煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第7期

• 我国煤矿智能化技术十年发展与实践

  范京道, 黄克军, 李川, 杨明, 黄晓俊, 闫振国, 宋岳, 曹宇,

  煤矿智能化建设是顺应技术革命和产业变革，新一代信息技术与煤炭开发利用技术的深度融合应用，是煤炭产业升级转型和优质发展的必然选择。自2014年黄陵矿业建成了我国首个地面远程智能采煤工作面以来，逐步形成了薄煤层、中厚煤层、厚煤层综采及放顶煤智能化开采技术，由黄陵矿业推广应用至全国主力生产矿区，并形成了煤矿智能化开采理论技术装备与标准体系，煤矿智能化开采技术的整体突破带动了我国煤矿智能化发展。自2020年国家发展改革委员会等八部委印发了《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》以来，我国煤炭行业进入以智能化开采带动其他核心技术突破的煤矿智能化时代，并形成包括信息基础设施、地质保障、开采、掘进、运输、通风与压风、供电与供排水、安全监测监控、经营管理、资源综合利用等煤矿智能技术，使我国煤炭开发技术水平得到跨越提升，推动煤矿建设向安全、高效、绿色、智能方向发展。随着煤矿智能化建设发展，煤矿建井技术装备研发滞后，与煤矿智能化发展不匹配、不协调，严重制约了我国优质煤炭资源的安全高效开发。研究基于煤矿建井阶段的智能化发展需求，提出了“智能化建井，建智能矿井”的定义与科学内涵，分析了建井面临基础理论研究薄弱、智能化建井装备研发滞后及工程技术突破难等问题；构建了智能化建井系统总体架构，研发了基于斜井敞开式全断面掘进机和竖井钻机“一钻完井”的智能化建井技术装备体系，并建成国内首个智能化建井技术示范工程。近10年的发展实践表明，我国煤矿智能化建设带动了煤矿行业的整体技术跃迁与高质量发展。

• 大采高工作面生命周期内坚硬厚顶板破断机制

  雷照源, 李峰, 赵子葵, 李磊, 黄兴利,

  坚硬厚顶板作为大采高工作面的力源层，不同大采高工作面生命周期内的顶板边界条件不同，导致顶板的破断形态发生改变，进一步引发了各大采高工作面矿压显现的不同。因此，分析不同空间位置大采高工作面生命周期内坚硬厚顶板破断机制是研究矿压防治的基础。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、现场监测等手段，从单一与相邻工作面生命周期内坚硬厚顶板边界条件出发，凭借虚功原理分析坚硬厚顶板的破断机制；并以21422相邻工作面临空侧坚硬厚顶板三维空间轴转动模型为例，分析其失稳机理。研究结果表明：① 21421与21422工作面生命周期内各存在2种顶板破断铰接类型，21422工作面作为接续工作面，顶板临空侧的铰接边界为简支，导致顶板呈非对称破断。利用虚功原理推导出各顶板类型的破断极限条件及解析方程，得出21422工作面来压步距小于21421工作面，且沿工作面倾向两侧破断块体的水平破断距分别为108.41 m和191.59 m。② 通过建立坚硬厚顶板在21422工作面倾向临空一侧铰接模型，认为顶板的破断过程呈回转运动，根据稳定系数(ξ)可知工作面倾向临空侧顶板不稳定，更易引发工作面矿压的发生。③ 统计各工作面充分采动后一个自然月的支架压力分布特征，验证了21421及21422工作面坚硬厚顶板的对称破断和非对称破断的特征，同时21422工作面的来压强度及步距的密集程度均大于21421工作面。

• 煤层采动对天然气井水泥环影响规律

  王旭东, 武书军, 任玺宁, 张燊, 杨胜利, 翟瑞昊, 马瑜谦,

  我国多地存在煤与天然气资源赋存压覆情况，传统上煤与天然气开采相互避让、互不影响，不仅极大地降低了生产效率，且造成了资源浪费。为了解决这一难题，以新街煤矿为工程背景，采取留设天然气走廊方式保护天然气井以实现煤与天然气同时开采。水泥环作为保护天然气井套管的保护层，其完整性直接影响套管的稳定。多煤层重复采动条件下所造成的覆岩运移使得水泥环在局部区域损伤，造成套管破裂甚至毁坏导致天然气泄漏。因此研究煤层采动下水泥环应力演化规律、失稳形态及位置尤为重要。制备水泥石标准试件，设置常温与大埋深时不同温度对照组研究水泥石力学强度以及破坏特征。结果表明：高温情况下水泥环抗压强度显著提高，且主要破坏形式为剪切破坏，应重点关注水泥环在采动影响下环身剪切应力峰值强度。数值分析天然气井水泥环在采动影响下环身位移弯曲规律、应力演化特征、塑性区分布区域。结果表明：由于煤层回采形成采空区导致上覆岩层运移，且气井两侧工作面交替开采使水泥环处于向左侧弯曲变形再向中轴回正的过程，导致煤层及顶底板处以及井口处出现扭曲现象，使得剪切应力主要集中于井口以及煤层与顶底板位置，更易出现应力集中导致破坏水泥环的完整性。因此为了保证天然气井套管安全生产，需要在地表以及煤层处水泥环进行加固，保证水泥环的稳定性。

