煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第6期

• 煤基固废功能材料井下利用研究进展与展望

  张吉雄, 周楠, 刘恒凤, 谢亚辰, 孙志辉, 欧阳神央,

  煤基固废功能材料井下利用是实现煤炭资源绿色开采、推动煤炭行业可持续发展的关键技术路径。论文在总结煤基固废处置与利用现状的基础上，遵循功能导向分类方法，将煤基固废功能材料分为矿山建设型、采热型、净水型、储能型、负碳型和承载型六大类功能材料。并系统介绍了煤基固废功能材料的分类及性能，深入探讨了煤基固废功能材料性能调控机理及方法，全面展望了煤基固废功能材料的发展方向。研究表明：通过活化改性、纤维增强及级配优化可显著提升建设型功能材料的力学性能与环境适应性；采热型功能材料的导热系数、比热容和蓄热系数分别是传统材料的1.75、2.12和1.72倍，3者的最主要影响因子是定型相变材料；净水型功能材料通过物理吸附、离子交换、表面配位吸附和化学沉淀等多种反应实现对矿井水中重金属离子的有效去除；储能型功能材料经过电学改性，能够调节其表面电子结构和化学性质，从而提高材料的导电性能、储能密度以及循环稳定性；负碳型功能材料内部矿化和水化产物可强化其空隙结构，并进一步实现CO2的长期固存；承载型功能材料作为岩层与采空区稳定性控制的基础材料，多采用粒径级配、复合优化与机械活化等方式增强其自稳性、力学及输送性能。综上，目前在煤基固废功能材料组成成分、制备方法、性能调控等方面取得了较大进展，基本构建出煤基固废功能材料理论体系，未来将重点围绕材料性能新调控方法、新制备技术和新应用场景等方面开展研究。现有研究现状及发展趋势综合表明，煤基固废功能材料不仅能有效提升煤基固废资源化利用效率，还可实现煤基固废的大规模消纳与增值利用。

• 煤气化渣理化特性及其制备建筑材料研究进展

  顾晓薇, 葛晓伟, 刘少迁, 丁学成, 王莉, 黄冬蔚, 王达伟, 马以勒,

  随着现代煤化工产业的快速发展，煤气化技术在能源清洁高效利用中的地位日益突出，煤气化渣（Coal Gasification Slag, CGS）作为气化过程所产生的工业副产物排放量不断增加。然而，CGS的综合利用率仍处于较低水平，绝大多数以填埋或堆存的方式处理，既占用土地资源，又可能引发重金属浸出、碱性污染等一系列生态环境问题，严重制约了煤化工行业的绿色低碳转型和资源可持续发展。近年来，随着“双碳”目标的推进，CGS的资源属性逐渐被重视，其潜在的火山灰活性、丰富的残余碳含量、较高的比表面积以及部分玻璃相结构赋予了其巨大的应用潜力。国内外相关研究表明，通过合适的激发手段和配比优化，CGS可部分或全部替代水泥、作为混凝土掺合料、胶凝材料、制砖原料等，实现其在建筑建材领域的资源化利用。然而，现阶段CGS的利用仍存在路径分散、机理不清、理论体系不健全等问题，制约其进一步推广应用。系统梳理了CGS的产生机理与分类方式，可分为煤气化粗渣（CGCS）和煤气化细渣（CGFS）2类，并通过对CGCS与CGFS在化学组成、矿物相构成、微观形貌、颗粒粒径分布及比表面积等方面的对比分析，揭示了其在原始性能上的异同及资源化潜能差异，评估了对环境影响的风险。同时，总结了CGS在建材领域的典型应用模式，包括其在低碳胶凝材料、混凝土掺合料、建筑墙体材料、绿色再生骨料等方面的工程实践与试验研究成果，证实了其在绿色可持续建筑材料中的应用潜力，并分析了其在活性激发、残碳去除、界面相容性、长期耐久性等方面存在的技术瓶颈。明确了CGS在不同利用场景下的适用性，例如，CGCS较低的碳含量更适用于胶凝材料或砖体材料的制备。此外，结合当前的研究热点与政策导向，展望了CGS资源化利用的未来发展方向，重点提出通过多源协同激发、全固废耦合利用、功能材料制备、性能调控机制构建及生命周期评价等手段，推动其向高性能、低碳化、工程化方向发展。

• 煤矿开采多层位立体空间煤基固废充填方法及应用

  杨科, 于祥, 何祥, 赵新元, 方珏静, 魏祯, 何淑欣,

  矿山煤基固废资源化利用是破解“安全−技术−经济−环境”融合发展的主攻方向，也是煤炭行业高质量绿色发展的关键。煤基固废井下充填开采在实现减损开采、固废处置、资源置换和生态保护等方面具有显著的技术独创性优势，已成为资源化、规模化和绿色化处置煤基固废的关键路径之一。但现有的充填开采技术存在对覆岩控制效果有限、缺乏多种充填方式间的联动效应和对煤基固废的综合利用率偏低等问题。因此，通过概述我国典型煤基固废的资源化利用现状和存在问题，从经济、技术、环境、政策和空间5个维度阐明了煤基固废充填开采的可行性。基于此，提出了煤矿开采多层位立体空间煤基固废充填方法，系统阐述了该方法的内涵和整体思路，主要包括高位充填、原位充填和低位充填。结合层次分析法初步建立了具有15项评价指标的多层位立体空间煤基固废充填方法评价体系。煤矿开采多层位立体空间煤基固废充填方法的规模化应用主要存在充填材料高效精准制备机理、充填料浆管道输送特性、充填空间结构演化规律和充填材料−充填空间交互作用不明等4项关键技术难题。围绕以上关键技术难题，主要开展煤基固废充填材料成浆机理、充填材料精准制备技术框架、充填料浆流场稳态控制、充填料浆管道输送关键参数、充填空间空隙结构演化、充填材料扩散/承载特性、充填材料−围岩系统协同作用机制和充填材料−环境多场耦合机制8项研究内容。根据宁夏煤业任家庄煤矿、山西省霍尔辛赫煤矿的开采技术、充填工艺及地质条件，分别针对性提出低位垮落带注浆充填和高位离层区注浆充填方法，实现了矿区煤基固废的安全绿色处置，有效控制了地表沉陷与变形，形成了良好的区域型示范效应。多层位立体空间煤基固废充填方法创新了煤矿井下煤基固废规模化处置的新模式，完善了绿色充填开采技术体系，实现了煤矿采动覆岩全空间协同控制与固废资源化技术跃升，可推动煤炭企业由“环境代价型”向“生态增值型”的根本转变。

• 采−选−冶−化固废基充填材料制备及综合性能研究综述

  张钦礼, 陶云波, 冯岩, 陈秋松, 高凌志, 张芋杰, 王道林,

  固废基胶结充填技术作为实现绿色矿山建设与工业固废协同处置的核心载体，其材料设计与性能调控已成为矿业工程领域的研究热点。针对采−选−冶−化多源工业固废（采掘废石、选矿尾砂、冶金炉渣、化工废料等）物化特性差异显著导致的充填体性能离散化问题，系统综述了多源固废在充填材料中的角色差异，以及不同固废基充填材料在流变、强度、环境方面的综合性能。主要包括：系统综述了不同工业固废基充填材料的来源、性能及用途，发现典型工业固废（尾砂、钢渣、粉煤灰等）的化学组分呈现显著互补性，SiO2、CaO和Al2O3的梯度分布为协同胶凝提供了物质基础；总结了不同工业固废基充填材料的流变性能、管输阻力计算方式、强度分布及优化手段，分析了固废基充填材料的屈服应力、黏度及抗压强度的分布范围及规律，发现粒径级配优化与聚羧酸减水剂的复合调控可有效降低管道输送阻力，选用恰当的激发剂和辅助胶凝材配比可有效提高充填体强度；评价了固废基充填材料在不同时间尺度下的环境污染风险，系统梳理了固废基充填材料中有害元素的浸出机制和固化机制，总结了矿山充填污染治理现状，发现提高固废基充填材料的水化反应进程和添加多孔物质可有效控制污染元素的扩散。研究成果对于推动采−选−冶−化行业的可持续发展、缓解固废处置压力、提升资源综合利用率以及促进绿色矿山建设具有重要意义。

