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
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  • 作者(Author):王双明孙强乔军伟王生全
    关键词(KeyWords):煤炭绿色开采地质保障精细勘查有效减损恢复利用

    摘要:受“缺油、少气、相对富煤”能源资源禀赋特点制约,煤炭一直是我国能源安全的基础保障。煤炭资源是地球演化过程形成的层状沉积矿产,是近地表地壳的组成部分,煤炭开采会对地质条件和生态环境造成损害。煤炭绿色开采地质保障从煤炭资源赋存地质条件出发,为实现煤炭资源安全高效开采、减缓和减小采掘工程对地质条件和生态环境损害,提供地质理论和技术支撑。从绿色开采地质保障的内涵、科学问题、技术问题、研究思路4个方面系统阐释了煤炭绿色开采地质保障理论与技术。煤炭绿色开采地质保障突出深部煤炭资源开采扰动下的地质条件变化,强调煤炭开采活动与地质结构和地表生态环境变化的整体研究,关注地下采掘工程引起时空效应范畴的地质条件变化和生态环境演化之间的耦合机制。总体研究思路是开采前精细勘查、开采过程有效减损、开采后恢复利用。采前实施空天地一体化精细勘查,查明煤系矿产资源空间赋存特征及维系地表生态系统的主要地质因素,构建涵盖煤系资源、地质条件、生态环境等要素的高精度三维模型,评价煤炭资源最佳利用方向和区域环境承载能力;采中进行地质条件损害探测、监测,揭示应力场、形变场、渗流场变化规律,研究煤系气、地下水运移和涌出特点,分析导致围岩动力灾害发生的地质因素,提出煤与瓦斯突出、水害、冲击地压等灾害超前预警理论及防控措施;采后进行采空区水体、有害气体、遗留资源的探测,巷道围岩、煤柱变形特征监测,研究煤-岩-水相互作用及采空区稳定性变化,开展地质条件及地表生态恢复演化过程研究,提出地下空间及遗留资源的综合利用理论与技术。煤炭绿色开采地质保障涵盖找煤、勘探、开采及采空区利用全过程,追求煤系矿产资源和生态环境保护协调发展。
  • 作者(Author):范立民孙魁李成高帅陈建平仵拨云彭捷郑苗苗姬怡微蒋蒙
    关键词(KeyWords):地下水监测保水采煤(保水开采)生态水位大型煤炭基地干旱半干旱矿区

    摘要:我国14个大型煤炭基地中,西北地区分布有神东、陕北、黄陇、宁东、新疆等5个,2018年原煤产量占全国的46.28%。这些煤炭基地地处干旱半干旱地区,水资源贫乏,煤炭开发对含水层的扰动强度较大,甚至造成含水层结构损伤,地下水渗漏,水位下降并引发一系列环境问题。通过科学规划和采煤技术方法革新,调整煤炭开发布局和采煤技术方法,最大限度的减轻煤矿区含水层损伤,已经取得成效,但煤炭开发对地下水扰动动态影响的监控,必须通过建立矿区地下水监测网才能实现。论述了西北煤炭基地地下水监测网建设的背景和思路,介绍了陕西境内陕北、神东、黄陇三大型煤炭基地地下水网监测层位选择、建设部署及数据采集、传输与接收、管理。陕北、神东(陕西境内)和黄陇3个大型煤炭基地主要含水系统包括石炭系—侏罗系碎屑与上覆第四系松散层孔隙含水层系统、白垩系碎屑岩裂隙孔隙承压水-潜水含水系统和寒武—奥陶系碳酸盐岩岩溶水含水系统。地下水监测层位的选择以具有供水价值和生态意义,且受采动影响强烈的含水层为原则,陕北、神东煤炭(陕西境内)基地主要监测第四系萨拉乌苏组、第四系黄土、烧变岩和侏罗系风化基岩地下水,黄陇煤炭基地黄陇—永陇矿区主要监测白垩系地下水,渭北矿区主要监测奥陶系岩溶地下水。通过新建或改造原有水文长观孔,已经建成了由218口监测井构成的陕西境内大型煤炭基地监测网,监测数据采用自动化采集、无线传输与接收和统一管理,基本实现了监测数据的实时动态观测和规范化管理。
  • 作者(Author):袁亮
    关键词(KeyWords):煤矿粉尘职业安全健康煤工尘肺预警防控

    摘要:人民健康已成为国家优先发展战略,以煤工尘肺为主的职业安全健康问题严重制约“健康中国”发展。从煤矿粉尘现状、基础研究、关键技术装备、政策标准等方面系统总结分析煤矿粉尘防控与职业安全健康面临挑战,在此基础上,提出煤矿粉尘防控与职业安全健康科学构想。该构想基于理工医多学科交叉融合,以大数据、云技术、人工智能和物联网等高新信息技术为支撑,创新“四位一体”科学研究方法,以煤矿无害作业、职业病精准治疗和职业安全健康智能预警等为核心,最终实现煤矿从业人员职业生命全周期职业安全健康。本文凝练了煤矿粉尘防控与职业安全健康6个主要关键科学问题,围绕煤矿粉尘产尘机理与高浓度粉尘分源高效防控理论、煤工尘肺多维度多层次生命信息流的发病机理、煤矿无尘化开采及粉尘精准防控技术与装备、煤工尘肺智能判识与精准诊疗技术装备、煤矿粉尘与职业安全健康智能预警等方面提出了5个主要研究方向。我国应加强理工医交叉融合协同创新与科研平台建设,深入开展基础研究工作,研发适合我国煤矿生产实际的成套技术与装备,重视示范工程建设和成果转化,加大政策支持力度和标准体系完善,构建煤矿粉尘防控及职业安全健康长效机制,实现煤矿无尘化作业和职业病少(零)发病,以煤矿职业安全健康助力健康中国发展。
  • 作者(Author):王佟孙杰江涛林中月张博赵欣谢志清
    关键词(KeyWords):煤炭煤系矿产生态地质勘查基本架构勘查技术

