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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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    富水沟谷区浅埋煤层导水裂隙演化特征

    来兴平乔浩单鹏飞吴龙泉...
    1-11页
    查看更多>>摘要：富水沟谷区域下浅埋煤层赋存条件特殊,采场上覆岩层导水裂隙发育演化特征复杂.为了揭示沟谷区浅埋煤层在回采扰动作用下覆岩裂隙演化规律,以朱家峁煤矿 1305-2工作面过沟谷区回采阶段为工程背景,采用理论分析、物理相似模拟、数值模拟与现场效果验证的方法,建立了覆岩裂隙-渗流场概念模型,开展了覆岩结构发育与微震能量演化研究,分析了覆岩变形与塑性破坏分布特征,提出了针对沟谷区下浅埋煤层导水裂隙防治措施,并应用于现场工程实践.结果表明:开采扰动下裂隙-渗流场模型呈"梯台"结构,并依次划分为初渗区域、稳渗区域、紊渗区域 3个区域;将所研究矿井的工况数据代入模型结构,计算出各个渗透区域范围,并根据计算结果对矿井的稳渗区域采取注浆措施.工作面回采至沟谷区段,覆岩裂隙域形态呈现"拱形-梯形-复合梯形"的扩展演化特征,裂隙纵向发育高度达到 163 m,并与沟谷区地表贯通.随工作面推进,地表裂隙依次经历"滑移-挤压-撕裂"过程;沟谷区域位移云图呈现出滞后开采"高位梯形"破断形态,在沟底处下沉位移最大,达 3.47 m.针对开采导致的裂隙大范围扩展贯通,提出在地面进行采动裂缝注浆处理,在工作面上覆岩层进行注浆封堵,实现过沟谷区开采"井上-井下"联合防治,保证安全开采.该研究结果可为浅埋煤层的过沟谷区开采、采动裂隙防治及富水区"保水采煤"提供新的科学依据.

    浅埋煤层覆岩裂隙发育形态裂隙治理沟谷区开采

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    煤矸石井下原位智能分选充填技术研究进展

    梁卫国郭凤岐于永军张泽寒...
    12-27页
    查看更多>>摘要：传统井下煤矸石需运输至地面处理,不仅占用地面国土空间、自燃或雨水淋滤造成大气与环境污染,而且长距离无效运输造成的能源消耗问题已成为制约煤矿低碳发展的关键瓶颈.为实现煤矿矸石不出井,从煤炭生产源头减少碳排放与单位产出能源资源消耗,实现煤炭的绿色低碳智能开采,回顾了煤矸石井下分选充填技术现状及智能化进展,并在此基础上展望煤矸石井下分选充填技术发展趋势,提出了煤矸石井下原位绿色智能分选、充填新方法,详细阐述了煤矸智能分选机及新型充填液压支架的结构及原理,以最大化缩短矸石无效运输距离.为处理采煤工作面矸石,预防煤岩动力灾害,提出了包含少矸化智能开采系统、原位智能分选系统、工作面矿压反演系统、精准科学充填系统四大子系统的煤矿井下采选充智能一体化系统,并探讨了各子系统间的新环逻辑关系,以形成采煤利于分选、分选利于充填、充填利于采煤的良性循环.为处理掘进工作面矸石,提出了包含智能快掘系统、智能分选系统、煤矸分运系统、智能充填系统四大子系统的煤矿井下掘选充智能一体化系统,并对各子系统所负责工作及智能化实现进行了阐述.所提出的新工艺有望实现煤矿矸石不出井,并为煤矸石原位智能分选充填方法及采选充一体化系统的研究提供新思路.

