煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2025年第9期

• 巷道自适应冲尘作业机器人关键技术

  任怀伟, 王志峰, 周杰, 李世军, 马梓焱, 赵叔吉, 杜明, 李国庆,

  针对当前煤矿井下粉尘清扫自动化程度低、用水量大、效果差的问题，亟需研发具有积尘自动监测、自主/半自主移动、自适应冲尘作业功能的巷道冲尘作业机器人。提出了基于视觉的巷道空间域积尘与洁净参数连续监测技术，基于海思HI3519A平台开发了嵌入式边缘AI积尘图像传感器，获取巷道粉尘的空间分布特征及规律，采用YOLOv8分类模型训练生成积尘热力图，解决了巷道积尘类型识别、积尘厚度测量难题；采用融合近距可见光广角摄像仪、远距长焦红外摄像仪、激光雷达、毫米波雷达、组合惯导等传感器多源融合的SLAM技术，并通过UWB、IMU、轮速计等辅助定位，实现机器人在巷道断面和走向三维方向的定位导航。基于作业工艺和安全规则生成巷道全断面可行驶区域，给出自主冲尘作业过程中的空间约束条件；构建了机械臂运动学正逆解模型，开发了机器人自主移动运载平台和作业机械臂协同联动控制的“车−臂”协同一体化系统，提出了4自由度机械臂柔性多模式自适应控制策略。解决了系统协同作业规划、末端位姿高精度控制、自适应抗扰控制等难题；研究了多种冲尘方式联合作用机理，提出了高效节水自适应冲尘策略，研发了高低压喷雾和滚刷转速自适应调节的全场景自动冲尘系统；研制了巷道自适应冲尘作业机器人样机。经过地面测试表明：冲尘机器人具备巷道顶底板、巷壁、管道等位置的冲洗、擦拭功能；能够实现自主避障、车臂协同控制，行驶速度≥2 m/s，爬坡能力≥14°；柔性避障防爆机械臂作业臂旋转范围360°，上下调节高度0～5 m；适应巷道断面16～25 m2；连续作业里程≥1 000 m。对于煤矿减少井下辅助作业人数、降低从业人员职业健康危害具有在重要作用。

• 液压机械臂在煤炭工业领域应用进展及关键技术

  周杰,

  煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的必经之路，煤矿机器人研发应用推动煤矿智能化迈向高水平，液压机械臂作为煤炭机器人的重要组成部分，具备大面积推广应用的潜力和广阔的工业应用场景。研究提出了完整的液压机械臂技术体系框架，详细阐释了液压机械臂的软硬件系统组成，阐述了当前煤矿智能化建设过程中基于液压机械臂的不同场景和系统下的应用情况，综述了液压机械臂在巷道掘锚、喷浆、抓管、救援等场景下的需求及难点；科学阐明了液压机械臂研发的共性关键技术支撑，具体分析了液压机械臂结构设计、高精度液压伺服技术、运动学与动力学建模及解算、路径规划、可靠性保障及人机协作等关键技术研究进展；指出煤矿领域液压机械臂在感知手段受限、精准控制困难、可靠性要求难以满足等方面仍存在挑战；提出了未来液压机械臂研究的发展方向：构建多模态传感体系，针对井下高粉尘、潮湿等复杂环境，结合数字孪生和边缘计算技术，提升机械臂的环境适应性和控制精度；机械臂与运载平台的协同控制实现“移动+操作”的动态优化，扩展作业范围；通过标准化接口实现功能快速切换，提高对不同工况的适应性的同时降低了维护。未来，随着人工智能技术的深入应用，煤矿液压机械臂将向更智能、更安全的方向持续发展，为井下作业提供更高效的装备支撑。

• 冲击地压数字化源头防控体系架构 以新街台格庙矿区为例

  王旭东, 郑建伟, 李海涛, 齐庆新, 董俊亮, 吕谋, 张良, 刘义勤, 张海宽, 薛珊珊, 刘化广, 杜伟升, 郭富城,

  新街台格庙矿区周边均为典型冲击地压矿井，按照工程类比的原则基本上可以确定，未来冲击地压会对本矿区的安全高效开采产生显著的影响。得益于本矿区正处于建设窗口期，可以基于“数字岩石力学+源头防控”的理念，构建出“面向源头、兼容差异、自主适应”的冲击地压数字化源头防控体系，以此最大限度地为安全、绿色、高效生产提供保障。对比周边矿井现状，分析台格庙矿区潜在冲击主控因素，基于数字岩石力学建立台格庙矿区冲击地压数字化源头防控体系架构。通过矿井原生全要素的数字化，构建新街台格庙矿区“物理级透明”的模型，为矿井智能化建设提供更为全面的数据底座；借助能够还原真实工程行为的数字岩石力学推演技术，完成对采掘布局、防控体系等多场景技术方案的超前优选；依托“数据+知识”驱动的方法，实现冲击危险的源头识别及预测，并依据“优化布局无源头，防控到位灭源头，措施精准控源头，超前预见避源头”的原则，构建起能够自主生成具有数据和理论支撑的差异化防控决策生成模块；未来通过在新街台格庙矿区的应用示范，将从源头实现冲击地压矿井全生命周期的差异化防控，为冲击地压煤层的智能安全高效开采以及产能的科学释放，给出“新街方案”。

• 煤矿冲击地压动静载危险源头分类、辨识与监测方法

  窦林名, 孙振于, 曹安业, 牟宗龙, 巩思园, 蔡武, 马志锋, 李家卓, 周坤友,

  煤矿冲击地压防治必须从源头抓起，其中冲击地压动静载危险源头分类、辨识与监测是实现冲击地压源头治理的重要前提。基于动静载叠加诱冲理论，总结了冲击地压的动静载危险源和作用方式，其中静载危险源主要分为地质沉积属性类、地质构造类和采掘应力集中类，共16种常见危险源；对冲击地压的作用方式主要包括煤岩性质不同使冲击发生的临界应力不同、巨厚坚硬岩层和断层运动产生强动载以及地质沉积微相的存在使煤岩体内静载应力升高3种方式。动载危险源主要分为震动波动载、受迫动载和炸药冲击动载3类；对冲击地压的作用方式主要包括使煤岩体内应力瞬时升高、强动载作用下冲击临界载荷降低及长时间动载作用下煤岩体和支护体累计损伤3种方式。针对静载冲击危险源头辨识问题，提出了基于地应力场反演的地质沉积静载危险源辨识方法，通过构建矿井地应力场反演模型并采用地应力实测数据矫正反演矿井地应力场分布状态，找出地质沉积静载危险区；提出了基于应力场CT反演技术的高静载危险源辨识方法，通过大范围长时间定期CT反演，找出高静载危险区。针对顶板岩层动载冲击危险源头辨识问题，提出了矿震关键层理论，构建了矿震关键层判别模型和方法。针对冲击静载危险源头监测，开发了主被动双源震动波一体化应力场监测技术，集成了主动和被动CT技术，实现了冲击静载危险源头实时、连续性的应力场反演分析。针对冲击动载危险源头监测，开发了井地一体微震监测技术，克服了传统微震监测技术垂直定精度差和冲击动载源头找不准的弊端，大幅度提高了微震监测精度和感知能力。基于现场应用，验证了上述技术方法的有效性，为冲击地压源头治理提供了参考。

• 煤层顶板“人造解放层”区域防冲合理层位研究

  潘俊锋, 邬建宏, 贺海鸿, 吴学明, 冯美华, 吕大钊, 高家明,

  覆岩主控致灾岩层的准确选择，是开展顶板水平井区域压裂人造解放层防治冲击地压的基础。以孟村煤矿严重冲击地压煤层工作面为背景，采用理论分析及物理相似模拟试验相结合的综合分析方法，开展了不同预裂层位条件下覆岩结构与载荷采动响应规律研究，确定了覆岩主控致灾岩层，并通过现场工程实践进行了验证。结果表明：不同预裂层位条件下，对覆岩结构和载荷的调控作用存在差异，预裂层位距离煤层越近，对煤体基础静载荷卸压调控作用效果越好，但对增量静载荷调控作用效果较弱；预裂位于垮落带下部的低位关键层，其上覆关键层仍处于大面积悬顶状态呈长臂“F”形结构，卸压程度有限；预裂位于垮落带与裂隙带中部的中位关键层，破断块体沿预裂裂缝切落，呈短臂“F”形结构，能极大解决垮落带内厚硬顶板悬顶问题；预裂位于裂隙带上部的高位关键层，其下伏的中位和低位关键层仍呈长臂“F”形悬顶结构，工作面静载荷较大；通过地面区域压裂措施对中位关键层预裂后，工作面回采期间微震日平均能量和频次分别降低了39%和15%，高能级微震事件占比降低33%。综合不同预裂层位对覆岩结构与载荷的调控效果，预裂中位关键层更有利于实现动静载叠加型冲击地压防治。

