摘要：含盐废水具有污染成分复杂、处理成本高、难度大等特点,处理不当会造成严重的生态环境破坏.焚烧法是一种含盐废水无害化处置方法,但因含盐废水中碱金属盐类可能造成灰熔融温度降低,造成焚烧设备腐蚀及积灰结渣等问题,因此有必要对含盐废水中常见盐类和煤掺混燃烧过程对煤灰熔融特性的影响及机理进行研究.采用浸渍法将含盐废水中常见的 3种盐NaCl、Na2SO4、NaNO3 分别负载至 2种燃煤中,并在 815℃的温度下进行制灰,获得不同煤样的灰样.针对负载不同钠盐的灰分样品进行灰熔点测试.研究发现,3%钠盐掺混比例下,NaCl、Na2SO4、NaNO3 掺混均会显著降低煤灰熔融温度,煤 1的变形温度和软化温度均在负载Na2SO4 最高、负载NaCl时最低,造成煤灰结渣.同时,煤 1负载 3种钠盐之后,综合结渣倾向指数Rz>2.5,均有严重结渣的倾向.NaCl对灰熔融温度的影响尤为显著,且会产生副产物HCl,而Na2SO4 和NaNO3对不同煤种的影响略有不同.此外,灰分样品的元素组成表明,相比于无钠盐负载时,灰分颗粒中的碱金属元素Na、Fe、Ca的总含量有所增加.根据扫描电子显微镜和X射线衍射分析,煤 1灰-NaCl颗粒与颗粒之间存在明显的黏结现象,灰样中还生成了NaAlSiO4、KNa3(AlSiO4)4 等低熔点物质,并可能进一步形成低温共熔体,造成NaCl负载煤样燃烧过程易发生结渣.因此,含盐废水的浓缩液或结晶盐和煤掺混燃烧时,必须严格控制掺混比例,尤其是NaCl含量较高的废水.

摘要：透明矿井构建是我国煤矿智能化建设实施的关键.受矿井地质探测、多场融合识别理论与技术的限制,现有矿井地质灾害隐患识别的精度、准确度及时效性仍难以满足新时期透明矿井构建对多源地质信息数据的应用要求.在总结现有震电联合反演、井地联合反演、多波多属性联合动态反演、多源多尺度多物理场联合反演等技术发展的基础上,提出"三尺度-三精度-一个模型"的透明矿井构建思想,三尺度即矿区、采区(精度 3 m)、工作面(精度 0.5 m和 0.1 m)三个尺度,一个模型即时空统一的透明地质模型.设计了多源异构数据管理方式,包括多源、多模态矿井数据的规范化采集、清洗、标注及湖仓一体化管理方法,为地质大模型提供了高可信度的数据支撑;提出了矿井地质灾害隐患动态识别技术框架,包括多源多场信息的实时感知与汇聚、多场地球物理数据的综合集成与处理、多场联合反演、特征构建与动态识别、预警发布、模型更新与大模型交互等 5项技术内涵,通过"数据感知-数据处理-多场反演-特征构建-动态识别-反馈优化"的闭环流程实现矿井地质灾害隐患的持续感知与智能决策.系统阐述了矿井典型地质灾害隐患识别模型构建的关键技术,包括:地面地球物理多场联合反演及识别、掘进巷道随钻原位探测识别、综采面煤岩层位及结构识别、瓦斯地质识别、富水地质识别、以及扰动条件下地质构造动态识别等6类识别模型.为构建智能化、透明化、实景化的透明矿井地质云平台提供新的理论技术支撑.

摘要：煤矿水害往往会造成严重的人员伤亡、财产损失并伴随矿井可采储量的减少,甚至会引发地面沉降塌陷等次生灾害,因此煤矿水害精准预测预报一直是矿井水害防治研究的热点方向.近年来,煤矿突水灾害预测技术水平取得了长足发展,但仍不能满足安全、高效、智慧、绿色矿山对水害定量精准预报的需求,亟需发展新的探测技术.磁共振技术是目前唯一能直接、定量探水的地球物理方法,然而目前采用的地面核磁共振法存在探测深度浅、抗干扰能力弱、对含水体边界区分能力差等问题.基于此,在地面核磁共振法的基础上,结合煤矿井下实际施工方式,提出了在地面布设大尺寸发射回线、在井下布设多匝小回线接收的地巷核磁共振法.首先对地巷核磁共振法进行了理论推导,基于常规含水模型分析了地巷核磁共振信号的响应特征和核函数分布规律,并采用数值计算的方式对比分析了地面核磁共振法和地巷核磁共振法的理论信号强度和有效探测深度,结果表明地巷核磁共振法在含水体埋深超过 150 m时具有更高幅值的响应信号,相比地面核磁共振法具有接近其 2倍的探测深度;然后,对顶底板含水体分别采用同步采集、定收采集、定发采集等 3种数据采集方式进行了数值模拟计算,并利用初始振幅E0 多测道成果图分析了不同数据采集方法对含水体边界的刻画能力,结果表明同步采集方式对顶板含水体的中心点和底板含水体的边界分辨能力稍弱,而定收和定发采集对顶底板含水体的中心和边界均具有良好的横向区分能力;同时分析了不同地倾角下核磁多测道剖面特征;最后,利用一维Occam反演算法进行了多种层状模型的自由感应衰减信号一维反演和顶底板含水体模型的拟二维反演成图,对地巷核磁共振岩层含水率定量探测能力进行了验证.

