《煤炭科学技术》“创刊五十周年”纪念专辑（上、下辑）

《煤炭科学技术》创刊于1973年，这50年是我国煤炭行业起步、加速、稳定发展的50年，也是我国煤炭科学技术持续发展的50年。《煤炭科学技术》见证了我国煤炭工业从人工采煤、炮采、普采到综采的具有里程碑意义的技术革命。

在1973年2月至2023年1月这50年间，《煤炭科学技术》共出版了50卷580期，刊登了煤田地质与勘探、煤矿开采、矿山测量、矿井建设、煤矿安全、煤矿机电与自动化、煤矿信息化、煤炭加工与利用、煤矿环境保护等专业的学术性或技术性论文共计18100余篇，营造了百花齐放、百家争鸣的学术氛围。

50年披荆斩棘，50年砥砺奋进。《在全国奋力建设世界一流科技期刊目标的推动下，《煤炭科学技术》将继续肩负起时代赋予的使命和任务，坚持守正创新，重点报道煤炭领域及相关交叉学科领域的前沿和先进实用性成果，引导社会重新认识煤炭行业、煤炭科学家和煤炭高科技创新贡献，向全世界讲好中国煤炭故事，提升我国在世界能源与矿业领域的科技话语权，助力实现中国科技期刊强国梦。（引自王国法，杜毅博，徐亚军，等：中国煤炭开采技术及装备 50 年发展与创新实践——纪念《煤炭科学技术》创刊五十周年）

行业视野: 高端智库
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井上下煤层顶板区域压裂防治冲击地压系统及应用

作者(Author)：潘俊锋, 陆闯, 马小辉, 夏永学, 谢非, 徐刚, 窦桂东, 吕大钊, 孙晓东, 马文涛

摘要：针对冲击地压局部卸压范围小，连续性低，作业风险高等问题，开展煤层厚硬顶板井上下千米顺层钻孔区域压裂防冲系统与工程应用研究。结果表明，从加载条件来分，顶板主导型冲击地压可分为动静载荷叠加型、高静载荷加载型、高静载荷卸荷型三种类型；厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动区域性静载荷、动载荷供给主体，以提供冲击启动动静载荷源的厚硬顶板为靶点，提出建立煤层顶板地面、井下千米水平孔分段致裂卸压系统，开展顶板千米顺层钻孔区域压裂。通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性，使得载荷向更完整顶板区域迁移，从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境，也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件。分别进行了工作面开采前地面水平井顶板区域压裂防冲技术试验；工作面开采过程中井下巷道水平孔顶板区域压裂防冲技术试验，实践效果显著，形成了冲击地压建设矿井“先压后建”，生产矿井“先压后掘、先压后采”新的灾害防治模式。

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2023年第02期

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基于煤样破坏声发射特征的冲击地压评价预警研究

作者(Author)：陈结, 刘博, 朱超, 蒲源源, 高靖宽, 崔义, 张传玖

摘要：冲击地压作为深部煤矿开采中最常见的煤岩动力灾害，严重影响煤炭资源安全高效开采。精准及时的预测预报是冲击地压防治的关键。为研究煤岩体冲击前兆信息特征，建立高效精准的动态预测模型，通过对冲击倾向性煤样进行三轴压缩试验，获取煤样破坏过程声发射特征参数，选取典型冲击矿井工作面微震参数监测值，与实验室所得声发射参数进行对比，分析实验室和工程尺度下的声发射与微震参数特征之间的相似性，建立两者之间冲击声学信息的表征关系。结果表明，煤样压缩过程中声发射累计能量的“阶梯状”增长与大能量矿震事件发生前的“缺震”现象都揭示了煤岩体能量的孕育过程。同一能量指标在不同尺度下对大能量事件的发生具有相同的演化趋势，经量化后可作为冲击地压危险性预警指标。继而选取影响工作面冲击地压发生的静态因素与应力动态因素，结合所得微震参数指标分别赋予动态权重，并引入贝叶斯概率进行修正，构建冲击地压动−静态协同综合评价预警模型。利用该模型对河南某冲击矿井工作面危险性进行评价预警，获得优于传统评价模型的预警结果，展现了该模型的工程适用性与准确性。

