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《煤炭学报》“交叉·前沿”专栏

来源：煤炭学报

自2021年第1期开始，《煤炭学报》增设“交叉·前沿”栏目，主要刊登煤炭行业及相关领域的交叉融合和前沿基础研究成果，以及新理论、新概念、新方法及其在本领域的创造性应用的理论和技术成果。

行业视野: 煤炭学报
类别; 95个
关键词; 104位
专家; 20篇
论文; 34837IP
点击量; 39981次
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智能化煤矿数据模型及复杂巨系统耦合技术体系

作者(Author)：王国法, 任怀伟, 赵国瑞, 巩师鑫, 杜毅博, 薛忠新, 庞义辉, 张潇

摘要：煤矿井下同步运行着通信、传感、控制等大小上百个子系统，形成了越来越复杂的智能化巨系统。针对整个矿井智能化巨系统缺乏统一数据模型、传感器数据不完备、跨系统数据融合等难题，提出统一的多源异构数据融合处理方法——基于“分级抽取-关联分析-虚实映射”的数据逻辑模型，构建了完整的煤矿井下跨系统全时空信息数字感知体系，形成集井下现场生产状态、采掘空间信息、煤机装备状态、风险信息等多参量、多尺度、全时空特性的数据感知方案；基于煤矿多源异构关系数据的信息“实体”和虚实映射机理，提出基于知识需求模型的信息实体主动匹配、推送策略与自动更新机制，解决数据实时连接及迭代更新难题；提出基于“ABCD”（即人工智能（Artificial Intelligence）、区块链（Blockchain）、云计算（Cloud computing）、大数据（Big Data））的智能化煤矿系统耦合技术，以煤矿安全保障系统耦合为例阐述了复杂巨系统数据交互、融合过程；建立了智能化煤矿数据标准体系；给出了煤矿复杂巨系统的统一数据模型及决策机制的理论和方法，建立了满足多目标决策下的智能化煤矿系统安全、高效、稳定运行体系。相关技术在陕煤张家峁煤矿应用，突破了多源异构系统的一体化集成技术，建成了全矿井跨域融合智能综合管控平台，构建了全时空信息感知及实时互联机制，打通多系统、多层面、多部门的业务数据壁垒，实现全矿井58个在用子系统和34个新建子系统的数据融合和运行决策优化。

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煤炭学报

2022年第01期

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智能采运机组自主定位原理与技术

作者(Author)：葛世荣, 王世佳, 曹波, 王世博, 吕嘉晨

摘要：智采工作面装备运行的2个核心问题是控制工作面开采装备在煤层中自适应截割、保持采运机组在连续推进过程中的直线度。解决这2个问题必须实时获取采煤机在工作面空间的准确定位信息。通过对比分析国内外采煤机定位系统的技术原理和硬件架构，发现开发采煤机定位误差消减算法是在井下GPS拒止环境下保证采煤机长时定位精度的关键途径。根据采煤机定位原理可知，采煤机定位误差主要来源于惯性导航安装偏差和惯性导航系统随机误差。惯性导航安装偏差是确定性误差，采用基于两点法的确定性偏差补偿算法可使定位误差减小99.12%。针对采煤机运行状态的非完整性约束特点，基于采煤机运动学模型的闭合路径优化算法和动态零速校正算法分别使采煤机定位误差降低了50%和30%。采用信息滤波模型将闭合路径优化算法和动态零速校正算法进一步融合，抑制了惯性导航系统航向角的漂移，抑制了惯性导航系统航向角的漂移。利用UWB基站群自主迁移方法实现了采煤机在工作面端头定位，采用VB-UKF算法平滑采煤机定位过程中时变的测量噪声，增加了运动轨迹的平滑性，使得IMU/UWB紧融合的定位轨迹更加精确，为惯性导航系统提供校准的基准。基于采煤机定位轨迹的刮板输送机轨迹检测方法实现了刮板输送机形状在线监测，为综采工作面弯曲度自动化检测和校直提供理论基础和试验数据。