摘要：深部采掘工作面处于高地应力、高水压等复杂地质环境,使得突水灾害问题变得愈发严峻.随着人工智能技术的快速发展以及智慧矿山建设的不断推进,深度学习和计算机视觉在矿山安全监测领域逐渐被推广应用,为降低突水灾害风险提供了新路径.针对深部矿井的突水实时预警需求,创新性地将深度学习、机器视觉与电法监测相结合,提出了一种基于机器视觉的两阶段电法监测突水实时预警技术.监测过程分为 2个先后阶段,即视觉识别阶段与分析决策阶段.在视觉识别阶段中,使用训练好的轻量化深度学习模型YOLO11s快速精准识别图像中的低阻区域并获取其位置坐标.随后将位置坐标传入分析决策阶段,在分析决策阶段中,使用OpenCV-HSV颜色过滤算法从个数、面积占比、颜色深度 3个维度分析已识别的低阻区域的灾变特征,综合判断低阻区域是否为风险区域,并采用自动决策机制触发多级预警.结果表明:YOLO11s模型能够准确评估水源是否会导致突水问题,实现了自动决策触发多级预警,克服了其他监测手段在实时监测、灾变分析、早期预警等方面存在的局限;YOLO11s模型在识别低阻区任务中mAP达到 90.2%,模型平均推理速度每帧 34.6 ms,模型平均处理速率为 28 FPS.相较于YOLOv8、YOLOv5、Fast R-CNN具有更强的性能,能够实现对低阻区的精准、快速识别;系统使用的OpenCV-HSV颜色过滤算法对单帧图片的平均分析决策时间为7 ms,实现了对突水的实时预警.

摘要：矿山锚喷支护的岩壁-混凝土喷层是一种典型的岩石-砂浆加锚异性结构面,为了探究锚喷支护的岩壁-喷层界面的力学行为,开展了三轴压缩下岩石-砂浆无锚与加锚异性结构面试件力学特性试验研究.采用MTS 815岩石力学试验系统进行了三轴压缩下岩石-砂浆无锚与加锚异性结构面试件力学特性研究,试验围压为 10、15、20、25 MPa这 4个系列,岩石-砂浆异性结构面设置为等腰三角形锯齿状,起伏角为 30°、45°及 60°.分析了锚杆锚固及围压对岩石-砂浆异性结构面力学特性及破坏模式的影响,同时对压缩试验过程中的声发射信号进行监测,并对破裂后结构面进行三维形貌扫描,最后建立了加锚倾斜异性结构面岩石的抗压强度预测模型.结果表明:岩石-砂浆异性结构面试件的峰值强度随围压以及结构面起伏角度的增加而增加,砂浆基体主导了岩石-砂浆无锚异性结构面试件的偏应力-应变曲线的走势.加锚后岩石-砂浆异性结构面试件的峰值强度提升明显,且试件承受塑性变形的能力大幅提升,在试件发生破裂后依旧能承受较大应力,偏应力-应变曲线呈现双峰值特性.对比加锚前后的岩石-砂浆异性结构面试件的破坏模式,发现无锚试件沿异性结构面剪切滑移破坏,在锚固后试件呈现"X"状共轭剪切破坏.对比加锚前后的岩石-砂浆异性结构面试件在三轴压缩下的声发射特性,发现试件锚固后的声发射信号在加载前期较稀疏,但在试件发生宏观破裂后振铃计数信号更密集,这代表锚固后在试件发生宏观破裂前锚杆很好地限制了试件内部微小裂隙的产生,在发生宏观破裂后锚杆更好地使结构面本身性能得到发挥.在对破裂后结构面进行三维形貌扫描后,发现岩石结构面磨损小于砂浆结构面,锚固后结构面磨损程度减小.将试验结果与强度预测模型结果对比,在不同结构面粗糙度下,其预测强度平均误差为6.64%,验证了预测模型的可靠性.

