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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

来源:《煤炭学报》2022年第1期

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

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  • 作者(Author): 《煤炭学报》

  • 作者(Author): 《煤炭学报》

  • 作者(Author): 刘峰, 郭林峰, 赵路正

    摘要:煤炭是我国的主体能源和重要原料,为中华民族伟大复兴做出了不可磨灭的历史贡献,在今后较长时期内,特别是推动我国能源转型发展中还将发挥不可或缺的兜底保障作用。作为“双碳”目标的主战场,能源产业的减碳、降碳是我国“双碳”工作的重点方向。由于我国以煤为主的能源禀赋现状,在保障能源安全的基础上,降低煤炭消费总量及其消费过程中的碳排放强度是实现“双碳”目标的必然选择。当前,“双碳”目标已对煤炭行业整体技术布局和攻关方向提出了全新的要求,煤炭行业比过去任何时候都更加需要科技创新,需要用系统思维谋划、从多个方面统筹未来煤炭科技发展路径,全面推动能源安全新战略向纵深发展。以科学定“量”、绿色提“质”、创新领“路”为纲,探索推进煤炭消费转型升级的技术路径。阐述了开展煤炭安全区间研究的现实紧迫性,分析安全区间上下限影响因素,提出煤炭安全区间需要研究的科学命题;结合世界主要煤炭生产消费国家的绿色低碳科技发展布局和国内低碳科技发展动态,总结了新中国成立以来煤炭绿色低碳科技发展历程,阐述了煤炭工业开拓前进、发展改革、洁净煤技术框架建立、煤炭清洁高效利用、煤炭高质量发展等5个阶段推动绿色低碳发展取得的理论、技术和工业应用等方面的进展,提出了双碳背景下我国煤炭科技创新发展存在的短板与科技攻关需求;围绕技术升级、低碳融合、颠覆突破、负碳固碳等4种类型,提出了智能绿色开采、清洁低碳利用、煤矿瓦斯抽采利用、矿区生态修复+碳汇、矿井空间开发利用、绿氢(电)与煤炭转化融合、煤与生物质/废弃物协同利用、地热资源利用、井下流态化开采与转化一体化、煤基高能燃料合成、先进煤基碳素材料制备、深部原位CO2与CH4制氢、煤矿采空区/残采区/关闭矿井封存CO2、CO2驱油驱气、CO2电化学催化转化捕集、CO2矿化利用等绿色低碳科技创新攻关方向,为新形势下煤炭绿色低碳转型发展相关科技政策的制定提供决策参考,对引导煤炭行业顺应能源革命新形势、满足行业高质量发展新要求、抓住世界经济和能源格局调整新机遇具有重要意义。
  • 作者(Author): 康红普, 张晓, 王东攀, 田锦州, 伊钟玉, 蒋威

    摘要:我国煤矿无煤柱开采技术研究与应用已有60多年。综合分析了沿空留巷、沿空掘巷、跨巷开采及采空区布置巷道等无煤柱开采方法及适用条件、围岩控制取得的研究成果。在沿空留巷方面的主要内容为:不同开采系统的沿空留巷类型、围岩变形与破坏特征;沿空留巷结构力学模型及围岩与支护作用关系;沿空留巷巷内基本支护、巷内加强支护、巷旁支护形式及支护性能;爆破与水力压裂围岩卸压机理及技术;沿空留巷断面优化及维护时间控制;沿空留巷支护设计原则及沿空留巷安全技术。在沿空掘巷方面,论述沿空掘巷的类型及小煤柱尺寸设计方法,分析沿空掘巷围岩结构特征、围岩变形的主要影响因素及沿空掘巷围岩控制技术。介绍跨巷无煤柱开采的类型,分析巷道与采煤工作面底板的垂直距离、工作面边界至巷道的水平距离等参数对跨采巷道围岩变形的影响。论述在采空区布置巷道的方式:在采空区形成巷道和掘进巷道,分析采空区巷道的应力环境及施工存在的难点。介绍陕西何家塔煤矿支卸组合泵充混凝土支柱沿空留巷、山西野川煤矿泵充钢筋混凝土墙与水平长钻孔水力压裂卸压沿空留巷围岩控制2个应用实例,分析沿空留巷围岩变形控制效果。最后,提出无煤柱开采方法及围岩控制技术的改进意见与发展方向。
  • 作者(Author): 王双明, 申艳军, 孙强, 刘浪, 师庆民, 朱梦博, 张波, 崔世东

    摘要:煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO2排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约,探索大规模、低成本CO2封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO2和CO2气藏赋存地质条件研究基础上,探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO2地下封存的技术途径,并明确了实现CO2地下高效封存的必备条件:① 煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO2封存的先决要求;② 构建功能性充填空间是实现CO2地下封存的核心工作;③ 由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO2封存量及封存效果的重要因素。据此,剖析了进行CO2地下封存亟待解决的技术难题:① 实现CO2地下封存的地质条件及评价方法;② 构建CO2封存空间的材料与工程技术;③ 煤炭开采、气化及热解扰动范围探测与CO2封存潜力评价;④ CO2充注与封存效果监测及评估。在此基础上,针对煤炭开采、地下气化及原位热解过程中形成的扰动空间特点,分别提出了煤层采空区碎裂岩体、煤地下气化灰渣及碎裂岩体、煤原位热解半焦进行CO2地下封存的实现途径。
  • 作者(Author): 王国法, 任怀伟, 赵国瑞, 巩师鑫, 杜毅博, 薛忠新, 庞义辉, 张潇