• 浸水煤体静动力学特性与宏细观防冲机制

  王爱文, 范德威, 潘一山, 代连朋, 李超然, 杨凯磊, 张巍, 刘兴发, 刘瀚琦, 卢闯,

  水化作用弱化冲击倾向性煤体宏细观力学性质，改善煤体应力波能量折反射能力，降低注水巷道冲击释能危险性。为探究水化作用下冲击倾向性煤体能量演化机制，开展了不同含水率下单轴压缩、冲击加载试验，基于能量原理分析了不同含水率冲击倾向性煤体动静载能量演化规律。利用电镜扫描和X射线衍射设备检测了冲击倾向煤体冲击破裂面粗糙度分形特征以及元素占比，揭示了含水率对煤体细观冲击破裂面粗糙性和矿物元素质量的影响规律，探讨了冲击应力波作用下冲击倾向性煤体浸水增裂防冲机制。结果表明：① 从干燥到饱水状态，动静压缩下冲击倾向性煤体破坏裂纹数量增多和曲折性增强，脆性减弱，韧性塑性显著增强。强冲击倾向性煤相较于弱冲击倾向性煤破坏更剧烈，裂纹相对较少。② 提高含水率削弱了冲击倾向性煤体动静载弹性应变能积聚能力，总释放能量减少。冲击动载下弱冲击倾向煤反射能占比从55%增至70%，透射能占比从9%衰减至3%，强冲击倾向煤反射能占比从24%增至50%，透射能占比从40%衰减至10%。③ 加强水化作用使冲击倾向性煤体破裂面的粗糙度和分形维数呈下降趋势，弱化了局部细观裂纹产生的能耗，继而相同冲击动能下冲击倾向煤体冲击裂纹数量增加，应力波在微裂纹中产生更多折射和反射路径，冲击能量在折反射中快速衰减，最终降低冲击释能危险性。

• 煤厚效应下煤岩组合体力学损伤及渐进失稳特征

  张俊文, 张随林, 卜小虎, 王凯, 宋治祥, 张杨, 董续凯, 吴少康, 邢晁瑞, 李贤, 徐维正, 白旭阳,

  煤岩厚度变异是煤矿开采中常见的地质条件，不仅增加开采技术难度，还可能诱发冲击地压等动力灾害。有效揭示煤岩厚度变异的冲击地压发生规律对于工程设计及灾害防治至关重要，为此开展不同厚度比的冲击倾向性煤岩组合体单轴加载试验。通过试验与理论对比，分析试样峰值强度、峰值应变、等效弹性模量等力学特性的煤厚效应。构建能量演化多指标体系，从结构与能量协同演化角度分析试样储能极限、破坏耗能、储能效率、耗能效率、能量转化效率等的煤厚效应。结合声发射监测，分析试样加载过程各阶段的能量−频次特征，基于高斯混合模型优化的反映声发射信号特征的特征值RA-AF裂纹模式判别标准，量化试样破裂模式的煤厚效应。融合分形维数D值与声发射b值，识别试样早期损伤局部化及临界失稳前兆特征，定量分析试样损伤失稳预警阈值及预警窗口的煤厚效应。构建工程尺度煤岩厚度变异力学模型，揭示煤岩厚度变异致灾机制，获得灾害防控的工程启示。结果表明：煤厚占比增大，试样峰值强度和等效弹性模量均非线性递减，峰值应变非线性递增；煤厚占比增大，试样储能极限、破坏耗能、储能效率等均非线性递减，破坏耗能效率、能量转化效率均非线性递增；煤厚占比增大，试样张拉破裂占比线性递减，冲击危险性降低，试样损伤失稳预警阈值非线性递增，预警窗口缩短；煤厚变异致灾机制为地层垂直方向能量势差及水平方向能量梯度效应的综合作用，结合煤层推进方向冲击危险性分析及工程实践，得出煤层由低煤厚区向高煤厚区推进为优的启示。

• 基于划痕测试的煤冲击倾向性分级判别准则

  赵毅鑫, 王涛, 杨哲, 谢镕澴,

  冲击倾向性是煤岩体发生冲击破坏固有属性，是煤矿诱发冲击地压事故的内在因素，也是判别煤矿冲击危险性的关键指标，但传统判别煤冲击倾向性的流程相对繁琐。为此，提出了一种基于划痕试验间接评价煤冲击倾向性的方法。分别对来自5个矿井的煤样开展划痕测试和单轴压缩试验，建立了煤样划痕比能与其物理力学参数(单轴抗压强度、弹性模量)之间的拟合模型；并分析了不同划痕比能煤样在单轴压缩过程中的能量演化规律。采用峰后能量释放速率指数KPE定量表征煤的冲击倾向性并通过拟合与回归分析建立划痕比能与KPE关联表达式；然后构建了基于划痕比能的煤冲击倾向性分级评价方法并利用国标综合评价法以及煤屑弹射质量比F对该分级方法进行验证。研究结果表明：煤样的划痕比能与单轴抗压强度呈现正线性相关，与弹性模量呈现负线性相关，R2分别为0.96577、0.88196。随着划痕比能的增加，煤样峰前积累的弹性应变能以及峰后快速释放能量的能力逐渐增强。煤样的划痕比能与弹性应变能指数、冲击能量指数、KPE呈现正相关幂函数关系，而与动态破坏时间呈现负相关幂函数关系。分别以国标综合评价法和煤屑弹射质量比F的判别结果为标准，基于划痕比能分级准则的评价吻合度均为100%，因此划痕法可以作为煤冲击倾向性间接测试方法。

• 应力流时空演化致冲机制的试验与数值研究

  刘驰, 江星宇, 李海涛, 穆鹏宇, 刘化广, 袁红辉, 齐庆新, 王守光,

  针对深部煤矿冲击地压灾害防治需求，聚焦采动应力时空演化机制，创新引入“应力流”概念表征应力动态重分布行为。通过实验室相似模拟试验与有限元−离散元耦合（FDEM）数值模拟相结合，系统研究了煤岩破裂过程中应力流特征及其致冲机理。试验以某煤矿冲击地压煤层为原型，基于相似理论制作类煤岩相似材料，采用钢架模型模拟地应力环境，通过千斤顶分级加卸载模拟开采过程，同步布设50组应变花与14组压力盒监测应力梯度演化。结果显示，加载阶段应力梯度变化平缓，模型稳定无明显破坏；卸载阶段应力梯度呈显著突增特征，最高达270 kPa/m，且与煤岩破坏呈现强相关性，验证了应力流可作为冲击前兆指标。数值模拟再现了巷道围岩应力集中、节理单元屈服及破裂扩展过程，揭示应力流通过能量积聚速率加速与“破坏−应力重分布”正反馈机制诱发冲击地压，即初始破坏引发应力梯度二次分布，形成连锁反应，符合Griffith断裂准则能量释放规律。研究表明，应力梯度变化率是冲击启动的关键判据，应力流理论通过统筹应力时间演化与空间梯度分布，建立了采动应力时空演化与冲击地压的定量关联，为冲击危险性动态评价及主动防控提供了新思路与理论支撑。

