煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2022年第12期

• 煤基固废充填开采技术研究进展与展望

  张吉雄, 张强, 周楠, 李猛, 黄鹏, 李百宜,

  煤基固废充填开采技术符合煤炭绿色智能开采和洁净高效低碳利用行业主要攻关方向及新发展理念要求，是促进煤炭开采高质量化、环境低损伤化、绿色低碳化发展的研究重点与热点。本文在总结煤基固废充填开采技术研发背景与发展历程的基础上，系统性介绍了煤基固废充填开采技术体系的研究现状，经过二十余年产学研用联合攻关，历经五代技术的研发创新，已基本形成体系的典型固废充填技术包括综合机械化固体充填、膏体充填、长壁逐巷胶结充填、覆岩隔离注浆充填、“井下采选充+X”，为“三下”开采、条带煤住回收、岩层移动与地表变形控制、煤基固废井下处置提供了较全面的技术途径；煤基固废充填开采充填材料本构模型、关键岩层控制及地表变形控制等理论研究也取得了较大进展，基本构建成充填开采岩层控制理论体系；面临产业智能化升级、深部资源开采、煤基固废规模化处置与资源化利用等重点发展趋势，煤基固废充填开采技术的主要发展方向包括但不限于煤基固废高效智能充填、井下嗣后注浆充填处置、深部充填采热、煤基固废充填井下碳封存、煤基固废绿色功能材料井下利用等。现有研究现状及发展趋势综合表明：煤基固废充填开采技术是实现煤炭资源绿色智能高效开采的重要代表性途径。

• 金属矿山充填采矿技术应用研究进展

  郭利杰, 刘光生, 马青海, 陈鑫政,

  地下金属矿山固废充填开采技术是实现矿业低碳绿色开发的重要途径，矿山充填不仅可以实现最大限度的回采矿产资源，而且可以实现矿业固废的环保处置。本文系统回顾了金属矿山充填采矿方法的发展历程，从金属矿山高效率规模化充填采矿、连续充填开采和如何降低充填采矿成本三个方面介绍了最新的技术应用研究进展。首先系统梳理了金属矿山充填工艺的演变发展脉络，总结了涵盖矿山固废充填料浆制备、充填料浆管道输送、充填采场封闭和采场尾砂料浆脱水等全流程充填工艺技术的应用进展和发展趋势。然后研究分析了尾砂充填体非均质特性和尾砂料浆固结力学特性的演化发展机制，并对比分析了传统的采场充填体强度需求解析方法与改进的胶结充填体强度需求计算-设计方法，进而介绍了井下采场充填体质量原位监测与分析评价方法。基于上述研究进展综述，得出矿山充填采矿方法变革是实现高效率、规模化、低成本充填采矿的核心要素，矿山全流程充填工艺创新是稳定制备与使用高质量充填料浆的必要举措，深入研究采场充填体力学作用机理问题是确保充填采矿技术安全、绿色、经济、便捷应用的本质要求。最后阐明了充填采矿领域未来应重点关注的研究方向，指出加快发展绿色低碳充填新技术、新材料与新装备是助推金属矿山充填转型发展的动力引擎。

• 多源煤基固废绿色充填基础理论与技术体系

  杨科, 赵新元, 何祥, 魏祯,

  煤炭开采、发电、煤化工等工业中产生的煤基固废存量大、增量多、利用率低已成为制约宁东基地绿色低碳、高质量发展的瓶颈。井下绿色充填是无害化、资源化、规模化处置利用多源煤基固废的有效途径。本文以宁东基地为试验区，分析了多源煤基固废的污染风险、理化性质和多重属性，系统阐述了煤基固废用于井下充填的基础理论和技术体系。研究表明：（1）煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏等污染性和理化性质符合填埋标准(GB 18599-2020），气化渣、炉底渣等固废的部分重金属含量超过筛选值，可采取技术措施降低潜在污染风险，多源煤基固废可用于井下绿色充填。（2）煤基固废用于井下充填的基础理论包括绿色充填可行性评价、煤基固废充填材料性能、充填材料与环境多场耦合机理、多层位立体充填机制。（3）多源煤基固废井下绿色充填技术体系主要包括煤矸石源头减量精准开采技术、井下采选充协同技术、煤基固废重金属吸附与络合钝化技术、多源煤基固废充填材料制备技术、充填材料长距离管道输送技术、充填全过程智能监测技术等。最后，根据宁东基地任家庄矿地质条件，提出并实施了超前钻孔注充低位充填，展望了集成活性粉体制备、高值建材研发、生态修复治理、井下绿色充填等煤基固废多产业链接协同利用新模式。

• 西部典型生态脆弱矿区采损地表植被盖度演化规律与退化机制

  黄艳利, 郭亚超, 齐文跃, 李俊孟, 王佳奇, 欧阳神央, 吴来伟,

  生态本底脆弱的西部矿区已成为我国煤炭资源的主产区，采动影响下矿区生态环境日趋退化，其中最直观的体现就是对地表植被的影响。为揭示采矿扰动区地表植被变化状况，以枣泉煤矿为研究靶区，选取了10景连续的SentineL-1A雷达影像数据和93景SentineL-2A光学数据，基于小基线集差分干涉测量技术(SBAS-InSAR)，结合一元线性回归分析和相关系数，研究了工作面开采过程中地表下沉特征，分析了工作面开采沉陷区与非沉陷区植被NDVI时序演化特征，评估了采矿扰动下矿区植被覆盖度时序演化趋势，并对采损植被退化机制进行了剖析。研究表明：2014年-2021年枣泉矿区地表植被NDVI呈物候性周期变化趋势，矿区植被覆盖度总体呈改善状态；工作面开采当年地表植被开始出现退化，退化程度较低，在采后2-3年退化最为明显，随后逐渐缓慢恢复，总体经历了轻微退化期、显著退化期以及逐渐恢复期等变化过程。土壤有机质、含水率是影响矿区植被发育的重要土壤理化性质因子，采矿扰动区地表下沉、裂缝发育引起有机质、全氮、全磷等地表土壤理化性质的改变以及采动影响下地下水位下降是造成工作面植被退化的重要原因，温度和降雨量也对矿区地表植被发育状态有重要的影响。研究成果为西部生态脆弱矿区采损植被生长状况的科学诊断、矿区植被修复时机的确定提供了理论与数据支撑。

• CO2矿化煤基固废制备保水开采负碳充填材料试验研究

  马立强, 翟江涛, Ngo Ichhuy,

  煤炭资源开发利用过程中会产生大量的CO2以及粉煤灰等煤基固废，在“双碳”目标下，如能采用CO2矿化煤基固废制备充填材料，并将其充填在采空区里控制岩层移动，将会“变废为宝”，推动保水开采等绿色低碳技术发展。针对矿井充填现场难以满足CO2矿化所需高温高压高钙（“三高”）条件的问题，探索在常温常压条件下，采用常规低钙粉煤灰（“三常”）研制CO2矿化煤基固废负碳充填材料（Negative Carbon Filling Material，NCFM）。在NCFM反应过程中，原材料首先发生水化反应生成C-S-H凝胶、Ca(OH)2和CaCO3，再与CO2反应后生成SiO2硅胶。在此过程中，碱性激发剂加速C-S-H凝胶和硅胶的生成，使NCFM具有快速早强特征。随着NCFM进一步水化反应，碱性激发剂会促进火山灰反应的发生，进而促使更多水化产物的生成，有利NCFM长期强度的提高。在采用坍落度测试、凝结时间测试、单轴抗压强度（UCS）测试、X射线荧光光谱（XRF）、X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）-X射线能谱仪（EDS）分析，以及热重分析（TGA）测试的基础上，研究了NCFM的力学性能和微观组织，阐明了NCFM的早期与长期强化机制。80%粉煤灰掺量的NCFM试样的UCS最大，3 d达2.70 MPa，28 d达5.12 MPa。NCFM的最大CO2吸收量为1.39 mg-CO2/g-NCFM。NCFM的研制提供了保水开采负碳充填材料，可推进形成CO2资源化利用、固废规模化处置、采空区再利用，以及保水开采等煤炭资源绿色化开采的协同技术途径，促进实现“碳炭置换”，助力加快能源资源领域“双碳”战略目标实现。

