《煤炭科学技术》虚拟专题 | 一键下载 | 2023~2024年低碳减损绿色开采成果

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《煤炭科学技术》虚拟专题 | 一键下载 | 2023~2024年低碳减损绿色开采成果

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为实现碳达峰、碳中和的长远目标，煤炭行业需要大力推行清洁生产，将煤炭清洁高效开发作为能源转型发展的立足点和首要任务。基于此，《煤炭科学技术》编辑部整理了近2年30篇充填开采、注浆减沉开采、煤与瓦斯共采等低碳减损绿色开采成果，以飨读者。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 126个
关键词; 164位
专家; 29篇
论文; 5289IP
点击量; 2891次
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煤矿矿区绿色低碳评价指标构建及应用

作者(Author)：金向阳, 李杨, 于雷, 李要娜, 雷兴海, 王楠, 鄢明慈, 夏雪, 任玉琦

摘要：煤矿矿区是煤炭生产的重要基地，对当地经济和能源供应具有重要意义。在我国能源开发和环境保护中，矿区规划占据着举足轻重的地位。随着全球能源格局的变化以及我国提出的“碳达峰、碳中和”战略目标，煤矿矿区的规划不再仅仅局限于资源的开采，更要注重生态环境的保护与修复，以及矿区经济的可持续发展。因此，有必要将“双碳”规划的内容纳入到矿区总体规划中，以此来引导煤炭行业的可持续发展，并支持国家的“双碳”战略目标。为了进行矿区“双碳”规划，首先需要对矿区的碳排放现状进行详细评估，从而为“双碳”规划提供科学依据。以煤矿矿区为视角，提出了“三步法”构建评价指标，即综合分析法初选指标、社会网络分析法补充指标和模型法校核指标。该指标体系包含7项一级指标和36项二级指标，引入模糊变量隶属度函数，建立模型对二级评价指标量化计算，采用逐层模糊综合评价法，对矿区绿色低碳度进行评价。以宁夏积家井矿区为案例，应用本研究的评价体系进行实证分析。结果表明，积家井矿区在绿色低碳发展方面尚处于较低水平，但同时也显示出巨大的改善潜力。针对评价结果，提出矿区未来应当注重合理利用土地资源，加强土地复垦，强化生态重建与保护措施，为矿区的绿色低碳转型提供了可行的路径。

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煤炭科学技术

2024年第04期

111

12
北方防沙带大型露天煤矿区生态保护与修复技术

作者(Author)：李全生, 李淋, 方杰, 周伟, 雷少刚, 包玉英, 崔明

摘要：北方防沙带是我国防治沙化和荒漠化的关键地带，是“三北”工程的核心区，区内土壤贫瘠、风速大、干旱缺水、植被稀少、生态恢复力低，而大型露天煤矿开采与生态保护矛盾突出，直接影响区域生态安全和国家能源保供，迫切需要开展大型露天矿区生态保护修复研究。针对北方防沙带大型露天煤矿区开采引起的土地破坏、扬尘起沙、水位下降、土壤沙化、植被退化等问题。以北方防沙带面积和露天煤炭产量占比均最大的内蒙古的大型露天煤矿区为研究区，秉承“减损开采－立体保水－造土活土－系统修复－集成监管”的研究思路，揭示大型露天矿岩土损伤−生态退化传导机理、生态减损开采机制、重建生态自维持机制，研发生态保护型减损开采、生态化设计、水资源保护与综合利用、抗侵蚀地貌重塑、排土场活土层精细重构、土壤改良与提质增容、菌−藻-草联合修复、生态系统退化监管等关键技术，形成适合北方防沙带露天煤矿区生态保护与修复技术体系，建成大型露天矿区生态保护修复集成示范区。创建低成本、高效率、可持续、可复制的大型露天矿区生态保护修复模式，为保障我国北方防沙带大型露天矿区科学开采与生态安全提供支撑，实现煤炭开发能源保供与生态保护相协调、“开发金山银山，再造绿水青山”的目标。

