氦气地质与勘探开发 专题(下)

• 鄂尔多斯盆地典型区带氦气富集主控因素与有利区预测

  高建荣;陶士振;刘祥柏;杨威;赵振宇;陈秀艳;徐旺林;张春林;宋微;陈悦;黄军平;马占荣;

  【背景】鄂尔多斯盆地天然气资源十分丰富，且天然气中普遍含氦，具有良好的氦气资源潜力，对其精细勘探是未来由氦气兼探向专探的必由路径。【目的和方法】为了系统研究鄂尔多斯盆地氦气资源分布与潜力，对鄂尔多斯盆地不同地区天然气进行了取样分析测试。为了剖析氦气成藏富集主控因素，对其基底和沉积岩层、断裂系统、构造演化作用等进行了系统解剖。【结果和结论】(1)盆地内存在两类3种氦气富集类型：依据载体类型划分为烷烃载体气和地热水载体气两类。第一类依据基底与气藏距离划分为两种，第一种是气藏与基底直接接触型的东胜气田，气藏地层与基底垂向距离小于50 m，平均氦气体积分数0.118%；第二种是气藏与基底近距离接触型的庆阳气田，气藏地层与基底垂向距离小于1 500 m，平均氦气体积分数0.105%。地热水载体气为深大断裂沟通型的富氦水溶气型，地热水上部的水溶气与基底垂向距离为1 500～5 000 m，典型代表是渭河地堑，平均氦气体积分数2.5%。(2)通过分析氦气富集区的地质特征和富氦因素，提出氦气富集的主控因素：(1)浅埋藏基底的古老富铀钍花岗岩是重要的氦源岩，也是氦气富集的物质基础。(2)深大断裂是基底沟通氦气至浅部气藏的关键，如庆阳气田的基底走滑断裂带对庆阳气田和正宁气田起控制作用，也是氦气富集的有利区带。庆阳气田太原组气层内部规模较大的断裂发育区氦气体积分数高，平均0.105%。(3)氦气的大规模形成，离不开其载体天然气和水，氦气始终是伴生矿物，因此储盖有效组合是氦气富集的有利场所。基于鄂尔多斯盆地磁力异常研究和深部断裂分布特征，优选出基底花岗岩浅埋藏区和深大断裂发育区两大氦气富集类型，结合目前的气田储盖配置情况，划分有利区带9个，面积40 000 km~2，包括河套盆地、伊盟古陆、天环北、定边断裂带、志丹-佳县强磁区断裂带，紫金山火山岩侵入带、庆阳古隆起，宜川-黄龙断裂带和渭河地堑。

  2025年09期 v.53;No.333 1-14页 [查看摘要][在线阅读][下载 3424K]
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• 盐穴储库中高氦气体吸附和扩散行为分子模拟

  陈泽亚;完颜祺琪;刘满仓;刘晓强;陈践发;李康;吴佳楠;尤兵;

  【背景】人造地下盐穴储氦是解决氦气长时间、规模化战略存储的最佳途径之一，是建立自主可控氦气保供体系的必然选择。目前制约我国盐穴型地下储氦库建设的核心问题在于盐岩对高氦气体(氦体积分数≥70%)的密封能力。【方法】采用分子动力学模拟技术，构建盐岩狭缝孔-通道孔复合模型，揭示温压、氦含量、孔隙流体性质对氦气与甲烷的二元混合气体中氦气的赋存状态及扩散特征的影响，明确基于多因素耦合的氦气自扩散系数和菲克扩散系数变化。【结果和结论】(1)氦气在盐岩纳米孔隙中以游离态赋存为主，仅有少量吸附态分布在矿物表面(吸附热2.56～3.05 kJ/mol)，竞争吸附能力极弱；(2)盐岩狭缝孔内氦气体积分数达90%时，氦气会以直径更大的氦团簇方式赋存，有助于氦气的地下封存；(3)相比于纯氦气，二元混合气体系中氦气的自扩散系数显著降低，随甲烷比例增加，氦气扩散系数逐渐下降，证明载体气的存在可有效抑制氦气的扩散运移能力；(4)盐岩微观孔隙内的流体性质是影响氦气密封性的重要因素，相比于单一气相环境，当盐岩孔隙被高矿化度地层水充满时，在储氦库运行时间尺度下氦气逸散量几乎可以忽略不计。

  2025年09期 v.53;No.333 15-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 3213K]
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• 松辽盆地徐家围子断陷深部含氦气藏特征与成藏过程

  任嘉豪;何衍鑫;田伟;王磊;

  【目的和方法】松辽盆地徐家围子断陷发育多个含氦气田，然而该区氦气资源量评价及其成藏模式尚未得到充分揭示。基于三维地震资料及24口井的测井数据，对基于自然伽马能谱测井的氦气资源评价方法进行优化，定量评估研究区深部地层壳源氦气的生氦潜量和理论生成量，并结合含氦气藏地球化学特征和壳源氦气生氦模拟结果，探讨研究区内壳源型和壳幔混合型氦气藏的充注历史和成藏模式。【结果和结论】(1)下白垩统营城组、沙河子组和侏罗系火石岭组的生氦潜量分别为1.22×10~(-4)、1.08×10~(-4)及0.90×10~(-4) cm~3/g，深部地层平均生氦潜量为0.96×10~(-4)cm~3/g，氦气总生成量为7.4 km~3，整体生氦能力中等偏下。(2)深部地层中铀(U)、钍(Th)放射性衰变产生的壳源型氦气，以烃类气体为载体，于95 Ma开始大规模运移并通过裂缝体系快速充注至上覆营城组火山岩及碎屑岩储层中，形成原位或近源氦气藏；而幔源氦气以CO_2等幔源无机气体为载体，通过深大断裂、火山通道及不整合面向上运移，两类来源的氦气最终在圈闭中聚集形成含氦气藏。(3)壳源型氦气藏受源岩品质-烃氦耦合要素控制；壳幔复合型氦气藏受幔源流体活动和深大断裂控制。(4)对于中国东部的盆地，幔源成因的氦气充注可作为今后勘探开发的重点，徐家围子断陷后续氦气勘探应该着眼于幔源氦对含氦气藏的补充。