摘要：煤矿巷道支护装备的自动化与智能化水平较低,制约了煤矿巷道的成形效率,是造成"采掘失衡"的关键原因.为解决煤矿巷道支护装备自动化程度低、支护效率差的问题,针对一种集成悬臂式掘进机和多自由度机械臂的钻锚机器人,提出了一种基于深度强化学习的钻锚机器人机械臂路径规划方法.在虚拟环境中构建煤矿巷道环境,并建立机械臂与机身、煤壁以及支护钢带的碰撞检测模型,使用层次包围盒法在虚拟环境进行碰撞检测,形成煤矿巷道边界受限情况下的避障策略.在近端策略优化(Proximal Policy Optimization,PPO)算法的基础上结合多方面因素提出改进.考虑到多自由度机械臂状态空间输入长度不固定的情况,引入长短记忆神经网络(Long Short Term Memory,LSTM)的环境状态输入处理方法,可以提升算法对环境的适应能力.并且在奖惩稀疏的情况下引入了好奇心机制(Intrinsic Curiosity Module,ICM),通过给予内在奖励鼓励智能体更大程度地探索环境.基于奖惩机制建立智能体,根据钻锚机器人的运动特性定义其状态空间与动作空间,在同一场景下分别使用 2种算法对智能体进行训练,综合奖励值、回合步数、Actor网络损失值、Critic网络损失值等指标进行对比分析,最后经过仿真消融实验测试对比.实验结果表明,在原始PPO算法不能完成任务的情况下,改进后的算法路径长度比同样能完成任务的PPO-ICM算法缩短了 3.98%,所用时间缩短了 25.6%.为进一步验证改进后算法的鲁棒性,设计多组实验,改进后的PPO算法均完成路径规划任务,路径终点与目标位置的距离误差在3.88 cm之内,锚杆与竖直方向夹角误差在 3°以内,能够有效完成路径规划任务,提升煤矿巷道支护系统的自动化程度.结果验证了所提方法在煤矿井下巷道支护时锚孔位置多变的情况下钻锚机器人多自由度机械臂在路径规划的可行性与有效性.

摘要：矿区断层活化诱发冲击地压与矿震危害大,地面注水压裂作为调控断层活化减震技术极具潜力,但其诱发断层活化/滑移的力学驱动过程及其震动响应规律尚不明确.以注水压裂钻孔与断面连通和不连通 2种现场工况为研究背景,开展了真三轴应力条件下注水压裂诱发断面滑移试验研究.首先,制备断面倾角45°、注水压裂钻孔与断面连通和不连通2种断面试样,尺寸为150 mm×150 mm×150 mm;然后,采用自主研发的真三轴应力加载系统模拟临界断面滑移应力环境,其中,连通试样应力环境为 10、12、20 MPa,不连通试样为 5、6、10 MPa;试验期间,全程监测断面滑移位移、注水速率、注水压力、声发射等参数,试验结束后采用CT技术对不连通试样进行三维裂隙扫描;最后,结合声发射时空分布、震源机制反演、CT扫描探测、力学机制等分析,证实了孔隙压力主导型和孔隙弹性耦合主导型 2种注水压裂诱发断层活化/滑移的力学机理及其震动响应规律.结果表明:注水压裂全程可产生孔隙弹性耦合主导型断层滑移,期间在注水初期孔底部产生应力集中形成初始裂隙,然后压裂裂隙沿初始裂隙扩展,并沿垂直于断面切向应力方向发育延伸,直至与断面贯通诱发孔隙压力主导型断层滑移;断层滑移的震源类型主要表现为压缩剪切型,注水压裂破坏的震源类型主要表现为拉伸剪切型,对应的声发射事件均主要分布在断面及注水孔底附近;断层摩擦因数随着注水速率的变化会产生及时响应,以维持断层稳态滑移,且随着注水速率的增加呈现出先增加后减小的规律,验证了注水速率调控断层滑移速率的可行性,同时,分析得出低渗透地层调控断层滑移采用断层直接注水效果更好,高渗透地层采用注水压裂调控效果更优.研究结果可为断层附近注水压裂及其诱发断层活化/滑移信号的震动类型识别与诱发地震调控提供参考.

