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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; 13394IP
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黔西与湖南寒婆坳地区煤制石墨烯结构的演化特征

作者(Author)：唐跃刚, 车启立, 李瑞青, 马鹏亮, 罗鹏, 琚敏敏, 徐晓婷

摘要：石墨烯作为 21 世纪的战略性新兴材料,因其优异的性能受到广泛关注。研究表明煤可作为石墨烯碳源,并且煤的属性也影响石墨烯的结构特征,结合我国煤变质成因复杂、煤变质作用类型多样的特点,旨在研究不同变质作用背景对石墨烯结构的影响特征。采集黔西地区深成叠加热液变质作用 6 个煤样及寒婆坳地区岩浆热变质作用 4 个煤样,全部利用 HCl-HF-HNO3 酸洗方法进行处理后得到脱矿煤样,以排除矿物的影响;后使用中频感应石墨化炉对脱矿煤样进行2 800 °C 高温处理后得到煤基石墨样品;最后利用改进的 Hummers 氧化还原法对煤基石墨进行氧化、超声剥离、还原处理,得到石墨烯样品;用于测试样品微晶尺寸、空间形态等信息的 X 射线衍射(XRD) 对脱矿样、煤基石墨、石墨烯进行表征并得到相关结构参数,用于测试样品缺陷、完整性的拉曼光谱( Raman) 对脱矿样、煤基石墨、石墨烯样品进行表征并得到相关参数,用于观察样品微观表面形貌的透射电镜(TEM)对石墨烯样品进行表征并得到图像。实验及表征结果:透射电镜(TEM)得到的图像表明2种变质类型的煤均可制备出3~5层的石墨烯层片。 X射线衍射(XRD)和拉曼光谱( Raman) 得到的相关参数表明煤的变质程度越高,对应的煤基石墨样品石墨化度越高,对应石墨烯样品的微晶结构片层越大、缺陷更少。以 X 射线衍射(XRD)、拉曼光谱(Raman)测试参数为依据,相对于岩浆热变质作用,深成叠加热液变质背景石墨烯样品的 Lc 、d002 以及峰位差 G-D、ID / IG 的变化随 Ro,max 的变化较大;而相对于深成叠加热液变质作用,岩浆热变质背景石墨烯样品的 La 和 La / Lc 变化随 Ro,max 的变化较大;说明在深成叠加热液变质作用背景下,煤的变质程度越高,越易得到堆砌性好、定向排列强、缺陷少的石墨烯样品,而在岩浆热变质作用条件下,煤的变质程度越高,越易获得横向尺寸大、“扁圆”空间形态的石墨烯样品。如今所进行的工作在后续还有拓展研究的空间,岩浆以及无岩浆对煤制石墨烯结构的影响有何不同,或者温度和压力是如何影响煤制石墨烯结构,这些问题需进一步研究以推进煤制石墨烯领域的科学发展。

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煤炭学报

2023年第01期

195

504
东部煤粮复合区采煤沉陷地边采边复时机

作者(Author)：胡振琪, 李根生 , 袁冬竹

摘要：东部高潜水位煤粮复合区采煤沉陷导致连片耕地积水,加剧了区内煤炭保供和粮食生产之间的矛盾。为了协调耕地保护与地下采煤的关系,采用边采边复技术,可以实现地面复垦技术与井下采煤技术的耦合,在高潜水位矿区可显著提高复垦率。复垦时机的选择是边采边复的关键,直接决定复垦工程的成败。梳理了影响边采边复时机选择的自然因素和人为因素,提出了 2 种边采边复时机类型:1 采动地表临界积水下的理论复垦时机;2 采动地表浅积水( 积水深度 0 ~ 3 m) 下的实际复垦时机。以单一煤层开采为例,研究了采动地表积水与地下开采的时空关系,提出了采动地表临界积水启动距及积水边界角,揭示了工作面推进速度与理论复垦时机的时空关系。提出以采动地表临界积水下沉值为约束的井下减沉的耕地源头保护措施,构建了采区尺度下的跳采全采工作面临界宽度模型和浅积水下的实际复垦时机模型。案例研究表明:以顾桥煤矿北一采区临界积水下沉值 1.00 m 为约束,所优化的跳采全采工作面宽度可将复垦时机延迟到全采阶段,即推迟复垦时间和延长耕地使用寿命 12.5 a。模拟了龙固煤矿不同采动积水深度下的复垦耕地面积变化, 构建了复垦时机与复垦率之间的定量模型,以此预测了不同复垦率指标下的最佳复垦时机区间及浅积水条件下的最佳复垦率,认为相对积水深度为 0.6 时,为该采矿地质条件下的最佳复垦时机, 当复垦耕地率差值控制在 5%时,最佳复垦时机为地表积水相对深度 0.706 7。最后,讨论了边采边复的投入产出效益,认为边采边复技术可显著提高土地复垦效益,从源头上将采煤引起的社会和生态负效益内部化,该技术具有技术可行、经济合理和生态友好的优势。研究结果可为高潜水位煤矿区边采边复时机优选和井上下采复耦合提供理论支撑和案例参考。

