煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2024年第10期

• 大倾角工作面飞矸冲击破碎特征研究

  胡博胜, 伍永平, 文虎, 解盘石, 王红伟,

  飞矸灾害长期威胁大倾角、急倾斜煤层长壁工作面人员和设备安全，单一飞矸迁移过程碰撞破碎衍生出大量“子矸”，其动力损害具有突发性，揭示冲击载荷作用下煤岩体破碎特征是准确掌握飞矸动力损害的重要前提。综合运用分离式霍普金森压杆试验、数值SHPB试验和物理模拟开展冲击载荷作用下煤岩体破碎特征与碎裂机制研究，得到以下主要结论：高速冲击作用下煤岩破坏模式分为相对完整、单一劈裂和完全粉碎，破碎程度随着加载应变率增加而增加，分形维数D与应变率呈对数函数关系。相同应变率水平，煤岩抗压强度越小分形破碎程度越高；煤岩分形维数D与其几何尺度负相关；圆盘和立方体煤岩分形维数D与应变率均呈对数函数关系。立方体煤岩累积碰撞作用下内部节理裂隙发育，应力波传播呈现弥散性，在边缘应力集中并诱发破坏，即不规则形状煤岩外缘易率先与主体破坏分离从而导致其球形度增加。相反，飞矸运动过程棱角处更易受到碰撞而承受直接应力冲击而产生局部崩解。研究成果可为大倾角、急倾斜煤层飞矸灾害防控实践中挡矸网形状以及网格大小的选择提供一定的科学指导。飞矸涉及材料、几何等多源不确定因素，内部层理、裂隙分布及发育程度受开采扰动影响较大，其破碎分形特征更加趋于复杂，下一步将考虑以上因素对飞矸破碎特征的影响。

• 浅埋中厚煤层沿空留巷底板变形力学分析及底鼓控制技术

  严超超, 张国恩, 常通, 王朋飞, 王天平, 吴昌泉,

  沿空留巷技术对提高煤炭采出率、改善巷道应力环境及保障矿井安全、高效有重要意义。为了解决浅埋煤层沿空留巷底鼓变形的问题，以乌兰木伦煤矿12407和12408综采工作面为工程背景，基于顶板载荷条带分割法引入等效载荷概念，建立沿空留巷底板等效载荷分布模型，进行沿空留巷底板力学分析并计算出巷道底板的最大底鼓量，采用FLAC3D数值计算方法分析沿空留巷底鼓变形主控因素，数值模拟结果显示：巷旁充填体与隔离煤柱的强度差异性导致巷道底板非对称变形，同时在超前高应力和高强度支护的复合作用下，底板成为围岩承载系统中的薄弱环节最终发生破坏，基于上述理论分析、数值模拟及现场工程实践提出浅埋煤层沿空留巷底鼓控制技术。结果表明：沿空留巷严重底鼓主要是由于工作面推进后超前段煤帮塑性区煤体和巷旁支护体处于高应力作用下，致使底板岩层发生高应力剪切破坏和拉伸破坏；通过优化支护方案，防止工作面推进后顶板无法及时垮落造成悬顶，可有效减小留巷底鼓变形，并提出了巷旁充填体迎山角浇筑设计，优化巷旁充填体参数与底板岩层强度匹配等沿空留巷底鼓防治措施，从减小高应力区应力集中、缓解巷道底板卸压变形和提高底板岩层强度3方面控制沿空留巷底鼓量。现场工程实践表明，上述方法对沿空留巷底鼓作用有良好改善，保障了沿空留巷安全，实现矿山无煤柱的安全经济开采。

• 沿空留巷巷旁复合充填体分层材料优选研究

  刘贞智, 刘萍, 罗畅, 高方玲, 黄鑫康, 陈镇,

  沿空留巷巷旁充填体分为让压层和抗压层，让压层材料应具有大变形的特性，减缓基本顶岩梁的剧烈活动；抗压层材料应具有强度高、刚性大等特点，柔性让压之后实现对上覆岩梁的有效控制。因此对让压层和抗压层材料的不同配比进行力学特性分析，并通过电镜扫描（SEM）对让压层和抗压层的对照组和优化组进行微观结构分析，最后对让压层和抗压层的最优配比进行组合试验。研究结果表明：让压层材料的最优配比为水灰质量比1.5∶1，发泡剂掺量0.06%，纤维掺量0.2%；优化组28 d时抗压强度达到了8.84 MPa；不同期龄下的应变力，优化组为对照组的1.8～2.6倍。抗压层材料配比中细矸率为40%，料浆质量分数78%，水泥掺量为20％时为最优，其平均抗压强度为13.21 MPa，抗拉强度为0.97 MPa，弹性模量为0.75 GPa，内摩擦角为26°，黏聚力为2.85 MPa；该配比下的充填体随着水泥掺量的增加后期强度逐渐增大。组合试件中让压层占比10%～20%时，具有较好的让压能力，也具有一定的关键承载能力。研究结果为沿空留巷巷旁充填体材料配比提供了参考。

