煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第2期

• 煤矿智能化开采煤岩识别技术综述

  张强, 张润鑫, 刘峻铭, 王聪, 张赫哲, 田莹,

  加快煤炭产业链的智能化发展是当前环境下保证煤炭稳定供给的重心,而煤岩识别是实现煤矿智能化建设,提高煤层探测、智能开采、快速分选精度和效率的关键技术,因此,开展了煤岩高效识别技术方法的综述研究。首先根据使用工况不同,将煤岩识别统筹为接触式识别与非接触式识别,根据技术类别将现有识别技术归类为过程信号监测、红外热成像、图像特征、反射光谱、超声波探测、电磁波探测,从识别机理和技术原理方面进行了详细的介绍,并列举了典型特征下的煤岩差异。其次综合阐述了各种识别技术的研究现状,总结出工程实际中的煤岩识别技术应用现状;从理论技术研究、工况环境影响、煤岩特征3方面建立了不同识别技术的局限度评价表,超声波、电磁波探测技术局限度最低,红外成像识别技术局限度最高,其中工况环境对红外成像识别局限最明显,煤岩特征对反射光谱识别和过程信号监测识别局限最明显。基于上述局限度,对未来煤岩识别的研究重点提出4点建议:煤岩特征信息的深层挖掘，复杂多变环境的影响机理研究，物理属性相近的煤岩识别新方法，综合地质条件的煤岩识别方法适用性研究,为我国煤岩识别技术发展、煤矿智能化建设提供理论指导。

• 煤矿深部开采冲击地压灾害结构调控技术架构

  张俊文, 宋治祥, 刘金亮, 董续凯, 张杨, 齐庆新, 赵善坤, 秦凯, 陈见行, 颜廷杰, 王龙, 赵宁,

  煤矿冲击地压灾害频发依然严重制约煤炭深部安全高效开采，冲击地压灾害研究需将发生机理、监测预警及综合防治相互关联，建立深部开采冲击地压综合防治体系。以冲击地压防治为目的，提出了冲击地压灾害防治的结构调控理念、科学内涵以及冲击地压结构调控技术路线，分析认为煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源，系统结构变化是引起应力变化及转移的根本原因，应力仅是系统结构变化的外在显现形式，冲击地压灾害防治应从调控煤岩体结构出发。通过对冲击地压灾害机理及防治有关问题的梳理，提出了深部冲击地压灾害结构调控核心科学问题，包括扰动作用下冲击性煤岩体应力场时空演变、深部冲击地压多元前兆信息耦合辨识及预警、深部高应力煤岩体的结构调控及减冲机制。在此基础上，提出了应力-电磁辐射-地音-微震监测构成的多元监测预警体系，以实现对采区范围内巷道、采场及覆岩结构破裂的多尺度监测。根据由区域子系统和局部子系统组成的深部开采冲击地压灾害结构调控技术路线，提出由保护层+负煤柱开采、水力压裂、深孔爆破及大直径钻孔组成的结构调控体系来实现降低冲击地压灾害发生的危险性。结构调控体系已在山东某矿埋深1 300 m的4号煤层成功应用，验证了该体系防治冲击地压灾害的可行性及科学性。

• 论露天煤矿智能化建设总体设计

  王忠鑫, 辛凤阳, 宋波, 曾祥玉, 刘英璐, 王金金, 田凤亮, 赵明, 李杰, 李申岩,

  为寻求智能化露天煤矿统一的设计思想和建设内容，确保露天煤矿智能化建设的实效，针对目前露天煤矿山普遍存在的重“软”系统建设，轻“硬”工艺装备变革，重业务系统建设、轻数据价值挖掘，偏离需求片面追求无人化，忽视智能化建设的经济属性等问题，厘定了围绕“人”“设备”“系统”3条主线的建设内容，明确了将露天煤矿智能化程度分为初级、中级、高级3个阶段的智能化分级建设原则，提出了实现矿山全要素、全过程、全生命周期个性化安全稳定运行的露天煤矿智能化建设的总体目标。通过解析露天煤矿生产和智能化建设的特征，提出了工艺为本、分级建设、价值导向、有序推进和虚实共生的智能化露天煤矿总体设计策略，以期指导我国露天煤矿智能化建设系统化、科学化和规范化。基于我国煤矿露天开采技术和工艺装备水平的现状及矿山的现实需求，提出了露天煤矿智能化建设应以工艺作为基本的出发点和落脚点，而并非片面追求少人或无人的发展本质。我国露天煤矿智能化建设的首要任务和核心关键是攻克连续和半连续开采工艺核心装备的卡脖子难题，建立工艺系统机理模型，基于泛在连接技术实现设备群的全面互联和数据的全面采集管理，再进行大数据分析和智能决策。基于工业互联网平台体系架构思想，建立了“感知层、接入层、边缘层、智能化煤矿工业互联网平台层和综合管控平台层”的5层智能化露天煤矿平台架构。感知层实现露天煤矿“人-机-环-管”信息的全面感知；接入层利用智能数据网关模块技术实现感知层数据的实时传输；边缘层依托协议转换技术实现多源异构数据的协议转换、归一化和边缘集成；智能化煤矿工业互联网平台层由物联网管理平台、云计算平台、技术中台、业务中台和数据中台等组成，构建可扩展的开放式云操作系统；综合管控平台层提供了设计、生产、管理、服务等一系列创新性业务应用，实现独立决策与控制、数据共享和系统间的智能联动。构建了智能化技术驱动的露天煤矿智能开采技术的5大主要应用场景，提出了智能化露天煤矿初、中、高三级的建设内容，明确了露天煤矿智能化建设的基本规律，即矿山必须以智能化建设的价值创造为评价准则确定相关建设内容及合理的投入规模，方可形成智能化矿山建设的最终价值。

• 再论露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术

  赵红泽, 郭锦桦, 刘元旭, 杜海瑞, 林泽辰,

  我国大型矿田上一般同时存在多个相邻露天矿，针对相邻露天矿山独立开采时常存在边帮压煤、内排土场空间不足，以及土地复垦滞后等诸多问题，基于笔者提出的露天矿群协调开采技术，通过运用露天采矿学的基本原理，引入协同理论，提出了露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术的概念，详细阐述技术理念及内涵，重点研究了露天矿群开采、排土、复垦3个环节及协同作业的关键技术内容，并将其用于卡布其露天矿群。具体包括：借助3DMine软件构建卡布其露天矿群三维地质模型，根据卡布其矿区三矿开采推进的时空关系，确定露天矿群协调开采模式为同向协调开采，平行布置工作线，贯通相邻采场，优化总平面布局，让压帮煤随工作线推进顺利回采，合理分配与利用排土空间，提出共享排土场的方法以减少剥离物外排，缩短运距；在露天矿群开采方案的基础上制定协同复垦方案，建立露天矿群分期开采-内排-土地复垦一体化时空模型。实例证明：卡布其矿群在运用露天矿群开采-采排复一体化协同采矿技术后可有效增加煤炭资源采出率，降低剥采比，增加内排空间，实现矿群采剥工程与复垦工程的协调统一，降低复垦成本，提高露天矿直接经济效益。

