煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2026年第2期

• 我国煤与瓦斯突出灾害发生机理与防治技术研究新进展

  范超军, 蒋晓锋, 刘厅, 罗明坤, 韩军, 兰天伟, 杨雷, 贾策,

  煤与瓦斯突出是煤矿井下发生的一种矿井动力灾害，往往造成群死群伤事故，严重制约着煤矿安全高效生产。我国学者在煤与瓦斯突出防治方面开展了大量的研究和探索，为煤与瓦斯突出防治现场实践提供了理论依据和技术指导，取得了较为显著的成效。系统总结了我国煤与瓦斯突出发生机理、预测和防治技术等领域的重要成果，并论述了我国“十四五”时期取得的代表性创新成果。“地应力、瓦斯参数和煤岩体强度”多因素共同作用的综合作用假说在煤与瓦斯突出发生机理中占主导地位。煤与瓦斯突出预测从早期的单因素指标预测逐渐向多因素综合指标预测过渡。“十四五”时期，学者们研发了多种突出预测算法及模型，实现了突出预测从“经验驱动”到“数据驱动”的转变。基于诱导突出发生的主要因素，提出了突出煤层“卸−降−抗”联合防突技术体系，沿着该体系脉络系统性总结了我国学者在突出防治技术方面的创新性成果，分析了突出防治技术目前存在的问题。最后，针对深部突出煤层“三高一低、强扰动”防突难度大的问题，提出了煤与瓦斯突出发生机理、预测方法和防治技术未来的发展趋势和展望，以期提高我国煤与瓦斯突出防治理论水平和技术能力。

• 煤体微纳结构重建及其在注水渗流机理中的应用研究进展

  王刚, 陈雪畅, 褚翔宇, 秦相杰, 韩冬阳, 陈昊, 张晏铭,

  煤层注水是粉尘、瓦斯等灾害源头治理的关键技术。煤体复杂孔裂隙结构直接影响煤层注水效果，明确煤体微观结构分布及其内部水渗流机理至关重要。在众多煤结构探测手段中，扫描电子显微镜（SEM）、聚焦离子束扫描电镜（FIB-SEM）、计算机断层扫描（CT）等数字图像技术以可视化、可定量等优势被广泛应用于煤体孔裂隙的分析与研究。基于此，分析了数字图像技术的原理、观测尺度、图像处理过程，论述了其在煤岩体孔裂隙表征及水渗特性分析中的应用效果，在此基础上进一步展望了数字图像在煤岩体渗流领域的发展方向。SEM、FIB-SEM、CT等数字图像技术共同构成了从纳米到微米尺度表征煤体孔裂隙结构的核心技术体系。SEM主要用于表面二维形貌分析，FIB-SEM可实现纳米孔隙的三维无损探测，CT则适用于微米级孔裂隙的三维可视化。表征单元体（REV）有效解决了煤体数字图像中微观孔裂隙非均质性与宏观工程参数的尺度关联问题，基于多结构参数协同确定的REV尤为重要。数字图像需要经过降噪、阈值分割、三维重构等步骤才能有效观测孔裂隙结构。在分割过程中，MP-Otsu和基于U-net的深度学习方法展现出显著优势。基于数字图像三维重建模型的渗流模拟，是揭示孔裂隙结构与水渗行为内在机制的有效途径。通过数字图像人造裂隙技术等可控方法的研究表明，孔裂隙形状是影响渗透率的关键因素，且不同形状的贡献度存在明显差异；裂隙开度对渗流的影响存在非线性分段特征，并与表面粗糙度产生耦合效应。连通孔裂隙是水分运移的主要通道，极大增进了对煤体内水分分布真实状态的认识。当前数字图像技术在煤体注水渗流研究中仍面临现有孔裂隙表征方法对煤岩等有机岩石的适用性不足、渗透率REV难以界定、图像分辨率与视场范围存在矛盾等关键挑战。未来研究应聚焦于开发新型原位动态成像技术、建立多尺度耦合的渗流预测模型，并大力发展基于人工智能的多尺度图像融合与超分辨率重建算法，以推动煤层注水技术的精准和高效发展。

• 我国煤矿区定向钻进轨迹控制关键技术及发展趋势

  杨冬冬, 张幼振, 李泉新, 陈龙, 陈刚,

  我国煤炭资源储量丰富，但地质条件复杂，煤层赋存条件差异显著。随着煤炭资源开采难度与安全风险增加，煤矿区定向钻进技术在矿井灾害防治及隐蔽致灾因素探查中的重要性愈发显著，钻进轨迹精准控制成为定向钻进技术保障煤炭安全高效开采过程中的开采效率、降低成本及保障安全的核心技术环节。21世纪以来，定向钻进技术通过融合物联网、大数据、人工智能等科技，实现了从人工经验主导到科学化、精确化，再到自动化、智能化发展的技术演进。详细阐述了钻进轨迹控制的关键技术的发展现状及不足，包括基于单弯螺杆马达的定向钻进技术、旋转导向钻进技术、随钻测量技术。基于单弯螺杆马达的定向钻进技术应用广泛，滑动造斜过程中未充分利用钻机能力，而复合钻进过程中无法调整钻进轨迹。旋转导向技术作为前沿技术，通过井下智能系统实时调整钻头姿态，实现了“随钻调整”，显著提高了钻进速度和控制精度，但是煤层应用造斜率不足。随钻测量技术的发展为轨迹监测与预测提供了有力支持，但该技术存在信号衰减、信号延迟及地层干扰等问题。通过国内外在定向钻进技术及其装备研发方面的最新成果综述分析，探讨了技术发展趋势，包括钻进轨迹控制的自动化与智能化融合、旋转导向技术优化创新、多参数随钻测量与传输技术革新以及装备与工艺协同创新，将为未来钻进轨迹控制技术的发展指明方向，推动该领域技术水平的不断提升。

• 我国矿山智能机器人发展与研究概况及典型应用场景分析

  杨磊, 戴守晨, 鲍久圣, 胡而已, 阴妍, 王雷, 王茂森, 张可琨,

  矿山智能化发展理念的普及和智能化建设的需求推动了我国矿山智能机器人领域的研究，矿山智能机器人在提高生产效率、降低人工作业劳动负担和安全风险等方面表现出了突出优势。为详细分析我国矿山智能机器人的发展研究及应用现状，首先，对近年来我国矿山智能机器人的发展背景进行阐述，对当前我国矿山智能机器人领域的相关文献研究、专利申报和人才培养方面的发展现状进行总结分析，在此基础上进一步对矿山智能机器人研究方向和研究内容存在发展不均衡现象的原因进行探究；其次，针对《矿山智能机器人重点研发目录》所涵盖的掘进智能机器人、采矿智能机器人、运输智能机器人、选矿智能机器人、辅助作业智能机器人、安控智能机器人和救援智能机器人共7类矿山智能机器人典型应用场景分别进行阐述，以《矿山领域机器人典型应用场景名单》中部分矿山智能机器人应用场景和已取得显著应用成效的矿山智能机器人应用场景进行分析，论述各类矿山智能机器人在替代人工进行危险繁重作业、提升生产效率与安全性方面的实际成效；最后，对我国矿山智能机器人存在的共性问题和后续发展趋势进行探讨和展望。由于矿山环境复杂多变，目前我国矿山智能机器人在共性关键技术和应用推广方面虽取得了显著成效，但距实现完全自主和无人化作业仍面临着众多挑战，在后续相当一段时间内，我国矿山智能机器人将始终处于发展阶段。

