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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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    改进YOLOv5s的采煤机滚筒与支架护帮板干涉状态智能识别

    毛清华胡鑫王孟寒张旭辉...
    253-263页
    查看更多>>摘要：针对综采工作面液压支架护帮板处于未收回异常状态导致采煤机滚筒与护帮板干涉问题,提出一种改进YOLOv5s的采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态智能识别方法.运用课题组前期提出的基于边界约束和非线性上下文正则化的去雾去尘方法对视频图像进行清晰化处理,提高综采工作面监控视频图像质量;对YOLOv5s模型进行改进,通过将YOLOv5s主干网络中的普通卷积Conv替换为分类效果更佳的Ghost卷积,减少了模型的参数数量,提高了模型识别速度,同时引入坐标注意力机制,提高了模型对护帮板和滚筒特征提取能力,从而提高模型识别精确率.运用软非极大值抑制算法(Soft-NMS)的锚框筛选方法,减少因护帮板重叠而发生漏检问题.针对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态判定问题,提出液压支架护帮板与采煤机滚筒锚框重合度的判定方法.运用本文改进YOLOv5s模型与YOLOv5s、YOLOv3-tiny模型进行对比分析,结果表明:本文方法与原模型相比的识别精确率提高了约 8.1%,GFLOPs降低 1.86倍;mAP@.5达到 97.2%、平均识别速度为检测时间为 5.9 ms.运用本文方法对煤矿实际综采工作面采煤机滚筒与液压支架护帮板视频图像进行干涉状态识别试验验证,结果表明:对采煤机滚筒与液压支架护帮板干涉状态识别准确率为96%.

    采煤机滚筒液压支架护帮板YOLOv5s干涉状态视频图像智能识别

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    深部煤炭流态化开采装备自主行走机构多缸推进同步控制

    鲍久圣李玥锋周恒阴妍...
    264-278页
    查看更多>>摘要：我国浅部煤炭正逐渐开采殆尽,向地球深部开发资源已成为必然趋势和国家需求.针对2 000m以深的深部煤炭开采难题,设计了一种适用于深部煤炭流态化开采装备的自主行走机构,并重点对自主行走机构中液压推进系统的多缸同步控制难题进行了研究.首先,基于流态化开采工艺原理及装备组成,设计了一种增阻迈步式自主行走机构,可实现采掘、转化和输出等多舱体的分段式自主行走;其次,针对液压推进系统的多缸同步控制要求,分析对比了主从控制、相邻交叉耦合控制、偏差耦合控制、均值耦合控制 4种控制策略以及比例、积分、微分控制(PID)算法、自抗扰控制器(ADRC)的优缺点,分别开展了在均匀负载、突变负载、时变负载 3种工况下的控制性能仿真试验;再次,采用雷达图测评法对不同控制策略下的同步控制性能进行综合评价,最终选定基于ADRC的均值耦合控制方法为最佳同步控制策略;最后,研制自主行走机构试验台并开展了多液压缸同步控制试验,试验结果表明:当采用基于ADRC的均值耦合同步控制策略时,4个液压缸在不同工况下的最大同步误差均能保持在±5 mm以内,且具有优异的鲁棒性,可满足流态化开采装备自主行走机构的多缸同步推进要求.

    深部开采液压推进系统均值耦合控制多缸同步自抗扰控制器(ADRC)自主行走机构

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    基于磁场模型的矿用钢丝绳检测信号特性试验研究

    田劼白强王兴军孙钢钢...
    279-291页
    查看更多>>摘要：电磁检测是矿用钢丝绳缺陷可靠的检测手段之一.基于电磁法的矿用钢丝绳缺陷检测,目前存在缺陷与信号特性表征规律不明确的问题,定量识别时存在无关信号特性,影响识别准确性.采用三维磁偶极子理论计算、Maxwell模拟仿真与试验相互验证的方法,总结漏磁信号特性与缺陷变化之间的表征关系.首先建立磁场环境下的钢丝绳三维磁偶极子理论模型,应用模型对标准缺陷处进行磁场理论计算并进行Maxwell模拟仿真;分别提取理论值与仿真值的峰/谷绝对值、波宽、峰谷差值、峰谷值宽度四项信号特性,进行缺陷与信号的表征分析;最后设计缺陷进行试验验证,得到试验数值的斯皮尔曼相关系数.试验结果表明:缺陷的宽度、深度与峰/谷绝对值、波宽、峰谷差值 3个信号特征值呈正相关,与峰谷值宽度无明显相关性;缺陷长度与峰/谷绝对值呈先上升后下降的趋势,与波宽、峰谷差值、峰谷值宽度呈正相关.并且发现宽度缺陷信号幅值最强,长度缺陷信号幅值最弱,深度信号幅值居中,峰谷差值和峰谷绝对值与缺陷相关性最高.该研究具有一定的工程指导价值.

