煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第8期

• 特厚煤层坚硬顶板多场耦合致灾机理及协同控制技术

  于斌, 王希廷, 邰阳, 卢国志, 夏彬伟, 匡铁军, 霍丙杰,

  针对特厚煤层综放开采过程中坚硬顶板大跨度破断诱发的强矿压、瓦斯等多重灾害耦合难题，通过理论分析、试验研究与工程实践相结合，系统揭示了坚硬顶板多场耦合致灾机理，提出了远近场协同控制技术及特厚煤层坚硬顶板−瓦斯协同控制技术。基于不同应力路径力学试验，阐明了阶梯循环动载下煤岩强度弱化与裂隙动态扩展规律，揭示了坚硬顶板覆岩采动裂隙“三带”递进演化特征及其分形维数“S”形增长模式。通过构建“应力−损伤−渗流”多场耦合模型，探明了采动裂隙网络内瓦斯运移与孔隙率动态响应的非线性关联，提出了煤体变形与瓦斯渗流耦合控制方程。创新性研发链臂锯切顶定向弱化技术与地面水力压裂远场预裂技术，形成了特厚煤层坚硬顶板−瓦斯协同控制技术，破解了传统单一灾害治理效率低的技术瓶颈。通过塔山煤矿现场实践表明：地面压裂后支架最大工作阻力降低16.9%，周期来压步距缩短15%；通过“一井双控”技术实现顶板弱化与瓦斯抽采协同调控，工作面推进至超过钻孔50～100 m后，地面钻孔抽采效果逐渐减弱。地面垂直立孔配合地面水平压裂井抽采瓦斯，可有效解决8204工作面瓦斯问题，将工作面回风流瓦斯浓度控制在安全范围以内。

• 半煤岩巷掘锚一体化高效掘进创新与实践

  王虹, 陈明军, 马凯, 荔军, 张小峰,

  半煤岩巷道的高效快速掘进是陕蒙矿区千万吨矿井亟需攻克的重大工程难题，需要对截割效率低、掘锚作业不平行、装备可靠性低、除尘效果差等系列问题进行技术攻关。立足于“煤海蛟龙”快速掘进装备的工程应用基础，根据煤岩截割数据，获得半煤岩截割载荷，将截割功率由340 kW提高至560 kW，并对关键结构件进行了强化、优化设计，研发成功整机高度低至2.0 m的半煤岩掘锚一体机。针对煤岩性质变化剧烈的特点，研发了以自适应截割、规划截割、煤岩识别为核心的智能截割系统。自适应截割系统将截割过载率降低15%，且完全消除了1.5倍额定电流以上的冲击载荷；获得以掏槽方式进行岩石截割是掘锚一体机进行半煤岩截割的最佳工艺。优化的“三幕”控尘技术将半煤岩巷道的除尘效率提高至95%；通过调整自适应截割参数，将振动能量降低17%，奠定了半煤岩掘锚同步作业的基础。提出了基于装载运量感知的装运调速系统，实现了根据铲板堆量自动调整装运速度的功能，不仅满足高效运输需求，而且提高了半煤岩巷道装运系统的使用寿命。研制了基于多源信息的设备智能管理系统，结合相关的专业知识库，通过数据高维融合，实现了对设备故障预警、分析、预测以及运行状态回放，有力保障了设备的高效健康运行。在朱家峁煤矿，进行了工业性试验，经历了岩石硬度为73.2 MPa的考验，验证了各智能系统的可靠性，创造了月进尺853 m的半煤岩掘进纪录，证实了半煤岩掘锚一体机的高效性。

• 硬厚难垮顶板工作面矿压显现特征及顶板灾害防治技术

  徐刚, 张震, 李正杰, 冯彦军, 张春会, 薛吉胜, 刘前进, 蔺星宇, 马镕山,

  硬厚难垮顶板工作面开采期间矿压显现异常强烈，该类型顶板灾害的防控一直是困扰我国工作面安全高效生产的难题。基于顶板灾害案例分析，梳理了我国硬厚难垮顶板类型及致灾特点，开展了硬厚难垮顶板工作面强动载矿压发生机理及影响因素研究，从预先设计、采前弱化和采中监测预警3个阶段提出了针对性的防控手段，并进行了实践应用。研究表明：硬厚难垮顶板具有强度高、厚度大、整体性强的特点，可分为抗压强度高的厚顶板、整体性较好的厚顶板及基本顶直覆顶板3类；硬厚难垮顶板大面积瞬时垮落多伴随工作面强来压、飓风等现象，易造成设备损坏、瓦斯超限或爆炸，危及人身安全；硬厚难垮顶板存在2种诱发工作面强矿压的顶板破断形式，一是顶板长悬顶状态下弯曲下沉，发生架后断裂，二是长悬顶顶板在煤壁前方超前断裂产生快速回转；硬厚难垮顶板采场矿压符合Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ分区支承模型运动形式，顶板厚度大、抗拉强度高、周期垮落步距长，断裂时更易引起煤壁处下沉量增大，支架显著增阻，此即为硬厚难垮顶板工作面矿压显现强烈的原因。基于以上分析，提出顶板弱化与矿压监测相结合的顶板灾害防治方法，在预先探明覆岩赋存特征、合理支架选型条件下，采用微震监测确定压裂目标层，基于矿压监测评价工作面支护−卸压效果，该方法在曹家滩煤矿10 m超大采高工作面得以成功应用，开采期间工作面初次来压步距由100 m以上减小至49.35 m，4次方以上微震大能量事件占比仅1.2%，取得了较好的防控效果。

• 急倾斜短壁综放智能开采关键技术与示范

  李浩荡, 刘清, 谷彬, 姚钰鹏, 孙延义, 田欣, 熊武, 刘昆轮, 鲍新平, 吴军飞, 闫瑞兵,

  “十四五”以来，中国煤矿数智技术快速发展，特别是在薄煤层开采中取得较大突破。但急倾斜短壁综放无人化智能开采技术仍处于探索阶段，尚无成熟应用示范。为加快推进数智技术赋能煤炭产业升级，基于新疆乌东煤矿急倾斜短壁综放开采特点和优势，提出了急倾斜短壁综放智能开采的5项关键核心技术和1个管控模式。5项关键核心技术包括：基于工作面煤层赋存条件、开采特点难点的单滚筒采煤机“厘米+毫秒”级精准规划时空导航系统；解决短壁工作面采放协同机制复杂、参数调控难度大的基于行为数据驱动的自主放煤模型和基于图像煤矸自识别的闭环控制系统；解决井下环境复杂、设备状态数据割裂等问题的全工作面物理场景实时映射仿真的数字孪生系统；解决远程干预反馈信息不足、生产指导力差的国内首套用于急倾斜短壁工作面的全工作面视频拼接软件，实现了提供地面干预物理场景并与数字孪生全息交互；聚焦急倾斜煤层开采设备繁杂、设备协同难度大和井下多设备间控制逻辑分散、远程干预频次高等问题的工作面机架协同控制系统和地面操作岛远程集控系统，实现多设备集中控制。1个管控模式包括1个决策控制平台、1个智能化设备群、1支专业化运维队伍，实现平台化扁平化管控新模式。依托5项关键核心技术和1个管控模式，建成了新疆乌东煤矿急倾斜短壁综放智能常态化运行的示范工作面，为我国煤矿普适性数智无人开采提供了技术范式和实践样板。

