煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2023年第11期

• 厚硬顶板潜在矿震风险地面压裂预控技术

  王书文, 智宝岩, 杜涛涛, 杨光宇, 陆闯, 夏永学,

  具有厚硬顶板的矿井在采掘期间将面临矿震、矿压显现强烈的风险，易导致矿井发生动力灾害事故。为对此类风险隐患进行预控和防范，需要对矿井的厚硬顶板进行预控处理。采用现场调研、工程类比、理论分析、实验室试验和数值模拟的方法，对矿井岩层赋存特征、潜在矿震风险、厚硬顶板可压裂性和地面压裂预控矿震风险机理进行研究。理论分析得到具有厚硬顶板的矿井不仅存在单一工作面低位、高位厚硬顶板初次破断诱发矿震风险，也存在随矿井开采空间增大加剧高位厚硬顶板诱发矿震的风险性；蒙陕地区类似条件工程案例类比表明，具有厚硬顶板赋存条件、开采条件的矿井，自第2个工作面开采始具有发生较高的矿震风险的可能；通过厚硬顶板可压裂性试验研究得到岩石脆性系数为59%～143%，平均脆性矿物含量约68%，综合表明所研究矿井的厚硬顶板可压裂特性较好；模拟对比分析得到在厚硬顶板预裂后，工作面超前支承压力集中程度和超前影响距离均明显降低。基于厚硬顶板的研究结果，提出了矿井地面压裂区域卸压矿震风险预控技术，即通过地面实施“L”型钻孔至厚硬顶板进行压裂，以降低厚硬顶板完整性和致密性。工程应用表明，在实施地面压裂区段中，井下压裂区域微震事件的最高频次降低了52.2%，微震事件的最大能量释放降低了56%，由此说明厚硬顶板的地面压裂预控技术成功降低了矿震风险，保障了工作面的安全顺利回采。

• 远场高位厚硬岩层破断运动机理及响应规律研究

  张广超, 曲治, 孟祥军, 马俊鹏, 王超, 王磊, 李志勇, 王冬, 周广磊,

  掌握远场高位厚硬岩层破断运动规律对于地表剧烈沉降、强矿震等灾害安全防控具有重要作用。以营盘壕煤矿2201、2202工作面为研究背景，建立远场高位厚硬岩层破断力学模型，采用符拉索夫厚板理论分析白垩系砂岩组破断运动规律及其影响因素，并通过地表沉陷、微震响应规律进行验证分析。得出如下结论：①针对白垩系砂岩距煤层远、厚度大、整体性好的赋存特征，建立了远场高位厚硬岩层破断力学模型，采用符拉索夫厚板理论解算出了高位厚硬岩层初次破断临界力学条件。②随着抗拉强度增大，厚硬岩层破断悬露长度依次呈现缓慢增长、线性增长和指数型增长特征；随岩层厚度增大，厚硬岩层破断悬露长度近似呈现指数型增长；随着倾向悬露长度（工作面宽度）增大，厚硬岩层破断悬露长度呈现先增大后逐步减小的变化趋势。③营盘壕煤矿2201工作面推采过程中，厚硬岩层不会发生破断；当2202工作面推采至960 m左右时发生竖向“O-X”破断；随着工作面继续推进约188 m，厚硬岩层将发生周期性破断。④地表沉陷监测结果表明，2201工作面推采期间地表沉降值整体较小且无较大变化，以小能量微震事件为主；2202工作面推采期间地表下沉依次经历了缓慢下沉阶段、急剧下沉阶段、稳定阶段，大能量强矿震频率明显增大，大能量矿震发生位置与地表沉降最大值区域重合度较高，均处于“O-X”破断区域；地表下沉速度在距开切眼960 m处达到最大值9.87 mm/d，并诱发了“6·8”强矿震事件，验证了远场厚硬岩层破断规律的正确性。

• 煤层钻孔钻进煤粉自动测量方法及试验研究

  尹延春, 郑武威, 赵同彬, 任文涛, 张伟, 赵志刚,

  钻屑法是煤矿常用的冲击地压危险性检测方法，钻孔煤粉量的高效准确采集是工程现场比较关注的技术难点，直接影响检测评价效率和结果。基于钻孔排粉特征及流体质量称重原理，自主研发了一套适用于不同孔径钻孔的煤粉量自动测量装置，该装置由集粉装置、称重装置、数据处理系统和固定机构组成，可根据钻孔排出煤粉的流动质量及标定函数获得煤粉实际质量，通过室内试验和现场测试，检验了该方法的测量准确性。研究表明：根据煤粉流动质量–时间曲线可以有效辨识钻杆钻进及接杆工序；每米钻孔的煤粉流动质量累加值与实际质量呈明显的线性关系，标定函数与称重装置的称重滑道倾角、采样频率等装置测试参数相关；与常规称重法相比，煤粉自动测量方法的实验室测量误差最大值小于6.5%，现场测试平均误差为5.13%，误差小于10%的数据占比86.91%，装置测试参数和钻孔煤粉流量、粒径等不可控的工程因素对测量结果准确性影响很小；在保证准确性的同时，常规孔径钻屑法的接杆工序时长减少了25.16%，施工效率提升了11.84%。大直径钻孔浅部煤粉分布规律与常规孔径钻屑法一致，同时可获得更深处巷帮煤粉量分布。所提出的煤粉自动测量方法，提高了大直径钻孔钻屑法的施工操作性，可实现大直径钻孔的强排粉卸压–煤粉测量同步作业。

