煤炭开采活动导致的煤层顶板覆岩地质条件变化及采动裂隙发育是损害地下关键含水层的直接原因，也是造成矿区生态环境退化的根源。煤层顶板覆岩结构中发育的厚砂岩作为一种典型的地质条件，其对覆岩采动裂隙的发育规律具有重要的影响。为此，在分析研究区主采煤层赋存地质条件及其分布规律的基础上，选择陕北煤炭开采区曹家滩煤矿主采2⁻²煤层顶板覆岩为地质原型，采用FLAC^3D数值模拟平台模拟分析了厚砂岩不同厚度和位置对覆岩采动裂隙发育形态和发育高度的影响，并以此提出了相应的“采煤保水”建议。结果表明：研究区2⁻²煤层顶板覆岩中厚砂岩平均厚度25 m，距2⁻²煤层平均间距76 m；厚砂岩距煤层30 m时，覆岩采动裂隙表现为“矩形—L形—马鞍形”的动态变化特征，距煤层70 m时表现为“L形—倒梯形—马鞍形”变化特征，距煤层大于95 m时全程表现为“马鞍形”特征；覆岩采动裂隙最大发育高度随厚砂岩层位的升高而先减小后增大；厚砂岩厚度H≥30 m、距煤层间距L>95 m，或H≥60 m、L>60 m时，可有效阻挡采动裂隙向上发育贯穿厚砂岩；在充分考虑厚砂岩对覆岩采动裂隙发育规律的影响，选择合适的空间位置和开采阶段进行合理的覆岩减损和保水防治，实现“边采边治、边采边护”的绿色开采模式。该研究成果可为黄河流域中游陕北煤矿区煤炭开采与生态环境保护协调发展提供理论指导。

露天煤矿排土场土层重构对于生态重建具有重要意义，为研究接种深色有隔内生真菌(dark septate endophytes, DSE)对不同重构土层模式下玉米根系水分的利用效应，采用土柱模拟培养试验，设置4种类型土层处理，每种土层类型下设置接菌及对照处理，共8组处理。结果表明：掺黄土20%处理下玉米根长密度最大，分别为掺黄土0%、10%和40%的3.2、2.4、2.8倍，水分胁迫后根系具有向下生长、吸取深层水分的能力；基于δ¹⁸O值的MixSIAR模型水源分析，掺黄土0%处理下玉米主要利用0~25 cm处的水分，水分利用效率达到80%；掺黄土10 %处理下玉米主要利用15~35 cm处的水分，水分利用效率达到64%；而掺黄土20%处理下玉米对0~25 cm处的水分利用效率仅为36%，对25~45 cm处水分利用率达到64%，说明掺黄土20%处理下玉米主要利用土壤深层水分。接种DSE提高了植物吸收更深层水的能力，掺黄土20%处理下水分利用深度向下增加了5 cm，掺黄土20%基质中接菌处理在干旱胁迫后植物根系提水量达到最大，生长期总提水量较不接菌处理提升了45%；在不接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量是掺黄土0%的1.45倍，而在接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量可达到掺黄土0%的1.72倍。综上认为，接种DSE及土层重构均对提升植物提水能力具有显著作用。此外，本研究结果对露天矿区排土场土层重构过程中土壤改良及植物的水分利用效率提供实验参考依据。

土壤是植物生长的重要基质，是矿山生态修复成败的关键。针对大多数矿山生态修复所面临缺少土壤的现状和土壤漫长的地质成土过程的现实，试图在阐述自然地质成土原理的基础上，探讨矿山生态修复中的地质成土(简称矿山地质成土)的概念与方法。自然地质成土是地质大循环和生物小循环历经漫长时期将“岩石”变成“土壤”的过程，其中风化、黏化、有机质积聚以及元素的交换和迁移是重要的自然地质成土过程。矿山地质成土是指仿自然地质成土过程，通过筛选矿区可利用的成土母质或土壤材料，采用物理、化学和生物措施促进土壤快速发育和熟化并在短期内形成期望土壤功能、达到自我可持续发育状态的过程，其实质为人工造土。方法包含矿山地质成土的需求分析、成土材料的筛选、土壤材料的组配和生物熟化4步骤，还阐述了矿山地质成土与矿山复垦土壤重构的关系。以内蒙古某露天煤矿生态修复为例，详细讨论基于原始地层材料的露天矿表土的矿山地质成土过程，筛选出原始第3层土壤作为新表土的最优土壤材料组配与生物熟化方法；以矿山固体废弃物为土壤材料，介绍利用自然地质成土原理所构造的煤基生物土的方法；同时对黄河泥沙基矿山地质成土在西部矿区生态修复中的应用给予了展望。