• 固体智能充填关键装备工况位态表征及自主识别调控方法

  张强, 崔鹏飞, 张吉雄, 张昊, 常天骄, 杨军辉,

  固体充填开采技术最显著的特征是依靠机械夯实保障充填体的致密性，存在工作量大、自动化程度低、采充工序分散等特点，制约了固体充填开采技术的规模化推广应用，迫切需要向固体智能充填方向升级改造。基于固体智能充填技术研究现状的系统总结，明确其实现智能化的基础是充填液压支架等关键装备工况位态的精准表征及自主识别调控；通过构建以感知、识别为核心的固体智能充填工序流程，比较各表征方法的优缺点及适用条件，提出了基于MDH运动学建模的固体智能充填关键装备工况位态精准表征方法；通过采用理论实践结合、建模仿真并行的研究手段，针对充填液压支架、多孔底卸式输送机和机构干涉的工况位态进行界定，给出了各装备非正常工况的判别函数，揭示了各装备非正常工况的解调路径；并以河北邢东矿固体智能充填面建设为工程背景进行应用与验证，结果表明：相比非固体智能充填，在一个完整工序循环时间内，单组充填装备工况位态自主识别调控时间减少10min，充填效率提高40%以上，研究结果大大提高了固体充填开采的智能化程度及充填效率，为完善固体智能充填体系提供理论及技术依据。固体充填装备具有多种型号，各型号的结构、尺寸及机构间的相互配合关系均有所差异，本文所建立的工况位态表征及自主识别调控方法在应用到具体型号的固体充填装备时，需要对相关的模型结构参数进行对应调整。

• 煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求

  邓雪杰, 刘浩, 王家臣, 王斐, 刘旭正, 郑庆学,

  胶结充填是一种在煤矿获得广泛应用的绿色开采技术，然而煤矿胶结充填体的强度需求却缺乏成套的科学设计方法。论文围绕煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求这一主题，通过实验室试验和理论分析等方法，实测得出胶结充填体单轴抗压强度（UCS）与侧限条件下压缩率之间的关系，阐明了煤矿充填开采采空区充实率的科学内涵，分析了采空区充填体的承载机制，建立了胶结充填采空区充实率表征模型，揭示了胶结充填体强度对充实率的影响作用机制，研究了多场景胶结充填目标充实率计算原理，形成了煤矿采空区充实率控制导向的胶结充填体强度需求动态设计方法。研究表明：（1）侧限压缩试验中，特定垂直应力对应的胶结充填体压缩率与充填体UCS呈现单调负相关，二者关系可利用上下边界Allometrical函数表征，且压缩率对UCS的敏感性随充填体强度增加而减小，即充填体强度达到一定程度后再提升强度对其压缩率的影响很小；（2）得出了充填体所受垂直应力、压缩率和充填体UCS三者的耦合关系，形成不同开采深度条件下胶结充填体UCS和压缩率的数学表征方法，建立了胶结充填充实率数学表征模型；（3）将充实率表征模型应用于控制顶板下沉、导水裂隙和地表沉陷多种应用场景，形成了目标充实率控制导向的胶结充填体强度需求设计方法。将研究成果应用于开滦集团某矿胶结充填体强度需求设计，得出充填体平均强度需求为3.00 MPa，并基于充填开采区域内煤厚、埋深等采矿地质条件的变化和工作面巷道布置方案，给出了CT1201、CT1202和CT1203工作面充填体强度需求的动态分布。研究成果丰富了胶结充填体强度设计理论，可为煤矿胶结充填工作面的充填体强度需求设计提供理论依据。

• 覆岩隔离注浆充填绿色开采技术

  轩大洋, 许家林, 王秉龙,

  充填是煤矿减损开采与固废减排的技术，覆岩隔离注浆充填是在深入揭示覆岩卸荷膨胀累积效应基础上提出的绿色开采新方法。该项技术通过确定控制岩层移动与地表沉陷的关键层，采用压实注浆新工艺，在关键层下的主层位实施高压注浆，将下方覆岩的卸荷膨胀量重新压缩转化为可充填空间，大幅提高了注采比，在采空区形成压实承载结构，支撑关键层，实现岩层沉陷控制与建（构）筑物保护。覆岩隔离注浆充填采用粉煤灰、煤矸石、煤泥等作为注浆材料，充分利用了煤矿采动空间与空隙，实现固废减排。介绍了不同类型固废制浆的工艺及特点，论述了充填浆液从固体－浆体－压实体的转变过程，以及浆液流动泌水固结特征。浆液由钻孔进入覆岩裂隙腔体内快速泌水，并在压力作用下不断固结压实，泌出水向注浆层围岩渗流。岩层饱和度对泌出水向工作面的流动产生影响。注浆充填体最终在地层内形成压实体，保证了地表沉陷控制的长期效果。除沉陷控制、固废减排之外，覆岩隔离注浆充填还可用于减震防冲、保水采煤等领域，并在无煤柱开采、相邻采空区开采、多煤层开采等复杂地质采矿条件中得到了成功应用。该技术的适用条件是工作面具有一定的基岩厚度，能够找出可作为注浆层位的关键层。未来该技术仍需在减震防冲、保水采煤中开展进一步试验研究。