    电磁检测无损检测信号特性磁偶极子损伤缺陷矿用钢丝绳

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    煤矿充填固碳理论基础与技术构想

    刘浪方治余王双明高过斌...
    292-308页
    查看更多>>摘要：在国家"双碳"目标背景下,如何减少煤炭行业的碳排放、实现碳封存已成为亟待解决的难题.煤炭行业作为高碳化石能源生产者和主体碳排放源提供者,在生产和消费过程中引发的大宗固废堆存、大型采空区形成和大量CO2 排放是制约煤炭可持续开发利用与绿色健康发展的瓶颈所在.为协同解决二氧化碳封存与矿山固废消纳问题,将大宗固废处置、固废高值化利用、CO2 封存、采空区利用有机结合,提出了二氧化碳充填的理念,从碳汇能力评估角度界定了二氧化碳充填的 3种类型.具体开展工作包括:①分析了CO2 充填料浆输运过程和矿化反应过程涉及到的基础理论,给出了各个过程的数学方程以及碳封存量计算公式,指出了温度、湿度等因素对矿化反应机理、碳封存量和充填体强度的影响规律.②总结了现阶段CO2 矿化的工艺方法、主要碱性工业固废的CO2 封存能力和CO2 矿化强化措施.在此基础上提出了基于直接湿法矿化和间接矿化的 2种CO2 充填材料制备工艺,满足矿井充填的流动性、凝固特性和强度要求.③针对CO2 充填过程中的CO2 物理封存问题,提出了窄条带式胶结充填和综采架后胶结充填 2种技术路径,前者通过在弱充填条带中构筑多贯通孔隙的充填体CO2 物理封存,后者借助充填支架和链式自行充填挡板在长壁工作面采空区中间断构筑充填带,控制顶板垮落,形成CO2 物理化学封存空间.④为了评估CO2 充填的碳平衡效果,依据全生命周期法界定了CO2 充填中碳足迹及碳消纳的计算边界.然后,梳理了CO2 充填过程中的碳足迹及碳消纳,分别考虑了CO2 的来源、用量、损耗、转化等因素.给出了包括原料运输、充填料浆制备、井下注入与充填等过程中的碳足迹及碳消纳计算方法.研究成果有望降低CO2 封存的能耗及成本,对煤炭绿色开采及其可持续开发利用具有深远的意义.

    CO2封存间断充填充填固碳碳足迹碳消纳

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    煤基固废矿化封存CO2技术研究进展

    朱磊古文哲宋天奇何志伟...
    309-328页
    查看更多>>摘要："碳达峰、碳中和"目标是中国维护全球生态安全的大国责任担当,也是实现高质量发展和生态文明建设的重要途径,CO2 减排势在必行."相对富煤、贫油、少气"的能源资源禀赋格局导致中国主体能源仍以碳排放强度较高的煤炭为主,煤炭作为电力、钢铁、煤化工等高耗能行业的重要能源与原料,在"双碳"目标实现过程中占有重要地位,煤炭工业通过低碳转型实现碳达峰,既是煤炭工业高质量发展的内在要求,也是落实国家"双碳"战略目标的重要抓手.相对于传统天然矿化原料,煤基固废矿化封存CO2 具有原料丰富、产物友好、能耗较低、反应迅速等优点,同时可以产出高附加值产物用于化工、建筑等领域,受到了广泛的关注.介绍了我国主要煤基固废煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、气化渣、炉底渣的特点,分析了我国主要CO2 排放源及产生量;回顾了按照矿化封存位置不同的原位和非原位CO2 矿化技术及按照矿化机理不同的直接碳酸化和间接碳酸化技术;综述了以煤基固废作为原料进行CO2 矿化封存技术的研究进展,发现该技术反应条件苛刻,成本较高,处理规模小,研究尚停留在实验室阶段;简述了以煤基固废作为载体,利用采空区作为储源矿化封存CO2 技术,主要包括构筑功能性充填体及制备负碳型充填材料 2种技术;分析了煤基固废矿化封存CO2 现存问题及未来研究方向.煤基固废为原料的CO2 矿化技术,未来应优化工艺流程,降低反应成本,进一步加强工业化推广的研究;针对以煤基固废作为载体,利用采空区作为储源的CO2 矿化封存技术,未来应加强对深度矿化机理、封存风险评价及长期稳定性的研究,提高CO2 封存规模和长期稳定性.在此基础上,利用煤基固废制备浆体充填材料,以水为载体,以泵为动力,以管路为通道,将充填材料及CO2 输送至采空区进行矿化反应,同时结合微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,封闭岩体采动裂隙,实现CO2 矿化封存.

