摘要：近10年来,我国冲击地压防控事业成效显著,科学防冲理念已深入人心,成体系的政策制度与技术方案为煤炭资源开发筑牢了安全屏障.然而,随着煤矿开采深度不断增加、开采强度持续提升,全国冲击地压矿井数量已达177座(不完全统计),且呈逐年上升趋势.与此同时,矿井产能"整体西移"至"晋-陕-蒙-新"核心产煤基地,"单矿集中"的现代化矿井模式让防冲工作面临全新挑战,缺乏现成经验可借鉴,冲击地压已成为制约这些区域产能科学合理释放的关键因素.当前,煤矿深部开采与千万吨级产能的工程背景,大幅压缩了防冲工作的容错空间与试错机会,传统"经验尝试、先干后调"的模式已无法应对现有挑战,尤其是地面压裂、井下超长孔等覆盖大范围采掘空间的区域性措施,对差异化与精准化的要求达到了新高度.尽管行业内已公认从源头实现冲击地压有效防控是最优路径,但如何将这一理念转化为可执行、能落地的科学理论、工程技术与专用装备,仍缺乏清晰解决方案.值得关注的是,近年来数字化、智能化技术的飞速发展,为冲击地压防控带来了新机遇,数字化源头防控等全新技术范式呼之欲出.在此承前启后的关键时期,系统梳理我国冲击地压的现状与问题,深入解析核心矛盾,不仅能为煤炭行业高质量发展提供必要的认知基础,更能为构建精准化、数字化的防冲体系提供方法论支撑.

摘要：针对我国冲击地压矿井的安全需求,为落实国家无人员伤亡、无巷道破坏、无设备损坏的"零冲击"管理目标,提出了"零冲击"防治分级目标及技术路径.①最高目标为"冲击不发生",技术路径为"应力不超限".理论推导得到了煤体压缩型冲击地压、顶板拉伸型冲击地压和断层剪切型冲击地压等3类冲击地压的临界应力公式.对"应力不超限"进行分析,系统地研究了 3类冲击地压的实际应力与开采条件和地质条件的影响关系,以及临界应力与煤岩变形系统的几何参数和自身物理力学参数的关系."应力不超限"可通过降低实际应力和提高临界应力实现,并系统地梳理了 3类冲击地压降低实际应力和提高临界应力的工程措施.②基本目标为"冲击不破坏",技术路径为"能量无剩余".理论推导得到了 3类冲击地压的能量释放和能量吸收公式.对"能量无剩余"进行分析,系统地研究了3类冲击地压的最大释放能量和吸收能量,开展了岩石试样及支护结构的冲击试验,结果表明:岩石试样钻孔结构能够吸收冲击能量,减少岩石试样的整体破坏.吸能装置能够大幅度提高支架吸能能力,吸能装置吸能量占支架总吸能量的78.6％."能量无剩余"可通过减小冲击地压释放能量和增大围岩与支护吸收能量实现.系统地梳理了减小3类冲击地压释放能量的工程措施,以及增大围岩吸收能量和增大支护吸收能量的工程措施.③底线目标为"冲击不伤人",技术路径为"空间有保障".分析得到冲击伤人的巷道变形量为:断面收缩率超过20％,支护变形量超过20cm."空间有保障"可通过吸能装置实现,吸能装置通过让位变形分担液压支架的冲击变形量可达70％,对巷道支护结构形成保护并将支护变形量控制在20 cm以内.工程措施为:巷道采用吸能液压支架进行加强支护,根据冲击地压最大释放能量、冲击载荷方位以及巷道条件选取合适类型及型号的吸能液压支架.研究证实,"零冲击"防治目标可通过控应力、控能量、控空间实现,为冲击地压矿井实现"零冲击"提供理论与技术支撑.

摘要：煤炭地下气化(UCG)是将地下煤炭通过可控燃烧原位转化为可燃气体(H2、CH4、CO等)的化学采矿方法,是深部煤炭资源实现清洁高效利用的重要技术手段.煤炭地下气化结束后会形成大量气化腔,是实现二氧化碳地质封存的优质天然空间.然而,目前煤炭地下气化存在反应过程控制难、产气品质和稳定性差、气化腔稳定性难以保证、盖层长效密封性不佳等问题,制约了该技术的推广应用.论文聚焦深部煤炭地下气化耦合二氧化碳封存(UCG-CCS)的发展前景,系统地梳理了三方面的国内外研究进展:一是地下气化产物生成规律与调控方法;二是多场耦合条件下气化腔三维演化特征;三是气化腔封存CO2热烧变围岩密封性动态演化机制.在此基础上,凝练出了目前需要迫切解决的3个核心科学难题:①原生致密煤体热质输运条件下高效产气调控机制不清;②多场耦合条件下煤炭地下气化腔围岩次生弱面形成机制不明;③化学-力学耦合作用下气化腔密封性动态演化机制不清.进而,总结了 UCG-CCS面临的三大关键挑战:如何实现煤炭地下气化长期稳定高效产气、如何实现高采出率条件下气化腔结构稳定性控制、以及如何实现煤炭地下气化腔CO2长效安全封存.最后,展望了未来研究的攻关方向,为实现深部煤炭资源的清洁高效开发利用与二氧化碳的长效安全封存提供参考.

