煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2024年第2期

• 微震定位精度影响下采场裂隙表征与冲击地压预警

  曹安业, 王常彬, 杨旭, 王冰, 张宁, 赵卫卫,

  我国深部煤矿高强度开采和复杂地质环境造成冲击地压灾害频发，对矿井安全高效生产造成严重威胁。目前，我国冲击地压矿井配备的微震监测系统在震源定位精度上仍存在不足，冲击地压灾害依然存在“灾源找不准、灾害控不住”的难题。为准确描述采场微震活动空间演化特征，降低震源定位误差对微震预警造成的不利影响，基于冲击地压矿井现有微震监测条件，采用仿真正演试验法探究了煤矿微震台网定位误差矢量分布特征，提出了一种考虑微震定位精度影响的微震裂隙贯通表征方法，并在某矿井回采工作面进行了冲击地压预警实践。研究结果表明：采场不同区域震源定位精度的矢量性差异是造成冲击地压微震预警偏差的重要原因；提出的微震破裂贯通可能性指数 F_\mathrmsum 采用与震源能级相关的近场区域半径表征震源破裂尺度，并考虑定位误差对不同距离震源间破裂贯通的影响，最大程度还原了采场煤岩体裂隙扩展贯通可能性的分布规律，与冲击地压危险具有良好对应关系； F_\mathrmsum 在冲击地压危险相关性上显著优于微震频次，同时危险区域识别效率又强于微震能量，可兼顾预警精准率和召回率，是理想的冲击地压周期性预警评价指标。研究成果将为评价微震台网监测能力、提高冲击地压微震预警能力与防治效率提供参考。

• 井下断层活动的定量监测及其对冲击地压的影响研究

  荣海, 魏世龙, 张宏伟, 杨岁寒, 汤进宝, 陈林林, 钱红亮, 王雅迪, 付兴,

  为建立断层活动与冲击地压之间的定量关系，实现煤矿冲击地压有效防控。通过理论分析义马矿区地质构造环境，以及耿村煤矿13200工作面与断层影响带的相对位置关系，研究了断裂构造对冲击地压的宏观控制作用。计算了井田构造应力并进行了构造应力区划分，分析了构造应力分区对冲击地压的控制作用。提出了井下断层活动性的定量监测方法，构建了“震源区煤岩体与动力核区尺度等量，震源能量随传递距离逐渐衰减”的模型，建立了大能量微震事件与断层活动的关系，确定了断层活动性对冲击地压的影响。研究结果表明：义马煤田内相对复杂的逆冲推覆构造体系，构成了义马矿区冲击地压的地质构造背景条件。F16断层的影响带范围为7 000～7 600 m，13200工作面全部处于F16断层的影响带内，在开采活动的影响下进一步增大了冲击地压的发生危险。Ⅰ-2断裂、Ⅲ-4断裂和Ⅳ-7断裂等控制的区域是冲击地压和大能量微震事件显现的主要区域，且冲击地压和大能量微震事件大多位于应力梯度区范围内。在大能量微震事件孕育和发生期间，F16断层位移分别增长50 mm和45 mm；大能量微震事件发生前，断层活动拉力的增幅均相对最高，分别为2.58 kN和2.93 kN，断层位移量的快速增加和较高的应力增幅构成了大能量微震事件的主要能量来源。表明大能量微震事件和冲击地压的发生均与断层的活动联系紧密。井下断层的实际定量监测方法可以广泛应用于矿井冲击地压预测与防控的指导工作中。

• 沿空留巷密集钻孔切顶机理及关键参数确定方法

  刘少伟, 李小鹏, 朱雯清, 付孟雄, 张定山, 彭博,

  为实现密集钻孔切顶条件下沿空留巷顶板结构安全稳定，研究正常情况与密集钻孔条件下顶板岩层结构受力状况，基于岩石断裂理论和弹性理论分析回采前后顶板密集钻孔孔间围岩受力分布及其破断过程，明确密集钻孔切顶机理及相邻钻孔的孔间集中应力相互作用机制，推导工作面端头弧形三角板结构巷道侧边界密集钻孔孔间围岩的拉剪应力计算公式。在此基础上，分析不同参数对孔间围岩所受拉剪应力的影响作用，提出沿空留巷密集钻孔切顶关键参数确定方法。研究表明：密集钻孔主要通过回采前后钻孔周围应力条件改变来增加钻孔围岩拉剪应力集中程度，引起孔间裂隙扩张联通，形成切缝线破断关键岩层。回采前钻孔主要受水平挤压应力影响，回采后钻孔受力逐渐转变为采空区顶板回转下沉产生的拉剪应力为主，钻孔孔间围岩状态随之由孔间围岩弱化阶段过渡到孔壁裂纹成形阶段，再转变为孔间围岩破断阶段。密集钻孔孔间围岩所受拉剪应力大小主要取决于关键岩层厚度及钻孔孔径与孔间距之比，与钻孔高度及间距成负相关，与角度及直径正相关。据此提出了密集钻孔关键参数确定方法，并根据龙滩矿3124 N工作面坚硬顶板条件设计了密集钻孔切顶留巷方案，确定钻孔长度为8.3 m，角度为15°，钻孔直径为48 mm，间距为500 mm。留巷后巷道顶帮变形可控且整体稳定性较好，由此可证明密集钻孔布置参数较为合理，密集钻孔关键参数确定方法有效可行。

• 煤矿巷道再造高强度承载结构快速支护技术及工程应用

  徐佑林, 吴旭坤, 周波, 郑伟, 吴少康, 周泽, 陈志松, 张际涛,

  针对松软、破碎围岩巷道可锚性差、受强动压和强构造应力影响等问题，开展了大量现场调研并归纳分析了3种典型煤矿巷道围岩大变形和围岩控制难题；在分析现有支护技术和理论基础上，提出再造高强度承载结构快速支护技术思路和再造方法。以贵州龙宝煤矿11205运输下山为工程背景，分析其变形破坏原因，结合实际设计出对破碎围岩进行置换加卸压的联合支护方法，理论上建立巷旁充填墙承载力学模型，分析了巷旁充填墙的承载强度，确定了巷旁充填墙的强度与巷道围岩的可适性及有效性。结合FLAC3D数值模拟与Python脚本编程语言，实现飞蛾火焰优化算法，确定最优的破碎围岩巷道的置换参数（墙体厚度和卸压区宽度）。研发了高强度高韧性充填支护新材料。通过对软弱墙体进行置换再造，让巷道顶板、充填体和底板重新构成一个整体承载结构。井下工业性试验结果表明，对巷道软弱岩体进行置换再造后，巷道顶板、充填体和底板所构成的新结构可实现整体承载，充分发挥了围岩自身承载能力和抵抗变形能力，围岩变形趋于平稳，收敛速率基本都小于0.2 mm/d，无明显变形，且数值模拟计算结果与工程实践监测较为吻合，表明巷旁充填置换支护方案对松软破碎围岩巷道控制有较好的效果。最后，对深入研究再造承载结构快速支护技术进行了展望。

