煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2023年第10期

• 煤柱型冲击地压类型、发生机理与防治对策研究

  张修峰, 陈洋,

  煤柱型冲击地压是近年我国煤炭开采过程中发生的典型冲击地压类型，如何总结煤柱型冲击地压的工程尺度破坏特征、揭示冲击失稳发生机理以及制定科学精准的防冲对策，成为煤矿科技工作人员面临的难题。采用现场调查、理论分析、现场监测等方法对我国煤矿3类典型煤柱型冲击地压事故的工程特征和冲击显现特征进行分析，将当前我国煤柱型冲击地压分为应力叠加型冲击地压、切割蠕变型冲击地压和整体失稳型冲击地压3类。分别建立了3类煤柱型冲击地压发生机理的力学模型，揭示了3类煤柱型冲击地压的发生机理，提出了3类煤柱型冲击危险的评估方法和防治对策。其中应力叠加型冲击地压的发生机理为施加在煤柱上的叠加应力超过煤体发生冲击失稳的临界值，煤柱在细微扰动或无条件扰动下发生冲击失稳；整体失稳型冲击地压的发生机理为煤柱弹性承载区煤体承担的载荷超过了其极限承载能力，弹性承载区煤体引发冲击并导致煤柱浅部煤体发生大面积破坏；切割蠕变型冲击地压的发生机理为煤柱在长期高应力状态下支撑能力缓慢降低导致载荷向弹性承载区转移，当弹性承载区煤体载荷超过发生冲击失稳临界值时，将发生大范围煤体冲击失稳。由于我国矿井开采条件复杂，实际生产期间还会遇到很多具有隐蔽性的煤柱型冲击类型，因此在现场冲击地压防治工作中，需要加强对这些隐蔽性煤柱型冲击风险的判识和防治工作。

• 考虑轴向应力影响的圆形巷道围岩塑性区边界近似解

  刘洪涛, 韩子俊, 郭晓菲, 周光东, 韦晟杰, 韩洲, 陈小港, 程文聪,

  为了研究考虑轴向应力作用的巷道围岩塑性区边界问题，基于Mohr-Coulomb准则，通过引入Lode角参数，推导出考虑轴向应力作用的圆形巷道围岩塑性区边界隐性方程，通过变化巷道水平应力σx、轴向应力σy分析了不同应力场下的围岩塑性区尺寸及形态，并通过数值模拟进一步说明了理论分析的可靠性。此外还研究了围岩黏聚力C、内摩擦角φ、巷道半径R、泊松比v对巷道围岩稳定性的影响。结果表明：①固定轴向侧压变化水平侧压的条件下，围岩塑性区尺寸变化会分为敏感区和迟钝区，且在水平侧压变化的过程中围岩塑性区形态会呈现圆形、椭圆形及蝶形3种形态。②固定水平侧压变化轴向侧压的条件下，围岩各位置的塑性区会呈现强烈的区间效应，通过与平面应变问题下的塑性区尺寸对比将区域分为轴向应力影响区和轴向应力无影响区。在轴向应力影响区内，轴向侧压的变化对围岩的塑性区尺寸影响较大。③巷道围岩的破坏形态由水平侧压η1决定，轴向侧压η2对塑性区形态影响较小，对尺寸影响较大。④围岩C、φ的增加会使巷道围岩的塑性区尺寸不同程度的减小，R的增加会使围岩不同位置塑性区呈等差数列增大。在轴向应力无影响区，v对围岩塑性区尺寸无影响，在轴向应力影响区内，翼角处的塑性区尺寸不受v的影响，其余位置的塑性区尺寸会受到不同程度的影响。

• 全长锚固锚杆支护软岩巷道围岩承载结构力学响应解析

  王想君, 李英明, 赵光明, 孟祥瑞, 王艺, 程详,

  为研究高应力软岩巷道围岩在全长锚杆锚固后围岩力学承载结构的稳定性，考虑软岩峰后强度软化时的扩容特性和全长锚固锚杆受力边界条件，建立了全长锚固锚杆力学模型，推导得到锚杆受力解析式。并通过将锚固力等效为体积力的形式建立了全长锚固围岩力学模型，将其由浅及深依次划分为锚固残余区、锚固塑性软化区、非锚固塑性软化区及弹性区，推导了各分区的应力表达式。结合工程算例分析了空间效应、扩容系数、锚杆长度和托盘反力等因素对围岩应力和锚杆受力的影响规律。结果表明：受空间效应影响，巷道变形破坏呈现渐进式发育，借此提出了“锚固调控区”的概念，即在全长锚固锚杆支护过程中，围岩的虚拟支护力和锚固力处于此消彼长的状态，从而抑制围岩应力向深部转移，有效减小了塑性区范围。锚杆安装时机越早，作用于杆体的围岩变形越大，且与围岩之间更易形成共同承载体；锚杆轴力与扩容系数呈正比关系，随着扩容系数增大，锚固力增长速率显著加快，保证了锚杆对围岩径向应力的恢复作用；锚杆长度越大，围岩/锚固剂界面粘结范围越广，使得沿杆体的轴力分布及其峰值明显增大，进而使围岩切向应力峰值区向洞壁方向偏移；全长锚固锚杆托盘反力对残余区和塑性区边界的影响较小，其作用主要体现在改善锚杆受力情况，充分发挥锚杆锚固作用及护表能力。

• 高频导波检测锚固锚杆缺陷数值模拟研究

  郭妍钰, 张昌锁, 张玥,

  前期研究证实对于地下工程中广泛使用的锚固锚杆结构只有大于1 MHz的高频导波具有衰减最小的检测模态，但由于高频导波数值模拟复杂性其研究结果均集中于试验测试，这就使得对高频导波传播特性的研究十分受限。为探究高频导波传播规律并能将其应用于现场锚固质量的检测，采用ANSYS/LS–DYNA有限元软件通过参数优化实现了锚固锚杆数值模型的建立。通过分析不同锚固体厚度对波形的影响得到了能用数值模拟有限尺寸模型代替现场无限锚固厚度尺寸模型的最小外径；理论上导波主要沿钢杆内部向前传播，且锚杆径向体现波导结构形状，因此采用锚杆径向网格设置最密，锚固体径向与杆体轴向网格设置相对稀疏的方法实现了单元数目最小化；鉴于不同首波宽度的导波频散特性不同，对其在无缺陷及带缺陷锚杆中的传播过程进行研究，得到最优首波宽度为0.04 ms；基于上述优化后的3个参数分别建立完整锚固锚杆与带缺陷锚固锚杆数值模型，数值计算结果与文献中实验室测试结果高度吻合，证明所建立数值模型正确有效，真正实现了有限计算资源下高频导波在锚固锚杆传播应用中的准确模拟。在此基础上搭建含不同缺陷特征的锚固锚杆模型，对缺陷位置及深度进行研究，结果表明特定频率的高频导波能够对钢杆缺陷进行准确定位，同时依据缺陷回波幅值与底端回波幅值之比可大致确定缺陷面积。