陕北浅埋煤层大规模、高强度开采诱发了严重的地面塌陷，造成大面积土地损毁、水土流失和植被死亡，导致表生环境出现退化。为掌握浅埋煤层开采地面塌陷裂缝发育规律，明晰其机理，提出适宜的治理恢复措施，实现“煤−水−生态”的协调发展，以陕北张家峁井田和柠条塔井田为研究区，采用实地调查、模拟实验和理论分析相结合的方法开展了浅埋煤层开采地面塌陷规律及防治方法研究。结果表明：浅埋煤层开采地表裂缝呈“O”型展布，静态发育特征与采高和地形地貌呈正相关关系、与采深呈负相关关系，且同一工作面切眼附近地表裂缝发育程度最高、巷道次之、面内最低；地表裂缝具有“先开后(半)合”和“只开不合”2种活动特征，整体活动时间为4~9 d，活动期间裂缝初始开裂宽度与最大发育宽度呈线性正相关关系，与稳定宽度呈线性和指数2种正相关关系；黄土沟壑区下坡段开采地表裂缝活动与表土块体的稳定性系数有关，而稳定系数与坡角呈负相关的一次幂函数，与主裂缝间距呈正相关的一次幂函数。上坡段开采坡体裂缝“先开后(半)合”活动受岩块倒转和坡体滑移双重控制，面内沟底裂缝“先开后合”的活动特征受关键岩层运移控制。研究提出了黄土沟壑区沟底贯通型裂缝“裂缝填充+沟道恢复”、坡体裂缝 “裂缝充填+微地形改造”的治理方法和风沙滩地塌陷区的“三圈”修复模式。研究成果在陕北安山煤矿和柠条塔煤矿进行了应用，效果良好。

宁东矿区作为黄河流域的9个亿吨煤基地之一，年产出煤基固废近2×10⁸ t且气化渣堆存量大、规模化利用困难、简单填埋处理空间有限，充填开采能解决空间堆存难题，但成本高、性能亟待优化。根据响应面法设计气化渣在固体中的掺量(A)、气化渣与水泥质量比(B)、料浆含量(C)3因素3水平共17组中心组合实验，对气化渣基膏体充填材料的坍落度、扩展度、7和14 d单轴抗压强度等性能进行了对比优化研究。实验前使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对原料的成分及微观形态进行观测分析，试块单轴压缩后通过SEM观测分析水化作用特点，揭示强度形成机制。综合强度和流动性得到最优配比及其性能特征为：A为48%，B为3，C为80%，脱硫石膏∶煤矸石∶炉底渣的质量按2∶1∶1配制，其7、14 d强度分别为1.15、2.41 MPa，坍落度为133 mm，扩展度为325.5 mm，坍落度与扩展度的比值为0.41。进一步基于响应面法分析得到7、14 d强度的单影响因素按显著性排序分别为：B>C=A、B>A>C；7、14 d强度的交互影响因素按显著性排序分别为：BC>AB>AC、AB> AC>BC；坍落度和扩展度的单影响因素按显著性排序分别为：C>B>A和C>A>B，进而为严控地表沉降、快充减少堵管、强度成本兼顾3种不同功能需求优选了对应配比方案及参数。研究成果为黄河流域的生态保护与煤炭低损伤开采提供了重要基础参数和优化方向。

