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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“中国煤科首席科学家”专题(《煤炭科学技术》)

来源:煤炭科学技术

为总结中国煤炭科工集团“十三五”期间的科技成果,展示中国煤炭科工集团在构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系方面做出的成就,并为“十四五”煤炭科技发展提供参考。《煤炭科学技术》2021年第4期特邀中国工程院院士、中国煤炭科工集团科学技术委员会主任康红普院士担任客座主编,中国煤科一级首席科学家吴拥政研究员担任客座编辑,策划了“中国煤科首席科学家成果”专题,刊登论文20篇,集中报道了中国煤炭科工集团“十三五”以来在智能煤矿建设、煤矿绿色开采、煤矿灾害防控、煤炭洁净利用等领域取得的重要技术与装备研究成果。在此,对大力支持本专题的专家学者表示衷心的感谢。

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  • 作者(Author): 康红普

    摘要:我国煤矿巷道支护与加固方法主要有4种形式,包括棚式支架、支柱、砌碹支护、喷射混凝土及巷道用液压支架等围岩表面支护型;锚杆与锚索围岩锚固型;注浆加固围岩改性型及联合控制型。系统介绍各种支护材料与构件的力学特性,注浆加固及充填材料的物理力学性能,分析其支护加固效果及适用条件。指出我国煤矿已形成了包括金属材料、非金属材料及复合材料的煤矿巷道支护加固材料体系,实现了从木材到金属的支护材料革命,被动支护到主动支护的技术革命。不仅显著提高了巷道围岩控制效果,而且降低了巷道维护成本,为煤矿实现安全、高效建设与生产提供了可靠的保障。最后,分析了支护加固材料与构件存在的问题,对其未来的发展进行了展望。
  • 作者(Author): 齐庆新, 李海涛, 李晓鹏

    摘要:冲击危险性评价是将冲击地压抽象的能量本质具象化的关键环节,对于冲击地压有效防控有着直接的支撑作用。笔者梳理了冲击危险性评价的基本概念和功能定位,指出冲击危险性评价天然具有多尺度的属性,各尺度评价应相互兼容、逐级支撑,并对目前冲击危险性评价中指标间关联不足、危险区域划分偏主观、对于多要素和大数据的兼容性有限,以及评价工作趋于刻板等问题进行了剖析,为此,基于广义“三因素”理论,提出冲击危险性定性评价应兼顾“要素齐备”和“逻辑齐备”的原则,并基于“矿井自身数据,指导矿井自身生产”的原则给出了冲击危险性定量评价的基本方法,为解决冲击危险性评价现存问题做出了探索,明确了冲击危险性评价的后续攻关方向。
  • 作者(Author): 齐庆杰, 刘文岗, 李首滨, 杨敬虎, 孙祚, 王凯, 王海燕, 王安虎

    摘要:基于系统科学和安全工程理论,分析了煤炭行业安全生产事故隐患分布特征,明确了事故隐患赋存的重点岗位、危险工艺、关键环节以及事故隐患类别,提出了“十四五”及今后更长时期从根本上消除煤矿事故隐患科技支撑的发展目标与路径。在分析隐患治理技术发展现状、问题和趋势基础上,提出了煤炭行业“从根本上消除事故隐患”的总体思路,构建了煤矿安全生产事故隐患消除科技支撑体系,提出了科技支撑主要任务。基于源头治理、系统治理、综合治理和精准治理的安全理念,提出了煤炭行业“十四五”期间“从根本上消除事故隐患”的科技支撑对策。研究结果表明:煤矿安全生产事故隐患涉及安全生产全过程、“人、机、环、管”全要素,可能导致的事故种类多、损失大,地区分布差异大,并不断动态变化。为此需要从源头、从安全生产全过程、从“人、机、环、管”全要素、从隐患演化全流程消除事故隐患。需要构建“全过程监管、全要素包含、全流程覆盖、全方位建设”的安全生产事故隐患消除科技支撑体系,实现隐患源头风险智能预警、隐患科学治理、灾害事故精准防控。“十四五”期间煤炭行业要从科技攻关、重点工程、政策举措等方面从根本上消除事故隐患,提高煤矿隐患治理和重特大事故防控能力。
  • 作者(Author): 李首滨, 李森, 张守祥, 王峰