摘要：煤炭是我国的主体能源,是保障我国能源安全的压舱石和稳定器.我国2/3以上的煤炭分布在干旱缺水地区,低品质煤约占全国煤炭储量的40％.随着综合机械化采煤技术的大范围推广应用,细粒煤(＜6mm)的产量达到了原煤的40％以上,≥6mm粗粒煤的干法分选技术已在许多矿区实现稳定工业应用,但是针对＜6 mm细粒煤的干法分选分选精度有限.同时,原煤开采过程中的水力致裂、喷水降尘等导致开采出的原煤水分较高,达到15％以上,颗粒间易团聚.亟需开展潮湿低品质细粒煤高效干法分选理论与技术的研究.研究聚焦于已实现工业应用的气固流态化分选、振动-气流协同分选技术提质瓶颈,依据其在潮湿低品质细粒煤工况下的流态响应、界面形成机制及装备适应性等研究现状,归纳了"气固流态化分选密度离析调控与跨尺度流动耦合机制""振动-气流协同分选低品质细粒煤稳定力场的可控构建""颗粒-水分-热力非均衡耦合脱水热质传递机制"等关键科学问题,梳理了微细加重质气固分选流态化、振动-气流协同分选、流化床干燥与蒸汽瞬态闪蒸技术等方面的试验研究、数值模拟与理论模型工作,针对微细加重质气固流化床,汇总了床层膨胀、压力波动、气泡动力学、电容层析成像(Electrical Capacitance Tomography,ECT)等表征结果及相应的流型判据、密度调控关联式与非稳定性定量指标;针对振动-气流协同分选,归纳了床层振动加速度响应、团涌结构演化、颗粒三维动力学与界面形成规律,以及高频振动配合梯级布风的参数组合特征;针对干燥过程,整理了含湿颗粒液桥力学、振动-气流耦合下的传热传质规律和基于非平衡态热力学的干燥动力学模型,以及饱和蒸汽加压-瞬时释压闪蒸工艺的能量分布与水分迁移特征.在上述研究基础上,将干燥脱水、干筛分级与干法分选等环节进行过程重组,总结并讨论了面向＜6 mm细粒煤的"干燥-干筛-干选"联合提质工艺思路:通过适度脱水削弱液桥黏附,利用干筛构建窄粒级物料体系,再结合气固流化床或振动-气流协同装备实现干法分选,以拓展干法提质的适用煤种与粒度范围.总体而言,现有研究在跨尺度耦合机理、流态稳定性定量表征与干燥-分选一体化设计方面已形成一定基础,但在复杂工况下的多场耦合建模、智能监测与自适应控制、与余热利用和减碳目标的协同耦合等方面仍有待进一步探索.研究可为后续细粒煤高效干法提质理论研究和工艺优化提供参考.

摘要：近年来,我国煤矿关闭数量逐渐增多,废弃矿井采空区成为潜在地下水污染源,以高硫酸盐矿井水为主要特征.采空区内原生微生物群落在一定条件下可驱动硫循环,激发采空区矿井水硫酸盐自然削减的潜力.为探究关闭煤矿采空区矿井水水质演化控制机理及硫酸盐去除的微生物机制,以西北典型煤矿为研究对象,通过设计5种不同条件下的长期室内微宇宙试验(试验组、煤多组、加培养基组、加培养基和微生物组、灭菌组),利用水化学测试、16S rDNA高通量测序等测试手段,系统探究了矿井水硫酸盐去除的水化学特征与微生物作用机制.水化学特征研究结果表明:试验组与煤多组体系内的SO42-含量先升后降,加培养基组SO42-含量降低96％,加培养基和微生物组SO42-含量降低95％,灭菌组SO42-含量降低57％,水化学指标说明在保持无氧并提供可利用碳源情况下,关闭煤矿采空区具备实现矿井水中硫酸盐低成本生物去除的潜力.微生物测序研究结果表明:外源微生物可能破坏土著微生物生态代谢网络,采空区体系中存在降解煤中大分子有机物的菌属,与硫酸盐还原菌形成协同体系,3组(加培养基组、加培养基和微生物组、灭菌组)硫酸盐还原菌相对丰度显著升高,最高可达70.1％、79％,说明微生物还原过程是控制硫酸盐去除的关键.根据上述研究成果,阐明了关闭煤矿采空区矿井水水质演化机制:在无外源小分子碳源条件下,土著SRB处于低活性或休眠状态,采空区矿井水水质演化由黄铁矿氧化、矿物溶解及黏土矿物吸附等水化学作用所主导;而添加外源碳源后,微生物作用成为主要控制因素;碳源的类型与质量浓度决定了关闭煤矿采空区矿井水水质演化过程水化学场-微生物场相互转化、相互耦合的方向.若能驯化或富集具有煤有机质降解能力的土著菌群,可实现矿井水低成本处理.

