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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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    软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与工程实践

    王虹李发泉张小峰
    280-287页
    查看更多>>摘要：软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求.以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速掘进面临 3个方面的难题,包括全宽截割对围岩的扰动控制,软弱围岩及时高效永久支护,软弱围岩快速掘进煤帮临时支护.提出了软弱围岩掘锚一体化快速掘进的 5项关键技术,包括:①低扰动截割技术.主要包括椭型全宽截割滚筒、截齿排布优化、截割动力学优化等.②减小空顶空帮距的及时支护技术.该技术是在掘锚一体化技术基础上,研制了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台,将掘锚一体机作业空顶距由 2.5 m降至 1 m,作业空帮距由 3.5 m降至 1 m.③软弱围岩多维度协同支护技术.综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护.④钻锚一体化技术.主要包括锚杆结构和力学特性、锚固剂材料及泵注技术等.⑤煤帮喷涂临时支护技术.主要包括快反应高延伸率喷涂材料、高比例精度喷涂泵送、不规则煤壁表面自适应轨迹控制、矿用防爆高精度机械臂、喷涂材料配套补给等.基于以上内容,研制了可控作业空顶距掘锚一体机,并进行了井下试验.试验表明,该装备有效缩短了作业空顶距和空帮距,实现了作业空顶距"可控",适应于软弱围岩巷道快速掘进,掘进效率提高了1倍.

    软岩巷道快速掘进掘锚一体化钻锚一体化协同支护

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    改进的ORB-FLANN煤矸石图像高效匹配方法

    马宏伟周文剑王鹏张烨...
    288-296页
    查看更多>>摘要：针对煤矸石分拣机器人分拣煤矸石时,带式输送机输送带打滑、跑偏以及带速波动造成的目标煤矸石位姿变化,从而导致抓取失败或空抓漏抓等问题,提出了一种改进的ORB-FLANN(Ori-ented FAST and Rotated BRIEF-Fast Library for Approximate Nearest Neighbors)煤矸石识别图像与分拣图像高效匹配方法.提出改进ORB的特征点检测方法对煤矸石识别图像与分拣图像进行特征点检测,实现快速检测图像特征点;提出改进FLANN匹配算法对图像特征点进行匹配,实现煤矸石识别图像与分拣图像高效匹配.针对传统ORB方法对煤矸石图像特征检测时间长、重复率低问题,提出了改进ORB特征检测方法,提高了图像特征点检测速度和重复率;针对传统FLANN匹配方法对煤矸石图像匹配精确率低问题,提出了融合PROSAC算法的改进FLANN匹配方法,剔除错误特征匹配点对,提高了图像匹配的精确率.在自主研发的双机械臂桁架式煤矸石分拣机器人试验平台上应用文中方法、SURF特征匹配方法、HU不变矩匹配方法、SIFT特征匹配方法和ORB特征匹配方法分别进行了不同带速、尺度、旋转角度条件下的煤矸石匹配试验,结果表明:本方法的匹配率为98.2%,匹配时间为 141 ms,具有匹配率高、实时性好以及鲁棒性强等特点,能够满足煤矸石识别图像与分拣图像高效精准匹配的要求.

    煤矸石分拣机器人煤矸石识别图像煤矸石分拣图像特征检测特征匹配

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    基于Transformer和自适应特征融合的矿井低照度图像亮度提升和细节增强方法

    田子建吴佳奇张文琪陈伟...
    297-310页
    查看更多>>摘要：高质量矿井影像为矿山安全生产提供保障,也有利于提高后续图像分析技术的性能.矿井影像受低照度环境的影响,易出现亮度低,照度不均,颜色失真,细节信息丢失严重等问题.针对上述问题,提出一种基于Transformer和自适应特征融合的矿井低照度图像亮度提升和细节增强方法.基于生成对抗思想搭建生成对抗式主体模型框架,使用目标图像域而非单一参考图像驱动判别器监督生成器的训练,实现对低照度图像的充分增强;基于特征表示学习理论搭建特征编码器,将图像解耦为亮度分量和反射分量,避免图像增强过程中亮度与颜色特征相互影响从而导致颜色失真问题;设计CEM-Transformer Encoder通过捕获全局上下文关系和提取局部区域特征,能够充分提升整体图像亮度并消除局部区域照度不均;在反射分量增强过程中,使用结合CEM-Cross-Transformer En-coder的跳跃连接将低级特征与深层网络处特征进行自适应融合,能够有效避免细节特征丢失,并在编码网络中添加ECA-Net,提高浅层网络的特征提取效率.制作矿井低照度图像数据集为矿井低照度图像增强任务提供数据资源.试验显示,在矿井低照度图像数据集和公共数据集中,与 5种先进的低照度图像增强算法相比,该算法增强图像的质量指标PSNR、SSIM、VIF平均提高了 16.564%,10.998%,16.226%和 14.438%,10.888%,14.948%,证明该算法能够有效提升整体图像亮度,消除照度不均,避免颜色失真和细节丢失,实现矿井低照度图像增强.

