采空区煤自燃和有害气体涌出会影响矿井安全生产,采空区环境预测对隐患识别有重要意义.本文通过对采空区环境特征数据采集分析,确定了采空区绝对压力、环境温度、O₂浓度和CO浓度等环境参数的变化规律,利用皮尔逊相关系数计算环境特征参数的相关性.采用经验模态分解法（EMD）对环境特征序列进行自适应时频分解,利用核主成分分析法（KPCA）将分解后的数据映射到高维特征空间,建立了基于时序优化的长短期记忆神经网络（LSTM）采空区环境多参数预测模型,并对某煤矿五采区采空区环境参数进行预测.结果表明:采空区环境参数演化具有多尺度、非平稳的时序特性,EMD分解揭示了参数序列在不同时间尺度上的本征特征;O₂浓度波动与绝对压力变化表现出明显的相关性,CO浓度和温度序列则呈现出较强的非线性和突变特征;基于KPCA的降维处理保留了98.12%的数据信息量,显著降低了特征冗余.时序优化后的LSTM模型在预测性能上取得显著提升,相比优化前的模型,优化后模型的预测精度大幅提高,具有较高的泛化能力和鲁棒性,挖掘关联环境参数序列间的耦合关系,提高了采空区环境参数预测的精度.

煤气化灰渣中的重金属离子对生态环境及人类健康存在严重潜在危害,亟需开发高效的处理方法.碳纳米管（CNTs）具有比表面积大、稳定性高和吸附性能好等优势,通过特定官能团的改性处理可进一步提高其对污染物的去除效果.本研究利用分子动力学模拟方法,探讨了羧基功能化单壁碳纳米管（CNT—^COO-）对煤气化灰渣污染水体中Cu²⁺和Cd²⁺重金属离子的吸附行为.模拟结果表明:在重金属混合离子体系中,一次性加入足量碳纳米管对重金属离子表现出较好的整体去除效果.为深入评估吸附机制,本研究还分析了不同官能团覆盖率和溶液温度对吸附过程中径向分布数密度、均方位移等参数的影响.研究发现:官能团覆盖率为25%的功能化碳纳米管能够在0.1mol/L离子浓度下稳定吸附重金属离子,且在混合体系中对Cu²⁺的吸附性能更优.随离子初始浓度增加,CNT—^COO-对重金属离子的吸附量增加,但其吸附的相对比例逐渐降低.本研究结果为功能化碳纳米管用于重金属离子污染的吸附去除提供了重要参考,同时也为碳基吸附剂的改性研究奠定了理论基础.

煤层气多层合采成功与否的关键在于对各产层产水来源与产气贡献的精确判识.现有排采水来源判识方法的不足，给多煤层合采井的产层组合优化及排采工作制度制定带来较大挑战.为此，本文以保德区块85口煤层气井勘探开发与水化学测试资料为基础，确定了含水层层位，阐述了排采水类型划分依据.应用主成分分析法(PCA)与Bayes判别法，构建了多煤层排采水来源判识模型，形成了“含水层判识、排采水类型划分、排采水来源判识”的多煤层合采水来源判识系列方法.基于27个排采水样的应用，验证了该模型的准确性，解析了合层排采水来源不同情况下的层间干扰强弱.结果表明：4+5号煤层顶板与8+9号煤层顶底板含水层发育稳定、厚度大，对煤层气井生产影响较大.排采水类型划分与排采水来源判识模型均能够进行排采水来源分析.其中排采水类型划分是基于地质工程背景特征，初步定性划分排采水来源，适用于煤层气井全生命周期补给水来源判识；而排采水来源判识模型是结合产出水常规离子特征来进一步动态识别排采水来源，对合层排采层间干扰强弱分析具有一定指示意义.合层开发井排采水来源若为单一煤层水，层间干扰剧烈，产气效果差；若为合采煤层与含水层混合水，层间干扰较强，产气效果一般；若为合采煤层水，层间干扰弱，产气效果较好.该研究为合层排采水来源判识提供了一种可行方法，为多煤层合采层间干扰程度评价、排采设备及排采工作制度调整提供依据.

煤系气及深部煤层气已成为我国天然气增储上产与煤层气产业发展重要领域，不论是成藏还是开发，二者都紧密衔接.系统梳理总结其高效勘探开发理论技术研究进展，在不断提升认识水平的同时，对于更好地指导重点盆地、重点层系煤系气及深部煤层气勘探开发决策部署与工程实践具有重要现实意义.本文从煤系气成藏模式与开发地质、煤系气开发技术模式与开发工程、深部煤层气高效勘探开发关键理论与技术等3个方面，分析综述了煤系气及深部煤层气勘探开发已取得的研究成果；进而针对地质-工程一体化、地质适配性技术、煤系气/煤层气合采、应力释放煤层气开发、深部与中浅部煤层气可采性关系、叠合型气藏与全层系含气系统煤系气开发潜力等6个关键问题，讨论阐述了作者的观点认识，并指出了其可能突破方向.研究结果表明：以煤储层厚度、地层结构、埋藏深度、煤岩特征、甲烷地质成因为线索，考虑实际工程意义，提出了厚-巨厚煤层煤层气藏、煤层群煤层气藏、煤系含煤段叠合型气藏、煤系非含煤段致密气藏、深部煤层气藏、深部全层系含气系统等基本煤系气成藏模式，不同成藏模式具有差异性开发地质特征；基于成藏模式及其储层地质特征，提出了单采、分采和合采3种基本煤系气开发技术模式，也相应发育了具体技术模式和不同的开发工程特征；在深部地层条件、深部煤层气赋存、煤层气可采性及储层可改造性、富集高产规律、“甜点”预测与井位部署方法等方面，深部煤层气地质理论取得了新认识，“多轮压裂、长距离有效支撑”(延川南模式)、“水平井极限体积压裂”(大宁—吉县模式)等大规模体积压裂技术创新带来了深部煤层气开发工程的突破，但压裂规模的地质、技术、经济上限值得关注.岩石力学地层方法是煤系气地质-工程一体化技术、特别是地质-工程“甜点”一体化预测技术的重要理论基础，基于地质-工程信息互馈的煤系气滚动勘探开发与生产管控技术是重要突破方向.与开发地质条件、地质工程控制程度适配的开发技术才能成为有效技术，地质适配性技术涵盖井型与井身结构、钻完井工艺、压裂改造、排采管控等关键工艺优选优化，技术体系的集成机制与适配方法亟待进一步突破.煤系气/煤层气合采是实现煤系气/煤层气大规模高效开发的重要技术攻关方向，对于煤系不同类型非常规天然气、煤系非常规天然气与常规天然气合采，同井先分采后合采技术探索有望取得工程化的突破；应力释放煤层气开发理论与技术已取得实质性突破，具备了工程化条件；构造煤煤层气等难开采煤层气有望从开发禁区变为增储上产新领域，也为部分盆地可采性差的深部煤层气实现高效开发提供了技术支持；深部煤层气可采性优于中浅部煤层气仅限于鄂尔多斯盆地、准噶尔盆地、四川盆地等盆缘地质构造较复杂的盆地，采用应力释放煤层气等开发技术可实现可采性差的深部煤层气高效开发；煤系叠合型气藏、全层系含气系统资源量巨大，但其高效开发仍面临诸多技术挑战，成藏规律与兼探共采技术将是煤系气勘探开发理论技术持续攻关的方向.

