煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2024年第8期

• “三软”厚煤层回采巷道掘锚一体机工艺优化及应用

  贾后省, 皇东山, 方珍珠, 李东发, 昌李宁, 王国营,

  “三软”厚煤层回采巷道围岩整体强度低，且岩层结构组合普遍变化较大，造成掘进工作面悬露顶板稳定性差异明显，部分顶板稳定性较差区域无法直接采用掘锚一体机及配套施工工艺，造成掘进工作面频繁停工，整体掘进效率下降。针对此类问题，以沙吉海煤矿“三软”厚煤层回采巷道为工程背景，采用现场调研、理论分析、数值模拟等综合研究方法，阐明了掘进工作面悬露顶板漏冒、掘锚一体机陷入底板或跑偏、煤壁片帮是制约掘锚一体机在“三软”厚煤层回采巷道中应用的关键制约因素；考虑悬露顶板厚度、扰动影响系数、顶板各岩层强度及各岩层完整性等参量的影响，建立和推导了掘进工作面悬露顶板极限跨距计算公式；形成了以掘进工作面悬露顶板极限跨距计算为主导的巷道围岩稳定性分级方法，将“三软”厚煤层回采巷道围岩划分为极稳定、稳定、中等稳定、不稳定、极不稳定5个级别；提出了不同稳定性级别围岩条件下掘锚一体机装备及施工工艺分类优化方案，并从截割滚筒位态调整、底板接地处理、巷帮作业平台增设等方面给出了困难作业环境下掘锚一体机应用对策。研究成果在沙吉海煤矿B1003W05工作面巷道进行了工程应用，其分类优化方案可有效保障掘锚一体机在“三软”厚煤层中的正常运行，相比邻近巷道采用悬臂式掘进机综掘工艺，掘进速度提升了1.0～1.8倍。

• 近距离煤层底板应力分布规律及巷道布置研究

  张杰, 孙建平, 何义峰, 张一铭, 庞海波, 武浩昊, 张建辰, 彭冰,

  为探究上煤层遗留煤柱对底板的应力影响及下煤层回采巷道的合理布置，以唐山沟煤矿为研究对象，运用理论分析和数值模拟等方法并综合多种影响因素构建了上煤层遗留煤柱与铰接岩块的协同承载结构模型和底板应力传递计算模型，对上煤层遗留煤柱下底板应力及影响因素展开研究。结果表明：上煤层遗留煤柱对底板的应力影响以垂直应力为主，影响程度随底板深度的增加而降低；遗留煤柱下底板应力增高区呈椭球形，对底板应力增高区的影响因素展开分析，得到了不同因素对应力增高区范围影响的量化关系，其中煤柱峰值应力对底板应力增高区分布起决定性作用；根据底板应力分布特征并结合理论计算及数值模拟结果，确定唐山沟煤矿8煤遗留煤柱与11-1煤回采巷道合理错距值应为20～25 m。该研究揭示了上煤层遗留煤柱下底板应力传递机理，明确了底板应力增高区的分布及影响因素，并得到了巷道−煤柱合理错距值的确定方法，可为下煤层回采巷道的合理布置提供理论依据。

• 切顶留巷矸石帮演化过程及侧向压力分析

  李子波, 张国华, 李豫波, 秦涛, 陈刚, 李佳臻, 邹军鹏,

  切顶留巷挡矸支护成功与否取决于矸石帮演化过程及其侧向压力分布。以杏花煤矿为工程背景，采用室内试验、相似模拟的方法，分析了矸石压实力学特性、顶板垮落过程及矸石帮演化过程；通过理论分析建立力学模型，分析了不同因素对矸石帮侧向压力的影响；数值模拟给出采空区边界覆岩压力、矸石帮侧向压力分布规律，从矸石帮侧向压力影响因素角度给出矸石帮挡矸支护方案。研究表明：①矸石帮侧向压力大小与采空区矸石演化过程相关：矸石自组织调整阶段，矸石帮侧向压力主要由矸石自重产生，侧向压力大小取决于堆积高度；矸石被动压实阶段，在顶板周期来压作用下，矸石体反复被压实，矸石帮侧向压力逐渐增大；矸石稳定阶段，此阶段矸石体被压实，对覆岩起到明显支撑作用，覆岩压力趋于稳定值为3.81 MPa，矸石帮侧向压力稳定值为2.12 MPa。②矸石帮侧向压力由巷道顶板位置至底板位置逐渐增大。③从外部环境角度，矸石帮侧向压力与顶板覆岩压力呈现明显的正相关关系，与切顶角度呈现明显的负相关关系；从矸石自身力学性质角度，矸石帮侧向压力与矸石内摩擦角呈现明显的正相关关系。基于此，提出 “袋+网+U型钢+斜撑单体”挡矸支护方案，现场应用效果良好。此研究可为类似工程条件挡矸支护提供借鉴与参考。

