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低阶煤基炭材料研究进展

新型炭材料（中英文） 2024年第4期39卷 611-632页

作者：宋文革曾红久王斌黄显虹李晓明孙国华国能神东煤炭集团有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017200 中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司陕西神木719315 中国科学院山西煤炭化学研究所中国科学院炭材料重点实验室山西太原030001

低阶煤因其储量丰富、富含多环芳烃有机物、含碳量高、成本低等特点,被认为是炭材料的优质前驱体。然而,由于不同低阶煤的灰分、微观结构、界面的差异,导致了煤基炭材料结构、性能难以有效调控的问题。近年来,研究人员提出了低阶煤基炭... 详细信息

低阶煤因其储量丰富、富含多环芳烃有机物、含碳量高、成本低等特点,被认为是炭材料的优质前驱体。然而,由于不同低阶煤的灰分、微观结构、界面的差异,导致了煤基炭材料结构、性能难以有效调控的问题。近年来,研究人员提出了低阶煤基炭材料微观结构、表界面调控的有效方法。本文重点总结了低阶煤制备吸附活性炭、电容炭、硬炭、石墨和纳米炭材料的差异化策略,进一步讨论了煤种和工艺对煤基炭材料的微观结构、界面特性和官能团种类等的影响。同时介绍了煤基炭材料在吸附、超级电容器和碱金属电池中的应用。最后,展望了低级煤基炭材料未来研究的方向和挑战。

关键词：低阶煤电容炭硬炭煤基石墨活性炭

神东低阶煤基电容炭材料的制备及超级电容器应用性能

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煤炭转化 2024年

作者：王斌李晓明孙国华国能神东煤炭集团有限责任公司中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司中国科学院山西煤炭化学研究所

为研究材料的比表面积和微孔孔容对低阶煤基电容炭电化学性能的影响，通过调控氢氧化钾(KOH)和神东低阶煤的比例，以固相活化法制备了系列不同微孔比例的低阶煤基电容炭。利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、元素分析(EA)和氮气吸附/脱... 详细信息

为研究材料的比表面积和微孔孔容对低阶煤基电容炭电化学性能的影响，通过调控氢氧化钾(KOH)和神东低阶煤的比例，以固相活化法制备了系列不同微孔比例的低阶煤基电容炭。利用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、元素分析(EA)和氮气吸附/脱附(NADS)技术对所制备电容炭材料进行组分分析和孔结构表征，采用恒流充放电(GCD)、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)等测试手段评价其超级电容性能。结果表明：随着碱炭比的升高，所制备电容炭材料的比表面积和总孔容均呈现增加的趋势(最高分别为2736.20 m2/g和1.2968 cm3/g)。而当碱/煤比例为1.6:1时，获得的煤基电容炭的比表面积为2517.80 m2/g、微孔比表面积为2485.59 m2/g，占比高达98.72%，此时为微孔孔容最大即0.0648 cm3/g。此时，煤基电容炭在有机电解液两电极体系中表现出高比容量特性，在0.05 A/g的电流密度下达到173.8 F/g，在10 A/g下仍保留有159.4 F/g的比容量，保留率为91.72%。通过CV曲线可以看出，电容炭的充放电可逆性良好，具有典型的双电层电容特性，对称型超级电容器具有较高的能量/功率密度(40.35 Wh/kg/6750 W/kg)，是一种理想的超级电容器用电极材料。

关键词：低阶煤化学活化超级电容炭微孔结构功率密度

神东低阶煤基电容炭材料的制备及其电化学性能

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煤炭转化 2024年第3期47卷 92-102页

作者：王斌李晓明孙国华国能神东煤炭集团有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017200 中国神华能源股份有限公司神东煤炭分公司陕西神木719315 中国科学院山西煤炭化学研究所中国科学院炭材料重点实验室太原030001

为研究材料的比表面积和微孔孔体积对低阶煤基电容炭电化学性能的影响,通过调控氢氧化钾(KOH)和超低灰分神东低阶煤(SLC)的质量比,以固相活化法制备了系列不同微孔比例的煤基电容炭。利用电感耦合等离子体质谱、元素分析和氮气吸附/脱... 详细信息

