随着全球能源体系的低碳化转型和我国高质量发展战略的深入实施，煤矿设计建设正由“高产能”向“高质量、安全、智能、绿色、可持续”转型升级。本文在系统回顾我国煤矿设计理念演进的基础上，结合中煤科工集团武汉设计研究院有限公司七十余年矿井设计经验，面向新时代的现代煤矿，创新提出安全（Safe）、规模（Scalable）、简捷（Simple）、节省（Saving）、智能（Smart）、可持续（Sustainable）的“6S”顶层设计原则，该原则以顶层设计为引领，注重技术、经济与生态的系统融合，进一步提出“6S”原则与新时代智慧矿山“ICIE”特征的融合路径，由此形成面向未来的煤矿建设总体框架，构建出新型煤矿设计范式。同时通过对陕西煤业集团曹家滩煤矿和国家能源集团新街一井两个典型示范工程的实践分析，验证了“6S”设计理念在提升安全生产水平、优化生产系统、控制项目投资及推动绿色低碳发展中的显著成效，可为国内煤矿高质量发展提供理论依据与工程示范。

为揭示不同国情下煤矿智能化发展的内在规律，并为中国煤炭工业提升全球竞争力、构建新型能源体系提供决策参考，构建了“地质约束-技术路径-政策驱动”的三维分析框架，系统解构中澳两国煤矿智能化模式的形成逻辑与演化路径。研究发现，澳大利亚依托其资源禀赋与市场机制，形成了企业主导、效率优先的“自然演进”模式；而中国在复杂地质条件与能源安全战略的双重约束下，则形成了政策主导、安全为先的“顶层设计”模式。资源禀赋是路径选择的“始因”，政策与市场则是模式定型的“关键驱动力”，二者共同塑造了智能化发展的路径依赖与演化方向。中澳两国因路径差异而呈现出强烈的互补性：中国的“复杂场景适配”技术体系，可为澳大利亚应对深部或复杂地质条件下的煤炭开采提供安全解决方案；而澳大利亚的标准化集成经验，则有助于中国破解数据孤岛、装备可靠性不足等瓶颈。研究成果为全球煤炭行业智能化转型提供了“资源禀赋适应性”与“政策驱动有效性”相结合的双轨互补范式，对中国借鉴国际经验、优化顶层设计、构建新型能源体系具有重要的理论与实践价值。

针对小角度揭穿高突出危险煤层时，传统消突方法存在钻孔工程量大、瓦斯抽采效果差、区域消突达标周期长等技术难题，以新建煤矿三水平三采区轨道下山揭煤工作面为工程背景，创新提出“瓦斯抽采辅助巷+机械造穴增透”联合区域瓦斯治理模式；随后结合现场工程条件完成了辅助巷设计、钻孔布置方案、机械造穴施工工艺，配套确定了设备选型方案与施工流程，并开展了现场工程应用与治理效果对比分析。现场应用结果表明：与传统消突工艺相比，该方案钻孔工程量减少11544m，施工工期缩短2.92个月，节约综合成本38.7万元；单孔瓦斯抽采纯量平均提升3倍以上，抽采瓦斯浓度提高约78.57%；区域消突周期缩短78d，揭煤区域残余瓦斯含量降至3.52~4.63m³/t，煤层突出危险性完全消除，有效破解了小角度揭煤工况下传统消突工艺的局限性，实现了揭煤工作面的快速安全消突。

针对红沙泉露天矿首采区由于筛分场位置因素导致东西帮境界出现弯折的问题，在筛分场即将拆除、西帮靠界且排土工作线将覆盖东帮“U”形弯的前提下，对首采区在筛分场拆除后工作线长度进行了优化，采用理论计算和模型验证的方法，分别计算了经济合理工作线长度、技术可行的工作线长度，得出了在该露天煤矿的目标产能下的工作线长度为2800m左右，并通过工程位置推演验证了可行性。基于红沙泉露天矿现场实际情况，构建基于总费用最小的压帮内排方式关系模型，计算了不同压帮高度下的二次剥离与转排费用。研究表明：随着留沟深度的不断增加，压帮所花费的总费用不断增加，以压帮所花费总费用最小为原则，最终确定采用全压帮内排方式。