• 考虑动载扰动作用的窄煤柱巷道底板失稳机制

  赵洪宝, 刘一洪, 刘绍强, 张嘉澔, 吴桐,

  窄煤柱回采巷道底板通常表现为非对称破坏特征，当覆岩突然断裂释放能量时，会对窄煤柱巷道产生动载扰动作用。在动载扰动作用下，岩片剥落乃至岩块弹射的现象较为普遍，加剧了巷道底板的破坏程度，导致巷道底板稳定性维护难度较大。为掌握窄煤柱回采巷道底板破坏机制以及动载扰动对巷道底板稳定性的影响，综合采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法，建立了窄煤柱巷道底板力学模型并分析了巷道底板的应力、能量以及开挖卸荷特征，结果表明：开挖后，窄煤柱巷道底板两侧应力呈非对称分布，实体煤底板和巷道底板的应力大于煤柱底板，靠近实体煤侧底板容易发生剪切破坏。巷道开挖后，煤柱和巷道底板处于卸轴压和卸围压状态，实体煤底板为双向加载状态。动载扰动后，煤柱和巷道底板的能量增量大于实体煤底板，靠近煤柱侧底板受动载扰动的影响更大。在考虑动载扰动条件下，开挖后煤柱和巷道底板为释能状态，实体煤底板为能量积聚状态，围岩“非均衡”应力状态是巷道底板失稳、非对称破坏的重要原因。增加煤柱和巷道底板的变形模量或施加补偿应力、降低底板的应力集中程度和蓄能量是改善巷道底板的“非均衡”程度两条主要思路。通过对某矿窄煤柱巷道实施非对称支护技术，对煤柱侧底板进行注浆加固，改善底板“非均衡”状态，有效控制了巷道底鼓量。

• 大倾角近距离煤层群长壁采场顶板破断机理

  解盘石, 屈利利, 伍永平, 张颖异, 闫壮壮, 冯坤, 杨广兵, 吉峰,

  大倾角近距离煤层群开采时，下层煤采场顶板受到重复加-卸载作用，其覆岩运移和矸石充填特征较单一煤层开采时更为复杂。以东峡煤矿大倾角近距离煤层群为研究对象，采用物理相似材料模拟试验、理论分析和现场实测相结合的手段，通过建立基于下层煤采场顶板的两端固支梁模型，确定了采场顶板易发生弯曲破断的位置，研究了大倾角近距离煤层群长壁采场顶板破断垮落特征。结果表明，上层煤采空区垮落顶板的堆积沿倾向具有不均衡性；垮落顶板与顶板残垣轮廓的接触程度存在差异性，沿垂直岩层方向可将垮落覆岩划分为完整倾斜砌体区域与倾斜砌体缺失区域。上层煤工作面底板受载沿倾向表现为分区特征，根据采空区的非对称充填特征将其划分为受近似点载荷的无矸石充填区和受非均衡作用的中、下部矸石充填区。下层煤开采时，采场倾斜中上部顶板（顶煤）先破坏下滑、充填至下部采空区，致使下部区域工作面顶板弯矩较小、倾斜中上部顶板弯矩较大，其中倾斜中上部顶板更易发生破断。由于采空区充填程度不同，下层煤采场来压呈现中部较大、上部次之、下部无明显来压的基本特征。相对于单一煤层开采，下煤层开采时周期性来压的强度较低且规律性不强。研究可为大倾角煤层群长壁采场顶板稳定性控制提供一定的理论支撑。

• 小断层活化对采空区上覆岩层破坏及渗透性影响

  张学博, 王豪, 沈帅帅,

  小断层活化会加剧采空区上覆岩层破坏增强渗透性，导致采空区煤自燃，针对这一问题，以河南神火煤电股份有限公司薛湖煤矿25030工作面为工程背景，利用UDEC数值模拟断层不同倾角、不同水平断距条件下采空区上覆岩层移动破坏过程，分析了断层对采空区上覆岩层破坏及渗透性的影响。研究表明：①随着工作面逐渐接近断层，断层出现滑移现象，断面附近位移呈斜向下趋势，下盘沿断层滑移比较明显；受到断层下盘滑移错位形成的支撑力影响，下盘下沉量明显大于上盘，上盘覆岩“三带”高度有所上升。工作面推过断层10 m时，上方覆岩位移开始出现滞后现象，且上盘下沉量小于下盘；工作面过断层40 m后，覆岩受到断层的影响逐渐减弱，位移逐渐符合无断层开采覆岩移动规律，下盘主要以下沉为主，上盘受到断层影响，楔形头部受到断层滑移的支撑，岩层垮落不充分，下沉量小于下盘。②倾角越大，断层对上盘覆岩支撑作用的影响范围越小，断层滑移形成的错位越严重，对开采危险性越大，且断层影响开始出现的位置距离越近；水平断距越宽，上盘受到断层的支撑力越大，过断层后上盘覆岩的位移越小；断层水平断距越宽，断层下盘下沉量越大，工作面过断层时危险性越大。③断层导致附近岩层孔隙率呈现跳跃式增大，倾角越大，孔隙率上升幅度越小；随着倾角的增加，断层正上方垮落带孔隙率呈先上升后下降趋势，在倾角45 °达到最大，而断裂带孔隙率随着断层角度的增加呈逐渐上升趋势；随着断层水平断距的增加，垮落带覆岩孔隙率大体上呈先上升后下降趋势，而断裂带的孔隙率略微上升。总体而言，水平断距越宽，断层倾角越大，工作面过断层时覆岩垮落危险性更大。

• 采动煤层底板层次性破坏特征全空间多参量协同监测

  张玉军, 张风达, 张志巍, 孙林, 李友伟,

  为全面获取采动煤层底板破坏演化及层次性特征，采用钻孔注水试验法（点）、钻孔窥视法（点）、钻孔分布式光纤监测法（线）、瞬变电磁法（面）4种方法，构建了煤层底板全空间点-线-面协同监测模式；根据煤层底板采动破坏程度，从裂隙导水性、拉伸剪切应变、采动岩层物性多参量角度，将将传统的“下三带”中的煤层底板采动导水破坏带划分为导水裂隙带、应力应变带、物性差异带；以平朔矿区9煤工作面为实测对象，监测获取了采动煤层底板全空间、动静态、多层次变形破坏特征。研究结果表明：点-线-面多参量协同监测方法在监测空间上可实现点线面动静结合监测，在监测内容上可满足直接或间接获取裂隙发育特征、导水性、应变变形以及物性等多参量的要求。钻孔注水试验法和钻孔窥视法为直接监测裂隙发育特征的方法，获取的导水破坏带高度为21.75 m；采用钻孔分布式光纤监测法可动态监测裂隙发育特征，分析得出在工作面推进至钻孔附近，底板局部岩体出现拉伸破坏，工作面推过钻孔一段距离，底板岩体拉伸程度继续增大、但破坏深度基本保持稳定，实测得出应力应变带高度为25.15 m；采用瞬变电磁法可对比获取采前、采后底板岩体物性变化特征，分析得出物性差异带高度为22～27 m，较好地验证了底板采动破坏层次性划分特征。