• 宁夏碱沟山脱灰无烟煤石墨烯量子点制备与谱学特征

  唐跃刚, 李瑞青, 樊江涛, 马鹏亮, 王绍清, 罗 鹏, 郭伟勇,

  采用一步化学氧化法，以宁夏碱沟山无烟煤为碳源，探讨了脱灰无烟煤制备石墨烯量子点 的可行性。 利用 X 射线衍射分析、拉曼光谱、高分辨透射电镜、X 射线光电子能谱和荧光光谱等谱 学方法，表征了脱灰无烟煤以及产物石墨烯量子点的化学结构和化学组成。 宁夏碱沟山无烟煤及 其脱灰样品的碳质量分数较高，分别为 94.19%和 94.43%，H / C 原子比非常低，分别为 0.14 和 0.15。 原煤的显微组分以镜质体为主，为 81.4%。 X 射线衍射分析结果表明，脱灰无烟煤的芳香片层直 径(La)、堆砌高度(Lc)及平均堆积层数(Nave)均较好，La达 6.0 nm 以上，Lc为 2.02 nm，平均 Nave超 过 6，具有较高的芳香度，fa 为 0.89。 拉曼光谱分析显示，脱灰无烟煤多环芳香化合物的 C—C 震动 强烈，ID / IG 强度比为 0.85，G-D 峰位差为 157.88 cm-1 ，利于石墨烯量子点的制备。 研究发现，碱沟 山无烟煤通过一步化学氧化法可以制备出尺寸均一、晶型良好、荧光性质稳定的石墨烯量子点，芳 香簇尺寸整体较大(8~9 nm)，最大直径为 12 nm，尺寸在 6~10 nm 的芳香簇数量达 92%;与前驱体 煤样相比，脱矿煤样制备的煤基石墨烯量子点具有更小的缺陷度，ID / IG 强度比为 0.81，G-D 峰位差 为 264.25 cm-1 。 高分辨透射电镜下煤基石墨烯量子点芳香环排列比较规则，六边形晶体结构可 见，具有较好的结晶度。 X 射线光电子能谱表征表明脱灰无烟煤和所制备的石墨烯量子点的含氧 官能团较为单一，主要为 C 唐跃刚，李瑞青，樊江涛，等.宁夏碱沟山脱灰无烟煤石墨烯量子点制备与谱学特征J.煤炭学报，2022，47(12):4278-4289.

• 煤基氧化石墨烯 / 钒酸铋复合物的构建及光还原 CO2 应用

  张亚婷, 郑莉思, 李可可, 贾 嘉, 张 婷,

  双碳目标下，煤炭资源的高附加值利用和 CO2 资源化转化成为重要的研究课题，以煤为原 料开发功能性煤基材料用于CO2绿色转化展现出广泛的应用前景。 以晋城无烟煤为碳质前体，采 用高温石墨化耦合化学氧化策略制备得到煤基氧化石墨烯( CGO) ，进而通过蒸发诱导自组装手段 在 CGO 上生长钒酸铋纳米片( BVO) ，成功构筑得到 CGO / BVO 纳米复合材料，其独特的二维 / 二维 纳米片结构有助于复合材料在可见光照射下完成光催化还原 CO2 过程。 通过利用 X 射线衍射 仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)、紫外可见光漫反射光谱(UV-vis)以及光电化学测试等手段对 复合样品的结构形貌和光电性质进行了测定。 研究表明:BVO 纳米片具有窄的带隙以及宽的可见 光吸收范围，可以赋予 CGO / BVO 复合材料良好的光吸收能力。 同时借助 CGO 自身优异的物理化 学性质充当助催化剂，可以有效转移 BVO 纳米片被光激发后产生的载流子。 通过 2 者充分接触产 生的协同作用，减小了复合材料界面传输电阻，提高了光生电子的分离与转移速率和光催化剂表面 电荷密度，从而促进了 CO2 光还原制甲醇反应的进行。 当复合材料中 CGO 与 BVO 质量比达到 10 ∶ 1时，所制备的 CGO/ BVO 样品将 CO2转化为甲醇的产率可达 134.57 μmol/ (g∙h)，是纯 BVO 纳米片的 1.7 倍。 这项研究为煤基高附加值新材料用于光催化转化 CO2 制备甲醇提供了新思路。

• 煤石墨化:结构和差异性演化

  王绍清, 王小令, 沙吉顿, 穆瑞峰,

  石墨作为战略性非金属矿产对我国的发展极为重要。 然而我国的石墨矿产资源量有限，以 煤为碳源制备石墨逐渐成为了当下乃至未来重要的发展趋势。 在煤的石墨化过程中，伴随着杂原 子的脱出，芳香层片逐渐拼叠，朝定向化发展，结构演化显示出了“ 渐变” 与“ 突变” 的特征，而这与 煤大分子结构演化紧密相关。 由于煤本身的非均质性，如显微组分差异、聚集态结构差异和分子结 构差异，因而在石墨化过程中会产生不同的碳类型产物，使得对煤向石墨演变过程的研究充满了挑 战。 通过分析煤石墨化理论(包括微晶生长理论、乱层结构理论模型、易石墨化炭和难石墨化炭分 类及多缺陷统计理论等)，指出煤石墨化过程中，除了不断形成石墨微晶，还伴随着结构缺陷的不 断修复过程。 通过研究煤在石墨化过程中的结构演化，阐明了煤石墨化过程具有渐变性、突变性特 征。 系统探讨了煤显微组分、煤颗粒内外部、煤中不同聚集态结构对于煤石墨化的差异化作用，镜 质体比惰质体更容易石墨化，指出不同显微组分石墨化差异性与其本身分子结构差异有关;煤颗粒 受热后，颗粒边缘更容易定向，朝石墨化发展;易石墨化炭和难石墨化炭的差异体现在纳米结构上， 难石墨化炭中曲率的存在抑制煤石墨化。 最后，结合对石墨化后产物中不同碳类型分类分析，指出 未来煤石墨化研究的重点和方向。

• 闽西南永安煤田煤系石墨显微组分光学特征及石墨化组分形成路径

  李久庆, 秦 勇, 陈义林, 申 建, 李 耿, 郑长东,

  石墨作为重要的矿物类非金属矿产，是炭素材料的基础原材料，煤系石墨是煤变质形成的 一种隐晶质石墨，在新型碳材料领域应用广泛。 为研究煤系石墨显微组分的光学特征和石墨化显 微组分的形成路径，以闽西南永安煤田广泛发育的煤系石墨为研究对象，采用不同观察组合的光学 显微镜和扫描电镜等方法，识别煤系石墨显微组分组成及其光学特征，探讨不同显微组分的趋石墨 化行为和形成方式。 结果表明，煤系石墨显微组成以煤原有显微组分的变镜质体为主(86.15%~ 97.24%)，变惰质体次之，偶见变类脂体，新生显微组分包括各向异性体和石墨微晶(0.68% ~ 7.32%)。 反射单偏光旋转载物台观察，变镜质体呈多色性和强光学各向异性，不同显微亚组分之 间光性差异明显，交叉偏光清晰观察植物组织结构，是区分亚组分的有效方法。 变惰质体以变丝质 体为主，反射单偏光观察以弱光学各向异性为特征，交叉偏光观察近全黑，基本保持光学“惰性”。 变类脂体中变孢子体、变角质体和变树脂体形态清晰，多色性和光学各向异性强于变镜质体。 流动 状结构各向异性体以透镜状或条带状依附于原显微组分表面，石墨微晶产状有微裂缝充填和胞腔 充填两种，以前者为主，呈片状、针状和镶嵌状形貌，簇状集合体产出。 正交偏光加石膏试板观测条 件下，石墨微晶呈一级黄和二级蓝干涉色，指示石墨微晶不同的排列方向，等色区线径 10 ~ 50 μm 的石墨微晶数量最多且分布最广。 扫描电镜电子能谱显示，石墨微晶呈不规则鳞片状并见流动状 结构和气泡膜状结构，元素以碳为主。 富氢变镜质体和变类脂体是煤系石墨中新生显微组分的主 要碳质来源，煤系石墨趋石墨化显微组分以 3 种路径形成:一是充填于原显微组分颗粒边界的渗 出沥青体，形成方式类似于沥青焦;二是高活性变类脂体受热软化熔融冷却结晶形成各向异性 体;三是活性显微组分热解产生的含碳气体在开放空间以气相沉积方式形成石墨微晶。 煤系石 墨的形成和分布受岩浆-构造热活动制约，岩浆热力与侵位压力是闽西南煤系石墨形成的主要 地质因素。

