浅谈中国煤炭资源的高效洁净利用

根据中国不同类别煤的基本特性及其储量和产量的分布情况,并结合我国当前煤炭利用的现状,探讨了对各类煤的高效洁净利用的不同途径。对褐煤建议在大力发展脱水、改性提质的基础上开发液化、气化和先进燃烧器等高效洁净利用技术;对其他类别的动力煤,按其煤化度的不同提出了直接液化、间接液化、气化、高炉喷吹和IGCC以及水煤浆等高效洁净利用技术;对炼焦用煤应尽量发展能显著节能减排的大容积焦炉和干法熄焦等高效洁净利用技术以及以低阶炼焦煤为主的捣固炼焦技术。

我国典型矿区石炭―二叠纪煤炭资源分布与煤质特征

我国石炭―二叠纪煤炭资源仅次于以动力煤为主的侏罗纪煤,但全国炼焦煤和无烟煤资源主要赋存于石炭―二叠纪煤系,因此剖析我国典型矿区石炭―二叠纪煤炭资源分布与煤质特征具有重要的现实意义。从不同地区石炭―二叠纪煤炭资源分布解析其区域分布特征,并重点阐述华北区山西省、华东区山东省、西南区贵州省六盘水煤田及西北区陕西省渭北煤田等典型矿区煤质特征。由综合分析可知:我国煤炭资源十分丰富、品种齐全但地区分布颇不均匀,如炼焦煤或动力煤的产量均以华北及西南地区居多;其中晚古生代早二叠世山西统煤多为陆相沉积的低硫煤,晚石炭世太原统煤多为海陆交互相形成的高硫煤,而山西统煤矿区是我国主要的优良炼焦煤产区,山西大同矿区的石炭纪煤储量超300亿t,洗选后成为优质洁净煤;华东区山东以兖州为代表的石炭―二叠纪煤的特点是上部山西统煤厚度大且灰分、硫分低,是优质的炼焦用煤和动力用煤;安徽省以两淮矿区为代表的早二叠世煤储量超370亿t,多为早二叠世的上部石盒子统及山西统的陆相沉积特低硫煤且以上部气煤和下部1/3焦煤为主,淮北煤因受岩浆热液变质的影响而使煤类从各类炼焦煤到无烟煤及天然焦均有;西南区以贵州为代表的晚二叠世煤系的储量也超500亿t,但多以浅海相沉积的高硫煤为主,储量和产量均较大的盘江肥煤、1/3焦煤洗选后均为优质的炼焦用煤;西北区陕西省渭北煤田石炭―二叠纪煤的变质程度较高,其中韩城矿区的瘦煤是西北地区的主要炼焦用煤。南方晚二叠世煤的硫分比北方石炭纪煤的硫分平均约高出1%,而北方同为海陆交互相的煤田在各地区的硫分分布通常存在不同程度的差异,说明无论是海陆交互相沉积或浅海陆相沉积的高硫煤,其硫分的高低主要取决于海水入侵的时间长短、海侵深度以及海水中硫酸盐的丰度。

煤炭检测实验室信息管理系统的设计与应用

为了确保煤炭检测实验室数据的完整性、合法性、可追溯性以及提升实验室的技术和管理水平,实验室信息管理系统(LIMS)在煤炭检测领域的应用实践研究很有必要。从优化业务流程、规范体系管理、协同无纸化办公、构建产品数据库等方面阐述系统的功能定义,从系统设置、日常检测、数据查询、资源管理等方面介绍了LIMS模块设置,从样品接收、样品管理、实验任务等方面剖析了LIMS流程设计,并在网络安全、数据备份、系统升级、数据溯源、运行维护、功能拓展等方面提出了在应用过程中需注意的问题。应用实践研究表明,煤炭检测实验室信息管理系统可优化实验室的业务流程、规范其内部管理、提高工作效率及强化实验室质量监测手段,从而实现煤质检测数据大范围共享。

中国褐煤资源清洁高效利用现状

为实现褐煤资源清洁高效高值化利用,分析了我国褐煤资源的地域分布特征和基本煤质特性,系统梳理了褐煤主要利用方式,并对褐煤高效清洁利用方向进行展望。我国褐煤资源储量丰富且地域分布集中,其中内蒙古和云南省褐煤储量约占全国褐煤资源总量的90%;与云南褐煤相比,内蒙古地区褐煤成煤年代较早,其水分、灰分、硫分均较低,褐煤蜡含量也较低。燃烧是当前褐煤主要利用方式。褐煤化工利用技术众多,除液化制燃料油技术在我国实现工业化,少有其他技术工业应用成熟。今后需深化褐煤燃烧技术研究,积极推进褐煤燃烧清洁高效化发展;科学规划褐煤化工利用途径,加速突破褐煤化工利用技术关键壁垒;加速配套环保技术研究,探索适于褐煤利用过程的环保工艺路径。

