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煤与煤系战略性金属矿产协同勘查理论与技术体系框架探讨

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煤炭学报 2024年第1期49卷 479-494页

作者：曹代勇魏迎春李新张昀徐来鑫位金昊董博中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083

煤与煤系战略性金属矿产协同勘查模型的建立,是实现煤系战略性金属元素向金属矿产转变的前提条件,煤与煤系战略性金属矿产协同勘查基础理论与关键技术研究,则是建立协同勘查模型的核心任务。从煤系战略性金属元素的基本特点分析入手,论... 详细信息

煤与煤系战略性金属矿产协同勘查模型的建立,是实现煤系战略性金属元素向金属矿产转变的前提条件,煤与煤系战略性金属矿产协同勘查基础理论与关键技术研究,则是建立协同勘查模型的核心任务。从煤系战略性金属元素的基本特点分析入手,论证了实施煤与煤系战略性金属矿产协同勘查的必要性;通过对协同勘查概念演变历史的梳理,阐明了煤炭综合勘查与协同勘查的关系,认为协同勘查是综合勘查的继承和发展,强调2种或多种矿产综合勘查过程中的协调有序和科学组织,其核心是协同组织勘查工程、协同实施关键技术。在论述煤与煤系战略性金属矿产协同勘查原则的基础上,初步提出煤与煤系战略性金属矿产协同勘查理论与技术方法体系框架,作为建立煤与煤系战略性金属矿产协同勘查模型的基础。煤与煤系战略性金属矿产协同勘查应以煤系战略性金属元素富集成矿机制、组合类型与赋存规律研究为前提条件,以煤地质学、矿床学、地球化学、地球物理学、勘查工程学等多学科理论为基础,以精准钻探、精细物探和精细化探等关键技术构成的协同勘查技术体系为支撑,以固体矿产勘查规范等标准为工作依据,遵循固体矿产资源勘查和综合勘查及单矿种勘查的一般性原则,以及研究先行、技术有效、精细勘查、动态调整、分区施策、协调同步等原则,协同组织勘查工程、协同实施关键技术,实现煤与煤系战略性金属矿产协同勘查的最佳技术效益和最佳经济效益的平衡,在完成煤炭地质勘查任务的基础上,查明共伴生战略性金属矿产的地质特征和开发地质条件,获得相应的资源量或元素分布特征,为煤系矿产资源综合开发利用提供地质依据。煤与煤系战略性金属矿产协同勘查值得关注并深入研究的核心问题包括:协同勘查对象的确定,勘查技术的选择和协同实施,勘查工程的协同部署,资源量的科学估算。

关键词：煤系战略性金属矿产协同勘查勘查原则理论与技术体系

复杂地质条件下隧道围岩大变形负泊松比锚索主动支护方法及控制效果研究

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岩石力学与工程学报 2024年第2期43卷 275-286页

作者：陶志刚谢迪隋麒儒孙吉浩何满潮中国矿业大学(北京)深部岩土力学与地下工程国家重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

隧道工程在建设过程中面临复杂地质条件时发生围岩大变形灾害造成大量经济损失与人员安全威胁。为解决复杂地质条件下隧道围岩大变形灾害难控制的工程问题,首先以开挖补偿法为基础,利用岩石力学方法,说明高支护力主动支护方法是控制围... 详细信息

隧道工程在建设过程中面临复杂地质条件时发生围岩大变形灾害造成大量经济损失与人员安全威胁。为解决复杂地质条件下隧道围岩大变形灾害难控制的工程问题,首先以开挖补偿法为基础,利用岩石力学方法,说明高支护力主动支护方法是控制围岩大变形的有效手段。然后,针对高支护力主动支护方法对于高性能新材料的需求,介绍团队研发的具有高恒阻力、大变形特性的多世代NPR(negative Poisson’s ratio)新材料。最后,介绍以NPR新材料为核心的主动支护方法在工程应用中对于不同复杂地质条件下的隧道围岩大变形灾害的控制。结果表明:(1)隧道围岩大变形主要由于隧道开挖造成围岩应力重分布导致围岩大变形破坏,而通过主动支护提供支护力可恢复或接近初始应力状态;(2)团队研发的NPR新材料较传统材料不同,可为深部围岩提供足够的支护力以恢复原岩应力状态;(3)根据工程案例分析,NPR主动支护技术在软岩隧道、断层破碎带隧道以及岩爆隧道中均表现出良好的大变形控制效果,为未来复杂地质条件下围岩大变形提供参考依据和实践基础。

