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《煤炭学报》2022年“新锐科学家”专题

来源：煤炭学报

为全面展示我国煤炭行业青年学者的最新原创科技成果，鼓励我国煤炭行业青年科学家把更多的代表性科研成果发表在祖国大地上，助力青年科学家成长成才，《煤炭学报》编辑部于2022年第2、3期组织策划了“新锐科学家”专题。

行业视野: 煤炭学报
类别; 302个
关键词; 372位
专家; 66篇
论文; 54043IP
点击量; 66271次
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AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与试验

作者(Author)：王学文, 刘曙光, 王雪松, 谢嘉成, 王彬彬, 王振威

摘要：为突破综采工作面数据驱动实时监控技术瓶颈，进一步满足对综采工作面协同运行状态的深度感知，以虚拟现实(Virtual Reality, VR)监控技术及成果为基础，以HoloLens2增强现实(Augmented Reality, AR)头显为主要开发设备，结合工业互联网、云技术、数字孪生(Digital Twin，DT)等先进手段，进行AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与实践，充分利用AR技术的特性弥补VR监控与真实场景有割裂感、监测数据来源较为单一的缺陷，使综采工作面智能监控体系得到完善与扩充。提出三种关键技术，并对各关键技术的具体解决方案进行剖析，具体包括：(1)构建了通用高效可扩展端云协同异步网络框架，基于该框架研究了多终端协同工作关键技术，实现了空间虚实融合全息辅助标注功能。该技术可为综采工作面智能监控全过程中的多人协作提供便利；(2)将基于稀疏匹配的识别跟踪方法与基于AR标识的识别跟踪方法相结合，实现了对综采工作面全综采装备的识别跟踪，为综采工作面的AR监测与控制提供了先决条件；(3)在由物理综采工作面、云服务器、数字综采工作面三者构成的数字孪生闭环上，进行多传感器与视觉融合的综采装备位姿监测与运行状态识别，并通过AR交互手段完成了对物理综采工作面的反向控制。在实验室环境下展开测试验证，试验表明，系统数据传输压力小，延迟低，操作流畅无卡顿，在保留VR监控已有优势的基础上进一步提升了沉浸感、便捷性与虚实融合程度，具备单人或多人协作监测综采工作面运行状态并进行反向控制的能力。可为综采工作面智能监控提供一种以VR技术为基础、AR技术为突破的AR/VR技术融合新思路。

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2022年第02期

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基于三激光束标靶的煤矿井下长距离视觉定位方法

作者(Author)：杨文娟, 张旭辉, 张超, 万继成, 杜昱阳, 杨红强, 石硕

摘要：煤矿井下掘进装备长距离动态定位是巷道掘进智能化发展面临的首要难题，准确、可靠的位姿测量与估计对提高掘进效率具有重要意义。由于煤矿环境中存在振动噪声、磁干扰、静电干扰等因素，传统测量方法的稳定性和准确性难以保证。与其他定位方法相比，视觉测量方法以其无接触、无累积误差的优点备受关注。针对井下视觉定位面临的精度和稳定性难题，提出基于多激光束的煤矿井下长距离视觉定位方法，采用矿用激光指向仪构建了三激光束标靶解决低照度、高粉尘和复杂背景的干扰问题。以悬臂式掘进机为应用对象，构建了基于三激光束标靶的掘进机机身位姿单目视觉测量系统，提出基于颜色分量的峰值聚类约束的激光束标靶图像分割方法，利用Hessian矩阵求解激光束粗略中心线像素点的法线方向，结合泰勒展开实现三激光束中心线的亚像素级特征提取和定位；构建了三点三线（3P3L）掘进机机身位姿测量模型，并建立了测量模型的最小二乘法损失函数，结合最小化重投影误差实现非迭代全局最优解估计，获得了掘进机机身位姿的最优解，并对测量模型主要参数的误差分布进行了数值仿真研究。最后，搭建基于三激光束标靶的掘进机机身定位系统平台并进行实验评估，结果表明，该方法可满足煤矿井下恶劣环境下的精确定位需求。

