特约来稿

• 煤矿钻孔物探的技术进展及攻关方向

  程建远;颜羽;李宇腾;王盼;赵睿;蒋必辞;

  【背景】煤矿开采和灾害防治对地质条件探查提出了高精度、长距离等新的需求，传统钻探、物探手段面临探测精度不足、探测距离较短等技术瓶颈。钻孔物探技术融合了钻探轴向成果直观可靠与物探横向成果分辨率高等优势，为煤矿安全高效智能开采提供了技术支撑。按照施工空间把钻孔物探技术划分为孔内、孔间、孔地及孔巷等四大类，选取前三类典型的钻孔物探技术，分别从基本原理、技术进展和应用实例的角度阐述不同技术的主要进展及适用条件。【进展】在孔内物探技术方面，煤矿近水平钻孔的高频反射雷达可以实现径向0～10 m内煤岩界面探测与地质构造识别，钻孔三分量瞬变电磁技术能够对钻孔径向30 m内低阻异常区进行空间定位，钻孔三维激光扫描具备以厘米级精度重构地下采空区三维形态的能力；在孔间物探技术方面，孔间电磁波CT与地震波CT成像技术通过跨孔层析成像能够圈定断层、陷落柱、火烧区等异常体，孔间地震波与电磁波的联合透视，通过速度、电阻率综合解释可以推断孔间地质异常体的性质；在孔地物探技术方面，RVSP技术通过钻孔震源激发-地面检波器接收的方式可以实现采空区的高精度空间定位，孔-地充电法通过圈定低阻导体电场的分布范围有助于估算采空区积水的静储量。【展望】未来钻孔物探的技术攻关应该聚焦于随钻定向探测、钻孔径向远探测、多场多参量动态监测等方向，形成“探测-检测-监测”一体化的钻孔物探技术链，构建集群钻孔数据驱动的三维地质透明化模型，为煤矿安全高效智能开采提供透明地质保障。

  2025年06期 v.53;No.330 1-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 3358K]
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氦气地质与勘探开发 专题(上)

• 我国富氦盆地成藏模式对煤系氦气富集和勘探的启示

  李云波;王成涛;宋党育;史小卫;王荣琪;

  【背景】氦气是我国紧缺的战略性资源，加强其勘查对保障国家资源安全至关重要。我国煤系气资源丰富且伴生氦气成藏潜力显著，但相关研究尚处起步阶段。【方法】基于天然气藏氦气生成-运移-成藏理论总结和分析，系统揭示煤系氦气富集规律并提出勘探方向。【结果和结论】获得以下认识：(1)我国氦气资源呈现“南北分区、东西分带”的分布格局，可以分为东部幔源富氦区、中部壳源富氦区和西部壳-幔混合富氦区，其空间分异受控于盆地构造类型与区域演化背景；(2)氦气成藏遵循源岩析出-跨层运移-圈闭聚集的动态过程，受氦源封闭性、运移通道有效性(断裂系统与微孔毛细管作用)、流体动力场及储盖配置的复合控制，其中圈闭条件为主导因素，垂向运移以断裂系统为核心，岩性储盖组合提供辅助封存，溶解-析出机制形成局部富集补充；(3)含煤盆地氦气生成时效显著长于煤系烃类，但成藏高峰期呈现时空耦合特征，煤系兼具自生自储双氦源属性，与天然气藏构成多层立体叠置关系；(4)煤系氦气具有多源混合、广域伴生、立体富集及低浓度特性，其成藏机制涉及多源供氦贡献度、跨系统扩散动力学、构造控藏效应及低丰度资源评价等关键科学问题，未来勘查应聚焦构造活动带微构造系统、煤系多类型储层、深部储集层及盆地边缘气藏；(5)煤系氦气应坚持“以量补质”思路，优先在鄂尔多斯盆地、黔西滇东等代表性潜力区开展风险勘探，构建“靶区优选-煤系多储层协同开发”与“勘查-开发-利用”全链条技术体系，集成氦气提纯技术与“氦-煤-气”多资源协同开发模式，实现煤系氦气资源高效动用。研究成果为煤系氦气勘探提供理论参考和技术路径，助力国家氦气资源安全保障目标实现。

  2025年06期 v.53;No.330 22-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 8549K]
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• 兰州盆地浅部地热水地球化学特征及含氦流体形成机理

  唐建洲;王双明;张志诚;李可;李长鹏;

  【目的和方法】盆地浅部含氦地热流体地球化学特征对理解其形成机理具有重要意义。以青藏高原东北缘兰州盆地新近系杨稍组BY-1地热井为研究对象，通过水质分析、氢氧同位素、14C测年和溶解气组分研究，探讨盆地浅部地热水地球化学特征、成因及伴生氦气形成机理。【结果和结论】(1)水质分析结果显示，新近系杨稍组地热水化学类型为NaCl型，δD为-78‰，δ18O为-8.7‰，3H<0.4 TU,14C表观年龄为(20.50±0.92) ka，指示其来源于古大气降水并经历了蒸发-浓缩和水-岩相互作用。(2)地热水伴生氦气平均体积分数为0.44%，达到了工业开采标准，水溶气组分和地热水地球化学特征共同指示BY-1井地热水中的伴生氦气来自于盆地基底花岗岩和变质泥质岩。(3)古大气降水通过裂隙带渗入盆地基底岩石，并与其发生水-岩相互作用，溶解周围矿物释放的氦气。在青藏高原东北缘抬升背景下，深部含氦古老地层水沿断裂带向上运移并聚集在新近系杨稍组砂岩热储层中，上覆徐湾组和吊沟组泥岩等致密岩层为地热水中氦气的封存提供了保障。

