煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2023年第1期

• 中国煤炭开采技术及装备50年发展与创新实践 纪念《煤炭科学技术》创刊50周年

  王国法, 杜毅博, 徐亚军, 任怀伟, 张德生, 庞义辉,

  回顾《煤炭科学技术》杂志推动和见证中国煤炭开采技术及装备50年发展与创新实践的发展概况，阐述从煤矿机械化到煤矿智能化的创新历程并重点分析采煤机装备技术研发支撑煤炭开发工艺变革，综述煤矿装备智能化迭代发展并提出煤矿装备智能化发展思路。煤炭开采技术历经炮采、普通机械化开采、综合机械化开采、智能化开采4次重大技术变革，实现了煤炭生产力的巨大进步。采煤机装备研发支撑煤炭开发工艺变革，液压支架支护理论、设计方法、支架架型结构和制造技术的创新支撑实现我国液压支架产品由低端到高端的突破；采煤机制造工艺、机型适应性和监控系统等短板技术攻坚取得重大进展，采高0.8~9.0 m全系列采煤机满足我国煤矿高效生产要求，智能化水平不断提升；大运量长运距工作面刮板输送机关键技术不断突破，450 m超长工作面大运量刮板输送机可靠运行，智能变频一体机传动代替传统CST等传动，节能近30%；大运量带式输送机永磁直驱、芳纶带和无基础带式输送机结构等技术创新具有节能、可靠和智能的显著优势；电液控制和无人化智能开采控制技术快速发展，国产化SAC型液压支架电液控制系统、SAM型工作面自动化系统和SAP型智能供液系统广泛应用；“掘锚一体机+锚运破+大跨距转载”掘锚一体机系统、悬臂式掘锚护一体机+临时支护系统和TBM全断面硬岩掘进系统，解决了采掘失衡难题；智能变频节能传动支撑矿山节能，采煤机装备全面国产化创新与智能制造能力快速提升，研发的30多种煤矿机器人在陕煤柠条塔煤矿集群应用，取得良好效果。煤矿智能化技术快速迭代发展，分析了煤矿数据流分类与关联，提出了煤矿智能化总体技术架构与“分级抽取−关联分析−虚实映射”的数据处理基础理论，综述了煤矿智能化系统耦合与迭代开发进展以及煤矿智能化技术标准体系建设进展，提出包括构建以“煤智云”为基础的数据价值生态，推进复杂条件智能开采工艺与装备及煤矿机器人集群研发，建设系统智能与人文智慧融合的煤矿智慧生态的煤矿智能化发展思路，为企业高质量发展指明了技术方向。

• 无煤柱自成巷力学原理及其工法

  何满潮, 高玉兵, 盖秋凯, 杨军,

  煤炭是我国的支柱能源，煤炭工业是关系我国能源安全的重要基础产业。长期以来，我国地下煤炭资源开采一直以井工长壁121工法为主，这种开采体系存在煤炭资源浪费、巷道掘进率高、煤柱应力集中等问题。为解决现行开采体系存在的安全、开采成本和煤炭采出率三大瓶颈和突出问题，建立了基于采矿损伤不变量方程的采矿工程模型，分析了无煤柱自成巷力学原理。在此基础上，研发了顶板定向预裂卸压、NPR锚杆/索支护等成巷控制关键技术，实现了“拉得住、切得开、下得来、护得好”的技术目标，形成了无煤柱自成巷110/N00工法开采体系。110工法把采煤与掘进2套工序初步统一起来，使每个采煤工作面减少1条巷道的掘进，实现了无煤柱开采。N00工法则把采煤与掘进2套工序有机统一起来，利用矿压自动成巷，从而取消了回采巷道的掘进，彻底消除了采掘接续紧张的“老大难”问题。现场实践表明，110工法通过超前工作面预裂切顶卸压，利用矿山压力做功和垮落矸石的碎胀性实现留巷围岩自平衡。N00工法革新了原有采煤工艺，改变了传统采煤系统布局，实现了全采区无巷道掘进和无煤柱开采。

• 煤矿井下定向钻孔水力压裂岩层控制技术及应用

  康红普, 冯彦军, 张震, 赵凯凯, 王鹏,

  水力压裂技术在煤矿坚硬、完整顶板岩层弱化及高应力巷道卸压方面得到越来越广泛的应用。以陕西曹家滩煤矿特厚煤层综放开采工作面、特厚稳定顶板岩层为工程背景，开展了顶板岩层地质力学测试、可压性试验，水力裂缝扩展理论分析及三维数值模拟，提出井下工作面定向钻孔区域水力压裂顶板层位、压裂钻孔布置与参数确定方法及压裂工艺。在井下进行了工业性试验和系统的地面微震实时监测，获得了顶板水力压裂裂缝空间展布特征。同时，进行了液压支架工作阻力，工作面周期来压步距及持续距离，来压动载系数及顶板岩层破断能量监测与分析，综合评价了水力压裂效果。初步建立了集压裂层位确定与参数设计，井下定向钻孔压裂工艺与装备，水力裂缝空间展布监测与压裂效果综合评价为一体的煤矿井下定向钻孔水力压裂成套技术。井下试验结果表明：在曹家滩煤矿井下地应力状态下（最小主应力为垂直应力），水力裂缝以水平裂缝为主，沿钻孔两侧扩展平均距离为80 m左右，有效弱化了工作面范围内上覆坚硬、完整顶板，实现了区域顶板改造。压裂区域工作面强矿压显现显著减弱，确保了工作面安全生产。最后，分析了水力压裂存在的问题，展望了技术发展方向。

• “中等收入”与新“双控”背景下煤炭行业转型发展新机遇

  金智新, 曹孟涛, 王宏伟,

  党的二十大报告重申，到2035年人均国内生产总值达到中等发达国家水平(简称“中等收入”)，经济规模的快速扩张，势必会拉动能源需求、增加能源消费，给能源供应带来挑战，而“双碳”目标促使能耗“双控”转向碳排放“双控”(简称新“双控”)，将使控碳举措更加精准，低碳转型压力增加。在“中等收入”和新“双控”背景下，如何立足以煤为主的基本国情，统筹保障能源供应和低碳转型，把握煤炭行业发展的新机遇，赋能煤炭行业转型升级和高质量发展，将是一个充满挑战而又无法回避的重大时代课题。通过回顾煤炭工业对于我国国民经济发展的历史性贡献，结合我国资源禀赋特征和现阶段经济社会发展实际，认为煤炭在未来仍将发挥能源保障作用，支持实现“中等收入”目标，并深入分析了煤炭发展过程中存在的安全、生态以及智能化程度低的难题。揭示了“中等收入”与新“双控”背景下煤炭行业面临的新挑战主要为保障能源供应要求提升、低碳转型压力加大，测算了电力耗煤量在不同双碳时期的变化规律：电力耗煤量将在2030年为20亿t，而到2060年降至5.0亿t，降幅达到75%，极大冲击煤炭销量，给煤炭行业发展带来巨大的潜在风险。针对性地提出了不同双碳时期煤炭行业发展的新机遇：目前碳达峰时期，推动保供和低碳协同发展，应把握煤炭与煤电一体化、煤矿与循环经济工业园区一体化、矿区修复与生态协调发展、煤炭反哺教育战略、煤炭机械化开采与智能化开采耦合、瓦斯资源化与能源化利用等机遇，为实现“中等收入”目标提供能源支撑，在保供中实现高质量发展，为绿色低碳转型发展提供基础；在碳达峰–碳中和时期，大力发展煤炭与现代煤化工耦合、煤炭能源与新能源耦合等产业，在高质量发展基础上实现绿色低碳转型的跨越发展，助力碳中和目标的早日实现，以期为我国能源和煤炭相关决策、政策制定提供参考。

• “双碳”目标下赋煤区新能源开发 未来煤矿转型升级新路径

  王双明, 刘浪, 赵玉娇, 张波, 王晶钰, 朱梦博, 王美, 张小艳,

  “双碳”目标下我国能源结构正加速转型升级，以太阳能、风能、地热能等为代表的新能源正逐步替代传统煤、油、气等化石能源。推动煤炭和新能源优化组合是实现“双碳”目标提出的新要求，也是未来煤矿绿色低碳转型的重要路径。分析我国赋煤区能源分布特点，发现以煤为主的化石能源分布区域，往往也是太阳能、风能、热能等新能源富集区，适宜于在赋煤区大规模开发新能源。研究结果如下：① 提出了赋煤区全生命周期能源开发理念，将赋煤区能源发展历程划分为煤炭、煤炭与新能源优化组合、新能源3个阶段，并搭建了赋煤区新能源开发总体框架；② 在太阳能开发方面，基于赋煤区与太阳能资源富集区的重叠关系对赋煤区太阳能理论储量与开发潜力进行评估，提出了分布式/集中式光伏发电、太阳能热利用和太阳能制氢等光化利用耦合的太阳能分级综合利用方案，实现太阳能多元高效转化与利用以及与煤炭资源的协同开采；③ 在地热能开发方面，基于赋煤区与地热能资源富集区的重叠关系对赋煤区地热能开发潜力进行评估，结合矿井地热形成机理、分布规律和矿井采掘情况，构建深部矿产资源与地热资源协同开发系统，形成包含矿井热水型、岩温型、混合型的矿井地热能分级开采与热用户梯级利用的综合应用方案，实现矿井地热化“害”为“利”的战略转移；④ 在风能开发方面，基于赋煤区与风能资源富集区的重叠关系对赋煤区风能开发潜力进行评估，提出赋煤区风力发电、风力提水、风力致热技术的应用途径，构建了井上井下设施电力供应、水循环动力、供暖自足以及并网发电的风能利用框架；⑤ 考虑到目前煤炭地下开采普遍以垮落法管理顶板，垮落空间无法有效用于地下储能，提出“储能库超前规划→功能性储能库构筑→储释能运行管控”的矿井采空区储能技术路径；⑥ 针对赋煤区多能互补综合能源系统（MCIES）复杂多变特征，建立了赋煤区能源生产、供给单元的异质能量流耦合模型，统一了MCIES内部不同能源集线器的数学表达式，提出了赋煤区MCIES能源管理与优化逻辑方法以及运营模式。旨在探讨煤炭和新能源的组合路径，论证赋煤区规模化开发新能源可行性，赋予赋煤区全生命周期能源供给的功能，形成集“矿—风—光—热—储”一体化的煤炭企业能源产业发展新模式。