• 神东矿区亿吨矿井群智能绿色开采研究与实践

  张传玖, 罗文, 孟永兵, 汪腾蛟, 白正平, 冯晓斌, 曹军, 任永强, 李鹏, 王巍,

  为达成亿吨矿井集群的安全、智能高效及绿色开采的目标，神东公司依靠技术和管理创新，发展新型集约化生产模式，形成了世界第一大亿吨矿井群，为煤炭行业树立了煤炭工业现代化发展的先进典范。系统介绍了神东公司近10 a以来针对亿吨矿井群开发的科技创新成果：在亿吨矿井群安全生产技术方面，研制了超大采高综采面顶板控制技术，采用定向钻孔水压致裂技术软化顶板坚硬岩层，研发并推广了无煤柱开采技术，实现了近距离煤层群及复合区煤层的安全开采，开发了矿压预警平台，实现了富水顶板下的安全开采；在亿吨矿井群智能高效开采技术方面，神东公司研发了8.8 m超大采高综采工作面成套装备及技术，研制了双巷快速掘进技术工艺系统，创新了全断面盾构法施工斜井装备及技术，研发了短壁机械化开采技术和薄煤层等高式采煤技术，创新了智能化运输系统，形成了以跟机自动化、远程干预、智能割煤(记忆割煤–预测割煤–自主割煤)、线缆智能联动为核心特征的智能化开采技术，建成了上湾千万吨级智能化选煤厂示范点，形成了神东矿区全面建成智能化选煤厂规划框架，制定了“矿井设备数据接口与协议”数据通信标准，首次提出并实现了“一网一站”系统建设构想，率先引入了矿用鸿蒙操作系统，并构建了亿吨级智能生产管控平台；在亿吨矿井群绿色开采技术方面，构建了生态环境保护与修复技术体系，研发了微生物生态修复技术及多维度废物再利用技术，建成了多个国家级生态修复示范基地，实现了亿吨矿井群资源与环境的协调开发；在亿吨矿井群全面管理技术方面，建立了集质量(工作质量、服务质量、管理质量)、安全、健康、环保等为一体的标准化、精益化和专业化的综合性管理体系，形成了先进的煤炭行业全面管理技术，对亿吨矿井群的生产经营起到了重要作用。研究成果为煤炭工业实现自主创新提供了借鉴，为我国大型煤炭基地的规划、建设与发展起到了积极示范和引领作用。

• 多气体组分环境下原位保压煤样瓦斯压力衰减特性及演化规律

  高明忠, 季冰, 李永程, 宋杰, 谢晶, 郝海春, 王智鹏,

  深部煤层原位瓦斯压力的精确测定对煤矿安全生产至关重要。然而传统取心测压技术，较少考虑煤层内气体成分的复杂性，忽略了取心过程中煤样自由体积的扩张对原位瓦斯压力的影响，从而降低原位瓦斯压力测定的准确性。基于深部煤层保压保瓦斯取心技术理念，聚焦于取心后煤样自由体积扩张导致的瓦斯压力重平衡过程，自主研发原位保压煤样多气体组分解吸系统，系统开展了多气体组分环境下的保压煤样解吸试验，揭示了不同气体组分对原位瓦斯压力动态演化的影响机制。结果表明：① 保压取心整个过程中瓦斯压力变化可分为初始吸附平衡阶段、变体积阶段和解吸平衡阶段，而变体积阶段是瓦斯压力变化的主要阶段，压力衰减速率随体积扩张逐渐减小；② 瓦斯压力变化受取心体积扩张程度、初始吸附量及气体竞争吸附的共同影响，自由体积扩张将导致气体分子间平均自由程增加，进而减弱了分子间的碰撞频率与强度，促使瓦斯压力下降；③ 强吸附性气体（如CO2）的存在对保压煤样的瓦斯压力衰减具有缓冲作用，而弱吸附性气体（如N2）则加速瓦斯压力下降；④ 保压煤样取心过程中，CO2的竞争吸附特性显著调控瓦斯压力的变化，CH4主导初期瓦斯压力变化，N2在低压阶段解吸量增加。研究结果可为深部煤层保压取心瓦斯压力准确获取提供一种新方法，为煤矿瓦斯抽采达标评判和防突措施效果检验提供技术支撑。

• 厚煤层巷旁充填沿空留巷切顶卸压机制与防控技术

  赵善坤, 申付新, 贺光会, 李浩男, 蒋军军, 高海南, 赵志军, 周志斌, 田宇飞,

  针对厚煤层充填沿空留巷围岩大变形与稳定性控制难度大等问题，以某矿N3-13工作面为工程背景，综合运用理论分析、数值模拟以及现场试验的方法，揭示了厚煤层充填沿空留巷围岩变形特征及其控制难题，阐明了厚煤层“切顶+充填”沿空留巷的围岩结构演化与卸压机制，提出了合理切顶高度计算公式，并系统评估了不同切顶高度的应用效果。结果表明：厚煤层充填沿空留巷的关键技术难题在于采空区侧顶板外伸悬臂梁结构在覆岩动态载荷下的回转下沉，直接引发支护失效与围岩大变形；而“切顶+充填”协同控制机制通过定向预裂切顶主动切断外伸悬臂结构，实现采空区侧应力高效转移卸压；同时，巷旁充填体对切顶短壁梁结构提供持续性支撑，有效抑制围岩变形；二者协同促使围岩应力状态由临界转变为稳定。合理切顶高度作为控制巷道围岩稳定性的关键参数，其增加驱动实体煤帮应力峰值由“单峰”向“双峰”分布转变，显著降低围岩受力水平，并将应力集中区向煤岩体深部迁移达222.38%。经现场试验验证，预裂切顶高度增加可显著降低巷旁充填体荷载及围岩变形量，覆岩运动影响周期同步缩短。“切顶+充填”协同作用机制及合理切顶高度确定方法，为厚煤层沿空留巷围岩稳定性控制提供了技术途径。

