煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题,近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而,现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈,对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标,提出了负碳高效充填开采技术全新构想,系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵,提出和建立了由CO_(2)、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO_(2)Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想;提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上,明确了煤矿负碳高效充填开采“基础研究—技术攻关—工程示范”的“三阶段”发展规划,构建了煤矿负碳高效充填开采理论与技术体系构想;评估了煤矿负碳高效充填CO_(2)封存能力,可望实现煤炭负碳开采、低碳利用的煤炭开发利用全过程自身实现碳中和的新格局。

超长柔性悬挂固体充填刮板输送机异常工况表征及自主调控方法

固体充填刮板输送机是固体充填开采技术的关键装备,其高效智能化的程度制约着固体智能充填开采技术的进步,暂难突破超大采长、大功率、高可靠性的瓶颈,运行状态受地质条件、充填工艺等主控因素影响显著,异常工况自主调控问题亟待解决。总结了固体充填刮板输送机特征;构建了固体充填刮板输送机位姿形态与运输状态表征方法;通过分析异常工况的形成机理,选取异常工况判别指标,结合位姿与运输状态表征方法,给出了其空间位姿、牵引状态等异常工况判别准则与典型异常工况的调控路径,揭示了多工况状态下固体充填刮板输送机运载调控机制,提出了实时调控充填材料运输量、直线及水平程度组合的异常工况自主调控方法。全国首个260 m工作面长固体充填工程案例表明:通过异常工况自主调控,平均最大水平偏移距每减少100 mm,刮板链牵引力可减少85 kN,输送功率损耗可减少55 kW;平均最大垂直偏移距每减小100 mm时,输送功率损耗可减少7.2 kW;单位长度货载运量每减少100 kN/m,刮板链牵引力可减少31.9 kN,输送功率损耗可减少38.2 kW。所提出的异常工况自主调控方法可显著提升固体充填刮板输送机的输送效能,可助力实现固体智能充填开采。

煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法

矿山固废处置与利用是我国煤矿开采中面临的主要问题之一,严重制约着煤炭资源开发与环境保护协调发展。井下充填是矿山固废绿色高效处置的重要技术途径之一,但现有充填技术增加了工作面生产工序,降低了15%~20%采煤效率,亟需解决矿山固废充填与煤炭开采之间时空干涉难题,突破矿山固废井下充填处置的技术瓶颈。为此,综述了矸石处置利用现状与存在问题,提出了煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法,系统阐述了嗣后空间矸石注浆充填方法内涵及关键科学与技术问题,给出了嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式,探讨了非均质矸石料浆流动性稳态控制机理、嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律、嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理等理论的研究重点,分析了毫米级矸石注浆充填材料研发、矸石料浆高效制备与输送、注浆钻孔布局及时效控制、矸石注浆充填效果智能监控等技术的研究难点。煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法创新了矸石井下高效处置新模式,完善了矸石综合处置与利用技术体系,引领了我国煤炭资源绿色安全高效开发新方向,在矿山固废高效处置及生态环境保护等方面具有广阔应用前景,可促进矿山矸石固废的源头减排、就地处置、循环利用绿色发展模式的建设。

“双碳”目标下煤田区地热资源开发利用与储能技术

开发煤田地热不仅可以改善煤田开采的温度环境,还可以通过地热能的清洁利用变“害”为“利”,尤其是在目前“双碳”目标下利用煤田采空区储能大有前景。评估获得我国主要赋煤区地热资源热储量为1.12×10^(19) kJ,折合标煤3795.39亿t,可采热储量1.71×10^(18) kJ,折合标煤569.31亿t。其中,华北赋煤区的可采热储量约占74.7%,特别西区(晋陕蒙宁分区)拥有神东、晋北、晋东、晋中、陕北、黄陇(华亭)、宁东7大煤炭基地,资源最为丰富,占近48.7%。进一步指出“煤−热共采”是煤田区地热开发利用的主要形式,包括充填埋管取热、采空区矿井水取热和深部煤矿含水层取热等。此外,提出将采空区以及排水后腾出来的空间作为“储层”加以利用是下一步的工作方向,并对回填(相变)材料储热、废弃煤田抽水蓄能和废弃煤田压缩空气蓄能做了详细评述。最后,对煤田热害防治技术进行了简要评述。总之,煤田规模化储能与热害防治和地热利用将成为煤田地热研究和开发利用的主要方向,是实现煤矿绿色转型和国家“双碳”目标的重要抓手。

