煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2023年第3期

• 大采高工作面支架刚度对煤壁稳定性的影响效应研究

  韩宇峰, 王兆会, 唐岳松,

  大采高开采技术是我国厚煤层开采的主要技术选择之一，大采高工作面一次割煤高度增大，煤壁稳定性降低，煤壁破坏成为制约该类工作面生产潜能释放的关键因素。为提高大采高工作面围岩稳定性，实现厚煤层高效开采，采用理论分析、室内试验和现场实测等综合手段分析了支架刚度对煤壁稳定性的影响。结果表明：大采高工作面存在3种常见煤壁破坏形式：硬煤劈裂式、中硬煤剪切式和软煤塑性流动式；定义煤壁稳定性系数为煤壁极限承载能力与作用在煤壁之上的顶板载荷之差同顶板载荷之比，得到顶板载荷对稳定性系数分布特征的影响；建立顶板冲击力学模型，基于能量原理，提出了作用于煤壁之上的顶板载荷确定方法；分析了支架刚度对煤壁稳定性系数的影响，随着支架刚度的增加，作用于煤壁之上的顶板载荷降低，煤壁稳定性升高，顶板载荷及煤壁稳定性对支架刚度的敏感性逐渐降低；开展不同支架刚度条件下煤壁稳定性相似模拟试验，支架刚度为1.0、1.5、2.0 MN/m的条件下，煤壁极限承载能力分别为17、19、20 kN，煤壁的最大横向变形量分别为40、30、25 mm，煤壁破坏面积分别为0.41、0.32、0.21 m2，试验数据验证了理论分析结果的正确性；最后将提高支架刚度措施应用于乌兰木伦31402大采高工作面，煤壁稳定性得到有效控制。

• 高位巨厚覆岩运移规律及矿震触发机制研究

  白贤栖, 曹安业, 杨耀, 王常彬, 刘耀琪, 赵迎春, 郭文豪, 顾颖诗, 吴震,

  矿震是由矿山开采引起的非天然地震活动，鄂尔多斯矿区侏罗纪煤层上方常见白垩系巨厚层状砂岩组，巨厚砂岩组破断、滑移容易诱发巨厚覆岩型矿震，研究揭示高位巨厚覆岩的内部活动演化规律与动力响应特征是巨厚覆岩型矿震灾害防控的基础。笔者基于符拉索夫厚板理论，结合地面探测孔、地表沉降以及微震监测技术，研究了鄂尔多斯某矿综放开采巨厚覆岩结构演化规律及覆岩内部活动特征，揭示了高位覆岩运动诱发矿震机制。结果表明，综放实体煤回采阶段，采空区面积较小，低位顶板垮落较为迅速，顶板破断角64°～72°，高位巨厚覆岩结构无明显裂隙产生，地表下沉量较小；邻空回采阶段，顶板破断高度向巨厚覆岩层扩展，巨厚覆岩层产生裂隙，巨厚覆岩下顶板破裂角有所增加，并且地表沉降量快速增加呈台阶式下沉。白垩系巨厚砂岩层厚较大、强度较高，推导得出邻空回采阶段工作面推进约324.3 m时，巨厚覆岩结构具备发生初次破断的条件，开始出现强矿震事件；并且其周期破断步距为83.7 m。巨厚覆岩结构破断触发矿震机制为：随采空区面积增加，顶板破裂高度逐渐扩展至高位巨厚砂岩层，该巨厚砂岩层发生竖“O-X”型初次破断、滑移以及周期性破断易诱发强矿震事件。研究结论对高位巨厚覆岩型矿震灾害的预防与治理具有指导作用。

• 软岩巷道底板破坏特征及控制研究

  张杰, 高守世, 李通, 黄小平, 杨涛, 王张辉, 何义峰, 韩金博,

  为研究软岩巷道在不同水平应力边界条件下底鼓变形失稳规律，以贯屯煤矿50213工作面回风巷为工程背景。根据软岩巷道底板破坏特征，运用压杆理论建立软岩巷道底板结构力学模型，通过力学分析，确定了底板失稳的判别条件及临界应力的计算方法，并采用底板岩层变形的挠曲方程推导得出底鼓量计算公式。通过相似模拟确定了不同应力状态下底板破坏机理及裂隙的动态演化过程，提出锚杆－混凝土组合结构控制底鼓的方法并应用于现场实践。研究结果表明：当加载至3.13 MPa时，巷道两侧形成应力集中区，并通过两帮传递至底板，剪切裂隙沿巷帮围岩内部发育至底板内部，该裂隙距两帮0.8 m，发育角度约45°。当加载至4.38 MPa时，底板在水平应力作用下向巷道临空面弯曲变形，底板中部产生拉伸裂隙。当应力加载至7.70 MPa时，底板破坏深度增加至1.2 m，裂隙数量增多，由于底板各分层挠度不同易产生离层裂隙，各裂隙相互贯通并向深部延伸，最大底鼓量为0.51 m，与理论计算结果基本一致。50213工作面回风巷底鼓主要是由底板岩性和应力集中所致，因此提出了以锚杆－混凝土组合结构来控制底鼓的防治措施，试验段观测结果表明，16 d后底鼓平均速率趋于稳定，最大底鼓量为0.153 m，较未支护时减少73%，底板控制效果较好，验证了支护参数的有效性。

• 动载扰动下深井护巷煤柱失稳破坏机理

  邢闯闯, 王俊, 宁建国, 沈圳,

  深部矿井护巷煤柱常处于“三高一扰动”的复杂环境，护巷煤柱稳定性对煤矿通风、运输与行人起着关键作用。针对动载扰动下深井护巷煤柱已发生突变失稳的问题，以新河煤矿−980 m水平3煤层6302工作面南部集中大巷保护煤柱为工程背景，基于FLAC3D模拟软件研究了动载扰动下深部护巷煤柱破坏失稳演化过程，分析了动载强度、煤柱尺度对煤柱动力破坏演化的影响规律，进而建立了护巷煤柱动力失稳尖点突变失稳模型和判别式，揭示了动载作用下深井护巷煤柱破坏特征及突变失稳机理。研究表明：①增大护巷煤柱尺寸能够提高稳定性，减小其失稳破坏的几率；②外部动载冲击强度越大，护巷煤柱易发生整体失稳破坏；③基于护巷煤柱承载力学模型，利用尖点突变模型和弹性薄板理论推演了与外部动载强度、煤柱尺寸等因素有关的煤柱稳定性判别式，提出了动载扰动下深井护巷煤柱失稳破坏判别方法，并进行了工程验证。研究成果丰富了煤柱失稳类冲击地压的预防和控制理论体系，为现场工作面回采护巷煤柱的留设及维护提供可靠的理论指导。

