煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第4期

• 关闭煤矿地下空间抽水储能利用产业化瓶颈与对策

  卞正富, 朱超斌, 周跃进, 曾岩, 李兆泰, 徐雨农,

  传统抽水储能电站作为成熟的规模化储能技术，受地形和土地资源等因素的限制，难以满足快速增长的新能源装机需求。在此背景下，基于关闭矿井地下空间开发抽水储能电站的技术思路逐渐受到关注，并被视为一种具有广阔应用前景的新型储能方式。为助力关闭矿井抽水储能产业化发展，系统梳理了国内外关闭矿井抽水储能电站的工程实践与研究进展，归纳了该技术在工程利用过程中所面临的关键挑战与现实需求。研究聚焦模式设计与选址规划、水循环环境影响机制、地下水库围岩稳定性与密闭性、电站运行多场耦合水力学特性4大核心基础技术领域，剖析了其研究进展与关键科学问题。进一步从技术、经济、政策、环境及社会多重视角，揭示制约产业化的核心矛盾，包括中试平台验证体系缺失、装机容量界定困难、地下空间产权碎片化、环境评估机制缺位及复合型人才短缺等诸多制约瓶颈。针对上述挑战，提出多维度协同发展对策，包括关键技术突破路径、工程经济提升策略、政策标准完善建议、生态环境协同管理及协同创新体系构建。研究旨在为我国关闭煤矿抽水储能技术从理论探索迈向工程产业化应用提供科学依据与技术路线，推动矿区资源绿色转型，助力新型电力系统清洁高效发展。

• 我国废弃/关闭煤矿瓦斯抽采现状及发展趋势

  华心祝, 秦浩, 郝定溢, 石必明, 林柏泉, 赵志根, 张苗,

  在“双碳”目标的驱动下，我国能源结构迎来高质量发展。截至目前，已累计淘汰落后煤炭产能10亿t，废弃/关闭煤矿数量快速增加，据研究预计到2030年，我国废弃/关闭矿井将达到1.5万处，其中赋存非常规天然气近5000亿m3。为构建清洁低碳、安全高效的能源体系，加快发展新质生产力，亟需加大我国对废弃/关闭煤矿遗留瓦斯的抽采与开发力度。系统性地总结分析了我国现阶段废弃煤矿瓦斯地面抽采理论、技术及工艺设备的研究进展与存在问题，提出了未来研究的关键方向与潜在热点。首先，总结了废弃/关闭煤矿瓦斯赋存规律，归纳对比了遗留瓦斯资源量评估方法，分析了废弃煤矿地面抽采过程中瓦斯渗流及运移规律。其次，总结了2种常见的废弃/关闭煤矿瓦斯地面抽采技术，以及采用的钻井抽采工艺设备，对比分析了与生产矿井地面钻井瓦斯抽采工艺的异同。然后，从废弃/关闭煤矿瓦斯抽采理论、技术和工艺设备等方面分析了研究中存在的不足：① 瓦斯资源赋存空间和机理不明；② 瓦斯资源量评估不精准；③ 瓦斯次生运移及动态积聚规律不清；④ 瓦斯抽采渗流及运移规律研究不充分；⑤ 瓦斯抽采关键技术不成熟；⑥ 地面钻井工艺设备不全面；⑦ 瓦斯抽采系统不完善。最后，凝练提出了未来的研究方向：揭示不同影响因素下的遗留瓦斯资源赋存特征与运移机理，构建废弃煤矿瓦斯储量与资源精准预测理论模型，阐明遗留瓦斯次生运移聚集范围分布特征及演化过程，丰富完善地面抽采过程中遗留瓦斯渗流及运移规律研究理论，逐步优化废弃煤矿地面瓦斯抽采技术体系，系统升级废弃煤矿瓦斯地面钻井工艺设备，逐步实现废弃煤矿地面钻井工艺智能化，深入改进废弃煤矿地面瓦斯抽采工艺设备。废弃/关闭煤矿瓦斯资源的精准与安全开发研究，对于提升废弃/关闭煤矿安全水平、促进能源结构调整、保障国家能源安全和推动经济持续健康发展具有重大意义。

• 废弃矿井压缩空气储能技术研究现状与新设计构想

  王汉鹏, 武允昊, 张冰, 范建国, 李梦天, 隋建才, 王伟, 孙德康,

  压缩空气储能（Compressed Air Energy Storage，CAES）可广泛应用于电网削峰填谷和大规模新能源消纳，具有装机容量大、使用寿命长、清洁环保等优点，被视为最有前途的大规模储能技术之一。目前国内外主要依托层状盐穴或盐丘来建设CAES储气库，但由于选址条件苛刻等原因，CAES产业的发展受到了极大限制。近年来，随着国内矿井的大量关闭，许多地下空间资源被浪费，因此利用废弃矿井建设CAES电站就具有了巨大的生态经济效益与广袤的发展前景。因此，系统梳理了CAES各类储气库建设现状与优缺点，总结了废弃矿井CAES储气库的建设与选址要求，分析了当前废弃矿井CAES储气库面临的安全风险与限制瓶颈。为避免CAES储气库建设与运营过程中存在的安全风险，提出了新的储气库建设方案——管道布设型废弃矿井储气库（利用大直径无缝钢管作为储气空间，缝隙内填充松散充填体进行承压），与传统储气库建设方案相比，该方案具有以下优势：极大降低了储气库对矿区地质构造、围岩渗透性、围岩稳定性等条件的选址要求，增加了选址范围；可利用现有管道施工工艺与技术装备，降低储气库建设难度；提高了储气库的密封性能，保障无气体泄漏风险；改善了围岩应力环境，提高了储气库稳定性；避免储气库受腐蚀影响，增加了储气库的耐久性能。最后以鄂庄废弃煤矿为例，给出了管道布设型储气库改造建设方案，储气库改造建设完成后，总容积可达4.5×105 m3，发电功率可达400 MW，可产生良好的经济效益 。管道布设型废弃矿井储气库设计构想为废弃矿井CAES技术发展提供了新思路，具有大规模推广应用的潜力。

• 安徽省关闭/废弃矿井地下空间储能潜力及减碳效益

  杨科, 魏家乐, 付强, 吕鑫,

  随着“双碳”目标的持续推进，构建以可再生能源为主体的新型电力系统已成为我国能源转型的核心任务。大规模、高灵活性的储能技术需求与日俱增，这为关闭/废弃矿井抽水蓄能电站的开发提供了重要发展机遇。对安徽省关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能建设潜力进行评估，以期解决选址等因素对传统抽水蓄能电站建设的制约，探索矿区绿色转型与新型电力系统协同发展的创新路径，推进安徽省抽水蓄能高质量发展。通过文献计量与政策分析详细总结了近年抽水蓄能电站发展规划，分析了当前关闭/废弃矿井抽水蓄能电站建设的发展趋势，并结合安徽省关闭煤矿位置、地下空间规模和水资源分布等抽水蓄能资源禀赋，将近年全省60处关闭/废弃矿井按距主要水系距离划分为3个梯度：50 km内高潜力区、50～100 km中潜力区以及100 km外低潜力区，并分别选取典型矿井开展精细化评估，探讨抽水蓄能电站建设规模。以两淮矿区朱庄煤矿为例，从地下可利用空间、地下储水库有效库容等方面详细分析了朱庄煤矿建造抽水蓄能电站的可行性并设计朱庄煤矿拟建抽水蓄能电站装机容量达17.87 MW。采用关闭/废弃矿井抽水蓄能电站碳排放量计算模型，计算其相较传统火力发电碳减排量约为1.13万t/d。结果表明：利用关闭/废弃矿井建造抽水蓄能电站可以成为安徽省新型储能建设发展的有效支撑，为安徽省能源结构调整和碳中和目标作出积极贡献。

