煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第10期

• 深部高应力软岩巷道失稳机理及补偿支护技术

  李伟涛, 郭志飚, 何满潮, 汤建泉, 杨然景, 贾东修, 王吉凯, 张科学, 王晓玲, 闫星辰, 刘晨阳,

  深部开挖岩体应力重分布是多元应力的复合力学问题。首先，基于弹性理论叠加原理，建立了深部高应力软岩巷道开挖瞬间的围岩力学模型，研究了切向应力σ1和径向应力σ3的变化规律。其次，构建了深部高应力软岩巷道的支护力学模型，揭示了围岩的支护效应。通过物理模型试验，探究了常规支护和补偿支护下围岩σ1和σ3的响应特征及相应的失稳机理。最后，通过数值模拟和现场工程应用验证了补偿支护技术的适用性。结果表明：深部高应力软岩巷道应力重分布呈现径向卸压和切向增压的趋势，开挖瞬间巷道边缘σ1变为原来的2倍，而σ3降为0。对开挖岩体进行支护后，巷道边缘σ3为围岩的支护力，σ1随支护力的增加而降低。与常规支护相比，补偿支护围岩变形量降低73.7%，破裂碎胀面积降低88.3%，裂隙长度降低11.0%。浅部围岩σ3提高68.3%，σ1峰值下降18.2%。常规支护补偿效应弱，围岩σ3大幅衰减且σ1集中程度高，促使裂隙持续张开并纵深延长，易造成围岩碎胀扩容变形。补偿支护通过NPR(Negative Poisson’s Ratio)锚索充分发挥围岩三轴强度并调动深部岩体自承力，围岩σ3补偿程度高且σ1显著降低，从而抑制裂隙的传播和穿透，进而实现围岩自稳。软岩巷道采用补偿支护技术后，NPR锚索实现恒阻，围岩变形和支护破坏程度显著降低，表明该技术对深部高应力软岩工程具有良好的控制效果。

• 循环爆破振动作用下含断层边坡稳定性计算方法

  姜聚宇, 邢玉娇, 王来贵, 王东,

  为准确量化和预测爆破振动长期作用下含断层边坡稳定性演变规律，实现露天矿安全高效可持续开采。以某露天矿为工程背景，采用现场测振试验、数值计算探究了爆破地震波在时间与空间维度的动态特征，研究了爆破地震波水平与垂直方向传播衰减规律，阐明了高程放大效应及断层隔振效应；采用霍普金森压杆冲击试验，研究了循环爆破冲击作用下边坡岩土体裂纹扩展与损伤劣化规律，确立了爆破振动强度、次数与岩体内部损伤之间的定量关系，建立了边坡岩土体动态损伤劣化数学模型；应用FLAC3D数值模拟研究了爆破振动作用下边坡动力响应特征，分析了边坡的潜在滑坡模式和失稳演化机理，提出了爆破振动作用下含断层边坡稳定性计算方法，定量分析了爆破振动对边坡稳定性的影响，预测了边坡可承受爆破振动次数。结果表明：爆破振动对边坡稳定性影响较大，爆破振动作用下边坡最大动应力响应与单响药量、高程差呈正相关关系，与爆心距呈负相关关系；随爆破振动最大动应力增大、爆破次数增多，损伤参量呈指数函数变大，边坡动−静力安全系数的降低率呈幂函数增大趋势。结合工程实例，验证了爆破振动作用下含断层边坡稳定性计算方法的合理性，为类似矿山边坡稳定性评价提供了新视角。

• 基于GNSS时序数据的西部矿区地表动态沉陷预测模型研究

  汤伏全, 高佳坤, 薛俊磊, 朱超, 周对对, 李小涛,

  矿区GNSS连续监测站相比常规观测站能够更好地获取地表动态沉陷特征，但布设GNSS站点太多及费用过高制约了其实际应用。为了探讨基于少量站点GNSS连续观测数据构建地表动态沉陷模型的可行性，以黄土高原矿区地表沉陷监测工程为实例，通过绘制地表点动态下沉及其下沉速度与加速度变化曲线，发现其分布特征与Boltzmann角度函数及其一阶、二阶导数的变化曲线高度一致，因此选择具有“S”型分布特征的Boltzmann角度函数构建地表动态下沉模型，引入相对位置角x和偏心角y 两个参数描述监测站与工作面动态边界的相对位置关系，利用GNSS时序观测数据反演Boltzmann模型的4个参数（A1、A2、a、b），并阐明了各参数的物理意义及其变化特征。基于此，利用工作面推进过程中获取的GNSS时序观测数据构建了地表动态沉陷Boltzmann模型，通过分析模型参数随工作面推进位置（参数x）的变化特征，发现这些参数的时序变化随地表沉陷量增大而趋于稳定值，利用该模型可实现后续沉陷量的精准预测。进一步分析发现，主断面上各GNSS站点Boltzmann模型参数的空间变化符合高斯函数分布特征，采用不少于5个GNSS站点的观测数据即可稳定拟合高斯函数参数，据此建立了地表任意点动态沉陷的Boltzmann预测模型。实测数据验证表明，上述基于少数（不少于5个）站点GNSS时序观测数据所构建的Boltzmann模型，具有很好的参数确定性及预测精度，这为西部矿区地表沉陷的动态监测和预测提供了有效手段。

