煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2022年第8期

• 冲击地压智能化防治系统架构及关键技术

  秦子晗, 李伟东, 冯美华, 汪义龙, 胡兵,

  为保障我国冲击地压矿井的安全生产，加快冲击地压防治技术的智能化进程，提高防冲效果，通过总结国内外冲击地压监测手段、防治技术和管理技术3个方面的发展现状，指出了当前存在的评价客观性不足、预警结果指导性差、智能化水平低、无法杜绝人工作业等实际问题。针对上述问题，基于冲击地压防治理念和煤矿智能化技术现状，提出了基于“信息感知系统→矿井数据采集处理平台→冲击地压智能管控系统”为主体的智能化冲击地压防治系统架构。其运行过程由信息感知系统获取矿井信息，传送至矿井数据采集处理平台，进行矿井三维可视化建模和海量数据的整理分析，并通过冲击地压综合管控系统实现对冲击地压防治各环节进行决策并执行。阐述了作为架构核心的综合管控系统的功能组成，并对冲击地压风险管控、智能监测预警、防冲设备智能联动、危险区域智能管理4个子系统进行了论述，分析了利用专家系统、数据融合、智能操作、电子围栏等方法实现评价设计、监测预警、卸压解危和防冲管理等环节智能化的技术路径。在防冲智能化系统架构建设基础上，结合当前技术发展，进而确定了防冲方案智能决策、监测系统前端数据融合、卸压装备智能化及巷道修护机器人等关键技术的发展方向，为防治冲击地压智能化建设提供借鉴。

• 大厚度变异系数煤层综放开采合理采放比研究

  张明建, 李锋, 杨柳,

  基于九里山矿综放试验面在走向和倾向上煤层厚度变异性大，中间厚两边薄的特点，取煤层一走向变坡处进行了2组数值模拟试验，提出了合理的采放比，并利用现场试验进行了验证。研究结果表明：采高恒定组的采高增加时顶煤丢煤颗粒数目维持在恒定数值范围，采高变化对顶煤采出率影响不大。采放比恒定组随着采放比的增加，丢煤颗粒先多后少，顶煤放出率先降后升，采放比对顶煤采出率影响较大。2组试验进行对比结果表明：在煤厚逐渐升高的过程中，结合采出率，同时存在一个采出率较高的采放比区间0.9～1.1；煤炭采出率都受到煤厚的非线性影响，对于具体煤厚需要具体分析。顶煤运移跟踪仪对试验面顶煤采出率的现场测试结果表明，测试结果现场实施1∶1采放比条件下，放出率为85.7%。现场顶煤破碎程度高，中部及下端头煤较薄且破碎导致下位顶煤采出率高，下端头顶煤较厚且块度较大导致中上位顶煤采出率较低，部分较薄破碎顶煤在煤壁漏冒。工程实践表明：采用了1∶1采放比后，在回采过程中，参数优化最大程度减少了工艺煤损，综放工艺对顶煤厚度连续变化具有较强的适应性，综放工作面采出率达到90%，多采出顶煤约0.81万t，实现了安全高效、科学精准回采。

• 煤炭地下气化热-力耦合作用下条带开采数值模拟研究

  黄温钢, 王作棠, 夏元平, 辛林,

  煤炭地下气化条带开采适应强，且有助于围岩稳定控制，应用前景良好。为研究地下气化热-力耦合作用下条带开采过程中燃空区围岩的温度场、应力场和位移场的演化规律，采用COMSOL Multiphysics对贵州盘江山脚树矿4号煤层地下气化条带开采进行了数值模拟，并对气化开采和常规开采后的围岩应力和变形特征进行了对比分析。结果表明:随着气化工作面推进，围岩体内部约2 m区域的温度先升高后降低，温度传导范围一直呈扩大趋势，最大影响范围为10～12 m，温度在顶板中的传导范围最大，两侧煤体次之，底板最小。地下气化高温会在燃空区围岩体中产生热应力，导致地下气化条带煤柱所受垂直应力要明显高于常规开采的，并使燃空区悬露面、煤柱与顶底板交界面均承受水平压应力。燃空区邻近区域的顶底板位移趋势与常规的相同，但顶底板深部的位移则出现相反情况，即顶板上移、底板下沉。燃空区围岩的水平位移量明显大于常规条带开采的，且开采区域的左侧围岩体向左水平移动，右侧围岩体向右水平移动。地下气化条带开采过程中直接顶变形的波动幅度明显大于常规开采的，并在有煤体支撑的区域出现上移现象，其模型顶部岩层出现了整体上移现象，且其变形量大于常规开采的，说明地下气化过程中形成的热应力能一定程度上阻止覆岩的下沉变形。数值模拟结果可为地下气化条带开采的工程设计提供理论指导。

• 厚冲积层矿区地表移动持续时间预测方法研究

  安士凯, 李昱昊, 王晓鹏, 周大伟, 安鱼飞, 毕波,

  地表移动持续时间是地表沉陷稳定的关键指标，精确预计该时间对于地表及地面设施的稳定性评估至关重要。由于厚冲积层的特殊性及现有方法考虑影响因素有限，导致现有方法在厚冲积层矿区预测误差偏大。针对这一问题，综合考虑了采深、采厚、冲积层厚度和推进速度等地表移动时间影响因素，基于淮南潘谢新区15个工作面的实测数据，分析了各影响因素与地表移动持续时间的关系，建立了厚冲积层矿区地表移动持续时间新计算模型，分析了计算模型精度，并利用SBAS-InSAR技术进行了实测验证。研究结果表明：地表移动持续时间与采厚、采深呈正相关，与推进速度、冲积层厚度呈负相关；分别利用参与和未参与建模的数据进行计算，得到新模型的精度提高了86%和44%；新建模型计算结果与Sentinel-1数据解算结果的相对误差最低为7.2%，再次证实了该计算方法的正确性。对比传统经验公式，新建公式适用性更强，精度更高，可为厚冲积层矿区地基稳定性评价等相关工作提供技术支撑。

• 深部超大断面分选硐室群布置方式优化研究

  刘学生, 王新, 谭云亮, PUREV Lknhamsuren, 宋世琳,

  为满足井下分选和就地充填要求，井下往往需要密集布置多条硐室，其布置方式对硐室群围岩控制影响重大，是硐室群设计的重要内容。以新巨龙煤矿-800 m水平煤矸分离硐室群为背景，采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合，较系统地探讨了硐室群围岩稳定性影响因素，并运用FLAC3D软件建立数值计算模型，获得了不同布置方式时硐室间距对围岩变形破坏影响规律。随着硐室间距增大，相邻硐室围岩相互影响逐渐减小，同层位布置时最优间距约为15 m，错层位布置时约为18 m。采取同层位布置且硐室间距为15 m时，围岩应力集中区域主要位于硐室交叉处，应力峰值为35 MPa，围岩最大变形量为43 mm，塑性破坏区宽度约为5 m，硐室间存在约5 m见方的弹性承载岩柱。现场工程中4条硐室采用同层位“井字型”布置方式，间距为15～89 m，实践表明：硐室群围岩变形主要集中在硐室成型初期，且以硐室中部变形最大，约为26 mm，围岩整体稳定性好。研究成果可为深埋硐室群布置方式设计及参数优化等提供参考。

