摘要：煤层采动过程中,孔隙瓦斯压力与地应力呈多周期同步加载或卸载的动态耦合特征,两者共同驱动煤体变形及瓦斯运移,诱发矿井煤岩瓦斯动力灾害.为了深入揭示地应力与瓦斯压力多周期耦合作用下的煤体力学渗流响应特征及其主控机制,开展了固定孔隙压力仅应力(stress-only,OS)循环、固定应力仅孔隙压力(pore pressure-only,OPP)循环和应力-孔隙压力耦合(stress-pore pressure coupled,SPPC)循环加卸载的三轴渗流试验,基于统计损伤理论构建了 SPPC作用下煤体损伤本构模型.结果表明:应力与孔隙压力对煤体轴向压缩和径向膨胀变形均有促进作用,二者对体积应变影响呈相反的竞争关系,由此导致其对渗流通道的差异化影响(应力促进体积压缩从而抑制瓦斯渗流,孔隙压力导致体积膨胀从而促进瓦斯渗流).随循环周期增加,3种循环路径煤体轴向应变均呈波动式增长,径向应变波动减小.SPPC循环煤体在应力场与渗流场的耦合作用下,变形响应更敏感、损伤更易累积,至试验结束时,其累积残余应变最大(轴向0.203×10-2,径向-0.059×10-2).此外,3种循环路径煤体在加载结束时的渗透率随循环周期增加均呈指数型衰减,表明循环损伤累积使孔裂隙难以恢复至初始开度,渗流能力减弱;OS和SPPC循环煤体在卸载结束时的渗透率随循环周期增加逐渐减小,而OPP循环则相反,高压瓦斯将裂隙表面附着的松散煤颗粒或黏土矿物反复冲刷,导致裂隙通道扩展.贡献率数据表明煤体应变演化受应力主控,其在轴向、径向及体积应变中的平均贡献率分别为97.5％、64.9％和79.7％;渗透率演化则由孔隙压力绝对主导,其贡献率＞97.6％.最后,基于煤体微元强度服从Weibull分布特征,考虑孔隙压力对煤体强度的劣化作用,提出耦合损伤变量,构建了 SPPC作用下基于D-P(Drucker-Prager)准则的损伤本构模型,该模型在加-卸载阶段可较好地描述煤体在SPPC作用下的变形响应特征.研究结果为进一步揭示矿井煤岩瓦斯动力灾害的力学作用机理提供了理论支撑.

摘要：深部煤层封存CO2过程中,CO2常处于超临界状态(ScCO2),与水、煤存在复杂的物理化学反应,促使煤的化学组成和结构发生变化,进而影响CO2地质封存的效果.为研究不同含水条件下ScCO2对煤化学组成和结构的影响,以焦煤为研究对象,开展了不同含水率下ScCO2-煤反应试验,对比反应前后煤的化学组成和结构的差异,探讨含水性对ScCO2-煤反应的影响机制.结果表明:ScCO2对煤中碳酸盐矿物溶解性较强,其次是黏土矿物,随含水率增大,反应残余煤中碳酸盐矿物的质量分数先增后减;较大含水率时,ScCO2与煤中碳酸盐矿物的反应强于黏土矿物,故碳酸盐矿物减少更为显著.ScCO2与H2O对煤化学结构中含氧官能团的影响较大,而对芳香烃、脂肪烃的影响较小;ScCO2导致煤中含氧官能团含量降低,随水分增加,富氧指数(I2)显著增大,而富氢指数(I1)、芳香度(I3)和缩聚度(I4)变化较小.ScCO2的溶胀作用,使芳香层间距(d002)增大,同时延展度(La)、芳香层数(Nc)、芳碳率(fa')和脂碳率(fal)均减小;随水分增加,d002、La和fa'先增后减,Lc、Nc和fal的变化趋势则相反.水分在一定程度上可提升ScCO2对煤低分子化合物的萃取效果,促进煤芳香结构无序化,但随水分含量进一步增大,水分将会阻止CO2进入煤体,煤中碳酸盐矿物先一步与ScCO2反应,进而弱化ScCO2对煤有机质的萃取效应,表现为空气干燥基态时ScCO2对煤有机质的溶出量和化学结构破坏的影响更明显,饱水态时矿物质的溶蚀更显著.

