煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第6期

• 视频直击 《煤炭科学技术》 “二氧化碳捕集、利用与封存”专题重磅上线！

  《煤炭科学技术》,

  2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话,提出中国“二氧化碳排放力争于 2030年前达到峰值,努力争取 2060 年前实现碳中和”的“双碳”目标,这为我国中长期的能源结构调整及绿色发展指明了方向｡ 为保障“双碳”目标的如期实现,必须大幅降低煤炭开采､加工､储运以及利用过程中的温室气体排放,加快推进煤炭工业的二氧化碳捕集､利用与封存(CCUS)技术研发,最大限度发挥煤炭在能源以及社会发展中的支柱作用,同时促进化工､钢铁､水泥等高耗能､高排放行业深度脱碳｡为交流和展示近年来我国在 CCUS 前沿方向取得的最新成果,探讨未来煤炭行业 CCUS 技术的发展趋势,编辑部于2022年第6期策划出版“二氧化碳捕集､利用与封存研究进展”专题,集中报道我国在金属有机骨架材料二氧化碳捕集技术､二氧化碳吸附剂造粒成型技术､高温二氧化碳吸附技术､化学链燃烧技术､微藻固碳减排技术､二氧化碳地质封存技术､煤炭制氢替代技术等方面的 CCUS 技术最新科技成果｡在此,衷心感谢各位专家学者为专题撰稿! 感谢评审专家对专题稿件的评审工作! 特别感谢重庆大学､浙江大学､中国矿业大学､青岛科技大学､中国船舶集团有限公司､华中农业大学､辽宁工程技术大学､华北电力大学､太原理工大学等单位给予专题组织过程中的大力支持!

• 《煤炭科学技术》2022年第6期“煤矿巷道支护理论与技术”专题编者按

  康红普, 张农, 李桂臣,

  井工开采仍是当前我国煤矿开采的主要方式。 煤层开采前需掘进各种类型的井筒、巷道与硐室。 井巷工程的畅通与稳定是保证煤矿安全高效生产的基本前提，同时，井巷施工速度和维护成本直接影响煤矿的经济效益。 随着煤矿开采深度逐年增加，综采工作面开采强度成倍增长，巷道围岩高地应力叠加强扰动加剧， 致使围岩变形与破坏特征发生明显变化，突出表现为流变性、扩容性和冲击性。巷道开挖后即表现为变形大、持续时间长、稳定性差，受工作面强烈采动影响后， 围岩变形与破坏进一步加剧，甚至出现顶板垮冒、冲击地压等灾害事故;采煤工作面矿压显现强烈，煤壁片帮、顶板冒落及支架损坏现象突出。　　当前，我国煤矿综采技术装备与矿井配套设施快速发展，煤矿井下回采巷道掘进和支护工程量大幅增加，“ 采掘失衡”“ 采掘接续” 矛盾成为制约煤矿安全高效集约化生产的核心难题之一。 国内高等院校、科研院所、煤炭企业等积极开展相关研究，在软岩、高应力、大变形、冲击地压、掘进支护一体化等巷道围岩控制方面 取得了许多创新性成果。 国家重点研发计划 “ 煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术” 等项目相继验收。　　值此煤矿巷道锚杆支护方式在我国应用 65 周年之际，集中报道我国煤矿巷道支护理论与技术研究进展方面取得的代表性成果十分必要。 为推进我国煤矿巷道支护理论与技术发展进程，编辑部于 2022 年第 6 期策划出版“ 煤矿巷道支护理论与技术” 专题。 共收到 20 余个单位的 40 余篇稿件，经过同行评议最终刊登 7 篇具有代表性的论文，涵盖我国在巷道围岩卸压控制、高水充填沿空留巷、复杂条件巷道围岩控制、深部硬岩巷道围岩板裂试验、光纤光栅锚杆受力监测、深井沿空留巷稳定控制等方面最新科技成果。　　衷心感谢各位专家学者为专题撰稿! 感谢评审专家对专题稿件的细心评审! 特别感谢中煤科工开采研究院有限公司、中国矿业大学、徐州工程学院、中国矿业大学( 北京)、山东大学、东南大学、辽宁工程技术大学、湖南科技大学、西安科技大学等单位给予专题组织过程中的大力支持!

• 《煤炭科学技术》2022年第6期“二氧化碳捕集、 利用与封存” 专题编者按

  夏奡, 朱恂,

  2020 年 9 月 22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，提出中国“ 二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和” 的“ 双碳” 目标，这为我国中长期的能源结构调整及绿色发展指明了方向。 为保障“ 双碳” 目标的如期实现，必须大幅降低煤炭开采、加工、储运以及利用过程中的温室气体排放，加快推进煤炭工业的二氧化碳捕集、利用与封存( CCUS) 技术研发，最大限度发挥煤炭在能源以及社会发展中的支柱作用，同时促进化工、钢铁、水泥等高耗能、高排放行业深 度脱碳。　　为交流和展示近年来我国在 CCUS 前沿方向取得的最新成果， 探讨未来煤炭行业 CCUS 技术的发展趋势，编辑部于 2022 年第 6 期策划出版“ 二氧化碳捕集、利用与封存研究进展” 专题，集中报道我国在金属有机骨架材料二氧化碳捕集技术、二氧化碳吸附剂造粒成型技术、高温二氧化碳吸附技术、化学链燃烧技术、微藻固碳减排技术、二氧化碳地质封存技术、煤炭制氢替代技术等方面的 CCUS 技术最新科技成果。　　在此，衷心感谢各位专家学者为专题撰稿! 感谢评审专家对专题稿件的评审工作! 特别感谢重庆大学、浙江大学、中国矿业大学、青岛科技大学、中国船舶集团有限公司、华中农业大学、辽宁工程技术大学、华北电力大学、太原理工大学等单位给予专题组织过程中的大力支持!

• 煤矿巷道围岩卸压技术及应用

  康红普, 姜鹏飞, 冯彦军, 赵凯凯,

  煤矿巷道围岩控制方法主要分为支护加固法和卸压法，卸压法是高应力、强采动巷道围岩控 制的有效手段。 目前，我国煤矿已形成包括巷道布置法、巷道围岩近场卸压法及远场卸压法在内的巷 道围岩卸压技术体系。 介绍了巷道卸压法分类及卸压机理、影响因素和适用条件。 巷道布置法的实 质是将巷道布置在采空区下方、上方、边缘及采空区内等应力降低区，是首选的、有效的卸压法。 巷道 围岩近场卸压主要包括切缝、钻孔、爆破及掘卸压巷等方法，卸压机理是在浅部围岩形成一定的变形 空间，减小围岩向巷道空间的位移，并将浅部围岩高应力转移到深部。 巷道围岩远场卸压法主要有深 孔爆破、水力压裂法，通过切断或弱化巷道上方的顶板，减小回采工作面采动对巷道稳定性的影响。 近年来，水力压裂技术得到广泛应用，成为回采工作面坚硬顶板弱化、强采动巷道围岩卸压的有效措 施。 在实例分析中，介绍了区域水力压裂和局部水力压裂卸压技术的应用情况，包括地质与生产条 件、压裂设计及卸压效果。 最后，分析了巷道卸压法存在的问题，对今后的技术发展进行了展望。

