煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2024年第5期

• 近距离煤层下行采动应力场分布规律与巷道合理位置研究

  刘洪涛, 韩洲, 韩子俊, 郭晓菲, 韦晟杰, 罗紫龙, 胡正宝,

  上层位近距离煤层开采后，形成的残留煤柱和采空区将会影响下层位的巷道布置。以新柳矿231101工作面为工程背景，采用理论分析和数值模拟的综合研究手段，研究和分析了上煤层开采后采动应力场的应力演化规律，对下层煤巷道非对称变形破坏机理进行深入探究，从而得出下层煤巷道合理布置位置。研究结果表明：①上覆煤层开采改变巷道所处位置的主应力大小、主应力比值以及应力偏转角、应力矢量的变化是导致巷道呈非对称破坏的主要原因。②巷道在距离煤柱中心11 m处，巷道围岩最大主应力达到14.43 MPa，主应力比值为2.74，应力偏转角为52.33°，此时巷道处于较差的应力环境中，致使围岩产生蝶形破坏且蝶叶旋转至巷道顶板右侧，巷道顶板右侧易发生冒顶事故。③为使巷道处于相对稳定区域，依据3个主要影响因素将工作区域划分为4个分区，在考虑煤矿经济与安全因素后建议最佳布置区域为H–IV，主应力偏转角在0°～38°或45°～90°的范围内，通过综合分析对该巷道布置及支护提供合理建议，为类似工程条件提供了借鉴和参考。

• 倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究

  史卫平, 李照迎, 柳昌涛, 吕艳伟, 张浩然, 杨涛,

  为解决回采巷道倾斜厚硬顶板应力集中问题，降低顶板覆岩突然垮落的冲击扰动风险及提高倾斜厚硬顶板切顶留巷围岩控制效果，以长城六矿1301N运输巷切顶留巷为工程背景，综合采用理论分析、数值模拟及现场监测的研究方法开展倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究。首先，基于岩石碎胀系数、砌体梁理论及现场地质资料，推导计算了1301N运输巷切顶高度和切顶角度的理论最小值。其次，为进一步验证并优化理论推导结果，利用PFC2D数值软件建立了1301N工作面切顶留巷模型，采用控制变量法分析了不同切顶高度和切顶角度下留巷顶板应力、位移及组构张量响应特征。分析结果表明：切顶高度与卸压效果之间存在底数大于1的对数增长关系，即随着切顶高度增加，卸压效果逐渐增强但其增长幅度逐渐减小；切顶角度与卸压效果之间存在“S”型增长关系，即随着切顶高度增加，卸压效果先增强后减弱。卸压参数与卸压效果之间的变化规律揭示了切顶高度选择存在最适值，切顶角度选择存在最优解。综合理论分析、经济收益及数值模拟结果，确定长城六矿1301N运输巷倾斜厚硬顶板切顶留巷过程中最适切顶高度为13 m，最优切顶角度为10°。现场监测获得该切顶参数下围岩控制效果较好，留巷围岩变形量较小，可有效满足下一工作面开采需求，验证了优化切顶参数的有效性，为类似地质条件切顶留巷参数的选取提供理论依据和实践参考。

• 裂隙发育过程对采动裂隙椭抛带压实区的影响研究

  刘奇, 笪雨欣, 曹广勇, 李青海, 赵金海, 蒋长宝,

  采空区瓦斯抽采的关键是了解工作面上覆岩层裂隙的演化过程。为了研究综采工作面覆岩采动压实区演化规律，高效进行煤矿采空区瓦斯抽采工作，以神东某矿区2207工作面为原型，通过物理相似模拟实验，利用自主研发的覆岩裂隙监测系统将图像进行直方图均衡化增强和中值滤波去噪处理，获得二值化裂隙图像后利用分形理论定量描述裂隙率，对典型周期来压覆岩垮落裂隙率进行统计分析，建立了裂隙发育程度受工作面推进时间的时空函数和采动裂隙椭抛带压实区演变修正模型。结果表明：覆岩平均裂隙率变化符合DoseResp函数关系，裂隙的发育过程包括产生、扩展蔓延、压实闭合3个阶段，裂隙在产生、闭合这2个阶段发育速率较平缓，而在扩展阶段发育速率陡增。采空区上覆岩层裂隙场形成旧裂隙区、压实区和新裂隙区3个区域，裂隙发育周期的不同导致旧裂隙区与新裂隙区在发育状态、压实程度和空间形态上有着明显差异，这些差异导致了采空区覆岩非对称性下沉现象的发生。通过分析覆岩应力恢复与覆岩内部裂隙演变关系，进一步验证了采用DoseResp时间函数曲线可以很好的表现采空区上覆岩层裂隙异速演变特征。最后建立了考虑覆岩裂隙异速演变效应的采动裂隙椭抛带压实区修正模型，并结合现场工程实践，有效提高瓦斯抽取高位钻孔布置的准确性，为工作面的安全开采提供理论指导。

• 水泥–粉煤灰基矸石胶结充填体破坏特征及强度形成机制

  李晓磊, 杜献杰, 冯国瑞, 巨峰, 王建伟, 刘文昊, 郑远翔,

  在煤矿结构充填开采中，不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同，拟通过改变粉煤灰在水泥–粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称“粉煤灰占比”)调控矸石胶结充填体强度，对不同粉煤灰占比(0～90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试验，探明矸石胶结充填体的强度调控范围，结合数字图像相关技术对试样破坏形态进行分析，结合声发射事件对试样脆延性破坏模式进行分析。采用承压筒法和单轴压缩试验分别测定了煤矸石的强度和不同粉煤灰占比水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度，并根据煤矸石的强度与水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度关系揭示矸石胶结充填体的强度形成机制。研究结果表明：矸石胶结充填体强度随着粉煤灰占比的增加而减少，实现了较大的矸石胶结充填体强度调控范围：1.77 ～30.04 MPa。不同强度范围的矸石胶结充填体试样对应的破坏形态和脆延性破坏模式也不同，材料性质发生了质的变化。随着粉煤灰占比的增加，在破坏形态方面，矸石胶结充填体试样由剪切破坏(0～50%粉煤灰占比)向拉剪复合破坏(60%～80%粉煤灰占比)再向拉伸破坏(90%粉煤灰占比)转变，对应的强度范围分别为20.8 ～30.04 MPa,5.63～12.35 MPa和1.77 MPa；在脆延性破坏模式方面，试样由脆–延性破坏(0～40%粉煤灰占比)转变为延性破坏(50%～90%粉煤灰占比)，对应的强度范围分别为24.64 ～30.04 MPa和1.77 ～20.8 MPa。矸石胶结充填体的强度由水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度(1.43 ～55.5 MPa)和煤矸石的强度(平均强度为4.43 MPa)共同决定。水泥–粉煤灰二元胶凝材料对矸石胶结充填体的强度贡献较大，煤矸石使矸石胶结充填体的强度受限。所得试验结果为结构充填中充填材料的强度选择提供参考。