工业项目建设用地控制指标对土地节约集约利用意义重大。系统梳理了国家层面颁布的2004、2008、2023 年三版《工业项目建设用地控制指标》的演进脉络，对比分析了指标体系、核心参数的调整逻辑和政策影响；同时也梳理了各地方部门颁布的控制指标体系及具体实施要求，构建“国家—地方”两级指标的完整认知体系。系统说明了煤炭等行业在管线、用地布局、安全生产等方面的特殊性和城市规划部门与专家审查时套用《工业项目建设用地控制指标》存在的问题，结合自身工作经验，提出相关建议。

针对柠条塔煤矿S1234工作面上覆基岩风化带含水层裂隙发育、富水性强、常规注浆堵水效果不佳的工程难题，基于弹性力学理论与广义宾汉体浆液流变方程，构建水平定向钻孔应力场计算模型与风化基岩含水层注浆扩散模型，综合考虑原岩应力与注浆压力耦合作用，推导得到适配风化基岩裂隙条件的注浆压力计算公式。结合研究区风化基岩强度参数、最大扩散厚度30m及裂隙发育特征，求解得到工作面帷幕注浆最大控制压力为8.4MPa，并据此优化浆液配比与注浆施工控制参数。最后通过现场钻探取样与井下放水试验开展治理效果验证。结果表明：注浆治理后，工作面顶板治理段稳定涌水量由注浆前的128m³/h降至13.8m³ / h，降幅超80%；检查孔岩心裂隙浆液充填饱满，工作面与外围含水层水力联系显著弱化，帷幕堵水效果良好。研究成果可为同类矿井基岩风化带顶板水害精准注浆治理提供理论支撑与工程参考。

长平矿六盘区大巷在叠加应力影响下围岩变形（破碎）严重，单纯锚杆索支护效果不佳，采用注浆加固-锚索支护技术控制围岩变形。利用UDEC模拟浆液扩散规律与加固效果，并采用FLAC^3D进一步分析注浆锚固后大巷矿压显现。UDEC模拟结果显示，随着水灰比与注浆压力的增加，浆液扩散半径均增大。浆液水灰比应不小于0.7∶1，注浆压力大于4MPa为宜；注浆加固提高了破碎围岩的锚固力，能显著降低巷道围岩塑性区范围与巷道位移量。FLAC模拟显示，大巷注浆后再进行锚索支护，可大幅度降低巷道变形量，注浆加固后，受叠加应力影响最显著的西南辅运巷，顶底板移近量为69.73 mm，两帮移近量为67.46 mm，注浆锚固支护技术实现了巷道的稳定性。

针对上湾煤矿12404综采工作面回采通过超前空巷阶段的围岩变形失稳难题，采用UDEC数值模拟结合现场工业性试验的方法，系统研究了不同超前距离下空巷围岩的应力、位移动态演化规律，对比分析了人工柔模支撑柱支护前后围岩变形与稳定性的差异。结果显示：无支护条件下，随着工作面逐步靠近空巷，采动扰动持续加剧；工作面距空巷20m范围内围岩失稳破坏最为剧烈，顶板最大下沉量可达1.8 m，巷帮水平位移峰值为421mm，易引发顶板垮落、底鼓及煤壁剥落等灾害，存在空巷垮塌与煤柱失稳诱发工作面压架的安全隐患。采用人工柔模支撑柱强化支护后，围岩应力分布趋于均匀，高应力集中现象得到有效弱化；空巷左右帮垂直应力峰值分别降低15.4%和6.6%；顶板最大下沉量降至91.5mm，巷帮水平位移缩减151mm，围岩变形得到显著控制。研究表明，柔模支撑柱可有效承载上覆岩层竖向载荷，实现围岩应力的削峰与扩散，大幅提升强采动影响下超前空巷围岩的整体稳定性，保障工作面安全通过空巷。

探采失调是长期制约我国煤矿安全、高效、智能化开采的核心瓶颈。本文研究并应用巷道随掘地震监测技术，对工作面内断层进行动态监测。首先，采用自适应滤波、经验模态分解（EMD）和时窗分割方法，对检波器阵列采集的掘进机震动信号进行预处理；然后，利用随掘地震干涉方法，将巷道实测的长时连续地震信号与同期掘进机近源子波信号互相关处理，并借鉴人工可控震源原理，得到类似常规地震的虚拟炮集；最后，基于虚拟炮集记录和精确的掘进机位置，运用地震波动态成像技术，对掘进迎头地质构造进行动态探测。预测结果与实际情况较为吻合，表明该技术可实现工作面内断层的精细化动态监测。

