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《煤炭学报》“卓越科学家”特刊

来源：煤炭学报

“卓越科学家”特刊为《煤炭学报》2023年第1期。

行业视野: 高端智库
类别; 185个
关键词; 211位
专家; 37篇
论文; 13393IP
点击量; 31158次
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循环载荷对岩石节理宏细观剪切特性影响的模拟研究

作者(Author)：蒋宇静 , 张孙豪, 栾恒杰, 陈连军 , 张广超 , 王长盛

摘要：岩石节理在循环载荷作用下会不断的滑移和闭合，导致其承载性能不断劣化，进而影响岩体工程的稳定性。为探明循环载荷作用下节理的剪切特性，首先开展了节理剪切试验以标定模拟中的物理力学参数和确定循环载荷的特征参数，然后采用基于 FISH 语言二次开发的循环剪切加载实现方法，进行了不同加载幅值(1.5、1.7、1.9、2.1 和 2.3 MPa)、不同加载频率(0.1、0.5、1.0、1.5 和 2.0 Hz) 等循环剪切载荷作用下的粗糙节理剪切数值模拟，研究了岩石节理的宏细观剪切特性以及循环载荷特征参数对节理剪切特性的影响。结果表明:随着剪切载荷的循环加卸，节理表面损伤会导致节理剪切应力-剪切位移曲线出现滞回效应。循环剪切初期滞回环较小且分布密集，后期滞回环较大且分布疏松。剪切过程中节理的裂纹分布和接触力分布与节理表面的粗糙体相关，剪切初期裂纹和高接触力大都集中在二阶凸起上，随着二阶凸起破坏逐渐作用到一阶凸起上，一阶凸起破坏后节理发生失稳破坏。节理剪切位移的增长趋势与累计裂纹数量的增长趋势总体一致。剪切初期仅有少量裂纹在应力峰值附近产生，而后期裂纹产生时对应的应力范围和裂纹数量都显著增加。加载幅值越大，每个循环内产生的节理损伤越多，节理剪切位移也越大，达到相同目标位移所需的循环次数与加载幅值呈反比。加载频率越大，每个循环内节理产生的损伤越少，节理剪切位移也越小，达到目标剪切位移所经历的循环次数与加载频率呈正比。加载频率越低，加速阶段越短，节理发生失稳破坏越突然。

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2023年第01期

326

835
磨料质量分数对预混合磨料水射流破岩效果的影响

作者(Author)：魏建平, 王梦园, 杨恒, 张铁岗, 都阳, 刘勇

摘要：预混合磨料水射流是突破煤矿深长钻孔内高效破煤岩技术瓶颈的有效技术,在坚硬顶板治理、沿空留巷和硬煤增透具有广泛应用前景。磨料质量分数是影响其破煤岩效果的重要因素。为明确磨料质量分数对磨料加速、分布以及冲击动能的影响,基于离散元的耦合模型(CFD-DEM 模型),考虑颗粒间的摩擦、碰撞,添加颗粒相体积分数和动量源相,修正 VOF 多相流模型,开发用户自定义函数(UDF)通信接口,精确计算了磨料质量分数对磨料颗粒加速运动与分布的影响,准确描述了磨料粒子对水射流流场的影响。结合预混合磨料水射流破岩实验,得到了以下结论:在固定压力下,不同磨料质量分数的射流液固能量转化效率不同,导致磨料冲击动能不同。提高磨料质量分数,能够提高破煤岩效果,但存在最优值。每一压力条件下都有与之相适配的最优质量分数,此质量分数下能量转化效率最高,磨料冲击动能最大。如射流压力 5 MPa 时,80 目(0.178 mm)石榴石最优质量分数为 11%。同一质量分数下,提高射流压力可提高磨料冲击动能,但是能量转化率和利用率降低。提高压力使射流速度增加,曳力增大,但射流与磨料接触时间缩短,导致射流能量未能及时转化为磨料动能。相较于提高射流压力,适当增加磨料质量分数以提高能量转化效率和能量利用率,是达到最佳破煤岩效果的更经济低能耗的方式。