• 煤矿采场岩层运动与控制研究进展 纪念钱鸣高院士“砌体梁”理论40年

  王家臣, 许家林, 杨胜利, 王兆会,

  自1982年钱鸣高院士提出的“砌体梁”理论得到国际公认以来，煤矿采场矿山压力研究实现从定性假说到定量理论的跨越式发展。40年来，我国的采场岩层运动与控制研究已形成较系统的理论与技术体系，服务于煤炭安全、高效、绿色开采。以“砌体梁”理论学术思想为主线，综述了我国煤矿采场岩层运动与控制研究进展，并提出了今后需要发展的研究方向。“砌体梁”理论采用“梁”“薄板”模型分析基本顶破断规律，揭示了顶板断裂线位于采场煤壁前方；煤壁和矸石支撑下基本顶破断岩块回转挤压，咬合形成“砌体梁”结构；发现了“砌体梁”结构的滑落（S）失稳和回转变形（R）失稳模式，建立了S-R失稳的力学条件，提出了基于“砌体梁”结构平衡的顶板压力计算方法，首次实现了支架-围岩关系的定量分析。“砌体梁”结构采场矿山压力力学模型突破了传统定性假说，为保障煤矿的安全和高产高效作出了历史性贡献。“砌体梁”理论指导煤矿采场顶板控制取得系列进展，如支架-围岩三耦合关系、顶板动载荷模型、支架阻力确定的二元准则、中厚板模型、大空间采场远-近场模型等。在“砌体梁”理论的基础上，钱鸣高院士于20世纪90年代中期提出了关键层理论，建立了下至采场、上至地表全覆岩运动过程的力学联系，实现了采场矿压、岩层移动和地表沉陷研究的统一。“砌体梁”理论与关键层理论指导了我国煤矿采场矿山压力与岩层控制研究，在采场矿压控制、覆岩裂隙分布、采动应力分布、岩层移动与开采沉陷等方面取得重要成果，为煤炭绿色开采与科学采矿奠定了基础。岩层运动与控制理论的进一步发展需集中到岩层运动统一场理论，基于采动岩层控制的灾害防治与减损技术，复杂条件岩层运动规律，岩层运动可视化技术和智能岩层控制技术等方面。

• 特厚煤层开采坚硬顶板覆岩结构及其演化特征分析

  于斌, 匡铁军, 杨敬轩, 朱卫兵,

  特厚煤层开采形成了大空间采场，坚硬顶板断裂扰动波及范围广，工作面来压具有强矿压特征，尤其当煤层顶板“见方”开采期间，采场矿压作用更加强烈。据此，采用现场实测和物理三维相似模拟方法，探讨了特厚煤层开采覆岩扰动高度及坚硬顶板断裂特征。首先基于现场实测研究分析了覆岩破断失稳规律，实测结果表明，特厚煤层开采过程中，煤层顶板存在超前断裂现象。伴随工作面的推进，顶板初始运动主要是围绕断裂线近区基点旋转下沉，滞后工作面一定距离；地表岩移观测结果表明，特厚煤层顶板分层构成顶板群组并产生组合运动，具有层位运动特点，且伴随工作面推进，层位顶板运动存在阶跃现象。基于地表裂缝形态及钻孔多点岩移观测反演，揭示了特厚煤层开采过程中的顶板断裂及运动特征，认为特厚煤层开采覆岩扰动高度大，坚硬顶板断裂具有转向特征，伴随煤层开采推进，由低位顶板层位的横向“O-X”断裂逐渐向高位硬岩的纵向“O-X”断裂转向；特厚煤层坚硬顶板开始发生断裂转向的临界位置即所谓的煤层开采“见方”区，合理解释了工作面开采的“见方”来压现象；高位顶板纵向断裂尺寸大，扰动影响范围广，是诱发采场强矿压的主要因素，确定了特厚煤层采后覆岩“低−中−高”层位结构的合理性，为大空间采场大小周期及强矿压显现的准确解释提供了依据。

• 煤岩组合体应力传递与强度特征倾角效应

  伍永平, 闫壮壮, 罗生虎, 汤业鹏, 王同, 曹建利,

  大倾角煤层安全高效开采的关键在于对围岩稳定性的有效控制，揭示煤岩组合体采动力学行为倾角效应是大倾角煤层多尺度围岩协同控制的基础。针对煤岩组合体在不同倾角时的层间应力传递、主应力偏转及非均衡变形破坏等力学特征，采用岩石力学试验、数值模拟与理论分析综合互馈的研究手段，分析了煤岩组合体内部主应力展布形态以及变形破坏规律的倾角效应。结果表明：倾角在0°~60°变化时，交界面处的煤岩组合体主应力大小和方向的演化特征分为2类；当层面倾角小于临界倾角α0时，煤岩组合体第1主应力随倾角增大而减小，第3主应力呈“煤减+岩增”的单调演变趋势，主应力方向呈“煤顺+岩逆”的偏转状态；当层面倾角大于临界倾角α0时，煤岩组合体第1主应力随倾角增大而增大，第3主应力变化幅度增大，主应力方向呈“煤逆+岩顺”的偏转状态；煤岩组合体受倾角影响时的2种状态的力学特征不同使得煤岩组合体由“交界面上侧岩体+非交界面部分煤体”转变为“交界面下侧煤体+非交界面部分煤体”的组合破坏模式，即对应于组合体的剪切变形破坏规律向界面处的滑移破坏规律的转变，因而煤岩组合体的强度随倾角增大而降低。研究结果揭示了煤岩组合体应力非均衡传递规律及其破坏机理的倾角效应，对大倾角煤层安全高效开采具有一定的理论参考意义。

• 西部矿区弱胶结地层工程围岩稳定性控制研究进展

  纪洪广, 孙利辉, 宋朝阳, 张月征, 王九红, 孟志强,

  我国西部矿区开采地层主要由侏罗系、白垩系地层构成，该地层岩石总体表现为强度低、胶结性差、易崩解等特性，属于弱胶结岩石。弱胶结地层工程围岩与中东部矿区地层岩石差异性较大，工作面顶板控制、巷道围岩控制等采用传统的控制技术很难有效保障工程的安全性，常出现巷道大变形失稳、工作面压架、突水、溃沙、冲击地压等灾害。通过大量的调研和室内试验，获得弱胶结岩石抗拉、抗压等力学指标远小于中东部矿区同类岩石力学指标，建立了多因素耦合作用下的弱胶结岩石的变异程度评估指标体系，初步获得了典型矿区弱胶结岩石的变异性程度。以红庆河煤矿弱胶结岩石为例，发现了弱胶结岩石在力、水等载荷作用下，具有“类相变”现象，分析了胶结度对类相变现象的影响，给出了弱胶结粗粒砂岩的“类相变”状态特征及其敏感性参数。分析了导致工作面支架压架、突水溃沙灾害发生的覆岩垮落带、断裂带动态发育规律以及巷道围岩大变形规律，推演了弱胶结地层大采高工作面不同开采阶段垮落带动态变化表达式，建立了支架−围岩相互作用模型，给出了工作面来压和非来压期间支架工作阻力；针对弱胶结地层的松散弱特性，提出了巷道围岩双壳加固技术，可为工作面安全开采和巷道围岩控制提供保障。

• 再论我国沿空留巷技术发展现状及改进建议

  华心祝, 李琛, 刘啸, 郭永建, 祁亚宝, 陈登红,

  在2006年发表的《我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议》一文的基础上，总结了21世纪以来我国沿空留巷技术的新发展，包括巷旁充填的施工工艺与方法，由高水、膏体充填发展为柔模墙体及超前柱式支护，使得支护强度和隔绝密闭性有了极大地提升，并且具有了一定柔性以适应顶板的下沉；经过20余年的发展，沿空巷道巷内基本支护具有了高预紧力、高强度、高刚度和大延伸率的特性，能够有效控制巷道围岩的大变形，实现及时主动支护，并普遍辅以单体支柱作为巷内补强支护，进一步保持围岩的稳定性与完整性；统计分析了部分沿空巷道的支护形式及留巷效果，愈发说明了沿空留巷的成功与否是巷旁支护和巷内支护共同作用的结果。介绍了无巷旁充填切顶卸压沿空留巷新技术，包括卸压原理、切顶方法、切顶参数及切顶后巷内的支护方式及其工程应用等。阐述了近年来我国在沿空留巷理论研究方面取得的新成果，包含充填体的切顶阻力和支护阻力，充填体与围岩之间的相互作用关系及受力变形特征，切顶卸压沿空留巷的围岩活动规律及其与支护体之间的相互作用关系等。指出了我国沿空留巷技术在巷旁支护、巷内支护及相关理论研究方面存在的技术问题与科学问题。最后从支护设计、围岩控制、研究方法、技术装备等方面出发，提出了今后我国沿空留巷技术的发展改进建议。

