煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第2期

• 厚硬顶板采场诱发逆断层失稳的力学机制研究

  余伟健, 郭涵潇, 李可, 廖泽, 吴根水, 潘豹,

  为了研究厚硬顶板条件下工作面逆断层的失稳力学机制，通过断层边界煤柱尺寸、断层倾角及岩层移动角三者关系，确立了采场覆岩移动区与断层面之间的空间关系模型。通过采场覆岩各岩层移动角建立了覆岩岩层移动线方程，结合断层倾角得出了不同层位岩层移动线与断层面之间的距离函数公式，精确划定了断层面与岩层移动线的边界过渡区范围。基于岩层抗拉强度建立了断层边界岩块的极限平衡方程，给出了断层倾角小于岩层移动角情况下，边界岩块力学失稳判据，并通过力矩平衡方程建立边界岩块的偏转失稳判据。以现场案例为基础，采用双判据确定了断层倾角小于岩层移动角情况下的逆断层的活化岩层区域，确定了断层面的活化规律与离层空间分布情况。理论分析了逆断层边界条件的围岩变形破坏机理，试验模拟了断层区域采场岩层的整体运移规律，全面计算探究了厚硬顶板条件下逆断层区域采场围岩的力学与位移变化模式。结果表明：逆断层在厚硬顶板破断前发生活化；断层小于岩层倾角情况下，断层面离层空间主要分布在厚硬顶板区域的弯曲下沉带；与断层面产生离层空间的岩层竖向裂隙空间显著减少；与断层面产生离层空间的岩层对采空区空间的向上传递效率显著提高；可以通过优化断层保护煤柱尺寸来维持断层围岩的稳定；双判据模型从理论层面给出了断层边界保护煤柱的尺寸取值依据，为现场的保护煤柱宽度提供最优解。

• 大倾角工作面覆岩三维破断运移演化规律

  解盘石, 黄宝发, 伍永平, 罗生虎, 朱明建, 易磊磊, 徐辉, 陈建杰,

  大倾角煤层安全高效开采的关键是对采场围岩与装备的多维耦合控制，定量化表征大倾角采场覆岩空间结构破断特征、采动裂隙发育和空隙分布特征是实现该类煤层精准岩层控制的前提。以大倾角长壁大采高工作面为工程背景，采用数值计算、现场实测与理论分析相结合的研究方法，在厘定覆岩空间移动变形规律的基础上，引入三维曲率、岩体空隙率及分形几何理论定量描述了采场不同区域破断岩块的运移–堆砌–铰接特征及岩体裂隙分布规律，实现了大倾角大采高工作面开采过程中三维结构组成及采动裂隙场空间占位的动态精细定量表征。研究表明，大倾角大采高破断顶板在采场空间发生了多维度耦合的非均衡运动，中、上部顶板以垂直岩层运动为主，下部顶板演变为倾向下滑。顶板破坏形式沿倾向、走向、垂向呈现三维区域异化，上部破断岩块错层、跨层迁移形成倾斜砌体结构，采空区后方存在“非均匀矸石–弯曲悬臂梁–破断岩块”承载结构形成非均匀空顶区域，承载结构相互约束，随倾向位置、覆岩层位不同发生动态演化。支架阻力分区波动性分布，中部阻力>上、下部，走向非同步来压。曲率分布呈“横、竖 O–X”形态，“O”型内部垮落岩块非平行同步下沉，倾向、反倾向堆砌结构并存，正负曲率不一，岩块间形成弱铰接结构。随覆岩层位升高，离层破坏区域向中下部和采空区中部偏移，岩体空隙率和分形维数呈现先增大后减小的现象。研究结果揭示了采空区内部覆岩三维破断运移规律，丰富了大倾角煤层岩层控制理论，也为顶板岩层运移规律的精细定量分析提供了新方法。

• 大倾角煤层下分层复采破碎顶板注浆改性试验研究

  池小楼, 韦忠华, 杨科, 王春梅, 王同,

  以大倾角煤层下分层复采破碎顶板注浆改性为研究对象，结合潘四东矿3、1合并煤层分层开采工程地质条件，建立了5种粒径级配注浆固结体试样模型，开展了基于CT原位扫描加载的单轴压缩试验，研究了粒径级配对固结体强度特征、裂隙演化、声发射信号与微观形貌特征的影响规律。研究结果表明：① 随粒径级配增大，固结体内部孔隙、裂隙等缺陷受岩块与浆液基体间错位运动影响，形成了大规模剪切带，导致固结体单轴抗压强度逐渐减小，6～8 、8～10 mm粒径级配固结体受大粒径岩块影响，早期应力波动明显，破坏形式呈现出由贯穿张拉破坏、张拉−剪切复合破坏向剪切破坏转变。② 随粒径级配增大，水化产物（AFt与C–H–S）未形成交错网状致密结构充填岩块间孔隙，导致固结体整体强度降低；加载过程中岩块端部产生应力集中，剪切带增大，声发射活动提前且更加频繁，高值振铃计数增多，累计振铃计数增速升高。③ CT扫描显示加载过程中固结体破坏主裂隙主要发生在岩块与浆液基体胶结面，极少出现穿岩扩展；随粒径级配增大，固结体内部较多小裂隙扩展贯通成大开度裂隙，裂隙数目减少，其中0～2、4～6、8～10 mm粒径级配固结体破坏后裂隙体积V≤0.01 mm3的裂隙数目占比分别下降9.5%、1.6%、4.0%，V>10 mm3的裂隙数目占比分别提升0.1%、3.5%、4.9%；裂隙灰度值增加，裂隙体积占比增加，形成了更加复杂的裂隙网络。基于试验结果提出了破碎顶板钻孔注浆施工与铺网方案，为大倾角煤层下分层复采顶板稳定控制提供理论基础。

• 浅埋复合采空区覆岩采动裂隙分区特征及其治理技术

  汪北方, 吕元昊, 张晶,

  神东矿区浅埋近距离煤层开采覆岩裂隙发育，漏风条件复杂，遗煤自燃隐患突出，严重制约矿井安全、高效生产。为此，采用相似试验和数值模拟划定浅埋复合采空区覆岩采动裂隙分区，运用分形几何理论量化分区裂隙，基于“关键层理论”分析裂隙分区诱因并针对性提出治理技术方案。结果表明：31114工作面开采覆岩裂隙循环张开、闭合，地表滞后工作面周期性产生倾向动态裂缝。浅埋复合采空区覆岩裂隙呈“M”状分布，划为垮落带不规则裂隙区Ⅰ，裂隙带斜向破断裂隙区Ⅱ、Ⅲ和斜向离层裂隙区Ⅳ，地表边界内侧形成边缘裂缝。其中，裂隙区Ⅰ空隙发育、分布复杂，裂隙网络分形维数最大为1.569，裂隙区Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ分形维数依次为1.531、1.396和1.438。建立浅埋复合采空区覆岩关键岩块“砌体梁”结构力学模型及失稳判据，阐释覆岩基本顶关键层“砌体梁”结构回转变形失稳导致裂隙区Ⅱ和Ⅲ斜向破断裂隙张开，基本顶关键层和层间关键层“砌体梁”结构组合承载作用致使裂隙区Ⅳ斜向离层裂隙发育。提出浅埋复合采空区覆岩斜向裂隙和地表裂缝井上、下协同治理技术，增加工作面进、出上覆采空区和末采阶段推进速度至14 m/d，辅以裂隙区Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ及边界地表回填风积沙、覆盖黄土。SF6示踪技术测试表明浅埋复合采空区地表漏风量小，覆岩采动裂隙治理效果良好，为遗煤自然发火防治提供重要理论参考依据。