• 煤基固废规模化绿色低碳利用研究进展与创新路径

  刘浪, 朱梦博, 王双明, 杨潘, 于博, 阮仕山, 杨军军, 解耿,

  煤炭的开采与加工为我国提供了可靠的能源保障和关键的化工原料，有力地推动了工业的快速发展和社会的进步。然而，这一过程也产生了巨量的煤基固废。煤基固废不仅占用了大量土地资源，还对环境造成了不同程度的污染，尤其是在长期堆存过程中，可能释放有害气体、重金属及其他有毒物质，威胁水源、空气和土壤安全。如何高效且规模化地利用煤基固废，成为当前实现资源循环利用、减少环境污染的关键技术挑战。通过分析煤基固废的产生、分类、特性及其环境影响，对现有煤基固废进行了重新归类，系统总结了其在矿山充填、建筑材料及生态修复等领域的成熟规模化利用模式，提出了煤基固废绿色低碳利用的创新路径。研究表明：① 煤基固废可归类为变性和原性煤基固废两大类，其中变性煤基固废具有开发胶凝材料和固碳功能材料的潜力，而原性煤基固废则具备天然砂石骨料和土壤材料的特性；② 当前，煤基固废的主要规模化利用模式包括矿山充填（如胶凝材料、膏体充填和注浆充填）、建筑材料（如水泥辅料、筑路材料和预制件）、生态修复（如坍陷区回填、荒地复垦和土壤改良）和资源提取利用（炭质组分、铝、硫和稀有元素）；③ 提出了煤基固废分级分质全组分利用的新技术，通过提取高价值组分并将剩余组分用于采空区充填，实现其最大化资源利用；④ 探讨了煤基固废改性协同处置高盐废水、改性充填协同储库构筑及功能性储库协同封存危险固废的创新技术。上述研究旨在提高大宗煤基固废的资源利用效率，推动煤炭产业绿色转型，为煤炭资源的可持续发展提供新路径。

• 煤矸石综合利用现状及高值化利用途径探索 以中国中煤能源集团有限公司为例

  朱磊, 古文哲, 何志伟, 刘成勇, 赵萌烨, 宋天奇, 张云, 吴玉意, 刘治成, 张新福, 张鹏, 盛奉天,

  在“双碳”目标背景下，煤炭作为国家能源安全的基石，其绿色开发对我国经济建设和社会发展具有战略意义。中国中煤能源集团有限公司凭借丰富的煤炭资源储量，在保障国家能源供应中发挥重要作用。然而，煤炭资源高产高效回采的同时产生大量煤矸石，造成土壤、大气、水体等污染，煤矸石的不合理处置与非资源化利用问题已成为制约矿区绿色发展的主要瓶颈。调研了中国中煤煤矸石的分布特征、理化性质及利用方式，系统梳理了煤矸石综合利用政策，详细阐述了煤矸石在发电利用、生产建材、化工产品制备、有益矿产回收、农业应用、井下充填及土地复垦等方面的原理和技术路线，调研了中国中煤所属矿井矸石应用进展。结果表明：矿井位于8省20个矿区，受煤矿地质条件、开采技术条件和分选条件影响，矸石分布呈现范围广、结构复杂、类型多样等特征；安徽、江苏、河南和黑龙江煤矸石综合利用呈现“周边辐射型”特点，山西、陕西、内蒙古、新疆地区煤矸石综合利用呈现“自给自足型”应用特点。煤矸石以砂岩、黏土岩、铝质岩为主，其理化性质具备多元利用潜力，但是综合利用方式缺乏系统型、复合型、引领型的科学利用途径，对此提出了煤矸石梯级回收结合资源化利用、源头减量化开采及矿化CO2负碳充填3项建议。研究成果对中国中煤优化煤炭产业布局、促进煤矸石高值化利用、保护矿区生态环境以及贯彻落实“双碳”目标具有重要的指导意义。

• 中国煤矸石土壤修复资源化利用研究进展与展望

  刘成勇, 古文哲, 崔峰, 张云, 杨彦斌, 秋丰岐, 袁超峰, 程海星, 李明,

  煤炭开发产生的矸石固废呈现出集中化、高产化和规模化发展趋势，严重制约了煤炭绿色开发与生态环境协调发展。在此背景下，煤矸石固体废弃物生态修复资源化利用，不仅是推动循环经济发展的重要依托，更是实现减污降碳协同增效目标的必经之路。在分析煤矸石固废土壤化利用的可行性、有价有害成分多态分离方法和技术、煤矸石土壤化利用技术路径的基础上，梳理了煤炭企业煤矸石固废资源化利用基本进展，凝练了煤矸石固废有价有害成分多态分离关键技术，探讨了煤矸石土壤化利用的工程化应用模式及对土壤生态功能的影响机制。研究表明：煤矸石经过合理的改性与活化处理，可优化土壤理化结构，提高保水保肥能力，促进有益微生物群落的稳定，并在增强土壤碳汇、降低温室气体排放方面展现出重要生态价值。煤矸石中部分有害元素通过矿物钝化、微生物固定及物理分离等技术手段可实现煤矸石有益部分的资源化利用，从而降低环境污染风险，为农业土壤改良及矿区生态修复提供可行路径。然而，煤矸石土壤化利用仍面临改性成本高、重金属长期稳定性不足、区域适配性受限等技术瓶颈，制约了其大规模推广应用。未来应围绕煤矸石土壤化利用的技术瓶颈，重点突破集成化应用、低成本改性、跨区域协同、动态监测修复效果等关键环节。构建“分级分质—定向转化—协同增效”的全链条利用模式。同时，应加强政策引导与标准体系建设，推动煤矸石土壤化利用的规模化、产业化发展，为固废资源化、土壤生态修复及“双碳”目标实现提供科学支撑。

• 超微纳米气泡特性及其对粉煤灰矿化反应强化机制

  尹希文, 于秋鸽, 孙晓冬, 甘志超, 崔勇, 岳海荣, 王志会,

  利用粉煤灰与烟气CO2发生矿化反应制备矿井注浆充填材料不仅可解决煤基固废利用问题，还可降低燃煤电厂碳排放，是实现煤电企业绿色低碳发展的有效技术途径。针对粉煤灰矿化反应过程中反应效率低、CO2转化利用率低的问题，利用榆林府谷电厂粉煤灰开展毫米曝气矿化反应试验，结合反应动力学分析对矿化反应过程进行阶段划分，识别了各阶段影响粉煤灰矿化反应效率的主要因素，提出超微纳米曝气提高粉煤灰矿化反应效率新思路。同时，采用纳米粒径追踪仪、Zeta 电位仪定量表征了超微纳米气泡物化特性，开展了超微纳米曝气矿化反应试验，揭示了超微纳米气泡对粉煤灰矿化反应的强化机制。研究结果表明：① 粉煤灰与CO2发生矿化反应过程按降pH速率不同分为慢速(I)、快速(II)、慢速(III)三个阶段，第 I 阶段起主导作用的是 CO2气体在浆液中的扩散、溶解速率，第 II、III 阶段主要影响因素为粉煤灰中Ca2+、Mg2+浸出速率；② 超微纳米气泡平均粒径D90=207.55 nm、D50=122.15 nm、D10=81.9 nm，在水中停留时间超660 min，具有粒径小、浓度大、在水中停留时间长、比表面积大特点，可强化传质效率；③ 超微纳米气泡Zeta电位为–14.63～–18.05 mV，粉煤灰浆液Zeta电位为+3.34～+3.56 mV，2者相互吸附，可进一步强化传质效率；④ 相比毫米曝气，超微纳米曝气条件下粉煤灰矿化反应效率提高38.78%，CO2转化利用率提高67.60%。研究成果可指导矿化反应器研制与工艺流程设计，促进粉煤灰无害化、规模化、资源化利用，助力实现“双碳”战略目标。

• CO2养护压力对赤泥−粉煤灰基注浆材料储碳−力学性能的影响

  吴国威, 冯国瑞, 白锦文, 韩艳娜, 吴凡, 马俊彪,

  固体废弃物堆积与CO2排放是制约能源行业清洁高效发展的2大关键问题。采用制铝工业副产品拜耳法赤泥和粉煤灰制备赤泥−粉煤灰基地聚物注浆材料，测试不同CO2养护压力下材料的碳化深度、碳化面积、CO2吸收量和单轴抗压强度，并利用X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电子显微镜−能量色散光谱(SEM−EDS)和低场核磁(LF−NMR)等微观表征技术，揭示注浆材料储碳−力学性能演化机制。结果表明：CO2养护压力从0.2 MPa增至1.8 MPa，材料的碳化深度从2.07 mm增加至4.27 mm，CO2吸收率从1.10%提升至2.86%。碳化养护结束后，碳酸盐对材料强度的贡献优于水化硅铝酸钠/钙(N(C)−A−S−H)凝胶，使得材料单轴抗压强度随CO2压力升高而增加，当养护压力达到1.4 MPa时，其强度超过未碳化养护的对照组。在继续养护至28 d的过程中，由于前期碳酸化反应消耗了材料中的游离碱及生成地质聚合产物所需的Ca2+、Na+，导致这一阶段的地质聚合反应受限。同时材料整体处于低钙体系，不利于碳酸钙晶体的持续生长发育，最终造成材料孔隙率增加。与对照组相比，28 d强度均表现为劣化。研究可为指导采空区CO2储库构筑与井下碳封存提供理论基础。