• 一种基于弹性理论的大采高区段煤柱合理尺寸计算方法

  于远祥, 解智勋, 胡梦玲, 邵红旗, 常石峰, 白永彪,

  不同工况下区段煤柱两侧支承压力分布及岩体变形存在显著差异，考虑煤柱两侧不同支承压力对煤柱整体稳定性的影响，基于大采高区段煤柱的弹性力学计算模型，分析了支承压力下煤柱任一单元岩体的应力应变分量。通过建立大采高煤柱弹塑性界面上岩体的柱条模型，确定在0.65倍煤柱高度处单元岩体将首先发生水平拉伸破坏，利用虎克定律提出了该单元岩体极限拉应变与煤柱极限平衡区宽度的关系式。依据煤柱破裂区岩体的受力特征，运用摩尔库伦准则推导了煤柱破裂区宽度的计算公式。结果表明：①煤柱极限平衡区宽度与岩体极限拉应变和弹性模量反相关，与煤柱埋深和煤柱高度正相关；②煤柱高度及其与顶底板的界面摩擦角是影响破裂区宽度的关键性因素；③煤柱两侧不同工况下，煤柱岩体极限拉应变与其所受侧压呈正变关系，区段煤柱采空区侧所受侧压较巷道侧偏大，采空区侧岩体的极限拉应变也相应较大，表现为采空侧极限平衡区宽度较巷道侧偏小。最后，将上述理论公式应用于陕北某矿30109工作面大采高区段煤柱极限平衡区和破裂区宽度的分析计算，给出了该工作面两侧区段煤柱的合理宽度及其支护方案。工程应用表明，30109工作面区段巷道围岩变形控制效果良好，满足现场生产需求。

• 考虑工作面出煤柱尺度效应的下位回采巷道布置优化

  吕凯, 何富连, 许旭辉, 王福忠, 秦宾宾, 李亮,

  针对遗留煤柱对下位巷道及采场产生的不利影响，以近距离煤层下行开采为背景，采用理论解析及现场实测等方法，对煤柱下底板偏应力不变量的区域特征、工作面出煤柱压架灾害的发生机理及其尺度效应展开研究。结果表明：①当上煤层相邻工作面开切眼位置不平齐时，下位巷道通过采取平错式布置，在保障巷道自身稳定的前提下，成功将工作面全长出一侧采空煤柱转化为2次小范围的出煤柱过程，实现对采场压架灾害的提前防治。②采用偏应力第二不变量(J2)、偏应力第三不变量(J3)和偏应力第二不变量(J2)水平变化率解析煤柱下方底板岩层的应力状态，并对底板进行分区，确定下位巷道平错距离的下限值为24 m。③工作面出煤柱期间，初次来压或周期来压与顶板-煤柱系统突变失稳产生的动载矿压耦合叠加形成冲击是压架灾害发生的根本原因，计算出煤柱尺度效应，得到平错距离上限值为36 m。燕子山煤矿工业性实践验证了下位巷道采取平错式布置且平错距离为30 m的可行性与合理性。

• 正断层上盘开采断层附近应力时空分布数值模拟

  郭长升, 王学滨, 薛承宇, 张钦杰, 吕进国, 张智慧,

  采动引起的断层错动是诱发矿震和断层冲击矿压的主要原因之一。在现有的数值模拟研究中，断层上测点的数量较少，以致于对断层各处力学状态全貌的了解较为困难。而且，针对煤层应力分布的研究通常仅限于垂直应力（支承压力），而对其它应力尚缺乏了解。为研究采动条件下断层附近应力时空分布，采用FLAC3D建立了正断层上盘开采的数值模型。模型中共包括13个岩层和1个45°倾角的正断层，通过计算获得了工作面从断层上盘推进过程中断层各处及附近煤层应力的时空分布规律。监测了断层上盘断层上的22个节点以获取断层各处力学状态全貌。研究发现，在工作面推进过程中，断层上存在1个压紧区及1个或多个松动区；断层上的压紧区较为安全，压紧区上、下方松动区的正应力越来越低，当工作面邻近断层时该区的断层区段多趋于危险，该区范围最大为78 m；断层上盘煤层紧邻工作面煤壁的垂直、水平和切应力峰值分别位于煤壁前方7.5～10.5、10.5～15.5和11.5～12.5 m；断层下盘煤层3种应力最大值均上升或有上升趋势。当工作面煤壁距断层的水平距离由40 m减小至20 m时，断层上盘煤层垂直、水平和切应力受断层影响较显著的区域通常分别在距断层3.5 、10.5 m和3.5 m以内。

• 坚硬顶板超前深孔预裂爆破类型及效果评价分析

  赵志鹏, 闫瑞兵, 丛俊余,

  为验证不同爆破方式对岩体裂隙发育及顶板冒放性情况，以宽沟煤矿I010203工作面为工程背景，开展坚硬顶板深孔预裂爆破技术研究，采用理论分析、数值模拟、现场试验、监测分析等研究方法分析多巷爆破类型对冲击地压的影响。根据不同爆破位置及先后顺序进行工程类型划分，提出5种爆破类型，模拟分析与现场实践3种类型。得出以下结论：①依据理论分析确定深孔预裂爆破参数，顶板处理高度40 m，炮孔间距10 m，呈扇形布置；②分析对比不同方案裂隙度发育情况，煤体内部裂隙破碎范围明显大于岩体内部，“反三角型”爆破破裂体积远大于其他类型，优于其他爆破类型；③根据现场效果分析，“斜一字型”进一步加剧非爆破区域内微震事件聚集区的煤体应力集中程度和顶板活动强度，大能量事件的发生频次增加；“一字型”能够起到降低非爆破区域内微震事件聚集区的煤体应力集中程度的效果，但对聚集区的消除和转移效果不明显；“反三角型”有效降低爆破区域和非爆破区域的顶板活动强度和煤体应力集中程度，大能量事件的发生频次降低，确定了最优超前深孔预裂爆破顺序，降低了工作面发生冲击地压的危险性。

