DreamBlooms/HansPub-15000-to-45000 huggingface dataset:
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user: 1. 引言 土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的一个重要组成部分，据估计全球每年因为土壤呼吸释放到大气中的CO 2 浓度大约为98 Pg C [ 1 ]，其比化石燃料燃烧释放到大气中的CO 2 浓度大了一个数量级 [ 2 ]，因此土壤呼吸的微小变化将会对未来气候变暖产生重要的影响 [ 3 ] [ 4 ]。在影响土壤呼吸的众多因素中，土地利用方式转化是影响土壤呼吸的一个重要因素 [ 2 ] [ 5 ] [ 6 ]，且全球25%的土壤呼吸与土地利用方式转化有关 [ 5 ]。但是，土地利用方式转化(例如旱作农田转化为果园、天然林、人工林、天然草地、人工草地、混交林以及灌木林)对土壤呼吸的影响目前存在较大的争议 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]。有研究得出旱作农田转化为其它土地利用方式后土壤呼吸呈现出增加的趋势 [ 9 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]，也有研究得出减少的趋势 [ 10 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]。 旱作农田转化为其它土地利用方式后土壤呼吸的差异可能与土壤有机碳(SOC)、土壤碳氮比(C:N)、土壤温度和土壤水分等因素有关 [ 8 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]。例如，旱作农田转化为其它土地利用方式后，由于不同植被的遮阴效果不同和不同植被对土壤水分的需求不同以及不同植被蒸散发的差异会导致土壤温度和水分不同 [ 10 ] [ 12 ] [ 16 ] [ 22 ]。此外，不同植被类型条件下输入到土壤中的凋落物 (地上和地下)数量和类型不同，会导致SOC和C:N不同 [ 4 ] [ 10 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ]。在自然条件下，上述这些因素不会单独影响土壤呼吸，而是彼此之间存在着复杂的交互作用 [ 23 ]。例如，随着土壤温度的增加土壤水分含量一般会呈现出减少的趋势，其可能会导致可溶性底物的扩散速率降低，结果使土壤呼吸速率降低 [ 24 ]。但是，在全国尺度上，旱作农田转化为其它土地利用方式后，这上述这些因素如何影响土壤呼吸及其潜在的机理，以及它们对土壤呼吸的相对贡献目前尚不清楚，这对准确全面理解中国陆地生态系统碳循环具有重要的现实意义。 “退耕还林还草”工程是中国政府为了抑制水土流失、提高生物多样性和恢复生态环境建设等为目标而在全国范围内实施的土地利用方式转化工程 [ 25 ] [ 26 ]。该工程实施后对中国的陆地生态系统碳循环产生了重要的影响，已有的Meta分析结果显示该工程显著的增加了中国的固碳能力 [ 25 ] [ 26 ]。虽然在点位尺度上，该工程实施后对土壤呼吸的影响进行了大量的研究 [ 13 ] [ 14 ] [ 27 ]，但在全国尺度上该工程实施后对土壤呼吸的影响机理目前尚不清楚。基于此，本研究综合已有的研究结果，通过Meta分析，试图阐述旱作农田转化为其它土地利用方式后SOC、C:N、土壤温度和土壤水分等因素如何影响土壤呼吸，以及这些因素对土壤呼吸的相对贡献，以期对准确全面理解中国的陆地生态系统碳循环提供重要的支撑材料。
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user: 2. 材料方法 2.1. 数据的收集 利用中国知网(CNKI)、万方、维普和Web of Science等中英文数据库，以“土地利用方式”、“植被恢复”、“退耕还林还草”、“土壤呼吸”、“land-use”、“land-use conversion”、“vegetation restoration”、“Grain-for-Green Program”和“soil respiration”等为关键词进行文献的检索，收集筛选了2020年5月份以前发表的有关“中国常规旱作农田土地利用方式转化与土壤呼吸”的相关研究论文进行Meta分析。 为达到本研究的目的和减少文献筛选带来的偏差，所筛选的文献必须满足以下几个条件：1) 研究试验需为田间原位试验；2) 田间原位试验中必须以中国常规旱作农田为对照组，以非农田(果园、天然林、人工林、天然草地、人工草地、混交林以及灌木林)为处理组；3) 研究论文所提供的土壤呼吸数据必须有试验的均值、重复数(至少可以从论文其它部分得知)、标准差或者标准误。基于以上筛选标准，最终获得符合要求的研究论文69篇，具体详见附表1，获取有效数据1674对。同时，数据的预处理结果显示，失安全数为1，988，467，远远大于5N + 10 (N = 1674)，即不存在文献的偏倚 [ 28 ] [ 29 ]，同时旱作农田转化为其它土地利用方式后土壤呼吸的效应值呈现出正态分布格局(图1)，因此论文的数据结果是可信的。 图1. 旱作农田转化为其它土地利用方式后影响土壤呼吸效应值的正态分布图 2.2. 数据处理 在获取数据的过程中，若已发表论文的数据以表格的形式呈现的话直接从表格中获取，若数据以图的形式呈现的话，则利用GetData Graph Digitizer 2.24软件(从官方网站免费下载：http://getdata-graph-digitizer.com)来获取相关数据。为了达到本研究的目的，本研究在获取土壤呼吸速率的同时还会获取经纬度、海拔、年均降雨量和平均气温、土地利用方式类型(常规旱作农田、果园、天然林、人工林、天然草地、人工草地、混交林以及灌木林)、土地利用方式转化年限(≤10年，10~20年，20~50年，≥50年)、土壤温度和水分、SOC、C:N等信息。 如若研究论文提供的数据为标准误(SE)，则标准差(SD)可通过式(1)进行转换： SD = SE N (1) 式中，N为试验重复次数。 Meta分析通过MetaWin 2.1软件(Sinauer Associates， Sunderland， USA)进行，需要输入的有效数据为处理组和对照组土壤呼吸的均值(Mean)、标准差(SD)和样本重复次数(N)、以及分类变量。在进行Meta分析时，同时需要引用效应值对试验数据进行量化。根据本试验所获取数据的特征，同时为提高效应值的准确性，本研究最终选取自然对数响应比(lnRR)来反映旱作农田转化为其它土地利用方式后对土壤呼吸的影响程度 [ 28 ] [ 29 ]。 ln RR = ln X t ln X c = ln X t − ln X c (2) 式中，RR为响应比，lnRR为效应值， X t 非农田处理下(果园、天然林、人工林、天然草地、人工草地、混交林以及灌木林)的土壤呼吸均值， X c 为常规旱作农田处理下的土壤呼吸均值。 