钻孔地球物理精细探测技术与装备

• 煤矿井下孔中瞬变电磁矢量合成超前探测方法

  范涛;郝跃;李萍;赵睿;刘再斌;马良;李鹏;晏俊生;

  【背景】煤矿井下隐伏水害超前探测是保障巷道安全高效掘进的关键。钻孔瞬变电磁法(TEM)虽能实现远距离探测，但受限于钻孔空间结构，现有技术仅能有效识别径向低阻异常体(如含水构造)，在关键掘进方向(钻孔轴向)存在探测盲区。【目的和方法】为此，提出一种基于双正交收发线圈矢量合成与自适应反演算法的钻孔轴向隐伏水害超前探测方法。该方法通过设计垂直与水平正交发射线圈组，以时序电流激发双分量一次场，同步采集对应方向的二次场时域信号；结合矢量合成原理，将趋势面法提取的双分量异常场数据融合生成多方向复合异常场，并与数值模拟背景场叠加，重构高信噪比总场，实现钻孔轴向超前扇形探测。反演阶段采用带物理约束的自适应正则化算法，结合合成场主方向角度实现低阻异常体三维成像。【结果和结论】数值模拟(基于时域有限差分法FDTD构建含低阻异常体三维模型)与1∶100缩比水槽物理模拟(嵌入高导电性介质模拟含水构造)结果均表明，该方法可准确定位异常体位置，成像形态与预设模型吻合度达90%。在山西某矿水平巷道开展的水仓探测试验中，抽水前后成像对比有效识别了水体目标。进一步应用于该矿15101工作面采空区积水范围探测(3个验证钻孔)，反演结果在钻孔交叉区域揭示出稳定的低阻异常区，证实了采空区积水范围随时间的扩展趋势，验证了方法对隐伏水害空间定位的可靠性及工程适用性。研究成果可为煤矿井下隐伏水害的远距离、高精度超前探测提供有效技术支撑，对保障矿山安全生产具有重要意义。

  2025年11期 v.53;No.335 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 4833K]
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• 考虑激发极化效应的脉状矿体地-井瞬变电磁响应研究

  李建慧;王垚;王文闯;谢劭健;祝思维;

  【目的】针对地-井瞬变电磁法观测数据曲线形态复杂，对数据处理与解释造成显著困扰的问题，从正演仿真角度出发，探究该类复杂响应特征的产生机理。【方法】采用基于矢量有限单元法的频谱法和Cole-Cole模型，研发可考虑激发极化效应的地-井瞬变电磁法三维正演技术；通过构建典型低阻脉状矿体理论模型，系统分析多方位发射回线激励下的感应电动势响应特征。【结果和结论】地-井瞬变电磁感应电动势曲线形态复杂，普遍存在多次符号反转现象，该特征受发射回线与测点相对位置、脉状矿体与围岩电阻率对比度以及IP效应共同控制；晚延时阶段的符号反转主要源于脉状矿体-围岩电阻率对比度与IP效应的单独或共同作用，该现象均可作为指示隐伏脉状矿体的重要标志。研究结果为复杂电磁响应的机理分析及地质解释提供了理论依据。

  2025年11期 v.53;No.335 12-22页 [查看摘要][在线阅读][下载 3597K]
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• 不同角度双孔观测系统直流电法超前探模拟研究

  周官群;许少添;张维鑫;王亚飞;吴小平;胡雄武;陈兴海;曹煜;

  【意义】矿井直流电法是一种高效的地球物理探测技术，可用于识别并圈定地下电性异常区，是探测掘进工作面前方含导水构造的重要手段之一。【方法】结合煤炭开采中的探放水钻孔，借鉴地面跨孔直流电阻率CT法的观测系统，设计了一种双孔直流电法超前探观测系统。采用COMSOL软件进行数值模拟，建立均质全空间模型，并以低阻球体模拟富水区。设计了钻孔与掘进方向夹角分别为22.5°、30°和45°的单孔测深、双孔透视和双孔跨越3种观测系统，通过模拟获取全电位矩阵，并计算视电阻率及反演成像，对比不同观测方式和角度对低阻球体勘探效果的影响。【结果和结论】(1)当异常体位置固定时，钻孔与掘进方向夹角变大，视电阻率曲线趋于平缓，极值点不明显，难以识别低阻球体的影响范围；夹角越小，曲线越容易出现极大值和极小值，异常响应更显著。(2)数值模拟的反演结果显示，夹角越小，低阻异常区的位置与球体位置越吻合，电阻率值更接近预设值，其中，双孔跨越式观测装置效果最好。(3)水槽物理模拟的反演结果表明，当双孔夹角变小时，从单孔测深、双孔透视到双孔跨越装置，随着采集数据量的增加，勘探效果逐渐变好。这与数值模拟的结果一致，进一步证明了观测系统的可靠性，为巷道掘进中的超前探测提供了新的技术指导。

  2025年11期 v.53;No.335 23-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 2403K]
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• 基于贝叶斯优化的CNN-BiLSTM-Attention的煤体结构识别方法

  边会媛;姬嘉骏;段朝伟;周军;李坤;马予梒;