摘要："十四五"时期是我国煤炭工业履行保障能源安全核心使命,并加速向智能化、绿色化、融合化转型,实现高质量发展的关键阶段.系统总结了"十四五"时期我国煤炭工业科技创新取得的主要进展,分析了行业发展面临的新形势与新挑战,统筹国家战略要求与产业演进规律,提出了对"十五五"时期科技创新方向的思考."十四五"时期,煤炭行业科技创新体系不断完善,在地质勘查、矿井建设、绿色开采、灾害防治、煤机装备、煤矿智能化、清洁高效利用、生态修复、节能环保、职业健康10个关键领域取得了一系列重大突破与标志性成果,行业整体实现了从跟踪模仿到部分领域并行乃至领跑的重大转变.当前国际能源格局深刻变革,国内能源结构加速调整,面向"十五五"时期建设能源强国与现代化产业体系的新要求,提出"十五五"时期煤炭科技创新在国家安全保障、能源体系建设、行业转型升级3个方面的发展目标:以推进煤炭科技自立自强保障巩固国家能源安全,以发展煤炭清洁高效利用支撑构建新型能源体系,以拓展AI应用驱动智能化建设引领行业转型升级.结合3个目标并梳理国家相关产业政策要求,提出对"十五五"时期煤炭科技创新的6个方向思考:①深部煤炭资源开发.重点攻关深部开采基础理论、安全开采保障技术、颠覆性前沿技术;②产业链自主可控.全力推进开采装备、运输装备、自主可控工业控制系统及智能运维平台的国产化攻关与产业化应用;③煤炭清洁高效利用.重点加强绿色开采、清洁利用、低碳转化、新型煤基材料等方面的技术攻关;④煤与新能源协同融合发展.通过盘活矿区空间资源、推动生产用能清洁替代、构建源网荷储一体化系统,将矿区升级为多能互补的综合能源基地;⑤煤矿智能化技术升级.围绕智能掘进、智能采煤、露天智能采剥、智能选煤、辅运及其他系统,突破常态化稳定运行技术瓶颈,实现少人无人化开采;⑥人工智能+煤炭场景.大力推动AI技术在安全生产、煤炭转化、煤机制造、知识图谱、具身智能、辅助编程等领域的深度应用.提出构建高水平科技创新体系的5个方面举措,从而形成推动煤炭工业实现高质量发展、支撑中国式现代化建设的持续创新合力.

摘要：精准监测与定量反演煤岩裂隙形态及应力场分布特征,是揭示冲击地压演化过程及致灾机理的科学基础,更是解决深地工程动力灾变演化问题的重要手段.以位移不连续理论为基础建立不同破裂类型的裂隙震源模型,通过修正Bott假设,提出适用于张剪裂隙类型的应力反演模型,并融合格里菲斯与摩尔-库仑准则构建复合破裂判据,实现真实裂隙面的有效识别,并以震源机制参数及应力场参数的最优适配为目标,进一步提出裂隙震源与应力联合迭代反演方法,并开展了实验室尺度的煤岩破坏监测反演的实践应用.结果表明:偏移角α可有效区分张拉、剪切及压缩等破坏类型,提出基于张剪复合失效准则的裂隙面与应力迭代求解方法,有效选取真实裂隙面提高应力反演精度,建立裂隙震源与应力的联合交替迭代模型,可有效减少理论滑移方向与真实滑移方向的偏差.在煤岩三点弯曲试验过程中,偏移角α主要处于0°～20°,表明破裂微裂纹主要为张剪复合类型,利用应力反演模型求得最大主应力σ1为拉应力,中间主应力σ2和最小主应力σ3为压应力,应力形状比平均值为0.87,表明σ1占主导作用,σ2和σ3几乎相等,符合三点弯曲试样的受力状态,应力分布影响了试样裂纹运动方向主要为沿X轴方向的张拉分离,并促进了裂纹取向为沿Y轴方向的发育扩展.另外,应力旋转作用导致裂纹面取向在Y轴方向的分量被减小,裂纹运动方向与X轴方向的夹角增大,而这一改变随着应力旋转角度的增大得到加强.利用裂隙震源与应力联合迭代反演方法对应力反演过程进行优化,理论滑移方向与真实滑移方向之间的平均滑移偏差角依次降低了 33.91％、79.86％和94.12％.将提出的张剪震源应力反演方法与VAVRYČUK方法进行对比,应力的形状比噪声误差率最大降低了 6.49％,三向应力反演精度平均提升了15％～40％,研究成果可为煤岩体动力灾变演化研究提供一种科学方法,为深地工程冲击地压孕育机制解析与灾害预警提供新的理论支撑.