• 黄土沟壑基底排土场滑坡的空间演化机制

  王东, 张岩, 李广贺, 邢晓宇,

  外排土场是露天采矿的必然产物。由于特殊的地形地貌，我国中西部的一些露天煤矿将排土场建立在沟壑发育的黄土基底上，形成了基底软弱、形态极其复杂的黄土沟壑基底排土场，其稳定性将成为影响露天煤矿安全高效生产的重要因素。因此，为揭示黄土沟壑基底排土场变形破坏的空间演化规律，以准能公司黑岱沟排土场为工程背景，基于断续结构面理论和强度折减理论，并考虑起伏结构面的啃断与爬坡效应，分析了黄土沟壑基底和排土场的破坏机理；采用FLAC3D数值模拟手段，研究了排土场变形破坏的空间演化过程，并通过分析黄土沟壑基底排土场和各剖面的最大位移云图及临界失稳时变形区位置，确定了黄土沟壑基底排土场的滑坡模式及滑坡区域。研究结果表明，黄土沟壑基底面可视为一起伏无充填结构面，在排土场载荷与剪切作用下会形成啃断与爬坡效应，即排土场将发生剪断部分凸起的非规则曲面滑坡；黑岱沟排土场易在排弃物载荷作用与沟壑基底形态的双重影响下，边坡上部岩体先发生变形，并挤压中、下部岩体发生变形，位于南北中轴线两侧的变形区向北部坡底扩展，形成类椭球形变形区，最终演化成推动式滑坡。研究结果可为黑岱沟排土场滑坡预警和边坡治理提供技术参考，为类似排土场边坡稳定性研究提供借鉴。

• 深部充填开采矸石−粉煤灰料浆流变特性研究

  徐文彬, 陈伟, 张亚伦, 陈波岑,

  充填开采是煤矿绿色开采技术体系关键环节之一，针对充填过程中的矸石−粉煤灰基充填料浆的输送技术问题，设置了不同质量浓度、粉煤灰掺量、养护温度和时间等参数，开展了温-时耦合效应下矸石-粉煤灰充填料浆流变测试试验，探究各参数对料浆流变特性的影响。通过正交极差分析温度和静置时间对料浆屈服应力影响权重，并建立温-时耦合效应下流变参数回归模型。试验结果表明：质量浓度对料浆的流动性能影响显著，随质量浓度的增加，料浆剪切应力与剪切速率线性相关性降低，质量浓度为78%时兼具较好的流动性和稳定性；粉煤灰掺量增加会提高料浆的剪切应力和剪切增稠的程度，粉煤灰掺量为85%时料浆屈服应力最大，粉煤灰掺量75%次之，粉煤灰掺量65%最小；高温加速了料浆的水化反应速率和增强了粉煤灰的火山灰反应活性，静置120 min时养护温度50 ℃时屈服应力较20、35 ℃增幅分别为44.5%、37.5%。静置时间对料浆屈服应力的影响程度强于温度，粉煤灰掺量为75%时，温度20 ℃条件下料浆静置120 min后屈服应力比静置0 min增加了133.7%；不同温度条件下，料浆屈服应力随静置时间均呈线性增长趋势，拟合度均在0.9以上；最后，建立温−时耦合效应下料浆的屈服应力演化模型。通过理论模型计算结果与试验结果对比，平均误差在5%，拟合效果较好，可为煤矿充填管道输送阻力计算提供参考。

• 冻融循环后红砂岩静动态劈裂拉伸性能对比分析

  张阳阳, 黄伟,

  研究冻融循环作用后岩石的劈裂拉伸性能对分析寒区岩体稳定性具有重要的参考价值，以寒区典型的红砂岩为研究对象，对红砂岩开展了0、5、10、15、20次冻融循环试验，研究了冻融循环次数对红砂岩纵波波速、干密度和孔隙率的影响规律，采用岩石试验机和ø50 mm分离式Hopkinson压杆实验系统，进行了不同冻融循环次数后红砂岩试样的静、动态力学性能试验，分析了冻融循环次数对红砂岩静、动态强度、变形和破坏形态的影响，基于纵波波速的变化定义了红砂岩的冻融损伤度。研究结果表明：随着循环次数的增加，红砂岩内部裂隙不断扩展，矿物颗粒之间黏结力逐渐减弱，试件的纵波波速和干密度逐渐减小，而孔隙率和损伤度逐渐增大；红砂岩的静、动态劈裂拉伸强度随冻融次数的增加逐渐下降，而达到峰值应力所需的时间逐渐增加，20次冻融循环后，红砂岩试件的静、动态劈裂强度分别降低了41.88%和21.93%。相同冻融循环次数条件下，红砂岩试件的动态劈裂强度比静态劈裂强度提高了2.0～3.5倍。静态劈裂条件下，红砂岩试件呈中心劈裂破坏模式，与静态相比，试件的动态破碎形态在加载两端出现明显的压碎区域，且区域面积随循环次数的增加不断增大，破碎区的碎块尺寸逐渐减小。红砂岩内部的损伤度随循环次数的增加呈对数增大。

• 地面井分区式瓦斯抽采技术体系及工程实践

  李延河,

  为有效减少煤层瓦斯含量，实现瓦斯资源的高效利用并降低井下瓦斯治理难度，结合首山一矿现场地质特征，构建了地面井分区式瓦斯抽采技术，旨在实现矿区瓦斯治理体系化。基于采矿活动的时空分布特征，将井田划分为未采区、采动区和采空区，分区建立不同地面井进行瓦斯抽采，实现瓦斯治理向瓦斯利用并重转变。体系化瓦斯治理技术包括地面井井位科学布置、井身结构及施工设计、未采区储层压裂增透和排采与集输工程4部分。综合考虑空间层位、煤层特征、地面位置、煤层回采和瓦斯赋存条件进行地面井井位选取。在采动区，基于煤层回采后垮落带和裂隙带高度，设计采动区直井和L型井井底层位分别位于裂隙带中上部，借助本煤层回采的卸压效果，实现区域内多煤层瓦斯高效抽采。设计了未采区L型井井身、采动区直井井身、采动区L型井井身和采空区直井井身。对未采区煤层进行水力压裂实现煤层增透，选用定向射孔+泵送桥塞式光套管压裂的复合压裂工艺进行煤层压裂，采用深穿透加强弹进行射孔作业，支撑剂采用0.841/0.42 mm石英砂。在首山一矿进行地面井分区式瓦斯抽采技术工程实践，统计了矿区内不同类型地面井瓦斯抽采情况，结果显示：采动区地面井单井瓦斯日产量最高可超过4万m3，单井累计瓦斯抽采量高达259.7万m3，井田区域内目前在抽钻井11口，累计抽采量高达1425.2万m3。现场效果检验表明实施地面井分区式瓦斯抽采技术可实现瓦斯的高效抽采，形成了“采一层治多层”的瓦斯治理模式。