• 深部软岩大变形巷道变径分区卸压围岩控制技术及应用

  吴锋锋, 谷浩源, 杨培举, 刘长友, 魏民涛, 蒋与飞, 王平,

  为解决深部软岩巷道围岩大变形、返修次数多难题，以泉店煤矿21运输下山为工程背景，采用理论分析、数值模拟及工程实践等方法，提出了巷道变径分区卸压技术，建立了卸压参数理论模型，得出了卸压关键参数选取区间与弹性应变能密度分布规律，揭示了钻孔卸压能量耗散原理，确定了卸压关键参数的最佳取值。研究表明：① 通过变径分区卸压技术改善了浅部围岩能量环境，减少了顶底板能量升高区面积，并将肩角和底角区域聚集能量向深部转移，实现了巷道精准卸压控制。② 随着浅部小直径钻孔长度(L1)、深部大直径钻孔长度(L2)、深部大直径钻孔半径(r)增加，其弹性应变能密度曲线相应的前峰值、后峰值以及后峰值升高，整体呈正相关。③ 随着深部大直径钻孔间距(D)增加，孔间弹性应变能密度峰值变化呈现先升高后降低再稳定的特点，而钻孔间联合卸压效果与其呈现负相关，依据弹性应变能量峰值增幅得出了影响卸压效果的关键参数权重顺序依次为：L1、L2、r、D。④ 依据理论分析和数值模拟确定了21采区运输下山巷道卸压技术关键参数合理值，巷道实施变径分区卸压技术后，两帮及顶底板变形量分别降低了58.7%、23.7%以及27.4%，巷道稳定得到有效控制，证实了变径分区卸压技术的有效性。

• 大倾角极近距离煤层群重复采动巷道围岩破坏规律与控制方法

  贾后省, 张志明, 刘少伟, 彭博, 于辉, 邵帅钦, 王艺博,

  大倾角极近距离煤层群开采过程中，巷道受多重采动影响，支护维护困难。针对此类问题，以代池坝煤矿大倾角极近距离煤层群重复采动巷道31233运输巷为工程背景，主要采用数值模拟和现场试验研究方法，研究了巷道围岩应力环境演化特征及其作用下巷道围岩破坏规律，设计了有利于围岩塑性破坏分布收敛的非对称屋顶断面，提出了基于巷道围岩塑性区分布规律的非均匀锚杆（索）支护设计方法。研究结果表明：大倾角极近距离煤层群重复采动影响条件下，巷道周边双向主应力差值较大且方向偏转，导致巷道围岩周边破坏呈现非均匀、局部湮灭、最大破坏深度偏转等蝶形特征，巷道内错位置和断面形状决定了巷道破坏形态和范围，内错距直接影响了其围岩塑性区分布与扩展的程度，而坚硬岩层的存在造成塑性区局部湮灭。当巷道内错距离大于17 m时，巷道周边应力趋于稳定，其围岩塑性区大小与形态无明显变化，内错位置大于该距离时，对巷道的围岩稳定性最有利。巷道断面的单边跨度尺寸决定了其所在侧的塑性破坏深度，当巷道断面为非对称屋顶断面时，围岩塑性分布收敛程度显著。巷道断面设计时，巷道最长边应位于坚硬岩层侧且尽量避开最大破坏深度方向，以便充分利用坚硬岩层塑性区湮灭特性，避免巷道围岩塑性区蝶叶过度扩展。因此，可充分利用大倾角非对称屋顶形巷道断面的几何特征，基于巷道围岩塑性区分布规律与合理锚固层位分布特征，进行非均匀锚杆（索）支护设计，有效保障锚杆（索）支护力的发挥的同时，保障巷道围岩的整体稳定。同时，在31233运输巷进行了试验，布设了巷道顶板深部位移与锚索支护力监测站，监测期间顶板变形量在100 mm以内，锚索支护力发挥稳定，围岩整体控制效果较好。

• 冲击地压矿井科学产能确定及科学提升产能研究

  崔峰, 罗钟, 来兴平, 陈建强, 彭宝山, 邹磊, 刘旭东,

  我国埋深1000 m以上的煤炭资源储量占总储量的50%以上，未来将是煤炭资源供应的主要部分，开展冲击地压矿井科学产能确定研究并科学提升冲击地压矿井产能，对于保障我国深部煤炭资源的安全高效开采有重要意义。针对冲击地压矿井产能确定与产能提升问题，利用理论分析、现场监测等研究方法，完成了含有冲击地压煤层的矿井井田范围科学划分，分析了冲击地压矿井不同的采煤方法、开采顺序、开采布局下采煤面扰动响应特征，建立了冲击地压矿井科学产能的确定方法，提出了冲击地压矿井产能科学提升的顶层设计与实践方法。研究结果表明：明确了冲击地压矿井冲击倾向性鉴定与冲击危险性确定的必要性，实现含有冲击地压煤层的矿井井田范围科学规划；研究了采煤方法、开采顺序与布局以及开采参数对采煤面扰动响应特征，得出了冲击地压矿井采煤面科学设计的系统性方法，为冲击地压矿井产能提升创造条件；提出了冲击地压矿井产能确定的技术路径，基于采动力学构建了“分阶段、分区域、分时期、看卸压力度、看历史防控水平”的冲击地压矿井采煤面推进速度确定方法；构建了冲击地压矿井产能提升的顶层设计，明确指出了控制产能的关键是产能提升所带来的冲击危险性，实现采动强度与卸压力度平衡，降低冲击危险性，从而有效的进行产能提升。构建了冲击地压矿井从井田范围科学规划、采煤面科学设计到产能科学确定及科学提升产能的一体化技术路径，为冲击地压矿井科学产能确定及科学提升产能提供了科学指导。

• 基于VRA-UNet网络的煤岩组合体裂隙识别与三维重构

  王登科, 王龙航, 秦亚光, 位乐, 曹塘根, 李文睿, 李璐, 陈旭, 夏玉玲,

  在煤岩组合体裂隙三维重构中，针对传统阈值分割方法无法准确确定煤岩之间的阈值大小从而导致裂隙分割效果不佳的问题，基于深度学习理论提出了一种新型VRA-UNet煤岩组合体裂隙精确识别模型，为煤岩组合体裂隙精确识别提供了一种优化解决方案。为了提升模型的泛化能力和防止初始化模型参数过于随机，使用VGG16模块作为骨干特征提取网络。针对煤岩组合体裂隙拓扑结构复杂，非均匀性强等问题，在上采样部分引入使用残差连接且具有空间维度和通道维度的注意力模块（ResCBAM）增强模型特征提取能力，缓解模型梯度消失的问题。在下采样的末端加入了利用不同尺度卷积核的非对称空洞金字塔模块（AC-ASPP），通过多尺度的特征提取，提高模型对不同大小裂隙的识别能力。同时，利用煤岩组合体CT扫描图像数据集验证了模型的有效性。研究结果表明：VRA-UNet模型在裂隙提取和识别方面性能良好，平均交并比、像素平均值及识别精度分别为85.22%、90.80%和91.95%；与主流的分割网络UNet、PSPNet、DeeplabV3+、FCN和SegNet相比，VRA-UNet模型的平均交并比分别提高了6.05%、16.7%、10.77%、6.87%和6.4%，像素平均值分别提高了7.13%、13.29%、12.84%、7.4%和7.53%，识别精度分别提高了3.82%、14.45%、7.4%、5.58%和4.31%；VRA-UNet识别出的裂隙结构分形维数与原始CT扫描裂隙结构分形维数保持了良好的一致性，真实还原了煤岩组合体内部裂隙结构的分布特征。

• 基于RSM–BBD的复合煤岩冲击动力学特征

  解北京, 栾铮, 李恒, 武博文, 李晓旭, 程昌昊,

  深部煤岩体及煤岩组合承载结构的整体失稳是诱发矿井煤岩动力灾害的主要原因之一。为探究复合煤岩的动力学响应行为，首先借助ϕ50 mm的分离式霍普金森压杆系统，对复合煤岩开展冲击加载试验，探究应变率A(50～350 s−1)、侧向围压B(4～16 MPa)、来压比C(1～4)的影响；其次，借助Design Expert12软件，设计三因素–三水平的响应曲面试验方案，探究单一因素及因素交互作用对动抗压强度σ、能耗率k的影响；最后，基于叠加理论、Weibull分布等，构建叠加损伤本构模型。结果表明：① 复合煤岩的力学特性受单因素及因素交互作用影响显著；单因素对σ、k影响：A>C>B；因素交互对σ影响：AC>AB>BC；因素交互对k影响：AB>AC>BC。② 复合煤岩中煤组分以剪切破坏为主，宏观裂纹易发育至岩组分比例较低的区域，且三元复合煤岩的强度分布呈区域分布特征。其中，复合煤岩强度规律从小到大依次为煤组分–非交界面区域、煤组分–交界面区域、低组分–岩交界面区域、低组分–岩非交界面区域、高组分–岩交界面区域、高组分–岩非交界面区域。③ 构建的损伤本构模型可表征复合煤岩体的动力响应关系，其中理论与试验曲线拟合系数R2≥0.97。研究结果为探究采动阶段工作面的动静载叠加现象、灾害防控提供理论支撑。