  2025年09期 v.53;No.333 25-40页 [查看摘要][在线阅读][下载 3645K]
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• 柴达木盆地东坪气田氦气来源及差异富集主控因素

  徐朱松;李剑;王晓波;崔会英;夏雨田;田继先;李婉婷;陈大伟;

  【背景】近年来柴达木盆地东坪气田发现了良好的富氦天然气显示，但其氦气资源存在横向上非均质分布，纵向上多层系差异聚集，这制约了该区域氦气资源的进一步勘探。【方法】通过分析东坪气田氦气横向及纵向分布特征，探讨氦气成因与来源，剖析富氦气藏与贫氦气藏的地质背景差异，系统总结了气田中不同区块氦气差异富集规律。【结果和结论】(1)东坪气田富氦气藏主要分布在埋深较浅的东坪3井区，该井区氦气与氮气含量具有明显的正相关关系；埋藏较深的东坪1井区和东坪17井区为低氦气藏。(2)研究区氦气属于典型的壳源成因，主要来源于花岗岩、花岗片麻岩等古老基底岩石；氦源、地下水活跃程度、天然气充注强度和构造格局等多重因素共同控制了氦气的差异富集。(3)东坪3井区具有富铀钍的古老花岗岩、活跃的地下水、较小的天然气充注强度和圈闭位于构造高部位等特征，基底生氦强度最大，为1.02×10~(-12) cm~3/(a·g)，并且在喜马拉雅期大幅度构造隆升，形成的位于构造高部位的较小圈闭不仅有利于深部含He、N_2的古老地层水向上运移，还控制较小的天然气充注强度。(4)东坪1井区虽然氦气总储量更大，但其地下水水动力较弱，天然气充注强度大，圈闭处于构造较低部位，限制了氦气的运移和富集。(5)氦气含量最低的东坪17井区受制于氦源岩为U、Th含量较低的片岩、板岩和灰岩等，圈闭埋藏深等因素。通过对东坪气田不同基底岩性和构造格局气藏中氦气差异富集的研究，预测阿尔金山前古隆起、古斜坡区构造高部位是氦气富集的潜在有利区，有望为柴达木盆地后续氦气的勘探开发工作提供指导。

  2025年09期 v.53;No.333 41-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 2078K]
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• 基于成因法的氦气资源评价新方法——在晋中盆地的应用及意义

  张乔;周俊林;马尚伟;郭望;李玉宏;张云鹏;张宇轩;许海红;王嘉玮;

  【背景】氦气是一种战略紧缺资源，其主要赋存在天然气之中。我国氦气资源评价处于起步阶段，而且整体勘探开发程度较低，特别是在天然气勘探空白区或未探明氦气储量的盆地，建立氦气资源评价方法势在必行。其中，成因法基于氦气生成、运移和富集过程模型，具有模型简明、参数获取便捷和评价快速等优势。然而，现有成因法主要聚焦于单一氦源岩生氦总量估算，普遍忽略了多源生氦特征、氦气从源岩释放的效率(排氦系数)和运移富集效率(运聚系数)，进而导致资源量评价结果普遍较高、准确性较低。【方法】在氦气成因理论的基础上，创新性地引入排氦系数和运聚系数，运用野外调查和室内分析的手段，明确计算过程中各参数的确定方法，继而建立了一套基于成因法的系统性氦气资源评价新方法。并以晋中盆地为评价区，对该方法进行实例验证。【结果和结论】建立了成因法氦气资源量计算公式与参数确定方法，基于国内外典型富氦盆地和气田的实验和计算，明确了各类氦源岩排氦系数达80%以上、稳定成藏系统氦气最大运聚系数为3.7%，运用该方法得出：(1)晋中盆地潜在储层之下氦源岩的生氦总量为556亿m~3，自成藏系统形成以来的氦气资源量为3.442 0亿m~3;(2)该方法丰富了我国氦气资源评价体系，为低勘探区氦气资源评价提供了方法依据；(3)以晋中盆地为代表的我国中小盆地普遍富氦，氦气资源潜力巨大，有望成为未来氦气资源勘探突破的重要潜力区。

  2025年09期 v.53;No.333 53-65页 [查看摘要][在线阅读][下载 3421K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 深部煤层气水平井筒积液诊断和防治方法——以鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县区块为例

  曾雯婷;汪志明;张雷;田志达;甄怀宾;戴安娜;曾泉树;隋天阳;