    摘要:基于煤盆地矿产资源与生态环境地质特征,以实现煤盆地多资源协同勘查开发与资源开发中生态环境和谐为目标,提出了煤炭生态地质勘查的理念与基本构架。煤炭生态地质勘查是指以煤炭地质基础理论和生态学理论为指导,针对煤盆地呈固、液、气、元素“四态”赋存的矿产资源、地表及地下空间关键层位、生态环境与其它自然资源,采用空、天、地一体化的多种勘查技术,涵盖资源勘查、开发地质保障、资源开发与环境保护、资源综合利用、生态修复与生态系统重构并贯穿于煤炭资源勘查开发到矿山闭坑全过程的相关地质与生态勘查工作。煤炭生态地质勘查是今后煤炭地质勘查工作的重要发展方向,核心理念是生态保护优先。基于煤炭生态地质勘查理念,以煤系矿产资源和水资源、地质关键层以及生态环境保护、监测、修复相关的主要地理要素、地质信息为对象,建立了煤炭生态地质勘查基本架构,分析了煤炭地质勘查工作向资源保障和环境保护与生态建设相结合的生态地质勘查方向转变的紧迫性。研究认为:煤炭生态地质勘查要统筹好资源保障与生态环境的关系,超前规划布局,优选遥感、快速精准钻探、高精度地球物理勘探等绿色勘查技术“空天地一体化”协同应用。根据煤盆地资源赋存特征选用煤与多种矿产资源的双目标、三目标、四目标、多目标协同勘查模式,同时在资源勘查、资源开采、采后修复全过程中注重地质关键层和生态环境信息的变化,实施环境保护与生态修复措施,并通过地质大数据分析技术,集成多维数据展示勘查成果,实现对煤系多种矿产资源、生态环境地质信息、开发地质条件的透明化、数字化。
  • 作者(Author):王恩元冯俊军张奇明孔祥国刘晓斐
    关键词(KeyWords):冲击地压动载应力波演化过程机理

    摘要:针对动载扰动下大型冲击地压的发生及演化过程难题,分析了采场动载应力波的产生机制,研究了动载应力波与静载耦合作用下煤岩体冲击破坏规律,从应力波的产生、传播与致灾过程详细解释了大型冲击地压演化机理。研究结果表明,采场高位坚硬顶板断裂与深部应力集中区煤体破断所产生的动载应力波幅值随着煤岩体强度增大而升高,应力波持续时间随着破断尺度增大而增大,说明在煤矿开采过程中,顶板或煤体强度越高、破断尺度越大,越容易产生大能量的动载应力波;动静载耦合冲击破坏实验结果证实,高静载、高动载应力波、静载与应力波耦合加载条件均能使煤岩体发生冲击破坏,且随着轴向静载的增大,试样发生冲击破坏所需的临界动载应力波强度先增大后减小,其上升段与下降段的分界点约为单轴抗压强度50%。当静载达到该临界点时,煤体发生冲击破坏所需的动载应力波强度急剧减小,说明高地应力环境煤岩体受到动载应力波的影响更为显著;现场大尺度模拟分析表明,动载应力波作用下,采场煤岩体塑性破坏区范围逐渐增加并主要集中在巷道两侧,且随着应力波幅值和持续时间增加,塑性破坏区范围不断扩大;研究提出了冲击地压应力波作用机理:动载扰动下冲击地压是静载、动载应力波与煤岩体结构耦合作用的结果,采场煤岩体大尺度破断产生高能量动载应力波,应力波与地应力耦合作用导致采掘空间围岩发生大范围破坏,最终形成冲击地压灾害。
  • 作者(Author):谭云亮郭伟耀赵同彬孟祥军
    关键词(KeyWords):深部开采煤巷冲击地压能量释放卸压支护协同控制

    摘要:采用室内试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合的综合研究方法,研究了“煤体”自身能量释放型和“煤体+顶底板”共同能量释放型两类煤巷帮部失稳诱冲机理,分析了深部煤巷帮部不同破坏类型的能量释放特征,揭示了深部煤巷帮部“卸-固”协同控制机理,研发了深部煤巷帮部失稳“卸-固”协同控制技术。结果表明:① 顶底板及煤体内积聚弹性变形能共同释放是导致深部煤巷帮部发生冲击破坏的基本力学机制;② 深部煤巷帮部按破坏程度由弱到强依次为产生宏观裂缝、轻微帮鼓片帮、严重片帮和帮部整体抛出共4类破坏形态;③ 产生宏观裂缝和轻微帮鼓片帮破坏驱动能量主要来自煤体本身,而严重片帮和帮部整体抛出破坏驱动能量来自煤体和顶底板共同作用;④ 深部煤巷帮部冲击地压防控应从“卸”和“固”两方面入手,包括巷帮浅部破裂区煤体加固和巷帮深部完整区煤体及顶底板卸压,实现煤巷帮部冲击地压“卸-固”协同控制。如何提升巷道锚固支护系统与围岩结构耦合吸能水平,构建冲击地压灾害"卸-固"协同控制理论与技术体系,是深部开采冲击地压防治工程中需重点研究内容之一。
  • 作者(Author):秦勇吴建光张争光易同生杨兆彪金军张兵
    关键词(KeyWords):煤层气合采地质条件兼容性阈值措施建议滇东-黔西地区

