煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2024年第3期

• 厚煤层大采高综放工作面覆岩断裂演化规律研究

  刘洪涛, 罗紫龙, 韩子俊, 韩洲, 陈小港, 彭佳琛,

  大采高综放开采易形成强烈的矿压显现，上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景，运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法，对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律进行系统研究。研究表明：导水裂隙带内岩层随工作面推进表现为“台阶下沉”，同层岩层下沉趋势沿走向表现为“急剧下降—稳定（最大值）—快速上升—稳定（最小值）”。工作面覆岩运动场由两区分布（加速下沉区、缓慢下沉区）演化为三区分布（加速下沉区、缓慢下沉区、稳定区）。对离层演化与地表下沉规律进行了定量描述，运用理论计算表达式深入地剖析了地表的动态下沉机理及其相关因素。结合相似模拟与数值模拟的试验结果，提出了覆岩断裂演化的形态变化特征：覆岩断裂形态由“单等腰梯形”演化为“双等腰梯形”，表土层影响区由“矩形”演化为“倒梯形”。分析了覆岩中垮落区、离层区、压实区、裂隙富集区的动态演化过程：垮落区逐渐增大至一定程度，高度小幅度降低并趋于稳定，离层区由下至上逐渐发育并随工作面向前移动，离层区逐渐闭合形成压实区，且压实区逐渐增大并最终保持稳定，裂隙富集区位于采空区前后端部并随工作面向前移动。

• 多层坚硬顶板特厚煤层综放工作面小煤柱护巷技术

  霍丙杰, 孟繁禄, 李天航, 宋子奇, 靳京爵, 黄宇轩,

  为研究小煤柱护巷巷道的稳定性及其阻隔同层位邻近采空区灾害的特征，以大同矿区石炭系坚硬顶板特厚煤层开采为工程背景，采用理论分析、实验研究、数值模拟等研究方法，从小煤柱护巷巷道的稳定性和其是否具有阻隔同层位邻近采空区有害气体能力2个角度，综合分析小煤柱的合理尺寸及其在不同采动阶段渗透率的演化特征。针对同忻煤矿石炭系煤层8210工作面沿空掘巷小煤柱开采具体的开采条件，建立了双关键层采场内外应力场叠加的力学模型，推导出双关键层条件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的计算关系式，理论确定8210工作面小煤柱合理尺寸为6.0 m；应用DJG–Ⅱ型煤岩渗流测试装备，研究不同采动阶段小煤柱渗透率演化特征，试验确定在第3采动阶段小煤柱渗透率较初始渗透率增大了23倍，该阶段小煤柱基本失去了阻隔邻近采空区有害气体的能力。根据理论研究结果，现场选取6 m小煤柱进行工业性试验；根据试验研究结果，开采试验过程中对小煤柱进行了改性降透措施，在小煤柱表面及顶板距煤柱帮1 500 mm范围内喷射厚层混凝土(100 mm)。实践表明：工作面回采过程中小煤柱护巷的回采巷道发生了一定的变形量，但是巷道变形在安全可控范围之内，巷道稳定，可实现安全回采；开采过程中8210工作面上隅角CH4气体浓度远低于邻近8305工作面采空区CH4气体浓度，表明小煤柱经过改性降透后具备了阻隔同层位邻近采空区有害气体的能力；开采实践也进一步验证了理论和试验研究成果的合理性和科学性。研究成果可以为类似条件下小煤柱护巷技术的推广应用提供参考。

• 煤层群采动下围岩应力演化规律及协同控制技术研究

  吴少康, 张俊文, 徐佑林, 宋治祥, 张杨, 范文兵, 董续凯, 张际涛, 陈志松,

  针对煤层群开采过程中巷道支护困难问题，以贵州土城矿212回风石门为工程背景。综合采用现场调研、数值模拟、相似模拟及现场试验等手段，揭示了212回风石门应力演化规律，并提出了“卸−转−固”协同控制技术。研究结果表明：212回风石门遭受破坏的主要原因是煤层群采动过程中存在的地质力学问题导致了围岩失稳。巷道底板及两帮在采动过程中产生不同程度的应力集中。当遭受垂直应力挤压时，巷道底部承受的挤压力较大，而顶部围岩承受的拉伸力较大，由于力学不平衡导致围岩的破坏。基于此提出了“卸−转−固”协同控制技术。通过爆破卸压的方式，利用爆破产生的冲击波引起围岩的震动和应力波动，使表层围岩中原本集中的应力分散到更深的围岩区域，降低表层围岩的应力集中程度。同时，利用爆轰和封孔工艺进一步加固卸压孔周围的围岩，形成两个承载结构。即由巷道支护体形成的内承载体和由深部围岩形成的外承载体。两者相互作用有效承受巷道浅部及深部围岩的应力，并转移到支护结构，起到保护和稳定围岩的作用。利用该技术在212回风石门现场试验，结果显示：使用该技术区域应力长期趋于稳定甚至缓慢降低，巷道顶底板及两帮移近速率分别降低了74.49%及47.67%，底鼓量降低了77.2%。而未使用该技术区域应力出现不同程度的上升，表面位移收敛严重。由此可得，围岩控制效果显著。该技术已成功推广到贵州其他不同地质环境的煤矿，均取得了显著效果。

• 深埋倾斜特厚煤层窄煤柱护巷机理与围岩控制

  孟巧荣, 王慧娴, 王朋飞, 陈可夯, 张建利, 董恩远, 高翔, 侯伟,

  我国中东部地区采深大、巷道变形和冲击风险大，窄煤柱沿空掘巷技术可改善巷道围岩环境。为掌握窄煤柱护巷机理并形成针对性围岩控制技术体系，以800 m埋深倾斜特厚煤层3 m窄煤柱沿空掘巷为背景，开展了理论分析、现场实测及数值模拟研究，结果表明：①该巷围岩破碎程度及变形煤柱侧比实体煤侧严重，煤柱破碎程度及变形采空区侧比巷道侧大，尽管埋深大，但已稳定采空区承担较大覆岩载荷，高应力已充分向深部岩体分流；②巷道变形非对称，实体煤侧顶板下沉量比煤柱侧大，巷帮以浅部变形为主，煤柱帮上部和实体煤帮中部变形较大；③采空区是掘巷卸荷后主要的形变通道，利于形变能向采空区缓释、降低冲击风险；④卸压区形状由掘巷前三角形扩展为掘巷后平行四边形，掘巷后应力集中区转移至实体煤帮右上方实体煤岩体中；⑤窄煤柱一次和二次剪切破坏的交界面及掘巷右上方实体高应力区为围岩关键控制区，据此提出基于煤柱多重塑性破坏区发育规律的煤柱加固和高应力区精准卸压联合的围岩控制技术体系。研究可为邻近工作面以及其他类似深埋倾斜特厚煤层开采提供理论支撑和科学依据。

