摘要：为探究液氮循环冷冲击对煤体孔裂隙结构的影响,开展不同循环次数(5、10、15、20次)液氮冷冲击致裂煤体试验.采用大尺寸核磁共振分析仪测试获得了循环冷冲击煤样T2谱以及核磁共振成像.引入多重分形理论对冷冲击次数煤体乃谱与核磁共振成像的非均匀演化特征进行量化评估,基于斯皮尔曼相关性分析建立循环次数与多重分形特征参数变化量的量化关系,从而揭示液氮循环冷冲击作用煤体孔裂隙结构非均匀演化特征.结果表明:液氮循环冷冲击处理显著改变了煤体孔裂隙结构,表现出非线性饱和特征.低循环次数(5～10次)时,孔隙率增量由1.76％快速提至2.05％.随循环次数的增加(10～20次),损伤逐渐累积使微小孔隙相互贯通形成较大孔裂隙,孔隙率增量放缓由2.05％提升至2.13％.核磁共振成像揭示了煤体内孔裂隙非均匀分布的特征,循环冷冲击作用下新生孔裂隙主要沿原始孔隙扩展,孔隙发育区域更易发生贯通性损伤,形成局部条带状高渗透通道,使煤样孔隙连通性增强.乃谱与核磁共振成像多重分形结果联合揭示了循环冷冲击作用下煤体孔裂隙非均匀演化特征,随循环次数增加,煤体内部孔径分布的均质性增强,但孔隙空间分布均质性降低.T2谱多重分形主要侧重于对样品内孔径大小和数量进行量化表征,核磁共振成像多重分形更侧重于对孔隙空间非均匀量化表征.研究构建了多重分形参量变化量与循环次数之间的拟合关系,直观揭示了循环冷冲击对煤体孔裂隙损伤作用的非线性饱和特性.对核磁共振曲线与核磁共振成像的多重分形特征参数进行综合分析,可更直观地反映煤体内部孔裂隙非均匀动态演化规律,为液氮压裂现场施工参数设置提供数据支撑,对于施工参数优化具有指导意义.

摘要：在神东和陕北矿区浅埋煤层高强度开采过程中,冒落型突水溃沙已成为威胁顶板水害防控的典型矿山工程地质灾害.深入研究破碎岩体水沙渗流特性,对揭示冒落型突水溃沙致灾机理具有重要意义.基于此,利用自主研发的破碎岩体水沙渗流试验系统,以谢和平提出的岩石碎块累计质量的分形维度计算方法为基础,按照Talbot连续级配公式制备了不同粒径配比的破碎砂岩样品,设计了变孔隙度和粒径配比的水沙渗流试验,分析了破碎砂岩中水及水沙混合物的渗透率随孔隙度和粒径配比的变化规律,建立了考虑孔隙度比和分形维度的渗透率表达式,量化了水沙混合物黏度对渗透率计算结果的影响,揭示了破碎砂岩溃沙质量随孔隙度和粒径配比的变化规律,构建了渗透率和分形维度共同驱动的临界溃沙判据,以哈拉沟煤矿22402工作面为工程实例,验证了判据的准确性.研究结果表明:①破碎砂岩的水沙渗流过程包括初始波动阶段、相对稳定阶段和衰减阶段,渗透率随孔隙度和Talbot幂指数的增大而增大,水渗流的渗透率大于水沙渗流的渗透率;②破碎砂岩的溃沙质量随孔隙度和Talbot幂指数的增大而增大,且溃沙质量与渗透率呈近线性增长关系;③现有研究中多数学者采用水黏度代替水沙混合物黏度的简化算法在本文的计算中可导致最大18.3％的误差,对应现场尺度突水溃沙灾害中此误差可能超过800％;④引入分形维度可以将破碎砂岩渗透率拟合误差降低约56.43％,基于渗透率和分形维度对溃沙质量的变化规律提出的临界溃沙曲线在哈拉沟煤矿22402工作面应用效果良好.

