煤矸石资源化利用现状与进展

在实现“碳达峰与碳中和”目标的背景下,煤炭作为国家能源安全的基石,其绿色开发对我国经济建设和社会发展起到了至关重要的作用。然而,在煤矿开采及分选加工过程中,煤矸石作为煤炭主要伴生副产物,已成为我国急需处理的大宗固废之首。然而,目前煤矸石的综合利用率仍处于较低水平,尚未形成较为规范可行的研究体系。因此,针对煤矿开采与煤矸石堆积所造成的水、大气与土壤环境污染问题,通过煤矸石在生产能源、有价金属回收、建筑材料生产与其他方向的资源化利用的相关研究进展,结合煤矸石在防止重金属污染、土壤修复、防止水土流失等方面的应用,最后提出了煤矸石资源化利用未来的发展方向,根据整体进行规划与资源整合,不仅有大量用于常规目的的煤矸石资源化利用方向,同时还有用于生产高附加值产品的特殊用途,通过两者相结合,实现煤矸石的综合化和资源化利用,为其“减量化、资源化、循环化”发展提供借鉴。总之,煤矸石资源化利用是我国煤炭产业转型升级的重要方向,也是实现绿色可持续发展的必由之路。只有通过不懈的努力和持续的创新,才能更好地解决煤矸石堆积问题,推动煤矸石资源化利用向更加高效、环保、可持续的方向发展,为我国经济社会可持续发展做出更大的贡献。

矿物对无烟煤力学非均质性影响的分子动力学研究——以沁水盆地南部主要黏土矿物高岭石为例

煤是由有机显微组分和矿物组成的混合物,矿物的存在会导致煤的大分子结构存在差异,使得煤的力学性质具有明显的非均质性,进而影响区块内整体的煤层气产量、压裂改造效果和成熟技术的规模化应用。以沁水盆地典型的无烟煤和高岭石矿物作为研究对象,通过分子动力学的方法定量研究高岭石及其含量对无烟煤力学性质的影响规律,分析不同矿物含量下无烟煤的分子结构和孔隙特征,从能量和有序化的角度揭示其微观机理。结果表明:①煤有机质与高岭石相互结合过程中同时存在范德华力和氢键作用,且氢键作用强度要高于范德华力,煤有机质周围出现高岭石分子的概率、相互作用强度和有序性均随着矿物质量分数的增加而增大。②无烟煤的孔隙率φ随高岭石质量分数a的增大呈线性规律(φ=−0.2293a+9.6295)降低,而无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量均随高岭石质量分数的增大呈线性规律增强,泊松比随高岭石质量分数的增大呈二次多项式规律降低。③无烟煤的力学非均质程度整体上随着高岭石质量分数增加而增大,其中不同高岭石质量分数下体积模量、弹性模量和剪切模量的变异性可分为很低、低、中等、高和很高5个部分,而泊松比的变异系数均小于0.1,变异性很低。④随着高岭石质量分数的增加,煤有机质与高岭石的相互作用能呈线性规律(Einteraction=4.5585a+443.929)增大,与纯有机质相比,当高岭石质量分数达到20%时,无烟煤的键能和范德华能分别增加了63.86%和48.06%。⑤高岭石增强煤力学性质的内在原因是高岭石进入煤有机质后占据一定的孔隙空间,且与煤有机质的芳香碳骨架和不同官能团进行相互作用,高岭石质量分数越大充填煤大分子结构孔隙的程度越高,煤大分子结构的能量越大,导致煤大分子结构的孔隙率降低,有序性增大,使得力学强度和抵抗变形的能力增强。

粉煤灰-煤矸石充填技术的科学知识图谱分析

基于相关论文和专利,分析了该领域的研发态势和主要国家、研究机构及其研发重点的分布特征,并在此基础上开展主题分析,梳理了研究方向、主题和发展趋势。结果表明,目前该领域的研究论文产出呈现波动增长趋势,相关专利数量则呈现上涨趋势,我国是目前开展相关技术研发最多的国家,主要涉及流变学、抗压强度、机械性能以及充填工艺等方面。提出了粉煤灰-煤矸石充填技术研发的前沿动态、技术路线、研企合作、政策标准等建议,以期为相关领域决策和研究提供科学依据。

