煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第5期

• “三软”厚煤层开采覆岩多层位离层注浆减沉技术及应用

  郭文兵, 吴东涛, 郭明杰, 胡玉杭, 杨伟强, 王比比,

  采动覆岩离层注浆中注浆层位精准识别及保护层厚度合理确定，对防治地表沉陷、保护地表建（构）筑物具有重要意义。为了实现覆岩多层位离层精准注浆减沉，基于组合梁理论改进了离层位置判别方法，确定了覆岩多层位离层注浆充填位置；通过弹性薄板理论，建立了覆岩离层注浆保护层采动岩体结构力学模型；构建了覆岩多层位离层注浆充填空间的等效模型，并根据注浆空间上位岩层和下位岩层破断规律，给出了充填空间的最小和最大总体积；采用概率积分法并结合地表实际监测结果，评价了“三软”厚煤层覆岩多层位离层注浆效果，并对郑州矿区裴沟煤矿22151工作面开展了实例分析。结果表明：钻孔窥视验证了多层位离层注浆位置的准确性，在距煤层152.6 m中粒砂岩底部和距煤层168.6 m处细粒砂岩下方之间成功实施覆岩多层位离层注浆；工作面在开采厚度为7.1 m时，保护层厚度为25.2 m能够实现覆岩离层注浆工作的安全实施；理论计算注浆量为9.5×104～14.7×104 t，实际工程注浆量约为13.3×104 t，注采比约为0.41；采用覆岩多层位离层注浆开采后，地表最大下沉量为649.8 mm，大部分民房处地表最大水平变形值处于Ⅰ级损害程度内；覆岩多层位离层注浆开采地表沉陷控制效果显著，减沉率约77.91%。

• 深埋大采高相邻工作面强矿压发生机理研究

  雷照源, 赵茂平, 李团结, 李峰, 李磊,

  受上一深埋大采高工作面采动影响，相邻工作面开采过程中坚硬厚顶板引发的强矿压显现具有明显的分区性。相邻工作面作为矿井开采的主要类型，揭示其强矿压发生机理是实现矿井安全高效开采的基础。以黄陵二矿深埋大采高工作面为背景，采用地质条件调查、理论分析、数值计算等手段，分析强矿压显现特征、坚硬厚顶板破断特征、能量和应力的演化关系等，揭示坚硬厚顶板诱发深埋大采高相邻工作面强矿压的发生机理，从而形成强矿压防控的方向。研究结果表明：坚硬厚顶板产生的微震事件数及能量分别约占总事件数、总能量的52.12%、69.4%，沿工作面倾向形成临空侧能量释放量值大、实体侧顶板内部基本完整的分区显现特征。21422相邻工作面“两固支一简一自由”的坚硬厚顶板约束边界条件，在工作面倾向距临空区段煤柱约108 m处发生破断；同时21422工作面开采扰动下的坚硬厚顶能量与应力由临空侧至实体侧形成降低分布特征。根据集中差值系数得出了应力与能量分布分区性与顶板的非对称破断具有一致性，其中坚硬厚顶板在临空侧110 m范围的释放程度高、距实体侧边界煤柱约70 m范围处于蓄能状态。根据研究结果形成了“弱化临空侧顶板的应力集中，阻断实体侧应力的传递”的强矿压显现治理策略，为深埋大采高工作面强矿压的有效防控提供了参考依据。

• 断层倾角对声发射信号传播规律影响的试验研究

  贾宝新, 李宝, 周琳力, 陈浩,

  因存在断层和岩层间层理面等不连续界面，天然岩体并非均匀连续介质，声发射信号经过断层和层理面时传播规律必然会发生改变，因此研究断层中声发射信号的传播规律成为岩石力学的重点课题之一。基于惠更斯原理对含断层的非均匀介质条件下的波面方程进行推导，并通过室内相似模拟模型试验制作45°、60°、75°以及其他类型断层试件，结合超声波测速仪和DS5-16B全信息声发射信号分析仪对跨断层的声发射信号进行监测和记录，采用非线性拟合和Matlab软件数值计算的方式，研究不同倾角的断层、层理面数量对声发射信号传播速度以及信号特征的影响。结果表明：声发射信号的传播速度随着断层倾角的增大逐渐增加，传播速度与断层倾角呈正相关，断层倾角越大信号传播速度越快，信号穿过断层后传播速度会发生衰减，断层倾角越大速度衰减比例越小，层理面会使传播速度发生衰减，单个层理面对速度的影响较小，2个层理面对速度的影响较大；断层会使信号的最大幅值减小，主频率降低，频率区间向低频方向移动，断层倾角越大，最大幅值、主频率、频率区间越大。1个层理面对信号的影响较小，与无层理面的信号时频特征基本相同，2个层理面对信号的影响较大，会使信号的最大幅值、主频、频率区间有较大幅度的减小；断层的存在会导致声发射信号的瞬时能量发生巨大衰减，倾角越小衰减越为严重。研究成果可为射线理论下波速模型的建立提供理论依据。

• 基于矩阵位移法的超长工作面顶板挠度分布研究

  邢有望, 李明忠, 张金虎, 闫汝瑜, 刘江斌,

  为了探究顶板条件、巷帮条件及支护条件对超长工作面顶板挠度变化的影响，同时将梁模型理论应用于指导液压支架设计，以小保当二号井132202超长工作面为背景，根据实际生产中液压支架、巷帮及顶板关系，建立支持在弹性支座上的二维连续梁模型，基于位移法对梁模型单元进行编码并计算杆单元的单元刚度矩阵，利用单元集成法计算含有弹性支座的超长梁模型整体刚度矩阵及节点等效载荷，通过矩阵位移法求解全梁挠度分布及杆端内力计算式，从而得到支架支护反力。在此基础上，分别对支架宽度、数目、等效刚度、工作面长度、巷帮刚度、顶板弹性模量、截面惯性矩及随动岩层产生的载荷大小取不同值，来观察其对全梁挠度分布的影响。使用三次多项式对挠度曲线一侧的起点至最大峰值段进行精确拟合。使用插入了桩结构单元充当支护的3DEC数值模拟结果及现场电液控监测数据进行验证。验证结果做到了理论计算、数值模拟与现场数据三者的统一，表明二维梁模型能够在一定程度上解释超长工作面三峰值来压特征，同时工作面一侧到临近高峰值段的挠度曲线符合三次多项式分布规律。研究深化了梁模型在采场方面的应用，为超长工作面支架工作阻力预测提供了方向，研究结果有助于为超长工作面液压支架设计提供理论指导。

• 基于模糊综合评价法的煤矿环境腐蚀倾向性分析

  李帅乾, 郭忠平, 温卓越, 谢中辉, 侯正涛, 李鹏,

  煤矿环境因其复杂性易导致锚固材料在长期使用中遭受腐蚀破坏，威胁巷道支护安全。为表征煤矿环境腐蚀特性，进行了煤矿环境腐蚀因素及腐蚀倾向性研究。根据现场调研结果分析了煤矿环境特征及主要腐蚀因素；运用层次分析−熵值组合赋权法及隶属度分析法研究了煤矿环境腐蚀倾向性；开展工业性应用试验确定了高家堡煤矿井下巷道环境腐蚀倾向性等级。结果表明：煤矿环境可划分为水环境、大气环境和围岩环境3类，共包含9种主要环境腐蚀因素，采用组合赋权法分析得到水环境价值权重为0.64829562、大气环境价值权重为0.22967309、围岩环境价值权重为0.12203129；运用隶属度分析，提出了pH影响指数、Cl−影响指数、\mathrmSO_4^2- 影响指数等9项煤矿主要环境腐蚀因素影响指数，构建了各主要环境腐蚀因素隶属度函数；结合指标赋权及隶属度分析，设计了煤矿环境腐蚀倾向性多参量耦合评价方法，通过环境检测、指标量化、评价指数确定和工程判据对照对煤矿环境腐蚀倾向性进行综合判断；应用多参量耦合评价方法得到了高家堡煤矿北翼回风巷、西翼集中辅运巷、西区回风巷、3403运输巷和3407运输巷环境腐蚀倾向性分别为Ⅴ级、Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅲ级和Ⅳ级；对比巷道环境评价及工业性腐蚀试验结果可知该评价方法能准确评估煤矿环境腐蚀特性。本研究可有效评估矿井环境，为煤矿巷道防腐支护提供指引。