• 近距离重复采动底板微震动态演化特征与危险性评价

  贾靖, 周金艳, 牛清华,

  底板水害防治是煤矿安全工作的重中之重。相对于单层煤回采底板水害预测、防控，当前对近距离煤层组重复采动研究相对较少，上下煤层间距小，且重复采动会造成顶底板岩体的2次叠加破坏，增加了防治水难度。论文以平煤十矿33200工作面为例，分析了下煤层重复采动引起的微震事件空间、能量分布与大量数据统计规律，总结近距离煤层组重复采动下底板微震活动特征，并运用熵权法提出底板突水危险性评价体系，研究成果与现场吻合。结果表明：基于微震时空演化规律分析，提出煤层底板警戒层及其判定条件，该层及其以深事件的发生是强含水层受到扰动的信号，与水运动、构造活化等显著相关，是微震捕捉突水发生的重要前兆信息，可提高水害预警精度。近距离下煤层重复采动中，在上煤层出水位置、水量增大位置、深部原生损伤区等重要节点，后方影响区、超前影响区、底板破坏深度等微震监测指标响应特征明显，可从平面、垂向上呈现底板岩层受采动影响下裂隙产生、扩展的范围。以微震事件活动性双因子、空间分布双因子、破裂尺度因子等为核心，综合了多种底板突水影响因素，运用熵权法构建了重复采动底板突水危险性量化评价体系，实践证明与现场有良好的一致性。该研究可为近距离煤层组重复采动作用下底板损伤破裂突水通道分析提供理论和数据基础，为确定重复采动底板破坏深度和评估底板突水风险提供新思路，并有利于提升微震监测在煤矿底板水害预测预报的准确性，从而保障工作面安全高效生产。

• 基于含水率效应的冲击煤体三轴加卸载钻进试验力学行为及其响应机制

  朱广安, 徐自豪, 刘欢,

  煤层冲击倾向性强、顶板富水等是导致蒙陕矿区钻屑法监测失效的主要原因，以陕西彬长矿区某富水冲击地压矿井2号煤层为研究对象，设计了三轴加卸载钻进试验(含水率为0、2.7%、5.4%和7.8%；应力水平为36～46、48～58和60～70 MPa)，探究了不同含水条件和不同应力状态下冲击煤体钻进力学行为，从煤体弱化以及煤粉黏结研究视角，初步揭示了水及应力对钻屑法评价冲击危险的影响机制。研究结果表明：① 水作用下煤体各物理力学参数均发生不同程度的劣化现象，其中塑性软化系数对理论钻屑量的影响程度最大；② 当煤体含水率w≤2.7%时，水对钻屑量的影响甚微，应力水平提升使试验钻屑量趋近理论值；当煤体含水率w≥5.4%时，水对钻屑量的黏结作用增强，在高应力、高含水率条件下，试验钻屑量显著降低；③ 由于煤体内部颗粒与水发生物理、化学作用，导致钻孔周边塑性区半径增加，煤体变形能力增强；而随着应力水平提升，钻孔周边应力增大，煤体内部能量积聚，变形加剧，2者共同作用下增加了钻杆切割的钻屑量；④ 在含水率小于25%范围内，随着含水率的增加，煤粉颗粒间液桥力增大，促使其在钻孔中团聚黏附，从而导致钻屑量减少。研究结果可为蒙陕地区富水冲击地压矿井钻屑法评价冲击危险提供重要理论依据。

• 碳纤维相似材料模拟采动岩体损伤破裂表征方法及试验研究

  朱卫兵, 赵波智, 宁杉, 项佳豪,

  相似材料模拟试验是探究煤炭开采过程中覆岩破坏、岩层移动及岩层控制的重要手段，然而传统相似模拟材料难以对采动岩层内部损伤破裂及其动态发育过程进行有效监测。为此，将碳纤维引入矿山相似材料模拟实验领域，借助该复合材料电阻率变化对损伤的灵敏反馈，实现了相似模拟实验中采动岩层内部损伤与破裂规律的实时监测，并据此研发了一种具有损伤自感应功能的碳纤维相似模拟复合材料。研究发现随着碳纤维掺量的增加，相似材料电阻率变化与损伤系数演化规律趋于一致，且当相似模拟材料中碳纤维掺量≥2%，相似材料电阻率变化与损伤系数始终保持同步增长。基于此，探明了碳纤维相似模拟材料电阻率变化量与岩层损伤程度的关联效应，开展了近距离煤层过煤柱开采岩层结构动态演化与关键层破断时序物理模拟试验，分析了煤层开采全过程中的碳纤维相似材料电阻率变化特征，精准辨识了覆岩采动裂隙的发育程度、分布范围及各岩层损伤破裂时序，形成了适用于采矿工程相似模拟实验中的岩层损伤破裂动态过程新型量化与表征方法，为揭示采动岩层损伤破裂演化规律与优化岩层控制技术措施提供了科学依据。

• 干湿循环石灰岩动态压缩能量演化及变形破坏特征

  段继超, 宗琦, 高朋飞, 汪海波, 吕闹, 王浩,

  为研究干湿循环石灰岩在动态压缩破坏过程中的能量耗散规律，采用直径50 mm分离式霍普金森压杆试验系统，对不同干湿循环等级的石灰岩试样进行动态压缩试验，结合超高速摄像机探究干湿循环作用及应变率对石灰岩样动力学参数、应变场演化规律、能量耗散特征以及破碎分形维数的影响，并借助扫描电子显微镜观测干湿循环过程中石灰岩微观结构的演变过程，揭示其宏观物理力学劣化行为的微观机制。结果表明：随着干湿循环次数的增加，石灰岩试样内部胶体溶解、颗粒受损，导致其结构骨架承载能力下降，进而表现为试样纵波波速、抗压强度和弹性模量的逐渐降低及孔隙率的增加；在冲击荷载的持续作用下，试样经历动态平衡后，其薄弱环节率先形成最大主应变集中域，应变集中域随加载时间延伸、聚集并伴随微裂纹产生、扩展、交错，最终形成破裂面，直至试件破坏；随着应变率的提升，试样内部微裂纹生成与活化显著增强，进而促进了抗压强度的提高，同时动态压缩破坏过程中试样最大主应变增大，耗散能增加，分形维数也相应提高；随着干湿循环次数的增加，试样内部孔隙和微裂隙等结构缺陷逐渐显著，进而在动载压缩破坏过程中引起试样最大主应变的上升，耗散能的减少，并伴随分形维数的增大。研究结果可为干湿循环岩体动力灾害控制提供重要的理论支撑和参考依据。