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2022年第02期

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截齿辅助冲击作用下坚硬煤体的破碎特性

作者(Author)：张强, 田莹, 王聪

摘要：近年来硬质煤层比例不断上升，传统机械截割方法在硬煤条件下的效率低下一直是我国煤炭生产行业的攻坚难题，寻求一种对硬质煤层具有强适用性的破碎方法成为煤矿智能化建设的重要科学问题。冲击与截割协同破煤技术是一种新型硬煤开采方式，其通过利用截齿在运动切线方向上的往复冲击使煤体内部产生破坏，降低硬煤开采难度。而考虑到截齿冲击的时空差异可能对破煤性能产生影响，将冲击截齿应用至采煤机滚筒，设计了具有截齿冲击功能的采煤机改造结构，基于该结构建立了不同截齿冲击时空关系的运动模型，并利用离散元方法分析了不同冲击时空关系的滚筒破煤特性，模拟结果表明，同步冲击方式在各硬度下的破煤效率均优于异步冲击的破煤效率，滚筒受力均值与峰值均低于异步冲击，且相对异步冲击更稳定；此外同步冲击在各硬度下的破煤性能相对传统滚筒均有较大提升，2种方式下的破煤效率差距最大接近24%，滚筒受力差距最大达到60 kN。为测试冲击与截割协同破煤技术的实际性能，设计了简化试验装置，开展了井下破煤测试，测试结果表明，截齿冲击与未冲击状态下的平均截割阻力分别为4 473,5 390 N，截齿冲击较未冲击时可降低截割阻力约17.22%以上，所得结果虽与模拟结果有偏差，但综合截割机构减小、煤体硬度减小因素，仍可认为冲击与截割协同破煤的实际性能取得了理想效果，并体现了冲击与截割协同破煤对坚固性系数煤层的有效性，同时也可以认为截割载荷降低程度的变化规律与模拟所得变化规律相似，验证了同步冲击时空关系对硬煤具有更高适用性的结论。

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2022年第02期

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山东某煤矿老采空区上方大型工程建设案例

作者(Author)：陈绍杰, 张立波, 江宁, 尹大伟, 高志友, 郭惟嘉

摘要：以山东某采煤塌陷地为例，开展了煤矿采空区上方大型工程建设研究和实践。通过调查与测绘，高密度电法、大地电磁法、瞬变电磁法等多种地球物理勘查方法和钻探相结合的方法对老采空区进行了精细勘查，获得了4、9、10-2煤三层采空区分布位置、重叠关系、回采率、积水性等参数，揭示了老采空区赋存特征。从地表残余变形对建筑物稳定性影响以及建筑荷载对采空地层稳定性影响两个方面分析了拟建大跨度数据处理中心、4栋高层等建筑物场地稳定性，研究范围内地表因老采空区活化导致的附加变形中附加下沉值为260mm，超过了拟建建筑修建和使用期间的地基变形要求；9煤层采空区裂缝带与上方高层建筑荷载附加应力影响范围在研究区西部存在重叠区域，部分区域的建筑物地基稳定性差，需要进行采空地层加固治理。采用垂直剖面法确定治理水平治理范围、根据采空覆岩运动特征确定垂直治理范围，依据各煤层采空区间距划分2个注浆层位，注浆钻孔在地面东西走向间距为25m，南北走向间距为20m，帷幕孔间距均为15m，帷幕、注浆孔均一次成孔。采用“无压自流+加压扩散”注浆技术与工艺进行采空地层加固治理，一个注浆层位采用一次注浆工艺，多个注浆层位采用上行式注浆工艺；通过钻孔冲洗液漏失、钻孔取芯进行单轴压缩试验、二次注浆等方式检验注浆加固治理效果，钻孔冲洗液无漏失或少量漏失，结石体单轴抗压强度均在9MPa以上，各钻孔二次注浆量均小于周边钻孔注浆量平均值的10%，所注浆液有效充填了采空地层。分析了采空区地表变形对拟建的高层建筑和大跨度数据处理中心稳定性影响，高层建筑稳定性受地表倾斜影响显著，主体建筑基础采用“桩+筏板”形式，并将高层建筑下的部分注浆钻孔作为小桩基以增强其基础稳定性；大跨度数据处理中心稳定性受地表水平变形影响显著，设置基础连系梁和增强上部结构整体强度来增强其抗水平变形能力，数据处理中心修建过程中地面最大下沉5mm，平均下沉速度0.01mm/d。目前研究区内建筑物已投入使用，运行稳定。实现了大跨度、高标准数据处理中心以及22层综合楼等大型建筑群在三层采空区上的安全修建与运营，研究成果为我国采煤塌陷地大型工程建设利用提供了技术参考和工程示范。