  【背景】含煤盆地在多期构造变形作用下形成原生煤与构造煤，孔裂隙发育情况、渗透性与力学性能的不同导致煤层含气性差异大，煤体结构评价对煤层气的勘探开发至关重要。【目的和方法】为提高煤体结构识别的准确性与智能化水平，构建了一种融合贝叶斯优化策略的CNN-BiLSTMAttention混合模型。该方法结合卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)的局部特征提取、双向长短期记忆网络(bidirection long short-term memory,BiLSTM)的时序建模和注意力机制(Attention)的特征聚焦能力，实现了多尺度测井数据的高效融合与表征。同时，采用贝叶斯优化自动调参，增强模型稳定性与训练效率。以鄂尔多斯盆地山西组与本溪组煤层为研究对象，基于常规测井数据，经过标准化处理、异常值剔除及缺失值插补，结合岩心资料构建了原生煤、原生-碎裂煤及碎裂煤的数据集，并采用交叉熵损失函数对模型进行训练与评估。【结果和结论】CNN-BiLSTM-Attention混合模型的准确率为95.12%，优于单一模型BiLSTM和CNN，各类煤体结构的精确率与召回率均超过93%，混淆矩阵显示误差分布均匀。在X2井中应用，混合模型在不同煤体结构过渡段表现出更高的一致性与判别力，显著减少了原生–碎裂煤与碎裂煤的错判。模型对测井数据的噪声具有良好鲁棒性，为煤层气精细评价提供了稳定可靠的技术支撑。

  2025年11期 v.53;No.335 34-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 3003K]
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• 高阻煤层随钻电磁波方位探测能力研究

  赵伟娜;郑东方;艾维平;谢夏;

  【目的和方法】为明确随钻电磁波测井在高阻煤层的探边能力，模拟了不同频率、源距、地层电阻率条件下的地质信号响应，优选了适用于高阻煤层边界探测的关键参数，给出了短源距(<80 in,2.032 m)近探测和长源距(约240 in,6.096 m)远探测随钻测井仪器设计。【结果和结论】相较于电阻率较低的油气储层，随钻电磁波测井的方位探边距离在高阻煤层中明显变小，现有的频率和源距参数选取方法不再适用。在高阻煤层中，适当提高频率和源距能够增强测量信号强度和探边距离。源距为50～85 in(1.270～2.159 m)、频率为2～5 MHz时，对地层边界探测距离最高可达3 m，能够满足顶底板探测的需要。源距增长至5 m、频率降低为200～400 kHz时，高阻煤层电磁波探边距离可达10 m，可为低阻异常体远距离探测提供基础。

  2025年11期 v.53;No.335 44-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 2251K]
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• 巷-孔瞬变电磁自适应波场反变换及虚拟波场特征

  范克睿;郭建磊;王若宇;庄明;樊芳泽;徐胜;赵文涛;

  【目的】针对巷道开挖轮廓线外侧含水层不易被探查的难题，采用巷-孔瞬变电磁观测抵近探查与波场变换相结合的方式，同时接收来自前方与开挖轮廓线外的探测信号并突出含水层的边界信息。为获取波场运动学特征合理、对地层电性结构变化敏感的虚拟波场，提出一种自适应波场反变换算法，从而提高巷-孔瞬变电磁数据波场反变换的精度与效率。【方法】针对瞬变电磁波场变换核函数动态范围大、反变换方程病态程度高的固有难题，利用波场变换核函数在无穷区间上的解析解，提出一种根据瞬变电磁采集时间等参数自动求取波场反变换积分区间的方法，最大程度压制核函数的动态范围；进而基于精细积分方法建立积分步长与迭代过程自适应的波场反变换方程求解算法，将病态方程组的求解转化为稳定的积分求解问题。对开挖轮廓线外侧的含水层，采用有限体积法对其响应信号进行正演模拟并获取其垂直磁场分量的虚拟波场记录；同时也对井下实测数据采用同样的算法进行波场反变换。【结果】获取的虚拟波场记录具有合理的波场运动学特征，虚拟波场记录中的反射波轨迹与单炮地震记录的时距曲线存在合理的相似度；在数值精度方面，虚拟波场的回代数据与正演/实测数据具有较高的吻合度，其最大相对误差均小于10%。【结论】在巷-孔观测模式下，所提出的自适应波场反变换方法能够获取物理意义明确、数值精度可靠的虚拟波场记录，虚拟波场对于电性差异明显的含水层边界响应敏感，从而为进一步开展虚拟波场成像提供了可靠的数据支持。

  2025年11期 v.53;No.335 53-65页 [查看摘要][在线阅读][下载 10047K]
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• 基于理论响应特征的缝洞体远探测声波资料解释方法

  黄若坤;江凯;吴兴能;马坤宇;苏远大;王兵;陈旭;

  【目的】碳酸盐岩缝洞型油气藏勘探开发中，远探测声波测井虽能实现井周缝洞体探测，却受限于成像响应特征不明确与多解性问题。以塔里木油田为例，研究建立一种融合地质与地球物理特征的针对性解释方法，提升该类储层中缝洞体的识别精度与可靠性。【方法】基于塔里木碳酸盐岩缝洞型储层的分布特征，建立了角砾间孔隙型、断裂空腔型和构造裂缝型3种典型缝洞类型的数值模拟模型，通过希尔伯特变换包络提取和纵向约束数据重构技术对远探测声波成像结果进行优化，采用有限差分数值模拟算法对各类型缝洞的理论反射波场进行了模拟，采用优化后的远探测声波成像处理流程对不同缝洞类型的偏移成像结果进行处理并总结其典型特征，依据典型理论响应特征即可对远探测声波测井成像结果进行解释。【结果和结论】优化后处理流程得到的远探测声波测井成像结果特征更清晰，与正演模型成像响应特征的对比发现目标井段共存在3组反射体，具有成像效果清晰、明显，反射体相互独立等特点，且存在旁边反射体导致的划弧假象，符合断裂空腔型裂缝的成像响应特征，判断该井段井外反射体类型为断裂空腔型裂缝。解释结果与试油结论对应良好，证实了该井段存在断裂空腔型裂缝高产储层的解释结论。实际资料处理结果验证了基于理论响应特征对碳酸盐岩缝洞体进行识别的可靠性，该方法为塔里木地区井旁碳酸盐岩缝洞体精准识别、解释提供了有力的技术支撑。