煤矸石浆体充填技术应用与展望

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。

CO_(2)/N_(2)/C_(2)H_(4)及C_(2)H_(6)分子在烟煤中的吸附模拟

C_(2)H_(4)和C_(2)H_(6)作为指标性气体易受到采空区残煤的吸附影响,降低其评价准确性。因此,为明确C_(2)H_(4)和C_(2)H_(6)在煤中的吸附特征,建立两种不同挥发分烟煤分子模型,采用密度泛函理论(DFT)和巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法对两种气体进行吸附模拟研究。结果表明:C2H6在烟煤中的吸附量最小,C_(2)H_(4)吸附量比CO_(2)小;在同一种煤中C2H6最容易达到吸附极限,C_(2)H_(4)次之,且吸附速率与温度呈反比。各含氧官能团静电势最小值出现在O原子附近。煤吸附气体时,C_(2)H_(4)和C2H6与含氧官能团结合能力介于CO_(2)和N_(2)之间。另外,—COOH相互作用能更大,其更容易成为C_(2)H_(4)和C_(2)H_(6)的吸附位点。

污泥掺烧对于褐煤灰熔融特性的影响研究

褐煤掺烧污泥能够缓解煤炭资源紧缺、实现污泥无害化处理。尤其在云南红河当地电厂实现褐煤与污泥的掺烧可以降低运输成本,快速消纳本地污泥。为了研究红河褐煤直接掺烧湿污泥的最佳比例,试验通过灰熔融分析仪、X射线衍射(XRD)、X射线荧光光谱分析(XRF)及灰成分计算,对红河褐煤与红河污泥按不同比例掺混后混合燃料的灰熔融特性和结渣特性进行研究。对比酸碱比、碱酸比、硅比、硅铝比和综合指数等判别指数,用酸碱比判断褐煤灰熔点的变化趋势和结渣程度效果最好。综合灰熔点下降趋势和结渣特性建议红河褐煤直接掺烧污泥的比例为5%。

煤矸石规模化综合利用整体解决方案研究

基于我国煤矸石的来源、性质和危害,研究分析了煤矸石综合利用现状及存在的问题,着重对煤矸石规模化综合利用整体解决方案进行探究,并结合煤炭资源禀赋,提出“源头减量-资源利用-无害处置”的煤矸石规模化综合利用方案,对煤矸石进行分类、分质梯级利用,以期实现煤矸石无害化、规模化、高值化利用,该方案适用于我国西部地区等大型煤炭基地。结合社会效益、生态环境效益和经济效益对煤矸石规模化综合利用进行评估与分析,为煤炭行业可持续发展和资源循环利用提供借鉴。

焦炭反应性对块矿高炉冶金性能的影响研究

研究焦炭反应性对块矿在高炉中的熔滴性能和滴落物质量等冶金性能的影响,可全面解析不同反应性的焦炭在高炉内的实际劣化情况,为完善焦炭综合评价指标体系提供技术支撑。通过铁矿石荷重还原滴落性能实验检测装置,在CO_(2)/N_(2)体积分数比为30%∶70%条件下,研究5种不同热态反应性的焦炭以及混装焦炭对高炉操作和滴落物质量的影响。研究结果表明:焦炭反应性从22.0%升至50.2%,软化温度逐渐减小,软熔带增厚;当焦炭反应性小于35%时,随着反应性的增加则压差陡升温度降低、透气性变差,同时滴落物中会逐渐出现难还原的Fe2SiO_(4)和未彻底还原的FeO,滴落物中焦粉含量也逐渐增加;当焦炭反应性大于35%时,随着反应性的增加则压差陡升温度升高,透气性得到改善,难还原的Fe_(2)SiO_(4)和未彻底还原的FeO逐渐减少,滴落物中焦粉含量也逐渐减少。按一定比例搭配的混装焦炭在减小软熔带厚度、改善透气性、减少滴落物中焦粉含量等方面优于单一热态性质的焦炭。