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2023年第01期

377

633
中部矿粮复合区采煤沉陷及耕地损毁研究现状与展望

作者(Author)：郭文兵, 赵高博, 白二虎, 马超, 聂小军, 陈俊杰, 张合兵

摘要：河南作为中原地区产煤和产粮大省,煤炭安全高效开采与耕地保护、粮食增产的矛盾较为突出。如何修复因开采煤炭导致损毁的耕地、保护矿区未损毁的耕地,同时稳定煤炭产能,是中部矿粮复合区目前面临的重大难题之一。在分析了中部矿粮复合区典型特征与其面临的瓶颈问题基础上,从采动覆岩与含(隔)水层破坏、采动地表沉陷规律与土壤退化、矿区耕地损毁及农作物长势、源头减沉控损与土地损毁修复技术等 4 个方面分析了采煤沉陷及耕地损毁问题的研究发展历程,包括采动覆岩含( 隔) 水层破坏及结构失稳、采动覆岩破坏充分采动定义及判据、采动地表沉陷与覆岩破坏整体响应行为、地表沉陷对土壤退化与耕地损毁影响、沉陷区耕地损毁识别与农作物长势监测、煤矿开采损毁土地修复技术等;在现有成果分析的基础上,展望了中部矿粮复合区采煤沉陷及耕地损毁的 4 个发展方向:采动覆岩结构失稳与含( 隔) 水层破坏传导机理、采动地表沉陷规律与土地损毁作用机理、矿区耕地损毁及农作物长势时空演变规律与源头减沉控损与耕地损毁高效协同修复技术,以便揭示“ 覆岩破坏—地表沉陷—耕地损毁—作物响应” 传导驱动机制,形成中部矿粮复合区源头减沉控损与耕地损毁高效协同修复的综合技术体系,为煤矿绿色开采与保障粮食安全提供理论和技术支撑。

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煤炭学报

2023年第01期

286

803
导水裂隙带发育特征地震识别方法

作者(Author)：侯恩科, 袁峰, 王双明, 谢晓深, 吴宝海

摘要：导水裂隙带发育高度是保水采煤的关键参数,但导水裂隙带散射波、多次波发育,成像质量差,地震识别难度大,很难精确获取导水裂隙带发育特征。为进一步解决导水裂隙带地震识别问题,并揭示导水裂隙带空间发育特征,通过测井、钻探资料分析和三维模型正演对导水裂隙带的地震特征进行了研究。研究结果表明:电阻率、自然伽马、自然电位和冲洗液漏失量均能表征导水裂隙带发育高度,但单一因素解释误差较大,准确度低;谱分解、相干体、瞬时频率和蚂蚁追踪 4 种叠后地震属性分析能够不同程度地反映出导水裂隙带发育位置、高度特征,但只能对导水裂隙带部分部位实现较准确判断,无法准确反映导水裂隙带三维整体形态和发育特征。在综合地质、地震资料的基础上,根据电阻率、自然伽马、自然电位和冲洗液漏失量数据,利用主成分分析建立了导水裂隙带定量解释指标,通过地震属性优选、叠后确定性反演、叠前弹性阻抗反演、各向异性检测,结合裂隙指示曲线,利用神经网络反演形成裂隙指示数据体,对导水裂隙带发育高度和发育特征进行了定量描述,提出了适宜回采工作面导水裂隙带发育特征的地震识别方法,并成功识别了陕北某矿首采工作面导水裂隙带发育特征。实践结果表明:综采工作面走向方向导水裂隙带发育形态呈“半马鞍形” ,即发育高度由开切眼至面内逐渐降低并趋于平稳;工作面倾向方向导水裂隙带呈两边高中间略低的形态特征,近似“ 马鞍形” ;采空区开切眼处导水裂隙带发育高度最大,两侧采空边界煤柱处裂隙带发育高度略低,裂采比为 25.86 ~ 30.76;垮落带以高角度裂隙为主,水平方向呈网状,垮采比为 3.44~5.72。经验证,该导水裂隙带地震识别方法获取的导水裂隙带发育高度误差在 2.42~ 6.81 m,垮落带识别误差 1.60 ~ 12.89 m,误差相对较小,能够准确获取导水裂隙带三维空间发育特征,可以为西部煤炭开采水资源和生态环境保护提供一定的方法支持。

