煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第7期

• 煤矿地质透明化典型应用场景及关键技术

  程建远, 王保利, 范 涛, 王云宏, 蒋必辞,

  简要回顾了煤矿地质透明化的提出背景，诠释了煤矿地质透明化的技术内涵，辨析了地质透明化与可视化、透明地质与透明矿井等异同，重点阐述了煤矿地质透明化三大典型应用场景、实现路径和关键技术,其中超前钻孔地质透明化是利用开孔定向、钻孔测量、岩屑录井、钻孔成像和钻孔物探等技术与装备，以钻孔纵向钻探控制、径向物探扫描的方式，从而实现钻孔“线状”地质透明化；掘进巷道地质透明化是以长掘长探、随掘随探、反射槽波等关键技术为支撑,实现掘进巷道前方、侧帮一定范围的超前探测，达到巷道“束状”地质透明化的目的；回采工作面地质透明化是以随采地震、随采电法、微震监测等核心技术为支撑，将静态、动态、实时地质探测成果与采掘工程揭露信息相互融合,形成沿回采推进方向的采面“带状”地质透明化。随着“超前钻孔-掘进巷道-回采工作面”的递进透明,煤矿采掘地质条件将分时段、分区段、分层级趋于地质透明化。分析认为：地质可视化只是地质透明化的图形化显示，地质可视化并非地质透明化；透明矿井是透明地质的产物，透明地质是地质透明化的结果；煤矿地质透明化是静态与动态地质信息采集、地质信息与采掘工程信息互馈、三维地质模型构建、地质预测预报并与采掘工作面应用场景相互融合的时空动态实现过程。

• 煤炭安全智能开采地质保障系统软件开发与应用

  王世斌, 侯恩科, 王双明, 屈永利, 崔铭驿, 刘长来, 薛喜成, 左成芳, 宋 超, 王 宁,

  随着我国智能化煤矿建设工作的快速推进，开发煤炭安全智能开采地质保障系统软件已成为当前的急需任务。以陕煤集团各煤矿地质条件为背景，采用MySQL8.0、VS2019、OpenGL等开发工具，开发了煤炭安全智能开采地质保障系统软件。该系统由地质信息管理、二/三维一体化建模、开采地质条件评价预测、工作面精细地质建模、地质灾害预警、地质大数据分析和导航7个子系统组成。地质信息管理子系统主要存储和管理地质、测量、物探等信息，为三维地质建模、开采地质条件评价预测、地质灾害预警、工作面精细地质建模和大数据分析提供基础数据；二/三维一体化建模子系统可绘制各种二维图件、构建三维地质模型，为煤矿地质工作者提供必需的图件和可视化三维模型；开采地质条件评价预测子系统能进行地质构造复杂程度评价、顶板涌（突）水危险性评价预测、底板涌（突）水危险性评价预测、瓦斯灾害危险性评价预测、冲击地压危险性评价预测、开采地质条件综合评价和矿井地质类型划分，为工作面布置、地质灾害预警提供二维图件和三维模型；工作面精细地质建模子系统能融合工作面巷道写实、钻探、物探等各种地质信息，构建工作面高精度三维地质模型并进行动态更新，为工作面智能回采提供规划截割数据；地质灾害预警子系统可依据开采地质条件评价预测结果、隐蔽致灾因素普查结果和水文、瓦斯、冲击地压实时监测数据，进行水害、瓦斯灾害和冲击地压灾害的距离预警和实时预警，为工作面安全开采提供灾害预警保障；大数据分析子系统可进行多源数据统计分析、机器学习和深度学习，为煤矿地质大数据利用提供分析方法；导航子系统可用于查询地质保障系统建设成果。该软件系统已在红柳林煤矿得到应用，基本满足了智能化矿井建设对地质保障软件系统要求，支撑了煤炭安全智能高效开采。

• 基于BIM与GIS的矿山巷道参数化三维建模技术研究

  李 梅, 康济童, 刘 晖, 李兆阳, 刘 曦, 朱 青, 肖彬虎,

  巷道三维BIM建模具有数据结构复杂、细节信息量大等特点，在几何和语义上与GIS巷道三维模型相差很大，因此难以进行直接数据集成。为更好地利用GIS的空间分析功能和BIM的精细化建模功能，提出了基于BIM与GIS的矿山巷道参数化三维建模技术。首先设计了考虑BIM层次细节和GIS空间拓扑的巷道三维数据模型和数据结构，包括了结点、中间点、巷道弧段、巷道中线和三角网等多类型几何数据，能够管理巷道相关的地质素描、巷道设计、通风网络、避灾线路的各类专业参数；其次，提出了三维巷道网络拓扑关系处理方法，通过GIS的空间拓扑编辑功能构建标准化巷道中线网络数据集；最后，提出了参数化BIM巷道三维建模流程，即读取巷道中线数据集及参数，构建基本巷道BIM模型，利用布尔运算技术处理巷道硐室、拐弯和交岔点等复杂情况，生成的BIM模型可以充分展现巷道形态、支护等细节，也保留了GIS巷道网络拓扑关系，提高了数据的可集成性。采用布尔运算算法与常见的线框建模算法进行比对后，发现布尔方法在不同断面类型的巷道交岔点处理效果更佳。研究成果已经在大海则煤矿透明地质保障系统中得到应用，支持udatasmith、obj、fbx等多类型标准化三维数据格式，生成的三维巷道模型能够为煤矿避灾路线生成、通风网络解算、路径导航、智能地质保障等提供可视化与网络分析服务。

• 数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统研究

  张旭辉, 吕欣媛, 王 甜, 黄本鑫, 郑西利,

  针对掘进设备远程控制中存在的设备决策能力低，掘进效率不高，安全隐患大等问题，提出了一种数字孪生驱动的掘进机器人决策控制方法。通过分析对比当前数字孪生技术在煤矿领域的研究情况，设计了数字孪生驱动的掘进机器人决策控制系统体系框架，包含物理空间、虚拟空间、孪生数据、规划层、控制层、执行层6个模块，以实现虚拟样机自主规划决策，远程控制物理样机同步运动的目的。首先，结合虚拟现实技术研究了非结构化环境下的局部避障策略，建立掘进机器人运动控制模型与传感观测模型，利用激光雷达将巷道中的障碍物在虚拟环境中进行重建，采用Ray-Col方法进行机器人与障碍物之间的碰撞检测，为机器人的路径规划决策奠定基础；其次，结合深度强化学习技术研究了基于虚拟智能体的全局路径规划方法，提出了基于改进PPO算法的Muti-PPO算法，通过奖惩机制建立掘进机器人虚拟智能体，并在Unity3D平台中进行训练，训练结果表明Muti-PPO算法相比于PPO算法、SAC算法，平均奖励值分别提升了13.82％与11.31％；标准差分别下降了17.85％与16.81％；最高奖励值分别提升0.14％与0.43％，其性能在3种算法中达到最优；最后，搭建决策控制平台，将虚拟空间中产生的决策指令发送至物理样机的末端执行器，通过物理样机传感器数据驱动虚拟样机同步变化。根据系统的规划决策、双向映射与远程控制功能，设计路径规划试验与虚实同动试验对其进行验证。路径规划试验结果表明，在3种不同复杂程度的工况下，虚拟智能体路径规划结果与目标点的误差在1.2 cm以内，且能够将控制信息传输至物理空间中，远程控制机器人运动；虚实同动试验结果表明，在掘进机器人运行过程中，虚拟样机与物理样机保持同步运动，两者在巷道中的位姿均保持一致。该方法实现了“数据驱动、双向映射、碰撞检测、自主决策、人机协作”的无人化决策控制新模式，为掘进设备的智能化提供了新的思路。