• 急倾斜煤岩互层巷道变形特征及机理研究

  常博, 刘旭东, 张传明, 贾冲, 闫瑞兵, 任杰,

  针对急倾斜煤岩互层巷道的变形问题，采用现场实测与数值模拟实验方法，运用围岩稳定性联合监测设备，分析急倾斜煤岩互层巷道围岩裂隙分布特征、锚杆拉力变化、巷道变形及其应力分布规律。结果表明：B8急倾斜煤岩互层巷道的平均水平主应力24.3 MPa，约为垂直地应力3.08倍。当岩层过渡到煤层后其孔壁较为破碎，随钻孔深度增加孔壁逐渐产生剪切错动。急倾斜煤岩互层巷道存在非对称性的变形特征，南帮帮鼓0.60～1.00 m大于北帮的0.20～0.40 m，两帮变化呈现出“收敛期-趋于稳定期-稳定期”的阶段性趋势，其巷道“收敛期”存在5 d左右的蠕变特征，单日变形量为0.10～0.20 m，为此施工作业应避开巷道的5 d左右的收敛期。返修阶段的巷道变形对锚杆造成破坏，使得南帮锚杆锚固力30 kN时被拉出，至巷道变形稳定相对后，90处锚杆中共有15处存在锚杆质量较低的情况，占比达到16.67%。由于急倾斜煤岩层地质因素的影响，巷道围岩的垂向裂隙较为发育，在水平应力的作用下，软弱夹层极易发生结构面间的错动变形，加之岩层内部的挤压力作用，继而产生岩层的离层变形，最终导致巷道南帮帮鼓大变形现象。两帮呈现巷道底鼓南高北低的不对称变形特征，南帮变形失稳后，使得巷道北帮岩层承受覆岩作用较大，应力集中效应较强。研究结果为急倾斜煤岩互层巷道的变形控制提供了科学依据。

• 分段水力压裂弱化采场坚硬顶板围岩控制技术研究

  牛同会,

  针对神东矿区布尔台煤矿42煤层覆岩存在坚硬顶板，回采生产中采空区顶板大范围悬顶不垮落诱发的强矿压显现限制了矿井安全生产这一现状，通过理论分析以及现场工业试验，对坚硬顶板覆岩结构简化力学模型进行分析，分析了坚硬顶板悬顶受力特征及其对矿压显现的影响；进一步提出了对工作面顶板施工定向水力压裂措施来弱化坚硬顶板岩层，控制其垮落，揭示了水力压裂弱化坚硬顶板降低回采期间矿压显现的机理；结合42202工作面现场工程条件，确定了顶板坚硬岩层层位，并对水力压裂方案、参数进行优化设计，并在施工中监测水力裂缝扩展、水压及注水量变化，分析水力压裂技术对坚硬顶板岩层的控顶效果。综合研究结果表明：对42202工作面覆岩粉砂岩层施工水力压裂措施后，顶板岩层有效弱化，压裂卸压影响区域内工作面来压强度整体降低，尤其是来压峰值压力降幅明显，降低约10%；来压步距降低4%；来压前支架平均阻力降低2.6%；来压时支架平均阻力降低6.8%；动载系数降低4%；工作面煤壁片帮得到遏制；同时，辅运巷道两帮及顶底变形量分别减小100、30 mm；〖JP3〗辅运巷道浅部及深部围岩应力分别降低2.5、1 MPa，锚杆、锚索受力分别下降29、22 kN，反映出对坚硬顶板施工定向水力压裂能有效降低工作面矿压显现，避免形成强烈冲击，可满足安全生产要求。

• 冻融循环条件下砂岩动态拉伸力学特性试验研究

  刘德俊, 浦海, 沙子恒, 许军策,

  我国西部地区受冻融循环作用的影响较大，岩石在经历冻融循环作用后其内部温度应力造成岩石结构性损伤，岩石物理力学性质产生显著的变化，进而会影响岩石工程的安全性和可靠性。为研究冻融循环对岩石动态拉伸力学性能的影响，选用新疆典型寒冻地区砂岩，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，对不同冻融循环次数（0、5、10、15、20和25次）后的试样进行动态巴西圆盘试验；并利用SEM电镜扫描和高速摄像机分析冻融循环对试样宏细观破碎特征的影响，在此基础上对冻融循环作用机制进行讨论。结果表明：冻融循环对砂岩动态抗拉强度有很大影响，冻融循环后试样结构损伤，力学性能劣化。随着冻融循环次数的增加，试样结构损伤和力学性能劣化加剧。动态抗拉强度随冻融循环次数的增加逐渐降低，循环25次之后，降低幅度约为50%。同一冻融循环次数下，动态抗拉强度具有明显的应变率增强效应。不同冻融循环次数后砂岩破碎特征差异明显，低应变率和高应变率下分别出现剥落式破坏和颗粒状粉碎破坏。从微观角度，冻融循环主要对岩石矿物颗粒、胶结物质、孔隙面积产生影响，削弱了岩石颗粒间的黏结力，同时在岩石内部产生不同形式的断裂裂纹；冻融循环作用产生的冻胀力与孔隙间水压力导致岩石内部出现损伤，使得宏观上表现出强度的下降。

• 冲击荷载下聚丙烯纤维水泥砂浆力学特性研究

  沈文峰, 王亮, 徐颖, 孙蕾,

  为研究掺入聚丙烯纤维（polypropylene fiber，PPF）的喷射砂浆，在加固矿井的应用中发生瞬时破坏时对软岩巷道的支护潜力，制备了水灰比为0.3、0.4、0.5并分别以0、1%、1.25%、1.5%的体积分数掺入PPF的水泥砂浆，浇铸成50 mm×25 mm的圆柱体试件。采用50 mm的分离式霍普金森压杆（Split Hopkinson Pressure Bar, SHPB）对上述试件分别以0.25、0.35、0.45 MPa三种加载气压进行冲击压缩试验。通过对比分析,在冲击荷载作用下，不同水灰比和不同PPF体积掺量的砂浆试件的动态力学性能，分别研究水灰比和PPF体积掺量对喷射砂浆的抗冲击载荷的影响。试验结果表明，典型试件的破坏特征具有应变率效应，试件破碎块度随应变率的增大而减小；PPF增强砂浆动态应力-应变曲线可分为弹性阶段、裂隙扩张阶段、塑性变形阶段和破坏阶段，随着应变率的提高，塑性变形阶段相应有所加强；相同PPF体积掺量时，较高孔隙率的高水灰比的砂浆试件有利于吸收应力波能量而表现出更好的抗冲击性能；当PPF体积掺量为1.25%时，均匀分布在砂浆内部的纤维改变应力传播路径，缓解应力集中现象，通过桥接和加筋作用使喷射砂浆具有更好的变形协调能力，而且在当前掺量的PPF增强砂浆的动态抗压强度和极限韧性最高，具有更好抵抗瞬时荷载破坏的能力。以上试验结果对调控砂浆配比、增强消波吸能能力有一定参考价值。