在获取本研究有效试验数据的过程中，我们首先根据实际测定次数获取每一次测定试验数据(土壤呼吸、土壤温度、土壤水分、SOC和C:N)的均值、标准偏差和试验重复数，然后利用MetaWin 2.1软件(Sinauer Associates， Sunderland， USA)得到每一对数据的效应值，最后利用MetaWin 2.1软件的随机效应模型根据分类标准计算合并效应值/平均加权响应比(RR++)以及其95%的置信区间(CI)，具体相关计算公式见参考文献 [ 30 ] [ 31 ]。RR++为正值则为正效应，RR++为负值则为负效应。若置信区间包括0，则说明旱作农田转化为其它土地利用方式后对土壤呼吸没有显著影响(P > 0.05)；若置信区间全部大于0，则说明旱作农田转化为其它土地利用方式后显著增加土壤呼吸(P < 0.05)；若置信区间全部小于0，则说明旱作农田转化为其它土地利用方式后显著减少土壤呼吸(P < 0.05)。 同时，为了便于理解和描述，本研究通过下式计算土壤呼吸增加量的变化百分数 [ 32 ] [ 33 ]。 土 壤 呼 吸 增 加 量 = ( e R R + + − 1 ) × 100 % (3) 旱作农田转化为其它土地利用方式后，土壤呼吸的改变量与SOC、C:N、土壤温度和土壤水分之间的回归分析利用SigmaPlot 10.0软件(Systat Software， Inc.， San Jose， CA， USA)进行。利用AMOS 20.0 (AMOS IBM， USA)软件的结构方程模型(the structural equation model)量化旱作农田转化为其它土地利用方式后SOC、C:N、土壤温度和土壤水分对土壤呼吸改变量的相对贡献。
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user: 3. 结果分析 3.1. 土壤呼吸对土地利用方式转化类型和年限的响应 中国常规旱作农田转为其它土地利用方式对土壤呼吸的影响显著(图1，P < 0.05)，且土壤呼吸在旱作 图2. 旱作农田转化为其它土地利用方式后对土壤呼吸的影响。*代表统计达到显著水平(P < 0.05) 图3. 旱作农田转化为其它土地利用方式年限对土壤呼吸的影响。*代表统计达到显著水平(P < 0.05) 农田转化为灌木林、人工林、天然草地、天然林、人工草地以及混交林后分别增加了12.2%、29.5%、12.8%、38.0%、60.6%和89.5%，但是在旱作农田转化为果园后变化不显著(图2，P > 0.05)。除了中国常规旱作农田转为其它土地利用方式以外，土地利用方式转化年限对土壤呼吸的也具有显著的影响(图3，P < 0.05)。中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后，土壤呼吸的增加量呈现出随着土地利用方式转化年限的增加而增加的趋势，即50年(58.7%) >20~50年(23.2%) > 10~20年(19.6%) >10年(12.9%) (图3)。 3.2. 旱作农田转为其它土地利用方式对SOC、C:N、土壤温度和土壤水分的影响 中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后对SOC、C:N、土壤温度和水分影响显著(图4，P < 0.05)。土壤水分在旱作农田转化为果园、人工林、天然草地、天然林、人工草地以及混交林后分别增加了7.5%、24.0%、10.8%、6.7%、17.3% 和22.7%，但在旱作农田转化为灌木林后却降低了22.1% (图4(a)，P < 0.05)。土壤温度在旱作农田转化为果园、灌木林、人工林、天然草地、天然林和混交林后依次降低了2.8%、3.5%、16.3%、5.1%、16.2%和22.5%，但是在旱作农田转化为人工草地后变化不显著(图4(b)，P > 0.05)。SOC在旱作农田转化为人工林、天然草地、天然林、人工草地和混交林后分别增加了64.2%、27.1%、352%、49.7%和100.6%，但在旱作农田转化为果园和灌木林后却影响不显著(图4(c)，P > 0.05)。C:N在旱作农田转化为果园和混交林后分别降低了10.8%和42.1%，但是在旱作农田转化为灌木林、人工林、天然草地、天然林和人工草地后依次增加了33.7%、21.5%、8.9%、79.5%和10.4% (图4(d)，P < 0.05)。 图4. 旱作农田转化为其它土地利用方式后对土壤温度、土壤水分、SOC和C:N的影响。*代表统计达到显著水平(P < 0.05) 3.3. 旱作农田转为其它土地利用方式后土壤呼吸增加量的影响因素分析 中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后土壤呼吸的增加量与SOC、C:N、土壤温度和土壤水分的变化密切相关(图5)。中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后，土壤呼吸的增加量与土壤温度、土壤水分、SOC和C:N的变化量均呈现出抛物线关系模型，且这些因素的决定系数分别为57%、74%、74%和43% (图5(a)~(d))。此外，结构方程模型研究结果显示，中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后对土壤呼吸增加量的贡献呈现出C:N > 土壤温度 > 土壤水分 > SOC的趋势(图6)。因此，中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后C:N可能是影响土壤呼吸增加的一个重要因素。 图5. 旱作农田转化为其它土地利用方式后土壤呼吸增加量与SOC、C:N、土壤温度和土壤水分变化量的回归分析 图6. 旱作农田转化为其它土地利用方式后影响土壤呼吸增加的因素分析。*代表统计达到显著水平(P < 0.05)，**代表统计达到显著水平(P < 0.01)，***代表统计达到显著水平(P < 0.001)
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user: 5. 结论 1) 中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后，土壤呼吸呈现出显著增加的趋势。 2) 中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后，土壤呼吸的增加量与SOC、C:N、土壤温度和土壤水分密切相关。 3) 中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后，对土壤呼吸增加量的贡献呈现出C:N > 土壤温度 > 土壤水分 > SOC的趋势。 4) 中国常规旱作农田转为其它土地利用方式后，C:N是驱动土壤呼吸增加的重要因素。
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user: 摘要 北京中煤矿山工程有限公司针对峻德煤矿的特点，在主井井筒延伸工程中，使用大直径深井(竖井或斜井)系列反井钻机，采用反井钻井法钻凿煤系地层的施工工艺。该项技术的实施，为今后在煤矿井下施工反井提供了可借鉴的实践经验。