• 综放采动应力路径下单裂隙砂岩力学特性试验研究

  夏彬伟, 刘仕威, 欧昌楠, 高玉刚,

  综放开采会形成有别于常规三轴压缩的应力路径，为研究综放采动状态下顶板岩体的力学特性，针对特定长度和角度的单裂隙砂岩，进行恒定卸围压同时变速率加轴压的加卸载三轴试验，以模拟综放开采过程中的应力路径，分析单裂隙砂岩的破坏形式，并用超声波实时测试，探究超声波特性和应力应变的关系以及裂纹演化规律。试验结果表明：①常规三轴应力路径下，不同长度单裂隙砂岩试件的破坏形式基本为拉-剪复合型破坏，不同角度单裂隙砂岩试件破坏形式包含纯剪切破坏、拉伸破坏、拉-剪复合破坏和X型共轭剪切破坏。加卸载三轴应力路径下，随着裂隙长度增加，破坏形式表现为拉-剪复合型破坏—“X”型非共面剪切破坏—“X”型共面剪切破坏，拉伸裂纹会被次生共面裂纹所替代；裂隙角度是裂隙起裂的诱因，不同角度裂隙砂岩试件破坏形式包含拉-剪复合型破坏、单剪切破坏、“X”型非共面剪切破坏；②P波波速能有效反映试件应力水平和细观结构。相较于常规三轴应力路径下整体上P波速度随轴向应变的增大先增大后减少，在加卸载三轴应力路径下，整体上P波速度随轴向应变的增大而增大，但增速随着应力水平的增加而减小；在试件达到屈服点时，试件密度达到最大值，表现为P波波速达到最大值；在试件达到峰值强度附近时，试件内部裂纹交叉和相互联合的现象加剧，表现为P波波速出现明显波动；裂隙长度增大，波速稳定段逐渐减小，裂隙角度增大，波速稳定段先增大后减小；③根据波速反映的裂纹宽度变化，常规三轴应力路径下裂纹演化阶段可分为裂纹压密阶段、裂纹发展阶段、裂纹稳定阶段和破坏后失稳阶段4个阶段，加卸载三轴应力路径下则分为裂纹压密阶段、裂纹稳定阶段和裂纹扩展阶段3个阶段，裂纹稳定阶段随裂隙长度增加整体上呈现减小趋势，裂隙角度对裂纹稳定阶段基本没有影响。

• 受载岩体破坏全过程声波响应特征及工程意义

  李江华, 廉玉广, 马志超,

  矿井灾害的孕育和发展过程中，常伴随着岩体应力的变化，岩体应力的变化引起岩体发生变形、破坏，从而改变围岩的声学特征，其中岩体的波速变化特征可对煤矿某些地质灾害起到预测预报的作用。通过晋城矿区现场取样，采用岩石力学加载系统和声波测试系统对岩石单轴加载破坏全过程的声波脉冲信号进行实时采集，利用自主开发的脉冲信号初至时间智能处理Pickup程序模块，对测试数据进行处理。研究结果表明：晋城西区和北区煤系地层岩石力学特征和波速变化特征差异较大，西区岩石加载破坏全过程中波速变化经历“上凹-线性增大-突降上升-台阶波动-台阶突降”5个阶段，而北区岩样呈脆性破坏，岩石波速变化缺少台阶波动阶段；岩石受载应力为65.67%σmax～86.75%σmax时，波速出现震荡式降低点，为岩体变形破坏过程中的扩容点；不同区域岩石加载过程中波速增大幅度差异大，岩石加载破坏不同阶段的波速响应机制具有不同的工程意义，可为矿井地质灾害的防治提供参考。

• 高地应力条件煤与瓦斯突出模拟试验研究

  唐巨鹏, 任凌冉, 潘一山, 张昕,

  深部煤与瓦斯突出发生机理必然与浅部存在显著差异，将辽宁某矿12煤层型煤作为研究对象，采用自主研发的可同时施加轴压、围压、孔隙压的煤与瓦斯突出全过程模拟装置，以轴压模拟上覆岩层应力作用，围压模拟围岩应力作用，孔隙压模拟气体压力，进行了埋深分别为1 100、1 300、1 500、1 700、1 900、2 100、2 300和2 500 m的高地应力条件煤与瓦斯突出模拟试验并验证了其可靠性，定义单位气体压力突出煤粉质量为相对突出强度，得到相对突出强度、临界气体压力与埋深关系规律。结果发现：① 深部煤与瓦斯突出特征与浅部存在明显差异，突出煤粉分布呈喇叭形，主要集中在15～25 m内，突出煤粉质量占比达52%～63%；② 深部煤与瓦斯突出相对突出强度和临界气体压力变化趋势具有2阶段特征，存在分界深度为1 700 m，埋深1 100～1 700 m为剧烈变化阶段，埋深1 700～2 500 m为缓慢变化阶段；③ 深部煤与瓦斯突出瞬时气体压力具有“台阶效应”，台阶效应持续时间随埋深增大而减小，在埋深2 500 m时台阶效应消失，说明此时煤与瓦斯突出具有更大的突出危险性。

• 逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性

  陈向军, 时豪阳, 李新建, 冯帅龙,

  煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程，瓦斯膨胀能是由煤层游离瓦斯与解吸瓦斯膨胀做功产生的能量，是煤与瓦斯突出的主要能量来源。发生煤与瓦斯突出时，煤层内部瓦斯在降压环境下进行解吸，为探讨逐级降压解吸下瓦斯膨胀能的变化特性，以晋城矿区无烟煤为研究对象，利用瓦斯吸附-解吸试验装置，进行逐级降压解吸和常压解吸2种解吸试验，分析了逐级降压解吸下解吸瓦斯膨胀能变化特性。研究结果表明：吸附平衡压力越大，煤中吸附瓦斯内能越大，体系稳定性越差，在外界扰动下易于发生煤与瓦斯突出事故；吸附平衡压力相同时，常压环境下解吸瓦斯膨胀能高于降压解吸下解吸瓦斯膨胀能，且随着吸附平衡压力升高，二者的差值逐渐增大，2.5 MPa吸附平衡压力时常压环境下解吸瓦斯膨胀能比降压环境下解吸瓦斯膨胀能高28.6%；降压环境下环境压力对解吸瓦斯膨胀能起到一定程度的抑制作用，且环境气体压力越高，抑制效果越明显；降低解吸瓦斯膨胀能可作为一种防治煤与瓦斯突出技术途径。

• 固结软煤层瓦斯抽采钻孔周围裂隙的弹性胶结材料研制

  鲁义, 谷旺鑫, 丁仰卫, 李修磊, 李亮,

  为了固结煤层中钻孔周围的裂隙，以聚二甲基硅氧烷、含氢硅油、聚丙烯纤维和秸秆纤维为原料，制备一种用于煤岩裂隙固结的弹性胶结材料，通过扫描电子显微镜和颗粒分析仪观察聚丙烯纤维和秸秆纤维在弹性胶结材料中的微观形貌，通过万能试验机研究不同掺量的聚丙烯纤维和秸秆纤维对弹性胶结材料力学性能的影响。研究结果表明：掺入一定量的聚丙烯纤维和秸秆纤维可以增强弹性胶结材料力学性能，随着聚丙烯纤维和秸秆纤维掺量的增加，弹性胶结材料的力学性能变差，聚丙烯纤维-秸秆纤维的最优掺量为0.6%～1%；聚丙烯纤维可以作为连接材料桥接弹性胶结材料内部不连续的区域，同时，聚丙烯纤维表面粗糙，可以黏结更多的胶体，增大聚丙烯纤维脱胶的阻力；当秸秆纤维掺量为0.5%和1%时，秸秆纤维在材料中的分散情况较好，而当掺量为1.5%时，材料中的秸秆纤维开始出现团聚现象，当掺量为2%时，团聚现象严重；弹性胶结材料与煤体有良好的粘结性，能够将松散的煤体黏结在一起，构成一个整体，具有一定的力学强度；加固煤体模块在力的加载过程中，逐渐变形，但加固后的煤体并未被压溃，依然保持良好的完整性；现场试验表明，随着抽采时间的增加，瓦斯混合流量缓慢下降，并未出现瓦斯混合流量剧烈波动或下降的现象，证明在抽采过程中，钻孔未发生失稳问题，钻孔孔壁保持完整。