实验室煤与充填体组合试样变形破坏特征研究

随着充填开采在煤矿开采中的广泛应用,对于煤与充填体组合受巷道覆岩破坏控制理论难以满足工程技术实践发展的现状,导致煤体应力集中、片帮破坏、巷道煤体动力突出等灾害变得更加严重,探究其组合结构本身劣化过程及破坏特征,是解决这类灾害难题的前提。基于充填体能够有效控制煤体及巷道稳定性的实践经验,本文采用现场测试和实验室测试的方法,研究煤体与夹矸界面处的微观结构特征以及充填体厚度对组合试样的影响。研究结果表明,随着充填体厚度的增加,组合试样的抗压强度逐渐降低。当充填体厚度为15 mm时,组合试样整体抗压强度降低至5.74 MPa,相比标准煤样降幅达到77.2%。此降幅主要由于充填体分割煤样,导致组合试样的等效弹性模量降低、整体性弱化和承载能力下降。煤岩组合试样的破坏形式和力学特性也受充填体位置的影响。在单轴压缩过程中,煤与充填体组合试样经历四个阶段:一是在组合试样开始受压时,应变集中在煤样边缘和充填体接触界面处;二是随着承载能力增加,应变集中位置转移至煤样与充填体界面处;三是在加载到峰值前组合试样下部煤样应变集中程度增加并出现裂隙扩展;四是加载达到极限强度后组合试样发生破坏。此外,充填体位置对组合试样的破坏模式和裂纹扩展也有显著影响。充填体厚度为6 mm时,裂纹主要集中在充填体上部和下部。充填体厚度为10 mm时,充填体下部的破坏更加明显。而充填体厚度为15 mm时,裂纹主要发生在组合试样中部。研究成果可为我国地下工程煤岩体变形失稳控制等方面提供一定的理论参考,对推进充填承载控制理论及其工程设计理论的发展具有重要意义。

相邻工作面开采扰动下覆岩破坏及地表沉降特征研究

为研究相邻工作面开采扰动下工作面上方覆岩破坏及地表移动特征,以新疆某矿地质条件为基础,采用相似材料模拟试验研究了相邻工作面开采扰动下工作面上方覆岩破坏特征,并结合数值模拟分析地表沉降规律。研究表明:受相邻工作面采动影响,工作面上方覆岩非贯通裂隙左侧和左下方各发育有两段微小横向非贯通裂隙,导水裂缝带高度由74.5 m发育至78.2 m;相邻工作面开采后中间区段煤柱由于支撑压力叠加,覆岩产生较高的剪切破坏,工作面覆岩破坏高度受二次扰动影响提高12.35%,整体破坏形态呈“马鞍形”;结合地表沉降监测数据,单工作面开采地表沉降值2.85 m,移动下沉曲线呈“V”形,受相邻工作面采动影响,地表下沉系数增长6.7%。研究结果可为类似矿井工作面安全开采提供参考依据。

煤炭检测实验室检测质量控制方法研究

针对《商品煤质量管理暂行办法》对煤炭质量管理的要求以及煤炭检测数据对煤炭实验室的重要性,从工作实际出发,列举了多种实验室内部质量控制方式和外部质量控制活动,结合具体实例对煤炭检测质量控制方法进行了探讨。分析提出了实验室应建立和完善人员管理体系,加强人员培训和规范操作;明确了实验设备应满足方法要求,做好设备检定/校准和标准物质的正确使用;强调了实验室要健全检测方法,做好非标方法的确认,完善设施环境,做好实验区域的划分和环境条件的监控。从人员、设备、检测方法和设施环境等方面对煤炭检测实验室检测质量控制方法进行探讨,可为煤炭检测实验室质量管理提供参考,全面保障煤炭检测结果的准确性、可靠性和客观性。

