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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

mtxb@vip.163.com

010-84262930

100013

北京和平里青年沟东路5号煤科院内

煤炭学报/Journal Journal of China Coal SocietyCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《煤炭学报》于1964年创刊，为季刊。1966年停刊，1979年复刊， 1993年改为双月刊，1995年改为大16开本，并申办创刊了《煤炭学报》英文版《Journal of Coal Science & Engineering(China) 》，半年刊。《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的煤炭系统最高水平的综合性学术刊物，现为双月刊，112页。主要刊载与煤炭科学技术相关的基础理论和重大工程研究的理论成果，包括煤田地质学、矿山岩体力学、采矿工程、煤矿安全、环境保护、煤矿机电一体化、煤的加工与利用、煤炭经济研究等领域的学术论文。30多年来，为传播煤炭科学技术起到了重要的作用。 多年来，《煤炭学报》一直以“登一流文章，创一流期刊”为指导思想，培养了一支基础理论知识扎实、专业水平高的稳定的编辑队伍，使《煤炭学报》质量逐步提高。《煤炭学报》1992年荣获全国第一届优秀科技期刊评比二等奖，获中国科协优秀科技期刊二等奖；1997年获全国第二届优秀科技期刊评比一等奖，获中国科协优秀科技期刊一等奖；1999年荣获首届中国期刊奖；2001年入选“中国期刊方阵”,并被评为“双奖期刊”。《煤炭学报》在包括10名中国科学院、中国工程院院士的编委会领导下，每年都制定了明确的报道重点，使刊物能紧紧围绕煤炭重大科技攻关项目发表相关的基础理论论文。《煤炭学报》发表的论文反映了煤炭科学技术的最新研究成果，起到了促进煤炭科学技术交流和发展的龙头作用，为繁荣煤炭科学技术事业作出了重要贡献。《煤炭学报》被国内外近20家数据库和文摘期刊所收录，如IEA Coal Abstract CD-ROOM（美国）、 Ei Page One、美国的能源科学与技术数据库、美国地质文摘、中国科学技术期刊文摘数据库、中国科学引文数据库、日本科学技术文摘速报、РЖ、Coal Highlights（英国）、Geological Abstract（英国）、Geomechanics Abstracts（英国）、中国学术期刊文摘、中国力学文摘、矿业文摘等等。
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    ML-QSPR方法预测煤基液体的燃料性能

    李文英王香玲范欢欢范鸿霞...
    1098-1110页
    查看更多>>摘要：煤基液体混合物如煤焦油、煤直接液化油的分子结构描述和性质预测是开发煤基液体产品高值化工艺和技术的重要基础。由于煤基液体主要由C、H、O、N、S元素构成数量庞杂、芳环结构各异的混合物，因此，使用Python中的RDKit工具包，利用简化分子线性输入规范(Simpli-fied Molecular Input Line Entry System，SMILES)语言构建煤基液体中物质分子描述符，描述符包含样品元素信息、环数与环结构信息、原子数及分子量信息等共计 115个分子描述符。对比人工信息提取方法，将所构建的分子描述符能够体现煤基液体分子结构碎片、分子量及原子个数信息等作为机器学习的特征输入变量，用于建立预测煤基液体的燃料性能的分子机器学习-定量结构性质关系方法(ML-QSPR)，实现对燃料低位热值(LHV)、液体密度(ρ)、闪点(FP)、十六烷值(CN)4个关键燃料性能参数的快速预测。模型验证分析表明LHV、ρ、FP模型的R2 分别为0。996、0。988、0。987;CN预测中加入混合物数据进行预测，R2=0。959。与已公开报道的预测LHV、ρ、FP、CN性质方法对比，笔者提出ML-QSPR方法在预测 4个关键燃料性能参数准确度方面有提升，在获取结果速度方面有显著优势。利用ML-QSPR模型预测得到的煤基液体制特种燃料性能参数数据库中的信息，分析增加不同族组分物质的碳原子数量时4个燃料性能参数的演变趋势，发现LHV、ρ、FP、CN四个燃料性能参数均受碳数(n)影响显著。由于LHV主要由n决定，不同族组分物质的LHV差距小;而不同族组分物质的ρ、FP和CN性质差距明显。此外，本研究训练好的模型可用于预测新的分子，为新型燃料分子设计提供参考;ML-QSPR方法作为迁移学习模型可在今后用于煤基液体其他场景相关理化性质的分析。