• 基于数字孪生的综采装备技术应用研究综述

  田莹, 范宇鑫, 张强, 刘峻铭, 顾颉颖, 刘伟,

  推进矿山智能化建设是提升煤炭行业安全、高效、绿色发展水平的重要途径。数字孪生技术作为新一代信息技术，在煤矿综采装备领域的应用为智能化转型提供了重要支撑，因此，开展了煤矿综采装备数字孪生技术的综述研究。首先阐述了数字孪生的基本概念与核心思想，在此基础上重点从机械行业应用现状进行切入，具体分析了数字孪生技术在机械设计制造、故障诊断维护以及产业链协同中的具体实践，为煤矿领域应用提供了理论和技术参照。进而，综述了数字孪生技术在煤矿领域应用与未来发展趋势，特别聚焦于综采装备技术环节，详细综述了数字孪生在综采三机和智能化综采系统融合中的研究现状，包括状态监测、故障预测、自适应控制、智能截割和协同运维等多个具体应用场景。研究表明：数字孪生技术通过实时数据采集、虚拟建模和智能分析，可以实现对采煤机、刮板输送机、液压支架等关键设备的全生命周期管理，可显著提升故障预测精度和生产效率。面向未来，需着力突破多物理场耦合建模、井下高精度感知、跨系统协同决策等关键技术瓶颈，推动研究范式从“模型/数据驱动”向“融合驱动”，从“单一设备优化”向“系统控制协同”根本性转变，并通过制定行业标准与构建开源生态，破解数据壁垒与互操作性难题，以此促进数字孪生在智慧矿山建设和智能化无人开采中的深度应用与落地见效。

• 矿井高尘雾环境下图像去雾方法研究综述

  寇旗旗, 曹猛, 夏小龙, 陈亮亮, 江鹤, 程德强,

  矿井高尘雾环境下图像去雾技术，在煤矿安全生产与自动化管理中占据关键地位。矿井作业环境特殊，深井、高温高湿区域的矿尘、粉尘与水雾易持续积累，形成高质量浓度、非均匀分布的尘雾环境。这种环境会引发强烈光散射，导致监控图像出现视距骤缩、对比度骤降、细节模糊等问题，直接干扰基于视觉的井下安全隐患识别、人员动态追踪及设备运行状态监测，制约煤矿信息化与智能化开采进程。因此，研究矿井高尘雾图像去雾技术，对保障采掘作业安全、提升自动化管理效率具有不可替代的现实意义。为深入探究矿井高尘雾环境下图像去雾算法的发展轨迹、现状及未来趋势，依据不同原理，将图像去雾算法分为图像增强、图像复原、基于融合和基于深度学习4类方法。详细阐述了各算法的发展历程，列举了其与矿井高尘雾环境图像结合的应用实例，分析了经典算法的优缺点。通过实验，对比分析并总结各类去雾算法在自然图像和矿井高尘雾图像上的优劣，试验显示，自然图像上CNN与Transformer模型性能领先，但矿井环境中CNN模型因适应性更强表现更优。同时总结了目前矿井图像去雾面临的挑战，并展望了图像去雾技术在矿井环境中的应用前景。当前面临专用数据集缺失、动态尘雾与噪声干扰、多维度退化处理难、算法需轻量化及安全特征评估标准缺乏等挑战，未来的研究应致力于开发更加鲁棒且适应性强的去雾算法，并结合矿井环境的特殊性，利用传感器融合、深度学习等先进技术提升去雾效果，同时构建真实矿井数据集，探索无监督学习，融合多源数据，优化算法实时性与轻量化，建立安全导向评估体系，推动矿井视觉监控向智能化升级。

• 急倾斜近距离煤组短壁综放联合开采方法

  王红伟, 白金源, 王立伟, 焦建强, 田程阳, 闫壮壮, 郭电闯, 王乐辰, 王正富, 茹笑辉,

  倾角大于50°且单层厚度介于4～10 m的急倾斜近距离煤层群组是综采技术禁区，亟需进行技术革新。以新疆天顺煤矿急倾斜近距离煤组为工程背景，基于复合采场围岩链式结构跨层联动失稳特征，提出急倾斜近距离煤组联合开采可行性方案，并确定最优方案为大段高水平分段煤矸同放联合开采。采用物理相似模拟、数值计算、理论分析等相结合的研究方法，系统分析了分段高度和放煤工艺对工作面安全−产能综合效应的作用机制，建立了顶部煤岩放出体“应力释放率−塑性分布度”双指标评价方法，确定了合理段高，揭示了不同放煤方向和顺序的煤岩放出特征，优化了放煤工艺，并进行了工业性试验验证。研究结果表明：随分段高度增加，应力释放率与塑性分布度呈现减小特征，在段高25 m时，分段间煤岩卸压破坏程度与工作面产能达到最优平衡，应力释放率与塑性分布度分别为46.25%、42.92%，煤岩冒放性好，经济效益高，为最优分段高度；由工作面顶板侧向底板侧放煤可有效减弱在重力−倾角效应与边壁效应耦合作用下间隔岩层超前运移堵塞放煤通道与顶板侧煤体超前流向采空区顶部无法放出的现象，较由底板侧向顶板侧放煤放出率高出5% ～ 8%；在放煤方向相同条件下，多轮间隔放煤较多轮顺序放煤，放出率高出0.2% ～ 3.2%，工作面选用顶板侧向底板侧多轮间隔放煤工艺。现场工业性试验表明，试验工作面回采期间无强烈矿压现象，煤岩采出率可达85%，实现了急倾斜近距离煤组安全高效开采，对同类煤层的开采具有借鉴意义。

• 特厚煤层综放工作面过复杂构造区开采工艺优化与回撤通道联合支护技术

  李杨, 王楠, 刘令生, 张建, 李海波, 邹淩雲, 王承乾, 宋一飞, 曹晋龙,

  在煤层开采过程中，断层、风化带和褶皱等复杂地质构造区常导致塌陷和冒顶等灾害，威胁采场安全并增加巷道维护成本。为科学指导工作面安全高效通过复杂构造区，以内蒙古红树梁煤矿6106工作面为工程背景，针对采面内遇复杂构造区煤岩风化严重，工作面无法正常推进、围岩难以控制等难题展开了系统的研究。构建并优化了一种“调斜−揭露−支架回撤−缩面”的过构造区开采工艺路径，并基于力学稳定性判据对其关键参数进行了定量分析。研究揭示了在工作面揭露回撤通道过程中采场应力集中的动态迁移规律以及巷道围岩的变形特性，并系统分析了渐变煤柱内支承应力分布特征，结果表明：随工作面的推进，采场应力集中由工作面中部向构造区煤柱逐步迁移；巷道围岩应力集中区域由工作面侧（左下角方向）向构造区侧（右上角方向）迁移，并呈现沿该方位的空间转移趋势；巷道围岩的稳定性在不同推进阶段存在显著差异，随着工作面逐渐接近回撤通道，围岩应力和变形增大，顶板下沉明显，围岩承载能力显著下降，需针对性强化支护措施。基于巷道围岩在各阶段的力学响应特性，针对性地提出了工作面揭露回撤通道前期采用“锚−网−索”支护模式，并随工作面推进逐步实施“一梁三柱→一梁四柱→局部补强支护”的动态联合支护技术。现场应用和监测结果显示，该支护方案有效控制了围岩变形，提升了巷道稳定性，降低了维护成本及破坏风险，为特厚煤层综放工作面穿越复杂构造区的安全高效开采提供了可靠的理论支撑与技术指导。

