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厚煤层大采高综放工作面覆岩断裂演化规律研究

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 1-12页

作者：刘洪涛罗紫龙韩子俊韩洲陈小港彭佳琛中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

大采高综放开采易形成强烈的矿压显现,上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景,运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法,对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律... 详细信息

大采高综放开采易形成强烈的矿压显现,上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景,运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法,对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律进行系统研究。研究表明:导水裂隙带内岩层随工作面推进表现为“台阶下沉”,同层岩层下沉趋势沿走向表现为“急剧下降—稳定(最大值)—快速上升—稳定(最小值)”。工作面覆岩运动场由两区分布(加速下沉区、缓慢下沉区)演化为三区分布(加速下沉区、缓慢下沉区、稳定区)。对离层演化与地表下沉规律进行了定量描述,运用理论计算表达式深入地剖析了地表的动态下沉机理及其相关因素。结合相似模拟与数值模拟的试验结果,提出了覆岩断裂演化的形态变化特征:覆岩断裂形态由“单等腰梯形”演化为“双等腰梯形”,表土层影响区由“矩形”演化为“倒梯形”。分析了覆岩中垮落区、离层区、压实区、裂隙富集区的动态演化过程:垮落区逐渐增大至一定程度,高度小幅度降低并趋于稳定,离层区由下至上逐渐发育并随工作面向前移动,离层区逐渐闭合形成压实区,且压实区逐渐增大并最终保持稳定,裂隙富集区位于采空区前后端部并随工作面向前移动。

关键词：大采高综放相似模拟覆岩运动场覆岩运移覆岩断裂形态

近距离煤层下行采动应力场分布规律与巷道合理位置研究

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煤炭科学技术 2024年第5期52卷 1-10页

作者：刘洪涛韩洲韩子俊郭晓菲韦晟杰罗紫龙胡正宝中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

上层位近距离煤层开采后,形成的残留煤柱和采空区将会影响下层位的巷道布置。以新柳矿231101工作面为工程背景,采用理论分析和数值模拟的综合研究手段,研究和分析了上煤层开采后采动应力场的应力演化规律,对下层煤巷道非对称变形破坏机... 详细信息

上层位近距离煤层开采后,形成的残留煤柱和采空区将会影响下层位的巷道布置。以新柳矿231101工作面为工程背景,采用理论分析和数值模拟的综合研究手段,研究和分析了上煤层开采后采动应力场的应力演化规律,对下层煤巷道非对称变形破坏机理进行深入探究,从而得出下层煤巷道合理布置位置。研究结果表明:①上覆煤层开采改变巷道所处位置的主应力大小、主应力比值以及应力偏转角、应力矢量的变化是导致巷道呈非对称破坏的主要原因。②巷道在距离煤柱中心11 m处,巷道围岩最大主应力达到14.43 MPa,主应力比值为2.74,应力偏转角为52.33°,此时巷道处于较差的应力环境中,致使围岩产生蝶形破坏且蝶叶旋转至巷道顶板右侧,巷道顶板右侧易发生冒顶事故。③为使巷道处于相对稳定区域,依据3个主要影响因素将工作区域划分为4个分区,在考虑煤矿经济与安全因素后建议最佳布置区域为H–IV,主应力偏转角在0°~38°或45°~90°的范围内,通过综合分析对该巷道布置及支护提供合理建议,为类似工程条件提供了借鉴和参考。

关键词：近距离煤层回采巷道布置蝶形破坏理论数值模拟塑性区

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低碳化现代煤基能源技术体系及开发战略

煤炭学报 2024年第1期49卷 203-223页

作者：葛世荣樊静丽刘淑琴宋梅鲜玉娇王兵滕腾中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)管理工程学院北京100083

煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重... 详细信息

煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献,为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始,煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是,传统的煤炭利用产生高碳排放,成为能源转型的重大难题。面向生态文明社会发展,煤炭清洁高效利用迫在眉睫,现代煤基能源技术创新势在必行。首次提出现代煤基能源技术体系定义及内涵,将其定义为基于煤炭原料的创新转化而生产具有低碳属性的煤基气、煤基油、煤基氢和煤基电等能源产品,并在矿区原位消纳二氧化碳,形成具有碳中和能力的清洁低碳能源生产系统,其技术内涵包括煤基气、煤基油、煤基氢、煤基电和矿区动态碳中和,共有5个技术模块、19个技术单元和61项关键技术。现代煤基能源技术体系在未来新型能源体系中将发挥“一主体三支撑一突破”的重要作用,即煤基电在我国电力保障中的“以煤稳电”主体作用,煤制油在我国油品安全的“以煤增油”支撑作用,煤基气对我国燃气安全的“以煤补气”支撑作用,煤基氢气对我国氢能发展的“以煤助氢”支撑作用,实现煤基能源动态碳中和技术的“以煤固碳”重大突破。当非化石能源与低碳化煤基能源之比保持在2.5~3.0,煤基能源及油气能源与风光水核能源可实现合理融合,组成具有强互补性、高可靠性、低碳排放的新质能源系统。研究预测,基于现代煤基能源技术实现重大突破和实际应用,2060年我国低碳化煤基能源产量可达10.2亿~14.6亿t标准煤,相当于全国能源需求量的18%~24%,二氧化碳排放量控制在5亿t以下,与目前基于“去煤化”的能源转型规划路径相比,煤炭在我国能源体系中的占比从10%提高到20%以上,二氧化碳排放量降低了50%。届时,现代煤基能源体系对我国能源安全保供和二氧化碳减排具有重大技术创新意义,助力我国走向能源自主独立强国。

关键词：现代煤基能源煤炭清洁高效利用矿区动态碳中和能源安全二氧化碳减排

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低碳化现代煤基能源开发关键技术体系

煤炭学报 2024年第7期49卷 2949-2972页

作者：葛世荣刘淑琴樊静丽赵毅鑫滕腾中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)化学与环境工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献,但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径,能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控,提升我国油气自主性,支撑电力清洁转型和新能源产业发展,是保障能源安全和实现双碳目... 详细信息

煤炭为人类工业文明进步做出了重大贡献,但面临高碳排放的重大难题。现代煤基能源是破解煤与碳矛盾的新路径,能够立足我国资源禀赋实现能源自主可控,提升我国油气自主性,支撑电力清洁转型和新能源产业发展,是保障能源安全和实现双碳目标的重要创新方向。基于现代煤基能源概念及技术体系,系统梳理和介绍了现代煤基能源内涵和产品谱系。通过对现代煤基能源的煤基气开发技术、煤基油开发技术、煤基氢开发技术、煤基电生产技术、矿区动态碳中和技术等5个核心技术模块及其19个技术单元和61项关键技术进行分析和论述,提出了10项低碳化煤基能源开发的变革性技术:①基于自移式等离子体气化机的智能煤炭地下气化技术,具有自动燃烧、自动推进、自动封闭、自动监测、自动调控组分等功能;②煤炭地下气化与间接液化耦合可形成低成本、低排放、短流程煤制油路线(UCG-ICL);③利用太阳能加热或干热岩加热的富油煤原位干馏化学开采技术设想;④基于原位碳捕集利用与封存(CCUS)的深部煤炭地下气化制氢路径(UCG-H_(2)),循环CO_(2)作为气化剂提高煤气有效组分产量,捕集CO_(2)就地封存于地下气化空腔,形成近零排放UCG-H_(2)技术路线;⑤纳米富氢水煤浆掺氢发电技术,实现低温低压下的低碳煤基电生产,显著降低煤电CO_(2)排放量;⑥煤炭地下气化耦合IGCC的低碳发电系统构思(UCG+IGCC),减少了IGCC煤制气环节,显著降低CO_(2)排放部分;⑦煤粉爆燃直线驱动发电技术架构,理论做功能量是煤炭燃烧的15倍以上;⑧基于现代煤基能源内循环的CO_(2)加氢合成“绿色甲醇”路线,利用低碳UCG制取的煤基“蓝氢”与捕集CO_(2)合成制取甲醇;⑨现代煤基能源产生的CO_(2)原位地下封存技术系统,有助于实现零碳煤基能源生产;⑩矿区动态碳中和煤基能源系统架构,将智能保供、绿色开发、清洁转化、低碳利用、洁净排放耦合在一个矿区闭环系统中,实现矿区动态碳中和。