• 岩石多尺度损伤研究进展

  何风贞, 李桂臣, 阚甲广, 许兴亮, 冯晓巍, 孙元田,

  岩石损伤破裂是一个从微观到细观到宏观的多尺度链动损伤破裂过程。明确岩石不同尺度损伤特征并建立多尺度损伤的定量化关系对复杂环境下岩石多尺度损伤劣化机理研究至关重要。近年来，研究人员针对复杂环境下岩石多尺度损伤机理开展大量的研究工作，并取得了一定的研究成果。本文从岩石多尺度损伤特征、不同尺度损伤识别与定量化表征、多尺度损伤量效关系3个方面系统评述了岩石多尺度损伤研究进展。首先，总结了岩石微观、细观、宏观损伤特征，分析了岩石多尺度累积损伤破裂过程；其次，基于岩石多尺度损伤特征，系统评述岩石微观、细观和宏观损伤的识别方法以及不同尺度损伤的定量化表征方法，分析了岩石微观−细观−宏观损伤量效关系确定方法；最后，从多尺度损伤识别、定量化表征、量效关系确定方面分析了岩石多尺度损伤研究中存在的不足，提出了从：开发适用于多场耦合环境的岩石微细观损伤实时识别设备，建立岩石三维空间多尺度损伤协同智能化定量表征方法，构建完善的岩石微−细−宏观多尺度损伤量效关系研究体系，丰富创新岩石多尺度损伤理论几方面开展岩石多尺度损伤研究。

• 基于离散元模拟的受载裂隙岩体地震学声发射响应特征

  周文东, 崔宴伟, 王笑然, 陈力, 许可, 任戈辉, 王昊, 司磊磊,

  为深入分析裂隙岩体受载时声发射震源响应机制，结合地震学中的矩张量理论，提出了从颗粒相对运动角度计算声发射特征的细观离散元模拟新方法。以含预制雁行裂纹岩体为研究对象，利用颗粒流（PFC）数值模拟软件再现了其裂纹扩展过程及力学−变形特征，基于新开发的声发射响应模拟方法计算得到了声发射事件空间演化、震级分布及矩张量取向特征。研究结果表明：单轴压缩条件下，预制雁行裂纹岩石应力在峰值后突降，裂纹迅速扩展形成宏观主破裂，声发射事件激增，峰后脆性破坏特征明显。由PFC软件获取的张拉、剪切裂纹个数在时间上呈相似增长趋势，但张拉裂纹数量远多于剪切裂纹。基于地震学计算得到的声发射矩震级主要集中在−6.9, −5.9，其分布的G-R统计关系斜率b为1.81。声发射矩张量空间取向与试样破裂张剪类型相吻合，表现在：在翼裂纹区域内声发射矩张量以横向为主，张拉破坏多于剪切破裂；而在主裂纹区域矩张量形态杂乱，张拉和剪切破坏占比接近。基于声发射矩张量T-k图和矩张量R值理论判定了不同加载阶段微裂纹张剪属性，其与PFC获取的张、剪裂纹占比变化趋势基本吻合，而两者对比结果表明选用−20<R<20作为张剪裂纹分区区间比Feignier等建议的−30, 30更为合理。研究成果为精确分析岩体破裂震源特征及张剪属性判识等提供了有益借鉴。

