主辦單位:煤炭科學研究總院出版傳媒集團、中國煤炭學會學術期刊工作委員會
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煤炭學報
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  • 作者(Author):許家林秦偉軒大洋朱衛兵
    關鍵詞(KeyWords):卸荷膨脹累積效應關鍵層巖層移動覆巖隔離注漿充填綠色開采

    摘要:地下煤層開采引起的巖層運動是一系列安全和環境問題的根源,研究采動巖層運動規律是安全、高效、綠色開采的重要基礎。通過對巖層運動過程的研究,揭示了采動覆巖卸荷膨脹累積效應及其對巖層運動規律的影響機制。研究表明:采動覆巖經歷了卸荷膨脹與再壓實的動態過程。受關鍵層結構控制,上覆巖層由下向上成組破斷運動,關鍵層破斷前,阻斷了上覆載荷向下方巖層的傳遞,導致其因卸荷而產生膨脹,包括碎脹與彈性膨脹。隨著關鍵層破斷高度增加,覆巖卸荷高度同步增大,因卸荷而膨脹的巖層總厚度不斷增大;同時卸荷煤巖也受到已破斷關鍵層載荷的壓實作用,從而造成覆巖卸荷膨脹總量的不斷變化。將這種覆巖卸荷膨脹總量隨覆巖卸荷高度動態變化的現象定義為采動覆巖卸荷膨脹累積效應,進而建立了其理論模型,并通過淮北海孜煤礦巨厚火成巖下采煤覆巖裂隙實測進行了驗證。結果表明,采動覆巖卸荷膨脹累積效應對采動巖層運動規律產生了重要影響,如影響覆巖關鍵層下離層量,影響覆巖關鍵層貫通破斷的高度,影響不同開采條件的地表下沉系數等。采動覆巖卸荷膨脹累積效應改變了對離層存在形式的傳統認識,該效應的存在導致關鍵層下最大離層量一般小于采高的10%,覆巖可注漿充填空間并非傳統認識上的“離層區”,而主要是注漿充填壓力“壓實”作用下將覆巖卸荷累積膨脹所轉化出的那部分空間,該發現指導了覆巖隔離注漿充填綠色開采技術的創新研發及其在建筑物壓煤開采中的成功實踐。
  • 作者(Author):王國法趙國瑞胡亞輝
    關鍵詞(KeyWords):5G技術煤礦智能化必要性應用場景混合現實

    摘要:煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的保障,當前處于煤礦智能化發展的初級階段,仍然面臨泛在感知難、多類型數據同步傳輸不可靠、遠程控制實時性差、融合大數據的智能決策效率低等問題,面向垂直行業智能化應用的第五代移動通信技術(The fifth Generation Mobile Communication Technology,5G)為上述問題的解決提供了契機。本文分析了5G中的高頻通信、大規模天線陣列、超密集組網、設備到設備通信、網絡切片和移動邊緣計算6項關鍵技術和各自的技術特征;研究了煤礦智能化應用在信息感知、多類型數據傳輸、實時決策控制、新技術應用和異構物聯設備互聯互通需求等方面的短板,以視頻傳輸為例分析了4G技術在未來應用中的局限性,研究了井下WiFi組網的不足之處,指出了煤礦井下應用5G技術的必要性;結合5G技術優勢和煤礦井下實際需求提出了基于5G技術的高精度實時定位與應用服務、虛擬交互應用、遠程實時控制、遠程協同運維及井下巡檢和安防等煤礦井下應用場景,提出了基于混合現實的井下智能化開采和遠程實時可視化操控的構想,給出了井下應用5G技術的總體架構:有線光纖骨干環網加5G覆蓋,分析了實施要點,指出與井下應用場景的結合才能最大程度發揮5G技術在煤礦智能化開采中的作用,簡要展望了基于5G技術的物聯網、大數據、云計算、人工智能和虛擬現實等技術在煤礦智能化中的融合應用。
  • 作者(Author):葛世榮胡而已裴文良
    關鍵詞(KeyWords):煤礦智能化煤礦機器人分類標準關鍵技術

    摘要:我國煤炭開采已從機械化、自動化正逐步向智能化邁進,煤礦智能化是涉及煤炭資源勘查、礦井建設、煤礦開采、安全保障、洗選分銷等多個環節的系統工程,煤礦智能化發展需要經歷自動化、信息化、互聯化、智能化4個階段,研發推廣應用煤礦機器人是實現煤礦智能化、無人化的重要途徑。綜述了當前我國煤礦機器人領域的研究現狀,科學闡明了煤礦機器人的概念和定義,詳細分析了煤礦機器人研發歷程和未來技術產品發展趨勢。研究了煤礦機器人的分類方法,針對煤礦機器人的不同面向對象、作業區域、功能屬性,構建了科學合理的煤礦機器人分類體系,從作業類型角度將煤礦機器人劃分為掘進、采煤、運輸、安控、救援五大類,結合目前機器人和人工智能技術領域的先進技術發展水平,按照由易到難、先零后整、各點突破、整體推進的基本原則,規劃了不同種類、層次煤礦機器人的研發路徑。提出了煤礦機器人研發過程中亟需突破的八大共性關鍵技術,包括:煤礦機器人防爆安全設計理論及方法、長續航高能量密度機器人動力技術、井下受限封閉環境下機器人自主精準定位導航技術、煤礦機器人的高可靠抗干擾通訊技術、煤礦復雜環境下機器人智能感知與險情識別技術、井下機器人群協同控制決策機制、煤礦機器人可靠性測試評估方法、煤礦機器人模塊化設計方法,初步建立了我國煤礦機器人研發技術體系。
  • 作者(Author):袁亮
    關鍵詞(KeyWords):煤礦粉塵職業安全健康煤工塵肺預警防控