  【目的】鄂尔多斯盆地东缘大宁-吉县区块深部煤层气已实现规模开发，投产水平井近150口，在生产过程中发现随着地层能量逐渐降低，气井携液能力下降，井筒积液成为影响深部煤层气井产量的主要因素之一。深部煤层气游离气和解吸气共同产出，气液比变化大，且不同阶段产气通道及排采工艺不同，适合深部煤层气水平井生产特征的积液诊断预测方法亟需建立，为积液防治提供依据，避免因积液造成储层伤害和产能影响。【方法和结果】基于不可压缩黏性流体的RANSκ-ε方程与volume of fluid method(VOF)方法，利用流体动力学软件Fluent及其二次开发功能，结合深部煤层气水平井油管、环空气液两相流物模实验，构建深部煤层气水平井气液两相流动数值模型，通过数值模拟结果建立适合于深部煤层气水平井不同井筒压力、不同井斜角、圆管条件下和环空条件下的流型图版。基于生产过程中气液两相流动规律及流型演化过程，建立流型与积液的对应关系，得出：泡状流、段塞流对应已发生积液状态，搅混流对应即将发生积液的过渡状态，环状流对应无积液或积液风险较低状态，并且井斜角大小与积液风险成正比，压力与积液风险成反比。【结论】利用积液诊断的流型图版分析法，应用于大宁-吉县区块深部煤层气水平井，指导提出干预时机，及时采取治理措施，措施有效率提高。下一步将引入人工智能技术，向智能分析预测方向进一步优化此方法，为深部煤层气井筒积液预测和防治提供技术支撑。

  2025年09期 v.53;No.333 66-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 2370K]
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• 油页岩自生热原位转化井组模式注采工艺参数研究

  曾壹坚;朱超凡;李彦伟;水浩澈;郭威;

  【背景】井组作为“多井协同单元”，其模式直接决定注采工艺的优选，地层条件的利用效率，最终影响资源的整体开采效果。【方法】采用数值模拟方法，评价“一注一采”“一注四采”与“一注六采” 3种垂直井组模式自生热原位转化开发效果，进一步揭示井组配置对能量效率的协同机制。【结果和结论】“一注四采”井组模式考虑钻井成本的综合原位转化利用效率较高。在自生热原位转化的热激发阶段，预热气体温度和时间一定的条件下，400 m~3/h预热气体流量的能效较优。自生热控制阶段，注气流量200 m~3/h以下无法触发自生热裂解反应，1 000 m~3/h以上流量过高中断自生热反应推进；在触发范围内，400 m~3/h自生热气体流量能量回报率最优。研究“一注四采”井组模式下不同井间距的开发效果，注采井距25 m条件下综合能量效率较好。4%低含油率地层就可实现自生热原位转化技术开采，并且具有理想的能量投入产出比。通过井距与注气参数联动优化进行矿场尺度油页岩原位转化开发，第3.7年达回报率峰值8.85,4 a累计产油10 519.5 t，桶油运行平均成本具有较高经济性，并留存大量潜在可利用余热资源。研究成果为油页岩原位转化工业化应用提供井组模式设计理论依据与经济性评估范式。

  2025年09期 v.53;No.333 76-87页 [查看摘要][在线阅读][下载 3717K]
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• 准格尔6号煤中锂选择性吸附的分子模拟研究

  张俊爽;孙蓓蕾;张彬;刘超;

  【目的】随着煤系金属矿床的发现，煤中锂分布和赋存规律已经引起了广泛关注，然而锂在煤有机结构和矿物中的分配模式尚未明确。【方法】以内蒙古准格尔煤田典型高锂煤为研究对象，综合运用量子力学、蒙特卡罗、分子动力学等多种模拟手段，分别建立有机质结构和无机矿物结构模型，并构建锂-煤可视化分子结构模型，研究锂在有机质和矿物上的优先吸附位点，探讨煤化升温过程中矿物类型及有机质变质程度对锂吸附的影响。【结果】锂离子在煤中有机质结构上的优先吸附位点为羧基，不同官能团对锂离子的吸附能力顺序为：羧基>羟基>吡咯>羰基>吡啶>苯环；锂离子在高岭石结构上的优先吸附位点为硅氧四面体层中氧六元环的中心位置。在相同温度条件下，有机质、高岭石和伊利石三者共存时，高岭石对锂离子的吸附能力强于伊利石，而伊利石与有机质的结合能力则优于高岭石。随着变质程度升高，有机质对锂离子的吸附能力逐渐减弱。【结论】煤化升温过程中，锂在有机质与矿物间发生再分配，其赋存状态的演化难以通过实验直接揭示，而分子模拟能够在分子尺度提供大量实验难以获得的信息，从而为煤系锂资源的勘探与开发利用提供重要理论支撑。

  2025年09期 v.53;No.333 88-98页 [查看摘要][在线阅读][下载 3110K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 煤矿隐蔽致灾因素内涵及普查要点辨析

  连会青;王旭;尹尚先;夏向学;曹敏;李启兴;吴晓明;张斌;王阳雨;张庆;王国安;