摘要：面向煤矿智能化开采中煤岩界面识别的需求,针对多噪声、实时与动态场景下专家解释在效率与一致性方面的局限,构建了一种融合随机森林(Random Forest,RF)、粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)与长短期记忆网络(Long Short-Term Memory,LSTM)的探地雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)煤岩界面智能识别方法.以山西阳泉新景矿 15219工作面的钻孔柱状图为参照,采用有限时域差分法建立砂岩-煤层-泥岩的 3层倾斜界面正演模型,模拟结果为特征的分析和筛选提供了无噪声的基础数据.对每道信号中的 1 024个采样点提取 18项时频域特征,利用RF算法,以贡献度大于总值的 60%为阈值筛选出 8个关键特征:一阶差分、原始信号振幅、希尔伯特包络、小波系数均值、中心频率、信号均值、低频能量与频谱带宽,并采用Z-score标准化消除量纲影响.在此基础上,采用粒子群优化算法对LSTM及作为对比的RNN和SVM模型进行超参数自动寻优,获得LSTM模型的最优参数:单元数 128,初始学习率 3.3×10-3,Dropout率 0.394.针对不同模型特性,其中LSTM与RNN的模型输入为[样本数,1 024时间步,8特征]的张量形式组织数据,以确保模型可以学习到电磁波在介质中传播的动力学特征与相位连续性,SVM则使用对应的二维特征矩阵.最终在 15219工作面低位抽采巷实测的GPR数据上开展试验.结果显示:在相同测试集上RNN模型的定量评价指标要优于LSTM模型,针对这种"反差"情况,对LSTM模型的预测结果进行分析,其预测的煤层顶界面中,呈现出连续性中断、剧烈起伏等与原始标签不符的异常区域,恰好对应工区内地质勘探资料所揭示的陷落柱和巷道地面积水区等地质构造影响范围.分析其机理在于,LSTM独特的门控机制使其在学习时可以从信号的局部与整体特征、细节与结构的信息中提取到蕴藏的深层次信息,结果更贴近实际矿区的地质情况,具有突破依赖人工标签的能力.相比之下,RNN仅能拟合训练标签,SVM难以处理高维时序特征而识别结果零散.综合结果表明,LSTM模型在探地雷达的时序数据特征解析方面具有独特的优势,不仅能学习给定标签信息,胜任识别煤岩界面的任务,更能深入挖掘GPR数据中隐含的物理规律,更加全面地识别出人工解释时难以察觉的,由地质构造引起的微弱的信号差异.

摘要：目前大多数槽波频散反演煤厚的技术是基于理论频散曲线选择单频进行速度CT层析成像,且反演的工作面煤厚精度不高.为提高煤层工作面煤厚预测精度,计算了多层弹性介质模型的槽波频散曲线,并通过正演模拟验证了三维频散反演方法的有效性.利用广义S变换(Generalized S-Transform,GST)提取实际煤层中Love型槽波频散曲线,通过设置频率范围和步长对工作面进行层析成像,得到不同频率的工作面速度CT成像图.将工作面划分为若干块,根据层析成像结果计算每一块的频散曲线,对每一块频散曲线进行反演,整合反演结果得到整个工作面的速度分布和煤厚分布.频散反演算法选用非线性全局优化算法,如遗传算法、模式搜索算法、粒子群算法和模拟退火算法等,该类算法更容易找到全局最优解从而提高煤厚反演精度.选取某煤矿采煤工作面对槽波三维频散反演技术进行验证,该工作面平均煤厚为 3.7 m,采用双巷透射法进行槽波地震勘探,利用广义S变换提取Love槽波每一道频散曲线,在 100～250 Hz频段内,每 10 Hz提取 1次速度,利用层析成像得到 16个频率的工作面速度CT成像结果,再根据层析成像结果计算工作面每一块频散曲线,利用遗传算法反演整条频散曲线.结果表明:槽波三维频散反演提高了煤层工作面煤厚预测的精度,对比巷道揭露的煤厚,平均拟合误差仅为 0.22 m.因此,槽波三维频散反演成像技术在工作面煤厚预测方面有较高的准确性.

摘要：地震波的走时和射线路径是地震数据处理中的关键参数,其计算的精度、效率和稳定性直接影响地震波成像精度和解析能力.然而,传统算法在计算效率和精度上存在不足.为此,提出了一种基于多点样条型旅行时插值(Multipoint Spline Traveltime Interpolation,MSTI)的射线追踪方法.通过理论计算分析,MSTI方法的走时曲线与理论走时曲线高度吻合,显著优于传统的线性插值(Linear Traveltime Interpolation,LTI)方法和抛物型插值(Parabola Traveltime Interpolation,PTI)方法.在数值模拟中,构建了均匀介质和垂向渐变速度模型,其结果表明:① 基于MSTI方法计算的走时更接近理论走时,即使使用较少的节点数,其计算精度也优于LTI方法;② 当单元边界插值节点数相同时,随着离散单元的细化,计算精度得到提升;③ 当离散单元大小固定时,增加节点数有助于快速提升MSTI方法的走时精度,而对LTI方法的精度提升影响较小;④ 在垂向渐变速度模型中,使用Snell定律计算的走时与理论走时更为接近,增加节点数使MSTI方法的计算精度显著提升,而LTI方法的计算精度提高趋于停滞.为进一步验证该方法的有效性,对比分析了不同异常体的反演结果,基于MSTI方法的层析成像技术能够精准定位不同异常体,显示出该方法具有一定的优越性.现场试验结果表明:基于MSTI方法的弯曲射线追踪 2.5维层析成像算法反演速度异常区与回采实际揭露断层空间位置基本一致,为煤矿的安全高效生产提供了强有力的技术支持.