• 高延伸率锚索动态力学特性及工程应用

  付玉凯, 吴拥政, 周鹏赫, 孙卓越, 李军臣,

  传统锚索延伸率低、抗冲击能力差，在强冲击载荷作用下易出现脆性破断失效，导致巷道出现冒顶、冲击地压事故等问题。基于此，自主开发了具有高强度、高延伸率及高抗冲击等特性的锚索，采用实验室试验、理论分析及现场试验等综合手段，分析了高延伸率锚索的静、动载力学性能，研究了高延伸率锚索化学成分、金相组织和夹杂物与普通锚索的差异，提出了高延伸率锚索支护吸能原理，并将高延伸率锚索在现场进行了应用。研究结果表明：静载作用下，高延伸率锚索抗拉强度为1 790 MPa，最大力总延伸率8.1%，是普通锚索的1.61～2.25倍；动载作用下，高延伸率锚索钢丝不易散开，破断载荷与普通锚索基本相同，断后伸长率分别是锚索A、B、C的1.82倍、1.68倍和1.52倍，单位长度吸能量分别是锚索A、B、C的2.54倍、1.99倍和1.70倍，高延伸率锚索塑性变形能力更强，吸能能力更高。高延伸率锚索通过在冶炼和轧制工艺过程中控制有害化学元素和有益化学元素含量、细化金相组织及减少夹杂物尺寸和数量等方式提高了钢丝的塑性变形能力，进而提高锚索整体的抗冲击性能。高延伸率锚索在现场应用过程中经受了多次大能量冲击后，巷道支护效果良好，高延伸率锚索未出现破断，有效控制了巷道冲击破坏。

• 二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展

  袁永, 陈忠顺, 梁小康, 申海生, 左磊, 孟朝贵, 王圣志,

  煤岩体结构改造是解决煤矿许多技术难题的共性核心科学问题，二氧化碳相变爆破因其安全可控、能量易调节等优点成为煤岩体致裂的有效手段之一。为确定二氧化碳相变爆破致裂机理，扩展相变爆破致裂工程应用，分析了二氧化碳相变爆破原理和致裂器材与装备，统计比较不同方式相变爆破能量计算方式，相较于传统炸药爆破，相变爆破属于一种低能量致裂方式；通过分析二氧化碳相变射流传播特征，探究相变爆破中等应力起裂和高压气体协同作用方式，煤岩体在中等冲击作用下，受到拉应力破坏产生径向初始断裂，并在冲击波和卸载波综合作用下形成多重起裂特征，高压气体在多重裂隙中进一步扩展，驱动裂隙向外扩展，明确了相变爆破应力气体协同致裂过程；进一步研究了泄能方向、煤岩体性质、爆破参数、初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等因素对相变爆破致裂效果的影响，泄能方向对煤岩体破坏起到直接作用，引发非对称损伤破坏，煤岩体抗压强度和致裂孔间距是影响致裂效果的关键因素，初始地应力、钻孔布置参数和钻孔切槽特性等影响裂纹发育扩展特征；在相变爆破致裂工程应用方面，揭示了相变爆破多重裂隙渗流特征，确定了高瓦斯煤层致裂增透效果，对比了预裂前后煤体截割特征，验证了预裂提升块煤率可行性，并探究了相变爆破预裂顶板垮落特性。针对相变爆破致裂应从多速率冲击破碎、损伤破坏多尺度分析、致裂过程多物理场耦合及延时相变爆破技术等方向进一步扩展研究，拓宽二氧化碳相变爆破应用场景。

• 套筒压裂作用下岩石细观裂隙与能量演化规律探究

  胡善超, 韩金明, 黄俊鸿, 平立芬, 程亚飞, 高志豪, 郭世豪, 杨磊,

  为从细观层面揭示不同围压作用下套筒压裂岩石破坏机理及能量运移规律，基于套筒压裂试验以及膨胀力测定试验构建了PFC3D数值模型，采用离散元法对套筒压裂过程开展数值模拟，结合声发射信息探究了套筒压裂过程中不同围压对岩石细观裂隙及能量变化的影响规律，并依据弹性力学揭示了套筒压裂力学机制，研究结果表明：①套筒注液过程存在压力损失，依据注液压力损失率可将注液过程大致划分为充填阶段、增压阶段、快速增压阶段。注液压力与套筒膨胀力呈线性关系，其修正系数为0.678。②基于PFC3D所构建的数值模型能够较好的反映套筒压裂过程中岩石力学性质与变形破坏特征，岩石压裂过程以张拉破坏为主。围压决定着裂缝的扩展路径，并对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用。随着应力差的逐渐增大，岩石内部剪切裂纹数量及占比均逐渐增大。③声发射信号可分为平静期与活跃期，累计裂缝数目曲线呈现阶梯状上升。无围压条件下，声发射特征呈现单峰值分布；有围压条件下，声发射特征呈现多峰值分布，压裂过程存在多个破坏阶段。④套筒膨胀力作用范围有限，环向拉应力作用范围与套筒膨胀力呈现对数关系。切向应力随应力差的增大而增大，当夹角φ取值为45°或135°时，岩石内部剪切破坏最明显。⑤同一膨胀力作用下，围压越大岩石内部输入能越小。不同围压条件下岩石的输入能、弹性能、耗散能均出现不同程度的激增，这主要是由于宏观裂缝的形成引发了钻孔扩容；耗散能平均增长速率更快，为弹性能的1.27～1.55倍。

• 预制孔洞煤样冲击力学特性及能量耗散试验研究

  何杰, 吴拥政, 孙卓越, 李军臣,

  为研究冲击载荷下预制孔洞煤样力学特性及能量耗散规律，制备含轴向孔洞的直径50 mm，高50 mm圆柱体煤样，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)装置，开展8个孔洞尺寸和3个冲击气压水平的加载试验研究，借助平面场应变测量技术(VIC–2D)和高速摄像机，分析了冲击加载过程中试件动态应力、动态应变、裂纹演化、破坏失效及能量耗散特性。结果表明：①在试验涉及的孔洞直径范围内，冲击载荷下完整与孔洞煤样动态应力–应变过程均呈现微裂隙压密阶段、弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段。同一冲击气压下，随孔径增大，煤样动态抗压强度、动态峰值应变均降低；孔径由0增大至8 mm时，煤样动态抗压强度和峰值应变下降出现快–慢分区特征。与完整煤样以拉伸裂纹破坏为主不同，孔洞煤样主要以拉伸裂纹–剪切裂纹复合破坏为主，且随着孔径增加，试件内部裂纹扩展能力变弱。②揭示了冲击载荷下孔洞煤样的能量耗散规律：孔洞煤样透射能、吸收能与孔径呈负相关，反射能与孔径呈正相关，这主要由孔洞改变试件过波面积造成。随孔径增大，煤样过波面积降低，其吸收能和透射能随之降低，与冲击载荷下孔洞煤样破碎度与孔径负相关结论相一致。研究成果有利于明晰冲击地压巷道钻孔卸压机理，为冲击地压防治提供理论支持。