    低碳开采智能化煤矸识别原位分选充填采选充一体化

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    生态保护型煤炭开采技术与实践

    李全生李淋方杰郭俊廷...
    28-37页
    查看更多>>摘要：针对生态脆弱区煤炭规模化高效开采造成生态影响范围大、周期长和强度高,缺乏统筹开采全周期源头减损与生态全要素系统技术,导致矿区生态修复成本高、效率低和效果差的问题,提出了生态保护型煤炭开采理念,露天开采损伤传导途径和井工开采损伤传导模型、生态损伤定量分析方法和矿区生态修复决策方法,研发了露天矿节地减损开采、生态型地层重构、分布式水资源集-储-用、基于"生态修复窗口期"协同修复技术;研发了井工开采损伤传导控制、含水层生态功能恢复、装配式楔形地下水库坝体构筑、沉陷区分时分区生态修复技术.建成蒙东矿区生态保护型露天开采示范工程,宝日希勒露天矿示范区植被盖度由开发前 30%提高到 59%,胜利露天矿示范区植被盖度由开发前 5%提高到 39%;建成神东井工生态保护型煤炭开采示范工程,植被盖度由开发前不足10%提高到70%.研究成果为生态保护型煤炭开采提供了科技支撑,具有广泛的应用和推广价值.

    露天开采井工开采生态保护减损开采生态修复绿色开采

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    基于顶板结构断裂特征的煤矿结构充填关键位置确定方法

    冯国瑞郭伟李竹戚庭野...
    38-49页
    查看更多>>摘要：充填开采是控制岩层移动并降低地表沉降与环境损害的重要途径,而充填材料来源不足和充填成本高昂现成为制约井工煤矿充填开采推广应用的主要瓶颈.探寻重点区域的低充填率靶向充填新方法与配套技术是充填开采的研究热点之一.为解决上述问题,结合煤矿井下结构充填的学术思想,深入研究了顶板岩层断裂特征,明确了顶板岩层破断块体尺寸及铰接形态,识别了破断铰接块体主沉降区域,判定出结构充填的关键位置.结合关键位置确定方法,提出重点控制基本顶最大挠度位置,即板结构潜在张拉断裂位置(塑性铰发育位置)的"工字型"结构充填新方法.结合新阳矿岩层地质参数,借助FLAC3D数值模拟软件,深入分析了工作面采宽和推进方向上顶板岩层内应力、竖直沉降、塑性区分布规律,揭示了不同方案下充填体稳定性演变特征.结果表明:"工字型"充填在节省充填用量的基础上,较垮落式开采减少初采期直接顶沉降量33.47%,与全部充填仅相差2.3%.同时,关键位置充填体能有效应对顶板回转下沉引起的应力集中,保持自身稳定性,实现对顶板的长效支撑.综合分析得到了新阳矿首采工作面初采期"工字型"结构充填最佳充填方案为中部条带长度 72 m,宽度 7m,两侧条带长度 18 m,宽度 6m,较全部充填可减少充填材料成本 33.86万元.该方案形成的密闭空间为 1980 m3,占总采出空间的 44%,可用来储能或碳封存,助力实现零碳绿色开采,推动双碳目标的实现.

    关键充填位置塑性铰"工字型"结构充填充填体应力调配分区沉降特征

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    煤与天然气协同开采理论与技术构想

    杨胜利张燊王旭东张凯...
    50-68页
    查看更多>>摘要：我国存在大量的煤炭与天然气重叠赋存资源,出于对资源开采效率的要求,大量的煤与天然气重叠资源需要在同一时空内同步开采,传统的煤与天然气开采理论与技术难以满足协同开采出现的技术难题,煤与天然气协同开采的进程受到了严重制约.基于此,结合国内煤与天然气重叠赋存情况对煤与天然气协同开采进行了科学定义,总结了已有可借鉴的煤与天然气开采技术和相关理论.建立了天然气井近场岩体力学理论、天然气近场围岩耦合损伤理论、"围岩-水泥环-套管"耦合损伤理论、煤与天然气协同开采垂直场围岩耦合损伤理论,揭示了煤与天然气协同开采围岩的耦合损伤机理,为煤与天然气技术体系的构建提供了理论基础.提出了"煤与天然气协同开采技术""煤炭开采通过废弃井技术"和"天然气近场小煤柱留设技术"3项技术以及"协同开采分区规划系统""透明地质与生产信息动态监测系统"和"煤与天然气协同区安全监测与评价系统"三大系统,为煤与天然气协同开采提供技术支持,提高煤炭与天然气资源的开采效率.在此基础上,构建了煤与天然气协同开采的理论与技术体系,明确了煤与天然气协同开采未来的研究重点,提出了我国煤与天然气资源安全、绿色、高效协同开采的技术路径与研究方向.