基于DA-DE-SVM智能模型的煤岩体SC-CO_(2)压裂效果预测

煤岩体压裂效果是超临界CO_(2)(SC-CO_(2))压裂工程设计的主要依据。为准确预测煤岩体SC-CO_(2)压裂效果,基于多孔相向裂缝动态扩展模拟,筛选确定影响煤岩体SC-CO_(2)压裂效果的6个地质因素和4个施工因素,提出了一种集成支持向量机(SVM)、蜻蜓算法(DA)、差分进化算法(DE)的混合人工智能模型,利用支持向量机构建SC-CO_(2)压裂效果与其影响因素之间的关系,并利用蜻蜓算法、差分进化算法联合优化支持向量机的超参数。以相关系数、均方根误差、平均绝对误差为评价指标对混合人工智能模型性能进行了评估,并采用MIV方法对模型输入变量进行了敏感性分析,结果表明:本文提出的DA-DE-SVM智能模型能很好预测煤岩体SC-CO_(2)压裂效果,其训练集的R值为0.9572,测试集的R值为0.9316。SC-CO_(2)压裂效果影响因素的重要程度从高到低依次为:相邻压裂钻孔水平距离>垂直地应力>压裂液注入速率>相邻压裂钻孔垂直距离>煤体抗拉强度>水平地应力>压裂液温度>煤体渗透系数>煤体初始孔隙压力>煤体弹性模量。研究成果可为SC-CO_(2)压裂工程参数优化设计及工程应用提供重要指导。

专业学位研究生工程实践能力培养中校地合作工作站模式探析

随着国家不断提高对研究生教育的要求,矿业工程专业在研究生培养方面愈发重视学生的综合素养与工程实践能力。但是目前面向矿业工程方向专业学位研究生的实践教学还存在一些不足,以致学生的工程实践能力不足以应对岗位工作。基于此,课题组提出了校地合作工作站的新型实践模式,以期打造有助于培养专业学位研究生综合素质和工程实践能力的实践教学平台,依托校地合作研究生工作站创新专业学位研究生培养方式,推进“产学研”协同发展。

弱胶结断层岩体蠕变–冲蚀耦合突水模型

为研究弱胶结断层岩体突水灾变过程的时空演化特征,构建了弱胶结断层岩体蠕变-冲蚀耦合突水模型。该模型拓展了连续等效介质渗流理论,分别建立了弱胶结断层岩体的蠕变子模型和冲蚀子模型,其中所建立蠕变子模型充分考虑物质间质量转化、应力-应变及应变-孔隙率之间关系;所建立冲蚀子模型充分考虑了物质质量守恒、颗粒迁移及非Darcy流动规律。根据质量守恒方程叠加原理及孔隙率-有效应力、孔隙率-蠕变材料系数、蠕变应变-孔隙率-渗透率3组影响关系实现了子模型间的耦合,并给出了一维径向渗流方向耦合模型的控制方程。设定了突水模型的定解条件,并基于COMSOL Multiphysics计算软件构建了模型在空间和时间域的数值解算方法。通过比较室内试验及模型计算的孔隙率演化结果,验证了该模型的有效性。在此基础上,求解并分析了突水过程中巷道弱胶结围岩蠕变-冲蚀特征的时空演化规律。模型计算结果表明,对于蠕变演化特征,随着时间增长,有效应力下降,蠕变应变增加,试样出现加速蠕变特征;有效应力和蠕变应变空间分布的非均匀性特征随蠕变-冲蚀耦合进程显著加强。对于冲蚀演化特征,蠕变-冲蚀耦合进程初期细小岩石颗粒在渗水作用下不断迁移流出,液化颗粒体积分数增加,渗透率和流速不断增长,弱胶结岩体内部不断形成新的导水通道,后因蠕变效应逐渐增强,冲蚀效应有所减弱,并最终陷入停滞状态;越靠近巷道内壁,冲蚀效应越强,冲蚀效应停滞后孔隙率和渗透率的空间分布呈现出明显的非均匀特征,水压空间分布在蠕变-冲蚀耦合进程中呈现出非线性-线性-非线性的变化趋势。