摘要：我国深部煤炭资源丰富,随着浅部煤炭资源不断枯竭,深部煤炭开采势在必行.我国煤矿已有40余对矿井开采深度达到和超过1 000m,最深达1510m,主要分布在中东部和东北矿区.此外,西部一些矿区,如鄂尔多斯、陇东、彬长等矿区也相继进入深部开采.与中浅部矿井相比,深部矿井具有高地应力、强采动、大变形(软岩)及强冲击(硬岩)等显著特点,巷道围岩变形表现为强扩容性、强流变性和冲击破坏严重.深入分析了深部巷道应力环境、围岩地质力学特性,研究了深部软岩巷道围岩变形破坏特征,发现深部软岩巷道围岩大变形主要由3种变形引起:扩容变形、煤岩体流变及结构性流变,揭示出深部软岩、高应力、强采动巷道围岩大变形与失稳机理.提出深部巷道围岩支护-改性-卸压协同控制理念,阐述了深部巷道围岩协同控制的本质内涵,分析了各种围岩控制方式时空协同作用,阐明了深部巷道围岩支护-改性-卸压"三主动"协同控制原理.提出深部巷道不同的围岩协同控制方式,研发出围岩支护-改性-卸压"三位一体"协同控制技术,包括高预应力锚杆锚索及薄喷主动支护、高压劈裂注浆主动改性与水力压裂主动卸压技术;研发出高预应力、高压锚注协同控制技术,用于工作面超前段加强支护,形成深部工作面全域巷道(包括巷道、开切眼、超前段)围岩控制成套技术.研发出700 MPa级超高强度、超高延伸率(断后延伸率30％)、高冲击韧性新型锚杆材料;开发出纳米改性亲煤、亲岩单液无机有机复合注浆材料及微纳米双液无机有机复合注浆材料等3款高可注、高黏结、高强度注浆材料,及高强度、高韧性巷道表面喷涂护表材料.研发出高预应力、高压注浆锚杆与锚索.研制出35 MPa级气动高压注浆泵、45 MPa级液压高压注浆泵与压力-流量-密度多参数注浆监测系统;研制出井下直孔水力压裂装备与井下定向长水平钻孔高压大流量水力压裂装备.系统集成深部巷道围岩协同控制成套技术,在新集、新汶、淮北、皖北、彬长等深部矿区的复杂困难巷道得到成功应用,包括千米深井软岩巷道、超千米高应力巷道、千米深井强采动巷道、深部松软破碎围岩巷道及厚硬顶板强冲击巷道等.巷道围岩变形大幅降低,围岩稳定性显著提高,有力支撑了深部矿井的安全高效生产.最后,对未来深部巷道围岩控制理论、技术、材料及装备等的发展方向进行了展望.

摘要：采煤机工作条件存在强随机复杂多变因素,其全寿命周期历程的随机性载荷谱获取与离散序列处理,以及全域载荷谱综合数字化是高端装备可靠性设计分析及其疲劳寿命预测的关键基础工程技术共性问题.构建采煤机传感器与检测量、检测量与特征量的关联度矩阵,采用综合关联度矩阵行列系数叠加处理,给出传感器与特征量的综合关联度和重要度,提出了多传感器信息检测过程中特征量关联度定量评价方法;综合考虑滚筒参数、采煤机工作参数、煤岩性质及分布参数,提出载荷谱纵向幅值和横向时程累计归一化算法与滚筒截割煤岩分段和全域载荷谱比例综合方法,给出截割电机电流、摇臂振动和调高液压缸压力信息融合算法与近似估算比例系数算法等;建立滚筒截割煤岩的瞬时载荷模型与载荷谱随机分布叠加算法,将单截齿截割煤岩实验载荷谱与理论模型相结合,获取滚筒截割煤岩分段理论载荷谱,并通过自适应权重EMD-IECM载荷谱最优降噪光滑算法处理含噪声信息的数值模拟和实验载荷谱,给出滚筒截割煤岩分段载荷谱幅值分级累计时程占比统计算法,提出了全域载荷谱综合数字化方法.结果表明:截割载荷和煤岩强度与各传感器检测信息关联度较显著,振动传感器、电流传感器和压力传感器检测信息更能反映出截割特征量和截割状态;自适应权重EMD-IECM载荷谱最优降噪光滑算法,可依据数据本身自动调整指标权重,获得相似性与光滑性达到均衡状态的重构载荷谱;通过实例应用获知全域载荷谱的幅值分级累计时程占比呈现正态分布规律,符合工程实际情况,验证了滚筒截割煤岩全域载荷谱综合与数字化方法的有效性和完整性.

摘要：为探究静磁场协同微生物作用下烟煤煤体孔隙结构演化特征及甲烷促解机制,研究在常规厌氧培养体系基础上增设高低强度磁场处理组(0、20、40 mT),系统开展实验室甲烷析出速率试验、16SrRNA高通量测序、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、扫描电镜试验(SEM)和低温液氮吸附-脱附试验(BET).结果表明:20 d培养周期中,低磁场厌氧培养组(20 mT)的析出甲烷速率最高,为4.61 μmol/(g·h),较普通培养组提高了 2.73倍;属水平群落分析显示,低磁场处理显著富集Clostridium_sensu_stricto_1菌种,丰度较对照组提升15％,乙酸营养性产甲烷古菌Methanosare-cina占比达76％;功能基因注释指出,低磁场组脂肪酸代谢、甲烷代谢和苯甲酸代谢通路表达显著增强;红外光谱数据显示,静磁场的加入增加煤中脂肪类官能团—CH、—CH2、—CH3的占比,提高微生物作用位点数量,从而提高煤中原位微生物分解每种有机质速率;煤液氮吸附数据表明,低磁场组的氮气吸附量为原煤的2.25倍、普通培养组的1.48倍,微孔孔容占比达到76.68％,分形维数亦明显增大,孔隙结构趋于复杂;辅助SEM电镜观察煤样表面显示,在低磁场组表面可见更明显的煤体褶皱,且在同倍数下可见细菌附着,相比于其他组煤样,煤样裂隙发育更明显.研究结果揭示了煤样在不同静磁场强度影响下微生物菌群演变和孔隙结构的变化规律,以期为煤层瓦斯高效开采提供理论依据.

