煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第12期

• 近浅埋超大采高工作面来压规律及顶板控制

  刘晓刚, 张震, 刘前进, 任建超, 刘茂福, 蔺星宇, 马镕山,

  针对以榆神矿区为代表的近浅埋厚松散层超大采高顶板控制问题，采用理论分析、数值模拟和现场实测的手段分别对10 m超大采高综采工作面来压规律、顶板结构及工作面强动载矿压控制方法展开了分析研究。结果表明：近浅埋厚松散层超大采高顶板破断形态为“低位悬臂梁（等效直接顶）+高位砌体梁（关键层结构群）”组合形式，高位砌体梁失稳载荷与松散层厚度呈正相关关系，并随着基岩层承载能力增强而降低；当基载比Jz≤1.5时，覆岩层内的“垂直应力卸压区”和“水平应力集中区”影响范围将随着基载比增大而扩大，高位“关键层结构群”承载能力和结构稳定性逐渐提升，并有利于工作面整体来压步距的增大和来压强度减弱；当基载比Jz>1.5时，顶板岩层应力环境变化受基载比影响减弱，高位基岩层结构与松散层载荷趋于平衡，工作面强动载矿压风险显著降低。根据顶板结构特征及工作面来压规律，提出了强矿压防治对策：在基载比Jz≤1.5区域内，提升高位“关键层”结构承载能力是降低工作面来压强度的关键，应精准判定关键层位置，避免对承载结构关键层进行区域弱化；在基载比Jz>1.5区域内，降低采高或对低位厚硬顶板进行区域弱化，以提高采空区充实率，有效地降低工作面来压强度。研究结论在超大采高顶板区域压裂强矿压防治工业实践中得到验证和应用，并取得了理想效果。

• 新型轻质高强拱架力学特性研究及应用

  黄玉兵, 段儒刚, 王琦, 李东浩, 王鸣子, 皇亚坤, 张国川, 李自刚,

  传统型钢拱架质量大、承载力低、安装劳动强度高，难以满足复杂条件下地下工程安全高效的建设要求。以深井软岩巷道为工程背景，采用高强高韧钢材研发了新型轻质高强拱架，利用全比尺拱架力学性能试验系统开展了新型拱架与传统U36型钢拱架的承载性能对比试验，明确了拱架变形破坏模式和承载特性。在拱架钢材性能方面，与传统U36型钢拱架相比，新型拱架所用钢材屈服强度提高了97%，屈服延伸率提升了41.9%；在拱架承载性能方面，新型拱架整体质量减轻了33.3%，但其极限承载力提升了20.1%，稳定滑移阻力提升了111.5%；在变形破坏特征方面，与传统U36型拱架相比，新型拱架极限承载状态下的面内平均变形量降低了16.4%，新型和U36型拱架的应变最大位置均在拱顶或拱腿处。新型拱架具有轻质、高强、高阻、稳滑的特点。在此基础上，开展了现场应用研究，持续跟踪监测结果表明，单榀新型拱架的平均安装时间较U36拱架缩短了40.5%，新型拱架最大变形量为63 mm，最大应力为101.3 MPa，且没有出现明显局部屈曲和面外失稳现象，安全储备高；围岩收敛变形在30 d后基本稳定，整体受力由大到小为拱顶、拱肩、拱腰。新型拱架在承载能力和施工效率方面具有明显优势，为深部矿井拱架支护提供了一种轻质高强的材料选择。

• 不同倾角和刚度下逆断层活化对煤矿冲击地压的影响

  荣海, 寇松悦, 张宏伟, 陈林林, 李南南, 魏世龙, 和龙悦, 王政皓,

  逆断层活化会加剧冲击地压发生危险，断层的倾角与刚度对冲击地压发生的能量积聚与释放具有控制作用。为分析不同断层倾角与刚度对煤矿冲击地压的影响，以义马矿区耿村煤矿赋存的F16逆断层为工程背景，综合运用理论分析、数值模拟、现场监测等方法，分析不同断层倾角和刚度对回采工作面应力场演化及断层活化失稳的影响规律。结果表明：当逆断层倾角超过60°时，逆断层剪应力与垂直应力显著集中，导致滑移风险系数β增加，断层易进入活化状态；当断层刚度比<1/5时，工作面超前支承应力峰值升高，同时水平位移呈现非线性增长，在工作面前方形成“应力屏障”效应，加剧了煤体能量积聚，增加冲击地压危险。以F16逆断层为例，耿村煤矿13200工作面处于F16断层影响范围内。通过对F16断层活动性进行监测可知，在监测期间内，13200工作面回采期间内，由于F16受采动影响，断层发生活化，导致煤岩体内积累能量集中释放，诱发了5次大能量微震事件。为断层型冲击地压的预测与防治提供了理论依据与参考价值。