关键词：隧道工程复杂地质大变形 NPR材料工程应用

矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统及实验研究

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煤炭学报 2024年第4期49卷 1964-1975页

作者：许献磊陈令洲彭苏萍梁鹏赵禹深中国矿业大学(北京)煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室北京100083 中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

煤岩界面识别技术是煤矿智能化开采的关键技术之一。基于高频雷达波探测技术可实现煤岩界面的随采高精度探测,但仍存在矿井超大采高(≥6 m)片帮垮落带来设备的安全风险及采高突变(采高≤2 m)时空间限制设备通过的问题。在前期工作基础... 详细信息

煤岩界面识别技术是煤矿智能化开采的关键技术之一。基于高频雷达波探测技术可实现煤岩界面的随采高精度探测,但仍存在矿井超大采高(≥6 m)片帮垮落带来设备的安全风险及采高突变(采高≤2 m)时空间限制设备通过的问题。在前期工作基础上提出了一种矿井煤岩界面节点式雷达快速动态探测系统并进行了煤岩界面探测实验研究,主要内容包括:①阐述矿井节点式雷达观测系统原理,根据矿井工作面实际环境设计煤岩界面识别观测系统方案及雷达传感单元安装方式;②研究并提出节点式采集控制系统和信息交互传输设计方案,实现数据动态采集控制及存储;③针对节点式采集方式及煤岩界面雷达反射回波特征,研究提出了节点探测数据增强处理方法、煤岩界面识别算法,可有效的实现煤岩界面智能识别与追踪、煤层厚度及空间坐标解算。为验证该方法的可行性,采用多个中心频率为1.5 GHz的探地雷达传感单元进行物理模型验证实验,并对节点式数据采集和连续数据采集结果进行了对比分析,实验结果表明:节点式采集方法与连续采集方法均可有效识别出煤岩界面,与连续采集方法相比,本文提出的节点式探测方法可实现数据的快速动态重复性采集,单次采集时长控制在10 s以内,煤层厚度探测结果平均误差为1.07 cm,最大误差为1.47 cm,平均误差百分比为7.64%。本方法为矿井智能化开采中煤岩界面的动态高精度探测提供技术支撑。

关键词：煤岩识别探地雷达节点式雷达观测系统误差分析

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公路隧道装配式仰拱接头变形破坏规律

中国公路学报 2024年第7期37卷 58-69页

作者：王迎超徐杭雷雅婷周鑫郝英中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

接头部位是公路隧道装配式仰拱受力最薄弱的部位,研究接头的力学性能意义重大。首先,预制仰拱采用弯螺栓连接,通过室内试验研究不同轴力分级加载过程中接缝张开量、竖向位移、接头附近表面混凝土应变等变化规律。然后,建立装配式仰拱接... 详细信息

接头部位是公路隧道装配式仰拱受力最薄弱的部位,研究接头的力学性能意义重大。首先,预制仰拱采用弯螺栓连接,通过室内试验研究不同轴力分级加载过程中接缝张开量、竖向位移、接头附近表面混凝土应变等变化规律。然后,建立装配式仰拱接头的三维精细化有限元模型,模拟接头连接形式及接触状态,研究不同轴力-弯矩组合荷载作用下装配式仰拱接头变形、竖向位移以及混凝土应力发展规律。研究结果表明:室内试验和数值模拟获得的弯螺栓抗弯性能具有很好的一致性,且接头破坏过程特征也基本一致,即从接缝靠近施力侧压紧,到对侧张开,再到接头靠近施力侧表面混凝土先产生裂缝,紧接着侧面裂缝斜向上方发展逐渐贯通至顶面,混凝土压坏,最终接头破坏;接缝最大张开量和接头转角随着弯矩的增大,先线性增大后曲线形增大;轴力相同时,接头抗弯刚度随弯矩增加而减小;弯矩一定时,接头抗弯刚度随轴力增加而增加。研究成果可为公路隧道装配式仰拱接头设计及力学性能分析提供参考。