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煤炭学报

2023年第01期

203

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粉煤循环流化床燃烧技术

作者(Author)：吕俊复, 尚曼霞, 柯希玮, 周托, 黄中, 张海, 张缦, 张扬, 吴玉新, 岳光溪

摘要：双碳背景下，作为燃煤发电的重要组成部分，循环流化床( CFB) 燃烧技术实现了劣质燃料的高效清洁利用，也是未来参与电网深度调峰的主力。然而，CFB 锅炉在负荷调节速率、深度低负荷及低负荷下的NOx排放控制、受热面磨损等方面还有较大改善空间。为此，提出了粉煤循环流化床(Powdered Coal-Circulating Fluidized Bed，PC-CFB)燃烧技术，将燃料粒度由传统的 0~10 mm 宽筛分分布缩减为 0 ~ 1 mm 的窄筛分分布，在低床存量下实现足够高的循环流率，通过流态调控化学反应，强化低氮燃烧需要的还原性气氛，并为延长细颗粒石灰石在炉内的停留时间提供了保证，同时改善锅炉燃烧性能。更为重要的是，由于燃料粒度降低，化学反应速度即热量释放变化速率得以提高;辅助以循环干预措施，可提高传热率的变化速度，二者综合可以改善负荷变化率。燃料粒度的变化必然导致床料粒度降低，显著改善了深度低负荷能力以及低负荷下的 NOx 排放炉内控制能力。该思想得到模型验证:当燃料粒度由常规缩减到 0 ~ 1 mm 时，床料粒度大幅降低，稀相区物料悬浮浓度提高，循环流率提高了约 27%;炉内还原性气氛得到增强，NOx 原始排放浓度降低约 35%; 循环系统性能的改善可延长细颗粒石灰石在炉内的停留时间，提高脱硫反应效率，在钙硫比、NOx 排放相同条件下，降低了 SO2 原始排放浓度;同时，燃烧效率显著改善，底渣含碳量降低 89%、固体不完全燃烧热损失降低 52%，表明 PC-CFB 燃烧技术在增强 CFB 锅炉运行灵活性、强化低氮燃烧、提升燃烧性能等方面更具优势。

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煤炭学报

2023年第01期

335

244
小容量超临界二氧化碳燃煤发电系统的一维设计及回热器紧凑性分析

作者(Author)：徐进良, 田贺, 孙恩慧, 常诚, 郭源东, 王兆福

摘要：超临界二氧化碳(S-CO2)循环因其高效、紧凑、灵活的优势，有望成为新一代发电动力循环。选用三压缩末级部分压缩的循环结构，将其应用到 20 MW S-CO2 燃煤发电系统中，并对发电系统的关键部件进行一维设计。设计结果表明，透平和压缩机尺寸整体较小，尺寸优势明显，相比水机组具备明显的竞争力;基于不同容量锅炉的体积变化规律，合理推断由于炉内 CO2 工质换热系数较小，使得 S-CO2 锅炉相比水机组锅炉体积有所增加;基于印刷电路板换热器的回热系统占地较大，在本文设计条件下回热器总体积约为 18.95 m3 ，远超现有水机组回热器总体积，问题显著。因此，进一步从回热器换热效果角度探究了回热系统特性，讨论了现有技术面临的困难与瓶颈，发现循环热效率与回热系统体积存在着较强的制约关系，进而对回热系统进行了成本分析，在考虑基础建设费及人工费后，回热系统的投资成本约为 9 347.47 万元，初始投资成本较高。同时发现，印刷电路板换热器在缩小回热系统体积方面的潜力有限，因此仍需研发新的换热器形式，实现换热系数的量级性提升。最后，针对回热系统体积问题，提出了 S-CO2 燃煤发电系统的一体化布置方案，通过空间布置的优化实现了系统的整体紧凑性。我国正在推进中等容量 S-CO2 燃煤发电系统示范，此项研究为示范电站建设提供了新的技术思路。

