《煤炭学报》2021年“新锐科学家”特刊_中国煤炭行业知识服务平台

《煤炭学报》2021年“新锐科学家”特刊

来源：《煤炭学报》

为全面展示我国煤炭行业青年学者的最新原创科技成果，鼓励我国煤炭行业青年科学家把更多的代表性科研成果发表在祖国大地上，助力青年科学家成长成才，《煤炭学报》编辑部于2021年第2期组织策划了“新锐科学家”特刊，专题稿件覆盖煤炭安全绿色开采、智能矿山建设、煤炭清洁高效利用等方向。

行业视野: 煤炭学报
类别; 159个
关键词; 167位
专家; 32篇
论文; 40279IP
点击量; 30881次
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基于低场核磁共振表征的矿物孔隙润湿规律

作者(Author)：夏文成, 毛玉强

摘要：孔隙润湿是影响多孔矿物(焦渣、褐煤、冶金渣等)可浮性的重要因素之一，然而准确、定量表征孔隙润湿的方法鲜有研究，润湿液体性质与孔隙润湿规律之间的内在联系还未被充分地揭示。采用原样和疏水活性炭开展基于液体物理性质的孔隙润湿规律研究，建立低场核磁共振(1H LF-NMR)测得1HLF-NMR孔隙率与称重法计算得到的称重孔隙率之间的定量关系，探讨1H LF-NMR检测样品在4种液体中润湿不同时间后的孔隙润湿率的可行性;研究4种液体对样品中不同尺寸孔隙的润湿规律;通过计算收缩数，揭示液体物理性质在样品孔隙润湿过程中的影响机理。结果表明:原样和疏水样品在4种液体中润湿后，1H LF-NMR孔隙率与称重孔隙率具有一次函数关系，故该设备可定量表征出4种液体对原样和疏水样品中孔隙的润湿率。4种液体润湿原样和疏水性样品时不同尺寸孔隙均符合“快增—稳定”的规律，润湿速率由快到慢的转折点在5 min处，总孔的润湿率与润湿时间均符合一级动力学方程，纯水对原样具有最大的总孔润湿速率但对疏水样品的总孔润湿速率却最小。对于原样，纯水具有最大微孔和过渡孔润湿率，正丙醇和正十六烷具有最大中孔润湿率且对疏水样品中孔润湿率相似，而硅油对所有孔隙润湿率都最小;60 min孔隙润湿率(除中孔)随收缩数增加而线性降低，表明液体黏度主导孔隙润湿过程。按照疏水样品微孔和过渡孔润湿率递减排序依次为正丙醇、正十六烷、纯水、硅油;60 min孔隙润湿率随收缩数增加先升高后降低，反映出表面张力和黏度对孔隙润湿过程的协同作用。

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2021年第02期

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选煤水化学——循环煤泥水系统的水化学性质

作者(Author)：张志军, 孟齐, 刘炯天

摘要：煤泥水可称为选煤厂的“血液”，循环煤泥水系统则是选煤厂的“血液循环系统”。为深入了解选煤厂的循环煤泥水系统，提出了选煤水化学的概念，并通过介绍循环煤泥水系统的物质组成、无机盐类矿物的溶解、煤中无机硫的氧化、金属离子的水解与聚合、煤泥水的酸碱反应、黏土矿物对金属离子的吸附，全面解析了循环煤泥水系统的水化学性质。煤中矿物组成是影响水化学性质的关键因素，循环煤泥水系统中的一系列化学反应使煤泥水的水化学性质发生变化，包括离子组成与含量、煤泥水的酸碱体系、离子的存在形式。黏土矿物对金属离子的吸附对水化学性质有重要影响，金属阳离子在黏土矿物上的吸附形式包括静电吸附、羟基络合吸附、沉淀吸附，并从理论角度分析金属离子在黏土矿物上的吸附形态，同时其吸附过程也受pH的影响，最终使煤泥水中高价金属离子含量减少。通过反应原理、影响因素和实验模拟分别对各个反应过程进行分析，总结了多种反应之间的关联性，得出以上多个因素之间是相互影响、相互制约的，共同决定了循环煤泥水系统的水化学性质。循环煤泥水系统的水化学性质研究是实现高效选煤的基础，得出不同煤样和水质环境条件下的水化学性质变化规律，实现水化学性质的精准调控，可以有效改善煤泥浮选和煤泥水沉降效果。