• 回采巷道底鼓演化过程的分布式光纤实测研究

  柴敬, 韩志成, 雷武林, 张丁丁, 马晨阳, 孙凯, 翁明月, 张有志, 丁国利, 郑忠友, 张寅, 韩刚,

  随着煤矿开采的深部化和开采设备的大型化，回采巷道底鼓成为制约工作面高效、安全回采的重要问题，揭示回采巷道底鼓的发生规律对巷道底板稳定性控制具有重要意义。在分析回采巷道底板变形破坏特征的基础上，结合巷道底鼓关键特征研究了分布式光纤应变表征方法，并通过钻孔布设分布式传感光缆，以煤矿现场大量实测数据为依据，对工作面回采过程中回采巷道底鼓的发生进行了系统分析。研究结果表明：分布式光纤以一个正应变峰值和一个负应变峰值分别对应底板岩层的离层和挤压的非协调挠曲变形特征，以光纤局部范围受拉对应底板岩层的破碎和挤压膨胀变形特征，破碎特征区光纤的应变增量、增速反映了破碎岩块之间的挤压剧烈程度。将回采巷道底鼓演化过程分为扰动、破坏、卸压隆起3个阶段，指出每个阶段底板岩层破坏特征，确立了各阶段破碎区分布式光纤应变特征值关键信息。研究所得结论为实现巷道围岩大范围分布式光纤监测提供新的思路，对回采巷道底鼓控制具有指导意义。

• 基于蝶形破坏理论的深部巷道围岩控制技术研究

  王卫军, 范磊, 马谕杰, 袁超,

  现阶段巷道围岩控制仍是煤炭资源深部开采的重大难题之一，而围岩塑性的形成与发展是导致巷道大变形和破坏的主要原因。通过数值模拟研究了巷道塑性区形成与发展规律以及对巷道稳定性的影响，结合理论分析和室内试验研究了锚杆支护的作用机理并阐述了支护与围岩变形的内在关系，基于蝶形破坏理论探讨了深部巷道围岩的控制原理，提出深部巷道围岩控制技术并在工程中予以应用。结果显示：①锚杆支护能够有效减少围岩变形，但是无法控制巷道不发生变形，即在现有的支护水平下巷道存在着部分无法控制的围岩变形，即“给定变形”，且“给定变形”随巷道埋深的增加不断增大。②锚杆支护对于巷道围岩剪胀、滑移等非连续性变形的控制效果明显，而对于完整岩体的连续性变形的影响十分有限。因此，锚杆支护主要是通过控制巷道塑性区内岩体的非连续性变形进而控制巷道的总变形。③巷道总变形主要包括“给定变形”和“支护残余变形”2个部分。巷道围岩控制的主要途径就是减少“支护残余变形”。④锚杆支护的作用机理要求锚杆的锚固基础必须始终位于完整岩体中，因此巷道开挖后的塑性区形态以及塑性区在服务期内的发展规律对于锚杆支护方式的设计至关重要。巷道塑性区形态及其力学响应的差异性决定了巷道支护方式必须差异化设计。

• 煤岩电磁辐射理论与技术新进展

  何学秋, 韦梦菡, 宋大钊, 李振雷, 邱黎明, 何生全, MAJIDKhan, 王安虎,

  煤炭作为我国重要的基础能源和工业原料，其安全开采是保障国家能源安全、支撑经济社会稳定发展的关键。随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，深部开采逐渐成为我国煤炭资源开发新常态，煤岩动力灾害风险随之攀升，严重制约煤炭安全高效开采，对我国煤炭工业可持续发展造成了恶劣的社会负面影响。准确可靠的监测手段是进行煤岩动力灾害防治的必要前提，地球物理监测预警方法通过感知煤岩变形破坏过程中释放的声、电、磁等物理信号来反演煤岩体的损伤破坏状态，已被广泛应用于煤岩动力灾害预警中。其中电磁辐射监测法具有非接触、无损、实时、前兆性强等优势，适用于矿山信息化智能化发展要求。因此，大力推动电磁辐射监测技术的发展，对于煤岩动力灾害防治具有重要意义，可为智慧矿山建设提供重要的技术支持。围绕试验现象、机理模型、技术方法3个方面对电磁辐射理论与技术研究成果进行综述，回顾了电磁辐射现象的发现过程，分析了电磁辐射信号特征、影响因素、力电耦合效应等煤岩电磁辐射特征规律，根据典型电磁辐射机理模型与应力作用、裂纹扩展过程的相关性进行了分类评述，并对现有煤岩电磁辐射监测预警装备及技术方法进行了简要介绍。在此基础上，详细阐述了近年来在煤岩电磁辐射矢量特性研究、煤岩电磁辐射机理微观尺度验证、煤岩电磁辐射定位技术方面取得的新进展。总结了当前煤岩电磁辐射机理未完全揭示和无法实现孕灾区域定位两大理论与技术研究瓶颈，为未来煤岩电磁辐射理论与技术的发展提出了新目标。

• 地质动力区划及其在冲击地压研究中的应用

  张宏伟, 李胜, 韩军, 宋卫华, 兰天伟, 荣海, 付兴, 杨振华,

  冲击地压的实质是煤岩体内积聚的弹性变形能突然释放的动力现象，是煤矿重大动力灾害之一。地质动力区划认为现代地质构造运动等内动力作用和构造应力场对矿井动力灾害的孕育、发生和发展过程具有重要影响。地质动力区划主要研究内动力地质作用对人类工程活动影响，在煤矿开采领域主要用于研究现代构造运动影响下的冲击地压等矿井动力灾害问题。辽宁工程技术大学地质动力区划团队根据中国大陆的构造运动和构造形式的特点，在俄罗斯И.М.巴图金娜院士和И.М.佩图霍夫院士创建的以断块构造划分为核心内容的地质动力区划方法基础上，经过30余年的研究和实际应用，对地质动力区划的研究内容进行了广泛拓展，创建了地质动力环境评价方法、煤岩动力系统与能量特征分析方法和矿井动力灾害多因素模式识别方法，开发了岩体应力分析系统和地质动力区划信息管理系统，丰富和深化了地质动力区划理论和方法，开创了地质动力区划研究的全新体系，为冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的危险性预测与防治提供了全新的研究方法。笔者介绍了地质动力区划及其在冲击地压研究方面的部分应用成果：①基于地质动力区划的煤岩动力系统分析方法，计算确定的系统“损伤区半径上限值”作为冲击地压工作面超前支护范围的参考值，为冲击地压矿井确定超前支护范围提供了依据；计算确定的系统“影响区半径上限值”作为冲击地压矿井工作面开采影响范围参考值，为确定2个采煤工作面之间的距离提供了依据。②基于地质动力区划的多因素模式识别方法，在地质动力区划信息管理系统的支持下，实现了冲击地压危险性的分单元精细化预测，为矿井提供了更精确的冲击地压危险性区域空间定位和更准确的冲击地压危险程度预测结果，提高了矿井冲击地压危险性预测的准确性和时效性。地质动力区划在中国的义马、鹤壁、鹤岗、双鸭山等矿区的40多个煤矿的动力灾害危险性预测和防治工作等方面得到了广泛应用。

• 煤矿冲击地压防治体系中的关键问题探讨

  姜福兴, 张翔, 朱斯陶,

  针对我国煤矿冲击地压的防治现状，对煤矿冲击地压防治体系中的几个关键问题进行了探讨，得到以下主要结论：从灾害控制的角度界定了冲击地压与矿震及其相互关系，通过主导力源与煤层-围岩结构的分类组合，提出了32类冲击地压和5类矿震的分类，明确了冲击地压以消除灾害为治理目标，而矿震则需要根据致灾程度分级治理；提出并量化了基础应力影响指数、附加应力影响指数、冲击倾向性影响指数和支护强度影响指数4项冲击危险性评价指标，设计了包含应力条件、冲击倾向性条件和支护条件的冲击危险性多参量耦合评价方法；探讨了震动场、应力场和位移场3级冲击危险监测预警机理，提出了单参量特殊预警与多参量常规预警相结合的预警机制，设计了掘进影响区、回采影响区和不受采掘影响区的分区联合监测方法；根据多元评价指标中降低各因素冲击危险性的要求，提出了“低应力”“低扰动”“低倾向”“强支护”的冲击地压防治路线，设计了基于应力和围岩结构分类的局部卸压和解危措施的组合技术；针对矿震诱发井下冲击地压和地面震动损害的动力灾害，将此类灾害的治理等级划分为预防治理、对症治理和源头治理3级，设计了源头减震、分类治灾、卸压抗震的多级防控技术体系。

• 正断层两盘动力灾害显现差异性及机制

  谭云亮, 谭涛, 张修峰, 陈洋,

  随着大范围采矿活动的进行，正断层易滑动失稳产生震动波，并在断层两侧区域呈现出显著不对称动力响应特征。为解释山东新巨龙能源有限责任公司发生“2·22”冲击地压事故破坏区域主要集中在FD8断层上盘区域而下盘几乎没有出现动力破坏这一现象，从理论上分析了断层面（带）隔震的基本力学机理，基于波场及能量分解建立起了弹性波在断层面（带）界面波场分解能量系数模型，通过不同倾角断层面、不同破碎带厚度对震动波阻隔性数值模拟，并对正断层两盘活动性差异进行了分析。研究表明，对于一个相对孤立正断层（非断层组）而言随着断层倾角的增大，正断层上盘内的震动波沿着断层面“透射”将明显降低，呈现出显著的“隔震”特性，即当正断层上盘滑动诱发震动波难以穿过断层传播至下盘；地下正断层两盘活动差异性即断层上盘下降滑动、下盘不动2个方面揭示了正断层两盘动力灾害显现差异性动力学机制，为科学认知正断层活动诱灾机制提供了参考，并为在地下采矿中正断层诱灾防控策略提供了理论依据。

