煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2024年第7期

• 基于三线性应变软化模型的综采工作面煤壁片帮深度解析预测

  迟国铭, 李刚, 张春会, 徐刚,

  为预测综采工作面煤壁片帮深度，以煤壁为研究对象，煤壁煤体视作三线性应变软化材料；将直接顶和基本顶视作宏观顶板，建立了宏观顶板与煤层、支架相互作用的承载力学模型，结合边界条件推导了综采工作面煤壁片帮深度解析计算公式，利用该公式研究上湾煤矿12401工作面煤壁片帮情况，分析影响煤壁片帮的因素及影响规律，结果表明：①推导获得的煤壁片帮深度计算公式能够较准确计算综采工作面煤壁片帮深度，能够定量分析顶板特性和支架参数等对煤壁片帮深度的影响。②增加支架初撑力能够降低煤壁片帮深度；增加支架刚度能够降低煤壁片帮深度，但效果较差；增加支架护帮板支护强度，煤壁片帮深度近似线性减小。③顶板厚度和抗拉强度增加，煤壁片帮深度增长，但增长速率随顶板厚度和抗拉强度增加逐渐趋缓。这主要由于顶板厚度和抗拉强度增加，顶板破断步距增大，向采空区内旋转下沉角度增大所致。④综采采高对煤壁片帮深度有很大影响，综采采高增大，煤壁片帮深度近似线性增长。⑤煤体单轴抗压强度增大，煤壁片帮深度减小，顶底板与煤层界面之间的摩擦因数增大，煤壁片帮深度减小。⑥顶板动载系数增大，煤壁片帮深度近似线性增大。

• 基于能量法的工作面端面冒顶机理及“支架−围岩”耦合关系试验研究

  宋高峰, 黄鹏, 李鹤鹤, 昝明惠, 孔德中, 张鹏飞,

  为研究综采工作面顶板稳定性及其影响因素，结合能量法和“顶板−支架−煤壁”系统模型，建立了端面顶板稳定性力学模型，利用分布式支架顶梁压力监测系统和数字图像监测技术，开展了端面冒顶相似模拟试验，分析了端面冒顶影响因素、顶板破坏形态和支架顶梁压力分布演化特征。研究表明：根据端面顶板稳定性力学模型，距煤壁1 m范围内直接顶稳定性系数小于0，该区域为端面冒顶高发区；距离煤壁越远，顶板垂直位移和水平位移也随之增大；提高支架工作阻力能有效减小顶板下沉量；顶板黏聚力和内摩擦角越大，顶板稳定性越好；相似模型试验中直接顶依次经历了端面冒落、顶板破断、顶板破碎等阶段，液压支架顶梁压力表现为中部>前部>后部；当顶板完整时，模型支架初撑力和支护阻力充足，“支架−围岩”耦合关系良好；当顶板破碎导致支架位态不佳时，模型支架降阻或偏载现象明显，容易造成顶板裂隙发育、端面冒顶、支架压架等事故，“支架−围岩”耦合关系恶化；利用数字图像监测技术获得了端面冒顶阶段直接顶最大剪应变集中于端面顶板附近。研究显示支架与围岩相互作用关系与端面顶板稳定性互相影响，维持良好的“支架−围岩”耦合关系有助于提高工作面顶板稳定性。

• 深部软岩巷道围岩与锚喷U型钢支护结构相互作用研究

  孟庆彬, 宋子鸣, 刘滨, 黄炳香, 浦海, 王从凯, 辛学奎,

  收敛−约束法(特性曲线法)是将理论解析、现场实测、工程经验相结合的一种地下工程结构设计方法，是目前分析围岩−支护相互作用关系及开展支护优化设计的常用方法。基于收敛−约束法的基本原理，总结给出了经典的支护特征与支护结构变形方程，理论计算获得了喷射混凝土、锚杆(索)、U型钢支架等支护结构的支护特征曲线，分析了支护结构的几何尺寸(直径、长度)、间排距、材料强度等参数对支护压力的影响特征；随着喷射混凝土厚度及强度等级的增加，喷射混凝土提供的支护刚度和支护压力逐渐增大；随着锚杆(索)直径、长度、杆体材料强度的增加及间排距的减小，锚杆的支护压力显著增加；U型钢支架的排距越小及材料强度越大，其提供的支护压力越大。采用FLAC3D内嵌的莫尔库伦应变软化本构模型，建立了考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的深部软岩巷道数值分析模型，计算获得了不同应力状态下巷道纵剖面变形曲线、围岩特征曲线，分析了锚喷、锚杆(索)喷、锚喷U型钢等3种联合支护技术对深部巷道围岩大变形控制的适用性，验证了锚喷U型钢联合支护技术应用于深部巷道支护工程的可行性。考虑岩石峰后应变软化与扩容特性的应变软化本构模型和经典的莫尔库伦本构模型的数值模拟结果相差较大，采用莫尔库伦本构模型的数值模拟结果保守，支护结构提供的支护压力无法满足深部巷道稳定性控制要求，支护后巷道围岩变形较大甚至会发生冒顶、片帮等安全事故。