• 地表动态沉陷对废弃露天矿坑建设抽水蓄能电站的影响评价

  李杨, 雷兴海, 王楠, 任玉琦, 金向阳, 王可, 蒋逵超, 葛鹏, 夏雪, 李铁峥, 石孝明, 王玉亮,

  地表动态沉陷是废弃矿山建设抽水蓄能电站亟待解决的关键科学问题之一。为探究地表动态沉陷对废弃露天矿坑抽水蓄能电站建设和运行期间稳定性的影响，以废弃海州露天矿为研究背景，揭示了露井联合开采地表沉陷机理和特征，建立了基于Knothe时间函数的地表动态沉陷预测模型；对海州露天矿区岩土体蠕变参数进行反演和敏感性分析，研究了露井联合开采不同时期地表沉陷规律；分析了2020—2120年抽水蓄能电站所在剖面沉陷灾害分布，最后对抽水蓄能电站建设和运营期间的稳定性进行了评价。研究结果表明：地表沉陷受煤层倾角、煤层埋深、开采厚度、边坡角度和采空区空间分布等因素影响，最大沉陷值、影响范围和持续时间均大于单一的井工开采方式；综合考虑井工和露天开采相互影响的修正Knothe时间函数模型能更准确地预测地表动态沉陷；基于CVISC蠕变模型建立的露井联合开采三维数值计算模型，具有较好的适用性和准确性；上水库和抽水管路距影响区域的最小距离分别为254.9、15.1 m，半地面厂房位于采空区的影响范围内；注浆充填治理采空区能有效控制地表动态沉陷（平均减小85%沉陷值），废弃海州露天矿坑建设抽水蓄能电站具有可行性。研究成果对于废弃露天矿区的地表动态沉陷可持续预测、地质灾害防治和剩余资源开发具有重要意义。

• 煤矿地下空间生物质储能及地质保障

  孙强, 谷超, 耿济世, 吴云, 张玉良, 葛振龙, 黄震, 胡建军,

  煤炭作为我国的主体能源，开采后遗留的地下空间既具有资源利用价值，也对环境存在潜在危害。因此，如何合理、高效地开发煤矿遗留空间资源是煤炭工业可持续发展亟待解决的关键问题。鉴于此，通过系统梳理煤矿地下空间利用特点和有机垃圾资源化需求，提出了基于采煤地下空间的“可减量（Reduce）、可再用（Reuse）、可循环（Recycle）、可再生（Renew）、可再储（Restore）、可恢复（Recover）”的发展理念，构建了“煤矿地下空间有机垃圾资源化利用”的生物质储能模式，即将煤矿遗留地下空间改造为储能介质，实现有机垃圾的资源化利用，阐明了煤矿地下空间生物质储能及地质保障科学特征及内涵。综合考虑煤矿地下空间储能的封闭性、恒温性和容量优势以及生物质储能特征，提出了好氧空间利用模式、厌氧空间利用模式、热解空间利用模式3种储能实现路径。煤矿地下空间生物质储能地质保障的科学技术难题包括：储能环境适宜性评价与分析、储能空间合理规划与高效利用、地质体性能演化与全周期运行状态感知、资源化产物精准对征利用与储能空间循环再造。研究为煤矿地下空间高效开发与有机废弃物绿色处理提供了创新性思路，助力煤炭行业实现产能优化与生态效益的双重提升。

• 基于知识图谱的地下压缩空气储能研究进展

  葛鑫博, 黄俊, 赵同彬, 马洪岭, 施锡林,

  压缩空气储能(Compressed Air Energy Storage, CAES)作为一种大规模长时性物理储能技术，以其运行寿命长、储能规模大、响应速度快等显著优势，在提升能源利用效率、缓解可再生能源波动性、增强电力系统安全性和经济性等方面展现出重要作用，是我国大力发展的战略性新兴产业。本研究基于CNKI和Web of Science数据库1985—2023年地下CAES领域的相关文献，利用VOSviewer、CiteSpace科学知识图谱软件和Origin软件，回顾了地下CAES的研究背景，并对科学生产力量、研究热点和演化趋势进行了全面分析。研究内容涵盖从盐穴到人工硐室再到废弃矿井等多种储气方式，揭示了地下CAES领域的发展现状与未来方向。研究表明，地下CAES在“双碳”目标和现代化国家能源布局升级的推动下，发展势头强劲，新型储气方式不断涌现，包括盐穴、人工硐室、废弃矿井、枯竭油气藏和地下含水层等。研究热点主要集中在盐穴、人工硐室和废弃矿井3种储气方式，盐穴储能因其低渗透率、优异的流变性和自愈能力，成为全球关注的重点方向。人工硐室则以密闭性好、承压能力强而逐渐受到重视，但其建库成本和技术难度较高。废弃矿井以资源丰富、分布广泛、成本低廉成为潜在储能方案，但在气密性和稳定性等方面仍需进一步突破。从科学网络视角分析，我国地下CAES研究团队已形成显著的国际影响力，但学者间的合作多集中于同一机构或课题组，跨机构协作有待加强。未来需强化学术合作网络，推动多学科交叉研究，以加速技术创新与应用。政策层面，我国已逐步建立支持CAES产业发展的政策体系，相关政策激励将进一步促进地下CAES的规模化发展。总体来看，地下CAES技术将在优化能源结构、提升能源储备能力、保障能源战略安全和实现“双碳”目标中发挥不可或缺的重要作用。

• “双碳”目标下煤矿地下空间响应式增强型储热充填系统理论与技术探索

  吕超, 吕文玉, 孙强, 解盘石, 郎丁, 姬松涛, 胡建军,

  煤矿开采地下空间储能是实现矿山转型升级的重要手段，增强型储热充填技术不仅提高煤基固废资源利用率，更能保障新能源的高效消纳与利用。基于当前煤炭开采技术分析了充填开采研究现状，结合功能性充填理念提出“煤炭地下空间响应式增强型储热充填系统”的科学内涵。响应式增强型储热充填系统核心是确保“四性”条件：地质条件适宜性、储–采热技术可行性、传热传质高效性以及运行周期安全稳定性，提升热能储–采效率、强化储热系统封闭性、确保围岩稳定性是实现储热充填系统高效运转的关键。在此基础上综合考虑热源温度、传输距离、热能载体循环速度等因素对热能提取效率的影响，研发储热充填体热能高效提取工艺，形成热能高效热交换设计方法。同时，基于储热系统运行充填体热力学特性动态演化规律，揭示充填体时效变形损伤微观机理，构建稳定性预测及评价体系。响应式增强型储热充填系统技术路径围绕采前地质条件→采中充填体动态参数响应→埋管–充填体–围岩耦合作用→矿山地下空间–可变能源协调开发战略主线，融合风光互补构想，开展储热层位勘探与选址，实现储热充填系统超前规划，研制高效储热充填材料，指导储热系统运行参数规划设计，进而保障增强型储热充填系统安全稳定高效运行。最后，以地质科学为基础，结合采矿学相关理论，构建以煤炭开采、地质工程技术、生态环境三位一体的响应式增强型储热充填体系统地质保障理论与工程技术体系。响应式增强型储热充填技术实现矿山与可变能源的有机结合，突出灵活响应式充填储热，丰富了充填开采内涵，能够为我国发展赋煤区新能源，促进矿山转型利用提供理论参考与实践范例。

• 山西省关闭煤矿剩余煤炭资源多元化高效利用与评价

  范勇勇, 杨文府, 齐福辉, 张星星, 宋文龙, 苏育飞, 谢华,

  随着煤炭产业的不断发展与转型，山西省大量关闭煤矿遗留了丰富的煤炭资源。这些资源的高效利用，不仅能够为山西经济发展注入新的活力，还将在环境层面发挥积极作用，减少因资源闲置或不合理处置所可能引发的生态问题，实现煤炭产业与生态环境的协调共生。为实现关闭煤矿剩余煤炭资源的再利用，以山西省因资源整合、兼并重组和去产能化关闭的830座煤矿为例，通过调查分析、资源整合、数据统计等手段，对关闭煤矿剩余煤炭可利用资源量进行评估，提出了山西省关闭煤矿剩余煤炭资源的多元化利用策略。深入分析了山西省关闭煤矿一般调查区与重点调查区的剩余煤炭资源量分布特征，探讨了关闭煤矿剩余煤炭资源多元化地开发与利用模式，主要涵盖煤炭地下气化、井下修复型开采、战略储备以及露天开采利用等多种途径。同时，构建了不同利用模式下的科学合理的资源利用评价体系，从煤炭资源类型、煤炭开采的技术适用性等多个维度出发，对各类关闭煤矿剩余煤炭资源的利用方式进行分析，明确了不同类型关闭煤矿剩余煤炭资源的最优化利用方式。最后，成功估算出山西省去产能关闭煤矿剩余煤炭资源储量为1 277 002.1万t，其中重点调查区150座关闭煤矿的剩余煤炭资源储量为750 078.2万t。筛选出适宜战略储备的煤矿34座、适宜露天开采的煤矿45座、地下气化有利煤矿14座、新型开采有利煤矿7座、井下修复型矸石开采有利煤矿4座以及离层隔离注浆开采有利煤矿20座。

