煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2023年第9期

• 弱胶结地层重复采动条件下地表最大沉降模型研究及应用

  郭文兵, 韩明振, 杨伟强, 马志宝,

  弱胶结地层重复采动条件下的地表沉降特征对西部弱胶结矿区煤炭资源安全高效开采与生态修复具有十分重要的意义。采用理论分析、相似模拟、数值模拟及现场监测等方法，对弱胶结地层矿区重复采动条件下的覆岩运移规律及地表沉降模型进行了研究，并进行了工程应用。通过理论分析探讨了弱胶结岩石的碎胀性特征及重复采动覆岩运移对地表沉降的影响机制，建立了“弱胶结地层重复采动条件下地表最大沉降模型”，其中弱胶结岩石的碎胀系数、下层煤的采厚均与弱胶结地层重复采动地表最大下沉值之间呈线性关系。通过相似模拟、数值模拟分析了弱胶结地层重复采动覆岩与地表沉降特征。研究结果表明：弱胶结地层初次采动和重复采动覆岩离层高度发育规律基本一致，均呈现阶梯状上升；重复采动地表下沉曲线呈非对称性分布，最大下沉值偏于开切眼侧的规律；并给出了初次采动和重复采动后的覆岩最高发育高度、地表最大下沉值和地表下沉系数。采用已建立的地表最大沉降模型对现场地表最大下沉值进行预测，地表最大沉降模型预计值与工作面回采过程中现场实测值相近，验证了“弱胶结地层重复采动条件下地表最大沉降模型”的合理性，同时工作面回采结束后的地表最大下沉预计值可为现场实际工作提供参考依据。

• 厚松散层薄基岩下开采地表变形规律—以鲁南矿区为例

  刘辉, 李玉, 苏丽娟, 朱晓峻, 张鹏飞, 姚明明, 王金正, 王庆伟, 司光亚,

  我国东部厚松散层薄基岩矿区开采地表沉陷普遍具有下沉量大、移动范围广、稳沉时间长等特征。本文以鲁南矿区某煤矿为例，探讨了不同松散层与基岩厚度比条件下煤层开采的地表变形参数变化规律，在现场实测的基础上，采用FLAC3D数值模拟技术，建立不同松基比（0.25～5.00）条件下煤层开采的地表变形计算模型，研究了地表变形特征，分析了松基比对概率积分法参数的影响，并从开采沉陷的角度对厚松散层薄基岩条件进行了定量分析与探讨。研究表明：①在开采厚度相同条件下，当松基比不断增大时，地表变形量呈明显的先增大后减小特征，在松基比达到某一限值后，地表变形趋于稳定；②下沉系数、水平移动系数和主要影响角正切均随着松基比增大表现为先增大后减小的关系，松基比拐点分别为1.75、1.25和1.25；③松散层厚度在平均采深中所占的比例对移动角、边界角具有较大的影响，边界角、移动角随着松基比的增大逐渐减小。基于上述研究，提出将松基比为1.25～1.75作为厚松散层薄基岩条件的临界值，为我国东部典型厚松散层薄基岩矿区地表变形预计和开采沉陷灾害防控提供了理论基础。

• 近直立煤层冲击危险静动态评价方法研究

  陈建强, 宋大钊, 常博, 李振雷, 潘鹏志, 兰世瑞, 朱红伟, 杨华康,

  现有冲击地压危险评价方法以采掘前揭露的地质条件和开采技术条件为依据，属于静态评价，评价结果与真实情况存在差距，如何与采掘过程中的监测数据相结合得到更加符合实际的评价结果是需要进一步解决的问题。为此，综合地质及开采条件和监测数据，提出了一种冲击地压危险静动态耦合评价方法，并在典型近直立煤层工作面进行了应用。首先，通过改进综合指数法提出工作面采掘前静态评价方法，包括将综合指数法包含的评价指标进行线性归一化得到单指标危险指数，利用层次分析法对各评价指标赋权，通过加权求和分别得到地质因素和开采技术因素确定的危险指数，然后将两个危险指数加权平均得到静态评价危险指数；其次，利用监测数据构建了采掘过程中动态评价方法，包括根据微震和钻孔应力监测特点及其与冲击危险性的关系，构建了微震能量密度和钻孔应力变化率作为动态评价指标，将评价指标线性归一化分别得到震动场评价指数和应力场评价指数，将两者加权平均得到动态评价危险指数；最后，利用加权平均法将静态评价危险指数和动态评价危险指数进行耦合叠加得到耦合评价危险指数，根据该指数来确定危险等级和危险区域。上述方法在乌东煤矿+450B3+6工作面的应用结果显示，静态评价方法在工作面回采前划定4个中等冲击危险区和1个弱冲击危险区，动态评价方法判定工作面回采过程中岩柱侧具有较高冲击危险性，静动态耦合评价将静态评价的部分弱冲击危险区再评价为中等冲击危险区；通过工作面回采过程的支架压力监测数据、数值模拟结果和冲击地压显现事件对评价结果进行了检验，发现静动态耦合评价结果更符合现场实际。研究成果为冲击地压危险评价提供了一种新方法和新思路。

• 基于地应力反演的褶曲区煤层冲击危险性评价研究

  徐隽松, 潘鹏志, 陈建强, 赵善坤, 吴振华, 刘旭东,

  为科学评价褶曲区急倾斜特厚煤层的冲击危险性，并给冲击地压的防治提供理论指导，以乌东煤矿南采区的冲击地压防控为背景，建立了包含褶曲构造的数值模型；借助多元线性回归方法以及CASRock工程岩体破裂过程计算软件，进行了乌东矿褶曲区急倾斜特厚煤层地应力场的反演；以其中的B1+2煤层为研究对象，提取煤层、顶板和底板中的应力数据，绘制应力−埋深变化曲线，探究地应力场分布特征，确定地应力相关的危险性评价指标；根据地应力反演数据和前人的研究成果，从地质因素与开采条件等方面确定了冲击危险性评价指标；运用层次分析法，分别求出7项地质因素类指标和5项开采条件类指标的静态权重；将静态权重代入动态权重计算公式，并结合传统的综合指数法，对乌东矿南采区+500 m水平B1+2工作面进行危险性评估，对照冲击地压危险状态分级表可知，该工作面的冲击危险性为中等，与地质报告结论一致，验证了方法的合理性；运用该方法对不同埋深范围的煤层进行冲击危险性预估；同时设置对照组，运用传统的综合指数法评价相同区域的冲击危险性，结果显示该方法获得的危险性评分均高于传统方法获得的评分，说明该方法突出了评价指标中的危险性因素，克服了其他指标因素相互干扰引起的评估误差。