摘要：月球蕴藏着极其丰富且具有战略价值的空间和物质资源.随着人类月球探测逐步进入开发与利用的新阶段,月球采矿正从战略构想转变为现实可能.然而,月球岩土体的特殊性与深空环境的极端复杂性给月球采矿带来了极大的挑战,探索建立适用于月球原位环境条件的采矿基础理论与关键技术已势在必行.从采矿工程视角,系统梳理了月球矿产资源类型及其分布特征,对比地球采矿环境分析了月球采矿条件的复杂性与挑战性;重点围绕月球采矿涉及到的"勘-采-用"关键技术环节,详细总结了月球资源原位勘探与识别、开采与提取、转化与利用、月球基地建造及原位能源供给五大环节的主要技术现状,讨论了其核心机理与适应性挑战;在此基础上针对月球采矿关键理论与未来技术需求,提出了从微观到宏观的深空岩土力学理论研究架构,以及面向月球岩土力学性质的全月尺度遥感预测理论攻关方向,进一步凝练了月球大深度原位保真取心探矿技术、月球温差原位发电技术、月球地下盾构技术等关键技术内涵与攻关方向,并给出了理论构建和技术实现建议,有望为未来月球采矿工程、原位资源开发与利用、月面基地建设与月球地下空间开发等前沿领域提供理论与技术指导.

摘要：针对煤矿规划区地面超前预抽井在煤炭采掘引发覆岩运移致使其井筒失稳、报废率高等问题,研究基于煤矿区"四区联动"井上下联合抽采模式开展煤层气地面井"一井三用"抽采技术研发与示范,旨在实现同一地面井在采前预抽、采中协同抽采与采空区残余煤层气回收过程中的全生命周期,提高煤层气地面井井筒服役年限与抽采效率.依托晋能控股集团岳城矿高瓦斯厚煤层分层开采工程,选取该矿2301工作面地面预抽井为对象,开展覆岩运移与井筒响应协同研究,分析"一井三用"条件下地面井井身结构受力与抽采通道演化特征.基于采空区覆岩"横三区、竖三带"运移理论,揭示不同采动阶段井筒所处应力区段与潜在破坏部位,提出井筒局部防护与筛管段保护组合技术,形成由安全防护筛管及割缝套管组成的井筒防变形体系.结合上分层回采后覆岩移动与裂隙演化特征,构建地面预抽井改造再利用工艺流程.工程应用结果表明:将地面井布置于地表沉降拐点连线并适当偏向采场中心的位置,可有效规避采动核心影响区,保障井筒稳定性;通过在井口悬挂、并在覆岩裂隙带内布设割缝套管的改造方式,构建了"井筒—割缝套管—射孔套管—覆岩裂隙"四位一体的高效瓦斯运移通道;在上分层回采后,位于"O"形圈内、背斜构造处以及距回风巷0.2～0.4倍工作面倾向长度范围内的预抽井可实现"一井三用".应用该技术,岳城矿改造地面井累计抽采煤层气5 856.5×104m3,甲烷平均体积分数达51.1％,实现了采前预抽井向采中与采后抽采的功能延伸.通过"一井三用",2301工作面上隅角瓦斯浓度最大值由0.77％降至0.45％,最小值由0.22％降至0.06％,平均浓度由0.34％降至0.25％,上隅角瓦斯超限现象得到了有效控制,为岳城矿的安全生产与瓦斯减排提供了技术支撑.研究形成的"一井三用"抽采模式与井筒保护—通道构建一体化技术,为高瓦斯矿区地面井多阶段连续利用和煤—气协同开发提供了可借鉴的技术思路.