  【背景】为系统规范煤矿隐蔽致灾因素普查工作，国家矿山安全监察局于2024年颁布了《矿山隐蔽致灾因素普查规范》。当前煤矿企业在实施过程中仍面临隐蔽致灾因素内涵界定模糊、普查范围宽泛、实施阶段不明确、勘查与普查脱节、结论表述不当等突出问题，严重制约了隐蔽致灾因素普查工作的科学性和可操作性。【方法】回顾了隐蔽致灾因素普查的研究历程，梳理总结了各发展阶段的主要技术成果，剖析存在问题，凝练关键技术和科学问题，展望业界未来所面临的挑战，指出迎接挑战的关键技术及理论方向。【进展】在此基础上，界定隐蔽致灾因素内涵仅包括地质类因素和采矿类因素，进一步划分为5大类，煤层储存条件、地质体、地质构造、采矿及其他因素；普查实施阶段应摒弃传统的“3年周期普查”模式，采用建井前区域探查、生产前补充勘探、采区设计前精细勘查、采掘前综合探治、采掘过程中动态补充的递进式普查治理方法，突出隐蔽致灾因素普查与治理的动态演化特征，实现灾害防控与采掘工程的动态协同；建立隐蔽致灾因素资料评估机制，即已经查明直接引用、部分存疑局部验证、尚未查明全面探查，实现勘查与普查的高效协同，避免重复探查；提出“一般规定-资料分析-现场探查-危险性评价-结论建议”的标准化普查流程。【展望】我国复杂的地质构造决定了隐蔽致灾因素在采掘过程中的重要地位，在未来隐蔽致灾领域将跟随科学脚步，面向智能、透明化矿山需求，构建“区域-矿井-煤层”的隐蔽致灾评估体系，推动灾害防控和采掘活动的动态协同，为煤矿安全开采提供地质保障，为煤矿隐蔽致灾因素普查提供科学指导，对提升矿山灾害防控能力具有重要意义。

  2025年09期 v.53;No.333 99-110页 [查看摘要][在线阅读][下载 1709K]
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• 氯化镁改性煤矸石除氟工艺和机理研究

  赵丽;周王旭;张庆;邢明飞;许峰;孔伟芳;刘亦菲;秦光宇;

  【背景】随着工业的迅速发展，废水排放量逐年增加，水中氟含量也不断上升，使用天然材料和工业废弃物除氟已成为当前热门课题。煤矸石是我国排放量最大的工业废弃物之一，由于其含有较多黏土矿物，通过改性可有效改善孔隙结构，从而显著提升其吸附性能以达到高效去除水中氟化物的效果。【方法】以河南能源化工集团有限公司典型矿区的煤矸石和200 mg/L高浓度含氟废水为研究对象，通过单因素实验确定煤矸石改性条件，结合扫描电镜、有机元素分析等表征分析，综合研究改性煤矸石对氟化物的吸附规律和除氟机理。【结果和结论】原矸石与MgCl_2按1∶0.25质量比均匀混合，在450℃下焙烧1.5 h制成煤矸石除氟材料，在投料比20∶1、温度25℃、转速120 r/min的条件下进行振荡吸附实验，去除率最高可达94.451%。结合表征分析发现，改性煤矸石对F~-的吸附作用主要包括静电作用、氢键作用、离子交换和沉淀络合作用，改性后的煤矸石内部出现水镁石峰，同时，云母类物质和部分高岭石转化为无定形硅铝化合物，部分高岭石转化为伊利石，增强了矸石内部的静电吸附作用和离子交换作用，吸附F~-后的煤矸石内部出现的氟化铍说明改性煤矸石对氟化物有吸附作用。煤矸石整体形貌更为疏松，比表面积增加，金属氧化物相对含量稍增大，这有利于金属氧化物通过沉淀络合作用和氢键作用去除水中F~-。研究成果可为煤矸石制备水处理剂处理废水提供重要的理论依据。

  2025年09期 v.53;No.333 111-119页 [查看摘要][在线阅读][下载 2110K]
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• 彬长矿区高家堡煤矿洛河组沉积环境及微观控水规律

  李晓龙;

  【目的和方法】针对黄陇侏罗纪煤田顶板洛河组砂岩含水层沉积环境认识不统一、富水岩性不明的难题，以陕西高家堡煤矿洛河组砂岩为研究对象，选取洛河组不同岩性岩心试样，在综合分析颜色、岩性及其组合、石英颗粒表面形貌特征、矿物成分、沉积构造、沉积结构等基础上，结合粒度参数综合分析沉积环境；采用气测法、饱和水称重法测试洛河组全段不同岩性、不同沉积环境砂岩的渗透率、孔隙率和饱和含水率；基于NMR和CT技术研究洛河组含砾砂岩、粗砂岩等6类砂岩的微观孔隙结构；结合洛河组沉积环境与孔渗特征成果，综合分析洛河组垂向各层段微观控水规律。【结果和结论】洛河组地层上段为紫红色或棕红色，夹杂灰白色含砾砂岩，中段为紫红色或棕红色，也夹杂白色含砾砂岩，下段为棕红色，下段底部局部夹杂薄层灰白色含砾砂岩；砂岩碎屑颗粒发育碟形撞击坑，大型板状交错层理发育，体现出风成沉积环境；砂岩矿物以石英、长石、方解石和黏土矿物为主；在研究区洛河组底部发现棕红色泥岩含大量方沸石矿物，厘定洛河组下段为典型的湖泊相沉积，全段为风水交替叠置沉积体；砂岩饱和含水率为2.87%～11.84%，孔隙率为6.87%～23.91%，有效孔隙率为2.32%～12.79%；砂岩孔径总体大孔占比较高，中孔次之，细粒及其以上粒度砂岩含微裂隙，孔径主要分布区间为34.57～180.00μm；主要富水岩性为巨粒-细砂岩，粉砂岩富水性弱，水成含砾砂岩富水性最弱；上段含砾砂岩占比小于中段，主要岩性为巨粒-细砂岩，基本不含粉砂岩和泥岩，上段富水性较强；上段和中段标志层为厚层冲积相，孔隙率、有效孔隙率和饱和含水率最低，且中段以中、细砂岩沉积为主，水成中砂岩孔隙率和有效孔隙率较低，泥岩和粉砂岩占比显著增加，中段富水性较上段弱；下段岩性以厚层泥岩为主，夹粉砂岩，其富水性弱。研究成果为判识洛河组砂岩富水性提供理论依据，也可指导矿井防治水工作。