• 多源数据驱动的防突预警指标自适应技术研究

  朱墨然, 王麒翔, 张庆华,

  针对目前煤矿防突预警技术存在的预警模型有效性不明确、预警临界值误差较大、预警系统对煤矿的适应性较差等问题，分析了煤矿防突信息的特征，应用多源数据驱动思维，设计了多源数据驱动的防突预警系统结构，研究了多源数据驱动的防突预警指标自适应技术，实现预警模型有效性的定量评价智能优选和预警临界值自适应训练，提升预警系统对煤矿的适应能力，提高预警准确率。通过建立预警模型有效性定量评价方法，智能优选预警模型，避免人为主观因素造成的模型选择失误；通过建立预警临界值自适应训练方法，使预警临界值能够与煤矿实际情况相适应，并且预警临界值的精确度随时间的推移逐渐提高，减少了临界值考察的工作量。该技术体系在贵州盘州地区某煤矿应用过程中，从4个代表性预警模型中定量筛选了效果较好的预警模型A和预警模型S，在瓦斯体积分数并未超限的情况下，预警模型A提前捕捉到因煤厚变化引起的瓦斯涌出异常状况，并及时发布预警信息，在采取相应措施后消除了事故隐患。该技术能够使煤矿防突预警具有更高的适应性，提高煤矿防突管理水平，为安全生产决策提供支持。

• 基于MPC的瓦斯抽采智能调控模型研究

  马莉, 石新莉, 李树刚, 林海飞, 宋爽, 代新冠,

  为了提高瓦斯抽采的安全性、效率性、降低抽采的经济成本，分析了瓦斯抽采系统运行的安全约束条件及效率约束条件；分析了瓦斯抽采系统四大控制任务及瓦斯抽采优化数学模型；根据理论调控策略，提出了瓦斯抽采智能调控的完整流程。以上述调控流程为基础，提出了瓦斯抽采智能调控模型，将瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采纯量、瓦斯抽采负压及抽采泵效能比作为被控量，抽采钻孔的阀门开度和抽采泵功率作为控制量，利用简单循环神经网络(simpleRNN)分析处理被控量历史数据的时间变化规律，学习得到被控量随时间变化的理想动态拟合曲线。通过模型预测控制算法(MPC)对控制量进行智能调控，使被控量的实际值无限趋近于其理想动态拟合曲线对应时刻的参考值。利用校正反馈和滚动优化不断增强瓦斯抽采智能调控模型的抗干扰能力，最终提高煤矿瓦斯抽采的安全性和效率。以模拟瓦斯抽采数据为例，完成了算法仿真实验。试验结果表明：瓦斯抽采浓度总体变化趋势从40%～5%随时间递减，瓦斯抽采纯量从总体变化趋势9.0～5.0 m3/min依次按时间递减，通过循环神经网络得到的理想动态拟合曲线具有很好的数据拟合度，能较准确的反映瓦斯抽采浓度数据和瓦斯抽采纯量数据的变化规律；瓦斯抽采负压及抽采泵效能比理想动态拟合曲线能较准确地维持在10～30 kPa和1.3～1.5 m3/(kW·h)，满足瓦斯抽采过程的经济和安全需要；模型预测控制算法对控制量的动态调控能克服环境及非线性因素的干扰达到较好的调控效果，为瓦斯抽采智能调控提供了一定的参考依据。

• 碎软低渗煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂工程应用

  刘乐, 张俭, 方秦月, 王晨阳, 赵继展,

  随着矿井采掘活动不断向深部延伸，碎软、低渗煤层瓦斯抽采难度增加，矿井瓦斯治理面临更大挑战。常规水力压裂煤层增透措施存在压裂不均匀、压裂排量低、压裂覆盖范围小及裂缝易闭合等不足。基于此，提出碎软煤层顶板定向长钻孔水力加砂分段压裂煤层增透区域瓦斯超前预抽的技术方案，研发了“定向喷砂射孔+加砂分段压裂”复合工艺技术，形成了多手段、多角度考察分段加砂压裂影响范围和压裂后煤层瓦斯抽采效果分析为一体的压裂效果评价方法。在山西阳泉矿区新景煤矿保安区北六、北七工作面开展工业性试验，完成2个压裂钻孔(孔深均为609 m)定向喷砂射孔、水力加砂分段压裂工程试验。累计定向喷砂射孔80次，其中1号压裂孔定向喷砂射孔30次，2号压裂孔定向喷砂射孔50次，砂比2%～3%、定向喷砂射孔压力22.6～28.6 MPa，共计注入射孔液1 072 m3，使用石英砂19.84 t。实施水力加砂分段压裂16段，1号压裂孔分6段压裂，2号压裂孔分10段压裂，单段注入压裂液153.76～235.11 m3、平均砂比2.02%～2.56%、共计注入核桃壳砂36.48 t、压裂液2 808.57 m3。采用孔内瞬变电磁法、微量示踪剂法等手段确定压裂影响半径20～38 m。统计压裂后1号钻场、2号钻场100 d瓦斯抽采数据，其中1号钻场平均瓦斯抽采体积分数43.97%，平均瓦斯抽采混合流量1.61 m3/min，日均瓦斯抽采纯量1 025.11 m3；2号钻场平均瓦斯抽采体积分数23.17%，平均瓦斯抽采混合流量8.56 m3/min，日均瓦斯抽采纯量2 810.6 m3。1号钻场、2号钻场较邻近区域顺层钻孔瓦斯抽采分数提高了3.36倍和6.38倍，百米钻孔瓦斯抽采纯量提高了16.44倍和45.14倍；较千米钻孔瓦斯抽采体积分数提高10.53倍和19.99倍，百米钻孔瓦斯抽采纯量提高了5.61倍和15.42倍。结果表明，该技术在煤矿井下实现大排量、高砂比，连续水力压裂作业，压裂后煤层透气性显著提高，为碎软煤层区域瓦斯治理提供技术借鉴。

• 三分量TEM在坚硬顶板水力压裂效果检测中的应用

  李宇腾, 范涛, 赵睿, 刘磊, 赵佳佳,

  矿井水力压裂技术在坚硬顶板卸压和瓦斯高效抽采领域得到的广泛应用，但对于长钻孔水力压裂效果的检测评价一直缺乏较为理想的物探方法，传统探测方法存在成本高、效率低与探测距离短的不足。为实现坚硬顶板定向长钻孔水力压裂效果高效直观地检测这一目标，采用一种煤矿井下在压裂孔内施工的动源动接收瞬变电磁探测方法，探测装置天线是由收发间距固定的极小发射线圈和三分量接收探头组成，在钻孔内沿钻孔逐点移动进行三分量接收。为了弥补有缆装置探测距离的不足，采用孔外定时同步、孔内发射接收的探测装置，采用钻机推送的方式对神东某矿井2号压裂钻孔40～315 m段进行压裂前、压裂后分别探测。首先对垂直分量数据进行预处理，采用水平分量数据实现探头姿态变化影响校正，并提取纯异常场进行分析，最终实现充水裂缝三维成像技术。试验结果表明：纯异常场等值线图中有明显条带状低阻异常分布，综合分析压裂前、后视电阻率分布情况认为该条带状低阻异常即为压裂形成裂缝所致，异常走向即为裂缝延伸方向，异常延伸范围即为裂缝延伸范围。三分量瞬变电磁探测技术是矿井物探、钻探和水力压裂技术的有机结合与相互补充，对裂缝走向和延展范围进行有效圈定，能够有效应用于坚硬顶板定向长钻孔水力压裂效果评价。

