《煤炭学报》创刊60周年“卓越科学家”特刊

2024 年，《煤炭学报》将迎来创刊 60 周年华诞，六十载沧桑砥砺,一甲子春华秋实，学报在各级领导的关怀下，在历届编委以及广大作者、读者的关爱和支持下，历经几代编、审人员的辛勤耕耘，期刊质量逐年提高，现已成为我国煤炭行业的权威学术期刊，得到了煤炭科技工作者的普遍赞誉，并且在激烈的期刊竞争中取得了较好的成绩：荣获了“首届国家期刊奖”、第五届中国出版政府奖、全国“百强报刊”等多项国家级期刊奖项，以及“百种中国杰出学术期刊”、“中国最具国际影响力学术期刊”等期刊出版行业大奖 20 余项，并于 2019 年成功入选“中国科技期刊卓越行动计划”；目前被 Ei、Scopus、CSCD 等国内外 20 多种重要数据库收录，核心总被引频次、核心影响因子、综合评价总分等期刊主要引证指标多年稳居能源科学综合类学科第 1 位。

《煤炭学报》始终以“登一流文章，办一流期刊”为指导思想，坚持办刊宗旨，突出刊物特色，力求为读者呈现最精彩的期刊。为纪念《煤炭学报》创刊 60 周年，全面汇聚、深入报道煤炭领域 60 年来取得的学术成就和最新科研成果，浓厚行业学术氛围，推动煤炭工业高质量发展，经《煤炭学报》编委会研究决定，拟于 2024 年第 1、2 期特别组织策划“《煤炭学报》创刊 60 周年——‘卓越科学家’特刊”（正刊）。

行业视野: 煤炭学报
类别; 177个
关键词; 223位
专家; 37篇
论文; 5995IP
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深部煤炭地下气化制氢先进能效分析

作者(Author)：刘淑琴, 刘欢, 郭巍, 纪雨彤

摘要：深部煤炭地下气化制氢不仅可以利用我国丰富的深部煤炭资源,将传统采煤方法难以开采或开采不经济的深部煤层转化为氢气,而且有望成为一种理想的煤基低成本制氢路线。基于位于加拿大天鹅山的世界上唯一千米级深部煤炭地下气化试验数据,结合Aspen Plus过程模拟,以先进(火用)为先进能效指标,对深部煤炭地下气化制氢能量利用情况进行分析。与商业化的Lurgi地面煤气化制氢路线作对比,以产出单位质量氢气的积累(火用)消耗为指标,比较了2种制氢路线的能量消耗水平。结果表明,在氢气生产能力为12亿Nm3/a情形下,深部煤炭地下气化制氢从原料到产品的总(火用)损失为451.79 MW。先进(火用)分析可以有效量化气化过程可以避免的(火用)损失,其中39.9%为不可避免(火用)损失。甲烷重整单元的内部可避免(火用)损Edest,kAV,EN和外部可避免(火用)损Edest,kAV,EX分别为96.63和81.58 MW,具有最大能效提升空间,如能利用转化气、烟道气的热量副产蒸汽,可将其内部可避免(火用)损失减少38.5%。地下气化单元的Edest,kAV,EN和Edest,kAV,EX分别为4.38和62.73 MW,表明降低其(火用)损失的重点应放在提高其他单元的能量效率,从而降低外部可避免(火用)损。其余单元改进空间均比较小可不予考虑。以积累(火用)消耗量为标准衡量能量消耗水平时,产出1kg氢气,深部煤炭地下气化制氢的积累(火用)消耗为376.1 MJ,仅为Lurgi地面煤气化制氢的83.6%,表明深部煤炭地下气化制氢能够显著降低能量消耗水平。敏感性分析显示,2者积累(火用)消耗的差距随着生产规模的扩大而增加。研究结果可为深部煤炭地下气化制氢的过程优化及技术可行性定量化提供科学依据。