    煤焦油煤直接液化油煤结构煤组成成分分子描述符

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    水合阳离子对煤泥矿物颗粒表面水化的影响机理

    闵凡飞束庆东陈军刘春福...
    1111-1122页
    查看更多>>摘要：为探索水合阳离子对煤泥矿物颗粒表面水化的微观影响机理，以煤泥中主要矿物高岭石和石英为研究对象，依据煤泥水溶液环境构建了[Na(H2O)5]+及[Ca(H2O)8]2+两种煤泥水中常见的水合阳离子构型，并采用密度泛函理论对这 2种水合阳离子在高岭石(001)面、(00(-1))面和α-石英(001)面的单一吸附及与水分子间的竞争吸附进行了模拟计算。模拟结果表明，单一水合阳离子在3种表面的吸附能均比水分子的吸附能低出 50%以上，其在矿物表面的吸附稳定性顺序为:α-石英(001)面>高岭石(001)面>高岭石(00(-1))面;在竞争吸附作用下，竞争稳定构型的吸附能比单一水合阳离子在高岭石、石英表面上的吸附能低出 34%～57%，其中 2种吸附条件下[Ca(H2O)8]2+构型均比[Na(H2O)5]+构型更稳定。水合阳离子在 3种表面上单一吸附时，与表面形成强氢键作用，比水分子与高岭石、石英表面间的氢键作用更强，2种水合阳离子在矿物表面的氢键强弱顺序均为:高岭石(001)面>α-石英(001)面>高岭石(00(-1))面;在竞争吸附作用下，[Na(H2O)5]+与矿物表面间的氢键作用增强，[Ca(H2O)8]2+与矿物表面间的氢键作用减小;由于氢键作用不能完全对应吸附能的变化，经分析可知，吸附构型中存在静电作用，水合阳离子单一吸附构型中的静电作用比水分子吸附时更强，而在竞争吸附作用下，水合阳离子与矿物表面间静电作用增强，同时[Ca(H2O)8]2+比[Na(H2O)5]+与对应矿物表面间的静电作用更强。由于水合阳离子在高岭石、石英表面的强吸附作用，导致煤泥颗粒脱水更加困难，同时可能增加颗粒间的水化斥力，从而导致颗粒在煤泥水中分散更稳定。

    煤泥颗粒表面水化水合阳离子高岭石石英密度泛函理论

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    生物质燃料颗粒热压成型过程分析

    张守玉黄健添郎森张邢佳...
    1123-1137页
    查看更多>>摘要："双碳"战略下，生物质因其可再生、低污染和"零"碳排等优点而备受关注。生物质成型制备燃料颗粒能有效地解决其结构松散、能量密度低等问题，可用作化石燃料的替代品，对于新型能源体系的建设具有重要意义。笔者概述了生物质热压成型过程的影响因素，分析并探讨了热压成型过程中生物质颗粒的演变行为和结合机制。生物质成型工艺主要包括冷压成型和热压成型。与冷压成型相比，热压成型能耗较低，制得成型燃料品质较高。生物质含水率(4%～15%)对其成型燃料密度影响较大，成型温度(70～150℃)影响较小，成型压力(60～130 MPa)和原料粒度(<2。5 mm)对其成型燃料密度的影响因生物质种类不同而存在较大差异。生物质热压成型过程中纤维素主要起骨架支撑作用，半纤维素、木质素则起到黏结剂作用。在热压成型的微观过程中，生物质颗粒经惯性移动后黏弹塑性变形，形成机械互锁。脆性颗粒破碎后释放出天然黏性成分，在水分、温度和压力的共同作用下形成颗粒间桥接。机械互锁和桥接缩小了生物质分子间的距离，促进了分子间作用力的产生。在对生物质热压成型机制认识的基础上，利用不同生物质掺混或水热等预处理手段对生物质组分进行调控可提高燃料颗粒的品质。利用分子动力学手段对生物质成型过程进行仿真模拟，可获得生物质组分分子间的键合机制，有利于进一步探究生物质热压成型机制，对生物质成型燃料乃至成型材料的制备有着重要的指导意义。