• 巷道防冲吸能钢管混凝土拱架支护性能研究

  许海亮, 高晗钧, 宋义敏, 安栋, 郑鑫雷,

  针对目前巷道支护中钢管混凝土拱架缺乏可缩让压性能的问题，从吸能让位角度设计了一种防冲吸能钢管混凝土拱架结构。通过Abaqus建立新型钢管混凝土拱架与围岩组合模型，在静载与动载两种荷载状态下，对比分析新型拱架对巷道的支护效果与抗冲击能力。结论如下：①根据合理的让位阻力特性设计吸能构件壁厚与尺寸，在拱架上部连接处和底弧段中部设置吸能构件，可避免弯曲过大发生失稳。套管形状依据U型钢拱架卡揽结构设置为折纹型，与拱架摩擦实现缩动让压；②在竖向与侧向冲击下，优化后拱架支护巷道各点位移量呈减少趋势，降低了拱架顶弧段下沉与底弧段上拱，支护效果更强；③静载作用下，优化后拱架与吸能构件接触后，拱架各点处塑性应变不再增加，吸能构件代替拱架发生形变。在受到动载后，吸能构件能快速响应，同时拱架两帮拐角发生弯曲变形，其余部分仍未发生明显变形。吸能构件压溃后，拱架整体塑性应变开始增加，最终优化后拱架各点等效塑性应变竖向与侧向冲击下分别降低了10%～50%和13%～78%。

• 基于OFDR的采动覆岩铰接结构回转角度及“三带”变形表征研究

  刘奇, 刘相林, 曹广勇, 赵金海, 蒋长宝,

  为了研究陕北某矿采动覆岩结构的光纤应变表征方法，基于12217工作面工程地质条件，分析了OFDR(光频域反射技术)的应变监测原理，在采动覆岩运动状态分区和分布式光纤应变监测原理基础上，建立了水平光纤应变表征采动覆岩铰接结构回转角度的力学分析模型，推导出应变峰值宽度与岩层破断后所形成采动覆岩铰接结构回转角度的函数关系，定义了铰接结构回转临界角度的概念，提出了基于光纤应变特性和采动覆岩铰接结构回转角度的覆岩“三带”划分判据，并采用光纤应变表征方法对采动覆岩应变特征进行分析。结果表明：采动覆岩“三带”的不同变形程度与铰接结构回转角度的大小呈正比例关系，因此通过铰接结构回转角度划分“三带”范围是可行的；通过水平光纤应变峰值特性计算铰接结构回转角度，与二维物理相似模型试验的近景摄影测量角度相比，两者平均误差小于1°，验证了提出的光纤应变表征采动覆岩铰接结构回转角度的力学模型有效性。二维物理相似模型得到的垮落带高度和裂隙带高度与该工作面现场结果一致，与理论计算数值吻合，符合该矿实际情况。研究结果为分布式光纤监测技术表征采动覆岩变形特征的应用提供了新的研究思路。

• 原生层理结构影响下煤岩组合体超声波及CT扫描分析

  雷国荣, 李春元, 齐庆新, 王嘉敏, 杜伟升, 李向上, 何团,

  为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响，并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性，在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据，获取了原生层理结构影响下煤岩组合体不同层位的波速及波速比变化特征；结合CT扫描及三维重构技术，应用煤岩灰度分布频数数据，提出了不同层位CT灰度均值的计算方法，获得了不同原生层理倾角下煤岩组合体不同层位灰度及煤岩含量的变化规律，建立了煤岩CT灰度均值与波速、力学参数的关系；构建了考虑层理倾角与煤岩含量效应的煤岩组合体纵波波速计算模型，并应用测试数据进行了对比验证。结果表明：①含原生层理的煤岩组合体波速及波速比与层理倾角线性相关，随层理倾角增加，组合体的纵波波速近似线性减小，而波速比的分布范围增大；②不同层理倾角下组合体的CT灰度均值与波速线性相关，随CT灰度均值增高，煤岩组合体波速线性增加；③煤岩组合体的密度随CT灰度均值增加线性增高，其动态弹性模量及剪切模量则与CT灰度均值均呈三阶多项式关系，并随CT灰度均值增高趋于增大；④层理倾角与煤岩含量相比，组合体波速对煤岩含量的敏感性更高，煤岩含量相近则波速受层理倾角响变化最大。

• 深部矿井煤炭−地热协同开采系统研究

  刘琪, 苏伟, 张瑞瑛, 李延朋, 冯绪, 杨亮,

  在煤炭资源深部开采趋势下，矿井高温热害问题日益严重，引起矿井高温热害的热源实质为可持续利用的地热能，在进行煤炭开采的同时将深部矿井地热能提取并进行资源化利用，是建设绿色矿山、降低矿井碳排放的创新途径。总结了国内外深部矿产和地热能共采现状，从工艺流程和关键设备方面分析了煤炭−地热协同开采的可行性，最终提出一种煤炭−地热协同开采系统。该系统总体采用闭式循环，包括地面热能利用系统和井下取热系统，通过在预采煤层水平钻孔并布置同轴套管换热器提取煤层地热能，并由地面热泵机组将从井下开采的低品位地热能进行利用。秉承“先采热、后回采”的时间和空间协同原则，预先在回采工作面前向划分采热工作面，提出顺序采热、交替采热2种模式，确保采热过程对采煤过程无干扰。分析了空间协同设计、煤层钻孔、高效采热和智能监控调控等关键技术，对煤炭开采和地热能提取进行井下空间协同设计，提出基于煤层注水的同轴套管换热器布置工艺，使用快捷装配式同轴套管换热器可进行多种组合实现高效采热，构建智能监控调控平台并提出相关优化模型，构建取热量计算模型，提出智能控制采热方式。简化煤系地层传热过程，构建煤层采热传热模型，可根据回采工作面实际情况和出口风流参数对回采工作面采热能力进行计算评估。根据煤层采热传热模型，分析得出煤层初始温度、煤炭运输量、回采工作面出口风流温度、风流含湿量变化量是决定煤层采热量的关键参数。定义回采工作面风流含湿量不变且回采工作面出口风流等效温度不高于28 ℃时的采热量为煤层最大采热量。系统的应用将会使深部矿井热害资源化，不仅解决了煤炭开采热害问题，而且实现了深部矿井地热能综合利用。