    摘要:人民健康已成為國家優先發展戰略,以煤工塵肺為主的職業安全健康問題嚴重制約“健康中國”發展。從煤礦粉塵現狀、基礎研究、關鍵技術裝備、政策標準等方面系統總結分析煤礦粉塵防控與職業安全健康面臨挑戰,在此基礎上,提出煤礦粉塵防控與職業安全健康科學構想。該構想基于理工醫多學科交叉融合,以大數據、云技術、人工智能和物聯網等高新信息技術為支撐,創新“四位一體”科學研究方法,以煤礦無害作業、職業病精準治療和職業安全健康智能預警等為核心,最終實現煤礦從業人員職業生命全周期職業安全健康。本文凝練了煤礦粉塵防控與職業安全健康6個主要關鍵科學問題,圍繞煤礦粉塵產塵機理與高濃度粉塵分源高效防控理論、煤工塵肺多維度多層次生命信息流的發病機理、煤礦無塵化開采及粉塵精準防控技術與裝備、煤工塵肺智能判識與精準診療技術裝備、煤礦粉塵與職業安全健康智能預警等方面提出了5個主要研究方向。我國應加強理工醫交叉融合協同創新與科研平臺建設,深入開展基礎研究工作,研發適合我國煤礦生產實際的成套技術與裝備,重視示范工程建設和成果轉化,加大政策支持力度和標準體系完善,構建煤礦粉塵防控及職業安全健康長效機制,實現煤礦無塵化作業和職業病少(零)發病,以煤礦職業安全健康助力健康中國發展。
  • 作者(Author):王雙明孫強喬軍偉王生全
    關鍵詞(KeyWords):煤炭綠色開采地質保障精細勘查有效減損恢復利用

    摘要:受“缺油、少氣、相對富煤”能源資源稟賦特點制約,煤炭一直是我國能源安全的基礎保障。煤炭資源是地球演化過程形成的層狀沉積礦產,是近地表地殼的組成部分,煤炭開采會對地質條件和生態環境造成損害。煤炭綠色開采地質保障從煤炭資源賦存地質條件出發,為實現煤炭資源安全高效開采、減緩和減小采掘工程對地質條件和生態環境損害,提供地質理論和技術支撐。從綠色開采地質保障的內涵、科學問題、技術問題、研究思路4個方面系統闡釋了煤炭綠色開采地質保障理論與技術。煤炭綠色開采地質保障突出深部煤炭資源開采擾動下的地質條件變化,強調煤炭開采活動與地質結構和地表生態環境變化的整體研究,關注地下采掘工程引起時空效應范疇的地質條件變化和生態環境演化之間的耦合機制。總體研究思路是開采前精細勘查、開采過程有效減損、開采后恢復利用。采前實施空天地一體化精細勘查,查明煤系礦產資源空間賦存特征及維系地表生態系統的主要地質因素,構建涵蓋煤系資源、地質條件、生態環境等要素的高精度三維模型,評價煤炭資源最佳利用方向和區域環境承載能力;采中進行地質條件損害探測、監測,揭示應力場、形變場、滲流場變化規律,研究煤系氣、地下水運移和涌出特點,分析導致圍巖動力災害發生的地質因素,提出煤與瓦斯突出、水害、沖擊地壓等災害超前預警理論及防控措施;采后進行采空區水體、有害氣體、遺留資源的探測,巷道圍巖、煤柱變形特征監測,研究煤-巖-水相互作用及采空區穩定性變化,開展地質條件及地表生態恢復演化過程研究,提出地下空間及遺留資源的綜合利用理論與技術。煤炭綠色開采地質保障涵蓋找煤、勘探、開采及采空區利用全過程,追求煤系礦產資源和生態環境保護協調發展。
  • 作者(Author):王佟孫杰江濤林中月張博趙欣謝志清
    關鍵詞(KeyWords):煤炭煤系礦產生態地質勘查基本架構勘查技術

    摘要:基于煤盆地礦產資源與生態環境地質特征,以實現煤盆地多資源協同勘查開發與資源開發中生態環境和諧為目標,提出了煤炭生態地質勘查的理念與基本構架。煤炭生態地質勘查是指以煤炭地質基礎理論和生態學理論為指導,針對煤盆地呈固、液、氣、元素“四態”賦存的礦產資源、地表及地下空間關鍵層位、生態環境與其它自然資源,采用空、天、地一體化的多種勘查技術,涵蓋資源勘查、開發地質保障、資源開發與環境保護、資源綜合利用、生態修復與生態系統重構并貫穿于煤炭資源勘查開發到礦山閉坑全過程的相關地質與生態勘查工作。煤炭生態地質勘查是今后煤炭地質勘查工作的重要發展方向,核心理念是生態保護優先。基于煤炭生態地質勘查理念,以煤系礦產資源和水資源、地質關鍵層以及生態環境保護、監測、修復相關的主要地理要素、地質信息為對象,建立了煤炭生態地質勘查基本架構,分析了煤炭地質勘查工作向資源保障和環境保護與生態建設相結合的生態地質勘查方向轉變的緊迫性。研究認為:煤炭生態地質勘查要統籌好資源保障與生態環境的關系,超前規劃布局,優選遙感、快速精準鉆探、高精度地球物理勘探等綠色勘查技術“空天地一體化”協同應用。根據煤盆地資源賦存特征選用煤與多種礦產資源的雙目標、三目標、四目標、多目標協同勘查模式,同時在資源勘查、資源開采、采后修復全過程中注重地質關鍵層和生態環境信息的變化,實施環境保護與生態修復措施,并通過地質大數據分析技術,集成多維數據展示勘查成果,實現對煤系多種礦產資源、生態環境地質信息、開發地質條件的透明化、數字化。
  • 作者(Author):張吉雄巨峰李猛周楠張強
    關鍵詞(KeyWords):綠色開采充填開采方法矸石分選原位充填