为明确宁武盆地南部深部煤层气储层特征及开发潜力，文章以宁武盆地南部宁武南区块9#煤为研究对象，基于评价井取芯测试数据、测井及压裂数据以及生产动态数据，通过与沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘开展同等埋深条件下储层关键参数对比，明确研究区深部煤层气储层典型特征，并基于研究区埋藏史和热演化史阐释了储层特征形成机理，最后基于现场开发实践提出了研究区深部煤层气开发对策.结果表明：与沁水盆地南部、鄂尔多斯盆地东缘相比，研究区具有煤岩热演化程度低(R_{o, max}平均值仅为1.10%)、含气量低、含气饱和度低、地温梯度低（D_T平均值为1.51℃/hm,仅为鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气的1/2）、水动力条件强（日产水量达到40～450 m³以上）“四低一强”的储层特征；研究区古地温梯度低，且在燕山运动早中期经历较大幅度抬升，导致煤岩热演化程度相对较低，进而导致其生气量相对较低且充注孔隙半径相对较大，储层自封闭能力弱，同时叠加水动力条件强，气体逸散量大，导致研究区含气量相对较低；含气量低且现今地温梯度低，二者叠加导致含气饱和度相对较低；由于研究区具有“四低一强”的储层特征，其深部煤层气开发难度大于鄂尔多斯盆地东缘.现场实践表明，直井开发适应性差，水平井多段多簇压裂有望实现效益开发，存在的主要问题是单井产水量最高达到450 m³/d以上难以实现有效降压，需要进一步优化钻井及压裂参数实现控水降压.

针对黔西六盘水煤田大河边区块煤层气井排采过程中井底流压频繁波动的工程问题，综合煤储层参数测试、三维地震勘探、水力压裂微震监测、智能化排采实时监控等数据，研究了井底流压波动类型及特征，探讨了井底流压波动的形成机理及井间差异演化的地质与工程协同控制作用，提出了抑制井底流压波动的排采管控措施，对复杂构造区煤层气井排采工作具有指导性意义.研究表明：煤层气井井底流压波动可划分为高幅低频、中幅中频、低幅高频、中幅高频4种类型；套压显现前，井底流压无波动，随着产气量快速提升及产水量快速下降，井底流压波动幅度、频率均呈现增大趋势.煤储层中气水两相流态不稳定，低导流能力裂缝“水锁”导致解吸气积聚，“气涌”后套压快速升高是引起井底流压周期性波动的原因，深埋藏、高地应力、低渗透率、难改造煤层气藏开发过程中更容易产生严重的井底流压波动.低产水井排采前期应合理控制井底流压日降幅，在产气量快速提升前排出更多的压裂液；产气量提升过程中，可通过改变排采强度、提高套压等方式抑制井底流压大幅波动；应确保煤层气井排采过程的连续性，尽可能避免快速提产及稳产阶段长时间停抽.

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.

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.

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.

煤气化灰渣的规模化利用与处置是我国煤化工行业面临的主要挑战之一,严重制约着煤气化产业与环境保护的协调发展.现有的煤气化灰渣循环掺烧、高值化利用和建材化技术存在成本高、利用规模小等问题,目前的充填技术主要处置煤矸石、粉煤灰等煤基固废材料,缺乏针对煤气化灰渣充填材料的相关实践.本文综述了煤气化灰渣的利用现状与存在的问题,突破了煤气化灰渣规模化利用与处置中的技术瓶颈,系统阐述了煤气化灰渣规模化分质梯级利用技术的内涵及关键科学与技术问题.提出了煤气化灰渣铝硅结构分质活化与协同调控机理、富碳灰渣高温气化反应机理及活性强化机制、低碳灰渣全固废胶凝材料的多动力源活化与水化机理以及采动空间多场耦合时空演化与充填控制机理等理论研究方向.分析了煤气化灰渣自维持脱碳铝硅预富集、煤气化灰渣高值化材料微化工制备、富碳灰渣无辅助燃料常压气化工艺、低碳灰渣全固废胶凝材料低碳制备以及煤基固废全周期立体绿色智能充填等技术的研究难点.论文研究创新了煤气化灰渣的利用模式,构建了煤气化灰渣综合利用与处置技术体系,引领了我国煤化工固废资源化利用的新方向,具有广阔的应用前景,有力推动了煤气化灰渣的循环利用与煤化工产业的绿色发展.

