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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

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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

基于塑性区控制的巷道围岩支护理论与技术研究进展

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煤炭学报 2024年第1期49卷 320-336页

作者：王卫军范磊赵志强韩森湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

随着煤层开采深度的不断增加,深部巷道围岩稳定性控制已成为采矿领域的重大难题之一,深部巷道围岩控制效果直接关系煤矿井下的安全生产和人员健康。巷道开挖后,塑性区的出现是影响巷道围岩稳定的主要原因。从塑性区形成与扩展的视角出发... 详细信息

随着煤层开采深度的不断增加,深部巷道围岩稳定性控制已成为采矿领域的重大难题之一,深部巷道围岩控制效果直接关系煤矿井下的安全生产和人员健康。巷道开挖后,塑性区的出现是影响巷道围岩稳定的主要原因。从塑性区形成与扩展的视角出发,在整理和归纳现有巷道破坏机理和围岩塑性区理论等成果的基础上,探讨了巷道破坏模式与围岩塑性区分布的内在关系,认为巷道围岩控制从本质上来说就是控制围岩塑性区形成与扩展的过程。围岩塑性区扩展的时效特性以及锚杆支护对围岩塑性区的控制作用,成为科学有效控制巷道围岩的重要理论依据,并基于此提出巷道围岩稳定性的控制理论与技术。结果显示,塑性区是巷道开挖的产物,围岩塑性区的形成与扩展是矿山压力作用的结果,对于深部巷道,围岩塑性区的出现是必然的。科学控制塑性区需要全面认识塑性区在巷道围岩中所起的作用,既要让围岩通过塑性破坏释放体内能量,又要防止塑性区的无序扩展。因此,在巷道围岩控制过程中应以充分发挥围岩自承能力为主,支护干预为辅。深部巷道围岩塑性区的控制具有全局性和过程性,将对巷道全周期内围岩塑性区的控制划分为3个阶段,通过调控塑性区形态、抑制塑性区扩展,实现深部巷道围岩的稳定控制。

关键词：塑性区巷道围岩控制形成与扩展破坏模式支护机理

矿山生态环境定量遥感监测与智能分析系统设计与实现

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煤炭科学技术 2024年第4期52卷 346-358页

作者：刘举庆李军王兴娟张成业杜梦豪冉文艳王金阳胡靖宇中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院北京100083

矿山生态环境监测与治理是国家生态文明建设和“双碳”目标下的重中之重,其信息化、智能化建设在新一代信息技术革命的助推下成为数字中国建设的重要一环,也是当下时代发展的必然趋势。然而,现有矿山生态环境监测系统仍然停留在单一专... 详细信息

矿山生态环境监测与治理是国家生态文明建设和“双碳”目标下的重中之重,其信息化、智能化建设在新一代信息技术革命的助推下成为数字中国建设的重要一环,也是当下时代发展的必然趋势。然而,现有矿山生态环境监测系统仍然停留在单一专题、要素不全、基础量测、本地管理的初级阶段,无法满足现实环境中对矿山生态环境多要素、长时序、高频次监测与分析的需求。基于此,提出一种B/S架构下的矿山生态环境定量遥感监测与智能分析系统——矿山生态天眼,并详细介绍了其研发需求、技术架构、关键技术及核心功能。系统依托卫星遥感技术及其他监测手段,获取并聚合不同来源、信息丰富的矿山生态大数据,形成矿山分布一张图和数据资源服务;进而基于定量遥感反演矿山生态环境各生态参数,形成一套长时序、多要素的矿山生态监测产品,涵盖人类活动、自然地理条件和“植−土−水−气”各生态要素;在此基础上,系统提供GIS时空分析、统计分析及综合定量评价等工具集,分别实现对矿区土地利用、归一化植被指数(NDVI)等参数伴随采矿活动在空间上的变化监测,对土壤含水量、水体悬浮物浓度等生态要素历史统计值在不同时空位置和区域下的查询与可视化,对顾及多项生态因子的矿山生态环境质量综合定量评价,并最终形成矿山生态扰动与治理监测报告。矿山生态天眼的应用将服务于矿山生态环境全过程变化监测、数据管理、智能分析和决策应用,有望提高矿山生态环境监测与治理的效率和智能化水平,为推动生态文明信息化建设提供参考方案。

关键词：矿山生态环境治理变化监测生态大数据定量遥感智能分析网络地理信息系统

同方期刊数据库

风险动物园(Ⅳ):基于复杂系统思维的风险隐喻事件识别与评估

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中国安全科学学报 2024年第2期34卷 53-59页

作者：佟瑞鹏胡向阳王乐瑶韩吉祥中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

为有效识别与评估风险动物园中不同类型的隐喻事件,比较不同风险隐喻事件存在的差异性,基于复杂系统思维与脆性理论,分别从确定性、普遍性、周期性、稳定性、容忍性和可逆性6个维度识别分析风险隐喻事件,并基于公共安全三角形理论构建... 详细信息