• 煤缩合芳环应力响应:对无烟煤石墨化的启示

  宋昱, 姜 波, 王 猛, 李凤丽, 程国玺, 侯晨亮, 冯光俊, 全方凯,

  浅层次(<5 km)滑脱构造中剑鞘褶皱的发现预示着脆性变形域中同样发育有煤层韧性剪切 带，且其结构-构造特征和伴生石墨矿化现象已被人们所认识，然而对于煤大分子缩合芳环应力响应 特征则知之甚少，且缺乏实验论证及理论分析。 以原生结构无烟煤的高温高压变形实验，高分辨率透 射电子显微镜(HRTEM)以及 X 射线衍射(XRD)分析为主要研究方法，分析次高温条件下(<300 °C) 应力(~200 MPa)和应变速率(1×10-5 ~1×10-7 s-1)对煤中缩合芳环结构有序性的影响，揭示不同应力 状态和应变速率条件下煤缩合芳环的结构有序化演化规律及其对无烟煤石墨化成矿的启示。 结果表 明，高构造应力和低应变速率使得无烟煤大分子缩合芳环长度生长，定向性增强;2 者对缩合芳环结构 有序性的影响最为显著。 煤中缩合芳环弯曲程度随着差异应力和静水压力的升高而升高，随着应变 速率的降低而升高;堆叠程度则随着差异应力的升高和应变速率的降低而略微升高，对静水压力和温 度的变化不敏感。 XRD 结果显示缩合芳环碳网间距随着构造应力的升高和应变速率的降低而逐渐 降低，与 HRETM 的表征结果一致。 实验结果表明除温度之外，高差异应力和低应变速率是无烟煤大 分子基本结构单元有序化增强的关键因素。 作为上地壳力学性质最为软弱的岩层，煤大分子缩合芳 环应力响应特征研究对于无烟煤石墨化成矿作用有重要启示作用。

• 中国燃煤电厂大气污染物排放研究进展

  顾晨, 赵瑜,

  中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，燃煤电厂是大气污染物主要排放源之一。 为持 续改善环境空气质量，中国制定和实施了逐步严格的排放标准和控制措施以减少燃煤电厂的大气 污染物排放。 准确量化燃煤电厂的排放特征和长期趋势对于深入认识煤电行业环境影响至关重 要。 回顾了 20 a 来我国燃煤电厂的控制历程与排放标准，对燃煤电厂大气污染物排放的研究进展 进行综述，旨在提升对我国煤电行业大气污染控制进程和排放演变规律的认识，并为其环境污染治 理提供科学依据。 2000—2020 年，我国燃煤电厂经历了排放增加、污染缓和、政策加严和超低排放 改造 4 个阶段基于逐步完善的“ 自下而上” 排放清单研究方法，三大常规污染物( PM2.5 、SO2 和 NOx ) 的排放量分别在 2004—2005、2005—2006 和 2011 年前后出现拐点并稳步下降。 其中，细颗粒物年 排放量由百万吨级下降至十万吨级，SO2和NOx年排放量由千万吨级下降至百万吨级。 由于对污染 治理信息掌握不足，部分全球及亚洲排放清单对我国煤电行业排放水平存在高估。 在西电东送等 国家战略影响下，我国东部高电力需求区域煤电行业排放占比逐渐下降，而西部能源富集区域排放 占比逐渐增加。 此外，基于卫星观测的“自上而下”方法也被应用于评估煤电行业排放控制措施的 实施效果。 过去 20 a 间，我国煤电装机容量和发电量占比显著下降，但与欧美等发达国家相比仍 相对较高。 未来应在提高非化石能源利用占比的同时，进一步加强煤炭清洁利用，充分发挥其在电 力安全和供应保障中的基础性作用，并持续降低大气污染物和温室气体排放强度，实现减污降碳、 协同增效的目标。

• 燃煤城市及其周边地区“ 双代” 后大气 环境颗粒物的化学特征

  牛红亚, 史沥介, 任秀龙, 金 妞, 王 硕, 李淑娇, 胡偲豪, 吴春苗, 卢彦琦, 樊景森, 孙玉壮,

  2020 年 10 月，燃煤工业城市邯郸市完成“ 气代煤” 、“ 电代煤” 工程。 为研究“ 双代” 工程后细颗粒物(PM2.5)的化学特征，采集 2018—2020 年邯郸市冬季 4 次污染过程以及 2020 年其周边地区(魏县和鸡泽县)冬季 1 次大气污染过程 PM2.5 样品，进行水溶性离子和碳质气溶胶分析。 结果显示，相较于 2015 年“双代”工程实施初期，2020 年邯郸市冬季 PM2.5 质量浓度下降 40.8%，表明“双代”工程的实施，使邯郸市空气质量得到有效的改善。 4 次污染过程中邯郸市 PM2.5 呈碱性，平均质量浓度分别为(153.9±97.7)，(164.5±78.7)，(137.3±72.9)和(161.8±84.3) μg/ m3，魏县和鸡泽县PM2.5平均质量浓度为(123.5±47.3)和(124.5±53.4) μg/m3。 水溶性离子分析显示，SNA (NH+，NO-和SO2-)质量浓度最高，占水溶性离子总质量浓度的85.3%~90.0%。 相较于邯郸市 4342016 年冬季，“双代”工程后作为燃煤示踪物的 Cl- 质量浓度下降 48.0%，表明“双代”工程取得良好 成效。 NO-与SO2-质量浓度比显示，移动源(汽车尾气)的贡献高于固定源(燃煤)。 碳质气溶胶分34析显示，总碳(TC)在邯郸市 PM2.5中占比下降 55.2%。 邯郸市、魏县和鸡泽县有机碳(OC)与元素碳(EC)质量浓度比均大于 2，表明存在二次有机碳(SOC)污染。 相关性分析与主成分分析结果显 示，“ 双代” 工程实施过程中邯郸市碳质气溶胶主要来源由燃煤、汽车尾气逐渐转变为生物质燃烧。 通过潜在源分析，邯郸市、魏县和鸡泽县主要潜在源区为山西中部、山东西北部以及河南北部。