摘要：尽管隧道工程结构被周围地层所约束,地震荷载作用下结构与地层之间的相对运动并不明显,抗震性能显著优于地面结构,但其并不是完全"免震"的.伴随隧道及地下工程建设的深度和广度持续拓展,结构抗震设防面临着日益严峻的挑战,深入研究地下工程结构的抗震性能并提升其抗灾韧性具有重要意义.首先,回顾了国内外已建立的隧道震害数据库,结合典型的隧道震害案例,归纳了震害的主要特征,并分析了震害影响因素及震害机理.其次,为有效认识工程岩体地震动特性,从岩石和节理的速率效应和循环加卸载下的力学行为、应力波在节理岩体中传播规律等3个方面进行综述.再次,围绕地下工程结构抗震分析方法,深入开展调研,探讨模型试验、动力时程分析法、简化抗震分析法、波动解析法、地震易损性评估取得的研究进展及亟待解决的关键问题.最后,梳理了目前常见的地下工程的地震防护措施,以期为隧道及地下工程抗震设防提供借鉴.研究表明:在地震烈度达到一定级别后,衬砌结构不可避免地出现不同程度的损伤.典型破坏类型主要包括轻微裂缝、剥落、渗漏水甚至错台、垮塌,破坏特征与地震动参数、结构特征、地质条件密切相关;工程岩体表现出很强的速率敏感性,循环加卸载条件下的应力-应变曲线呈现明显的滞回特性,形成封闭的塑性滞回环,并出现不可逆的累积损伤,开发可表征岩土和混凝土材料速率效应和循环荷载性质的动态本构模型并嵌入数值仿真中值得重视;不良围岩条件会加剧衬砌结构的加速度、动土压力与应变响应,穿越断裂带等部位的衬砌结构动力响应更趋剧烈,强震与断层错动、高地应力等多因素耦合下结构响应规律研究值得关注;由于刚度突变和应力集中效应,隧道群之间的连接节点以及空间上交叉、重叠的复杂部位往往是隧道抗震薄弱环节,考虑群洞效应的简化抗震分析方法需深入探索;融合地下结构的地震易损性与使用功能恢复能力是实现其抗震韧性提升的关键途径;多重防护策略融合、新材料和新型结构体系的引入是未来抗震防护设计的重点.

摘要：为解决物理相似模拟试验用型煤强度及渗透性与原煤差异较大的问题,探究不同煤阶煤样热压成型后的孔隙结构、力学与渗流特性,揭示煤阶对热压型煤性能的影响机理,采用自主研发的热压型煤成型系统,制备了 4种不同煤阶的热压型煤试样,基于高压压汞与低压液氮吸附试验,系统表征并对比了热压型煤与原煤的孔隙结构异同;通过开展单轴压缩与三轴渗流试验,分析了煤阶对热压型煤力学与渗流特性的影响规律;综合获取的关键参数,应用基于欧式距离的相似性度量方法,定量评估了热压型煤与原煤的相似程度.结果表明:在孔隙结构方面,随着煤阶升高热压型煤的最可几孔径先增大后减小,孔隙连通性先增强后减弱;在力学与渗流特性方面,随着煤阶升高,热压型煤的单轴抗压强度及弹性模量逐渐减小,初始渗透率先增大后减小;相似性分析表明,褐煤热压型煤与其原煤的相似度最高,其最可几孔径为原煤的0.8倍,单轴抗压强度达13.04 MPa,弹性模量为其原煤的1.012倍,主应力差峰值为原煤的0.98倍,初始渗透率为其原煤的1.3倍,其余煤阶热压型煤与相应原煤仍存在一定差距.然而,与常规冷压型煤相比,所有煤阶热压型煤的强度皆有所提升,渗透率也均有所减小,且该改性效果随煤阶升高而逐渐减弱,说明煤阶是影响热压型煤性能改善效果的关键因素.