• 深部煤层群井上下联合逐级递进防突方法与关键技术

  张永将, 徐军见, 李思乾,

  现代化高产高效矿井仍面临抽掘采接替紧张的局面，对防突技术治理的区域范围、超前时间提出更高要求，为突破现有瓦斯治理技术体系在近/远距离煤层群协同抽采、井上下逐级防突方面的瓶颈，系统阐述了井上下联合“时空抽采、逐级递进”防突原理，构建了“地面超前预抽降突–井下强化抽采消突–多煤层协同治理”的立体防控方法，融合地面井时空超前优势与井下作业精准控制能力，形成矿井级区域预控、采区级协同治理、工作面级精准消突的3级递进防控体系，针对近、远距离煤层群不同特征，分别提出“地面井广覆盖、井下高效抽”和“井下强化卸压、地面井多源抽”防突模式。综合运用数值模拟、理论分析和现场试验方法，系统构建了以主井与分支井夹角、分支井数量等为关键要素的多分支水平井参数优化技术，形成了融合水平井钻头空间磁场感应模型与高精度传感器数据的地面多分支井与井下定向钻孔对精准对接技术，分析了应力场–裂隙场–瓦斯渗流场3场耦合演化规律，揭示了深部煤层瓦斯富集靶区分布特征，结合地质条件与抽采时空衔接需求，提出了“单井区域最大化”与“全区密集型”多源井群协同布置模式。近距离煤层群高效抽采技术在沙曲一号煤矿应用，实现SQN–0501三口多分支水平井抽采1 a总产气量7 273 175.4 m3，日均产气量约2万m3；远距离煤层群卸压抽采关键技术在朱集西煤矿的应用表明，地面井累计抽采13–1煤层卸压瓦斯728.3万m3，抽采率高达81.4%，瓦斯含量显著降低。近、远距离煤层群井上下联合防突技术体系的成功应用验证了该技术体系在提升瓦斯抽采效率、降低突出风险方面的有效性，为深部煤层群安全开采提供了重要技术支撑。

• 基于沉陷控制导向的离层注浆量与注采比确定方法及应用

  韩磊, 尹大伟, 薛守振, 盛守前, 刘喆, 李建功, 许起, 秦宇鹏,

  离层注浆充填是“三下”压煤开采中常用方法之一，注浆量和注采比是保证离层注浆充填效果的关键参数。为了合理确定注浆量和注采比，提出了一种基于地表沉陷控制导向的离层注浆最小注浆量与注采比的计算方法，该方法建立了注浆量、注采比与地表移动变形参数的关系：首先，通过地表建（构）筑物保护等级确定最大临界变形值；其次，计算确定煤层最大允许采高和剩余采高；然后，建立离层空间体积预测模型，计算采动空间传递系数，再结合最大允许采高、剩余采高等计算确定离层空间注浆充填浆液压实体最小体积；最后，推导出最小注浆量与注采比计算式。将最小注浆量与注采比确定方法应用至霍尔辛赫煤业3801工作面加油站下压煤离层注浆充填开采，理论计算确定最小注浆量为168.07万m3、注采比为0.53。考虑临近3802、3803工作面开采影响，开展了3801工作面离层注浆充填注采比0.53条件下地表沉陷数值模拟，结果表明：工作面开采过程中，加油站区域最大倾斜变形为2.03 mm/m、最大曲率变形为0.075×10−3 m−1，工作面开采后，加油站区域下沉为844.02 mm、倾斜变形为2.13 mm/m、曲率变形为0.034×10−3 m−1。3801工作面离层注浆充填开采工程实践过程中，实际注浆量为217.69万m3、注采比为0.68，大于理论计算值和极限注采比，这可能是由于与临近工作面之间隔离煤柱宽度较窄，部分浆液运移至3802工作面覆岩剩余离层空间。基于3801工作面地表岩移观测数据（3802、3803工作面未监测），工作面开采过程中加油站区域最大水平变形为1.43 mm/m，南北和东西方向最大倾斜变形分别为1.157、1.341 mm/m，加油站一直处于营业状态；工作面开采结束167 d后，加油站区域下沉为262.7 mm，南北和东西方向水平变形分别为0.55、0.58 mm/m，南北和东西方向倾斜变形分别为0.898、0.997 mm/m，加油站安全稳定，综合数值模拟与工程实践验证了该方法的准确性，为实施离层注浆充填控制地表沉陷提供了理论支撑。

• 巷道形变轻量化点云扫描装备研制与应用分析

  陈登红, 庞宁, 邱宇, 马言, 封居强, 何阳, 聂闻,

  针对地下工程三维形变监测领域的双重技术瓶颈，围绕轻量化扫描装备高效采集，低重叠点云配准算法优化展开研究。设计一种集成式矿用头盔智能扫描装备，采用多传感器融合技术，实现井下环境的精准定位与快速建模；采用一种分块导向的低重叠点云配准算法，经匹配金字塔网络(Matching Pyramid Network，MPN)提升点对精度，并融合一致性判断模块，维持各层点对关联稳定性，获取高质量的点对集合。以山西省恒昇煤业9303孤岛工作面回风巷为应用场景，开展多维空间的数据采集、配准与形变监测研究。结果表明：160 m复杂巷道环境实践中，装备完成全域数据采集共耗时10.8 min，最大高度和宽度测量误差分别为6、5 mm，数据模型与平面场景的重叠率介于98.1%～99.6%，展现出较强的工况适应性与实时建图性能，可较高精度复现巷道表面形貌特征。含噪声对齐任务中，配准网络有效滤除了非重叠区域的伪匹配点对，均方根误差和运行时长仅分别增加8.09%和0.26 s，可高效处理因点云残缺与动态形变导致的位姿估计漂移问题，在非结构化巷道场景中实现鲁棒匹配。监测技术可快速构建巷道全空间形变量场，且精准识别断面局部位移，全域测量最大标准差和平均相对差分别为1.43、0.42 mm，能够为矿山数字化转型升级与智能化精准开采提供有效的监测数据支撑。

• 深埋弱胶结顶板离层型水砂突涌启动机制试验研究

  杜明泽,

  西北深埋侏罗纪煤系地层具有成岩时间晚，泥岩遇水泥化、膨胀，砂岩胶结强度低、遇水可崩解的特点，在弱富水条件下发生多起离层型水砂突涌灾害。针对泥砂岩互层结构顶板离层型水砂突涌启动机制不清、灾害难以预测的问题，采用水砂突涌启动试验装置，通过注气补压的方式，实现了水压的动态调控；设计了25组静、动水压正交试验，获得了水头高度、裂隙宽度、裂隙角度、黏土层厚度和颗粒级配等主控因素对水砂突涌的影响规律，分析了水砂突涌启动的阶段性特征；采用响应面法，建立了水砂突涌隶属数值与各主控因素之间的二次多项式回归方程，分析了各主控因素及两两交互因素对水砂突涌启动的影响大小；对比分析了静、动水压作用下水砂突涌启动灾变现象，阐述了静、动水压作用下水砂启动的差异。结果表明：采用注气补压的方式实现了离层汇水聚压过程的模拟，为模拟研究离层汇水聚压提供了新的思路；水砂突涌启动具有明显的阶段特征，可划分为初始渗水阶段、加速渗流阶段、管涌阶段和水砂突涌4个阶段；各主控因素对水砂突涌隶属数值的影响程度分别为黏土层厚度>水头高度>裂隙宽度>裂隙角度>颗粒级配；动水压作用下加速了水砂突涌灾害的发生，其排序为持续注气补压>间歇注气补压>静水压力。研究结果可为西部深埋侏罗纪煤田顶板离层型水砂突涌灾害防治提供理论基础。