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煤炭学报

2022年第01期

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我国煤矿矿井水保护利用发展战略与工程科技

作者(Author)：顾大钊, 李井峰, 曹志国, 吴宝扬, 蒋斌斌, 杨毅, 杨建, 陈要平

摘要：我国煤炭开采对地下水资源的破坏是实现煤炭绿色开发和矿区生态文明建设需要解决的重大关键问题。通过调研咨询、统计分析、专家咨询等方式，系统分析了我国煤矿矿井水保护利用现状，提出了我国煤矿矿井水保护利用发展战略和工程科技。研究表明：目前我国吨煤开采产生矿井水为1.87m3，每年产生煤矿矿井水约6.88×109m3，煤矿矿井水平均利用率约为35%；根据煤炭产量发展趋势研究预测，2035年前我国煤矿矿井水每年可以稳定在6.0×109m3以上，煤矿矿井水将是我国长期稳定的非常规水资源，实现矿井水高效利用具有重大的经济社会效益。基于上述研究，提出了到2025年、2030年、2035年，我国煤矿矿井水利用率分别达到55%、70%、80%的总体目标；通过总结分析我国煤矿矿井水保护技术、矿井水处理与利用技术发展历程与趋势，提出了“2+5+5+3”的我国煤矿矿井水保护利用工程科技：即掌握“煤层开采覆岩裂隙带发育规律与地下水运移机制”、“矿井水水-岩耦合化学作用机理”等2项基础理论；突破“地下水赋存精准探测技术”、“煤矿地下水库群建设与运行技术”、“充填开采技术材料与装备”、“高矿化度矿井水大规模低成本处理技术”、“含特殊组分矿井水精准处理技术”等5项关键技术；建立“蒙陕接壤区煤矿地下水库技术示范区”、“宁东、哈密高矿化度矿井水处理利用示范区”、“蒙东草原区矿井水保护利用示范区”、“华北平原区充填开采水资源保护示范区”、“两淮矿区废弃矿井水资源利用示范区”等5个矿井水保护利用示范区；到2035年实现“煤矿地下水库储水规模达到5.0×108m3”、“充填开采技术成本下降50%”、“高矿化度矿井水零排放成本下降50%”等三大技术目标。同时对矿井水高效利用提出了政策建议和保障措施。

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煤炭学报

2021年第10期

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碳中和目标下煤炭行业发展机遇

作者(Author)：谢和平, 任世华, 谢亚辰, 焦小淼

摘要：碳达峰碳中和目标已上升为国家战略，相关路线图、时间表和政策措施正在制订和落地实施，将推进经济社会广泛而深刻的系统性变革。基于我国资源禀赋特征和现阶段经济社会发展实际，短期内仍离不开煤炭。科学研判碳达峰碳中和目标下我国能源消费结构和煤炭消费演变趋势，采取正确的应对措施，是实现碳达峰碳中和、能源安全稳定供应双重目标的客观要求。分析了美国碳达峰前后现代化进程、能源消费、碳排放强度等基本特征和变化规律，提出我国能源优化发展的三大路径，即持续提高能源效率，减少能源消费；大力发展新能源，优化电力结构；大力发展CO2能源化资源化新技术，推进CO2再利用；增强能源自给能力，保障能源安全。研判了我国能源消费格局演变趋势及不同时段煤炭消费规模，即我国能源消费格局演变分为煤炭由基础能源（2021—2030年）—保障能源（2031—2050年）—支撑能源（2051—2060年）、新能源对应由补充能源—替代能源—主体能源的3个阶段，新能源在能源消费结构中的占比分别为15%~29%,30%~49%,50%~80%。即使全面实现了碳中和，仍需要煤炭作为电力调峰、碳质还原剂和保障能源安全的兜底能源（15亿~12亿t/a）。阐述了碳中和目标下，我国煤炭行业将迎来的三大机遇，即实现煤炭高质量发展的机遇、煤炭升级高技术产业的机遇、煤炭抢占新能源主阵地的机遇。

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煤炭学报

2021年第07期

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煤的显微组分定义与分类(ICCP system 1994)解析II:惰质体