• 厚松散层矿区开采沉陷拉伸区域土体内部变形演化规律研究 以淮北孙疃煤矿为例

  蔡毅, 沈华章, 黄厚旭, 严家平, 蔡国军, 蔡永祥, 杨博, 孙斌杨,

  为了研究厚松散层矿区开采沉陷拉伸区域相应土体内部变形演化规律，针对淮北孙疃煤矿10111，沿垂直于工作面推进方向，于拟采空区地表投影区域外侧（拉伸区域）以60 m间隔由近及远布设1 ～ 3号竖向钻孔；采煤沉陷过程中基于光纤（1号钻孔）、测斜仪（2 ～ 3号钻孔）技术开展钻孔变形监测；将煤炭开采引发移动的上覆岩层与松散层所占区域视为变形区，并引入任意厚度地层移动角的概念，分析开采沉陷拉伸区域相应松散层变形演化特征。结果表明：1号钻孔发生应变的最大孔深约157 m，且钻孔深部较浅部先达到活跃期；2、3号钻孔孔口最终累计水平位移量分别为129.8 mm和99.4 mm，最大位移深度分别约为108 m和75 m；2、3号钻孔监测范围内地层从下至上均可分为稳定段、变形区下段、中段与上段；2、3号钻孔从下至上水平位移量总体分布较均匀，每米深钻孔的平均水平位移量分别约为1.2 mm和1.3 mm；2、3号钻孔变形区下段均先于上段达到活跃期，且变形区下段稳定后上段仍有微弱变形；松散层内一定厚度地层，其地层移动角随地层深度的增加而增加，松散层变形区下边界的深度h随着与工作面水平距离l的增加而减小，h与l满足指数函数关系。

• “双曲线”型煤样承载力学特性试验研究

  尹大伟, 苑啸天, 韩磊, 范建国, 江宁, 汪锋, 屈晓,

  煤炭地下气化结束后，两气化炉间形成类“双曲线”形煤柱，支撑覆岩，保障气化区域安全稳定。为研究类“双曲线”形煤柱承载力学特性，基于声发射监测系统和XTDIC三维全场应变测量系统，开展了不同侧向拱高(h=0，3，7，10，13，17 mm)的6组“双曲线”形煤样单轴压缩试验，分析了h对煤样峰值载荷、变形破坏及声发射特征的影响，揭示了其承载破坏机制。结果表明：①“双曲线”形煤样可分为矩形结构(主要承载体)和侧向拱结构，其承载破坏机制与其受力形式、侧向拱结构有关；随着h增大，煤样承载能力降低，与h=0煤样相比，峰值载荷分别降低了7.66%，13.56%，26.83%，35.28%，62.75%。②随着h增大，煤样整体受力形式由以受压为主向受压–受弯曲转变，中部区域产生应力集中而形成薄弱区，对应的水平位移场向中部迁移，最终汇集于中部边缘处；而垂直位移场由水平条带状向倾斜条带状转变，最终集中于煤样侧向拱结构上端。③在轴向载荷作用下，煤样侧向拱结构对其矩形结构中部区域产生等效作用力，加之煤样非均质性影响，加剧了薄弱区损伤程度，该作用随着h增大而增强，煤样承受载荷未超过其抗拉强度即产生剪切破坏，其破坏模式由拉–剪混合破坏向剪切破坏转变，均伴随着不同程度的剥落和局部弹射破坏。④煤样声发射累计计数–时间曲线演化可分为3种类型，当h为0和3 mm时，分为“上凸”式增长、相对快速增长、快速增长、“突变”式增长4个阶段，其演化特征与常规煤岩试样一致；当h为7 mm和10 mm时，分为相对快速增长、快速增长、“突变”式增长3个阶段；当h为13 mm和17 mm时，分为快速增长和“突变”式增长2个阶段；峰后阶段均呈“突变”式增长，而峰前阶段增长形式不一致是由煤样裂纹稳定扩展和中部区域持续损伤共同导致的。

