西部干旱半干旱煤矿区生态环境损伤特征及修复机制

我国煤炭开发重点已战略西移,实现煤炭资源绿色开采与生态协调发展,成为保障国家能源安全的重要举措之一。西部煤层大多数埋藏浅、上覆基岩薄、煤层厚,有利于一次采全高大规模井工开采或露天开采。但该地区气候干旱少雨、生态条件脆弱,大规模高强度对矿区及周边生态环境造成的损伤大。由于对开采过程中生态损伤演变机制及采后修复机理尚不清楚,没有成熟的修复理论和方法作指导,成为制约该地区煤炭高质量发展的重大难题。针对上述难题开展系统研究,认为精准勘测煤炭开采全周期工作面地质-水文地质条件和矿区生态演化特征,有助于阐明开采诱致上覆土岩破损机理、水资源散失富集与循环调运规律、生态损伤演变机理和承载力,并揭示采后矿区土岩层、水资源循环、生态自适应机理。采用植物-微生物组合修复方法,初步构建井工和露天矿山人工与自然协同的水-土-生立体耦合修复理论,提出了生态修复机制的新思考,在浅埋深矿区开采形成的裂缝发育犹如农田松土一般,成为生态修复新的契机,促进水-土-生再分配,并利用微生物修复技术,可促进矿区生态环境的正向协同发展,实现西部煤矿脆弱生态区开发“金山银山”,再造“绿水青山”的思维转变。

高地应力缓斜半煤岩巷道断面形状优化研究

为了优化高地应力缓斜半煤岩巷道的断面形状,以东欢坨矿3018工作面运道为工程背景展开研究。通过复变函数理论推导得出了倾斜煤层中不同断面形状的应力解析解,然后运用FLAC3D数值模拟求解了不同断面形状巷道的应力集中和塑性区情况,并以此为基础确定了巷道最优断面形状,最后结合现场工业性试验对研究结果的可靠性进行了验证。研究结果表明:高地应力作用下缓斜半煤岩巷道破坏呈现非对称形式;不管断面形状如何,巷道均在左、右两底角处呈现高应力集中,且应力集中程度矩形>梯形>直墙拱形;直墙拱形巷道稳定性最佳,梯形巷道次之,矩形稳定性最差,确定直墙拱形为最终巷道断面形状;现场巷道表面位移量监测结果表明,直墙拱形巷道更能满足现场安全生产要求。

大断面半煤岩巷道变形破坏机理研究及控制技术

针对大断面半煤岩巷道围岩变形控制难题,以小保当煤矿一号井大断面半煤岩巷道为研究背景,测试了巷道围岩岩层分布、围岩地应力分布及裂隙发育,分析了巷道围岩的变形破坏演化特征。通过实验室试验以及数值模拟分析了半煤岩组合体力学性能及其变形破坏形态,揭示了强度较低的煤体最先在煤岩交界面发生破裂、滑移,变形不断向深部延伸,随着煤岩体完整性及强度的持续弱化,造成巷帮由下而上的非均匀渐进性失稳破坏,揭示了提高大断面半煤岩巷道围岩稳定性的关键在于控制煤岩交界面非协调变形。基于此提出了采用高预应力锚杆支护与薄弱区域加强支护的变形控制思路,制定了小保当一号井大断面巷道半煤岩巷道围岩变形控制方案,并开展了井下工业试验,取得了较好的应用效果,在监测期内巷道顶板的位移量为28 mm,两帮的位移量为80 mm,底板的位移量为43 mm,随后围岩变形趋于稳定,巷帮煤岩交界处的变形控制效果显著,表明采用该方案可有效控制大断面半煤岩巷围岩变形。

O_(2)/N_(2)和O_(2)/CO_(2)气氛下煤半焦-生物质的混燃特性及影响因素

为掌握煤半焦与生物质在O_(2)/N_(2)和O_(2)/CO_(2)条件下的混燃特性及其影响因素,采用全自动物理化学吸附仪获得了煤半焦-生物质混合燃料的孔隙结构,采用热重实验分析了两种燃料的混燃特性和反应动力学,通过多元线性回归法研究了燃料比、比表面积与混燃特性参数之间的关系。结果表明,O_(2)/N_(2)气氛下,掺混生物质可改善煤半焦的着火、燃尽及综合燃烧特性;O_(2)/CO_(2)气氛下,掺混生物质能改善煤半焦的着火特性,但会延迟其燃尽。混燃的活化能在低温区和高温区有显著差异,生物质掺混比增大,两个温区的活化能都降低;两种气氛下,低温区的活化能相近,但O_(2)/CO_(2)气氛下高温区的活化能显著高于O_(2)/N_(2)气氛下的。O_(2)/N_(2)气氛下孔隙结构对燃烧特性的影响更显著,而O_(2)/CO_(2)气氛下燃料比对燃烧特性的作用更显著。

