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多关键层窄煤柱冲击地压发生机理与三级协同防治技术

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煤炭学报 2024年第S1期49卷 45-56页

作者：翁明月苏士杰孙如达谢非丁国利夏永学中天合创能源有限责任公司中煤科工开采研究院有限公司

以门克庆煤矿11–3106工作面为背景，建立了11–3106工作面上覆厚硬覆岩结构破断模型，研究了深部厚硬顶板高强度开采条件下多关键层窄煤柱临空巷道冲击地压发生机理，提出了“钻-爆-压”三级协同卸压防治技术并现场应用，采用震波CT技... 详细信息

以门克庆煤矿11–3106工作面为背景，建立了11–3106工作面上覆厚硬覆岩结构破断模型，研究了深部厚硬顶板高强度开采条件下多关键层窄煤柱临空巷道冲击地压发生机理，提出了“钻-爆-压”三级协同卸压防治技术并现场应用，采用震波CT技术、微震监测、支架压力监测和地表沉降观测等多种手段进行了卸压效果验证。研究结果表明：11–3106工作面上覆存在高、低位关键层，当两关键层破断时，均可能造成覆岩大范围运动，临空巷道围岩受动载扰动影响大；窄煤柱承载能力低，使得覆岩载荷向巷道实体煤侧传递，实体煤侧应力增高，是冲击启动的主要区域；在侧向固定支承压力和本工作面移动支承压力叠加作用下，实体煤侧应力集中程度不断升高，受坚硬顶板周期性破断影响，“动静”加载容易诱发临空巷道冲击显现；坚硬顶板既是11–3106工作面系统内高静载力源，又是系统外强动载荷来源。对于11–3106工作面的冲击地压防治，应同时从3个方面入手：(1)弱化煤体，形成冲击发生的缓冲隔离带；(2)预裂低位顶板，减弱煤岩体致密程度，破坏系统内外的蓄能条件；(3)预裂高位顶板，人为诱发中高位关键层破断。开发了“钻-爆-压”三级协同卸压防治技术，现场实施后，降低了高、低位厚硬顶板破断带来的冲击动载，减弱了煤体内高应力区的应力集中程度，高能量微震事件大幅减少，降低了工作面回采期间的围岩活动性，工作面顶板来压强度降低，地面沉降值增加200%，表明“钻-爆-压”三级协同卸压具有良好的“释能减冲”效果，可为类似厚硬顶板条件下窄煤柱工作面的冲击地压防治提供借鉴。

关键词：冲击地压窄煤柱应力演化致灾机理三级协同卸压

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煤矸石浆体充填技术应用与展望

煤炭科学技术 2024年第4期52卷 93-104页

作者：朱磊古文哲袁超峰刘成勇潘浩宋天奇盛奉天中煤能源研究院有限责任公司陕西西安710054 中煤西安设计工程有限责任公司陕西西安710054 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中煤(鄂尔多斯市)能源科技有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017000

为实现煤矸石原位、绿色和规模化处置,煤矸石浆体充填技术作为新兴充填技术近年来得到了快速发展与应用。论文系统回顾和总结了煤矸石浆体充填技术框架提出、浆体充填理论体系形成、工程示范应用及技术迭代创新等不同阶段下浆体充填标... 详细信息

为实现煤矸石原位、绿色和规模化处置,煤矸石浆体充填技术作为新兴充填技术近年来得到了快速发展与应用。论文系统回顾和总结了煤矸石浆体充填技术框架提出、浆体充填理论体系形成、工程示范应用及技术迭代创新等不同阶段下浆体充填标志性成果与关键工艺技术,形成了高位注浆、低位灌浆和邻位注浆3种充填方式,建立了煤矸石浆体采空区垮落带流动的“介入理论”和浆体管道输送的“三度一场”理论,成功开展了国内外首套煤矸石井下浆体充填和地面制浆+井下邻位注浆充填示范工程;阐述了煤矸石浆体充填技术体系,围绕煤矸石浆体充填过程中的煤矸石破碎、成品矸石粉料加水制浆、制备浆体泵送和井下目标区域充填等工艺流程,探讨了煤矸石高效分级破碎、浆体精准制备、浆体管道输送和末端充填等关键技术核心问题,分析了破碎设备、筛分设备、计量设备、搅拌设备和泵送设备等关键设备技术原理与应用场景;以张家峁煤矿小空间、多设备、高能力的煤矸石浆体充填需求为工程背景,创新研发设计了煤矸石浆体充填地面制浆、管道输送、井下充填和智能控制等不同系统的布置,年充填矸石量可达55.4万t,形成了煤矸石浆体充填工程示范,实现了矿井矸石零排放和绿色处置,树立了良好的地区示范效应;未来煤矸石浆体充填技术将围绕设备小型轻量化、系统高度集成化、技术迭代创新化等方向进一步研究发展,为构建煤矿绿色开采技术体系、实现国家“双碳”目标提供技术支撑。

