煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第3期

• 煤型战略关键微量元素的地球化学特征及资源化利用

  秦身钧, 徐飞, 崔莉, 王金喜, 李神勇, 赵泽森, 肖林, 郭彦霞, 赵存良,

  稀有、稀散、稀土和稀贵等战略性关键元素是用于国民经济和军事国防中的重要原料，发挥着不可替代的作用。随着传统矿床的逐渐枯竭和开采难度加大，煤炭和煤灰中伴生关键元素资源的综合勘探开发和利用越来越受到重视，有望成为一种兼具可循环利用和环境保护双重价值的新型理想替代资源。将煤型战略关键微量元素的地球化学特征及资源化利用作为一个整体，系统阐述了锂、镓、锗、稀土和贵金属等代表性“四稀”战略关键元素含量测定和赋存状态的常用分析方法，在中国煤中的分布富集、赋存状态与地球化学机理，分析了它们从煤到煤灰中的迁移转化和化学形态特征，并对重要关键元素提取过程中的活化浸出、尤其是富集提纯方法进行了总结，最后提出了一些该领域中存在的问题和今后研究应关注的方向，以期为煤及煤灰作为战略关键元素潜在资源进行开发利用的相关理论和技术研究提供科学参考。

• 1.0 m以下薄煤层智能化刨煤开采关键技术研究

  范志忠, 裴印昌, 刘天习, 于凤江,

  针对我国1.0 m以下薄煤层开采空间狭小，作业困难，资源丢弃严重及生产能力低，经济效益差等问题，通过理论分析、关键技术开发及现场验证，对制约1.0 m以下薄煤层无人智能化刨煤开采关键工艺技术进行了系统研究；提出了大功率刨煤机与窄矮型液压支架配套的开采技术方案，建立了包含煤层适刨性评价，“单向双切”刨煤工艺、关键设备和智能化控制系统研制以及安全保障措施等内容的1.0 m以下薄煤层综采技术模式；研制了适应煤厚1.0 m以下刨煤机工作面的系列关键装备，包括液压支架采用了大伸缩比立柱、可调节式推移空间、可伸缩式控制阀组、外露式阀锁和管路集成块式联结等新技术，刮板输送机采用嵌入式悬挂布置的轻便式电缆槽和可旋转式机头搭接装置；研究得出了刨深刨速与刨刀消耗量的变化关系，实现了刨深、刨速根据煤层厚度自适应实时调整；研发了综采工作面刨运机组首尾分源供电、同步集成控制技术，降低了采煤工作面供电电缆槽高度，便利了工作面设备、电缆检查和维护，避免推移刮板输送机、拉架对电缆造成伤害和系列电气故障，也降低了工人劳动强度，为实现极薄煤层开采提供了可能。该技术成果在铁煤集团大兴矿N1E902工作面进行了成功应用，实现了智能化无人控制和安全高效生产，为类似条件下极薄煤层无人化开采提供了借鉴。

• 考虑垮落岩体应变硬化特性的采场覆岩破坏特征研究

  张广超, 陶广哲, 曹志国, 赵勇强, 徐祝贺, 李友, 左昊,

  煤炭开采引起的覆岩运动、变形和破坏直接影响地下水库的储水库存与水源补给能力，为了科学精确化计算地下水库库容，有必要考虑采空区垮落岩体在渐进压实过程中体现出的应变硬化力学特性对采场覆岩“两带”高度分布特征的影响作用。以李家壕煤矿为工程背景，基于垮落岩体在压实过程中体现出的应变硬化力学特性，采用双屈服模型和提出的反演计算方法对采场覆岩破坏特征进行研究，推导得出垮落岩体应力表达式，分析其影响因素，提出了数值仿真计算方法，并采用理论分析与现场实测等研究手段揭示了垮落岩体应变硬化特性对采场覆岩“两带”发育规律的影响作用。研究结果表明:①随着应变的增加，垮落岩体的应力先缓慢增大，当达到某一临界应变后，应力呈近似指数型快速增长；且随着碎胀系数的增加，应力呈现指数型增长所对应的临界应变亦随之增大。②基于FLAC3D内置的双屈服模型，并提出了盖帽压力与材料特性的反演计算方法，实现了采空区垮落岩体应变硬化特性的仿真计算。③模拟结果表明，当考虑垮落岩体的压实和支撑作用时，顶板岩层运动范围和程度降低，引起的塑性区破坏范围亦随之降低，垮落带高度为15 m，减少16%，断裂带高度为65 m，减少13.3%，并基于现场实测结果，验证了上述仿真计算方法的可行性。

• 浅埋双向倾斜工作面综放开采矿压显现规律研究

  郭焘, 张坤铭,

  神华亿利能源有限责任公司黄玉川煤矿216采区内5个工作面中部有构造隆起，导致工作面走向和倾向方向上都存在不同程度的倾角，形成双向倾斜综放工作面。尤其是216上01工作面开采过程中，面临大坡度俯采条件，对综放工作面的设备稳定性产生影响，同时也给顶煤放出和采场矿压控制带来挑战。为解决黄玉川煤矿双向倾斜工作面综放开采矿压加强支护管理的难题，运用FLAC3D软件模拟分析了黄玉川煤矿双向倾斜工作面矿压显现规律，并根据数值模拟结果，提出了管控措施。研究结果表明:近水平综放工作面开采过程中，采场周边的垂直应力、垂直位移和塑性区分布在倾斜方向上是呈现对称分布的，并且在走向方向上有规律波动，而双向倾斜综放工作面则是不均衡分布和无规则变化的。因此可以判断出双向倾斜综放工作面的开采容易造成顶板的偏应力集中，低水平位置的回采巷道矿压显现会更加剧烈，需要加强支护和管理。通过PFC2D软件模拟顶煤开采过程中顶煤流动规律及冒落情况，研究了顶煤流动及放出规律，发现顶煤采出率随着俯采角的增大基本呈现出逐步减小的变化趋势，因此在现场生产中，应当对大倾角综放开采放煤工艺进行针对性地优化。不同放煤工艺下顶煤采出率及顶煤放出量规律模拟结果表明2轮或3轮顺序放煤方式条件下，顶煤的采出率高，说明多轮放煤可以让顶煤缓慢均匀下沉，最大限度减少顶板矸石的混入。根据模拟结果和现场可操作性最终确定了黄玉川煤矿的放煤方式是一刀一放、两轮顺序放煤。

• 基于数值模拟的煤矿井下超大断面硐室支护优化

  司林坡, 王晓卿,

  煤矿井下大断面硐室适合采用“锚杆锚索+混凝土砌碹”联合支护方案，但锚杆锚索与混凝土砌碹在支护中所起的作用尚不明确，具体支护参数也需基于工程经验确定，往往造成支护不足或支护过度。为解决煤矿井下大断面硐室支护难题，以某煤矿井下超大断面液压支架拆解组装硐室为研究对象，基于工程经验提出“锚杆锚索+混凝土砌碹”的初始支护方案，采用数值模拟方法分别针对无支护、锚杆锚索单独支护、混凝土砌碹单独支护、锚杆锚索和混凝土联合支护4种条件进行支护效果分析，基于数值模拟结果提出改进支护方案并进行工程验证。研究结果表明:采用工程经验和数值模拟相结合的方法能够实现煤矿井下超大断面硐室的合理支护，基于工程经验提出初始支护方案，采用数值模拟进行方案参数优化，可避免支护不足或支护过度。锚杆锚索与混凝土砌碹对煤矿井下超大断面硐室均具有良好的支护效果，混凝土砌碹的支护效果要远优于锚杆锚索。锚杆锚索适合作为预支护，减小硐室掘进初期的剧烈变形，混凝土砌碹适合作为永久支护，起主要支护作用。煤矿井下超大断面硐室支护适合采用锚杆锚索和混凝土砌碹联合支护形式，当围岩较破碎时，需要辅以注浆补强，可适当减小锚杆锚索的支护密度，以加快施工速度，并及时进行混凝土砌碹支护。