• 层状岩石逆倾向与顺倾向剪切破坏特征的差异性研究

  李震, 吴冠洋, 司尚金, 刘光旭, 李明明, 张呈祥, 徐荣超,

  层状岩石层理效应的研究对深部岩体稳定性分析具有重要意义，而天然层状岩石逆倾向与顺倾向剪切力学行为差异性仍认识不清。为此，开展了0°≤ψ≤180°（ψ为剪切面顺时针旋转至层理面的滑动倾向角）的页岩全角度剪切试验，详细地研究了逆倾向与顺倾向下剪切力学特性和破坏模式的差异性，并结合离散元模拟进行了补充分析与验证。研究结果表明：顺层面剪切时抗剪强度取得最小值，ψ=30°时取得最大值，90°与135°时取得局部极大值，逆倾向抗剪强度相对更高，ψ>30°时随滑动倾向角增加抗剪强度总体呈减小趋势；根据不同滑动倾向角下剪切力学行为的差异性，按滑动倾向角将层状岩石分为三组，即层面张拉与基质剪切组（15°～60°）、基质剪切组（75°～120°）、基质与层面剪切组（135°～180°）；基质剪切组在剪切应力−位移曲线峰前均存在应力降现象，层面张拉与基质剪切组在峰后呈“阶梯”状应力降低；张拉破坏与剪切破坏同时存在且以剪切破坏为主；顺层面剪切时层面的剪切裂纹数目占优，ψ=90°时基质体的剪切裂纹数目最多，ψ=30°时层面的张拉裂纹数目最多，其次是基质体的剪切裂纹，ψ=150°时以层面、基质体的剪切裂纹为主。研究揭示了层状岩石逆倾向与顺倾向剪切的各向异性特征及差异性根源，可为各向异性力学模型完善、灾变机制及围岩稳定性分析提供科学依据。

• 基于蠕变曲线对称的蠕变模型研究及参数敏感性分析

  刘文博, 张树光, 黄翔, 刘轶品,

  为了获得滇中引水隧洞围岩的蠕变特性和研究隧洞围岩的长期稳定性，采用中国科学院武汉岩土所自主研发的全自动三轴开展绿泥页岩的单轴蠕变试验，获得了绿泥页岩的轴向蠕变曲线和等时应力−应变曲线，并基于等时应力−应变曲线的特征确定出绿泥页岩的长期强度值。基于经典蠕变曲线特征与大量试验蠕变曲线，发现描述衰减蠕变曲线的方程可以通过对称处理，故假设加速曲线与衰减蠕变曲线是关于稳定蠕变曲线的中点对称的，得到一种基于蠕变曲线对称的加速蠕变模型，并基于蠕变试验曲线的特征提出一套确定蠕变模型参数的方法。最后，将引入加速蠕变模型中的参数进行敏感性分析，使得引入模型中的参数具有明确的物理意义。结果表明：随着轴向应力的不断增大，岩石的瞬时应变值和蠕变变形值不断增大，而第一级荷载作用下岩石的瞬时应变占蠕变总变形比值最大。所建立的蠕变模型不仅可以很好地描述绿泥页岩的衰减蠕变和稳定蠕变变形规律，也较好地弥补了西原模型无法描述加速蠕变的缺陷，且该模型曲线与试验曲线的吻合度要远远高于西原模型与试验曲线的吻合度，并且不同应力作用下模型曲线与试验曲线的相关性系数均在0.90以上；同时，通过不同类型试验曲线与模型曲线的验证也说明了该模型是可用于不同类型岩石蠕变曲线的预测。最终，引入参数j值控制了加速蠕变的变形速率和进入加速蠕变的时间，参数k值控制了蠕变时间和加速阶段的蠕变速率。

• 聚丙烯纤维改性超细水泥复合注浆材料性能研究

  曾熙文, 王艳芬, 赵光明, 程详, 艾洁, 李英明, 孟祥瑞,

  为获得高性能矿用水泥基注浆材料，拓展短切纤维在全长锚固领域的应用，以超细硅酸盐水泥为胶凝材料，速凝剂、膨胀剂、聚羧酸减水剂作外加剂，基于单因素试验，探究聚丙烯纤维（PPF）掺量对水泥注浆材料的力学性能、可注性、泌水性、凝结时间、体积收缩性及微观结构的影响规律，并筛选PP改性超细水泥浆液作锚固剂，研究相似实验拉拔条件下全长锚固系统的力学承载性能与声发射特征。结果表明：PPF掺量对超细水泥注浆材料的浆液特性与力学性能具有显著影响，可明显改善超细水泥注浆材料的抗压性能，缩短终凝时间，减小流动度，尤其抗折强度与PPF掺量呈正相关关系。当PPF掺量0.1%时，复合注浆材料S1的综合性能最佳，硬化结石体3 d和28 d抗压强度为60.1 MPa和83.7 MPa，比未添加PPF的参照组S0提高23.4%和23.2%；XRD、SEM及FTIR微观表征证实，适宜PPF不仅能促进水化反应，而且可改善结石体内部裂隙，发挥桥连作用并传递应力，延缓裂纹扩展；拉拔试验表明，基于该复合注浆材料的全长锚固体系力学性能、残余承载能力和最大变形量显著增强，最高拉拔强度是参照组S0的1.356倍，推迟了声发射事件的发生，提升巷道围岩稳定性，为类似全长锚固提供借鉴。