起爆时序的精确测定不仅关系着应急管理、安全监察及地震监测等政府职能部门的联合监管效能，更是爆破地震效应评估的关键技术参数。传统作业模式存在起爆时间判读依赖经验公式，记录精度局限在秒级或分级量程，难以满足现代矿山精细化管控需求等问题。基于此，构建了信息化技术融合的起爆时序精准识别体系，提出了信息融合的起爆时序解析方法，突破传统经验判读的局限性；其次，研发基于高速影像时序解译方法的起爆时刻动态捕捉技术，攻克了爆轰反应瞬态过程的数据采集难题，构建了集成时频域联合分析模型，提出了具备毫秒级时间分辨率的图像自动化处理方法。实验结果表明，该技术可实现爆区特征参数0.1%量级的特征识别误差控制。研究成果为爆破参数智能优化提供了理论支撑和技术实现路径，对推动矿山安全生产监管体系数字化转型具有重要工程应用价值。

深井孤岛工作面上覆坚硬岩层回采时易出现强矿压现象，威胁煤矿开采安全。以山西天地王坡煤矿3206孤岛工作面为工程背景，通过理论分析、数值计算及现场实测相结合的研究方法，建立了工作面开采前后煤岩受载力学模型，对比分析了坚硬岩层弱化前后变形特征及应力传递演化规律，并通过现场实测验证水力压裂治理效果。结果表明：孤岛工作面受自重载荷及两侧采空区传递载荷形成的高静载和坚硬岩层破坏前后静载阶变量2倍的动载叠加影响，易出现采场强动力响应现象。当坚硬岩层弱化后工作面推进至初始压裂区域，岩层破坏范围及程度较小，预裂效果不显著。推进至充分压裂区域后，岩层整体塑性破坏范围增大、破坏形式区域增多、破坏程度加深，工作面垂直位移量迅速增大至5.31m，采空区上方顶板拉应力区域较大，前方煤体应力集中程度降低至24.4MPa，较弱化前减小3.17%，应力集中范围向前方岩体转移，随开采推进前方坚硬岩层能够及时破断垮落，避免悬顶面积较大造成强矿压显现。现场矿压监测显示弱化后工作面平均支架工作阻力、周期来压步距、动载系数及煤体应力降幅分别为18.0%、27.0%、14.3%和5.5%，有效降低了来压强度，保障了工作面安全高效回采。

特厚煤层高强度综放开采易诱发工作面强矿压显现与地表塌陷破坏的叠加灾害，为探究井下工作面强矿压显现与井上地表塌陷抽冒的时空关联机制，本文以不连沟煤矿F6204工作面为例开展研究。结合现场实测数据与PFC离散元数值模拟方法，系统分析了两类灾害在时间、空间及演化过程中的内在联系。研究表明：地表塌陷抽冒与工作面强矿压显现存在显著的时空协同特征;时间维度上，地表塌陷抽冒的发生约滞后工作面强矿压显现2~3d；空间维度上，两种现象均发生于工作面推进至见方位置附近；演化过程中，强矿压显现发生后，地表塌陷抽冒会快速发育。研究进一步揭示了“井下强矿压显现-井上地表塌陷抽冒”的联动机制，即：坚硬玄武岩主关键层的破断失稳是连接两种现象的核心，其破断失稳会引发上覆岩层连锁失稳，既会造成支架工作阻力瞬时升高，也会向上传导超大离层空间，离层发育至地表后即可诱发塌陷抽冒。本研究可为特厚煤层综放开采的地表生态环境保护与灾害防控提供理论依据与实践参考。

为解决浅埋中近距离煤层沿空留巷过程中的顶板剪切下沉治理和巷道围岩控制难题，以万利一矿42305工作面为研究对象，根据钻孔窥视结果和巷道的上覆岩层结构揭示了留巷巷道顶板出现大面积来压和沿墙体出现剪切下沉破坏的主要原因，并以此构建出浅埋中近距离煤层的沿空留巷结构力学模型和层间关键层简化岩梁结构力学模型；通过理论计算得出留巷巷道上覆岩层的最大弯矩为14773.5kN·m、最大剪力为6009.58kN，结合上覆岩层结构和岩石力学性质分析出巷道上覆岩层破坏主要发生在浅部软弱岩层，为此提出在巷内原有支护基础上采取“注浆加固”和“U型钢棚+锚索吊梁”的加强支护措施，浅部软弱岩层的抗剪能力提高到6111.68kN。现场实测结果表明，采取措施后的顶板下沉速度明显减缓、稳定后的最大下沉量为195mm，说明顶板剪切下沉现象得到了有效控制，为类似工程地质条件下的沿空留巷顶板剪切下沉治理和巷道围岩控制提供了一定的参考。