摘要：为削弱DE-XRT(Dual Energy X-Ray Transmission)系统的厚度效应,实现宽厚度范围内煤矸的精准识别和密度预测,深入总结了 DE-XRT的成像原理,并在数据层面上融合了深度相机和DE-XRT.依据煤矸目标尺寸和区域相似性,针对性分区DE-XRT图像和厚度图像,并通过将单像素扩展为多像素集合的方式,实现2类信息更加准确、高效地利用.进一步地,以各分区对应的X射线信息与厚度信息作为依据,利用射线能量衰减公式计算融合信息,并将各分区的融合信息统计为分块矩阵.通过分块矩阵和DE-XRT图像提取多维异构特征,结合Relief特征选择算法及GA(Genetic Algorithm)优化后的SVM(Support Vector Machine)分类器构建了一种适应性强的预识别模型.此外,通过对分块矩阵的变换计算和对大规模样本的统计分析,获取了各密度级煤的模糊区间,并构建了一种基于模糊区间的密度预测模型.该模型充分考虑了使用单一公式计算不同密度级煤的影响,通过建立模糊区间将煤密度的预测问题拆分成多个密度级的预测问题.同时,以待预测目标与区间下限的偏离度表征其与下限密度级的接近程度.试验结果表明:在处理煤密度范围为1.30～1.80 g/cm3、矸石密度范围为＞1.80g/cm3、平均厚度范围为5～100 mm的数据集时,预识别模型的精确率Pre和F1分别为97.522％和0.962.相比现有X射线算法、灰度纹理法及深度学习算法,Pre、F1分别至少提高6.433％和2.888％.密度预测模型的平均误差不超过5.882％,且46.993％的目标预测误差小于4％,93.233％的目标误差小于10％.所提模型可有效减少厚度效应对分选系统的影响,提高宽厚度范围内煤矸的识别和密度预测精度,为智能光电煤矸分选技术研发提供了理论依据.

摘要：柔性刀具扩孔是煤层卸压增透的新式技术手段,为解决现阶段柔性刀具破煤能力不足难题,基于动能一定的前提条件下,通过优化柔性刀具结构参数提高破煤性能.为此,建立了二维柔性刀具破煤数值模型,明确了破煤过程煤体应力场演化和裂纹扩展特征,从细观尺度研究不同安装角度、刀齿数量和刀齿间距对煤体应力演化和裂纹发育规律的影响,明确了动能统一条件下刀齿数量对煤体破坏过程能量演化规律的影响,揭示了安装角度和刀齿间距对煤体裂纹扩展影响机制.结果表明:煤体应力波受刀齿安装角度影响表现为不规则传播,安装角度为0°～20°时为冲击破煤,中间裂纹和侧向裂纹以冲击点为中心向周围辐射,裂纹数量分布均匀;安装角度为25°～40°时为冲击-磨削破煤,冲击作用占主导地位,侧向裂纹发育,刀齿载荷出现双峰值,安装角度35°时破碎面积最大;在动能一定条件下,随着刀齿数量增加能量转化时间缩短、煤体破碎面积增大,双刀齿冲击煤体应变能峰值和应变能集中程度更高,更利于裂隙的快速发育和连通;双刀齿冲击在煤体内部形成连通弧形压应力区,2个冲击点之间力链相互沟通为颗粒间裂隙形成提供前提条件,进而提高煤体破坏效果;存在最优刀齿安装角度,能够改善力的传递效果使煤体破碎面积最大,存在最优刀齿间距,使破碎区域相互连通,充分发挥双刀齿协同破煤作用.

摘要：为降低燃煤发电过程中的CO2排放、水资源消耗,提高垃圾焚烧发电效率,同时提高采用生物法处理污水时的速度和效率,提出将垃圾、污水处理与循环流化床发电机组相结合的耦合系统.在循环流化床锅炉机组旁边分别建设厌氧发酵、生活和工业污水处理系统,其中厌氧发酵系统用于处理食品工业及农林畜牧等行业废弃物;生活和工业污水处理系统则分别用于处理生活污水和工业污水,发酵及污水处理过程中需要的热量来源于汽轮机低温抽汽或排汽余热.发酵产生的沼气耦合燃煤机组发电,沼渣用于生产有机肥料,生活污泥可与燃煤在流化床锅炉内混烧,工业污泥可根据其成分选择入炉混烧或无害化处理.不适合发酵降解的可燃垃圾经过预处理后直接送入流化床锅炉与燃煤进行混烧.对某2×350 MW超临界循环流化床机组耦合垃圾焚烧与污水处理系统后的项目进行了能效计算、应用场景以及收益分析,结果表明:对于人口规模达100万的城市,年生活垃圾焚烧可减少机组标煤消耗11.59万～19.32万t,减少二氧化碳排放30.83万～51.39万t;在沼气利用方面,可与燃煤在炉内直接混烧发电,或利用燃机与燃煤机组进行排烟耦合或蒸汽耦合发电.随着燃机容量的增大,耦合系统的发电效率不断提高,同等条件下,排烟耦合的效率高于蒸汽耦合.该耦合系统还具有节约水资源、降低发酵设施建设成本、节约土地及总投资以及申请财政补贴等多方面收益.综上,循环流化床机组耦合垃圾焚烧、污水处理系统后环境及社会效益显著,尽管该种方式可能面临跨行业、跨部门等现实困难,但仍然值得进一步研究,特别是在新城区的规划建设方面,更具实施潜力.