作者(Author)：代世峰, 王绍清, 唐跃刚, 姜尧发, 任德贻, 赵蕾, 赵峰华, 邵龙义, 左建平

摘要：与镜质体和类脂体相比，惰质体具有明显的惰性，特别是在碳化过程中其惰性更为明显。惰质体的定义和分类是“ICCP system 1994”的重要组成部分。在“ICCP system 1994”中，惰质体包含7种显微组分，不包含亚组。这7种显微组分包括丝质体、半丝质体、真菌体、分泌体、粗粒体、微粒体和惰质碎屑体;前3者保存细胞的结构，分泌体、粗粒体、微粒体没有保存植物的细胞结构。对于具有结构的惰质体显微组分，只有那些具有高反射率的组织细胞壁才能鉴定为惰质体的组分。该分类方案有2个突出特点：① 真菌体和分泌体替代了旧分类方案中的菌类体;② 重新定义了显微组分粗粒体，以便使其与分泌体之间有清晰的分辨界限。真菌体仅包括真菌的遗骸;虽然分泌体和真菌菌核的光学性质近似，但前者实际上是氧化后又经历了煤化作用的植物分泌物。惰质体其他显微组分和旧分类方案(即Stopes Heerlen烟煤显微组分分类方案)没有太大区别。“ICCP system 1994”和国家标准《烟煤显微组分分类》相比，2者之间的显微组分是相互对应的，但是后者多了显微亚组分(即丝质体分为火焚和氧化丝质体;粗粒体分为粗粒体1和粗粒体2)。对煤中丝质体属于火焚成因还是氧化成因或者其他成因，尚存在不同的认识。不同于镜质体的分类适于中阶煤和高阶煤，惰质体的分类适用于从泥炭到变无烟煤整个煤化作用阶段。

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煤炭学报

2021年第07期

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碳中和愿景下煤炭行业发展的危机与应对

作者(Author)：陈浮, 于昊辰, 卞正富, 尹登玉

摘要：碳中和愿景擘画了国家碳减排与气候治理的宏伟蓝图，但中国经济结构和能源结构决定了该目标实现的艰难。当前煤炭仍是我国能源安全的基石，并将在未来很长时间内一直发挥着巨大作用。如何绿色开采、科学用煤是国家2030年碳达峰与2060年碳中和愿景实现的关键。为此，从“脱碳”与“去煤”非对等关系着手，引入全生命周期视角厘清煤炭行业与下游产业间的减排责任。依据6个不同机构设置的10种情景，选取重要参数，预测未来30 a中国的煤炭需求。审视煤炭行业发展与碳中和愿景之间差距，制定符合国情的从碳达峰—碳中和愿景实现不同阶段的发展路线图。研究表明:① 盲目“去煤”不符合国情，但煤炭行业要正视国家战略需求与行业发展目标之间的偏差，厘清行业责任以及切合实际义务的减排边界，明确煤电、煤化工等下游利用产生的碳排放不应归于煤炭行业。② 不同情景下煤炭需求存在巨大差异，大致分为维系现状、适度减少和净零愿景3个区间。所有预测煤炭占一次能源份额均趋于衰减，煤炭行业发展空间大大减少。2030—2050年既是行业存亡的关键期，也是技术变革的活跃期。③ 当前煤炭行业发展、规划以及战略导向与碳中和愿景目标仍存在很大的差距，包括标准规范、监管要求、治理能力、技术研发、激励机制等诸多方面。煤炭行业未来的发展空间最终取决于自身能否实现原位利用、近零排放，以及碳捕获、利用与封存(CCUS)技术能否应用与推广。因此，未来应科学评估煤炭全生命周期的碳足迹，树立“能源命运共同体”理念，推动低碳防污协同治理。将煤炭行业实现碳中和愿景划分为起步期(2020—2030年)、攻关期(2030—2050年)、巩固期(2050—2060年)3个阶段，不同阶段应付诸行之有效的技术路径，兼顾节能减排与开源增汇的双重策略，确保煤炭行业在新形势下健康、平稳、绿色、有序发展。

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煤炭学报

2021年第06期

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煤的显微组分定义与分类（ICCP system 1994）解析I：镜质体