  2025年09期 v.53;No.333 120-134页 [查看摘要][在线阅读][下载 3659K]
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• 鄂尔多斯盆地北部大海则煤矿煤层顶板充水强度评价

  刘溪;丁湘;黄海鱼;李兆扬;李哲;郑升;

  【背景】煤层顶板充水强度评价是矿井进行水害防治的基础，然而鄂尔多斯盆地北部侏罗纪煤田复杂的水文地质结构及沉积非均质性对传统评价方法提出严峻挑战。【方法】以陕北大海则煤矿为对象，针对侏罗系延安组与直罗组含水层交互叠加的水害特征，旨在构建适应陆相沉积背景的充水强度分区评价体系，为矿井水害防控提供科学依据。基于沉积控水规律，从岩性特征、水力特征及开采特征3个维度选取含水层厚度、沉积环境量化指数、岩心采取率、渗透系数及含水层采动破坏指数5项主控指标，采用层次分析法(AHP)确定权重(分别为0.270、0.155、0.059、0.349、0.168)，结合GIS技术对多源数据进行归一化处理与空间叠加分析，建立分层-综合双重评价模型。【结果和结论】大海则煤矿侏罗系延安组三段充水强度呈现南强北弱特征，而直罗组一段则北强南弱；通过自然分级法将叠加结果划分为相对弱、较弱、中等、较强及相对强5个充水等级，强充水区主要分布于矿区中西部及东北部。20101和20201工作面涌水量数据验证显示，实测涌水量与预测分区结果空间匹配度较高，证实了模型的可靠性。本研究提出的大海则煤矿顶板充水强度分区评价方法，有效克服了传统均质化模型对非连续砂体与分层渗流机制适应性不足的问题，为深部侏罗纪煤田水害防控提供定量化决策依据，具有推广应用价值。

  2025年09期 v.53;No.333 135-146页 [查看摘要][在线阅读][下载 11005K]
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• 基于三维地质建模的大安东部地区地热资源评价

  陈雯雯;饶松;孟博言;郭梦浩;罗洋;蔡家豪;李文靖;张翘然;汤雨聪;

  【目的】吉林大安地区位于松辽盆地中央坳陷区西南部，地热异常显著，地热资源开发潜力巨大，但针对该地区详细的地热资源评价仍然缺乏。传统评价方法中，体积法难以准确表征非规则地层形态及参数空间异质性，蒙特卡罗法则存在热储参数概率分布模型依赖性强等局限。【方法】针对传统地热资源评价方法缺陷，综合利用区域地质、钻井、岩石热物性等资料建立三维地热地质模型，通过三维稳态地温场模拟刻画大安东部地区2 600 m以浅温度场分布特征，采用有限元体积法评估上白垩统3套主力热储层地热资源量。【结果和结论】(1)研究区500、1 000、1 500、2 000以及2 500 m深度地层温度分别为25.8～36.4、 48.6～61.3、 63.1～84.6、 79.3～107.1和94.4～125.6℃，地温等值线呈“西南密、东北疏”特征，不同深度的温度分布格局基本一致，为东北温度高、西南温度低。(2)嫩江组四段、姚家组二段-三段、青山口组二段-三段主力热储层温度分别介于27.0～67.3、38.2～96.7和43.20～103.58℃。(3)采用有限元体积法，逐单元积分累加计算地热资源量，结果显示嫩江组四段、姚家组二段-三段、青山口组二段-三段地热资源量分别为19.2×10~(18)、30.4×10~(18)、47.3×10~(18) J，折合标准煤分别为6.55×10~8、10.37×10~8、16.14×10~8 t；按照25%可采资源系数，可采资源量折合标准煤分别为1.64×10~8、2.59×10~8和4.04×10~8 t。与传统体积法、蒙特卡罗法相比，有限元体积法结合数值模拟技术在地热资源评价中展现了独特的优势。

  2025年09期 v.53;No.333 147-158页 [查看摘要][在线阅读][下载 7463K]
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煤田物探 矿井物探

• 基于改进U-Net++网络的地震数据高精度重建

  王敏玲;周飞;王洪华;贺翔;侯志阳;

  【目的】针对常规重建方法对连续缺失地震数据重建效果不佳，影响后续处理精度的不足，在U-Net++网络基础上，通过引入卷积注意力机制模块(convolutional block attention module, CBAM)，提出了一种深度学习网络CU-Net++。【方法】U-Net++网络的嵌套式结构中每个子U-Net网络的独立解码器，可在缺失数据重建中充分利用不同深度的信息；长短跳跃连接能有效增强网络对数据多尺度特征的提取能力。CU-Net++网络的核心是将可增强地震波细节和边缘信息学习能力的CBAM引入到U-Net++网络，以增强复杂地震波特征的识别和捕捉能力。通过模拟数据和实测数据重建测试，从F-K谱、残差剖面、单道波形、平均绝对误差、信噪比、峰值信噪比等方面，详细对比分析了CU-Net++、U-Net++、CU-Net、U-Net网络和曲波域凸集投影(POCS)对缺失地震数据的重建效果。【结果和结论】CU-Net++网络的各项指标表现最优，其重建误差最低，平均绝对误差相较于U-Net++网络降低约51%，信噪比和峰值信噪比分别提升5.87 dB和5.87 dB;CU-Net++网络可高精度重建连续缺失比例不超过12%的地震数据。