摘要：我国煤矿地质结构复杂,赋存煤层厚度及其走向的超前精准探测对煤矿安全智能开采具有重要意义.常规地球物理超前探测方法对煤岩结构的探测误差随超前距离的增加而不断扩大,而多数孔中物探设备受限于定向能力的不足,在煤厚识别中难以发挥有效作用.针对上述难题,研发了一种矿井定向钻孔雷达,通过定向雷达天线、高精度脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)电机控速与角度方位感知系统,并配套定位解算算法,实现煤层厚度的定向识别.开展定向钻孔雷达煤厚识别及成像精度分析研究,旨在为定向钻孔雷达现场作业以及随钻探测装备的研发提供指导.首先,系统阐述了定向钻孔雷达工作原理及煤厚探测方法,构建了定向钻孔雷达天线与目标体空间关系模型,实现目标探测方位的精准感知,方位角度感知误差最小为 1°(电机转速低于 3.71 r/min);其次,在明晰矿井定向钻孔雷达中PWM占空比与电机转速关系基础上,设计不同PWM占空比下探测试验,分析不同电机转速对采集精度的影响,得到数据采样精度误差小于2%时,最优电机转速为 7.84 r/min;针对矿井常规钻机推进速度为 0.01～0.30 m/s,设计探测速度在 0.05～0.40 m/s范围内的不同推进速度系列探测试验,详细分析并阐明了探测速度对采样精度,以及采集精度对成像精度的影响规律.试验结果表明,针对现有巷道钻机作业工况,当定向钻孔雷达采集转速为 7.84 r/min、探测推进速度为 0.05 m/s时,角度采集精度误差率最小为 2.8%,采集定位精度为 97.2%,目标体识别分辨率可达 0.256 m.矿井实测结果表明,定向钻孔雷达可探测到煤岩界面与煤层深度及其方位信息,煤厚探测精度误差为 3.15%.研究成果为矿井地质透明化以及煤矿智能化建设提供有效的技术支撑.

摘要：加压富氧燃烧技术作为未来燃煤电厂CO2 捕集的主要方向之一,近年来受到学界的广泛研究,其中,循环烟气含H2O的湿循环加压富氧燃烧过程被认为有更好的经济性.采用反应分子动力学方法(ReaxFF MD)研究了4～10 MPa压力内,CO2/H2O气氛对焦炭片段加压富氧燃烧的影响.通过原子标记法定量计算了氧化反应、CO2 气化反应与H2O气化反应对焦炭转化的贡献,探究了压力与CO2/H2O气氛对焦炭转化的作用机制.结果表明:在焦炭/O2/CO2/H2O混合体系燃烧条件下,H2O的增加抑制了焦炭转化,在较低压力下,H2O约使碳转化率降低 10%,在较高压力下,H2O约使碳转化率降低 1%;CO2 的增加促进了焦炭转化,在所研究压力范围内,CO2 约使碳转化率提高了 6%～9%.焦炭的整体碳转化率随压力的升高而增加 2%～14%,提升幅度随着H2O的增加、CO2 的减少而增加,加压使气化反应对焦炭消耗的贡献提高,却降低了氧化反应贡献,该现象在 30%-CO2 气氛下最明显,随着压力的升高,碳转化率提升 14%,氧化反应贡献率降低 3%,气化反应贡献率提升 17%.氧化反应、CO2 气化反应与H2O气化反应三者之间存在竞争关系,在4 MPa,40%-H2O/60%-CO2 条件下,随着H2O体积分数的提高,氧化反应贡献降低了 22.4%,CO2 气化反应贡献降低了 5.5%;随着CO2 体积分数的提高,氧化反应贡献降低了 10%,H2O气化反应贡献降低了 12%,氧化反应与气化反应的竞争体现在气化产物与焦炭对O2 的竞争上,气化反应之间的竞争体现在对活性位点的竞争上.