• 关闭矿井采空区破碎岩体再断裂机制及空隙结构演化特性

  孟凡非, 浦海, 倪宏阳, 卞正富,

  受“双碳”政策影响，关闭矿井地热开采技术逐渐受到关注。关闭矿井采空区内储热流体提取效率与其渗流特性密切相关，而破碎岩体空隙结构是决定采空区渗流特性的关键因素。因此，需要研究地热开采复杂环境下储热空间破碎岩体空隙结构变形演化特性。笔者基于颗粒离散元数值方法，建立浸水及侧向约束压缩条件下不同级配的破碎岩体数值模型，分析破碎岩体变形行为及二次断裂演化特性，追踪颗粒从岩体骨架结构剥离及空隙内运移规律。得到如下结论：破碎岩体压实过程应力随应变增长可分为3个阶段：初始阶段（0<ε≤0.175），缓慢增长阶段(0.175<ε≤0.275)以及快速增长阶段(ε>0.275)。快速增长阶段应力−应变曲线出现明显波动，破碎岩体二次断裂及应力重分布现象在该阶段最明显。破碎岩体热储环境下空隙率的变化值与初始空隙率成正比，最大达到0.2。当破碎岩体内岩块粒径悬殊大时，接触键应变能最大，断裂能增长缓慢。岩块与颗粒密集区接触部分断裂分布多，与空隙接触部分断裂分布极少。颗粒未剥离岩块时，随岩块运动，整体运动路径复杂速度较小；颗粒剥离瞬间速度突然增大，与岩块碰撞导致速度改变。当颗粒速度减小到与周围岩块相近时，将造成空隙空间的堵塞。研究结果可为关闭矿井储热空间换热效率评估提供理论依据。

• 颗粒煤基质尺度计算新方法及应用

  王亮, 李子威, 郑思文, 安丰华, 赵伟, 吴淞玮,

  煤基质内部富含复杂孔隙，为瓦斯提供了大量的存储空间和运移通道。孔隙内的瓦斯流进裂隙需要经过扩散过程，基质尺度在一定程度上决定了扩散到裂隙的阻力，影响着瓦斯扩散的难易程度。研究以瓦斯扩散与煤基质尺度内在联系为出发点，通过处理颗粒煤解吸瞬态过程数据得到不同解吸时刻煤的双重孔隙结构内的瓦斯浓度与质量交换速率的定量关系，结合时变扩散系数对基质形状因子进行计算，提出了基于瞬态扩散的颗粒煤基质尺度计算方法，并进行了试验验证。结果表明：与较小颗粒煤相比，保存完整基质形态的大颗粒煤初始扩散系数基本不变，因此初始扩散系数的值在一定程度上可以表征基质的破坏程度。基质形状因子随解吸时间的延长而减小，可划分为急降阶段、缓降阶段和稳定阶段，其中稳定阶段基质形状因子能够准确反映扩散后期拟稳态下的基质形态，最适合求解基质尺度。该方法可以反映颗粒煤粉化损伤过程中的基质尺度变化规律，为解释扩散极限粒径的存在提供依据。糯东煤样的3种试验粒径基质尺度随煤颗粒的增大而增大，分别为0.059、0.287、0.457 mm，并且在大粒径范围具有无差性，证明了该方法的准确性。颗粒煤基质尺度可以用来修正K1值的计算参数，使瓦斯损失量计算模型在粉化程度高的煤样中同样具有很好的适用性。

• 松软破碎煤体取制样与剪切试验系统研制及应用

  舒龙勇, 饶文铭, 范喜生, 刘正帅, 孙中学, 霍中刚,

  研究松软破碎煤体力学性质对巷道支护和煤与瓦斯突出预测等工作具有重要意义，但当前缺乏有效的松软破碎煤体取样、制样及力学特性分析装置。为此，研发了一套松软破碎煤体取制样与剪切试验系统，主要由取样装置、制样装置和力学特性参数测试系统组成，各部分具有以下主要功能与特点：①取样装置中的单动三管取芯器包含脑袋总成、外管总成及内管总成3部分，内外管间设置稳定环，保证内外管同心，内管总成腔体内部设置衬管用于储存煤心，取芯钻进时内管不随外管旋转；当钻取的煤心充满衬管后，退出取芯器，拆卸取出衬管，将煤心连同衬管一并取出并进行封装。取样装置灵活、轻便、易拆装携带。②制样装置包含脱模仪、切割机、冰箱、热风枪4部分，脱膜仪用于脱去煤心外层衬管，切割机、冰箱和热风枪用于对煤心进行切割、冷冻和热缩；制作标准煤心试件分为打孔润湿、冷冻切割和热缩脱模3个步骤，采用端头局部冷冻切割、脱模与热缩均匀同步等技术，实现多种标准尺寸试件制备，制样方法完善、成功率高。③力学特性参数测试系统包含主体结构、伺服油源控制装置和软件系统3部分，能实现限制性及非限制性直剪试验功能，主要用于开展松软破碎煤体标准试件不同法向应力下直剪试验、不同围压下三轴压缩试验。整体设计结构简单、操作方便。研究利用单动三管取芯器获取松软破碎煤体，利用脱模仪等制样装置将其制备成标准试件，进而在力学特性参数测试系统上分别开展松软破碎煤体标准试件在0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09 MPa法向应力下的直剪试验和0.2、0.3、0.4 MPa围压下的三轴压缩试验，并求得两种试验条件下松软破碎煤体的黏聚力和内摩擦角等抗剪强度参数，其中直剪试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.125 kPa和37.2°，三轴压缩试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.121 kPa和36.4°。结果表明，该套系统具有较好的实用性和可靠性，为研究松软破碎煤体力学特性提供了较好的试验平台和方法。

• 采动覆岩卸压瓦斯运储通道属性参数拓扑关系研究

  赵鹏翔, 卓日升, 李树刚, 林海飞, 常泽晨, 贾永勇, 金权, 刘元嘉,

  煤矿日益加剧的高强度开采过程中，诸多因素综合影响着覆岩裂隙的空间分布特征。覆岩裂隙分布的特征对于解放层开采中的瓦斯治理有着重要的指导意义。通过开展多组二维物理相似模拟试验，探究了不同开采条件下（开采高度、推进速度、关键层层位、煤层倾角）覆岩裂隙网络分布特征及卸压瓦斯运储通道的属性参数，得到了几何参数、裂隙参数的拓扑干系网络。基于复杂网络演化理论可以简化现实干系的拓扑变换，并结合复杂网络特征参数分析运储通道干系结构和因素节点的演化特征，实现了覆岩裂隙网络干系影响因素的定量描述，建立了卸压瓦斯运储通道网络干系结构矩阵及模型。结果表明：卸压瓦斯运储通道的发育范围、贯通度以及分形维数均随着采高、关键层层位及煤层倾角增大而不断扩大；随着推进速度的加快，发育范围却呈现减小的趋势。采高的增加对离层量影响最大，6 m采高相较于4 m时增幅达到146.9%。破断裂隙密度的变化主要受煤层倾角影响，受推速的影响较小，将钻孔布置在高密度区域（破断裂隙密度>4.7条/m），可以有效起到瓦斯截留的作用。研究结果可进一步优化不同因素影响下瓦斯抽采钻孔的布置参数，提高瓦斯抽采效率，从而保证工作面安全高效回采，对实现瓦斯精准绿色抽采具有一定的现实意义。