  2025年11期 v.53;No.335 66-76页 [查看摘要][在线阅读][下载 4937K]
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• 长掘长探技术在盾构机掘进超前探测中的应用

  陈超;李萍;李巍;卫蓉;

  【目的和方法】针对煤矿盾构机快速掘进过程中隐伏地质异常体超前探测的空间狭小与精度不足的难题，以山西晋城天地王坡煤矿3211高抽巷为研究对象，开展了“长掘长探”技术实践。该巷道位于3号煤层顶板，盾构施工需在煤层上方15～19 m稳定砂岩层中进行，对地质定位精度要求较高。通过构建“定向长钻孔+钻孔综合物探”技术体系，结合实际地质条件进行非均匀介质与穿层数值模拟，分析不同地质场景下的物探信号特征，揭示了构造响应规律和方法的有效性。采用后退式分支钻孔工艺，结合钻孔瞬变电磁、钻孔雷达与钻孔自然伽马等方法，实现对低阻异常、地质构造与煤岩界面的协同探测。【结果和结论】通过在邻近巷道布设定向钻场，施工长距离水平钻孔，完成1个主孔与2个分支孔，累计定向进尺594 m，扩孔进尺440 m，同步开展钻孔综合物探。探测结果识别出1处主要低阻异常、3处构造异常，并准确刻画了4段砂岩层的空间展布。现场验证表明，砂岩位定位偏差为0.01～1.02 m，地质解释准确性显著提高，多解性有效降低。该技术实现了盾构连续掘进与钻孔综合探测的协同作业，提升了复杂地质条件下超前探测的精度与效率，为煤矿盾构安全高效施工提供了重要技术支撑。

  2025年11期 v.53;No.335 77-87页 [查看摘要][在线阅读][下载 2884K]
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煤炭地质 矿井地质

• 煤矿采空区惰化煤结构演化及自燃活化机制

  张雷林;李婉婷;文辰辰;

  【目的】针对深部矿井采空区火区治理中低氧与惰化技术存在的科学盲区--经高温、低氧或惰性气体作用后的煤体易引发复燃的防控瓶颈问题，系统探究不同气氛热处理条件下煤体物理化学结构演化对自燃活化行为的影响机制，为采空区火区治理与安全启封提供理论支撑。【方法】以安徽省朱集东煤矿气煤为研究对象，通过傅里叶变换红外光谱、比表面积与孔径分析、导热性能测试及热重分析等手段，系统研究了13%O_2、N_2和CO_2 3种气氛热处理煤的化学官能团演化与孔隙结构变化特征，结合低温氧化实验，监测CO、C_2H_4等指示气体释放规律、耗氧速率及放热强度，并通过动力学参数反演定量评估煤体自燃活化能变化。【结果和结论】红外光谱分析显示，不同气氛热处理后的煤样，―OH含量明显降低，C―O和C=O的含量显著增加，其中CO_2气氛下的官能团重构效果最为突出，分别增加5.93%和2.89%。孔隙结构分析显示，热处理煤样的孔体积和微孔比表面积明显增加，提升至1.56 m_2/g，孔隙连通性改善。特别地，CO_2气氛处理组在2～50 nm孔径范围内的孔隙发育最为显著，微孔体积增加了0.3μL/g，比表面积达到1.56 m_2/g,N_2处理组次之，13%O_2处理组最小。热物性和低温氧化特性测试结果显示，处理后煤样的导热性能普遍提升，低温氧化活性明显增强。具体表现为CO和C_2H_4的体积分数显著升高，耗氧速率加快，热释放强度增大。动力学分析表明，13%O_2、N_2和CO_2 3种气氛热处理后的煤样表观活化能分别降低了8.3%、17.6%和21.6%。热重分析进一步证实，处理后煤样的活性温度t_3降低2～11℃，t_3～t_5阶段的质量损失率依次为CO_2处理组>N_2处理组>13%O_2处理组。研究表明，惰性气氛热处理(尤其CO_2)虽能短期抑氧，却会增强煤体自燃倾向。工程上建议采用N_2或N_2-CO_2协同注入，并辅以温控、隔热和抑火剂措施，构建多元防复燃防控体系，以提升采空区火区治理的安全性与长期稳定性。

  2025年11期 v.53;No.335 88-98页 [查看摘要][在线阅读][下载 2613K]
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• 废弃矿井采空区基本顶破断机理及裂隙分布规律

  陶雪峰;石必明;华心祝;林柏泉;岳基伟;梁跃辉;张铖铖;秦浩;杨勇;薛勇林;