  2025年06期 v.53;No.330 48-57页 [查看摘要][在线阅读][下载 1794K]
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• 煤系氦气扩散机制及其对氦气富集的启示——以沁水盆地北部太原组为例

  马勇;辛志源;陈践发;李玉宏;张修涛;蒋浩杰;陈泽亚;

  【目的】全球富氦气藏以常规天然气为主，近年来在我国鄂尔多斯盆地及周缘石炭-二叠系煤系中发现含氦天然气，揭示煤系氦气具有一定的资源潜力。但目前针对煤系氦气扩散运移机制的研究几乎处于空白，严重制约煤系氦气富集规律的进一步研究。【方法】以沁水盆地北部太原组煤及其顶板泥岩为研究对象，开展不同含水饱和度及气体含量(体积分数)煤系氦气物理扩散实验，并结合区域沉积埋藏史及生烃演化史模拟计算煤与泥岩中氦气扩散通量，揭示煤系氦气富集机制。【结果和结论】(1)实验温压条件下(20℃，气体压力为1 MPa)，在≤13.5 nm孔隙中氦气以Knudsen扩散为主，煤与泥岩中氦气的扩散速率相近；在>13.5 nm孔隙中氦气转为Fick扩散。煤系氦气扩散主要受孔隙结构、含水性和气体含量影响，孔隙连通性越差、含水饱和度越高、氦气含量越低，氦气扩散越慢，封闭能力越强。(2)煤中割理-裂缝系统发育，连通性较好，导致煤中氦气扩散系数(1.1×10~(-8) m~2/s)高于泥岩(5.8×10~(-9) m~2/s)。高含水性通过阻塞孔隙通道和改变气-液界面行为降低氦气扩散速率，而气体含量对扩散速率的影响主要与气体分压和氦气与甲烷物理性质差异有关。(3)结合物理模拟和数值模拟结果，建立了地质历史时期氦气扩散通量预测模型，标准状态下煤和泥岩中的氦气扩散通量分别为13.24、5.05 cm~3/m~2，氦气扩散主要发生在含量较高的烃类生成初期，后期逸散量可忽略不计。(4)煤系生氦能力较弱，煤系氦气的富集成藏是外源补给与保存动态平衡的结果，深部断裂促进深部氦气向上运移，而低含量梯度、高含水饱和度及低连通性通过抑制扩散速率而增强氦气的封存能力。煤系氦气勘探需重点关注深部断裂系统沟通能力及盖层封存有效性。

  2025年06期 v.53;No.330 58-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 1941K]
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• 川东南地区不同构造样式页岩气中氦气差异富集机理

  辛志源;陈践发;王杰;马勇;

  【目的】页岩气藏中氦气含量较低，但储量规模巨大，是氦气增长的重要接替领域。川东南地区发育多种构造样式，不同构造样式保存条件存在差异，页岩气中氦气的分布特征及富集规律不明，明确页岩气中氦气差异富集机理对于有效利用页岩气中氦气资源具有重要意义。【方法】以川东南地区不同构造样式典型页岩气藏为研究对象，讨论不同构造样式页岩气中氦气差异富集机理，指明页岩气中氦气勘探潜在有利区。【结果和结论】(1)构造保存条件差、地层压力为常压的残留向斜、断褶变形带和断背斜浅埋区氦气含量(体积分数)相对较高，平均值分别为524×10-6、606×10-6和534×10-6，达到工业制氦标准。构造保存条件较好，地层压力为超压的宽缓背斜、向斜和断背斜深埋区，氦气含量(体积分数)相对较低，平均值分别为335×10-6、381×10-6和250×10-6。(2)川东南地区不同构造样式五峰-龙马溪组页岩气中氦气主要为壳源成因，生氦潜力较高，但不同构造样式页岩生氦潜力无明显差异。通过铀、钍衰变理论生氦量计算和氦、氩同位素分析表明，川东南地区页岩气中氦气以内源氦贡献为主，为自生自储型氦气藏。(3)不同构造样式保存条件及页岩气-氦气体系逸散行为差异引起的页岩气稀释强度差异是川东南地区不同构造样式氦气富集的关键因素。微纳米孔隙中氦气的扩散富集效应与甲烷分子对运移通道的物理封堵机制协同作用，是页岩气中氦气富集的另一重要因素。(4)通过对川东南地区不同构造样式页岩气中氦气富集机理的研究，预测在页岩气品位较低的盆外次生低压区，如綦江、武隆、白马和彭水等区块是页岩气中氦气富集的潜在有利区，有望为后续页岩气中氦气的勘探开发工作开辟全新方向。

  2025年06期 v.53;No.330 70-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 2143K]
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• 稀有气体示踪地质流体及氦气富集研究进展

  高宇;刘全有;朱东亚;吴小奇;李朋朋;