• 水射流辅助滚刀破岩最佳射流角度数值模拟

  王安鑫, 鲁义强, 张盛, 马建宏, 杨战标, 范宏运,

  为解决传统滚刀施工过程中遇到超高强度岩石时存在掘进困难、刀具磨损严重和破岩效率低等问题，高压水射流因其对硬岩可产生良好的破碎效果，成为一种有效提高破岩效率的手段。水射流与滚刀的布置将直接影响滚刀荷载以及破岩比能耗等指标。针对水射流辅助滚刀最佳破岩冲击角度的合理确定，构建了泰森多边形算法的等效晶质岩石材料的颗粒簇离散元模型，采用PFC（Particle Flow Code）数值分析了不同水射流冲击角度辅助破岩下裂纹数目、岩石应力和破岩比能耗等变化规律，进一步获得了水射流冲击角度对辅助滚刀破岩效率的影响规律。结果表明：预切缝底端是滚刀破岩过程中的应力集中区域，预切缝的存在影响裂纹优先向其底端扩展，预切缝长度的增加可以有效降低滚刀荷载，但此规律随着预切缝长度的增加而逐步减弱，与无切缝相比，有预切缝存在的岩石破碎时峰值荷载降低了6.11%～17.60%；预切缝长度对破岩比能耗的影响存在界限值20 mm，超过界限值后，预切缝长度对岩石破坏行为影响能力减弱；改变水射流冲击角度能明显改变滚刀破岩效果，破岩比能大小随水射流冲击角度的增大呈现“V”字形曲线发展，在水射流冲击角度75°辅助下获得最佳破岩效果。水射流冲击角度的合理选择，有助于提高TBM刀具寿命，研究成果能够为硬岩地质条件下TBM刀盘结构中水射流系统和喷嘴角度合理的布置提供理论参考。

• 基于GRA-EPSO-SVM模型的露天矿山爆破振动速度预测

  张鹏飞, 袁永, 何运华, 代少军, 李佳臻, 迟学海, 李伟, 孙雪, 张焦, 白润才, 费鸿禄,

  露天矿爆破振动峰值是评价爆破效果的主要指标。在露天矿煤岩互层爆破场景下，针对现有的爆破振动峰值预测方法难以达到理想的预测结果，导致爆破参数、起爆网络设计不合理等问题，提出了一种灰色关联度特征选取下基于集成粒子群优化支持向量机算法（GRA-EPSO-SVM）的爆破振动速度峰值预测模型。以元宝山露天煤矿不同赋存条件下的煤岩爆破为背景，选取孔距、排距、孔深、单段最大装药量、最小抵抗线、爆心距、高程差、质点振速峰值作为输入参数，采用灰色关联分析法(GRA)过滤影响爆破振动速度峰值的冗余因素（孔深、单段最大装药量、最小抵抗线、质点振速峰值）；运用集成粒子群算法（EPSO）优化SVM算法的关键参数C和g，将参数输入到GRA-EPSO-SVM模型中进行评估。结果表明：GRA-EPSO-SVM组合算法对比改进的萨道夫斯基公式、SVM的预测值和实际值更为吻合，平均误差分别降低15.3%和106.8%，预测结果的精度更高，更能有效预测露天矿煤岩互层爆破振动峰值，为露天矿开采爆破施工安全控制提供帮助。

• 单一特厚煤层采动覆岩低位动态裂隙区卸压瓦斯抽采关键技术

  舒龙勇, 张元龙, 宋鑫, 凡永鹏, 李阳,

  不同于我国中东部高瓦斯和突出矿区，西部矿区单一厚及特厚煤层回采工作面采动卸压瓦斯涌出量大且主要来源于本煤层，若按传统观点将采动覆岩卸压瓦斯抽采钻孔布置于裂隙带中，抽采浓度虽大但上隅角瓦斯很难得到有效控制。为研究西部矿区单一特厚煤层综放工作面顶板定向长钻孔最优布置区域，基于永陇矿区某矿特厚煤层综放工作面，运用理论分析、数值模拟及现场工程实践相结合的方法，研究了特厚煤层综放采场顶板覆岩结构，探讨了工作面后方顶板覆岩存在垮落−裂隙动态发育特征，提出了特厚煤层采动覆岩稳定前存在低位动态垮落区和低位动态裂隙区，通过理论分析和数值模拟相结合的方法，确定了低位动态裂隙区为单一特厚煤层顶板走向定向长钻孔最优布置区域，并通过工程实践进行了合理性验证，探讨了低位动态裂隙区范围与煤层开采厚度、覆岩岩性、直接顶关键层层位、煤岩层倾角及工作面回采速度等影响因素之间的关系。现场工程实践表明：基于低位动态裂隙区范围对定向长钻孔布置参数进行优化调整后，在缩减3个钻孔，整体钻孔工程量减少28.7%的情况下，实现了风排瓦斯平均下降4.4%，平均单孔卸压瓦斯抽采效率提升75.7%，上隅角瓦斯体积分数最高仅为0.48%的抽采效果。单一特厚煤层综放开采条件下，将顶板定向长钻孔布置于低位动态裂隙区内，可保证足够的有效抽采长度，同时精准高效抽采采动卸压瓦斯，降低工作面瓦斯超限风险。研究成果丰富了采动覆岩卸压瓦斯抽采理论和技术体系，可为解决西部矿区单一特厚煤层综放开采工作面上隅角瓦斯超限问题提供一定的理论与技术支撑。