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2023年第01期

280

622
高海拔隧道爆破后粉尘污染动力学模型及影响因素

作者(Author)：蒋仲安, 曾发镔, 冯雪, 张国梁, 杨斌, 王亚朋

摘要：为降低高海拔隧道钻爆法施工爆破后的粉尘污染,提高隧道掘进工作面粉尘防治技术和职业健康保障能力,推动施工隧道清洁化生产水平。依托西南某铁路隧道工区为背景建立隧道爆破掘进压入式通风模型,根据气固两相流理论与气溶胶力学构建高海拔隧道粉尘污染动力学模型。运用数值模拟软件分析不同海拔高度、通风距离以及通风风量条件下的爆破驱动掘进工作面,高浓度粉尘污染效应,并采用灰色关联分析法探究粉尘质量浓度降低至安全值所需时间与各影响因素之间的关联度。研究结果表明:海拔高度上升将引起的环境参数与气固耦合流体运动特性的改变, 粉尘颗粒水平运移速度与海拔高度和粉尘粒径均呈负相关,竖直沉降速度与之相反。高海拔隧道爆破后粉尘质量浓度空间分布服从多元高斯分布,且扩散系数随海拔高度的上升而增大。隧道内风流场分布区域分为涡流区、过渡区以及稳定区,涡流区呈锥形且中心的风速小于周围区域的风速,隧道断面平均风速降低至约 0.3 m/ s 并逐渐稳定。爆破后粉尘颗粒随风流向隧道外呈“⊃字型”运移,隧道回风侧的粉尘质量浓度大于风管侧。爆破后产生的大颗粒粉尘(粒径≥30 μm)在距掘进工作面 100 m 范围内快速沉降,小颗粒粉尘将随风扩散并悬浮于隧道空间内,且扩散距离越远,粉尘粒径越小。高海拔环境下扩大风管出口至掘进工作面距离以及增加风管风量均有利于减低隧道爆破后的粉尘污染效应,隧道内粉尘质量浓度降低至安全值所需时间受通风距离的影响最大,通风风量的影响次之,而海拔高度的影响相对有限,其灰色关联度系数分别为 0.684、0.678 和 0.661。

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2023年第01期

484

616
湿式弦栅水膜除尘试验研究及效率优化

作者(Author)：王海桥 , 吴志荣 , 陈世强 , 王鹏飞, 黄敏华

摘要：为了探究湿式弦栅水膜净化细微粉尘的效率及优化方法,制备了平均粒径约为 10 μm 的实验粉尘,借助自主搭建的实验平台开展了压力喷嘴雾化特性和湿式弦栅水膜除尘特性实验,研究了喷嘴雾化参数与除尘效率之间的因变关系,验证了增大供水压力和弦栅表面疏水改性能提高湿式弦栅水膜净化细微粉尘效率的可行性。结果表明:3 种压力喷嘴的喷雾流量随着供水压力的增大而增大,雾化粒径随着供水压力的增大而减小。在风道风速为 3 m / s 的实验条件下,空心圆锥形喷嘴的雾化效果优于方锥形和实心圆锥形喷嘴,供水压力由 0.3 MPa 增大至 1.3 MPa,喷雾流量和雾化角分别增大了 1.19 L 和 5.2°,雾化粒径降低了 44.1 μm。湿式弦栅水膜的全尘除尘效率与压力喷嘴喷雾流量呈正相关,与雾化粒径呈负相关;选用空心圆锥形喷嘴的除尘效果最好,5 种供水压力工况的湿式弦栅水膜全尘除尘效率依次为 67.16%、68.56%、70.29%、73.80%、75.89%。湿式弦栅水膜除尘段阻力随着风道风速的增大线性增大,阻力系数为13.14。通过增大供水压力的方法优化除尘效率的效果并不显著,供水压力由 0.7 MPa 增大至 1.3 MPa,湿式弦栅水膜的全尘除尘效率增大了 6.63%,全尘除尘效率最高为 81.57%。弦栅断面水膜填充率随着喷雾时间的增大呈先急剧增大、后缓慢降低、最终趋于稳定的变化规律。弦栅表面疏水改性后,弦栅断面水膜填充率由 66% 增大至 78%,提高了湿式弦栅水膜净化细微粉尘的效率。 6 种供水压力工况下,全尘除尘效率依次为 80.27%、84.53%、85.38%、87.00%、88.45%、90.58%;空气动力学当量直径为 5、7.07 和 10 μm 的呼吸性粉尘,除尘效率可达 82.68%、83.16%、86.31%。