摘要：弱胶结覆岩可导致工作面强矿压,甚至压架事故,严重威胁安全和影响生产.以准东二矿55m巨厚煤层顶分层综放开采为研究背景,采用现场实测、理论分析、室内试验以及数值模拟等方法对弱胶结覆岩下特厚综放面矿压规律及控制技术进行研究.结果表明:准东二矿首采区覆岩赋存表现为基岩厚度大,整体胶结程度弱,软或极软岩层占比87％;顶分层首采1101综放面推进期间,基本顶砌体梁在高位岩块回转的动荷载下二次破断失稳,原砌体梁承载结构被破坏,支架由给定载荷转为与直接顶共同承担体系变形,导致强矿压;据此,建立了支架上方拱结构岩块段的稳定方程并揭示了不同位置的受力规律,进而提出工作面"拱形"布置及回采工艺,以便顶板形成倾向承载结构从而控制强矿压,并揭示其将部分覆岩载荷转化为拱块段之间的相互作用力的矿压控制机理;数值模拟结果进一步得出新工艺下工作面顶板塑性区发育程度降低,顶板下沉量减小33.1％,支架上方拱结构将部分上覆载荷转化为内力,结构的应力水平上升,垂直应力高于原来的18％,最终降低了支架整体承受的载荷.现场实践表明,该技术对强矿压控制发挥着重要作用,支架受力最高峰值下降12％,较强来压范围由20～120号支架缩小至40～100号支架,同时,拱脚处最大挤压力有利于工作面两端三角煤及顶板及时折断垮落.

摘要：机械抓手是智能选矸机器人实现煤矸分选的关键.在煤矸智能分选过程中,存在矸石粒度差异大、表面湿滑,动态抓取冲击力大、长时间连续作业机械疲劳等问题,导致煤矸综合分选率低.针对上述问题,采用被动柔顺机构与主动柔顺控制相结合的方法,设计了一种新型的柔顺机械抓手.首先,分析选矸机器人分选流程,基于矸石运动学特征及物理特性,提出具有被动柔顺机构的机械抓手方案.采用柔性传动元件替代传统刚性结构,在爪片接触面设置橡胶缓冲垫片,并集成万向球螺柱、扭簧与包胶轴承构建多级缓冲体系.通过优化机械抓手结构参数,进一步提高机械抓手系统刚度,延长其使用寿命,增强其抓取稳定性.其次,基于力、位移和速度等多源实时反馈数据,集成导纳-阻抗混合控制器,实现矸石抓取过程中的自适应柔顺控制.最后,通过搭建视觉识别定位系统获取矸石位置和粒度参数,设计多变量矸石分选试验:选取3类材质、3种粒度等级的样本开展50组对比试验,测试柔顺机械抓手的抓取性能,验证柔顺抓取控制算法的有效性.试验表明:设计的柔顺机械抓手能够适应较大的矸石粒度范围,降低动态抓取冲击力,减少机械损耗,提高矸石抓取可靠性,矸石综合分选率达94％.结果表明:柔顺机械抓手机械机构设计合理,基于参数优化的机械抓手刚度提升方法可行,基于导纳-阻抗混合控制的柔顺抓取控制算法有效.研究成果将为提升选矸机器人综合分选率和延长机械抓手使用寿命提供技术支撑.

摘要：不同尺度孔裂隙的发育与赋存是煤储层矿体的基本特征,也是储层气体储集与运移的核心场所.原位改性采矿技术施行的载体与成效也恰在于不同尺度孔裂隙之中.深部煤与煤层气资源安全高效开采的关键,始终在于不同尺度孔裂隙结构的改造,以及其中流体吸附运移特性的改善.针对传统改造技术对深部煤储层适应性不足、改造机理不明等问题,系统阐述了从微纳米孔隙、微裂隙到宏观裂缝的煤体多尺度孔裂隙结构特征,分析了不同尺度孔裂隙结构对煤层气解吸、扩散与渗流过程的影响机制,提出了以"流体赋存运移状态改性"(增强解吸与流动性)与"煤体孔裂隙结构改性"(提高渗透性)为核心的2种改性原理.在此基础上,进一步阐述了 2类多尺度孔裂隙结构改性技术方法:一是基于竞争吸附和热效应作用的强化解吸型改性,即通过注入其他强吸附性流体或高温流体来降低煤体对CH4的吸附能力,强化气体解吸;二是基于物理-化学改性作用的结构增渗型改性,即依靠溶蚀扩孔与压裂造缝来改造孔缝系统,提高气体渗流能力.以超临界CO2流体(ScCO2)为例,通过系列试验揭示了 ScCO2作用下煤体在吸附膨胀、溶蚀增孔、力学弱化与压裂造缝等多机制共同作用下的多尺度结构演化特征,以及其对煤体吸附解吸能力与渗流特性影响规律,进一步建立了煤体多尺度孔裂隙结构改性与渗透性演化的多场耦合理论框架,为深部煤储层精准改性、超临界流体强化增渗及CO2地质封存提供理论依据.