• 地下煤层强制燃烧注气流量对含水煤燃烧动力学的影响

  聂百胜, 白凯丹, 何珩溢, 刘鹏,

  煤层地下原位燃烧取能是未来煤炭资源绿色安全开采的潜在路径。为探究原位含水煤层在不同注气流量下的燃烧特性及动力学特征，以典型含水率(11%～32%)褐煤为研究对象，利用热重–差热扫描量热(TG–DSC)联用技术，分析煤样在燃烧过程中特征温度、综合燃烧性能指数、最大热流等参数，同时采用Coats-Redfern积分法对煤燃烧过程进行动力学计算，得到煤样的活化能E。结果表明：水分对煤燃烧及放热特性存在显著影响，随着含水率的增加，煤样着火温度及最大燃烧速率温度先降低后增加，而综合燃烧性能指数及最大热流先增加后降低，当含水率为22.8%时，煤样的着火温度最低，综合燃烧性能指数和放热强度最大，表明适量含水率有利于煤炭的快速着火及燃烧。注气流量显著影响煤的燃烧速率及放热强度，注气流量的增加提高了煤的燃烧速率，但当注气流量升高至80 mL/min时，会显著降低放热强度，其原因是流量过大会带走更多煤燃烧释放的热量，不利于煤自身氧化升温。根据燃烧动力学参数计算结果得出，随着煤中含水率增加，其反应活化能先降低后增加，3种注气流量下，22.8%含水率煤的活化能最低，分别为54.55、54.18、57.97 kJ/mol，含水率11.6%和22.8%煤在50 mL/min时活化能最小，其余含水率煤在20 mL/min时活化能最小，而当注气流量为80 mL/min时，煤样的活化能显著提高，进一步证实了含水率22.8%煤在注气流量50 mL/min时容易着火，较高的注气流量不利于含水煤的点火。研究结果丰富了煤炭燃烧机理的理论基础，同时为地下煤层原位点火及稳定燃烧提供理论指导。

• 基于数值重构的煤堆非均质几何特征及其自燃规律

  宋双林, 梁运涛, 林琦, 李坤, 杨红阳, 王成,

  散状物料堆场的非均质空间分布规律是制约煤堆自燃行为准确预测的关键因素之一。为了克服现有堆体自热研究中均一参数假设的限制、提升堆积态系统自燃预测的准确性，重点研究了堆体内部空隙率的空间分布规律，通过考虑堆体“下落—碰撞—堆积”的形成过程，提出了以离散元方法模拟堆体形成的数值重构思路。在此基础上，研究了不同颗粒粒径和倾倒高度下的堆体内部非均质性空隙率分布规律，讨论了当量粒径和下落高度对堆体非均质空隙分布规律的影响，完成了堆体内部空隙率分布特性的量化表征，据此对比研究了堆体均质假设对煤堆自燃规律的影响。结果表明：① 堆体整体空隙率随着倾倒口高度的增加略有上升，但倾倒口高度对堆体空隙率分布规律的影响并不显著，倾倒口高度从0.55 m增加到0.95 m，其空隙率平均变化量仅为5.1%。② 受到上部颗粒重力和挤压作用，堆体内部空隙率沿垂直方向从高到低呈现出整体逐渐降低的趋势，但大粒径颗粒在近地面处的空隙率会有所增加，在离地面高度约3 cm处空隙率达到最低值。③ 堆体内部空隙率沿水平方向呈近似均匀分布，其平均值约为0.45。④ 堆体均质假设对自然发火期影响不显著，但采用均质堆体假设后，自热区中心点向堆体表面迁移了0.3 m，自热区长度由10.2 m缩短至3.1 m，明显低估了煤自热风险与隐蔽性。研究为堆积态系统的典型非均质结构分析提供了不同的研究思路和方向，可以削弱由于大型煤堆内部异质性难以表征所引发的煤自燃预测偏差，提升堆积态多孔系统自燃过程的预测精度，使煤自燃预防措施更具针对性。

• 不同浓度氯盐抑制煤自燃特性研究与评价

  张九零, 岳凯旭, 范酒源, 孙楚颜, 杨晓桐, 阮杲阳,

  煤自燃灾害严重威胁矿井安全生产，喷洒阻化剂技术在矿井火灾治理中发挥了重要作用，其中氯盐是矿井煤自燃阻化防控中较为普遍使用的阻化剂。为研究不同浓度卤盐及氯化钠对煤自燃的阻化特性，并依据阻化性能指标评价优选阻化剂。采用程序升温−气相色谱及同步热分析试验分析了煤样在不同浓度卤盐及氯化钠作用下，煤自燃过程中不同温度阶段预测指标、特征温度、表观活化能等参数变化规律；结合氧化反应热动力学特性，探讨氯盐阻化剂的阻化机理；并采用熵权法评价优选阻化剂。研究结果表明：30%卤盐或20%氯化钠在煤自燃氧化30～80 ℃阶段的预测指标V（O2）∶V（CO+CO2）最高；在80～200 ℃阶段各阻化煤样首次产生CH4指标气体的温度点均有推迟，且产生量较原煤减少；只有40%卤盐在200～240 ℃阶段的预测指标V（CO2）∶V（CO）低于原煤；卤盐及氯化钠阻化煤样的着火点温度较原煤分别提高23～31 ℃和7～15 ℃；而且有效提高煤体的表观活化能，降低了煤自燃倾向性；卤盐或氯化钠在煤体表面吸收空气中水分形成具有隔绝氧气和吸热降温作用的液膜，并与煤分子发生化学反应，延缓煤氧复合反应进程；采用熵权法对各阻化指标进行赋权评价，30%卤盐或20%氯化钠的综合评价值高于其他浓度同类阻化剂。优选获得30%卤盐或20%氯化钠在同类型阻化剂中综合阻化性能最佳。

