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《煤炭学报》2022年“新锐科学家”专题

来源：煤炭学报

为全面展示我国煤炭行业青年学者的最新原创科技成果，鼓励我国煤炭行业青年科学家把更多的代表性科研成果发表在祖国大地上，助力青年科学家成长成才，《煤炭学报》编辑部于2022年第2、3期组织策划了“新锐科学家”专题。

行业视野: 煤炭学报
类别; 302个
关键词; 372位
专家; 66篇
论文; 50665IP
点击量; 65902次
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煤矿水害智能化防控平台架构及关键技术

作者(Author)：王皓, 董书宁, 姬亚东, 乔伟, 尚宏波, 朱开鹏, 周振方, 宁殿艳

摘要：推动煤矿水害防治由信息化向智能化转变是保障煤炭工业高质量发展的关键环节。本文立足煤矿水害智能化防控的多重需求，引入云计算、大数据、人工智能等技术，针对煤矿水害基础数据综合管理效率不高、水害超前防控精细程度不足、水灾应急决策时效性不强以及水灾事故发生后难以快速准确鉴定等技术难题，系统剖析了实现煤矿水害智能化防控的主要技术方法；开展了煤矿水害大数据管理、采掘三维地质体模型动态精细构建、水害超前数字化评价与防治、水灾过程应急决策远程辅助及灾后事故计算机辅助诊断等技术研发；形成了基于多源信息融合的煤矿水害大数据管理系统、煤矿采掘三维地质体动态精细建模系统、煤矿水害分析评价与超前防治数字化系统、水灾事故应急响应远程辅助系统以及水灾事故远程诊断分析系统；构建了煤矿水害智能化防控平台，并在煤矿现场进行了推广应用，有效提高了煤矿水害超前防控、灾中治理与灾后诊断各阶段的数字化、智能化技术水平。研究成果将有力推动我国煤矿水害防治技术的进步，可为煤炭企业开展基础数据管理与水害评价与防治，行业专家及国家安监部门开展水灾应急决策和事故诊断提供支持，是传统水害防治技术数字化、智能化转型发展的重要支撑。

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微构造对煤层气的控藏机理与控产模式

作者(Author)：闫霞, 徐凤银, 张雷, 聂志宏, 张伟, 冯延青, 张双源

摘要：煤层气单井产量差异性强，实际开发效果与预期差距较大。分析微构造对煤储层地质条件和对煤层气开发生产的影响，剖析不同微构造部位压裂改造效果、压降漏斗形态、煤粉产出、气水动态对地质－工程因素的响应，讨论“动态气藏”形成及微构造控藏机理，明确了微构造的控产特征。研究表明：微构造、煤层气地质条件与开发动态特征的耦合作用，造就了不同微构造部位产气效果的明显差异。在长期开发过程中，不断解吸的煤层气顺着优势降压方向运移汇聚至微构造高部位形成“动态气藏”。与常规天然气圈闭控藏机理不同，“动态气藏”是开发生产过程中气水分异和运移聚集形成的新生气藏，这一机理得到生产实践验证。正是受控于这一机理，即使浅埋藏泄压区或背斜轴部煤层含气量不高，但若处于微构造高部位也可能获得高产。因此，相比其它地质因素，微构造对开发过程的影响更为重要。煤储层流场（气场和水场）在不同解吸阶段的变化规律与微构造形态有关：在浅埋藏和正向微构造条件下，煤储层将优先解吸产气；在正向构造背景的负向微构造、独立负向构造、地下水径流区、断层及陷落柱附近，沟通上下含水层井的产水量较大；在正向构造背景的负向微构造部位，煤层气井可为周边井做贡献且后期高产，形成高产水高产气型井；在独立向斜部位，煤层气井可为周边井做贡献，形成高产水低产气型井；其他4种地质条件下的井为“无效排水”的高产水低产气型井。据此，划分出六类煤层气井，其中五类井与微构造密切相关。在正向微构造与斜坡，以高稳产和缓慢递减A型井为主；产量突停B型井起源于煤粉卡泵，主要分布在构造陡变部位；在负向构造部位，以持续高产水低产气D型井为主；在采空区、断层附近，以间断产气E型井为主。上述成果改变了背斜轴部原位贫气等传统认识，有助于提高煤层气甜点评价和井位布置准确性，为预测未开发区相似地质条件煤层气井产能及开发规律提供了新的思路和依据。