• 蠕变损伤煤岩分段增幅循环劣化机制

  李杨杨, 张士川, 沈宝堂, 许亚栋, 党金铭, 侯嘉琦,

  受开挖影响，深部煤岩在高应力长时作用下产生明显的蠕变损伤，在工作面采动作用下已蠕变损伤的煤体突变失稳诱发冲击地压灾害，给深部煤柱安全回采造成了严重威胁。基于长时蠕变−循环载荷−卸围压试验，研究了初始蠕变损伤与循环载荷叠加作用下煤岩劣化特性的演化规律，分析了循环载荷下不同应力区间煤岩的强度特征及累积损伤特性，探究了循环载荷次数对煤岩蠕变损伤效应的组合作用机制，揭示了蠕变损伤效应下煤岩变形破坏过程中能量的转化机理。结果表明：煤岩在循环载荷低应力区间内受蠕变预损伤效应影响较小，随应力水平区间的上升，煤岩的长时损伤越大且非线性劣化越明显，失稳后的破裂程度越剧烈；当蠕变应力处于弹性阶段内，蠕变可使经历周期载荷煤样在强化到劣化之间存在时长不超过16 h，在高应力区间内劣化作用才得到显著呈现；循环加卸载后期，加卸载变形模量随循环次数剧烈波动，不可逆形变稳定增加，预示煤样处于即将失稳破坏的“临界点”。基于损伤力学理论创建了蠕变与循环载荷叠加作用损伤演化模型，结合试验结果发现长时蠕变后的煤样因内部劣化程度较高，储存的能量较少，应力释放有所缓和，突变失稳现象不明显；煤样储能能力的大小在蠕变损伤时长方面同样存在“临界点”，较长的蠕变损伤时长可使试样存储的可释放弹性能减小，在一定程度上延缓了弹性能的释放，减小了发生动力灾害破坏的范围。研究成果将对减少遗煤长时蠕变诱冲灾害，提高采空区遗煤回采效率，推动矿区生态文明建设具有重要的工程意义。

• 变上限循环加卸载裂隙砂岩宏细观损伤特征研究

  刘广建, 周浩, 牟宗龙, 王康宇, 裘伟奇, 陈曦, 王志成,

  为研究裂隙岩体在循环荷载作用下的宏细观损伤特征，以不同长度预制裂隙砂岩为研究对象，开展变上限循环加卸载试验，分析岩样的力学特性和宏观破坏特征；基于XRD分析结果构建裂隙砂岩UDEC数值模型，分析模型的细观损伤规律并揭示其机制。结果表明：加卸载作用能够强化裂隙较小岩样的抗变形能力，相反会增加裂隙较大岩样的破坏速度；随预制裂隙长度增大，岩样宏观破坏特征由拉剪复合破坏转化为以剪切破坏为主，且损伤的不可逆性逐渐提高；加卸载作用下岩样的损伤演化过程可划分为“弹性−强化−疲劳−破坏”4个阶段，弹性阶段模型未产生损伤，强化阶段模型形成有效抗力结构，疲劳阶段累积损伤大幅提高，卸载时张拉裂纹扩展；疲劳阶段加载过程裂纹相互扩展连结，相邻剪切微裂纹之间块体的接触点被破坏，块体间的连结失效，卸载过程应力下降模型松弛，块体间失效的连结在此时张开进而导致张拉裂纹在剪切微裂纹间萌生，加快模型的失稳破坏。研究结果揭示了变上限循环加卸载下裂隙砂岩的宏细观损伤特征，为科学评价工程稳定性提供参考。

• 煤岩孔裂隙结构特征对其损伤演化规律影响

  赵怡晴, 秦文静, 金爱兵, 曹志国, 刘金博, 秦琨,

  煤岩孔裂隙发育扩展是造成煤岩损伤，从而导致瓦斯突出、冲击地压、煤柱失稳等矿山灾害的主要原因，探究煤岩压裂过程中裂隙破裂演化规律及煤岩损伤演化规律是预测煤岩动力灾害的前提。裂隙倾角分布、孔隙率为影响煤岩裂隙破裂规律的重要因素，采用单轴压缩、CT电子扫描和核磁共振试验对煤岩力学性能和孔裂隙结构进行分析，通过煤岩裂隙分形维数和裂隙倾角分布特征，表征煤岩内部裂隙结构；同时结合数值模拟对不同裂隙倾角煤岩裂隙扩展和损伤演化规律进行分析。研究结果表明：① 裂隙倾角分布特征为影响煤岩力学特性的主要因素，孔隙率为影响煤岩力学性质的次要因素。② 结合室内试验和数值模拟，单一裂隙煤岩抗压强度高于复杂裂隙煤岩抗压强度；且当煤岩裂隙倾角以单一裂隙为主时，急倾煤岩抗压强度>缓倾煤岩抗压强度>倾斜煤岩抗压强度。③ 单一裂隙煤岩相较于复杂裂隙煤岩，复杂程度较低，煤岩初始损伤较低，在裂纹加速扩展阶段，储存的应变能急速剧烈释放，宏观表现为破碎程度较高的剪切破坏。 ④ 基于裂隙发育数量建立包含峰后阶段的煤岩损伤变量，煤岩损伤演化过程呈指数型增长，分为近似无损、初始损伤、损伤稳定发展阶段、损伤加速发育阶段、残余损伤阶段，该损伤规律可为矿山灾害预测提供理论支撑。

• 不同应力状态及应变率下组合煤岩体力学特性及能量演化规律

  马智会, 马智勇, 潘荣锟, 崔峰,

  深部煤岩体应力环境复杂多变，为进一步揭示动载荷诱发冲击地压的发生机制，采用岩−煤−岩结构试样，利用改进后SHPB试验系统，开展不同应力状态(无轴压及围压、一维动静组合、三维动静组合)及应变率(49.3～137.9 s−1)下冲击试验，研究组合煤岩体试样的强度、变形、破坏特征及能量演化规律。结果表明：无轴压及围压、一维动静组合下组合体试样应力应变曲线峰后存在应力回弹及应变软化2种类型，三维动静组合下都存在应力回弹现象。3种应力状态下试样峰值强度大致随应变率的增加而增加，表现出明显的率相关性。3种应力状态下，都是反射能占入射能的比例最高，透射能占入射能的比例最低；三维动静组合下，反射能占入射能的比例低于其他2种应力状态；当应变率低于123 s−1，能量利用率、耗散能随应变率增加而逐渐增加，耗散能密度随入射能的增加而增加。试样破坏形式表现出明显的率相关性，随着应变率的增加，煤、砂岩碎块尺寸也逐渐变小。无轴压及围压、一维动静组合下试样首先在煤岩界面发生破坏，煤、砂岩产生较多小尺寸碎块是由于峰后二次裂纹造成的。三维动静组合下单次冲击后煤岩体破裂不明显。

