Deployment of key National Projects

Analysis on the deployment of mining research supported by the grant program of Deep Resources Exploration and Mining
FANJun¹;ZHANGJialin¹;QINYuan¹;WANGHao¹;GAOYanan²;PEIYongzhi¹
The Deep Resources Exploration and Mining(DREAM) grant program, within the framework of The National Key Research and Development Program grants, is a pillar to implement China’s science and technology strategy in the area of deep resources exploitation. To tackle the insufficient of theories and technologies for the 1000-meter-deep mining, a section of mining, covering the research of basic theories, general technologies and application demonstration, was arranged in the layout of DREAM under the principle of "whole chain design, integrated implementation". In the aspect of basic research, DREAM mainly focused on the deep rock mechanics and mining theory, such as the in-situ mechanical behavior of deep rock, deep high stress induction and energy regulation theory. For the general and key technologies, DREAM supported the research on the mine construction and hoisting, excavation, rock breaking, mining methods and mining safety according to the characteristics of coal and metal mines. For the demonstration application, taking green, safe and efficient as the starting point, DREAM aimed at the green, safe and high efficiency mining, and the demonstration and leading role projects such as the low-waste and high-efficiency back fill mining. Since 2016, 10 R&D projects have been funded, and 122 institutional participants with a total budget of RMB 235 million from the central government and RMB 480 million from enterprises as well as local governments have been involved. It is expected that the mining section of DREAM would contribute to establishing the theory and technology system in the area of deep mining and promoting the ability of deep resource exploitation in China.
2021年03期 1-7页 [查看摘要][在线阅读][下载 6025K]
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煤炭资源与生态环境协同高效洁净勘探开发

基于资源和地质环境特征的河东煤田煤炭绿色开采战略研究
刘汉斌^1;2;程芳琴¹
河东煤田位于黄河中游吕梁山西麓的晋西黄土高原地区，是我国重要的炼焦煤产地，也是水土流失和生态脆弱区、地质灾害频发区、岩溶大泉分布区。通过对河东煤田资源和地质环境特征的分析，发现河东煤田中部离柳矿区稀缺炼焦煤保有资源量占比河东煤田稀缺炼焦煤总量的70.8%，但开发强度高于煤田平均值，应从战略上重视离柳矿区的稀缺炼焦煤资源，进行保护性与节约式开采；河东煤田薄煤层占煤田煤层总厚的17.0%，离柳和石隰矿区薄煤层占其煤层总厚的近25.0%，应重视河东煤田薄煤层的开发，尤其是中部离柳矿区和石隰矿区的薄层炼焦煤资源，提高煤炭资源采收率；河东煤田地区采煤时，可充分利用当地的黄土资源与煤炭开采产生的煤矸石等材料大力发展充填开采，以减少地表的黄土滑坡与崩塌地质灾害与水土流失；河东煤田下伏奥陶系峰峰组上部地层具有一定的隔水性，充分评价和利用峰峰组上部地层的富水性和隔水性能，可大幅提高煤炭采收率的同时最大限度地减少采煤引发的地下岩溶水资源破坏，保护岩溶大泉。河东煤田是黄河中游重要的能源基地和黄河流域生态保护和高质量发展国家战略的主战场。煤炭绿色开采技术能够实现河东煤田煤炭开发利用最优化和生态环境影响最小化，未来发展前景及应用价值巨大，需要多专业多学科共同参与。
