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《煤炭学报》“交叉·前沿”专栏

来源：煤炭学报

自2021年第1期开始，《煤炭学报》增设“交叉·前沿”栏目，主要刊登煤炭行业及相关领域的交叉融合和前沿基础研究成果，以及新理论、新概念、新方法及其在本领域的创造性应用的理论和技术成果。

行业视野: 煤炭学报
类别; 95个
关键词; 104位
专家; 20篇
论文; 34382IP
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煤层瓦斯含量井下一站式自动化精准测定方法

作者(Author)：周福宝, 康建宏, 王有湃, 张冉

摘要：煤层瓦斯含量是预测煤与瓦斯突出危险性和评价矿井瓦斯储量的基础参数。针对现有测定方法需要井上和井下分阶段测量、测定周期长的不足，提出了煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定新方法，介绍了煤样井下直接破碎系统、瓦斯解吸量自动化计量系统和数据自动采集处理系统等关键单元构成及主要技术指标。其次，针对现有测定方法中损失瓦斯量估算误差大的难题，考虑煤孔隙结构的非均匀性建立了瓦斯分数阶扩散模型，以此准确推算煤样暴露过程的损失瓦斯量;搭建了模拟井下煤层瓦斯含量测定流程的误差分析系统，通过设定不同吸附平衡压力来改变瓦斯含量，设定不同暴露时间来改变损失瓦斯量，并通过与传统模型对比来验证分数阶模型的准确性。实验表明，分数阶模型推算损失瓦斯量的误差在10%以内，测定瓦斯含量的误差在5%以内，而传统 t 模型和幂函数模型测定瓦斯含量的误差达到 20%以上。最后，基于煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定方法，研发了 CWH12 型煤层瓦斯含量测定仪，在淮南矿区朱集东矿和潘三矿进行了现场应用，并使用煤矿原有瓦斯含量测定设备对同一地点、同一深度的煤样进行了测定比较。现场试验表明，CWH12 型煤层瓦斯含量测定仪比原有设备的测定值平均提高了 13.5%，测量时间缩短至 1.5 h 以内，实现了煤层瓦斯含量的快速精准测定。

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煤炭学报

2022年第08期

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西部煤矿区生物土壤结皮的生态修复作用及其碳中和贡献

作者(Author)：毕银丽, 郭芸, 刘峰, 李璞宁, 彭苏萍

摘要：我国西部是典型的生态脆弱敏感区和水土流失严重区，煤炭的资源开发与干旱脆弱的自然环境叠加作用使西部煤矿区地表损伤及生态碳汇能力下降的问题日趋严重，探索一种与生境契合度高、贴合地形变化快速复绿的生态修复+碳汇技术成为当务之急。生物土壤结皮是由土壤微生物、隐花植物如蓝藻、真核藻类、地衣、苔藓等与土壤表层颗粒胶结而成的复杂有机体，广泛分布于我国西部地区。生物土壤结皮作为干旱半干旱地表生物覆被层的最初主要构建者，是陆地生态系统中重要的碳汇，能够改变土壤表面的微地形，增加降水入渗，延缓或减少径流的发生，影响菌类和土壤动物的生存和繁衍，并在土壤生态水文过程、土壤生物过程和地球化学循环过程中发挥重要作用。为此，结合西部煤矿区生态环境所面临的主要问题，从生物土壤结皮影响土壤养分累积、氮固定、风蚀水蚀过程、植物萌发与生长等方面对其生态功能进行概述。阐述生物藻结皮对沙地沙尘控制、采煤沉陷地裂缝修复、乔灌草立体生物修复等新技术模式。通过试验研究发现，与藻结皮层相比，苔藓结皮层有机碳含量显著高于 90.3%，丛枝菌根真菌与苔藓结皮种子土 3 ∶ 1~5 ∶ 1(质量比) 配比时有机碳含量增加 107%。提出了丛枝菌根真菌与苔藓结皮种子土 3 ∶ 1 ~ 5 ∶ 1 联合最佳配比固碳、生物土壤结皮与草灌乔立体组合生物固碳、生物土壤结皮长期修复土壤累积固碳等碳中和的贡献潜力，旨在为碳中和背景下西部煤矿区土地复垦与生态修复提供新的参考和技术支撑。

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煤炭学报

2022年第08期

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双碳目标下煤气同采技术体系构想及内涵

作者(Author)：李树刚, 张静非, 尚建选, 林海飞, 王苏健, 丁洋, 侯恩科, 赵泓超

摘要：[双碳"的确定对煤气同采发展理念提出了绿色低碳的新要求.立足我国以煤为主的能源禀赋特点.针对煤矿CH4-CO2双重碳减排技术难题.通过探究煤矿瓦斯高效精准抽采.煤矿瓦斯全浓度梯级利用及煤层CO2捕获-封存-利用等关键技术问题.提出了以煤矿CH4-CO2近零碳排放为核心的全生命周期煤气同采技术体系构想.从低碳融合技术与负碳技术两方面阐述了该构想体系.并简化分析了相应的碳源汇机制.煤矿瓦斯高效精准抽采涵盖瓦斯含量精准原位测定.瓦斯涌出量精准预测.瓦斯高效抽采区域精准辨识.瓦斯抽采精准施工设计.瓦斯抽采精准增透及瓦斯抽采精准调控,在瓦斯全浓度梯级利用方面.提出了高浓度瓦斯直接利用.乏风瓦斯及低浓度瓦斯提浓增效技术为主的阶梯式综合利用体系,煤层CO2封存作为典型负碳排放技术已处于商业运行阶段.笔者及其团队则聚焦煤矿CH4-CO2近零碳排放核心.提出了CO2煤矿采空区吸储与植被固碳理念.最后阐述了双碳目标下煤气同采技术体系的发展方向:①[地质透明化-抽采智慧化"与瓦斯精准抽采深度融合技术,②瓦斯富集-提浓-利用一体化技术及装备,③[CCUS+生态碳汇"全域负碳排放技术,④煤气同采全生命周期CH4-CO2动态监测及管控技术体系.通过该构想的逐步实施.为我国煤炭行业碳中和目标实现提供新的发展思路.