• 乙二胺四乙酸微胶囊阻化煤自燃性能研究

  张嬿妮, 舒盼, 刘春辉, 王安鹏, 李乐乐,

  煤自燃的频繁发生对煤矿安全生产构成了严重威胁。阻化剂防灭火技术在防治煤自燃方面发挥了重要作用。微胶囊材料是一种具有良好预防煤自燃效果的复合型灭火材料。选取聚乙二醇6000（PEG6000）为壁材，乙二胺四乙酸（EDTA）为芯材，利用熔化分散冷凝法制备出芯壁比分别为1∶2、1∶3、1∶4、1∶5的微胶囊化乙二胺四乙酸。利用SEM对微胶囊的表面形貌进行表征，结果表明，PEG6000有效包覆在EDTA表面，成功制备了新型PEG6000-EDTA阻化微胶囊。采用热分析实验研究了不同芯壁比阻化微胶囊对煤样自燃特性的影响，掌握了阻化煤样的分阶段特征与特征温度点的热释放规律。结合热动力学参数，分析了不同芯壁比阻化微胶囊对煤自燃的阻化机理。研究表明：不同芯壁比阻化微胶囊的热反应性及阻化机制存在差异，其芯壁比为1∶3时效果最佳。确定了乙二胺四乙酸微胶囊阻化剂对煤自燃具有化学阻化作用，能够降低煤的失重率，使T1和T3温度分别提高12 ℃和34 ℃，而且可以大幅度降低30～200 ℃和325～683 ℃放热量。表观活化能的计算表明，在P1和P3两个阶段，抑制煤样的活化能分别为22.96 kJ/mol和54.98 kJ/mol，分别比原煤高4.14 kJ/mol 和13.04 kJ/mol，证明了阻化微胶囊可有效的提高活化能抑制来煤自燃。研究表明乙二胺四乙酸微胶囊阻化剂对煤样具有良好的抑制作用，可有效抑制煤自燃反应进程。

• 湿式旋流抽尘净化器的除尘机理研究

  胡斐, 胡胜勇, 高扬, 王和堂, 冯国瑞, 刘长河, 李继华,

  为解决现有湿式除尘器普遍存在的喷嘴易堵塞、滤网需频繁拆卸清洗、维护量大、设备尺寸过大导致安装空间有限等问题，自主研发了一种湿式旋流抽尘净化器，该设备主要由进水管、新型叶轮、锥形后盘、防水电机、旋流叶片、脱水筒组成，按功能分为进水布水、混合旋流和脱水排污3个单元。基于常见除尘器的3种叶轮特点，设计出一种有锥形后盘的新型叶轮。新型叶轮在防水电机带动下产生的高负压吸入含尘气流，同时将进水管出水吸至叶轮锥形后盘上形成水膜，实现第1次捕捉抽入粉尘；水流进入叶片间的动态文丘里通道后在机械作用下被充分破碎，在动态文丘里原理作用下完成第2次捕捉粉尘；经旋流叶片上形成的水膜实现第3次捕捉粉尘，并在离心力的作用下实现第1次脱水，以螺旋轨迹运移的含污气流经导流后通过脱水筒完成第2次脱水；第1次脱水与第2次脱水后汇聚到净化器内壁上的污水在风流与重力的双重作用下积聚到净化器内壁底部的排污槽处，从排污槽排出。通过三重粉尘捕捉与双重脱水作用，实现了高效抽尘、净尘、脱水的一体化。在山西某选煤厂精煤2次脱水与运输车间的现场应用结果表明，除尘前车间内全尘和呼尘浓度分别为87.7～118.7 mg/m3 和59.8～79.2 mg/m3，除尘后下降为2.9～3.2 mg/m3和2.0～2.2 mg/m3，全尘除尘效率达到96.3%以上。

• 古交矿区太原组煤层气开发地质特征及产能优化

  刘一楠, 吴翔, 李勇, 徐立富,

  沁水盆地太原组深部煤层气资源丰富，勘探开发尚未系统开展。通过解剖沁水盆地西北部古交矿区煤层气钻井、压裂、排采资料和测试数据，揭示太原组煤层厚度、含气量、储层物性等地质条件和见气压力、排采规律等开发特征，结合数值模拟提出了开发井型和井网设计。研究区太原组8号和9号主力煤层分布稳定，累计厚度约5 m，埋深在500～900 m，以低灰和低硫煤为主，生气能力强，含气量约11m3/t。煤层物性中等，含气饱和度高，临储比高，见气时间早，具有较好的开发潜力。影响煤层气开发因素包括构造运动导致地应力集中，工程改造困难；主力煤层见气压力较低，气体解吸困难；开发过程中间歇性排采，裂缝或孔喉堵塞等。基于资源丰度和见气压力对煤层气产气效果进行模拟，当储量丰度达到0.4×108 m3/km2，见气压力大于1.8 MPa时开发效果较好，模拟预测20 a累计产气量达到957×104 m3。研究区水平井最佳开发指标为水平段长度700 m,8段压裂、井距300 m。当定向井与水平井距离在350 m时，布井开发效率最优。在定向井菱形井网中，短轴距离为200 m、长轴距离为300 m，开发效果最佳。综合上述煤层气开发地质条件分析，结合地质—工程一体化设计，明确了后续开发有利区和工艺选择，为研究区和类似地区煤层气高效开发提供地质支撑。

• 黔北煤田上二叠统龙潭组煤系页岩气储层特征与勘探潜力评价

  张曼婷, 付炜, 姜秉仁, 高为, 邓恩德,

  贵州省上二叠统龙潭组是中国南方最重要的含煤地层，蕴含丰富的富有机质泥页岩，具有良好的页岩气成藏物质基础。以贵州省黔北煤田上二叠统龙潭煤系富有机质泥页岩为研究对象，通过对JC-1井岩心样品进行测试，对研究区的富有机质泥页岩的矿物组成、地球化学特征、孔隙结构和岩石力学参数等储层特征进行了研究并对页岩气勘探潜力进行了评价。结果表明：JC-1井泥页岩干酪根类型均为III型，有机质成熟度在2.0%～3.0%，处于过成熟早期生干气阶段，总有机碳含量（TOC）为0.56%～9.58%，平均3.97%。地球化学参数显示黔北煤田龙潭组泥页岩有机质类型与有机质成熟度匹配，有机碳含量较高，具有较好的生气能力。SEM场发射扫描电镜观测结果显示JC-1井泥页岩具有的微观孔隙主要包括粒内孔、粒间孔和微裂缝，具有丰富的微观孔隙，为页岩气提供了良好的储集空间。X射线衍射数据显示泥页岩脆性矿物含量为5.96%～87.27%，平均值为43.78%，脆性矿物含量较高，有利于进行压裂改造；泥页岩总厚达到48.03 m，占龙潭组总厚度的36.89%，具有2个有效页岩连续厚度大于15 m的层段。黔北煤田龙潭煤系富有机质泥页岩具备良好的生气条件、良好的储集条件与良好的可压裂性，泥页岩累计厚度与有效连续厚度较大，具有较大的页岩气勘探潜力。