• 钻井法凿井气举反循环洗井流场的压力分布及流体运移规律

  郭龙辉, 程桦, 姚直书, 荣传新, 林键, 王宗金,

  为了揭示钻井法凿井气举反循环洗井流场的压力分布及流体运移规律，以陶忽图煤矿北风井ø5 m超前钻井为研究背景，基于流体力学相关理论，建立了气举反循环洗井流场的压力数学模型，并给出了钻杆环空、井底和钻杆内部流体压力的理论解析解，其次，采用CFD-DEM方法（计算流体力学与离散单元法耦合），建立了气举反循环多相耦合洗井的数值模型，验证了洗井流场压力模型的正确性，获取了洗井流场流体的运移规律，最后，基于洗井流场的压力数学模型及理论解析解，探究了含气率、泥浆密度、泥浆黏度、岩渣密度和含渣率等因素对洗井流场压力的影响规律。结果表明：截锥型钻头水平井底流体的平均径向流速>切向流速>轴向流速；岩渣在井底做“螺旋状下滑—井底积聚—推动和悬浮—吸附和举升”的动态循环运移，在钻杆内液固及液固气段分别以“低流速，高密度”和“高流速，低密度”形式运移。钻杆内流体压力沿井口方向近似呈线性降低趋势，在注气端处，流体压力骤降，钻杆内外压差达到最大；井底流体压力自外向内呈“先小幅降低，后大幅降低”趋势，在井底有效吸附区流体压力降低幅度及速率更大。含气率、泥浆密度与钻杆内外流体压差呈正相关关系，泥浆黏度、岩渣密度、液固及液固气段含渣率则与之呈负相关关系，各因素对钻杆内外流体压差的敏感性可归结为：泥浆密度>含气率>岩渣密度>泥浆黏度>液固段含渣率>液固气段含渣率。研究可为破解侏罗系地层钻井法凿井气举反循环洗井效率低下技术难题，提供有益理论参考。

• 富油煤热解煤及覆岩温度场时空演化特征

  段纪元, 耿济世, 王双明, 孙强, 张鹤, 师庆民, 李雨航, 杨勃兴, 于珂欣,

  富油煤原位热解是通过隔绝空气加热煤层以获取油气资源的创新煤炭利用方式，对有效提升国内油气供给能力，保障国家能源安全具有重要意义。为了探究富油煤原位热解过程中地层温度分布规律，采用自行设计的富油煤热解试验装置，模拟了富油煤地下热解过程中的温度场演化趋势，结合扫描电镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)和三维显微镜(3D Microscopy，3DM)分析了富油煤层及其覆岩的温度响应和热弛豫特性，揭示了富油煤热解过程中的地层传热机制。结果表明：富油煤热解过程中，不同位置温度随时间呈非线性增加，煤层与覆岩温度变化规律相似，在竖直方向的扩散快于在水平方向的扩散；煤层及覆岩均表现出明显的热弛豫，中心区域温度高且增速快，四周温度较低且增速慢，热弛豫范围与煤岩体的各向异性及空间位置有关，距离热解区中轴线横向距离越大，地层二次升温时间越长；富油煤热解过程中，热解半焦内部孔裂隙发育、裂隙网络密度增大，富油煤导热性能降低，内部形成封闭空间，热解焦油滞留于煤基质中。同时，热解焦油因其密度大、黏度高，在煤层底部及低温区域凝结，致使半焦局部胶结成块，形成隔热层，降低热量的传递效率，影响热解反应的深度和速率，导致煤及覆岩温度整体呈“圆锥形”分布特征。研究成果可为富油煤原位热解工程实践提供理论支撑。

• 岩石水力压裂力学特性劣化试验研究

  杜涛涛, 鞠文君, 卢志国, 潘俊锋, 夏永学, 闫瑞兵,

  岩石水力压裂力学性质劣化程度准确测定是水力压裂卸压机理揭示和压裂效果评估的基础，为揭示岩石水力压裂力学特性劣化规律，分别设计了真三轴水力压裂物模试验和岩石力学测试试验2个阶段方案，利用CT扫描重构裂缝三维形态，通过真三轴水力压裂物模试验，制备含水力压裂裂缝的岩石试件；对制备的含水力压裂裂缝的岩石试件开展了岩石力学性质单轴、三轴压缩试验和巴西劈裂试验。结果表明：刻槽能够有效降低裂缝破裂压力，增大槽的宽度，有利于提高裂缝起裂概率，但槽间距太小，裂缝易合并；压裂液黏度越高，泵注压力起压越快，裂缝破裂压力越高；排量越低，液体滤失所占比例越大，裂缝破裂压力越小，排量升高后，裂缝起裂压力显著增大，起裂所需时间越短。水力压裂后，岩石内摩擦角、黏聚力、抗拉强度的折减系数分别为0.896、0.996、0.295；得到了弹性模量折减系数关系式，随围压增大，2种试样弹性模量均呈增大趋势，且增长速率逐渐减缓，而折减系数随围压增大呈降低趋势，但降低速率减缓；试样抗拉强度压裂后降幅为70.49%，降低量达压裂后试样的2.39倍，试样抗拉强度显著降低，表明压裂使试样内部产生裂隙，发生损伤，压裂前后标准差增大1.87倍，表明压裂过程使试样内部产生大量非均匀分布裂隙，微裂隙数量及分布特征存在较大差异，造成试样力学性能差异较大。

