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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; 12357IP
点击量; 28092次
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离层注浆开采关键层变形特征及地表沉陷控制效应

作者(Author)：徐良骥, 张坤, 刘潇鹏, 陈宝宝, 范廷玉, 桂松

摘要：为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应,准确预计地表移动变形值,对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析,将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基,并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区 3 种不同的区段,基于弹性地基梁理论,给出了关键层挠度方程和弹性地基系数计算方法;采用“ 两步法” ,通过分层模拟的方式开展了离层注浆开采关键层变形与地表沉陷数值模拟,研究了不同工作面宽度条件下离层发育和关键层破断特征,以及不同注采比条件下地表移动变形特征;借鉴等价采高理论,将离层注浆开采条件下关键层弯曲下沉空间等效视为开采空间,结合概率积分法,建立了适用于离层注浆开采的地表沉陷预计模型。以淮北矿区袁店二矿 7221 离层注浆开采工作面为例进行了验证,结果表明:该地质条件下,离层注浆开采工作面宽度宜设计在90~120 m;采用提出的预计模型和方法能够对离层注浆开采条件下的地表沉陷进行有效预计,预计值与实测值平均误差 9 mm,在允许误差范围内;离层注浆开采地表沉陷控制效果显著,减沉率约 83%。

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2023年第02期

218

1011
关闭矿井次生沉陷监测、预测与稳定性评价研究进展和展望

作者(Author)：陈炳乾, 刘辉, 李振洪, 郑美楠, 于洋, 余昊, 秦璐, 杨家乐, 杨宇

摘要：近年来由于部分矿区煤炭资源枯竭和国家去产能政策的出台,大量矿井被关闭。矿井关闭后,采动破裂岩体在应力、地下水等多种因素的作用下发生风化劣化、强度降低,将改变废弃采空区内破裂岩体的应力和承载能力,导致地表发生二次形变或多次形变,这种由非直接采动引起的覆岩及地表沉陷,称为次生沉陷,将对地表工程建设和人民生命财产安全造成巨大的潜在威胁。在回顾关闭矿井发展历史的基础上,首先阐述了关闭矿井的地理分布,之后分别对关闭矿井次生沉陷监测、预测方法和煤柱稳定性评价方法等方面展开综述,最后对关闭矿井次生沉陷灾害研究存在的问题和研究热点进行了展望。研究结果表明:1 目前我国关闭矿井数量众多,仅在 2016—2020 年间就退出 5 243 处,退出产能 87 538 万 t。 2 常规的关闭矿井沉陷监测方法虽然精度高,但存在工作量大、费用高、难以获取面域信息等缺陷,而基于 InSAR 技术的地表沉陷监测不仅可以获取高精度、大范围当下时间序列形变信息,还可以对已发生形变进行溯源监测,基于时域反射计和微震监测仪的地下岩层移动变形监测可以实时、高密度获取岩层移动形变信息。 3 对于复杂地质采矿条件,数值模拟法预测的关闭矿井地表次生沉陷可靠性较高,但其建模过程复杂、参数选取困难;对于简单地质采矿条件,解析法求解精度和效率更高。 4 柱式开采煤柱应力与采空区尺寸有关,当采空区尺寸与采深比在 3 ~ 4 时,可用从属面积理论计算煤柱应力,否则需要考虑压力拱。剥离破坏模型考虑了矿柱尺寸随时间的变化,并且其在理论上解释了矿柱宽高比对矿柱长期稳定性的影响, 同时矿柱剥离破坏模型能够较好地区分稳定和失稳煤柱。 5 关闭矿井次生沉陷灾害问题的研究仍面临沉陷规律及其机理、煤柱长期强度变化规律和煤岩体风化劣化机理不明确等关键科学问题。