2021年03期 8-17页 [查看摘要][在线阅读][下载 6456K]
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华亭烟煤地下气化污染物分布及富集规律
朱利辉¹;冯备战¹;胡永兴¹;王明忠²
煤炭地下气化为我国清洁、低碳、安全、高效现代能源建设开辟新的途径。为研究华亭烟煤地下气化污染物的富集、分布规律，以评估华亭烟煤地下气化的环境影响因素，采用地下气化模拟实验平台系统，通过不同富氧—水气化实验、不同尺度煤样的热解实验，研究煤层气化过程中焦油及气化残留物中重金属元素的富集规律。结果表明：随着烟煤的尺度（块体大小）增加，烟煤热解焦油呈增加趋势，而焦油产率呈先增加后减小的趋势；烟煤在N2、CO2气氛中热解时，热解焦油中主要成分为酚类、萘类以及烃类污染物；气化后残留重金属Ni、Cr、Zn、Cu、As这5种元素在氧化区最为富集、还原区次之、干馏干燥区最不富集，而Hg在氧化区富集程度最高、干馏干燥区次之、还原区最次，Pb在还原区富集程度最高、氧化区次之、干馏干燥区最次；重金属元素残留程度由高到低依次为Zn、As、Hg、Cr、Ni、Cu、Pb。针对华亭矿区，煤层气化后应重点检测重金属元素Zn、As、Hg。在后期实际煤层气化生产阶段，应结合华亭矿区煤层特征及地下水特征，在项目选址、气化工艺等方面进行污染物防控。在当前生态环境保护形势严峻的当下，研究成果对煤炭地下气化开采的污染物处置和减排具有一定的指导意义。
2021年03期 18-25页 [查看摘要][在线阅读][下载 6433K]
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神府矿区5^-2煤层富油煤赋存特征及资源潜力评价
李华兵^1;2;姚征^1;2;李宁^1;2;高骏^1;2;谢青^1;2;王强^1;2
随着煤炭清洁高效利用的推广以及黄河流域中段高质量发展的需求，榆林地区煤炭产业转型升级势在必行，而富油煤开发正是转型发展的重要方向之一。基于大量钻孔数据，结合井下实地采样化验结果及区域地质资料，详细分析神府矿区5-2煤层的焦油产率特征和富油煤的赋存特征。采用层次分析法，将资源赋存、煤层赋存、开发技术和社会环境效益4个因素作为主要指标，并细分10个评价参数，建立富油煤资源潜力评价体系。结果表明：神府矿区5-2煤层焦油产率平均值为9.81%，富油煤整体上发育良好；富油煤赋存特征主要为焦油产率高、整体发育稳定、局部存在差异性、面积广、潜力巨大等；研究区富油煤资源开发潜力平均综合得分77.34分，属于资源富集有利区；划分出2个资源有利区，面积约为700 km2，煤层厚度均大于5 m，焦油产率大于9%，富油煤储量超过2 000 Mt，主要包括红柳林井田、柠条塔井田、张家峁井田、大柳塔井田、大海则井田、石窑店井田、青龙寺井田，为下一步富油煤勘探开发指明了方向。
2021年03期 26-32,41页 [查看摘要][在线阅读][下载 6536K]
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榆神府矿区富油煤多尺度孔隙结构特征
申艳军^1;2;王旭³;赵春虎⁴;王生全^1;2;郭晨^1;2;师庆民^1;2;马文¹
利用富油煤提油炼气是弥补我国油气供给不足的重要措施，而富油煤的孔隙发育特征及其渗透能力等方面的研究是开发利用富油煤的基础工作。以榆神府矿区富油煤为研究对象，采用低温液氮吸附法、压汞法、核磁共振法以及气渗透法等多元手段对富油煤多尺度孔隙结构进行分析，并开展富油煤全段孔隙表征研究。基于富油煤多尺度孔隙结构测试结果，开展富油煤孔隙特征与传统低阶煤样差异性讨论。结果发现：榆神府矿区富油煤微小孔隙极为发育，占比高达70%以上，大孔、中孔发育相对不足，仅占总孔隙的25%~30%；核磁共振结果与低温液氮吸附法、压汞法联合表征结果对比发现，联合低温液氮吸附法与压汞法可较好地表征煤样全段孔隙；相较于传统低阶煤，富油煤具有较大的孔比表面积与低温氮吸附量，分别为27.48 m2/g、40~50 cm3/g，具备富油煤提油炼气的良好物性条件。
2021年03期 33-41页 [查看摘要][在线阅读][下载 6396K]
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陕北侏罗纪富油煤有机地球化学特征
张宁^1;2;许云³;乔军伟⁴;宁树正⁵
富油煤的有机地球化学特征对研究其形成时期的古沉积环境和演化过程具有重要意义。以陕北地区侏罗纪延安组6个主采煤层为研究对象，运用煤质分析和气相色谱–质谱联用方法分析其有机地球化学特征。结果表明：陕北地区延安组主采煤的氯仿沥青“A”含量较高，饱芳比较低；正构烷烃呈单峰型分布，中链饱和烃占优势，Pr/nC17、Ph/nC18、Pr/Ph的值较高；C28和C29的规则甾烷和重排甾烷占主导地位。分析表明：陕北地区延安组主采煤层处于低热–成熟阶段，为富氢基质镜质体和壳质组生油的有利阶段；有机质来源以陆生高等植物为主并有部分水生生物混入，形成于贫氧的泥炭沼泽环境，且经历了较强的生物降解作用，为富氢组分的形成提供了有利的条件。
2021年03期 42-49页 [查看摘要][在线阅读][下载 6590K]
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陕北石炭—二叠纪富油煤赋存特征及影响因素
姚征^1;2;罗乾周^1;2;李宁^1;2;李华兵^1;2;王强^1;2;高骏^1;2