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CO2震源的槽波勘探现场实验及前景讨论

作者(Author)：王勃, 刘盛东, 孙华超, 邢世雨, 章俊, 丁昕, 龚震

摘要：震源是地震记录的源头，是地震勘探的关键部分，直接影响地震信号质量，常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制，因此，亟需研究适合于矿井地震勘探的新型震源。基于此，在突出矿井中厚煤层工作面开展了新型CO2震源的槽波勘探实验，基于理论计算、数值模拟及现场实测等方法，进行了新型CO2震源激发地震信号的运动学及动力学特性研究，结果表明：在异巷激发-接收透射勘探及同巷激发-接收透射勘探地震剖面上均出现典型的纵波、横波及槽波，其中槽波主频最高，振幅能量最强；异巷激发-接收的透射槽波频宽约为200~350Hz，槽波埃里震相约为260Hz，同巷激发-接收的透射槽波振幅能量集中在250~450Hz，槽波埃里震相约为280Hz；2Kg液态CO2震源理论能量超过140g的TNT当量；因此，CO2震源激发下的地震信号的频率及振幅满足矿井地震勘探需求。相对于巷帮激发的炸药震源而言，CO2震源集中力源的激发方式有利于槽波发育，以及CO2震源具有深孔激发的优势，避开了巷道及围岩松动圈的影响，定向聚能作用于煤。同时，CO2震源激发具有方向性，利用CO2震源聚能方向性优势进行构造精细勘探是下一步重点研究方向；CO2相变致裂技术常被用于煤层卸压增透，借用CO2震源有望实现对掘进工作面前方的瓦斯富集异常、应力变化异常的随掘随探。

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论引导型矿山生态修复

作者(Author)：雷少刚, 卞正富, 杨永均

摘要：“以自然恢复为主，与人工修复相结合”作为生态修复的基本原则，其引出的关键科学问题是，如何认知并利用自然恢复能力、如何协同人工干预与自然恢复。本文重点讨论分析了引导型矿山生态修复的基本原理和技术框架，以破解人工干预和自然恢复之间的争议和困惑，更好地处理两者之间的关系。引导型矿山生态修复的就是明确何时干预、何处干预、如何干预、干预程度等基础问题。引导型矿山生态修复强调了人工干预的针对性、及时性、持久性和有效性，以减少人工过度修复的人力、物力成本和能量消耗，是符合“双碳”目标的。分析表明，引导型矿山生态修复的主要理论基础是生态系统的抵抗力和恢复力等。引导型矿山生态修复技术框架的主要内容包括矿山生态问题诊断、引导修复方向的判定、引导修复的关键对象或区位的确定、引导修复的合理程度或生态阈值的识别、以及修复技术措施筛选等技术环节。生态修复的本质是对生态关系的修复，因此，矿山生态关系、过程、规律感知是引导修复的前提；障碍性和限制性影响因子和景观格局过程是引导修复的主要对象；生态阈值和生态参数的调控是科学引导的关键。引导型矿山生态修复模式的修复目标和对象明确、干预程度合理、能有效降低修复成本、提升矿山生态系统自维持能力，符合自然恢复和人工修复相结合的理念和现实需求，是传统人工干预修复模式的发展升级，可以在我国矿山生态修复工作中进一步研究推广。