为解决碎软煤层气动定向钻进遇局部出水地层时塌孔、卡钻、排渣受阻频发的工程难题，提升复杂含水煤层成孔与瓦斯抽采水平，剖析了出水环境下钻渣运移规律与钻进故障形成机理，研发形成由超前地质探查、多参数监测预警、复合排渣工艺组成的成套气动定向钻进技术体系，优化集成了大功率定向钻机、高压制氮机、气动螺杆钻具等配套关键装备，并在山西华阳二矿开展现场试验。应用该成套技术完成7个定向钻孔施工，全部顺利成孔，最大孔深506m，350m以上钻孔5个，累计进尺3363m；筛管完孔后历经160d瓦斯抽采，管路瓦斯浓度稳定在67%，累计抽采瓦斯56.06m³。试验结果表明：钻孔环空“气-液-固”多相流动态失衡导致的环空排渣效率骤降、气体循环能量损耗，是造成气动定向钻进受阻的主要因素；所构建的“地质探查-风险预警-高效排渣”技术体系及配套装备，可有效降低钻渣黏附与环空堵塞风险，提升成孔质量与瓦斯抽采效果。

煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的核心技术支撑，也是培育煤炭行业新质生产力的重要组成部分。论文以神东保德煤矿为研究对象，分析其智能化系统建设与运维管理实践，探讨如何通过系统建设与人才培养双轮驱动，推动煤矿运维管理从人工经验型向数据驱动型转变。文章提出了基于“人机料法环”和PDCA的管理模型，并结合保德煤矿的组织架构与运行成效进行验证。结果表明，该模式在安全、效率、成本与管理决策等方面均取得显著成效，为行业智能化运维提供了示范与借鉴。

为探究坚硬顶板沿空掘巷围岩变形机理与演化规律，以某矿21407工作面沿空掘巷为研究对象，利用理论分析、数值模拟等研究方法，构建了坚硬顶板工作面端头悬顶理论计算公式，分析了端头悬顶对沿空掘巷围岩变形的影响。利用三维激光扫描技术得到了沿空掘巷围岩在掘进期、回采期的变形数据，结合开发的动压巷道支护体系稳定性监测及预警系统，得到了坚硬顶板沿空掘巷围岩变形的时空演化特征，综合理论分析与CDEM数值模拟结果，探明了不同时期沿空掘巷围岩变形的特点与原因。

回采作用下深埋巷道超前段岩体破碎、裂隙发育, 产生大变形甚至可能失稳坍塌，严重威胁井下生产安全。为研究深埋回采巷道破坏变形规律，以五举煤矿13207运输巷为工程背景，首先开展松动圈探测，然后构建了深埋回采巷道数值模型，进行支承应力下回采巷道超前段分区，揭示了回采巷道应力场分布规律及破坏特性，最后针对性开展超前段分区支护设计，并进行现场监测数据分析。结果表明：根据应力分布状况，回采工作面前10m内为应力集中区，10~27.5 m为集中衰弱区，27.5m外为原岩应力区；应力集中区巷道变形最大，且两帮变形破坏最严重，在工作面推进200m时两帮变形量为843.27mm，为顶板下沉量的3.17倍, 为底鼓的2.42倍；回采巷道两帮处塑性破坏严重，随距离工作面距离增加，塑性区范围逐渐减小；采用“三梁三柱”的支护方式在应力集中区进行重点加强支护，并监测补强支护前后巷道顶板及两帮位移，补强后巷道围岩变形量减小超过40%，证明补强支护设计有效。