• 关键层复合效应下动静载诱冲机制及影响因素

  曹安业, 吕国伟, 薛成春, 翁明月, 张学启, 马祥, 彭雨杰, 白贤栖, 郝琪,

  鄂尔多斯矿区直罗组内邻近砂岩层间的运动及破断会相互影响形成复合效应，导致工作面超前支承应力峰值大、范围广，大能量微震事件频发，不同关键层影响下的动力显现特征也不尽相同。基于某矿3−102工作面不同钻孔控制区域动力显现的差异性，采用理论分析及数据分析方法构建了厚砂岩关键层复合效应结构力学模型，提出了复合关键层形成的判定条件，揭示了复合关键层采场冲击地压发生机理，模拟研究了分层厚度比、中间层厚度对岩层复合效应的影响，优化了复合效应作用下释能降载方案。研究结果表明：近煤层关键层赋存状态的不同是引起动力显现差异性的根本原因，2层厚度超过30 m砂岩层赋存区域冲击危险程度高于单层厚度为50～70 m的区域；提出了复合关键层的形成条件：2个关键层同步运动且在岩层接触面及模型最大剪应力处均不产生剪切滑移；复合关键层作用下工作面超前支承应力峰值及影响范围增加，破断释放动载强烈，与现场数据吻合，佐证了关键层复合效应下的冲击是由静载及多次强动载叠加作用诱发；上下分层厚度越接近、中间层厚度越薄，岩层间的复合效应越明显；优化后的顶板深孔爆破及煤体大直径钻孔方案施工后，工作面大能量微震事件活动强度、煤岩体应力集中水平明显降低，有效弱化了关键层复合效应对冲击危险的影响程度。

• 内置式吸能立柱防冲特性研究

  张建卓, 赵丰年, 王洁, 潘一山, 徐兴强, 肖永惠, 陈策,

  在煤矿深部开采中，高地应力导致巷道围岩变形加剧，传统巷道支架小伸缩比立柱因压缩后期易发生“压死”现象将导致支架撤出困难。针对该问题，提出一种内置式吸能立柱，通过将吸能装置集成于一级缸缸体内部，消除外置式吸能立柱吸能导向段的轴向空间占用，实现伸缩比提升与防冲性能优化。基于弹性力学理论，建立内置式与外置式吸能立柱的等效刚度计算模型，阐明两者力学性能差异的理论基础；采用光滑粒子流体动力学方法开展流固耦合数值模拟，对比分析两者在冲击载荷作用下的支反力、液体压力及缸筒应力等响应特性；通过冲击试验测试内置式吸能立柱的动态力学性能，获取其支反力第1峰值、液体压力第1峰值及关键节点时刻一级缸下腔与滑动腔缸筒外壁应力峰值等试验数据，冲击试验测试数据与仿真数值模拟结果基本一致，误差小于10%。结果表明：内置式吸能立柱的伸缩比显著高于外置式结构，在冲击条件与总高度相同情况下，内置与外置式吸能立柱支反力初始峰值分别为2 216.00 kN与2 225.78 kN，冲击开始至吸能装置致密时刻的有效吸能量分别为167.87 kJ与173.03 kJ，2种立柱在吸能装置压溃变形过程吸能效果相当，但内置式吸能立柱的最大支反力、最大液体压力和最大缸筒外壁应力相较于外置吸能立柱分别降低了31.61%、32.97%和29.59%，说明其结构设计的可行性与良好的抗冲击性能。

• 冲击荷载作用下单元式吸能防冲液压支架响应特性

  王书文, 肖永惠, 金峰, 代连朋, 苏士杰, 王爱文, 马平,

  在冲击地压矿井中，掌握超前液压支架的力学特性及其模态响应特性是巷道超前液压支架选型与优化设计的基础和前提。针对如何提升单元式液压支架吸能防冲性能问题，开展冲击荷载作用下单元式吸能防冲支架响应特性研究。采用非线性有限元分析软件ABAQUS/Explicit显式求解器，建立单元式吸能防冲液压支架数值计算模型，通过数值模拟对吸能防冲支架进行竖向冲击试验，分析吸能防冲支架的力学响应特性与模态响应特性，探究单元式吸能防冲液压支架的吸能特性、固有频率与易变形部件。结果表明：力学响应特性方面，冲击荷载作用下，单元式吸能防冲支架表现出了良好的“让压降阻、减震降幅、吸能止冲”的综合效能；整个冲击过程中，吸能防冲支架共计吸收2.30 MJ的能量，吸能器塑性变形耗能占40%～50%。模态响应特性方面，单元式吸能防冲液压支架整机固有频率为665.37～3 280.5 Hz，频率较高。该吸能支架对近场顶板脆性断裂或煤体压缩失稳等中高频类型冲击地压显现具有良好的避频适应性。由数值模拟计算结果可知，液压支架的2根立柱和立柱护板是最容易发生振动变形的部件。立柱设计时要重点考虑避免第1、2、4、5、6和9阶振动频率处的振动变形，尤其主振型的避频设计；立柱护板设计时要重点考虑避免第1、2和9阶振动频率处的振动变形及其变形趋势。研究结果能够为巷道吸能防冲液压支架的合理选型与后续优化设计提供技术支撑。

• 特厚煤层采动应力演化与动力灾害防控关键技术

  张庆华, 袁本庆, 任启寒,

  针对我国特厚煤层深部开采面临的采掘扰动易诱发动力灾害及瓦斯防治存在的钻孔控制盲区、效果检验可靠性不足等问题，以窑街矿区金河煤矿单一特厚突出煤层为工程背景，系统研究了采掘全过程应力场动态演化规律、采掘工作面区域防突关键技术及掘进工作面局部高应力区高效卸压增透技术。通过FLAC3D数值模拟揭示了大采放比综放工作面弧形卸压区发育特征：初采期宽度5～7 m、构造区3～5 m、正常区10～15 m；同时，发现多重采动应力叠加下掘进工作面存在超高应力集中现象，应力集中系数λ高达2.4～3.0；据此提出了基于应力主控因素的风险分级管控方法：回采工作面划分一级风险区（λ>2.0）、二级风险区（1.5≤λ≤2.0），掘进工作面增设三级风险区（1.0≤λ<1.5），并制定了差异化防控对策。针对采掘工作面采用传统区域防治技术存在的难题，研发应用了4项关键技术以提升防突可靠性：区域措施钻孔三维反演系统，实现钻孔轨迹三维可视化与风险区域识别，消除区域措施钻孔“立体薄弱区”；抽采达标分层立体预测模型，以顶分层最小抽采半径为布孔标准，确保中上部煤体充分抽采；内胆贴壁式瓦斯含量取样装置，减少瓦斯逸散，实测可解吸瓦斯含量较传统孔口取样提高6.25%～20.59%；“分区−分带−分层”全覆盖检验方法，对构造区、软煤带等高风险区域加密检测，重点层位分层验证，减少检验盲区。针对掘进工作面高应力区（如16219−1掘进工作面七重采动影响带），应用改进的超高压水力割缝技术装备（高刚度轻质钻杆、防滑装置、水质过滤器）；结果表明，16219−1掘进工作面高应力区应力集中系数由3.0降至1.6，煤层透气性系数提升近10倍，抽采达标时间缩短1/3，残余瓦斯含量降至4.73 m3/t，掘进期间CH4、CO2涌出平稳（最大CO2体积分数为0.48%）、高能量微震事件减少，实现了消突和应力降低“双重”目标。

• 淮南深部强突煤层群水平井区域瓦斯治理关键技术及应用

  王世森, 姚宁平, 李点尚, 李平, 丁华忠, 柏发松, 丁同福, 陈本良, 苏雷, 荚胜丰, 杜新锋,

  淮南矿区地质条件复杂，随着煤矿开采深度增加，瓦斯灾害的复杂性和危险性显著增加，亟需探索新的瓦斯防治技术。围绕淮南矿区深部强突煤层群开采条件，以区域治理、超前治理为目标，引入地面水平井瓦斯区域高效抽采技术，针对水平井高效精准钻进、压裂裂缝工作面全覆盖、持续稳产排采、防突效果评价等技术难题，通过理论研究、物理模拟、数值分析、技术攻关与现场试验，创新形成淮南深部强突煤层水平井区域瓦斯治理模式与技术体系：提出了深部煤层群开采条件下井上下立体区域瓦斯治理模式；研发了极复杂地层条件下“钻前地导建模−钻中动态定位−钻后综合判层”的地面顶（底）板水平井钻井轨迹控制技术，开发了地面水平井分段多簇、大液量大排量大砂量、动态混注高强度压裂技术，研发了以潜油隔膜泵、“零水位”为核心技术及装备的L型水平井排采工艺，提出了“残余瓦斯含量+残余瓦斯压力+排采影响范围+预抽率”防突效果评价指标体系、数值模拟和钻孔实测多方法融合的地面瓦斯抽采果评价方法；创立了“钻井+压裂+排采+产能预测+防突效果评价+井下区域验证”“六位一体”地面水平井区域瓦斯治理综合防突技术体系。应用效果表明，水平井水平段煤层顶底板2.5 m内钻遇率、钻井工程与套管下入成功率达到100%；水平井分段压裂实现工作面缝网全覆盖；排采系统检泵周期显著延长，“零水压”排采可充分释放水平井产气潜力；工程施工水平井取得了良好的产气效益和安全效益，单井日产气量突破11000 m3，累计产气量突破4000万 m3，大幅减少井下瓦斯治理工程量，保障了矿井安全高效生产。地面分段压裂水平井区域瓦斯治理技术的推广应用，推进瓦斯治理模式从井下向地面转移，实现了地面区域瓦斯治理规模化、标准化，为我国类似煤矿区地面区域瓦斯治理提供了技术支撑。

