煤炭地质 矿井地质

• 废弃井“一井多用”瓦斯抽采关键技术及应用

  付军辉;

  煤矿区地面瓦斯废弃井改造再利用，可进行采动区瓦斯抽采，具有保障回采工作安全生产，瓦斯资源有效利用，减少瓦斯逸散对环境压力等经济环保多重效益。针对这一目的，结合采动区地面井和废弃井的特点，提出废弃井“一井多用”瓦斯抽采技术思路。通过分析试验工作面开采工艺、覆岩结构及废弃井的基本情况等条件，研究并提出了废弃井优选及判识、地面井改造工艺、防护装置安设、抽采系统布置及抽采控制技术等，改进了废弃井改造射孔造缝段长度确定方法。研发了基于油套环空动态调节、组合套管双重防护及筛管分级优化的安全防护方法，形成了废弃井“一井多用”地面井瓦斯抽采技术。选取晋城矿区岳城煤矿作为试验对象，完成了3口废弃井(井号为YC-50、YC-52、YC-54)再利用改造试验，其地面井瓦斯抽采量累计分别为257.88万、172.50万、129.60万m3。YC-50井改造运行后，地面井抽采范围内工作面上隅角瓦斯体积分数最大值从0.77%降至0.40%，降幅48.05%;YC-52井改造运行后，采煤工作面上隅角瓦斯体积分数降幅为52.38%，有效保障了回采工作面安全生产，实现了废弃井“一井多用”目标，取得了良好的经济与社会效益。研究成果为其他区域废弃井改造利用提供了借鉴，建议今后从地面预抽井设计阶段便考虑“一井多用”方案，开展相关技术研发，以提升设计井质量和接续再利用问题，以降本增效。

  2023年03期 v.51;No.303 1-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 2829K]
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• 煤层分布规律新认识：气候演变控制下的聚煤模式

  侯海海;陈泓圳;邵龙义;潘姿孜;

  正确认识不同聚煤模式下煤层分布规律及其内在控制因素对于煤及煤系气的勘探至关重要。在综述古地理控煤、层序地层聚煤、异地堆积成煤和多元聚煤理论体系等理论和模式的基础上，以准噶尔盆地南缘(准南)侏罗纪含煤地层为例，提出了气候演变控制下的新聚煤模式。准南侏罗系八道湾组(聚煤期)、三工河组和西山窑组(聚煤期)、头屯河组的古气温和古湿度分别呈低—高—低—高和大—小—大—小的变化规律，是分析古气候演变作用下煤层聚集规律的有利层位。基于煤层层数、厚度变化和首煤层、末煤层、最厚煤层与煤系顶底界面距离等参数的统计分析，认为古气候变化对区域煤层空间展布具有重要的控制作用。古气候由温暖潮湿向干旱炎热转变过程中，煤层层数逐渐减少，单层煤厚先增大后降低直至消失，可将聚煤强度分为中等、强、中等和弱4个阶段，含煤地层的中下部出现较多厚煤层，是煤炭勘查的重要层位；对于八道湾组或西山窑组而言，聚煤早期煤层快速形成，聚煤晚期煤层则缓慢消失，这应该与温度持续升高背景下湿空气向干空气转换时间较长，而从干气候向湿气候转换时间较短密切相关。

  2023年03期 v.51;No.303 10-18页 [查看摘要][在线阅读][下载 2345K]
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• 彬长矿区“井上下”立体防治冲击地压新模式

  吴学明;马小辉;吕大钊;郑凯歌;王东杰;