• 卸压瓦斯运移区“孔-巷”协同抽采布置参数优化及高效抽采

  赵鹏翔, 康新朋, 李树刚, 林海飞, 甘路军, 安星虣,

  高突矿井瓦斯抽采是治理工作面隅角瓦斯超限的重要手段，各抽采方式布置层位不同，其抽采效果存在明显差异，研究协同抽采各抽采方式的最优布置层位具有重要意义。为提高高抽巷抽采效率实现瓦斯精准抽采，基于“椭抛带”理论，运用Fluent数值模拟软件对协同抽采各抽采方式的布置层位进行模拟研究，分析各布置条件下工作面隅角瓦斯浓度，确定最优布置层位。模拟结果表明协同抽采中各抽采方式布置层位为：高抽巷最优平距25 m，最优垂距30 m，定向长钻孔最优平距在10～20 m，最优垂距在11～21 m。通过对单一抽采与协同抽采进行对比分析，协同抽采中回风侧快速提升区跨度明显增大，使得回风侧经上隅角涌入工作面的瓦斯强度降低，隅角瓦斯得到进一步控制。协同抽采较好解决了工作面回风侧风流引起的相对负压造成上隅角瓦斯大量聚集的问题，隅角涡流所引起的瓦斯聚集现象在长钻孔抽采下逐步消失。优化后的布置参数进行现场应用后，试验工作面在生产期间高抽巷平均抽采纯量为64.79 m3/min，占瓦斯涌出量的79.91%，定向长钻孔平均抽采纯量为9.68 m3/min，减小了风排瓦斯的压力，上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内，试验工作面瓦斯超限问题得到有效治理，保证了生产工作安全高效进行。

• 微观等效毛管束下液体初始渗流特性的可视化研究

  王刚, 李艳青, 刘世民, 李怀兴, 商荦真, 陈建,

  低渗煤体微观渗流特性研究对煤层注水增注、防治瓦斯灾害具有重要价值，物理模型仿真试验是开展此研究的重要途径之一。为研究煤体孔隙微观尺度下液体的初始渗流特性，以微流控技术为基础，制作替代煤体孔隙的等效毛管束模型，构建了微观渗流可视化试验平台，开展了不同孔隙尺寸、不同流体的渗流模型试验，分析了渗流流量、渗流压力、孔径尺度、润湿性等多个参量对渗流特性的影响。研究结果表明：① 渗流过程不同位置孔隙渗流的活跃性差异较大，模型中间位置渗流更活跃；渗流初始流量越大，参与渗流通道数目越多。渗流初始流量与毛细管内流体体积成正比；② 初始流量一定时，不同孔径内渗流压力和时间关系相同，即渗流压力随时间增加增大。初始渗流流量越大，体系渗流压力也越大；毛管束内渗流呈现较明显的非线性渗流特征；③ 不同的模型孔径尺度下，渗流流量与渗流压力关系十分接近；3种孔径尺度的毛管束模型中去离子水的流量和压力都呈现出不同程度的非线性特征，且孔径尺度越小，非线性程度越强；④ 在流体润湿性的影响上，不同模型孔径的试验结果都表明，润湿性好的流体在毛细孔隙模型中渗流压力更小。相较于孔径尺度，渗流初始流量对流体渗流压力的影响更大。

• 页岩气吸附量校正及其吸附性影响因素

  周军平, 范茂琳, 鲜学福, 杨康, 陆朝晖,

  为探究页岩矿物组分、孔隙结构及其分形维数对页岩吸附特性的影响，开展龙马溪组、五峰组以及延长组页岩总有机碳（TOC）含量测试、X射线衍射（XRD）测试、低温N2吸附测试，CH4等温吸附实验，基于吸附相体积Va恒定、吸附相密度ρa恒定2种方法对页岩气绝对吸附量进行了校正，并采用Langmuir模型对绝对吸附量进行了拟合，在此基础上获得了页岩矿物组分、孔隙结构以及Langmuir模型参数之间的关系。结果表明：Langmuir模型能很好地拟合实验条件下CH4在不同页岩上的吸附数据，且Langmuir模型对基于Va恒定方法得到的页岩气绝对吸附量拟合结果精度更高。Langmuir体积VL与页岩TOC、石英含量、比表面积、孔体积均呈正相关关系，与平均孔径呈负相关关系，与黏土矿物相关性较差；页岩孔隙结构分形维数D与其TOC含量、石英矿物含量、比表面积、孔体积呈正相关关系，与平均孔径呈负相关关系，与黏土矿物相关性较差；分形维数D与VL呈正相关关系，与Langmuir压力PL呈负相关关系，表明分形维数越大，页岩吸附能力越强。

• 不同类型煤颗粒侧限压缩变形破碎特性试验研究

  李伟, 钟艺, 郭敬杰, 蔡浩鑫, 李海滨, 花春雨,

  煤与瓦斯突出等动力灾害严重制约了矿井的安全生产，不同类型煤颗粒在加载破碎特征反应了煤体结构、力学特性以及能量存储行为对煤与瓦斯突出灾害研究具有重要的意义,但目前缺少煤颗粒的破碎特性研究。研究选取了原煤和构造煤颗粒，开展了不同粒径级配和应力条件下的侧限加载试验研究。结果表明，加载过程依次分为滑移阶段、破碎阶段和压固阶段。在滑移阶段和破碎阶段构造煤抗变形能力均弱于原生煤，但是在压固阶段其应变硬化趋势明显强于原生煤。应力虽然会较大程度影响煤颗粒的相对破碎率，但是在压固阶段该影响较弱。加载过程中由于中粒径中部分煤颗粒结构不稳定，加载过后的煤颗粒存在明显粒径丢失现象。同时粒径级配也影响着煤颗粒的破碎，单一级配试样组中大粒径的试样相对破碎率更高，混合级配试样组的相对破碎率整体比单一级配的要低。相比于原生煤，构造煤的大、中粒径煤颗粒绝对破碎率更高，且破碎过程中更倾向于破碎成粒径更小的煤颗粒，构造煤颗粒破碎程度总高于原生煤。总体而言试验中构造煤颗粒应变硬化现象明显、破碎程度较高，甚至呈现流变特征，这是导致构造煤孔隙率小，渗透率更低的根本原因。且外界对构造煤颗粒输入的能量大都耗散在煤颗粒的摩擦、破碎以及塑性变形，因而储存在其本身的弹性能较低。

