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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
类别; 225个
关键词; 275位
专家; 46篇
论文; 12547IP
点击量; 28239次
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我国低渗煤层井下注气驱替增流抽采瓦斯技术进展及前景展望

作者(Author)：林海飞, 季鹏飞, 孔祥国, 李树刚, 白杨, 龙航, 李柏, 和递

摘要：我国大部分矿区煤层渗透率较低,注气驱替增流抽采瓦斯技术是提高低渗煤层瓦斯抽采效率的有效方法之一。分类梳理了我国低渗煤层瓦斯赋存特征,总结概括出高资源储量、低含气饱和度、多储层压力并存、低渗透性和复杂分区性 5 个特点。利用差异置信法、灰色关联法、置信区间计算法,分析了我国煤层瓦斯对井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的适用性,获得 6 个影响注气驱替瓦斯效果的直接因素,影响度依次为:煤体普氏系数>瓦斯压力>渗透率>灰分>瓦斯含量>朗格缪尔压力常数;建立了适用于井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的煤层参数筛选评价方法。根据注气驱替煤体瓦斯增流机制的不同,从气体因素、注能改性两方面厘清了注气驱替煤体瓦斯增流机制,气体因素增流机制包括:充能携载、分压促解、稀释促扩散、竞争吸附;注能改性增流机制包括:充能扩孔、促解扩孔、充能拓孔、脉冲气流损伤孔隙结构/展布裂隙网络。总结了注气驱替气源、工艺参数对瓦斯驱替效果的影响规律,简要介绍了井下注气驱替增流抽采瓦斯关键技术与装备、应用模式及应用效果。展望了我国井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的未来发展趋势,具体包括:多学科深化注气驱替增流抽采瓦斯理论、多方法协同注气驱替增流抽采瓦斯技术、注气驱替增流抽采瓦斯工艺参数精准化、注气驱替增流抽采瓦斯装备智能化、煤层注-抽-掘-采衔接布局协调化。

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2023年第02期

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覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

作者(Author)：胡国忠, 李康, 许家林, 贾丽明, 王晓振, 秦伟, 谢建林

摘要：如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“ 三带” 、“ O” 形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内, 覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术,使工作面采空区瓦斯抽采率平均提高了 57.5%,有效保障了工作面的安全开采。

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2023年第02期

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煤层瓦斯多机制流固耦合模型与瓦斯抽采数值模拟分析

作者(Author)：王登科, 唐家豪, 魏建平, 位乐, 吴晶, 袁明羽, 庞晓非, 郭玉杰

摘要：为了更好地揭示瓦斯抽采过程中松软低透气性煤层瓦斯运移的本质和规律,基于孔隙-裂隙双重介质的假设,建立了全面考虑有效应力、煤层瓦斯多机制流动、真实气体效应和迂曲度影响的煤层瓦斯多机制流固耦合模型。基于所建理论模型,以郑煤集团(河南)白坪煤业有限公司13181 工作面为工程背景,利用 COMSOL 软件开展煤层瓦斯抽采数值模拟,全面分析了瓦斯压力随抽采时间的动态分布规律,结合现场实测结果验证了数值模拟有效抽采半径的准确性。系统开展了不考虑 Klinkenberg 效应、不考虑基质瓦斯扩散和不考虑煤层瓦斯多机制流动影响的瓦斯抽采数值模拟,对比分析了不同控制因素对煤层瓦斯运移的影响。研究结果表明:抽采结束后,煤层瓦斯压力以抽采钻孔为中心呈椭圆分布;煤层瓦斯压力和有效抽采半径的变化幅度随抽采时间逐渐减小,并趋于稳定;煤层瓦斯有效抽采半径的数值模拟结果与现场实测结果之间的平均误差为 3.65%,验证了所建煤层瓦斯多机制流固耦合模型的有效性与合理性;与考虑煤层瓦斯多机制流动影响的模拟结果相比,不考虑 Klinkenberg 效应的有效抽采半径和渗透率偏小,而不考虑基质瓦斯扩散和瓦斯多机制流动的有效抽采半径和渗透率则明显偏大,表明 Klinkenberg 效应和基质瓦斯扩散对煤层瓦斯流动分别起促进和抑制之作用。

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2023年第02期

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液氮循环冻结煤体融化过程未冻水含量特征及其对孔隙的影响机制