• 回采工作面顶板灾害全生命周期防控策略及实践

  张震, 徐刚, 黄志增, 刘晓刚, 刘前进, 高晓进, 薛吉胜, 李正杰, 蔺星宇,

  顶板灾害防控是制约煤矿安全高效开采的核心技术挑战。近年来，顶板事故的发生频率与危害程度呈明显上升趋势，凸显当前防控思路在应对复杂多变地质条件时仍显不足。现有回采工作面顶板灾害防控多属灾后应急处置，缺乏贯穿开采全生命周期的系统性动态监测机制与主动调控能力，防控方案制定常依赖静态力学模型或相对固化的实践经验，难以有效遏制复杂地质条件与采动扰动叠加诱发的顶板灾害风险。提出“回采工作面顶板灾害全生命周期防控”核心原则，系统构建了采前灾害预防控、采中监测预警与动态调控、采后总结应用3阶段综合防控体系。采前阶段通过融合地质勘探数据、钻孔窥视等多源地质信息与历史矿压分析，预判潜在灾害风险区域及类型，据此优化回采工艺、开采尺度、架型选配及支护强度设计，并遵循“一钻场一方案”原则，运用水力压裂等技术主动弱化厚硬顶板，实现灾害源头防控。采中阶段构建位移−应力−能量多场协同的近远场监测系统，实时感知顶板状态并识别灾害前兆信息，通过多场数据联动解析致灾机理、锁定主导层位，支撑防控策略动态优化。采后阶段系统总结已采工作面全生命周期矿压规律、防控措施效果及工程经验，指导相邻或类似地质条件工作面的灾害预控，尤其在初采期强制放顶、正常开采期周期来压步距预测与强矿压防控、末采期顶板维护与回撤通道稳定性控制等关键环节实现超前干预。曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面实践表明：全生命周期主动防控体系有效保障了超大采高工作面围岩稳定，周期来压期间支架最大下缩量较同翼综放工作面降幅达23.4%，煤壁片帮得到了有效控制，显著降低了顶板灾害风险。研究成果为复杂地质条件、超大超长工作面高强度开采的顶板灾害主动辨识、精准预警与高效防控提供了系统性理论框架与技术路径，对推动煤矿顶板灾害精准防控具有重要实践意义。

• 深部充填开采厚硬顶板运移特征及减灾防冲机理

  白二虎, 王燃烈, 郭文兵, 谭毅, 李辉, 李学燚, 程苏林,

  为解决厚硬顶板破断诱发冲击地压灾害的问题，以深部厚硬顶板为研究对象，综合运用理论分析、工程试验及现场监测等手段研究了充填开采下厚硬顶板破断特征，建立了基于厚板理论的厚硬顶板沉降力学模型，推导了采动厚硬顶板挠度曲线方程，量化了充填体有效边界尺寸与充填率对顶板变形的影响特征，并厘清了厚硬顶板与有效充填参数的关系。在此基础上，提出了基于等价采高模型的覆岩破坏高度控制方法，阐明了充填条件下厚硬顶板的空间演化特征，揭示了深部充填开采厚硬顶板减灾防冲机理，并以“二元协同”充填率提升技术进行了实践验证。结果表明：采用“二元协同”提升技术后，充填率从75%提升至90%，4种充填率下厚硬顶板总沉降量中欠接顶量的占比分别为86%、80%、72%和55%，有效边界范围显著扩大，有效充填空间从2.63 m增至3.25 m，增加了充填体与厚硬顶板的接触面积，使充填体承载能力提升约55%；同时，随着充填率的增加，有效边界区域顶板沉降量明显减小，厚硬顶板沉降曲线整体呈现下降趋势，顶板沉降量由800 mm降至62 mm，微震事件能量均值和频次显著降低，表明“二元协同”充填率提升技术在深部厚硬顶板工作面实现了减灾防冲目的，显著弱化了冲击地压风险，保障了深部厚硬顶板条件下的安全开采。

• NPR锚固砂岩冲击动力学特性试验

  王炯, 姜健, 王思语, 涂婕, 常译文, 马磊, 王旭, 罗爱忠,

  以砂岩为研究对象，设计制备了具有恒阻特性的模型NPR锚索，通过霍普金森杆（Split Hopkinson Pressure Bar）冲击试验探究锚固岩体冲击动力学特性。基于SHPB试验系统，分别对无锚砂岩、PR锚固砂岩及NPR锚固砂岩试件，在0.26、0.28、0.30 MPa 三种冲击气压下开展动态加载试验，系统对比不同试件的动态力学响应特征、能量传递规律、锚索受力过程及变形破坏特征。结果表明：3类试件的动态抗压强度与峰值应变均呈现显著应变率效应，其中NPR锚固砂岩的动态抗压强度始终高于PR锚索锚固砂岩与无锚砂岩，且峰值应变保持最低水平，表明NPR锚索可通过实时调节支护阻力优化岩体强度；能量分布方面，NPR锚固砂岩的透射能、破碎耗散能及耗散能密度均为最低，其滑移变形机制有效延缓了冲击载荷引发的岩体破裂进程；对比锚索受力过程发现，NPR锚索在冲击载荷下呈现锯齿状波动调节特性，全程未发生断裂失效，相较于PR锚索的脆性破裂具有显著优势；破坏形态对比表明，NPR锚固砂岩仅出现边缘局部崩落，少量大片状岩块剥脱，主体保持长圆柱状结构，破坏形式以张拉破坏为主，而无锚砂岩和PR锚固砂岩均存在较大范围的剪切破坏，破碎程度更重，证实了NPR锚索对张性裂纹扩展的抑制作用。综合试验数据可见，NPR锚索通过增强岩体强度储备、调控能量耗散路径与抑制裂纹扩展速率的三重协同机制，显著提升岩体动态抗冲击性能，为冲击地压防治提供了新的技术路径。

• 乌达矿区浅埋多煤层采动裂隙演化及地表沉降特征

  谭毅, 崔宇航, 郭文兵, 张少普, 王宇, 程浩, 郭纬宇, 张帅,

  针对多煤层重复采动条件下覆岩裂隙发育复杂、地表多次扰动等难题，以浅埋多煤层工作面为研究对象，基于DEM数值模拟结果，引入分形几何理论对重复采动覆岩裂隙进行量化表征，并结合裂隙率理论计算，阐明了煤层群采动裂隙演化及地表损伤规律。结果表明：① 随着煤层下行开采，裂隙经历“激活—扩张—压实—再激活”的周期性演化过程，近距离开采下，覆岩破断角保持相同趋势，随着煤层间距增大扰动效应减弱，形成不同的覆岩破断角，裂隙形态呈“双梯形”。② 基于分形几何理论揭示了煤层群采动裂隙多次扰动、分区演化的复杂发育特征，通过整体分形得知首层煤开采后分形结果在不同因素影响下稳定增长，平均增量维持在0.06左右，而下伏煤层开采后受扰动影响呈先减小闭合后增大扩张的趋势，相较于近距离开采，较大层间距下的整体分形结果受扰动影响更为显著；分区分形维数表征了不同区域采动裂隙的发育程度，并将其分为“裂隙发育区—扰动激活区—闭合压实区”。③ 利用图像处理技术提取裂隙长度得出，埋深小于100 m的区域裂隙平均长度为39.4 m，远高于埋深在100 m以下的23.7 m；通过对不同位置裂隙率以及其增量进行计算分析，在间距21.26～27.42 m时上层扰动裂隙率增量显著，在间距为86.8 m时扰动效应衰减，裂隙率增量较少，地表下沉量增加，裂隙随采动呈现扩展与闭合交替的动态演化特征。④ 根据模拟结果、地表最大下沉模型和概率积分法对地表沉陷进行预计，结果绝对误差不超过3.6%；由地表沉降与裂隙演化关系曲线得出浅埋多煤层采动下地表沉降量与裂隙发育呈正相关。

• 基于CT三维重构煤岩疲劳损伤演化及数值模拟研究

  李杨杨, 庞海超, 张士川, 许亚栋, 张搏明, 杨华帅,

  为了深入探究不同蠕变损伤条件下煤岩疲劳损伤演化特征，揭示煤岩内部复杂孔裂隙结构变化与其劣化失稳之间的内在联系，以室内试验结果为基础，开展不同蠕变损伤煤岩三维重构量化分析以及裂隙盒维数分形分析,对煤岩内部复杂孔裂隙结构变化展开详细研究；借助PFC3D数值模拟软件生成了不同随机孔裂隙率的煤岩试样，模拟了不同蠕变损伤条件下煤岩的疲劳损伤特性。研究结果发现：煤样内部孔裂隙大小、数量及连通情况受加载时长及个体差异影响表现出高度随机性；蠕变损伤煤样裂隙盒维数显著增加，随时间推移煤样内部孔裂隙结构愈加复杂、无序并伴随阶段性特征；煤岩数值模拟结果与室内试验的破坏模式及力学特性较为接近，煤样内随机生成的孔裂隙率对煤样劣化失稳存在明显阈值效应，低于此阈值，孔裂隙未完全离散试样，仅在局部形成连通程度较高的劣化区域，产生明显的局部拉剪破坏；高于此阈值，试样被随机产生的孔裂隙离散成若干微小单元体，煤样整体强度大幅降低，破坏模式为整体塑性破坏。蠕变试验中煤岩内部裂隙的扩展和新生裂隙的发育存在明显阶段性特征，数值模拟分析发现孔裂隙率是导致煤样整体性能变化的关键因素，两者都反映出煤岩内部结构变化对煤岩整体稳定性的影响，揭示了煤样内部因孔裂隙数量、空间展布差异所导致的多梯度损伤现象。