• 高水材料充填沿空留巷应力控制与围岩强化机理及应用

  柏建彪, 张自政, 王襄禹, 徐 营, 闫 帅, 徐 军,

  高水材料被广泛应用于不同条件下的薄及中厚煤层沿空留巷、部分条件较好的厚煤层沿空留巷，形成了丰富的高水材料充填沿空留巷围岩控制实践。基于高水材料充填沿空留巷理论研究和现场实践，以应力控制与围岩强化为主线，分析了充填留巷围岩在巷道掘进、工作面超前采动影响、留巷围岩调整稳定和邻近工作面复用4个阶段的应力与变形特征，提出了“基本顶二次破断”的覆岩顶板运动特征。以青龙同昌煤矿15102工作面沿空留巷为背景，数值模拟研究了留巷过程中围岩应力和塑性区分布特征，揭示了充填留巷覆岩基本顶的旋转下沉是留巷巷道所受外力的主要来源；在此基础上，提出了充填留巷围岩控制的关键区域，根据高水材料固结体的较强塑性变形特性，提出了高水材料充填沿空留巷围岩分时分区强化机理，确定了合理的高水材料充填体支护阻力计算式、留巷顶板离层计算式和实体煤帮的支护强度计算式，给出了高水材料充填沿空留巷围岩控制关键参数设计方法，关键参数包括充填体支护阻力（充填体宽度和强度）、顶板支护强度（巷内支护和临时支护）、实体煤帮支护强度。介绍了山西高平青龙同昌煤业15号煤层和赵庄煤业9号煤层高水充填沿空留巷围岩控制2个应用实例，留巷围岩变形控制效果良好。最后，提出了高水充填沿空留巷围岩控制技术的发展方向。

• 复杂条件下巷道围岩控制技术研究进展

  李桂臣, 杨 森, 孙元田, 许嘉徽, 李菁华,

  煤炭资源开采正不断向深部迈进，面临的复杂地质条件问题也日益突出。深部资源开采、地下空间开挖等深部岩石工程活动迅速增加，而这些工程活动的开展和巷道的稳定性密切相关。重点总结了复杂条件下煤矿巷道围岩控制领域的相关成果，梳理了当下巷道围岩控制面临的主要复杂条件，划分了工程地质条件和开采技术条件2类巷道复杂条件。阐明了各类复杂条件下巷道围岩的变形破坏特征，指出了围岩应力、围岩性质和支护结构是巷道围岩控制的3类基本对象，明确了围岩应力环境恶化、围岩性质劣化和支护体性能弱化3种失稳形式，在此基础上揭示了不同地质环境与采掘时空关系下回采巷道的失稳机制。分析了现阶段困难巷道围岩控制基本机理：改善围岩应力环境、改良围岩性质与强化围岩承载结构；详述了基于卸压、改性、支护与协同控制的围岩控制技术在不同复杂条件巷道的阶段性理论研究与技术应用现状。同时，分析了泥质采动巷道渗流失稳与围岩控制的典型工程案例，揭示了该类复杂困难条件的巷道围岩失稳机理，提出了疏水泄压、泥岩置换、分级注浆、高强度封层支护结构与底板结构等多种方法协同作用的高强度综合修复与控制技术体系。最后，基于上述4方面研究，结合工程实践，展望了未来复杂条件下巷道围岩控制技术的发展趋势。

• 深部硬岩巷道围岩板裂破坏试验研究进展与展望

  罗 勇, 宫凤强,

  深部硬岩巷道及隧道围岩开挖后易诱发大致平行开挖面的板裂或层裂破坏现象，严重影响深部工程的稳定和安全。板裂现象的形成不仅与开挖前深部围岩岩性、所处应力环境有关，还与巷道开挖过程中围岩所经历的应力路径密切相关。室内试验是研究深部围岩板裂破坏的一种重要方法，而比照深部硬岩巷道开挖的应力条件和应力路径开展室内试验研究是获得板裂破坏特征和科学揭示板裂破坏形成机制的关键。根据室内试验研究所选的试样类型出发，从实心长方体试样板裂试验、含预制孔洞试样板裂试验以及“先加载后孔内卸荷”板裂试验三方面，重点介绍了板裂破坏室内试验设备发展情况和取得的研究进展，总结了板裂破坏室内试验研究中主要存在的问题和难题，提出了板裂破坏室内试验研究的未来发展趋势和方向：①研发与岩石性质相似的3D打印材料，构筑深部岩体大尺度巷道开挖模型试验试样；②研制能真实模拟巷道围岩应力条件和应力路径的大尺度、高吨位的真三轴试验系统，实现三维应力环境中巷道开挖过程模拟；③开发能显示围岩实时变形、裂隙和应力状态的监测技术和软件。在此基础上，开展室内巷道板裂破坏试验模拟，并结合数值模拟试验结果，总结板裂破坏特征和演化规律，获得板裂破坏具体量化指标，并建立含关键指标的板裂破坏判据，揭示深部围岩板裂破坏形成机制。

• 基于光纤光栅技术的巷道支护锚杆受力监测

  彭 泓, 刘亚飞,

  锚杆支护效果决定了巷道支护的质量和效率，现实生产中一直存在锚杆崩断导致支护失效的问题，给煤矿生产带来了安全隐患。目前国内对锚杆监测主要应用锚杆（索）测力计、表贴式传感器，但是测力计无法实现对锚杆杆体服役状态的监测与分析，表贴式传感器虽可以测量杆体受力但其工业应用效果较差。提出一种针对锚杆杆体受力进行监测的矿用光纤光栅锚杆传感器技术，本传感器利用光栅体积小且抗拉的优势，将多个Bragg光栅链式连接并将其埋入锚杆，实现了对杆体受力变化规律的分析及对杆体破裂的预报预警功能。通过工业试验对系统进行测试，在工作面前方200 m的位置安装32组锚杆传感器共160个数据采集点，应用自主研发的32通道解调设备对光栅数据进行采集存储，结合工作面推进速度对数据进行分析验证。结果表明：在工作面回采对锚杆杆体受力的影响范围约为60 m，在60 m以外影响微弱，而进入50 m以后锚杆杆体受力变化显著增加，同时区段平巷两帮部分位置出现变形；处于内帮的锚杆杆体变化要比同一断面上位于外帮的变化更为明显，外帮杆体局部受力变化量约为30 kN，内帮杆体局部受力变化可达150 kN。单个锚杆杆体受力呈现非线性变化状态，锚杆受力变化最大位置随着工作面的推进而产生变化，受力主要集中在锚杆靠近托盘处的位置以及埋入巷帮中较深的部位；锚杆杆体变形受到轴向拉伸和径向剪力的双重作用；从锚杆单日受力分析得出，杆体并非处于一直变形过程中，在完成一次变形后杆体会进入稳定状态直至下一次压力或扰动到来。

• 深井矸石充填工作面沿空留巷围岩控制原理与技术

  王 平, 曾梓龙, 孙广京, 冯 涛, 李乃录, 刘金海, 李 鹏, 江永志,

  深井工作面矿压显现剧烈使得沿空留巷存在诸多困难。采用矸石充填采空区可有效限制深部采场覆岩大范围的破断、运动，缓解深井工作面剧烈的矿压显现，为深井工作面沿空留巷奠定基础。通过现场实测和理论计算探讨了深井矸石充填工作面覆岩运动特征，探讨了沿空留巷围岩承载结构及其稳定性。根据新巨龙煤矿2305S-2号工作面实际情况，设计了以矸石墙+钢管混凝土立柱为主的巷旁支护结构，并提出了留巷顶板超前支护、强力护表、深部锚固，巷旁支护结构合理宽度、侧向约束、协同承载，实体煤帮卸应力、防冲击、控片帮的控制方式，留巷底板高应力深部转移的沿空留巷围岩控制原理和先固顶→再护帮→后控底的沿空留巷围岩控制原则。形成了锚杆+W钢带超前支护和长锚索+注浆锚索永久支护的沿空留巷围岩控制技术，成功实现了新巨龙煤矿2305S-2号深井矸石充填工作面沿空留巷。沿空巷道围岩实测发现留巷矸石墙变形不均匀，承载能力增长缓慢，钢管混凝土立柱钻底，顶板锚索易破断等问题。需要进一步加强留巷矸石墙的侧向约束，提高矸石墙承载能力。钢管混凝土立柱底部安装大垫板，控制立柱钻底量，沿空留巷顶板锚索要求具备一定的延伸率，实现长锚索与顶板围岩的协同变形与承载。