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2023年第02期

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饱和煤样力学及损伤特征的加载速率微观作用机制研究

作者(Author)：杨科, 张寨男, 华心祝, 刘文杰, 池小楼, 吕鑫, 王于

摘要：为探究煤层注水防冲解危后，工作面推进速率是否会对煤矿井下安全、高效生产造成二次影响，开展了不同加载速率下干燥及饱和煤样的单轴压缩试验，探究了饱和煤样的峰值强度、声发射能量及声发射的RA 值与AF 值、断口形貌、分形维数以及冲击倾向性特征的加载速率效应，揭示了饱和煤样损伤破坏特征的加载速率微观作用机制。研究表明：随加载速率增大，干燥及饱和煤样峰值强度先减小后增大，加载速率0.01 mm/s 为导致强度转折的临界加载速率。不同加载速率下饱和煤样宏观破坏模式均为以剪切破坏为主的拉-剪复合破坏，最大声发射能量值先减小后增大，在临界加载速率时达到最小值。饱和煤样微观剪切裂隙占比先减小后增大，在临界加载速率达到极小值。饱和煤样破裂断口形貌由长槽状裂隙向完全不规则裂隙过渡，临界加载速率是大量不规则裂隙开始出现的转折点。随加载速率增大，饱和煤样破碎的小粒径煤屑质量占比减小，大粒径煤屑质量占比增大；干燥及饱和煤样分形维数均逐渐减小，拟合曲线满足幂函数规律，且饱和煤样较干燥煤样分形维数增大。随加载速率增大，干燥及饱和煤样的KE 均存在先减小后增大的规律，在临界加载速率达到极小值。煤层注水对工作面冲击地压的抑制作用要高于加载速率对工作面的诱冲作用。在临界加载速率之前，随加载速率增大，饱水煤样微裂隙内部孔隙水压力增幅较小，贡献刚度小，竞争力较弱，而裂纹扩展速率增幅较快，竞争力较强；之后孔隙水压力增幅较大，贡献刚度增大，竞争力较强，而裂纹扩展速率相对增幅较慢，竞争力较弱。不同加载速率饱和煤样在孔隙水压力和裂纹扩展速率2 个因素的相互竞争下，导致其力学及损伤特征规律呈现非线性特征。

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采空区煤矸石浆体充填技术研究进展与展望

作者(Author)：朱磊, 古文哲, 宋天奇, 潘浩, 刘治成, 张鹏, 何志伟

摘要：煤矸石浆体充填是一种低干扰条件下矸石无害化规模处置的重要技术手段，是实现煤炭绿色开采的重要途径之一，符合国家绿色发展理念。但针对浆体充填材料制备缓存、浆体长距离输送及采空区充填处置等方面的研究仍不完善，部分问题的研究尚属空白，严重制约浆体充填技术在煤矸石固废处置领域的发展。通过近年来研究，煤矸石浆体充填在基础理论及关键技术均取得了大量的成果。文章系统性地梳理了多种煤矸石充填固废处置技术及其发展历程，总结了其适用性及优缺点，阐述了浆体充填诞生的技术背景及科学内涵，明确了浆体充填关键技术与工艺原理。从大规模推广应用角度出发，总结了浆体材料精准制备与流变特性、矸石浆体长距离管输特征、采空区空隙空间浆体介入规律3 项关键科学问题，围绕以上关键科学问题，重点开展了精准制浆技术、管道输送技术、浆体多位充填技术等方面的研究。分析了多因素耦合条件矸石浆体流变特性，揭示了矸石浆体成浆机理，构建了矸石浆体精准制备模型，提出了矸石浆体管道输送关键参数确定方法，总结了高位、低位、邻位3 种形式的浆体流动扩散规律，进而指导浆体充填工程实践。在以上研究基础上，分析了浆体充填技术当前研究的不足及未来研究的重点难度，并对“双碳”背景下煤矸石浆体充填技术的发展趋势进行了展望，认为以下3 个方向是今后研究的重点：①矿化CO2 制备负碳浆体技术；②基于MICP 技术的浆体重构岩层技术；③浆体置换难采煤体流态化开采技术。

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基于导水裂隙扩展−重金属离子迁移的短壁块段式充填保水采煤机理研究

作者(Author)：张云, 刘永孜, 来兴平, 宋天奇, 张雷铭, 孙浩强, 万培烽, 詹睿

摘要：短壁块段式充填采煤技术可有效解决煤炭资源浪费、水资源流失和矸石堆积等问题，然而，采空区矸石充填材料受到矿井水的长期作用后，其内部重金属离子可能会发生浸出，对矿区水资源造成一定潜在污染影响。为此，结合短壁块段式充填采煤技术，系统地对采动造成的水资源流失和水资源污染综合防治展开研究。首先，针对矿区水资源流失防治，基于“煤柱、充填体−阻隔层−隔水层”的层位组合关系，研究短壁块段式充填采煤覆岩导水裂隙发育特征，揭示短壁块段式充填采煤诱发的覆岩结构演变下水资源保护的控制机理。其次，针对矿区水资源污染防治，建立采空区矸石充填材料重金属离子迁移模型，揭示矸石充填材料对水资源的污染机理，分析矸石充填材料重金属离子迁移规律。并由此总结矿区水资源流失-污染综合防治技术，提出基于水资源流失−污染防治的充实率设计方法。结果表明：在水资源流失防治方面，矸石材料作为充填体充入采空区后，作为永久承载体与块段间保护煤柱共同承担上覆岩层的载荷，有效阻止了低位岩层组的垮落，限制覆岩导水裂隙贯穿隔水层，确保高位岩层组的完整性；在水资源污染防治方面，矸石充填材料重金属离子在渗流、浓度、应力的耦合作用下，以矿井水为载体，在重力势能和水头压力的驱动下沿着煤柱侧向以及底板下方进行迁移运动，且重金属离子迁移距离随底板岩层渗透率、重金属离子浸出浓度/污染源强、底板裂隙深度和水位高度的增大而增大，随矸石粒径和围岩应力的增大而减小。基于此，总结了矿区水资源流失−污染综合防治技术，包括开采参数调控技术、充填参数调控技术、污染源头调控技术、传播途径调控技术以及水体原位调控技术，并提出基于水资源流失−污染防治的充实率设计方法，实现矿区水资源流失−污染综合防治。研究成果对综合防治煤炭开采造成的矿区水资源破坏问题提供一定的科学理论依据和工程指导。