    图像增强图像识别生成对抗网络特征解耦Transformer

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    基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法研究

    张旭辉陈鑫杨文娟雷孟宇...
    311-322页
    查看更多>>摘要：煤矿井下掘锚装备智能化是改善行业采掘失衡问题的关键,而掘锚装备的精确定位是实现其智能化的前提.与其他传统定位方法相比,基于视觉的位姿测量方法以其无接触、无累计误差的优势在煤矿井下得到了初步的应用.针对目前煤矿井下掘进工作面掘锚装备视觉定位方法存在的合作标靶结构复杂、标定繁琐的问题,结合掘进工作面原有激光指向仪特征,提出一种基于单激光束信息的掘锚装备视觉定位方法.该方法通过分析激光指向仪光斑及光束图像特征,提出了一种基于二维反正切函数拟合的激光光斑中心提取方法和基于Hough直线检测的激光束中心线提取方法,构建了基于点线特征的双目视觉位姿解算模型,得出了掘锚装备在巷道中的实时位姿.最后,为了验证提出的特征提取方法和视觉定位方法的可行性和准确性,在实验室模拟掘进工作面工况环境搭建平台进行了试验.结果表明:基于矿用激光指向仪信息的掘锚装备视觉定位方法具有较高的位姿测量精度.在 50 m的测试范围内,机身位置在巷道坐标系下沿X轴、Y轴和Z轴的平均测量误差分别为25.44、58.64、31.08 mm,其最大误差分别为 55.16、127.39、63.57 mm;机身姿态在巷道坐标系下的俯仰角、偏航角和横滚角的平均测量误差分别为 0.22°、0.22°、0.41°,其最大误差分别为 0.29°、0.37°、0.58°.满足煤矿井下巷道施工的定位精度要求.

    双目视觉单激光束视觉定位特征提取掘锚装备

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    北方防沙带大型露天煤矿区生态保护与修复技术

    李全生李淋方杰周伟...
    323-333页
    查看更多>>摘要：北方防沙带是我国防治沙化和荒漠化的关键地带,是"三北"工程的核心区,区内土壤贫瘠、风速大、干旱缺水、植被稀少、生态恢复力低,而大型露天煤矿开采与生态保护矛盾突出,直接影响区域生态安全和国家能源保供,迫切需要开展大型露天矿区生态保护修复研究.针对北方防沙带大型露天煤矿区开采引起的土地破坏、扬尘起沙、水位下降、土壤沙化、植被退化等问题.以北方防沙带面积和露天煤炭产量占比均最大的内蒙古的大型露天煤矿区为研究区,秉承"减损开采-立体保水-造土活土-系统修复-集成监管"的研究思路,揭示大型露天矿岩土损伤-生态退化传导机理、生态减损开采机制、重建生态自维持机制,研发生态保护型减损开采、生态化设计、水资源保护与综合利用、抗侵蚀地貌重塑、排土场活土层精细重构、土壤改良与提质增容、菌-藻-草联合修复、生态系统退化监管等关键技术,形成适合北方防沙带露天煤矿区生态保护与修复技术体系,建成大型露天矿区生态保护修复集成示范区.创建低成本、高效率、可持续、可复制的大型露天矿区生态保护修复模式,为保障我国北方防沙带大型露天矿区科学开采与生态安全提供支撑,实现煤炭开发能源保供与生态保护相协调、"开发金山银山,再造绿水青山"的目标.