• 高温矿井制冷降温管网解算及优化方法研究

  马砺, 张雅婷, 刘尚明, 简俊常, 秦志华, 刘恒, 陈超扬,

  高温矿井采用井下集中式制冷降温系统受采掘范围的影响，冷冻水输送管网复杂，导致末端冷量供给不足，严重影响系统降温效果。为提高矿井降温系统冷量利用率，以赵楼煤矿井下制冷降温管网为例，基于图论原理建立井下降温管网拓扑模型，采用水力基本方程计算管段流量、节点阻力和水力损失，得到降温管网水力特性；通过管网节点温升的计算，确定冷冻水输送过程的冷量损失；结合管网水力、热力特性，对降温管网进行优化。结果表明：赵楼煤矿井下制冷降温管网末端工作面冷冻水流量最小为0.001 m3/s，管网水力损失大的位置为一集轨道下山、7302运输巷和中部辅运大巷。降温系统分别给五采区和七采区共4个工作面供冷，冷量损失为1.22×106 J/s，其中七采区降温系统冷量损失占88.15%，管网摩擦和传热冷量损失分别为5.39×105、6.805×105 J/s，末端冷冻水最高输水温度为13.9 ℃。提出管道−泵阀联调优化方法，采用动态平衡阀对南部1号辅助运输大巷和二集辅助巷冷冻水流量恒定在0.022～0.04 m3/s，实现末端空冷器流量稳定；采用静态平衡阀调节管网支路阻力，将工作面冷冻水流量增大至0.005 m3/s；南部1号辅助运输大巷、南部2号辅助运输大巷和二集辅助巷的管径增加至0.325 m，管网总水力损失从30.93 m减少到20.44 m，减少了35%；将离心泵扬程调整为183～195 m、流量为0.085～0.112 m3/s，离心泵高效运行。

• 防治煤自燃的高堆积固化泡沫的制备及应用

  胡相明, 王凯, 薛迪, 孙公正,

  漏风是引发矿井煤自燃的重要原因，而煤自燃火灾影响了矿井的正常生产。为解决传统无机固化泡沫(TISF)在充填堵漏过程中存在胶凝时间长、堆积能力弱的问题，提出经液态硅酸钠(LSS)改性制备的速凝无机固化泡沫(RISF)。研究了不同掺量的LSS对泡沫浆液胶凝时间、堆积能力等性能的影响规律，采用抗压强度、稳定性测试等表征手段，确定了LSS的最优添加量为5%(质量分数)，RISF的28 d抗压强度达2.49 MPa，是TISF的1.7倍，最大密度比R为1.11，稳定性提升20%左右；胶凝时间和堆积能力的测试结果表明，与TISF相比，RISF的凝结时间大幅缩短(从683 s缩短到52 s)，堆积能力提升(最大堆积高度提高1.9倍)。基于此，结合扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)对RISF的速凝固化机理进行了探究。试验结果表明，RISF具有更多的水化产物且不同的水化产物紧密交织，颗粒水化过程中，LSS水解生成原硅酸根与溶液中的钙离子结合，加快水化反应，缩短了泡沫浆液的胶凝时间。但也发现，当LSS添加量超过5%时，RISF的抗压强度降低，稳定性下降，这主要是因为过量的LSS使溶液中的钙硅比例低于1.0，导致生成了低强度的水化产物。堵漏风试验和灭火试验结果表明，与TISF相比，RISF具有较高的堵漏效率和优良的防灭火性能，堵漏效率最高提升26.3%，并且在扑灭煤火时未出现复燃。RISF在利民煤矿矸石山的现场应用表明，其具有良好的降温灭火效果，有效解决了矸石山的高温难题，确保了矿井的正常生产。

• 煤层顶板间接压裂裂缝扩展机制及影响因素

  李勇, 陈涛, 马啸天, 吴翔,

  碎软低渗煤层在我国普遍发育，制约煤层气单井产气量提高和产业发展。间接压裂是通过在邻近层产生垂直裂缝沟通煤层进而实现煤层有效改造的一种压裂方式，可以有效应对钻井塌陷、煤粉产出、压裂液滤失和煤层厚度薄等不利因素。通过间接压裂物理模拟试验和扩展有限元数值模拟分析，揭示煤层顶板间接压裂裂缝扩展影响因素，明确裂缝扩展机制，以期为间接压裂技术提供指导。通过直接压裂煤层和不同起裂位置、垂向应力和施工排量影响下间接压裂试验表明，起裂压力高，更易产生长裂缝，且受原生裂缝影响程度减小；但起裂点距离煤层越远，起裂所需能量越大，高破裂压力会对煤层造成粉碎性破坏；大施工排量下，起裂压力对应升高，起裂时间变短，原生裂缝影响程度变小。考虑地应力、起裂位置、岩石力学和施工排量等参数的数值模拟结果显示，在模型参数设置条件下，最大水平主应力和垂向应力差在<4 MPa，煤层与顶板有效应力差>3 MPa、弹性模量差<15 GPa的地层和岩性组合适合间接压裂，起裂位置距离煤层最优距离为<6 m，施工排量需要根据力学性质、断裂能密度等参数确定最优范围。