顶强帮弱半煤岩巷道围岩变形特性及控制对策

针对“顶强帮弱”半煤岩巷道巷帮围岩塑性破坏范围大、锚杆支护强度不足等围岩控制难题,以某矿8#煤层回采巷道为工程背景,在围岩力学性能测试、钻孔可视化观测及声波法实测巷帮不同高度松动圈的基础上,对该类巷道围岩的力学及宏观变形特征进行了研究,得出巷帮煤层既是影响巷道整体稳定的“短板”,又是支护的“关键”。建立数值模型分析了“顶强帮弱”半煤岩巷道围岩受采动影响的变形特征、应力分布规律及承载特性,提出了强化帮部薄弱部位的围岩控制对策,并进行了工业性试验。结果表明:对“顶强帮弱”半煤岩巷道帮部煤层采用“锚杆+斜拉穿层锚索+强护表构件”的支护对策可使其处于三向压缩受力状态,约束其向巷道内挤出变形,发挥封闭及主动促稳作用。

煤基半焦对重金属土壤中铬和镉的原位钝化及作用机制分析

工业化和城市化的快速发展对土壤造成严重的重金属污染,其中由于铬、镉的毒性强,对环境的危害极大。以资源丰富的石河子煤和乌鲁木齐煤为原料经热解制得半焦,将其作为铬和镉污染土壤的钝化材料,以实现重金属污染土壤的修复和改良。利用热重分析得到两种煤样热解的特征温度;采用N_(2)等温吸附法对半焦的孔隙结构进行了表征。通过重金属浸提实验,研究了半焦钝化剂作用时间和添加量对单一污染土壤及复合污染土壤中重金属有效态含量的影响。结果表明:乌鲁木齐煤基半焦具有较适宜重金属钝化的表面特征,孔径主要集中在1.8 nm~4.0 nm,单位面积酸性官能团和碱性官能团数量较多,分别为0.0026 mmol/m^(2)和0.0164 mmol/m^(2);在其添加量为5%,粒径为300μm~500μm,与土壤作用时间为90 d的条件下,铬和镉的有效态含量分别下降了78%和21%。相比于单一污染土壤,竞争作用使得复合污染土壤中铬和镉的钝化效果略有下降。此外,土壤中添加半焦后,土壤的pH值保持在稳定的弱碱性范围内,其有机质含量和阳离子交换量均有提高,改善了土壤的理化性质,可增强土壤肥力。

基于激光诱导击穿光谱与半监督学习的煤质定量分析研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)是一项新兴的原子光谱分析技术,具有无需复杂样品制备,快速、原位、多元素同时测量等优点,在煤质分析领域展现出良好的应用前景。近年来,化学计量学和机器学习模型被广泛用于煤质分析。而这些模型通常依赖于一定数量的训练样本来确保分析结果的精度和可靠性。由于获取煤样的真实的成分含量信息(标签)需要复杂、耗时的化学分析,训练样本数量不足,导致模型性能欠佳。针对小样本情况下基于LIBS技术的煤质分析,提出了多模型集成的半监督学习方法提升定量分析性能。首先根据初始训练集建立5个基线模型,包括多元线性回归(MLR)、偏最小二乘回归(PLSR)、局部加权偏最小二乘回归(LW-PLSR)、支持向量回归(SVR)、核极限学习机(K-ELM);利用5个模型处理无标签数据,得到5组预测值;对于每个无标签样本,计算5个预测值的标准差,并将最小标准差对应的无标签样本加入训练集,其伪标签为5个预测值的平均值;通过迭代循环来扩充训练集,并更新、优化训练模型;最后对测试样本进行分析。提出的方法在LIBS煤质分析数据集上进行了测试,包含20个训练样本、39个测试样本、280个无标签样本。结果表明,提出的半监督学习方法将固定碳、灰分、挥发分含量的预测拟合系数(R^(2))分别提高了0.033、0.102和0.118。在训练样本数量不足的条件下,半监督学习能够有效提升了LIBS定量化模型的准确度和可靠性。

