论“碳、水、环”约束下的煤炭减损开采地质保障

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作者 王双明 李识博 +6 位作者 孙强 侯恩科 耿济世 师庆民 王生全 周书涛 郑鑫超 《西安科技大学学报》 北大核心 2025年第1期1-11,共11页

受“缺油,少气,相对富煤”能源资源禀赋制约,煤炭开发是中国能源安全的兜底保障。当前,煤炭开发中,碳排放增加、水资源损害和水质污染、生态环境损害等是制约煤炭工业高质量发展的“碳、水、环”三重约束难题,如何协调煤炭资源的安全开... 受“缺油,少气,相对富煤”能源资源禀赋制约,煤炭开发是中国能源安全的兜底保障。当前,煤炭开发中,碳排放增加、水资源损害和水质污染、生态环境损害等是制约煤炭工业高质量发展的“碳、水、环”三重约束难题,如何协调煤炭资源的安全开采和绿色开采,保障“碳达峰、碳中和”、生态文明建设和美丽中国的战略需求,成为煤炭工业高质量发展亟待破解的瓶颈。围绕煤炭开采地质条件演化和多圈层结构响应,提出了破解煤炭安全开采、环境保护和可持续发展问题的“6R”(可恢复“Recover”、可再用“Reuse”、可减损“Reduce”、可再储“Restore”、可循环“Recycle”、可再生“Renewable”)开发理念和煤矿区资源安全、绿色开采和减损地质保障的科学内涵和研究思路,主要内容包括:明晰煤炭开采地质条件的演化规律,厘清安全开采与绿色开采的关系,建立煤炭安全开采和绿色开采的协调机制,应用地质工程手段保障煤炭安全减损开采和绿色开采,形成煤炭开发、多资源利用、水土保护、生态屏障、土地安全等一体化的全链条调控策略和开发理念;基于安全开采和绿色开采协调的“碳、水、环”约束下煤炭开采区采动影响地质结构和地质条件功能再利用理念,建立基于煤炭开采区地质结构保护与煤炭安全、绿色开采的多方位、全时空监测-预测-预警体系,剖析减损开采的地质主控因素,提出关键岩层组合关系和隔水封闭层位的动态评价和保护与修复方法,形成基于关键岩层和隔水层损害程度、宏观裂隙形态与地下水导流能力控制的减损开采理论与模式;推进“煤炭安全、绿色开发→地质条件保护、修复、利用→资源再利用和可持续发展”全周期和全链条减损保障研究,通过开采调控、岩层控制、工程防治和修复重构,形成多圈层功能服务的煤矿区地质条件保护和重构技术及理论,打造“碳、水、环”约束下地质条件再利用的煤炭开采区“碳-水-生态-能源”的储蓄库,发展人地和谐和产业可持续开发模式。“碳、水、环”约束下的煤炭减损开采地质保障研究,服务于煤炭安全、绿色开采和地质环境保护、经济社会可持续发展,实现煤炭开采区地表生态和谐与地下空间功能利用,形成能源安全牵引、减碳低碳驱动、水资源和水环境保护、生态环境和谐下的煤矿区可持续发展的全链条开发减损地质保障格局。 展开更多

关键词 “碳、水、环”三重约束 多圈层响应 减损机制 煤炭开采地质保障 全链条综合开发

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陕北黄土覆盖区煤层上覆岩系层状结构对开采区土壤损伤效应研究

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作者 王双明 宋世杰 +5 位作者 魏江波 刘浪 牛瑞琳 李源红 谈庆钰 田雨 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期23-42,共20页

煤炭开采区生态保护是黄河流域高质量发展亟需破解的重大难题。科学认识煤层上覆岩层对煤炭开采采动损害向地表传递的响应规律是实现煤矿区生态环境全生命周期保护的重大需求。以陕北黄土覆盖区煤炭开采区为研究对象,综合运用野外地质... 煤炭开采区生态保护是黄河流域高质量发展亟需破解的重大难题。科学认识煤层上覆岩层对煤炭开采采动损害向地表传递的响应规律是实现煤矿区生态环境全生命周期保护的重大需求。以陕北黄土覆盖区煤炭开采区为研究对象,综合运用野外地质调查、采样测试、数值模拟、室内实验和理论计算方法,针对覆岩层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置等层状结构对地下采煤的“响应-传递”特点,研究了相同采矿条件下煤层覆岩层状结构对采动覆岩应力场的影响规律,揭示了不同煤层覆岩层状结构下土壤物理、化学、微生物、侵蚀四大特性的损伤特征及煤炭开采区土壤物理、化学、微生物特性变化对侵蚀特性的作用机制。结果表明:①相同或相近的采矿条件下,采煤沉陷区地表生态损害结果的迥异主要取决于煤层上覆岩(土)层对地下采煤活动的应力应变响应、由下向上的传递及土壤损害特点。在覆岩层状结构与采动应力传递的耦合下,煤层覆岩自下而上形成了垂向强力链塑性变形区(VCP)、水平强力链弹塑性变形区(HCEP)、水平强力链弹性变形区(HCE)的采动损害特征。其中,煤层覆岩下部的互层结构及特征对塑性变形区界面高度具有重要影响。煤层上覆岩(土)层和地表土层(壤)均是地下采煤活动及其损害作用的响应载体。岩层层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置及地表变形等是影响土壤损害类型及特点的重要地质因素。②厚砂岩在覆岩中的位置是地下“VCP-HCEP”界面、“HCEP-HCE”界面发育高度和地表形变程度的第一主控因素,决定了“两界面”的发育位置和地表变形的程度,高位厚砂岩对“两界面”发育和地表形变具有较明显的抑制作用;砂层系数作为第二主控因素,在既定厚砂岩位置且砂层系数小于73%条件下与“两界面”发育和地表形变均呈正相关关系;③基于两大主控因素划分了4个覆岩层状结构基本类型,从“地下覆岩层状结构基本类型+地表形态变化程度+地表采动损害形式+土壤质量特性指标”耦合的角度,发现“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”类型对地表土壤损害效应最为显著,其中沉陷坡面土壤物理、化学、微生物特性指标的损伤均集中在坡顶、坡中部位,降幅介于11.81%~42.01%(p<0.05);采动地裂缝是沉陷坡面土壤损伤的主要原因;④“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”类型对坡面土壤可蚀性K值的放大效应最为明显,平均增幅为26.38%(p<0.05),其中坡顶部位土壤可蚀性K值平均增幅最大,为37.98%(p<0.05);沉陷坡面同一部位裂缝区土壤可蚀性K值平均增幅较非裂缝区高出92.28%(p<0.05);黄土沉陷坡面可蚀性K值与土壤孔隙度呈极显著正相关关系(p<0.01),与土壤含水率、黏粒质量分数、有机质质量分数、速效养分质量分数、土壤微生物数量及酶活性呈极显著负相关关系(p<0.01)。因此,“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”的覆岩层状结构类型区是陕北黄土沟壑煤炭开采区生态损害的关键区域,应采取充填减沉、土壤改良等人工措施进行保护与修复,对于“低位厚砂岩+砂层系数小于73%”和“高位厚砂岩+砂层系数大于73%”的覆岩层状结构类型区可采取人工辅助的生态修复方式,对于“高位厚砂岩+砂层系数小于73%”的覆岩层状结构类型区则可采取自然恢复方式进行生态修复。 展开更多