针对我国关闭矿井资源利用率低、蓄电储能需求日益增长的问题，废弃矿井抽水蓄能技术是实现资源二次开发利用，提升电网调峰能力的有效手段。基于废弃矿井抽水蓄能电站工作原理与发展现状，提出在黄河流域九省区利用废弃矿井建设抽水蓄能电站的半地下式、全地下式2种模式。通过综合考虑空间、地质、水文、社会、经济与资源等影响因素，提出废弃矿井抽水蓄能电站选址评价指标体系，并进行黄河流域废弃矿井抽水蓄能电站实例分析。基于2016—2020年黄河流域九省区的废弃煤矿资料，利用废弃矿井抽水蓄能电站静态效益与动态效益计算方法，定量评估黄河流域九省区废弃煤矿抽水蓄能电站建设的开发潜力。结果表明：(1) 黄河流域九省区能源资源丰富，现阶段满足电力供应需求，但火电仍是电力供应主体且水电发展进入瓶颈阶段；(2) 影响废弃矿井抽水蓄能电站选址的重要因素为巷道空间体积、上下水库水位差、巷道围岩稳定性、巷道围岩渗透率与地下水循环特征；(3) 由黄河流域废弃矿井抽水蓄能电站实例分析可知，其发电效率可达到75.7%，可媲美常规抽水蓄能电站；(4) 2016—2020年黄河流域九省区废弃煤矿累计有效可利用井巷空间为4.7×10⁷ m³，依据132座废弃矿井基本情况，从统计学角度估算出废弃矿井抽水蓄能电站可利用井巷空间为1.34×10⁷ m³，利用其建设抽水蓄能电站年发电量可达3.78×10⁹ kW·h，可满足2021年黄河流域九省区28.4%的弃风、弃光电量的消纳需求，每年直接经济效益约达21.2亿元。综上表明，黄河流域九省区废弃矿井抽水蓄能利用具有可观的发展前景。

重建植被在能量交换与生态循环中发挥着重要作用，其动态变化可表征煤矿区生态系统受扰动和修复的广泛细节。从植被的不同扰动状态(未扰动状态、采煤扰动状态、复垦恢复状态和修复后状态)出发，分析了煤矿区重建植被演替的6种情景：高效恢复至成熟型、低效恢复至成熟型、高效恢复而后退化型、高效恢复发展型、低效恢复发展型与无效恢复型。通过模拟重建植被发展的阶段性特征，将煤矿区土地复垦全生命周期划分为：未复垦期、土地复垦发展期(复垦初期、快速发展期和稳定发展期)和成熟期。再对不同恢复阶段的重建植被分别设置判断标准，提出煤矿区土地复垦关键保护区域的识别思路，据此确立煤矿区土地复垦管控的4种修正模式：生态保育、生态管护、生态修复、生态重建。并以黄土高原山西平朔大型露天煤矿区为研究区开展应用分析，在学习掌握重建植被发展规律基础上，通过判断土地复垦模式与矿区生态系统演变机理的适应性水平，具体落实平朔露天煤矿复垦排土场集群区生态保育、生态管护、生态修复和生态重建等4大修正模式的具体管控措施。本研究归纳了露天煤矿区重建植被动态发展的演替规律，并据此提出加强土地复垦管控的修正模式，可为国家绿色矿山建设提供方法论基础。