为研究材料的比表面积和微孔孔体积对低阶煤基电容炭电化学性能的影响,通过调控氢氧化钾(KOH)和超低灰分神东低阶煤(SLC)的质量比,以固相活化法制备了系列不同微孔比例的煤基电容炭。利用电感耦合等离子体质谱、元素分析和氮气吸附/脱附技术对所制备的煤基电容炭进行组分分析和孔结构表征,采用恒流充放电(GCD)、循环伏安(CV)和交流阻抗(EIS)等测试手段评价煤基电容炭的电化学性能。结果表明:随着KOH和SLC质量比增大,制备的煤基电容炭的比表面积和总孔体积均呈现增加趋势(最高值分别为2736.20 m^(2)/g和1.2968 cm^(3)/g);当KOH和SLC质量比为2.0:1时,煤基电容炭的比表面积为2517.80 m^(2)/g,微孔比表面积为2485.59 m^(2)/g(占比高达98.72%),此时,微孔孔体积最大(0.0648 cm^(3)/g);煤基电容炭在有机电解液两电极体系中表现出高质量比电容特性,在0.05 A/g的电流密度下质量比电容达到173.8 F/g,在10 A/g下仍保留有159.4 F/g的质量比电容,保留率为91.72%;煤基电容炭的充放电可逆性良好,具有典型的双电层电容特性。

关键词：低阶煤化学活化煤基电容炭固相活化微孔结构

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与工程实践

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煤炭科学技术 2024年第1期52卷 280-287页

作者：王虹李发泉张小峰中国煤炭科工集团有限公司北京100013 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006 煤矿采掘机械国家工程实验室山西太原030006

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求。以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速... 详细信息

软弱围岩掘锚一体化快速掘进关键技术与装备是煤矿安全高效开采以及智能化建设的迫切需求。以具备膨胀性、节理化等软岩特征的煤矿回采巷道工程为背景,梳理了国内外掘锚一体机快速掘进技术发展现状,剖析了软弱围岩条件下掘锚一体机快速掘进面临3个方面的难题,包括全宽截割对围岩的扰动控制,软弱围岩及时高效永久支护,软弱围岩快速掘进煤帮临时支护。提出了软弱围岩掘锚一体化快速掘进的5项关键技术,包括:(1)低扰动截割技术。主要包括椭型全宽截割滚筒、截齿排布优化、截割动力学优化等。(2)减小空顶空帮距的及时支护技术。该技术是在掘锚一体化技术基础上,研制了集双圆柱导向、多连杆升降、支护油缸撑顶撑底、随动挡矸帘防护于一体的多钻机整体滑移平台,将掘锚一体机作业空顶距由2.5 m降至1 m,作业空帮距由3.5 m降至1 m。(3)软弱围岩多维度协同支护技术。综合考虑锚杆锚索支护参数间的时空协同效应和支护体与围岩的协同效应,掘进工作面采用低密度强力锚杆支护控制顶板,后部同步实施增强永久支护。(4)钻锚一体化技术。主要包括锚杆结构和力学特性、锚固剂材料及泵注技术等。(5)煤帮喷涂临时支护技术。主要包括快反应高延伸率喷涂材料、高比例精度喷涂泵送、不规则煤壁表面自适应轨迹控制、矿用防爆高精度机械臂、喷涂材料配套补给等。基于以上内容,研制了可控作业空顶距掘锚一体机,并进行了井下试验。试验表明,该装备有效缩短了作业空顶距和空帮距,实现了作业空顶距“可控”,适应于软弱围岩巷道快速掘进,掘进效率提高了1倍。

关键词：软岩巷道快速掘进掘锚一体化钻锚一体化协同支护

基于三维激光点云比对的煤矿巷道表面位移监测研究

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煤矿安全 2024年第7期55卷 219-225页

作者：李俊林陈建华马宝国能神东煤炭集团有限责任公司陕西榆林719000

煤矿巷道表面位移监测对于确保矿山安全和稳定运营至关重要。采用基于点云法向量的下采样算法与多尺度模型到模型的点云比对算法(Multiscale Model-to-Model Cloud Comparison,M3C2)相融合的方式,实现了对巷道表面的特征提取与整体性监... 详细信息

煤矿巷道表面位移监测对于确保矿山安全和稳定运营至关重要。采用基于点云法向量的下采样算法与多尺度模型到模型的点云比对算法(Multiscale Model-to-Model Cloud Comparison,M3C2)相融合的方式,实现了对巷道表面的特征提取与整体性监测;通过三维激光扫描仪获取的三维激光点云对巷道表面进行重构,获取三维点云模型,利用点云对比算法对不同时期的2期点云数据进行处理,并以色值表征煤矿巷道位移区域变化,运用于实际巷道表面位移监测。结果表明:应用基于点云法向量的下采样算法与M3C2算法相融合的方式成功提取特征区域并实现巷道表面位移的整体性监测,此方法能直观反映巷道表面的变形区域,相比在巷道直接应用M3C2算法性能更优。