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user: 1. 引言 普通竖井钻井法早在1896年开始应用，而反井钻井法出现较晚，直到20世纪60年代，采矿工作者将潜孔式钻机和平巷掘进机的原理应用于反井掘进中，才有了反井钻机的雏形。1960年德国采用类似吊罐法的施工装备，用于施工反井。尽管这种无钻杆反井钻机操作控制困难，适应地质条件的能力差，使用起来问题较多，但它毕竟开辟了机械施工反井的新途径。1962年，美国罗宾斯公司研制出第一台有钻杆反井钻机，从而使反井钻井施工技术在矿业开发中得以应用。而后在不断改进的基础上，德国、芬兰、日本、前苏联等国的矿山纷纷推广应用，相继研制出多种类型反井钻机，并在南非创造出深度达数km，直径达6 m的最高纪录 [ 1 ]。 20世纪80年代以后，我国研究出反井钻井机，可以从地面向下打井，也可以在井下各水平层之间打暗井，而且后者居多，即可以打直井也可以打斜井。反井钻井法是从下水平巷道或硐室向上掘进一个小断面导井与上水平贯通，解决了通风、排水、排矸等问题后，再从下向上刷大到所需直径的施工竖井工艺和技术。利用反井钻机施工反井是机械化的反井钻凿方法，比吊罐反井法效率高、用人少、成本低又安全，所以反井钻井出现以后得到迅速的推广应用，钻井施工技术水平的提高对煤矿建设乃至矿山工程建设的发展有着重要意义，并取得了良好的经济和社会效益 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]。
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user: 2. 工程概况 峻德煤矿位于黑龙江省鹤岗市峻德区，是黑龙江省龙煤集团鹤岗分公司的骨干企业，也是龙煤集团三个安全高效矿井示范工程之一。该矿主井煤系地层下部有花岗岩，地质构造稳定，并且该矿井的主井工程已经率先施工完毕，但是还需开凿导井。由于导井施工受到井下巷道空间限制，难以像地面凿井那样布置大量的稳绞设备，所以无法采用由上向下的普通法凿井施工。主井施工的完成为反井法施工提供了良好的下部巷道条件，因此该矿主井延伸井筒的导井设计采用优化后的BMC400型反井钻机施工。 峻德煤矿主井延伸井筒的导井直径为1.6 m，深度达到了206 m。施工过程中，如果仍采用传统的反井钻机，其主机需要先进行拆解之后才能运至井下，在井下组装完成后方可开展施工工作，这无疑大大增加了施工难度，从而造成人力和物力的极大消耗 [ 7 ]。此次峻德煤矿主井井筒延伸工程使用的是经过改良的BMC400型反井钻机，改良后的钻杆长度相比原钻杆缩短了400 mm，均为1000 mm。与此同时钻机的最大工作高度也降低了800 mm，使得施工巷道不用再进行挑顶作业。
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user: 3. 施工设备 峻德煤矿采用北京中煤矿山工程有限公司研制的新型反井钻井设备BMC400型反井钻机(图1)，其主要技术参数见表1。 图1. BMC400型反井钻机主机 Table 1 Main technical parameters of BMC400 raise drilling ri 项目 技术参数 单位 指标 基本参数 导孔直径 mm 270 扩孔直径 m 1.4~2.0 钻井深度 m 400~300 钻井角度 ˚ 60~90 适用岩石强度 MPa 100~150 导孔钻进 出轴转速 rpm 0~22 推力 kN 1650 额定扭矩 kN.m 56 扩孔钻进 出轴转速 rpm 2~10 额定拉力 kN 2450 额定扭矩 kN∙m 80 最大扭矩 kN∙m 100 其他 主机机重 kg 12，000 钻机功率 kW 129.6 表1. BMC400型反井钻机主要技术参数 BMC400型反井钻机由主机、主泵站、油箱副泵站、操作台和钻具五个部分组成，每台钻机都配有辅助设备。钻机的钻具包括导孔钻头、稳定钻杆、普通钻杆和扩孔钻头。导孔钻头为直径270 mm的三牙轮钻头，稳定钻杆直径为267 mm，普通钻杆直径为228 mm，扩孔钻头直径1.6 m，图2为该扩孔钻头的整体结构图。 图2. 直径1.6 m扩孔钻头
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user: 4. 施工工艺 4.1. 钻机的安装和调试 由于扩孔钻头的直径相对较大，所以钻机主机要固定在基础钢梁上，从而施工前必须要加固基础钢梁，否则扩孔透孔时钻机将会掉落至井底。加固过程为在基础预留孔上用地脚螺栓将钢梁浇筑牢固，等到初凝后再利用钻机本身的主推缸把主机竖起来。主泵站、油箱副泵站、控制台、防爆开关等必须要安放在对应的位置上，确认无误后连接油管，接着通电、通水，这一系列操作完成后才可以点动试车，进行钻机的调试工作。钻机的调试首先要对油泵的转向进行调试，检测无误后方可开动油泵试车。钻机的调试内容包括：① 各泵输出压力的调节是否灵活可靠，是否存在异常响动，操作各油缸完成相应动作时，是否会出现爬行现象；② 转动马达，输出转速和压力是否稳定，有无异常等；③ 正式开钻前需确认所有液压管路没有漏油现象以及各控制线缆的连接是否可靠等。 4.2. 反井钻井工艺 首先选用三牙轮钻头由上至下钻凿出直径270 mm的导孔，之后再用高压洗井液(泥浆或清水)将钻凿后导孔中残留的岩屑冲洗出来。当导孔透孔并与下部巷道贯通后，将位于下部巷道的导孔钻头卸下，然后接上事先已运至井下的直径1.6 m的扩孔钻头，使用该扩孔钻头由下至上一次扩孔成井，操作过程中破碎的岩屑依靠自重落入下部巷道后，再由运输设备运出。以上反向扩孔操作结束后，可利用短轨道把扩孔钻头固定，然后拆除钻机，最后用手拉葫芦把钢梁和扩孔钻头分别吊离井口，到此即完成反井钻井的施工。如图3所示为BMC400型反井钻机钻井工艺。 1) 导孔钻进 反井钻机钻进导孔垂直度的控制主要靠钻进过程中的恒压调节 [ 8 ]。一般情况下，对于松软地层和过渡地层应采用低钻压，对于硬岩和稳定地层宜采用高钻压。操作人员应能根据不同的岩层调节相应的钻压和转速，保持钻压和转速的稳定，否则将影响导孔的质量。另外需时刻注意返碴的情况。如遇到地层结构变化大或不稳定地层(即大裂隙或溶洞等)，一旦出现不返碴的情况，应立即进行处理。当钻机钻进导孔时，如发现钻具旋转困难，有可能是遇到了裂隙或岩层塌落，此时应将钻具一边旋转一边提拉高度，之后再慢速向下扫孔。若经反复扫孔仍无改善时，一定要提钻后再查明原因，并进行后续处理。在导孔钻至余2~3米即将透孔时，操作人员应缓缓降低钻压，并通知下部巷道人员进行警戒，以防发生事故 [ 9 ]。 2) 扩孔钻进 在峻德煤矿井下，BMC400型反井钻机钻凿的主井延伸井筒导井工程，导井直径1.6 m，深度206 m。由于井壁裸露面积较大，如果围岩出现不稳定情况，将会有塌井的风险。因此在扩孔钻进前必须掌握围岩的岩性条件，判断施工地点是否适合钻凿直径1.6 m的竖井。扩孔钻进结束后把扩孔钻头用短轨道锁在井口，接着拆除钻机和钢梁，最后再通过井口把扩孔钻头吊离。 图3. BMC400型反井钻机钻井工艺