• 中深层煤炭地下气化的气化腔安全宽度计算方法

  东振, 任博, 陈艳鹏, 赵宇峰, 陈浩, 陈姗姗, 薛俊杰, 张梦媛, 易海洋, 吴瀚琦,

  煤炭地下气化是目前温度最高（超过1200 ℃）的化石能源非常规开发方式，中深层（本文指埋深800～1500 m）煤炭地下气化在提高气化压力、降低地质安全风险方面优势明显，科学预测气化腔安全宽度对保障气化稳定运行十分重要，由于目前基于可控注入点后退（CRIP）工艺的气化腔安全宽度计算方法尚未建立，为保证现场试验顺利实施，需要开展针对性研究。气化腔顶板“裸露”在气化腔后会受到高温影响，通过数值模拟方法研究了压应力约束条件下岩石内部热应力产生位置以及颗粒、基质热膨胀系数差异对热应力大小的影响规律，结合高温处理后的岩石电镜扫描结果，查明了高温下岩石热损伤机理。根据CRIP气化工艺造腔特点，建立了考虑高温影响的气化腔顶板薄板模型，结合“关键层”理论提出了气化腔安全宽度计算方法。研究表明：岩石热损伤是岩石物理化学反应与热应力互相促进、共同作用的结果，高温下岩石发生不规则变形，岩石热损伤引起的微观结构变化是导致岩石力学性质、物理性质变化的根本原因。岩石的最大拉张热应力出现在颗粒界面或热膨胀系数较小的颗粒中，颗粒与基质热膨胀系数比值在0.01～1）时，最大拉张热应力随颗粒热膨胀系数减小而快速增加。泥岩加热到200 ℃时开始出现微裂隙；加热到400 ℃时裂隙发育更加明显，主要是沿颗粒边缘破裂；加热到600～800 ℃时，裂隙数量增多、尺寸变大；加热到1000 ℃时，除出现较大裂隙外，还产生了大量孔隙；1200 ℃时裂隙连通性明显增加，气孔发育较大。由于高温的影响，薄板模型的步距准数不再是定值，需要根据气化腔顶板热破坏范围与顶板硬岩层的空间位置关系确定具体数值。气化腔安全宽度受温度影响，在研究算例中，砂岩顶板在35、1000 ℃时安全宽度计算结果分别为34.3 m和14.1 m，相差达58.9%，泥岩顶板在35、1000 ℃时安全宽度计算结果分别为16.7 m和15.9 m，相差4.8%。最后从降低顶板垮落风险、有利于气化控制角度，提出了煤层纵向靶区位置的确定方法，当煤层厚度超过气化腔安全宽度一半时，建议将水平井纵向靶区设计在距离煤顶不超过气化腔安全宽度一半的位置。

• 侏罗系宝塔山砂岩突水风险预测及限制边界疏降技术

  乔伟, 吕玉广, 韩港, 刘光尧, 吕文斌, 冯培超, 陈维池, 汪祯,

  内蒙古上海庙矿区新上海一号煤矿发生国内首次也是目前唯一的侏罗系煤层开采底板宝塔山砂岩突水淹井事故；开展了侏罗系煤层开采底板强富水宝塔山砂岩突水危险性评价方法和防控技术的研究工作。首先，明确了“11·25”事故的突水水源为侏罗系延安组下部的宝塔山砂岩含水层，且煤层与底板宝塔山砂岩之间隔水层具有强度低、软化系数小、胶结性差的特点，属地质软岩。其次，以“含水层厚度、含水层富水性、含水层渗透性、含水层水压力及18煤底板隔水层有效厚度”为主要指标建立突水评价体系，将宝塔山砂岩含水层突水危险性分区被划分为安全区（32.21%）、威胁区（37.53%）及危险区（30.26%）三种类型，并通过实例验证了评价模型的准确性。最后，结合底板隔水层工程地质特性，分析采用“断层注浆形成局部限制边界+群孔疏降”的方法防控宝塔山砂岩突水。设定“疏放水开始至1 号钻场退出疏放水工作、2 号、3 号和4 号钻场持续进行疏放水工作至3 号钻场退出、2 号和4 号钻场持续进行疏放水工作至模型补排平衡”的疏降方案。依据规范得出注浆后最大帷幕渗透系数为2×10−2 m/d，当断层注浆后帷幕渗透系数为2×10−2～2×10−8 m/d时，疏放水量为402万~347.8万m3，安全区占矿区的比例为43.34%～67.37%。结合注浆成本、疏放水量和安全性，帷幕渗透系数为2×10−4 m/d时即可有效保证矿井安全生产和技术经济效益。断层注浆局部限制边界+疏放水联合技可有效防控宝塔山砂岩水害，研究工作对我国西部侏罗纪煤田开发底板水防治具有重要意义和工程实践价值。

• 弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制研究

  李江华,

  安新煤田主采煤层上覆巨厚弱胶结砂砾岩含水层，富水性弱，但多个工作面回采期间发生突水，查明突水机制是矿井水害防治的关键。通过水文地质特征分析，阐明了砂砾岩含水层厚度分布特征和富水性分区特征。采用岩石单轴抗压强度、三轴声发射、X衍射试验等方法，获得了顶板隔水层岩石物理力学性质。基于关键层理论分析、导水裂隙带与采动富水异常区层位关系及相似模拟试验成果，建立了4种条件下巨厚砂砾岩含水层突水的水文地质结构模型，揭示了砂砾岩含水层不同条件下的突水机制，并明确了研究区突水点的突水机制，提出了隔水保护层失稳导致突水的工程判据。研究结果表明：研究区东部局部区域含水层富水性中等，以往多次突水均发生在弱富水区；砂砾岩含水层下顶板泥岩中黏土矿物含量达到59.6%，亲水性强，具有良好的隔水作用；但在采动作用下顶板隔水层岩体卸压后强度降低，厚度较薄时，受上部岩层载荷和采动富水区静水压力作用易发生破坏，成为良好导水通道；砂砾岩含水层物理力学性质特殊，采动扰动后孔隙裂隙发育，形成了富水变化异常区；弱胶结砂砾岩突水的强度与下部基岩特征、导水裂隙带发育高度、隔水保护层厚度等因素相关；研究区弱胶结砂砾岩发生突水的工程判据为正常区隔水保护层厚度小于30 m，受背斜构造影响区隔水保护层厚度小于60 m。弱胶结巨厚砂砾岩含水层离层突水机制及工程判据对西部矿区水害防治提供了借鉴。

• 煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展

  王洪磊, 郭鑫, 张亦凡, 张俊升,

  当前，煤矿智能化正在向着中高级阶段迈进，煤炭工业数智化转型迫切需要实时掌握煤质煤量全面信息，因此，开展了煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展综述研究。在分析煤质煤量检测技术工业应用需求的基础上，重点阐述以激光诱导击穿光谱法（LIBS）及其与其他光谱联合的多光谱联用技术为代表的光谱学技术的基本原理、优缺点、研究进展与工业应用情况和以图像分析为代表的人工智能煤质煤量检测方法。然后，基于不同技术的工业应用情况进行问题梳理，分析实时煤质煤量在线检测技术在工业应用中的技术局限性，包括：基于技术原理的探测精度问题；由复杂环境因素引用的设备稳定性问题；基于大量数据处理的算法分析问题；煤炭全产业链应用的技术适用与灵活性问题。最后，对未来煤质煤量全面分析及在线检测技术提出4点发展建议：结合地质条件的煤质在线检测技术研究；工业化多光谱联用技术研究；光谱学与图像分析技术联用煤质煤量全面分析技术研究；智能化在煤质煤量实时检测的深入应用研究。智能化煤质煤量全面分析及在线检测装备研发需多学科共同努力，基于煤岩学、光谱学、仪器仪表工程、数据处理和模式识别、人工智能和机器学习等多学科科学技术，建立工业应用场景−煤质煤量参数−实际应用指导数据库，是实现智能化煤质煤量在线检测，掌握和预测全面煤质煤量信息的重要发展方向。

