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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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    基于图像与点云融合的巷道锚护孔位识别定位方法

    王宏伟李进闫志蕊郭军军...
    249-261页
    查看更多>>摘要：煤矿掘进巷道锚护位置的精准识别与定位是钻锚机器人实现智能永久支护亟需突破的关键技术.笔者提出一种基于视觉图像与激光点云融合的巷道锚护孔位智能识别定位方法,包括图像目标识别、点云图像特征融合和定位坐标提取 3个步骤:①针对煤矿井下低照度、水雾和粉尘等环境因素导致的锚孔轮廓成像模糊的问题,采用IA(Image-Adaptive)-SimAM-YOLOv7-tiny网络对巷道待锚护孔位进行视觉识别,该网络能够自适应地增强图像亮度和对比度,恢复锚孔边缘的高频信息,并使模型重点关注锚孔特征,提高锚孔检测的成功率;②求解激光雷达和工业相机联合标定的外参矩阵,将图像检测的锚孔边界框通过透视投影关系生成锥形感兴趣区域(Region Of Interest,ROI),获得对应的目标点云团簇;③采用点云处理算法提取锚护孔位边界点云,获得孔位中心坐标及其法向量,并通过坐标深度差比较判断锚孔识别的正确性.文中搭建了锚杆台车机械臂钻孔定位系统,对算法自主定位的精度以及准确度进行验证,试验结果表明:IA-SimAM-YOLOv7-tiny模型的平均精度均值(Mean Average Precision,mAP)为 87.3%,较YOLOv7-tiny模型提高了 4.6%;提出的融合算法定位误差为 3 mm,单锚孔情况下系统平均识别时间为 0.77 s,与单一视觉方法相比,采用激光与视觉多源融合不仅可以降低环境和小样本训练对定位性能的影响,而且可以获得锚护孔位的法向量,为机械臂调整钻孔位姿实现精准锚固提供依据.

    锚孔精准定位图像识别点云处理激光雷达和相机联合标定数据融合

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    基于几何特征约束的煤矸DE-XRT精准识别方法

    何磊郭永存支亚王爽...
    262-275页
    查看更多>>摘要：双能X射线透射识别煤矸仍存在厚度、硬化、余辉和扇形效应等缺陷,面向 5～150 mm宽厚度煤矸分选参数波动大、识别率低.为此,提出一种基于几何特征约束的煤矸双能X射线透射多维度识别方法.该方法通过目标图像最小外接圆直径和区域面积两个几何特征区分煤矸厚度,约束X射线透射响应特征的空间分布,进而从多个维度特征削弱缺陷影响.以少量低密度煤和高密度矸石,获取X射线透射响应特征、位置特征和几何特征,结合Relief-F特征选择建立强特征组合.检验多种分类器的识别性能,选取中等高斯SVM作为多维度方法的分类模型.以强特征组合作为输入,自动创建最终决策模型并分类未知煤矸像素点,通过像素变换图像处理方法获取分选参数p值.结果显示,p值与煤矸密度呈强线性相关,利用密度可选取p值调控分选.而p值与煤矸厚度呈现弱线性相关,宽厚度范围内p值离散程度小、可分性好,赋予分选参数较大调整空间.批量试验验证结果显示,多维度法预排矸分选参数p值为 33.01%,以此分选参数对不同密度、不同煤种煤矸识别,整体识别率达99.57%.对5～150 mm厚度范围原煤预排矸整体识别率达99.37%.相比较H-L法、R-L法,多维度法识别率更高,面向不同厚度煤矸计算得到的p值精度高、一致性更好.印证了几何特征约束下多维度识别方法的有效性及分选参数调控优势,为现有双能X射线煤矸分选装置识别算法提供了设计参考.

    煤矸识别双能X射线几何特征多维度分选参数

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    6～10m厚煤层超大采高液压支架及其工作面系统自适应智能耦合控制

    韩会军王国法许永祥张金虎...
    276-288页
    查看更多>>摘要：厚煤层储量及产量占我国原煤总储量及产量的一半,通过梳理厚煤层开采历史沿革,总结了我国厚煤层开采 40年来的技术及装备研发实践,系统分析了以高端大采高液压支架及围岩智能耦合理论为代表的 6～10 m大采高综采高效智能化综采技术及装备研究进展,提出了大采高支护理论及围岩智能耦合控制的突破是厚煤层一次开采高度突破的首要因素,完善的感知体系建立是液压支架自适应支护的前提,数字技术的应用为大采高工作面高效推进及装备智能协同控制提供了新的技术途径;阐明了大采高综放液压支架与围岩耦合关系,剖析了采高增加对硬煤层冒放性的有利影响,提出了基于煤矸识别、放煤机构控制的"纯煤段记忆放煤+煤岩分界模糊段人工反馈式干预放煤"的智能放煤控制策略;分析了大采高开采"采-运"协同智能耦合控制关键技术,构建了基于采煤机牵引速度与刮板输送机链速间联动调节的工作面装备间多机异构耦合自适应协同控制模型;研发了厚煤层开采中10m超大采高液压支架,分析了厚煤层开采不断突破开采高度极限的新认识,从开采装备、控制系统等方面提出厚煤层一次开采高度的突破的研发方向.