• 造穴−CO2气相压裂复合技术造缝卸压增渗机理研究

  闫志铭, 张新生, 张军胜, 杨百舸, 曹运兴, 李淑敏, 董润平,

  我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重，目前增透主要采用静力型技术和动力型技术，不同程度地解决了瓦斯治理难题。为获得更好的复合造缝卸压增渗效果，开发出造穴−气相压裂复合技术，综合采用185 MPa高压力CO2冲击煤样、数值模拟、光纤应变监测3种技术手段，研究造穴−气相压裂复合技术的瓦斯治理机理。结果表明：①煤样在CO2气相压裂应力波作用下，在煤基质表面新形成损伤坑（DM）和三翼型裂隙（TRW）典型显微构造。②煤层在静力型和动力型荷载复合作用下近钻孔中心范围内煤层中原始的裂隙被重新打开，形成以钻孔为中心的放射状多尺度、张剪性破坏为主的裂缝，该裂缝能够充分均化应力集中区，并使得煤层产生不可逆的破坏，其应力扰动范围为24 m。③在有效的气相压裂−造穴复合技术影响范围内，造穴孔有助于提高气相压裂应力波的能量利用效率，避免能量耗散在无效的震动区，充分导通压裂孔与造穴孔多尺度裂缝，使得煤层裂缝区域范围大、连续性强、卸压充分。研究为解决煤层低渗、难抽、高地应力的问题提供了参考。

• 构造煤质量占比对CH4吸附热力学特征参数演化规律的影响研究

  赵鹏翔, 易春艳, 李树刚, 刘妍群, 贾永勇,

  随着我国煤层开采深度不断增加，煤与瓦斯突出事故后果日趋严重，对矿井安全生产威胁巨大。构造煤是易发生突出的主要煤样类型之一，突出规律及现象随构造煤质量比有明显变化。为探究不同质量比构造煤瓦斯吸附过程中的热力学机理，采用PCT-C80吸附量热联用仪开展基于混合煤样的瓦斯等温吸附及量热测试试验，从热力学角度建立吸附焓、Gibbs自由能、瓦斯吸附熵计算模型。结合试验与计算结果，分别讨论不同质量比构造煤吸附量与吸附热、瓦斯吸附常数与构造煤占比的关系，分析不同质量比构造煤瓦斯吸附焓、表面自由能与吸附熵的变化规律。结果表明：不同质量比构造煤的瓦斯吸附热随着吸附量的不断增大而增大；吸附热与吸附常数a均随着构造煤质量比的增加呈现先增大后减小的趋势，吸附常数b呈现相反的变化规律；随着构造煤质量比的增加，瓦斯吸附热、吸附焓、吸附熵均呈现先增大后减小的趋势，且均在构造煤质量比为50%时达到最大值，而Gibbs自由能呈现相反的变化规律；根据试验结果与拟合公式，归纳出混合煤体吸附瓦斯吸附热力学参数与瓦斯涌出量的数学关系。通过研究得到构造煤质量比影响下的瓦斯吸附热力学特征参数变化规律，揭示混合煤样的热力学作用机制，为明晰开采扰动构造煤体致诱煤与瓦斯突出机制提供了参考。

• 矿用喷涂堵漏风自修复材料性能研究及工程应用

  胡相明, 姜永茂, 吴明跃, 张茜, 杨振宇,

  喷涂堵漏风是防止煤自燃的有效手段之一。针对传统水泥基喷涂堵漏风材料脆性大、易开裂、堵漏风效果差的弊端，提出以微生物及结晶矿物为自愈合剂，研制出生物胶囊和矿物胶囊以及一种生物–矿物–纤维协同自修复材料。研究了不同养护湿度和养护时间对材料裂缝自修复能力的影响。结果表明：当养护湿度为100%相对湿度、养护时间为35 d时，研制的生物胶囊和矿物胶囊可以将裂缝完全修复，裂缝最大修复宽度为1260μm。采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线能谱仪（EDS）探究了自修复材料裂缝区域修复产物的晶型及元素组成，发现裂缝处的修复产物为球碳镁石、花瓣状的水菱镁矿以及大量由细菌矿化产生的球形方解石，这些修复产物在一定程度上起到了密闭裂缝的作用；EDS能谱分析证实了修复产物为MgCO3和CaCO3。当养护湿度为100%时，材料具有最高的堵漏风率（97.15%），比同养护条件的对照组试样高出73.62%。最后将自修复材料用于沿空煤柱喷涂堵漏风，结果显示该材料在6个月内未发现明显裂隙，与传统水泥砂浆相比，该材料具有更长的使用寿命和更好的预防效果。