• 纳米氧化铝改性地面井固井水泥水化机制研究

  梁运培, 刘莹, 邹全乐, 王鑫,

  随着地面井固井技术发展加快，工程现场对于地面井固井水泥浆的早期流动性及凝结性能有了更高的要求。为了提高固井工程注水泥作业的顶替效率，改善固井工程现场作业应用情况，提出了纳米氧化铝颗粒改性固井水泥的方法，利用核磁共振技术对质量分数为0、0.05%、0.10%、0.15%及0.20%的纳米氧化铝改性水泥浆（水灰比为0.44）在不同水化龄期的水化反应变化特征进行了研究，探究了纳米氧化铝改性水泥的水相分布、物理结合水总信号量变化、峰形指数及迁移速率。结果表明：纳米氧化铝改性水泥浆在水化阶段的T2图谱会出现3个弛豫峰，分别对应絮凝结构填充水（0.1～10 ms）、毛细水（10 ms）、自由水（800～1000ms）；其物理结合水总信号随纳米氧化铝质量分数增加而逐步减少，其中质量分数为0.20%的纳米氧化铝改性水泥浆信号量减少速率最快；峰形指数呈现先上升后下降的趋势，当水化反应进行至600 min时，质量分数为0.20%的改性水泥浆变化速率最快，弛豫峰向短弛豫方向移动速率加快；结合迁移速率将纳米氧化铝改性固井水泥水化反应阶段划分，其水化机制分别作用在4个水化时期：①初始水化期（5～60 min），水化速率未发生明显改变；②加速水化期（60～600 min），纳米氧化铝使水泥浆中物理结合水转化为化学结合水所经历时间变短，水化进程加快，达到促进水泥水化的效果；③稳定水化期（600～1200min），水泥体系趋于稳定；④延缓水化期（1200～1800min），物理结合水转化为化学结合水速率变慢，水泥水化进程减慢。研究结论得到，纳米氧化铝改性水泥浆水化时期可以划分为4个阶段，分别起到物理填充、加速、稳定、延缓的作用。在加速期，纳米氧化铝促进水泥的早期流动，有利于水泥浆的泵送及流动，在延缓期，纳米氧化铝延缓水泥的进一步水化进程，利于发展早期强度。其中，质量分数为0.20%的纳米氧化铝改性水泥浆对于水泥水化进程影响最大，促进填充水向结合水的转化，在加速水化期间对于水泥浆水化反应加速程度最大，以此作为依据对现场固井水泥的制备及应用提供指导。

• 高地应力巷道掏槽爆破的应力演化与损伤破裂研究

  丁晨曦, 梁欣桐, 杨仁树, 郭啸, 杨阳, 周俊, 朱心广,

  近年来，矿产资源的开采状态由露天转地下，由浅部转深部，在深部岩体的钻爆法施工中，地应力对爆破效果有显著影响。有关掏槽爆破机理和应用的研究主要是针对浅部地层中的巷道爆破施工，没有考虑地应力对爆破效果的作用。采用一种考虑爆破荷载下粉碎区能量耗散的改进型连续−非连续单元法（Continuum-Discontinuum Element Method, CDEM），基于二维平面应变模型，分别研究了普通直眼掏槽爆破和大空孔直眼掏槽爆破在不同地应力条件下的应力演化过程和破裂损伤特征。数值模拟结果表明，大空孔的存在增强了爆炸应力波的反射拉伸作用，削弱了地应力对爆炸裂纹扩展的抑制作用，促进了爆炸主裂纹的扩展，增加了掏槽爆破的分形损伤和损伤面积，提高了掏槽爆破的岩体破碎程度。双向等压地应力对爆炸裂纹的扩展有抑制作用，对径向爆炸裂纹的扩展尤为显著。较大的地应力削弱了孔间爆炸应力波的相互作用，相邻炮孔对爆炸主裂纹扩展的导向效应减弱。随着地应力的增加，爆炸裂纹的分形维数和分形损伤整体上呈逐渐减小的趋势，但是大空孔直眼掏槽爆破的裂隙区分形损伤和损伤面积均显著大于普通直眼掏槽爆破的裂隙区分形损伤和损伤面积。说明在高地应力环境下，大空孔直眼掏槽爆破依然能够显著增加岩石破碎程度和破碎范围，提高爆破效果和破碎效率。

• 深部高瓦斯煤层爆破致裂增透裂纹扩展规律研究

  张鑫, 刘泽功, 张健玉, 傅师贵, 乔国栋, 杨帅, 常帅,

  针对深部高瓦斯煤层在地应力作用下爆破增透时裂纹扩展规律尚不明确的问题，首先根据爆破应力波的传播和叠加，从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律；然后通过室内试验研究了不同地应力条件下单孔爆破裂纹扩展特征，在此基础上，对不同侧压系数下双孔爆破裂纹扩展机理以及贯通过程进行数值模拟研究，并结合ImageJ图像识别软件和LS-PrePost软件，以裂纹密度和扩展长度为量化指标表征地应力对裂纹发育程度的影响；最后根据室内试验和数值模拟研究结果，给出考虑地应力影响下的煤层爆破致裂增透爆破孔布置方案建议。单孔爆破室内试验结果表明：地应力可以减小爆破荷载引起的拉应力，从而抑制裂纹扩展；在非静水地应力条件下，与较大主应力方向正交的拉应力受到削弱，导致该方向的裂纹扩展受到抑制，使裂纹优先向高应力方向扩展；双孔爆破数值模拟研究结果表明：侧压系数不为1时，爆生裂纹扩展呈现出方向性，主裂纹倾向于向较高地应力方向扩展，造成爆破裂纹区域呈椭圆形，长轴和较大地应力方向一致。根据室内试验和数值计算结果，在深部煤层进行爆破致裂增透时，宜沿较大地应力方向钻孔，有利于提高爆破致裂增透效果。研究成果对深部高瓦斯煤层爆破增透时了解裂纹扩展机理以及优化炮孔布置方案具有指导意义。