• 高温后砂岩真三轴加卸载力学特性演化规律

  王刚, 郑金叶, 刘义鑫, 祝清傲, 杨宝东, 范玉林,

  煤炭地下气化、地热能开采过程中的高温环境及应力场的变化对岩石的力学性质及强度特征均会产生影响，对高温处理后的岩石在不同三轴应力作用下的强度和力学性质变化的研究，在地下工程实际应用中有着非常重要的作用。基于真三轴应力下煤岩水力润湿范围动态监测试验系统，开展不同温度不同三轴应力条件下砂岩的加卸载试验，分析高温后砂岩的变形特征、强度特征及能量变化规律，研究温度及三轴应力对砂岩宏观强度的影响。结果表明：砂岩的破坏以脆性破坏为主，不同温度砂岩的破坏面均沿着垂直最小主应力的方向形成，破裂角随温度的升高而增大，且趋近于垂直；砂岩的承载能力随温度的升高呈现先增强后减弱的趋势，600 ℃时，承载能力达到最大，1 000 ℃时最小；温度对砂岩的弹性模量、变形模量等变形参数的影响较为明显，三轴应力对变形参数影响相对较小；砂岩变形参数与温度大致呈负相关趋势，砂岩变形参数与三轴应力大致呈正相关趋势；1 000 ℃时，砂岩的弹性模量、变形模量和峰值强度均最小，极限应变最大；砂岩加卸载过程中能量密度变化趋势与峰值强度大致相同，其中弹性能占输入能比例较高对砂岩破坏影响较大；结合砂岩的矿物成分、孔裂隙结构及孔隙率的变化情况，发现砂岩的宏观强度变化与微观的结构变化表现一致。

• 动载下含内部裂隙类岩体力学响应与能量耗散规律

  蒋力帅, 杨一鸣, 赵阳, 李皓哲, 吴琦, 彭晓涵,

  深部巷道围岩中煤、泥岩、砂岩等常见岩石强度较低、裂隙发育，在深部复杂力学环境下易发生动力灾害，研究内部裂隙特征对岩体的动力学响应及能量耗散规律对明晰动力灾害的发生具有重要意义。为研究内部裂隙倾角、裂隙分布对类岩体动态力学响应与能量耗散规律的影响，通过砂型3D打印制备含内部裂隙的类岩体试样，采用分离式霍普金森压杆(SHPB)对试样进行动态压缩试验，使用高速摄像机观察裂纹发育情况，并结合能量耗散原理和分形理论分析其动力破坏特性。研究结果表明：随着内部裂隙倾角角度增加，类岩体试样动态峰值应力和动态弹性模量先减小后增大，均在30°时最低；随着裂隙数量的增多，垂直分布裂隙对试样的动态峰值应力影响大于水平分布裂隙；试样破坏的能量耗散随裂隙倾角角度增加呈现先减小后增加的规律，裂隙倾角较小时，松散充填物的存在会加剧应力波衰减，使能量耗散增加，随裂隙倾角增加，充填物对试样的能量耗散影响逐渐减小；相同裂隙倾角下，随裂隙数量的增加，垂直分布裂隙试样能量耗散小于水平分布裂隙，与试样动态峰值应力呈正相关；随着裂隙倾角的增大，试样的分形维数先增加后减小，30°裂隙倾角时试样的破碎程度最大，试样的分形维数最大；裂隙数量的增多使试样破碎块度逐渐均匀，试样的分形维数呈现增大趋势。研究结果揭示了内部裂隙对岩体动力学特性及能量耗散的影响规律，为采用砂型3D打印技术开展复杂内部裂隙岩体动力学试验提供了重要基础，对进一步了解实际工程中深部软岩巷道围岩破裂失稳机理具有重要意义。

• 煤层双重孔隙瓦斯输运机理及模型评估

  刘伟, 韩冬阳, 徐浩, 周禹军, 李天男,

  瓦斯是赋存于煤层中的非常规天然气。瓦斯的输运行为是煤层气开采的核心问题，然而双重孔隙煤层的瓦斯输运机理还没有达成共识。为了明确瓦斯输运机理，可视化瓦斯动态输运过程，构建裂隙中瓦斯由压力梯度驱动、煤基质内瓦斯分别由压力梯度驱动和密度梯度驱动的2种煤层双重孔隙钻孔瓦斯渗流模型。2种模型均采用有限差分法求解。通过自主开发的数值模拟软件得到瓦斯压力分布、瓦斯涌出速度和瓦斯累计涌出量。通过对比数值解算结果与现场实测数据，探讨2种模型的准确性和差异性。结果表明：① 2种模型在抽采前期均由达西流主导，其瓦斯涌出速度和累计瓦斯涌出量与现场基本保持一致，而煤基质内的气体将在后期主导气体输运。② 由于游离瓦斯的存在，基质密度梯度模型的钻孔瓦斯压力变化范围比压力梯度模型的更大，更符合现场实测情况。说明煤基质中的扩散行为更符合游离瓦斯密度梯度驱动模型。③ 钻孔瓦斯涌出速度与原始瓦斯压力、孔隙率、裂隙渗透系数呈正相关，与基质半径负相关。所构建的裂隙瓦斯压力梯度驱动、基质游离瓦斯密度梯度驱动双重孔隙钻孔瓦斯输运模型更真实、准确地反映煤储层钻孔瓦斯输运的物理行为。

• 软硬互层覆岩结构影响卸压瓦斯运–储区交叉融合的厚度比效应

  赵鹏翔, 裴文博, 李树刚, 林海飞, 卓日升, 常泽晨, 邵秋冬, 马晓川,

  为掌握软硬互层覆岩结构影响卸压瓦斯运–储区交叉融合的厚度比效应，以不同厚度比的软硬互层覆岩结构为试验对象，利用二维物理相似模拟试验平台，开展软硬互层覆岩结构裂隙演化及破断机制试验，并结合分形理论定量描述软硬互层覆岩结构裂隙分布特征，根据采动覆岩椭抛带理论，同时引入回转角、贯通度、裂隙率等特征参数，研究软硬互层覆岩结构瓦斯运移区和储集区交叉融合动态变化特征受软硬互层结构厚度比的影响。试验结果表明：瓦斯的运–储区内外边界和运–储交界分别位于分形维数、裂隙贯通度、破断回转角与裂隙率的突变区域，运移区破断回转角大于2.07°，储集区破断回转角为1°～2.07°。瓦斯运移区和储集区破断裂隙贯通度分别为0.6～1.0和0.2～0.6；根据瓦斯运–储区裂隙率、回转角、贯通度的变化，确定瓦斯运移区、储集区与交叉融合区边界，裂隙率、回转角、贯通度呈现先快速减小，后减小速率明显减缓，最后减小速率再次增大的趋势；软硬互层覆岩经历运–储区开始形成、运移区与储集区首次出现、交叉融合区初次形成、交叉融合区扩大、运–储区与交叉融合边界逐渐模糊5个时期，最终形成完整的椭圆抛物带状的覆岩裂隙场；建立软硬互层覆岩结构瓦斯运–储区厚度比效应量化表征模型，同时根据瓦斯运–储区表征参数确定其边界及状态判定流程，确定软硬互层覆岩结构上覆岩层裂隙演化及破断机制。