• 不同高径比煤样巴西劈裂声发射特征及能量演化机制研究

  雷瑞德, 粟罗, 贺培, 胡超, 李俊, 周林森,

  为探究不同高径比对圆盘煤样抗拉强度及能量演化机制的影响，对5组直径相同、高度不同的煤样进行巴西劈裂试验，并同步声发射监测系统及三维形貌扫描技术探究不同高径比煤样的抗拉特性、声发射特征、破断模式及断面形貌特征。结果表明：随着煤样高径比的增加，煤样抗拉强度呈现逐渐减小的趋势，当高径比在0.4∶1至1∶1范围内时，高径比为0.4∶1的煤样抗拉强度最大。圆盘煤样宏观破坏模式逐渐由拉−剪混合裂纹主导的多裂纹复杂破断模式转变为单一断面拉伸裂纹破坏。累积声发射能量逐渐增大，且累积能量曲线的聚丛现象较为显著，呈阶梯式上升趋势。较低应力水平阶段的耗散能占比逐渐增大；当荷载增至弹性极限时，耗散能及其占比逐渐减小；当煤样趋近破裂阶段时，弹性应变能与耗散能占比趋于平稳；当煤样进入峰后破裂阶段时，积聚在煤样内的弹性应变能迅速释放，耗散能占比急剧增加，煤样内部宏观裂纹迅速扩展并贯通。多重分形谱宽度（Δα）逐渐增大，频谱测度子集（Δf）小于零，表明煤样拉伸破裂过程中小破裂尺度信号占主导优势。另外，不同高径比工况下煤样破断面高程的相对频率呈现出拟合度较高的高斯型函数分布，分形维数呈逐渐增大趋势，表明高径比越小，其破裂后断面的复杂程度越低，反之高径比越大的煤样破裂后断面粗糙程度越复杂。

• 基于PFC3D的空心圆柱灰砂岩宏细观参数相关性研究

  姜玥, 邹文栋,

  为从细观层面揭示主应力量值变化并为应力主轴旋转组合条件下围岩的破坏机理研究提供一种有效的数值模拟方法，基于空心圆柱灰砂岩单轴压缩和常规三轴压缩试验特性，分别采用单因素分析法、响应曲面分析法和回归分析法，研究了离散元软件PFC3D中平行黏结模型宏细观参数的敏感性特征。结果表明：依靠单因素分析法确定出的细观参数可靠性极低，基于响应曲面分析法和回归分析法获取的细观参数在低围压下与实验室结果表现出良好的拟合性；空心圆柱灰砂岩数值模型的抗压强度 \mathrm\sigma _\mathrmc 与黏聚力 \barc 呈正相关；弹性模量 E 分别与有效黏结模量 \barE_\mathrmc 、平行黏结刚度比的二次方（ \bark_\mathrmn/\bark_\mathrms ）2呈正相关，与 \bark_\mathrmn/\bark_\mathrms 呈负相关；泊松比v与平行黏结刚度比 \bark_\mathrmn/\bark_\mathrms 呈正相关；剪切裂纹比 \alpha 与（ \bark_\mathrmn/\bark_\mathrms ）2呈线性相关。最后，采用迭代法对响应曲面分析法和回归分析法获取的细观参数进行了优化，优化后的数值模拟结果与实验室结果在不同围压下的试样峰值强度、变形参数和破坏形态方面吻合度较高。迭代法为PFC3D中平行黏结模型的细观参数标定提供了一种有效的方法，通过这一优化方法可以简化标定步骤，提升标定结果的适用性，提高模型的准确性和可靠性。

• 冲击劈裂下隧洞岩石损伤特性与爆破原位裂隙扩展机理

  倪苏黔, 徐颖, 来永辉, 杨荣周, 丁进甫, 付鸿鑫, 冯凤凤,

  稳定围岩为隧道爆破提供了重要的环境保障。为探究长距离隧道在周期性爆炸荷载下的围岩损伤特征与破裂机理，以下穿高速引水隧洞原位围岩及岩样为研究对象，借助SHPB（分离式霍普金森压杆）试验系统开展冲击劈裂试验，揭示了岩体力学行为和能量演化特征，并引入矿井巷道4D超高清成像技术，进一步分析了周期性爆炸荷载下隧道围岩的原位裂隙扩展机理。结果表明：①冲击劈裂下花岗岩和凝灰岩的劈裂应力-压缩应变曲线不同于通常冲击压缩“应力屈服”特征，而是具有“应力残余”特征，峰值应力和动力增长因子均呈正线性增长趋势；应变-时间曲线未出现通常冲击压缩“后期减小”变形特征，而是作为弹脆性材料表现出“后期稳定”变形特征。②岩体冲击能量-时间曲线历经“初始缓慢增长-快速线性增长-后期稳定”演化阶段，且同一冲击能级下岩体能量转化比率满足：反射能比率>耗散能比率>透射能比率；岩体损伤破坏整体表现出“中部劈裂+加载端部破碎→中部劈裂+加载端部破碎+半圆断裂→整体破碎”状态特征。③提出以“少域多测”与“多域少测”结合的窥孔成像试验，原位围岩孔壁裂隙扩展特征主要表现为“微裂纹发育→裂隙扩展→扩展放缓→停止延伸”演变阶段，未显现对围岩影响较大的破碎片脱落现象和继续向内延伸迹象。④综合山下顶管隧洞D1观测孔、山茶检修隧洞D2观测孔结果验证了良好的控界爆破效果，对现场爆破施工起到了显著的实际指导作用，同时取自隧道原位的岩样冲击劈裂结果为爆前钻孔与爆破方案设计提供了有效的理论依据和参考。

