煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2023年第2期

• 国能神东煤炭集团重大科技创新成果与实践

  罗文,

  国能神东煤炭集团有限责任公司（以下简称“神东公司”）是国家能源集团的骨干煤炭生产企业，在煤炭安全高效开采、国产高端装备制造、智能化矿井建设、安全管理模式创新与绿色低碳创新等方面取得了显著成就，引领了全国煤炭企业的科技创新，在综采采高、矿井人均工效、矿井长周期安全管理与亿吨矿区管控中心建设等方面创造了多个世界第一。系统介绍了神东公司在科技管理、创新平台、协同创新、人才队伍、知识产权、标准体系与科技成果等方面的进展，总结了神东公司创新驱动体系及螺旋加速上升的科技创新通道。在采掘技术创新与实践方面，梳理了一次采全高综采采高从6.3 m逐步提高到8.8 m的技术突破，介绍了浅埋坚硬特厚煤层上分层综采下分层综放的采煤工艺，梳理了薄煤层等高开采关键装备、技术及面临的技术问题，分析了短壁机械化全部垮落法的技术适应性及无煤柱开采方法的技术实践；介绍了快速智能掘进成套系统及掘锚一体化关键技术，提高了掘进效率，解决了“采掘失衡”的矛盾。在国产高端装备研发与应用方面，介绍了神东公司在世界首个8.8 m超大采高综采工作面装备配套方面取得的突破性成果，分析了国内首套纯水液压支架面临的技术难点与创新途径，解析了6 000 m可伸缩单点驱动带式输送机在整机降阻、张紧控制与智能变频驱动等技术方面的突破，总结了研发世界首套双百吨重载搬运车突破技术障碍的经验，列举了把新能源矿用电动车应用到井下所实现的技术创新。在智能化矿井建设方面，针对采煤工作面智能化面临智能割煤、跟机拉架方面的问题，总结了神东公司在采煤工作面智能化建设过程中实现的技术革新；梳理了智能化选煤厂“从无到有”的拓荒之旅；研究了我国首个国产煤矿井下操作系统——矿鸿的关键技术核心与推广应用价值；解析了我国首个亿吨矿区数字化集中管控平台建设使用的集成技术，介绍了13种井下智能机器人创新与实践。在安全管理技术与实践方面，创建了“135”工作法安全风险管控管理体系，实现了千万吨矿井超长的安全生产周期；搭建了神东公司矿压控制体系与矿压动态高效预警智能云平台，形成了神东矿区特有的矿压控制技术体系；介绍了水、火和瓦斯灾害防治技术体系，保障了神东公司安全管理体系的建设。在绿色生态建设方面，介绍了神东公司在煤炭绿色发展和技术创新中的成就，阐述了在开展生态矿井、绿色矿山与清洁煤炭方面的技术实践，在贯彻黄河流域生态保护和高质量发展重大国家战略方面，介绍了神东先行示范区。通过对神东公司科技创新体系和创新成果的总结，探讨了煤矿未来科技发展思路，明确了其在科技创新体系与重大科技攻关方面的发展方向。

• 综放工作面顶板灾害类型和发生机制及防治技术

  徐刚, 张春会, 张震, 刘晓刚, 冯彦军, 蔺星宇, 马镕山, 刘前进, 李正杰,

  综放工作面采出煤层厚度大，上覆岩层活动空间大，易发生顶板事故。为理解综放工作面顶板灾害发生机制，统计分析了部分煤矿综放工作面顶板灾害案例，按顶板条件及灾害特征将综放工作面顶板灾害分为松软顶板大面积切顶压架和坚硬顶板大面积垮落及压架2类。分别以崔木煤矿和曹家滩煤矿综放工作面为例，分析了2类顶板灾害发生特点，提出了相应顶板灾害发生机制：松软顶板工作面顶板胶结性弱，支架实际刚度不足致使顶板在煤壁处断裂，破断后易失稳，同时支架支护强度不足，最终导致切顶压架灾害；坚硬顶板工作面顶板整体性好，不易破断，悬顶到一定极限突然破断，对支架造成冲击，若断裂线在煤壁处则极易导致工作面切顶压架。结合工程实践，提出了2类顶板灾害防治技术措施：对于松软顶板综放工作面采取合理提高支架刚度、支护效率以及工作面推进速度，加强预警等手段预防大面积切顶压架灾害；对于坚硬顶板工作面除加强支架管理、合理开采设计等，还需从顶板改性入手，如采用井下区域水力压裂技术弱化顶板，防治顶板大面积垮落和压架灾害。

• 大倾角大采高开采支架动载失稳机理及控制

  解盘石, 吴少港, 罗生虎, 伍永平, 陈建杰,

  动载下支架（群）稳定性控制是大倾角煤层开采难题之一，以大倾角大采高综采工作面支架为研究对象，采用现场实测、物理模拟、理论分析和数值模拟等研究方法，总结了大倾角大采高坚硬顶板工作面典型动载的特征，分析了支架在多维动载作用下的失稳机理，提出支架动态稳定性控制对策。结果表明：周期来压时大倾角大采高工作面对支架顶梁或掩护梁易产生来压动载，来压时垮落顶板易产生正压冲击型动载和后推冲击型动载，垮落矸石滑滚易造成架间（侧推）动载。给出了不同影响因素下支架下滑和转动基本运动模式及其耦合状态的动力学方程，得出了支架转动（倾倒趋势）和架间作用力随着顶板法向载荷的减小、顶板切向载荷的增大、顶板偏载程度的增大和采高的增大而增大。数值模拟表明：在正压冲击作用下，支架后柱受载大于前柱；后推作用下，立柱底部受载大于中上部；架间作用时，同一支架内上部立柱受载大于下部，上方支架受载大于下方支架，且均具有明显的非对称受载特征。基于研究结论，提出了坚硬顶板超前周期性爆破弱化、降低底板比压、增设双向侧推装置、采用擦顶带压移架等措施，现场实测表明有效降低了动载对支架稳定性的影响。

• 弱含水层下软岩巷道“一隔三强”控制原理与技术

  吴拥政, 郭罡业, 汪占领,

  针对弱含水层下软岩巷道围岩大变形难控制的问题，以清水营煤矿110207运输巷为研究对象开展了研究工作。首先，依据现场调查与实测分析了巷道围岩的变形破坏特征，明确该巷道存在“一水三弱”的四大特征：即水与高比例黏土矿物并存、弱锚固基础、弱支护阻力扩散效能、弱围岩承载性能；其次，采用理论分析、数值模拟与现场实测的综合研究方法，揭示了巷道围岩的变形破坏机制，认为弱含水层下软岩巷道围岩变形破坏过程分为初始变形、急速变形与缓慢增长3个阶段，3个阶段的变形量占比约为10%、30%与60%，水的存在是导致该类巷道围岩后期变形缓慢增长的重要影响因素；最后，提出了针对该类巷道围岩“一隔三强”的稳定性控制原理与方法，即采取合适的方法隔断水与泥岩的接触通道，强化锚杆（索）锚固基础、强化锚杆（索）预紧力扩散表层与增强巷道围岩自身承载能力，并给出了相应的全断面“锚索+网+注浆+喷浆”的综合控制方案。将该方案付诸实践，现场实测表明：采用新方案后围岩裂隙封闭隔断了水与泥岩之间的接触通道，强化了锚索锚固力、预紧力扩散效能与围岩承载能力。矿压监测结果表明：巷道两帮最大移近量为51.9 mm，顶底板最大移近量为27.8 mm，保证了巷道的正常使用。研究成果较好解决了弱含水层下软岩巷道围岩的大变形问题，可为软岩巷道围岩稳定性控制提供一定的理论与技术参考。