含结构面岩体岩爆是损害人员和财产安全的重要灾害之一.基于真三轴单面临空加载岩爆试验,联合声发射监测、三维扫描技术,研究了隐伏贯通结构面参数对花岗岩的岩石强度、岩爆特征和破坏形态的影响,分析了结构面抗剪强度与岩爆坑体积之间的关系.研究结果表明:含不同结构面的岩石抗压强度均有折减;结构面倾角于30°～60°范围内时,其减弱岩石强度的能力先增大后减小,结构面倾角改变,岩爆位置及损伤程度随之改变;结构面长度增加,岩石峰值应力减小,较短的结构面导致岩石发生局部剪切破坏或劈裂破坏,而较长的结构面则引发整体剪切破坏或滑移破坏;注浆可使含结构面岩石抗压强度提升11.6%左右,结构面注浆能够减少剪切作用下结构面位置岩块变形和位移;结构面的存在可使岩石屈服阶段时间占比增加1%～14%,使岩石破坏过程能量“徒增期”个数扩增,且结构面注浆可提升岩体在失稳阶段的持续时间;隐伏贯通结构面的抗剪强度和岩爆剧烈程度存在反比关系,结构面抗剪强度越高,岩样分形维数越低,岩爆坑体积越小,岩爆剧烈程度减弱.含隐伏结构面岩石的岩爆发生机制主体分为剪切滑移型和张拉-剪切混合型2种.研究成果可为地下开采时在高应力情况下含隐伏贯通结构面岩体的工程灾害防控与治理提供参考.

煤粉的粒径分布和级配方式,对水煤浆的流动特性、稳定性影响显著.为克服水煤浆中煤粒粒径跨越多个数量级带来的尺度问题,依照煤粒的布朗运动在工业生产的时间尺度上是否可被忽略,将煤粒分为小粒径颗粒(“扩散主导”)与大粒径颗粒(“沉降主导”),并使用随机旋转动力学-分子动力学(SRD-MD)耦合模拟方法探究小粒径颗粒的动力学,使用斯托克斯动力学模拟大粒径颗粒在流体中的运动.计算结果表明:SRD-MD耦合模拟方法对双分散球形固体颗粒悬浮液表观黏度随固体颗粒体积分数变化规律的预测,符合已有研究中玻璃颗粒悬浮液的试验结果.应用该SRD-MD耦合模拟方法模拟典型的三峰级配水煤浆体系中细浆颗粒与超细浆颗粒,并将其模拟计算结果与已有研究中玻璃颗粒悬浮液试验结果(悬浮液表观黏度与固体颗粒体积分数的关系)的拟合曲线相结合,能够预测三峰级配水煤浆的表观黏度,且该预测较为符合试验结果.当使用斯托克斯动力学模拟三峰级配水煤浆中粗浆颗粒在重力场中的沉降时,可以获得大粒径颗粒群的动态结构,且大粒径颗粒的下降距离表明斯托克斯动力学能够以较少的计算资源模拟工业尺度下粗浆煤粒的沉降过程.

游离气含量是深部煤层气勘探开发中重要的指标，对于评价深部煤层气开发潜力具有重要的理论意义和工程价值.针对现有的游离气计算模型的局限性，通过分析深部储层条件下煤孔隙压缩特性，结合游离气赋存特征，构建了基于孔隙压缩特性的深部煤层游离气含量预测模型.研究结果表明：煤层游离气含量主要受气体状态相关因素(储层温度、储层压力、气体压缩因子)和有效孔隙度这2项因素的影响；储层温度、储层压力、气体压缩因子控制气体状态影响含气量大小；有效孔隙度(考虑孔隙压缩、水分所占孔隙体积)控制游离气储集空间的大小.随着埋深的增大，大宁—吉县区块游离气含量呈现出先增大后逐渐稳定的特征.在同一层煤层厚度范围内，孔隙度是影响游离气含量的主要因素，在计算游离气含量的过程中需要考虑孔隙压缩特征以及含水性的影响.随着埋深的增大，不同煤级煤游离气含量均逐渐增大，且增大的速率随着埋深逐渐降低.本研究实现了在考虑孔隙压缩特征以及水分所占孔隙体积条件下开展深部煤层游离气含量准确预测的目标，以期为深部煤层气勘探开发提供更为准确的储层物性参数.

为了查明超临界状态下的CO₂（ScCO₂）对煤有机组成和结构的影响规律，开展了ScCO₂对不同煤阶煤的萃取试验研究，比较了萃取前后煤的主要官能团与大分子结构参数的差异，探讨了ScCO₂对煤中低分子化合物和有机结构的影响机制.结果表明：1)煤的芳香结构中苯环取代方式有4种，其中苯三取代占比最高，且随着变质程度的增加，该取代方式占比呈现下降趋势；ScCO₂对煤的苯三取代结构溶出效果最好，在低阶煤中苯三取代结构受ScCO₂流体大量溶出的影响其占比减小，苯二取代、苯四取代和苯五取代在芳香结构中的占比相对增大，而中高阶煤中苯三取代降低，苯五取代增加.2)随煤变质程度的增加富氧指数（I₂）呈下降趋势；ScCO₂萃取后，中、低阶煤的含氧官能团相对含量减少，而高阶煤的含氧官能团相对含量增加；ScCO₂萃取使得不同煤阶煤的脂肪链均缩短，脂肪链长程度（I₃）减小，富氢指数（I₁）、脂碳率(f_al)在中变质的1/3焦煤达到最大，呈现先增后减的趋势.3)ScCO₂作用后，导致部分低分子化合物溶出，引起各类官能团含量的变化，但随煤阶增大其主要官能团类型变化不大；ScCO₂的萃取作用，会使得煤的有机分子间的氢键发生断裂，促使其有机大分子结构紊乱、疏松.研究认为ScCO₂作用后，煤中主要官能团的变化是各类官能团与ScCO₂的溶解作用以及化学吸附和化学反应等综合作用的结果.