高炉新建兰炭制粉系统的工艺设计

某钢厂新增一套全兰炭的磨煤制粉系统,以满足高炉喷煤需求。在借鉴现有成熟的中速磨负压工艺技术的同时,充分考虑兰炭水分高、磨损性等问题,采用不设煤粉缓冲仓工艺技术,对设计方案进行优化与改进。实践应用表明,该方案运行可靠、稳定,对后续类似的高炉喷煤系统进行新增制粉能力项目改造,具有一定的参考意义。

基于Aspen Plus的煤部分气化氢电联产系统模拟

为了提高煤制氢系统的能源利用效率,减少碳排放,构建了4种以煤部分气化为基础的新型氢电联产系统.基于Aspen Plus软件,采用系统效率、制氢效率作为评价标准,对各系统进行模拟与对比分析.结果表明:存在不同氧煤比与碳转化率使得系统效率达到最高,系统1~4分别在碳转化率为60%、85%、65%、60%时达到最高系统效率;各系统效率与气化效率随着气化温度的提高,呈先迅速增长后趋于平稳趋势;各系统效率与气化效率随着气化压力的提高,呈先迅速减少后趋于平稳趋势;在氧煤比为0.33,气化压力为2 MPa,气化温度为1000℃工况下系统1~4效率分别为59.12%、66.13%、62.21%和58.57%;采用CO_(2)与O_(2)作为气化剂,且CO_(2)与O_(2)的质量比为4∶1的煤部分气化加压富氧燃烧循环系统(系统2)在各项标准下具有优势,为最佳氢电联产系统.

极薄煤层半煤岩巷道切顶成巷矿压规律研究

针对禾草沟二号煤矿1105工作面回风巷出现的矿压显现异常、支护困难等现象,结合矿井实际情况,确定采用沿空留巷支护技术。通过数值模拟和现场实测相结合的方法对切顶成巷矿压规律进行研究,研究结果表明:切顶留巷后,巷道顶板垂直应力明显下降,工作面回采过程中,顶板应力变化呈单峰分布,工作面超前支承应力影响范围大于60 m,工作面侧向支承应力影响范围约为60 m,当工作面回采到90 m时,巷道顶板垂直应力变化达到最大。根据矿压监测结果,薄煤层切顶爆破之后,恒阻锚索受力明显减小,成巷效果良好,恒阻锚索和巷道围岩变形均呈现“稳定—快速—缓慢—稳定”的变化趋势。巷道顶底板最大变形位置为巷道中部,顶板在工作面回采110 m后达到稳定状态,底板在工作面回采80 m后达到稳定状态。

典型低阶煤热解特性及兰炭特性比较分析

调查了陕、蒙、新三省四地兰炭产区代表性煤样的基础煤质特性,比较分析了四地代表性煤样的热解特性和热解产物分布,重点研究了不同煤样热解所得兰炭的微观结构、燃烧性能和可磨性。结果表明:各兰炭主产区低阶煤热解效率差异较大,随煤化程度加深,煤热解反应性逐渐降低;煤化程度更低的哈密煤拥有更高的焦油产率。热解气中氢含量和原煤H/O存在正相关关系;各兰炭主产区低阶煤热解兰炭比表面积差异较大,但孔隙形态分布规律类似;原煤的煤化程度低则制备的兰炭的炭结构无序化程度高;哈密兰炭的可磨性较差,但燃烧反应性最好,神府兰炭的可磨性优于其它两地。不同地域兰炭理化性质差异明显,应根据下游需求寻求最佳的兰炭的利用途径。

半煤岩巷道快速掘进技术研究

为解决半煤岩巷道掘进效率低、成本高以及成型质量不佳的问题,结合38026半煤岩巷道现场条件和理论计算对爆破参数进行重新核算,并完成了爆破眼的布置和分类;然后,基于FLAC3D软件在锚杆锚索基础支护参数下对其间排距进行优化设计,得出了最佳锚杆和锚索的间排距;最后,对快速掘进技术的应用效果进行了综合评估,达到了预期的掘进效果和成本。

半煤岩巷道掘进方案及支护设计

为解决采掘不协调影响煤矿生产效率的问题,针对薄煤层工作面的掘进需求,基于不同掘进方式对应的应力集中情况对比得出了挑顶的最佳、高效掘进方式;根据现场围岩条件确定采用炮掘方式并确定了相关参数;完成了掘进工作面的支护设计,采用锚杆+锚索联合支护方式。实践表明,针对半煤岩巷道采用挑顶+炮掘的综合方式极大地提升了掘进效率,达到了快速掘进的效果。