• 临兴地区深部煤储层地应力场及其对压裂缝形态的控制

  高向东, 孙昊, 王延斌, 倪小明, 邓泽,

  地应力是煤储层压裂改造的关键控制因素。基于电成像测井和水力压裂数据，结合Abaqus软件模拟，查明了研究区深部煤储层地应力空间展布规律，探讨了地应力对压裂裂缝延展的影响。结果表明，临兴地区最大水平主应力方向近似呈EW向。地应力的垂向分布具有明显分带性，存在1 200 m 和2 000 m两个临界转换深度。1 200 m以浅，地应力以垂直主应力为主；埋深介于1 200～2 000 m 时，水平主应力占据主导；当埋深超过2 000 m时，地应力再次转换为以垂直主应力为主。研究区深部煤储层地应力主要表现为最大水平主应力＞垂直应力＞最小水平主应(σhmax>σV>σhmin)。地应力的平面分布受埋深和构造2方面控制，埋深导致地应力整体呈南高北低、西高东低的特征；褶皱和断层使得研究区北部地应力呈条带状分布，背斜核部水平地应力较大，向斜核部及断层发育区水平地应力较小。研究区地应力组合特征决定了煤储层压裂裂缝以垂直裂缝为主，局部容易形成一些复杂缝。在天然裂隙存在的情况下，水平主应力差小于3 MPa时，压裂裂缝沿天然裂隙扩展；当水平主应力差超过6 MPa时，压裂裂缝沿最大水平主应力方向扩展；当水平主应力差超过10 MPa时，压裂裂缝基本为沿最大主应力方向的单缝。压裂实例分析表明，压裂裂缝的延伸方向和扩展特征受地应力控制明显。该研究成果以期为深部煤储层的压裂改造提供理论指导。

• 支撑裂缝煤粉动态运移沉积可视化模拟试验研究

  李小刚, 陈浩, 熊俊雅, 李宇, 胡洋, 刘建升,

  针对支撑裂缝中煤粉动态运移沉积过程及沉积堵塞后煤粉分布特征不明的问题，应用自主研制的煤粉动态运移沉积可视化模拟装置开展煤粉动态运移沉积模拟试验。基于试验特征图像抽提和图像像素点灰度等级识别，建立关于可视化裂缝平板长度和高度的灰度矩阵并对特征图像进行二值化处理；在二值化处理图像上划分网格，用每个网格中灰度等级为0的像素点数量（煤粉量）与网格中总像素点的比值Rc来表征煤粉沉积对支撑裂缝流动通道的影响。对比分析了不同排量、不同排驱时间煤粉在支撑裂缝不同位置处的运移、沉积、堵塞特征。试验结果表明：煤粉运移沉积主要在堆积孔隙相互连通形成的流动通道中进行，由于受重力影响，较多的煤粉沉积在支撑裂缝下缘；煤粉运移进入支撑裂缝后，将经历孔隙表面吸附、架桥堵塞孔隙吼道、滤饼堵塞流动通道3个阶段；煤粉从聚集区往裂缝出口方向运移并沿运移路径不断沉积，若不堵塞流动通道则会达到运移沉积平衡状态；煤粉沉积未造成流动通道堵塞时主要呈现出“指状沉积特征”，造成流动通道堵塞时主要呈现出“块状沉积特征”；随试验排量的增加“指状沉积特征”向“块状沉积特征”蜕化；当煤粉浓度一定且有外来煤粉持续补充时，随着排量的增加煤粉造成流动通道堵塞的几率增加且堵塞的时间提前；在排液量较大的排采初期，需要适当的控制排量减小煤粉沉积堵塞对流动通道的伤害。

• 逆断层区域煤体应力分布规律

  周睿,

  逆断层区域地应力和构造应力叠加，煤体应力分布规律非常复杂，对逆断层区域煤层安全开采造成影响。为了掌握逆断层构造对煤体应力分布的影响，以贵州省新春煤矿1503回采工作面F4逆断层区域煤岩体为研究背景，采用FLAC3D数值模拟方法分析了逆断层区域煤体应力分布规律，建立了逆断层区域煤体应力分析数理模型，推导出煤体垂直应力和水平应力的计算表达式，并应用KYKY-2800B型扫描电子显微镜分别对距离逆断层70、40、10 m的煤样进行微观结构观测。研究结果表明：①逆断层区域100 m范围，随与逆断层距离减小，煤体的垂直应力和水平应力表现出先增大后减小的变化规律；②与逆断层越近，煤体稳定性越差，与逆断层距离小于12.74 m的范围内煤体将发生破坏，破坏后煤体强度发生劣化，应力降低；③距离逆断层70 m的K3煤样表面基本不存在裂隙，煤样较为完整；距离逆断层40 m的K2煤样表面存在“X”型裂隙，煤体未发生破坏仍处于弹性变形阶段，但K2煤样裂隙比K3多，煤样受力较大；距离逆断层10 m的K1煤样结构破碎、大小颗粒混杂，煤体发生破坏并处于塑性软化阶段或塑性流动阶段，煤体强度发生劣化，应力降低；④逆断层附近煤体破坏，导致应力降低，从而形成了与逆断层距离减小，煤体应力先增大后减小的分布特征。

• 断层活化特征及防隔水煤柱合理化留设研究

  朱敬忠, 刘启蒙, 刘瑜, 范佳俊, 杨森,

  目前浅部煤炭可采储量开挖殆尽，以井工开采的煤矿正逐渐向深部含煤地层区域延伸，因面临深部“高温、高压、高瓦斯”及复杂地质构造的威胁，井下作业环境变得十分恶劣。虽然通过钻探、物探手段及巷道开挖对煤矿安全生产构成较大影响的深部隐伏断层构造进行探查，但矿井对断层性质及采动影响下断层活化等基础资料掌握程度不足。在设计断层防隔水煤(岩)柱留设尺寸阶段，往〖JP2〗往存在断层煤(岩)柱留设过大或过小的问题，造成生产期间煤炭资源可开采量的降低，或诱发断层水害事故。以宿州煤电集团界沟煤矿F6断层为研究对象，从断层的含(导)水性、采动影响下断层活化特征、煤层顶板岩性特征及导水裂隙带发育高度等方面综合分析研究煤层防隔水煤柱宽度留设问题。利用基于有限元理论的COMSOL Multiphysics(CM)数值模拟、理论计算及矿井生产验证等多方法，确定最合理的防隔水煤柱尺寸。研究表明：F6断层在未扰动状态下表现为富水性弱，导水性差，但当工作面继续向再前推进至距断煤交线20 m时断层带附近岩层因受集中应力作用而发生塑性破坏，断层导水性质发生变化。基于以上综合分析最终确定F6断层防隔水煤柱合理留设宽度为36.13 m。研究成果对界沟煤矿安全效益和经济效益的最大化提供一定的技术保障。

• 煤层底板隐蔽水害危险源识别与定位试验研究

  丁立, 王经明,

  煤层底板隐伏导水陷落柱和断层突水频繁造成华北型煤矿淹井和灾害。为研究危险源在底板含水层内的多种效应以及底板隐蔽水危险源定位技术，根据华北C-P煤田的水文地质条件进行了沙槽试验研究。试验显示，在流场稳定后测区内陷落柱效应表现为水头、水温和浓度等值线都呈同心的闭合圈状，危险源位于最大等值线闭合圈内；测区内断层的效应表现为水头、水温和浓度的等值线都呈平行线状，危险源位于两条最大平行线之间。2种危险源的温度和浓度最大等值线范围都远大于水头的范围和危险源的实际尺寸，且实际位置都靠近等值线密度大的一侧。试验发现不论危险源为何种类型，水头等值线在逆水流方向上稀疏，在顺水流方向上密集；温度和浓度等值线则在顺水流方向密集，逆水流方向稀疏。当危险源位于测区以外时，靠近危险源区域的等值线的密度大，远离危险源的区域等值线的密度变小且走向发生大幅度转折。测区外两种危险源的效应类似，难以区分。根据试验结果，研究了图解法和等值线拟合法2种危险源定位方法：对于测区内的危险源，可以采用图解法和拟合法定位，即通过最大等值线区域圈定危险源范围，再经试算得出误差最小的位置；对于测区外的危险源，只能采用图解法定其存在方向。