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基于无人机红外遥感和边缘检测技术的采动地裂缝辨识

作者(Author)：赵毅鑫, 许多, 孙波, 姜耀东, 张村, 何祥

摘要：西部矿区煤层赋存条件好，开采强度高，上覆岩层破坏严重，易诱发采空塌陷和地裂缝等灾害，造成地表生态损伤，甚至诱发遗煤自燃，威胁煤矿安全生产。为快速、及时、准确识别地裂缝，提出了基于无人机红外遥感及图像边缘检测技术的地裂缝识别方法。以神东矿区上湾煤矿12401工作面为工程背景，对工作面上方地裂缝发育观测区域进行全天候监测，获取了不同时刻的红外图像，并对不同时刻红外图像中裂缝、沙子、植被的温度信息以及裂缝长度进行了统计和分析。运用多种边缘检测方法及提出的改进边缘检测算法，对采集的典型红外图像进行地裂缝检测，评价了不同边缘检测方法的裂缝检测效果。对比分析了不同时刻地裂缝检测结果，给出了针对本文研究条件下无人机红外遥感技术识别地裂缝的最佳时间窗口。研究结果表明：基于无人机搭载红外相机及边缘检测技术可有效识别采矿导致的地裂缝；夜间相比于白天，地裂缝更易被识别，特别是3:00 am~5:00 am期间，地裂缝的识别效果最佳。提出的改进边缘检测算法的Pratt品质因数（PFoM）值为0.571，检测性能优于文中其他边缘检测方法；1:00 am至5:00 am和7:00 pm至11:00 pm，地裂缝边缘检测结果优于其他时间，检测结果中噪声较少，裂缝边缘清晰突出；其中尤以3:00 am、5:00 am时的地裂缝检测效果最好。

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西部矿区煤水协调开采物理与情景模拟实验研究

作者(Author)：曹志国, 张建民, 王皓, 张国军, 张文忠

摘要：针对西部煤炭主产区矿井水保护利用技术难题，以煤水协调开采为基本原则，自主设计了包含实验材料配制系统、模型框架加载系统、水压控制系统、柔性隔离层注浆控制系统、数据采集系统等5部分组成的煤水协调开采物理模拟实验平台;研制出由骨架结构物和胶结物组成的相似材料，其中骨架结构物用于调控相似材料弹性模量，胶结物用于调控相似材料整体强度，经检验，所研制材料的力学和渗流特性均满足相似模拟实验的基本要求;以西部宁东煤田麦垛山煤矿2号煤首采区为研究对象，开展了煤水协调共采物理相似模拟实验研究，工作面回采3~5个周期来压步距后，通过对隔水层进行注浆改造或压裂处理，分析煤水协调开采过程中导水裂隙带高度演化特征、7个测点水流变化情况以及顶板破断特征，研究表明:隔离层压裂改造位置应位于超前基岩顶板扰动范围之外，隔离层注浆改造应在岩层充分压实后(3~5个周期来压后)进行，采用压裂和注浆封堵相结合的工艺手段，隔离了“地下水”向下渗流通道，可以实现地下水原位保护。模拟研究了4种工况条件下人工隔水层的保水作用，首先对2号煤首采区上覆含(隔)水层系统进行数值概化，建立研究区地下水系统数值模型;然后利用矿区水文监测孔的水位数据对模型参数进行校核，获得最终含水层参数、模拟期水均衡项以及流场信息;最后结合区内用水情况、地下水开采现状，设置2号煤实际开采条件下工作面布置与回采方案，利用参数校核后的模型对研究区地下水水位和流场进行情景模拟分析，结果表明:人工隔离层建造位置越靠下，隔水效果越显著。