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user: 5. 应用效果 峻德煤矿主井延伸井筒采用改良后的BMC400型反井钻机施工导井，该项目已竣工，历时49天。反井钻井技术统计见表2。 Table 2 Technical statistics of main shaft extended anti-well drilling in JUNDE Coal Min 项目 指标 反井钻机型号 BMC400型 地质条件 煤系地层、兼有花岗岩 导孔深度(m) 206 扩孔深度(m) 206 钻孔倾角(˚) 90 导孔直径(mm) 270 扩孔直径(m) 1.6 导孔偏斜(mm) 200 导孔偏斜率(%) 0.097 导孔时间(d) 10 导孔纯钻进用时(d) 8.33 扩孔时间(d) 14 扩孔纯钻进用时(d) 10.8 导孔平均钻速(m/d) 20.6 实际导孔平均钻速(m/d) 24.7 扩孔平均钻速(m/d) 14.7 实际扩孔平均钻速(m/d) 19.07 表2. 峻德煤矿主井延伸反井钻井施工技术统计 工程应用表明，采用反井钻井法，选用改良后的BMC400型反井钻机施工主井延伸井筒的导井，具有以下优缺点： 1) 钻井速度快。直径1.6 m，深度206 m的主井延伸井筒导井工程净钻进时间为460 h，体现了该型反井钻机快速施工反井的优越性； 2) 成井质量好。该型反井钻机钻井偏斜小，深206 m导孔偏斜仅为200 mm，偏斜率小于1‰； 3) 施工安全。采用BMC400型反井钻机施工竖井，避免了传统方法对井筒围岩的扰动，井壁更加稳定。缩短了施工人员在下部巷道的作业时间，施工比较安全； 4) 井下运输困难。在井下通过上下坡路段和巷道狭窄处运输难度较大； 5) 组装和拆卸用时较长。
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user: 6. 结语 峻德煤矿采用改良后的BMC400型反井钻机成功完成了钻凿直径1.6 m，深度206 m的主井延伸井筒的导井工程。该案例说明，反井钻井法在钻井速度、成井质量、安全施工和环境保护等方面较以前采用传统施工方法有明显的改善。反井钻井法的采用不仅取得了良好的经济效益，还大大提升了施工的安全性。此外该案例也为其它矿山、水电、储气、交通等领域的地下工程建设提供了可借鉴的经验。
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user: 摘要 本论文针对五家沟煤矿15108掘进工作面过房采区空巷面临的顶板压力大、控制顶板比较困难的实际情况，探索采用了高水速凝材料充填法进行充填房采区空巷，并对高水速凝材料充填法的充填工艺、巷道管路布置、施工流程、注意事项进行了阐述，高水速凝材料充填法收到了良好的治理效果，保证了矿井的安全生产。
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user: 1. 引言 我国能源储量的特点是富煤、贫油、少气。我国能源探明剩余可采储量为1392亿吨标准煤，其中煤炭占58.8%、石油占3.4%、天然气占1.3%、水能占36.5% [ 1 ]。我国独特的能源储量结构，加上快速发展的经济对能源需求的急剧攀升，决定了煤炭在我国能源消费结构中占有主导地位 [ 2 ]。然而，由于长期沿用传统采煤方法，且开采强度逐年增大，产生一系列严重的问题：资源回收率低下、矿区地表大面积沉陷，地下水大量流失、事故频发等等 [ 3 ]。而自高水速凝材料出现后，凭借其单浆流动性好，易于用注浆泵运送、凝固时间短且易调节、固化体强度高且抗水侵蚀能力强、无有毒有害物质、利于环保、材料来源广成本低、工艺系统简单等优点，即被广泛地应用于矿井的生产实践当中，对缓解上述问题起到了积极的作用 [ 4 ]。另外在采煤工作面过空巷时利用高水速凝材料充填空巷，在回采前提前进行巷道加固，以保证后续开采过程中正常撤架以及回收设备，收到了良好的经济效益和社会效益 [ 5 ]。本论文详细阐述了五家沟煤矿过空巷时采用了高水速凝材料充填空巷的技术保证了矿井安全、高效地生产。
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user: 2. 矿井及工作面概况 2.1. 矿井概况 中煤华昱能源公司五家沟煤矿位于山西省山阴县西北部马营镇下石井、上石井村一带，距山阴县城直线距离25 km处，行政区划属马营镇管辖。矿井年产量400万t/a，矿井开拓方式为斜井开拓，共布置4个井筒。分别为主斜井、副斜井、进风排水斜井和回风立井。目前主采5 −1 号煤层，矿井现在四盘区位置布置1个综采放顶煤回采工作面，2个综掘工作面。2019年由重庆煤科院对矿井瓦斯等级进行了鉴定，矿井的绝对瓦斯涌出量5.56 m 3 /min，矿井的相对瓦斯涌出量为0.66 m 3 /t；回采工作面绝对瓦斯涌出量为1.97 m 3 /min，掘进面绝对瓦斯涌出量为0.66 m 3 /min，矿井为低瓦斯矿井。5 −1 号煤层自燃倾向性等级为II级，为自燃煤层。回风立井安装了两台主要通风机，一台运转，一台备用，FBCDZ-No23，功率2 × 132 KW，通风阻力1760 Pa，主扇风量为5454 m 3 /min。煤尘具有爆炸危险性，其爆炸指数介于26.04%~28.05%之间。 2.2. 工作面概况 15108掘进工作面位于下石井村，东部为工业广场；15108掘进工作面位于井田南部，东距主、副斜井约250m，西距15103主运顺槽约25m，南部为15109工作面，北距西盘区回风巷约50m；工作面上部无可采煤层和采空区；工作面内5 −1 号煤层下距5 −1 号煤层0.80~6.72 m，平均2.66 m。采用锚杆、锚索和金属网联合布置的方式支护顶板，采用EBZ160型综掘机进行综合机械化掘进，采用40T刮板运输机进行运输。
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user: 3. 问题的提出 2020年8月份根据矿地测科地质预测预报资料显示15108掘进工作面前方110 m处有过去已经回采过房采区空巷，而且由于五家沟煤矿煤层开采厚度大，巷道高度高，产生的应力集中区影响范围广。如何能够顺利地通过房采区空巷成为困扰工作面安全高效掘进的技术难题，最后探索出采用高水速凝材料充填法来充填房采区空巷，保证了掘进工作面顺利地掘进，收到了良好的治理效果。
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user: 4. 高水速凝材料充填法的具体应用 4.1. 高水速凝材料充填工艺 高水速凝材料是一种双料特种水泥混合材料，是近年来矿山充填应用较为成功的材料之一 [ 6 ]。该材料由A料、B料两种材料组成，以重量配合比1:1使用，其中A料是以硫铝酸盐水泥熟料为基材，以悬浮剂及少量超缓凝剂混磨而成，B料是由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝早强剂等混磨而成 [ 7 ]。根据不同的充填强度需求，可选择不同的水灰比。施工时将两种材料分别搅拌，配制成水固比1.0~6.0的浆体，然后经过管道输送到待充区中，当两种材料汇聚后迅速凝固，对巷道顶板以及巷帮围岩进行有效支护 [ 8 ]。 充填材料单浆可保持12 h不凝固，双液混合后可在30 min内初凝，由于高水材料可远距离输送，充填泵站可灵活布置。高水材料充填工艺流程如图1所示。高水材料分A、B料按1:1的比例配合使用，A、B料单独搅拌，经两条管路分别输送，在待充区域附近经混流器混合均匀后充入采空区，凝固形成充填体支撑顶板 [ 9 ]。 图1. 充填工艺流程示意图 4.2. 高水速凝材料巷道管路布置 根据充填巷道的倾角及顶板形态，可将巷道分为水平巷道、倾斜巷道和复杂巷道3类 [ 10 ]，如图2所示。 