• 单侧采空覆岩变形规律及导水裂隙带发育高度预测

  曹宗友, 袁亮, 徐良骥, 刘潇鹏, 孙志豪,

  针对厚松散层矿区单侧采空条件下导水裂隙带时空演化规律复杂、现有预测方法适应性不足等问题，探究单侧采空条件下覆岩变形演化规律，建立考虑采空区预破坏效应的导水裂隙带发育高度预测方法。以淮北矿区某煤矿866工作面为研究对象，采用理论分析与现场监测相结合的方法，构建了基于分布式光纤的“待采工作面−煤柱−邻近采空区”三位一体覆岩变形监测体系，建立了基于覆岩变形梯度分布的导水裂隙带发育高度量化判定指标，提出了单侧采空条件下的导水裂隙带发育高度预测模型。结果表明：采场覆岩空间分异特征显著，采空区沉陷呈现残余沉降与采动沉降先后主导的复合变形模式，工作面区域受强动态开采扰动控制，煤柱区表现为应力滞后传递特性；基于光纤累积绝对变形贡献率曲线拐点判据，结合不同深度区间的覆岩变形分布特征，确定导水裂隙带发育极限高度为77 m，开采稳定后导水裂隙带内岩层绝对变形量占总绝对变形量的87%；已有采空区在−280 m深度形成上压缩−下拉伸双区变形模式，导致下方岩层离层。结合关键层理论和板理论提出了考虑单侧采空区预破坏效应的导水裂隙带预测方法，根据关键层理论将覆岩划分为高位、低位岩层，结合板理论建立破坏判定模型，预测866工作面的导水裂隙带高度为71 m，与实测值的相对误差仅8.4%。

• 厚硬岩层预裂对沉陷边界的调控机制及应用研究

  蔡金池, 阎跃观, 梁希峰, 戴华阳, 马国平, 王锦龙, 尹宝杰, 陈俊,

  煤炭开采引发的地表沉陷威胁矿区人居环境和基础设施安全，合理调控沉陷范围，可缓解受护对象安全与滞压资源回收之间的矛盾，对矿井合理规划和可持续发展具有重要现实意义。针对煤柱侧采动应力损伤在煤层−覆岩−地表中传导路径不明确，厚硬岩层预裂对地表沉陷边界调控机制不清晰的问题，基于理论研究和力学分析，明确了应力损伤在厚硬岩层中的传播效应，分析了应力损伤在覆岩中的传导路径，构建了地表沉陷边界的力学传导模型。在此基础上，揭示了基于厚硬岩层预裂的地表沉陷边界的调控机制，进而提出了沉陷边界优化方法，并进行效果验证。研究结果表明：厚硬岩层破断后形成的悬梁会承受额外荷载，使应力损伤向原岩深处偏移，对厚硬岩层特定位置预裂可改善煤岩体上方荷载和应力集中，减小地表沉陷范围。其中，偏移量与额外荷载呈正相关关系，预裂卸压能力与沉陷范围呈负相关关系；结合工程实例，确定了不同层位厚硬岩层预裂下的保护煤柱宽度：仅预裂高位厚硬岩层时为185.5 m，仅预裂低位厚硬岩层为176.1 m，高、低位厚硬岩层均预裂为148.3 m，相较于未预裂方案，分别可多解放6.0%、10.8%、24.9%的围护带外侧滞压煤柱资源。现场低位坚硬岩层预裂后，实测地表沉陷范围减小了20 m，验证了模型与方法的准确性。研究结果可作为传统保护煤柱留设理论体系的有益补充，对矿区损伤防治及产能接续具有一定参考价值。

• 循环加卸载下裂隙砂岩变形破坏及声发射响应特征

  朱宁强, 李学龙, 陈绍杰, 陈德友, 梅城玮, 马行之,

  在煤矿开采活动中，周期性的采掘扰动导致裂隙岩体承受循环载荷的作用，开展了不同加卸载幅值条件下裂隙砂岩的循环加卸载试验，分析了裂隙砂岩在循环加卸载下的力学特征、变形破坏与声发射响应特征以及损伤演化规律，从宏细观结构变化方面揭示了循环载荷对裂隙砂岩力学特性强化与劣化机制。结果表明：① 随着循环加卸载幅值的增大，循环加卸载后裂隙砂岩的峰值载荷、弹性模量、峰值应变均呈先增大后减小的趋势；经过以40%单轴抗压强度（σ0）与60%σ0为幅值进行循环加卸载后的砂岩强度较高，变形局部化带错动量突增的时间相对较晚，砂岩最终破坏程度剧烈；当循环幅值增加至80%σ0时，在加卸载过程中局部化带错动量表现相对活跃。② 40%σ0与60%σ0为幅值进行加卸载的试样由于颗粒间的滑动摩擦，导致声发射事件较多；当循环幅值增加至80%σ0时，由于试样内部产生了大尺度新生裂隙，发生了高振幅的声发射事件；试样的AF/RA值表明随着循环幅值增加试件循环加卸载后的最终破坏类型由拉伸破坏转变为剪切破坏。③ 结合对砂岩破坏后断面的SEM分析，提出了循环加卸载下裂隙砂岩强度强化与劣化机制概化模型：在中低幅值扰动下薄弱结构断裂效应和压密嵌固效应导致裂隙砂岩密实和剧烈破坏；高幅值扰动下砂岩加载时剪切裂纹扩展，卸载时张拉裂纹发育。④ 在60%σ0～80%σ0存在一个门槛值，当循环幅值超过此门槛值，砂岩的损伤变量增长迅速，随着循环幅值的增加耗散能及耗散能占比逐渐增加。研究成果可为煤岩动力灾害监测预警与防控提供数据参考。

