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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
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基于CT扫描技术预测露天煤矿区不同压实土壤水分特征曲线

作者(Author)：王金满, 张丽娜, 冯宇, 荆肇睿

摘要：随着机械化程度的快速增加，露天煤矿区反复机械作业和废料堆积压实会引起土地资源破坏，造成土壤退化和生态失衡。厘清压实对土壤水力特性的影响，对土地复垦和水肥管理具有重要实际意义。本研究采集山西平朔矿区安太堡露天煤矿排土场的表层土壤，在实验室分别制备了2组实验土壤样品，密度范围为1.3～1.8 g/cm3，密度间隔为0.1 g/cm3。其中一组样品用于实验室离心法测定水分特征曲线，另一组基于CT扫描技术结合土壤大孔隙的三维重构技术，预测设定压实范围内的水分特征曲线。通过统计方法对比预测值和实测值的差异验证物理经验模型的预测性能，分析压实作用对土壤水分特征曲线的影响机理。结果显示，CT扫描技术快速便捷获取了土壤大孔隙的分布特征，且随着压实程度增加，土壤大孔隙数量和大孔隙度显著减少，有效降低土壤孔隙间的连接度。对于土壤水分特征曲线的预测值发现，在可预测的密度范围内，土壤含水量随着压实程度增加而迅速降低，这主要是由于压实作用改变了土壤大孔隙的分布特征，土壤内部紧缩，储水效果降低造成的，且预测值和实测值随密度的变化规律相同，模型的预测精度较高。

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2022年第03期

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东部平原矿区复垦对土壤微生物固碳潜力的影响

作者(Author)：马静, 董文雪, 朱燕峰, 于昊辰, 肖栋, 陈浮

摘要：东部平原矿区复垦土壤受高潜水影响易返碱、肥力低，固碳菌群可有效提升土壤养分。但复垦如何调控微生物固碳能力及影响机制尚不清晰。为此，选取山东邹城东滩矿8，14，17 a复垦年限和对照样为研究对象，利用功能基因芯片和高通量测序技术探究6个固碳相关菌门和12种固碳基因的变化。结果表明：① 复垦土壤pH值、溶解性有机碳、土壤β-葡萄糖苷酶和过氧化氢酶活性等均显著高于对照土壤（P <0.01）。复垦17 a后土壤有机碳、微生物量碳、多酚氧化酶活性显著高于对照样，复垦时间效应极显著（P<0.001）；② 12种固碳基因信号强度随复垦时长不断增大，复垦17 a后已高于或持平对照样，主要分布于酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、蓝细菌门（Cyanobacteria）、厚壁菌门（Firmicutes）和变形菌门（Proteobacteria）；③ 固碳菌群丰度与pH、溶解性有机碳、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶、过氧化氢酶活性之间呈显著相关（P<0.05），多数固碳基因信号强度与pH、微生物量碳、溶解性有机碳及过氧化氢酶活性等环境因子之间也存在一定的相关性。长时间复垦活动影响富集和稀有固碳菌群组成及其功能基因丰度，可通过调控土壤pH、微生物量碳或多酚氧化酶酶活等相关环境因子，提升复垦土壤固碳增汇能力。

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2022年第03期

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基于湍流涡调控的煤气化渣炭-灰浮选分离过程强化

作者(Author)：闫小康, 苏子旭, 王利军, 张海军, 曹亦俊, 刘炯天

摘要：煤气化渣因炭、灰包裹夹杂严重、嵌布粒度细，导致浮选分离困难，制约了其资源化利用。浮选大多发生在湍流环境中，调控湍流是强化微细颗粒矿物浮选回收的有效途径，湍流小尺度涡直接作用于微细颗粒运动，研究借助涡流发生器实施湍流涡调控以进行煤气化渣中的炭-灰浮选分离过程强化。利用计算流体力学数值模拟对涡流矿化管内部流场进行数值计算，分析涡流发生器结构对湍流特征参量及煤气化渣浮选指标的影响，在此基础上设计了与矿物可浮性相适配的梯级涡流浮选过程。结果表明：管内矩形涡流发生器可诱导出发卡涡、流向涡及旋转方向相反的二次流向涡对，涡-涡、涡-主流之间的交互作用显著提高了湍流动能、降低了涡尺度，有利于微细颗粒与气泡间的碰撞。涡流发生器的倾斜角度从25°增至55°时，湍流动能均值由0.041 m2/s2增到0.142 m2/s2，最小涡尺度均值由16.10 μm减至10.34 μm。采用内置结构相同涡流发生器的均衡涡流浮选装置对煤气化渣进行炭-灰浮选分离试验，不同粒级浮选回收率表明，粒度越细，需要的湍流动能越大、涡尺度越小，诱发的湍流特性不当时颗粒可能从气泡表面脱附。在研究范围内，与-45，45～75 μm煤气化渣颗粒相适配的最小涡尺度均值分别为12.74 μm和14.71 μm，相应湍流动能均值分别不宜超过0.080 m2/s2及0.056 m2/s2；将不同倾斜角度的涡流发生器在矿化管内沿着流动方向有序排列，形成与矿物可浮性相适配的梯级涡流浮选过程，实现不同可浮性颗粒的逐步回收，浮选试验表明利用梯级涡流浮选装置进行煤气化渣炭-灰浮选分离时，可燃体回收率为89.99%，尾矿烧失量低至4.66%，优于相同条件下均衡涡流浮选装置和机械搅拌式浮选机的浮选指标。通过对流体环境的物理调控，可为煤气化渣的炭-灰浮选分离提供新的过程强化方式。