• 双巷掘进留小煤柱护巷下深浅孔组合爆破卸压技术研究

  张广辉, 蒋军军, 邓志刚, 赵善坤, 司瑞江, 郜建明, 许利军, 张奥泽,

  为防控双巷掘进留小煤柱护巷布置下邻空巷道大变形及强矿压灾害，以赵庄煤业为工程背景，提出了深浅孔组合爆破卸压技术。通过开展小煤柱护巷顶板力学结构和深浅孔聚能组合爆破机制研究，揭示了邻空巷道挠度和采空区顶板L的关联性，并确定顶板倾向断裂位置，明晰深浅孔组合双层位爆破消冲护巷的作用机制和深浅孔组合导向力学作用机理；并通过铰接块体等理论计算和现场试验确定了爆破方案参数。工程实践表明：深浅孔组合爆破卸压技术能够弱化坚硬复合顶板介质的储能蓄力属性，优化采空区边界顶板三角块结构，同等尺度下顶板积聚能量密度降低4000 J左右；1313工作面回采后采空区边界顶板及时垮塌，降低顶板对煤柱挤压作用，煤柱不同深度测点处应力集中系数分别为1.38和1.29，应力集中程度明显减小；邻空巷道扇形窥视结果表明低位岩层裂隙发育明显，高位岩层呈现逐步损伤、断裂状态，在顶板倾向上组合爆破能够缩减岩块B悬顶长度，破坏基本顶铰接结构，减弱岩块的回转下沉作用；13163巷顶底板、两帮最大移近量分别为440 mm和205 mm，爆破措施有效抑制了巷道变形，且未发生片帮冒顶等动力现象，达到了深浅孔组合爆破施工目的。

• 深部孤岛工作面留小煤柱掘巷围岩破坏机制与控制

  王恩, 谢生荣, 陈冬冬, 刘瑞鹏, 冯少华,

  针对深部软碎煤体巷道围岩大变形破坏的控制难题，以某矿围岩控制难度极大的深部软碎煤体孤岛工作面留小煤柱沿空掘巷为工程背景，分析了煤体巷道围岩控制的主要难点；基于FLAC3D数值模拟软件研究了留小煤柱掘巷围岩大变形破坏机制。结果表明：大采高工作面回采扰动引起围岩应力调整卸荷后，掘巷上覆顶板荷载主要由实体煤帮承载，得出留小煤柱掘巷围岩应力峰值区主要位于实体煤帮及其肩角深处，其垂直应力集中系数高达3.04，阐明了掘巷实体煤帮顶板肩角、煤柱帮及实体煤帮浅部塑化围岩是关键控制区域。明晰了留小煤柱掘巷稳定后顶板、实体煤及其煤柱帮塑性破坏区的延伸宽度最大分别为5.88、2.50、3.00 m，揭示了掘巷围岩分区域非对称破坏机制。分析阐明了掘巷支护设计时需将锚索等支护构件的锚固基础位于围岩深部较完整弹性区内，基于此提出了锚梁网支护+槽钢锚索加固+注浆改性等分区域联合支护技术，通过现场工程实践证实采取高强度支护加固技术及注浆改性措施有效改善了深部煤岩体软碎且易发生大变形破坏的留小煤柱掘巷围岩应力状态，试验段掘巷顶板及两帮围岩变形量均控制在500 mm以内，保障了大采高工作面的安全有序回采，为此类深部软碎煤体巷道围岩大变形的有效控制提供可靠途径。

• 废弃蒸压砌块与煤矸石在煤矿采空区地基加固中的试验研究

  任连伟, 李波, 邹友峰, 顿志林, 杨文府,

  随着社会发展，大量的废弃蒸压砌块与煤矸石对周边环境造成不良影响，为了保护环境和资源再利用，这些固体废弃物在注浆加固领域得到了有效利用。提出以废弃蒸压加气混凝土砌块和废弃煤矸石2种固体废弃物为主要材料，分别与水泥混合制成2种不同的黏土采空区地基处理充填注浆浆液。试验采用混料配比方式，在凝结时间、黏度、析水率和结石率、流动性和抗压强度方面进行分析，最终选择配比最适宜采空区地基处理的注浆浆液。研究结果表明：废弃蒸压加气混凝土砌块−水泥浆液各组的凝结时间、黏度、析水率和结石率均符合作为采空区地基处理的注浆浆液标准，但在抗压强度标准上只能选择50%和60%的质量替代率；煤矸石−水泥浆液中煤矸石含量为70%和80%的质量替代率浆液在析水率、结石率和抗压强度不符合标准，故只能选择50%和60%的质量替代率的浆液配比；再从经济角度分析，2种浆液都应优选60%的质量替代率的浆液配比。最后，通过对2种浆液的凝结时间、黏度、析水率和结石率、流动性和抗压强度方面对比分析，宜选择煤矸石−水泥浆液用于煤矿采空区地基处理。