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2022年第03期

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基于改进MT-InSAR的日兰高铁巨野煤田段沉降监测

作者(Author)：祝传广, 张继贤, 邓喀中, 龙四春, 张立亚, 吴文豪

摘要：日兰高铁巨野煤田段农田遍布，合成孔径雷达干涉（InSAR）的时间失相干严重，可用于时序InSAR（MT-InSAR）分析的永久散射体（PS）稀少。将SAR数据限制在失相干影响较弱的10月至次年4月初并联合PS和分布式散射体（DS）有望解决该问题。然而，受限于SAR卫星的重访周期，仅采用10月至次年4月初的SAR影像会导致数据量变少。而当SAR数据较少、相干性较低时，难以准确估计协方差矩阵和相干矩阵，使得现有的DS相位估计方法误差较大。为此，提出了一种基于Fisher信息量的DS相位优化估计算法，利用Fisher信息量调节各干涉对的权重，抑制低相干干涉对的影响。通过模拟数据和真实数据验证了算法的可靠性和可行性。另外，构建了联合PS和DS的小基线（SBAS）干涉处理框架，在增加观测方程的同时保证干涉对的相干质量，从而实现形变信息的稳健估计。利用2020年10月至2021年4月间的Sentinel-1 SAR数据获取了日兰高铁巨野煤田段地表沉降，并结合已有的监测资料分析了地表沉降的成因及时空演化信息。研究结果表明：采用上述方法，能够根据10月至次年4月初的少量SAR数据监测高铁沿线沉降情况；日兰高铁巨野煤田段沿线仍在持续沉降，3公里范围内的平均形变速率集中在-3.5 ~ -0.5 cm/yr之间，与2015至2019年的观测结果一致，未出现加剧现象；巨野煤田段存在可能由断层活化、深层地下水流失等因素间接造成的更大范围地表沉降，并且沉降靠近高铁侧，这一点需引起注意。

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2022年第03期

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固体智能充填自主夯实过程机构干涉影响因素与调控方法

作者(Author)：张强, 刘勇, 张吉雄, 张昊, 殷伟, 王宏奇, 王云搏, 孙忠良, 时培涛, 魏连河

摘要：自主夯实过程机构干涉自我调控是固体充填智能化的前提条件。基于机构干涉的基本概念，分析了地质条件、架型结构、充填系统布置与工艺参数和其他因素对机构干涉的影响。通过Pro/E 5.0软件构建了固体充填液压支架三维模型，采用运动仿真确定了机构干涉的典型位态，通过二维骨架模型建立了不同工况下夯实机构运动的轨迹方程，提出采用干涉临界范围、干涉几率等指标量化分析煤层厚度、倾角等不同因素对干涉状态的影响规律，结果显示：对于同一种架型，煤层倾角越小干涉临界范围越大，干涉几率越小；在相同的工况条件下，不同架型干涉临界范围及干涉几率差异明显，也即煤层倾角和架型结构的改变将大幅影响机构干涉的几率，是机构干涉的主要影响因素；充填系统布置及工艺参数等因素对机构干涉的影响相对较小。基于上述规律从工序执行前的适应地质条件变化、优化关键充填装备设计、合理选择充填系统布置方式及工艺参数和工序执行中装备智能感知干涉位态、智能调控决策方案、智能控制油缸动作6个方面提出了机构干涉调控方法，建立了机构干涉调控机制。智能充填工作面工程实践表明：未实施干涉调控前，固体智能充填液压支架在执行采充平行作业及自主夯实过程中频频发生卡顿，自动化开机率仅30%左右；采用干涉调控方法后开机率增长到72%，自主夯实过程卡顿明显减低，促进了固体智能充填技术的完善。