• 高温高压条件下含瓦斯煤解吸−自燃演化特性研究

  田富超, 李振榕, 李帅魁, 苏嘉豪, 刘香兰, 姜文忠,

  随着矿井开拓水平的延深，煤岩赋存环境呈现出高瓦斯压力、高地温特征，而温度、压力是影响含瓦斯煤吸附−解吸−氧化特性的重要因素。为了探究高温高压下遗煤中瓦斯解吸特征及自燃特性的变化，选用高瓦斯易自燃矿井不同埋深的煤样作为试验对象，设计不同温度和压力下煤中甲烷解吸的正交试验，并对原煤样和解吸煤样进行孔隙及表面积测试、TG-FTIR联用、程序升温试验。结果表明：在整个解吸试验过程中，温度的抑制都显著大于压力的促进作用；高温高压环境主要改变了煤中的微孔结构，致使煤体的比表面积和总孔容都出现增加；解吸后，标高320 m和标高343 m煤样的温度突变点提前了8.7%和4.9%，同时虽然煤中的官能团种类相同，但含量出现了不同程度的降低；标高320 m和标高343 m解吸煤样和原煤样CO生成的交叉温度点分别为78 ℃和74 ℃，C2H4、C2H6的浓度始终低于原煤样；同时解吸煤样的耗氧量在相同煤温下出现了下降，在170 ℃时差距最大，标高320 m和标高343 m解吸前后煤样的氧气含量为9.3%、13.1%和10.3%、14.3%，两者的耗氧量最大相差42.3%、41.2%。综合分析表明，煤体经过高温、高压解吸后煤样在氧化初期更易自燃，产生更多的CO，可以选择CO作为指标气体，而在高温阶段反应剧烈程度有所降低。此外推导出了煤中甲烷解吸对采空区气体环境的实时变化公式，并以1304综采工作面为模型，对“高瓦斯压力、高地温”特征下采空区遗煤中瓦斯解吸影响下的“氧化带”区域进行了更细致的划分，将范围缩小了63.5%。研究成果可为高瓦斯易自燃煤层瓦斯与火耦合灾害防控提供基础支撑。

• 不同加载条件下含瓦斯煤岩强度极限邻域范围研究

  王波, 马世纪, 田志银, 任永政, 王军, 黄万朋, 王灵,

  煤与瓦斯突出灾害的发生机理尚不清楚，据流变假说，含瓦斯煤岩在长期载荷下可能进入“强度极限邻域”，此时受外部冲击扰动更易破坏。为研究不同加载条件下含瓦斯煤岩的“强度极限邻域”，以找到进入该状态的影响规律，并建立相应的微观判别标准，利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统和煤岩流变扰动效应渗流实验装置，开展不同围压、不同瓦斯压力、轴压下的含瓦斯煤岩流变扰动实验，通过核磁共振手段对流变扰动前后煤岩进行分析对比，得到不同加载条件下的孔隙率、孔径分布、T2谱曲线。试验结果表明：①不同加载条件下的煤岩流变过程中，存在一个应力阈值，可以使得煤岩在受到外部冲击扰动后阈值左右邻域有不同力学性质的表现；当施加力小于此阈值时，冲击扰动后，煤岩的孔隙度减小，煤样随之被压缩紧密，T2谱曲线中代表大孔径的谱峰降低，谱峰曲线左移；当施加力大于此阈值时，冲击扰动后，煤岩大孔径孔隙增多，T2谱曲线出现右移，所有谱峰高度增大，说明该应力阈值是用来判断煤岩是否进入“强度极限邻域”关键。②围压和瓦斯压力对煤岩的影响具有相反的力学作用性质，在抗压能力、损伤程度、长期强度、“强度极限邻域”中有所表现，其中，围压越大，煤岩越晚进入“强度极限邻域”，瓦斯压力越大，煤岩则越早进入该邻域。③煤岩的孔径分布、T2谱曲线能直观反映了煤岩“强度极限邻域”内、外微观变化特征。④通过煤岩孔隙率所确定的进入“强度极限邻域”时的轴压与围压、瓦斯压力构建函数方程可判断不同加载条件煤岩进入“强度极限邻域”的时机，作为进入“强度极限邻域”范围时的判别标准，其中围压越大，此时进入“强度极限邻域”范围时的应力阈值越大；瓦斯压力越大，进入“强度极限邻域”时的应力阈值越小。

• 基于非稳态扩散的复合煤体能量失稳致灾研究

  秦玉金, 苏伟伟, 卢守青, 李铭杰,

  在我国由于地质构造作用的影响，导致煤层中多存在原生结构煤和构造煤分层的现象；而构造煤的存在导致复合煤层突出危险性急剧增加，这严重制约我国煤矿安全生产。根据软硬复合煤体瓦斯的扩散状态，模拟分析了非稳态扩散复合煤体的力学失稳规律；建立了非稳态扩散的吸附瓦斯膨胀能计算模型，探讨了稳态扩散和非稳态扩散对于吸附瓦斯膨胀能的影响，从能量角度分析了吸附瓦斯膨胀能对突出的控制作用，阐释了非稳态扩散复合煤体的突出失稳致灾机制。结果表明：复合煤层中构造煤的存在能够增加其邻近原生结构煤的塑性破坏程度，提高了原生结构煤塑性区内的瓦斯运移速度，进而增加煤与瓦斯突出危险性；非稳态扩散条件下原生结构煤和构造煤的吸附瓦斯膨胀能是稳态扩散条件的0.50～0.57倍和3.36～3.38倍，复合煤层中由于构造煤的存在导致原生结构煤内部裂隙−基质系统间产生巨大的瓦斯浓度差，使得原生结构煤基质内部的吸附瓦斯迅速解吸，增加邻近原生煤中吸附瓦斯膨胀能，进而使得复合煤层的突出危险性显著增加。