    摘要:煤礦開采伴隨著矸石等固廢排放和采場礦壓與地表沉陷控制問題,推進煤礦綠色開發將是從源頭上保護礦區生態環境的重要手段,統籌考慮煤炭采掘、原煤加工和固廢排放的關系對于建設綠色礦山尤為重要,而煤礦井下采-選-充協同將是從根本上解決上述問題的技術途徑。基于此,在充分考慮采煤、分選和充填基礎上,以井下分選為核心,圍繞充填開采方法構建了煤礦矸石井下分選協同原位充填開采模式,闡述了煤礦井下采、選、充系統的時空協同關系,揭示了“就近分選+原位充填”的科學內涵,實現了充填能力與分選能力匹配、采充系統與分選系統布置、采充工藝與分選工藝組織和矸石物流運輸與調控4個方面的協同;提出了實現不同目標層次的煤礦矸石井下分選協同原位充填開采技術體系,主要包括全粒級分選、煤矸分離和毛煤排矸3個不同等級的井下煤矸分選技術和實現采場礦壓與地表沉陷控制、矸石處理和資源回收不同目標的井下原位充填技術2個方面;分析評價了新型跳汰分選、旋流器分選、重介淺槽分選、動篩跳汰分選和γ射線分選5種井下煤矸分選方法的適用性,給出了煤礦矸石井下分選方法選擇流程,確定了煤礦矸石井下分選系統及巷硐布置要求,探討了煤礦井下全粒級分選的發展方向;提出了全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4種典型充填開采方法,明確了4種典型充填開采方法的定義、系統布置及技術優勢,形成了充填開采方法選擇流程,進一步對比分析了4種典型充填開采方法的地表沉陷與采場礦壓控制效果。研究成果為實現煤礦煤炭開采、井下分選和矸石處理集約化提供技術借鑒,進一步豐富我國煤礦綠色開采的技術體系。
  • 作者(Author):孫亞軍陳歌徐智敏袁慧卿張玉卓周麗潔王鑫張成行鄭潔銘
    關鍵詞(KeyWords):煤礦區水環境礦井水污染礦井水處理礦井水回灌資源化利用

    摘要:煤炭長期占據我國能源消費結構的主體地位,因煤礦建設、開采、洗選、加工、廢舊煤窯和礦井關閉等引發礦區一系列水環境問題尤為突出。國家大力支持“煤炭革命”,煤炭安全綠色開采成為新時代的主題,環保部門越發重視煤礦區的水環境問題。分析研究了我國煤礦礦區現階段的水環境現狀,針對不同礦區、不同礦井水類型,從礦井水污染模式和類型、含水巖組結構破壞、水資源流失、礦區土壤重金屬富集和廢棄礦井水位回升誘發的環境地質問題出發,總結我國煤礦區水環境研究現狀、技術水平和未來發展趨勢,并以礦井水處理為重點,分析歸納了潔凈礦井水(物理法)、含懸浮物礦井水(混凝和超磁分離法)、高礦化度礦井水(蒸餾、離子交換和膜分離法)、酸性礦井水(物理、化學和生物法)、特殊組分礦井水(絮凝沉淀和離子交換法)和礦井水回灌(深層回灌)的水質特點、處理工藝和優缺點,并指明了未來的研究方向。根據煤礦區礦井水資源化利用現狀,提出礦井水用于工農業生產、生活和特殊組分的礦井水資源化利用的優勢和局限,針對特殊組分的礦井水提出了礦井水資源化利用的技術體系和理論框架,為進一步豐富和完善礦區水資源利用提供技術支撐。最后,針對礦井水資源化利用過程中的問題提出了“阻斷、減量和保護”三原則,并對未來我國煤礦區環境現狀和礦井水處理利用進行了展望。
  • 作者(Author):譚云亮郭偉耀趙同彬孟祥軍
    關鍵詞(KeyWords):深部開采煤巷沖擊地壓能量釋放卸壓支護協同控制

    摘要:采用室內試驗、理論分析、數值模擬和工程實踐相結合的綜合研究方法,研究了“煤體”自身能量釋放型和“煤體+頂底板”共同能量釋放型兩類煤巷幫部失穩誘沖機理,分析了深部煤巷幫部不同破壞類型的能量釋放特征,揭示了深部煤巷幫部“卸-固”協同控制機理,研發了深部煤巷幫部失穩“卸-固”協同控制技術。結果表明:① 頂底板及煤體內積聚彈性變形能共同釋放是導致深部煤巷幫部發生沖擊破壞的基本力學機制;② 深部煤巷幫部按破壞程度由弱到強依次為產生宏觀裂縫、輕微幫鼓片幫、嚴重片幫和幫部整體拋出共4類破壞形態;③ 產生宏觀裂縫和輕微幫鼓片幫破壞驅動能量主要來自煤體本身,而嚴重片幫和幫部整體拋出破壞驅動能量來自煤體和頂底板共同作用;④ 深部煤巷幫部沖擊地壓防控應從“卸”和“固”兩方面入手,包括巷幫淺部破裂區煤體加固和巷幫深部完整區煤體及頂底板卸壓,實現煤巷幫部沖擊地壓“卸-固”協同控制。如何提升巷道錨固支護系統與圍巖結構耦合吸能水平,構建沖擊地壓災害"卸-固"協同控制理論與技術體系,是深部開采沖擊地壓防治工程中需重點研究內容之一。
  • 作者(Author):馮國瑞張玉江戚庭野康立勛
    關鍵詞(KeyWords):遺煤復采儲量儲采比分布