• 超高压水射流“割压联合”卸压增透关键技术及应用

  张永将, 徐遵玉, 李帅, 袁本庆,

  针对深部低透气性煤层瓦斯抽采效率低、突出灾害防治难度大的问题，水力压裂、水力割缝、水力冲孔等水力化措施已成为煤矿提高煤层透气性、降低突出危险性的重要措施，但单一的水力化技术存在一定的局限性。为进一步提升深部低透煤层的卸压增透效果，提出了超高压水射流“割压联合”卸压增透技术，通过协同融合水力割缝精准卸压与水力压裂大范围增透的优势，基于理论分析、数值模拟与现场试验等手段，揭示了“割压联合”协同作用机制：水力割缝形成的缝槽诱导煤体应力重新分布，产生塑性弱化区；压裂液优先沿塑性弱面定向扩展，构建贯通形成立体裂隙网络，从而有效避免单一水力压裂存在的卸压盲区与局部应力集中现象。研究分析了影响割压联合卸压增透效果的关键因素，并基于新集二矿1煤层具体情况，通过数值模拟优化了割压联合关键工艺参数：缝槽间距10 m可确保塑性区有效搭接，避免压裂空白带；钻孔间距70 m有利于实现裂隙网络的高效贯通，形成均匀增透区域。提出了“控制型”、“强化型”割压联合卸压增透技术，“控制型”割压联合技术核心在于预先干预，在控制区域边界预施工控制孔形成导向边界，引导“割压”联合作用产生的裂隙在控制区内均匀扩展；“强化型”割压联合技术侧重于局部后处理，在采用割压联合卸压增透后，局部区域可能存在高应力区或增透薄弱区，补充水力割缝措施进行强化卸压增透；在新集二矿220106工作面现场应用表明，瓦斯抽采效率提升2.3～2.9倍，钻孔工程量减少33%～38%，抽采达标时间缩短41%～53%。“割压联合”技术成功实现了低渗煤层的大范围、均匀化、高效率卸压增透，为煤矿安全高效开采提供了理论与技术支撑。

• 冲击荷载下倾斜煤层沿空留巷底板破坏机理与控制方法

  刘学生, 赵志鹏, 范德源, 李学斌, 宋世琳, 杨生龙,

  受倾斜煤层基本顶侧向回转下沉产生的冲击荷载影响，沿空留巷围岩变形破坏严重，底鼓问题尤为显著。以某矿1301S工作面沿空留巷底板大变形控制为工程背景，首先，基于基本顶“O-X”破断运动特征，根据达朗贝尔原理及朗肯土压力理论，建立基本顶侧向回转下沉动力学模型，分析倾斜煤层支承压力作用下巷道底板受力情况，揭示冲击荷载影响下巷道底板破坏机理，定义巷道底板失稳力学判据η。然后，通过数值模拟对比分析冲击荷载扰动前后底板的破坏特征，探究不同因素影响下底板破坏特征。最后，从荷载源控制及承载体强度2个方面进行综合考虑，提出底鼓控制方法，并在1301S工作面沿空留巷开展现场应用。结果表明：基本顶侧向回转下沉产生远超自重的冲击荷载与支承压力间接作用至巷道底板的挤压荷载相互叠加，共同导致巷道发生底鼓大变形。冲击荷载强度与基本顶断裂长度、高度、容重及采高呈正相关，将现场实测数据代入巷道底板失稳力学判据得η=1.06>1，巷道底板发生压曲失稳，与现场巷道底鼓大变形现象相符。动载扰动后，巷道底鼓量及底板破坏深度大幅增加；随冲击荷载强度的减小及底板抗弯刚度增大，巷道最大底鼓量及底板破坏深度减小；巷道底板破坏过程依次经历缓慢变形到突变变形再到变形稳定3个阶段。提出以爆破切顶为主、底板分层注浆为辅的底鼓联合控制方法，现场监测结果显示，沿空留巷底鼓得到有效控制，最大底鼓量降低了73.4％，围岩整体稳定性好。

• 厚硬顶板冲击地压井下长钻孔压裂防治关键技术装备与工程实践

  郑凯歌, 郭伟, 张俭, 孙四清, 赵继展, 陈冬冬, 戴楠, 王泽阳, 王豪杰, 杨森, 王林涛, 张谦, 方秦月,

  针对厚硬顶板诱发冲击地压的防控难题，突破传统局部卸压治理模式，开展井下长钻孔压裂关键技术与装备研究，建立超前时空协同的顶板弱化改造体系。基于“地质−应力−能量”协同作用理论，采用理论建模−装备研发−工程验证相结合的研究方法，通过构建三维判识模型、研发定向成孔装备、创新压裂工艺参数、开发监测评价系统等技术路径，系统开展厚硬顶板水力压裂防治技术研究。研究表明：① 建立的“地质结构−应力场特征−能量积聚度”三维判识模型，实现压裂目标层的多维度定量识别；② 研制的可变幅大倾角超高位成孔平台，倾角调节达50°，成孔效率提升20%以上，孔深可达1000 m以上，剖面高度可达100 m以上；③ 研发的低速大流量压裂泵组（排量2.8 m3/min，压力80 MPa）与多参量监测系统，实现压裂过程动态调控，同时搭建了在线监测装备体系，实现压裂全周期的系统监测及治理效果的科学全面评价；④ 在纳林河二矿典型顶板强冲矿井开展了工程试验，治理后，煤体应力较邻近面降幅均超60%；大能量微震事件频次及能量较本工作面非治理区域及邻近工作面降幅均在70%左右，周期来压步距缩短25%以上。从压裂裂隙网络弹性应变能耗散、缩短悬臂降低破断动能、分层垮落阻断动能传递路和高压水岩石弱化等多尺度协同作用机制，探讨了厚硬顶板定向长钻孔分段压裂“能量耗散−结构调控−路径阻断−强度弱化”卸压防灾机理。指出了构建数字孪生压裂参数智能优化平台和研发智能压裂成套装备发展方向，并提出单一防灾模式向“精准识别−智能调控−多灾联防”转型新思路。

• 含卸压钻孔煤体损伤特性及储能演化规律

  尹延春, 赵同彬, 王爱文, 姚传儒, 刘方锐, 高学鹏,

  在深部强采动应力环境下，煤层中大直径卸压钻孔易发生塌孔、闭合压实等现象，卸压效果表现出明显的时效特性。通过开展室内含钻孔煤体试件轴向压缩与循环加卸载试验，结合数值模拟方法，分析了煤体内部钻孔变形−闭合过程中的煤体损伤及弹性能演化特征，研究了钻孔孔径、加载速度等因素对含钻孔煤体储能特性的影响规律。研究表明：钻孔卸压后煤体钻孔会经历缩孔变形、孔周裂隙扩展、塌孔和钻孔闭合4个阶段；初始缩孔变形阶段钻孔闭合速率小，声发射b值逐渐增大，弹性能占比相对平稳；进入孔周裂隙扩展阶段后，钻孔闭合速率增大至缩孔变形阶段的4.3倍，声发射b值和弹性能占比逐渐降低，卸压效果逐渐增强；发生塌孔后，弹性能占比发生突降、总降幅是孔周裂隙扩展阶段的25.3倍，此阶段试件损伤达到峰值、钻孔卸压效果最佳；钻孔闭合后弹性能占比恢复回升，卸压效果逐渐降低；钻孔孔径和加载速度会对煤体钻孔变形闭合及能量演化产生明显的影响，钻孔孔径越大，煤体更易发生塌孔现象、弹性能占比降低速度更快、更容易达到最佳卸压状态，卸压起效快、持续时间长；而随着加载速度的增加，煤体弹性能占比降低速度减慢、最小值增大，卸压效果减弱、有效卸压时长缩短。根据钻孔卸压时效特性，对于深部强采动巷道，应合理确定超前预卸压距离及卸压参数、控制推进速度，并采用多轮卸压等方式保证钻孔卸压持续有效。