• 深井沿空巷道立体式卸压防控技术及应用

  杨尚, 宁建国, 李学慧, 李长青, 王俊, 史新帅, 张朝辉,

  针对深井沿空巷道围岩变形量大、维护困难等难题。以某矿7312轨道巷道为研究背景，采用现场调研、理论分析、数值模拟、工程实践等研究手段，分析了深井沿空巷道围岩变形破坏特征及其原因，基于莫尔应力圆分析模型，剖析了沿空巷道服役期间围岩应力分布及演化过程，明确了深井沿空巷道围岩变形破坏的主要影响因素，阐述了深井沿空巷道立体式卸压防控原理，验证了深井沿空巷道立体式卸压防控原理的有效性，提出了以“应力主动干预”为核心思想的深井沿空巷道立体式卸压防控技术。研究表明：① 沿空巷道服役期间围岩变形破坏的主要因素包括高静载、采动应力、岩块B回转、巷道支护强度、围岩力学性质、围岩卸压效果等。② 沿空巷道立体式卸压防控体系最佳实施时机应在沿空巷道支护后或未受采动影响阶段，实施对象为岩块B、实体煤上方坚硬顶板、实体煤应力集中区。③ 现场工程实践表明深井沿空巷道立体式卸压防控技术体系能够降低岩块B与沿空巷道之间的应力传导，阻隔和弱化采动应力影响，转移巷道围岩集中应力，改善沿空巷道应力环境。

• 基于AHP−熵权组合赋权的开拓巷道过陷落柱围岩支护参数优化

  贾策, 范超军, 李胜, 刘小帅, 王学增, 罗明坤, 杨振华,

  陷落柱破碎区易诱发安全事故，合理设计陷落柱区域巷道围岩支护参数对巷道安全、高效掘进尤为重要。采用理论分析、数值模拟及工程试验等研究方法，对开拓巷道过陷落柱围岩支护参数优化进行了研究。综合考虑技术和经济指标，构建了开拓巷道过陷落柱围岩支护效果评价体系。提出层次分析法（AHP）−熵权法组合赋权的综合评价方法，确定最优支护参数。基于Node-Red进行界面开发，以FLAC3D作为平台底层服务，研发了漳村煤矿巷道支护参数的智能设计系统。结果表明：确定了支护技术评价指标为顶板下沉率、两帮变形率、底板底鼓率和锚杆变形率。支护经济指标为支护成本和掘进速度。系统研发了登录功能、巷道稳定状况分析功能、支护参数初始设计、支护方案结果展示和巷道支护效果评价五大功能，实现了漳村煤矿巷道支护智能设计及评价。最优支护方案Ⅱ参数为锚杆间排距为900 mm，顶板锚索布置3根，工钢棚间距为900 mm。经现场应用，在矿压监测0～60 d内，顶板表面位移最大值为218 mm，两帮表面位移最大值为105 mm。顶板离层深部最大值为5 mm，浅部基点为5 mm。顶板锚杆受力范围在196～206 kN。30 d左右围岩变形趋于稳定，围岩得到了有效控制。验证了漳村煤矿巷道支护智能设计系统的有效性，研究成果为过陷落柱巷道支护参数优化提供新方法。

• 深部下分层膏体充填工作面支架阻力分布与支架−围岩关系

  李增强, 郑晓晨, 周均忠, 高维强, 刘文东, 李强, 张鹏飞, 王兆会, 吴传平,

  充填开采是冲击地压矿井实现降载减冲的有效手段，充填工作面支架−围岩关系同常规工作面存在明显差异，导致支护参数选择缺少理论指导。为优化充填工作面支架选型，提高围岩控制效果，降低装备配置成本，以古城煤矿1123工作面为工程背景，研究冲击地压矿井充填开采条件下顶板载荷分布特征，分析支架−围岩耦合作用关系。结果表明：充填阶段和采动阶段的支架载荷时序曲线形态存在明显区别，前者曲线平滑且斜率小，后者瞬变现象频发且斜率大；充填体支撑作用下支架载荷不存在明显的周期变化现象，表明坚硬顶板运动模式由周期断裂型转变为连续沉降型；采动效应、厚顶煤、悬顶距、充实率等因素影响下，支架载荷时序曲线存在增阻型、恒阻型和降阻型，但以快速降阻型为主，表明1123工作面支架初撑力24 MPa偏大，导致厚顶煤二次破碎和支架立柱卸压现象；将采空区划分为非充分压实区和充分压实区，构建了充填体支撑作用下坚硬顶板连续沉降模型，得到了充实率对沉降曲线形态的影响；考虑厚顶煤破坏损伤程度，提出了充填工作面支架阻力确定方法，解释了支架载荷时序曲线中的快速降阻现象发生的原因，给出了支架刚度和初撑力优化原则，改善了支架−围岩耦合关系，提升了厚顶煤和坚硬顶板控制效果。

• 基于InSAR监测的鹤岗矿区地壳形变特征与冲击地压相关性研究

  付兴, 宋健康, 张拓, 张宏伟, 刘天昊, 陈世威, 金波, 李玉,

  冲击地压是地质动力环境与开采工程扰动耦合作用的结果，矿区地壳形变特征是地质动力环境的重要影响因素之一，能够直观反映井下工作面开采上覆煤岩体结构受力变形−失稳的动态演化特征。而开采工程扰动又使得煤岩体的应力升高，能量积聚，达到煤岩临界条件时，则易诱发能量的瞬时释放，造成冲击地压的灾害发生。因此，矿区区域地壳形变特征与冲击地压之间有密切的联系。为了深入分析矿区地壳形变特征与冲击地压微震能量事件的关联，以鹤岗矿区的InSAR监测数据为基础，研究了富力煤矿、兴安煤矿和峻德煤矿地表形变的时空演化特征，并以峻德煤矿17层三四区二段工作面为例，选取了该区域的10个点位的InSAR监测结果，将其平均地壳形变量特征与冲击地压微震总能量进行综合分析，定量确定了大能量微震事件发生与区域地壳形变的“时−空−强”特征。研究表明：峻德煤矿井田地壳垂直形变量与17层微震事件总能量变化趋势是一致性达到69%，在时间频度上有较高的一致性。选取典型时段（2020−12−02—2021−12−28）24次大能量微震事件发生的能量大小与震中距与10个监测点位的平均形变量进行皮尔森相关性分析，得出微震能量大小与平均形变量呈正相关，相关系数为0.56，震中距与平均形变量呈负相关，相关系数为−0.75，反映了地壳形变特征与冲击地压的空间和强度关系，说明了InSAR监测在时间、空间、形变量与微震监测的微震事件有较高的匹配度。