充填技术是绿色开采的重要组成部分，研发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料，是发展充填技术的关键。采用煤矸石(CG)和煤系偏高岭土(MK)为原材料制备煤系固废基绿色充填材料，探讨配合比和碱激发剂对充填材料强度以及流动度的影响，并结合X射线衍射(XRD)、傅里叶变换红外吸收光谱仪(FTIR)、热重分析(TG)和扫描电镜能谱分析(SEM-EDS)等表征手段，揭示充填强度发展机理。综合强度、流动性和环境指标，优化充填材料配比。研究结果表明：绿色充填材料体系中，煤系偏高岭土通过碱激发水化反应起到胶凝作用，体系强度随偏高岭土的增加呈线性增长，磨细的煤矸石充当惰性填料，协同Na₂SiO₃改善流动性。该充填材料主要水化产物为N―A―S―H和沸石，Si―O―Si发生聚解，随即四面体Al―O键部分取代Si―O键，由(SiO₄)⁴⁻变成(AlO₄)⁴⁻，进一步聚合形成Si―O―Al基团。当碱激发剂中Na₂SiO₃与NaOH比例为1∶1时，聚合程度最高。水化产物填充了煤矸石颗粒间孔隙，使基质致密，提高充填材料强度。综合指标评价推荐偏高岭土与煤矸石的配比为3∶7，此时不仅满足强度和流动性的要求，而且碳排放指数仅有0.257。本研究为开发成本低廉、性能可靠、低碳环保的充填材料提供新的思路，具有较好的实用性和经济性。

植物根系可以显著提升土体的强度。为探究紫花苜蓿根系对黄土抗剪性能的增强作用，选取生长周期为60 d的紫花苜蓿根系−黄土复合体为研究对象，通过剪切试验和根系拉伸试验获取紫花苜蓿根系−黄土复合体抗剪强度和根系抗拉强度参数，采用电子放大镜观察紫花苜蓿根系结构与特征，利用经验公式建立根−土复合体库仑修正模型，并对比分析库仑修正模型、WWM模型及修正WWM模型的优缺点，对黄土地区植物根系增强土体强度进行评价。结果表明：紫花苜蓿根系对土体抗剪性能的增强效应显著；紫花苜蓿根系发达，根径在0.2~6.7 mm，随着根径的增大，单根极限抗拉力呈指数式增大，抗拉强度呈指数式降低；不同RAR(Root Area Ratio，即根系横截面积之和与土体横截面积的比值)下的根−土复合体抗剪强度相比素土样提升显著，RAR与黏聚力和内摩擦角之间具有显著的相关关系，其中RAR与黏聚力之间呈线性正相关关系，与内摩擦角之间呈高斯函数关系；根−土复合体库仑修正模型对黄土区草本植物根−土复合体的抗剪强度增量预测具有较好的合理性、有效性及适用性，修正WWM模型次之，WWM预测精度相对较差；而在木本植物根−土复合体的抗剪强度增量预测方面，根−土复合体库仑修正模型和修正WWM模型的预测精度要远高于WWM模型。研究结果对黄土地区植被护坡工程具有指导意义。

采煤塌陷引起的地裂缝不仅造成地质灾害，还会影响矿区植被的生长发育，破坏矿区生态系统。为深入探讨采煤塌陷裂缝对沙蒿吸水来源的定量影响，在神东矿区活鸡兔井田22312工作面选取了受采煤塌陷裂缝影响程度不同的3个试验区进行同位素标记水模拟降水试验。3个试验区根据沙蒿与裂缝的距离不同划分，其采煤塌陷情况分别为未开采区(试验样地内沙蒿距离裂缝大于50 m)、受采煤塌陷影响但无明显裂缝区(简称无明显裂缝区，试验样地内沙蒿距离裂缝大于5 m)以及裂缝区(试验样地内分布有宽度15 cm左右的裂缝通过，且距离沙蒿0~20 cm)。本次试验选择6株沙蒿作为研究对象，划分6个土壤剖面，采用液态水同位素分析仪LGR和Isoprime 100同位素比值质谱仪IRMS分别计算不同土层土壤水和植物样本木质部水的δ¹⁸O和δ²H同位素含量，并利用R脚本的MixSIAR贝叶斯混合模型量化降水后不同土层对沙蒿吸水的贡献，探讨土壤水分补给机制和植物水分来源。结果表明：(1) 裂缝区的优先流比例为18.2%；(2) 在未开采区，沙蒿吸收的59.7%的水分来自10~20 cm的土层；(3) 在无裂缝区，沙蒿主要从40~60 cm土层(46.6%)和0~10 cm土层(39.4%)吸水；(4) 在裂缝区，沙蒿吸收的85.9%的水分主要来自40~60 cm的土层。研究结果对揭示采煤塌陷裂缝区土壤水补给机制以及沙蒿吸水模式具有重要意义。