摘要：揭示采场煤岩力学响应的发生机理是煤岩灾害防治的理论基础.采用现场实测、模拟试验和理论分析相结合的研究方法,通过构建结构瞬变前、后2个稳态时的静力学模型,系统研究了采场煤岩静态力学响应阶变的发生机理.结果显示:采场煤岩的力学响应与覆岩空间结构的瞬变特征密切相关.初次来压时,覆岩空间结构的瞬变具有对称性,造成其诱发的力学响应亦具有对称性;周期来压时,结构瞬变区域主要集中于工作面侧,造成其诱发的力学响应亦集中于工作面侧煤岩中;结构瞬变诱发的覆岩载荷传递路径的瞬变会对采场空间不同区域的煤岩形成不同的瞬时加卸载,导致不同区域煤岩的力学响应存在显著差异.其中,下位坚硬岩层的瞬时破断会在上位坚硬岩层的下表面形成瞬时卸载,使其瞬时下沉.与此同时,下位坚硬岩层破裂面内力的瞬时卸载,以及结构瞬变区域支撑载荷向采空区外侧转移形成的瞬时加载,会使下位坚硬岩层邻近采空区侧的部分区域瞬时回弹,而深部围岩中的部分区域瞬时下沉;受此影响,下位坚硬岩层上表面的承载量瞬时增大,支承压力峰值骤增、峰值位置向采空区侧跃迁.同时,受下位坚硬岩层的破断卸荷和下沉-回弹影响,煤体上的承载量瞬时减小,支承压力峰值骤减、峰值位置向煤体深部跃迁.随着结构瞬变区域转移载荷量的增大,下位坚硬岩层的回弹量减少,而煤体的承载量增大;随着转移载荷作用范围的增大,下位坚硬岩层的回弹量增大,煤岩受载的阶变量减小而阶变范围增大.

摘要：注浆封孔质量是保障瓦斯抽采效果的关键因素,受采掘应力扰动及浆液失水收缩等影响,封孔材料容易开裂形成再生裂隙,导致抽采钻孔漏气.因此提出自修复注浆封孔思路,当抽采钻孔漏气时,封孔材料在自修复剂(主要成分为金属络合剂)的作用下可自发与环境中的水及CO2发生反应,生成CaCO3等沉淀产物,实现裂隙自愈合.然而,自修复剂会干扰封孔材料的水化反应进程,对其力学性能产生负面影响.因此在现有研究基础上,通过调节自修复剂掺量,使封孔材料保持良好自修复能力的同时,使其兼具较高的力学性能.结果表明:随着自修复剂掺量的减少,封孔材料的裂隙修复性能下降,S1试件在养护4 d时可修复最大宽度为0.88 mm的裂隙,而S2、S3试件需养护5 d时才能分别修复最大宽度0.73、0.71 mm的裂隙.但封孔材料的力学性能有所提升,抗压强度从S1试件的3.23 MPa提高到了 S2试件的4.31 MPa和S3试件的8.85 MPa.为进一步研究自修复剂对封孔材料的影响,通过SEM-EDS试验分析了封孔材料的微观形貌及元素组成,通过XRD试验分析了封孔材料的矿物组成.SEM-EDS测试结果表明:随着自修复剂掺量的减少,水化产物的生成量增加,且产物间结合更为紧密,形成连续的网状结构.XRD测试结果表明:3组试件矿物组成相同,但随着自修复剂掺量的减少,未水化熟料(3CaO·SiO2、2CaO·SiO2)的衍射峰强度减弱,水化产物(C-S-H凝胶、Ca(OH)2)的衍射峰强度增强.通过对自修复剂掺量的改变,发现自修复剂掺量为12％时,封孔材料能够兼顾自修复性能的同时,又有效提高了力学性能.研究结果对封孔材料自修复性能及力学性能调控具有重要意义.

摘要：关键金属是重要的战略资源,在新能源、高新技术等领域具有不可替代的作用.随着我国经济和科技的快速发展,煤系关键金属的富集成因研究成为缓解资源短缺的重要方向.研究以山东省济宁煤田运河煤矿3号煤层为对象,旨在揭示该煤层中关键金属的富集规律及其控制因素.通过分层刻槽采样法系统采集煤及顶底板样品共计12件,采用X射线荧光光谱仪(XRF)和电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)等仪器,对所采样品进行主微量元素含量测试,结合主微量元素分析、稀土元素地球化学特征及物源示踪等分析方法对研究区关键金属富集机制进行研究.结果表明:运河煤矿3号煤层中锂的质量分数均值为26.7 μg/g,富集系数为2.23;钍的质量分数均值为6.72 μg/g,富集系数为2.04,二者均达到轻度富集水平,说明具有一定的开发利用潜力;通过w(Al2O3)/w(TiO2)分析发现,研究区物源以长英质岩为主;同时,根据稀土元素配分模式对比方法并结合地质背景综合分析,表明煤层中物源可能来自于阴山古陆新太古代花岗岩和秦岭造山带新元古代花岗岩.结合沉积环境、地下水与下渗海水的相互作用分析,明确样品YH3-6和YH3-7中Li和Th含量较高,是由于在还原性的泥炭沉积环境中酸性地下水与下渗海水相互作用形成地球化学屏障所致.综上所述,通过系统的地化分析,揭示了运河煤矿煤系关键金属的富集机制,为山东地区关键金属富集和勘探提供了一定的帮助.