• 煤层气井产出水地球化学特征差异及排采指示 以黔西三塘向斜为例

  周效志, 王帅琪, 朱世良, 王少雷, 向刚, 陈学华, 董吉航, 邱鑫,

  煤层气井产出水蕴含丰富地质信息，分析其地球化学特征及井间差异，可为精细化排采工作提供科学指导。以黔西织纳煤田三塘向斜为研究区，探究了复杂构造背景下煤层气井产出水地球化学特征差异、成因及精细排采管控策略。基于3口煤层气井产出水定期采样测试，剖析了产出水水质、水化学、水中氢氧同位素等特征差异，探讨了煤层气井排采水产出规律及井间差异的地质−工程协同控制作用，提出了压后精细放溢流与排采管控措施，对复杂构造区煤层气井排采具有指导作用。研究表明：区内煤层气井排采产出水特征差异显著，基于水中氢氧同位素、Cl−浓度、pH等判识，W1、E1和N1井产出水分别主要来源于煤系滞留水补给、上覆含水层水补给和前期注入压裂液返排；受此影响，煤层气井压后放溢流及排采过程中产出水水质变化趋势有别，水中阴、阳离子浓度及水化学类型不同，氢氧同位素漂移趋势各异。结合煤层气井产出水水质、水化学特征监测，将压后放溢流过程划分为试放喷、恒速放喷、放喷速度缓慢提升、放喷速度快速下降4个阶段，前期排采过程划分为试抽、控压排液、缓慢降压、控压产气、降压提产5个阶段。对于产出水来源差异的煤层气井，综合煤储层渗透性、外源水补给强度确定排采管控基本原则，如地层水补给弱的低产水井维持高套压、低流压日降幅排采，地层水补给强的高产水井维持低套压、高流压日降幅排采，以保证降压提产阶段气水的连续、稳定产出，并在长期排采过程中持续携带出低浓度煤粉。

• 承压水作用下采动卸荷砂岩力学及渗流特性

  张培森, 王洪伟, 杨守振, 许大强, 刘业强, 刘超, 方家鑫, 鞠照强,

  随着煤炭开采不断向深部延深，高承压水对采煤工作面的威胁显著增加，易诱发突水灾害，基于此，采用Rock Top多场耦合试验仪模拟承压水环境下采动应力作用，开展砂岩卸荷试验，采取升轴压（应力集中）、降围压（开挖卸荷）的应力路径，探究不同初始卸荷水平、不同渗透压差条件下砂岩力学及渗流特性。获得了承压水作用下采动卸荷砂岩的力学及渗流特性规律试验。结果表明：砂岩应力−应变曲线因初始卸荷水平不同而出现“分流”现象，卸荷作用会加快岩样内部裂隙发育进程。岩样峰值平均有效应力随渗透压差增大、卸荷水平升高而增大；峰值径向应变整体随卸荷水平增高而增大；随初始卸荷水平的增高，峰值环向应变整体呈现下降趋势。定义了岩体内部结构有效卸荷模量，起始卸荷水平越高、渗透压差越小，岩体内部结构有效卸荷模量越低，岩样内部结构抵抗变形能力越差。砂岩典型渗透率曲线呈现“减—增减—稳定”的规律，低渗压环境下砂岩渗透率曲线在岩样破坏后出现明显的“尖峰”阶段，高渗压环境下“尖峰”阶段相对不明显。渗流通道总体积曲线与渗透率曲线具有良好地对应性；渗流场流速变化曲线符合“降—增—平”的变化规律，高渗透压差下水流流速大，低渗透压差下水流流速小且出现反向渗流情况。

• 基于排采动态过程的煤岩渗透率有效应力敏感性实验研究

  李康, 张晓阳, 胡彬彬, 孔维江, 窦云飞, 张军建, 王东东,

  煤层气井排采过程中储层渗透率的动态变化很大程度上取决于有效应力和孔隙结构的变化，分析煤储层应力敏感性对于认识储层排采动态变化效应至关重要。基于此，采集沁水盆地东南缘寺河矿3号煤层煤样，利用CT扫描及核磁共振手段分析煤岩孔裂隙分布特征，开展变孔隙压力条件下不同含水饱和度煤样氦气渗透率测试，应用响应面法，求取煤样渗透率有效应力系数（ESCK），基于改进后的S&D模型，实现符合实际排采过程的渗透率动态变化规律分析。结果表明，干燥及饱和水状态下煤样核磁T2谱均呈近似单峰分布，孔隙结构以微孔为主；SK1煤样中存在贯穿性主裂隙且扩散孔和渗流孔连续性较好，可提供渗流通道，导致渗透性较SK3样品好；同一含水饱和度下，煤岩渗透率随净应力增大而减小，两者之间存在较好的乘幂型拟合关系；随着含水饱和度的增大，相同孔隙压力下煤样渗透率随净应力增大呈乘幂拟合关系降低；转换后渗透率（k'）与围压、孔隙压力呈二元线性关系，不同含水饱和度下煤样的ESCK值为一定值且均小于1.0，介于0.244 5～0.475 3；排采过程中煤储层有效应力大于净应力，渗透率应力敏感性强，对储层渗透率的影响更大，应合理制定排采制度，避免排水降压速率过快。