煤系石墨的鉴别及其类型划分，是矿产地质勘查和资源开发利用的前提条件和基础性工作，制定煤系石墨鉴定标准应遵循科学性、系统性、适用性和可操作性的原则。煤石墨化作用与煤化作用是连续递进加跃变的演化过程，煤系石墨的大分子结构阶跃性演化和物质组成非均质性等特点，造成矿种鉴别的复杂性。为制定科学实用的鉴定标准，从成矿机制研究和资源评价需求出发，按照矿石总体石墨化程度由高至低，划分了煤系石墨一号、二号、三号等3种类型；在前期工作的基础上，补充了110多组实测数据，修改完善了由初步鉴定指标和精确鉴定指标构成的煤系石墨鉴定指标体系。初步鉴定指标包括挥发分产率V_daf和最大反射率R_max，用于资源评价和地质勘查阶段初步区分煤与煤系石墨；精确鉴定指标包括晶面间距d₀₀₂及其等效的石墨化度G、拉曼光谱参数R₂，用以精确鉴别煤与煤系石墨，并划分煤系石墨类型。基于涵盖我国主要煤系石墨矿山500余组样品实测数据统计分析结果，确定了煤系石墨类型划分指标：煤系石墨一号，0.335 4 nm≤d₀₀₂<0.338 0 nm(G>0.70)、R₂<0.50；煤系石墨二号，0.338 0 nm≤d₀₀₂<0.340 0 nm(G>0.50~0.70)、R₂值范围0.50~0.60；煤系石墨三号，0.340 0 nm≤d₀₀₂<0.344 0 nm(G>0~0.50)，R₂值范围0.50~0.60。根据上述指标，建立了煤系石墨鉴定模板，主要煤系石墨矿山样品测试数据表明，该鉴定模版具有实用性和可操作性。

分析泥页岩形成的沉积环境对页岩气储层评价和甜点区优选具有重要意义。为深入探讨敦煌盆地五墩凹陷中间沟组下段富有机质泥页岩的形成环境和有机质聚集机制，以DY1井为研究对象，开展了总有机碳(TOC)含量、显微组成、碳同位素、主量元素、微量元素和稀土元素等测试。结果表明，五墩凹陷中间沟组下段岩性为灰黑色炭质泥页岩、粉砂质泥页岩夹薄煤层等，泥页岩具有较高的TOC含量，质量分数介于0.53%~25.25%，均值为8.18%，成熟度R_ran介于0.74%~1.21%。Mo含量、P/Ti值和有机质显微组成表明，中间沟组下段沉积水体具有较低的初级生产力，高丰度有机质主要来自于陆源高等植物，反映了研究区浅水三角洲–半深湖环境下泥页岩的古生产力不是有机质聚集的关键控制因素；V/(V+Ni)、Ce_anom、Th/U和U_EF-Mo_EF协变模式等揭示中间沟组下段泥页岩形成于缺氧环境；Sr/Cu、Rb/Sr和气候指数C等指标反映了温暖–半干旱的古气候条件；Sr/Ba、Ba/Ga、Ca/(Fe+Ca)和Al₂O₃/MgO等特征指示古水体为淡水–微咸水；Zr/Al、Rb/K和MnO 含量等指标反映了沉积水体为浅水–半深水。依据DY1井沉积环境参数与有机质聚集的关系，建立了中间沟组下段富有机质泥页岩的沉积模式，自下至上经历2个旋回4种沉积模式，沉积水体由浅水三角洲–半深湖沉积–浅水三角洲–半深湖沉积演变，富有机质泥页岩形成于低初级生产力、高等植物陆源输入为主以及缺氧的半深湖环境，缺氧条件是中间沟组下段泥页岩有机质聚集保存的关键控制因素。该研究为敦煌盆地侏罗系页岩气成藏机理、资源潜力评价和有利区优选提供了理论支持。