关键词：煤矸石浆体充填煤矸石高级分级破碎绿色开采 “双碳”目标

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煤基固废矿化封存CO_(2)技术研究进展

煤炭科学技术 2024年第2期52卷 309-328页

作者：朱磊古文哲宋天奇何志伟刘治成中煤能源研究院有限责任公司陕西西安710054 中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083

“碳达峰、碳中和”目标是中国维护全球生态安全的大国责任担当,也是实现高质量发展和生态文明建设的重要途径,CO_(2)减排势在必行。“相对富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋格局导致中国主体能源仍以碳排放强度较高的煤炭为主,煤炭作... 详细信息

“碳达峰、碳中和”目标是中国维护全球生态安全的大国责任担当,也是实现高质量发展和生态文明建设的重要途径,CO_(2)减排势在必行。“相对富煤、贫油、少气”的能源资源禀赋格局导致中国主体能源仍以碳排放强度较高的煤炭为主,煤炭作为电力、钢铁、煤化工等高耗能行业的重要能源与原料,在“双碳”目标实现过程中占有重要地位,煤炭工业通过低碳转型实现碳达峰,既是煤炭工业高质量发展的内在要求,也是落实国家“双碳”战略目标的重要抓手。相对于传统天然矿化原料,煤基固废矿化封存CO_(2)具有原料丰富、产物友好、能耗较低、反应迅速等优点,同时可以产出高附加值产物用于化工、建筑等领域,受到了广泛的关注。介绍了我国主要煤基固废煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、气化渣、炉底渣的特点,分析了我国主要CO_(2)排放源及产生量;回顾了按照矿化封存位置不同的原位和非原位CO_(2)矿化技术及按照矿化机理不同的直接碳酸化和间接碳酸化技术;综述了以煤基固废作为原料进行CO_(2)矿化封存技术的研究进展,发现该技术反应条件苛刻,成本较高,处理规模小,研究尚停留在实验室阶段;简述了以煤基固废作为载体,利用采空区作为储源矿化封存CO_(2)技术,主要包括构筑功能性充填体及制备负碳型充填材料2种技术;分析了煤基固废矿化封存CO_(2)现存问题及未来研究方向。煤基固废为原料的CO_(2)矿化技术,未来应优化工艺流程,降低反应成本,进一步加强工业化推广的研究;针对以煤基固废作为载体,利用采空区作为储源的CO_(2)矿化封存技术,未来应加强对深度矿化机理、封存风险评价及长期稳定性的研究,提高CO_(2)封存规模和长期稳定性。在此基础上,利用煤基固废制备浆体充填材料,以水为载体,以泵为动力,以管路为通道,将充填材料及CO_(2)输送至采空区进行矿化反应,同时结合微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术,封闭岩体采动裂隙,实现CO_(2)矿化封存。

关键词： “双碳”目标碳排放煤基固废矿化封存源头减排

煤岩层分段水力压裂裂缝扩展与应力演化特征实验研究

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实验技术与管理 2024年第9期41卷 47-53页

作者：马兴莹成小雨程成中煤能源研究院有限责任公司陕西西安710054

随着我国煤层开采深度不断增加,由于煤层低渗透性导致的瓦斯抽采效率问题愈发严重,常规的瓦斯抽采措施已经不能满足现状。结合煤层瓦斯地质赋存条件和定向钻进技术特点,开展了分段水力压裂煤层增透技术,可有效解决上述问题,其关键在于... 详细信息

