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2025年, 第54卷, 第02期　
刊出日期：2025-02-25
  

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  • 煤矿复杂条件巷道快速智能掘进研究策略及关键技术与装备分析
    康红普, 姜鹏飞, 张农, 吴拥政, 常映辉, 江贝, 梁云峰, 魏东, 韩柏青, 王子越, 刘畅
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 237-257. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240116
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    我国复杂条件煤炭资源储量丰富，巷道掘进是煤炭开采的先导和前提.复杂条件煤矿巷道快速智能掘进是世界性难题.目前，复杂条件煤矿巷道快速智能掘进技术与装备存在3大共性、关键性问题：支护繁琐且高度依赖人工，装备集成度低、协同性差、智能化程度低，围岩-装备-环境实时感知手段缺乏.针对支护工序多，关键工序高度依赖人工，难以实现快速智能支护，需要研究复杂条件掘进工作面空顶自稳智能判别方法，研究复杂条件巷道快速智能掘进围岩时效控制理论及复杂条件巷道钻锚一体化锚杆与喷涂协同控制机理，研发复杂条件钻锚一体化锚杆及自动化喷涂支护技术.针对掘进装备系统集成度低、协同控制难、智能化程度低，需要研发掘进装备群组多工序并行协同智能控制技术，研制掘支锚运分区并行协同与掘护锚一体化集中协同的快速智能掘进装备.针对巷道掘进缺乏围岩-装备-环境实时动态感知手段，无法实施智能运维，需要研发复杂条件掘进巷道矿压实时监测技术及快速智能掘进大数据运维技术.通过研究3个关键理论、突破5项关键技术并研制相关成套装备，实现掘进工作面快速智能支护、提升掘进装备智能化水平并实现掘进工作面智能运维.最终形成复杂条件煤矿巷道快速智能掘进理论、技术及装备，为我国煤炭安全高效智能开采提供有力支撑.
  • 煤矿巷道PDC锚杆钻头切削破岩与强度感知机理
    张农, 郭丰, 谢正正, 魏群, 王朋, 王佳乐, 陈瑞基
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 258-271. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240564
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    围岩结构透明化是智能掘进发展的重要前提，当前煤巷围岩起伏变化感知精度低，主要原因在于随钻岩性识别技术原理不清晰、现场应用存在较多局限、钻进参数与岩石适应性差等.采用理论分析、实验室试验等方法，建立了PDC锚杆钻头平面切削力学模型，阐明了不同钻进模式参数演化规律与钻进失效特征.结果表明：首先，基于钻进过程切削片与岩石接触面类型优化，成功建立了3种钻进参数与岩石单轴抗压强度理论感知关系式，侧面说明部分钻进参数恒定是实现岩体强度随钻感知的最佳路径.其次，研发了新型岩体性质随钻实时探测试验系统，该系统在钻进姿态、围压施加、钻机功率等多方面实现与煤巷液压锚杆钻机工况的高度仿真，具备2种自动钻进控制模式及高频数据采集等功能.随后，开展了不同钻进模式钻进试验，V-n模式钻进时，推力和扭矩对钻进参数和岩石强度变化响应敏感，均可作为识别岩石强度的主要参数，钻进失效通常发生在钻速较高、转速较低的案例中，岩石强度越大的试样发生钻进失效概率越高；F_t-n模式钻进时，仅有钻进速度对岩石强度响应敏感，钻进失效通常发生在推力和转速均较大且岩石强度较低的案例中.最后，将常规钻进数据代入岩石强度随钻感知理论关系，其岩石单轴抗压强度平均预测误差率为10.51%,破岩耗能与摩擦耗能之和超过切削输入能量是钻进失效产生的直接原因.上述研究结果为煤矿巷道围岩变化智能感知工程应用提供理论与技术参考.