• 废弃矿井压氢储能硐室潜在破裂面及其控制

  刘瑞, 周舒威, 秦世康, 何修涵, 冯建业, 郑晓东,

  对废弃矿井大巷进行改造并用于压氢储能是实现废弃资源二次利用的有效方式和实现“双碳”目标的重要途径。受采动作用影响，废弃矿井大巷通常处于非等压状态，而非等压会降低硐室储能的可靠性。基于此，首先依据断裂过程中的剪切能量释放特性，建立了考虑气体压力、温度和剪切能量释放演化的相场断裂模型，并对该模型进行验证；其次依据提出的相场模型，对不同煤柱宽度和水平差下硐室潜在破裂面的起裂和发育特征进行研究；最后将提出的相场断裂模型与实际工程相结合，对不同围岩处理方式下的处理效果和起裂诱因进行研究。结果表明：所提出的相场断裂模型可以较好的描述硐室潜在破裂面起裂位置、起裂诱因和发育过程；煤柱的宽度直接影响硐室的起裂压力，煤柱越宽硐室起裂压力越大，且破裂面整体以剪切为主；硐室的破裂面分为主破裂面和次破裂面，煤柱宽度越大，次破裂面发育越深；硐室与采场的水平差同样影响硐室起裂压力，随着硐室与采场水平高度差增大，硐室围岩起裂压力先增大后减小，且破裂面出现由张拉应力引起的分叉现象；在对潜在破裂面进行止裂研究后表明，增打底部锚杆是提升硐室储氢性能最为有效的改造方法，其次为围岩进行注浆强化，进行采空区充填效果较弱；在采用锚杆索加强支护下的硐室起裂诱因为剪切应力，破裂面沿锚杆发育诱因为张拉应力。

• 物元可拓理论对废弃矿井瓦斯资源开发潜力研究

  陶雪峰, 石必明, 岳基伟, 钟珍, 张铖铖, 梁跃辉, 张海卿, 梅文强, 薛勇林, 彭杰,

  “双碳”目标下，为了精准研判废弃矿井采动稳定区瓦斯资源开发潜力和找出其影响开发潜力的关键因素，构建了“精选−内联−互补−优化”四位一体为理念的废弃矿井瓦斯资源开发潜力评价方法，最后与工程试验对比，验证评估模型的可行性。“精选”指：首先初步选取大量的评价指标，然后通过德尔菲法和敏感性分析筛选初始指标，去除不符合要求的指标因素；“内联”指：对筛选出的指标，采用DEMATEL-ISM进行内部关联性分析，判定关键指标；“互补”指：首先采用FAHP和熵值法分别对指标进行定性和定量的赋权，然后采用博弈论对指标进行综合权重确定；“优化”指：结合综合权重，采用物元可拓理论计算其关联度，判定废弃矿井瓦斯资源开发潜力等级。结果表明：煤层埋深、煤矿面积是判定废弃矿井瓦斯资源开发潜力的关键指标因素与DEMATEL-ISM模型评价一致；根据物元可拓模型计算的关联度为K3=0.0575，可以判定其开发潜力为“良好”，根据工程试验统计评估可知，13个可采煤层的瓦斯资源量为61.81×108 m3，潘一矿瓦斯资源规模较大，属于中型煤层气田，其开发潜力较大与物元可拓模型评价结论一致，符合实际情况，该模型为研究废弃矿井瓦斯资源开发潜力等级提供方向。

• 关闭/废弃矿井井筒蓄热特性多物理场耦合研究

  张国庆, 刘展, 褚召祥, 郗富瑞, 杨利亚, 何鹏,

  对关闭/废弃矿井遗留设施及空间进行重构改造实现矿山地质能源再生利用是实现“双碳”目标的有效方式。为探究关废矿山竖井储热的技术可行性，提出一种基于同轴套管式换热器的井筒循环蓄水储热方案。首先，构建了矿井水−岩土非稳态流固耦合传热数学模型，以徐州卧牛山煤矿副井（井深200 m）为研究对象开展井筒蓄热特性数值模拟，通过与3组试验数据对比，验证模型的适用性；其次，分别针对自然冷却工况下的矿井水保温性能和蓄热模式下的运行特性进行数值模拟，开展参数敏感性分析。结果表明：在快速蓄热后进入自然冷却阶段时，井筒矿井水的热损失呈二阶指数衰减特性，集中于蓄热后的10 d内，此期间热量损失占100 d累计热损失的29.73%；高地温梯度（≥0.03 k/m）能起到抑制自然对流换热和深层矿井水散热的作用，有利于井筒深部矿井水的保温；井筒长径比与矿井水热损失大小在短期内正相关，但长径比较大的井筒矿井水长期储存后的平均温度较高，也更利于蓄热后供暖季的地热回收利用，综合分析后建议矿井井筒储热长径比范围为30～50。蓄热模式下，提高注入流量能够在短期内迅速加热矿井水至所需温度，但破坏了矿井水温度分层结构，导致储热效率显著降低；增加上游热源温度会导致轴向水温梯度和储热效率提升、热损失降低，故蓄热性能相对更优。此外，在井壁不采取保温措施的情况下，对于太阳能跨季节井筒矿井水蓄热系统，建议蓄水容积与集热面积比Rv取2.5～3.0 m3/m2，以保证矿井水温度达到长期供暖要求。

• 迎采工作面沿空掘巷围岩能量−应力全周期演化规律

  陈定超, 王襄禹, 柏建彪, 李梦龙, 卢建飞, 张飞腾, 孙世奇, 赵祥岍, 于洋,

  迎采动工作面沿空掘巷经历上工作面侧向基本顶断裂、回转、下沉全过程的全周期动压影响，巷道变形量大、维护困难。本文以温庄煤矿15105工作面为工程背景，提出在原有25 m煤柱迎采动面掘巷的基础上，沿上工作面非稳定采空区后方改变巷道掘进轨迹，将区段煤柱宽度减小至6 m，进行沿空掘巷。为了证明方案的可行性，采用FLAC3D建立数值模型，模拟了原方案与优化方案2种情况下的巷道围岩能量−应力全周期（迎15103采动工作面掘进、非稳定采空区侧巷道掘进、15105工作面回采）演化规律。模拟结果显示：① 迎15103采动工作面掘进期间，应力和能量主要集中在区段煤柱的采空区侧。② 非稳定采空区侧巷道掘进期间，与原方案相比，优化方案使6 m煤柱内部能量和应力转移至工作面煤体侧。③ 15105工作面回采期间，采取原方案时，能量和应力均向25 m煤柱回采侧集中，应力峰值达到31.2 MPa，最大能量为192.4 kJ/m3；采取优化方案时，能量和应力均向工作面实体煤侧转移，6 m煤柱具备一定承载能力，并且整个过程中应力集中程度低、能量无明显聚集，回采期间6 m煤柱内部应力峰值仅8.1 MPa，最大能量为126.7 kJ/m3。在此基础上，确定了优化方案的可靠性，并结合数值模拟结果和现场地质条件，提出将巷道分成4个区段：迎采对掘段、临空掘巷段、渐变煤柱段和沿空掘巷段，建立了巷道围岩分区控制体系，设计了锚杆、索支护参数。最终成功开展了工业性试验，现场监测结果显示各区段巷道整体控制效果良好。