随着我国煤层开采深度不断增加,由于煤层低渗透性导致的瓦斯抽采效率问题愈发严重,常规的瓦斯抽采措施已经不能满足现状。结合煤层瓦斯地质赋存条件和定向钻进技术特点,开展了分段水力压裂煤层增透技术,可有效解决上述问题,其关键在于水力压裂在岩层中所产生的新生裂缝能否顺利进入煤层并提供瓦斯抽采通道。该研究以沁水煤田某矿煤层顶板特征为背景,开展了地应力差、煤岩界面和泵注排量条件下的分段水力压裂实验,分析了分段水力压裂过程中试样生成裂缝发育规律及应力变化规律。研究结果表明:分段水力压裂过程中,第二段压裂效果受到第一段压裂所产生的裂缝影响,且泵注排量的增加会显著提高新生裂缝的发育扩展及连通度,有效改善了煤层透气性;整个压裂过程中应力变化曲线可以分为Ⅰ憋压阶段、Ⅱ裂缝扩展阶段、Ⅲ应力恢复阶段,其煤岩界面强度越高,越有利于岩层中新生裂缝扩展到煤层中。研究揭示了在地应力、煤岩界面和泵注排量影响下分段水力压裂过程中诱导应力的作用规律和裂缝扩展机制,实验结果对分段水力压裂煤岩层增透机理及其施工工艺参数设计具有一定的借鉴意义。

关键词：瓦斯灾害防治分段水力压裂裂缝扩展应力特性煤层渗透性

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高压液氢泵行业研究现状及关键技术问题

天然气工业 2024年第8期44卷 166-177页

作者：高浩华顾素平王琛张昕郑春辉赵瑞何广利北京低碳清洁能源研究院中天华氢有限责任公司国华能源投资有限公司国华(江苏)风电有限公司

将氢气液化,以液态氢的方式进行储运、加注是降低用氢总成本的重要方式之一,并有望成为未来面对更大用氢需求的更优选择。高压液氢泵作为液氢产业链中的核心设备,其国产化水平对于降低成本和提高产业链自主可控至关重要。为此,系统调研... 详细信息

将氢气液化,以液态氢的方式进行储运、加注是降低用氢总成本的重要方式之一,并有望成为未来面对更大用氢需求的更优选择。高压液氢泵作为液氢产业链中的核心设备,其国产化水平对于降低成本和提高产业链自主可控至关重要。为此,系统调研了高压液氢泵在加氢站的应用现状及国内外研发情况,分析了高压液氢泵研究中亟需解决的关键技术问题,提出了液氢泵国产化的技术攻关方向及主要路径。研究结果表明:①液氢加氢站主要有低压汽化压缩、液氢泵增压汽化和直接加注等3种技术模式,其中液氢泵增压汽化是液氢存储型加氢站的主流技术模式;②中国有关高压液氢泵研发的公开研究成果较少,高压液氢泵的国产化研发仍处在初级阶段,产品的稳定性和成熟度还有待验证;③高压液氢泵国产化研发亟需解决结构型式选择与设计、低温绝热性能、材料选择、活塞密封与泄漏控制等关键技术问题,并针对性地提出了液氢泵国产化的建议。结论认为,高压液氢泵设计需要在技术与性能,生产与维护之间综合考量,以确保其在极端低温环境下稳定、可靠运行;随着氢能产业的快速发展,氢能的跨境运输将成为现实,届时液氢将成为重要储运方式,高压液氢泵将在国际液氢物流运输船舶接收、储罐转注、液氢槽车充装、液氢加注等环节发挥更大的作用。

关键词：液氢加氢站高压液氢泵泵体结构氢脆绝热性能密封增压汽化

强含水层下特厚煤层综放开采导水裂隙带发育高度

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采矿与岩层控制工程学报 2024年第2期6卷 110-120页

作者：刘成勇宋伟盛奉天古文哲袁超峰张磊中煤能源研究院有限责任公司陕西西安710054 中煤西安设计工程有限责任公司陕西西安710054 陕西华彬雅店煤业有限公司陕西咸阳713500

导水裂隙带高度是顶板水害防治的关键参数之一,为研究强含水层下特厚煤层综放开采条件下导水裂隙带发育高度,以彬长矿区雅店煤矿ZF1405工作面为背景,采用多元非线性回归建立了导水裂隙带高度预测模型,并采用数值模拟和钻孔实测相结合的... 详细信息

