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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

煤与煤层气资源开发全过程阶段划分及其开发效果评价

为更好地认识煤与煤层气两种资源开发的全过程,科学评价各阶段开发效果,基于煤层气矿业权和煤炭采矿权分置的现实以及现行的煤炭和煤层气开采的安全生产许可制度,考虑不同类型开采企业的性质和特点以及不同时空煤层气开发对煤炭生产的影响,对煤和煤层气开发全过程进行了系统研究分析。研究结果表明:煤炭与煤层气开发全过程可分为相互独立又相互联系的4个阶段,即:单纯性煤层气开发阶段、互惠性煤层气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发阶段。但随着“煤层气勘查、开采结束前,不设置煤炭矿业权”规定的落实,将来煤炭与煤层气开发仅有单纯性煤层气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发3个阶段。基于各开发阶段不同的的开发目标,提出了各阶段开发效果评价的内容和方法,用于指导各开发阶段开发方案的优选。

我国油页岩与煤共生资源分布及综合利用

中国油页岩资源丰富,其为原油与天然气等化石燃料的后备资源与有效补充,作为战略储备能源具有巨大的潜力。结合油页岩的基本性质和工艺特性,汇总国内外有关学者的研究成果并分析我国与煤共生的油页岩资源分布特征,针对油页岩的有机质和无机矿物质的化学组成结构及其矿物成分、矿床原始物质来源、成矿时代及其沉积环境等进行深度剖析,探讨了油页岩的多种综合利用途径。结果表明:我国目前各地油页岩探明储量最多的依次为吉林、广东和辽宁三省,但全国其他19个省、自治区也都发现有不同储量的油页岩资源,其中大多数以含油率在10%以下的矿床为主。中国油页岩资源分布的特点是大多与煤共生且多分布在中生代的侏罗纪或白垩纪以及新生代第三纪的盆地内,单独赋存或生成于晚古生代的油页岩矿区均较少。我国油页岩从沉积环境成因角度大致可分为陆相油页岩及与海侵形成有关的海相油页岩,但多以陆相沉积为主。油页岩的基本特性是灰分、挥发分均普遍很高(在50%~70%),其发热量随灰分和水分的增高及含油率的降低而相应降低,有机质元素成分中的碳氢含量低于石油而高于一般低阶动力用煤。人类对油页岩的利用水平随着科学技术的进步而日益提高,目前中国油页岩资源较为经济可行的利用方法包括对含油率较高的油页岩可与煤共同开采并在矿区原位干馏或气化以获得油、气资源,与煤共生的油页岩非富矿床通常采用将煤、油页岩单独开采、分别或合并利用,而对于作为露天煤矿覆盖层的油页岩矿床则宜将其与煤配合作为发电、工业锅炉和窑炉的燃料且以选用循环流化床锅炉为宜。其灰渣可作为用于生产水泥及砖瓦、陶粒等建筑材料或用作生产分子筛、橡胶填料以及采空区的充填物等,从而充分发挥油页岩和煤的优势互补,使两者的有机质和无机矿物质均得到充分的综合利用。

保护层开采条件下煤层力学扰动规律及抽采半径考察

为分析新集一矿6-1煤在上保护层开采条件下煤层力学扰动特征及煤层抽采半径,根据采场分布及力学参数建立了几何模型,进行360804工作面的开挖模拟计算,结果表明,6-1煤体经历应力升高—峰值状态—降低—趋于初始状态恢复的过程,6-1煤经历透气性降低—急剧增长—逐渐降低的过程,工作面累积推进198 m时,采空区形成“见方”状态,下方煤体透气性系数急速增长,推进360 m时,采空区中部地应力恢复,透气性系数减小,形成一个“O”形高透气性区域;结合现场实际情况,建立了4种网格式钻孔布置方式,通过数值模拟及现场测试方法考察了被保护层抽采半径,结果表明4种布置方式12个月抽采条件下,瓦斯压力有显著降低,20 m网格间距效果最佳。当采用20 m×20 m网格式抽采下伏6-1煤层瓦斯,历经12个月抽采量达到134.94万m^(3),划定保护范围内6-1煤层平均瓦斯含量由3.62 m^(3)/t降低至2 m^(3)/t,煤层瓦斯预抽率达到了39.8%,煤体瓦斯可解吸量1.5 m^(3)/t。

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。

兰炭替代无烟煤高效清洁利用的研究

为考察兰炭作为清洁燃料替代无烟煤的可行性,在民用取暖炉中分别对兰炭和无烟煤的点火时间、燃烧时间、燃烬时间以及燃烬率进行研究。结果表明:兰炭燃烬时间为297.25 min,低于无烟煤的燃烬时间303.25 min;兰炭的残炭率只有无烟煤的1/10;针对污染物排放,兰炭NOx排放量只有无烟煤的1/7,SO2排放量只有无烟煤的1/4;但是在试烧过程中,兰炭和无烟煤烟气中均有大量的CO,这是因为在燃烧过程中,氧不足导致兰炭和无烟煤不完全燃烧,造成了燃料的浪费。综合以上,兰炭利用率高于无烟煤,且产生的灰渣和有害气体污染物少。

区域多工作面协调开采防治冲击地压实践研究

矿井多工作面之间的开采扰动会诱发煤矿冲击地压灾害,区域工作面协调开采是此类冲击地压防治的关键手段之一。为了工程验证区域多工作面协调开采防治冲击地压的合理性和有效性,以冲击地压多发的义马矿区为例,基于模拟得到的协调开采原则及参数取值,制定了跃进-常村井间区域协调开采方案,通过对比不同协调开采程度区域的应力转移特征和冲击事件特征,评估了工作面协调开采效果。结果表明:跃进-常村井间区域中,跃进23092工作面和常村21162工作面煤层厚度和巨厚砾岩厚度较小,23092-21162工作面组和21170-21162工作面组开采时工作面之间煤柱宽度较大、两工作面水平距离和垂直错距较远,井间23092工作面和21162工作面为最优的接续工作面;跃进-常村井间区域协调开采程度高于耿村-千秋井间区域,协调开采使工作面之间由冲击和开采引发应力转移的频次和强度均明显降低,应力转移范围明显减小,协调开采效果明显。