• 流量控制式脉动水力压裂裂缝扩展特征试验研究

  李全贵, 王明杰, 余旭, 倪冠华, 宋明洋, 程志恒, 孙万杰, 陈亮, 赵政舵,

  脉动水力压裂技术在瓦斯抽采、页岩气开发及地热开发等储层改造领域中展现出起裂压力低、缝网复杂等优势。目前，通过控制流量实现脉动水力载荷输出是工程中的常用方法，但其裂缝扩展机制还不够明确。为此，以砂岩试件为对象，开展了真三轴流量控制式脉动水力压裂试验，分析了泵注频率和泵注速率对泵注压力、声发射能量、裂缝断裂类型及宏观破裂形态特征的影响。结果表明：流量控制式脉动水力压裂的起裂压力、跌落压力及起裂瞬态能量随泵注频率及泵注速率的增加而增大，裂缝扩展面积随泵注频率的增大而减小，随泵注速率的增大而先增大再减小。相较于常规水力压裂，其声发射能量更密集，起裂压力更低，起裂压力最大降低了21.9%，剪切裂纹占比增加5.6%～17.8%，裂缝扩展面积最大增加2.3倍。其脉动水力载荷变化复杂，起裂阶段表现为固定频率、升压力均值和幅值的坡形载荷，裂缝扩展时为固定压力上限、频率和幅值的水平循环形载荷；压力上限、下限和均值与泵注频率及泵注速率呈正相关，压力幅值与泵注频率呈负相关，随泵注频率的增大而先增大再减小。输出的脉动水力载荷类型不同，压裂产生的裂缝扩展特征差异明显。为了提高压裂效果，压裂参数设计要保证输出的脉动水力载荷具有足够的强度和幅值。

• 超临界CO2脉动作用对低阶煤微观－宏观结构损伤演化特征

  刘佳佳, 李元隆, 高建良, 王丹, 张云龙,

  为了明晰超临界CO2脉动作用对低阶煤的作用效果及机理，采集新疆艾维尔沟矿深部低阶煤作为试验对象，通过自主搭建的超临界CO2脉动致裂试验系统开展试验研究，对脉动作用前后的煤样分别进行XRD、FTIR、低温液氮吸附试验、低场核磁共振及单轴压缩试验测定，量化分析超临界CO2脉动作用前后煤体的微观结构、孔隙结构及力学特性变化。结果表明：超临界CO2脉动作用后，煤中方解石和黏土矿物的质量分数增加，黏土矿物质量分数的变化主要受氨伊利石增加的影响，煤中各有机官能团峰值均呈现不同程度的降低，超临界CO2对有机物的萃取作用效果明显，脉动作用后煤体的微晶结构受到损伤，晶体层片间距增加了0.002 9 nm，煤体结构趋于松散；对比超临界CO2脉动作用前，作用后煤样XJ-A、XJ-B有效孔隙率分别提高了66.7%、128.6%，煤体内部孔隙连通性增强，脉动作用对微小孔及中孔的改造作用更明显；超临界CO2脉动作用后煤的力学特性显著劣化，单轴抗压强度和弹性模量分别降低54.73%和59.82%，声发射振铃计数和累积能量均大幅降低，振铃计数峰值降至作用前51%，煤样内部颗粒黏聚力降低，累积能量降低了62%。综上，超临界CO2脉动作用能够显著破坏低阶煤的微观－宏观结构，对深部低阶煤储层致裂增透、煤层气抽采具有重要意义。

• “测氡−磁”法探测小窑自然发火技术的应用研究

  胡相明, 洪海博, 董浩, 吴佰谦, 孙自超, 王伟, 张茜,

  山西小窑煤矿自然发火区域存在火源多且分布范围较广、火源位置隐蔽难以准确探测、漏风通道多、难以防治的实际问题。为了准确探测火源位置及范围，首先，从自然发火区域探测手段的探测机理开展研究，基于测氡法与磁法探测火区基础理论，提出了地面“测氡−磁”联合技术探测原理对小窑火源的位置与范围进行精确探测；其次，使用FD213α能谱氡测量仪和GSM-19T磁力仪现场采集小窑隐蔽火源数据，采用地面“测氡−磁”联合技术对采集数据处理分析，综合圈定小窑隐蔽火源的位置与范围，并利用井下测温与测气钻孔，结合初步探测结果和井下巷道分布情况，对火源位置进行了核实；最后采用钻孔注浆技术进行火区治理，并采取束管气体监测和复测氡法联合技术对火区治理效果进行检测。试验结果发现：井下测温与测气钻孔结果成功验证“测氡−磁”联合技术圈定的隐蔽火源的位置与范围，本次试验共圈定隐蔽火区面积约213 m2；钻孔注浆火区治理工作累积充填材料约1862 m3；治理效果检测表明圈定火区内部指标气体CO体积分数降为0，氡浓度趋于正常水平，治理工作取得良好的效果。

• 煤自燃过程中声波效应及前兆特征研究进展

  孔彪, 钟建辉, 陆伟, 胡相明, 高李阳, 庄则栋, 孙晓磊, 时林超,

  基于声波技术感知煤自燃温度的方法具有应用场景广、实时连续性强等优势，但煤自燃过程中声波信号的前兆特征还未有揭示，进行煤自燃过程中声波效应和前兆特征的研究，为声波法探测预警煤自燃提供理论基础。首先理论分析煤岩热损伤破裂演化过程、声波传输特征，在此基础上建立了3种尺寸煤自燃声波信息测试系统，测试了煤升温及燃烧过程中次声波、声发射及声波声速信息，利用线性拟合、多重分形理论、傅里叶变换等方法，围绕声波信号的时序特征、与温度相关性、空间特征、非线性特征及频谱等方面进行分析，揭示煤自燃过程中声波信号前兆特征规律。结果表明：煤自燃过程中，随着温度升高，次声波声压值阵发性增长，声发射信号的振铃计数、能量值及声波声速与温度正相关；煤自燃前期次声波信号、声波声时变化更为明显，声发射信号在100 ℃之后的增大变化更显著；声波信号具有空间特征，随着热源距离增加，振铃计数、能量发生降低变化，温度升高不同距离下的声速值均不断增加，声速与温度拟合方程R2均超过0.9；煤升温过程中次声波、声发射信号具有多重分形特征并与煤自燃热破裂具有较好对应性；此外，煤升温过程中次声波主频发生迁移、主频幅值不断增加。最后对煤田高温异常区进行声发射测试，温度异常区域声发射信号变化明显。

• 矿山三维地质建模研究进展：原理、方法与应用

  张村, 贾胜, 华埜, 宋启,

  矿山三维地质建模通过直观呈现地下地质结构，有助于提升矿业开发的精准性和效率，减少风险并优化资源利用。笔者归纳了现有三维地质建模技术的原理和方法，总结了三维地质建模技术在矿业开发领域的应用现状，探讨了当前三维地质建模技术面临的挑战与未来的发展趋势。三维地质建模是利用计算机三维图形技术将散布的勘探数据整合为反映地质构造及属性变化的数字化模型。这些模型可分为面模型、体模型和混合模型，同时根据用途和数据来源，又可细分为静态模型（构造模型、地层模型、属性模型）和动态模型。建模过程包括数据获取、处理和模型构建，涉及地质勘探数据、遥感数据和工程数据等多种数据来源，并通过多种插值方法弥补数据不足，国内外已经开发出多种建模软件。在矿山三维地质建模应用方面，三维建模的应用集中于矿产资源开发、采矿工程设计和矿山安全生产，通过建立准确的三维模型，提升对地下结构的认识，实现资源量计算的智能化与动态管理。三维通风模拟与可视化技术能够优化通风方案，节约成本，三维地质建模技术与自动化设备和传感技术结合，可以实现矿区实时监控、精确定位和动态调整。在矿山灾害监测中，三维地质建模技术能够进行矿山灾害的分级评价，并结合数值仿真为矿山灾害的预防和风险规避提供有效支持，保障工作人员的安全。当前三维地质建模技术存在数据处理效率低、自动化程度不足等问题，未来应结合人工智能，推动三维地质建模技术向智能化、自动化方向发展。