  【目的】废弃矿井游离态瓦斯储集区与其采空区覆岩裂隙密切相关，为了准确研究废弃矿井游离态瓦斯资源量，需要对采空区基本顶块体破断机理和采空区覆岩破裂裂隙及迹线形态进行深入探究。【方法】以“砌体梁”理论为依据，建立了基本顶原生悬臂梁力学模型，利用应力逆方法分析了原生悬臂梁内应力分量解析解，同时基于Mohr-Coulomb剪切屈服破坏准则，推导了周期破裂迹线表达式，并利用安徽淮南潘一矿的各煤层采空区基本顶岩石力学基本参数分析了梁的应力及应变，不同弹性模量、泊松比下的梁应变能密度；采用Maple软件计算和绘图得到了破断迹线，分析内摩擦角、岩石黏聚力对破断迹线的影响规律。搭建了潘一矿1252-1工作面物理相似模拟试验平台，利用ImageJ软件对采空区覆岩裂隙发育网络进行分析。【结果和结论】确定基本顶原生悬臂梁发生破断主要受到水平应力和剪切应力的影响，主要发生拉剪破坏，基本顶原生悬臂梁从上表面受压区域发生破裂，然后向下表面受压区域扩展延伸。根据淮南潘一矿采空区覆岩参数代入破裂迹线表达式得出，破裂迹线呈现“双L形”，2条“L形”曲线呈平行状态，破断迹线从块体顶部竖直向下方扩展延伸至拐点，然后向后下方扩展延伸至块体底部。随着黏聚力的增大，破裂迹线由2条增至3条；Ⅰ号破裂迹线和Ⅱ号破裂迹线呈“L形”状，向右侧扩展延伸；Ⅲ号破裂迹线逐步竖直向块体底部扩展延伸。通过ImageJ图像分析软件对采空区覆岩裂隙进行扫描得出，Ⅰ-1区和Ⅰ-2区属于中位瓦斯富集区，Ⅱ-1区和Ⅱ-2区属于高位瓦斯富集区，为后续该废弃矿井瓦斯抽采钻孔位置设计提供科学依据，也为相似问题矿井提供借鉴。

  2025年11期 v.53;No.335 99-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 3706K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 激光诱导冲击波破岩的动态损伤数值模拟研究

  许月琳;覃恩伟;李巍;王英;

  【目的】针对传统激光热裂破岩技术能耗高、损伤深度有限的问题，提出一种基于短脉冲激光诱导高压等离子体冲击波的机械破岩新方法，以实现破岩机制从热力学主导向动力学主导的转变。【方法和结果】基于Abaqus/Explicit显式动力学框架，构建纳秒级激光冲击波与岩石相互作用的有限元模型，并利用VDLOAD用户子程序实现冲击波压力在时空域上的精确加载。通过典型参数组合(峰值压力3 GPa、脉冲时间20 ns、光斑直径4 mm)，系统模拟并揭示激光冲击波在岩石中传播的动力学行为及动态损伤的两阶段机制：冲击波加载阶段，在岩石表层产生瞬时高应力(Mises应力达2 706 MPa)；应力波传播阶段，在岩石内部反射、叠加，形成累积损伤并导致材料剥落。进一步设计多组对照仿真，系统调节峰值压力(1～5 GPa)、脉冲时间(20～200 ns)与光斑直径(2～6 mm)，以损伤体积为指标分析参数敏感性。结果表明：(1)在典型参数下，单次激光冲击可形成表面直径4.3 mm、深度5.8 mm的近似圆锥形损伤区，损伤体积达27.8 mm~3;(2)参数敏感性分析显示，峰值压力对损伤体积影响有限(增幅<5.5%)，而脉冲时间与光斑尺寸具有显著影响，是破岩效率的主导因素。【结论】激光冲击波破岩的效率核心在于应力波能量的时空分布与控制，通过协同优化脉冲宽度与光斑尺寸，可在相近单脉冲能量的前提下，有效调控岩石损伤，实现低能耗、高效率破岩，为深部硬岩资源开发提供新路径。

  2025年11期 v.53;No.335 113-119页 [查看摘要][在线阅读][下载 2026K]
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• 考虑微构造特征的深部煤层地应力模型及其应用

  赵海峰;史宏伟;谢斐;王成旺;王宗飞;陈高杰;

  【目的】地应力研究是地质与工程分析的桥梁和纽带，准确掌握地应力规律对保障工程效率和开发效益至关重要，深部煤层微构造发育，尚缺乏有效的地应力计算模型。【方法和结果】将构造划分为宏观构造和微构造，建立考虑微构造特征的地应力计算模型，该模型将水平地应力的来源分为3部分：垂向应力引起的水平分量、宏观构造应力引起的水平分量和微构造应力引起的水平分量，基于应力张量分解法可同时计算地应力的大小和方向。利用新模型计算了2口直井的地应力，地应力大小计算结果和声发射测试结果对比，最大相对误差为8.20%；地应力方向计算结果和测井解释结果对比，最大相对误差为4.58%。利用建立的模型，参考邻井资料，分段计算了3口未测井水平井地应力大小和方向，地应力方向预测结果与微地震监测结果对比，相对误差0.29%～13.89%。利用地应力计算结果预测了一口水平井压裂裂缝展布形态，预测结果与微地震监测结果相符。新模型为地应力计算提供了新思路，实现了单井地应力的精细求解。【结论】这一精细化的地应力计算结果在油气工程中有以下两方面的应用价值：一方面，在钻井工程中，精确的地应力参数可显著提高井壁稳定性分析的可靠性，优化钻井液密度设计，降低井壁坍塌与漏失等井下风险；另一方面，在储层压裂改造中，基于单井地应力剖面可指导压裂分段分簇的设计，合理规避应力阴影效应，提升裂缝网络的复杂度与导流能力，从而实现更高效的储层改造和增产目标。