    摘要:煤层气高效合采的基础是深刻理解合采兼容性,其中的关键在于合采地质条件的量化分析。以滇东-黔西这一典型地区为例,主要基于11口合采试验井前150 d生产历史资料,采用地质统计及因素差异对比法,分析了合采地质条件特点,提出了研究区合采兼容性阈值及工程设计优化的地质建议。研究发现,合采产层组外在地质因素对排采初期效果的影响不一:产层组底界埋深显著影响排采初期生产行为,这是单采及合采的共性特征;产层组存在一个最佳跨度,但跨度阈值因地而异;产层组层数与初期产气量关系存在极大值,与初期产水量关系存在突变点,与压裂增渗倍数呈负相关关系,压裂增渗倍数随产层数增多而降低。产层组内在地质因素并非对排采初期效果都有影响:加权平均含气饱和度及其差异指数阈值因地而异,地层能量越低及储层可改造性越差,含气饱和度差异对初期生产效果的影响越强;原始压力状态差异对见气时间的影响主要存在于不同区块之间,在同一区块内没有实质性意义。发现产层组见气时间随平均压裂渗透率增大呈指数规律缩短,压裂改造效果与煤储层原始渗透率之间不存在必然联系,统一的压裂改造措施可能导致产层组各产层属性差异拉大,抑制了整体产气潜力的充分释放。为此,提出了合采产层组分层均衡压裂改造的设计思想,目的是通过差异性改造来弱化原始储层属性差异。先前采用的储层改造技术不适应于滇东地区800 m以深的煤储层;合理确定产层组的关键在于单井储层压力剖面精细分析;影响研究区储层可压裂改造性的关键地质因素是煤体结构;实现产层组产气潜力释放最大化的工程措施是各产层之间的均衡改造;合采井憋压与否、憋压程度因区块乃至因井而异,放气时机的把握十分重要。在合采井现行排采管控制度不变的前提下,建议控制产层组底界埋深和最大跨度,优选加权含气饱和度高、饱和度差异系数小和压力状态差异系数小的产层组,注重产层组中各产层的均衡改造。
  • 作者(Author):胡振琪肖武赵艳玲
    关键词(KeyWords):煤矿区生态环境源头治理边采边复土地复垦

    摘要:煤炭资源开发与利用带来一系列生态环境问题,发展与保护的矛盾在经济高速发展背景下冲突日益显著。在当前生态文明建设背景下,矿区生态环境保护与修复成为热点与焦点。针对煤炭资源开发过程中形成的采煤沉陷、露天采场、固体废弃物堆积等损毁对象,以及由此产生的耕地损失、环境恶化、空气污染、矿-地冲突等矿区生态环境与社会问题,改变原有的“末端治理”理念,提出煤矿生态环境“边开采边修复”(简称“边采边复”)理念、技术以及实现路径。认为煤矿区生态环境“边采边复”是基于“源头和过程控制”的理念,而不是传统的“末端治理”理念,其特点是在采矿过程中,同步(时)治理。“边采边复”概念中的“复”既包含狭隘的“复垦(复耕)”,也包含Ecological Restoration中的“修复”的概念,其核心目的是为了及时恢复治理损伤的生态环境,缓解煤炭资源开发利用与环境保护之间的矛盾,确保矿业活动朝着可持续、循环与绿色的方向发展。因此,“边开采边复垦(广义的复垦)”、“边开采边修复”、“边开采边治理”都是一个意思,都可简称“边采边复”或“边采边治”。基于笔者提出的井工矿边采边复技术基础上,进一步凝练与阐述了煤矿区生态环境“边采边复”理念,讨论了煤矿生态环境“边采边复”的原理与类型,介绍了露天矿、采煤沉陷地、煤矸石3种主要损毁对象边采边复的关键技术。煤矿生态环境是一个整体与系统,“边采边复”是贯彻和实施山水林田湖草生命共同体,实现整体保护、系统修复与综合治理的有效保障。边采边复需要考虑治理修复过程的动态性、系统要素的均衡性、整体价值的最大性。为了促进边采边复理念与技术的发展与进步,仍有以下几个方面需要进行深入的研究:① 以系统思维的角度考虑自然资源要素的边采边复综合效益;② 加强边采边复与资源开采的耦合与优化调整机制研究;③ 加强新材料、新技术与新方法与边采边复技术的融合。
  • 作者(Author):闫云飞高伟杨仲卿张力冉景煜
    关键词(KeyWords):煤基石墨烯制备强化传热导热能力

    摘要:以石墨烯等为代表的具有优良物性和高附加值的新型材料得到越来越广泛的研究和应用,煤作为一种低价的高碳资源可通过不同的物理或化学方法制备成石墨烯及其化合物,使煤炭达到清洁高效利用,形成高附加值的煤基新材料。本文首先对石墨烯的制备方法进行综述进而引出煤基石墨烯的制备方法。煤基石墨烯是以煤炭为原料转化而成的石墨烯,通过高温热处理后,采用常规石墨烯的制备方法获取煤基石墨烯。随后对石墨烯具有超高的导热性能机理进行分析。随着电子工业的快速发展,越来越多的高性能电子产品面临越来越大的散热困境。石墨烯的导热系数是目前已知材料中最高,远超常规金属。利用石墨烯具有超高的横向导热机理,其单质或化合物可作为电子元器件理想的散热材料,逐渐取代传统金属导热材料,应用前景广阔。再分别对少数层石墨烯、石墨烯的复合材料、氧化石墨烯的复合材料在导热领域方面的研究进展及性能表现进行综述。其中石墨烯的复合材料的导热能力更强,应用范围更广。借助外力使石墨烯纳米片取向与传热方向对齐,可极大提高石墨烯复合材料导热能力。为进一步扩大石墨烯的应用范围、增强石墨烯平面外导热能力,可将石墨烯与碳纳米管结合。最后对煤基石墨烯的制备及石墨烯在导热领域的研究方向及发展前景进行了展望。
  • 作者(Author):余明高阳旭峰郑凯栾鹏鹏
    关键词(KeyWords):瓦斯爆炸爆炸机理抑爆介质抑爆装备减灾技术