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机器人运动学与时序预测融合驱动的刮板输送机调直方法

作者(Author)：王学文, 李素华, 谢嘉成, 任芳, 暴庆保

摘要：随着智能化开采的不断发展，刮板输送机直线度控制对于煤矿安全、高效开采具有重要意义。针对刮板输送机的调直精度不高的问题，提出了一种基于空间运动学与长短时记忆神经网络轨迹预测相融合的调直方法。首先，利用工业机器人的空间运动学知识对液压支架和刮板输送机浮动连接机构的运动规律进行了解析，并以C#语言的形式编入Unity3D仿真系统底层，通过推移机构连接头捕捉刮板输送机中部槽上的关键点，实现液压支架与刮板输送机的连接，实现了液压支架的精准推移，较理想化地解决了销耳间隙的影响;其次，综合考虑到传感器噪声与截割底板轨迹对刮板输送机轨迹检测的影响，在仿真系统中进行相关的补偿后，在MATLAB中利用LSTM(Long Short Time Memory)神经网络对刮板输送机的轨迹进行预测;最后，根据实际工况要求建立了目标调直轨迹的修正模型和轨迹-姿态转换模型，以得到的刮板输送机轨迹为基础，确定及时移架后的液压支架位置与对应中部槽的相对位置差，基于浮动连接机构运动规律液压支架精准推移，实现刮板输送机调直。通过虚拟试验的验证，建立的修正模型和转换模型具有较强的可靠性，在仿真系统与实验室条件下分别在底板存在起伏时进行了调直试验，提出的调直方法的直线度误差分别在±0.2 cm和0.08 cm内，符合调直精度要求，研究结果对刮板输送机的调直研究提供了思路。

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重型煤炭运输车分布式混合动力系统设计及控制策略

作者(Author)：鲍久圣, 邹学耀, 陈超, 葛世荣, 赵亮, 马驰, 阴妍

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一种废弃矿井地热资源再利用系统研究

作者(Author)：浦海, 卞正富, 张吉雄, 许军策

摘要：废弃矿井的再利用对矿业产业的可持续发展起着至关重要的作用。矿井废弃后仍赋存着丰富的资源，有潜在的积极用途，尤其是大量可再生地热资源的产生有着巨大的应用前景。论文分析了国外废弃矿井地热资源开采与利用现状，并提出了一种废弃矿井地热资源利用循环系统模型，该系统利用顶板垮落后采空区的储水优势，能够充分利用废弃矿井地热、水及空间资源，进行清洁能源的生产，避免了矿井废弃后资源的浪费与次生灾害的发生，同时可有效地降低温室气体排放和环境污染。研究结果表明：倾向长度350 m，走向长度4 000 m，高度6 m近水平工作面采空区的储水能力约为580 000 m3，静态储能约为5 200 MWh；考虑不同地层采空区的温度特性，设置冷热源水库，整个系统运行时功率可达8.4 MW，年供能约24 960 MWh，可约为250 000 m2住宅空间进行有效的供暖或制冷。与传统化石能源煤炭相比，系统运行时每年可减少约为7 812 t二氧化碳的排放，碳排放系数仅为0.072 kgCO2/kWh，降低了81%以上。此外，相关部门应建立健全废弃矿井的管理机构，提前做好矿井关闭前再利用计划。同时，矿业企业要做好再利用的技术储备与措施，实现废弃矿井的再利用，推动采矿区域环境恢复和经济复苏。该研究成果有助于为地热资源丰富、矿业发达区域利用废弃矿井地热资源提供有意义的参考。

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新一代人工智能在矿山充填中的应用综述与展望

作者(Author)：齐冲冲, 杨星雨, 李桂臣, 陈秋松, 孙元田

摘要：随着我国浅部矿产资源日趋枯竭，深部资源开采成为矿业发展的必然，而充填采矿法是深部资源开采的主要采矿法之一。目前，充填采矿法的推广受限于充填成本高，如何提高充填设计效率，进而降低充填成本，是矿山充填推广的关键。随着人工智能(AI)技术的发展，以神经网络、决策树等为代表的智能算法正逐渐替代或辅助人类从事各种场景中的简单或复杂工作，推动传统工业领域的跨越式发展。矿业作为传统行业的支柱产业之一，也立足自身发展需要，结合新一代人工智能方法，展开了面向智能化革新的进程。笔者从矿山充填中的人工智能方法出发，简要介绍了人工智能的基本概念及常用的人工智能方法(包括人工神经网络、决策树、随机森林与梯度提升树、支持向量机及非监督式学习方法等)。讨论了人工智能方法在矿山充填中的应用难点，系统分析了新一代人工智能在全尾砂絮凝沉降、充填配比、充填料浆流变及管道输送、充填集成设计及多目标优化等方面的最新研究进展。同时，展望了新一代人工智能在矿山充填中的发展方向(包括性能提升、小数据集问题及应用思路扩展)，并提出了智能充填系统的构想。新一代人工智能方法在矿山充填中的发展及应用对实现充填设计的绿色化、智能化和高效化，促进充填技术推广和资源生态协调开采具有重要意义。

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