• 含水页岩甲烷吸附特性及热力学特征研究

  杨竣淞, 李波波, 李建华, 高政, 宋浩晟, 段淑蕾,

  页岩储层普遍含水，水分对页岩气体吸附行为和地质储量评估具有显著影响。为探究水分对页岩吸附行为的影响规律，构建了考虑含水率影响的吸附模型，结合多组试验数据对新建模型的合理性进行验证，并进一步剖析了含水页岩的吸附行为。在此基础上，讨论了不同吸附机制对页岩中甲烷等温吸附的贡献，并通过热力学参数对比了干湿页岩中吸附热力学特性。结果表明：在气体压力变化过程中，甲烷气体吸附量呈典型的“三段式”变化。其中，水分对甲烷吸附量具有抑制作用，含水页岩吸附量显著低于干燥页岩，页岩吸附量随含水率的增大呈降低趋势。此外，温度同样对甲烷吸附具有抑制作用，当含水率恒定时，随温度升高页岩吸附能力呈降低趋势。同时，不同吸附机制对吸附量的贡献受到水分和压力的共同影响，压力和含水率越高，微孔填充吸附量对总吸附量的贡献率越低。热力学参数表明干燥页岩与含水页岩的甲烷吸附均为物理吸附，同一吸附量下，干燥页岩等量吸附热始终高于含水页岩。水分通过改变页岩非均一性占据高能吸附位点同时影响分子间作用力，综合作用下使得等量吸附热降低，进而导致含水页岩吸附能力降低。研究结果有助于页岩吸附气量的准确计算，并为页岩气藏开发方案和编制提供理论依据。

• 基于分子模拟的微观结构特征对无烟煤吸附CH4、CO2影响规律对比研究

  辛鑫昕, 撒占友, 杨帅, 王冬梅, 刘杰, 卢守青, 邵兵,

  为探究煤的孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度、气体温度、气体压力对CH4和CO2竞争吸附的影响，以晋城矿区3号煤为研究对象，对不同温度、压力、孔径、芳香片层堆砌度、芳香片层延展度下煤吸附CH4、CO2二元混合气体的过程进行研究。基于工业分析、X射线衍射试验对煤的微观结构进行测试与分析，采用巨正则系综蒙特卡洛（GCMC）方法对煤吸附混合气体的过程进行分子模拟。结果表明：气体压力增加有利于吸附，压力为5 MPa时，CO2的吸附量已接近饱和；温度增加会导致煤对CO2的最大吸附量和吸附热降低；孔径增大会使煤对CH4的吸附量增大，孔径从1 nm增加到2 nm，CH4的吸附量增加最快；随着芳香片层堆砌度的增加，煤吸附的气体分子数变化不明显，但单位质量煤对CO2的吸附量呈迅速下降趋势，对CH4的吸附量略有降低；随着芳香片层延展度的增加，煤吸附的CH4分子数缓慢增加，吸附的CO2分子数快速增加，单位质量的煤对2种气体的吸附量变化不明显；从吸附量和吸附热2个角度来看，CO2在竞争吸附过程中均处于优势地位,因此向煤层注入CO2可有效驱替CH4。研究结果加强了分子层面对CH4、CO2二元混合气体吸附的认识，可为注CO2强化煤层气开采奠定理论基础。

• 基于气−水两相流的注热CO2增产CH4数值模拟研究

  张林峰, 杨艳国, 穆永亮, 范楠, 刘康, 姚文军,

  注CO2增产煤层气技术（CO2−ECBM）可以降低温室气体排放，具有清洁能源生产和环境保护的功能。为研究气−水两相流条件下，在含水煤层中注CO2增产CH4的排采规律以及不同初始含水饱和度、不同CO2注入条件对CH4产量、CO2储存和储层渗透率的影响，构建了竞争吸附、温度变化、煤体变形以及水运移的流−固−热耦合模型，通过与现场数据、已有试验以及现有模型的数值解结果，对比证明了模型有较高的准确性并对模型的优势做出具体阐述，随后利用COMSOL开展了CO2−ECBM数值模拟。结果表明：注CO2可以提升CH4产气速率和产气量，这表明了注CO2增产的可行性。随着CO2持续注入，储层CH4浓度降低，CO2浓度升高，注气井附近温度升高，生产井附近温度降低且从注气井到生产井的温度缓慢下降；注气抽采期间，水相相对渗透率逐渐减小，气相相对渗透率逐渐增大。由于有效应力、基质收缩/膨胀共同作用，储层渗透率呈现“降低—升高—降低”的趋势；煤层初始含水饱和度越大，CH4产量越低，渗透率下降幅度越小。累计CH4产量最大下降15.19%，忽略煤层中水的影响会高估CH4产量，在进行数值模拟时要考虑煤层水的影响；CO2注入温度与注入压力越大，CH4产量越大，渗透率下降幅度越大。累计CH4产量分别增加13.27%、39.77%，渗透率分别下降20.4%、46.14%，提高CO2注入温度和注入压力有利于提高CH4产量。

• 柱状聚能药管聚能罩角度对煤层爆破增透效果试验研究

  杨帅, 刘泽功, 张健玉, 傅师贵, 乔国栋, 张鑫,

  为解决传统预裂爆破煤体裂隙无序扩展导致增透效果不佳的问题，开展了聚能爆破药管不同聚能罩张开角度对煤层增透效果影响研究。通过建立聚能罩微元闭合理论模型，分析了随着聚能罩角度减少时形成聚能射流的速度和质量变化；以此为基础对聚能爆破增透机制进行了分析。在实验室搭建了可从煤体宏观裂纹和应变数据多角度对试验模型进行分析的双向加载气固耦合爆破相似模拟试验系统，对含瓦斯煤体试块进行普通爆破和不同聚能张开角爆破模拟对比试验。结果表明，使用聚能药包相较于普通爆破能够有效引导裂纹在聚能罩开口方向上定向发育；随着聚能罩角度减少，聚能爆破后形成的裂纹在聚能方向上更加平滑，裂纹宽度也随之增加，试块剖面更加平整；根据超动态应变仪反演结果，1号测点60°、80°和100°聚能爆破的压应力峰值分别为普通爆破的1.52倍，1.26倍和1.08倍，且60°聚能爆破到达应力峰值的时间最短，表明随着聚能罩开口的减小，聚能方向上能量集中现象越明显。通过ANSYS/LS-DYNA软件对4种不同角度的聚能爆破进行对比分析。模拟结果中60°聚能爆破初始形成的聚能射流有效应力最大，聚能方向产生的裂纹最长。试验和模拟结果表明通过使用60°聚能药包可得到更好的爆破效果，研究成果对松软高瓦斯煤层聚能爆破增透有一定的参考意义。