加强我国富油煤合理开发对推进煤炭清洁高效利用、提升油气自主保障能力和实现碳达峰、碳中和目标具有重要意义。为查明陕北石炭–二叠纪煤田典型矿区富油煤赋存特征，基于煤炭勘查资料和样品测试结果，对比了可采煤层焦油产率变化特征，分析富油煤时空分布规律，探讨富油煤赋存影响因素。结果表明：可采煤层焦油产率均值呈北高南低趋势，古城矿区为9.22%~11.6%，府谷矿区为8.49%~11.02%，吴堡矿区为5.15%~6.89%；古城–府谷矿区主要发育富油煤，古城矿区富油煤分布以环带状为主，府谷矿区含油煤呈分散状发育于富油煤之间，吴堡矿区以含油煤为主、富油煤少量分布、高油煤不发育；府谷矿区7煤属富油–高油煤，其高油煤分布面积占比高达23%，且3、4、8煤中富油–高油煤分布面积占比均超过94%；随煤化程度升高，富油煤发育频率降低，中低阶煤分布区最有利于富油煤的赋存；煤焦油产率与活性组分、氢含量、灰成分中钙、镁、硫氧化物含量及镜惰比（V/I）、H/C原子比、挥发分产率呈正相关，与惰质组、石英、黏土矿物含量和灰分产率呈负相关；沉积环境的闭塞、还原和碱性程度越高，越利于富油煤生成和赋存。煤化程度、成煤物质、沉积环境和无机沉积作用共同影响着富油煤赋存特征。古城–府谷矿区富油煤资源潜力巨大，建议加强富油煤保护性开采和高效化利用。
2021年03期 50-61,68页 [查看摘要][在线阅读][下载 7274K]
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煤炭地质矿井地质

负角度定向长钻孔瓦斯抽采完孔工艺研究
马赞¹;陈冬冬²;解恒星¹;陈天柱²;王彬²;贾秉义²
定向长钻孔预抽煤层瓦斯是实现煤矿瓦斯区域超前治理的有效技术手段，受采掘部署影响，负角度钻孔（下向孔）在生产中应用广泛。中硬煤层成孔性好、通常无需护孔，但针对负角度长钻孔积水问题，现有常规方法均无法有效解决。以贵州龙凤煤矿9号中硬煤层下向长钻孔为研究对象，在同一区域施工2组定向长钻孔，钻孔平均倾角–8°，钻孔孔深240~363 m、垂深40.0 m，对比分析了长距离、大垂深定向长钻孔护孔和未护孔2种完孔工艺的瓦斯抽采效果差异。结果表明：在抽采前期，采取护孔工艺的负角度定向长钻孔平均瓦斯抽采量为2.09 m3/min，未采取护孔工艺的为1.87 m3/min，二者差别不大；但护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采量衰减系数是未护孔的61.54%，以抽采400 d为例，护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采总量是未护孔的1.40倍；经理论计算，采取筛管护孔工艺钻场抽采达标时间比未护孔钻场缩短了157 d。从长期抽采效果来看，在缺乏有效排水措施的前提下，采取护孔工艺能够有效提高负角度定向长钻孔的瓦斯抽采效果。
2021年03期 62-68页 [查看摘要][在线阅读][下载 6312K]
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煤矿隐伏小断层的瓦斯抽采钻孔探测方法
薛洪来¹;温哲²
断层对煤与瓦斯突出危险性影响较大，准确探测断层位置对预防灾害具有重要作用。目前，煤矿进行采掘作业之前，施工大量瓦斯抽采钻孔，但是这些钻孔包含的地质信息未被充分重视，为此，提出了利用穿层、顺层瓦斯抽采钻孔群探测隐伏断层的技术方法。通过建立瓦斯抽采钻孔探测断层的数学模型，计算断层面、煤层底板的三维坐标，通过绘制煤层底板等高线图及其三维图，确定断层位置、落差、产状和断层性质等基础参数。基于Matlab软件的图形用户界面（GUI）工具，编写了瓦斯抽采钻孔探测断层的软件，实现了断层信息的可视化，为准确判识断层提供了技术平台。通过钻孔定位、模型计算、图像处理、断层识别等综合技术方法，成功实现了利用瓦斯抽采钻孔进行隐伏小断层探测。
2021年03期 69-77页 [查看摘要][在线阅读][下载 9162K]
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瓦斯抽采钻孔间距优化三维数值模拟量化研究
陈月霞¹;褚廷湘²;陈鹏²;汤杨³
为了识别钻孔间距对煤层瓦斯抽采的影响及如何实现高效抽采，基于流固耦合模型，建立三维几何模型，使其更接近现场实际，借助COMSOL软件模拟某煤矿钻孔不同间距的瓦斯抽采过程，利用瓦斯压力为0.74 MPa等压面三维立体图使有效抽采区域可视化，通过计算有效抽采区域体积大小，量化分析钻孔间距对抽采效果的影响。结果表明：单一钻孔抽采120 d时，有效抽采半径约为1.5 m；当布置多个钻孔且钻孔间距d为5 m，抽采120 d时，瓦斯压力为0.74 MPa的等压面围绕所有钻孔近似呈圆柱状但向内部凹陷（即出现空白带）；钻孔间距d为2.1、3、4、5、6 m时，有效抽采区域体积V的大小顺序随着时间的增长而改变，抽采120 d时，Vd=5 m>Vd=4 m>Vd=3 m>Vd=2.1 m>Vd=6 m。综合分析瓦斯压力等压面三维立体图和有效抽采区域体积的大小顺序，确定该矿钻孔的较优间距为4 m。研究提出的以有效抽采半径、叠加效应、三维瓦斯压力等压面的形状及有效抽采区域体积大小为指标的钻孔间距数值计算考察方法，可为煤矿井下钻孔间距优化布置提供参考。
2021年03期 78-84,94页 [查看摘要][在线阅读][下载 9510K]
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突出煤层CO₂气相压裂高效抽采防突掘进技术
杨百舸¹;张军胜¹;令狐建设²;曹运兴^1;3;4;5
我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少，但恶性事故依然发生，给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术，如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等，不同程度地解决了防突安全掘进，但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层，上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以，防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例，介绍CO2气相压裂技术方法，并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层，前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施，抽采达标时间长，掘进速度慢。