针对近距离煤层重复采动下巷道围岩动压显现剧烈，易产生底鼓、片帮与支护失效等问题，为优化围岩防控技术，以神东布尔台煤矿42204工作面为工程背景，综合采用理论分析、数值模拟与现场实测手段，依托悬臂梁理论及Winkler地基假定建立层间覆岩力学模型，推导围岩失稳判别指数R；借助3DEC离散元软件，开展内错距5~30 m多组巷道工况模拟，揭示围岩位移与采动应力演化特征；结合井下锚杆（索）受力现场监测，提出内错距不小于20 m 的巷道布设方案，配套“锚杆+锚索+喷射混凝土+钢网+钢带”联合补强支护。结果表明：层间覆岩极限抗拉强度为25.37MPa，建立的失稳判据可定量判定围岩稳定性（R>0时围岩失稳，R≤0时围岩稳定）；随着内错距的增大，采动扰动逐步减弱，内错距不小于20m能够显著抑制覆岩变形与应力集中；优化支护方案实施后，巷道围岩应力相较原支护降低22.5%，可有效防控重复采动诱发的围岩灾害。

针对采动影响下覆岩载荷传递机制不明确及侧向支承压力分布难以定量表征的问题，根据煤层回采后采场围岩空间结构特征，基于文克尔（Winkler）弹性地基假定，构建弹性地基假想悬臂梁力学模型，采用瑞利-里兹法推导采空区覆岩集中载荷作用下侧向煤体支承压力分布方程，并以实际工程为背景通过数值模拟与现场实测对理论模型进行了验证。结果表明：①模型参数中弹性系数不影响支承压力值，但对侧向煤体垂直位移影响较大，垂直位移随弹性系数增大而减小；支承压力值主要与采动影响范围及采空区覆岩载荷相关，其中采空区覆岩载荷与支承压力值呈正相关关系，采动影响范围主要影响支承压力分布情况；②理论模型计算得到的支承压力及垂直位移在弹性变形区内与实测数据高度吻合，表明该模型能够较好地反映采空区覆岩载荷作用下侧向煤体的垂直变形特征及其弹性变形范围内的支承压力分布规律。

为了确定煤矿井下硬岩弱化场景下单自由面超深孔爆破的最优堵塞长度，本文研究了堵塞结构的运动规律。使用LS-DYNA分别模拟堵塞结构在刚性活塞压缩和炸药爆破作用下的运动情况，发现堵塞结构在炮孔内的压缩具有非均质性，压缩端密度最大自由端最小，压缩结束后以刚体形式运动。基于非均质压缩和压缩后刚体运动的特点，建立了一维轴向运动的力学模型。在此基础上，针对爆生气体压力的计算，系统地考虑了岩石破坏和堵塞结构压缩及运动对爆生气体压力的衰减作用，优化了爆生气体压力的计算方法，结合“分时分段”求解法，对堵塞结构运动过程进行了深入研究，并设计了用于计算堵塞结构运动的算法。最后，在煤矿掘进工作面硬岩深孔弱化工程中进行了验证。

采煤机螺旋滚筒在切割煤岩层时产生的瞬时交变冲击载荷，会引发滚筒多方向振动，且振动状态随切割条件的变化而改变。为避免数据特征从前端向后端传递中的损失，本文提出一种基于D-S融合的煤岩切割状态感知系统。首先从切割部件前端采集切割力和振动作为特征信号，并将相应的变换特征向量输入RBF神经网络，获得单个信号的识别结果，然后在决策层进行基于证据相关系数的D-S融合。该方案能将平均识别准确率提高到96.5%，更准确地判断煤岩截割状态。

为有效预测矿井水害严重程度、提升煤矿突水危险性评价的科学性与实用性，提出一种基于灰色关联分析（GRA）与博弈论（GT）的组合赋权评价模型（GRA-GT），利用灰色关联分析量化底板含水层水压、单位涌水量、钻孔取芯率、隔水层等效厚度、矿压破坏带下脆性岩厚度、断层分维值、褶皱变形系数、陷落柱相对分布密度等8项指标与煤矿突水危险性的关联程度，识别关键影响因素；采用博弈论优化层次分析法（AHP）确定的主观权重与CRITIC 法确定的客观权重，求解主客观权重的最优线性组合，构建组合赋权评价模型；并以平朔井工三矿4条巷道为评价对象，应用该模型开展实例验算。实例结果表明，研究区内巷道D突水危险性最高，巷道A风险次之，巷道B突水风险最低。该模型有效平衡了主客观权重的分配矛盾，评价结果可量化且与工程实际吻合，验证了其良好的工程适用性，可为煤矿突水危险性的动态分级管理提供兼具理论严谨性与工程实用性的评价框架。

