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《煤炭学报》2023年“新锐科学家”特刊

来源：煤炭学报

为全面展示我国煤炭行业青年学者的最新原创科技成果，鼓励我国煤炭行业青年科学家把更多的代表性科研成果发表在祖国大地上，助力青年科学家成长成才，《煤炭学报》编辑部于2023年第2期组织策划了“新锐科学家”专题。

《煤炭学报》2022年“新锐科学家”专题：http://www.chinacaj.net/i,3,15239,0.html

《煤炭学报》2021年“新锐科学家”专题：http://www.chinacaj.net/i,3,12427,0.html

行业视野: 煤炭学报
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关键词; 275位
专家; 46篇
论文; 12344IP
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《煤炭学报》2023年第2期封面

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2023年第02期

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《煤炭学报》2023年第2期目录

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深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法

作者(Author)：杨胜利, 吴山西, 王兆会, 唐岳松, 李家龙, 孙文超

摘要：煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明:深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导两个阶段,第 1 阶段薄基岩呈现层状破断特征,关键层下缘离层现象明显,厚冲积层保持稳定;第 2 阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致薄基岩全厚破断,层间离层现象消失;得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征,发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用,冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象;薄基岩全厚破断后整体下沉,厚冲积层冒落体下向压实,采动裂隙快速闭合,导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小,地表下沉速度快,沉降系数高,最大下沉量达到开采厚度;将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降两个区域,深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大,构建了地表沉陷分区预测模型;对赵固二矿地表沉陷特征进行了预测,同时采用无人船搭载定位和声纳系统对赵固二矿地表沉陷盆地形态进行了实测和重构,预测结果和实测数据对比分析表明理论沉陷值的最大误差率为 7.0%,平均误差率为 2.4%,表明构建的地表沉陷分区预测模型适用于深埋厚冲积层薄基岩赋存条件,可为该类煤层开采地表沉陷治理提供借鉴。

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2023年第02期

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双碳背景下“煤-水-热”正效协同共采理论与技术构想

作者(Author)：曾一凡, 刘晓秀, 武强, 梁季月

摘要：双碳目标下,煤炭企业绿色低碳化发展已成为我国能源革命的迫切需求。煤炭生产在大力发展节能提效技术的基础上,消除水害与热害隐患的负面影响,主动激励伴生资源的潜在正面效应发挥能源替代功能是实现矿山可持续性绿色开采的有效举措。基于我国煤矿资源特点,首先提出了一种集约型煤水热多资源正效协同开采模式,剖析了该模式的内涵与基本协同模式,对全生命周期煤炭开采伴生资源控制-利用-储存形成矿区资源产供储一体产业链。通过阐述顶板水高效精准疏放、季节性含水层储能、低焓热能高效提取与梯级利用、深部地热原位开采和矿井水深部地质封存等关键技术及科学问题,提出了以煤炭开采低碳零碳融合为核心的全生命周期煤水热共采技术体系。针对系统运行优化管理,考虑以碳排放与经济性为双重目标配置优化开采工艺与运行策略的协同度。最后以陕西榆林小纪汗煤矿为分析案例,初步基于遗传算法构建煤水热共采模式下矿区资源多目标配置优化模型,评估了系统运行节能减排效益,结果表明:利用小纪汗矿伴生风 / 水资源年节能率可达 50.2%,减少矿区生产用能总二氧化碳排放量 24.2%,节能减排效果显著。通过实现矿业负效应资源的正向转换,拓展伴生资源对矿区综合能源体系的增环补链作用以实现煤水热正效协同共采,对煤炭行业助力实现双碳目标具有参考意义。

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大倾角煤层群长壁开采承载拱与间隔岩层采动应力演化特征

作者(Author)：罗生虎, 王同, 伍永平, 解盘石, 王红伟

摘要：大倾角煤层群开采过程中,受重复采动影响,采动应力在间隔岩层中的演化规律复杂,揭示间隔岩层采动应力传递与三向应力状态演化特征是实现该类煤层群绿色高效开发的核心。采用物理相似材料模拟实验研究了大倾角煤层群长壁开采围岩变形破坏的演化特征,采用数值模拟分析了围岩采动应力传递演化规律,揭示了间隔岩层三向应力状态演化特征,量化表征了第 1 主应力大小渐变、方向偏转的演变规律。研究结果表明:大倾角煤层群开采过程中,间隔岩层历经了“原岩应力状态-上煤层开采卸压-矸石非均衡约束-下煤层开采卸压” 的扰动历程,最终产生非对称变形破坏。间隔岩层的破断失稳将使得上、下工作面开采过程中各自形成的承载拱演化成包络 2 个工作面在内的“大范围”承载拱,其承载拱上拱脚位于下工作面回风巷,下拱脚位于上工作面的运输巷,控制岩层变形破断内在的“大范围”应力传递拱壳亦呈现出类似的演化特征。低位间隔岩层受采动影响程度剧烈,应力释放程度较大;中位岩层压、拉状态发生改变的位置较低位向倾向下部偏移;高位岩层压、拉状态产生改变的位置位于上层煤底板临空面位置处,岩层由三向受压状态转化为单、双向受压状态。间隔岩层沿工作面倾向自下而上可分为上层煤增压、上层煤增压-下层煤卸压、重复卸压、上层煤卸压-下层煤增压、下层煤增压 5 个区域。在上层煤增压-下层煤卸压段,第 1 主应力 x、y 轴分量呈现出先增大后降低,z 轴分量持续降低的演化趋势;在重复卸压段,岩层应力释放程度最大,方向偏转程度最大;在上层煤卸压-下层煤增压段,第 1 主应力 x、y 轴分量呈现减— 增—减、z 轴分量呈现先减后增的演化趋势。