• 露天煤矿产能核增影响下采区划分研究

  马力, 李瑞行, 刘福明, 孙进步, 董志龙, 王恒荣, 靳新宇, 薛飞, 徐甜新,

  提高露天煤矿生产能力，对增加矿山开采经济效益具有直接且显著的意义。以准东某露天煤矿开采现状为基础，针对其生产能力由原20 Mt/a扩增为50 Mt/a的发展目标，研究满足50 Mt/a生产能力的采区发展要求，确定产能核增影响下的最佳采区划分及发展关系。以技术可行性与经济合理性为原则，计算扩增后该露天煤矿的最佳工作线长度为2 300～2 500 m，并基于所确定最佳工作线长度、该露天煤矿全矿区剥采比等值线图及开采现状提出4种合理的采区划分方案。对比分析了各种采区划分方案优缺点，选取平均工作线长度、二次剥离量、各采区剥采比变化趋势、首采区剥采比、前期外排运距、内排难易程度、采区接续次数、首采区勘探程度及采区接续难易程度等9个指标为采区划分影响评价指标，采用集值迭代法确定采区划分方案影响指标权重，并利用TOPSIS法建立了采区划分方案的综合评价模型。研究结果表明：以当前开采位置为首采区逐渐往西南方向推进4 000 m左右，通过90°扇形转向向东推进至东部边界为二采区，然后剩余未开采矿田均分成平行布置的三、四采区。首采区至四采区剥采比分别为1.85、3.04、3.68、5.06 m3/t，剥采比随采区不断往后推进缓步增加，且在这4个采区内剥采比分布较均匀。且该采区划分方案在满足50 Mt/a生产能力条件下，可实现二次剥离量和前期外排运距均较小、接续次数少、首采区勘探程度较高及各采区工作线长度较均匀，对矿山整体发展剥采影响及经济性影响最小。

• 单向卸载条件下组合煤岩力学特性及声发射演化规律

  肖晓春, 刘海燕, 丁鑫, 徐军, 樊玉峰,

  针对深部巷道开挖卸荷扰动引起的冲击地压灾害问题，开展不同卸载条件下巷道围岩的变形破裂机理研究。以组合煤岩为研究对象，采用岩石力学真三轴试验机和声发射监测系统进行了恒轴压卸侧压的单向卸载试验，探究了卸载初始侧向应力及卸载速率影响下组合煤岩的力学特性，通过声发射信号特征反演了组合煤岩内部不同类型裂纹扩展规律，结合振铃计数特征参数量化了组合煤岩加卸载过程的损伤程序。结果表明：单向卸载条件下组合煤岩表现出明显的张剪复合破坏特征，煤体宏观上以剪切破坏为主，岩石以张拉破坏为主，卸载初始侧向应力的增加导致组合煤岩破坏程度加剧，卸载速率的提高促进了岩石试样应力卸载方向张拉裂纹的扩展；声发射参数RA–AF的变化准确描述了组合煤岩内部不同类型裂纹的占比，组合煤岩加卸载过程中大多以剪切裂纹的形式扩展，应力卸载阶段剪切裂纹的占比随卸载初始侧向应力的增加而降低，卸载速率的提高促进张拉裂纹占比的增加，剪切裂纹占比降低；通过研究声发射振铃计数标定的损伤发现卸载初始侧向应力和卸载速率是影响组合煤岩卸载阶段损伤发育程度的主要因素，卸载初始侧向应力超过20 MPa后其对组合煤岩卸载阶段的损伤基本不产生影响。研究成果可为深部巷道开挖冲击地压的发生机制与灾害防治提供参考。

• 砂型3D打印材料对类软岩力学特性影响规律及机理

  蒋力帅, 王鑫哲, 徐清, 徐嘉嵘, 刘光生,

  煤矿巷道围岩普遍岩性软弱、节理裂隙发育，软岩力学是煤矿巷道围岩控制的基础。由于软岩在力学与结构等方面的特殊性，物理试验中存在试样难以符合现场裂隙特征、离散性强等问题，严重制约软岩力学或裂隙岩体力学试验研究。3D打印技术因其数字建模、精度高等技术优势，突破了浇筑法在制作复杂裂隙试样上的局限，被广泛应用于岩石力学试验研究，但采用该技术打印成型的试件受打印材料和参数的影响规律还需深入研究。基于砂型3D打印技术，通过力学试验、声发射监测、电镜扫描等手段，研究不同类型砂粉和不同黏结剂饱和度对类软岩试样的力学特性的影响规律及机理。结果表明：不同类型砂粉由于其颗粒形状、粒径、排列形态等因素，对成型试样的力学特性、破坏模式等影响显著；黏结剂饱和度与试样强度呈正相关关系，相同砂粉类型前提下，改变黏结剂饱和度能将试样强度提高5倍，同时声发射事件信号与能量也随黏结剂饱和度的增大而增大。研究结果揭示了砂型3D打印技术用于软岩物理模拟上的适用性，为精确、科学地还原具体工程条件的软弱煤岩力学特性提供重要依据。

• 基于光纤光栅的煤层瓦斯钻孔塌孔位置表征试验研究

  张超, 程仁辉, 黄晓昇, 范富槐, 段晨烨,

  钻孔瓦斯抽采是解决瓦斯超限问题的重要手段，受地应力、钻进扰动等影响矿井瓦斯抽采钻孔易塌孔变形，严重影响瓦斯治理效果。针对煤层瓦斯抽采钻孔塌孔位置难以监测的问题，提出了一种基于光纤光栅智能传感技术的钻孔塌孔监测技术。首先从光纤光栅传感器应力监测理论出发阐述了光纤光栅钻孔塌孔监测原理，在此基础上构建了基于光纤光栅的塌孔表征实验平台，开展了不同塌落煤量下3种光栅布置方式（0°、90°、180°）的钻孔塌孔监测模拟试验，研究了光栅测量波长偏移量、抽采流量随塌落煤量的变化规律，划分了钻孔塌孔等级。结果表明：光栅测点位于基体材料下方布置方式的塌孔监测准确度最高，此时中心波长偏移量Δλ与塌落煤量m的关系为 m = 3.017\Delta \lambda ，抽采流量Q与波长偏移量Δλ的关系为 Q = 8.72E - 7x^3 + 2.30E - 4x^2 - 0.18x + 30 。以抽采流量衰减率为塌孔评判标准划分三级塌孔标准：Ⅰ级塌孔抽采流量衰减至90%，Ⅱ级塌孔抽采流量从90%衰减至50%，Ⅲ级塌孔抽采流量衰减至50%以下。最后，通过在潞安集团漳村煤矿2802工作面的现场试验验证了光纤光栅塌孔监测技术的有效性，发现钻孔30 d后塌孔位置分布与钻孔打钻完成后的初期期情况相近；在现场试验中，基于所提出的塌孔监测技术成功定位并修复了5个钻孔，修复后钻孔瓦斯抽采纯量较未修复前提升了37.79%。

