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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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    深部近距离煤层群瓦斯涌出异常煤层孔隙结构综合表征

    袁安营杨晓璐侯俊领付光胜...
    116-126页
    查看更多>>摘要：煤与瓦斯突出事故一直是煤矿安全生产中的重大问题,煤体中孔裂隙是瓦斯吸附与运移的主要场所,研究孔裂隙结构特征对瓦斯灾害的防控治理具有重大意义.以淮南矿区谢桥矿瓦斯异常涌出煤层煤体为研究对象,对比未发生事故区域及邻近煤层煤体,开展扫描电镜(SEM)、低场核磁共振(NMR)等试验研究,对煤体孔裂隙类型、孔隙连通性、孔径分布、有效孔隙率及渗透率等参数进行研究,探讨煤体孔隙结构对瓦斯吸附及运移的影响.结果表明:煤体孔隙结构必将影响其渗透性,煤体内部碎粒孔大量发育及矿物充填情况严重时不利于流体运移;异常煤层与邻近煤层饱和水煤样核磁共振时间T2 谱均发育 3个峰,主要以短弛豫时间为主,但各煤体孔径分布及孔隙连通性具有一定差异,异常煤体微孔异常发育,中小孔相对不发育、吸附孔与过渡孔之间连通性差,说明瓦斯运移的差异性与孔径分布和孔隙连通性有关;异常煤体有利于瓦斯吸附不利于瓦斯扩散,且瓦斯放散初速度更大,在受到采动影响时更易发生瓦斯异常涌出或突出事故;煤体微孔占比与有效孔隙率呈负相关关系,中小孔占比与有效孔隙率呈正相关关系,而有效孔隙率与煤体渗透率呈显著线性关系,说明煤体孔径分布是通过影响煤体有效孔隙率,进而影响煤体渗透率;有效孔隙率直接影响煤层渗透率大小,也与煤质参数存在一定关系,在一定程度上可作为评价煤层性质的指标之一.

    瓦斯涌出异常孔裂隙特征有效孔隙率瓦斯运移渗透率

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    煤中高活性含碳固体自由基与煤自燃反应性的相关关系

    李金虎黄珏洁陆伟徐天硕...
    127-142页
    查看更多>>摘要：低温氧化后煤中的自由基演化规律被广泛研究,以探讨煤炭自燃的机理.然而受氧化的影响,煤在室温空气下测定的自由基偏向于不反应的固体自由基,其演化规律无法准确反映煤样的氧化过程.如何实现煤中高活性固体自由基的室温测试成为研究焦点.研究中,3种不同自燃倾向性的煤样被选择,结合宏观及微观手段对煤样低温氧化及低温受热分解过程气体产物、自由基参数进行分析,以建立煤中含碳固体自由基与煤自燃倾向性之间的相关关系.试验首先进行了煤样的自燃倾向性、氧化及受热分解气体产物对比,进而利用电子顺磁波谱技术进行煤样的自由基参数测试,并通过自由基图谱分峰拟合的方法比较了低温氧化和低温受热分解过程中自由基参数及各类自由基浓度的演化规律.研究发现,宏观上,低温氧化及低温受热分解过程中均会产生CO、CO2,但其气体的体积分数存在差异.受热分解后煤样在室温氧化中会立即产生大量CO、CO2 等气体氧化产物,表明热分解过程会产生能够在氮气条件下累积的高活性固体物质,其在室温下就能迅速与空气发生氧化反应.微观上,煤样低温氧化过程的自由基受链式反应影响,自由基参数及各类自由基浓度变化与自燃倾向性关联性较弱,而受热分解过程产生的烷基自由基及自由基总增加量能够准确反映煤样的自燃倾向性.通过受热分解后室温氧化自由基测试证实煤中高活性含碳固体自由基归属于烷基自由基结构,其含量与煤自燃倾向性呈明显正相关.研究实现了煤中高反应活性含碳固体自由基的室温检测,提出了基于受热分解过程高活性含碳固体自由基增加量的煤自燃倾向性分析方法,研究对煤炭自燃机理的探讨和煤自燃高效抑制材料的研发具有重要意义.