• 时间卷积长短时记忆网络煤矿平硐变形多步预测

  冀汶莉, 淡新, 马晨阳, 柴敬, 吴玉意, 秋风岐, 刘文涛, 雷武林, 刘永亮,

  煤矿主平硐易受到外界因素的干扰，对其变形进行监测和预测十分重要。在光纤光栅监测平硐变形工程应用的基础上，提出了集成经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)的时间卷积网络 (Temporal Convolutional Network, TCN)结合长短时记忆神经网络(Long Short-Term -Memory Network，LSTM)的EEMD-TCN-LSTM平硐变形多步预测模型。首先，通过集成经验模态分解方法将包含有噪声的监测数据分解成若干本征模态函数(Intrinsic Mode Functions, IMF)分量。然后，计算IMF分量的模糊熵并选择有效IMF分量。最后，对不同有效分量序列利用TCN网络提取长时间维度特征，利用LSTM网络捕获非线性特征，叠加各分量预测结果。在预测模型的训练过程中采用多输出策略的多步预测方法，输出为未来多个时刻的光纤监测值。在不同光纤光栅传感器的监测数据上进行试验。结果表明：通过EEMD分解结合模糊熵法处理光纤监测数据，能在保留平硐变形信息的同时，过滤掉更多的噪声。与已有方法相比，预测方法在单步预测时，其评价指标决定系数 (Coefficient of Determination, R2)可达到0.99，平方根误差 (Root Mean Square Error, RMSE)和平均绝对误差(Mean Absolute Error, MAE)分别降低3.0%～10.0%和5.0%～20.0%，预测结果更准确。多输出策略下预测方法超前3步预测的R2平均为0.95，应变计的RMSE和MAE值至少降低了75.0%和31.5%，位移计的RMSE和MAE值至少降低了50.0%和66.7%，压力计的RMSE和MAE值至少降低了85.7%和62.3%，误差积累最低。集成经验模态分解的TCN-LSTM平硐变形多步预测方法，能够为巷道围岩变形预测提供技术基础。

• 顶板锚杆非均匀工作阻力对抗冲弱面影响及应用探讨

  马梦想, 成云海, 许文涛, 李峰辉, 张涛, 许金刚, 杨光,

  目前国内煤巷抗冲能力评价理论假定锚杆工作阻力均匀分布。根据现场实测，冲击危险煤巷的顶板锚杆工作阻力呈显著离散性。为研究巷道抗冲弱面与锚杆非均匀工作阻力的相关性，建立了顶板锚杆非均匀工作阻力下围岩临界应力和锚杆冲击吸收能量计算模型，得到了顶板不同位置临界应力和锚杆冲击吸收能量分布特征，与冲击地压发生的应力、能量条件结合分析，确定特定条件下发生冲击地压时率先破坏位置，据此提出了一种抗冲弱面划分方法。以典型冲击地压矿井新巨龙煤矿6305运输巷为工程算例，结果表明：围岩临界应力、动载触发值与锚杆工作阻力呈正相关关系，锚杆冲击吸收能量与锚杆工作阻力呈负相关关系；在顶板锚杆非均匀工作阻力下，顶板各位置的临界应力、动载触发值、锚杆冲击吸收能量等呈显著差异。以超前工作面350.10,424.10 m运输巷为研究对象，根据已有类似研究成果，假设巷道顶板上方20 m有一2.5级震源，存在11个断面满足冲击地压发生的应力条件，动载扰动下易发生冲击地压。结合单元支架补强措施，计算得到顶板可承受5次方以上强矿震的冲击作用，满足局部防冲要求。基于《防治煤矿冲击地压细则》（2018）要求的区域−局部二级冲击地压危险评价体系，提出区域−局部−弱面三级危险评价方法，进行了应用探讨，有利于防控弱面冲击危险。

• 房柱式采空区矸石似膏体充填料浆流动沉降规律

  邵小平, 田创, 刘浪, 唐仁龙, 李龙清, 段明岸, 王磊,

  榆神府矿区开发过程形成了大范围的房柱式采空区，产生了大面积悬顶区域。悬顶区域煤柱经过长时间的自然风化、蠕变等作用，支撑强度弱化，存在失稳破坏的危险，甚至引发矿震灾害。以榆神府矿区某矿房柱式采空区悬顶区域治理为背景，通过搭建基于相似理论的房柱式采空区模拟试验平台，对矸石似膏体料浆在房柱式采空区中的流动及沉降规律进行研究。结果表明：充填结束后在充填体表面形成了自进料口至排气孔方向5°左右的自然坡面；靠近进料口处的充实率最高，充实率随流动距离的增加呈降低趋势；料浆中部和下部超声波波速随时间变化呈上升趋势，上部则先减小后缓慢上升；料浆整体具有较优的静态抗离析性能；沿流动方向粗（细）粒径占比逐渐降低（增加），相邻煤柱之间靠近排气孔侧的粒径占比略高；沿竖直方向下部粗（细）粒径占比相对较大（小），上部粗（细）粒径占比相对较小（大）；充填试样强度沿流动方向表现出波浪型变化规律，在靠近排气孔侧的强度较高，竖直方向上充填试样强度随深度增加呈上升趋势；充填试样产生宏观缺陷与料浆内部产生的气泡无法顺利排出有关。研究揭示了充填料浆在房柱式采空区中的流动及沉降规律，可为榆神府矿区类似矿井的采空区治理、大面积悬顶隐患消除等提供参考。

• 风积沙充填网箱承载性能的数值模拟分析

  张志义, 赵博, 管伟明, 储春妹, 钱德雨,

  风积沙在我国西北地区广泛分布，是理想的固体充填材料，提供侧向约束是利用这种散状颗粒材料的有效方式。以风积沙充填网箱为研究对象，通过单轴压缩试验、数值模拟试验和理论分析对其承载性能进行了研究，研究结果表明：由单轴压缩试验可知风积沙箱式充填体模型破坏时峰值应力随着丝径、目数的增加而增加；破坏时峰值应力随着网箱边长的增加而减小。大边长风积沙充填网箱破坏时峰值应力同样随着边长的增大而减小，且承载破坏均出现在边界连接处。由ANSYS对充填网箱承载变形模拟结果可知侧向约束强度是风积沙箱式充填体承载变形的关键，充填网箱承载时最大侧向变形出现在开口处附近，侧向变形分布呈现出上部大，下方小的特点；充填网箱的侧向网片为风积沙提供的侧向约束力随着网箱侧向变形量的增大而增大。当不同金属网片规格的网箱受到相同载荷时，金属网箱侧向变形量随着网箱边长、孔径的增大而增大，随着丝径的增大而减小；当不同网箱的侧向变形相同时，网箱为风积沙提供的侧向约束力随着网箱边长、孔径的增大而减小，随着丝径的增大而增大。选取网箱边长600 mm、孔径50 mm、丝径6 mm的数值模拟结果与理论分析结果的网丝拉力进行了对比分析，两者得到的网丝拉力误差值在不同变形情况下均小于5%。

• 微波弱化煤体微结构损伤特征及能量释放规律分析

  马学舟, 温颖远, 曹安业, 郭文豪, 周雅静, 曹晓杰, 刘健男, 杨晋州,

  微波辐照技术作为冲击地压防治的新方法被提出，可有效降低煤体物理力学性质。为探究微波辐照对煤体的微结构损伤弱化作用，通过煤样核磁共振、力学试验和声发射监测，评价了孔隙增长对煤样的损伤程度，明确了煤样的能量损伤量与孔隙损伤量呈正比，揭示了煤样的耗散应变能和积聚应变能随孔隙率增加分别上升和下降，提出了微波辐照可促进煤样孔隙发育以降低其冲击破坏的危险性。研究表明：① 微波辐照促进煤样小孔和中孔扩展发育后，大孔数量占比增长至8.00%，煤样孔隙率由1.63%增长至3.00%，能量损伤量由0.089增长至0.106，煤样孔隙损伤增量占比煤样能量损伤增量88.24%，阐明了微波辐照煤体的损伤弱化作用受孔隙率增长的影响；② 微波后煤样的声发射信号在应力应变曲线上整体前移，峰前的振铃计数由0.48次/s增长至0.58次/s，累计声发射振铃计数增加了105.77%，煤样在裂隙压密阶段和弹性阶段提前发生了破坏；③ 微波辐照后煤样的声发射能量在裂隙压密阶段、弹性阶段和非稳定破裂发展阶段分别提高60.29%、24.53%和33.79%，而微裂隙稳定破裂发展阶段声发射能量降低38.17%，应力−应变曲线峰前段整体声发射能量大幅增加；④ 微波辐照后煤样峰前整体积聚的应变能降低67.7%，声发射能量映射的孔隙耗散应变能增长了19.68%，因此煤样受载破坏时释放的残余应变能显著降低，降低了其发生冲击破坏的危险性。