    摘要:我國煤炭開采儲采比低,對我國煤炭資源的可持續開發帶來嚴重挑戰,而歷史原因造成淺部大量優質煤炭資源未能有效采出,形成了遺煤。通過對遺煤儲量計算及遺煤開采礦井的統計,分析了我國遺煤儲量、儲采比、賦存類型、開采特點、遺煤開采研究現狀及尚需解決的關鍵技術問題。研究表明:全國遺煤可采儲量約400億t,初次回采率不高于20%的遺煤可采儲量達271.6億t,占全部遺煤可采儲量的67.4%,開采價值巨大;遺煤對儲采比的增加率呈現東高西低的趨勢,東部地區平均增加95.9%,中西部地區平均增加51%;15個省份進行遺煤開采,其可采儲量347.1億t,約占全國遺煤可采儲量的86%;遺煤開采在2006年前后呈現不同趨勢,2006年前,88.5%的遺煤開采礦井集中于東部產煤省,2006年后中西部產煤省開始大量進行遺煤開采;在地域上東部遺煤開采礦井占全部的65.82%,山西省占24.1%,可見遺煤開采集中在東部省份以及中部的山西省;遺煤類型可分為整層、分層、塊段及組合遺煤4類,塊段遺煤分布最廣,東西部遺煤主導類型不同,東部以邊角煤和保護煤柱為主,中西部則以小煤窯破壞區遺煤為主;遺煤開采研究在遺煤探測技術、遺煤開采理論及技術和遺煤開采災害防治技術3個方面取得了進展。但遺煤開采是一個復雜的系統工程,在遺煤開采危險源探測、遺煤開采方法、遺煤開采礦壓顯現規律及巖層控制方法、老空區水、氣賦存和運移規律及治理、遺煤開采災害防治新型材料方面仍需深入研究。
  • 作者(Author):閆云飛高偉楊仲卿張力冉景煜
    關鍵詞(KeyWords):煤基石墨烯制備強化傳熱導熱能力

    摘要:以石墨烯等為代表的具有優良物性和高附加值的新型材料得到越來越廣泛的研究和應用,煤作為一種低價的高碳資源可通過不同的物理或化學方法制備成石墨烯及其化合物,使煤炭達到清潔高效利用,形成高附加值的煤基新材料。本文首先對石墨烯的制備方法進行綜述進而引出煤基石墨烯的制備方法。煤基石墨烯是以煤炭為原料轉化而成的石墨烯,通過高溫熱處理后,采用常規石墨烯的制備方法獲取煤基石墨烯。隨后對石墨烯具有超高的導熱性能機理進行分析。隨著電子工業的快速發展,越來越多的高性能電子產品面臨越來越大的散熱困境。石墨烯的導熱系數是目前已知材料中最高,遠超常規金屬。利用石墨烯具有超高的橫向導熱機理,其單質或化合物可作為電子元器件理想的散熱材料,逐漸取代傳統金屬導熱材料,應用前景廣闊。再分別對少數層石墨烯、石墨烯的復合材料、氧化石墨烯的復合材料在導熱領域方面的研究進展及性能表現進行綜述。其中石墨烯的復合材料的導熱能力更強,應用范圍更廣。借助外力使石墨烯納米片取向與傳熱方向對齊,可極大提高石墨烯復合材料導熱能力。為進一步擴大石墨烯的應用范圍、增強石墨烯平面外導熱能力,可將石墨烯與碳納米管結合。最后對煤基石墨烯的制備及石墨烯在導熱領域的研究方向及發展前景進行了展望。
  • 作者(Author):畢銀麗伍越張健彭蘇萍
    關鍵詞(KeyWords):采煤沉陷地裂縫區水鹽運移HYDRUS 2D

    摘要:煤炭的開采帶來經濟快速發展的同時也會帶來一系列的生態環境問題,其中采煤沉陷產生的地裂縫是最直觀的一種,其分布廣、對土地破壞性大、對周邊植物生長影響嚴重。西部礦井水礦化度較高,極易產生次生鹽堿化,裂縫區的水鹽運移對于該區域植物生長具有潛在的影響。為探究采煤沉陷地裂縫對土壤中水鹽運移規律的影響,通過室內模擬試驗,研究不同土壤鹽濃度條件下,裂縫區土壤水鹽分布特征,并運用數值模擬方法,建立采煤地裂縫土壤水鹽運移模型,采用HYDRUS 2D軟件進行模擬,將模擬值與實測值對比,結果表明:HYDRUS模擬數值與實測值呈現出相同的規律,滿足精度要求,說明HYDRUS能夠較好的模擬裂縫區域內的水鹽運移。在56 d的模擬試驗中,裂縫區土壤含水量在前3周為快速下降期,4~5周為中速下降期,5周之后為穩定期。越靠近地裂縫處土壤含水量下降越快,對于臺階為20 cm的地裂縫,其水鹽含量影響范圍約為水平距離裂縫45 cm處,地裂縫區域內土壤鹽分運移趨勢與水分基本一致,遵循鹽隨水行的運移規律,裂縫區含鹽量有向下遷移的趨勢,具有減輕次生鹽堿化發生的潛力。
  • 作者(Author):范立民孫魁李成高帥陳建平仵撥云彭捷鄭苗苗姬怡微蔣蒙
    關鍵詞(KeyWords):地下水監測保水采煤(保水開采)生態水位大型煤炭基地干旱半干旱礦區