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含瓦斯煤体受载微破坏模型及失稳判识准则

作者(Author)：聂百胜, 赵丹, 王孟霞, 柳先锋, 刘鹏, 邓博知, 朱熹阳, 秦枫, 马昕钰, 赵九红

摘要：煤体内孔隙和骨架分布对煤储层内气体运移及瓦斯动力灾害的发生具有重要的影响。为进一步探索含瓦斯煤体微观破坏机理，针对含瓦斯煤的微观破坏过程，对其微破坏形式展开详细的研究。采用原子力显微镜对加载前后突出煤样和非突出煤样表面进行了原位测试，结果表明：不同煤样受载后，煤样表面结构均会发生变化，闭孔孔径有所减小，部分孔隙遭到破坏，相邻闭孔之间有连通趋势。加载前煤样孔隙呈无规律分布，加载后孔隙连通性增强，开孔孔喉数量有所增加。煤样加载后由于孔隙的连通导致突出煤样煤骨架模量降低，而非突出煤样由于本身强度较高，施加载荷导致煤体内部结构被压实，弹性模量略有增加。定义了煤体微观破坏类型及概念，分析了煤体孔隙及煤骨架周边应力分布特征，揭示了不同情况下含瓦斯煤体微观破坏机制。同时，对闭孔微气爆的影响因素展开讨论，狭长型椭圆孔端部孔壁处所受应力更大，更容易发生闭孔微气爆。描述了开孔微损伤的两种发生形式，揭示了孔隙“瓶颈效应”的制约对微破坏发生的机理。明确了原生缺陷结构为煤骨架的薄弱环节，并对其发生破裂的演化规律进行分析。基于线弹性断裂力学、弹塑性力学以及渗流力学等理论知识，提出了应力扰动作用下孔隙破坏和煤体失稳判识准则，总结了含瓦斯煤体微观破坏特征及其诱导煤与瓦斯突出的机制，并对煤与瓦斯突出的研究方向提出展望。

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智慧矿山系统工程及关键技术研究与实践

作者(Author)：王国法, 庞义辉, 任怀伟, 战凯, 杜明, 张勇, 程健, 杜毅博, 张建中, 巩师鑫, 王丹丹, 孟令宇, 孟积渐

摘要：针对智慧矿山复杂巨系统建设过程中存在的问题，提出了智慧矿山建设的总体技术架构，并分别从智慧矿山系统模型构建、地下空间重构与模型动态更新、机器视觉测量技术、瓦斯环境射频防爆测试方法、矿山安全闭环管控体系、智慧矿山标准体系等方面进行了详细阐述。将智慧矿山分为信息感知支撑层、边缘计算层、云数据中心、多型网络、矿山智能生产管控平台、矿山智能生产系统、智慧矿山运维管理系统，构建了基于多系统深度融合的智慧矿山技术架构。基于智慧矿山知识图谱及信息抽取技术，构建了以数据创新为驱动、通信网络为基础、数据算力为核心的智慧矿山系统模型。构建了以机器视觉感知信息为主、其它感知信息为辅的矿山井下三维视觉空间模型，提出了矿山井下场景三维视觉与空间重建框架，实现了矿山井下三维空间重构与动态更新。开发了基于机器视觉技术的井下设备位姿与煤岩界面识别算法，实现了对井下综采装备群及煤岩分界面的同时空测量。探讨了井下瓦斯环境下现行防爆标准对5G基站功率的限制及存在的不足，设计开发了射频电磁能防爆专用试验装置，为提升井下5G基站功率阈值提供了方法借鉴。提出了融合灾害信息全面感知、防控方案自主决策、防控装备协同控制的矿井灾害闭环管控系统技术架构，实现井下灾害的超前预测预警与协同防控。构建了智能化煤矿标准体系框架，剖析了我国煤矿与金属矿山智能化建设典型案例，提出了智慧矿山建设发展趋势及建议。