关键词：隧道工程装配式仰拱模型试验破坏特征接头转角

煤矿区固废矿化固定封存CO_(2)与减污降碳协同处置利用的研究进展

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煤炭学报 2024年第8期49卷 3619-3634页

作者：奚弦桑树勋刘世奇中国矿业大学江苏省煤基温室气体减排与资源化利用重点实验室江苏徐州221008 中国矿业大学碳中和研究院江苏徐州221008 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116

“双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展提出了新要求。以煤为主的能源结构和煤炭高强度开发带来矿区固废占用土地空间、破坏生态环境和排放温室气体,已成为制约煤炭行业绿色低碳发展的突出问题之一。基于“利废固碳、从哪... 详细信息

“双碳”战略目标对煤炭行业转型升级和绿色低碳发展提出了新要求。以煤为主的能源结构和煤炭高强度开发带来矿区固废占用土地空间、破坏生态环境和排放温室气体,已成为制约煤炭行业绿色低碳发展的突出问题之一。基于“利废固碳、从哪里来到哪里去”的理念,探寻煤矿区固废无害化、减量化、资源化、低碳化的处置新路径,创新发展矿区固废处置、采空区地下空间充分利用、CO_(2)捕集利用与封存(CCUS)相融合的关键技术,是“双碳”目标下我国矿区绿色低碳发展的紧迫需求。研究工作表明:煤矸石、粉煤灰、炉底渣和煤气化渣等矿区固废在矿山地下空间充填开采与沉陷治理、煤矿防灭火、建筑用材及农业等领域的资源化利用路径与处置技术已取得重要进展,为矿区固废固定封存CO_(2)研究提供了基础和启示,但矿区固废固定封存CO_(2)的工程化技术研究亟待加强;矿区固废矿化固定与封存CO_(2)潜力大、具有工程可行性,正在形成矿区固废处置-煤基CCUS-采空区充填新的技术体系;矿区固废与CO_(2)基气-液-固三相介质矿化强化、高效吸收与矿化固碳调控技术、地下空间矿化固碳充填与CO_(2)密闭封存、采空区充填固定封存CO_(2)潜力评价与碳去除量核算、采空区充填固定封存CO_(2)环境与安全性评价等将构成固废处置-煤基CCUS-采空区充填技术体系的核心内涵;矿区固废处置–煤基CCUS–采空区充填技术是未来实现“煤炭生产加工-矿区固废处置-高效矿化固碳与CO_(2)封存-地下空间充填与利用-矿区地面沉陷防治与生态修复”的无废矿山循环经济模式的关键,矿区固废+CO_(2)基地下充填与封闭功能材料研发是重要突破口。矿区固废处置、煤基CCUS、采空区充填与地下空间利用、矿区生态修复保护等融合技术研发应用为绿色低碳型矿山建设提供了新的发展思路。

关键词：矿区固废处置 CO_(2)矿化固定与封存地下空间利用地面沉陷防治无废矿山

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矿井微震与电法耦合监测技术

煤炭学报 2024年第1期49卷 586-600页

作者：刘盛东杨彩章俊李纯阳任川中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221116 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 安徽惠洲地质安全研究院股份有限公司安徽合肥230088

随着煤炭资源开采区域、深度及强度的增加,矿井工作面采掘扰动极易诱发矿井突水事故,严重威胁我国煤炭资源安全开采。矿井水害事故的发生主要是岩体采动破裂与矿井水渗流共同作用的结果。研究表明,微震信号的纵横波到时、幅值、频率等... 详细信息

