煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2024年第6期

• 爆破扰动高应力巷道围岩力学响应特征研究

  常聚才, 齐潮, 殷志强, 史文豹, 吴博文, 王拓, 高翔,

  为研究深井厚硬顶板采场巷道围岩在高静载和强动载耦合作用下的力学响应，基于相似模拟试验分析原岩应力、采动应力及爆破扰动三阶段的巷道围岩应力场与位移场，结合光纤环向应变场研究巷道围岩破坏特征，探索爆破扰动应力波在不同煤岩体中的传播规律及巷道动力响应机制。研究结果表明：巷道开挖后顶底板卸压明显，两帮产生应力集中区，采动应力阶段应力集中区范围增加50%，爆破后顶板围岩沿垮落角大范围卸压，应力沿巷道左肩窝逆时针逐渐增大；浅部巷道围岩呈现向自由面膨胀–变形，受巷道肩窝处剪切滑移错动影响，锚杆、锚索支护场产生相反的位移量，应力波扰动后，巷道左帮产生拉伸裂纹并与锚杆支护场连成宏观裂纹，裂纹发育高度大于锚杆支护场高度；巷道围岩顶底板呈现明显的张拉破坏特征，左右肩角呈现张拉及剪切复合破坏形式；应力波由小阻抗介质进入大阻抗介质的衰减速度最快，在同种介质中衰减速度次之，由大阻抗介质进入小阻抗介质中应力波峰值反而增大，应力波峰值强度衰减后仍大于巷道顶板极限抗拉强度，导致巷道围岩大变形失稳并产生一定程度的动力响应。基于应力波连续穿过层状岩体理论模型，结合动静载叠加理论，可优化爆破参数从而实现减冲抗冲主被动联合支护。

• 跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理及控制技术研究

  郭志飚, 赵元欣, 杨东山, 高敬威, 尹松阳, 蒯孝辉,

  针对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形大不易支护的问题，以棋盘井煤矿东区11101工作面运输巷为工程背景，探究跨断层切顶卸压自成巷顶板变形机理，研究“切顶卸压+恒阻锚索”支护对跨断层切顶卸压自成巷顶板变形的控制效果。建立力学分析模型研究断层及切顶卸压自成巷顶板各相关参数对巷道直接顶应力的影响，将切顶卸压自成巷顶板变形过程划分为4个阶段，研究巷道顶板各阶段及总垂直位移量计算方法并给出计算公式，并将相关参数代入公式求解跨断层切顶卸压自成巷顶板垂直位移量；利用3DEC数值模拟软件建立跨断层切顶卸压自成巷数值计算模型，研究断层附近巷道顶板应力应变演化规律及恒阻锚索控制效果，研究结果表明：数值模拟上下盘巷道顶板变形数据与理论分析所得数据结果误差分别为1.14%、4.04%；恒阻锚索能够有效减小巷道顶板变形，与未使用恒阻锚索模型相比，上盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至16.8%，下盘巷道切缝侧顶板垂直位移量减小至50.7%；上下盘巷道顶板在工作面回采过巷道测点断面过程中出现不同程度的应力集中，其中上盘巷道顶板的垂直应力集中值大于下盘巷道，分别为5.72 MPa和4.48 MPa；恒阻锚索通过减缓断层附近巷道顶板变形速率，待巷旁碎石帮充填完成后与碎石帮共同对巷道顶板变形进行控制；将11101工作面运输巷围岩位移监测数据与理论模型计算结果相比较，误差均在10%以内，证明“切顶卸压+恒阻锚索”支护方式对跨断层巷道顶板变形具有良好的控制效果。

• 厚硬顶板刀把形采空区下综放工作面冲击地压机制研究

  钟涛平, 李振雷, 杨伟, 赵志鹏, 宋大钊, 李红平, 周超,

  不规则的开采空间结构可增大煤矿冲击地压危险，研究多煤层复杂开采空间结构下工作面冲击机制对煤炭资源安全采出具有重要意义。综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法，研究了某矿井W1123综放工作面的动静载分布特征，分析了冲击显现机制，提出了针对性的防冲措施并进行现场应用。结果表明，上覆刀把形采空区和厚硬顶板综合作用下W1123工作面动静载分布具有区域性特征，当工作面仅受到刀把形采空区的“刀柄”作用或同时受“刀柄”和“刀身”作用时，工作面中下部和区段煤柱静载集中、动载扰动剧烈，工作面回风巷围岩也存在动静载集中，且距离刀把形采空边界越近则围岩动静载越高；仅受“刀身”作用时，工作面回风巷围岩静载集中受动载扰动。工作面静载集中区和动载扰动区重合，动静载叠加造成冲击显现。依据刀把形采空区结构特征，W1123工作面回采期间冲击类型依次为强动载型、高静载强动载型、高静载型。数值模拟和现场监测揭示的冲击危险区与理论分析结果一致。针对W1123工作面静动载分布特征，优化设计了冲击地压防治措施，增大了厚硬顶板处理高度和破碎程度、增加了工作面运输巷煤体爆破和煤柱切顶以降低顶板和煤体应力和能量集中；优化措施实施后，工作面微震事件日均能量总体下降54%，大能量事件大幅减少，冲击地压危险显著降低。该研究结果可为相似条件矿井的冲击地压防治提供借鉴。