高效抽采瓦斯，防止煤与瓦斯突出，保障煤巷安全快速掘进，是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下：在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂；完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围；全部11个钻孔联网抽采3~5 d，防突参数K1值达标后恢复掘进。试验数据表明，气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著，抽采效率大幅度提高，煤炮等动力现象减少，K1值降低，掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化，保障了连续安全掘进。实践证明，CO2气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术，在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。
2021年03期 85-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 12923K]
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荷载对重塑煤体吸附特性的影响
代菊花¹;王兆丰^1;2;3;李学臣⁴;李艳飞⁵;岳基伟¹
碎软煤的完整原样制取困难，需要加工制成重塑煤体，为了研究不同压制荷载对煤体物性特征的影响，以重塑煤体为研究对象，基于低温液氮的孔隙测试实验和高压容量法的甲烷吸附实验，探讨不同成型荷载而成的重塑煤体的微小孔结构及其吸附特性的差异。结果表明：不同成型荷载压制而成的重塑煤体，其微孔和小孔的孔容随着成型荷载的增大而略微减少，孔比表面积随着成型荷载的增大而略微增加，总孔体积减少和孔比表面积增加的幅度不大；通过分形理论发现无论高压段还是低压段，孔隙结构具有明显的分形特征，且在高压段的分形维数普遍低于低压段，不同荷载压制而成的重塑煤体的分形维数差别不大；等温吸附线均符合第Ⅰ类等温吸附曲线，Langmuir模型适用于描述重塑煤体的等温吸附，成型荷载对煤的吸附常数有一定的影响，其对吸附常数b值的影响大于对a值的影响。研究不同成型荷载下重塑煤体的吸附特性，为不同条件下型煤制作及冷冻取心实验提供参考。
2021年03期 95-101,111页 [查看摘要][在线阅读][下载 6567K]
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山西平朔井工三矿煤系角砾岩特殊成因探讨
石彦强
平朔井工三矿煤系角砾岩成因和产状特殊，与煤层关系密切。通过补勘钻孔岩心观测，结合区域地质和以往钻孔资料分析，详细描述研究区角砾岩的成分、结构和构造特征，圈定角砾岩的层位、厚度和分布状况。发现平朔井工三矿角砾岩成分复杂、大小不一，其中泥岩砾径最大可达1.20 m以上，以棱角状为主，分选性极差；角砾岩体顶底界面明显，临近或出现在煤层中，横向连续性差。角砾岩破坏了煤层的连续性，总体北多南少，分布有限，呈透镜状产出，长轴指向西北物源区；垂向上，角砾岩自下而上减少。研究认为，聚煤期植物锚固作用强大，陆源边坡及碎屑受植被禁锢，只能在限定的范围内垂向加积，累积成边坡较陡的碎屑库；泥炭沼泽表层为植被泥炭交织在一起的泥炭网，底部深度降解的膏状泥炭提供了有利的滑移面。突发事件导致物源区边坡和角砾质碎屑库崩塌，冲越到泥炭网上，撕裂成“泥炭筏”，被泥炭筏载运移，断续沉积，并遭受改造。角砾岩成因及分布规律对煤层成因及厚度变化、煤炭资源/储量估算与开采具有重要指导意义。煤系、特别是煤层中沉积角砾岩的成因用泥炭筏载运移模式解释可能更为合理。
2021年03期 102-111页 [查看摘要][在线阅读][下载 13169K]
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煤系气煤伴生矿产

煤层气井合层开发层间干扰分析与合采方法探讨——以平顶山首山一矿为例
许耀波
多煤层合层开发是提高煤层气井单井产量的关键技术，然而工程实践中大部分煤层合采存在层间干扰问题，致使合采产气量提升不明显。为了提高合层开发煤层气井的产气量与开发效率，以平顶山首山一矿煤层气合采四2煤层和二1煤层为例，基于煤层气赋存的地质条件，分析了合采层间干扰的影响因素及干扰规律，并提出了煤层合层开发层间干扰的控制方法。结果表明：造成四2煤层和二1煤层合层排采产量低的主要因素是储层压力梯度、临界解吸压力和渗透率。其中，两层煤的储层压力梯度分别为1.05 MPa/hm和0.519 MPa/hm；渗透率分别为0.25×10–3 μm2和1.4×10–5 μm2；临界解吸压力分别为1.16~1.69 MPa和0.40~0.46 MPa；另外，两煤层间距大，平均170 m左右。以上主要影响因素差异，造成两层煤合采时层间矛盾突出，干扰严重，总体产量低，井组煤层气开发效率低。基于现状问题，探索提出大间距多煤层大井眼双套管分层控制合采工艺方法，以实现两层煤分开控制达到合采产能叠加的目标，从而提高煤层气井合采产量和开发效果。研究认识将为平顶山及类似地质条件的矿区多煤层煤层气高效合层排采提供新的技术途径。
2021年03期 112-117,127页 [查看摘要][在线阅读][下载 6945K]
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深水油气固井水合物储层物性响应与高压气水反侵研究
郑明明^1;2;3;王晓宇¹;周珂锐¹;王凯¹;王治林¹;董刚⁴;韦猛¹;刘天乐³;贾东彦⁴