关键词：现代煤基能源煤炭能源低碳转型矿区动态碳中和技术能源安全 CO_(2)减排

基于CT扫描技术的煤试件力学特性及裂隙扩展规律研究

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 611-622页

作者：弓昊李地元李铮胡皓宇中南大学资源与安全工程学院湖南长沙410083 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

我国中东部矿区相继进入深部开采阶段,随着构造应力的增大与开采扰动效应的增强,工作面煤体内部裂隙发育程度逐渐升高,导致煤壁失稳现象频发。为研究煤体在高地应力环境下的力学特性及裂纹扩展规律,基于CT扫描技术实现煤试件内部各组分... 详细信息

我国中东部矿区相继进入深部开采阶段,随着构造应力的增大与开采扰动效应的增强,工作面煤体内部裂隙发育程度逐渐升高,导致煤壁失稳现象频发。为研究煤体在高地应力环境下的力学特性及裂纹扩展规律,基于CT扫描技术实现煤试件内部各组分的精准识别,建立煤试件三维重构模型和精细化数值模型,并结合单轴压缩试验研究煤试件内部各组分空间分布特征对试件变形参数、峰值强度和裂隙扩展路径的影响。结果表明:原生裂隙倾角越大,试件初始模量值Ei降低,试件容易发生纵向劈裂破坏;原生裂隙倾角越小,试件峰值强度σ_(c)降低,试件容易发生拉剪混合破坏;高密度杂质体积占比越大,煤试件弹性模量值E_(t)增大,试件所呈现的脆性特征越强;原生裂隙体积占比越大,试件应变硬化特征明显,且试件压缩破坏后的裂隙体积占比与复杂程度也明显增大。煤试件裂隙的扩展路径主要沿着原生裂隙横向扩张和纵向延伸,由于裂隙的快速扩展,常常伴随着分叉裂隙的产生,且原生裂隙的倾向分布越复杂,产生分叉裂隙的数目就越多;当原生裂隙未经过高密度杂质时,裂隙扩展路径往往会绕过其位置扩展;当原生裂隙经过高密度杂质时,裂隙的扩展路径会贯通其位置扩展。数值模拟结果与室内试验结果吻合程度较高,数值模型微裂隙的扩展模式与CT扫描所得的裂隙扩展路径一致,验证了精细化数值模型的可靠性。

关键词： CT扫描三维重构力学特性裂隙扩展精细化数值模型

基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法

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煤炭科学技术 2024年第3期52卷 245-257页

作者：程继杰刘毅中国矿业大学(北京)人工智能学院北京100083

冲击地压和煤与瓦斯突出容易造成煤矿重特大事故。针对目前煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出事故发生主要靠人工发现,结合灾害造成不同于正常工况下采掘工作面和巷道空间的颜色和深度特征,提出了一种基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突... 详细信息