关键词 覆岩层状结构 响应传递 土壤 损伤效应 陕北矿区

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论煤炭绿色开采的地质保障 被引量：129

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作者 王双明 孙强 +1 位作者 乔军伟 王生全 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第1期8-15,共8页

受“缺油、少气、相对富煤”能源资源禀赋特点制约,煤炭一直是我国能源安全的基础保障。煤炭资源是地球演化过程形成的层状沉积矿产,是近地表地壳的组成部分,煤炭开采会对地质条件和生态环境造成损害。煤炭绿色开采地质保障从煤炭资源... 受“缺油、少气、相对富煤”能源资源禀赋特点制约,煤炭一直是我国能源安全的基础保障。煤炭资源是地球演化过程形成的层状沉积矿产,是近地表地壳的组成部分,煤炭开采会对地质条件和生态环境造成损害。煤炭绿色开采地质保障从煤炭资源赋存地质条件出发,为实现煤炭资源安全高效开采、减缓和减小采掘工程对地质条件和生态环境损害,提供地质理论和技术支撑。从绿色开采地质保障的内涵、科学问题、技术问题、研究思路4个方面系统阐释了煤炭绿色开采地质保障理论与技术。煤炭绿色开采地质保障突出深部煤炭资源开采扰动下的地质条件变化,强调煤炭开采活动与地质结构和地表生态环境变化的整体研究,关注地下采掘工程引起时空效应范畴的地质条件变化和生态环境演化之间的耦合机制。总体研究思路是开采前精细勘查、开采过程有效减损、开采后恢复利用。采前实施空天地一体化精细勘查,查明煤系矿产资源空间赋存特征及维系地表生态系统的主要地质因素,构建涵盖煤系资源、地质条件、生态环境等要素的高精度三维模型,评价煤炭资源最佳利用方向和区域环境承载能力;采中进行地质条件损害探测、监测,揭示应力场、形变场、渗流场变化规律,研究煤系气、地下水运移和涌出特点,分析导致围岩动力灾害发生的地质因素,提出煤与瓦斯突出、水害、冲击地压等灾害超前预警理论及防控措施;采后进行采空区水体、有害气体、遗留资源的探测,巷道围岩、煤柱变形特征监测,研究煤-岩-水相互作用及采空区稳定性变化,开展地质条件及地表生态恢复演化过程研究,提出地下空间及遗留资源的综合利用理论与技术。煤炭绿色开采地质保障涵盖找煤、勘探、开采及采空区利用全过程,追求煤系矿产资源和生态环境保护协调发展。 展开更多

关键词 煤炭 绿色开采 地质保障 精细勘查 有效减损 恢复利用

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蒙陕接壤区煤炭开采过程中矿井水来源

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作者 杨建 李慧 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1263-1275,共13页

蒙陕接壤区作为我国能源安全的核心保障区域,同样也是黄河流域生态保护和高质量发展的关键地带。该区域煤炭资源的高强度开采可能对生态环境造成重大影响,尤其是对地表以下浅层第四系含水层的破坏。由于难以精确评估顶板各含水层的渗漏... 蒙陕接壤区作为我国能源安全的核心保障区域,同样也是黄河流域生态保护和高质量发展的关键地带。该区域煤炭资源的高强度开采可能对生态环境造成重大影响,尤其是对地表以下浅层第四系含水层的破坏。由于难以精确评估顶板各含水层的渗漏情况,这增加了制定科学、有效的保水采煤策略的难度。本研究基于对蒙陕接壤区地下水中环境同位素(D和18O)的检测与分析,应用同位素质量守恒原理,计算了矿井水水源的相对贡献量。研究发现,各含水层水中的环境同位素受地形地貌、地层结构和地下水赋存等因素的影响。研究区的第四系地下水主要来源于大气降水和地表水,具有快速的循环更替速度,表现为富含氚的现代水补给特征,其δD值和δ^(18)O值大气降水和地表水相近。深埋区的白垩系与第四系水力联系紧密,循环更替过程较长,导致环境同位素值有所降低。白垩系和侏罗系地下水受垂向补给控制,循环更替速度减缓,δD值和δ^(18)O值逐渐降低,其中白垩系地下水的δD值为–80.2‰~–75.6‰,δ^(18)O值为–10.6‰~–8.7‰。浅埋区和中深埋区地层由于沉积时间长,成岩作用较好,加之后期构造运动的影响,与第四系或新近系直接接触,接受第四系地下水补给,导致δD值和δ^(18)O值相对较高。而深埋区的侏罗系地层由于本身厚度较大,上覆有厚层的第四系和白垩系地层,地下水补给条件较差,地下水径流过程漫长且较为封闭滞流,因此δD值和δ^(18)O值相对较低。本研究利用地下水中的δD值,通过二元混合模型计算得出,在浅埋区的矿井水中,第四系水的比例有所不同:SGT和HLG煤矿的占比小于20%,而BLT和LSJ等煤矿的占比介于28.0%~57.0%,YBJ煤矿的占比则接近80%。在中深埋区,矿井水中第四系水的比例通常小于20%,但在开发较早、顶板存在保德组红土层“天窗”的HLW和SS煤矿中,第四系水的比例分别达到了37.05%和26.24%。在深埋区,矿井水中白垩系水的占比约为30%。IsoSource模型的计算结果显示,第四系水的贡献率在7.6%~9.3%间,白垩系水的贡献率在12.0%~17.1%间,而侏罗系上段水的贡献率在74.9%~80.4%间,且不同矿区的矿井水中各水源的贡献率相近。本研究准确识别了矿井水中各含水层水的来源比例,对于蒙陕接壤区的保水采煤和生态环境保护具有重要的实际意义。 展开更多