• 融合地表温度与形变的地下煤火多源遥感识别研究

  于灏, 张豪磊, 张子彦, 邵振鲁, 赵宏峰, 闫世勇,

  地下煤火隐蔽性强且危害大，不仅破坏植被及生态环境，造成严重大气污染，且易诱发地质灾害，威胁周边人们群众的生命财产安全以及煤炭的安全生产，因此开展地下煤火灾害的准确识别与监测具有重要意义。为了解决单一遥感手段难以准确识别地下煤火的问题，基于2017—2019年的多景Landsat-8影像和Sentinel-1 A影像，利用普适性单通道算法和DS–InSAR（Distributed Scatterer Interferometry Synthetic Aperture Radar）技术分别获取了水西沟煤田长时序地表温度与形变分布信息，在此基础上基于阈值分割与时空耦合叠加分析等方法开展了融合地表温度与形变的地下煤火多源遥感识别研究。结果表明：地表长时序温度和形变时空协同分析可以有效克服非煤火高温或形变等复杂异常信号产生的影响，凸显了地下煤火信号在地表温度与形变2个维度中的响应特征。而且，地下煤火区地表温度异常与形变异常空间分布形态存在细微差异，其中形变异常得益于SAR影像分辨率和外界干扰因素较少等条件，其对地下煤火识别的指示作用更强，而基于温度异常正确识别的煤火区域范围则与实勘煤火边界具备更好的空间一致性。另外，地下煤火灾害的温度与形变峰值空间位置存在一定偏移，但在时间维度上2者响应具有明显的一致性，表现为稳定的异常高温与持续沉降。可见，与单一遥感手段相比，融合2者的方法能够更加准确地识别地下煤火区，为地下煤火灾害的广域普查和及时防治提供良好的技术方法支撑。

• 雨汪区块煤层气气体同位素变化特征及成因判识

  王芳芳, 吴财芳, 杜明洋, 唐依然, 王聪, 文德修,

  研究煤层气地球化学特征及其成因，对煤层气成藏及资源勘查开发具有重要意义。为探究滇东雨汪区块煤层气成因及其地球化学特征，采集该区6口典型煤层气井的产出气气样，开展了组分测定、碳同位素和稀有气体同位素测试，系统分析了煤层CH4、N2等气体的成因，并结合水文地质环境，探讨了雨汪区块煤层气排采过程中气体的同位素变化及其控制因素。结果表明：雨汪区块煤层气井产出气中CH4体积分数平均为73.95%～92.90%，乙烷、CO2、N2体积分数分别为0.20%～0.40%、0.05%～1.05%、6.15%～25.32%。此外，He仅在产气第1天检测到，而碳原子数大于2的烃类未检测到；煤层气干燥系数（C1/C1～5）为0.999 5～0.999 7，属于高成熟干气；CH4的δ13C值为−36.7‰～−27.6‰，为有机质热成因气；CO2的δ13C值介于−19.1‰～−6.6‰，主体分布在−18.0‰～−14.3‰，为有机成因；氮气体积分数平均为12.63%，含量相对较高，其φ(N2)/φ(Ar)远大于84，以有机成因为主；氩气体积分数平均为0.06%，远大于0.017%，以大气成因为主；氦气体积分数平均为0.02%，φ(3He)/φ(4He)为0.29×10−8～19.6×10−8，主体范围为2.00×10−8～9.38×10−8，φ(3He)/φ(4He)与大气氦的比值介于0.01～0.09，属于典型的壳源氦气，且φ(4He)、φ(20Ne)的变化趋势与φ(4He)/φ(20Ne)具有一致性；随着排采时间增加，气体纯度增高，产出气的烷烃同位素值呈现逐渐变轻的趋势。研究认为，雨汪区块煤层气“变干、变轻”是气体解吸、扩散和水溶解作用综合影响的结果。

• 基于浆液–岩体耦合效应的裂隙注浆扩散机制研究

  翟明磊, 白海波,

  华北型煤田深部开采过程中受底板灰岩含水层水害威胁程度高，通过合理布设注浆孔向直接威胁煤层安全开采的含水层大量灌注浆液，使强含水层成为弱含水层或隔水层，是解决此类水害问题的主要手段。在微裂隙注浆工程中，浆液–岩体耦合效应对浆液扩散过程影响显著。为此，开展煤层底板裂隙含水层高压注浆过程中浆液–岩体相互作用及浆液扩散机制问题研究，基于黏度时变性宾汉流体浆液扩散运动方程和裂隙开度控制方程，建立了考虑浆液流动与岩体变形耦合作用的裂隙注浆扩散理论模型，分析了浆液压力和裂隙开度在浆液扩散方向上的空间分布特征，揭示了浆液–岩体耦合作用对浆液扩散的影响规律，并利用恒定裂隙开度注浆模型进行了对比分析。结果表明：浆液压力和裂隙开度变化在浆液扩散方向上衰减趋势一致且均具有明显的非线性特征，在裂隙入口区域衰减较快；浆液–岩体耦合作用程度随裂隙开度增加而减小，裂隙开度较小时不考虑浆液–岩体耦合作用将导致注浆压力设计值偏大；随着裂隙开度增加，注浆压力逐渐成为影响浆液扩散距离的主控因素。最后，结合鲁西煤矿下组煤底板灰岩含水层注浆改造工程实例，验证了理论模型的正确性。