煤系气具有共生共储、多岩性储层频繁互层等特点，多层合采是实现其高效开发的有效方式.以黔西地区大河边区块二叠系上统龙潭组煤系叠合型储层为研究对象，开展了典型煤层-砂岩-泥岩互层型煤系叠合型气藏生产数值模拟研究，探讨了不同开发层段下煤系气井合采效果，阐明了非煤层段产气贡献、压力传导和渗透率动态变化对煤系气开发效果的影响，并提出研究区煤系气合层排采建议.结果表明：煤系气井合采效果受气源供给、地层压力传导方式以及储层物性动态变化影响.非煤层段(泥岩、砂岩)作为补充性气源对煤系气井产气量有一定贡献，其中“煤层+顶板+底板”开发方式的合采效果最佳，累计产气量增幅达2.97%～48.46%,非煤层段的产气贡献率可达5.3%～10.4%.非煤层段的产气贡献率受控于地层压力传导方式.层间垂向压差影响下，地层压降由泥岩、砂岩的高压力区向煤层的低压力区传导，控制了层间物质传递.多层段开发可减缓层间垂向压力传导，有利于储层内部压力的扩展和下降，而过多的开发层段，反而造成层间垂向压差增大，抑制了储层内部压降扩展，指示了煤系气开发应结合含气系统储层性质，优选适宜的开发层段.泥岩、砂岩渗透率的动态变化受开发方式的显著影响.多层合采的开发方式有利于煤层渗透率恢复，但易导致泥岩、砂岩渗透率快速下降，通过合理的排采管控工艺降低甚至避免泥岩、砂岩储层伤害也尤为重要.

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.

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PFC^3D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.

人类对化石能源的过度依赖导致过量CO₂排放与全球温室效应加剧,成为21世纪人类社会所面临的最大挑战之一.新能源开发与CO₂减排成为全球共同使命,而制氢技术和利用氢气还原CO₂制化学品技术因其负碳效益和经济潜力而备受关注.本文分析了当前国内外制氢技术和CO₂加氢还原技术的研究进展、挑战与前景.其中我国绿氢制备与氢气还原CO₂技术处于国际领先地位,但仍面临成本高、转化率低、氢储运安全性和复杂催化体系等问题,限制了商业化进程.因此,相较于传统光/电解水制绿氢,开发低成本、高效率、无需储运的新型CO₂加氢制高值化学品技术体系显得尤为重要.生物质制绿氢耦合CO₂还原联产多种精细化学品提供了一条独特的碳循环路径.该技术在电催化、光催化和水热催化下,通过生物质脱氢生成的绿氢直接还原CO₂生成甲酸、甲醇等化学品（CCU范畴）,同时生物质氧化生成乙酸、乳酸等高值化学品.该技术在反应器中仅需维持较低压力氢气,避免了高压氢气的压缩与储运,而且可兼容多种低品位能源（低谷电能、太阳能、工业余热等）,实现CO₂转化全流程高效率、低成本、无污染.因此,本文评述了近年来生物质“绿氢”还原CO₂制高价值化学品的研究进展,包括糖类、藻类、甘油、醇类、木质素等脱氢氧化耦合CO₂还原的反应体系、机理及产物选择性,深入讨论了影响反应性能的关键因素.研究表明:未来氢能在能源体系中将发挥保障国家能源战略“接替”与“主力”作用,本着模拟自然、加快地球碳循环的理念,可再生且适于工业化应用的生物质作为CO₂还原的氢供体极具前景.通过电催化法、光催化法、水热法高效快速转化生物质废弃物以及CO₂,不仅从本质上解决能源枯竭与CO₂问题,助力双碳目标的实现,而且该技术具有显著经济效益,具备工业化可行性,为推进负碳技术的应用和发展提供新的理论与技术支撑.

煤气化细渣作为气流床气化的固废产物难以被直接利用,将其分离后的富碳组分进行二次气化是实现煤气化细渣规模化利用的有效方法之一.为了提升煤气化细渣残碳的气化反应性,以空气、二氧化碳、过氧化氢和硝酸为氧化剂,对煤气化细渣浮选残碳(RC)进行了氧化处理.使用热重分析法研究了氧化后RC的水蒸气气化反应性,采用拉曼光谱、X射线衍射仪和N2吸/脱附仪解析了氧化后RC的结构特性.结果表明:相较于RC,氧化后RC的气化特征温度更低,失重速率更快,气化反应性提升显著;结构改善是氧化后RC反应性提升的本质原因,利用空气和二氧化碳氧化后的RC比表面积和孔体积大幅增加,而利用过氧化氢和硝酸氧化有助于RC的活性基团比例和无定形碳结构的显著提升;氧化后RC的结构特性决定了其气化反应性,其中表面活性基团和碳结构无序化程度侧重促进氧化RC的气化初始阶段,孔结构主要影响氧化RC的气化中期阶段.

为探究液氧瞬态膨胀定向泄能过程中气体流场的相变膨胀及流场结构特征,采用高速纹影试验和超压测试系统相结合的方法,开展不同切缝宽度下液氧瞬态相变膨胀试验,并通过统计软件分析纹影图像亮度平均值(Mean)和脉动均方根(RMS)值的变化特征,结合纹影图像推导图像灰度及流场密度梯度关系,研究液氧相变膨胀不同阶段所对应的流场脉动规律,同时基于采集计算的速度及超压等现场数据分析气体流场的动力学变化特征.研究结果表明:液氧相变膨胀过程分为液氧逸出与燃烧阶段、膨胀破坏阶段,其中后一阶段液氧反应气流脉动程度比前者更剧烈,沿药包切缝方向两阶段的气流密度均发生剧烈变化,两阶段结束后流场密度逐渐衰减为环境密度;窄切缝通道加速气体产物的释放速度,增强了气体的局部压缩作用,引导氧气和燃烧气体定向喷射,促使能量集中于切缝方向,随着切缝宽度增大,气体逸出量增加,药包释放能量的集中程度下降,沿切缝方向对应的气流脉动速度逐渐降低;相较于宽切缝液氧药包,切缝宽度较小的液氧药包在瞬态相变膨胀过程中有效提高液氧相变产物的释放效率和控制能量分布,其泄能集中程度决定了对岩石的定向致裂效果,研究可为定向破岩技术提供新思路.