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2023年第02期

213

650
新疆戈壁煤矿露天开采对生态环境扰动定量分析

作者(Author)：刘英, 许萍萍, 毕银丽, 岳辉, 彭苏萍, 韩勇, 姜凯升

摘要：新疆戈壁矿区生态环境脆弱,极容易受到自然和人为因素的影响,其生态环境也逐渐被广泛关注。选取新疆五彩湾露天矿区为研究对象,利用 1990—2020 年 Landsat 影像,在遥感生态指数 IRSE基础上,引入煤尘指数、盐度指标、土地退化指数构建干旱煤矿生态指数(IACME),并运用 M-K 检验与 Sen 趋势分析法揭示研究区 IACME 时空演变特征与规律,评价干旱矿区的生态环境质量状况,同时利用多元回归、神经网络、随机森林和支持向量机方法分别建立五彩湾矿区气候因素与 IACME 的关系模型,预测得到基于气候条件下的 I′ACME ,结合残差分析与双重差模型定量评估采矿活动的影响。结果表明:1 近 30 a 来研究区 IACME 均值为 0.28,总体上 IACME 呈下降趋势,由 1990 年的 0.30 下降到 2020 年的 0.22。变化幅度方面,退化区面积占比为 62.63%,远高于改善区 28.3%,由于采矿活动的影响,显著退化面积占比增加 12.96%,主要集中在以矿井为中心向外辐射区域,显著改善面积占比下降 17.28%。 2 利用多元回归、神经网络、随机森林、支持向量机 4 类方法分别建立气候因素与 IACME的关系模型,得到基于麻雀搜索算法的随机森林(SSA-RF)精度最高,验证集 R2 = 0.82、ERMS = 0.109,该模型在所使用的建模方法中可靠性更高,适用性较强;3 通过 SSA-RF 预测基于气候条件的 I′ACME,气候影响下,研究区生态环境以较差(0.2~0.4)和中等(0.4~0.6)为主。假设不存在采矿活动,研究区 2006—2020 年 I′ACME 在 0.26 ~ 0.59,I′ACME 平均值为 0.4,与同年份实际的 IACME 空间分布相比,环境显著改善的区域明显增多,主要集中在研究区中部矿井所在区域。 4 利用残差定量分析得知研究区采矿活动对生态环境具有负向效应,平均残差 δ 为-0.116,通过双重差分模型得出采矿对生态环境的定量影响为-0.112,进一步表明煤炭开采对生态环境存在负面扰动,导致生态环境质量下降;2 种方法计算结果相近,表明 SSA-RF 与双重差分模型均可用于定量分析煤炭开采的影响。 5采矿活动导致研究区生态环境退化占比为57.52%,改善占比为34.67%; 气候条件下导致生态环境退化占比为 42.28%,改善占比为 65.33%,采矿导致生态环境退化占比超过 50%,说明采矿活动是影响生态退化的重要原因之一。综上所述,五彩湾矿区生态系统亟待恢复, 必要时应辅以人工干预,来推动五彩湾戈壁矿区整体的环境保护、生态系统修复与综合治理。