  • 考虑刚度劣化影响的含圆形孔洞砂岩破坏模式及能量释放特征
    赵光明, 吴旭坤, 刘崇岩, 许文松, 张启航, 韩广辉
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 272-286. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240532
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    巷道受开挖扰动影响，岩体会产生不可避免的损伤，从而导致其刚度和强度逐步衰减，为研究刚度劣化后加载模式对巷道破坏特征的影响规律，利用二维可变刚度动力破坏模拟试验系统，对预制含圆形孔洞的损伤试样进行双轴压缩加载系统刚度试验，分析侧向约束作用下加载系统刚度对损伤试样破坏模式及能量释放规律的影响机制.结果表明：初始损伤程度显著影响试样的承载能力和弹性模量，劣化幅度分别为0.54%～7.01%和5.76%～50.74%,而侧向约束可以有效抑制裂纹扩展和减少孔洞引起的应力集中，提高岩样的结构完整性和整体强度；预制损伤对含圆形孔巷道的破坏特征影响显著，损伤程度增加导致破坏时间缩短，而加载系统刚度和侧向约束力的增加则显著延长破坏时间；基于能量释放与耗散原理，得出了刚度劣化与能量释放之间的耦合关系，发现刚度劣化系数增加导致释放能量减少，两者之间存在非线性数学关系，而侧向约束力与能量释放呈正相关性.研究结果为理解刚度劣化对围岩破坏机制的影响及稳定时效性控制提供了理论基础，并提出通过调节系统刚度和侧向约束力，可以在不同破坏时间阶段提高围岩的承载能力和整体刚度，在一定程度上抵抗损伤带来的不利影响.
  • 煤岩组合体真三轴破坏行为及结构-材料协同破坏机制
    左建平, 徐丞谊, 展帅菲, 马宗宇, 于祥, 孙运江
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 287-303. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240548
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    研究煤岩组合体真三轴条件下的破坏行为对煤矿灾害机制的认识具有重要意义.本文从塔山煤矿取样加工了立方体煤岩组合试件，利用合作研发的深部复杂条件多维模拟系统开展了不同模拟围压下从0°到45°不同倾角煤岩组合体的真三轴加载试验，并利用声发射系统对加载全过程煤岩组合体的声发射特征进行了监测.结果表明：水平主应力大小与结构面倾角都会显著影响煤岩组合体的整体破坏行为及强度.随着倾角从0°增大到45°,不同围压下煤岩组合体的强度逐渐减小，其中倾角为0°和15°的试样破坏主要发生在煤体中，倾角为30°和45°的试样破坏主要为集中于交界结构面的滑移剪切破坏.煤岩组合体破坏的声发射信号可大致分为3个阶段：初期压密阶段的低频活跃期、地应力保持阶段的寂静期及破坏失稳阶段的高频活跃期.依据室内试验结果利用PFC3D软件展开7种不同倾角煤岩组合体在5个不同埋深条件下的真三轴试验模拟，结果进一步印证了倾角与埋深对煤岩组合体破坏模式的影响.对含倾角煤岩组合体做进一步理论分析发现，煤、岩材料及结构面协同控制着煤岩组合体的整体破坏行为，当结构面倾角在阈值倾角内时，煤岩组合体将发生结构主控-材料辅控型破坏；反之，将发生材料主控-结构辅控型破坏；并且随着埋深增大，结构主控作用将逐渐减弱甚至转换为材料主控.试验、理论和数值模拟结果均初步验证了煤岩组合体结构-材料协同主控破坏机制.研究可为深部煤岩破坏行为及围岩稳定性控制等提供理论依据.