    摘要:我國14個大型煤炭基地中,西北地區分布有神東、陜北、黃隴、寧東、新疆等5個,2018年原煤產量占全國的46.28%。這些煤炭基地地處干旱半干旱地區,水資源貧乏,煤炭開發對含水層的擾動強度較大,甚至造成含水層結構損傷,地下水滲漏,水位下降并引發一系列環境問題。通過科學規劃和采煤技術方法革新,調整煤炭開發布局和采煤技術方法,最大限度的減輕煤礦區含水層損傷,已經取得成效,但煤炭開發對地下水擾動動態影響的監控,必須通過建立礦區地下水監測網才能實現。論述了西北煤炭基地地下水監測網建設的背景和思路,介紹了陜西境內陜北、神東、黃隴三大型煤炭基地地下水網監測層位選擇、建設部署及數據采集、傳輸與接收、管理。陜北、神東(陜西境內)和黃隴3個大型煤炭基地主要含水系統包括石炭系—侏羅系碎屑與上覆第四系松散層孔隙含水層系統、白堊系碎屑巖裂隙孔隙承壓水-潛水含水系統和寒武—奧陶系碳酸鹽巖巖溶水含水系統。地下水監測層位的選擇以具有供水價值和生態意義,且受采動影響強烈的含水層為原則,陜北、神東煤炭(陜西境內)基地主要監測第四系薩拉烏蘇組、第四系黃土、燒變巖和侏羅系風化基巖地下水,黃隴煤炭基地黃隴—永隴礦區主要監測白堊系地下水,渭北礦區主要監測奧陶系巖溶地下水。通過新建或改造原有水文長觀孔,已經建成了由218口監測井構成的陜西境內大型煤炭基地監測網,監測數據采用自動化采集、無線傳輸與接收和統一管理,基本實現了監測數據的實時動態觀測和規范化管理。
  • 作者(Author):梁杰王喆梁鯤李玉龍
    關鍵詞(KeyWords):煤炭地下氣化長壁式氣流法滲透式控制后退注氣點工程科技

    摘要:介紹了國內外煤炭地下氣化的研究歷程,總結了煤炭地下氣化的技術特點及研究成果,并指出了其工程科技問題及應用前景。結果表明,在100多年的開發研究過程中,形成了3種類型的煤炭地下氣化技術:① 長壁式氣流法氣化技術,進氣點和出氣點固定,分別位于氣化通道的兩端,一個井進氣,另一個井出氣,利用氣流流動速度控制氣化工作面的移動;② 滲透式氣化技術,利用煤層自然裂隙或人造裂隙作為氣化通道;③ 控制后退注氣點氣化技術,在氣化通道中設置注氣管,利用注氣管連續或間斷后撤,實現注氣點連續或間斷后退移動。國內外煤炭地下氣化技術還沒有實現大規模產業化,需要進一步加強基礎研究和工程技術開發,基礎研究包括地質評價,實體煤層燃燒、熱解、氣化、貫通特性及氣化過程特征場的演化規律,煤層上覆巖在高溫作用下的熱物性變化及冒落規律,地下煤氣化污染物在燃空區的富集、遷移規律;工程技術開發包括規模化生產地下氣化爐結構及構建技術,地下氣化連續穩定控制技術,注氣點移動控制裝備,煤炭地下氣化安全技術,污染物監控及燃空區管理技術,低成本的火區探測及氣化過程分析技術,煤炭地下氣化多聯產技術。煤炭地下氣化技術可以回收老礦井遺棄煤炭資源和開采深部煤炭資源,對保障我國能源安全具有重要的戰略意義。
  • 作者(Author):伍永平贠東風解盤石王紅偉郎丁胡博勝
    關鍵詞(KeyWords):研究進展科學問題長壁綜采大傾角煤層

    摘要:大傾角煤層屬難采煤層,在我國西部地區賦存廣泛,此類煤炭資源的開發對區域經濟發展起到了重要支柱作用。受煤層賦存條件制約,大傾角煤層的巖層運動機理復雜,作業空間受限,綜合機械化開采難度大。自20世紀80年代起我國學者及一線工程技術人員便開始針對大傾角煤層的開采方法、巖層控制理論、關鍵技術裝備展開研究。發展至今,已在理論、技術、裝備等方面取得了較大進展,構架了較為完整的研究體系。從大傾角煤層長壁綜采的進展、實踐、科學問題3個方面系統梳理了已經取得的研究成果、積累的實踐經驗以及未來需要突破的關鍵科學問題。提煉出以下主要觀點:① 我國首次定義了大傾角煤層的概念(煤層傾角35°~55°)并給出了工程解釋,但隨著近年來裝備水平與開采方法的不斷提升革新,大傾角煤層傾角涵蓋范圍的工程解釋應有所外延。自20世紀90年代起至今,在大傾角煤層長壁開采巖層控制基本理論與關鍵技術、工作面動力災害防護方法、工作面主要裝備研發等領域的研究與試驗取得了較大進展。② 在工程實踐方面,除大傾角中厚煤層綜采技術已趨于成熟外,大傾角厚煤層大采高綜采、特厚煤層綜放開采和薄煤層偽俯斜綜采技術均有所突破并取得了一定效果,但仍存在諸多“瓶頸問題”亟需從科學層面予以解答。③ 仍需進一步加強復雜采動煤巖體力學性狀與量化表征、復雜采動煤巖體力學行為及其對工作面災變的控制作用、長壁采場“支架-圍巖”系統多維交互動力學與多目標非穩態控制方法、非規則回采空間隨機分離體形成-運動-損害過程及防護機制等科學問題研究,并以此為前提發明顛覆性開采方法、研發關鍵技術與裝備,最終實現大傾角煤層安全高效與綠色開采。
  • 作者(Author):王恩元馮俊軍張奇明孔祥國劉曉斐
    關鍵詞(KeyWords):沖擊地壓動載應力波演化過程機理