随着煤炭资源开采区域、深度及强度的增加,矿井工作面采掘扰动极易诱发矿井突水事故,严重威胁我国煤炭资源安全开采。矿井水害事故的发生主要是岩体采动破裂与矿井水渗流共同作用的结果。研究表明,微震信号的纵横波到时、幅值、频率等参量可有效表征岩体破裂位置、强度及其震源机制,地电场信号中的电阻率、激励电流及自然电位等参量可有效表征岩体渗流演化过程。透水通道形成对应微震场特征,地下水渗流对应地电场特征,因此微震电法耦合方法对矿井水害孕育发展过程具有监测预警的功能,可有效对采动破坏过程中形成的突水通道、水源位置及渗流过程等水害三要素进行精准捕捉;减少单一地球物理方法多解性,提高水害监测预警精度,对煤矿防治水意义重大。当前,微震与电法耦合监测技术在煤矿水害实时动态监测中开始得到应用,突破传统微震与电法独立采集的局限,课题组自主研发了国内外首款煤安认证的微震与电法耦合并行监测系统,该系统以微震场与地电场并行采集基站为核心,集被动源微震波场与主被动地电场为一体,通过连接矿井物联网,实现远程数据采集控制、传输及云端存储;其一体化网络服务器主机可连接多个采集基站,并将微震检波器、电法激励电极与电位测量电极进行相互隔离、并行采集,形成微震事件密度与能级分布、电阻率分布、自然电位分布等时空云图来监测预判水害三要素。微震与电法耦合监测技术仍需在微震事件智能识别与定位、地电场的电阻率三维反演以及自然电位渗流反演方面进行专项攻关;结合并行监测的微震电法大数据集,重点在微震电法数据联合反演、智能化监测预警方向开展进一步研究。微震与电法耦合监测技术,作为矿井水害的主动预警监测新方法,可为我国智能化矿井建设发挥重要作用。

关键词：微震与电法耦合主被动一体化监测预警煤矿水害智能矿山

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高温后花岗岩损伤劣化机制晶粒模型数值研究

应用基础与工程科学学报 2024年第3期32卷 888-899页

作者：田文岭徐杰杨圣奇孙博文中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学力学与土木工程学院江苏徐州221116

地热开采对缓解我国能源压力具有长远的战略意义,准确认识花岗岩高温损伤破裂行为,对促进地热开发具有关键作用.在颗粒流程序中构建晶粒模型(GBM)模拟高温后花岗岩单轴压缩试验,研究花岗岩高温后热裂纹分布特征,分析其强度及变形参数随... 详细信息

地热开采对缓解我国能源压力具有长远的战略意义,准确认识花岗岩高温损伤破裂行为,对促进地热开发具有关键作用.在颗粒流程序中构建晶粒模型(GBM)模拟高温后花岗岩单轴压缩试验,研究花岗岩高温后热裂纹分布特征,分析其强度及变形参数随温度演化,研究单轴压缩裂纹扩展过程.结果表明:该GBM单元可以较好反映花岗岩强度及破裂随围压及温度的演化特征,随着温度升高,晶粒边界裂纹由离散分布状态逐渐贯通形成宏观裂纹,而当温度大于600℃时出现大量的穿晶裂纹.常温压缩过程中,试样首先产生离散分布的晶粒边界裂纹,而600℃微裂纹扩展较充分,加载过程中晶粒之间产生滑动,但峰后试样同样由穿晶裂纹的扩展导致宏观破坏.从细观层面上探究了高温花岗岩损伤劣化机制,对保障地热开采具有重要意义.

关键词：岩石力学花岗岩高温颗粒流晶粒模型单轴压缩破裂

壳聚糖联合EICP对露天矿排土场边坡抗侵蚀性影响机制研究

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煤炭学报 2024年

作者：王知乐田雨周伟王轶李蕊郭仪晗田涯陆澳中国矿业大学矿业工程学院中国矿业大学环境与测绘学院中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室

我国露天煤矿多处于季节性降雨明显和土层瘠薄的北方生态脆弱区，生态本底脆弱且土壤侵蚀严重。为了改善区内大型露天矿规模化开发引起土壤侵蚀和水土流失加剧的突出问题，提出采用壳聚糖联合脲酶诱导碳酸钙沉淀技术（EICP）对露天矿排... 详细信息