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煤炭科学技术

2024年第01期

216

13
神东矿区采动裂隙岩体自修复特征研究

作者(Author)：李全生, 鞠金峰, 许家林, 曹志国, 张凯, 王晨煜, 郭俊廷

摘要：针对采动裂隙岩体在煤层采后长期演变过程中易发生降渗自修复的客观现象，以神东补连塔煤矿12401工作面和大柳塔煤矿52306工作面为典型试验区，开展覆岩不同区域裂隙岩体自修复规律的工程探测与理论研究，揭示了采后覆岩导水裂隙长期自修复过程的演变规律。结果表明，两矿试验面采动覆岩分别在采后15 a和7.3 a均获得了较好的自修复效果，在原先导水裂隙带范围出现导水的区域已明显减少，垮落带虽仍导水，但高度也已有所降低。通过将覆岩由原先导水变为隔水的自修复区段垂向长度占导水裂隙带高度的比值作为自修复率进行统计，得到12401试验面在开采边界附近及倾向中部覆岩中的自修复率已分别达到59.5%和53.5%，52306试验面在对应区域自修复率分别为25.8%和47.5%；因12401试验面采后年限更长、煤层埋深更大，其裂隙岩体自修复效果明显偏好。受覆岩纵向不同层位岩层赋存差异、横向不同区域初始垮裂程度的影响，自修复区域的分布常易呈现离散非连续性，其中间隔的未修复区一般对应于关键层或厚硬岩层位置，且采后年限越短、距开采边界越近，这种离散性越显著。采动裂隙岩体的自修复实际是多因素综合影响下的降渗演变过程，对于神东矿区开采条件，在煤层采后1.5～2 a时间内，是以应力压实作用引起的残余沉降为主导影响自修复进程，这在采区中部覆岩中体现相对显著；而后则一直以采动地下水与裂隙岩体或采空区CO2等气体发生的水–岩或水–气–岩相互作用为主导影响自修复进程，即相关作用过程产生的衍生物对裂隙的充填封堵效果以及裂隙面受冲蚀后粗糙度降低程度直接影响裂隙自修复效果或程度。因此，采后覆岩中是否长期存在水体渗流决定了裂隙岩体实现自修复的难易程度；神东多数矿井覆岩导水裂隙一般直接沟通第四系松散层或地表，且近年雨水充沛，这为采动覆岩中水–岩或水–气–岩相互作用产生及促进裂隙自修复提供了优越条件。

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煤炭科学技术

2023年第08期

221

63
采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型及应用

作者(Author)：韩磊, 杨科, 王天君, 于祥, 裴春敏, 许起, 何祥

摘要：覆岩离层注浆技术已被证实是一种能够满足矿井无损开采与固废减排的新方法。为了有效控制采动引起的地面构筑物沉降，以关键层理论为基础对离层注浆开采全过程进行稳态分析。首次提出了采动覆岩离层注浆地表沉陷“四区”控制模型，分别为常规区、过渡区、注浆区和控制区，并推导出“四区”范围的计算公式。以3501工作面控制地面焦化厂沉降为工程背景，结合相似模拟与现场实测的沉陷观测数据对提出的“四区”模型进行验证，结果表明：相似模拟离层注浆地表沉陷曲线呈不规则的“V”字形，工作面地表下沉量先快速增大，到达最大下沉点后，地表下沉量先快速减小，随后减小速率逐渐变缓，沉陷曲线表现出明显的“四区”分布，最大下沉量为1 589 mm，出现在常规区与过渡区的接触边界，过渡区与注浆区接触边界下沉量为497.94 mm，控制区内基本无下沉；基于概率积分法预测的注浆条件下采动引起的地表下沉量、水平变形、倾斜和曲率与现场实测结果相符，但明显小于未注浆条件下的预测值，确定了注浆条件下地表变形满足构筑物 Ⅰ 级损坏等级的要求；结合矿井的实际工程地质及实际观测数据，得到常规区范围为261.19 m，过渡区范围为246.09 m，注浆区范围为655.25 m，控制区范围为199.53 m。提出的“四区”控制模型为研究离层注浆开采沉陷问题提供了基础理论依据。