为揭示脉冲磨料水射流冲击受载煤岩破坏的力学机制，采用光滑粒子动力学-有限元法（SPH-FEM）建立了脉冲磨料水射流冲击受载煤岩数值模型，对比分析了脉冲磨料水射流冲击无加载应力及加载应力条件下煤岩破坏特征的时序特性，研究了脉冲振幅、脉冲频率和磨料质量浓度等射流参数对不同加载应力条件下煤岩破碎坑深度、纵截面面积、主裂纹总长度的影响，获得了脉冲磨料水射流冲击受载煤岩的应力变化规律，阐明了脉冲磨料水射流冲击受载煤岩的力学机制。结果表明：加载应力显著抑制了煤岩破碎坑的形成及内部裂纹的衍生与扩展；随着脉冲振幅的增大,受载煤岩破碎坑深度、纵截面面积及主裂纹总长度均逐渐增加；随着脉冲频率或磨料质量浓度的增加，受载煤岩破碎坑深度、纵截面面积及主裂纹总长度均先增大后减小；加载应力越高, 煤岩破碎坑深度、纵截面面积及主裂纹总长度越小；随距射流表面中心距离的增加煤岩单元测点有效应力峰值逐渐减小；受载条件下煤岩单元测点有效应力峰值显著增大；加载应力提高了煤岩破碎强度，增强了煤岩抵抗破坏的能力，而在射流中添加磨料增大了射流的水锤压力与滞止压力，进而实现深部地下工程中受载煤岩的高效破碎。

煤矿采用的煤层注水和水力压裂等水力化措施将水注入到煤层中，遗留在煤层中的水在煤的孔裂隙结构中渗吸运移，决定了煤层的最终润湿性。而煤具有复杂的孔裂隙结构，其微孔、中孔和大孔竞争遗留在煤层中的定量水，为分析定量水在块状煤体孔裂隙结构内的运移行为, 本文开展了块状煤体定量水渗吸运移试验，借助低场核磁共振仪，测试分析了定量水在块状煤体微孔、中孔和大孔中的运移规律。结果表明：定量水分在块状煤体内的运移行为呈现2 个阶段，第一阶段外部注入的定量水同时进入吸附孔和渗流孔，自由态水峰降低，吸附态水峰和束缚态水峰升高；第二阶段渗流孔内的水分在毛细管力的作用下逐步向吸附孔内运移，最终实现了水分从渗流孔进入吸附孔；在渗吸结束时，润湿吸附孔的水分占比为62% ~ 99%，滞留在渗流孔的水分占比为1% ~38%；水在块状煤体孔裂隙结构内单位时间润湿速率和孔隙度呈正相关线性关系，孔喉发育越好，水分受毛细管力和重力作用的影响润湿煤体的效果越好，水在块状煤体孔裂隙结构内的渗吸平衡时间与煤的孔隙度呈非线性负相关关系，符合Boltzmann方程。通过讨论了定量水分在块状煤体孔裂隙结构内的渗吸运移行为，全面分析了煤层渗吸机理和流体运移特征规律，为优化水力压裂和煤层注水效果提供了理论依据。

针对鲁新煤矿顶板砂岩在开挖过程中的失稳问题，开展了不同预制裂隙角度下的单轴压缩试验，系统研究了裂隙角度对砂岩强度特征、应力-应变行为及裂纹扩展规律的影响。试验结果表明：峰值强度随裂隙倾角呈显著变化，当倾角为30°或60°时强度较高，而45°时强度最低；从应力-应变曲线特征来看，试样在峰值前出现多处应力波动，反映了裂隙的阶段性滑移与扩展，峰值后则表现为应力骤降的脆性破坏特征；倾角为30°或60°时，试样以劈裂或竖向贯通破坏为主，裂纹主要沿轴向荷载方向扩展，而倾角为45°时，则更易出现从预制裂隙端部起始的剪切型裂纹，该类裂纹沿最大剪应力方向迅速扩展并最终实现剪切贯通。在此基础上，本文将连续损伤理论引入数据驱动建模框架，通过提取损伤变量与塑性演化的关联特征，基于机器学习构建了顶板砂岩的损伤本构模型，研究了不同预制裂隙角度下的裂纹扩展演化规律，并与试验结果进行了对比分析，验证了该模型的适用性与预测能力。