    摘要:瓦斯爆炸严重威胁着矿井安全开采,瓦斯爆炸防治一直是煤矿安全工作的重点之一。我国相关研究机构、学者在瓦斯爆炸防治领域开展了较广泛的研究,开发了一系列的瓦斯爆炸抑爆减灾技术及装备。本文从文献研究的角度出发,从基础研究、材料开发、装备研制3个方面对我国瓦斯抑爆减灾技术及装备的研究现状进行了综述与讨论。瓦斯爆炸及抑爆方面,国内学者主要基于实验手段,采用宏观的参数(如最大爆炸压力和最大压力上升速率等)表征瓦斯爆炸在障碍物激励或者抑爆剂抑制作用下的最终结果,缺乏对瓦斯爆炸过程中详细的爆炸或抑制过程的理论认识。瓦斯爆炸火焰传播过程中爆炸火焰-湍流-压力波的多场耦合作用下的火焰传播理论仍需完善,抑爆过程中抑爆介质对瓦斯爆炸反应的详细作用机制仍需明确。抑爆装置研制方面,近年发生的重(特)大瓦斯爆炸事故表明现有的瓦斯抑爆、控爆装备较难在矿井发生瓦斯爆炸时对瓦斯爆炸火焰实现精准探测、快速响应和高效抑爆,致使瓦斯爆炸抑爆装备在防控瓦斯爆炸过程中作用较为有限。对于瓦斯爆炸抑爆、控爆装置的配置方式及如何高效的实现抑爆、控爆功能仍需要进一步研究。减灾装备研制方面,国内学者主要考虑改变风井防爆门的结构以实现快速开启、复位功能。在这些设计中缺乏对风井防爆门在瞬时(ms)冲击作用下的破坏动态力学特征与动作响应特征的考虑。在未来,瓦斯爆炸抑爆减灾技术体系的研究以瓦斯爆炸机理及火焰传播特性理论为基础,打破以实验为主的研究手段,发展数值模拟理论模型,深入基础理论的研究;以瓦斯抑爆介质及其抑爆机理为核心,探寻具有物理和化学抑爆耦合作用机制的高效复合抑爆材料;以瓦斯抑爆装备和减灾技术为保障,发展兼顾快速、高精确度、高稳定性的瓦斯爆炸火焰探测技术,优化各抑爆、控爆设备的配置方式,研制具有抗冲击、多次泄压、快速复位、锁扣密封及自动控制功能的主-备一体化智能风井防爆门。加快数字矿山和矿井灾变智慧系统建设对瓦斯爆炸防治具有重要意义。
  • 作者(Author):许江周斌彭守建闫发志程亮杨威杨文健
    关键词(KeyWords):煤与瓦斯突出瓦斯膨胀能应变能多变过程能量释放

    摘要:基于气固耦合作用条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的温度-气压-应力体系演化过程,从热力系统能量守恒的思想出发,探讨了突出过程中多变指数的实时演化,并根据动态变化的多变指数推导出了多变过程中的瓦斯膨胀能的计算方法,在此基础上讨论了突出过程中的能量释放问题。研究结果表明:煤体不同区域的应力变化在突出过程中共呈现3种类型,即:初始下降-波动升降-平稳回升型、初始上升-小幅下降-平稳回升型和小幅下降-平稳回升型;煤体内瓦斯压力变化过程呈现两种类型,即:初始下降-波动升降-平稳下降型与平稳下降型;煤体温度则在突出过程中表现为单一的持续下降过程。煤体卸压区和应力集中区在突出前期为定温-定压-定熵相互转换的多变过程,突出中期为定温过程,突出后期为定温-定压相互转换多变的过程;应力升高区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程,突出中期至后期主要表现为定温过程;原岩应力区在突出前期为定温-定压相互转换的多变过程,突出中期至后期处于一个定温-定压-定熵相互转换的多变过程。突出过程中煤体的弹性应变能释放主要来自于应力集中区和应力升高区,煤体内各区域的弹性应变能的释放都会经历一个下降随后回升的现象,且该过程中各区域的弹性能不会一次性完全释放。突出过程中越靠近工作面区域释放的瓦斯膨胀能越大,膨胀能的释放并不是一个连续的过程,而是呈现阶段波动式,这种波动在突出后期尤为明显。根据本文的研究,在煤体物理力学性质确定的前提下,单独释放弹性应变能或瓦斯膨胀能都可以达到降低突出发生风险的目的,若同时对两者进行处理,则突出风险降低的概率更大。
  • 作者(Author):秦志宏杨小芹林喆陈强
    关键词(KeyWords):煤炭分级利用萃取反萃取族组分精准