• 季节性剥离露天煤矿工作帮形态动态控制及推进强度优化

  刘光伟, 黄云龙, 曹博, 姚勇,

  季节性剥离露天煤矿由于剥离工程的不连续性使得工作帮超前推进距离巨大，为了减小超前剥离、节省剥离运距，从季节性剥离露天煤矿工作帮形态动态控制、工作帮极限推进强度优化确定进行研究。阐述了季节性剥离露天煤矿工作帮形态及作业程序，分析了工作帮形态及推进强度影响因素。根据季节性剥离露天煤矿工作帮结构形式和采剥作业方式，建立了工作帮形态优化工程模型，论述了工作帮循环推进距离与作业平盘宽度和采场露煤方式的关系；计算了组合台阶循环推进工程量和分层设备生产能力，给出了工作帮循环推进时间以及端帮运输系统可靠性计算方法。以最小化剥离物运输功为优化目标、剥采工程时空接续为约束条件建立了季节性剥离露天煤矿工作帮形态优化数学模型并引入序列二次规划算法（SQP）进行非线性规划求解。提出通过确定剥离台阶组合方式和作业平盘宽度实现季节性剥离露天煤矿工作帮形态动态控制的方法、剥离工作帮极限推进度优化确定方法。以胜利西二号露天煤矿为工程背景，将上述优化控制方法进行应用研究，通过建立剥离工作帮形态优化模型并将西二露天矿实际参数代入进行计算求解。结果表明：当组合台阶中台阶数目为5、作业平盘宽度为89 m时，工作帮推进满足剥采工程时空接续要求，且剥离物运输功最小。该形态下工作帮极限推进度为320 m/a，分析确定了台阶组合方式及循环推进距离变化时工作帮极限推进强度变化规律。

• 空孔直径对有围压直眼掏槽爆破破碎效果的影响

  张宪堂, 马力, 余辉, 张经双, 朱宝合, 周红敏, 王向阳,

  掏槽爆破是井巷爆破掘进的关键技术，高围压对掏槽爆破效果有明显的抑制效果，而空孔对于提高掏槽爆破效率具有重要意义，但目前相关研究并不充分。为研究中空孔直径对围压作用下掏槽爆破破碎效果的影响，制作边长为600 mm、砂胶质量比为2∶1的立方体水泥砂浆试块，并通过电液伺服加载系统对试块施加双向等围压，进行直眼掏槽爆破水泥砂浆相似模型试验。对爆后爆破块度进行筛分统计分析，分析研究了不同中空孔直径下模型碎块块度分布、平均粒径，通过分形维数表征碎块分形特征，量化分析了碎块破碎程度。采用ANSYS/LS–DYNA软件基于试验模型参数建立了数值模型，分析了不同空孔直径时不同时刻的应力云图。研究结果表明：炮孔装药量分别为2 g和3 g时，中空孔直径为24 mm和16 mm的模型碎块分形维数最大，此时碎块粒径主要集中19～75 mm的中部区间，且此时碎块总质量最大，分别为3.128、3.615 kg，空孔直径不同时，空孔附近产生的应力集中效应与反射拉伸波效果不同，使得掏槽爆破破碎效果不同，适宜的空孔直径能够有效利用空孔效应，空孔附近应力波峰值和作用范围较大，应力波作用时间较长，因此破碎效果较好；空孔直径过小，空孔附近应力较小，空孔直径过大时，应力波由空孔溢出，应力集中叠加后的压应力较小，且拉伸应力作用区域较小，空孔直径过大或过小都会使大块度碎块占比较高；装药量为3 g时，空孔直径32 mm与16 mm模型碎块的分形维数差值大于16 mm与无空孔模型碎块分形维数的差值，说明当空孔直径过大时对碎岩块度的影响更大；空孔直径同为16 mm时，3 g装药量模型的碎块平均粒径小于2 g装药量模型，分形维数及碎块总质量大于2 g装药量模型试块，说明当空孔直径相同时增加装药量可以提高岩石的破碎度及槽腔体积。

• 竖井二氧化碳“二阶二段”筒形掏槽爆破技术及应用

  倪昊,

  针对竖井爆破施工的限制因素和炸药受控的问题，结合现有掏槽技术的特点，提出二氧化碳“二阶二段”筒形掏槽爆破技术。首先，介绍了二氧化碳爆破技术的原理和二氧化碳爆破器的结构；阐述了“二阶二段”筒形掏槽的核心思想，“二阶二段”是指从“时空”两个维度对掏槽形式的一种描述，将掏槽区岩石分成深浅不同的2个台阶，掏槽孔的爆破顺序分成2个段别；同时掏槽孔布置成内外2圈直径不同的双圆筒形状，在掏槽圈的中心布置1个空孔，一阶掏槽孔在内圈，二阶掏槽孔在外圈，一阶掏槽孔和二阶掏槽孔统一向中心孔倾斜一定的角度，所形成圆筒的顶面积大，底面积小，一阶掏槽孔先爆破，二阶掏槽孔后爆破。“二阶二段”筒形掏槽充分结合了“二阶二段”和筒形掏槽的各自优点，中心孔为爆破孔提供弱自由面和补偿空间，一阶掏槽孔和二阶掏槽孔围成双筒形，深浅结合、分段爆破，降低了二阶爆破时岩石的夹制力，有利于掏槽成腔，提升爆破效果。其次，分析了“二阶二段”筒形掏槽的成腔机制，推导了掏槽爆破的剪切阻力公式和爆破成腔的动力公式，确定了槽腔岩石在二氧化碳爆生气体的静作用下抛离槽腔所需要满足的基本条件。最后，通过对比炸药直眼掏槽爆破和二氧化碳“二阶二段”筒形掏槽爆破的现场应用效果，发现2种方式在循环进尺、炮孔利用率和掏槽腔体积的3项爆后指标上差值较小，进一步验证了二氧化碳“二阶二段”筒形掏槽爆破适用于竖井掘进，为竖井掏槽爆破提供了新的技术方式。