    厚煤层开采高端开采装备支架-围岩耦合大采高综采大采高综放

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    锤式破碎机冲击速率对青砂岩破碎效果及断裂能利用效率的影响

    赵环帅潘永泰余超乔鑫...
    289-300页
    查看更多>>摘要：锤式破碎机冲击速率直接影响着岩石破碎效果,为研究锤头冲击速率对青砂岩破碎效果及断裂能利用效率的影响,结合物理试验与细观参数标定,建立了青砂岩宏观-细观力学响应关系,采用颗粒流程序分析了锤式破碎机不同冲击速率下青砂岩的应力链特点、损伤劣化特征、声发射及裂纹变化,并研究了断裂能利用效率.结果表明:①青砂岩在破碎过程中,破坏微单元内部以拉力链为主,破坏边缘以压力链为主,在未破坏微单元内部压力链与拉力链相互交叉成网状,拉力链引起裂纹扩展,最终破坏是压力链和拉力链共同作用的结果.②青砂岩破坏形态分为局部破坏、扩展破坏及加剧破坏阶段,破坏微单元数量分为快速增加、逐渐变缓及稳定阶段.冲击速率越大,破坏微单元数量稳定值增加幅度越大,且破坏微单元数量与冲击速率近似服从直线分布.③随着冲击速率的增加,青砂岩裂纹累计数量分为快速增加与稳定阶段.裂纹萌生阶段,以剪切裂纹为主,初始输入能量主要用于剪切裂纹的生成,而后拉伸裂纹所占的比例逐渐增加,且最终以拉伸裂纹为主.④青砂岩在破坏过程中,断裂能分为快速增加、逐渐变缓及稳定阶段.断裂能利用效率分为快速增加、缓慢增加及缓慢下降阶段,最大值为 10.851%,并建立了断裂能利用效率与冲击速率的定量化关系.研究结果不仅从细观角度对青砂岩破碎效果及断裂能利用效率进行了初步探索,也可为锤式破碎机破碎过程中工艺参数的合理选择提供参考.

    锤式破碎机青砂岩冲击速率裂纹断裂能

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    含钙镁煤基固废CO2矿化封存及其产物性能研究进展

    高影涂亚楠王卫东李振...
    301-315页
    查看更多>>摘要：随着化石碳资源的过度消耗,导致CO2 等温室气体的大量排放,全球气候变化已经成为全人类面对的重大挑战之一,同时,煤炭资源开发利用过程中会产生大量的粉煤灰、脱硫石膏等含钙镁煤基固废.如何实现CO2 高效捕集与封存是当下面临的极具挑战性课题,粉煤灰、煤气化灰渣等大宗重污染工业固废的大规模综合利用仍亟待突破.在"双碳"目标下,利用煤基固废矿化封存CO2 是一项具有巨大潜力的高效应对全球变暖的策略,利用含钙镁煤基固废进行矿物碳酸化对于二氧化碳捕集与封存(CCS)以及固废的资源化处置都具有很大前景.然而,它的工业应用瓶颈依旧无法突破.综述了以典型煤基固废粉煤灰(FA)、脱硫石膏(FGDG)以及煤气化灰渣(CGS)为原料的CO2 矿化技术的发展现状,旨在探讨其技术局限性的原因.首先,简要阐述了煤基固废CO2 矿化的途径,揭示了煤基固废CO2 矿化反应过程和原理.其次,重点讨论了典型煤基固废的矿化潜力和工艺,明晰CO2 矿化过程中工艺参数对产物性能的调控机理.最后,总结了煤基固废CO2 矿化产物的性能并且利用全生命周期评估(Life Cycle Assessment,LCA)阐明矿化工艺的可行性及其对环境的影响.研究将对煤基固废CO2 矿化的工艺技术提供优化建议,以期推动煤炭工业的低碳转型战略目标.