瓦斯涌出量准确预测可为矿井通风及瓦斯灾害防治措施提供重要依据。为提高采煤工作面瓦斯涌出量预测精度，根据陕西黄陵某矿采煤工作面绝对瓦斯涌出量监测数据，应用基于局部加权回归的周期趋势分解(Seasonal-Trend decomposition procedure based on Loess, STL)，将监测数据分解成趋势项、周期项和不规则波动项；利用集成经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition, EEMD)，将不规则波动项分解得到不同特征尺度的IMFs(Intrinsic Mode Functions, IMFs)分量以及残差余量；通过遗传算法(Genetic Algorithms, GA)参数寻优后的支持向量回归机(Support Vector Regression, SVR)，对各项分解数据进行预测；叠加各分量模型预测结果，得到最终瓦斯涌出量预测结果。结果表明：在预测集为247、147和70组3种情景下，对比分析了STL-EEMD-GA-SVR模型(简称SEGS)、EEMD-GA-SVR模型、GA-SVR模型和高斯过程回归(Gaussian Process Regression, GPR)模型的评价指标精度，其中，SEGS模型最优，拟合度R²分别为0.81、0.92、0.99，峰值点平均相对误差最低，分别为3.15%、2.33%、1.04%。所构建的SEGS模型可以准确预测采煤工作面的瓦斯涌出量。

为了实现天然源单分量大地电磁技术对水文地质条件的精细探测，系统分析了大地电磁信号采集和处理中存在的问题，研究了地下富水区在大地电磁波上的响应特征；根据大地电磁测深理论和层次分析法，建立了富水性指数模型；在大量实验数据的基础上，拟合波形和岩性的对应关系，从波形上分维提取岩层的介电常数、弹脆性、密度、空隙率等物性信息，按有利于岩层富水的原则赋值和归一化处理，纳入富水性指数模型进行多维度耦合计算，可得到相应深度的富水性指数值。富水性指数包含了丰富的岩层物性信息，增强了富水区在大地电磁波上的响应幅度，减小了天然场源强度变化对信号采集和识别的影响。根据富水性指数模型，利用现代计算机及通信技术，设计了双层阵列扫频式平行板电容传感器和大地电磁探水仪，并开发出了相应的数据处理程序，探测深度分辨率可达0.1 m，能够从庞杂的电磁信号中自动辨识来自深部的微弱信号，实现从时变性场源中采集信号并计算出相对稳定的富水性指数。经现场试验，仪器可清楚划分含水层和隔水层，识别富水区和微小导水通道。该技术在矿井水害防治、废弃采空区修复治理、注浆堵水、深部水文地质条件探测等工程中具有广阔的应用前景。

蒙陕深埋矿区属于新开发矿区，煤炭开采扰动下水文地质特征仍不清楚，基建和生产过程中发生了多种类型的水害问题，其中工作面回采过程中和回采结束后的涌水变化特征研究处于空白，给井下排水系统设置和防治水工作开展增加了难度。为查清工作面回采前后的全生命周期涌水量演化规律，开展顶板含水层分布、导水裂隙带发育、涌水量变化等方面的实测研究。结果表明：煤层顶板地层均属于河流/河湖相沉积，空间上呈含隔水层互层状展布，隔水层的主要岩性为泥岩、砂质泥岩；受控于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡的单斜构造，含煤地层高程在蒙陕接壤区最低，其顶板侏罗纪煤系含水层属于区域性地下水滞流区。煤层顶板地层在中生代沉积旋回作用下，发育了3层直接充水含水层，其中直罗组七里镇砂岩(Ⅰ号含水层)距离3-1煤层顶板77.4~109.4 m，呈富水强、水压高的特点；导水裂隙带实测高度为103.4 m，裂采比18.8，工作面回采过程中导水裂隙带将发育至Ⅰ号含水层。工作面回采前期，随着导水裂隙带向上发育沟通不同含水层，采空区涌水量呈阶段性增加，工作面回采至300 m左右，采空区涌水出现第一个峰值；工作面回采中后期，导水裂隙带持续周期性发育，导致顶板含水层破坏范围不断扩大，采空区涌水量仍呈台阶式增加；工作面回采结束前后，采空区范围内顶板导水裂隙带发育最强烈、范围最大，出现采空区涌水量最高值；工作面回采结束后，在其顶板隔水层中泥质组分的自弥合作用下，隔水层逐渐再造，导水裂隙宽度变窄、数量变少，采空区涌水量“缓坡式”衰减(每小时几十立方米以内)。对工作面涌水量实现全生命周期演化规律掌握，可以为蒙陕深埋矿区井下工作面防治水工作提供科学依据。