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矿山环境正效应开发利用适宜性评价理论与方法

作者(Author)：武强, 张守成, 刘宏磊, 曾一凡

摘要：改革开放以来，矿产资源开发为国家经济发展做出巨大贡献，由于多数矿产资源具有不可再生性，相当数量的矿山面临着资源枯竭、关闭。如何开发利用这些矿山所留下的矿山环境正效应资源将成为延长矿业产业链、保障能源绿色低碳发展、实现“碳达峰、碳中和”战略目标的重要支撑。为了科学开发矿山适宜的环境正效应资源，以矿山环境正效应开发利用中的“资源、能源、科普文娱、生态碳汇”4类目标为研究对象，基于矿山供给本体特征、特定市场需求及开发利用条件的“供给(Supply)-需求(Demand)-开发(Development)”(SDD)约束组合，创建了包含6类一级约束、38个相应属性二级约束的矿山环境正效应开发利用评价约束体系；根据开发利用目标导向的原则，依据目标特征组建了18项实施项目单目标评价指标集；构建了单目标适宜性评价模型，引入三角模糊数确定指标权重，并依据适宜性指数划定了“适宜、较适宜、较困难、困难”四类适宜性分级标准。此外，鉴于矿山环境正效应开发利用系统复杂性，剖析了各开发利用目标的逻辑关系，提出了基于经济、生态、社会效益综合最优理念的矿山环境正效应开发利用多目标线性评价理论，通过理想点法或单目标线性规划求解，获取矿山环境正效应开发利用多目标效益综合最优解或最适宜集。最后，从国家战略、社会需求、流域生态、正效应市场开发等角度，展望了矿山环境正效应开发利用及其系统评价落地的重要意义。

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生物质燃料颗粒热压成型过程分析

作者(Author)：张守玉, 黄健添, 郎森, 张邢佳, 陈旭阳, 梁宁, 吕邦勇, 杨楚轲, 胡南, 吴玉新, 吕俊复

摘要：“双碳”战略下，生物质因其可再生、低污染和“零”碳排等优点而备受关注。生物质成型制备燃料颗粒能有效地解决其结构松散、能量密度低等问题，可用作化石燃料的替代品，对于新型能源体系的建设具有重要意义。笔者概述了生物质热压成型过程的影响因素，分析并探讨了热压成型过程中生物质颗粒的演变行为和结合机制。生物质成型工艺主要包括冷压成型和热压成型。与冷压成型相比，热压成型能耗较低，制得成型燃料品质较高。生物质含水率（4%～15%）对其成型燃料密度影响较大，成型温度（70～150 ℃）影响较小，成型压力（60～130 MPa）和原料粒度（< 2.5 mm）对其成型燃料密度的影响因生物质种类不同而存在较大差异。生物质热压成型过程中纤维素主要起骨架支撑作用，半纤维素、木质素则起到黏结剂作用。在热压成型的微观过程中，生物质颗粒经惯性移动后黏弹塑性变形，形成机械互锁。脆性颗粒破碎后释放出天然黏性成分，在水分、温度和压力的共同作用下形成颗粒间桥接。机械互锁和桥接缩小了生物质分子间的距离，促进了分子间作用力的产生。在对生物质热压成型机制认识的基础上，利用不同生物质掺混或水热等预处理手段对生物质组分进行调控可提高燃料颗粒的品质。利用分子动力学手段对生物质成型过程进行仿真模拟，可获得生物质组分分子间的键合机制，有利于进一步探究生物质热压成型机制，对生物质成型燃料乃至成型材料的制备有着重要的指导意义。

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“双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路

作者(Author)：王双明, 刘浪, 朱梦博, 申艳军, 师庆民, 孙强, 方治余, 阮仕山, 何伟, 杨潘, 王建友

摘要：在“双碳”目标下，“煤” “废” “碳”构成了煤炭的“不可能三角”，严重制约着煤炭的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废” “从哪里来到哪里去”的原则，着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角，探索“煤”-“废”-“碳”协同发展路径，为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体开展工作包括：① 阐明了“煤”的减损化开采科学内涵，明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题，提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术；② 阐明了“废”的功能化利用科学内涵，明确了固废功能化利用的科学问题，包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面，形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系；③ 阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵，提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径，厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO2封存机理与调控、CO2封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题，明确了碎胀空间CO2封存、煤矿CO2固碳充填等关键技术，形成了利用煤矿采空区实现CO2低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展，协同推进“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用与“碳”的低碳化处置，对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。