  随着煤矿开采强度的不断增大，矿井逐渐向深部转移，冲击地压灾害日益严峻。而深部冲击地压矿井往往存在一层或多层坚硬厚岩层，这些坚硬顶板厚度较大，整体性强，突然断裂时会释放大量弹性能，易引发冲击地压事故，严重制约矿井安全生产。以陕西彬长矿区孟村矿为例，针对矿区内煤层埋藏深、普遍存在多种坚硬厚岩层的特殊情况，提出针对性治理措施：对顶板上方0～80 m范围内厚度超过10 m的坚硬厚岩层进行破断、弱化处理，对煤层上方0～30 m范围的低位岩层采取顶板深孔爆破预裂措施，对煤层上方30～60 m范围内的中位坚硬岩层采取顶板定向长钻孔水力压裂措施，对煤层60 m以上高位坚硬岩层采取地面水平井分段压裂措施；使高、中、低位顶板产生的裂缝在垂向上实现贯穿，将顶板“切割”成相对规则的“块状”结构，使上覆岩层应力由“硬传递”转化为“软传递”；并结合煤层大直径孔卸压、煤层爆破等煤层卸压措施，形成了区域与局部相结合、煤层与岩层全覆盖的“井上下”立体防治模式。工程实践证明：采用“井上下”立体防治模式后，工作面103 J以上微震事件降低88%，周期来压强度降低23%，来压持续时间缩短61%，防冲效果良好。该技术模式的成功应用可为类似地质条件下冲击地压矿井灾害治理提供借鉴。

  2023年03期 v.51;No.303 19-26页 [查看摘要][在线阅读][下载 3193K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 苏北盆地层状盐穴储气库CO_2封存数值模拟研究

  宗师;刘世奇;徐辉;王文楷;曹泊;皇凡生;

  地下盐岩溶腔是CO_2封存的有效地质体，CO_2沿盐岩软弱夹层和盐层-夹层交界面泄漏是制约地下盐岩溶腔CO_2安全封存的关键。以苏北盆地金坛地区CO_2盐穴储气库为研究对象，建立了层状盐穴储气库CO_2封存的流-固耦合数学模型，分析了盐岩及泥岩夹层中CO_2运移泄漏规律及其对CO_2安全封存的影响，并探讨了盐岩及泥岩夹层渗透率的动态响应特征。结果表明：渗透率是决定盐岩层中CO_2运移速率和泄漏范围的关键，在其影响下，相同封存时间内泥岩夹层中CO_2运移速率和影响范围远大于盐岩，但随封存时间延长，盐岩和泥岩夹层中CO_2运移速率和压力增幅均呈降低趋势，并随着CO_2压力传播至模拟边界而趋于稳定。渗透率动态变化是上覆地层压力负效应与盐岩层中CO_2压力正效应共同作用的结果，并受盐岩和泥岩夹层力学性质的影响。CO_2封存时间<3 a时，上覆地层压力是盐岩渗透率降低的主控因素，随封存时间延长，CO_2压力对盐岩渗透率的影响逐渐占据优势，使得CO_2影响范围内盐岩渗透率有所恢复。相较于盐岩，泥岩夹层的弹性模量较小，上覆地层压力和CO_2压力对其渗透率的影响更显著。泥岩夹层的渗透率一般高于盐岩，CO_2主要沿泥岩夹层运移泄漏，CO_2盐穴储气库选址、建设和运行中，应充分考虑泥岩夹层的影响，对其进行适当防护和监测，避免CO_2沿其泄漏；盐岩溶腔中CO_2储气压力对盐岩层中CO_2运移速率和泄漏范围无显著影响，但较高的储气压力提高了CO_2影响范围内盐岩层中的CO_2压力，盐岩与泥岩夹层渗透率恢复程度更高，间接影响了CO_2运移泄漏规律，因此储气压力的设置应充分考虑盐岩和泥岩夹层渗透率、力学强度等影响。

  2023年03期 v.51;No.303 27-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 4215K]
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• 考虑Klinkenberg因子状态的CO_2-ECBM模拟研究

  撒占友;吴静波;杨永亮;张鑫;卢守青;刘杰;王昊;