• 旺格维利式开采采硐间煤柱合理宽度留设研究

  马进功,

  为解决条带式旺格维利式开采(简称“旺采”)特有采硐间煤柱在回采过程中影响顶板稳定性，制约连采设备高效回采、安全退出，降低煤炭资源采出率的难题，以盛平煤矿为研究对象，采用FLAC3D数值模拟研究方法，分析了1.00、1.25、1.50、1.75 m不同采硐间煤柱宽度方案下的煤柱受力情况、煤柱塑性区分布、直接顶塑性区受力、基本顶塑性区受力、巷道顶板下沉量、支架受力状态，得出了条带式“旺采”采硐间煤柱影响回采的有关规律。研究结果表明:采硐间煤柱在常规尺寸范围内，无法通过增加煤柱宽度来阻止其全部进入塑性区；随着采硐间煤柱宽度增大，承载能力增加，更好地保证采硐间煤柱后侧采硐的安全回采且巷道超前段采空区侧煤体塑性区减小；随着采硐间煤柱宽度增加，巷道顶板下沉量逐渐减小，但宽度在1.25～1.75 m的控制效果不会再显著增强，无法通过增加煤柱宽度改变直接顶的总体运移规律；随着采硐间煤柱宽度的增加，基本顶发生破坏的面积会大幅减小，基本顶底部塑性区变化规律未见显著差异，仅区域大小有所不同，表明较宽的采硐间煤柱有着更高的承载能力，但难以改变采场“大结构”的演化规律。采硐间煤柱宽度增大，行走液压支架立柱工作阻力近似线性减小，且对相邻支巷采硐间四边形不规则煤柱的应力峰值没有影响。

• 沿空留巷顶板覆岩二次采动裂隙实测分析

  高永格, 张强, 牛矗, 张开,

  地下煤岩体开挖会引起上覆岩层的断裂、位移进而造成煤层内瓦斯的溢出、裂隙水的流动甚至会造成地表沉陷等矿山灾害。为了研究厚松散层下沿空留巷上覆顶板岩层裂隙破断规律，使用ZXZ20(A)型矿用钻孔成像装置对云驾岭煤矿12307工作面回风巷与运输巷进行上覆顶板岩层破断状态与裂隙发育的观测。在12307工作面回风巷沿走向布置1、2、3号测点，运输巷沿走向布置4、5、6号测点，6个测点的钻孔施工时间段相同、观测时间段相同。观测结果表明:1号测点上方顶板岩层极为破碎，顶板裂隙发育由浅及深不断加剧，在3～9 m出现明显离层，在此区间可观察到6条离层裂缝；3号测点顶板岩层0～3.2 m存在发育充分的裂隙，3.2～6.6 m存在横向裂隙，且6.2 m处有离层现象；4号测点顶板岩层0～2.5 m岩层受到明显破坏，岩层内裂隙纵横交错，2.5 m以深裂隙逐渐减少，只存在原生裂隙；6号测点顶板岩层观测范围内并未发现大的裂隙，岩层整体发育较为完整。上述结果表明回风巷在一次采动后顶板覆岩主要破碎范围在2 m内，在留巷期间二次采动造成顶板覆岩破碎程度加剧，深部岩层同样出现破碎与离层，尤其在顶板上方4 m内离层较多。

• 深孔爆破在小煤柱巷道顶板控制中的应用

  毕慧杰, 邓志刚, 李少刚, 莫云龙, 苏振国,

  为保证深埋坚硬顶板厚煤层开采条件下小煤柱巷道稳定性，采用深孔爆破的方法对巷道顶板进行预卸压。通过小煤柱巷道顶板弧形三角块结构分析，确定顶板预断裂位置，在此基础上，根据现场地质及施工条件，首先分析确定深孔爆破单孔施工参数及装药参数，然后通过理论计算和现场爆破试验的方法，综合确定爆破孔间距为10 m，进而指导现场爆破方案设计。工程实践表明:工作面微震事件大多集中在回风巷一侧，未采取深孔爆破预卸压措施时，能量大于104J的微震事件释放能量占总能量的69%，采取措施后，工作面回采区域尤其是回风巷一侧顶板能量以小能量微震事件的形式有效释放，大能量微震事件明显减少；微震层析成像分析表明，断顶爆破作用致使煤岩体中高应力区域向深部转移，避免了对巷道及煤柱的直接影响；支架工作阻力监测得出，回风巷侧顶板来压周期较短且较稳定，来压步距平均为19.1 m，约为爆破孔间距的2倍，说明断顶爆破对顶板来压活动起到了一定的控制作用；由现场巷道变形观测得出，采取断顶爆破预卸压措施后，巷道两帮变形量及顶板下沉量较未采取措施时减少了78%和80%，未出现严重帮鼓和支护失效现象，巷道变形控制效果明显。

• 突出厚煤层沿空掘巷煤柱留设宽度优化研究

  周礼杰, 陈亮, 程志恒, 艾国, 孔德中, 王蕾, 王宏冰, 郭凯,

  突出煤层开采中存在开采时遗留过多煤柱与消突工程量投入巨大的问题，这和现阶段煤炭开采的理念有差异，合理的煤柱宽度以及安全的巷道布置范围不仅能保证煤炭合理安全的开采，还能提高煤炭资源的采出率、降低突出煤层中防突消突的投入量和工程量。以新集二矿1上煤230102工作面作为研究对象，采用理论分析和计算得出煤层开采过程中邻空煤体的应力分布规律以及极限平衡区宽度范围；采用钻孔测力计实测煤层开采过程中邻空煤体内垂直应力的变化情况，并结合数值模拟模拟工作面推进情况以及结合邻空、实体两侧煤体瓦斯含量确定了突出厚煤层采动卸压影响范围；基于FLAC3D软件模拟不同煤柱尺寸下巷道掘进的情况，结合卸压范围以及工程实践中关注的问题进而确定了合理的煤柱宽度。研究结果表明:①随工作面持续推进，在工作面邻空煤体内的支承应力随距采空区深度的递增呈现先增高至峰值后降低至原岩应力水平的规律，其支承应力峰值会出现在煤壁深入9.18 m附近；②在突出厚煤层开采中，邻空煤体0～25 m为卸压影响区，其卸压区和塑性区为邻空煤体0～9.5 m；③留设宽7～9 m煤柱时，能提高突出厚煤层煤炭资源采出率，降低突出厚煤层沿空掘巷消突工程量，利于巷道围岩控制，保证安全生产。