• 窄条带充填料浆流动扩展解析几何模型及接顶优化

  朱梦博, 罗屹骁, 刘浪, 巫侯琴, 何军, 屈慧升, 蔚保宁, 何伟,

  充填体的接顶率对充填体整体质量及采空区稳定性有重要影响。充填体接顶率欠佳，在采空区顶部形成的欠接顶区域会带来许多安全隐患，如易引发顶板冒顶、片帮，地表沉降，有害气体集聚等问题。为探究欠接顶区域的成因及影响因素，优化充填接顶工艺，基于多点分层充填工艺下充填料浆的扩展规律进行解析几何分析，并对窄条带多点分层充填工艺进行分析。量化表征了充填料浆触顶前及充填料浆触顶后的流动扩展规律，同时根据成因将充填料浆触顶后的封闭区划分为“Ⅰ型封闭区”和“Ⅱ型封闭区”，建立了欠接顶区的判别式。在窄条带充填料浆扩展解析几何模型研究基础上，建立了窄条带多点分层充填分析模型并开展近水平窄条带充填模拟试验，得到不同工艺下的封闭区长度；合理的下料点间距及接顶充填高度对提高充填接顶率具有重要影响。针对充填封闭区，提出了全域排气/排水方法，该管道单向透水/透气不透浆。搭建了特厚煤层窄条带充填物理相似试验台，开展充填多点分层充填试验和全域排水/排气试验。同时，采用地质雷达探测某充填矿井窄条带欠接顶区的分布规律，开展全域排水/排气优化接顶现场试验。物理模拟试验、现场试验欠接顶区分布规律与窄条带多点分层充填分析模型结果一致，全域排水/排气方法可以有效提高窄条带充填接顶效果。

• 穿层大直径钻孔预抽煤巷条带瓦斯机理与应用

  贺峻, 刘红威, 刘小平, 罗平, 郑旭, 王飞, 周苛,

  为了解决低渗高突煤层煤巷条带区域消突困难的难题，开展穿层大直径钻孔预抽煤巷条带瓦斯机理与应用研究。以寺家庄煤矿为工程实例，采用离散元和有限元模拟分析软件，数值分析普通钻孔和穿层大直径钻孔周围裂隙发育和瓦斯运移规律；通过现场试验，分析穿层大直径钻孔预抽煤巷条带瓦斯效果。研究结果表明，当穿层钻孔直径为60～400 mm时，随着钻孔孔径的增大，突出煤层裂隙数呈指数增长；钻孔孔径小于210 mm时，裂隙数增长较快；钻孔孔径在210 ～400 mm时，裂隙数增长趋于平缓。当穿层钻孔倾角（与水平方向夹角）为30°～90°时，随着倾角的增大，突出煤层裂隙数呈指数增长，倾角为90°时裂隙数达到最大值。在普通钻孔抽采条件下，抽采70 d时回风巷两侧仍存在大量瓦斯含量大于8 m3/t的条带区域，无法完全消突；抽采120 d时，回风巷两侧可基本实现消突。在预抽煤巷处每组增加2个普通钻孔抽采条件下，消突时间缩短至100 d。增加穿层大直径钻孔后，消突时间缩短至70 d。经实践验证，穿层大直径钻孔的瓦斯体积分数和瓦斯纯量在抽采的前2个月内均远高于普通钻孔。穿层大直径钻孔提高了钻孔瓦斯抽采率，优化了突出煤层的消突效果，保证了煤巷的安全掘进。

• 基于椭抛带理论的高强度开采覆岩卸压瓦斯富集区特征

  双海清, 张佳涛, 李树刚, 林海飞, 周斌, 徐培耘, 赵鹏翔, 张培震,

  随着煤炭资源开采向深部和高强度方向发展，开采过程中引发的瓦斯问题和安全隐患愈发突出。为掌握高强度开采扰动下覆岩裂隙演化规律及明确卸压瓦斯富集区特征，基于黄陵矿区高强度开采工作面，开展了高强度开采覆岩微震监测试验，并结合构建的椭抛带数学模型探究了高推速、大采高条件下覆岩裂隙发育特征，明确了瓦斯富集区范围，并针对性地进行了抽采验证。结果表明：高强度开采工作面回采形成的覆岩破坏具有“三大两高一长”的特征，即初次来压步距大、周期来压步距大、超前支承压力大、垮落带和裂隙带发育高度高、悬臂梁长度更长；基于椭抛带理论建立了以采高和推速为关键参数的数学模型，大采高、高推速导致裂隙发育及椭抛带形态改变，所形成的椭抛带具有“宽腰窄顶”的发育形态；微震事件前期主要聚集在低层位，由于能量积蓄，工作面见方时大能量微震事件明显增多且发生层位显著上升，集中于椭抛带压实区域及椭抛带上；结合微震监测和钻孔窥视，依据椭抛带数学模型设计高位定向钻孔进行瓦斯抽采，2个钻场的抽采瓦斯体积分数峰值高达72.8%、88%，钻场之间能够有效接续抽采且抽采效果较好，对微震监测的准确性予以了验证。工作面推进期间上隅角和回风巷瓦斯体积分数最大值分别为0.61%、0.34%，均保持在安全范围内，进而保证了工作面的安全生产，研究结果将进一步为高强度开采工作面瓦斯抽采设计提供一定的理论指导。