• 特厚煤层综放开采邻空动压巷道围岩变形机理及卸压控制

  高玉兵, 王琦, 杨军, 丁维波, 付强, 徐晓鼎,

  受工作面采动叠加影响，特厚煤层综放开采邻空动压巷道极易发生冲击地压、巷道大变形等强矿压显现现象，是采掘过程中的重点防控区域。以榆神矿区曹家滩矿井特厚煤层综放开采为工程背景，分析了邻空动压巷道强矿压显现机理，研究了邻空巷道围岩倾向和走向支承压力分布力学机制，提出于邻空巷道进行定向张拉爆破切顶卸压巷道围岩控制，并运用数值模拟及现场试验等方法对该技术的作用效果进行了综合研究。结果表明，特厚煤层综放开采条件下，工作面开采大空间采空区长悬臂结构断裂后形成台阶岩梁块体长度较大，其滑落失稳或关键层失稳均会引发强动压，该动压作用在煤柱上并进一步传递至超前区邻空巷道围岩是造成底鼓大变形的主要原因。于邻空巷道内进行定向切顶卸压后，可减弱本工作面后方采空区顶板与煤柱间的承压，邻空巷道围岩应力向远离巷道方向转移，应力峰值降低，应力范围减小。现场开展了不同切顶方式下的现场工程试验，基于定向张拉爆破的深孔切顶卸压技术可有效减小特厚煤层工作面端头区邻空动压巷道的围岩压力，定向切顶后邻空动压巷道超前支架平均荷载降低11%，巷旁煤柱体应力峰值降低10%，巷内底鼓严重段平均变形减小65%，有效提高了巷道稳定性，为特厚煤层综放开采邻空动压巷道强矿压大变形控制提供了一种有效手段。

• 地质异常区域多工作面开采结构演化及冲击地压防治

  张俊文, 董续凯, 柴海涛, 杨磊, 赵善坤, 王黔, 吕玉磊, 贾乐乐, 白俊杰, 郑波, 李小明, 景岩峰,

  针对某矿地质异常体区域多工作面开采覆岩空间结构多变、致灾因素复杂现象，以该矿实际地质赋存条件和开采技术条件为工程背景，采用理论分析、数值模拟等方法，研究了地质异常体区域覆岩空间运移结构变化规律和支承压力分布特征，以单层弯曲薄板为例建立了不同开采阶段板的力学模型，揭示了不同开采阶段板结构弯曲能量释放特征，基于结构调控理论提出了减小厚硬岩层垮断跨度的初末采冲击地压防治措施，主要得到以下结论：①随着多工作面依次开采，在地质异常体区域依次经历了“一”字形→“S”形→短“Ω”形→不规则“Ω”形→长“Ω”形→“O”形覆岩空间结构演变，丰富了覆岩空间结构的类型；②受地质异常体影响，多工作面开采过程中承受了更多次的初次来压和“见方”来压，该区域顶板垮断动载扰动与支承压力分布更加复杂多变，容易造成工作面宽煤柱整体失稳性冲击危险；③基于单层弯曲薄板力学模型，得到了不同板结构弯曲能随边长呈指数或线性增大，且相对于固支边，自由边对弯曲能影响更大的结论；④对防冲预卸压及解危措施进行了效果检验，在工作面开采过程中没有出现微震大能量事件且煤体应力维持稳定，结构调控措施基本保障了地质异常体区域多工作面开采初末采冲击地压防治效果。

• 井上下煤层顶板区域压裂防治冲击地压系统及应用

  潘俊锋, 陆闯, 马小辉, 夏永学, 谢非, 徐刚, 窦桂东, 吕大钊, 孙晓冬, 马文涛,

  针对冲击地压局部卸压范围小，连续性低，作业风险高等问题，开展煤层厚硬顶板井上下千米顺层钻孔区域压裂防冲系统与工程应用研究。结果表明，从加载条件来分，顶板主导型冲击地压可分为动静载荷叠加型、高静载荷加载型、高静载荷卸荷型3种类型；厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动区域性静载荷、动载荷供给主体，以提供冲击启动动静载荷源的厚硬顶板为靶点，提出建立煤层顶板地面、井下千米水平孔分段致裂卸压系统，开展顶板千米顺层钻孔区域压裂。通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性，使得载荷向更完整顶板区域迁移，从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境，也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件。分别进行了工作面开采前地面水平井顶板区域压裂防冲技术试验，工作面开采过程中井下巷道水平孔顶板区域压裂防冲技术试验，实践效果显著，形成了冲击地压建设矿井“先压后建”，生产矿井“先压后掘、先压后采”新的灾害防治模式。

• 基于煤样破坏声发射特征的冲击地压评价预警研究

  陈结, 刘博, 朱超, 蒲源源, 高靖宽, 崔义, 张传玖,

  冲击地压作为深部煤矿开采中最常见的煤岩动力灾害，严重影响煤炭资源安全高效开采。精准及时的预测预报是冲击地压防治的关键。为研究煤岩体冲击前兆信息特征，建立高效精准的动态预测模型，通过对冲击倾向性煤样进行三轴压缩试验，获取煤样破坏过程声发射特征参数，选取典型冲击矿井工作面微震参数监测值，与实验室所得声发射参数进行对比，分析实验室和工程尺度下的声发射与微震参数特征之间的相似性，建立两者之间冲击声学信息的表征关系。结果表明，煤样压缩过程中声发射累计能量的“阶梯状”增长与大能量矿震事件发生前的“缺震”现象都揭示了煤岩体能量的孕育过程。同一能量指标在不同尺度下对大能量事件的发生具有相同的演化趋势，经量化后可作为冲击地压危险性预警指标。继而选取影响工作面冲击地压发生的静态因素与应力动态因素，结合所得微震参数指标分别赋予动态权重，并引入贝叶斯概率进行修正，构建冲击地压动−静态协同综合评价预警模型。利用该模型对河南某冲击矿井工作面危险性进行评价预警，获得优于传统评价模型的预警结果，展现了该模型的工程适用性与准确性。

• 饱和煤样力学及损伤特征的加载速率微观作用机制研究

  杨科, 张寨男, 华心祝, 刘文杰, 池小楼, 吕鑫, 王于,

  为探究煤层注水防冲解危后，工作面推进速率是否会对煤矿井下安全、高效生产造成二次影响，开展了不同加载速率下干燥及饱和煤样的单轴压缩试验，探究了饱和煤样的峰值强度、声发射能量及声发射的RA值与AF值、断口形貌、分形维数以及冲击倾向性特征的加载速率效应，揭示了饱和煤样损伤破坏特征的加载速率微观作用机制。研究表明：随加载速率增大，干燥及饱和煤样峰值强度先减小后增大，加载速率0.01 mm/s为导致强度转折的临界加载速率。不同加载速率下饱和煤样宏观破坏模式均为以剪切破坏为主的拉-剪复合破坏，最大声发射能量值先减小后增大，在临界加载速率时达到最小值。饱和煤样微观剪切裂隙占比先减小后增大，在临界加载速率达到极小值。饱和煤样破裂断口形貌由长槽状裂隙向完全不规则裂隙过渡，临界加载速率是大量不规则裂隙开始出现的转折点。随加载速率增大，饱和煤样破碎的小粒径煤屑质量占比减小，大粒径煤屑质量占比增大；干燥及饱和煤样分形维数均逐渐减小，拟合曲线满足幂函数规律，且饱和煤样较干燥煤样分形维数增大。随加载速率增大，干燥及饱和煤样的KE均存在先减小后增大的规律，在临界加载速率达到极小值。煤层注水对工作面冲击地压的抑制作用要高于加载速率对工作面的诱冲作用。在临界加载速率之前，随加载速率增大，饱水煤样微裂隙内部孔隙水压力增幅较小，贡献刚度小，竞争力较弱，而裂纹扩展速率增幅较快，竞争力较强；之后孔隙水压力增幅较大，贡献刚度增大，竞争力较强，而裂纹扩展速率相对增幅较慢，竞争力较弱。不同加载速率饱和煤样在孔隙水压力和裂纹扩展速率2个因素的相互竞争下，导致其力学及损伤特征规律呈现非线性特征。