摘要：基于神东和陕北煤炭基地的覆岩条件,通过对大采高工作面实测来压特征和覆岩垮落高度统计分析,结合物理相似模拟,研究了大采高工作面覆岩垮落特征,提出了大采高工作面等效直接顶的定义.根据等效直接顶对采空区的充填程度,将顶板结构分为充分充填型和非充分充填型,分析了等效直接顶短悬臂梁结构对工作面支架的静载.研究得出:大采高工作面覆岩单一关键层一般形成"高位斜台阶岩梁"结构,该结构滑落失稳是工作面强来压的主要原因.大采高工作面覆岩双关键层下组关键层破断后可以形成稳定的"砌体梁"结构或易发生滑落失稳的"斜台阶岩梁"结构,上组关键层一般形成"砌体梁"结构,即覆岩双关键层形成"双砌体梁"结构或"斜台阶岩梁-砌体梁"结构,常见的是来压较强烈的"斜台阶岩梁-砌体梁"结构.上、下2组关键层关键块的同步与异步失稳是工作面大小周期来压的原因.根据大采高工作面"斜台阶岩梁-砌体梁"顶板结构模型,给出了工作面支架工作阻力理论计算方法,并通过了实例验证,可为大采高工作面顶板控制和支架选型提供理论依据.

摘要：为进一步深入理解煤中小分子的组成结构、赋存方式对其溶出行为及溶出规律的影响,以及小分子溶出后对煤体孔隙结构可能产生的变化,采用石油醚和CS2 2种溶剂对神东煤进行分级分次索氏萃取,并分别对萃取物进行FTIR分析,对萃余物进行孔结构表征.结果表明:累积萃取率与萃取时间关系曲线可较清晰地反映游离态、微孔嵌入态和网络嵌入态3种赋存形态的小分子在不同溶剂中依次溶出的阶段;CS2溶剂渗透性强、溶解性大,对煤中脂肪类和芳香类物质均有效,而石油醚溶剂主要作用于脂肪类物质;对于解离网络嵌入态小分子,CS2溶剂比石油醚溶剂更有效;对于游离态小分子,石油醚溶剂优先溶解具有长侧链结构或长链脂肪烃类小分子,随后CS2溶剂溶解短侧链结构的小分子;对于微孔嵌入态小分子,CS2溶剂优先溶出多环芳烃,随后是多环、两环及单环结构小分子伴生共溶;对于网络嵌入态小分子,石油醚因难以渗入而不能有效解离,CS2溶剂则先解离短侧链结构,经长时间后才能解离长侧链结构或长链脂肪烃;氢键缔合的—OH(—NH)及酚类结构与脂肪族结构基本不存在相伴共生关系;一般只有在脂肪族结构被大量溶出后,氢键缔合的—OH(—NH)及酚类结构才能顺利溶出;溶剂萃取过程中因存在多种效应,孔径演化过程变得十分复杂,但总体上萃余煤总孔容随脂肪族小分子溶出量减少(芳香族小分子溶出量增加)而增大.

摘要：我国煤岩气资源丰富,水力压裂是有效开发煤岩气储层的关键工程技术.由于深层煤岩岩石力学特征、微构造、煤岩气赋存状态和产能控制因素等有别于中浅层煤储层且区块间储层差异大,当前压裂改造技术的适应性仍面临挑战,压裂改造技术创新是煤岩气高效开发的必由之路.首先结合煤岩气储层的地质特征,论述了由此带来的压裂改造技术难题.针对地质特征的特殊性和压裂技术难题,提出了"点解吸,线疏通,面促缝,体支撑"的基质孔缝—割理裂隙协同改造的高效开发理念,并根据其内涵梳理了以下关键问题:①压裂诱导基质孔隙结构和表面性质改造促解吸、渗吸置换以及吸附-游离多态甲烷协同高效供气;②激活割理裂隙,缩短气体扩散距离,疏导基质释放储量;③促进裂缝均匀扩展,"控近扩远"造"长缝网",精准调控裂缝形态;④实现"多级缝宽与支撑剂粒径精准匹配、层理缝平面支撑、割理缝和主缝立体支撑"的煤岩储层压裂缝网全域支撑.结论认为:需要基于深层煤岩的赋存特征和生产特征,进一步研究裂缝参数和生产动态的关系,明确能够满足吸附气和游离气"连续-协同"供气的裂缝参数,为裂缝调控和施工优化提供支撑.深入开展煤层水力裂缝网络扩展规律和裂缝扩展数值模拟技术研究,结合施工净压力双对数图版,实现煤岩气体积缝网的有效调控.采用前置高黏降滤失、造主缝,后置低黏造复杂缝实现"控近扩远"造"长缝网".针对深层煤岩气压裂对裂缝网络体积和导流能力的更高要求,在有限砂液量下使裂缝体积最大化与流动能力最优化,是实现降本增效的有力途径.研发适用于深层煤岩的全域支撑压裂技术,实现"主缝+层理缝+割理缝"长效连通,提高裂缝有效支撑体积.通过多级裂缝、不同铺砂模式下的长效导流能力测试,优化不同支撑剂、纤维的组合模式和配比等.完善现有压裂液体系,探索减水、高砂比低成本压裂液和清洁促解吸剂.