• 基于高频雷达波的煤岩层位识别与追踪方法研究

  许献磊, 王一丹, 朱鹏桥, 马 正,

  煤岩层位的识别与追踪是煤炭智能化开采的重要难题，常规的煤岩层位探测方法存在精度低、实时性差等问题，提出一种基于高频空气耦合雷达的煤岩层位识别与追踪方法，相比于传统方法，本方法可实现非接触式探测，并且能实时进行层位的追踪与识别。首先通过正演模拟分析了天线悬空耦合条件下高频雷达波在“空气-煤-岩”层位的回波反射特征，提出了“空气-煤”和“煤-岩”层的定位方法；其次对不同煤层厚度条件下的界面探测精度和误差进行分析，提出了“煤-岩”层精确定位方法，并建立了种子层位点的位置关系模型；针对雷达天线悬空高度受煤层起伏变化的影响，研究推导出煤岩层位动态探测过程中煤层厚度的解算算法；再次，根据 “煤-岩”层位种子点，提出以三级“窗口算子”为核心的煤岩层位追踪算法，实现了煤岩层位的快速追踪，提高了系统稳定性；最后开展了物理模型试验和现场探测试验，结果表明：物理模型探测中平均误差为±0.12 cm，平均误差百分比为2.18%，矿井工作面探测平均误差值为±0.71 cm，平均误差百分比为3.53%；基于1.2 GHz高频空气耦合雷达可在悬空条件下实时动态获取到1 m范围内煤岩层位信息，动态探测精度达到厘米级，研究成果为煤矿智能化开采以及透明地质模型的动态更新提供技术支撑。

• 煤层数字高程模型构建与动态修正方法

  李娟莉, 杜文勇, 谢嘉成, 王学文,

  为解决在有限煤层地质数据条件下难以构建高精度煤层的难题，提出了一种基于多源煤层数据的煤层DEM（Digital Elevation Model，数字高程模型）构建与动态精细修正方法。首先，基于采区煤层变化特征，提出结合双轨扫掠与加权融合的初始煤层DEM构建方法，通过该方法所构建的煤层DEM能够反映煤层的变化趋势，垂直方向上的模型节点RMSE(Root Mean Square Error,均方根误差)与MAE(Mean Absolute Error,平均绝对误差)分别达到0.25 m与0.2 m以下；其次，引入采区内离散分布的煤层地质数据，在原有模型基础上计算煤层DEM中相应节点处高程误差值，基于这些误差值通过拟合的方法得到残差曲面，并通过残差曲面对DEM节点进行整体性偏移。通过该方法对煤层DEM进行修正后，模型RMSE与MAE降低至0.14 m与0.12 m水平；最后，引入工作面上连续煤层地质数据，在该工作面处产生新的模型分段面，对同一区域的DEM进行划分，新划分的区域中重新构建区域煤层DEM，覆盖原有DEM，从而达到煤层DEM的动态精细修正。通过该方法对煤层DEM进行修正后，模型局部RMSE与MAE均达到0.12 m以下，模型精度水平能够为无人工作面的实现提供可靠的地质信息保障基础。

• 薄煤层智能开采工作面煤层透明化地质勘查技术

  刘小雄, 王海军,

  智能开采是煤矿迈向高质量发展的必由之路，透明地质是智能开采的关键，为从根本上解决煤层透明化问题，以神东煤炭集团榆家梁煤矿43101薄煤层智能开采工作面为研究对象，研究实现薄煤层工作面智能开采的煤层透明化地质勘查技术。首先，分析整理以往地质勘查、矿井生产以及临近工作面揭露的地质资料，建立工作面煤层勘探地质模型；其次，采用巷道快速写实技术、测量技术等，获取工作面两巷道、开切眼揭露的煤层结构、顶底板起伏等参数特征，并修正勘探地质模型，建立煤层的生产地质模型；然后，分析工作面尺度上煤层、地质构造的变化特征，采用井下定向钻探为主，工程测量、钻孔窥视、岩屑编录等为辅助的煤岩界面综合探测技术，根据获取的煤层厚度、顶底板标高、煤岩层结构、地层倾角等关键性参数，再次修正模型形成煤层半透明化的智能开采地质模型；之后，将建立的半透明化模型输入采煤机系统，设定预想切割曲线，采用工作面支架超前雷达、工作面三维激光扫描、工作面回采地质测量、快速写实等技术探测回采过程中煤层的参数，并实时反馈优化半透明化的智能开采地质模型，形成智能开采工作面煤层透明化地质模型；最后，采用对比分析、回采跟踪、地质建模等技术，根据后续工作面的开采分析该技术体系的适用性和可行性，构建适应于榆家梁煤矿的薄煤层智能开采工作面煤层透明化勘查技术体系，并以数字化方式对整个工作面进行全面统一的三维可视化展示，实现了工作面的煤层透明化生产模型的动态更新，指导采煤机截割轨迹的调整和修正，成果精度满足智能开采要求。

• 采动影响下断层活化失稳及能量释放规律研究

  王同旭, 曹明辉, 江东海,

  为研究工作面开采邻近断层时断层活化致灾机理，基于理论分析与数值模拟的手段分析断层面应力场、位移场变化规律，探讨断层活化失稳面积变化趋势，并计算断层活化释放能量及传递到工作面的剩余能量。结果表明：断层活化分为初始活化、稳定活化、活化加剧、活化弱化4个阶段；断层活化位置由高位顶板处断层向煤层附近发展，底板处断层活化时间晚于顶板处断层。采动影响下断层面将出现剪切应力突降，导致能量释放；断层面剪切应力和剪切法向应力比值均呈现出稳定-增长-降低的趋势，但剪切法向应力比值变化滞后于剪切应力。采用断层活化失稳释放能量计算公式，计算工作面向断层方向推进过程中断层活化能量释放大小，计算结果与微震监测记录具有相似规律，佐证了计算方法的可行性。断层活化释放能量以负指数形式传递至工作面，断层初始活化、稳定活化、活化弱化阶段所释放的能量传递至工作面后剩余能量的量级小于105 J，而活化加剧阶段释放能量传递至工作面后剩余能量大于107 J。因此工作面与断层间距小于40 m时，受断层活化扰动影响较大，冲击危险性更高。

