2022年“新銳科學家”特刊（更新中）_中國煤炭行業知識服務平臺

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2022年“新銳科學家”特刊（更新中）

來源：煤炭學報

為全面展示我國煤炭行業青年學者的最新原創科技成果，鼓勵我國煤炭行業青年科學家把更多的代表性科研成果發表在祖國大地上，助力青年科學家成長成才，《煤炭學報》編輯部于2022年第2期組織策劃了“新銳科學家”特刊。

行業視野: 煤炭學報
類別; 35個
關鍵詞; 51位
專家; 8篇
論文; 677IP
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東部平原礦區復墾對土壤微生物固碳潛力的影響

作者(Author)：馬靜, 董文雪, 朱燕峰, 于昊辰, 肖棟, 陳浮

摘要：東部平原礦區復墾土壤受高潛水影響易返堿、肥力低，固碳菌群可有效提升土壤養分。但復墾如何調控微生物固碳能力及影響機制尚不清晰。為此，選取山東鄒城東灘礦8 a、14 a和17 a復墾年限和對照樣為研究對象，利用功能基因芯片和高通量測序技術探究6個固碳相關菌門和12種固碳基因的變化。結果表明：①復墾土壤pH值、溶解性有機碳、土壤β-葡萄糖苷酶和過氧化氫酶活性等均顯著高于對照土壤（P <0.01）。復墾17 a后土壤有機碳、微生物量碳、多酚氧化酶活性顯著高于對照樣，復墾時間效應極顯著（P <0.001）；②12種固碳基因信號強度隨復墾時長不斷增大，復墾17 a后已高于或持平對照樣，主要分布于酸桿菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、藍細菌門（Cyanobacteria）、厚壁菌門（Firmicutes）和變形菌門（Proteobacteria）；③固碳菌群豐度與pH、溶解性有機碳、β-葡萄糖苷酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶活性之間呈顯著相關（P <0.05），多數固碳基因信號強度與pH、微生物量碳、溶解性有機碳及過氧化氫酶活性等環境因子之間也存在一定的相關性。長時間復墾活動影響富集和稀有固碳菌群組成及其功能基因豐度，可通過調控土壤pH、微生物量碳或多酚氧化酶酶活等相關環境因子，提升復墾土壤固碳增匯能力。

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2022年第02期

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論引導型礦山生態修復

作者(Author)：雷少剛, 卞正富, 楊永均

摘要：“以自然恢復為主，與人工修復相結合”作為生態修復的基本原則，其引出的關鍵科學問題是，如何認知并利用自然恢復能力、如何協同人工干預與自然恢復。本文重點討論分析了引導型礦山生態修復的基本原理和技術框架，以破解人工干預和自然恢復之間的爭議和困惑，更好地處理兩者之間的關系。引導型礦山生態修復的就是明確何時干預、何處干預、如何干預、干預程度等基礎問題。引導型礦山生態修復強調了人工干預的針對性、及時性、持久性和有效性，以減少人工過度修復的人力、物力成本和能量消耗，是符合“雙碳”目標的。分析表明，引導型礦山生態修復的主要理論基礎是生態系統的抵抗力和恢復力等。引導型礦山生態修復技術框架的主要內容包括礦山生態問題診斷、引導修復方向的判定、引導修復的關鍵對象或區位的確定、引導修復的合理程度或生態閾值的識別、以及修復技術措施篩選等技術環節。生態修復的本質是對生態關系的修復，因此，礦山生態關系、過程、規律感知是引導修復的前提；障礙性和限制性影響因子和景觀格局過程是引導修復的主要對象；生態閾值和生態參數的調控是科學引導的關鍵。引導型礦山生態修復模式的修復目標和對象明確、干預程度合理、能有效降低修復成本、提升礦山生態系統自維持能力，符合自然恢復和人工修復相結合的理念和現實需求，是傳統人工干預修復模式的發展升級，可以在我國礦山生態修復工作中進一步研究推廣。