• 典型工业过程一次颗粒物实时排放特征

  葛宏飞, 孔少飞, 刘晋宏, 冯韵凯, 覃 思, 祁士华,

  工业过程是我国大气颗粒物的主要来源之一。 为满足当前高精度排放清单的构建，亟需对 其污染物排放质量浓度的动态变化和排放因子开展实测。 基于稀释通道采样系统，对水泥生产、医 药制造、玻璃制造、纺织(燃煤锅炉)和钢铁烧结 5 类典型工业过程颗粒物进行测试，获得可吸入颗 粒物(PM10)、细颗粒物(PM2.5)、亚微米颗粒物(PM1.0)和黑碳(BC)的实时排放量，对 PM1.0 /PM2.5， PM2.5 /PM10和BC/PM2.5(质量浓度比)的日变化进行分析，更新各类一次颗粒物的排放因子。 上述 5 类典型工业过程的 PM2.5和 BC 平均日排放质量浓度分别为(1.60±1.13)，(5.08±3.29)，(0.14± 0.12)，(0.87±0.42)和(0.79±0.30) mg/m3，以及(24.03±16.40)，(40.38±20.47)，(2.59±1.64)， (11.44±10.02)和(5.98±4.33) μg/m3，具有明显的日变化，高值时段分别为低值时段的1.16~2.53 倍和1.57~2.40倍。 这可能与不同时间段内燃料添加改变燃烧状态和污染控制设备效率波动有 关，因此高时间分辨率污染物排放清单的构建需考虑这些日变化特征。 水泥生产行业的BC/PM2.5 为清单编制技术手册中推荐值(0.002)的 7.5 倍，钢铁烧结行业为推荐值(0.001)的 8.6 倍，且其 BC 排放因子分别为 0.11 和 0.02 mg / kg，远低于技术手册中的 230 和 2.52 mg / kg，若以技术手册中推荐 的BC排放系数建立排放清单会高估BC的排放量。 制药、玻璃制造、纺织(燃煤锅炉)的BC/PM2.5 分别为(0.009 5±0.005 0)，(0.030 3±0.026 9)和(0.010 2±0.008 0)，BC 排放因子分别为 0.43，0.29 和 0.68 mg / kg，技术手册中并未给出 BC 参考排放系数。 研究数据可为更新清单编制技术手册和 建立 BC 排放清单提供实测数据支撑。

• 燃煤电厂和民用燃煤排放细颗粒物的微观特征及差异

  张银晓, 刘 磊, 严 沁, 孔少飞, 李卫军,

  燃煤电厂和民用燃煤是我国空气污染的主要贡献源，而获取其排放颗粒物的形貌、组分、混 合状态等微观信息对于大气颗粒物的溯源工作具有重要意义。 利用透射电子显微镜和 X 射线能 谱仪获取了山东和江苏某燃煤电厂和山东农村民用燃煤所排放细颗粒物的形貌、组分、混合状态和 粒径分布等单颗粒特征并进行了对比。 研究结果显示，在燃煤电厂所排放的细颗粒物中，矿物颗粒 和富硫颗粒等非碳质颗粒物占主导，占所分析颗粒物总数的 93.6%。 这些矿物颗粒主要是由硅、氧 和金属元素组成，而富硫颗粒主要由硫元素组成。 在民用燃煤所排放的细颗粒物中，有机颗粒和黑 碳颗粒等碳质颗粒物占主导。 研究发现，民用燃煤在明烧和闷烧过程中所排放细颗粒物的形貌和 组分也具有较大差异。 民用燃煤在明烧过程会排放大量的黑碳颗粒，其占所分析颗粒物总数的96. 9%;这些黑碳颗粒主要由碳元素组成，并呈长链状或团簇状。 而民用燃煤在闷烧过程主要排放有 机颗粒，其也由碳元素组成，但呈圆形或近圆形的半透明状。 粒径分析结果显示，燃煤电厂所排放 细颗粒物的粒径峰值在 700 nm 左右，高于民用燃煤的 500 nm。 燃烧工况的差异是导致燃煤电厂 和民用燃煤所排放细颗粒物存在巨大差异的主要原因。

• 基于涡动及走航观测的晋东南煤矿区甲烷分布特征

  刘艳秋, 秦 凯, COHEN Blake Jason, 康涵书, 胡 玮, 鹿 凡, 武晓晖, 杨成立,

  甲烷是仅次于二氧化碳的全球第二大温室气体，在大气中的寿命仅为 10 a 左右，但其全球 增温潜势却是CO2的几十倍。 大气中的甲烷体积分数可以更加迅速地对温室减排活动做出响应， 相较于CO2减排，控制和减少甲烷排放是短期内应对气候变化的最有效手段之一。 煤炭开采行业 是我国甲烷的最主要排放源之一。 在碳达峰和碳中和的国家战略需求下，控制和利用煤炭活动产 生的甲烷排放，必将成为“十四五”期间我国甲烷排放控制行动的重点，厘清煤矿行业的甲烷排放 特征具有重要意义。 煤炭开采活动产生的甲烷排放受到地质赋存、开采方式、利用情况等众多因素 影响，传统的“ 自下而上” 排放因子清单方法不确定性较大，基于大气甲烷体积分数观测数据的“ 自 上而下”技术正成为监测核算甲烷排放的重要方法。 2021 年秋冬季，采用“固定+走航”相结合的 观测手段，以我国典型的甲烷高排放区( 晋东南煤矿区) 为实验区域，获取一手观测数据，分析并揭 示近地面甲烷体积分数特征及其潜在的排放源信息。 结果表明:1 甲烷体积分数的时空变化性 强，煤矿区本底甲烷体积分数值是清洁本底的近 1.7 倍，极端高值可达本底值的 40 ~ 50 倍;2 甲烷 体积分数在 1 d 内的变化与煤炭生产活动密切相关，逐日变化受气象扩散条件影响较大;3 绝大 多数甲烷体积分数高值位于煤矿生产相关区域，但由于扩散作用的影响，煤炭生产对甲烷体积分数 时空分布影响存在一定的空间偏离性和时间滞后性。 地面“固定+走航观测”手段可以提供精细化 的甲烷排放特征信息，研究结论可为基于观测“自上而下” 地构建煤炭行业甲烷排放清单奠定一定 基础。

• 建筑荷载下浅埋长壁老采空区地表移动变形规律与机理

  陈绍杰, 祝伟豪, 汪 锋, 尹大伟, 任梦梓, ВАРНАВСКИЙКИРИЛЛ,

  针对采煤塌陷地新建建筑物时老采空区覆岩活化运动导致地表移动变形并威胁建筑物安 全的问题，现场勘测和物理模拟分析了浅埋长壁老采空区覆岩长期状态，数值模拟研究了建筑荷载 作用下浅埋长壁老采空区地表移动变形规律，探讨了建筑荷载作用下浅埋长壁老采空区地表移动 变形机理。 研究结果表明:采空区边界覆岩不稳定区域在采空区封闭后长期存在;相似物理模拟实 验中，煤柱长期承载失稳破坏后，煤柱支承区高度增加、宽度增加了 32.5%，矸石压缩区高度增加、 宽度增加了 80.4%，煤壁支承区高度增加、宽度增加了 67.2%，侧向裂隙区高度增加、宽度减小了 23.3%。 当新建建筑物位置不变时，随着荷载的增加，地表移动变形量和范围也增加。 各加载位置 中，侧向裂隙区地表新建建筑物导致地表移动变形量突增的荷载阈值最小，建筑物高度阈值为 18 层，与建筑物高度 12 层时相比，地表最大下沉量增幅为 91.4%，地表最大水平移动量增幅为62.1%。 当新建建筑物位于侧向裂隙区上方时，由于侧向裂隙区内部不稳定结构多，且建筑荷载下侧向裂隙 区中关键块出现回转和滑落失稳，覆岩下沉量大，此时地表移动变形量最大;当新建建筑物位于煤 柱支承区上方时，煤柱在建筑荷载作用下继续产生塑性变形，覆岩下沉量较小，此时地表移动变形 值次之;当建筑荷载作用于煤壁支承区时，煤壁在建筑荷载作用下继续产生压缩变形，覆岩下沉量 小，此时地表移动变形值较小;当建筑荷载作用于矸石压缩区时，覆岩下沉量小，老采空区垮落矸石 在建筑荷载作用下发生二次承载压缩变形，此时地表移动变形值最小。 建筑荷载宽度增加初期地 表最大移动变形量呈加速增长趋势，当建筑荷载宽度大于 50 m 时，地表最大移动变形量呈减速增 长趋势。 当建筑荷载附加应力对老采空区覆岩承载结构造成影响时，老采空地表产生移动变形;当 建筑荷载传递至关键块的载荷超过关键块回转失稳或滑落失稳的临界载荷时，老采空区地表移动 变形产生突变。