• 工作面过上覆遗留煤柱致灾机理及超前区域防治技术研究

  杨欢, 郑凯歌, 李彬刚, 李延军, 杨森, 王泽阳, 王豪杰, 戴楠,

  浅埋近距离煤层下伏工作面开采通过上覆遗留煤柱时，易发生强矿压动力灾害，造成人员设备损伤，严重威胁矿井安全生产。采用特征归纳、数值模拟计算、力学模型分析等研究方法，明确浅埋近距离煤层上覆遗留煤柱灾害发生规律，揭示强矿压致灾机理。研究表明：上覆遗留煤柱强矿压致灾机理为工作面出煤柱时，煤柱及上覆承载体受扰动突然失稳，能量瞬间传递至采场，以动能形式释放，造成强矿压动力灾害。基于“垮落充填体支撑+关键岩层弱化+应力传递路径转移”防治理念，提出通过改造煤柱及承载体运移空间、弱化关键岩层、均布集中应力及转移应力传递路径的分段水力压裂超前区域弱化防治技术，并在典型工作面开展工程试验。工程试验结果表明：水力压裂实施过程中，泵注压力峰值达23.4 MPa，压力变化总体呈“锯齿状”波动且伴有压力突降，突降达60余次，岩体内部人造主裂缝与微裂缝持续交替发育，有效破坏了岩体的完整性；治理后，来压峰值及来压平均值分别降低15.41%，8.29%，动载系数峰值及平均动载系数分别降低17.39%，11.88%，立柱最大下沉量降幅达50.00%且小于0.4 m，工作面巷道顶板最大下沉量降幅33.33%。工作面安全通过上覆遗留煤柱影响区域，分段水力压裂超前区域弱化技术可实现浅埋近距离煤层上覆遗留煤柱强矿压灾害的有效防治。

• 大倾角大采高采场塑性区分布及主控因素分析

  张浩, 伍永平, 解盘石,

  大倾角大采高工作面煤壁临空高度大，自由运移空间广，自稳平衡性差，煤壁在工作面内并非独体，其会与围岩及支架等介体组成承载结构，且采动行为间密切联动，倾角效应极易促使煤壁所处应力环境异化，诱使其响应行为复杂化，增加煤壁及围岩稳定性控制难度，制约工作面安全高效生产。为解决大倾角大采高工作面煤壁稳定性控制难题，综合采用理论分析、数值计算法进行研究。研究得出大倾角煤层大采高工作面塑性区内应力呈指数曲线状递增，煤壁邻域存在非对称拱状残余应力影响区，塑性区广度分区异化，广度由大到小依次为上部、中部、下部，分布形态呈梯级拱状，塑性区内煤体会重复性承压，并会随塑性区扩展增强；采高增大，煤壁邻域残余支承压力降低，煤壁前方煤体承压强度、位移幅度及受扰动范围均会增加；倾角效应下煤壁应力及运移分区式发展，其中，应力由大到小依次为下部、上部、中部，位移由大到小依次为中部、上部、下部，此外，伪斜布置下工作面倾角会诱使煤壁失稳模式转换，伪斜角大时，工作面倾角小，支承压力压缩分力作用增强，主要发生外凸片落式破坏，反之，则为采动应力及煤体自重倾向分力耦合性侧压下滑移失稳。综合分析可知，倾角及采高耦合作用下煤壁采动性状区域异化，且由于工作面中部、上部应力卸荷、运移量均较大，故此两域应为大倾角大采高工作面煤壁失稳重点防控区。

• 浅埋煤层群裂隙演化规律及组合承载结构载荷研究

  张杰, 何义峰,

  浅埋煤层群高强度开采导致承载岩层破断形成组合承载结构，使覆岩裂隙分布形态复杂化，并对地表造成严重损害。为了研究浅埋煤层群开采覆岩裂隙演化规律与承载岩层承载结构关系及承载岩层保持稳定的支架工作阻力，以陕西北部神府矿区韩家湾煤矿2−2和3−1煤开采为研究背景，通过现场观测及相似模拟试验得到煤层群开采裂隙演化规律、承载岩层组合承载结构及两者相互关系，采用理论计算的方法建立了组合承载结构力学模型，研究组合承载岩层保持稳定的支架工作阻力。研究表明，煤层群开采覆岩裂隙演化过程可划分为4个阶段，分别为上煤层开采快速增长阶段、上煤层开采平稳增长阶段、下煤层开采快速增长阶段、下煤层开采稳定增长阶段；不同承载结构导致地表产生不同的裂隙演化形态及沉降特征，“台阶岩梁”结构地表产生台阶下沉，“铰接岩梁”结构地表产生连续下沉；通过地表沉降形式可间接判断上煤层承载岩层破断结构，由层间岩层充填率和采高得到了下煤层承载岩层破断结构，并揭示了浅埋煤层群开采承载岩层破断组合结构分为“台阶−铰接”结构、“铰接−铰接”结构、“铰接−台阶”结构、“台阶−台阶”结构的组合形态。由承载岩层破断组合结构建立了浅埋煤层群开采承载岩层承载结构力学模型，得到了承载岩层保持稳定支架工作阻力的计算方法，并得到了现场实测结果验证。

• 富孔贫胶固废充填材料双组分破坏试验及强度模型

  崔春阳, 李春元, 王美美, 杨冠宇, 薛珊珊, 王卫,

  为缓解井下充填骨料来源不足及固体充填捣实费时的问题，提出对松堆高孔隙率含矸固废骨料进行非填隙胶结，应用松堆落矸与自密实灌浆工艺试制了一种新型富孔贫胶固废充填材料。以该材料中胶结浆体与固废骨料双组分强度为正交变量，在室内开展了单轴压缩破坏试验，研究了其单轴压缩破坏的强度特征及破坏面统计规律；考虑浆体强度与骨料强度共同影响，建立了基于破坏面统计特征的双组分强度概化模型；定义了胶结浆体与固废骨料的综合强度利用率，分析了富孔贫胶固废充填材料最优配比范围及吨煤成本趋势。结果表明：自密实净浆固化强度与固废骨料强度共同控制富孔贫胶固废充填材料的单轴压缩强度与剪切面破断模式，2种组分强度与充填材料宏观强度呈现显著正相关关系；充填材料强度受到两种组分强度的短板效应制约，当一种组分强度富余时，另一种组分破坏比例将占主导；富孔贫胶固废充填材料单轴压缩呈剪切破坏模式，剪切面呈单斜面型与交叉斜面型，剪切面的平均角度为55.4°；应用富孔贫胶固废充填材料后松堆骨料的密实度可由85%降低至58%，且当现场固废骨料强度确定时，可根据最优配比范围确定胶结浆体强度以实现充填材料强度的最大化利用，从而降低固体充填的压实作业耗时与单方矸石用量。