• 基于不同浓度氯盐作用下充填膏体时效性特征研究

  温卓越, 杜兆文, 李帅乾,

  为研究矿井水作用下充填膏体时效性，配制了质量分数为0%、5%、10%、15%氯盐溶液，开展了侵蚀周期为4次、8次、12次、16次的氯盐干湿循环试验，分析了充填膏体宏观和微观特征，基于构建的压实−弹塑性本构模型获得了充填膏体损伤曲线，探讨了氯盐作用下充填膏体应力演化机制。结果表明：充填膏体质量随氯盐侵蚀周期增加呈急剧增长、缓慢增长和缓慢下降趋势，高浓度氯盐溶液会加速充填膏体质量变化；随氯盐侵蚀周期增加，充填膏体依次呈现出高应力−低应变、低应力−高应变和低应力−低应变宏观力学特征；压实度呈先急剧减小后小幅度增降发展动态，塑性因子呈先稳定后急剧增降变化趋势。氯盐会促使充填膏体损伤进程的平稳发展，抑制塑性后期的损伤激增；质量分数为5%和10%氯盐溶液中经历16次干湿循环后的损伤曲线发展曲率相对较小，质量分数为15%氯盐溶液中经历12次干湿循环后的损伤曲线发展曲率相对较小。化学腐蚀是引起充填膏体胶结性能弱化的重要原因，化学腐蚀的盐蚀产物一部分来源于氯盐与未参与水化反应铝酸三钙（C3A）化学结合，另一部分来源于氯盐与水化产物钙矾石（AFt）化学结合。盐蚀产物与内部结构协调变形是造成充填膏体性能异化的关键因素，盐蚀产物充实抵抗内部应力致使压密性能和裂隙扩展能力降低。可为矿井水中充填膏体时效稳定性分析提供理论依据，对维护充填膏体长期稳定具有重要意义。

• 边帮煤开采覆岩运移诱发边坡失稳滑移机理及其控制

  李俊鹏, 王文才, 王创业, 吴祥业,

  露天开采因多因素限制，会形成大量边帮滞留煤，随内排和复垦结束，这些滞留资源会永久损失，造成极大浪费，为降低资源浪费，地下开采被广泛使用，但因边坡存在典型变形破坏和失稳滑移特性，给边帮煤地下开采带来极大安全隐患，严重制约着资源回收。因此，厘清地下开采扰动下采动边坡失稳滑移机理及其控制机制，切实保障边坡稳定性，成为岩土及采矿工程界共同面临的一项重要课题。鉴于此，本文综合运用物理和数值模拟、力学分析等多种手段对边帮煤地下开采下采场覆岩运移规律、采动边坡变形破坏特征、失稳滑移机理及其控制机制进行了研究。取得如下创新成果：建立了边帮煤地下开采双煤层采动物理和数值模型，揭示了采动边坡“横三区”破坏形态的演变规律、形成机制及与采动坡体耦合破坏和失稳滑移之间的关系，明确了下煤层开采易造成坡体形成“圆弧形”滑面、剪切滑移带和局部失稳滑移现象，获得了采动边坡台阶塌陷和张拉、剪切裂缝共存的破坏特征；建立了边帮煤地下开采采动边坡“砌体梁”力学模型，揭示了“砌体梁”动态演化规律及关键岩块B的旋转机制与采动边坡失稳滑移之间的关系，获得了造成采动边坡发生失稳滑移的主要原因是“砌体梁”结构的重复运动、“横三区”结构不断前移及关键岩块B回转失稳形成水平推力的共同作用及“采空塌动—顺层蠕滑—边坡失稳”的滑移机理；提出了从控制“砌体梁”关键岩块B回转的采动边坡失稳滑移控制方法，并进行了分析，得出了采用回填压脚控制方法在遏制水平推力传递的基础上，能有效改变铰接岩块的断裂度，抑制关键岩块B的回转，达到采动边坡失稳滑移的有效控制，基于此进行了工程应用和验证，形成了采动边坡的稳定控制体系，为实现边帮煤安全、高效回收提供保障。

• 强突煤层地面丛式井造穴卸压辅助石门揭煤技术

  刘厅, 翟成, 童校长, 徐鹤翔, 邹全乐, 林柏泉, 徐吉钊,

  针对深部强突煤层石门揭煤危险性高，打钻过程易喷孔、效率低的难题，基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统；其次揭示了丛式井造穴卸压煤体物理场演化规律，提出了造穴关键技术参数优化方法；最后成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验，验证了技术的有效性。结果表明：提出了多场协同调控防突方法，揭示了地面丛式井区域全覆盖造穴强化卸压增透，辅助石门揭煤消突机理，开发了“机械扩孔−水力喷射−排水释压”多级造穴技术，并配套研发了“造穴−排渣−水渣分离”一体化系统。煤体塑性区体积与等效直径平方呈线性关系，研究条件下的比值为81.90；洞穴附近低渗透区瓦斯压力随着洞穴直径的增大先降低后升高，对应的最优洞穴直径为2.0 m；揭煤巷道沿着垂直于最大主应力方向布置时，造穴后巷道两侧煤体更容易消突。成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验，技术实施后，煤层透气性系数提高约10倍，残余瓦斯压力和残余瓦斯含量显著降低，试验地点井下揭煤措施孔数量减少了24%、钻孔工程量降低了21%。开发的技术可进一步拓展形成“地面井煤气共采”方法，有望实现难采−难抽煤层煤与瓦斯的协同高效共采。

• 深井高瓦斯低渗煤层深孔聚能爆破增透试验研究

  傅师贵, 刘泽功, 常帅, 杨帅, 张健玉, 乔国栋, 张鑫,

  随着煤炭逐渐往深部区域开采，将面临着高地应力问题。针对深井高瓦斯低渗煤层在深部地应力作用下聚能爆破增透煤体内部损伤及裂隙演化规律不清楚，建立了聚能爆破射流理论模型，研究了聚能射流形成的临界压垮速度，验证了射流形成的可行性，分析了聚能爆破载荷侵蚀煤体的作用机制；随后通过在实验室开展了不同埋深下聚能爆破和普通爆破的相似模拟对比试验，从宏观裂纹、应变情况以及超声波数据3个方面分析不同埋深下聚能爆破和普通爆破对煤层裂纹扩展的影响；其次通过数值模拟软件研究不同埋深下聚能爆炸载荷对煤体损伤分布特征情况；最后通过现场试验研究普通爆破和不同埋深下聚能爆破对瓦斯浓度和瓦斯抽采纯量的影响。爆破相似模拟试验结果表明：深部地应力会抑制爆破载荷对煤体的致裂范围，并且普通爆破受地应力的影响比聚能爆破更大；相对比于普通爆破，聚能药包在深部煤体爆破增透时致裂范围更广，在聚能方向上1号测点最大压应变峰值是普通爆破的1.35倍，而非聚能方向上3号测点最大压应变峰值为普通爆破的86%，这也导致裂纹优先向聚能方向扩展，在非聚能方向扩展较少，爆破定向效果更佳。数值模拟结果表明：随着埋深的增加，聚能爆破侵彻煤体的范围会变小；拟合了埋深与聚能爆破致裂煤体范围关系式，能在一定程度上为深部矿井聚能爆破致裂煤体范围作为判断依据。现场试验结果表明：深孔聚能爆破比普通深孔爆破能够更大程度增加瓦斯抽采。而埋深对深孔聚能爆破致裂范围有一定的影响，因此在深部矿井中采用聚能爆破时应考虑地应力的影响。研究成果对深部高瓦斯低渗煤层爆破增透有一定的参考意义。

• 煤层井下低温取心过程瓦斯损失量推算模拟试验

  王龙, 邓志亮, 王兆丰, 刘军, 胡龙生, 王新丰,

  低温取心技术既能在煤层中定点取样，又可有效减少取样过程的瓦斯逸散，在井下煤层瓦斯含量精准测定中应用前景广阔。为了准确推算低温取心过程的煤心瓦斯损失量，依托含瓦斯煤低温取心吸附解吸模拟平台，在不同管壁外热、不同平衡压力(1～4 MPa)条件下开展了低温取心型煤瓦斯解吸模拟试验，研究了低温环境下的瓦斯解吸特征；并基于图解法，采用3种不同扩散模型对低温取心的解吸曲线进行拟合分析，评价了3种损失量推算模型的优劣。结果表明：常规取心过程产生的摩擦热会大大增加煤心瓦斯损失量；瓦斯解吸量随取心管壁温度上升逐渐增大，当管壁外热分别为60、70、80、90 ℃时，30 min内解吸量分别为6.587、7.082、7.460和7.981 cm3/g，较之恒温30 ℃解吸量的增幅分别达到13.71%、22.25%、28.78%和37.77%。低温取心时，煤心解吸出现倒吸回流现象，这是降温导致煤样罐内压力小于大气压造成的。经不含瓦斯煤倒吸对比试验校正，低温取心时的真实解吸量随着管壁外热降低逐渐减小，管壁外热分别为60、70、80、90 ℃时，30 min内低温取心解吸量分别为3.578、3.842、4.215和4.76 cm3/g，较之常规取心的解吸抑制率在40%～46%间。低温环境下，瓦斯解吸量随吸附平衡压力升高逐渐增大，但增长幅度逐渐减小；低温取心时的扩散系数较之常规取心减少得多，且随着降温呈现线性降低。采用Logistic增长模型对低温取心解吸曲线的拟合精度明显优于 \sqrtt 模型和指数模型，损失量推算误差小于0.5%，能够满足低温取心时瓦斯损失量推算的需要。