• 瓦斯抽采SCMC-Bent基封孔水凝胶漏失特性及黏度演化机制

  王志明, 冯涵坤, 关坤, 孙玉宁, 刘志成, 李刘申,

  为实现瓦斯抽采钻孔漏气裂隙的有效动态封堵，防止负压驱动下浆液在裂隙中漏失，以羧甲基纤维素钠（SCMC）与钠基膨润土（Bent）为主料，通过引入系列添加剂制备了SCMC-Bent基封孔水凝胶，并测试了该水凝胶黏度的演化过程。然后通过开展负压作用下的浆液运移实验，研究了SCMC-Bent基水凝胶在煤颗粒间裂隙网中的运移及漏失特性。最后测试了SCMC-Bent基封孔水凝胶pH演化过程，采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、扫描电镜（SEM）及X射线衍射（XRD）表征了其微观结构，进而揭示SCMC-Bent基水凝胶黏度演化的微观机制。研究表明：①在恒温条件下，SCMC-Bent基水凝胶的黏度随时间呈现“先上升、后降低” 趋势；水料比越大，SCMC-Bent基水凝胶的黏度越低、越早发生后期黏度下降。②水料比越高的水凝胶在裂隙网络中运移越快，但负压作用下却越早发生漏失；相较其他水料比，水料比10∶1的水凝胶在负压抽气第24天仅运移41 mm，更容易长时间密封漏气裂隙。③ SCMC-Bent基水凝胶内部的蒙脱石层结构随时间先增多后减少，存在中间产物（SCMC-CXP）插入蒙脱石层间的现象，SCMC-CXP插入量随时间先增多后减少并随水料比增大而减少；蒙脱石层与层间SCMC-CXP形成了类似“三明治”的夹层结构，在水凝胶体系中逐渐形成了由蒙脱石层、层间SCMC-CXP、层外SCMC-CXP组成的三维网络。④三维网络结构的形成是造成SCMC-Bent基水凝胶黏度前期升高的原因；但随时间持续，中蒙脱石层结构减少且SCMC-CXP大分子链断裂，导致了三维网络结构消散进而致使水凝胶黏度降低；另一方面，高水料比削弱了SCMC-CXP在蒙脱石层间的插入量及大分子间的相互作用、增强了三维网络结构的过水能力，进而导致水凝胶黏度下降。

• 厚煤层沿空留巷变形漏风机制及多元协同防治技术

  陈亮, 程志恒, 王宏冰, 罗欣, 徐振炜, 董艳军, 李文臣, 王朋, 于宏阳,

  为解决厚煤层沿空留巷墙体变形机理及采空区漏风流场不清、瓦斯防治效果不佳的问题，以山西沁城煤矿20107工作面为工程背景，采用力学建模、理论分析研究了沿空留巷顶板断裂位置对应力集中及传播路径的控制作用，并指出断裂线位于留巷外侧时，可有效转移支撑应力并卸压，并提出了分段压裂切顶关键位置的计算方法。采用单元法实测，从采空区漏风量分布及留巷漏风通道两方面，揭示了沿空留巷采空区漏风流场及瓦斯浓度分布规律，进而提出了沿空留巷采空区瓦斯多元防治技术，即采用定向钻孔分段压裂切顶卸压-强化瓦斯抽采超前协同共治为主，弱化转移顶板来压避免墙体变形产生裂隙漏风的同时提高采空区瓦斯抽采效率；采用硅酸盐复合材料对已有墙体裂隙发育区(顶板交界处、插管外壁周围)进行喷涂堵漏，封堵留巷漏风通道；辅以留巷插管参数优化及控风降压，进一步减小采空区漏风及瓦斯涌出，并通过现场考察验证。研究结果表明：① 20107采空区漏风以运输巷进风流正压漏入为主、回风侧以高浓瓦斯漏入沿空留巷为主，工作面倾向0～36 m区段正压漏风量332.84 m3/min，占工作面总体漏入采空区风量（572.15 m3/min）58.17%；留巷走向54～108 m区段留巷漏入风量408.45 m3/min，占采空区总体漏入沿空留巷风量（469.01 m3/min）87.09%；②优化后，裂隙带定向钻孔（压裂孔+抽采孔）平均瓦斯抽采纯量为7.46 m3/min，压裂切顶后留巷墙体变形、裂隙控制大幅改善，沿空留巷平均瓦斯体积分数由原0.59%逐渐降至0.34%，实现工作面高效达产。