• 裂隙岩体单元注浆扩散规律及强度演化模拟

  张二蒙, 刘浪, 许延春, 费宇, 耿济世, 蔺亚兵,

  为研究含粗糙裂隙岩体充填程度对改造后岩体强度的影响机制，采用数值试验方法，分析了具有节理粗糙度系数（Joint Roughness Coefficient, JRC）表征的粗糙裂隙内浆液扩散规律，并基于裂隙浆液典型时刻充填特征，开展了考虑不同粗糙度和充填度的改造岩体单轴压缩试验(UCS)与常法相刚度(CNS)条件下直剪试验，形成了浆液充填规律与改造岩体强度关系串联分析方法。结果表明：粗糙裂隙内浆液流动具有层流/紊流特征，平滑裂隙内浆液受裂隙壁面剪切力较小，易维持层流状态；粗糙裂隙对浆液的流动起到控制作用，靠近壁面处出现涡流。改造岩体的抗压强度与裂隙充填度成正比关系；完全充填裂隙塑性区由双“X”型逐渐变为单“X”型；裂隙未充填部分边界无有效约束，最大最小主应力差值较大。浆液凝固后，由于黏聚力与空间侵占共同作用，限制了裂隙凸台相对滑动，增加了裂隙初始摩擦力与接触面积，改造岩体抗剪强度提高。CNS边界条件下，剪切应变的增加导致应力集中程度增加；注浆体内新生微裂纹发育速度随剪切应变增加逐步提高，注浆体应力分布特征与内部微裂纹发育规律一致。研究成果为分析裂隙岩体内部浆液扩散规律与改造后岩体强度演化提供了试验依据。

• 深部高承压“Y”型分支断层底板突水机理模拟试验研究

  李昂, 张文忠, 周永根, 王伟东, 田胜祺, 杨宇轩,

  普遍分布于淮南矿区的“Y”型分支断层由于其特殊的构造特征，较常规断层更容易发生活化突水，为揭示深部开采高承压水“Y”型分支断层底板突水机理，提出安全开采关键性技术参数，以刘庄煤矿8号煤工作面底板为研究对象，研发了一种新型原岩相似材料及与之匹配度较高的承压水模拟系统，依托自制的相似试验平台，采用数字图像相关法、水压传感器、水流量监测系统及红外热成像等多种定量及定性监测手段，对开采扰动与承压水导升协同作用下底板突水机理进行模拟研究。结果表明：可循环使用的新型棒体、块体材料与硅胶水囊承压水系统契合良好，能够科学可靠地模拟现场情况；工作面推进63 cm是“Y”型分支断层进入活化阶段的临界点，此后承压水沿主断层向分支断层内导升，水压逐渐增大；当工作面推进至71 cm，底板分支断层完全活化，工作面发生突水，主断层水压降低、水流量增大；采动应力对底板裂隙发育具有显著的影响，分支裂隙呈现出沿垂直方向扩展发育的规律，工作面推过79 cm，底板裂隙逐渐闭合，突水情况得到缓解。结合模拟结果及现场实际情况，探讨了3种“Y”型分支断层底板突水应对治理措施和预案，为类似断层底板防治水研究提供一定的参考。

• 基于自适应光照估计的Retinex-Net矿井图像增强算法

  田丰, 陈婷婷, 刘晓佩,

  随着煤矿智能化建设的逐步推进，智能视频监控系统越来越多的应用于煤矿井下。然而受粉尘、水雾及光源等因素的影响，视频监控系统采集的图像往往存在亮度低、光照不均匀、信息丢失、细节模糊等问题，导致煤矿井下视频监控视觉效果差，极大影响了后续图像分析与智能决策。因此，研究煤矿井下图像增强方法具有重要意义。针对非均匀照明下井下图像出现的局部区域亮度低和细节特征缺失的问题，提出了一种基于自适应估计的改进Retinex-Net井下图像增强算法。设计了分解网络来分离图像的照度分量和反射分量；在反射分量处理中，引入了融合通道和空间注意力的注意力模块CBAM(Convolutional Block Attention Module)，进一步提升图像的细节和对比度，使图像更加清晰；在光照估计网络中构建渐进式的光照优化过程，通过多个网络层的级联，逐步优化光照分量的估计，引入了自校准模块，能够自动调整光照分量的估计值，使其更加接近真实的光照条件，最后将优化后的照度分量和反射分量结合，得到增强后的井下图像。基于自建井下图像数据集，改进算法较其他算法，其平均梯度、峰值信噪比、结构相似性、信息熵分别提高了25%、17%、24%、8%。试验结果表明，该算法能有效地提高光照不均匀照明中暗区域的图像亮度，增加图像细节信息，提高图像质量。