• 花岗岩裂隙注水诱发滑移的声发射频谱特性

  南翰墨, 冯子军, 赵鹏, 高祺, 李玉彬,

  水力剪切是干热岩地热开发的重要方式，研究干热岩热储断层滑移过程中，无流体介入和有流体介入时的声发射频谱差异，对于干热岩地热开采中水力剪切工程的影响范围的确定及生产井的选址有重要意义。为深入了解不同水力耦合作用下，花岗岩裂隙剪切滑移过程中的声发射频谱特征，利用自主研发的高围压大位移实时动态剪切−渗流试验装置，对干燥和注水裂隙花岗岩试样进行剪切试验，观察和分析了干燥和注水试样在滑移过程中声发射信号频谱特征，其中注水压力梯度设为5、6、8 MPa。结果表明：归一化主频幅值与振铃计数率能有效表征注水滑移特性，干燥裂隙面在黏滑过程中所产生的声发射信号，其归一化主频幅值和振铃计数率显著大于注水裂隙面，并且随着注水压力增大，这2个参数显示出与注水压力的负相关趋势；频谱分析结果显示，注水使得声发射信号的频谱分析包括声发射信号的主频及其所对应的幅值减小，注水摩擦的声发射信号在这2个参数上普遍小于干摩擦，且随着注水压力增大，主频和幅值均呈减小趋势；低幅声发射信号的频数与主频均受注水压力的影响，其中声发射信号频数随注水压力增大而上升，主频则呈减小趋势。可以将声发射信号主频与主频幅值减小、低幅声发射信号增多作为判断断层滑移有无流体介入的条件。

• 酸性溶浸液作用下砾岩物理化学及三轴压缩性质研究

  杨朋, 华心祝, 刘啸, 韩炎, 李琛,

  地浸开采过程中溶浸液的渗流作用可能导致隔水层力学性能劣化，进而影响煤铀共采的安全性。以内蒙古地区侏罗系直罗组砾岩隔水层为研究对象，探讨其在酸浸环境下的物理化学性质及力学劣化机制。利用电子秤和原子吸收分光光度计测定砾岩在硫酸溶液中质量和金属阳离子浓度变化规律，利用XRD（X-ray Diffraction）和SEM（Scanning Electron Microscope）分析酸蚀作用下砾岩矿物成分和微观结构随浸泡时间的变化特征。开展三轴压缩试验，研究不同浸泡时间下砾岩的力学响应，分析峰值应力、弹性模量、轴向应变及耗散能密度等参数的变化规律，基于相关性分析量化各参数之间的相关性。结果表明：砾岩质量随酸蚀时间呈现先增加后减少的非线性变化特征，溶液中金属阳离子浓度与质量变化趋势一致，其中Ca2+质量浓度最高，说明方解石与硫酸的化学反应是导致砾岩力学性质劣化的重要原因。酸蚀作用使砾岩胶结物逐渐溶解，内部裂纹扩展，孔隙增多，引起岩石微观结构变化。砾岩峰值强度、弹性模量及屈服应力在浸泡初期（1 d）短暂提升后逐步下降，浸泡20 d后峰值强度较自然状态下降26.69%，且峰值体积应变显著降低。峰后耗散能变化率曲线随着浸泡时间变化逐渐平稳，表明试件的破坏模式随浸泡时间由脆性向延性转变。峰值应力、弹性模量与总应变能密度呈极强正相关（相关性系数r>0.8），而金属阳离子浓度可作为砾岩力学性质劣化的表征参数。

• 单轴压缩条件下强冲击倾向性煤体失稳特性及弹射模式研究

  雷国荣, 李春元, 杨凯, 王嘉敏, 毛怀昆, 李正一, 魏礼刚, 崔春阳, 何团, 李晓鹏, 袁红辉,

  为探究冲击倾向性煤单轴压缩作用下的变形、破裂及弹射破坏力学行为，开展了不同加载速率下冲击倾向性煤的单轴压缩试验，获取了煤样的峰后应力跌落分类特征，结合煤样CT扫描原生裂隙三维重构，分析了不同应力跌落类型煤样的失稳破坏差异机制。基于非接触全场应变测量结果，分析了煤样裂隙的峰前、峰后破裂演化及破裂−弹射规律，统计计算了煤样弹射区域的应力变化及转换特征，揭示了煤体的弹射模式，获取了煤样应力跌落类型的破裂−弹射及弹射模式分类特性，分析了煤样现有冲击倾向性指数与峰后弹射冲击动能的关联性，并建立了表征煤样峰后弹射剧烈程度的指标Wsdr。结果表明：煤样峰后应力跌落分为持续跌落(Ⅰ类)、台阶式跌落(Ⅱ类)及瞬间跌落(Ⅲ类)3种类型，且煤样的峰后应力跌落类型与其原生裂隙发育密切相关。冲击倾向性煤弹射前表面裂隙扩展具有缓慢、加速扩展破裂的非线性特征，且Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类弹射冲击孕育时间依次减小。冲击倾向性煤分为局部弹射、区域贯通弹射和整体失稳弹射3种弹射类型，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类煤样分别表现为以局部弹射、区域贯通弹射、整体失稳弹射为主导发生弹射冲击；煤样具有母体动力源和弹射块体动力源2类弹射模式，且同一应力跌落类型煤样可由母体动力源或弹射块体动力源导致弹射冲击。提出的指标Wsdr与弹射弹射动能呈线性正相关。