• 采空区煤矸石浆体充填技术研究进展与展望

  朱磊, 古文哲, 宋天奇, 潘浩, 刘治成, 张鹏, 何志伟,

  煤矸石浆体充填是一种低干扰条件下矸石无害化规模处置的重要技术手段，是实现煤炭绿色开采的重要途径之一，符合国家绿色发展理念。但针对浆体充填材料制备缓存、浆体长距离输送及采空区充填处置等方面的研究仍不完善，部分问题的研究尚属空白，严重制约浆体充填技术在煤矸石固废处置领域的发展。通过近年来研究，煤矸石浆体充填在基础理论及关键技术均取得了大量的成果。文章系统性地梳理了多种煤矸石充填固废处置技术及其发展历程，总结了其适用性及优缺点，阐述了浆体充填诞生的技术背景及科学内涵，明确了浆体充填关键技术与工艺原理。从大规模推广应用角度出发，总结了浆体材料精准制备与流变特性、矸石浆体长距离管输特征、采空区空隙空间浆体介入规律3项关键科学问题，围绕以上关键科学问题，重点开展了精准制浆技术、管道输送技术、浆体多位充填技术等方面的研究。分析了多因素耦合条件矸石浆体流变特性，揭示了矸石浆体成浆机理，构建了矸石浆体精准制备模型，提出了矸石浆体管道输送关键参数确定方法，总结了高位、低位、邻位3种形式的浆体流动扩散规律，进而指导浆体充填工程实践。在以上研究基础上，分析了浆体充填技术当前研究的不足及未来研究的重点难度，并对“双碳”背景下煤矸石浆体充填技术的发展趋势进行了展望，认为以下3个方向是今后研究的重点：①矿化CO2制备负碳浆体技术；②基于MICP技术的浆体重构岩层技术；③浆体置换难采煤体流态化开采技术。

• 基于导水裂隙扩展−重金属离子迁移的短壁块段式充填保水采煤机理研究

  张云, 刘永孜, 来兴平, 宋天奇, 张雷铭, 孙浩强, 万培烽, 詹睿,

  短壁块段式充填采煤技术可有效解决煤炭资源浪费、水资源流失和矸石堆积等问题，然而，采空区矸石充填材料受到矿井水的长期作用后，其内部重金属离子可能会发生浸出，对矿区水资源造成一定潜在污染影响。为此，结合短壁块段式充填采煤技术，系统地对采动造成的水资源流失和水资源污染综合防治展开研究。首先，针对矿区水资源流失防治，基于“煤柱、充填体−阻隔层−隔水层”的层位组合关系，研究短壁块段式充填采煤覆岩导水裂隙发育特征，揭示短壁块段式充填采煤诱发的覆岩结构演变下水资源保护的控制机理。其次，针对矿区水资源污染防治，建立采空区矸石充填材料重金属离子迁移模型，揭示矸石充填材料对水资源的污染机理，分析矸石充填材料重金属离子迁移规律。并由此总结矿区水资源流失-污染综合防治技术，提出基于水资源流失−污染防治的充实率设计方法。结果表明：在水资源流失防治方面，矸石材料作为充填体充入采空区后，作为永久承载体与块段间保护煤柱共同承担上覆岩层的载荷，有效阻止了低位岩层组的垮落，限制覆岩导水裂隙贯穿隔水层，确保高位岩层组的完整性；在水资源污染防治方面，矸石充填材料重金属离子在渗流、浓度、应力的耦合作用下，以矿井水为载体，在重力势能和水头压力的驱动下沿着煤柱侧向以及底板下方进行迁移运动，且重金属离子迁移距离随底板岩层渗透率、重金属离子浸出浓度/污染源强、底板裂隙深度和水位高度的增大而增大，随矸石粒径和围岩应力的增大而减小。基于此，总结了矿区水资源流失−污染综合防治技术，包括开采参数调控技术、充填参数调控技术、污染源头调控技术、传播途径调控技术以及水体原位调控技术，并提出基于水资源流失−污染防治的充实率设计方法，实现矿区水资源流失−污染综合防治。研究成果对综合防治煤炭开采造成的矿区水资源破坏问题提供一定的科学理论依据和工程指导。

• 特厚煤层开采卸压瓦斯储集区演化特征分析及工程应用

  林海飞, 王旭, 徐培耘, 孔祥国, 双海清, 赵鹏翔,

  为研究特厚煤层开采卸压瓦斯储集区动态演化规律，采用3DEC数值模拟软件，分析了采动覆岩应力及位移分布规律，研究了卸压瓦斯储集区演化特征，提出了卸压瓦斯储集区位置判别方法，并在试验工作面高位钻孔瓦斯抽采进行了实践。结果表明：特厚煤层开采后，覆岩垮落带高度49.5 m，裂隙带高度104 m。工作面侧卸压区范围内关键层失稳后，其下方形成卸压瓦斯储集区。卸压瓦斯储集区划分为3类：①关键层处于弯曲下沉带，其下方形成高位储集区；②关键层处于裂隙带，砌体梁下方形成中位储集区；③关键层处于垮落带，悬臂梁下方形成低位储集区。储集区形态及面积与其上方控制关键层状态密切相关，控制关键层破断前，面积持续上升，低位储集区形态呈矩形，中位和高位储集区形态呈半椭圆形，拓展至三维形态呈矩形截面环体和椭圆截面半椭球体；破断后面积快速下降，之后随覆岩来压呈现周期性变化，低位储集区形态呈梯形，中位储集区形态呈三角形，高位储集区形态呈半椭圆形，拓展至三维形态呈矩形截面环体、三角形截面环体和椭圆截面半椭球体。现场将高位钻孔的终孔位置布置在中位储集区范围，进行了抽采验证，单孔最大抽采浓度34.5%，平均抽采浓度16.8%，抽采后上隅角瓦斯体积分数0.55%，瓦斯抽采效果良好，说明据此方法布置高位钻孔具有合理性。

• 气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

  王登科, 庞晓非, 魏建平, 张宏图, 姚邦华, 位乐, 郭玉杰, 袁明羽, 唐家豪,

  利用工业CT扫描系统，观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点，为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明：非吸附性气体作用下，随孔隙压力的升高，煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显，裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小，符合气体压力影响下的裂隙扩展方程，微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下，随吸附时间的延长，煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著，直至扩展平衡；裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小，符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程；裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响；吸附压力越大，煤体所需的吸附平衡时间愈长；微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间，裂隙扩展具有明显的滞后性。

• 断层对煤层瓦斯封闭性定量方法研究

  刘永茜, 韩鑫涛,

  断层对煤层瓦斯具有封闭和通道的双重作用，这主要取决于断层的封闭能力。针对断层对瓦斯封闭能力定量化表征方法，结合断裂带结构发育多元学说，分析了断裂带结构参数（两盘煤层对接系数、泥质含量、紧闭系数等）对断层封闭性的影响规律；考虑了诱导裂隙带宽度与渗透率的相关性，提出了一个断裂带泥岩等效厚度的计算公式和一种渗透率补偿算法，以此为基础，依据低速渗流理论，实现了断层极限封闭压力计算，继而对断层封闭性进行量化表征。研究结果表明：①断层封闭性主要受控于断裂带内部结构与断层端面受力状态，考虑顶底板围岩封闭能力和煤储层压力，利用断裂带结构参数和断层封闭压力可对断层封闭性进行综合定量表征；②诱导裂隙带煤层渗透率与距端面距离负相关，离端面越远，综合渗透率越低，最后趋近于原始煤层渗透率；③等效泥岩厚度越大，断层极限封闭压力越高，断层封闭性越好；④沁水盆地郑庄−樊庄区块的寺头断层封闭性计算结果显示，该断层封闭压力高于4.67 MPa，大于储层压力3.83 MPa。然而，该断层走向上的封闭能力存在差异，北东向断层端面封闭性好，西南向断层端面封闭能力则相对较差。研究成果对于科学判识断层的瓦斯封闭能力，指导井下煤与瓦斯突出预测及地面煤层气高效开发具有重要技术支撑作用。