• 考虑长径比与应变率耦合效应的砂质泥岩动态损伤本构模型

  孙卓越, 吴拥政, 李军臣, 付玉凯, 周鹏赫,

  长径比对岩石试样在冲击载荷下的力学特性和能量演化规律具有重要影响，目前针对同时考虑长径比和应变率因素耦合的岩石损伤本构模型尚需完善。采用分离式霍普金森压杆（SHPB）系统，开展了4组长径比（0.4、0.6、0.8、1.0）和5级冲击气压水平（0.2～0.6 MPa）的动态压缩试验。分析了强度、变形、能量等参数与长径比的关系，推导了反射能、透射能、破碎耗能与入射能理论斜率，并基于韦伯分布和D-P准则建立了考虑长径比和应变率因素耦合的损伤本构模型。结果表明：① 冲击载荷下砂质泥岩试样动态应力–应变曲线可分为压密阶段、类弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段；在试验涉及的冲击气压范围内，动态增强因子与长径比呈正相关，软化系数与长径比呈负相关。② 随长径比增加，试样破碎耗能密度呈降低趋势；随试样长径比由0.4增至1.0，反射能占比由19%增至31%，透射能占比由37%减至21%，破碎耗能占比在43%～48%；对试验数据进行拟合，发现反射能、透射能、破碎耗能与入射能均呈一次正相关关系；基于应力波从入射杆传至试样的界面反射系数\lambda ，理论推导得到反射能、透射能、破碎耗能与入射能理论斜率分别为\lambda^10 、\left(1-\lambda^6\right)^2 、1-\lambda^10-\left(1-\lambda^6\right)^2。③ 基于试验获取的动态强度与应变率和长径比的函数关系，对采用韦伯分布和D-P准则推导的初始本构模型进行修正，得到的损伤本构模型与试验曲线一致性良好，可用于表征砂质泥岩动态力学特性。

• 基于DOFS的矿山隐蔽致灾多因素智能感知现状与分析

  史伟鹏, 张平松, 孙斌杨, 魏广庆,

  煤炭是我国能源安全的“压舱石”，而隐蔽致灾因素和深部环境“三高一低”问题威胁着煤矿安全、高效与绿色开采。目前，矿山隐蔽致灾因素的探测主要依赖地质调查、钻探及物探方法，但这些方法存在数据获取有限、成本高昂以及覆盖范围较窄等问题。分布式光纤感知技术（DOFS）凭借其分布式感知、长距离覆盖、高精度测量及抗电磁干扰等优势，能够实时监测应力、温度、渗流及振动等多场参数，从而显著提升了隐蔽致灾因素的探测能力。系统梳理了DOFS在矿山隐蔽致灾监测中的核心技术及其参数指标，包括光纤布拉格光栅（FBG）、光时域反射计（OTDR）、光频域反射计（OFDR）、布里渊光时域反射（BOTDR）、布里渊光时域分析（BOTDA）、布里渊光频域分析（BOFDA）、拉曼光时域反射（ROTDR）、拉曼光频域反射（ROFDR）以及分布式声波传感（DAS）等。从监测能力、适用场景及选型标准等多角度对上述技术进行对比分析，并结合典型工程案例，探讨了DOFS在煤矿围岩稳定性分析、支护结构健康监测、瓦斯灾害预警、巷道温度场演化及带式输送机状态评估等方面的应用优势。针对DOFS技术在多场数据精准获取、海量数据智能解译、感知数据有效表征以及多手段联合监测等方面的现状进行了分析，并提出优化方案，包括厘清光纤感知数据与致灾成因的反馈机制、优化多源多场耦合系统构建、建立基于时空大数据挖掘的灾害演化模型，以及推进智能监测与实时预警系统建设。基于“实体空间、感知空间、决策空间”三层架构，提出了矿山隐蔽致灾监测与预警体系的概念模型，并结合DOFS与人工智能技术，实现智能匹配与自主调控，从而为矿山灾害预警及智慧矿山建设提供理论与技术支撑。

• 催化吸附型复合粉体CuO−CeO2/CaO的抑爆和气体消融研究

  张雷林, 任柯, 虞勇,

  煤矿瓦斯爆炸事故不仅会产生巨大冲击波，还会生成大量有毒有害气体CO，严重影响了矿井安全生产环境。为实现抑爆和气体消融的双重防护目的，以CuO−CeO2复合氧化物为CO催化剂，CaO为CO2吸附剂，采用固相浸渍和热分散相结合的方法制备了掺杂CaO的催化吸附型复合粉体CuO−CeO2/CaO。通过升温和恒温气体反应试验探究了H2O和CaO掺入量对其催化吸附性能的影响，利用X射线衍射仪、X射线光电子能谱仪、拉曼光谱仪和扫描电子显微镜对CuO−CeO2/CaO的物理化学结构进行了表征，通过20 L球形爆炸测试仪和气相色谱仪分析了不同粉体的抑爆和气体消融性能。结果表明：CaO的掺杂降低了H2O和CO2对CuO−CeO2/CaO的负面影响，促进了表面氧空位的形成和Cu−Ce之间的相互作用，进而提高了CO催化性，使其在120 ℃左右可完全氧化CO，且当CaO的掺入量质量分数为15%时，其CO催化性和CO2吸附性最高。相比等质量Al2O3和CuO−CeO2粉体，CuO−CeO2/CaO复合粉体的抑爆和气体消融能力更强，具体表现为加入CuO−CeO2/CaO后，瓦斯爆炸的最大爆炸压力、最大压力上升速率和爆燃指数均达到最低，分别为0.483 MPa、7.60 MPa/s和2.1 MPa·m/s，其CO和CO2消除率达到最高，分别为89.1%和95.3%。研究证实了复合粉体CuO−CeO2/CaO在利用其催化吸附性消除CO和CO2的同时，通过中断链式反应、稀释窒息作用和吸附产物的吸热作用降低了瓦斯爆炸压力，为降低瓦斯爆炸危险性提供了新的思路。