• 预制裂隙类岩石试件表面变形场演化与裂隙扩展机理研究

  王兆会, 孙文超, 王雪冰, 乔博锴,

  我国东部矿区相继进入深部开采阶段，裂隙发育程度升高，开采扰动效应增强，围岩控制难度增大。为研究含裂隙岩石破坏机理，提高深部围岩控制效果，采用单轴抗压试验结合DIC技术研究了裂隙倾角对类岩石试件力学特性、表面变形场、裂隙扩展路径的影响。结果表明：预制裂隙与翼裂纹产生剪切互锁效应，含裂隙岩石应力−应变曲线呈双峰形态；裂隙倾角增大，岩石弹性模量和损伤程度升高，单轴抗压强度先降低后升高；确定了单轴抗压强度与裂隙倾角的定量关系，定义了含裂隙岩石破坏优势倾角，张开型裂隙优势倾角为45°；含裂隙岩石变形局部化现象始现于裂隙尖端，拉应力主导型启动应力为初始屈服强度的80%，剪应力主导型降至60%；变形集中带扩展路径与表面裂隙一致，应变值达到5.0%时，岩石变形由局部集中向裂隙发育阶段过渡；预制裂隙倾角为60°和75°时，岩石发生拉剪混合破坏，其他角度发生拉伸破坏；拉伸裂隙孕育时间长，两侧特征点水平位移曲线相互分离，剪切裂隙孕育时间短，两侧特征点纵向位移曲线相互分离；构建了预制裂隙类岩石试件GBM模型，岩石内部微裂纹以拉伸型为主，剪切型微裂纹随预制裂隙倾角增大呈先增多后减少趋势；DIC技术可预判岩石起裂位置、时间和裂隙扩展路径，为深部岩石破坏防控提供前兆信息。

• 非静水压条件下深部岩石能量耗散规律及破坏特征试验研究

  方士正, 杨仁树, 李炜煜, 李永亮, 陈骏,

  深部岩石常处于非静水压初始应力场，岩石所处应力状态的不同导致其对动态荷载的响应有所差异，为研究非静水压及动载耦合作用下岩石的动力学行为，利用分离式霍普金森杆试验系统，开展多种初始应力组合下的岩石动态压缩试验，分析不同非静水压条件对岩石能量耗散及破坏规律的影响规律。通过试验结果发现，轴压和围压均对岩石动态强度产生显著影响，以8 MPa时为临界点，岩石动态强度随着轴压提升呈先增加后减小的趋势，但岩石动态强度随着围压的增加持续增大；岩石耗散能随着轴压的增加逐渐减小，但随围压变化趋势较为复杂，在轴压较低时，耗散能随着围压的增加而减小，在轴压较高时，耗散能随围压提升表现出先增加后减小的特征。根据试样的表观及内部破坏形态，结合分形理论及CT扫描技术，分析不同非静水压力条件下岩石的破坏模式发现，岩石表观裂纹与轴围压比存在显著关联，当轴围压比较低时，岩石侧面及端面裂纹较少，随着轴围压比的提高，岩石表观裂纹明显增加。通过对岩石扫描后横向及纵向切片分析发现，岩石内部同时存在环向和径向裂纹，且岩石破坏由贯穿型剪切裂纹控制。同时可以发现，非静水压条件下岩石的破坏可分为中心圆台形岩块和周边破碎岩块2部分，当轴压增加时岩石的破坏程度加剧，而围压的提升则使得岩石破坏程度降低。

• 层理煤岩浸水前后力学性质研究

  姜琳婧, 赵会杰, 赵怡晴, 方杰, 曹志国,

  层理弱面及煤岩遇水软化会导致煤岩力学性质降低，对煤矿地下水库稳定性、煤矿突透水事故防治等具有重要影响。为了研究层理及浸水对煤岩力学性质的综合影响，通过无损浸水试验与单轴压缩试验，并基于数字图像相关(Digital Image Correlation，DIC)技术，分析不同浸水条件下煤岩单轴压缩变形及破坏特性，获得了轴向平行和轴向垂直两种层理煤岩在天然状态、自然吸水以及强制吸水三种状态下的力学性质参数和表面应变场信息等。研究结果表明：煤岩的吸水特性呈现出明显的层理性差异，力学性质受到层理和浸水共同影响作用，具体如下：①毛细管作用导致轴向平行层理煤岩吸水能力强于轴向垂直层理煤岩，轴向平行层理煤岩的自然极限吸水率是轴向垂直层理煤岩的2.2倍；②煤岩的单轴抗压强度和弹性模量受层理影响为主，受浸水影响为辅，破坏模式与层理方向有关系，轴向垂直煤岩为剪切破坏，轴向平行煤岩为劈裂破坏，相同层理煤岩浸水前后破坏模式不变；③煤岩破坏是由均匀变形向非均匀变形转化的过程，浸水后煤岩会更早出现应变集中区，其压密阶段延长、弹性变形阶段缩短。研究结果有助于进一步理解轴向平行和轴向垂直两种层理煤岩浸水特性、力学性质及破裂演化规律，对地下水库预留煤柱保护、稳定性分析等相关工程实践具有一定的借鉴作用。

• 不同钻井液浸泡下泥页岩力学特性及损伤本构模型

  耿殿栋, 亓宪寅, 付鹏, 王胜伟, 柯婷,

  页岩油气钻探过程中，钻井液长期的侵蚀弱化促使泥页岩微裂缝延伸扩张，导致岩体强度降低，并严重威胁井壁稳定。为了探究泥页岩在不同钻井液浸泡环境下的力学特性及损伤演化规律，首先运用X射线衍射法和环境扫描电镜，从微观角度分析了泥页岩的矿物组成及结构；然后开展了不同浸泡体系、不同浸泡时间下泥页岩的单轴压缩试验，并研究了在钻井液弱化作用下泥页岩峰值强度、弹性模量、泊松比等力学参数的变化机理；最终基于应变等效原理和Weibull统计分布理论，建立了岩石在钻井液浸泡和单轴加载作用下的损伤本构模型。结果表明：泥页岩层主体黏土矿物含量高，脆性矿物丰富，微裂缝分布密集；泥页岩的弹性模量随浸泡环境的不同及浸泡时间的增加而改变，与油基钻井液浸泡条件下的岩样相比，水基钻井液浸泡对其强度、弹性模量的削弱作用更加明显；通过拟合不同钻井液弱化作用下泥页岩的力学参数变化趋势，分别得出了水基钻井液和油基钻井液浸泡后岩样的弹性模量关于浸泡时间的预测模型；针对钻井液弱化作用下的泥页岩，引入了考虑孔隙压缩阶段影响的单轴加载岩石损伤本构模型，该模型较好地表征了在钻井液弱化和单轴加载耦合作用下岩样的损伤演化规律，揭示了泥页岩在不同钻井液浸泡下的弱化损伤机理。