    生物质成型分子间作用力机械互锁桥接

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    深部煤炭地下气化制氢先进能效分析

    刘淑琴刘欢郭巍纪雨彤...
    1138-1147页
    查看更多>>摘要：深部煤炭地下气化制氢不仅可以利用我国丰富的深部煤炭资源，将传统采煤方法难以开采或开采不经济的深部煤层转化为氢气，而且有望成为一种理想的煤基低成本制氢路线。基于位于加拿大天鹅山的世界上唯一千米级深部煤炭地下气化试验数据，结合Aspen Plus过程模拟，以先进㶲为先进能效指标，对深部煤炭地下气化制氢能量利用情况进行分析。与商业化的Lurgi地面煤气化制氢路线作对比，以产出单位质量氢气的积累㶲消耗为指标，比较了 2种制氢路线的能量消耗水平。结果表明，在氢气生产能力为 12亿Nm3/a情形下，深部煤炭地下气化制氢从原料到产品的总㶲损失为 451。79 MW。先进㶲分析可以有效量化气化过程可以避免的㶲损失，其中 39。9%为不可避免㶲损失。甲烷重整单元的内部可避免㶲损EAV，ENdest，k和外部可避免㶲损EAV，EXdest，k分别为 96。63和81。58 MW，具有最大能效提升空间，如能利用转化气、烟道气的热量副产蒸汽，可将其内部可避免㶲损失减少 38。5%。地下气化单元的EAV，ENdest，k和EAV，EXdest，k分别为 4。38和 62。73 MW，表明降低其㶲损失的重点应放在提高其他单元的能量效率，从而降低外部可避免㶲损。其余单元改进空间均比较小可不予考虑。以积累㶲消耗量为标准衡量能量消耗水平时，产出 1kg氢气，深部煤炭地下气化制氢的积累㶲消耗为 376。1 MJ，仅为Lurgi地面煤气化制氢的 83。6%，表明深部煤炭地下气化制氢能够显著降低能量消耗水平。敏感性分析显示，2者积累㶲消耗的差距随着生产规模的扩大而增加。研究结果可为深部煤炭地下气化制氢的过程优化及技术可行性定量化提供科学依据。

    煤炭地下气化Lurgi气化氢气生产先进㶲分析积累㶲消耗

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    准东煤半焦赤铁矿载氧体化学链燃烧及碱(土)金属迁移特性

    刘银河王儒儒关昱林啸龙...
    1148-1160页
    查看更多>>摘要：准东煤在常规燃烧利用过程中出现严重的积灰结渣和CO2 排放等问题，极大地限制了其低碳清洁高效利用。采用中低温热解低阶煤生产半焦、焦油和热解气是煤炭分质分级利用的龙头技术，准东高碱煤热解半焦气化活性高，采用化学链燃烧方式有利于实现其低碳清洁高效转化。以CO2 为气化介质，赤铁矿石为载氧体，在固定床上开展准东煤半焦原位气化化学链燃烧特性研究，并探究了准东煤半焦中碱(土)金属(AAEMs)的迁移转化规律。研究表明，赤铁矿载氧体能够显著提高固定床反应器出口烟气中CO2 体积分数，然而随着载氧体与半焦质量比(mOC/mC)不断增加，CO2 体积分数先急剧增加而后趋于不变，最佳的mOC/mC为 50∶1，而 700℃热解制取的准东煤半焦经酸洗脱灰处理后固定床反应器出口相应烟气中CO2 的选择性降低了 8。95%，这表明准东煤半焦中具有催化活性的AAEMs显著影响其化学链燃烧性能。赤铁矿载氧体对准东煤半焦表面AAEMs的分布也有显著影响，与未加入时相比，Na、K元素在半焦表面呈现较为明显的团簇富集，Ca、Mg元素在空间分布上呈更为明显的依赖关系。采用原位气化化学链燃烧方式后准东煤半焦中的AAEMs向赤铁矿载氧体中发生迁移与转化，并生成霞石(NaAlSiO4)、钾长石(KAlSi3O8)、钙铝黄长石(Ca2Al2SiO7)、镁橄榄石(Mg2SiO4)等高熔点矿物质，有效抑制了准东煤半焦中AAEMs向气相的挥发。

    准东煤半焦赤铁矿载氧体碱(土)金属化学链燃烧分质分级利用

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    粉煤灰矿化电厂烟气CO2技术及关键科学问题

    秦波涛冯乐乐邵旭
    1161-1173页
    查看更多>>摘要：燃煤发电是我国能源安全的重要保障，但烟气中会排放大量CO2，同时，也会产生大量粉煤灰。利用粉煤灰矿化封存电厂烟气CO2，并将矿化产物进行综合利用，可达到大宗固废处置与CO2 长效封存的双重目的。目前，粉煤灰矿化电厂烟气CO2 技术仍存在矿化效率低、反应时间长、CO2 处理量小等不足，其对应的关键科学问题和技术瓶颈亟待解决。简要介绍了粉煤灰矿化烟气CO2 的基本原理，分析了不同反应条件对粉煤灰碱土金属离子浸出和CO2 矿化反应效率的影响机制，对比了CO2 直接矿化反应工艺、碱土金属预浸出工艺、CO2 预吸收工艺等 3种流程的优缺点，提出了包含粉煤灰碱土金属离子高效浸出、CO2 矿化反应过程强化、粉煤灰矿化CO2 智能装备、矿化效果综合评价等方面的粉煤灰高效矿化烟气CO2 技术体系，总结了粉煤灰矿化CO2 产物的物理化学性质，提出了粉煤灰矿化CO2 产物高值化综合利用的构想。最后，凝练出了粉煤灰碱土金属离子快速浸出与CO2 高效矿化特性、粉煤灰矿化CO2 大型反应器中多相混合与反应规律、粉煤灰浆液矿化CO2 产物性质的调控机制等 3个关键科学问题，指明了基础研究-关键技术与装备研发-工程应用全链条的攻关方向，为粉煤灰高效矿化烟气CO2 及产物综合利用提供了参考，对于双碳目标实现和固废综合利用具有重要意义。