基于响应面法的煤矸石氯化焙烧除铁工艺参数优化

为解决煤矸石氯化焙烧除铁过程中氯化剂消耗量过高、焙烧时间掌握不准以及除铁率难以达到期望值的问题,以CaCl_(2)作为氯化剂对煤矸石进行氯化焙烧除铁,在焙烧温度分别为600℃,700℃,800℃,900℃,1000℃,CaCl_(2)添加量(质量分数)分别为5%,10%,15%,20%,25%,焙烧时间分别为90 min,120 min,150 min,180 min,210 min的单因素实验基础上,通过Design-Expert13.0.6软件设计和优化了煤矸石氯化焙烧除铁实验。通过方差分析、等高线分析、响应面分析证明了模型的可靠并分析了各变量之间的交互影响关系。运用响应面优化法以除铁率为指标优化了工艺参数。结果表明:焙烧温度与焙烧时间交互最为显著,CaCl_(2)添加量与焙烧时间交互最低。各影响因子按影响显著性由大到小依次为焙烧温度、CaCl_(2)添加量、焙烧时间;随着焙烧温度升高除铁率进一步提升,由于焙烧温度超过1000℃后产物会转为莫来石,因此控制焙烧温度不超过950℃,当CaCl_(2)添加量达到15%时除铁率最好,超过这一添加量会降低除铁率,焙烧时间达到180 min时除铁率基本上达到了最高值,继续延长焙烧时间对除铁率的影响不大;对响应面模型预测并优化后得到了最佳的工艺条件,即焙烧温度为915℃,CaCl_(2)添加量为15%,焙烧时间为175 min,在此条件下除铁率达到了95.23%,实验值与预测值基本一致。

煤矸石混凝土三相细观力学性能及细观破坏机理

为探究煤矸石混凝土力学特性,开展了煤矸石混凝土的多相细观力学特性试验研究,并基于细观尺度建立了煤矸石混凝土非均质数值模型,研究了煤矸石混凝土内部各种介质对煤矸石混凝土力学性能的影响。结果表明:细观模型能较好地描述煤矸石混凝土的力学特性、破坏模式和内部损伤演化过程;煤矸石混凝土的力学特性与三相力学性能有关,随着ITZ强度的增加,煤矸石混凝土的峰值应力先增大后减小,但残余强度趋于一致。改善ITZ力学特性对煤矸石混凝土的破坏模式及宏观裂缝的分布和扩展影响不大;提高水泥砂浆强度可以提高煤矸石混凝土的峰值应力和脆性;粗骨料强度提高了混凝土的峰值应力。当σ_(cp-Agg)<σ_(cp-M)时,可有效提高混凝土的峰值应力;当σ_(cp-M)<σ_(cp-Agg)时,峰值应力增长率迅速下降。增加骨料的强度可以改善混凝土的脆性。

粉煤气化耦合绿氢制甲醇过程经济性和减碳研究

重点介绍了煤和绿氢耦合制甲醇替换煤制甲醇过程的经济效益和CO_(2)减排情况对比。使用光伏发电电解水生产绿氧、绿氢,绿氧用于煤气化,绿氢全部替代工艺变换产生的灰氢。在煤炭价格为500元/t、工业用电价格为0.86元/kWh时,煤制甲醇单位甲醇成本约为1 527.1元/t;当绿电成本为0.2元/kWh时,煤和绿氢耦合制甲醇生产成本约为1 669.7元/t。若煤和绿氢耦合制甲醇全部替换煤制甲醇,CO_(2)排放量将减少98.5%。大规模绿氢和绿电与煤化工的深度耦合可实现CO_(2)直接减排,助力“双碳”目标实现。

基于SE-YOLOv5模型皮带异物检测算法研究

以某煤矿1305智能工作面皮带异物识别为工程背景,为了解决井下皮带运输机因废弃锚杆、大块煤等异物而导致的皮带撕裂甚至损伤停机等问题,亟需开展皮带异物智能检测研究。本文提出了SE-YOLOv5皮带异物智能检测方法,该方法以YOLOv5目标检测技术为基础模型,加入SE通道注意力机制进行优化,并对学习率、图像输入批大小、权重衰减等模型参数调整,对构建的数据集进行训练检测,将检测结果与Faster-RCNN、YOLOv3、CenterNet、YOLOv5等模型进行对比。研究结果表明:SE-YOLOv5模型预测结果得到较大提升,对锚杆的预测精度达0.98,对大块煤的预测精度达0.88,召回率(Recall)为0.91,各个检测目标平均精度的平均值(mAP)为0.912,单张识别速度为0.037s;此外,对处于低照度、高粉尘浓度等环境下的数据集仍有较高的识别率,说明SE-YOLOv5模型检测精度高、速度快、鲁棒性强,可以满足复杂环境下皮带异物识别的要求。煤矿皮带异物检测是煤矿安全和生产效率的关键组成部分,采用现代化的检测技术有助于提高系统生产效率,保障设备安全,降低维护成本。