  2025年11期 v.53;No.335 120-129页 [查看摘要][在线阅读][下载 2477K]
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• 新疆准南西段深浅部煤储层含气性差异及其开发启示

  米巨磊;赵长永;杨兆彪;王鹏丽;李二庭;张宝鑫;白海枫;高秀伟;王嘉楠;

  【背景】近年来，我国2 000 m以深煤层气井产气量不断取得新突破，其中含气性是控产的主要地质参数。准噶尔盆地南缘(准南)西段煤层气资源丰富，有较大范围煤层的埋深超过2 000 m，但深部相对较低的勘探程度制约了对煤储层含气性的系统认识。【方法】利用前期积累的浅部煤层气成果，在准南西段深部煤层气典型试验井QX-1井采集埋深介于2 400～2 600 m的中侏罗统西山窑组煤样，开展煤岩煤质、含气量及煤层气地球化学等测试，总结与浅部煤储层含气性的差异，揭示深、浅部煤储层含气量与相态、气组分差异的地质控因。【结果和结论】深部煤样实测含气量(空气干燥基)介于10.28～18.99 m3/t，平均14.95 m~3/t；吸附饱和度多超过100%，煤层气以吸附态与游离态并存，游离气占比平均为36.56%。煤层气中CH_4体积分数多接近90%,N_2及CO_2平均体积分数分别为5.72%及1.78%。与浅部煤层相比，深部煤储层含气性呈现出“两增大、一减小”的特征，即总含气量小幅度增大、游离气占比显著增大、CO_2及N_2体积分数显著减小。煤储层有机质成熟度升高、温压变化改变吸附-游离气分配规律，从而驱动含气量与相态分异，同时深部封闭性增强且存在古生新储情况，这是导致与浅部煤储层含气性差异的主要原因。基于浅部及邻区深部煤层气井排采特征及产气效果分析，QX-1井深部煤储层高含气量、高游离气占比、较低的非烃组分体积分数共同指示了其具备良好的产气潜力，明确产出过程中不同相态煤层气释放规律进而制定动态控压制度是实现高产稳产避免快速衰竭的关键。研究成果为区内深部煤层气开发提供重要的基础地质理论依据。

  2025年11期 v.53;No.335 130-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 1910K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 工作面分区限高保水采煤技术及覆岩破坏机理

  孙学阳;曹鸿毅;李鹏;韩德昊;罗棋耀;刘宽;李继宏;尹旭;

  【目的】针对浅埋煤层在水体下采煤面临的水资源保护与覆岩扰动控制的矛盾，研究在确保导水裂隙带不波及关键含水层的前提下实现安全开采，探索兼顾保水与资源高效回收的开采技术途径是目前的研究热点之一。【方法】基于三维地质可视化技术，构建含水层-覆岩-煤层一体化模型，结合防隔水安全煤岩柱留设原则精确圈定突水威胁区，并据此提出同一工作面内实施分区限高开采的技术方案；通过在采高变化边界引入弯矩与剪力连续条件，应用弹性地基梁理论推导全采区与限采区挠曲曲线方程，通过硬岩层最大弯曲下沉量并与其自由空间高度对比判定导水裂隙带发育高度；采用三维地质建模与FLAC~(3D)数值模拟相结合的方法，系统研究分区限高开采条件下覆岩破坏特征与应力演化规律。【结果】以陕西双龙煤矿200工作面为研究背景，实施全采区采高3.2 m、限采区采高2.5 m的分区方案。结果表明：限采区开采初期，导水裂隙带发育呈现明显的时空滞后特征，理论分析显示推进45～100 m后其高度由83.6 m降至68.9 m，数值模拟表明推进50 m后由86.8 m降至69.5 m；采高降低导致工作面前方煤体支承压力集中效应显著增强，推进50 m后由12.0 MPa突增到15.2 MPa，增幅达26.7%，之后在推进至250 m时回落至8.7 MPa，直至工作面开采结束后又上升至10.9 MPa，整体呈突增-缓减-缓增动态演化规律。【结论】分区限高开采技术可有效抑制局部导水裂隙带发育，减少覆岩扰动对含水层的破坏，实现保水采煤目标，研究揭示了采高减小后引起的煤体应力重分布规律及导水裂隙带发育的滞后响应机理。研究结果可为类似地质条件下水体下保水开采的分区参数优化与支护设计提供理论依据和技术参考。

  2025年11期 v.53;No.335 143-157页 [查看摘要][在线阅读][下载 4541K]
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• 真三轴应力环境下矩形巷道围岩宏细观裂纹发育规律

  史文豹;许庆钊;常聚才;李传明;乔龙全;苗壮;闫澳运;