  • 基于注意力机制与生成对抗网络的煤矿巷道数字建模优化方法
    薛旭升, 覃一晗, 杨星云, 岳佳宁, 郭逸风, 毛清华, 王川伟, 张旭辉
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 304-315. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240515
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    煤矿井下巷道空间环境精准建模是掘进、巡检等煤矿移动机器人感知环境，自主定位、导航与控制关键技术的重要保障，也是煤矿智能化建设的重点研发方向.目前，煤矿井下空间环境精准建模面临特征感知难、建模信息不全、模型构建精度低等难题.本文基于毫米波雷达的煤矿巷道建模存在部分点云缺失，局部重构精度不足等问题，提出了一种基于注意力机制与生成对抗网络的煤矿巷道数字建模优化方法.构建了“全局+局部”的双判别器改进生成对抗网络模型，优化了生成网络学习数据分布和细节，为解决点云重建精度不足问题提供精确数据。为改善点云空间几何特征提取能力，提出了引入空间域注意力机制的判别器改进方法，精确提取巷道空间建模所需的点云几何和结构特征.研究结果表明：优化后重建巷道整体宽度的平均绝对误差为2.02 cm,相对优化前提升28%,最大误差为7.40 cm,相对优化前提升14%;巷道整体高度的平均绝对误差为1.52 cm,相对优化前提升23%,最大误差为4.10 cm,相对优化前提升13%.提出的优化方法有效改善了毫米波雷达在复杂煤矿巷道环境下建模精度难题，对基于高精度煤矿井下巷道空间环境的煤矿机器人智能、安全、高效开采具有重要价值.
  • 预制孔几何参数对盘形刀盘侵岩力学特性影响试验研究
    袁超, 黄煊祺, 王卫军, 万文, 吴海
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 316-329. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240524
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    为研究预制孔几何参数对盘形刀盘侵岩力学特性的影响规律，采用室内试验与数值模拟相结合的方法，对含不同几何参数预制孔试件开展了盘形刀盘双轴侵岩力学试验，分析了侵入力、侵入能耗和侵入难度系数随孔排列方式、孔角度与孔深度的变化特征，研究了裂纹时空演化过程，揭示了预制孔诱导裂纹扩展路径的作用机理。研究结果表明：与完整试件相比较，排间距和孔间距的变化会明显影响侵岩效果，大排间距(4,5 mm)和小孔间距(1 mm)效果显著优异；含孔试样的最大侵入力、侵入能耗、侵入难度系数随角度的减小而明显的降低；孔深度越大，其能够降低最大侵入力的效果逐渐减弱；试件的主要裂纹演化顺序为剪切裂纹→混合裂纹→张拉裂纹；预制孔有较为明显引导裂纹扩展路径的作用，通过优化预制孔参数可加快破岩进程。当预制孔角度较大时，其在中轴线附近向下扩展的裂纹越长；当预制孔角度较小时，裂纹能够快速扩展至孔洞底部，使裂纹局限于孔洞之间，破坏更为充分。研究成果可为预破坏辅助盘形滚刀侵岩、减少刀盘磨损提供技术支持。
  • 数字孪生驱动的智能掘进设备虚实交互控制方法
    王岩, 寇浩楠, 张旭辉, 魏世睿, 杨志伟, 赵友军
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 330-342. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240560
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    针对当前煤矿智能快速掘进对设备智能控制的实时性与可靠性的双重需求，提出了一种数字孪生驱动的智能掘进设备虚实交互控制方法，该方法通过深度融合数字孪生模型的多维感知能力与物理控制系统的动态响应机制，实现掘进物理实体与数字孪生体的智能协同控制.首先，建立由物理设备层、虚拟模型层、功能服务层、数据信息层和连接构成的智能掘进设备虚实交互控制框架，实现跨域数据的完整交互链路；进而提出由截割位姿感知智能体、成形质量评估智能体、控制效果优化智能体构成的多智能体协同决策模型，通过多个智能体的协同工作机制实现跨域知识共享与优化决策；基于智能掘进设备虚实交互控制状态的传递过程分析，提出了融合物理端与虚拟端控制决策的设备虚实交互融合控制执行逻辑，通过“状态对齐”、“演变预判”和“指令融合”等步骤，降低虚实交互时延对融合控制决策的影响.最后，通过搭建系统试验平台对所提出的智能掘进设备虚实交互控制方法进行有效性验证.