• 多元扰动行为下深部高应力煤体扩容与压实特性

  刘超, 田加宝, 戚靖骅, 王亮, 段敏克, 余北辰, 刘众众,

  深部煤体处于高地应力环境中，其在外界扰动作用下的力学与变形行为不同于浅部煤层。由此进行了多种扰动模式（高压注水、卸压钻孔和循环加卸载）下高应力含瓦斯煤体加载破坏试验。研究表明：高应力煤体趋向延性状态转化，未出现明显的峰后应力降。以剪切和拉伸型破裂为主的深部高应力煤体表现出峰后线性扩容行为。相比纯力学破坏，含水平孔和高压注水煤体的强度分别降低了29.1%和4.1%，它们对煤体力学性能和强度的劣化机制不同，前者是由垂向变形持续增加引起钻孔塌陷和压实区形成所致；后者是由于高压注水抵消了裂隙面法向应力，促使水平向煤体快速膨胀，导致其扩容失稳，诱发剪切破断所致。含水平孔煤体在峰值应力处的剪胀系数β=−1.524<0，也表明其处于压实状态，利用单屈服面模型证明了其在峰后出现体积压实行为的合理性。等幅加卸载扰动对弹性高应力煤体力学性能起着循环强化作用，其强度提升了18.0%～27.0%，出现了显著的峰后扩容行为。由于卸荷作用对煤体变形影响更大，其各向不可恢复压实应变（ΔεH、Δεv和Δεh）随加载次数增加而增大，表现为各向呈压缩趋势的应变硬化现象，这与循环加卸载对岩石产生疲劳损伤现象相反。研究成果可为深部高能煤层解危、立体缝网改造和渗流评估等工程问题提供借鉴。

• 顺层双防钻孔密封段煤体渗透特性

  王宁, 李团结, 刘文岗, 纪翔, 潘红宇, 尚宏波,

  顺层双防钻孔密封段煤体分布着大量的孔隙、裂隙结构，形成了巷道空气进入抽采钻孔的渗流通道，影响钻孔瓦斯抽采效果。根据双防钻孔密封段煤体结构特征，通过自主研制的煤体三轴渗透试验平台，设计并开展了孔隙−裂隙组合煤样渗透试验，测试并计算了渗透过程中煤体孔隙率、气体渗流速度、压力梯度、渗透率、有效应力等参数，分析有效应力对煤体渗透率的影响，探讨双防钻孔密封段煤体渗透规律。结果表明：应力致使破碎煤体试样内部骨架结构变形，颗粒发生错动和再次破碎，气体渗流通道数量减少，渗透率降低。载荷增加至煤体压实后，渗透率对孔隙率变化的敏感程度较低，逐渐趋于稳定。渗流速度与压力梯度关系呈现阶段性特征，低流速符合Darcy定律，高流速遵循Forchheimer关系，表现为非线性变化。气体在双防钻孔密封段裂隙区和破碎区煤体中分区流动。单一孔径煤体中气体沿着煤体颗粒表面爬流，渗透通道结构的改变对阻力影响较小；双重孔径组合煤体过渡面因孔隙结构突变，气体流速重新分布，惯性阻力增加，非线性层流波动较大。有效应力能较好地表征渗流速度的抑制效应。随着有效应力的增大，骨架结构压实使得孔隙渗流通道闭合，气体的渗流速度呈线性减小。建立孔喉突扩模型，理论分析有效应力与渗流速度的关系，试验结果与理论结果基本吻合。有效应力是导致煤体渗透率变化的关键因素。渗透率k随有效应力σe的增加呈指数下降。双重孔径组合煤样因交界面孔隙结构差异较大，渗透率随有效应力的波动也较大。可见，气体运移过程中，煤体的破碎程度可表征煤层的渗透特性，可作为量化描述双防钻孔密封段煤体结构参数的依据，进而为顺层双防钻孔布孔参数和注浆参数的优化设计提供重要的理论指导。

• 基于NMR的类煤模型材料渗流性能与原煤相似性评估方法

  马衍坤, 颜泽文,

  物理模型试验是揭示煤岩动力灾害作用机制的重要研究手段，而类煤物理模型材料的配制是相似煤层铺设的关键。针对流固耦合失温类动力灾害（例如煤与瓦斯突出、突水等），模拟材料的渗流性能是试验的关键。为合理评估模拟材料渗流性能与原煤的相似性，提出利用加卸载过程材料孔裂隙结构与渗透率的Pearson相关系数进行相似性评估的方法，并配置了类煤材料进行试验验证。结果表明：相关系数P能够有效反映加卸载过程中原煤与类煤材料的渗流性能的相似性，2种煤样的渗流孔孔隙率、渗透率和渗流孔可压缩性系数（CP）的最小相关系数分别为0.624、0.913和0.888，渗流性能在整体变化上保持强相似或极强相似；在加卸载过程中，2种煤样的孔隙率和渗透率均与围压呈负相关，且渗透率对应力的敏感性较高；2种煤样的CP与围压呈负相关，且卸载过程中的CP高于加载过程中的CP。研究成果为类煤物理模型材料渗流性能相似性评估提供依据，对开展物理模型试验研究具有指导意义。