    北方防沙带露天矿生态保护减损开采系统修复

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    露天煤矿排土场边坡植被恢复群落稳定性研究

    陆兆华张琳
    334-344页
    查看更多>>摘要：为了揭示露天煤矿排土场边坡植被恢复群落稳定性的动态特征和变化模式,以内蒙古北电胜利露天煤矿 4个排土场为研究对象,选取 Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数和Simpson优势度指数、植被盖度、植被高度、地上和地下生物量 8个指标,构建了基于群落结构稳定性与群落功能稳定性的排土场边坡植被恢复群落稳定性评价体系,采用综合评价法对处于人工植被恢复中的内排土场和恢复年限分别为 4 a、5 a、8 a的沿帮排土场、南排土场和北排土场的南、北方向边坡植被恢复群落稳定性进行综合评估,并对群落稳定性因子与土壤含水量、有机质、全氮、全磷、全钾等环境因子间关系进行分析,探究影响排土场边坡群落稳定性的影响因素.结果表明:①随着恢复年限的增加,边坡植被群落稳定性整体呈稳步上升趋势,但与草原站背景值相比,其综合评价指数处于较不稳定或不稳定状态.②随着恢复年限的增加,排土场边坡群落稳定性由结构稳定性主导转向功能稳定性主导.恢复初期受人工影响,物种多样性提高,结构稳定性较高,随着时间的推移,结构稳定性波动下降,功能稳定性上升,其中地下生物量增长迅速,生物量向地下转移,进而形成矿区特有的植物群落结构稳定与功能稳定转变特征.③从坡向来看,随着恢复年限的增加,边坡群落稳定性逐渐由南坡优于北坡转变为北坡优于南坡.④南坡的结构稳定性与环境因子的相关性较高,而北坡的功能稳定性与环境因子相关性较高,表明不同坡向的群落采用了不同的响应策略以适应环境的变化,丰富的有机质和全氮含量对排土场边坡群落功能性稳定性会产生积极影响.

    露天煤矿排土场边坡群落稳定性结构稳定性功能稳定性生物量

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    采煤沉陷区复垦对土壤细菌群落组装及固碳功能的影响——以东滩矿区为例

    陈浮宋晓君董文雪朱燕峰...
    345-354页
    查看更多>>摘要：复垦能有效提升矿区生态服务功能,但复垦土壤功能重建的微生物学机制尚不清晰.厘清复垦如何影响土壤细菌群落特征、组装机制及固碳功能,对重塑矿区生态自维持能力至关重要.为此,结合零模型分析,采用MiSeq高通量测序及qPCR芯片技术,探索东滩矿区 9 a、12 a、15 a和 18 a等 4个复垦年限土壤细菌群落组装过程及固碳功能变化.结果表明:①复垦和复垦时间对土壤理化和酶活性影响显著,复垦土壤pH、铵态氮(AN)、过氧化氢酶(CAT)及磷酸酶(PO)随复垦时间增长呈显著增加(P<0.05),有机碳(SOC)、有效磷(AP)、硝态氮(NN)及脲酶(UE)、β-葡萄糖苷酶(BG)、蛋白酶(PRO)则相反(P<0.05);②随机性过程主导了复垦土壤细菌群落的组装过程,且扩散限制的贡献最大;③有机碳、硝态氮、铵态氮、有效磷、β-葡萄糖苷酶及过氧化氢酶与碳循环功能基因丰度有显著性相关,复垦改善土壤理化从而增强固碳功能;④结构方程模型显示,复垦年限增加直接影响土壤理化性质,进而间接影响土壤微生物群落的组装过程,这可能是导致碳循环功能基因丰度变化的主要原因.研究结果为矿区复垦土壤生产力改善和固碳功能提升提供理论依据.

    矿区生态修复东部矿区土地复垦土壤微生物固碳基因

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    高潜水位矿区土地利用和碳储量时空变化规律与预测

    徐良骥贺震东刘潇鹏张坤...
    355-365页
    查看更多>>摘要：高潜水位矿区采矿活动及城镇化发展会导致土地利用类型明显变化,进而影响矿区的固碳能力.采用潘谢矿区 2002-2021年 5期土地利用数据,利用FLUS(Future Land Use Simulation)模型,选取了采矿、社会经济和气候环境等方面数据作为驱动因子,分别预测了自然发展和生态保护两种情景下 2028年土地利用变化,再结合InVEST(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Trade-offs)模型,计算了潘谢矿区 2002-2021年的历史碳储量以及 2028年不同情景下的未来碳储量,并对潘谢矿区碳储量的时空变化特征进行了分析.结果表明:① 2002-2021年潘谢矿区土地利用变化表现为耕地不断减少,湿地和建筑用地持续增加,其中耕地减少了 147.93 km2,湿地和建筑用地分别增加了 71.01 km2 和 75.76 km2.在此期间,潘谢矿区碳储量减少了 1.62×105 t,减少幅度为 3.83%,其中在 2018-2021年碳储量下降最快.②预测结果显示,2028年 2种情景下研究区内土地利用变化均为湿地和建筑用地持续增加,耕地不断减少.但相较于自然发展情景,生态保护情景下矿区内耕地受到保护,面积有所增加,湿地和建筑用地的增长减缓.与 2021年相比,自然发展情景下的碳储量减少了 0.74×105 t,生态保护情景下的碳储量减少了 0.53×105 t.研究结果表明,受采煤沉陷和城镇发展影响,沉陷湿地和建筑用地扩张导致耕地减少是碳储量下降的主要原因,采取生态保护措施能够在一定程度上减缓碳储量的下降.