• 顶板高位定向钻孔瓦斯治理技术在乌达矿区应用

  周勇, 徐腾飞,

  随着矿井开采深度的延伸和开采强度的增大，瓦斯涌出问题日益凸显，成为制约煤矿安全高效生产的关键因素。顶板高位钻孔抽采煤岩裂隙带卸压瓦斯是解决矿井采空区瓦斯涌出问题的重要手段。定向钻孔具有抽采时间长、抽采效果好、抽采成本低等显著优势，采用顶板高位定向钻孔技术取代高位倾向钻孔进行瓦斯抽采，成为当前煤矿采空区瓦斯治理的主流趋势。为了解决乌达矿区高瓦斯矿井近距离煤层群瓦斯涌出治理难题，以乌达矿区黄白次煤矿9号煤层开采采空区瓦斯治理为研究背景，对顶板高位定向钻孔瓦斯治理技术进行了应用研究。采用理论分析、数值模拟和试验考察等手段，在分析覆岩采动裂隙分布和卸压瓦斯涌出运移规律基础上，重点对黄白茨煤矿020913工作面推进过程中1号—3号高位钻场不同层位钻孔瓦斯抽采与覆岩裂隙演化的耦合关系进行分析，从而确定了高位定向钻孔的合理布置层位。结果表明：2号高位钻场钻孔平均层位高度28.17 m时，钻孔能够保持较高的瓦斯抽采浓度（60%以上），与1号高位钻场钻孔平均层位高度29.22 m时瓦斯抽采效果基本一致；3号高位钻场钻孔平均层位高度23.25 m时，钻孔层位偏低，瓦斯抽采效果不佳，但是总体上优于1号高位钻场钻孔平均层位高度13.77 m时的瓦斯抽采效果。通过对比分析最终确定乌达矿区9号煤层回采工作面高位定向钻孔垂向层位布置在顶板25～30 m范围、倾向距离回风巷10～35 m范围时，钻孔处于裂隙圈发育范围内，顶板高位定向钻孔能够发挥最佳的抽采效果。本文研究成果为顶板定向长钻孔技术在乌达矿区的进一步推广应用奠定坚实基础。

• 液态CO2相变驱替煤层CH4钻孔压力脉动形成机制

  米万升, 文虎, 樊世星, 程小蛟, 李日军, 柳博聪, 金霏阳,

  煤层钻孔压注液态CO2是提高CH4抽采效果的有效措施，以井下实际压注过程为原型建立顺层钻孔压注液态CO2相变驱替煤层CH4物理模型，在分析钻孔压力组成，结合理想气体状态方程、热量计算公式、傅里叶导热定律等传热学基本理论的基础上，阐述了钻孔压力脉动形成的本质原因和影响因素，并给出了数学表达式；由此可知恒压注入时，钻孔压力变化取决于液态CO2相变压力，而液态CO2相变压力受压注过程有效导热系数和孔内实时温度共同调控，为此，基于径向热流法原理开展了等高不等直径煤样液态CO2压注过程有效导热系数随煤样表面温度变化规律测定试验，据此得出压注过程中钻孔内液态CO2相变压力的理论预期值，最终给出液态CO2相变驱替煤层CH4过程中钻孔压力脉动变化的数学表达。研究结果表明：试验过程中不同直径煤样压注孔承受的液态CO2最大注入压力为2.0 MPa；红外热成像与温度传感器测得的煤样表面温变规律趋势基本一致，而有效导热系数随煤样半径、煤样表面温度降低值随煤样半径均表现为开口向下的指数函数变化形式，由此得出有效导热系数与煤样表面温度降低值之间呈现单调递增的函数变化形式，最终结合液态CO2相变压力与有效导热系数的量化表征关系得到钻孔内液态CO2相变压力以及钻孔压力脉动变化实时值的数学表达式，揭示了液态CO2相变驱替煤层CH4过程中钻孔压力脉动变化的形成机制。

• 脉状裂隙导水型岩溶陷落柱高压注浆机理及应用

  钱自卫, 鹿存金, 巩起立, 吴现帅, 王炳柱,

  岩溶陷落柱在我国华北煤田广泛发育，已引发多起矿井严重突水事故，开展陷落柱导水特征及注浆机理研究，对于保证煤炭资源安全开采具有现实意义。本研究根据陷落柱导水通道特征、陷落柱柱体结构形式及探查钻孔出水特征，结合典型陷落柱探查及治理案例，在传统的松散间隙导水、微细孔裂隙渗透导水模式基础上，总结提出了陷落柱脉状裂隙导水的新模式，给出了此类陷落柱的水害致灾形式。研究发现此类陷落柱柱体一般较为密实，软硬碎石组合不均匀分布，碎岩部分间隙未被破碎泥化物、砂、矿物结晶所充填，残存不规则扁平裂隙状或近似圆孔集中导水通道；初步分析认为柱体的不均匀性致使空隙渗流及结晶的差异是此类陷落柱形成的主要原因。开展了脉状裂隙导水型陷落柱透明可视化注浆模型试验，直观观测了单孔高压注浆对多个导水通道的治理过程，并结合相关理论，提出了涉及孔道渗流注浆、劈裂注浆及裂隙挤密闭合等复合形式的脉状裂隙导水型陷落柱高压注浆机理，以实现单注浆孔对多条脉状裂隙导水通道的综合控制。研究成果在埋深超过600 m、奥灰水压7.67 MPa、平面面积达到5 200 m2的鹤煤九矿9–6导水陷落柱的注浆治理中应用。依据相关标准设计了注浆控制段跨度，通过巷道揭露及钻孔出水情况可表征陷落柱的脉状裂隙导水特征，设计采用井下对抄布孔、分层布孔、分段注浆等实现了对注浆区域的全覆盖，分析注浆压力响应曲线可指示浆液的渗流、劈裂、挤密等过程，通过串浆情况、物探及微震监测、注水试验分析综合评判了陷落柱的治理效果，目前受陷落柱影响工作面已安全回采。研究成果为脉状裂隙导水型陷落柱的治理提供了理论及技术支撑。

• 高水灰比下超细加工对硫铝酸盐水泥注浆材料微结构与力学性能影响

  王艳芬, 艾洁, 程详, 赵光明, 李英明, 孟祥瑞,

  为解决矿用水泥注浆材料渗透性差、早期强度低等难题，有效控制深部巷道围岩变形，以硫酸盐水泥熟料、工业副产品脱硫石膏、生石灰作原料，利用煅烧处理协同超细加工工艺研发一种早强超细水泥注浆材料。基于多种表征手段，探究不同水灰比（0.8、1.0、1.2）下原料颗粒粒径对硫铝酸盐水泥注浆材料(SCGM)的浆液特性、力学性能和微观结构的影响规律。研究结果表明：随水灰比、粒径减小，SCGM的凝结时间缩短，泌水率降低，抗压强度逐渐提高；在0.8水灰比下原料粒径为1.5 µm时，SCGM2的8 h和7 d抗压强度分别为4.5、14.6 MPa，比对照组SCGM0提升80.0%、45.5%，初凝时间低至3 min，几乎无泌水现象，且实现微膨胀。TG-DTG、XRD及FTIR微观表征证实，SCGM的主要水化产物为AFt、Calcite和C-S-H凝胶，其中AFt含量随水灰比增大、粒径减小而提高；基于CEMDATA18数据库，建立硫铝酸盐水泥热力学模型，验证不同水灰比下SCGM水化产物的演变趋势，并证实随水灰比增大可促进AFt形成与生长；SEM分析表明，水灰比、粒径因素会影响SCGM水化产物的形貌、组分与结构密实度，在0.8水灰比下SCGM2中水化产物相互交接搭配，形成密实的三维网络结构，优化结石体结构，为早强超细水泥基注浆材料的研发提供新思路。

