西安科技大学李树刚教授团队成果专辑_中国煤炭行业知识服务平台

西安科技大学李树刚教授团队成果专辑

李树刚，博士，二级教授，博导。西安科技大学原副校长，国务院学位委员会第六届矿业工程、第七届安全科学与工程学科评议组成员。李树刚教授长期深入煤矿生产一线，从事煤矿瓦斯灾害防治及二氧化碳安全封存理论及技术的教学与科研工作。本专辑为李树刚教授团队自2007年以来发表于《煤炭科学技术》的研究成果。（数据统计时间：2023-12-18）

行业视野: 安全
类别; 119个
关键词; 82位
专家; 31篇
论文; 13700IP
点击量; 19252次
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双碳战略中煤气共采技术发展路径的思考

作者(Author)：李树刚, 张静非, 林海飞, 丁洋, 白杨, 周雨璇, 朱冰, 戴政

摘要：自提出“双碳”目标以来，我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期。煤炭作为兜底能源的地位短期内不会改变，能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的核心即为CH4-CO2协同减排。作者在精准分析碳达峰、碳中和阶段煤矿CH4-CO2双重碳减排面临挑战的基础上，明确了双碳战略中煤气共采技术发展需结合现状需求-技术攻关-政策驱动的核心原则，制定了双碳战略中煤气共采技术的发展路径，论述了其中的关键技术问题。碳达峰阶段，CH4减排以排放源管控为基础视角，核心为瓦斯抽采-利用全周期碳减排关键技术，包含瓦斯富集区靶向精准抽采技术、低渗煤层增透及注气驱替增流抽采技术、关闭矿井瓦斯逃逸通道封堵减碳技术、瓦斯富集-提浓-利用一体化技术，目的是大幅提升高浓度瓦斯抽采-利用效率，减少低浓度及通风瓦斯碳排放；CO2减排以“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术为核心，包含煤层CO2封存、工业固废采空区充填协同CO2地质封存、煤矿碳封存区域土壤-地表-大气异常监测及生态碳汇技术，进一步吸纳烟道气或纯CO2排放。碳中和阶段核心任务是实现CH4-CO2(近)零碳排放，CO2减排应当由技术攻关示范工程转变为规模化应用阶段，并建立全生命周期煤矿CH4-CO2排放智能监测及动态管控技术体系，实现监测管控技术手段与碳排放环节深度匹配、碳排放监测管控云平台与煤矿全局监控系统深度对接。最后对未来煤气共采体系绿色低碳发展提出了自身见解与思考：①继续深化“高效精准抽采+全浓度梯级利用”煤矿CH4零排放技术模式；②持续攻关“CO2工程封存+生态碳汇”CO2零排放技术体系；③积极探索煤矿“零碳智慧园区”综合解决方案，形成激励和倒逼并重的煤矿碳减排政策支持体系。

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煤炭科学技术

218

85
老采空区CO2封存井位部署方案数值模拟研究

作者(Author)：丁洋, 汤远卓, 李树刚, 赵泓超, 朱冰, 张一正, 张艳

摘要：老采空区作为潜在的CO2封存地质体，具有巨大的封存潜力。为明确不同井位部署方案下CO2注入后在老采空区的分布特征及封存量，本研究基于黄陵矿区试验煤矿的实际地质条件，在考虑老采空区内渗透率非均质性和煤岩吸附能力差异的基础上，运用COMSOL软件进行老采空区CO2注入的数值模拟。研究表明：CO2在老采空区的分布表现出越靠近底板、分布范围更广、浓度更高的趋势；当注入井井深达65m时，在老采空区上部低渗透区域的CO2分布显著增加，而走向上分布范围显著减小，而且总封存量和游离态CO2封存量分别达到最大值，分别为7.594×106 kg和3.569×106 kg；而注入井井深95m时，吸附态CO2封存量最大，总封存量中占比最高，分别为4.37×106 kg和63.52％。增加监测井数量后，CO2在老采空区走向上的分布范围显著扩大；此外，增加监测井数量并采用对称部署扩大了老采空区参与吸附封存的煤岩体范围，从而提高了CO2在老采空区的封存量以及吸附态封存量的占比，该部署方式下CO2封存量是单监测井部署的1.82倍以上，吸附态CO2封存量占比从53.22％提高至72.693％以上。根据对分布特征和封存量的分析，得出了有利于提高老采空区CO2封存量的纵向注入点位及监测井部署方式，可为CO2在老采空区封存井位部署方案提供重要参考。