• 低温下不同饱和度冻结砂岩动态力学行为试验研究

  许军策, 浦海, 沙子恒,

  含水量是影响寒区岩体冻胀破坏的关键因素之一，而动态荷载的扰动又使其破坏过程进一步复杂化。因此，通过低温分离式霍普金森压杆实验系统，研究了冲击荷载和饱和度的变化对冻结红砂岩动态力学行为的影响，并结合低场核磁共振和扫描电镜等手段探究了砂岩试样微观结构的动态演化。研究结果表明：饱和度的增加重塑了红砂岩试样的孔隙结构，促使冻结过程中试样各尺寸孔隙的发育与扩展，且完全饱和时冻结试样以中−大孔隙发育为主。冲击荷载作用下，以临界饱和度为界，冻结砂岩的动态强度、弹性模量和脆性指数BI均随饱和度增加呈现先增大后减小的趋势。与之相反，冻结砂岩的极限变形能力随饱和度变化呈现相反趋势。此外，随着冲击荷载的增加，冻结砂岩的动态强度、弹性模量和峰值应变均逐渐增加，表现出明显的应变率强化效应；而其脆性指数逐渐降低，冲击速度由4 m/s增加至6 m/s时，完全饱和试样的脆性指数下降了8.1%，表明其动态破坏模式由脆性向韧性的转变。而随着饱和度和冲击荷载的增加，冻结试样从张拉破坏转变为粉碎性的复合破坏，且破碎岩块质量的分布仍然与冻结试样的动态强度密切相关。最后，基于试验结果，讨论了饱和度变化对寒区冻结砂岩动态力学行为的影响机制。

• 基于数值模拟的岩石巷道深孔分段装药掏槽爆破研究

  李成孝, 杨仁树, 王雁冰, 徐斌, 左进京, 谢平,

  随着炮孔深度增加，炮孔底处岩石夹制作用增强导致破岩效率和炮孔利用率较低，原有的连续装药方式不能解决上述问题。在这个基础上，研究了岩石巷道深孔分段装药掏槽爆破技术来提升掏槽爆破效率。使用光滑粒子流体动力学−有限元方法（SPH-FEM)建立了不同分段装药结构的单孔掏槽爆破模型，分析了不同模型爆破过程中岩石粒子抛掷速度、岩石抛掷数量以及爆破腔体特征。结果表明：不同装药结构会影响炮孔附近岩石的损伤范围，传统的连续装药结构在炮孔径向形成的损伤区域比分段装药结构大。此外，连续装药结构由于炸药集中在炮孔底部使得炸药能量分布不均匀，导致掏槽爆破效果差；采用分段装药结构可以增加岩石破碎数量和优化爆破腔体，岩石粒子在飞散过程中会产生2次加速现象；第一段装药比例较大或者较小会明显造成炸药能量利用不合理以及爆破腔体效果差。在模拟中设定的炮孔长度、岩石参数以及炸药性能条件下，当第一段装药比例为0.4时，深孔岩石巷道掘进掏槽爆破能够充分利用炸药能量，达到较好的掏槽爆破效果。将数值模拟得到的最优分段比例应用到现场巷道掘进爆破施工中，并利用数码电子雷管实现掏槽孔内2段炸药的延时起爆。现场试验结果表明分段装药能够在深孔掏槽爆破中创造良好的爆破效果以及提高炮孔利用率。

• 覆压−注水作用下含瓦斯煤解吸特性试验研究

  肖知国, 郝梅, 唐志昊, 刘永强,

  深部开采易形成地应力与瓦斯的耦合作用，出现地应力主导型的煤与瓦斯突出事故。为了提高矿井瓦斯灾害防治的精准性，亟需深入了解地应力作用下水分介入后对含瓦斯煤解吸特性的影响。在试验室搭建了覆压作用下注水对煤样瓦斯解吸特性影响的模拟测试装置，通过向试验煤样施加覆压，同时注入水分，研究覆压−注水作用下含瓦斯煤的解吸特性。基于该试验装置，测试了古汉山矿（GHS）煤样在覆压5、10、15 MPa，水分0、2%、4%和6%，相同充气量条件下的瓦斯解吸数据。通过分析试验数据，得到覆压−注水作用对GHS煤样累计瓦斯解吸量、瓦斯解吸速度、初始瓦斯解吸速度影响系数和残存瓦斯含量的影响规律。研究结果表明：覆压作用使干燥煤样累计解吸量和初始瓦斯解吸速度增大，促进了瓦斯解吸；随着水分的介入，覆压大的煤样累计瓦斯解吸量和初始瓦斯解吸速度反而变小，说明水分抑制了瓦斯解吸，水分介入后覆压作用从促进瓦斯解吸过渡为抑制瓦斯解吸。理论分析认为，覆压的活塞效应促进干燥煤样的瓦斯解吸，随着水分的介入，水分在煤体裂隙和孔隙中产生了强烈的毛细管阻力，随着覆压增大，煤样被压碎压实，煤中孔隙尺寸变小，毛细管阻力变大，从而产生更强的抑制解吸作用，试验结果对于更深入认识水力化措施防治煤与瓦斯突出的机理具有一定的积极意义。

• 航天固体推进剂对煤储层致裂增透试验研究

  李军军, 余梦飞, 李国富, 王争, 龚健, 高军科,

  高瓦斯低渗透性的煤储层严重制约煤炭和煤层气的高效生产，必须对煤储层进行致裂增透。航天固体推进剂爆燃能够产生大量的高能气体冲击煤储层，可以达到致裂增透煤储层的目的。为研究航天固体推进剂致裂煤体特性，首先以民用航天固体推进剂配方为基底，研发了一种用于煤储层致裂增透的固体推进剂，并对其性能、感度、耐压和耐温性能进行了测试，然后采用模拟煤样开展了航天固体推进剂致裂试验，并对试验过程中的孔壁压力和模拟煤样内应变进行了监测，最后根据试验结果分析了模拟煤样的破坏特征。结果表明：航天固体推进剂性能良好，具备防水、耐压和不产生CO等优点，能够适应煤矿井下的环境。试验过程中孔壁压力时程曲线呈现急速升压阶段、缓慢升压阶段和非线性降压阶段，孔壁压力上升时间约为18 ms；孔内压力峰值较低且分布不均匀，孔中压力峰值为118.1 MPa，孔底压力峰值为85.3 MPa。航天固体推进剂致裂过程中，模拟煤样内产生的应力波由压缩相和拉伸相组成，应力波强度较低、持续时间长并且随距离的增大衰减缓慢。航天固体推进剂致裂煤储层以高能气体的准静态作用为主，应力波能量的利用率较高。研究结果为航天固体推进剂在煤层气开采领域的应用提供了参考。