拱北隧道暗挖段作为港珠澳大桥珠海连接线的重点工程，首次运用管幕冻结法进行施工。该法综合管幕法和人工地层冻结法的优势，可在隧道断面形成“顶管−冻土帷幕”复合支护体系，有效实现“承载”与“顶管间止水”的双重目标，确保隧道开挖时的稳定与安全。为获得“顶管−冻土”复合结构的温度、变形与力学特性，基于相似理论自主研发构建一套相似模型试验系统并开展试验研究，同时利用有限元软件COMSOL Multiphysics建立数值计算模型进行模拟验证。结果表明：复合结构的冻结温度场因空、实顶管及其内部冻结器的布置形式呈现不均匀分布特征，冻土形成速率在冻结后期明显变缓；土体竖向冻胀变形在60~160 min内急剧增大，且冻胀量随深度增加而增大，整体规律与温度场分布密切相关；土体冻结产生的冻胀力对顶管水平受力影响较大，空顶管相对刚度较小而产生较大水平变形；在加载阶段，顶管受力与变形均以竖向为主。因空、实顶管刚度差异和冻土厚度不均匀的共同影响，空顶管竖向变形包含了“弯曲”与“压扁”并具有非线性特征，其跨中截面底部竖向位移峰值约为实顶管的1.6倍；加载至0.28 MPa时，管间冻土首先发生破坏，进而导致顶管间封水功能失效，实际施工中应重点监测空顶管的变形规律、管间冻土帷幕的温度变化及其完整性。研究成果可为管幕冻结法的施工与监测提供参考，也可为热力耦合数值计算模型提供验证依据。

针对煤矿井下穿层钻孔硬岩钻进效率低的难题，基于冲击回转钻进机理和Wassara高压液动冲击器主要特点，分析柱齿在冲击荷载下形成的破碎坑形态，并将其划分为崩解区、密实区、开裂区和弹性区。在此基础之上，对柱齿连续破岩的大间隔冲击和小间隔冲击2种情况进行过程分析，结合淮南潘三矿现场试验条件讨论高压液动冲击回转钻进工艺参数，优选高压液动冲击回转钻进配套钻机、冲击器、钻杆、钻头和清水泵，及主要技术参数。试验结果表明：当清水压力在15 MPa以上时，高压液动冲击回转钻进的平均机械钻速为24.67 m/h，与采用该技术之前的8.48 m/h机械钻速相比提高了约1.9倍；并采用回归分析拟合得到机械钻速与水压之间的线性关系，经过数理统计的F检验，F=8.82大于F_0.05(1,7)，验证了回归结果是显著的，机械钻速随水压的增大而线性增大。高压液动冲击回转钻进技术可有效提高煤矿井下硬岩层钻进效率，保障煤矿安全高效生产。