• 液氮冻结含水煤体能量耗散动态变化规律的试验研究

  林海飞, 罗荣卫, 李博涛, 秦雷, 王裴, 刘思博, 杨二豪,

  为研究液氮冻结含水煤体过程能量动态变化规律，利用自主研发的液氮冻结煤体全过程声发射试验系统，分析了不同含水率煤体液氮冻结全过程的声发射能量耗散特征及变化规律。结果表明：液氮冻结煤体过程中声发射能量在时间域上，分为陡增期、波动期、平静期，能量一次、二次峰值均与含水率呈正线性关系，含水率5.96%煤体能量一次、二次峰值是干燥煤体的1.66、2.26倍；液氮冻结煤体累计能量与时间关系分为陡增、缓慢增长及稳定等3个阶段，累计能量与含水率呈正线性关系，含水率5.96%煤体是干燥煤体的2.88倍；不同含水率煤体幅值绝大部分集中在40～50 dB之间，占比为94.39%～99.11%，且随着煤体含水率的增加呈线性减小；液氮冻结煤体声发射振铃计数时间序列存在混沌分形特征，陡增阶段、缓慢增长阶段、稳定阶段的关联维数分别与含水率呈正指数、正线性、正线性相关，含水率5.96%煤体陡增阶段关联维数分别是缓慢增长阶段、稳定阶段的2.00、5.78倍；液氮冻结煤体产生裂隙类型以拉伸裂隙为主，其占比随含水率增加呈负指数减小，剪切裂隙占比随含水率增加呈正线性增大。煤体水分增加，增大了液氮冻结过程中水−冰相变产生的冻胀力，能量耗散增加，促使孔裂隙发育，可通过声发射能量反演。

• 表面活性剂泡沫性能对煤中瓦斯缓释影响试验研究

  严敏, 杨婷, 林海飞, 闫冬洁, 李泳, 霍世豪,

  煤炭资源开采过程中，与煤伴生的瓦斯异常涌出可能会导致严重的瓦斯超限，引发煤矿瓦斯灾害或温室效应等问题。已有诸多研究表明煤层注表面活性剂溶液是有效且重要的治理瓦斯手段之一。表面活性剂与气体混合易产生稳定泡沫，关于泡沫性能对瓦斯解吸影响相关研究较少，本文研究表面活性剂泡沫性能对甲烷气体缓释规律的影响。选取十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和烷基糖苷（APG0810）2种表面活性剂进行试验，测定溶液表面张力、黏度、发泡性、稳定性及泡沫形态。利用自行研制的试验装置开展表面活性剂泡沫性能对甲烷气体缓释效应影响的试验研究。试验结果表明：随着表面活性剂质量分数增加，液体表面张力起初降低幅度较大，发泡率有明显升高现象，稳泡性也逐渐增强。接近临界胶束浓度时降低幅度减缓，发泡性和稳泡性升高趋势变得平缓。表面活性剂质量分数为0.15%时，在注入空气后SDBS和APG0810发泡高度分别为44 mm和40 mm，且SDBS泡沫半衰期最大为786.5 s。溶液泡沫发泡率和半衰期与其对甲烷缓释效应相关度较大，相同质量分数下SDBS对甲烷的缓释效果普遍优于APG0810，表面活性剂溶液质量分数0.15%时，10 min内APG0810和SDBS对瓦斯缓释率分别约为37.4%和12.7%，2 h内SDBS对瓦斯缓释率仍有约50.84%。研究为探究表面活性剂抑制煤中甲烷解吸及其机理提供一个新的角度，可为矿井瓦斯防治，煤炭绿色开采提供一定的理论支撑。

• 采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制

  王超杰, 唐泽湘, 徐长航, 杨洪伟, 刘鲁坦,

  工作面采动应力场诱发煤体初始破坏，作为突出发生的必要条件，揭示其细宏观动态力学过程依然存在巨大挑战。基于采掘工作面典型突出事故，构建了采动煤体损伤失稳过程多变应力载荷路径。采用PFC3D离散元软件开展了多工况多尺度下煤体损伤失稳可视化模拟，揭示了采动煤体损伤失稳动态响应规律，阐明了采动煤体裂纹动态演变行为，并基于采动下地应力诱使煤体初始破坏规律提出了突出防治技术展望。结果表明：采动煤体随主应力加卸载速率的变化，其破坏类型和破坏强度差异明显。应力渐进卸载过程，煤体宏观破断面呈现单斜面或共轭剪切面形式，且随卸载速率增加，煤体破坏强度降低。随应力双向同等速率渐进加载，单向突然卸载或保持一定残余应力状态下呈现宏观破断面与中间主应力方向平行，且卸载程度增加或残余应力降低引发煤体破坏强度降低。不同应力载荷下，煤体破坏过程随剪切和张拉裂纹先后出现，呈现张剪破坏。在采动煤体损伤引发失稳过程中裂纹动态演变过程呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程可表征为初期新裂纹出现（间歇性−突增阶段）、裂纹扩展（渐进性−慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性−慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。煤体力学强度被视为影响突出发生的一主控因素，地应力诱发采动煤体初始破坏的难易程度关键在于应力加卸载路径。单向主应力突然卸载或双向主应力渐进卸载，煤体最易发生初始破坏。基于此力学规律，提出可表征工作面突出煤体最危险状态的“采掘工作面突出预测理想采动模式”。