• 综掘工作面硫化氢抽取−净化一体化治理技术

  王富忠, 刘奎, 龚小兵, 赵凯, 张尧, 李定富,

  硫化氢煤巷综掘工作面掘进时，受巷道独头通风作用，在掘进工作面迎头区域内极易造成硫化氢气体积聚、超限。为治理煤矿综掘工作面硫化氢气体积聚、超限所带来的作业人员伤亡及设备损害，采用CD4型硫化氢便携仪检测硫化氢气体体积分数的研究方法，对硫化氢气体涌出分布规律、掘进机停止割煤后硫化氢气体体积分数随时间变化规律进行了测试分析；揭示出综掘机割煤扰动是诱导综掘工作面硫化氢气体涌出的主因，且涌出后在回风流沿程方向上以及顶底板高度方向上均呈现出逐渐减小的分布规律。采用理论分析、实验室及现场实测试验手段，提出了煤矿综掘工作面硫化氢抽取−净化一体化治理的新技术方案，研究了硫化氢抽取−净化一体化治理机理，研制出用于煤矿综掘工作面硫化氢抽取−净化一体化治理的工艺技术及配套装置。现场应用研究表明，综掘工作面硫化氢抽取−净化一体化治理装置的抽吸风口后1 m及出风口后1 m位置，硫化氢气体涌出体积分数分别由抽取−净化前的169.2×10−6 、155.9×10−6 降至抽取−净化后的13.9×10−6、10.2×10−6，综掘工作面硫化氢抽取效率达到91.8%，硫化氢净化效率达到93.5%，硫化氢危害治理效果良好，为煤矿综掘工作面硫化氢灾害的治理提供一种新的技术途径。

• 低阶长焰煤细观结构定量分析与表征单元确定

  丁自伟, 高成登, 王耀声, 李亮, 唐青豹, 贾金兑, 李小菲, 王少懿,

  表征单元体(REV)作为量化多孔介质材料尺度效应的一种基本方法，是构建煤体宏-细观跨尺度结构模型的有效手段。为提高煤体细观结构REV结果的准确性，基于煤样细观尺度下孔裂隙结构特征研究，提出了煤样细观结构定量表征方法，以煤样试件不同位置与不同破裂方向的423个尺度下的孔裂隙二值图像为依据，分别从孔裂隙分布密度、几何形状、方位定向3个角度分析了煤样细观结构的几何特性。在考虑 煤体非均质性与各向异性的采样方法基础上，分析了REV尺寸的空间效应与方向效应，最后，利用变异系数法确定了合理的煤样细观REV尺寸。采用图像处理、统计学与变异系数判别相结合的方法对低阶长焰煤细观结构的定量表征与REV确定方法展开相关研究。研究结果表明：①针对灰度不均、边界模糊、对比度低的煤样SEM图像提出了一种孔裂隙结构准确识别与定量分析的方法；②确定了反映煤样各向异性的细观结构定量表征指标，包含孔隙率、整体形状因子、分形维数与定向分布系数；③与平行层理相比，垂直层理方向微裂隙更为发育，孔隙率为平行层理的2 倍，大孔径孔隙贡献率为85%，具有较强的空间充填能力，孔裂隙整体形态规则性较差，但边缘形态光滑性较好，定向分布更趋于简单；④基于变异系数可接受值10%确定了煤体细观结构表征单元尺寸为200 μm×200 μm。

• 基于指标气体法对水浸煤的氧化特性研究

  易欣, 葛龙, 张少航, 邓军,

  为研究水分对煤氧化特性的影响，通过煤自然发火试验确定能预报煤自燃的复合气体指标，然后采用程序升温试验测试不同含水率煤样氧化过程中复合气体指标的变化，研究在水分的影响下所产生复合气体指标的变化规律，同时探讨煤样的含水率对煤氧化特性的影响规律和作用机制。研究结果表明：煤自然发火温度与φ(CO)/φ(CH4)、φ(C2H6)/φ(CO)、φ(CO)/φ(CO2)以及Graham指数有明显关系。含水率对煤氧化升温过程中的影响在不同温度呈现出不同的阶段特征：在30～120 ℃时，水分对煤氧反应既有催化作用，也有抑制作用，而抑制作用占主导地位，表现出抑制作用最好的含水率为20%；在120～140 ℃时，水分对煤氧化反应的抑制作用减少，且水分作为反应物参与到煤氧反应中进而表现出水分对煤氧化的促进作用，此时水分对煤氧反应以化学促进为主，促进效果最好的含水率为10%；在120～140 ℃时，则由于水分蒸发使得煤样的原有孔隙体积增大并且产生了新的微小孔隙，变得更有利于煤氧化反应的发生，进而表现出对反应的间接促进作用，促进效果最好的含水率为15%。最终确定在水分的影响下，可以较为准确预报煤自燃的复合气体指标为φ(CO)/φ(CH4)、φ(C2H6)/φ(CO)和Graham指数。研究结果可丰富现场实际煤自燃的参数指标，增加高湿度煤层的开采安全性和自燃预测的准确性，有效地减少和预防煤自燃事故的发生。

• 煤与煤层气资源开发全过程阶段划分及其开发效果评价

  李丹, 苏现波,

  为更好地认识煤与煤层气两种资源开发的全过程，科学评价各阶段开发效果，基于煤层气矿业权和煤炭采矿权分置的现实以及现行的煤炭和煤层气开采的安全生产许可制度，考虑不同类型开采企业的性质和特点以及不同时空煤层气开发对煤炭生产的影响，对煤和煤层气开发全过程进行了系统研究分析。研究结果表明：煤炭与煤层气开发全过程可分为相互独立又相互联系的4个阶段，即：单纯性煤层气开发阶段、互惠性煤层气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发阶段。但随着“煤层气勘查、开采结束前，不设置煤炭矿业权”规定的落实，将来煤炭与煤层气开发仅有单纯性煤层气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发3个阶段。基于各开发阶段不同的的开发目标，提出了各阶段开发效果评价的内容和方法，用于指导各开发阶段开发方案的优选。

