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：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：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.

摘要：深部煤层埋深大,煤岩结构致密,裂隙相对不发育,成为制约深部煤层气高效开采的重要因素.水力压裂主要在煤层中形成较宽大的裂缝,而超临界CO2(ScCO2)由于其分子结构较小,黏度低,能够渗透到煤体微纳米尺度的孔裂隙内,从而产生较复杂的显微裂缝网络,有效增加气体运移空间.结合显微CT、声发射仪、形貌扫描仪研究了 ScCO2压裂延安区块深部煤体后显微裂缝的分布特征及扩展规律,获得了不同应力约束条件下煤中压裂裂缝的分布特征,分析了煤体结构、地应力、ScCO2特性等因素对显微裂缝起裂与扩展的控制机理,定量表征了显微裂缝的形貌特征及其非均质性,揭示了显微裂缝扩展与分布的控制机理.研究结果表明,1～3号样的垂向应力差系数(Kv)均为0.4,4号样的Kv为0.6时,1～3号样的破裂压力均在25 MPa附近,而4号样的破裂压力仅为16 MPa,即Kv增加有利于煤体破裂.ScCO2压裂后煤体中显微裂缝发育,其形态复杂且连通性增强,有利于气体运移.ScCO2进入煤体,沿着较大孔裂隙通道逐步进入显微尺度的孔裂隙,随着注入气体量增大,ScCO2对煤体的挤压强度不断提高,煤体先发生显微破裂,随着ScCO2聚集压力增大,煤中裂缝被撑开发生整体破裂.由于ScCO2能够进入不同尺度的煤体内且其分布较均匀,因此形成的裂缝分布范围较广.1～4号样裂缝面的粗糙度分形维数分别为1.915、1.828、1.814和1.797,表明煤体的破裂压力越大,裂缝面的分形维数越高,裂缝的非均质性越强.煤体结构、地应力和ScCO2性质是影响深部煤体压裂裂缝展布的主要因素.研究结果为ScCO2压裂改造深部煤体渗透率提供了指导.

摘要：我国煤矿残采区内遗存大量难采煤炭资源(后文简称"遗煤"),浅层遗煤储量可观且开采价值巨大,安全回收能够助力我国煤炭资源持续供给;同时,遗煤长期滞留易自燃,威胁环境安全且难以处置.因此,基于绿色开采和科学开采学术思想,结合充填开采和煤炭地下气化开采工艺,提出了一种关键域充填协同地下气化复采浅层难采遗煤的技术构想.该技术体系通过遗煤地下气化关键域全过程识别、充填材料优选及结构设计、遗煤地下气化空间重构、遗煤资源地下气化复采、复采区监测及充填综合调控等步骤,实现遗煤资源的安全低碳高效开采.关键域充填协同地下气化复采浅层难采遗煤需要解决四大关键科学问题:遗煤赋存空间煤岩失稳破坏特征及关键域判别原理、关键域充填材料热损伤机制及耐高温机理、遗煤地下气化煤岩充结构体承载-渗流特性及失稳机理、关键域充填结构设计及参数优化准则等.关键域充填协同地下气化复采浅层难采遗煤面临的四大关键技术包括:残采区关键域多参量识别技术、关键域充填材料优选技术、遗煤地下气化燃空区链式灾变模拟技术、关键域充填协同地下气化"充填-气化"参数调控技术等.关键域充填协同地下气化复采浅层难采遗煤需要完成的研究内容有:残采区关键域精准判别与充填位置科学确定、关键域充填材料优选与结构设计、遗煤地下气化分布式燃空区失稳特征与灾变机理、关键域充填协同地下气化复采岩层稳定性控制方法等.该技术有望同步实现浅层难采遗煤回收和矿山固废再利用,推动煤炭地下气化和岩层控制技术的发展,保障我国的能源供给安全.