    煤基固废CO2矿化粉煤灰脱硫石膏煤气化渣二氧化碳捕集与封存(CCS)

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    二氧化碳捕集及封存技术探索研究——以陕煤集团榆林化学公司为例

    肖江宋世杰刘兰兰白治学...
    316-323页
    查看更多>>摘要：践行减排降碳措施,落实"双碳"目标是煤化工企业走向高端化、多元化、低碳型发展的重要转型契机.陕煤集团榆林化学有限责任公司谋划 400万t/a二氧化碳捕集、运输及封存(CCS)示范项目及开展 40万t/a先导试验项目助力国家碳达峰、碳中和.在借鉴神华 10万t CCS示范项目经验基础上,依据已建 180万t/a乙二醇项目中产生的CO2,设计了高纯(98.94%)和低纯(77.78%)2种超临界CO2 封存流程;结合对鄂尔多斯盆地东部三叠系、二叠系咸水层的认识,找寻了 3套物性较好且CO2 封存潜力巨大的地质咸水层(刘家沟组、石千峰组、石盒子组);在深入CO2 储存层盖层及存储容量评估分析,认为CO2 在超过 1000m的咸水层封存环境最佳;通过设计 4口注入封存井并结合数值模拟方法对 40万t/a CO2 的封存运行机制进行研究分析得出理论可行;设计采用PNX测井、井下光纤传感及地表InSAR等监测方法搭建起CO2 从井筒到储层再到储层扩散一体化的监测监控管理平台;从CCS当前经济技术成本、产业政策发展以及机遇挑战现状展望出煤化工开展CCS非常具有潜力.

    减碳降碳二氧化碳捕集、运输及封存咸水层"双碳"目标

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    耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺研究

    葛腾泽王创业刘猛刘丹璐...
    324-334页
    查看更多>>摘要：煤炭地下气化注入点可控后退(Controlled Retraction Injection Point,CRIP)工艺能够实现中深层煤炭资源的清洁高效原位开采,将我国富裕的煤炭资源转化为战略或缺的燃气资源.为取代CRIP工艺中氧气和点火液的注入、提高煤层气化反应活性,基于煤炭地下气化生产工艺和微波加热技术特点,创新提出了耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺设计,将气化剂和微波发生器产生的微波经由连续油管注入到地下煤层并在目标气化区释放.通过理论分析和实验研究,从微波的产生、传输、释放、与煤层作用、以及产业发展模式等方面分析了该工艺设计在工程实践中面临的难题和解决方案.研究结果表明,耦合大功率微波加热的煤炭地下气化CRIP工艺在技术上是可行的;在煤炭地下气化过程中加热煤层所需的热量较大,大功率磁控管可以满足工业生产规模需求;微波能够通过双层连续油管镀铜的内管外壁和外管内壁间的环形空间远距离传输到地下煤层;微波频率越高,微波功率衰减越快,2 450 MHz和 915 MHz频率微波在双层连续油管中传输 500 m时,其功率分别衰减至 15.6%和 32.1%,中深层煤炭地下气化应选用较低频率来远距离、低损耗输送微波;在双层连续油管前端的外管壁面上按一定规则割开缝隙,形成微波释能器,将微波从管线中泄漏出来辐射煤层;原煤在干燥、热解和燃烧阶段都能够较好地吸收微波能而被加热,在有氧条件下煤样温度升高到 587℃时焦炭被点燃,最高温度可达 1 080℃;风光电-储能-煤炭地下微波气化融合产业模式能够充分利用绿色能源,实现中深层煤炭清洁高效原位开采.研究能够为微波辅助煤炭地下气化提供理论基础和技术支持.

    煤炭地下气化注入点可控后退微波加热注入井系统

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    内在矿物质对褐煤加氢热解过程中氮迁移的影响

    郑盼盼杜玉杰王永刚林雄超...
    335-344页
    查看更多>>摘要：阐明内在矿物质对褐煤加氢热解过程中氮迁移的影响对建立褐煤梯级利用过程中含氮物质污染控制方法,实现褐煤的清洁高效利用具有十分重要的指导意义.研究采用固定床反应器进行胜利褐煤加氢热解试验,考察 0.1～3 MPa下内在矿物质对煤中氮向热解产物NH3、HCN、N2、焦油氮和半焦氮中迁移的影响以及半焦中氮官能团生成的影响.分别采用紫外分光光度计、气相色谱仪和元素分析仪分析气相中的NH3、HCN、N2 以及焦油氮和半焦氮,采用X光电子能谱仪(XPS)表征半焦中的氮官能团.结果表明:胜利褐煤加氢热解过程中,内在矿物质催化煤中氮向NH3 和N2 迁移;内在矿物质对煤中氮向HCN迁移的影响受热解压力影响,压力为 0.1 MPa时,内在矿物质明显阻碍煤中氮向HCN迁移,而压力为 1～3 MPa时,内在矿物质基本不影响煤中氮向HCN迁移;内在矿物质阻碍煤中氮向半焦氮和焦油氮迁移;这是由于加氢热解过程中,内在矿物质降低煤热解反应的活化能,致使更多的自由基攻击煤中的含氮杂环,使较多的含氮杂环分解转化为了NH3、N2 和HCN;热解反应活化能的降低促进了挥发分生成的增加,延长了挥发分从反应器中析出的时间,加强了挥发分的二次反应,进而促使挥发分中HCN和焦油氮发生二次反应生成NH3.半焦中存在的内在矿物质提高了新生半焦的反应性,加速了半焦与吸附在半焦上的H的反应,促进新生半焦二次反应生成NH3 和N2.内在矿物质促进热解半焦中吡啶型氮的生成而抑制半焦中季氮的生成.内在矿物质对褐煤加氢热解过程中氮迁移影响的研究结果将为褐煤的清洁高效利用技术的发展提供基础数据和技术支撑.