• 刮板输送机多永磁电机串联驱动新模式及关键技术

  张强, 刘伟, 王聪, 苏金鹏, 刘峻铭, 顾颉颖, 张润鑫,

  装备智能化是煤炭行业高质量发展的必然趋势，伴随着煤矿超大采高、超长工作面的建设，刮板输送机不断朝着重型长运距的方向发展，并且永磁直驱已逐渐取代“异步电机+减速器”成为刮板输送机的主要驱动方式，而传统双驱动刮板输送机存在停机率高、煤流分布不均且能耗大、跟踪性能差的问题，尤其长运距下链条张力波动大造成驱动电机电路涌动，已成为制约我国刮板输送机智能化发展的主要难题。根据刮板输送机面临的主要问题和发展需求，提出了刮板输送机多永磁电机串联“驱动−传动”输送新模式，并阐述了多永磁电机串联驱动刮板输送机这一研究领域涉及的关键技术研究现状，包括刮板输送机故障诊断与状态识别技术、多电机串联驱动“机−电”耦合动力学特性、多永磁电机同步控制技术、多智能体自适应协同控制，对于多驱动刮板输送机的设计研发具有一定的适应性和借鉴性；针对刮板输送机多永磁电机串联驱动系统研究面临的难题，将该系统分为4项关键科学技术：①多驱动刮板输送机新构型设计；②多驱动刮板输送机非线性机−电耦合动力学建模；③多驱动刮板输送机链条张力脉动与主动控制；④串联驱动刮板输送机主动容错与自适应协同控制；从结构设计与优化、整机运维控制实现刮板输送机多永磁电机串联驱动系统技术攻关，提高刮板输送机的智能化水平，促进煤机高端装备的水平和发展。

• 改进YOLOv5s的采煤机滚筒与支架护帮板干涉状态智能识别

  毛清华, 胡鑫, 王孟寒, 张旭辉, 薛旭升,

  针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题，提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法。运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视频图像进行清晰化处理，提高综采工作面监控视频图像质量；对YOLOv5s模型进行改进，通过将YOLOv5s主干网络中的普通卷积Conv替换为分类效果更佳的Ghost卷积，减少了模型的参数数量，提高了模型识别速度，同时引入坐标注意力机制，提高了模型对护帮板和滚筒特征提取能力，从而提高模型识别精确率。运用软非极大值抑制算法（Soft-NMS）的锚框筛选方法，减少因护帮板重叠而发生漏检问题。针对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态判定问题，提出液压支架护帮板与采煤机滚筒锚框重合度的判定方法。运用本文改进YOLOv5s模型与YOLOv5s、YOLOv3-tiny模型进行对比分析，结果表明：本文方法与原模型相比的识别精确率提高了约8.1%，GFLOPs降低1.86倍；mAP@.5达到97.2%、平均识别速度为检测时间为5.9 ms。运用本文方法对煤矿实际综采工作面采煤机滚筒与液压支架护帮板视频图像进行干涉状态识别试验验证，结果表明：对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态识别准确率为96%。

• 深部煤炭流态化开采装备自主行走机构多缸推进同步控制

  鲍久圣, 李玥锋, 周恒, 阴妍, 赵少迪, 王忠宾, 葛世荣,

  我国浅部煤炭正逐渐开采殆尽，向地球深部开发资源已成为必然趋势和国家需求。针对2 000 m以深的深部煤炭开采难题，设计了一种适用于深部煤炭流态化开采装备的自主行走机构，并重点对自主行走机构中液压推进系统的多缸同步控制难题进行了研究。首先，基于流态化开采工艺原理及装备组成，设计了一种增阻迈步式自主行走机构，可实现采掘、转化和输出等多舱体的分段式自主行走；其次，针对液压推进系统的多缸同步控制要求，分析对比了主从控制、相邻交叉耦合控制、偏差耦合控制、均值耦合控制4种控制策略以及比例、积分、微分控制(PID)算法、自抗扰控制器(ADRC)的优缺点，分别开展了在均匀负载、突变负载、时变负载3种工况下的控制性能仿真试验；再次，采用雷达图测评法对不同控制策略下的同步控制性能进行综合评价，最终选定基于ADRC的均值耦合控制方法为最佳同步控制策略；最后，研制自主行走机构试验台并开展了多液压缸同步控制试验，试验结果表明：当采用基于ADRC的均值耦合同步控制策略时，4个液压缸在不同工况下的最大同步误差均能保持在±5 mm以内，且具有优异的鲁棒性，可满足流态化开采装备自主行走机构的多缸同步推进要求。

• 基于磁场模型的矿用钢丝绳检测信号特性试验研究

  田劼, 白强, 王兴军, 孙钢钢, 师彰文, 李鹏博,

  电磁检测是矿用钢丝绳缺陷可靠的检测手段之一。基于电磁法的矿用钢丝绳缺陷检测，目前存在缺陷与信号特性表征规律不明确的问题，定量识别时存在无关信号特性，影响识别准确性。采用三维磁偶极子理论计算、Maxwell模拟仿真与试验相互验证的方法，总结漏磁信号特性与缺陷变化之间的表征关系。首先建立磁场环境下的钢丝绳三维磁偶极子理论模型，应用模型对标准缺陷处进行磁场理论计算并进行Maxwell模拟仿真；分别提取理论值与仿真值的峰/谷绝对值、波宽、峰谷差值、峰谷值宽度四项信号特性，进行缺陷与信号的表征分析；最后设计缺陷进行试验验证，得到试验数值的斯皮尔曼相关系数。试验结果表明：缺陷的宽度、深度与峰/谷绝对值、波宽、峰谷差值3个信号特征值呈正相关，与峰谷值宽度无明显相关性；缺陷长度与峰/谷绝对值呈先上升后下降的趋势，与波宽、峰谷差值、峰谷值宽度呈正相关。并且发现宽度缺陷信号幅值最强，长度缺陷信号幅值最弱，深度信号幅值居中，峰谷差值和峰谷绝对值与缺陷相关性最高。该研究具有一定的工程指导价值。

• 煤矿充填固碳理论基础与技术构想

  刘浪, 方治余, 王双明, 高过斌, 张波, 赵玉娇, 朱梦博, 刘志超, 王晶钰, 周静, 李艳, 王美, 张小艳, ZHOUSong, 贾奇锋,

  在国家“双碳”目标背景下，如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题。煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者，在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO2排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在。为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题，将大宗固废处置、固废高值化利用、CO2封存、采空区利用有机结合，提出了二氧化碳充填的理念，从碳汇能力评估角度界定了二氧化碳充填的3种类型。具体开展工作包括：① 分析了CO2充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论，给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式，指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律。② 总结了现阶段CO2矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO2封存能力和CO2矿化强化措施。在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的2种CO2充填材料制备工艺，满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求。③ 针对CO2充填过程中的CO2物理封存问题，提出了窄条带式胶结充填和综采架后胶结充填2种技术路径，前者通过在弱充填条带中构筑多贯通孔隙的充填体CO2物理封存，后者借助充填支架和链式自行充填挡板在长壁工作面采空区中间断构筑充填带，控制顶板垮落，形成CO2物理化学封存空间。④ 为了评估CO2充填的碳平衡效果，依据全生命周期法界定了CO2充填中碳足迹及碳消纳的计算边界。然后，梳理了CO2充填过程中的碳足迹及碳消纳，分别考虑了CO2的来源、用量、损耗、转化等因素。给出了包括原料运输、充填料浆制备、井下注入与充填等过程中的碳足迹及碳消纳计算方法。研究成果有望降低CO2封存的能耗及成本，对煤炭绿色开采及其可持续开发利用具有深远的意义。