针对不同的巷道分类，高水材料充填方式可分为开放式充填、袋式充填、混合式充填和分段阻隔式充填，以上各种充填方法在工作面采空区充填实践中均有应用，属于较为成熟技术 [ 11 ]。 开放式充填是指在巷道在一定倾角条件下，对巷道不进行任何调控，完全利用高水材料浆液的自流性将采空区充满，凝固后的充填体与围岩形成一个完整的结构体来控制上覆岩层活动 [ 12 ]。开放式充填要求巷道具备一定的倾角，满足浆液自流要求 [ 13 ]。 袋式充填是在要充填的巷道内挂设充填袋，构筑密闭充填空间，充填完毕一个充填袋后，进行下一个充填袋的挂设与充填，直至将整条巷道充填完毕 [ 14 ]；混合式充填即利用充填袋将巷道划分为多个充填区段，在具备一定倾角的区段利用开放式充填，在其他条件下利用袋式充填，两种方式共同完成整条巷道的充填；分段阻隔式充填是在巷道内分段构筑挡浆墙，逐段进行后退式，直至整条巷道充填完毕 [ 15 ]。 针对15108主运顺槽房采区特点，巷道顶板较为平整，下山且长度较短，设计采用巷口一次性充填方式，通过布置2趟充填管和加压充填，实现空巷的一次性充填到达指定位置，如图3所示。 根据高水材料特性并参考工程实践经验，综合考虑井下施工条件、工作面超前支承应力的作用效果、浆液固结强度及材料消耗等因素，确定空巷充填材料的水灰比为6:1。 图2. 巷道形式分类 图3. 巷口直接充填 4.3. 高水速凝材料施工流程 高水速凝材料施工流程图如图4所示，按照以下流程进行施工： 图4. 高水速凝材料施工流程图 1) 安全检查：敲帮问顶，找掉不稳定的煤块或岩块，确认顶板及两帮完好后，开始施工； 2) 吊挂管路：在巷道顶帮45 m、35 m位置布置两根充填管，两帮在2.7 m位置做好标记； 3) 注浆充填：连接好管路并捆绑牢固，按设计比例配置浆液，A、B料与水分别搅拌混合，搅拌时间一般不低于5 min，通过双液注浆泵泵送充填，两个搅拌桶内的材料完全泵送后，重复该操作。 4.4. 高水速凝材料施工系统及材料 1) 辅助运输 包括设备、材料，充填设备可一次性运输至指定位置进行安装试运转，充填材料在井下受潮易变质硬化，且井下存放空间有限，必须每天按需运输。预计施工所需高水充填材料约为330 t，按照15天工期考虑，每天运输量约30 t，辅助运输量约6车/天~7车/天。 2) 地面储料仓库 为避免施工工期受材料供应影响，计划在地面储存至少2天的充填材料用量，约60 t。 3) 供电：注浆泵电机为37 kW，搅拌桶电机为5.5 kW，在两端巷口各设3个开关和接线电缆。 4) 供水：使用空巷附近的供水管路供水。 5) 压风：使用空巷附近的压风管路。 6) 通讯：通过顺槽内的有线电话与地面调度室联系，并通过对讲机联络搅拌站和注浆口操作人员，确保畅通。 充填主要设备为注浆泵、搅拌桶、馈电开关等。 主要材料为：高水充填材料、注浆管、胶管、电缆、各类阀门、三通、木板等。 4.5. 高水速凝材料施工注意事项 1) 加强对施工人员的培训、技术讲座，使每个职工明确其岗位技术要求、工作方法，牢固树立质量第一、信誉第一的思想。 2) 注浆过程中详细对材料配比、材料消耗、注浆量等数据进行记录，并做好外观描述，形成施工日志。 3) 所有作业人员严格服从并遵守施工现场的生产与安全规章制度。 4) 严格按规定组织服务施工。 5) 注浆人员必须确保注浆施工过程中各环节工程质量，随时观察注浆材料配比变化，确保A、B双组份以正确的比例注入。 6) 每班注浆结束使用机油清洗设备及管路系统，工程结束后设备运至地面拆卸清洗。施工过程中可复用的枪体、孔口管及拆卸接头等发生堵塞后升井清理。 7) 施工过程遵循《煤矿安全规程》的相关规定。 8) 注浆质量检查采用系统观点应用多项评价方法，不是单一的一种指标，从而增加了技术上的可靠性。注浆质量评价指标包括：是否按设计要求施工、设计更改的原因及执行情况、特殊问题的处理、单孔自检(单孔在注浆过程中其注浆流量、压力随时间的变化)、根据后期的观测、检查，及实际工程效果评定注浆加固工程质量。 9) 注浆泵的控制：根据巷道注浆变化情况，即时开、停注浆泵，并时刻注意观察注浆泵的注浆压力，以免发生堵塞崩管现象。
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user: 5. 效果分析 自从2020年8月10日开始采用高水速凝材料充填房采区以来，共充填高水速凝材料2479吨，从施工到凝固结束共用了17天的时间，最后15108掘进工作面的施工人员以每天12 m的掘进速度安全、顺利地通过了房采区，保证了工作面安全高效地掘进，收到了良好的使用效果，具有重要应用推广价值。
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user: 6. 结语 1) 高水速凝材料是一项非常实用、安全、高效的充填材料； 2) 高水速凝材料用途广泛、取材便利、成本低廉； 3) 充填高水速凝材料时必须做好材料运输、顶板管理、有害气体管理等工作，确保施工安全。
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user: 摘要 水资源短缺严重影响了我国城镇居民的日常生活，阻碍了工业和农业的发展。我国城镇居民的生活用水浪费严重，生活节水潜力很大。本文主要提出了生活节水方面存在的问题，以及针对问题提出了生活节水的对策，归纳起来可分为政策、行政、法律、经济、技术和教育等六个方面。技术手段是实现生活节水最有效、最直接的办法，经济手段在生活节水中也扮演重要的角色，政策、行政、法律和教育对策等也是保障和促进生活节水的必要措施。
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user: 1. 引言 随着社会经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，城市对水资源的需求越来越大。但由于水资源的有限，以及水土流失、水质污染等因素，使城市水的供需矛盾越来越突出，水资源短缺已对越来越多的城市的可持续发展构成威胁。因此，解决好水资源开发、利用、保护工作已成为当务之急。2005年国务院作出了《关于加快发展循环经济的若干意见》和《关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》，要求深入开展城市节约用水工作，全面建设节水型社会，对节水工作提出了更高要求。面对新的形势，如何改进和提高城市节水工作，使之在保障可持续发展和保护生态环境中发挥更大作用，已成为各级政府，尤其是节水管理部门应认真考虑的问题 [ 1 ]。 近年来，随着用水问题的日益突出，节约用水越来越引起人们的重视。改革开放以来，我国国民经济进入高速增长期，各行业对水资源的需求快速增长。城市用水年增长率高达6.2%，水资源的供应跟不上经济高速增长的需求，全国性的水资源短缺逐步明显。近20年来，城市用水主要靠挤占农业和生态用水，这不仅严重影响我国的粮食生产，而且还对生态环境产生严重的后果。另外，我国节水管理与科技水平还不高，与发达国家有很大差距。如工业用水重复利用率在60%左右，而发达国家在70%以上，万元产值耗水量225 m 3 ，发达国家却仅有100 m 3 ，单位GDP用水量是发达国家的15~100倍，生活用水方面，人均综合日用水量偏高，1998年达到556 L，而且低廉的水价助长了节水意识的淡薄 [ 2 ]。 为贯彻“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的新时期治水思路和“以水定城、以水定地、以水定人、以水定产”的城市发展要求，地方政府积极推进节水型社会建设，城市节水工作愈加受到关注。而合理的节水潜力分析是科学制定节水措施的基础，是系统开展城市节水工作的前提。随着我国实施西部大开发战略和加入世贸组织，我国经济将更为活跃，城市化进程也进入加速发展阶段，城市用水也将急剧增加。因此，城市节水问题作为一项重要的战略措施，必须进一步抓紧抓好。