    褐煤加氢热解氮迁移矿物质氮官能团

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    干旱区露天矿外排土场隔水层重构材料试验研究

    马力王晓民张奇峰罗强...
    345-353页
    查看更多>>摘要：新疆煤炭资源储量巨大,具备开发建设大型露天煤矿的条件与优势,但由于新疆干旱区气候特点,造成露天开采对生态环境影响和破坏范围广、程度高,开展干旱区露天矿生态修复具有重大实际意义.由于排土场物料松散、孔隙度大、渗透性大,对干旱区排土场生态修复提出严峻挑战.为解决我国西部干旱区露天煤矿生态修复过程中水资源的紧缺问题,提高干旱区露天矿生态修复效果,基于材料强度和渗透率双重技术目标,探究重构露天矿外排土场隔水层材料配比,以不同材料配比方案利用室内渗透性试验及单轴抗压强度开展相关研究.采用XRD衍射试验、单轴抗压试验与变水头渗透试验确定了不同配比试件的材料主要成分、单轴抗压强度与渗透率并研究了重构隔水层的材料配比参数.试验结果表明:固化剂掺比增加 2%时,试件抗压强度提高 22%,但增加趋势随着固化剂掺比超过 8%时开始降低,固化剂掺比从 8%增加至 10%时,试件的抗压强度仅增加 6%.随着粉煤灰掺比的增加其渗透率逐渐减小,粉煤灰掺比每增加 2%可使渗透率降低 28%.固化剂掺比量对试件抗压强度的影响程度大于粉煤灰掺比对其的影响程度,且对于渗透率而言,粉煤灰掺比的影响程度更高.粉煤灰掺比固定时,固化剂掺比与试件的单轴抗压强度呈正相关.固化剂掺比一定时,粉煤灰掺比增加其单轴抗压强度也在增大.

    露天开采矿区生态修复干旱区排土场抗压强度隔水层重构

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    神东矿区接种AMF对植物-土壤生态化学计量及养分回收的影响

    王董董肖礼毕银丽聂文杰...
    354-363页
    查看更多>>摘要：矿区采煤沉陷地植被恢复和微生物复垦是打造绿色矿山的关键点.丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF)和恢复植被类型对植物-枯落叶-土壤连续体的生态化学计量学特征及养分回收的影响尚不明朗,但对阐明西北干旱采煤沉陷区生态修复后养分循环和可持续发展具有重要意义.选择复垦 10a后接种AMF与对照的紫穗槐、沙棘、文冠果、欧李、野樱桃 5种恢复植被及对应植被的 0～10 cm土壤进行研究,旨在探明接菌和恢复植被类型对植物-枯落叶-土壤连续体碳(C)、氮(N)、磷(P)含量和生态化学计量比,养分回收率、养分限制的影响.结果表明:5种恢复植被各器官平均养分含量与全国水平相比呈现出高C、P低N的特点,土壤N的缺乏限制了枯落物分解和植物生长.冗余分析表明影响植物生态化学计量的主要土壤因子是土壤有机碳、P、土壤易提取球囊霉素并且土壤养分与叶养分回收在菌根介导下呈正相关.AMF接种提高了植物、土壤养分含量、N、P回收率和土壤碳氮比,降低了植被的氮磷比,进而缓解植物N限制,增加植物生长速率支持恢复植被重建,促进连续体养分循环.在不同人工重建植被中接菌的固氮植被紫穗槐和沙棘养分含量、稳定性及生长速率高.植物-枯落叶-土壤连续体生态化学计量及养分回收特征预测土壤氮限制沉陷区可持续生态恢复,接种AMF则促进沉陷区持续生态恢复的潜力.

    采煤沉陷地丛枝菌根真菌矿区生态修复生态化学计量

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