    煤炭自燃低温受热分解自燃倾向性自由基机理

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    基于正交试验与回归分析的巷道内喷雾降尘后煤尘粒度预测

    江丙友章玉前余昌飞计犇...
    143-153页
    查看更多>>摘要：为探究影响喷雾降尘效果的主要因素对喷雾降尘后煤尘粒度的作用规律,获得表征影响因素与喷雾降尘后煤尘的粒径参数间定量的数学模型.基于搭建的喷雾除尘综合实验平台,应用正交试验和回归分析方法,研究喷雾架距尘源距离、巷道风速和喷嘴供水压力 3个因素作用下喷雾降尘后煤尘特征粒径D90 的变化规律,并对 25组试验结果进行相关性分析.通过均方差决策法,确定了各影响因素在喷雾降尘后煤尘D90 中所占的权重值.在此基础上,结合各影响因素的权重,构建了基于加权的喷雾降尘后煤尘D90 多元非线性回归预测模型,并将其与多元线性回归模型的预测结果进行了对比分析.研究结果表明:喷雾降尘后煤尘D90 随喷雾架距尘源距离的增加而降低,随风速的增加先增大后减小,随供水压力的增加而增加;全尘、呼尘降尘效率和D90 存在较强的正相关性,喷雾降尘效果越好,喷雾降尘后煤尘D90 越大;基于加权的喷雾降尘后煤尘D90 预测模型准确性更高,误差较小,可准确表征喷雾降尘后煤尘D90 与喷雾架距尘源距离、巷道风速和喷嘴供水压力 3个影响因素间的定量关系.

    煤尘粒径分布喷雾降尘效率正交试验回归分析均方差决策法

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    有限实测风量下矿井风网校准的二次规划模型

    吴奉亮王桐
    154-164页
    查看更多>>摘要：针对使用网络解算方法来校准矿井通风网络时需要人工反复调整风阻、模拟结果与实测结果吻合度不高的问题,建立了基于最优化理论的矿井通风网络校准模型.该模型是一个二次规划问题,它以初始风阻的修正量为决策变量,以对初始风阻的修正量最小为目标函数,以回路风压平衡方程为等式约束条件,以井巷风阻的下限值为不等式约束条件.基于最优化理论中的KKT条件分析了模型解的存在性,开发了相应的程序并在一个含有 35条分支的算例中进行了应用.研究结果表明:"加边法"动态找基本回路,保证了用有效集法求解此模型时的约束条件方程组线性无关;开发的软件可用于仅含有限个实测风量的矿井通风网络校准,算例风网经过 49次迭代得到最优解,迭代次数远小于最坏情况下需要试算的次数3.4×1010;仅考虑等式约束条件下的风网校准模型有可能得到极小、甚至为负的无意义风阻值,考虑了风阻下限值的模型可以将风阻限定在合理取值范围之内,避免了算例中 7条分支风阻被修正为负值;使用修正后的风阻进行网络解算,得到的解算风量、风机风压与实测值完全相同,该方法避免了网络解算法中手动调整风阻的繁琐操作.

    矿井通风风阻通风网络校准有限实测风量二次规划

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    阳泉-晋城矿区关闭煤矿煤层气资源特征及抽采模式

    王阳向杰秦勇陈尚斌...
    165-179页
    查看更多>>摘要：受资源枯竭、淘汰落后、过剩产能等因素影响,山西省关闭煤矿数量逐年增多,关闭/废弃煤矿煤层气资源评价和开发逐渐受到重视.笔者以阳泉-晋城矿区关闭煤矿为研究对象,通过资料整理、实验测试、数值模拟等手段,探究了关闭煤矿煤层气资源特征,预测了煤层气资源量,总结了抽采模式.研究表明,阳泉-晋城矿区 2009年兼并重组前和兼并重组中关闭煤矿共 153座,基本为低瓦斯煤矿.2016―2020年去产能关闭 37座煤矿,阳泉矿区分布较为集中,以高瓦斯矿为主;晋城矿区分布相对零散,以低瓦斯矿井为主.关闭煤矿煤层气资源由采空区煤层气资源与原位煤层气资源组成.采空区煤层气以游离态为主赋存于采空区孔隙-裂隙中,厚煤层采空区垮落带与裂隙带孔隙体积之和与工作面体积的比值I介于 0.53～0.73,而中厚煤层采空区I值通常大于 0.90.原位煤层气主要以吸附态赋存于煤基质孔隙中,15号煤孔隙度介于 3.69%～5.45%,微孔比表面积介于97.58～120.76 m2/g,微孔体积介于 0.017～0.022 cm3/g,微孔最为发育.煤层埋深和局部构造控制原位煤层含气性,而甲烷浓度作为采空区含气性的重要指标,受控于煤层、储气空间结构及封闭条件.根据资源与关闭煤矿特征将关闭煤矿煤层气资源分为 3类:低瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源、高瓦斯关闭煤矿采空区煤层气资源和高瓦斯关闭煤矿原位煤层气资源.构建了关闭煤矿采空区煤层气资源量预测数学模型,预测了采空区煤层气资源量;采用体积法预测了原位煤层气资源量.在资源预测范围内,阳泉-晋城矿区关闭煤矿采空区煤层气资源量合计 46074.01×104 m3,原位煤层气资源量达 146388.12×104 m3,其中,阳泉三矿的资源量最大.此外,总结了 4种关闭煤矿煤层气抽采模式,分别为地面直井抽采、L型井抽采、采空区煤层气与水平邻近原位煤层气合采及过采空区下部煤层气抽采,并针对各关闭煤矿提出了利用方向.