• 低压磨料空气射流切槽辅助TBM滚刀破岩动力学特性分析

  张宏图, 刘喜辉, 魏建平, 刘勇, 杨耀浦, 李博涛, 杨正凯,

  为明确低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破岩动力学特性及切槽间距的影响。开展常规滚刀破岩和低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破岩试验，对比分析了2种工况下的岩石破坏特征和滚刀垂直载荷，利用颗粒离散元软件PFC3D建立滚刀破岩三维数值模型，模拟常规工况与不同切槽间距下的滚刀贯入及切割岩石过程，分析滚刀破岩过程的受力情况、裂纹扩展及应力演化特征，揭示切槽辅助下的滚刀破岩动力学特性及切槽间距的影响。结果表明：切槽前，裂纹主要分布于滚刀刀刃周围，张拉裂纹向岩石上表面和内部延伸，滚刀压痕处形成“沟壑状”破坏形貌；切槽后，裂纹被限制于两侧切槽之间，张拉裂纹倾斜扩展至切槽底端。当切槽间距为65～85 mm时，裂纹向两侧切槽底端扩展贯通，岩石呈现两侧贯通破坏现象，滚刀压痕处形成“岩脊状”破坏形貌；当切槽间距为95～105 mm时，一侧切槽底端处峰值应力无法达到岩石抗拉强度，岩石呈现单侧破坏现象。切槽限制应力的侧向传递并促进应力的切向传递，滚刀斜下方位置处产生高应力集中。切槽辅助下，滚刀贯入及切割过程所受法向力和滚动力较常规工况下显著降低，随着切槽间距增加，滚刀所受最大法向力及岩石破坏时所对应的滚刀贯入深度逐渐增加，滚刀所受法向力和滚动力逐渐增加。基于实验及模拟结果分析，在滚刀贯入度6 mm条件下，切槽深度12 mm、宽度5 mm对应的临界间距约为90 mm。利用低压磨料空气射流在临界间距内进行切槽有助于增强滚刀破岩效果，提高TBM掘进效率。

• 石门揭煤诱发煤与瓦斯突出演化过程及失稳机制

  张超林, 姜巧真, 康勇, 陈月霞, 王恩元, 赵恩来, 刘泉霖,

  煤与瓦斯突出（简称突出）是煤炭开采过程中一种复杂的动力灾害现象，严重威胁矿井安全生产，其中石门揭煤诱发突出的平均强度最大。为此，利用自主研发的多功能煤与瓦斯突出模拟试验系统，开展了25、50、70、100 mm突出口径条件下的石门揭煤突出物理模拟试验，发现随着突出口径的增加，煤层瓦斯压力下降速率加快，突出煤粉运移速度有所增加且破碎程度显著增强，同时相对突出强度呈线性增长趋势，分别为6.93%、25.83%、48.03%、70.31%。结合煤与瓦斯突出物理模拟试验建立了流固耦合数学模型，利用COMSOL模拟分析了突出不同阶段的多物理场演化规律。模拟结果表明：突出准备阶段，暴露面附近煤体发生应力集中和塑性变形，25、50、70、100 mm突出口径下应力集中系数分别为1.31、1.36、1.40、1.51，塑性区以环状形态分布在突出孔洞周围，分布面积分别为90.75、401.31、884.18、2250.5 mm2；突出发展阶段，煤层内依次形成球向流区、过渡区和单向流区，其中暴露面附近的球向流区瓦斯压力梯度较大，以渗透力的形式作用于煤体；计算得到4组模拟条件下最大瓦斯渗透力分别为7.87、10.15、14.94、21.73 MPa/m，与突出口径呈正相关，同时具有衰减速度快、作用范围小的特点，影响时间主要集中在煤体暴露1 s时间内，作用范围主要位于暴露面附近10 mm煤体上，使得煤壁薄层易发生拉伸破坏从而诱发突出。最后针对石门揭煤作业特点分析了石门揭煤诱发煤与瓦斯突出的演化过程、失稳机制及影响因素，并探讨了防控石门揭煤突出的思路和措施。

• 煤层瓦斯抽采动态参数自适应调控模型与工程应用

  夏同强, 严欣, 王静, 李小林,

  针对煤矿井下瓦斯抽采系统负压分配失衡导致的抽采效率低、瓦斯浓度衰减快，以及管网存在监测盲区造成的信息缺失无法实现负压与工况精准匹配等难题，创新性地研究了泵阀联合自适应调控抽采参数的方法，构建了以瓦斯浓度与纯流量最大化为目标的参数调控准则，提出了“整体粗调−局部精调”多级调控策略，解决了单独调节某个动力/阻力元件不足以实现各区域负压与浓度、流量的动态匹配的难题。基于井下抽采管网结构特征及管路气体流动理论，建立了瓦斯抽采管网参数实时解算与智能调控模型，定义了以阀门阻力系数 \xi 与微型抽采泵供给负压 \Delta P 为关键表征参数的瓦斯抽采调控因子，结合粒子群全局寻优与牛顿迭代局部收敛特性，建立了PSO（Particle Swarm Optimization）-Newton混合优化算法。以河南某矿2308工作面现场监测数据为依据进行模型验证，压力、流量和瓦斯抽采浓度的解算误差分别为4.6%、7.5%和3.3%，处于可接受的工程误差范围，并对监测数据进行了调控，提高瓦斯浓度4.52%、抽采纯量61.57 m3/h，验证了模型的正确性，实现了调控因子的高效寻优。开发了瓦斯抽采动态参数自适应调控系统平台，成功应用于陕西省韩城市桑北煤矿11306工作面进行瓦斯抽采调控，提升瓦斯抽采浓度1.09%～2.07%，现场试验表明：该方法可以持续提升瓦斯抽采浓度，但调控效果会受抽采工况、煤层渗透性等因素影响，为煤矿瓦斯安全高效抽采提供了理论支撑与技术路径。

• 低渗煤层顺层射流轴向平面切缝技术卸压机制及应用研究

  牛心刚, 张志刚, 张永将, 石必明,

  水力化增透技术是当前瓦斯防治的重要技术之一，但现有水力化增透技术依旧存在卸压区域不连续，施工工艺复杂等问题，为进一步提高煤层卸压增透效果，提出了顺层射流轴向平面切缝新方法，首先构建了平面切缝理论模型，随后分析了围岩压力与射流切缝参数对卸压裂隙发育形态的影响，揭示了顺层射流轴向平面切缝卸压增渗机制，并优化了轴向平面切缝参数，开展了顺层钻孔预抽技术、钻孔环形割缝增透技术、射流轴向平面切缝增透技术的现场应用试验，对比了3种技术的优劣。研究结果表明：采用复变函数的方法构建的顺层射流平面切缝受力模型，能够准确地描述煤体内各点的应力场、应变场变化；侧压系数为1，围压从18.75 MPa不断增大到40 MPa时，裂隙发育高度呈现线性上升趋势，围压小于18.75 MPa时，存在裂隙发育非贯通区，且侧压系数越靠近1卸压裂隙区越大；水平缝槽间距为1.25 m或更小时，卸压裂隙区得到充分贯通，垂直缝间距在5 m以下时，两排切缝之间的裂隙能够形成贯通区，但垂直缝间距大于5 m时，切缝之间难以形成裂隙贯通区，而煤层厚度大于4 m左右时可施工两排切缝；现场试验表明，与顺层钻孔预抽技术、顺层钻孔环形割缝增透技术相比，射流轴向平面切缝增透技术可将瓦斯抽采浓度提高0.27倍和0.5倍、将瓦斯抽采纯量提高1.43倍和2.35倍，将抽采达标预期时间缩短为48 d，进一步验证了顺层射流轴向平面切缝卸压增渗技术的有效性。

