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煤炭科学技术
煤炭科学技术

王金华

月刊

0253-2336

cst410@china.com

010-84262920 84262926

100013

北京和平里青年沟路5号

煤炭科学技术/Journal Coal Science and TechnologyCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>该刊为实用性的技术类刊物。辟有技术经验、实验研究、问题探讨、专家论坛、新产品、科技信息等栏目。是全国优秀期刊之一，第二届全国科技期刊评比获二等奖。读者对象为有关专业的科研生产设计教学管理等单位的工作者。
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    双碳战略中煤气共采技术发展路径的思考

    李树刚张静非林海飞丁洋...
    138-153页
    查看更多>>摘要：自提出"双碳"目标以来,我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期.煤炭作为兜底能源的地位短期内不会改变,能耗"双控"向碳排放总量和强度"双控"转变的核心即为CH4-CO2 协同减排.在精准分析碳达峰、碳中和阶段煤矿CH4-CO2 双重碳减排面临挑战的基础上,明确了双碳战略中煤气共采技术发展需结合现状需求-技术攻关-政策驱动的核心原则,制定了双碳战略中煤气共采技术的发展路径,论述了其中的关键技术问题.碳达峰阶段,CH4 减排以排放源管控为基础视角,核心为瓦斯抽采-利用全周期碳减排关键技术,包含瓦斯富集区靶向精准抽采技术、低渗煤层增透及注气驱替增流抽采技术、关闭矿井瓦斯逃逸通道封堵减碳技术、瓦斯富集-提浓-利用一体化技术,目的是大幅提升高浓度瓦斯抽采-利用效率,减少低浓度及通风瓦斯碳排放;CO2 减排以"CCUS+生态碳汇"全域负碳排放技术为核心,包含煤层CO2 封存、工业固废采空区充填协同CO2 地质封存、煤矿碳封存区域土壤-地表-大气异常监测及生态碳汇技术,进一步吸纳烟道气或纯CO2 排放.碳中和阶段核心任务是实现CH4-CO2(近)零碳排放,CO2 减排应当由技术攻关示范工程转变为规模化应用阶段,并建立全生命周期煤矿CH4-CO2 排放智能监测及动态管控技术体系,实现监测管控技术手段与碳排放环节深度匹配、碳排放监测管控云平台与煤矿全局监控系统深度对接.最后对未来煤气共采体系绿色低碳发展提出了自身见解与思考:①继续深化"高效精准抽采+全浓度梯级利用"煤矿CH4 零排放技术模式;②持续攻关"CO2 工程封存+生态碳汇"CO2 零排放技术体系;③积极探索煤矿"零碳智慧园区"综合解决方案,形成激励和倒逼并重的煤矿碳减排政策支持体系.

    双碳目标CH4-CO2协同减排煤气共采发展路径绿色低碳

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    矿井火灾智能监测预警技术近20年研究进展及展望

    邓军李鑫王凯王伟峰...
    154-177页
    查看更多>>摘要：为加强矿井火灾智能监测预警系统建设,提出了矿井火灾智能监测预警技术研究思路,从矿井火灾智能感知技术及装备、预测技术及模型、智能预警系统及平台 3方面综述了矿井火灾智能监测预警技术研究进展.首先,总结了内外因火灾信息监测技术及装备,归纳了基于图像视频识别的识别流程,阐述了多源信息融合在火灾监测过程中的应用情况.其次,介绍了矿井火灾的预测技术及模型,包括支持向量机、人工神经网络、随机森林算法等机器学习算法.然后,阐述了矿井火灾预警系统及平台:在总结矿井煤自燃和外因火灾分级预警技术的基础上,介绍了矿井火灾预警系统平台的感知层、网络层、服务融合层以及应用层方面的进展内容;归纳了预警系统各层的内涵及应用框架;搭建了矿井火灾智能监测预警系统.最后,展望了我国矿井火灾智能监测预警技术的未来发展趋势,具体包括:在矿井火灾信息智能感知技术方面,提出加强传感技术及装备研发;在矿井火灾智能预测技术方面,提出加强隐蔽火源的位置探寻方法研究,构建火灾灾害透明化模型;在矿井火灾智能预警系统建设方面,提出将大数据融入智能判识,查明矿井火灾风险源及隐蔽火源位置的预报,实现特殊条件下煤自燃的预警.在矿井火灾智能判识与防控技术联动方面,提出利用大型语言模型在智能判识的基础上实现对矿井火灾的自适应防控.