摘要：槽波地震勘探技术因为具有分辨率高、探测距离远等特点,在煤矿井下地球物理勘探中已得到广泛应用.该技术可探测断层位置、走向等,但无法实现断层断距的定量探测.为实现断层断距的定量判识,首先,从理论推导与数值模拟的角度,分析不同断距的断层对Love槽波频散特征及能量分配模式的影响,解析能量分配的影响因素;然后,通过定量计算Love波振幅分布曲线、频散曲线,并与理论数据对比分析,提出等效反射系数(反射槽波能量与反射透射槽波总能量之比)这一敏感参数,导出断层断距与等效反射系数随波长的变化率之间的定量关系,并通过数值模拟法分析槽波数据定量关系式的适应范围;最后,通过实测槽波数据试验,验证等效反射系数断距定量方法的有效性.结果表明:数值模型的验证发现,断距大于 1 m时,等效反射系数具有良好的探测精度;断距小于 1 m时,由于能量拾取及计算中的误差,探测精度有所下降;实测数据发现,等效反射系数除了受到断层断距的影响外,还受到断层倾角等因素的影响,应用定量关系式预测的断层断距与实际揭露的断层断距绝对误差为 0.58 m,相对误差为 12.9%.实测数据预测断距与揭露断距基本相符,验证了该方法的有效性.该方法可为工作面安全高效生产及后续采煤工作面精准地质建模等提供技术支撑,但该方法在应用时受到断层倾角和观测系统的限制,在断层倾角较大和难以接收透射槽波的情况下精度会进一步下降,下一步将研究断层倾角探测并降低该方法对观测系统的依赖性.

摘要：煤层工作面断层、陷落柱、薄煤带等地质异常体的存在,严重制约工作面安全生产,因此有必要提前探测清楚其内部构造.地震槽波勘探技术被广泛应用于工作面内部构造成像,并且具有较高的分辨能力,但炸药震源在特定场景下的应用存在局限性,因此有必要发展不依赖炸药震源的工作面内部结构成像技术.与主动震源勘探技术相比,基于背景噪声的成像技术因其不需要主动激发震源,在结构探测中具有显著的优势.华宁煤矿将背景噪声面波层析成像技术应用到工作面内部构造探测的实践表明,利用矿井下机械及采掘活动产生的震动信号,通过弥散波场指标筛选波形数据用于互相关函数计算,可以减小非稳相区噪声源的干扰,获得可靠的面波频散数据.在此基础上,采用面波一步法成像技术直接从频散数据反演三维速度结构,成功获得工作面内部速度结构,并圈定工作面内部异常构造位置.速度成像结果与实际回采揭露的地质异常具有显著的对应关系,验证了背景噪声层析成像方法在工作面构造探测中的可行性和有效性.研究提出的弥散波场筛选技术和面波一步法成像流程为煤矿井下地质构造探测提供了新的技术手段,该方法不需要主动震源,具有绿色探测的优势,可为工作面安全高效回采提供技术支持.

摘要：吐鲁番-哈密盆地东南部的大南湖煤田蕴含着丰富的煤炭资源,但是煤田内煤层层数多,煤层厚度变化大,导致煤炭资源勘查难度加大.为了查明大南湖煤田西山窑组煤层聚集规律,以钻孔岩心和测井资料为基础,采用含煤岩系沉积学方法综合分析了煤田西山窑组聚煤模式及聚煤古地理.大南湖煤田西山窑组中段是主要含煤段,该段发育河流、三角洲和湖泊等3种沉积相类型,聚煤环境主要有河流岸后湖泊、三角洲平原分流间湾以及滨浅湖发育而来的泥炭沼泽,以分流间湾沼泽的聚煤作用最好.对西山窑组中段进行古地理及煤厚变化规律分析表明,当时发育冲积平原、三角洲平原、三角洲前缘及滨浅湖等古地理单元,煤厚大于95m的2个聚煤中心位于三角洲平原分流间湾古地理单元.区内聚煤作用受古构造、古气候、古植物和古环境条件的综合影响,聚煤作用强度受控于物源供给和构造沉降的直接作用,进一步对煤层厚度与地层厚度和砂泥比的关系进行了矢量云图分析,结果表明,地层厚度中等、砂泥比较低的地区煤层厚度较大,说明有利于聚煤作用发生的是沉降速率中等、陆源碎屑供给相对较少的分流间湾,结合聚煤古地理分析,提出当时聚煤中心主要分布在一井田的中心区域以及F1井田的中北部.并以此建立了研究区分流间湾沼泽为主、河流岸后湖泊沼泽与滨湖淤浅沼泽相辅的聚煤模式.