  【背景】稀有气体因其化学惰性和在不同储库中同位素组成的差异性，成为示踪地质流体来源与演化过程的重要工具。氦气在作为稀有气体示踪剂的同时也是稀缺资源，其富集机制与勘探潜力备受关注。【方法】通过总结国内外典型气藏、火山喷气、地表热泉的地球化学数据，分析稀有气体来源解析中的干扰因素与端元值选择问题，总结稀有气体同位素在构建成藏模型、还原流体分配等多场景中的应用，并基于氦气生成潜力与运聚机理，凝练氦气成藏理论。【进展和展望】结合实例分析，提出3类氦气富集类型，分别为构造活动提升氦通量型(如青藏高原拉萨地块)、深埋高压页岩自封闭富集型(如四川盆地寒武、志留系页岩气藏)与水溶氦脱溶与烷烃气耦合富集成藏型(如塔里木盆地和田河气田)。拉萨地块理论壳源氦通量为全球平均氦通量的221～78 056倍，数值模拟结果为6 392～9 284倍，认为拉萨地块是理想的氦气聚集区；根据高压纳米孔隙系统显著抑制氦气扩散性，较早的生烃高峰期增加氦气“持续富集阶段”时间，认为埋藏较深的古老页岩气藏是理想的氦气聚集类型；晚期成藏的烷烃气在向圈闭运移时，能够提取广泛分布的古老地层水中氦气使其富集，认为这类气藏也是理想的氦气聚集类型。

  2025年06期 v.53;No.330 84-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 1730K]
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• 含氦-富氦气藏氦气竞争溶解物理模拟实验研究

  邹易;罗情勇;陈践发;邹华耀;杜涛;刘晓强;蔡鑫勇;余成明;方子龙;

  【背景】氦气因其独特的物理化学性质广泛应用于高科技和科研领域。地层水在氦气的运移与富集过程中起着关键作用，氦气通常以溶解形式随地层水在孔隙或裂缝中移动。当富氦流体迁移至浅层天然气藏时，氦气与其他气体发生溶解与解吸交换，这一过程受地层温度、压力、水矿化度及其他气体竞争溶解影响。目前，针对在地层条件下氦气与其他气体竞争性溶解机制及其对含氦-富氦天然气藏中氦气富集影响的研究尚显不足。【方法】四川盆地金秋气田为近期发现的含氦-富氦气田，以该气田作为研究对象，依据四川盆地金秋气藏的实际地质资料，设置不同温度、压力和水矿化度条件，通过物理模拟探讨氦气与其他气体的竞争性溶解机制，及其对天然气藏中氦气富集的影响。【结果和结论】(1)在压力为10～60 MPa和温度为20～150℃条件下，同一矿化度地层水中，氦气溶解度随温度的升高呈先下降后上升的趋势，随压力的升高而升高；在压力为25 MPa和温度为70℃条件下，氦气溶解度随地层水矿化度(0～300 g/L)的增加而显著降低；在压力为10～60 MPa、温度为20～150℃和地层水矿化度为84.5 g/L的条件下，氦气与氮气的混合气体中氦气比例越高，氦气在地层水中的溶解度越大。(2)金秋气藏中氦气富集受到以下因素影响：地层温度和压力的降低和有机质生烃作用引发的烃类气体富集，共同促使地层水中氦气溶解度下降，使氦气从地层水中脱溶；烃类气体能够携带氦气向浅部地层运移，在运移过程中地层温度和压力的进一步降低会加速氦气在地层水中的脱溶，并随烃类气体充注到浅部气藏，使得浅部气藏的氦气含量相对深部气藏更高；异常低压气藏相对异常高压气藏和常压气藏充注强度较低，对气藏中氦气的稀释作用更小，且异常低压气藏相对周围地层的压力更低，有利于氦气的富集。因此，四川盆地浅层异常低压天然气藏有望成为氦气富集的有利区。

  2025年06期 v.53;No.330 96-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 1697K]
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• 塔里木盆地库车坳陷煤系天然气贫氦主控因素

  刘佳润;刘全有;李朋朋;高宇;吕佳豪;

  【背景】氦气因其化学性质稳定、沸点低等特性，在高端制造业、航天、国防等高科技领域得到广泛应用，是一种稀缺的战略资源。塔里木盆地库车坳陷是我国重要的天然气生产基地，明确库车坳陷煤系天然气中氦气的分布特征及其控制因素具有重要意义。【方法】以库车坳陷煤系天然气为研究对象，基于两种氦气资源评价方法及地质资料论证库车坳陷煤系天然气贫氦控制因素。【结果和结论】(1)库车坳陷天然气中氦气含量(体积分数)介于(22～93)×10~(-6)，平均57.6×10~(-6)，属于贫氦天然气；氦同位素~3He/~4He介于(3.33～11.24)×10~(-6)，指示壳源成因。(2)库车坳陷天然气中氦气主要来自侏罗系煤系烃源岩，基底贡献的氦气很少，其贫氦特征主要受煤系烃源岩生氦强度与生烃强度的耦合作用以及区域构造演化控制。在构造演化上，与已发现的富氦气田不同，库车坳陷自喜马拉雅期以来地层持续埋深，不利于氦气脱溶以及运移；在氦气聚集方面，煤系烃源岩生烃强度较大，对氦气稀释作用较强，导致位于生烃中心气田的氦气含量明显低于斜坡带。(3)对煤系天然气进行氦气资源勘查应重点关注：沟通古老基底氦源岩，区域构造较强、地层发生较大抬升，天然气充注及稀释作用较弱的区域，根据氦气富集条件合理选区。