  2025年09期 v.53;No.333 159-170页 [查看摘要][在线阅读][下载 5512K]
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• 深度域非稳态地震数据衰减特征分析及波阻抗反演

  马铭;马峰;

  【背景】深度偏移处理方法的高效应用使得深度域地震数据解释工作广泛开展。然而前期围绕时深转换及速度模型带来影响的相关研究仅明确了随着深度的增加，地震波主波数降低、波形拉伸的情况，并没有考虑振幅及相位的变化。【目的】为了准确刻画深度域非稳态地震信号的波形特征及后续解决波阻抗反演精度不足的问题。【方法】以地震波传播过程中的能量耗散和频散效应为出发点，研究非稳态反射波地震数据与地层波阻抗之间的复杂映射关系，引入反映地层吸收衰减的Q模型，提出能够同时描述振幅衰减、相位畸变及主波数降低的反射地震数据非稳态卷积运算公式，并凭借其建立空间约束条件下的波阻抗反演方程；通过深度学习技术估计地层Q模型，网络结构中引入的多头自注意力机制能够准确提取深度域地震信号的衰减特征，从而估计表征地层衰减性质的Q曲线，摒弃传统反演流程中已知Q模型的假设，少量合成数据完成网络训练及验证以确保估计方法的易实施性；利用网络输出的Q值计算深变地震子波并部署基于l_p范数稀疏约束的多道波阻抗反演方法，最终得到高分辨率的深度域绝对波阻抗数据体。【结果和结论】利用Pluto理论模型验证表明：通过深度学习技术获取Q模型并完成非稳态反演，输出波阻抗结果的相对误差为13.7%，相较于传统稳态反演结果的误差48.2%，其精度提升显著。晋中煤田探区内实际地震数据测试表明：深度域非稳态地震反演技术能够更直观精确地捕获地下介质物性参数，输出的波阻抗与测井数据对应的波阻抗曲线相似性达到0.948 8，避免了反Q滤波、递归反演等多步骤处理带来的不稳定性。研究成果为后续地震解释工作提供可参考的深度域地层信息。

  2025年09期 v.53;No.333 171-181页 [查看摘要][在线阅读][下载 2669K]
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• 物理信息神经网络求解亥姆霍兹方程的配置点采样方法

  单连璞;于彩霞;王彦飞;

  【背景】地震波场模拟中，物理信息神经网络(physics-informed neural networks, PINNs)凭借其无网格求解特性为亥姆霍兹方程(Helmholtz equation)高效计算开辟了新途径。然而，在复杂介质模型的亥姆霍兹方程正演中，传统的均匀网格配置点采样策略无法高效地提供梯度信息，导致其训练时间长、资源消耗大。【目的和方法】为了提升PINNs的正演效率和精度，并解决动态采样的配置点在震源处异常聚集这一问题，提出了基于残差分布的混合配置点重采样策略(hybrid residual-based adaptive distribution, RAD-H)，并与6种固定采样策略和4种动态采样策略进行对比分析。该策略在震源区域采用固定采样确保震源特征捕捉，在其他区域则实施基于残差分布的自适应重采样(residual-based adaptive distribution, RAD)，保证重采样配置点与目标高残差区域空间采样的一致性。【结果】经数值实验表明：在均匀介质模型中，RAD-H策略相较于经典基准方法仅需使用18.57%的配置点数量，却能够使波场L2误差降低3.050%，同时该策略训练耗时约为4 192.5 s，计算效率较经典基准方法提升了231.74%；在Marmousi2模型中，RAD-H策略控制与经典基准方法相同量级误差，使用的配置点数量减少57.75%。【结论】该策略解决了其他动态采样策略在震源区域采样过密、其他区域采样不足的问题，显著提升了PINNs在含震源正演中的配置点采样效率，对高效高精度模拟复杂地质模型波场具有启发意义。

  2025年09期 v.53;No.333 182-190页 [查看摘要][在线阅读][下载 2029K]
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• 地球物理测井在盐穴储库层位优选中的应用——以江西清江盐矿ZK01孔为例

  刘东明;林振洲;刘东彦;邱常义;梁明星;翟景红;张杰;蒋正中;

  【背景】在“双碳”战略引领下，盐穴储库作为清洁能源战略储备的关键基础设施，已成为推动盐行业转型升级，构建国家低碳能源体系的核心路径。江西省地处长江经济带中段，盐岩资源禀赋突出，是国家盐穴储库资源优先开发区之一。然而，传统储库选址方法依赖钻探取心，存在成本高昂、纵向连续性评价不足等瓶颈问题，亟需发展高效精准的地质评价技术，为盐穴储库科学选址提供支撑。【目的和方法】以清江盐矿盐穴工程预可研钻孔ZK01孔为研究对象，通过融合多参数地球物理测井与岩心地质编录数据，系统开展含盐地层结构解析与建库层位优选研究。重点厘定不同岩性测井响应特征标识，建立矿物组分反演模型，并提取含矿率、矿石品位、夹层分布特征以及顶底板与盖层性质等关键参数。【结果】盐岩呈现典型“三低一高”响应特征(低自然伽马、低声波、低中子，高电阻率)，泥岩则具有“三高一低”特征(高自然伽马、高中子、高声波，低电阻率)，过渡岩类的物性参数呈连续渐变趋势。自然伽马-中子交会图法较曲线重叠法和重构法显著提升岩性识别精度，实现了4种岩性的半定量划分。906～1 095 m井段含矿率51.1%,NaCl平均品位69.46%，泥岩夹层以2～4 m为主，且具备厚层泥岩顶底板及致密盐岩盖层，是盐穴储库建设的优选层位。【结论】地球物理测井技术通过量化表征含盐地层结构特征与矿物组分含量，为盐穴储库选址提供关键地质参数与科学决策依据。该方法在构造稳定、岩性组合简单的盐盆地具有显著适用性，对于复杂地质区需结合高分辨率测井技术进行适应性优化。