• 特厚煤层回采巷道塑性区形态特征及演化规律研究

  镐 振, 孙光中,

  针对特厚煤层回采巷道围岩破坏严重的问题，以义马煤田千秋矿21141工作面运输巷为工程背景，采用理论分析和数值模拟的方法，研究了回采巷道塑性区形态特征及其在采动应力作用下的演化规律。结果表明：①塑性区形态特征取决于双向载荷比值，不同的应力条件下，圆形巷道围岩塑性区呈圆形、椭圆形或蝶形分布。②受工作面回采的影响，特厚煤层回采巷道区域主应力场的大小和方向将发生改变。随着到工作面距离的增大，最大主应力沿回采巷道轴向先急剧增大后逐渐减小，在距离工作面处15 m达到峰值，最大主应力与x轴夹角则逐渐增大并接近于竖直方向，最小主应力也呈先增大后缓慢减小，峰值位置在距离工作面约25 m处。③在采动应力作用下，工作面前方回采巷道塑性区形态特征会发生变化。随着到工作面距离的减小，回采巷道两肩角处塑性区不断向深部扩展，其形态由不规则逐渐演化成蝶形，塑性区蝶叶方向会随着最大主应力的变化而发生偏转。研究成果可为特厚煤层开采方案设计、回采巷道支护参数确定等提供理论依据。

• 二氧化碳用于地质资源开发及同步封存技术综述

  包一翔, 李井峰, 郭 强, 蒋斌斌, 苏 琛,

  以煤炭为主体的化石燃料目前占我国一次能源消费的80%以上，在“碳达峰、碳中和”目标下，二氧化碳捕集与封存技术(CCS)是二氧化碳(CO2)规模化减排的关键技术。对比了世界各国CCS工程应用的进展，全球目前共有164个CCS项目(分布在28个国家)，正在运行的CCS项目有56个(分布在15个国家)，美国、中国和英国是CCS项目总数排名前三的国家，正在运行的CCS项目数前三的国家为美国、中国和加拿大。介绍了CO2用于石油、卤咸水、天然气、可燃冰等地质资源开发并同步实现不同程度地质封存的技术原理。CO2驱油技术比传统生产方法碳强度低，同时能够利用原油采空区实现CO2封存。深部卤咸水层的理论CO2封存容量可实现保持大气中CO2浓度约为450×10-6，卤咸水及其所含矿物元素均可转化为收益从而抵消一部分封存技术成本。采用CO2驱替甲烷等气体时，岩层特性、注入压力和温度等决定了生产效率，天然气储存地层的密封性有助于减少CO2在竖直方向的扩散和损失。探讨了CO2地质封存协同高浓盐水处置、CO2用于地下煤气化、CO2用于干热岩开发技术。CO2封存协同高浓盐水处置可实现二者同时减量，浓盐水中的高硬度可加快CO2的碳酸化过程。CO2用作气化剂，可调节合成气的组成，但气化过程较难控制，煤气化产生的地层空间可用于CO2封存。CO2用于干热岩开发可节省用水、减少管道结垢等，但CO2较高损失率或导致封存效果不够理想。最后，总结了CCS面临的成套装备开发缺乏、技术原理认识不足、技术成本高、法律法规不完善等问题并对其应用潜力进行了展望。

• 燃煤烟气CO2吸附剂造粒成型技术研究进展

  于 戈, 付瑞诚, 李 敏, 赵 瀛, 胡迎超,

  燃煤烟气排放的碳源被认为是全球CO2浓度快速上升的主要因素之一，为应对以CO2为主的温室气体大量排放所带来的气候环境问题，世界各国纷纷将低碳发展上升为国家战略。高温CO2捕集技术一直是碳减排领域的研究重点，CaO基和Li4SiO4基固体吸附剂是目前2种最常见也是最具应用前景的高温CO2吸附剂，吸附剂粉末造粒成型是其工业循环流化使用的必要前提。对CaO基和Li4SiO4基吸附剂的造粒成型技术进行了分析综述，主要通过造粒成型方式对CaO基和Li4SiO4基吸附剂进行分类总结和讨论，并对吸附剂颗粒化学吸附性能和机械强度方面的差异进行了分析。通过综述总结认为：机械成型法制备的CaO吸附剂颗粒通常具备更高的机械强度，但机械成型过程通常会对吸附剂原本的结构有一定的破坏，会造成吸附剂微观结构的密实化，从而影响CO2的化学吸附性能，而注模成型法制备的吸附剂颗粒其化学吸附性能较好，但由于没有机械力挤压的过程，其机械强度有待增强。针对Li4SiO4基高温吸附剂，由于可以避免直接成型过程造成的吸附剂颗粒破碎，间接成型法展现出了更大的造粒成型优势和应用前景。还对CaO基和Li4SiO4基吸附剂造粒成型的未来研究思路进行了探讨，以期对高温CO2固体吸附剂的发展和工业化应用提供助力。

• 我国微藻固定烟气 ＣＯ２潜力时空格局分析

  万伟华, 程 军, 郭王彪,

  微藻固定烟气CO2技术是温室气体控制领域的国际前沿研究热点和高技术竞争焦点，对我国发展低碳经济和节能减排具有重要意义。为促进微藻固定烟气CO2技术在全国范围内的推广使用，研究基于内蒙古鄂尔多斯螺旋藻产业园内CO2固定速率实测数据，模拟得出光照强度、平均气温和日照时长等气象要素对微藻固定烟气CO2潜力的相互作用模型，并将该模型应用至全国范围。通过地理空间显示、全局空间自相关、局部空间自相关等手段与方法，探索分析全国361个行政区划研究单元内微藻固定烟气CO2潜力的时空分异特征及影响因素。结果表明：① 从影响因素分析来看，光照强度对微藻固定烟气CO2潜力的影响效果最大，平均气温其次，日照时长最弱。② 从时空变化规律来看，全国不同行政区划研究单元微藻固定烟气CO2潜力呈现“夏秋季潜力大、冬春季潜力小”的特点。③ 从空间分异规律和集聚特征来看，各地区分时段的微藻固定烟气CO2潜力呈现出差异化分布的空间格局，在区域上呈现不同的变化趋势；空间集聚特征上，全国范围内微藻固定烟气CO2潜力存在显著的集聚效应，呈现出“高-高集聚”和“低-低集聚”特征。研究对我国微藻固定烟气CO2潜力的时空格局、影响因素进行了综合分析，对于该技术在全国的广泛推广具有一定的指导意义。

• 金属有机骨架材料 （ＭＯＦｓ） ＣＯ２捕集和转化研究进展

  刘丰盛, 董 昊, 王 涛, 黄 炜,

  社会和工业现代化的进步，CO2及其他温室气体的排放日益增加，导致温室效应严重、自然灾害频发。为了减少碳排放，大力发展碳捕集、利用与封存技术（CCUS）势在必行。目前，常用的CO2捕集方法包括吸附分离法、化学吸收法、膜分离法、CO2直接转化等。其中，开发高效、稳定的吸附剂与催化材料是各种捕集技术优化的关键。详细综述了金属有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks，MOFs）在CO2捕集和转化中的应用，分析了目前研究的最新进展，揭示了应用过程存在的问题和解决方法。其中双金属MOFs较单金属具有更多的金属缺陷位及L酸含量，在CO2吸附分离和催化反应中表现出良好的优势。功能化修饰法可以针对不同CO2捕集技术的需求进行对应改性，拥有较高的成功率，尤其是后功能化法，因其改性方法简单、结构维持较好被广泛应用于CO2捕集的各种方法中。前功能化法是最理想的MOFs改性方法，尤其是配体功能化，可以从结构上改变MOFs对CO2的亲和性，但其结构的维持是目前研究的一大难点。MOFs纳米流体吸收剂的制备可有效增加吸收剂内部的传热传质，改善传统纳米颗粒的团聚现象，有利于稳定悬浮液的形成，增加了CO2吸收量，但吸收剂的黏性控制是目前研究的壁垒。另外，作为膜分离法中的填充材料，MOFs因其良好的相容性及丰富的表面官能团，可以有效地提高膜的选择性，同时本身对CO2的高吸附可以提高膜的CO2容量，但MOFs膜的机械性能及循环稳定性还需进一步优化。虽然目前MOFs应用于CO2捕集技术的研究很多，但利用MOFs的CO2捕获系统和经济学分析的文献有限，本研究从MOFs的制备成本、CO2捕集成本和再生成本出发，试图揭示MOFs的化学性质与CO2捕获的过程经济性关系。