• 泥石浆型复杂破碎岩体非线性渗流数学模型与实验研究

  刘伟韬, 赵吉园, 霍志超, 杨春辉, 韩梦珂, 吴海凤, 李蓓蓓,

  断层、陷落柱是影响承压水上煤层开采的主要隐患之一，由于其具有碎石块和泥质充填物（泥石浆）构成的复杂结构，其渗透性的确定通常以定性分析为主，缺少量化模型。为了研究泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的量化计算方法，开展了渗流实验研究破碎岩体非线性渗流规律，并基于多孔介质分形理论、非线性渗流理论，建立了考虑黏土成分及泥化充填作用的破碎岩体非线性渗流数学模型，最后与实验结果对比验证数学模型的准确性。结果表明：①陷落柱破碎带样品的粒度分布具有一定的分形规律，含有黏土颗粒的破碎带岩体遇水泥化后，分形维数增大，黏土充填封堵了大颗粒岩石碎块内部的大孔隙，降低了破碎岩体的渗透性；②随着破碎带岩体渗透率的降低，非线性开始发生时的临界压力梯度也增大，表明非线性临界压力梯度可以用来量化破碎岩体的阻隔水能力；③非线性开始发生时的临界压力梯度的实验结果与数学模型计算结果吻合，验证了模型的准确性。建立的破碎岩体非线性渗流数学模型首次尝试考虑了黏土成分及泥化充填作用对渗透性的影响，为泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的定量计算及水体下、承压水上等特殊开采条件下地质构造的阻隔水性能研究提供了一种新的研究思路。

• 基于PFC3D的花岗岩剪切破裂细观裂隙与能量演化规律探究

  郭纪哲, 冯增朝, 李学成,

  为了探究法向应力对岩石剪切过程中细观损伤演化的影响，开展了不同法向应力作用下的花岗岩直剪试验与PFC3D数值模拟试验，结合声发射信号监测及声发射信息特征值RA（上升时间与振幅的比值）与AF（声发射振铃计数与持续时间的比值）的分析，对花岗岩在不同法向应力作用下剪切变形过程中细观微裂纹及能量演化特征进行了研究，研究结果表明：基于平行黏结接触模型建立的PFC3D模型，不仅在宏观力学参数与破坏模式上与岩石物理试验相近，而且在岩石细观裂纹与能量演化规律上也与岩石物理试验基本一致；花岗岩剪切破坏过程中主要产生张拉裂纹，峰值应力点前产生的微裂纹只占裂纹总数的10%～30%，且法向应力越大，峰值应力点前岩石内部产生的微裂纹数量越少；花岗岩剪切变形过程中，声发射信号可以分为平静期、稳定期和加速期，法向应力越大，平静期越明显，即法向应力对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用；随着法向应力的增大，花岗岩剪切破坏过程中，声发射累计振铃计数与岩石内部微裂纹总数均逐渐增大；随着法向应力的增大，花岗岩剪切破坏过程中产生的剪切裂纹数量及其占微裂纹总数的比例均逐渐增加；花岗岩剪切变形过程中外力做功转化为弹性能与耗散能，随着法向应力增大，岩石剪切破坏所需总能量逐渐增大，弹性能与耗散能近似线性增大，且其中耗散能所占的比例逐渐增大。

• 煤张开型裂隙三维宏细观演化特征及扰动因素探究

  王磊, 刘化强, 陈礼鹏, 刘怀谦, 李少波, 朱传奇, 范浩,

  裂隙演化方式受控于诸如矿物特征及围压条件等内外环境，为探究含裂隙煤体裂隙宏细观演化特征及影响因素的围压效应，基于工业CT扫描系统及其搭载的三轴加载系统对含裂隙煤体开展三轴静载试验，以多角度联合表征，对原生裂隙、矿物及围压的内外条件相互作用机制做出合理解释。结果表明：①围压会改变煤体初始损伤显著区位置，使其随围压升高由裂隙尖端过渡至煤体上、下端，且微孔隙和大尺寸裂隙之间比微孔隙和微孔隙之间更易相互贯通，并产生新的宏观裂纹。②围压升高使得三维动态分形维数由缓慢增加、快速增加和平稳增加转变为平稳增加、快速增加和缓慢增加的发展阶段，可表征裂隙的时间演化规律。③含裂隙煤体在单轴或低围压下呈纵向拉伸破坏，高围压会使其破坏方式趋于剪切，并通过2种途径提升煤体强度。④起裂角理论值偏离试验值程度随围压增加而增加，与煤体由矿物分布引起的离散度数值关系一致。⑤根据裂隙的受力成分及矿物分布特征将裂隙扩展行为分为直驱、绕核和错核3种类型，该扩展行为受围压对裂隙的作用力成分影响，由相对纯粹拉应力、拉伸–剪切复合应力和相对纯粹剪应力作用的裂纹分别对应以上3种扩展行为，即对裂隙的扩展影响形式表现为以围压为主，矿物赋存形态为辅。

• 冻融受荷砂岩力学性能劣化与统计损伤模型研究

  张二锋, 刘慧, 康跃明, 杨金虎,

  在西部地区矿产资源开发和工程建设中，砂岩作为主要的工程地质含水层之一，冻融环境影响砂岩的力学及变形特性。为研究受冻融环境影响下受荷岩力学性能的劣化和损伤特性，以陕西地区红色细砂岩为研究对象，开展0、5、10、20和30次冻融循环试验和单轴压缩试验，获得冻融后砂岩的单轴压缩全过程应力–应变曲线和力学特征参数，对冻融岩石进行力学特征参数分析，建立冻融环境下岩石力学性能的劣化模型；基于冻融环境对岩石损伤的影响，考虑岩石在变形阶段中压密阶段的特点，建立考虑压密阶段修正统计损伤本构模型。结果表明：随着冻融循环次数的增加，岩石压密阶段的占比越来越大，峰值应也变逐渐增大，冻融循环前30次岩石发生脆性破坏，冻融循环30次后岩石脆性明显减弱，应变软化阶段明显；冻融循环前10次，力学特征参数损失率增长较快，之后明显减缓；冻融循环30次之后，峰值强度损失率为47.27%，弹性模量损失率为60.35%；其中力学特征参数损失率与冻融循环次数成一次线性增长，在建立的力学性能劣化模型中，冻融后岩石力学性能占比成指数递减，利用冻融环境下岩石的孔隙特征，可准确预测岩石在冻融环境作用下的峰值强度和弹性模量；考虑压密阶段的修正统计损伤本构模型与试验曲线拟合度更高，修正理论模型可对冻融受荷岩石力学性能劣化和损伤预测提供借鉴。