    摘要:針對動載擾動下大型沖擊地壓的發生及演化過程難題,分析了采場動載應力波的產生機制,研究了動載應力波與靜載耦合作用下煤巖體沖擊破壞規律,從應力波的產生、傳播與致災過程詳細解釋了大型沖擊地壓演化機理。研究結果表明,采場高位堅硬頂板斷裂與深部應力集中區煤體破斷所產生的動載應力波幅值隨著煤巖體強度增大而升高,應力波持續時間隨著破斷尺度增大而增大,說明在煤礦開采過程中,頂板或煤體強度越高、破斷尺度越大,越容易產生大能量的動載應力波;動靜載耦合沖擊破壞實驗結果證實,高靜載、高動載應力波、靜載與應力波耦合加載條件均能使煤巖體發生沖擊破壞,且隨著軸向靜載的增大,試樣發生沖擊破壞所需的臨界動載應力波強度先增大后減小,其上升段與下降段的分界點約為單軸抗壓強度50%。當靜載達到該臨界點時,煤體發生沖擊破壞所需的動載應力波強度急劇減小,說明高地應力環境煤巖體受到動載應力波的影響更為顯著;現場大尺度模擬分析表明,動載應力波作用下,采場煤巖體塑性破壞區范圍逐漸增加并主要集中在巷道兩側,且隨著應力波幅值和持續時間增加,塑性破壞區范圍不斷擴大;研究提出了沖擊地壓應力波作用機理:動載擾動下沖擊地壓是靜載、動載應力波與煤巖體結構耦合作用的結果,采場煤巖體大尺度破斷產生高能量動載應力波,應力波與地應力耦合作用導致采掘空間圍巖發生大范圍破壞,最終形成沖擊地壓災害。
  • 作者(Author):卞正富于昊辰侯竟牟守國
    關鍵詞(KeyWords):土地退化影響因素評估煤礦區西部

    摘要:中國西部生態環境極其脆弱,煤炭資源開發與自然因素共同作用導致的礦區土地退化不容忽視,本文旨在揭示我國西部煤礦區土地退化的成因、程度、分布與趨勢,為礦區土地退化防治與國土空間生態修復提供數據基礎與決策依據。提出了煤礦區土地退化的概念,將煤礦區土地退化的直接因素劃分為挖損、塌陷和壓占,間接因素或外在表現劃分為土壤侵蝕、植被退化與沙漠化或石漠化,結合實地調查并輔以高分辨率與高光譜遙感數據解譯,提取了上述土地退化因素信息,并提出了土地退化外在表現的分級評價標準,進而構建了西部煤礦區土地退化的綜合評價模型,對分布于黃土高原區、西南山地丘陵區、北方草原區和西北干旱區的12個重點煤礦區進行了土地退化信息提取、土地退化因素分析與土地退化綜合評價。結果表明:① 影響井工煤礦的萬噸塌陷率的因素有累計采厚、平均采深、煤層傾角及上覆巖性,影響露天煤礦的萬噸損毀率的因素包括煤層厚度、剝離巖土厚度及其堆放方式。② 不同地域的礦區土地退化主要表現有所不同:黃土高原區為植被退化和土壤侵蝕,西南山地丘陵區為土壤侵蝕,北方草原區與西北干旱區植被退化、土壤侵蝕與沙漠化3者兼有。③ 礦山尺度的土地退化要比礦區尺度的更為劇烈,露天開采引起的土地退化要強于井工開采;礦區尺度的土地退化程度與煤炭資源開發強度(用煤礦擾動面積與礦區總面積之比表示)有關,開發強度越大,礦區土地退化程度越嚴重,而土地退化程度與開發強度并不呈正比,它還與礦區的生態脆弱性或承載力有關。因此,不同區域、不同采煤方法造成的土地退化形式及退化程度不一,因此需要采取不同的修復策略;為防止過度土地退化,需要根據礦區生態承載力確定合適的開發強度。
  • 作者(Author):孟召平雷鈞煥王宇恒
    關鍵詞(KeyWords):煤儲層地應力抗拉強度水力壓裂有利區

    摘要:水力壓裂有利區評價是煤儲層壓裂改造施工設計的基礎。通過對沁水盆地西南部3號煤儲層42個水力壓裂地應力測試數據統計,系統分析了研究區煤儲層地應力分布規律。采用378口水力壓裂井資料,基于格里菲斯(Griffith)強度理論計算了研究區煤儲層單軸抗拉強度,建立了煤儲層破裂壓力與最小水平主應力和抗拉強度之間關系和模型,揭示了研究區煤儲層可壓裂性特征,建立了基于Griffith強度理論的煤儲層水力壓裂有利區評價方法,對煤儲層水力壓裂有利區進行了評價。研究結果表明,研究區塊3號煤層最大水平主應力14.67~45.05 MPa,平均為29.31 MPa,最大水平主應力梯度為2.00~4.84 MPa/100 m,平均為3.27 MPa/100 m;最小水平主應力10.51~29.09 MPa,平均為18.61 MPa;最小水平主應力梯度為1.44~2.85 MPa/100m,平均為2.09MPa/100 m,煤儲層應力和壓力均隨深度的增加呈線性增大的規律。基于格里菲斯(Griffith)強度理論計算的研究區3號煤儲層單軸抗拉強度為0.15~1.10 MPa,在平面上存在一定的差異性。根據單軸抗拉強度值將煤儲層可壓裂性劃分為4類,對于較高抗拉強度區和高抗拉強度區(Ⅲ和Ⅳ),煤儲層抗拉強度值大,煤層氣井水力壓裂改造中起裂壓力高,難以進行壓裂改造。對于低抗拉強度區和較低抗拉強度區(Ⅰ和Ⅱ),煤儲層抗拉強度值小,煤層氣井水力壓裂改造中起裂壓力小,易于進行壓裂改造,評價結果與實際水力壓裂情況相吻合。
  • 作者(Author):閔凡飛任豹陳軍劉春福彭陳亮
    關鍵詞(KeyWords):煤泥水化膜疏水改性吸附機理脫水