  为了探究Klinkenberg效应及不同状态的Klinkenberg因子在注CO_2提高煤层气采收率(CO_2-Enhanced Coal Bed Methane,CO_2-ECBM)过程中的作用，借助COMSOL有限元软件模拟分析了Klinkenberg因子为0、固定Klinkenberg因子与动态Klinkenberg因子3种状态对CO_2-ECBM及有效渗透率的影响，以及CH4与CO_2压力随该因子的动态变化情况，并将CH4产气量与工程实际作了对比验证。结果表明，CH4与CO_2有效渗透率呈先缓慢增长再急速下降后逐渐趋于平缓的态势，相较于固定Klinkenberg因子或Klinkenberg因子为0，动态Klinkenberg因子影响下的CH4与CO_2有效渗透率更大，当Klinkenberg因子为动态变量时，受不同气体的摩尔质量与动力黏度影响，CO_2有效渗透率小于CH4有效渗透率。在动态Klinkenberg因子作用下，煤层中CH4压力下降和CO_2压力上升均更快，当Klinkenberg因子为固定值或0时，会高估煤层内CH4压力，低估CH4抽采与CO_2压注的影响范围，并且估值均随时间增长而增大。工程验证表明，考虑动态Klinkenberg因子作用下的CH4累积产气量更接近真实情况。研究成果有助于分析CH4与CO_2有效渗透率变化趋势，预估CH4抽采与CO_2压注的影响范围及CH4产气量，在探究煤层增渗，优化井网布置，定量评价煤田产气量等方面具有理论指导意义。

  2023年03期 v.51;No.303 37-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 2043K]
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• 煤层气排采非饱和流阶段煤粉–气泡耦合作用机理

  韩文龙;李勇;陈湘生;卓启明;王延斌;

  揭示煤层气排采储层非饱和流阶段煤粉与气体相互作用机理，对制定排采制度和提高产气量具有重要意义。通过气泡–煤粉微观作用实验装置，系统开展了不同直径大小的气泡对不同粒度和密度煤粉的作用实验，分析了气泡对煤粉运移轨迹和速度的影响及捕获煤粉特征。结果表明，气泡产出能够影响煤粉的运移轨迹，甚至能够捕获煤粉；煤粉通过气泡时会产生3种运动类型：沿着气泡表面运移到气泡底部最后被捕获、沿着气泡表面运移到气泡底部最后脱落及接近气泡时被排斥而轨迹发生偏转。煤粉若被气泡捕捉，则运动速度呈现出减小–增大–减小的变化特征；若未被气泡捕获，速度呈现出减小–增大–减小–增大的变化特征。不同条件下气泡对煤粉的捕获效率高达64.38%～86.64%；在气泡表面最高点附近发生碰撞煤粉被捕获的概率最大，并且随着偏离角度的增大，气泡捕获效率均呈现出逐渐减小的趋势；在相同的碰撞位置下，气泡对煤粉的捕获效率随着煤粉密度、煤粉粒径的增大而减小，随着气泡直径的增大而增大。煤层气产气初期应根据储层的实际导流能力合理控制降压速率，若储层导流能力较强，应加大排采速率，增大气体解吸对煤粉的扰动和捕获作用，促使大量煤粉随地下水或气泡产出；若储层导流能力较弱，应该适当降低排采速率，以防气体快速解吸而引起大量煤粉启动运移；同时，可应用大气泡携煤粉能力强的特性，促使近井地带的煤粉产出以增大储层导流能力。

  2023年03期 v.51;No.303 46-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 1911K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 煤矿地下水库水岩作用时间规律模拟试验研究

  张凯;刘舒予;曹志国;高举;陈湘宇;严嘉宇;