• 煤炭制氢替代技术———质子交换膜水电解制氢技术及其衰减机理

  宋 洁, 邓占锋, 徐桂芝, 梁丹曦, 彭笑东, 赵雪莹, 徐 超,

  氢能作为一种零污染、高热值的二次能源，其高效生产和有效利用一直以来都是一个十分重要的课题。目前主流的制氢方式主要是煤炭的焦化和气化，然而，在煤炭的焦化产氢过程中会产生甲烷、一氧化碳等有毒气体，气化过程则会产生大量的二氧化碳，2种煤制氢方式不仅产生的氢气纯度低而且对环境不友好。因此，寻求一种低碳环保、产氢效率/纯度高的制氢方式至关重要。质子交换膜（PEM）水电解制氢具备宽范围快速动态响应能力，在新能源消纳、高比例新能源电网功率动态平衡方面应用前景广阔。但波动电源制氢过程中启停、过载、快速大幅变载等工况会影响质子交换膜电解槽中的关键材料和传热传质过程，导致耐受性不足及性能衰减加剧，严重制约了PEM制氢的大规模推广。因此，亟需开展PEM电解槽衰减机理和失效机制分析，为研发适于波动工况输入的高性能、长寿命PEM制氢装置提供理论指导。主要从传统的煤炭制氢技术6及其弊端、（PEMWE）的基本原理和优缺点、PEM电解槽性能优化的发展现状、PEM电解槽中催化剂、质子交换膜、双极板的衰减机理及其缓解策略5个方面来进行阐述，指导未来PEMWE系统的性能和耐久性提升。

• 球形颗粒Li4SiO4吸附CO2反应动力学研究

  袁伟洋, 秦昌雷, 陈 结, 陈淑珍, 冉景煜,

  Li4SiO4吸附CO2的动力学研究普遍以粉末样品为对象，忽略了流化床反应器对于吸附颗粒尺寸的基本要求，因而大幅削弱了其参考价值。为此，基于挤出滚圆法通过添加PE、C6H12O6、NH4HCO3造孔剂实现了Li4SiO4颗粒成型，分别得到了P颗粒、C颗粒和N颗粒，随后采用热重分析、抗压强度测试和孔结构测试研究了3种吸附颗粒的基础特性；进一步基于吸附性能最优的P颗粒进行了CO2吸附反应过程测试与动力学分析。结果表明：P颗粒的抗压强度最低、吸附性能最优，N颗粒的性能则与P颗粒相反，3种造孔后的颗粒吸附性能均强于未造孔颗粒。孔结构测试发现P颗粒具有最佳的比表面积和孔隙结构、C颗粒其次、N颗粒最差，因此造成了性能方面的差异。晶粒模型及Jander模型对P颗粒CO2吸附动力学的研究发现，反应速率常数随温度升高、CO2浓度升高以及粒径降低而增大，P颗粒吸附CO2过程在〖JP2〗动力学控制阶段的活化能和指前因子〖JP〗分别为41.61 kJ/mol和4.20 m0.133·mol-0.289·s-1，而在扩散控制阶段则分别为114.81 kJ/mol和131.92 s-1。

• 富马酸铝微球吸附剂制备及其 ＣＯ２吸附特性

  赵星星, 丁玉栋, 刘骐玮, 朱 恂, 王 宏, 廖 强,

  CO2大量排放是造成全球气候变化的主要原因，减少CO2排放成为全球共识。多孔材料具有较高的CO2吸附能力、更高的效率和较低的再生能耗，是一种被认为可以取代当前液氨法捕集CO2的有效方案。因此开发化学稳定，高CO2吸附容量，成本低的吸附剂是多孔材料应用的关键。富马酸铝吸附剂因其高的比表面积，气体吸附能力在气体分离领域具有较大的应用潜力。为了简化富马酸铝的合成步骤，本项研究以富马酸二钠作为连接源，九水合硝酸铝作为金属源，在室温下快速合成富马酸铝MOF（mAlFu）微球吸附剂，并用于CO2吸附。扫描电镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、红外光谱（FT-IR）等表征结果显示成功合成了类微球型mAlFu吸附剂。热重分析显示该吸收剂分解温度为400 ℃，具有较高的热稳定性。孔径分析结果表明：mAlFu吸附剂具有发达的孔道结构。研究mAlFu对CO2的吸附性能，结果表明在303 K，100 kPa条件下，mAlFu的CO2吸收量为2.21 mmol/g。通过构建的mAlFu的构象，基于蒙特卡洛法（GCMC）获得mAlFu的吸附量，通过对比实验值与计算值，结果表明选取模拟参数的计算方法可以用于计算mAlFu的气体吸附。同时计算获得烟气条件下的mAlFu吸附剂的CO2选择性，值为14。循环再生性能表明：mAlFu的CO2吸附能力保持稳定，证明mAlFu吸附剂在CO2捕集领域具有较大的应用潜力。

• 化学链铁基载氧体磨损特性及机理研究

  亢炜燎, 刘 方, 杨 丽, 黎彩富, 宋 晨,

  化学链燃烧技术是目前最有前景的CO2捕集技术之一，载氧体是该技术的关键组成部分。铁基载氧体因其来源广泛、价格便宜和环境友好等优点，被认为最具备有工业化应用的潜力，但其存在寿命短、释氧能力弱的问题，磨损是造成该问题的主要原因之一。采用机械混合法制备了煅烧温度为1 300、1 400和1 500 ℃的Fe-Al复合载氧体，分别开展了冷态、热态以及反应态多组流化床磨损试验，分析了煅烧温度对载氧体的磨损和释氧能力的影响，分别研究了氧化反应和还原反应对其磨损的影响，明确了机械碰撞、温度以及化学反应对载氧体磨损的影响程度。研究结果表明:煅烧温度为1 400 ℃的载氧体展现了抗磨损性和循环稳定性能两者之间最佳平衡，基于反应前后载氧体表面的元素分布、晶相分离和微观形貌演变的分析，发现了化学反应中由还原反应引发的载氧体孔容的增加对其磨损和破碎起重要作用，本工作对开发、设计长寿命的复合载氧体有一定的指导作用。