摘要：天然氦、氢战略性气体资源评价与勘探开发是国家的重大需求,煤系中天然氦气、氢气的赋存分布、成因、富集规律研究具有重要意义.系统梳理了国内外相关成果,综合分析了典型盆地的地质条件、战略性气体体积分数高异常分布特征及控制因素,针对松辽盆地徐家围子断陷、渤海湾盆地沾化凹陷与鄂尔多斯盆地东缘三交北等代表性实例开展了对比研究,总结阐释了煤系氦气、氢气的成因机理、赋存分布特征与富集模式.已有研究结果表明:①煤系氦气、氢气资源具有多源供给和广域分布特征;煤系氦气以壳源辐射成因氦为主,具有"内源-外源"多源供氦特征;煤系氢气由有机质热解、水岩反应、深部脱气及微生物作用共同形成,松辽、鄂尔多斯、四川和准噶尔等含煤盆地普遍具有富铀源岩、良好储层和有效盖层等有利条件,具备氦、氢异常形成与富集的地质基础.②富集过程受源-储-盖组合与断裂输导系统耦合控制,煤层和泥页岩既是储集层又可成为局部供源,厚泥岩、膏盐岩等为关键盖层,深大断裂在活跃期导通深部壳源或幔源气体,在构造稳定期形成封闭体系.③煤系氦气、氢气富集模式在不同盆地展现出供源强度、断裂输导能力、盖层封闭性和储层条件的差异化组合特征,以及盆地边缘构造带与盆内凹陷区的差异化聚气机理.④气体赋存状态多样,氦气以游离态为主,主要赋存于孔隙和裂隙中,并可少量溶解于地层水,氢气以游离、吸附和溶解状态并存,气体富集多见于向斜核部、断陷洼地和盖层发育区,构造稳定性和盖层完整性是保存与形成资源潜力的关键.

摘要：矿井辅助运输物资调度是煤矿安全高效生产的重要环节.煤矿运输环境复杂、事故多发、物资需求分布广泛,主要依靠人工排班,车辆调度难度大、信息透明程度低,已成为煤矿智能化建设的重要方向.随着辅助运输机器人的研发与应用,物资配送逐步实现连续运输,正朝智能调度方向推进.针对矿井辅助运输物资调度问题,将其映射为自动化码头水平运输,提出一种基于数字孪生的辅助运输机器人集中式动态调度方法.以辅助运输机器人最大运输时间最小和运行路径无冲突为目标,考虑机器人续航、载荷、故障等约束,建立任务均衡分配与路径无冲突规划两阶段调度模型,并设计文化遗传算法和带时间窗的Dijkstra算法组成双层算法对模型进行求解.调度方案经孪生系统仿真验证后,由调度系统集中控制运输机器人与固定设备共同完成调度任务.以贵州某矿井实际辅助运输为研究背景,设计并开发辅助运输数字孪生系统,经虚实一致性验证后,对所提模型与算法进行仿真分析与试验测试.结果表明:辅助运输机器人动态调度策略能够合理分配调度任务,检测和消解机器人冲突,任务分配均衡率达到94.5％;分析订单数、车辆数、区段利用率等因素与运输机器人调度的关系,提高机器人利用率,优化井下资源配置;相比人工调度,动态调度策略规划的订单最大完工时间减少了 34.4％、抗扰动稳定性达到了 98.3％,机器人设备利用率达到92.79％,验证了所提模型与算法在规避井下机器人运行冲突与抗干扰调度的有效性,显著提高辅助运输机器人的调度效率.