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特厚煤层开采卸压瓦斯储集区演化特征分析及工程应用

作者(Author)：林海飞, 王旭, 徐培耘, 孔祥国, 双海清, 赵鹏翔

摘要：为研究特厚煤层开采卸压瓦斯储集区动态演化规律，采用3DEC 数值模拟软件，分析了采动覆岩应力及位移分布规律，研究了卸压瓦斯储集区演化特征，提出了卸压瓦斯储集区位置判别方法，并在试验工作面高位钻孔瓦斯抽采进行了实践。结果表明：特厚煤层开采后，覆岩垮落带高度49.5 m，裂隙带高度104 m。工作面侧卸压区范围内关键层失稳后，其下方形成卸压瓦斯储集区。卸压瓦斯储集区划分为3 类：①关键层处于弯曲下沉带，其下方形成高位储集区；②关键层处于裂隙带，砌体梁下方形成中位储集区；③关键层处于垮落带，悬臂梁下方形成低位储集区。储集区形态及面积与其上方控制关键层状态密切相关，控制关键层破断前，面积持续上升，低位储集区形态呈矩形，中位和高位储集区形态呈半椭圆形，拓展至三维形态呈矩形截面环体和椭圆截面半椭球体；破断后面积快速下降，之后随覆岩来压呈现周期性变化，低位储集区形态呈梯形，中位储集区形态呈三角形，高位储集区形态呈半椭圆形，拓展至三维形态呈矩形截面环体、三角形截面环体和椭圆截面半椭球体。现场将高位钻孔的终孔位置布置在中位储集区范围，进行了抽采验证，单孔最大抽采浓度34.5%，平均抽采浓度16.8%，抽采后上隅角瓦斯体积分数0.55%，瓦斯抽采效果良好，说明据此方法布置高位钻孔具有合理性。

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气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

作者(Author)：王登科, 庞晓非, 魏建平, 张宏图, 姚邦华, 位乐, 郭玉杰, 袁明羽, 唐家豪

摘要：利用工业CT扫描系统，观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点，为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明：非吸附性气体作用下，随孔隙压力的升高，煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显，裂隙体积和裂隙面积百分占比增长率随之逐渐减小，符合气体压力影下的裂隙扩展方程，微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下，随吸附时间的延长，煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著，直至扩展平衡；裂隙体积和裂隙面积百分占比增长率随之逐渐变小，符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程；裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响；吸附压力越大，煤体所需的吸附平衡时间愈长；微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间，裂隙扩展具有明显的滞后性。

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断层对煤层瓦斯封闭性定量方法研究

作者(Author)：刘永茜, 韩鑫涛

摘要：断层对煤层瓦斯具有封闭和通道的双重作用，这主要取决于断层的封闭能力。针对断层对瓦斯封闭能力定量化表征方法，结合断裂带结构发育多元学说，分析了断裂带结构参数（两盘煤层对接系数、泥质含量、紧闭系数等）对断层封闭性的影响规律；考虑了诱导裂隙带宽度与渗透率的相关性，提出了一个断裂带泥岩等效厚度的计算公式和一种渗透率补偿算法，以此为基础，依据低速渗流理论，实现了断层极限封闭压力计算，继而对断层封闭性进行量化表征。研究结果表明：①断层封闭性主要受控于断裂带内部结构与断层端面受力状态，考虑顶底板围岩封闭能力和煤储层压力，利用断裂带结构参数和断层封闭压力可对断层封闭性进行综合定量表征；②诱导裂隙带煤层渗透率与距端面距离负相关，离端面越远，综合渗透率越低，最后趋近于原始煤层渗透率；③等效泥岩厚度越大，断层极限封闭压力越高，断层封闭性越好；④沁水盆地郑庄−樊庄区块的寺头断层封闭性计算结果显示，该断层封闭压力高于4.67 MPa，大于储层压力3.83 MPa。然而，该断层走向上的封闭能力存在差异，北东向断层端面封闭性好，西南向断层端面封闭能力则相对较差。研究成果对于科学判识断层的瓦斯封闭能力，指导井下煤与瓦斯突出预测及地面煤层气高效开发具有重要技术支撑作用。

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