关键词 环境同位素 矿井水 煤炭开采 水源判别模型 顶板地层结构

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煤炭原位开发地质保障 被引量：14

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作者 王双明 孙强 +5 位作者 胡鑫 耿济世 薛圣泽 刘浪 师庆民 魏江波 《西安科技大学学报》 CAS 北大核心 2024年第1期1-11,共11页

“双碳”目标下,面对“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征,煤炭在一段时期内仍占据中国的主体能源地位,但煤炭的低碳、清洁开发转型势在必行。地下原位热解、气化、干馏、制氢等方式有望成为未来煤炭开发的重要抓手。当前对煤炭原... “双碳”目标下,面对“缺油、少气、相对富煤”的资源禀赋特征,煤炭在一段时期内仍占据中国的主体能源地位,但煤炭的低碳、清洁开发转型势在必行。地下原位热解、气化、干馏、制氢等方式有望成为未来煤炭开发的重要抓手。当前对煤炭原位开发已有较多探索,但地质选址和开发过程的地质安全性、可靠性和环保性仍是制约其规模化和商业化的科学难题。因此,煤炭原位开发地质保障的理论和技术研究亟待深入。秉持“安全、经济、环保、可持续”原则,从煤炭资源禀赋特征和地质条件出发,分析了煤炭原位开发研究现状;基于煤炭开发全生命周期的科学理念,提出了“煤炭原位开发地质保障”的科学内涵;在查明采前地质条件的基础上,从物理机制角度揭示深部原位开发过程中围岩地质体响应特征和损害规律,阐明原位开发中岩体工程地质力学行为,构建原位开发地质条件动态评价模型,形成原位开发减损保障策略和方法,提出原位开发空间的再利用途径,并以煤炭地下气化和地下热解2种开发模式为例阐述了原位开发阶段性,明确了原位开发区设计的地质条件要素,强调开发过程中实时动态监测和评价围岩地质体响应保证开发区密封性与安全性,实现地质条件时空演化的评价及地质风险可控性,此外注重协同开发深部热能与共伴生资源,实现残余资源利用和地下空间再利用。煤炭原位地质保障研究体现了资源赋存条件、地质环境约束、原位开发技术、地质风险防控、资源协同开发等层面的要求,突出了原位扰动条件下的地质条件变化,强调开发扰动与地质体结构的整体研究,理解原位开发时空效应范畴的多相场耦合损伤机制,从多圈层角度揭示原位开发扰动效应下地质风险模式,破解资源开发与地质环境制约之间矛盾,对于推动未来煤炭低碳开发,实现煤炭工业高质量发展具有重要的理论和实践指导意义。 展开更多

关键词 深埋煤层 原位开发 碳中和 地质储能

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“双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路 被引量：29

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作者 王双明 刘浪 +8 位作者 朱梦博 申艳军 师庆民 孙强 方治余 阮仕山 何伟 杨潘 王建友 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期152-171,共20页

在“双碳”目标背景与当前技术条件下,“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”,严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则,着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的... 在“双碳”目标背景与当前技术条件下,“煤”“废”“碳”构成了煤炭的“不可能三角”,严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废”“从哪里来到哪里去”的原则,着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角,探索“煤”“废”“碳”协同发展路径,为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括:①阐明了“煤”的减损化开采科学内涵,明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题,提出了面间煤柱“掘-充-留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术;②阐明了“废”的功能化利用科学内涵,明确了固废功能化利用的科学问题,包括镁-煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面,形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系;③阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵,提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径,厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO_(2)封存机理与调控、CO_(2)封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题,明确了碎胀空间CO_(2)封存、煤矿CO_(2)固碳充填等关键技术,形成了利用煤矿采空区实现CO_(2)低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展,协同推进“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用与“碳”的低碳化处置,对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。 展开更多

关键词 绿色低碳 减损化开采 功能化利用 低碳化处置

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西部生态脆弱区煤炭减损开采地质保障科学问题及技术展望 被引量：77

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作者 王双明 申艳军 +1 位作者 孙强 侯恩科 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2020年第4期1-15,共15页