    摘要:煤炭作为一种重要的能源和资源,其主要利用方式仍限于近百年前甚至千年前所形成的技术基础:燃烧、气化、焦化和液化。借助石油先分离馏分再分别加工利用的思路,在发明萃取反萃取法分离煤族组分的基础上,提出“事前分离与精准利用”的煤炭分级加工利用新思路,即先将煤全组分在常压室温下分离成重质组、密中质组、疏中质组和轻质组四大族组分,再针对各族组分自身的组成结构特点及其所展现的特殊性质,施以针对性的精准加工利用,使其使用价值获得最有效发挥,提高煤炭的综合利用效益。根据这一思路,本文在前期构建的煤嵌布结构模型理论及炼焦煤结焦新机理的基础上,进一步总结了课题组近年来在族组分分级利用方面所展开的实验研究及进展,探究了各族组分在资源化利用方面的可能途径,讨论了具体的加工利用方法及其产品性能,具体包括由疏中质组制备泡沫炭及多孔电极材料、密中质组制备中间相半焦、密中质组制备膜分离材料的理论分析、实验验证和工艺条件研究等,以及通过这些族组分建立新的炼焦配煤方法的理论依据和实验结果。结果表明:萃取反萃取法第1次实现了煤炭有机质在使用前的聚类分离;分离出的族组分彼此性质差别巨大,甚至是煤炭产生某方面特性的源质组分,如密中质组是炼焦煤产生流动性及生成中间相的源质组分,疏中质组是炼焦煤产生膨胀性的源质组分等;对这些源质分别进行的加工和转化,初步实现了各族组分“各尽其才”的资源化精准利用目标;所获得的初期产品性能良好,加工工艺简单,过程稳定可靠;提出的“事前分离与精准利用”设想完全可行。
  • 作者(Author):闵凡飞任豹陈军刘春福彭陈亮
    关键词(KeyWords):煤泥水化膜疏水改性吸附机理脱水

    摘要:煤泥颗粒表面水化是煤泥脱水困难的重要因素之一,通过弱化煤泥颗粒表面水化膜促进煤泥高效脱水是一种新的技术方法。为掌握基于弱化水化膜促进煤泥脱水机理,采用密度泛函理论方法模拟了不同长链烷基季铵阳离子(表面活性剂)在煤泥水主要矿物颗粒表面的吸附,通过对吸附构型、Mulliken键布局及电荷的分析,研究了水及药剂在高岭石(001)面、α-石英(001)面和蒙脱石(001)面的吸附机理;通过开展煤泥脱水试验和接触角测试,探讨长链烷基季铵盐药剂对煤泥水分和表面润湿性的影响规律。结果表明,水分子在不同种类矿物(001)面的吸附稳定性顺序为石英>高岭石>蒙脱石,石英对煤泥脱水影响大于高岭石和蒙脱石;长链烷基季铵盐药剂在矿物表面的吸附稳定性明显高于水分子,说明药剂与水分子的竞争吸附作用顺序是蒙脱石>石英>高岭石;长链烷基季铵盐与几种矿物(001)表面吸附均是以静电引力为主,弱氢键为辅。随着长链烷基季铵盐药剂用量的增加,煤泥滤饼水分先减少后增加,当药剂用量为500 g/t效果最好,水分降低2.25%以上;随着药剂用量和链长的增加煤泥表面疏水性显著增加。控制药剂用量是实现高效煤泥脱水的技术关键,添加适量的表面活性剂有利于弱化矿物表面的水化膜,过量长链烷基季铵盐阻碍煤泥脱水。
  • 作者(Author):程久龙赵家宏董毅董倩芸
    关键词(KeyWords):矿井瞬变电磁法超前探测特征提取富水性预测LBA-BP神经网络

    摘要:作为巷道超前探测主要方法的矿井瞬变电磁法,目前仅能通过视电阻率来定性评价掘进工作面前方岩层富水性相对强弱。为了实现岩层富水性的定量预测,依据阿尔奇公式建立掘进工作面前方岩层富水性不均匀的数学模型,通过全空间三维时域有限差分(FDTD)数值模拟结果提取预测所用特征,根据所选特征与岩层富水性相关的地质参数确定富水性预测神经网络的结构。采用具有Lévy飞行特征的蝙蝠算法优化BP神经网络(LBA-BP)进行了富水性预测的仿真测试和现场试验。在仿真测试中,为接近实际情况,在数值模拟结果中加入了不同程度的噪声,对比测试结果发现尽管预测误差随噪声的增大而明显波动,但岩层孔隙度和含水饱和度预测的均方误差均不超过1%,预测准确度处在一个较高的水平。在现场试验中,根据现场地质资料划分富水性评价分级标准,由预测结果和视电阻率解释结果可以看出,LBA-BP预测方法对巷道前方岩层富水性的预测准确度要明显优于常规视电阻率解释方法。研究结果表明:感应电动势、采样时间、视电阻率、探测距离和对数坐标下的感应电动势衰减速率可作为岩层富水性预测所用特征,LBA-BP方法结合相应特征可以实现岩层富水性定量预测,提高了矿井瞬变电磁法对岩层富水性的解释精度。
  • 作者(Author):文光才孙海涛曹偈刘延保戴林超王波
    关键词(KeyWords):深井煤岩瓦斯动力灾害模拟系统事故分析

    摘要:深井煤炭资源的开采正日益成为行业的重点需求,然而高地应力、高瓦斯压力、高地温等深部环境下的煤岩瓦斯动力灾害的耦合伴生更加复杂,对这一科学问题的大尺度物理模拟分析研究是目前最适用的研究方法。因此,围绕高地应力、高瓦斯压力、高地温3个核心影响因素,理论分析了超千米深井环境对突出模拟系统加载能力、系统刚度、瓦斯压力和温度等的指标要求,提出了适用的临界指标。研究设计了由加载系统、密封系统为主体的超千米深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统,其垂直加载能力≥25 MPa、水平加载能力≥16 MPa、系统刚度3×1010N/m、瓦斯压力6 MPa、地温控制60 ℃,可满足在相似比为0.6~1.0条件下,1 000~1 500 m深井煤层赋存环境模拟。应用该系统对淮南丁集煤矿4·19动力灾害事故的发生进行了模拟分析,得到以下结论:突出过程突出孔洞后方不同位置处的煤体应力-气压耦合演变规律不同,大致可划分为突出孔洞所在区域、前突出影响区、后突出影响区以及未受影响区域等4个区域;在突出激发形成最初的孔洞后,突出影响区域内瓦斯解吸渗流速度将影响突出的进一步发展,应力主导下的突出持续时间较短,抛出煤量较少;实验共抛出煤样15.86 kg,还原现场突出煤量34.8 t,突出煤样的分选性不显著,呈现出典型压出型突出表象特征,与实际情况相符合,证明了该套系统的适用性及功能性。
  • 作者(Author):方新秋梁敏富李爽张磊严黄宝谢小平尉瑞吴刚吕嘉锟
    关键词(KeyWords):煤矿智能化智能工作面多参量光纤光栅智能感知安全决策