  【目的和方法】为研究应力环境与围岩体变形破坏响应关系，揭示其变形破坏内在机制，以水泥、河砂、石膏作为原材料，制备200 mm×200 mm×200 mm的模型试件，通过大尺度真三轴渗流耦合试验机，开展不同侧压系数矩形巷道三轴加载试验，采用微型摄像头、声发射系统监测矩形巷道围岩宏观变形破坏全过程及内部损伤演化特征，结合PFC~(3D)数值模拟获取矩形巷道内部微裂纹分布规律。【结果和结论】巷道围岩在受载变形破坏过程中，切向应力集中是导致矩形巷道帮部破坏的主要原因，应力持续加载下巷道帮部中间位置易产生最大弯矩，使巷道以张拉破坏形式出现弧形厚片(中间厚两端薄)剥落，并且剥落碎片向内部逐渐扩展形成宏观V形破坏槽，表现出明显的分层破坏特征。随着轴向载荷逐渐增加，分层剥落破坏所产生的碎片厚度逐渐减弱，弧形厚片向弧形薄片和未完全剥落的弧形薄片转变，声发射累计能量从平缓增长向阶梯式增长和陡峭式增长现象转变。巷道围岩内部微裂纹发育与应力环境存在内在联系，侧压系数的增加，抑制巷道围岩体内部微裂纹发育，张拉微裂纹占比从80.424 1%降低至76.637 9%，破坏时内部微裂纹呈现出蝶形分布形态。研究结果可为深部回采巷道围岩稳定性控制提供试验参考。

  2025年11期 v.53;No.335 158-169页 [查看摘要][在线阅读][下载 4262K]
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• 裂隙岩体注浆磁性浆液性能及运移轨迹示踪研究

  尚宏波;王皓;王晓东;乔伟;王甜甜;孙钧青;孙洁;

  【目的】注浆封堵采动裂隙是黄河流域中段煤矿区防治顶板水害并协同保护地下水资源的有效途径。目前，浆液运移轨迹的准确判识仍是制约裂隙岩体注浆改造技术深入推广的瓶颈问题。【方法】选择黄河流域中段侏罗纪煤田受顶板水害与水资源短缺双重威胁的煤矿为研究区，针对煤层顶板裂隙岩体注浆浆液运移轨迹磁性示踪问题开展研究，通过室内测试分析、物理相似模拟及理论计算等手段，采用磁性粒子作为示踪剂，分析磁性浆液性能、微观结构及磁响应特征，开展裂隙岩体注浆浆液运移轨迹示踪试验，分析浆液运移轨迹磁性强度分布特征。【结果和结论】浆液性能测试结果显示，磁性浆液的最佳配比为水灰比1.0∶1.0、磁性粒子占15%、磁性粒子粒径0.2μm，制备的浆液兼有固体磁性粒子磁性和普通水泥浆液特性；分析得到裂隙岩体试样磁性监测图中浆液运移轨迹与实物图及声发射定位图中的裂隙位置及形状基本吻合，证明了磁性监测强度能够表征裂隙岩体注浆浆液运移轨迹。提出裂隙岩体注浆浆液运移磁性强度解算方法，得到了裂隙岩体内部中心位置各点处的磁性强度值，解算得到的浆液运移轨迹与实际注浆后的试样内部浆液流动轨迹基本一致，进一步验证了利用磁性强度表征裂隙岩体注浆浆液运移轨迹的可靠性。研究成果有助于解决裂隙岩体注浆浆液运移轨迹准确判识的难题，为裂隙岩体注浆参数设计与效果评价提供依据。

  2025年11期 v.53;No.335 170-183页 [查看摘要][在线阅读][下载 14784K]
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• 生态脆弱区采煤扰动下包气带水分再分布影响因素敏感性分析

  王傲;刘士亮;王山林;郑雨生;王腾业;王祖禛;毛德强;

  【目的】采煤扰动下矿区包气带水分将再分布，其再分布影响因素敏感性对于矿区生态地质环境重建和经济可持续发展意义重大。【方法】以陕北榆神风沙滩地矿区为工程背景，在分析采煤扰动下包气带水分再分布的主要影响因素基础上，基于正交试验建立18组采煤扰动下包气带水分再分布COMSOL Multiphysics数值模型，理论上获得采煤扰动恢复至采煤前阶段距地表6.2、7.0、7.8m深度监测线处的平均饱和度，并通过极差分析和多元线性回归分析，厘清采煤扰动下包气带水分再分布影响因素敏感性，进而运用层次分析法确定各主要影响因素的权重。【结果和结论】(1)分别从地层结构、水文地质条件和采矿条件等角度确定采煤扰动下包气带水分再分布的主要影响因素：砂质壤土和砂质黏土厚度比值a、初始孔隙率p、初始裂隙数量l、包气带基质渗透系数K_1、裂隙渗透系数K_2、煤层采高b。(2)采煤扰动下包气带水分再分布总体上受砂质壤土和砂质黏土厚度比值a和裂隙渗透系数K_2影响较大；而受初始裂隙数量l、煤层采高b和包气带基质渗透系数K_1的影响较小；综合比较后得出敏感性大小排序为a>K_2>p>b>l>K_1。(3)根据正交试验极差分析和多元线性回归分析结果综合确定各因素敏感性排序后，利用层次分析法确定敏感性排列顺序的各主要因素的权重分别为：38.25%、25.04%、15.96%、10.06%、6.41%、4.28%；敏感性排序和权重排序一致，两者相互验证。研究成果对于我国西部生态脆弱区生态安全格局重构、绿色矿山建设具有重要意义。

  2025年11期 v.53;No.335 184-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 1811K]
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• 高矿化度矿井水深井回灌驱动下地下水流场演化与突水风险模拟

  刘琪;孙亚军;范建国;谭现锋;肖圣新;杨传伟;陈炜阳;陈歌;