• 向斜作用下回采巷道冲击地压力学分析及冲击特性研究

  张科学, 朱俊傲, 何满潮, 亢 磊, 姜耀东, 李 东, 孙健东, 程志恒, 王晓玲, 杨海江, 吴永伟, 闫星辰, 李举然, 尹宇航,

  为探索向斜对回采巷道冲击地压的作用机制，以河南某矿区21221工作面为研究背景，采用力学分析、CDEM数值计算及现场实践相结合的方法，对向斜作用下回采巷道围岩冲击特性规律展开研究。建立了向斜作用下回采巷〖JP2〗道力学模型及数值计算模型，分析了向斜作用下回采巷道围岩能量随采动影响变化趋势，得出如下结论：①向斜作用下回采巷道底板围岩应力集中较大，易发底板冲击，帮部围岩应力集中相对较高，可发帮部冲击，顶板围岩应力较小，不易发顶板冲击；②向斜作用下回采巷道围岩能量随采动影响总体上呈现先急剧增大，后持续稳定，然后突变降低，最后持续稳增加到一定应力状态，或者稳定不变；③向斜轴部巷道围岩变形以底鼓为主，向斜翼部巷道围岩变形是底板和帮部同时变形，向斜轴部巷道围岩变形整体上大于向斜翼部，前者底鼓量约为后者的2倍，且向斜轴部巷道底板深度1～3 m围岩变形剧烈，底板深度5～8 m围岩较为稳定，而向斜翼部巷道底板深度1 m围岩变形明显大于底板深度2～8 m围岩。力学分析及现场应用表明，其与数值计算结果较为吻合。

• 厚煤层综放开采顶煤分区破坏特征研究

  韩宇峰, 王兆会, 唐岳松,

  顶煤破坏机理是综放开采的一个基本理论问题，研究顶煤渐进破坏过程可为冒放性准确判别奠定基础。为提高顶煤冒放性预测精度，采用理论分析、数值计算和现场实测等手段对山西新柳煤矿顶煤分区破碎特征进行了研究。将液压支架简化为恒刚度弹簧建立顶煤力学模型，借助Ritz法和最小势能原理得到了工作面前方和控顶区上方顶煤位移场和应力场，分析了考虑初始地应力和开挖卸荷效应的采动应力分布特征；定义顶煤破坏危险性系数为应力圆半径同圆心至强度曲线垂直距离之差，实现顶煤破坏危险程度的定量表征；根据破坏面上正应力大小将剪切破坏划分为压剪和拉剪2种形式，推导出2种剪切破坏模式之间的过渡条件；以顶煤破坏危险性系数k=0等值线、水平应力σh=σts等值线和控顶区上方抛物线形拉剪破坏边界线为界，将顶煤划分为弹性状态→压剪破坏→拉剪破坏→拉伸破坏4个阶段；对综放开采顶煤渐进破坏过程进行了模拟分析，借助FISH语言对顶煤破碎分区进行提取，模拟结果同理论结果较为吻合，但控顶区上方顶煤漏斗形拉剪破坏区同拉伸破坏区之间存在一条狭窄的剪切-拉伸混合破坏带；最后对顶煤裂隙发育特征进行了实测，煤壁前方为闭合型剪切裂隙，煤壁后方为张开型拉伸裂隙，与理论分析所得顶煤分区破碎特征吻合，验证了顶煤分区破坏模型的准确性。

• 考虑步距间关联的较薄厚煤层放煤终止原则研究

  刘一扬, 宋选民, 刘国方,

  为研究煤层厚度为4～6 m的厚煤层综放开采放煤终止原则，以王家岭煤矿12309工作面为研究背景，通过现场实测得到顶煤块度分布规律，以分布规律为依据，考虑本步距与下一步距放煤之间存在的联系，运用PFC数值模拟方法反演过量放煤放出体，并将放出体分为4个分区，围绕各分区占比及可放遗煤损失位置标记开展研究，探索合理的放煤终止原则。研究结果表明：顶煤块体块度增加时，放出的块体数量随之减少；放出顶煤粒径在4.0～9.2 cm的块体数量最多，而粒径在9.2～14.4 cm的顶煤块体所占的平均质量百分比最大；放出体形态整体呈一下部被支架掩护梁截割的椭球缺；过量放煤放出的顶煤大部分都是可在下一步距放出的顶煤，平均仅有1/3的颗粒为过量放煤可放出的遗煤；含矸率与遗煤放出量曲线在放煤初期差值短暂减小，但随着放煤的继续，差值快速增大，二者曲线整体上呈“剪刀状”变化；将遗煤分为底板遗煤及高位遗煤，发现见矸后仅在很短时间内会有底板遗煤快速放出，且此时可维持低含矸率；而高位遗煤的放出，则伴随着大量的矸石，故过量放煤时间应严格控制，只持续很短时间即可终止；结合较薄厚煤层综放特点及生产现场放煤过程，认为在实际操作中严格执行“见矸关窗”的放煤终止原则可在有效控制含矸率的前提下，实现较高顶煤采出率。

• 邻近厚松散层既有立井井筒地面注浆地层加固技术

  刘孝孔, 绪瑞华, 赵艳鹏, 程桦, 彭世龙, 周均民,

  为解决厚松散层既有立井井筒地面注浆加固技术难题，以山东巨野矿区郭屯煤矿厚松散层偏斜井筒地面注浆治理为工程背景，针对井筒偏斜特征，采用现场钻孔压水试验与地面高压注浆试验方法，分析不同注浆深度与注浆层段受注点试压水与注浆表头最大压力比值，获得了受注点注浆压力与该点静水压力比值，并得到了厚松散层主含水层的可注性及其注浆技术参数，最终确定了厚松散层偏斜井筒地面注浆治理方案设计原则与施工方案；研发了单井多层段注浆新型套管，形成了“注-泄”联合间歇注浆加固技术。研究结果表明：①当注浆压力达到静水压力的2.0～2.5倍时，水泥浆可顺利注入；②松散层深度越深，地层的单位吸浆量越小，同一注浆段，在相同压力情况下，压水流量是注浆量的2倍；③按注浆试验确定的设计注浆量与实际注浆量误差在27％以内，随着注浆孔的注浆，其邻近泄压孔出现孔管口出水、孔管口内返浆和串浆等现象，实现了泄压目的，且对邻近既有井筒受力变形影响较小；④注浆后，主、副、风井井筒表土段井壁淋水明显减小，且有回正的趋势。研究成果在郭屯煤矿厚松散层偏斜井筒地面高压注浆治理工程得到了成功应用。

• 地质采矿条件对铁路路基沉陷预测影响研究

  丁一, 邓念东, 姚婷, 刘东海, 尚慧,

  为保障郭庄煤矿铁路专用线的安全运营，从地质采矿条件的角度出发对工作面开采引起的铁路路基沉陷进行了稳态预计。首先，构建了地质采矿条件与概率积分预计参数之间的GA-BP神经网络模型，利用收集的地表移动观测站数据对其进行训练之后，从网络的误差分析、数据的拟合度、测试结果以及泛化性能4个方面对模型的精度及可靠度分别进行了检验，结果表明：网络的收敛速度较快，模型的平均相对误差小于3%，对数据的拟合程度大于0.8，泛化性能指数在0.8以上，模型预测精度较高，且具有良好的预测能力。其次，依据研究区各工作面的地质采矿条件参数，运用该模型对其开采沉陷的概率积分预计参数进行了求取，将S3-13工作面的开采沉陷预计结果与实测数据进行对比发现：两者的差值平方和为6.21×105，中误差为104.38 mm，为观测点最大下沉值的2.60%，预测结果精度较高，说明得到的概率积分预计参数具有一定的可靠性。最后，通过稳态预计得到了铁路路基的最终下沉等值线及下沉曲线，预计铁路沿线最大下沉值达4 261 mm，并且有2个路段会形成大于4 000 mm的下沉盆地，铁路将发生严重的变形破坏。研究成果可为后续工作面的开采以及铁路的动态变形预测和维修治理提供理论基础。