我国能源禀赋特点决定了煤炭主体能源地位短期难以改变,其中,西部煤炭资源担负着我国基础能源自主供给的核心角色。但西部煤炭多处于干旱-半干旱带沙漠-黄土覆盖生态脆弱区,易因开采扰动引起地下水及生态环境产生显著影响。因此,减损开... 我国能源禀赋特点决定了煤炭主体能源地位短期难以改变,其中,西部煤炭资源担负着我国基础能源自主供给的核心角色。但西部煤炭多处于干旱-半干旱带沙漠-黄土覆盖生态脆弱区,易因开采扰动引起地下水及生态环境产生显著影响。因此,减损开采成为西部生态脆弱区煤炭资源安全高效开发与环境保护协调发展的必然选择。立足西部煤炭资源开发现实情况,提出了西部生态脆弱区煤炭减损开采面临的四大关键科学问题,即:①煤-水空间发育组合特征;②采动过程地质条件变化规律;③保水开采分区及地质判据;④西部煤炭减损开采技术体系构建思路。同时,详细阐述了煤炭减损开采技术发展状况及存在的现实难题。在此基础上,尝试构建西部生态脆弱区煤炭减损开采技术体系,并展望了西部煤炭减损开采技术未来发展方向。相关研究以期为西部生态脆弱区煤炭绿色减损开采提供借鉴。 展开更多

关键词 西部生态脆弱区 减损开采 科学问题

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煤炭开发推动地学研究发展 被引量：11

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作者 王双明 孙强 +4 位作者 谷超 李鹏飞 耿济世 王生全 师庆民 《中国煤炭》 北大核心 2024年第1期2-8,共7页

煤炭绿色开发地质保障理论和技术对推动我国煤炭工业高质量发展具有重要意义。基于煤炭开发技术与地学研究相互促进、相互依存的内在联系,分析了煤炭开发地质保障技术的研究现状,阐明了煤炭开发推动地学研究的科学内涵。认为,智能开采... 煤炭绿色开发地质保障理论和技术对推动我国煤炭工业高质量发展具有重要意义。基于煤炭开发技术与地学研究相互促进、相互依存的内在联系,分析了煤炭开发地质保障技术的研究现状,阐明了煤炭开发推动地学研究的科学内涵。认为,智能开采、深部开采、绿色开采对地质保障技术发展的需求,促进了“透明地质”“数字地质”以及“宜居地质”的技术进步,有利于地学学科拓宽研究领域、提升研究精度、拓展研究尺度。 展开更多

关键词 煤炭开发 地学研究 地质保障 科学内涵 综合研究

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“双碳”目标下煤炭开采扰动空间CO_(2)地下封存途径与技术难题探索 被引量：63

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作者 王双明 申艳军 +5 位作者 孙强 刘浪 师庆民 朱梦博 张波 崔世东 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期45-60,共16页

煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO_(2)排放是煤炭工业可持... 煤炭作为我国主体能源地位短期内难以改变,但煤炭工业发展面临着“碳达峰,碳中和”目标的新挑战,积极推动煤炭资源绿色开采与低碳利用,充分发挥煤炭安全供给的兜底作用,是保障国家能源安全的重大现实需求。而CO_(2)排放是煤炭工业可持续发展面临的最大制约,探索大规模、低成本CO_(2)封存技术是煤炭资源低碳化利用必须面对及破解的难题。在对煤层自然封存CO_(2)和CO_(2)气藏赋存地质条件研究基础上,探讨和展望利用煤炭开采、地下气化及原位热解等形成的扰动空间进行CO_(2)地下封存的技术途径,并明确了实现CO_(2)地下高效封存的必备条件:①煤层上部存在不受开采扰动影响的地质密闭层是实现煤矿扰动空间CO_(2)封存的先决要求;②构建功能性充填空间是实现CO_(2)地下封存的核心工作;③由功能性充填体围限的碎裂岩体、气化煤灰及热解半焦等封存载体物性特征是影响CO_(2)封存量及封存效果的重要因素。据此,剖析了进行CO_(2)地下封存亟待解决的技术难题:①实现CO_(2)地下封存的地质条件及评价方法;②构建CO_(2)封存空间的材料与工程技术;③煤炭开采、气化及热解扰动范围探测与CO_(2)封存潜力评价;④CO_(2)充注与封存效果监测及评估。在此基础上,针对煤炭开采、地下气化及原位热解过程中形成的扰动空间特点,分别提出了煤层采空区碎裂岩体、煤地下气化灰渣及碎裂岩体、煤原位热解半焦进行CO_(2)地下封存的实现途径。 展开更多

关键词 “双碳”目标 煤炭开采扰动空间 CO_(2)地下封存 地质盖层 扰动空间 封存途径

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“双碳”目标下煤炭能源地位变化与绿色低碳开发 被引量：76

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作者 王双明 申艳军 +3 位作者 宋世杰 刘浪 顾霖骏 魏江波 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第7期2599-2612,共14页

在发挥煤炭能源安全供给兜底作用的同时,实现煤炭资源绿色安全开采、清洁低碳利用,是关乎国家能源安全和发展全局的重要命题。分析了国际发展环境变化对我国利用国际市场油气资源的影响,研究了建设社会主义现代化强国对能源供给的刚性需... 在发挥煤炭能源安全供给兜底作用的同时,实现煤炭资源绿色安全开采、清洁低碳利用,是关乎国家能源安全和发展全局的重要命题。分析了国际发展环境变化对我国利用国际市场油气资源的影响,研究了建设社会主义现代化强国对能源供给的刚性需求,立足于现阶段我国煤为主体的能源开发利用现状,遵循建设人与自然和谐现代化的根本要求,提出了在实现“双碳”目标进程中,煤炭工业绿色低碳发展方向及路径。(1)我国油气资源对外依存度分别超过70%和40%,油气战略储备不足,在国际形势深刻变化的背景下,利用国际市场油气资源的不确定性增加,国家能源安全外部风险有所增加。(2)建设社会主义现代化强国必然带动能源需求刚性增长,在新能源目前难以安全有效替代化石能源的情况下,化石能源的主体能源地位短期内难以改变。(3)对标“双碳”目标,“达峰前”煤炭消费占比呈现持续下降态势,消费总量将迎来拐点。而“达峰后”煤炭主体能源地位将弱化,但战略性矿产资源和煤基原料作用会进一步凸显。(4)在“双碳”目标驱动下,煤为主体的基本国情决定了煤炭将继续承担能源安全供给兜底的重大使命,进一步发挥战略性矿产资源的原料作用。但煤炭的高碳资源属性决定了煤炭开发利用将面临保供和减碳的双重压力。因此,科学服务经济社会高质量发展对能源安全保供和绿色低碳的重大需求,必须立足现阶段我国煤为主体、新能源为补充的能源生产和供给特点,以实现生态文明建设新进步为根本遵循,加大煤炭减损开采与生态碳汇、深部煤层与煤炭采空区CO_(2)地质封存和煤矿区新能源协同开发利用关键技术攻关力度,用技术创新支撑“双碳”目标下我国煤炭工业高质量发展。 展开更多