  2025年06期 v.53;No.330 109-119页 [查看摘要][在线阅读][下载 1676K]
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• 煤系氦气资源潜力及其提取工艺设计

  王雷;唐茂银;

  【背景】氦气为重要的战略稀缺资源，目前工业中使用的氦气主要来源于天然气，而煤系氦气通常为氦气含量较高的煤层气，是常规氦气资源的重要补充。在工业上，通过天然气液化过程中对蒸发气体进行提氦是获取氦资源的重要途径之一，但关于煤系氦气的研究多集中在氦气的成因、富集规律和地球化学特征等方面，而在煤系氦气资源特征和提取工艺的研究相对较少。【方法】以鄂尔多斯盆地东北缘三交北区块煤系氦气资源为例，分析其区域氦气资源特征，并在现有LNG(Liquefied natural gas)工厂的基础上设计三交北区块天然气中的氦气提取工艺。【结果】(1)三交北区块煤系天然气资源丰富，但氦气资源量较低，为壳源氦，氦气摩尔体积分数为0.01%～0.30%，平均0.07%，属低氦区，但氦气资源量整体较为稳定，其地质储量可达1 114.56万m3，累计产量70.07万m3，故可将其作为提氦的原料气来源，并对LNG生产过程中产生的蒸发气体进行提氦。(2)选取低温提氦工艺，使用前膨胀制冷+氮气循环制冷两塔分离技术，将提取过程划分为气体过滤、催化脱氢、脱水干燥、氦气提取、氦气充装和液氧催化6个单元。【结论】设计的提取工艺采用氮气循环系统高效制冷，优化能量回收，减少对原料气直接压缩的依赖，提供了稳定的低温环境，使其对氦气浓度波动不敏感，使工厂产生的蒸发气体资源能得到合理充分利用，尤其适合低丰度氦气资源的高效提取，对提高煤系氦气提取工艺和企业经济效益具有积极作用和重要意义。

  2025年06期 v.53;No.330 120-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 1596K]
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• 鄂尔多斯盆地东缘石西区块氦源岩有效性评价及空间展布特征

  常洋梅;刘超;孙蓓蕾;

  【背景】氦气是重要的稀有战略资源，中国氦气资源相对匮乏，依赖进口，氦气资源的勘探开发十分紧迫。氦源岩是氦气资源形成的物质基础。紫金山岩体是鄂尔多斯东缘煤系氦气的主力来源之一，已有的研究表明石西区块内的天然气中氦气主要来源于尖家沟-紫金山岩体深部放射性元素的衰变，但是更靠近紫金山岩体的临兴区块尚未发现富氦天然气的报道。【方法】选择临兴区块和石西区块作为研究区，利用氦源岩的地球化学参数及矿物学特征，量化了潜在氦源岩的生氦强度，对氦源岩的有效性进行了评价，计算了氦源岩的生氦量。结合测井资料，查明鄂尔多斯盆地东缘石西区块潜在氦源岩的空间展布特征。【结果和结论】(1)石西区块潜在氦源岩的铀(U)含量为(0.25～9.19)×10~(-6)，钍(Th)含量为(0.56～21.0)×10~(-6)；临兴区块潜在氦源岩U含量为(1.29～207)×10~(-6),Th含量为(8.19～438)×10~(-6)。石西与临兴区块基底花岗岩中U、Th主要以类质同象形式存在；铝土岩、泥岩、煤和砂岩中U、Th以吸附络合的形式赋存于有机质和黏土矿物中。(2)石西区块氦气总生成量为(4.92～6.94)亿m~3；临兴区块的总生氦量为(75.7～110.4)亿m~3。石西区块的主要氦源岩为基底的变质岩系和花岗岩，次要氦源岩为白云岩、砂岩和煤；临兴区块主要氦源岩为基底的变质岩系和花岗岩、紫金山岩体，次要氦源岩为白云岩、砂岩、泥岩、煤和铝土岩。(3)由于缺乏测井数据，未对临兴区块内的氦源岩空间展布特征进行分析，但是从生氦量来看，整个临兴区块内均具有勘探开发潜力。石西区块的氦源岩除基底外，具有西厚东薄的特征，尤其是石盒子组下部的砂岩及山西组的大部分地层均具有较高的生氦量，应着重进行勘探开发。

  2025年06期 v.53;No.330 129-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 2601K]
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煤炭地质 矿井地质

• 煤矿采空区间隔条带充填CO₂矿化封存及其关键技术

  朱梦博;刘浪;王双明;蔚保宁;荣若愚;张文忠;庄登登;贾奇锋;