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2022年第02期

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厚煤層一次采全高低位厚硬巖層垮落致沖機理與防治

作者(Author)：張俊文, 董續凱, 柴海濤, 宋治祥, 范文兵, 王黔, 呂玉磊, 鄭波, 白俊杰, 劉志高, 賈樂樂

摘要：基于某礦31103工作面煤層及頂板的基本參數，結合該工作面已發生沖擊事件，發現低位厚硬巖層垮落是該礦發生沖擊地壓的主要原因。為此，以防治低位厚硬巖層垮落誘發沖擊地壓為目的，選取該礦31103回采工作面頂板垮落控制為工程背景，采用現場調研、理論分析等方法，研究了厚煤層一次采全高低位頂板支托層與隨動層的運動規律，建立了采空區側向支承壓力力學計算模型，揭示了低位厚硬巖層垮落誘沖機理。所獲主要結論如下：1)確定了工作面低位頂板巖層的基本參數，并計算得出了工作面低位巖層中較厚的協同垮落巖層。在工作面開采過程中，隨動層隨支托層運動發生同步變形，當工作面頂板發生大面積懸頂垮落時容易造成大能量動力現象；2)建立了采空區側向支承壓力力學計算模型，得到了采空區側向支承壓力峰值位置距采空區邊緣約為45m，影響范圍約為90m，支承壓力峰值約為55MPa，31103工作面回風順槽處于采空區側向高支承壓力影響范圍。在工作面開采過程中，回風順槽圍巖應力已達到發生沖擊地壓的應力水平；3)揭示了低位厚硬巖層垮落致沖機理：采空區側向支承壓力形成的高應力靜載是主要沖擊力源，回采工作面厚硬支托層與其隨動層同時垮落造成的擾動動載是主要誘發力源，兩者疊加作用導致沖擊地壓事故；4)提出了針對性的防治措施：在本工作面同時采用水力壓裂技術與爆破切頂技術；在下一臨側工作面則采取小煤柱護巷布置方式，并在采空區側進行爆破斷頂；基于上述卸壓措施，在工作面繼續推采過程中微震事件總體呈現為頻次降低、單次能量減小、總能量減小的特征。

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2022年第02期

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富油煤熱解流體滯留特征及其機制

作者(Author)：師慶民, 米奕臣, 王雙明, 孫強, 王生全, 寇丙洋

摘要：富油煤作為煤基油氣資源在我國西部地區擁有豐富的資源量，對其規?；崛∮蜌獠粌H有利于提高國內能源供給能力，同時有利于改善煤炭的高碳屬性。富油煤原位熱解技術在提取煤中油氣資源的過程中，具有綠色、低碳、地質結構損害小的優勢，但其油氣產出可能面臨流體遷移約束與滯留問題。本研究利用低場核磁共振實驗和熱重分析實驗充分證實了富油煤熱解殘樣中存在油氣滯留特征，基于傅里葉紅外光譜數據探討了煤基質結構演化對熱解流體遷移的束縛和滯留機制。研究結果表明，低場核磁共振T1-T2譜顯示富油煤500 ℃熱解后存在較強烈的油性小分子信號，利用熱重分析技術對500℃熱解后的半焦再次進行熱解實驗，發現其初始熱解溫度僅為461.5℃，低于前期500℃預處理溫度。對比該熱解樣品與未熱解的富油煤原始樣品，在371~462 ℃熱解溫度段活化能前者卻遠低于后者。上述現象充分說明500℃富油煤熱解階段存在油的束縛情況。隨著熱解溫度的升高，煤中含氧官能團和脂肪結構不斷減少，導致煤-油相互作用增強、煤-水相互作用減弱，這一方面使煤基質對熱解焦油的遷移約束性增強，另一方面使煤中可動水含量逐漸增多。此外，煤的芳香結構不斷增多，使得煤基質塑性減弱、表面張力增強，也不利于熱解產物形成的氣泡突破基質殼體，從而產生滯留。然而，700℃熱解樣品幾乎沒有束縛油特征，這主要是由于該溫度段熱解產物發生了強烈的二次熱解反應，滯留物質多以氣態小分子形式存在。上述研究有助于深化富油煤原位熱解流體遷移與產出認識。