煤炭科学技术

135
倾斜厚煤层综放工作面伪斜长度与上隅角瓦斯浓度耦合机制研究

作者(Author)：赵鹏翔, 安星虣, 李树刚, 康新朋, 黄义通, 杨俊生, 金士魁

摘要：倾角煤层的开采，常伴随输送机上窜、下滑问题。一般通过增加伪斜长度来确保液压支架的正常移动，并为机头机位提供更多作业空间，但伪斜长度增加会影响架间和上隅角瓦斯变化，导致工作面出现瓦斯浓度异常现象。针对倾斜厚煤层开采中容易出现上隅角瓦斯超限的问题，应用Fluent数值模拟软件，分析不同伪斜长度下采空区瓦斯浓度分布规律，确定最优伪斜长度。为研究采空区瓦斯运移规律，应用Fluent数值模拟软件，在伪斜长度分别为20、25、30、35 m条件下对“ U” 型通风方式下的采空区瓦斯分布及流场情况进行研究。模拟发现：伪斜长度在一定程度上影响采空区内的风流，使得采空区内风流紊乱，瓦斯局部地区集聚严重，进而对采空区内的瓦斯分布及运移造成一定的影响。研究结果表明：工作面伪斜长度对于采空区瓦斯浓度分布有显影响，随着伪斜长度的增加，采空区内风流发生提前转向，导致采空区瓦斯提前向工作面涌出，瓦斯异常区从上隅角处逐渐向工作面偏移，上隅角瓦斯浓度逐渐降低。通过模拟结果对现场伪斜长度优化应用后，试验工作面在伪斜长度25 m左右时，上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内，工作面未出现瓦斯异常积聚现象。模拟结果与现场观测结果吻合，得到最优伪斜长度为25 m。

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煤炭科学技术

2023年第S1期

220

41
倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术

作者(Author)：李树刚, 刘李东, 赵鹏翔, 林海飞, 卓日升

摘要：为了研究倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区演化规律的煤层倾角效应，运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同煤层倾角条件下采动覆岩卸压瓦斯靶向区裂隙演化规律的研究，得到了靶向区破断裂隙宽度、离层裂隙面积占比以及裂隙分形维数随煤层倾角变化的演化规律，进而建立了靶向区演化煤层倾角效应模型。结果表明：破断裂隙宽度呈现采空区两侧边界区域大于中部，低层位大于高层位的分布特征，同时破断裂隙宽度受铰接梁影响较强，随着煤层倾角的增大(0°

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煤炭科学技术

2023年第08期

226

149
超声波功率对煤体力学损伤特性及能量演化的实验研究

作者(Author)：李树刚, 王瑞哲, 林海飞, 杨二豪, 赵泓超, 秦雷, 郝荷杰

摘要：为研究超声波致裂后对煤体力学损伤特性及能量演化规律，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩实验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。实验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期，波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延-塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗流网络，提高了煤层渗透率。