    煤自燃监测技术外因火灾火源辨识预警系统矿井火灾火灾监测

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    矿井智能通风与关键技术研究

    张浪刘彦青
    178-195页
    查看更多>>摘要：为使智能通风系统建设更加有序、可控,提出了矿井智能通风流程环节,将矿井智能通风流程按照生产环节划分为 6个板块,即感知监测、分析诊断、智能决策、方案审批、远程集控联控、执行反馈,共包含 24个具体环节,建立了各个环节输入输出要素和环节之间的功能逻辑关系.按照"矿井通风系统整体规划+采掘用风区域重点细化"思路,提出了矿井全系统智能通风应用场景实现方案和采煤工作面与掘进工作面 2个细化的智能通风应用场景实现方案,将矿井智能通风各个具体环节融入具体的应用场景中.为实现智能通风应用场景,基于逻辑分层思想优化了矿井智能通风系统整体架构,规划了由硬件驱动层、功能模块层、计算处理层、数据存储层、数据采集层构成的矿井智能通风管控平台.针对通风感知监测、分析诊断、智能决策、远程集控联控 4个矿井智能通风关键板块中涉及的风量风速监测感知、通风阻力在线监测、全风网风量风压解算、灾源判识和灾变定位、矿井动态需风量计算、通风系统故障诊断、风量按需调控方案决策、应急控风方案决策、无人化远程控风、无人化应急控风 10个关键环节,总结分析了目前各个关键环节关键技术现状,提出了各个关键环节关键技术实现路径,通过关键技术迭代升级,最终实现矿井通风系统全生命周期内时刻处于稳定可靠、安全可控、高效节能、应急降灾的运行状态.

    智能通风通风流程管控平台智能决策数据采集

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    碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展

    桑树勋皇凡生单衍胜周效志...
    196-210页
    查看更多>>摘要：我国碎软低渗煤储层分布广泛,然而由于其煤体松软、破碎、渗透性差,常规的直井/水平井煤储层直接压裂技术应用于碎软低渗煤储层强化及其煤层气地面开发的效果并不理想,碎软低渗煤储层煤层气的高效开发是制约我国煤层气产业大规模发展以及煤矿瓦斯高效治理的重要技术瓶颈.在系统分析我国碎软低渗煤储层特征及煤层气地面开发中存在的问题基础上,以水平井为基础井型,围绕间接压裂、应力释放和先固结后压裂 3种不同的技术方向,梳理了目前碎软低渗煤储层强化与煤层气地面开发技术进展.归纳评述了以顶板间接压裂、夹矸层间接压裂以及硬煤分层间接压裂为内涵的间接压裂煤层气开发技术,以水力喷射造穴、气体动力造穴、扩孔+水力喷射+流体加卸载诱导失稳造穴、水力割缝为不同应力释放方式的应力释放煤层气开发技术,以及先微生物诱导碳酸钙固结碎软煤储层再进行水力压裂的先固结后压裂煤层气开发技术.间接压裂技术的工程实践探索已有较多积累,在地质条件适宜地区对碎软低渗煤储层强化取得了较好效果,而以应力释放为代表的碎软低渗煤储层强化新技术探索已取得重大进展,并进入工程试验和验证阶段.水平井应力释放技术针对碎软低渗煤储层特性和新的开发原理,其对储层改造潜力更大、煤层气开发效果会更好.基于水平井应力释放技术,围绕扩大应力释放范围、提高煤层气开发效果以及实现煤与煤层气共采 3个方面,对碎软低渗煤储层强化及煤层气地面开发技术的发展趋势进行了展望,以期为改善我国碎软低渗煤储层增产改造效果以及提高煤层气单井产量提供参考.