• 煤基固废矿化封存CO2技术研究进展

  朱磊, 古文哲, 宋天奇, 何志伟, 刘治成,

  “碳达峰、碳中和”目标是中国维护全球生态安全的大国责任担当，也是实现高质量发展和生态文明建设的重要途径，CO2减排势在必行。“相对富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋格局导致中国主体能源仍以碳排放强度较高的煤炭为主，煤炭作为电力、钢铁、煤化工等高耗能行业的重要能源与原料，在“双碳”目标实现过程中占有重要地位，煤炭工业通过低碳转型实现碳达峰，既是煤炭工业高质量发展的内在要求，也是落实国家“双碳”战略目标的重要抓手。相对于传统天然矿化原料，煤基固废矿化封存CO2具有原料丰富、产物友好、能耗较低、反应迅速等优点，同时可以产出高附加值产物用于化工、建筑等领域，受到了广泛的关注。介绍了我国主要煤基固废煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、气化渣、炉底渣的特点，分析了我国主要CO2排放源及产生量；回顾了按照矿化封存位置不同的原位和非原位CO2矿化技术及按照矿化机理不同的直接碳酸化和间接碳酸化技术；综述了以煤基固废作为原料进行CO2矿化封存技术的研究进展，发现该技术反应条件苛刻，成本较高，处理规模小，研究尚停留在实验室阶段；简述了以煤基固废作为载体，利用采空区作为储源矿化封存CO2技术，主要包括构筑功能性充填体及制备负碳型充填材料2种技术；分析了煤基固废矿化封存CO2现存问题及未来研究方向。煤基固废为原料的CO2矿化技术，未来应优化工艺流程，降低反应成本，进一步加强工业化推广的研究；针对以煤基固废作为载体，利用采空区作为储源的CO2矿化封存技术，未来应加强对深度矿化机理、封存风险评价及长期稳定性的研究，提高CO2封存规模和长期稳定性。在此基础上，利用煤基固废制备浆体充填材料，以水为载体，以泵为动力，以管路为通道，将充填材料及CO2输送至采空区进行矿化反应，同时结合微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术，封闭岩体采动裂隙，实现CO2矿化封存。

• 基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究

  夏奡, 任柯欣, 张敬苗, 黄云, 朱贤青, 朱恂, 廖强,

  我国燃煤电厂每年排放CO2超过57亿 t，为保障双碳目标如期实现，必须大幅降低燃煤电厂的CO2排放。微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO2转化为生物质，是极具潜力的燃煤电厂减碳技术，但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输。导光管可灵活调节反应器内光分布，而光纤可集中传输光线且光损耗低，因此提出光纤/导光管微藻光生物反应器，扩大藻液受光面积，增加藻细胞色素的光捕集，促进微藻光合固碳。利用光学仿真软件对光纤/导光管内传输的光线进行追踪，获得了光纤/导光管管壁的光强分布。在不同反应器、输入光能条件下进行微藻培养实验，获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化趋势，分析了内置光纤/导光管对微藻固碳的影响规律。结果表明：平面末端的光纤射出光的光强在导光管侧30～140 mm内迅速下降，导光管发光范围集中。在导光管底部添加锥形反光件反射抵达管底的透射光、并设计阶梯型光纤使输入光由不同阶梯分级发出，可使微藻光生物反应器内光分布更加均匀，反应器内部远离光源区域的藻细胞可以有效接受光能进行光合固碳。当光能输入为3.3 W/L时，含两级阶梯结构光纤和锥形反光件的导光管管侧表面最低光强为47 μmol/（m2·s），平均光强达64 μmol/（m2·s），较无光纤仅顶部给光的导光管侧面平均光强提高了2.6倍。微藻在插入阶梯型光纤的光生物反应器（SF-PBR）培养7 d后生物量达到1.9 g/L，比在插入平面端光纤的光生物反应器（FF-PBR）中培养的生物量高46.2%，比仅顶部受光的光生物反应器（LG-PBR）中培养的生物量高111.1%。当提升光源输入至5.0 W/L，微藻培养7 d后的生物量高达2.8 g/L，培养期间保持高固碳速率（608.3 mg/（L·d）），比对照组LG-PBR的固碳速率提高1.9倍。

• 煤矿区土壤细菌群落结构及其对不同复垦模式的响应

  张世文, 蔡慧珍, 张燕海, 董祥林, 刘俊, 俞静,

  科学揭示不同复垦模式土壤细菌群落稳定性及其潜在互作关系对于复垦土地差异化管理及可持续利用至关重要。本文以挖深垫浅、煤矸石充填和粉煤灰充填3种模式复垦土壤为研究对象，基于高通量Illumina Miseq 16S rRNA测序技术，采用方差分析、Spearman相关性等分析方法，研究不同复垦模式下的土壤细菌群落结构和多样性。通过构建分子生态网络模型，揭示不同复垦模式下土壤细菌群落的稳定性及菌群间潜在互作关系，明晰对细菌群落结构稳定性起关键作用的微生物种群。结果表明：①不同复垦模式土壤细菌群落的多样性与丰富度水平有显著差异（P<0.05），均表现为挖深垫浅>煤矸石充填>粉煤灰充填；不同复垦模式土壤细菌群落组成相似，变形菌门、酸杆菌门、放线菌门和拟杆菌门是所有模式土壤中的优势菌门，在各复垦模式土壤细菌群落中的占比之和均达70%以上。②不同复垦模式下土壤细菌群落的显著影响因子不同，部分优势细菌门与影响因子间的变化趋势不同，有机质含量是影响挖深垫浅复垦土壤细菌群落组成的主要影响因素，pH是影响煤矸石与粉煤灰充填复垦土壤细菌群落组成的主要影响因素。③挖深垫浅复垦土壤细菌网络复杂，群落联系紧密，能更好地传递物质、能量和信息；煤矸石充填复垦土壤细菌网络内部节点间的连通度低，但菌群信息交换速度慢，拥有4个关键节点，网络相对稳定；粉煤灰充填复垦的土壤细菌网络规模最小，节点连通度不高，在外界环境发生变化时反应快，网络稳定性最差。3种复垦模式土壤细菌群落间关系均以协同合作为主导，煤矸石充填复垦土壤细菌群落间的协同合作关系占比最高。本文揭示了3种不同复垦模式下土壤细菌群落结构与分子生态网络差异，研究结果可为高潜水位采煤塌陷区土地复垦模式的优选以及人为干预方式的选择提供支撑。