  【目的】煤炭是我国能源安全的压舱石和重要的工业原料，但煤炭开发利用全过程中带来了CO_2排放、固废产生和地表沉陷等生态环境问题，需要变革采煤方法，推动煤炭行业绿色低碳可持续发展。【方法】对比分析垮落法、房柱法和充填法的采空区CO_2封存条件，结合CO_2地质封存技术和煤矿充填开采技术的发展现状，提出了煤矿采空区间隔条带充填CO_2矿化封存方法；以陕西某典型煤矿为例，开展间隔条带充填开采上覆低渗厚泥岩层损伤数值模拟试验；基于连续梁模型及地基梁模型，建立盖层岩组力学模型和采动裂隙发育高度模型，最后提出了煤矿间隔条带充填CO_2矿化封存关键技术。【结果和结论】(1)垮落法和房/刀柱法采空区的CO_2储盖条件较差，泄漏风险高，而充填法可以有效保护盖层岩组的完整性，但是需要预留封存空间；(2)模拟实验显示，充填率0、50%和80%情况下，采空区上覆低渗厚泥岩层3上边界最大下沉量分别为1 230、520和105 mm，随着充填率的提高低渗厚泥岩层下沉幅度减缓、塑性变形区大幅度减小，通过优化间隔条带充填工艺与参数可以确保煤层回采过程中盖层岩组的完整性；(3)建立了3轮采充循环情况下的非水平六跨连续梁力学模型，求解了支点反力和弯矩表达式，建立了覆岩上行裂隙发育高度计算模型；(4)煤矿采空区间隔条带充填CO_2矿化封存技术的落地，还需突破地质选区、CO_2封存储库充填构筑及稳定性调控、CO_2矿化协同脱硫/硝充填材料制备、CO_2充注模拟与优化等关键技术，形成整体方案，为我国煤炭行业的绿色低碳发展拓展新的途径。

  2025年06期 v.53;No.330 143-155页 [查看摘要][在线阅读][下载 2150K]
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• 基于应力–扩散–渗流耦合模型的低渗煤层水力割缝增透效果分析

  张宏图;周甜;王登科;李博涛;罗勇;潘荣生;唐家豪;卢卫永;

  【目的和方法】为提升瓦斯抽采煤层增透效果，针对白坪矿区煤层松软、渗透率较低、瓦斯赋存条件复杂等特点，考虑有效应力、瓦斯运移、真实气体效应与迂曲度影响，构建基于孔隙-裂隙双重介质假设的煤层应力-扩散-渗流耦合模型，模拟探究不同钻孔间距及不同瓦斯含量煤层在抽采时瓦斯含量变化规律，开展不同增透措施及煤孔段卸煤量下现场试验，对比水力冲孔、水力割缝与机械扩孔增透效果，优选煤层增透技术。【结果和结论】建立的煤层应力-扩散-渗流耦合模型，可以更精确地描述煤层瓦斯扩散特性及瓦斯流动路径；煤层厚度与瓦斯含量对抽采效果影响显著，煤层越厚、瓦斯含量越高时，瓦斯抽采达标所需钻孔间距越小，在瓦斯含量为≤7、>7～8、>8～9.35 m3/t条件下，若煤层厚度≤1 m，间距应不超过11、9、8 m，厚度为>1～5 m时，应不超过10、9、7 m，厚度为>5～9 m时，应不超过10、8、7 m。现场试验表明，水力冲孔、水力割缝与机械扩孔均可降低甲烷体积分数并提升有效抽采半径，且在抽采初期较为明显，后期变化逐渐趋于平缓；在相同技术条件下，水力割缝技术效果最优，抽采90 d时，煤层甲烷体积分数降低了64.74%，有效抽采半径增加0.35 m。

  2025年06期 v.53;No.330 156-168页 [查看摘要][在线阅读][下载 3289K]
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• 低温氮气对褐煤孔隙结构与氧化特性的影响规律

  解树亮;王刚;屈庆栋;刘浩;孙路路;

  【目的】在矿井防灭火工作中，采空区注常温氮气仅能起到惰化作用，而液氮制备工艺复杂、成本高，因此，新疆乌东煤矿采用氮气冷却装置，制备了-40℃、气态的低温氮气注入采空区预防遗煤自燃，但低温氮气对于采空区遗煤的孔隙结构与氧化特性的影响规律尚不清楚，易影响低温氮气停注后采空区遗煤二次氧化的预测预报。【方法】采用3D超景深与激光光谱共聚焦实验、氮气吸附实验和程序升温实验，研究低温氮气处理后煤的表面形貌、孔隙结构和氧化特性参数变化。【结果和结论】经低温氮气处理后，煤样的表面结构被破坏，并随着低温氮气处理时间的增加，网状孔隙结构的发育更为显著；煤样表面出现明显的起伏现象，各点高度算术平均高度由9.562 1μm逐渐增加至21.904 5μm，增长1.29倍，所有高低起伏之间差值的平均值由81.321 0μm增长至193.146 5μm，增长1.36倍；低温氮气主要影响了煤样微孔与介孔的分布，尤其是2～4 nm的介孔，随处理时间增长，微孔呈现先增加后减少的趋势，介孔呈现先减少后增多的趋势，总孔容增大了0.004 3 cm~3/g，其中2～10 nm介孔贡献最大，煤样BET比表面积升高了0.049 3 m~2/g；在低温氮气处理条件下，煤样氧化过程中CO产生量、放热强度、耗氧速率均显著增加，并随着处理时间增加，增长量增大，CO产生量最高增长了5.02×万μL/L，耗氧速率增加了2.33×10~(-8) mol/(cm~3·s)，最大放热强度增加了2.25×10~(-2) J/(cm~3·s)，煤样的氧化反应特征温度降低。研究表明，低温氮气会破坏煤的孔隙结构，增强氧化性能，即使采空区注入-40℃低温氮气时，其惰化和降温的宏观主导作用能有效抑制煤自燃，若停注后氧气恢复，低温氮气的微观副作用导致处理过的煤自燃倾向比处理前更高，加剧二次氧化强度。