• 不同应变率下松软煤体动态压缩力学特征

  朱传奇, 王磊, 刘怀谦, 陈礼鹏, 张帅,

  深部冲击荷载扰动极易诱发松软煤层围岩失稳事故。为研究不同应变率下松软煤体动态力学特征，针对淮南矿区潘一矿11518工作面松软煤体，压制ø50 mm×25 mm的圆柱形型煤试样，运用分离式霍普金森压杆试验系统，开展5组冲击速度下（0.30、0.35、0.40、0.45、0.50 MPa）煤体的动态压缩试验，获取煤体动态应力−应变曲线，计算破碎耗能及耗能密度，筛分不同粒径区间破碎煤体质量，分析煤体力学特征参数、能量耗散及破碎特征随应变率的变化规律，揭示煤体冲击破坏的应变率效应。结果表明：在试验应变率范围内，煤体初始压密阶段均不明显，且随应变率的增高，弹性变形阶段曲线斜率缓慢增大，屈服阶段有所增长，软化阶段应力降幅增大。煤体峰值应力、峰值应变、割线模量随应变率的增高均具有线性增大的变化特点，增幅分别为130.998%、111.335%、52.026%。随应变率的增高，煤体破碎耗能及破碎耗能密度均呈指数增长，破碎耗能占比逐渐增大。应变率越大，破坏后煤体小体积碎块越多，应变率由66.778 s−1变化到259.154 s−1过程中，碎块平均粒径由3.34 mm逐渐降低至2.49 mm，碎块分形维数由2.37缓慢增大到2.61，型煤与原煤（应变率为57.433～240.100 s−1）破碎特征随应变率变化趋势具有一致性。研究结果可为厘清松软煤体冲击动态力学响应过程、防控失稳灾害提供试验依据。

• 流变扰动效应下红砂岩敏感邻域范围试验研究

  王波, 任永政, 田志银, 马世纪, 高翔宇, 孙宏旭, 王军, 黄万朋,

  深部岩体受到“强扰动”和“高地压”的影响，失稳致灾的风险逐渐增加。开展流变扰动效应理论研究是深部岩体稳定性控制的关键环节。其中，岩石流变扰动效应敏感邻域范围的识别与分析是重要组成部分。本研究在不同围压条件下通过细分红砂岩流变的轴向应力等级，选取岩石流变扰动效应下具有标志性的累计残余变形发展阶段（衰减阶段、近似等速阶段及加速阶段），结合流变扰动效应下其与岩石微观孔隙结构动力响应的一致相关性，多角度分析红砂岩流变扰动效应敏感邻域的演化特征。研究结果表明：① 在不同围压条件下，红砂岩流变扰动累计残余变形的发展阶段表现出与静态流变相似的特征。随着围压的增加，其不同阶段的反应特征和速率都会发生显著变化，从而对岩体的稳定性和强度产生一定影响。② 利用岩石流变扰动敏感性相关系数，进一步将红砂岩流变扰动敏感邻域划分为弱敏感区和强敏感区，并指出弱敏感区应作为流变岩体稳定性防护的关键阶段。③ 综合不同围压条件下的宏微观损伤演化特征响应分析，围压增大会导致红砂岩流变扰动敏感邻域范围的收缩和弱敏感区间的减少，加速了向强敏感区的特征转化。同时，随着围压的增大处于强敏感邻域内红砂岩的破坏发育速率也随之增大。本研究通过岩石流变扰动效应下对红砂岩微观孔隙结构和宏观变形量动力响应的综合分析，多角度揭示红砂岩流变扰动效应敏感邻域的动态演化特征，为深部岩体的安全开采和稳定性评估提供理论依据。

• 随钻信号对岩石单轴抗压强度响应特征及反演模型

  刘河清, 刘建康, 郝建, 赵立进, 汤建泉,

  岩石单轴抗压强度是岩土工程与地下工程中表征岩体性质的重要参数之一。为了准确、快速地感知、预测煤矿井下岩体的岩石单轴抗压强度，以室内9种不同配比的相似材料试件钻取试验为基础，构建基于随钻振动信号的单轴抗压强度GA−BP（Genetic Algorithm−Backpropagation）神经网络预测模型。通过改变GA−BP神经网络的隐含层数、种群数和训练函数，讨论分析预测模型影响因素与结果，确定最优预测模型结构。结果表明：随钻振动信号与相似模拟材料的单轴抗压强度之间具有响应关系，所构建预测模型准确率都在70%以上，以随钻振动信号感知预测单轴抗压强度的研究方法具有一定的可行性；训练函数选择trainlm、隐含层为8、种群数为20时模型结果最优，训练集、测试集决定系数分别为0.761、0.745，均方根误差分别为6.039、4.254 MPa，平均绝对误差分别为6.574、4.716 MPa。提出的单轴抗压强度预测方法可为岩石力学性质的智能辨识提供新的思路。

• 考虑气、水吸附及应力的各向异性渗透率模型

  张小雨, 李波波, 李建华, 贾荔丹, 丁云娜, 宋浩晟,

  煤层气作为非常规天然气资源，合理的开发利用有利于减少瓦斯涌出推进清洁能源低碳化发展，消除重大瓦斯事故隐患。然而，由于煤岩内部结构的各向异性及其所处的气水共存环境使瓦斯渗流行为变得十分复杂。为探究抽采过程中瓦斯渗流规律，基于煤岩各向异性的结构特征及立方定律，构建考虑含水率、气体压力和应力多因素影响的各向异性渗透率模型。提出吸气膨胀参数Cs和吸水膨胀参数Cθ，对基质吸附气体诱导的膨胀变形和基质吸附水分诱导的膨胀变形进行量化。利用公开发表的试验数据与本文渗透率模型的计算值进行对比，模型计算结果与试验数据变化规律一致，所建模型较好地反映气、水吸附与应力协同作用下瓦斯渗流特性。研究结果表明：在真三轴应力作用下，不同方向的渗透率存在差异，气体渗流表现出较强的各向异性；恒定气体压力及外应力下，渗透率随含水率的增大呈减小的变化趋势；渗透率随含水率的变化与Cθ随含水率的变化呈相反的趋势，与Cs随气体压力的变化呈相同的趋势；在敏感性分析中，分别对吸气膨胀参数Cs、吸水膨胀参数Cθ及孔隙度φ进行10%的正负扰动，发现Cθ对煤岩渗透率演化的影响最大，孔隙度φ对煤岩渗透率演化的影响最小。研究结果可为准确评估煤岩渗透率提供理论依据，同时也为提高瓦斯抽采率提供理论指导。