    摘要:煤矿智能化开采是我国煤炭综采技术发展的新阶段,也是煤炭工业技术革命和升级发展的需求和必然方向。围绕煤矿智能化开采技术、煤矿安全监测技术现状及发展趋势,介绍了煤矿智能化开采的技术内涵及核心三要素,指出智能感知是煤矿智能化开采的关键技术,传感监测技术是智能感知的核心。针对煤矿智能化开采感知层基础信息采集传感不全面、可靠性差、灵敏度低及安全决策技术落后等问题,基于“科学采矿”和“智能精准开采”先进理念,建立了智能工作面开采信息多参量精准感知与安全决策关键技术体系,研究了光纤光栅精准感知原理与传感特性,构建了光纤光栅-基体三层感知传递模型,揭示了光纤光栅粘贴长度范围内的应变分布规律,创建了光纤传感式煤矿开采巷道围岩安全状态信息和工作面装备姿态信息多参量信息感知体系,提出了基于光纤光栅智能感知技术的大容量、准分布传感网络拓扑结构,开发了基于大数据与云计算智能技术的多参量感知系统信息服务平台,构建了包括数据采集与感知层、数据传输层、数据处理与管理层和安全决策与控制层等4层系统架构,开展了基于光纤光栅的多参量感知与决策系统在煤矿开采中的具体工程应用,实现了现场生产状态、矿压信息、风险信息监测预报,为煤矿安全生产与管理提供决策支持。
  • 作者(Author):来兴平代晶晶李超
    关键词(KeyWords):急倾斜煤层动力灾害覆岩结构红外热像“声-热”演化特征

    摘要:针对乌鲁木齐矿区急倾斜煤层采空区顶板冲击失稳诱发动力灾害问题,根据乌东煤矿地质条件进行灾害成因分析,建立急倾斜煤层覆岩结构力学模型,结合顶板岩梁能量分布特征,明确致灾源头,提出防控措施;鉴于此,设计覆岩联动致灾物理相似模拟试验,采用红外热像与岩石破裂声发射(Acoustic Emission,AE)综合监测手段分析覆岩联动致灾阶段性“声-热”演化规律,结合3DEC离散元数值计算,确定灾源时空信息,指导动力灾害防控。研究结果表明:急倾斜煤层开采顶板岩梁与覆岩应力拱形成的“拱-梁”结构具有空间结构关联特征,该结构在高阶段水平分段短壁综放开采条件下失稳诱发动力灾害,将顶板岩梁按能量等级划分为本水平梁端起裂区、中部离层演生区和上水平拱脚高能区3个区域,其中上水平拱脚高能区为重点致灾区域;同时,在急倾斜煤层开采过程中覆岩结构动态破裂具有阶段性“声-热”演化规律,结合三区内热值异化程度与AE能率演化特征,将顶板破断周期划分为低水平发展、震前平静、加速活跃和松弛阶段,其中加速活跃阶段为灾害孕育期;基于研究结果制定了采空区顶板预裂爆破切顶解危措施,经全景智能钻孔窥视监测,致裂效果明显,灾害得到有效控制,为急倾斜煤层开采动力灾害防控提供借鉴。
  • 作者(Author):吕俊复史航吴玉新张扬
    关键词(KeyWords):准东煤碱/碱土金属迁移转化结渣沾污

    摘要:准东煤灰分含量低、着火温度低、燃尽性能优良,是优良的动力用煤,但准东煤灰中碱/碱土金属含量高,在燃烧过程中易挥发进入气相并冷凝在受热面上从而强化锅炉的沾污、结渣过程,要实现安全、高效、洁净燃用准东煤,需对准东煤燃烧过程中矿物尤其是碱/碱土金属转化特性和灰熔融特性进行研究。对准东煤中碱/碱土金属(AAEM)赋存形态及燃用过程中AAEM的迁移转化、煤灰熔融特性、准东煤结渣、沾污机理等研究进展进行了介绍,总结了锅炉结渣、沾污关键影响因素及目前常用的防控方法。由于实验样品和条件的差异,AAEM在煤燃烧过程中的释放、转化特性及其对灰熔融特性的影响尚未有一致结论;对于AAEM释放多采用热力学平衡计算,相应的动力学模型缺乏深入研究;由于燃烧试验台实验工况与实际锅炉烟气组分、热参数等存在一定差异,燃烧试验台获得的结渣、积灰特性能否反映真实锅炉情况有待验证;实际锅炉沉积样品分析面临锅炉工况调整困难、可重复性差等问题,需对锅炉实际结渣污特性进行深入研究;锅炉设计、掺烧、参数调整等方法仅能减轻准东煤结渣、沾污等问题,为实现准东煤的安全、高效、洁净利用,仍需更加深入的研究煤灰结渣、沾污机理。应加强灰化温度、气氛等对煤热转化中AAEM的释放和转化特性影响的系统研究,进一步开展AAEM在煤热转化过程中的释放、矿物转化动力学模型研究,同时,需针对温度、气氛、煤灰组分等对准东煤结渣、沾污的影响规律开展更加细致地研究,为结渣、沾污防控提供支持。
  • 作者(Author):李全生郭俊廷戴华阳
    关键词(KeyWords):地表动态下沉地表下沉速度开采充分程度预计方法