抗氧剂还原型谷胱甘肽(GSH)对煤氧化自燃进程具有明显的惰化作用.为明晰GSH对煤中不同活性结构的抑制效果的差异,本文制备了相应的活性结构模型化合物,通过程序升温试验和X射线光电子能谱技术探究GSH对各活性基团氧化的抑制效果,并采用量子化学方法分析GSH与活性结构间的相互作用和反应活性.结果表明:虽然不同模型化合物的初始产气温度不同,但加入GSH后,各模型化合物的初始产气温度均有不同程度的增加,且整个过程中释放的CO含量也基本低于处理前样品.经GSH处理的模型化合物氧化过程中高价态含氧官能团的变化均低于处理前,说明GSH能有效抑制这些活性结构的氧化进程,这与宏观试验中指标气的释放减少是一致的.各模型化合物中的反应位点集中在亚甲基、羟基、羧基、甲氧基和巯基等附近;GSH中的活性位点则集中在S—H键附近.反应过程中,除GSH与噻吩间的相互作用一直维持范德华力外,GSH与其余模型化合物间的相互作用均可从范德华力转换成共价键作用并发生自发进行的放热反应,说明GSH是与煤中关键活性结构发生反应从而阻断煤自燃过程的.对比GSH与各活性结构的反应活性,GSH对烃类官能团和硫醇类含硫结构的惰化效果明显优于含氧官能团和芳烃官能团.研究结果为实现还原型谷胱甘肽的工业应用提供理论支持.

矿井突涌水蔓延模拟是水害应急救援与处置方案制定的重要基础,针对数值模拟方法计算速度慢的问题,提出了一种基于煤层底板标高控制区水量均衡的矿井突涌水蔓延模拟方法.基于矿井煤层底板标高和采掘空间展布规律,分析了采掘空间底板标高的局部高点、局部低点和突涌水蔓延过程中的分叉分流点对突涌水蔓延过程的控制作用,据此对采掘空间进行区域划分,提出了控制区的概念及其划分方法.依据水量均衡原理,控制区内积水水位与累积流入控制区的水量存在对应关系,累积突涌水量和控制区邻接关系共同控制着矿井全局突涌水蔓延过程.煤层底板标高控制区的划分和水量均衡方法的使用简化了局部区域蔓延过程计算(控制区内水量均衡)复杂度,缩小了采掘空间拓扑(以控制区为单元)规模,能够大大提高矿井全局突涌水蔓延过程计算速度.但是,对于局部蔓延过程的刻画较为粗略.因此,利用三维流体力学仿真软件Fluent模拟了局部巷道水流蔓延特征,包括水流下蔓时不同巷道坡度条件下的流速分布,以及不同巷道分叉空间结构条件下的分流规律,并利用随机森林方法进行了回归分析建模,用于局部蔓延过程的精细化模拟.以邢台矿西井为例,实现了工作面突涌水蔓延过程模拟,结果表明:利用基于煤层底板标高控制区水量均衡的矿井突涌水蔓延模拟方法可以计算任意时间矿井全局范围的积水水位,动态掌握突涌水蔓延过程,模拟12 h突涌水的计算速度较数值模拟方法提升了近60倍.同时,基于控制区可以快速计算得到避灾与救援线径中关键位置淹没时的累积突涌水量及对应时间,为应急救援与处置提供直接依据.

政策是助力我国“双碳”目标达成的重要抓手，但“双碳”政策的影响效力尚不明晰.本文旨在基于政策文本视角对“双碳”政策进行多维度量化分析，通过文本挖掘得到“双碳”政策主题词，进而构建政策一致性(Policy Modeling Consistency, PMC)指数模型，对中国现行“双碳”政策进行量化分析.结果显示：在政策内容上，高频关键词为“标准”“方案”“规范”等，核心关键词为“能源”“项目”“创新”等，显示当前“双碳”政策形式较为全面，但“公众”参与力度不足，新一代信息和通讯技术应用匮乏；在政策主题上，当前“双碳”政策主要以指令型(41.09%)和激励型(38.81%)为主，强制型(20.10%)政策相对较少；在政策分析效果上，当前我国“双碳”政策制定依据充分、目标明确，且稳定性较好，表明我国“双碳”政策在顶层设计和宏观调控方面具有显著的引导作用，但仍存在改进空间.本研究为后续“双碳”政策的制定与优化提供了有效依据.