• 超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理及影响因素分析

  刘佳佳, 聂子硕, 于宝种, 杨迪,

  在如今的双碳背景下，超临界二氧化碳压裂技术不仅能增透煤体，还能用于地质封存二氧化碳，因此其在煤炭领域越来越受到重视。然而超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理和主要影响因素尚未明晰，故为掌握其作用机理，探究其主要影响因素，进行了数据处理和总结分析。首先，明确了超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理主要包含3个方面：对煤体微观组分的改造作用、对煤基质的溶胀效应以及对煤中瓦斯的驱替作用。其次，阐述了影响超临界二氧化碳增透煤体的主要因素包含作用温度、作用压力、作用时间和煤体含水率，并得到了主要因素与煤体特性之间的关系：煤体孔隙率和渗透率会随着作用温度的升高而降低，随着作用压力、作用时间和煤体含水率的增加而增大，且其与作用压力和短时浸泡时间皆符合正指数函数关系；煤体力学强度会随着作用时间和含水率的增加而逐渐弱化，且抗压强度、弹性模量和抗拉强度与作用时间皆符合负指数函数关系。最后，对超临界二氧化碳增透煤体所存在的问题进行了探讨，指出现今研究忽略了浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响，以及缺乏对主控因素和最佳增透条件的分析，可以仿照循环液氮致裂试验来进行超临界二氧化碳循环浸泡次数研究，可通过正交实验法来确定超临界二氧化碳增透煤体的主控因素和最佳增透条件。研究成果对于优化超临界二氧化碳增透技术、封存二氧化碳以及提高煤层气抽采效果具有一定的指导意义。

• 瓦斯非均衡赋存煤层精准冲孔增透技术及应用

  刘厅, 林柏泉, 赵洋, 翟成, 邹全乐,

  为实现瓦斯非均衡赋存煤层的精准卸压增透，基于理论建模、数值模拟和现场试验的方法研究了水力冲孔关键工艺参数的判定准则和优化方法。构建了卸压煤层多场耦合模型，分析了冲孔最优出煤量的判定指标体系，提出了冲孔最优出煤量的判定准则及方法，绘制了水力冲孔关键工艺参数优化图谱，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术。结果表明：①抽采时间一定时，随着冲孔出煤量的增加，煤层残余瓦斯含量逐渐降低，而由于孔间应力集中程度的升高，残余瓦斯压力先降低后升高；②冲孔最优出煤量的判定准则包括瓦斯抽采达标约束和巷道失稳风险和施工成本最小化约束，当残余瓦斯含量和压力均小于临界值时，认为抽采达标，在满足抽采达标的前提下，应尽量减小冲孔出煤量以保证煤巷稳定、降低工程成本；③冲孔最优出煤量随地应力的升高而降低，随黏聚力、瓦斯压力和钻孔间距的增大而升高。对于给定煤层，冲孔出煤量存在最大值，抽采达标时间存在最小值；④综合考虑煤层瓦斯压力、出煤量、钻孔间距及抽采达标时间之间的关联关系，绘制了冲孔关键参数的优化图谱，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术，融合煤层瓦斯赋存特征和冲孔关键参数的优化图谱，确定不同瓦斯赋存区域对应的冲孔工艺参数，实现瓦斯非均衡赋存煤层的精准卸压增透。

• 杉木锯屑基高吸水抑尘材料制备及效果分析

  周刚, 李帅龙, 徐乙鑫, 李琳, 孟群智, 王琪,

  煤矿生产及运输过程中存在大量煤炭残渣和粉尘，对作业环境和当地居民造成极大影响，为提高抑尘剂的抑尘效率，改善作业空间及周边环境，笔者遵循废物利用原则，实现了废物再利用。提出了以杉木锯屑为原材料，经过NaOH、Na2SO3等溶液处理后获得脱木素木粉(DWF)，通过微波辅助-原位合成的手段，制备了一种新型绿色高吸水抑尘剂(AA-DWF-PAM/GD)。试验结果表明：借助SEM、FTIR、TG-DTG及溶胀动力学试验手段，对AA-SW-PAM/GD的微观形貌、反应机理、热稳定性及吸水性能进行研究，发现该抑尘剂呈现网状空间结构且稳定性较高，DWF与丙烯酸(AA)和聚丙烯酰胺(PAM)反应良好，在73 ℃之前不会发生任何活性破坏，且最高吸水倍率为325倍，在NaCl、MgCl2、CaCl2三种盐溶液溶度为1%时，最高吸盐水倍率为100左右。在AA-DWF-PAM/GD与煤尘性能测试中发现，当风速14 m/s时抑尘率在90%左右；抑尘材料与煤混合后的燃烧后，热释放速率提高了4.53 kW/m2，燃烧时间延长了15 s左右，在喷洒使用后不会对煤的热值产生负面影响。分子动力学模拟(MS)结果表明抑尘剂主要作用于煤−水界面处，煤−水界面吸附层的厚度增大至28×10−6 mm (13×10−6～41×10−6 mm)，促进了水分子在煤表面的扩散，吸引水分子向煤层方向迁移，添加AA-DWF-PAM/GD后水分子的自扩散系数(D)增加了4.3×10−9 m2/s，提高了煤层表面的润湿性。总的来说，该抑尘剂具有成本低、绿色环保、抑尘性能强的优势，有望使其在煤矿现场大规模应用推广。

• 废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分 以屯兰煤矿12501工作面为例

  杨兆彪, 王家琛, 杨彦群, 秦勇, 李国富, 董志勇, 孟祥昊,

  废弃矿井扰动空间精确划分是遗留煤层气资源评价和开发利用的重要基础，以山西西山矿区屯兰煤矿2号煤12501工作面为例，采用应力场数值模拟、裂隙场数值模拟和物理相似模拟的方法，综合研究了采动过程中及采空区稳定后的应力场、裂隙场的分布规律。研究结果显示：物理相似模拟与数值模拟吻合度高，综合以上3种方法，最终将12501废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分为底板裂隙区、重新压实区、导气裂隙区和承压区。底板裂隙区位于煤层中工作面的正下方，整体采动裂隙发育区域呈现出靠近开采煤层为底面的倒梯形台，裂隙场数值模拟结果显示其垂向深度为22.3 m，其深度为开采煤厚的5.58倍。承压区位于工作面四周的未开采煤储层，在工作面倾向的边界起分别向外延伸70 m，在工作面走向的边界起分别向外延伸100 m的位置上，数值模拟结果显示承压区煤储层垂向应力峰值为远大于煤层原始状态的应力数值，但小于垂层煤样的平均抗压强度。导气裂隙区主体位于开采煤层工作面边缘区域，底部为高度约为13.2 m的岩层垮落带，紧邻垮落带上部为高约33.6 m的岩层断裂带，断裂带内竖向裂缝不断扩展贯通离层裂缝。导气裂隙区整体形状为梯形台，其高度为开采煤厚的11.7倍。重新压实区主体分布于开采工作面采空区的中间部分，倾向宽度为110 m，走向长度为1 268 m。此区域主要为弯曲垮落的覆岩构成，整体形状为梯形台，位于导气裂隙区内部。导气裂隙区为遗留煤层气资源的开发有利区。