• 固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶研究进展

  李倓, 赵恒泽, 李晔, 赵艺,

  我国工业固体废弃物排放量大，容易对生态环境造成破坏并威胁人类健康，工业固体废弃物的资源化再利用已引起社会的广泛关注。根据固体废弃物的潜在防灭火特性，其可以作为原材料用于制备矿用防灭火复合凝胶，在实现废弃资源循环再利用的同时还能达到防治煤矿自燃火灾的目的。为了进一步推动工业固体废弃物在矿用防灭火复合凝胶材料中的资源化利用，完善和发展其在煤矿火灾防治中的应用，总结了矿用防灭火复合凝胶的防灭火机理，归纳了固体废弃物的防灭火特性，讨论了固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶的成胶机理和影响因素，阐述了矿用防灭火复合凝胶的注胶工艺及应用现状。基于当前的研究，发现固体废弃物复合凝胶的成胶机理不明确、固体废弃物胶凝活性未有效激发、固体废弃物复合凝胶的运输过程存在沉淀管堵以及固体废弃物应用时的安全性等问题，针对性提出了解决方向，如微尺度模拟、复合激活、新型激活材料、智能化注胶及离子固化等。并在以上解决方向基础上展望了今后固体废弃物制备矿用防灭火复合凝胶的研究重点，未来将围绕固体废弃物在制备防灭火复合凝胶的高效利用、固体废弃物复合凝胶的长效防灭火、智能凝胶防灭火监控一体化系统等展开研究。这些研究方向有助于工业固体废弃物在矿用防灭火复合凝胶材料方面的高附加值利用，并规模化用于煤矿自燃火灾的防治，保障国家财产及工人生命安全。

• 深部煤储层孔裂隙结构对煤层气赋存的影响 以鄂尔多斯盆地东缘大宁−吉县区块为例

  邓泽, 王红岩, 姜振学, 丁蓉, 李永洲, 王涛,

  深部煤储层孔隙–裂缝结构对深部煤层气资源潜力评价和勘探开发具有重要意义。选取鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县区块DJ57井本溪组5个煤岩样品为研究对象，在煤岩煤质参数测试的基础上，采用气体吸附法、高压压汞法和微米CT扫描等测试手段，对深部煤储层中的纳米级孔隙−微米级裂缝进行多尺度定量表征，综合评价不同尺度的孔裂隙结构特征。再结合渗透率和甲烷等温吸附试验，探讨了微观孔裂隙对深部煤储层中煤层气的赋存和渗流的影响。研究结果表明：基于多种孔隙表征方法对深部煤储层孔裂隙进行多尺度定量表征，其孔裂隙体积分布类型主要以“U”型为主，呈现出微孔与微裂缝并存双峰态，主要集中在0.3～1.5 nm和>100 μm的范围内。其中，微孔(<2 nm)、介孔(2～50 nm)、宏孔(50 nm～10 μm)和微裂缝(>10 μm)体积平均分别占总孔裂隙体积的80.18%，6.70%，1.65%和11.47%。随着微孔发育而吸附气量呈增大的趋势，微孔可以提供大量吸附点位，为深部煤层气的吸附和赋存提供场所。随着微裂缝发育而游离气量呈增大的趋势，微裂缝可以提供大量储集空间，为深部煤层气的富集提供空间条件。此外，微裂缝在三维空间中相互连通，形成网状结构，连通性强。随着微裂缝越发育，煤储层渗透率越大，微裂缝增强了煤层气的渗流能力。纳米级孔隙和微米级裂隙发育特征分别控制着深部煤层气吸附能力和开发潜力。