• 超临界CO2作用下高阶煤微观结构及力学特性−声发射特征研究

  刘佳佳, 许艳之, 聂子硕, 张云龙, 高建良, 王丹,

  超临界CO2压裂技术作为极具发展潜力的压裂煤体增透瓦斯技术，明晰其对煤体的影响机制，有助于推动该技术的机理研究和实践工程应用。为准确表征超临界CO2作用下高阶煤的孔裂隙结构及力学特性变化，以焦煤集团中马村矿的高阶煤为试验对象，通过自主搭建的超临界CO2浸泡试验系统，结合全自动物理吸附仪（BET）以及全自动压汞仪（MIP），对超临界CO2处理前后高阶煤的孔裂隙结构变化进行分析，并利用单轴压缩和声发射试验系统对超临界CO2处理前后高阶煤的单轴压缩力学特性和声发射特征进行测定。结果表明：超临界CO2对高阶煤具有良好的扩孔增渗作用。超临界CO2处理后高阶煤的微小孔孔容占比降低，中大孔孔容占比增大，且高阶煤的总孔容增大；超临界CO2对高阶煤的力学特性具有明显的劣化作用。超临界CO2处理后高阶煤单轴抗压强度和弹性模量均显著下降，降幅分别为70.06%和55.56%，且超临界CO2处理后高阶煤的内部声发射信号活跃度明显下降，高阶煤单轴抗压时间、累计振铃计数以及累计能量分别降低了98.68 s、95.14×103个、200.30 V·ms，降幅分别为46.65%、37.65%、50.03%，高阶煤累计振铃计数以及累计能量平静期占比均显著增加，缓增期占比均降低，激增期前者占比降低，后者占比小幅度增加。研究成果将有助于推动超临界CO2压裂技术的机理研究，对深部高阶煤的煤层气开采和CO2地下封存具有一定指导意义。

• 综掘工作面风流调控下风速及瓦斯粉尘浓度融合预测模型研究

  龚晓燕, 邹浩, 刘壮壮, 陈龙, 付浩然, 孙育恒, 李昊, 王新雨, 牛虎明,

  针对综掘工作面传统的通风总量控制管理模式不能根据实际需求进行风流调控，造成瓦斯及粉尘聚集和污染隐患等问题，对风流调控下的风速及瓦斯粉尘浓度多源数据融合神经网络预测模型进行了研究。采用欧拉−拉格朗日法建立了风流调控下的瓦斯及粉尘气固耦合模型并进行了测试验证，模拟分析瓦斯和粉尘颗粒在综掘巷道的分布情况，获取大量不同风流调控方案下的风速及瓦斯粉尘浓度样本数据。采用多层感知器神经网络技术建立预测模型结构，选取对瓦斯及粉尘浓度具有较大影响的风流调控等参数作为输入层，根据风速及瓦斯粉尘的隐患位置确定输出层，对样本数据进行预处理，通过引入差分进化算法搜索最佳隐藏层节点数和学习率，利用TensorFlow框架搭建多源数据融合神经网络预测模型。以陕北某矿综掘工作面为研究对象，对不同风流调控方案进行预测和井下实测验证。结果表明：该模型相对误差最大值为9.7%，具有较高的准确性；选取出风口距端头最短距离5 m和最远距离10 m这2种工况下的最佳调控方案，与调控前相比，风速符合规范要求，端头死角区瓦斯体积分数分别降低34%和35%，回风侧人行处平均粉尘质量浓度分别降低40%和41%，司机处粉尘质量浓度分别降低38%和36%，研究可为风流调控提供参考。