    "双碳"目标碳排放煤基固废矿化封存源头减排

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    基于内置光纤/导光管反应器的微藻固碳减排研究

    夏奡任柯欣张敬苗黄云...
    329-337页
    查看更多>>摘要：我国燃煤电厂每年排放CO2 超过 57亿t,为保障双碳目标如期实现,必须大幅降低燃煤电厂的CO2 排放.微藻固碳通过高效的光合作用吸收CO2 转化为生物质,是极具潜力的燃煤电厂减碳技术,但目前微藻固碳性能严重受限于反应器内光传输.导光管可灵活调节反应器内光分布,而光纤可集中传输光线且光损耗低,因此提出光纤/导光管微藻光生物反应器,扩大藻液受光面积,增加藻细胞色素的光捕集,促进微藻光合固碳.利用光学仿真软件对光纤/导光管内传输的光线进行追踪,获得了光纤/导光管管壁的光强分布.在不同反应器、输入光能条件下进行微藻培养实验,获得了微藻生物量、固碳速率与叶绿素含量的变化趋势,分析了内置光纤/导光管对微藻固碳的影响规律.结果表明:平面末端的光纤射出光的光强在导光管侧 30～140 mm内迅速下降,导光管发光范围集中.在导光管底部添加锥形反光件反射抵达管底的透射光、并设计阶梯型光纤使输入光由不同阶梯分级发出,可使微藻光生物反应器内光分布更加均匀,反应器内部远离光源区域的藻细胞可以有效接受光能进行光合固碳.当光能输入为 3.3 W/L时,含两级阶梯结构光纤和锥形反光件的导光管管侧表面最低光强为 47 μmol/(m2·s),平均光强达 64 μmol/(m2·s),较无光纤仅顶部给光的导光管侧面平均光强提高了 2.6倍.微藻在插入阶梯型光纤的光生物反应器(SF-PBR)培养 7d后生物量达到1.9 g/L,比在插入平面端光纤的光生物反应器(FF-PBR)中培养的生物量高 46.2%,比仅顶部受光的光生物反应器(LG-PBR)中培养的生物量高 111.1%.当提升光源输入至 5.0 W/L,微藻培养 7d后的生物量高达 2.8 g/L,培养期间保持高固碳速率(608.3 mg/(L·d)),比对照组LG-PBR的固碳速率提高1.9倍.