半煤岩巷快速掘进技术研究

结合山西省某煤矿实际,合理选择掘进工艺与掘进设备、优化作业流程、优化巷道支护方式,在确保巷道稳定性的前提下,实现了对工作面半煤岩巷道的快速掘进作业,实际应用表明掘进速度提升效果显著。

半煤岩综掘巷道综合防尘系统研究

山西省A煤矿3603工作面运输巷为半煤岩巷道。受截割断面大、速度快及截割煤岩含水率低等多因素影响,掘进迎头粉尘质量浓度较高,在一定程度制约了巷道快速掘进。为此,在分析运输巷掘进条件及产尘源的基础上,提出综合使用截割滚筒喷雾系统、机载控尘及除尘系统、风流净化装置进行粉尘治理,并对各降尘系统及装置布置情况进行详细分析。工程应用后,3603工作面运输巷综掘机司机位置全尘、呼吸性粉尘质量浓度分别降至55.99、31.32 mg/m^(3)以下,掘进迎头粉尘质量浓度高、环境恶劣问题得以显著改善,综合防尘系统应用效果显著。

机械通风参数对半煤岩巷道掘进面粉尘扩散特性的影响

为解决半煤岩巷道掘进面粉尘污染问题、有效降低掘进面粉尘浓度,以凉水井煤矿半煤岩巷道为研究对象,采用CFD-DPM数值模拟方法,对比研究了不同压抽比与轴径出风比对掘进面粉尘扩散特性的影响。结果表明:当压抽比不大于1且轴径比为1∶3和压抽比大于1且轴径比为1∶4时,工作面距离迎头10 m内会形成朝迎头方向的阻尘气流;当压抽比为0.8且轴径比为1∶3时,控尘效果最佳,粉尘浓度在距离迎头7.9 m范围内得到有效控制。

新鸿发煤矿薄煤层采煤工作面切顶卸压留巷技术

以贵州地区薄煤层、高瓦斯采煤工作面回采为工程背景,为了提高采面煤炭资源采收率、缓解矿井采掘接替紧张局面以及降低巷道掘进成本,提出将切顶卸压技术应用到回采巷道留巷中。结合新鸿发煤矿1k302运输巷现场地质条件、布置情况等,介绍了薄煤层工作面切顶卸压留巷的施工工艺等,并通过监测顶板下沉情况,分析切顶卸压留巷效果。工程应用表明,在1k302运输巷采用的切顶卸压留巷技术方案效果显著,留巷段顶板最大下沉量控制在146.4 mm以内,留巷效果显著,为矿井煤炭安全高效回采创造了良好条件。

半煤岩巷快速掘进综合除尘技术

陕北矿业有限公司韩家湾煤矿井下半煤岩巷快速掘进过程粉尘浓度较大,已严重影响作业人员身体健康,制约矿井高产高效生产安全。通过分析半煤岩掘进巷道除尘能力水平,发现掘进工作面粉尘颗粒细且多为岩尘,现有的通风除尘设备无法及时排出。通过优化除尘设备,采用长压短抽综合除尘技术,数值模拟分析得出其除尘效率高,能进一步降低粉尘浓度,掘进头粉尘浓度降至5 mg/m 3以下,满足矿井安全生产需求。该技术为矿井掘进工作面质量标准化作业以及施工环境安全提升奠定坚实基础,具有显著的经济与社会效益。

液压张裂掘进法在半煤岩巷掘进中的应用

针对辛置煤矿东区地质条件复杂,已施工的轨道大巷和皮带大巷之间层位差别大,在设计时常需要在两条大巷之间施工断面较小、长度较短的联络巷作为回风、行人或运料通道,传统的炮掘法受政策影响和安全性较难控制等原因不宜使用,综掘法受巷道客观条件制约发挥不出机械优势等问题,通过利用断面中较软的含煤层更易人工创造充足的凌空面或自由面这一特点,提出采用液压张裂掘进法进行施工。结果表明,在半煤岩巷或巷道断面岩层占4/5以上的含煤岩巷中利用液压张裂掘进法掘进,单进水平满足要求,并在很大程度上减轻了职工的劳动强度。

干粉煤气化装置激冷水系统的优化

介绍了干粉煤气化装置及其激冷水系统的工艺流程。通过对激冷水系统各支路阻力降的计算分析,发现原激冷水系统工艺流程存在激冷水偏流的可能和风险。通过阻力降计算结果优化了激冷水系统的工艺流程配置,再合理设置调节阀、增设喷淋水管线和冲洗水管线,从根本上解决了激冷水偏流问题。