• Ｎ２ ／ ＣＯ２ 混合气注入对页岩力学特性影响规律研究

  吴 迪, 徐绍桐, 苗 丰, 翟文博, 耿岩岩,

  工业废气经脱硫注氨处理后，气体主要成分为N2/CO2。基于减少能源消耗，利用页岩储层有效封存CO2的思想，开展N2/CO2混合气注入对页岩力学特性影响规律研究。以四川省龙马溪组黑色露头页岩为试验研究对象，开展恒温恒压条件下，不同浓度配比N2/CO2混合气注入页岩试验，利用单轴压缩试验和巴西劈裂试验，分析N2/CO2混合气中CO2浓度对于页岩力学特性的影响。研究结果表明：页岩试件经N2/CO2二元混合气浸泡后，混合气中随CO2浓度的增加和相变，试件孔隙增长率呈现先增大后减小趋势，孔隙增长率为34.91%～110.6%；页岩试件的强度和泊松比先降低后增大，弹性模量先增大后降低，单轴抗压强度损失率为37.5%～69.1%，抗拉强度损失率为35.3%～85.4%，弹性模量增幅37.5%～54.7%，泊松比损失率为11.8%～20.6%；混合气中CO2浓度和相态变化对页岩损伤强度有较大影响，损伤因子先增大后降低，页岩表现出明显脆性破坏特征，主要破坏模式为劈裂破坏。初步分析表明：页岩在混合气作用下孔隙结构发生改变。当CO2为气态时，页岩吸附CO2，孔隙产生范德华力，使页岩基质膨胀，天然孔裂隙扩展，孔隙增幅加大，强度降低；当CO2为超临界状态时，混合气中SC-CO2（超临界二氧化碳）对页岩有机矿物质溶解能力，随SC-CO2浓度增加而减弱，孔隙增幅降低，强度衰减率降低。混合气中SC-CO2浓度为11.33 mol/L时，溶解有机质能力最强，页岩孔隙度最大，脆性最高，力学性质劣化效果最明显。

• 工作面断层带静动压分步耦合预注浆加固技术研究

  王 波, 张海峰, 杨张杰, 张敦喜, 余大军,

  为解决煤矿工作面在推采过程中遇到具有复杂原岩应力环境及受采动活化影响的断层带时，面临顶板与煤壁支护困难,停采停面加固破碎围岩开采效率低,开采成本高与安全性差等系列问题，采用UDEC数值模拟方法建立了工作面断层活化模型，分析了断层构造带区域原岩应力分布特点，工作面开采过程中断层活化过程及期间岩体裂隙发育演化规律，提出了从被动过断层到超前工作面预注浆加固断层构造带的断层治理思路，确定了静、动压2阶段分步预注浆的合理有效距离为超前工作面300～400 m和30～50 m。通过对断层构造带平行与扇形注浆孔的分级递进式布置、高压注浆设备的计算选型与泵效校检、“两堵一注+排气管”耐高压(15～20 MPa)定位封孔方式的设计与强度验算，形成了帷幕注浆(0～10 m孔)、浅孔注浆(10～30 m孔)、中深孔注浆(30～80 m孔)和预留深孔注浆(80～130 m孔)相结合的静动压分步耦合预注浆断层带加固关键技术，实现了注浆压力5～15 MPa、注浆流量0～6 m3/h、注浆范围0～150 m的远距离高压注浆，达到了超前工作面30～400 m预注浆加固断层破碎带煤岩体的目的。该技术在淮南矿区成功推广应用，工作面过断层期间无片帮、顶板无冒落，支架工作状态稳定，工作面巷道支护状况良好；工作面推进速度6 m/d左右，效率提高1～2倍，实现了工作面过断层不停面连续化高效回采。

• 地面定向孔超前预注浆掩护巷道穿断层破碎带关键技术

  童仁剑, 郑士田, 吴燕军, 史永理,

  深部巷道过断层破碎带往往应力集中、围岩变形大，是掘进、支护的重大安全隐患。为提高围岩的抗变形能力和强度，减轻巷道锚固支护压力，以淮北矿区巷道过大断层为例，分析了掘进支护过程中矿压大、围岩稳定性差、支护难度大的主要工程问题，采用地面定向孔超前预注浆改性巷道围岩后，顺利掘进通过了断层破碎带。总结提出了基于钻探施工关键技术和高压预注浆关键技术的定向孔掩护巷道过断层关键技术体系，应用四开成孔结构避免了非治理段注浆干扰以及四段注浆分段法实现了断层破碎带精准注浆，并从压水试验、岩性探查、注浆量、注浆扩散距离、物探验证以及掘进支护效果分析方面评价了注浆加固效果。工程实践表明：地面定向孔具有长距离探查巷道岩性、超前高压预注浆的显著优势，改善了软弱围岩力学性质，有效控制了巷道围岩变形，巷道最大底鼓量降比超过62.6%，为巷道支护提供了安全保障，具有重要的推广应用价值。

• 超大采高综采工作面回撤通道支护技术研究

  彭林军, 岳 宁, 安 亮, 李申龙, 蔡逢华, 冯振华, 李明辉,

  为实现榆神矿区8.2 m超大采高工作面大型设备安全高效回撤，以金鸡滩煤矿12-2108工作面回撤通道为工程背景，采用理论计算、数值模拟和现场矿压实测的方法，研究工作面末采阶段基本顶周期来压规律与顶板断裂位置，得出末采阶段基本顶周期来压步距19.3 m，工作面推进距主回撤通道7.9 m时受动压影响剧烈，在贯通前2 m处来压结束，运用停采等压技术证明工作面与回撤通道贯通时无须等压，同时确定基本顶下一次周期来压断裂位置位于主、辅回撤通道中间煤柱约4.8 m处，工作面最终实现了无来压贯通。基于采场矿压规律研究，回撤通道创新性地提出采用恒阻大变形锚索+钢带十字链接按A,B、C三个不同应力分区支护整体受力的新设计方法，通过现场实测应用得出： C区域的锚索伸长量大于B和A区域，越靠近工作面侧锚索下沉量越大，位于回撤通道中部(C区)靠近回采侧恒阻锚索最大延伸量达到180 mm，而垛式支架撤出后大断面巷道一侧邻空成悬臂梁，此时恒阻大变形锚索完全受力，回撤通道顶板整体向采空区倾斜的现象,证明支架撤出过程中恒阻锚索能够保持顶板临时稳定性，保证了顶板没有出现冒顶现象，底板、抹角、帮角基本没有变形，回撤通道围岩控制效果很好。8.2 m综采支架12 d完成设备整体撤架，实现了超大采高综采设备的安全高效回撤，为类似矿井提供了可靠的参考依据。

• 多关键层结构下不同采厚覆岩移动及围岩响应特征

  原富珍, 马 克, 唐春安, 王苏健, 郭涵宇,

  针对多关键层结构下煤厚复杂工作面覆岩移动及围岩应力问题，采用RFPA-Strata数值模拟方法研究了多关键层结构下不同采厚关键层破断特征及不同关键层破断前后支承应力响应特征。结果表明：① 采高小于2.5 m时仅低位关键层破断且能够形成稳定的砌体梁结构，此时低位关键层能够承载自身及其上方至中位关键层下方岩层重量,煤体仅需承载低位关键层下方软岩重量及附加载荷，煤岩体承载力较好，超前支承应力峰值随采高增加逐渐增大。② 采高大于3 m时中位、低位关键层均发生破断，中位关键层破断后形成砌体梁结构，此时中位关键层能够承载自身及其上方至高位关键层下方软岩重量；低位关键层破断后其断裂的岩块未能与前方未完全破断的岩层铰接，低位关键层为悬臂梁结构，此时煤体需承载煤层上方至中位关键层下方岩层重量及附加载荷，超前段煤岩体发生大量剪切破坏导致煤岩体承载力降低，超前支承应力峰值随采高增加逐渐减小。③ 关键层运动影响支承应力分布特征，关键层完全破断后低位关键层下沉位移量减小，超前支承应力峰值大小及其距煤壁的距离随关键层破断均减小。④ 采高大于3 m时，低位关键层破断后主要影响超前支承应力峰值点距煤壁距离，峰值大小变化较小；中位关键层层破断后主要影响支承应力峰值大小，峰值点距煤壁距离变化较小。