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煤炭学报

2022年第04期

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碳中和地质技术及其煤炭低碳化应用前瞻

作者(Author)：桑树勋, 袁亮, 刘世奇, 韩思杰, 郑司建, 刘统, 周效志, 王冉

摘要：概述了碳中和地质技术的形成背景及其在碳中和知识体系中的定位.提出了碳中和地质技术的概念和内涵.评述了关键碳中和地质技术的国内外进展.分析讨论和前瞻了碳中和地质技术在煤炭低碳化开发利用进程中的重要应用方向.应用模式和发展前景.已有研究工作表明:作为碳中和知识体系的碳中和科学与工程交叉学科正在形成.在地球科学基本背景上碳中和相关学科群交叉融通形成了当前碳中和科学与工程主要研究领域和技术发展方向.碳中和地质技术是碳中和科学与工程交叉学科的重要组成部分.也是实现碳中和目标的关键技术,二氧化碳捕集利用与封存技术.生态地质与碳增汇技术.煤层中甲烷减排与资源化开发利用技术.化石能源低碳化开发利用地质技术.地热资源高效勘查与开发技术.新能源高效安全开发利用地质保障技术.矿化固碳地质技术和地球工程等构成了碳中和地质技术的当前核心内涵,以CCUS(Carbon Capture,Utilization and Storage.碳捕集.利用与封存)大规模集群化部署与全流程技术.煤层甲烷接续高效抽采与低浓度瓦斯(含乏风瓦斯)利用技术.煤型关键金属探采选冶全流程技术.矿区生态地质修复重构与碳增汇技术.干热岩型地热地质新能源勘查开发利用技术.供能蓄能一体化水电和核电等新能源开发利用地质工程保障技术.太阳辐射管理前沿技术探索为代表.关键碳中和地质技术已取得重要进展,CCUS将成为低排放燃煤发电.煤转化.煤制氢.煤制特种燃料.煤基材料等煤炭低碳洁净高效利用关键技术的关键.煤炭基地或煤矿区CCUS以煤基CO2源.煤系CO2地质碳汇.CO2矿化固定与采空区充填封存为技术特色且具有紧迫需求,从原位煤层气高效勘探开发.煤矿瓦斯井下-地面协同高效抽采.关闭矿井瓦斯高效抽采到低浓度和乏风瓦斯高效利用.煤层甲烷高效抽采利用与减排综合技术应用模式将得到快速发展和推广,通过覆岩变形控制与地表植被生态系统保持.水资源与区域生态系统保护.采动裂隙与温室气体大气排放控制.数字矿山与节能提效等方式发展和应用绿色智慧矿山地质保障技术.实现煤炭生产过程减碳,应用煤矿区生态修复与碳增汇技术.实现煤矸石处置与减污降碳协同.塌陷区治理与碳增汇.土地整治利用与增汇固碳,加快应用和发展煤系共伴生资源共探共采与碳减排技术.实现煤系气.煤型关键金属高效勘查开发利用突破.对服务我国低碳洁净高效安全新能源体系构建和实现源头减碳意义重大.

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煤炭学报

2022年第04期

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碳中和目标下煤炭变革的技术路径

作者(Author)：陈浮, 王思遥, 于昊辰, 陈润, 杨永均, 陆诗建

摘要：碳中和目标下传统能源体系面临根本性变革.煤炭作为国家能源安全的压舱石.如何引领绿色发展.实现双碳目标是煤炭行业发展的责任.为此.从碳中和目标的客观要求出发.明确煤炭在未来能源体系下不同情景(可控保底.优化保底.核心保底)弹性安全区间中的重要作用,利用全生命周期评价方法厘清煤炭资源全过程碳足迹.探索不同技术路径下煤炭技术变革和创新发展的可行性,最后.提出顺应碳中和愿景目标要求的未来煤炭行业颠覆式变革技术路径.并探讨2条技术路径的优劣性.结果表明:① 煤炭在未来能源体系下仍可发挥重要作用.尤其是作为保底安全能源不可或缺.在核心保底.优化保底和可控保底等3种情景弹性安全区间中分别占61.5%.47.1%.43.5%,② 2019年煤炭全生命周期碳足迹为71.3亿t.其中.发电和供热环节占56.1%.钢铁冶炼占26.6%.煤化工环节占8.1%.推行零碳高效发电.终端电气化和煤制绿氢是煤炭行业实现碳中和目标的技术变革之首选,③ 探讨了UCG-IGCC-CCUS发电技术和UCG-H2-CCUS制绿氢技术变革的可行性.与超超临界燃煤和IGCC发电相比.UCG-IGCC-CCUS虽发电煤耗上升.但可实现零排放.与其他制氢技术相比.UCG-H2-CCUS制绿氢技术具有明显的成本优势.且可实现近零排放.这些技术将成为煤炭安全.高效.绿色.零碳变革的必由之路.为碳中和目标下煤炭行业创新发展和技术变革提供科学理论和技术支撑.

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煤炭学报

2022年第04期

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双碳背景下煤炭安全区间与绿色低碳技术路径

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。

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煤炭学报

2022年第01期

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无煤柱开采围岩控制技术及应用

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。

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煤炭学报

2022年第01期

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“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO2地下封存途径与技术难题探索

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。

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煤炭学报

2022年第01期

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