• 冲击载荷作用下矿柱力学响应特征分析

  董川龙, 宁掌玄,

  随着采矿逐渐向深部发展，冲击地压灾害频繁显现，特别以大空间赋存采空区的坚硬顶板整体冒落引发的冲击灾害严重影响着矿山安全高效发展。以东升庙铜矿11号矿体+850 m水平以上采空区围岩冒落诱致冲击灾害为研究背景，应用工程类比法，建立了冲击力学模型，即将冒落体简化为圆柱体冲击垫层，将矿柱简化为梁结构。基于材料力学理论、应力扩散理论，建立了受冲矿柱内部最大拉应力、剪应力、挠度与垫层厚度的关系式，进一步研究了3个力学响应量随垫层厚度的变化规律以及垫层最佳设置厚度，并应用FLAC3D数值模拟对理论分析最佳垫层厚度的有效性进行了验证。研究结果表明:① 冒落体对垫层的最大冲击力以及此时在垫层中的位移随垫层厚度增加而分别减小和增大，同时2者减小和增加的幅度均随垫层厚度增大而减小；② 矿柱内最大拉应力、最大剪应力、最大挠度均随垫层厚度的增加而减小，同时减小的幅度也随垫层厚度增加而减小；③ 从经济节约、安全有效的角度出发，分析了垫层最佳设置厚度，认为设置厚度18 m左右的垫层是最合理的。研究成果可以为矿山采空区处理、山地道路棚洞防护等工程提供理论指导与经验参考。

• 深井冻结黏土爆破振动传播规律研究

  于建新, 郭敏, 高帅杰, 王晓, 董保立,

  为研究冻结黏土爆破中的应力波传播规律，减小对冻结管和井壁的振动损伤，在立井冻结黏土掘进段开展了爆破试验。通过井下-690 m的爆破振动测试，得到了冻结黏土中垂直、水平径向和水平切向的振动速度，利用萨道夫斯基公式对参数进行拟合，得出冻结黏土单一介质爆破各向振动速度呈现出差异，垂向振动速度>径向振动速度>切向振动速度。对冻结黏土爆破振动信号进行小波(包)分析，得出:爆破距离在0～6.243 m，3个分量上的总能量呈现出Ez>Ex>Ey的规律，爆破振动频率主要集中在250 Hz以内；爆破振动信号能量占比在高频段呈震荡式衰减，低频段衰减慢并趋于稳定；爆破振动总能量占比能量变化一般在频带0～187 Hz急剧下降，在218 Hz左右能量占比又显著增大；垂向能量变化较径向和切向的能量变化更为显著。研究成果对于立井冻结黏土爆破掘进及振动控制具有一定的指导意义和应用价值。

• 大直径救援井安全透巷技术研究

  刘明军, 郝世俊, 郑玉柱, 白刚, 李鹏, 李必智,

  透巷井段是指在救援井施工过程中，为防止上覆岩层出水进入巷道，并保障套管下入、固井时孔底动压力不对巷道顶板造成破坏，井底预留一定厚度的地层。为了实现安全、迅速提升被困人员到地面，要求救援井井径大、优快钻进、精确中靶，同时保持巷道顶板的完整性、控制泥浆涌入巷道。通过理论分析、数值模拟、现场应用等研究手段，优化了救援井透巷施工工艺。通过三维相似模拟，对巷道开挖顶板位移、钻进过程围岩扰动、透巷井段安全距离、套管下深进行研究，同时对空气潜孔锤反循环钻进工艺进行优化，有效封隔含水层及井壁不稳定地层，保证救生舱在救援井下放、提升顺利。以山西某煤矿避难硐室地面救援井为例，建立了巷道开挖、钻进过程数值模拟模型，模拟结果表明:① 巷道和钻孔围岩岩体破坏的主要方式包括剪切破坏和拉伸破坏，且以剪切破坏为主，地层岩石黏聚力越小，围岩塑性破坏区宽度越大。巷道开挖后顶板塑性区高度达到9.59 m，顶板最大下沉量为15.9 cm。② 地面大直径救援井钻进过程中，钻井破坏了地层原有应力平衡，引起周围地层的应力重新分布，造成周围地层产生移动变形和塑性破坏区，且以井眼中心呈对称分布，井壁水平位移的范围为20.3～90.5 mm，塑性破坏区宽度为1.43～1.82 m。③ 施加在井底载荷一定条件下，随着透巷距离的增加，开始巷道顶板有大的拉伸塑性应变，当透巷井段长度增加到15 m以上时，顶板塑性应变减弱，随着透巷距离继续增加，侧帮塑性应变受挤压作用增大。大直径救援井安全透巷技术研究，是对救援井施工工艺技术的进一步完善。

• 急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面瓦斯涌出影响因素研究

  陈建强, 王世斌, 刘旭东, 郑三龙, 王刚, 孙路路,

  急倾斜特厚煤层回采工作面瓦斯涌出问题已经严重影响到煤矿的安全生产。为研究急倾斜特厚煤层回采工作面各因素对瓦斯涌出量的影响，利用分源预测法构建了急倾斜特厚煤层回采工作面瓦斯涌出量预测模型，对采用水平分段综放开采的乌东煤矿+575 m水平45号煤层西翼回采工作面的瓦斯涌出源进行分析并预测工作面的瓦斯涌出量，采用修正的Morris筛选法对采用水平分段综放开采的乌东煤矿+575 m水平45号煤层西翼及43号煤层西翼回采工作面影响瓦斯涌出量的各个因素进行灵敏度分析，结果表明:乌东煤矿+575 m水平45号煤层回采工作面瓦斯涌出量预测模型的预测结果与实测结果具有较高一致性，其最大相对误差为5.43%，最小为0.18%，平均相对误差为3.23%，验证了预测模型的准确性；回采工作面的瓦斯涌出主要来自于开采分段与下部煤体，邻近煤层与上部老采空区的瓦斯涌出所占比重较少；+575 m水平43号煤层西翼回采工作面与+575 m水平45号煤层西翼回采工作面的灵敏度分析结果整体上具有一致性，工作面的丢煤瓦斯涌出系数、开采层瓦斯涌出、煤层的原始瓦斯含量、开采煤层瓦斯含量梯度均为高灵敏度参数，围岩瓦斯涌出系数和分层瓦斯涌出系数均为灵敏参数，采动影响破坏深度为中灵敏度参数，老采空区瓦斯涌出系数为不灵敏参数。

• 采动诱发充填断层活化滞后突水机制研究

  张鹏, 朱学军, 孙文斌, 杨辉, 杨帆,

  构造致灾突水一直是煤矿安全开采的焦点问题，现有研究缺少对于断层带缓冲作用的考虑以及构造内部特征对于构造本身演化影响的考虑，为了解决这一问题，从构造内因入手，基于岩体极限平衡理论对底板隔水层极限水压进行推导，建立了断层影响下采动应力力学模型，获得了采动影响下断层活化力学判据；依据断层活化的力学判据，获得了承压水作用下断层内部裂隙扩展演化形成突水通道的演化特征，初步提出了由于断层充填物的不均匀性导致断层内部受力不均衡导致突水通道的连通滞后进而引发底板滞后突水的观点。利用RFPA2D-FLOW二维数值模拟软件对底板断层活化以及最终形成滞后突水的过程进行了模拟。基于理论分析和数值模拟对采动诱发底板断层活化及滞后突水的特征进行了深入的研究，获得了采动影响下诱发断层活化及滞后突水机制。结果表明:当工作面回采过断层后，当断层附近围岩体应力极限平衡状态被打破，极易促使断层活化诱发底板突水灾害发生，同时由于断层充填物的不均匀性及其缓冲作用使得突水滞后。该突水机制为目前存在断层活化及底板滞后突水事故风险的工作面的水害防治提供了参考。