    摘要:煤泥顆粒表面水化是煤泥脫水困難的重要因素之一,通過弱化煤泥顆粒表面水化膜促進煤泥高效脫水是一種新的技術方法。為掌握基于弱化水化膜促進煤泥脫水機理,采用密度泛函理論方法模擬了不同長鏈烷基季銨陽離子(表面活性劑)在煤泥水主要礦物顆粒表面的吸附,通過對吸附構型、Mulliken鍵布局及電荷的分析,研究了水及藥劑在高嶺石(001)面、α-石英(001)面和蒙脫石(001)面的吸附機理;通過開展煤泥脫水試驗和接觸角測試,探討長鏈烷基季銨鹽藥劑對煤泥水分和表面潤濕性的影響規律。結果表明,水分子在不同種類礦物(001)面的吸附穩定性順序為石英>高嶺石>蒙脫石,石英對煤泥脫水影響大于高嶺石和蒙脫石;長鏈烷基季銨鹽藥劑在礦物表面的吸附穩定性明顯高于水分子,說明藥劑與水分子的競爭吸附作用順序是蒙脫石>石英>高嶺石;長鏈烷基季銨鹽與幾種礦物(001)表面吸附均是以靜電引力為主,弱氫鍵為輔。隨著長鏈烷基季銨鹽藥劑用量的增加,煤泥濾餅水分先減少后增加,當藥劑用量為500 g/t效果最好,水分降低2.25%以上;隨著藥劑用量和鏈長的增加煤泥表面疏水性顯著增加。控制藥劑用量是實現高效煤泥脫水的技術關鍵,添加適量的表面活性劑有利于弱化礦物表面的水化膜,過量長鏈烷基季銨鹽阻礙煤泥脫水。
  • 作者(Author):劉春生李德根春平
    關鍵詞(KeyWords):截齒載荷模型熵權重構正則化神經網絡載荷預測

    摘要:截齒截割煤巖載荷是研制高性能采掘機械和智能化開采的重要基礎,通過探究截齒截割煤巖載荷譜的變化規律和特征,為研究高效、高可靠破巖方法提供理論支撐,針對截齒破碎煤巖過程存在隨機性,傳統的理論推演載荷模型具有單值特性,難以準確描述任意截割條件下煤巖破碎的載荷歷程,提出理論推演的截齒載荷幅值模型和有限實驗載荷譜相結合方式,采用信息熵理論對理論與實驗截割載荷譜進行綜合,應用正則化神經網絡對載荷譜綜合進行模型化重構,根據最小二乘法提出基于有限載荷曲線族預測不同楔入角載荷譜的模型。結合30°~50°楔入角實驗不同參數下載荷譜,以不同楔入角截齒的載荷譜和理論推演模型為例,對比分析不同楔入角下載荷譜的綜合與正則化神經網絡對其模型化重構,以及對不同楔入角的載荷預測。研究表明:構建了過程響應的截割阻力理論推演模型,在此基礎上獲得了30°~50°楔入角下理論與實驗相結合的綜合載荷譜,實現了載荷譜幅值與變化規律的表征,給出了載荷譜正則化神經網絡模型化重構的方法;根據所建立的不同楔入角的載荷預測模型對30°,33°,50°和55°載荷譜進行預測,其中楔入角為30°和50°的預測載荷譜與正則化神經網絡模型化重構載荷譜的互相關系數分別為0.971 7和0.983 9,呈高度相關,其幅值相對誤差分別為4.04%和5.21%,表明該模型可以表征載荷幅值與截割煤巖載荷歷程,模型具有一定優越性,為研究截齒的破碎機制提供了參考。
  • 作者(Author):劉建功李新旺何團
    關鍵詞(KeyWords):充填開采充填材料精準充填采選充留

    摘要:為全面了解煤礦充填開采可行性,國家煤監局組織對我國充填開采技術應用現狀進行系統調研,獲取了我國不同區域、不同井型煤礦各種方法充填開采的詳細資料。充填礦井生產實踐表明:實施充填開采,消除了矸石山對生態環境的污染,有效遏制了地表沉陷,保護地表和地下水資源,避免了地面基礎設施和建筑物損毀和村莊搬遷,減少了井下采空區涌水、降低采空區瓦斯積聚、浮煤自燃等事故發生可能性,取得良好的生態和社會效益。調研發現,我國仍有很多礦井面臨生態環境破壞問題,有的可以通過充填開采予以解決,但真正選擇通過充填開采解決實際問題和堅持長期充填開采的煤礦占比很小,通過深度調研了解了充填開采實施過程中存在的問題,分析了充填開采初期建設投資大、周期長、充填成本高、充填物料短缺、充填能力沒有很好的發揮和缺乏政策激勵等制約我國充填開采發展的主要因素。利用調研結果,探討了區域經濟、地質、生態、資源稟賦、產業特點、產業政策對充填開采的需求程度,以及不同地區、不同井型礦山對充填開采方式的優先選擇原則,并對充填材料來源和充填重點區域進行了分析,研究了我國充填開采技術與裝備的發展前景,提出了利用精準充填建設全過程生態礦山和井下“采選充留”技術路線。
  • 作者(Author):來興平代晶晶李超
    關鍵詞(KeyWords):急傾斜煤層動力災害覆巖結構紅外熱像“聲-熱”演化特征