固井作业是能源开采过程中的一道重要工序，当深水油气固井遇到水合物地层时，固井水泥浆水化放热会引起近井壁储层中水合物分解和产生高压气水反侵，从而严重影响固井质量，甚至导致固井报废和井壁失稳，为减小和避免水合物分解的不利影响，明确不同固井工艺条件下水合物储层的物性响应和高压气水反侵规律是关键。以南海神狐海域水合物钻探工程GMGS-1中SH2站位勘探井为研究对象，建立固井二维数值模型，采用TOUGH+HYDRATE数值模拟软件再现固井水泥浆侵入和水化过程，分析过程中近井壁储层物性响应规律，得出南海水合物储层不同固井压差与水泥浆放热速率条件下高压气水反侵的临界条件判别曲线，并创新性地采用“连续分段模拟”思路解决水泥浆的动态放热问题。结果表明：水泥浆初凝之前主要可分为诱导、分解和二次水合物生成3个阶段；侵入行为主要发生在保压时期，当压力卸去后侵入深度基本不再增加；水化放热造成的温度升高导致水合物大量分解，产生的高压气水向四周运移，而压力卸去之后，高压气水向环空方向反侵的趋势更加明显；水化放热速率越大，固井压差越小，气水反侵发生的可能性越大，发生时间越早。对于浅部水合物储层，降低固井水泥浆水化热可有效减少反侵现象的发生，提高固井质量，而对于埋藏较深的储层可在破裂压力范围内同时使用较高的固井压差。本研究对水合物地层固井工艺参数优选具有良好的指导和借鉴作用。
2021年03期 118-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 7600K]
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煤基CO₂地质封存对顶板裂缝导流能力影响实验研究
朱世良;邵丽伟;周效志;曹煜彤;张琨;王建东
煤基CO2地质封存是温室气体减排的重要方式，但也存在地下CO2泄露的安全风险。为了评估煤基CO2地质封存的安全性，采集沁水盆地南部胡底矿3号煤顶板泥质粉砂岩样品，模拟实验研究“CO2-H2O-岩”反应中柱状试样人工裂缝形貌、全岩矿物组成与CO2导流能力变化。结果表明：方解石脉溶蚀、次生矿物充填与外部有效应力共同影响试样裂缝导流能力。原始渗透率为0.016×10–3μm2的低渗试样，方解石脉溶蚀导致实验前期渗透率升高；随着反应进行，有效应力主导下裂缝闭合，渗透率呈“先升后降”变化趋势；原始渗透率为3.785×10–3μm2的高渗试样，H2CO3不断溶蚀裂缝壁面长石等矿物，并产生高岭石等次生矿物混合充填于裂缝中，使渗透率持续降低。煤基CO2地质封存过程中，较高的注入压力导致顶板产生人工裂缝；CO2注入施工结束后，次生矿物充填及有效应力增大使裂缝导流能力快速下降，因此，煤中封存CO2沿顶板裂缝长期泄露的风险较低。
2021年03期 128-132,139页 [查看摘要][在线阅读][下载 10877K]
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煤层气含量测定用绳索密闭取心装置及技术研究
龙威成;孙四清
煤层气含量是煤层气资源开发利用和矿井瓦斯防治的重要技术参数，针对地面井煤层气含量测定过程中因煤心损失气量估算不准导致的煤层气含量测定结果偏差问题，研制了地面井煤层绳索密闭取心装置，提出了地面井煤层绳索密闭取心技术工艺。煤层绳索密闭取心装置上端设计绳索投捞接口，配套设计绳索投捞工具串和绳索提升系统，实现取心内筒组件的快速下放与提升；采用液压推动头直接推动取心内筒下行、取心钻头与取心内筒配合的方式达到球阀旋转关闭的目的，在保证足够的取心内筒容积和过流环空间隙的同时，将密闭取心装置外径最小化（ø114 mm），配套ø127 mm取心钻头，使整套密闭取心装置适用较多井型。选择晋城矿区（中硬、高变质、高瓦斯煤层）地面煤层气抽采检验井进行煤（岩）层绳索密闭取心试验，测试结果表明，煤层绳索密闭取心样品空气干燥基气含量为常规（绳索）取心样品气含量测值的1.12~1.17倍，绳索提心速度为63.60~66.92 m/min。地面煤层气井绳索密闭取心技术提高了煤层气含量测定准确度，实现快速提心、精准测定地面井煤层气含量之目的。
2021年03期 133-139页 [查看摘要][在线阅读][下载 6538K]
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水文地质工程地质环境地质

基于“双行裂隙”模型的两淮矿区高承压厚松散层突水机理
刘启蒙^1;2;刘瑜³;谢志钢¹;白汉营⁴;付翔⁵;缪长军⁶
两淮矿区高承压厚松散含水层覆盖下煤炭储量巨大，在提高上限开采过程中常发生松散层突水事故，采用传统“上三带”理论难以合理解释此类事故发生的机理。本文在分析两淮矿区高承压松散层水文工程地质条件的基础上，建立近高承压松散层开采“双行裂隙”模型，采用室内实验、数值模拟、理论分析和工程应用检验等方法，研究“双行裂隙”发育规律，揭示两淮矿区高承压厚松散层突水致灾机理，结果显示：祁东煤矿松散层第四含水层（简称四含）水压与裂采比呈线性关系；在水压作用下，覆岩“上行裂隙”发育高度增大；利用裂隙受力分析推导的基岩风化带原生裂隙扩展渗透深度计算公式，表明高承压松散含水层对风化裂隙产生劈裂作用，是“下行裂隙”形成的主要因素。“双行裂隙”的综合作用使工作面更易发生松散层水突水事故，研究成果为近松散层煤层开采安全煤（岩）柱的合理留设提供科学依据。
2021年03期 140-149页 [查看摘要][在线阅读][下载 11878K]
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采动覆岩离层多层位注浆地表沉陷控制技术
马荷雯^1;2
为了解决上覆岩层中无明显厚硬岩层、采动过程中难以产生较大尺寸离层空间、离层注浆充填率低的问题，提出采动覆岩离层多层位注浆技术。通过相似材料模拟实验对多层位离层注浆覆岩时空演化规律进行研究，并在淮北矿区某工作面进行现场试验。结果表明：在无较大采动覆岩离层情况下，采用增加钻孔数目的多层位离层注浆方法，在采动覆岩内部形成不同扩散半径的注浆充填体，共同叠加支撑上覆岩层，可以有效减小覆岩破坏程度。实施多层位离层注浆方法，可以有效提高注浆总量和注采比，地表减沉率可达79.92%。提出的离层注浆量计算公式可以精确预计浆液灌注量，准确率超过91%，可为覆岩离层注浆工程提供指导，并为注浆减沉率预计提供参考。这为解决煤炭资源开采引起的地表沉陷问题提供了一种有效和经济的方法，同时扩大覆岩注浆技术的应用范围。