• 不同加卸载路径下冲击倾向性煤岩组合试件破坏特征研究

  崔峰, 罗钟, 何仕凤, 来兴平, 李浩荡, 马立强, 赵志鹏, 杨旭,

  冲击地压矿井采掘扰动下煤岩体破坏特征复杂，严重影响了冲击地压的监测预警与防控，开展冲击倾向性煤岩组合体在不同加卸载应力路径下的破坏及声发射特征研究，对促进冲击地压的精准监测与防控具有重大意义。以冲击危险性煤岩组合体试件为研究对象，采用岩石力学单轴试验机和声发射监测系统进行了常规单轴加载和不同循环加卸载试验，分析了煤岩组合体在不同应力路径下的力学性质及能量演化规律，研究了煤岩组合体声发射试件数与应力路径特征关系，并以此计算研究了b值和熵值的演化趋势，讨论了经历不同应力路径下煤岩体对应到工程现场的冲击地压研究。研究结果表明：煤岩组合体在常规加载下峰值强度最大，变下限加卸载次之，恒下限加卸载峰值强度最小；试件中煤体为X状共轭斜面剪切破坏，岩石为拉伸破坏；恒下限加卸载下试件损伤程度较高，低能量的状态输入能量后失稳破坏，变下限加卸载下试件处于高能状态输入更多的能量后失稳破坏。获得了声发射事件数、b值及熵值的演化规律及其与破坏行为之间的关系，声发射事件数随加载强度的增加逐步上升，循环加卸载声发射事件数分布随应力路径的变化表现出波动特性，累计声发射曲线呈阶梯式增长；恒下限循环加卸载下b值和熵随加卸载表现出的波动性循环特征更明显，而变下限循环加卸载在应力较高的循环中表现出波动性特征，不同应力路径下试件临近失稳破坏的共同特征为b值处于低值波动，熵值在较高水平波动。较高的采掘强度会导致煤岩体在较短时间内经历不充足的自我卸压，因而裂隙扩展释放的能量较大；较低的采掘强度使煤岩体有充足的时间进行自我卸压，裂隙扩展释放的地音能量较小。根据不同加卸载作用下煤岩体破坏特征及声发射事件数、b值、熵值的演化规律，可有效的预测煤岩体破坏行为。较低的采掘强度使煤岩体有充足的时间进行自我卸压，裂隙扩展较为频繁，地音能量释放较小。研究结果为不同采动强度的采掘方式合理选取提供了依据，在实际工程应用中可为冲击地压矿井的实现精准监测与防控提供支撑。

• 小构造与开采扰动下深井煤巷应力演化规律与能量分源控制

  徐宏阳, 翟成, 孙勇, 黄静, 徐吉钊, 刘厅, 唐伟, 郑仰峰, 徐鹤翔, 王宇,

  当煤炭开采进入深部以后，高地应力、复杂地质构造和强采掘扰动特征愈发明显。针对深井煤巷受应力扰动导致掘进过程中两帮变形严重且难以控制的问题，研究了小构造与回采扰动下掘进巷道应力演化规律。基于井下底板岩巷穿层瓦斯抽采钻孔数据点云重构了工作面的三维地质模型，辨识出了掘进巷道途中存在的倾斜煤层、连续褶曲和煤层变薄带。并利用建成的三维模型，导入FLAC3D软件中模拟煤巷掘进与邻近工作面回采。结果表明：在小构造区域，掘进工作面处的峰值压应力更大，压应力随掘进距离的变化率也更高。倾斜煤层、连续褶曲和煤层变薄带处的峰值压应力最大值分别为19.62、19.25、19.86 MPa，压应力变化率的最大值分别为16.12%、12.8%、11.51%。而厚度均匀的煤层掘进时最大压应力不超过19 MPa，压应力变化率的最大值不超过10%。回采距离较小时，掘进应力与回采应力互不干扰；随着回采距离增大，掘进巷道围岩位移增大，回采应力不断扩展，逐渐起主控作用，对掘进巷道产生强应力扰动。在现场采取穿层钻孔水力冲孔与注浆加固强弱耦合结构能量分源控制方法后，降低了煤层瓦斯含量和压力，增强了巷道围岩强度，两帮位移量减小了57%，显著降低了煤岩动力灾害发生的概率与风险。该研究可以为有效保障深井煤巷的安全采掘提供基础理论支撑。

• 厚硬覆岩层裂隙−能量链式致灾机制与推进速度阈值优化

  单鹏飞, 李根, 来兴平, 段红飞, 许慧聪, 李杰宇, 杨珂, 惠聪, 蔡咏航,

  西部井工矿井具有一次采出厚度大、工作面长度长、回采巷道断面大和工作面推进速度快的特点，持续增加的推进速度不仅波及采动裂隙发育扩展，显著影响矿区水资源赋存环境，更易级联诱发厚硬覆岩层弹性能的“高积—突释”，导致巷道围岩持续性大变形、冲击地压、矿震等复合动力灾害频发，亟待揭示西部矿区复合动力灾害发生演化机制的推进速度效应，确定减损控灾合理推进速度阈值。以陕西榆横矿区小纪汗煤矿为工程背景，采用理论分析、试验研究与数值计算等方法，分析现有推进速度下厚硬覆岩层运移状态、反演厚硬覆岩层能量积释事件；研究不同推进速度下厚硬覆岩层“能量−裂隙”级联机制，揭示不同推进速度下开采全周期裂隙组网规律，量化裂隙发育高度、空间分布密度、覆岩损伤比等指标参数与推进速度关系。结果表明：推进速度是促进区域裂隙发育扩展与诱发厚硬覆岩动力事件的主控因素，12 m/d推进速度下裂隙扩展区域较大且厚硬覆岩层能量集中现象显著；随着推进速度的增加，裂隙发育高度降低，应力集中区范围减小，峰值应力向工作面端头迁移，动力灾害发生风险增大；厚硬覆岩层能量积聚区沿应力集中区迹线且滞后应力集中区迁移，采动裂隙在岩体释能影响下快速扩展，裂隙与能量间存在链式关联，裂隙带可进一步细化为中部“压实区”与两端“裂隙集中区”，“压实区”裂隙主要经历萌生—发育—贯通—闭合4个阶段，裂隙密度随工作面推进距离增加呈现先上升后下降的变化趋势；覆岩损伤比随推进速度增加持续降低。综合考虑不同推进速度下岩体积能诱灾风险、裂隙发育和覆岩损伤比，确定小纪汗煤矿减损控灾合理推进速度阈值为12～15 m/d。

• 巨厚砾岩顶板地面井酸化压裂卸压减冲技术研究

  吕闰生, 李杰, 朱林, 王存文, 全星苑, 倪小明, 王保玉, 张世林,

  采煤工作面上覆巨厚坚硬顶板未能及时垮落和破断而形成悬空结构，具有难破断、易聚积弹性能、破断易冲击等特点，极易应力集中而诱发冲击风险，严重危害工作面安全生产。以常村煤矿MZ21010工作面为工程背景，采用理论分析、试验测试、数值模拟及工程试验等手段，开展地面井酸化压裂卸压减灾技术研究。结果表明：顶板砾岩和砂砾岩砾石成分主要为石灰岩、石英岩及石英砂岩，钙质胶结；采用质量分数15%稀盐酸酸化30 min后，抗压和抗拉强度分别下降56%～64%和46%～64%，具备地面井酸化压裂卸压基础；结合顶板钻孔数据和理论计算，确定了0～487.45 m处的巨厚砾岩层和578.95～624.90 m处的砂砾岩层分别为高位和低位关键层；低位关键层采用酸化液+大液量（12 m3/min）组合压裂可有效延伸酸液渗流距离，压裂缝长380 m，缝宽65～80 m，缝高19 m；高位关键层采用酸化液+大液量（10 m3/min）+大砂比（16%）+梯度加砂震荡的压裂工艺，压裂缝长275 m，缝宽40～47 m，缝高24 m；频率谐振监测显示压裂层位均出现明显的纵横向破断区，酸压点波阻抗降低，工作面液压支架平均压力下降21.99%，说明MZ21010工作面顶板卸压效果明显。