深部煤层气与浅部煤层气相比，其最大区别是煤层气赋存态中游离气的增加，游离态甲烷资源量成为了深部煤层气资源增量的重要贡献者.在煤层气不同赋存态分配规律上，低煤阶储层明显有别于中高煤阶储层.本文以新疆油田在准噶尔盆地白家海凸起西山窑组实施的最新的深部煤层气评价井为分析基础，基于变温压孔渗试验和变温压平衡水等温吸附试验，结合数学建模，研究了低煤阶储层深部煤层气不同相态的分配规律.采用S-DR模型，考虑甲烷吸附态密度在温压场下的变化，结合变温压等温吸附试验测试数据，构建了白家海凸起吸附态含量预测公式；基于构建的温压控制下的孔隙度预测公式，耦合温压场控制下煤层气相态密度变化，形成了不同赋存含气量预测图版.结果显示：白家海凸起低煤阶煤层气储层由于储渗系统相对较好，含气性存在明显的“3个临界深度”,即吸附气、游离气和总含气量均存在临界深度.吸附气临界深度位于900 m左右，其含量可达到11 m³/t.游离气含量临界深度，位于2 500～2 600 m,其含量可达到9 m³/t.其中，总含气量临界深度，位于1 500 m左右，其含量可达到18 m³/t.在2 400 m左右，游离气占比达到50%,之后随埋深增加逐渐增大，在埋深达5 000 m时，游离气占比可达到80%.这一结果是深部温压控制下，吸附态密度、游离态密度和孔隙度变化耦合的结果，孔隙度随埋深的逐渐衰减，造成赋存空间的缩小，使得游离气同样存在“临界深度”.白家海凸起煤层气具有“低煤阶、高含气量、高游离气占比和高饱和度”的“一低三高”的富集特征.综合考虑资源规模和资源构成，1 500～2 600 m是本区域最优开发深度范围，在此范围，总含气量高（15～18 m³/t）,游离气占比在40%～55%之间，具有良好的可采潜力.

为了确定倾斜厚煤层开采过程中覆岩能量耗散结构影响下的卸压瓦斯运储区产生和演化规律，针对新疆昌吉市菏泽腾达矿业B5#煤层主采工作面，采用理论研究和物理相似模拟试验探究覆岩裂隙时变规律，明确卸压瓦斯运储区区域范围，定义卸压瓦斯运储区覆岩中的能量耗散结构，确定能量耗散结构种类、形成判据及演化规律，揭示倾斜厚煤层开采卸压瓦斯运储区能量耗散结构时变机理.结果表明：采动过程中上覆岩层破断裂隙密度突变点5.5条/m和贯通度突变点0.57可将裂隙场划分为瓦斯储集区、瓦斯运移区和压实区；依据能量积聚形式将覆岩能量耗散结构分为点能量耗散结构和线能量耗散结构，能量耗散结构形态呈现出“半月”状，能量耗散结构失稳破坏能量判据计算值和现场微震监测测量值误差小于9.58%;现场将钻孔终孔布置在瓦斯运储区中，平均单孔瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采体积分数相较于调控前提升1.56倍和1.96倍，上隅角、工作面和回风巷的平均瓦斯体积分数降低至0.31%,0.12%和0.22%,瓦斯抽采效果良好.研究结果进一步为倾斜厚煤层卸压瓦斯高效抽采提供一定的理论指导.

薄互层煤系气藏指由一系列厚度较薄的沉积岩组成并在垂直向呈现复杂岩性分布特征的叠置含气储层.薄互层煤系气藏单井压裂合采同时贯通多岩性储层，裂缝穿层扩展和层间干扰机理至今不明，亟需建立薄互层煤系气单井压裂合采理论和技术框架，解决其高效开采的理论与工程问题.本文梳理分析了薄互层煤系气单井压裂合采面临的关键科学问题，引入岩石力学地层理论的相关概念提出解决问题的思路，以探讨煤系气单井压裂合采的岩石力学地层理论方法.研究表明：应用岩石力学地层理论可建立起物理过程数值模拟与机器学习耦合的储层可压裂性预测框架，结合分层抽样和Vine Copula虚拟样本生成方法识别储层最优压裂位置；以岩石力学地层理论，能很好地分析和揭示水力裂缝在煤系叠置储层中的穿层扩展规律，结合构建的卷积神经网络升尺度方法可准确预测压裂后煤系储层渗透率；应用建立的薄互层煤系气-水层间渗流理论模型阐明了层间和井筒干扰对合采效率的影响.这些初步形成了薄互层煤系气单井压裂合采的岩石力学地层理论框架.

工厂化大井丛水平井是实现深部煤层气高效开发的关键手段.然而，深部煤储层微构造发育、非均质性强等特点导致井眼三维偏移距大、轨迹控制难度高，极大限制了储层钻遇率.为解决此问题，本研究以鄂尔多斯盆地东北缘佳县地区深8^#煤层（埋深为1 950～2 550 m）为例，考虑储层微构造、非均质性等特征及地震-地质资料条件，提出了一种以地震-地质三维一体化建模与迭代更新、钻井轨迹预判与实时优化调整为核心的地震-地质工程一体化导向技术.该技术主要流程为：开展储层系统高精度三维建模，精细描述储层空间展布，优化井位部署；入靶前实时跟踪随钻测—录—定动态，标志层逐层对比，迭代更新三维模型，优选合适井斜角实现精准着陆；入靶后通过差异化轨迹控制策略、钻头定位、三维产状约束、近钻头方位伽马验判产状，控制水平段精细轨迹.佳县地区先导试验区8口井实钻结果显示，煤层钻遇率提升至98.3%.该技术的成功应用为深部煤层气规模效益开发提供借鉴.

淮南矿区已进入A组煤开采的关键时期，随着开采深度的增加，面临的岩石力学问题愈加复杂，煤系砂岩作为采场围岩的重要组成部分，对其力学性质、地质地球物理性质的研究至关重要.从细观、试件以及岩层实测角度出发，获得煤系砂岩的裂隙演化特征、应变和电极电流响应特征，全面认识煤系砂岩的受载破坏裂隙、参数响应特征及阈值.结果表明：细观尺度上，当荷载达到70.2%最大应力(σ_max)时，各细观参数开始有较快增长.试件尺度上，对于不同含水率的砂岩试件，临破裂时分布式光纤应变值分别为613×10^-6,787×10^-6,933×10^-6和1 522×10^-6,裂隙水作用下砂岩试件强度降低，且含水率和应变增长率之间呈二次函数关系；电极电流整体变化趋势经历了平稳、缓慢上升、轻微下降和骤降4个阶段，不同含水率砂岩试件的破裂电流时间比（t₁/t₂）值依次为95.4%,85.7%,73.2%和60.5%.岩层实测方面，获得了回采全程砂岩层位分布式光纤应变和电极电流响应特征，并与室内试验的多参数响应特征一致.测试结果可为深入研究A组煤系砂岩力学性质和地质地球物理性质、裂隙产生机制，以及现场探测实践和灾害预警提供支撑.