摘要：煤气化渣是一种典型的煤基固废,煤气化渣中残炭和灰组分的分离是实现其资源化和高值化利用的重要保障.泡沫浮选是实现煤气化渣炭灰分离有效的方式,但存在捕收剂成本高、消耗量大的问题.原油废水含有长链烷烃、环烷烃、芳香族化合物及酚、酮、酸、酯类等物质,与煤气化渣常用捕收剂成分相似,具有应用于煤气化渣浮选分离的潜力.研究了煤气化渣的物化特性和原油的物质组成,并将模拟原油废水用于煤气化渣浮选分离,结果表明:煤气化渣中主要的物质为莫来石、硅铝酸盐、金属氧化物和不定形炭,煤气化渣中未燃炭的质量分数为25.37％;煤气化渣表面除了甲基和亚甲基外,还有丰富的含氧官能团如C-O/C＝O/O-C＝O等,导致煤气化渣的亲水性较强.原油中含有较多结构复杂的多环烷烃、长链烷烃和部分极性物质.多环烷烃及芳香烃对未燃炭的捕收能力强于一般正构烷烃,且极性组分的存在也有利于煤气化渣的浮选分离,因此原油具有较强的捕收能力;浮选结果表明:当搅拌速率1 800 r/min,矿浆质量浓度60g/L,模拟原油废水质量浓度40mg/L,起泡剂用量30 mg/L时,未燃炭回收率达84.62％,烧失量为76.82％;尾灰烧失量为4.31％,达到国家一级烧失标准(＜5％);同时模拟原油废水的除油率达到41.50％,化学需氧量由219.70 mg/L降至82.77 mg/L,达到国家石油化工工业中的二级排放标准.FTIR分析结果显示:模拟原油废水作用后,煤气化渣表明的—CH3和—OH伸缩振动峰发生了偏移,可分别判断原油分子与煤气化渣表面发生了疏水作用及氢键作用.Zeta电位结果显示:模拟原油废水作用后煤气化渣表面的电负性增强,结合XPS结果进一步表明原油中极性含氧组分与煤表面含氧官能团之间发生氢键桥连,形成了大的三维空间结构荷电体,增强煤气化渣的表面电负性.通过煤气化渣与模拟原油废水的协同处置,实现了未燃炭产品回收与原油废水治理,具有较强的工业应用价值.

摘要：利用高速射流破裂煤体,在煤层中构造煤层气流动通道,是提高煤层气采收率的重要手段.超临界二氧化碳(SC-CO2)射流自身的溶解、萃取特性可以提高煤层渗透性,并且,自振脉冲SC-CO2射流具有低破煤临界压力和高破煤效率的显著优势,在强化煤层气开采领域潜力巨大.然而,目前自激振荡射流喷嘴性能评价方法缺乏直接定量指标,导致确定最优喷嘴结构参数难度大,严重限制了其进一步推广.为此,基于喷嘴内部涡结构演化过程,提出自激振荡喷嘴能量转化效率计算方法,采用粒子图像测速技术(PIV)试验系统和大涡模拟(LES)相结合的方法捕捉喷嘴内部涡结构演化过程,分析喷嘴内部流体能量转化与分布特征.结果表明:通过分析射流开始喷射后1.75～1.79 s的射流流场拍摄图像,发现喷嘴中的涡结构主要出现在振荡腔内.振荡腔内沿剪切层运动的自激振荡脉冲SC-CO2射流与碰撞壁接触后先向上游运动,随着时间的推移,向上游运动的过程中逐渐与轴线上的射流汇合,下游喷嘴入口、上游喷嘴出口处壁面均出现强涡结构.SC-CO2射流在喷嘴入口输入的总能量转化为振荡腔内涡动能以及喷嘴出口形成的自激振荡脉冲SC-CO2射流总能量.腔径比为3.5时,射流能量转化效率高达80.80％,振荡腔内涡动能会诱导自振脉冲SC-CO2射流产生,但涡动能占比较大时会导致能量耗散,进一步,喷嘴出口处涡动能是用来调节射流集中性,喷嘴出口涡动能占比越小,喷射越集中.自振脉冲SC-CO2射流在不同喷嘴出口产生最大峰值应力排序为L3.5＞L1.5＞L2.5＞L2.0＞L3.0.