• 复合射孔技术对松软煤层的损伤效果研究

  杨兆中, 王乃璐, 张平, 李成兵, 李小刚,

  松软煤层具有弹性模量低、抗压强度低及泊松比高等特点，同时节理、割理发育，存在大量天然裂缝。大量研究数据表明，水力压裂技术对煤层气的增产效果并不理想，于是国内外学者逐渐将目光转移到复合射孔技术。针对复合射孔技术对松软煤层的损伤效果问题，采用试验与数值模拟相结合的方法，选取松软煤层中煤样进行三轴压缩试验及分离式霍普金森杆试验，并进行数值模拟计算。结果表明:煤岩在静态压缩下呈现偏塑性，在高应变率条件下呈现明显的脆性，表现出很强的气动力冲击可压性；复合射孔技术比普通射孔剪切和拉伸破坏范围明显更大，损伤裂缝数量更多，裂缝扩展更长；HMX-HTPB系推进剂，升压延迟时间长，峰值压力高，对射孔孔道及井筒周围煤岩压裂作用明显，因此较适用于复合射孔；推进剂外置对射孔孔道附近的煤岩压裂改造作用较为明显，形成多条延伸距离较远的损伤裂纹，对套管、水泥环的损伤破坏效应相对弱。

• 水对含孔煤体蠕变声发射特性影响的试验研究

  张天军, 陈智云, 潘红宇,

  水是影响煤体稳定的主要因素。为了全面分析水对钻孔周围煤岩体蠕变声发射特性的影响，通过室内制取含水率0、4%、8%以及饱和含水4种含水状态的单孔试样，开展不同含水率下的分级加载蠕变声发射试验，得到不同含水率下钻孔周围煤岩蠕变声发射规律。试验结果表明:① 含水率的改变影响钻孔孔周煤岩体的蠕变力学性质，蠕变瞬时应变与稳态应变随含水率的增加呈指数上升，其中饱和含水试样应变增幅更加明显，其瞬时应变及稳态应变最大增幅达到44.5%和28.6%。② 含水率影响蠕变过程中累计振铃计数及轴向应变的大小，轴向应变随着含水率的增加而增加，累计振铃计数随着轴向应变的增加呈线性上升，且含水率越大，累计振铃计数增加幅度越大，不同应力水平下，含水率4%、8%及饱和含水试样的累计振铃计数增减幅度基本维持在43%、53%和74%。③ 声发射振铃率在每一级蠕变阶段都会有增长—减小—稳定的趋势，随着含水率增加声发射活跃程度明显降低，并且蠕变曲线相对于声发射数据在时间上会出现一个滞后效应。研究为瓦斯抽采、钻孔护孔及声发射检测方面提供了指导。

• 陕北榆神矿区富油煤分布规律及形成控制因素

  许婷, 李宁, 姚征, 王强, 谢青, 高骏,

  富油煤开发利用对实现我国煤炭清洁低碳利用、缓解油气供应紧张、保障国家能源安全具有重要意义。鉴于此，基于焦油产率分级划分，对榆神矿区延安组主采煤层富油煤时空分布特征进行了研究，对影响焦油产率的地质因素进行了探讨。结果表明，该区总体以富油-高油煤为主。垂向上，3-1号煤层焦油产率最高，富油煤和高油煤分布面积最大，其次为2-2号煤层，5-2号煤层相对最小。平面上，焦油产率呈东南部高，西北部低的变化趋势，除局部分布含油煤外，其他区域均被富油煤和高油煤覆盖。高油煤在矿区东南部连续分布，东北部零星分布，其中3-1号煤层高油煤分布面积最大且连续性最好。富油煤的形成主要受煤化程度、成煤物质、成煤环境等因素影响。较低的煤化程度对富油煤的发育极为有利，富油煤和高油煤发育比例达96%以上。较高的富氢镜质组含量为富油煤的发育提供了良好物质基础，富氢镜质组(基质+均质镜质体)含量为高油煤>富油煤>含油煤，富油煤和高油煤的富氢镜质组分含量占全岩显微组分的比例均在50%以上，氢元素含量均在4%以上。强还原性环境为富油煤的生成和富集提供了良好条件，富油煤主要形成于三角洲平原到滨浅湖沉积环境，覆水深度越大，还原性越强，越有利于形成高焦油产率煤；高油煤主要形成于东南部覆水深度最大、还原性最强的滨浅湖环境。

• 煤层气井排采中不同应力机制下含断裂煤储层稳定性分析

  章朋, 孟雅, 刘超英, 郭元岭, 闫相宾, 蔡利学, 程喆,

  排采过程中地应力动态调整易导致储层断裂失稳破坏，影响煤层气井开采效率。为研究不同应力机制条件下煤层气井排采过程中含断裂煤储层的稳定性，基于煤储层地应力动态变化模型，推导了不同应力机制下含断裂煤储层稳定性判别模型，分析了排采过程煤储层断裂稳定性变化规律，提出了含断裂煤储层稳定性评价指标(Fcr)。根据实际数据，对沁水盆地南部郑庄区块含断裂煤储层稳定性开展了动态评价。研究表明:含断裂煤储层稳定性受断裂面摩擦系数控制，当排采过程中煤储层破裂面剪切应力与正应力的比值超过破裂面的摩擦系数时，煤储层沿破裂面发生相对摩擦滑动。排水降压和初始产气阶段，不同应力机制条件下，含断裂煤储层稳定性均不断增强。稳定产气和衰减阶段，煤层气不断解吸，产生基质收缩效应，含断裂煤储层稳定性在正断层和走滑断层应力机制下不断减弱，在逆断层应力机制下不断增强。基质收缩效应越强，含断裂煤储层稳定性变化速率越快。假设郑庄区块煤储层为水平展布的各向同性的孔弹性介质，不同井位附近存在最优角度断裂面，排水降压及初始产气阶段，含断裂煤储层在正断层和走滑断层应力机制区域，Fcr分别减小和增大，稳定性分别降低和增强，变化幅度较小，主体仍位于稳定性中等区；稳定产气和衰减阶段，Fcr均加速减小，稳定性显著降低，部分区域降至稳定性较差区，甚至失稳破坏。