导水裂隙带高度是顶板水害防治的关键参数之一,为研究强含水层下特厚煤层综放开采条件下导水裂隙带发育高度,以彬长矿区雅店煤矿ZF1405工作面为背景,采用多元非线性回归建立了导水裂隙带高度预测模型,并采用数值模拟和钻孔实测相结合的方法,对该条件下导水裂隙带高度进行了全面探测。结果表明:考虑的影响因素越多,建立的导水裂隙带高度预测模型越合理,模型预测结果为257.4m,相较于经验公式更精确;数值模拟得到的导水裂隙带最大发育高度为244.2 m,发育规律可分为缓增阶段(工作面推进0~200 m)、突增阶段(工作面推进200~280m)和稳定阶段(工作面推进280m后),其中突增阶段最易发生顶板涌水事故,现场开采时,工作面由开切眼推进至200m后需提前做好预防措施;钻孔钻液消耗量和钻孔窥视探测的导水裂隙带高度分别为247.4,238.4m;数值模拟和钻孔实测结果共同验证了预测模型的可靠性,为安全起见,取4种研究方法的最大值257.4m作为最终结果。研究结果可为类似条件的矿井导水裂隙带高度预测提供参考。

关键词：彬长矿区强含水层导水裂隙带预测模型钻孔探测

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脱硫废水烟道蒸干对脱硫废水和飞灰重金属浓度的影响

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洁净煤技术 2024年第S2期 627-633页

作者：杨建国张屹覃韦廷璠吴哲鹏李敏梁银河崔庆伟浙江大学能源高效清洁利用全国重点实验室浙江大学嘉兴研究院浙江浙能兰溪发电有限责任公司

将脱硫废水回喷到烟道中蒸干是实现脱硫废水零排放的主要手段之一，烟气脱氯可以实现脱硫废水减量，从而改善大量脱硫废水回喷对设备的影响。脱硫废水含有大量氯离子和多种重金属，在烟道中蒸干后形成的固体颗粒部分被除尘器脱除，剩下... 详细信息

将脱硫废水回喷到烟道中蒸干是实现脱硫废水零排放的主要手段之一，烟气脱氯可以实现脱硫废水减量，从而改善大量脱硫废水回喷对设备的影响。脱硫废水含有大量氯离子和多种重金属，在烟道中蒸干后形成的固体颗粒部分被除尘器脱除，剩下的会再次进入脱硫系统，在多次循环后可能会在脱硫废水中形成重金属的富集。以某660 MW机组作为对象建立模型，考虑除尘器脱除率与烟气脱氯效率的变化，分析脱硫废水流量变化，以及脱硫废水蒸干形成的固体颗粒的迁移行为对脱硫废水与飞灰中重金属浓度的影响。结果表明：在控制脱硫浆液氯离子浓度一定的情况下，受除尘器脱除率的影响，脱硫废水循环利用都将导致脱硫废水流量增加；当烟气脱氯效率为70%时，除尘器脱除率在90%当基础上增减5%,脱硫废水流量分别变化-5%和6%,脱硫废水中的重金属浓度变化幅度可以忽略；烟气脱氯会导致脱硫废水中重金属浓度增加到3倍多，不过脱硫废水全部内部循环利用，重金属富集并不是关键问题；脱硫废水回喷烟道后给飞灰带来的重金属浓度增加幅度基本不到1%,对飞灰品质的影响几乎可以忽略。

关键词：脱硫废水零排放烟气脱氯重金属浓度脱氯效率除尘器脱除率

杂原子掺杂电极用于全钒液流电池中的研究进展

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储能科学与技术 2024年第6期13卷 1849-1860页

作者：徐冉王宝冬王绍亮张琦张磊冯子洋北京低碳清洁能源研究院北京102211 国家能源欧洲研究院有限责任公司德国柏林10587

液流电池因其本质安全、超长寿命等特性,是大规模储能的关键技术之一。电极材料作为全钒液流电池的核心部件,其与电解液的界面特性会对液流电池的性能产生重要影响。通过电极表面改性处理方法能够实现其在高电流密度下的电化学活性提升... 详细信息