冲击地压和煤与瓦斯突出容易造成煤矿重特大事故。针对目前煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出事故发生主要靠人工发现,结合灾害造成不同于正常工况下采掘工作面和巷道空间的颜色和深度特征,提出了一种基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法:在煤矿井下巷道顶板、巷帮靠近顶板以及采掘工作面液压支架顶部或靠近顶部等位置多点布置带有补光灯的彩色双目摄像机,实时采集采掘工作面和巷道空间彩色图像和深度图像;以煤矿井下与灾害抛出煤岩有着鲜明颜色差别的生产设备作为背景,监测识别是否出现彩色图像颜色发生较大变化;如果掘进巷道端头、巷道中间、巷道入口,或回采工作面,或进风巷道入口、巷道中间,或回风巷道入口、巷道中间,或主运输、辅助运输大巷等位置彩色双目摄像机监测到图像颜色发生较大变化,则监测彩色图像平均亮度是否小于设定的亮度阈值;如果平均亮度小于设定的亮度阈值,则以与灾害抛出煤岩有鲜明颜色差别的生产设备为背景,监测深度图像是否发生较大变化;如果深度图像发生较大变化,那么监测导致深度图像发生较大变化物体的移动速度是否大于设定的速度阈值(v>13 m/s);当移动速度大于设定速度阈值时,利用多点布置的甲烷传感器监测监视区域内甲烷浓度,当采煤工作面、掘进工作面、进风巷道、回风巷道、总回风巷道等多个不同地点均监测到甲烷浓度大幅升高或达到报警值,那么进行煤与瓦斯突出报警,反之,则进行冲击地压报警。提出了彩色双目摄像机感知灾害最佳倾角的确定方法,以及导致深度图像发生较大变化物体移动速度的确定方法。在确保安全性的前提下,简化了灾害模拟试验,设计了一套煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出颜色和深度特征模拟试验装置:采用与煤岩颜色和比重相近的10 mm橡胶球替代灾害抛出煤岩;利用直径315 mmPVC管模拟煤矿井下巷道受限空间以及与抛出煤岩有着鲜明颜色差异的背景设备;利用轴流式高压鼓风机作为动力装置,进行模拟冲击地压和煤与瓦斯突出发生时大量煤岩抛出造成的采掘工作面和巷道空间颜色和深度异常特征;利用3.4 mm焦距、30FPS、71°×55°视场角的彩色双目摄像机,完成对整个灾害模拟过程的监视与彩色双目图像采集。研究分析表明,提出的方法可识别出灾害发生时颜色和深度特征,验证了基于深度特征的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出图像感知报警方法的可行性与有效性。

关键词：冲击地压煤与瓦斯突出颜色特征深度特征速度特征图像识别

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三维动静加载下煤的本构模型及卸荷破坏特征

哈尔滨工业大学学报 2024年第4期56卷 61-72页

作者：解北京栾铮李晓旭张景顺于瑞星丁浩中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,... 详细信息

为研究非静水压条件下煤体动力学性能及动力扰动后卸荷破坏特征,在三维动静加载实验的基础上,研究了卸荷方式对动力扰动后卸荷煤样宏观破坏特性的影响。首先,采用Ф50 mm的分离式霍普金森压杆系统,开展三维动静加载下煤样的动力学实验,研究轴压、应变率对煤样动力学响应规律的影响;其次,基于响应曲面理论,借助中心复合试验法,构建考虑因素交互作用的回归模型,并分析单因素及因素交互作用的显著性;然后,结合因素交互作用、Weibull分布、Drucker-Prager准则,修正煤的强度型统计损伤本构模型,对比理论与实验结果,验证模型可靠性;最后,借助加卸荷电液伺服装置,探究轴压、冲击气压、卸荷方式对煤样破坏特征的影响及作用机制。结果表明,构建的强度型统计损伤模型,相关系数R~2≥0.88,可表征煤样动力学响应行为。冲击后同步卸荷的煤样多呈层裂破坏,拉伸界面随轴压增大而后移直至消失,无法形成层裂破坏;非同步卸荷下煤样破坏形式主要包括整体完整、层裂、压剪破坏,而当冲击气压0.4~0.6 MPa,轴压14.5 MPa时,表现为“层裂+压剪”混合破坏。

关键词：动静组合卸荷破坏本构模型分离式霍普金森压杆响应曲面法交互作用

煤层亚临界/超临界CO_(2)吸附特征与封存模式

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天然气工业 2024年第6期44卷 152-168页

作者：王帅峰韩思杰桑树勋郭常建郭庆徐昂张金超中国矿业大学资源与地球科学学院江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室·中国矿业大学中国矿业大学碳中和研究院

大规模高效CO_(2)地质封存是短期内快速实现CO_(2)减排的关键途径之一,以吸附特征为主要封存机制的深部不可采煤层CO_(2)封存具有规模化实施的潜力。为研究深部煤层CO_(2)封存机制,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了高温高压CO_(2)吸... 详细信息