• 基于阻塞栅格地图的煤矿救援机器人路径规划

  邵小强, 刘明乾, 马博, 李浩, 吕植越, 韩泽辉,

  针对矿难发生后，煤矿救援机器人面对井下复杂环境使用路径规划算法耗时太长，路径规划过程中产生冗余点过多且易陷入死锁的问题，提出一种基于类型匹配的栅格地图阻塞算法，该算法可通过迭代阻塞以减少栅格地图中无需探索的可通行节点数量。算法的阻塞过程利用定义的栅格节点和其邻节点构成的3×3子图类型与栅格地图进行匹配。首先根据路径规划算法的寻路特点定义可阻塞栅格类型和不可阻塞栅格类型；然后按照各种类型特征进行建模，为每种类型设置权重和偏置；最后将各类型子图与初始栅格地图通过二维卷积操作进行匹配以阻塞无需拓展节点，在使用基于栅格地图的路径规划算法之前对输入栅格地图进行阻塞处理。阻塞节点不会断开原始栅格地图中存在最小成本路径。结果表明：该算法可应用于各种栅格环境地图中，在真实煤矿井下栅格地图环境下，与单独使用路径规划算法相比，使用本文算法结合A*算法与仅使用A*算法相比，该算法结合A*算法路径规划总时间减少60.0%，拓展节点数量减少60.4%；结合蚁群算法与仅使用蚁群算法相比，该算法结合蚁群算法路径规划总时间减少55.8%，迭代次数减少53.7%。所提算法极大缩小了路径规划时间，解决了路径规划死锁问题，在复杂环境地图中优势明显，保证事故救援的及时性。

• 露天矿山下无人矿卡的轻量级障碍检测算法

  程铄棋, 伊力哈木·亚尔买买提, 谢丽蓉, 李熙玉, 马颖,

  随着人工智能技术不断发展和智慧矿山理念的逐步推进，传统露天矿山的运营模式正在被自动化方式取代。无人矿卡作为智慧矿山的重要组成部分，其推广应用有效解决了因矿区地形不规则、路面坑洼或恶劣天气等因素导致的矿卡翻车、侧滑等问题，从而显著降低了由此引发的伤亡事故。准确的检测目标类别是做避障决策的前提，而模型轻量化可以在资源有限的条件下很好地部署。因此，针对露天矿山场景下，无人矿卡目标检测算法存在参数量多、模型较大及小目标和遮挡目标检测准确率低的问题，提出轻量级无人矿卡检测算法LWHP(Lightweight High-Precision），设计思路有以下4点：其一，提出高效加权双向的特征金字塔网络R-BiFPN，利用这一结构重构颈部网络，通过跨层连接及双向传播，减少冗余计算路径，并通过加权特征融合方式增强多尺度特征融合能力，提升小目标检测能力的同时大幅度降低参数量；其二，设计带有多头注意力机制的检测解耦头，改善卷积层冗余导致网络复杂的问题，并处理空间维度以集中捕捉目标特征，减弱无关背景干扰，提升遮挡目标识别准确率；其三，利用双重卷积构建轻量级神经网络CDC，增强通道间信息流动，提高模型特征表达能力并降低模型复杂度；其四，引入EIOU损失函数，分别计算目标边界框的宽高差异，并加入Focal Loss解决难易样本不平衡问题，获得更快的收敛速度和更优秀的定位能力。试验表明：改进后算法相较于原始算法参数量降低50.2%，计算量减少46.3%，模型大小压缩47.6%，仅有3.3 MB，且FPS达到92.9，满足实时性需求。精度提升1.6%，召回率提升3.1%，平均精度达到79.6%，相比原模型提升2%，保证轻量级部署的同时提升了检测准确率。

• 废弃矿硐压缩空气储能研究及其应用进展

  王龙轩, 张文, 杨晓林, 丛晓明, 王汉勋, 王鑫雨, 龙永康,

  在如今全球气候形势日益严峻的背景下，为实现碳净零目标，各国可再生能源需求量不断扩大。然而由于风能、光能等可再生能源存在着间歇性、不稳定等缺陷，严重制约了其规模化应用。储能技术可有效解决大规模可再生能源的整合与并网问题。其中，废弃矿硐压缩空气储能（Abandoned Mine Compressed Air Energy Storage，AM-CAES）由于具备良好的生态和经济效益，受到了中外储能领域的广泛关注。基于此，综述了AM-CAES的相关研究，阐述了AM-CAES的基本原理及其热力学模型推导现状，研究了AM-CAES在选址适宜性、工作效率、安全性及环境影响和经济可行性4个方面的理论研究进展，分析了中外AM-CAES示范项目的特点及其生态和经济效益，对比了中外AM-CAES相关政策，最后总结并探讨了AM-CAES在技术和经济方面尚面临的科学问题。结果表明：利用既有废弃矿硐开展压缩空气储能，一方面能够大幅降低工程投资，减少新土地资源的开发，具备较高的环境友好度；另一方面可平衡能源供需，提高电网稳定性，并促进可再生能源集成，从而降低高碳电力比重，应用前景广阔。目前，AM-CAES在储能效率、储能周期、系统规模上仍待进一步突破，投资规模和收益方式也仍需相关政策出台进行推动和完善。旨在为废弃地下空间资源的可持续利用和可再生能源的存储与转换工作提供一定的科学参考，以期助力中国生态修复和能源转型进程。