双碳背景下煤炭清洁高效利用方向构建

在双碳目标的背景下,基于我国以煤为主的能源结构和基本国情,煤炭清洁高效利用是实现能源转型的必由之路和首要任务,同时也是保障我国能源安全的基石。煤炭利用形成了集合理利用、转化和污染物控制为一体的洁净煤技术体系,虽已取得重大进展,但在推广应用中仍面临转化过程基础理论、工艺优化等核心问题探索以及解决反应器放大、系统集成等重大工程技术难题。建议从国家层面加强顶层设计,在煤制液体燃料及化工品、煤炭气化、煤炭高效燃烧和污染物控制及碳减排等4个方向进行攻关,从理论探索、核心技术开发、工程应用技术等方面解决煤炭利用过程中的效率、污染控制和碳排放问题,进一步推动低能耗、低水耗、低成本、低排放的煤炭清洁高效转化以及煤炭分质分级利用,从而推动煤炭利用实现“零污染物排放、零碳排放”。

顺序开采工作面小煤柱巷道布置方法研究

为减小顺序开采条件下小煤柱巷道布置面临的相邻工作面回采扰动及采空区覆岩运动影响,以巴彦高勒煤矿为例,提出1种“窄煤柱反掘+宽煤柱正掘”的小煤柱巷道布置方式,并分3个阶段分析了巷道布置的过程及相关影响因素;通过地表岩移观测分析,得出了采空区覆岩运动特征及稳沉距离。结果表明:盘区内工作面开采顺序的不同导致采空区覆岩运动特征存在差异性;采空区稳沉距离约为900~1000 m;23104工作面回风巷布置过程中严格遵循反掘巷道滞后采空区的稳沉距离和正掘巷道长度的设置要求,完成了巷道的合理布置,保证了工作面平稳接续。

面向智能煤炭采制样系统的数字孪生技术研究

数字孪生技术作为工业4.0时代的重要推动力,已经成为了现代科技领域的一大亮点,其在各个领域都得到了广泛的应用和发展。在智能煤炭采制样系统中,数字孪生技术可以用于对采样、制样过程中的各种参数和状态进行模拟和监测,通过构建一个高精度的数字模型来模拟、预测和优化实际的煤炭采制、制样过程,提高系统的智能化水平和操作效率。

我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术

我国煤炭资源大规模步入深部开采,深部开采冲击地压事故频繁发生,为了厘清深部开采冲击地压特点、启动类型以及防治与浅部开采的区别,为深部开采防治冲击地压提供理论与技术指导,以我国煤炭资源深部开采冲击地压特征研究为切入点,从诱发冲击地压的载荷源角度,结合工程实例,建立力学模型,研究提出了我国深部开采冲击地压的3种类型,最后提出了深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控方法。结果表明,我国煤炭深部开采冲击地压特征总体表现为因基础静载荷充足,发生门槛降低,冲击显现位置点多面广,发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大,防治范围扩大,应力恢复快,高强度、长时效卸压要求突出;将我国煤炭深部开采冲击地压划分为3种类型,即深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型。深部动静载叠加型,因深部煤炭资源高地压环境,与浅部相比,较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发生冲击地压。深部高静载加载型冲击地压,其静载荷缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳,导致工程结构体结构动力失稳的结果,而深部高静载卸荷型冲击地压,其高静载荷最小阻抗带减小,静载荷卸荷过程是围岩结构稳定性遭到破坏,导致工程结构体材料动力失稳的结果,2者存在本质差别;深部冲击地压防控与常规浅埋冲击地压防控,差别在于基础静载荷充足,增量顶板等动载荷来源复杂,冲击危险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低,因此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防控,阻止诱发冲击地压的载荷条件形成;在动静载荷分源防控指导思想下,针对顶板动载荷源,开发了顶板“钻-切-压”一体化技术,深度弱化顶板,消除顶板动载源;针对巷道两帮垂直应力集中,开发了煤层一次成孔300 mm超大直径无人钻孔技术,高强度、长时效疏导煤体垂直应力;针对巷道底板高水平应力,开发了巷道底角联排桩基,高强度切断水平应力,阻止底板冲击滑移等技术,现场应用效果良好。