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高潜水位煤矿区开采扰动的长时序过程遥感监测与影响评价

作者(Author)：肖武, 陈文琦, 何厅厅, 赵艳玲, 胡振琪

摘要：煤炭开采导致地表沉陷积水，是东部高潜水位平原煤矿区的主要特征，对矿区开采中沉陷水体变化的长时序检测，有助于定量评估煤炭开采对土地、生态与社会的综合影响效应。在没有地下采矿信息为先导的情况下，如何识别与区分自然水体、人类地面活动导致的挖掘水体，以及沉陷水体，同时量化开采沉陷影响的边界与程度是目前单纯采用遥感手段进行监测的难题。以山东兖州煤田为例，利用Google Earth Engine（GEE）云计算平台，基于1986年以来可以获取的所有Landsat时序影像数据，结合CCDC（Continue Change Detection and Classification）算法开发了基于轨迹数据检测变化的沉陷积水年份和复垦年份时空动态制图的方法，在此基础上，以提取的沉陷水体图斑为依据，利用Sentinel-2数据分别反演了积水缓冲区反应土壤含水量的VSDI（Visible and Shortwave Infrared Drought Index）、 LSWI（Land Surface Water Index）、SMMI (Soil moisture monitoring index)三个指数，根据土壤水分空间变化规律，通过测度离沉陷积水区不同距离土壤水分空间分布特征，进一步对开采扰动的影响范围与程度进行定量分析。结果显示，（1）基于CCDC算法识别1986—2017年地下煤炭开采引起的地表沉陷积水与复垦年度时空数据，精度分别为85%、77%。（2）研究区自1990年出现沉陷水体，至2017年累计沉陷积水面积3021.08公顷，其中75.80%的沉陷积水发生在2001—2011年；沉陷积水复垦从1993年开始出现，累计面积888.37公顷，占沉陷积水总面积的29.41%，主要集中于2007年之后。（3）沉陷水体的影响主要集中在沉陷水体外围120米范围内，该区域出现剧烈的土壤水分变化；120-300米内存在扰动但是影响强度轻微；300米之外几乎无影响。本文通过分析矿区长时序的沉陷积水变化过程，并基于高潜水位矿区土壤水分的遥感反演识别开采扰动的影响范围与程度，为类似矿区开采沉陷水体的监测识别与影响评估提供了新的思路，并可推广应用至其他类似矿区。

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煤泥调浆湍流强化作用机理与新型涡流强化调浆过程

作者(Author)：张海军, 王海楠, 陈瑞丰, 闫小康, 郑恺昕, 李丹龙, 蒋善勇

摘要：调浆过程为煤泥浮选提供良好的界面条件,是实现其高效分选的必要条件,其本质是一个多相流动过程,流体作用贯穿其中｡聚焦煤泥调浆过程中的“湍流效应”,搭建了实验室型搅拌装置,利用数值模拟分析其湍流特征参量,研究了不同流场条件下颗粒分散特性和颗粒表面疏水性变化规律,并通过浮选试验进行验证,以此构建了基于湍流能量密度适配的新型涡流强化煤泥调浆过程,并分析其流场特性｡研究结果表明:搅拌装置内存在流向相反的循环区,有利于颗粒分散,叶轮区流体流速和湍动能耗散率高于其他区域,叶轮叶片后存在尾涡,其发展状况与湍动能耗散率分布一致,叶轮区最小涡尺度最低,增强颗粒与药剂的相互作用,随着叶轮转速增大,流体流速和湍动能耗散率增大,最小涡尺度减小;颗粒分散浓度方差随着叶轮转速的增大而减小,低转速时搅拌装置底部颗粒浓度较高,分散效果差,包覆角随着叶轮转速的增大而增大,相同条件下,叶轮区颗粒包覆角最大,在试验范围内,叶轮转速增大,浮选产率增大;基于上述调浆过程中的湍流效应分析,构建了集成管流､错向旋流､撞击流等不同流场环境的煤泥调浆过程,并设计了MRM-800×3 600 mm型煤泥混合调质器,数值模拟表明该装置内湍流能量密度分配合理,旋流区流体流速较大,呈切向运动,撞击流区域流体运动剧烈,湍流能量密度大,最小涡尺度小,工业生产实践表明该装置矿浆通过量为300~500 m3/h,在原有工艺条件下,浮选精煤回收率提高超过4%｡