• 临兴地区深部煤储层煤体结构定量表征及影响因素分析

  高向东, 周世豪, 郭慧, 孙昊, 张明达, 骆潮威, 王延斌, 吴翔,

  煤体结构的定量表征是煤储层研究的热点问题之一。为精细刻画煤体结构的空间分布，查明其差异分布的主控因素，通过煤岩取心观测，借助地质强度因子对煤体结构进行定量表征，结合不同煤体结构的测井响应，构建了基于测井曲线的煤体结构量化表征模型，预测了煤体结构的空间分布，探讨了沉积、构造、地应力、微观力学性能对煤体结构的影响特征。研究结果表明：密度、伽马、声波、井径测井对煤体结构响应灵敏，利用测井多元回归法可以显著提高煤体结构的判识精度。研究区煤体结构以原生−碎裂结构为主，其次为碎裂结构，发育少量的原生结构和碎裂−碎粒结构。整个研究区的煤体结构分布可以归纳为四大类七个小分区。发育在潮道、砂坪、泥坪、三角洲平原、潟湖环境中的煤层，其厚度逐渐变大，但煤体结构与煤层厚度没有明显的关系。然而，灰分含量与煤体结构的完整性呈正相关，研究不同沉积环境中灰分的变化规律是揭示沉积环境对煤体结构控制特征的关键。煤储层变形程度越大，煤体结构越破碎。原生结构煤、原生−碎裂结构煤、碎裂结构煤的平均构造曲率分别为8.4×10−6、18.7×10−6、25.7×10−6 m−1。断层发育区，煤体结构以碎裂结构为主。随着埋深增大，原位地应力增大，煤体结构完整性增强，地应力状态在此基础上进一步分化煤体结构。在浅部伸张−压缩过渡带以碎裂−碎粒结构为主；在深部压缩状态以原生−碎裂结构为主；在深部压缩−伸张过渡带碎裂结构的比例有所增加。煤岩微观力学性能受控于煤基质组分和显微孔隙结构。煤岩无机组分力学强度高于有机组分，且无机组分孔隙孔径比有机组分孔隙孔径小，则无机组分含量越高，煤岩力学强度越高，煤体结构越完整。该研究成果为煤层钻井施工、压裂改造、储层评价提供参考。

• 影响煤层气单支压裂水平井产量关键要素及提产对策 以郑庄区块开发实践为例

  张晨, 何萌, 肖宇航, 刘忠, 韩晟, 鲁秀芹, 王子涵, 吴浩宇, 张倩倩,

  单支压裂水平井作为沁水煤层气田煤层气开发主体技术，支撑了气田20亿m3/a产气量的突破。但在其规模推广应用过程中，出现井间产量差异大，局部区域适应性欠佳等系列问题，严重制约了气田煤层气产量进一步提升。一方面，众多影响单支压裂水平井产气量的关键要素已被确认，但核心关键要素却不明确；另一方面，关键要素的平面变化规律认识，普遍为简单数学外推或纯粹数学反演，缺少地质约束和修正，可靠性和分辨率低。故亟需落实影响产量核心关键要素，以此为基础建立针对性提产技术对策。首先，基于郑庄区块客观地质条件和开发生产实践认识，提出影响单支压裂水平井产量的核心关键要素初步筛选原则，并评选出纯煤层进尺、水平段倾斜幅度、全烃、GR（自然伽马）、压裂段数、平均砂量梯度、平均排量梯度、平均液量梯度、解吸压力梯度9项要素。用灰色关联分析和单因素分析方法，明确初筛9项要素与单支压裂水平井产气量间的关联程度，落实要素对产量影响的内在机制。其次，从资源基础、储量控制和改造动用3个角度，结合单支压裂水平井部署和改造设计和施工具体流程分类9项要素，并依此建立针对性的提产技术对策。在井位部署阶段，利用评价井外推资料，初步明确相对富集区域，用构造导向滤波+高频相干技术处理地震资料，圈定无隐蔽性破坏构造发育区，再钻直/斜井以获取煤层段GR和全烃，落实井位部署区资源基础；在井轨迹设计和钻井阶段，利用波形聚类技术预测井位部署区内构造煤分布规律，对地震资料叠前深度偏移处理预测井位部署区内煤层厚度和起伏变化规律，用井组模式，分批次钻井，结合近钻头地质导向技术，实钻数据实时修正局部煤层认识，增加纯煤层进尺，优化井轨迹，确保更多优质压裂段，提高储层控制；在储层改造阶段，通过GR、全烃、井轨迹条件和实钻数据等优选压裂段，采用桥射联作压裂技术提升排量、砂量和液量，扩大改造规模，强化改造，提升资源动用程度。最后，运用上述对策在郑庄区内开展相关试验，在郑庄北部部署1个井组7口井，与周边早期单支压裂水平井相比，试验井较之前解吸压力高出约1～1.5 MPa，稳产气量提高近5 000～10 000 m3/d。该研究评选了影响单支压裂水平井产气量的核心关键要素和以此为基础而建立的针对性提产技术对策，经现场试验检验，能大幅提高煤层气井稳产气量和解吸压力，为沁水煤层气田产量提升和采用相同主体开发技术的同行提供生产实践经验和可借鉴的成功案例。