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水合阳离子对煤泥矿物颗粒表面水化的影响机理

作者(Author)：闵凡飞, 束庆东, 陈军, 刘春福, 凌云嘉

摘要：为探索水合阳离子对煤泥矿物颗粒表面水化的微观影响机理，以煤泥中主要矿物高岭石和石英为研究对象，依据煤泥水溶液环境构建了[Na(H2O)5]+及[Ca(H2O)8]2+两种煤泥水中常见的水合阳离子构型，并采用密度泛函理论对这2种水合阳离子在高岭石(001)面、(■)面和α-石英(001)面的单一吸附及与水分子间的竞争吸附进行了模拟计算。模拟结果表明，单一水合阳离子在3种表面的吸附能均比水分子的吸附能低出50%以上，其在矿物表面的吸附稳定性顺序为：α-石英(001)面>高岭石(001)面>高岭石(■)面；在竞争吸附作用下，竞争稳定构型的吸附能比单一水合阳离子在高岭石、石英表面上的吸附能低出34%～57%，其中2种吸附条件下[Ca(H2O)8]2+构型均比[Na(H2O)5]+构型更稳定。水合阳离子在3种表面上单一吸附时，与表面形成强氢键作用，比水分子与高岭石、石英表面间的氢键作用更强，2种水合阳离子在矿物表面的氢键强弱顺序均为：高岭石(001)面>α-石英(001)面>高岭石(■)面；在竞争吸附作用下，[Na(H2O)5]+与矿物表面间的氢键作用增强，[Ca(H2O)8]2+与矿物表面间的氢键作用减小；由于氢键作用不能完全对应吸附能的变化，经分析可知，吸附构型中存在静电作用，水合阳离子单一吸附构型中的静电作用比水分子吸附时更强，而在竞争吸附作用下，水合阳离子与矿物表面间静电作用增强，同时[Ca(H2O)8]2+比[Na(H2O)5]+与对应矿物表面间的静电作用更强。由于水合阳离子在高岭石、石英表面的强吸附作用，导致煤泥颗粒脱水更加困难，同时可能增加颗粒间的水化斥力，从而导致颗粒在煤泥水中分散更稳定。

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中国露天煤矿70年成就回顾及高质量发展架构体系

作者(Author)：才庆祥, 陈彦龙

摘要：露天煤矿作为我国煤炭工业的重要组成部分，具有生产能力大、开采成本低、安全条件好等优势，近年来在建设规模、生产总量、开采工艺及技术装备等多方面均取得了跨越式的发展，有力保障了煤炭作为国家能源安全稳定供应的“压舱石”地位。首先回顾了新中国成立后我国露天煤矿70年来的发展历程，将其划分为起步恢复阶段（1949—1979年）、快速发展阶段（1980—1999年）、综合发展阶段（2000—2020年）和智能化初级发展阶段（2021年以后）4个时期；系统总结了每个时期的产量与数量规模、开采理论与技术、开采工艺与装备、资源开发与环境保护方面取得的突出成就。然后，探讨了现阶段露天煤矿发展面临的4个方面的主要问题，包括发展布局不均衡、可持续发展面临瓶颈、关键技术难题需深入攻关、人才短缺培养机制不完善。最后，提出构建以“安全、高效、绿色、低碳、智能”为总体目标的全链条、全周期、全要素露天煤矿高质量发展架构体系，其内涵特征包括以时效边坡理论、开采扰动指数理论、绿色开采理论、生态型开采理论、零碳负碳开采理论、智能化开采理论6种学术思想为理论基础，以灾害安全监测防控、复杂条件协同保障、生态源头减损开采、节能减污清洁利用、数字-自动-智能同建5类技术体系为核心支撑，以透明地质模型动态重构、边坡蠕滑全程精准预测、深大孔低扰动控制爆破、采空区超前探测与处置、粉尘抑制及煤自燃防治等30项关键技术为重点突破，以设计理念先进化、安全保障标准化、建设规模大型化、生产工艺综合化、开采装备智能化、核心制造国产化、矿区生态绿色化、煤炭利用清洁化、组织管理科学化、人才队伍国际化的“十化型”露天矿山为建设任务；同时给出了以规划引领为基础，以科技创新为驱动，以人才培育为保障的露天煤矿高质量发展实现路径。最终为推动我国露天煤矿向持续健康高质量方向发展提供指导。

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