• 水射流自驱钻头修孔中环空比对煤屑运移影响

  魏建平, 李林豫, 张慧栋, 张宏图, 李阳, 刘勇,

  水射流自驱钻头修孔技术是针对井下失效钻孔的高效修复技术，提高自驱钻头修孔效率是提高煤矿安全生产效率的关键。自驱钻头修孔效率同时受到钻进效率和钻孔内煤屑运移效率影响，而钻进效率与煤屑运移效率相互制约。为达到最佳修孔效率，实现最大钻进效率的同时保证基本煤屑运移能力，采用CFD-DEM耦合研究了不同参数下的修孔过程，分析了不同环空比、射流压力、煤屑粒径及钻孔倾角下的煤屑运移规律，建立了不同环空比下煤屑运移临界质量流量理论模型，明确了不同射流压力、煤屑粒径及钻孔倾角下环空比的选取范围，并开展了环空煤屑运移规律试验，试验结果与数值模拟结果一致。得到以下主要结论：环空比、射流压力、煤屑粒径及钻孔倾角均影响环空煤屑运移，其中环空比是主要影响因素，环空流场流速和液固两相流压降是决定环空煤屑运移能力的关键参数。随环空比增大，流场流速先增大后减小，同时降低了液固两相流压降，导致煤屑运移能力先提升后下降。煤屑运移能力与射流压力呈正比，与煤屑粒径和俯孔钻孔倾角呈反比。确定了不同条件下最优修孔效率参数：当射流压力为0～10 MPa时，选取环空比0.53，当射流压力为10～15 MPa时，选取环空比0.44，当射流压力大于15 MPa时，选取环空比0.39～0.44；煤屑粒径为0.5～3.0 mm时，选取环空比0.53～0.60；钻孔角度为−60°～0°时，选取环空比0.44。最优修孔效率参数为井下修孔时不同条件下的钻头及管径的参数选择提供依据。

• 钻孔密封段煤−封孔材料耦合变形特征及其密封性能

  徐刚, 曾一丹, 赵海波, 杨守国,

  封孔材料力学特性及注浆参数对瓦斯抽采钻孔密封段煤−封孔材料耦合变形的影响尚不清楚，是制约深部煤层钻孔密封性能提升的主要因素。基于钻孔密封段煤−封孔材料结构特征，通过引入煤−封孔材料耦合强度因子χ，运用莫尔−库仑准则建立钻孔密封段煤−封孔材料耦合力学模型，推导得出封孔材料和煤体的应力、位移、塑性区半径及破碎区半径的解析解，并得到钻孔密封段漏气圈面积的计算方法；研究了封孔材料黏聚力、支护力及钻孔半径等因素对密封段煤−封孔材料塑性区半径和破碎区半径的影响规律，探讨了支护力、封孔材料黏聚力与煤−封孔材料耦合强度因子χ对漏气圈面积和钻孔密封性能的影响，阐明了煤−封孔材料耦合强度因子χ影响钻孔密封性能的机理；再采用数值模拟方法对密封段煤−封孔材料总塑性区面积进行了验证，最后通过瓦斯抽采钻孔密封工程实践对比分析了总漏气圈面积的现场测试与理论计算结果，并根据瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采浓度的变化规律提出了钻孔密封参数优化方案。结果表明：封孔材料黏聚力、支护力、钻孔半径对封孔材料破碎区半径的影响程度较小，而对煤体破碎区半径的影响程度较大。密封段煤体的漏气圈面积显著大于封孔材料的漏气圈面积，并且封孔材料黏聚力、支护力、钻孔半径及煤−封孔材料耦合强度因子χ等因素对煤体漏气圈面积的影响程度更大，煤体漏气圈面积是影响钻孔密封性能的主要因素。随着封孔材料黏聚力、支护力的增加和煤−封孔材料耦合强度因子χ的增大，煤体漏气圈面积减小，钻孔密封性能提升。煤−封孔材料耦合强度因子χ与封孔材料的弹性模量和泊松比有关，当\dfracE_\mathrmn\mu _\mathrmn > \dfracE_\mathrmm\mu _\mathrmm时，封孔材料对煤体的约束应力因子λ>0，煤体在接触带发生压缩变形，此时χ>1，引起接触带内煤体能承受的极限压缩应力增加，导致煤体破碎区半径和漏气圈面积减小，钻孔密封性能提升。封孔材料弹性模量越大、泊松比越小，钻孔密封性能越高。总塑性区面积的模拟结果和漏气圈面积的现场测试结果与理论计算结果基本一致，理论模型具有较高的可靠性。基于瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采浓度分析提出当钻孔半径为47 mm时，应选择耦合强度因子为1.25、黏聚力为1.5 MPa的封孔材料，注浆封孔压力应不低于1 MPa；当钻孔半径为56.5 mm和66.5 mm时，应选择耦合强度因子为1.46、黏聚力为2.5 MPa的封孔材料，注浆封孔压力应不低于1.5 MPa，为保证钻孔密封性能提供有力保障。