• 厚松散层底含直覆薄基岩开采地表沉陷预计及特征研究

  彭世龙, 程 桦, 姚直书, 荣传新, 蔡海兵, 张亮亮,

  针对厚松散层底含直覆薄基岩条件下开采地表沉陷机理与特征问题，采用开采沉陷理论、 土体固结理论和随机介质理论，分析了厚松散层底含疏水固结过程中的水土耦合受力变形机制，根 据叠加原理建立了厚松散层薄基岩煤层开采与底含疏降水共同作用下地表沉陷预计模型，讨论了 该类条件开采地表沉陷特征及其主要影响因素。 研究表明:提出的厚松散层底含直覆薄基岩开采 沉陷预计模型，考虑了煤层开采与厚松散层底含疏水固结沉降共同作用，并得到工程验证;厚松散 层底含疏水固结沉降作用，加大了地表沉陷盆地沉降量，减缓了盆地边缘收敛速度，大幅增加了地 表下沉和水平移动范围，出现下沉系数大于 1，且地表下沉 10 mm 边界点明显向采区外侧延伸现 象，其地表沉陷曲线呈“ 中间小开口深盆地，两侧大开口浅盆地” 复合型特征;采煤和底含疏降水共 同作用地表沉陷范围与底含疏降水引起的地表沉陷范围相近，地表移动盆地边界角 δ 随厚松散层 厚度Hls增大而减小;最大水头下降Δhm 与地表最大下沉量呈正相关，但对沉陷范围影响较小;底含 疏水影响半径 Rw 主要影响地表沉陷范围;底含厚度 M 主要影响地表沉陷程度。 研究结果可为科 学留设类似条件工广立井井筒与建筑( 构) 物保护煤柱，以及开采沉陷区环境影响评价提供理论 依据。

• 降雨条件下内排土场浅层破坏与运动特征

  朱永东, 王雪冬, 孙延峰, 王 翠, 刘光伟,

  降雨条件下内排土场易产生侵蚀和浅层滑坡，揭示浅层滑坡启动与运动特征是内排土场浅 层滑坡机理研究的基础。 以内蒙古元宝山露天煤矿内排土场为原型，根据相似理论进行物理模拟 试验，研究内排土场浅层破坏特征。 在考虑实际非饱和浸润层的基础上，推导改进的 Green-Ampt 降雨入渗模型和内排土场稳定性分析方程，并划分边坡稳定系数对雨水入渗深度的敏感程度阶段。 借助离散元方法( MatDEM) ，构建降雨入渗与浅层滑坡模型，模拟内排土场降雨入渗和浅层滑坡的 全过程，并从动力学角度探究浅层滑坡的破坏特征。 研究结果表明:降雨入渗条件下，内排土场坡 面侵蚀从溅蚀凹槽到径流或面流。 随着雨水的进一步入渗，浸润峰以上土体开始整体失稳并呈浅 层破坏特征。 越趋于饱和的无黏性土体越易呈现颗粒流且越早滑动，从而表现为侵蚀现象。 根据 雨水入渗深度，内排土场稳定系数的变化可划分为高敏感、敏感削弱和低敏感 3 个阶段。 降雨前期 雨水主要以入渗为主，但随着雨水入渗深度的逐渐加深，水分运移路径也逐渐加大，降雨后期雨水 的入渗速率也逐渐减低。 浅层滑坡时，内排土场各层土体均呈现出运动速度迅速增加，并保持短时 的快速运动，然后逐渐减小，最后逐渐趋于稳定的规律。 滑坡表层、前缘土体的运动速度始终比底 层、后缘高，滑动期间由势能转换来的大部分动能被滑带附近的摩擦所消散。 持续的降雨会产生新 的饱和层和浸润层进而使浅层滑坡持续发生。 可以添加化工材料到坡表土来增加表层土黏性，进 而降低浅层滑坡中的坡面侵蚀规模。 应以较缓坡度对内排土场边坡进行堆积，这会有效地在浅层 滑坡过程中降低滑坡体的动能积攒且增加滑坡体间的摩擦损耗。 获得的内排土场稳定性分析方法 与浅层滑坡运动特征可为内排土场防灾减灾工作的开展提供参考。

• 双系煤层采动导水裂隙演化规律的 FDEM 耦合模拟研究

  李浩, 白海波, 马立强, 康志勤, 李志永, 缪小成, 武鹏飞, 韦 婕,

  采动覆岩裂隙分布演化是防治顶板水害、实现煤矿地下水资源保护的基础，其数值结果准 确性的关键在于采动覆岩连续-离散转化及其耦合力学响应特征。 在纯拉、纯剪断裂模式下引入 弹塑性损伤力学，结合 Benzeggagh-Kenane 断裂准则，得到准脆性岩石在拉、剪复杂应力下的混合 型韧性断裂(MD)本构方程;构建离散块体接触状态判据，结合直剪实验数据与 Sargin 剪切摩擦关 系，导出适用于多种法向应力下的粗糙结构面压缩-剪切摩擦(SF)本构方程。 在此基础上，编制有 限元 V 离散元(FDEM)数值计算程序，实现采动覆岩“连续”-“离散”介质转化过程。 在数值计算 中，分别将摩擦和断裂属性赋予结构面( 接触对) 、零厚度黏聚力单元，通过共享节点力的方式实现 岩石断裂-摩擦耦合。 采用断裂力学实验和直剪试验识别材料参数并验证 MD-SF 本构方程的合 理性。 在此基础上，模拟研究双系煤层采动导水裂隙随工作面推进的演化规律。 结果表明:1 MD-SF 本构方程组及相应的 FDEM 数值计算方法，可实现岩体从连续介质到离散介质的转化过 程，较好反映准脆性岩石混合型韧性断裂及粗糙结构面的剪切摩擦响应;2 模拟条件下，岩层与煤 层间距越小，导水裂隙总宽度随大，且开采过程中裂隙总宽度是覆岩运动稳定后的 2.26 ~ 7.11 倍， 表明采动过程中更容易出现水害;3 高岭土砂岩显著的韧性破坏特征能有效控制其内导水裂隙高 度，但在双系煤层重复开采扰动下，覆岩裂高比为 20.8，远超经验公式所得结果。 采动覆岩导水裂 隙高度成果在大同矿区得到应用和检验，为进一步开展采动覆岩运动、水体下安全采煤、保水采煤 设计等提供理论支撑。