• 不同有机复合基材试验下排土场土壤改良效果与影响

  赵洪宝, 李岳, 陈超男, 杨帆,

  煤炭露天开采导致土地和生态环境被破坏，加剧人地矛盾，排土场复垦可提高土地利用率、促进土地利用良性发展。以河曲露天煤矿为研究对象，探究不同有机复合基材对露天煤矿排土场土壤改良效果与影响。根据不同比例的有机鸡粪肥、玉米秸秆和混排土设置了15组紫花苜蓿盆栽试验，通过发芽率、株高、叶长和土壤理化性质等指标的变化来反映土壤改良的效果。结果表明：不同有机复合基材方案的植株发芽率、株高表现出显著性差异，但不同方案间叶片数、叶片长并未显示出显著性差异。N10方案（70%混排土+20%有机肥+10%玉米秸秆）提升土壤肥力效果最佳，可显著促进紫花苜蓿生长，尤其对植株的发芽率、株高促进效果最好且能使pH长期保持在适宜范围内。有机肥比例大于或等于30%时会有抑制作用，使土壤酸化进而影响种子活性。通过统计学分析得知，有机质含量、碱解氮含量总体趋势随时间的推移呈先降后升的趋势，而有效磷含量的总体趋势则持续下降，N10方案有机质含量、碱解氮含量、速效钾含量最终分别提升了43.10%、71.52%、9.17%，有效增加了土壤营养物质，极大地提升了土壤肥力。伴随时间的推移，在施加的有机肥比例一定时，秸秆的增加显著增加了土壤中的有机质含量。现场试验发现N10方案对玉米叶片数量变化影响较小，但处理后玉米整体株高可达未处理前的1.34倍且种子成活率提高60%，SPAD值提高了40.62%，叶绿素含量相比于未处理的大幅增加。与施用单一有机肥相比，有机肥与秸秆的联合配施在长期保持土壤肥力、增加土壤有机质含量、减缓土壤碱化等方面更为有效。本研究提出了改善河曲露天煤矿排土场土壤质量的有效方案，并为黄河流域类似露天煤矿排土场的生态修复提供了理论和实践依据。

• 采煤沉陷区自然恢复驱动下农田土壤微生物固碳潜力演变特征

  郝春明, 王彦堂, 易四海, 刘硕,

  在全球碳中和目标的大背景下，土壤固碳作为陆地生态系统碳循环的关键环节，其研究备受关注。采煤沉陷区作为典型的人为干扰生态系统，土壤结构破坏、肥力下降及微生物群落失衡等问题突出。近年来，针对采煤沉陷区人工修复对土壤固碳潜力和菌群结构的影响已被广泛关注，但自然恢复过程中农田土壤微生物固碳潜力的演变特征尚不清楚。为此，以采煤沉陷区为研究对象，系统采集不同自然恢复时间的采煤塌陷区农田土壤样品，综合运用高通量测序技术、结构方程模型和分子生态网络分析等方法，分析固碳菌群结构动态变化规律及其与土壤固碳潜力的内在联系。研究结果表明，自然恢复可帮助采煤沉陷区农田土壤理化性质和酶活性的有效恢复，自然恢复过程中农田土壤的固碳潜力主要受变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria)控制。农田土壤受损程度随着自然恢复时间不断缓解，pH和有机质（SOM)含量的变化调控了过氧化氢酶(CAT)和β-葡糖苷酶(BG)活性，从而干预了Proteobacteria和Acidobacteria中的固碳基因丰度，进而影响了农田土壤固碳潜力。与未塌陷土壤相比，自然恢复初期，固碳菌群与环境因子的互作网络相对简单，生态系统稳定性较弱；而随着恢复进程推进，土壤受损程度不断缓解，网络中的节点数量显著增加，节点间的连接更加紧密，垂构连通度和聚类系数持续升高，表明生态系统的复杂性和稳定性逐步增强。研究首次系统揭示了采煤沉陷区自然恢复过程中农田土壤固碳潜力的演变特征及调控机制，为全面评估自然恢复的生态效益提供了新视角。研究结果不仅丰富了采煤沉陷区生态修复领域的理论基础，也为我国碳中和目标的实现提供了科学依据，对指导采煤沉陷区土地资源可持续利用和生态环境修复提供了参考。

• 煤粉掺氨燃烧颗粒物生成特性

  梁兴, 曲思建, 底一, 崔名双, 王圣烨, 牛芳,

  煤粉掺氨燃烧作为一种新型的低碳燃烧策略，逐渐受到广泛关注，但掺氨改变了煤粉的燃烧过程，燃煤颗粒物的生成特性也发生变化。论文基于平焰燃烧器，开展掺氨比和燃烧温度对颗粒物生成特性影响的试验研究，通过ELPI(Electrical Low Pressure Impactor)分级采集了燃烧器上方230 mm处的颗粒物，采用SEM-EDS(Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive Spectrometer)等检测手段分析了颗粒物的质量粒径分布、微观形貌及元素分布，发现PM10呈双模态分布，不同模态的颗粒物因为生成机理的不同呈现显著差别，细模态颗粒物粒径范围为0.03～0.3 μm，颗粒质量浓度在0.01～0.2 mg/m3，粗模态颗粒物的粒径范围为0.3～10 μm，颗粒质量浓度在0.2～18 mg/m3；细模态颗粒物主要由烟气中无机物冷凝形成的絮状物组成，而粗模态颗粒物主要由氨煤掺烧后煤颗粒发生焦炭破碎形成，其形状为球形及类球型颗粒物；细模态颗粒物中富含Ca和Na，且Ca含量大于Na，而粗模态颗粒物主要由Si和Al组成，且Si含量大于Al；降低燃烧温度和增加掺氨比均使颗粒物浓度降低，原因是当燃烧温度降低，煤粉颗粒在燃烧过程中的升温速率放缓，挥发分释放速率变慢，煤粉颗粒不完全燃烧，煤颗粒的热应力和内部压力降低，而随着掺氨比增加，氨燃烧产生的水蒸气与高温焦炭颗粒发生水煤气反应，使得焦炭颗粒表面温度的变化速率降低，二者均降低了焦炭破碎的概率，最终使PM10的生成量降低。