• 松软煤层空气螺杆泡沫钻进用泡沫冲洗液体系试验

  金新,

  松软煤层结构强度低，钻进时易发生孔壁垮塌，卡钻埋钻等问题，极大影响了开采效率。空气螺杆钻进工艺采用空气作为循环介质，对孔壁扰动小，与液体冲洗液相比，不存在液柱压力，孔壁不易坍塌，适用于松软煤层钻进。但是长期实践结果表明：空气螺杆钻进技术仍存在粉尘污染严重、钻头寿命短、钻孔净化困难等问题。为了解决空气螺杆钻进技术存在的问题，提出了采用泡沫冲洗液代替空气作为循环介质形成空气螺杆泡沫钻进工艺的新思路。采用Waring-Blender替换，根据松软煤层空气螺杆泡沫钻进对泡沫冲洗液体系性能指标及抗压性能要求，分别对发泡剂、稳泡剂、抗污染剂及抗压剂进行优选，并通过正交替换分析确定各处理剂的最优加量。在此基础上，对构建的泡沫冲洗液体系发泡量、半衰期、流变性能、抗污染性能、抗压性能以及携岩性能进行综合评价。结果表明：泡沫冲洗液体系的最优配方为：水+1.3%AMS +0.5%CMC+ 1%MP+0.3%HS植物胶，起泡体积达到5.3倍，泡沫半衰期为160 min，发泡量大且泡沫稳定；动塑比达到0.91，剪切稀释性及携岩性能好能力强，煤粉沉降速度较清水降低了96.9%。抗污染替换结果表明：该体系抗地下水污染及抗煤粉污染强，卤水添加量为30%时，其泡沫综合指数（FCI）仍能达到10 642.5；煤粉添加量为30%时，其FCI达到22 050 min·mL。研究成果为松软煤层瓦斯抽采孔采用空气螺杆泡沫钻进工艺提供了坚实的技术支撑。

• 基于采动覆岩裂缝劣化瞬态模型水砂起动运移机制研究

  张贵彬, 王荣强, 丁银磊, 张文泉, 吕柄翰,

  松散层下薄基岩采动裂缝通道劣化诱发突水溃砂灾害，严重威胁矿井安全生产。为探究采动覆岩裂缝通道时空演化特征及其内部水砂两相起动−运移机制，基于松散层下薄基岩采动数值模拟，构建4类采动裂缝劣化瞬态模型，通过采动裂缝不同瞬时形态(裂缝开度、裂缝形态)、砂粒粒径及水压条件下溃砂量、溃砂质量流量、砂粒结拱时间、矢跨比、拱脚线角和砂粒接触应力分布的时变特征分析，获取采动劣化缝内水砂运移流溃与砂粒结拱淤滞特征，进而揭示采动覆岩破断水砂两相运移−淤滞交替时空灾变机理。结果表明：在采动覆岩裂缝演化过程中水砂运移呈现砂粒结拱淤滞与粒拱失稳流溃交替特征，裂缝开度与砂粒粒径的相对关系是决定砂粒结拱亦或失稳流溃的关键。砂粒粒径、水压对砂粒结拱与粒拱失稳流溃均起到“双向促进”作用；即当裂缝内砂粒结拱淤滞时，砂粒粒径、水压增加会提高砂粒结拱几率与粒拱稳定性，进而降低致灾风险，砂粒粒径、水压分别与拱粒数目、结拱时间均呈负相关性，与粒拱稳定性呈正相关性；当裂缝劣化引发粒拱结构失稳流溃时，砂粒粒径、水压与溃砂质量流量均呈线性正相关，砂粒粒径、水压的增大会反向加剧致灾危害程度。

• 基于多源里程融合的井下无人驾驶自主导航SLAM方法

  崔邵云, 鲍久圣, 李芳威, 袁晓明, 阴妍, 王茂森, 张可琨, 葛世荣,

  自主导航是实现无人驾驶的关键技术基础，采用即时定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping, 简称SLAM）技术是目前的主流解决方案。然而，在煤矿井下光照不足、巷道狭窄、粉尘干扰等恶劣环境下，基于视觉或激光雷达单一传感器的传统SLAM技术容易失效，存在适应性不强与可靠性不足的问题。面向煤矿恶劣环境与复杂工况，提出了一种基于多源里程融合的井下无人驾驶自主导航SLAM方法，并通过试验进行了验证。首先，针对自主导航的核心问题——环境重构，开展了基于多源里程融合的环境重构方法研究：利用多传感器融合SLAM算法RTAB-Map（Real-Time Appearance-Based Mapping，基于外观的实时建图）实现环境重构，并为提高其在煤矿环境下的重构精度，通过卡尔曼滤波将激光里程计、视觉里程计、轮式里程计及IMU（Inertial Measurement Unit，惯性测量单元）进行紧耦合，以更高精度的耦合结果替代RTAB-Map原位姿估计信息；随后，针对当前单点导航重复繁琐、自主性降低的问题，提出了一种新的多点导航策略：基于现有的单点导航方法，通过构建可根据时间先后存储与发布位姿信息的中间节点来实现多点导航；最后，在实验室搭建无人驾驶试验平台及模拟井下巷道场景，开展无人驾驶自主导航试验，包括环境重构试验及多点自主导航试验，结果分别表明：融合多源里程的RTAB-Map算法可实现高精度的环境重构，模拟场景地图中所测量的多处标注尺寸的最大绝对误差绝对值仅为11.9 cm；多点自主导航方法实现了无人驾驶车辆至少3个目标点的依次连续导航，避免多次重复单点导航，有效提高自主导航运行效率，且轨迹拟合最大纵向误差仅为0.25 m，最大横向误差仅为0.19 m，具有良好的导航精度。