摘要：可控冲击波技术作为一种新型煤层增透技术,具有安全可靠、能量利用率高、冲击次数及能量可控等特点,在改造煤层渗透率和强化瓦斯抽采方面有着良好应用前景.针对松软低渗煤层瓦斯抽采效果差、有效抽采时间短等问题,提出使用基于可控冲击波的松软低渗煤层顶板增透技术,然而不同放电电压循环冲击载荷下煤岩的裂纹扩展及损伤演化规律尚不明确,无法为关键工艺参数确定提供指导.根据相似准则构建煤岩组合物理模型,在实验室内自主搭建能够对物理模型进行不同放电电压循环加载的可控冲击波相似模拟试验平台,开展可控冲击波松软低渗煤层顶板增透相似模拟对比试验.提取模型表面宏观裂纹,分析不同放电电压下裂纹分布形态及演化模式;使用数码相机及Matlab-Ncorr开源散斑处理软件对模型表面位移场进行反演;建立了损伤因子与超声波波速之间的数学关系,定量化表征模型内部三维损伤演化规律.结果表明:放电电压和次数在可控冲击波松软低渗煤层顶板增透过程中起着关键作用,高电压下裂纹密度大,扩展速度快,放电次数增多可促进裂纹发展,形成"扇形"裂纹网络,优化增透效果;随着放电次数增加,煤岩模型的竖直和水平位移增大,位移量与放电电压正相关,位移的增加促进了煤岩体的裂纹扩展,提供了更多空间供瓦斯运移,有助于煤层卸压增透;可控冲击波循环冲击载荷作用下的煤岩损伤为累积性过程,损伤因子与放电次数和放电电压呈正相关关系;致裂钻孔及煤岩交界面附近煤岩损伤严重,高电压下损伤加速演化,最终形成完全损伤区域,推动煤层增透效果的提升.试验阐明了不同放电电压循环冲击载荷作用下裂纹、位移及损伤的动态响应特征,为工程参数的选取和优化提供了参考.

摘要：热烟气作为含CO2载热介质注入深部煤层,在强化增渗煤体、提高瓦斯驱替效果的同时,实现了CO2地质封存.阐明热烟气强化增渗煤体及驱替瓦斯过程多场耦合机制,是实现瓦斯增产效率科学调控的重要前提.基于纳米压痕测试的煤体力学参数非均质分布特性,构建了非均质煤储层地质模型,通过数值模拟分析了热烟气强化增渗煤体及驱替瓦斯过程多场时空演化特征.在此基础上,结合考虑气体突破效应的注气增产效率评价指标,探究了主要工程调控参数(烟气温度、CO2体积分数和压力)与热烟气驱替煤层瓦斯效率的内在响应关系.结果表明:韦伯尔概率分布函数更适合描述煤体微观弹性模量在空间上的非均质分布行为;煤体损伤释放弹性应变能与矿物溶蚀释放热能的输入导致局部异常高温区域的产生.近场和远场瓦斯驱替形式分别为热驱替和CO2驱替.N2虽然能很快突破储层,但其在驱替过程中承担提高渗流压力梯度与降低混合气体流动阻力的角色.热烟气注井邻近煤体升温范围内,矿物溶蚀效应更强的原因在于煤体在热烟气高温与高压作用下发生损伤,更有利于CO2富集.该区域煤体裂隙溶液内大量氢离子聚集,裂隙溶液酸性显著增强,导致矿物溶蚀速率增大.由于升温不充分区域内煤体温度不足以诱发煤体损伤,基质过度热膨胀导致煤体渗透率显著降低.驱替初期,热烟气注井邻近煤体升温不充分区域范围差别不大,但大量CO2富集导致低渗锋面外向扩张.随着驱替时间增加,热烟气注井邻近煤体损伤范围与程度均迅速增大并逐渐趋于稳定,同时裂隙内可溶性矿物含量显著降低,产生显著的增渗效应.热烟气驱替煤层瓦斯过程中低渗锋面面积呈现先增大后减小的变化趋势.通过多场调控优化瓦斯增产效率,应当基于实际增产周期长短确定主要工程调控参数.短增产周期内,与烟气CO2体积分数和烟气温度相比,烟气压力对注气增产效率影响更为显著,且低压烟气瓦斯增产效率更高;长增产周期内,高烟气压力、低CO2体积分数和高烟气温度条件,能产生更高注气增产效率.

摘要：明晰冲击动载激发的应力波对煤体的损伤特征,对无水化增透煤体技术的发展具有一定的推动作用.为研究冲击动载激发应力波的时频与能量特性,以及对低渗煤体的能量损伤特征,以山西五阳煤矿的低渗煤体为研究对象,开展不同冲击速率影响下的动态冲击试验,结合应力波监测设备,获得了应力波作用煤体前后的源数据.在此基础上,结合自适应最优核时频分析技术,采用MATLAB数值分析软件,优化分析了损伤煤体前后应力波的能量特性,明确了三向波对煤体的损伤机制.结果表明:不同冲击速率激发应力波的三向波随着冲击速率的增加,各频带的能量呈现出一致的不断增加的演化趋势,说明应力波各频带蕴藏的能量是造成煤体损伤的主要因素;冲击动载激发应力波对煤体的损伤能量与爆破应力波对岩体的损伤能量不同点为主要储存的频带不同,冲击动载激发应力波对煤体的损伤能量主要储存在中高频带,其主要损伤频率为39.06～312.50 Hz和625～2 500 Hz;冲击动载激发应力波各频带的主频主要集中在0.4 s左右,应力波穿过损伤煤体后各频带的主频存在延后的现象,整体来说延后时间约为0.05 s;冲击动载应力波在能量转移与消耗的过程中对煤体造成损伤,这种损伤为三向波蕴藏的能量共同作用的结果.所得结论可为研究冲击动载激发应力波对煤体的增透机理提供参考.