• 基于正交试验的内混式空气雾化喷嘴结构参数优化

  王鹏飞, 邬高高, 田畅, 刘荣华, 高润泽,

  为掌握结构参数对内混式空气雾化喷嘴雾化特性和降尘效率的影响规律，从而获得经济合理的喷嘴结构参数，采用自行设计开发的喷雾降尘试验平台，应用正交设计方法，开展了不同结构参数组合下的喷嘴雾化特性及降尘效率试验。试验结果表明：随着液体帽注水孔直径的增大，喷嘴水流量不断增加，而气流量不断减小；喷嘴气流量随液体帽注气孔数量增加而增大，喷嘴水流量受液体帽注气孔数量的影响较小。当逐渐增大注水孔直径时，索太尔平均粒径（Dsm）不断增大；Dsm随着注气孔数量的增加呈现出先减小后增大的变化规律，当注气孔数为4时达到最小值，雾化效果最好；空气帽出口直径为2.0 mm和2.5 mm时，喷嘴雾滴粒径较小。全尘和呼吸性粉尘降尘效率均随着液体帽注水孔直径和注气孔数量的增加呈现先增大后减小的变化规律，并分别在注水孔直径为1.5 mm和注气孔数量为4时获得最佳的降尘效果；随着空气帽出口直径的增大，全尘和呼吸性粉尘降尘效率均有所提高，但空气帽出口直径大于2.0 mm后，降尘效率增幅较小。综合考虑喷嘴雾化特性参数和降尘效率，对于喷嘴空气帽，其出口直径应选择2.0 mm；对于喷嘴液体帽，注水孔直径为1.5 mm和注气孔数量为4时较为合理，能够获得最高的降尘效率。工业应用现场采用以上结构参数组合的喷嘴较为合理，该种结构参数组合的喷嘴在耗气量和耗水量较低时，能获得较小的雾滴粒径和较高的降尘效率。

• 采空区遗煤吸附电厂烟气中CO2影响因素研究

  高飞, 王鹏, 单亚飞,

  利用采空区煤岩的吸附特性封存CO2，不仅可以降低碳捕集与分离成本，还能实现防治采空区遗煤自燃的目的。采用常温常压吸附试验、ASAP比表面积和孔径分析试验，探究了孔隙结构、矿物质含量和含水率对煤吸附CO2特性的影响，拟合了影响煤吸附CO2因素的定量关系方程，并通过随机森林算法计算了各影响因素的重要性权重。结果表明：大南湖（DNH）矿、鹤岗（HG）矿、同忻（TX）矿区3种煤的孔径分布规律基本一致，孔径范围在0.5～0.7 nm和0.8～0.9 nm内的孔数量较多，在0.7～0.8 nm的孔数量较少；微孔数量是导致3种煤对CO2吸附能力差异的根本原因。常温常压条件下，煤对CO2的饱和吸附量随比表面积的增加而增大，随矿物质含量和含水率的增加而减小，且煤的微孔数量越多，矿物质含量和含水率对吸附量的影响越显著。煤在达到临界含水率后，由于水分子阻碍了CO2分子的流通通道，导致CO2分子无法进入煤内部的孔隙中，CO2饱和吸附量逐渐趋于稳定。比表面积对吸附量的影响程度最大，含水率与孔体积次之，矿物质含量最弱，且比表面积与含水率的重要性权重之和可达75.1%，远高于其他两个因素。依据拟合方程，可通过测定煤的比表面积、矿物质含量和含水率，推测煤对CO2的饱和吸附量，为采空区遗煤吸附封存CO2提供理论依据。

• 多压力系统气藏合采物理模拟研究进展评述

  李奇贤, 许江, 彭守建, 霍中刚, 舒龙勇, 闫发志,

  多压力系统气藏合采是提高叠置含气系统开发效率的重要举措之一，但特殊成藏背景导致合采效果并不理想，多压力系统气藏合采与高效开发机理是制约叠置含气系统高效勘探开发的关键科学问题。本文聚焦于多压力系统气藏合采，将合采物理模拟类型详细划分为煤层气和非煤层气两个领域进行单独阐述，从试验装置功能与特色、合采认识、存在问题等方面明确了多压力系统气藏合采物理模拟研究现状。首先，分析了现有物理模拟试验装置功能与特色，发现大尺度物理模拟试验装置可以很好的消除或弱化由并联岩心夹持器方式构建合采模型所带来的储层试样单一，监测数据手段和应力加载形式单一等问题，多压力系统合采物理模拟试验装置的发展方向应为真三维非均布复杂地应力状态下大尺度非均质多类型储层试样，相邻储层之间流体压力的传递特性、层间窜流行为以及多相态天然气共生等特性应该被考虑；在此基础上，深入总结了多压力系统合采效果对储层物性的敏感性，层间压差、渗透性、有效应力、含水饱和度等因素差异均有可能诱发合采流体干扰和储层产气伤害，优化合采制度可能是降低合采流体干扰和储层产气伤害的途径。综上分析认为，下一步研究应重点关注为探究低孔低渗、气水两相渗流、多相态天然气共生和多类型储层共存等诸多特性耦合对合采流体干扰诱导储层-井筒合采流场动态演化规律的影响，明确不同相态流体侵入对合采储层的储层伤害及其作用机理，揭示考虑合采流体干扰效应的层间窜流与井筒管流耦合流动特征。