• 煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理

  张东晓, 王翔宇, 郭伟耀, 张悦颖, 赵同彬, 吴震, 方恒宇, 张骞,

  煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型，以某矿不同工作面为工程背景，研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律，探讨了煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理。研究结果表明：当大直径钻孔卸压参数相同时，薄煤层中原岩应力、钻孔切向应力及其塑性区范围均大于厚煤层；大直径钻孔周边应力峰值随煤层厚度增加呈非线性减小趋势，当煤层厚度由1 m增加到9 m，应力峰值由23.2 MPa降低到20.2 MPa，降低12.9%；大直径钻孔卸压释能率随着煤层厚度增加呈减小趋势，当煤层厚度由1 m增加到9 m，大直径钻孔卸压释能率由68.7%降低到45.8%，即相同大直径钻孔卸压参数条件下薄煤层卸压效果更好；当大直径钻孔卸压参数相同时，钻孔切向应力随着煤层厚度增加而减小，导致煤体破碎区和塑性区范围以及存储弹性能释放量减小，即钻孔卸压释能率降低。某矿1208工作面和1203工作面煤层厚度分别为9.08、4.95 m，虽然两工作面采取了相同的大直径钻孔参数，但1208工作面巷道围岩变形破坏更为严重，对大直径卸压钻孔参数优化后，煤体平均钻屑量由2.48 kg/m下降到1.76 kg/m，表明随着煤层厚度增加，需采取减小钻孔间距、增大钻孔直径等措施来达到更好的卸压效果。

• 易弹射煤体力学特性及能量演化机制

  许文涛, 成云海,

  通过开展不同主应力条件下真三轴加卸载试验，研究不同加卸载路径下易弹射煤体的力学特性、破坏特征及能量演化规律，揭示开挖卸荷易弹射巷道围岩弹射机制。研究表明：易弹射煤样在高应力单面卸荷比加载破坏更剧烈，当轴压为峰值的90%时卸荷，易弹射煤样表面出现一条大剪切裂缝，轴向应变率高，其自身破坏程度大，弹射现象明显；当轴压为峰值的80%,70%时卸荷，煤样未发生整体宏观破坏，轴向应变率低，自身的破坏程度小，仅在临空面产生张拉裂纹，弹射现象不明显；随着第二主应力的增大，在一定范围内对易弹射煤样有补强的作用，易弹射煤样内部复合型裂纹先增加后减小，破坏形态由剪切破坏转变为张拉–剪切复合破坏，最后发展为劈裂破坏，弹射剧烈程度呈现出先增加后减小的现象；高应力卸荷破坏过程中，弹性能转化为耗散能瞬间释放，耗散能占比急剧增大，抛离母体的碎块携带能量弹射出去，临空面出现明显的交叉网格裂缝，弹射现象明显；高应力易弹射煤样卸荷后张拉–剪切裂纹迅速扩展贯通，发生张拉–剪切复合破坏，弹射现象显著；卸荷后，易弹射煤样出现张拉–剪切裂纹，RA急剧值增高，AF值持续降低，AE呈现高能、高计、高幅、高频特征。研究结果可为类似地下工程开挖围卸荷岩微冲击现象控制提供借鉴。

• 基于能量原理不同含水率下煤岩体变形破坏能量损伤演化机制

  于永江, 刘佳铭, 杨云涛, 宋志远, 赵尚清,

  为探究不同含水率下煤岩体在变形破坏过程中的能量演化规律与损伤演化特征，对双马一矿煤岩体开展了在不同含水率条件下单轴压缩试验，基于能量计算及最小耗能原理，分析不同含水率下煤岩体能量耗散特征及损伤演化机制，结果表明：不同含水率下煤岩体力学性质不同，峰值应变与含水率呈正相关，抗压强度、弹性模量与含水率呈负相关；煤岩体含水率越高，其在峰值处弹性应变能及破坏吸收总应变能越小，耗散能占总应变能比例越高；基于最小耗能原理建立的损伤本构模型表明：随着煤岩体含水率增加，损伤门槛值逐渐降低；干燥状态下，煤岩体在应力峰值处损伤变量分别为0.36、0.28，当含水率增至自然状态时，煤岩体在应力峰值处损伤变量值分别下降0.09、0.18，但当含水率增至饱水状态时，煤岩体在应力峰值处损伤变量值反而分别大幅度上升0.102、0.49，总体呈先减后增的发展趋势；进一步建立了不同含水率煤岩损伤应变能释放率演化模型，低含水率煤岩较干燥煤岩的最大损伤应变能释放率大幅度下降，降幅分别为45.61%、31.29%，而随着含水率增加至饱水状态，其最大损伤应变能释放率增大幅度较平缓，分别为3.08%、8.80%，表明煤岩破坏剧烈程度并未大幅度增加。研究成果对煤岩矿柱水害预测评价与岩石损伤评估具有一定参考意义。

• 考虑中间主应力效应的修正Hoek-Brown真三轴强度准则

  李亚鹏, 吴晓锁, 张强, 蒋斌松,

  为改善Hoek-Brown强度准则未考虑中间主应力对岩石强度的影响，通过岩石真三轴试验结果分析了岩石强度的演化规律，引入中间主应力系数，量化分析主应力系数对岩石真三轴强度的影响，考虑Hoek-Brown强度准则中的参数和岩石应力水平间的关联性，提出了基于拉格朗日插值方法的修正岩石真三轴Hoek-Brown强度准则，分析了其空间包络特征。最后，利用7种岩石的真三轴试验数据与其它3种真三轴强度准则进行最优拟合误差分析，探讨了修正强度准则的合理性。研究结果表明：岩石强度随着最小主应力的增加逐渐增大，随着中间主应力的增加则呈现先增大后减小的变化规律，表现出显著的区间效应；修正强度准则不仅能够继承Hoek-Brown强度准则在子午面上的非线性优点，且能够表征岩石强度在应力空间中的基本特性；线性和非线性插值形式的修正强度准则空间包络面分别为非等边的六棱锥面以及能够满足拉压子午面区间连续光滑要求的圆锥面；修正强度准则能够较好地预测岩石真三轴试验强度，较为合理地反映中间主应力对岩石强度的影响；相比于线性插值形式强度准则，二次插值形式强度准则能够提高岩石强度的预测精度1.2～2.0倍；相较于其他真三轴强度准则，修正强度准则对不同硬脆性岩石的真三轴试验结果均具有良好的强度预测精度，体现了修正强度准则的适用性和可靠性。