• 吐哈盆地水西沟群致密砂岩气成藏机制新理论——近生近储和自生自储

  倪良田, 钟建华, 王桂林, 孙宁亮, 刘选, 郝兵, 孙玉凯, 王劲松, 杨斌, 曲俊利,

  吐哈盆地侏罗系水西沟群是一套典型的地洼型沉积建造，以反映活动型沉积的分选、磨圆很差的长石岩屑砂岩为代表，广泛发育煤层、炭质泥岩和深灰色泥岩，煤系烃源岩的广泛发育为致密砂岩气藏的形成创造了条件。为明确吐哈盆地水西沟群致密砂岩气成藏模式，通过源储配置关系及气藏特征，提出了3种成藏模式:近生近储、自生自储和复合生储。近生近储指的是砂砾岩与煤层直接接触形成天然气藏，自生自储指的是砂砾岩中的碳屑排烃形成天然气藏，而复合生储指的是有前述2种作用叠加形成的天然气藏。研究区致密砂岩气藏甜点形成受控于源储三维空间的良好匹配，在源储配置成藏时间与构造圈闭形成时间上，两者具有“源-储-圈闭-藏”完美的对应关系。成藏物质体系在相同沉积体系下通过“近生近储”生排烃及短距离运移的成藏机制下运聚成藏，甜点区在决口扇发育的沉积区和构造活动强烈的北部山前带最为发育，分布在凹陷中心边缘优质砂体发育的构造高点或圈闭褶皱中心部位，揭示了构造活动对致密砂岩气成藏也有影响，形成地洼盆地天然气成藏的一个优势。“自生自储型”成藏机制在沉积不稳定的决口扇发育区广泛分布，也是一种重要的成藏机制。此外，在盆地尚有由上述两者叠合形成的复合成藏机制。这3种成藏机制是由地洼活动型构造沉积特点所决定的，反映了地洼在成藏上的独特性，非地台所能有。

• 基于裂缝特征的高阶煤剩余资源分布预测

  晁巍巍, 张建国, 张聪, 石斌, 乔茂坡, 崔新瑞, 李雪琴,

  高阶煤剩余资源分布预测是气田开发中后期井位调整部署重要组成部分，合理选择井型和井距可促进井组间面积降压、提高产气效果。而目前精确预测剩余资源分布的关键问题是如何确定已开发井的采动影响范围。针对这一问题，以沁水盆地南部区块为依托，系统分析100余口井的地质参数、压裂监测数据和开发动态数据，剖析了影响煤层气井采动影响范围关键因素。研究结果表明:煤层气井的采动影响范围是由煤层的压裂裂缝控制的近似椭圆状分布；而压裂裂缝受构造影响较大，构造类型影响了压裂裂缝方向，单斜构造、背斜翼部、向斜翼部裂缝方向与最大主应力保持一致，背斜轴部裂缝方向与轴向方向一致，向斜轴部裂缝方向与轴向垂直；构造曲率与压裂主裂缝长度呈负相关关系，曲率越大主裂缝长度越短。基于以上研究结果，建立了剩余资源分布预测方法，其方法的核心内容是依据构造相似性原理，利用聚类统计法，根据已开发井构造特征，推测采动影响分布规律，确定剩余资源分布。运用该方法在樊庄北部实施调整后效果明显，为高阶煤中后期开发调整方案编制提供依据。

• 青海聚乎更矿区煤系页岩脆／韧性变形对孔隙结构的影响

  王安民, 曹代勇, 魏迎春, 聂敬, 秦荣芳,

  煤系页岩的脆/韧性变形对孔隙结构的影响是复杂构造区煤系页岩储层评价的关键因素之一。以青海聚乎更矿区广泛发育的脆/韧性变形页岩为研究对象，挑选出矿物成分相差不大的韧性变形和脆性变形的煤系页岩样品，以扫描电镜、低温液氮实验以及核磁共振为手段，归纳总结了脆/韧性变形的宏观和微观特征，并探讨了其对煤系页岩孔隙结构影响的差异性。结果表明:脆性变形主要使得煤系页岩出现大量的张性或剪性裂隙，并切割了原生孔隙，但并未改变矿物颗粒的排列方式；而韧性变形使得煤系页岩出现大量的揉皱、扭折带、以及不规则翻立等现象，改变了矿物颗粒紧密的排布方式，不仅使得孔容和比表面积增大，也使得原生的孔隙出现受压缩而变形的现象。同时，脆性变形和韧性变形对页岩孔隙类型的影响并未表现出差异性，但韧性变形使得样品的总孔容、比表面积、孔隙度以及有效孔隙度均明显高于脆性变形样品:韧性变形样品总孔容11.970×10-3～13.820×10-3 mL/g、比表面积5.779～8.287 m2/g、孔隙度4.39%～7.34%、有效孔隙度1.34%～2.52%；脆性变形样品总孔容5.546×10-3～7.720×10-3 mL/g、比表面积4.343～4.545 m2/g、孔隙度1.24%～2.76%、有效孔隙度0.43%～0.72%，且韧性变形引起的孔容和比表面积增大主要出现在小于100 nm的孔段范围内。此外，随着孔径的增大，韧性变形样品中非连通孔所占比例逐渐降低，而韧性变形样品中非连通孔所占比例变化并不明显，可以推断出韧性变形使得小孔径孔隙的连通性降低，但会使得大孔径孔隙的连通性增加，而脆性变形则是无差别影响不同孔径范围内的孔隙连通性。

• 基于GIS和随机森林的采动区建筑物损害综合评价

  王文娜, 吴侃, 陈冉丽, 王瑞, 刁鑫鹏,

  煤炭地下开采引起地表移动变形，对影响区内的建筑物造成不同程度的损害，传统的评价方法是根据预计的水平变形、倾斜、曲率来进行损害评价，未考虑建筑自身的因素，其他方法如模糊综合评价、聚类分析等又带有一定的主观性，评价指标和方法没有与损害程度的定级结果相联系，不能够作为判断现行开采的合理性和获取建筑物损害补偿的依据。在传统采动区建筑物损害等级预计的基础上，对建筑物损害的影响因素进行综合分析，通过查阅文献和数据分析选择了影响采动区建筑物损害的曲率、水平变形、建筑时间、结构、面积5个指标，利用随机森林的机器学习方法进行损害等级的预测。以河北省某采动区的两个村庄的建筑物为研究目标，将从一村庄选取的314个建筑物的指标和实际损害调查结果作为训练样本数据集，搭载在房屋调查定级图上，采用随机森林方法进行模型的训练与应用。使用调查定级来衡量评价精度，其中用传统方法预计正确的有70个，而利用随机森林进行综合预测正确的有235个，正确率有明显提升。然后使用模型对另一村庄的278个测试样本数据集进行等级预测，有197个与实际损害调查定级结果相符，而采用传统方法预计正确的只有117个。结果表明，相比传统方法，该研究方法的评价精度有明显提升，更符合实际建筑物的受损情况，对各等级的预测情况进行分析，发现训练样本指标不够全面和等级分布不均对最终的预测精度有一定的影响。