• 水力压裂分段射孔簇多裂缝空间偏转模拟研究

  王永亮, 刘娜娜, 王昊,

  深部致密油气储层水力压裂工程形成复杂缝网形态是影响油气采收率的关键因素，需要准确评估和优化压裂裂缝扩展行为。水平井多射孔簇分段压裂涉及储层和孔隙−裂隙内流体之间的热扩散、流体流动与岩体基质变形，热扩散效应和多物理场耦合作用是深部致密岩体压裂的典型特征；同时，压裂缝网扩展与裂缝间的扰动作用有关，压裂工艺中的射孔簇间距、起裂顺序等造成平行裂缝发生不同程度的非稳定扩展。理解多物理场耦合、裂缝间扰动等内外因素的影响机制，对有效评估压裂缝网具有重要意义。综合考虑深部储层的热−流−固耦合效应，研究水力压裂缝网三维扩展之间的应力阴影效应和多裂缝扰动偏转行为。研究建立水平井分段压裂的工程尺度三维数值模型，利用典型工况计算分析了压裂裂缝三维扩展的热扩散效应影响、不同射孔簇间距以及不同压裂方案（顺序、同步、交替压裂）下裂缝网络的扩展扰动行为。结果表明：深部致密油气储层压裂裂缝扩展引起的应力扰动区域在多裂缝中存在叠加、覆盖行为，形成应力阴影效应、造成裂缝空间偏转；水平井多射孔簇间距的减小，将增大应力阴影区，加剧裂缝间相互干扰；相比多射孔簇顺序压裂，同步压裂将增大应力阴影区，交替压裂可减小应力阴影区，交替压裂成为缓解压裂缝网三维扩展扰动、优化空间缝网形态的有效方案；深部致密油气储层岩体裂缝内的压裂液与岩体基质进行热交换，各压裂方案下的裂缝扩展面积、体积均有提升，表明热效应对裂缝扩展有促进作用，成为影响压裂裂缝扩展的重要因素。

• 侏罗系地层巷道淋水顶板破坏机理及治理研究

  李学彬, 谷群涛, 温国惠, 孙兆冰, 朱建平, 陈明虎, 周玉颖,

  我国西部侏罗系主采煤层顶板普遍赋存低层位弱富水层，导致巷道顶板尤其是顶板锚索孔长时间淋水，降低顶板围岩强度和顶板支护效果，影响矿井煤巷顶板安全。为了研究淋水顶板破坏机理及治理措施，以内蒙古双欣矿业杨家村煤矿414106辅助运输巷淋水区为研究对象，通过现场调研和顶板钻孔取样可知，向斜区巷道顶板4 m以上区域存在明显导水裂隙，锚索孔流水呈线性淋水状态，顶板围岩弯离层程度大，部分锚索锚固段脱离围岩失效。矿物成分分析和水理试验表明，顶板砂质泥岩的黏土矿物中高岭石含量高达73%，软化系数为0.162，具有明显的遇水软化特性。淋水区巷道顶板围岩初期以静水压力破坏为主，遇水软化特性降低了裂隙结构面的力学性能，在静水压力作用下围岩裂隙的尺寸剪性扩张；后期以动水压力破坏为主，主要表现为裂隙结构面变形扩展、裂隙充填物位移、管涌等，顶板围岩破坏速度也逐步加快。结合巷道淋水顶板围岩由矿压显现变形和裂隙软化扩张发展到管涌冲刷破坏的全过程分析，按照顶板钻孔围岩破坏主要形式(物理软化、渗流破坏、吸蚀扩容破坏、冲刷变形破坏)划分为4个不同阶段，形成了以顶板钻孔围岩破坏主要形式、顶板锚索孔流水状态、顶板围岩裂隙发育特征和治水加固原则为关键指标的巷道淋水顶板破坏发展阶段判定准则。结合现场条件，确定了414106运输巷淋水区为淋水顶板破坏发展第Ⅲ阶段，提出了淋水区巷道顶板锚索封孔注浆(疏水)结构形式和“深孔疏水+浅部封水+深部加固+高预应力支护”原则，制定了淋水区巷道顶板高预紧力长锚索补强与封孔注浆相结合的锚封注一体化补强方案，通过现场工业性试验和矿压监测可知，达到顶板治水和围岩加固的效果。

• 矿山强渗松散层柔性磁吸防渗膜垂向帷幕截水技术研究

  王海, 黄选明, 张雁, 曹海东, 孙浩, 苗贺朝, 田增林,

  我国矿产资源丰富，矿业种类多，矿山数量多，矿业开发导致矿区周边地下水位下降、水资源浪费、水质污染、地表塌陷、土地退化、植被覆盖度减少、地下水资源和生态环境受到不同程度影响。为解决矿山强渗松散层水侧向补给矿坑引起的水资源浪费和生态环境破坏问题，保护矿山地下水资源和生态环境，提出了柔性磁吸防渗膜垂向帷幕截水技术，研究了防渗膜材料性能，研发了磁吸防渗膜连接工艺，开展了不同防渗膜连接工艺室内试验，并在试验矿区进行了1 369 m的强渗松散层截水帷幕现场试验应用。研究结果表明：防渗膜渗透系数低、结构致密、柔软、抗变形、经久耐用，是截流、控污、防渗的良好材料，可满足矿山强渗松散层垂向帷幕要求。研发的磁吸接头材料及连接工艺解决了现有叠覆搭接、连接锁、接头箱等连接工艺的铺设深度浅、接头渗漏、操作复杂等问题，磁吸接头连接的防渗膜帷幕施工深度不受连接条件的限制，磁吸接头连接工艺截水效果优于叠覆搭接和连接锁（接头箱）连接工艺。进行了自带磁和后充磁2种柔性磁吸防渗膜制作、铺设、连接和帷幕回填成墙试验，防渗膜接头处缝隙由5～20 cm减小为0，相邻两幅防渗膜紧密的连接为有机整体，减少了接头处截水帷幕的过水通道。通过开展矿山强渗松散层柔性磁吸防渗膜垂向帷幕截水试验，试验区帷幕位置下方长期积满强渗松散层渗漏水的集水坑已干涸，帷幕外侧强渗松散层水位升高5.55～9.12 m，帷幕内侧强渗松散层水位降低3.21～5.84 m，强渗松散层水资源保护取得良好效果。

• 排水条件对砂岩力学及其变形局部化特性影响试验研究

  许江, 曹琦, 彭守建, 陈奕安, 张倩文, 饶豪魁,

  为了研究砂岩在渗流−应力耦合作用下的变形局部化破坏特征，利用可视化三轴伺服控制试验系统，结合三维数字图像相关技术（three-dimensional digital image correlation, 简称3D-DIC），开展不同排水条件下的砂岩三轴压缩试验，对岩石力学、渗流及其变形局部化特性进行分析，并利用电镜扫描对砂岩破坏后其破裂面微观形貌进行分析。结果表明：排水条件下砂岩的峰值强度和弹性模量高于不排水条件下的值，且随着渗透水压增大，砂岩的峰值强度、弹性模量和泊松比均随之增大，出现贯通裂纹的时间点和渗透率最大值出现的时间点则会提前；当渗透水压相同时，不排水条件下砂岩表面变形场云图的局部化带比排水条件下的更宽，即岩石的宏观裂纹更明显，排水条件下水流将岩石内部的矿物颗粒带走，形成孔洞，其破裂面的表面比不排水条件下更光滑，而不排水条件下颗粒表面明显有片状岩屑附着；所有排水条件下径向变形局部化启动点始终高于轴向变形局部化启动点，平均提高了1.23%，变形局部化径向、轴向启动应力水平均随渗透水压的增大而增大，即启动的时间点更提前，排水条件下砂岩的径向启动应力水平、轴向启动应力水平均高于不排水条件下的值，平均分别提高了1.85%和2.21%，渗透水压相同时，不排水条件下启动应力及应力水平受水压的影响比排水条件更明显。