• 瓦斯抽采钻孔水射流扩孔修复增透技术研究及应用

  徐刚, 孟子涵, 刘佳伟, 刘晓, 马利伟, 单永科, 金洪伟,

  瓦斯浓度衰减严重、抽采效率低下是我国煤矿瓦斯抽采中亟待解决的技术难题。依据水射流在空气中的射流结构建立了水射流破煤数学模型，应用空腔膨胀理论提出了水射流冲击作用下煤体破碎强度准则，进而得到了水射流破煤深度的计算方法；然后基于水射流对瓦斯抽采钻孔周围煤体的冲刷解堵作用、扩孔增透作用和冲击损伤作用阐释了瓦斯抽采钻孔水射流扩孔修复增透机理，并建立了钻孔周围煤体增透范围计算模型，获得了水射流作用下钻孔周围煤体径向应力、切向应力的分布规律；再采用有限元仿真软件LS-DYNA对水射流破煤过程进行了数值模拟，获得了射流压力作用下破煤深度的变化规律和煤体径向应力、煤体损伤的分布规律；最后研发了瓦斯抽采钻孔扩孔修复增透作业装置并在新安煤矿14250下部底板巷穿层钻孔进行了实践应用。结果表明：水射流破煤深度随射流压力的增大线性增加，随射流距离的增大线性减小，随煤体强度的增大呈幂函数形式减小；水射流对瓦斯抽采钻孔的增透作用包括冲刷解堵作用、扩孔增透作用和冲击损伤作用3个方面，水射流扩大了钻孔半径，增透范围随钻孔半径的增加而线性增大，水射流压力越高煤体径向应力和切向应力越大，钻孔周围煤体损伤范围也越大；形成了以喷头进入煤层段深度、冲出煤岩量和瓦斯浓度为指标的瓦斯抽采钻孔水射流扩孔修复增透效果评价体系。根据修复增透试验情况，喷头进入煤层段深度的比率达到90.5%，单孔冲出的煤岩量可达385.6 kg，扩孔修复增透技术的实施使钻孔等效半径由56.50 mm增大到114.02 mm，增透范围由修复前的67.80 mm扩大到136.82 mm，瓦斯体积分数由修复前的1.40%提升到13.46%，实现了瓦斯抽采钻孔的冲刷解堵作用、扩孔增透作用和瓦斯抽采效果的显著提升。研究成果可为提升煤层瓦斯抽采钻孔的利用效率提供理论依据和技术支持。

• 液态CO2相变驱替煤层CH4钻孔压力脉动促抽效能中试研究

  米万升, 文虎, 樊世星, 刘名阳, 程小蛟, 王宁, 王登科, 李日军, 柳博聪, 金霏阳,

  煤层CH4对于制约煤矿安全生产、增加清洁能源补给和造成大气环境温室效应均具有重要影响，注液态CO2除了减小煤层瓦斯压力、降低煤与瓦斯突出事故发生风险以及减少CH4排放对大气环境影响的有力措施之外，同时也是实现煤层CH4抽采提质增效的有效途径。为考察液态CO2压注时，压注孔压力的脉动变化对煤层CH4抽采的强化效果，将压注后煤层中CO2有效影响半径和CH4抽采浓度、钻孔抽采混量以及钻孔CH4抽采纯量作为评价指标，以定量连续压注方式在陕西黄陵双龙煤矿开展了2.0、3.4、5.0 MPa不同压力工况下的顺层钻孔压注液态CO2相变驱替煤层CH4原位对比试验。结果表明，压注压力随时间均表现出“几字”型变化趋势，注液压力为3.4 MPa时钻孔压力出现脉动变化，压力脉动振幅和周期分别为0.7 MPa和10.7 min，该工况压注后CO2在煤层中有效影响半径达到25 m，与压注压力为5.0 MPa时的CO2影响半径一致，且高于压注压力为2.0 MPa时的CO2影响半径；此外，相较于压注压力2.0 MPa和5.0 MPa两工况，压注液态CO2钻孔压力脉动变化时的CH4抽采浓度、钻孔抽采混量和钻孔CH4抽采纯量等指标的效能分别提高了29.9%和7.2%、43.6%和27.3%、84.0%和36.3%；压注液态CO2相变脉动驱替煤层CH4对于充分发挥井下有限量液态CO2驱替促抽效能具有良好促进作用。

• 应力加卸载条件下煤岩吸附性能及比表面积变化规律

  孙维吉, 张军林, 房胜杰, 史国涛, 陈昕涛,

  为研究煤岩在应力加卸载过程中吸附性能及比表面积变化规律，基于煤岩吸附解吸理论，利用自主研制的应力加卸载煤岩吸附试验系统，采用CO2气体作为吸附质，开展了应力加卸载过程中煤岩吸附性能变化试验。另外，在不同应力点进行了等温吸附试验，并应用Langmuir法和BET法分别计算了不同应力点的比表面积，分析了吸附量与比表面积的关系。结果表明：煤岩吸附气体速率与该煤岩在加载或卸载过程中的累积吸附次数有关，与应力的大小无关。累积吸附次数越多，煤岩吸附速率越快。应力载荷明显影响煤岩的吸附能力，加载会抑制煤岩的吸附能力，整个加载过程中，吸附量最大下降了16.2%。一定范围内的应力对煤岩吸附CO2具有较高的敏感性。卸载会提高煤岩的吸附能力，应力卸载过程中吸附量共上升了8.3%，初步卸载（5.09～4.08 MPa）对吸附量变化贡献了63.8%，初步卸载对煤岩吸附能力的增强起决定作用，初步卸载后吸附量随着应力的减小逐步增加，且卸载过程吸附量变化曲线始终高于加载过程吸附量变化曲线。加载减小了比表面积，卸载增大了比表面积。加载条件下，Langmuir法和BET法计算的比表面积分别减小了22.2%和21.3%，卸载过程比表面积分别增大了21.2%和20.5%。卸载条件下的比表面积总是大于加载条件下相同应力水平的比表面积。

• CO2抑制煤氧反应关键基团变化规律及相关性研究

  周西华, 李世琳, 白刚, 曹宇, 王艳美,

  为研究加入CO2后对煤与氧气反应的影响，通过分析煤中活性基团的相对含量变化规律，得出受CO2条件影响最大的活性基团。以张家峁矿煤样为研究对象，试验采用CO2气氛，选择温度为100～200 ℃的煤样进行傅里叶变换红外试验，探究不同体积分数CO2气氛下各种活性基团相对含量的变化规律。基于灰色关联性分析CO2与活性基团间的相关性，研究因CO2体积分数升高影响的关键官能团类型。结果表明：在加入CO2的影响下，各官能团的红外谱图相较空气条件下结果峰面积呈现不同的变化特点，其中随温度的升高，羟基体现为减少趋势，其中以羟基自缔合氢键及羟基−π氢键为代表的分子内氢键减少较为明显；脂肪烃中甲基、亚甲基的伸缩振动先微量增加后减少，变角振动则体现为持续减少趋势；含氧官能团中羰基、醚键和羧酸均体现为增加趋势；芳香烃中主要体现在3取代、5取代增加较为明显，芳香环中C=C伸缩振动随温度呈现减少趋势；针对活性基团相对含量变化分析得出各活性基团相对含量变化虽有所差异，但是在不同CO2体积分数的试验条件下各活性基团变化趋势基本一致。说明通入不同体积分数CO2并未改变煤中官能团的反应历程，由关联性分析结果得出加入CO2对煤氧反应官能团影响顺序为：含氧官能团>羟基>脂肪烃>芳香烃。