关键词 “双碳”目标 能源安全 煤炭能源地位 绿色低碳开发 技术挑战

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黄土沟谷区浅埋煤层开采覆岩破坏与地表损伤特征研究 被引量：20

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作者 王双明 魏江波 +2 位作者 宋世杰 侯恩科 孙涛 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第5期1-9,共9页

黄土沟谷区浅埋煤层开采地表非连续性的开裂损害,不仅引发了许多生态环境问题,也加大了生态修复难度,严重威胁着矿区生态安全。浅埋煤层开采地表非连续变形是特殊地质条件下覆岩破坏移动的结果,为更加系统地研究覆岩破坏对地表非连续性... 黄土沟谷区浅埋煤层开采地表非连续性的开裂损害,不仅引发了许多生态环境问题,也加大了生态修复难度,严重威胁着矿区生态安全。浅埋煤层开采地表非连续变形是特殊地质条件下覆岩破坏移动的结果,为更加系统地研究覆岩破坏对地表非连续性损害的影响规律,以陕北安山井田125203工作面为地质原型,采用离散元数值模拟与物理相似材料模拟相结合的方法,模拟分析了覆岩及地表破坏、岩块尺寸分布及力链演化等特征,揭示了覆岩力链演化对块体分布和地裂缝发育的影响规律,阐明了覆岩破坏块体对地表非连续损害的控制效应。研究结果表明:黄土沟壑缓坡地带浅埋煤层开采覆岩垂向变形与水平移动受地形影响较大;覆岩破坏形成双分层块体结构,分层界面距煤层底板11.0 m,下分层块体平均长度小于5.0 m,上分层大于5.0 m,覆岩块体平均长度随岩层至煤层底板距离的增大呈幂指数增长特征,地表块体平均长度由坡底至坡顶逐渐增大;下分层垮落压实的岩块结构和应力集中的力链结构,影响着上分层块体和力链的分布及地裂缝的发育,地裂缝平均间距与上分层应力集中点平均间距基本一致,主沟段顺坡、沟底和逆坡地裂缝平均间距分别约为下分层应力集中点平均间距的1.10倍、0.75倍和1.95倍,分别约为下分层岩块平均长度的2.93倍、2.00倍和5.18倍;“砌体梁”位移模型可以很好地描述下分层底部岩块的下沉移动过程和特征,进而反映覆岩块体的双分层结构特征和地表的损害效应。该研究结果可为黄土沟谷区浅埋煤层开采条件下沉陷控制与修复提供新的科学依据。 展开更多

关键词 黄土沟谷区 浅埋煤层 覆岩破坏 地表裂缝 颗粒流

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厚覆基岩下煤层开采突水溃砂机理研究 被引量：24

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作者 彭涛 冯西会 +3 位作者 龙良良 王英 牛超 刘英锋 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2019年第7期260-264,共5页

为了揭示较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂灾害的形成机理,以照金煤矿突水溃砂事故为例,结合最新补勘地质资料,从导水通道、充水水源、物源、储水空间、动力源和地质构造等多方面对该类型灾害机制进行综合分析。研究结果表明:在采动条... 为了揭示较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂灾害的形成机理,以照金煤矿突水溃砂事故为例,结合最新补勘地质资料,从导水通道、充水水源、物源、储水空间、动力源和地质构造等多方面对该类型灾害机制进行综合分析。研究结果表明:在采动条件影响下,富水性弱~中等的洛河组含水层也可能发生破坏极大的水害事故;较厚上覆基岩煤层开采顶板突水溃砂的发生并非单一因素造成,而是由多个因素相互作用最终造成水砂混合流运移和突溃的现象;照金矿202工作面综放开采产生的导水裂隙带导通洛河组含水层,水进入宜君组与直罗组之间的离层空腔,随着积水量增加,渗入煤系含水层和古河床相松散体中形成似泥石流体,并会沿工作面切落形成的集中通道瞬间溃入工作面,导致煤层顶板上覆较厚基岩发生突水溃砂。 展开更多

关键词 突水溃砂 导水裂隙带 较厚基岩 形成机理

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韩城矿区煤炭资源有利开采区块辨识的原理与方法 被引量：2

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作者 孙学阳 张齐 +2 位作者 夏玉成 杜荣军 郭晨 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2020年第11期232-240,共9页

地质灾害是煤矿安全生产的主要影响因素。开展矿区煤炭资源开采有利区块辨识,进行开采区块合理划分,对煤炭资源的精准、安全、高效开采具有指导作用。本文以韩城矿区3煤、11煤为研究对象,分别以可采煤层厚度、地质构造相对复杂程度、水... 地质灾害是煤矿安全生产的主要影响因素。开展矿区煤炭资源开采有利区块辨识,进行开采区块合理划分,对煤炭资源的精准、安全、高效开采具有指导作用。本文以韩城矿区3煤、11煤为研究对象,分别以可采煤层厚度、地质构造相对复杂程度、水害危险性、瓦斯地质灾害危险性为一级评价指标,对开采区块进行划分;根据4个一级指标划分出的等级,采用图形层次叠加分析法,将各指标的图形依次叠加,将韩城矿区内开采区块划分为:不利开采区块、可改造开采区块、较有利开采区块和有利开采区块。研究结果表明:矿区3煤主要为可改造区块和不利区块;11煤考虑顶板水对煤炭开采的影响,主要为较有利区块和可改造区块,考虑底板水的影响主要为不利开采区块和可改造区块。将研究结果与矿区已开采区域的实际情况对比分析可知,区内已发生的瓦斯突出、突水等事故的位置都位于综合评判的可改造区块内,一定程度上反映了采用的判识方法可行,判识结果可信。 展开更多