• 川东北地区五峰组–龙马溪组页岩地球化学特征及有机质富集模式

  张治波, 郭英海, 郑伟清, 曾春林, 李岩, 赵迪斐, 张家明,

  四川盆地是我国页岩气开发的主力产区，川东北地区作为四川盆地的页岩气开发的接替区，备受关注。为了探究川东北地区上奥陶统五峰组–下志留统龙马溪组富有机质页岩的控制因素及富集模式。采用电感耦合等离子体质谱(ICP–MS)方法对川东北地区五峰组–龙马溪组14件页岩进行元素分析，并结合测井曲线特征，探讨五峰组–龙马溪组沉积体系、氧化还原条件、陆源碎屑输入、初级生产力和古气候关系。识别出了3个三级层序(SSQ1,SSQ2和SSQ3)，海平面经历了由高—低—高—低的过程，结合页岩元素的 w(V)/w(Cr),w(V)/w(V+Ni),w(Ni)/w(Co),w(Sr)/w(Cu),w(Sr)/w(Ba),T(℃)等参数，指示了五峰组−龙马溪组，经历了氧化—贫氧—缺氧还原—贫氧—氧化的淡水环境；气候经历了温暖湿润—干旱寒冷—温润湿润—干旱寒冷—温暖湿润演化过程，温度经历了降低—升高—降低—升高的过程。川东北地区五峰组−龙马溪组有机质富集模式可划分为Ⅲ 阶段模式，第Ⅰ阶段，五峰组到龙马溪组底部沉积时期，有机碳逐渐增高阶段；第Ⅱ阶段，龙马溪组中部，有机碳富集阶段(甜点段)；第Ⅲ阶段，龙马溪组上部，有机碳逐渐降低阶段。期望为川东北地区页岩气的勘探提供依据，下一步，将开展研究区重大地质事件对有机质富集的资源响应研究，深化页岩气富集模式。

• 《“三下”开采规范》中安全煤(岩)柱留设问题探讨

  吕玉广, 孙国, 吴宝峰, 李硕,

  针对《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中安全煤(岩)柱设计以及水压对顶板突水控制作用等问题进行探讨。首先分析了规范的附表4–3表头文字，指出保护层厚度的有关规定仅适用于松散含水层(含地表水体)，至于基岩含水层下采煤应如何确定保护层厚度则未明确；进而以泥岩与黏性土层均具有阻水功能为桥梁，推导出基岩含水层下采煤可参照“松散层下黏性土层累计厚度大于采厚”条件执行，遵照“就高不就低原则”，基岩含水层下保护层厚度统一取采厚的4倍为宜；既然规范适用条件为单层采厚不大于3.0 m，则附表4–3中“松散层厚度小于采厚”的规定难以理解，建议删除。其次，基于“保护”一词的科学内涵对“保护层”重新定义，即导水裂缝带顶界面到含水层底界面之间的隔水岩层均具有“保护”功能，应统称为保护层Hb；进而提出了保护系数Bs概念，即保护层厚度与单层采厚的比值；松散含水层下保护系数分区阈值Bi=2、3、4、5、6、7)，基岩含层下保护系数分区阈值Bi=4，据此对顶板水害风险进行等级划分：突水区(Bs≤0)、危险区(0<Bs<Bi)、安全区(Bs≥Bi)。此外，借鉴底板突水系数概念，将单位厚度保护层承受的水头压力称为保护层承压系数(T=P/Hb)，通过对3种煤水结构条件下承压系数的分析，得出第4系松散含水层、非煤系基岩含水层下采煤可以不考虑水压，煤系基岩含水层下采煤随着开采深度增加、水压随之增大而带来突(涌)水风险。最后，分析了底板含水层顶部存在被泥质物充填隔水带时，《“三下”开采规范》给出的底板防水安全煤(岩)柱表达式(ha≥h1+h2+h4)与附图相矛盾，正确的表达式应为ha≥h1+h2－h4。

• 基于RSM的超细水泥注浆材料配比及性能优化模型

  刘伟韬, 吴海凤, 申建军,

  注浆堵水技术已成为水害措施防范向工程治理不可缺少的技术之一，超细材料的研究也成为了目前注浆材料发展的新方向。为了解决矿井水害注浆治理工程中注浆材料优选和配比优化问题，采用单因素试验与响应曲面法（RSM）相结合的方法进行超细水泥注浆材料优化配比研究。首先通过单因素试验对不同水灰比、硅灰（SF）掺量及高效聚羧酸减水剂（PCS）掺量条件下浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度进行分析，以确定RSM最佳基准水平，其次构建以浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度为响应目标的二次多项式预测模型，结合方差、残差及响应曲面分析各响应变量对响应目标的影响规律，确定注浆材料最优配比。通过单因素试验结果对比分析，发现最优水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为1∶1、35%及0.3%。通过RSM研究发现，浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度不仅受单一因素影响，且存在多因素交互作用。根据建立的二次多项式响应面回归预测模型可知，当水灰比、SF掺量及PCS掺量分别为0.7∶1、38%及0.2%时，注浆材料性能最优，其回归模拟预测浆液黏度、泌水率及7 d单轴抗压强度分别为210.82 mPa·s、1.0%及12.22 MPa。通过室内试验，其结果与预测模型结果吻合度较高，进一步验证了模型的可靠性，证明了该模型能够用于注浆材料优化配比设计研究。