• 基于瓦斯量补偿的煤层瓦斯压力确定方法研究

  吴宽, 王兆丰, 李守一, 刘军, 陈勇, 王俏,

  煤层残余瓦斯压力是区域防突效果检验的关键指标之一，采用井下钻孔对其进行直接测定时成功率较低，因此普遍采用朗格缪尔方程间接计算获得，但该过程测试参数多、周期长、误差较大。为了更加准确快捷地获取煤层残余瓦斯压力，在理论分析基础上，使用自主搭建的定量补气装置进行试验罐的瓦斯量定量补偿和煤层瓦斯压力测定，对比分析试验测得的煤层瓦斯压力与理论计算煤层瓦斯压力、现场实测煤层瓦斯压力。结果表明：在恒温（与煤层温度一致）下，补偿瓦斯量后，试验罐内的瓦斯压力呈现急剧上升−缓慢下降−平衡稳定的变化特征，试验测得的煤层瓦斯压力与理论计算煤层瓦斯压力相对误差为4.46%～9.21%，与现场实测煤层瓦斯压力相对误差为2.73%～5.56%。相比朗格缪尔方程间接计算法，该方法可排除温度与水分对测压结果的影响，测试参数少，测试时间短；与井下钻孔直接测压相比，该方法无需封孔，不受测压地点限制。研究结果可为煤矿准确快捷获取预抽煤层残余瓦斯压力提供一种新方法，为煤矿瓦斯抽采达标评判和防突措施效果检验提供技术支撑。

• 综掘机截割不同工作面区域除尘风筒的布置位置优选

  张增辉, 刘彦青, 李瑞卿, 张浪, 李伟,

  为了提高长压短抽式局部通风掘进工作面除尘效率，量化分析掘进工作面风流场分布特征和综掘机截割掘进工作面全过程控尘效果，优选掘进巷道断面内除尘风筒最佳布置位置。首先根据风流作用下粉尘颗粒受力分析，构建考虑巷道风流状态、粒径等粉尘特性的巷道风流中粉尘颗粒运动模型，将掘进工作面断面划分为9个产尘区域，真实还原在综掘机截割过程中的产尘过程。以保德煤矿81205运输巷综掘工作面为研究对象，结合综掘工作面风流场N-S模型和REG k - \varepsilon 模型，建立综掘机截割掘进工作面全过程条件下综掘工作面风流粉尘运移数值模型。在此基础上利用正交对比试验方法，模拟分析了不同尘源区域条件下除尘风筒分别布置位于“巷道中央上方位置”、“巷道侧帮上部位置”、“巷道侧帮中部位置”情况下巷道风流场分布规律与除尘效果，开展现场测试分析，研究表明：不同截割区域产尘源条件下巷道内粉尘运移扩散表现出明显差异性，且模拟与试验条件下粉尘运移扩散变化趋势基本一致，表明用宫格切割法细分掘进工作面断面尘源更贴合掘进工作面实际截割产尘过程；模拟与试验条件下除尘风筒位于巷道侧帮上部位置条件下司机位置（距离工作面10 m巷道位置）处于涡流负压区域，人员作业区域（距离工作面28 m巷道位置）风速流场平稳，最有利于控尘，除尘风筒位于巷道中央上方位置次之；除尘风筒位于巷道侧帮上部位置条件下呼吸高度位置（距离巷道底板1.5 m高度）粉尘浓度最低、粉尘扩散区域和粉尘扩散总量最小，当综掘机截割掘进工作面断面上部和中部区域时更为为明显。

• 基于暗通道先验的矿井粉尘质量浓度智能检测技术

  王伟峰, 李高爽, 齐景峰, 商小鹏, 李煜,

  矿井粉尘是危害矿井人员和设备的重要原因之一，矿井粉尘质量浓度检测是煤炭安全管理的重要工作内容。由于煤矿井下环境较为复杂，传统矿用粉尘质量浓度传感器检测范围小、误报率高。现有视频粉尘质量浓度检测算法无法消除光度对粉尘质量浓度检测的影响且无法定位检测分布不均的粉尘质量浓度，导致检测精度低、检测范围有限。针对以上问题，提出一种基于暗通道先验的矿井粉尘质量浓度智能检测技术。搭建粉尘质量浓度智能检测试验平台，采集不同光度下的粉尘图像，采用暗通道先验算法提取粉尘图像暗通道图，并计算图像透射率；采用皮尔逊相关系数法，计算不同光度下图像透射率与粉尘质量浓度的相关性；设计一种环境光检测算法，检测环境光度，建立不同光度下粉尘质量浓度与图像透射率的数学模型，计算粉尘质量浓度；围绕环境中粉尘质量浓度分布不均的问题，提出粉尘区域定位算法，区分处理不同区域的粉尘质量浓度。为验证本文算法的实用性和准确率，使用该算法检测采集到的不同光度下不同粉尘质量浓度的图像，并与粉尘质量浓度传感器和图像相关特征模型算法、图像透光率算法、YOLO系列算法等现有视频检测算法进行对比。结果表明，提出的粉尘质量浓度智能检测算法可有效降低环境光度对粉尘质量浓度检测的影响，可有效定位和计算分布不均的粉尘质量浓度。环境光检测算法，可在不同粉尘质量浓度下由低到高检测光度，准确度达92.4%。粉尘质量浓度检测准确度达93.36%，平均误差率为6.64%。粉尘质量浓度定位区域与实际粉尘区域交并比（IoU）大于0.5的占比为66.7%。选用金鸡滩煤矿现场粉尘图像验证本文算法的可行性，其有效改善了粉尘区域定位和浓度检测问题，研究结果为矿井粉尘质量浓度图像智能检测提供了技术支撑，对矿井粉尘质量浓度精准检测预警具有重要的现实意义。