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2023年第01期

259

421
面向项目风险控制的煤炭地下气化地质条件分析

作者(Author)：秦勇, 易同生, 汪凌霞, 金军, 周泽, 孔维敏

摘要：煤炭地下气化(UCG)是中国煤炭工业发展的必然选择,地质风险控制是 UCG 项目成败与否的首要基础。立足这一背景,将钻井式 UCG 项目风险控制总目标分解为建炉地质可行性、气化生产易控性、气化过程安全性、开发生产经济性 4 个子目标,探讨地质条件与潜在风险之间因果关系,提出了 UCG 地质分析与评价新思路。分析认为,UCG 炉高质量建造体现在井壁稳定性和井眼轨迹可控性 2 个方面,前者关键地质因素是煤体结构或强度,后者主要受控于煤层厚度、结构、产状及其稳定性。 UCG 生产易控性地质评价聚焦于 2 个目标:一是气化工作面推进易控性,倾角适中的煤层有利于 UCG 工作面推进,燃点过高煤层工作面推进难度较大,复杂煤层结构不利于气化,微构造是 UCG 过程控制的不利因素;二是 UCG 层内通道易控性,通道易控性随煤层埋深增大而显著降低,高黏结高膨胀性煤层会严重危害通道畅通程度,高灰熔点和高热稳定性煤层更易保持通道畅通性。 UCG 过程安全性地质分析同样包括 2 个方面:其一,UCG 生产安全性,涌水量过大带来安全生产隐患,上覆足够厚度隔水层及其稳定性是保障生产安全的关键;其二,UCG 环境安全性,UCG 地面沉降总体上并不显著,有机物污染潜势与煤种高度相关,中 ~ 难挥发性有害元素对地下水环境的危害性需高度关注。 UCG 开发经济性主要涉及气化有效性、合成气质量、资源可靠性 3 个方面, 与煤的化学反应性、灰分产率、煤田勘查程度、煤炭资源量等因素密切相关,地下气化-煤层气联采则是提高 UCG 经济性的可探索途径。实际上,多数地质因素均与上述 4 个 UCG 风险控制子目标相关联,不同程度上存在交叉影响,需依据相对贡献参与 UCG 地质评价,其中微断层、煤的黏结性和膨胀性、上覆含水层距离 3 个因素具有“ 一票否决” 作用,进而提出了面向 UCG 项目风险控制的地质评价与优选基本思路。

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225

487
沁水盆地煤储层地温场条件及其低地温异常区形成机理

作者(Author)：孟召平 , 禹艺娜 , 李国富 , 田永东 , 王宇红

摘要：煤储层地温场条件是影响煤层气赋存与产出的关键因素,从目前沁水盆地煤层气井生产情况来看,煤储层地温低异常区煤层气开发井的产气效果普遍较差,因此,开展煤储层地温场条件研究,揭示低地温异常区形成机理,对于低地温区煤层气开发显得尤为重要。采用沁水盆地煤层气井地温实测数据,系统分析了沁水盆地 3 号煤层和 15 号煤层地温及其梯度和大地热流分布特征,揭示了煤储层地温分布规律,提出了煤储层地温梯度等级划分标准,圈定了沁水盆地石炭-二叠系煤储层地温梯度小于 1.6 °C / hm 的地温低异常区,揭示了研究区煤储层地温低异常区分布及其受控机制。研究结果表明,沁水盆地恒温带温度整体呈现由西北向东南逐渐增高的趋势,恒温带深度由北向南逐渐变浅,恒温带温度为 13.2 ~ 15.2 °C ,恒温带深度为 27.4 ~ 33.1 m。沁水盆地煤储层地温及其地温梯度均随深度的增加而增高。 3 号煤储层温度为 14.6 ~ 100.9 °C ,平均为 30.58 °C ,地温梯度为0.008~3.770 °C/hm,平均为 1.62 °C/hm;15 号煤储层温度为 15.3~111.8 °C,平均值为 33.28 °C ,地温梯度为 0.046 ~ 5.350 °C / hm,平均为 1.87 °C / hm;大地热流值为 0.93 ~ 94.60 mW / m2 , 平均为 41.5 mW/ m2,低于我国大陆地区平均热流值(63 mW/ m2),反映出本区处于稳定的构造-热状态之中。根据地温梯度,圈定了研究区 3 号和 15 号煤储层地温梯度小于 1.6 °C / hm 的地温低异常区呈条带状分布于盆地东北和东部一带,面积分别占盆地总面积 25.2%和 27.9%,煤层气资源量近 1.0 万亿 m3 。煤储层地温梯度随着底板标高的增加而线性降低,随着煤储层有效埋深的增加而线性增加;进一步揭示了地壳抬升剥蚀作用和地下水补给与渗流作用对研究区煤储层地温低异常区的控制机理。