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煤炭科学技术

2023年第08期

195

108
固体充填液压支架机构干涉临界表征与自主解调方法

作者(Author)：宗庭成, 张强, 时培涛, 王云搏, 李凤铭, 常天骄

摘要：在采充工序自驱执行过程中，能否实现机构干涉的自主解调，是固体充填液压支架能否实现智能化的基础。利用理论分析方法，以ZC5160/30/50型固体充填液压支架为例，从充填支架机构的几何及运动约束关系出发，建立了正交位姿控制指标：夯实铰点顶梁平距和夯实铰点顶梁垂距，实现了任意工况下支架后顶梁的位姿表征；分析了充填支架底卸式输送机在各工况因素作用下的运动特征，建立了正交位姿控制指标：底卸式输送机顶梁垂距和输送机顶梁平距，实现了任意工况下底卸式输送机的位姿表征；基于后顶梁和底卸式输送机的位姿控制指标进一步得出充填物料卸料过程中在煤层底板的落点位置表征指标：卸料中心距，实现了任意工况下充填物料的落点位置表征；分析了采充工序执行过程中各工序阶段机构动作与位姿调整的衔接关系和易干涉位置，基于正交位姿控制指标，利用投影法建立了任意工况下落料与典型碰撞位置的干涉临界控制方程；以夯实机构转角和夯实油缸行程表征典型工况下的干涉临界曲线，提出采用“干涉区、易干涉区、非干涉区”的三区分布特征表征干涉临界程度，并给出各干涉状态的解调路经；基于干涉临界控制方程、干涉三区分布特征和充填工序过程中机构动作与位姿调整的衔接关系，提出了干涉状态自主识别方法：利用角度传感器及行程传感器获取夯实机构的实时转角和行程，代入各易干涉位置的干涉临界方程得到处于该位置干涉临界状态的夯实机构转角或行程的理论值和干涉临界曲线，判断实际值在干涉临界曲线三区分布图上的位置即可实现干涉位置及状态的自主判别，根据干涉三区分布曲线图即可实现自主解调；基于干涉位置及干涉状态自主识别方法设计了干涉自主判别和解调算法。研究结果为充填液压支架机构位姿表征提供了新的参考指标，为机构干涉的智能避障和解调提供了基础判据，为固体智能充填的采充工序自驱执行提供了算法基础。

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煤炭科学技术

2023年第08期

202

58
充填体−散体胶结组合体力学特性试验研究

作者(Author)：赵兵朝, 王京滨, 张晴, 马云祥, 翟迪, 陈攀, 韦启蒙, 郭亚欣

摘要：为研究充填开采过程中采空区内冒落矸石对充填体的影响，对不同散体高度、散体岩性及充填体强度的充填体−散体胶结组合体进行单轴压缩试验，借助声发射三维定位技术对组合体试样的单轴压缩破坏过程进行实时监测，通过AE事件的时间参数与应力应变曲线4个阶段的起始时间点相结合，对加载过程中AE事件对应的变形破坏过程进行表征，并基于此建立了组合体结构面破坏模型。研究结果表明：散体高度与组合体强度呈负相关关系，充填体与散体胶结组合体高度比为1∶4的组合体单轴抗压强度仅为单一充填体的55.0%；散体岩性和充填体强度与组合体强度呈正相关关系，虽然高强度的充填体可以提高组合体的单轴抗压强度，但是组合体中的充填体强度越高，组合体的强度折减越严重。当胶结散体中的颗粒岩性为强度较低的粉砂岩时，组合体单轴抗压强度仅为单一充填体的42.9%；抗压强度较小的粉砂岩在破坏过程中会出现因剪切破坏形成的破裂面，而抗压强度较大的灰岩可以利用散体颗粒自身的抗剪强度承受剪切荷载；当胶结散体内的胶结基质失效或散体颗粒破碎时，充填体和胶结散体的结构面发生非均匀压缩变形，致使充填体在散体破坏的结构面上产生应力集中现象，导致上部的充填体局部发生剪切破坏，充填体的破坏是轴向应力和结构面非均匀变形的共同作用结果。