• 预制裂隙砂岩相似材料损伤破坏特性试验研究

  成小雨, 李树刚, 龚选平,

  为了揭示煤岩动力灾害物理模拟的细观损伤机制，利用YYW-Ⅱ单轴压缩试验仪及PCIE-8声发射（AE）监测系统，探究了含不同长度预制单裂隙的砂岩相似材料试样在单轴压缩条件下的力学特性、破坏特征和损伤演化特性。结果表明：随着预制单裂隙长度的增加，试样的峰值强度和残余强度近似线性减小，分别由746.84 kPa和199.117 kPa减小至597.643 kPa和110.375 kPa，而峰值轴向应变和初始压密阶段应变近似线性增大，分别由0.018 18和0.002 40增大至0.023 61和0.005 32；预制裂隙对试样破坏形式及特征的影响增大，试样的主导破坏形式逐渐由剪切破坏，经剪切张拉复合破坏，演变为贯穿裂隙中部的纵向张拉破坏；试样的声发射（AE）事件累计和能量累计均呈逐渐减小的趋势，分别由465和82 278 J减小至306和54 152 J，AE事件活动逐渐减弱；试样损伤演化经历了初始损伤累积、损伤稳定发展和损伤加速发展3个阶段，稳定发展和加速发展阶段损伤增大，分别由0.621和0.734增大至0.655和0.817，预制单裂隙对试样损伤演化在加速发展阶段的影响大于稳定发展阶段，各试样的最大损伤变量差值在损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段分别为0.017和0.042；相似材料在受载过程其力学、声发射、损伤特征具有较强的相关性，力学变化引发了损伤变化，而损伤变化又与声发射参数的变化具有较强的因果关系，AE事件特征参数可准确描述相似材料的损伤破坏特性。

• 滇东-黔西地区现今地应力场与二叠系煤储层渗透率特征

  鞠玮, 王胜宇, 姜波, 苗琦, 李明, 黄沛铭,

  现今地应力状态(大小和方向)和煤储层渗透率是影响煤层气勘探开发的重要地质因素。基于震源机制解反演、水力压裂等方法确定了滇东-黔西地区现今地应力状态，揭示了二叠系煤层地应力大小垂向变化规律，并在此基础上剖析了滇东-黔西地区二叠系煤储层渗透率发育特征及其控制因素。研究结果表明：滇东-黔西地区水平最大主应力(Sh，max)方向总体为WNW-ESE向；水平最大主应力为2.67～29.84 MPa，平均为14.10 MPa，水平最小主应力(Sh,min)为1.85～23.76 MPa，平均为10.36 MPa，垂向应力(Sv)为0.86～31.93 MPa，平均为14.49 MPa。现今地应力大小随煤层埋深的增加而增大，在垂向分布上呈现出分带性，在600 m以浅，地应力分布整体表现为Sh,max>Sv>Sh,min，水平最大主应力起主导作用，为大地动力场型，而在700 m以深之后，地应力机制转换为Sv>Sh,max>Sh,min，垂向应力起主导作用，为大地静力场型，地应力垂向转换深度约为600～700 m。滇东-黔西地区二叠系煤储层渗透率的变化受多种因素的综合影响，天然裂隙发育特征与现今地应力状态耦合对该区煤储层渗透性具有重要的控制作用。

• 煤层底板水文地质结构划分及阻隔水能力定量评价方法研究

  徐智敏, 刘栓栓, 李剑锋, 陈天赐, 骆俊峰, 李鑫, 陈歌,

  新桥井田内构造发育，在沉积环境、断层以及大型褶曲构造的共同作用下，使得新桥井田内呈现出区块化特征，各个区块间二2煤底板隔水层在岩层厚度、岩层组合关系等方面呈现出差异性，其结构组合形式成为影响底板隔水层阻隔水能力的重要因素。基于上述背景，统计了井田内勘探钻孔资料，选取典型钻孔柱状图，提出并利用“三层段”结构划分方法，将井田范围内二2煤底板隔水层划分成a、b、c、d四类结构模型；从“三层段”中各层段所抵抗的破坏类型以及自身岩层的性质定性评价4类结构模型，得出阻隔水能力由大到小为：a类>b类=d类>c类；以2301工作面为典型工作面，通过对底板隔水层补勘取样和测试分析，得到：Ⅲ层（杂砂岩层）岩石力学强度高；Ⅳ层（粉砂质泥岩层）岩石渗透性能极差。根据采动条件下底板破坏深度现场实测结果和经验公式计算结果的对比分析，确定Ⅲ层（杂砂岩层）为抗采动破坏关键层；并建立以c类结构模型为基础的评价模型，通过定性分析确定了结构对底板隔水层阻隔水能力的影响；最后，对4类结构模型分别进行质量比值系数和强度比值系数与岩层厚度加权计算，分析计算结果并比较了2种计算方法的优缺点。基于上述分析，初步提出了综合考虑隔水层厚度的结构比值系数的概念，为进一步研究阻隔水能力定量评价方法奠定了理论基础。

• 弱胶结砂质泥岩注水软化与渗流特性试验研究———以神东矿区为例

  张凯, 郭俊廷, 滕腾,

  神东矿区基岩弱胶结特性显著，岩体遇水后的软化和渗流特性是煤炭地下开采顶板注水软化治理、突透水事故防治、煤矿地下水库建设等工程领域的共性和基础性难题。针对神东布尔台矿弱胶结砂质泥岩，系统开展了岩石吸水、单三轴压缩、巴西劈裂和渗流等试验，获得了自然和饱水状态下的砂质泥岩力学参数与拉压变形、渗流曲线及其特征。研究结果表明，神东矿区弱胶结砂质泥岩的水岩固体软化效应、流体传质效应显著，在相关的地下工程中必须充分考虑，具体如下：① 弱胶结砂质泥岩吸注水后塑性明显增强，软化效果显著，岩石抗压强度减小29%～57%，围压越小，软化效果越明显；不同围压下弹性模量均减小25%～30%，随着围压的增大弹性模量的减小量有增大趋势；在低围压下，泊松比增大效果显著，在高围压下，泊松比变化不大；岩石三轴压缩破坏峰后跌落应变增大12%，且随围压的增大而减小；单轴抗拉强度下降66%;② 试验所用神东矿区布尔台矿顶板砂质泥岩的抗拉强度与抗压强度的比值约为1/10，且岩石吸水后该比值基本保持不变;③ 弱胶结砂质泥岩的水渗过程易导致裂缝通道局部的崩解，渗透率随注水压力梯度的增大而增大，随围压的增大而减小，渗透率随裂缝通道的崩解而瞬时减小。研究结果为揭示神东矿区弱胶结砂质泥岩水岩耦合力学特性和开展相关工程实践提供了一定的理论依据。

• 东胜煤田导水裂隙发育及其分区特征研究

  鞠金峰, 马祥, 赵富强, 刘阳军, 王业征, 刘乐, 许家林,

  东胜煤田是我国西北部能源供给的重要基地，煤炭资源丰富但赋煤条件多变，导致不同矿区采动导水裂隙的发育存在显著差异；研究揭示东胜煤田采动导水裂隙发育的分区特征对于科学指导区域煤炭绿色高效开发具有重要意义。基于东胜煤田17对主力矿井30个工作面的导水裂隙发育特征统计与实测，获得了赋煤条件变化对导水裂隙带高度(简称“导高”)的影响规律；通过对东胜煤田赋煤条件的典型分区，提出了不同分区覆岩“导高”的预计方法。结果表明，相比深部开采，浅部煤层采动引起的覆岩“导高”波动程度更为显著，尤其在埋深200～300 m，裂采比上下波动范围可达2.55倍。覆岩导水裂隙的发育受控于关键层的破断运动，顶板7～10倍采高范围之外最近一层关键层底界即为导水裂隙发育的顶界；据此合理解释了浅/深埋煤层“导高”波动性差异的原因。浅埋煤层覆岩关键层数量相对偏少，极易出现主关键层进入7～10倍采高范围的情况，造成导水裂隙直接发育至基岩顶界，引起“导高”值的异常大幅度波动。而对于深部煤层，覆岩7～10倍采高范围之外关键层数量相对偏多、间距偏小，当因地质条件改变而引起关键层位置变化时，“导高”的波动范围仅限于7～10倍采高范围附近关键层与其上部相邻关键层之间的间距，难以出现“导高”的大幅度波动现象。据此提出，在埋深低于500 m条件不能直接使用采高倍数法进行“导高”预计，应根据关键层位置及其对破断裂缝导水性影响规律进行判断；而当埋深超500 m时，可按17～24倍采高的统计值进行简单估算。