• 不同探针分子测试煤微观孔隙结构特征对比

  洪林, 刘文通, 高大猛, 梁伟, 赵峻丹, 车兴竺,

  煤体微观孔隙结构的准确表征对深入了解煤的内部结构和气体吸附、解吸和扩散特性具有重要意义。在液氮（77 K）条件下，对3种变质程度的煤进行低压氩气吸附试验（LPGA-Ar）、低压氮气吸附试验（LPGA-N2）和低压氧气吸附试验（LPGA-O2），分析了煤的吸附变化规律；应用试验数据和非局部密度泛函理论（NLDFT），对煤的孔隙结构参数进行表征。结果表明：煤对Ar、N2和O2气体的吸附过程包含微孔填充、单层吸附、多层吸附以及毛细凝聚现象，其中煤对N2的吸附量略高于Ar，对O2的吸附量是N2的2～8倍。煤吸附/脱附等温线的滞后类型在不同探针分子测试试验中均属于同一类型即H3型，揭示了煤中含有大量狭缝形孔隙。在77 K测试温度下，不同探针分子测试的孔径范围不同，即Ar探针分子为0.87～12 nm；N2探针分子为1.09～250 nm；O2探针分子为0.81～50.82 nm。而煤样的孔径分布在不同探针分子测试下均呈“多峰”分布，其中在微孔范围内都表现为“单峰”特性。与N2、O2探针分子相比，Ar探针分子可以准确分析2～10 nm孔隙参数，同时Ar和O2探针分子可以进入极微孔（0.7～2 nm）。3种探针分子都很难对微孔孔容进行准确表征，尤其是N2探针分子。此外，不同探针分子测试下煤样的微孔和介孔比表面积贡献率不同，说明微孔是决定煤对N2吸附的主要因素，而煤对Ar和O2吸附则是介孔占主导。

• 自吸环空流体式自激脉冲射流打击力时频特性试验研究

  左伟芹, 武圣杰, 刘彦伟, 龙丽群, 贾浩杰, 苗健, 张世禧,

  为量化分析自吸环空流体式自激脉冲射流的打击力，提高下向孔淹没水射流的冲击性能，利用脉冲射流高频打击力测试系统对自吸环空流体式自激脉冲射流进行了打击力试验，得到了射流脉动压力信号，采用Savitzky-Golay平滑后小波变换和Wigner-Ville时频分布相结合的方法提取了自吸脉冲射流打击力的时频特性，研究了不同腔长、工作压力以及围压对自吸脉冲射流打击力能量时频分布和脉动特性的影响规律。试验结果表明：通过该装置产生的自吸脉冲射流打击力能量时频主要集中在30～50 Hz频带，腔长对自吸脉冲射流打击力能量时频分布影响较大，当腔长18.6 mm时，自吸脉冲射流打击力的能量密度最大，能量时频分布三维曲面存在明显波峰，射流脉动效果最好；自吸脉冲射流的打击力时均值、波动大小、频率以及总能量都随着工作压力的增大而增大，工作压力越大，自吸脉冲射流打击力的能量时频分布三维曲面波峰峰值越高，射流的脉冲效果越好；随着围压的增大，自吸脉冲射流打击力能量密度减小，射流的脉冲效果变差，射流能量在围压大于0.1 MPa时大幅度减小，减小幅度在47.14%～62.96%，在围压为0.1 MPa的试验条件下与自激脉冲射流和普通射流进行对比分析，试验结果表明自吸脉冲射流的脉动峰值和脉动幅值分别为自激脉冲射流的1.15倍和1.16倍、普通射流的1.25倍和2.7倍，表明了自吸脉冲射流在淹没条件下能够持续产生较好的脉冲射流，具有良好的脉冲特性。自吸脉冲射流的时频特性试验研究可为提高下向孔淹没水射流冲击性能提供新途径。

• 煤层裂缝网络联通性对其中支撑剂输送的影响

  徐加祥, 赵洋, 王玫珠, 付万鑫, 朱星元,

  煤层气开发过程中采用的水平井分段多簇压裂会在煤层内与割理共同形成复杂裂缝网络，且由于割理发育和开启程度不同，各簇缝网之间的联通性存在差异，直接影响支撑剂在缝网内的输送。为了探究煤层内各簇缝网的联通情况对支撑剂铺置情况的影响，建立了联通和未联通两种裂缝网络，该裂缝网络由水平井段串联两簇水力裂缝并与正交割理组合，两簇缝网之间的联通情况取决于二级裂缝的联通性。在考虑支撑剂球度的基础上，采用Eulerian-Eulerian的多相流模型中的Mixture模型模拟不同携砂液黏度、携砂液排量和支撑剂粒径条件下联通和未联通裂缝网络中支撑剂在各级裂缝中的分布特征，并对比两种裂缝网络中支撑剂的填砂比例明确裂缝网络联通性对裂缝内支撑剂铺置特征的影响。模拟结果表明，由于联通缝网中分别由两簇裂缝进入的携砂液在缝网联通部分互相干扰，该联通部分几乎没有支撑剂分布。但是与未联通裂缝相比，支撑剂在联通缝网的主裂缝内输送距离更远。就裂缝网络整体的填砂比例而言，未联通缝网的整体填砂比例要远高于联通缝网，在本研究的模拟参数条件下平均高出53.3%。联通和未联通裂缝网络中各级裂缝内铺砂浓度小于5%的区域均占较大比例，其次是铺砂浓度大于10%的区域，铺砂浓度介于5%～10%的区域最小。同时降低携砂液黏度、提高携砂液排量、使用粒径较小的支撑剂均可以有效改善两种缝网中支撑剂的铺置情况，特别是联通缝网中携砂液排量应不小于12 m3/min，支撑剂粒径不大于100 目（0.15 mm）。

• 水中高压电脉冲压裂煤岩体裂纹断裂演化特征

  鲍先凯, 张童, 崔广芹, 姜斌, 张晓凡, 乔建龙,

  水中高压电脉冲压裂煤岩储层是提高煤层气开采效率的重要手段。为研究水中高压电脉冲压裂煤岩体过程中的裂纹断裂演化特征及规律，基于声发射技术，通过开展水中高压电脉冲压裂煤岩体试验，利用振铃、能量定量分析了不同放电电压作用下裂纹断裂演化特征，利用事件分布以及分形维数分析了裂纹发育扩展规律，结合PFC2D颗粒流数值模拟，与试验声发射参数对比，进一步从细观尺度研究了裂纹起裂扩展形态特征。结果表明：静水压一定的条件下，不同放电电压致裂煤岩体存在最佳放电次数，煤岩体试件声发射累积振铃计数、最大振铃计数以及累积能量达到峰值，达到最佳放电次数后继续放电，各参数逐渐减小。随着放电电压、放电次数增加，煤岩体内部形成大量微裂纹和多条斜向45°的X形主裂纹，达到最佳放电次数后继续放电，微裂纹数量、规模、密集程度基本不再增加，而贯通性主裂纹进一步发育、扩展，长度继续增加。随着放电次数增加，分形维数值逐渐减小，裂纹逐渐从随机、无序性微裂纹向有序性、贯通性主裂纹调整，裂纹复杂程度逐渐减小。数值模拟结果显示：钻孔水中放电后煤岩体钻孔周围形成了大量微裂纹和数量不等的主、次裂纹，随着放电电压和放电次数的增加，主裂纹长度增加明显。研究结果可为水中高压电脉冲压裂煤岩储层技术应用提供理论支撑。

• 基于多源卫星观测的矿区沉陷水体水位监测方法

  徐俣璠, 雷少刚, 孙永桥, 杨星晨, 王藏姣,

  东部高潜水位矿区是我国重要的矿粮复合产区，采用井工开采方式造成其地表发生不均匀沉降，形成大量小面积、破碎化的沉陷积水区，沉陷水位的动态变化严重影响着矿区的生态和生产安全。精准监测沉陷水位对于东部高潜水位矿区开展湿地生态治理和水灾风险预测等工作至关重要。为此，在现有卫星测高技术的基础上，提出了一种基于多源卫星观测的矿区破碎化沉陷水体水位监测方法。以兖州矿区为研究对象，深入分析ICESat-2（Ice, Cloud and land Elevation Satellite-2）和GEDI（Global Ecosystem Dynamics Investigation）卫星观测数据集之间的相关性，并建立回归模型，利用该模型对GEDI观测数据集进行校正，通过融合多源卫星的观测数据集，实现矿区沉陷水位更高密度和更高精度的监测。结果表明： ① ICESat-2卫星高度计的水位监测精度更佳，可以作为评价和修正GEDI数据的基础，而GEDI在监测水体的数量方面具有更大的优势；② ICESat-2与GEDI观测数据集之间存在显著的相关性，而地表交叉观测点数量的不足对于回归关系的拟合影响较小，借助回归模型能够有效地校正GEDI卫星的水位观测数据，使其水位测量的平均误差、平均绝对误差和均方根误差与校正前相比分别降低了69.74%、56.58%、50.56%；③ 通过融合ICESat-2与GEDI观测数据集，在水位监测中，展现出了较高的覆盖率和监测精度，监测水体覆盖率达到总体的88.89%，水位测量的平均误差、平均绝对误差以及均方根误差分别为0.10、0.17、0.26 m。总体而言，基于多源卫星观测的矿区沉陷水体水位监测方法能够满足矿区小面积、零散分布的水体水位监测的需求，并在其他需要高密度测量的问题中也具有应用潜力。