关键词：煤矿巷道测量表面位移监测三维激光点云 M3C2算法点云法向量

煤液化固渣萃余物的组成结构及铁催化剂活性相回收

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煤炭学报 2024年第4期49卷 2115-2123页

作者：李导高山松王洪学谢晶程时富王乾浩中国神华煤制油化工有限公司上海研究院煤炭直接液化国家工程研究中心上海201108

为解决大规模煤直接液化催化剂铁源供应问题,同时实现煤液化固渣萃余物的无害化分质利用,从固渣萃余物中回收铁催化剂的角度进行研究,探索采用物理磁选法进行铁催化剂富集回收的可行性。首先采用粒度分析、XRF、XRD、SEM、TG、SEM-EDX... 详细信息

为解决大规模煤直接液化催化剂铁源供应问题,同时实现煤液化固渣萃余物的无害化分质利用,从固渣萃余物中回收铁催化剂的角度进行研究,探索采用物理磁选法进行铁催化剂富集回收的可行性。首先采用粒度分析、XRF、XRD、SEM、TG、SEM-EDX等表征手段对固渣萃余物进行全面的物化性质表征,确定铁催化剂的质量分数和存在形态。由分析可知,工业装置固渣萃余物主要由未反应煤中的炭及残炭、挥发分及灰分组成,其粒度均匀且没有团聚,其中铁元素质量分数为5.96%,铁物种仍以具有顺磁性的Fe1-xS活性相存在,被未反应煤、残余沥青掺杂、包裹,与各种元素Ca、Si、Al、O等均匀混杂分布在萃余物中。在此基础上,选用4种型式的磁选设备在不同磁场强度下进行磁选富集,并将富集后的样品作为催化剂用于煤直接液化反应,考察其直接液化反应性能。试验结果表明,湿式立环脉动高梯度磁选机一方面将所产生的高梯度磁场力作用于磁性催化剂细粉,同时脉动流体力在一定程度上消除了非磁性颗粒的机械夹杂。在清水作为分散介质及洗涤介质下,更有效地实现了固渣萃余物中铁催化剂细粉的精细分离。在640000 A/m外加磁场强度下,含铁催化剂物料富集率为10.48%,铁元素质量分数可达11.37%,高压釜萃取油产率为41.96%,与无催化剂时相比高7.17%,比固渣萃余物提高8.99%,可掺混至新鲜催化剂中实现有效回用,部分解决催化剂铁源短缺的问题。

关键词：煤直接液化固渣萃余物铁催化剂回收液化性能

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我国煤矿快速掘进20a发展与展望

煤炭学报 2024年第2期49卷 1199-1213页

作者：王虹陈明军张小峰中国煤炭科工集团太原研究院有限公司山西太原030006 煤炭科学研究总院有限公司北京100013 煤矿采掘机械装备国家工程实验室山西太原030006

针对煤矿智能化快速发展,煤矿掘进面临新的机遇和挑战,笔者对我国煤矿快速掘进20 a的发展进行全面综述,以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势,以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面,... 详细信息

针对煤矿智能化快速发展,煤矿掘进面临新的机遇和挑战,笔者对我国煤矿快速掘进20 a的发展进行全面综述,以期理清掘进工艺、关键工序的技术及装备、成套装备的发展脉络及趋势,以便更好地推动掘进智能化的高速健康发展。在掘进工艺方面,双巷掘进开辟了截割、支护在不同巷道同时作业的新途径;掘锚同步工艺,时间-空间多维同步快速掘进工艺打破了先掘后支、及时全部支护的传统,创立了掘锚同步、迎头必要支护与多维空间永久支护动态匹配的分区支护方法。在掘进装备方面,形成了以纵轴、全宽横轴截割滚筒为主,全断面截割滚筒为辅的截割滚筒结构形式,并且在高功率密度减速器及整机设计理念不断突破的基础上,成功研制纵轴截割功率达315 kW、全宽横轴截割功率达560 kW的系列高效截割系统。在锚护装备方面,由传统的单体锚杆钻机发展出锚杆钻机、一键操作流程化钻机、钻机集群等,在有限空间内钻机的数量和作业安全性得到大幅提升,作业流程得到大幅简化,锚孔识别、锚护路径自动规划等智能化技术已进入工业性试验阶段。柔性运输系统的发明解决了掘进面短距离高效转载难题。在成套装备配置上,形成了以连续采煤机、掘锚一体机、掘锚机(掘进机+机载锚杆钻机)、煤矿全断面掘进机为龙头的四大类快速掘进系统,在四大快速掘进系统下,又分别形成了不同的作业线,实现了对不同地质条件巷道快速掘进的全覆盖。掘进工程系统层级上实现了具有成套装备的远程控制、集中控制、视频监测、闭锁联动、人员接近预警等智能化功能。回顾快速掘进的发展历程,提出完善时间-空间多维同步快速掘进理论、以智能掘进搜集透明地质的基础大数据、加强掘进巷道辅助作业工艺及设备研究、加强装备的智能化核心技术研发等智能掘进的发展方向。