• 基于SSA−LSTM的风速异常波动检测方法

  邓立军, 袁金波, 刘剑, 尚文天,

  针对传统统计方法对风门开闭导致传感器监测数据异常波动的漏报率和误报率高的问题，通过挖掘风速传感器中时间序列数据中的数据特征，提出了一种基于奇异谱分析法（SSA）与长短期记忆神经网络（LSTM）组合的SSA−LSTM风速异常波动检测方法。首先利用SSA对风速传感器监测数据进行预处理，将风速数据分解为趋势分量、周期分量和噪声分量，通过重组趋势分量和噪声分量去除因湍流脉动产生的数据噪声；然后对LSTM进行参数优化，利用优化后的LSTM模型对预处理数据进行预测并得到重构风速；最后以对数概率密度函数计算监测风速与重构风速的异常分数，通过计算训练集数据样本的异常分数设定阈值对监测风速进行异常检测。试验结果表明：SSA去除因湍流脉动产生的数据噪声效果较好，在不影响数据波动情况下去除噪声分量，有助于提高风速重构效果和异常检测准确率；LSTM在无异常波动时能正确重构因湍流脉动导致的小幅波且与实际数据拟合效果较好，在有异常波动时根据历史波动趋势对异常波动段进行重构，可有效提高异常检测的准确率。通过对比分析，所提方法比ARIMA、BP、CNN模型的重构效果更好，异常检测准确率为99.2%，F1-Score为0.97，验证了所提方法的可靠性。表明本文所提方法在检测因风门开闭导致的风速异常波动上具有一定的应用价值。

• 屯兰区块煤层气井压裂特征多尺度分析

  李鸿雨, 宋晓夏, 刘威, 李伟, 陈伟东, 王昱,

  为探究屯兰区块煤层气井压裂特征，以太原西山屯兰区块2号煤层为研究对象，通过对采煤工作面揭露的XST-167、XST-168、XST-176和XST-177 四口煤层气井进行地质编录、煤样宏观特征描述及CT分析，从多尺度研究煤层的压裂特征。结果表明：研究区煤层气井附近煤层主要分布斜交裂隙组成的“X”型压裂裂隙，在XST-177煤层气井附近有“T”型压裂裂隙。石英砂与压裂裂隙壁碰撞、摩擦产生煤粉，煤粉充填在裂隙内，对煤层气的产出有阻碍作用。通过对XST-168、XST-177 二口煤层气井揭露的井筒进行对比，发现XST-177煤层气井的压裂效果更好，更有利于煤层气的产出。煤层气井附近的煤大多为碎裂煤、碎粒煤，水力压裂破坏了煤体的原生结构，使煤体硬度降低，裂隙显著增加。部分煤样可以观测到石英砂镶嵌其上，主要集中在煤的层理面上，说明石英砂被压进煤层后，主要沿水平缝向煤层内延伸，与此处的最大主应力方向保持一致。通过CT扫描技术，对受压裂影响的煤样（压裂煤）和未受压裂影响的煤样（正常煤）进行扫描，发现压裂煤T1、T2中裂隙宽度大于100 μm的裂隙分别占总裂隙体积的58.8％和48.5％，裂隙数量上分别为23407条和19679条，而正常煤T3中裂隙宽度大于100 μm的裂隙仅占总裂隙体积的1.7％，裂隙数量仅为3504条，T1、T2较T3的裂隙宽度更宽，裂隙数量更多，说明压裂作用使煤样裂隙宽度和数量明显增加，压裂煤内部的孔裂隙更发育。

• 华北东部晚古生代过渡相煤系地层低阻成因、控制因素与地质意义

  侯中帅, 梁钊, 陈世悦,

  华北东部晚古生代过渡相煤系地层中低阻层发育，明确其成因类型、控制因素以及地质意义，可以充分揭示其中所包含的地质信息，对于相关层系油气资源评价和勘探部署具有积极意义。本文以华北东部太原组和山西组中低阻层为研究对象，综合运用岩心、薄片、扫描电镜、碳氧同位素和测录井资料，围绕其成因类型、控制因素和地质意义开展研究。结果表明：华北东部晚古生代过渡相煤系低阻层主要发育在太1段和山2段，成因类型包括砂泥岩薄互层、高束缚水体积和发育导电矿物，沉积作用和成岩作用控制了低阻的形成；太1段低阻的成因为砂泥岩薄互层和高束缚水体积，潮汐作用导致的潮汐成因层理和微细孔隙发育促进了障壁海岸背景下太1段低阻的形成，山2段低阻的成因为菱铁矿的密集发育，稳定的覆水还原环境和沉积有机物的成岩演化共同控制了三角洲背景下山2段低阻的形成；太1段的低阻和高毛细管束缚水体积指示着潮坪沉积，说明太原组自下而上为一个海退的过程，是对早二叠世早期冈瓦纳冰川迅速扩张和全球海平面快速下降的响应，山2段的低阻和高光电吸收截面指数指示着三角洲前缘沉积，说明山西组由一期三角洲沉积组成。

• 湘东北地区早寒武世石煤沉积物源区研究

  张卫国, 侯恩科, 李焕同, 周佳瑞, 杨佳美,

  湘东北地区早寒武世石煤中伴生有多种高含量元素，属性特征鲜明。为查明该区石煤的沉积物来源，从石煤元素地球化学角度入手，利用X射线荧光光谱仪(XRF)、电感耦合等离子质谱仪(ICP–MS)分别测定了研究区12个石煤样品的常量元素和微量元素含量。根据石煤中常量元素组合关系、微量元素含量特征、稀土元素分布特征及相关元素地球化学参数，探讨了湘东北地区早寒武世石煤的沉积物源区。结果表明：湘东北地区早寒武世石煤以无机矿物质为主要组成部分，石煤中SiO2含量占比最高，SiO2与其他常量元素(及其他常量元素之间)关系不明显，石英矿物形态具有陆源输入特征；石煤中微量元素(V，As，Sr，Mo，Cd，Sb，Ba，Bi，U)具有明显富集特征，稀土元素分布特征和Nb/Y–Zr/TiO2 关系表明石煤受到了中性岩影响，LaN/YbN表明石煤沉积物沉积速率自东南向西北有减小趋势，即物源来自东部和南部方向；w(SiO2)/w(Al2O3)，w(Al2O3)/w(Al2O3+Fe2O3)，w(Al)/w(Al+Fe+Mn)和K2O/Na2O–SiO2构造判别模型显示早寒武世石煤沉积于大陆边缘区域，主要接受陆源输入。通过与研究区东南方向分布的上墅群中酸性岩中稀土元素、Rb、Nb、Pb含量以及双溪坞群出露的岩浆岩中常量元素含量及组合特征综合比较，并结合江南造山带的演化历史，认为江南造山带东南缘发育的中、酸性岩带为湘东北地区早寒武世石煤沉积物源区，亦是石煤富集微量元素的主控因素之一。