• 双频超声致裂煤体裂隙扩展及损伤特性

  张超, 张源福, 包若羽, 秦荣荣, 任波, 程仁辉, 陈志恒, 段晨烨,

  为探究双频超声致裂技术对煤样损伤特性影响机制，采用双频超声致裂系统，对煤样施加不同双频超声频率处理。通过波速检测、单轴压缩−声发射综合试验、分形维数基础理论，分析了双频超声频率下煤样裂隙扩展、损伤与力学性能变化，研究了频率叠加对裂隙扩展以及力学性能的协同效应。结果表明：高频双频超声显著增强了裂隙复杂度与连通性；随着第二频率从20 kHz逐步提升至50 kHz，裂隙长度由78.3 mm提升至128.5 mm，提高了64.11%，其增长率随第二频率呈指数级上升，由15.49%迅速升至89.53%，增幅达477.99%；P波速变化率则以近似线性趋势持续下降，由−5.21%滑落至−25.19%，下降了383.49%，证明了双频超声与瞬时应力场在促进微裂纹萌生、扩展及裂隙网络构建中的关键作用；分形维数增量由0.0167提升至0.1255；分形维损伤参数也呈线性增长，由0.0148升至0.111，提升了6.5倍；声发射监测显示破坏过程分3阶段：初始响应、过渡扩展和临界加速；累积振铃计数由约3.4×105次提升至约4.8×105次，提升了41.18%。力学性能参数增长率均呈良好线性递减趋势，且破坏过程趋于脆性化。抗压强度增长率由−39.98%降至−74.92%，降低了87.39%；峰值应变增长率由−17.68%降至−48.99%，下降了177.09%；脆性指数增长率由−50.59%降至−87.20%，降低了72.37%；吸收能增长率由−61.27%降至−93.62%，下降了52.80%。双频超声通过增强空化效应和应力集中，促进煤样裂隙网络的形成，降低煤样的力学性能。

• 低氧环境下煤自燃的CO2钝化作用及官能团演化

  刘伟, 周禹军, 卢亢亢, 孔昊, 李天男,

  为研究不同CO2体积分数下煤自燃过程中官能团的动态演变，揭示CO2对煤自燃的化学钝化机制。以两渡矿的I类容易自燃烟煤为研究对象，利用程序升温氧化试验，比较了5%、10%、15%和20%等4种氧气体积分数下煤样的氧化放热特性，确定了易于观测CO2钝化作用的临界氧气体积分数；利用傅里叶变换红外光谱，量化分析了不同CO2气体环境下升温过程的煤主要官能团变化；基于皮尔逊相关性分析，探究煤低温氧化过程中各官能团之间的竞争和协同关系；利用密度泛函理论进行了量子化学模拟，分别分析了酚羟基、苯乙酸与CO2的反应路径。结果表明：煤样氧化所需氧气放热临界体积分数为10%，氧气体积分数低于该数值时，煤样的耗氧速率变化率降低49.2%、放热强度变化率降低67.3%；90%体积分数CO2环境下煤样的芳香性提升69.17%、脂肪链长度参数提升31.06%，醚键相对含量无明显变化，最大值对应温度由95 ℃推移至185 ℃；煤氧化过程中芳香结构与邻近含氧官能团之间呈协同演化特性，脂肪链与含氧官能团之间存在竞争性消耗关系，高CO2环境抑制了煤氧化链式反应，使官能团之间的竞争减弱、协同增强，显著延缓了脂肪烃受热断裂，抑制了羟基的消耗和C=O基团的脱羧反应；酚羟基和苯乙酸与CO2的反应能垒低于与氧气反应时的能垒，更易反应生成羧基化合物，放热量更少，从而达到煤自燃的化学钝化效果。

• 贵州上二叠统煤系气资源潜力及勘探开发对策

  高为, 张超, 颜智华, 秦勇, 付勇, 吴财芳, 杨兆彪, 金军, 龙钰, 张栋, 彭真,

  基于近年来贵州煤层气资源评价成果及煤系气勘探研究认识，结合有关游离气预测理论模型，预测了贵州上二叠统龙潭组煤系气资源潜力，分析了贵州煤系气产业发展的有利条件与挑战，提出了煤系气勘探开发技术发展方向和建议。结果表明：全省6个主要煤田龙潭组煤系气资源总量6.12万亿m3，平均资源丰度可达2.24亿m3/km2，其中91%的资源集中在六盘水、织纳、黔北三大煤田，根据区域地质条件和前期试采效果，建议六盘水煤田浅部与深部勘查并重，织纳煤田以浅部勘查为主，黔北煤田重点向深部突破。将贵州省65个重点构造单元按照煤系气资源规模和富集程度划分为四类九型，其中，大型−极高丰度构造单元19个，中型−极高丰度构造单元4个，大型−高丰度构造单元5个，大型−较高丰度构造单元10个，并对比分析了不同构造单元的资源富集差异与有利勘查方向。从资源可靠性、地质认识程度、先导探索成效3个方面分析了贵州煤系气产业发展的有利条件，但当前仍面临资源有效动用率较低、工艺技术适配性不足、新区新层系探索不够等问题挑战，建议分阶段突破浅部优质煤层煤层气新井精细高效开发与低效老井改造、煤矿区井上井下联合高效抽采瓦斯、中深部煤系气优质储层评价与勘探开发、新区新类型薄互层复合储集体煤系气勘探开发4方面关键技术，提出了“变革煤系气产业发展思路，破解目标实现掣肘困局”“注重技术进步支撑效应，多措并举扩大产业规模”等管理措施和建议。

• 准噶尔盆地侏罗系深部煤层气储层特征及其孔裂隙结构

  米巨磊, 靳军, 向宝力, 杨兆彪, 白海枫, 周妮, 王钰强, 张宇, 王嘉楠,

  煤储层基础物性特征是深部煤层气开发潜力评价的重要基础。准噶尔盆地深部侏罗系西山窑组和八道湾组是煤层气勘探开发的主力煤层，其煤层厚度大、分布稳定、覆盖面积广。为研究准噶尔盆地西山窑组和八道湾组煤储层的差异性，笔者采集了研究区2个主力煤层的样品，综合利用煤岩煤质和孔裂隙结构测试实验，系统分析了研究区西山窑组和八道湾组深部煤储层特征。结果表明：① 煤岩方面，西山窑组以惰质组为主，镜质组/腐植组次之；八道湾组则呈相反规律。整体上，上部西山窑组深部煤层的最大镜质组反射率高于下部八道湾组。② 成煤环境上，西山窑组处于干燥−潮湿森林沼泽相，成煤植物以草本−木本植物为主；八道湾组则处于较浅−较深覆水森林沼泽相，成煤植物以草本植物为主。③ 煤质特征方面，两组煤层均以低水分、低−中灰分、特低硫的低变质程度烟煤为主。④ 在孔裂隙结构特征上，西山窑组深部煤层以微孔为主，微裂缝和宏孔次之，孔裂隙结构相对均衡、连通性好，部分孔隙存在矿物充填，裂隙网络较复杂。相比之下，八道湾组深部煤层储集空间同样以微孔为主，微裂缝次之，但孔裂隙结构非均质性较强，裂隙结构较简单，且矿物充填程度更高。⑤ 准噶尔盆地侏罗系深部中低阶煤孔隙随有机质演化呈“U”形趋势（拐点Ro,max=0.7%），相对低成熟期压实减孔，相对高熟期生烃增孔，微裂缝持续发育。煤相分析显示，高结构保存指数、低凝胶化指数、适度地下水指数和高植被指数促进深部煤层孔隙的发育。