• 循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律研究

  王磊, 钟浩, 范浩, 邹鹏, 商瑞豪, 晋康,

  为研究循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律，利用MTS816岩石力学试验系统和自主研制的含瓦斯煤气固耦合装置开展循环加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验，分析循环加卸载下煤样强度和变形特性，并结合数字图像相关（DIC）技术探究含瓦斯煤应变场演化规律。结果表明：①循环加卸载作用下，加卸载曲线之间不重合，形成滞回环，且随着循环次数的增加，滞回环面积逐渐增大，并向着应变增大的方向逐渐移动；不同瓦斯压力的煤样在循环荷载作用下均呈明显的脆性破坏。②循环加卸载作用下，随瓦斯压力升高，煤样峰值强度降低，加载变形模量和卸载变形模量均增大，且卸载变形模量始终大于加载变形模量；随着循环次数的增加，变形模量差值逐渐减小并最终在0～0.1 GPa。③循环加卸载条件下煤样不可逆应变与循环次数之间呈“初始、稳定、加速扩展”的3阶段变化特征，曲线整体从L型向U型趋势发展，累计不可逆应变与循环次数之间呈快速增加、缓慢增加、快速增加的趋势，不可逆应变与累积不可逆应变均随瓦斯压力增大而增加。④在低瓦斯压力下，煤样应变集中区主要为单一竖向应变集中带，随瓦斯压力增大，局部应变集中带逐渐由竖向单一向无序复杂转变；瓦斯压力越大，应变场波动程度越剧烈且剧烈程度主要集中在中部区域；高瓦斯压力下，随瓦斯压力升高，峰值点的个数越多，应变越大。

• 松软煤层底板爆破致裂增透模拟试验研究及应用

  高魁, 王秘, 乔国栋, 田宇, 傅师贵, 王有为,

  针对松软煤层爆破增透钻孔施工困难，爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实的问题，提出在底板岩层开展爆破作业，达到松软煤层增透进而增加瓦斯有效抽采时间的目的。为了监测跨界面应力波传播规律及煤层损伤状况，在实验室构建了物理模型并开展了煤层底板爆破相似模拟试验。同时使用数值模拟的研究方法对煤层底板爆破过程中煤、岩体内部的损伤及裂隙的演化过程进行补充。结果表明：松软煤层底板爆破裂纹沿爆破孔向四周岩体扩展，爆破孔位置和底板煤岩交界面以及煤层内部的破坏较为严重，产生跨界面损伤裂纹。爆炸应力波从松软煤层底板岩层传播到松软煤层时，岩体和松软煤体的交界面产生透射压缩应力波和反射拉伸应力波，透射波作用于松软煤体，使煤层裂隙增加；反射波反作用于岩体，在煤岩交界面形成交叉裂纹，使底板岩层裂隙和松软煤层裂隙贯通，有利于松软煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。潘一东煤矿现场应用表明，煤层底板爆破增透后瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升，抽采纯量从0.06 m3/min提高到1.46 m3/min，增加了23.33倍；瓦斯浓度从爆破前的10.46%上升到45.50%左右，增加了3.34倍，并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部松软煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

• 保温时间对二次炭化型煤微结构的影响与力学−渗流特性强化研究

  甘青青, 许江, 彭守建, 蔡果良, 耿加波,

  物理模拟试验是煤矿瓦斯灾害发生机制与防控的一种有效方法。目前开展煤矿瓦斯灾害物理模拟试验所用型煤材料其力学强度、渗透率与原煤差异性较大，如何改善型煤（BC）的抗压强度、渗透率是型煤成型过程中面临的关键问题。基于此，采用热压成型方法制作了若干不同保温时间下二次炭化型煤，并采用SEM、NMR、XRD、FTIR、MTS-815岩石力学试验系统和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对不同保温时间下二次炭化型煤进行测试分析，分析了不同保温时间对其表面形貌、T2谱形态、孔隙度、微晶结构、基本结构单元芳香烃、烷基侧链和各种官能团演化规律，厘清了不同保温时间下二次炭化型煤的力学及渗流特性，并确定最优的保温时间。结果表明：随着保温时间的增加，二次炭化型煤表面粗糙度、孔径逐渐变大，且增至6.7 h后，BC表面有裂隙出现，保温时间越长，裂隙越明显；BC累计孔隙度及中孔孔隙度逐渐增大，而微孔孔隙度逐渐减少；芳香层间距(d002)呈先减后增，而微晶直径(La)和微晶高度(Lc)均先增后减；脂肪链的长度减少，芳香环的缩合程度(Aar/Aal)呈先增大后减小；单轴抗压强度呈先增大后减小，渗透率呈先减小后增加。在保温时间为5.3 h为最佳保温时间，此时热压BC的单轴抗压强度和弹性模量都最大、泊松比和渗透率最小，其力学强度、渗透率和密度依次为9.85 MPa，1.49×10−15 m2和1.127 g/cm3。该研究为提高煤矿瓦斯灾害发生机制与防控基础试验中的真实还原性，有效预防控制煤矿瓦斯灾害事故具有重要的现实指导意义。