为解决低温环境下换热器正常工作的问题，研究了防冻型重力热管技术，该热管技术在低温环境下仍能高效工作，为寒冷地区的矿井取暖提供了有效的解决方案。文章通过对防冻型重力热管实验数据的分析，探讨了不同充注量条件下重力热管的换热性能。通过测量进回水温度、质量流量、进出口风温、风速等数据，计算不同充注量下的换热量、传热系数、热阻等关键参数的变化规律。实验结果表明，在20~60 ℃的矿井典型温度区间内，热管换热量随温度升高单调递增；热管最佳充注量对应为蒸发段容积的43%~57%（90~120g），换热量较30 g低充注量提高121.21%~131.45%，此区间传热系数为58.09~61.78 W/（m²·℃，热阻低至0. 0806~0.0843℃/W。该研究为重力热管在矿井取热领域的工程应用提供关键参数依据，有望提升矿井取热效率与稳定性。

针对高灰细粒低阶煤浮选回收困难的问题，本文提出并验证了一种基于酯类捕收剂诱导的疏水团聚-浮选工艺。以内蒙古东胜矿区煤泥为对象，比较了正十二烷与月桂酸甲酯两类捕收剂的改性与团聚行为，考察了预搅拌转速对团聚-浮选效果的影响。结合接触角测定、FTIR和XPS等表征手段，揭示了酯类捕收剂在煤表面的选择性吸附机理。主要结果如下：原煤接触角为28.1°；加入正十二烷后接触角增至41.9°，经疏水团聚处理后提升至48.7°；月桂酸甲酯处理后接触角达50.7°，经疏水团聚后进一步提升至56.6°。浮选性能方面，在用量范围1000~4000g/t内，十二烷使精煤产率由19.87%增至27.12%，而月桂酸甲酯使产率由41.11%增至58.78%；在以月桂酸甲酯进行预搅拌诱导团聚时，转速2000r/min 可使精煤产率达64.02%（灰分约20%）；采用月桂酸甲酯∶十二烷=1∶3的复合药剂时，产率为61.73%，能兼顾效果与成本。FTIR显示，月桂酸甲酯处理后, 煤中自缔合羟基相对面积显著下降；XPS分析表明，经月桂酸甲酯处理后，C1s中C—O比例降至15.01%，O1s中C—O比例亦明显下降，表明酯类捕收剂优先与羟基等含氧位点发生弱氢键/偶极相互作用。

为解决矿井乏风余热利用率低及传统换热技术不足的问题，文章提出基于乙二醇间壁式换热器的热泵供暖系统，用于回收矿井乏风余热并实现井口防冻。通过理论分析、数学模型构建及AMESim仿真，研究了乙二醇溶液进口参数对换热性能的影响，并优化了系统运行工况。结果表明：乙二醇溶液进口温度从-6℃升至3℃，间壁式换热器换热量由185 kW下降至110 kW；随着乙二醇溶液进口速度由1.5m/s增至3m/s时，换热器换热效率从61.5%提升至81. 94%。当乙二醇溶液进口温度由-6℃提升至3℃时，热泵系统能效比COP由2.82提升至3.69，热泵系统的制热量由147.85kW提升至151.52kW。该研究为矿井低品位余热高效回收提供了可行技术方案，对煤炭开采过程实现节能减排具有重要应用价值。

针对综采工作面采煤机运行中存在的电能浪费与采煤生产率低下的问题，文章提出一种基于截割阻抗预测的采煤机“能”与“效”协同优化方法，旨在实现采煤机的高效节能运行。首先，为应对综采工作面复杂多变的运行工况，采用优化后的径向基神经网络（SPSO-RBF）对采煤机截割阻抗进行精准预测；其次，通过分析采煤机运行过程中的阻力，构建基于截割阻抗的能耗模型；进一步，采用基于自适应旋转模拟二进制交叉的非支配排序遗传算法-Ⅱ（NSGA-Ⅱ+ARSBX），建立以能耗最小化、采煤生产率最大化与块煤面积最大化为目标的多目标优化模型，求解得出优化的采煤机牵引速度和滚筒转速；最后，依托锦界煤矿采煤机数据开展工程案例验证。结果表明，在割一刀的工艺流程下，优化后能耗降低20.04%，采煤生产率提升45.71%，块煤面积增加41.56%，验证了所提模型和算法的正确性与有效性。