作者(Author)：秦雷, 吝思恒, 李树刚, 林海飞

摘要：孔隙未冻水含量和分布特征可以反映煤体融化程度,融化程度影响冰孔隙大小,直接决定孔隙渗透性,影响煤层气开采效率。研究冻结条件下煤体冰水相变过程特征,对精准评价煤层低温致裂效率具有重要意义。实验以冻结态饱水烟煤为研究对象,使用核磁共振技术研究煤样融化过程孔隙特征,综合测量 T2 曲线、累计孔隙度以及累计孔喉分布,定量分析煤样融化过程孔隙结构。实验结果表明,液氮循环冻结煤体融化过程中,首先融化出小孔结构,后融化出中大孔结构,且融化前期孔隙连通性较差。通过计算 T2 曲线面积,验证了融化过程未冻水含量与温度呈指数关系,并建立拟合函数。同时,根据煤样累计孔隙度与累计孔喉分布将融化过程划分为 3 个阶段,分别为加速融化阶段(-196~-30 °C)、稳定融化阶段(-30~-5 °C)以及快速融化阶段(-5~10 °C)。热力学分析表明,低温下煤样未冻水含量同时受到孔隙压力与孔径分布影响,孔隙压力越大、小孔结构越丰富的煤样未冻水含量越多。总结了基于液氮循环冻融孔隙扩张收缩以及局部导热特性分析体系,涉及 T2 图谱分析、导热组分划分、融化速度计算等关键问题,进而分析液氮循环次数造成的煤样融化速度差异。计算结果表明,液氮循环冻结 10 次时煤样平均融化速度最快,小孔、中孔与大孔冰的最大融化速度分别为 0.632% / °C 、0.582% / °C 和 0.521% / °C 。

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2023年第02期

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浸润环境下煤体多态水分布及运移规律

作者(Author)：杨明, 徐靖, 何敏, 高建良, 张学博, 刘佳佳, 王淞民

摘要：掌握煤水两相体系中多态水分布及动态运移特征对评价煤层注水效果和煤层气开发利用有重要意义。利用低场核磁共振实验系统,在标定多孔介质中不同状态水分弛豫时间的基础上,对试验煤样进行了浸润实验和核磁共振 CPMG 序列测试,基于煤体多态水分布结果建立了煤体自由态水弛豫特征与润湿性的定量关系,依托动力学理论研究了煤体吸附态水峰面积随时间变化的规律,揭示了煤储层与水分子间微观作用机制。研究结果表明:吸附态水峰对应的弛豫时间在0.1~ 10 ms,纯自由态水峰对应的弛豫时间在 800 ~ 10 000 ms,多孔介质中自由态水的弛豫速率会加快, 束缚态水峰位于吸附态水和自由态水峰中间;不同煤样的自由态水弛豫特征与其自身润湿性有紧密联系,润湿能力越强的煤样自由态水弛豫速率越快,弛豫时间越短,对应峰的左移能力越强;接触角 θ 与煤样的自由态水峰闭合所需浸润时间 t 及对应时刻自由态水峰值对应的弛豫时间 T2 存在定量关系,符合 θ = 51lg T2 +2.4t0.3 -87;煤体吸附态水峰面积可以用来评估煤层注水降尘效果,其随浸润时间的变化规律符合一级动力学模型,煤粉表面仅存在一种吸附位点;煤体中发生的水分子吸附过程由 2 部分组成:主吸附过程受扩散作用控制,发生在煤体表面极性官能团上;次吸附发生在煤体外层吸附态水分子形成的吸附位点上,该过程形成的水分凝聚是水锁效应的成因。水锁效应能否产生与煤样自身润湿性强弱有较大关系。

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2023年第02期

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再生顶板煤自燃漏风裂隙控制机理

作者(Author)：鲁义, 陈健, 邵淑珍, 施式亮, 丁仰卫, 李亮

摘要：再生顶板煤自燃是矿井火灾常见类型之一,其顶板裂隙漏风是导致遗留煤炭氧化自燃的关键原因。现阶段,对于再生顶板的支护方式仅从“强帮固顶”的角度出发,针对裂隙漏风的控制研究尚不完善,尤其缺乏在应力集中导致漏风裂隙演化扩展方面的研究。基于此,针对山东鹿洼煤矿 2304 工作面回风巷再生顶板,以弹性力学理论、临界破坏准则及广义胡克定律为基础,分别推导了各种措施下的应力集中系数与再生顶板围岩特性参数的关系,并利用再生顶板现场情况结合压溃实验与分形维数,阐明了各种措施下的再生顶板应力集中控制情况与裂隙演化规律研究。结果表明:岩石弹性模量对再生顶板的应力集中影响最为显著,且根据现场工况计算得出,使用锚杆支护时,最大应力集中系数为 2.341,水泥浆胶结支护时,最大应力集中系数为 1.563,纳米浆泡材料胶结支护时,最大应力集中系数为 1.393;此外,利用压溃实验发现水泥材料胶结体的裂隙主要从中心向四周扩散,其横向纵向的裂隙数量均会持续增加,并逐渐贯通,而纳米浆泡材料仅会在原有裂隙基础上继续演化发育,当单轴压力超过 8 MPa 后,纳米浆泡材料胶结体的裂隙基本不再发育;分形维数计算结果表明,当压力小于 5 MPa 时,纳米浆泡材料的多孔结构会使分形维数大于水泥材料胶结体;当压力大于 5 MPa 时,尤其是超过抗压强度后,纳米浆泡材料胶结体的分形维数小于水泥浆胶结体,故裂隙扩展演化速率更加缓慢,有利于阻止再生顶板的裂隙漏风。