• 漏风风速对采空区遗煤氧化行为的研究

  梁运涛, 张鹏成, 孙勇, 贾宝山, 张德鹏, 郭宝龙,

  采空区漏风是诱发遗煤氧化、自热及自然发火的关键因素，漏风风速的变化直接影响氧气供应、热量积累和气体迁移过程，从而决定采空区自然发火的发展强度与空间分布特征。为揭示漏风风速对遗煤氧化行为的影响规律，在6组不同漏风风速条件下，利用程序升温氧化动力学测定装置，对蒲河煤矿褐煤的耗氧速率、放热强度及表观活化能等自燃特性参数进行了系统测定，分析其随温度变化的规律。同时，依托尺寸为10 m×5 m×1 m的采空区物理相似试验平台，在进风巷入口风速保持为0.52 m/s时，布置25个测点，分析采空区内部风速、温度及CO体积分数的空间分布特性，探讨采空区内部非均匀漏风场对气热耦合场的影响。结果表明：漏风风速对煤的耗氧速率、放热强度及表观活化能具有显著影响。综合分析本次试验设定的6组风速发现，风速为0.37 m/min时煤的氧化与热积累特性最为显著，在170 ℃时耗氧速率达到2.80×10−7 mol/(cm3·s)，放热强度为1.66×10−2 J/(cm3·s)，其他风速条件下的响应则表现出不同程度的弱化或延迟。物理相似试验结果显示，当工作面进风巷入口风速为0.52 m/s时，采空区高温点最早出现在靠近进风隅角的邻近工作面区域，随后随时间逐渐向回风侧扩展，并向采空区深部迁移，最终在采空区内部形成相对稳定的高温区，稳定区域风速为0.33 m/min。CO体积分数场与温度场表现出较高的一致性，高CO体积分数区域主要分布在高温点及其下风侧附近，呈现热源–CO富集的协同分布特征。上述结论从氧化动力学参数变化和采空区气热场演化2个方面揭示了漏风风速对遗煤氧化及采空区自然发火发展的关键影响规律，为矿井回采工作面采空区火灾的预测、预警与防控提供了科学依据。

• 声波传播角度对喷雾降尘效果影响的规律

  肖鹏, 陈丽萍, 赵波, 李树刚, 刘潇潇, 陈紫溪, 林海飞, 李秉昆, 双海清,

  在矿井作业中极易产生大量煤尘，为了降低煤尘对作业环境、工人身体健康及机械设备的潜在危害，基于声波−水喷雾协同增效降尘模拟试验平台，通过多通道声功率测试系统、TSI8533气溶胶监测仪、矿用粉尘采样器以及电镜扫描仪，分析了不同角度下声场的分布特性、全尘及PM10煤尘降尘效率，以及煤尘质量浓度随声波角度变化的规律，探究声波传播角度对煤尘降尘效果的影响，同时，对比分析了不同角度影响下，喷雾液滴对煤尘的团聚特性。结果表明：随声波角度的增加，声场分布先向巷道上方聚集，当声波角度大于等于60°时，声场声压级开始向下方偏移；全尘主要分布在模拟巷道中部区域，而PM10颗粒物主要分布在模拟巷道中上部区域；随声波角度的增加，全尘质量浓度先增大后降低，当声波角度为0°时降尘效率最高，从仅水喷雾的74.80%提升至85.97%；随声波角度的增加，PM10质量浓度先降低后增大，当声波角度为30°时PM10质量浓度最低，声波联合水喷雾团聚除尘效果最佳，PM1、PM2.5、PM4、PM10的降尘效率相较于仅水喷雾的降尘效率分别提高了31.10%、31.87%、33.49%、30.90%；通过对比PM10降尘前后形态可知，加入声波之后煤尘颗粒团聚在一起形成大的团聚体，并且团聚体周围附着很多小颗粒。不同声波角度下团聚效果不同，当声波角度为30°时，PM10的团聚效果最好，附着小颗粒物最多，团聚体粒径可达36 μm。研究成果揭示了声波角度对水喷雾降尘作用机理，为声波联合水喷雾现场应用提供理论基础。