  矿井水在煤矿地下水库的停留时间会影响出水中离子浓度水平，而煤矿地下水库运行期间的水岩作用时间规律尚不明晰。为揭示煤矿地下水库不同运行阶段水岩作用的发生类型及强度，结合现场采样测试分析，设计细砂岩–矿井水(S-K)和泥岩–矿井水(N-K)2组水岩相互作用静态模拟试验，从试验前后岩石成分变化及水中主要离子变化2个方面解析水岩作用类型，并结合Q型聚类分析探讨水岩相互作用的时间规律。岩石矿物成分变化表明，水岩作用过程中发生了钠长石、正长石等矿物的溶解以及高岭石、石英等矿物的沉淀；离子比值分析与统计学分析表明，水岩作用过程中还发生了阳离子交换反应以及硅酸盐、蒸发岩等矿物的溶解和碳酸钙矿物的沉淀；Q型聚类分析表明，静态模拟试验水样样本按时间序列可划分为3类，分别代表水岩作用前期(0～0.5 d)，中期(1～10 d或1～8 d)以及后期(12～47 d或10～47 d)。结合离子来源解析综合判定：在本试验中，水岩作用前期以阳离子交换反应为主，离子变化主要表现为Na+浓度激增，而Ca2+浓度锐减；中期以阳离子交换反应与矿物溶解-沉淀为主，离子变化主要表现为Na+、K+、Cl-浓度增高，Ca2+、HCO3-、Mg2+浓度降低，S-K组中SO42-浓度增高，而N-K组中SO42-浓度降低；后期水岩作用微弱，处于动态平衡状态，各离子浓度没有明显变化；岩石性质对离子变化有一定影响。研究结果为煤矿地下水库不同运行时期的矿井水水质净化机理提供理论参考。

  2023年03期 v.51;No.303 54-64页 [查看摘要][在线阅读][下载 2231K]
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• 基于ABC-GRNN组合模型的露天矿边坡变形预测

  宁永香;崔希民;崔建国;

  准确预测露天矿边坡变形是有效实现边坡临灾预警的重要保证，针对传统边坡变形预测方法无法表征和综合分析边坡变形受多种因素的影响，提出一种露天矿边坡变形的人工蜂群(ABC)算法优化广义回归网络(GRNN)组合预测模型(ABC-GRNN)。在此预测模型中，综合考虑了影响露天矿边坡变形的5个因素：开采扰动、降雨量、降雨持续时间、温度以及湿度。以山西中煤平朔安家岭露天矿为例，通过遗传算法改进BP神经网络(GA-BPNN)、支持向量机(SVM)等人工智能算法与实测变形数据进行预测效果对比分析。结果表明：ABC算法能够快速帮助GRNN寻优获取合适的传递参数，并对变形进行有效的预测。ABC-GRNN组合预测模型，将预测结果的平均绝对误差292.9 mm、平均绝对百分比误差0.691 3%及均方根误差338.9 mm分别降低到25 mm、0.043 3%和29.5 mm，说明该模型具有更高的预测精度；ABC-GRNN模型比其他模型收敛速度快，只经过7步的迭代，即可得到最小的均方误差。与其他预测模型相比较，本文模型的预测精度更高、泛化能力更强、收敛速度更快，有较高的实用价值。

  2023年03期 v.51;No.303 65-72页 [查看摘要][在线阅读][下载 1993K]
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• 基于RSM-BBD法胶结充填材料配比优化及工程应用

  王树帅;徐斌;李杨;杨震;

  针对煤层回采顶板垮落法产生的采煤固废堆放量大、长壁胶结充填开采中采充失衡等问题，内蒙古察哈素煤矿31采区采用连采连充巷式胶结充填采煤工艺，采用“隔三采一”的回采方式及“三强一弱”的充填模式。充填材料配比对充填成本与效果具有重要影响，针对原胶结充填材料中水泥消耗大、粉煤灰消纳少的问题，基于泰波理论确定矸石最佳粒径级配系数n为0.5，在此基础上，利用响应面法(RSM)优化材料配比。基于RSM-BBD (Box–Behnken Design)设计13组试验，建立充填体3、7及28 d单轴抗压强度与水泥质量分数X1、粉煤灰质量分数X_2、固料质量分数X_3及3因素交互作用(水泥与粉煤灰交互作用X1X_2、水泥与固料质量分数交互作用X_1X_3、粉煤灰与固料质量分数交互作用X_2X_3)的回归模型，模型P值均小于10~(-4)，模型可靠性强。试验结果表明：不仅单一因素对强度影响显著，且各因素的交互作用也对强度有一定的影响。强度随X1与X_3的增加而增大，随X_2的增加先增大后减小，X1对前期影响最显著，X_3对后期影响最显著，X_2对强度影响随龄期增长逐渐显著。X_2X_3对7 d强度影响显著，X1X_2对28 d强度影响显著，X1X_3对3、7和28 d强度均有显著影响。在X1X_3对7、28 d强度的交互影响中，水泥与固料质量分数会相互促进两者对强度的增强作用，而在其他交互影响中，一因素的增加会对另一因素的影响效果起抑制作用。基于RSM确定合理配比为X_3取78%～79%, X_2取19%～20%；高强度充填时X1取9%～10%，低强度充填时X1取8%。察哈素煤矿303工作面共采出煤炭16.8万t，消纳矸石16.22万t，粉煤灰消纳增加量与水泥消耗减少量均达到1万t以上，大大节省了粉煤灰处理费用与水泥成本，具有良好的环境效益与经济效益。