• 超细硫铝酸盐水泥复合体系注浆加固性能优化

  王朋飞, 燕鹏赟, 张明璇,

  针对煤矿井下巷道围岩稳定性控制与注浆加固效果提升的技术需求，以工业固废资源化利用和降低注浆成本为目标导向，系统开展了超细粉煤灰（Ultrafine Fly Ash，UFA）与超细硫铝酸盐水泥（Ultrafine Sulfoaluminate Cement，USC）复合胶凝材料体系的外加剂改性研究。通过引入聚羧酸减水剂（PCE）、萘系减水剂（FDN）等减水组分，结合β-环糊精（β-CD）、柠檬酸（CA）等缓凝调控剂，深入探究了外加剂单掺与复掺模式对复合体系注浆材料工作性能的协同影响机制。采用宏观性能测试与微观结构表征相结合的方法，全面评估了浆体流动性、凝结硬化特性及力学强度的发展规律，通过XRD、SEM等分析手段揭示了水化产物演变规律与性能调控机理，最终通过井下注浆工程验证材料优化效果。结果表明：① 减水剂类型对材料性能具有显著调控作用：当PCE掺量在0.6%时，注浆材料28 d抗压强度最高并呈持续增长趋势，最高增幅达20.27%；而FDN在0.3%掺量时即出现抗压强度拐点，过量掺入（>0.6%）会导致抗压强度下降。2种减水剂均能有效提升浆体流动性，延长凝结时间；② 缓凝剂与减水剂的协同效应呈现差异性：在PCE改性体系中引入0.2% β-CD可使抗压强度二次提升6.90%～17.18%，但超过临界掺量后由于过度缓凝导致强度衰减；而FDN体系复掺CA时，抗压强度随掺量增加呈现单调下降趋势，0.6% CA掺量即造成抗压强度损失约13.78%；固定2种减水剂掺量，随着对应缓凝剂从0到0.6%的添加，注浆材料的凝结时间都在逐渐延长，而流动度呈现先高后低的变化；③ 微观结构分析揭示，减水剂通过调控环境优化钙矾石钙矾石（AFt）形貌，缓凝剂则通过延缓水化促进凝胶填充孔隙，两者协同作用在一定程度上抑制了AFt向单硫型水化硫铝酸钙（AFm）的转化；④ 现场工业试验表明，优化后的UFA-USC复合浆体在巷道注浆后，围岩变形量显著降低，顶底板及两帮移近量均得到有效控制, 维持了巷道断面形状, 取得较好的加固效果。

• 基于煤气化渣的Fe2O3纳米流体制备与电池热管理试验

  高春雷, 侯竣升, 丁子涵, 黄磊, 张浩, 田佰起, 吴俊杰, 郝南京,

  随着煤化工行业的发展，以煤气化渣为代表的煤基固废产量逐年增长，其大规模的高值化利用问题亟待解决。当前，由煤基固废制备的功能材料主要有沸石、活性炭、碳硅复合材料等。这些材料在吸附剂、催化剂等领域展现出广阔的应用前景。然而，相对粉煤灰、煤矸石等，煤气化渣的资源化利用率仍偏低。鉴于煤气化渣巨大的产量与当前相对有限的应用需求现状之间存在的显著矛盾，寻求更为广泛且高效的利用途径显得尤为重要。在此背景下，利用煤气化渣作为原材料，大规模制备具有卓越热物理性能的纳米流体，是煤气化渣的高值化利用的一条新的路径。其中，纳米流体在电池热管理领域的应用不仅实现了资源的高效转化与增值，还显著提升了电池热管理系统的换热性能，有助于推动纳米流体在新能源产业中的大规模应用。以煤气化渣为原料，通过元素活化分离，制备了具有良好稳定性的水基Fe2O3纳米流体。并且，对合成的纳米流体进行电池热管理试验研究，探究了浓度、流速、放电倍率变化对纳米流体传热性能影响规律。研究结果表明：纳米流体在压降略微增大的情况下显著降低了电池温升和温差，电池表面温升和表面温差分别降低了22%和34%。纳米颗粒对热导率的增强作用及其扰动效应是强化传热性能的关键因素。研究结果为煤基固废的大规模高值化利用开辟了新方向，同时为电池热管理提供了新的研究思路。

• 煤气化渣免烧陶粒滤料强度和孔结构的调控

  孙浩, 蒋林亮, 常新卓, 田全志,

  煤气化渣是制备免烧陶粒滤料的优质原材料，而强度和孔结构是决定免烧陶粒过滤性能的关键因素，因此必须明确免烧陶粒强度和孔结构之间的关系。通过优化煤气化渣、偏高岭土和固体碱激发剂等原料配比，制备了筒压强度为25.72 MPa、堆积密度为1 160 kg/m3的煤气化渣免烧陶粒滤料，综合运用X射线衍射、扫描电子显微镜和固体核磁共振硅谱等表征方法，研究了免烧陶粒滤料的强度形成机理，发现免烧陶粒的主要强度来源为水化硅铝酸钠/钙（N/C-A-S-H）凝胶，偏高岭土的加入使N/C-A-S-H凝胶中的Q4(2Al)聚体含量40.34%提升至56.05%，这使得硅铝酸盐网络交联程度更高，因此N/C-A-S-H凝胶结构更加致密，促进了免烧陶粒力学性能的提升。采用过氧化氢和十六烷基三甲基溴化铵作为造孔剂，结合压汞法测试分析，研究了造孔剂配比对免烧陶粒滤料孔隙率、强度和密度的影响。结果表明：免烧陶粒孔隙率21.33%可最高增长至50.60%，相应筒压强度和堆积密度降低至8.86 MPa和816 kg/m3。进一步采用Menger海绵和热力学分形理论分析了免烧陶粒滤料的孔结构特征，发现基于热力学关系的分形模型计算所得的分形维数与免烧陶粒滤料强度的线性相关性更高，所得分形维数范围为2.770～2.891，说明煤气化渣免烧陶粒的孔隙结构不仅受几何分形的影响还受到热力学机制的影响，且煤气化渣免烧陶粒的筒压强度均随着分形维数的增加而下降。

• 煤气化细渣粒度−密度双变量分级分质特性研究

  石旭, 刘丽丽, 初茉, 顾苏钱, 董建飞, 刘彦妤,

  物理分选在煤气化细渣炭−灰分离中存在局限性，加强细渣组成结构性质的基础研究，将有助于提高炭−灰分离效率。针对典型GSP气流床煤气化细渣开展粒度−密度分级分质处理，通过烧失量分析、XRD矿物分析、SEM形貌分析和N2气吸附等表征手段，系统研究了细渣分级分质组分的残炭分布规律、灰样的宏观形貌、颗粒微观形貌和孔隙结构等物理特征。结果表明，细渣中残炭主要为无定形炭和多孔炭；无定形炭约占细渣总量的8%～14%；多孔炭分布约占细渣总量的10%。各组分灰样宏观形貌与矿物成分对应关系为：灰样颜色深红−浅红−黑色，对应矿物组成为赤铁矿/含铁云母−钙长石/方石英−方铁矿，该结果为基于视觉特征对细渣矿物鉴别提供了依据。结合细渣分级分质组分的残炭含量、微观形貌和孔隙结构，溯源了细渣颗粒的产生历程，并将细渣中典型的颗粒群分为了3类：①无定形炭，主要集中在细粒级(0.074～0.25 mm)和低密度级(<1.9 g/cm3)中，炭−灰交织共存，比表面积居中；②多孔炭，集中在中粗粒级(0.074～0.25 mm)和中高密度级(1.9～2.3 g/cm3)中，内孔发达比表面积大；③熔渣颗粒，主要聚集在粗粒级(>0.25 mm)和高密度级(>2.5 g/cm3)中，比表面积最小。可针对2种残炭的物理特性开发不同分选回收方法，回收的无定形炭可作燃料补充，多孔炭宜作吸附材料，而熔渣颗粒可用于建材领域。

• 煤气化渣基地聚合物胶结注浆材料声发射特性和损伤演化规律

  齐文跃, 黄艳利, 赵庆新, 刘枭天, 韩永基,

  低品质煤基固废的堆积对生态环境安全构成严重威胁，煤基固废注浆体功效的发挥及其破坏产生过程具有隐蔽性。采用定向级配复合后的煤矸石砂为细骨料与试验优选的煤气化渣基地聚合物联合制备注浆材料，测量其流动性能和力学性能，并利用声发射无损检测技术监测注浆结石体破坏过程中的声发射特征。研究结果表明，注浆材料在煤气化渣粉磨70 min时活化效果最优，随着质量分数的增加或胶砂比的降低，抗压强度提升，流动性能下降；其中，质量分数对抗压强度和流动性能的影响最为显著。对声发射数据进行振铃计数与能量、b值与振幅特征和RA–AF分析，结果表明试件的损伤包括孔隙压密、裂纹萌生、裂纹扩展和峰后破坏4个阶段，在裂纹萌生和裂纹扩展阶段振铃计数及累计值和能量及累计值大幅提升，峰后破坏阶段振铃计数及累计值和能量及累计值趋于稳定。此外，b值分析揭示了材料内部裂纹扩展尺寸的分布特征，在裂纹萌生和裂纹扩展阶段b值呈现波浪线形式，上下起伏波动大，并存在突变值，峰后破坏阶段b值趋于稳定；振幅中位数和1.5倍四分位距以上中高振幅声发射事件数量分布呈先上升后趋于稳定的规律，并在裂纹扩展阶段存在最大值。试件的损伤破坏以拉伸损伤为主，剪切损伤为辅。研究为注浆材料损伤破坏监测提供理论支撑。