• 煤矿井下特种钻进工艺技术研究进展与思考

  刘建林, 刘飞, 李泉新, 方俊, 刘桂芹, 王四一, 褚志伟, 赵建国, 杨伟锋,

  特种钻进工艺技术是煤矿井下钻进工艺技术体系的重要组成部分，核心是采用特殊钻探技术方法和机具针对特殊的工况条件来实现特定的钻探目标，对于实现煤矿重大地质灾害防治和地质透明化具有重要现实意义。梳理了特种钻进工艺技术的典型应用场景：碎软煤层瓦斯超前区域精准治理、顶板采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采、矿井探放水及隔水层注浆加固，深入分析了应用过程中存在的关键技术难点。围绕钻进设备改进、钻进方法创新和钻进参数优化，全面阐述了特种钻进工艺技术的发展现状、关键技术进展和应用效果，明确了适应于碎软煤层、坚硬岩层、破碎–水敏性地层的特种钻进工艺技术特征，剖析了目前面临的主要技术问题与挑战。针对煤矿井下特种钻进工艺技术呈现出需求多样化、装备智能化、区域特色化的发展特征，提出了下一步攻关方向：① 进一步完善碎软煤层气动定向钻进技术，加快提升地层适应性和工艺匹配性；② 持续攻关坚硬岩层高效钻进提速技术及配套工具，加快提升冲击钻具破岩效率和使用寿命；③ 攻克煤矿井下近水平条件下精细控压钻进理论桎梏和技术瓶颈，加快提升破碎–水敏性等复杂顶底板岩层钻进成孔能力；④ 加快提升煤矿井下智能化钻探技术与装备的可靠性和稳定性，推动实现特种钻进由“装备智能”向“工程智能”的转变；⑤ 研究构建区域级、矿区级、矿井级特种钻进工艺技术体系，推动其在煤矿行业的广泛应用和深入发展。研究可为煤矿井下钻进工艺技术革新和效率提升提供重要参考。

• 沁水盆地深部煤层气开发井完井技术进展

  申鹏磊, 吕帅锋, 白建平, 李国富, 杨燕青, 熊章凯,

  沁水盆地深部煤储层具有低渗−特低渗、局部高饱和、低孔隙率、高热演化程度的地质特征，在直井/水平井+大规模压裂的开发模式下，需要与之相适应的完井技术才能保证储层改造和后期生产效果。系统分析煤层气开发水平井常规单层套管完井技术、裸眼/筛管完井技术、套管+滑套完井技术的不同井身结构和井下工具类型，并对不同完井技术的适用条件和技术特点进行了论述。研究结果表明：常规单层套管完井技术施工工艺成熟，三开完井结构应用普遍，但不利于降本增效；二开完井结构仅适用于煤储层上覆地层较为稳定、无含水层或微弱含水层的地质条件；裸眼/筛管完井技术可减少煤层段的污染，但无法进行后期储层改造，适用于煤体结构完整、煤层渗透性强的储层；套管+滑套完井技术可省去压裂前的射孔作业，但井下工具的正常运行无法保障且后期压裂排量受到限制。针对U型开发井组中的生产直井，在井筒无法满足大规模压裂作业的前提下，提出了新型双层套管完井技术，该技术的原理是在老井筒中根据地质条件和老井特点通过优选套管和固井工具来重塑井筒，满足后期压裂工艺和保证压裂改造效果。其特点主要是在目的煤层顶板以上采用了水泥封固，配合高抗压、较大内径套管，使井筒能够满足高施工压力的大规模压裂，同时煤层段选用筛管，节约了射孔费用，还可有效避免排采阶段地层坍塌掩埋井筒煤层段。该技术在沁水盆地深部煤储层成功应用，试验成果表明其能够满足深部煤层气大规模、高施工压力下的压裂作业，具有推广前景。

• 淮北煤田稀缺炼焦用煤资源赋存特征与开发利用潜力

  詹润, 张文永, 韩锋, 随峰堂, 顾佳一, 刘桂建, 赵田,

  稀缺炼焦用煤是钢铁与化工行业基础保障能源，因具有稀缺性、不可替代性和不可再生性被认为是一种战略性矿产资源。安徽省淮北煤田作为国家首批设立的稀缺炼焦煤重点矿区之一，资源量丰富且煤质优良，是华东地区最具开发潜力的炼焦煤资源产地。为系统认识研究区稀缺炼焦用煤赋存特征与开发利用潜力，利用以往钻孔资料与井下补充采样测试，通过煤岩分析、工业煤质指标测试、综合制图、资源评价等方法，揭示了本区稀缺炼焦煤赋存的时空差异特征、形成控制因素与资源潜力。结果表明：淮北煤田稀缺炼焦煤煤类发育齐全，洗选后的浮煤总体表现为特低−低水、特低−低灰、特低−低硫、特低−低固定碳、中高挥发分的煤质特点，并具有中−强黏结性和结焦性、低钾钠含量与较好机械强度和热强度的工艺性质。本区稀缺炼焦用煤受区域构造与煤层沉积展布控制，下石盒子组7、8煤层最为发育，煤田北部稀缺炼焦煤多呈零星状分布，煤田南部成连续带状分布，由西南向北东方向煤变质程度呈变高趋势。成煤期后燕山期不同方位断裂活动与岩浆耦合作用联合控制了稀缺炼焦煤的形成与时空展布。从清洁绿色开发角度将稀缺炼焦用煤划分为为低灰−特低硫煤、特低灰−低硫煤、低灰−低硫煤3个等级，空间上分别呈现集中式、广泛式、零星式分布特点。分类、分级、分区估算了−1 500 m以浅稀缺炼焦煤保有资源量约有101.65亿t，占煤田总保有资源量的78.13%，资源潜力巨大。通过建立稀缺炼焦用煤资源开发利用评价指标体系，运用层次模糊评价法+“一票否决”因素，将各矿井、勘查区划分为有利、较有利、一般、不利4类开发区，针对不同类型开发区提出了保护限制性开发、总量控制性开发、禁止性开发建议。

• XRD光谱参数的合理确定方法及对煤石墨化的响应研究

  胡广青, 韩锋, 刘伟, 高宇航, 吴盾, 张文永, 罗卉卉, 张燕海, 付彪,

  在煤系共伴生矿产的综合利用和碳中和背景下，煤系石墨日益受到国内外学者的重点关注。XRD光谱分析作为研究分子有序程度和测定煤微晶结构的重要表征手段之一，对揭示碳微晶排列方式的有序性与煤石墨化程度之间的关系具有重要意义。为了更加科学、快速、有效的获取煤的XRD相关指标参数，不断完善煤系石墨的评价指标体系，以淮北煤田7对生产矿井的系列变质程度煤为研究对象，借助煤质分析、煤镜质体反射率和XRD等试验手段，研究不同分峰拟合方法和不同样品前处理方法对XRD光谱参数的影响，探讨基于XRD光谱分析的煤系石墨评价指标的合理确定方法及响应规律。研究表明；① 不同分峰拟合方法对煤系石墨的评价等级结果影响较大，相对基线是否去除而言，底背是否扣除对试验结果的影响更为明显；② 是否考虑（γ）峰对试验结果影响较大，直接影响了样品石墨化程度的划分与鉴定结果；③ 通过对不同原煤和标准Si粉配比条件下的XRD光谱曲线分析，得出在原煤与SiO2质量比为3∶1条件下，采用内标法可以有效确定原煤样品（002）峰的2θ值，试验效果与脱矿物方法相当；④ Vdaf和H/C可推荐为淮北煤田煤系石墨鉴定的主要煤质参数指标，La、La/Lc和d002指标可推荐为淮北煤田煤系石墨鉴定的主要结构参数指标，其中Vdaf<20%、H/C>0.035、La<4 nm、La/Lc<1和d002<0.344 nm可作为淮北煤田煤变质作用进入半石墨化阶段的临界标志。上述研究成果为实现淮北煤田煤系石墨评价指标优选和鉴定体系的构建提供了参考依据。