• 含双孔煤体破坏过程中裂隙扩展及钻孔协同变形特征

  纪翔, 潘红宇, 李树刚, 张天军, 林海飞, 肖鹏, 王宁, 尚宏波,

  瓦斯抽采钻孔和防冲卸压钻孔协同布置能有效防治深部矿井煤与瓦斯突出−冲击地压复合灾害，但不合理的布孔间距可能会导致裂隙扩展和钻孔协同变形，诱发串孔、塌孔等影响瓦斯抽采效率。为研究此类双钻孔结构煤体破坏过程中裂隙扩展和钻孔变形特征，采用煤体变形破坏数字图像观测试验平台，开展不同钻孔间距含双孔煤体变形破坏试验。根据试样表面全场变形数据及应力−应变曲线，计算试样破坏过程的表面应变场、裂隙张开与错动情况、钻孔张缩量等参数，精细化分析孔周煤体裂隙扩展和钻孔变形特征。引入Pearson相关系数，探究不同孔间距煤体裂隙扩展相关性和钻孔协同变形特征。研究结果表明：① 随着钻孔间距的增加，试样的弹性模量、峰值强度、弹性应变能和试样表面开始产生裂隙的应力阈值呈现先增大后减小的趋势；试样的破坏模式表现为由岩心破坏到独立破坏，再到边界破坏的过程。② 在加载初期，裂隙张开量和错动量基本保持稳定，左右两侧钻孔出现微小滑移错动，钻孔张缩量仅发生小幅度降低；在加载中后期，裂隙不断张开、错动，钻孔承受较大应力集中，其张缩量迅速下降，直接导致试样破坏。③ Pearson相关系数可直观显示裂隙之间的相互作用。不同钻孔间距的3组试样裂隙扩展过程的相互作用存在显着差异，试样SH-25 mm和SH-50 mm的裂隙张开量相关性较高，在整个破坏过程中左右两侧钻孔孔周裂隙趋向于同步发展；试样SH-37.5 mm的最大裂隙张开量相关性最低，孔周裂隙更倾向于独立扩展。④ 钻孔张缩量C变化具有显著的相关性，钻孔间距较小时(SH-25 mm)，双孔间相互影响程度较大，左、右两侧钻孔趋于协同变形；最优孔间距下(SH-37.5 mm)，试样左右两侧钻孔表现出显著的弱相关性；钻孔间距较大时(SH-50 mm)，左、右两侧钻孔变形相关性系数R为负，并表现出较强的相关性。⑤ 结合试样力学特性、裂隙扩展规律和钻孔变形特征分析，钻孔间距为37.5 mm的试样在布置上表现出更优的稳定性，故双防钻孔布置间距为1.5 m，可保证卸压钻孔降低煤层压力时，提高瓦斯的抽采效果。

• 沁水盆地东北部上古生界深部煤系致密砂岩孔隙结构特征及其储层地质意义

  陈凤杰, 张小东, 刘润斌, 张硕, 翟志伟,

  储层孔隙结构是油气产能的关键影响因素，准确表征致密砂岩储层微观孔隙结构对于油气勘探开发至关重要。以沁水盆地东北部上古生界深部煤系致密砂岩为研究对象，开展物性测试、岩石薄片、扫描电镜观察及高压压汞等实验，结合分形几何方法，分析了深部煤系致密砂岩储层孔隙结构特征，讨论了储层孔隙结构特征的地质意义。结果表明：沁水盆地东北部深部太原组–山西组致密砂岩主要为细粒岩屑石英杂砂岩及细粒石英杂砂岩；孔隙率分布于0.933%～6.569%，渗透率介于（0.001 5～0.086 4）×10−3 μm2；孔隙类型以粒间溶孔、粒内溶孔、晶间孔为主，大小以过渡孔最多，孔隙间连通性较差；储层可分为3类，以过渡孔为主，伴随少量微孔的Ⅱ类储层是研究区的主要类型；以过渡孔为主、中孔其次的Ⅰ类储层是潜在有利勘探目标；砂岩孔喉结构复杂，非均质性强，分形维数分布于2.457 3～2.709 6，其数值受主要孔隙复杂程度控制；分段分形维数则表现为中大孔占比低但最复杂，过渡孔相反的特征。孔隙分形维数与孔隙率、渗透率、孔隙结构参数表现出较强的相关性，相互关系受过渡孔控制，受微孔影响，中大孔作用甚微。过渡孔分形维数大的砂岩，沉积于偏还原环境，各阶段成岩作用对孔隙发育影响明显。

• 彬长矿区厚硬岩层沉降能量释放与高势能涌水机理

  李杨杨, 张浩争, 张士川, 朱慧聪, 冯海龙, 蔺成森, 路学通,

  陕西彬长矿区煤层上方存在白垩系洛河组砂岩含水层，该岩层具有厚度大、富水性强、渗透系数大、水头压力大等特点，且上覆厚硬岩层破坏易导致高势能动力涌水发生。结合彬长矿区高家堡煤矿上覆岩层性质、导水裂隙带发育高度与工作面涌水量情况，对厚硬岩层破裂能量释放特征及工作面高势能涌水机理展开研究。结果表明：高势能涌水孕灾条件由“通道”“水源”与“力源”组成，其中“通道”的形成使“水源”发生运移，工作面出水由淋水转为涌水，“力源”的形成为“水源”运移提供了水压力，并增加了“通道”的数量与导通水量，使工作面由涌水转为高势能涌水；高势能涌水致灾过程中，覆岩破裂沉降和水体运移两个动态过程存在能量传递关系，经过对能量传递方程的推导，得出诱导高势能涌水主导条件为“力源”中的厚硬岩层破裂沉降；能量转化方程中，岩层能量吸收值与岩层能量吸收系数、破断层厚度与破断层倾向长度呈负相关，与破断层极限破断距呈正相关，且能量值呈指数级增长；结合覆岩能量变化趋势与工作面涌水量变化情况，得到涌水量升高区间，覆岩应力与能量值波动较大，且在厚硬岩层发生破断时，工作面涌水量达到峰值，工作面形成高势能涌水。研究揭示了高势能涌水孕灾机制，并建立了高势能涌水物理模型，明确了各影响因素间的关系，推导了厚硬岩层破裂沉降能量转化方程，阐释了不同影响因素与岩层吸收储存能量值间影响规律，揭示了厚硬岩层破裂沉降能量释放特征与工作面高势能涌水间联动关系。

• 基于混淆矩阵的带压开采底板突水危险性评价

  曹敏, 尹尚先, 李书乾, 王旭, 苗钰龙,

  煤层底板突水是一种水文地质与采矿复合动态现象，受多因素影响，具有复杂的非线性动力特征。采取合适的危险性评价方法可以全面、准确地预测底板突水。选取郭二庄煤矿100组钻孔数据，以奥灰水压、隔水层厚度、煤层厚度、煤层埋深、顶板火成岩厚度、断层规模指数、构造点与歼灭点和构造分形维数为底板突水影响因素，构建了基于混淆矩阵的底板突水危险性分类模型。运用Matlab软件对数据进行迭代训练，确定64组训练样本和36组检验样本，建立优化后的MATRIX模型，模型将郭二庄井田底板突水危险性分为安全、较安全、较危险和危险4个等级，依据井田不同坐标所属的评价等级绘制了9号煤层开采底板突水危险性评价分区图，每个等级对应的位置和面积在图中清晰可见：与传统的基于带压系数和突水系数的底板突水危险性分类方法相比，虽然两种判定标准存在明显差异，但各区域的评价结果没有出现大于1个等级的跳跃。该模型没有某个因素占绝对优势，充分发挥各因素的主控能力，模型准确率、精确率、召回率、F1分数、P-R曲线及ROC曲线等多项指标均高于期待值，预测分区精确度高，解决了“双系数”评价面临数据少和考虑因素不全面的问题，增加了突水评价分区的可信度，证实了混淆矩阵突水危险性分类模型的合理性。