• 甲酸改性煤气化灰渣充填材料的水化机理与碳足迹

  郭强, 张吉雄, 霍彬彬, 李猛, 周楠, 刘思旭,

  煤气化灰渣（CGS）由于水化活性较低，制备胶凝材料替代水泥时性能不足，阻碍了其在充填材料领域中的应用。研究采用甲酸对CGS表面进行改性以改善CGS的活性，并研究了改性后CGS基充填材料（FCM）的力学性能、水化机理和碳足迹。结果表明，经甲酸改性后，CGS中的部分碳酸钙、钙长石等与甲酸发生反应生成了甲酸钙，该反应在CGS颗粒表面产生了原位孔隙。甲酸的最佳掺量为CGS的4%，在此掺量下，CGS颗粒的比表面积由6.32 m2/g增加到9.35 m2/g，总孔隙体积由0.034 2 cm3/g增加到0.040 1 cm3/g，此时，FCM的3 d和7 d的抗压强度提高了近一倍，72 h累计水化热达到最大值81.08 J/g。然而，进一步增加甲酸时，FCM水化活性降低，力学性能下降，主要是因为改性后增加的反应产物覆盖在CGS颗粒表面，导致CGS颗粒桥接结块，使得FCM中的水分子不容易渗透到颗粒内部。此外，碳足迹分析发现，使用4%的甲酸改性CGS替代水泥后，FCM的碳排放总量相比未替代水泥时减少了376.16 kg/t，显著降低了碳排放量，达到碳减排的目标。

• 碱激发钢渣−粉煤灰固废充填材料的制备及强度形成机理

  戚庭野, 成思远, 冯国瑞, 王林飞, 徐宏涛, 李潞彬, 祁新凯, 许柯欣, 杨星悦,

  为实现钢渣固体废弃物的资源化利用，采用碱激发钢渣−粉煤灰胶凝材料替代水泥作为胶结剂，煤矸石作为骨料制备全固废煤矿胶结充填材料。试验研究了碱激发反应中激发剂（Na2SiO3）模数与碱浓度对胶凝材料宏观性能与微观物相变化的影响，得出最优激发剂参数并用于不同钢渣掺量充填材料的制备，并使用XRD、SEM及FT-IR等表征手段探究碱激发钢渣−粉煤灰制备充填材料时的反应机理。试验结果表明：钢渣与粉煤灰质量比为6∶4时，胶凝材料7 d和28 d抗压强度分别达5.35 MPa和8.71 MPa，强度增幅62.8%。激发剂模数为1.75、碱当量为8%（Na2O质量分数）时，制备的胶凝材料28 d抗压强度达20.85 MPa。微观与成分表征显示，碱激发剂促进钢渣与粉煤灰中矿物相解离，释放Ca、Al、Si等离子，水化生成C−(A)−S−H凝胶，聚合以提升材料强度。将最优胶凝材料用于制备煤矸石充填材料时，各成分质量比为煤矸石∶钢渣∶粉煤灰∶水=5∶4∶1∶2时，充填体7 d和28 d抗压强度分别达1.80 MPa和2.94 MPa。SEM-EDS分析表明，激发剂促使煤矸石表面与胶凝材料基体反应，形成致密界面过渡区，减少孔隙并增强骨料黏结。研究表明：激发钢渣−粉煤灰胶凝材料可替代水泥作为胶结剂制备低碳高固废利用率的煤矸石充填材料，实现钢渣工业固废大规模利用。

• 不同加载速率下胶结充填体声发射及裂纹演化特征

  尹升华, 周昀, 杨晓炳, 陈威, 陈俊伟,

  为探究加载速率v对胶结充填体裂纹演化机制的动态调控规律，开展了v=0.002，0.004，0.008，0.010 mm/s下的单轴压缩同步声发射试验。通过分析声发射振铃计数、平均频率（AF）、上升时间−幅值比（RA）及r值（RA/AF）的时变特征，并结合高斯混合模型（GMM）与移动平均滤波算法对RA-AF数据集进行无监督聚类，以识别裂纹类型及其演化规律。研究结果表明：① 峰值应力（σf）附近，充填体的声发射振铃计数呈现区间震荡现象，随着v增大，充填体的弹性变形及塑性屈服阶段的振铃计数波动率减小；② v从0.002增至0.010 mm/s时，AF分布集中范围随速率增加由0～150 kHz压缩至0～100 kHz，RA分布集中范围由0～5 ms/V扩展至0～10 ms/V，且高RA信号集中于AF<80 kHz窄带；③ v增大对峰后破坏模式具有显著影响，剪切裂纹比例由19.11%（v=0.002 mm/s）跃升至64.23%（v=0.010 mm/s），表明v增大会驱动破坏机制从拉伸破坏主导向拉伸−剪切复合型破坏转化；④ 以加载应力阶段为界限，GMM聚类分析可将充填体的裂纹演化分为拉伸裂纹主导（0～20%σf）、拉伸−剪切裂纹转化（20%σf～80%σf）、剪切裂纹快速增长（80%σf ～100%σf）和剪切−拉伸裂纹共同主导（峰后破坏）4个阶段，其中剪切裂纹在80%σf ～100%σf处的快速增长是充填体局部失稳破坏的前兆特征。研究可为充填体的稳定性分析与破坏预测提供理论支持。

• 生物质电厂灰制备胶凝材料及其充填材料应用

  李科技, 戚庭野, 冯国瑞, 王昊晨, 王林飞, 何俊杰, 成思远, 仇恬,

  膏体充填技术的充填材料具有流动性好和强度高等优点，保障了远距离输送及承压能力，促使其在煤矿业迅速发展。但因依赖高价水泥作为胶结剂，限制了其广泛应用。为降低成本，现探索利用廉价生物质电厂灰，经水热合成与低温煅烧工艺，制备新型胶凝材料，替代水泥用于充填。对水热合成前驱体以及低温煅烧熟料进行X射线衍射和扫描电子显微镜分析，研究水热合成和低温煅烧对新型胶凝材料物相发育以及微观结构的影响。通过正交试验设计，系统研究了各种影响因素及其不同水平对胶凝材料性能的影响，并分析选出水热合成−低温煅烧过程最佳因素水平组合。并对该最佳因素水平组合下的新型胶凝材料用于充填材料的可行性进行了研究。研究结果表明：水热合成可以大大提高反应速率，且水热合成得到的前驱体在低温煅烧下能更有效地转化为活性物质。当原材料钙硅比为1.5，水热合成温度为90 ℃，水热合成时长为3 h以及煅烧温度为850 ℃时，所得到的新型胶凝材料表现出最佳性能。以该因素水平组合下制备得到的新型胶凝材料按照煤矸石∶粉煤灰∶新型胶凝材料∶水的质量比为5∶3∶2∶2进行充填料浆制备，其抗压强度以及流动度可满足充填要求。基于以上研究，生物质电厂灰水热合成−低温煅烧制备得到的新型胶凝材料可以替代水泥应用于充填材料，并且可以大幅降低充填材料中用于胶结剂的成本，有助于膏体充填开采技术的推广以及生物质电厂灰的固废资源化利用。

• 骨料表面强化对堆积煤矸石胶结充填体压缩损伤的影响

  金佳旭, 顾晓薇, 李明旭, 秦志发, 刘涛, 武鹏飞, 左胜浩,

  煤矸石是煤矿开采衍生的主要固体废弃物，其品质波动性大、压碎值高、吸水率大、稳定性差等缺点限制了在采空区回填的规模化应用，成为煤矿固体废弃物资源化利用的技术瓶颈。探索了采用裹浆法和裹粉法对低品位煤矸石进行表面强化的处理工艺，利用改性煤矸石和自密实碱激发矿渣−尾矿砂浆制备了堆积煤矸石胶结充填体（Pre-placed Coal Gangue Cemented Backfill, PCCB），并基于数字图像相关技术和声发射技术研究了煤矸石表面强化处理对PCCB力学性能和单轴压缩损伤行为的影响。结果表明：2种处理工艺均显著降低了煤矸石的压碎值，进而改善了PCCB的力学性能。PCCB试样的单轴压缩破坏模式主要为拉伸破坏，对煤矸石进行表面强化处理后，PCCB的裂纹起裂率和裂纹损伤率均显著提高，能够更好地抵抗受压损伤过程的裂纹扩展。采用裹浆法处理煤矸石骨料时，PCCB强度的影响因素主要是改性煤矸石骨料的压碎值，而裹粉法处理后PCCB的强度受改性骨料和骨料−基体界面过渡区共同影响。研究结果为PCCB在采空区回填中的应用提供了理论支持和实践指导，为绿色矿山建设和资源循环利用开辟了新途径。