关键词：快速掘进智能掘进截割锚护掘进成套装备

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高强度采动地裂缝形成与演化规律及减损方法

煤炭学报 2024年

作者：李晓斌李全生何富连张村韩鹏华张勇任赵鹏张传玖武洋北京低碳清洁能源研究院煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室国家能源投资集团有限责任公司中国矿业大学(北京)能源与矿业学院国能神东煤炭集团有限责任公司神东煤炭技术研究院

神东矿区高强度开采造成覆岩和地表损伤严重，威胁矿区生态安全。科学认识地裂缝演化规律和采动覆岩-地表损伤传导机理是井下安全减损开采、含水层自修复和地表生态环境治理的关键科学问题。综合采用现场实测、理论分析、数值模拟和物... 详细信息

神东矿区高强度开采造成覆岩和地表损伤严重，威胁矿区生态安全。科学认识地裂缝演化规律和采动覆岩-地表损伤传导机理是井下安全减损开采、含水层自修复和地表生态环境治理的关键科学问题。综合采用现场实测、理论分析、数值模拟和物理模拟等手段，首先分析了工作面矿压规律、覆岩结构特征和地裂缝宽度变化规律。然后考虑周期来压大小和覆岩结构特征，详细阐明了地裂缝宽度的动态发育过程呈“M”型双峰形态，深刻揭示了地裂缝产生机制。最后从工作面、覆岩和地表三个方面提出了采动损伤系统减损方法。研究表明，双关键层结构工作面存在大小周期来压，亚关键层破断影响小周期来压，主关键层失稳控制大周期来压，大周期来压步距为小周期来压步距的 2～4 倍，大周期来压载荷为小周期的1.07～1.13倍；中部动态裂缝呈“双峰”分布，具有自修复现象，边界裂缝呈“单峰”分布，对地表破坏性更严重；加快推进速度可减弱采动损伤程度和加快顶板下沉速度；从关键岩块回转下沉方面解释了中部动态地裂缝张开-闭合-张开-闭合演化过程；揭示了高强度开采导致压力拱结构失稳是地裂缝产生的根本原因；提出了推进速度优化、注浆成拱减损与地裂缝分区治理的系统减损方法。研究成果为煤炭规模化开采与生态环境保护相协调发展提供了理论与技术支撑。

关键词：现场监测关键层地裂缝推进速度减损方法

煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 219-237页

作者：王洪磊郭鑫张亦凡张俊升煤炭科学研究总院有限公司智能矿山研究院北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

当前,煤矿智能化正在向着中高级阶段迈进,煤炭工业数智化转型迫切需要实时掌握煤质煤量全面信息,因此,开展了煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展综述研究。在分析煤质煤量检测技术工业应用需求的基础上,重点阐述以激光诱导击... 详细信息

当前,煤矿智能化正在向着中高级阶段迈进,煤炭工业数智化转型迫切需要实时掌握煤质煤量全面信息,因此,开展了煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展综述研究。在分析煤质煤量检测技术工业应用需求的基础上,重点阐述以激光诱导击穿光谱法(LIBS)及其与其他光谱联合的多光谱联用技术为代表的光谱学技术的基本原理、优缺点、研究进展与工业应用情况和以图像分析为代表的人工智能煤质煤量检测方法。然后,基于不同技术的工业应用情况进行问题梳理,分析实时煤质煤量在线检测技术在工业应用中的技术局限性,包括:基于技术原理的探测精度问题;由复杂环境因素引用的设备稳定性问题;基于大量数据处理的算法分析问题;煤炭全产业链应用的技术适用与灵活性问题。最后,对未来煤质煤量全面分析及在线检测技术提出4点发展建议:结合地质条件的煤质在线检测技术研究;工业化多光谱联用技术研究;光谱学与图像分析技术联用煤质煤量全面分析技术研究;智能化在煤质煤量实时检测的深入应用研究。智能化煤质煤量全面分析及在线检测装备研发需多学科共同努力,基于煤岩学、光谱学、仪器仪表工程、数据处理和模式识别、人工智能和机器学习等多学科科学技术,建立工业应用场景-煤质煤量参数-实际应用指导数据库,是实现智能化煤质煤量在线检测,掌握和预测全面煤质煤量信息的重要发展方向。

关键词：煤矿智能化煤质煤流量激光诱导击穿光谱分析法图像分析与机器视觉