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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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煤沥青 / 聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布的制备及电化学性能

作者(Author)：李鹏, 张致远, 周群宗, 梁政勇

摘要：煤沥青碳含量高、缩合芳环含量高、杂质含量低,是制备碳材料的优质碳源。以煤沥青为碳源,聚丙烯腈高分子聚合物为骨架,采用静电纺丝法制备煤沥青 / 聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布,是实现煤沥青高值化和清洁化利用的重要途经之一。以等体积丙酮/二硫化碳混合溶剂萃取煤沥青,获得精制煤沥青萃取物,继而与聚丙烯腈混合制备纺丝溶液,在静电纺丝设备上制备前驱体纤维无纺布。前驱体纤维无纺布经预氧化、炭化和活化处理制备煤沥青/聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布。采用高分辨率扫描电子显微镜( SEM) 表征了不同质量比的前驱体纤维无纺布、碳纤维无纺布的形貌。前驱体纤维无纺布由连续的长丝所构成,呈现出网状结构,表面平滑,说明煤沥青萃取物和聚丙烯腈表现出良好的融合性和可纺性。采用 BET 测试分析了不同质量比的活性碳纤维无纺布的比表面积和孔分布特征,其中 AC-E65 表现出最大的孔容量和比表面积(2 541.8 m2 / g)。通过循环伏安测试、恒电流充放电测试和电化学阻抗谱测试研究了煤沥青 / 聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布的电化学性能。煤沥青/聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布的双电层电容特性明显,倍率性能和可逆性能优异,循环性能良好,尤其是煤沥青萃取物质量比为 70%时,煤沥青 / 聚丙烯腈基活性碳纤维无纺布表现出优良的电化学性能:电流密度为 1 A / g 时,比电容可达到 186.3 F / g,循环充放电 2 000 次比电容保留率为 95.2%。因此,以聚丙烯腈为纤维骨架,煤沥青为填充基质,结合静电纺丝法能有效实现煤沥青 / 聚丙烯腈复合碳纤维无纺布的制备,并表现出良好的电化学性能。

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煤炭学报

2023年第02期

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氨煤混燃过程中NH/煤焦/O2异相体系N氧化的分子机理

作者(Author)：陈萍, 王莹, 汪辉春, 蒋博宇, 顾明言, 樊建人

摘要：为了实现双碳目标,降低煤电碳排放势在必行。无碳燃料氨与煤混烧被认为是降低火电碳排放的有效途径之一。而氨作为 N 源,增加了氨煤混燃 NOx 排放量升高的可能性,因此,深入研究氨煤混燃 NO 生成机理对实现氨煤混燃低碳低氮燃烧十分关键。采用量子化学方法探究了当 NH3以 NH 形式存在时氨煤混燃 N 的氧化机理,并采用波函数分析 NH 和 O2 在煤表面的吸附行为。计算结果表明,NH 在 C5 表面吸附形成中间体 IM1 的过程为放热过程,放热量高达 754.79 kJ / mol,且C 原子为电子供体而失电子,NH 为电子受体而得电子,促进 C—N 键键合。进一步探究 O2 以不同方式吸附时 NH / 煤焦 / O2 体系的反应机理,得出 NH / 煤焦 / O2 共燃体系首先发生 NH 在煤焦表面的氧化,随后煤焦表面残余氧或体系中O2将煤焦-N进一步氧化。 NH/煤/O2异相体系中NH通过不同反应路径生成氧化产物 NO、NO2 和 HNO,对应决速步能垒分别为 120.67、323.37 和 193.50 kJ / mol,说明氨-N / 煤-N 生成 NO 的过程更易进行。动力学结果表明,各温度下生成 NO 的决速步速率明显高于 NO2 ,且随着温度升高,生成 NO 的决速步速率与 HNO 的逐渐接近。 NH 氧化产物释放后,残留在煤焦表面氧进一步与 C 结合成 CO 释放,实现了共燃体系氨燃料中 N 和煤粉中 C 的氧化。随后煤焦-N 与体系中 O2 发生异相氧化,实现煤焦-N 向 NO 的转化。在微观层面揭示了氨燃烧生成 NO 过程中重要过渡产物 HNO 形成的分子机理,明晰了另一氧化产物 NO2 的生成路径,为发展氨煤的混合燃烧机理提供理论支撑和数据参考。