  2025年06期 v.53;No.330 169-180页 [查看摘要][在线阅读][下载 2024K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 致密气-深部煤层气协同开发化学暂堵全通径老井筒重构技术

  杨帆;谭章龙;胡家晨;安琦;李宇;杨睿月;林俊文;孙泽宁;井美洋;

  【目的】我国鄂尔多斯盆地煤系气资源丰富，开发潜力巨大。随着开发深入，煤系致密气衰竭井与低产低效井数量占比逐年增加，致密气-深部煤层气协同开采成为实现产能有效释放的重要途径。【方法】为实现老井筒重构、新旧层合层开采，提出了适用于致密气老井筒化学暂堵全通径井筒重构与深部煤层气规模化开发的联合技术：研发了化学暂堵材料体系，采用“大颗粒架桥+中颗粒填充+粉末自适应封堵”的动态化学暂堵理念，结合分形理论与封堵层失稳准则，建立了封堵层渗透率与强度多目标计算模型，提出了3～4 mm∶1～2 mm∶0.15 mm=1∶2∶4的优化粒径组合，封堵低产低效老层，为下部深煤层压裂改造创造条件。应用该技术在鄂尔多斯盆地临兴-神府区块开展现场试验，验证了井筒重构技术与复合暂堵材料体系的合理性与可行性。【结果与结论】现场采用优化后复合暂堵剂实现了化学暂堵全通径井筒重构，对老井已改造储层进行了有效封堵，且封堵层承压大于60 MPa。对下部深煤层采用“光套管+一体化变黏滑溜水+绳结暂堵”压裂改造工艺，加砂阶段压力平稳，未出现其他漏点进液分流情况，顺利实现砂岩气层下部深煤层大规模体积压裂施工。研究成果有望为致密气老井产层接替开发提供技术支持，为“致密气+煤层气”协同开发提供新的技术支持。

  2025年06期 v.53;No.330 181-190页 [查看摘要][在线阅读][下载 2069K]
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• 深部煤层气地质–工程一体化甜点区预测

  陈峥嵘;刘伟;朱学申;田永净;谢昕;

  【背景】随着深部煤层气成为煤层气资源开发的热点领域，其埋深大、应力环境复杂、储层非均质性强等特征，严重制约了大规模开发中甜点区预测及井位精准部署。【方法】以鄂尔多斯盆地东北缘某区块为研究对象，采用声波时差、密度、井径测井建立深部煤体结构指数M模型；基于深部煤层的煤体结构差异，引入煤体结构指数，结合上覆地层压力、构造应力、孔隙压力等因素建立深部煤层适应性水平地应力差模型；通过岩石强度参数、井径扩大率、岩石断裂韧性构建了天然裂缝指数模型；结合煤体结构、地应力差和天然裂缝指数模型，基于地质甜点和工程甜点2大类6项指标，采用支持向量机建立了深部煤层气地质–工程一体化甜点智能预测模型。【结果】地质–工程一体化智能甜点预测精度为88.2%，研究区可划分为一类、二类和三类甜点区，一类甜点区面积为117.4 km~2，占比14.0%，二类甜点区面积为258.4 km~2，占比30.8%，三类甜点区面积为463.1 km~2，占比55.2%，预测平均产能分别为6 478.6、5 076.7、4 022.0 m~3/d。【结论】研究区深部煤层气布井工作应重点立足一类甜点区、积极探索二类甜点区、主动规避三类甜点区，精细化地质–工程一体化甜点区预测对鄂尔多斯盆地东北缘深部煤层气增储上产具有重要指导价值。

  2025年06期 v.53;No.330 191-200页 [查看摘要][在线阅读][下载 2127K]
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水文地质工程地质 环境地质

• 煤层顶板涌水量TCN-LSTM-SVM时间序列预测模型构建与应用

  刘譞;姬亚东;朱开鹏;赵春虎;李凯;李超峰;袁晨瀚;李盼盼;闫鹏珍;