• 基于改进A*和势场法的轮式煤矿救援机器人路径规划

  王宏伟, 李超, 梁威, 姚林虎, 李永安,

  煤矿救援机器人在非结构化井下巷道环境中执行搜救任务，传统的路径规划算法用于搜索空间较大或者复杂度较高的非结构化环境时，可能会面临效率低、非最优路径和平滑度较差等问题；此外，巷道存在复杂的交叉口等环境特征，机器人在该区域容易偏离预设路线或与路口壁面发生剐蹭。为了克服这些问题并提高机器人的导航精度，提出了针对轮式煤矿救援机器人的路径规划算法改进方案：①改进启发式全局路径规划A*算法，通过分层邻域搜索与剪枝的方法改进邻域搜索方式，优化代价函数以更好地平衡实际代价和启发式代价的影响，更准确地评估每个节点的代价，使其适应实际情况且缩减了计算量，并利用B样条方法对路径进行平滑处理；②利用随机样本一致算法（RANSAC）构建煤矿巷道壁面的几何模型，以便提取交叉路口特征点坐标纳入规划系统，利用B样条曲线基函数的局部支撑性优化路径，当后续添加路径优化点时，仅影响相应区间的曲线形状，对路径的其余部分不产生影响；③根据构建的环境几何模型和提取的特征点建立综合局部势场，引入调整系数优化势场分布，并使用粒子群算法（PSO）优化的PID算法实现运动控制，增强机器人针对巷道交叉口等复杂环境通行的适应能力。通过MATLAB和机器人操作系统（ROS）仿真验证了算法原理与应用的可行性，结果表明该方法可以实现在复杂交叉环境中路径规划、自主行驶等功能。

• 基于多种图结构信息融合的刮板输送机健康状态识别

  杨鑫, 苏乐, 程永军, 王波, 赵愿, 杨雄伟, 赵成龙, 曹现刚, 赵江滨,

  刮板输送机是一种煤矿井下用的煤炭输送设备，在煤矿生产中具有重要作用。恶劣工作环境及长期使用磨损导致刮板输送机性能逐渐退化，故及时掌握刮板输送机健康状态极为关键。为克服传统方法在刮板输送机整机健康状态识别过程中存在的部件强耦合性关系难以提取融合及健康指标构建人工参与过多、易受异常值影响的问题，提出一种基于多种图结构信息融合的刮板输送机健康状态识别方法。利用自注意力机制（SA）与标准化流（NF）共同优化的变分自编码器（VAE）无监督地自动构建刮板输送机健康指标，降低了刮板输送机健康指标构建中对人工经验的依赖，同时有效拟合了健康指标的隐式分布，克服了监测数据中存在的异常值影响健康指标构建的问题；提出了一种多种图结构信息提取方法，提取刮板输送机先验图结构及相似性度量图结构，全方位显式地表达了多部件之间的耦合关系；提出了一种多种图结构信息融合方法，利用多个图注意力网络（GAT）有效提取并融合刮板输送机的多种图结构信息。在采集的刮板输送机真实状态数据中进行试验，结果表明，模型识别准确率可达98.60%，宏平均F1（Macro-F1）值可达96.81%，该方法为刮板输送机的健康状态识别提供了一种新的可行途径。

• 露天矿场无人驾驶自卸车路径规划方法研究

  黄佳德, 刘勇, 邓穆坤, 梅文庆,

  针对矿用自卸车在露天矿场环境下的路径左行要求以及长距离运输路径的平滑效率问题，提出了基于Clothoid曲线拓展的左行混合A*算法和离散点对角向量模最小化平滑算法相结合的路径规划方法。首先，在混合A*算法节点拓展搜索过程中，采用Clothoid曲线代替传统圆弧进行拓展，以保证混合A*搜索路径的曲率连续性和曲率变化率限制要求。然后，利用左行规则改进混合A*算法累加代价和启发代价，在累加代价中加入左转代价和碰撞吸引代价保证路径向左和沿地图边界左侧进行规划，在启发代价中根据拓展方向与地图边界最近点的左右位置关系调整拓展代价得到利于左行的启发代价图，以生成左行全局粗略路径。最后，结合二次规划技术，以离散点对角向量模最小化为目标函数，坐标轴方向移动量为约束，构建平滑优化模型，对全局路径进行平滑，同时为防止平滑过程中曲率超限超出车辆转向响应能力，利用大曲率点可行域隧道缩减技术，限制大曲率点平滑可移动量。试验结果表明：所提方法可以生成适应矿区左行规则的沿地图左侧边界行驶的全局路径；启发代价的改进有效地减少了混合A*算法拓展的节点数量，有利于更好实现左行；离散点路径平滑方法有效提高了全局路径的平滑度，利于车辆控制跟踪；Clothoid曲线拓展与可行域隧道缩减技术可有效应对装载、卸载等大曲率路径，不存在曲率超限情况；对比不同长度路径规划耗时数据，路径平滑算法有效降低了路径规划的总耗时，4 km路径平滑耗时只需76 ms；左行规划的实现和总耗时的减少提高了路径对于矿区场景的适应性。