• 天然裂缝对水力压裂煤的起裂及扩展试验研究

  蒋长宝, 杨毅毫, 刘辉辉, 郭建泉, 付银兰, 吴家耀,

  水力压裂是提高低渗透高瓦斯煤层抽采效率和瓦斯产量的有效方法之一。由于煤层中存在丰富的天然裂缝，天然裂缝与水力裂缝相互作用会使水力裂缝的起裂和扩展形式呈现出复杂多样性，从而影响煤层的增透效果。为研究水力压裂煤在天然裂缝作用下的起裂和扩展规律，利用自主研发的多功能真三轴流固耦合试验系统开展了煤的水力压裂试验。基于“孔壁应力集中诱发拉伸破裂”理论研究了水力压裂煤的裂缝起裂规律，并结合断裂力学从细观角度揭示了水力压裂煤的裂缝扩展机制。研究结果表明：天然裂缝的存在会诱导水力裂缝沿着天然裂缝方向扩展，极大降低了煤岩的起裂压力。不含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力与根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力结果相近，符合“孔壁应力集中诱发拉伸破裂”准则；含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力均小于根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力，且当天然裂缝方向垂直于最小主应力方向时，所需的起裂压力较小，为3.355 MPa；当天然裂缝平行于最小主应力时，所需的起裂压力仅大于最小主应力，为7.902 MPa。水力裂缝类型为I型时，不含明显天然裂缝煤岩的实测最小和最大扩展压力值均大于理论计算最小和最大扩展压力值，差值范围分别为2.043～6.845 MPa和3.951～8.576 MPa；当煤岩含明显天然裂缝且天然裂缝方向平行于X方向时，水平应力差的存在将引起煤岩的实测扩展压力值小于理论计算的扩展压力值。水力裂缝类型为Ⅱ型或I-Ⅱ型时，随着水力裂缝长度的增加，裂缝扩展所需压力逐渐减小。

• 基于关键层理论的切顶留巷下覆岩裂隙分布特征研究

  双海清, 辛越强, 李树刚, 林海飞, 周斌, 尚英智, 刘思博,

  针对切顶留巷工艺使得切顶侧采空区覆岩裂隙分布改变的问题，采用物理相似模拟与数值模拟相结合的手段分析了切顶留巷工艺下采空区应力分布、覆岩运移和采动裂隙分布规律。在此基础上，基于关键层理论与采动覆岩卸荷膨胀累积效应，探讨了切顶与未切顶侧覆岩裂隙发育高度和离层裂隙区宽度的变化，分析了不同层位定向卸压瓦斯抽采钻孔抽采效果，验证和反演了切顶留巷工艺下覆岩裂隙分布规律。研究结果表明：切顶留巷工艺能有效降低切顶侧顶底板的应力集中，但应力仍会向煤岩深部传递；切顶使得垮落岩层厚度与顶板破断形式发生改变，导致裂隙带发育高度、亚关键层控制范围内离层裂隙区宽度产生变化；切顶侧端头垮落带高度为未切顶侧的2倍，裂隙带高度为未切顶侧的0.87倍，在裂隙带中下部，切顶侧的离层量和穿层裂隙数量均大于未切顶侧；切顶侧在煤层顶板8～30 m范围内裂隙发育量随距离增大而增大，在30～48 m范围内随距离增大而减小，裂隙主要分布于裂隙带中下部；不同层位抽采钻孔瓦斯浓度和流量的“错峰”验证了上述研究结论。研究结果对高瓦斯矿井切顶留巷工艺下卸压瓦斯治理具有一定参考价值。

• 顶板水平井分段分簇压裂治理掘进巷道瓦斯模式研究

  王博, 侯恩科, 马良, 孙四清, 杜新峰, 杨建超, 王正喜, 单元伟,

  为了解决淮南矿区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯抽采效率低的问题，提出了煤层顶板水平井分段分簇压裂瓦斯治理模式。运用数值模拟方法和物理相似模拟方法研究了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程；运用产能模拟的方法研究了分段分簇压裂的产气效果，对分簇压裂和不分簇压裂进行了剩余瓦斯含量对比分析。裂缝扩展数值模拟结果表明：煤层顶板水平井内的裂缝能够扩展至煤层，将煤层全部压开，且由于煤层的塑性大于顶板砂质泥岩，煤层形成比顶板更为宽泛的压裂缝。裂缝扩展物理相似模拟结果表明：在考虑了泥岩伪顶发育的条件下，水平钻孔布置在碎软煤层顶板的砂岩内，在合理的垂直距离和大排量压裂液施工的环境下，若煤层发育有较薄的泥岩伪顶，裂缝能沿着射孔孔眼穿过直接顶−伪顶界面（粉砂岩−泥岩界面）和伪顶−煤层界面（泥岩−煤层界面），扩展至下伏煤层内，裂缝延伸形成1条弯曲不规则的阶梯型裂缝，能实现对碎软煤层的压裂改造目标。但是，当煤层发育有较厚的泥岩伪顶时，泥岩对水力压裂产生了阻挡作用，导致裂缝难以压开下伏煤层。产能模拟结果表明：在相同的地层环境和施工条件下，经过3 a的抽采，单段不分簇压裂能够产生更大的瓦斯抽采影响范围，但不能均匀降低掘进巷道的瓦斯含量，压裂段之间出现了瓦斯抽采空白带，分簇压裂产生的瓦斯抽采影响范围小，却能够更均匀的降低掘进巷道的瓦斯含量。经过在淮南地区潘谢煤矿的工程验证，在10 m3/min的施工排量下，裂缝长度最长可以达到193.8 m，最大缝高27.0 m，单井日产气量最高达到1 490 m3/d，2 a的瓦斯抽采量达到31×104 m3,说明煤层顶板水平井分段分簇压裂技术是淮南地区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯高效抽采的有效模式。