• 基于 Fourier 级数的露天矿抛掷爆破效果 GA-LSSVM 预测

  马力, 李天翔, 来兴平, 许 晨, 孙伟博, 薛 飞, 徐甜新,

  抛掷爆破效果直接影响露天矿剥离成本，对抛掷爆破的拉斗铲倒堆工艺生产效率有重要影 响，为提高露天煤矿抛掷爆破效果预测准确率，进而提高反馈爆破参数优化设计精度，在分析露天 矿抛掷爆破效果影响因素的基础上，提出一种遗传算法( GA) 优化最小二乘支持向量机( LSSVM) 的抛掷爆破效果预测模型。 引入傅里叶级数模型模拟爆堆剖面曲线，利用训练完成的 GA-LSSVM 预测Fourier级数模型控制参数A0，θ，an及bn，进而输出预测的爆堆形态。 依据内蒙古黑岱沟露天 煤矿抛掷爆破实测数据进行实例分析，选取台阶高度、剖面宽、炸药单耗、最小抵抗线、排距、孔距、 坡面角、采空区上口宽、采空区下口宽、松方体积、有效抛掷量作为 GA-LSSVM 预测模型的输入参 数，A0、θ、an、bn、最远抛掷距离、松散系数和有效抛掷率作为输出参数，建立露天矿抛掷爆破效 果 GA-LSSVM 预测模型，并将偏最小二乘回归模型(PLSR)、LSSVM 模型、粒子群算法优化最小二 乘支持向量机模型(PSO-LSSVM)与其进行对比。 结果表明:1 通过 2~7 阶 Fourier 展开级数对爆 堆剖面曲线模拟分析，确定阶数为 4 时模拟精度与效率达到最优，其误差平方和( SSE) 为 21.593 4， 决定系数(R2)与调整后的决定系数(R2adj)为 0.999 2，均方根误差(RMSE)为 0.479 3;2 相较于传 统 LSSVM 预测模型，通过 GA 优化后，最远抛掷距离、松散系数以及有效抛掷率均获得更高的 R2(1，1，1)和更小的 RMSE(0.180 9，0.000 7，0.000 2)，说明改进后的 GA-LSSVM 具有更好的模拟 效果和泛化能力;3 与 PSO-LSSVM、LSSVM、PLSR 模型相比，GA-LSSVM 模型对抛掷爆破效果的 预测精度(R2，RMSE)更高且优势明显;4 结合 4 阶 Fourier 级数的 GA-LSSVM 模型与采用 Weibull 函数的 BP 或 GA-ELM 等模型相比，对爆堆形态的预测具有更高的操作效率及预测精度。

• 酸性压裂液防治低渗煤层水锁损害实验研究

  胡千庭, 李晓旭, 陈 强, 梁运培,

  压裂液易渗吸进入煤基质，大幅增加水力裂缝-煤基质界面水饱和度，严重降低甲烷气体 产出速率，为此防治水锁损害是提升煤层压裂改造效果的重要手段。 以阜新盆地刘家区低煤阶煤 层气富集区为研究背景，选用阜新组富含方解石(体积占比约 4.5%)低渗煤样与质量分数 6%乙酸 溶液，测试了水相返排过程原煤样与酸化煤样气相渗透率变化规律，并结合扫描电镜、核磁共振岩 心分析及 CT 成像，分析了方解石溶蚀对煤样渗流通道与毛管力影响。 结果表明:1 原煤样孔缝壁 面倾向于强亲水，水相易渗吸侵入，加之煤基质储集空间以直径<100 nm 的微、小孔隙为主，导致煤 基质存在高毛管阻力，不利于渗吸水相返排，测试表明 0.1，0.5 MPa 气体驱替压差下仅少量水被返 排出，滞留水饱和度大于 90%，造成气相渗透率降低 90%以上，当驱替压差增加至 2.0 MPa(接近阜 新组煤层最大返排压力梯度)，部分煤样水锁损害率仍大于 60%;2 质量分数 6%乙酸渗吸流动过 程能够有效解除方解石对天然裂缝的充填堵塞，使煤岩心内部形成低毛管力、高渗透率的裂缝性酸 溶蚀通道，为此 0.1，0.5 MPa 气体驱替压差即可有效返排主要渗流通道中的渗吸水相，返排过程气 体渗透率达(6.9~82.3)×10-15 m2，较酸化前增加10~79 倍，有效实现了防水锁与增渗目的;3 借助 酸溶蚀孔缝扩展延伸数值模拟、岩心柱尺度渗流实验等评估结果，优化压裂液中乙酸浓度、酸化溶 蚀时间，适量解除方解石对煤层裂缝的充填堵塞，在煤层水锁损害带形成数量合理的低毛管力、高 渗透率的裂缝性渗流通道，可最大程度防治水力裂缝-基质界面水锁损害，并降低酸溶蚀对煤体强 度及煤粉运移影响。 对于富含方解石的低渗煤层，采用乙酸改性的活性水压裂液，既可防治压裂液 渗吸诱发的水锁损害，又不污染、破坏煤质，有利于煤层气抽采后煤炭绿色开采。

• 基于水化学场与水动力场示踪模拟耦合的矿井涌( 突) 水水源判识

  曾一凡, 梅傲霜, 武 强, 华照来, 赵 頔, 杜 鑫, 王 路, 吕 扬, 潘 旭,

  为了弥补现有方法判识结果缺少实际水循环的支撑与验证，以及对实际采矿过程中 涌( 突) 水现象与矿井立体水文地质模型等结合不足的问题，提出一种基于水化学场机器学习分析 与水动力场反向示踪模拟耦合的矿井涌(突)水水源综合判识技术。 该技术首先利用水文地球化 学的原理揭示矿井涌(突)水及其可能来源含水层(水体)的水化学特征，利用特征的相似性对 涌(突)水来源进行定性分析;随后利用机器学习算法对涌(突)水来源进行定量判识;最后建立渗 流场数值模型，实现涌(突)水来源的再验证与涌水路径的可视化输出。 以曹家滩煤矿为工程实 例，运用该方法对 122108 和 122109 两个工作面的涌水来源进行判识，研究结果表明:随着深度的 增加，研究区地下水中阴离子始终以 HCO-3 为主导，而阳离子则呈现由 Ca2+ 为主导过渡到 Na+ +K+ 为主导的趋势;支持向量机(SVM)需要额外利用遗传算法(GA)等方法对惩罚系数 c 和核函数参 数 g 进行优选，而随机森林(RF)无需复杂的参数设置和优化便能得到较为满意的性能，且具有更 高的准确性;矿井涌(突)水渗流场可视化模型反向示踪显示 122109 工作面在红土隔水层“天窗” 附近，存在第四系含水层地下水通过导水裂隙带涌入工作面的情况。 该技术判识出 122108 工作面 涌水来源于直罗组和延安组含水层地下水，122109 工作面涌水来源于第四系含水层地下水，判识 结果与工程实际情况相吻合。