• 古建筑压煤开采对斜坡上覆堆积层变形扰动影响研究

  安成纪, 龙建辉, 胡海峰, 李旭鹏, 李美平, 李娟,

  针对缓倾顺层斜坡上覆堆积层的采动稳定性与变形机理的研究，特别是从协调地下资源开采与地上文物古建筑安全防护视角出发的研究处在探索阶段。以山西省宝应寺斜坡堆积层为研究对象，基于地表动态监测与地质过程机制分析，结合数值模拟研究了堆积层稳定性与地表裂缝成因机制，并探讨优化了开采方式。研究表明：①长壁式地下开采是引起堆积层变形的诱因，堆积层软弱特性与斜坡软硬互层结构是其变形内因。堆积层下伏基岩变形模式为垂向挤压水平拉张，对堆积层变形具有放大效果，牵动其产生地裂缝。堆积层变形破坏机制为：坡下采空—覆岩弯曲—侧岩倾倒变形—下伏岩层应力集中—牵动拉裂；②堆积层裂缝分布在上坡方向采空区工作面端部附近，平面上近似平行，呈“之”字或锯齿状。地物裂缝较之地表裂缝数量更多、但规模更小，寺院建筑群受隐伏张性地裂缝影响致地基形变造成地面以上结构开裂；停采后监测期内，堆积体变形速率趋于收敛，残余变形消减，由变形移动转为基本稳定；③完全采空后，堆积层表现为以下错为主的拉张变形，剪应变显现，持续开采条件下堆积层变形程度将加剧。下伏基岩最大主应力增量达1080.75%，拉应力集中；④短壁房式开采留设区段煤柱利于减小堆积层变形。研究为认识地下资源开采扰动斜坡上覆堆积层变形破坏与寻求古建筑压煤开采文物保护解决方案提供了参考。

• 考虑抗滑煤柱的倾斜基底内排土场稳定性研究

  马力, 靳新宇, 张奇峰, 姜凯升, 李蒙博, 虎岩,

  煤层赋存角度倾斜导致相应区域内排土场基底倾斜，造成内排土场稳定性降低易发生滑动。为了探究抗滑煤柱在露天矿倾斜基底排土场中的应用效果和作用机理，以某露天矿倾斜基底排土场为研究对象，对倾斜基底未留设抗滑煤柱和在坡脚处留设抗滑煤柱情况下的排土台阶分别作理论分析，基于极限平衡法分别推导出了2种情况下的边坡稳定性计算公式。以基底地层倾角及排土场排弃高度为变量进行研究，得到基底地层倾角α或排弃高度H与边坡稳定系数Fs均呈负相关反比例函数关系，基底地层倾角对边坡稳定性影响较大，排土场排弃高度对边坡稳定性影响较小。采用FLAC3D软件结合强度折减法对排土场留设煤柱前后状态下进行数值模拟分析验证，与理论分析结果基本一致，得出在当前地质条件下留设宽10 m抗滑煤柱可提升稳定性5%，从理论上揭示了留设抗滑煤柱对排土场边坡稳定性的影响。最后对抗滑煤柱留设参数进行研究，以煤柱留设高度h及煤柱留设坡面角β为研究对象，得到抗滑煤柱的留设高度与稳定系数呈正比例二次函数关系，抗滑煤柱坡面角对稳定系数影响成反比且影响较小，为后续在排土场边坡设置抗滑煤柱的研究及通过留设抗滑煤柱提高边坡稳定性的措施提供参考。