    煤层气碎软低渗煤储层储层强化技术地面开发水力压裂

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    倾斜碎软煤层群煤层气协调开发关键技术——以艾维尔沟矿区为例

    梁运培朱拴成陈亮赵坤...
    211-220页
    查看更多>>摘要：为了明确与倾斜碎软煤层开采条件相适配的煤与煤层气协调开发关键技术,基于倾斜碎软煤层群瓦斯难抽采与煤层群非对称采动特征,形成了与之匹配的非对称卸压时空协同"三孔四区五量"煤与煤层气协调开发模式,明确了非对称采动下煤与煤层气协调开发策略,阐明了井上下联合煤与煤层气协调开发时空协同机制.针对倾斜碎软突出首采煤层消突困难的问题,优化了倾斜碎软煤层下向长钻孔施工工艺,研制了钻头电磁波无线随钻测量系统,实现了更高精度的钻孔轨迹防偏.针对非对称采动区地面井防护缺乏针对性的难题,阐明了非对称采动覆岩卸压破坏时空演化特征,获得了非对称采动下覆岩采动裂隙演化特征,确定了倾斜煤层地面井井位安全位置,研发了能够兼顾地面井稳定性和抽采效率双因素的采动区地面三开套管结构.应用结果表明:时空协同的"三孔四区五量"模式能够实现煤层气高效抽采,保障倾斜煤层群的抽掘采接替平衡;倾斜煤层下向钻孔递进式抽采方式拓展了递进式抽采的应用范围,破解了倾斜煤层煤层气抽采过程中的时间不协调问题;优化后的采动地面井维稳结构能够适应非对称采动作用,实现了采动区地面井煤层气高效抽采.上述成果在新疆焦煤集团艾维尔沟矿区得到推广应用,初步形成符合艾维尔沟矿区主要高瓦斯矿区倾斜煤层特点的煤层气抽采关键技术和典型模式.

    煤层气开发技术下向钻孔地面钻井倾斜碎软煤层非对称采动

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    基于上覆岩层应力场和裂缝场演化的采动井套管破断特征及防控对策

    李延河倪小明王保玉谭学斌...
    221-231页
    查看更多>>摘要：准确确定出煤矿采动井套管破断特征并提出相应的防控对策,能为井筒长期稳定提供重要保障.以平顶山矿区的二1 煤层及上覆岩层为研究对象,采用理论计算与数值模拟软件模拟方法,确定出上覆岩层离层段应力和位移分布规律,分析了上覆岩层高度、距工作面水平距离与应力、位移的相关性,拟合出上覆岩层高度、距工作面水平距离与应力、位移的关系式;根据研究区采动井的实际开发经验,确定出最佳布井区域下的套管主要破断类型,结合常用套管力学参数,得出"两场"演化下的套管破断位置及长度等特征;对常用的采动井局部防护技术进行总结,并提出对应的防控对策.结果表明:工作面推进过程中,上覆岩层应力呈现出"波动-线性降低"的变化规律,位移呈现出"几乎未发生变化-类双曲线型"的变化规律.最佳布井区域下的采动井套管主要以拉伸缩径和剪切破断为主,选择施加套管加强件对采动井套管进行加固.研究区地面采动井三开段采用N80套管时,需在煤层上部 46 m亚关键层处、54 m软硬互层处分别加设抗拉伸套管加强件和抗剪切加强件;采用P110套管时,需在煤层上部 46 m亚关键层处加设抗拉伸加强件.建议研究区地面采动井三开段均采用P110套管,增加采动井的井筒稳定性.该研究成果为平顶山矿区及相似条件下采动井预防套管破断提供了理论指导.