• 基于伪随机序列的松散煤体声学测温方法及应用

  郭军, 高文静, 蔡国斌, 刘荫, 王凯旋,

  长期以来，采空区、煤堆、煤仓等空间的煤自燃火灾时有发生，受限于工作区域的复杂环境和火源探测技术瓶颈等因素，较难实现煤自燃灾害高温点的快速量化识别。而声学测温技术具有测量精度高、测温范围宽、测量空间大等特点，可实现采空区等隐蔽火源位置精准探测且极具发展前景。目前该技术在松散煤体温度测量领域尚处于基础研究和实验室研究阶段，仍需开展大量研究。基于伪随机序列的优越性能，将其引入作为声源信号，并根据声学测温原理和伪随机序列声源信号产生原理，搭建了松散煤体声波测温试验系统。系统主体部分包括声学测试系统、程序升温系统、隔音系统和煤样箱体，结合试验测试和仿真模拟方法，验证了系统的准确性。利用理论分析、Matlab仿真和试验测试相结合的方法，开展伪随机序列声源信号的失真特性研究，确定了该信号的最佳处理方法，成功将其应用于松散煤体测温中。结果表明：伪随机序列可以作为采空区、煤堆、煤仓等空间的松散煤体声学测温的声源信号，但需运用二次相关PHAT–β算法对伪随机序列声源信号发生频率区间(1 000～3 000 Hz)进行处理，使频带变窄，能量集中；运用伪随机序列声源信号测量声波在松散煤体中飞渡时间，发现不同距离下声波飞渡时间测量结果误差小于5%，并通过了对比验证；伪随机序列作为松散煤体的测温声源信号时，所反演温度与不同粒径的煤样温度之间的平均绝对误差为2.051 ℃，平均误差率5.293%，能够较为精准、可靠地反演煤温。

• 卤盐阻化剂对煤自燃阻化作用的定量识别及机理

  孟祥宁, 梁运涛, 郭宝龙, 孙勇, 田富超,

  煤自燃灾害严重影响煤矿安全生产，卤盐阻化是防治煤自燃灾害的主要措施之一。优化阻化工艺、提高阻化效果的前提是掌握阻化剂的物理、化学阻化作用机制。为此，探究卤盐阻化剂对煤自燃的主要抑制方式，明确其物理、化学作用对煤层阻化的贡献比显得尤为重要。基于此，提出一种定量识别卤盐阻化剂阻化作用的方法。本次研究卤盐中具有代表性的MgCl2阻化剂，采用超声波清洗器多次反复冲洗阻化煤样和水洗煤样，得到水洗阻化煤样和水洗参考煤样。通过程序升温试验和红外光谱试验研究不同煤样的指标气体浓度、交叉点温度、阻化率和活性基团的变化规律，从宏微观角度研究卤盐阻化剂的物理、化学阻化作用。结果表明：水洗阻化煤样的产气浓度、交叉点温度、阻化率和活性基团含量明显低于原煤样，却高于阻化煤样，这说明MgCl2阻化剂对煤自燃起到协同抑制作用，具有物理化学双重阻化效果。煤氧化反应前期，物理阻化作用大于化学阻化作用，煤氧化反应后期，化学阻化作用占主导地位，明显高于物理阻化作用。MgCl2的化学抑制作用体现在能与煤中活性物质反应生成比较稳定的物质(ROCl)和镁络合物(Mg(OH)Cl)，使得煤的活性下降，从而降低了煤的自热风险。MgCl2阻化剂物理、化学阻化作用对平庄褐煤的贡献比分别为56.37%和43.63%，对同忻烟煤的贡献比为57.91%和42.09%，对白芨沟无烟煤的贡献比为59.60%和40.40%。随着煤样变质程度的增加，物理阻化作用贡献比增加，化学阻化作用贡献比减小，平庄褐煤的化学阻化作用是白芨沟无烟煤的1.08倍。该研究有助于丰富卤盐阻化剂的阻化机理，并为优化防灭火工艺提供理论指导。

• 煤层微观孔隙特征及沉积环境对孔隙结构的控制作用 以鄂尔多斯盆地8号煤层为例

  赵伟波, 刘洪林, 王怀厂, 刘德勋, 李晓波,

  寻找深部煤层气资源分布，亟待查明深部煤储层沉积环境和孔隙分布特征。为此，在开展鄂尔多斯盆地煤岩显微组分、核磁共振孔隙和电镜分析的基础上，查明了煤岩显微组分和孔隙分布特征，评价了鄂尔多斯盆地8号煤的煤沉积环境和孔隙结构特征之间的关系。结果表明：①研究区8煤层煤岩有机显微组分以镜质组为主，成煤早期植物类型应主要为木本植物，后期随着覆水程度增大而逐渐转变为木本+草本混生植物为主；②本溪期8号煤由早期为湿地森林沼泽逐步演化为后期开阔水域沼泽，沼泽水体相对滞留，沼泽环境稳定，利于有机质富集和煤层结构稳定；③研究区8煤大孔占比与结构保存指数（TPI）两者呈正相关，而与凝胶化指数（GI）呈负相关；④基质镜质体发育密集气孔群或稀疏带状气孔群，团块镜质体中发育少量气孔，结构镜质体中发育原始组织孔，多为矿物充填，均质镜质体气孔不发育。研究认为榆林地区煤层孔隙分布受到煤沉积环境和显微组分控制，开阔水域沼泽相的煤层孔隙结构呈现三峰，其中微孔和大孔发育最好，湿地森林沼泽相煤层孔隙结构呈现双峰，微孔发育好，大孔发育较差。