摘要：厚松散层薄基岩开采易导致工作面与松散含水层沟通,造成严重威胁煤矿生产安全的突水溃砂事故,亟需准确获取覆岩破坏发育情况.因此,以河南焦作矿区16041典型薄基岩工作面为研究对象,利用采动力学数值模拟、电法相似物理模拟与现场监测,开展薄基岩工作面覆岩破坏电性响应特征及动态监测技术研究.采动力学数值模拟和电法相似物理模拟结果清晰呈现了垮落带、导水裂隙带发育规律及典型响应特征.现场监测首先采用井下三维并行电法技术获取工作面基岩厚度三维空间分布形态,指导监测孔选址于停采线附近;进而利用并行电法远程监测系统,实现激励电场与自然电场的主被动地电参数同步采集.面对监测钻孔在基岩界面附近成孔性差导致监测高度不足的问题,提出融合超前探的视电阻率变化率动态成像技术,将有效监测高度延拓至75 m,突破钻孔物理盲区限制,并通过全空间反演交叉验证可靠性.现场监测结果表明:垮落带于随采监测中期压实稳定,实测高度18.5 m,止于二1煤层顶板上方砂质泥岩层内;导水裂隙带随开采推进持续向上扩展,后期达最大高度46 m,贯穿整个薄基岩层并延伸至第四系松散黏土层底部,可能形成直接沟通含水层的突水风险通道.厚松散层薄基岩覆岩采动破坏电性演化特征表现为,覆岩破坏的超前损伤可造成电场分布改变,回采位置刚触及电法监测区域时(电法监测区未有明显的覆岩破坏),视电阻率呈现整体升高;强扰动区对应于垮落带,视电阻率变化最大,其呈现出中期稳定的特征;弱扰动区对应于导水裂隙带,视电阻率变化弱于垮落带,其发育范围清晰,发育过程呈现后期稳定的情况,符合采动覆岩破坏中期垮落压实稳定、后期导裂向上扩展的阶段性规律.构建的"采前静态探测(三维电法查明基岩厚度)-采中动态监测(钻孔超前探测延拓盲区)"技术模式,可解决薄基岩工作面覆岩破坏监测现场难题,实践证实该模式能够有效揭示垮落带与导水裂隙带的发育高度、空间形态特征,并有助于评估潜在的突水风险,为华东地区类似水文地质条件煤矿防治水及安全回采提供了关键技术支撑.

摘要：深部低渗煤层瓦斯抽采效率低、治理时间长是制约煤炭安全高效开采的瓶颈问题.液态CO2相变致裂作为一种无水化增透措施,一方面可避免煤层水锁效应,另一方面可置换煤中瓦斯,强化抽采效果.为揭示液态CO2相变致裂对煤体增透的作用机制,以神木柠条塔和平煤十矿煤样为研究对象,通过霍普金森压杆动态冲击试验、高压CO2致裂试验和三轴压缩渗流试验,探究不同阶段的煤体破坏行为及渗透特性.结果表明:随着冲击速度的增大,煤样峰值应变率、动态峰值强度呈增加趋势,神木柠条塔煤样破坏方式由劈裂破坏向压碎破坏转变,应力-应变曲线不具有二次承压阶段,平煤十矿煤样破坏模式以劈裂为主,且具有明显的应变硬化现象;垂直主应力和煤体起裂压力之间存在显著线性关系,垂直主应力每升高1 MPa,起裂压力约增大0.6 MPa,对于裂隙发育程度较高的神木柠条塔煤样,致裂作用主要体现在裂隙的贯通与扩展,而对于结构致密的平煤十矿煤样则主要体现在新裂隙的形成;倾斜裂隙对煤体力学强度具有较强的劣化作用,可大幅降低煤体破坏所需的应力,围压作用下,含倾斜裂隙煤样其峰值应力较原煤降低约50％,其渗透率增大为原煤的12.7～14.9倍.研究揭示了液态CO2致裂"动态破碎—静态扩展—地应力挤压"3阶段的协同增透机制,可为液态CO2致裂增透技术的推广应用提供理论参考.

摘要：锚杆支护是深部地下工程常用的围岩控制技术.为对深部复杂条件围岩进行安全控制,需对锚杆施加预应力,同时受到围岩大变形、开采扰动和强冲击等影响,使锚杆处于动静耦合的工作状态.因此,研究锚杆在不同工作荷载状态下的抗冲性能与安全储备对深部地下工程支护设计至关重要.基于此,利用自主研发的锚杆动静耦合力学性能试验系统,开展了现场常用普通锚杆与高强锚杆在0～200 kN初始荷载条件下的动静耦合力学性能试验,明确了锚杆动静耦合力学性能与抗冲吸能特性.结果表明:在冲击能量方面,动静耦合条件下不同锚杆抵抗的冲击能量随初始荷载的增大具有相同的衰减规律.在吸收能量方面,锚杆的吸收总能量未随初始荷载条件改变而显著改变.同时,锚杆单次吸收能量随着初始荷载的增大而增大,导致了锚杆冲击能量显著下降,安全储备降低.在0～200 kN初始荷载条件下,普通锚杆与高强锚杆的冲击能量衰减率最大分别为58.8％、50.0％,二者吸收总能量的均值分别为13.0×104、14.4×104 J,吸能系数随着强度利用率增加均呈现先缓慢、后快速的"阶段性增长"特征.通过综合分析,明确了锚杆动静耦合抗冲吸能机制,提出了锚杆动静耦合强度-能量设计理念,建立了动静耦合条件锚杆预应力"双折线"设计模型,可为深部地下工程动力灾害安全控制提供新思路.