• 煤层顶板水害风险保护系数法评价技术研究

  吕玉广, 乔伟, 胡发仑, 刘梦楠, 吕波,

  关于近水体下采煤防水安全煤（岩）柱保护层厚度取采高倍数问题，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》（以下简称《“三下”开采规范》）附表4-3“防水安全煤（岩）柱保护层厚度”仅适用于“松散含水层”下采煤，至于基岩含水层下采煤以及老空水体下采煤如何确定保护层厚度并未涉及；常用的顶板水害风险评价技术方法评价的主要内容包括富水性评价、导通性评价、充水强度评价，在含水层富水性已知的情况下，评价方法可以进一步简化，仅评价“导通性”即可。基于以上2点，从《“三下”开采规范》出发，试图构建类似于底板突水系数那样简单的判据用于评价顶板水害风险。首先，基于“保护”一词的科学内涵，提出导水裂隙带顶界面至上覆含水层之间的隔水岩层均具有保护功能，应统称为保护层（Hb）；基于《“三下”开采规范》中保护层厚度选取采高（A）一定倍数的做法，提出了保护系数（Bs）概念，即保护层厚度与采高的比值（Bs=Hb/A）。其次，基于《“三下”开采规范》附表4-3关于防隔水煤（岩）柱保护层厚度取值的规定，提出松散含水层下采煤的保护系数分区阈值Bi=（0，2、3、4、5、6、7）；煤系地层一般为砂、泥岩互层型沉积建造，其中泥岩具有阻水功能（相当于松散层下的黏性土层），且泥岩总厚度一般大于累计采厚，故基岩含水层下保护层厚度可参照《“三下”开采规范》附表4-3“松散层底部黏性土层厚度大于累计采厚”的条件并按最大值选取，即4A，遂提出评价基岩含层的保护系数分区阈值Bi=（0，4）。根据保护系数和分区阈值，可将评价区划分为突水区（Bs≤0）、危险区（0<Bs<Bi）、安全区（Bs≥Bi）。当煤层上方有多层含水层时，应分别进行评价。最后，举例说明应用保护系数评价顶板水害风险的过程和方法，指出当含水层富水性为中等及以上时，“突水区”“危险区”的内涵侧重于安全性，通常作为防水安全煤柱留设；当含水层富水性弱或疏放经济时，“突水区”“危险区”主要用于指导疏干工程设计。

• 流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩注浆加固特性试验研究

  陈军涛, 李昊, 贾东秀, 马庆, 李文昕,

  黄河北煤田因矿井水害影响，安全高效开采煤炭资源成为矿井发展的关键瓶颈。注浆技术是当前解决矿井水害问题的重要手段，不仅能解放大量受到水害威胁的煤炭资源，而且对保护地下水资源具有积极意义。对黄河北煤田邱集煤矿取得的灰岩试样开展室试验，观察了灰岩的细观特征，获取了流固耦合作用下含不同长度裂隙灰岩的力学特性及注浆加固特性，通过理论分析得到了灰岩随预制裂隙长度变化时，起裂强度的变化规律，分析了注浆加固机理。结果表明：注浆后岩石的强度、韧性得到明显改善，注浆前的灰岩有明显的脆性特征，注浆后灰岩的脆性降低延性增强；注浆加固体的破坏程度随着裂隙长度的增加越来越剧烈，当裂隙长度较大时伴随有水平方向的裂隙发育；注浆加固体的峰前渗透率的降低程度较小，峰后渗透率有明显的降低，灰岩渗透率最大阶段产生在峰后阶段、而渗透率最小的阶段发生在应力–应变曲线的线弹性阶段，并且裂隙长度越长越容易出现渗透率双峰现象。使用连续介质力学理论推导得到了注浆加固体起裂强度和断裂韧度的计算式，理论证明了注浆加固体的强度大于原岩试样；岩石弹性模量与注浆形成的结合体的弹性模量的差异越大，注浆对岩石强度的影响越弱。

• 基于双向耦合法的采煤机螺旋滚筒振动特性分析

  张美晨, 赵丽娟, 李明昊, 田震,

  为研究采煤机螺旋滚筒在多种赋存条件下的振动特性，以MG2×55/250–BWD型薄煤层采煤机为工程对象，优化煤岩接触模型，建立与实际赋存条件相似的多种不同截割工况下煤壁离散元模型。结合DEM–MFBD(Discrete Element Method-Multi Flexible Body Dynamics)双向耦合数值模拟方法搭建采煤机截割部刚柔耦合虚拟样机模型与煤壁离散元模型的双向耦合试验平台，通过仿真试验得到不同煤岩工况下螺旋滚筒的截割过程，并分别对其振动特性的变化规律展开分析。研究结果表明：螺旋滚筒在截割过程中，三向均出现不同程度的振动，其中截割阻力方向振动加速度最大，牵引阻力方向振动加速度次之，侧向力方向振动加速度最小。随着模型中夹矸硬度以及层数比例的增加，截割过程中螺旋滚筒的振动强度不断加剧，最大振动加速度有效值的差值达到4 403.149 mm/s2。利用短时傅里叶变换将一维振动信号转化为二维时频谱图像，得到不同煤岩工况下振动信息变化特征在时频域中完成较好保留，其时频谱图像的特征样本效果优于各工况的时域一维信号曲线，主频能量位置、范围大小、特征团形状等信息具有明显区别，即使遇到夹矸层数不同，夹矸坚固性系数也存在差异的复杂工况，其时频谱图像中能量特征的分布形式也具有显著差别。通过振动模态分析发现，随着煤壁中含有夹矸硬度的增加，各部位的变形量均发生变化，其中截齿部位变化最为强烈。基于相似理论搭建采煤机振动信号测试试验平台，对不同煤岩工况条件下螺旋滚筒截割过程进行了测试研究，通过追踪螺旋滚筒的振动状态，发现其振动变化规律与双向耦合数值模拟一致。试验测试得到DEM–MFBD数值模拟方法获取的螺旋滚筒振动加速度有效值与依据相似比反推的试验数据之间的误差小于DEM离散元数值模拟方法与实验数据之间的误差，验证了DEM–MFBD数值模拟方法的准确性。研究结果对于提升螺旋滚筒工作可靠性具有重要意义，同时也为采煤机智能化开采的煤岩截割状态识别系统搭建过程中数据信息的获取提供了一种新的方法。