摘要：生物质与煤气化细渣的资源化利用对于保障国家能源安全、减少环境污染、实现我国"双碳"目标具有重要意义.热解作为生物质热化学转化基础,能够在极短时间内将生物质转化为生物油、生物炭和小分子气体,是最具发展前景的生物质高值化利用技术之一,但生物油组分复杂、稳定性差,难以直接利用.非原位催化快速热解技术能够在线调控生物质热解气转化路径,从而提高生物油中羰基化合物含量,富羰基生物油作为重要的平台物可以通过羟醛缩合、还原醚化等反应合成汽柴油、润滑油等产品,然而目前使用的催化剂存在合成方法复杂、成本高等核心问题.因此,创新性的将煤气化细渣应用于生物质催化快速热解领域,提出"综纤维素快速热解+煤气化细渣定向催化"的制富羰基生物油新方法,以实现生物质和煤气化细渣的综合利用.以玉米秸秆综纤维素为原料,煤气化细渣为催化剂,通过非原位催化快速热解技术,研究了热解温度、催化温度以及催化剂添加比例对热解产物分布和组成的影响,采用多种现代分析仪器对使用前后催化剂进行表征,最后考察了催化剂的循环稳定性与再生.结果表明:生物油和生物炭产率随热解温度升高而减小,450 ℃时生物油产率最高,约为49.8％;随着催化温度从400 ℃增加至550 ℃,生物油产率从40.1％下降至32.2％,气体产率从36.8％增加至45.4％,H2+CH4、CO2和CO产率分别从5.3、40.7、53.1 mL/g上升至57.2、55.9、124.3 mL/g;当催化剂添加比从0.5增加至2时,生物油产率从46.6％下降至36.2％,CO2和CO产率分别从36.4、46.3 mL/g上升至51.7、59.9 mL/g;当催化剂添加比从0增加至2时,羰基化合物峰面积比从48.9％增加至81.9％,酮类化合物峰面积比从41.4％增加至81.2％,其中羰基化合物主要包括1-羟基-2-丙酮等直链酮、2-环戊烯-1-酮等环状酮以及糠醛、5-羟甲基糠醛;当催化剂添加比从0增加至0.5时,1-羟基-2-丙酮峰面积比从1.41％提高至48.98％;催化剂使用后晶相未发生改变,但表面O与C的原子比减小;煤气化渣使用前表面铁中Fe2+原子比为60.08％,使用后Fe2+原子比减少;催化剂循环使用5次后,羰基化合物峰面积比从75.7％下降至67.6％,活性降低的原因主要为表面金属物种被氧化.

摘要：卸压开采是煤层群开采条件下最经济、最有效的区域瓦斯治理措施.然而,相对于中远距离煤层群,极近距离煤层卸压开采工作面瓦斯涌出量具有瞬间骤增的特点,导致在Y型通风模式下仍发生瓦斯超限.为此,针对典型的山西某矿极近距离煤层群条件,研究了极近距离煤层下行卸压开采底板岩层采动裂隙场演化特征,提出了采动下伏岩层瓦斯卸压运移"三带"的划分方法及其判别准则,阐明了极近距离煤层采场卸压瓦斯的运移与富集规律.在此基础上,提出了以"顶板高位钻孔抽采"阻截瓦斯运移、"Y型通风主辅进风巷风量精准调控"减少瓦斯积聚、"低位采空区埋管抽采"控制瓦斯流场为核心的极近距离煤层采场卸压瓦斯"阻-减-控"协同治理技术模式,确定了最优的高位钻孔布置参数、主辅进风巷最佳风量配比以及采空区埋管布置参数,并开展了相应工业性试验.结果表明:下行卸压开采会引起底板岩层向采空区移动,导致下伏煤岩层卸压膨胀、采动裂隙发育与瓦斯卸压运移,形成了导气破坏带、底板卸压带和不易解吸带;与开采层间距极近的下伏煤层处于导气破坏带内,其瓦斯能够充分卸压,并沿竖向贯通裂隙急剧涌入回采空间,进而诱发开采层工作面瓦斯超限.顶板高位钻孔瓦斯抽采量最大达1.34m3/min,且在钻孔开孔位置距工作面15～38 m期间抽采效果最好;主、辅进风巷风量配比为3∶1时,工作面瓦斯通风排放率最高;在平均抽采负压为27 kPa条件下,采空区埋管瓦斯抽采量达30 m3/min.极近距离煤层开采卸压瓦斯"阻-减-控"协同治理技术的实施,使工作面回风隅角和支架后方采空区的瓦斯体积分数分别降低了 73.0％和64.6％,且均未超限.