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2023年第02期

200

583
煤田火区氧化煤分阶催化气化及作用机理

作者(Author)：戚绪尧, 陈良舟, 王涛, 张亚博

摘要：煤田火区热量较大,火区高温会对周围煤体造成影响,在火区受到有效控制或蔓延至其他区域后,往往在火区边缘或邻近煤层形成数量较大的氧化煤。与原始煤炭相比,氧化煤热值低、灰分高,难以作为常规燃煤利用,目前多与优质煤混合利用,导致混煤整体燃烧热值降低且炉渣量增加,严重影响电厂锅炉运行效率。为了更好地利用氧化煤,实现资源利用最大化,提出了氧化煤的分阶催化气化思路,并提出使用价格低廉的膨润土作为高温阶段的催化芯材,通过分阶式催化剂分别实现氧化煤气化过程的初期快速活化和后期催化气化,从而实现氧化煤高效气化利用。采用 X 射线衍射、扫描电子显微镜和孔隙分析表征氧化煤催化气化过程中关键结构演变特征,并利用热重质谱联用开展气化实验,通过特征参数分析气化前期和后期反应特点。结果表明:分阶式催化剂由外层 K2 CO3 和内层膨润土构成,其表层 K2 CO3 能明显促进氧化煤初期热解过程中孔隙结构的形成, 在气化初期产生大量微孔结构,增加氧化煤与气化剂 CO2 的接触面积,提高氧化煤反应活性;含 Na+ 阳离子的膨润土可以在高温阶段发挥稳定催化作用,弥补了 K2 CO3 在高温阶段易挥发和失活的缺陷。在分阶式催化剂作用下,碳晶格单元的生长速度减小。这表明分阶式催化剂可以插入碳芳环的边缘,导致内部晶格出现缺陷,从而有效抑制氧化煤焦的石墨化进程,保证连续催化气化反应。当 K2 CO3 和钠基膨润土的质量比达到 1 ∶ 1,整体催化气化效果最佳。分阶式催化剂在热解阶段也起到一定的催化作用,能促进氧化煤热解脱挥发分释放出氢气。在气化反应阶段,分阶式催化剂能有效降低氧化煤气化反应温度以及合成气产率峰值温度,提高气化反应速率。 CO 和 H2 体积分数峰值对应温度的降低幅度分别达到 97.4、129.1 °C ,具有明显的催化效果。氧化煤的分阶式催化气化高效制取合成气为火区氧化煤高效利用提供了新思路,可避免大量火区滞留煤炭资源的浪费。

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200

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采动覆岩“ 突水离层带” 岩体结构演化致灾机理及突水预报方法

作者(Author)：乔伟, 刘梦楠, 李连刚, 郭伟, 王启庆, 孟祥胜, 李小琴, 段中稳, 陈维池, 李文平

摘要：离层水害是近年来我国东西部矿井较为常见且严重的水害类型,研究采动覆岩结构演化对揭示离层突水机理、灾害预测防治有着重要意义。为分析不同工程地质条件下离层突水演化机理, 将可以产生采动覆岩离层涌水的离层水体及其上下位一定范围的岩层统称为“突水离层带”。建立“突水离层带”采动岩体结构力学模型,根据上位岩层和下位隔水层破断规律,分析 5 种突水类型(采动覆岩离层静水压突水、采动覆岩离层动力突水、多煤层叠加开采离层突水、传统顶板导水裂隙涌水和离层积水不突水)的形成机制和力学条件,研究回采期间导水裂隙带时空演化与离层突水的关系;基于工作面开采条件、覆岩条件、突水离层带发育位置和微震监测,分析了离层突水形成条件,揭示了离层突水演化机理,并对永陇矿区崔木煤矿和招贤煤矿工作面开展了实例分析,提出了工作面离层突水预报方法。研究得出:1 随着工作面推进,充水离层上位岩层和下位隔水层破断规律的差异是导致出现 5 种突水类型的根本原因;2 只有在采高 M 和充水离层与煤层间距 H 处于某种特定关系下,才会满足形成“突水离层带”的基本条件,发生离层突水;3 陕西崔木煤矿 21306 工作面离层突水主要是由上位岩层破断导致,突水期间高能量矿震(>104 J)发生次数增多, 微震日总能量和平均每次能量显著升高;而陕西招贤煤矿 1304 工作面离层突水是由下位隔水层破断导致,突水期间<103 J矿震每日次数显著增多,对应矿震每日总次数升高而平均每次能量值减小。

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