断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律,构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明:(1)颗粒分形维数为2.6的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构,级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大,降低破碎岩体的压缩性,增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变,降低破碎岩体的压缩性。(2)渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用,束缚孔隙率对渗透率的影响较小,增大应力会降低破碎岩体渗透性,大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。(3)连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用Forchheimer方程描述,应力影响下破碎岩体的渗透率和非Darcy流β因子变化趋势相反,小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非Darcy流β因子减小。(4)构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型,通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献,可显著提高级配破碎岩体渗透率预测效果的准确性。研究结果为发展煤矿采动突水灾害理论和防控技术提供了科学依据。

煤矿微生物诱导碳酸钙沉积胶结充填开采技术研究

针对当前充填开采技术中水泥基胶结料存在的高排放和高耗能问题,将微生物诱导CaCO_(3)沉积(MICP)技术引入充填开采领域,研究了微生物胶结充填材料的力学性能,建立了基于MICP的微生物胶结充填开采技术体系。研究表明,拌和型和灌注型微生物胶结充填材料的强度随着营养液浓度和菌液用量的增加呈现先增大后减小的规律,平均强度分别为0.88 MPa和17.95 MPa;微生物充填材料内部的有效CaCO_(3)晶体是充填材料固结的关键,在拌和型试样中以方解石和球霰石的矿物形式存在,在灌注型试样中主要为方解石。微生物胶结充填开采技术的节能减排环境效益显著,特别是在当前环保需求和政策背景下,该技术具有科学价值和发展前景。

断层带破碎岩体采动剪切变形与渗透性演化规律

为探索采动影响下的断层活化突水机理,开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统,实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程,开展多因素影响下的破碎岩体剪切-渗流耦合试验,获得连续剪切过程中颗粒级配和初始孔隙率对孔隙率和渗透性参量的影响规律。结果表明,连续剪切条件下,破碎岩体的渗透率和孔隙率变化过程大致相同,可分为3个阶段:缓慢增长阶段,破碎岩石颗粒由散乱状态向有序的组织结构调整;加速增长阶段,破碎岩石颗粒剪切膨胀;增速放缓阶段,破碎岩体颗粒的剪切变形在围压的约束下达到动态平衡。试样Talbot指数越小或初始孔隙率越大,渗透率和孔隙率敏感性越强,渗透率和孔隙率越大;非Darcy流β因子的演化规律与渗透率的演化规律相反。结合数值模拟发现,剪切作用下破碎岩体剪切带内岩石颗粒的运移是剪胀现象发生的主要原因,破碎岩体剪胀过程中颗粒的力链由随机分布向特定方向转化,表现为局部孔隙和孔喉的膨胀,是孔隙率和渗透率增加的主要原因。研究成果可为深部煤矿突水灾害机理揭示与灾害防治提供参考。

深部煤炭资源采选充绿色化开采理论与技术

深部煤炭资源开采已势在必行,但面临更加复杂的开采环境、更加危险的开采扰动诱导潜在灾变过程。结合深部煤炭开采"四高一扰动"的挑战与充填开采在岩层控制等方面的技术优势,总结分析了深部充填开采面临的五大技术难题,提出深部煤炭资源采选充绿色化开采构想,即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选与矸石就地充填一体化生产系统,形成深部煤炭采选抽充防协同生产模式,实现深部煤炭及伴生资源的安全高效及绿色开采。该构想的初步技术体系已基本形成,并在平煤集团十二矿、开滦集团唐山矿等深部矿井建立了示范工程或基地。后续将继续深入开展深部充填开采岩层控制等6个基础理论方面的研究工作,创新采选充绿色化系统布置、自动化充填、物料大流量输送、煤矸智能分选等7项关键技术,形成深部煤炭资源采选充绿色化开采的系列理论与技术体系,为实现深部资源绿色化开采提供可靠基础。

煤矿“采选充+X”绿色化开采技术体系与工程实践

煤炭接续资源多在深部和优质资源多在西部并存的现状使得深部与西部开采成为煤炭资源开发的新常态,绿色矿山建设、绿色矿业发展与绿色化开采推进已势在必行。本文提出了煤炭资源"采选充+X"绿色化开采技术构想,即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选、矸石充填与"岩层移动主动控制、沿空留巷、瓦斯抽采、灾害防治、保水开采"一体化生产系统,形成了煤炭"采选充+X"(控、留、抽、防、保)协同生产模式;明确了"采选充+X"绿色化开采技术的内涵与技术框架,阐述了"采选充+X"的四代演化历程,分析了其践行绿色化的技术优势,给出了科学化的工程设计方法;阐述了5类典型"采选充+X"技术对应的技术原理、工程需求、设计流程与方法、关键技术及工艺装备等。工程实践分别证明了采选充+控、采选充+留、采选充+抽等"采选充+X"技术具有的显著技术优势与工程示范效应。未来"采选充+X"绿色化开采将延伸采选充+处、采选充+智、采选充+调、采选充+协等技术模式。整体形成的"采选充+X"技术体系,可为实现煤炭及伴生资源绿色化开采提供有力的技术支持。