• 深井采场装配式对流−辐射制冷系统降温效果分析

  韩巧云, 李谋伟, 曹轩, 杨晓杰, 李孔清, 庞杰文, 游波,

  人工制冷降温技术是目前深井热害治理的最有效的方法之一。目前降温方法以全空气型降温为主导，暴露出降温效果“近冷远热”、能耗巨大等诸多问题，与国家绿色矿山发展战略相悖离。装配式对流−辐射制冷系统是一种集支护−降温为一体的局部降温装置，可安装在工作面需冷区域，营造局部舒适热环境。为了研究装配式对流−辐射制冷系统的降温效果，采用理论分析及计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟方法，得到系统供冷量的数学模型；分析系统降温机理，优化运行工况；以张双楼矿7119工作面为例对系统的降温效果展开了评价。结果表明：装配式高温矿井对流−辐射降温系统与侧帮支护系统结合，可实现巷道开采、支护与环境改善同步进行，提高生产效率与环境舒适度；装配式高温矿井对流−辐射降温系统最优运行工况为：冷媒流速为0.2 m/s，入口风速为0.6 m/s，出风口高度设定为60 mm，系统供冷量为269 W；装配式高温矿井对流−辐射降温系统的降温效果（满足舒适需求）相较巷道全空气型降温方法提高了31%，可满足采深2 000 m以内采场的适应性工人舒适环境需求，系统能够最大程度保证矿工的热安全。与此同时，可根据现场的降温需求，调整设备安装间距，进行局部环境控制，极大程度节约降温能耗。该研究可用于指导矿井采场的局部环控、智能少人工作面高效精准降温、矿工职业健康保障，充分地响应了国家绿色矿山发展战略，助力国家“双碳”目标的实现。

• 考虑水化叠加效应的硅酸盐−硫铝酸盐复合浆流变特性

  范建国, 刘人太, 李峻昌, 孙翔, 陈孟军, 白继文, 朱志敬, 马晨阳,

  硅酸盐−硫铝酸盐水泥（PO−SAC）复合浆液具有凝结时间短、早期强度高和抗渗性好等优点，在煤矿突涌水治理工程中具有广阔的应用前景。在实际注浆参数设计过程中，需要揭示PO−SAC复合浆液的流变特性与黏度时变规律。研究了复合比和水灰比对PO−SAC复合浆液黏度时变行为的影响。浆液的复合质量比从10∶0到0∶10，水灰比为0.5～1.0。结果表明：硅酸盐水泥（PO）和硫铝酸盐水泥（SAC）具有水化叠加效应，30%的SAC对OPC的促进作用最强，使浆液黏度提高了4倍以上。复合浆液的水灰比与黏度值和黏度增长率成反比。不同水灰比条件下复合浆液黏度的时变曲线符合二次方程的形式。浆体的流动模式与水灰比有关，与复合比无关，浆液的屈服应力和塑性黏度随水灰比的增加而降低。减水剂能够显著降低复合浆液的初始黏度值，1‰的减水剂使样品的初始黏度值降低了82.46%以上。将PO−SAC材料应用于某煤矿底板突涌水治理工程，有效封堵了含水层裂隙出水，保障了煤矿安全开采。可为PO−SAC浆液注浆理论建立、数值计算和注浆参数设计提供参考，助力煤矿突涌水高效治理。

• 改性丙烯酸微裂隙堵水固砂注浆材料的制备与性能

  卢昌杰, 王家乐, 王传留,

  针对传统无机水泥基灌浆材料在封堵细微孔隙方面的局限性以及化学灌浆材料（如聚氨酯和环氧树脂）在耐久性、成本和环境影响方面的不足，开发了一种新型改性丙烯酸灌浆材料，该注浆材料不仅渗透力强、可灌性好，而且成本低廉。研究了缓凝剂用量和反应温度对改性丙烯酸盐灌浆材料凝胶时间的影响，以期优化配方以适应不同的工程条件。通过调整乳液质量分数，评估了浆液的固砂体抗压强度、断裂伸长率和贮存稳定性，并确定了最佳乳液质量分数为20%。此外，比较了不同玻璃化转变温度的丙烯酸乳液对灌浆材料性能的影响，以扩展其应用范围。结果表明：在含水砂层条件下，当浆液含水量低于89%时，固砂堵水效果最佳。在不同pH值的水环境中，浆液的反应速率在酸性环境下较慢，而在碱性环境下最快。制备的改性丙烯酸灌浆材料能够有效地进行固砂堵漏，确保封堵后的砂岩保持优异的抗压强度，为煤矿安全开采提供了一种新的技术途径。