• 基于多目标优化的露天矿进度计划编制方法研究

  韩流, 秦梓赫, 舒继森, 尚涛, 陈树召,

  为寻求特定露天开采程序下的最优进度计划，实现矿山经济效益最大化。采用线性规划方法，以达产时间最短、达产后3 a内总采煤量最大及设备调动次数最少为目标，以设备数量、采剥工程关系及设计煤炭产量为约束条件建立进度计划编制的多目标优化模型，并利用优先级法对模型进行求解。设计了最早投、达产年的计算方法及年度采煤量均衡方法；利用表上作业法和反向动态规划设计了减少调动次数的进度计划编制方法。以布沼坝露天矿由西向东全区开采为例，将电铲数量、年生产能力、回采率、电铲能力、掘沟电铲数和扩帮电铲数作为限制条件，对露天矿进度计划进行编制，结果表明：达产后第3年可开采至第11阶段，并在该年末可采完第11阶段内87%的矿岩量。将第11阶段内与前10阶段的矿岩量表进行整合，作为基建开始至达产后第3年的总采剥工程量，根据年最大化原煤开采量与达产要求煤量的关系，利用优化模型进行迭代求解，得出均衡后的采剥量，利用表上作业法和反向动态规划完成采剥计划编制。优化后的进度计划可实现3 a投产、5 a达产、前8 a原煤开采总量达37.19 Mt、设备调动次数53次。与其他3种未优化的进度计划均值相比，投产时间提前了0.3 a，达产年提前了0.6 a，总采煤量增加了3.7 Mt，总调铲次数减少了19次，上述量化指标表现出明显优势，验证了本优化方法的效果。

• 瓦斯涌出衰减特征法测定水力冲孔抽采影响半径

  张明杰, 李亚西, 闫江伟, 谭志宏, 刘宽小,

  确定水力冲孔瓦斯抽采影响半径参数对于提高瓦斯抽采效率，消除钻孔间防突空白带，保证煤矿安全生具有重要的现实意义。在研究分析钻孔周围煤体松动对瓦斯涌出的影响，负压抽采下排放钻孔瓦斯流动、涌出特点，发现排放钻孔瓦斯涌出可分为前期、后期2个阶段，应用钻孔瓦斯涌出量负幂指数方程分别计算前期瓦斯排放量和后期瓦斯极限排放量，两者加和为钻孔瓦斯极限排放量Qj，提高了计算求解的准确性；指出负压抽采影响下排放钻孔周围煤体瓦斯流向抽采钻孔，是排放孔后期瓦斯涌出衰减系数突变性减少原因，造成排放孔百米钻孔瓦斯极限排放量与未受抽采影响的显著差异性；根据受负压抽采影响出现的排放钻孔瓦斯涌出衰减系数突变性、排放钻孔百米瓦斯极限排放量显著差异特征，提出了瓦斯涌出衰减系数特征法测定水力冲孔抽采影响半径的方法；运用此法在鹤壁中泰煤业公司进行了现场测试，结果表明，煤孔平均冲出煤量1.3 t/m，抽采时间60 d，抽采影响半径为5.1 m。

• 基于涌现性特点的采空区氧化升温带高浓度CO治理技术

  田 臣, 周海丰,

  煤矿在生产过程中，采空区遗煤自燃会给矿井的生命与财产安全带来巨大威胁。将矿井采空区氧化升温带看作一个系统，系统呈现的高浓度CO由氧化升温带的遗煤、空气、蓄热条件等各类因素共同影响产生。通过对复杂系统表现出的涌现性规模效应、结构效应、高层次有而低层次没有的三方面特性进行分析，得出采空区氧化升温带高浓度CO产生规律及下属关联因素。在此基础上根据涌现性理论指导，针对神东补连塔煤矿22410采空区氧化升温带高浓度CO治理问题，结合工作面生产现场地质构造、上覆煤柱、采煤工艺、机电故障等实际条件，从煤体易自燃特性、采空区超量遗煤、发达的供氧通道、综采工作面迟缓的推进速度4个方面深层次分析了采空区氧化升温带高浓度CO产生原因，针对性地实施了控制遗煤、封堵漏风通道、上隅角向采空区灌浆、上隅角堆建岩粉墙、工作面风量控制、上隅角及采空区气体“三位一体”实时监测等多项综合治理措施后，采空区氧化升温带高浓度CO问题很快得到了有效控制，从而避免了综采工作面在回采过程中采空区发生自然发火的危险，避免了巨大的经济损失，同时确保了人员的生命安全。由此得出结论：系统涌现性特点可以指导解决煤矿在生产过程中遇到的潜在灾害问题。

• 基于LASSO-LARS的回采工作面瓦斯涌出量预测研究

  陈 茜, 黄连兵,

  正确预测瓦斯涌出量对于煤矿安全生产有重要的现实意义，但是，工作面瓦斯涌出规律复杂，瓦斯涌出量各影响因素之间存在多重共线性，严重影响了预测的准确性。为研究回采工作面瓦斯涌出量与其多个影响因素之间的关系和特点，消除各因素之间的多重共线性，避免瓦斯涌出量预测出现“维数灾难”以及发生函数过拟合等问题，采用LASSO惩罚回归预测模型进行仿真预测，在原始特征空间的基础上，通过LARS算法实现降维，剔除无关和冗余的特征，最终筛选出一个包含煤层埋藏深度、煤层厚度、煤层瓦斯含量、煤层挥发分产率、风量和煤层间距等6个高影响因素在内的最优特征子集，并使用交叉验证法将数据集分成10份，轮流将其中9份作为训练数据，1份作为测试数据，进行试验。最终，选取最高识别率的测试集参数建立预测模型，对煤矿现场数据进行预测，并与传统的主成分分析法预测结果进行了比较。研究结果表明：应用该模型预测回采工作面瓦斯涌出量，能够较好的保存原始数据集的特征意义，预测平均相对误差为6.52%，平均相对变动值为0.006，均方根误差为3.20，在预测精度和泛化能力方面，均明显优于传统的主成分分析回归模型，能够为井下瓦斯防治提供理论参考，对其他工程领域高维小样本数据预测问题的解决具有借鉴意义。