• 水分对煤层气吸附/解吸微观作用研究进展

  郑超, 马东民, 陈跃, 伋雨松, 马卓远, 王丽雅, 王馨,

  水分是制约煤层气吸附/解吸的关键因素之一，受煤储层多元孔隙结构和煤岩组分润湿性差异影响，煤−水−甲烷界面作用导致煤层气产出过程中CH4与H2O相互激励、相互制约。立足于水分对煤层气吸附/解吸作用的研究进展与前沿认识，从煤储层水分赋存状态、煤−水界面微观作用和水分对甲烷吸附/解吸影响3个方面重点分析了水分与煤层气吸附/解吸微观效应之间的内在关系。研究认为煤储层孔隙结构及水分赋存状态复杂。以煤−水界面作用及孔隙结构特征为依据将煤储层水划分为结合水、束缚水和自由水3种主要类型，不同类型水分对甲烷吸附的抑制作用机制存在差异、且对低阶煤的影响程度严重。水分相态变化成为影响甲烷解吸−运移的核心，水蒸汽分子通过竞争吸附置换吸附态甲烷，液态水在润湿性和毛细管力作用下水锁堵孔、抑制气−水运移。在地面煤层气钻采过程中水分的作用机理随储层温度−压力环境动态变化而变化。针对水分对甲烷解吸作用机理不清、影响界限不明的现状，由此提出了量化储层水分含量及分布特征，增强甲烷解吸与气−水运移，完善甲烷吸附/解吸理论与模型，强化水分激励、促进煤层气增产4方面的科学问题及发展方向，进一步深化煤−水界面微观作用在煤层气解吸运移过程中的机理，促进煤层气持续稳定高效开发。

• 复杂构造区页岩孔隙结构、吸附特征及其影响因素

  尚福华, 苗科, 朱炎铭, 王猛, 唐鑫, 王阳, 高海涛, 冯光俊, 密文天,

  随着我国页岩气勘探开发的不断深入，构造复杂区已成为下一步勘探的重要方向。以渝东北复杂构造区龙马溪组页岩为例，开展了扫描电镜、压汞、低压气体吸附、等温吸附等试验，系统性地表征了渝东北地区不同构造变形带龙马溪组孔隙结构及吸附特征，分析了复杂构造区页岩孔隙结构和吸附特征的影响因素，阐明了构造变形对于孔隙结构和吸附能力的作用机制。结果表明：① 滑脱褶皱带和断层褶皱带龙马溪组页岩中发育较多的有机质孔，而叠瓦断层带龙马溪组页岩仅发育少量有机质孔隙，但发育更多矿物相关的孔裂隙；② 滑脱褶皱带龙马溪组页岩中微孔（< 2 nm）、介孔（2～50 nm）及宏孔（> 50 nm）均有发育，而断层褶皱带和叠瓦状冲断带龙马溪组页岩样品中微孔不是很发育，而介孔和宏孔相对比较发育；③ 龙马溪组页岩“过剩”吸附量都是随着压力的增大迅速增加，达到最大值（ 6～9 MPa）后开始缓慢降低，而绝对吸附量则随着压力的增大单调增大；④ 孔隙结构主要受控于TOC（总有机碳）和黏土矿物含量，而吸附能力主要与TOC和微孔密切相关，此外，构造变形也可以通过改造孔隙结构来影响吸附能力。该研究成果为复杂构造区页岩气勘探提供了理论依据。

• 承压水体上煤层底板下位隐伏断层采动突水机制研究

  张玉军, 张志巍, 肖杰, 李友伟, 于秋鸽,

  由于煤层底板隐伏断层分布广、数量多、隐蔽性强且不易探测的特点，使得底板隐伏断层活化突水成为深部开采突水的主要形式之一。根据底板隐伏断层发育规模及空间位置条件，总结提出了底板沟通隐伏性断层突水、上位隐伏性断层突水及下位隐伏性断层突水3种模式。针对承压水体上煤层底板下位隐伏断层底板突水模式，通过力学分析、底板突水相似模拟及FLAC3D数值拟研究了煤层回采过程中底板空间采动应力变化规律、隐伏断层扩展及突水通道演化过程。研究结果表明：近煤层底板采动岩体随工作面推进，经历压缩-卸荷-恢复过程，形成采动破坏带，底板空间采动应力状态以工作面为分界线呈现水平“S”型分布形态；采动−水压−隐伏断层作用下，隐伏断层将对采动应力随工作面移动起到阻隔作用；隐伏断层顶部受矿压−水压作用的破坏程度时机更早、程度更严重，更易诱发导水裂隙发育，隐伏断层原生裂隙扩展并向逆工作面推进方向上方发育，与采动破坏带沟通形成突水通道；采动承压水导升运移与采动裂隙发育紧密相关，采动承压水导升强度及强渗流区范围随工作面推进渐进发展，底板隐伏断层采动突水先出现隐伏断层上方采空区，突水量随工作面推进渐进增加。在将含隐伏断层底板采动空间划分为隐伏断层采动活化区、阻隔水区和采动影响区的基础上，揭示了承压水上底板下位隐伏断层突水机制。

• 祁东煤矿构造控水特征和地下水运移规律

  张培森, 李复兴, 付翔, 田志兆, 牛辉, 许大强,

  以祁东煤矿为例，通过研究矿井地下水运移规律及其所在区域的构造控水特征，以期为煤矿水害的超前精准治理和区域防治提供借鉴参考。利用构造控水理论结合祁东煤矿及其所在矿区、煤田的地质构造背景，对构造控水的逐级控制作用和构造控水作用方式进行研究，结果如下：祁东煤矿基岩地层形态整体受宿南向斜控制，局部受魏庙断层等构造控制，新生界地层形态亦受到构造的间接控制；在宿南向斜控制下，矿井内或矿井外南部风化后的二叠系煤系砂岩裂隙含水层、太灰、奥灰与四含角度不整合接触；在魏庙断层控制下，在矿井南部采区部分二叠系煤系砂岩裂隙含水层含水层再次露头，与四含角度不整合接触，不整合接触使得含水层间可产生水力联系。总结分析结果，认为：①地质构造通过对地层形态的控制，对地下含水层水起到控制作用；②地质构造通过控制含水层间的接触，对含水层间的水力联系起到控制作用。为进一步验证含水层间的水力联系，利用水位变化的对比分析和皮尔逊（Person）相关系数，对放水试验期间南部采区四含、太灰和正常水位观测期间四含、太灰、奥灰的钻孔水位观测结果进行分析，得出：①南部采区放水试验期间，四含（SQ10-14）与太灰（ST4）水位变化基本同步，相关性极强；②正常水位观测期间，四含（SQ10）、太灰（ST4）、奥灰（SO2）两两之间水位变化具有极强的相关性，同一含水层内不同观测孔间水位变化的相关性差异较大。证实：受构造控制，在矿井局部，四含与基岩含水层角度不整合接触区域，存在水力联系。利用地下水数值模拟软件Groundwater Model System（GMS）结合参数反演Parameter Estimation（PEST），对四含水位分布和径流规律进行研究，得出：四含水位在−7~−57 m，南部水位比北部水位高，在魏庙断层处，水力梯度较大；四含水径流集中在矿井西南部和中部，西南部整体向北径流，中部以东西向径流为主，四含径流有绕过魏庙断层。