• 基于煤心原位体积复原的免封孔测压试验研究

  吴宽, 王兆丰, 施式亮, 崔永杰, 王龙, 陈勇,

  基于“状态复原”的免封孔测压技术是通过将瓦斯压力测试煤样由井下原始煤体赋存状态被剥离出来装入实验煤样罐后进行漏失瓦斯量补偿、煤心体积复原、人工模拟煤体储层温度来复原原始煤体赋存状态下的煤层瓦斯压力的实验测压新技术，是准确快速获取预抽煤层残余瓦斯压力的可行性新技术，该技术不受井下测压地点和封孔质量的限制。煤心体积的准确复原是该方法准确测定预抽煤层残余瓦斯压力的关键环节。为了探究合适的煤心体积复原方式，依托团队自主研发的免封孔煤层瓦斯压力测定仪，开展了加载轴压煤心体积复原、接触注液（水/油）煤心体积复原、加压与注液结合的煤心体积复原实验研究。结果发现：设定加载轴压依次为5、10、15……65 MPa进行煤心体积复原时，由于煤样颗粒之间相互支撑抵抗作用，导致因取样破碎煤体而新生的裂隙无法完全“愈合”，单纯通过加压的方式复原煤心体积在理论和技术上均难以实现；设置初始吸附平衡压力P0为0.31、0.53、0.74、1.00、1.50 MPa进行接触注水、接触注硅油、加压/注液结合的煤心体积复原实验，接触注水的煤心体积复原方式实验误差为40.67%～116.13%，接触注硅油的煤心体积复原方式实验误差为29.33%～87.10%，加压/注液结合的煤心体积复原方式的实验误差在2.67%～9.68%，且误差随吸附平衡压力的增大而减小；对比3种煤心体积复原方式的实验效果，最终确定以上腔加压与下腔注硅油结合的方式复原煤心原位体积。为基于“状态复原”的免封孔测压技术的实现提供了一种可靠途径，为煤矿准确快速获取预抽煤层残余瓦斯压力值提供了一种新方法，为煤层瓦斯抽采效果检验与达标评判提供了技术支撑。

• 外因火灾通风网络风量风质失效模型与数值解算方法

  李伟, 刘彦青, 张浪,

  为了尽可能复现火灾时期通风网络内风量波动、风流逆转、风温异常、有毒有害气体蔓延、氧气体积分数降低等灾变过程，构建了外因火灾通风网络风质风量失效物理模型，采用时序化分析方法进行了解耦处理。通过风阻、火风压、风流密度关键通风参量计算模型，将基于质量流量守恒的通风网络回路风压平衡方程、通风网络风流−围岩热量交换−传播控制方程、有毒有害气体弥散−扩散控制方程、氧气消耗−运移控制方程进行联立，构建了外因火灾通风网络“风量风向−风温−有毒有害气体体积分数−氧气体积分数”非稳定多场耦合数学模型。采用回路风量牛顿法求解通风网络风量风向变化，采用迎风离散格式的有限差分法求解通风网络内风流传热−传质过程，建立了火灾时期全风网“节点−分支−网络”风量风质失效多物理场耦合解算方法，构建了多物理场间接耦合解算流程，编写了解算程序。通过在角联结构试验巷道内开展外因火灾试验，初步验证了模型的准确性与适用性，在此基础上分别模拟了进风区分支与用风区分支火源位置情况下复杂通风网络内风量变化、风流逆转、风温异常、有毒有害气体蔓延、氧气体积分数波动的动态变化过程。模拟结果表明：火源位置在进风井条件下风量显著变化分支达到通风网络分支总数的61%，风流逆转分支数量占通风网络分支总数的11%，风温显著变化分支数量达到通风网络分支总数的76%，CO侵入分支数量达到通风网络分支总数的84%，氧气体积分数显著变化分支数量达到通风网络分支总数的41%，进风井分支发生外因火灾造成的灾害影响范围和影响强度均明显大于其他分支。

• 不同温度和吸附压力下含瓦斯煤自燃微观分形特征

  李振榕, 田富超, 王刚, 谭波, 秦玉金,

  采空区瓦斯与煤自燃复合灾害日趋成为制约矿井安全生产的主要灾害模式，为研究瓦斯与煤自燃复合灾害致灾机理，通过低温液氮吸附、扫描电镜和TG-FTIR测试方法开展不同CH4吸附压力下煤低温氧化微观结构及热分析测试试验，并基于分形理论建立孔隙分形计算模型，探究吸附态CH4对煤孔隙结构和热稳定性的影响。结果表明：吸附态CH4抑制氧化对微孔的热损伤破坏，因此相较于以中、大孔为主的原煤，含瓦斯煤存在大量微孔，且孔隙形态发生变化；随着吸附压力的升高，失水脱附阶段煤样质量损失分别为4%、2.9%、3.2%和3.2%，CH4占据煤氧反应吸附位点导致参与氧化反应的化合物减少，氧化增重阶段参与氧化反应的活性物质减少，煤样氧化增重分别为0.67%、0.41%和0.31%，并且含瓦斯煤自燃各阶段的特征温度点随着吸附压力升高而滞后；构建了基于孔径分布及CH4吸附/解吸过程的分形模型，低CH4压力氧化前期煤表面形态不均一化增大，煤表面吸附气体能力升高，发生氧化反应的可能性增大，煤自燃风险增加，低瓦斯抑制煤自燃的能力较弱，且与原生孔隙的比表面积相关。研究成果探究了不同残余瓦斯含量对煤自燃特性的影响，进一步验证了不同吸附压力、温度下含瓦斯煤竞争吸附−解吸−氧化全过程连续物理模拟平台的准确性，为采空区复合灾害环境下瓦斯与火耦合灾害防治提供了基础支撑。

• 采空区球体组装模型与多孔介质流动压损预测

  陈方兴, 郝小礼, 陈世强, 李轶群, 李石林, 鲁义,

  快速预测采空区内部流动损失，一直是煤矿精准防灭火的关键问题。围绕采空区多孔介质流动，提出球体组装的采空区多孔介质物理模型，结合模型几何特征，找到流动的最小体元，并划分出该流动的4个阶段。基于纳维−斯托克斯（N−S）方程，建立表观速度、球径、动力黏度、流体密度与压损的关系式，得到4个阶段的压损计算式，进一步，采用时间比重的加权方法，建立了单位长度压损模型JT/L，符合Forchheimer方程形式。应用该模型预测了压损数值，对比了数值模拟结果和Ergun方程的预测值，结果表明：对数值模拟结果的影响，相比出入口效应，发现边壁效应更大，经优化确定模型为16×7的多球组装体接枝组合；对于该接枝组合内的多孔介质流动，在层流和近层流时，Ergun预测值与数值模拟结果的相对误差小于8%；引入孔隙率为0.375的多孔介质试验数据，开展无量纲分析，验证了数值模拟结果的可靠性，但是，单位长度压损模型JT/L预测值的误差最大值达69.9%，实为将N−S方程简化成一维而引起的；定义修正系数K，表征三维流动的影响，雷诺数（Re）低于10，K=2.84，雷诺数为10～3 000时，K=6.56Re−0.334；最终，得到了拟三维的JT'/L计算模型，当雷诺数低于10，预测值的误差小于6%，在雷诺数10～3 000范围内，误差低于10%。结论表明，基于球体组装模型的采空区拟三维多孔介质流动压损计算模型，可快速预测出雷诺数不超过3 000的单位长度压损，有助于科学指导采空区精准防灭火的工程实践。