  2023年03期 v.51;No.303 73-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 2796K]
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• 煤系固废协同固化盐渍土的力学特征与机理研究

  董晨曦;王念秦;李江山;陈新;闫旭升;马威;

  以干旱半干旱地区固体废弃物资源化利用为研究背景，利用煤系固废煤矸石(CG)、煤系偏高岭土(CMK)联合干旱区易获取的固废材料电石渣(CS)协同普通硅酸盐水泥(OPC)开发一种新型固化材料，探讨其固化干旱半干旱区盐渍土的力学性能与微观变化机理。基于室内实验，对比100%OPC固化盐渍土，研究不同矿区产出的CG以及煤矸石-煤系偏高岭土-电石渣协同固化剂(CGCMK-CS)替代52%、60%、68%、72%、84%OPC后各龄期的无侧限抗压强度(UCS)特征，并取特征组进行有害阴离子(Cl-、SO42-)浸出试验与微观测试，从微观角度对其强度变化机理进行探讨。结果表明，煤矸石–电石渣–煤系偏高岭土–普通硅酸盐水泥协同固化(CG-CMK-CS-OPC)体系具有良好的Cl-与SO42-结合能力，固化盐渍土后Cl-与SO42-浸出量是100%OPC的一半，其水化产物铝酸三钙能与盐渍土中的Cl-与SO42-生成AFm相产物，并使体系中的团粒内孔隙与团粒间孔隙向颗粒内与颗粒间孔隙转化，由此降低了盐渍土中盐分带来的危害。根据7 d UCS试验结果，使用山西运城CG固化体系的效果最佳，这与其活性钙质和铁铝质含量高、生物质含量低有关，榆林CG次之，咸阳CG性能最差。CG-CMK-CS在替代52%的OPC固化盐渍土后，部分试验组抗压强度qu超过了使用100%OPC固化盐渍土，即使在替代84%OPC之后，CG-CMK-CS-OPC依然满足公路底基层水泥粉煤灰材料的强度要求。因此，CG-CMK-CS-OPC可作为一种绿色、经济、环保低碳的固化材料，推广应用于干旱半干旱地区的盐渍土公路路基工程中。

  2023年03期 v.51;No.303 85-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 2251K]
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• 采煤扰动对土壤理化性状影响及微生物群落响应机制

  宋子恒;刘刚;孙丽平;王菲;郭俊廷;