• 不同含水率膏体充填材料的单轴压缩试验研究

  王永岩, 于卓群, 崔立桩,

  With the continuous increase of mining amount and the acceleration of green mine construction in China，cemented paste backfill technology has shown a broad application prospect. However，there have been few studies on the mechanical behavior of paste filling materials at different moisture conditions. In order to study the effects of different water content on the uniaxial compression mechanical behaviour of paste backfill materials with low cement content，cemented paste backfill specimens with 3% and 5% cement contents were prepared with tailings，cement and water. The RPH-80 controllable constant temperature-humidity chamber was used to change the specimens moisture content to 0，13%，25% and 36%，respectively. Then the TAW-200 multi-functional mechanical testing machine was used to conduct the uniaxial compression test at a constant displacement rate. The results showed that with the increase of the moisture content，the strength of the backfill decreased. The rate of the decrement in strength gradually accelerated and the relationship between the two parameters could be described quantitatively using a quadratic polynomial fit. The decreasing trend and velocity of the uniaxial compressive strength of the two samples with different cement content were similar. And the compressive strength of cemented paste backfill with 5% cement content was always higher than that of backfill with 3% cement content under different moisture content. On the other hand，with the increase of the moisture content，the elastic modulus of the specimen decreased，the peak strain point first increased and then decreased. The nonlinearity index for the cemented paste backfill was proposed to evaluate the stress-strain curve of cemented paste backfill under different water content. The cemented paste backfill with two different cement content both showed a high nonlinearity at the moisture content of 25%. The nonlinear characteristics of cemented paste backfill could be helpful for the early warning and early intervention of backfill failure. This study provided a reference for further understanding the uniaxial compression mechanical behavior of cemented paste backfill and the safety of backfilling areas.

• 滑带土临界状态线及其在滑坡失稳预测中的应用

  郭晓娟, 龙建辉, 王晓娅, 邢鲜丽,

  滑坡失稳预测一直是滑坡研究的重点和难点，而水又是绝大多数滑坡在自然条件下致滑的关键因素，特别是在黄土地区，由于黄土的水敏性很强素有“十坡九水”之说。临界状态线可以直观揭示滑坡发生时滑带土的临界应力状态，因此，通过研究滑带土含水率与临界状态线的定量关系，可以判断滑带土是否破坏，对滑坡的预测提供依据。为进一步研究黄土滑坡预测的方法，提出了应用滑带土的临界状态线来预测，首先以正城滑坡滑带土为研究对象，开展了不同含水率下的固结不排水三轴试验（CU试验）研究，得到各个含水率下的临界状态线，并以抗剪强度参数为桥梁，推导出土的临界状态线与对应含水率之间的相关关系。试验结果表明：滑带土的临界状态线在不同的含水率下表现为参数为不同的斜直线，其截距和斜率与抗剪强度参数有关，水通过影响滑带土的抗剪强度参数决定着滑带土的临界状态，在含水率为15.28%之后，含水率高的滑带土临界状态线更靠近下方；黏聚力c随含水率先增大后减小，最大值为134.72 kPa；内摩擦角φ则随含水率增大呈降低趋势，而且c对水的敏感度更高。最后，利用柳林县贺西滑坡的勘察资料及经验数据，说明了临界状态线在预测滑坡失稳中的可行性，并得出滑坡发生时达到临界状态线的滑带土占比约60%，从而为预测滑坡发生提供一定指导。

• 煤体破坏裂纹盒维数与其磁信号关联特征研究

  付 帅, 张宏图, 佀庆民, 盛 锴, 王启飞,

  裂纹为煤体受载破坏发生发展的重要表现，而磁信号做为煤体受载破坏能量外泄途径之一，两者之间必然存在相关关系。为研究煤体破坏裂纹与其产生磁信号间量化关系，进一步完善动力灾害磁信号监测预警技术相关理论，首先借助RFPA2D数值模拟软件模拟不同层理性质及数量煤体静载破坏下裂纹形态特征，对比室内试验结果证实了数值模拟结果的可靠性，其次结合所建力-磁耦合模型，得到不同试样破坏后磁脉冲数量及释放磁能量，分析层理性质、数量与磁脉冲数、磁能之间关联特征，再次利用Matlab软件对模拟所得破坏后含裂纹试样进行预处理并分别计算试样裂纹盒维数，分析裂纹盒维数与层理性质及数量的关联特征，最后综合分析试样静载破坏后裂纹盒维数与磁脉冲数、磁能之间关联特征。结果表明：不含层理试样破坏后裂纹盒维数最低，含水平层理试样，裂纹盒维数与层理数量呈线性正相关关系，含垂直层理试样，裂纹盒维数与层理数量之间无显著相关关系。含水平层理试样，层理数量与磁脉冲及磁能呈正相关关系，对于含垂直层理试样，层理数量与磁能呈负相关关系，与磁脉冲数关系不显著。含水平层理试样，裂纹盒维数均与总磁脉冲数、总磁能呈现出很好的正线性相关关系，而含垂直层理试样，裂纹盒维数与总磁脉冲数呈现较好的负线性相关关系，与总磁能之间不存在相关关系。

• 自吸式泡沫发生器发泡机理及其优化设计

  宋双林,

  矿井火灾严重阻碍着煤炭的安全生产，而三相泡沫是矿井火灾防治的有效手段。现阶段，已有的两相泡沫发生器不适于制备三相泡沫，为了开发适于防灭火用三相泡沫制备的泡沫发生器，需要针对三相泡沫的物理发泡特性进行深入分析，并据此对泡沫发生器的结构进行优化分析。据此，针对三相泡沫特点，以自吸式发泡器为例，分析了三相泡沫及其发泡器的发泡特点及形成原理，并借助Fluent软件模拟研究了不同扩散角度下的混合浆液在发泡器内部的流场、压力和湍流强度分布规律，提出了自吸式泡沫发生器的优化方案。结果表明：① 自吸式泡沫发生器是利用自然压差将阻燃气体引射至管路内来实现气体与浆液的充分混合，其设计难点在于维持足够的自然压差来打破气泡与颗粒间的水化层作用；② 当混合浆液流经文丘里管时，速度和湍流强度沿着流动方向均呈先增后减的趋势，并在喉部附近达到极值。管内负压区分布在喉部，且最大负压靠近管道壁面，在喉口附近管壁处开孔来引射阻燃气体更有利于生成三相泡沫。③ 虽然适当增大扩散角可同时提升最大速度和湍流强度，但其提升程度随扩散角度增加而逐渐减弱；此外，最大负压值随扩散角的增加呈现先增后降的趋势；当扩散角度为55°，且开孔位置在喉部附近管壁时最有利于三相泡沫的产生。

• 煤岩抗压强度和弹性模量对不同煤阶区煤层气开发的影响

  田博凡, 康永尚, 邓 泽, 曹明亮,

  为了分析煤阶控制下的煤岩抗压强度和弹性模量变化规律，提出不同煤阶区煤层气开发建议，通过岩石单轴压缩试验和煤质测试，获得了我国18个矿区20块煤岩样品的力学参数(抗压强度、弹性模量)和最大镜质体反射率Ro,max数据，综合前人部分测试数据，系统探讨了从低煤阶到高煤阶(Ro,max=0.33%～3.44%)煤岩抗压强度和弹性模量的变化规律及其对煤层气压裂和排采的影响。结果表明：煤阶显著影响煤岩割理和孔隙发育，褐煤、次烟煤(Ro,max≤0.50%)割理不甚发育，但是孔隙度最大且以大孔为主。演化到中煤阶的过程中，煤岩孔隙度降低，中煤阶(Ro,max≥0.65%)之后，煤岩孔隙度略有增加并趋于稳定，但是割理逐渐发育直至Ro,max=1.50%左右达到最大割理密度。当煤岩进一步演化至高煤阶(Ro,max≤1.9%)，煤大分子官能团重新聚合导致割理融退。受到煤阶控制，煤岩抗压强度和弹性模量随煤阶升高呈“M”型变化规律。在Ro,max≤0.5%(主要为褐煤、次烟煤)、Ro,max≥3.0%(主要为无烟煤)和1.0%≤Ro,max≤2.0%(主要为焦煤、瘦煤)时，煤岩抗压强度和弹性模量较小，容易起裂，但是裂缝短宽不易延伸，导流能力较差。可以提高压裂规模，增加裂缝延伸长度，排采应该注意控制速度，防止产能衰减过快；在0.5%≤Ro,max≤1.0%(主要为气煤、肥煤)和2.0%≤Ro,max≤3.0%(主要为贫煤)范围内时，煤岩抗压强度和弹性模量较高，需要较高起裂压力，但压裂缝易延伸，压裂时要控制压裂规模，防止压穿煤层顶底板隔水层，排采可以适当提高排采速度。