    采动井套管破断防控对策加强件上覆岩层组合

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    超声振动在矿山煤岩致裂中的研究进展与展望

    王旭锋牛志军张磊李翔宇...
    232-243页
    查看更多>>摘要：为了推动超声振动致裂煤岩体技术的发展,提高矿山煤层气增产及硬岩掘进的效率,回顾了超声波技术的发展历程,综述了超声振动在致裂煤岩体方面的应用现状与研究进展,明确了超声振动在煤岩致裂领域存在的关键阻碍性技术难题及发展趋势.① 总结了传统技术在矿山煤层气增产和硬岩掘进领域存在的技术问题,介绍了超声波技术的独特优势及应用领域,阐述了超声波发生器和超声波换能器的发展阶段及相应性能;② 归结了超声振动煤层气促解増渗装置及流程,分析了超声振动煤层气促解增产现状,阐明了超声空化效应、机械振动效应、热效应作用下煤层气降压、加速、位能及动能增加进而促进其解吸増渗的机制;③ 归纳了超声振动破岩装置及流程,阐述了超声振动破碎硬岩的进展,揭示了超声振动产生的机械振动效应与热效应作用下疲劳损伤、微裂纹亚临界扩展、矿物颗粒不均匀热膨胀或矿物相变、岩石物理力学特性劣化导致硬岩破碎的内在机理;④ 针对超声波发生器、换能器及超声振动在矿山致裂煤岩体中的局限度,对未来超声振动致裂煤岩体在现场高效应用的研究重点提出了 4点建议:高性能防爆型超声波发生器和换能器的研发,超声振动促解増渗机理的深入分析及管线技术框架设计,多功能及多场耦合室内超声振动致裂煤岩体设备研制与试验,井下抗干扰超声振动设备的研发应用.

    采矿工程超声作用装置超声振动煤层气増渗硬岩破碎

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    新疆北部早、中侏罗世富油煤分布规律及控制因素

    宁树正张莉徐小涛张建强...
    244-254页
    查看更多>>摘要：新疆北部富油煤资源丰富,约占全国富油煤资源的一半左右,富油煤资源的合理开发利用,是我国煤制油气用煤资源的重要补充.以往对本区煤炭资源的研究忽视了其油气资源属性,对其富油煤质特征和成因规律认识不清.在系统整理新疆北部 6个赋煤带富油煤地质资料的基础上,补充采样测试数据 137组,分析早、中侏罗世富油煤的煤岩煤质特征和分布规律,进一步探讨了富油煤形成的控制因素.通过对焦油产率的研究发现,新疆北部地区东北部、西部、中部部分地区焦油产率相对较高,东北部地区八道湾组高油煤呈不连续带状分布.按照煤的焦油产率由高到低依次为巴里坤-三塘湖赋煤带、准南赋煤带、伊犁赋煤带、准北赋煤带、吐哈赋煤带和准东赋煤带.新疆北部地区早、中侏罗世富油煤的形成主要受到成煤沉积环境、煤化程度和煤的显微组分等主要控制因素的影响.覆水还原环境为富油煤的富集提供了良好的条件,富油煤主要形成于相对覆水还原的泥炭沼泽环境,还原性越强,越利于富油煤生成和富集.煤的焦油产率随着镜惰比(V/I)的增加呈现升高的趋势,并且与挥发分和镜质组呈现正相关关系.镜质组最大反射率在生油高峰之前与焦油产率之间存在正相关性,随着煤化程度的升高,煤的焦油产率逐渐增加.煤的显微组分中含量相对较高的镜质组对焦油产率具有明显的正向促进作用,其中,富氢镜质组为富油煤的发育提供了良好物质基础.

    富油煤焦油产率煤的显微组分煤化程度镜惰比富氢镜质组

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    生态脆弱煤矿区水体中微生物群落特征及矿井充水指示