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2023年第02期

275

452
基于大样本的露天开采植被扰动范围一般性统计规律 ——— 以神东煤炭基地为例

作者(Author)：李军, 彭传盈, 张成业, 李全生, 张凯, 刘举庆, 马雪松

摘要：露天开采对植被的扰动范围对于矿区生态环境治理与修复具有重要意义。现有研究主要以单个或若干个煤矿为研究对象,所得结论仅能反映个体煤矿的特点,缺乏对区域尺度上大量露天煤矿的开采扰动一般性规律研究,难以在实践中推广使用。针对上述问题,本研究根据临近煤矿分布特点与生态扰动类型,定义了 4 种类型的露天煤矿区 OD-NDVI 曲线(Orientation Distance - Nor- malized Difference Vegetation Index Curve),包括“负独立型曲线”、“负密集型曲线”、“正独立型曲线”和“正密集型曲线”,并提出了基于 OD-NDVI 曲线的开采植被扰动距离提取方法,包括数据预处理、OD-NDVI 曲线提取、曲线分类与开采扰动距离识别 4 个主要步骤。以神东煤炭基地 106 个露天煤矿为研究对象,提取所有煤矿的开采扰动距离并进行定量统计分析,揭示了研究区露天开采对植被扰动范围的一般性统计规律。结果如下:1 采用 Shapiro-Wilk 统计检验方法进行显著性检验,发现神东煤炭基地露天煤矿的开采扰动距离符合正态分布(R2 =0.95),开采扰动距离大多在均值 1 214 m 附近,且 68.26%的开采扰动距离分布在[939.05 m,1 488.71 m]内(均值的 1 倍标准差内);2 借助箱线图统计,揭示了露天煤矿的开采扰动距离存在有界性特点,最大值为2 025 m,最小值为 600 m,仅有 0.13%的开采扰动距离大于 2 038.37 m(超过均值 3 倍标准差);3 通过分析露天煤矿在 8 个方向上开采扰动距离的变异系数,发现其开采扰动距离存在显著的方向异质性, 70.7%的煤矿方向开采扰动距离存在较强或中等方向异质性,仅有 29.3%存在弱方向异质性;4 通过拟合建模分析,发现开采扰动距离与实际年产煤量存在显著的对数模型关系(R2 = 0.613),随着煤矿的年产煤量增长,其开采扰动距离呈对数增加,但在年产煤量增加至 232 万 t 后,年产煤量对扰动距离无明显影响作用。基于大样本露天煤矿的统计分析结果具有更强的普适性和精细度,有望为干旱半干旱煤矿区的分级分区治理、精准修复、生产计划优化等提供科学指导。

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2023年第02期

192

371
CO2 原位捕集强化水气变换制氢研究进展

作者(Author)：荆洁颖, 屈婷, 陶威, 李文英

摘要：氢能为实现零碳排放的能源利用提供了重要解决方案。然而,受制氢技术限制,现阶段我国主要以化石燃料为原料通过气化或重整得到 CO,再通过水气变换制氢。虽然使用化石燃料制氢拥有80%的能量转换效率,但其制氢生命周期的平均CO2排放量近14 kg/kg(CO2 /H2),不利于实现“双碳目标”。因此,在化石燃料经水气变换制氢过程中,如何分离去除CO2是影响H2纯度和减少能耗的关键步骤。相比于常用的醇胺溶液法高能耗,CO2原位捕集强化水气变换制氢利用固体吸附剂原位捕集产气中CO2,可实现一步制取高纯度H2且富集回收纯CO2。因CO2的移除量和移除速率直接决定水气变换反应的强化程度,关系到H2的产率和纯度,其运行稳定性与生产成本相关。因此,该工艺的高效运行依赖于高活性水气变换催化剂和CO2吸附剂。为此,针对CO2原位捕集强化水气变换制氢的原理及优势进行详述,总结了水气变换催化剂、MgO 基 CO2 吸附剂和双功能复合催化剂在使用过程中存在的问题和相应的改进措施,阐述了 CO2 原位捕集强化水气变换制氢要实现工业化需重点攻关的问题,并提出未来研究应综合考虑反应器选择与复合催化剂设计,通过工艺优化,实现系统物质转化、能量利用和经济性能的最优耦合,揭示 CO2 原位捕集对制氢能耗降低的内在本质。