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深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

作者(Author)：王兆会, 唐岳松, 李猛, 吴山西, 孙文超, 李家龙, 水艳婷

摘要：焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层,覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大,采场面临强矿压、突水溃沙威胁,沉陷区出现裂缝和积水,破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果,以赵固二矿 14030 工作面为工程背景,采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理,探究支架选型与灾害防控方法。结果表明:覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长 4 个阶段,前 2 个阶段覆岩稳定,第 3 阶段因变形局部集中进入非稳定状态,第 4 阶段因非连续变形进入裂隙发育进程;采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致基岩全厚断裂,形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构; 覆岩连续变形受关键层控制,非连续变形由冲积层冒落裂隙主导;基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因,揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理,采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件;构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型,提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法,得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据,采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递,增强了冒落拱自稳能力;提出了基岩破断面恒定法向刚度条件下高耸岩梁承载能力计算方法,确定了保持岩梁平衡所需支架具备的支撑能力;基于厚冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载机理,提出了液压支架强度-刚度双参量选型方法和覆岩突水溃沙通道快速识别方法,实测结果表明赵固二矿 14030 工作面支架选型基本合理,突水溃沙通道识别则为顶板注浆钻孔参数确定提供了指导。

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水平分段综放开采顶煤放出体理论计算模型

作者(Author)：张锦旺, 程东亮, 王家臣, 杨胜利

摘要：水平分段综放开采是急倾斜特厚煤层的主要开采方法之一。水平分段综放开采工作面相对较短,导致顶、底板边壁对放煤规律的影响较大。基于 BBR 理论,采用 Bergmark-Roos (B-R)模型分析了存在倾斜边壁影响时的顶煤运移规律及放出体形态变化机理;建立了水平分段综放开采受顶、底板侧边壁影响的放出体理论计算模型,推导了包含轴倾角参数的放出体边界方程;通过颗粒流离散元数值分析得出了轴倾角参数与边界条件的定量关系,采用物理相似实验数据对理论模型进行了验证,提出了不同煤层倾角范围内的合理分段高度及放煤方式优化建议。研究结果表明: 倾斜边壁的存在使得散体顶煤受到更大的横向应力,从而改变了顶煤颗粒运移加速度的方向;近边壁处放煤口两侧散体顶煤递补潜力的差异,导致其运移加速度的大小不同;顶煤加速度大小和方向的改变导致放出体轴线方向偏离重力方向。受倾斜边壁影响,放出体形态在轴线两侧呈现非对称性,与近底板侧相比,近顶板侧放出体受边界影响的程度更大;放出体轴倾角 β 随着煤层倾角的增大呈线性增大关系。随着不放煤段长度的增大,近顶、底板侧放出体的轴倾角均逐渐趋近于 90°。物理模拟试验结果验证了理论模型的准确性;采用“ 底板单轮、中部多轮” 、端头逆序放煤方式可有效利用放出体形态特征,减少近顶、底板侧残煤损失。

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再论负煤柱巷顶沿空掘巷合理位置及其围岩主动控制原理

作者(Author)：王朋飞, 常通, 卢俊宇, 薛佩峰, 张海龙, 高翔, 曲越, 刘佳男

摘要：负煤柱工作面采空区弧形底板下方的巷顶沿空掘巷长期惯用架棚被动支护,劳动强度大、成本高、成巷慢,限制了该技术的推广和升级。为此,在大量前人相关研究基础上,以开滦集团唐山矿负煤柱开采实践为背景,采用现场实测、理论分析和数值模拟,重新分析论述了负煤柱巷顶沿空掘巷合理位置及其围岩主动控制原理。结果表明:1 负煤柱工作面来压强度表现出中部最大、上部次之、下部最小的非对称分布的倾向分区特征,采空区矸石呈现出下部充实、中部充满、上部悬空的非对称堆积形态,下部充实区显著缓解了支承压力影响,为弧形底板创造了良好的应力环境优势。 2 揭示了负煤柱工作面弧形底板下巷顶沿空掘巷内错距离不同时围岩破坏区与弧形底板破坏区的联通规律,巷顶煤体较薄时,巷顶易产生裂隙并不断与其上采空区底板裂隙沟通导致巷道顶板失稳。 3 最佳布巷位置位于上区段弧形底板正下方,既可保留足够顶煤用于锚杆索支护,又可避开上区段采空区左侧应力集中区及应力变化剧烈区。 4 给出了基于自稳隐形拱理论的巷顶沿空掘巷主动支护设计原理,推导了巷顶沿空掘巷的自稳隐形拱表达式,揭示了该自稳隐形拱的非对称特征,最大拱高位于巷道中轴线偏左 0.1 m 处。研究可为负煤柱沿空掘巷围岩控制提供理论支持和科学依据。

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