• 红外加热储层煤岩热损伤特征扫描电镜及增透试验研究

  马玉林, 王常瑞, 马 凯,

  中国煤层气资源丰富，为提高煤层气抽采效率，减少煤矿开采过程中的瓦斯突出等灾害事故，提出了一种煤层气增产新技术原理—红外加热抽采煤层气。利用自制的红外加热渗流实验仪，采用扫描电镜及Matlab图像后处理相结合的方法，研究了煤岩样品在不同红外温度作用前后的孔裂隙发育扩展规律及渗透率变化特征。结果表明：红外辐射作用能够使煤岩体发生损伤破坏，红外温度越高，热损伤越明显。煤样孔隙率随着红外温度升高而增大，原生微孔隙裂隙相互贯通，新生裂隙逐渐增多，试样表面附着矿物颗粒随之减少，孔隙结构由狭长转向椭圆，各区间孔隙等效直径均大幅提升，小孔隙到大裂隙同步扩容，红外加热150 ℃时8～15 μm孔隙过渡阶段的孔容变化波动最大，提升为原始状态的4.35倍，总孔容增大高达99.5%；随着红外温度的升高，煤体渗透率亦随之增大，低温阶段原始孔隙率低的试样渗透率增幅偏小，原始孔隙率高的试件渗透率最高可增大130%，高温阶段试样渗透率均大幅跃升，较低温阶段其渗透率可高出9倍以上，较原始状态其渗透率可达到30倍以上，建立红外作用前后煤岩试样孔隙结构变化与宏观渗透率增加之间的统计定量表征关系，提出红外作用煤岩孔隙结构响应系数；红外辐射温度升高，能够有效地促进煤岩试样孔隙的增加与裂隙扩展，进而引发渗透率的增大，提高煤层气抽采效率。

• 层状煤岩弹性波传播衰减特性试验研究

  李全贵, 凌发平, 胡千庭, 姜志忠, 武晓斌, 钱亚楠,

  基于弹性波传播理论的微地震技术被用于煤矿水力压裂破裂监测、动力灾害预警等。煤系地层是典型的层状介质，弹性波在层状煤岩中传播受到介质不均匀性和层面反射、折射的影响，其传播规律和衰减特性研究仍需完善。利用脉冲发生器产生稳定的震源激励，通过DS2系列全信息声发射信号分析仪对弹性波在层状煤岩、纯煤、纯砂岩中传播的衰减特性进行了试验研究。结果表明：相同试验条件下，组合煤岩体中弹性波传播的幅值衰减随着传播距离、震源激励频率（FREQ）的增加而减小。层状煤岩中，弹性波传播的幅值衰减先快后慢，煤层中的衰减梯度较岩层大，呈现出阶段性的衰减特征；弹性波信号的质心频率发生频移，峰值频率出现分级现象。煤层与岩层联结面处介质层之间结合的紧密程度是影响弹性波衰减的主要因素，紧密程度越高则幅值衰减越小；煤层硬度越高弹性波信号的初始幅值越大，低频率范围内（FREQ≤4 MHz）层状软煤层中弹性波幅值较层状硬煤层衰减快；层状煤岩中震源激励频率与弹性波传播距离呈负相关依赖，近距离范围内的低频信号的传播距离较高频远，幅值衰减梯度大。层状煤岩中弹性波幅值衰减梯度随品质因子增大逐渐减小，品质因子由小到大依次为软煤、硬煤、砂岩。研究成果可为微地震拾震器布置方法的优化提供理论基础。

• 液氮致裂煤体技术研究现状及展望

  田苗苗, 张 磊, 薛俊华, 张 村, 卢 硕, 陈 帅,

  我国煤层气储层渗透率普遍较低，如何有效提高煤层透气性是目前煤层气开采的重点和难点。液氮致裂技术作为一种高效绿色的无水致裂技术，能够有效改善煤层透气性，提高煤层气的开采率。同时，还可有效节约水资源并避免水锁水敏伤害等问题。鉴于液氮致裂煤体技术的重要意义，相关学者对其进行了大量理论及试验研究。为明确液氮致裂煤体技术的研究进展及未来研究方向，综合分析了相关学者的研究成果，对水-冰相变冻胀力、液氮汽化膨胀力和温度应力诱发的煤基质收缩作用等主要作用机理进行讨论，特别深入分析了在含水煤体中起主要作用的水-冰相变冻胀力和在干燥煤体中起主要作用的温度应力。系统分析了液氮致裂煤体内部物理性质影响因素(含水率、煤体变质及胶结程度、节理等)和外部环境因素(温度梯度、液氮作用时间及循环次数、地应力等)的影响程度。归纳分析了循环注入低温、高温流体技术、液氮重复压裂技术、液氮气化压裂技术、低温流体压裂技术和液氮辅助压裂技术等液氮致裂增产工艺的现状及相关设备发展情况。对液氮致裂现场试验与应用情况进行了介绍，重点介绍液氮重复压裂技术和液氮伴注辅助水力压裂技术的试验流程及试验结果。最后进一步对从液氮致裂煤体主要作用机理、影响因素及现场试验与应用等3个方面目前的研究不足进行总结，并在此基础上对研究重点进行了展望。明确提出液氮致裂煤体技术今后的研究重点是综合机理及多影响因素的深入研究，最终目标是实现现场应用，提高煤层气抽采效率。

• 准噶尔盆地南缘急倾斜储层煤层气多层合采产出模拟研究

  黄红星, 傅雪海, 赵增平, 陈 东, 彭宏钊,

  为促进准噶尔盆地南缘具有巨厚、多层、急倾斜地质特征煤储层煤层气的高效开发，基于阜康西区CS18井地质数据，利用Eclipse软件模拟研究了不同层间距、不同排采强度和不同物性参数差异引起的层间干扰条件下急倾斜储层煤层气3层合排的产出特征。模拟结果表明不同层间距的急倾斜储层煤层气3层合采总产出曲线形态基本一致，都呈现出日产气量先增大后降低的趋势。但是随着层间距的增大，第1层由于较高的渗透率使得产气量逐渐增大，而第3层则相反。但是第1层储层的增产量与第3层储层的减产量大部分抵消，储层上倾方向含气量随层间距的增大较下倾方向略快。所以整体上在3层合采过程中，第1层和第3层距离主采层（第1层）越近，其产气量越高，即层间距越大产气量越低。多层合采对于急倾斜储层来说上倾方向和下倾方向也存在差异。随着排采强度增大，上倾方向的储层压力快速降低，这加速了3层合采的进程。而排采强度较低，上倾方向储层因较高的储层压力使煤层气的解吸、产出受到抑制，但随着排采的进行，抑制逐渐消失。含气量和渗透率物性参数差异对多层合采的影响也存在不同，模拟显示中部储层含气量高有利于上部和下部储层煤层气的产出，而渗透率高则抑制上部和下部储层煤层气的产出。

• 济源盆地上三叠统谭庄组油页岩段构造裂缝特征及主控因素分析

  孙长彦, 王志远, 李振峰, 张 勐, 杨 恒,

  济源盆地上三叠统谭庄组油页岩段厚约140 m，埋藏深度一般为3 000～7 000 m，主要由油页岩、泥岩、粉砂质泥岩和粉砂岩组成，是济源盆地最有利的页岩油气勘探开发层段。查明该区目标层段构造裂缝发育特征及其主控因素，可为该区页岩油气勘探开发提供依据。通过露头观测、取样和实验室测试，对目标层段的烃源岩特征、构造裂缝特征和构造裂缝发育的主控因素进行了研究。研究发现：济源盆地上三叠统谭庄组油页岩段油页岩脆性矿物含量为37.4%～77.9%，平均为53.7%；总有机碳含量为0.36%～10.33%，平均为4.13%；镜质体反射率为1.01%～2.12%，平均含量为1.33%；有机质类型主要为腐植—腐泥质型。该区油页岩段发育有剪裂缝、张裂缝、顺层滑移裂缝和复合型裂缝4种类型的构造裂缝；裂缝穿层性较强，总体以垂直缝和与岩层面高角度斜交缝为主；以宽度主要为0.01～2 cm的部分充填或未充填裂缝为主；裂缝平均线密度为6.29条/m，且随着岩石粒度变细而增大、随着脆性矿物含量的增加而增大、随着岩层厚度的增加而减小、越接近断层越发育。研究结果表明：研究区目标层系油页岩层具有较高的生气潜力和较强的可改造性，且较为发育的构造裂缝为油气的储集和运移提供了空间，济源盆地上三叠统谭庄组油页岩段具有良好页岩气的勘探开发前景。