  • 分层胶结充填体三轴压缩力学特性及能量演化规律研究
    徐文彬, 张亚伦, 李童欣
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 343-354. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240418
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    在高阶段嗣后采场充填过程中，为了提高充填体的稳定性和经济性，多采用分层胶结充填技术对采场进行充填.分层胶结充填技术通过构建一种由高强度的顶层和底层，以及低强度的中间层组成的分层复合结构，实现了尾砂的有效充填.为了探究具有不同结构特征的分层胶结充填体的力学性能、破坏模式、能量演化和微观结构，对养护龄期为3,7和28 d的分层胶结充填体试样进行了三轴压缩试验和微观结构分析.其中，中间层灰砂比设置为1∶20,1∶15和1∶9,围压设置为0,50,100和200 kPa.结果表明：分层胶结充填体试样的峰值偏应力和弹性模量均随着中间层灰砂比的提高、养护龄期的延长和围压的增加而增大；试样的表观内聚力随着灰砂比和养护龄期的增加而显著提高，而表观内摩擦角在一定范围内呈现轻微下降的趋势；当层间力学性能存在显著差异时，试样在经历初期的弹塑性变形后，首先在中间层低强度区域发生破坏，由于应力的重新分布，试样随后进入二次弹塑性变形阶段，并最终导致整体结构的破坏；分层胶结充填体的储能极限随着中间层灰砂比和养护龄期的增加而增大，能量演化曲线与应力-应变曲线之间存在显著的相关性；随着围压的增加，分层胶结充填体试样的破坏模式可分为中间层拉伸破坏、中间层混合拉剪破坏和整体剪切破坏；中间层灰砂比的降低和养护龄期的提前会诱发顶层或底层的拉伸破坏.研究结果对分层胶结充填体在后续充填矿山中的应用具有重要意义.
  • 大埋深强矿压扰动下窄煤柱支护加固机理及应用研究
    李昂, 吕璐娜, 周永根, 于振子, 王满, 冯峰, 韩泰然, 程迅
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 355-371. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240406
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    针对大埋深高地应力环境中三软煤层沿空巷道围岩变形及破坏问题，采用理论分析、室内相似模拟试验与现场试验相结合的方法，深入研究了窄煤柱及实体煤的力学响应和围岩变形规律，并提出符合实际工况的加固支护方案.通过构建窄煤柱沿空巷道帮部力学模型，推导巷帮应力与位移的解析解，结合工况分析得出窄煤柱帮稳定性受支护阻力及顶板下沉影响显著；自主研制用于相似模拟试验的巷道锚网索支护预制模型，基于优化支护方案开展模拟试验，结合数字图像技术解析围岩位移及变形演化特征，并通过现场监测验证了优化方案的可靠性.研究表明：窄煤柱帮的稳定性显著受支护阻力和顶板下沉的控制，计算得到窄煤柱靠近巷道一侧及实体煤帮的塑性区宽度分别为2.11和0.60 m,最大位移量分别为1.00和0.62 m;原2.6 m锚杆支护方案无法有效加固窄煤柱.窄煤柱帮的变形随支护阻力变化明显，与支护阻力呈反比关系，适当提高支护阻力可显著抑制变形.现场监测显示，优化支护方案后，煤柱帮与实体煤帮的最大收敛量分别为0.81和0.38 m,顶板最大下沉量为0.70 m,补强锚索与巷道中心木点柱对两帮及顶板起到稳定作用，有效控制了围岩变形.掘进初期锚索受力逐步增加，受采掘多重应力扰动后，锚索工作载荷快速增长，但最大轴力低于其极限破断载荷，表明支护系统具备安全冗余.
  • 预冲击损伤白砂岩抗拉力学特征试验研究
    朱传奇, 汤鲁培, 王磊, 陈礼鹏, 杨震宇, 晋康, 肖强
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 372-384. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240427
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    为探究预冲击损伤对白砂岩抗拉力学特征的影响规律，首先运用分离式霍普金森压杆(SHPB)冲击试验系统，通过改变冲击气压制备不同损伤程度岩样，然后针对预损伤岩样，开展CT扫描试验，观测裂隙分布形态，并进行静态巴西劈裂试验，结合DIC技术监测表面形貌变化过程.研究表明：随冲击气压的增大，白砂岩裂隙率、连通裂隙体积、三维连通度均先缓慢后快速增大，连通裂隙占比线性增大、三维分形维数先快速后缓慢增大.随着冲击气压增大，白砂岩从完整状态逐步转变为破碎状态，当损伤岩样受到拉伸载荷时，会发生应力跌落现象，且冲击气压越大，应力跌落越频繁.不同冲击气压作用下，白砂岩的巴西劈裂破坏过程展现出了一定的差异；冲击气压越大，高应变区域越集中.随冲击气压的增大，白砂岩抗拉强度呈指数降低，而峰值应变呈指数增长.研究结果可为深部煤矿失稳灾害防控提供一定的理论和试验依据.