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user: 2. 生活用水现状与存在的问题 2.1. 生活用水现状 目前，我国有300多个城市缺水，其中缺水严重的有40多个，城市生产和生活受到影响。由于缺水，大量耕地草场废置，土地沙漠化以平均 2460 km 2 /a的惊人速度扩展，总面积己达160.7万km 2 ；地下水严重开采，一些地区地面沉降，河湖干枯；对西北部地区来说，水已成为那里经济发展的希望所在。目前，我国城市水资源开发利用存在两大问题，一是现有的水资源量满足不了城市经济和社会发展的需要，二是城市水资源普遍受到不同程度的污染。北方城市地表水资源贫乏，大多以地下水作为供水水源，为了严格控制地面沉降，有的城市不得不长距离引水解决城市供水，如天津的引滦入津，青岛的引黄济青等。北方城市缺水大多是资源型缺水，它的重要标志是河流断流和大面积地下水位下降；而南方城市多以地表水为供水水源，水量虽充沛，但可利用的水量十分有限，加之水环境的恶化，加剧了水资源的短缺，南方城市缺水大多是水质型缺水，它的重要标志是水源严重污染，达不到饮用水水源标准 [ 3 ]。 最近20年，我国工业化和城市化进展迅速，城镇生活和工业用水快速增长，大中城市的水资源供需矛盾日益突出。截止2000年的统计数字，全国尚有7500万人，2000万头牲畜饮水困难 [ 4 ]；全国570个大中城市中，缺水城市达333座，其中严重缺水的城市有108座，城市每天缺水1600万m 3 ，因缺水年工业经济损失达2300多亿元 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]；全国农业受旱面积约2000万hm 2 [ 8 ]，70%的农田因缺水而长期处于中低产状态 [ 9 ]，造成粮食减产200亿kg/年。如果不及时采取措施，随着人口和工农业生产的增长，未来我国的水资源形势将更加严峻 [ 10 ]。 2.2. 生活用水存在的问题 1) 节水意识浅薄。长期以来，由于水是“取之不尽，用之不竭”的错误认识，导致对水资源的开采和大量浪费，同时由于水价较低，部分单位把居民用水当成福利，进一步加剧了水资源的浪费。 2) 管理体制不合理。长期以来，由于政出多门、多龙管水、各自为政，知识水资源的开发利用缺乏统一规划和有效管理，造成了水资源的浪费。目前，水利部门管水源地，城建部门管供水，供水部门，供水部门作为企业要从所卖的水中获得利润，卖的水越多，盈利越大，利益驱动使其根本不考虑节水问题。因此，分割管理体制使计划用水、节约用水难以落到实处、优化调度、配置和节约水资源成为纸上谈兵。 管理水平落后，缺乏用水标准管理的核心问题实际上是确保技术规范化实施，管理水平的高低直接影响着技术效益的发挥，管理又直接与技术规范、标准等有着密切的关系。 3) 节水设备、技术落后。我国传统工业由于技术落后、工艺设别陈旧、粗放生产、管理不善，致使单位产品的用水量较大，水的重复利用率低，造成水资源的浪费。 节水技术的开发与应用太少。无论是单位还是家庭的浪费水的行为中都存在节水技术落后的问题，主要是用水量过大和漏水的问题一直得不到技术上的解决。如国内传统的卫生洁具耗水量过大；而现存的水管和水龙头的质量普遍较差，漏水的情况十分严重，白白浪费了很多水资源。 4) 行业之间协调不力，缺乏整体思路。伴随着水资源的日益紧缺，节水工作愈来愈受到重视，国家对节水，尤其是节水农业投人了大量的资金，包括科学研究、技术研发以及试验示范、工程建设等，并取得了显著成绩。但目前实际运作并不理想。我们的节水从农业、工业、生活节水三方面综合考虑目前还没有统一思路。由于农业、工业、生活用水分属不同行业管理，行业之间难以协调，节水工作尚缺乏总体思路。
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user: 3. 生活节水的意义及潜力分析 3.1. 生活节水的意义 节水是一个全球性的问题，即使是水资源相对丰富的国家，如美国，也经常供水不足，如1990年前后，约22%的大型系统出现了供水短缺 [ 11 ]。供水不足带来的损失是巨大的。此外，全球范围内的气候异常及水体污染，特别是人为造成的水污染，更加剧了本已十分紧缺的水资源， 随着城市化进程的不断推进，人民生活水平的不断提高，相对于不断农村用水量的增加，城市用水量的增长速度更大些，其影响也更深远，因此城市节水的重要性非同小可。在这种情况下，节水具有非常重要的意义： 1) 可以减少当前和未来的用水量，维持水资源的可持续利用。目前国际上已普遍接受了水资源并非“取之不尽、用之不竭”的观点。美国Kansas的Wichita城采取节水措施后，估计到2050年节约用水量将达到 7 万 m 3 /d，占总用水量的13% [ 12 ]，这对缓解当地供水不足具有重要作用。 2) 节约当前给水系统的运行和维护费用，延迟水厂的建设，或降低水厂建设的投资。英国国家河流管理局(The National River Authority，NRA)对英格兰和威尔士实行需水量管理后，开发新水源的计划可以推迟20年 [ 13 ]。我国北京自1981年采取节水措施以来，城市节水累计已超过11亿m 3 ，相当于一座日供水30万m 3 /d的水厂十年的供水量，大大降低了水资源的消耗。 3) 延迟污水处理厂的建设或污水处理构筑物的扩建。节水可以使现有排水系统接纳更多用户的污水，从而减少对受纳水体的污染，节约建设资金和运行费用。美国1994年的研究表明，纽约如降低5%的用水量，则每年可节约污水处理费用85万USD [ 14 ]。美国Delaware河流域管理局预测，该流域采取节水措施后，到2020年可以减少用水量15.6~26.8万m 3 /d，从而推迟2.5 × 10 6 ~4 × 10 6 USD的工程建设投资 [ 15 ]。 4) 增强对干旱的预防能力。短期节水措施可以带来立竿见影的效果，而长期节水则可大大降低了水资源的消耗量而能够有效提高对干旱的防备能力。美国Delaware河流域自1980年以来实行的节水政策证明，长期节水对其后出现的8次干旱具有明显的缓解作用 [ 16 ]。 5) 具有社会意义。通过需水量控制和用水审计及其它措施，可以调整地区间的用水差异，避免用水不公及其它与用水相关的社会问题。 6) 具有明显的环境效益。除了对野生生物、湿地和环境美化等方面的效益外，还有维护河流生态平衡、避免地下水过度开采而带来地下水污染等方面的效益 [ 17 ]。 3.2. 生活节水潜力大 从表1各地统计数据可知，生活用水量占总用水量的比重不低。通常，在城市用水中，生活用新水量和工业用新水量相差不大。以北京市为例，北京市城区生活用新水量从1950年至今一直稳步增长，1985年超过工业用新水量。