摘要：基于国能神东保德煤矿智能化煤矿建设任务,提出"统一数据、统一模型、统一平台、统一方案"5G+工业互联网智能化矿井建设总体方案,构建"四层+两翼"井下5G综合承载网架构:感知层部署多类传感器采集生产安全数据,传输层以5G+N×100G FlexE硬切片网络为核心实现高效传输,平台层承担数据存储与深度分析,应用层支撑多场景智能化应用;"两翼"为统一数据标准与工业安全防护体系,保障数据互通与网络安全.采用中频满足工作面大带宽需求、低频实现巷道长距离覆盖,通过TDD时隙翻转与SUL技术增强上行传输;依托FlexE切片技术划分5类切片,满足不同业务时延、带宽需求,有效支撑综采巡检、梭车远程驾驶等各类智能化场景.研发四大核心技术:①多行为时序规划快速掘进技术,创新"掘锚一体机+梭车+自移机尾"装备,融合GA-BP神经网络自适应截割、激光雷达路障感知及电力载波通信,解决"最后100 m"运输瓶颈,掘进效率与进尺分别提升10％、15％;②5G+数字孪生长距离定向钻探技术,结合动态方位伽马地质导向提升钻探精准度;③特厚煤层"自动+记忆+智能"三级放煤系统,通过异步递进调度、PID闭环控制与AI(视频+声纹)煤矸识别,平衡煤质与资源回收率;④区域多灾种融合预警技术,整合多源安全隐患监测数据,采用CNN-LSTM架构构建模型,预警吻合度超95％.现场应用显示,研究实现保德煤矿全场景5G覆盖,成功预警水害、甲烷超限等事件,缩短灾害预警响应时间,提升了矿井安全管理水平.该研究通过5G+工业互联网技术与煤矿核心业务深度融合,实现矿井从单一监测向"智能判识、精准预警、联动处置"跨越,为煤矿智能化高质量发展提供技术范式与实践案例.

摘要：煤与共伴生能源矿产作为国家战略性保障资源,具有广泛的共生赋存特征,其绿色、安全、高效、智能协同开发是实现国家能源安全与资源稳定供应的关键保障.系统分析了煤与共伴生能源矿产开发在工程地质保障、矿权划分、共采地质响应、数智化开发技术装备方面的创新挑战,指出能源矿产共采过程中存在地层多相多场耦合响应感知、工艺工序协同部署、地下水扰动径流分布、污染物迁移管控与灾变应急处置等工程技术难题,明确"人工智能+"矿产共采范式是未来资源开发的发展之路.提出共伴生资源无人数智化共采模式,即针对高温、高渗流压、高地应力、低渗透性和互馈式强开采扰动共伴生资源储层响应特征,依托智能感知、数据融合与智能决策技术,构建多模态范式模型与多场景灾害预测-应急防控模型,揭示不同条件下多场耦合的灾害孕育与演化机理;发展具身机器人+边缘计算终端智能集群,构建双向传输的数据链网络,并通过多源机器学习算法训练形成韧性、自愈型分布式与集中式相结合的异构数据体系,实现人机协同远程+自主一体化的精准决策,形成"矿心+矿脑+矿体"的数智化范式.围绕资源共采扰动多场耦合致灾机理、资源一体化开发工艺技术、生态环境修复与链式灾害应急处理、协同开采数智网络与装备范式结构4大关键科学问题,开展共伴生能源矿产高效开发与安全保障、共采区域协同降扰技术方法、地下水调控与污染物迁移防控、矿井水污染防治与净化利用、无人数智共采未来矿区建设及矿井立体环境功能化开发利用6大方向攻关,加快推进煤与共伴生能源矿产共采先导示范工程,为煤系共伴生资源规模化共采提供技术支撑.