• 基于AFM的巫溪2井页岩储层孔隙特征研究

  龚卓, 陈尚斌, 李学元, 王慧军,

  页岩储层孔隙是页岩气赋存和渗流的基础，但在其研究中很难将孔隙定量信息和页岩表面形貌相结合，且现有的孔隙定性、定量研究手段都存在自身的限制。为研究页岩储层孔隙特征，并将孔隙定量信息和页岩表面形貌结合，采用原子力显微镜（AFM）扫描页岩样品，利用NanoScope Analysis和Gwyddion两种软件对AFM数据进行分析，定性、定量地研究了巫溪2井龙马溪组页岩的孔隙特征，将部分结果同低温N2吸附试验所得结果进行了对比。巫溪2井龙马溪组页岩的均方根粗糙度在1.7～13.6 nm，平均粗糙度在1.3～10.7 nm，TOC(总有机碳含量）和均方根粗糙度的相关系数为0.811 2，TOC和平均粗糙度的相关系数为0.900 8，页岩粗糙度受显微组分尤其是有机质组分的控制；页岩孔隙多为狭缝形孔、楔形孔，主孔段位于4～6 nm和14～50 nm，平均孔径在3.9～6.6 nm波动，介孔占70%以上；孔隙截面长宽比在1.5～3.1。利用原子力显微镜获得的孔隙形貌、IUPAC分类标准的各孔径范围内的孔隙占比、平均孔径和利用低温N2吸附试验获得的结果相近；AFM测定部分样品主孔段和低温N2吸附试验结果不同。AFM和低温N2吸附试验的结果对比表明，AFM定性表征内部具有复杂结构的孔隙能力不足，对孔隙的定性测定结果较低温N2吸附试验结果直观，适于定性、定量地表征2～50 nm的孔隙特征，并且能得到传统试验手段未获得的一些重要参数，是一种潜在的重要表征方法。

• 沁水盆地寿阳西部地区煤层气资源潜力评价

  崔晓松, 周 瑞, 张 凯,

  针对寿阳西部地区景尚东区块煤层气赋存情况不明、勘查程度低、资源潜力评价依据不足现状；采用钻探、物探、样品分析测试、等温吸附试验、注入压降试井手段，获得了该区块煤储层的深度、厚度、结构、煤质、含气量、等温吸附性能、孔隙度、渗透率、储层压力、地应力等参数，研究了煤层赋存特征、煤层含气性与吸附特征、煤岩煤质及煤变质特征、储层物性特征、资源开发潜力等。研究结果表明：该区煤层累计厚度大，平均厚度累计9.91 m，煤变质程度高，各煤层含气量高，3、8、15、15下号煤层平均含气量分别为13.69、14.29、9.59、11.82 m3/t，估算煤层气地质资源量为145.13×108 m3，具有很好的资源条件；含气饱和度介于40%～62%，平均50 %，表明本区煤层含气饱和度低；临界解吸压力介于0.65～2.76 MPa，平均1.38 MPa，临界解吸压力低；孔隙度平均4.89%，宏观裂隙发育1～3 条/cm，显微裂隙不发育，孔隙、显微裂隙、宏观裂隙连通性差，渗透率为4.5×10-17 m2，渗透性较差；闭合压力较大，破裂压力与闭合压力差较小；低含气饱和度、低临界解吸压力、低渗透率是未来煤层气开采的不利因素。综合分析认为区块具有进一步勘查开发的潜力。

• 裂隙岩体水平孔注浆浆液扩散规律研究

  尚宏波, 王皓,

  华北型煤田深部开采过程中受底板水害威胁愈发严重，水平孔注浆技术是治理此类水害的主要手段，其中浆液扩散规律的研究对注浆工程设计与施工具有重要意义。现有研究主要针对垂直孔注浆水平裂隙中浆液的扩散问题，当工程中采用水平孔注浆时浆液的扩散规律异于垂直孔。为此开展裂隙岩体水平孔注浆浆液扩散规律研究，将裂隙岩体中的孔裂隙系统等效为开度相同的裂隙，构建了等效裂隙岩体模型。选取等效单裂隙建立了水平孔注浆浆液扩散力学模型，推导了任意倾角的等效单裂隙在考虑浆液自重时浆液扩散区内的压力时空分布方程，进而得到注浆压力与注浆时间及扩散距离的理论关系式。结果表明：采用COMSOL建立水平孔注浆垂直裂隙三维数值计算模型，分别对考虑重力和未考虑重力的2种工况进行计算分析，未考虑重力时浆液的扩散形态呈轴对称圆形扩散，考虑重力时浆液优先沿着重力方向进行扩散。在重力的影响下，浆液扩散过程中地下水对浆液分散与搬运作用更为强烈。重力对水平孔注浆浆液扩散形态、扩散距离及注浆终压影响较大，水平孔注浆工程中不能忽视重力对浆液扩散规律的影响。通过对比理论分析与数值计算结果，两者得到的注浆压力与注浆时间、注浆终压与扩散距离的变化趋势基本一致，理论与数值计算结果的误差控制在10%左右，进一步验证了所建立的水平孔注浆浆液扩散力学模型的正确性。研究成果能够为水平孔注浆工程中注浆终压、注浆方式及扩散距离的设计提供科学依据。

• 叠层多分支水平井精准建造陷落柱堵水塞技术

  丁同福, 汪敏华, 刘满才, 朱昌淮, 文东明, 陈晓雷,

  岩溶陷落柱突水是煤矿重大水患，陷落柱治理通常是在矿井淹井后进行，如何实现由被动治理向主动防治转变，是防治水重大难题之一。基于淮南某矿大型垂向导水陷落柱的三维地震剖面同相轴错断（下拉）和地震属性切片上近圆形的异常分布等初筛发现，地面7个钻孔取心钻探、群孔抽水试验、测井测温、拟电流场测漏等勘探验证，综合资料对比研究；进一步查清了陷落柱平面近似椭圆形（陷落柱断裂带在1煤底板上长轴95 m，短轴74 m）,剖面上“上小下大”的椎体形态，导水裂隙带发育顶界高度至4煤底板的骆驼钵砂岩、基底在寒武系灰岩中等陷落柱形态特征和水文地质条件；提出了在陷落柱的1煤底板裂隙区，剖面上分别沿太原群C3Ⅱ组9灰和C3Ⅰ组3灰、设计叠层多分支水平井（相邻水平井间距40 m,扩散半径20 m）；平面上以1煤导水裂隙带以外100 m范围来设计形成320 m×290 m陷落柱平面治理范围。结果表明：通过多分支水平井造孔轨迹精准控制，反复充填+压裂注浆工艺实施和注浆质量效果针对性的检验等，实见1煤裂隙区浆液有效扩散半径超过80 m，1煤底板隔水层岩柱厚度超81.8 m、大于奥灰高压含水层突水系数的要求，平面上和剖面上立体精准地建造陷落柱的“堵水塞”，实现了华北型岩溶陷落柱超前治理。