大量生活用水是由于浪费造成的。表1是我国部分城市与部分高收入国家生活用 Table 1 Comparison of per capita domestic water consumption in different countries and region 地区 年生活用水(m 3 /人) 日本 125 韩国 120 葡萄牙 111 法国 106 西班牙 94 以色列 65 德国 58 英国 41 荷兰 26 平均 88 北京(1997) 104 上海(1997) 162 天津(1997) 59 表1. 不同国家和地区人均生活用水比较 水数据的比较 [ 18 ]。在生活用水总量中，饮用等生理必须用水占的比例很小，做饭、洗衣、冲洗厕所、洗澡等用水占家庭用水的80%左右。据北京市的调查资料，在居民生活用水中，冲厕、淋浴及厨房用水量约占居民生活用水总量的70%；在城市公共用水中，空调冷却水、冲厕水、淋浴水三项用水量最大，约占公共用水总量的60% [ 19 ]。如果采取有效措施，生活节水潜力很大，洗涤、冷却用水可以大大减少，大量节约生活用水，有效缓解水资源危机。
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user: 4. 生活节水措施 1) 积极宣传，提高公众节水意识。 ① 经济上、技术上的推广，虽也起到了节水的作用，但从长远角度考虑，我们还必须充分利用电视、广播、报纸等媒体进行大量的宣传，提高全民节水意识，尤其要加强妇女、儿童的节水教育，培养他们节约用水的良好习惯。这主要是因为妇女一般在家承担洗衣、拖地等用水量较大家务，而儿童是祖国的未来，以后的节水任务还得由他们继续担当。 ② 减少水污染，并重复利用污、废水。尽量少用洗涤剂等对水体污染的化学制剂；“一水多用”，洗衣后废水用于拖地、冲厕等；利用先进的污水处理技术对不同类型的废水进行具有针对性的处理，对于水质要求不高的冲厕用水、浇灌绿化带用水可使用经过二级或三级净化处理后的回收水。 2) 强化政策节水力度，完善管理体制。 ① 建立节水型社会必须强化政策节水力度，进一步提高水权、水价与水商品意识，强化政策节水研究力度与实施力度，不同行业，不同区域实施不同的水价政策，针对节水制定相关的法律法规，战略节水、效益节水与强制性节水并重，建立节水型社会。 ② 重视节水管理人才的培养。城市节水管理是城市管理工作的一部分，是一项集行政管理、经济管理及技术管理于一体的专业性很强、综合性也很强的工作，需要多种专业知识人才。现在，水资源已成为战略资源，对相应的管理人员的素质、知识结构的要求，对管理方式、管理内容的要求应提升到一个新高度。对许多城市来讲，对水资源优化配置水平如何、对水环境保护与城市结合程度如何，不但影响着现在的城市建设质量、经济发展速度，还很大程度地影响着未来的发展能力。因此，对水资源管理、对城市节水工作的战略意义不能低估，对城市节水管理人才的培养和使用不能轻视。 ③ 适当提高水价，鼓励节水行动。近年来，随着经济的繁荣发展，人均收入较之前有大幅提升，可国家为保证低收入群体的基本生活，迟迟未提高水价；与此形成鲜明对比的是，供水、污水处理、工程建设维护费用有增无减，这不仅加大了征服的财政负担，也在一定程度上助长了高收入阶层的水资源浪费行为。针对上述现象，政府应尽快制定一个合适的水价收取标准，这对维持供水企业的正常运转及居民合理节约生活用水起着极其重要的作用。 3) 推广使用节水设备，维护供水管网系统。 ① 推广使用节水型卫生器具和配水器具，减少水量浪费。调查分析显示，冲洗厕所用水占家庭用水总量的37%~39%，洗澡用水占34%~37%，由此可见，采用节水型家用设备并进一步改进厕所的冲洗设备是城市节水的重要途径。具体措施有：采用双冲洗量坐便器取代传统的单冲洗坐便器，如此可约27%的冲洗用水；推广液压水箱冲洗配件和液压缓闭冲洗阀，根据需要调节每次冲洗用水量；引进带雾化器的陶瓷片水龙头和充气水龙头，在保证正常使用的前提上大大减少用水量等等。在节约用水的基础上还可以减少用水费用的开支。 ② 及时检查维修给水管道和水龙头，减少滴漏节水的前提是防止渗漏损失。最大的损漏途径是管道和开关。一般自来水管道漏损率在10%左右，因此降低供水管网系统的漏损水量是供水企业的主要任务；有研究表明，每年因阀门质量、坐便器渗漏、水龙头渗漏而损失的水量高达1亿立方米。因此，在其他节约用水措施实施前，一定要确保供水管道及开关等无渗漏，杜绝无效用水。 4) 成立国家节水工作领导小组，统筹考虑全国节水工作。 ① 将节水作为一项基本国策考虑到节水工作的复杂性、综合性与系统性以及在国民经济建设中的战略地位，为便于开展此项工作，有利于部门之间的协调，建议成立专门组织，统筹考虑全国节水工作，实施综合节水战略。节水工作不单单是一个水资源问题，也不简单的是一个农业、工业或者生活问题，它关系到经济社会的可持续发展，人类的生存与发展，社会的稳定，以及科技发展与文明进步等，绝不是一个部门所能够胜任的，而必经多部门协同作战，为便于协调部门工作，强化节水工作力度，需成立节水工作领导小组，以确保这项工作的长期稳定性，加快节水型社会建立的步伐。 ② 制定有关水保护的法律法规，限制各部门用水量。我国已发布《城市节约用水管理规定》、《关于大力开展城市节约用水的基础的通知》、《进一步做好城市节约用水工作的报告》、《城市供水条例》等涉及水管理的行政法规，且已取得不错的收效。我们应继续出台相关法律，对各部门用水量进行限制，如若超标用水可采用经济处罚手段；对于严重污染水体的企业可责令整改，更甚者可强行关闭 [ 20 ]。
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user: 5. 结语 节约用水，不只是城市进步的象征，社会发展的重要标志，还是经济社会可持续发展的必然要求。在水资源短缺现象日益严重的形势下，节水比发现新的水源更具有可行性。我们应采取各种措施来实现节约用水，引进新污水回收处理技术，研制新的节水器具，充分利用媒体的宣传作用，提高全民的节水意识，让每个人都参与到节水的行动里，为共创一个节水型城市，实现社会经济的可持续发展而共同努力。 总的来说，我国城市的节水问题是一个应该引起重视的节水环节。而城市节水应该从单位做起，同时再结合针对家庭的节水工作。要通过水价和《水法》来制约和规范单位和家庭的用水行为，加强和深化节水的宣传教育工作，并努力以高科技节水器具来减少浪费的损失，达到多层面有重点地进行城市节水工作，从而尽早地消除我国城市浪费水资源现象的目标。
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user: 摘要 随着用户对直流配电网需求的日益增加，交直流混合配电网可能成为未来配电网发展的重要方向之一。为提升交直流配电网面对极端攻击事件的抵御、适应、恢复能力，本文建立了考虑直流线路和换流器故障的防御–攻击–防御三层弹性规划模型。模型以加固元件和分布式能源预置为规划措施，在考虑系统受到最严重攻击情况下，实现了综合费用最小和失负荷最小的目标。本文以列与约束生成算法为求解方法，构建22节点系统进行算例分析，验证了本文方法的有效性。