火成岩侵入的煤层更易自然发火，这与岩浆对煤物理化学结构的改造密切相关，因此需探究火成岩侵入对煤体物化结构与低温氧化的内在影响机制.首先，基于氮气、二氧化碳等温吸附和傅里叶红外光谱测试研究了火成岩侵入区构造煤的孔隙结构和化学结构特征，岩浆的接触变质作用比热变质作用对煤体结构的改造程度更高；受接触变质作用影响煤样比表面积增涨了237.6%,其孔隙表面粗糙度和孔隙网络复杂度均升高，煤中芳香环、含氧官能团和脂肪烃含量降低，羟基和矿物含量升高，其化学结构特征参数均增大.其次，结合含瓦斯煤体程序升温试验与颗粒煤瓦斯外扩散数值模拟探究了甲烷与氧气的置换过程，结果显示岩浆的热变质作用强化了煤中甲烷与氧气的置换，但接触变质作用延缓了两者的置换；提出了一种定量计算煤物理吸氧量和化学吸氧量的新方法，并分析了煤中氧气的物理-化学吸附的转变过程，经历岩浆变质作用的煤样表现出较高的物理吸氧量，受热变质作用影响煤样的物理-化学吸附主控转变温度最低仅有55.22℃,降低了近20℃;基于阿伦尼乌斯公式和化学反应速率公式准确计算了煤-氧反应的表观活化能，热变质作用降低了煤-氧反应的表观活化能，而接触变质作用使表观活化能比正常煤样更高.最后，使用灰色关联分析探究了构造煤物化结构与其低温氧化的相关性，分析得到：构造煤孔隙表面粗糙度、孔隙网络复杂度以及支链化程度的提高，不仅促进了煤体内部甲烷与氧气的置换，使得低温氧化过程更快地由物理吸附主控转变为化学吸附主控，而且促使芳香烃断裂形成了更多长度更短的支链，致使煤与氧气反应的活化能降低，易于演变成强烈的氧化反应.

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.

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.

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.

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.

煤气化技术是煤炭清洁高效利用的关键技术之一,煤气化细渣作为煤气化过程中产生的典型固体废物,其合理处置被认为是煤化工绿色发展的一大挑战.鉴于当前煤气化细渣的高值化利用策略主要聚焦于残碳及硅、铝成分的回收,而钙组分往往被忽略,未能充分利用其潜在价值.为了实现煤气化渣中钙组分的资源化、高值化利用,以煤气化细渣为钙源,开发了一种利用煤气化细渣合成乙二醇/水基Ca CO₃纳米流体的方法.探讨了不同前驱体盐浓度对合成纳米流体的影响,成功制备了粒径可控的Ca CO₃纳米流体.利用X射线衍射仪(_XRD)、场发射扫描电子显微镜(_SEM)和傅里叶红外光谱仪(_FTIR)等设备,对制备的纳米流体中Ca CO₃纳米颗粒的形貌和晶体组成进行了表征.此外,基于微通道流动沸腾测试平台,对合成的纳米流体的传热性能进行了评估.试验结果表明:相较于基础流体,合成的乙二醇/水基Ca CO₃纳米流体的换热系数（h）最高可提升19.7%,同时使硅片的表面温度降低了17.6℃.这项研究不仅为煤气化细渣的高值化利用开辟了新途径,而且为乙二醇/水基Ca CO₃纳米流体在电子器件相变冷却中的应用提供了重要参考和指导.

煤气化细渣（CGFS）是一种富含Si,Al和C的无机固体废弃物.然而,其中由硅铝酸盐所形成的玻璃相具有一定惰性,且其内部包裹大量金属元素,严重影响了Si,Al,C资源的高效回收和高附加值产品的质量.为促进CGFS中Si,Al资源有效浸出并实现Si,Al,C资源的协同利用,本研究以煤气化细渣为原料,设计了基于Na₂CO₃活化的强化酸浸工艺,以提高煤气化细渣中Si,Al元素在盐酸中的浸出率.系统考察了活化温度、时间和CGFS与Na₂CO₃的质量比对Si,Al元素在盐酸中浸出率的影响.结果表明:活化温度为850℃、m（CGFS）:m（Na₂CO₃）=1∶1、活化时间为60min的条件下,Al元素浸出率达到95.65%,Si元素浸出率为52.48%.采用多种表征手段分析了CGFS在活化、酸浸过程中的结构演化机理,发现Na₂CO₃活化有效破坏了CGFS中的玻璃相,释放出被包覆的金属元素,部分物相转化为易溶于酸的霞石（NaAlSiO₄）相,显著提高了后续酸浸的效率.酸浸后样品的比表面积从94.53m²/g显著增加到462.81m²/g,形成了大量微孔和介孔结构.Na₂CO₃活化、强化酸浸工艺可有效提高煤气化细渣中Al,Si元素的酸浸出率.

气流床煤气化技术作为煤炭清洁高效利用的核心手段,在大规模利用的同时也造成了大量煤气化细渣的产生,如何将其规模化消纳并实现资源化利用迫在眉睫.本文选取榆林某气流床煤气化细渣分选后的富碳组分为研究对象,首先对其化学成分、粒径分布和孔结构等理化性质进行了分析,之后通过添加复合黏结剂冷压成型,并对成型渣的冷强度、热强度和热稳定性进行了评价,最后利用热重分析仪在CO₂气氛下评价了富碳型渣的气化反应特性.结果表明:煤气化细渣分选后的富碳组分具有固定碳含量高和孔隙结构发达的特点,制备的复合黏结剂可有效实现富碳组分的成型,富碳型渣的冷、热强度可分别达到4.48和1.77MPa,热稳定性超过85%,可满足常压固定床气化要求.随着升温速率的提高,富碳型渣气化失重峰向高温区偏移,最大失重温度、最大失重速率均有所提高,利用FWO法和KAS法计算得到的富碳型渣与CO₂的气化反应活化能分别为164和153kJ/mol.研究结果可为开发富碳型渣气化技术提供一定的依据.