  【目的】矿井水深井回灌会引起区域地下水水位不同程度抬升，可能诱发底板突水、断层突水等水文地质灾害，厘清矿井水长期回灌驱动下的地下水流场演化规律并开展安全性评价，是实现矿井水安全回灌与保水开采的重要保障。【方法】以华北巨野煤田某矿矿井水为研究对象，在阐明研究区矿井水回灌背景条件下，以回灌安全、水质安全、水循环条件与开发利用、回灌潜力等指标筛选回灌目的层；采用地下水模拟系统(groundwater modeling system,GMS)建立奥陶系灰岩含水层三维数值模型，模拟预测矿井水长期回灌过程中区域地下水水位抬升、累计储水量与回灌效率，并判断水位抬升后可能诱发的主要突水模式。结合《煤矿防治水细则》规程公式与FLAC~(3D)数值模拟结果，评估长期回灌条件下最大水位抬升对安全开采的影响，最终构建矿井水深井回灌的安全评价体系。【结果和结论】(1)研究区矿井涌水量大、矿化度高、水处理成本高，筛选对比后提出深部奥陶系灰岩含水层适宜作为微处理后矿井水回灌目标层，并提出孔位选址依据；(2) GMS模拟结果显示单孔200 m~3/h回灌10 a最大水位抬升10.02 m,4孔400 m间距800 m~3/h最大水位抬升25.83 m，单孔年回灌量可达172万m~3，储水潜力巨大且成本优势显著；(3)断层突水为水位抬升条件下研究区最易诱发的突水模式，根据规程公式与FLAC~(3D)模拟结果，在留设满足要求的煤(岩)柱条件下，回灌引起的水位抬升不会破坏隔水岩组的结构稳定性，正常采掘活动难以诱发回灌次生突水，可满足安全开采要求；(4)建立矿井水深井回灌安全评价技术体系，提出矿井水深井回灌技术满足水质安全与开采安全是技术实施的必要条件。研究成果对华北典型水文地质结构矿山开展矿井水回灌安全评价工作具有重要的理论和实践指导价值。

  2025年11期 v.53;No.335 195-208页 [查看摘要][在线阅读][下载 8123K]
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• 冻融循环作用下含岩桥砂岩劣化特性试验研究

  张慧梅;李曾乐;陈世官;袁超;郑世航;

  【目的】为探究高寒地区含岩桥裂隙岩体的变形破坏机制，对含不同长度岩桥裂隙岩样开展冻融循环作用的力学特性试验。【方法】通过试验研究归纳不同冻融循环次数、岩桥长度共同作用下岩体静态强度的劣化特性，并结合声发射技术及电镜扫描试验深入探讨裂隙演化特性及破裂模式，进而揭示不同岩桥长度下冻融岩体宏细观破坏机制。【结果】结果表明：(1)随冻融循环次数增加，短岩桥岩样的质量和纵波波速损失率越大，峰值强度和弹性模量逐渐降低，且冻融循环前期劣化速率显著高于后期；相同冻融循环次数下，岩样底端与岩桥下部裂隙间距过短导致岩样整体强度降低，不同岩桥长度岩样的峰值应力表现为完整岩样最高，50 mm岩样次之，40 mm岩样最低。(2)含岩桥岩样的累计振铃计数表现为50 mm岩样最高，40 mm岩样最低，与峰值应力呈正相关，与冻融循环次数呈负相关。(3)声发射b值总体保持波动变化，冻融循环使得b值下降点前移，对应产生岩石大尺度裂隙。(4)宏观上，冻融循环作用后岩桥尖端微裂纹分布方向随机性增强，致使中部岩桥更难发生贯通破坏，破坏模式由单一破坏模式向张拉-剪切复合破坏转变；微观损伤模式从胶结物破坏转向矿物颗粒破碎，且破碎带范围持续扩大，表明随冻融循环次数增加，岩样结构致密性显著降低，颗粒间裂隙网络化贯通并诱发胶结矿物显著剥蚀，导致颗粒黏结力系统性丧失。【结论】调控岩桥长度是提升寒区岩体抗冻融性能的关键，优化的岩桥长度能有效缩减裂隙端部应力集中区范围，减缓冻融劣化进程。工程实践中，应调控岩桥长度以平衡抗冻能力与力学稳定性，并加强裂隙端部监测，抑制应力集中导致的快速劣化。

  2025年11期 v.53;No.335 209-221页 [查看摘要][在线阅读][下载 3077K]
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钻掘工程

• 煤矿井下钻孔测量技术研究现状及发展趋势

  陈龙;杨冬冬;李泉新;褚志伟;张冀冠;陈翔;

  【背景】煤矿井下钻孔测量技术作为煤矿安全生产的核心技术，其多参数测量、数据精度、传输速率及可靠性将直接影响深部复杂地质条件下灾害预警的时效性、仪器工作的稳定性、钻孔评估的准确性及智能决策的科学性。【进展】当前，随钻测量技术与钻孔复测可视化技术已形成多元化技术体系，随钻测量技术实现了从有线到无线传输的跨越，突破了传统测量对通缆钻杆的依赖，实现了钻孔轨迹参数、地层信息及钻进工况实时监测的协同发展，其中陀螺随钻测量系统有效解决了磁干扰问题，显著提升了测量时效性与精度，地质导向随钻测量系统实现了煤岩界面的精准识别，工程参数随钻测量系统则通过集成振动、钻压等传感器，为钻进过程提供了全面的工程参数支持。钻孔复测可视化技术通过存储式、推杆式与钻机推送式设备的研发，实现了对钻孔轨迹及地质信息的精细化评估。【展望】在煤矿智能化建设大背景下，针对钻孔测量技术精度低、多参数融合程度不足、传输速率低等问题，未来的研究重点主要体现在以下几个方面：高精度传感器与智能化算法的协同优化、孔中多类型数据快速获取与传输技术、钻孔轨迹智能优化与控制技术、动态实时复测误差校正技术等。上述研究将为煤矿井下复杂地质条件的精准导向与安全高效钻进提供核心支撑，推动煤炭行业向安全、高效、绿色的智能化开采模式转型。