煤矸石资源化及其渣山土壤重构技术研究进展

煤炭开采过程中会伴随产生煤矸石固体废弃物,大量露天堆放的煤矸石形成渣山,占用大量土地的同时破坏当地生态系统,造成土壤严重退化和植被破坏等问题。中国煤矸石资源化利用率远低于产出率,同时现有的煤矸石渣山修复技术主要以土壤重构技术为主,在低海拔矿区得到广泛应用,但对于生态脆弱的高寒高海拔矿区仍极具挑战性。本文简述了煤矸石的理化性质和现有资源化利用技术,对比了国内外煤矸石渣山土壤重构技术的不同,详细综述了以表土回填、客土覆盖和人造土壤为主的土壤重构技术在我国低海拔矿区的应用,以及以青海木里煤田为代表的高海拔矿区现有的土壤重构方法。探讨了煤矸石现有资源化利用技术的不足和土壤重构技术存在的问题,对高海拔矿区土壤重构的机遇与挑战进行了展望。煤矸石资源化利用应以高附加值为主,土壤重构技术应从本质上利用煤矸石有机质高的优点,在成本、安全性和效果持续性等方面亟需改善,以促进其在煤矸石资源化利用和渣山修复中的发展。

基于煤矸石混凝土正交试验的试验研究

目前,煤矸石是我国年排放量和累计堆存量最大的工业废弃物之一,有文献研究发现,煤矸石粉碎后,其可以部分或全部代替黏土组分生产普通水泥。该研究以煅烧过的煤矸石粉与非煅烧过的煤矸石粉为研究对象,在混凝土中利用煤矸石替代一部分水泥,来研究混凝土的抗压强度。通过正交试验,发现煅烧过的煤矸石粉活性大于未煅烧的,且煅烧过煤矸石替代水泥的最佳替代范围大致在20%~35%;未煅烧过煤矸石替代水泥的最佳替代范围大致在15%~30%。这个研究结果实现对煤矸石的再利用,具有保护环境和节约资源的重要意义。

褐煤改性提质关键技术研究及产业化应用

提出一种褐煤分质分级改性提质关键技术,阐述了该技术的主要工艺流程以及提质褐煤的相关参数,采用褐煤提质技术,不但可以在提高煤粉着火温度的同时降低爆炸风险,还可以大大减少氮氧化物等污染物的释放。提质后的褐煤可以拓展其在下游产业的应用范围,重点介绍分质分级改性提质褐煤在燃煤电厂、建筑材料及农业种植中的应用,通过研究成果的对比分析,提质改性褐煤可以提高燃煤锅炉的稳定性与安全性,减少建筑材料生产过程中的碳氮污染源,相应提取液作为农用助剂还能促进水稻植株的生长发育,具有良好的产业化应用价值。该工艺流程不仅能够更好服务我国“能耗双控”战略目标,还可以促进提质褐煤从单一燃料端应用向多元化应用的转变。

原状/活化煤矸石对水泥性能的影响及机理研究综述

采煤、洗煤等工序会产生大量附加的固体废弃物,即煤矸石。煤矸石一般采用露天堆积的办法进行治理,大量乱堆乱放的煤矸石构成矸石山,在浪费土地资源的同时又会带来严重的污染问题。同时,煤矸石作为固废资源也可以用于土建行业及其他诸多领域中,但是由于缺乏技术,使得当前煤矸石资源利用率不高。为了提高煤矸石综合利用率和缓解环境压力,主要概述煤矸石综合利用现状及煤矸石对水泥混凝土性能影响与机理研究,提出今后需要解决的问题。随着人们环保意识的增强,煤矸石必将被广泛应用到各个领域。通过总结,对煤矸石综合利用的开发及降低水泥成本和改善水泥性能具有一定的借鉴意义。