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基于电容层析成像技术(ECT)对干法重介流化床中分离机制的研究

作者(Author)：段晨龙, 刘锡波, 周晨阳, 柴学森, 王烜, 赵跃民

摘要：我国煤炭资源与水资源呈逆向分布的特征，迫切需要开发高效的干法分选技术。研究干法重介流化床中气泡相与煤炭颗粒的运动行为特征，是揭示气固相间作用与煤炭密度离析行为的关键。电容层析成像系统 (ECT) 作为一种非侵入式三维成像测量手段，可以实现对气泡和煤炭颗粒的精准捕捉。利用电容层析成像技术，基于空气与介质颗粒间介电常数的差异，对气泡运动行为进行了精准捕捉，建立了气泡生长和运动速度的数学模型，揭示了床层中的气固两相分布特征。结合COMSOL仿真模拟证实了ECT对煤炭示踪的可行性，提出了一种可用于实时监测煤炭颗粒运动行为的技术方案，分析了操作条件及煤炭性质对运动行为的影响，实现了煤炭颗粒在径向和轴向的实时捕捉。结合上述气泡和煤炭运动行为的捕捉结果，分析了床层中气固两相分布特征，构建了适用于煤炭分选的密度模型，模型预测值与实验测量值的误差在20% 以内，能够分选密度的有效预测。通过将电容层析成像技术引入干法分选流化床分选领域，实现流化床分选行为的直接观测，解决了光纤探针、二维成像等技术对气固分选流化床中气泡运动行为捕捉的不足和煤炭分选过程可视化追踪的难题，为理解煤炭的分选机理提供了理论基础，并为流态化干法分选的精准调控提供了理论保障。

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基于机械力化学作用煤基石墨纳米片的制备及其电化学储能特性

作者(Author)：邢宝林, 曾会会, 郭晖, 徐冰, 康伟伟, 张传祥, 黄光许, 孙琦, 张宝庆

摘要：煤炭清洁高效转化是国家实施“碳达峰与碳中和”能源发展战略的重要内容，而煤的材料化是实现其低碳高值化洁净利用的有效途径。本文以自制煤基石墨为前驱体，借助高能机械球磨产生的机械力化学作用制备煤基石墨纳米片（CGNs），考察了球磨时间对CGNs微观结构的影响，并研究其用作锂离子电池负极材料的电化学储能特性，探索利用机械力化学作用制备负极材料用CGNs的可行性。研究表明，利用机械力化学作用可以从煤基石墨中剥离出富含纳米孔隙和含氧官能团等缺陷结构的CGNs，通过控制球磨时间可实现石墨纳米片微观结构的有效调控。当球磨时间为50 h时，CGNs具有由数层石墨微晶片层相互堆叠、交联而形成的三维网络结构，其石墨微晶层间距约为0.345 5 nm，且富含1.5~20.0 nm的纳米孔隙和少量的含氧官能团，比表面积可达573 m2/g。CGNs用作锂离子电池负极材料时表现出良好的电化学储能特性，其可逆容量最高达726 mAh/g，且具有良好的倍率特性和循环稳定性，在2.0 A/g大电流密度下的可逆容量仍可达252 mAh/g，经过200次循环容量保持率为88.1 %。CGNs负极材料的锂离子存储由扩散插层电容和表面吸附电容共同控制，引入纳米孔隙和含氧官能团等缺陷结构有利于提高表面吸附电容对负极材料储能容量的贡献。本研究为高性能石墨纳米片负极材料的研发和煤炭的材料化高附加值利用提供了新思路。

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