    高潜水位矿区土地利用变化FLUS模型InVEST模型碳储量

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    新疆东部煤中水溶态元素组合模式研究

    白向飞丁华何金张昀朋...
    366-379页
    查看更多>>摘要：新疆高碱煤中水溶态钠、氯、硫酸根离子等含量较高,严重影响了新疆煤的清洁高效利用,高碱煤中水溶态元素的组合模式及其对煤质的影响已成为科学认识和评价新疆煤需要解决的一个基本问题.研究采集了新疆东部地区大井、西黑山、三塘湖、淖毛湖和沙尔湖等矿区的煤层煤样和商品煤样,以及不同矿区地表土壤、煤层上覆岩层、煤层顶板和夹矸样品,包括部分矿区地表盐岩样品,利用溶滤试验,测定了各相关样品中水溶态离子的含量;综合各矿井煤灰成分分析、水溶态离子占比、水溶态离子比值参数与Piper三线图等方法,分析了不同矿区煤中水溶态元素的组合特征差异;通过比较煤层、含煤地层中其他岩层及地表土壤中各种水溶态离子含量的变化,初步探讨了煤中水溶态元素的可能成因及其影响因素.结果表明:新疆东部不同矿区煤中水溶态元素含量和组合模式都存在比较显著的差异,其含量差异可以达 3倍左右,组合模式方面,既有 Cl-Na型和Cl·HCO3-Na型,也有SO4-Na·Ca型和SO4·HCO3-Na型等其他类型组合分布.各种水溶态离子比值参数显示,煤中水溶态离子之间发生过离子交换作用.新疆高碱煤的形成是一个目前仍在发展中的现代地质作用过程,地表盐岩和土壤中水溶态离子随地下水下渗逐步进入煤层而导致高碱煤形成的可能性极大,且过程比较复杂.受离子交换作用和沉淀作用等因素影响,煤中碱金属、碱土金属和氯、硫等元素的相互结合形态、赋存状态变得更加复杂,但水溶态仍是主要形式.

    新疆东部矿区新疆高碱煤碱金属水溶态元素

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    煤矸石资源化利用现状与进展

    竹涛武新娟邢成鞠秋歌...
    380-390页
    查看更多>>摘要：在实现"碳达峰与碳中和"目标的背景下,煤炭作为国家能源安全的基石,其绿色开发对我国经济建设和社会发展起到了至关重要的作用.然而,在煤矿开采及分选加工过程中,煤矸石作为煤炭主要伴生副产物,已成为我国急需处理的大宗固废之首.然而,目前煤矸石的综合利用率仍处于较低水平,尚未形成较为规范可行的研究体系.因此,针对煤矿开采与煤矸石堆积所造成的水、大气与土壤环境污染问题,通过煤矸石在生产能源、有价金属回收、建筑材料生产与其他方向的资源化利用的相关研究进展,结合煤矸石在防止重金属污染、土壤修复、防止水土流失等方面的应用,最后提出了煤矸石资源化利用未来的发展方向,根据整体进行规划与资源整合,不仅有大量用于常规目的的煤矸石资源化利用方向,同时还有用于生产高附加值产品的特殊用途,通过两者相结合,实现煤矸石的综合化和资源化利用,为其"减量化、资源化、循环化"发展提供借鉴.总之,煤矸石资源化利用是我国煤炭产业转型升级的重要方向,也是实现绿色可持续发展的必由之路.只有通过不懈的努力和持续的创新,才能更好地解决煤矸石堆积问题,推动煤矸石资源化利用向更加高效、环保、可持续的方向发展,为我国经济社会可持续发展做出更大的贡献.

    煤矸石资源化利用高值化利用生态环境土壤复垦

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