    电厂烟气粉煤灰二氧化碳矿化固废利用

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    智能采煤机器人关键技术

    马宏伟赵英杰薛旭升吴海雁...
    1174-1182页
    查看更多>>摘要：采煤机是综采工作面的核心装备，研发智能采煤机器人是实现综采工作面智能化的关键。综合分析当前采煤机机器人化研究进程中的传感检测、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制等技术的研究现状，提出研发智能采煤机器人必须破解的"智能感知、位姿控制、速度控制、截割轨迹规划与跟踪控制、位-姿-速协同控制"五大关键技术，并给出解决方案。针对智能感知问题，提出了构建智能感知系统思路，给出了智能采煤机器人智能感知系统的架构，实现对运行状态、位姿、环境等全面感知，为智能采煤机器人安全、可靠运行提供保障;针对位姿控制问题，提出了智能PID位姿控制思路，给出了改进遗传算法的PID位姿控制方法，实现了智能采煤机器人位姿精准控制;针对速度控制问题，提出了融合"力-电"异构数据的截割载荷测量思路，给出了基于神经网络算法的截割载荷测量方法，实现了截割载荷的精准测量;提出牵引与截割速度自适应控制思路，给出了人工智能算法牵引与截割速度决策方法和滑模自抗扰控制的牵引与截割速度控制方法，实现了智能采煤机器人速度精准自适应控制;针对截割轨迹规划与跟踪控制问题，提出了截割轨迹精准规划思路，给出了融合地质数据和历史截割数据的截割轨迹规划模型，实现了截割轨迹的精准规划;提出了截割轨迹精准跟踪控制思路，给出了智能插补算法的截割轨迹跟踪控制方法，实现了智能采煤机器人截割轨迹高精度规划与精准跟踪控制;针对"位-姿-速"协同控制问题，提出了"位-姿-速"协同控制参数智能优化思路，给出了基于多系统互约束的改进粒子群"位-姿-速"协同控制参数优化方法，实现了智能采煤机器人智能高效作业。深入研究五大关键技术破解思路，有利于加快推动研发高性能、高效率、高可靠的智能采煤机器人。

    智能采煤机器人智能感知速度控制截割轨迹规划与跟踪控制协同控制

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    碟盘刀具截割姿态倾角与破岩模式特征

    刘春生程硕刘延婷徐鹏...
    1183-1198页
    查看更多>>摘要：刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础，而刀具截割姿态对破岩模式影响显著，探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联，反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态，在非线性岩石破坏准则的基础上，根据Mohr-Coulomb准则给出了岩石拉剪耦合破坏条件，扩展延伸成三段式线性岩石破坏全域准则(拉破坏、拉剪耦合破坏、剪破坏、压剪耦合破坏和压破坏)，给出了不同破岩模式下刀具楔面挤压应力的数学描述，基于楔面作用的最小能量原则提出了破岩模式识辨方法，构建了刀具倾斜姿态截割岩石的载荷模型，并通过数值模拟和实验分析了不同截割姿态倾角下刀具载荷特性和岩石破碎特征(岩石块率分布和粉尘粒度分布)与破岩模式之间的关联特性。结果表明:碟盘刀具楔面能耗表征值与姿态倾角呈正比，破岩模式由拉剪耦合破坏向压剪耦合破坏转变;振动截割时刀具楔面能耗表征值明显小于无振动截割，且多以拉剪耦合破坏为主，而无振动截割时拉剪、压剪耦合破坏近似等比存在;当轴向速度楔面分量大于进给速度楔面分量时，摩擦力转变为破岩助力，楔面能耗明显下降;碟盘刀具破碎岩石宏观形态呈大块月牙状，岩粉细观形态呈类多面体和类球状，刀具姿态倾角与岩石碎片量呈反比，与岩粉量呈正比(类球状粉尘减少、类多面体粉尘增加)，表明姿态倾角增大，刀具齿刃碾挤压作用减弱，楔面挤压产生粉尘能耗增加，与破岩模式识辨过程中截割姿态对楔面能耗的影响规律相一致;碟盘刀具径向载荷与姿态倾角呈下凹规律，理论和模拟与实验径向载荷规律具有一致性，其平均误差分别为 8。46%和 9。55%，验证了碟盘刀具破岩模式识辨方法、倾斜姿态截割岩石的载荷模型和数值模拟的合理性。