• 采动覆岩变形多场光纤神经感知与安全保障体系构建研究

  程刚, 王振雪, 施斌, 朱鸿鹄, 李刚强, 田立勤,

  地下煤层开采引起煤层上覆岩体的变形、破坏与垮落，若采动覆岩变形破坏监测预警和应急处置不当，往往会导致工作面发生冒顶、突水、瓦斯突出和冲击地压等开采灾害事故。为保障开采工作面的本质安全，需要对煤层采动覆岩变形进行全实时动态感知与全过程智能预警。大量的现场监测试验研究结果表明，煤层上覆岩土体的变形破坏存在不连续和非线性变化特点，因此，如何突破覆岩变形的时空不连续观测瓶颈，实时准确地获取煤层上覆岩土体的多场数据，已成为采动覆岩变形破坏机理研究的关键一环。基于分布式光纤感测技术，对煤层采动过程上覆岩土体的变形场、温度场、渗流场和地电场进行了系统性研究，详细介绍了各物理场的作用机理、观测技术、研究现状以及发展趋势，并分析了基于DAS技术的矿山工程微震研究方向，以期为实现矿山地下空间的“透明化”探测提供理论支撑；通过构建井上井下一体化协同的光纤感知神经网络，建立一套集感知–传输–处理–预警–决策–应急于一体的煤层采动覆岩安全保障体系，该体系由实时感知、可靠传输、智能处理、即时预警和应急决策五大模块构成，可实现采动覆岩变形破坏全过程的动态感知和多场实时数据的关联分析与评价，进而为保障煤层开采全周期安全提供技术支撑，研究成果同时可为开采矿区范围内的地质环境监测评价与修复治理提供参考依据。

• 含层理页岩水压致裂特性及对破裂压力的启示

  沈仲辉, 周令剑, 李希建, 张胜跃, 周雷,

  水力压裂是页岩气开发中常用的储层改造技术，破裂压力的准确预测对于现场压裂施工设计至关重要。为探究页岩层理对水力压裂的影响机制，以四川长宁地区黑色页岩为研究对象，对含层理的页岩进行巴西劈裂抗拉强度测试，利用GCTS岩石力学试验机开展不同层理角度下页岩的水压致裂试验，结合X射线CT机和三维扫描仪对页岩的扩展形态及裂缝表面粗糙度进行表征，并对页岩水力压裂的破裂压力进行分析。结果表明：①页岩的抗拉强度随层理角度变化呈先减后增的变化趋势，各向异性明显；②层理的存在对页岩水力压裂的破裂压力影响较大，不同层理角度条件下页岩水力压裂的破裂压力与抗拉强度的变化规律相似，在30°最小，90°最大；③层理面对水力压裂裂缝扩展的影响较小，主要是拉伸破坏产生的单裂缝，裂缝面粗糙度较高且与层理方向无关；④通过数值仿真确定了压裂井筒塑性区的存在，解释了试验中观察到异常高的破裂压力，说明水力压裂裂缝起裂后存在一定的临界起裂特征长度，岩石需要经过裂纹孕育阶段才能完全破裂，不同层理角度页岩通过临界起裂特征长度来影响起裂压力，采用新的模型能较好预测页岩水力压裂的破裂压力。研究结果对于了解深部页岩裂缝起裂扩展机理、压裂施工设计等具有一定的参考意义。

• 考虑动态滑脱的页岩微裂隙表观渗透率演化机制

  丁云娜, 李波波, 成巧耘, 段淑蕾, 宋浩晟,

  为研究页岩气开采过程中有效应力、气体吸附及滑脱效应作用下微裂隙表观渗透率的演化机制，利用分形理论表征微裂隙气体总流量，并基于Hagen-Poiseuille二阶滑脱方程建立微裂隙变形和滑脱效应综合作用的表观渗透率模型。同时，结合滑脱系数与固有渗透率间的函数关系，量化有效应力和气体吸附等因素对滑脱系数的影响，探讨页岩气渗流过程中滑脱系数动态演变过程，并验证模型可靠性。此外，结合敏感性分析，探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数对滑脱系数的影响。结果表明：①恒定外应力和恒定有效应力条件下，随孔隙压力逐渐增大，受气体吸附与滑脱效应的耦合影响，表观渗透率呈减小趋势；②当外应力恒定时，气体分子平均自由程随孔隙压力增大而减小，滑脱效应减弱，一阶、二阶滑脱系数C1、C2减小，整体滑脱系数B增大；当有效应力恒定时，页岩气渗流通道受制于气体吸附的影响而逐渐减小，C1、C2和B逐渐增大；③基于模型敏感性分析，探讨微裂隙压缩性系数、分形维数、内膨胀系数与滑脱系数之间的互馈机制，其中微裂隙压缩性系数、分形维数导致固有渗透率增大，而C1、C2、B减小；内膨胀系数的增大导致固有渗透率减小，C1、C2、B增大。研究所得结论将为页岩气开采提供一定的理论支撑。