    固碳微藻光生物反应器光纤导光减排

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    煤矿区土壤细菌群落结构及其对不同复垦模式的响应

    张世文蔡慧珍张燕海董祥林...
    338-349页
    查看更多>>摘要：科学揭示不同复垦模式土壤细菌群落稳定性及其潜在互作关系对于复垦土地差异化管理及可持续利用至关重要.本文以挖深垫浅、煤矸石充填和粉煤灰充填 3种模式复垦土壤为研究对象,基于高通量Illumina Miseq 16S rRNA测序技术,采用方差分析、Spearman相关性等分析方法,研究不同复垦模式下的土壤细菌群落结构和多样性.通过构建分子生态网络模型,揭示不同复垦模式下土壤细菌群落的稳定性及菌群间潜在互作关系,明晰对细菌群落结构稳定性起关键作用的微生物种群.结果表明:①不同复垦模式土壤细菌群落的多样性与丰富度水平有显著差异(P<0.05),均表现为挖深垫浅>煤矸石充填>粉煤灰充填;不同复垦模式土壤细菌群落组成相似,变形菌门、酸杆菌门、放线菌门和拟杆菌门是所有模式土壤中的优势菌门,在各复垦模式土壤细菌群落中的占比之和均达70%以上.②不同复垦模式下土壤细菌群落的显著影响因子不同,部分优势细菌门与影响因子间的变化趋势不同,有机质含量是影响挖深垫浅复垦土壤细菌群落组成的主要影响因素,pH是影响煤矸石与粉煤灰充填复垦土壤细菌群落组成的主要影响因素.③挖深垫浅复垦土壤细菌网络复杂,群落联系紧密,能更好地传递物质、能量和信息;煤矸石充填复垦土壤细菌网络内部节点间的连通度低,但菌群信息交换速度慢,拥有 4个关键节点,网络相对稳定;粉煤灰充填复垦的土壤细菌网络规模最小,节点连通度不高,在外界环境发生变化时反应快,网络稳定性最差.3种复垦模式土壤细菌群落间关系均以协同合作为主导,煤矸石充填复垦土壤细菌群落间的协同合作关系占比最高.本文揭示了 3种不同复垦模式下土壤细菌群落结构与分子生态网络差异,研究结果可为高潜水位采煤塌陷区土地复垦模式的优选以及人为干预方式的选择提供支撑.

    土地复垦微生物多样性分子生态网络采煤沉陷区

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    半干旱矿区采动地裂缝发育对幼苗库及其建植因子影响

    杜华栋谢姗姗毕银丽刘研...
    350-362页
    查看更多>>摘要：半干旱矿区煤炭井工开采引起的地表塌陷,造成水土流失强度增加以及植被生境损害等一系列生态干扰,其中采动地裂缝发育对坡面幼苗库特征及建植的影响仍有待深入研究.本文首先探明了榆神府矿区距采动地裂缝不同距离(0～1 m、1～2 m和 2～5 m)幼苗库密度、组成和多样性特征,再结合土壤因子、地上植被群落及枯落物特征揭示裂缝发育造成影响幼苗建植的环境因子在空间上的差异性,最后采用物种相似性模型探究了裂缝发育区幼苗库对地上植被自然更新的影响.结果表明:①在未有裂缝发育的对照区,幼苗库组成以多年生草本为主(占比57%),裂缝发育后距地裂缝0～1m和 1～2 m范围,多年生草本比例分别下降至 30%和 35%,但一年生草本占比较对照区分别增加了 28%和 25%;与对照区相比 0～1m和 1～2m幼苗密度分别显著增加了 92%和 68%,幼苗库Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数分别增加了 42%和 24%、62%和 40%、33%和 18%,但Pielou均匀度相较于对照区分别降低了 55%和 38%;而距裂缝 2～5m范围,幼苗库生活型组成、密度和多样性与对照区已无显著性差异,因此裂缝发育对幼苗库特征影响范围在 2m范围之内.②地表裂缝发育后,距地裂缝 0～1 m和 1～2 m范围影响裂缝幼苗建植的相同因子包括土壤含水量、土壤有机质含量和枯落物厚度,但 0～1 m范围除上述影响因子外还包括枯落物盖度、土壤结皮盖度与厚度、地上植被盖度与生物量等因子;随着距裂缝距离增加,距裂缝 2～5 m范围限制幼苗建植的关键因子减少且与对照区相似,主要包括土壤含水量、地上植被盖度和枯落物盖度.③距地裂缝 0～1 m和 1～2 m以一年生为主的幼苗库物种组成与以多年生为主的地上植被物种相似性较低仅为 0.42和 0.48,加之一年生植物对植物群落演替促进能力较弱,因此可以得出受裂缝干扰较大的 0～2 m范围幼苗库对植被群落恢复贡献有限,故该范围生态恢复中应在自然恢复的基础上,适当考虑人工植被建设以促进矿区塌陷地植被恢复进程,提高该区植被群落多样性和稳定性.随水平距离的增大,距裂缝2～5 m范围和对照区幼苗库与地上植被物种组成相似性接近,分别为 0.67和 0.68,表明裂缝发育后 2～5 m范围植物群落恢复潜力并未受到影响,通过自然更新即可保证该区植被恢复.