• 考虑煤体结构差异的深层煤层气地应力场预测方法

  陈峥嵘, 刘伟, 时贤, 谢昕, 葛晓鑫, 李国武,

  深层煤层气是煤层气资源未来勘探开发的主要方向，其储层具有埋藏深度大、地质结构复杂等特点，导致地应力场极为复杂，对深层煤层气的钻完井及压裂等关键技术提出了严峻挑战，成为制约深层煤层气规模化开发的核心难题。针对深层煤层气地应力建模问题，以鄂尔多斯盆地东缘深层煤层气为研究对象，系统开展了深煤层气岩心室内动静态力学参数试验和声发射地应力试验，获取了深煤岩力学和地应力参数，建立了纵横波时差、动静态力学参数转换模型。构建了基于声波时差、密度、井径测井的深层煤岩煤体结构指数模型，并耦合煤岩上覆地层压力、构造应力、孔隙压力等，开发了深层煤层单井地应力计算新模型。通过现场小型压裂压力降落曲线评估闭合压力，结合声发射试验结果实现水平最大和最小构造应变量的反演。采用有限元地应力反演算法，开展深部煤层区域地应力场模拟，实现深部煤层地应力分布规律预测。结果表明：反演目标区块水平最大和最小构造应变量的平均值分别为0.29、0.11，最大、最小水平地应力相对误差分别平均为9.19%、9.54%，与未考虑煤体结构差异影响的地应力模型对比，构建的地应力模型与闭合应力计算结果吻合度更好，准确性更高，验证了考虑煤体结构的地应力模型具有更优的适用性和应用潜力；预测目标区块地应力场表现为上覆地层压力>水平最大地应力>水平最小地应力，呈正断层应力状态，压裂改造时易形成垂直裂缝，且大部分目标区域水平地应力差较小，顶底板地应力与煤层地应力差较大，有利于复杂缝网的形成并限制裂缝上下穿层，适合大规模缝网体积压裂改造。地应力预测对深部煤层重点开发区域的甜点识别、布井和压裂设计均具有重要的指导价值。

• 高温作用下富油煤孔隙结构及渗透率演化规律

  高喜才, 刘政辉, 伍永平, 童小兵, 马凯祥,

  富油煤在中低温热解条件下优先提取油气是富油煤资源绿色低碳开发的重要发展方向，富油煤储层孔裂隙结构与渗透特性是影响原位加热效能及油气产出率的关键影响因素。采用显微CT扫描、图像处理技术建立了三维等效孔隙网络模型，实现了不同温度下富油煤试样多尺度孔隙结构精细表征，利用COMSOL流固耦合数值模拟方法，运用Beacher模型和Monte-Carlo随机模拟理论，构建了离散裂隙网络渗流模型，揭示了高温作用下富油煤孔隙结构与渗透特性演化规律。结果表明：随温度的升高，富油煤试样孔隙结构、连通性与孔隙率等均呈现阶段性变化特征。在25～300 ℃，由于水分蒸发与吸附气体解吸，富油煤试样小孔向中孔、大孔转变，表现为小孔数量及体积减小，中孔、大孔与超大孔数量先增加后减少，小孔、中孔与大孔孔隙体积减小，超大孔孔隙体积增加，喉道数量与配位数稍有增加；在400～600 ℃，有机质热解和“扩孔效应”导致富油煤试样小孔数量及体积增加，中孔与大孔数量及体积先增加后减小，中孔、大孔与超大孔占比减小，喉道数量与配位数增幅显著。高温作用下富油煤试样孔裂隙结构的多尺度演化，渗透率呈现先缓慢增加后快速上升的阶段性变化趋势；同时，试样渗透率受入口压力影响显著，随压力的升高渗透率先减少后增大，相同入口压力条件下，试样渗透率增幅随温度升高显著增强。

• 基于钻孔综合物探的透明掘进地质导航系统构建方法

  范涛, 刘再斌, 程建远, 李卫, 郝跃, 代振华, 段啸风, 刘文明, 李贵红, 高耀全,

  煤矿巷道快速掘进是保障煤炭安全高效开采的关键环节，针对煤矿智能化掘进中面临地质信息获取精度不足与导航决策依赖经验的双重挑战，提出基于综合钻孔物探的透明掘进地质导航系统构建方法。采用钻孔物探协同超前探测技术、多源地质数据融合解释和导航路线规划算法相融合的方式，构建了“探−导−掘”一体化架构。首先，建立了钻孔−物探数据链协同机制，创新集成了孔中瞬变电磁立体探测、孔中地质雷达精细成像及随钻自然伽马岩性识别技术，利用定向长钻孔实现了对巷道前方1000 m超前距离、径向30 m范围内隐伏含水体、断层构造及煤层顶底板起伏的单孔多参数同步精细化探测。其次，提出了基于贝叶斯框架的多参数联合反演模型与时空协同克里金-STL数据融合算法，有效解决了多源异构数据在统一时空基准下的深度融合问题。最后，构建了结构约束−物性填充的掘进工作面高精度动态三维地质模型，设计了基于改进A*算法的地质适应性导航策略，该策略将地质模型中的水害、构造等风险区域量化为路径搜索的代价函数，结合数字孪生系统的互馈更新机制，实现了掘进路径的自主规划与实时纠偏。经工程实践验证，在某矿24104工作面成功识别隐伏采空积水异常区1处，巷道掘进周期由107 d减少至67 d，效率提高了约37%。该系统突破了传统“探−掘”分离模式，为煤矿巷道快速掘进的长距离超前探测和高精度地质导航提供了地质数据保障。

• 煤矿巷道正反三极双频激电探测方法

  胡雄武, 於浩, 王莹, 邓日新, 张平松, 吴荣新,

  巷道高密度电阻率法在矿井水害探测中发挥着至关重要的作用，但大量工程实践表明，在深部复杂地质条件下，该方法存在电阻率多解性强及富水异常定位精度不足等技术瓶颈，难以满足深部矿井水害精准防治的需求。针对上述问题，基于并行电法仪器在电位采集方面的优势，创新性地提出了煤矿巷道正反三极双频激电探测方法，并建立了配套的数据解编流程。以全空间均匀介质和淮南潘谢矿区深部A组煤底板地层为背景，分别构建了球状和柱状富水异常地电模型，开展了双频激电数值仿真研究。通过对比分析正反三极、单边三极及四极装置的视电阻率和视频散率响应特征与反演成像效果，揭示了不同装置的探测性能差异：四极装置的剖面曲线形态简单，易于识别异常模型位置，但其异常幅度较小，对埋深较大的电性异常灵敏度及成像分辨率较低；单边三极装置的异常幅度较大，但受装置非对称性影响，异常极值点与模型核心存在一定偏差，成像效果不佳；正反三极装置则通过双向数据融合，利用视电阻率的“正交点”与视频散率的“反交点”复合判据，在保留三极装置异常高灵敏度的同时，有效消除了单边三极装置的系统性偏差，实现了异常体的准确归位，改善了电性成像效果。现场试验进一步表明，该方法通过视电阻率与视频散率的联合反演与综合解译，显著降低了电性异常的多解性，准确判定了富水异常区，为构建深部矿井水害精准探查技术体系提供了新的方法支撑。