摘要：与单一煤层开采相比,近距离煤层群开采时因受上部煤层开采后覆岩结构运动影响,其下煤层开采诱发覆岩结构"重复性"运动及矿压显现规律更加复杂,对下煤层采动巷道围岩控制带来很大不确定性.基于近距离煤层群开采条件下层间坚硬岩层赋存特征与承载结构演化规律,提出了完整承载型、局部承载退化型、局部承载失效型和退化失效复合型4类覆岩结构模型,分析了4类覆岩结构在工作面初次与周期来压过程中的动态演化,揭示了不同开采阶段顶板结构对采场支护与巷道围岩稳定性的影响机制,获得了煤层群开采条件下裂断拱延展倾角演化规律及其影响因素,并综合考虑关键块间的水平挤压力、煤层开采高度、层间距以及覆岩碎胀特征等因素,给出了 4类煤层群开采覆岩结构力学与工程转化条件.然后,以双马一矿近距离煤层群开采为实例,通过相似材料试验与数值模拟相结合的方法,获得了双马一矿煤层群开采覆岩结构类型,并分析了下煤层采动巷道围岩变形破坏及能量演化规律.进一步地,围绕围岩承受能量总值与峰值能量阈值之间的关系,揭示了下煤层采动巷道围岩变形破坏失稳机理,并考虑不同覆岩结构运移对下煤层产生的附加应力影响,提出了围岩失稳判识系数计算方法,给出了围岩失稳能量判据.经计算,双马一矿4-2煤层Ⅰ 0104205工作面采动巷道顶板失稳判识系数为0.246,帮部失稳判识系数为0.962,有一定失稳风险.在此基础上,提出了适用于不同覆岩结构类型的"远场卸压—近场加固"递进式控制技术体系,在对Ⅰ 0104205工作面运输巷进行应用后,锚索受力降低了 17.3％,顶底板和两帮移近量分别减小了 60.5％和61.9％,围岩控制效果显著.最后,对不同影响因素与近距离煤层群开采覆岩结构类型之间的关系进行了讨论.

摘要：黄河流域生态保护和高质量发展是重大国家战略,但水资源短缺已成为其发展的最大制约因素.矿井水作为重要的非常规水资源,充分挖掘其资源属性,不仅具有缓解区域水资源紧张的战略潜力,而且通过减少矿井水直接排放,减缓对地表水环境污染威胁,但目前矿井水总体利用水平不高且区域不均衡.通过系统剖析黄河流域矿井水资源特征与开发利用现状,探索构建了矿井水资源保护与利用的战略框架.研究发现:黄河流域矿井水资源目前呈现明显的区域差异性,涌水强度沿流域呈现自西向东逐级递增的梯度分布格局,涌水总量总体表现为中部高、两翼低的空间格局,水质呈现上游高矿化度、中游类型复杂、下游水质相对较好的梯度特征;根据煤炭产量与矿井涌水量的相对关系,形成了"高产低排型""低产高排型""产排均衡型"和"低产低排型"4种典型模式;矿井水利用率从不足30％到90％以上不等,利用结构以工业用途为主,生态与农业用途拓展不足.借鉴国际先进经验,构建了"空间-功能-时序-体制"四维协同的战略框架,形成"源头减量化、过程无害化、末尾资源化、终端回灌化"的全链条分层治理体系,部署了精准减排控污工程、矿井水智能监控网络、分质分级处理体系、矿井水创新利用模式、区域性回灌储存与地下水修复等重点工程,以及政策法规、协同治理、科技创新等保障措施,推动黄河流域矿井水从"环境负荷"向"战略资源"转变,为区域生态保护和高质量发展提供坚实的水资源保障.

摘要：在全球能源结构加速转型、需求持续攀升的背景下,深地煤炭资源因其丰富储量与巨大能源潜力,日益成为矿业工程领域关注的重点方向.为应对开采难度与环保压力,兼顾经济可行性与可持续发展,深地煤炭资源的开发应在确保高效利用的前提下,推动自身实现减排降碳与绿色转型.基于"深部煤炭资源流态化开采""煤炭化学开采"与"煤基电"等技术思路,系统梳理并介绍爆轰-发电式深地煤炭资源开采模式与技术结构.该模式以煤粉爆轰燃烧技术为核心,结合爆轰燃烧-机械/磁流体前沿发电技术,构建爆轰-涡轮/磁流体(Magnetohydrodynamics,MHD)联合发电系统,为实现煤炭资源的高效转化与清洁利用提供方案支撑.通过对爆轰发电模式及技术架构分析,提出煤粉爆轰能量高效释放机制、爆轰-发电式耦合方案、全生命周期爆轰-发电式动态管理机制以及爆轰-发电式深地采煤新理论与新方法4项基本理论,并围绕煤/瓦斯气固两相稳定爆轰技术、爆轰模型构建与动态过程优化技术、爆轰-发电式发电效率及效益评估、爆轰-发电式采煤方法综合设计4项关键技术展开论述,阐明其在深部煤炭开采实践中的转型升级价值.在此基础上,提出系统化的工程应用策略,阐明开采工艺与爆轰发电模式的协同机制,明确各关键环节的安全管理与过程优化重点,完善爆轰-发电式深地煤炭资源开发的总体路径,为"煤基电"能源体系建设及我国深地煤炭资源的清洁高效利用提供参考.