• 桌子山煤田奥灰水水化学特征及成因分析

  王世东,

  桌子山煤田奥陶系灰岩地下水是区域煤层开采的主要充水水源，同时也是乌海市重要的地下水水源，研究该区域水文地球化学特征及成因，对矿井水害防治及地下水资源开发利用均具有重要意义。以奥陶系灰岩水为研究对象，采集煤田奥陶系灰岩地下水样37组，综合利用piper三线图、Gibbs图及离子比例关系分析了奥陶系灰岩地下水化学特征及其形成作用。研究结果表明：桌子山煤田奥陶系灰水水化学组分的分布特征与地下水径流方向密切相关，Na++K+、HCO-3、Cl-和SO2-4的离子浓度及理化指标TDS、pH值由补给区向排泄区呈现增大的趋势，Ca2+和Mg2+浓度呈现减小的趋势，并且以上指标在煤田北部和南部地区变化较大；由桌子山补给区向甘德尔山再转南北向径流的水化学类型变化较为明显，主要为“水迟缓交替作用带”，经历正向离子交换作用，而由桌子山补给区向南径流的水化学类型始终为SO4·Cl-Ca·Na型，控制作用由“水迟缓交替作用带”转为“水消极交替作用带”，反向离子交换作用强烈；整个桌子山煤田可划分为北、中、南3个水化学特征区，煤田北部因地质构造的缘故使地下水形成滞留区，径流过程紊乱且形成过程较复杂，中部未受到地质构造阻挡，径流方向不变，地下水化学形成过程简单，而南部因地层加深和断层阻隔的缘故形成滞留带，使地下水水化学形成过程较复杂。

• 基于惯导/全站仪组合的掘进机自主定位定向方法

  马宏伟, 毛金根, 毛清华, 张旭辉, 刘博兴,

  针对目前煤矿井下掘进机定位定向不准确、自动化程度低等问题，提出了一种基于光纤惯导与数字全站仪组合的掘进机自主定位定向方法。通过分析光纤惯导与数字全站仪的组合定位定向原理，建立了光纤惯导和数字全站仪的误差模型和组合定位定向系统的状态方程和量测方程，运用卡尔曼滤波器对组合定位定向系统的状态量与量测量进行预测估计，并考虑数字全站仪的定位精度对融合效果的影响，得到掘进机自主定位定向的融合信息。搭建了掘进机定位定向试验平台，通过运用惯导与全站仪组合的自主定位定向方法对模拟在巷道中线行走的掘进机进行了定位定向试验。试验结果表明：根据数字全站仪定位精度确定量测噪声方差R时，组合定位定向精度最高，其中x轴方向定位最大误差为0.03 m，y轴方向定位最大误差为0.02 m,航向角、俯仰角和横滚角定向误差小于0.005°，能够满足煤矿井下掘进机定位定向技术要求，解决了光纤惯导姿态角累计误差和位置发散问题，实现了掘进机的精确自主定位定向，为煤矿井下掘进工作面的智能化发展奠定良好的基础。

• 基于双目视觉的动态煤量测量方法

  董立红, 宋伟思, 符立梅,

  煤矿井下带式输送机主运输面煤量测重设施不完善。在复杂的煤矿井下环境中，皮带秤的测重方法对其精度有很高的要求、易受到人为操作，使得测量误差较大，难以获得真实的煤产量数据；激光三维扫描的测重系统价格昂贵，难以普遍使用。根据煤矿井下带式输送机主运输面煤量测量问题存在的不足，针对性地提出一种基于双目视觉的动态不规则物体测重方法。首先，采用双目相机获取煤矿井下带式输送机主运输工作面的左右俯视图，研究适用于煤矿井下图像特点的预处理方法；接着根据双目视觉的原理采用改进的半全局块匹配算法（Semi-Global Block Matching，SGBM）计算得到密集视差图并对视差图进行空洞填充以消除误匹配点；再对填充后的的视差图采用改进的分水岭分割算法将视差图中的原煤目标分离出来；然后在采用基于三角测量的方法恢复各点的深度信息后计算其对应点的三维信息；在三维信息的基础上提出了一种新的动态不规则体积测量方法计算带式输送机表面的原煤体积；最后，应用煤量计算公式完成煤量测量。用双目相机获取真实煤矿图像进行试验，证明所提方案的有效性。研究表明：该系统所需的硬件设备为一个质量轻、体积小的双目摄像机，能实时采集到目标图像和距离；真实重量和测量重量误差低于10%，为煤矿井下煤量测量提出了一种有效的方案，能够满足实际煤矿井下煤产量的估计需求。

• 采煤机滚筒高度测量传感器工作环境磁场仿真与屏蔽研究

  李曼, 郑思雨, 刘浩东, 王志鹏,

  为实现煤矿井下综采工作面复杂电磁环境下采煤机滚筒高度的测量，保证工况条件下传感器的可靠性，在分析滚筒式采煤机摇臂结构和工作原理的基础上，利用TLE5012B磁敏感角度传感元件设计了采煤机滚筒高度传感器。传感器通过安装于摇臂销轴处的摇杆—旋转装置获取摇臂摆角，由角度计算获得采煤机滚筒高度。依据现有煤矿井下工况条件、设备分布以及传感器安装位置，分析确定滚筒高度传感器在井下工作环境中的主要磁场干扰源为采煤机的截割电机、破碎电机、牵引电机以及采煤机供电电缆和巷道铺设电缆。采用SolidWorks三维建模软件，以Eickhoff公司的SL1000型采煤机为参照，建立相关电缆、电动机、采煤机摇臂及周边部分等干扰源模型。采用COMSOL Multiphysics仿真软件，求解各干扰源模型的磁场分布，并对采煤机滚筒高度传感器工作位置的磁场环境进行了定量分析。仿真结果表明：截割电机及巷道铺设电缆处的磁感应强度较大，是影响传感器工作的主要电磁干扰源。采煤机摇臂及周边部位和传感器安装部位的磁感应强度为1～4 T，超出了TLE5012B的30～50 mT正常工作范围。为减小电磁干扰对传感器的影响，基于低频磁屏蔽原理及传感器结构，以硅钢片为屏蔽材料设计了磁屏蔽装置，该装置可有效屏蔽99%的磁场干扰，屏蔽后传感器周围磁感应强度为10～45 mT。