摘要：以关闭矿井地下空间、盐穴、孔隙性含水层、深部不可采煤层为代表的深部特殊空间安全高效开发是保障国家深部资源能源安全的重要途径和重大战略需求.聚焦深部特殊空间探测-评价-利用中瓶颈背后的科技难题,系统梳理深部特殊空间探测、评价、利用研究现状,凝练构建深部特殊空间探测-评价-利用亟待突破的关键技术体系.研究结果表明:高精度探测与反演建模是实现深部特殊空间利用的前提;深部空间结构形态与灾害的精准探测与智能判识技术处于从单项突破向系统集成转变的阶段,但复杂环境适应性仍是主要挑战.多场多资源动态识别并科学评价开发潜力,是深地空间开发利用的核心挑战;机器学习与智能算法在深部地下空间评价与利用中正引发技术范式变革.矿山地下空间资源化、能源化、功能化再利用已成为推动资源型城市转型、实现"双碳"目标的关键路径;评价模型、适配体系、技术体系缺失,再利用案例较少是标准制定的最大障碍.深部煤层CO2地质封存、盐穴储氢、沉渣扩容与压缩空气储能、含水层储气、废弃巷硐物理储能是现阶段深部特殊空间的主要利用方式,但缺乏系统性、权威性的国家标准/行业标准,示范工程建设处于起步阶段.突破"精准探测与封存空间精细表征""多资源多物理场动态智能识别评估""矿山地下空间再利用全场景智能监测与安全保障""深部煤层CO2存储全生命周期安全监测与检测""多场扰动下深部地下空间物理储能动态密封性评价"五大技术体系,可为国家深地战略实施提供科技支撑.

摘要：深部开采条件下,煤岩瓦斯复合动力灾害致灾机理复杂且因素多重耦合,精准预警对保障矿井安全生产具有重要意义.提出了一种多源信息融合的深度学习预警方法,构建了 SCSSA-MSDA-TFT时序智能预警模型,其中,采用改进麻雀搜索算法(Sine-Cosine and Cauchy-enhanced Sparrow Search Algorithm,SCSSA)自适应优化模型超参数,引入多源域自适应(Multi-Source Do-main Adaptation,MSDA)实现异构监测数据的分布对齐与特征统一表征,并以时间融合Trans-former(Temporal Fusion Transformer,TFT)高效提取多源时序指标的动态演化特征,完成风险等级预警.针对微震监测、瓦斯参数等多源信息,构建数据驱动的复合动力灾害风险等级标定流程:以复合风险指数(Composite Risk Index,CRI)为核心,对其实施时序平滑,并基于受试者工作特征(Receiver Operating Characteristic,ROC)曲线分析确定高风险等级阈值;随后通过聚类有效性检验评估划分等级与数据内在结构的一致性.构建复合动力灾害预警指标体系,以XGBoost训练多分类基线并计算全局SHAP重要性,结合滑动时窗稳健性检验与子集筛选准则,形成兼具物理指向性与判别效率的紧凑指标子集.结果表明:模型在测试集的宏平均F1达到0.965、准确率为0.961,较对比模型与消融模型均有显著提升,能够准确捕捉复合动力灾害的多尺度前兆并实现对风险等级的精准预测与预警.所提出的深度学习融合预警方法能够有效整合多源信息并建立等级标定与指标体系,对提升复合动力灾害风险等级预警的准确性与可靠性具有重要工程应用价值.

摘要：研究高应力敏感性煤体裂隙在外部载荷作用下的演化机制及其对渗透率的控制作用,是揭示深部煤层瓦斯运移规律的关键.针对传统图像分析在煤体CT图像裂隙表征中的局限,研究采用深度学习算法自动分割裂隙,并基于0～25 MPa围压下的原位CT实验数据,重构了裂隙网络的三维结构与拓扑模型,量化了其结构参数的演变规律.在理论模型表征方面,不同于传统的裂隙平均化处理方式,引入币状裂隙假设来等效表征裂隙在应力下的逐级闭合行为.进而构建了反映裂隙系统基本闭合应力条件的临界应力模型.基于该理论,进一步推导出适用于高应力条件的渗透率演化模型.结果表明,深度学习模型对分布外图像的预测精度达84.14％,显著优于传统方法的40.96％,有效提升了裂隙提取准确性.当围压从0 MPa增至6 MPa时,裂隙平均开度由136.96 μm降至75.29 μm,平均迂曲度由2.87升至3.32,而表征连通性的平均配位数从2.45降至1.21.围压达25 MPa时,裂隙率平均下降98.99％,表明裂隙基本闭合.基于静水压缩实验力学数据及试错迭代算法,获得临界应力分别为24.16 MPa和23.86 MPa,对应渗透率低至8.78×10-7 μm2和4.20×10-6μm2,其换算的扩散系数与煤粒解吸实验中测得的量级一致,间接地证明了临界应力条件对于渗流通道的封闭作用.与传统模型相比,考虑裂隙闭合和弹性压缩的渗透率演化模型预测精度显著提升,尤其在高于20 MPa的高应力条件下,平均误差降低51.14％.