• 穿越富水煤层段井巷防治水技术研究

  方 刚, 刘柏根, 靳德武, 梁向阳, 刘 洋, 夏玉成, 王春刚, 徐圣集,

  为解决陕北侏罗纪煤田内个别矿井受到的严重煤层水害问题，以榆横北区巴拉素井田为例，对其井巷工程穿越富水煤层段防治水技术进行研究。巴拉素井田2号煤层裂隙发育、沟通联系密切，局部存在高压强富水地段，通过井上下联合的钻探、注浆工程对其巷道通过富水煤层段进行水害超前防治。具体主要采用钻孔探查、帷幕注浆、水化学测试、理论分析、孔中窥视、揭露验证等方法，探究了该类水害条件下的矿井防治水技术。结果表明：井下局部煤层水压可达3.81 MPa，单孔最大涌水量198 m3/h；通过钻孔高压注浆形成局部阻水帷幕，单孔起压至约10 MPa可完成煤层水封堵；治理后的钻孔出水pH值在12.20～12.58，平均约12.32，呈强碱性，水质类型大多为OH·SO4-Ca·Na型，证明其注浆材料已充分进入煤层裂隙中；各钻孔之间存在水力联系，结合一次注浆、二次扫孔后的地面注浆压力、钻孔水量水压等数据变化情况，分析判断其封堵效果良好，计算总水量衰减约97.5%以上；通过钻孔窥视进行直接观察，发现注浆治理后的煤岩层段裂隙基本不再出水；根据施工验证钻孔发现注浆改造区域钻孔涌水量不足1 m3/h，巷道实际揭露时的掘进涌水量为1.2 m3/h，最终实现了掘进巷道通过富水煤层段的煤层水害有效防治。本次研究针对陕北侏罗纪煤田榆横北区的煤层水害隐患，提出了“钻孔探查、地面制浆、井下注浆、测试分析、窥视验证”的综合防治水技术，确保了矿井巷道通过2号富水煤层段的安全掘进，为区内条件类似矿井的煤层水害防治工作提供了实际借鉴依据。

• 准噶尔盆地东部中侏罗世煤中记录的古野火事件

  杨 博, 田继军, 冯 烁, 杨金辉, 李勇泽,

  煤中惰质组是植物体不完全燃烧的产物这一论述被越来越多的学者所接受，伴随而来的是其指示古野火的意义更加突出。通过准噶尔盆地东部中侏罗统西山窑组煤层样品的惰质组含量和反射率信息，同时利用快速溶剂萃取法得到了煤岩样品中的16种多环芳烃的含量特征，综合分析了该组煤层在沉积过程中所经历的古野火事件。试验结果显示，西山窑组煤层中惰质组含量31.14%～82.64%，平均55.78%，惰质组平均反射率1.08%～1.54%，惰质组含量高是该煤层的主要特点。多环芳烃的试验结果显示不同层位间PAHs含量变化范围相对较大，范围3 881～6 525 ng/g，均值4 433 ng/g，且同层位不同种类的多环芳烃的含量相差极大。将惰质组含量、惰质组反射率和PAHs含量特征进行综合分析，得出了该煤层在沉积期间至少经历过3次野火频发的时期，根据木炭反射率数据进行的温度解释，这3个时期的野火类型均为中低温的地面火。同时从全球碳循环的角度对野火可能造成的气候环境影响做出了理论分析与推测，泥炭的堆积对全球气候产生了净降温效应，但是野火的发生能在一定程度上削弱这种效应并会将大量的碳排放到大气中。本研究结合多环芳烃特征对准噶尔盆地的古野火事件进行了识别与分析，对今后这一地区的煤田地质研究有一定的借鉴意义。

• 多级生物强化反应器处理煤制气废水试验研究

  郑彭生, 周如禄, 肖 艳,

  为了优化煤制气废水关键污染物去除方式，采用四级生物强化反应器进行中试研究，分析了工艺启动过程与反应器沿程水质变化特征，探讨了水力停留时间、外加碳源对同步硝化反硝化（SND）效率和处理效果的影响。结果表明：在ρ(NH4+-N)=126～165 mg/L、ρ(TN)=139～178 mg/L、ρ(总酚)=286～352 mg/L、ρ(COD)=1 340～2 296 mg/L的进水条件下，反应器历时27 d完成了微生物的驯化与固定化；在水力停留时间HRT=62 h并且实施限氧曝气的条件下，C1～C4反应室均可实现SND，反应器出水NH4+-N(氨氮)、TN（总氮）、总酚和COD（化学需氧量）浓度分别为0.12～1.25、79.1～109、17.8～26.7、128～196 mg/L；在HRT为38.8～62 h内，缩短HRT可显著提高反应器TN〖JP2〗去除效果；HRT=62 h条件下的TN去除率与SND率分别为38.9%和37.3%，HRT=38.8 h条件下的TN去除率与SND率分别达到53.0%和51.2%；300 mg/L 浓度下的5种甲醇外加方式均可进一步提升TN去除效果，方式Ⅱ运行条件下的TN去除效果最佳，TN去除率与SND率分别达到92.8%和94.4%；方式Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ〖JP3〗均可通过共代谢作用提升COD去除效果，方式Ⅰ运行条件下的COD去除率最高，达到91.8%。

• Ｆｅ （Ⅵ） ／ Ｈ２Ｏ２ 体系对焦化废水中有机物和煤颗粒物的协同处理研究

  张国凯, 王艺霏, 李亚男, 冯 卓, 武亚宁, 杨 昊, 宋子恒,

  我国现有焦化废水处理技术虽可使最终排放废水达到国家标准，但在实际生产中仍有90%以上焦化厂废水处理出水的COD(化学需氧量)无法达标，难降解有机污染物的去除成本过高是主要原因之一。基于焦化废水中有机物达标去除成本高、效率较低，煤颗粒粒径小、沉降较差的问题，建立Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)/H2O2体系，结合Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)氧化法和类Fenton法两者的优点，以及反应产物Fe(Ⅲ)的絮凝性，研究Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)/H2O2体系在水溶液中对煤颗粒的快速氧化絮凝效果和该体系在实际焦化废水中对煤颗粒和有机物的协同去除效果及影响因素，以期为进一步研发该类工业废水同步去除有机物和无机物的高效低耗处理技术提供依据。选取颗粒表面Zeta电位值为反映煤颗粒物沉降性能的主要指标，采用单因素试验，考察H2O2投加量、Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)及H2O2反应时间、无机盐等对Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)/H2O2体系氧化煤颗粒的影响。采集焦化厂生产废水，考察pH对Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)/H2O2体系处理实际焦化废水的影响以及该体系对实际焦化废水中COD、氨氮和SS（悬浮颗粒物）的协同处理效果。结果表明:Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)与H2O2可形成优势互补，Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)氧化煤颗粒40 s后加入H2O2，再反应15 min后，煤颗粒表面Zeta绝对值显著降低，达到较好絮凝沉降效果，且与该体系氧化菲的最佳条件基本一致。无机阳离子的压缩双电层作用使得煤颗粒表面的Zeta电位值更加接近于0，可提高煤颗粒的沉降效果。采用Fe(〖KG-*5〗Ⅵ)/H2O2体系处理实际焦化废水原水水样后，COD、氨氮、SS的去除率分别达到了69.27%、75.95%和89.81%，且有一定的脱色效果。