    范立民李涛高颖白如鸿...
    255-266页
    查看更多>>摘要：我国生态脆弱矿区水资源整体匮乏,但局部地区矿井涌水却异常巨大.对生态脆弱矿区异常矿井充水水源识别,对矿区生态环境保护意义重大.研究以涌水量超过 1 000 m3/h的榆树湾煤矿为背景,在分析矿井涌水量特征的基础上,采集了研究区主要含水层和矿井涌水点的 30个水样,开展了水样高通量微生物测序研究.对测序结果采用Alpha多样性分析、Beta多样性分析及微生物构成差异分析,系统研究了矿井水体中微生物群落特征,分析了矿井充水来源.研究结果表明:高通量测试结果通过了Coverage指数检验,验证了其用于矿井充水识别的可行性.但人类活动密切接触的水样显示出微生物更加丰富,需要在取样中有效规避.榆树湾煤矿浅表松散含水层中微生物丰富度和多样性都较高,以新鞘脂菌属(Novosphingobium)、梭杆菌属(Fusobacterium)和硫属(Sulfuricum)等微生物丰度最高;直罗组为代表的基岩含水层微生物丰富度较低,但微生物多样性较高,以丛毛单胞菌属(Comamonas)、蛲虫属(Vermiphilaceae)和巴氏杆菌(Paeniglutamicibacter)等微生物丰度最高.所有水样中最为优势的门类为变形菌门,占比达到 35.5%～89.7%.Alpha多样性、PCoA和NSDM分析揭示了榆树湾矿井充水水源主要来自松散含水层和直罗组含水层.但Beta多样性分析发现,随着直罗组静储量的释放,松散层中离石组黄土充水比例进一步增大.综合分析显示,榆树湾煤矿目前为基岩含水层快速释水+离石组含水层持续释水模式的充水模式,矿井涌水统计分析结果验证了这一结论.研究为相似化学成分含水层充水识别,提供了新的方法.

    保水采煤高通量测序矿井充水微生物群落涌水规律

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    岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水治理技术

    李海燕夏茂哲张锟张波...
    267-279页
    查看更多>>摘要：我国岩溶地质分布广泛,岩溶突涌水已成为石灰石矿山安全生产的巨大灾害与挑战.以广西某岩溶凹陷式露天矿山大流量涌水为研究对象,针对该矿山地质条件复杂、集中涌水量大、流速高等特点,利用岩溶发育特征、资料分析与地球物理探查等方法初步圈定矿山径流带区域;进一步通过钻探、跨孔CT和示踪联通试验等精准查找到矿山Y01特大涌水点岩溶管道的具体位置,在此基础上研究并实施了矿山涌水治理技术与工艺.研究表明:①针对复杂岩溶凹陷式露天矿山大流量、高流速的涌水特征,提出并实施了"非连续帷幕截流+关键通道探查与封堵+止浆垫控流降速"的岩溶矿山涌水综合治理体系.依据岩溶发育的不均匀性,提出了非连续帷幕封堵裂隙型涌水区域的思想;对大流量岩溶管道型集中涌水设计采用止浆垫控流装置,通过控流能有效降低关键过水通道内水流速度,为注浆材料的有效留存沉积和工程的成功封堵提供了重要条件.②关键孔联合注浆工艺是岩溶管道型涌水成功封堵的保证,关键孔是指直接揭露岩溶涌水管道或与涌水管道联通性极强并对注浆堵水起主要作用的钻孔.针对矿山Y01岩溶管道型特大涌水精准查找到 2个关键孔,均在矿坑南部:一个是距涌水点直线距离约50 m的近距离钻孔(以下简称"近孔"),另一个是距涌水点直线距离约 150 m的远距离钻孔(以下简称"远孔").现场采用近孔、远孔 2个关键孔联合注浆工艺:近孔以粗骨料和自主研发的可控凝结新型材料进行注浆,远孔仅注水泥浆液;近孔粗骨料和新型材料既能降低管道内的水流速度为远孔浆液起到更好的留存沉积作用,又能作为封堵材料起到增强的功能,远孔因其离涌水点距离长、辐射范围广、浆液扩散充分而能确保封堵长度和效果.近孔、远孔协同配合同步注浆是封堵管道型大流量涌水的有效组合工艺.③涌水口止浆垫控流降速装置的合理有效调控,配合关键孔联合注浆工艺的同步实施,进一步确保了注浆浆液的有效快速留存和沉积,是岩溶地区封堵管道型大流量涌水的创新性技术和方法.项目实施后,彻底封堵矿坑内集中涌水量达7.12万m3/d的Y01特大涌水点,实现总减水量 8.43万m3/d(含非连续帷幕注浆封堵),保证了矿山的正常安全开采,大幅降低了抽排水费用,同时保护了周边环境和地下水资源,具有显著的经济效益和社会效益.研究成果可为我国矿山涌水灾害治理提供理论价值和经验借鉴.

    岩溶地区涌水治理关键通道非连续帷幕控流降速

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