摘要：为深入认识张拉作用下裂缝在煤-岩界面处的复杂扩展行为及其控制机制,通过巴西劈裂试验,采用数字图像相关(Digital Image Correlation,DIC)、声发射监测和高速摄像机观测等手段,系统研究了张拉裂缝以不同角度逼近煤-岩界面时的时空演化特征,探讨了张拉裂缝在煤-岩界面处的跨界面扩展行为及其控制机制.结果表明:巴西劈裂时,裂缝均自煤体张拉起裂,随后近似沿加载直径扩展至煤-岩界面处时会发生转向、止裂或穿过等复杂扩展行为,且在界面附近会发生非平面扭曲;裂缝跨过煤-岩界面后,在拉应力作用下会再次转向至加载直径方向,形成弧形扩展路径.当裂缝沿煤-岩界面扩展时,一般在强度较低的煤侧,扩展形态较简单;当裂缝以锐角扩展至煤-岩界面时,会转向至界面扩展一段距离,而后再次转向至最大拉应力方向,扩展形态较复杂;当裂缝垂直扩展至煤-岩界面时,会直接穿过界面,扩展形态较简单.裂纹几何特征、扩展路径、DIC数字图像相关获得的试样表面位移场和声发射事件RA(上升时间/振幅)值和AF(平均频率)值等均表明,煤-岩组合试样巴西劈裂时发生的主要为张拉破裂,即使裂纹发生转向或转折,主要破裂机制仍是张拉破裂.研究结果对深入认识张拉裂缝在煤-岩界面处的跨界面扩展行为及其控制机制等具有重要的理论指导作用.

摘要：水力化技术的应用能够有效提高煤层气开采效率.然而,现有水力化技术在深部松软煤层增透时易导致水锁效应、塌孔、卡钻等问题.无水化技术由于从根源上杜绝了水对松软煤层的影响,为这些问题提供了可靠的解决方案.CO2因其独特的物理特性,已发展出CO2射流冲击破岩及相变致裂爆破等无水化技术.CO2闪沸射流作为一种新的射流形式,因其具有相变冲击、作用面积大、作用力均衡等特点,在煤层钻孔应用中具备实现冲击能力与作业覆盖面积高效匹配的潜力.多孔液态CO2闪沸射流的膨胀及塌缩特性对其冲击效果具有决定性作用.然而,传统射流的表征方法对于复杂的多孔闪沸射流流场结构并不适用.运用统一的拟合方法和特征参数,能够准确对比不同射流的流场特征,进而明确各射流参数对流场的影响机制,为精准调控射流参数以提升钻进能力提供有效的表征方法.通过液态CO2闪沸射流可视化试验,收集射流流场图像,采用图像处理技术对射流边界点信息进行提取,基于边界信息提出多孔液态CO2闪沸射流流场形态表征方法.采用非线性拟合函数的形式对射流边界点进行拟合,发现了基于边界点拟合方法的局限性.提出2种基于固定极值点对射流边界点进行拟合的方法,对比发现基于相切曲线极值点的射流边界拟合方法具有更好的拟合效果.分别对射流的近场与远场区域进行拟合优化,得到射流分区域边界拟合函数.对于近场区域,引入修正系数n对拟合方法进行优化以对小喷孔偏转角度喷嘴施加补偿机制;对于远场区域,缩减射流拟合所需边界点数量以降低数据处理成本.分析了射流形态拟合函数中不同特征参数对射流形态的表征作用,射流远场拟合函数的特征参数b可以表征射流的径向偏移量;射流近场拟合函数的特征参数k可以表征闪沸射流的膨胀程度;射流近场与射流远场的k之比——塌缩比γ可以表征闪沸射流的塌缩程度.

摘要：我国松软低渗煤层分布广泛,瓦斯治理周期长,严重制约采掘交替和煤炭产能释放.采用水力化措施卸压增透容易导致喷孔、塌孔、堵孔等问题,无法高效解决瓦斯治理难题.气力化增透技术是解决松软煤层瓦斯治理难题的可行性路线.但目前气力化增透技术因成本、效率和技术适用性等原因,均无法广泛推广应用.为此,提出空气射流冲孔卸压增透技术.为实现该技术高效冲孔,本研究首先建立喷嘴最大允许长度和最大外径计算模型,针对直径为73 mm的钻具,确定喷嘴最大长度为20mm、外径为13 mm的关键参数.其次,设计不同膨胀比(n=0.5、1.0、1.3和1.4)喷嘴结构,通过数值模拟对比分析不同膨胀比对空气射流流场结构和冲击压力的影响特征,并通过试验研究不同膨胀比喷嘴冲击压力随靶距变化的分布特征,分析空气射流扩孔半径随时间的变化特征;最后,研制完整的空气射流冲孔系统装备,并在新义煤矿开展了工程试验验证.结果表明:在受限空间内优化了喷嘴安装位置,确定了最优喷嘴结构膨胀比和设计原则,发现膨胀比对空气射流速度场与压力场影响显著,当膨胀比为1.0时,射流膨胀波与压缩波交替过渡发展最为平缓,与环境的热交换最小,等速核长度最长,形成的射流冲击靶距最远、冲击压力最大.随着冲击靶距增大,不同膨胀比喷嘴的冲击应力总体呈下降趋势,但在射流处于欠膨胀或过膨胀状态时,冲击压力随靶距增大呈现增大—减小交替发展的特征,而当膨胀比为1.0时,此交替发展特征不明显,且冲击压力始终大于欠膨胀或过膨胀状态;在压风压力为0.6 MPa条件下,对于f=0.3的松软煤层,冲孔半径超过0.5 m;工程试验进一步证实,空气射流冲孔半径可达0.56 m以上,瓦斯抽采流量相比水力冲孔技术提高了 2倍,抽采达标时间缩短了 1/3,有效解决了采掘失衡问题,开创了松软煤层瓦斯治理新模式.