• 煤层气开发井网密度和井距优化研究 以韩城北区块为例

  王之朕, 张松航, 唐书恒, 王凯峰, 张迁, 林文姬,

  煤层气井网密度及井距优化是影响煤层气产量和经济效益的重要因素，井网密度及井距的设计优化是煤层气开发方案的重要组成部分。当前对于煤层气开发井距的研究大多单一考虑产能因素或者是经济因素，对于二者综合评价研究较少。为探究煤层气开发井网密度和井距的最优方案，并综合评价煤层气井的产能与经济效益，以韩城北区块为研究对象，基于区块基本地质条件和煤储层物性资料，确定了煤层气开发适用的井网样式和井网方位。通过经验对比法、单井合理控制储量法、经济极限井距法、规定单井产能法和经济极限井网密度法计算并讨论了韩城北区块煤层气开发井网密度和井距部署方案。利用煤层气产能数值模拟软件Comet3，模拟和评价了不同井距开发方案下的产能，并采用折现现金流法进一步从经济评价角度优化了煤层气开发井网密度。结果显示，韩城北区块煤层气开发适用的井网样式为矩形井网；井网方位为NE49°；数值模拟结果表明，当井距为200 m×250 m时煤层气井稳产期产能最高，累计产量最多；依据1 km2不同井距布井方案的经济评价对比显示，当井网密度大于10口/km2时，该区块煤层气开发具有经济效益，其中井网密度为20口/km2即井距为200 m×250 m的方案内部收益率为11.27%，净现值为1 437万元，投资回收期为7.49年，经济指标最优。综合分析认为，韩城北区块最佳开发井网密度为20口/km2，最佳井距方案为200 m×250 m。

• 改进压汞表征方法及其在褐煤储层中的应用

  刘丁, 许浩, 汤达祯, 辛福东,

  压汞试验由于其模型简单且测试范围广、速度快、精度高等优点，被广泛应用于多孔材料孔隙表征。而褐煤样由于变质程度低，压实作用弱，煤质松软，易受麻皮效应、基质压缩效应等影响，导致测试结果存在较大误差。为提高压汞试验测试精度，对研究区（二连盆地）褐煤样压汞数据进行校正。首先基于各样累计进汞曲线及分形特征，确定各样排驱压力及麻皮系数。其次针对传统基质压缩效应校正方法在低压段校正不足，高压段校正过度的缺陷，提出了基于三次样条插值、分段求取煤样基质压缩系数的新方法，提高数据利用率及校正结果的准确性。最后，联合压汞及液氮吸附试验数据分析了该区褐煤样孔隙发育情况。研究结果显示，麻皮效应对块状煤样的主要影响范围为<0.027 4 MPa压力段，麻皮系数均值为16.9%。基于新方法计算该区褐煤样平均基质压缩系数介于1.73×10−4～3.48×10−4 MPa−1，均值为2.28×10−4 MPa−1，且随煤样孔隙流体压力、有机质含量、含矿物基腐植组含量增加，煤基质压缩系数增大，基质压缩校正前后进汞量下降0.038 3～0.079 2 mL/g，平均降幅为35.1%。研究区褐煤孔容（>1.7 nm）介于0.03～0.25 cm3/g，均值为0.15 cm3/g，孔隙由微孔至大孔孔容占比均值依次为12.5%、16.8%、16.2%、54.5%，B-E-T比表面积介于2.4～37.19 m2/g，均值为13.85 m2/g。煤样孔径分布曲线自然分为Ⅰ（>5 μm）、Ⅱ（0.1～5 μm）、Ⅲ段（<0.1 μm），其中Ⅰ段孔隙主要为管胞及胞腔孔，Ⅱ段孔隙主要为纹孔及气孔，Ⅲ段孔隙主要为链间孔及分子结构孔，Ⅰ、Ⅱ段孔隙孔容与含矿物基惰质组含量呈正相关，Ⅲ段孔隙孔容受变质程度控制，且与Ro呈正相关。

• 陕西省富油煤分布及受控地质因素

  杨甫, 段中会, 马丽, 付德亮, 田涛, 贺丹, 岳明娟,

  煤的绿色清洁高效利用是煤炭工业可持续发展的重要途径。陕西省煤炭资源丰富，主要含煤区分布于陕西北部的五大煤田，富油煤资源更是位居全国首位。通过收集以往地质勘探资料和针对性采集陕北榆神矿区某煤矿煤心进行化验测试分析，探讨陕西省富油煤分布特征及影响煤焦油产率的地质因素。结果显示，陕西省富油煤以陕北侏罗系煤田为最优，焦油产率分布于7.6%～15.3%；物质组成、生油潜力、热演化程度及成煤环境控制着煤的焦油产率的大小和分布。基质镜质体、挥发分产率、H元素含量及H/C原子比等与煤的焦油产率呈正相关关系，相关系数较高，岩石热解参数中烃指数与焦油产率的相关性高，可作为快速判别煤焦油产率的指标；煤焦油产率随着热演化程度的增加呈现先增加后减少的趋势，且在Ro约0.9%时，达到最大值；沉积环境水体微流动、强还原、浅覆水−微流动的泥炭沼泽相的煤焦油产率值越高。研究结果为富油煤的地质预测提供借鉴。