• 煤岩二次暂堵压裂裂缝扩展规律试验研究

  刘 忠, 张继东, 鲁秀芹, 穆福元, 张 聪, 陈美瑾, 邹雨时, 赵 洋, 钟小刚,

  二次压裂是煤层气开采中初次裂缝产量下降时有效增产手段。为研究煤层气储层二次压裂裂缝扩展规律、优化暂堵参数，开展了室内暂堵压裂模拟试验研究。使用大尺寸真三轴压裂模拟系统，样品尺寸为30 cm×30 cm×30 cm，采集沁水盆地煤岩后通过包裹混凝土得到标准试验样品。首先通过加载三轴应力模拟地层环境，后以恒定排量向井筒中注压裂液模拟初次压裂，初次压裂完成后采用CT扫描对岩样内部的初次裂缝形态进行扫描观测，将暂堵剂注入井筒内部并开展二次压裂试验；试验结束通过CT扫描裂缝形态分析二次压裂裂缝形态。试验结果表明:暂堵效果受暂堵剂粒径和用量影响较大。暂堵剂粒径过大，影响压裂液的悬砂效果，暂堵剂容易在井筒内堆积，导致二次压裂施工压力异常升高，暂堵剂粒径过小，难以形成有效封堵，二次压裂时裂缝以沿初次裂缝扩展为主。随着暂堵剂用量的提高，对初次裂缝的封堵效果增强，二次压裂破裂压力升高，促进二次压裂裂缝沿垂直初次裂缝方向的扩展；另一方面暂堵剂进入二次压裂裂缝后形成二次封堵，促进分支裂缝的形成，二次压裂复杂程度升高。研究认为通过暂堵压裂可以促进分支裂缝的形成，提高二次压裂裂缝的复杂程度，增大压裂改造面积提升二次压裂效果。二次压裂裂缝形态主要受暂堵剂粒径与初次压裂裂缝匹配程度及暂堵剂用量等因素影响。

• 基于机器学习的煤系致密砂岩气储层分类研究———以鄂尔多斯盆地 ＤＪ 区块为例

  要惠芳, 赵明坤, 陈 强,

  鄂尔多斯盆地DJ区块煤系致密砂岩气储层为特低孔隙度和渗透率储层，强非均质性是储层预测和评价的关键难题。利用1 880块岩芯柱塞孔渗及33组压汞分析资料，计算了流动层段指数和孔喉半径概率累积分布函数，优选了基于流动层段指数（FZI）的流动单元3分类方案；为解决不同类型砂岩样本数量失衡的问题，对734组宏观岩石相等类别型数据及数值型测井数据进行了二次分层抽样均化采样处理，重构了数据子集；通过参数设定—训练—建模—测试—性能评估的交互验证法优选了建模参数，构建了无监督和有监督2类7种算法的机器学习模型,分别为K均值聚类、朴素贝叶斯、决策树、支持向量机、深度学习、随机森林和梯度提升树；并依据平衡分数f1得分大小确定了梯度提升树学习和深度学习2个最优分类模型。研究结果表明：基于FZI流动单元的砂岩分类，能显著降低非均质性对渗透率预测精度的影响；与无监督方法相比，有监督的、积极的机器学习类方法更契合砂岩流动单元分类原则；梯度提升树学习算法能利用岩石相、成岩相、沉积微相等类别型数据建模，可用于流动单元成因特征等基础地质方面的研究，而深度学习对测井等数值型数据处理能力更强，适合于渗透率预测等工程应用；实现致密砂岩流动单元合理分类的机器学习模型并不惟一，可结合数据类型和研究目的优选算法独立构建。

• 煤矿井下定向钻进防串孔方法及应用

  董洪波, 马 斌, 张阳阳, 范 强, 彭光宇,

  煤矿井下定向钻进技术可精确控制钻孔轨迹，有效提高钻孔深度，已经越来越广泛地应用于煤矿瓦斯治理、地质构造勘探等领域。煤矿井下定向钻孔在施工过程中常与设计轨迹有所差异，当多个钻孔存在于一个工作面时，可能发生串孔现象，影响瓦斯抽采效果形成安全隐患，或者发生孔内垮塌造成经济损失。针对此问题，提出一种基于双目标孪生支持向量机的煤矿井下定向钻孔施工防串孔方法，并通过某煤矿井下定向钻孔试验进行了验证。该方法可集成在随钻测量软件中，利用随钻测量数据对是否可能发生串孔进行实时判断，同时对现场施工进行实时指导。首先确定零点钻孔建立绝对坐标系，包含同一工作面的所有钻孔；其次选择刚完成钻孔测点的倾角、方位角、工具面向角等作为输入参数，通过双目标孪生支持向量回归算法训练样本测点建立回归模型预测下一测点的三维空间绝对坐标；最后将预测点的绝对坐标x轴方向进行切面，得到切点与预测点间距，根据间距进行判断是否存在串孔风险，并在随钻测量软件中给予自动提示。试验表明：通过该方法指导某煤矿钻场定向钻孔施工，可以有效避免定向钻进过程中的串孔风险，消除抽采盲区，为定向钻孔施工质量和钻进效率的提升，提供了技术支撑。

• 基于工业互联网体系架构的矿井大数据平台设计与实现

  张晓霞, 李首滨, 苏上海, 李 昊,

  工业互联网是工业系统与新一代信息通信系统深度融合的新型应用模式，是新基建的重要组成部分和促进两化融合的抓手。为推进煤矿智能化改造和升级，探索通过煤炭工业互联网平台的建设，充分利用物联网、大数据、人工智能等先进技术手段，对煤矿企业生产各环节产生的数据进行采集、存储、加工处理和分析利用，打通信息和系统孤岛，实现数据融合和共享，为安全高效生产提供分析和决策支持。首先基于工业互联网产业联盟发布的工业互联网平台整体框架，结合业界应用实践，围绕煤炭行业特殊应用场景，研究适合于矿井的工业互联网平台解决方案。同时通过分析研究煤炭行业业务数据特征，根据不同层级工业互联网平台的定位，尝试给出了工业互联网平台在煤炭行业落地部署时矿井级、集团级、行业级等不同层次工业互联网平台的功能和协同关系。然后进一步深入设计了一种适用于矿井的云边端一体工业互联网平台技术方案，满足矿井智能化生产过程管控需求，并重点对工业互联网平台的核心支撑大数据平台技术体系进行研究，以数据为导向，设计了大数据平台整体功能架构和技术架构。针对大数据平台的核心技术组件选型，搭建试验环境，利用在某矿井综采工作面实际采集的数据进行试验验证，证明整体架构和技术路线可行，大数据平台的数据存储、访问、计算等关键性能指标符合预期。