为准确揭示瓦斯在真实煤层中的流动特性,基于瓦斯流动理论,建立瓦斯多机制统一传输模型.采用改进四参数随机生成法(QSGS)构建有效表征煤体孔隙结构的几何模型,并用两点相关函数进行孔隙结构校验.通过数值模拟分析不同流动机制的瓦斯传输模型及在不同入口压力下瓦斯多机制统一传输模型的瓦斯流速分布和瓦斯流量变化规律.研究表明:改进QSGS法重构孔隙结构与真实煤样孔隙结构的两点相关系数曲线在指数拟合曲线上呈现相似的变化规律,能准确表征真实煤体孔隙结构.重构孔隙结构的孔隙数量和有效运移通道均与孔隙率呈正相关关系,孔隙分布随初始生长核分布概率增大而更加均匀.与其他流动机制的传输模型相比,瓦斯多机制统一传输模型其瓦斯流速和瓦斯流量最大,更接近真实煤体孔隙内瓦斯流动规律,且瓦斯流量随初始生长核分布概率的增大而略微增加.瓦斯多机制统一传输模型模拟瓦斯流量与试验测量流量之间的误差随初始生长核分布概率的增大从8.7%增加至10.1%.入口压力增大使瓦斯流速在孔径较窄处显著提升,瓦斯流量呈非线性增长趋势.不同入口压力下,瓦斯多机制统一传输模型模拟流量与试验测量流量之间误差最大为10.2%,进一步验证瓦斯多机制统一传输模型对瓦斯流动规律的描述更接近真实煤样中的流动情况.

在煤层气勘探开发报告、文章及新闻报道中时常出现诸如“煤岩气”“煤层气藏”“含气量临界深度与深部”“含气量高饱和-超饱和”“低、中、高煤阶煤层气”“可燃基煤层瓦斯含量”等不规范词汇.通过查阅相关标准和教材，对上述术语进行了辨析.认为煤层气是以甲烷为主的烃类气体，不存在“低、中、高煤阶煤层气”;“煤岩气”“煤层瓦斯”实际就是煤层气；煤层气为连续型非常规天然气，没有明显的圈闭，浮力、水动力不起主导作用，不存在真正意义上的气、水界面和遮挡条件，存在富集区或“甜点区”;吸附气含量存在转换深度，含气量不一定存在转换深度；煤储层的深部以地应力临界深度划分较为科学，一是煤储层力学状态发生了改变，二是煤储层压裂裂缝展布方向发生了变化；吸附气饱和度不能代表含气饱和度，浅部低阶煤储层水溶气、游离气占比分别随平衡水分含量、孔隙度增加呈指数形式增大；挥发分和灰分是煤中的原始组分在特定条件下的转化产物，不能称之为挥发分含量和灰分含量，只能称为挥发分产率和灰分产率.研究成果对规范煤层气术语和相态含气量分析均具有指导意义.

煤层气等非常规天然气资源的规模化开发与利用是我国能源结构向清洁能源高比重发展的重要过渡手段，是实现我国“3060”双碳战略目标的重要保障.我国深部煤层气资源非常丰富，据初步评估，埋深超过1 000 m的煤层气资源占总资源量的84.15%.自2019年大宁—吉县深部煤层气DJ3-7向2试验井开发成功以来，深部煤层气开发获得广泛关注.系统梳理了国内外深部煤层气开发进展，从国家政策、资源潜力、现有技术水平等角度讨论了我国深部煤层气开发面临的机遇与挑战.分析认为，我国煤层气开发多年积累的技术经验和实践成果为深部煤层气开发奠定了坚实的基础，深部煤层气开发契合国家与地方能源政策且受企业大力支持，丰富的资源量彰显巨大的开发潜力，呈现经济和战略双重价值，快速发展的示范项目展现出我国深部煤层气开发的广阔前景，这些都为我国深部煤层气开发提供了机遇.然而，区别于现有煤层气开发技术，高温、高压、高应力条件下，深部煤层气开发理论、技术与工程实践的有机结合不足、市场竞争压力大以及开发过程中存在的环保问题，是深部煤层气开发面临的主要挑战.

图像监测是矿井火灾火焰主要感知方法，但受矿井光源干扰.图像圆形度和矩形度方法受摄像机安装位置、拍摄目标图像角度影响大，难以排除矿井光源的干扰.本文揭示了圆形灯、正方形灯和长方形灯等矿井光源图像实际边界周长近似等于其等面积矩形图像边界周长，火焰图像实际边界周长明显大于其等面积矩形图像边界周长的特点.提出图像顺滑度计算方法，用形状与外接矩形图像相似、面积与目标图像面积相等的相似矩形周长，除以图像实际边界周长的比值，表示图像顺滑度.目标图像顺滑度数值越小，说明图像边界越不顺滑、凸凹越严重.提出基于图像顺滑度的矿井外因火灾识别及抗干扰方法，计算目标图像顺滑度，根据矿井光源图像顺滑度数值较大，而火焰图像顺滑度数值较小，区分火焰与矿井光源.本方法不受矿井光源形状、摄像机距检测目标距离和图像大小、摄像机安装位置及其拍摄检测目标的角度等影响，适应范围广，识别准确率高.试验研究表明，顺滑度识别火灾火焰图像准确率为98.1%,召回率为97.9%;矩形度识别准确率为81%,召回率为78.9%;圆形度识别准确率仅为33.3%,召回率为28.9%.