• 巨厚弱胶结覆岩导水裂隙带演化特征及发育高度预测方法

  李怀展, 孙兢超, 郭广礼, 唐超, 郑辉, 张连贵, 孟凡贞,

  巨厚弱胶结覆岩导水裂隙带发育高度对陕蒙弱胶结矿区煤炭生产安全与地下水资源保护具有十分重要的意义。研究发现该矿区上覆白垩系岩层具有厚度大、强度低、结胶性差且节理不发育等特点，然而该地区煤炭开采时覆岩破坏剧烈导水裂隙带发育较高，裂采比达到30左右，严重威胁矿井生产安全。如何精准预测巨厚弱胶结覆岩导水裂隙发育高度，已成为巨厚弱胶结矿区煤炭安全高效开采的关键之一。基于此，以石拉乌素矿区某工作面为研究背景，利用UDEC数值模拟软件结合实测数据，探究了巨厚弱胶结覆岩导水裂隙带演化特征，得出了巨厚弱胶结覆岩导水裂隙带整体形态呈“△”特征，与东部呈“马鞍形”特征具有显著差异，且其形态及发育高度受采高、弱胶结岩层厚度和位置等因素影响，巨厚弱胶结覆岩对导水裂隙带发育形态及高度有较显著的控制作用。在此基础上，采用板理论建立了巨厚弱胶结覆岩导水裂隙带发育高度预测模型，并在石拉乌素矿区进行了应用，验证了构建模型的有效性和准确性。

• 基于疏水降压法井筒渗水模拟试验与应用研究

  李昂, 杨钧皓, 张文忠, 李远谋, 薛智轩, 范六一, 田胜祺,

  随着我国煤炭资源不断向深部开发，复杂的岩层赋存条件对井筒的建设和使用带来很大挑战。深部立井经常穿越多层含水层，顶板承压水造成的井壁渗水问题尤为严重，不仅威胁到矿井安全，还给传统的注浆治理方法带来挑战，如成本高、施工难度大和渗漏重复等问题。为此基于疏水降压理论建立了一套可视化相似模拟试验平台，模拟了不同岩层、不同放水孔数条件下的井壁水压、放水孔流量变化，分析了放水孔流速与渗流规律、地下水降落漏斗形态发育规律以及渗流水压和井壁压力变化规律，并以彬长文家坡煤矿为例开展了现场疏放水试验。结果表明：出水口流速随管道通径增大而增大；双孔涌水流量相比单孔增幅较大，三孔涌水量增幅较小；距井越近水位降深越大，降落漏斗影响范围随放水孔数增加而增大，单层放水试验降落漏斗形状与降水孔保持对称状，漏斗底端呈现锥形。放水初期水压下降快，后期趋于稳定；将模拟试验结果应用于现场，通过在文家坡煤矿主副井之间打疏放水孔，进行单孔和双孔放水试验，单孔稳定涌水量为75 m3/h、双孔稳定涌水量为175 m3/h，试验显著降低了地下水位，并形成了最大降深达40 m的降落漏斗，现场实测与相似模拟试验结果较为吻合，验证了疏水降压治理方法的科学性和实际效果。研究成果有助于推动深部顶板承压含水层影响下井筒渗水防治技术的进步。

• 相邻露天矿端帮断层带地质灾害隐患体治理方案

  刘光伟, 涂俊雄, 马显帅, 姚勇, 王亮, 赵美玲,

  在我国大型露天煤田开发中，常常有多家煤炭企业进入同一煤田，各煤炭企业均是一个开发主体，对国家划拨条区煤炭资源进行开采，同时或先后建设几个露天矿。相邻露天矿在开采作业过程中所形成相邻端帮因受两矿采动影响较大，易发生滑坡灾害，尤其是相邻端帮到界边坡。胜利西二号露天煤矿和乌兰图嘎锗煤露天矿为同一煤田相邻露天矿，两矿采矿权在相邻端帮处不重合，致使西二露天矿西帮和锗煤露天矿东帮之间形成一个梯形台体，受下覆断层破碎带及两矿作业影响，台体内出现底臌、裂缝、断层垮塌等地质灾害迹象。随着两矿剥采工程发展及对相邻端帮进行靠帮作业，相邻端帮到界边坡间将产生一个更为高陡的不规则台体，为避免灾害性滑坡发生，对该高陡台体稳定性分析基础上，提出“整体挖除回填”的治理方式并确定具体的治理方案。该治理方案明确“整体挖除回填”治理方式作业范围，设计了治理完成时清理工作帮及内排土场边坡形态，可彻底消除地质灾害隐患，并释放西二露天矿内排空间931.83万m3，锗煤露天矿内排空间764.69万m3，两矿可继续实现完全内排。本研究成果为西二、锗煤露天矿相邻端帮断层带地质灾害隐患体治理提供必要的理论依据和技术支撑，同时为类似同一煤田相邻露天矿实施地质灾害治理提供了相关经验。

• 露天矿边坡监测预警体系及变形速率阈值确定方法

  韩流, 陈祥宸, 王胆, 舒继森, GERSON S V Tovele,

  边坡监测是保障露天矿人员设备安全的最后一道防线，完善的边坡监测预警体系和准确的预警阈值是实现监测效果的重要途径，然而，现有的监测系统存在独立运行、无法互补，预警阈值设定缺少依据等问题，这正是我国露天矿边坡监测亟待解决的重要科学问题。以重力式滑坡为研究对象，根据累计位移量–时间曲线特征，将其分为渐变型、突发型和稳定型3类；根据滑面的形状将其分为圆弧滑动和平面滑动2类。对比分析了边坡雷达和GNSS监测的优劣性，并基于刚体运动模型建立了边坡雷达监测单元的位移量和变形速率的误差解算模型，进而结合2种监测方法的优势提出了针对露天矿的“边坡安全评价–边坡雷达覆盖式监测–GNSS精准预警”边坡监测预警体系。根据切线角预警判据，提出了基于关键切线角正切值倍数法确定边坡变形速率4级预警阈值，进一步根据同类滑坡加速阶段T值等分法确定关键切线角。对未发生过滑坡的露天矿边坡，给出了2种关键切线角和预警阈值确定思路。对2个露天矿边坡滑坡案例进行研究，确定了匀速阶段和关键切线角，给出了4级预警阈值，将阈值应用于边坡变形预警，结果表明：露天矿号1的阈值可及时准确的判定东帮变形所处的预警等级，并在第1次Ⅰ级预警信息发出后预留6 h的应急撤离时间；露天矿号2的关键切线角可应用于确定不同阶段的阈值，但平均速率需要结合具体监测阶段的S-t曲线精准确定。变形监测体系和预警阈值确定方法为露天矿边坡监测的可靠性提供有力支撑。

• 煤机装备全生命周期管理系统架构与关键技术

  庞义辉, 毕经龙, 袁鹏喆, 赵宝福, 丁自伟,

  针对煤机装备实现全生命周期数智化综合管理技术难题，将我国煤机装备全生命周期管理技术发展历程划分为3个阶段，从煤机装备管理标准体系建设、设备台账流程管理、智能运维管理及系统平台建设等方面分析了现阶段我国煤机装备管理存在的痛点。研究了煤机装备前期、中期、后期管理目标、业务流程及实施主体，提出了煤机装备全生命周期数智化管理系统总体架构。分析了煤机装备选型优化设计主要影响因素，研究得出了综采设备选型优化计算方法，开发了综采设备选型优化算法及软件平台，提出了煤机装备系列型谱与编码体系构建方法。将煤机装备管理划分为6个业务域，阐明了不同业务域之间的关联关系；研究了工单管理流程不同阶段的业务分工，提出了基于AI赋能的工单精细化管理流程。分析了不同运维模式之间的差异，基于区域集中运维模式提出了煤机装备运维管理技术框架。分析了煤机装备状态感知技术现状及存在的问题，研究了基于非接触式传感技术的间接感知方法，在提高解算精度的前提下降低了安装与运维成本。研究了基于数字孪生技术对实体模型进行远程运维作业的技术路径，提出了几何模型+机理模型+数据模型融合驱动的运行控制与维护策略，展望了煤机装备全生命周期数智化综合管理技术及系统平台研发方向。