• 我国煤矿岩巷爆破掘进发展历程与新技术研究进展

  杨仁树, 李成孝, 陈骏, 邹凤仪, 王雁冰, 肖成龙, 张召冉,

  巷道是煤炭生产的动脉。基于岩巷钻爆法施工，从爆破关键技术、掘进装备、爆破器材等方面，系统梳理了我国煤矿岩巷爆破掘进经历了爆破质量控制、掘进速度提升和巷道安全服役保障3个阶段的发展历程。在总结分析3个阶段发展特点及历程的基础上，重点介绍了煤矿岩巷爆破新技术的研究进展及工程应用：①周边定向断裂控制爆破技术，控制了爆炸能量在介质中的分布，验证了聚能药包对于提升巷道轮廓成型质量、降低围岩损伤以及减少炮眼数量的作用。②掏槽眼超深爆破参数优化技术，超深与循环进尺和巷道轮廓面面积相关，超深值直接影响炮眼利用率和单耗，针对淮南顾北矿的典型案例，当超深为400 mm时，爆破效果最好。③孔内分段装药爆破技术，最优上段炸药占比为0.382，结合数码电子雷管进行分段起爆，开创了在煤矿巷道采用数码电子雷管爆破的先例。④“相似”掏槽爆破技术，从理论上分析了传统掏槽爆破与“相似”掏槽爆破的区别，提出并证实了均化抵抗线的重要性。综合应用上述爆破技术，使全断面爆破的炮眼数量从（5~6）S的平均水平降低至（3~4）S (S为巷道断面面积)，实现了增加单循环进尺、提高炮眼利用率、控制巷道轮廓成型质量、降低围岩损伤等效果。从煤矿地下空间工程全生命周期来看，不断优化的爆破技术，降低了对围岩和结构体的循环动力扰动，保障了煤矿岩巷工程的长期服役安全。

• TBM在煤矿巷道掘进中的技术应用和研究进展

  刘泉声, 黄兴, 潘玉丛, 刘滨, 邓鹏海,

  TBM工法经济技术优势显著，正成为煤矿巷道快速掘进的一种新方法。但由于煤矿特殊的施工环境和复杂地质条件，TBM在煤矿巷道掘进中面临以下技术挑战：①煤矿特殊施工环境下TBM装备和矿井系统适应性设计难；②煤系软硬复合地层破岩机理不清，高效破岩控制难度大；③软弱地层挤压变形卡机灾害风险大，灾害预测和安全控制难度大；④掘进空间狭小和粉尘水雾干扰严重，TBM掘进过程监测难度大，难以进行掘进参数决策控制和灾害预警。对此，针对TBM装备适应性设计技术，深部复合地层TBM高效破岩理论，挤压变形卡机灾害预测控制方法，掘进过程智能化决策控制技术等开展了系统研究，在TBM安全高效掘进技术方面取得了以下研究进展：①论述了针对煤矿特殊施工环境的TBM装备和施工工艺适应性设计技术；②开展了TBM滚刀贯入和线性切割试验，揭示了复合地层地应力水平、岩石强度及岩性变化、掘进控制模式、滚刀安装半径等对TBM破岩效率和破岩模式的影响机理，提出了深部复合地层TBM掘进性能评价预测方法和岩体可掘性评价方法；③揭示了深部煤系软弱地层TBM掘进挤压大变形卡机灾害孕育发生机理，发展了挤压变形卡机灾害孕育演化及控制过程模拟预测的FDEM（有限元-离散元耦合）方法，提出了挤压变形卡机监测预警方法，形成了TBM掘进挤压大变形卡机“大变径扩挖、掘进参数优化和分步联合支护”综合防控技术体系；④提出了TBM掘进过程岩-机作用信息（刀盘刀具-掘进工作面作用、围岩-护盾作用信息）实时感知技术，初步提出了TBM掘进参数自适应智能决策方法。上述研究进展将推动TBM在煤矿巷道建设中的应用和安全高效掘进技术进步。

• 厚松散层薄基岩地层井筒偏斜综合治理技术

  程桦, 彭世龙, 姚直书, 荣传新, 蔡海兵,

  针对厚松散层薄基岩地层井筒偏斜综合治理技术难题，以山东巨野矿区郭屯煤矿偏斜井筒地面注浆治理工程为背景，基于井筒松散层段偏斜与竖向压缩变形共存且向非对称开采工作面方向偏斜的全新破损特征，揭示郭屯煤矿井筒偏斜与竖向压缩变形机理，分析认为该2种特征分别是煤层非对称开采引发的底含非均匀疏水固结沉降叠加作用下地层水平倾覆推力和竖向附加力所致。本着确保安全、不停产治理的原则，制定了在役偏斜井筒不停产地面注浆综合治理方案，研发了系列井筒偏斜综合治理技术：①保护在役井筒“泄压-预警”双控地面高压注浆技术；②厚松散层单孔多层段注浆新型套管与施工工艺；③厚松散层地面注浆参数工程化确定方法；④在役井筒不停产运营下深孔高压注浆治理预警技术。综合监测结果表明：郭屯煤矿主、副、风3个偏斜井筒治理工程注浆过程中严格按照厚松散层薄基岩条件下偏斜井筒不停产综合治理技术进行实施，完成注浆孔钻探工程量31 026.8 m，注浆量达到35 536.66 m3，实现了矿井不停产注浆治理；治理后井筒向北向西不再继续偏移，主井井筒注浆期井口处向北和向西偏斜量分别减小12 mm和18 mm，副井井筒井口处向北和向西分别减小13 mm和41 mm，注浆结束1 a内井筒整体偏斜量仍继续减小并有回正趋势，且井筒周边下沉速率减缓，确保了井筒运营安全。研究成果在郭屯煤矿厚松散层薄基岩地层偏斜井筒地面高压注浆治理工程得到了成功应用，为今后在类似工程中应用提供参考依据和工程经验。

• 基于重力排渣的大直径井筒钻掘技术与工艺体系研究

  刘志强, 宋朝阳, 程守业, 荆国业, 赵钧羡, 陈云, 赵立克,

  井筒是井工法矿物开采和地下空间开发利用的关键工程，对于拟建井筒下部具备生产系统的有利条件，采用重力排渣的大直径井筒钻掘技术是重要的发展方向之一。针对吊桶式上排渣技术存在的排渣不连续、掘进效率低，且难以与破岩工序协同作业等难题，探索改变凿井工作面的排渣方式，采用重力排渣工艺可提高凿井效率，即通过预先建立连接拟建井筒上下水平的小直径导井，或上水平施工条件不具备时在井筒下水平直接上向钻进导井，破碎岩渣在重力作用下直接掉落至下水平，再利用装载和运输设备进行装运排渣。首先论述了机械破岩钻井流体正循环和反循环上排渣技术工艺的适用性和局限性，提出了基于依靠岩渣自重进行重力排渣的工艺，分析了大直径井筒反井钻井、直接上向反井钻井、导井式竖井掘进机等机械破岩重力排渣技术的发展现状，凝练了基于重力排渣的机械破岩钻井技术现阶段面临的硬岩破碎、钻具稳定可靠、钻井偏斜控制、智能钻进等难题，系统梳理了导孔钻进、导井钻进、钻爆扩大、反井正钻扩大、反井钻机一次扩大和导井式井筒掘进机扩大等技术工艺及装备，构建了不同工序组合的综合成井工艺体系。基于重力排渣的机械破岩凿井技术，将继续在煤矿、金属矿山、水电、交通等领域大直径井筒建设中发挥重要作用，并为无人化、机械化和智能化井筒建设技术发展提供参考和借鉴。

• 超声波功率对煤体损伤特性及能量演化规律的试验研究

  李树刚, 王瑞哲, 林海飞, 杨二豪, 赵泓超, 秦雷, 郝荷杰,

  为研究超声波致裂对煤体力学损伤特性及能量演化规律的影响，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩试验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。试验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期、波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延–塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗流网络，提高了煤层渗透率。

• 平顶山矿区深部动力灾害防治与资源绿色开采

  张建国, 王满, 张国川, 杨国和, 张晋京, 牛泽华,

  中国平煤神马集团开采的平顶山矿区是我国煤矿深部开采的典型代表，历经70 a的发展，集团始终坚持以科技力量引领生产，以技术装备保障安全，对瓦斯的认识不断深化，走过了“被动防、主动治、绿色用”三大阶段，动力灾害监测预警技术能够超前研判灾害发生概率，预测不发生动力灾害准确率达到100%，发生动力灾害准确率达80%，使瓦斯灾害可防可控；低渗煤层瓦斯的高效增透抽采技术使瓦斯治理周期由24个月缩至8个月，吨煤瓦斯治理成本降低了60%；瓦斯“抽采—发电—制冷”一体化绿色开发利用技术有效降低巷道温度5~10 ℃，瓦斯抽采浓度提升到50%，保障了矿井冬季取暖和夏季制冷，日均节省用电消耗6万kW·h，既消除了瓦斯威胁，使矿井瓦斯变害为宝，又保障国家煤炭供应安全，符合“双碳”目标的发展需求。未来，集团将以深部动力灾害的防治为基础，积极推进煤炭转型绿色利用，构建以炼焦煤资源安全开采、高效分选、绿色转化的产业化道路，推进企业快速转型升级，打造领跑行业的科研创新平台，保障国家能源供应安全、紧跟社会经济发展步伐。