• 正压通风对浅埋煤层漏风影响及漏风综合治理技术研究

  李健威,

  浅埋近距离煤层群受采动影响大，采煤工作面普遍存在漏风维度多、漏风通道互联导通的现象，在正压或负压通风的作用下，易在漏风通道两端形成较大漏风压差，导致工作面漏风量增加，采空区“三带”范围延长，自然发火危险性增大。以典型正压通风矿井大柳塔煤矿活鸡兔井12煤为研究对象，分析得出正压通风条件下浅埋煤层的漏风影响因素主要表现为：采动裂隙构成的漏风通道、正压通风形成的漏风压差、通风方式及自然风压作用，考察正在回采的12下203综放工作面的漏风现状及漏风方式，总结得出工作面的漏风主要表现为：地表塌陷裂隙漏风、工作面切眼与两巷漏风及采空区漏风。基于此，提出全方位多覆盖立体式漏风治理技术，该技术以优化通风系统为基础，以巷道煤岩裂隙注浆、喷浆技术、保护煤柱漏风控制技术、工作面采空区端头漏风控制技术为保障，以局部正压漏风控制技术、水力冲缝堵漏技术、充填钻孔堵漏技术为强化手段，从基础优化、中间保障到末端治理为理念，全方位多覆盖立体式治理漏风。并在12下203综放工作面实际应用，将12下203综放工作面漏风量由初采期间的55～70 m3/min降低至6～20 m3/min，综合降低幅度达80.3%，证实此技术能有效治理漏风，可为相似矿井的漏风治理提供技术参考。

• 废弃煤矿压缩空气储能研究现状与发展趋势

  赵同彬, 刘淑敏, 马洪岭, 梅东升, 魏振鑫, 梅城玮,

  压缩空气储能具有建设成本低、设备占地面积小、储能周期长以及环保等优点，探索地下空间压缩空气储能技术发展是实现我国“双碳”目标的创新途径之一，地下空间储能库可分为盐穴、含水层、枯竭油气田、废弃煤矿及岩洞储能库。随着国内废弃煤矿数量逐年增多，直接将资源枯竭的煤矿关闭不仅造成巨大的地下空间资源浪费，还极有可能诱发一系列的安全、环境等问题，利用废弃煤矿地下空间作为压缩空气储能电站储能库具有很好的应用前景。基于此，系统梳理了我国废弃煤矿地下空间资源利用情况，阐述了废弃煤矿地下储能库建设、地下储能库密封性和稳定性的研究现状，着重介绍了废弃煤矿地下空间压缩空气储能的研究进展与存在问题。分析表明：①废弃煤矿有大量可利用空间，总结了废弃煤矿地下空间的8种再利用模式：农林用地、建设用地、场地绿化、水域利用、水热联用、湿地公园、矿山公园、空间再利用；②我国废弃煤矿压缩空气储能的研究起步晚，基础理论研究薄弱，关键技术不成熟，且煤矿地质条件复杂，相关应用基础研究不足，尚未实现商业化、规模化推广应用；③总结提出了应对废弃煤矿压缩空气储能的三项关键技术，即废弃煤矿储能库建设选址评估方法、废弃煤矿储能库密封性关键技术、废弃煤矿储能库稳定性与安全评价；建立了废弃煤矿压缩空气储能库建设选址流程图。

• 寿阳区块煤层气田的水文控藏模式及控产特征

  杜丰丰, 倪小明, 张亚飞, 王文升, 王凯,

  地下水对煤层的补、径、排关系不仅影响着煤层气的富集程度，而且影响着煤层气井的产气特征。为查明水文地质条件对煤层气富集和产气的影响，以寿阳区块15号煤层为研究对象，基于排采水离子测试数据和地下水势，分析了排采水化学特征参数、地下水势与含气量关系；结合水文控气作用分析，提出了3种控藏模式。根据不同控藏模式下煤层气井的产水、产气曲线形态及成因机制，划分了6种控产特征，并提出了相应的开发建议。结果表明：水化学特征参数、地下水势与含气量相关性显著。即矿化度、变质系数越大，钠氯系数、碳酸盐平衡系数、地下水势越小，含气量越高。水文地质条件以水动力逸散、封堵、封闭作用控制着煤层气逸散和富集成藏；水动力逸散控藏区，低含气量是煤层气井低产的主控因素，开发风险高；水动力封堵控藏区产水量普遍大。其中水动力强、低渗透率地区，易出现高产水低产气井，不建议开发；供液能力强、低渗透率易出现中产水低产气井，储层改造效果决定了开发的可行性；较高渗透率地区易出现高产水中产气，应注意排采的连续性。水动力封闭控藏区产水量小，其中低渗透储层易出现低产水低产气井，应注意储层改造的有效性；渗透率好的地区，一般为中−高产气井，应尽量保持排采连续性，降低储层伤害。研究成果可为煤层气井位部署提供理论指导。

• 复杂煤体结构煤储层水平井复合管柱完井方法研究

  毕延森, 高德利, 鲜保安, 李贵川,

  针对煤体结构破坏变形程度差异性与物理特征非均质性强，水平井眼钻遇煤储层的煤体结构复杂，单井完井与增产技术方法单一等问题，为了实现水平井分段完井与适应性增产，提出了复杂煤体结构煤储层水平井复合管柱完井技术，设计了外层套管与筛管复合完井管柱、内层作业油管柱与配套分段完井工具，完善了双管柱受力和相关水力计算模型。在山西省阳泉地区15号煤层开展了复合管柱完井现场试验：将长度为659.5 m的复合管柱下入水平井中至1591 m井深，煤层水平井眼被封隔为4段，采用双管柱结构完成了水力循环解除管柱遇阻、洗井、胀封管外封隔器及煤层分段完井等作业环节的现场测试。基于该试验水平井的工程数据，采用有限差分法计算了双管柱受力，并进行了相关水力计算，结果表明：内层管柱增加了完井管柱下入过程中的侧向力，井下管柱与井壁之间的摩擦阻力增加了5642.75 N。喷头压降与内层管柱水力循环压耗是影响井下双管柱水力循环压耗的主要因素，双管柱下入过程中水力循环排量控制在16~20 L/s，以清除井眼内固相颗粒及维持井壁稳定；洗井作业时排量提升至20~24 L/s，以消除井壁煤层的钻井液伤害。通过研究与现场试验，证明了煤层气水平井复合管柱完井技术具有先进性和可行性，为复杂煤体结构煤储层水平井多样化与适应性增产改造工程提供了可靠的作业基础。