• 矿井带式输送机液压拉紧Fuzzy-PID控制技术研究

  王伟峰, 杨泽, 赵轩冲, 纪晓涵, 贵晓云, 何地,

  针对矿井传统带式输送机拉紧系统响应速度慢、调节能力差、拉紧控制时变性和非线性等问题，提出了一种矿井带式输送机液压拉紧系统Fuzzy-PID控制(基于模糊算法的PID控制)方法。首先，根据液压拉紧装置建立数学模型，其次通过Matlab内置的Simulink仿真库分别对Fuzzy-PID控制器和PID控制器的液压拉紧系统进行仿真，得出输送带拉紧张力启动响应阶段和张力突变的调节响应图，并做出对比分析。最后，通过试验测试来验证算法模型的有效性。仿真结果表明：矿井带式输送机液压拉紧Fuzzy-PID控制系统不仅在启动阶段还有张力突变过程中都具有更好的稳态性能、更快的响应速度。在拉紧装置启动响应阶段的张力超调量降低了13.5%、到达期望值的时间缩短了0.5 s。在拉紧装置张力突变即模拟拉紧和松带阶段，当张力增加时，Fuzzy-PID控制器的调节速度缩短了0.4 s，超调量下降了4%。当张力减少时，Fuzzy-PID控制器的调节速度缩短了0.3 s，超调量降低了2%。试验结果表明：采用Fuzzy-PID控制的效果更佳优异稳定，且损耗更小。对比于PID控制，Fuzzy-PID控制效果更为良好，平均时间缩短31%且总体趋于稳定。对于矿井带式输送机这种连续运输作业的设备，Fuzzy-PID控制技术为矿井带式输送带平稳运行提供了一定保障，不仅减少了电能浪费，也降低了维护保养带式输送机的保养成本。

• 双尺度粗粒化离散元方法及煤散料试验验证

  李博, 刘备, 张鹏, 夏蕊, 王学文, 赵婷婷, 冯云田,

  离散元法（DEM）常用于工程尺度下颗粒系统的模拟，但计算效率仍是大规模颗粒系统运行的制约因素。现有的粗粒化处理方法适用性有限且缺乏普适的理论基础。为解决此问题，研究利用量纲分析描述精确缩尺系统中物理量的缩放定律，通过代表性体积单元 (RVE)，在粗粒化系统和原始系统之间建立了质量、动量和能量的近似守恒关系，并获得了2个不同尺度（宏观和细观）下相应物理量的缩放关系。为验证所提出的双尺度粗粒化离散元方法的正确性，将该方法应用于煤散料下落和回转试验中，真实试验中煤颗粒尺寸为4 mm，仿真中采用5组不同缩放系数的煤颗粒，其尺寸范围为4～12 mm，试验与仿真中煤散料总体积均为0.001 m3。煤散料下落试验采用平均冲击力和堆积休止角作为对比指标，结果表明，随着煤颗粒尺寸增大，两者的相对误差总体呈现增大趋势（尺寸为12 mm时，冲击力误差为14.36%，休止角误差为19.05%）。煤散料回转试验采用上试样受力和煤散料堆积轮廓曲线相关系数作为对比指标，结果表明，随着颗粒尺寸增大，相对误差随之增大，相关系数总体降低（尺寸为12 mm时，受力误差为39.29%，相关系数为0.957 4）。仿真所需时长比预测时长还要少，结果充分证明了双尺度粗粒化离散元法的有效性，粗粒化系统在可接受的误差范围内可显著提高计算效率。

• 露天煤矿环境下基于LiDAR/IMU的紧耦合SLAM算法研究

  马宝良, 崔丽珍, 李敏超, 张清宇,

  随着人工智能和无人驾驶等相关学科的快速发展，煤矿装备的智能化和无人化成为了新的趋势。智能设备的应用将大幅提高煤矿作业的生产力以及人员安全性。露天煤矿地形复杂，与城市环境相比无明显的几何特征，具有分段相似性，利用现有以激光雷达为主的同时定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping，SLAM）方案在该环境下易出现定位漂移和建图误差较大等现象。针对上述问题，提出了一种基于激光雷达（Light Detection and Ranging，LiDAR）和惯导（Inertial Measurement Unit，IMU）紧耦合的SLAM算法，该算法使用LiDAR和IMU两种传感器作为数据输入，对数据进行预处理，前端利用迭代扩展卡尔曼滤波器将预处理后的LiDAR特征点与IMU数据相融合，并使用后向传播来矫正雷达运动畸变，后端利用雷达相对位姿因子将LiDAR帧间配准结果作为约束因子与回环因子共同完成全局因子图优化。利用开源数据集和露天煤矿实地数据集验证了算法的鲁棒性和精确性。试验结果表明在城市结构化环境中文中所提算法与当前激光SLAM算法精度保持一致，而针对长达两千多米的露天煤矿实地环境，所提算法较FAST-LIO2、LIO-SAM紧耦合算法在定位精度上分别提高了46.00%和23.15%，且具有更高的鲁棒性。

• 基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法

  程继杰, 刘毅,

  冲击地压和煤与瓦斯突出容易造成煤矿重特大事故。针对目前煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出事故发生主要靠人工发现，结合灾害造成不同于正常工况下采掘工作面和巷道空间的颜色和深度特征，提出了一种基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法：在煤矿井下巷道顶板、巷帮靠近顶板以及采掘工作面液压支架顶部或靠近顶部等位置多点布置带有补光灯的彩色双目摄像机，实时采集采掘工作面和巷道空间彩色图像和深度图像；以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差别的生产设备作为背景，监测识别是否出现彩色图像颜色发生较大变化；如果掘进巷道端头、巷道中间、巷道入口，或回采工作面，或进风巷道入口、巷道中间，或回风巷道入口、巷道中间，或主运输、辅助运输大巷等位置彩色双目摄像机监测到图像颜色发生较大变化，则监测彩色图像平均亮度是否小于设定的亮度阈值；如果平均亮度小于设定的亮度阈值，则以与灾害抛出煤岩有鲜明颜色差别的生产设备为背景，监测深度图像是否发生较大变化；如果深度图像发生较大变化，那么监测导致深度图像发生较大变化物体的移动速度是否大于设定的速度阈值（v>13 m/s）；当移动速度大于设定速度阈值时，利用多点布置的甲烷传感器监测监视区域内甲烷浓度，当采煤工作面、掘进工作面、进风巷道、回风巷道、总回风巷道等多个不同地点均监测到甲烷浓度大幅升高或达到报警值，那么进行煤与瓦斯突出报警，反之，则进行冲击地压报警。提出了彩色双目摄像机感知灾害最佳倾角的确定方法，以及导致深度图像发生较大变化物体移动速度的确定方法。在确保安全性的前提下，简化了灾害模拟试验，设计了一套煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出颜色和深度特征模拟试验装置：采用与煤岩颜色和比重相近的10 mm橡胶球替代灾害抛出煤岩；利用直径315 mmPVC管模拟煤矿井下巷道受限空间以及与抛出煤岩有着鲜明颜色差异的背景设备；利用轴流式高压鼓风机作为动力装置，进行模拟冲击地压和煤与瓦斯突出发生时大量煤岩抛出造成的采掘工作面和巷道空间颜色和深度异常特征；利用3.4 mm焦距、30FPS、71°×55°视场角的彩色双目摄像机，完成对整个灾害模拟过程的监视与彩色双目图像采集。研究分析表明，提出的方法可识别出灾害发生时颜色和深度特征，验证了基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法的可行性与有效性。