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煤炭学报

2023年第01期

184

294
氯化钠蒸气对高钠煤煤灰钠捕获性能及其烧结温度的影响

作者(Author)：张守玉, 徐梓航, 黄东东, 郎森, 刘思梦, 杨济凡, 周义, 胡南, 吴玉新

摘要：新疆的高钠煤是一种开采成本低、灰分低、含硫量低的优质燃料，但较高的钠含量导致其在燃烧利用的过程中易出现沾污结渣等现象，严重阻碍了高钠煤的开发利用。以 2 种高钠煤(五彩湾煤(WCW)、哈密煤(HM))和 1 种低钠煤(平朔煤(PS))作为实验对象，在 900 °C下燃烧制灰，并将所制煤灰置于 38%、51%和 76%的 NaCl 蒸气下进行钠捕获实验，使用 ICP-OES 测得钠捕获前后煤灰的钠含量，采用 XRD 分析钠捕获前后煤灰中矿物质的变化，采用压降法测量钠捕获前后煤灰的烧结温度，深入探究不同 NaCl 蒸气体积分数下煤灰烧结特性的衍变规律。结果表明:在 3 种 NaCl 蒸气体积分数下，3 种煤灰样品中 PS 煤灰的钠捕获量最大，HM 煤灰次之，WCW 煤灰最低。 Si、Al 能增强煤灰的钠捕获性能，而 Ca 则会与 Si、Al 发生反应，从而抑制 Si、Al 对 NaCl 蒸气的化学固定，不利于煤灰的钠捕获。随 NaCl 蒸气体积分数升高，钠捕获量增大，煤灰的烧结温度降低幅度与其钠捕获量呈正相关。 HM、WCW 煤灰烧结温度降低幅度均大于 PS 煤灰，一方面是由于 HM 和 WCW 煤灰固钠后生成的含钠化合物的熔点低于 PS 煤灰，另一方面 NaCl 蒸气体积分数升高促进了低熔点含钠化合物的生成。 PS 煤灰在 900 °C 下尚未发生烧结，其结构疏松、内部孔隙多，与 NaCl 蒸气反应完全程度相对较高，其烧结温度受 NaCl 蒸气体积分数影响最小。

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煤炭学报

2023年第01期

248

256
粒度对重介旋流器分选效果影响的量化解析

作者(Author)：樊民强, 田蕾, 董连平, 杨润全, 高建川

摘要：分配曲线是重力选煤效果评定的基础，分配曲线形态可用分选密度、可能偏差、四分位偏度、尾态系数4阶特性参数表示，粒度对重选效果的影响可分解成粒度对分配曲线形态参数的影响。以无压三产品重介旋流器在不同粒度下的分配曲线数据为基础，采用基于四分位数的广义正态分布分配曲线数学模型，利用非线性回归方法，分别提取了精煤段和中煤段不同粒级下分配曲线的4阶形态参数，揭示了粒度对无压三产品重介旋流器分选效果影响的基本规律：分选密度随粒度增大先减小后增大，可能偏差随粒度的增大而减小，偏度与尾态系数随粒度增大而趋近于0。即粒度越大，分选精度越高，分配曲线对称性越好，长尾程度越小，分配曲线形态越接近于正态分布。采用幂函数与指数函数相结合的形式，构建了分选密度-粒度数学模型；采用幂函数形式，构建了可能偏差-粒度数学模型；采用幂函数形式，给出了四分位偏差-粒度、尾态系数-粒度数学模型。在4阶形态参数下将重选过程中密度、粒度相互影响统一在基于四分位数的广义正态分布函数中，建立了一个模型参数可扩展的高精度的密度-粒度双变量分配曲面数学模型，为量化分析各类水力分级和重力分选过程粒度密度的相互影响，提供一个通用的数学工具，对于揭示粒度对分选的影响机理具有重要意义。

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煤炭学报

2023年第01期

219

294

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