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2023年第02期

215

175
CO2 -水洗对准东高碱煤 Na / Ca 脱除性能的影响

作者(Author)：王长安, 罗茂芸, 熊若宸, 张津铭, 赵林, 冯平安, 车得福

摘要：煤炭是我国主要能源资源,而准东煤田作为我国最大的整装煤田,具有非常高的开发利用价值。但准东煤中 Na、Ca 等碱金属和碱土金属(AAEMs)含量较高,导致在工业生产中结渣沾污问题严重。为探究 CO2 -水洗处理对准东高碱煤的脱碱效果及水洗过程溶液中 Cl- / NO-3 等阴离子的分布特性,进行水洗 / CO2 -水洗准东煤脱碱实验。在水洗温度为 20、40、60 °C ,水洗时间为 2、5、8 h 等不同水洗条件下,对水洗/CO2-水洗准东煤Na/Ca和Cl-/NO-3 的脱除性能进行对比分析,并对其他气体氛围下水洗准东煤脱除Na/Ca的可行性进行探讨。实验结果表明:随着水洗时间、温度及水煤液固质量比的增加,Na/Ca的脱除效率增加且增幅较大,滤液中Cl-/NO-3 等阴离子浓度也有所增大。当水洗时间为 5 h、水洗温度为 60 °C、液固比为 50 ∶ 1、CO2 通入流量为 100 mL/ min 时, Na/Ca的脱除效果达到较高水平,脱除效率分别可达73.8%和15.0%。 Na/Ca的脱除效率与CO2流量和CO2/O2混合气体中CO2体积分数基本呈正相关,而CO2流量对Cl-/NO-3 的浸出也具有一定的抑制和促进作用,其中滤液中 Cl- / NO-3 质量浓度随 CO2 流量变化有所波动,除物理上的鼓泡作用外,可能存在其他化学反应机理。在其他气体氛围(如N2氛围)下水洗准东煤,Na/Ca的脱除效果也有一定改善,但没有 CO2 参与水洗的脱碱效果好。因此,将 CO2 应用于水洗准东煤脱碱切实可行,并具有良好的应用前景,通过合理的工业流程改造,有望实现一定规模的工业化应用。

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2023年第02期

193

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机械力改性强化煤系高岭土电选脱碳试验研究

作者(Author)：贺靖峰, 戴永平, 郭成静, 白强, 朱凌涛, 杨斌

摘要：煤系高岭土的高效脱碳提质是后续深加工利用的前提和保障。通过红外光谱(FTIR)、X 射线光电子能谱(XPS)以及荷质比测试探究了机械力改性对煤系高岭土不同组分颗粒(高岭石和净煤)表面元素组成、官能团以及荷电性能的影响。在此基础上,采用旋转摩擦电选试验研究了机械力改性对煤系高岭土脱碳效果的影响。研究结果表明:机械力改性能够改变高岭石和净煤颗粒表面元素以及官能团,引起高岭石和净煤颗粒表面荷电性能的变化。机械力改性能够使高岭石和净煤表面 C—C 基团含量升高、C—O 基团含量降低、C

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2023年第02期

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煤炭分选过程中铅与硫的迁移与富集规律

作者(Author)：周玲妹, 郑浩, 武正鹏, 王晓兵, 初茉, 孙伟, 马跃, 杨子成

摘要：在煤炭资源的加工利用过程中,部分重金属元素会在环境中富集,对环境和人体均有一定危害。煤炭分选作为煤炭加工利用的前端处理工艺,可以去除煤中大部分矸石,但是目前对分选过程中重金属元素的迁移研究较少。选用内蒙古低灰高硫煤样和高灰低硫煤样进行浮沉、浮选试验, 通过电感耦合等离子质谱仪(ICP-MS)、X 射线衍射(XRD)、X 射线荧光分析(XRF)等测试方法研究重金属铅元素在煤中的赋存形式及分选过程中的迁移富集规律。试验结果表明:不同灰分煤样中重金属元素赋存形式差别较大,对分选中的富集与迁移规律影响显著。由逐级化学提取可知铅元素有机结合态含量较少,约为 5%,整体表现出向矿物质中富集的趋势;浮沉试验中铅元素在 2 种煤中易于向较大密度 1.6 ~ 1.8 g / cm3 富集;浮选试验中铅元素趋于向尾煤中富集,且铅元素含量变化与灰分能够保持一致性。此外,低灰高硫煤尾煤中的铅与硫的含量变化呈现较好的一致性,而在含有机硫较高的低硫煤中无此现象,表明铅受无机硫的影响较大。以上规律表明,通过分选可将煤中的大部分铅元素除去,进而提高煤的品质,降低煤中铅元素对环境及人体的危害。

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