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煤礦水害智能化防控平臺架構及關鍵技術研究

作者(Author)：王皓, 董書寧, 姬亞東, 喬偉, 尚宏波, 朱開鵬, 周振方, 寧殿艷

摘要：推動煤礦水害防治由信息化向智能化轉變是保障煤炭工業高質量發展的關鍵環節。本文立足煤礦水害智能化防控的多重需求，引入云計算、大數據、人工智能等技術，針對煤礦水害基礎數據綜合管理效率不高、水害超前防控精細程度不足、水災應急決策時效性不強以及水災事故發生后難以快速準確鑒定等技術難題，系統剖析了實現煤礦水害智能化防控的主要技術方法；開展了煤礦水害大數據管理、采掘三維地質體模型動態精細構建、水害超前數字化評價與防治、水災過程應急決策遠程輔助及災后事故計算機輔助診斷等技術研發；形成了基于多源信息融合的煤礦水害大數據管理系統、煤礦采掘三維地質體動態精細建模系統、煤礦水害分析評價與超前防治數字化系統、水災事故應急響應遠程輔助系統以及水災事故遠程診斷分析系統；構建了煤礦水害智能化防控平臺，并在煤礦現場進行了推廣應用，有效提高了煤礦水害超前防控、災中治理與災后診斷各階段的數字化、智能化技術水平。研究成果將有力推動我國煤礦水害防治技術的進步，可為煤炭企業開展基礎數據管理與水害評價與防治，行業專家及國家安監部門開展水災應急決策和事故診斷提供支持，是傳統水害防治技術數字化、智能化轉型發展的重要支撐。

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山東某煤礦老采空區上方大型工程建設案例研究

作者(Author)：陳紹杰, 張立波, 江寧, 尹大偉, 高志友, 郭惟嘉

摘要：以山東某采煤塌陷地為例，開展了煤礦采空區上方大型工程建設研究和實踐。通過調查與測繪，高密度電法、大地電磁法、瞬變電磁法等多種地球物理勘查方法和鉆探相結合的方法對老采空區進行了精細勘查，獲得了4、9、10-2煤三層采空區分布位置、重疊關系、回采率、積水性等參數，揭示了老采空區賦存特征。從地表殘余變形對建筑物穩定性影響以及建筑荷載對采空地層穩定性影響兩個方面分析了擬建大跨度數據處理中心、4棟高層等建筑物場地穩定性，研究范圍內地表因老采空區活化導致的附加變形中附加下沉值為260mm，超過了擬建建筑修建和使用期間的地基變形要求；9煤層采空區裂縫帶與上方高層建筑荷載附加應力影響范圍在研究區西部存在重疊區域，部分區域的建筑物地基穩定性差，需要進行采空地層加固治理。采用垂直剖面法確定治理水平治理范圍、根據采空覆巖運動特征確定垂直治理范圍，依據各煤層采空區間距劃分2個注漿層位，注漿鉆孔在地面東西走向間距為25m，南北走向間距為20m，帷幕孔間距均為15m，帷幕、注漿孔均一次成孔。采用“無壓自流+加壓擴散”注漿技術與工藝進行采空地層加固治理，一個注漿層位采用一次注漿工藝，多個注漿層位采用上行式注漿工藝；通過鉆孔沖洗液漏失、鉆孔取芯進行單軸壓縮試驗、二次注漿等方式檢驗注漿加固治理效果，鉆孔沖洗液無漏失或少量漏失，結石體單軸抗壓強度均在9MPa以上，各鉆孔二次注漿量均小于周邊鉆孔注漿量平均值的10%，所注漿液有效充填了采空地層。分析了采空區地表變形對擬建的高層建筑和大跨度數據處理中心穩定性影響，高層建筑穩定性受地表傾斜影響顯著，主體建筑基礎采用“樁+筏板”形式，并將高層建筑下的部分注漿鉆孔作為小樁基以增強其基礎穩定性；大跨度數據處理中心穩定性受地表水平變形影響顯著，設置基礎連系梁和增強上部結構整體強度來增強其抗水平變形能力，數據處理中心修建過程中地面最大下沉5mm，平均下沉速度0.01mm/d。目前研究區內建筑物已投入使用，運行穩定。實現了大跨度、高標準數據處理中心以及22層綜合樓等大型建筑群在三層采空區上的安全修建與運營，研究成果為我國采煤塌陷地大型工程建設利用提供了技術參考和工程示范。