• 基于校准补偿和VBUKF平滑的超宽带采煤机定位技术

  曹波, 王世博, 葛世荣, 刘万里, 马光明, 梁耍,

  采煤机精准定位一直是多年来亟需解决的瓶颈，是实现井下采煤机智能化、无人化开采的关键。针对当前采煤机定位精度较低的问题，提出将超宽带 (Ultra-Wideband ,UWB)基站安装在综采工作面端头，当采煤机运行至端头时，由UWB定位系统为惯性导航端头校准提供基准。为使UWB定位系统获得较高的定位精度，考虑到基站位置误差、尺度因子误差和偏差对定位精度的影响。提出了一种校准方法，能够独立计算这些参数，对基站的位置误差进行校准补偿；由于非视距(Non-Line-of-Sight,NLOS)环境的影响，NLOS偏差因距离变化而有所不同，同时考虑到测量噪声的不确定性和时变性，提出了变分贝叶斯无迹卡尔曼滤波(Variational Bayesian unscented Kalman filter ,VBUKF)对NLOS测距信息进行平滑处理，减小NLOS误差的影响，提高距离估计精度。在校准补偿和VBUKF平滑基础上，采用Caffery定位方法(Caffery localization,CL)解算目标节点的坐标，为进一步提升定位精度，采用高斯-牛顿迭代算法(Gaussian-Newton,GN)对CL算法的结果进行优化，并通过UWB定位系统进行动静态试验验证所提方法的有效性。试验结果表明:VBUKF平滑能够有效地减小NLOS误差，GN算法能够进一步提升定位精度；经过校准补偿和VBUKF平滑后，X轴，Y轴及Z轴的平均定位误差大大减小，CL算法和CL-GN算法的平均定误差分别由0.347、0.250 m减小为0.239、0.109 m,平均定位精度分别提高了31.1%,56.4%；同时动态运动轨迹更加接近实际轨迹，表明该方法能提升UWB系统的定位精度，能够为井下定位技术提供理论参考，但是该方法有待进一步现场试验的验证。

• 自移轨道式液压支架既定轨迹转向路径分析

  李国华, 张宏, 陈有, 张志宏, 付政, 孙小娟,

  为解决煤矿巷道设备列车转向难的问题，设计了1种适用于巷道弯道转向的交替循环自移轨道式液压支架，探讨了自移轨道式液压支架弯道转向工作原理，通过对该型支架本身原地旋转掉转车头和在狭窄巷道内带动设备列车转弯2种工况的定性分析，建立了转向物理模型计算公式，研究了转向油缸工作循环自移轨道式液压支架关键点的运动位置变化情况；为使设备列车按照既定轨迹强制转向，在巷道底板安装了地锚，构建了支架轨道、设备列车与地锚的碰撞运动状态表达式；应用ADAMS对自移轨道式液压支架转弯两种工况的运动特性进行了虚拟仿真试验。研究结果表明：转向油缸工作状态的改变引起了旋转基点的变化，支架原地旋转时以基点C为圆心，以A、B两点与C点之间的距离为半径在底板形成半圆轨迹，支架原地旋转只需保持转向油缸的行程一致，即可实现支架原地旋转；而带动设备列车转弯过程中，需要在每一步转向步进中改变转向油缸和步进油缸的活塞杆伸缩行程，来微调自移轨道式液压支架的方向，B点轨迹的曲率半径约为1 000 mm，设备列车与地锚相碰撞时平均碰撞力约为60 000 N，平均速度约为450 mm/s。支架转向轨迹路线的研究为煤矿综采工作面设备列车弯道快速转向提供了有效的解决思路和方法。

• 基于功能分析的带式输送机自动巡检机器人设计

  孟娜娜, 钟鹏程, 雷超, 江帆, 杨龙, 李柱江,

  带式输送机具有长距离连续运输等优点，成为运输煤炭等矿山物料的重要设备。在长时间连续运行过程中，带式输送机关键部件的性能退化会引发输送带打滑、跑偏和断带等故障，迫切需要对其工作状态进行实时监测。针对传统带式输送机自动巡检系统上下坡驱动打滑、平稳性差等问题，设计了一种基于轨道摩擦和齿轮齿条啮合混合驱动的自动巡检机器人。基于功能分析，设计了巡检机器人的总体方案，提出了水平运动时采用行走轮和轨道的摩擦式驱动和上下坡运动时采用齿轮齿条啮合驱动的两阶段驱动方式，增加了巡检机器人的爬坡能力，避免了传统巡检装置存在的上下坡打滑的不足。考虑到带式输送机恶劣的巡检工况，详细设计了巡检机器人的驱动系统和行走系统等机械结构，并采用Creo软件建立了巡检机器人的三维模型。针对巡检机器人的控制系统实现的功能，完成了巡检机器人的控制系统硬件选型和控制系统程序的流程图设计，并计算出巡检机器人的续航时间。采用ANSYS软件对底板和托架进行了有限元分析，完成了底板轻量化设计并对底板和托架的强度进行了校核分析。采用ADAMS软件对巡检机器人的运动过程进行了仿真分析，运动学仿真结果表明：巡检机器人能够顺利实现水平运动和上下坡运动的无干涉平稳切换。

• 煤与矸石图像特征分析及试验研究

  李博, 王学文, 庞尚钟, 高新宇, 王璐瑶, 丁恩发, 暴庆保,

  为实现基于机器视觉的绿色高效、高智能化的煤矸分选。探讨了煤和矸石共420张图像的2个灰度特征和4个纹理特征的分布情况，并分别模拟生产中的光照、淋水、粉尘环境对煤和矸石进行了图像采集，研究其对煤矸图像特征的影响；此外，针对光照强弱、湿度、煤粉沾染程度和样品种类4个试验因素，对影响因素进行了量化处理，应用Box-Benhnken Design（BBD）试验设计理论设计四因素三水平试验，以样本灰度均值为响应指标，研究各因素对煤矸图像灰度值影响的显著性及其交互作用，从而得到区分煤和矸石的最明显特征。特征分析表明，煤和矸石的灰度特征比纹理特征具有更好的区分度，从灰度均值和峰值来看，6～36 W的光照条件对灰度均值影响有限，却使灰度峰值波动严重；样本表面喷雾量的增加使灰度均值和峰值大幅下降，以0.08 g的喷雾量为转折点，灰度均值呈现出先急后缓的对数曲线下降趋势；煤粉量与灰度均值呈一次线性反比关系，灰矸的线性比例约为块煤和黑矸的4～5倍；单因素试验表明灰度峰值对环境变化较为敏感，而响应面试验表明煤和矸石的灰度均值在同一水平下区分度明显。研究结果有利于推进机器视觉煤矸分选技术的应用，实现井下煤矸分选，亦对煤岩界面识别技术具有参考意义。

• 基于视觉显著性的煤矿井下关键目标对象实时感知研究

  南柄飞, 郭志杰, 王凯, 李首滨, 董晓龙, 霍栋,

  随着煤矿智能化技术发展，井下关键设备目标对象视觉感知应用需求日益增强。井下复杂场景，特别是生产工况综采工作面，人员及设备目标频繁交错呈现。基于监控视觉画面实时检测、提取人员及关键设备目标对象，对实现井下关键设备目标对象智能监控，生产场景智能感知与安全生产管理意义重大，因此需要研究井下关键目标对象实时感知方法。基于视觉注意机制的显著目标检测和分割是复杂场景关键目标对象感知的有效方法之一，但是显著性检测和目标分割过程计算复杂度高、耗时长，难以达到工程应用的实时性要求。基于此，在分析图像视觉特征的基础上，特别是煤矿井下图像视觉特征，提出一种基于随机采样区域对比度计算的实时显著性检测方法，引入随机采样策略对原图像像素进行采样后利用 Efficient Graph-based Segmentation方法将图像分割为若干区域，然后计算区域对比度获得区域显著性，实现了实时显著性检测；在显著性区域或者目标分割过程中，提出一种自适应的前景背景阈值迭代方法，基于Shared Sample Matting方法实现显著目标的实时分割提取。基于公共数据集进行试验分析，结果表明，该方法不仅提高了显著性目标的检测分割精度，而且达到30 FPS左右的显著目标检测、分割实时处理效率。同时，将该方法应用于煤矿井下复杂场景中关键设备目标对象的实时感知，效果良好，满足工程应用需求。