• 聚羧酸减水剂对硫铝酸盐水泥基注浆材料影响

  张明璇, 王朋飞, 杨涛, 刘秀茹, 吴昌泉,

  埋深及开采强度不断增加，普通硅酸盐水泥基注浆加固材料愈发难以满足工程要求。硫铝酸盐水泥较普通硅酸盐水泥能耗更低、更环保，更符合碳达峰、碳中和理念。但其价格较高，且凝结过快，限制了其在注浆领域的应用。为此，以掺加工业固废、降低成本和高效利用为出发点，在矿渣−脱硫石膏−硫铝酸盐水泥三元复合体系加固材料的基础上，研究了不同水灰比和聚羧酸减水剂对该材料的宏、细观影响，对注浆性能进行了改良优化，并通过现场工程验证了优化后的注浆加固效果，结果表明：① 该材料的力学强度随着水灰比的降低而增加，28 d抗压强度最大为56.56 MPa；② 随着聚羧酸减水剂掺量的增加，凝结时间逐渐延长，流动度逐渐增加，抗压强度呈先增高后降低的趋势， 28 d抗压强度最大可达75.09 MPa，膨胀性无明显变化；③ 根据流动度−时间曲线，将流动度随时间的变化分为4个阶段：快速期（Ⅰ）、缓慢期、快速期（Ⅱ）、稳定期4个阶段,最佳注浆时间段处于缓慢期；④ 聚羧酸减水剂的掺入会延缓水泥的水化进程，但同时会使生成的水化产物结构与形貌更好；⑤ 矿渣∶脱硫石膏∶硫铝酸盐水泥最佳配合比（质量比）为4∶1∶15，外掺0.3%减水剂改善流动度可满足井下注浆要求，同时具备高强度，最佳注浆时段为当前配比下的缓慢期（20～100 min）；⑥ 按筛选配比与方式指导鹤煤三矿4204工作面回风巷现场注浆加固工程，明确该工艺具备良好的注浆效果，可充分填充裂隙与有效加固围岩，顶底板和两帮的最大变形量由注浆前的432 mm和324 mm降低至注浆后的233 mm和153 mm，围岩变形得到有效控制，同时具有良好的经济效益。

• 露天矿连采装备智能化协同管控平台

  雷志勇, 马小龙, 赵树军, 张世明, 燕斌,

  为提高采煤效率、降低工人劳动强度并实现智能化，本研究开发出国内首台套露天矿连续采煤装备智能化协同管控平台。该平台集成了双环网传输、网络安全、多机协同控制、数字孪生和大数据技术，能够对采煤机、转载机、卸料机和输送机进行有效控制，实现连续采煤的协同作业。研究解决了3个关键技术难题：① 通过双环网传输技术降低了数据传输延迟并提高了网络的稳定性；② 开发了安全的网络传输技术，确保数据的机密性和完整性；③ 实施的多机协同控制系统整合了数据采集、工艺控制和三维可视化模块，利用实时监控和优化控制算法提升了开采和运输效率，确保了多机作业的连续性。基于数字孪生理论，构建了多机同步数字孪生系统，解决了露天矿作业中的数据集成和实时响应问题，制定了统一通信标准，支持多种协议以确保设备间的信息共享。同时，边缘计算技术快速处理现场数据，减少了延迟并支持实时分析与决策，显著提升了采煤作业的监控能力，实现了数字模型与实物状态的高度同步。该平台实现了多项功能：一是全方位、全流程的多机同步监测；二是设备在线故障自诊断与预警；三是提升多机协同控制的工作效率。测试结果表明，该平台实现了多机同步控制，数据丢包率≤0.25%，延迟≤2 s，能够开采高11 m煤，年生产能力达13.0万t，且连续工作时无故障率可达90%；各项功能均满足实际生产需求。

• 露天煤矿三维激光雷达运动畸变算法

  李慧, 李敏超, 崔丽珍, 马宝良, 张清宇, 潘冰冰,

  近年来，随着我国煤矿业的快速发展，智能化技术的运用越来越广泛。其中，露天煤矿环境的精确定位导航技术研发显得尤为重要。同步定位和地图构建(Simultaneous Localization and Mapping，SLAM)作为无人驾驶的关键技术，在露天煤矿中的应用面临诸多挑战。由于露天煤矿道路周围环境特征点较少，且环境退化严重，SLAM技术需要根据稀疏的特征点进行定位和地图构建，难度较大。此外，由于斜坡和道路不平，传感器易产生抖动，导致机器人运行时的运动畸变问题。针对这些问题，文中提出了一种新的解决方案。首先，对传感器外部参数进行重新标定，采用惯导和激光雷达融合的方式，以增强数据的一致性和准确性。在此基础上，采用全特征点匹配方式，直接对激光雷达采集的数据进行点云降采样提取。通过在算法前端对预处理后的激光点云数据添加迭代最近点(Iterative Closest Point，ICP)匹配提取出关键帧点云X，再结合惯导数据对点云信息进行畸变校正形成点云P，再次通过迭代最近点配准X和P。此外，后端采用因子图加入了回环检测提高约束的方法，进一步提高算法在露天煤矿环境下的定位精度和建图效果。试验结果表明，文中所提算法具有较高的定位精度和完整的建图效果，未产生明显的畸变。侧壁纹理清晰，具有一定的鲁棒性，有效提高了在露天煤矿环境下的鲁棒性和精度。

• 基于注意力机制和特征融合的井下轻量级人员检测方法

  王帅, 杨伟, 李宇翔, 吴佳奇, 杨维,

  煤矿井下环境复杂，安全隐患较多，人员检测是保障煤矿安全生产和建设智慧矿山的重要内容。常用的检测算法不仅参数量大，对设备算力要求高，而且在煤矿低照度环境下的应用效果不理想。针对上述问题，基于YOLOv5提出一种用于煤矿井下的轻量级人员检测方法YOLOv5-CWG。首先，在骨干网络中嵌入坐标注意力机制（Coordinate Attention)自适应的调整特征图中每个通道的权重，增强特征的表达能力，提高模型在低照度、粉尘影响严重以及对比度低的不利条件下对待检测人员目标的关注度，更精确地定位和识别人员目标。其次，通过加权多尺度特征融合模块(Weighted multiscale feature fusion moule)引入可学习的权重赋予特征层不同的关注度，使网络有效融合浅层位置特征和高层语义信息，增强模型的信息提取能力，更好地区分目标区域和背景噪声，从而提高模型的抗干扰能力。增加1个P2层的检测头，提升较小目标的检测和定位精度。引入SIoU损失函数代替原损失函数加快模型收敛。最后，引入Ghost模块优化骨干网络，可以在不损失模型性能的前提下降低模型的参数量，提高检测速度，使得模型更容易部署在资源受限的设备上。结果表明，提出的YOLOv5-CWG算法在煤矿井下人员检测数据集（UMPDD）上的mAP达到了97.5%，相较于YOLOv5s提高了7.3%，计算量减少了27.6%，FPS提高了6.3。所提算法显著提高了煤矿井下人员检测精度，有效解决了亮度低和光照不均引起的人员检测困难问题。