• 基于多尺度快速双边滤波和小波变换的矿井图像增强算法

  王媛彬, 何东阳, 樊红卫, 王旭, 贺文卿, 闫昭旭, 李千禧,

  受煤矿井下复杂地质环境和人造光源布置不均的影响，井下监控视频图像容易出现照度不均、细节丢失、对比度低等问题，而现有算法在增强过程中容易出现颜色失真、光晕伪影等不足。鉴于此，提出一种基于多尺度快速双边滤波和小波变换的矿井图像增强算法。首先，采用同态滤波对矿井图像做初步增强后转换到HSV空间，此时保持色调分量不变，建立多尺度快速双边滤波，从亮度分量中提取光照分量，同时构造双伽马校正函数对光照分量进行增强；其次，基于Retinex理论，计算反射分量，并采用限制对比度自适应直方图均衡化算法(CLAHE)和灰度调整函数对反射分量进行增强；然后，使用小波变换融合光照分量和反射分量，得到增强的亮度分量，另设计饱和度修正函数矫正饱和度分量，提高矿井图像的色彩饱和度；最后，将色调分量和增强的亮度分量、饱和度分量融合，并从HSV空间转换回RGB空间。结果表明：对比BPDHE、CLAHE、NPE、SRIE、BIMEF和PnPRetinex算法，研究提出的算法处理后的矿井图像在均值、平均梯度、标准差、信息熵和空间频率方面分别提高了25.31%、42.75%、9.59%、1.60%、41.26%，研究提出的算法能有效增强矿井图像的照度、细节和对比度，同时减少光晕伪影、颜色失真等现象。在提取光照分量时，多尺度快速双边滤波相比于经典双边滤波运行速度平均提高了87.29%。应用YOLOV8检测增强后的矿井工人图像，其平均检测精度达到了90%，相较于原始图像平均提高了40%，这有效提升了智能检测的准确度。

• 基于辉光模型与SRLLIE算法的煤矿井下非均匀光照图像增强

  赵猛, 张帅, 赵敬民, 魏玉忠, 李正, 张俊明,

  在煤矿井下环境中，受到大量悬浮煤尘和人工光源等因素的影响，常出现监控视频图像低亮度或照度不均等现象，导致视频图像降质严重。现有的井下图像增强方法效果不理想，出现近光点过曝，远光点失真等问题。为此，提出了一种基于辉光模型与SRLLIE算法的煤矿井下非均匀光照图像增强方法。主要包含3个部分：利用辉光模型对图像进行降曝处理；结合SRLLIE算法生成照度图和反射图；优化照度图后基于Retinex模型求取增强图像。首先，通过光源（辉光）模型去除图像辉光影响，避免过曝光现象，获得去辉光后的低照度图像；在此基础上，改进低照度增强SRLLIE算法的目标函数，运用交替方向乘子法进行迭代求解，获得抑制过曝并保留结构细节的照度图和反射图，同时去除低照度噪声；然后，利用S型伽马校正函数优化照度图，再次抑制过曝区域，并提高低照度区域的亮度；最后，根据Retinex理论将优化后的照度图与去除噪声后的反射图进行点乘，得到最终的增强图像。为验证提出算法的有效性，选取相关算法进行对比分析。试验结果表明，提出算法在整体效果上优于其他算法，显著提升图像的对比度，有效解决煤矿井下图像存在的非均匀照度问题，改善煤矿井下监控图像的清晰度，为煤矿安全生产及智慧矿山的建设提供有利的决策支持。

• 基于负载预测与能耗优化的刮板输送机速度控制方法

  汪卫兵, 骆佳录, 李赖, 赵栓峰, 路正雄, 李开放,

  针对综采工作面中刮板输送机因持续高速运转而导致的能源浪费和运输效率低下问题，结合双向割煤工艺，对刮板输送机的运行阶段进行了系统分析，建立了刮板输送机能耗模型，在此基础上提出了一种基于负载转矩预测与能耗优化相结合的速度控制方法。首先，建立煤量模型，描述煤量随运行工况变化的动态特性。随后，结合刮板输送机的运行阻力特性，明确煤量、驱动力与运行阻力之间的关系，构建刮板输送机的能耗模型。为应对综采工作面复杂多变的运行工况，引入粗糙径向基神经网络（Rough Radial Basis Function Neural Network, RRBFNN），对刮板输送机负载转矩进行精确预测，生成优化模型所需的关键输入变量。在此基础上，采用改进的粒子群优化算法（PSO），以能耗最小化为目标，对刮板输送机的运行速度进行优化，改进算法在引入动态惯性因子的同时，平衡了全局搜索与局部搜索能力，从而提高了优化的精度与收敛效率。最后，结合榆家梁43101综采工作面的实际数据对本文方法进行了验证。结果表明：该速度控制方法能够在一个生产循环中有效降低刮板输送机的能耗10.42%。

• 基于NDVI时序数据的青海省木里煤田植被恢复效果遥感监测

  陈磊, 殷守强, 鞠林雪, 刘军省, 焦森, 张延旭,

  青海省木里煤田曾因非法采矿遭受严重生态破坏，2020年8月起全面启动生态修复工程。基于2019—2023年归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）遥感数据，综合运用时空对比分析、分区统计、趋势分析、变化检测等方法，重点探究木里煤田全域及其江仓、哆嗦贡玛、聚呼更、弧山4个子矿区植被覆盖度的时空分异规律，精准监测生态修复工程的植被恢复效果；通过回归分析、残差分析、基于分位数的阈值分类法、对比分析，从空间和时间2个维度解析NDVI的影响机制，定量识别人类活动对NDVI影响显著的区域，明确生态修复工程的净效应与区域差异。结果表明：全域NDVI均值由0.58升至0.62，年均增长率达6.9%，其中聚呼更矿区植被恢复成效最显著，NDVI均值由0.38升至0.51，高植被覆盖度（NDVI>0.5）面积比例从36.7%增至54.2%；相邻年份间NDVI显著改善面积呈“先升后降”趋势，反映修复进程的阶段性特征：聚呼更、江仓矿区在2020—2021年NDVI显著提升的面积占比达到峰值，分别为26.1%和13.1%；而哆嗦贡玛和弧山矿区在2021—2022年达到最大值，分别为21.7%和10.7%；影响机制上，地形对NDVI空间分异的解释力大于气候因素；人类活动对聚呼更矿区和哆嗦贡玛NDVI时间变化的正向影响面积比例分别为25.1%和11.6%，显著高于矿区周边区域（5.0%），凸显生态修复工程对植被覆盖度提升的主导作用；上述矿区的显著负向影响比例（4.4%、6.2%、4.5%）与周边区域（5.0%）接近，说明生态修复工程未额外加剧植被退化。综上所述，木里煤田生态修复工程显著提升了矿区植被覆盖度，但存在区域异质性和生态脆弱性；人类活动的负面影响处于可控范围，未对生态恢复整体进程构成显著阻碍。木里煤田的生态修复并非一劳永逸，未来需针对不同矿区制定差异化的动态监测与维护策略，尤其要重点关注植被覆盖度低与退化较严重的区域，探究其成因并及时调整修复措施，并严格管控其他人类活动的负面干扰，以有效应对潜在的生态退化风险，持续巩固生态修复成果。研究不仅为矿区植被变化监测与恢复效果评估提供了实用的技术方法，还为木里煤田以及其他高寒矿区的生态修复提供了可推广的技术范式。