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user: 1. 引言 弹性(resilience)指的是在外部扰动事件下整个系统准备、吸收、适应和恢复的能力 [ 1 ]。近年来，自然灾害 [ 2 ] [ 3 ] 或人为恶意破坏 [ 4 ] 导致的大规模停电事故给社会发展和人民生活带来了较为巨大的影响。另一方面，在电力系统中，配电网是直接为用户提供服务的重要环节 [ 5 ]。伴随着分布式电源(distributed generator， DG)等各类直流电源的大规模接入，交直流配电网具有良好的接纳DG能力，提升配网传输效率以及电能质量的特点 [ 6 ]，已经成为未来配电网发展的重要方向。因此，针对交直流配电网引入弹性概念来研究其在极端攻击事件下减小故障损失并尽快恢复正常供电的能力，对保障人们生产生活、抵御灾害事故、推动社会发展具有重要意义。 目前，国内外学者对于交直流混合配电网的经济性 [ 7 ]、电压等级 [ 8 ]、可靠性 [ 9 ] 等开展了初步研究。以上述研究为基础，在交直流配电网弹性分析方面，文献 [ 10 ] 讨论了配电系统中微网对弹性的提升作用，研究了信息通信技术对系统弹性的影响，提出混合交直流微网的分层控制策略。但其更偏重于极端事件下微网管理操作方式的探索。文献 [ 11 ] [ 12 ] 将微网作为紧急调控资源，研究面对极端事件的配电网重构方法。但这类研究主要针对于分析极端事件后配网快速恢复能力。文献 [ 13 ] 提出了安全约束下最优潮流操作方法，考虑交直流线路、发电机和换流器故障，分别建立预防性模型和修正性模型，探索直流网络对系统安全供电和弹性提升的意义。但其仅考虑N − 1情况，恢复过程未计及DG存在的影响，没有提出具体的弹性提升措施。 为研究系统最严重攻击情况下弹性相关措施，降低交直流配电网受极端事件影响的系统损失，需要更好地模拟电网攻击扰动和最优防御操作。文献 [ 14 ] 提出了攻击–防御模型，分别以攻击破坏最大化和通过决策使破坏最小化为上、下层问题，对电网进行安全性分析。文献 [ 15 ] 进一步提出防御–攻击–防御(DAD)模型，构建三层优化DAD模型，并通过基于组合的方法迭代内、外层问题求解。文献 [ 16 ] 考虑加固线路和DG安置条件，建立三层两阶段鲁棒优化模型，并提出了多阶段、多区域方法来获取不确定性极端天气的时空特点。但是以上研究均集中于传统交流系统领域。 事实上，相较于传统交流系统，交直流配电网系统组成不同，在可能的故障元件、潮流计算、故障机理等方面均存在差异。在采用模型进行弹性分析时有必要计及系统特殊元件，统筹考虑规划、适应过程。传统弹性分析故障元件集中于交流系统，一般为交流线路、母线或变电站等，本文依托交直流配电网组成结构，以交流线路、直流线路和换流器等重要组成元件为假设故障元件；传统交流输电系统潮流计算常采用直流最优潮流模型 [ 15 ] [ 17 ]，只考虑有功功率和相角，忽略了无功功率和电压。配电网很大部分是树状辐射结构，DistFlow公式是配电网计算复杂潮流和电压的常用方法 [ 18 ] [ 19 ]。为方便模型求解并适用于交直流配电网，本文采用DistFlow公式的线性化形式 [ 18 ] [ 19 ] 并进行直流形式推导；交直流配电网包括交流系统、直流系统两部分，一侧故障可能会对另一侧产生影响。文献 [ 20 ] [ 21 ] 从连锁故障角度分析得出，换流站附近的交流线路发生故障会导致换相失败，严重时闭锁，中断功率传输，直流线路故障则会引起潮流转移，可能导致并联运行的交流线路过载。文献 [ 22 ] 则以配置保护为目标，分析了交流系统纵向故障、横向故障、换流站内系统故障的相应故障特性，并对保护改进措施进行了研究。 综上，本文以交直流配电网弹性分析问题为研究对象，考虑了交直流配电网与传统交流系统弹性分析的差异性，基于原有攻击–防御模型，建立了针对交直流配电网的DAD (defense-attack-defense)三层弹性规划模型，在考虑元件加固和DG配置的前提下，得到交直流配电网在最严重线路和换流器故障情况下的最优弹性提升策略，并采用列与约束生成(column-and-constraint generation， C&CG)算法 [ 18 ] 对模型进行求解，对22节点交直流配电系统进行分析，算例结果验证了模型的有效性。
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user: 3. 交直流配电网弹性规划模型求解方法 列与约束生成算法(C&CG)是两阶段鲁棒优化问题常用分解算法，与传统Benders-dual求解算法相比，其求解同量级问题速度更快，计算时间和迭代次数明显减少，在求解大规模问题时优势明显。C&CG算法通过求解子问题，能精准确定重要场景，提高收敛效率，同时，该算法以混合整数问题为主问题，保证了标称模型的网络结构，以便计算时完整利用 [ 26 ]。因此，本文采用C&CG算法对DAD三层弹性规划模型进行求解。 3.1. CCG子问题 子问题将第二层和第三层问题合并为单层问题，目的为确定最严重攻击策略。该层在给定系统弹性规划决策的情况下，由袭击者攻击问题和系统运行问题的对偶问题组成。根据第1节模型公式归纳，总问题如下： min x ∈ H max u ∈ U min z ∈ F ( x ， u ) M (31) 其中，H表示系统加固决策和DG预置决策的可行集合；U表示网络规划之后的攻击策略集合，该攻击将造成系统失负荷最大化；最后，配电网对系统破坏做出响应，通过 F ( x ， u ) 最小化失负荷。M为(1)中目标函数。 则子问题如下： max u ∈ U ， ϕ ∈ Φ ( x ^ ， u ) ∑ t = 1 T Δ t ∑ i ∈ Ω B P i ， t L L (32) 其中， ϕ 表示原问题约束对应的对偶变量， Φ ( x ^ ， u ) 表示对偶问题约束和强队偶约束； x ^ 表示给定的配电网弹性规划决策。上述问题可通过大M法等相应方法进行线性化处理为MILP问题从而求解。 3.2. CCG主问题 在CCG子问题构建完成后，主问题可表示为： min x ， z ( v ) ， β C x + β (33) s.t. x ∈ H (34) β ≥ f ( z ( v ) ) ; ∀ v ≤ k (35) z ( v ) ∈ F ( x ， u ( v ) ) ; ∀ v ≤ k (36) 其中，v代表循环变量，k代表当前循环次数；x则表示弹性规划决策变量；z表示运行变量； β 是定义于约束(35)的辅助变量； f ( z ( v ) ) 表示目标函数(1)中与运行变量相关的部分。 CCG主问题包括了第一层和第三层问题，即弹性规划决策问题和系统运行问题。同时，运行变量均与迭代次数v有关。攻击变量在该问题中为常数，由子问题求解得出。 3.3. 算法求解流程 CCG算法求解流程如下所示： 初始化问题，并设置上下界限分别为正无穷大和负无穷大， L B ← − ∞ ， U B ← + ∞ ，迭代次数 v = 0 。 在给定弹性规划决策 x ^ 条件下求解CCG子问题，获取目标函数值。更新上界为 U B = min ( U B ， C x + f ( z ( v ) ) ) 。并获取第二层攻击变量，传递至主问题。 在给定攻击变量条件下求解CCG主问题。更新下界为 L B = C x ( v ) + β ( v ) 。若 ( U B − L B ) 满足终止条件，则停止循环；否则，获取变量 x ( v ) ， β ( v ) 传递至子问题。 绘制求解流程图如图3所示： 图3. 求解算法流程图