• 基于地面定向钻孔注浆的煤矿立井钻井法井壁渗漏水治理技术

  王雪松, 程桦, 荣传新, 姚直书, 余大有,

  煤矿钻井井壁为单层结构，在深厚表土层段其渗漏水将严重威胁矿井安全生产，建井阶段井壁接茬部位若存在施工缺陷，则会导致地下水腐蚀锈穿接茬部位金属及焊缝，造成井壁渗漏水，若不及时治理，易引发突水溃砂而酿成淹井事故。为探寻一种行之有效的治理技术，以许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理为工程背景，开展了煤矿钻井井壁渗漏水治理技术研究。首先，结合矿井水文地质特征等信息分析了钻井法单层井壁渗漏水致因，发现许疃煤矿副井井壁接茬处发生渗漏水的主要原因是地下水中的\textHCO_3^ - 、\textC\textl^ - 共同作用腐蚀锈穿井壁接茬部位后，含水层之间越流补给的高压地下水通过孔隙连通性良好的壁后碎石充填层流入井筒内；然后，对比分析了许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理采用壁后注浆和地面钻孔注浆的可行性与安全性，发现在流砂层中对采用钻井法施工的钢筋混凝土单层井壁进行壁后注浆，安全风险较大，影响井筒正常提升，且存在再次发生渗漏水的风险，而采用地面定向钻孔注浆技术的注浆量大，壁后充填层碎石间孔隙可被水泥浆充分填充，改善井筒防渗和承载能力，且施工人员全程在地面操作，安全性好，不影响井筒正常提升；最后，提出了针对深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理的地面定向钻孔注浆技术并进行工程示范，2个钻孔共注入130.9 m3水泥浆，完全充填了94.00～131.40 m层段壁后充填层碎石间孔隙，顺利封堵了井下94 m处出水点，经现场长期观测，该段井壁未再渗漏水。研究结果表明，针对深厚表土层段煤矿钻井井壁渗漏水治理，采用地面定向钻孔注浆技术的治理效果良好，安全性高。研究成果可为深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理提供一定的参考。

• 基于模糊综合评价的导水通道超前探查判识技术

  李建林, 薛杨, 王心义, 徐博博, 郭水涛,

  华北型煤田地质条件复杂，煤层底板受构造切割形成大量导水通道，其探查判识一直是水害防治中的重点和难点。以多分支定向长钻孔超前探查为基础，构建了基于流程分析与模糊综合评价相结合的导水通道判识技术。首先在超前探查过程中，选取钻时录井、钻井液消耗量、γ录井、岩屑录井、压水试验、可注性6个评判指标，将施工过程分为16种工况，依此建立综合分析流程图，对样点是否导水进行定性判识；其次采用钻速、钻井液消耗量、γ值、非灰岩占比、单位压注量和注浆量对6个指标进行量化分级，利用超标加权法确定指标权重，基于模糊理论和最大隶属度原则对样点是否导水进行三级定量判识；最后利用该技术对赵固一矿15031工作面13个点位进行综合流程分析和模糊综合评价，其中10个点位导水可能性高，3个点位导水可能性低；在此基础上，结合工程实际成功标定了3条导水通道的具体位置。该技术构建了导水通道的判识指标体系，并对其进行量化分级与综合评估，提高了煤层底板导水通道的判识度。

• 大倾角煤层俯伪斜工作面液压支架设计系统实用性分析

  伍永平, 胡涛, 胡博胜, 解盘石, 杜玉乾, 闫壮壮, 王同, 刘宝恒,

  为解决大倾角煤层液压支架设计过程中多维受载特征被忽略、建模过程繁琐、设计周期长等问题，结合大倾角伪俯斜工作面液压支架受载特性，研发大倾角液压支架设计系统。采用运动仿真、强度测试、物理实验等综合研究方法，以ZY5000/15.5/38型大倾角煤层液压支架设计为例，根据大倾角伪俯斜采场液压支架多维受力特征建立力学模型，分析大倾角液压支架的空间受载特性，建立伪俯斜工作面液压支架顶梁、掩护梁力学线性矩阵，利用VB.NET为开发语言结合线性矩阵和SOLIDWORKS二次开发建模软件搭建液压支架设计系统，开发出良好的人机交互用户界面。研究分析表明：该系统生成下的模型液压支架顶梁前端运动轨迹范围48 mm左右，支架顶梁前端运动轨迹曲线满足双扭线特性；模型支架最大应力为146.7 MPa，远小于材料屈服的等效应力，最大变形位移也不超过0.531 mm；研制相似比为1∶5物理模型液压支架工作阻力在38 kN左右，在不同条件下测试支架顶梁、掩护梁受载特性，实验中模型支架的力学数据与系统生成的力学数据基本相符，且实验在初撑、增阻、恒阻及卸压各阶段均满足支架的运动要求及承载特性。研究结果体现了该设计系统下模型液压支架较好的适应性，对丰富大倾角煤层液压支架设计理论和指导液压支架设计生产具有一定的科学和实践意义。

• 基于特征增强与Transformer的煤矿输送带异物检测

  高涵, 赵培培, 于正, 肖涛, 李肖利, 李良先,

  输送带是煤矿井下最重要的运输设备之一，在输送工作中会因锚杆、槽钢、大块矸石等异物混入造成输送带撕裂、落煤口阻塞等重大安全事故，严重影响运输效率，甚至威胁工人生命安全。为了解决现有输送带异物检测算法存在的对细长物体表征能力弱、弱语义特征提取能力差等问题，设计了一种基于低层级特征增强与Transformer机制的异物检测算法 (Feature Enhancement and Transformer YOLO, FET–YOLO)。首先，针对现有检测网络难以提取细长物体特征的问题，引入可变形卷积以提升网络对细长异物的形状特性的适应性，并使用MobileViT模块增加图像中异物与背景的区分度，以提取出更符合细长异物的多样性特征，削弱背景噪声的干扰；其次，构建低层级特征增强模块(Low-Level Feature Enhancement Module, LFEM)，提升异物弱语义特征在检测网络中的表达能力，以降低漏检、错检的概率；最后，引入鬼影混洗卷积(GSConv)减少因特征图尺寸变化造成的信息丢失，保证网络高效提取特征的同时，减少模型参数量。利用煤矿井下输送带工作视频制作训练集和验证集，并将提出的算法与现有的3种输送带检测算法对比，实验结果表明：所提出的算法可以更好的解决输送带异物目标检测中细长物体检测效果差、弱语义特征提取困难的问题，具有更高的检测精度、同时符合输送带检测场景对检测实时性的要求，对于分辨率大小为640×640的图像mAP@0.5可达0.875，mAP@0.5:0.95可达0.543，检测速度为75 fps。