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煤炭科学技术

2023年第07期

94

48
邯邢矿区承压水上充填采煤底板渗流规律研究

作者(Author)：王春娟, 刘建功, 王金喜, 赵家巍, 王毅颖, 史艳楠, 闫善飞

摘要：为了掌握开采参数和充填参数对承压水上采煤工作面底板渗透破坏的影响机制,针对邯邢矿区承压水上安全采煤问题开展研究,基于典型矿井煤层地质赋存特征,建立了承压水上开采水岩耦合概化地质模型,分析了承压水上采场底板力学行为。根据半无限板集中荷载和均布条形荷载传播的求解方法及弹性力学叠加原理,获得了采动与水压共同作用下底板应力分布表达式。进而借助MATLAB 计算程序,以邯邢矿区开采条件及实测数据为例,得到了有无水压条件下底板应力分布规律,采动应力等值线与奥灰水压力等值线相互交织、互相影响,加剧了对底板变形破坏的影响。进一步计算出了水岩共同作用下底板应力分布和主应力差分布,揭示了承压水上采场底板破坏与充填控制机理。通过散体矸石固体改性试验,得出了掺入自主研发的胶结料后改性充填材料力学性质,其弹性模量范围为 30~50 MPa。岩石破裂数值模拟结果显示,当充填体弹性模量增加至 50 MPa 时声发射事件和累积释放能量明显减少,且采煤工作面底板仅出现少量裂隙并最终被控制在局部范围,不会出现失稳性扩展,充填体的抑制作用与承压水的破坏作用达到平衡状态。研究结果为邯邢矿区准备开展的 30 m 以内隔水层间距煤层开采提供了前瞻性理论基础。

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煤炭科学技术

2023年第04期

262

203
深部充填开采矸石−粉煤灰料浆流变特性研究

作者(Author)：徐文彬, 陈伟, 张亚伦, 陈波岑

摘要：充填开采是煤矿绿色开采技术体系关键环节之一,针对充填过程中的矸石−粉煤灰基充填料浆的输送技术问题,设置了不同质量浓度、粉煤灰掺量、养护温度和时间等参数,开展了温-时耦合效应下矸石-粉煤灰充填料浆流变测试试验,探究各参数对料浆流变特性的影响。通过正交极差分析温度和静置时间对料浆屈服应力影响权重,并建立温-时耦合效应下流变参数回归模型。试验结果表明:质量浓度对料浆的流动性能影响显著,随质量浓度的增加,料浆剪切应力与剪切速率线性相关性降低,质量浓度为78% 时兼具较好的流动性和稳定性;粉煤灰掺量增加会提高料浆的剪切应力和剪切增稠的程度,粉煤灰掺量为85% 时料浆屈服应力最大,粉煤灰掺量75% 次之,粉煤灰掺量65% 最小;高温加速了料浆的水化反应速率和增强了粉煤灰的火山灰反应活性,静置120 min 时养护温度50 ℃ 时屈服应力较20、35 ℃ 增幅分别为44.5%、37.5%。静置时间对料浆屈服应力的影响程度强于温度,粉煤灰掺量为75% 时,温度20 ℃ 条件下料浆静置120 min 后屈服应力比静置0 min增加了133.7%;不同温度条件下,料浆屈服应力随静置时间均呈线性增长趋势,拟合度均在0.9 以上;最后,建立温−时耦合效应下料浆的屈服应力演化模型。通过理论模型计算结果与试验结果对比,平均误差在5%,拟合效果较好,可为煤矿充填管道输送阻力计算提供参考。

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煤炭科学技术

2023年第03期

227

88