• 煤炭地下气化影响因素及评价方法研究进展

  吴蒙, 秦云虎, 李国璋, 申建, 宋雪娟, 朱士飞, 韩磊,

  煤炭地下气化是保障我国能源安全和煤炭清洁利用的重要潜在方向之一。分析国内外相关成果，对煤炭地下气化原理、影响因素及评价方法进行述评。适宜于地下气化的煤层需要满足的地质条件：厚度大于2 m，倾角小于70°，阻水隔热的顶底板；避开地质构造和水文地质条件复杂的区域。地下气化煤气组分受煤阶、煤质和煤层含水性等地质因素以及气化压力、温度和气化剂类型等工艺因素共同影响。空气气化条件下，随着煤化程度增强，煤气组分中CO含量升高，H2含量降低，CH4含量先升高后降低。煤气热值及煤气中CH4含量随着固定碳含量增加呈现先降低后升高的趋势，随着灰分产率增加呈现先升高后降低的趋势。煤气中CO2含量与固定碳含量、灰分产率均表现出负相关关系。气化温度和气化剂类型既影响着产气效率、煤气质量及污染物种类与含量，又可使围岩破裂、污染地下水，乃至破坏生物圈、大气圈、水圈和岩石圈生态系统的稳定。

• 吡啶对褐煤水煤浆流变性的影响规律研究

  郑剑平, 刘凯林, 薛继峰, 李高辉, 张立峰, 涂亚楠,

  煤化工废水成分复杂，处理困难。为了揭示煤化工废水中的典型组分吡啶对褐煤水煤浆流变性的影响规律，在添加0～1.3%的吡啶下，测试了褐煤水煤浆的浓度、黏度及浆体流体特性，采用单组分吸附和双组分吸附试验，通过对褐煤颗粒在吸附吡啶和分散剂前后的Zeta电位、接触角、表面官能团分布和数量的变化、亲疏水性强度的变化、颗粒分散团聚行为的变化情况进行分析研究，解释流变性变化的机理。〖JP3〗结果表明，随着吡啶添加量增大，褐煤水煤浆的浓度变化不大，但黏度从1 050 mPa·s〖JP〗增大到1 250 mPa·s，浆体屈服应力从29 Pa增大到40.28 Pa，流动性指数从0.686增大到0.976，假塑性降低，吡啶吸附量最高达到10.5 mg/g，分散剂吸附量则从5 mg/g减小到3.5 mg/g。褐煤吸附分散剂后的Zeta电位绝对值与分散剂浓度成正比关系，而吡啶有所增大，但当分散剂和吡啶同时存在时，Zeta电位绝对值从27.9 mV增大到42 mV左右。吸附吡啶前后褐煤颗粒的接触角也从55.4°降到35.8°。主要是因为吡啶吸附在褐煤颗粒表面，使得Zeta电位减小，接触角降低，从而增强了表面负电性及静电排斥作用，且吡啶与分散剂形成竞争吸附，导致褐煤对分散剂的吸附量显著降低，从而引起分散剂对褐煤颗粒的分散降黏效果降低，黏度升高，表面官能团分析发现，褐煤吸附分散剂、吡啶，都是发生了物理吸附过程。双组分吸附时，由于吡啶的加入，也会使得原有的分散剂吸附褐煤颗粒所形成水化膜中的自由水量减少，从而使得褐煤水煤浆的黏度升高，假塑性降低。

• 热活化-碱激发法制备尾煤基地质聚合物及吸附Pb(Ⅱ)试验研究

  李雅涛, 樊玉萍, 董宪姝, 姚素玲, 薛鸿霏, 郭嘉奇, 何梓豪,

  为将排放量巨大的煤基固体废弃物尾煤资源化合理利用，以浮选尾煤为原料，通过热活化-碱激发法制备了尾煤基地质聚合物(Tail Coal Based Geopolymer，TGP)。考察了热活化温度对TGP吸附Pb(Ⅱ)容量的影响，通过SEM、XRD、FTIR、BET等材料表征分析了TGP的物理化学性质，并进行了TGP对Pb(Ⅱ)吸附行为的探讨。结果表明：800 ℃热活化后的TGP对Pb(Ⅱ)吸附效果最佳，吸附量达228.57 mg/g，远高于原尾煤的吸附量64.48 mg/g，是原煤的6倍；在第六次使用后所有TGP的吸附量均达到最高吸附量的80%以上；当活化温度在600 ℃以下时，尾煤中的硅铝利用率较低，当活化温度达到600 ℃以上时，TGP全部转化为非晶态物质，硅铝元素得到充分利用；浮选尾煤以粒径大小不一，结构疏散的不规则颗粒为主，尾煤表面粘附着很多粉末状颗粒，经热活化-碱激发法改性后，原尾煤结构消失，呈现粗糙疏松的凝胶状；在温度为800 ℃时已经脱出羟基、晶体结构被破坏、产生相变，在1 104 cm-1处的吸收峰是属于Al-O/Si-O不对称伸缩振动，在683 cm-1及以下的吸收峰是由于四面体结构中TO(T=Si或Al)键的对称伸缩和弯曲振动引起，该峰标志着地质聚合物凝胶的形成；TGP的比表面积相较于原尾煤增大了9倍；TGP对Pb(Ⅱ)的吸附符合准二级动力学模型，等温吸附符合Langmuir模型，TGP对Pb(Ⅱ)的吸附是吸热自发过程。综上，浮选尾煤制备TGP具有原料利用率较高，孔隙结构较发达，吸附性能较好等优点，具有良好的潜在工业应用价值。

• 预燃室旋流煤粉燃烧器低负荷运行燃烧特性试验研究

  刘鹏中, 牛芳, 王鹏涛, 周建明, 王乃继,

  预燃室旋流燃烧器的燃烧特性与运行条件和操作参数密切相关，直接影响煤粉燃尽度和污染物排放，一直是工业锅炉系统关注研发的重点。为了探讨预燃室旋流燃烧器在低负荷运行下的燃烧特性及合理操作参数，以14 MW煤粉燃烧试验台架为基础，通过高温热电偶、烟气分析仪和高速摄像机对预燃室内的温度分布、组分体积分数分布及预燃室外的火焰形态进行测量，分析煤粉在预燃室内、外的燃烧过程，同时对其关键操作参数内外二次风量比进行优化。试验结果表明：低负荷运行下预燃室旋流燃烧器可实现煤粉稳定燃烧，同时预燃室内形成中心高温无氧强还原性气氛区域和边壁低温空气层，沿径向出现“风包火、火包粉”的燃烧状态，有利于抑制燃烧初期NOx生成和保障燃烧器低负荷长期稳定运行；预燃室外形成稳定性较高的湍流扩散火焰，较长火焰行程及火焰锋面强烈热质交换有利于煤粉后续在炉膛内燃尽，且预燃室出口可避免高温腐蚀；同时在内外二次风量比为1∶2的工况下无氧区域半径最大R=171 mm与其他工况差异较小，而平均温度峰值为1 122 ℃，强还原性气氛中平均CO体积分数峰值为13.713%，明显优于其他工况，以及火焰行程中火焰长度为4 473 mm优于其他工况，有利于进一步降低NOx含量和提高煤粉燃尽率，可作为预燃室旋流燃烧器在46%负荷、过量空气系数1.63，内二次风旋流数1.6运行条件下的最优工况。