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2022年第03期

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煤矿连采连充式胶结充填采煤技术与典型工程案例

作者(Author)：李永亮, 路彬, 杨仁树, 林海, 徐斌, 王树帅, 刘晨辉

摘要：为了解决煤矿胶结充填开采成本高、充填工艺复杂、采充矛盾突出等问题，研发了可实现采充并行作业的连采连充采煤工艺，研究了不同配比充填材料的流动特性与龄期强度变化规律，提出了适应于不同煤层倾角的充填料浆井下混合与地面混合输送系统，以及相应的工作面密实充填方法，形成了完善的连采连充式胶结充填采煤成套技术。研究了不同充填开采模式影响下，充填采煤过程采场围岩应力动态迁移规律；基于影响充填采场围岩变形的“三量”特征，提出了充填采场覆岩移动“三度”控制原则，即较快的充填速度、合理的采空区充实度与稳定的充填体强度。阐明了煤柱与充填体交替承载控顶机理，揭示了连采连充分步置换煤炭技术原理：煤柱与充填体交替承载控顶可保证稳定的充填空间，分步置换煤柱可保证充填材料具有合理的胶结固化时间，实现采煤和充填互不干扰，工作面可连续的开采和连续的充填，采充最大限度地平行作业，大幅提高胶结充填采煤效率。研究成果应用于内蒙西部地区四个煤矿-生态园下采煤、复合顶板、处理固体废物、回收遗留大巷保护煤柱，并进行典型工程应用案例分析。现场试验结果表明：连采连充式胶结充填采煤技术在四个煤矿均取得了良好的工程应用效果，可有效控制岩层移动、高效置换遗留煤炭资源，有利于实现煤炭资源的安全、绿色、高效开采。

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基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法探索

作者(Author)：刘浪, 王双明, 朱梦博, 张波, 侯东壮, 郇超, 赵玉娇, 张小艳, 王雪丽, 王美

摘要：“30·60双碳”目标是事关人类命运共同体的重大战略决策，也是推进煤炭行业转型升级与高质量发展的风向标。煤炭作为高碳化石能源的提供者，在生产和消费过程中带来的大宗固废堆存、大型采空区形成和高碳排放等问题，是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的关键所在。秉持“变害为利”、“从哪来到哪去”原则，寻求资源高效回收、固废规模化处置、采空区再利用与CO2封存的有机结合点，提出基于功能性充填的CO2储库构筑与封存方法学术构想，探索“功能性充填材料制备→功能性充填与CO2封存储库构筑→CO2物理与化学协同封存→CO2封存安全及环境风险评价”的CO2封存新途径。具体开展工作包括：① 创新了镁渣源头改性技术，研发了新型改性镁渣基矿用胶凝材料和CO2封存用功能性充填材料；② 提出了短-长壁充填无煤柱开采方法，初步构筑满足稳定性要求的CO2封存空间；结合功能性充填理论与技术，进一步构筑满足密封性要求的CO2封存储库，阐述了储库的结构及参数、工作原理；③ 提出了CO2储库封存物理-化学协同技术途径，根据开采深度不同物理封存技术途径分为浅-中深部低压CO2储库封存和深部超临界CO2储层封存，揭示了碱性固废CO2化学封存机制；④ 梳理了功能性充填的CO2封存安全及环境风险评价指标体系，给出了CO2封存安全性能及环境性能的评价方法。矿山功能性充填的CO2封存技术的提出，为CO2封存提供了新思路。基于封存材料、封存储库、封存机理与封存评价，形成了利用固废充填技术实现矿山CO2封存的理论与技术构想。

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