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2022年第03期

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富油煤热解流体滞留特征及其机制

作者(Author)：师庆民, 米奕臣, 王双明, 孙强, 王生全, 寇丙洋

摘要：富油煤作为煤基油气资源在我国西部地区拥有丰富的资源量，对其规模化提取油气不仅有利于提高国内能源供给能力，同时有利于改善煤炭的高碳属性。富油煤原位热解技术在提取煤中油气资源的过程中，具有绿色、低碳、地质结构损害小的优势，但其油气产出可能面临流体迁移约束与滞留问题。利用低场核磁共振实验和热重分析实验充分证实了富油煤热解残样中存在油气滞留特征，基于傅里叶红外光谱数据探讨了煤基质结构演化对热解流体迁移的束缚和滞留机制。研究结果表明，低场核磁共振T1-T2谱显示富油煤500 ℃热解后存在较强烈的油性小分子信号，利用热重分析技术对500 ℃热解后的半焦再次进行热解实验，发现其初始热解温度仅为461.5 ℃，低于前期500 ℃预处理温度。对比该热解样品与未热解的富油煤原始样品，在371～462 ℃热解温度段活化能前者却远低于后者。上述现象充分说明500 ℃富油煤热解阶段存在油的束缚情况。随着热解温度的升高，煤中含氧官能团和脂肪结构不断减少，导致煤-油相互作用增强、煤-水相互作用减弱，这一方面使煤基质对热解焦油的迁移约束性增强，另一方面使煤中可动水含量逐渐增多。此外，煤的芳香结构不断增多，使得煤基质塑性减弱、表面张力增强，也不利于热解产物形成的气泡突破基质壳体，从而产生滞留。然而，700 ℃热解样品几乎没有束缚油特征，这主要是由于该温度段热解产物发生了强烈的二次热解反应，滞留物质多以气态小分子形式存在。上述研究有助于深化富油煤原位热解流体迁移与产出认识。

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2022年第03期

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正丁胺改性HZSM-5对褐煤热解挥发分催化重整的影响

作者(Author)：赵小燕, 赵静平, 曹景沛, 姚乃瑜, 魏富, 冯晓博, 陈晨旭

摘要：低阶煤的清洁高效利用对缓解我国石油资源紧缺，保障能源安全具有重要意义。热解是低阶煤清洁高效利用的有效方式，能够得到半焦、气体和焦油等产物，为从非石油资源中生产液体燃料和精细化学品提供了一个可替代方式。但煤焦油中含有大量重质组分，严重影响了焦油的后续利用。而催化热解能够有效调控产物分布，并提高热解焦油品质。选取胜利褐煤为原料，采用廉价的正丁胺对HZSM-5（HZ5）分子筛进行改性，并且不经过复杂的NH+4交换步骤，直接应用于褐煤热解挥发分催化重整制备轻质芳烃的研究中。使用SEM，XRD，FT-IR，BET和NH3-TPD等手段对催化剂进行表征，以得到催化剂的结构特性。结果表明：不同浓度的正丁胺处理后，催化剂的比表面积、介孔体积以及平均孔径均有不同程度的增加，有利于反应物和产物的扩散，催化剂催化性能提高；低浓度正丁胺降低催化剂总酸量，高浓度则相反，酸量不适宜易导致积碳生成。HZ5经过改性后表现出更好的催化性能，生成轻质芳烃的产率排序为10-HZ5>30-HZ5>5-HZ5>20-HZ5>HZ5。其中10-HZ5（10 mL正丁胺处理HZ5）获得了最高的轻质芳烃产率为25.0 mg/g，其催化性能的提高主要原因在于其有最大的比表面积和介孔比表面积以及适宜的酸量。无NH+4交换碱处理制备多级孔HZ5的孔道结构和酸量分布等特征，对开发应用于褐煤挥发分催化重整制轻质芳烃的高效且廉价的催化剂具有借鉴作用。

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2022年第03期

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基于改进A*和人工势场算法的无轨胶轮车井下无人驾驶路径规划