• 线圈耦合距对坑道瞬变电磁场的影响与校正方法

  胡雄武, 陈人峻, 张平松, 吴荣新, 郭立全, 付茂如,

  水害是我国煤层开采面临的主要灾害之一，坑道瞬变电磁方法作为一种有力的坑道水害探测手段，近年来已广泛应用于我国各大煤矿区，但受坑道空间限制，线圈与围岩表面存在不等的耦合距，导致不同测点观测的瞬变场存在差异，进而影响岩层富水性的判定精度。为此，基于数值仿真技术研究了坑道内有和无金属支护条件下耦合距对瞬变场的影响，其结果表明：①坑道内无金属支护时，耦合距对瞬变场的影响主要集中在早期，且随瞬变场时间延迟而快速减小，对实测瞬变场数据的影响基本可以忽略。②坑道内存在金属支护时，瞬变场曲线存在明显的拐点，其对应时间因围岩电阻率增大而延长；与无金属支护的瞬变场相比，拐点前瞬变场响应幅值受金属影响显著增大且无明显规律；拐点后瞬变场幅值有较大变化，但衰减趋势一致；耦合距对瞬变场响应的影响大，尤其是坑道掘进正前方观测点，其对耦合距的变化更为敏感；不同探测方位不同围岩电阻率及不同耦合距条件下获得的瞬变场曲线相关系数趋向于1，曲线之间具有对数平移特性。据此提出了瞬变场晚期数据平移校正方法，并针对坑道掘进前方低阻球状模型进行了数值验证，与校正前的数据对比表明，校正后的瞬变场数据对低阻体的判定精度更高，有效降低了耦合距对瞬变场观测的影响。现场试验进一步佐证了该方法的可靠性，可为坑道水害防治提供技术支撑。

• 多层浅埋煤层开采触发岩溶坡体动力崩滑机制研究

  崔芳鹏, 武强, 李滨, 熊晨, 刘新荣, 李江山, 刘小瑜,

  因内外动力地质作用活跃和人类工程活动频繁致使我国西南岩溶山区坡体灾害频发，进行该类灾害防控的相关研究必要而迫切。采用原位地质详查、全域块体离散元数值模拟和工程地质力学理论分析，选择贵州纳雍张家湾普洒滑坡为研究对象，系统提出了该类“井工开采诱发型”滑坡的致灾特征、主控触发因素和动力成灾机制。结果表明：①该滑坡动力崩滑的影响因素包括高陡坡体微地貌、“上硬下软”岩性组合、斜坡岩体结构和物理化学风化等主导因素和多层浅埋采空区、强降雨和采掘爆破振动等触发因素，其中前者的存在或长期作用较为明显地降低了原始坡体的稳定性，而后者的存在或短期作用急剧地劣化了坡体地质条件并最终触发了坡体的“临界崩滑”；②该滑坡在采空区和强降雨作用下形成的“渐进变形”具有明显的“整体下座”和“顺时针旋转”特征，其中“整体下座”为“井工开采诱发型”滑坡的典型特征，其为受区内井工开采引起的地表开采沉陷所致；③邻近坡体的采掘爆破振动最终触发该滑坡形成“临界崩滑”后，其后续动力响应可细化为“解体破碎→铲刮滑床→碎屑流动→堆积稳定”4个阶段。最后，基于分析驱动该滑坡各阶段动力响应的力学作用类型及其效应，即：坡体岩溶裂隙渗透压力、竖向和水平爆破振动应力、坡脚处剪切应力、采空区边界卸荷应力和采空区中冒落岩块压实过程产生的侧向膨胀应力等及其岩体破裂效应，系统提出了考虑其崩滑全程力学模式演变的动力崩滑机制。

• 煤矿智能地质保障系统研究进展与展望

  李梅, 毛善君, 赵明军,

  煤矿地质保障系统是智能化煤矿建设和生产的重要内容，地质透明化是智能地质保障的努力方向。首先从地质勘探设备、地质建模软件、地质数据处理、智能工作面装备等多方面回顾了国内外煤矿地质信息技术发展；然后重点分析了我国智能地质保障系统的技术进展，包括隐蔽致灾地质因素探测技术、地测数据动态获取与地质灾害监测技术、多源数据融合与地质大数据技术、煤矿GIS“一张图”与地质云技术、透明化地质建模与可视化技术、地质保障智能分析技术等。在此基础上，对我国智能地质保障系统建设中的难点问题进行了分析，指出煤岩层识别、地震智能解释和点云三维重建等动态地质测量数据获取技术尚未取得突破性进展，各类地质软件在数据开放性上存在不足，数据格式不能兼容和统一，多源地测数据共享与融合处理能力有待提高，基于大数据和人工智能技术开展地质预测预报和地质隐患防控还需要深入研究。最后探讨了煤矿智能地质保障系统的发展方向，认为地球物理探测装备与基于深度学习的智能解释、全要素多尺度动态地质模型及数值模拟、隐蔽致灾因素智能分析与预测、基于地质模型的矿山动态生产规划等四大方向将在智能矿山建设中发挥重要作用。综上所述，本研究能为矿山智能化地质保障系统建设和采掘应用提供有益的参考。

• 煤矿安全生产视频AI识别关键技术研究综述

  程德强, 钱建生, 郭星歌, 寇旗旗, 徐飞翔, 顾军, 高亚超, 赵金升,

  煤矿安全生产视频分析与识别技术是保障我国煤矿智能化建设和煤炭工业高质量发展的核心技术支撑。为及时对煤矿井下安全隐患进行实时监测和预警，视频AI（Artificial Intelligence，人工智能）识别关键技术已经成为煤矿安全生产领域的研究热点。阐述了我国煤矿智能化建设过程中安全监测与监控的发展现状，分析了当前矿井视频监控与安全隐患识别预警存在的效率低、响应慢、效果差等问题，结合计算机视觉、边缘计算、大数据处理、云服务、智能终端等先进技术手段、进行了煤矿安全生产视频AI识别的顶层设计，提出了煤矿“人−机−环”全域视频AI感知的“云−边−端”协同计算系统架构，构建了视频识别端节点传感器、边缘计算设备、视频识别场景云服务应用体系，明确了智能识别与预警联动控制响应机制，打通了“云−边−端”信息交互感知与联动控制数据链，实现了数据共享联动和预警协同。同时，围绕矿山“人−机−环”全域AI视觉信息智能感知和全息泛化景象平台的构建，梳理了矿井安全隐患视觉感知及识别预警的技术处理流程，归纳了AI识别过程中的各类预处理−增强−重建−检测−识别方法的优点和缺点，明确了煤矿安全生产视频AI识别关键技术发展的主流方向和趋势。其次，结合王家岭煤矿、鲍店煤矿等代表性矿井的应用案例，示范展示了煤矿安全生产过程中实际典型应用场景等方面的最新进展和应用效果。最后，针对煤矿安全生产视频AI识别关键技术的特点，总结了现有煤矿安全生产视频AI识别系统存在技术理论薄弱、智能终端规格不一且应用场景混乱、数据兼容性及联动闭环能力较差、数据库安全性较弱、评价机制不统一、应用标准不完善等问题，指明了未来的发展方向是加强对视频AI识别关键技术及理论的研究，建立健全智能终端硬件规格及适用体系，构建标准统一、机制完善、实时互联、动态预测、协同控制、安全可靠的煤矿信息多维度主动感知新模式和工业互联网应用平台，逐步形成全矿井全息泛化的高精度智能感知场，实现对井下“人−机−环”全域视频信息的精准感知和危险源协同管控。