关键词 煤炭资源 有利区块辨识 层次叠加分析 韩城矿区

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陕北煤矿区采动地裂缝对土壤抗蚀性的影响规律研究 被引量：3

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作者 宋世杰 彭芮思 +2 位作者 左靖 刘露 陈宝灯 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期378-393,共16页

采动地裂缝作为黄河流域中游陕北煤矿区最突出且典型的采动损害问题,引发的水土流失效应已经不容忽视。为了研究采动地裂缝发育对周边土壤抗蚀性的影响,以陕北煤矿区内宽度分别为0~10,10~20,20~30 cm的采动地裂缝为研究对象,采集周边水... 采动地裂缝作为黄河流域中游陕北煤矿区最突出且典型的采动损害问题,引发的水土流失效应已经不容忽视。为了研究采动地裂缝发育对周边土壤抗蚀性的影响,以陕北煤矿区内宽度分别为0~10,10~20,20~30 cm的采动地裂缝为研究对象,采集周边水平距离80 cm以内,垂直深度40 cm以浅的土壤,测定了土壤水稳性团聚体、微团聚体、无机黏粒、有机黏粒、物理性质类等14个国内外学者普遍关注的用于量化表征土壤抗蚀性的指标,采用层次分析法、敏感性分析和因子分析相结合的方法甄选出陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要量化指标,构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型。结果表明:①综合层次分析法、敏感性分析和因子分析,甄选确定>0.25 mm水稳性团聚体含量、平均重量直径、<0.001 mm细黏粒含量、土壤团聚度、土壤有机质含量5个指标作为量化表征陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性的重要指标;②采动地裂缝会降低周围土壤的5个土壤抗蚀性重要指标,其中>0.25 mm水稳性团聚体含量变化最为明显;③根据土壤抗蚀性重要指标,基于因子分析原理构建了陕北采动地裂缝发育区土壤抗蚀性综合指数模型;④采动地裂缝会降低周围土壤的抗侵蚀综合能力,且该效应随着裂缝宽度的增大和水平距离的减小而增强,当距采动地裂缝的水平距离超过170 cm时,采动地裂缝对周围土壤抗侵蚀综合能力的负效应基本消失,其可作为陕北采动地裂缝发育区土壤侵蚀防控的关键区域。研究结果可为黄河中游陕北矿区水土流失的精准防控提供科学依据。 展开更多

关键词 采动地裂缝 土壤抗蚀性 水土流失 综合指数模型 陕北煤矿区

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粉煤灰与碱激发剂对注浆结石体孔隙结构特征影响研究

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作者 王忠伟 杨小勇 +1 位作者 郑鑫超 孙强 《煤炭技术》 CAS 2024年第8期18-22,共5页

为研究粉煤灰注浆材料与碱激发剂对注浆浆液孔隙结构及物理响应的影响,制备不同掺量粉煤灰(0、10%、20%、30%)与硅酸钠(0、1%、2%、3%)的注浆试样,通过低场核磁共振技术(LF-NMR)对结石体孔隙结构进行研究。研究表明:注浆浆液的黏度随粉... 为研究粉煤灰注浆材料与碱激发剂对注浆浆液孔隙结构及物理响应的影响,制备不同掺量粉煤灰(0、10%、20%、30%)与硅酸钠(0、1%、2%、3%)的注浆试样,通过低场核磁共振技术(LF-NMR)对结石体孔隙结构进行研究。研究表明:注浆浆液的黏度随粉煤灰掺量的增加呈现先减小后增大的趋势,当粉煤灰掺量较高时,硅酸钠增加浆液的黏度,且随着硅酸钠掺量的增加而增加;粉煤灰对结石率的影响较小,硅酸钠的加入会增加浆液的结石率,同时减小水灰比对结石率的影响;注浆结石体波速随硅酸钠掺量变化较小,且随着粉煤灰掺量的增加呈现减小趋势;粉煤灰的添加降低了结石体的孔隙率,结石体孔隙率随硅酸钠掺量的增加呈现先降低后上升趋势,且主要以微孔(r<0.1μm)为主。试验结果对粉煤灰、硅酸钠在注浆工程的应用具有一定的参考价值。 展开更多

关键词 粉煤灰 超细水泥 硅酸钠 孔隙结构

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多源固废基固碳矿用材料制备及多场景利用关键技术

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作者 刘浪 夏磊 +4 位作者 王双明 方治余 朱梦博 何伟 高宇恒 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1203-1222,共20页