摘要：建筑物压煤开采一直是困扰煤矿的重大技术难题,为了解决我国这一问题,20世纪80年代开始在近10个煤矿开展了离层注浆减沉试验,取得了一定效果,但由于其实际减沉率达不到建筑物保护的要求,通过离层注浆开采建筑物压煤的技术可行性受到质疑而逐渐被弃用.基于岩层控制的关键层理论和全柱状学术思想研发的覆岩隔离注浆充填技术,2009年率先在淮北矿区成功应用,解决了建筑物压煤开采的难题,应用范围、规模、领域不断扩大.当前,覆岩隔离注浆充填热度有增无减,为促进行业技术健康发展,有必要科学回顾、全面审视发展历程,清晰厘定理论、技术层面的差异,系统论述覆岩隔离注浆充填在理论、技术、实践等方面的创新.在原理层面,鲜明地将技术实质由离层注浆的"寻找离层"扭转到隔离注浆的"压实注浆",坚定了正确的指导思想与理论方向.从采动覆岩卸荷膨胀累积效应审视发现,离层受到抑制作用,最大量通常小于采高的10％,有些条件下甚至没有,离层注浆将重心放在"离层空间"并加以灌注,实践证明其充填量少、注采比小,难以阻止关键层破断下沉,这是离层注浆减沉效果不及预期的根本原因.覆岩隔离注浆的压实注浆方法,变被动"寻找离层"为主动"挖掘空间",通过注浆压力的"托上压下"作用,在关键层破断前将其下部卸荷膨胀岩层重新压实,从而产生可注浆充填空间,大幅提高注采比,在采空区中部形成压实支撑体,对关键层结构产生支撑并保持长期稳定性.在原理创新的基础上,从技术层面攻克了往哪注、注多少、怎么注等3方面难题,将压实注浆由抽象理论转化为工艺方法.在注浆层位方面,创新提出了主层位概念,从根本上确保了注浆充填的控沉效果;通过基于关键层位置的裂隙带高度预计等理论方法的运用,确保了注浆充填隔离层的安全性;尤其是在全柱状学术思想的指导下,针对薄基岩厚松散层条件下覆岩结构由基岩关键层向松散层拱结构转移,覆岩隔离注浆的层位也由基岩进化到松散层底界,并取得了实践创新.围绕充填量与注采比的关键技术问题,从理论上阐明了充填物料由固相浆材到液态浆体再到压实固结的过程,进而根据岩层移动规律确定了充填体在空间上呈梯台状的赋存形态,并提出了考虑岩体碎胀与地表沉陷的注采比计算式,回答了能够注多少以及需要注多少的问题,彻底颠覆了以离层量预计充填量的认知.进而,提出了以注采匹配为核心的注浆控制技术,使压实注浆转化为可控的导向注浆,从源头保障了减沉效果;加之注浆钻孔布置等系列设计方法,与钻孔压力、密度、流量参数监测调控的运用,实现了采动黑箱地层中钻孔注浆的长周期健康运行,以及地表沉陷控制效果的稳定性.在系列理论与关键技术支撑下,覆岩隔离注浆将注采比提高到50％以上,地表下沉系数控制在0.1以下,满足了建筑物保护的要求,实现了村庄不搬迁开采(减沉),以及百万吨级煤基固废的综合利用(减排)、含水层保护(减漏)和矿震防治(减震).发展方向是,针对煤矿固废充填材料不足和"双碳"目标,将CO2作为注浆充填材料,达到减沉、减排、减漏、减震、减碳的"一注五减"效果,实现煤炭资源绿色开采与低碳利用.

摘要：围岩放热是深部高温矿井最主要的热源,其关键参数不稳定换热准数Kuτ直接决定风温预测精度.现有获取Kuτ的方法(解析级数、查图、查表、分段回归、逐巷数值模拟)或计算繁琐,或插值误差大,或无法批量实施,难以满足工程快速、准确、统一计算的需求.为解决上述问题,对巷道围岩与风流不稳定换热准数计算方法展开研究.研究以圆形巷道为对象,建立极坐标下无量纲瞬态导热微分方程,将Kuτ表征为毕渥数Bi与傅里叶数Fo的函数;采用有限体积法离散,节点半径与时间步长按等比级数布置,兼顾剧烈非稳态阶段的精度与后期计算效率,基于Visual Studio自主开发求解程序,在不同Bi、0.01≤Fo≤1000的范围内计算高精度离散解;通过变量转换发现(Bi-Kuτ)-1与Fo-0.5呈高度线性关系,据此构建统一的二次多项式回归公式.计算结果与经典理论解相吻合,验证了数值模型与程序的正确性;回归公式形式简洁、无分段;回归公式平均相对误差1.8％,最大相对误差4.2％,优于既有分段回归;算例显示,巷道通风5d、1a、10a后,不稳定换热准数分别降至初始值的29.0％、7.7％、5.0％,与现实规律一致.该研究给出了 Bi、Fo全域连续变化条件下Kuτ的统一显式表达式,突破了分段拟合的局限,形式简洁,可直接嵌入风温预测软件,实现上百条巷道围岩散热秒级精确计算,为深部矿井热害快速评估及降温设计提供了可靠、高效的工具;该方法可扩展至非圆形断面及非均质围岩,后续将耦合风流温湿过程,实现全矿井热环境动态预测.