• VIPS参数优化制备高性能膜蒸馏膜及其高矿化度矿井水处理应用

  李真, 刘淑琴, 李井峰, 蒋斌斌, 卞伟,

  膜蒸馏技术凭借运行压力低、可高效利用低品位热源等独特优势，在高矿化度矿井水零排放处理工艺体系中占据重要地位，是构建经济高效处理流程的关键技术单元之一，但高能量抗污染的膜蒸馏膜的欠缺阻碍了其迈向工业化应用。使用蒸汽诱导相分离（VIPS）技术取代传统液致相分离技术制备疏水微孔聚偏氟乙烯（PVDF）膜，并将其应用在膜蒸馏高矿化度矿井水处理技术中。通过对VIPS过程温度、湿度、暴露时间等参数的协同调控，实现对膜结构与性能的优化。利用扫描电镜、孔隙率测试、孔径分析仪等表征手段，监测了不同参数条件对膜结构的影响，通过响应面法综合分析多因素之间的协同作用，使用高盐模拟水与宁东矿区真实高矿化度矿井水测试了优化VIPS膜在膜蒸馏过程中的实际性能表现。结果表明：温度升高会加速VIPS过程的相分离速度，减少膜表面结节结构的形成并帮助膜形成更大的孔径与孔隙率，但过高的温度会对孔隙率的提升起到抑制作用；湿度的增加有利于提升VIPS过程中非溶剂的入侵速率，帮助增大孔径与孔隙率，提升膜通量，但过高的湿度反而会使得孔隙封闭；暴露时间主要决定相分离的进程，暴露时间过短相分离不充分，暴露时间过长会使孔隙坍缩，适宜的暴露时间帮助形成均匀且高性能的膜。参数之间还存在不同程度的相互作用，温度与暴露时间的协同作用最为显著，其次是温度与湿度，而湿度与时间之间的作用较弱。最终使用温度40 ℃、湿度70%、暴露时间15 min为优化参数制备了VIPS膜，并且使用直接接触膜蒸馏装置评估了其处理性能。测试发现膜的平均通量分别达到14.75 L/(m2·h)和14.03 L/(m2·h)，截留率均在99.9%以上，并且在测试期间始终保持稳定。测试前后膜表面电镜图片显示其并未出现明显的污染物附着情况，接触角测量数据测试前后也稳定在110°左右，说明膜具有较好的抗润湿和污染能力，展现出了良好的性能。

• 矿渣−电石渣胶凝材料的孔隙分形特征及其对重金属吸附的影响

  李建民, 张嘉勇, 郭立稳,

  煤炭长期占据我国能源消费结构的主体地位，因煤炭洗选加工及巷道开拓活动，矿井水中重金属污染问题日益严峻。胶凝材料在治理重金属矿井水方面具有显著优势，其孔隙结构特征及分形特性对吸附性能起着关键作用。为了研究胶凝材料孔隙结构及孔隙分形特征对重金属离子的吸附影响，以矿渣和电石渣制备固废胶凝材料（GCCM），通过XRD、SEM、低温N2吸附/脱附、Cr6+吸附等试验方法和FHH分形模型，开展GCCM水化产物演变、孔隙分形特征及Cr6+吸附性能研究。结果表明：GCCM水化产物以C−(A)−S−H凝胶为主，当n(CaO)/n(SiO2+Al2O3)为0.635时，凝胶网络致密。低温氮气吸附/脱附曲线属IV型并呈现H2型滞后环，以介孔（2～50 nm）为主；GCCM孔隙结构特征存在明显的分形行为，孔隙内部分形维数D2大于孔隙表面分形维数D1，反映C−(A)−S−H凝胶水化产物主导的多级孔隙结构及材料非均质性导致内部空间复杂性更高。分形维数D与抗压强度、比表面积和孔体积正相关，与平均孔径和n(CaO)/n(SiO2+Al2O3)负相关；GCCM对Cr6+的吸附过程符合Langmuir单分子层吸附，D与Cr6+最大吸附量（Qmax）正相关，D1对Qmax的影响更显著（R2=0.964），GCCM表面孔隙为重金属的吸附提供了直接接触位点。GCCM的重金属离子浸出浓度满足GB 8978—1996《污水综合排放标准》中Ⅲ类水和GB 20426—2006《煤炭工业污染物排放标准》等多项限值要求。研究为固废基胶凝材料在矿井水重金属治理中的应用提供了分形理论支撑与配比优化依据。