摘要：煤自然发火涉及多尺度研究,单煤颗粒是连接微观机理和宏观表征的关键尺度.现有研究在微观尺度和宏观尺度上均开展了大量的工作,但仍缺乏对颗粒尺度效应在煤自然发火中影响的定量分析和评价.首先基于等效球对称模型和煤氧化反应方程建立了第3类边界条件下单煤颗粒内部温度和氧气浓度扩散控制方程,对数学模型进行无量纲处理,推导得到单煤颗粒内部无量纲氧气浓度和温度分布的解析解,定义并得到判断颗粒尺度效应强弱的效率因子数学表达式.进一步,通过对比数值方法与解析解的计算结果验证了解析解的正确性.最后,分析了几个关键无量纲准则数对颗粒内部无量纲氧气浓度、温度分布和效率因子的影响.结果表明:颗粒内部无量纲浓度分布是蒂勒模数和传质毕渥数的函数,而无量纲温度分布则涉及蒂勒模数、传质毕渥数、传热毕渥数以及新得到的准则数4个无量纲准则数;效率因子与蒂勒模数和传质毕渥数有关;当蒂勒模数小于0.1且传质毕渥数大于0.1时,效率因子接近于1.0,此时完全可以忽略颗粒效应;当蒂勒模数大于2.0时,效率因子总是低于0.8,应考虑颗粒效应的影响.工程上可以依据所提出的表征颗粒尺度效应强弱的效率因子计算式进行估算,从而决定是否需要考虑颗粒尺度效应.研究成果为定量分析单煤颗粒微观特性对宏观表征的影响以及后续多尺度仿真模型的建立奠定了基础.

摘要：柴油机运输、爆破作业、煤自燃、外因火灾和瓦斯/煤尘爆炸是矿井CO的主要来源,导致井下CO浓度超限报警频发,严重影响矿井安全生产.现阶段矿井CO防控主要依赖呼吸防护与物理通风,其本质为被动隔离或稀释CO,应急处置效率和响应能力有限,难以实现CO危害的根本性控除.针对上述问题,团队于2017年提出了矿井CO化学消纳新思路,并在消纳材料研制、理论模型构建、装备研发及工程应用方面取得系列突破.基于前期研究成果,阐述了"分源治理、环境适配"的矿井CO化学消纳技术内涵,提出了 CO化学消纳效果量化评估的3项关键指标:CO消纳率、CO消纳速率和CO消纳量;基于过滤式与喷洒式CO消纳的物理特征,结合消纳材料表面CO氧化反应机理,建立了矿井CO化学消纳过程动力学演化理论模型,实现了 CO化学消纳规律的定量刻画;开展了无轨胶轮车尾气与高温腔室CO消纳试验,8.03 L消纳材料可将怠速工况下尾气CO排放体积分数降低至23×10-6以内,100 g消纳材料喷洒量可将200 ℃腔室内CO体积分数在60s内从2.5％降低至0.09％,CO消纳率均超过93％,证实了 CO化学消纳法的有效性.此外,构建的理论模型预测的CO体积分数演化过程及CO消纳率、CO消纳速率和CO消纳量与试验结果吻合良好,误差在20％以内.矿井CO化学消纳法具有较好的应用前景,研究成果可为CO致灾风险的超前化解与灾害应急处置的实践应用提供理论基础.

摘要：在全球能源危机愈演愈烈的大背景下,立足增加国内油气供给的国家能源安全战略需求,富油煤原位热解技术在我国受到空前的重视,该技术具有污染少、扰动小、规模化潜力高的特点.然而,钻井式富油煤原位热解过程的高度不可视性、人员不可抵近性以及复杂的地下反应条件给煤炭安全生产带来了新的挑战,是富油煤原位热解技术推广应用中不得不考虑的重要因素.充分掌握油气产出特征及其燃爆特性、原位热解反应调控机制、热解过程裂隙扩展规律及油气运移机制、富油煤原位热解环境影响及其防控技术是保障富油煤原位热解稳定运行和安全风险防控的重要基础.但目前还存在富油煤原位热解油气产出特征及其燃爆风险不明确、原位热解区域热量传递规律及输运模型不完善、多场耦合作用下油气产物迁移规律尚未明晰的问题.在完善上述理论的基础上,开发兼具防止油气外逸和上覆岩体增稳功能的裂隙封堵材料、探索不连续裂隙空间封堵工艺、研发热解反应腔体的屏蔽隔离技术、发展空-天-地一体化多维度监测体系和高效数据汇集处理系统、建立智能化与自动化富油煤原位热解反应控制体系,可为富油煤原位热解技术推广应用提供安全保障.尽管世界各国都已开展了相关理论、技术及装备的研究和探索,但仍未能满足富油煤原位热解过程安全预控的需求.