    摘要:針對烏魯木齊礦區急傾斜煤層采空區頂板沖擊失穩誘發動力災害問題,根據烏東煤礦地質條件進行災害成因分析,建立急傾斜煤層覆巖結構力學模型,結合頂板巖梁能量分布特征,明確致災源頭,提出防控措施;鑒于此,設計覆巖聯動致災物理相似模擬試驗,采用紅外熱像與巖石破裂聲發射(Acoustic Emission,AE)綜合監測手段分析覆巖聯動致災階段性“聲-熱”演化規律,結合3DEC離散元數值計算,確定災源時空信息,指導動力災害防控。研究結果表明:急傾斜煤層開采頂板巖梁與覆巖應力拱形成的“拱-梁”結構具有空間結構關聯特征,該結構在高階段水平分段短壁綜放開采條件下失穩誘發動力災害,將頂板巖梁按能量等級劃分為本水平梁端起裂區、中部離層演生區和上水平拱腳高能區3個區域,其中上水平拱腳高能區為重點致災區域;同時,在急傾斜煤層開采過程中覆巖結構動態破裂具有階段性“聲-熱”演化規律,結合三區內熱值異化程度與AE能率演化特征,將頂板破斷周期劃分為低水平發展、震前平靜、加速活躍和松弛階段,其中加速活躍階段為災害孕育期;基于研究結果制定了采空區頂板預裂爆破切頂解危措施,經全景智能鉆孔窺視監測,致裂效果明顯,災害得到有效控制,為急傾斜煤層開采動力災害防控提供借鑒。
  • 作者(Author):姜德義魏立科王翀范金洋任奕瑋
    關鍵詞(KeyWords):邊緣云計算工業互聯網智慧礦山數據治理

    摘要:隨著工業互聯網在全國各行各業落地應用,相關標準、體系和架構正在日趨完善,然而單一的云計算架構在不同領域應用中所暴露出來的問題也日益明顯。在分析從數字礦山建設到智慧礦山建設進程中所采用的主流架構后,發現目前主流架構將無法滿足日益增長的煤礦智能化的需求。為了科學設計智慧礦山建設的技術架構,基于煤礦五大業務域的數據特點,系統性地將煤礦領域的數據劃分為兩大類(邊緣計算類和云計算類),并以此為基礎融合目前工業互聯網領域提出的4層技術架構特點,設計了基于邊緣云協同計算架構的智慧礦山技術架構體系。最后提出了保證該技術架構落地的3項解決方案:① 利用OPC UA技術提供一個具有統一性、跨層安全性和可擴展的架構來解決數據融合分析時面臨的信息孤島問題,保障了邊緣計算數據和云計算數據跨層級交互能力;② 通過建設具有有界傳輸時延、低傳輸抖動和極低數據丟失率的時間敏感網絡,并憑借其時間同步、數據調度、負載整形等多種優化機制,來保證時間敏感數據的實時、高效、穩定、安全傳輸,可以為數字孿生等未來新的智能化需求提供有效的解決方案;③ 在云端和邊緣端分別部署相應的防護手段,同時在邊緣側與云端之間部署基于物理隔離技術的單向網閘等方式既保證了煤礦邊緣云協同計算技術的安全防護能力又滿足了煤礦智能化的實際需求。
  • 作者(Author):郭慶華衛俊濤龔巖祝慧雯于廣鎖
    關鍵詞(KeyWords):氣流床氣化多噴嘴對置式高溫顆粒群動態特性火焰光譜輻射灰熔融和流動固體結構演變

    摘要:氣流床氣化具有原料適應性廣、碳轉化率高、單爐處理量大、環境污染小等顯著優勢,已成為當今煤氣化技術的主流發展方向。氣流床氣化過程涉及高溫、高壓下多相流動與復雜化學反應的相互作用,爐內反應機理尤為復雜。開展多噴嘴對置式氣流床氣化爐內熱態行為研究能為揭示氣流床氣化爐內反應機理、豐富和發展氣流床煤氣化理論體系以及為工業氣化裝置優化設計和長周期高效穩定運行提供重要依據。本文綜述了氣流床氣化爐內溫度場及撞擊火焰結構、高溫顆粒群動態特性(原位霧化、顆粒流動及演化行為)、火焰光譜輻射特性、煤灰熔融機理和流動特性、氣化過程固體結構演變及其對氣化反應機理的影響等多噴嘴對置式氣流床氣化熱態行為關鍵科學問題的國內外研究進展。研究人員提出并驗證了單視角重建氣流床氣化三維火焰結構及三維溫度場的數學方法,揭示了氣流床氣化爐內熱態顆粒形態、空間行為及壁面沉積過程統計學規律,基于火焰自由基分布特征揭示了撞擊氣化過程強化反應機理,獲得了煤灰中不同礦物組分對煤灰熔融機理及流動特性的定性影響規律,系統考察了氣化過程固體理化結構演變規律及其對氣化反應的作用機制。展望了今后多噴嘴對置式氣流床氣化熱態行為的研究方向。
  • 作者(Author):潘一山肖永惠李國臻
    關鍵詞(KeyWords):沖擊地壓防沖支護防沖液壓支架防沖設計

    摘要:針對現有巷道支護難以抵抗沖擊地壓產生的強震強沖作用從而造成支護失效、巷道垮塌及人員傷亡這一難題,基于巷道圍巖-支護系統的靜力學與動力學理論分析,提出了防沖支護設計的6項原則,即讓位阻力可變原則、讓位位移可變原則、讓位剛度可變原則、讓位頻率可變原則、讓位速度可變原則和讓位能量可變原則。研制了具有吸能功能的巷道防沖液壓支架,通過實驗室試驗對支架防沖裝置中的誘導式預折紋構件進行了吸能特性研究,得到:單節防沖構件平均讓位阻力1820 kN,讓位位移100 mm,讓位剛度和頻率為0,讓位速度為2.3 m/s,讓位吸能為182 kJ;雙節防沖構件平均讓位阻力為2 010 kN,讓位位移為200 mm,讓位剛度和頻率為0,讓位速度為2.2 m/s,讓位吸能為402 kJ,2種構件的實驗結果都達到防沖液壓支架的技術參數要求。進一步,對防沖液壓支架在耿村煤礦井下的支護狀態與吸能防沖效果進行了監測與分析,發現:防沖液壓支架在ML3.0級強震過程中讓位最大達16 cm,發揮了預期的吸能防沖作用,同時間接地證明了防沖支護設計原則的合理性。

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