    摘要:“十三五”期间,我国煤矿开采开始进入了智能化模式,但处于智能开采的初级阶段。首先,对国内外智能开采技术进展进行了分析,重点介绍了澳大利亚的智能煤矿建设和北京天地玛珂电液控制系统有限公司的无人化综采工作面技术进展。其次,按照智能感知和智能控制2个环节总结了国内智能开采行业的顶层设计。对于智能感知关键技术,建立了智能感知技术体系,攻克了综采装备全方位感知技术和工作面自动找直技术,解决了惯性导航长时间坐标漂移的累积误差增大问题;以物联网推动了围岩透明感知技术,基于多信息融合的煤岩界面识别和超宽带雷达精细测量,具备了一定的超前探测能力和适应煤层地质条件变化能力,高精度三维动态地质模型的动态修正技术;将机器人技术引入到综采工作面感知体系中,通过巡检机器人实现综采工作面生产的快速无缝实时感知;通过对传统VR的建模技术升级,建立了工作面三维实景模型。对于智能控制关键技术,建立了智能控制技术体系,研究了远程监督型控制技术和自主控制技术,利用巡检机器人超前对煤岩界面自动检测和滚筒截割状态的实时识别,实现了智能调高控制、俯仰采控制和推进方向的平滑阶梯多级调整控制,开发了巡检机器人模式下的智能割煤工艺;通过对5G通信系统的协议改进,实现了工作面移动传输上行带宽超过300 Mbps和传输延时小于20 ms 的视频传输性能。保证了综采远程控制的实时性和可靠性。通过智能感知与智能控制的关键技术应用,进行了远程干预型智能控制综采生产、视觉测量煤岩分界、直线度自动测量调直、超宽带雷达探测、真实场景综采工作面三维建模和巡检机器人自主采煤等应用实践。最后提出了尚待解决的理论和关键技术问题:深度超前精确探测理论体系、综采全工艺流程无人化控制理论体系、全矿井无缝覆盖通信定位体系、复杂环境下的目标识别、上窜下滑控制和超前自动移架技术等。
  • 作者(Author): 梁运涛, 陈成锋, 田富超, 王敬燕

    摘要:瓦斯灾害是制约煤矿安全生产的主要灾害之一,而甲烷是瓦斯的主要成分,因此对甲烷浓度的准确检测对有效预防预警瓦斯灾害意义重大。基于甲烷物理化学性质的差异性特征概述了催化燃烧法、热导法、光干涉法、非分散红外光谱法和可调谐半导体激光光谱法的甲烷检测原理,探讨了不同原理的甲烷检测技术发展现状。在煤矿环境对甲烷检测技术的影响分析基础上,通过煤矿井下技术应用对比研究得出:催化燃烧法利用甲烷可燃性特征,适用于检测体积分数4%以下的甲烷,不适用于氧气浓度过低、甲烷浓度过高或存在含硫气体的井下环境;热导法利用含不同浓度甲烷的空气热导率的不同特征,适用于检测体积分数4%以上的甲烷,不适用于甲烷浓度低、二氧化碳浓度过高等井下环境;光干涉法利用含不同浓度甲烷的空气折射率的不同特征,适用于井下绝大部分环境,但不适用于二氧化碳浓度过高的井下环境;红外光谱法利用甲烷的气体选择性吸收的特征,适用于绝大部分井下环境,其中非分散红外光谱法受水蒸气、烷烃气体干扰,需进行算法优化以减小误差,而可调谐半导体激光光谱受其他气体干扰影响较小,但两者皆需采用补偿算法来减少受温湿度影响引起的误差。最后,对不同原理的甲烷检测方法进行了技术适用性综合对比分析,以期对煤矿甲烷检测技术的应用提供借鉴指导意义。
  • 作者(Author): 董书宁, 王海, 黄选明, 王皓, 曹海东, 王晓东, 张雁, 苗贺朝