摘要：随着煤炭行业智能化开采的快速发展,传统煤矿水灾防治技术因效率低、精度不足等问题,难以满足复杂地质条件下的精准防控需求.为此,提出了面向智能开采的矿井水灾智能化防控关键技术,构建了数据感知-模型构建-动态评价-综合治理-应急防控全流程闭环管理系统,显著提升了水灾防治的主动性与可靠性.首先,通过"长掘长探"智能物探、随采地震动态探测以及"井-地-孔"联合电法、微震、水文监测等多源全空间多物理场耦合监测网络,提升了异常体边界识别精度,结合实时数据处理与动态成像,实现工作面前方导水构造的精准探查;其次,基于智能化探测与监测成果,提出了多属性高精度建模技术,融合钻孔、地震及随钻数据,基于矿井区域地层沉积相分析,结合分段式激光雷达扫描与全局标定算法、隐式迭代插值算法与TIN-GTP网格建模技术,通过参数化建模技术映射含水层、陷落柱等致灾要素,构建了厘米级精度的三维巷道模型和多属性综合水文地质模型,支撑矿井水灾风险的空间关联分析,实现了静态地质模型的动态更新与透明化;再次,基于矿井综合水文地质模型中含(隔)水层及其顶底板厚度、标高等属性信息及水文动态监测数据,采用LSTM-GCN混合网络与贝叶斯模型,利用时空信息关联耦合算法,智能评价水灾风险,实现了矿井涌水量水源判识和涌水量的实时预测,并通过风险热力图实时分析,构建了水灾风险动态评价系统;然后,开发了基于三维地质模型的钻孔轨迹智能设计算法、基于AI视频的探放水钻杆智能识别算法以及自然语言的报告模板化生成算法,研发了水文地质信息数字化动态管理系统和致灾水体智控疏放与智能注浆系统,通过三维轨迹与煤层结构的空间叠合分析、多目标优化模型与自适应调控算法,实现了钻孔轨迹智能生成及集成自主施工、远程监控与轨迹优化、设计报告台账的自动化动态更新,提升了水灾隐患治理工程施工效率;最后,基于矿井工程地质、水文地质数据同步映射驱动信息更新,并结合人员定位、巷道模型动态模拟突水蔓延过程,采用防治水治理工程地质信息和水文地质信息双重实时解析反馈机制,利用多约束路径动态优化算法,实现灾情推演与救援方案的快速生成.未来,研究将聚焦物联网智能集控平台与全流程综合智能系统,推动矿井水灾防控向"感知-分析-决策"自主化方向演进,为煤矿安全生产与智能化建设提供核心支撑.

摘要：随着地球浅部能源资源逐步开采殆尽,提升人类对深部固体资源获取能力是全球科学前沿和技术发展的必然趋势,也是确保我国长久能源安全的战略选择.煤炭禀赋固体资源与能源属性,深部煤炭资源流态化开采是突破固体矿产资源开采深度极限的颠覆性技术,其关键是要构建能考虑深部煤炭资源流态化开采原位赋存环境影响的深部工程科学全新理论与技术.现有岩石力学理论与方法难以考虑深部原位环境的影响(现有强度准则、本构方程等与深度无关、与深部原位环境无关),无法有效指导流态化技术研发和灾害防控,亟需发展考虑深部固体资源流态化开采原位多场多相环境影响的原位岩体力学新理论、新方法.建立深部原位多场多相岩体力学理论是实现深部固体资源流态化开采的基础,针对考虑深部煤炭资源原位流态化开采赋存环境影响的岩体力学理论新体系,凝练了四大关键科学问题:①深部固体资源流态化开采不同深度赋存环境本真参数与岩体物理力学行为差异性规律;②考虑深部固体资源流态化开采多场多相赋存环境影响的原位岩体力学理论;③深部固体资源流态化开采围岩稳定与岩层控制机制及动力灾害孕灾机理;④深部固体流态化开采负碳充填体的拓扑结构与构建.并相辅相成地提出五大关键技术问题:①深部固体资源流态化开采不同深度原位多场多相赋存环境本真信息获取技术;②深部固体资源流态化开采环境重构下岩体形变多参量同步测试技术;③深部固体资源流态化开采围岩多场耦合破坏智能数值仿真技术;④深部固体资源流态化开采负碳充填材料改性及性能调控技术;⑤深部固体资源流态化开采负碳高效充填技术.最后,结合科学问题和技术问题细分出七大重点研究内容:①深部固体资源流态化开采不同深度岩体力学行为原位测试原理与技术;②深部固体资源流态化开采环境重构下多场多相岩体形变规律同步测试方法与技术;③深部固体资源流态化开采下原位岩体力学理论与灾变预测方法;④深部固体资源流态化开采下围岩稳定技术与安全评价方法;⑤深部固体资源流态化开采巷道前方灾害源随掘声波精细探测技术;⑥深部固体流态化开采下负碳充填及其岩层控制技术;⑦深部开采动力灾害防控方法及工程示范.基于以上内容构建深部固体资源流态化开采原位多场多相岩体力学理论,为未来深部固体资源流态化开采提供理论基础和技术支撑.