• 煤矸石基功能胶结体承载过程中电磁涡流感应特性

  肖猛, 巨峰, 何泽全, 宁湃, 王腾飞, 王栋,

  煤矸石基胶结体在地下空间中应用广泛，但受制于地下工程环境复杂、空间有限等条件，尚缺乏对其承载状态健康监测的有效手段。通过在煤矸石基胶结体中添加导电材料，提高胶结体电敏感性，并采用电磁涡流手段监测胶结体在受力状态下电学参数变化，进而推算得到胶结体的受力状态，可以克服埋入式传感器安装维护难度大的问题。设计了基于STM32处理器的电磁涡流试验平台，制备了含有钢纤维的煤矸石基功能胶结体试件，开展了力学和电磁涡流感应试验，分析了单轴、循环2种受压载荷下不同钢纤维掺量试件的电磁涡流感应信号变化特征。结果表明：电磁涡流感应信号与应力应变的阶段性变化具有较强的一致性。在单轴压缩载荷下，试件的电阻变化分数（FCR）变化可分为初始恒定阶段、快速下降阶段、缓慢下降阶段3个阶段，分别与应力—应变曲线中压密阶段、弹性阶段和峰后阶段相对应；循环压缩载荷下，钢纤维为0.8%和1.2%的试件内部呈现“钢纤维接触—导电通路增多-钢纤维分离—导电通路减少”的循环变化，电压差信号与应力值变化较为一致，继续提高钢纤维掺量无法进一步提高试件电压差对循环载荷的敏感度；随着钢纤维掺量由0.4%提高至2.0%，试件对外部载荷的敏感性呈现先增长后降低的趋势，电磁涡流感应信号的线性误差线性减小；当钢纤维掺量为0.8%时，试件在单轴、循环载荷下应力、应变敏感系数最高，感知能力最强。

• 预包覆处理煤矸石混凝土力学强度与孔隙结构

  景宏君, 单俊伟, 雷江峰, 李少平, 郭美蓉, 叶万军, 陈慧娴, 高萌, 刘利娜, 任战战,

  煤矸石是中国储量较大的工业固体废弃物，物理性质差限制了其在混凝土材料领域的应用前景。预包覆是一种改善骨料性能的方式，为进一步提高预包覆处理效果和确定骨料包覆后的孔隙演变，设计了水泥浆体(Cement slurry, CM)、矿粉–水泥浆体(Slag and cement slurry, SL–C)和硅粉–水泥浆体(Silica fume and cement slurry, SF–C)三种复合胶凝材料浆体，分析了复合胶凝材料预包覆处理煤矸石集料(Coal Gangue Aggregate, CGA)的宏观物理性能变化规律，采用宏、微观分析相结合的方式，研究了复合胶凝材料对煤矸石混凝土(Coal Gangue Concrete, CGC)力学性能、微观结构和孔隙结构的影响规律。结果表明：胶凝材料和CGA的质量比与粒径范围呈正相关，可根据所用级配，调整CGA与胶凝材料的最佳比；SF–C和SL–C对CGA物理性能指标的改善效果要优于CM，SF掺量为10%时，CGC大孔占比最小，强度提升最大；此时，ITZ范围内Si元素大幅增加，生成较多C–S−H凝胶；CM、SL–C、SF–C细化了CGC的孔隙结构，细化效果与孔隙半径呈正相关，孔隙结构与抗压强度的改善规律基本一致。预包覆可改善CGC力学强度与孔隙结构，推动CGC在实际工程中的应用。

• 煤矸石的储能化改性及其在高比能电池中的应用

  孙志辉, 王云搏, 马书轩, 李猛,

  煤矸石电化学储能利用有力地支撑了煤矿产业的能源共生发展，同时解决了矿山固废排放问题，为矿山固体废弃物的资源化利用和推进绿色低碳开采提供了前瞻性的解决方案。通过可控的碱烧活化与酸化学改性技术，将矸石固废转化为纳米级储能材料，实现了其在高比能电池领域的高效应用。采用透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）等技术，对改性煤矸石和原矸石的微观结构进行了详细表征，旨在深入揭示改性机理。通过单因素试验方法，深入分析了原煤矸石与改性煤矸石在组分、晶体结构及局部电子环境方面的差异，进而确定了改性煤矸石在储能应用中的最佳条件。结果表明：经过改性处理，煤矸石表面形成了一层非晶态纳米颗粒Al2O3活化层，有效降低了电极反应过程中的能量损耗；改性煤矸石表面富含含氧官能团和氧空位等高活性电催化位点，显著降低了表面反应的活化能。在锂−氧气电池中，改性煤矸石展现出较低的充放电过电势（1.12 V）、高放电比容量（8310 mAh/g）以及优异的续航稳定性（>180 h）；改性煤矸石表现出柔性可穿戴储能特性，在45°翻折状态下仍能稳定供能。对于促进矿山废弃物的资源化利用、降低环境污染、提高资源利用效率等方面具有重要的实践意义和应用价值。

• 煤基固废泡沫充填材料性能及空巷群围岩控制

  孙强, 赵瑞, 周楠, 高嘉良, 袁辉,

  工作面过空巷是煤矿井下生产过程中普遍面临的工程问题，空巷地质条件赋存复杂且密集时，易导致围岩失稳、支架空顶作业、支架漏底等问题，影响工作面安全高效生产。以鲍店煤矿5316综放工作面过空巷群为研究背景，采用理论分析、实验室测试、物理相似模拟及现场实测等方法，研究了水泥泡沫材料、粉煤灰泡沫材料及矸石泡沫材料性能及优势配比，工作面过空巷群围岩变形规律及控制效果。结果表明：发泡剂稀释倍数20倍、水灰质量比0.5、稳泡剂掺量为1%、发泡剂掺量1.0%、石膏掺量7%时，水泥泡沫充填材料28 d试样强度可达1.72 MPa；矸石粒径0～0.3 mm、掺量30%时，矸石泡沫充填材料28 d试样强度可达1.53 MPa；粉煤灰掺量30%时，粉煤灰泡沫充填材料28 d试样强度可达1.13 MPa。提出了以煤基固废泡沫材料充填、补强锚索与U型钢梁加强支护为主的空巷群围岩控制技术方法，并给出了煤基固废泡沫材料空巷充填技术原理及加强支护主要参数设计，通过物理相似模拟试验研究了不同层位空巷群围岩应力峰值变化范围为16.9～26.5 MPa，应力集中系数变化范围为1.61～2.53，同层空巷顶板最大下沉值介于300～400 mm,下伏空巷顶板最大下沉值介于200～300 mm，且空巷交叉处易产生应力集中，变形量较大。工作面开采期间空巷群围岩表面位移、煤岩体（充填体）应力、顶板离层及锚杆（索）载荷、支架工作阻力等现场监测数据显示，整体空巷围岩变形量控制效果较好，实现了工作面安全高效生产。

• 袋装石墨尾矿承载性能及沿空留巷数值模拟研究

  徐展, 杜常博, 高健, 易富, 石凯龙,

  为分析袋装石墨尾矿的承载特性及破坏机理，验证袋装石墨尾矿柔性墙应用于沿空留巷的可行性。在土工袋半圆边界承载模型的理论基础上，考虑土工袋体积的变化，修正半圆边界模型公式推算；利用PFC2D颗粒流程序，根据直剪试验、拉拔试验确定石墨尾矿与土工布接触的细观参数，并开展袋装石墨尾矿的单轴压缩数值试验，获得不同因素下袋装石墨尾矿的应力−应变曲线，将理论计算与数值试验结果对比，验证数值参数选取的合理性，并从颗粒接触和颗粒运动趋势进一步研究土工袋堆叠体的承载机理和破坏形式；根据某煤矿沿空留巷工作面概况，通过PFC2D颗粒流程序建立纵横交错、横向无缝、横纵交错、纵向无缝排列方式下袋装石墨尾矿柔性墙体，以刚性墙体的运动模拟沿空留巷中顶板的下沉，对4种不同堆叠方式的柔性墙体的承载进行分析，验证袋装石墨尾矿柔性墙体用于沿空留巷巷旁支护应用的可行性。结果表明：在承载过程中，约束形成的张力是影响土工袋承载性能的主要因素，土工袋的初步破坏发生在袋与袋的界面接触处，初步破坏后土工袋堆叠整体并未发生失稳现象，受土工袋侧面约束影响，土工袋整体可继续承载至其侧面断裂；初步破坏处的袋子主要受剪切破坏，完全破坏时土工袋内中心位置的颗粒会产生压缩固结现象；修正后的土工袋半圆边界承载模型计算结果与数值计算结果接近；4种不同排列方式中横纵交错排列方式的柔性墙承载能力最大、沉降最小，满足沿空留巷的顶板下沉位移范围以及在土工袋发生初步破坏前均满足充填体的阻力要求。提出的建模方法和结果可为土工袋柔性墙技术应用于沿空留巷的巷旁支护提供一定的参考。