  采煤造成黄河流域一带生态环境问题日趋严重。为了探明采煤扰动对黄河流域一带土壤因子及微生物群落的扰动特征，阐明采煤沉陷边缘区域与未开采区域土壤微生物群落的差异性，以内蒙古上湾煤矿为研究区，选择以沉陷边缘区作为起始区域(HD)，向未开采区进行等距取样。选择距沉陷边缘区150(D1)、300(D2)、450(D3)、600(D4)及750 m(D5)作为采样点，测定营养指标、土壤酶及土壤C∶N∶P化学计量特征3种土壤因子和微生物群落特征。结果表明，边缘沉陷区与未开采区土壤因子及微生物多样性的差异主要集中在距边缘沉陷区较近(小于300 m)的未开采区。在靠近边缘沉陷区，全氮、土壤有机质含量以及细菌丰度产生不同程度下降，速效钾、碳氮比(C/N)、蔗糖酶及磷酸酶活性有不同程度上升。群落组成方面，酸杆菌门(Acidobacteria)相对丰度在未开采区随距离呈现先增大后降低趋势，绿弯菌门(Chloroflexi)表现为边缘沉陷区高于未开采区；Phaeosphaeriaceae、毛壳菌科(Chaetomiaceae)相对丰度表现为边缘沉陷区显著高于未开采区。研究发现，边缘沉陷区对未开采区的影响主要集中在近边缘沉陷区域(小于300 m)。细菌及真菌多样性对土壤因子的变化较为敏感，关键种群与土壤因子有不同程度的相关性，在未来人工修复的工作中应重点关注边缘沉陷区及其对未开采区的影响，对重点影响区域介入人工手段，从而实现更好的修复效果。

  2023年03期 v.51;No.303 95-102页 [查看摘要][在线阅读][下载 2151K]
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• 耦合遥感生态指数模型的山西省及规划矿区生态环境评价

  季翔林;阎跃观;郭伟;滕永佳;赵传武;

  生态环境质量是评价宜居水平的重要指标，定量评价区域生态环境质量的变化规律可为地区生态环境保护和治理提供科学依据。以我国山西省及其规划矿区为研究区域，基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine,GEE)平台和生态系统服务和权衡的综合评估(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs,InVEST)模型，在原有的遥感生态指数(Remote Sensing Ecology Index,RSEI)加入植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)和生境质量(Habitat Quality,HQ)，分别用来表征碳汇水平和生境适宜度水平。选取2000—2018年有代表性的3个年份进行分析，通过构建基于耦合NPP、HQ和RSEI的新型遥感生态指数模型(NH-RSEI)，评价山西省生态环境质量的时空异质性，并结合缓冲区分析法、驱动力分析法，对规划矿区的环境变化进行分析。研究表明：2000—2018年，山西省的整体生态水平处于中等偏下但有所改善，改善程度要小于矿区；晋东部的矿区生态环境处于中等偏上且较为稳定，晋西部的矿区生态环境较差但明显改善；矿区对半径6 km以内缓冲区的生态环境质量有较大影响，对于缓冲重叠区的影响具有叠加效应，这种效应随着时间的推移正逐渐减小。NH-RSEI均值与高程、坡度具有很强的相关性，且具有明显的阶段性变化特征，二者是影响NH-RSEI分布的关键因素。本研究为评价大尺度、长序列的生态环境质量提供了一种可靠的途径，对山西省及其规划矿区的生态恢复以及可持续发展管理具有重要意义。

  2023年03期 v.51;No.303 103-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 3255K]
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• 岩石导热热阻对裂隙对流换热的影响机制

  王亚宁;陆川;王贵玲;

  增强型地热系统(EGS)中高温岩石与流体之间的对流换热特征一直以来是干热岩(HDR)研究的重要基础内容。岩石导热热阻对裂隙对流换热特征具有重要影响。为研究其具体影响，综合运用理论解析与数值模拟2种研究方法，通过对解析解讨论以及建立数值模型，研究两平行光滑平板之间的换热规律。结果表明：流体速度、传热边界层充分发展时，局部努塞尔特准数Nu_x为定值，与其他因素无关；局部对流换热系数h_x仅与流体热导率k和裂隙开度e有关，与其他因素无关。上下平板壁面热流恒定时，Nu_x为8.235；温度恒定时，Nu_x为7.54。然后建立多组导热热阻不同的岩石裂隙对流换热数值模型，发现岩石导热热阻增大，温度场进口段延长，对流换热系数h增大。岩石长度显著影响进口段占比，进而影响h的大小。h随着长度增大而减小；当岩石长度足够长时，进口段占比足够小，此时除k与e之外的参数对h基本没影响。并且发现实验室常用岩石长度为100 mm，而典型EGS工程中裂隙长度是米级的，建议室内实验重视岩石长度对裂隙对流换热特征的影响。