• 基于SBAS技术的煤矿采空区探查与稳定性评价

  张丰, 刁鑫鹏, 谭秀全, 李爱军, 杨隽,

  煤炭资源的长期开采，导致地下大面积采空区的存在。城市建设快速发展使得土地资源日益紧张，煤矿沉陷区土地成为可持续发展的重要资源。进行高精度和大面积的采煤沉陷地探查与采空区稳定性评价工作，有利于缓解地下采空与地面建设间日益尖锐的矛盾，对城市的可持续发展具有重要的现实意义。InSAR技术能够通过历史影像实现大覆盖面积、毫米级精度的地表形变反演，具有常规测量手段无法比拟的优势。为深入探究该技术在煤炭资源采空区调查和稳定性评价工作中的可用性，以济宁城市规划区为例，采用2018-09-12—2019-03-11的14景Sentinel-1影像，利用短基线集技术(SBAS)反演了研究区域的形变时间序列，成功探明了采煤塌陷地的空间分布，并结合相应时间段内的地表实测数据进行了解译精度的评价。对解译结果综合和研究分析发现:① 探测到济宁城市规划区10余处采煤塌陷地，监测成果与水准实测数据间的最大中误差为5.8 mm；研究区内大部分范围内地表形变速率低于10 mm/a，表明相应位置的老采空区已基本趋于稳定。② 所提取老采空区地面点的变形曲线符合开采沉陷的基本规律；形变解译结果能够显著区分不同开采条件下地表残余变形的特征。③ 研究成果能够查明目标区采煤沉陷地的空间分布位置，指导矿山地质环境调查工作高效、有针对性地开展；可以为老采空区稳定性的初步评价提供基础数据。

• 基于时序遥感的黄土矿区耕地变化动态监测——以大佛寺矿区为例

  郭千慧子, 汤伏全, 马婷, 柴成富,

  西部黄土矿区是我国重要的煤炭生产基地，大范围采煤沉陷对矿区耕地资源造成了显著的破坏性影响，但目前对于这种采动引起的耕地变化缺乏定量监测和系统研究。以黄土高原大佛寺煤矿为研究区，通过时序遥感影像分析矿区内主要农作物时序特征，利用增强型自适应反射率时空融合模型将Landsat影像和MODIS遥感影像进行融合，构建研究区30 m分辨率的NDVI时间序列数据集，采用TIMESAT程序包中的S-G滤波法对其平滑重构，结合多光谱遥感数据以及数字高程模型，采用面向对象决策树分类模型，获取研究时段内各期农耕地利用的时序数据。基于年度遥感数据，按照采煤扰动程度将研究区域划分为采空区、沉陷区、间接影响区以及非开采影响区，通过GIS空间分析技术对各影响区内农耕地面积减少的时空分布情况进行分析统计，揭示了黄土矿区耕地变化的时空分布特征，并探讨了采煤沉陷对耕地的破坏及其相关影响。结果表明:研究区内耕地的变化与煤炭资源开采紧密相关，随着采空区的增加，耕地面积逐年减少，且以采煤初期的减少幅度最大。不同采煤扰动影响区内耕地减少情况存在差异，减少幅度随着距采空区越远而逐渐降低，耕地面积减少情况主要发生在沉陷边界以及地形变化处。此外采空区、沉陷区内耕地生产能力及农作物长势情况均较采矿前有所下降，而在煤炭开采的同时，人为干预保护措施能够在一定程度上缓解耕地面积持续减少的情况。研究结果可为黄土高原煤矿区耕地资源科学利用与保护提供参考依据。

• 1.1 m坚硬薄煤层智能化开采关键技术及装备——以陕北侏罗纪煤田为例

  侯刚, 王国法, 张建安, 王彪谋, 薛忠新, 高彬, 李军, 张金虎, 南海云, 张德生, 杨斐文,

  针对陕北侏罗纪煤田埋深浅、普氏系数达到3左右、煤层平均厚度在1.1 m左右、工作空间狭小、大功率设备布置及智能化实施难度高等开采难题，研究了煤层赋存情况与支护成套技术，提出了工作面设备高能积比时空协同及巷道端头大落差柔性系统配套方式、工艺及成套技术。构建了端头大落差柔性系统模型，能积比达到402，满足巷道与工作面1.4 m以上大落差需求，实现了1.1～1.3 m坚硬薄煤层的安全高效智能化开采。研发了1.1～1.3 m坚硬薄煤层智能化成套设备，采煤机采用半悬机身、全悬截割矮机身结构，机身高度759 mm，装机功率1 050 kW，最大牵引速度14.5 m/min；研发了高刚度抗动载液压支架，工作阻力达到9 000 kN，采用防冲击大伸缩比立柱、高强度薄板结构；研发了大运力、矮机身、重叠侧卸的刮板输送机，装机功率达到3×400 kW；研发了薄煤层精小化、智能化相关装置。开发了适用于薄煤层的记忆截割、自动精准找直、智能负荷控制、有线无线双网通信、多数据融合联动、设备远程故诊断和全生命周期管理的薄煤层智能化监控系统，实现了工作面内无人操作的常态化开采模式。通过构建1.1～1.3 m坚硬薄煤层综采智能化开采核心技术体系，形成了陕北侏罗纪煤田1.1～1.3 m(特别是1.1 m)坚硬薄煤层智能化综采成套技术与装备。该研究成果已在张家峁煤矿和凉水井煤矿应用，设备及系统运行稳定可靠，达到了年产煤炭1.3 Mt的能力。

• 煤矸分拣机器人设计与关键技术分析

  商德勇, 章林, 牛艳奇, 范迅,

  煤矿智能化是实现煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，煤矸在线分拣机器人可实现煤和矸石的自动识别与分拣，是实现煤矿智能化分选的重要装备。在总结国内外煤矸分拣机器人和煤矸图像识别技术的研究现状和成果基础上，针对煤矸自动分拣机器人分拣速度低，智能化程度不高等问题，设计了一种基于图像识别的Delta型并联机器人应用于煤矸自动分拣领域。阐述了煤矸分拣机器人的工作原理和设计方案，针对煤矸分拣的特定工况场景，对工业相机、光源、镜头等图像识别系统的硬件进行了选型设计。提出了一种基于灰度和纹理特征融合的煤矸图像SVM识别算法，介绍了机器人控制系统的软件功能设计方法，最后搭建了试验平台并进行了多组煤矸在线识别分拣试验。结果表明，该并联机器人可有效对煤和矸石进行自动识别，并通过控制机器人气动机械手实现对6 kg以下的矸石抓取。针对设计及试验过程中遇到的问题，进一步提出了机器人刚柔耦合动力学模型和误差传递规律、基于深度学习和多特征融合的煤矸石识别算法、考虑外部负载干扰的并联机器人自适应稳定控制策略等关键技术，为进一步加快煤矸分拣并联机器人的推广应用，最终实现煤矿智能化、无人化分选提供一种新途径。

• 煤矿抽水蓄能电站水下巡检机器人姿态调节系统建模与分析

  何涛, 王传礼, 高博, 陈凡, 赵凯平, 王伟俊,

  姿态调节是决定水下机器人作业能力和运动稳定性的关键，为此针对煤矿抽水蓄能电站水下巡检机器人提出了一种基于全水液压的沉浮和姿态调节一体化系统。该系统主要由对称设置于机器人两侧的姿态活塞缸、变量泵及专用六位六通控制阀组成，传动介质来自机器人外部水体环境，其有沉浮、纵倾、横倾和对角侧倾四种调节状态。沉浮调节为机器人与外界水体的质量交换过程，而在调节姿态时机器人与外界水体交换通道关闭，可确保姿态调节过程中机器人本体始终处于悬停状态，提高了机器人调姿过程的稳定性。在结构创新基础上，推导了机器人重心及姿态角方程，建立了其姿态调节AMESim仿真模型，分析了机器人沉浮和姿态调节过程，并研究了活塞缸总长、间距、直径及浮心z向坐标等参数对姿态角的影响规律。结果表明:增大活塞缸直径、浮心z向坐标、活塞缸总长及活塞缸间距均有助于提高姿态角调节的灵敏性，其中浮心z向坐标越大，则其对姿态角的影响作用越明显，活塞缸直径越大，则其对纵倾姿态角的影响越小，而活塞缸总长仅对纵倾姿态角产生影响，活塞缸间距仅对横倾姿态角产生影响；且经过优化，机器人的最大纵倾姿态角和横倾姿态角分别可达78.46°和达68.20°。提出的基于全水液压的沉浮和姿态调节一体化系统具有结构紧凑、调节方便、节能环保等诸多优点，研究结果为后续沉浮及姿态调节系统的研制奠定了理论基础。