煤基固废充填开采技术研究进展与展望

煤基固废充填开采技术符合煤炭绿色智能开采和洁净高效低碳利用行业主要攻关方向及新发展理念要求,是促进煤炭开采高质量化、环境低损伤化、绿色低碳化发展的研究重点与热点。笔者在总结煤基固废充填开采技术研发背景与发展历程的基础上,系统性介绍了煤基固废充填开采技术体系的研究现状,经过20余年产学研用联合攻关,历经5代技术的研发创新,已基本形成体系的典型固废充填技术包括综合机械化固体充填、膏体充填、长壁逐巷胶结充填、覆岩隔离注浆充填、井下采选充+X,为“三下”开采、条带煤柱回收、岩层移动与地表变形控制、煤基固废井下处置提供了较全面的技术途径;煤基固废充填开采充填材料本构模型、关键岩层控制及地表变形控制等理论研究也取得了较大进展,基本构建成充填开采岩层控制理论体系;面临产业智能化升级、深部资源开采、煤基固废规模化处置与资源化利用等重点发展趋势,煤基固废充填开采技术的主要发展方向包括但不限于煤基固废高效智能充填、井下嗣后注浆充填处置、深部充填采热、煤基固废充填井下碳封存、煤基固废绿色功能材料井下利用等。现有研究现状及发展趋势综合表明:煤基固废充填开采技术是实现煤炭资源绿色智能高效开采的重要代表性途径。

矸石充填综采覆岩关键层变形特征研究

在分析传统综采与充填综采覆岩变形特征的基础上,建立充填综采覆岩关键层力学模型,并运用弹性地基梁理论分析了关键层弯曲变形的特征,得到关键层最大挠度与强度、下部岩层弹性地基系数与岩性参数之间的关系。结合某矿的具体条件,计算得出充填综采工作面覆岩关键层的最大挠度,并通过改变充填材料的性质,研究了充填材料弹性模量与关键层挠度之间的变化关系,提出可通过提高充填材料弹性模量的方法减少关键层的弯曲变形量,证实了矸石充填具有限定关键层的变形、控制地表沉陷的作用。

煤矿矸石井下分选协同原位充填开采方法

煤矿开采伴随着矸石等固废排放和采场矿压与地表沉陷控制问题,推进煤矿绿色开发将是从源头上保护矿区生态环境的重要手段,统筹考虑煤炭采掘、原煤加工和固废排放的关系对于建设绿色矿山尤为重要,而煤矿井下采-选-充协同将是从根本上解决上述问题的技术途径。基于此,在充分考虑采煤、分选和充填基础上,以井下分选为核心,围绕充填开采方法构建了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式,阐述了煤矿井下采、选、充系统的时空协同关系,揭示了“就近分选+原位充填”的科学内涵,实现了充填能力与分选能力匹配、采充系统与分选系统布置、采充工艺与分选工艺组织和矸石物流运输与调控4个方面的协同;提出了实现不同目标层次的煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系,主要包括全粒级分选、煤矸分离和毛煤排矸3个不同等级的井下煤矸分选技术和实现采场矿压与地表沉陷控制、矸石处理和资源回收不同目标的井下原位充填技术2个方面;分析评价了新型跳汰分选、旋流器分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和γ射线分选5种井下煤矸分选方法的适用性,给出了煤矿矸石井下分选方法选择流程,确定了煤矿矸石井下分选系统及巷硐布置要求,探讨了煤矿井下全粒级分选的发展方向;提出了全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4种典型充填开采方法,明确了4种典型充填开采方法的定义、系统布置及技术优势,形成了充填开采方法选择流程,进一步对比分析了4种典型充填开采方法的地表沉陷与采场矿压控制效果。研究成果为实现煤矿煤炭开采、井下分选和矸石处理集约化提供技术借鉴,进一步丰富我国煤矿绿色开采的技术体系。