• 基于PCA-AWOA-ELM模型的矿井突水水源识别

  于小鸽, 刘燚菲, 翟培合,

  矿井突水是煤矿生产过程最具威胁的灾害之一，为了保障煤矿安全生产，提高矿井突水水源识别精度，提出一种基于改进鲸鱼优化算法（AWOA）耦合极限学习机的水源识别模型。以岱庄煤矿为例，选取Na+、Ca2+、Mg2+、Cl−、SO4 2−、HCO3 −作为判别指标，基于SPSS因子分析提取评价指标主成分，6种离子间相关性较大，Ca2+和Mg2+，Ca2+、Mg2+与SO4 2−、Cl−之间的相关性均达到了0.7以上，SO4 2−和Cl−之间的相关性也达0.68，通过主成分分析提取了3个主成分，从六维空间降低到三维空间，在减少了样本指标之间信息重复的同时，也减少了极限学习机输入层数量，提高了模型对各类型数据的泛化能力。其次，引入混沌动态权重因子和精英反向机制对鲸鱼算法进行改进，改进的鲸鱼优化算法克服了极限学习机权值阈值随机取值的缺点，混沌动态权重因子、精英反向机制的引入降低了模型计算复杂度，提高了算法精度，算法速度，跳出了局部寻优。通过训练38组样本数据，优化极限学习机的权值和阈值，最终构建PCA-AWOA-ELM水源识别模型，并对10组未知的测试样本进行预测。结果表明，PCA-AWOA-ELM模型的预测精度达100%，PCA-WOA-ELM模型精度为90%，PCA-ELM、ELM模型精度为60%，PCA-AWOA-ELM模型识别精度、运行速度、稳定性均明显高于PCA-WOA-ELM模型、PCA-ELM模型和ELM模型，为矿井安全生产提供了重要保障。

• 导水裂隙带发育高度预测模型对比研究

  寻博辉, 吕义清, 姚星,

  为了提高导水断裂带发育高度预测的准确性，通过收集以往地质采矿条件相似地区导高实测数据，综合分析取采高、埋深、倾角及工作面斜长4个因素作为算法模型的导高主要影响因子，利用工程探测、机器学习和数值模拟相结合的方法，对采矿覆岩导水断裂的发育特征进行分析研究。通过钻孔试验以及数控摄像技术对浅埋煤层综采条件下的导水断裂带发育高度进行实测；通过构建基于自适应粒子群算法优化最小二乘支持向量机回归算法（APSO-LSSVR）和UDEC数值模拟的导高预测模型，结合实测导高数据确定华宁煤矿覆岩破坏高度计算方法。结果表明：研究区实测导水断裂带发育高度处于60.3~90.6 m；基于APSO-LSSVR算法的导高模型的预测结果与真实值的拟合优度为94.79%，均方根误差为1.6523，预测的准确性较高，将其应用到研究区不同工作面导水断裂带高度的预测中，该模型与实测数据相比平均相对误差为1.36%，相较于传统UDEC数值模拟预测方法，其准确性相对提高了9.03%。可以看出经自适应粒子群算法优化后的支持向量机模型对于数据特征较小的数据集合处理性能较高，能够较好反映导水断裂的发育情况，可满足实际开采需求；将基于APSO-LSSVR的导水断裂带发育高度预测模型应用于研究区待开采的22109、22110工作面，得出22109工作面导水裂隙带为62.7 m，22110工作面导水裂隙带为67.3 m。

• 基于层次分析法的地面区域治理目的层位优化选择

  谢治刚, 孙贵, 随峰堂, 许光泉, 张海涛, 卜军, 詹润,

  鉴于两淮煤田太原组地层灰岩多达10～13层，地面区域治理的目的层位具有不惟一性，以潘二煤矿西四采区18413工作面为例，对目的层位的优化选择问题进行研究。突水系数要求是目的层位优化选择的前提，决定了目的层位的选择范围，以C3 6灰岩为目的层位，经计算得出其突水系数小于临界值，因此，推断C3 6～C3 12灰岩为潜在的目的层位。水动力条件、含水层水力联系、导水构造、灰岩间距、灰岩厚度、地层可注性等影响因素是目的层位优化选择的关键指标，而单因素分析确定的目的层位之间具有不相容性，难以实现目的层位的优化选择，因此，采用层次分析法进行目的层位的优化选择。以地面区域治理目的层位的优化选择为目标层，水动力条件、含水层水力联系、导水构造、灰岩间距、灰岩厚度、地层可注性为准则层，太原组C3 6、C3 7、C3 8、C3 9、C3 10、C3 11、C3 12灰岩为方案层，建立层次分析模型；构造目标层与准则层、准则层与方案层的判断矩阵，并计算准则层各指标的权重及方案层各方案的单因素分值，经检验一致性比例CR值均小于0.10，判断矩阵一致性较好，满足一致性检验；通过层次总排序计算得到各方案的总分值分别为0.177、0.169、0.170、0.214、0.103、0.114、0.053，其中C3 9灰岩总分值最大，表明地面区域治理最优目的层位为C3 9灰岩。将层次分析法应用于地面区域治理目的层位优化选择的研究，将定性问题转化为定量问题，实现了目的层位的多因素定量化优化选择，为目的层位的优化选择提供了新方法。

• 国内外自动锚杆钻架类型特点及研究方向

  高志强, 郭治富,

  锚杆支护水平制约着巷道掘进速度和安全性，同时也是实现巷道掘进无人化、智能化发展的卡脖子问题之一。钻锚机器人是解决锚杆支护施工痛点问题的必由之路，其核心部件为自动锚杆钻架。系统梳理了自动锚杆钻架技术路线图，总结归纳出各关键部件共性架构，综述了国内外自动锚杆钻架类型特点、技术水平及适用工况，指出了自动锚杆钻架技术的研究方向。首先按照布局型式将国外自动锚杆钻架划分为转塔式、切换式和自钻式3类，并从钻孔功率、回转扭矩，锚杆仓容量和性能特点方面进行了对比分析，在此基础上，归纳了国内自动锚杆钻架布局型式及性能指标参数，从功能和驱动元件数量2个方面分析了国内自动锚杆钻架存在的不足。其次系统阐述了自动锚杆钻架结构各组成部分的型式：包括钻孔装置、锚固剂注入装置、锚固装置、锚杆仓，阐述了各组成部分的工作原理和结构特点。最后通过分析国内外自动锚杆钻架的技术发展特点，依据我国煤矿巷道锚杆支护工艺现状，归纳了自动锚杆钻架技术存在的问题，提出了自动锚杆钻架技术研究方向，包括自动锚杆钻架传感器与驱动元件研究，自动锚杆钻架智能控制技术研究，自动锚杆钻架与钻具适用性研究，自动锚杆钻架模块化和系列化研究等。自动锚杆钻架技术的发展必将实现钻孔、注药、锚杆装填和锚固协同一体化作业，达到机械自动化锚杆支护目标，最终推动煤矿巷道掘进工作面智能化、无人化的建设。