• 基于AKPCA算法的井下WLAN位置指纹定位

  宋明智, 钱建生, 胡青松,

  为改进井下WLAN人员定位系统中位置指纹数据库的特征提取及在线定位匹配性能，提出了自适应核主成分分析(Adaptive Kernel Principal Component Analysis，AKPCA)算法。AKPCA算法将最优AP选择算法与核主成分分析(Kernel Principal Component Analysis，KPCA)算法相结合，使本征维数的计算具有一定的子区域自适应性，有效改善了KPCA算法中使用最大似然估计法求解的本征维数对于区域划分后的位置指纹数据库过于单一的问题。最优AP选择因子能够根据区域中AP信号的覆盖状态在位置指纹数据库构建及区域划分后完成最优本征维数的确定。井下人员定位试验结果中，AKPCA算法在各子区域本征维数的计算精度上要优于KPCA算法，且在定位误差为4 m时的置信概率达到了近100%，高于KPCA算法的91.4%。而在定位过程的内存占用对比方面，AKPCA算法的平均内存使用为0.832 GB，要优于KPCA算法的1.278 GB和其他位置指纹匹配算法。综上，AKPCA算法不仅在定位精度上要优于其他特征提取算法，同时也能够有效减少定位系统在线定位过程中的资源消耗。在未来的研究中，将致力于进一步改善区域划分后的井下定位精度。

• 基于超宽带系统的采煤机端头定位策略及定位技术研究

  曹波, 王世博, 葛世荣, 刘万里, 梁耍,

  采煤机的精准定位是实现无人开采的关键，但是现阶段的采煤机定位技术定位精度较低，无法满足高精度定位的要求。为此，提出在综采工作面的两个端头位置分别设置导轨，使超宽带(Ultra-Wideband ,UWB)基站群能沿着导轨整体移动，当采煤机运行到端头时，利用对应端头的UWB定位系统获得采煤机的位置坐标，完成一刀截割之后，UWB基站群沿着进刀方向迁移，为下一次端头定位做好准备，实现“一刀一迁移”的端头定位策略，为惯性导航提供端头校准的依据。考虑到井下实际环境中测量噪声较大，提出了基于最小均方误差准则(Minimum Mean Square Error Criterion, MMSEC)的收缩估计方法；以定位终端与基站群之间的距离构建观测方程，建立扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter, EKF)模型，进一步消除距离残差对定位精度的影响，提高UWB定位系统的位置估计精度；以基站群迁移装置和定位终端移动平台为基础，模拟采煤机的运动，研究所提基站群迁移策略和定位算法。试验结果表明，MMSEC收缩估计方法能够提高运动轨迹的定位精度，第4刀和第5刀的定位精度提升比较明显，平均定位误差由0.341 m，0.394 m减小为0.296 m，0.339 m，定位精度分别提升了13.1%和13.9%，经过EKF平滑处理后，第4刀和第5刀的平均定位精度进一步提升13.5%和10.6%；随着基站群迁移次数的增加，平均定位误差逐渐增大，x轴和z轴平均误差逐渐增加，y轴平均误差基本保持在0.2 m之内；MMSEC-EKF算法的前3刀的定位精度小于0.2 m, 因此采煤机完成3次循环截割后，重新测量基站群的坐标，能够获得更好的定位效果；提出的端头“一刀一迁移”的定位策略及定位算法为井下定位技术提供理论参考，该方法有待井下环境的进一步试验验证。

• 悬臂式掘进机导航技术研究现状及发展趋势

  田伟琴, 田原, 贾曲, 张凯,

  为推动掘进工作面的智能化发展，提升掘进装备自主导航技术，分析了目前悬臂式掘进机导航定位技术面临的问题，详细列举分析了各类悬臂式掘进机导航定位技术的研究现状，如光电导航、惯性导航及多传感器融合等。其中光电导航又细分为全站仪、激光指向仪、空间交汇、iGPS、超宽带、视觉导航几个部分，并分别对各类悬臂式掘进机导航技术进行了归纳总结。最后通过分析悬臂式掘进机导航定位技术的应用与未来发展趋势，对未来悬臂式掘进机导航技术的发展做了展望。认为光电导航技术成熟，但环境适应性差；惯性导航定位精度高、环境适应性强，但难以克服悬臂式掘进机长时短距作业方式带来的误差累积问题；将两者结合的多信息多传感器融合(组合导航)技术将是未来悬臂式掘进机导航的主要研究方向。然而目前硬件技术方面突破难度较大，因此可以优先考虑从应用鲁棒性更强的算法入手对现有导航技术进行融合，以提高悬臂式掘进机导航精度，从而进一步推动矿山智能化的发展。

• 永磁驱动技术及其在矿山装备领域的应用现状

  张磊, 鲍久圣, 葛世荣, 杨小林, 阴妍, 鲍周洋,

  矿山装备多运行在重载、潮湿、隔爆等极端工况环境下，传统的矿山装备驱动系统通常采用交流异步电机驱动技术,为实现矿山的连续化生产，设备经常运行在低效工作区间，智能化程度低，存在着严重的电能浪费。随着电力电子技术与现代电气传动控制技术的发展，永磁驱动技术作为一种利用高效永磁同步电机驱动负载的绿色智能化驱动技术，已经在电动汽车、轨道运输与自动化生产等多个领域得到了应用，但目前在矿山装备领域的应用相对较少，具有广阔发展前景。首先，通过与传统的交流与直流电机对比，介绍了永磁驱动最常用的3种电机:永磁同步电机、永磁无刷直流电机、永磁直线电机的结构特点及应用现状；其次，根据矿山装备运行工况特点，对永磁电机常用的3种变频调速技术进行了分析比较，突出了永磁驱动技术应用于矿山装备领域的优越性。在此基础上，着重分析了永磁驱动技术在矿山采掘装备、矿井运输装备、矿井提升装备上的应用和研究现状，指出针对采掘装备截割部与刮板输送机所处的重载、突变负载等需要低转速大转矩运行的工况，可发展永磁半直驱系统；针对带式输送机所处重载工况和输送带摩擦传动特点，可应用“永磁直驱+永磁张紧”的全永磁智能型驱动系统；为适应超深矿井提升载荷和提升深度的不断增加，可发展“钢丝绳+永磁直线电机”复合驱动的新型矿井提升系统。最后，对矿山装备领域永磁驱动技术的研究重点与发展方向进行了展望，认为面向矿山极端工况大力发展高可靠性永磁驱动技术、基于高效永磁驱动技术开发智能化矿山装备是该领域未来的主要发展方向。