摘要：随着我国煤矿智能化建设的不断推进,矿井辅助运输车辆向无人驾驶的方向发展已成为必然趋势.定位系统作为无人驾驶车辆的核心单元,单一定位方式及传统定位算法均难以满足煤矿辅运车辆从地面料场-斜井巷道-井下巷道-采掘工作面的全流程、高精度、低时延定位要求.首先,根据煤矿辅运车辆的运行工况及巷道环境,设计了一种基于GNSS/UWB融合IMU的井上-井下无缝定位系统,提出采用模型切换延时(Model Switching Delay,DMS)作为无缝定位系统的性能评价指标;其次,针对UWB定位过程中的非视距(NLOS)误差问题,设计了UWB/IMU紧组合井下定位算法,并使用误差状态卡尔曼滤波(ESKF)对其进行滤波优化,仿真结果表明:ESKF优化算法平均定位误差为 0.19 m,精度相较于单一UWB定位提高了 56%;再次,分析了交互式多模型的影响因素,针对模型概率矩阵误差大影响无缝定位精度的问题,设计了一种基于ESKF与模糊自适应改进交互式多模型(FAIMM-ESKF)的矿井无缝定位算法,仿真结果表明:FAIMM-ESKF算法的定位精度比改进前提高了 29%;最后,在实验室搭建模拟斜井巷道,利用无人驾驶试验车开展了无缝定位系统的定位与评估试验,结果表明:无缝定位系统在井上-井下交互区域的平均误差为 0.131 m、最大误差为 0.452 m,相较于传统算法分别降低了 17.6%与 14.8%;在整个试验过程中,FAIMM-ESKF算法的最大误差为 0.498 m,平均误差为 0.25 m,模型切换延时均值为 35 ms,可满足煤矿辅运车辆全流程无人驾驶的定位精度与时延要求.研究结果可为推动建立煤矿井上-井下无缝衔接、精确高效的定位系统及定位算法提供理论参考,对于加快实现煤矿辅运车辆常态化无人驾驶、加速推进煤矿智能化建设具有重要理论意义和实用价值.

摘要：为助力绿色矿山领域低碳发展,提高固废利用效率,以硅酸盐水泥和粉煤灰为胶凝材料,利用尾矿玻纤粉(GFP)对其进行增韧,以获得新型高强度绿色水泥基复合注浆材料.通过浆液特性测试、力学强度测试、X射线衍射仪(XRD)、傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)、扫描电子显微镜(SEM)及热力学建模等方式,探究GFP掺量对复合浆液的工作特性、水化产物、凝结时间与力学强度等的影响特征;利用煤矸石骨料注浆固结模拟试验,评价新型注浆材料胶结碎石的力学承载性能,揭示GFP改性粉煤灰-水泥复合浆液对煤矸石的注浆加固机制.结果表明:添加GFP有助于缩短粉煤灰-水泥复合浆液的初凝时间,而流动性、析水率、结石体抗压强度随掺量的增加呈先增大后减小趋势,当GFP掺量为 1%时,粉煤灰-水泥复合浆液工作性能最优,初凝时间缩短5.9%,3、28 d抗压强度分别提升 12.6%、37.9%.微观表征证实:适量的GFP掺量有助于增加火山灰效应,促进Ca(OH)2 的消耗,生成大量水化硅酸钙产物,且未被水化的GFP可发挥充填效应,改善基体致密性.注浆加固试验表明:1.0%的掺量GFP改性粉煤灰-水泥注浆材料可有效抑制荷载过程中煤矸石胶结体微裂纹与孔洞结构滋生,改善多重分形特征,其峰值应力提升 12.1%,显著增强了力学承载特性,其加固机理可以归为水泥、粉煤灰与GFP三者之间匹配良好的协同耦合效应,为深部煤矿工程领域低成本、高性能绿色注浆材料的研发提供思路.