• 新型矿用组合折纹柱构件防冲吸能特性分析

  许海亮, 郭旭, 宋义敏, 安栋,

  巷道防冲吸能支护能有效防治冲击地压发生，减小突发灾害带来的人员伤亡和财产损失，已取得较好的应用效果。防冲吸能支护中最为关键部位是防冲吸能构件，为提高防冲吸能构件的性能，针对现有矿用防冲吸能构件中存在的不足，依据塑性变形区域最大化原则，提出了一种新型矿用组合折纹柱构件。采用有限元数值模拟方法对新型矿用组合折纹柱构件与现有矿用方形预折纹构件进行对比分析，同时对新型矿用组合折纹柱构件在不同侧壁坡度、不同壁厚情况下吸能特性进行研究，使新型矿用组合折纹柱构件结构达到最优。结果表明：①在相同璧厚情况下，新型矿用组合折纹柱构件其峰值承载力、平均压溃承载力、总吸能、比吸能均有增长，其中平均压溃承载力提升34.2%、总吸能提升近33.6%，比吸能提高127.4%，新型矿用组合折纹柱构件防冲吸能性能优势明显；②随着侧壁坡度降低，压溃峰值承载力、承载力波动系数降低，平均压溃承载力增加，总吸能与比吸能轻微增加；③随着新型矿用组合折纹柱构件薄壁厚度增加，压溃峰值承载力、压溃平均承载力、总吸能与比吸能增加，承载力波动系数先减小后增加。通过对新型矿用组合折纹柱构件侧壁坡度与壁厚防冲吸能特性分析，当新型防冲吸能构件侧壁坡度为1.2、构件厚度为7 mm时，构件满足恒阻与大变形的要求；④可以通过平衡侧壁厚度和构件与刚性板接触摩擦因数来进一步降低承载力曲线波动。

• 基于金刚石串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层无人工作面开采方法探索

  汪永印, 高林, 杨得礼,

  为解决贵州省的“难以实现机械化开采的关键4%煤层”，主要是倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层机械化开采的难题，首次提出了倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层基于金刚石串珠绳锯的工作面无人化巷道放顶煤开采方法。系统阐述了改造广泛应用于地面采石场、桥梁工程等的金刚石串珠绳锯为液压动力的方法，以便满足煤矿井下瓦斯环境的使用要求；分析了基于金刚石串珠绳锯的无人工作面巷道布置系统及通风系统；详细介绍了应用于采煤工作面的金刚石串珠绳的结构特点、安装工艺、切割方法以及回采工艺；研究了金刚石串珠绳锯对倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层巷道放顶煤工作面煤体与顶底板的分离切割、对煤体内部进行预切割、预破碎的方法，从而达到提高巷道放顶煤无人工作面的区段高度，提高采出率，降低含矸率的目的，进而实现急倾斜薄及中厚煤层的安全高效开采；研究了巷道放顶煤液压支架与金刚石串珠绳锯的工序配合关系以及巷道放顶煤液压支架沿走向布置时与刮板输送机的配合关系；通过与倾角大于60°的急倾斜薄及中厚煤层的其他开采方法的比较，论证了基于金刚石串珠绳锯的急倾斜薄及中厚煤层工作面无人化的高效、安全、机械化开采的可行性及优越性，为后续急倾斜薄及中厚煤层智能化开采方法的研究提供了机械化基础。

• 基于同态滤波方法的煤矿井下图像增强技术研究

  龚云, 颉昕宇,

  视觉同位定位与地图构建技术在井下搜救工作中运用广泛，而机器人采集图像质量的好坏直接决定构图的质量，目前受煤矿井下粉尘和光源的条件影响，收到的图像信息存在的灰度偏暗和对比度低的问题，所以井下图像的增强效果有待提高。针对这一问题，提出一种在HSV空间下结合加权分布自适应伽马校正(Adaptive Gamma Correction with Weighting Distribution, AGCWD)的同态滤波方法。首先对经典同态滤波算法中存在高亮区和阴影区的过增强问题，用AGCWD算法对HSV空间下V分量的像素概率密度进行自适应的伽马校正，非线性地映射出新的概率分布，提高同态滤波对高光区和阴影区的适用性；再使用单参数同态滤波进行处理，以缓解多参数导致的参数过难选择问题；为了保留图像的细节，对单参数同态滤波后的结果进行对比度受限的自适应直方图均衡化(Contrast Limited Histogram Equalization, CLAHE)处理；最后进行HSV逆变换得到RGB空间下的图像，完成图像的增强。结果表明，改进的同态滤波算法相较于CLAHE算法，均值、标准差、峰值信噪比(PSNR)和信息熵分别提高了65.29%、21.58%、17.03%、5.18%，相较于经典同态滤波算法分别提高了52.07%、40.73%、36.23%、8.96%。试验数据表明改进的同态滤波算法能够在增强图像的亮度和对比度、保留图像细节信息的同时还在一定程度上抑制了经典同态滤波对明暗差距大的像片的过增强现象。

• CPAM离子度对高泥化煤泥水沉降特性的影响研究

  樊有林, 常艇, 张锦龙, 徐宏祥, 崔家画, 田汉, 尹亚男,

  为研究不同离子度阳离子型聚丙烯酰胺（CPAM）对高泥化煤泥水的沉降特性与作用机理，使用李家壕选煤厂高泥化煤泥水研究对象，对其进行了粒度粒度组成和矿物组成等性质的研究。运用煤泥水絮凝沉降试验方法研究了CPAM的离子度对高泥化煤泥水沉降速度、澄清区浊度、压缩区厚度以及沉降动力学的影响。测试了煤泥颗粒表面Zeta电位，分析了不同离子度CPAM对煤泥颗粒Zeta电位的影响规律。使用Turbiscan Lab 稳定性分析仪对不同离子度条件下的煤泥水稳定性进行了研究。基于煤泥水沉降特性和动力学稳定性分析了CPAM离子度对煤泥水的沉降作用机理。研究结果表明：煤泥水中大量易泥化难沉降的高岭石颗粒和高细颗粒含量是煤泥水难沉降的主要原因。相同用量下，离子度较低时，CPAM对煤泥水的沉降效果较差；离子度高时煤泥水沉降速度较低，压缩区厚度较高，浊度较低；离子度较高时，煤泥水的沉降效果好，其中离子度为30%～60%的CPAM在用量为36 g/m3时，煤泥水的沉降效果最好，沉降速度快、浊度低、压缩区厚度薄。CPAM离子度对煤泥水沉降效果和稳定性有很大的影响。CPAM因其长链上含有带正电的活性基团易与带负电煤泥颗粒表面的吸附，能够降低颗粒表面的Zeta电位值，促进煤泥水沉降过程中絮团的形成，加快沉降速度，降低煤泥水稳定性和煤泥水沉降后的浊度，与煤泥水作用原理为“电性中和”“吸附架桥”和“网捕卷扫”，是一种性能优良的煤泥水处理药剂。

