“中国煤科首席科学家”专题（《煤炭科学技术》）

为总结中国煤炭科工集团“十三五”期间的科技成果，展示中国煤炭科工集团在构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系方面做出的成就，并为“十四五”煤炭科技发展提供参考。《煤炭科学技术》2021年第4期特邀中国工程院院士、中国煤炭科工集团科学技术委员会主任康红普院士担任客座主编，中国煤科一级首席科学家吴拥政研究员担任客座编辑，策划了“中国煤科首席科学家成果”专题，刊登论文20篇，集中报道了中国煤炭科工集团“十三五”以来在智能煤矿建设、煤矿绿色开采、煤矿灾害防控、煤炭洁净利用等领域取得的重要技术与装备研究成果。在此，对大力支持本专题的专家学者表示衷心的感谢。

行业视野: 高端智库
类别; 89个
关键词; 84位
专家; 20篇
论文; 12606IP
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大直径救援井高效钻井技术及装备现状与展望

作者(Author)：郝世俊, 张晶

摘要：大直径救援井能够连通地面与矿井下被困区域，快速构建井上下救援通道，是矿山应急救援的重要途径，但地层复杂性、工艺与装备适应性等诸多局限，限制了救援通道的构建效率。为进一步提升大直径钻孔救援通道构建能力，推动矿山应急救援技术发展，分析了主要复杂地层对大直径井钻井过程的影响，总结了大直径救援井钻井“钻得稳、钻得准、钻得快” 的技术特点，系统分析了大直径救援井不同井段优快钻井技术与装备的现状。首先，对比分析了覆盖层桩孔施工工艺，介绍了适用于复杂覆盖层的全套管钻进工艺与装备，研究了基于超声测距的大直径井井底位移计算方法；其次，归纳总结了以精确定向和复合钻进为核心的先导孔钻井技术、以大直径潜孔锤钻进为核心的基岩层段钻井技术，简要阐明了集束式潜孔锤井底软密封式反循环形成机理与配套装备，针对安全、精准透巷技术难题，研发了高精度随钻测量仪器与安全透巷钻井工艺。此外，以救援通道高效构建为目标，阐述了多领域多工艺技术融合应用，模块化和智能化钻探装备开发，区域适应性优快钻井技术研究与应用，大直径救援井钻井信息系统构建与不断完善，是下一阶段大直径救援井钻井技术与装备的发展方向。

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煤炭科学技术

2021年第04期

474

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水煤浆气化细灰碳灰分布特性及其分离试验研究

作者(Author)：何国锋, 柳金秋, 徐彤, 李磊

摘要：以三峰级配技术制备的高浓度水煤浆气流床气化细灰为原料，进行碳灰分布特性及其分离试验研究，通过SEM-EDS(扫描电镜-能谱)、XRF(X 射线荧光光谱)、XRD(X 射线衍射) 和BET(表面及孔隙度分析)对细灰的物化性能进行分析，采用煤中碳和氢的测定方法对不同粒度细灰的碳含量进行测试并对结果进行分析，得出气化细灰基本特征、碳-灰分布规律，使用实验室常规浮选试验方法探索气化细灰的碳灰分离方式。结果表明，在常规浮选条件下，灰分为47.98%的细灰，可获得产率为14.95%灰分为45.53%的精矿产品，常规浮选效果较差，主要原因为：原煤经过气化后，大部分的有机质转变成气体产物，一些不具可燃性的矿物质在细灰中得到熔融、富集和转化，捕收剂为容易与矿物表面接触的常规药剂，在相互作用时仅产生物理吸附作用，细灰表面的矿物颗粒会与捕收剂紧密贴合，导致矿物表面亲水性增强，捕收效果变差，且细灰孔隙结构发达，比表面积、孔容积均较大，会吸入大量水分和浮选药剂，不仅使颗粒表面亲水不易上浮，同时消耗大量药剂;细灰的碳-灰分布特性表现为灰含量随其颗粒尺寸的减小逐渐升高，可通过粒度分级的方法对中煤榆林细灰进行碳灰分离，当分级尺寸在0.1 mm 时，可获得碳含量为79.78%，产率为54.20%的高碳细灰产品。