  • 超临界CO2对气化燃空区盖层烧变页岩力学性质影响规律研究
    李怀展, 唐超, 郭广礼, 李伟, 查剑锋, 曹景春, 黄温钢, 元亚菲
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 385-398. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240344
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    超临界CO2对气化燃空区烧变围岩力学性质的影响规律是评估煤炭地下气化耦合CO2封存（UCG-CCS）中CO2泄漏风险的重要参数.针对目前国内外关于超临界CO2浸泡作用下烧变围岩力学试验缺乏的问题，论文基于自主研发的超临界CO2饱和增压装置，通过巴西劈裂试验以及单轴压缩试验研究了不同气化温度、不同超临界CO2浸泡压力及时间作用下页岩的抗拉强度、单轴抗压强度以及裂隙破坏特征的变化规律.研究表明：烧变页岩质量减轻，且随着温度的升高，质量减轻幅度增大，烧变页岩的抗拉强度和单轴抗压强度呈阶梯状下降趋势；经超临界CO2浸泡后，烧变页岩试件质量增加；超临界CO2弱化了烧变页岩的抗拉强度、抗压强度和弹性模量，超临界CO2浸泡后，抗拉强度和单轴抗压强度显著降低，随着浸泡压力的提升，烧变页岩抗拉强度逐渐降低，但降低幅度逐渐减小，抗压强度、弹性模量逐渐减小；随着浸泡时间的延长，烧变页岩的抗拉、抗压强度逐渐降低；随着气化温度、超临界CO2浸泡压力和时间的提升，烧变页岩岩样的原生裂隙逐渐扩展，次生裂隙逐渐增多.构建了页岩抗拉强度-温度、浸泡压力和浸泡时间拟合函数与抗压强度-温度、浸泡压力和浸泡时间拟合函数.研究成果对于UCG-CCS选址及推广应用具有重要的理论及实践意义.
  • 基于改进均质模型的深部咸水层CO2封存热-流-力耦合效应研究
    王新, 杨鹏飞, 梁冰, 孙维吉, 徐军, 王芳, 杨新乐
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 399-412. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240453
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    深部咸水层CO2封存面临复杂的热-流-力耦合问题，已有研究在均质模型中对孔隙度、渗透率变化的动态响应考虑不足，且对超临界CO2的密度和黏度参数在实际储层条件下的适用性缺乏进一步的修正.为弥补这些不足，本文提出一种改进的均质模型，在数学模型中添加动态孔隙度和渗透率，结合Peng-Robinson状态方程与Brokaw模型校正超临界CO2在不同压力和温度条件下的密度和黏度特性.基于此改进模型，构建并验证了深部咸水层CO2封存的数学模型，并在15 a模拟周期内探究了储层压力、温度、CO2饱和度、孔隙度、渗透率及位移变形的变化规律.结果表明：改进模型能准确捕捉注入CO2带来的压力升高与热交换效应，注入井周围及上方区域的压力、温度随时间呈现先下降后上升的趋势；CO2饱和度呈梯度扩散分布，盖层底部CO2累积导致孔隙度和渗透率减小；封存期间，储层垂向隆起的最大位移为0.283 m,主要受到压力引起的压实效应和温度导致的冷缩效应的共同作用，其中压实效应引起的隆起大于冷缩效应带来的沉降，使得整体位移表现为隆起，明确了压力和温度对于储层垂向位移的耦合主导性.与传统模型相比，改进后的模型更贴近真实储层的多场耦合效应.通过引入动态孔隙度和渗透率模型，更准确地反映了CO2注入过程中压力的非线性变化、岩石热应力变化以及储层渗透性变化，可为提升CO2封存效果提供理论支持.