• 不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其研究意义

  张昆, 孟召平, 金毅, 王保玉,

  煤层气的赋存和产出与煤储层孔隙系统的发育程度有关，原生结构煤层受到破坏变形后其孔隙结构特征将发生明显的变化，从而影响煤层气的吸附/解吸和扩散过程。通过对沁水盆地赵庄井田3号煤层不同煤体结构样品进行低温液氮、低压二氧化碳吸附分析和等温吸附试验，分析了不同破坏强度煤的孔隙结构和吸附性变化规律；应用试验数据和数值分形模型，揭示了不同煤体结构煤的孔隙结构分形特征及其对煤中甲烷吸附、扩散的影响。结果表明：随着煤体结构破坏强度的增大，煤的比表面积和孔隙容积均增大，50～300 nm的孔隙所占比例逐渐降低，2～50 nm的微孔和中孔以及小于2 nm的超微孔增加，超微孔为煤中主要吸附孔，孔径主要分布在0.45～0.65 nm和0.80～1.0 nm。N2、CO2和CH4的吸附量随煤体结构破坏程度的增大而增加，吸附性由大到小顺序为原生结构>糜棱结构>碎粒结构>碎裂结构。微孔、中孔和大孔孔隙结构分形维数表明，构造变形后的煤孔隙结构将被简单化，破坏程度较强的煤具有较粗糙的孔隙表面（对应较高的D1）和较为均质的孔径分布（对应较低的D2）；而超微孔分形维数Dm随着煤体结构破坏强度的增加逐渐增大，且与LangmuirVL和对应的比表面积呈正相关性，说明煤表面粗糙度增大导致比表面积增大，为煤中气体吸附提供了较多的具有高吸附势的吸附点位，吸附性增强。有效扩散系数、孔容与分形维数D1 呈正相关性，与D2成负相关性，表明原生结构煤孔隙结构被破坏后连通性变好，孔隙容积增大，气体进出效率提升，扩散效率增大。

• 大埋深高承压水双层结构底板破坏机理及应用研究

  李昂, 周永根, 杨宇轩, 于振子, 牟谦, 王满, 张波,

  平煤矿区首次开采近全岩下保护层工作面用于解放其上部受瓦斯突出威胁的己组煤炭资源，近千米埋深开采近全岩层势必加大底板破坏深度，一旦扰动隔水层内L5弱富水性含水层形成寒灰水间接补给通道，影响工作面底板安全稳定。为此首先建立双层结构底板塑性滑移线场理论模型，推导出三种工况下双层底板最大破坏深度解析解；然后通过自主设计的孔隙水压力（弹簧）和地层有效应力（千斤顶）协同工作的相似模拟试验平台，基于数字图像相关技术模拟分析了采场顶底板变形形态和破坏特征；最后使用钻孔应变测量方法在平煤十二矿己15-31040近全岩工作面开展底板破裂发育形态现场监测。结果表明：采用双层结构底板塑性滑移线场理论计算出己15-31040近全岩工作面底板最大破坏深度为16.59 m；相似模拟试验揭示了底板破坏集中于开切眼及工作面两端，具有明显滞后破坏特征，最大破坏深度为17.8 m，工作面推进159.9 m进入充分开采后，底板应力逐渐恢复；现场实测结果显示底板岩体在工作面前方7.9 m出现压剪滑移破坏，工作面推过钻孔前后底板分别表现出压剪和拉剪破坏，底板最大破坏深度介于16.5～18 m。现场实测与理论计算和相似模拟试验结果较为吻合，研究成果有利于推动大埋深、高承压煤岩层开采底板水害防治技术的进步。

• 重庆松藻矿区关闭煤矿涌水来源与模式判识研究

  康小兵, 李晓雪, 饶丽芳, 张文发, 罗向奎, 王克峰,

  关闭煤矿涌水来源的准确判识、涌水模式的正确划分对科学处置关闭煤矿排水造成的水资源浪费和水环境污染等问题具有重要意义。基于重庆松藻矿区多个关闭煤矿一个水文年的涌水流量动态监测数据、水化学指标及微生物指标数据，采用涌水的流量动态解析、流量−降雨水文序列相关函数等水量分析手段和水化学指标描述性统计、矿井水样间水化学指标Pearson相关函数等水质分析方法，并结合矿区水文地质条件，提出了“水量−水化学−微生物−水文地质条件”多元正−反演分析的关闭煤矿涌水来源综合判识、涌水模式研究的综合方法。研究结果表明：关闭煤矿涌水量对降雨的响应存在骤升缓降、缓升缓降、平稳3种波动类型；涌水水源、导水介质的不同是导致矿井涌水流量动态变化及其对降雨的响应存在时空差异性的主要原因，也是矿井水TDS、pH、化学关联程度和微生物含量变异性大的关键因素；综合水量、水质的特性对关闭煤矿涌水来源进行综合判识，并基于识别结果，提出了降雨入渗型、含水层释水型、老空水溢出型、复合型4种矿区关闭煤矿涌水模式。多元综合分析方法能有效判识岩溶矿区关闭煤矿涌水来源，深化了对关闭煤矿涌水特征的认识，为松藻矿区关闭煤矿涌水的科学防治与环境−资源协调发展提供了理论支撑。

• 基于分布式光纤的松散含水层失水沉降规律研究

  徐良骥, 曹宗友, 刘潇鹏, 张坤, 刘永琪,

  煤矿开采扰动间接引起的地下水散失会使松散层压缩，造成地表沉降，威胁煤矿安全生产。为深入分析此类非采动因素对松散含水层失水沉降的影响，根据已有的地质水文资料将研究区松散层自上而下划分为一含、一隔、二含、二隔、三含、三隔和四含。利用分布式光纤监测技术、水文观测技术和土力学实验对研究区域松散含水层进行全面观测，分析了非采动情形下各层位的形变特征，探究了深层隔水层的黏土弱化规律，明确了深层含水层形变量和该层位水头高度变化之间的关系。结果表明：①四含及上部部分隔水层持续压缩是造成研究区域地表沉降的主要原因。对地层形变贡献最大的两个层位分别为四含和一含，其中一含形变具有季节性特征，春季夏季抬升，秋季冬季沉降，而四含则在观测周期内呈持续沉降态势。②结合布设水文孔、分布式光纤和土力学实验，实现了对目标层位黏土弱化程度的监测，研究区四含上覆黏土层受四含地下水的影响产生黏土弱化，其弱化程度与埋深成反比，与地下水流通性成正比，黏土层弱化将导致含水层顶部隔水层压缩，加剧地表沉降。③四含形变与四含层位水头高度变化的趋势一致，两者呈线性关系，观测结果与理论计算结果相符，表明四含失水是造成四含压缩形变的主要原因。