• 基于“疏导式”改造理念的煤层气水平井压裂技术适应性研究

  肖宇航, 朱庆忠, 赵群, 王玫珠, 赵洋, 孙钦平, 王三帅, 李宗源, 董晴, 王子涵, 周智, 郭纪刚,

  水平井压裂改造是当前非常规煤层气资源实现高效开发最为核心的技术手段，现今虽已取得较好现场成效，但目前煤层气压裂改造仍存在压裂改造目的不清晰、主体水平井压裂技术适应性不明、压裂改造效果评价手段欠缺等问题。为进一步提升压裂水平井产量和开发效益，依托已在沁水盆地南部取得显著成效，并被实践所验证的“疏导式”改造理念，立足沁水盆地南部高阶煤储层中原始天然孔−裂隙特征和煤层气“疏导式”改造理念对高阶煤储层压裂改造要求，吸收前人压裂改造评价经验，筛选出水平井各段压裂施工曲线类型和数量、平均施工压力、停泵压力、事故类型和发生率、投产后见气压力、当前流压和气量（生产1 a）和综合平均稳产气量7项关键指标，在此基础上提出基于煤层气“疏导式”改造理念的压裂改造效果评价办法，进而结合现场对比试验，开展主体水平井压裂技术适应性研究，借此落实主体压裂技术的改造能力上限和不足。结果表明：随埋深和地应力增大，煤储层改造难点由易滤失，易近井筒地带天然裂隙过度开启，难造优势主压裂裂缝，转变为优势主压裂裂缝周边的天然裂隙难以逐级规模开启，次级裂缝张开程度不够以及压裂砂携送困难，易脱砂、砂堵。底封拖动压裂技术因井筒内沿程压力损耗过大，在1 000 m以深难以满足煤储层“疏导式”压裂改造需求。连续油管压裂技术在深度超过1 200 m后，存在对压裂砂携送能力不足问题。桥射联作压裂技术不仅可满足1 250 m深度高阶煤储层“疏导式”压裂改造需求，同时还具备进一步增大压裂改造规模的潜力，可满足更深条件下煤储层“疏导式”压裂改造的施工和实现。研究可为沁水盆地南部和国内外其他煤层气区块压裂技术的合理优选和升级提供重要依据和支撑。

• 滇东北地区勺寨复向斜五峰组−龙马溪组页岩气地质特征及含气性控制因素

  李遇, 薛晓辉, 张金彪, 李金龙, 胡琳, 王玲, 陈志军,

  滇东北地区勺寨向斜五峰组−龙马溪组发育一套富有机质页岩，具有较好的勘探潜力；但关于其地质特征、含气性特征和主控因素尚不明确。通过系统梳理前人资料并结合最新钻井、剖面资料，对勺寨复向斜五峰组−龙马溪组富有机质页岩的岩石学特征、有机质特征、储集空间特征和含气性特征进行了分析，并就含气性控制性因素进行了探讨。结果表明：勺寨向斜五峰组−龙马溪组为浅水陆棚−深水陆棚沉积，富有机质页岩厚度介于35～105 m；五峰组上段和龙马溪组下段富有机质页岩TOC含量高，多在2% 以上，有机质类型好，具有良好的生烃潜力；优质页岩脆性矿物含量较高，具有较好的可压裂性；储层空间类型多，既有有机质孔、晶间孔、粒内孔为主的页岩气储集孔，又有沟通压裂通道、宏观裂缝的矿物碎裂缝和黏土矿物层间缝。研究区页岩含气量差异较大，高桥地区含气量相对较高但CH4无空气基含量较低，而莲峰地区含气量相对较低但CH4无空气基含量高，均在95%以上。研究认为：同一构造位置页岩总含气量受控于TOC含量、孔体积、孔比表面、黏土矿物含量、黄铁矿含量和碳酸盐岩矿物含量，不同构造部位页岩气含量受控于构造控制下的沉积环境及构造保存条件，构造控制下的深水陆棚、远离大断裂和具有褶皱遮挡的宽缓向斜含气性较好，是研究区页岩气富集的有利区带。

• 基于地震槽波多频联合应用的煤层厚度预测方法

  仇念广, 焦文杰, 金明方, 赵红利, 姚小帅, 张万鹏, 李庆斌,

  地震槽波基于频散理论，利用某一频率或带通滤波的频段，在一定程度上虽然可以反演回采工作面的煤层厚度分布情况、圈定薄煤区，但是工作面煤层厚度的复杂多变，使得地震槽波实际与理论频散特征之间存在明显差异，进而降低了预测煤层厚度的准确性与精度。为进一步提升地震槽波预测煤层厚度的水平，基于“群速度–煤层厚度–频率”的理论关系，利用群速度随频率的变化、各阶导数及其曲线，由二阶、三阶和四阶导数分别计算出不同煤层厚度的敏感频率、窄频带敏感频段和宽频带敏感频段，并反算出不同敏感频率可预测的煤层厚度及其范围。利用多个敏感频率加权重构和敏感频段，提出了基于地震槽波多频联合应用的煤层厚度预测方法。针对试验工作面，以巷道揭露平均煤层厚度所对应的147 Hz敏感频率、123～172 Hz窄频带敏感频段和103～188 Hz宽频带敏感频带的群速度，反演工作面的煤层厚度；同时结合槽波有效频段和巷道主要揭露煤层厚度的范围，以各煤层厚度的占比为权重因子，将各煤层厚度敏感频率的群速度进行加权重构，再以此多频加权重构群速度预测工作面煤层厚度；单一敏感频率、窄频带敏感频段、宽频带敏感频段和多频加权重构预测的煤层厚度分布趋势与实际回采情况基本一致，较好地圈定出厚煤区与薄煤区；4种方法对于偏差不超过20%煤层厚度(0.50 m)的预测精度可分别达到76.15%、83.68%、81.17%和86.62%。结果表明：随煤层厚度的增加，敏感频率与敏感频段均降低，且敏感频段的范围也缩小；随着频率的增加，可预测的最佳煤层厚度变薄，且厚度范围也变小；单一敏感频率、窄频带敏感频段、宽频带敏感频段和多频加权重构均可有效预测工作面煤层厚度，但多频联合应用的敏感频带和多频加权重构相对于单一敏感频率，预测准确率和精度得到了提升，其中多频加权重构的效果最佳。因此，在开展地震槽波预测煤层厚度时，可首选多频加权重构，其次为窄频带敏感频段和宽频带敏感频段，最后为单一的敏感频率。

• 奥灰顶部注浆改造材料配比优选试验

  樊振丽, 曹路通, 张风达, 尹希文, 赵秋阳, 张志巍,

  我国华北型煤田矿井深部承压水上开采前，对奥灰顶部进行注浆改造并封堵导水通道，是降低底板突水风险的有效方法。针对桌子山煤田深部中等～强透水灰岩注浆工程需求，采用正交试验方法对不同配比的粉煤灰−水泥材料基础性能进行了测试，分析了水固比、固相比以及温度3个因素对浆液密度、黏度、析水率、结实率、凝结时间和力学强度6项指标的影响规律。试验结果表明：水固比对浆液的6项指标均有相对突出的影响；固相比对浆液的黏度、凝结时间及力学强度有较大影响；温度对浆液性能的影响相对较小。将地面注浆钻孔升压过程分为低压充填、中压扩散、高压裂隙延展加固3个阶段，不同注浆阶段适用的注浆材料配比不同。采用综合平衡法优选，分别得到了适用于不同注浆阶段的3个材料配比方案。将优选的注浆材料配比应用于中等～强透水灰岩注浆改造工作中，工程实践显示浆液能够在地层中有效扩散并充填裂隙，基本上切断了奥灰顶部所揭露的垂向导水通道，降低了工作面突水风险，为奥灰顶部区域性注浆治理工程提供了技术支撑。