2021年03期 150-157页 [查看摘要][在线阅读][下载 9169K]
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基于FLAC^3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析
甘智慧;尚慧;杜荣军;占惠珠
宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域，其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发，对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征，以宁夏石嘴山矿区为对象，基于FLAC3D数值模拟软件，建立缓斜煤层开采三维数值模型，计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律，并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化，与数值模拟结果进行相互验证。结果表明：地下开采引起应力重分布，采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象，最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势；越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大，随着远离采空区逐渐减少，开采完成后地表垂直位移最大值约12 m；随着采空区面积的不断增大，采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大，且以剪切破坏为主；地面沉陷盆地不对称，2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向，下山方向比上山方向影响范围更大；数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致，研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据，为地表沉降监测提供新方法。
2021年03期 158-166页 [查看摘要][在线阅读][下载 30437K]
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基于分形维数的巷道围岩裂隙演化规律研究
丁万奇¹;马振乾^1;2;祖自银²;谢红飞²;杨威²;陈川¹
为探究泥质巷道受水平应力及动力扰动影响下的围岩裂隙演化规律，以盘州市山脚树矿226轨道石门为工程背景，综合运用现场调研、数值模拟、分形理论分析等研究方法，对动力扰动下泥质巷道的变形破坏特征、围岩裂隙演化规律、围岩裂隙分形演化特征等问题展开研究。结果表明：动力扰动前，巷道裂隙区和塑性区扩展范围随侧压系数的增加而逐步增大，巷道发生较大变形；受扰动后，随侧压系数的增加，围岩裂隙密度逐步增大，浅部裂隙扩展贯通并逐步延展至深部，巷道裂隙区和塑性区呈现全面不规则扩展。在扰动影响下，巷道围岩裂隙的分形维数较扰动前表现出明显的升维现象，随着侧压系数的增加，裂隙网络更为复杂，浅部裂隙进一步向深部蔓延，使岩体破裂程度更大，导致巷道发生严重变形破坏。
2021年03期 167-174页 [查看摘要][在线阅读][下载 11461K]
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基于微生物烃检测技术的陕北煤层火烧区绿色探测
段中会^1;2;马丽^1;2;郝纯³;王崚尧³;梅海³
煤层中含有各类轻烃，当煤层燃烧后，上覆地层完整性被破坏，给煤层内的烃类散逸提供了良好的通道，这一过程符合轻烃微渗漏原理。因此，引入轻烃微渗漏的微生物烃检测技术对煤层火烧区及其范围进行识别。在陕北侏罗纪煤田郝家梁煤矿进行了2条测线的试验，选择丁烷氧化菌作为检测指标，通过土壤样品采集、微生物培养、菌落计数等微生物检测工作后，结合地质钻孔对微生物值进行标定和异常值分组，并对煤层火烧区轻烃微渗漏的微生物响应特征进行研究。结果表明，在完全火烧区微生物以背景值分布为主，在火烧过渡区微生物以连续高值异常为主，在正常煤层区微生物以中低值为主，从而建立了研究区煤层火烧区微生物响应模型。微生物烃检测技术所解释的煤层火烧区地质成果与磁法解释的火烧边界吻合，且有钻孔验证。微生物烃检测技术的野外实施简单环保，大部分工作在室内完成，更适用于类似陕北生态脆弱区的煤层火烧区探测，有显著的实际意义和经济价值。
2021年03期 175-181页 [查看摘要][在线阅读][下载 8392K]
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天然椰壳纤维加固红黏土地基模型试验
李良勇;马炜迪;谢朋;曹乾;黄睿龙
由于造价低、抗震性能好、施工简便等优点，加筋法成为一种常见的地基加固方法，天然环保的加筋材料选取是地基加固方法面临的难题之一。采用天然椰壳纤维对红黏土地基进行加固，通过载荷试验研究椰壳纤维加筋深度对红黏土地基承载变形能力的影响，并分析了土压力沿深度的分布规律。结果表明：随着加筋深度的增加，承载比均有较为明显的增大，但随着沉降量与基础宽度的比值从0.1增加到0.6，承载比大体上表现为先减小后稳定的趋势，且加筋深度越大，减小的幅度也越大。加筋深度为2 cm时，不同深度处的土压力均明显小于所施加荷载。加筋深度为4 cm时，埋深5 cm处土压力/荷载稳定在约0.6，其他深度处的土压力/荷载在荷载/最大荷载达到0.3时趋于稳定。加筋深度为6 cm时，埋深5 cm处土压力与荷载基本接近，其他深度处的土压力/荷载基本稳定，但均明显小于施加的荷载。由于应力集中，靠近加筋范围或在加筋范围内的土压力与所施加的荷载大小接近，远离加筋范围的土压力明显减小，当土压力计埋置深度达到2倍基础宽度左右时，土压力/荷载基本不变，说明荷载主要影响范围约为基础宽度的2倍。研究成果为地基加固的材料选择和海南地区地基加固提供参考。