• 天然气储层裂隙中气−液两相流的流态转变条件数学模型

  闫晋, 倪小明, 郭盛强, 何庆宏, 赵彦伟, 宋金星,

  气−液两相在储层裂隙中流动时可能存在气泡流、段塞流、环雾流等流态，查明流动时流态转变条件能为气−液两相流流态形成机理研究提供依据，有助于天然气井的生产管控。根据气−液两相流不同流态的流动特点，结合连续介质控制理论和动量守恒原理，构建了气泡流−段塞流−环雾状流等流态之间转变的数学模型，确定了各流态间变化的临界条件和主控因素，通过气−液运移产出微观流动物理模拟试验验证了所建数学模型的准确性。结果表明：气−液两相在裂隙中的流态转变是气/液相的物理性质、注气通道孔径、裂隙流动通道孔径、气相流体流速、液相流体流速等因素耦合作用的结果。气泡流与段塞流能否转变主要取决于初生气泡大小、流动通道空间、液相界面波高度；段塞流与环雾流间能否转变取决于气相流体能否击碎液相流体并使之悬浮。不同流态间转变的主要控制因素不同：气泡流与段塞流相互转变的主控因素为裂隙系统的孔径，注气通道孔径越大、流动通道孔径越小，越容易发生段塞流；段塞流与环雾流相互转化的主控制因素为流体流速、气/液相流体的物理性质，气/液相对速度越大、气/液密度差越小、液相表面张力越小，越容易发生环雾流。研究成果能够为天然气储层裂隙中气−液两相流态形成机理和天然气运移产出研究提供理论依据。

• 浅埋薄基岩顶板采动突水溃砂固流耦合相似模拟试验研究

  张贵彬, 王荣强, 马俊鹏, 吕文茂, 张文泉, 王海龙,

  突水溃砂作为一种新型的矿井地质灾害，具有隐蔽、突发、难监测、破坏强等特点，因此，探究覆岩采动劣化特征及突水溃砂致灾机理对松散层水害防控具有指导意义。首先，通过相似材料配比与测试试验，研究了不同材料配比对材料强度、渗透特性的影响机制，并研制出一种适宜于模拟松软岩层的新型固流耦合相似材料；然后，借助采动煤层顶板涌水溃砂灾害模拟系统，进行了浅埋薄基岩、中厚基岩的单一含水结构盖层以及薄基岩含隔双层结构盖层条件下开采的相似模拟试验，分析了不同地层结构的采动裂缝空间劣化−贯通及水砂起动、运移、涌溃灾变特征，揭示了浅埋薄基岩采动突水溃砂致灾机理。试验结果表明：新型固流耦合相似材料兼具耐水、抗崩解、抗软化、低渗透、低强度、低塑性的特性，且渗透系数随碳酸钙含量的增加呈负指数衰减，单轴抗压强度呈现二次多项式增长的特点；初次来压和第一次周期来压阶段是浅埋薄基岩采动覆岩劣化诱发突水溃砂的高发期，采动裂缝平面呈“OX”分布，随基岩与松散层底部黏土层的厚度增加，覆岩由拉剪破坏逐渐转变为拉张破坏，裂缝形态由“垂向直通形”转变为“倒楔形多层交错叠加组合”，裂缝开度减小，通畅度变差，可降低诱发突水溃砂风险几率与危害程度；通道开度（宽度）与砂体粒径的相对关系（简称“裂粒比”）以及通道通畅度是决定突水溃砂发生与否及致灾程度的关键。

• 河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙−涌水量时空演化的FDEM-CFD耦合分析

  杨泽斌, 李浩, 马立强, 麦龙泉,

  河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙分布与涌水量是工作面安全生产的决定性因素之一。数值模拟是二者重要预测方法，其合理性的关键在于建立岩体破坏−裂隙流体耦合理论及相应的模拟方法。以路家村矿15404工作面为研究背景，构建拉/剪应力下非贯通裂隙开裂、贯通裂隙的法向与切向本构关系，并基于二相流质量守恒、动量守恒与状态方程，结合增强的浸没边界算法识别流−固界面，通过流体体积法实现裂隙内流体自由面的追踪和重构。在此基础上形成FDEM-CFD河下采煤覆岩裂隙与涌水量预测数值模型耦合程序，通过相邻工作面地面钻孔冲洗液消耗量观测法验证导水裂隙带发育高度，以及采用大井法理论对涌水量结果进行对比。结果表明：采动岩体破坏−裂隙流体耦合理论及相应的FDEM-CFD程序，可数值实现河下浅埋厚煤层采动覆岩裂隙形成，以及裂隙内流体运移过程。当工作面推进至80～120 m时覆岩内形成贯通地表的导水裂隙。招山河水的主要下泄路径为工作面后方8～20 m位置处的导水裂隙，其斜向采空区、倾角65°～72°。模拟所得采空区涌水量为18.78 m3/h，与大井法计算结果接近。上述成果在路家村矿区得到初步应用，为进一步开展河下浅埋厚煤层防治水工程提供理论支撑。