• 基于CESE方法的煤矿风井泄爆全过程模拟与消波增效研究

  宋维宾, 孙玉宁, 王永龙, 王志明,

  为揭示煤矿风井泄爆过程、探寻增强泄爆效果方法，针对现行泄爆方法和多种改进泄爆方法，建立了系列全尺寸三维仿真模型，利用LS−DYNA软件的CESE求解器，进行了全过程流固耦合模拟分析。结果表明：现行防爆门在泄爆过程中会引发较强烈的反射冲击波且不能快速有效地予以消弱，致使风硐中先后出现可对风机造成二次冲击的2道冲击波；去除防爆门立壁结构对提升泄爆效果作用不明显，但可使防爆门受到的冲击明显减弱；在一定范围内，减轻防爆门质量对提高泄爆效果的作用较为有限，且会使防爆门吸收的爆炸能量明显增加；在增量不大的情况下，增大防爆门到风井和风硐交岔点的距离即能有效改善泄爆效果；侧向和正向先行泄爆方法均能明显增强泄爆效果，并对防爆门有显著的减冲和保护作用，在算例条件下，最优可使反射波超压峰值下降49.4%和28.3%；防爆门开启时间、泄爆面积和防爆门到风井/风硐交岔点的距离是影响泄爆效果的重要因素；风井达到良好泄爆效果所需要的开启时间比现行防爆门要短得多；仅在井口设置防爆门存在不能消减风硐中第1道冲击波超压峰值的局限性。基于对风井泄爆过程、机理和方法的新认识，提出了以“两区域多通道”泄爆为特征的主辅防爆门协同泄爆方法，以系统提升风井泄爆效果和防爆水平。

• 煤矸石山斜坡面矸石散体的空气渗流特性研究

  王文才, 王鹏, 吴周康, 李扬康, 杨少晨,

  煤矸石山斜坡面矸石散体的颗粒偏析现象对其渗透特性有重要影响。为了研究斜坡面的空气渗流特性，基于自主设计的室内渗透率测定装置，结合散体岩土力学理论、通风理论及FLUENT数值模拟，研究了煤矸石山斜坡面不同高度不同深度处矸石散体孔隙率与渗透率的整体分布规律及空气渗流和温度分布特征，并通过现场实测进行验证。结果表明：在研究预设条件下，矸石山斜坡面浅部的孔隙率和渗透率分布特征受到颗粒偏析现象的显著影响，随着高度与深度增大，呈现出非线性负指数衰减规律；随着斜坡面矸石散体的粒径增大，其孔隙率也呈增大趋势，并且其增速逐渐放缓；矸石山顶部覆盖黄土层，导致渗流速度缓慢，氧气质量浓度较低，不利于氧化放热反应的进行，底部孔隙率较大风速过快，积热条件不佳，因此高温区域位于矸石山中上部距坡面2～3 m处，最高可达780 K；风速场在热风压与外界风压的共同影响下，最高风速位于中上部近坡面处，可达0.06 m/s。此外，沿矸石山X方向和Z方向深入，渗流速度与氧气浓度下降速率逐渐减小；整体而言，矸石山斜坡面孔隙率的分布是影响矸石山内部空气渗流特性的一个极为重要的因素。通过对矸石山风速氧气以及温度场的研究，将矸石山大致划分为表层冷却区、聚热易燃区以及内部低温区。研究成果可为我国干燥多风的中西部矿区煤矸石山自燃火区的准确预测和判定提供基础参考。

• 倾斜煤层煤层气与煤炭地下气化协调开发技术构想

  韦波, 杨曙光, 李鑫, 王双明, 师庆民, 杨兰和, 王刚, 傅雪海, 苏红梅, 贾超, 胡振鹏, 赵琛,

  煤层气（CBM）开发与煤炭地下气化（UCG）是我国煤基天然气生产的重要来源，新疆前陆冲断带倾斜煤层发育区煤与煤层气资源丰富。为深入剖析倾斜煤层CBM与UCG协调开发可行性，系统剖析了现有CBM与UCG关键技术及其对CBM−UCG协调开发的借鉴意义，分析了倾斜煤层CBM与UCG协调开发优势、技术路径、面临的主要问题和未来研究方向，得到以下认识：①“CBM开发疏干效应”“UCG热作用解吸效应”“UCG采动卸压效应”下CBM−UCG协调开发可形成相互促进的良性循环；②提出了直井+顺煤层倾向井“先抽后烧”、顺煤层倾向井组合“边抽边烧”、定向L型CBM井+顺煤层倾向UCG井“边烧边抽”、下部煤层布置沿倾向UCG井+上部煤层布置定向L型CBM井“先抽后烧再抽”、复杂井型“井工厂式”布置等协调开发技术路径；③CBM与UCG协调开发面临地质选区评价理论基础研究薄弱、缝网条件下UCG热作用扩展范围不清、倾斜煤层UCG过程岩层移动卸压范围不明等理论问题；同时面临CBM−UCG协调开发“井工厂式”钻井技术、CBM井与UCG井协调开发生产制度、CBM与UCG协调开发地质动态测控、CBM井密封性与耐高温性保护等工程问题；④要强化倾斜煤层CBM与UCG协调开发地质选址评价研究、开发动态理论研究、工程协调技术先导性试验研究，确保协调开发安全、有序、可控、高效。

• 基于层次分析灰色定权聚类的煤层气开发甜点预测方法 以柿庄北区块为例

  张亚飞, 张松航, 邓志宇, 王瑞欣, 刘广景,

  随着煤层气产业的发展以及非常规油气勘探开发一体化的要求，当前煤层气的勘查评价工作逐渐由勘探选区向开发甜点选区推进。然而，受限于勘探开发阶段或资料占有程度，当前多数的选区评价体系对煤储层的可改性和煤层气的可采性考虑不足，在指导开发区井位优选或加密井方面效果不佳。基于沁水盆地柿庄北区块100余口煤层气参数井和开发井资料，分析区内3号煤层煤层气开发的资源条件、储层可改造性和煤层气可采性，采用层次分析和灰色定权聚类方法构建评价模型，评价了煤层气开发甜点区，为区内新井和加密井的部署提供依据。评价模型以煤层含气量、煤厚反映煤层气资源条件；综合考虑地应力环境和岩石力学性质，构建储层综合可改造性参数，评价储层可改造性；使用原始结构煤和碎裂煤占比、临储比和储层原始渗透率反映煤层气的可采性。每个参数采用word聚类方法分级，每个点位(每口井)计算出综合优度并排序，最终划分出煤层气开发甜点区。评价结果表明，研究区中部综合优度大于65的地区为进一步开展开发工作的甜点区。