    关闭煤矿煤层气资源采空区资源量预测抽采模式

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    不同变质作用类型的煤级梯度对比

    卢杰林傅雪海康俊强张宝鑫...
    180-192页
    查看更多>>摘要：煤级梯度是预测深部储层煤化作用程度的基础.基于实测的 85组镜质体最大反射率、不同煤层气区块煤炭/煤层气地质勘探报告中 2 213组镜质体最大反射率/干燥无灰基挥发分产率与煤层埋深数据和 242组岩浆侵入煤层后镜质体最大反射率与煤层距侵入体距离数据,分析了不同煤层气区块中不同变质作用类型下煤级分布及煤级梯度特征,对比了深成变质作用、区域岩浆热变质作用及接触变质作用下煤级梯度的差异性.研究结果表明:我国不同煤层气区块中深成变质作用下煤级梯度(Ro,max/100 m)介于 0.013%～0.068%,均值为 0.032%,煤级梯度与镜质体最大反射率均值呈正相关关系;区域岩浆热变质作用下煤级梯度介于 0.09%～0.45%,均值为 0.18%;接触变质作用下煤级梯度介于 20%～454%,均值为 106%,煤级梯度与煤层距侵入体距离的关系呈多段式变化,煤层距离侵入体越近,煤级梯度越大.不同变质作用类型下煤级梯度差异显著,主要由热源特征决定,煤化作用时间、岩层热导率、最大埋深对煤级梯度也有重要影响.我国煤化作用复杂,对不同煤层气区块中不同变质作用类型下煤级梯度的研究对深部储层煤级预测及煤炭/煤层气资源勘探开发均具有一定的指导意义.

    煤化作用煤级梯度深成变质作用区域岩浆热变质作用接触变质作用煤层气区块

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    考虑基质吸附变形特性的煤岩渗透率演化研究

    王刚王铭震肖智勇孙小翔...
    193-203页
    查看更多>>摘要：渗透率是煤层气勘探与温室气体存储中必不可少的参数,准确认识煤层内气体流动不仅能够合理预测煤层气产量,还能提高CO2 地质封存的效率.一般的煤岩渗透率预测模型都是从有效应力以及气体吸附的角度出发进行模型的相关理论推导,但在实际情况中,煤岩的基质内部构造复杂不定,与吸附相关的矿物成分分布存在不均匀的现象,这就往往会忽略基质区域非均匀吸附变形这一因素的影响.因此,通过将煤岩的基质区域划分为 2个吸附能力不同的区域,重新推导了煤岩渗透率模型,利用现场数据以及实验室数据对提出的模型进行比较验证,并通过有限元软件分析了基质区域的非均匀吸附对渗透率演化的影响,结果表明:①提出的模型与现场及实验室实验数据具有较高的匹配度,不同边界条件下的渗透率预测数据具有较高的可靠性.②基质的非吸附膨胀区域的渗透率会在吸附膨胀区域的挤压效应下降低,并且越靠近吸附膨胀变形区域处,受到的挤压效果越强,非吸附膨胀区域渗透率降低程度越明显.③随着基质吸附区域面积的增加会使相邻基质区域受到的应力扰动越早,并使得受挤压的基质区域平衡时气体渗透率越低.改进的渗透率模型可以更加深入地了解煤岩内部基质区域相互作用对渗透率产生的影响,对煤层气开采具有一定的理论指导意义.

    煤层气渗透率气体压力非均质性吸附膨胀应变基质占比系数

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    激波脉动荷载作用下煤岩体动态损伤特征

    鲍先凯姜斌张武宋翔宇...
    204-223页
    查看更多>>摘要：为了研究水中高压电脉冲激波脉动荷载特性及其作用下的煤岩体动态损伤特征,开展了真三轴煤岩体压裂试验.试验研究了不同水压、电压条件下的水激波峰值压力、冲击荷载、加载速率等水激波加载特性,探究了煤岩体钻孔侧壁环向有效应力与动态抗拉强度的关系,同时揭露了煤岩体裂纹起裂应力、扩展角与地应力、水压力、脉冲激波之间的关系.基于CT扫描和ABAQUS数值模拟计算不同液电参数下的煤岩体损伤变量,进而评价煤岩体动态损伤和裂纹起裂扩展形态及演化特征.结果表明:脉冲水激波峰值压力随着放大电压和水压的增加而迅速增加,加载速率随放电电压增加而增加,随水压增加而减小;相对于水压变化,放电电压的变化对水激波峰值压力及其加载速率影响更大;数值模拟与室内试验所得结果吻合度较高,二者从细、微观角度互相印证了随着水压、放电电压的增加,煤岩体的损伤变量增加明显,损伤致裂程度加剧,裂纹数量、扩展长度、开度、复杂程度变化明显,其中放电电压的改变对煤岩体的损伤影响尤其明显.研究结果可以为我国水中高压电脉冲压裂煤岩体,高效抽采煤层气提供指导.