  • 煤岩体基质和裂隙渗透率的试验测算方法
    魏明尧, 皇甫昊棋, 陆春钦, 高康, 蔚立元, 郭奉献
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 413-422. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240458
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    煤体是由微观基质和宏观裂隙系统组成的双重孔隙介质.基质孔隙内的流体运移、气体吸附/解吸、气体滑脱和扩散等行为是影响流体长期运移的重要因素.目前由于无法单独测量基质渗透率，大量研究中将煤体裂隙渗透率假定为整体渗透率，忽略了基质在整体流动过程中的控制作用.基于微观基质内滑脱效应引起的渗透率偏离特征，提出了一种煤岩体基质和裂隙渗透率的测算方法.通过对煤样在不同孔压和有效应力条件下的整体表观渗透率进行数据处理，得出了有效应力影响下的煤体基质和裂隙渗透率演化规律.同时采用高精度CT扫描仪测得无荷载下的煤体裂隙渗透率值，对比验证了本测算方法的准确性.结果表明：同种煤样在相同有效应力下的基质渗透率比裂隙渗透率小2～3个数量级；不同变质程度煤样，基质和裂隙渗透率均随着有效应力的增加逐渐减小；煤样渗透率的应力敏感程度与变质程度密切相关，无烟煤变化幅度最明显，褐煤次之，烟煤最小.
  • 预氧化影响煤自燃特性的不同观点与原因探究
    李金虎, 孙建鸿, 杨泽锋, 李金亮, 陈良舟, 卓辉, 张青松, 陆伟
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 423-436. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240442
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    煤在开采过程中会发生预氧化，封闭火区内同样存在预氧化煤体，预氧化会导致煤体分子结构的改变并显著影响煤体的氧化活性.目前在探究预氧化对煤炭二次氧化行为的影响研究方面存在明显分歧.为了探究预氧化对煤炭自燃特性影响的不同原因，首先通过低温氧化和热解后的常温氧化试验对比了预氧化前后煤炭在升温阶段和常温阶段的氧化特性，然后利用傅立叶变换红外光谱和电子顺磁波谱等微观手段分析了活性官能团和自由基在氧化过程中的演化行为.宏观气体和特征点温度均表明，空气降温后预氧化煤的氧化活性低于原煤，且均明显低于氮气降温后的煤样.此外，与原煤相比，氮气降温后的预氧化煤具有前期促进而后期抑制氧化的特点.微观官能团和自由基的研究结果发现，单纯的预氧化过程可以氧化并消耗烷基侧链和活性自由基的浓度，从反应活性物质的角度显著抑制后续的二次氧化过程.然而，预氧化煤样在氮气降温过程中会因热分解而产生大量自由基活性位点，从而提高煤氧化前期的自热能力.研究表明，预氧化影响煤自燃特性出现不同观点的内在原因主要是由于冷却气氛的不同造成的.预氧化煤体在空气中降温会导致烷基官能团和活性自由基结构被氧化消耗，进而显著抑制煤的氧化反应活性.相反，在氮气环境下降温会导致煤的热分解，产生大量自由基活性位点，使煤在自燃初期的氧化活性大幅提高.封闭火区预氧化煤体在乏氧环境下活性位点的产生和氧化直接影响这类煤体的后续自燃能力，因此惰化活性位点的活性和降低活性位点的浓度是防范封闭火区启封复燃的发展方向.
