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2021年  第6卷  第6期

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关闭煤炭矿区资源利用与可持续发展的几点思考
王家臣 , JürgenKretschmann , 李杨
2021, 6(6): 633-641. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.001
摘要(673) HTML (229) PDF(111)
摘要:
随着中国能源结构的调整，煤炭开采从原来的分散式开采向精细化、集中化和精准化发展，矿井数量大幅度减少，大量资源枯竭及落后产能矿井面临关闭或废弃。这一转变将使中国现阶段及未来很长一段时间都将面临与德国相似的"后采矿"时代。从中国能源结构发展的大趋势以及煤炭资源开发的宏观战略来看，已经关闭和即将关闭的大量矿井或者矿区重新恢复开采的可能性不大。矿井的关闭或废弃不仅会带来水、大气等环境污染问题，还会带来企业职工难以安置、固定资产难以处理等社会经济问题。因此，本文针对矿区关闭或废弃后出现的问题，借鉴德国应对后采矿的处理方案、后采矿工业区资源可持续发展战略，对比中国对关闭矿区的处理案例，提出了应把矿区关闭后资源的利用纳入整个矿山开发的顶层设计中的理念，以及煤炭地下空间、矿井水等资源综合利用的思路。国内外虽提出了形式多样的废弃矿井利用方案，但总体利用率不高，仍需继续深入探究关闭矿区资源利用基础理论和手段方法，以及应对关闭矿区后发展需要的教育与技术人才培养措施。
乌达煤田尘土汞溯源分析
李珊 , 李春辉 , 梁汉东 , 曹庆一 , 高秀龙
2021, 6(6): 642-650. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.002
摘要(427) HTML (203) PDF(25)
摘要:
本文采用多接收电感耦合等离子体质谱仪(MC-ICPMS)分析了乌达煤田9号火区的不同煤层煤、落尘和地表土汞同位素比值，以探讨煤火区地表汞的可能来源煤层。结果表明，煤、落尘和地表土δ202Hg均值分别为-1.98 ‰、-1.30 ‰、-1.26 ‰，皆具明显偏负特征；地表汞Δ199Hg、Δ201Hg值也显示了偏负异常，如落尘分别为-0.13 ‰、-0.11 ‰，地表土分别为-0.11 ‰、-0.10 ‰。对比分析汞同位素组成特征，尘土δ200Hg、δ202Hg、Δ200Hg值均介于9号煤层与10号煤层之间，趋于9号煤且偏负，表明9号火区尘土汞主要来源于9号煤层，而非10号煤层。尘土δ202Hg值较9号煤显示明显偏负现象是煤燃烧和加热过程中动力分馏效应及地质层析效应的综合结果。汞同位素可有效判别煤火区地表汞来源煤层，添加汞同位素分析可有利于提高地下煤火监测效果。
冲击地压机理要素分析与评价
马念杰 , 张文龙 , 李军 , 连小勇 , 任建举
2021, 6(6): 651-658. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.003
摘要(708) HTML (208) PDF(58)
摘要:
本文提出了冲击地压的能量特征和机理要素，初步建立了巷道冲击地压机理评价指标与体系(简称"3+4"指标体系)，体系的主准则层为冲击地压的能量释放特征指标和机理要素指标，次准则层为能量释放突然性、瞬间性、集中性以及形成要素、关键要素、假设条件、普遍规律性。采用层次分析法计算了各准则层的权重，提出了综合评价结果的计算方法和分级标准。按照建立的冲击地压机理评价指标体系对蝶型冲击地压机理进行评价，评价结果为"优秀"。研究结果可用于评价现有冲击地压机理，同时为冲击地压机理的后续研究指明了方向。
我国煤制氢与CCUS技术集成应用的现状、机遇与挑战
许毛 , 张贤 , 樊静丽 , 高林 , 徐冬
2021, 6(6): 659-666. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.004
摘要(826) HTML (332) PDF(117)
摘要:
在应对全球气候变化的背景下，氢能以其清洁、高效、无碳的特点而受到广泛关注。基于我国的资源禀赋、氢能需求及排放约束，煤制氢及碳捕集、利用与封存(CCUS)技术的集成应用对我国能源低碳转型具有重要意义。本文系统分析了我国煤制氢与CCUS技术集成应用的现状、机遇与面临的挑战，并为未来我国发展低碳煤制氢产业提供相关建议。结果表明：①相较其他制氢技术，现阶段煤制氢与CCUS技术的集成应用具备显著的成本优势；②CCUS技术可降低煤制氢过程约90 % 的二氧化碳排放，但相比可再生能源制氢其碳足迹仍是短板；③新疆、山西、陕西及内蒙古等地区可作为推广煤制氢与CCUS技术集成应用的优先区域；④煤制氢与CCUS技术集成应用面临的挑战主要包括缺乏公众认可度以及与可再生能源之间的竞争。未来我国应加强针对煤制氢与CCUS技术集成应用产业的顶层设计及相关技术的科普宣传，积极推进煤制氢与CCUS技术集成应用方面的研发和示范，为我国氢能产业的发展提供保障。
基于模糊多准则决策模型的废弃矿井抽水蓄能电站选址研究
王兵 , 刘朋帅 , 邓凯磊
2021, 6(6): 667-677. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.005
摘要(503) HTML (288) PDF(33)
摘要:
抽水蓄能电站建设投资大，对环境、社会、经济和安全要求严格，电站选址面临诸多因素制约。废弃矿井拥有天然高差和空间资源，将废弃矿井改造成抽水蓄能电站，可节约成本、缩短建设工期。本文基于阈值理论提出废弃矿井抽水蓄能电站选址初步筛选模型，运用专家意见与三角模糊TOPSIS决策耦合模型对通过初步筛选的矿井进行综合评价与优化排序，结合可持续发展和资源再利用要求，提出了最佳抽水蓄能电站选址的多阶段决策过程和方法体系。结果表明：选址决策的关键性指标分别为矿井水量、水位差、与电网的距离、地下空间、地震发生频率、地下围岩支护稳定性和当地用电量，矿井本身的自然条件在抽水蓄能电站改造中起决定性作用。备选矿井中石圪节煤矿最适合开展矿后抽水蓄能电站建设。
石门揭煤瓦斯抽采钻孔参数自动优化设计及应用
解北京 , 钟诗晴 , 曹筱
2021, 6(6): 678-687. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.006
摘要(429) HTML (186) PDF(28)
摘要:
高瓦斯或突出矿井石门揭煤前，需要设计抽采钻孔并将钻孔位置立体展现在巷道与煤层交互面上。为解决普通AutoCAD等绘图软件无法满足大量计算的问题，本文结合煤矿瓦斯抽采的相关规定，基于Matlab软件编程，采用匈牙利算法和模拟退火算法，开发了石门揭煤瓦斯抽采钻孔参数的自动优化设计软件。应用结果表明：①自动优化设计软件可以解决基于任意煤层、巷道空间位置、抽采输入条件下的钻孔参数自动优化设计和方案对比问题，极大提高了计算效率和准确率；②图像绘制功能可以实现钻孔轨迹立体化呈现；③在确定抽采钻孔参数基础上同步设计验证钻孔布孔参数，实现抽采设计、验证的闭环控制；④实现任意补孔参数设计功能，大大提高了自动优化设计软件的实用性，解决了井下补孔参数设计问题。应用石门揭煤瓦斯抽采钻孔参数自动优化设计可以获得最优化抽采钻孔参数，极大提高了煤矿现场技术人员工作效率，为煤矿智能开采提供了重要支撑。
分层开采时断层滑动位移演化特征研究
王宏伟 , 王刚 , 石瑞明 , 章啸海
2021, 6(6): 688-695. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.007
摘要(286) HTML (180) PDF(27)
摘要:
本文结合义马煤田地质构造，以千秋矿21221工作面为工程背景，进行了采动影响下断层滑移失稳相似模拟实验研究，探究了煤层分层开采扰动对断层滑移失稳的影响特征规律。结果表明，煤层上分层开采时顶板已发生较大程度的松动及离层现象，下分层开采时，顶板岩层进一步发生垮落现象，下分层开采扰动引发上覆岩体垮落范围更大，使断层周围位移变化更强烈、上下盘错动更明显、煤岩体中积聚的应变能峰值更高；同时，断层滑移滞后于煤岩体中应变能的剧烈释放，应变能峰值"突降"现象可作为判断断层滑移失稳的前兆；煤层下分层开采较上分层开采时能量剧烈释放的时间更早，更易诱发冲击地压灾害的产生。
坚硬顶板切缝药包深孔预裂松动爆破技术研究
尹忠昌 , 宋俊生 , 胡少银 , 高全臣
2021, 6(6): 696-702. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.008
摘要(291) HTML (165) PDF(30)
摘要:
以安徽淮南张集矿为背景，采用数值模拟和现场试验相结合的方法进行坚硬顶板松动爆破关键控制技术的研究。数值模拟了切缝药包深孔松动爆破效果，进行了普通药包爆破与切缝药包控制爆破现场对比试验。结果表明：所提出的基于切缝药包定向断裂的巨厚坚硬顶板超深孔松动预裂技术，可以扩大爆破裂纹定向扩展范围，解决超深孔松动预裂炮孔爆破底部眼间距过大的难题，从而实现对爆破破裂面及坚硬顶板的垮落位置的精准控制，以及人为调控周期来压步距，使坚硬顶板能够及时、安全垮落，实现工作面的连续安全开采。