  2025年11期 v.53;No.335 222-237页 [查看摘要][在线阅读][下载 2186K]
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• 融合注意力机制的BiLSTM随钻岩性智能识别

  王茜;彭冯佳;李思洋;郭骁;张菲菲;冉小丰;张聪;

  【目的】随钻振动信号可反映岩石的物理性质与微观结构特征，为实时岩性识别提供有效依据。但受限于振动信号特征维度低及岩层厚度差异所引发的类别不平衡问题，现有模型在准确性和鲁棒性上仍存在不足。【方法】提出一种基于双向长短期记忆网络融合注意力机制的岩性识别方法(BiLSTM-Attention)，结合自动特征提取与类别权重调整策略，以提升模型的识别性能与泛化能力。首先，利用定制测量短节采集三轴振动加速度信号，基于Tsfresh库自动提取统计、时域与频域多维特征，并通过特征重要性评估筛选关键特征，构建高质量特征空间。其次，采用BiLSTM模型建模时间序列特性，结合注意力机制实现对重要特征的加权增强，从而提高模型对岩性差异的敏感性。最后，为缓解类别不平衡对分类性能的影响，引入类别权重计算机制，增强模型对少数类岩性的识别能力。【结果和结论】(1)通过Tsfresh特征工程对数据集进行处理，分类模型的训练准确率达99.59%，损失值低至0.012 5。相较于未进行特征工程处理的数据集，识别准确率提升12.35%，损失值下降0.391 5。(2)构建的BiLSTM-Attention分类模型对各岩性的识别精确率为98.31%～100.00%，召回率为98.99%～100.00%,F_1分数为99.15%～99.73%。与GRU、LSTM、BiLSTM和LSTM-Attention 4种模型相比，精确率提升4.23%～6.89%，召回率提升4.46%～5.13%,F_1分数提高4.70%～5.38%。(3)所提出方法在岩性特征表达能力和识别精度方面均优于传统模型，特别在少数类识别任务中表现出更强的鲁棒性与稳定性。研究结果为随钻岩性智能识别提供了一种新的方法。

  2025年11期 v.53;No.335 238-250页 [查看摘要][在线阅读][下载 2725K]
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• 旋转导向系统姿态自动控制方法与半实物仿真验证

  张楠;任栢安;李飞;刘子琦;吕方兴;

  【目的】针对旋转导向系统(rotary steerable system,RSS)传统人工手动控制模式存在的响应延迟、调控效率低下等问题，提出一种RSS的姿态闭环自动控制方法并通过半实物仿真实现。【方法】以指向式旋转导向系统钻井过程为研究对象，当系统实测姿态与目标姿态发生偏差时，闭环控制器根据偏差信号解算控制参数，驱动旋转导向执行机构进行轨迹修正，实际姿态输出通过测量单元反馈至系统输入端，形成闭环控制。为进一步验证控制算法的有效性，建立包含钻具运动模型与虚拟姿态传感器模型的数字孪生模型、实时仿真机以及真实旋转导向主控单元的半实物仿真平台，实现控制算法与钻具运动模型、虚拟姿态传感器模型的实时交互，在实验室环境下实现对井下复杂工况的高精度模拟。基于该仿真平台，开展手动钻井模式与自动钻井模式测试实验，并在稳斜段进行基于解析式与PID控制的抗扰性能测试。【结果和结论】(1)自动钻井模式较手动模式有更小的超调量、稳态误差及整定时间，井斜段超调量从手动模式的23.92%降低至1.96%，平均整定时间缩短了72.33%，方位段超调量由23.31%降至2.04%，平均整定时间缩短了53.45%。(2)为验证姿态自动控制方法的鲁棒性，在均值为0、方差0.2的方位扰动工况下，结合PID控制算法稳斜段整定时间减少18.9%，所提出的闭环自动控制方法在提升RSS姿态调控性能、提高钻井轨迹稳定性及响应效率等方面具有明显优势，为实现旋转导向系统井下自动化控制提供了可行的技术路径。(3)基于数字孪生体的半实物仿真平台为井下闭环控制算法的迭代优化提供了高效验证环境，有效规避井下真实环境测试的高成本与高风险，加速了旋转导向系统井下闭环自动控制算法的优化迭代与工程转化进程。

  2025年11期 v.53;No.335 251-262页 [查看摘要][在线阅读][下载 2378K]
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• 《煤田地质与勘探》征稿简则

  <正>《煤田地质与勘探》于1973年创刊,月刊(2022年1月起变更),中煤科工西安研究院(集团)有限公司主办,是煤炭地质行业学术与实用技术并重的综合性期刊。主要刊载煤炭地质,矿井地质,煤系气,煤伴生矿产,水文地质,工程地质,环境地质,煤田物探,矿井物探,钻掘工程等方面,具有较高学术、技术水平和实用价值的基础理论、先进技术与方法、先进经验等科研或工程实践成果。本刊发表的文章在国内外具有较广泛的影响,欢迎煤炭地质及相关领域的广大科技工作者踊跃投稿。

  2025年11期 v.53;No.335 263页 [查看摘要][在线阅读][下载 1059K]
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