• 真空膜蒸馏处理高矿化度矿井水试验研究

  卞 伟, 李井峰, 吕嘉峰, 齐 继, 刘淑琴, 李 庭, 郭 强, 朱国龙,

  基于高矿化度矿井水在我国西部煤矿区普遍存在的现状，为实现矿井水的高效利用，提出了采用膜蒸馏处理高矿化度矿井水的技术思路，膜蒸馏技术可充分利用西部矿区丰富的低品位热源，实现矿井水的大规模低成本处理。采用疏水性聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维膜，在石灰-纯碱法软化处理的基础上，对真空膜蒸馏（VMD）处理高矿化度矿井水技术进行了试验研究，着重探讨了热料液温度、热侧流量和冷侧真空度等操作条件对VMD过程的影响；分析了VMD浓缩过程中膜通量、脱盐率等膜性能的变化；考察了长期运行过程PVDF膜性能的稳定性。试验结果表明，对于硬度高而碱度低的矿井水，石灰-纯碱法可有效去除其硬度成分，投加质量浓度为600 mg/L CaO和500 mg/L Na2CO3可使矿井水中硬度的去除率达到77%以上；对VMD膜通量影响的重要性由强到弱依次为冷侧真空度、热料液温度、热侧流量，本试验的最优操作条件为温度75 ℃、流量1 L/min、真空度90 kPa；维持最优操作条件，VMD浓缩过程的初始膜通量约13.4 kg/(m2·h)，分别浓缩5、14.5倍时，膜通量降至初始值的81.22%和34.51%，脱盐率则始终在99.5%以上；随着VMD长期运行，膜通量逐渐下降，元素分析结果证实了膜污染和膜润湿现象，膜丝内表面的结晶主要是钙、镁硬度，Na、Cl元素的渗漏是膜润湿的重要原因；采用物理清洗干燥初期效果较好，清洗干燥后膜通量恢复至初始值的93.77%，但持续使用恢复作用逐渐降低。

• 露天矿地下水库人工回灌介质渗透性与水质变化规律研究

  张溪彧, 杨 建, 王 皓, 王强民, 王甜甜,

  针对矿井水人工回灌过程中水质演化及介质堵塞两大现实问题，通过自主搭建的矿井水人工回灌试验平台，开展矿井水人工回灌地下水库模拟试验。采用单一变量的试验方法，改变矿井水入库前的预处理方式，结合回灌前后矿井水浊度、TDS、悬浮物粒径及SEM扫描电镜，分析了地下水库连续储水过程中的水质变化规律，厘定了地下水库进水水质要求，并总结了露天煤矿地下水库自净化的主要机制；在此基础上研究了不同浊度矿井水人工回灌过程中介质渗透性变化规律，探查了矿井水人工回灌堵塞发生位置及堵塞类型，提出了地下水库自净化与介质渗透性间的矛盾关系。研究结果表明：采用混凝法对入库矿井水进行预处理，可以通过吸附架桥作用有效增大矿井水中悬浮微粒的粒径，进而淤积在回灌介质表层，促进了悬浮物在此阶段的去除，实现了地下水库的自净化，在地下水库连续储水过程中，水中浊度及TDS会进一步降低；但是从介质渗透性变化的角度而言，水中悬浮颗粒在被去除的同时缩短了回灌系统达到堵塞的时间，主要由于回灌介质表层发生了悬浮物堵塞，且回灌介质渗透性变化存在周期性规律，可采用0～5 cm表层清淤和30 h周期性回扬的技术手段消除介质渗透性下降对回灌系统的影响。

• 采煤影响下天山北麓潜水资源流失特征

  许 峰, 靳德武, 石 磊, 王世东, 何 渊, 黄 欢,

  天山博格达峰北麓山前丘陵区潜水资源为当地工农业以及居民生活用水的重要水源，针对该区日益严重的潜水资源流失问题，以铁厂沟河流域潜水含水层为研究对象，采用水文地质测绘、地面高密度直流电法勘探、水文地质钻探以及数值模拟等手段，对沿铁厂沟河流域潜水含水层空间展布与富水性特征、潜水资源的流失途径及流失量进行了研究与分析。结果表明：铁厂沟河与八道湾向斜北翼煤系地层交汇区第四系冲洪积层呈南（上游）厚北（下游）薄的特征，松散层底界标高沿河流方向呈逐渐降低趋势，与山前沟流冲洪积厚度及空间形态特征基本一致；通过抽水试验获得该区潜水含水层单位涌水量q为0.146 L/（s·m），渗透系数K为0.233 m/d，含水层富水性中等；潜水流场以地表塌陷坑为中心呈现出典型的降落漏斗形态，结合塌陷坑内存在流水声现象，分析该塌陷坑区域存在沟通潜水含水层与井下采空区的集中通道；采用FEFLOW数值模拟计算塌陷坑处的潜水漏失量86 m3/h，与井下涌水量实测值基本吻合，进一步验证了第四系潜水通过塌陷坑区集中通道补给井下采空区，使得井下采空区涌水维持稳定；煤矿开采是引发铁厂沟河中下游流域潜水资源流失的主要原因，采动后形成的塌陷裂缝是潜水流失的主要通道，针对塌陷裂缝的工程治理是保护潜水资源的主要途径。

• 煤矸石与城市污泥混合制备植生基质的试验研究

  秦琪焜, 方健梅, 王根柱, 司莉青, 周金星, 万 龙, 韩金斌,

  同为废弃物的煤矸石和城市污泥在性质上存在着一定的互补性，目前针对协同利用这2种废弃物的研究较少。为探究煤矸石与城市污泥混合制备植生基质的可行性并得到具体的高效利用方式，研究使用不同体积占比（50%、60%、70%、80%、90%）和不同粒径大小（≤2目(8.0 mm)、≤4目(4.75 mm)、≤8目(2.36 mm)）的煤矸石与城市污泥混合制成15种植生基质，施用于沙土并种植高羊茅（Festuca arundinacea L.），通过测定分析土壤重金属和营养元素含量以及植物的发芽率和生物量积累情况来评价煤矸石与城市污泥共处置的效果。结果表明：污泥可作为植生基质的主要营养源，尤其可以提供大量的磷元素；煤矸石本身含有一定的营养物质且可以调节植生基质的物理结构，使其更适用于困难立地；与其他粒径组相比，煤矸石粒径大小≤8目时土壤中的有机物含量显著提高（P<0.01）；煤矸石的体积占比和粒径大小都对高羊茅的生物量积累有显著影响且两变量之间有明显的交互作用，综合考虑得到当煤矸石与城市污泥的体积配比为1∶1（煤矸石体积占比50%），煤矸石粒径大小≤8目时，土壤的保水保肥性表现最佳，煤矸石的养分可以得到更为全面的补充，制得的植生基质可以得到相对最佳的土壤改良效果，验证了煤矸石与城市污泥混合制成植生基质的协同利用方法具有可行性。