• 矿井视觉计算体系架构与关键技术

  程健, 李昊, 马昆, 刘斌, 孙大智, 马永壮, 殷罡, 王广福, 李和平,

  煤矿井下特别是采掘工作面空间狭窄、装备众多、工艺条件及环境复杂、隐蔽致灾隐患多，因此实现智能化无人操作一直是煤炭行业内的普遍需求。建立有效的面向煤矿井下应用的视觉计算理论是实现煤矿智能化无人开采的重要一环。矿井视觉计算的主要任务是针对矿井这一特定应用领域，研究煤矿井下环境的感知、描述、识别和理解模型与框架，以使智能装备具有通过图像或视频感知煤矿井下三维环境信息，增强煤矿井下环境感知能力。为了有效推进该理论与实践的结合发展，使其更好地服务于煤矿智能化建设，首先围绕煤矿井下视觉计算的基本概念，分析计算机视觉与矿井视觉计算的异同，总结提出煤矿井下视觉计算的组成架构体系。然后，详细介绍煤矿井下视觉计算所涉及的视觉感知与增强、特征提取与特征描述、语义学习与视觉理解、三维视觉与空间重建、感算一体与边缘智能等关键技术，并从矿井视频智能识别、预警与机器人定位、导航等方面简要介绍视觉计算在煤矿井下的典型应用案例。最后给出煤矿井下视觉计算的发展趋势和展望，重点总结分析了目前矿井视觉计算在煤矿井下应用中存在的关键技术难题和矿井增强现实/混合现实、平行智能采矿2种重要的发展方向。随着煤矿井下视觉计算理论的不断突破和完善，矿井视觉计算在煤矿智能化发展中必将发挥越来越重要的作用。

• 矿井提升系统数字孪生快速建模方法研究

  阮锴燚, 寇子明, 王彦栋, 吴娟,

  矿井提升系统的安全可靠运行对整个矿井的生产至关重要。为实现矿井提升系统的单点全域可视化与虚拟远程协同联动控制，解决传统多点视频监控只能覆盖个别关键部件，信息获取不全面的难题，结合工业传感、人工智能、快速建模、云存储等技术构建了集监测、控制、服务等功能于一身的矿井提升系统数字孪生框架，并以此为基础，提出了多维多尺度数字孪生快速建模方法。通过三维激光扫描技术与滤波、泊松三维重建等点云处理算法构建矿井提升系统的大尺度几何模型；使用工业传感网络、PLC数据读取转换技术，建立海量数据下的矿井提升系统行为模型；结合数据库技术、领域专家知识与案例，构建矿井提升系统故障知识模型。以某矿提升系统为应用场景，进行了多维多尺度数字孪生快速建模试验，获得了如下效果：几何建模效率相比传统CAD软件建模提高93%，极大程度上还原了真实场景；行为建模方法在不新增传感器和不停机的情况下实现了对真实体行为的映射，节约了大量成本，实时性强；以Unity3D软件为基础编写脚本，使几何模型、行为模型与知识模型深度融合，以几何模型的高真实度部件级模型为基础进行行为模型的同步与演绎，可以实现虚实系统间无延时的协同联动，同时通过实时行为数据可以触发知识模型进行辅助决策。整个数字孪生模型的建立过程兼顾成本与效果，将大幅度提高矿井提升系统的运行安全性与智能化程度。

• 基于深度神经网络的煤矿井下低光照图像增强算法

  王满利, 张航, 李佳悦, 张长森,

  由于煤矿井下空间环境的复杂性与恶劣的光照条件，视觉设备获取的图像容易存在对比度不足、纹理细节差等问题，严重影响了视觉设备的工作可靠性，限制了进一步的基于图像的智能视觉应用。为提高矿井下低照度图像的对比度，同时强化其纹理细节，提出一种基于深度神经网络的矿井下低光照图像增强模型，该模型包含有3个子网络，分别为分解网络、光照调整网络和反射重构网络。分解网络将煤矿井下图像分解为光照分量和反射分量；光照调整网络利用深度可分离卷积结构有效减少了模型的参数，强化了网络特征提取能力，此外，引入了MobileNet网络结构，进一步使光照调整网络轻量化，同时保持其特征提取精度，有效实现光照分量对比度调整；反射重构网络引入了残差网络结构，提升了网络特征学习性能与反射分量纹理细节恢复能力; 最后，将处理过后的光照分量和反射分量基于Retinex理论融合，获得增强图像，实现矿井下图像的对比度提高与细节的增强，克服了现有增强算法中所存在的增强图像细节丢失、边缘模糊、对比度和清晰度不足等问题。数值试验表明，提出的模型能够在提高矿井下图像对比度的同时有效强化图像的纹理细节，并且具有良好的稳定性和鲁棒性，能够很好地满足煤矿井下低光照图像增强的需求。

• 轴向间距对矿用对旋风机旋转失速性能的影响

  陈庆光, 徐延辉, 张祯江, 郭武,

  矿用对旋风机在小流量工况运行时极易出现旋转失速现象，严重影响其运行稳定性。采用SST k-ω 湍流模型，对FBCDZ-10-No20型对旋风机在5种轴向间距下全流道内的非定常流动进行数值模拟，研究了轴向间距对矿用对旋风机失速过程的影响，揭示了不同轴向间距时的失速起始与发展机理。结果表明：轴向间距对失速起始扰动的首发位置、表现形式和发展过程都具有显著影响。对于70、100 mm两种轴向间距，失速起始扰动均首发于前级叶顶，随后在两级叶轮之间的动−动干涉作用下，后级叶顶也出现失速起始扰动，但与70 mm的轴向间距相比，当轴向间距为100 mm时，动−动干涉效应相对较弱，使得后级出现失速起始扰动需要更长的时间。对于140、170、225 mm三种轴向间距，失速起始扰动均是首先发生在后级叶根区域，不同的是140 mm间距时，前级叶顶泄漏流不能完全随主流流出通道，而是形成了局部叶顶堵塞区；而对于170、225 mm两种间距，前级叶顶则几乎没有堵塞区，最终仅在后级形成了成熟的失速涡团。随着轴向间距的增大，由前级叶顶泄漏流发生前缘溢流及尾缘反流形成的堵塞区逐渐缩小，而由后级叶根吸力面径向涡流形成的堵塞区则逐渐增大，当前级叶顶泄漏流无法形成堵塞区时，失速类型就由前级叶顶泄漏流诱发的“突尖型”转变为由后级叶根径向涡流诱发的“局部喘振型”。