• 高温-热学参数耦合效应下地下气化围岩温度场扩展模拟研究

  刘潇鹏, 郭广礼, 董志勇, 郭超, 周峻, 李怀展,

  煤炭地下气化过程中产生的高温改变了燃空区围岩的热学参数，从而影响燃空区围岩温度场的传播。目前缺乏针对高温-热学参数耦合效应下的煤炭地下气化围岩温度场扩展规律的研究，造成气化过程中温度场扩展的反演计算相对失真，限制了多场耦合条件下地下气化采场围岩控制技术的发展，亟待开展相关研究。利用Fish语言对FLAC3D自带的热传导模型进行改进，建立了高温-热学参数耦合效应下温度场研究的数值模拟方法，并将其应用于煤炭地下气化围岩温度场扩展的研究中，取得以下成果:高温极大改变了煤炭热学参数的分布，同时热学参数的分布的变化也改变了温度场的扩展规律，高温与热学参数具有双向耦合特征；煤炭地下气化围岩温度场扩展经历了3个阶段，煤层燃烧过程中的高温扩展阶段，对流散热过程中的冷却扩展阶段，气化完成后不与外界产生热交换的稳定扩展阶段，热学参数的耦合作用改变了煤炭地下围岩温度场的分布，高温扩展阶段结束后温度场在顶板传播范围为3.2 m，两侧煤壁6.5 m，底板1.3 m。冷却扩展阶段温度场在顶板传播范围为12.2 m，两侧煤壁7 m，底板5.5 m；气化完成后温度场在燃空区围岩内部持续传播，继续影响燃空区围岩的长期稳定性。

• 西部矿区高矿化度矿井水膜蒸馏处理技术

  卞伟, 李井峰, 顾大钊, 郭强, 吕嘉峰, 齐继,

  西部煤矿矿井水有相当比例为高矿化度矿井水，典型的处理工艺产品水符合再生水要求，但存在前期投资高、工艺复杂、处理成本高等问题。统计数据显示，西部7个大型煤炭基地太阳能和地热资源均属于丰富或较丰富。为实现高矿化度矿井水大规模低成本的处理，可充分利用西部太阳能、地热能和工业余热丰富的优势，采用膜蒸馏技术进行处理。其优势主要体现在:可利用低成本热源、浓缩倍数高、工艺流程短、产水水质好、膜污染(润湿)程度轻等。深入阐述了膜蒸馏与太阳能和地热能的结合工艺，指出太阳能膜蒸馏可用于反渗透浓水的地面深度浓缩；地热膜蒸馏则可直接在井下处理高矿化度矿井水，产水回用井下或地面，浓水井下封存，可大幅降低矿井水“零排放”的成本。以宁东地区100 t/h矿井水处理规模为例，分别测算了太阳能膜蒸馏所需的光热面积和地热膜蒸馏所需的换热器长度。结果显示反渗透串联膜蒸馏处理100 m3/h矿井水所需的光热面积约为8 257 m2，可充分利用处理站和蓄水池顶部空间，基本做到不新增占地。地热膜蒸馏井下直接处理100 m3/h矿井水所需的换热器长度约为9 435 m，所需的PTFE中空纤维疏水膜面积为8 333～12 500 m2，采煤工作面上覆层或下伏层的广袤岩土可满足地热膜蒸馏所需的换热空间。

• 改性褐煤吸附酸性矿山废水中Cu2+、Zn2+的试验研究

  狄军贞, 李明伟, 王显军, 杨逾, 梁冰, 孟凡康, 周新华, 孔涛, 李增新,

  针对酸性矿山废水(Acid Mine Drainage,AMD)中的Cu2+、Zn2+含量高，褐煤吸附能力有限等问题，以褐煤为原材料，采用球红假单胞菌对褐煤进行改性制备微生物改性褐煤，探究褐煤和微生物改性褐煤对AMD中Cu2+、Zn2+的吸附特性和吸附稳定性。同时，利用SEM、BET和FTIR等手段，揭示褐煤、微生物改性褐煤对Cu2+、Zn2+的吸附机理。结果表明，与褐煤相比，微生物改性褐煤对Cu2+、Zn2+的吸附去除率均提高15%以上；且微生物改性褐煤对Cu2+、Zn2+的吸附饱和容量分别为22.625 mg/g和21.825 mg/g，较原褐煤分别提高了20.66%和19.92%；脱附试验表明，褐煤及改性褐煤对金属离子的吸附具有较高的稳定性。褐煤、微生物改性褐煤对Cu2+和Zn2+的吸附均符合准二级动力学模型，说明吸附过程为化学吸附，主要为离子交换作用；褐煤、微生物改性褐煤吸附Cu2+、Zn2+两种金属离子的等温线均属于Langmuir模型，吸附符合单分子层吸附过程。由SEM、BET和FTIR测试可知，褐煤经球红假单胞菌改性后表面结构遭到破坏，比表面积大幅增加，部分官能团溶解导致褐煤表面孔隙增加；同时，褐煤分子结构发生改变，含有C═C的烯烃及环状烃中的主链、支链断裂、褐煤中—CHO和C═O等含氧官能团会出现分解，从而产生较小的羟基类和醇基类等小分子有机物，—OH、—COOH等含氧官能团大量增加，吸附点位增多，提高了褐煤的吸附能力。

• 排矸方式对矸石山稳定性的研究

  李建华, 陈涛, 杨木林,

  为探究排矸方式对矸石山稳定性影响规律，提出有利于提高矸石山稳定性效果的矸石排弃方法。首先依据矸石来源进行分类，通过对矸石试样单轴压缩力学试验测试，分析其力学性质的特征及产生该特征的原因，进而针对李家壕矸石山建立模型，利用数值模拟软件GeoStudio中的SIGMA/W模块和SLOPE/W模块进行父子项分析，采用模拟软件的有限元计算方法分析矸石山内部的应力分布状态，根据应力重分布状态，结合极限平衡法对力学参数折减，得出采煤工作面矸石在不同排弃方式条件下对矸石山整体稳定性的影响规律，并对采煤工作面矸石在不同排矸方式与不同埋深两种耦合条件下，得出矸石山的稳定性变化规律，最终提出有利于矸石山稳定性的排矸方式。结果表明:矿井生产过程中根据矸石来源不同可分为采煤工作面矸石和掘进工作面矸石，这两类矸石的强度存在差异，采煤工作面矸石强度明显弱于掘进工作面矸石强度，试验表明掘进工作面矸石试样的平均单轴抗压强度是采煤工作面矸石试样的1.6倍；不同排矸方式下采煤工作面矸石排弃后坡顶线位置相同，且剖面上排矸面积相同条件下，平铺式、倾倒式排矸方式相比均一参数矸石山稳定性系数，分别降低了16.4%和29.0%，平铺式排矸更有利于矸石山的稳定性；采煤工作面矸石采用平铺式排矸时，其埋深的变化对矸石山稳定性影响较小，深度为0时稳定性系数为1.56，降低7.9%，深度为5 m时稳定性系数为1.53，降低9.6%；而采用倾倒式排矸时，埋深的变化对矸石山稳定性影响较大，深度为0时稳定性系数为1.09，降低35.3%，深度为5 m时稳定性系数为1.07，降低36.5%，且危险滑动面常贯穿采煤工作面矸石层。