矸石充填综采工作面矿压显现规律

在分析充填综采顶板运动特征的基础上,建立了充填综采基本顶关键块力学模型,并通过分析矸石充填体与破碎直接顶压实变形规律,推导出了充填综采工作面支护强度力学关系式。对比传统综采,引入了充填综采工作面支护强度修正系数η,理论分析得出工作面采高变化在1.6～3.5m时,修正系数η的变化范围为0.49～0.84,得出充填综采工作面所需支护强度明显小于传统综采的结论。现场工程应用进一步证实了充填综采工作面没有明显的矿压显现。

“采选抽充采”集成型煤与瓦斯绿色共采技术研究

在总结综合机械化固体充填采煤技术研究进展的基础上,提出实施"采选抽充采"集成型煤与瓦斯绿色共采的现实需求与意义,并着重阐述了高瓦斯低渗透煤层开采技术、井下煤矸分选技术、混采工作面开采技术,提出了"采选抽充采"共采技术的基本原理。结合平煤十二矿存在的埋深超千米辅助提升困难、主采煤层瓦斯含量高与渗透率低、上覆煤岩体不具备常规保护层开采条件以及依靠开采"建筑物下"压煤保障矿井产量的开采条件,介绍了该矿"近全岩保护层开采→煤矸井下分选→瓦斯卸压抽采→充填与综采混合开采"的集成型共采技术的主要系统设计及工程应用效果。研究表明:"采选抽充采"集成型煤与瓦斯共采技术实现了高瓦斯低渗透煤层安全高效开采以及矸石直接井下回填,拓展了保护层与充填开采技术,提高了矿井资源采出率,延长了矿井服务年限。

建筑物下条带开采煤柱矸石置换开采的研究

针对建下条采煤柱回收和井下矸石处理的重大技术难题,提出矸石置换开采。通过阐述矸石充填巷集中与分散布置对地表移动的影响、分析置换开采留设煤柱的合理宽度,最终确定在条采煤柱中央集中布置2条矸石充填巷,充填巷尺寸为4.0 m×5.0 m(宽×高)、巷间煤柱宽4.0 m;基于数值模拟方法分析置换开采留设煤柱的稳定性、条采与置换开采老顶层面上垂直应力分布,得出置换开采留设煤柱满足煤柱强度设计要求、基本顶岩层结构保持稳定的结论。并运用相关的力学理论,分析置换开采后顶板的运动和变形特征,得出基本顶不会破断,地表变形没有超过建筑物允许变形范围。设计矸石置换开采充填工艺,该研究成果已成功应用于工程实践。

矿山生态环境低损害开采体系与方法

大规模高强度的采矿活动导致了严重的生态环境破坏,为了实现矿山生态环境低损害开采,必须遵循生态环境低损害采前规划的理念,从源头走生态环境低损害开采的自主创新之路。总结了采矿活动造成的生态环境破坏表现形式,阐述了生态环境损害开采模式与分类,分析了生态环境低损害开采的评价依据、评价指标及评价标准,明确了生态环境低损害开采的内涵,给定了生态环境低损害的"生态阈限",提出了将采矿活动"开采阈限"导致的生态环境损害约束到"生态阈限"之内的矿山生态环境低损害开采理念。进一步给出了生态环境低损害开采的设计方法,阐述了集绿色开采、深地开发、智能采矿、未来矿业等主要研究方向的典型代表技术为一体的生态环境低损害开采技术体系。开滦集团唐山矿的工程实践证明了充填开采等典型生态环境低损害开采技术工程示范效应。未来将从指标体系构建、开采损害评测、开采方法创新、开采系统融合等方面继续创新完善生态环境低损害开采的技术体系与基础理论,以期为实现煤炭及伴生资源的绿色化开采提供有力的技术支持。

矸石(固体废物)直接充填采煤技术发展现状

总结了矸石直接充填采煤的技术框架,系统地介绍了综采矸石充填技术、普采矸石充填技术和掘巷充填技术的充填开采系统布置、关键设备及充填开采工艺;研发了矸石直接充填采煤技术中矸石自地表向井下运输的大垂深投料系统,并对其进行了优化设计;以综采矸石充填技术为例,分析矸石直接充填开采矿压规律的等价采高模型,得到了充填综采采场所需支护强度,以及充填综采与传统综采支护强度修正系数η,并对充填开采后的地表沉陷进行了预计和实测分析,得出了充填开采较传统综采采场矿压显现减弱、地表变形等级仅为轻微的结论;从实现煤炭资源绿色开采应重视的基础科学研究、重点技术攻关等方面对今后矸石(固体废物)直接充填采煤技术相关研究进行了展望.