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煤炭科学技术

153

78
倾斜厚煤层仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区分域方法及分形特征研究

作者(Author)：赵鹏翔, 王玉龙, 李树刚, 林海飞, 金士魁, 卓日升, 双海清

摘要：为研究倾斜厚煤层仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区的分域方法及分形特征，以分形理论和灰色理论为基础，运用平面物理相似模拟实验研究的手段，开展了仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区裂隙演化规律研究，得到了覆岩瓦斯缓渗区的动态扩展规律，进而对覆岩瓦斯缓渗区精细分域方法进行构建，并采用灰色关联分析方法对覆岩瓦斯缓渗区沿横向(工作面推进方向)和纵向(垂直于煤层底板向上方向)分形维数与离层量、破断裂隙密度及应力集中系数之间的最大关联度分别进行确定。研究结果表明：覆岩瓦斯缓渗区在第一次周期来压后初步形成，其后每次周期来压时，覆岩瓦斯缓渗区两侧的垮落角均不断减小而宽度和高度均不断增大。具体表现为从缓渗区初次形成至缓渗区充分发育期间，缓渗区开切眼侧和工作面侧的垮落角分别从68.3°和76.2°减小到44.7°和53.5°；而缓渗区的宽度和高度分别从16.3m和19.2m增大到52.1m和38.4m。根据建立的覆岩瓦斯缓渗区分域准则及流程，结合灰色关联分析方法，得到覆岩瓦斯缓渗区沿横向和纵向分形维数变化均与离层量变化相关性最强(γ1=0.93，γ1*=0.91)，并通过实验验证了理论计算的准确性。因此，在后期确定卸压瓦斯抽采钻孔(巷道)终孔(巷)时，可通过现场观测离层量对覆岩瓦斯缓渗区边界进行判断，研究结果对采空区卸压瓦斯精准高效抽采具有一定的指导意义。

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煤炭科学技术

138

96
基于Pearson特征选择的LSTM工作面瓦斯浓度预测模型及应用

作者(Author)：刘超, 张爱琳, 李树刚, 薛俊华, 雷晨, 张超

摘要：在面向大量特征和大数据时，传统方法存在无法将瓦斯浓度和其影响因素有效耦合起来的问题，导致预测精度低和效率差等。针对传统瓦斯浓度预测方法存在的问题，创新性地提出运用皮尔逊（Pearson）系数对瓦斯浓度数据进行特征选择，再使用自适应矩估计（Adam）优化的长短期记忆神经网络（LSTM）进行时序性预测的方法，并在模型构建的过程中通过比较拟合效果、运行时间和结果误差三个指标不断的调整网络层数和批尺寸（Batch Size）大小得到最优的预测模型。以玉华煤矿2407工作面监测数据为样本，与传统机器学习双向循环神经网络（Bi-RNN）和门控递归单元（GRU）进行对比。结果表明：Pearson-LSTM预测模型更精确，模型的平均均方误差可降到0.015，误差范围为0.005～0.04，对瓦斯浓度时间序列预测具有较好的精确性和鲁棒性。并在玉华煤矿2409工作面进行超前15min预测，均方误差可降到0.008，验证了模型的适用性和可靠性，为煤矿安全生产提供参考意见。

煤炭科学技术

148
基于微胶囊技术的瓦斯抽采钻孔密封材料研究

作者(Author)：张超, 范富槐, 李树刚, 翟成, 江丙友, 杨朴超, 曾祥真

摘要：煤矿瓦斯抽采钻孔密封材料的性能在改善钻孔密封质量、提高瓦斯抽采效率等方面起着至关重要的作用。为了改变传统水泥基钻孔密封材料在水化初期发生无效膨胀的问题,采用理论研究、物理试验与测试相结合的方式,提出了利用微胶囊技术延缓密封材料膨胀时间的方法。实验确定了以乙基纤维素 (EC) 作为囊壁材料、蒙脱石 (MMT) 为囊芯材料,以相分离法制备延迟膨胀微胶囊,并通过单因素实验与响应曲面分析法 (RSM) 得出各关键参数之间的交互作用,结果表明各关键参数对包封率的影响程度大小排序为:搅拌速率>芯壁比>聚乙烯 (PE) 用量。此外,根据 Design-Expert 软件得出微胶囊制备的最优参数为:芯壁比为 0.8,PE 用量为 1.5%、搅拌速率为 400 r/min。最后,通过自主设计的模拟钻孔密封性能实验表明:延迟膨胀密封材料相较于普通膨胀材料具有更好的密封性能,其有效密封时间可提高 60% 左右。

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煤炭科学技术

2023年第04期

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220

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