• 高低温循环冲击作用下砂岩孔裂隙结构的演化特征

  汪家畅, 康健婷, 康天合, 郑亚炜, 晏嘉欣, 张慧慧, 梁晓敏,

  我国煤系气储量丰富，但煤系气藏复杂的地质条件使得对单一含气系统的开采成本高、效率低，对多种含气系统难以合层共采。如何提高煤系储层的渗透性与兼容性是开发煤系气的关键问题。为探讨改善煤系储层结构的有效方法，研究了在高温200 ℃、低温−196 ℃循环冲击作用下煤层顶板砂岩孔裂隙的演化特征，使用工业显微CT对高低温冲击作用前后砂岩试样孔裂隙的发育过程进行了表征。利用数字图像和三维重构技术，对冲击前后试样的CT数据进行了滤波和均值化等处理，定性和定量分析了0、1、5、10、15次高低温度冲击后砂岩孔裂隙体积、表面积、孔隙率和孔裂隙分布复杂度分形维数的变化。研究结果表明：①高低温循环冲击促使砂岩试样孔裂隙发育、扩展、连通和次生裂隙的萌生，冲击作用有助于微小孔裂隙扩展形成较大的宏观裂隙。②砂岩孔裂隙体积、表面积、孔隙率和孔裂隙分布复杂度分形维数随温度冲击次数的增加呈对数规律变化，其增长幅度呈先增大后减小的趋势，在第5次冲击作用后其面积和孔隙率增幅达到最大，分别为15.48%，20.98%。③高低温循环冲击作用减弱了砂岩基体间的束缚力，打破了其原有的静态平衡，试样孔隙率随扫描层数的变化曲线演变为类“C”状，表明砂岩两端的束缚力衰减幅度更大。

• 过采空区叠置“三带”定向钻井技术研究

  娄毅, 梁龙军, 陈捷, 邵林杰, 阳富芹, 易旺,

  贵州煤炭资源量大，经长期开采，形成大面积采空区，采空区下伏煤层气资源量丰富，但开发利用率低。主要原因为贵州地区地面条件复杂、煤系地层纵向跨度大、煤层发育具有多薄等特点。在采空区钻井抽采上覆煤层卸压瓦斯及下伏煤层气时，采用常规钻井技术成井较为困难，易发生井下复杂事故，导致贵州地区对煤矿采空区内煤层气资源的开发利用较少。为了抽采采空区上覆煤层卸压瓦斯及充分利用采空区下伏煤层煤层气资源，探索多煤层采空后上覆煤岩层叠置“三带”在纵向发育特征及底鼓煤岩层应力变化规律就显得尤为重要。以贵州盘江矿区山脚树矿为例，实施1口过采空区多煤层定向试验井。结果表明：在贵州特殊地质条件下在煤矿采空区实施定向井抽采上覆煤层气卸压瓦斯及下伏煤层煤层气具有很好的经济性。同时通过该井的成功实施，首先探明了盘江矿区多煤层采空后“叠置”三带在纵向上的发育特征，其次成功获取了煤矿采空区下伏煤层煤层气抽采关键地质及工程技术参数，实现了采空区煤层气资源利用最大化，为后续在盘江矿区乃至整个贵州地区开展采空区瓦斯卸压抽采及下伏煤层煤层气开发提供了宝贵的工程经验和技术支撑。

• 基于核磁共振技术的煤层含气量评价方法

  余杰, 秦瑞宝, 黄涛, 李利,

  我国煤层气资源储量十分丰富，是良好的天然气后备资源，开发利用煤层气具有多重价值。煤层含气量是评价煤层的关键参数，也是决定煤层气勘探开发选区与产能潜力大小的重要因素，利用测井技术评价含气量可以低成本获得地下煤层气关键参数，准确获得含气量对煤层气勘探开发具有极为重要的影响。为了规避煤层中天然气不同赋存状态导致的密度不同和Langmuir单层吸附模型造成的含气量低估，提出了一种基于核磁共振技术评价煤层含气量的新方法，采用经过校准的核磁共振仪器测量煤层中的核磁共振信号，通过分离煤层中吸附态天然气的核磁共振信号，进而计算单位体积地层中天然气分子的摩尔数，综合体积密度测井换算为标准状态下煤层含气量。为验证方法的有效性，设计开展了实际煤样甲烷等温吸附与核磁共振联测试验，试验结果表明，利用不同的T2（横向弛豫时间）截止值可以区分煤层中不同赋存状态的甲烷气体，基于核磁共振新方法计算的与试验测量的煤层含气量符合很好，证明了新方法的有效性。实际测井资料处理解释结果表明，基于核磁测井新方法比常规测井方法计算煤层含气量更加有效。