• 液压支架放煤机构安全过煤临界准则及放煤口精准控制方法研究

  李东辉, 李东印, 王伸, 黄志增, 刘清, 张学亮, 郑立军, 张旭和, 朱时廷,

  综采放顶煤技术已成为我国特厚煤层高产高效开采的主流方式，放煤机构的精准控制是实现放顶煤开采自动化与智能化的重要基础，掌握放煤机构的空间运动规律是实现对其精准控制的前提。液压支架放煤机构的即时形态受支架支撑高度、支架姿态、插板伸出长度、后部刮板机相对位置共同控制，对放煤机构安全过煤高度和放煤口开口度有重要影响。以ZF15000/27.5/42型支架为研究对象，采用有限元分析软件ABAQUS建立了三维四柱式放顶煤液压支架多体动力学仿真模型，分别采用Hinge,Translator连接器模拟支架各铰接点的旋转行为及支架立柱、插板的伸缩行为。以支架支撑高度H、尾梁摆动角度α、插板伸出长度l为控制变量，开展了三因素多状态数值模拟试验，研究了掩护梁–尾梁铰接点、插板末端的空间运动规律，运用Levenberg-Marquardt拟合迭代法得出了放煤机构安全过煤临界准则，建立了插板末端坐标、放煤口开口度与H、α、l的标定关系数据库。推荐了用于感知与控制放煤机构姿态的传感器类型及安装位置，推导了基于行程传感器的尾梁角度计算方法，提出了放煤口开口度精准控制方法。通过现场验证对比放煤机构开口度计算值与现场放煤口实测值，得出两者相对误差符合现场精度要求。该控制方法为智能决策与控制系统(软件)研发提供了理论支持，在现场得到成功应用。

• 硬岩隧道掘进多臂协同钻孔技术研究

  崔孟豪, 姬会福, 惠延波, 张中伟, 崔玉明, 宋丹,

  为实现硬岩隧道掘进机械化施工，提高三臂凿岩台车应用于硬岩隧道掘进时的施工效率，对三臂凿岩台车钻孔定位精度、多臂协同钻孔路径优化进行了研究分析。首先，基于D-H法建立三臂凿岩台车运动学模型，通过蒙特卡洛法得到三臂凿岩台车的有效工作空间，采用RBF神经网络算法实现钻臂钻孔的精确定位；其次，以钻臂末端移动距离最短和钻臂运动过程中各关节变量之和最小作为优化目标，提出一种改进遗传算法对三臂凿岩台车进行孔序优化，并与蚁群优化算法和自适应遗传算法两种现有孔序规划算法进行对比；最后，以两种不同方案钻孔顺序和所划分工作空间对多钻臂协同钻孔碰撞干涉进行仿真数值模拟分析。数值模拟结果表明：①3个钻臂的钻孔定位误差最大为2.94 mm，误差控制在3%以内；②与两种现有孔序规划算法相比，以钻臂末端移动距离最短作为优化目标时，3个钻臂末端行驶的总距离分别缩短了5.39 m和10.84 m，以关节变量之和最小作为优化目标时，3个钻臂的各关节变量之和分别减少了2.76 rad、5.34 rad；③以最短距离所得钻孔顺序进行钻孔作业时,中间钻臂与左右钻臂之间最短距离分别为984.6、580.8 mm，各钻臂之间不会发生碰撞干涉，以关节变量最小孔序方案钻孔作业时，综合钻臂结构尺寸及安全性，中间钻臂与左钻臂之间最短距离为193.5 mm，可能发生碰撞。综上，RBF神经网络算法可以实现钻孔精确定位，依据距离最短为优化目标所得孔序方案施工时可以提高三臂凿岩台车掘进效率，为硬岩隧道掘进施工提供了理论支撑。

• 接菌影响模拟重构土层水分布及水同位素分馏

  毕银丽, 田乐煊, 柯增鸣,

  水资源决定着生态恢复过程中的植被结构和种类，是矿区实现绿色生产、生态修复的主要限制因素。为了研究半干旱煤矿区接种丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi，AMF)对植物根系提水、模拟土壤水分分布及水同位素分馏的影响，本研究以玉米为供试植物，布设室内分层土柱模拟试验。设置纯土柱(CK1)、土柱+玉米(CK2)、土柱+接菌玉米(AMF)三个处理，每个处理3个重复，测定土柱毛细水上升高度、土壤含水率以及玉米茎水与土壤水的氢氧同位素。分析了不同处理之间玉米生长发育情况、水分运移规律以及不同深度土壤水同位素分馏的差异，结果表明：①接菌有效促进玉米生长发育，株高、地上生物量、地下生物量、总根长比CK2处理分别提高15.78%、23.39%、43.40%、21.0%。②AMF促进根系吸收底部黏土层内的蓄水，提高毛细水上升高度18.9%，玉米吸水空间扩大约50%，进而影响土柱水分分布。③土柱表层、深层土壤水与初始水相比分馏差异较大。在表层0～10 cm处，CK2与AMF处理的18O、2H富集系数显著低于CK1处理，在深层60～70 cm处，AMF处理的18O、2H富集系数显著高于CK2处理，表明AMF可以增强深层土壤水同位素分馏的现象。综上，接菌可以提高玉米对重构土层内深部土壤水的吸收，促使根系通过提水效应反释至上部干燥土壤，提高水分重分配能力，影响不同深度的土壤水同位素分馏，该结果为解决半干旱煤矿区排土场土地复垦水资源短缺问题提供了科学依据和技术支持。