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煤炭科学技术

2021年第04期

542

489
冲击地压巷道 “卸-支” 协同防控理念与实现路径

作者(Author)：鞠文君, 孙刘伟, 刘少虹, 王书文, 杜涛涛

摘要：针对煤层爆破卸压造成冲击地压巷道支护失效、大变形等问题，采用现场试验和研究分析的方法，揭示了爆破对巷道支护的损伤效应，提出了冲击地压巷道“爆破卸压-支护加固”协同防控理念原则及实现路径。结果表明：煤层爆破具有“增塑、降载、耗能”的卸压减冲作用，但也会产生“围岩劣化、支护衰减、结构失稳、巷道变形” 等不利影响。坚持爆破卸压解危优先、巷道损伤最低的防控理念，“卸-支”辩证统一，协同双效。一旦爆破对支护造成过大损伤，需要进行补强支护，重塑稳定的巷道支护结构和承载能力。“ 卸-支” 协同防控原则包括：归一原则、统筹原则、精准原则、有序原则。“卸-支” 协同防控实现路径为：确定巷道冲击危险区域—煤层爆破卸压设计—爆破卸压施工与监测—爆破卸压效果及围岩损伤效应评价—爆破参数优化及巷道支护重塑。

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煤炭科学技术

2021年第04期

512

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锚杆附件力学性能匹配性研究

作者(Author)：吴拥政

摘要：锚杆附件力学性能匹配性是实现锚杆支护能力充分发挥的关键影响因素，锚杆附件不匹配易导致锚杆产生不协调变形，使其因非正常承载而破断，严重影响巷道支护效果。在分析锚杆支护巷道各附件变形破坏状况及原因的基础上，研究了锚杆螺母、托板、调心球垫及减摩垫片的力学性能及匹配性。研究结果表明：锚杆连接处的承载力与螺母强度等级、内螺纹齿高及厚度呈正相关关系，500号锚杆杆体选用的螺母强度不宜低于6级，齿高不小于0.7H，螺母厚度不小于20 mm;托板承载力与托板厚度、拱高相关，托板拱高必须达到一定高度才能具有足够承载力;球垫与托板孔口接触越合理、刚度越高越有利于锚杆角度调节，1010尼龙垫片预紧力转化系数高，且有一定延性，可有效发挥减摩效果。最后，确定了锚杆附件的技术要求，提出了不同强度等级锚杆各附件选择的原则和力学参数，并开发了相应的锚杆附件，在井下进行了试验，试验效果良好。

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煤炭科学技术

2021年第04期

627

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煤矿井下水处理反渗透膜的污染机理研究

作者(Author)：韦文术, ZHANG Jeffery, 张健恺, 邹湘, 吕顺之, 李然, 赵康康, 王远

摘要：随着反渗透技术广泛应用于煤矿井下水处理系统，矿井水的水质复杂性容易造成反渗透膜污染，大幅度地影响了膜组件的除盐效率及使用寿命。为探讨造成山东新巨龙煤矿综采工作面集成供液系统水处理装置反渗透膜组件失效的原因，通过对源水水样中浊度、硬度、阴阳离子浓度及总有机物等进行检测和分析，依据Visual MINTEQ计算环境水化学平衡工具，初步建立了污染物预测模型。采取肉眼检测、烧矢量(LOI)、扫描电镜(SEM)和藤原测试方法，揭示出反渗透系统运行失败的机理。基于膜元件内部在浓水通道和膜表面发现大量固体颗粒，反渗透膜片存在由颗粒物造成的不同程度的机械损伤，推断其前端的保安过滤器存在失效的可能。考虑到膜表面污染物组成多为结晶状态下的无机盐，膜片存在少量有机污染现象，无氧化性污染物进入反渗透系统，排除了有机物污染造成系统失效的可能性。基于Visual MINTEQ的化学平衡模型对结垢物组成进行分析，结果显示其主要成分为钙离子，通过对膜结垢样品组成进行定量分析试验，验证了污染物预测模型的准确性。结果表明，该矿井下供水的浊度和硬度较高，造成反渗透膜的表面结垢及颗粒沉积是系统运行失效的主要原因。针对失效原因，提出了定期对保安过滤器进行检查维护、在RO预处理阶段增加阻垢剂等措施和新型水处理工艺的研究方向。