大规模高效CO_(2)地质封存是短期内快速实现CO_(2)减排的关键途径之一,以吸附特征为主要封存机制的深部不可采煤层CO_(2)封存具有规模化实施的潜力。为研究深部煤层CO_(2)封存机制,以沁水盆地无烟煤为研究对象,开展了高温高压CO_(2)吸附实验,并采用简化局部密度模型(SLD-PR)拟合,分析了温压变化下不同孔隙的吸附相密度分布特征,揭示了以吸附相密度和最大吸附层厚度协同变化为核心的煤层CO_(2)封存机理,最后通过准确划分孔内吸附空间与自由空间,预测了不同埋深下煤层CO_(2)封存量。研究结果表明:(1)不同温度下超临界CO_(2)吸附曲线均表现出典型的超临界气体吸附特征,过剩吸附量(最大值介于1·25~1·75 mmol/g)在达到最大值后下降;(2)孔隙内CO_(2)吸附层分为接触层、内层和过渡层,亚临界CO_(2)在孔内以单分子层吸附为主,而超临界CO_(2)吸附方式为多分子层吸附;(3)最大吸附层厚度随埋深增加而减小,与温度呈正相关,而与压力呈负相关;(4)CO_(2)平均吸附相密度随埋深“先增后减”,总封存量与绝对吸附量曲线在CO_(2)处于超临界状态下存在差异。结论认为:(1)在吸附空间与吸附相密度协变下,煤层CO_(2)微观封存模式随埋深可分为亚临界单分子层吸附、超临界类气态多分子层吸附型以及超临界类液态多分子层吸附3种类型,自由相封存量对总封存量的贡献随埋深增加,但吸附封存仍是煤层CO_(2)封存的主要方式;(2)研究成果揭示了原位煤层超临界CO_(2)封存机理,能够为深部煤层CO_(2)封存能力评价提供新认识。

关键词：超临界 CO_(2) 深部煤层吸附相密度分布 SLD-PR模型最大吸附层厚度封存容量吸附封存

深部煤炭流态化开采装备自主行走机构多缸推进同步控制

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 264-278页

作者：鲍久圣李玥锋周恒阴妍赵少迪王忠宾葛世荣中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深地资源流态化开采前沿科学研究中心江苏徐州221008 中国矿业大学(北京)机械与电气工程学院北京100083

我国浅部煤炭正逐渐开采殆尽,向地球深部开发资源已成为必然趋势和国家需求。针对2000 m以深的深部煤炭开采难题,设计了一种适用于深部煤炭流态化开采装备的自主行走机构,并重点对自主行走机构中液压推进系统的多缸同步控制难题进行了... 详细信息

我国浅部煤炭正逐渐开采殆尽,向地球深部开发资源已成为必然趋势和国家需求。针对2000 m以深的深部煤炭开采难题,设计了一种适用于深部煤炭流态化开采装备的自主行走机构,并重点对自主行走机构中液压推进系统的多缸同步控制难题进行了研究。首先,基于流态化开采工艺原理及装备组成,设计了一种增阻迈步式自主行走机构,可实现采掘、转化和输出等多舱体的分段式自主行走;其次,针对液压推进系统的多缸同步控制要求,分析对比了主从控制、相邻交叉耦合控制、偏差耦合控制、均值耦合控制4种控制策略以及比例、积分、微分控制(PID)算法、自抗扰控制器(ADRC)的优缺点,分别开展了在均匀负载、突变负载、时变负载3种工况下的控制性能仿真试验;再次,采用雷达图测评法对不同控制策略下的同步控制性能进行综合评价,最终选定基于ADRC的均值耦合控制方法为最佳同步控制策略;最后,研制自主行走机构试验台并开展了多液压缸同步控制试验,试验结果表明:当采用基于ADRC的均值耦合同步控制策略时,4个液压缸在不同工况下的最大同步误差均能保持在±5 mm以内,且具有优异的鲁棒性,可满足流态化开采装备自主行走机构的多缸同步推进要求。

关键词：深部开采液压推进系统均值耦合控制多缸同步自抗扰控制器(ADRC) 自主行走机构