• 基于声谱图和SVM的煤矿瓦斯和煤尘爆炸识别方法

  孙继平, 余星辰, 王云泉,

  为提高煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知准确率，提出了基于声谱图和SVM的煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知方法：在煤矿井下重点监测区域安装矿用拾音器；实时监测煤矿井下设备工作声音及环境音；将采集到的声音提取由MFCC构成的声谱图，通过计算声谱图的灰度共生矩阵得到0°、45°、90°、135°的能量、熵、对比度、相关性，分别求其均值和标准差作为声谱图图像纹理特征，构成该声音的特征量，输入到SVM中建立煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别模型；对待测声音同样提取其MFCC声谱图图像纹理特征，输入到训练好的识别模型中进行声音识别分类；并进行了试验验证。首先，提取了采掘工作面设备运行、瓦斯和煤尘爆炸等不同声音的MFCC特征值，分析了不同声音的MFCC特征值分布情况；提取不同声音的MFCC声谱图，分析了不同声音的声谱图的特征参数：能量、熵、对比度、相关性的均值和标准差，可见通过提取MFCC声谱图的灰度共生矩阵特征参数构成的特征量可有效表征声音信号；其次，将待测声音输入建立的识别模型中，完成识别分类。结果表明：所提方法的识别率达到95%，整体识别性能高于其他算法；最后，通过贝叶斯参数优化试验结果可知，优化后的SVM识别模型的召回率、识别率分别提高10%、3%，优于优化前的识别模型，能够满足煤矿瓦斯和煤尘爆炸感知和报警需求。

• 激光煤流量测量中光斑条纹过饱和问题研究

  胡而已, 张耀,

  为解决煤流量三维扫描过程中亮度过饱和激光条纹中心线提取精度的问题，提出了一种对应的中心线提取算法。根据斜射式激光三角法测量原理，搭建了视觉测量系统平台，获取亮度过饱和的煤堆表面激光条纹数字图像并进行预处理。探究激光光强的分布规律，深度剖析激光光条亮度产生过饱和的原因。在分析传统结构光中心线提取方法不适用于本研究的基础之上，针对部分过饱和提出了基于高斯曲线拟合法的中心点提取算法，而针对全部过饱和则提出了一种基于邻域块思想的中心点提取算法。最后确定以激光条纹截面上过饱和采样点数量作为判别依据的中心线提取策略，得到亚像素级坐标精度的条纹中心线。通过设置与灰度重心法、曲线拟合法的对照模拟试验，发现该算法绝对偏差均值更小，提取精度要优于传统算法。最终在煤堆激光条纹图像上开展了试验验证，表明该算法在实际工作环境下抗噪声干扰性能力更强，减少了亮度过饱和现象给煤堆表面激光条纹中心线提取所带来的影响。

• 煤矿掘进装备光纤惯导多源异构噪声降噪方法研究

  毛清华, 安炎基, 马宏伟, 张飞,

  煤矿掘进装备光纤惯导在井下掘进工作面易受振动与电磁等多源异构噪声干扰，导致掘进装备位姿检测准确性降低。因此，为消除噪声干扰对组合惯导定位检测影响，提出了一种改进经验模态分解(EMD)的光纤惯导多源异构噪声降噪方法。首先，根据井下掘进工作面环境噪声特性，分析多源异构噪声构成。然后，利用改进的EMD降噪方法对光纤惯导多源异构噪声进行降噪，该方法通过计算连续均方误差(CMSE)自适应筛选出有效本征模态函数(IMF)，并通过设定阈值函数对各层有效IMF分量进行优化，重构优化后的有效IMF分量，从而获得降噪后的信号。为验证改进EMD方法的降噪效果，运用小波降噪方法、变分模态分解(VMD)降噪方法和改进EMD降噪方法进行了降噪对比试验，结果表明：改进EMD降噪方法降噪效果优于小波降噪和VMD降噪方法。为验证改进EMD方法对掘进装备位姿检测准确性的提升效果，对降噪前以及利用3种降噪方法降噪后的光纤惯导与位移传感器组合定位结果进行对比分析，结果表明：改进EMD方法对光纤惯导信号降噪后组合定位的位姿误差最小，且相较于降噪前大幅降低，与降噪前相比，俯仰角误差从0.113 1°下降到0.028 6°，横滚角误差从0.010 1°下降到0.003 8°，航向角误差从2.705 1°下降到0.027 2°，北向位置误差从36.8872 m下降到0.082 2 m，东向位置误差从0.499 0 m下降到0.016 1 m，天向位置误差从0.914 1 m下降到0.014 3 m。提出的改进EMD降噪方法能够有效地滤除煤矿掘进装备光纤捷联惯导信号的多源异构噪声，为煤矿掘进装备精确定位奠定了良好基础。

• 矿用刮板输送机垂直冲击下负载电流特性研究

  司垒, 李嘉豪, 谭超, 王忠宾, 李小玉, 霍小泉, 袁增云,

  矿用刮板输送机在运行过程中易受液压支架推移不齐、采煤机截割底板不平的影响，承受着多种类型冲击，其中垂直方向的冲击作用最为明显，造成刮板输送机传动系统磨损严重、驱动电机功率不平衡等问题。笔者通过分析刮板输送机垂直冲击的形成原因，计算了不同垂直冲击作用下刮板输送机的运行阻力，建立了刮板输送机传动系统的垂直冲击仿真模型，并对刮板输送机在中部槽间隙、中部槽凸起弯曲、中部槽凹陷弯曲等工况下的冲击负载电流情况进行了仿真分析，结果表明：中部槽间隙越大，中部槽与中板发生的撞击就会越强烈，对刮板输送机传动系统的冲击越明显；垂直冲击产生的负载电流峰值与中部槽凹陷或凸起弯曲程度呈正相关；相邻中部槽最大弯曲角是决定刮板输送机冲击负载电流突变峰值及冲击稳定后负载增量的主要因素；中部槽凸起和凹陷弯曲产生的冲击对系统运行阻力的影响程度最大约为12%，是影响驱动系统电机功率不平衡的主要因素。在煤矿井下搭建了刮板输送机冲击负载监测平台，开展了不同垂直弯曲角度下的冲击负载电流监测试验，结果表明：不同程度的垂直冲击均使刮板输送机传动系统电机负载电流产生明显波动，且在短时间内，冲击电流峰值最高可达正常工作电流的1.5倍，对刮板输送机的链条、电机等零部件造成严重损害；现场采集的刮板输送机受到冲击后的电机电流曲线与仿真曲线变化趋势基本保持一致，平均绝对误差范围为0.435～1.342 A，验证了刮板输送机垂直冲击仿真模型的正确性与合理性。研究成果为提升刮板输送机的智能控制水平、保障煤矿运输装备的负载稳定和功率平衡提供了理论依据，进而降低综采工作面的运输成本，延长运输装备的使用寿命。

• 无人机遥感支持下的煤矸石山自燃监测与预警

  肖武, 任河, 赵艳玲, 王启元, 胡振琪,

  复垦后煤矸石山的复燃问题是矿区土地复垦与生态环境保护中的巨大挑战。超前和及时的自燃监测和预警对治理至关重要，同时也一直是研究和治理中的难题。研究基于无人机遥感技术，提出了一种在复垦后利用植被紫花苜蓿评估煤矸石山自燃风险的方法，并对该方法在自燃监测和预警中的可行性进行评估。以中国山西省某复垦后自燃煤矸石山为例，利用无人机搭载可见光、热红外相机获取了某复垦后煤矸石山的无人机影像，并基于无人机影像提取的图像特征估算了紫花苜蓿地上生物量、株高和植被水分信息；在此基础上提出了自燃风险评估方法，在已发生自燃的研究区A1开展预警可行性探究；同时，利用上述方法对一未知（潜在）自燃研究区A2的自燃风险进行评估。研究结果表明：①无人机是煤矸石山植被监测的有效工具，基于无人机遥感图像特征能够实现紫花苜蓿长势参数的精准估算。基于随机森林的紫花苜蓿生物量和植被水分估算模型在验证集上的决定系数R2分别为0.92和0.78，均方根误差RMSE分别90.58 g/cm2和4.29%；基于作物高度模型的株高预测结果的R2为0.92，RMSE为7.58 cm。②3种紫花苜蓿长势参数均表现出了对自燃的解释能力，在空间分布上与25 cm深度土壤温度Ts,25均表现出一定的负相关性（R2= −0.43~ −0.51），且地上生物量的解释能力最优（R2= −0.51）。③基于紫花苜蓿生物量能够在一定程度上掌握地下自燃过程的影响范围、强度和变化方向，从而可能对煤矸石山的潜在自燃风险实现监测和预警。研究旨在为矿区复垦后煤矸石山的复燃防治工作提供新思路和方法支撑。