为有效识别与评估风险动物园中不同类型的隐喻事件,比较不同风险隐喻事件存在的差异性,基于复杂系统思维与脆性理论,分别从确定性、普遍性、周期性、稳定性、容忍性和可逆性6个维度识别分析风险隐喻事件,并基于公共安全三角形理论构建风险隐喻事件评估模型。结果表明:通过复杂系统思维对风险隐喻事件一般性的特征规律进行总结归纳与科学分类,并建立风险隐喻事件多维度定量评估模型,为风险隐喻事件管控提供应用思路和方法逻辑,同时,保证风险隐喻事件建立的科学性和合理性。针对风险隐喻事件的不同认知特点,提出风险管控4P(禁止、暂停、推迟、预防)策略,为组织开展风险事件管控提供参考。

关键词：风险动物园复杂系统脆弱性风险隐喻事件风险评估

24Model与LCM原因因素定义对比研究

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中国安全科学学报 2024年第1期34卷 27-34页

作者：袁晨辉傅贵吴治蓉赵金坤中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

为探究损失致因模型(LCM)原因因素定义与事故致因“2-4”模型(24Model)存在的异同和优缺点,梳理2个模型各层面原因和结果的定义,对比定义内容及其对事故原因分析等安全实务的指导作用,并以一起瓦斯爆炸事故为例加以实证分析,获得二者分... 详细信息

为探究损失致因模型(LCM)原因因素定义与事故致因“2-4”模型(24Model)存在的异同和优缺点,梳理2个模型各层面原因和结果的定义,对比定义内容及其对事故原因分析等安全实务的指导作用,并以一起瓦斯爆炸事故为例加以实证分析,获得二者分析结果之间的差异。研究结果表明:LCM是首个将管理因素纳入事故致因分析的一维事件序列模型,可明确各层面原因因素的定义和因素间的逻辑关系,但部分定义存在交叉重复的问题,并没有揭示安全工作指导思想等深层次事故致因因素;24Model作为系统性事故致因模型,对各类因素的定义均以组织为主体,描述事件、事故、安全的概念内涵,划分个体安全动作、安全能力和组织安全管理体系的类别并给出含义解析,探究组织安全文化层面的问题并以32个元素体现;2个模型的事故原因分析方法均建立在对各层级原因因素定义的基础上,并适用于模型理论体系本身。

关键词： “2-4”模型(24Model) 损失致因模型(LCM) 事故致因模型原因因素定义对比研究

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对安全科学研究对象的探讨

中国安全科学学报 2024年第1期34卷 35-42页

作者：李啸傅贵中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

为探究实践视角下安全科学适宜的研究对象,基于逻辑分析和演绎推理方法,构造评判学科研究对象的6个标准,分析11种主要观点的提出预设与优缺点,论证实践中事故是安全科学合适的研究对象。结果表明:实践中研究对象应具备独特性、清晰性、... 详细信息

为探究实践视角下安全科学适宜的研究对象,基于逻辑分析和演绎推理方法,构造评判学科研究对象的6个标准,分析11种主要观点的提出预设与优缺点,论证实践中事故是安全科学合适的研究对象。结果表明:实践中研究对象应具备独特性、清晰性、概括性、全面性、成熟性、演绎性的特征;主要观点均无法满足实践中学科研究对象应具备的特性;事故明确定义的提出使大安全观的需求得到解决;安全科学的本质问题是事故预防。

关键词：安全科学研究对象事故研究预设实践视角

风险动物园(Ⅴ):基于文化认同的风险隐喻理论实践与启示

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中国安全科学学报 2024年第4期34卷 10-16页

作者：佟瑞鹏胡向阳尹雪晨杨昂滨中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

为加强理解风险动物园在风险文化建设中的贡献,挖掘其实践和应用价值,基于文化认同理论探索风险动物园的文化认同机制与实践路径。风险动物园作为风险文化建设的重要载体,其文化认同路径同样遵循风险文化认同体系框架,从个体与群体2个... 详细信息

为加强理解风险动物园在风险文化建设中的贡献,挖掘其实践和应用价值,基于文化认同理论探索风险动物园的文化认同机制与实践路径。风险动物园作为风险文化建设的重要载体,其文化认同路径同样遵循风险文化认同体系框架,从个体与群体2个方面介绍风险动物园文化认同体系。结果表明:个体认同沿着价值认同→情感认同→行为认同的路径而递进式展开;群体认同沿着风险理念→风险沟通→风险参与的路径层进式展开。文化认同是开展风险动物园实践应用的基础,风险动物园实践应用框架应按照文化认同体系展开,通过打造线上与线下结合、专业性与传播性并重的科普推广平台,积极引导个体塑造健康的风险意识,引领群体营造良好的风险文化。

关键词：风险动物园文化认同风险隐喻理论风险意识风险文化