• 巯基改性褐煤的制备及其对Fe2+、Mn2+的吸附特性研究

  狄军贞, 曹洋, 赵文琦,

  针对酸性矿山废水中Fe2+、Mn2+含量高，褐煤吸附能力有限等问题，以褐煤为基料，选取硅烷偶联剂3-巯基丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）作为改性试剂对褐煤进行改性处理。通过单因素试验单独考察各影响因子变化对响应值的影响，应用响应面法（RSM）进一步确定了各影响因子的交互作用，利用EDS能谱、扫描电镜（SEM）、傅立叶变换红外吸收光谱仪（FTIR）等手段对复合材料进行了表征。结果表明，单因素试验确定巯基改性褐煤较优制备条件为褐煤粒径0.18 mm（80目）、褐煤与甲醇质量比为1∶3、反应温度40 ℃。利用Design-Expert软件进行优化配比，综合考虑去除率与成本后，提出本试验巯基改性褐煤的最佳配比为：褐煤粒径0.18 mm（80目），褐煤与甲醇质量比为1∶4，反应温度为40 ℃，其Fe2+、Mn2+去除率分别为84.2%、88.9%，饱和吸附容量分别为6.715、2.295 mg/g，较原褐煤Mn2+去除率提升44.9%， Fe2+吸附容量提高27.42%，Mn2+吸附容量提高29.01%。改性褐煤吸附Fe2+、Mn2+的等温吸附线均符合Langmuir模型，吸附符合单分子层吸附过程。由表征结果可知，褐煤经巯基改性后表面结构遭到破坏，出现大量孔道结构，极大增加了比表面积；同时，MPYMS分子结构中含有硅氧基和巯基，硅氧基易与含有巯基的载体物质发生水解反应，形成—C—Si—O—键，从而将巯基接枝到载体物质表面，且重金属离子与吸附剂表面集团的结合可能会促进其骨架变形或断裂，生成碎片分子，暴露更多的羟基，增加吸附点位，提高褐煤吸附能力。

• 烷基化法降低煤焦油沥青中毒性多环芳烃含量的研究进展

  张文硕, 申峻, 王玉高, 刘刚, 李瑞丰, 徐青柏,

  煤焦油沥青（简称“煤沥青”）是高温煤焦油常减压蒸馏后的残余物，尽管煤沥青在中国产量很大，但由于其具有较高毒性，因此限制了它的广泛应用。通过固体13C NMR和气相色谱/质谱联用等技术发现煤沥青的毒性来源于其含有大量的毒性多环芳烃(PAHs)，包括美国环保署(EPA)优先监控的16种PAHs，如荧蒽、芘和苯并a芘等。介绍了煤沥青的各种抑毒改性方法，包括化学交联法和物理化学法，现有的研究主要集中在化学交联法；通过对比煤沥青与石油沥青的分子结构，发现石油沥青中具有较高的脂肪族烃类，提出通过长链烯烃烷基化的方法，在PAHs上加上烷基侧链，生成无毒的长链烷基取代PAHs，以抑制煤沥青的毒性。因此重点阐述了烷基化交联改性方法，详细总结该方法的反应原理、所使用的催化剂，并对国内外有关改性试验结果和理论研究工作进行了综合分析，首先使用高斯模拟16种PAHs与烯烃的烷基化反应，得出其反应的一般规律；其次选取模型化合物进行烷基化反应，探讨在煤沥青改性过程中相关PAHs可能发生的反应及反应机理；最后将模型化合物烷基化实验所得到的反应条件应用到真实煤沥青体系，并分析改性前后煤沥青中美国环保署优先监控16种PAHs的降低情况，以及煤沥青抑毒改性后的沥青烟释放物和水可溶物变化情况等内容，同时对该方法的下一步研究应用热点和发展进行了展望，希望为国内外煤沥青的环境友好利用提供参考。

• 典型可燃气体小孔泄漏危险范围预测模型研究

  赵开功, 张晓蕾, 李长明, 陈刚, 盖泳伶,

  为了缓解我国石油资源紧张的现状，发展合成油工业作为我国石油资源的补充是合理的途径，而在化工合成中，大多数反应都需要在加压环境中进行。泄漏是最常见的事故之一，而现阶段对于加压装置、管道气体泄漏的研究还有待完善。因此，通过CFD(计算流体动力学)数值模拟的方法，以化工合成中常见的气体（H2、CO、CH4）为研究对象，气体泄漏后危险浓度的范围作为气体泄漏危险范围，利用Fluent软件开展不同工况下气体泄漏扩散模拟，以研究不同气体、不同泄漏压力、不同泄漏温度以及不同泄漏口直径情况下气体泄漏扩散规律及泄漏危险范围，并构建泄漏危险范围预测模型。研究表明，在其他因素不变的条件下，随着泄漏压力的增大，气体泄漏危险范围随之增加；随着气体温度的增大，气体泄漏危险范围随之明显降低；随着泄漏口直径的增大，气体泄漏危险范围随之明显增加。在3个变量中，泄漏口尺寸的增大对于危险范围的扩大最为明显，当气体泄漏压力由1 MPa提高到2 MPa时，3种气体泄漏危险范围增加10%左右；当气体温度由300 K提高到400 K时，3种气体泄漏危险范围同样增加10%左右，而当泄漏口直径由2 mm增加到3 mm时，3种气体泄漏危险范围增加50%。通过对于3种气体（H2、CO、CH4）数值模拟结果中的泄漏危险范围的长度、宽度数据的定量分析，并对于参量进行无量纲处理，最终分别得出3种气体（H2、CO、CH4）泄漏危险范围（长度、宽度）的预测模型，其中泄漏危险范围长度和宽度为压力比和温度比的函数，预测结果可为泄漏事故救援和应急处理提供参考依据。