    煤与天然气重叠资源协同开采无人智能化耦合损伤

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    煤电化基地大宗固废"三化"协同利用基础与技术

    杨科何淑欣何祥初茉...
    69-82页
    查看更多>>摘要：我国 14个大型煤炭基地及 89个大宗固体废弃物综合利用示范基地建设,标志着矿区大宗固废利用已被纳入全国战略发展布局.长期以来煤炭资源高强度的开发与利用,造成矿区浅埋煤层资源临近枯竭,煤电化基地大规模固废堆积及地表沉陷,已成为制约矿区绿色低碳、高质量发展的难题.大宗煤基固废协同利用与绿色充填是解放"三下一上"压煤,延长矿井服务年限,实现固废无害化、资源化、规模化"三化"利用的有效途径.基于产煤大省山西省、"华东能源粮仓"安徽两淮基地及宁东能源化工基地的煤基固废种类和产量,详细阐述了以煤矸石、粉煤灰、炉底渣、气化渣和脱硫石膏等为主要材料的煤基固废通过重金属吸附解吸和络合钝化技术实现无害化处置,列举煤基固废分类应用于低热值煤基固废发电、制备建筑材料如水泥、砖瓦等资源化利用途径,对比分析煤基固废采煤沉陷区复垦回填及井下充填规模化利用途径,突出煤基固废井下充填的优越性.基于煤电化基地深部煤炭资源,提出绿色充填开采理论与关键技术,包括深部煤矸石源头减量与采选充协同技术、充填材料高效制备与深部井下输送技术及煤基固废充填材料深部多场耦合机理,探究多源煤基固废从源头、过程到终端的深部充填开采全过程的技术原理与方法,以解决矿区深部井下充填的技术难题.根据宁东基地任家庄煤矿、山西省霍尔辛赫煤矿及淮北矿区地质条件和充填目的,分别提出超前钻孔注充低位充填方案、关键层非典型特征条件下多离层梯级注浆方案和煤基固废协同利用关键技术,综合矿山固废处置与利用、深部煤炭资源开发利用、地表沉陷控制、生态环境保护等优势,形成煤电化基地大宗固废协同利用与绿色开采模式,为煤炭开采高质量化和环境低损伤化提供参考.

    煤电化基地煤基固废协同利用深部开采源头减量采选充一体化

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    建筑物下特厚煤层镁渣基全固废连采连充开采技术与实践

    刘浪罗屹骁朱梦博苏臣...
    83-92页
    查看更多>>摘要：我国建筑物下压煤量巨大,同时煤矸石、粉煤灰等煤基工业固体废弃物排放量日益增加,严重制约地方经济社会发展.以榆林麻黄梁煤矿为试验矿井,针对其特厚煤层、建筑物下压煤、充填成本高等问题,提出了特厚煤层全固废连采连充开采技术.采用四阶段工序并将特厚煤层分为上、下 2部分二次回采压覆煤炭,最大程度控制地面沉降.为降低充填原材料成本,采用化学优化剂对镁渣进行源头改性,抑制镁渣冷却粉化,稳定水化活性,协同粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废,研发了改性镁-煤渣基胶凝材料.采用改性镁-煤渣基胶凝材料胶结煤矸石、粉煤灰制备了全固废充填材料.针对麻黄梁煤矿四阶段强、弱充填强度要求,设计不同配比的改性镁渣基充填材料试验,优选配比并应用于井下充填.论述了膏体充填系统与充填接顶方法.麻黄梁煤矿全固废胶结充填工艺试验显示,井下 28d龄期充填体钻芯平均单轴抗压强度超设计强度 27%,钻芯浸出毒性满足相关国家标准要求,成功回收了建筑物下压覆煤炭资源,社会经济效益显著.麻黄梁煤矿特厚煤层全固废胶结充填开采实践为国内类似矿井提供了有益借鉴,同时为我国大型煤炭基地的"煤-电-化-冶"固废大规模资源化利用提供了新的思路.