液流电池因其本质安全、超长寿命等特性,是大规模储能的关键技术之一。电极材料作为全钒液流电池的核心部件,其与电解液的界面特性会对液流电池的性能产生重要影响。通过电极表面改性处理方法能够实现其在高电流密度下的电化学活性提升,而电极表面杂原子掺杂技术是目前的研究热点。本文归纳了以石墨毡为基体的杂原子掺杂机理及其研究进展,着重介绍了碳骨架的原位掺杂和电极表面的杂原子催化剂两种掺杂策略,并总结了两种掺杂策略的掺杂类型和性能差异。其中,依据杂原子的电负性和原子尺寸,阐述了电极材料原位掺杂的机理,讨论了杂原子对碳纤维电子结构的影响方式;根据碳基材料催化剂的种类,介绍了多孔炭材料、碳纳米管和石墨烯三种碳基催化剂的杂原子掺杂对电极材料电化学性能的影响规律。综合分析表明,通过电极表面的原子掺杂不仅可以增加电极反应的活性位点,促进活性离子的迁移,还可以改善其亲水性,增大电极与电解液接触的有效面积。基于此,提出了采用调控电极表面电荷分布、官能团种类、构建缺陷位点等方法有效增强电极材料的稳定性和电化学性能,并有望在实现高电流密度下电化学活性提高的同时获得较高的电导率。

关键词：全钒液流电池电极原子掺杂杂原子催化

地下水水化学垂向分带特征及成因机制-以新街矿区为例

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煤炭科学技术 2024年第8期52卷 222-233页

作者：王旭东闫祖喻郭强张锁唐佳伟胡瑜恬刘小庆李井峰神华新街能源有限责任公司内蒙古鄂尔多斯017200 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北京102211

矿井水作为煤矿矿区主要的潜在供水水源,具有较好的综合再利用潜力。然而,煤层顶板充水含水层与围岩发生的复杂多样的物理、化学反应共同影响煤矿矿井水水质。因此,确定不同充水含水层地下水水质状况及其成因机制,对矿井水的保护与综合... 详细信息

矿井水作为煤矿矿区主要的潜在供水水源,具有较好的综合再利用潜力。然而,煤层顶板充水含水层与围岩发生的复杂多样的物理、化学反应共同影响煤矿矿井水水质。因此,确定不同充水含水层地下水水质状况及其成因机制,对矿井水的保护与综合利用具有至关重要的意义。本研究基于新街矿区一井田的地下水样本和岩石矿物成分数据,采用多元统计分析与水文地球化学方法,并通过PHREEQC软件对水化学平衡进行模拟,深入探讨了不同含水层地下水的化学特征及其矿物溶解/沉淀的垂直分带规律,旨在揭示其成因机制。研究发现:①矿区地下水的化学特征呈现出明显的垂直异质性,其中志丹群以HCO_(3)-Na·Ca、HCO_(3)-Mg·Ca型为主,而安定组至延安组则主要为SO_(2)-4Cl·SO_(4)-Na、SO_(4)-Na型,TDS、Na^(+)、可能是主导水质垂向分异的关键驱动因子。②关键水质指SO_(4)^(2-)标,如TDS、Na+和的浓度与含水层深度(从志丹群至延安组)呈线性关系,通过离子比值分析发现K^(+)、Na^(+)主要源于硅酸盐矿物溶解,Ca^(2+)、Mg^(2+)浓度受到碳酸盐、硫酸盐以及硅酸盐矿物溶解作用的共同影响。③矿物饱和指数的深度变化表明,白云石、斜长石和岩盐等矿物在不同含水层中存在未饱和与过饱和状态的交替,志丹群和安定组的地下水中,许多矿物显示出进一步溶解的趋势;而在直罗组和延安组,多数矿物已达到过饱和状态。④水岩相互作用控制不同深度矿井水的水化学组成,最上层的志丹群水化学组分主要受钠长石、钾长石、方解石、绿泥石等矿物溶解作用的影响,深部含水层硅酸盐矿物、石膏、岩盐和黄铁矿的溶解反应更强,并伴随着阳离子交替吸附作用,形成了高矿化的Cl·SO_(4)-Na、SO_(4)-Na型水。本研究深入探讨了煤矿区不同含水层地下水化学的垂直分带特征及其矿物溶解机制,为矿井水资源的精准管理、水质调控和环境保护提供了坚实的科学基础,具有重要的理论指导价值和实践应用前景。

关键词：矿井水水化学特征垂向分带矿物饱和指数新街矿区