2021年03期 182-188页 [查看摘要][在线阅读][下载 8552K]
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神东矿区地表移动参数变化规律及影响机制
周婷婷^1;2;苏丽娟³;刘辉^1;2;朱晓峻^1;2
我国西部矿区普遍具有资源储量大、埋藏浅、覆岩结构简单等特点，采矿活动对地表影响明显。为研究神东矿区地表移动参数变化规律，首先基于大柳塔矿22201工作面实测数据分析其地表动态变形规律，再采用神东矿区18个工作面的实测数据，获得地表移动参数与地质采矿条件之间的对应关系，并分析地质采矿条件对地表移动参数的影响机理。研究表明：神东矿区煤层开采地表沉陷速度快、衰退期短，最大下沉速度达643.3 mm/d，活跃期下沉量占总下沉量的99.05%；下沉系数与松散层采深比呈先增大后减小的二次函数关系，水平移动系数、主要影响角正切分别与（采高×开采速度）/（宽深比×基岩厚度）、基岩厚度×开采速度/（采深×采高）呈先减小后增大的二次函数关系；边界角、裂缝角与松散层采深比呈正线性关系，移动角与基岩采深比成正比，与采高、开采速度成反比；基岩承载松散层荷载及松散层拱效应的变化是导致地表移动参数变化的根本原因。研究成果对西部矿区地表破坏控制与治理、矿井生产安全保障及生态环境修复具有工程实用价值。
2021年03期 189-198页 [查看摘要][在线阅读][下载 8859K]
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煤田物探矿井物探

孔—巷联合随采地震相关时差层析成像
王云宏;王保利;程建远;崔伟雄;金丹
煤矿井下回采工作面随采地震技术将采煤机作为震源，实现了动态精准、绿色智能探测的技术构想，可用于工作面内部静态地质异常体与开采动力地质灾害的超前探测。针对常规随采地震观测系统存在的成像盲区问题，提出孔–巷联合的随采地震观测系统设计方案，有效提高成像范围；基于地震干涉原理，采用频率域相关算法，对随采地震信号进行脉冲化处理，获得随采地震等效炮集；为解决随采地震CT层析成像中绝对走时难以获取的问题，提出直接利用相关时差进行CT层析成像的方法，求解过程中无需计算发震时刻，降低对初始速度的依赖。理论模型和实际资料测试结果表明：孔–巷联合观测系统有效扩大了成像范围；基于相关时差的随采地震层析成像方法可以对工作面内部进行速度成像，实现对静态地质异常体的探测；利用随采地震连续监测、动态成像的特点，还可实现对工作面内由于采动引起的应力集中区的实时动态监测，对工作面安全监测更有意义。<
2021年03期 199-204页 [查看摘要][在线阅读][下载 8836K]
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南川地区溶洞及采空区地震资料针对性处理方法
孟庆利;任俊兴;杨帆
为解决地震勘探中地下溶洞及采空区位置地震资料成像效果差的难题，利用正演模拟结合实际资料分析，总结该类区域地震资料的频率、能量和信噪比特征，在此基础上，提出一套针对性的处理方法，包括微测井约束层析静校正、弱信号提取与补偿、叠前五维数据规则化和基于构造约束的网格层析速度建模。通过在南川地区的应用，地震资料信噪比和波组连续性得到明显改善。证明了此方法可以有效提高地震勘探中溶洞及采空区位置地震资料品质。
2021年03期 205-211页 [查看摘要][在线阅读][下载 23148K]
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等值反磁通瞬变电磁法在岩溶塌陷区探测应用
谢嘉¹;刘洋¹;李兴强¹;鲁玉龙¹;李干龙²
由岩溶引发的地面塌陷具有灾害性大，隐蔽性高等特点，为了对其进行有效预报及治理，以某岩溶塌陷强烈发育地区为研究对象，提出采用等值反磁通瞬变电磁法（Opposing Coils Transient Electromagnetics Method，OCTEM）与工程地质钻探相结合的方法，对地层界面进行地球物理方法探测，由覆盖层埋深、电阻率大小、等值线变化等因素确定地层产状，并通过物探反演图及钻孔信息进行验证。结果表明，在岩溶塌陷强烈发育地段，等值反磁通瞬变电磁法可以有效查明地下溶蚀发育情况，在周围环境因素干扰强等常规物探方法无法开展的情况下，可以达到较好的应用效果。等值反磁通瞬变电磁法在岩溶、地面塌陷等地质灾害发育地区提供了有效的预测，为相似情况下的研究分析工作提供理论及实践基础。
2021年03期 212-218,226页 [查看摘要][在线阅读][下载 13965K]
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新型煤矿井下单分量无缆地震仪研制
李渊
槽波地震勘探技术具有探测范围广、准确率高的特点，在煤层地质构造的精细化勘探中作用越来越重要，但当前地震勘探装备多数体积笨重、施工布设大量线缆，效率低下，施工成本较高，严重制约了煤矿井下高精度槽波地震勘探技术的发展。针对上述问题，借鉴节点式地震仪的设计理念，将动圈检波器与采集控制电路、时间精度保持电路以及电源电路一同集成在一个完整的腔体中，省去大线传输，观测系统灵活、无约束，解决煤矿井下复杂工况环境下多道数地震数据采集的问题。并设计授时同步装置，通过GPS授时与温补晶振相结合的时钟机制，解决各个采集单元间的时间同步性问题，实现采集系统的小型化、轻量化、高集成度化。经过实验室及现场测试，各项性能指标均满足设计要求。
2021年03期 219-226页 [查看摘要][在线阅读][下载 12799K]
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基于测井参数优选的煤层含气量预测模型
陈涛^1;2;张占松^1;2;周雪晴^1;2;郭建宏^1;2;肖航^1;2;谭辰阳^1;2;秦瑞宝³;余杰³