• 论“拣矸就是拣图像”的学术思想

  马宏伟, 张烨, 王鹏, 曹现刚, 聂珍, 魏小荣, 周文剑, 张明臻,

  煤矸石分拣是提高煤炭质量最基本、最有效、最重要的技术措施，提高煤矸石分拣的准确性、高效性是煤矸石分拣面临的严峻挑战。深入研究分析了现有“抓取分拣”“拨叉分拣”和“气动分拣”3种煤矸石智能分拣系统架构和原理，提出了“拣矸就是拣图像”的学术思想，建立了“拣矸就是拣图像”学术思想的逻辑架构，阐明了“拣矸就是拣图像”学术思想的基本内涵，主要包括基于图像的煤矸石识别、基于图像的煤矸石分拣特征提取、图像驱动的分拣器动态目标跟踪和基于图像序列的多任务多分拣器协同等关键技术。针对基于图像的煤矸石识别问题，提出了将视觉图像和射线图像融合的识别原理和方法，能够有效提高煤矸石识别的准确率；针对煤矸石图像分拣特征提取问题，提出了基于煤矸石图像的平面特征和深度特征提取和融合算法，构建了煤矸石分拣立方体，能够提高煤矸石分拣的准确性；针对动态煤矸石跟踪问题，提出了基于图像的煤矸石匹配跟踪和路径规划方法，能够提高分拣的精准性和可靠性；针对多分拣器智能协同分拣问题，提出了以煤矸石图像信息库为基础，构建分拣器综合收益函数实现多分拣器多任务最优分配，融合强化学习方法实现多分拣器智能协同控制以及分拣器数量最优配置，能够有效提高多分拣器系统的分拣效率。按照“拣矸就是拣图像”的学术思想，自主研发了双机械臂桁架式煤矸石分拣机器人实验平台，验证了该学术思想的正确性和可行性，并在铜川矿业公司玉华煤矿成功应用。“拣矸就是拣图像”的学术思想为破解煤矸石分拣智能化、精准化、高效化难题奠定了理论基础。

• 煤矿井下点云特征提取和配准算法改进与激光SLAM研究

  薛光辉, 张钲昊, 张桂艺, 李瑞雪,

  激光SLAM在狭长局促的煤矿井下非结构化环境中面临退化问题的挑战，在特征很少或者特征复杂的情况下，位姿估计不准确，导致建图失真甚至失败。针对煤矿井下非结构退化环境中激光点云特征提取与配准困难的问题，提出了一种融合FPFH和ICP算法的二阶段点云特征提取及配准的方法，首先构建源点云和目标点云的kd-tree结构，利用统计滤波和体素滤波降低点云数量，提取点云表面法线并计算关键点云的快速点特征直方图特征描述子，再利用采样一致性初始配准算法进行粗配准，然后采用ICP算法进行精配准，以提升点云配准的准确性和位姿估计的精度；改进了LIO-SAM算法的特征提取和配准算法以及后端回环因子图优化算法，提升其关键局部特征识别与配准能力，利用Scan Context全局描述符闭环因子改善其闭环检测性能，以获得精确的全局一致性地图。利用M2DGR公开数据集测试了改进算法的性能，开展了2种煤矿井下典型场景的模拟SLAM试验，验证改进算法在特征提取和配准方面的有效性。测试和试验结果表明：与传统的LIO-SAM算法相比，改进算法的位姿估计和点云配准精度更高，相对位姿误差的平均误差改善了6.52%，绝对位姿误差的最大误差降低了18.84%，构建的地图无明显失真，建图误差均在1%以内，可实现非结构化退化环境的高精度全局一致性地图构建。

• 煤矿掘进机光纤惯导自适应零速修正方法

  毛清华, 周庆, 柴建权, 陈彦璋, 杨文娟, 薛旭升,

  高精度光纤惯导与高精度位置传感器融合定位是实现煤矿巷道掘进机精确定位的有效方法，但高精度光纤惯导成本较高且误差随时间累积，如何通过低成本、低精度的光纤惯导自适应零速修正达到高精度光纤惯导性能和消除累积误差是目前亟待解决的问题。因此，提出一种零速检测与扩展卡尔曼滤波结合的煤矿掘进机光纤惯导自适应零速修正方法。针对掘进机光纤惯导传统阈值方法零速检测不准确问题，提出一种基于PCA−SCSO−SVM（Principal Component A-nalysis, PCA; Sand Cat Swarm Optimization, SCSO; Support Vector Machine, SVM）的零速检测方法，该方法利用掘进机振动信号进行零速检测，首先对振动信号进行VMD分解并根据相关系数选取IMF分量，其次提取IMF分量的时频域特征，并运用主成分分析法降维以降低诊断模型复杂度与数据分析难度，最后通过引入沙猫群优化算法优化核函数与惩罚参数提高零速检测的准确率。针对高精度光纤惯导成本较高和误差随时间累积问题，提出一种自适应零速修正方法，该方法根据掘进机零速检测结果和掘进机运动特性确定的修正间隔时间，利用扩展卡尔曼滤波在零速时刻的速度误差和角速度误差作为观测量进行自适应零速修正。为了验证本文方法的有效性，开展了零速检测和零速修正的试验验证。零速检测试验中，将本文方法、SVM方法、 GA−SVM方法和PSO−SVM方法进行对比，结果表明：本文方法零速检测准确度最高，达到了96.5%。零速修正试验结果表明：研究提出的零速修正方法能有效降低光纤惯导的姿态误差和提升掘进机姿态检测精度，且修正间隔时间越短误差估计越准确、修正后的姿态精度越高，修正间隔时间为10 min时，能够使0.1（°）/h的光纤惯导达到0.057（°）/h的姿态检测精度，实现了低精度光纤惯导达到高精度定位目标。

• 基于点线特征的煤矿井下机器人视觉SLAM算法

  王莉, 臧天祥, 苏波,

  煤矿井下视觉同步定位与地图构建SLAM(Simultaneous Localization and Mapping)应用中，光照变化与低纹理场景严重影响特征点的提取和匹配结果，导致位姿估计失败，影响定位精度。提出一种基于改进定向快速旋转二值描述符ORB (Oriented Fast and Rotated Brief)-SLAM3算法的煤矿井下移动机器人双目视觉定位算法SL-SLAM。针对光照变化场景，在前端使用光照稳定性的SuperPoint特征点提取网络替换原始ORB特征点提取算法，并提出一种特征点网格限定法，有效剔除无效特征点区域，增加位姿估计稳定性。针对低纹理场景，在前端引入稳定的线段检测器LSD (Line Segment Detector) 线特征提取算法，并提出一种点线联合算法，按照特征点网格对线特征进行分组，根据特征点的匹配结果进行线特征匹配，降低线特征匹配复杂度，节约位姿估计时间。构建了点特征和线特征的重投影误差模型，在线特征残差模型中添加角度约束，通过点特征和线特征的位姿增量雅可比矩阵建立点线特征重投影误差统一成本函数。局部建图线程使用ORB-SLAM3经典的局部优化方法调整点、线特征和关键帧位姿，并在后端线程中进行回环修正、子图融合和全局捆绑调整BA (Bundle Adjustment)。在EuRoC数据集上的试验结果表明，SL-SLAM的绝对位姿误差APE (Absolute Pose Error）指标优于其他对比算法，并取得了与真值最接近的轨迹预测结果：均方根误差相较于ORB-SLAM3降低了17.3%。在煤矿井下模拟场景中的试验结果表明，SL-SLAM能适应光照变化和低纹理场景，可以满足煤矿井下移动机器人的定位精度和稳定性要求。