• 煤层底板采动破坏机制的岩性效应研究

  张风达,

  为获取不同岩性的煤层底板采动破坏特征，建立了不同内摩擦角对岩体强度影响的莫尔圆解，构建了采场端部最大底板破坏深度/采空区最大底板破坏深度的比值与内摩擦角的关联公式；运用FLAC3D数值模拟软件，分析了不同岩性条件下的煤层底板塑性区、最大剪应力、弹性应变能分布特征；从能量积聚与耗散的角度，建立了煤层底板采动破坏形态的概化模型；最后，结合平朔19110工作面底板实测数据进行验证。研究结果表明，超前支承压力作用下底板岩性为软弱岩体易发生剪切破坏，而未发生剪切破坏的中硬岩或硬岩，在应力卸荷作用下仍存在进一步破坏的可能性；随着煤层底板岩体内摩擦角的不断增大，煤层底板采动破坏范围的最大值将逐渐由采场端部向采空区后方转移；与煤层底板岩性为中硬岩或硬岩相比，岩性为极软岩或软岩的煤层底板岩体在煤壁附近剪应力和弹性应变能存在明显的衰减，并向深部转移，导致采场端部塑性区范围较明显；将煤层底板采动破坏区域划分为能量释放区、能量承载区、能量平衡区，与煤层底板岩性为软弱或极软弱类型相比，中硬岩或硬岩类型下的煤层底板能量释放区分布范围较小甚至缺失，主要通过能量承载区和能量平衡区实现采动扰动能量的平衡。现场实测发现煤层底板岩性为细砂岩、灰岩等、未发生剪切破坏的坚硬岩体，采动卸荷作用下进一步发生破坏，并呈现出由剪切破坏转变为剪切−拉伸变形复合破坏的特征。

• 分离式螺旋钻具截割与输送协同优化研究

  张强, 刘伟, 张润鑫, 李宝岐, 顾颉颖,

  螺旋钻具被广泛应用于矿山开采、探索与安全保障等领域，是矿山设备中的重要组成部分。针对钻具最佳截割转速与输送转速不匹配问题，提出新型分离式钻具结构，实现钻头截割转速与钻杆输送转速独立控制，利用离散元数值模拟与力学分析法分别建立钻头截割比能耗与钻杆输送比能耗数学模型，通过多目标优化理论以钻具截割比能耗和输送比能耗之和最小为目标，对钻具截割与输送参数进行协同优化，优化结果表明：钻具截割与输送总装机功率不变条件下，传统钻具截割与输送共用同一个电机具有功率集中优势，钻具在不同工况下均能达到电机额定功率输出，有效提高钻具进给速度增加钻具单位时间的开采效率，而分离式钻具将电机总功率进行拆分，一部分用于钻头截割，一部分用于钻杆输送，两部分相互独立，钻具开采过程中截割电机额定功率输出，而输送电机输出功率根据物料输送需求进行调整，从而导致输送电机一部分功率不能完全发挥处于闲置状态。由于钻具进给速度较低，当钻杆与钻头转动同速时，将会导致钻杆单位时间输送能力高于钻头单位时间截割能力，造成钻杆一部分做工为无效功，造成电机能耗浪费，而分离式钻具能够根据钻头截割能力对钻杆的输送能力进行匹配，避免输送电机做过多无效功从而降低钻具输出比能耗，并随着钻采深度的增加，分离式钻具低输送比能耗优势逐渐体现。通过制作分离式钻具实物模型，利用试验的方法对分离式钻具协同优化性能进行验证，试验结果表明：相同工况下，钻头与钻杆协同优化后拥有更好的开采性能，相比与传统钻具分离式钻具协同优化后进给速度提高了2.98%，截割比能耗降低了5.63%，输送比能耗降低了0.81%。试验验证了分离式钻具协同优化效果的有效性，为钻具绿色开采提供了参考。

• 不同工况条件下刮板输送机刚散耦合效应研究

  王学文, 麻豪洲, 李博, 张沛林, 夏蕊,

  刮板输送机作为煤炭综采工作面关键设备，承担煤料输运的主要任务。煤料的运动及力学行为对刮板输送机的设计及故障分析有着重要影响。但刮板输送机工作环境复杂且恶劣，难以开展有效的研究试验。针对真实试验无法分析井下刮板输送机与煤料的相互作用效应，采用离散元法和多体动力学构建刮板输送机刚散耦合仿真模型，从散料和机械角度对正常工况条件下的仿真模型进行验证。分别基于不同工作倾角、不同走向倾角和不同运量工况条件对仿真模型进行设定，研究不同工况条件下刮板输送机的刚散耦合效应。结果表明，基于离散元法和多体动力学构建的刮板输送机刚散耦合模型可以有效模拟刮板输送机的输运工况。正常工况条件下，煤料运动呈现堆状间歇分布，且刮板前侧煤料堆积多于刮板后侧。随着工作倾角的增大，煤料堆积最高点逐渐向着后侧刮板移动，中板平均受力逐渐增大，后侧刮板平均受力逐渐减小。随着走向倾角的增大，最高点逐渐向倾斜侧偏移，造成中部槽内煤料的分布不均，使得倾斜侧煤料受力大于另一侧，链条受力出现波动，两条链同步性较差。随着运量的增大，中板和刮板的平均受力逐渐增大。刮板输送机输送过程存在有效输送区域，煤料速度在有效输送区域内与链速基本相同，靠近槽帮处的煤料速度逐渐越低。中板磨损与煤颗粒−中板−刮板（链）的接触相关，当三者形成有效的三体接触时，中板受力和磨损会出现明显上升的趋势。研究结果为后续开展不同工况条件下刮板输送机磨损特性、故障分析等研究的仿真模型构建提供了指导，为分析不同工况条件下刮板输送机刚散耦合效应提供了参考。