• 半干旱矿区采动地裂缝发育对幼苗库及其建植因子影响

  杜华栋, 谢姗姗, 毕银丽, 刘研, 孙浩, 刘云龙,

  半干旱矿区煤炭井工开采引起的地表塌陷，造成水土流失强度增加以及植被生境损害等一系列生态干扰，其中采动地裂缝发育对坡面幼苗库特征及建植的影响仍有待深入研究。本文首先探明了榆神府矿区距采动地裂缝不同距离（0～1 m、1～2 m和2～5 m）幼苗库密度、组成和多样性特征，再结合土壤因子、地上植被群落及枯落物特征揭示裂缝发育造成影响幼苗建植的环境因子在空间上的差异性，最后采用物种相似性模型探究了裂缝发育区幼苗库对地上植被自然更新的影响。结果表明：①在未有裂缝发育的对照区，幼苗库组成以多年生草本为主（占比57%），裂缝发育后距地裂缝0～1 m和1～2 m范围，多年生草本比例分别下降至30%和35%，但一年生草本占比较对照区分别增加了28%和25%；与对照区相比0～1 m和1～2 m幼苗密度分别显著增加了92%和68%，幼苗库Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数分别增加了42%和24%、62%和40%、33%和18%，但Pielou均匀度相较于对照区分别降低了55%和38%；而距裂缝2～5 m范围，幼苗库生活型组成、密度和多样性与对照区已无显著性差异，因此裂缝发育对幼苗库特征影响范围在2 m范围之内。②地表裂缝发育后，距地裂缝0～1 m和1～2 m范围影响裂缝幼苗建植的相同因子包括土壤含水量、土壤有机质含量和枯落物厚度，但0～1 m范围除上述影响因子外还包括枯落物盖度、土壤结皮盖度与厚度、地上植被盖度与生物量等因子；随着距裂缝距离增加，距裂缝2～5 m范围限制幼苗建植的关键因子减少且与对照区相似，主要包括土壤含水量、地上植被盖度和枯落物盖度。③距地裂缝0～1 m和1～2 m以一年生为主的幼苗库物种组成与以多年生为主的地上植被物种相似性较低仅为0.42和0.48，加之一年生植物对植物群落演替促进能力较弱，因此可以得出受裂缝干扰较大的0～2 m范围幼苗库对植被群落恢复贡献有限，故该范围生态恢复中应在自然恢复的基础上，适当考虑人工植被建设以促进矿区塌陷地植被恢复进程，提高该区植被群落多样性和稳定性。随水平距离的增大，距裂缝2～5 m范围和对照区幼苗库与地上植被物种组成相似性接近，分别为0.67和0.68，表明裂缝发育后2～5 m范围植物群落恢复潜力并未受到影响，通过自然更新即可保证该区植被恢复。

• 植被恢复类型对露采矿山复垦土壤丰富和稀有微生物类群的影响

  马静, 华子宜, 程彦郡, 朱燕峰, 杨永均, 陈浮,

  植被恢复可促进重构土壤发育，调控生物地球化学循环和发挥生态系统功能。因此深入研究露天矿区植物恢复下土壤丰富和稀有微生物类群变化对改善矿区生态环境至关重要。采集内蒙古准格尔旗黑岱沟露天矿东排土场裸地（CK）、苜蓿（GL）、沙棘（BL）、油松（CF）、杨树（BF）和杨树＋油松（MF）6种复垦样地土壤，利用高通量测序、共现网络和相关性分析等探测植被类型对土壤丰富、稀有细菌和真菌群落结构组成和多样性的影响机制。结果表明：①不同植被恢复类型对土壤理化性质和酶活性影响存在显著性差异（P< 0.05），有机质（SOM）、铵态氮（AN）和亮氨酸氨基肽酶（LAP）酶活性等均显著高于CK。BL对土壤SOM、硝态氮（NN）和有效磷（AP）积累有优势，显著提高了脲酶（URE）、LAP和碱性磷酸酶（ALP）酶活性（P< 0.05）。②植被类型显著影响了土壤丰富和稀有微生物群落结构组成（P< 0.05），丰富和稀有细菌种类多于真菌，但真菌丰度变化更为显著，尤其是稀有真菌。不同植被恢复类型的丰富和稀有细菌，及稀有真菌群落Shannon指数高于CK，且与CK的群落结构间存在显著差异（P< 0.05）。③不同植被恢复类型均提高了丰富和稀有细菌、真菌的网络拓扑参数和复杂度。移除节点改变自然连通性的幅度测试结果表明BL增强了土壤丰富细菌、丰富和稀有真菌网络的稳定性和对外界干扰的抵抗力。④土壤URE、SOM和ALP是土壤微生物群落结构变化的主导因子。BL处理组中pH、SOM、AP、BG（β-葡萄糖苷酶）、URE和ALP均显著影响丰富和稀有微生物群落（P< 0.05）。综上认为，BL恢复模式对矿区复垦土壤质量改善效果更好，研究结果可为植被修复受损矿山复垦土壤及微生物资源的开发利用提供理论依据。

• 陕北煤矿区采动地裂缝对土壤抗蚀性的影响规律研究

  宋世杰, 彭芮思, 左靖, 刘露, 陈宝灯,

  采动地裂缝作为黄河流域中游陕北煤矿区最突出且典型的采动损害问题，引发的水土流失效应已经不容忽视。为了研究采动地裂缝发育对周边土壤抗蚀性的影响，以陕北煤矿区内宽度分别为0～10，10～20，20～30 cm的采动地裂缝为研究对象，采集周边水平距离80 cm以内，垂直深度40 cm以浅的土壤，测定了土壤水稳性团聚体、微团聚体、无机黏粒、有机黏粒、物理性质类等14个国内外学者普遍关注的用于量化表征土壤抗蚀性的指标，采用层次分析法、敏感性分析和因子分析相结合的方法甄选出陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要量化指标，构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型。结果表明：①综合层次分析法、敏感性分析和因子分析，甄选确定>0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、<0.001 mm细黏粒含量、土壤团聚度、土壤有机质含量5个指标作为量化表征陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要指标；②采动地裂缝会降低周围土壤的5个土壤抗蚀性重要指标，其中>0.25 mm水稳性团聚体含量变化最为明显；③根据土壤抗蚀性重要指标，基于因子分析原理构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型；④采动地裂缝会降低周围土壤的抗侵蚀综合能力，且该效应随着裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强，当距采动地裂缝的水平距离超过170 cm时，采动地裂缝对周围土壤抗侵蚀综合能力的负效应基本消失，其可作为陕北采动地裂缝发育区土壤侵蚀防控的关键区域。研究结果可为黄河中游陕北矿区水土流失的精准防控提供科学依据。