。

• 碳中和背景下煤炭矿山生态修复的几个基本问题

  李树志, 李学良, 尹大伟,

  我国作为世界上最大的煤炭生产国和消费国，能源结构仍以煤炭、石油、天然气等传统化石燃料为主，碳排放量高，且其能源格局预计短时间内不会发生实质性改变。能源领域减排是我国实现碳达峰、碳中和的关键之处，但这并不意味着化石能源就要完全退出。目前，实现碳中和已上升到国家战略层面，碳中和是国家提出的一个顶层目标，落实到实际的产业层面，将会给传统的高耗能企业转型和新能源及绿色产业带来巨大的发展机遇，同时从一定程度上极大地推动环境保护与生态修复。推进碳中和，对我国现代化建设、对全球气候治理、对人类命运共同体建设，都具有极其重要的理论与实践意义。以我国的能源结构组成与碳排放现状为主要切入点，介绍了我国现阶段碳中和的具体背景，分析了生态修复与碳中和的内在联系，讨论了煤炭矿山生态修复的生态逻辑、应遵循的基本原则与实施的总体要求，同时强调了消除地质安全隐患、自然恢复、辅助再生、生态重建等矿山生态修复技术措施的内涵及分类。传统煤矿开采不仅造成了地表植被破坏、土壤质地变化，而且导致碳汇损失，在开采与选洗过程中直接和间接的导致了碳的大量排放，通过科学的矿山生态修复可较大程度改善土壤质地、增加植被覆盖率，提高减排增汇水平，实现“低碳源、高〖JP〗碳汇、高效益”的发展状态，有效助力碳中和的实现。

• 露天矿区植被协同演变多源数据时序分析——以准格尔矿区为例

  毕银丽, 刘涛,

  为揭示露天煤矿排土场复垦区人工植被与矿区外围未扰动的原始植被间的协同演变规律，研究基于Landsat TM/OLI与MODIS卫星遥感数据，结合气象台站观测数据，采用一元线性回归法，分析准格尔矿区1988—2020年的归一化植被指数(NDVI)与植被覆盖度的时序变化，对Landsat卫星热红外波段数据反演得到准格尔矿区自2000年以来的地表温度变化，此外，在ArcGIS平台下计算得到矿区及其周边区域干旱指数的空间分布及时序变化。研究结果表明，33 a来准格尔矿区外围未扰动区域植被覆盖度呈整体上升趋势，由1988年建矿初期的37%上升到2020年的63%，排土场人工植被区面积由1994年首次出现时的15.49 hm2增长到2020年的1 694.86 hm2；矿区5 km缓冲区范围内74.74%的植被得到中度改善；矿区地表温度呈下降趋势，干旱级别由干旱降为正常。综合多项结果表明，准格尔矿区自1988年建矿至今，矿区内部排土场人工生态修复与外围未扰动原始生态环境均得到改善，主要原因是露天煤矿排土场土地复垦与煤炭开采同时进行，随着复垦规模及强度的增大，植被选择与复垦模式更加科学合理，排土场植被随着复垦及演替的进度逐渐与矿区外围未扰动植被区融为一体，矿区植被郁闭度增加及地表温度降低，推断形成区域小气候，从而加速了矿区外围未扰动植被的演替，矿区人工修复生态与外围原始未扰动植被的改善达到协同一致。