    "三下"采煤充填开采改性镁渣特厚煤层固废处置

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    煤矸石浆体充填技术应用与展望

    朱磊古文哲袁超峰刘成勇...
    93-104页
    查看更多>>摘要：为实现煤矸石原位、绿色和规模化处置,煤矸石浆体充填技术作为新兴充填技术近年来得到了快速发展与应用.论文系统回顾和总结了煤矸石浆体充填技术框架提出、浆体充填理论体系形成、工程示范应用及技术迭代创新等不同阶段下浆体充填标志性成果与关键工艺技术,形成了高位注浆、低位灌浆和邻位注浆 3种充填方式,建立了煤矸石浆体采空区垮落带流动的"介入理论"和浆体管道输送的"三度一场"理论,成功开展了国内外首套煤矸石井下浆体充填和地面制浆+井下邻位注浆充填示范工程;阐述了煤矸石浆体充填技术体系,围绕煤矸石浆体充填过程中的煤矸石破碎、成品矸石粉料加水制浆、制备浆体泵送和井下目标区域充填等工艺流程,探讨了煤矸石高效分级破碎、浆体精准制备、浆体管道输送和末端充填等关键技术核心问题,分析了破碎设备、筛分设备、计量设备、搅拌设备和泵送设备等关键设备技术原理与应用场景;以张家峁煤矿小空间、多设备、高能力的煤矸石浆体充填需求为工程背景,创新研发设计了煤矸石浆体充填地面制浆、管道输送、井下充填和智能控制等不同系统的布置,年充填矸石量可达 55.4万t,形成了煤矸石浆体充填工程示范,实现了矿井矸石零排放和绿色处置,树立了良好的地区示范效应;未来煤矸石浆体充填技术将围绕设备小型轻量化、系统高度集成化、技术迭代创新化等方向进一步研究发展,为构建煤矿绿色开采技术体系、实现国家"双碳"目标提供技术支撑.

    煤矸石浆体充填煤矸石高级分级破碎绿色开采"双碳"目标

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    坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

    张玉军李友伟肖杰张志巍...
    105-118页
    查看更多>>摘要：针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法.综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证.研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现"马鞍形"破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现"缓增-突增"的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现"S"形,而中位弱化呈"半抛形",综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的"两带"发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性.研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据.

    坚硬覆岩预裂弱化岩层控制导水裂缝带高度改性效应

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    井工煤矿甲烷排放精准监测与核算

    解北京李晓旭张景顺栾铮...
    119-130页
    查看更多>>摘要：甲烷作为全球第二大温室气体,具有增温潜势高、寿命短的特点,主要来源于煤炭、油气生产、农业、畜牧业和废弃物处理等领域.积极稳妥有序控制甲烷排放,兼具减缓全球温升的气候效益、能源资源化利用的经济效益、协同控制污染物的环境效益和减少生产事故的安全效益.甲烷也是煤矿生产排放中最主要的温室气体,目前对煤矿甲烷的排放监测及其在煤矿三维立体空间内的浓度分布研究将成为我国甲烷排放控制行动的重点,对煤矿企业更好顺应国家战略具有重要意义.选取山西某高瓦斯矿井、陕西某低瓦斯矿井进行甲烷排放监测核算,以固定监测、手工监测、无人机监测及矿后活动监测等方式研究我国高低瓦斯矿井甲烷分布,并对其甲烷排放量开展分析.结果表明:①美国Climate TRACE网站公布的山西某高瓦斯矿井、陕西某低瓦斯矿井 2022年度甲烷排放量与实测法计算的结果差异较大,其中公布的某低瓦斯矿井年度甲烷排放量为实测法计算结果的10.92倍,自上而下的监测核算方法准确性不足,无法为碳交易提供可靠的数据支持.②矿后活动监测核算发现,采用IPCC缺省值计算的矿后活动甲烷排放量是实测法计算的 3～5倍,且不同粒径和暴露时间下煤样反馈的矿后活动排放量差异较大.亟需一套统一精准的测试标准,为未来碳市场交易提供公平准确的数据.

    井工煤矿甲烷排放IPCC缺省值精准监测核算排放因子

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