摘要：针对煤矿井下辅助运输巷道中环境复杂,存在低光照、多粉尘等干扰因素,且工作人员检测时存在反射光干扰,导致使用车载摄像头的矿用无人驾驶车辆对巷道内工作人员检测精度低、实时性差,并且现有基于深度学习的目标检测器存在参数量大、模型计算复杂度高的问题,提出了一种基于YOLOv8的矿用无人驾驶车辆井下辅助运输巷道内工作人员检测模型,即GCDB-YOLOv8.首先,在特征提取网络中引入轻量级模块幻影卷积(GhostConv和GhostC2f),以实现网络轻量化设计,降低模型参数量和计算复杂度.其次,设计C2f-EMA模块并使用其替换颈部的C2f模型,增强对低光照、复杂背景中重点区域注意程度,使模型高效利用工作人员的特征信息;同时,设计DicPSA模块并使用其替换主干网络中的空间金字塔池化模块(SPPF),增强模型对关键特征信息的捕获、提取、利用能力;最后,设计改进了加权双向特征金字塔机制(BiFPN)并使用其替换原始的FPN+PAN结构以降低特征信息丢失问题,实现深层特征图目标语义信息和浅层特征图目标位置信息的充分融合和利用,提高检测精度.实验结果表明,在井下运输巷道工作人员检测数据集上,相较于基线模型YOLOv8n,GCDB-YOLOv8模型的检测精度达到 80.64%,提高了 6.06%;检测速度达到 112 f/s,比基线模型更快,满足检测实时性要求;模型参数数量为2.70 M,计算复杂度为 7.50 GFLOPs,分别较基线模型减少 0.31 M和 0.70 GFLOPs.与Faster R-CNN、SSD、YOLOv3-tiny、YOLOv5s、YOLOv7-tiny、YOLOv8s、YOLOv9s、IAT-YOLO、RT-DETR、MLFE-YOLOX、CDD-YOLO、YOLO_GD检测模型比较,GCDB-YOLOv8在检测精度、检测速度、参数数量和计算复杂度方面均优于其他对比模型.在煤矿工人动作数据集上,GCDB-YOLOv8的mAP@0.5和mAP@0.5～0.95分别达到 87.69%和 64.77%,较基线模型YOLOv8n分别提高 3.43%和 2.26%.GCDB-YOLOv8模型提高井下运输巷道内工作人员检测精度的同时,兼顾模型轻量化和实时性,便于部署在矿用无人驾驶车辆上,能够满足矿用无人驾驶车辆对巷道中工作人员的检测需求,降低安全隐患.此外,GCDB-YOLOv8对井下运输巷道内工作人员的精确实时检测能够为矿用无人车后续自主避障、路径规划、决策控制等任务提供安全保障,促进无人驾驶技术在智慧煤矿领域的应用.

摘要：针对传统封孔工艺密封性能差、钻孔瓦斯体积分数衰减快、封孔经济成本高等难题,提出"自适应钻孔变形、柔性保压、动态密封、重复利用"的新型封孔技术,研发了一种瓦斯抽采新型"胎囊式"可复用封孔装置,并阐述了"胎囊式"封孔装置的基本结构设计和封孔技术原理.采用数值模拟、实验室试验和理论分析相结合的研究方法,探究封孔装置的核心构件(密封胎囊)的变形性能和密封性能.以神火集团新庄煤矿为工程背景,开展现场实践.结果表明:壁厚为 1mm和2mm的胎囊能够在较低的注浆压力条件下迅速膨胀,满足钻孔封孔要求;胎囊与孔壁的平均接触应力随施加作用力的递增呈逐渐增大的趋势,与壁厚为 1mm的密封胎囊相比,壁厚为 2mm的密封胎囊随压力的递增其整体密封性能表现更加稳定;封孔试验表明,胎囊的极限承压能力与胎囊自身壁厚呈正相关,当注浆压力大于 0.32 MPa时,封孔装置能够有效密封钻孔;结合数值模拟、封孔试验和注浆封孔力学分析结果,得出胎囊结构设计参数的最优组合解为长度 1 000 mm,壁厚2 mm.现场工程实践表明:与传统"两堵一注"带压封孔工艺相比,在相同的抽采期内,新型封孔工艺较传统封孔工艺的钻孔平均瓦斯抽采体积分数提升 126.6%,平均抽采纯量提高 120%;首次抽采结束后胎囊的重复利用率为 84%,3次抽采结束后胎囊的回收利用率达 65%,瓦斯抽采体积分数整体提升 30%以上,证明新型封孔工艺不仅能够提高钻孔的抽采效果,延长高体积分数瓦斯的抽采时间,同时达到了封孔装置重复利用的效果,为矿井瓦斯抽采方法提供了新的技术路径.