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煤炭学报

2023年第01期

329

511
深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想

作者(Author)：梁运培, 王庆慧, 朱拴成, 陈强, 胡千庭, 皇凡生

摘要：温和氧化解聚作用下，低阶煤(褐煤、长焰煤)可高效生成高值化学品，同时煤体多尺度流动能力显著改善。针对我国低阶煤资源丰富与煤层中赋存巨量天然气的地质背景，结合低阶煤化学性质特点，提出了基于原位氧化改性的深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想，从氧化解聚制备羧基化学品方法、氧化改性提高煤层气采收率机理、共采技术模式、地质及工程有利条件等4方面论证了该技术可行性。调研总结发现：低阶煤具有丰富的含氧官能团(如羧基—COOH和酚羟基—OH)和侧链，为氧化解聚制备高值化学品(如羧酸)提供了关键前体结构；过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂，在低温(<100 ℃)、常压条件下，温和氧化解聚低阶煤可高效、低成本制备羧基化学品，实现低阶煤非能源化高值利用；氧化解聚反应对低阶煤具有明显的氧化改性作用，主要表现为煤表面对甲烷的吸附能力减弱、水的疏水性增强、形成溶蚀孔与微裂缝，并可原位生成CO2，从而增加了煤层气解吸-渗流能力。围绕深部低煤阶煤层气井高效增产改造需求与枯竭煤层气井二次利用，设计了单井压裂-溶浸开采(采气为主)与群井压裂-溶浸开采(采高值化学品为主)2种技术模式。前者通过注入氧化性压裂液，合理控制压后焖井时间，充分发挥力学-化学协同改造增渗作用，返排阶段分离压裂液中高值化学品，并高效抽采天然气；后者对各枯竭气井重复改造，通过压裂缝网形成相互沟通的注采井网，持续生成、抽采高值化学品。我国巨厚(数十米～近百米)、深埋藏(500～1 000 m)低煤阶煤层分布广泛，能有效减小氧化剂及反应产物泄漏诱发的地下水污染，为共采提供了有利地质条件；现有大规模煤层气水平井及水力压裂缝网，避免了高值化学品原位制备的高额建井成本，为共采提供了有利工程条件。结论认为，利用温和氧化解聚反应，实现深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采，丰富了原位改性采矿理论与技术体系，有望形成煤层气增产改造新模式，增加低煤阶煤层资源开采综合经济效益。

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煤炭学报

2023年第01期

298

502
煤层气井地联合抽采全过程低负碳减排关键技术研究进展

作者(Author)：苏现波, 赵伟仲 , 王乾, 于世耀, 汪露飞, 宋金星, 王小明, 夏大平, 伏海蛟, 郭红玉, 孙长彦, 郭红光, 鲍园, 何环, 黄津

摘要：“双碳” 目标的实现与煤层气大规模商业化开发迫切需要新技术。在对煤层气开发与 CCUS 技术系统分析的基础上,以煤层气生物工程为依托,探讨和展望了地面煤层气开发、煤矿瓦斯抽采以及采空区煤层气开发过程中的低负碳减排关键技术。地面煤层气开发阶段,将煤层气开发转化为煤系气开发、将常规水力压裂转化为大规模缝网改造是实现煤层气商业化开发的有效途径;将液相 CO2 和微生物发酵液作为储层改造的工作液,在实现煤系三气储层一体化缝网改造的同时又实现了微生物与 CO2 联作下的增气增压、储层改性、CO2 驱替甲烷等多重增产效应,为煤层气增产提供了一条新途径,达到低碳减排目的;此外,通过 CO2 的生物甲烷化和同步地质封存实现了负碳减排。可见,对于煤层气开发而言,CO2可以促使其增产;对于CO2封存而言,煤储层是其最佳归宿。由此,地面煤层气开发实现了“一低两负”的碳减排。在井下瓦斯抽采阶段,根据硬煤的造缝增透增产、软煤的增容增透增产机制以及相关理论,提出了第 1 代水力强化技术———水力压裂和第 2 代水力强化技术———钻冲压一体化增透增产技术、三堵两注固液两相封孔技术、老孔修复增透和下向孔智能排水排粉气驱增产技术。这一技术体系实现了瓦斯由“抽得出”向“抽得快、抽得省、抽得净、抽得纯” 转变,大幅提升瓦斯抽采的质和量,获取低碳能源,达到减少甲烷排空与碳减排的目的。同时,研发了能够准确测定瓦斯含量的钻取一体化密闭取心装置,建立了基于低速非线性渗流的煤层渗透性评价技术。在采空区煤层气开发阶段,粉煤灰将成为强化煤层生物气产出、充填采空区减沉和实现CO2矿化封存的首选材料。在具备圈闭条件的采空区首先注入菌液、少量粉煤灰和 CO2 实现煤和 CO2 的微生物甲烷化,以此获取低碳能源;抽采结束后进一步注入 CO2 和粉煤灰, 粉煤灰和采空区积水中的钙镁等离子与溶解的 CO2 结合生成碳酸盐对粉煤灰胶结,实现了 CO2 矿化封存和采空区固化减沉,具有显著的低负碳减排和生态环境治理意义。煤层气井地联合抽采全过程低负碳减排技术体系始终立足煤层气这一低碳能源的增产和 CCUS,为我国碳中和目标的实现提供新的发展思路。

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煤炭学报

2023年第01期

279

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