摘要：冲击地压是一种在动、静载荷叠加作用下发生的突发性动力灾害,具有破坏过程剧烈、能量释放集中、发生机制复杂等特点,对矿井安全生产构成严重威胁.为在实验室中真实再现冲击地压的破坏过程并揭示其动力学本质,仅依赖现有静力学相似原理的物理模拟方法难以全面揭示冲击地压的动力学特征.为此,以冲击地压的动力致灾机理为研究对象,提出了一种以加速度相似比为核心的煤岩动力学相似准则体系,旨在构建可真实反映冲击地压动力学响应特征的物理模拟理论框架.通过量纲分析的方法,对冲击地压过程中的关键指标进行了系统分析.以加速度相似比作为核心控制参数,推导建立了冲击地压动力学相似准则的理论方程组,构建了包含应力相似比、弹性模量相似比、时间相似比及应变率相似比在内的动力学相似准则系数体系.通过引入动力学相似准则系数,分析了其与各相似比之间的耦合关系与约束条件,形成了物理模型的冲击倾向性相似判据体系.结合相似理论推导结果,对不同几何相似比条件下的模型强度曲线演化规律进行了归纳分析,明确了动力学相似准则的适用范围与参数取值区间.研究表明:动力学相似准则系数是控制动力学相似关系的关键参数,其取值直接决定模型惯性响应与能量传递的相似性,确定了动力学相似准则适用的最优几何相似比与物理模型的波速相似比.提出的冲击地压煤岩动力学相似原理突破了传统静力学相似理论的局限,实现了对惯性效应和能量释放行为的量化描述,为冲击地压动力学物理模拟试验提供了理论依据.

摘要：针对煤矿智能化开采中作业环境感知不足、智能装备适应性较差、协同作业能力有限等导致的"智"与"能"无法相互支撑,存在"智而不能,能而不智"的难题,深入探讨了煤矿智能化开采协同控制理论与技术应用.基于三元空间融合理论(HPC),以第二生产空间为视角,明确了智能化开采的基本特征,构建了智能化开采协同控制原理,分析了多智能体特性,明晰了包含任务分配、路径规划、资源优化3方面的数据驱动多智能体协同控制策略;深入剖析了智能化开采协同控制的"环境预感知-工艺自匹配-装备自组织"等关键技术,具体涉及基于图神经网络算法的多元环境感知融合分析技术、基于自组织映射算法的作业自匹配与精准控制技术、基于大规模图计算的采煤装备自组织多目标协同控制技术,实现了对环境、工艺及装备的多元感知融合、作业参数自适应调整、作业匹配智能决策与作业单元智能精准控制,确保了采煤活动的高效连通及作业环境的自适应.相关技术在黄陵矿区工作面智能化综采和延长矿业巴拉素煤矿基于5G技术的智能化开采中进行了工程实践,显著提升了采煤作业的智能化水平,优化了资源配置,突破了"远程控、自动采、有人巡、无人守"的智能生产模式,为煤矿智能化开采协同控制提供了理论指导与实践参考.

摘要：矿井智能通风作为煤矿智能化建设的重要一环,长期面临着井下生产现场环境感知"测不准、测得慢"导致矿井生产态势信息失准,通风网络解算"算不快、算不准"导致矿井安全管理决策偏离实际,灾害预测模拟"仿真慢、成本高"导致灾害预测结果滞后三大难题,难以实际指导工程现场.量子计算以其与指数级并行计算等优势,为解决"测不准、算不快、仿真慢"的核心难题提供了全新的技术路径.分析了量子计算在模型保真、全局寻优与计算加速、量子算力方面的优势,首次构建了量子测量、量子算法、量子模拟在解决矿井智能通风底层数据的"测不准"、网络解算"算不快"、灾变模拟的"仿真慢"三大难题的映射框架,并初步构建了基于量子微服务架构的云-边-端协同矿井智能通风服务平台架构.同时分析了当下量子计算自身发展存在的技术瓶颈,指出量子计算在矿井通风领域的工程应用面临着环境干扰导致量子退相干、复杂环境难以部署、量子测量结果难以验证、多参数量子态映射难与量子算法鲁棒性差、经济成本高昂等现实挑战.利用量子牛顿法(QCGA)与变分量子线性求解器(VQLS)的混合量子算法进行了初步矿井通风网络解算,计算速度分别提升了约11.9倍与12.8倍,初步验证了量子计算在解决矿井智能通风领域问题上的加速可行性,为量子计算赋能矿井智能通风技术变革、智能矿山的建设提供了理论参考.