  【背景】矿井涌水量的准确预测对于煤矿水害防治、安全高效生产起着重要的作用。【方法】为构建适用于西部受巨厚砂岩含水层水害威胁矿井的涌水量预测模型，以受该种水害严重影响的陕西彬长矿区某典型矿井为研究对象，基于工作面回采进尺与涌水量数据之间的相关关系，选取其作为矿井涌水量时间序列预测的特征变量，提出基于时域卷积网络(temporal convolutional networks,TCN)的长短期记忆网络(long-short term memory,LSTM)-支持向量机(support vector machines,SVM)矿井工作面涌水量耦合预测模型，即TCN-LSTM-SVM模型。该模型首先通过TCN框架对原数据进行处理，提取回采进尺与涌水量之间的依赖关系和动态特征，随后将提取特征输出到后续的LSTMSVM组合模型，以进一步捕捉回采进尺与涌水量之间的时序关系和特征。【结果】模型训练与预测结果显示：TCN-LSTM-SVM耦合模型的训练集、验证集和测试集的平均绝对误差(EMA)为56.02～129.89 m3/h，平均绝对百分比误差(EMAP)为3%～7%，均方根误差(ERMS)为82.60～162.61 m3/h，决定系数(R 2)为0.81～0.98，预测结果较BP神经网络、随机森林(RF)、Transformer等常用预测模型的准确度更高，并且避免了其中多数模型在验证集和测试集中出现的误差过大的情况。研究发现，该耦合模型既具备TCN模型的并行处理优势和多尺度特征提取能力，同时也具备LSTM-SVM组合模型优秀的预测性能和泛化能力，针对研究矿井的工作面涌水量预测与以往模型相比具有一定的优越性和适用性。【结论】研究成果为矿区相似地质条件的矿井涌水量预测提供了新的方法，对该矿地质条件类似的工作面涌水量预测以及防治水工作有一定的现实意义。

  2025年06期 v.53;No.330 201-211页 [查看摘要][在线阅读][下载 1732K]
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• 深部开采覆岩结构面演变过程孔壁图像数字式描述方法

  汪进超;邹俊鹏;李生海;王超;李晓斌;

  【目的】随着我国矿产资源开采活动日益向地球深部拓展，确保深部资源的安全、高效开采已成为国家层面亟需攻克的重大战略科技难题。掌握深部环境下采动岩层运动规律，有助于提升矿山灾害智能防控水平，保障深部资源安全高效开采。【方法】针对深部开采过程中覆岩结构面复杂多样的表现形式，以及缺少具有针对性的结构面演变过程描述方法的研究现状，提出深部开采覆岩结构面演变过程的孔壁图像数字式描述方法，首先，在充分利用孔壁岩体结构图像信息的基础上，提出能够反映结构面空间形态和空间位置信息的特征点描述方法，实现覆岩结构面三维空间数字化；随后，根据结构面的典型演变特征，分别构建包含线性移动演变、扭转移动演变和厚度演变3类特征的覆岩结构面演变过程特征描述体系；最后，结合实际案例进行详细分析，相较于传统单一的图像描述方式，体现提出方法在关键区域演变过程精细化描述的优越性。【结果和结论】提出的深部开采覆岩结构面演变过程描述方法能够以三维点云坐标的方式呈现深部不同位置岩体结构面的演变特征，相较于传统的图像展示，空间特征点散点云图中变化过程更为明晰，能够实现关键区域演变过程的更精细化描述，有利于快速搜索岩移的典型特征区域，能够为揭示矿山开采过程中内部岩移变化规律提供更加便捷的数字基础，是矿山开采岩层移动过程研究的一种新型演变过程数字式描述技术手段。

  2025年06期 v.53;No.330 212-222页 [查看摘要][在线阅读][下载 2046K]
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• 偏高岭土与粉煤灰对水泥基锚固注浆材料性能的影响

  程致远;杨俊鹏;薛炜;韦代东;汪益敏;

  【目的】注浆材料填充对锚固结构性能有重要的作用。为了进一步提升注浆材料的流动性能，减小固化过程中的干缩，确保注浆体填充饱满，从而提升锚固体与被加固岩土体的粘结性能。【方法】以水泥为基础材料，粉煤灰和偏高岭土为外加剂，设计并制备了20组二元、三元混合材料，开展不同配合比混合料的流动性、析水率、力学强度测试，查明偏高岭土与粉煤灰外加剂对水泥基注浆材料性能的影响规律，并结合X射线衍射(XRD)和电镜扫描(SEM)微观测试，揭示偏高岭土与粉煤灰对水泥基注浆材料性能调控的作用机制，提出考虑浆液流动性、充盈性与锚固体承载能力的注浆材料最佳配合比。【结果与结论】当偏高岭土掺量控制在6%左右且粉煤灰掺量15%～20%时，浆液在γ=100 s-1时的黏度较纯水泥浆降至0.16 Pa·s，析水率降至2%,7 d抗压强度提升至约30 MPa,28 d抗压强度提升至约32.7 MPa，此时水泥基注浆材料综合性能达到最优水平。XRD与SEM微观测试表明，偏高岭土和粉煤灰的协同效应在三元混合物中效果显著，浆液水化速度更快，水化后产物分布更加均匀，微观结构更密实。研究成果为偏高岭土与粉煤灰作为外加剂改善水泥基注浆材料性能提供了科学依据，对锚固工程中注浆材料的设计与应用具有重要的参考价值。

  2025年06期 v.53;No.330 223-232页 [查看摘要][在线阅读][下载 1926K]
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煤田物探 矿井物探

• 煤层气储层地震预测与评价技术发展现状及趋势

  吴海波;张平松;许时昂;黄亚平;董守华;程彦;李东会;张生;张敏;