• 基于主动激励的掘进机回转台振动抑制研究

  谢苗, 王贺, 李玉岐, 刘治翔,

  悬臂式掘进机截割过程由于煤岩形状、硬度分布的随机性，当截割到硬岩时截割头会产生无规则的剧烈振动，瞬时高强度的冲击对掘进机关键受力部件回转台影响最大，其动态可靠性和寿命影响着截割效率和截割稳定性，为减弱截割过程回转台的振动，首先，基于截割现场回转台易失效损坏现象，建立截割过程回转台力学模型，推导回转台力学方程，研究回转台受力随截割参数变化规律；通过搭建截割试验台，测试截割过程回转台振动响应，结合有限元进行回转台振动模态分析，求解回转台前6阶固有频率及振型，分析回转台剧烈振动的原因。其次，基于工况路径分析理论，建立截割过程回转台工况传递路径分析模型，模拟回转台合成振动，分析各激励点对回转台振动贡献量及贡献程度，准确找到回转台主要激振源。最后，通过施加外部主动激励的方式，分析不同激励频率加载下回转台振动情况，探寻能够降低截割过程回转台振动的激励频段。试验结果表明：外部激振频率处于20～60 Hz，回转台振动幅值降低明显，此频段激励频率对回转台振动控制效果良好，有益于提高回转台寿命，且激振频率为40 Hz时回转台振动最小，回转台振动抑制效果最佳。研究结果有益于丰富回转台振动相关研究理论，实现在不改变机械结构基础上，降低回转台受力与结构变形，可为掘进机回转台的振动问题提供理论参考。

• 基于数字孪生的液压支架群跟机工艺虚拟调试方法

  李娟莉, 郭清杰, 高波, 边强, 王冬波,

  针对物理综采工作面“三机”跟机自动化工艺参数调试周期长，费用成本高，以及工作环境搭建困难等问题，基于数字孪生技术，研究了液压支架群跟机行为工艺虚拟调试关键技术。首先基于现代建模技术构建了1∶1构综采“三机”孪生体，利用虚拟现实引擎对综采“三机”运动单元进行了虚拟重构和虚拟仿真；然后基于现代设计理论，依据“三机”协同原则实现了跟机自动化过程中的不同参数配置，建立了采煤工艺的支架行为工艺决策模型和支运装备直线度协同控制模型，并在虚拟场景中对决策模型进行预演；最后利用TCP协议建立了虚实交互通道，通过半实物仿真试验对决策模型进行了验证。结果表明：虚拟场景在执行采煤工艺时可对物理工作面场景进行精准复现，通过支架群行为决策模型可提前对液压支架工艺行为进行决策规划，通过反向控制试验可对支架控制器进行实时虚实交互，有望克服井下调试环境阻碍，对综采“三机”电液控程序的合理制定与修正提供参考价值。

• 融合金字塔结构与注意力机制的煤矿井下巡检机器人PT目标检测算法

  王茂森, 鲍久圣, 鲍周洋, 阴妍, 王祥赛, 葛世荣,

  近年来，煤矿机器人已成为现代煤机装备领域的研究热点，多数煤矿的主煤流运输系统基本实现了连续化、机械化和自动化，因此对主运输巷道内的安全监控与巡检效率提出了更高的要求，而精准的目标检测是实现煤矿井下智能化安全监控的必要保障，但现有的目标检测算法应用于复杂恶劣的煤矿井下巷道环境，存在目标检测精度较低的问题。面向井下低照明、环境杂乱的特殊工况检测需求，制作了井下巷道环境内目标物数据集，完成数据集标注并展开多维度分析；提出一种基于金字塔结构与注意力机制融合的PT目标检测算法，利用注意力机制模块替换金字塔结构中的卷积模块，在控制特征计算量的同时提高对全局特征的提取能力，实现目标物局部特征与全局特征融合的提取效果，提高了图像中目标感兴趣区域特征的表达能力。最后，面向煤矿井下巡检机器人应用场景，将提出的PT算法与传统经典的Faster R-CNN、YOLOv4算法进行对比分析。结果表明：所提出的PT目标检测算法能够有效识别复杂环境下巷道内目标物，相较于主流的Faster R-CNN、YOLOv4目标检测网络，PT算法有更好的综合识别能力，识别煤矿人员的准确率分别提升了2.90%和4.30%，识别井下障碍的准确率分别提升0.20%和4.80%，识别矿井裂缝的准确率分别提升了4.40%和8.60%，识别井下设备的准确率分别提升了3.00%和8.70%。因此，PT目标检测算法能够更好地适应井下环境，目标检测算法较其他算法能够获得更高的准确率与检测速度，可为井下巷道安控系统建设提供理论依据与技术支撑。

• 基于阈值和权重Census变换的煤矿井下图像立体匹配算法

  杨春雨, 宋子儒, 张鑫,

  双目图像立体匹配是实现煤矿井下无人辅助运输车自主避障和视觉侦察的关键技术，但煤矿井下高粉尘、光照条件不稳定等因素会导致视觉传感器采集到的图像产生椒盐噪声，使得立体匹配的误匹配率很高。为此，提出一种基于阈值和权重相结合Census立体匹配算法，减少椒盐噪声对立体匹配影响。具体改进包括：①先对支持窗口内所有像素的灰度值进行阈值处理，去除支持窗口内灰度值极大和极小的像素点,解决异常值对加权融合的影响；②再将中心点对应的4条斜对角像素进行加权融合代替中心点像素，选择中心像素点4条斜对角线上的像素点，步长取1～3，根据对应的步长分别赋予0.7、0.2、0.1的权重，将这12个像素点中有效的像素点分别乘上对应权重，然后除以有效权重之和，得到经过加权处理后的中心像素点值，解决传统算法对Census变换窗口中心点依赖的问题，从而提高匹配精度。试验结果表明：基于阈值和权重Census代价计算全部区域的误匹配率相比传统Census算法降低了5.64%；相比基于均值Census算法降低了1.71%，且在不同噪声下全部区域的误匹配率相比传统Census算法降低了15.93%；相比基于均值Census算法降低了16.62%；而在非遮挡区域，算法的误匹配率相对于传统Census算法降低17.19%，相对于基于均值Census算法降低18.11%。所提出的基于阈值和权重相结合Census立体匹配算法有效的增强了抗噪声的鲁棒性，降低了误匹配率，提高了匹配精度。