我国露天煤矿多处于季节性降雨明显和土层瘠薄的北方生态脆弱区，生态本底脆弱且土壤侵蚀严重。为了改善区内大型露天矿规模化开发引起土壤侵蚀和水土流失加剧的突出问题，提出采用壳聚糖联合脲酶诱导碳酸钙沉淀技术（EICP）对露天矿排土场边坡进行抗侵蚀改性。本研究通过不同温度与掺量下的EICP溶液试验，确定最优矿化反应参数，制备对照组、EICP和壳聚糖靶向诱导EICP三组边坡试样，通过边坡抗侵蚀相似模型装置分析边坡侵蚀状况、冲蚀量和表面强度变化规律，探究其对边坡抗侵蚀特性的影响规律。并对各组试样进行微观形貌、物相组成及热稳定性分析试验，探究壳聚糖联合EICP提高边坡抗侵蚀性的作用机理。结果表明：①排土场边坡EICP抗侵蚀最优反应参数为尿素与氯化钙浓度1mol/L、壳聚糖掺量5g/L、温度不高于60℃；②降雨侵蚀后，对照组分布不均匀表面凹坑，改性组则无明显变化，EICP和壳聚糖联合EICP组的最终土体冲蚀量分别降低了85.4%和91.6%，表面强度分别提高了9.8%、14.2%，EICP处理导致土体pH值有所降低，而添加壳聚糖能够稳固脲酶活性进而保证尿素水解；③壳聚糖分别通过静电作用和酸碱作用吸附脲酶与Ca2+为EICP提供成核位点，促进EICP稳态矿化产物（方解石）的生成并分散分布于土体颗粒间，且壳聚糖水凝胶与矿化产物都具有黏附、桥接和充填土体颗粒的固化作用，同时Ca2+可驱离强结合水降低颗粒间双电层厚度从而增强土体结构。结合室内试验与微观测试结果阐述了壳聚糖联合EICP技术提高边坡抗侵蚀性的有效性，揭示了其提高土体颗粒间联结力和减小坡面侵蚀力从而提高排土场边坡的抗侵蚀性的改性机制，研究成果有望对露天矿排土场边坡侵蚀防治技术的发展与工程应用提供有益借鉴。

关键词：酶诱导碳酸钙沉淀壳聚糖成核位点人工模拟降雨抗侵蚀性能排土场边坡

双重活化多孔碳氮材料实现流动电极电容去离子高效矿井水脱盐

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煤炭学报 2024年

作者：贺琼琼彭海森孟振苗真勇万克记许恩乐高明强黄少萌中国矿业大学炼焦煤资源绿色开发全国重点实验室中国矿业大学化工学院中国矿业大学环境与测绘学院

严格的环保法规驱动下，煤矿在高盐矿井水回收处理上面临的挑战不断升级，因此迫切需要研发高效的深度脱盐技术，以突破行业困境并实现非常规水资源的利用。虽然流动电极电容去离子（FCDI）技术在脱盐领域内崭露头角，但仍存在电极材料... 详细信息

严格的环保法规驱动下，煤矿在高盐矿井水回收处理上面临的挑战不断升级，因此迫切需要研发高效的深度脱盐技术，以突破行业困境并实现非常规水资源的利用。虽然流动电极电容去离子（FCDI）技术在脱盐领域内崭露头角，但仍存在电极材料性能造成的脱盐能力壁垒。本研究提出了一种双重活化多孔碳氮电极材料制备的新方法，以蔗糖为碳源，三聚氰胺为氮源，整合了双模板法、水蒸气活化、酸浸氧化及氮掺杂的优点，改善了材料的润湿性和导电性，同时使得电极材料具备独特整齐排列的柱状结构、更大的比表面积(1039.76 m2/g)、更丰富的孔结构(0.32 cm3/g)、更多的氮氧电负性点位和更好的润湿性能，以此实现高效，低能耗的矿井水脱盐。该材料(H2O（g）-HNO3/CN)应用于FCDI装置中且经过电压、活性材料含量、处理液初始浓度及pH的工艺优化后对1 g/L的NaCl溶液脱盐5 h，除盐率高达100%，平均脱盐速率、脱盐量、电荷效率及标准脱盐量能耗分别为0.00952 mg/(min·cm2)，37.08 mg/g，24.02%和481.98 J/mol，即使经过七次循环吸脱附实验，除盐率仍能达到95.71%。为了探究H2O（g）-HNO3/CN的吸附除盐机理，进行了电化学性能、吸附动力学及等温线的分析。结果表明其比电容高达99.38 F/g，内电阻极小；对Na+离子的吸附更符合伪二阶动力学模型和Langmuir等温线模型，对Na+离子的饱和吸附量为4.30 mg/g，饱和吸附时间为120 min。本研究为FCDI电极材料的制备及优化提供了一种新的思路，并探究了其脱盐性能和机理，为高盐矿井水的绿色回收处理开辟了一条新的路径。

关键词：双重活化多孔碳氮材料流动电极电容去离子高盐矿井水脱盐