• 三河尖关闭煤矿煤层CO2封存潜力研究

  钱静, 易高峰, 周琦忠, 汤志刚, 彭一轩, 王阳, 陈尚斌,

  关闭煤矿煤层CO2地质封存是CO2封存的重要方式之一，也是短期内实现碳减排指标的有效手段之一。以江苏省徐州市三河尖关闭煤矿为例，分析了已采7号煤和9号煤的煤岩煤质特征，统计了剩余煤炭资源储量，运用模糊综合评价法，选取了稳定系数、上覆岩层性质、地质构造复杂程度、地下水指标、封存煤层压温比、封存煤层深厚比、封存煤层渗透率、采空塌陷程度和其他因素等9个主要影响因素指标对7号煤和9号煤封存CO2稳定性进行评价，建立关闭煤矿煤层CO2封存评价方法并评估CO2封存潜力。结果表明，三河尖关闭煤矿7号煤和9号煤剩余储量较大，CO2封存稳定性综合评价结果分别为86.209和87.698，评价等级均为较稳定，封存潜力较高。根据建立的关闭煤矿煤层CO2封存评价方法，计算获得三河尖关闭煤矿7号和9号煤层CO2理论封存量分别为207.6 Mt和80.9 Mt，并据此划分封存有利区为有利区、较有利区和不利区3个等级。研究可为关闭煤矿煤层CO2封存研究提供基础依据。

• 煤及燃煤产物中稀土元素的分布赋存特征研究进展

  邢艳阳, 丁华, 白向飞, 何金,

  稀土元素因其特殊的性质被广泛用于永磁、冶金、储氢材料等领域，消费量逐年递增。我国是稀土元素储量大国，至2020年我国稀土元素矿产量在世界占比逐年下降，近几年有所回升，但仍需要寻找和开发其他可作为稀土元素供应源的材料。煤作为一种有机矿产，形成过程中可富集稀土元素。深入认识煤中稀土元素含量及赋存状态对后续研究其燃烧产物中稀土元素赋存和提取回收具有重要意义。国内外学者分时代、地区、煤级研究煤中稀土元素含量，对煤及其燃烧产物中的稀土元素赋存状态研究进行总结，并初步认识到我国煤及其燃烧产物中的稀土元素分布赋存特征。目前研究表明，中国煤中的平均稀土元素含量是世界煤中的平均稀土元素含量的两倍；晚二叠世时期煤中稀土元素相对富集；煤中稀土元素主要以硅酸盐态存在。稀土元素性质稳定，经过燃烧后可在燃煤产物中明显富集，主要富集在非磁性的细飞灰颗粒中。对于煤中稀土元素含量的统计应综合考虑样品来源矿区的覆盖率、样品处理方式、微量元素测试方式等因素，以提高统计数据的代表性和准确性。综合直接观测、表征测试方法、逐级化学提取法及数理统计方法以推测得到较为可靠的赋存状态。我国煤炭消费量可观，能源供应以火力发电为主，燃煤产物产量巨大，煤中稀土元素至燃煤产物中可得到几十倍的富集，探明电厂燃煤产物中稀土元素富集分布规律，结合其提取的难易程度提出对应的回收工艺，以实现对燃煤产物资源化利用。

• 难浮煤−极性捕收剂相互作用研究新视角：分子对接与诱导契合效应

  蘧鹏程, 夏阳超, 薛志刚, 邢耀文, 桂夏辉, 田佳,

  研究煤泥与浮选药剂间的相互作用将是浮选过程强化的热点和难点，针对难浮煤表面强亲水的化学结构特性，将生物医药领域诱导契合效应引入到难浮煤−极性捕收剂的相互作用研究中。基于煤样性质检测结果，构建了3D煤分子结构，采用原型分子（Protomol）技术搜索并表示煤分子活性口袋，在活性口袋中搜索极性捕收剂与难浮煤的分子对接最优构象，根据极性药剂与煤分子相互作用最优构象的结合能大小，分析分子对接和诱导契合效应研究结果与浮选结果之间的对应性关系。结果表明分子对接结果与难浮煤可燃体回收率均呈现出十二醇<十二醛<十二酸甲酯的规律，浮选可燃体回收率与分子对接结合能绝对值、煤分子诱导契合效应呈现明显的正相关关系，揭示了分子对接对浮选药剂筛选的指导作用。根据分子对接构型可知结合能存在差异性归因于π-CH作用和空间位阻作用的不同。进而将药剂分子的三维空间进行固定，采用分子力学模拟对三种极型捕收剂与煤分子间“诱导契合效应”进行探索，发现十二酸甲酯与煤分子活性区域能够产生更大的相互作用，煤分子活性区域对十二酸甲酯的诱导效应、包裹性更强，因而在浮选过程中效果更好。采用分子对接和诱导契合效应研究煤分子与药剂相互作用，可为浮选捕收剂的快速筛选提供技术途径和科学指导。