随着煤层气勘探的不断深入，对煤层含气量预测精度提出了更高的要求。基于煤层含气量测井响应特征，分析测井参数与含气量的相关性，提出MIV（Mean Impact Value）技术与LSSVM（Least Squares Support Vector Machine）结合的测井参数优选策略，优选最优测井参数作为网络建模的输入自变量组合，通过粒子群算法优化LSSVM网络核心参数，最后构建一套适用于煤层含气量预测的MIV-PSO-LSSVM模型。在此基础上，分别对比分析LSSVM、PSO-LSSVM、MIV-LSSVM和MIV-PSO-LSSVM模型对煤层含气量的预测性能，并与传统多元回归方法进行了对比，利用拟合优度和均方根误差对此5类模型进行评价。结果表明：PSO优化下的LSSVM模型预测精度得到有效提升，结合MIV方法优选测井参数可大幅度改善神经网络建模性能，MIV-PSO-LSSVM模型可实现煤层含气量高精度预测，为煤层气勘探及其储层评价提供新的技术支撑，且本研究的建模策略及思想可广泛应用于其他机器学习建模研究领域。
2021年03期 227-235,243页 [查看摘要][在线阅读][下载 7585K]
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钻掘工程

基于机械比能理论的煤岩可钻性分级方法
谢志江^1;2;常雪^1;2;杨林^2;4;皮阳军^2;3
通过机械比能对煤矿瓦斯抽采钻孔过程中的围岩进行可钻性分级，可为钻机调整钻进参数提供依据。针对瓦斯抽采钻孔过程中人工判层难度大、效率低的问题，提出一种以机械比能为可钻性评价指标，结合极限学习机的煤岩可钻性分级方法。采用ABAQUS建立了PDC钻头破岩仿真模型，从材料类型、钻头转速和钻压力三个方面研究了PDC钻头破岩过程中钻进速度和机械比能的变化规律。同时，获得了钻进参数及机械比能的训练数据，采用极限学习机分别对钻进参数和机械比能数据进行学习，最后，对这两种可钻性分级指标下的分级准确率进行对比。结果表明：以机械比能作为可钻性指标时的分级准确率达到90%以上，高于以钻进参数作为可钻性指标时的准确率。分级结果可以为钻机调整钻进参数、实现自适应钻进提供理论依据。
2021年03期 236-243页 [查看摘要][在线阅读][下载 10507K]
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岩层联络孔冲剪复合碎岩原理可行性研究
王传留
“以孔代巷”是煤矿井下钻探技术研究的重要方向，具有效率高、成本低等优点，但在岩层中施工大直径联络孔时，采用多级扩孔方式，存在提下钻等辅助时间长，成孔效率低的问题。在不改变钻探装备配置基础上，通过结构和工艺创新，提出冲击和剪切复合碎岩原理，即将高压水-冲击器-内钎头冲击碎岩和钻机-钻杆柱-外切PDC钻头剪切碎岩创造性地结合在一起，以冲击功预裂地层，破坏岩层的整体构造应力，同时钻机驱动外切PDC钻头对预裂后的外侧岩石进行剪切破碎，由此实现“小马拉大车”的应用效果。研制了ø153 mm冲剪复合钻头，采用ZDY3200S分体式小型钻机在硬质砂岩地层中进行试验，平均机械钻速8.3 m/h，最大机械钻速可达10 m/h，且转速和钻压对机械钻速影响较小，结果证明冲剪复合碎岩原理具有可行性，为煤矿井下岩层联络孔优快成孔提供了新的研究思路。
2021年03期 244-248页 [查看摘要][在线阅读][下载 12099K]
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永磁力矩电机在油气钻采井下工具中的应用及发展趋势
黎伟^1;2;3;邓琅^1;2;3;邹星^1;2;3;夏杨^1;2;3;陈曦^1;2;3
永磁力矩电机具有转矩密度高、响应速度快、过载能力强、高效节能等优点，是一种有着巨大发展潜力的动力驱动装置，在工业生产和日常生活等诸多领域具有广泛应用前景。针对目前永磁力矩电机在油气钻采井下智能工具中的应用概况及技术需求，首先简要介绍永磁力矩电机的结构组成及工作原理；其次阐述当前永磁力矩电机在油气钻采井下工具领域的应用情况，包括井下智能滑套、井下封隔器、井下配水器和井下防喷器，系统地介绍了各类井下工具的结构特点和永磁力矩电机的驱动特性，总结出永磁力矩电机作为井下工具的动力源，其结构尺寸主要受井下高温高压的密闭封装环境、油管直径和便于传动等因素的限制，在井下工具驱动中还存在永磁力矩电机的磁功率效率低、耐高温高压能力弱、电源可靠性低等主要瓶颈问题；最后基于这些研究现状和瓶颈问题，探讨今后该类电机在油气钻采井下工具领域的主要研究方向及发展趋势，建议开展增大永磁力矩电机单位长度输出力矩、耐高温设计、电源优化、新型永磁体材料研发等方面的研究，以满足井下工况需求，进一步扩大潜在市场。
2021年03期 249-255页 [查看摘要][在线阅读][下载 6480K]
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气动定向钻进技术在松软煤层条带瓦斯预抽中的应用
张杰
针对淮北矿区松软煤巷条带消突采用“底板巷—穿层钻孔”成本高且效率低现状，采用顺层气动定向钻进技术，按钻孔设计精准控制钻孔轨迹于预抽条带煤层中，通过钻孔抽采瓦斯实现煤巷条带消突。根据淮北矿区松软煤层特性，开展煤巷条带预抽瓦斯定向孔设计、气动定向钻进装备选型、软煤定向孔成孔与护孔工艺、抽采效果评价等研究。该技术成功应用于淮北某矿Ⅲ635工作面煤巷条带消突，试验7个孔深均大于300 m钻孔，且全程下筛管，创造两淮软煤矿区顺层钻孔372 m最深记录，成功保障煤巷掘进，减少底板巷和穿层钻孔，为软煤矿区煤巷条带瓦斯高效治理探索出新方法。
2021年03期 256-261页 [查看摘要][在线阅读][下载 7336K]
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煤炭资源与生态环境协同高效洁净勘探开发

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