• 巷道突水垮塌破碎岩体运移特性与堆堵机理

  李桂臣, 沃小芳, 杨森, 孙元田, 李菁华, 郝浩然, 邵泽宇,

  矿井突水垮塌事故是破坏性巨大的地质灾害之一，其中流固两相流的运动与堆积行为直接决定了灾害的演化规模与治理难度。矿井突水垮塌事故中，准确预测不同地质背景条件下碎石流动与堆积特征对灾害的治理至关重要。突水垮塌事故造成垮塌散体在井下搬运和堆积，使垮塌灾情更加复杂。通过室内物理模型试验和CFD-DEM耦合数值模拟，系统研究了不同水压及巷道倾角条件下的矿井突水垮塌事故中碎石运移堆积特征。研究通过物理模型试验宏观再现了碎石从突水口涌出至最终稳定的动态过程，并结合流固耦合模拟揭示了垮塌散体宏细观力学机制。研究结果显示，碎石运移堆积过程呈现初步堆积、快速扩散与稳定堆积3个阶段，且堆积体层序与初始层序保持一致。随着水压增大，突水口下方形成“M”形双峰堆积，巷道倾角增大则使堆积体扩散距离变远、堆积更集中、横向脊更明显、堆积高度增加。在宏观分布上，颗粒粒径呈现显著分选特征，即大颗粒堆积于堆积体前端与外围，小颗粒分布于后端与底部。在细观接触特征分析上，堆积体配位数云图整体呈“四周低、中心高”的分布模式，且其峰值随水压与倾角的增大均呈现先增后降的趋势。对多因素影响下碎石堆积运移特征的研究，可为矿井突水垮塌事故中救援通道的快速构建方案优化与施工安全风险评估提供关键的数据支持和理论指导。

• 综采面装备群与底板系统状态精准虚拟感知与重构关键技术

  谢嘉成, 马凯, 王学文, 乔晓军, 王雪松, 郑子盈, 李素华,

  针对综采工作面装备群位姿数据存在信息部分缺失、传感数据可靠性低、浮动连接机构位姿和底板形态难以求解等问题，提出了一种综采面装备群与底板系统状态精准虚拟感知与重构技术，结合激光雷达和虚实融合技术，构建装备群位姿重构和底板曲面重构双向求解方法。首先在物理空间的采煤机机身和液压支架立柱部位分别安装三维激光雷达和二维激光雷达获取装备群点云数据，对整体装备位姿信息进行增强；然后在集成了物理引擎和关节限制的虚拟场景中获取虚拟点云，并与经过深度学习算法处理的物理特征点云进行虚实点云配准得到平移旋转矩阵，用于驱动液压支架位姿重构；将采煤机运行轨迹转换为驱动数据，驱动采煤机虚拟模型同步运动；同时基于二维点云与采煤机滑靴轨迹拟合平面反演刮板输送机位姿，进而结合液压支架双向推算浮动连接机构位姿，完成装备群的整体位姿重构；最后基于底板与装备的耦合关系，结合采煤机运行轨迹与摇臂滚筒数据构建煤层曲面，并借助装备位姿信息和物理引擎实现工作面曲面重构与反向验证。在煤矿综采成套装备试验系统上模拟井下环境进行试验，结果表明：重构后的装备位置误差在0.05 m以内，姿态误差在1°以内，底板反向验证后的刮板输送机姿态误差在0.8°以内，整体精度较高，为工作面的整体的精准虚拟重构和常态化自主截割提供技术支撑。

• 露天矿无人机巡检：轻量化目标检测与多目标跟踪技术及系统构建

  刘光伟, 雷健, 张磊, 罗霄, 牛喜洋, 张浩博, 袁杰, 秦飞龙, 谯乾林,

  针对露天矿传统人工巡检效率低、故障设备与非合作目标识别难、安全风险高及小目标检测精度不足等问题，同时为补充UWB室内外定位、车载捷联惯性导航等主动定位技术在信号盲区、非合作目标监测等场景的局限，提出轻量化目标检测与多目标跟踪算法，并构建智能化无人机巡检系统。在检测模型设计上，主干网络引入可变形卷积DCNv2，颈部采用渐进特征金字塔网络AFPN，强化多尺度特征提取能力；设计轻量化检测头LSDECD-Head，结合Focaler-GIoU损失函数，提升小目标与遮挡目标检测精度；通过LAMP剪枝算法实现模型压缩，30%剪枝率下仍保持mAP50为0.868、推理时间196 ms的性能，适配无人机计算资源约束。在多目标跟踪方面，改进ByteTrack算法，引入融合目标空间位置、作业状态及外观特征的空间−外观相似度矩阵，结合加速度校正函数优化轨迹预测，使多目标跟踪准确率提升2.6%，ID切换次数减少21次。此外，构建多层级巡检系统，集成数据采集、实时检测与多机协同调度功能，依托5G与自组网技术实现数据传输与远程监控。试验结果表明，该方案在露天矿场景中显著提升设备检测与跟踪的精度及稳定性，为矿山智能化、无人化巡检提供可落地的技术方案。

• 地理加权主成分分析与自适应α-shape的带式输送机堆煤智能识别方法

  毛清华, 何君怡, 刘韩勇, 翟姣, 王荣泉, 薛旭升,

  针对复杂工况下煤矿带式输送机传统堆煤识别方法准确性、稳定性不高和三维点云的煤堆表面三维重建完整性不足导致堆煤误判等问题，提出一种地理加权主成分分析（GWPCA）和自适应α-shape三维点云重建的堆煤智能识别方法。针对深度相机全视角采集点云数据量大导致处理速度慢、识别率低等问题，通过手动绘制ROI(Region of Interest)局部区域确定带式输送机表面目标点云数据，并采用直通滤波有效滤除冗余点和噪点、孤立数据，实现带式输送机表面煤堆点云数据快速、准确获取。针对煤堆侧表面点云缺失问题，构建基于地理加权主成分分析（GWPCA）的改进型泊松表面重建模型，通过输送带面与煤堆上表面的空间拓扑关系，结合法向约束机制实现点云数据补全，并采用最小凸包筛选算法消除伪平面干扰。针对不同形态煤堆与输送带表面分割问题，建立煤堆底部边界紧凑度和局部曲率标准差的函数关系，实现自适应α-shape算法的煤堆底部轮廓边界提取，准确分割煤堆点云数据并计算其等效宽度。针对采用单一参数的堆煤识别方法易受局部敏感值影响导致识别结果出现偏差的问题，提出一种基于煤堆宽/高最大值和等效值联合判别的堆煤识别方法，采用局部点云高度值的核密度函数期望值计算等效高度和最小包围盒计算最大宽、高值。搭建带式输送机堆煤智能识别试验平台，开展不同试验环境下的堆煤识别验证试验，结果表明：正常光照环境下，最大宽度和高度检测的平均误差分别为0.40 cm、0.35 cm，单帧宽/高等效值与最大值之间的相关系数为0.983，平均检测速度为每帧1.15 s，有效反映了真实的煤堆状态；粉尘环境下，最大宽度和高度检测的平均误差分别为0.46 cm、0.47 cm，单帧平均识别速度为1.23 s。等效值能准确反映煤堆整体形态变化，实现了堆煤状态的准确、可靠判别。

• 基于SDSE-YOLO的复杂工况下煤矸石识别方法

  张君, 郭旭, 王丹丹, 刘宇, 师玮, 刘耀宏, 管世瑞,

  为解决煤矿煤矸石分选过程中，现有煤矸石检测算法在针对亮度分布不均、运动模糊、煤与煤矸石外观相似及相互遮挡等复杂工况下识别精度低、易出现漏检误检等技术问题，针对此种情况开展研究，以太原地区煤矿实际采集的煤矸石数据集为研究对象，提出一种基于YOLOv11n改进的智能检测模型SDSE-YOLO，SDSE-YOLO模型在原有模型的基础上针对复杂工况做出3个创新性结构优化：其一，在YOLOv11n主干神经网络前端引入低照度图像增强网络SCINet模块，该模块可自适应校正亮度不均图像的光照分布，为特征提取提供高质量输入基础，进而实现在亮度分布不均的情况下检测精度的提升；其二，在主干神经网络中引入可变形状卷积DCNV2模块替代传统CSP（交叉阶段局部）模块，在最后2个C3k2层引入可变形状卷积核，实现卷积采样点的自适应调整，增强对目标几何变形的捕捉能力，确保在运动模糊和显著几何变形条件下仍能有效提取煤矸石与煤的特征，以此达成在煤和煤矸石运动模糊以及外观相似情况下检测精度的提升；其三，在模型末端引入SEAM模块，以增强在煤与煤矸石相互遮挡场景下识别精度的提升。在自建煤矸石数据集上结果表明：相较于YOLOv11n模型，SDSE-YOLO模块精确度P提升3.5%、召回率R提升3.6%、平均精度均值mAP提升3.8%，对比目前流行检测算法，SDSE-YOLO模型检测精度表现更优异，为在复杂工况下煤与矸石检测提供了可靠解决方案。