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煤炭科学技术

2021年第04期

296

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采动巷道侧向高低位厚硬顶板破断模式试验研究

作者(Author)：赵善坤, 赵阳, 王春来, 王寅, 陈增

摘要：陕蒙地区冲击地压显现大多发生在二次采掘扰动影响下，煤层上方厚硬岩层结构破断诱发工作面采场附近动压显现已成为煤矿生产中重大安全隐患。为阐明采动巷道上覆高低位厚硬岩层破断对区段煤柱受力以及巷道围岩稳定性的影响，建立高低位厚硬岩层破断结构的力学模型，得到破断扰动影响下区段煤柱结构变形特征及应力分布特征，以巴彦高勒煤矿11盘区煤样试样为研究对象，利用自行设计的高位岩层模拟加载装置，借助非接触式全场应变测量系统的数字散斑相关分析方法，对高低位厚硬岩层在区段煤柱上方不同破断位置组合下区段煤柱及低位岩层的应力变形特征进行了试验研究。分析了上覆高低位厚硬岩层侧向不同断裂位置组合下区段煤柱受力特征及应力传递机制，建立了巷道上部厚硬顶板不同断裂位置与结构整体失稳荷载的力学模型。结果表明：高低位厚硬顶板岩层破断将会引起煤柱采空区应力集中，高低位厚硬岩层不同的破断位置组合，对下部岩层的运动变形和区段煤柱应力分布和巷道围岩稳定影响显著。区段煤柱整体结构稳定性与破断点位置密切相关，煤体在回转作用下破坏所需的应力大小与高位岩层顶板破断点对采空区顶煤的力矩负相关。随着破断点远离区段煤柱，区段煤柱受力由压剪逐渐转化为采空区煤顶传递的压弯作用。高低位厚硬岩层顶板破断的相对位置影响低位顶板的破断情况，当低位破断点处于高位破断点以内，低位顶板随高位顶板破断1次，反之则低位岩层顶板将会随着高位岩层破断回转发生2次破断。随着高位顶板的破断，采动巷道及煤柱上覆岩层应力减小，区段煤柱稳定性下降，冲击地压风险增大。试验研究为陕蒙地区深部厚硬顶板条件下采动巷道动力灾害防治和区段煤柱设计优化提供了参考。

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煤炭科学技术

2021年第04期

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动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术

作者(Author)：邓志刚

摘要：深部开采冲击地压灾害孕灾过程中既有静态基础量又有动态变化量，剧增的原岩应力与覆岩断裂、井下爆破等引起的动载扰动是诱发冲击地压灾害的源头，因此实现冲击危险性快速、高精度评价必须综合考虑动静载作用。笔者开展了典型煤岩霍普金森压杆试验及数值模拟，分析了动载对煤岩体破坏作用以及对应力场的影响，针对应力变化可以直接引起介质中震动波波速变化，且波速变化前的幅值与变化幅度均受应力场影响这一特性，掌握了震动场与应力场的耦合关系，建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术：以原岩应力场表示煤岩孕灾过程的静态基础量，以采动应力场和震动场表示煤岩孕灾过程的动态变化量，以波速异常指数、波速梯度指数、应力异常指数、应力梯度指数为评价指标可实现煤岩冲击危险性动态评价。研究结果表明：动载作用下能量以震动波形式传递，造成应力场的重新分布，应力呈现分区传递特点，并且在能量达到某一阈值后引起煤岩损伤破坏，但无论动载直接作用在岩石上还是煤体上，岩石是能量传递路径，煤层是能量耗散、释放主体，破坏主要发生在煤体中。多场耦合冲击危险性评价技术在某工作面经现场应用，在工作面逐渐揭露断层过程中冲击危险性由强冲击危险性降低到中等冲击危险性，现场监测数据表明评价结果与现场实际相符。

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煤炭科学技术

2021年第04期

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基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术

作者(Author)：张永将, 黄振飞, 季飞

摘要：随着煤矿开采逐渐向深部延深，高强度开采瓦斯涌出量大，煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相耦合态势。针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题，基于高压水射流割缝卸压原理，提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。通过理论分析与数值模拟方法，分析了超高压水射流割缝破煤机制，研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重影响。研究结果表明：高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性，减弱了煤体对上覆岩层支承能力，能有效地缓解割缝区域内应力集中;钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式，由径向流动改变为径向、轴向复合流动，使煤层瓦斯含量、压力迅速降低，超高压水力割缝技术通过应力卸压及瓦斯抽采2 个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。经在胡家河矿现场试验，割缝区域内平均微震事件能量下降18%、单位进尺微震能量降低37%，采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下降17%，瓦斯抽采量提高4.1 倍，表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压，有效解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险，为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。

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2021年第04期

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