• 基于CFS-YOLO算法的复杂工况环境下煤矸图像识别方法

  李德永, 王国法, 郭永存, 王爽, 杨宇豪,

  针对煤矿高噪声、低照度、运动模糊与大批量煤矸混杂等复杂工况环境因素导致煤矸识别存在误检、漏检以及检测精度低的问题，提出一种基于CFS-YOLO算法的煤矸智能识别模型。采用ConvNeXt V2（Convolutional Neural Network with NeXt Units Version 2）特征提取模块替换主干网络末端的2个C3（Cross Stage Partial Bottle Neck Mudule）模块，通过将掩码自动编码器（Masked Autoencoders, MAE）和全局响应归一化（Global Response Normalization, GRN）层添加到ConvNeXt架构中，有效缓解特征崩溃问题以及保持特征在网络传递过程中的多样性；采用Focal-EIOU（Focal and Efficient Intersection Over Union）损失函数替换原CIOU（Computer Intersection Over Union）损失函数，通过其Focal-Loss机制和调整样本权重的方式优化边界框回归任务中的样本不平衡问题，提高模型的收敛速度和定位精度；添加无参注意力机制（Simple Attention Mechanism, SimAM）于主干网络每个C3模块的后端，凭借其注意力权重自适应调整策略，提升模型对尺度变化较大或低分辨率煤矸目标关键特征的提取能力。通过消融试验和对比试验验证所提CFS-YOLO模型的有效性与优越性。试验结果表明：CFS-YOLO模型对于煤矸在煤矿高噪声、低照度、运动模糊与大批量煤矸混杂等复杂环境下的检测效果均得到有效提高，模型的平均精度均值达到90.2%，相较于原YOLOv5s模型的平均精度均值提高了3.7%，平均检测速度达到90.09 FPS，可充分满足煤矸实时检测的需求。同时与YOLOv5s、YOLOv7-tiny与YOLOv8n等6种YOLO系列算法相比，CFS-YOLO模型对煤矿复杂环境的适应性最强且综合检测性能最佳，可为煤矸的智能高效分选提供技术支持。

• 煤基灰/渣的大宗固废资源化利用现状及发展趋势

  吴锦文, 邓小伟, 焦飞硕, 吕波, 房朝军,

  近年来，煤炭工业快速发展，为国民经济运行提供了重要能源保障和原料支撑，与此同时，燃煤电厂、工业和民用锅炉等设备在煤燃烧和气化工艺过程中，产生大量的煤基灰/渣（粉煤灰、燃煤炉渣、气化渣）等工业固体废弃物，对生态环境造成了较大影响。以粉煤灰和气化渣为代表的煤基灰/渣为例，我国每年排放约8亿t粉煤灰和3500万t气化渣，但是受限于国家能源结构、产业政策等因素的影响，以及煤基灰/渣的资源分布、产地性质的制约，目前，煤基灰/渣的高效资源化利用率还有待提升，其中，粉煤灰的综合利用率为70%、气化渣的综合利用率仅为30%，未来我国大宗固废仍存在产量大、资源利用不充分、综合利用产品附加值低等困境。因此，进一步提升大宗固废综合利用水平，全面提高资源利用效率，积极落实国家“碳达峰”和“碳中和”相关政策，完成煤炭工业“十四五”发展规划中相关工作，是当前煤炭开发利用需面对的重要问题。基于此，针对煤基灰/渣的性质，开展了大量的探索，如分级、分选、提质等技术研究，开发了具有针对性的工艺技术及装备，部分实现了煤基灰/渣的大宗固废资源化利用和高附加值利用。鉴于煤基灰/渣具有比表面积大、孔隙结构发达、含碳量偏高、铝硅含量丰富等特性，目前已经作为原料广泛应用于建工建材、环保、生态、化工等领域。文章分别从大宗固废资源化利用和深加工高附加值利用两个方面对煤基灰/渣进行了阐述。①建工建材等应用领域仍是提升煤基灰/渣大宗固废资源化利用的重要方向，但由于煤基灰/渣资源化利用存在脱碳与炭−灰分离技术装备有待完善、脱水与干燥困难、重金属可能存在沉淀等问题，后续有待深入研究；②提取有用组分并用于功能性碳材料制备、环境污染治理等领域可实现煤基灰/渣深加工高附加值利用，但需对生产工艺环节中产生的酸碱性或重金属废液进行有效处理，从而减少对环境的污染。针对煤基灰/渣在大宗固废资源化利用中所存在的问题，探讨了其未来发展趋势，以期为煤基灰/渣的大宗固废资源化利用以及煤化工行业高端化、低碳化、绿色化发展提供借鉴与参考。