• 热力耦合作用下煤炭地下气化地表沉陷预测方法

  李怀展, 唐超, 郭广礼, 陈福, 李伟, 周华安, 黄建勇,

  煤炭地下气化是煤炭低碳绿色开采技术体系的重要组成，煤炭行业“双碳”目标的实施使得煤炭地下气化迎来良好的发展机遇。然而煤炭地下气化也会引起岩层移动及地表变形，导致利用地下气化回收井工难以开采的“三下”压煤时，严重威胁地面建（构）筑物安全。如何兼顾煤炭地下气化特点准确的预测其地表沉陷，已成为制约煤炭地下气化产业化应用的重要瓶颈之一。基于此，结合“条采−面采”后退式地下气化工艺特点，探究了热力耦合作用下煤炭地下气化引起地表沉陷的诱因，得出地下气化产生地表沉陷的根源是岩层挠曲与焦化隔离煤柱压缩变形。在此基础上，建立了热力耦合作用下煤炭地下气化顶板挠曲变形计算方法以及基于D-P准则的气化煤柱屈服模型与压缩计算方法，进而根据等效下沉空间原理构建了热力耦合作用下煤炭地下气化地表沉陷精准预测模型，并通过乌兰察布煤炭地下气化地表沉陷的实测数据验证了新方法的有效性和准确性。

• 高瓦斯综放工作面智能放煤关键技术研究与应用

  崔耀, 吴景红, 叶壮, 张森浪,

  目前高瓦斯综放工作面的智能化放煤面临着许多难题，主要包括煤矸识别精度较差、煤流与瓦斯浓度的控制不够全面、跟机工艺设计研发繁琐、控制系统响应较慢。为解决这些问题，研发了基于5G通信的云边端协同智能放煤控制系统，包括5G网络、云端服务器、边缘处理器、终端执行设备等，系统具有较高的数据传输速度、控制响应速度和数据处理能力，在对综放开采放煤工艺参数和智能放煤工艺流程分析的基础上，详细阐述了煤矸识别技术、大块煤识别与煤流负荷平衡技术、瓦斯安全联动控制技术、跟机放煤数字孪生技术四大智能放煤关键技术。在保德煤矿81309综放工作面进行应用试验，采用智能综放技术后，顶煤采出率由86%上升到93%，煤炭含矸率由21%下降到15%，总的生产效率提高了10%，放煤作业人员由原来的3～4人减少为1～2人。开发的基于5G通信的云边端协同智能放煤控制系统及其关键技术也可以推广到其他综放工作面，对煤矿减人增效和安全高效开采具有重要价值。

• 基于工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式初步探索

  谢嘉成, 郑子盈, 王学文, 孟浩, 刘曙光, 李素华,

  以数字孪生技术形成虚实融合的运行模式是推进智能化建设的关键，而以数字孪生为基础的工业元宇宙是智采工作面未来发展的方向。提出基于虚拟现实−数字孪生−信息物理系统−工业元宇宙的综采工作面虚实融合运行模式构想，具有展示与离线模拟、监测与辅助操作、在线模拟与预演等六大内涵特征，是逐渐由低层级的展示模拟到高层级深度融合功能的演变过程，最终具备由实到虚精准的复制映射能力、虚拟迭代的推理预测决策能力、由虚到实的复制控制能力以及虚实人机无缝协作和精益化管理四大能力。分析工业元宇宙所具备的4种能力和实现工业元宇宙的关键技术。在已有的监测、决策、控制能力的基础上融入能加强现场操作人员与远程操作人员协作能力的AR远程协助技术、能加强操作人员安全性的机器人协同技术与能在虚拟空间内利用AI驱动运行的虚拟人技术，构建了基于工业元宇宙的液压支架调架实验系统，形成工业元宇宙在煤矿开采中应用的初步认识。

• 柔索驱动拣矸机器人分拣轨迹跟踪控制研究

  刘鹏, 龚莉, 马宏伟, 曹现刚, 张旭辉, 乔心州, 夏晶,

  柔索驱动并联机器人具有运动速度快、工作空间大以及动态承载能力强等优点而被用于煤矸石的快速精准分拣。然而，由于柔索的柔性和单向受力特性，在运动过程中柔索必须时刻保持张紧，使得柔索驱动拣矸机器人的精准分拣控制面临着巨大挑战。同时，拣矸置矸过程所导致的动态冲击和动力学参数的不确定、以及外界干扰等因素势必会影响拣矸机器人末端抓斗的运动精度，甚至导致目标矸石的抓取工作失败。因此，提出了一种能够保障拣矸机器人末端抓斗运动精度的鲁棒自适应模糊控制策略，以克服拣矸置矸过程所产生的动力学参数扰动和外界干扰等因素的影响。基于Lyapunov稳定性理论，证明了所提控制策略的稳定性。并通过空间螺旋轨迹和实用的分拣轨迹对所提出控制策略的控制效果进行了仿真分析。结果表明：末端抓斗对预定运动轨迹的跟踪效果良好，最大位置跟踪误差和均方根误差分别为2×10−2 m和8.9867×10−4 m；柔索驱动力光滑连续且满足柔索驱动力约束条件。证明了文中鲁棒自适应模糊控制策略对柔索驱动拣矸机器人轨迹跟踪控制有效且可靠。研究能够为柔索驱动拣矸机器人的进一步应用奠定良好的理论基础。

• 改进YOLOv5s和DeepSORT的井下人员检测及跟踪算法

  邵小强, 李鑫, 杨涛, 杨永德, 刘士博, 原泽文,

  矿井移动目标的实时监测及跟踪系统是建设智慧矿山必不可少的内容，井下巡检机器人的出现可以实现对作业人员的实时监测，但是井下光照不均、煤尘干扰等因素的存在导致传统图像检测算法无法准确检测出作业人员。基于此提出一种可部署于井下巡检机器人的改进YOLOv5s和DeepSORT的井下人员检测及跟踪算法。首先利用监控摄像头与巡检机器人所录视频制作数据集，然后使用改进YOLOv5s网络对井下人员进行识别：考虑到井下人员检测及跟踪算法包含复杂的网络结构和庞大的参数体量，限制了检测模型的响应速度，使用改进轻量化网络ShuffleNetV2替代原YOLOv5s主干网络CSP-Darknet53。同时，为减少图像中复杂背景的干扰，提升作业人员的关注度，将Transformer自注意力模块融入改进ShuffleNetV2。其次，为了使多尺度特征能够有效融合且使得推理信息能够有效传输，将Neck 中FPN+PAN结构替换为BiFPN结构。接着利用改进DeepSORT对人员进行编码追踪：考虑到井下环境黑暗，照度低，无纹理性，DeepSORT难以有效提取到人员的外观信息，于是采用更深层卷积替换DeepSORT中小型残差网络来强化DeepSORT的外观信息提取能力。最后通过公开行人数据集及自建井下人员检测及跟踪数据集对本文改进算法进行验证，结果表明：改进的检测模型相比于原YOLOv5s模型平均检测精度提高了5.2%，参数量减少了41%，速度提升了21%；改进YOLOv5s-DeepSORT的井下人员跟踪方法精度达到了89.17%，速度达到了67FPS，可以有效部署于井下巡检机器人实现作业人员的实时检测及跟踪。