• 弛张筛筛分效率与筛面磨损的匹配优化研究

  周永利, 毛君, 谢苗, 毋龙飞, 朱昀, 孟庆爽,

  为提高煤炭分选过程的生产效率，增加分选设备的使用寿命，最大限度地发挥选煤厂筛分设备潜在的生产能力，提高筛分工艺的合理性，以全面提升弛张筛筛分系统的筛分效率降低筛面磨损率，提出通过调节弛张筛性能参数的措施，使筛分效率达到最优，同时减小筛面的磨损。将柔性筛板离散化处理以降低柔性筛板仿真过程的复杂性，采用多体动力学仿真和离散元法耦合的方式，对筛面的筛分过程进行数值模拟，获得了弛张筛性能参数：弛张频率、筛面倾角、弛张量对筛分效率的影响规律，并综合考虑相关系数法和显著性检验方法，确定了弛张量为影响筛分效率的非关键因素。在总结了弛张筛筛分过程的磨损规律的基础上，通过Relative Wear和Archard Wear模型获得了仿真过程中筛面弛张量对磨损深度的影响规律。基于弛张量对筛分效率与磨损深度的双重影响，选用线性加权法进行筛面性能的多目标优化，获得了保证筛分效率最高磨损深度最小的筛面性能参数，并进行仿真验证。研究结果表明：筛分效率随筛面倾角的增大而减小，弛张量与弛张频率越大呈现先增大后减小的变化规律；筛面磨损与筛面弛张量同样呈先增大后减少趋势，综合考虑筛分效率与筛面磨损，获得了最优的筛面性能参数，即当筛面弛张量选择5 mm时，筛分效率可达到80.85%，而筛面磨损深度仅为0.051 6 mm，相较于最优筛分效率时筛面磨损量减少了26.5%，而筛分效率仅降低0.48%，能够在对筛分效率影响较小的条件下显著降低筛面磨损程度。表明经过优化后的弛张筛筛分性能具有了明显的改善。采用上述技术方案能够有效提高分选过程中筛分环节的性能参数，提升设备生产能力，同时为选煤厂分选系统的智能化提供了技术支撑。

• 基于图像识别的矿山相似材料试验模型变形信息提取

  汤伏全, 柴成富, 郭千慧子, 武金辉,

  相似材料模型试验是研究矿山开采沉陷及损害的重要手段，试验中获取高精度的模型变形信息至关重要，现有的多种模型变形测量方法在数据采集精度和效率方面仍存在一定的局限性。以陕北某矿的多煤层循环开采与充填开采为模型开展相似材料模拟试验，利用非量测相机近距离拍摄模型得到高分辨率的序列图像，通过图像畸变纠正、自动拼接及特征识别，高精度获取相似材料模型的变形量。首先分析模型测点标志和相机参数对变形测量精度的影响，确定最佳的模型拍摄方案，即使用非量测相机距离模型1.5～2.0 m处进行正射拍照，形成横向重叠度大于55%，竖向重叠度大于30%的图像序列；进一步利用双线性插值方法对所得到的图像进行畸变校正处理，运用全自动稳健的图像拼接算法，使用Harris角点检测算子进行特征点提取，利用RANSAC算法对伪匹配点进行分类处理，通过颜色插值法对接边处进行颜色过渡与平滑等一系列自动处理，从而对图像序列进行拼接，所生成的模型全景图像分辨率较常规的固定相机姿态一次拍摄模型全景的图像提高约10倍。图像处理过程中以测点标志为训练网络，基于Faster R-CNN算法加入置信度，通过选取合适的滑动模板进行区域分析，显著提高了测点标志的识别速率和准确率。结果表明，模型试验中测点坐标提取的精度优于0.027 mm，相当于实地测量精度5.4 mm，完全满足矿山相似材料模型试验要求。通过制作比例尺1∶200的试验模型，模拟分析了多煤层循环开采引起的上覆岩层变形破坏特征，地表最大下沉量达−18.937 mm；在采空区充填情况下，覆岩下部发生微弱变形，地表下沉不超过2 mm。试验结果为矿山相似材料模型试验数据的高效、精准采集提供了有效的技术手段。

• 黄淮平原矿区土地复垦对微生物群落结构和功能的影响

  董文雪, 马静, 何环, 朱燕峰, 尤云楠, 陈浮,

  黄淮平原矿区复垦土壤肥力低，与养分循环密不可分，但复垦对土壤养分循环影响的微生物学机制尚不清楚。为此，于山东省邹城市东滩矿区4个复垦区和1个对照区共采集65个表土样，利用高通量测序及PICRUSt2和FUNGuild分析工具探测复垦对土壤微生物群落结构和功能的影响及其区系演替的环境驱动机制。结果表明：①复垦对土壤理化性状和酶活性影响显著（P<0.05），随复垦年限增加，铵态氮（AN）逐渐上升，硝态氮（NN）、有效磷（AP）、有机碳（SOC）、β-葡萄糖苷酶（BG）及蛋白酶（PRO）活性下降，pH、亮氨酸氨肽酶（LAP）活性则先升后降。②复垦显著影响了土壤微生物群落结构和组成（P<0.05），丰富度和均匀度随复垦年限增加而上升，所有处理优势菌门保持不变，但相对丰度变化显著。③土壤pH、铵态氮及磷酸酶是群落结构变化的主导因子。④PICRUSt2功能预测显示细菌群落基因功能相似，与代谢相关功能最活跃。FUNGuild功能预测结果显示真菌群落包含2个单营养型和3种混合营养型及4个单一功能群和14个混合功能群。本研究丰富了对复垦土壤发育的微生物学机制认识，为黄淮平原采煤沉陷治理提供科学依据。