    摘要:井工开采及其对地表附属物的影响是一个动态过程,目前常用的采动影响预测多为静态结果,难以准确评价受护对象的影响程度,科学预测采动影响范围及程度对指导工程设计及受护对象防护具有重要的实际意义。在分析国内外动态预计方法的基础上,将现有动态预计方法依据其建立方法和思路分为时间函数法、速度函数法和下沉折减法3类,分析了这些方法的优势和局限性。分析了随开采充分性变化地表下沉速度的分布特征,通过对4个工作面近水平开采条件下地表移动的长时间观测与理论分析,提出了开采过程中地表最大下沉速度的计算公式,避免了因观测时间间隔差异引起测得地表下沉速度不准确的问题,分别建立了起动距、超前影响距、最大下沉速度滞后距与工作面推进速度的动态关系;提出了走向主断面包含开采充分性的地表下沉速度的分布函数和走向主断面动态下沉预计方法。采用建立的动态下沉预计方法,对神东补连塔矿地质开采条件下地表动态下沉进行了预计分析,并与主断面实测下沉数据进行了对比验证,结果表明,当工作面推进速度变化不大时,所用方法平均相对误差为21%,具有较好的预测精度;建立的动态下沉预计方法弥补了以往研究成果对开采初始阶段研究的不足,比建立在充分采动区单点移动全过程的预测模型更为可靠。
  • 作者(Author):刘春生李德根春平
    关键词(KeyWords):截齿载荷模型熵权重构正则化神经网络载荷预测

    摘要:截齿截割煤岩载荷是研制高性能采掘机械和智能化开采的重要基础,通过探究截齿截割煤岩载荷谱的变化规律和特征,为研究高效、高可靠破岩方法提供理论支撑,针对截齿破碎煤岩过程存在随机性,传统的理论推演载荷模型具有单值特性,难以准确描述任意截割条件下煤岩破碎的载荷历程,提出理论推演的截齿载荷幅值模型和有限实验载荷谱相结合方式,采用信息熵理论对理论与实验截割载荷谱进行综合,应用正则化神经网络对载荷谱综合进行模型化重构,根据最小二乘法提出基于有限载荷曲线族预测不同楔入角载荷谱的模型。结合30°~50°楔入角实验不同参数下载荷谱,以不同楔入角截齿的载荷谱和理论推演模型为例,对比分析不同楔入角下载荷谱的综合与正则化神经网络对其模型化重构,以及对不同楔入角的载荷预测。研究表明:构建了过程响应的截割阻力理论推演模型,在此基础上获得了30°~50°楔入角下理论与实验相结合的综合载荷谱,实现了载荷谱幅值与变化规律的表征,给出了载荷谱正则化神经网络模型化重构的方法;根据所建立的不同楔入角的载荷预测模型对30°,33°,50°和55°载荷谱进行预测,其中楔入角为30°和50°的预测载荷谱与正则化神经网络模型化重构载荷谱的互相关系数分别为0.971 7和0.983 9,呈高度相关,其幅值相对误差分别为4.04%和5.21%,表明该模型可以表征载荷幅值与截割煤岩载荷历程,模型具有一定优越性,为研究截齿的破碎机制提供了参考。
  • 作者(Author):潘一山肖永惠李国臻
    关键词(KeyWords):冲击地压防冲支护防冲液压支架防冲设计

    摘要:针对现有巷道支护难以抵抗冲击地压产生的强震强冲作用从而造成支护失效、巷道垮塌及人员伤亡这一难题,基于巷道围岩-支护系统的静力学与动力学理论分析,提出了防冲支护设计的6项原则,即让位阻力可变原则、让位位移可变原则、让位刚度可变原则、让位频率可变原则、让位速度可变原则和让位能量可变原则。研制了具有吸能功能的巷道防冲液压支架,通过实验室试验对支架防冲装置中的诱导式预折纹构件进行了吸能特性研究,得到:单节防冲构件平均让位阻力1820 kN,让位位移100 mm,让位刚度和频率为0,让位速度为2.3 m/s,让位吸能为182 kJ;双节防冲构件平均让位阻力为2 010 kN,让位位移为200 mm,让位刚度和频率为0,让位速度为2.2 m/s,让位吸能为402 kJ,2种构件的实验结果都达到防冲液压支架的技术参数要求。进一步,对防冲液压支架在耿村煤矿井下的支护状态与吸能防冲效果进行了监测与分析,发现:防冲液压支架在ML3.0级强震过程中让位最大达16 cm,发挥了预期的吸能防冲作用,同时间接地证明了防冲支护设计原则的合理性。
  • 作者(Author):梁卫国张倍宁贺伟姚宏波
    关键词(KeyWords):煤层气开采超临界CO2驱替不同煤阶CO2煤层储存

    摘要:我国不同变质程度的煤层中均蕴含大量的煤层气资源,注超临界CO2驱替煤层气是解决目前深部煤层气开发困难有效途径之一。为研究超临界CO2在不同变质程度煤体中驱替开采CH4的效果,利用尺寸为100 mm×100 mm×200 mm的原煤试件,在恒定的温压(50 ℃,25 MPa)条件下,以10 MPa超临界CO2驱替压力对4种不同变质程度的煤(弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤)展开试验研究,结果表明:① 不同煤阶煤的孔隙发育程度和孔隙形态有较大差异,弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤包含的主要孔隙类型分别为墨水瓶型孔隙、楔形孔/平行板孔、楔形孔/平行板孔、狭缝型孔,微孔的D-R(Dubinin-Radushkevich)比表面积为无烟煤>弱黏煤>气煤>1/3焦煤;② 煤渗透率受成矿地质环境和构造活动等导致的煤体结构、变质程度、裂隙发育程度、煤岩组成等多种因素的影响,在相同的有效应力下,4种测试煤样渗透率随变质程度升高而逐渐降低,驱替过程中CO2注入量也随变质程度升高而降低,在25 MPa围压、10 MPa注入压力条件下,弱黏煤、气煤、1/3焦煤和无烟煤的渗透率分别为4.58×10-18,2.75×10-18,0.91×10-18和0.05×10-18 m2,驱替实验结束时,CO2注入量分别为18.13,6.45,5.01和0.78 mol;③ 超临界CO2驱替效果与煤变质程度、渗透率和孔隙类型密切相关,4种煤试件的CH4产出率和CO2储存量均为气煤>1/3焦煤>弱黏煤>无烟煤。
  • 作者(Author):许家林秦伟轩大洋朱卫兵
    关键词(KeyWords):卸荷膨胀累积效应关键层岩层移动覆岩隔离注浆充填绿色开采