  2025年09期 v.53;No.333 191-203页 [查看摘要][在线阅读][下载 4266K]
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• 基于受力破坏建模的煤层工作面底板三维直流电法响应特征

  高卫富;邹旭;牛超;肖乐乐;訾建潇;

  【目的】近年来，华北型煤田底板突水事故频发，为了有效预防底板突水事故的发生，采场底板突水异常响应特征成为防治水研究的重点。【方法】基于矿山压力理论建立采场底板应力模型，分析采场底板应力分布及破坏特征，根据底板破坏特征将工作面底板分为压缩区、膨胀区、恢复区。采用岩样应力-电阻率测试法，测试岩样加压、破坏、恢复等状态下电阻率变化规律，模拟底板压缩区、膨胀区和恢复区岩层电阻率变化，确定工作面底板三区的电阻率取值，结合现场岩层电阻率变化，建立不同采动阶段底板电阻率时空演化的三维动态地电模型。利用三维直流电法正反演程序，对已建立的底板地电模型进行正反演计算，绘制底板异常响应三维电性图，研究工作面底板异常响应，总结工作面推进过程中底板异常响应特征。【结果】当工作面推进20 m时，异常地电模型出现应力异常区和低阻异常区，应力异常区出现在工作面回采位置前方，主要影响浅部地层，随着地层深度增加，应力异常区消失。低阻异常区影响深部地层，对浅部地层无影响；当工作面推进30 m时，应力异常区随着推采位置向前移动；低阻异常区与应力异常区相连，低阻区范围不断增大，视电阻率值不断减小，出现明显低阻异常响应，工作面底板发生突水可能性增大；当工作面推进50 m时，工作面出现两处低阻异常区，其中一处为应力异常区，该异常区随着推进位置向前移动；低阻异常区位于采空区，范围大，视电阻率值极低，与围岩差异明显，工作面底板极有可能发生突水。【结论】工作面推进过程中出现“应力异常响应”和“低阻异常响应”特征，其中，“应力异常响应”影响范围小，随着工作面推进不断向前移动；“低阻异常响应”影响范围大，视电阻率值与围岩电阻率差异大，随着工作面推进低阻区不断扩大。矿井水防治者应当及时采取防治水措施，防止工作面底板发生突水。

  2025年09期 v.53;No.333 204-216页 [查看摘要][在线阅读][下载 2621K]
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钻掘工程

• 高效钻孔救援技术及装备

  姚宁平;邹祖杰;张忠海;赵继云;郝世俊;凡东;窦斌;

  【目的】我国矿山开采逐步向深部发展，每年全国矿山巷道和隧道掘进量近20 000 km，矿山(隧道)事故时有发生，危害国家财产和人民生命安全，针对矿山(隧道)事故应急救援重大需求，钻孔救援作为一种有效的救援途径被广泛提及和使用。【方法】开展了地面井下救援钻孔高效安全施工技术与装备研究，以地面及井下(隧道)救援钻孔安全高效构建为目标，以“地面救援装备-搜救孔/救援孔成孔技术-工程演练”“井下救援装备-水平救援孔成孔技术-工程演练”为主线，突破了救援深孔高效钻进与快速成孔技术难题，研制了具有自适应钻进功能的大功率地面救援车载钻机及快速换杆装置，开发了地面搜救孔“三段式”一趟钻、救援孔气液双循环高效钻进技术及配套钻具，研制了套管焊接机器人等，可满足搜救孔、救援孔高效成孔需求；攻克了混杂坍塌体高效碎岩及随钻护孔技术难题，研发了井下模块化大直径跟管钻进装备、多功能作业车、带式输送机、救援作业舱及钻场防护系统等，满足水平救援通道快速构建需求。【结果和结论】形成了地面车载钻机及井下跟管钻机2套钻孔救援集成装备、地面垂直救援孔及井下水平大直径救援孔高效成孔技术2套救援施工技术，构成了井上下联合钻孔救援技术与装备体系。地面及井下钻孔救援技术装备分别在山西武乡、江苏徐州、陕西商洛、云南玉溪等地进行了系统联调、工程试验及集成演练，验证了装备的可靠性、技术适用性和安全性，可为我国矿山灾害救援提供技术和装备支撑。

  2025年09期 v.53;No.333 217-235页 [查看摘要][在线阅读][下载 4745K]
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• 井下救援模块化大直径水平跟管钻机的研制

  凡东;倪晓阳;穆树元;邹祖杰;文国军;李影平;鲁飞飞;