• 沁水盆地武乡南区块煤层气富集区的构造与沉积控制

  董佳斌, 鲁一帆, 金毅, 宋慧波, 胡斌, 于振锋,

  山西沁水盆地武乡南勘探区块是我国重要的煤层气资源富集区之一，然而其复杂的地质构造特征，尤其是褶皱与断裂的交错分布，极大地限制了煤层气的高效开发。为此，结合区域地质动力学背景，系统分析了该区块的褶皱和断裂构造特征，在对三维地震、测井和钻井资料精细解释的基础上，构建了研究区块的断层和煤层三维模型，并重点分析了该区块内沉积和构造特征与煤厚及煤层气含量变化的相关性。研究成果主要体现在以下3方面：一是依据构造组成与产状特征划分了4个不同的分布区域，并论述了各区域主要构造的性质、要素和分布特点，为区域地质构造的系统分类提供了科学依据；二是依据构造几何学与动力学分类方法，将区块控煤构造样式划分为3种构造类型（伸展、挤压、走滑断层）和9个亚类型，进一步细化了构造对煤层气富集的影响机制；三是通过对山西组与太原组砂泥比值、沉积、顶底板岩性及地质构造特征分析，概要论述了沉积环境、顶底板岩性与煤层厚度及含气量变化的相关性，揭示了沉积环境对煤层厚度具有直接控制作用，且煤层厚度进而影响含气量的分布，并进一步研究了构造对含气量丰度的控制作用。在此基础上，分别划出了3号和15号煤储层各3个煤层气富集区域, 并绘制了煤层气富集区分布特征图。该研究成果可为该区块煤层气高效开发的科学选区提供判识依据。

• 快掘工作面定向长钻孔孔中综合物探超前探测关键技术

  李萍, 卫蓉, 范涛, 赵睿, 蒋必辞, 田小超,

  煤炭资源高效智能化开采的发展对地下隐蔽致灾因素的精准探查提出了更高的要求。如何快速精确探查掘进工作面前方煤岩界面、地质构造和含水异常体是快速掘进亟待解决的关键问题。针对施工空间小、电磁干扰大、异常距离远等问题，将钻探与物探相结合，提出了掘进前方孔中综合超前探测体系。围绕提高径向远探测距离、实现高精度异常成像的目标，利用钻孔瞬变电磁技术开发了基于波场反变换的拟声波介质的虚拟波动场全波形反演算法和三分量空间定位算法，实现了孔旁隐伏含水异常体反演立体成像；针对钻孔雷达探测，提出了波速精准测定、基于钻孔轨迹的煤岩界面及构造空间约束偏移成像等方法。为突破单一探测方法及装备无法全面解释预测掘进前方隐蔽致灾因素的局限性，研制了集成钻孔瞬变电磁、雷达和伽马3种方法的多参数多分量孔中综合探测仪，分析了不同频率电磁波探测的相互影响，开发了具有多孔对比、多参数联动分析功能的多源数据解释平台，通过数据融合解译，提高解释精度和岩性分辨率，减少多解性，形成成套孔中超前探测判识系统。现场应用表明，钻孔综合物探超前探测技术适用于快速掘进，一趟钻可实现超千米钻孔径向30 m的精准探查，大幅提高了巷道快速掘进超前探查效率和精度，为煤矿绿色高效开发提供强有力的地质支撑。

• 非结构化影响下欠约束激光惯性SLAM系统的精准建图方法

  黄晨烜, 王雷,

  井工煤矿现场条件对绝大多数基于激光惯性紧耦合的同步定位及建图系统(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)欠约束，导致煤矿机器人对环境地图的测绘失败，进而使其难以直接进入作业一线。研究分析退化环境中导致里程计漂移的因素，揭示点云非结构化对里程计进入漂移状态的作用机理，提出非结构化的针对性检测方法和尘雾的滤波−插值两步降噪方法，构建基于非结构化状态描述因子的自适应紧耦合里程计。在由WHU-TLS公开数据集Tunnel场地逆向构建的测试环境中，每百米绝对位置误差的均方根误差(EAP-ERMS)约为0.40 m、平均值(EAP-Mean)为0.37 m，相对位置误差的均方根误差(ERP-ERMS)为0.015 m、平均值(ERP-Mean)为0.011 m，总体指标显著优于其他方法。针对挂载超宽带设备的工程化应用需求，采用非线性优化方法维护里程计全局位姿，基于因子图构建非结构化状态约束松弛的里程计因子、UWB(Ultra Wide Band)因子和回环因子。通过对全部因子进行并行全局优化，实现高精度的全局定位及建图。在具备UWB信号的千米级模拟巷道场地中，连续建图EAP-ERMS为1.48 m、EAP-Mean为1.32 m，ERP-ERMS为0.026 m、ERP-Mean为0.013 m。在国家能源集团寸草塔煤矿某巷2 000 m长无回环的现场测试中，连续建图的EAP-ERMS为15.64 m，EAP-Mean为14.53 m，ERP-ERMS为0.198 m，ERP-Mean为0.037 m，验证了系统的工程应用潜力。利用符合防爆要求的16线激光雷达和6轴IMU构建退化场景下精准建图的SLAM系统，对快速推广煤矿机器人的实际应用具有重要意义。