• 风化煤与褐煤转化生物甲烷的差异性分析

  张双斌, 赵树峰, 郭红玉, 简阔,

  为查明风化煤与褐煤生物甲烷生成量差别的内在原因，分别选取风化煤和褐煤，以富集驯化的菌液为菌种来源，通过生物产气模拟，红外光谱、X射线光电子能谱、16srRNA测试、扫描电镜测试来分析风化煤与褐煤生物产气量差异性的内在机制。结果表明：褐煤的生物产气潜力（7.63 mL/g）大于风化煤（3.24 mL/g）；褐煤相比于风化煤，在产气过程中各类基团脱落明显，芳香类物质更多的被转化为小分子量的其它物质，同时酚碳或醚碳（C—O）氧化更加明显，有利于形成更多的小分子有机酸类物质；褐煤相较于风化煤在生物产气过程中表面侵蚀较严重，出现了较多的孔裂隙，使得有机质能够从这些孔隙中析出，有利于微生物进一步利用产气；褐煤中细菌和古菌多样性低于风化煤，但主要功能菌群占比较大，细菌中Macellibacteroides属和Lysinibacillus属占比达68.05%，古菌中Methanosarcina属和Methanobacterium属占比达89.99%，远大于风化煤，对煤中有机质的降解利用起到积极作用，能为后续产甲烷菌提供原料，因此褐煤更有利于被微生物利用产生物甲烷；风化煤的甲烷代谢类型为甲基类营养性区别于褐煤的氢营养型；在褐煤中微生物能够更好的利用乙酸作为碳源、葡萄糖和糖原能够被有效降解为丙酮酸，氧化（还原性）强，并产生供生化反应所需的ATP。研究结果为风化煤与褐煤产气差异机制提供理论参考，为今后风化煤与褐煤生物甲烷化利用提供现实意义。

• 炭黑负载增加活性炭缺陷位点催化甲烷裂解制氢机理研究

  杨丽, 刘帅, 辛春梅, 刘鲁, 曾星扬, 刘方,

  在“双碳”目标时代背景下，甲烷催化裂解制氢因无CO2排放被认为是一种很有前途的高纯制氢技术。其中针对碳基催化剂改性的研究是一大关注热点。为提高活性炭（Activated Carbon, AC）催化剂的稳定性，提出了以椰壳活性炭负载科琴黑炭黑（Carbon Black, CB）制备的新型催化剂，并对其进行了表征测试分析、催化甲烷裂解实验以及分子模拟计算。实验结果表明：分散剂使用1 g、AC和CB质量配比8∶2时制备的催化剂具有较好的催化性能，反应温度在1 000 ℃时初始活性高达85%以上，延缓失活15 min，反应中期甲烷转化率比AC最高提升8%左右。这是因为CB负载在AC表面经反应生成具有缺陷位点的沉积碳。分子模拟计算结果显示，主要是拓扑缺陷的存在使得其s、p轨道非局域性增大，提高其甲烷吸附性能，促进反应进行。同时，AC表面的微孔以及羧基、羰基、羟基等含氧官能团也对甲烷分子的吸附有不同程度的促进作用。孔径为0.8 nm时吸附热最大，这意味着微孔的存在有利于甲烷在AC上吸附，特别是小微孔；3种官能团均可以促进甲烷在AC表面的吸附，其中羧基促进作用更好，羰基和羟基效果相差不大。

• 接种AMF对西部煤矿区紫穗槐根系分布和水分利用效率的影响

  毕银丽, 杨伟, 柯增鸣, 武超, 李明超,

  西部干旱半干旱煤矿区井工开采导致了大面积采煤沉陷区的出现，矿区生态复垦难度较大，利用菌根微生物技术进行生态修复已经成为当前的研究热点。为探究接种丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）对紫穗槐根系分布特征和水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的影响，研究通过室内土柱试验，设置了对照不种植紫穗槐幼苗（CK1）、种植紫穗槐幼苗（CK）、种植紫穗槐幼苗并接种AMF（+AM）3组试验处理，并对植物生长指标和土壤水分等进行了测定。结果表明：①接种AMF有效促进了紫穗槐的生长，其株高、SPAD（Soil and plant analyzer development）值、地上生物量和地下生物量相较CK处理分别提升38.5%、27.5%、11.1%、69.4%；②接菌改变了紫穗槐的根系分布，使总根系长度和根尖数分别增加329.0%和586.1%，平均根直径显著减小22.9%，2 mm以下细根根长比例提升370.1%。同时，接菌影响了土壤水分分布和紫穗槐的水分利用模式，使0～20 cm的土壤含水率较CK处理分别提高8.9%、7.8%，20～50 cm的含水率又分别降低16.8%、4.0%、11.6%；接菌增加了紫穗槐对表层5 cm以下土壤的水分利用比例，在5～30、30～50 cm分别提升15.4%、9.9%；③接菌使紫穗槐植株的WUE增加了27.5%，主成分分析结果表明，紫穗槐根系中的细根长（0.50～1.00 mm）和根尖数是干旱胁迫下接种 AMF对土壤水分高效利用的关键根系特征。综上，接菌可对紫穗槐幼苗有明显的促生作用，通过对紫穗槐细根根系特征参数的显著改善，促进了对土壤水分的吸收及再分配能力，进而使紫穗槐植株表现出较高的WUE，该研究结果可为西部采煤沉陷区生物联合修复技术提供科学指导和技术支持。

• 关闭煤矿矿井水中“双源”铁污染的电化学机理实验模拟

  周来, 叶涛, 郑双双, 朱雪强, 吴江峰,

  关闭煤矿矿井水多呈现高铁特征，闭坑淹井后残留铁质器件易锈蚀，与含铁矿物形成矿井水“双源”铁污染体系，在闭坑后不同时期贡献铁的释放，形成地下水环境风险。为明确关闭煤矿矿井水中双源铁释放过程与反应机理，刻画铁污染双源释放方式，量化释放速率比，基于电化学模拟原理，以黄铁矿和矿用锚杆为模拟“双源”，制备成工作电极，利用循环伏安法和极化法等电化学方法以及X射线光电子能谱材料表面表征技术，对煤矿关闭初期双源共存下在酸性矿井水环境中氧化还原反应过程与铁释放机制进行了模拟研究。结果表明，溶解氧含量是影响黄铁矿和锚杆在酸性矿井水中发生氧化还原反应的重要抑制因素。黄铁矿与锚杆的氧化机制不同，黄铁矿在氧化过程中表面出现钝化效应，2种材料的最终氧化产物均为Fe3+ 和\rmSO_4^2-。黄铁矿主要通过矿物表面的Fe2+ 发生氧化反应释铁，锚杆主要通过材料表面铁及其氧化产物与溶液中酸性物质的反应释铁，且铁氧化物较单质铁优先反应。在模拟富氧（DO=7.0 mg/L）酸性矿井水中，黄铁矿和锚杆的年腐蚀速率分别达到8.3636mm/a和7.8314mm/a，估算年释铁速率分别达到1.2240g/a和3.9395g/a。在模拟井下低氧（DO=3.5 mg/L）酸性矿井水中，黄铁矿和锚杆的年腐蚀速率分别达到0.7324mm/a和0.3642mm/a，估算年释铁速率分别达到0.1072g/a和0.1832g/a。综合电化学参数与静态释铁实验表明，在溶解氧充足或缺乏的条件下，总体释铁速率比均为双源>锚杆>黄铁矿。