作者(Author)：鲍久圣, 张牧野, 葛世荣, 刘琴, 袁晓明, 王茂森, 阴妍, 赵亮

摘要：经过多年发展无人驾驶技术逐渐成熟，已经开始在地面车辆得到了广泛应用，同时也将成为解决无轨胶轮车在井下实现高效、安全、智能运输的重要途径，但与地面车辆成熟的无人驾驶技术不同，无人驾驶技术应用到井下仍存在许多问题亟待解决。针对井下人工驾驶的无轨胶轮车效率低且事故频发等问题，以无人驾驶无轨胶轮车为研究对象，通过仿真和试验开展井下路径规划方法研究。首先，通过分析比较常见路径规划算法的优缺点，分别选择采用最优性A*算法和人工势场算法作为无人驾驶无轨胶轮车全局和局部路径规划的基本算法；其次，针对全局路径规划传统A*算法搜索节点多和路径不平滑问题，分别使用指数函数加权和三次样条插值的方法对其进行改进，将改进前后算法在井下巷道内进行全局路径规划仿真，结果发现：改进后的算法搜索节点数减少了50%，在同一场景下规划路径所需时间仅为传统A*算法的20%，路径规划的效率得到了大幅度提升，生成的路径更加平滑且连续性也较好；同时，针对人工势场算法存在目标不可达、局部最优解等问题，分别引入斥力势场修正因子和出逃力并建立相对速度势场对其进行改进，对比改进前后算法在井下巷道内的局部路径规划仿真结果发现：改进后的人工势场算法可以在各种场景规划出更为合理的行车路径，安全性得到了保障；最后，利用微型无人车试验平台，按照8∶1的缩比搭建模拟井下巷道环境，对无人驾驶无轨胶轮车改进前后的路径规划算法分别进行了无障碍物和有障碍物的路径跟踪试验，结果表明：基于改进A*-人工势场联合算法规划出来的路径更加合理，在8∶1的缩比搭建模拟井下巷道环境中进行的无障碍物规划路径最大跟踪误差仅为0.031 2 m，在巷道内会车和避障时能够规划合理的行驶路径，最大偏差仅为0.035 3 m，能够满足无轨胶轮车井下无人驾驶要求。

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融合残差信息轻量级网络的运煤皮带异物分类

作者(Author)：程德强, 徐进洋, 寇旗旗, 张皓翔, 韩成功, 于彬, 钱建生

摘要：矿井中开采出来的煤炭要经过运煤皮带的长距离运输才能到达地面。大量有关矿井中煤炭安全高效运输的研究显示，皮带在煤炭输送过程中存在大块矸石、锚杆等异物划伤、撕裂皮带和堵塞落煤口等安全隐患，预警、分选及联动控制不及时会严重影响煤炭的运输效率。为克服当前对皮带异物分类识别时存在的网络参数量大、实时性差、识别精度低等问题，提出了一种融合残差信息的轻量级网络。该网络采用残差块作为基本特征提取单元，在残差块中去除卷积块之间的激活函数。采用交叉学习机制和特征拼接的方法来融合不同尺度的特征信息，增强了特征的表现力。精简信息融合网络的结构并增加信息融合网络的数量，提高了模型的扩展性。在模型进行前向传播时，对损失函数进行阈值处理，改善了测试集损失函数升高的问题，提高了模型的泛化性。提出的轻量级分类网络模型在Cifar10数据集、Cifar100数据集和矿用数据集的分类准确率分别为94.1%，73.9%和85.1%。在矿用数据集上与ShufflenetV2，MobileNetV2，ResNet50，ResNeXt50，W-ResNet50，ResNet110等算法相比，本文提出的模型的识别准确率分别提升了4.2%，4.3%，0.7%，0.5%，0.3%和0.8%；此外，与分类准确率同本文网络相近的ResNet50，ResNeXt50，W-ResNet50和ResNet110算法相比，FPS分别提高了28，26，34和46。结果表明本文算法在提高对运煤皮带的异物进行分类识别精度的同时，其计算速度也得了提升，显著提高了煤炭的运输效率，促进了计算机视觉与煤矿安全生产的深度融合。

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不同混合度下液体介入难辨别煤矸红外图像识别准确率

作者(Author)：张锦旺, 何庚, 王家臣

摘要：高准确率的煤矸自动识别对综放开采智能放煤至关重要。针对灰度差异较小的难辨别煤矸种类，提出了“液体介入+红外检测”的煤矸识别新思路，进行了不同混合度下液体介入煤矸识别试验，获得了不同时刻煤矸混合试样的红外图像，借助ImageJ图像处理软件定量计算了煤矸图像的混合度，深入分析了煤矸混合度、介入时间、图像处理方法对液体介入煤矸识别准确率的影响，并从红外温变速率场的角度探讨了提高液体介入煤矸识别准确率的技术路径。研究结果表明：“液体介入+红外检测”方法可有效提高难辨别煤矸识别准确率。不同的煤矸混合度条件下，液体介入后红外图像中煤样所在区域均出现显著温降现象，可作为煤矸混合度自动识别的基础。当混矸率较低时，煤样温度在煤矸红外图像变化中起控制作用；当混矸率小于20%时，煤矸识别准确率随混矸率增大而增大，液体介入后10 s内的平均准确率约85.78%；混矸率在20%～60%内识别准确率较高且较为稳定，平均准确率约为94.38%，且液体介入时间对其影响很小，高准确率区域呈现“倾斜条带状”分布特征。当混矸率大于60%后，不同处理方法的识别准确率均值随混矸率增大呈下降趋势且离散性急剧增加；煤矸图像平均红外温差减小是煤矸混合放出后期识别准确率降低的根本原因，通过选取合理的液体种类、温度、介入量等参数来增大红外温度场的变化程度，可有效提高煤矸识别准确率。

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