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2023年第02期

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矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

作者(Author)：刘送永, 李洪盛, 江红祥, 张强, 崔玉明, 刘晓辉

摘要：针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤巷掘进中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷掘进效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘进工艺,提高掘进装备系统可靠性、智能化及综掘工艺水平以实现半煤岩巷快速掘进;针对硬岩巷从理论、实验和数值模拟方面进行了滚刀 / 圆盘刀破岩机理、破岩性能、刀盘设计准则等方面的综述,进行了水射流辅助截齿 / 钻孔 / 滚刀 / 圆盘刀破岩及涨裂辅助破岩技术的总结,提出了液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩有效的方法,充分利用岩石抗压不抗拉特点实现硬岩的高效经济破碎,结合智能化算法实现钻孔与涨裂的协同作业,实现硬岩巷道的高效掘进。最后,分析了现有破岩技术的优势、劣势及其局限性,并指出了我国矿山硬岩截割技术的未来发展趋势,煤矿机械、非煤矿业机械、盾构机械破岩技术相互融合,机械与非机械多场耦合破岩技术及矿山装备智能化是实现矿山复杂地质条件下煤岩高效破碎的发展方向。

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煤炭学报

2023年第02期

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基于特征优选和随机森林的掘进机多工况截割岩石硬度识别

作者(Author)：常聚才, 戚鹏飞, 陈潇

摘要：为了实现岩巷掘进机不同工况截割岩壁岩石硬度的识别,通过掘进机多截割工况岩石硬度识别实验平台,获得不同工况截割不同硬度岩石的截割电机电流及扭矩信号,提出一种基于特征优选和随机森林(RF)的掘进机截割岩壁岩石硬度识别方法。该方法首先利用自适应噪声的完全集合经验模态分解(CEEMDAN)对实验获得的电流及扭矩信号进行分解,获得本征模态分量(IMF)并计算 IMF 的样本熵(SE),将 SE 最高的 IMF 进行变分模态(VMD)二次分解。计算二次分解 IMF的模糊熵后对电流及扭矩信号重构,再计算重构信号的时频特征,与二次分解 IMF 的模糊熵组成电流及扭矩信号的时-频-熵特征。为了避免特征过多影响模型识别,提出 Relief-F 结合 Pearson相关系数的特征选择方法,最后通过乌燕鸥算法( STOA) 优化随机森林( RF) 的最大特征数和决策树个数,完成了不同截割工况下岩石硬度识别模型的建立。结果表明:1 对电流及扭矩信号先CEEMDAN 分解再 VMD 分解可以降低原始信号的随机性和波动性,相较于 CEEMDAN 及 VMD 的一次分解,岩石硬度识别准确度分别提升 15.2%和 23.9%;2 不同截割工况下岩石硬度识别,电流信号的时域特征占岩石硬度识别准确度权重最大;3 提出的 Relief-F 结合 Pearson 相关系数的特征优选方法对 3 种工况下截割 4 种硬度岩石的电流及扭矩信号特征聚类明显;4 STOA 对 RF 关键系数的选取有优化效果,且算法迭代次数少,相较于传统的粒子群优化算法,以不同工况截割不同硬度岩石识别准确度提高 7.2%。