• 微纳米气泡强化喷雾降尘试验研究

  王鹏飞, 邬高高, 袁新虎, 江玖鸿, 陈世强, 李石林,

  为增强雾滴捕获粉尘的性能，提高喷雾降尘效率，提出微纳米气泡强化喷雾降尘的方法。 以微纳米气泡水和润湿性差的焦煤粉尘为研究对象，通过实验研究微纳米气泡水的基本特性及其 对粉尘的吸附和润湿性能。 基于自行设计的喷雾降尘实验平台，对比微纳米气泡水与自来水的喷 雾降尘效率。 实验结果表明:微米级的气泡能短暂存在于水中，而纳米级的气泡能长期存在于水 中;微纳米气泡水比超纯水的 Zeta 电位高，带电荷的气泡能有效附着粉尘;微纳米气泡水比自来水 的表面张力低 5.5 mN / m，随着微米级的气泡逐渐破裂，微纳米气泡水的表面张力缓慢增大;微纳米 气泡水比自来水对焦煤颗粒的接触角小 4.58°，微纳米气泡增强了水润湿焦煤颗粒的性能;随接触 时间增加，微纳米气泡水和自来水对焦煤颗粒的接触角均不断减小，且微纳米气泡水减小的速率更 大;微纳米气泡水是非稳态体系，比自来水更易蒸发;微纳米气泡水相对于自来水作为喷雾介质，可 提高喷雾周围的负氧离子浓度;随着 X 形旋流压力喷嘴供水压力逐渐增加，微纳米气泡水和自来 水喷雾的雾滴粒径均减小;喷嘴供水压力相同，微纳米气泡水喷雾粒径比自来水喷雾粒径小，但雾 滴粒径差距不大;随着供水压力增加，喷嘴降尘效率不断增大，且微纳米气泡水比自来水喷雾降尘 效率大;微纳米气泡有助于粉尘的润湿和凝聚，更有利于捕获呼吸性粉尘。

• 基于量子化学的准东五彩湾煤分子结构模型构建与特征分析

  柴双奇, 曾强,

  以准东矿区五彩湾煤样为研究对象，利用计算机辅助软件 Chemdraw，Chem3D，Materi⁃ als Studio 等，根据实验数据提取煤微观结构参数表征信息，初步构建准东五彩湾煤分子模型，并通 过优化使其能量最小化，得到稳定的准东五彩湾煤三维模型。 在 20 ~ 800 °C ( 即 20，100，200，300， 400，500，600，700，800 °C)对煤样加热，进而对煤样开展工业分析及元素分析、X 射线光电子能谱、 X 射线衍射、傅里叶变换红外光谱、核磁共振碳谱等测试与实验，分析其宏、微观特征变化。 结果表 明:准东五彩湾煤结构以芳香碳为主，脂肪碳以支链形式或者链接芳香环存在，分子结构中烷烃侧 链长度较长;煤样中氧的主要赋存形态是醚氧基(C—O)，存在吡咯型氮及吡啶型氮，以吡咯型 氮(N-5)为主;硫以砜型硫为主，苯环以三、四取代为主;获得准东五彩湾煤分子式 C206H128O36N2， 构建其平面模型。 经过结构几何优化及退火模拟优化后，模型中芳香片层趋于定向，以范德华能占 比大而保持结构稳定性。 低温阶段(20~300 °C)，煤中 C 主要以 C—C，C—H 形态参与反应，生成 少量以 C—OH，C—O—C 赋存形态的 C 及一些以 C 柴双奇，曾强.基于量子化学的准东五彩湾煤分子结构模型构建与特征分析J.煤炭学报，2022，47(12):4504-4516.

• 逐级萃取对高钠煤灰钠捕获性能的影响

  郎森, 张守玉, 常明, 黄东东, 周义, 杨济凡, 刘思梦, 胡南, 吴玉新,

  新疆高钠煤储量丰富、燃烧性能好，具有极大的开发利用潜力。 但由于该煤种钠含量较高， 在燃用过程中极易造成锅炉受热面沾污结渣等问题，严重限制了其开发利用。 以五彩湾煤为研究 对象，进行水-醋酸铵溶液-HCl 溶液逐级萃取并燃烧制灰，再进行钠捕获实验。 利用电感耦合等 离子原子发射光谱(ICP-OES)分析各萃取等级煤灰在不同反应温度下的钠捕获量，结合 X-射线 衍射分析研究逐级萃取对五彩湾煤灰钠捕获性能的影响。 同时，以哈密煤为对比样品，并参照哈密 煤灰分组成向五彩湾煤中掺入 SiO2 和 Al2 O3 添加剂，探究硅、铝含量对五彩湾煤灰钠捕获性能的影 响。 结果表明:逐级萃取可降低五彩湾煤灰中的钙含量，从而抑制硅灰石(CaSi3O9 )、铝酸钙 (Ca12Al14O33)等含钙物质的生成，有利于煤灰中硅、铝物质对钠的捕获。 经水、醋酸铵溶液萃取后 制备的五彩湾煤灰(WCW-A2-900)在 900 °C反应温度下的钠捕获量最高，较原煤灰提升了125.23%。 随着钠捕获反应温度的升高，煤灰中的硅、铝物质与钠蒸气生成稳定的硅铝酸盐固定在煤灰中，表现 为钠捕获性能增强。 但当反应温度超过 900 °C 时，WCW-A2-900 与 WCW-A3-900 的钠捕获量由于 其物理吸附性能的下降而明显降低，但仍高于原煤煤灰。 硅、铝矿物质含量的上升有助于增强 WCW- 900 的钠捕获性能，但由于 WCWH -900 中的钙含量比 HM-900 高，因而其钠捕获性能提高有限。

• 浮选捕收剂分子与煤炭表面微观黏附作用

  夏阳超, 桂夏辉, 邢耀文, 曹亦俊,

  浮选油性捕收剂的使用是实现煤炭高效浮选分离回收的重要途径，然而从微观层面直接测 试捕收剂分子与煤炭表面的黏附作用的研究目前鲜有报到。 本研究采用原子力显微镜单分子力谱 测试(AFM-SMFS)、DLVO/ EDLVO 理论及密度泛函理论(DFT)计算，分析了非极性烷基捕收剂/ 极 性羧基捕收剂在低阶煤/高阶煤表面的黏/脱附力学及界面吸附行为。 在亲水表面，RCH3探针在接 近过程中始终表现为排斥作用，而 RCOOH 改性探针与表面有微弱的跳入黏附现象，在远离过程中 RCOOH 探针产生的脱附力大于 RCH3 探针产生的脱附力，表明极性羧基捕收剂与亲水表面黏附较 牢固。 DLVO 理论可以拟合亲水体系力曲线，范德华力为引力作用，静电斥力支配相互作用过程。 在疏水表面，RCH3 及 RCOOH 探针在接近过程中均先出现排斥作用再发生跳入黏附，在远离过程 中 RCH3 探针产生的脱附力大于 RCOOH 探针产生的脱附力，表明非极性烷基捕收剂与疏水表面黏 附牢固。 EDLVO 理论可以拟合疏水体系力曲线，静电力始终为排斥力，疏水力始终为引力作用，衰 减长度是决定疏水力大小的核心参数，RCH3 与疏水表面间的衰减长度明显大于 RCOOH 与疏水表 面间的衰减长度。 DFT 计算发现低阶煤分子具有静电势极值点，可与具有静电势极值点的极性羧 基捕收剂通过氢键等作用发生黏附，而非极性烷基捕收剂只能通过疏水烃链吸附在低阶煤的芳香 结构上。 非极性烷基捕收剂不能覆盖低阶煤的含氧位点，而极性羧基捕收剂可以覆盖低阶煤的含 氧位点。 高阶煤表面强疏水特性导致非极性烷基捕收剂极易吸附在其表面，而具有负静电势极值 点的极性羧基捕收剂不易吸附。 研究结果从微纳尺度明晰了典型捕收剂分子在煤炭表面上的微观 界面黏附作用，可为浮选捕收剂的筛选设计提供理论借鉴。