• 吸能液压支架立柱防冲性能模拟及试验

  安栋, 范金颍, 宋义敏, 许海亮, 罗廷运,

  针对吸能防冲液压支架防冲性能问题，从冲击载荷作用下吸能液压立柱防冲性能角度开展研究，参照工程常用的吸能防冲立柱，采用有限元和光滑粒子流体动力学方法建立了普通液压支架立柱与吸能液压支架立柱流固耦合、流体大变形模型，实现了吸能防冲立柱在冲击载荷作用下的数值模拟。使用冲击试验台进行了吸能液压立柱冲击试验，得到了冲击荷载下立柱缸体的位移响应，并与数值模拟结果进行了对比。使用4.5、7、10.5 t的重锤经自由落体对2种液压立柱进行冲击加载，得到了2种立柱的动态响应。根据防冲支护设计6项原则探讨了吸能液压支架立柱的防冲性能。让位位移方面，吸能立柱的位移比普通立柱分别降低了16%、23%、30%；让位阻力方面，吸能立柱最大阻力比普通立柱降低了15%、21%、12%；让位速度方面，吸能装置最大让位速度可达18.5 m/s，可在13 m/s内完全压溃；让位刚度方面，吸能立柱在吸能装置变形前后表现为弹性刚度，压溃期间表现为塑性刚度；让位频率方面，吸能立柱让位防冲时的固有频率为0，规避了立柱与围岩发生共振而迅速破坏的风险；让位能量方面，吸能装置的吸能量可达272 kJ，吸能立柱整体吸能量比普通立柱提高了80%。从受冲响应的4个阶段总结了吸能液压支架立柱的让位吸能防冲过程，分析了立柱的抗冲能力，结果表明吸能液压支架立柱可承受的最大冲击能可达普通立柱的2.3倍，泄压阀允许开启时间延长为普通液压支架立柱的2倍。

• 黄河底泥基植生基材用于矿区生态修复的效果

  宋亮, 赵冰琴, 夏栋, 吴欣, 胡鑫凯, 许文年, 包海龙,

  表土资源的严重短缺是黄河流域矿区生态修复的主要限制因素，黄河底泥又是水土流失的部分土壤颗粒，具有重要的生态利用价值。本研究以黄河底泥替代自然土壤，采用普通硅酸盐水泥为黏结剂，在此基础上添加不同比例的水泥和破碎玉米秸秆以及多种外源改性材料进行植生基材制备，采用正交试验在乌海市苏海图矿区堆填场边坡进行原位试验。通过测定植生基材水分、强度特性和监测植物生理特性来评价黄河底泥基植生基材用于矿区生态修复的效果。结果表明：① 与CK处理相比，水泥作为硬性材料可增强基材强度，提高范围为0.62～1.67倍，但6%高水泥掺量会使得基材干燥收缩，内摩擦角降低1.2°～4.1°，并且会对植物出苗和前期生长阶段产生抑制作用。② 黄河底泥为粉质砂土，容重大孔隙少，有机物料的加入可显著改善基材孔隙结构，提高基材12.57%～15.88%的最大吸持贮水量，并且使得土壤水分入渗速率提高35.56%，有利于植物根系以及植株的发育。此外，纤维状秸秆在一定程度上可提高基材延性，抑制基材裂缝的延伸和扩展。在水泥和有机物料均为4%时，基材黏聚力达到峰值25.17 kPa。③ 相关性分析和PLS–PM综合分析表明，植物生理特性在外源物质的直接作用和基材物理特性的间接作用下，除植株高度外，其余指标方差均>0.7，总体植生情况能够满足边坡生态修复的要求，且植物后期处于较为稳定的生长状态。④ 综合考虑，当水泥和有机物料掺量均维持在4%时，可使黄河底泥基植生基材蓄水持水能力和力学性能达到最佳，并且适用于水土资源短缺的矿区边坡生态修复和植物生长。该研究结果可推广到黄河流域其他涉及清淤的湖库区，对黄河流域生态保护修复具有重要作用。

• 水热炭负载原位微生物吸附选矿废水Cd2+特性研究

  周刚, 张欣远, 李帅龙, 孟群智, 姚建军, 张津豪, 甄慧,

  随着科技的发展和人类生活水平的提高，黄金在各行业得到广泛应用，但伴随着金矿的开采，大量富含重金属离子的选矿废水对环境造成了破坏。尤其是重金属镉（Cd），因其强烈的生物毒性和高富集性严重危害着人类健康和生态安全。因此，为有效治理金矿废水中的镉污染，本研究以固定化微生物技术为基础，采用重金属浓度梯度法从金矿废水池淤泥中筛选得到了对Cd2+耐受性强的原位优势菌种，并以水热炭为固定化载体，采用吸附−包埋−交联相结合的复合固定法制备了固定化微生物活性碳球（HC-PVA-SA-MOI）。通过SEM、XPS和BET表征试验对HC-PVA-SA-MOI的微观形貌、元素组成、表面官能团、比表面积和孔隙率进行了分析，结果显示HC-PVA-SA-MOI呈大小均匀的球状，主要由C、O、N、Na等元素构成，比表面积为134.1821 m2/g，且原位优势菌种成功附着在水热炭表面；通过吸附条件优化实验研究了pH、吸附时间、温度、初始质量浓度、吸附剂投加量以及共存离子对HC-PVA-SA-MOI吸附性能的影响，结果表明：当Cd2+初始质量浓度为100 mg/L，HC-PVA-SA-MOI投加量为5 g/L，溶液pH为6，吸附时间为48 h，温度为30 ℃时，是HC-PVA-SA-MOI的最佳吸附条件，此时对Cd2+的去除率为98.59%。此外吸附动力学试验和吸附等温线模型试验研究发现，HC-PVA-SA-MOI对Cd2+的吸附更符合准二级动力学模型和Langmuir模型，说明HC-PVA-SA-MOI对Cd2+的吸附机制主要为均相单分子层的化学吸附；微生物多样性和亚细胞结构分析表明，在吸附Cd2+时，发挥主要作用的微生物为Halomonas（嗜盐单胞菌）属菌种，发挥主要作用的微生物结构为细胞壁和细胞膜。再生试验表明，经过5次吸附−解吸循环后，HC-PVA-SA-MOI对废水中Cd2+的去除率仍能达到90.11%，具有良好的重复利用性能。基于其可持续性、低成本和优良的吸附性能，HC-PVA-SA-MOI有望作为一种用于实际处理金矿废水Cd2+的吸附剂。

• 山西煤矸石中铝元素矿物赋存形态及酸浸溶出规律

  赵龙毅, 翟慧兵, 张建伟, 燕可洲, 杨凤玲, 郭彦霞, 程芳琴,

  山西作为全国煤炭大省，在煤炭开采和分选过程中产生大量工业固废煤矸石，回收铝元素是其资源化高值利用的重要方式。研究主要采用X射线荧光光谱、X射线衍射光谱、扫描电镜−能谱等方法，对山西主要煤田所产煤矸石中铝含量及其矿物赋存形态和空间分布特性进行了分析；基于多元线性回归方法，考察了不同化学组成煤矸石经焙烧−酸浸处理后Al2O3溶出情况，以期阐明成分波动对煤矸石中铝溶出特性的影响规律。结果表明：山西煤矸石中Al2O3质量分数为13.9%～ 42.5%，主要以高岭石、伊利石和白云母等铝硅酸盐矿物的形式赋存；其中，晋北地区由于特殊的古地质成因，导致局地产出高铝煤矸石， Al2O3质量分数超过30%。煤矸石在焙烧−酸浸过程中，焙烧温度显著影响其活化效率，活化最佳温度为700 ～ 850 ℃；酸浸后Al2O3溶出量主要与煤矸石中Al2O3含量相关，相关系数可达0.97以上，即煤矸石中Al2O3含量越高，酸浸Al2O3溶出量越高。除此之外，煤矸石中Al2O3溶出量还与其SiO2、K2O和C含量呈现一定相关性，其中Al2O3溶出量与SiO2含量的负相关性较强，与K2O含量的负相关性较弱，随着C含量的增加，Al2O3溶出量和C含量的由负相关转向正相关。这可能是煤矸石本身元素含量特性、不同矿物活化温度差异、浸出过程固液接触面积变化等因素造成的。