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巖-煤-巖組合體力學特性及裂隙演化規律

作者(Author)：余偉健, 潘豹, 李可, 沈文兵

摘要：基于薄煤層開采及煤巖體巷道變形特點，著重探究煤巖體變形規律，根據不同巖層組合的力學性質，系統地分析了巖和煤組合體的不均勻變形特征。首先，通過不同高度比“巖-煤-巖”組合體的單軸加載試驗，分析不同高度比煤巖組合體加載破壞規律，結果表明：組合體強度受中間煤體高度影響，試件單軸抗壓強度隨煤體高度的增加而減小，而且，試件的破壞形態隨著煤體高度的增加由拉伸破壞轉變成斜面剪切破壞最終表現為煤體擠出破壞。組合體試件破壞受煤體部分主導，兩端砂巖對中間煤體起約束作用從而提高煤體強度，煤體中部受到其約束最小且隨著煤體高度的增加中間部分所受到的影響迅速衰減。然后，通過室內單軸加載與顆粒流等方式分析組合體裂隙發育全過程，結果表明，組合體裂隙發育的過程可分為四個階段：1.裂隙孔隙壓密階段、2.裂隙產生并穩定發育階段、3.裂隙加速發育并貫通階段和4.破壞后的階段。煤體內部缺陷的存在與其自身較低的強度導致了組合體微裂隙最初于煤體內部生成（在煤體高度非常小的條件下才會有裂隙自砂巖內部產生）；隨著試件荷載的增大，隨機分布在煤體的裂隙相互貫通并向砂巖部分延伸最終造成破壞；且最初的裂隙主要是軸壓與端面效應產生的剪切裂紋，在加載至試件單軸抗壓強度的0.8左右時，試件內部張拉裂隙開始快速發育，并且組合體開始喪失強度。

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采動地表淺層隱蔽裂縫的無人機紅外識別現場試驗

作者(Author)：趙毅鑫, 許多, 張康寧, 令春偉, 陶亞飛, 郭曉冬, 孫波

摘要：煤礦高強度開采易引起地表沉陷和地裂縫等災害，損傷地表生態，甚至誘發遺煤自燃，威脅煤礦安全生產。西部礦區土地荒漠化嚴重，部分礦區地表覆蓋風積沙，地表采動裂縫易被風積沙掩蓋，常規監測方法難于識別采動地表淺層隱蔽裂縫。為探究采動地表淺層隱蔽裂縫識別的可行性，提出了基于無人機紅外識別采動地表淺層隱蔽裂縫的方法。以神東礦區大柳塔煤礦52605工作面為工程背景，對工作面上方一地表采動裂縫設計不同埋深的隱蔽裂縫并于夜間進行連續監測，獲取了不同時刻的紅外圖像，并對不同時刻紅外圖像中隱蔽裂縫、風積沙、植被的溫度信息進行了提取和分析。研究結果表明：基于無人機搭載紅外相機可有效識別采動地表淺層隱蔽裂縫且不同時刻可識別的埋深不同，隱蔽裂縫與周圍地物溫差越大，其越易于被識別。隱蔽裂縫溫度在采動裂縫導熱和環境溫度共同作用下不同于周邊地物的溫度，且與埋深深度相關性較強。本文研究條件下，21:00 pm至5:00 am，隱蔽裂縫溫度、地表采動裂縫溫度、風積沙溫度、植被溫度不斷下降。1:00 am至5:00 am期間，不同埋深隱蔽裂縫與風積沙的絕對溫差均≥1.2 ℃、與植被的絕對溫差均≥2.1 ℃，絕對溫差較大，此期間易于識別隱蔽裂縫。而21:00 pm時，埋深15 cm、20 cm、30 cm隱蔽裂縫與風積沙的絕對溫差分別為0.8 ℃、0.6 ℃、0.8 ℃；23:00 pm時，埋深20 cm隱蔽裂縫與風積沙的絕對溫差為0.7 ℃，溫差絕對值相對較??；因此，21:00 pm、23:00 pm時上述埋深的隱蔽裂縫難于識別。

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