• 煤炭地下气化现场试验进展与启示

  张金华, 张梦媛, 陈艳鹏, 陈振宏, 陈浩, 东振, 陈姗姗, 薛俊杰,

  为进一步了解煤炭地下气化商业化面临的关键科学问题，基于对国内外典型煤炭地下气化试验的分析，总结归纳了典型煤炭地下气化试验的区域煤层特征、气化工艺、粗煤气组分及热值等要素。结果表明，气化选址需要综合考虑降低环境风险、较好的地质条件和煤炭品位、较好的地质力学-水文地质条件等因素；钻井式煤炭地下气化已成为主流；中深层富氧气化成为重要的突破方向；气化工艺以可控式后退注入点法（Controlled Retracting Injection Point，CRIP）为主流。从埋藏深度和可燃气体组分来看，可以将煤炭地下气化分为浅层（<4 18="">18 MPa）三大类。浅层煤炭地下气化主要发生水煤气反应，粗煤气中可燃气体以H2为主；中深层主要发生甲烷化反应，可燃气体以CH4为主；深层-超深层发生超临界反应，可燃气体以H2为主。将有利区评价、高效气化工艺、稳定运行控制、碳封存等四者有机结合在一起，是实现碳中和目标下煤炭地下气化商业化目标的重要途径，这将是今后煤炭地下气化技术攻关的主要发展方向。

• 面向煤矿智能化的5G关键技术研究

  胡亚辉, 赵国瑞, 吴群英,

  5G通信技术应用于煤矿智能化开采中已成为目前各界的共识。为了给煤矿智能化开采应用提供更为有效的无线通信与信息处理支撑,调研了5G技术在煤矿智能化中的研究及网络建设现状,分析了其在煤矿应用时的理论研究、标准化、实验室研究及试点建设多个方面的进展情况;针对井下无线传播环境及业务需求,从无线频段选择、无线基站选型、组网方式以及核心网建设方式多个层面,研究了煤矿5G网络规划的方案,指出了“统一规划、安全经济、全面覆盖、精细设计”煤矿5G网络规划原则;总结了5G在煤矿中的可能应用新场景,研究并提出5G网络切片应在运营商增强移动宽带通信、低延迟高可靠通信和海量物联网通信三大应用场景的基础之上,进一步细化煤矿的应用场景,同时需协调业务匹配粒度、切片管理与网络资源之间的相互关系,以达到最佳网络资源使用度;研究了煤矿5G边缘计算技术,设计了面向具体煤矿智能化业务需求的云-边-端协同的边缘计算架构,并进行了计算卸载、边云协同等关键技术研究。上述分析与研究表明,商用5G在应用于煤矿智能化开采过程中,仍然需要针对具体应用业务和场景进行网络规划、网络切片,并且由于5G技术本身处于不断更新发展之中,因此在5G与煤矿智能化结合的过程中,需不断融入新技术,并在新技术的背景下仔细评估所采用的关键技术、网络设计与建设方案。

• 长壁综采工作面无人自主开采发展路径与挑战

  王世博, 葛世荣, 王世佳, 李争, 万志军,

  智能化无人开采是实现煤矿安全高效开采的技术途径。根据无人控制系统发展的一般规律，分析了综采工作面控制系统发展历程包括远程遥控、自动控制和自主控制3个阶段。综采工作面自主控制需要解决综采工作面环境实时感知、综采“三机”协同控制、高精度煤层地理信息系统、开采工艺智能决策与无人综采工作面评估试验方法5个方面的问题。总结了综采工作面控制系统的3个目标任务：可靠割煤与装煤、保持工作面几何关系、围岩可靠支护；凝练了综采工作面控制系统的8项关键技术：液压支架电液控制技术、综采装备协同控制技术、工作面通信技术、工作面可视化技术、采煤机定位技术、采煤机自动调高技术、工作面自动调直技术、工作面围岩支护控制技术，并分析了综采工作面控制系统关键技术与其目标任务之间的逻辑关系。通过分析综采工作面控制系统关键技术的功能需求和综采工作面自主控制的研究问题，提出了综采工作面由自动控制迈向自主控制首要解决的问题，即工作面煤层地理信息系统精细化、采煤机截割规划策略、工作面围岩智能支护策略以及综采工作面控制系统适用性评估检验方法。

• 基于激光扫描的综放工作面放煤量智能监测技术

  胡而已,

  放煤量智能感知是智能化综放开采的关键技术，通过综放工作面后部刮板输送机煤流量的实时监测可动态调控放煤口动作，结合煤矸识别和顶煤厚度监测信息可有效避免工作面过放和欠放，提高煤炭资源开采回收效益，防止刮板输送机过载等安全生产事故发生。提出基于激光扫描的综放工作面放煤量智能监测方法,引入三角微元法构建放煤量回归实时计算模型，通过测量临近放煤口位置的后部刮板输送机上部运煤量来表征工作面实时放煤量，采用高性能多次回波信号反射激光雷达扫描，快速捕获、存储高精度三维激光点云数据，提出基于最小二乘法的激光回波数据回归处理算法，与传统三次样条插值算法的对照实验表明，数据回归算法的计算精度和计算效率具有明显优势，同时在实验室环境下验证了该算法的鲁棒性，研制了放煤量激光扫描测量装置防爆样机，在晋能集团塔山煤矿8222工作面开展了放煤量智能监测系统的工业性试验，验证了监测技术和装置的可靠性。

• 透明工作面智能化开采大数据分析决策方法及系统研究

  张科学, 徐兰欣, 李旭, 毛明仓, 符大利, 张玉良, 亢磊, 王晓玲,

  为更好地实现工作面开采过程的智能分析与决策，构建了透明工作面模型，通过应用大数据融合技术、模型数字化技术、分析决策技术和机器学习技术，建立了一套可“预测、预判、预控”的透明工作面智能开采大数据分析决策平台。搭建了硬件环境和集群环境，规范了虚拟化集群的存储量指标，设计了大数据智能分析决策平台首页界面、地质数据界面、采煤机规划界面、电液控规划界面和采煤工艺界面，同时概述了数据融合技术、模型数字化技术、分析决策技术、机器学习技术和设备故障自诊断技术等智能开采大数据分析决策系统关键技术。智能开采大数据分析决策平台主要包括数据运营中心、数据融合系统、算法集群系统、决策交互系统、验证评价系统等内容，平台实现了对综采工作面不同设备的多种通信协议数据的统一、转换、关联、分类和存储，同时基于开采工艺、综采自动化控制技术、惯性导航技术和雷达测距技术来不断对透明地质模型修正更新，分析得出综采设备精准控制决策信息。通过工业性试验，对地质数据进行收集和分析，建立了透明工作面三级智能开采模型，构建了透明工作面智能开采大数据分析决策系统总体设计架构，实现了利用大数据分析决策技术对截割模型进行实时修正，实现了智能精准开采。