• 深部高承压水多层结构底板破坏机理及应用

  李昂, 杨钧皓, 王峰, 马政和, 赵磊, 黄刚, 吕光辉,

  澄合矿区在高强度开采条件下矿井进入薄隔水层、带压系数高、构造复杂的深部采区，深部采区接续上一采空区布置工作面势必会加大底板破坏深度，破坏裂隙一旦导通含水层K2灰岩含水层与奥陶系灰岩水直接构成补给通道，将影响工作面的安全开采。为此，首先基于岩层地质结构特征，构建了4层结构底板塑性破坏力学模型，并进行了4种工况下的理论分析；然后模拟分析了工作面在重复采动影响下底板岩体位移场、应力场分布规律及塑性区发育特征；最后使用钻孔应变监测和压水试验方法在董家河煤矿23502工作面和23503采空区进行了底板破坏深度现场测试。结果表明：运用4层结构底板塑性滑移线场理论，按主动极限区深度划分23502工作面属于第3种工况，计算出最大破坏深度为18.32 m，23503工作面属于第2种工况，计算出最大破坏深度为15.83 m；数值模拟显示了在双面开采影响下底板的破坏深度显著增加，尤其是在临近煤柱区域下方，破坏深度最大可达18.5 m，高于单工作面15.8 m的破坏深度。面间煤柱受多重采动应力场影响，内部的弹性核区由单面开采的23 m减少到约14 m，煤柱两侧下方支承压力峰值始终处于高位，峰值系数最大高于单面开采的1.35倍。压水实测数据显示23503采空区底板最大破坏深度为15.85 m；钻孔应变监测数据显示23502工作面底板最大破坏深度为18.3 m。理论计算与数值模拟及现场实测结果较相一致，研究结果可为澄合矿区及其他相似矿区承压水体上开采煤层提供一定的指导意见。

• 基于主客观组合赋权的TOPSIS-RSR风化基岩含水层富水性评价

  杨磊, 包康光, 侯恩科, 路波, 李研,

  风化基岩含水层作为陕北侏罗纪煤田的主要突水水源之一，严重威胁着矿井的安全开采。准确预测风化基岩含水层的富水情况，是矿井防治水工作中的重要一环，对保障矿井安全生产具有重要意义。以红柳林井田西一盘风化基岩含水层富水性作为研究背景，选取含水层厚度、岩性组合、风化程度、风化基岩顶面标高和埋深5个影响因素作为评价指标，建立了风化基岩含水层富水性评价体系；依据综合评价理论提出了一种以模糊层次分析（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP）主观赋权法和变异系数（Coefficient of Variation，CV）客观赋权法相结合的主客观赋权方法分配各指标权重，该方法充分考虑了人为因素的主观性和数据本身特征，提高了指标赋权的客观性；基于主客观组合赋权的方法构建了以逼近理想解排序法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution，TOPSIS）进行排序、秩和比法（Rank-Sum Ratio，RSR）辅助分档的富水性评价模型。通过该模型对研究区内风化基岩含水层富水性进行评价，将评价结果转换为了可视化分区图，并综合抽水试验钻孔单位涌水量对分区结果进行验证。结果表明：红柳林西一盘区及周边41个抽水试验钻孔，除B23-27、L6水、Z4抽水试验钻孔外，其余抽水试验钻孔分区结果与单位涌水量划分结果一致，说明该模型的富水性分区评价结果基本可靠；显示了该模型具有较高的准确性和科学性，丰富了富水性评价方法，为相似条件下的矿井含水层富水性评价提供了新的思路和方法。

• 基于深度学习的岩巷爆破参数智能设计系统开发与工程实践

  金庆雨, 岳中文, 薛克军, 唐韬涛, 陈亮, 马洪素,

  传统岩巷爆破参数设计方法主要依赖专家经验和人工绘制，由于缺乏高效的工具和系统，设计效率低，成本高，且对复杂地质条件适应性差，难以满足现代施工要求。以中国北山地下实验室地下280 m水平巷道的三心拱工作面开挖为背景，开发了一种基于深度学习的岩巷爆破参数智能设计系统。系统通过输入基本爆破需求参数，包括断面宽度、高度、岩性参数、循环进度等，利用深度学习模型优化爆破参数，智能生成符合施工规范的炮孔布置图，实现爆破设计的高效与精准。系统的核心模块采用随机森林与强化学习相结合的方法，通过堆叠集成学习方法提升模型的预测精度和泛化能力，输出包括炮孔数量、间距、装药量等在内的优化参数。该系统基于Python语言与Django框架开发，集成了绘图工具，能够智能化设计爆破参数并实现炮孔布置图的自动绘制与可视化。系统设计注重模块化与扩展性，涵盖数据处理、深度学习模型训练、参数优化、图形生成以及爆破日志记录等功能，各模块通过API接口实现高效数据交互和功能耦合。结果表明：系统在提高爆破设计效率方面表现突出，设计效率提升了30%以上，炮孔利用率提升了10%以上，超挖控制在≤10 cm。该系统显著降低了对人工经验的依赖，提升了爆破设计的准确性和可靠性，为智能爆破领域提供了有效的技术支持。

• 井下煤炭运输多环节复杂背景下高精度煤矸识别方法

  栾亨宣, 安乐, 田莹, 顾颉颖, 张强, 陈宏伟, 付翔, 胡成军, 崔志芳, 陈锐,

  煤矸智能分选是发展煤炭智能绿色开采的关键技术之一。准确识别煤矸石是智能分选的先决条件，如何克服井下复杂环境的影响，已成为影响机器视觉识别效果的现实难题。针对井下煤炭运输系统，构建具有单一、二混合和三混合背景的11类图像数据集，包含水渍、煤粉、碎煤与碎矸石及运输设备部件等背景干扰因素。提出了一种融合多种注意力与残差连接的高精度煤矸智能识别方法，高分辨率阶段使用残差卷积块快速生成高质量标记(token)，后续阶段使用级联的Channel Spatial Swin Transformer Block (CSSTB)进行深层表征学习。为提升模型对背景噪声的抗干扰能力，网络集成全局、通道、空间多种注意力机制，增强特征表达的鲁棒性。CSSTB中利用基于负斜率特性强化稀疏激活的LeakyReLU线性注意力机制建模全局信息，通过卷积注意力机制模块(CBAM)优化模型注意力分布，提升模型泛化能力。此外，考虑到煤、矸石和输送设备零部件的尺度差异，跨阶段使用残差连接以增强多尺度特征的通信和信息流通。结果表明：所提模型在单一、二混合和三混合背景上的平均准确度达到95.06%、97.77%、95.65%，相较于基线网络Swin Transformer-Tiny分别提高7.01%、4.83%、1.03%。可视化试验表明，对比模型在水渍、暗光和反光等复杂背景干扰下难以准确区分煤和矸石，而所提出模型能够精准聚焦于煤和矸石的关键特征区域，抗干扰能力强。研究结果为井下原煤运输中的煤矸高效分选提供了理论参考。

• 改进RT-DETR的煤矿刮板输送机链条故障智能识别方法

  毛清华, 郭文瑾, 苏毅楠, 司马俊雷, 薛旭升,

  针对目前煤矿刮板输送机链条多故障识别中的主要问题，提出一种基于改进RT-DETR( Real-Time DEtection TRansformer)的煤矿刮板输送机链条故障智能识别方法。该方法在数据集构建时，运用基于HSV三通道的图像预处理方法对煤矿刮板输送机链条图像进行数据降噪与增强处理，提升图像质量。在改进的RT-DETR算法中，通过采用MobileNetV4作为主干特征网络，提升主干网络特征提取效率；通过将混合编码器中的普通卷积替换为效果更佳的Ghost卷积，降低算法参数量，提升识别速度；通过运用CSPStage特征融合模块和Inner-GIoU损失函数，增强特征利用和融合的能力，提高识别准确率。为了验证算法改进模块的效果，通过消融实验结果表明：改进RT-DETR算法与原RT-DETR算法相比，识别准确度提升1.6%，每秒处理的帧数提升15.5 frames/s，模型大小降低36%，参数量减少35.9%。运用改进RT-DETR算法与YOLOv8m-ghost、YOLOv8m-RT-DETR和 YOLOv10s算法进行多故障识别对比实验，对比实验结果表明：改进RT-DETR识别算法在各指标上均效果最优，能够实现刮板输送机链条断链故障和磨损故障的高效准确识别，识别准确率达到97.6%，每秒处理的FPS值达到67.2 frames/s，能够在空载和未满载状态下，满足煤矿刮板输送机链条故障在线高效准确识别的需求。