  • 碱活化对粉煤灰结构及矿化性能的影响
    秦雷, 吝思恒, 林海飞, 李树刚, 李嘉伟, 张飞龙, 熊梅伶
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 437-447. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240359
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    碱活化粉煤灰结构特征直接影响其与CO2的矿化反应能力，研究碱活化粉煤灰对CO2的矿化性能是突破煤基固废粉煤灰对CO2矿化封存效率的关键.以石家庄燃煤电厂褐煤粉煤灰为研究对象，通过激光粒度仪、扫描电镜-能谱仪和红外光谱仪测试，探究不同碱浓度条件下碱活化粉煤灰结构特征.基于高温高压搅拌反应釜矿化试验平台以及热重试验分析，研究碱活化粉煤灰对CO2的矿化性能.试验结果表明：碱活化会造成粉煤灰颗粒破碎分解，导致粉煤灰粒径分布降低.微观尺度下粉煤灰呈规则球状颗粒，碱活化造成粉煤灰细化，暴露更多活性Ca元素有利于矿化固碳.碱活化粉煤灰中铝氧四面体或硅氧四面体网络结构破坏，粉煤灰颗粒表面覆盖硅酸钙水化物凝胶（C-S-H凝胶）,且C-S-H凝胶具有较高Si—O聚合度.碱活化可有效提升粉煤灰矿化固碳性能，碱处理浓度为15%时，褐煤粉煤灰矿化固碳性能最优，CO2吸收量达到8.9 g/kg, Ca的转化率达到27.8%,相比于未活化粉煤灰CO2吸收量提升71.2%,Ca的转化率提升70.6%.
  • 一维爆炸应力波传播规律的试验方法及装置
    余浩然, 陈骏, 朱锐, 易辉, 杨仁树
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 448-457. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240203
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    钻爆法在我国工程施工应用中地位极为突出，为进一步控制岩石破碎效果并理解岩石爆碎过程中爆生气体的作用效果，提出一套一维爆炸应力波在介质中传播规律的试验方法和装置.该试验系统由爆炸加载装置、应变采集装置、高速摄影装置3个主要部分组成.使用红砂岩制备长杆试件，通过试验验证该试验方法和系统的可行性.结果表明，该试验方法和系统能较好地模拟爆炸荷载作用下介质中爆炸应力波的传播过程，且能避开应力波受到局域效应的影响范围，具有加载方式简单、能实现多种爆炸约束形式的特点.在同药量不同边界条件下，爆炸应力波于长边方向4倍于试件半径处达到均一，视为一维爆炸应力波.相同药量下爆炸应力波作用效果相同，对介质试件所施加的约束越强，爆生气体参与介质试件的爆炸过程越多.
  • P(AM-DMDAAC)设计合成及其对微细高岭石颗粒絮凝性能研究
    王陆军, 闵凡飞, NGUYEN A V, 宋畅, 孙康康, 胡尚玉
    中国矿业大学学报. 2025, 54(02): 458-470. https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240412
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    为实现煤泥水等尾矿水中微细黏土矿物颗粒的高效絮凝，以微细高岭石颗粒为研究对象，通过分子动力学模拟计算了不同阳离子单体絮凝剂在高岭石（001）面吸附性能的差异，并优选出二甲基二烯丙基氯化铵（DMDAAC）为最佳阳离子聚合单体，采用超声辅助自由基共聚法制备聚合物P（AM-DMDAAC）,简称为PDA.采用正交试验优化了合成条件，借助傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振氢谱（1H NMR）、热重分析（TGA）和扫描电镜（SEM）对合成的聚合产物进行了表征，通过絮凝沉降试验研究了不同盐度条件下PDA的絮凝性能.结果表明：PDA能够降低高岭石（001）面水分子密度，并削弱两者之间相互作用，提升对微细高岭石悬浮液的絮凝效果.超声时间和引发剂用量对PDA的性能有高度显著影响，且超声时间>二者间交互作用>引发剂用量.FTIR和1H NMR结果表明聚合物PDA被成功制备，最佳合成条件为超声时间25 min,引发剂用量700μL.TGA表明PDA在室温下稳定不易分解，SEM观测到PDA具有多孔和空间立体网状结构.在离子浓度低于0.1 mol/L范围内，金属阳离子通过电中和作用促进高岭石颗粒形成微聚体，缩短絮团的形成时间并增强絮团的密实性，从而协同增强PDA的絮凝性能，效果顺序为AlCl3>MgCl2>NaCl.研究结果可以丰富絮凝理论和指导新型絮凝剂的设计合成.
2025年, 第54卷, 第03期
刊出日期：2025-03-25
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