摘要：循环流化床锅炉在超低负荷运行时,存在煤耗高、主汽温度低和NOx排放值无法满足50 mg/m3以下环保限值的技术瓶颈,严重制约了循环流化床锅炉的深度灵活调峰应用.在1台240 t/h高温高压循环流化床锅炉的炉膛两侧墙,各耦合了 1支24MW煤粉流态化自预热器,通过循环流化床主炉膛给粒煤和预热器给粉耦合燃烧方式,提升循环流化床低负荷燃烧的炉膛上部温度,并利用预热燃料还原循环流化床密相区已生成NOx的技术思路,破解循环流化床锅炉低负荷燃烧的技术难题.结果表明:煤粉自预热温度达到800 ℃以上,实现了锅炉负荷25％(预热给粉15％+主炉膛给煤10％)和锅炉负荷20％(预热给粉10％+主炉膛给煤10％)的稳定运行,且在超低负荷下,仅通过炉内喷氨,NOx原始排放分别为38.2和47.5 mg/m3,均达到了超低NOx排放标准,锅炉热效率分别为91.52％和91.09％.锅炉负荷25％和20％时,循环流化床主炉膛密相区温度均高于750℃,且锅炉负荷25％时,主炉膛出口温度达到670 ℃,形成了循环流化床锅炉超低负荷稳定、高效、清洁燃烧的技术方案和运行方式.试验研究结果为循环流化床锅炉深度灵活调峰技术研发和工程应用提供了重要支撑.

摘要：针对由于煤矿采动巷道围岩条件复杂、开采强度大、矿压显现强烈,导致巷道冒顶、大变形等动压现象频发的难题,深入探讨了煤矿采动巷道冒顶机理,揭示了煤矿采动巷道冒顶的直接原因和力学本质,建立了裂隙危岩坠落、松散岩体垮落、弱黏结复合顶板垮落、大变形巷道蝶叶型冒顶等巷道顶板灾害的情景模式,阐明了先天缺陷型和采动影响型2种巷道冒顶类型.在巷道冒顶机理的指导下,开发了系列覆盖巷道服务全周期、拥有自主知识产权的煤矿采动巷道冒顶控制的关键技术和装备:巷道顶板灾害隐患分级定位排查方法、巷道围岩状态感知技术和支护设计智能决策系统、配备有集束式架载锚杆钻机群的综掘液压支架临时支护系统、以"悬臂式掘进机+综掘掩护支架+架载有轨锚杆钻机"为核心的掘进工作面"三机"配套新模式、异形变孔径钻进锚固增效技术、大变形抗冲击韧性锚索、可折叠无反复支撑超前支架等,阐明了各项自主技术的研发背景、关键创新和良好应用效果,解决了复杂条件煤巷冒顶机理、冒顶隐患定位排查预警、全周期顶板安全支护与控制等关键难题,实现了冒顶隐患可视化智能分析和巷道差异化支护设计,对于从源头上消除掘进空间和采动影响期间巷道冒顶安全隐患,提升我国煤矿灾害防治水平,保障国家能源安全具有重要意义与广阔应用前景.

摘要：煤炭资源井工开采会引发上覆地层的移动变形,对工业广场建(构)筑物运维、采区规划及矿井安全生产造成严重影响.揭示基岩、松散层与地表三者之间的移动变形差异性及其垂向形变传递特征,对于矿区安全开采与沉陷控制具有重要实践意义.以两淮新集矿区为研究对象,采用分布式光纤感测技术构建全地层监测系统,通过开展三维物理相似模型试验与工程原位测试相结合的方法,利用应变表征数据研究了煤层开采过程中全地层垂向移动过程及其变形分布与演化特征.研究表明:基岩、松散层与地表的移动变形呈现非整体、不连续特征,基岩与松散层内部变形表现出典型的分段性.在变形时序特征上,基岩表现为"陡沉—慢沉—稳沉"的快速传递模式,松散层呈现"缓沉—陡沉—慢沉—稳沉"的含隔水层分段变形模式,而地表则表现为"慢沉—缓沉—稳沉"的非均速渐变移动模式.进一步分析发现,基岩段变形传递速率是松散层段的4.8倍,而基岩段变形传递时间仅为松散层段的0.27倍.现场监测结果表明:全地层下沉构成中,基岩段下沉贡献率为78.4％,松散层段下沉贡献率为21.6％.回采阶段上覆地层受沉积层状结构及疏水共同作用,内部拉伸变形主要集中于采空区上方离层发育区及采空区边界附近,而压缩变形则集中于煤壁前方支承压力影响区.研究结果深化了厚松散层下煤层开采覆岩移动变形传递机制的认识,可为开采过程中从被动沉陷控制转向主动减沉、减损提供数据支撑与科学指导.