地下连续墙、水平定向钻、盾构和顶管等领域的基础工程浆液具有用量大、污染物较为单一的特点。随着国家各项环保法规的实施，基础工程浆液的综合处理尤为重要。提出一种基础工程浆液资源化综合利用技术，即循环浆液采用“除砂+净化浆液与钻渣综合利用”技术，废弃浆液采用“除钙+降低pH+絮凝分离+压滤处理+废液与泥饼的综合利用”技术。以武汉市某地下连续墙工程现场浆液为研究对象，研究循环浆液和废弃浆液的资源化综合利用效果。结果表明：(1) 循环浆液经过除砂后得到净化浆液和钻渣，前者可重新用于工程施工中，后者可用于培育披碱草、黑麦草等草籽，发芽率为100%。(2) 加入5%的碳酸氢钠可将废弃浆液Ca²⁺质量浓度从703.5 mg/L降低至173.6 mg/L，加入质量分数为3.3%的氯化铵可将pH值从13降低至9，加入300 mg/L的絮凝剂A-2可得到明显的絮凝物。絮凝物经过压滤后得到废液和泥饼，在废液中加入质量分数为2%的碳酸氢钠后可用于重新配制工程浆液，泥饼与30%~60%的营养土混合后可进行草籽培育，发芽率为72%。(3) 过量的盐离子和高pH会对植物生长产生毒害作用，应先对废弃浆液进行除钙和降低pH等处理，之后压滤得到的泥饼才能满足植物生长要求。该技术可实现基础工程浆液中所有钻渣(或泥饼)和净化后的浆液(或废液)的资源化综合利用，对类似工程浆液的资源化利用有较好的启示意义，具有显著的经济、环境和社会效益。

煤矿救援机器人在执行救援任务时，在获得任务指令后首先需要获得环境模型，再利用内置算法在该环境模型中规划出一条从当前位置到目标位置的无碰撞路径。为减少救援机器人的移动时间，通常要求该路径为时间最优，而目前使用较多的传统A*算法在栅格地图环境下规划的路径存在路径冗余点多、路径转折角度大等问题，导致该路径对于可沿任意方向灵活移动的救援机器人来说是“非最优”的。为解决这一问题，在传统A*算法的基础上提出一种改进A*算法。首先，该算法在传统A*算法的基础上增加当前扩展节点的邻接点数量，以快速搜索获得初始路径；其次，通过设置距离阈值并重连路径点，去除初始路径的冗余点；根据步长分割路径获得间距更小的路径点集合，并再次去除冗余点；最后，为进一步对所得路径的转角进行平滑处理，采用5次B样条曲线进行拟合，最终得到路径点更少、路径代价更小、累计转折角度更小的优化路径。在5种不同尺寸、障碍物覆盖率为20%的栅格地图环境中利用MATLAB对上述改进A*算法进行仿真实验，并将改进A*算法的仿真结果与传统A*算法的仿真结果进行对比。结果表明：相对于传统A*算法，改进A*算法通过扩展邻接点、去除路径冗余点及路径平滑等操作，有效改善了传统A*算法的路径冗余点多和路径转折角度大等问题；此外，改进A*算法还能在一定程度上减少生成初始路径时的扩展节点数量，降低系统内存占用。

针对煤矿坑道钻机液压动力系统复杂化带来系统中各元件间逻辑关系模糊、失效形式多态性及故障概率获取困难等问题，克服传统故障树在复杂机电液装备故障诊断分析中的局限性，实现及时准确获取设备故障信息，发现故障原因并采取措施，提出一种基于T-S模糊故障树煤矿坑道钻机液压动力系统的故障诊断方法。以ZDY25000LK型钻机液压动力系统为研究对象，对系统的层次结构进行分析，以T-S模糊故障树描述系统的性能变量，进行分析建树。根据质心距离相似度的度量法对专家评估的底事件模糊概率进行修正，求解顶事件在不同故障程度时发生概率的梯形模糊数。通过T-S概率重要度分析，确定各底事件的重要度排序，指出在不同故障程度时液压动力系统的薄弱环节。结果表明：部件级到系统级事件发生严重故障的概率呈递增趋势，系统中多个部件发生轻微故障时，系统发生严重故障的可能性较大。各事件的故障程度对上级事件发生的贡献度不同，根据重要度排序锁定故障位置并判断故障原因。当液压动力系统出现严重故障时，根据重要度分析结果，应优先排查安全阀工作情况、油泵内部磨损情况及内部串油情况。该方法实现在不同故障程度时系统中薄弱环节的快速定位，在鄂尔多斯淮河能源唐家会煤矿的工程试验中得到验证，为提高煤矿坑道钻机的可靠性提供了参考依据。