• 激光雷达和IMU融合的煤矿掘进巷道三维重建方法

  毛清华, 柴建权, 陈彦璋, 薛旭升, 王川伟,

  针对煤矿掘进巷道存在典型非结构化、特征退化、大尺度环境，巷道三维重建易出现位姿估计精度低、累计漂移误差大等问题，提出了一种激光雷达和惯导（Inertial Measurement Unit，IMU）融合的煤矿掘进巷道三维重建方法。该方法通过迭代卡尔曼滤波将激光雷达观测模型的残差函数和IMU预测模型的先验状态偏差紧耦合，经状态更新得到更为精确的后验状态，提升了退化环境下的位姿估计精度。为降低巷道三维模型重建过程中的累计漂移误差，提出基于体素化广义迭代最近点（Voxelized Generalized ICP，VGICP）的回环检测算法，以基于体素的单分布到多分布的方式进行配准，完成对回环帧的选取及精确匹配，实现回环帧的全局位姿校正，有效降低煤矿巷道三维重建的累计漂移误差。相比于A-LOAM、LEGO-LOAM、LINS算法，所提算法在位姿估计精度和全局一致性方面显著提升。公开数据集试验结果表明：所提算法的RPE和APE均方根误差分别为0.2718和0.5008，与其他算法相比分别降低了53.14%、50.97%、48.31%，和50.41%、47.99%、47.49%。开展了2种模拟巷道场景三维重建试验，结果表明所提算法构建的室内长廊模型各区域在长度、宽度和高度方向的误差均在1.2%以内；所提算法构建的煤矿巷道三维模型与真实巷道空间分布一致，总体距离退化误差仅为2.46%，较其他3种算法重建性能分别提升了66.12%、65.30%、70.43%。在煤矿主体实验室掘进巷道进行三维重建试验，结果表明三维重建结果在长度、宽度和高度方向的平均误差百分比分别为0.47%、0.75%和0.67%，可以实现掘进巷道三维精确建模。

• 综采工作面隔爆巡检机器人设计及工程实践

  关士远,

  针对目前由于综采工作面工况恶劣，本安型巡检机器人存在通过性差、防护能力弱、感知技术手段有限，不能实现常态化运行等问题，提出隔爆巡检机器人方案，以应对综采工作面严苛工作环境。分析了轨道式巡检机器人在该环境下遇到的3种典型的工况：爬坡、错切、扭转。基于轨道式巡检机器人遇到的3种典型工况，设计了一种具有多自由度的隔爆巡检机器人，该巡检机器人除具有视频感知手段外，还增加了激光slam实时建图能力，能提供精确的三维感知能力，并且其感知能力不受光照条件的影响，能在无光条件下使用。针对爬坡工况，采用履带式行走机构；针对错切工况，设计了具有前后2组差速驱动的行走机构，其具有主动转向功能；针对扭转工况，在车身中部增加了纵向转轴。为了对其进行有效的控制，确保其在综采工作面平稳运行，充分考虑其具有约束的特点，分析得出其具有轨迹及底盘约束的运动学模型。同时介绍了该巡检机器人的控制方法，依据激光slam所建的实时三维激光点云地图，提取参考轨迹，根据参考轨迹实时计算各个履带主动轮的速度给定。基于运动学模型，提出一种模型预测控制算法，采用主从控制策略，模型预测控制只在前组驱动实现，后组驱动的控制量根据前组的速度给定及约束计算得出。该控制算法在计算复杂度及实时性方面做了平衡，控制算法基于ROS系统实现。最后，通过充分的井下工业性试验，验证了该控制方法能有效地解决爬坡、错切、扭转等综采工作面的苛刻工况，能在综采工作面执行常态化巡检任务。

• 露天煤矿周边沟壑排土填沟造地协同开采治理技术模式

  雷少刚, 张建莹, 刘昶, 王亮, 贾振旺,

  大规模露天采矿活动对黄土沟壑区地形地貌和生态环境产生了显著的影响。为缓解露天矿普遍面临内排空间不足，进而引起的边坡角过大，超标高排土，产量受限，以及煤矿周边的自然沟壑区水土流失和破碎沟壑土地难治理难利用等问题，提出了一种露天矿周边沟壑排土填沟造地协同开采治理技术模式，其原理是基于技术经济环境效益分析，将原本要排弃到排土场的部分适宜的剥离岩土物料，仿自然地层地貌重构过程将运移物料回填到矿区外适宜治理的邻近沟壑，最后再覆土与植被建设，从而实现节约排土空间和再利用沟壑区土地。主要技术环节包括：基于构建内外同心矩形窗口遍历算法提取区域待治理沟壑选址、基于“源汇”理论统筹排土场土方调配路径优化、基于近自然地貌重塑的沟壑区域复填、排土物料筛选与沟壑复填土层剖面重构、覆土绿化与土地再利用、以及协同开采治理的生态效果评价等关键步骤。以内蒙古准格尔旗某露天煤矿为例开展研究，结果表明，该模式治理的露天矿周边自然沟壑总面积为2.588×105 m2，为矿区减少约1.536×107 m3的土方内排量；结合CLiDE地貌演化与土壤侵蚀评估模型，模拟并评价了30 a期间周边沟壑协同治理后区域土壤侵蚀量减少66.53%，同时协同治理后的地貌表现出较为稳定的演变趋势，同时新增了大量可供利用的土地，达到了“一土两用”目的。为保障该技术模式的推广，还需要有相应的政策支持和严格的过程监管，以确保该模式产生最大的综合效益，并避免引起新的土地占用和生态环境问题。

• 黄河中游陕北煤矿区不同宽度的采动地裂缝对土壤抗冲性的影响

  宋世杰, 阮豪, 王双明, 陈宝灯, 李源红, 刘露, 张家杰,

  采动地裂缝作为黄河中游陕北煤矿区显著且最具代表性的采动损害形式，引发的水土流失效应已经不容忽视。为研究采动地裂缝发育对周围土壤抗冲性的影响，选取陕北柠条塔北翼采动地裂缝发育区内宽度为0～10、10～20、20～30 cm的采动地裂缝作为研究对象，采集其周边水平距离0～80 cm的表层土壤，测定土壤机械组成、>0.25 mm水稳性团聚体、有机质等5个国内外学者普遍关注的土壤抗冲性影响因子和土壤抗冲系数，揭示采动地裂缝周围土壤理化特性指标及抗冲系数的变化规律，构建陕北采动地裂缝发育区表层土壤抗冲系数的预测模型。结果表明：采动地裂缝周围表层土壤在冲刷作用下产生的泥沙流失量会随冲刷时间的增加呈现“速增（0～1 min）、缓增（1～3 min）、稳持（3～10 min）”3阶段的变化过程，冲刷产生的泥沙流失量主要来自于3 min以内，其贡献率超过90%；采动地裂缝会产生大幅降低周围表层土壤抗冲性的效应，最大降幅为32.1%，且采动地裂缝宽度越大，越靠近地裂缝，该效应越明显；土壤抗冲系数与砂粒质量分数呈极显著负相关（p<0.01），与黏粒、>0.25 mm水稳性团聚体、有机质质量分数呈极显著正相关（p<0.01），其中砂粒、有机质、>0.25 mm水稳性团聚体质量分数可作为陕北采动地裂缝发育区土壤抗冲性的主控因素；以采动地裂缝宽度、距裂缝水平距离为变量，构建了采动地裂缝发育区表层土壤抗冲系数预测模型，计算发现当水平距离超过158 cm时，采动地裂缝对周围表层土壤抗冲性的影响基本消失，其可作为陕北采动地裂缝发育区土壤水蚀性防控的靶向区域。研究结果可为黄河中游陕北矿区水土流失的精准防控提供科学依据。