• 巨厚煤层物质组成特征与成因机制 以柴北缘鱼卡地区中侏罗统为例

  刘炳强, 王敏, 王东东, 曹玉鹏, 闫志明,

  厚煤层蕴含着丰富的地质信息，在全球碳循环中扮演着重要的角色。国内外深时地层中厚煤层广泛分布，近年来其成因机制逐渐成为煤地质学的研究热点。为明晰等时层序地层格架中的巨厚煤层的物质组成特征与形成机理，选取柴北缘鱼卡地区中侏罗统层序S1湖侵体系域发育的巨厚煤层M7为研究对象，等间隔连续采样并进行室内显微组分与矿物鉴定，依据煤层关键界面的识别原理、显微组分与矿物的古环境指示意义进行综合分析。结果显示：显微组分中镜质组体积分数最高(48.5%)，惰质组体积分数同样较高(37.22%)，类脂组所占比例很低，仅为3.32%。矿物组分体积分数较为稳定，平均值为10.96%。依据煤层与碎屑沉积的交替出现、显微组分与矿物体积分数在垂向上的变化趋势，识别出了多种关键界面，包括陆化面(TeS)、陆地暴露面(ExS)、沼泽化面(PaS)、湖侵淹没面(GUTS)与可容空间转换面(ARS)。沿沉积倾向在向陆与向湖方向分别选择钻孔，与鱼卡煤矿对比分析沼泽环境垂向演化过程。鱼卡煤矿巨厚煤层M7识别出4个沉积旋回，向陆以及向湖方向的YQ6–22与YQ6–12中由陆源碎屑、湖相沉积所分隔的M7–1—M7–3则均识别出3个沉积旋回。发现了巨厚煤层中蕴含的高分辨率层序，经过分析划分为4个四级层序，结合煤层中关键界面所对应的层序界面，揭示了巨厚煤层的成因机制。建立了层序地层格架中的多期泥炭沼泽垂向叠置模式，可进一步应用于国内外更多深时地层中巨厚煤层的研究。

• 中国煤中钪地球化学特征的研究进展

  李秀丽, 陈健, 李洋, 齐啸威, 王嘉怡, 刘文中,

  钪(Sc)具有较高熔点、较小密度，是最好的阻挡金属，广泛应用于照明、合金、陶瓷、催化剂等工业领域。在特定地质条件下，部分煤富集钪，可成为战略金属资源予以利用，因此，钪地球化学是煤地质学研究领域的热点问题之一。为阐明我国煤中钪的地球化学特征，在全面收集我国煤中钪测试数据的基础上，并结合安徽淮南煤、重庆南桐煤、四川宝鼎煤和云南勐托煤等实例，系统总结了我国煤中钪的含量水平、时空分布、赋存状态和富集成因，并初步评价了我国的煤系钪资源。结果表明：我国大多煤中钪含量正常，钪的平均含量为4.02 mg/kg，仅略高于世界硬煤。贵州、重庆、安徽、广西、内蒙古、山西、云南等局地煤中钪含量较高，最高达139 mg/kg。煤层顶、底板围岩及夹矸岩石较煤富集钪。我国富钪煤大多为二叠纪烟煤，晚侏罗–早白垩世煤中钪含量普遍较低。一般而言，高灰煤和腐泥煤因具较高的矿物质含量，常富集钪。钪为亲石元素，在煤中主要与矿物质结合，多赋存于高岭石等硅酸盐矿物和磷钇矿等自生矿物中，部分与有机质结合，与腐植质有关。我国煤中钪的主要富集成因类型包括：①基性源岩贡献型，钪为相容元素，基性岩中钪含量高于中酸性岩，因此，物源区基性源岩风化可导致部分煤中钪富集；②海陆过渡沉积环境贡献型，海水入侵导致泥炭沼泽的pH值增大，从而利于钪的迁移，此外，在泥炭沼泽的还原环境中，大量腐植酸生成，钪易与有机质结合而富集；③地下水淋滤贡献型，地下水淋滤围岩的含钪矿物导致煤层中钪局部富集；④热液贡献型，热液与围岩发生交代反应使钪迁移，改变煤的矿物质组成导致煤富集钪；⑤岩浆及变质贡献型，岩浆侵入导致煤阶提升，从而减少有机质结合态的钪，同时，伴随灰分的升高，煤中矿物结合态的钪相应增加；⑥同沉积火山灰贡献型，煤系基性凝灰岩层(蚀变黏土岩夹矸，Tonsteins)可为煤提供钪。

• 井下动水截流施工骨料堆积生长机制研究

  苏培莉, 杨述, 刘锋,

  灌注骨料形成阻水屏障实现截流降速是井下治水工程的关键所在。为定量描述骨料堆积生长的时空演化机理，提出了将骨料沉降堆积过程切分为具有一定厚度的片状颗粒层堆叠过程的分析计算方法，以及动水环境中骨料灌注后从沉降到堆积全过程关键参量(颗粒水平移距xd，动水休止角ψ，未接顶区流速U，骨料留存临界流速Ucr)的理论计算公式，在此基础上构建了骨料堆积体生长预测模型。通过CFD-DEM双向耦合算法研究了骨料灌注期间流场分布演化特征和骨料堆积形态差异，并验证了预测模型合理性。研究表明：空间上，依据初始流速Us是否超过骨料起动流速Uc或骨料留存临界流速Ucr，可将截流初期骨料沉积主域的所在位置划分为3个区域，若沉积主域位于③区，则将其视为无效灌注；时间上，骨料堆积体生长过程可归结为3个阶段：高度快速增长阶段、高度长度同步生长阶段、仅水平向伸长阶段；初始流速决定了第1阶段的有无，而灌注条件(骨料粒径、灌注速度)主导着第1阶段所持续的时间；基于泥沙运动力学中推移质输沙率、起动流速等概念，得出了堵孔现象发生及骨料能否留存的临界判据；数值模拟试验结果表明，预测模型能够较好地刻画骨料灌注后的堆积生长规律，骨料堆积稳定后，理论计算值与模拟试验值相对误差小于10%。

• 基于LMIENet图像增强的矿井下低光环境目标检测方法

  田子建, 阳康, 吴佳奇, 陈伟,

  煤矿井下工作环境复杂，存在人造光源亮度低、粉尘多和水气密度大等不利因素，导致现有的目标检测算法在应用到煤矿井下时，存在提取特征困难、目标识别和定位精度低等问题。提出一种煤矿井下低照度环境目标检测算法，由矿井低光图像增强模块LMIENet和目标检测模块组成，使用图像增强模块对原始图像进行画质提升，恢复各类图像信息，再使用目标检测网络对增强图像进行特定目标检测，有效提高检测的精确度。在图像增强模块中，改进Zero-DCE算法设计轻量级增强参数预测网络，计算像素级增强参数矩阵，用于低光照图像的亮度调整和画质增强，该网络通过设计的非参考损失函数隐性衡量图像的增强效果，引导网络进行无监督学习，使网络能够不依赖配对数据集对原始图像进行自适应的画质增强。目标检测模块中，采用YOLO v8n目标检测模型，其轻量化的模型尺寸和高灵活性可避免模型整体复杂度过高；采用Focal-EIoU Loss改进回归损失函数，有效加速模型收敛并提升模型检测精度。实验结果显示：与经典目标检测算法Faster R–CNN,SSD, RetinaNet, FCOS等相比，提出算法在自建矿井人员数据集上表现出色，低光照环境下目标检测的mAP@0.5达到98.0%，mAP@0.5∶0.95达64.8%，在实验环境中单帧图像推理时间仅11 ms，优于其他对比方法，证明提出算法能够有效实现在煤矿井下低照度复杂环境下的目标检测，且耗时短、计算效率高。