• 台格庙矿区地下水水化学特征与演变规律研究

  李海祥, 曹志国, 王路军, 池明波, 胡博文, 张锁, 周爱霞,

  台格庙矿区煤炭资源丰富，但水资源匮乏、生态环境脆弱，利用水文地球化学方法，开展矿区全流域地下水化学特征与演变规律研究，能为矿区绿色开采提供科学支撑。利用Piper三线图分析白垩系地下水、侏罗系地下水、河水和湖水类型，其水化学特征满足湖水由河水和不断演变的地下水混合后形成的条件；通过Gibbs图分析得出，白垩系和侏罗系地下水在循环演变过程中受岩石和蒸发作用控制；离子比值端元法进一步表明，白垩系和侏罗系地下水受硅酸岩盐和岩盐控制为主，同时伴随离子交换；最后通过质量平衡模拟得出，白垩系地下水循环演变过程中溶解白云岩、石膏、岩盐矿物质，吸收CO2，析出方解石，伴随离子交换，可与不同比例河水混合形成湖水，但侏罗系地下水只能混合少量河水或不混合河水。河水占红碱淖湖水补给量83%，侏罗系地下水不能为其主要补给来源，红碱淖湖水主要来源白垩系地下水和河水。结合矿区水文地质条件，将矿区地下水流系统分为南侧白垩系地下水流系统、北侧的白垩系地下水流系统和深部的侏罗系地下水流系统，煤炭开采直接影响侏罗系地下水流系统，在保障两个白垩系地下水流系统不被破坏的前提下，当采煤排水只袭夺侏罗系边界流出水量或少量侏罗系补给红碱淖水量时，采煤对红碱淖及周边河流的影响降至最小。

• 不同燃烧程度木炭的FTIR特征对煤中丝质体成因的指示意义

  郭旭, 姚建国, 李鸿豆, 田泽奇, 王志勇, 石志祥, 赵存良, 刘帮军, 孙玉壮,

  傅里叶变换红外光谱技术（FTIR）作为一种非破坏性的手段被广泛用于化合物的鉴定及分子结构的表征。为了查明不同燃烧温度下木炭的化学结构变化特征，进而对煤中丝质体的成因提供理论基础，选取现代野火中的不同燃烧程度的植物样品（木炭），运用FTIR对它们的化学结构进行了定量表征。结果表明：样品的反射率和燃烧温度呈正比，测得燃烧程度最高的1号样品的最大燃烧温度达到了518 ℃。除1号样品外，其余样品中芳香结构均以苯环三取代为主，但随着燃烧温度的升高，发生了脱氢缩合反应，致使苯环三取代含量降低至20.5%，由于环烷结构的脱氢芳构化，四取代含量升高，五取代含量的变化则与脂肪链的环化和苯环的脱羧反应有关。随着燃烧温度的升高，由于环烷烃等脱氢后形成芳烃或是分子侧链脱落，导致C=C含量逐渐升高，在1号样品中达到32%。C－O的含量先降低再升高，在1号样品中烷基醚和芳基醚的含量最低，酚羟基的含量最高，可能是高温燃烧下醚键受热断裂生成酚类物质。C=O含量升高再降低，在1号样品中含量低至5.6%，这是由于该键的稳定性较差。由于燃烧温度的影响，脂肪类物质的含量变化较大，整体上亚甲基含量逐渐升高，甲基减少，支链化程度增大。样品中存在5种氢键类型，受低温影响的样品中主要以醚氧氢键为主（>55%）。在1号样品中，出现了环状氢键和羟基－N氢键，同时醚氧氢键含量显著降低至13.2%，这是由于温度升高引起的含氧官能团的减少。对比煤中丝质体的反射率和FTIR特征发现，煤中丝质体（半丝质体）与木炭的特征十分相近，可能主要由野火产生。这些变化表明了燃烧温度对木炭中化学结构的影响，反映了木炭中有机分子结构随温度的变化过程，为探索煤中有机质演化和丝质体的成因提供了理论依据。

• 不同镜惰比低阶煤燃烧特性及动力学分析

  王小令, 王绍清, 陈昊, 赵云刚, 沙吉顿, 邓金松,

  为解释显微组分对低阶煤燃烧特性的影响，以一系列不同镜惰比低阶煤为研究对象，利用热重−质谱−差热（TG-MS-DTA）联用技术，研究了样品在空气气氛下的燃烧特性、热量变化过程以及气体逸出行为。结果表明：煤的显微组分含量对煤燃烧达到最大反应速率时的温度影响不大，但对反应最大速率的大小有影响，富惰质组煤燃烧的反应最大速率更大。同时，煤中较多矿物使得反应达到最大速率时温度更高。燃烧过程呈现出明显的两个阶段，第一阶段（400 ℃之前）缓慢放热，对应脱挥发分过程，第二阶段（400 ℃之后）快速放热，对应固定碳燃烧过程，燃烧放热特征呈现出缓慢到快速放热的转变。不同镜惰比煤在燃烧过程中主要释放CO2、CO、H2O等气体，但释放的相对含量不同，脱挥发分阶段，有较少的CO2、CO气体释放，H2O的释放相对量较多。而在固定碳燃烧阶段，CO2大量释放，CO释放量略低，H2O最少。其中，富惰质组煤在燃烧过程中释放相对更多的CO2，在相同条件下，燃烧更加充分。此外，还借助Coats-Redfern积分法对煤燃烧过程进行动力学计算，得到随着镜惰比含量减小，反应活化能增加的趋势，但这并不影响富惰质组煤在固定碳燃烧阶段能快速燃烧的特性，这可能是由于惰质组中大量丝质体形成的细胞胞腔结构，增大了与O2的接触面积，燃烧反应充分。

• 煤矸石制备活性炭−介孔硅复合材料及其过程物相转变

  李宏伟, 燕可洲, 文朝璐, 柳丹丹, 郭彦霞, 张圆圆,

  煤矸石是一种含碳、硅、铝的混合物，将其用于制备复合材料，可解决元素分离难、产品纯度低等问题，显示出良好的应用前景。以煤矸石为原料，通过碱熔、酸浸等过程制备活性炭−介孔硅复合材料（AC-SiO2），考察了不同反应条件对煤矸石基活性炭−介孔硅复合材料孔容和比表面积的影响规律，并结合XRD、FTIR等方法研究了煤矸石基活性炭−介孔硅复合材料制备过程的物相转变。结果表明：煤矸石基活性炭−介孔硅复合材料的孔容和比表面积受到碱熔条件和酸浸条件的影响，其中尤以KOH浸渍液浓度、焙烧温度、HCl酸浸浓度的影响最为显著；当KOH浸渍液浓度大于10.7 mol/L、焙烧温度高于700 °C时，煤矸石中所含的高岭石、石英将转变为钾霞石和硅酸钾物相，固相碳转变为活性炭，再经超过6.0 mol/L HCl 酸浸后，可形成活性炭−介孔硅复合材料。在优化条件下，煤矸石中碳、硅转化率高达90.28%，产率可达40.2%，制得产品颗粒表面分布有层状结构堆积形成的微孔和介孔（微孔和介孔各占近1/2，比表面积可达835.1 m2/g，平均孔径为2.97 nm，总孔容为0.62 cm3/g），其对分子量不同的甲基橙和罗丹明B均有明显的吸附作用，吸附容量分别超过99.01 mg/g和99.87 mg/g。