作者(Author)：代世峰, 唐跃刚, 姜尧发, 刘晶晶, 任德贻, 赵峰华, 赵蕾, 王西勃

摘要：煤的显微组分定义与分类的国际标准“ICCP system 1994”是国际煤和有机岩石学委员会（ICCP）历经26 a（1991-2017）完成，按照显微组分组和发表的时间，该标准共分4个部分，分别是镜质体（1998）、惰质体（2001）、腐质体（2005）和类脂体（2017）。“ICCP system 1994”目前已被国际上从事煤岩学和有机岩石学研究的科研工作者广泛采用。国际煤和有机岩石学委员会在1994年第46届ICCP年会上确定了镜质体显微组分组、亚组和显微组分的定义和分类，并于1998年发表，它是“ICCP system 1994”重要的组成部分。在“ICCP system 1994”镜质体分类方案中，镜质体显微组分组被划分为3个亚组，结构镜质体亚组、碎屑镜质体亚组和凝胶镜质体亚组，它们分别进一步被划分为2个显微组分。其中，划分亚组的主要依据是植物组织的破环（降解）程度，显微组分之间的区分主要依据是凝胶化程度和（或）形貌特征。该分类体系与ICCP腐植体分类体系紧密关联。基于“ICCP system 1994”，对镜质体各亚组和各显微组分的定义、光学特征、物理和化学特征、来源以及实际应用等方面进行了解析，对“ICCP system 1994”中镜质体显微组分分类提出了尽可能规范的中文名称。中华人民共和国国家标准《烟煤显微组分分类》（GB/T 15588—2013）和“ICCP system 1994”相比，前者采用了显微组分组、显微组分和显微亚组分的分类方案，将均质镜质体（Telocollinite；即本文中的胶质结构体Collotelinite）和基质镜质体（Desmocollinite；即本文中的胶质碎屑体Collodetrinite）划入无结构的显微亚组分。

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煤炭学报

2021年第06期

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煤系石墨鉴别指标厘定及分类分级体系构建

作者(Author)：曹代勇, 魏迎春, 李阳, 刘志飞, 李焕同, 王路, 吴国强, 宁树正, 徐祥

摘要：煤系石墨是煤经受岩浆热变质及构造应力作用进入石墨化阶段的产物，发育不同程度石墨结构、具有石墨或类似石墨的物理化学特征和工艺性能，是战略性矿床晶质石墨的重要补充。为了给煤系石墨矿产资源评价和开发利用提供可靠基础，从煤系石墨成矿机制及演化途径研究入手，深入分析相关测试技术方法的适用性，以我国典型煤系石墨矿区测试数据统计分析结果为依据，制定科学合理的煤系石墨鉴别指标，建立煤系石墨分类分级体系。研究表明，煤系石墨是由不同演化程度的石墨化组分和残留煤岩显微组分组成的集合体，具有矿物学与岩石学或矿石学的双重属性，不同于区域变质成因的晶质鳞片石墨矿物，难以简单地采用单一指标鉴别。煤系石墨的形成是化学成分单一化、分子结构有序化的演化过程，鉴别指标亦应包括成分参数和结构参数两大类。挥发分和反射率指标在煤化作用阶段变化规律较明显，进入石墨化阶段后敏感性降低，可综合运用于初步区分煤与煤系石墨。煤石墨化的实质是纳米级大分子结构由无序向有序转化、结晶度增加和缺陷消亡的过程，因此，XRD和Raman等结构参数是鉴别煤系石墨和划分煤系石墨类型的可靠指标。基于煤系石墨测试数据统计分析所揭示的规律，采用d002=0.344 nm,G峰位=1 590 cm-1和R2=0.6区分煤与煤系石墨两大矿种;煤系石墨划分为半石墨和石墨2种类型，其中半石墨鉴别指标为d002=0.338～0.344 nm,G峰位=1 585～1 590 cm-1,R2=0.5～0.6，石墨鉴别指标为d002＜0.338 nm,G峰位＜1 585 cm-1,R2＜0.5。此外，成分指标固定碳与煤变质演化没有直接的对应关系，作为石墨矿石的品位参数，可用于评价煤系石墨矿石的质量等级。

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煤炭学报

2021年第06期

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