• 基于激光雷达点云的煤炭快速装车质量检测方法

  张俊升, 王洪磊, 朱西硕, 李佳城, 刘晓明,

  为了提高煤炭快速定量装车系统智能化无人化水平，实现火车装车质量快速实时检测，避免火车超偏载情况的发生，针对现有非接触式装车质量检测系统的不足，提出了基于激光雷达点云的煤炭快速装车超偏载检测方法。结合煤炭火车装车站装载流程，利用激光雷达三维扫描技术和车号识别技术，构建火车装车质量检测系统。提出一种基于马氏距离的离群点滤波算法，对每个点的邻域进行统计分析，计算其到邻近点的马氏距离，去除火车车厢点云中存在大量的随机噪声，如装车时的粉尘、喷洒的水雾、外界环境的扰动（雨、雪、煤尘）等。提出了一种标签连通域聚类算法，通过点云连通域区域标记和聚类，完成相邻两节车厢之间的分割。提出一种基于主成份分析（PCA）的火车车厢拼接算法，完成车厢点云的三维点云拼接。提出一种基于点云切片的装载物料点云提取方法，通过构建点云局部领域提高计算速度，在车厢长度和宽度方向上分别进行切片，滤除车厢前后、左右车帮点云。最后，提出了火车装车质量主要指标装载高度、装煤量、偏载量的计算方法，通过表面三维重建直观显示检测结果，实现火车装车质量的检测。试验表明，利用基于激光雷达点云的检测方法可以完成火车装车表面的实时扫描建模和装车质量检测，且该方法适用于不同尺寸车型，具有通用性。

• 风化煤暗发酵生物制氢与关键代谢途径分析

  张双斌, 赵树峰, 郭红玉, 关永鑫, 张宏, 马浩杰,

  风化煤热值低、利用方式单一且污染环境，为拓宽风化煤的利用途径，实现资源利用和环境保护，对风化煤进行暗发酵制取生物氢气。选取山西晋城和太原、内蒙古乌海三个矿区的自然风化煤，以煤层矿井水作为菌种来源，通过生物产氢试验、GC-MS、三维荧光和宏基因组学等测试手段揭示风化煤生物制氢可行性及关键代谢产物和途径。结果表明：不同矿区风化煤可以被转化为生物氢气，其中乌海风化煤产氢量最大（10.26 mL/g），远高于晋城风化煤产氢量（5.22 mL/g）。风化煤产氢系统偏酸性环境，pH和COD质量浓度具有一定的规律性变化，随着发酵的进行部分有机物得到利用产生乙酸和氢气。风化煤产氢过程中液相有机物主要以酸类（乙酸、丙酸、正戊酸和丁酸）和醇类（2,3-丁二醇，糖醇和（S）-1,2-丙二醇）为主,可溶性有机质以腐殖酸和色氨酸蛋白类有机质为主，且随着发酵的进行，多种有机质被消耗利用。风化煤制氢过程中微生物主要以Pseudomonadota门和Citrobacter属为主，且主要通过分解和利用有机酸（乙酸、丙酸、丁酸、乳酸）产生氢气。风化煤制氢过程中，乙酸代谢途径以糖酵解途径为主，有机质被细菌分解生成丙酮酸后再被产氢细菌利用，其中丙氨酸激酶和醛酮酸脱氢酶在细胞代谢生成氢气过程中发挥着重要作用。研究结果揭示了风化煤产氢的潜力机制，为风化煤有效利用提供了理论参考。

• 粗煤泥流态化浮选颗粒流化特性及分选效果研究

  尹青临, 丁世豪, 张怡晴, 何琦, 邢耀文, 桂夏辉,

  气液固流态化浮选新技术基于重浮耦合原理可实现粗颗粒高效回收，以1.0～0.5 mm粗煤泥为研究对象，系统探究了水速、充气量、捕收剂和起泡剂用量等因素对实验室二维流态化浮选床层流化特性和分选效果的影响。结果表明：增加水速、降低充气量及添加起泡剂和捕收剂均可有效降低压力信号波动，增加床层稳定性。降低充气量可以减小气体在床层内部的表观气速，而水速的增加和起泡剂的添加会通过流体的剪切效果和表面张力的降低使气泡尺寸减小，捕收剂的添加则有助于气泡与颗粒的黏附，降低气泡的上浮速度。随水速和充气量的增加，精煤灰分呈现先减小后增加的趋势，但尾煤灰分趋势略有不同，过高的充气量会扰乱床层导致返混严重，尾煤灰分增加；捕收剂和起泡剂的适当加入会进一步降低精煤灰分，这是由于浮选气泡在粗颗粒表面的黏附，降低了其表观密度，强化了按密度分选效果，但是过量的药剂加入可能会导致浮选夹带现象的出现，增加精煤灰分。最后研发了直径200 mm流态化浮选设备用于半工业试验，以 1.0～0.25 mm粗煤泥为入料，在水速为15 L/min、充气量为1.5 L/min、捕收剂200 g/t和起泡剂400 g/t条件下可获得最佳分选指标，精煤灰分和产率分别为9.34%和90.13%，尾煤灰分和产率分别为38.51%和9.87%。本研究对实现流态化浮选过程床层稳定性调控及粗煤泥高效回收利用具有重要意义。