• 基于扩展无向图的煤矿救援多机器人自主探索方法

  周林娜, 吴体昊, 黄新利, 杨春雨, 张鑫,

  煤矿灾后环境退化，救援任务复杂艰巨，救援人员面临着众多威胁，机器人参与救援可以有效提高救援效率和安全性，但现有遥感救援机器人面临无法实时通信等问题。因此，针对井下灾后复杂环境，提出基于扩展无向图的多机器人自主探索方法，研究多机器人自主探索系统协同搜救以进一步提高救援效率。首先，根据煤矿井下环境特点和灾后救援需求，针对自主探索计算效率和空间探索深度的问题，结合局部和全局规划策略构建煤矿救援多机器人自主探索系统架构和算法流程；其次，在机器人系统进行局部救援探索时，存在狭窄/开阔空间并存的特殊环境，难以快速采样并生成局部探索路径导致救援任务过早结束，因此融入旅行商问题，各机器人在局部空间进行视点采样与探索增益计算构建局部图并确定待访问点，利用A*算法优化局部图最短探索路径；然后，当局部图探索增益不足时进行全局图探索，各机器人共享全局图并以增量方式扩展，减少多个机器人直接访问目标点造成的整体效率下降影响，协同全局图搜索算法求解各车的全局图探索最短路径。最后，使用3台不同型号的机器人进行实车试验，并与基于边界点方法的常用多机器人自主探索算法对比，结果表明本文多机器人自主探索方法在探索完整度上提高了51%、探索时间节约了58%以上，可以较好地实现复杂环境下多机器人自主探索任务。

• 暗环境适应性的基于SLAM的煤矿井下机器人定位方法

  江松, 崔智翔, 代碧波, 饶彬舰, 何润丰, 王浩宇,

  在智慧矿山建设的背景下，智能化设备的应用日益成为矿山智慧化改造的主要内容，用于巡检、危险区域勘测等任务的煤矿井下智能机器人运行依赖于数字地图构建和机器人自身定位，但大多数传统的定位方法在煤矿井下出现了低效甚至失效的情况，同步定位与建图技术(Simultaneous Localization and Mapping, SLAM)成为了煤矿井下智能机器人定位方法的较优选择。然而，受制于激光雷达的高成本，以及相机在井下的低光照环境性能不佳，需要设计一种兼顾低成本和具有井下低光照环境适应性的SLAM定位方法，故提出了一种具有井下暗光照适应性煤矿井下机器人定位方法。首先，采集了陕西省宝鸡市凤县某煤矿井下的实景图像和SLAM所需的相机与IMU数据，根据图像制作了非匹配的暗光与正常光数据集，经过数据扩增达到3 560张图像。设计了结合自注意力模块的EnlightenGAN图像增强网络，在不依赖配对数据集的情况下兼顾图像不同区域的依赖关系应对图像光照不均区域。在ORB–SLAM3框架的基础上，引入全局部图像检测对输入图像进行筛分，引入基于解析解的IMU初始化改进策略提高初始化速度，并引入了改进的图像增强网络对低光照以及光照不均的图像进行增强处理。在EuRoC数据集上的试验表明，基于图像增强的煤矿井下智能机器人定位方法能够在低光照环境下降低13.7%的ERMS和15.24%的ESD。在2个实际煤矿巷道场景中，系统能够识别低光照环境、增加SLAM系统提取的特征点数量，减少定位轨迹的漂移现象，最终改善系统在巷道低光照区域的定位效果。

• 基于LSTM的液压支架尾梁倾角预测方法

  姚钰鹏, 张境麟, 熊武,

  综放开采是我国特厚煤层主要的开采方式，放煤执行机构控制精度很大程度上依赖于尾梁姿态的数据反馈。为了提高放煤执行机构的控制精度，提出了一种基于长短期记忆神经网络（LSTM）的支架尾梁倾角预测方法。将与尾梁放煤动作相关的支架底板绝对坐标、尾梁倾角、尾梁相对高度、移架速率和立柱压力作为RNN卷积网络和LSTM神经网络的输入变量，使用某煤矿综放工作面放煤历史数据对支架尾梁姿态预测模型进行训练和验证，建立支架尾梁姿态预测模型，对尾梁倾角进行连续16 h预测，结果预测的尾梁倾角曲线与实际尾梁倾角曲线的拟合程度达98.7%。在综采放顶煤工作面开展了3～4个生产班的液压支架尾梁倾角预测试验，经过对比分析预测的尾梁倾角曲线与实际尾梁倾角曲线，当置信区间为(0.98,1.02)时，连续生产16 h预测准确率为98.40%。基于LSTM的支架尾梁倾角姿态预测方法解决了电液控系统自适应放煤作业尾梁倾角控制问题，为综放工作面无人放煤奠定了基础。

• 兆瓦级煤矿井下压裂泵系统的研制及应用

  李然, 王初亮, 刘波, 冯彦军, 姜鹏飞, 陈荣明, 陈敬斌, 陈卓, 王大龙, 卢海承, 郭宗凯, 曹田泽, 于远征, 王超,

  为满足在坚硬难垮落顶板治理、瓦斯抽采增透等领域大面积区域压裂应用中对流量、压力的需求，研制了一套兆瓦级煤矿井下压裂泵系统。该系统将自动控制和变频技术同煤矿井下压裂泵的设计相结合，能够根据煤矿井下水力压裂的不同阶段的工况需求，动态采集压裂泵性能参数数据，实时分析压裂泵的功率匹配，实现压裂过程全自动化。重点攻克了高压大流量压裂泵特殊材料及工艺、动力端可靠性、液力端可靠性以及自动控制等关键技术瓶颈。研究了适用于压裂极端工况要求的高强度、耐冲蚀马氏体沉淀硬化不锈钢，并采用超高压自增强处理，提高压裂泵液力端疲劳寿命；研究压裂泵齿轮传动及摩擦副等关键可靠性技术，实现兆瓦级功率条件下压裂泵传动系统的高可靠运行；通过计算机仿真，优化了压裂泵液力端吸排液系统的结构、性能；攻克了深钻孔低频变流量坐封技术、煤岩层起裂自动识别技术及循环压裂控制技术，实现压裂全流程的自动化控制该系统分别在曹家滩矿122110特厚煤层工作面和东李煤矿1250瓦斯治理巷进行了工业性试验；曹家滩矿试验显示：坚硬顶板预裂弱化治理裂缝扩展压力平稳，稳压时压力最高可达32.4 MPa，平均流量可达100 m3/h；东李煤矿瓦斯增透试验结果显示：实施水力压裂增透工艺10 d后，平均瓦斯抽采纯量增大到1.596 m3/min，约为对比验证普通钻孔抽采工艺的29倍。

• 新型同步润滑高水基柱塞泵及其系统建模与特性研究

  姜浩, 余浪, 李永康,

  扩大高水基柱塞泵转速范围利于煤矿综采工作面供液系统的宽幅智能化调控。针对传统低压润滑条件下由关键摩擦副润滑不足导致的高水基柱塞泵转速受限问题，开发了一种基于阶梯形柱塞、满足高转速运行的高水基柱塞泵结构及其同步润滑方法。为深入了解其系统特性与摩擦副同步润滑效果，构建基于AMESim/Simulink的系统联合仿真模型，对润滑腔与工作腔压力动态耦合、阀芯启闭特性，以及反映同步润滑条件下摩擦副润滑效果的滑靴副油膜特性开展研究。进一步，讨论泵转速对其影响。最后，通过样机试验测试高水基柱塞泵在高转速工况下的流量特性。结果表明：所提出的新型同步润滑方法可使柱塞泵润滑腔在柱塞排液阶段同步产生随转速升高而压力增大的润滑油。随着泵转速的增大，滑靴副膜厚下降，但静压作用时间延长会引起泄漏量增大。在500～2 000 r/min转速范围内滑靴的油膜厚度介于8.1～17.5 μm，满足流体润滑需求；试验结果表明：当转速为500 r/min和1 500 r/min时，实测流量脉动小于数值计算结果，柱塞泵的模拟与试验平均输出流量偏差分别约为7.8%和8.1%，流量脉动随着转速增大而增大，新型高水基柱塞泵可满足高速工况运转需求；同时，相对于柱塞运动，柱塞工作腔与润滑腔压力的建立，以及吸、排液阀的启闭均会产生滞后，且随着泵转速的增加更为明显，从而影响系统容积效率与流量脉动率。研究结果验证了新型同步润滑高水基柱塞泵应用于高转速工况的可行性，同时指出了部分不足及其产生原因，为新型同步润滑柱塞泵的后续改进和优化奠定理论基础与试验依据。