冶金工业生产与煤炭资源开发过程中产生了大量难以有效利用的固废,并伴随地表沉陷、固废堆存及高碳排放等一系列问题。为实现“煤矿减损化开采−固废功能化利用−CO_(2)低碳化处置”目标,创新性地提出了CO_(2)矿化多源固废制备固碳矿用材... 冶金工业生产与煤炭资源开发过程中产生了大量难以有效利用的固废,并伴随地表沉陷、固废堆存及高碳排放等一系列问题。为实现“煤矿减损化开采−固废功能化利用−CO_(2)低碳化处置”目标,创新性地提出了CO_(2)矿化多源固废制备固碳矿用材料及多场景利用关键技术。以改性镁−煤基固废(包括改性镁渣、粉煤灰、煤矸石)为例,采用直接矿化法在地面将其矿化制备固碳矿用材料,以适应矿山多场景的应用需求。系统分析了固废直接矿化的工艺及其关键影响因素,制备了改性镁−煤基固废固碳矿用材料,研究了不同液固比条件下改性镁−煤基固废固碳矿用材料的基础性能(流动性能、强度性能、固碳能力)及其固碳机制。结果表明:液固比大于0.23时材料满足充填流动性能要求,且28 d抗压强度最高可达6.18 MPa;直接矿化搅拌10 min的矿化效率达到50.7%。针对多源固废基固碳矿用材料的多场景利用问题,提出了包括“固碳矿用预制件、固碳膏体充填开采、固碳矿用材料用于采空区治理、固碳充填材料用于矿井降温”在内的多场景利用关键技术。基于固碳矿用预制件,提出了高强低渗储库墙构筑技术及巷道掘进底板铺设一体化技术装备;在矿井膏体充填开采的基础上,创新性地提出了房柱式采煤固碳充填煤柱回收技术及冶金−煤基固废固碳充填材料的高效制备与充填应用一体化装备。此外,在采空区治理的应用方面,还需研究CO_(2)在固废材料中的吸附−扩散机理、注浆材料与环境的多场耦合机制及CO_(2)高效吸收搅拌反应装置,建立“采空区危险源监测−固废矿化注浆材料治理−注浆效果评价”等应用体系。研究为大宗冶金−煤基固废的合理处置和CO_(2)的高效封存提供了有益参考,对于推动“双碳”目标的实现及煤矿区由“零碳”向“负碳”的转型发展具有重要意义。 展开更多

关键词 固废处置 二氧化碳封存 多场景利用 矿用预制件 固碳充填

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黄河中游陕北煤矿区采动地裂缝对土壤入渗特性的影响及其侵蚀效应

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作者 宋世杰 成星 +4 位作者 王双明 刘露 李源红 张家杰 陈宝灯 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期1234-1248,共15页

破解黄河中游煤矿区采动地裂缝的水土流失效应,对于陕北煤矿区生态环境保护与高质量发展具有重要意义。以陕北柠条塔井田北翼典型采动地裂缝发育区内宽度0~10、10~20、20~30 cm的采动地裂缝周围土壤(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以... 破解黄河中游煤矿区采动地裂缝的水土流失效应,对于陕北煤矿区生态环境保护与高质量发展具有重要意义。以陕北柠条塔井田北翼典型采动地裂缝发育区内宽度0~10、10~20、20~30 cm的采动地裂缝周围土壤(水平距离80 cm以内、垂直深度20 cm以浅)为研究对象,利用定水头法和仪器分析法分别测定土壤入渗速率、累积渗透量、饱和导水率(K_(s))、有机质、机械组成、>0.25 mm水稳性团聚体含量,揭示了采动地裂缝对土壤入渗特性的影响规律,基于RUSLE2模型计算阐明了考虑入渗特性的采动地裂缝小空间尺度上的土壤侵蚀效应。结果表明:①采动地裂缝周围土壤的入渗速率随时间变化而呈现出瞬变(0~3 min)、渐变(3~60 min)及稳定(60~110 min)3个阶段的动态变化过程;②采动地裂缝发育提高土壤K_(s)的效应最显著,平均增幅为60.63%,该效应随采动地裂缝宽度的增大和距裂缝水平距离的减小而增强;③土壤累积入渗量和K_(s)与极细砂粒呈极显著正相关(p<0.01),而与黏粒、有机质则呈极显著负相关(p<0.01),与>0.25 mm水稳性团聚体也呈显著负相关(p<0.05);④考虑入渗特性计算的可蚀性K值变化幅度比不考虑时增大了1.12~2.13倍;基于指数函数构建了不同宽度采动地裂缝影响周围土壤入渗速率和可蚀性K值作用范围的预测模型,发现当距采动地裂缝水平距离分别超过226、157 cm时,采动地裂缝增大周围土壤入渗速率及可蚀性的效应基本消失,其可作为黄河中游陕北黄土采动地裂缝发育区水土流失效应的精准防控靶区。 展开更多

关键词 采动地裂缝 土壤入渗特性 土壤侵蚀效应 RUSLE2模型 陕北煤矿区

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黄河中游陕北煤矿区不同宽度的采动地裂缝对土壤抗冲性的影响

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作者 宋世杰 阮豪 +4 位作者 王双明 陈宝灯 李源红 刘露 张家杰 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期382-395,共14页

采动地裂缝作为黄河中游陕北煤矿区显著且最具代表性的采动损害形式,引发的水土流失效应已经不容忽视。为研究采动地裂缝发育对周围土壤抗冲性的影响,选取陕北柠条塔北翼采动地裂缝发育区内宽度为0~10、10~20、20~30 cm的采动地裂缝作... 采动地裂缝作为黄河中游陕北煤矿区显著且最具代表性的采动损害形式,引发的水土流失效应已经不容忽视。为研究采动地裂缝发育对周围土壤抗冲性的影响,选取陕北柠条塔北翼采动地裂缝发育区内宽度为0~10、10~20、20~30 cm的采动地裂缝作为研究对象,采集其周边水平距离0~80 cm的表层土壤,测定土壤机械组成、>0.25 mm水稳性团聚体、有机质等5个国内外学者普遍关注的土壤抗冲性影响因子和土壤抗冲系数,揭示采动地裂缝周围土壤理化特性指标及抗冲系数的变化规律,构建陕北采动地裂缝发育区表层土壤抗冲系数的预测模型。结果表明:采动地裂缝周围表层土壤在冲刷作用下产生的泥沙流失量会随冲刷时间的增加呈现“速增(0~1 min)、缓增(1~3 min)、稳持(3~10 min)”3阶段的变化过程,冲刷产生的泥沙流失量主要来自于3 min以内,其贡献率超过90%;采动地裂缝会产生大幅降低周围表层土壤抗冲性的效应,最大降幅为32.1%,且采动地裂缝宽度越大,越靠近地裂缝,该效应越明显;土壤抗冲系数与砂粒质量分数呈极显著负相关(p<0.01),与黏粒、>0.25 mm水稳性团聚体、有机质质量分数呈极显著正相关(p<0.01),其中砂粒、有机质、>0.25 mm水稳性团聚体质量分数可作为陕北采动地裂缝发育区土壤抗冲性的主控因素;以采动地裂缝宽度、距裂缝水平距离为变量,构建了采动地裂缝发育区表层土壤抗冲系数预测模型,计算发现当水平距离超过158 cm时,采动地裂缝对周围表层土壤抗冲性的影响基本消失,其可作为陕北采动地裂缝发育区土壤水蚀性防控的靶向区域。研究结果可为黄河中游陕北矿区水土流失的精准防控提供科学依据。 展开更多