• 悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统研究

  张旭辉, 赵建勋, 张超, 杨文娟,

  悬臂式掘进机的自动化、智能化程度低严重制约着煤矿巷道施工技术的发展,智能掘进技术成为目前国内外研究的热点。针对煤矿悬臂式掘进机自动截割控制问题,将视觉测量传感器应用于悬臂式掘进机截割头的控制系统中,提出了悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统。根据悬臂式掘进机的运动学,利用视觉测量系统有效实时反馈截割头位姿,融合惯性导航系统、超声波测距等传感器得到有效信息,采用PID控制方法建立悬臂式掘进机视觉伺服截割控制模型,可根据巷道断面截割施工工艺规划的截割轨迹实现巷道断面的截割成形。介绍了悬臂式掘进机视觉伺服截割控制系统的工作原理以及主要模块,工作人员在规划好截割头在巷道断面的截割轨迹后,系统根据各传感器的测量结果以及误差信息控制掘进机截割头按照规划的轨迹进行自动截割,保存并显示机身位姿及截割头的截割轨迹。试验结果表明:悬臂式掘进机视觉伺服截割控制试验中,掘进机截割头可按照规划的截割轨迹进行自动截割,并且截割头姿态角的变化在0.7°以内,截割头中心点位置误差在18 mm以内,满足巷道掘进的精度要求,并且截割运动过程具有较好的稳定性。

• 煤矿全液压动力头式钻机振动测试与分析

  张幼振, 刘焱杰, 钟自成, 刘若君, 张刚,

  为研究煤矿井下液压钻机的振动特性，指导钻机优化设计和状态监测，以 ZDY6500LQ 型全液压动力头式钻机为研究对象，进行了整机振动测试与分析。根据钻机工作原理得出主要激振源，以低速高转矩运行状态为例，计算了该状态主要部件激振频率。基于振动测试原理，确定了试验方案，结合钻机综合性能检测平台搭建了振动测试系统。在空载、低速高转矩和高速低转矩 3 种工作状态下对钻机的 8 个主要位置进行了振动测试。应用频域分析方法，将测试数据转化为对应频谱，分析了低速高转矩状态下主要激振源引起的钻机振动特性；应用 1/3 倍频程方法，对比分析了 3 种工作状态下钻机8个测点位置的振动总量，以及前后、左右、上下3个方向加速度均方根值的变化规律。结果表明：钻机在低速高转矩状态下，动力头减速箱和泵站柱塞泵是最大激振源；振动频率高于100 Hz时，对钻机整机振动影响较大。在钻机动力头位置，低速高转矩负载使减速器箱体振动总量较空载减少3.11%～7.27%，高速低转矩状态下振动总量较空载增加5～6倍；除动力头外，钻机空载状态下各测点振动最小，拖板、导轨、卡板振动与负载成正相关，低速高转矩状态下振动总量是空载状态的2～5倍；钻机在低速高转矩状态下整机有效功率大于50%，能耗较低。研究结果为优化钻机结构，提升钻探施工安全及可靠性提供了参考。

• 生态脆弱区复垦排土场干扰类型划分及影响因素分析

  谢苗苗, 刘金莹, 陈彬, 刘允瑄, 高姝婷, 周伟, 白中科,

  露天煤矿排土场复垦效果对重建生态系统稳定性具有关键作用，多通过复垦后植被变化的长期监测分析复垦效果。生态脆弱区露天煤矿排土场易受到外界干扰，恢复稳定性呈现较大空间差异，亟需探究排土场干扰类型划分方法及其影响机理。以长时间序列中最优状态下植被的结构和功能特征为比照标准，在前期构建复垦排土场干扰指数（DRDI）的基础上，进一步根据干扰动态特征划分干扰类型，并分析影响干扰类型的自然和人为因素。选择山西省平朔安太堡露天煤矿的4个排土场作为研究区，其复垦类型、复垦开始时间、持续时间各异。基于Landsat遥感影像，计算研究区1986—2017年的DRDI；干扰类型划分为持续干扰型、复垦稳定型、干扰恢复型和复垦退化型；从地形、土壤条件、复垦类型等方面选取可能对干扰类型存在影响的因素进行地理探测器分析。研究结果表明：复垦排土场内部干扰发生后呈现不同动态特征，干扰类型存在空间异质性，小尺度下同一排土场内同一类型在空间分布上存在着空间聚集，以复垦稳定性、干扰恢复型最为明显；单因子对于排土场复垦的影响程度强弱依次为复垦类型、土壤理化性质及地形，同时因子间均存在着相互影响进而影响了复垦；复垦时间分别与全氮、高程、速效钾、有机碳共同作用后对干扰类型的影响较大，全氮与pH的交互作用次之；因子间相互作用方式以非线性增强为主，但复垦时间、植被类型通过影响土壤要素等因子进而影响复垦，以线性增强为主。研究结果揭示了小尺度内矿区扰动与复垦存在的空间异质性及其与影响因子之间的关系，为矿区复垦工作提供建议和参考。

• 陕北采煤沉陷区不同沉陷年限黄土坡面土壤可蚀性的变化规律

  宋世杰, 杜麟, 王双明, 孙涛,

  土壤可蚀性不仅可以定量刻画土壤自身抗侵蚀能力，还能反映人类活动产生的水土流失效应，研究煤炭采动损害对土壤可蚀性的影响有利于煤矿区生态环境保护。以陕北煤矿区沉陷年限分别为1～5、6～10 a的典型沉陷坡面土壤（垂直深度20 cm以浅）为研究对象，分别用MS2000激光粒度仪和总有机碳分析仪测定了土壤机械组成和有机质含量，并以此为基础利用EPIC模型计算土壤可蚀性K值，阐明了土壤机械组成和有机质的空间变化特征，揭示了沉陷坡面的水土流失效应。研究结果表明：① 陕北煤矿区开采沉陷不会改变土壤质地类型，但随沉陷年限增加坡顶部位土壤砂化程度加剧，坡中部位土壤砂化程度减缓，坡脚部位土壤砂粒含量下降趋势、黏粒含量增加趋势日趋明显。沉陷1～5 a的坡顶部位10～20 cm土层土壤物理结构恶化最为严重，沉陷6～10 a内的坡脚部位10～20 cm土层物理结构改善最为明显；② 开采沉陷会产生降低坡顶、坡中部位土壤有机质含量的效应，平均降幅为20.8%～55.3%。随着沉陷年限的增加，坡顶部位土壤有机质含量降幅加剧，坡中部位土壤有机质含量降幅减缓。沉陷6～10 a的坡顶部位0～10 cm土层土壤化学结构恶化最为严重，而对坡脚部位土壤有机质含量的影响不明显；③ 陕北煤矿区开采沉陷会产生提高周围土壤的可蚀性的效应，随着沉陷年限的增加，坡顶、坡中、坡脚部位土壤可蚀性K值增幅均有所减缓。沉陷1～5 a的坡顶部位0～10 cm土层土壤可蚀性K值增幅最显著，而沉陷6～10 a的坡中部位以及不同沉陷年限下坡脚部位0～10 cm土层土壤可蚀性K值变化不明显。开采沉陷会显著扩大坡顶部位两层土壤可蚀性的差异，缩小坡中、坡脚部位2层土壤可蚀性的差异；④ 陕北煤矿区沉陷坡顶土壤可蚀性K值较大，土壤抗侵蚀能力较差，应着重考虑人工措施如土壤结构改良、施肥等进行水土流失精准防控，坡脚、坡中部位则应着重考虑自然措施。该结果可为黄河流域中游煤矿区水土流失精准防控和生态环境保护与高质量发展提供科学依据。