• 惯导与视觉信息融合的掘进机精确定位方法

  毛清华, 周庆, 安炎基, 薛旭升, 杨文娟,

  针对煤矿巷道复杂环境下掘进机精确定位难题，提出了一种惯导与视觉融合的掘进机精确定位方法，该方法采用惯导与“视觉+激光标靶”的定位方案。该方案将设计的四特征点大尺寸激光标靶固定于巷道顶板，相机固定于掘进机机身采集激光标靶图像，并运用圆拟合法定位光斑中心和基于四特征点的EPnP算法解算掘进机位置。为了验证“视觉+激光标靶”方法对掘进机位置检测效果，在模拟掘进工作面环境下开展了“视觉+激光标靶”位置检测试验，结果表明：在30 m内沿巷道宽度方向、掘进方向、高度方向最大误差不超过28.549 mm、78.868 mm、44.459 mm，实现了掘进机位置精确检测。针对惯导测量掘进机位姿误差随时间累积和掘进机振动对组合定位系统产生干扰导致位姿检测不准问题，提出改进Sage-Husa自适应滤波的惯导与视觉信息融合方法，该方法通过检测新息方差值修正量测误差来提高定位准确性。在模拟掘进工作面环境下开展了惯导与“视觉+激光标靶”组合定位实验，采用改进前后Sage-Husa自适应滤波算法融合惯导与视觉信息进行对比分析，结果表明：改进后Sage-Husa自适应滤波算法融合得到的定位误差更小，俯仰角、横滚角、航向角最大误差分别为0.029°、0.051°、0.011 3°，在距离激光标靶30 m内巷道宽度位置误差在0.033 m范围内，巷道掘进方向位置误差在0.062 m范围内。所提出的惯导与视觉融合定位方法能够满足巷道掘进定位精度要求。

• 基于图像与点云融合的巷道锚护孔位识别定位方法

  王宏伟, 李进, 闫志蕊, 郭军军, 张夫净, 李超,

  煤矿掘进巷道锚护位置的精准识别与定位是钻锚机器人实现智能永久支护亟需突破的关键技术。笔者提出一种基于视觉图像与激光点云融合的巷道锚护孔位智能识别定位方法，包括图像目标识别、点云图像特征融合和定位坐标提取3个步骤：①针对煤矿井下低照度、水雾和粉尘等环境因素导致的锚孔轮廓成像模糊的问题，采用IA（Image-Adaptive）-SimAM-YOLOv7-tiny 网络对巷道待锚护孔位进行视觉识别，该网络能够自适应地增强图像亮度和对比度，恢复锚孔边缘的高频信息，并使模型重点关注锚孔特征，提高锚孔检测的成功率；②求解激光雷达和工业相机联合标定的外参矩阵，将图像检测的锚孔边界框通过透视投影关系生成锥形感兴趣区域（Region Of Interest，ROI），获得对应的目标点云团簇；③采用点云处理算法提取锚护孔位边界点云，获得孔位中心坐标及其法向量，并通过坐标深度差比较判断锚孔识别的正确性。文中搭建了锚杆台车机械臂钻孔定位系统，对算法自主定位的精度以及准确度进行验证，试验结果表明：IA-SimAM-YOLOv7-tiny模型的平均精度均值（Mean Average Precision，mAP）为87.3%，较YOLOv7-tiny模型提高了4.6%；提出的融合算法定位误差为3 mm，单锚孔情况下系统平均识别时间为0.77 s，与单一视觉方法相比，采用激光与视觉多源融合不仅可以降低环境和小样本训练对定位性能的影响，而且可以获得锚护孔位的法向量，为机械臂调整钻孔位姿实现精准锚固提供依据。

• 基于几何特征约束的煤矸DE-XRT精准识别方法

  何磊, 郭永存, 支亚, 王爽, 李德永, 胡坤, 程刚,

  双能X射线透射识别煤矸仍存在厚度、硬化、余辉和扇形效应等缺陷，面向5～150 mm宽厚度煤矸分选参数波动大、识别率低。为此，提出一种基于几何特征约束的煤矸双能X射线透射多维度识别方法。该方法通过目标图像最小外接圆直径和区域面积两个几何特征区分煤矸厚度，约束X射线透射响应特征的空间分布，进而从多个维度特征削弱缺陷影响。以少量低密度煤和高密度矸石，获取X射线透射响应特征、位置特征和几何特征，结合Relief-F特征选择建立强特征组合。检验多种分类器的识别性能，选取中等高斯SVM作为多维度方法的分类模型。以强特征组合作为输入，自动创建最终决策模型并分类未知煤矸像素点，通过像素变换图像处理方法获取分选参数p值。结果显示，p值与煤矸密度呈强线性相关，利用密度可选取p值调控分选。而p值与煤矸厚度呈现弱线性相关，宽厚度范围内p值离散程度小、可分性好，赋予分选参数较大调整空间。批量试验验证结果显示，多维度法预排矸分选参数p值为33.01%，以此分选参数对不同密度、不同煤种煤矸识别，整体识别率达99.57%。对5～150 mm厚度范围原煤预排矸整体识别率达99.37%。相比较H-L法、R-L法，多维度法识别率更高，面向不同厚度煤矸计算得到的p值精度高、一致性更好。印证了几何特征约束下多维度识别方法的有效性及分选参数调控优势，为现有双能X射线煤矸分选装置识别算法提供了设计参考。