摘要：深部煤层气(又称煤岩气)已成为我国天然气增产的重要增长极.实践证实深部煤层(岩)气必须通过大规模水力压裂获得高产,其排采规律和开发特征与中浅层煤层气存在显著差异,但背后产气关键机理和定量化排采指标界限尚不明确.与中浅层煤层气相比,研究提出了深部煤层(岩)气井因其地质特殊性决定了二者在压裂改造强度及资源动用范围、渗吸置换效应、排采理念及方式等开发领域的三大差异,基于物理模拟试验、数值模拟、机理剖析、现场试验等多种方法,首次揭示了深层煤层气压后焖井及控压排采的内在机理,明确了科学焖井时间、返排及投产后的控制制度关键定量指标与优化策略,建立了深部煤层(岩)气井全生命周期"五步六阶段"制度体系与开发模式,现场验证效果显著.结果表明:①深部煤层(岩)气科学开发理念是通过"合理焖井、控压生产、保持气液两相流、延长自喷期",充分发挥压裂改造"缝控范围"(SRV)内压裂液的"压驱-渗吸-置换"效应,最大化泄气体积(DRV)内气液两相协同高效产出,从而使单井最终可采储量(EUR)最高;②深部煤层(岩)压裂焖井过程中存在显著的气水置换效应,基于渗吸置换核磁共振试验、长岩心压力传导试验及矿场尺度数值模拟,估算压裂液焖井时间下限为2.5 d、上限为15 d,结合大吉区块深部煤层(岩)气现场开发实践,综合确定深部煤层(岩)气井合理焖井时间为3～11d;③微流控试验和在线核磁共振试验均表明,若生产过程中排采过快,气相极易沿优势大通道"窜流"突进,导致大量水相滞留于次级裂隙,且有效应力越大,水相滞留量越大、产出效率越低,进而堵塞与次级裂缝相连的基质孔隙中气体产出通道;核磁试验表明,相比"快速降压"方式,采用"逐级降压"控制方式的深部煤层(岩)气采收率提升了 39.1％(从41.6％至80.7％),表明"逐级降压"控制方式既能避免气相突进、保障气水稳定协同产出,也能通过"吸附态解吸补充-游离态持续供采"的良性循环,大幅提升采收率;④速敏和应敏试验表明,自支撑裂缝和支撑裂缝导流能力在有效应力5～20 MPa区间内呈指数型急剧下降(降幅超94％),且流速超过某临界值后会因煤粉运移或支撑剂嵌入、返吐等导致导流能力严重损伤,表明需通过控压排采方式防控渗流通道导流能力损伤,综合多种方法确定返排阶段直井单层合理返排液量为20～23 m3/d,推广至水平井(以压裂10段为例)最大日产液量不超过230m3/d;⑤综合数值模拟与动态监测,明确了大吉区块不同排采阶段的合理排采制度,定量确定了千米日产气量(日配产量)为4×104～5× 104m3/d,建议返排阶段、上产阶段、稳产阶段、递减阶段的压降速度分别控制在0.60、0.70、0.04、0.07 MPa/d阈值以内;⑥基于深部煤层(岩)气焖井与控压排采试验和模拟结果,构建了以"焖井扩散促解吸、控压稳流防闭合、调控促排提产量、精细管控延自喷、举升解堵保稳产、补能解吸控递减"为核心的"五步六阶段"新型全生命周期排采制度体系.理论指导应用大吉区块31 口井,实践证实新试验井的产液、产气、压力等生产指标均显著优于同生产阶段"几乎未主动焖井+快速返排放产的生产井",实际焖井时长7～10d,返排阶段的返排率由20.0％提升至30.1％,投产时的初始井口压力由6.45 MPa提升至11.64 MPa,相比增幅80.5％,预测自喷稳产周期延长至400～500 d,单井EUR预计提升30％以上.研究成果可为深部煤层(岩)气井排采制度优化、提升单井产量和提高采收率等提供科学理论依据.

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.