• 短壁胶结充填开采房式遗留煤柱采场结构稳定性控制研究

  张云, 张龙, 来兴平, 曹胜根, 杨彦斌, 刘永孜, 詹睿, 白立丞, 叶昊,

  房式开采遗留煤柱资源的呆滞和矿山固体废弃的排放严重制约着我国煤炭行业的绿色低碳转型升级。为此，以陕北矿区板定梁煤矿为工程背景，提出了一种"时序协同−煤柱置换"的短壁胶结充填采煤回收煤柱的工艺。首先基于极限强度理论，对房式开采遗留煤柱回收的安全应力进行核算；其次采用数值模拟研究自然垮落法管理顶板回收遗留煤柱过程中的失稳特征及顶板破断对采场稳定性的影响，建立短壁胶结充填采场力学模型，求解出确保直接顶不发生破断的临界充填体强度；最终开展力学试验分析胶结充填体的力学特性、破坏特征及微观特征，并结合实际工程提出了一套完整的短壁胶结充填采煤设计方法。结果表明：板定梁煤矿遗留煤柱安全应力值为11.78 MPa，具备安全回收的条件；基于自然垮落法管理顶板回收遗留煤柱的应力、塑性区分布特征及顶板破断分析，发现在回收过程中可能会引发“多米诺”链式失稳效应，并伴随有顶板大面积破断；并进一步提出短壁胶结充填采煤技术置换遗留煤柱，计算得到采场直接顶不发生垮落的临界充填体强度为8.97 MPa；基于此，获取充填材料中煤矸石∶粉煤灰∶水泥∶水的最优配比为3∶3∶1∶1，该配比下矸石颗粒级配较优越，水化产物致密填充骨料间隙，有效减少了孔隙率，显著提升力学性能，可满足板定梁煤矿安全回收煤柱需求；并对试验回收区域的短壁胶结充填采煤工作面生产系统和关键参数进行了可行性设计，并提出确保充填效果的控制措施。研究成果为我国煤炭行业“资源回收−生态保护−固废利用”一体化绿色低碳转型发展提供了可复制的工程范式。

• 综合机械化单元密实充填采煤充填体强度确定

  刘鹏亮, 王晓卿,

  综合机械化单元密实充填采煤技术兼具岩层移动控制和固废处置的功能，且具有采充平行、工艺灵活、投资较少等优势，充填体强度合理设计关系承载效果和经济效益，但仍缺乏针对性科学依据。以3轮采充为例，理论分析得出综合机械化单元密实充填采煤工作面呈现“煤柱−充填体”分轮转移承载特征，可分为“煤柱全面承载”“充填体参与承载”“充填体全面承载”3个阶段，并根据朗肯土压力理论得出了支巷充填体三向受力状态侧压力计算公式；根据等价采高和地表水平变形计算公式推导建立了充填体弹性模量与地表水平变形最大值之间的关系；实验室试验得出单轴抗压强度1～5 MPa的9组膏体试块在三轴围压p=0，0.5，1.0，1.5 MPa条件下的弹性模量，建立了充填体单轴抗压强度与三轴条件下弹性模量的关系。由此建立了基于地表水平变形指标的充填体单轴抗压强度计算式。以某矿浅埋深特厚煤层51106首采工作面为工程背景建立数值模型，研究表明前2轮采充后工作面“煤柱−充填体”上方垂直应力曲线呈陡峭的波浪状分布，地表下沉和水平变形轻微，第3轮采充后该应力曲线呈平缓的波浪状，地表下沉和水平变形明显增加，验证了“煤柱−充填体”分轮转移承载特征，同时，数值模拟和工程实践表明充填体单轴抗压强度确定方法是合理和准确的，可为综合机械化单元密实充填采煤工作面充填体强度设计提供参考。

• 近距离煤层群预掘回撤通道应力叠加特征及顶板结构调控

  傅孜钊, 柏建彪, 闫帅, 张栋, 郑晓东, 孙广军, 王永杰,

  近距离煤层群预掘回撤通道应力扰动及顶板情况复杂，回撤通道施工期间围岩破坏严重，巷道围岩控制难度大。以某矿1205工作面回撤通道为背景，构建近距离煤层群回撤通道顶板力学模型，估算上部煤层工作面底板破坏深度，模拟反演下部煤层回撤通道顶板围岩裂隙演化规律，揭示该类巷道失稳机理，提出一种围岩综合稳定控制技术并进行现场工程验证。结果表明：通过建立末采期间回撤通道顶板力学模型，确定在该矿地质条件下，工作面与回撤通道贯通后可以保证回撤通道围岩稳定的支护阻力P1≥3.05 MPa；采用多元线性与非线性回归分析优化后的经验公式估算上部煤层工作面底板破坏深度大于8.41 m，小于层间距13.3 m；利用UDEC数值计算模型反演了回撤通道顶板裂隙演化规律，确定了采空区下回撤通道顶板提前10 m采取加固措施，煤柱下回撤通道顶板提前15 m采取加固措施；提出回撤通道锚杆索+单体支柱主被动联合支护与煤柱下部通道内顶板超前预裂围岩综合稳定控制技术，应用于回撤通道不同应力影响区域。矿压监测结果表明：工作面回撤通道施工期间，围岩变形量小，锚杆锚索受力变化较小，围岩控制效果良好，保证了1205工作面安全高效回撤。

• 双翼采动下准备巷道围岩控制技术

  王坤, 孟祥瑞, 赵光明, 程详, 戚敏杰, 朱世奎,

  针对双翼采区准备巷道受采动叠加支承应力影响，准备巷道出现围岩失稳及变形破坏严重的问题，开展双翼采区准备巷道围岩应力调控技术研究。以许疃煤矿83下采区为工程背景，利用理论分析，数值模拟，现场监测的综合研究方法，分析准备巷道围岩应力演化规律及切顶卸压机理，进行终采线深孔预裂爆破切顶卸压工业性试验，以期达到改善准备巷道围岩应力环境的目的。结果表明：双翼工作面回采完毕后，工作面前方聚集的超前支承应力和采空区上覆岩层“长悬臂梁”结构产生的弯矩，致使准备巷道出现变形失稳的现象。通过FLAC3D数值模拟和分布式光纤监测结果判断，72316工作面超前支承应力影响范围超过130.14 m，采动超前支承应力影响至准备巷道，准备巷道顶板垂直应力较回采前增加10.48%，深孔预裂爆破切顶卸压后，准备巷道顶板垂直应力减少27.68%。现场进行终采线切顶卸压工业性试验后，准备巷道两帮最大变形量62.5 mm，最大变形率0.2 mm/d，顶底板最大变形量105 mm，最大变形率0.4 mm/d，围岩变形均在可控范围之内，准备巷道整体状况良好。终采线深孔预裂爆破切顶卸压技术，阻断工作面超前支承应力传递至准备巷道的物理路径，减小“弯矩”产生的集中应力，降低采动应力场的主导作用，有效改善准备巷道围岩应力环境，实现远场卸压护巷。研究结果对双翼采区准备巷道围岩稳定控制提供新思路，保障矿井安全高效生产，为相关工况下采区集中应力调控及巷道围岩稳定提供理论依据。

• 煤矿开采水浸弱化流固耦合模拟方法与工程应用

  张村, 黄玄皓, 王永乐, 师旭涛, 王方田, 韩鹏华,

  煤矿开采造成覆岩含水层涌入开采区域，弱化煤岩体强度进而造成巷道煤柱等失稳。基于此，针对煤矿开采水岩作用弱化工程问题，提出了水浸弱化流固耦合模拟方法，可以实现采动水浸过程中煤岩体渗透率和强度的实时更新。以离散元方法为主详细论述了模拟实现的主要流程，并进一步讨论了有限元模拟方法实现的主要特点。离散元模拟方法主要通过应力和裂隙开度更新渗透率，同时提出了考虑裂隙可压缩性变化的变节理刚度模拟方法。在水渗入节理裂隙中，含水率的更新则通过节理开度变化计算。在煤岩体发生屈服前，煤岩体强度弱化可以根据含水率与煤岩体强度的关系进行更新。相比于离散元模拟方法，有限元模拟方法渗透率更新需要考虑各向异性，饱和含水率的更新则根据孔隙率计算。在此基础上，通过模拟充水断裂构造巷道围岩弱化验证了本文模拟方法的可行性，并进一步通过巷道顶板下沉和围岩裂隙发育实测结果验证了模拟结果的可靠性。最后，讨论和展望了提出的水浸弱化流固耦合模拟方法，认为掌握煤岩体力学渗流特征的尺度效应以及模拟中实现长期水浸弱化更有助于煤矿水岩作用工程问题分析。