    碟盘刀具截割姿态破岩模式应力耦合破坏破碎特征

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    我国煤矿快速掘进20a发展与展望

    王虹陈明军张小峰
    1199-1213页
    查看更多>>摘要：针对煤矿智能化快速发展，煤矿掘进面临新的机遇和挑战，笔者对我国煤矿快速掘进 20a的发展进行全面综述，以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势，以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面，双巷掘进开辟了截割、支护在不同巷道同时作业的新途径;掘锚同步工艺，时间-空间多维同步快速掘进工艺打破了先掘后支、及时全部支护的传统，创立了掘锚同步、迎头必要支护与多维空间永久支护动态匹配的分区支护方法。在掘进装备方面，形成了以纵轴、全宽横轴截割滚筒为主，全断面截割滚筒为辅的截割滚筒结构形式，并且在高功率密度减速器及整机设计理念不断突破的基础上，成功研制纵轴截割功率达315 kW、全宽横轴截割功率达 560 kW的系列高效截割系统。在锚护装备方面，由传统的单体锚杆钻机发展出锚杆钻机、一键操作流程化钻机、钻机集群等，在有限空间内钻机的数量和作业安全性得到大幅提升，作业流程得到大幅简化，锚孔识别、锚护路径自动规划等智能化技术已进入工业性试验阶段。柔性运输系统的发明解决了掘进面短距离高效转载难题。在成套装备配置上，形成了以连续采煤机、掘锚一体机、掘锚机(掘进机+机载锚杆钻机)、煤矿全断面掘进机为龙头的四大类快速掘进系统，在四大快速掘进系统下，又分别形成了不同的作业线，实现了对不同地质条件巷道快速掘进的全覆盖。掘进工程系统层级上实现了具有成套装备的远程控制、集中控制、视频监测、闭锁联动、人员接近预警等智能化功能。回顾快速掘进的发展历程，提出完善时间-空间多维同步快速掘进理论、以智能掘进搜集透明地质的基础大数据、加强掘进巷道辅助作业工艺及设备研究、加强装备的智能化核心技术研发等智能掘进的发展方向。

    快速掘进智能掘进截割锚护掘进成套装备

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    煤矿智能快速掘进关键技术研究现状及展望

    毛君杨润坤谢苗卢进南...
    1214-1229页
    查看更多>>摘要：针对煤矿巷道掘进智能化建设情况，探讨了现阶段分别以连采机、掘锚一体机、全断面掘进系统、掘锚机为核心的四大类智能快速掘进成套装备发展现状，分析了四大类智能快掘装备与地质条件适用性，提出了实现煤矿智能化掘进需要解决的关键技术的问题，探讨了以信息传输与智能分析技术、智能感知技术、精确定位导航技术，自主定型定向截割技术、掘进机远程自主截割控制技术以及多级多工序智能协同控制技术为基础的智能化掘进实现途径;基于复杂地质条件下煤矿巷道掘进亟待解决的关键问题，提出了以掘进作业功能需求、掘进工艺要求为依据的系统化分析、模块化设计、功能优化组合的设计方法;研究了以虚控实、虚实结合的多级数字孪生构架，基于掘进巷道设备、环境、地质构造多维信息再现实现掘进机远程控制;提出了单机智能化、系统协同化、井下智控与地面远程监控相协同的控制方法。开发了新型的无重复碾压柔性超前支护技术、截割部多级伸缩截割技术、智能锚固机组多钻机并行作业等技术，研制了具有掘、支、锚、运、探多工序并行作业的新型快速掘进作业联合机组，提出了掘进机器人、超前支护机器人、锚固机器人、辅助运输机器人组柔性并行作业技术;提出了基于数据驱动的多机多工序协同控制行为规划决策方法。提出构建完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系，构建集井下现场生产状态、掘进巷道空间信息、掘进装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知智能化监控平台，实现虚拟系统与实际掘进系统实时通信，通过数据驱动规划分析实现智能化、少人化掘进。

    智能掘进自主定性定向截割柔性并行作业多级多工序协同控制数字孪生

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