关键词 采动地裂缝 土壤抗冲性 土壤侵蚀 原状土 陕北煤矿区

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富油煤的油气资源属性与绿色低碳开发 被引量：95

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作者 王双明 师庆民 +3 位作者 王生全 申艳军 孙强 蔡玥 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第5期1365-1377,共13页

黄河中上游是国家大型煤炭基地集中分布区,也是我国富油煤的主要生产区。受我国“缺油、少气、相对富煤”资源禀赋特点的制约,煤炭安全绿色开采,清洁低碳利用已成为保障国家能源安全的重大需求。实现黄河流域富油煤开发与生态环境保护... 黄河中上游是国家大型煤炭基地集中分布区,也是我国富油煤的主要生产区。受我国“缺油、少气、相对富煤”资源禀赋特点的制约,煤炭安全绿色开采,清洁低碳利用已成为保障国家能源安全的重大需求。实现黄河流域富油煤开发与生态环境保护协调发展,对缓解我国油气供应紧张、保障能源战略安全具有重要的科学价值和现实意义。富油煤是集煤油气属性为一体的煤炭资源,其油气潜力、特殊性、关键地质问题亟需研究,绿色低碳化开发技术亟待探索。①富油煤主要赋存于中低阶煤类中,主要特点是富含较多富氢结构;在隔绝空气加热时,可生成油、气和半焦。半焦主要成分为固定碳,与无烟煤相近;气体的主要成分是CH_(4),H_(2),CO等,可以作为燃料气和原料气;油为煤焦油,类似于重质石油,可通过前处理、加氢精制和加氢催化裂化工艺等达到清洁燃料油标准;②富氢结构是富油煤具有油气资源属性的物质基础,研究富氢结构的岩石学、沉积学特征及变化规律,分析富氢结构物质来源、沉积转化、变质演化、聚集规律及地质驱动机制,是构建富油煤预测模式与评价理论的基础;③梯级利用和原位热解是富油煤绿色低碳开发的重要途径。富油煤地面热解-气化一体化、热解-化工-发电一体化技术可以实现清洁高效利用,井下原位热解有望破解清洁低碳利用的难题。其中,矿井式原位热解技术通过井巷工程布置方式,利用井下巷道开展煤层分割、保温封闭,通过煤层原位加热实现井下热解生产油气;钻孔式原位热解技术通过注热孔加热和油气抽采孔回收油气,也可借助人工辅助造缝,实现加热回收油气。将富油煤作为煤基油气资源管理和开发,是新时代煤炭工业高质量发展的重要方向。 展开更多

关键词 富油煤 煤基油气资源 富氢结构 焦油产率 低碳开发

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高瓦斯矿井采煤工作面瓦斯地质分级评价方法与实践 被引量：12

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作者 郭晨 夏玉成 +5 位作者 孙学阳 王生全 王社荣 杜荣军 解海军 许珂 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2019年第8期2409-2418,共10页

瓦斯灾害是制约我国煤矿安全生产的主要灾害类型,在当前煤炭精准开采背景下,如何在工作面尺度实现瓦斯地质分级评价与风险精准识别,成为保障高瓦斯矿井安全、高效生产的关键。韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘渭北石炭—二叠纪煤田,构造... 瓦斯灾害是制约我国煤矿安全生产的主要灾害类型,在当前煤炭精准开采背景下,如何在工作面尺度实现瓦斯地质分级评价与风险精准识别,成为保障高瓦斯矿井安全、高效生产的关键。韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘渭北石炭—二叠纪煤田,构造条件复杂,瓦斯含量高且瓦斯动力现象频发,但工作面尺度瓦斯地质及致灾风险缺乏精细研究,对实际生产指导性不足。基于此,本文立足韩城矿区瓦斯地质条件,基于适用性与可行性原则优选煤层埋深、厚度、煤体结构、构造变形、绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量共6个参数作为基本指标,厘定其分级评价阈值标准;基于多层次模糊数学评价原理,提出了包括评价参数体系确立与分级、隶属函数与权重确定、数学模型构建、地质成图与分区评价等流程的工作面瓦斯地质分级评价方法。在此基础上,以桑树坪矿4321回采工作面为例,对其进行网格剖分,耦合单因素地质指标计算瓦斯地质分级评价指数,结果显示该工作面瓦斯地质条件差异显著,可划分为Ⅰ型有利区、Ⅱ型相对有利区、Ⅲ型相对不利区和Ⅳ型不利区,分区结果与实际地质条件具有较好的一致性,煤层构造变形及煤体结构破碎是制约工作面安全回采的主要地质因素。建立的工作面多层次模糊数学瓦斯地质分级评价方法符合当前煤炭精准、安全开采的现实需求,对其他高瓦斯矿井和构造煤区瓦斯地质保障具有借鉴意义。 展开更多

关键词 瓦斯地质 工作面 分级评价 层次分析 构造煤

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