露天深孔爆破自由面前水袋爆炸降尘关键参数研究
郭尧 , 刘殿书
2021, 6(6): 703-710. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.009
摘要(459) HTML (190) PDF(37)
摘要:
本文采用ANSYS Fluent数值软件与现场实验相结合的方法研究了水袋降尘原理，重点分析了水袋起爆时差与间隔距离对降尘效果的影响。结果表明：第一排水袋起爆与深孔爆破时差在1~1.5 s时，爆破水雾浓度较大且扩散范围最广，能够与爆破产生的粉尘云充分接触；第一排与第二排水袋起爆时差在0.5~1.0 s时，水袋沿途降尘效果较优；两水袋间隔距离在10~15 m时，爆破雾化的覆盖面积大，爆破后粉尘的捕捉能力更好。采用水雾捕尘措施后，50 m处落尘量与未采取措施相比增加了27 %，100 m处落尘量增加12 %，150 m处落尘量减少16 %，爆后50 s粉尘浓度降低36 %。水雾与尘粒作用，加速了尘粒的沉降，近区落尘量增加，远处落尘量减小。
顶煤放落过程煤矸声信号特征提取与分类方法
袁源 , 汪嘉文 , 朱德昇 , 王家臣 , 王统海 , 杨克虎
2021, 6(6): 711-720. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.010
摘要(491) HTML (276) PDF(44)
摘要:
针对综放工作面煤矸智能识别问题，设计了能感应尾梁动作并自动触发数据采集的放煤声信号采集装置，在山东能源古城煤矿3106综放工作面采集现场数据并进行人工标注，构建了放顶煤声信号分类样本库。研究了6种常用机器学习分类方法在时域、频域和时频域中的特征，以及在不同帧长、不同特征向量维度下的分类效果。结果表明：在不同帧长下，基于时频域特征的分类效果最稳定、准确率最高，随机森林、K近邻、决策树、多层感知器模型分类准确率均达到80 % 以上，其中基于小波包分解与随机森林算法的分类器性能最好，分类准确率为93.06 %。维度较高的时频域特征向量之间存在相关性，降维可以提取少量的综合特征并降低系统的运算量，利用主成分分析法将时频域特征向量降维至20后，分类准确率进一步提高至94.51 %。
地基真实孔径雷达精度验证方法与实验研究
张浩 , 杨晓琳 , 杨峰 , 张巴图 , 于正兴 , 马海涛
2021, 6(6): 721-729. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.011
摘要(212) HTML (224) PDF(24)
摘要:
常规形变监测手段受限于数据精度、监测范围、适用环境等因素，严重制约滑坡、坍塌灾害的预警预报工作。基于差分干涉技术的微波遥感方法是进行非接触表面微小位移高精度监测的先进技术在应急救援、防灾减灾、矿山安全生产、边坡稳定性评估等方面均有有效应用。本文应用自研的地基真实孔径雷达系统，在分析信号模型的基础上，归纳了强散射特性目标回波数据处理流程，提出了适用于验证该类型雷达系统形变监测精度的方法。据此开展了基于三角板角反射器的点目标静止与位移实验，通过雷达回波幅值分析与点云数据拟合，判别预设目标空间位置并确定目标位移标准值，证明了所提方法的有效性和系统0.1 mm监测精度。在内蒙古黑岱沟露天煤矿进行边坡监测实验，结合若干点目标形变数据说明了系统良好的实用性。
一种基于深度学习的煤矸石检测方法
赵学军 , 李建
2021, 6(6): 730-736. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.012
摘要(498) HTML (264) PDF(66)
摘要:
针对选煤场的煤矸分离中基于计算机视觉的煤矸石检测方法需要复杂的人工特征设计过程，在YOLOv3目标检测模型基础上，提出一种基于深度学习的端到端煤矸石检测方法。采用深度可分离卷积以及转置卷积对模型的骨干网络进行改进，以缩减模型大小并提高模型运行速度；加入空间金字塔池化模块，改善模型的特征融合能力；引入平衡L1损失函数和距离交并比损失函数，加速模型收敛并提高定位准确性。研究结果表明，所提算法能够实时精准地检测出煤与矸石混合体中的矸石，为提高煤炭质量、改进分拣效率提供有效保障。
掺改性煤气化渣水泥新拌浆体与减水剂相容性研究
张明 , 房奎圳 , 王栋民 , 姚广 , 刘泽 , 李会泉
2021, 6(6): 737-745. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.013