• 煤气化渣资源化利用综述

  高海洋, 梁龙, 靳开宇, 谭佳琨,

  随着“双碳”目标的推进，社会对煤气化渣处理的关注与需求日渐紧迫。综合过往研究，介绍了煤气化渣的主要来源与排渣方式，并分别对比了粗渣与细渣在形貌、粒度组成、矿物物相、化学组成等方面的性质特点，为实现其“减量化、资源化、无害化”利用提供了理论依据。基于气流床煤气化粗渣、细渣显著的性质差异，探索了两者不同的资源化处理方式，并分析了当下利用途径存在的局限性。粗渣具有优秀的水化活性与火山灰活性，在矿井回填、路基填筑、水泥与混凝土骨料、陶粒材料以及墙体材料等中低值利用领域应用广泛，但存在重金属浸出风险、经济效益低等问题。细渣中残炭含量丰富，主要采用重选法与浮选法进行可燃体回收与灰渣分离。但其较高的细粒级含量降低了重选分选精度，复杂的炭−灰结合形态提高了浮选回收难度。同时细渣孔隙结构发达，比表面积高达258.29 m2/g，具有一定的吸附能力，在土壤改良、催化剂载体、化工原料、陶瓷材料、吸附材料等领域应用潜力巨大，但高值化处理工艺复杂，成本较高，工业应用难度较大。针对这些问题，需基于煤气化渣的物化性质，探索大规模消纳与高值化利用相结合的途径，实现对煤气化渣分类分级的资源化利用。此外，需结合现场生产实践，探索煤气化渣就地解决的处理方法以降低运输成本，以及在其产生工艺过程中进行物化性质的诱导改善处理。

• 基于自然解决方案的矿山生态修复研究进展

  贾梦旋, 王金满, 李禹凝, 张雅馥, 高亭玉, 吴大为,

  当前生态文明建设、碳中和目标已成为国家战略，要求矿山生态修复向着绿色、协调、可持续的方向发展，将基于自然的解决方案（Nature-based Solution，NbS）理念与方法融入矿山生态修复具有重要指导意义。但目前基于自然的矿山生态修复的理论方法与实现路径比较缺乏。为此，系统梳理了NbS在矿山生态修复中的理念内涵及相关概念，总结了NbS在“地貌重塑−土壤重构−植被重建−景观重现−生物多样性重组与保护”等矿山生态修复各环节的潜在应用，对标了NbS与碳中和时代矿山生态修复的挑战与原则，分析了基于NbS的矿山土地生态系统服务功能，提出了中国潜在NbS矿山生态修复实现路径。研究结果发现，对于碳中和愿景下NbS在矿山生态修复中的科学内涵，自然修复、近自然修复、仿自然修复、自然修复为主，人工修复为辅等修复理念属于当前矿山NbS。且NbS、碳中和、矿山生态修复具有重要耦合关系，NbS准则与碳中和愿景下矿山生态修复的原则适用相通，融入NbS的矿山生态修复可助力实现碳中和。另外，NbS是针对矿山生态修复核心问题的有效解决方案，运用NbS进行矿山生态修复是对以往修复理念及方法技术的优化，NbS有效优化了矿山生态修复中地貌重塑与土壤重构方法，在土壤抗水蚀、可持续稳定性、视觉效果上优于传统方法且更接近原地貌，自然与人工相结合的植被重建方式可促进矿区生态演替，提升景观稳定性的同时有利于开展生物多样性管理，达到提升矿山生态系统服务功能及实现矿山生态可持续发展的目的。在未来研究中，应进一步结合矿山复杂的生态环境，积极探索矿山生态修复NbS实施途径，同时加强NbS成本效益核算模型的开发，以期在可持续发展中实现“社会−经济−生态”稳步提升的综合效益。