    摘要:我国露天煤矿大多分布在西部生态脆弱区,主要采用疏干排水方式控制地下水,导致矿区周边地下水位下降、植被覆盖度减少,地下水资源和生态环境均不同程度受到影响。为解决露天煤矿开采造成的水资源与生态环境问题,自20 世纪90 年代提出了地下防渗帷幕截流矿区周边地下水的思路和方案,历经近30 年的科研攻关,形成了以防渗膜与防渗材料复合防渗技术、低强度抗渗混凝土地连墙截水技术和超高压角域射流注浆帷幕截水技术为核心的露天煤矿保障生态地下水位主动保水技术,在扎尼河露天煤矿示范应用并取得成功。研究结果表明:露天煤矿生态地下水位主动保水技术经济、高效、环保,自开展生态地下水位主动保护技术以来,露天煤矿疏排水量逐渐减少,减少率75%以上,露天煤矿周边地下水位稳步抬升,目前已恢复至煤矿开采前的原始水位,并且植被覆盖度逐年增加,由较少植被过渡到适中植被。基于保障生态地下水位的露天煤矿主动保水技术可进一步应用到井工煤矿、非煤矿山等场景,保障生态地下水位,实现减损、保水、绿色开采。
  • 作者(Author): 刘志强, 宋朝阳

    摘要:随着抽水蓄能电站装机容量增加,输水系统发电水头高度增加,长距离、大倾角和大直径压力管道斜井工程成为必然需求,然而,其施工难度大、风险高,成为制约抽水蓄能电站建设的关键技术问题之一。通过梳理目前抽水蓄能电站压力管道开挖方法,分析得出采用爬罐法开挖时,具有工作面通风条件差、人员职业伤害大、辅助作业时间长等缺点;而采用反井法钻进施工时,形成的压力管道直径较小,且反井钻进过程中无法对破碎地层进行有效的初期支护等缺点。鉴于此,以国家“ 十二五”“863 计划”项目研制的竖井掘进机为基础,通过设备改造、技术研究和工艺论证等一系列研究,并综合分析在现有专用定向钻机、反井钻机钻进技术和装备的基础上,提出了以定向钻机+反井钻机+井筒掘进机为基础装备的抽水蓄能电站压力管道斜井全断面机械钻进工艺,其简要工艺流程为:①采用定向导孔钻进技术钻进反井钻井超前导孔,钻孔偏斜率可控制在0.3% ~0.5%,并采用反井钻机扩大导孔;②采用反井钻机进行扩孔钻进,形成2.0~2.5 m 的导井;③采用竖井掘进机进行二次扩挖,并利用导井作为向下排渣通道。此项“三机分步”施工的技术与工艺,能够满足倾角为50° ~90°、长度小于800 m、最大直径达5.8 m 压力管道斜井的建设需求。机械破岩方式减少了对斜井围岩的扰动破坏,有利于保障围岩的稳定性,能够实现大倾角、长距离和大直径斜井高效机械破岩钻进成井,推动建井技术与装备的机械化、无人化、智能化的发展。
  • 作者(Author): 胡炳南, 郭文砚

    摘要:采煤沉陷区建筑利用是解决资源城市转型发展用地和沉陷区村庄搬迁选址土地资源短缺难题的重要途径。系统进行采煤沉陷区情况调研、城镇建设建筑利用需求分析和工程发展历程回顾总结。归纳采煤沉陷区建筑利用关键技术,首先凝练提出采空区精准勘察的多种物探勘察、钻探勘察、钻孔彩色电视和三维激光扫描等技术,并给出了5种物探方法适用条件;通过整体分析评价技术中采动空间和采动时间稳定性问题,并基于场地稳定性、地基稳定性评价判据提出了工程建设5种(不适宜作地基的区域、暂不适宜作地基的区域、要求井下采空区处理的区域、可作地基的区域和推荐作地基的区域)适宜性分类;总结列出采空区加固治理与地面建筑抗变形结构设计的井上下措施及其关键技术;最后,针对采煤沉陷区城镇建设中建筑利用技术难题和不足,提出加强采煤沉陷区城镇建设和建筑利用的空间整体规划统筹引领作用,提升采空区精准勘探和地基加固治理技术装备水平,拓展移动期后采空区残余移动变形时空规律研究,加强采空区与建筑结构变形协同作用机理和效果优化研究,加强建设场地和建(构)筑物监测监控技术装备研发等今后研究发展方向,为推动采煤沉陷区城镇化建设科学研究与工程实践发展提供借鉴和参考。

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