• 瓦斯对煤低温氧化过程微观结构及热反应性的影响研究

  邓军, 周佳敏, 白祖锦, 刘乐, 王彩萍,

  为研究瓦斯气氛下煤低温氧化过程中微观理化特性及宏观煤氧复合热效应，选择不同变质煤及二次氧化煤样作为研究对象，利用傅里叶红外光谱仪和C80微量量热仪，研究在不同瓦斯气氛下煤低温氧化过程物理化学结构特性、动力学参数、热效应等变化特征。通过分析不同瓦斯气氛下煤自燃氧化过程中微观结构以及宏观放热特性，明确瓦斯对煤氧化特性的最终影响。结果表明：瓦斯通过抑制煤低温氧化过程中关键活性基团相对含量，延缓煤低温氧化进程，4%瓦斯具有最为明显的抑制效果，其对4种活性基团的抑制程度为：含氧官能团 (66.5%) > 芳香烃 (47.0%) >脂肪烃 (29.7%) >羟基 (24.7%)。在快速放热阶段，由于煤对瓦斯分子的吸附能力较大，瓦斯气体占据煤分子中的吸附位点，阻碍了煤氧复合反应进程，导致放热效应受到瓦斯抑制；同时瓦斯含量显著影响煤氧复合进程活化能的大小。对于较高变质程度的不黏煤、瘦煤和无烟煤，瓦斯对其低温氧化反应的抑制作用较为显著；对较低变质程度的长焰煤影响较小。对于二次氧化煤样，瓦斯对于煤样的抑制作用随着瓦斯含量的增加而增强，而瓦斯对一次氧化煤样的影响随变质程度降低而减弱，且瓦斯含量2%时的抑制程度强于4%。研究结果对防治瓦斯与煤自燃耦合致灾事故的理论研究有重要意义。

• 矿井智能通风理论与技术研究进展

  周福宝, 辛海会, 魏连江, 时国庆, 夏同强,

  矿井智能通风是我国矿山智能化建设的安全保障。为实现矿井通风智能化，基于“平战结合”原则提出了井下通风人−机−环综合信息流智能感知与交互控制的理念。并从矿井智能通风理论及架构、矿井智能通风精准监测预警、矿井通风网络实时解算、矿井通风故障诊断与智能决策等4个方面论述了矿井智能通风系统平台架构，通风参数精准监测新型传感器研制与布置策略优化，通风参数信息流处理方法，风网解算方法，矿井气候与通风网络耦合解算，风网解算响应与控风决策，矿井通风故障源和故障原因诊断，智能通风灾变决策关键模型等基础理论与核心技术研究进展；同时提出了全断面风量直测新方法，消除井巷断面风速分布不均导致的点风速测风误差；发展了热湿耦合的风阻自适应调节风网实时解算模型，提高了风网实时解算精度与智能通风日常运行的稳定性；建立了基于全尺寸灾变试验数据的场−区−网耦合数值解算方法，构建了煤与瓦斯突出、火灾与瓦斯爆炸的灾变演化模型，突破了矿井智能通风系统的灾变自主决策与控制的方法瓶颈；结合矿井智能通风实施案例，详细阐述了矿井智能通风在精准测风、通风设施与装备联动控制、智能防火防尘等方面的现场实施与运行过程，指出了矿井智能通风建设存在的问题与发展趋势。

• 矿井粉煤灰基防灭火技术研究进展

  秦波涛, 蒋文婕, 史全林, 徐镱桢, 邵旭,

  煤炭是我国的主体能源，是国家电力供应安全稳定和经济社会发展的重要保障，但煤炭燃烧发电过程会产生大量的粉煤灰固体废弃物，长期堆放会严重污染土壤、水源、大气等生态环境，但粉煤灰也可作为原材料应用于矿井煤自燃灾害的防治。然而，现阶段粉煤灰在矿井防灭火领域的应用存在少量分散利用、技术含量和附加值较低等不足，当前对于粉煤灰的无害化预处理及防灭火利用规模仍无法满足国家“双碳”目标下对固废资源化利用与绿色矿山建设的相关要求。为进一步推动粉煤灰在矿井煤自燃防治领域的高效、高值及规模化利用，实现以粉煤灰为原料的防灭火材料及技术的快速发展，较全面地总结了粉煤灰浆液、粉煤灰凝胶、粉煤灰泡沫等防灭火技术的原理、分类、最新发展及应用效果；从粉煤灰预处理前端、浆液管路运输中端、防灭火利用末端等方面为出发点，凝练了粉煤灰固废物中有害物质和有价组分的分离、高浓度粉煤灰浆液长距离输送时的沉淀堵管、粉煤灰基防灭火材料在采空区的渗流堆积规律等3个亟待解决的关键问题。为提高粉煤灰固废物对矿井煤自燃的防治效果，满足“双碳”目标下国家对绿色矿山及智能化矿井建设的要求，提出粉煤灰固废在防灭火技术领域“长效防火—协同固碳—智能调控”的发展方向，未来重点围绕低成本长效防灭火的粉煤灰固废基材料、矿化封存CO2与防灭火一体化的粉煤灰防灭火技术、智能化粉煤灰防灭火材料制备及应用系统等方面开展研究，有助于推进粉煤灰工业固废在矿井防灭火领域的高价值、规模化再利用，提高矿井煤自燃的防控能力，保障矿井的安全高效开采。

• 煤层气异常成分的界定、分布及其成因研究进展

  傅雪海, 许行行, 王强, 陈义林, 兰凤娟, 康俊强, 张宝鑫, 卢杰林,

  前期对不同煤层气组分异常的成因进行了大量研究，但对不同组分异常浓度的界定尚无统一标准。为了阐明我国煤层气成分的分布特征及煤层气异常成分的浓度界限，基于实测和收集各煤阶储层煤层气成分（含气量达到煤层气储量评估规范DZ/T 0216—2020下限要求的煤层气井与煤田勘探钻孔）测试数据4 654个。统计表明我国煤层气中CH4、重烃气（C2+）、CO2、N2平均浓度分别为91.82%、0.85%、2.04%、5.19%，其中CH4浓度≥90%占77.44%。将煤层气中重烃气浓度大于5%、氮气/二氧化碳浓度大于10%、有害气体浓度超过《煤矿安全规程》规定的上限标准和稀有气体超过空气组成时划分为异常气体成分。基于此划分标准，统计表明我国煤层气中重烃气浓度>5%占5.16%、CO2浓度>10%占4.00%、N2浓度>10%占13.26%，准噶尔盆地南缘煤层气中氦气最高浓度达到0.97%。在上述研究的基础上，归纳总结了煤层气中异常成分/浓度的成因主要有煤化作用的阶段性、煤岩组分的差异性、硫酸盐还原作用、古风化壳及煤系外源气体迁入等。建议在今后的煤层气勘探中测全气体成分，开展CO2、N2异常煤层的气体解吸研究，确定煤系氦源岩，探讨烃-氦同源同储规律，分析煤系有机气与无机气的相互作用，综合研究地质构造、地下水流动、微生物及岩浆活动对气组分的改造作用，揭示不同气组分在不同地区运移、富集及保存的演化机制。研究成果对煤层气的开采工艺、煤矿安全生产和煤层气的利用均具有指导意义。

• 高煤阶煤样水力压裂前后应力−渗透率试验研究

  孟召平, 卢易新,

  煤储层水力压裂是提高煤层气井产量的关键技术，水力压裂前后煤储层渗透率的变化反映了煤储层压裂改造效果。采用山西晋城矿区寺河煤矿二叠系山西组3号煤层高煤阶试样，通过柱型煤样水力压裂前后渗透率试验对比分析，测试了4个高煤阶煤样水力压裂前后渗透率分布特征，揭示了水力压裂前后煤样渗透率随应力的变化规律和控制机理。结果表明，在围压和轴压恒定条件下，煤样孔隙压力随注入压力增大逐渐增高；当注入压力大于破裂压力时，煤样发生破裂，煤样的破裂压力随围压的增加呈线性增大的规律。在注入压力相同的情况下，随着围压和轴压的增大，有效应力增高，水力压裂前后煤样渗透率随有效应力的增大呈指数函数关系减小，且压裂后的渗透率要明显大于压裂前的渗透率。采用煤储层渗透率改善率来评价围压下煤样水力压裂增渗效果，4个试验煤样渗透率改善率随有效应力的增高呈指数函数关系增大，但随围压的增大，渗透率改善率提升幅度逐渐降低。煤储层的渗透性主要取决于煤中裂隙发育程度和裂隙开度的大小，裂缝储层的渗透率的大小与裂缝张开度的3次方成正比例关系。水力压裂后裂缝平均长度、裂缝孔隙度和裂缝开度增幅分别为70.81%~253.25%、171.88%~383.02%和20.31%~32.43%，且水力压裂前后煤样裂缝开度均随有效应力的增高而呈负指数函数规律降低。试验结果与实测水力压裂前后煤储层渗透率对比，两者具有较好的一致性，为煤储层水力压裂改造效果评价探索了有效途径。