• 6～10 m厚煤层超大采高液压支架及其工作面系统自适应智能耦合控制

  韩会军, 王国法, 许永祥, 张金虎, 雷声, 李艳鹏,

  厚煤层储量及产量占我国原煤总储量及产量的一半，通过梳理厚煤层开采历史沿革，总结了我国厚煤层开采40年来的技术及装备研发实践，系统分析了以高端大采高液压支架及围岩智能耦合理论为代表的6～10 m大采高综采高效智能化综采技术及装备研究进展，提出了大采高支护理论及围岩智能耦合控制的突破是厚煤层一次开采高度突破的首要因素，完善的感知体系建立是液压支架自适应支护的前提，数字技术的应用为大采高工作面高效推进及装备智能协同控制提供了新的技术途径；阐明了大采高综放液压支架与围岩耦合关系，剖析了采高增加对硬煤层冒放性的有利影响，提出了基于煤矸识别、放煤机构控制的“纯煤段记忆放煤+煤岩分界模糊段人工反馈式干预放煤”的智能放煤控制策略；分析了大采高开采“采–运”协同智能耦合控制关键技术，构建了基于采煤机牵引速度与刮板输送机链速间联动调节的工作面装备间多机异构耦合自适应协同控制模型；研发了厚煤层开采中10 m超大采高液压支架，分析了厚煤层开采不断突破开采高度极限的新认识，从开采装备、控制系统等方面提出厚煤层一次开采高度的突破的研发方向。

• 锤式破碎机冲击速率对青砂岩破碎效果及断裂能利用效率的影响

  赵环帅, 潘永泰, 余超, 乔鑫, 曹行健, 牛学超, 岳帆凯,

  锤式破碎机冲击速率直接影响着岩石破碎效果，为研究锤头冲击速率对青砂岩破碎效果及断裂能利用效率的影响，结合物理试验与细观参数标定，建立了青砂岩宏观−细观力学响应关系，采用颗粒流程序分析了锤式破碎机不同冲击速率下青砂岩的应力链特点、损伤劣化特征、声发射及裂纹变化，并研究了断裂能利用效率。结果表明：①青砂岩在破碎过程中，破坏微单元内部以拉力链为主，破坏边缘以压力链为主，在未破坏微单元内部压力链与拉力链相互交叉成网状，拉力链引起裂纹扩展，最终破坏是压力链和拉力链共同作用的结果。②青砂岩破坏形态分为局部破坏、扩展破坏及加剧破坏阶段，破坏微单元数量分为快速增加、逐渐变缓及稳定阶段。冲击速率越大，破坏微单元数量稳定值增加幅度越大，且破坏微单元数量与冲击速率近似服从直线分布。③随着冲击速率的增加，青砂岩裂纹累计数量分为快速增加与稳定阶段。裂纹萌生阶段，以剪切裂纹为主，初始输入能量主要用于剪切裂纹的生成，而后拉伸裂纹所占的比例逐渐增加，且最终以拉伸裂纹为主。④青砂岩在破坏过程中，断裂能分为快速增加、逐渐变缓及稳定阶段。断裂能利用效率分为快速增加、缓慢增加及缓慢下降阶段，最大值为10.851%，并建立了断裂能利用效率与冲击速率的定量化关系。研究结果不仅从细观角度对青砂岩破碎效果及断裂能利用效率进行了初步探索，也可为锤式破碎机破碎过程中工艺参数的合理选择提供参考。

• 含钙镁煤基固废CO2矿化封存及其产物性能研究进展

  高影, 涂亚楠, 王卫东, 李振, 齐永心, 张佳峰,

  随着化石碳资源的过度消耗，导致CO2等温室气体的大量排放，全球气候变化已经成为全人类面对的重大挑战之一，同时，煤炭资源开发利用过程中会产生大量的粉煤灰、脱硫石膏等含钙镁煤基固废。如何实现CO2高效捕集与封存是当下面临的极具挑战性课题，粉煤灰、煤气化灰渣等大宗重污染工业固废的大规模综合利用仍亟待突破。在“双碳”目标下，利用煤基固废矿化封存CO2是一项具有巨大潜力的高效应对全球变暖的策略，利用含钙镁煤基固废进行矿物碳酸化对于二氧化碳捕集与封存（CCS）以及固废的资源化处置都具有很大前景。然而，它的工业应用瓶颈依旧无法突破。综述了以典型煤基固废粉煤灰（FA）、脱硫石膏（FGDG）以及煤气化灰渣（CGS）为原料的CO2矿化技术的发展现状，旨在探讨其技术局限性的原因。首先，简要阐述了煤基固废CO2矿化的途径，揭示了煤基固废CO2矿化反应过程和原理。其次，重点讨论了典型煤基固废的矿化潜力和工艺，明晰CO2矿化过程中工艺参数对产物性能的调控机理。最后，总结了煤基固废CO2矿化产物的性能并且利用全生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）阐明矿化工艺的可行性及其对环境的影响。研究将对煤基固废CO2矿化的工艺技术提供优化建议，以期推动煤炭工业的低碳转型战略目标。

• 二氧化碳捕集及封存技术探索研究 以陕煤集团榆林化学公司为例

  肖江, 宋世杰, 刘兰兰, 白治学,

  践行减排降碳措施，落实“双碳”目标是煤化工企业走向高端化、多元化、低碳型发展的重要转型契机。陕煤集团榆林化学有限责任公司谋划400万t/a二氧化碳捕集、运输及封存（CCS）示范项目及开展40万t/a先导试验项目助力国家碳达峰、碳中和。在借鉴神华10万t CCS示范项目经验基础上，依据已建180万t/a乙二醇项目中产生的CO2，设计了高纯（98.94%）和低纯（77.78%）2种超临界CO2封存流程；结合对鄂尔多斯盆地东部三叠系、二叠系咸水层的认识，找寻了3套物性较好且CO2封存潜力巨大的地质咸水层（刘家沟组、石千峰组、石盒子组）；在深入CO2储存层盖层及存储容量评估分析，认为CO2在超过1 000 m的咸水层封存环境最佳；通过设计4口注入封存井并结合数值模拟方法对40万t/a CO2的封存运行机制进行研究分析得出理论可行；设计采用PNX测井、井下光纤传感及地表InSAR等监测方法搭建起CO2从井筒到储层再到储层扩散一体化的监测监控管理平台；从CCS当前经济技术成本、产业政策发展以及机遇挑战现状展望出煤化工开展CCS非常具有潜力。