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2023年第02期

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煤矿井下无人化辅助运输系统关键基础研究及应用实践

作者(Author)：鲍久圣, 章全利, 葛世荣, 胡而已, 袁晓明, 杨阳, 阴妍, 吕玉寒

摘要：辅助运输系统是煤矿生产系统的重要组成部分,辅助运输设备的先进与否直接关系到煤矿的生产效率与作业安全。近年来我国开始大力推进煤矿智能化建设,但传统辅助运输系统仍普遍存在工艺不连续、转载环节多、用工占比高、自动化程度低等现实问题,已经成为制约煤矿智能化建设和无人化发展的薄弱环节。面向煤矿辅助运输系统“无人化”发展目标,凝练提出了辅助运输系统亟需研究解决的“连续化、标准化、智能化”三大关键基础问题,分别针对轨道式、无轨式辅助运输系统给出了多种连续化、标准化和智能化解决方案,进而提出了一种新型复合式连续化无人型辅助运输系统。首先,针对往复式串车提升不连续问题,设计了一种采用悬挂式钢丝绳牵引的轨道矿车连续运输系统;针对无极绳绞车难以适应长距离运输问题,设计了一种采用耐磨胶带多点辅助驱动的长距离无极绳牵引系统;针对无轨胶轮车因爬坡能力不足而导致的应用受限问题,设计了一种采用钢丝绳辅助牵引的无轨胶轮车连续运输系统。其次,开展辅助运输系统标准化设计,基于无轨、有轨两类标准化载物平台,针对设备、长料、散料、液体等不同物料类型,设计了不同大小规格和开口形式的系列化标准容器;通过将标准化、系列化的装载容器与载物平台进行模块化组合,可实现辅助运输物料的“集装箱式”快速装运,为开展机器人化辅助运输奠定了基础。再次,面向煤矿辅助运输系统智能化建设需求,研制了无人驾驶的无轨胶轮车和单轨吊并通过现场试验进行了验证,给出了无极绳运输系统的无人化运行方案,可有效解决传统辅助运输系统用工岗位多、人为失误多等问题;进一步,针对井下转运环节和最后 100 m 运输亟待解决的智能化难题,设计了一种“装铲运”一体化重载搬运机器人。最后,针对传统辅助运输设备种类繁多和应用局限性问题,发明了一种“轮轨复合”且“天地衔接”的新型多功能井下运输机器人(MAGV);基于 MAGV 提出了煤矿井下“两地三轨”自适应连续化辅助运输系统,并分别给出了其在斜井和立井中的应用工艺。研究结果可为解决煤矿井下辅助运输系统长期存在的运输不连续、用工岗位多、智能化程度低等现实问题提供指导,从而为推动煤矿井下实现“ 连续、标准、智能” 的“ 无人化” 辅助运输提供了一系列务实可行的技术原理和设计方案。

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2023年第02期

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“人本智造与 XR+”驱动的综采工作面人机协同智能化运行模式探索与实践

作者(Author)：谢嘉成, 房舒凯, 王学文, 刘曙光, 李娟莉, 王雪松, 孟浩

摘要：煤矿开采当前仍然处于部分无人化的发展阶段,人仍然在综采系统中扮演着重要的角色。智能化综采工作面应该在当前智能化装备和技术的基础上,依靠人( 包括巡检工、集控工和维护工)与设备环境的深度人机协作,最终达到安全高效运行的目标。因此,基于在“XR+”领域长期的实践,从“人本智造”的角度出发,对综采工作面人机协同智能化运行模式进行探索。首先对比分析井下 3 类工种与地面工种的工作环境,得出 3 个工种在未来如何提升到智能操作工的升级路径;提出了基于多功能平行系统的综采工作面多工种协同运行模式框架,搭建“ 人-机-环” 深度融合的综采工作面全局虚拟场景,并以此为基础进行智能推演,对 3 工种之间以及和多功能虚拟平行系统的协同交互方式进行设计。接着对其中的一些关键技术,如参数化虚拟矿工模型、真实矿工与虚拟矿工的实时联动、巡检手势集设计和井下协同维护系统等进行研究;最后对多功能平行系统的多工种培训、巡检工虚拟操作、集控工人机优化、维护工协同运行和多工种协同进行了相关的测试,实现了 3 工种之间以及与多功能平行系统的实时交互;最终形成“全局细节兼掌控+机器智能推结果+多工种协同决策” 的协同操作模式,共同完成高质量远程监视、干预、巡检和维护操作,提升工作面运行效率和可靠性。

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煤炭学报

2023年第02期

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