• 宁夏煤制石墨烯的微观结构演化特征：综合表征分析

  李瑞青, 唐跃刚, 罗鹏, 琚敏敏, 徐晓婷,

  煤基碳材料的制备和表征是一个热门研究领域。煤基石墨烯的结构特征不仅决定了产品的性能，还可为产品制备过程中的工艺调控提供参考。因此，有必要对煤基石墨烯的微观形态和结构有一个清晰的了解。研究采集了宁夏回族自治区8个不同煤阶的煤样，化学脱矿后高温石墨化处理得到煤基石墨，采用改进的Hummer’s氧化还原法制备煤基石墨烯，并通过X射线衍射、拉曼、原子力显微镜和高分辨率透射电镜综合表征获得了煤基石墨烯的微观形貌和结构参数。结果表明：宁夏回族自治区不同煤阶的煤样所制备的煤基石墨烯均为少层石墨烯，高温石墨化可显著提高煤结构的有序度和石墨化度，有利于煤基石墨烯的制备，尤其对低煤阶的煤最为显著。煤基石墨的石墨化度均超过0.70，最高为0.99。煤阶越高，所制备的石墨烯片层的直径和堆砌高度越大、缺陷更少、剥离效果也越好。所制备的煤基石墨烯的直径在3.78～13.04 nm，层间距均超过了0.355 0 nm，最高可达0.366 1 nm。且随煤阶的升高，煤基石墨烯直径的增大要比堆砌高度更显著，因此，煤基石墨烯的形态总体趋于扁平状演化。煤的黏结性会造成煤基石墨烯表面粗糙度的增大，但不会影响石墨烯芳香层的晶型与有序度的发展。随煤阶的升高，石墨烯结构经历了涡轮型—Y型—半直面型—直面型的演化路径。直面型的石墨烯结构是煤结构在煤基石墨烯制备过程中演化的最终形态，表现为明显的剥离、卷曲和舒展的特征，这也为石墨烯台阶状的形成提供了可能。

• 基于响应面的粉煤灰湿法脱硫条件优化与机理

  鞠恺, 刘颖, 李新, 任武昂, 鱼郑, 唐仁龙, 金鹏康, 孙丽萍,

  为考察粉煤灰作为脱硫剂的脱硫效果与机理，采用单因素试验与响应面法对参数粉煤灰浆液固液质量比、SO2体积分数、气体流量进行分析，并结合X射线荧光光谱、扫描电镜等手段探索粉煤灰湿法脱硫的反应机理。结果表明：在一定范围内，提高固液质量比可以通过升高pH的方式来提升穿透时间、SO2总吸附量与单位粉煤灰浆液吸附SO2量，但当固液质量比超过1∶1后会出现穿透时间与SO2吸附量下降的现象。随着SO2体积分数增加，粉煤灰浆液对SO2的吸附量呈现先升高后降低的趋势，SO2体积分数为750×10−6时取得最大吸附量64.35 mg，高SO2体积分数能显著降低穿透时间。提升气体流量，穿透时间、SO2总吸附量与单位质量粉煤灰浆液吸附SO2量均有所降低。以A、B、C分别表示因素固液质量比、SO2体积分数和气体流量，AB、AC、BC分别表示其是交互项进行响应面分析，结果显示：影响穿透时间因素的主次顺序为C、B、A、BC、AC、AB；影响SO2总吸附量因素的主次顺序为B、A、C、AB、BC、AC；影响单位质量粉煤灰浆液吸附SO2量因素的主次顺序为A、B、C、AB、AC、BC。最佳脱硫工艺条件为固液质量比为0.87、SO2体积分数为472×10−6、气体流量为1 500 mL/min。对脱硫前后粉煤灰的XRF和SEM分析显示：脱硫后粉煤灰硫氧化物含量显著增多，原表面板状Ca(OH)2生成了块状和针棒状物的CaSO4·2H2O和CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O。可能的脱硫机理为：粉煤灰在水中溶出大量Ca2+和OH−。SiO2和Al2O3在强碱条件下与Ca(OH)2反应，生成水化硅酸钙、水化铝酸钙等胶凝物质（C−S−H和C−A−H凝胶）。当含硫烟气通入粉煤灰浆液中，SO2转移至液相，形成H+，\mathrmHSO_3^- 和\mathrmSO_2^2- ，H+与粉煤灰浆液反应，使粉煤灰中含有的Ca2+、Fe3+等元素浸出并催化氧化溶解于粉煤灰浆液中的SO2气体，生成H2SO4与CaSO4，CaSO4与浆液中水分子结合后以CaSO4·2H2O形式析出。

• 煤基低维碳材料制备及其在有机太阳能电池的应用

  赵勇, 刘敏, 阙建磊, 黄澎,

  煤炭作为储量丰富的碳资源在能源行业中占据重要地位，但传统的煤炭利用方式存在环境污染和效率低等问题。煤及其衍生物富含丰富的稠环芳烃，可通过物理、化学等手段转化为高附加值的低维（零维、一维和二维）碳材料，这有利于推动新能源的发展以及实现煤炭资源的清洁利用。笔者首先阐述了我国能源与环境现状，以及煤炭资源在“双碳”时代清洁利用的迫切需求；重点介绍了煤基低维碳材料（碳量子点、碳纳米管、石墨烯、碳纳米片等）的结构特点、制备方法、改性策略以及新能源应用和市场前景；阐述了各种煤基低维碳材料制备方法的优缺点、创新性以及适用条件；深入探讨了这些低维碳材料在有机太阳能电池（Organic Solar Cells, OSC）各组分中的各种应用，并详细总结了其作为OSC电极、添加剂以及电荷传输层的应用优势和作用机理；分析了其在提高OSC能量转化效率、降低制造成本、提高稳定性以及推动可持续发展等方面的重要作用；对比了低维碳材料与其他低维材料在OSC中的应用优势和性能指标。最后，分析并总结了煤基低维碳材料在制备和新能源应用研究过程中存在问题及重点研发方向。随着高值碳材料制备技术的不断发展，生产成本的降低，以及规模化生产，煤基低维碳材料有望在新能源领域展现出更广阔的应用前景。

• 山底河流域煤矿酸性矿井水微生物群落结构特征

  唐春雷, 阳文秀, 梁永平, 赵春红, 申豪勇, 王志恒, 谢浩, 赵一,

  为了揭示不同氧化还原环境条件下酸性矿井水微生物群落结构特征及其与水环境相互作用关系，选取娘子关泉域内典型废弃煤矿区山底河流域，采集不同氧化还原环境的AMD水样，用于水化学同位素分析和微生物16S rRNA基因V4、V5区测序。水化学同位素分析得出AMD水化学特征主要受pH和围岩水岩作用影响，好氧和厌氧环境下AMD的pH与Eh呈负相关；缺氧厌氧环境下AMD的pH与 Fe3+、Eh呈负相关。AMD中Ca、Mg离子则主要来源于围岩和煤中方解石、白云石的溶解；K、Na主要来源于长石等硅酸岩在酸性条件下的溶解；\mathrmSO_4^2- 、Fe含量主要来源含煤地层中黄铁矿氧化；AMD的硫同位素演化特征为好氧环境下AMD的δ34S–\mathrmSO_4^2- 较低，缺氧厌氧环境下AMD的δ34S–\mathrmSO_4^2- 较高。山底流域AMD微生物多样性影响分析，得出pH越低，样品的细菌丰度和多样性越低；温度越高样品的细菌丰度和多样性越高。通过AMD的微生物群落与环境因子的相关性分析，得出柳沟AMD的优势菌属为Ferrovum、Gallionella和Ferritrophicum。庙沟露天矿AMD的优势菌属为Ferrovum、Gallionella和Acidithiobacillus。榆林垴钻井AMD的优势菌属为Ferrovum和Gallionella。山底河流域AMD的微生物群落受pH、温度和降水的影响较大。