    摘要:煤矿井下同步运行着通信、传感、控制等大小上百个子系统,形成了越来越复杂的智能化巨系统。针对整个矿井智能化巨系统缺乏统一数据模型、传感器数据不完备、跨系统数据融合等难题,提出统一的多源异构数据融合处理方法——基于“分级抽取-关联分析-虚实映射”的数据逻辑模型,构建了完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系,形成集井下现场生产状态、采掘空间信息、煤机装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知方案;基于煤矿多源异构关系数据的信息“实体”和虚实映射机理,提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配、推送策略与自动更新机制,解决数据实时连接及迭代更新难题;提出基于“ABCD”(即人工智能(Artificial Intelligence)、区块链(Blockchain)、云计算(Cloud computing)、大数据(Big Data))的智能化煤矿系统耦合技术,以煤矿安全保障系统耦合为例阐述了复杂巨系统数据交互、融合过程;建立了智能化煤矿数据标准体系;给出了煤矿复杂巨系统的统一数据模型及决策机制的理论和方法,建立了满足多目标决策下的智能化煤矿系统安全、高效、稳定运行体系。相关技术在陕煤张家峁煤矿应用,突破了多源异构系统的一体化集成技术,建成了全矿井跨域融合智能综合管控平台,构建了全时空信息感知及实时互联机制,打通多系统、多层面、多部门的业务数据壁垒,实现全矿井58个在用子系统和34个新建子系统的数据融合和运行决策优化。
  • 作者(Author): 葛世荣, 王世佳, 曹波, 王世博, 吕嘉晨

    摘要:智采工作面装备运行的2个核心问题是控制工作面开采装备在煤层中自适应截割、保持采运机组在连续推进过程中的直线度。解决这2个问题必须实时获取采煤机在工作面空间的准确定位信息。通过对比分析国内外采煤机定位系统的技术原理和硬件架构,发现开发采煤机定位误差消减算法是在井下GPS拒止环境下保证采煤机长时定位精度的关键途径。根据采煤机定位原理可知,采煤机定位误差主要来源于惯性导航安装偏差和惯性导航系统随机误差。惯性导航安装偏差是确定性误差,采用基于两点法的确定性偏差补偿算法可使定位误差减小99.12%。针对采煤机运行状态的非完整性约束特点,基于采煤机运动学模型的闭合路径优化算法和动态零速校正算法分别使采煤机定位误差降低了50%和30%。采用信息滤波模型将闭合路径优化算法和动态零速校正算法进一步融合,抑制了惯性导航系统航向角的漂移,抑制了惯性导航系统航向角的漂移。利用UWB基站群自主迁移方法实现了采煤机在工作面端头定位,采用VB-UKF算法平滑采煤机定位过程中时变的测量噪声,增加了运动轨迹的平滑性,使得IMU/UWB紧融合的定位轨迹更加精确,为惯性导航系统提供校准的基准。基于采煤机定位轨迹的刮板输送机轨迹检测方法实现了刮板输送机形状在线监测,为综采工作面弯曲度自动化检测和校直提供理论基础和试验数据。
  • 作者(Author): 王家臣, 潘卫东, 张国英, 杨胜利, 杨克虎, 李良晖

    摘要:煤炭智能开采是煤炭行业高质量发展的必由之路,放顶煤工作面的智能化滞后于综采工作面。智能放煤是实现智能放顶煤开采的关键核心技术,低照度、小空间、高粉尘、煤矸叠压、声振信号干扰、夹矸误识别等问题严重制约智能放煤技术开发。在探索尝试图像、声音、振动等多种煤矸识别技术的基础上,提出了图像识别智能放煤技术。精准快速识别混矸率与适应恶劣环境是图像识别智能放煤需要攻克的主要技术难题。针对混矸率识别问题,将混矸率细化为投影面积混矸率、表面体积混矸率、内部体积混矸率。建立了轻量级的放顶煤工作面矸石识别及边界测量模型,实现了投影面积混矸率的精准快速识别。提出了快速写意重建和精准重建等2种煤矸块体三维重建方法,研究了煤矸块体三维形态特征与二维形态特征关系,揭示了后部刮板输送机上煤矸块体堆积特征。在此基础上,提出了“由表及里”的混矸率高精度预测2步走策略,以实现透明化煤流,达到混矸率高精度测量的目的。针对低照度、高粉尘等恶劣环境适应问题,提出了立体视觉照度智能监测与自适应调节方法,为图像采集实时提供最优照度环境。基于人体仿生学以及边缘AI技术开发了智能图像采集系统,提出了基于频域先验的单通道Retinex去粉尘算法以及空频域联合强化去粉尘算法,为图像识别持续提供高质量图像。形成了“三位一体”夹矸智能识别技术,对放煤过程中可能出现的夹矸进行了精准识别,减少了由于夹矸放出而引发的误识别、误操作。图像识别智能放煤技术可以提高放煤工序的智能化水平,提高资源回收率、降低含矸率,保证矿井安全生产,研究成果的科学应用将有助于高质量实现智能化放顶煤开采。
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