• 基于无人机影像的露天煤矿短期生产计划可视化编制

  付恩三, 白润才, 张雯慧, 袁杰,

  为提高露天煤矿短期(日、周)生产计划编制效率、快速分析设备计划完成情况以及可视化设计和直观性表达的效果，提出基于无人机影像数据进行短期生产计划快速编制，利用C++语言开发了基于无人机影像的露天煤矿短期生产计划可视化软件系统(Intelligent Mining Design Software System)，简称“IMDS”软件。结果表明：①采用无人机影像数据进行短期计划的编制可视化视觉效果增强；②采用无人机影像数据进行局部1 500 m×1 500 m范围的露天煤矿采场台阶线自动生成，用时为17.392 s，而人工绘图需要5 min；③利用软件平台编制周计划、日计划，降低采矿人员需要反复去现场查验的频率以及突破传统采矿实体、块体算量的复杂性，内部预设设备能力分析模块，直接分析出短期计划内设备完成情况信息；④基于影像数据进行斜坡道快速绘制，自动计算坡道填挖土方量，实现运输道路修筑的精准性；⑤“IMDS”软件提供十大功能模块，235个子功能，可实现对无人机影像数据短期计划编制和基于三维地质实体模块的月度、年度计划快速工程量和工程位置精准确定的编制；⑥短期生产计划编制后，可通过数据发布的方式将短期生产计划发布至露天煤矿综合管控平台，实现计划数据直观展示，实现数据一数一源，保证了数据的准确性和安全性。该系统软件的开发，有助于促进智能化采矿设计软件系统的进一步发展。

• TEPA改性Cu-BTC@SiO2复合气凝胶制备及其捕集CO2特性研究

  周刚, 杨思奥, 王凯丽, 董晓素, 柳茹林, 孙彪, 徐翠翠,

  在“碳达峰、碳中和”这一国家重大战略背景下，CO2捕集已经成为当前重大科技发展方向。固体吸附剂吸附法在CO2的捕集过程中应用广泛，其中SiO2气凝胶具有成本低、合成方法灵活、分离效率高、表面易修饰等优点。然而，SiO2气凝胶材料也存在CO2/N2吸附选择性低，CO2吸附容量有待继续提高等缺陷。为解决上述问题，制备了一种Cu-BTC@SiO2复合气凝胶CO2吸附材料。首先，利用扫描电子显微镜（SEM）、傅里叶红外光谱（FTIR）和氮气吸脱附测试对材料表面化学和孔隙结构进行了系统表征。然后，通过二氧化碳吸附测试对其CO2吸附量、选择性吸附、循环吸附进行了研究。最后，采用理论与试验研究结合的方法，对吸附剂的CO2吸附动力学进行了研究。结果表明：Cu-BTC与SiO2气凝胶具有结构协同作用，与Cu-BTC复合后的SiO2气凝胶不会改变材料的Si-O-Si骨架结构，同时可以保持Cu-BTC的晶体结构不受到损坏。复合材料具有726.431 m2/g的高比表面积，570.781 m2/g的微孔比表面积和0.184 cm3/g的高微孔体积。负载四乙烯五胺（TEPA）后CO2吸附量高达3.20 mmol/g，CO2/N2选择性吸附系数为40.8，循环10次CO2吸附循环，吸附容量仅下降14%，提高了SiO2气凝胶材料的CO2吸附容量和吸附选择性。Avrami分数动力学模型对吸附试验结果拟合相关系数为0.99，且Avrami指数nA为1.9表明吸附剂对CO2的吸附是非均质的多层吸附，既有物理吸附又有化学吸附，且以物理吸附为主。利用具有丰富微孔结构的金属有机骨架材料Cu-BTC与SiO2气凝胶进行复合，使复合材料具有分级微/介孔结构，通过增强分子间作用力（范德华力）来增强材料对CO2的物理吸附；使用TEPA对材料进行浸渍改性，利用有机胺和酸性气体之间的酸碱相互作用来增强材料对CO2的化学吸附。