• 矿井随掘地震震源时间函数及其模拟数据脉冲化处理研究

  张平松, 李圣林, 郭立全,

  随掘地震技术是巷道智能化快速掘进发展急需的地质保障技术之一，由于随掘震源与炸药等主动震源差别较大，常规的认知与数据处理技术已经无法取得效果。针对目前随掘震源认知不足，缺乏有效随掘地震数据正演模拟方法的问题，开展了随掘震源产生机制分析与震源时间函数构建研究。研究发现：随掘地震数据是具有一定延续时间的复杂、变频、连续信号，其相对低频信号主要与综掘机的自身机械动作、随机落煤以及转载机、带式输送机运作等有关，相对高频强能量信号由截割破煤决定，总体表现为一种多源叠加的伪随机信号特征；其次，在线性排列数据采集模式下，随掘震源可近似为不同时延下连续激发的多源叠加而成的综合虚拟点震源，该震源由综掘机械截割煤层时的震动以及煤体破裂、随机落煤、转载、打钻、输送带运输等联合作用而成，其中截割煤层起主要作用。基于震源产生机制分析，构建了随掘地震震源时间函数，并以该时间函数作为震源加载项，开展了随掘地震数值模型试验，得到的随掘地震模拟数据与实测数据具有相同的时间域、频率域以及时频域特征，表明了构建出的随掘地震震源时间函数可有效进行随掘地震数据正演模拟，提升了随掘震源的认知程度。另外，为验证基于脉冲反褶积与互相关的脉冲化算法在随掘地震数据处理中的有效性，以2种常用地震干涉技术为对比，利用随掘地震模拟数据进行了脉冲化处理实验。试验结果表明：基于脉冲反褶积与互相关的脉冲化处理结果与相同模拟条件下采用常规Ricker子波模拟得到的地震记录波场特征更为相近，验证了脉冲化算法的有效性，为随掘地震技术的深入研究与应用提供了基础。

• 基于微震监测的工作面底板突水全时空预警方法

  许延春, 黄磊,

  为分析采煤工作面不同时期、不同空间的微震响应特征差异，进而实现矿井水害预警和防治，基于典型案例分析提出了一种基于微震监测的工作面底板突水全时空预警的方法。所谓“全时空”是指包括采前时期、超前采动影响时期和开采时期在内的工作面全时间周期的3时段划分，以及工作面全空间的7个评价区域划分。在第1时段（采前时期），基于钻孔工程信息（钻孔涌水量、钻孔水压、钻孔注浆量）和微震响应特征，形成了突水危险性的表示方法，确定了原发性突水危险区，进而实现了采前时期突水危险性的长期预测；在第2时段（超前采动影响时期），设置“固定工作面”，并对微震事件及震源参数进行重新定位，在对微震事件核密度分析的基础上，获取突水前兆信息，确定了超前影响区、滞后影响区、侧向影响区的突水特征，进而实现了超前采动影响时期的突水危险性预警；在第3时段（开采时期），结合微震事件核密度分析，确定了顶板导水破坏区、底板破坏区、底板采动损伤区，引入2D-CE法在平面上对微震事件进行规范化，分析微震事件置信椭圆与预警含水层的位置关系，进而实现了工作面开采时期的突水危险性预报。同时根据开采验证结果，对前期预报方法进行修正，为后续工作面突水预报服务，使得焦作、邯邢矿区多个工作面基于微震监测的底板突水预测结果更加准确。

• 榆神府矿区地下水水化学特征及形成机理

  范立民, 马万超, 常波峰, 孙魁, 苗彦平, 路波, 田水豹, 杨磊,

  煤矿区地下水化学特征及其形成作用对矿区地下水保护和矿井突水水源识别具有重要意义。以陕北榆神府矿区第四系松散层、白垩系洛河组、侏罗系安定组及直罗组地下水为研究对象，综合利用统计分析、Piper三线图、同位素、Gibbs图及离子比例关系等方法分析了地下水水化学特征及形成作用。结果表明：研究区地下水均为弱碱性淡水，其中第四系松散层、白垩系洛河组和侏罗系直罗组风化基岩地下水中，阳离子以Ca2+为主，阴离子以HCO3 −为主，侏罗系安定组地下水中阳离子以K++Na+为主，阴离子以HCO3 −为主，侏罗系直罗组正常基岩地下水中阳离子以K++Na+为主，阴离子以SO4 2−为主；各含水层地下水中TDS与主要离子相关性显著；白垩系洛河组与侏罗系直罗组正常基岩地下水中，离子空间分布差异性较大；通过同位素分析和溶滤作用分析，第四系与直罗组风化基岩含水层存在水力联系；研究区地下水主要离子形成受岩石风化控制，主要离子来源于碳酸盐、硅酸盐和硫酸盐矿物的溶解，并受到K+、Na+、Ca2+、Mg2+等阳离子交替吸附作用的影响。该研究结果可为榆神府矿区地下水资源保护和合理开发与利用等提供一定的借鉴。

• 洪水灾害诱发煤矿水害事故风险评估模型研究

  齐庆杰, 孙祚, 刘文岗, 王安虎, 杨敬虎, 刘思昀, 孙立峰, 王伟,

  煤矿作为承灾体，面对洪水灾害的冲击威胁，脆弱性凸显。洪水不仅会直接导致淹井事故、工业广场破坏等，还会间接诱发井下涌水异常、突水、透水、地下水污染等链生灾害事故。为了定量评估洪水灾害诱发煤矿水害事故风险大小，加强煤矿洪水灾害防治工作，基于灾害风险科学致灾因子、孕灾环境、承灾体三要素经典理论和煤矿洪水灾害防治现状，构建了煤矿洪水灾害设防情况调查指标体系，建立了洪水灾害诱发煤矿水害事故风险评估模型，并在遵义市桐梓县某煤矿进行了应用验证。研究结果表明：洪水诱发煤矿水害事故风险评估涵盖了致灾因子危险性、孕灾环境稳定性（敏感性）、承灾体脆弱性等灾害风险关键要素。其中，致灾因子危险性评价主要考虑致灾因子的时间分布、空间分布和强度等；孕灾环境稳定性评价主要考虑地形、水系等因素评价孕灾环境对致灾因子的敏感性；承灾体脆弱性主要2两方面因素决定：①承灾体对洪水灾害的设防水平，设防水平越高，承灾体脆弱性越低；②在孕灾环境中暴露于致灾因子的人员、资产数量，数量越大，承灾体脆弱性越高。通过对该煤矿应用所提出的风险评估模型，得出该煤矿洪水诱发煤矿水害事故的风险等级为低风险。风险评估模型的建立为定量评估洪水诱发煤矿水害事故风险提供了方法，为煤矿做好洪水灾害防治工作提供了新参考。

• 高耸构筑物采动损害与保护技术研究现状与展望

  郭文兵, 赵高博, 马志宝, 杨伟强, 李学臣,

  我国一些矿区面临着高耸构筑物下压煤技术难题。矿区高耸构筑物具有高度大、横断面小、重心高、支撑基础底面积小等特点，作为一种特殊的构筑物，其对地下开采引起的地表移动变形较敏感。在分析了高耸构筑物自身特性及其采动变形特征基础上，从采动变形理论、数值模拟、变形监测技术、保护技术等4个方面总结分析了高耸构筑物采动损害与保护技术的研究发展历程，包括高耸构筑物与地基、基础协同变形理论、工作面开采对高耸构筑物变形影响数值（物理）模拟分析、实时高效精准监测技术、地基精准注浆加固技术、基础抗变形改造技术、高耸构筑物动态调斜技术、源头减损技术等；并展望了高耸构筑物采动损害与保护技术的4个发展方向：地表移动变形多指标作用下高耸构筑物采动变形规律，采动地表沉陷规律与高耸构筑物变形传导机理，高耸构筑物实时高效精准变形监测技术，高耸构筑物精准保护技术，以便形成地表高耸构筑物“变形小-监测精-保护准”的综合理论与技术体系，为高耸构筑物下安全高效采煤提供理论和技术支撑。

• 平原煤粮主产复合区煤矿开采和耕地保护协同发展研究现状及对策

  郭广礼, 李怀展, 查剑锋, 刘文锴, 胡青峰, 王方田, 陈超, 张沛沛, 张会娟, 张秋霞,

  耕地是粮食安全的基础，煤炭是能源安全的保障。我国煤炭和耕地资源分布重合的煤粮复合区面积约占耕地总面积的42.7%，煤炭开采与耕地保护之间的矛盾十分突出。如何实现煤矿开采与耕地保护协同发展是我国煤粮复合区亟待解决的瓶颈难题。从平原煤粮复合区采动耕地损毁机理、采动耕地破坏程度评价、开采沉陷控制技术等3个方面分析了煤矿开采和耕地保护协同发展的研究现状与存在问题。在此基础上结合耕地保护面积大、变形耐忍度高等特点，提出了一种面向煤矿开采和耕地保护协同发展的源头控制与修复治理有机结合的绿色开采区域性岩层及地表变形控制技术途径，建立了相应的地表变形预测及控制设计方法，并指出了平原煤粮复合区煤矿开采和耕地保护协同发展的重点研究方向：平原煤粮复合区耕地采损驱动机制、采煤沉陷耕地防护阈值体系、面向耕地保护的煤矿绿色开采区域沉陷协调控制理论与方法，以期推动煤粮主产复合区煤矿绿色开采与耕地保护协同发展。

• 多机械臂煤矸石智能分拣机器人关键共性技术研究

  马宏伟, 张烨, 王鹏, 魏小荣, 周文剑,

  依据我国煤矿智能绿色发展战略，深入分析了国内外智能拣矸系统的研究现状，指出研发适用于井下的多机械臂煤矸石智能分拣机器人是破解煤矸分拣难题的重要发展方向，凝练了直接影响和制约我国煤矸石智能分拣高质量发展的“煤矸石准确识别、精准跟踪和可靠抓取、多目标任务多机械臂协同分拣”三大关键共性技术难题，并给出了解决思路和方法。针对煤矿井下煤矸石被煤泥严重包裹识别难，提出了“X射线+视觉”煤矸石识别与匹配方法、基于点云数据的煤矸石抓取特征提取方法，实现目标矸石的快速识别和最优抓取特征提取；针对煤矸石形态各异、动态环境抓取难，提出了基于ORB+BEBLID特征的FLANN动态目标高效匹配方法、基于FDSST的动态目标精准跟踪方法、基于三环PID的机械臂同步跟踪轨迹规划方法，实现机械手对高速传输的动态矸石稳定抓取；针对煤矸石随机分布、障碍多、多机械臂任务分配难，提出了改进匈牙利算法的多机械臂动态空间协同分拣方法，确保系统收益的前提下实现多机械臂在动态空间中高效协同工作。现场工业性试验研究结果表明，针对三大关键共性技术所提出的方法能够有效破解煤矸石高效识别和抓取特征提取、机械臂动态目标同步跟踪稳定抓取、多机械臂高效协同分拣等难题，通过构建完整的多机械臂煤矸石智能分拣机器人系统，提高了煤矸石智能分拣系统的可靠性和分拣效率。