    水激波加载速率损伤变量动态损伤高压电脉冲水力压裂

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    地史植物主导净积聚煤

    石彦强石雅锟
    224-238页
    查看更多>>摘要：为了探寻厚煤层大范围纯净累积机制,反思聚煤作用的主控因素,研究地史植物演化更替及作用效应,应用历史比较法推导出聚煤期是各时期植物发展到鼎盛阶段形成的,聚煤期植物拓殖能力强、群体效应显著,占据聚煤作用的主导地位.在聚煤期植被禁锢下,盆地碎屑只能在有限的空间内周期性活动,形成漫长的碎屑贫化期与短暂的碎屑爆发期.在碎屑贫化期,海/湖滩被充分夷平,基底环境"废弃",水体清澈、植被茂密、泥炭沼泽广布,盆地流体已成为原地聚煤的水源和异地聚煤的载体,同生碎屑附近可以纯净聚煤.随着海/湖水进退,泥炭沼泽可以跨越不同基底环境扩展,甚至扩展到整个聚煤盆地,改善环境水文,提高地下水位,并进一步改变区域气候,动态泥炭沼泽原地多层叠置,在有利区段形成厚煤层;在植被构筑的净环境中,部分植物、泥炭等异地运移到海/湖中,于沼泽湖累积超厚煤层.原地聚煤与异地聚煤协调转化,在良性循环中可持续发展,形成旋回净积的动态聚煤模式.植被阻止了碎屑的输入,海进过程水体清澈,有利于海相泥炭发育和紧之随其后的碳酸盐岩生成,代替了水进序列的陆源碎屑沉积,形成石灰岩与煤层直接接触的海陆交互相"约代尔"旋回.在碎屑爆发期,陆源碎屑库崩溃,部分碎屑冲越到泥炭沼泽边缘形成岩、煤穿插互层,部分被泥炭筏载运移到泥炭沼泽内断续沉积,可形成煤中零星分布的大块沉积角砾岩,而大量碎屑被沼泽河输送到海/湖三角洲沉积.聚煤过程中的植物作用可以合理解释煤炭地质中的一些"异常"现象,填补煤地质研究的空白.

    聚煤期植物作用动态聚煤模式碎屑贫化期碎屑爆发期动态泥炭沼泽异地聚煤

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    鄂尔多斯盆地石炭—二叠纪太原组煤中稀土元素地球化学特征——以宁东煤田为例

    马风华汪栋刚何庆志马瑞赟...
    239-246页
    查看更多>>摘要：煤中稀土元素地球化学特征的研究在聚煤盆地沉积环境和物质来源等方面具有重要指示意义.为进一步探讨鄂尔多斯盆地石炭—二叠纪煤中系统元素地球化学特征,以宁东煤田晚古生代石炭—二叠纪太原组煤为研究对象,运用电感耦合等离子体质谱、X射线荧光光谱、X射线衍射等方法分析了煤中稀土元素的地球化学特征,探讨了煤中稀土元素的赋存特征及成因.结果表明:宁东煤田石炭-二叠纪太原组煤中稀土元素含量均值为 91.19 μg/g,低于中国煤中稀土元素含量均值(135.89 μg/g),Eu负异常明显,Ce异常不明显,LaN/YbN、LaN/LuN、LaN/SmN、LREE/HREE等稀土元素参数以及上地壳标准化的REE配分模式均反映轻重稀土元素分馏较低和重稀土相对富集的特征.煤中稀土元素继承了源岩区稀土元素的特征,在沉积、成煤作用阶段,在温度、压力、pH值及氧化还原条件的综合作用下,主要赋存于黏土矿物中,此可从其与灰分、Si、Al、Na、K等具有正相关关系加以佐证.∑REY-La/Yb、∑REE-δCe/δEu、ΣREE-La/Lu图解指示宁东煤田石炭—二叠纪煤中形成于下三角洲平原及下三角洲-三角洲平原沉积背景,均受到海水不同程度的影响.宁东煤田石炭-二叠纪太原组煤中稀土元素来源、含量及赋存特征主要受控于长英质陆源碎屑供给,但同时也受到局部微地形、微地貌和微环境的影响,海水与成岩作用对其影响有限.

    煤炭宁东煤田石炭—二叠纪稀土元素地球化学

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