• 气化渣残炭粒子电极的制备及电催化性能研究

  闫琪, 李健, 朱菊芬, 温家乐, 魏清渤, 陈碧, 闫龙, 昝灵兴, 尚军飞, 杨永林,

  煤化工产业是我国的经济支柱之一，煤气化渣和气化废水是煤气化过程中产生的废弃物，目前处理方式过于简单，对环境造成很大污染。以微乳液作为捕收剂对煤气化细渣进行浮选，采用工业分析仪、FTIR（傅里叶红外光谱仪）、BET（比表面积测试）、SEM（扫描电子显微镜）、XRD（X射线衍射分析）、Raman（拉曼光谱）、XPS（X射线光电子能谱）等表征手段对残炭进行了理化性质分析，采用CV（循环伏安法）、EIS（电化学交流阻抗谱）测试分析残炭电化学性质，并考察残炭作为粒子电极在三维电化学体系的电化学性能和稳定性，研究了其作为粒子电极的可行性，提出残炭粒子电极去除氨氮机理分析。结果表明：浮选残炭具有较高的比表面积，孔结构以介孔为主，此外，残炭中部分碳因石墨化而展现出一定的导电性，为其在电化学应用方面提供了基础。另外，残炭粒子电催化体系电阻较小，有利于加快电荷转移速率。在相同条件下降解氨氮废水，残炭粒子三维电催化体系比二维电催化体系氨氮去除率高19.82%，其具有一定的催化能力。在残炭粒子电极循环试验中，残炭粒子重复使用5次，氨氮的去除率仅下降了5.3%，这一结果表明残炭粒子电极具有良好的稳定性。开发出一种新型的三维电催化体系中的粒子电极材料，通过系统的表征和性能评估，证明了气化渣残炭粒子电极在提高废水处理效率方面有巨大潜力。残炭粒子电极的开发为气化渣的资源化利用提供了新思路，同时也为废水降解处理技术提供了新方法。

• 矿区复垦地人工生态系统碳汇能力与生物多样性功能协同效益解析

  张小平, 李梓琛, 王瑜, 武志瑶, 乌达巴拉, 门聪,

  矿区土地复垦是加快生物多样性恢复，推动矿区转型发展，实现碳源向碳汇转化的必然措施。当前关于复垦地人工生态系统碳汇能力和生物多样性恢复的定量评估以及二者协同增效作用的研究仍较少。以准格尔旗黑岱沟露天矿区的各排土场为研究区域，结合样地调查与遥感数据，计算复垦土地植被与土壤的碳汇量，对不同恢复模式下各区域进行灰色关联分析，评估复垦地人工生态系统生物多样性维护功能与碳汇能力协同效益的规律。研究结果表明：①研究区域生物多样性极重要、高度重要、重要、一般和不重要区域的面积占比分别为2.28%、8.29%、15.67%、25.27%、48.50%。复垦区人工生态系统中，乔木+灌木+草本配级的生物多样性指数高于其他恢复模式，主要位于内排土场、北排土场中部，以及东沿帮排土场中部和南部。人工生态系统有林地的生物多样性维护功能的重要值较高，多数区域位于边坡或平台边缘。②植被碳汇量排名前9位的区域均为乔木+灌木+草本的植被类型，且该种植被恢复模式的平均碳汇量（32.224 g/(m2·a)）高于其他植被恢复模式。乔木+草本植被恢复模式的平均土壤碳汇量最高（18.164 g/(m2·a)），其次为乔木+灌木+草本恢复模式（16.909 g/(m2·a)）。草本植被恢复模式下（主要位于东排土场和北排土场）的植被碳汇量（5.897 g/(m2·a)）和土壤碳汇量（6.237 g/(m2·a)）均是所有恢复模式中最低的。复垦地碳汇能力整体上呈现出森林生态系统＞农田生态系统＞草地生态系统的规律。③植被、土壤碳汇量与生物多样性维护功能评估结果的灰色关联指数分别为0.735和0.710，均显著相关。影响因子分析结果表明，随着物种丰富度指数和多样性指数值的增加，植被碳汇量也逐渐增加；随着海拔的升高和复垦年限的增加，土壤碳汇量呈上升趋势。

• 神东矿区煤炭开采对植被净初级生产力的影响

  牛鸿波, 田少国, 祖鹏举, 曹满红, 曲少东, 董起广, 李冰倩, 姜泽玉, 毕银丽, 岳辉,

  神东矿区煤炭开采对当地生态环境，特别是植被生长，产生了重要影响。为了定量描述这种影响，该研究利用区域蒸散模型，计算神东矿区潜在净初级生产力（Potential Net Primary Productivity，PNP,p），并利用MODIS17A3数据集（2001—2022年）表征实际净初级生产力（Actual Net Primary Productivity，PNP,a），同时结合中国陆地生态系统逐月净初级生产力栅格数据集（PNP,al，1988—2015年），采用地理加权回归(Geographically weighted regression, GWR)模型构建校正方法，对PNP,al进行校正获取1988—2000年的PNP,a数据，以二者之差（Human Net Primary Productivity）PNP,h表征煤炭开采的影响，评估了神东矿区煤炭开采对植被PNP的影响。结果表明：①利用GWR模型校正的PNP,al数据精度约为0.76，校正后的PNP,al数据与MODIS17A3数据集具有较强的空间相关性，说明了校正模型精度的可靠性；②神东矿区的整体上PNP,a和PNP,h表现为先下降后逐渐恢复的趋势，但植被净初级生产力（Net Primary Productivity ，PNP）并未恢复至采矿前水平。采矿前PNP,h均值和采矿后PNP,h均值分别为21.50 g/m2、−60.20 g/m2，PNP,h<0表明矿区PNP植被生长受到采矿活动的干扰，发生退化的矿井主要分布在高强度开采区域（以C计，下同）；③1996—2022年神东矿区PNP值的变化主要受气候变化和人类活动的共同影响，人类活动和气候变化对生态退化的占比分别为35.7%、8.2%， 1996—2015年人类活动贡献率指数（Relative Contribution Index， I_\mathrmR\mathrmC ）主要集中在0.5左右，表明煤炭开采对植被退化占主导作用，2016年后光伏电站建设对PNP的影响表现出促进作用。该研究有助于理解煤炭开采对植被净初级生产力动态变化的影响，并为神东矿区的植被恢复和高质量发展提供科学依据。