• 耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺研究

  葛腾泽, 王创业, 刘猛, 刘丹璐, 高尔斯, 吴松, 袁淑霞, 樊玉光,

  煤炭地下气化注入点可控后退（Controlled Retraction Injection Point，CRIP）工艺能够实现中深层煤炭资源的清洁高效原位开采，将我国富裕的煤炭资源转化为战略或缺的燃气资源。为取代CRIP工艺中氧气和点火液的注入、提高煤层气化反应活性，基于煤炭地下气化生产工艺和微波加热技术特点，创新提出了耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺设计，将气化剂和微波发生器产生的微波经由连续油管注入到地下煤层并在目标气化区释放。通过理论分析和实验研究，从微波的产生、传输、释放、与煤层作用、以及产业发展模式等方面分析了该工艺设计在工程实践中面临的难题和解决方案。研究结果表明，耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺在技术上是可行的；在煤炭地下气化过程中加热煤层所需的热量较大，大功率磁控管可以满足工业生产规模需求；微波能够通过双层连续油管镀铜的内管外壁和外管内壁间的环形空间远距离传输到地下煤层；微波频率越高，微波功率衰减越快，2 450 MHz和915 MHz频率微波在双层连续油管中传输500 m时，其功率分别衰减至15.6%和32.1%，中深层煤炭地下气化应选用较低频率来远距离、低损耗输送微波；在双层连续油管前端的外管壁面上按一定规则割开缝隙，形成微波释能器，将微波从管线中泄漏出来辐射煤层；原煤在干燥、热解和燃烧阶段都能够较好地吸收微波能而被加热，在有氧条件下煤样温度升高到587 ℃时焦炭被点燃，最高温度可达1 080 ℃；风光电−储能−煤炭地下微波气化融合产业模式能够充分利用绿色能源，实现中深层煤炭清洁高效原位开采。研究能够为微波辅助煤炭地下气化提供理论基础和技术支持。

• 内在矿物质对褐煤加氢热解过程中氮迁移的影响

  郑盼盼, 杜玉杰, 王永刚, 林雄超, 汪心想, 耿耿, 左孟迪,

  阐明内在矿物质对褐煤加氢热解过程中氮迁移的影响对建立褐煤梯级利用过程中含氮物质污染控制方法，实现褐煤的清洁高效利用具有十分重要的指导意义。研究采用固定床反应器进行胜利褐煤加氢热解试验，考察0.1～3 MPa下内在矿物质对煤中氮向热解产物NH3、HCN、N2、焦油氮和半焦氮中迁移的影响以及半焦中氮官能团生成的影响。分别采用紫外分光光度计、气相色谱仪和元素分析仪分析气相中的NH3、HCN、N2以及焦油氮和半焦氮，采用X光电子能谱仪（XPS）表征半焦中的氮官能团。结果表明：胜利褐煤加氢热解过程中，内在矿物质催化煤中氮向NH3和N2迁移；内在矿物质对煤中氮向HCN迁移的影响受热解压力影响，压力为0.1 MPa时，内在矿物质明显阻碍煤中氮向HCN迁移，而压力为1～3 MPa时，内在矿物质基本不影响煤中氮向HCN迁移；内在矿物质阻碍煤中氮向半焦氮和焦油氮迁移；这是由于加氢热解过程中，内在矿物质降低煤热解反应的活化能，致使更多的自由基攻击煤中的含氮杂环，使较多的含氮杂环分解转化为了NH3、N2和HCN；热解反应活化能的降低促进了挥发分生成的增加，延长了挥发分从反应器中析出的时间，加强了挥发分的二次反应，进而促使挥发分中HCN和焦油氮发生二次反应生成NH3。半焦中存在的内在矿物质提高了新生半焦的反应性，加速了半焦与吸附在半焦上的H的反应，促进新生半焦二次反应生成NH3和N2。内在矿物质促进热解半焦中吡啶型氮的生成而抑制半焦中季氮的生成。内在矿物质对褐煤加氢热解过程中氮迁移影响的研究结果将为褐煤的清洁高效利用技术的发展提供基础数据和技术支撑。

• 干旱区露天矿外排土场隔水层重构材料试验研究

  马力, 王晓民, 张奇峰, 罗强, 虎岩, 马宁, 李蒙博,

  新疆煤炭资源储量巨大，具备开发建设大型露天煤矿的条件与优势，但由于新疆干旱区气候特点，造成露天开采对生态环境影响和破坏范围广、程度高，开展干旱区露天矿生态修复具有重大实际意义。由于排土场物料松散、孔隙度大、渗透性大，对干旱区排土场生态修复提出严峻挑战。为解决我国西部干旱区露天煤矿生态修复过程中水资源的紧缺问题，提高干旱区露天矿生态修复效果，基于材料强度和渗透率双重技术目标，探究重构露天矿外排土场隔水层材料配比，以不同材料配比方案利用室内渗透性试验及单轴抗压强度开展相关研究。采用XRD衍射试验、单轴抗压试验与变水头渗透试验确定了不同配比试件的材料主要成分、单轴抗压强度与渗透率并研究了重构隔水层的材料配比参数。试验结果表明：固化剂掺比增加2%时，试件抗压强度提高22%，但增加趋势随着固化剂掺比超过8%时开始降低，固化剂掺比从8%增加至10%时，试件的抗压强度仅增加6%。随着粉煤灰掺比的增加其渗透率逐渐减小，粉煤灰掺比每增加2%可使渗透率降低28%。固化剂掺比量对试件抗压强度的影响程度大于粉煤灰掺比对其的影响程度，且对于渗透率而言，粉煤灰掺比的影响程度更高。粉煤灰掺比固定时，固化剂掺比与试件的单轴抗压强度呈正相关。固化剂掺比一定时，粉煤灰掺比增加其单轴抗压强度也在增大。

• 神东矿区接种AMF对植物−土壤生态化学计量及养分回收的影响

  王董董, 肖礼, 毕银丽, 聂文杰, 张可,

  矿区采煤沉陷地植被恢复和微生物复垦是打造绿色矿山的关键点。丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）和恢复植被类型对植物−枯落叶−土壤连续体的生态化学计量学特征及养分回收的影响尚不明朗，但对阐明西北干旱采煤沉陷区生态修复后养分循环和可持续发展具有重要意义。选择复垦10 a后接种AMF与对照的紫穗槐、沙棘、文冠果、欧李、野樱桃5种恢复植被及对应植被的0～10 cm土壤进行研究，旨在探明接菌和恢复植被类型对植物−枯落叶−土壤连续体碳（C）、氮（N）、磷（P）含量和生态化学计量比，养分回收率、养分限制的影响。结果表明：5种恢复植被各器官平均养分含量与全国水平相比呈现出高C、P低N的特点，土壤N的缺乏限制了枯落物分解和植物生长。冗余分析表明影响植物生态化学计量的主要土壤因子是土壤有机碳、P、土壤易提取球囊霉素并且土壤养分与叶养分回收在菌根介导下呈正相关。AMF接种提高了植物、土壤养分含量、N、P回收率和土壤碳氮比，降低了植被的氮磷比，进而缓解植物N限制，增加植物生长速率支持恢复植被重建，促进连续体养分循环。在不同人工重建植被中接菌的固氮植被紫穗槐和沙棘养分含量、稳定性及生长速率高。植物−枯落叶−土壤连续体生态化学计量及养分回收特征预测土壤氮限制沉陷区可持续生态恢复，接种AMF则促进沉陷区持续生态恢复的潜力。