摘要(313) HTML (224) PDF(29)
摘要:
煤气化渣是一种富含铝硅酸盐矿物的煤化工固体废料，机械粉磨与化学激发改性后的煤气化渣可作为复合硅酸盐水泥的活性混合材使用，可以有效减少水泥建材生产制备过程中的碳足迹。为明确掺改性煤气化渣水泥新拌浆体的工作性能，本文通过研究煤气化渣-水泥复合浆体的流动度、ζ-电位和粒径分布，对煤气化渣-水泥二元体系与减水剂相容性进行了评价。结果表明：经二乙醇单异丙醇胺助磨改性后的煤气化渣是一种介孔材料，在掺量不超30 % 的情况下，具有较好的工作性；聚羧酸系减水剂对掺改性煤气化渣水泥新拌浆体的分散性和流动性有利，且表现出修正Bingham流体特征。实验结论对研究煤气化渣-水泥二元体系的工作性能以及与减水剂的相容性有较高的理论参考价值。
咖啡渣生物质炭的制备及其对矿井水中氟离子的去除研究
侯嫔 , 李佳兴 , 张春晖 , 冉雅惠 , 吴盟盟 , 肖楠
2021, 6(6): 746-754. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.014
摘要(512) HTML (271) PDF(25)
摘要:
近年来矿井水中氟离子含量超标问题尤为突出，不仅影响矿井水处理后的回用水质，而且危害人体健康。为了同时实现固废资源化利用和矿井水中氟离子的去除，本文以废弃咖啡渣为原料，采用化学活化法制备了一种新型矿井水中氟离子的吸附剂——咖啡渣生物质炭(CRB)，通过单因素法优化了制备过程中的活化剂种类、活化温度和活化浓度；通过动力学和等温吸附实验对比分析了优化前后CRB对氟离子的吸附效能；通过表面物化特性表征探究了优化后的CRB(O-CRB)对氟离子的吸附机理。结果表明：当采用氯化锌为活化剂、浓度为4 mol/L、活化温度为400 ℃时，获得了吸附性能最优的O-CRB，其对氟离子的最大吸附量为2.20 mg/g，是活化前CRB的1.30倍；与优化前相比，O-CRB的中孔孔容量与比表面积明显增加，含氧官能基团(-COOH)含量和表面Zeta电位升高，且吸附氟离子后O-CRB表面的氯离子含量明显降低(3.27 % 至0.61 %)、氟离子含量明显增加(0.76 % 至10.34 %)，从而可推测出O-CRB吸附氟离子的主要机理为静电吸附和离子交换。
不同镁铝比LDHs对苯甲醚合成反应催化效果的研究
张海永 , 张璐 , 刘志攀 , 刘思琪 , 崔豫泓
2021, 6(6): 755-763. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.015
摘要(315) HTML (265) PDF(31)
摘要:
采用共沉淀法合成了一系列不同镁铝比的类水滑型层状金属氢氧化物(LDHs)，通过XRD、SEM、FT-IR、NH3-TPD、CO2-TPD、TG和ICP-OES方法对MgAl-LDHs和焙烧产物进行表征，并用于催化苯酚与碳酸二甲酯(DMC)气相合成苯甲醚。结果表明，共沉淀法合成的MgAl-LDHs在Mg/Al比为2~4时具有良好的类水滑石结构，主要以球形层片聚集体的形态存在，其层间距、平均孔径和碱酸比在Mg/Al比为2~4之间逐渐增加；所制备的MgAl-LDHs样品均显示出良好的反应活性，并发现苯甲醚的选择性随催化剂酸碱比先增加后减小，当镁铝比为4时，其酸碱比为0.32，此时苯甲醚选择性最高为88.93 %。此外，还考察了反应温度和质量空速对苯甲醚催化效果的影响。
中国煤炭工业高质量发展测度及耦合协调分析——基于2000—2019年数据的实证研究
杨跃翔 , 王锟桠 , 任蕾
2021, 6(6): 764-776. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.06.016
摘要(316) HTML (192) PDF(40)
摘要:
本文从经济效益、创新发展、集约发展、安全发展、绿色发展和高效发展6个维度构建了煤炭工业高质量发展评价指标体系，通过熵权法、理想点法(TOPSIS)和耦合协调度模型测度并深入分析了我国煤炭工业2000—2019年的高质量发展状况。结果表明：煤炭工业高质量发展成效显著，但产业规模与高质量发展水平呈现明显的不同步现象；在不同的发展阶段，煤炭工业高质量发展的主动力和“短板”有所不同；煤炭工业高质量发展的6个维度在研究期内均有不同程度上的提升，但绿色发展和高效发展的提升速度相对较慢；煤炭工业6维度发展耦合协调度稳定上升，但尚未进入“优质协调发展”阶段，协调发展水平有待提升。

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