• 刮板输送机啮合传动系统模拟加载与振动磨损检测方法

  周雁迅, 温来玉, 王威, 史志远,

  刮板输送机工况复杂，链轮的过度磨损会导致刮板输送机啮合传动系统故障率提高，影响生产效率和使用寿命，甚至威胁操作人员的生命安全，因此，掌握服役期内链轮的磨损情况十分重要。受伸缩机尾调节链轮中心距控制链条张力的启发，设计了机头、机尾双电动缸机械驱动结构，链轮轴采用分段式结构，搭建了啮合传动系统模拟加载与振动磨损检测试验平台；建立了链条张力模型和啮合传动系统振动磨损微分方程，明晰了链轮磨损量、链条张力对传动系统振动位移的影响规律，设计了基于振动位移监测控制链条张力的控制方法；基于链轮中心距与链条张力的关系，设计了刮板输送机多工况模拟方法，真实模拟刮板输送机井下负载特性，分析了半载、满载、半载冲击和满载冲击工况下链轮磨损量对啮合传动系统振动位移的影响，开展了不同磨损量链轮的振动位移试验。结果表明：链条张力随着链轮中心距的增加而增大，啮合传动系统振动位移随着链条张力和链轮磨损量的增加而增大，实现了试验室环境下刮板输送机的真实工况模拟，为检测刮板输送机链轮磨损提供了有效方案，并且为基于链轮轴振动位移监测进行链条张力控制的研究提供了理论支撑和试验平台。

• 基于滑模观测器的铰接矿车轮胎力级联估计

  武仲斌, 赵岩松, 李浩文, 张君, 邢晨, 任志勇,

  矿山特种车辆橡胶实心轮胎或聚氨酯填充轮胎多为非标准化定制轮胎，给轮胎模型的参数辨识过程造成了诸多不便，车辆固有的复杂非线性特性也对轮胎力的获取造成了诸多限制。为此，针对矿用铰接式特种车辆，采用了一种降阶−级联结构的滑模观测器，在更低成本和占用更少运算资源的前提下实现对矿用铰接式车辆纵向和侧向轮胎力的准确、稳定估计。通过整理和解耦铰接车8自由度水平动力学模型以实现对铰接车动力学特性的描述，以此为基础逐级构建轮胎力观测器，结合滑模控制算法设计了降阶−级联滑模观测器，并引入饱和函数以减少抖振。针对矿用铰接式支架搬运车的典型作业场景，设计了稳态圆周转向综合测试以及动态综合测试试验工况，以铰接车试验平台为对象进行了试验验证，通过采集和记录相关数据实现在Matlab/Simulink环境下对轮胎力进行重构和估计，并进行对比。同时，引入ERMS和ERMS,P指标以评价和分析轮胎力级联观测器的精度。结果表明，基于滑模算法的轮胎力降阶−级联观测器收敛速度快，在2种工况下各轮胎力估计结果的均方根百分比误差均在15%以内，后车体侧向力估计结果的均方根百分比误差不超过8%，整体能够较为有效地捕捉和重现轮胎力的动态变化。

• 聚丙烯酰胺药剂残留对低阶煤浮选效果的影响机理

  包龙祥, 陈军, 闵凡飞, 程雅丽, 于国强,

  为探究煤泥水处理过程中聚丙烯酰胺(PAM)药剂残留对低阶煤浮选效果的影响机理，以淮南矿区潘集、潘一东选煤厂低阶煤为研究对象，采用X射线衍射与傅里叶变换红外光谱法构建低阶煤特征结构单元模型，并结合密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算，研究水、十二烷、PAM吸附结构单元与低阶煤特征结构单元的相互作用；通过不同PAM药剂用量下的浮选试验验证DFT计算结果，并评估PAM残留对浮选效果的影响。DFT计算结果表明：水分子、十二烷和PAM吸附结构单元在与低阶煤特征结构单元的相互作用中，平均吸附能分别为−0.35、−0.39、−0.50 eV，吸附稳定性依次为PAM > 十二烷 > 水分子，表明在竞争吸附体系中，PAM已在低阶煤表面形成更稳定的吸附构型，十二烷难以有效置换已吸附的PAM分子。在3种PAM吸附结构单元中，P−DAC与低阶煤特征结构单元的吸附最为牢固，导致十二烷的吸附位点和吸附量显著减少，并且在PAM参与的竞争吸附体系中，整体吸附稳定性降低，进而削弱了十二烷的捕收效果。低阶煤特征结构单元与水分子的吸附机制主要由氢键作用和范德华力共同主导，其中氢键作用为主要驱动力；低阶煤特征结构单元与十二烷和PAM的吸附以范德华力为主，其中P−AM和P−AA通过与−C=O形成氢键辅助吸附。PAM能够通过影响捕收剂与低阶煤特征结构单元之间的电荷转移，进一步降低吸附稳定性。浮选试验结果表明：PAM能够提升精煤产率，但会导致精煤灰分显著增加、浮选回收率和完善指标下降，导致整体浮选效果恶化。结合DFT计算与浮选试验分析可知，PAM中的极性基团由于低选择性，会将煤与脉石矿物同时浮选，且PAM的网捕絮凝作用会干扰捕收剂的有效吸附，阻碍煤颗粒疏水化，进一步削弱浮选性能。研究通过DFT模拟与浮选试验揭示了PAM对低阶煤浮选效果的影响机理，为浮选工艺优化及絮凝剂的合理使用提供了理论依据。