    采煤地表塌陷地表裂缝幼苗库幼苗建植植被恢复

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    植被恢复类型对露采矿山复垦土壤丰富和稀有微生物类群的影响

    马静华子宜程彦郡朱燕峰...
    363-377页
    查看更多>>摘要：植被恢复可促进重构土壤发育,调控生物地球化学循环和发挥生态系统功能.因此深入研究露天矿区植物恢复下土壤丰富和稀有微生物类群变化对改善矿区生态环境至关重要.采集内蒙古准格尔旗黑岱沟露天矿东排土场裸地(CK)、苜蓿(GL)、沙棘(BL)、油松(CF)、杨树(BF)和杨树+油松(MF)6种复垦样地土壤,利用高通量测序、共现网络和相关性分析等探测植被类型对土壤丰富、稀有细菌和真菌群落结构组成和多样性的影响机制.结果表明:①不同植被恢复类型对土壤理化性质和酶活性影响存在显著性差异(P<0.05),有机质(SOM)、铵态氮(AN)和亮氨酸氨基肽酶(LAP)酶活性等均显著高于CK.BL对土壤SOM、硝态氮(NN)和有效磷(AP)积累有优势,显著提高了脲酶(URE)、LAP和碱性磷酸酶(ALP)酶活性(P<0.05).②植被类型显著影响了土壤丰富和稀有微生物群落结构组成(P<0.05),丰富和稀有细菌种类多于真菌,但真菌丰度变化更为显著,尤其是稀有真菌.不同植被恢复类型的丰富和稀有细菌,及稀有真菌群落Shannon指数高于CK,且与CK的群落结构间存在显著差异(P<0.05).③不同植被恢复类型均提高了丰富和稀有细菌、真菌的网络拓扑参数和复杂度.移除节点改变自然连通性的幅度测试结果表明BL增强了土壤丰富细菌、丰富和稀有真菌网络的稳定性和对外界干扰的抵抗力.④土壤URE、SOM和ALP是土壤微生物群落结构变化的主导因子.BL处理组中pH、SOM、AP、BG(β-葡萄糖苷酶)、URE和ALP均显著影响丰富和稀有微生物群落(P<0.05).综上认为,BL恢复模式对矿区复垦土壤质量改善效果更好,研究结果可为植被修复受损矿山复垦土壤及微生物资源的开发利用提供理论依据.

    植被恢复丰富细菌稀有细菌丰富真菌稀有真菌共现网络

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    陕北煤矿区采动地裂缝对土壤抗蚀性的影响规律研究

    宋世杰彭芮思左靖刘露...
    378-393页
    查看更多>>摘要：采动地裂缝作为黄河流域中游陕北煤矿区最突出且典型的采动损害问题,引发的水土流失效应已经不容忽视.为了研究采动地裂缝发育对周边土壤抗蚀性的影响,以陕北煤矿区内宽度分别为0～10,10～20,20～30 cm的采动地裂缝为研究对象,采集周边水平距离80 cm以内,垂直深度40 cm以浅的土壤,测定了土壤水稳性团聚体、微团聚体、无机黏粒、有机黏粒、物理性质类等 14个国内外学者普遍关注的用于量化表征土壤抗蚀性的指标,采用层次分析法、敏感性分析和因子分析相结合的方法甄选出陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要量化指标,构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型.结果表明:①综合层次分析法、敏感性分析和因子分析,甄选确定>0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、<0.001 mm细黏粒含量、土壤团聚度、土壤有机质含量 5个指标作为量化表征陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要指标;②采动地裂缝会降低周围土壤的 5个土壤抗蚀性重要指标,其中>0.25 mm水稳性团聚体含量变化最为明显;③根据土壤抗蚀性重要指标,基于因子分析原理构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型;④采动地裂缝会降低周围土壤的抗侵蚀综合能力,且该效应随着裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强,当距采动地裂缝的水平距离超过 170 cm时,采动地裂缝对周围土壤抗侵蚀综合能力的负效应基本消失,其可作为陕北采动地裂缝发育区土壤侵蚀防控的关键区域.研究结果可为黄河中游陕北矿区水土流失的精准防控提供科学依据.

    采动地裂缝土壤抗蚀性水土流失综合指数模型陕北煤矿区

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