• 典型涉煤产业集聚区地下水污染风险评价与分级预测

  周来, 刘延卓, 亓增刚, 王磊, 孟磊, 冯启言, 戎艳青,

  涉煤产业集聚区污染源数量大且分布集中，容易诱发地下水污染，开展地下水污染风险评价对保护该类地区地下水环境具有重要意义。以山西省某涉煤产业集聚区为研究区，采用DRASTIC与PLEIK模型分别对研究区孔隙水含水层与岩溶水含水层脆弱性进行评价，使用层次分析法（AHP）确定PLEIK模型中各指标权重，并综合污染源荷载与地下水脆弱性来表征研究区地下水污染风险。同时结合研究区地下水采样点水质等级，利用随机森林（RF）分类算法构建地下水污染风险分级预测方法，与叠置指数法的评价结果进行对比。结果表明：①研究区内污染源荷载较高，高污染源荷载区占比约为26.73%，这与涉煤产业污染源分布较为集中的特点有关，在量化污染源荷载时，多个污染源叠加效应明显；②研究区地下水综合脆弱性以中等级为主，中等脆弱性区占比约为82.59%，孔隙水含水层高脆弱区主要位于研究区东部与东南部山前平原地带，岩溶水含水层高脆弱区主要分布在汾河以北岩溶裸露区；③基于叠置指数法所计算出的研究区地下水低、中、高污染风险区面积占比分别为3.55%、59.67%、36.77%，与实际取样点水质等级的一致率为75%；④使用RF预测的地下水污染风险以低风险为主，其分级结果与实际取样点水质的一致率为97.7%，较叠置指数法计算出的结果准确性提高了约22.7%。评价结果以期为研究区地下水污染管控工作提供依据和参考。

• 煤矸石混凝土性能及提升研究进展

  宋强, 杨玉鑫, 许世鹏, 高树军, 刘杰, 鲍玖文, 薛善彬,

  煤矸石是我国堆存量最大的工业固废，对矿区周边造成了一系列严重的生态和环境危害。考虑到煤矸石制备混凝土是利用率最高的处置方式之一，为了实现煤矸石在混凝土中的有效利用，系统总结了煤矸石组成特征、使用参数对混凝土性能的影响，重点归纳了煤矸石粗骨料、细骨料和矿物掺合料的使用条件（掺量、粒度和水灰比等）对新拌混凝土流动性、硬化混凝土力学性能和耐久性（吸水性、抗冻性、抗氯离子渗透性、碳化性能、抗硫酸盐侵蚀性能）影响。结果表明：不同地区的煤矸石组成和性能差异明显，当煤矸石充当骨料时，要求降低其碳含量、硫含量、压碎值和吸水率，并优化煤矸石掺量、粒度和水灰比。当煤矸石充当矿物掺合料时，需要考虑降低粒度（<0.074 mm及活化煤矸石粉）。煤矸石粗骨料、细骨料和矿物掺合料掺量不宜超过45%、20%和10%。此外，还针对性地介绍了煤矸石粗细骨料和矿物掺合料性能提升技术，其中，热活化、表面包覆水泥砂浆、水玻璃以及微生物矿化技术可提升煤矸石骨料性能，而热活化和机械活化主要用于提升矿物掺合料活性。在此基础上，阐明了煤矸石粗细骨料和矿物掺合料性能提升机制，并指出了研究中存在的不足和问题，为煤矸石资源化利用和建筑材料发展提供方向和思路。

• 煤气化渣理化特性及其所含重金属迁移规律综述

  廖昌建, 王晶, 金平, 刘志禹, 徐婉怡, 王坤,

  煤气化渣的资源化利用现已成为煤基固废的研究热点，气化渣的理化特性及其所含重金属迁移规律对其资源化利用至关重要。首先介绍并对比了气流床、流化床与固定床3种煤气化技术，然后总结了煤气化渣的理化性质，包括气化粗渣与细渣的粒度组成、表观形貌与微观形貌、无机物与晶相矿物组成和残炭的含量等，最后分析了气化粗渣与细渣中重金属的迁移行为、风险评估指数及浸出行为。气化粗渣与细渣的理化特性及重金属迁移规律均具有一定的差异，从理化特性来看：细渣粒径远低于粗渣粒径，约60%以上细渣的粒径小于0.250 mm，约50%以上粗渣的粒径大于0.500 mm；细渣的比表面积大于粗渣，平均孔径小于粗渣；粗渣与细渣的无机组分均以SiO2、Al2O3、CaO与Fe2O3为主，其中酸性氧化物占总组分的35%～80%，碱性氧化物占总组分的20%～65%，且粗渣具有较多的碱性氧化物，细渣具有较多的酸性氧化物；粗渣与细渣中的晶相矿物质与非晶态物质并不是简单的煤气化残留物，而是在气化过程中经历了一系列复杂的物理化学反应后形成的，粗渣与细渣的主要晶相矿物均为石英、方解石和莫来石，但其他晶相矿物的种类与含量差别较大，这主要受煤种与气化温度等因素的影响；粗渣中的残炭量多为3%～20%，而细渣中的残炭量多为20%～40%，粗渣中的残炭含量低于细渣，但粗渣的反应活性高于细渣；不同粒径气化粗渣或细渣中的残炭含量分布不均，0.250 mm左右的中等粒度级粗渣具有较高的残炭含量，而细渣中最高残炭含量对应的粒度级为0.125～0.250 mm或大粒径，且细渣中的残炭量多随粒度级的增大而增加；气化渣中的残炭为多孔结构，具有较多且连通性较好的大孔结构，气化粗渣中的残炭多是无定型态，而气化细渣中的残炭具有明显的芳香结构、具有较多的芳香族C—C键或C—H键。在重金属迁移规律方面：重金属在粗渣与细渣中存在不同程度的富集情况，富集因子与重金属元素的挥发性密切相关；与粗渣相比，细渣具有更大的环境风险，气化渣中的Cd、Ni、Cu、Zn、As、Co、Mo、Se、Pb与Cr等重金属存在较高环境风险，应予以重点关注；气化渣中重金属的浸出行为与浸出方案、浸出时间及气化渣颗粒尺寸因素密切相关，在强酸或/与强碱条件下大部分重金属会出现较高的浸出浓度，且重金属的浸出浓度多随时间的增加而增大直至趋于稳定，同时小尺寸气化渣中重金属的浸出浓度通常高于大尺寸气化渣。

• 煤基固废充填料浆长距离输送悬浮态稳定性研究

  李涛, 杨涛, 刘金成, 刘子健, 杨天阳,

  煤矿煤基固废充填开采技术是实现煤炭绿色低碳开采的重要代表性技术，煤基固废料浆充填采空区可有效控制顶板岩层运移，防止衍生灾害发生。针对煤矿智能化大型化发展趋势下，煤基固废充填料浆长距离管道输送中颗粒悬浮态敏感性强易导致浆体浓度不稳定而堵爆管的问题，开展浆体悬浮态稳定性方面的研究，旨在减少煤基固废长距离充填开采中堵爆管事故的发生。首先，应用正交试验、极差分析、方差分析与显著性检验法，评价影响煤基固废充填料浆流变特性的主次因素与影响显著性，得出主次影响因素的排序为料浆>水泥掺量>粉煤灰掺量，各因素影响显著性的排序为料浆浓度>水泥掺量>粉煤灰掺量。确定煤基固废充填料浆的质量分数为75.2%，各因素的最优配比为水泥∶粉煤灰∶煤矸石∶水质量比为12∶19.5∶43.7∶24.8。其次，建立煤基固废充填料浆长距离管道输送基于固液二相载体悬浮液的固体颗粒沉降模型，通过临界不沉粒径力学模型计算、粒度筛分试验、流变特征参数测试，确定固液二相载体悬浮液的密度为1626.82 kg/m3，判别煤基固废充填料浆为非稳定浆体，不具备长距离管道输送的经时悬浮态稳定性。最后，确定使煤基固废充填料浆转变为悬浮态稳定浆体的悬浮临界屈服应力与悬浮临界塑性黏度分别为172.87 Pa、2.39 Pa·s，提出通过添加悬浮剂建立煤基固废充填料浆长距离管道输送稳定浆体体系的方法，以期解决煤矿煤基固废长距离充填开采工程实践问题。