    摘要:地下煤层开采引起的岩层运动是一系列安全和环境问题的根源,研究采动岩层运动规律是安全、高效、绿色开采的重要基础。通过对岩层运动过程的研究,揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层运动规律的影响机制。研究表明:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程。受关键层结构控制,上覆岩层由下向上成组破断运动,关键层破断前,阻断了上覆载荷向下方岩层的传递,导致其因卸荷而产生膨胀,包括碎胀与弹性膨胀。随着关键层破断高度增加,覆岩卸荷高度同步增大,因卸荷而膨胀的岩层总厚度不断增大;同时卸荷煤岩也受到已破断关键层载荷的压实作用,从而造成覆岩卸荷膨胀总量的不断变化。将这种覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度动态变化的现象定义为采动覆岩卸荷膨胀累积效应,进而建立了其理论模型,并通过淮北海孜煤矿巨厚火成岩下采煤覆岩裂隙实测进行了验证。结果表明,采动覆岩卸荷膨胀累积效应对采动岩层运动规律产生了重要影响,如影响覆岩关键层下离层量,影响覆岩关键层贯通破断的高度,影响不同开采条件的地表下沉系数等。采动覆岩卸荷膨胀累积效应改变了对离层存在形式的传统认识,该效应的存在导致关键层下最大离层量一般小于采高的10%,覆岩可注浆充填空间并非传统认识上的“离层区”,而主要是注浆充填压力“压实”作用下将覆岩卸荷累积膨胀所转化出的那部分空间,该发现指导了覆岩隔离注浆充填绿色开采技术的创新研发及其在建筑物压煤开采中的成功实践。
  • 作者(Author):王国法赵国瑞胡亚辉
    关键词(KeyWords):5G技术煤矿智能化必要性应用场景混合现实

    摘要:煤矿智能化是煤炭工业高质量发展的保障,当前处于煤矿智能化发展的初级阶段,仍然面临泛在感知难、多类型数据同步传输不可靠、远程控制实时性差、融合大数据的智能决策效率低等问题,面向垂直行业智能化应用的第五代移动通信技术(The fifth Generation Mobile Communication Technology,5G)为上述问题的解决提供了契机。本文分析了5G中的高频通信、大规模天线阵列、超密集组网、设备到设备通信、网络切片和移动边缘计算6项关键技术和各自的技术特征;研究了煤矿智能化应用在信息感知、多类型数据传输、实时决策控制、新技术应用和异构物联设备互联互通需求等方面的短板,以视频传输为例分析了4G技术在未来应用中的局限性,研究了井下WiFi组网的不足之处,指出了煤矿井下应用5G技术的必要性;结合5G技术优势和煤矿井下实际需求提出了基于5G技术的高精度实时定位与应用服务、虚拟交互应用、远程实时控制、远程协同运维及井下巡检和安防等煤矿井下应用场景,提出了基于混合现实的井下智能化开采和远程实时可视化操控的构想,给出了井下应用5G技术的总体架构:有线光纤骨干环网加5G覆盖,分析了实施要点,指出与井下应用场景的结合才能最大程度发挥5G技术在煤矿智能化开采中的作用,简要展望了基于5G技术的物联网、大数据、云计算、人工智能和虚拟现实等技术在煤矿智能化中的融合应用。
  • 作者(Author):葛世荣胡而已裴文良
    关键词(KeyWords):煤矿智能化煤矿机器人分类标准关键技术

    摘要:我国煤炭开采已从机械化、自动化正逐步向智能化迈进,煤矿智能化是涉及煤炭资源勘查、矿井建设、煤矿开采、安全保障、洗选分销等多个环节的系统工程,煤矿智能化发展需要经历自动化、信息化、互联化、智能化4个阶段,研发推广应用煤矿机器人是实现煤矿智能化、无人化的重要途径。综述了当前我国煤矿机器人领域的研究现状,科学阐明了煤矿机器人的概念和定义,详细分析了煤矿机器人研发历程和未来技术产品发展趋势。研究了煤矿机器人的分类方法,针对煤矿机器人的不同面向对象、作业区域、功能属性,构建了科学合理的煤矿机器人分类体系,从作业类型角度将煤矿机器人划分为掘进、采煤、运输、安控、救援五大类,结合目前机器人和人工智能技术领域的先进技术发展水平,按照由易到难、先零后整、各点突破、整体推进的基本原则,规划了不同种类、层次煤矿机器人的研发路径。提出了煤矿机器人研发过程中亟需突破的八大共性关键技术,包括:煤矿机器人防爆安全设计理论及方法、长续航高能量密度机器人动力技术、井下受限封闭环境下机器人自主精准定位导航技术、煤矿机器人的高可靠抗干扰通讯技术、煤矿复杂环境下机器人智能感知与险情识别技术、井下机器人群协同控制决策机制、煤矿机器人可靠性测试评估方法、煤矿机器人模块化设计方法,初步建立了我国煤矿机器人研发技术体系。

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