• 陕北黄土沟壑区采煤沉陷对黄土坡面形态的影响及土壤侵蚀效应

  宋世杰, 孙涛, 郑贝贝, 牛瑞琳, 阮豪, 成星,

  如何破解煤炭开采与水土保持之间的矛盾是实现黄河中游生态环境保护与高质量发展的关键科学问题。以陕北黄土沟壑采煤沉陷区为研究对象，针对主采煤层典型地质赋存特征，以地下采厚（9、7、5 m）、地表黄土自然坡面坡形（直线坡、凹形坡、凸形坡、复合坡）及坡度（5°、15°、25°、35°、45°）为变量，共构建了60个数值模型，基于FLAC3D数值模拟软件，研究了黄土自然坡面形态及采厚耦合作用下坡面形态演变过程与规律，基于中国水土流失方程（CSLE模型）和经验模型，计算与分析了沉陷坡面土壤侵蚀效应。研究结果表明：①采煤沉陷会导致地表黄土坡面的坡度增大，且采厚越大，坡度增幅越大，大采厚对采煤沉陷导致地表黄土坡面坡度的增大会产生明显的放大效应。凹形坡普遍对沉陷坡面坡度的影响显著，特别是在“采厚5 m、自然坡度>5°”“采厚7 m、任意自然坡度”“采厚9 m、自然坡度≤35°”条件下。无论在何种采厚及自然坡形情况下，≤5°的自然坡度对沉陷坡面坡度增幅的影响均最大。②采煤沉陷会导致“年侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M1增大，且采厚越大，M1增幅越大；当采厚从5 m增大到9 m时，M1增幅增大了1倍左右；4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M1的增幅影响最大；≤15°自然坡度对沉陷坡面的M1增幅影响较大，在“采厚9 m，凹形坡”条件下超过了20%。③采煤沉陷会导致“典型场次侵蚀降雨”尺度下地表黄土坡面的土壤侵蚀模数M2增大，且采厚越大，M2增幅越大；当采厚从5 m增大到9 m时，M2增幅增大了1倍左右；4种坡形中凹形坡对沉陷坡面M2的增幅影响最大；≤15°自然坡度对沉陷坡面的M2增幅影响较大，在“采厚9 m，凹形坡”条件下超过了17%。该结果可为陕北矿区乃至黄河流域中游的水土流失精准防控与高质量发展提供科学依据。

• 神东矿区天然矿物中的氟化物浸出规律研究

  张海琴, 包一翔, 唐佳伟, 曹志国, 蒋斌斌, 李杰, 李井峰, 刘兆峰,

  随着神东矿区煤炭开采向深部转移，矿井水中氟化物超标问题凸显，因此研究氟化物的主要来源对控制矿井水中的氟化物浓度具有重要的意义。为证明天然含氟矿物是矿井水中的氟的主要来源，深入了解天然含氟矿物在矿井水中的浸出过程，以神东矿区为对象，分析了不同深度矿井水中的水质变化规律，研究了不同深度矿物中的氟化物变化，并讨论了天然含氟矿物在矿井水中的氟化物浸出规律。研究结果表明，当煤炭开采深度大于120 m时，矿井水中氟化物浓度超过地表III类氟化物标准值，并且含氟矿物在天然矿物中的比例增大。通过对矿井水中阴阳离子成分分析，认为矿井水中氟化物主要来源于煤炭开采深部含氟矿物的浸出。研究不同水岩作用条件下含氟矿物浸出规律发现，提高水岩作用强度，可以加速含氟矿物中氟化物的浸出；当岩水比例增大（大于1∶50）时，部分含氟矿物的氟浸出浓度大于1.0 mg/L；特别在酸性或碱性条件下，由于离子交换作用和溶解平衡机制，含氟矿物中难溶性氟化物发生浸出。综上所述，在一定的水岩作用环境中，天然含氟矿物中的氟化物浸出，可导致矿井水中氟化物浓度超标（大于1.0 mg/L），这一结论为在复杂地质条件下精确管控天然矿物的氟化物浸出提供了重要指导。

• 浮选中起泡剂浓度对气泡尾涡区特征及颗粒卷吸的影响

  朱金波, 史苘桧, 朱宏政, 何海陵, 秦志千, 张勇, 潘高超,

  为探明浮选中起泡剂浓度对气泡及其尾涡区特征的影响，预测颗粒在浮选气泡尾涡区的卷吸概率，通过实验室自制的拟上升气泡装置及粒子图像测速系统，研究了不同浓度仲辛醇条件下的气泡尾涡区流场特征，分析了气泡表面流体分离行为及尾涡特征；通过高速摄像系统的同步观测，研究了气泡的形态特征以及颗粒在气泡尾涡区的轨迹和分布概率。研究结果表明：随着起泡剂浓度的增加，气泡的尺寸略有减小而长径比逐渐增大；气泡边界层分离角随起泡剂浓度的增加逐渐增加，存在临界分离角196.70°；气泡引起的尾涡主要集中在流场流速小于0.09 m/s的区域，气泡尾涡区高度随起泡剂浓度的增加逐渐减小，存在最小尾涡区临界值为气泡直径的1.06倍；颗粒在气泡尾涡区存在3种运动轨迹，颗粒卷吸的运动轨迹可以分为3个显著阶段，颗粒受力是导致其卷吸类型区别的关键因素；随着起泡剂浓度的增加，颗粒被卷吸的范围与概率逐渐减小。影响气泡尾涡及颗粒运动的临界浓度均为1.6×10−4 mol/L。研究结果明晰了起泡剂浓度对矿物颗粒在气泡尾涡区卷吸的机理，为微细矿物浮选技术的发展提供了有价值的指导。

• 激光诱导法制备煤基石墨烯的探索及其结构特征研究

  王绍清, 张路, 赵云刚, 王小令,

  为探讨以煤为含碳前驱体，利用激光诱导技术制备煤基石墨烯的可能性，选择以挖金湾高挥发分烟煤、塔山低挥发分烟煤为碳源，运用激光诱导技术制备煤基石墨烯，并应用拉曼光谱（Raman）、X射线衍射光谱（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、扫描电镜（SEM）和高分辨率透射电镜（HRTEM）对原煤以及激光辐照后的产物进行表征。结果表明，经过激光辐照后，产物的Raman图谱呈现出典型的2D峰以及尖锐的G峰，表明其结构有序度增强。XRD图谱表明其（002）和（100）衍射峰变得窄而尖锐，层间距均为0.345 nm。XPS结果表明烟煤激光辐照后sp2的C=C键和π—π作用增强，这表明产物形成了sp2网状芳香层片。通过SEM观察到的激光辐照后样品出现分层多孔结构，同时HRTEM结果显示出芳香条纹具有少层石墨烯特征，石墨烯层数多集中在2～10层，且条纹间距均为0.346 nm，与XRD得到的结果基本一致。这些分析结果表明烟煤在激光辐照后形成了煤基石墨烯。但是，受所用样品数量限制，此研究结果只是初步认识，在下一步研究中需要增加样品数量以深入研究。