• 冲击载荷下四柱支撑掩护式液压支架动态响应特征分析

  曾庆良, 徐鹏辉, 孟昭胜, 万丽荣,

  液压支架装备通常用于采煤工作面的支护。液压支架在工作过程中承受了大量冲击载荷，导致其动态稳定性受到威胁。为研究四柱支撑掩护式支架在对称与非对称承载工况下顶梁及掩护梁承受冲击载荷时的动力学响应特征，采用动力学软件Adams以等效变刚度阻尼系统代替立柱的方法，建立了支撑掩护式支架的数值分析模型。其中，顶板压力由主动静载荷垂直施加于顶梁上方，冲击载荷垂直于顶梁及掩护梁向下施加。基于上述模型，分析了不同冲击载荷作用于支架顶梁与掩护梁时支架关键部位的动力学响应，以及偏置加载对支架稳定性的影响。随后通过设置不同立柱初撑力，讨论了液压支架在非对称支撑条件下承受冲击载荷时的动力学特性。结果表明，单一顶梁冲击载荷条件下，前立柱载荷变化系数达到1.41，对顶梁前端冲击载荷最敏感。顶梁和掩护梁同时承受冲击载荷时，支架各铰接点对于顶梁前端与掩护梁上部区域作用的冲击载荷响应更剧烈，最大载荷变化系数为0.64，极大地影响液压支架整体稳定性。支架承受横向扭矩时，偏置载荷作用于不同位置对支架承载性能的弱化效果基本一致，且偏置载荷的大小与削弱效果呈正相关。在考虑立柱不同初载比时，顶梁-掩护梁铰接点对初载比变化的敏感程度最高，且前立柱初撑力不足时将对支架承载性能形成最大削弱效应。研究结果可辅助优化支撑掩护式支架结构，改善液压支架承载可靠性。

• 基于MFCC-CS-MUSIC的矿井提升机故障源精准识别方法研究

  李敬兆, 王笑, 孙杰臣,

  在煤矿生产领域中，矿井提升机作为一种辅助运输的设备，在矿井整个运输工程中承担着非常重要的作用，其安全性和稳定性直接影响着煤矿生产效率和井下工作人员生命安全。矿井提升机故障发生后，其声音信号也会随着设备运行状态而改变，因此可以通过分析该声音的特征来检测设备是否处于不正常运行状态。鉴于此提出了基于MFCC-CS-MUSIC实现的矿井提升机故障源精准识别方法。通过采集提升机音频信号，应用MFCC（梅尔频率倒谱系数）算法提取多个通道声音信号梅尔频率倒谱系数进行故障识别；应用MUSIC（多信号分类）故障识别后的音频信号进行定位求得信号的最小化波达方向。将MUSIC算法求得的DOA（波达方向定位）值作为优化变量，以计算DOA和测量DOA之间的差异为目标函数，利用CS（布谷鸟）算法对目标函数进行寻优，从而实现对提升机故障源精准定位。试验和应用结果均表明，利用CS算法优化后MUSIC算法得到的定位坐标误差Δψ在5°以内，实际位置坐标方位角误差Δθ在4°以内。该方法实现了提升机故障准确识别和提升机故障源的精准定位，大幅缩短了排查矿井提升机故障位置的时间，显著提升了矿井提升机的工作效率。

• 多因素光照条件下高质量煤矸图像获取方法研究

  曹现刚, 郝朋英, 王鹏, 刘思颖, 吴旭东, 霍小泉,

  针对在线选煤过程中，光照条件不足引起煤矸表面特征成像质量差，煤矸识别率低下的问题，提出一种融合光源分布、色温、光照强度等多因素条件的新型高质量煤矸图像获取方法。首先，针对煤矸流实际洗选过程中光照条件的复杂性导致的光照不均匀问题，基于九点取样法研究了不同入射角度对光照均匀度的影响，确定适用于煤流的最佳入射角度。然后，针对不同色温引起色彩还原性不同导致煤矸图像失真的问题，采用MSE、PSNR和SSIM等指标量化分析多样本单一种类煤矸图像失真情况，通过TOPSIS算法研究不同色温的光源对煤、矸石，以及混合煤矸石3种不同工况图像失真情况的影响，确定成像质量最优的色温。最后，考虑在线光照强度变化影响煤矸表面特征信息的表达，基于不同照度下煤矸表面特征响应曲线，建立曝光时间、输送带速度和环境光强的关联关系，量化表面区分度较大的照度区间，确定最佳光照条件。通过融合多因素光照条件下高质量图像获取方法建立煤矸识别系统，并对SSD和Faster-RCNN目标检测模型进行实验验证。结果表明：该方法在很大程度上提高了煤矸图像质量，煤矸识别准确率提高10.5%，为煤矸智能分选系统提供更为准确的数据支撑，对提高原煤入选率具有一定应用推广价值。

• 煤矿智能双重预防机制与智能安全管控平台研究

  李爽, 贺超, 鹿乘, 许锟, 薛广哲,

  当前，我国工业生产正面临智能化的技术革新，煤炭行业也同样处于智能化建设的浪潮之中。煤矿智能化的技术革新催动着煤矿安全管理迈入智能化，以安全风险智能管控为方向的煤矿智能化安全是智能煤矿建设的安全前提和安全保障。针对煤矿生产安全风险防控关键问题，首先明晰了双重预防机制的基本逻辑及存在的不足。双重预防机制是通过超前辨识安全风险，制定相应管控措施，并结合隐患排查闭环处理程序来防治严重生产安全事件发生的一套行之有效的安全管理方法。其不足在于未将风险的动态变化特性充分考虑。在分析双重预防机制不足的基础上，系统阐述了智能化安全管理要求下的智能双重预防机制逻辑及其优点。智能双重预防在原有固有风险分级管控基础上，实现对剩余风险的动态评估、预测预警，从而在风险真正失控之前采取相应管控措施，避免隐患出现。以安全风险分级管控和隐患排查治理双重预防机制管理方法为基础，提出智能双重预防机制及智能安全管控平台，并论述了其系统架构、运行逻辑及建设基础。对于安全管理工作而言，智能安全管控平台科学回答了哪个人、什么时候、到哪里、检查什么等一系列问题，在对各个风险定期全覆盖管控的基础上，实现了不同风险等级的差异化资源投入和对隐患的及时、超前管控，在提高安全管理绩效的同时，使得各项安全管理活动简单化。在管控平台的基础上，讨论了平台所需的关键技术。包括全面安全数据数字化、采集与传输，全面安全数据的存储与管理，基于安全管理场景的智能算法模型，智能化硬件与管控平台的集成，以及基于CPS或数字孪生的数据可视化展示与远程交互技术。以双重预防机制为基础，提出智能双重预防机制及智能安全管控平台，在安全资源精益配置的基础上实现对安全风险的超前管控，进而从根本上提升企业安全水平，实现本质安全。

• 碳中和目标下矿区土地复垦与生态修复的机遇与挑战

  胡振琪, 理源源, 李根生, 韩佳政, 刘曙光,

  绿色发展和2060年实现碳中和已成为我国的国家发展战略，矿区土地复垦与生态修复是煤炭工业绿色发展的必由之路。分析矿区土地复垦与生态修复的属性，发现其除了具有恢复绿色和生态功能外，还具有双重增汇作用，不仅抑制了受损土地产生碳排放，而且因植被和生态的恢复增加了碳汇，因此，矿区生态修复是绿色增汇技术，符合国家发展战略，将迎来全新的发展机遇。碳中和政策对矿区生态修复的激励主要体现在引导科学修复、立定先行标准、开展科技攻关、落实企业主体责任、建立工程示范、加强财政支持和建立市场机制7大方面。碳中和导向下的矿区生态修复将迎来5大技术挑战：①科学测算评估矿区生态修复带来的增汇效果，重点从监测目标、测算参数、参数获取和测算方法4个方面进行研究；②将碳中和理念融入矿区生态修复规划设计、探索增汇的规划布局、修复措施以及优选增汇修复方案，发挥矿区生态修复规划设计对增汇的龙头作用；③地形重塑设计既要考虑原有的水土保持措施带来的植被恢复增汇效果，也要增加碳汇功能的专项设计和对比分析；④科学分析和评估不同土壤重构技术的增汇效应，推广增汇型土壤重构技术，同步开展增汇型重构材料及土壤剖面研究；⑤研发兼顾生态效益和增汇效果的植物种群选择和植被恢复技术。

• 东部草原区露天煤矿减损开采与生态系统修复技术及应用

  李全生, 李淋,

  东部草原区是我国重要的煤能源基地，煤炭开发为东北区能源保供和我国经济发展做出了巨大贡献。东部草原区气候酷寒干旱、土壤瘠薄、植被抗扰动能力低，而煤炭大规模开发导致了当地草原退化和水位下降等问题，因此开展了东部草原区露天煤矿减损开采与生态系统修复研究，提出了露天煤矿源头减损−过程控制−末端治理的生态修复理念，研发了开采节地减损、物料跨时空调配储用和“生态窗口期”协同修复等技术，并在胜利露天矿和宝日希勒露天矿进行技术应用和示范。结果表明：胜利露天矿原排土工作帮坡角提高了2.9 °，可开展生态修复时间提前0.9 a，采场占地面积缩小75.2 hm2；仅在宝日希勒露天矿南帮实施冻结期靠帮开采−快速回填技术多回收煤炭资源69.55万t，占年生产能力的2%，在满足露天矿生产能力的前提下少征地2.4 hm2/a。研究成果为相似露天矿开展减损开采与生态修复工作提供了技术支撑，具有广泛的应用和推广价值。