• 欠约束临时支护机器人几何静力耦合模型及运动控制研究

  刘鹏, 朱延, 马宏伟, 曹现刚, 张旭辉, 段学超, 周昊晨, 乔心州, 夏晶,

  护盾式智能掘进机器人系统有效的解决了煤矿开采中“采掘失衡、采快掘慢”难题。临时支护机器人作为该系统的重要组成部分，尽管在提升作业效率上发挥了重要作用，但由于结构限制，仅能实现竖直方向的升降运动，难以有效应对复杂巷道的临时支护作业。为解决临时支护机器人运动受限难题，设计了一种欠约束临时支护机器人，并提出了一种基于RBF神经网络分块逼近的终端滑模控制方法，以实现欠约束临时支护机器人的高精度运动控制。首先，利用修正的G–K公式对该机器人的自由度进行了分析，针对欠约束临时支护机器人正运动学难以求解问题，建立了几何静力耦合模型，提出了一种改进的蜣螂优化算法，对正/逆几何静力问题进行求解，并对几何静力问题进行了仿真；其次，设计了一种基于RBF神经网络分块逼近的终端滑模控制器。针对末端支护平台参数矩阵的不确定，使用多组RBF神经网络对其逼近，根据自适应律在线调整权值，实现了动力学模型的重构，并设计鲁棒项消除模型重构误差和外部扰动。为缓解控制器存在的抖振问题，设计了模糊系统自适应逼近切换增益来代替鲁棒项，并利用Lyapunov准则证明了控制系统的稳定性。最后，以平面圆轨迹为例进行仿真。结果表明：改进的蜣螂优化算法对正/逆运动学单点验证精度均小于10–20，连续运动学求解结果良好。使用RBF神经网络分块逼近的终端滑模控制方法对预定轨迹的位置跟踪误差为0 ～ 0.011 m，姿态跟踪误差为0 ～ 0.003 1°，与RBF神经网络整体逼近和PD控制相比最大跟踪误差分别减少了99.0%、95.5%，均方根误差分别减少了98.3%、96.5%。证明了基于RBF神经网络分块逼近的终端滑模控制方法能进一步提高欠约束临时支护机器人的运动控制精度，在受到外界干扰的情况下具有更强的鲁棒性。

• 矿用电铲斗杆动态疲劳可靠性仿真分析方法

  史志远, 沈刚, 陈翀, 温来玉,

  为了减少露天矿用电铲作业过程中随机载荷导致的斗杆断裂现象，提出一种矿用电铲斗杆动态可靠性仿真分析方法。基于矿用电铲实际尺寸参数构建其挖掘和提升部件三维模型，结合其机械系统和电气系统耦合作用，建立工作装置ADAMS-Matlab/Simulink机电仿真模型，获得不同工况下斗杆危险点应力曲线；通过雨流计数法统计应力数据，获取应力幅值、均值和峰值的分布特征，经应力修正得到多级载荷特征参数；采用Schaff非线性理论建立多级载荷作用下矿用电铲斗杆的剩余强度模型，结合全域应力−寿命曲线，得到矿用电铲斗杆的强度退化规律；基于应力−强度干涉理论建立矿用电铲斗杆弯曲疲劳失效极限状态函数，建立矿用电铲斗杆动态可靠性模型，采用主动学习Kriging和Monte Carlo模拟法结合的方法（AK-MCS）计算得到强度退化过程下斗杆的时变疲劳可靠度，提出斗杆的阶段性维护策略。仿真分析发现，不同工况下弯曲疲劳可靠度衰减速度变化趋势一致，均是先慢后快，但受剩余强度衰减速度影响，100%满斗率工况下斗杆弯曲疲劳可靠度衰减时间更早、衰减速度更快，斗杆发生疲劳失效时间提前。结果表明：矿用电铲斗杆动态疲劳可靠性仿真分析方法可以得到复杂工况下矿用电铲斗杆的危险点应力特征和时变疲劳可靠度，为矿用电铲斗杆的可靠性设计与维护提供依据。

• 复合激发剂作用下矿渣−钢渣胶凝体系的宏微观特性

  顾晓薇, 王营, 孙殿兴, 孙瑞珩, 刘剑平, 王青,

  普通硅酸盐水泥是尾砂胶结充填中使用最为广泛的胶凝材料，然而普通硅酸盐水泥生产会造成严重的环境污染。碱激发矿渣−钢渣胶凝体系具有良好的力学性能和工作性能，是普通硅酸盐水泥的潜在替代品之一。为明确矿渣−钢渣胶凝体系在复合激发剂作用下的宏微观特性，采用石灰−碳酸钠作为复合激发剂对矿渣−钢渣胶凝体系进行活化，制备低碳环保的矿渣−钢渣碱激发胶凝材料，讨论复合激发剂掺量、钢渣掺量对胶凝体系凝结时间和抗压强度的影响。并通过XRD、FTIR、SEM等检测手段表征石灰−碳酸钠复合激发剂作用下矿渣−钢渣胶凝体系的水化特征与微观结构。结果表明：石灰−碳酸钠复合激发矿渣−钢渣胶凝体系凝结时间在255 min以内，并未受到钢渣掺量的显著影响，胶凝体系3、28 d抗压强度分别达到23.0、30.4 MPa。钢渣掺量未影响胶凝体系水化产物种类，胶凝体系水化产物主要为C−(A)−S−H凝胶、水滑石和方解石。钢渣掺量增加会减缓胶凝体系的水化放热速率，降低胶凝体系的水化放热并促进胶凝体系的后期水化，提升基体中无害孔比例，掺量在20%时胶凝体系中C−(A)−S−H凝胶生成量最高。然而，钢渣掺量超过40%时，胶凝体系中C−(A)−S−H凝胶随钢渣掺量增加持续减少，胶凝体系基体出现微裂缝，抗压强度降低。研究可为新型低碳胶凝材料的制备以及钢渣的资源化利用提供参考。

• 烟气温度对生物质燃烧颗粒物生成特性的影响

  梁兴, 曲思建, 底一, 崔名双, 王圣烨, 牛芳,

  在全球减碳的大背景下，需要逐渐摆脱对化石燃料的依赖，将生物质用于燃煤锅炉中可降低二氧化碳的排放，但生物质中碱金属和碱土金属含量高，燃烧会产生大量的细颗粒物，造成结渣沾污、高温腐蚀和细颗粒物排放等问题。为了探究炉膛内烟气温度对生物质飞灰生成产生的影响，搭建了一套平焰燃烧试验系统，通过调节燃料和氧化剂的比例，改变平焰燃烧器上方的温度，开展不同烟气温度下生物质燃烧颗粒物生成特性的试验研究，利用荷电低压撞击器（ELPI）、比色法测温系统、扫描电镜等设备测量了颗粒物形貌、粒径分布、元素含量和表面温度。发现烟气温度为1800 K时，生物质颗粒的表面温度在65 ms达到最大值，小于1500 K和1200 K下的80 ms和90 ms，燃烧时Cl、K元素的释放量增大，PM1中Cl、K的占比上升3%～5%；同时高温还会导致PM1～10的烧结程度增强，熔融的飞灰颗粒趋向于表面光滑的球形。随着烟气温度下降至1200 K，PM1～10中多孔结构的飞灰增多，球形颗粒表面出现大量气孔；同时烟气温度下降会导致气相中无机蒸汽冷凝加剧，PM1的生成量增加至4.27 mg/m3。结果表明：烟气温度影响生物质飞灰的生成过程，为了实现生物质资源的高效清洁利用需要优化燃烧条件，提高生物质的燃烧效率，减少对环境的污染。