• 基于浆液扩散辐射角的倾斜裂隙注浆扩散规律研究

  严良欢, 常聚才, 乔龙全, 齐潮, 王宏达, 赵君儒,

  注浆加固作为封堵裂隙和修复岩体的主要手段，明晰巷道帮部围岩水平注浆孔倾斜裂隙注浆扩散规律对注浆参数设计与实践至关重要。以宾汉姆浆液和任意倾斜有限边界光滑平板裂隙为研究对象，基于黏度时变性宾汉姆流体流动方程，构建考虑浆液扩散辐射角的倾斜裂隙注浆扩散理论模型；通过有限元法求解液−气两相界面控制方程和Navier-Stokes方程，采用体积分数法定量表征浆液扩散的迹线形态和扩散距离，对比验证理论计算结果；最后探索不同注浆压差、裂隙开度和裂隙倾角影响下倾斜裂隙注浆扩散迹线形态和扩散距离的变化规律。结果表明：理论模型与数值模拟得到的倾斜裂隙注浆扩散规律基本一致，注浆孔上方和下方裂隙区域扩散距离最大误差分别为5.6%和6.1%，验证了理论模型的可行性；当浆液扩散辐射角为0°和180°时，扩散距离分别达到最大和最小值，裂隙开度越大差异性越显著；当裂隙倾角为0°时，裂隙区域内浆液沿注浆孔呈中心对称圆形形态，随裂隙倾角增大，浆液扩散形态演化为沿注浆孔轴对称的类椭圆形态；上方裂隙区域中部迹线伴随有凹陷特征且上方裂隙迹线范围和最大扩散距离均小于下方裂隙，随注浆时间增加，微凹陷特征逐渐弱化，类椭圆形态持续扩展，上方裂隙区域浆液扩散迹线范围增加幅度和最大扩散距离增幅均小于下方裂隙。

• 基于黏弹性理论的软基底排土场周边地表变形预测方法

  王东, 尹立, 曹兰柱, 付一鸣, 张立国, 张春会, 丁春健,

  针对软弱基底排土场堆载引起的周边地表变形问题，从层状弹性体系理论出发，深入探讨了变形现象的机理与影响。通过运用微积分思想，将排土场荷载微分，并对周边土体的作用进行了叠加，结合基底表面应力边界条件和层间界面连续条件，引入了广义Kelvin三轴蠕变模型，以更精确地描述软弱基底的变形特性，从而推导出一种具有流变特性的黏弹性基底排土场周边地表变形解法。选择了本钢集团歪头山铁矿下盘排土场作为案例进行分析，通过计算预测排土场堆载作用下层状黏弹性基底地表变形情况，得到了一系列关于地表变形的定量数据，可以看出排土场周边高铁线墩台沉降uz和相邻墩台沉降差∆uz会随着时间演化逐渐增大，后趋于平缓；排土场与高铁线并行段沉降为2.08 mm，高铁离开排土场并行范围最大相邻墩台沉降差为0.006 mm/m。与现场监测数据进行对比分析后发现，地表变形解析结果与实际情况基本吻合，从而验证了黏弹性基底排土场周边地表变形解法的有效性和合理性，且解析数值均低于规范阈值。在进一步的研究中，通过对影响排土场周边地表变形因素(边坡高度、边坡角、地表距离和时间)分析，发现了一些重要的规律性特征：排土场距离坡脚越远，周边地表变形越小，呈现出明显的反比例关系；边坡高度和角度越大，地表变形越明显；地表变形随着排土场施工时间演化，在短时间内达到峰值，之后趋于稳定。研究结果为理解软弱基底排土场堆载引起的地表变形规律提供了理论依据和实践指导，同时，所提出的解决方案为类似工程项目中的地表变形管理提供了新的思路和方法，有望在工程实践中取得积极的应用效果。

• 充填沥青对可缩性井壁接头力学特性影响分析

  许华桥, 荣隽锋, 马昊辰,

  为了研究充填沥青对可缩性井壁接头力学特性的影响，采用模型试验和数值计算相结合的方式，以淮北矿业集团临涣煤矿中央风井设立的可缩性井壁接头为工程背景，对未填充（K组）、充填沥青（T组）和充填沥青且将沥青注入管堵塞（TD组）等3种工况下可缩性井壁接头模型的力学特性进行试验，并建立流固耦合有限元模型进行数值模拟研究。研究结果表明，3种工况条件下可缩性井壁接头模型试验中，相较于K组的平均极限承载力，T组和TD组的平均极限承载力分别增长了12.81%和21.51%，同时验证了数值计算模型是可行的；数值计算分析表明T组和TD组比K组的可缩性井壁接头竖向极限承载力分别增长了11.04%和25.84%，其竖向极限承载力增长率与模型试验结果基本一致；进一步研究发现，随着竖向载荷逐步递增，K组的内、外立板竖向应力基本呈线性增加并趋于稳定值，TD组的内、外立板竖向应力变化趋势与K组的基本一致；T组的内、外立板竖向应力未呈现稳定递增，而是越靠近溢流口的位置，板的竖向应力−竖向载荷曲线的斜率越小，同一位置的竖向应力−竖向载荷曲线斜率变化规律受沥青流动速率的影响。同时，竖向载荷越大沥青流动速率越快，这使得对井壁竖向承载力的影响也逐渐加剧；沥青动力黏度的增加导致流动性和壁面剪切力减弱，减轻了对井壁内外立板的扰动和调压作用。

• 基于视觉与惯导的掘进机组合定位方法

  万继成, 张旭辉, 杨文娟, 张超, 董征, 杜昱阳, 雷孟宇, 陈鑫, 杨骏豪,

  针对煤矿井下掘进机单一位姿测量方法导致的掘进机位姿精度低、测量稳定性差的问题，提出了一种基于视觉和光纤惯导的掘进机组合定位方法。以固定在巷道顶板上的三激光指向仪作为特征目标，构建了基于三激光标靶的掘进机机身位姿视觉测量系统，采用机载防爆相机采集激光标靶，通过图像处理得到激光指向仪光斑中心位置，结合掘进机机身位姿视觉测量模型及空间坐标转化得到掘进机位姿数据。同时利用安装在掘进机机身上的光纤惯导实时获得掘进机的位置和姿态信息，采用拉格朗日三点插值法将视觉位姿数据和惯导位姿数据在时间上进行配准处理后，运用卡尔曼滤波融合算法对视觉测量数据和光纤惯导数据进行融合。采用两者融合后的位姿数据对惯导累积误差进行补偿校正，对测量系统传感器的输出有效性进行判断，消除了惯导长时间积分运算导致的累积误差及视觉标靶短时遮挡、数据丢失对融合结果的影响，从而获得掘进机实时精确位姿数据。在实验室搭建实验平台，对视觉定位方法及组合定位方法进行评估，在60 m测量距离内，视觉定位最大位置误差在35 mm以内，最大姿态角误差在0.5°以内，组合定位位置误差在30 mm以内，定位结果更接近真实位移。同时在煤矿井下工业现场对掘进机视觉与惯导融合定位进行了试验，结果表明：视觉与惯导融合定位方法能够克服井下复杂工况影响，弥补了单一测量方法的不足，且掘进机机身定位误差在30 mm以内，姿态角误差在0.5°以内，满足巷道施工精度要求。

• 液压支架供液系统快速泵控补液稳压方法

  曹超, 赵继云, 高凯, 王浩, 李冉, 刘浩, 张鹤,

  针对目前液压支架跟机动作过程中系统供液流量适配不及时、不合理导致的系统压力冲击大、波动频繁等问题，提出了基于伺服泵的快速泵控补液稳压供液系统新构型，推导出适应支架动作的稳压供液流量的计算模型，给出了快速泵控补液稳压供液系统构型中伺服泵参数配置方法。搭建了AMESim与Simulink联合仿真模型，按照对应不同支架动作的差异性稳压供液流量策略，对比了多泵联动传统供液形式与快速泵控补液稳压供液形式下的系统压力变动特性和支架动作周期，并进行实验验证。结果表明：根据系统压力变化趋势、执行机构结构参数，能够准确得出执行机构不同动作的需液量，进而形成稳压补液流量计算方法；结合快速泵控补液稳压供液方式，改善了系统压力变动特性，并加快了支架动作周期，支架动作过程中升柱和顺序推刮板输送机动作压力波动幅值分别减少23%和56%，动作时间分别缩短了1.5%和5%，降柱和拉架动作的系统压力波动次数减少，动作时间分别缩短了5.7%和3.2%。支架整个动作过程中供液系统压力均不低于卸载阀恢复压力，系统压力波动次数减少25%，支架整体动作时间缩短了4.2%。

• 基于改进统计滤波的多尺度融合点云去噪方法

  代贵生, 孙天山,

  随着矿山智能化的发展，三维激光扫描技术也逐步应用到煤矿巷道监测中。由于井下煤矿巷道复杂的环境因素影响，利用三维激光扫描技术所获取的点云数据通常包含一系列噪点，会对后续的点云数据处理产生不利影响。研究采用曲率与统计滤波联合优化的方法，提出了一种基于改进统计滤波的多尺度融合点云去噪方法。首先，利用KD-tree构建待去噪巷道原始点云拓扑结构，在原始点云中每个点处构建邻域，并计算邻域内每2个点之间的平均欧氏距离和每个点的曲率；然后，设置曲率阈值对点云进行区分，将原始点云中的曲率值与预设的大尺度噪声阈值及其他噪声阈值进行比较，筛选得到初始去噪点云；之后，由于初始去噪点云中还可能包含部分离散点，再利用半径滤波去除较少的离散点，完成点云去噪；最后，在瓦斯煤层爆炸实验室模拟巷道和防空洞拱形巷道试验环境中对所提出的点云去噪方法进行试验研究。结果表明：所提出的基于改进统计滤波的多尺度融合点云去噪方法，能够在尽可能保留巷道表面点的情况下有效去除噪声点，并且通过与传统点云去噪方法的试验对比发现，传统统计滤波去噪后的巷道点云出现不同程度的空洞，已无法维持巷道结构，而本研究所提出的曲率与统计滤波的联合优化方法依旧保留着完整的巷道结构，在实验室模拟巷道中特征点保留率能够提高4.624%，在拱形模拟巷道中特征点保留率能够提高10.27%，煤矿巷道现场试验证明，该方法弥补了传统点云去噪方法的不足，更能满足矿山巷道监测的需求。