• 基于多源信息融合的浮选精煤灰分智能检测方法

  王红艳, 孙卓琪, 王兰豪, 南静, 代伟,

  煤炭浮选是现代选煤工艺中的关键环节，其智能化建设水平对选煤厂的经济效益具有显著影响。浮选精煤（简称“浮精”）灰分的在线检测效果是制约浮选智能化进程的关键因素之一。浮精灰分直接反映精煤品质和杂质脱除效率，其在线检测数据对于指导药剂用量调整、优化工艺参数、稳定产品质量和提升精煤产率至关重要。针对煤炭浮选精煤灰分检测滞后性、多源信息融合数据利用难的问题，提出一种基于多源信息融合的浮选精煤灰分智能检测方法。在浮精XRF光谱数据的基础上，融合浮选过程数据和尾矿图像特征等多源数据，采用连续投影算法和多元线性回归进行光谱数据降维，以解决XRF光谱数据维度过大的问题。为了解决多源数据时序不匹配和非线性关系问题，基于希尔伯特−施密特独立性准则进行时间序列对齐，并采用动态节点调整正则化随机配置网络建立数据驱动模型，表征多源数据与精煤灰分间的非线性关系，通过优化网络节点结构，减少计算资源占用，提高模型的泛化能力和检测精度。基于工业数据试验分析，结果表明：该方法检测浮精灰分的均方根误差为0.113、决定系数为0.787、灰分绝对误差为0.3时的合格率为100%。最后开发了浮选X光灰分仪智能检测系统并在现场落地应用，浮精灰分检测结果达到了生产工艺对检测精度的要求，极大提高了浮精灰分检测的精确性和实时性，为浮选生产提供全面技术支持和决策依据。

• 含油污泥型煤制备及燃烧特性研究

  竹涛, 鞠秋歌, 范诗晗, 李芙蓉,

  在煤炭资源消耗量大、含油污泥处置困难且造成的环境污染严重的背景下，为实现含油污泥的资源化、清洁化利用，将煤与不同比例的含油污泥混合、压制成型，制备型煤燃料，在安全高效处置含油污泥的同时，能够综合利用煤炭资源，减少污染物的排放。以含油污泥和煤混合制备的型煤燃料为研究对象，以松弛密度、松弛比、抗破碎性、抗渗水性为物理性能指标，探究含油污泥型煤的最佳成型条件，通过热重分析法研究含油污泥型煤在不同添加比例及升温速率下的燃烧特性，并使用烟气分析仪分析燃烧烟气中主要污染物的排放特征。结果表明：当添加含油污泥20%～40%（质量分数）、成型压力20 MPa、混合原料含水率为10%时，含油污泥型煤的松弛密度增大至1 g/cm3以上，抗破碎性超过90%，型煤的物理性能变优，成型效果更佳。含油污泥的添加有效改善了型煤的着火性能、燃烧特性，当添加40%的含油污泥时，制得型煤燃料的热值为19.43 MJ/kg，稳燃特性指数最大，为3.10×10−5%/(min·℃2)。另外，升高反应温度会促使NO和SO2的生成，当反应温度在900 ℃及以下时，可以更好地控制NO和SO2的排放，同时不影响多环芳烃、重金属的排放，排放浓度低于污染物排放标准限值。含油污泥和煤的混合是实现节能减排的有效方法，含油污泥的加入，降低了型煤的着火温度、燃尽温度，改善燃烧性能的同时能够有效控制污染物的排放。

• 四川筠连矿区关闭煤矿矿井涌水特征污染物识别

  代文豪, 康小兵, 韩熙, 李晓雪,

  关闭煤矿区域的水环境治理与恢复是矿区生态环境的可持续发展的重要基础，其关键是矿区地下水环境中特征污染物的识别。四川盆地南缘筠连矿区开采龙潭煤系，上覆三叠系和下伏的二叠系地层均分布有较厚的碳酸盐岩，关闭矿井龙潭煤系地层涌水中污染物排放影响了岩溶地下水环境。本研究构建了关闭煤矿区特征污染物识别体系，通过水化学特征分析方法、氢氧同位素法和主成分分析法，分析并量化了龙潭煤系地层涌水污染指标的源指示性，利用层次分析法量化了污染属性，分项污染指数法量化了污染程度，将量化结果利用主客观综合赋权法进行权重融合并对比分析，对关闭煤矿涌水污染指标进行特征污染物识别。结果表明，关闭煤矿涌水中的污染指标主要来源于碳酸盐岩和硅酸盐岩及其含矿组分风化溶解下的水岩作用及采矿活动残留物；研究区内污染指标铁与锰有毒性较强和不可降解性且迁移性弱的属性特征，富集作用易对局部水环境造成影响，而迁移强度较大的CODCr和硫酸根易对区域水环境造成污染；污染指标中铁、锰、CODCr和硫酸根污染程度显著。最终识别出综合权重占比较大铁、锰、CODCr及硫酸根为研究区关闭煤矿涌水特征污染物，需要实施重点监控和治理。同时，结合识别结果与岩溶水文地质条件，提出了“煤矸石淋滤入渗型”“采空区水岩作用型”“矿采设施氧化型”“复合型” 4种特征污染物成因模式。该研究在四川盆地南缘筠连矿区地下水污染治理中起导向作用，也为类似矿区地下水环境污染区域特征污染物识别提供了思路。