• 含泡沫铝填充多胞方管吸能立柱防冲特性数值研究

  肖晓春, 朱恒, 徐军, 樊玉峰, 李子阳, 雷云,

  针对吸能防冲支架已有吸能构件防冲性能不足的问题，提出了一种泡沫铝填充多胞方管结构，根据泡沫材料填充薄壁结构轴向吸能理论得出其压溃平均载荷公式，采用ABAQUS/Explicit完成了普通方管、多胞方管和泡沫铝填充多胞方管轴向冲击仿真，并在此基础上对比研究了普通立柱与吸能立柱的抗冲击性能。结果表明：相对于普通方管和多胞方管，泡沫铝填充多胞方管产生了压溃形态理想的轴对称渐进叠缩变形，变形中初始承载峰值、载荷均值与吸能量均明显提高，有效变形距离减小，载荷波动降低，承载效率提高。随泡沫铝填充率增加，构件有效变形距离与吸能量减小；随泡沫铝孔隙度降低，构件载荷均方差降低，吸能量与承载效率提高。25%填充率下60%孔隙度泡沫铝填充多胞方管是较为理想的吸能防冲构件。普通立柱受冲击后载荷激增，弯曲变形严重，立柱依靠自身变形吸收冲击能量，支护效果较差；而吸能立柱受冲击后吸能构件启动变形让位吸能，大幅度降低了立柱的载荷，吸收了外界大部分的冲击能量，避免了立柱的弯曲变形，提高了支架的抗冲击性能。

• 基于分形特征的煤泥滤饼孔渗关系模型研究

  冯泽宇, 董宪姝, 陈茹霞,

  建立滤饼复杂微观孔隙结构特征与宏观渗流行为的相关关系是解决煤泥脱水困难的重要基础。为了真实、精确、直观地表征滤饼孔隙结构特征并建立其孔−渗关系模型，选取煤泥复杂组分中的精煤、石英、高岭石和蒙脱石4种主要矿物为研究对象，分别对其进行加压过滤试验并对其滤饼样品进行CT扫描成像，构建三维数字滤饼并提取孔隙网络模型，最终实现了滤饼孔隙结构的三维显示和定量表征，深入对比分析了经典KC方程和双重分形渗透率模型在滤饼渗透率计算方面的局限性，基于分形理论、Hagen-Poiseulle定律和Darcy定律，结合低场核磁共振技术引入束缚水饱和度和孔隙形状分形维数，对现有分形渗透率模型进行修正，建立了滤饼微观渗透率预测模型，结果表明：煤泥滤饼中矿物成分非常复杂，各个矿物所形成的滤饼具有明显的特征差异，精煤和石英脱水效果最佳，精煤滤饼的孔径分布以大孔为主，但内部存在一定量的孤立小孔，连通性一般，孔隙迂曲度最低，石英滤饼孔隙率最大，连通性最高，但迂曲度较大；蒙脱石和高岭石所形成的滤饼，孔隙数量极少，而且多由10 μm以下的细孔所组成，迂曲度较大，连通性也较差，脱水十分困难；煤泥滤饼以狭窄条状分布为主，且孔径较小，总体孔隙率较低，连通性差，迂曲度高，脱水困难。滤饼微观渗透率预测模型对石英和精煤滤饼渗透率预测精度高，相对误差分别为1.34%和1.15%，对于复杂组分的煤泥滤饼以及高岭石滤饼，其渗透率预测误差能够控制在5%之内，而且蒙脱石滤饼渗透率的计算误差也可降低至13.42%。

• 基于撞击流调控的煤泥水混合过程强化研究

  唐海龙, 樊玉萍, 马晓敏, 董宪姝, 常明,

  煤泥水中一般含有大量高分散性悬浮颗粒，固液分离难度大。通过调控湍流来强化流体混合和颗粒碰撞是实现固液分离的有效途径。颗粒碰撞絮凝大多发生在湍流环境中，细微颗粒的运动受湍流最小涡尺度影响较大。研究借助撞击流对湍流涡进行调控以强化两种不同密度悬浮液混合及悬浮液中细微颗粒的碰撞。利用两种不同的解算模型对混料桶中悬浮液混合状况及颗粒的分布进行了三维仿真，进入混料桶的水相被视为连续相，固体颗粒被视为连续相（悬浮液）或二次离散相（颗粒），分析了不同入料密度下不同流速比对混料桶内湍流特征参数及颗粒分布的影响。结果表明：相互垂直碰撞的射流形成的撞击流可诱导产生发卡涡、展向涡和轴向涡等湍流宏观涡。颗粒在湍流宏观涡中移动的速度顺序为：大粒度大密度>大粒度小密度>小粒度大密度>小粒度小密度。涡−涡之间、涡−主流之间的交互作用显著提高湍流动能、降低涡尺度，最终形成的最小尺度涡有利于颗粒聚集碰撞；混料桶内流场中产生的最小涡尺度主要以小于平均最小涡尺度的涡为主。上−侧入料流速比vup∶vside从1.258∶1.87增大至1.882∶1.258，最小涡尺度呈现增大趋势，与入料密度无关。当流速比相近，仅流速增大时，最小涡尺度减小。适当增大上−侧入料流速比有助于流体混合及颗粒聚集碰撞，且上−侧入料流速比在1.40～1.50时，混合密度、表观黏度、颗粒聚集均达到最优效果。此外，在同一流速比时，上入料口入料密度大于侧入料口入料密度的情况下，混合均匀性和混合强度均优于上入料口入料密度小于侧入料口入料密度的情况，更有利于流体混合及颗粒碰撞。研究通过对流体水力条件的调控促进混料桶中煤泥水混合及细微颗粒凝聚，为液液混合和固液分离过程强化方式提供了一种新的思路。