• 基于深度学习的煤矿钻杆实时计数方法

  张富凯, 孙一冉, 武旭峰, 李爱军, 李培洋, 王登科, 袁冠, 赵珊, 张海燕,

  煤矿井下环境特殊，钻机工作场景复杂多变，存在强光、水汽、遮挡等因素干扰钻机识别效果，易出现误检漏检现象；同时钻机工作时钻机尾部常出现卡顿和无效运动等异常行为，影响钻杆计数准确性。针对上述问题，基于深度学习技术提出了一种煤矿钻杆实时计数方法，由基于AM-NT优化的钻机识别模型Drill-YOLOv8和基于两级判定区域的钻杆计数推理算法Pipe-Count 2部分组成。首先，从煤矿井下真实监控录像中采集钻机工作录像视频，标注并构建煤矿钻杆计数图像数据集CMDPC；然后，构建改进的钻机识别模型Drill-YOLOv8，引入Triplet注意力提升主干网络对钻机目标的特征提取能力，改进Slim-Neck网络结构平衡模型精度和复杂度，设计DDA Head模块替换检测头结构以提升模型头部对钻机目标多维度信息的关注度；最后，设计以两级判定区域统计钻机尾部有效运动次数为原理的钻杆计数推理方法Pipe-Count，依据Drill-YOLOv8检测器结果自动适应生成两级判定区域，使用ByteTrack实现钻机尾部目标追踪，通过判定区域更新钻机尾部运动状态，从而间接实现钻杆实时计数。在CMDPC数据集上的试验表明：改进的Drill-YOLOv8模型在mAP@0.5和mAP@0.5:0.95指标分别提升3.0%和2.7%，有效解决了强光、水汽和遮挡环境下钻机头部和钻杆目标误检漏检问题，检测速度为86帧/s；计数推理算法Pipe-Count的加权平均误计率为2%，面对多场景数据表现出良好的鲁棒性，且处理速度达到40帧/s，满足实时计数要求。

• 煤炭开采利用碳排放治理技术知识图谱构建与应用

  汪莹, 王丽雅, 马飞, 杨洋, 祖子帅,

  煤炭是能源消费降碳的主力军，煤炭开发利用过程中产生的碳排放占全国碳排放总量的60%～70%，是我国完成碳减排任务的关键所在。煤炭开采利用碳排放治理技术知识图谱构建与应用聚焦煤炭开采利用碳排放治理技术，系统梳理出相关治理技术知识，在此基础上构建知识图谱，挖掘出不同技术间的内在联系、适用条件、实施效果及减排路径，为相关人员获取碳排放治理技术领域前沿知识提供支撑，推动煤炭行业向绿色低碳方向转型。一是广泛收集煤炭减排技术相关的专业书籍、术语字典、权威研究报告、中国知网核心期刊文献以及各类标准规范等，采用自底向上和自顶向下的混合构建法构建煤炭开采利用碳排放治理技术领域概念知识模型；二是运用BIO标注策略，并应用BERT+CRF(Bidirectional Encoder Representations from Transformers & Conditional Random Fields)模型，识别该领域实体；三是在实体识别基础上，应用BiLSTM–Attention模型进一步挖掘实体间关系，实现关系抽取；四是采用实体消歧和共指消解技术进行知识融合，消除数据中的矛盾与冗余信息；五是通过Neo4j图数据库存储实体与关系，基于上述结构化的方法与模型，由此完成煤炭开采利用碳排放治理技术领域知识图谱的构建。构建了涵盖排放特征、开采方式、利用方式和减碳技术四大类的煤炭开采利用碳排放治理技术领域知识概念模型，又将这四大类知识概念细分为12个子类，30个细类，形成了完整的概念分类体系。定义了10类命名实体及6种关系，基于提出的知识图谱构建组合方法与创新模型，抽取出12631个节点与32209个实体间关系，揭示了碳排放技术与排放特征、开采方式、利用方式之间的复杂关联，并根据已构建的煤炭开采利用碳排放治理技术领域的知识图谱，支持矿山企业选取相适配的减碳技术路径。随着煤炭行业低碳发展的场景拓展、数据的积累以及人工智能和大模型的发展，本研究将在多模态数据融合的基础上，优化图谱的构建方法，拓展图谱的应用范围，提高技术路径推荐的精准度。

• 水泥和稻草纤维对黄河底泥基植生基材保水性的影响

  王宁, 夏栋, 段晓明, 宋亮, 赵冰琴, 许文年,

  针对黄河底泥资源化利用的难题，利用植生基材的人工护坡工程手段，进行沿岸城市矿山排土场的生态修复，旨在提高黄河底泥基植生基材的保水性。采用黄河底泥替代自然土壤，普通硅酸盐水泥为主要胶结材料，在此基础上添加不同含量的稻草纤维制备生态基材，并进行了累积失水量，保水性，孔隙率特征和不同孔隙类型测定试验，利用扫描电镜、X射线衍射仪进行了微观检测，系统分析了不同水泥和稻草纤维含量对黄河底泥基植生基材保水性的影响及作用机制。结果表明∶在稻草纤维添加量为6%，水泥添加比例为6%时，黄河底泥基植生基材出现最大保水量为66.1 g，土壤毛管孔隙75.94%，总孔隙率79.68%，显著提高了黄河底泥基植生基材的保水量。建议进行沙质土壤改良，生态修复工程，使用质量比（底泥∶生态剂∶有机肥∶稻草纤维∶水泥=100∶6∶6∶6∶6）进行施工，该成果适用于水土资源短缺的边坡生态修复。稻草纤维和水泥对黄河底泥基植生基材的保水机理主要包括：稻草纤维的物理填充作用，两者各自的化学胶结作用以及水泥和稻草纤维的协同作用。利用黄河底泥制备的植生基材具有制造成本低、环境友好等特点，并且可以实现黄河底泥资源化高效利用，研究成果可推广到河流域其他涉及清淤的湖库区，对流域生态保护修复具有重要作用。

• 采煤塌陷区微生物矿化联合植被固土研究

  高颖, 李涛, 郑恺丹, 范立民, 白如鸿, 孙强,

  生态脆弱矿区煤炭开采浅表地质环境持续劣化，为了控制塌陷区土体失稳和水土流失，开展采煤塌陷区微生物矿化联合植被固土试验研究。以生态脆弱的榆树湾煤矿20107工作面为研究背景，在采煤沉陷、地裂缝及采动土壤理化观测的基础上，开展了MICP（Microbial Induced Carbonate Precipitation，微生物矿化）对植被影响试验研究，重点测试了MICP固化对植被长势、土壤养分及植被根系长势的影响；开展了MICP联合植被根系对采矿扰动土体剪切强度的影响试验，重点测试了不同根系长度、根系掺入量及菌胶比对土体剪切强度的影响；结合不同工况MICP固化土体扫描电镜观测和MICP碳酸钙产量测试成果，阐释了不同工况塌陷区土体复合固化差异性规律。结果表明：① 采煤对土壤含水率影响最显著，采煤剧烈扰动区（D1）较采煤轻微扰动区（D0）含水率下降7.7%，土壤pH影响不明显，土壤有机质、全氮、有效磷及速效钾质量分数从大到小依次为D0、D2（一般扰动裂缝带区）、D3（一般扰动非裂缝带区）、D1；② MICP对植被生长作用分为2个阶段：1～2周，MICP起到了抑制植被生长的作用，未MICP固化较固化植被平均高度大7.4%～47.7%；3～4周，MICP起到了促进植被生长的作用，未MICP固化较固化植被平均高度小23.7%～32.3%；植被根系长势和土壤理化指标验证了MICP对植被的整体促进作用；③ 根系加入但未MICP固化时，土体黏聚力和内摩擦角分别提升42.1%和10.6%，根系加入且MICP固化时，土体黏聚力和内摩擦角分别提升62.3%和19.4%。两者联合固化的最优参数为：根系长度5～10 cm、根系掺入比0.8%，菌胶比1∶1.5。④ MICP固化过程中碳酸钙产量D1>D2>D3，说明采煤扰动越剧烈，MICP介入固化程度越高。为生态脆弱矿区采煤塌陷区固土工程提供了试验参考。