  【背景】煤层气储层地震预测与评价技术经历了三十多年的快速发展，在煤层气勘探中扮演着不可或缺的角色。【方法】回顾了煤层气储层地震预测与评价技术体系内煤层气储层地震岩石物理测试、建模与反演，煤层气储层地震波场模拟，煤层气地震AVO反演与地震属性反演，以及煤层气储层资源与工程“甜点区”综合地震预测等多项核心技术方向的发展历程及现状。剖析了煤层气储层吸附气、双重孔裂隙系统、黏弹性和薄层等特性对该型储层地震预测与评价技术精度及分辨率的影响与限制。从煤层气储层开发目标的转变、地震勘探关键环节的技术迭代两个视角，展望了煤层气储层地震预测与评价技术的发展趋势与方向。【展望】未来，煤层气地震预测与评价技术将紧跟深部煤层气开发与煤系多气一体化共采的发展方向，在储层岩石物理精细刻画、数值建模与模拟、高精度探测数据采集、目标导向型精细化处理、多参数高精度智能反演以及“甜点区”综合识别等多项技术方向上形成突破，助推实现煤层气勘探领域新的跨越式发展。

  2025年06期 v.53;No.330 233-245页 [查看摘要][在线阅读][下载 1922K]
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• 融入非平稳随机场正则化的可控源音频大地电磁法约束反演方法

  戴前伟;郭泸遥;武赟;熊哲贤;段旦;包中林;吴鸿飞;郝风云;

  【目的】可控源音频大地电磁法反演的计算效率和分辨率问题始终是该领域的关键议题。为解决可控源音频大地电磁法反演中计算效率和分辨率不足的问题，特别是传统正则化方法对复杂地质结构估计的过度平滑现象，提出了一种改进的正则化反演方法，旨在更真实地反映地下物性参数的空间分布特性。【方法】采用基于Matérn函数随机偏微分方程的构建法，通过引入矢量场及变程“椭圆”的形状参数，充分考虑地层的倾斜变化和物性分布的非平稳性，构建出满足非平稳假设的模型协方差矩阵，并以此作为正则化约束条件进行反演。通过从反演结果、残差值、视电阻率相对残差及不确定度这4个维度，对比分析了传统最平滑约束方法、基于平稳假设的协方差约束方法以及非平稳协方差约束方法的效果。此外，为验证方法的实际应用效果，将其应用于新疆哈巴河县也尔克曼-金坝金矿勘探的实测数据处理中。【结果】理论模型结果表明，非平稳假设约束下4组试验的残差值介于20.47%～21.29%，优于平稳假设约束(残差值分别为21.25%及22.83%)，优于传统最平滑约束方法(残差值为32.46%)，且能更真实地反映地质构造特征，以及更清晰地识别地质边界。实测数据结果表明，非平稳假设约束方法在成像效果方面明显优于传统Occam平滑约束方法，数据拟合残差提升达51.47%，显著增强对复杂地质结构的分辨能力，并在一定程度上降低深部区域反演的不确定性，从而有效提升了整体反演结果的可靠性。【结论】基于非平稳假设的Matérn函数正则化反演方法为解决可控源音频大地电磁法反演中的计算效率和分辨率问题提供了一种新的技术手段，对推动地球物理反演技术的发展具有重要意义。

  2025年06期 v.53;No.330 246-258页 [查看摘要][在线阅读][下载 2930K]
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钻掘工程

• 煤矿井下锚网特征掘进机视觉定位方法

  张旭辉;迟云凯;杜昱阳;姜俊英;杨文娟;赵友军;万继成;王彦群;田琛辉;

  【背景】煤矿井下掘进装备精确定位是实现综掘工作面自动化、智能化导控的重要基础。但因井下巷道狭长封闭、光照不足、纹理稀疏等因素，传统的视觉定位方法应用受限，基于此提出一种基于锚网特征的煤矿井下掘进机视觉定位方法。【方法】采用三分支深度可分离卷积的图像增强网络，分别估计图像的反射、光照和噪声，在调整光照分量的同时抑制噪声的影响，得到了光照均匀、纹理清晰的图像，提升了视觉定位系统在复杂光照条件下的适应性；设计了适用于锚网线特征提取与匹配的方法，通过自适应阈值的EDLines(edge drawing lines)增强了对锚网线特征的提取能力，并利用结构相似度(structure similarity index measure,SSIM)提高了线特征的匹配的准确性；构建了最小化线特征重投影误差的位姿解算模型，结合位姿图优化，实现了掘进机的精确定位。搭建实验平台，对图像增强、线特征处理以及定位性能分别设计实验进行定量分析。【结果和结论】TSCRNET图像增强方法相较于MSRCR和Zero-DCE取得了更高的PSNR值与SSIM值；线特征处理方法相对于传统算法提取特征数量与匹配精度显著提高，为后续定位过程奠定了基础；定位实验部分，在EuRoC数据集以及实际巷道场景中将TSCR-NET算法与其它基于线特征的视觉定位方法进行对比，该算法在EuRoC数据集的9个数据序列中表现优于PL-VINS算法，在60 m范围内的巷道锚网环境中对机身进行连续跟踪，观测到该视觉定位方法最大误差为163 mm，与PL-VINS的最大误差213 mm相比，降低了23.5%，均方根误差由0.531降低至0.426，降低了19.8%，可见TSCR-NET算法具有更高的精度与稳定性，对掘进机在井下巷道锚网环境中的长距离位姿检测具有重要借鉴作用。

  2025年06期 v.53;No.330 259-270页 [查看摘要][在线阅读][下载 2481K]
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