• 荒漠化露天矿土壤湿度监测模型的构建———以红沙泉矿区为例

  岳辉, 朱蓉, 刘英, 魏嘉莉, 毕银丽, 姜凯升,

  土壤湿度作为表征矿区地表环境的重要指标，准确监测荒漠化露天矿的土壤湿度对矿区生态保护和可持续发展具有关键作用。以典型荒漠化露天矿区-准东红沙泉矿区及周边区域为研究对象，基于Landsat 8 OLI影像，利用基于植被信息的归一化植被指数NDVI、比值植被指数RVI、条件植被指数VCI，基于热红外波段的表观热惯量ATI和条件温度指数TCI以及基于反射率特征空间的垂直干旱指数PDI、土壤湿度监测指数SMMI反演红沙泉矿区的土壤湿度，结合实测土壤湿度数据验证得知上述指数的反演结果与实测样点的土壤湿度不符，即传统的土壤湿度指数不能单独作为研究区土壤湿度的指数因子。鉴于以上指数存在的不足和研究区特殊的生态环境，提出新裸岩石砾地指数NGLI，并结合SMMI、NGLI和NDVI通过线性加权构建一种适用于荒漠化露天矿区的土壤湿度模型NMSMI，最后评估其精度和适用性。结果表明：① 构建的裸岩石砾地指数NGLI能够有效提取研究区裸岩石砾地和露天采坑的土壤湿度，NGLI与实测土壤湿度呈显著负相关（R2=0.245,P<0.01），验证点的均方根误差RMSE为0.009；② 基于熵权法和线性加权法，利用SMMI、NDVI、NGLI三种指数构建新型修正土壤湿度监测指数NMSMI，经验证NMSMI与实测土壤湿度呈显著负相关（R2=0.517,P<0.01），验证点的均方根误差RMSE为0.004，且反演结果在空间分布上与实测土壤湿度相符。通过实测数据与各传统指数及NMSMI指数的对比与验证，说明NMSMI指数适用于特殊荒漠化露天矿区的土壤湿度监测。

• 含水率对复垦土壤光谱特征及属性估测的影响

  张世文, 杨斌, 冯志军, 徐云飞, 程琦, 黄亚婕,

  为探讨不同土壤水分含量对复垦土壤高光谱特征及土壤属性反演精度影响，以安徽省淮北市某煤矿复垦区为研究对象，采集土壤样本并测定土壤理化性质及风干前后的土壤光谱信息。分析复垦与非复垦土壤之间的差异，明确不同水分条件下的光谱吸收特征，采用配对样本t检验探究不同水分条件下光谱影响波段；利用辐射传输模型和直接标准化算法去除土壤水分影响，并结合吸光度变化比较2种算法剔除效果；以土壤全氮为例，采用不同的波段筛选方法皮尔森相关系数PCC、连续投影算法SPA及其组合算法PCC-SPA建立干土、湿土及校正后光谱的土壤属性预测模型。研究结果表明：风干后复垦土壤光谱反射率明显高于非复垦土壤，两种土壤光谱在可见光波段的差异明显高于近红外波段；土壤水分影响较大的中心波段为1 000、1 450、1 950和2 200 nm，当含水率过高或过低时还会引起可见光波段的差异；与直接标准化算法相比，辐射传输模型能更加有效地去除土壤水分影响，得到的光谱曲线平均吸光度与干土近乎重合；受土壤水分影响，复垦土壤全氮的预测模型降低45.38%，采用辐射传输模型去除土壤水分后建立的预测模型精度显著提高，验证集R2提高超30%，且与干土R2相差小于10%；3种波段筛选方法均能有效地筛选出重要波长变量，其中PCC-SPA筛选出的波段不超过7个，极大优化了模型结构，减少建模时间。该研究结果可作为该区域湿土土壤属性估测的重要方法，为进一步提高煤矿复垦土壤原位属性监测提供新的思路。

• 非离子型复配捕收剂强化长焰煤浮选试验研究

  王磊, 李孟乐, 常国慧, 魏鑫鹏, 桂夏辉,

  非离子型复配捕收剂在低阶煤煤泥浮选综合指标上具有明显优势，但浮选效果易受非离子型表面活性剂类型影响。选用油酸二乙醇酰胺（ODEA）、聚氧乙烯单叔辛基苯基醚（OP-4）、失水山梨醇单油酸酯（Span80）分别与煤油混合制备复配捕收剂进行浮选试验，借助药剂分散性试验、接触角测试、X射线光电子能谱分析、分子动力学模拟等手段，研究了酯类、醚类、酰胺类非离子型复配捕收剂对长焰煤煤泥浮选的影响规律与强化机理。浮选试验结果表明，复配药剂具有较优捕收性和选择性，均可不同程度改善浮选效果，其中复配酯类Span80捕收剂浮选效果最佳，复配醚类OP-4捕收剂、复配酰胺类ODEA捕收剂效果相当，煤油效果最差。机理分析表明，3类非离子型表面活性剂均提升了长焰煤颗粒疏水性，但疏水强化程度因表面活性剂类型而异，主要体现在药剂对煤亲水位点覆盖与烃类油乳化分散的双重作用。由于氢键键合作用，Span80分子极性基团可有效覆盖煤粒表面极性位点，且分子疏水端向水相延伸，大幅增加了煤颗粒表面疏水性；ODEA分子同样可有效覆盖煤粒表面极性位点，效果较Span80分子稍差，但优于OP-4分子。三类非离子型表面活性剂均降低了煤油液滴尺寸，测定弦长集中在50～150 μm。复配酯类Span80药剂体系液滴数量最多，增加了其与煤粒疏水位点的接触时长与面积，更有利于浮选。OP-4相较ODEA，其乳化分散烃类油的优势在一定程度上弥补了其覆盖煤亲水位点的不足。

• ASE萃取对低、中阶煤增产生物气的研究

  武俐, 曹斌, 李怀珍, 罗永涛, 刘兴勇,

  为研究有机溶剂萃取对不同煤阶煤生物气的增产效果，采用加速溶剂萃取法（ASE）分别对中阶煤与低阶煤进行预处理，对原煤预处理后所得残煤和萃余物进行微生物成气实验。通过改变ASE的条件参数，讨论不同萃取温度和萃取次数对煤萃取效果的影响，分析了不同煤阶的原煤、萃取残煤和萃余物的生物甲烷的产生途径及增产效果，对原煤、萃取残煤和成气后残煤进行了傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析，研究了煤中化学结构和官能团的变化。结果表明：ASE萃取的最佳条件是萃取温度为100 ℃，萃取次数为10次；中阶煤的萃取率为1.06%，低阶煤的萃取率为4.23%。在煤生物产甲烷过程中，第一阶段生成的甲烷主要是二氧化碳氢还原途径产出，而第二阶段产生的甲烷主要由乙酸发酵主导。ASE萃取后，中阶煤的残煤和萃余物的生物甲烷产量分别比原煤提高了38%和210%；低阶煤的残煤和萃余物的生物甲烷产量分别比原煤提高了17%和113%。低阶煤经ASE萃取后所得残煤和萃余物的甲烷产量均大于中阶煤的残煤和萃余物，分别高出了33%和4%。原煤经ASE萃取后部分芳环被打开，碳碳双键和羧基含量增加；萃取残煤经微生物作用后，煤中碳碳双键和羧基含量均减少。不同煤阶煤经萃取后明显提高了微生物的利用效率，增加了生物甲烷产量，该方法可为煤生物甲烷的增效研究提供一种新途径。