• 基于激光点云的割煤顶板线提取技术研究

  姜龙飞, 毛善君, 李 梅, 刘 晖, 张 弘,

  激光扫描数据的获取与处理是煤矿智能工作面的关键技术之一。作为监测煤矿采煤机截割轨迹的重要手段，三维激光扫描技术，因其具有非接触、精度高、受烟尘影响小等特点日益受到重视，但由于激光点云数据存在的海量性、离散性、冗余多的特点，实际生产中，目前只能将远程获取工作面三维点云信息，无法利用激光点云数据的空间特征直接提取采煤机割煤顶板线，即无法提供当前刀采煤机截割轨迹的反馈信息。为实时获取和预测采煤机当前刀割煤顶板线位置数据，在基于物探、钻探、巷道素描和激光扫描等数据构建初始透明化工作面的基础上，利用激光扫描仪，实时感知获取煤矿井下综采工作面的激光点云数据，在充分理解激光扫描装置运行原理和激光点云数据特征的前提下，针对三维激光点云存在的数据离散、信息量大、特征提取困难等问题，通过移除离群点、点云滤波、点云切片和基于空间形态的特征点提取等算法，建立了一套完整的工作面三维激光点云的特征提取流程，实现了综采工作面激光点云的割煤顶板线的自动提取，并与基于目视解译法提取的割煤顶板线数据进行对比验证，误差小于0.04 m的点数量占84%，误差小于0.08 m的点数量占96%，验证了该提取采煤机当前刀割煤顶板线算法的可行性，从而为下一刀或下几刀采煤机截割行程提供数据参考。

• 基于 ＷＯＡ－ＦＯＰＩＤ 算法的钻锚机器人机械臂运动控制研究

  张 君,

  钻锚机器人是实现煤矿综掘智能化的重要装备，其机械臂的控制效果直接影响钻锚机器人支护作业的安全性和高效性。钻锚机械臂的控制通常采用PID控制器，但在环境恶劣、煤层复杂的工况下，PID控制器的参数选择对控制效果影响较大，且由于受整数阶PID控制算法和传统经验调参的限制，难以在短时间内找到控制效果最好的一组参数，导致机械臂末端不能及时准确定位。基于机器人技术、分数阶控制技术和智能优化算法，采用数值建模与仿真分析相结合的方法，利用鲸鱼算法（WOA）对分数阶FOPID控制器进行参数整定并应用于机械臂的运动控制。基于旋量理论利用D-H法建立机械臂关节坐标系及坐标变换矩阵表达式，采用蒙特卡洛算法求解机械臂工作空间点云图；基于独立关节控制理论利用Matlab-Simulink软件，并结合分数阶FOPID控制技术，搭建机械臂关节处液压马达/油缸单输入-单输出系统模型。基于遗传算法（GA）、粒子群算法（PSO）、鲸鱼算法（WOA），搜索算法（GPS）4种智能优化算法，从标准方差、超调量、稳定时间3个动态指标进行对比，分析液压马达/油缸的不同控制组合策略下阶跃影响的效果。通过仿真分析验证了鲸鱼算法（WOA）对整定FOPID参数的有效性。研究工作为无人钻锚机械臂精准定位和自动支护奠定了理论基础，同时也为相关运动控制策略设计提供了参考。

• 柔性轨道式环境巡检机器人设计原理与试验

  曹现刚, 许 罡, 吴旭东, 刘思颖, 李 莹,

  针对煤矿井下特种巡检机器人运动受限于三维环境重建和非结构环境运动轨迹规划等关键技术问题,设计了一种固定柔性轨道式悬挂巡检机器人平台。采用模块化思想设计出防爆多轮悬挂式巡检机器人本体结构;通过理论计算分析多行走轮与多驱动轮情况下机器人在柔性轨道上的驱动能力,建立多轮牵引力数学模型,并根据多轮牵引力数学模型获取水平柔性轨道与给定爬坡角轨道下机器人的具体驱动能力参数,根据所获取的驱动能力参数观察多行走轮与多驱动轮下牵引力的存在形式,最终选择双轮双驱的机器人行走方式。对异侧驱动模块安装方式进行仿真试验,对同侧异轴及异侧异轴驱动模块安装方式进行实物试验。结果表明：采用双轮双驱的行走方式可保证巡检机器人良好的水平行走能力及爬坡能力,其中质量20 kg机器人的坡度角可达25°;异侧异轴驱动模块安装机器人绕运动方向的最大摆角绝对值为2°,同侧异轴驱动模块安装机器人绕运动方向的最大摆角绝对值为5.82°,双轮双驱中驱动模块异侧安装可降低机器人机身的摆动,但是异侧异轴及异侧同轴安装方式并不能消除机身摆动。该机器人在满足基本巡检功能外可提高非结构井下环境的适应性,可增强井下布控的灵活性,降低轨道铺设及回收投入,为煤矿环境巡检提供了新特种巡检平台。

• 我国典型煤化工技术潜在出口能力评价

  张 凯, 王雅静, 赵茜阳, 耿笑颖, 向 杉, 李 墨,

  能源及其相关化工技术的发展与国民经济发展和国家安全息息相关。在我国快速发展过程中，能源化工领域开发的一些具有自主知识产权的技术已经达到国际领先水平。推进能源化工技术的输出对于促进经济发展、提高我国出口产品的技术含量、优化出口产品结构、开拓和保护国外商品市场、带动产品和设备出口方面发挥着重要作用，而研究煤化工技术潜在出口能力是推进技术输出的必要工作。目前，我国尚未形成完整的煤化工领域技术的潜在出口能力评价指标体系，对此，构建了煤化工技术潜在出口能力评价指标体系，提出利用层次分析法对煤化工技术潜在出口能力的定量评价方法。在现有调研结果的基础上，利用该方法对代表性成套技术：煤气化技术—神宁炉、甲醇制烯烃技术—DMTO和煤炭间接液化成套工艺技术包(中科合成油)进行了评价。评价结果为煤气化技术—神宁炉排名第1，其次是甲醇制烯烃技术—DMTO和煤炭间接液化成套工艺技术包(中科合成油)；同时发现制约我国煤化工技术出口潜力的关键因素是海外竞争力、国际认可程度以及技术性能等。对此提出以下建议：① 完善能源化工技术出口政策，加强政策扶持，创造有利环境；抓住机遇，推动转型升级，实现可持续发展；② 加强自主研发，提升工艺技术水平，树立国际品牌形象。

• 碳中和背景下废弃矿山环境正效应资源化开发利用

  王根锁, 刘宏磊, 武 强, 赵 頔, 段 丞, 王汉元, 章爱卫,

  矿山环境正效应开发与利用是推动生态文明建设、延长矿业产业链、推进国家能源结构转型发展、实现“碳达峰”“碳中和”战略目标的重要途径。为系统化研究废弃矿山正效应资源化开发利用，从能源结构转型、碳中和视角出发，分析了矿产资源采掘及其环境负效应的碳源和碳排放，剖析了矿山环境正效应的内涵及其资源属性特征，阐述了生态资源、可回收资源、可再生资源、空间资源、旅游文化科普资源以及原位科学实验资源等正效应资源的开发利用对于削减废弃矿区碳源、增加生态碳汇及推动碳减排的潜在优势。结合内蒙古自治区“十四五”生态文明建设和碳达峰碳中和目标，讨论了开发利用正效应实现碳减排和修复自然碳汇，促进能源结构转型，助力资源型城市碳减排，助力原位科学试验和绿色低碳科技转化以及普及低碳生活能源消费知识等方面的重要作用。结合废弃矿山正效应资源化开发利用中的多元约束条件，从市场化运作和有效的竞争导向、正效应产品和产业政策引导、数字化智能化开发利用以及精准化碳核算等角度提出废弃矿山环境正效应开发利用与管理的对策建议，以期对我国建设北方生态安全屏障、推进废弃矿山资源化再利用以及实现能源行业减排增汇、绿色低碳发展和能源安全战略的有机统一提供科学依据，助力实现国家碳中和战略目标。