• 基于矿化反应过程三阶段划分的粉煤灰高效矿化方法研究

  于秋鸽, 尹希文, 樊振丽, 甘志超, 浮耀坤,

  粉煤灰由于含有钙镁等碱土金属氧化物导致其浆液呈碱性，直接充填井下采空区易污染地下水源。利用陕北矿区府谷电厂粉煤灰开展组分测试、浆液pH值特性测试及固碳降碱试验，基于浆液pH值与OH−浓度理论关系对粉煤灰固碳降碱反应过程进行阶段划分并提出两级耦合的粉煤灰高效矿化方法。研究结果表明：①粉煤灰含CaO、MgO、K2O等碱土金属氧化物，溶于水浆液呈高碱特性，浆液pH值随浆液浓度增大而增大，当粉煤灰浆液质量分数≥30%时，浆液pH值不受质量分数影响且粉煤灰碱土金属氧化物与水反应生成OH−速率较快，溶于水20 min，OH−浓度饱和；②粉煤灰与CO2发生矿化反应生成方解石型CaCO3，每1 kg粉煤灰可矿化封存29.57 g CO2；③粉煤灰与CO2发生矿化粉煤灰固碳降碱过程中pH变化曲线呈“倒S”型，按降pH速率分为慢速（I）、快速（II）、慢速（III）3个阶段，3个阶段的pH值分界点分别为11.39、7～8且第I阶段无法消除；④降pH与降碱不是同一概念，降碱指的是降浆液中OH−浓度，降pH第I阶段对应快速降碱阶段，降pH第II、III阶段对应深度降碱阶段；⑤决定粉煤灰固碳量的主要为降pH第I阶段，而非pH下降速率较大的第II阶段，第I阶段CO2利用率约为30.78%，第II、III阶段CO2总利用率约为9.04%；⑥基于粉煤灰固碳降碱过程阶段划分及反应装置降碱速率、容积的差异性，提出两级耦合的粉煤灰高效矿化方法。研究结果对分析粉煤灰固碳降碱机理，提高粉煤灰固碳降碱效率，促进粉煤灰处置工业化应用具有重要意义。

• 水分对无烟煤破碎行为和研磨能耗的影响

  李召辉, 谢卫宁, 林生茂, 姜海迪, 张峰彬, 王帅, 谭之海, 何亚群, 孙小路,

  煤中水分赋存形态和含量的变化会改变煤炭物理特性和孔隙结构，进而影响其破碎过程。为研究煤炭所含水分对其破碎行为的影响，以无烟煤为研究对象，利用加装功率测量装置的哈氏可磨仪模拟中速磨煤机内的破碎环境，对不同含水量煤样开展多时间批次的单独与混合破碎试验，并研究水分对煤炭破碎速率、煤粉细度及研磨能耗的影响。试验结果表明：相比于原始煤样，均化浸泡煤样单独破碎时初始粒级物料破碎速率因含水量的增加明显减小，其可磨性指数随水分增加先减小后增大，煤粉细度t10与含水量呈正相关关系。干、湿煤样混合破碎时13.34%含水量样品破碎速率和细粒级物料生成速率远大于相同水分的均化浸泡煤样，且其可磨性指数大于原煤；其他含水量的混配煤样可磨性指数略小于均化浸泡煤样，此差异随含水量增加而变大，而破碎速率和细粒级物料产率与均化浸泡煤样差别较小。经典能量—粒度关系模型可用来表征不同水分梯度样品单独和混合破碎过程，内、外水分不同程度降低了无烟煤抵抗破碎的能力，单独破碎时含水量增加可显著提高能量效率；将含水量参数引入能耗模型，实现对多梯度水分煤样破碎过程的表征。通过探究煤中含水量对煤炭破碎能耗的影响机理，揭示煤炭破碎过程中能量损失方式并为优化煤炭破碎工艺、降低能耗提供理论指导。

• 1995—2021年榆神府矿区景观生态风险时空异质性研究

  杜华栋, 刘云龙, 毕银丽, 孙浩, 宁本燕,

  煤炭开采作为一种强烈的人类活动影响了矿区生态系统服务功能和经济价值，而相同气候环境不同地貌长时序空间尺度上矿区开发后景观生态风险演化特征对比研究较欠缺。以半干旱榆神府矿区为研究对象，基于1995—2021年Landsat数据，通过构建景观生态风险指数以及空间统计学分析，探究了近30年来矿区黄土丘陵和覆沙地两种不同地貌类型景观生态风险时空演化特征。结果表明：①1995—2000年间榆神府矿区两种地貌生态风险格局整体无明显变化；2000—2010年间黄土丘陵区景观低生态风险区向更高等级生态风险转变，2010年黄土丘陵区中高、中和中低生态风险区占比为70%，而覆沙区高生态风险区域虽增加但不显著，仍以中低生态风险区为主，占比为31%；2010—2021年矿区景观生态格局向着均匀化的方向发展，黄土丘陵区逐渐稳定为以中低、中和中高生态风险等级为主，2021年3个风险等级占比为74%，覆沙区也形成了以低、中低和中生态风险等级为主的分布情况，3个风险等级占比为77%，生态风险等级逐渐趋于稳定，生态风险格局不断优化；②1995—2021年榆神府矿区景观生态风险在空间上有明显的集聚分布特征，局部生态风险具有明显的热点、冷点区域，生态风险热点主要分布于煤炭开发时间长、地质环境损害较严重的东北部和东南部黄土丘陵区，生态风险冷点主要位于目前仍处于资源勘探普查的中部覆沙区；③人为干扰度是对榆神府矿区景观生态风险影响最大的驱动因子，黄土区与覆沙区决定力q值大小分别在0.49～0.72和0.38～0.55，在黄土丘陵区植被覆盖度是第二大影响因子，决定力q值在0.27～0.46之间，气温因子影响程度次之，而覆沙区植被覆盖度与气温的影响程度在1995—2021年间互有高低，两种地貌类型景观生态风险均受高程影响最小，q值均小于0.10；④景观生态风险时空演化相关分析表明，榆神府矿区生态修复过程中，应根据不同地貌类型特征优化景观生态格局，在黄土丘陵区应优化开采方案减小地表生态损害、积极开展损害地主动修复策略，在覆沙区由于开采对该区景观格局影响较小，矿区损害地可实施引导型生态自修复等以保障矿区生态安全。