我国煤炭开采与岩层控制技术发展40a及展望

开采方法与装备及岩层控制技术是保证煤炭正常生产的核心技术。介绍了改革开放40 a来我国采煤方法与装备、岩层控制理论与技术、特殊采煤与矿区生态环境保护技术的发展历程。基于煤炭科学研究总院开采研究分院主持和参与的科研项目,总结了40 a来煤炭开采与岩层控制技术取得的研究成果。包括薄及中厚煤层、厚煤层一次采全高综采技术与装备,厚及特厚煤层综采放顶煤开采技术与装备,及智能化开采技术与装备;采场覆岩运动与破断规律,岩层结构假说,液压支架与围压相互作用关系,及坚硬和破碎顶板控制技术;巷道锚杆支护理论与成套技术,破碎围岩注浆加固技术,及高应力、强采动巷道水力压裂卸压技术;冲击地压发生机理,冲击危险区域评价技术,冲击地压实时监测、预警及综合防治技术;开采沉陷理论,建(构)筑物下、近水体下、承压水上开采等特殊采煤技术,及矿区生态环境保护技术。40 a的研究与实践表明,我国煤矿已形成具有中国特色的煤炭开采与岩层控制成套技术体系,为煤矿安全、高效、绿色开采提供了可靠的技术保障。最后,提出了煤炭开采与岩层控制技术的发展方向与建议。

利用碱性物质对污泥改性制备污泥水煤浆的实验研究

针对污泥水分高、表面亲水性官能团多、持水性强、难以直接与煤掺混制备水煤浆的特性,进行了添加碱性物质对污泥改性制备污泥水煤浆的研究。结果表明,污泥经NaOH改性后,与煤掺混可以制备出浓度较高、黏度、流动性均好的污泥煤浆。同时发现,选用碱性造纸黑液改性污泥,不仅可以制备出性能好的污泥煤浆,而且可以节约制浆用水、添加剂,减轻了造纸黑液对环境造成的污染。

煤炭清洁利用发展模式与科技需求

中国煤炭利用方式还比较粗放,煤炭清洁利用的产业规模小,空间布局不合理,产生的能效环境问题突出,迫切需要转型升级。提出未来煤炭生产利用模式由煤炭生产转变为清洁能源生产,即大型煤炭基地生产—就地转化成油品、燃气、电力、化工品等清洁燃料和原料的发展模式,分析了支撑未来煤炭清洁利用方式模式的基础条件,提出了煤炭清洁利用的科技需求,对实现煤炭清洁高效利用和促进转型升级具有重要参考价值。

水库下煤炭开采安全性分析研究

为解决水体下安全采煤的技术难题,同时有效地保护地表水、地下水资源和水库坝体的安全,在以往研究成果的基础上,采用统计分析、理论计算和工程类比相结合的方法,从水库下采煤的安全性和开采对水库坝体的影响2个方面,对申家庄煤矿扩大区在岳城水库下采煤的安全性进行了论证。研究结果表明:"两带"发育最大高度为92 m,F37和F38断层安全煤柱宽度分别为87.3、129.0 m,防水安全煤(岩)柱留设合理,扩大区可实现安全开采;开采引发的地表下沉、倾斜变形、曲率变形、水平移动变形及水平变形不会波及到水库坝体,对水库坝体安全不构成影响。

煤炭开采与岩层控制的空间尺度分析

论述了煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同空间尺度,从全球尺度到煤体中的纳米级微孔隙.包括全球煤炭资源、煤田、矿区与井田、采掘钻空间、岩石力学试验、煤岩组分与结构、支护与加固材料组分及结构的尺度分布.介绍了不同尺度范围内煤炭开采与岩层控制的主要研究内容及研究方法.指出煤炭开采与岩层控制研究的空间尺度集中分布在10^-10~10^7m之间,跨17个数量级.不同尺度研究的重点内容不同,研究方法也不同.岩层控制中的一些岩层结构只能出现在一定尺度内.巷道与采场顶板中形成的梁、拱、层、壳等结构的尺度一般为10^-1-10^2m,远离这些尺度,岩层结构无法形成.岩层控制研究中,有些问题,如软岩遇水软化和膨胀,煤层的渗透性等必须从微观尺度开始研究;有些问题,如研究巷道和采场周围应力场与位移场分布,一般只需了解煤岩层的宏观物理力学性质即可;而还有些问题,如岩石的破裂,需从微观到宏观不同尺度进行研究.目前,从宏观、细观到微观的多尺度研究方法已在煤炭开采与岩层控制研究中得到广泛应用,不同尺度之间的相互联系非常重要.

厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏高度与特征

为研究厚土层薄基岩高强度开采覆岩破坏特征,以千树塔煤矿12305工作面为研究背景,综合运用UDEC数值模拟、现场实测和理论分析等方法研究了工作面开采后厚土层薄基岩类似地质条件下覆岩移动破坏规律。结果表明:随着工作面不断推进,覆岩破坏高度变化呈现出缓增、突增、稳定3个阶段,缓增和突增阶段主要发生在薄基岩中,而稳定阶段则发生在厚土层中,同时厚土层存在一定的液性指数,导致地表下沉滞后;通过冲洗液漏失量观测和注水试验得到该工作面导水裂缝带发育高度为84.5~86.5 m,裂采比为7.9~8.1,数值模拟及理论计算结果均与实测结果较为接近;阐述了厚土层薄基岩“两带”破坏模式,该模式中薄基岩和厚土层分别起到支撑和施荷的作用,薄基岩易被采动裂缝贯穿,而厚土层对采动裂缝的上向发育具有抑制作用。研究结果可为类似条件下矿井的安全生产提供参考。

库仑滴定法测定煤中全硫国际实验室间研究

基于《固体矿物燃料—库仑滴定法测定煤中全硫》国际标准提案进行国际实验室间研究试验,对试验数据进行统计分析及研究,确定该方法的精密度并对其准确度进行评估。评估结果表明,该方法的测定结果与经典的艾氏卡法无显著性偏倚,其精密度及准确度均满足要求,证明该国际标准提案的科学性及在国际上应用的适用性。

煤炭开采与岩层控制的时间尺度分析

论述煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同时间尺度,从全球最早的成煤地质年代到超动态的亚微秒级。包括不同成煤期,世界煤炭开采历史,矿区、矿井的服务年限及开采参数,静态、动态煤岩力学试验,煤岩破碎,围岩变形与破坏及煤矿动力灾害的时间尺度分布。指出煤炭开采与岩层控制研究的时间尺度集中分布在10^-7~10^16 s,跨23个数量级。在地质年代尺度上,可研究煤的形成、煤盆地演化、煤系地层应力场演化等内容。井工煤矿开采划分成不同矿区、矿井、水平、采区、区段进行,不同阶段的时间尺度不同。煤岩力学试验从蠕变到超动态,时间尺度范围为10^-7~10^9 s。岩石蠕变试验时间有的可达数年,而岩石动态破坏时间有的仅为微秒级。煤岩破碎、采掘空间维护是煤炭开采与岩层控制的两大任务,前者涉及凿岩、爆破、机械截割振动等动态问题,研究时间单位常用秒、毫秒、微秒;后者包括采场与巷道围岩控制。采场是移动场所,围岩变形、破坏、垮落及支架阻力变化较快,常以分、小时为时间单位;巷道服务时间较长,围岩变形与破坏的时效性较强,描述巷道变形与支护体受力变化的时间单位多为天、周及月。冲击地压等煤矿动力灾害持续时间仅为几秒到几十秒,研究冲击地压发生、发展及破坏过程,应从毫秒甚至更小的尺度上进行。不同的煤炭开采与岩层控制问题需要在不同的时间尺度研究。有些问题需要进行多时间尺度研究,才能发现问题的本质。世界煤炭开采已有2000多年的历史,特别是最近60多年,煤炭开采实现了重大技术革命。但大规模煤炭开采也带来一系列问题,如何继续做好煤炭开采与岩层控制工作,需要新思路、新工艺、新技术。

实验室煤体变形特征分析及弹性模量关联模型

煤体的弹性模量是煤体分类系统的输入参数之一。通过对实验室煤样基础力学参数筛选、挖掘,运用数理统计软件SPSS进行聚类分析,探究煤体各物理力学参数自身分布规律及相互之间的关系,在此基础上采用BP神经网络建立弹性模量关联模型。研究结果表明:煤体弹性模量与孔隙率呈负相关关系,随着孔隙率的变大煤体弹性模量减小,即煤体抵抗弹性变形的能力越低;随着泊松比的升高煤体弹性模量增大,即煤体抵抗变形的能力越强;高弹性能频发大多集中在弹性模量较低、孔隙率中等偏上的重叠区域。此外,按煤体抵抗变形能力分为4级:弱(0~3.6 GPa)、中等(3.6~5.5 GPa)、强(5.5~8.5 GPa)、非常强(8.5~12.8 GPa)。建立了基于煤体基础力学参数预测其弹性模量的关联模型以评估煤体的变形特征,煤体弹性模量预测值平均误差为6.3%,表明所提出的煤样弹性模量关联模型切实可行,可为煤岩体分类提供参考。