• 接菌对根土复合体抗剪拉作用机理及其矿山生态修复潜力

  毕银丽, 罗睿, 柯增鸣, 薛超,

  煤炭开采形成了露天排土场和井工沉陷地，改变了原始地貌和生态。露天排土场边坡不稳易 水土流失造成滑坡剪切植被根系，井工沉陷致使地裂缝发育拉伤植物根系，因而矿山生态修复的关 键之一是增强植物根系的抗剪切和抗拉伤性能。微生物复垦具有改善土壤理化性状、促进植物根系发育 和抗逆境等功能，接菌对根土复合体抗剪切和拉伤的作用对于揭示其矿山生态修复机理奠定了基础。人工修复后，植物根系与土壤形成根土复合体，可大幅增加土体的抗剪强度，增强浅层土体的稳定性，有效降低了露天排土场边坡水土流失和缓解了根系拉伤。丛枝菌根真菌（AMF）和深色有隔内生真菌(DSE)两种微生物在根际普遍存在，与根系形成的菌根共生体和根际土壤黏结在一起成为根菌土复合体，其抗剪切作用机理及影响因素目前研究较少。因此，本文针对根土复合体的力学特性及影响因素、接菌后对根土复合体抗剪切影响及在煤矿区生态修复潜力进行综述，同时结合试验数据分析得出，联合接种AMF和DSE可显著提高了植物地下生物量、土壤黏聚力、根土复合土体的抗剪强度。微生物复垦技术不仅提高人工修复植被成活率及抗逆性，还可增强抗剪切或抗拉伤等力学特性，对于 矿区生态修复具有重要的应用潜力。

• 黄土高原矿区生态修复固碳机制与增汇潜力及调控

  陈浮, 朱燕峰, 马静, 董文雪, 尤云楠, 杨永均,

  黄土高原矿区生态环境脆弱，科学认识黄土高原矿区生态修复固碳增汇机制、潜力对碳中和愿景目标至关重要。为此，需探究黄土高原矿区生态修复中碳汇形成的关键过程，修复的适应性和恢复力及增汇潜力，揭示矿区复垦土壤碳库稳定性机制，最终阐明矿区生态修复中固碳增汇的关键技术。结果表明：①黄土高原矿区生态修复碳汇形成的关键过程包含植物光合碳分配、土壤碳固持、微生物固碳和土壤呼吸等；②黄土高原矿区生态修复适应性总体呈东南高、西北低，适应性较差区主要分布于陕北与内蒙古和宁夏中部与内蒙古交界处。典型矿区生态恢复力指数为混交林（43.2%~100.0%）>阔叶林（49.2%~83.2%）>针叶林（47.9%~76.5%）>草地（39.1%~70.7%）>灌木草地（43.0%~69.0%）。修复年垦与土壤碳汇潜力呈正相关关系，修复10~15年时最高，混交林生态恢复耗时最长，但固碳潜力最大；③复垦土壤碳库稳定性机制与凋落物分解、黏土矿物交互作用、团聚体物理保护和微生物调控有关；④地貌重构-土壤重建-先锋植物/微生物-外源材料相耦合修复技术是黄土高原矿区生态修复固碳增汇的最优路径，有利于碳汇的长期稳定和提升。

• 碳中和背景下循环流化床燃烧技术在中国的发展前景

  吕俊复, 蒋苓, 柯希玮, 张海, 刘青, 黄中, 周托, 张缦, 王君峰, 肖锋, 鲁佳易, 姜孝国,

  循环流化床（CFB）燃烧技术因其独特的低成本污染控制优势得到了高度重视，近年来我国在此领域的技术发展取得了长足的进步。回顾了我国CFB燃烧技术的发展历程，从最初的跟踪学习到技术创新，走出了一条适应中国国情的独立创新发展道路，先后开发出高性能CFB锅炉、节能型CFB锅炉和超低排放CFB锅炉，同时提高蒸汽参数和大型化，引领了CFB技术的国际发展。目前我国成为世界上CFB锅炉最大的设备供应商和使用者，CFB发电机组作为我国燃煤发电体系中的重要组成部分，为可靠廉价电力供应和劣质燃料消纳做出了重要贡献。碳中和条件下，煤炭作为保底能源在电力系统安全托底中不可或缺。作为低热值煤以及难燃高硫无烟煤的高效清洁发电利用的主要方式，CFB锅炉应在深度调峰和快速变负荷灵活性方面展现更大优势。结合新能源高比例消纳的调峰需求，可以开发粉煤CFB锅炉技术、探索分布式小容量高参数CFB锅炉、挖掘CFB机组0～100%负荷长周期压火与快速热态启动潜力，进一步提高CFB机组运行灵活性；在运行灵活性基础上发挥CFB锅炉燃料灵活性的优势，突破高硫无烟煤超超临界高效发电与超低排放同步实现的难题，消纳煤炭绿色开采洗选副产的劣质燃料，纯烧或者掺烧城市污泥、生活垃圾、生物质等低碳可燃废弃物，开发灵活性下的超低排放控制技术，实现CFB机组智能化，助力我国能源结构转型发展。

• 煤矿矿井水资源化利用技术创新

  何绪文, 王绍州, 张学伟, 李福勤,

  国家对煤矿矿井水资源化利用高度重视，排放标准的不断提高和智慧矿山概念的不断深化，给矿井水处理技术提出了新的挑战。通过对矿井水地面处理技术与井下多级过滤处理技术的分析和比较，在总结了现有技术存在问题的基础上，提出了聚瓷膜超滤高效处理矿井水新技术。新技术相比于传统处理技术的多流程而言，因处理过程无需加药，可省去整个加药系统，故处理过程仅包括高压预处理与常压过滤处理2个主要单元，解决了矿井水传统处理方法必须加混凝剂的难题，可真正做到矿井水处理全过程无人值守，符合智慧矿山的要求。新技术具有流程短、占地小、无需加药、出水水质稳定、可自动运行等特点，同时还可实现模块化、智能化，可适用于不同场景下含高悬浮物矿井水的直接过滤，或作为矿井水苦咸水的预处理单元，其中特别适合用于矿井水的井下处理就地复用。其核心组件聚瓷膜更是具有强度高、通量大、超亲水疏油、耐受悬浮物（SS）质量浓度可达10000 mg/L等优势。通过实验室试验和矿井水地面处理改造工程案例可知，在进水SS质量浓度为0~10000 mg/L，聚瓷膜直滤后出水SS均能稳定达到1 mg/L以下，浊度稳定达到1 NTU以下，该技术在煤矿矿井水资源化利用方面有明显优势，可为将来的大规模工程化推广应用提供技术参考。

• 深部煤炭地下气化制氢碳排放核算及碳减排潜力分析

  刘淑琴, 刘欢, 纪雨彤, 郭巍,

  创新煤炭开发利用技术以降低煤炭从生产到利用全生命周期内的碳排放，是符合我国能源禀赋特点的煤基清洁能源路线。地下气化是深部煤炭原位开采的潜力方式之一，耦合CCS/CCUS（碳捕集与封存/碳捕集、利用及封存）的深部煤炭地下气化制氢技术路线不仅可以利用丰富的深部煤炭资源，而且有望成为一种理想的煤基低成本制氢路线。基于世界上唯一的千米级深部煤炭地下气化试验数据，结合Aspen Plus过程模拟，开展了深部煤炭地下气化制氢碳排放核算及碳减排潜力分析。与商业化的Lurgi煤炭地面气化制氢路线作对比，利用生命周期评价方法建立了2种工艺的全生命周期碳排放计算模型，比较了2种制氢路线的生命周期碳排放。评估了深部煤炭地下气化制氢的CCS/CCUS路径及碳减排潜力。研究结果表明，在氢气生产能力为12亿Nm3/a情形下，深部煤炭地下气化制氢和Lurgi煤炭地面气化制氢生命周期内的碳排放分别为3.29×106 t CO2-eq （当量二氧化碳）和3.93×106 t CO2-eq，其中以废气形式直接排放进入大气的二氧化碳量分别为2.09×106 t和2.24×106 t。在氢气生产阶段的主要碳排放源为废气，包括酸性气体脱除单元排出的废气和甲烷重整单元排出的烟气。深部煤炭地下气化制氢工艺所带来的高甲烷含量特征导致生产1 kg氢气时，甲烷重整单元烟气贡献的CO2排放量达到8.84 kg。间接排放方面，由于深部煤炭地下气化直接采用液态水作为气化剂而不需要消耗外界蒸汽，因此蒸汽消耗带来的碳排放低于地面气化。Lurgi煤炭地面气化上游包含煤炭采选及煤炭运输阶段，尽管这两阶段的碳排放占比只有6.7%，但仍然会带来2.63×105 t CO2-eq的碳排放。若深部煤炭地下气化空腔在地质安全风险评估的前提下用于CO2地质储存，储存量可以达到CO2排放总量的61.8%，若再配套47万t/a的尿素装置，即可有效利用其余的CO2，形成近零排放的深部煤炭地下气化制氢及尿素联产技术路线。研究结果为深部煤炭地下气化制氢提供了碳排放定量评价的科学依据。