  【目的】针对矿山巷道及隧道塌方事故救援中面临的狭窄空间作业难题，研制一种具备快速响应能力的模块化水平跟管救援钻机系统，以提升复杂环境下的救援效率与安全性。【方法】采用模块化设计理念，通过紧凑化布局优化动力头、给进装置及动力系统等核心部件。运用多体动力学仿真对辅助作业车进行倾覆校核，确保其在复杂工况下的稳定性；基于离散元(DEM)-多体动力学(MBD)耦合仿真方法，优化超薄折叠式钻渣带式输送机的结构，显著提升输送效率与空间适应性。结合层次分析法(AHP)与逼近理想点排序法(TOPSIS)，构建钻场安全风险评估模型，并集成自回归移动平均(ARMA)和指数平滑算法开发智能预警软件平台，实现了钻场安全态势的动态评估与风险预判。通过钻机静态加载检测、陕西商洛工程试验和云南玉溪集成演练验证钻机性能。【结果和结论】研发的模块化、遥控式大直径跟管救援钻机，最大模块尺寸控制在4 000 mm×1 700 mm×1 450 mm，可在受限空间3 h内完成快速组装；研制的关键部件包括双回转动力头、独立驱动式给进装置、上开口变径夹持扶正系统及遥控单轨吊装系统等，结合电液双控负载敏感液压控制与防爆遥控技术，适配多级跟管钻具，形成集“钻、排、运、护”于一体的救援装备；静态加载检测显示，套管最大转矩达255 kN·m，外管最大推进力达1 600 kN；在陕西商洛、云南玉溪分别开展了工程试验和集成演练，完成了3口水平钻孔，最大孔长61.5 m，逃生通道直径570 mm，验证了钻机性能及多级跟管钻进工艺适应性。“钻、排、运、护”一体化井下钻孔救援装备显著提升了狭窄巷道环境下的适应性及救援效率，为矿山及隧道应急救援提供了装备支撑。

  2025年09期 v.53;No.333 236-246页 [查看摘要][在线阅读][下载 2336K]
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• 大直径救援井井底流场模拟与实验研究

  赵研;刘松赫;郝世俊;赵江鹏;李沛舒;王学博;于永平;高科;董博;张博;

  【目的】针对大直径潜孔锤扩孔钻进技术在矿山救援中面临的井底流场复杂、排渣困难问题。【方法】为揭示钻进参数对井底流场及排渣效率的影响规律，优选钻进参数组合，采用计算流体力学-颗粒轨道模型方法，建立了潜孔锤反循环排渣流场数值模型，分析了机械钻速3.0 m/h下的井底流场的流速分布、岩屑运移及清渣率变化规律。研制了大直径多相流井底反循环模拟装置，该装置具有调控多种钻进参数以及记录井底岩屑运移轨迹的功能，基于该装置采用模拟岩屑开展双相流井底反循环实验，探究钻井液泵量与钻头转速对流场的影响规律。基于经实验验证的数值模型设计了两因素三水平正交实验。【结果】清渣率随钻井液泵量增大而提升，但增益效果随泵量增大而衰减；清渣率随钻头转速增大呈先升后降趋势，在钻头转速达到15 r/min时为最佳。正交实验表明，当处于较高泵量和中等转速工况下，流场排渣效果较好；在机械钻速3.0～6.2 m/h，实现最佳排渣效果的钻进参数组合为钻井液泵量216 m~3/h、钻头转速15～20 r/min。【结论】研究结果为大直径救援井钻进规程参数的合理选取提供了理论参考，有助于提升钻孔救援工程成孔速率。

  2025年09期 v.53;No.333 247-255页 [查看摘要][在线阅读][下载 3982K]
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• 基于煤岩颗粒能量耗散机理的溜槽结构优化方法

  史垚城;邹祖杰;文国军;程斯一;吴来杰;王玉丹;刘璞;陈梦溪;

  【目的】为应对应急救援作业、煤炭转运等物料输送中对溜槽结构性能的严苛要求，从颗粒能量耗散机理出发，提出了一种基于颗粒能量损耗调控的溜槽结构优化方法。【方法】构建了实验–仿真一体化分析框架，借助离散元方法(DEM)系统模拟颗粒在两级壁面(WallⅠ与WallⅡ)间的冲击过程，重点揭示了颗粒速度扰动、应力分布特征与能量转化路径之间的耦合机理。基于此，定义了颗粒–颗粒能耗比例系数α，构建颗粒总能量耗散与壁面安装高度、角度之间的数学表达关系，并构建能耗均衡控制模型，定量分析了颗粒能量耗散情况和壁面安装角度与高度之间的关系。【结果和结论】壁面角度主导颗粒–颗粒与颗粒–壁面耗散路径的占比关系，可归纳为局部失稳、应力连续与冲击主导3种典型能耗机理。结合速度云图和应力场结果，进一步分析了颗粒宏观流动结构与微观能耗路径之间的协同演化关系。最后，提出了两种结构优化方法：一是设置引导性结构以降低初始冲击强度，二是引入台阶面实现局部剪切增强与耗散路径转化。结构优化方法有效提升了颗粒–颗粒耗散能力，同时避免了逆向流动与壁面局部过载现象，工程应用效果验证了优化方法的有效性。研究成果为复杂约束条件下溜槽系统的能量管理与结构设计提供了理论支撑与工程依据。

  2025年09期 v.53;No.333 256-266页 [查看摘要][在线阅读][下载 3157K]
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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09期 v.53;No.333 267页 [查看摘要][在线阅读][下载 582K]
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