• 地下水水化学垂向分带特征及成因机制 以新街矿区为例

  王旭东, 闫祖喻, 郭强, 张锁, 唐佳伟, 胡瑜恬, 刘小庆, 李井峰,

  矿井水作为煤矿矿区主要的潜在供水水源，具有较好的综合再利用潜力。然而，煤层顶板充水含水层与围岩发生的复杂多样的物理、化学反应共同影响煤矿矿井水水质。因此，确定不同充水含水层地下水水质状况及其成因机制，对矿井水的保护与综合利用具有至关重要的意义。本研究基于新街矿区一井田的地下水样本和岩石矿物成分数据，采用多元统计分析与水文地球化学方法，并通过PHREEQC软件对水化学平衡进行模拟，深入探讨了不同含水层地下水的化学特征及其矿物溶解/沉淀的垂直分带规律，旨在揭示其成因机制。研究发现：①矿区地下水的化学特征呈现出明显的垂直异质性，其中志丹群以HCO3−Na•Ca、HCO3−Mg•Ca型为主，而安定组至延安组则主要为Cl•SO4−Na、SO4−Na型，TDS、Na+、\textSO_\text4^2- 可能是主导水质垂向分异的关键驱动因子。②关键水质指标，如TDS、Na+和\textSO_\text4^2- 的浓度与含水层深度（从志丹群至延安组）呈线性关系，通过离子比值分析发现K+、Na+主要源于硅酸盐矿物溶解，Ca2+、Mg2+浓度受到碳酸盐、硫酸盐以及硅酸盐矿物溶解作用的共同影响。③矿物饱和指数的深度变化表明，白云石、斜长石和岩盐等矿物在不同含水层中存在未饱和与过饱和状态的交替，志丹群和安定组的地下水中，许多矿物显示出进一步溶解的趋势；而在直罗组和延安组，多数矿物已达到过饱和状态。④水岩相互作用控制不同深度矿井水的水化学组成，最上层的志丹群水化学组分主要受钠长石、钾长石、方解石、绿泥石等矿物溶解作用的影响，深部含水层硅酸盐矿物、石膏、岩盐和黄铁矿的溶解反应更强，并伴随着阳离子交替吸附作用，形成了高矿化的Cl•SO4−Na、SO4−Na型水。本研究深入探讨了煤矿区不同含水层地下水化学的垂直分带特征及其矿物溶解机制，为矿井水资源的精准管理、水质调控和环境保护提供了坚实的科学基础，具有重要的理论指导价值和实践应用前景。

• 矿井水中有机污染物的潜在风险评估

  何昱鹏, 包一翔, 吴敏, 胡嘉敏, 李杰, 刘小庆, 钟金魁, 李井峰,

  为研究矿井水中有机污染物的潜在风险，针对矿井水中的已知有机污染物，使用EPI Suite和毒理学数据对其持久性、生物累积性和急性毒性进行系统模拟和评估，并采用层次分析法（AHP）基于毒性效应和环境效应的2个一级指标及7个二级指标建立矿井水中优先有机污染物的评估体系。研究结果表明：①54种有机物中有13种持久性物质、8种生物累积性物质及1种急性毒性物质, 其中卤代烃的持久性最强, 多环芳烃的生物累积性最强, 与羟基自由基(OH•)反应的反应速率的总体趋势为: 醚＞酯＞卤代烃；脂肪族＞芳香族。(短链卤代)脂肪族化合物没有生物累积性物质, 多环芳烃的生物累积性普遍较高，且生物累积性物质分子结构中均有4个及以上的苯环, 苯环个数的增加会导致多环芳烃生物累积性增强。磷酸三苯酯为显著急性毒性物质, 需要在后续的矿井水处理中重点关注。②筛选出综合评分最高的20种有机污染物作为矿井水中的优先污染物, 其中评分较高的二氯甲烷、1, 2−二氯乙烷、甲苯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二(2−乙基己基)酯、萘、苯并a芘、二苯并a, h蒽、苯并b荧蒽、苯并k荧蒽和苯并a蒽符合新污染物特征，但目前矿井水中已经测出的有机污染物存在水平普遍不足以对人体健康和生态环境造成显著风险。随着国家政策实施和矿井水高质量处理利用需求的增加，矿井水中有机污染物的管控将成为区域水资源保护与利用的现实需求，本研究构建的优先有机污染物的潜在风险评估体系可用于筛选出矿井水中优先污染物, 为未来矿井水中有机污染物管控提供理论基础。