摘要：无人矿卡常需在低光环境下进行自主作业,而准确可靠的目标检测性能是保证其安全作业的前提.然而,露天矿区环境极为复杂,常出现目标被大面积遮挡,且无人矿卡与其他待检目标,如工作人员等存在多尺度特征互扰,这给低光环境下无人矿卡的遮挡目标检测带来了极大挑战.为此,提出了一种低光环境下无人矿卡遮挡目标检测网络LECODNet.首先,该网络设计了一个多感受野边缘感知模块,提取出富含局部细节信息与全局语义位置信息的边缘特征,强化目标边界信息;其次,构建了一个边缘引导特征增强模块,将提取的边缘特征作为结构先验,引导模型更聚焦目标区域;然后,在此基础上嵌入了通道感知映射注意力机制,增强了目标特征的表达能力;最后,在网络颈部部分设计了一个双向空间感知C2f,从水平方向与垂直方向同时捕捉目标空间上下文信息,增加模型对目标空间结构位置信息的感知能力.大量的试验结果表明,在自制低光环境下无人矿卡遮挡目标检测数据集 LAOMD上,LECODNet的检测精度 mAP@0.5与mAP@0.5∶0.95达到了 83.5%与 71.2%.相较于基线模型YOLOv8,分别提高了 3.3%与 2.3%;相较于目前主流的低光照遮挡目标检测模型FeatEnhancer,其mAP@0.5与mAP@0.5∶0.95分别提高了 1.9%与 1.5%.试验结果表明,所提方法可以有效增加目标区域的感知与特征表达,同时增强对空间结构关系的建模能力,有效提高低光遮挡环境下无人矿卡的目标检测性能.

摘要：矿震频发给煤矿安全生产带来严重威胁,经调研表明矿震后易引发瓦斯灾害,呈现"先震后灾"特征,为矿震作用下瓦斯灾害预警提供了可能,但矿震作用诱发瓦斯灾害渗流规律不清.考虑煤体应力环境及瓦斯灾害发生原理,基于矿震波形特征分析,采用自主设计的动态三轴加载渗流试验系统,引入循环应力比(Cyclic Stress Ratio,CSR)来模拟矿震作用特征,同时考虑了动载频率和气体吸附压力,设计了动静组合加载方式,研究了动载作用下含气煤样的力学、微观孔隙及渗流特性.结果表明:在动载加载阶段煤样残余应变随振动次数开始快速增大后逐渐趋于平缓,煤样渗透率随动载频率和CSR的增大呈指数函数增大,而与初始吸附气体压力呈负指数函数变化,且CSR对煤样力学和渗透率影响最显著;损伤后的含气煤样峰值强度和弹性模量与动载频率、CSR、气体吸附压力均呈负相关关系,在CSR为 0.75时峰值强度和弹性模量劣化率达到最大,分别为 15.3%和 68.2%,损伤变量为 0.68;利用CT扫描和三维重构技术,得到煤样加载前后孔隙体积变化的定量表征,不同CSR加载下孔隙总体积最大增大到初始状态的 7倍,分析了动荷载对煤样孔隙率的影响特征,解释了矿震动应力对煤体孔裂隙发展、渗流特征及损伤变形的作用特征及相关关系.研究可为矿震作用下深部煤岩瓦斯动力灾害的机理揭示及灾害预警提供支撑.

摘要：露天矿自动驾驶能够减少作业人员数量,降低生产成本和安全风险,已成为露天矿智能化发展的重要方向.然而,由于当前自动驾驶算法规划的矿车行驶速度较为保守,导致其运输效率与有人驾驶相比还存在一定差距.为在不违反车路物理约束、保证行驶安全的前提下,尽可能提高规划速度,提出了一种基于积分链动力学和Gröbner基的露天矿既定运输路线运动规划方法.首先,根据矿车运动学特性和露天矿道路情况,综合考虑限速规则、道路曲率、地面附着力以及车辆前轮转角等条件,建立了既定运输路线全路段精细化速度约束曲线;随后,采用积分链动力学理论将露天矿自动驾驶运动规划问题表征为关于急动度作用时间的多元多项式方程组求解问题,利用Gröbner基理论将多元多项式方程组转化为带参数的正则化多项式系统,最终将运动规划问题等价为三角化多项式方程组的求解问题,实际部署中只需输入始末条件参数即可实现快速迭代求解,得到满足驾驶安全需求且加速度平滑的运动规划方案.利用该方法对内蒙古某露天矿真实运输路线的多个路段在不同的初始和终止条件下进行了运动规划,均能快速求得可行解;最后针对 3.61 km长的连续弯道往返路线进行了运动规划,与目前该矿有人驾驶矿车的实际运行记录相比,平均运行时间减少 10.7%,20 m的规划任务计算时间在 100 ms以内,表明该方法能有效提升露天矿车辆的运行效率.