长治地区煤矸石成分特征及利用现状探究

介绍了长治市煤矸石综合利用现状,通过采集长治不同矿区煤矸石样品,对煤矸石样品的元素组成以及物相结构进行了研究,为今后长治地区煤矸石的产业化综合利用提供了依据。

基于CSPNet-YOLOv7目标检测算法的煤矸图像识别模型

煤矸识别技术是矿井智能化建设的关键技术之一,针对工作面低照度高粉尘环境造成的煤矸识别模型精度不高以及小目标煤矸难以识别的问题,提出一种基于CSPNet-YOLOv7目标检测算法的煤矸图像识别模型。采用跨阶段部分网络(Cross Stage Partial Network,CSPNet)改进YOLOv7模型的主干特征提取网络,优化梯度信息减少网络参数,同时采用递归特征金字塔(Recursive Feature Pyr-amid,RFP)和可切换卷积(Switchable Auto Convolution,SAC)替换颈部特征提取网络中简单的上下采样和普通卷积模块,并采用3次迁移训练进行不同宽度和深度的特征学习,增强网络的泛化能力。试验结果表明,CSPNet-YOLOv7模型的平均精度均值为97.53%,准确率为92.24%,召回率为97.91%,F1得分为0.95,模型的参数量为30.85×10^(6),浮点运算次数为42.15×10^(9),每秒传输帧数为24.37 f/s,与YOLOv7模型相比,平均精度均值提高了7.46%,参数量和浮点运算次数分别降低了17.23%和60.41%,相较于FasterRCNN-Resnet50、YOLOv3、YOLOv4、MobileNet V2-YOLOv4、YOLOv4-VGG、YOLOv5s模型、CSPNet-YOLOv7模型对煤矸识别的平均精度均值最高,同时参数量和浮点运算次数较小,在识别精度和速度之间有着较好的平衡。最后,通过井下现场试验验证了CSPNet-YOLOv7模型,为煤矸精准识别提供了有效技术手段。

W-OH固化剂对高寒矿区煤矸石水分入渗的影响及模型拟合

采用室内积水条件下煤矸石柱水分入渗模拟试验,研究了不同浓度W-OH(0%、1.5%、2.5%和3.5%)喷施处理对高寒矿区煤矸石水分入渗的影响,同时采用Philip、Kostiakov和Horton 3种入渗模型对入渗过程进行拟合,利用一维代数模型预测煤矸石剖面体积含水率分布特征,并评价模型适用性。结果表明:(1)累计入渗量和湿润锋前进距离随入渗时间的增加而逐渐增加且与WOH浓度存在负相关性。同一入渗时刻,W-OH浓度越大,入渗率和湿润锋前进速率越小,与对照(0%W-OH)相比,3种W-OH浓度(1.5%、2.5%、3.5%)处理的初始入渗率分别降低了1.12%、3.59%和9.64%,稳定入渗率分别降低了16.92%、78.46%和89.23%,平均入渗率分别降低了11.35%、58.26%和71.02%。(2)3种入渗模型都能较好地拟合不同浓度W-OH处理煤矸石水分入渗过程,Philip、Kostiakov和Horton模型的决定系数(R2)均值分别为0.962、0.957和0.967,其中Horton模型的拟合效果较好。(3)积水入渗过程中同一W-OH浓度,埋深越大,水分入渗至各监测点所需的时间越长,同一深度,W-OH浓度越大,水分入渗至各监测点所需的时间也越长。(4)一维代数模型可以较好地模拟入渗结束后煤矸石剖面体积含水率分布特征,模拟值与实测值间的均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)分别在2.574%~3.326%之间和2.308%~2.707%之间,符合度指数(D)均在0.92以上。研究结果可以为W-OH固化剂在高寒矿区煤矸石山冻土剖面重构中的应用提供理论指导。

煤矸石综合利用技术现状与标准体系研究

煤矸石是煤炭开采和选煤过程中产生的主要废弃物,在我国西北地区产生量巨大。由于缺乏有效的综合利用,大量煤矸石无法消纳,只能就地堆存,占用了大量土地资源的同时也带来环境污染和生态破坏的风险,因此,探索建立煤矸石的综合利用技术体系,并配套完善的技术标准体系至关重要。本文对我国近十年来煤矸石产生和利用情况进行分析,并调研当前国内煤矸石综合利用技术现状和标准体系,分析总结出制约我国煤矸石综合利用技术发展存在的问题,包括无法支撑大规模消纳需求、缺乏技术标准体系支撑、技术区域特征明显、不利于复制推广等;针对技术推广过程中缺乏技术规范及标准的情况,总结当前煤矸石综合利用领域标准现状,提出当前标准体系中存在的问题,包括缺乏污染防控标准体系、缺乏综合利用技术规范等。通过上述分析,为煤矸石综合利用行业提出相应的建议,旨在为煤矸石综合利用技术体系的发展方向和标准体系的完善提供参考和借鉴,以实现煤矸石更加高效、安全和环保的综合利用。