• 一种DSP-YOLO煤矿带式输送机人员不安全状态智能检测算法

  樊红卫, 闫昕山, 曹现刚, 李曼, 张旭辉, 毛清华, 肖志昊,

  为解决煤矿带式输送机周遭人员不安全状态检测时因尺度变化和背景遮挡导致的准确率低的问题，提出一种DSP-YOLO带式输送机人员不安全状态智能检测算法。首先，针对原始数据多样性不足和模型泛化能力有限的问题，将传统数据增强与GridMask数据增强策略相结合，以提升模型对复杂背景中遮挡目标和小目标检测的鲁棒性。其次，针对人员不安全状态的检测效率与准确性需求，在主干网络中引入感受野扩展卷积(Shift-Wise Conv, SWC)模块，以扩展模型感受野并增强主干网络的全局特征提取能力；同时，设计多尺度特征融合(Dynamic Multi-Scale Fusion and Triple Feature Encoder, DyMSF-TFE)模块，对多尺度特征进行动态融合，充分利用细节特征和多尺度特征，以提高模型对多尺度目标和复杂背景的适应性；并且，采用PIoUv2损失函数，以缓解遮挡目标和小目标引起的漏检和误检问题。此外，为进一步提升DSP-YOLO在实际场景中的检测性能，使用实验室数据训练模型并进行迁移应用。结果表明，结合传统数据增强和GridMask的数据集较原始数据集的精确度、mAP0.5和mAP0.5:0.95分别增加了3.4%、1.9%和6.6%；DSP-YOLO的精确度、召回率、mAP0.5和mAP0.5:0.95分别达到94.8%、89.4%、93.2%和70.5%，较基线模型分别提升了2.3%、1.1%、0.9%和2.3%；针对现场数据，采用模型迁移应用策略可使检测精确度达到99.1%。研究结果证明了所提算法能够实现煤矿带式输送机周遭人员不安全状态的准确智能检测。

• 基于多维超体积分割的露天煤矿生态系统变化监测

  杨永均, 夏修文, 董婧, 陈鑫鑫, 徐俣璠, 雷少刚,

  露天煤矿开采和生态修复共同驱动矿山生态系统发生显著变化，新时期矿山土地复垦与生态修复监测评价将生态系统退化和恢复状况作为必选指标，但缺少有效监测方法。利用哨兵卫星数据反演矿山生态系统植被和土壤参数，并基于生态位原理开发露天煤矿生态系统多维超体积分割方法，将其应用到准能集团露天煤矿2018—2024年生态系统状态变化监测中。结果表明：① 综合利用哨兵卫星的极化、光谱和纹理特征变量，可以准确有效估测关键植被和土壤参数；② 随着生态系统参数数量的增加，不同生态系统状态空间的Jaccard相似系数降低，在超体积维数为3时，各生态系统状态空间的重叠度小，可分性高，植被覆盖度、群落结构指数、地面粗糙度、土壤湿度和土壤有机质是超体积分割的关键参数；③ 基于多维超体积分割，可以有效识别露天煤矿生态系统状态变化区域及幅度，生态系统状态跃迁幅度越大，监测精度越高，总体精度超过80%；④ 研究区2018—2024年剥离区和开采区生态系统状态以负向跃迁为主，排土区和复垦区生态系统状态以正向跃迁为主，表明准能集团露天煤矿有效实施了边采边复对策。总体来看，基于哨兵卫星数据和多维超体积分割方法可以实现对露天煤矿开采前、中、后生态系统退化和恢复状况的全过程监测，今后应加强多源多时相遥感数据的融合与协同分析，实现露天煤矿生态系统状态、结构和功能的一体化监测。

• 神东矿区煤矿地下水库群矿井水水化学特征与健康风险评价

  张海琴, 蒋斌斌, 胡瑜恬, 李井峰, 杨郑秋, 郝经纬, 贺安民, 杨思敏,

  神东矿区煤炭资源丰富且水资源匮乏，地下水库技术的成功应用为矿区保护了大量的矿井水资源，掌握区域内地下水库的水化学特征及潜在健康风险是矿区水资源的保护利用的重要前提。以神东煤矿地下水库群为研究对象，通过对水库群进出矿井水进行系统性取样测试，采用熵权水质指数法、水文地球化学分析和相关性分析等技术方法，分析了矿区地下水库群矿井水的水化学特征、水岩相互作用规律及潜在的健康风险。结果表明：经地下水库净化调节后，水库进出水水质呈现显著变化，总溶解性固体、钙镁离子、硫酸根和氯离子的质量浓度显著升高，pH、氨氮、钾、镁、铁、氟等指标的质量浓度有不同程度的降低；水库进水的水化学类型为HCO3·SO4−Na，出水水化学类型逐渐向HCO3·SO4−Ca型转变，分析表明地下水库群矿井水进出水水质的分布特征与区域水文地质条件密切有关，出水水质变化的主要因素包括地下水库水岩溶解作用、离子交换作用及阳离子交替吸附作用；神东矿区地下水库群进出矿井水水质总体达到优良水平，且出水水质整体优于进水水质，证实地下水库水岩净化作用在矿井水运移过程中起到正向作用；从健康风险角度分析，地下水库群进出水通过皮肤入渗摄入途径的健康风险可忽略（非致癌健康风险HI小于1），但水库进出水通过饮水摄入对矿工和周边居民构成潜在健康威胁，主要风险因子为生产污水中含有的Fe和Mn。研究成果为煤矿地下水库矿井水的安全利用和健康风险防控措施优化提供了科学依据，对保障神东矿区区域水资源安全和公众健康具有重要指导意义。

• 多源煤基固废充填体重金属浸出特征及固化机制

  刘志飞, 毕忠伟, 陈清通, 陈庆庭,

  针对煤矿井下充填技术应用中多源煤基固废充填体可能引发的重金属地下水污染风险问题。选取粉煤灰、煤矸石、炉底灰、气化炉渣4类典型煤基固废及其制备而成的胶结充填体为研究对象，采用HJ/T299—2007酸溶液缓冲法和Tessier五步连续提取法，结合电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、扫描电镜−能谱（SEM-EDS）等表征方法，系统研究了煤基固废散体态、水化胶结态及添加外源重金属（Cr3+/Zn2+）胶结充填体中重金属元素的富集特征、浸出水平、赋存形态转变规律以及固化机制。结果表明：①重金属富集与生态风险特征：固废中Cr含量为地壳克拉克值的6～51倍。潜在生态风险指数法评价显示，气化炉渣因Cr和Hg富集导致综合潜在生态风险指数达“强”（R1=310），煤矸石（R1=282）与炉底灰（R1=244）为“中等”风险，粉煤灰风险为“轻微”（R1=141）；②胶结固化效应：胶结水化过程促使充填体中重金属由易溶形态（可交换态、碳酸盐结合态、铁锰氧化物结合态）向难溶出的稳定态（残渣态、有机结合态）转化，除Zn和Cd外，其余重金属的固化效率均>50%；添加2.0%外源Cr3+时，充填体对其固化效率大于96%（浸出质量浓度为346 μg/L），而Zn2+在同等条件下固化效率仅为52%（浸出质量浓度为38 775 μg/L）；③重金属固化机制分析：Cr3+通过类质同象置换取代C−A−S−H凝胶中Al3+（XRD衍射峰产生偏移），形成稳定化学键，实现高效固化；Zn2+则主要依赖C−S−H等凝胶组分及煤矸石黏土矿物包裹吸附（SEM-EDS显示Zn与Ca、Na分布趋势一致），固化效率相对较低。综上，煤基固废水化胶结过程中，通过4类方式（类质同象置换、化学键合、物理吸附、包裹封装）将重金属污染物固化于充填体内部，大幅降低其迁移性，显著降低其环境污染风险。