• 紫花苜蓿−黄土复合体抗剪强度时间效应研究

  毛正君, 耿咪咪, 毕银丽, 安宁,

  植物根系能提高边坡稳定性和防止水土流失，研究选取紫花苜蓿−黄土复合体为研究对象，通过PVC管人工种植获取紫花苜蓿−黄土复合体试样，并采用三轴压缩试验测定紫花苜蓿−黄土复合体抗剪强度指标并分析其时间效应，对比分析了围压及含水率对紫花苜蓿−黄土复合体抗剪强度的影响作用。结果表明：与素黄土相比，紫花苜蓿−黄土复合体抗剪强度显著提高。随着紫花苜蓿生长期（60、90、120、150 d）的增加，紫花苜蓿−黄土复合体的黏聚力显著增加；在低围压状态下，不固结不排水（UU）试验中不同生长期紫花苜蓿−黄土复合体试样黏聚力较素黄土分别增加了7.02%、18.81%、26.09%和36.41%，固结不排水（CU）试验中不同生长期紫花苜蓿−黄土复合体试样黏聚力较素黄土分别增加了27.62%、50.87%、77.62%和158.14%；在高围压状态下，不固结不排水（UU）试验中紫花苜蓿−黄土复合体试样黏聚力显著高于素黄土且随生长期增加而增大，但固结不排水（CU）试验中无明显规律。此外，对于根系生长较浅的草本植物来说，选择低围压状态进行三轴压缩试验更符合实际情况；同一生长期饱和含水率状态下的紫花苜蓿−黄土复合体抗剪强度指标显著低于天然含水率的，且随着紫花苜蓿生长期增加，饱和含水率状态的黏聚力较天然含水率状态的降低幅度越来越大；采用PVC管人工种植方式制备的紫花苜蓿−黄土复合体试样更加有利于模拟出根-土之间的相互作用。

• 高盐矿井水浓缩液双极膜电渗析试验研究

  李福勤, 薛甜丽, 高珊珊, 豆硕超, 何绪文,

  基于高盐矿井水的零排放和资源化利用，采用BP-A-C-BP三隔室构型的双极膜电渗析处理高盐矿井水浓缩液。以河北某矿高盐矿井水为原水，经过预处理+RO+脱碳+浓水RO+ED浓缩，最终浓缩液TDS质量浓度达到93 040 mg/L，进行双极膜电渗析试验，探究了电流密度、循环流量以及极室电解质浓度对于双极膜电渗析产酸碱效果的影响。结果表明：电流密度10～40 mA/cm2，随着电流密度的增大，操作电压升高，电流效率和产能逐渐减小，能耗逐渐增加，最佳电流密度为30 mA/cm2；循环流量10～30 L/h，随着循环流量的增大，电流效率和产能上升、能耗降低，进一步提高循环流量至40 L/h时反而增加能耗，降低产能，最佳循环流量为30 L/h；极室电解质浓度不宜过低、过高，容易增加能耗，浓度适中时的双极膜电渗析的水解离效果最好，最佳极室电解质浓度为2%。初始盐室浓缩液4 L、酸室和碱室分别为去离子水1.5 L、极室2%硫酸钠溶液2 L，电流密度为30 mA/cm2，极室循环流量为60 L/h，其他各室循环流量为30 L/h，运行120 min时，酸、碱浓度分别为6.91%、5.38%，达到试验预期目标，电流效率、产能及能耗分别为74.21%、1.49 kg/(m2·h)、1.66 kWh/kg。经双极膜电渗析工艺产生的酸碱液可用于高盐矿井水零排放工艺以及煤炭下游产业链中，实现了浓缩液的非相变资源化，避免出现杂盐难处理的问题，同时也提高了废水的经济价值。

• CaCl2+除氟药剂两段法处理焦化浓盐水中氟化物研究

  章丽萍, 姚瑞涵, 赵晓曦, 崔行健, 段梦楠, 王丽芳, 陈加乐, 马泽钰,

  我国内蒙古、陕西、山西等部分地区背景氟浓度偏高，致使以煤为原料的焦化行业废水通过膜处理后的浓盐水中含有高浓度的氟离子，结晶分盐是浓盐水实现“零排放”的必要手段，而过高的氟浓度会对浓盐水的处理产生不良影响。为了降低浓盐水中高浓度氟离子对蒸发器的腐蚀及其对分盐纯度的影响，以河北某焦化企业浓盐水为研究对象，基于浓盐水的水质特征以及课题组研发的高效除氟药剂，研究了共存离子SO4 2−、NO3 −、Cl−对除氟药剂效果的影响；采用SEM和EDS表征了除氟药剂及处理后絮体，分析了除氟的机理；探讨了CaCl2、PAC（聚合氯化铝）、除氟药剂一段法处理工艺对实际焦化浓盐水的处理效果；设计并优化了CaCl2+除氟药剂两段法除氟工艺及主要影响参数，分析了不同处理方案的经济成本。研究结果表明：浓盐水中3种主要的共存离子对除氟药剂效果影响的顺序为SO4 2−>NO3 −>Cl−；SEM和EDS分析表明F元素均匀分布于絮体中，可通过除氟药剂的表面吸附、表面络合、表面羟基交换等作用机理高效去除；CaCl2、PAC、除氟药剂一段法中，除氟药剂一段法效果最好，投加量为8 g/L时去除率达到92.3%；CaCl2+除氟药剂的两段除氟工艺能将氟离子质量浓度从238.27 mg/L降至10 mg/L以下；CaCl2投加量6 g/L和除氟药剂投加量2 g/L的方案处理成本最低，处理每吨焦化浓盐水为14.03元。CaCl2+除氟药剂的两段除氟工艺可经济高效地去除焦化浓盐水中高浓度氟离子，为焦化行业废水零排放提供技术参考。