  2023年03期 v.51;No.303 113-122页 [查看摘要][在线阅读][下载 2508K]
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煤田物探 矿井物探

• 天然源槽波勘探的可行性研究

  胡泽安;曹凌锴;刘钦节;姬广忠;席超强;吴荣新;

  常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制，迫切需要一种新型非炸药震源的槽波勘探方法作为替代。基于此，开展了矿井中天然源槽波勘探方法的可行性实验研究。通过理论分析和数值模拟实验，论证了煤层具备天然源槽波发育的地球物理基础。通过构建“三随机”天然源槽波模型，即震源的空间位置随机、震源初始激发时刻随机和震源的振幅随机，成功实现了天然源槽波的时间域数值模拟实验。采用相移法对天然源槽波数值模拟数据进行了频散谱计算，结果具有明显的频散特征。数值模拟实验结果证明了理论模型中天然源槽波的存在，且基阶和高阶形态均发育。在安徽淮南某煤矿工作面进行实测实验，成功采集到天然源槽波三分量数据，对实测数据进行频散谱计算，结果表明3个分量均具备频散特征，其中X分量频散曲线能量脊较为清晰，达到了验证天然源槽波存在的预期目标。总的来说，数值模拟结果表明天然源槽波的地球物理基础和形成机理是正确的，现场实验结果证明了天然源槽波在煤层中自然存在，该方法在矿井地质勘探中具有可行性和潜力。

  2023年03期 v.51;No.303 123-130页 [查看摘要][在线阅读][下载 4177K]
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• 基于修正伪Helmholtz分解算子的横向各向同性介质纵横波波场分离

  刘兆顺;杜启振;吕文浩;周世豪;符力耘;

  纵横波波场分离是弹性波逆时偏移成像中的关键步骤，可以有效消除纵横波串扰和成像畸变，提高成像精度。在各向异性介质中，常用的波场分离法有非平稳滤波器或者低秩近似的方法，但由于使用多次傅里叶变换，导致波场分离计算成本较高。借鉴基于Helmhotz算子构建各向同性介质纵横波解耦方程的思路，提出消除振幅畸变的修正伪Helmholtz分解算子，通过待定系数方法求解横向各向同性介质中P波和S波2种模式的表达式，并将其变换为一阶解耦的伪弹性波方程，实现时空域纵横波波场解耦。通过简单模型的波场分离测试，得到分离后的P波与S波波场，验证了该方法的波场分离的有效性。此外，将解耦得到的矢量P波与矢量S波应用到弹性逆时偏移之中，利用矢量点积互相关成像条件得到清晰的弹性波逆时偏移成像结果，说明本方法在复杂介质中有着较好的适用性，同时可以有效地应用到VTI介质弹性逆时偏移之中。

  2023年03期 v.51;No.303 131-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 2763K]
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• 改进麻雀搜索算法的自然电位数据反演

  郎建翔;汤洪志;艾寒冰;

  自然电位法是一种成本低廉，野外观测操作简便的天然源地球物理勘探方法。自然电位数据反演具有病态和非线性的特征。常规反演算法分为局部优化类和全局搜索类，但基于梯度运算的局部优化算法难以求得全局最优解且反演效果依赖于初始模型的构建，而传统全局搜索算法又存在收敛速度慢，易陷入局部极值和不稳定的缺点。基于此，对一种新的全局优化策略(麻雀搜索算法)进行改进，通过混沌映射叠加反向学习策略初始化麻雀种群，再依随机概率使用Levy飞行策略更新麻雀个体位置来进一步提升算法对于解空间的探索能力和增强算法跳出局部极值的可能性。将改进前后的麻雀搜索算法分别应用于合成自然电位数据(不含与含10%、30%的随机噪声)与来自印度和法国的实测数据的反演解释中以对比检验改进算法的反演效果。理论测试结果表明：麻雀搜索算法(SSA)在无噪声干扰下的垂直圆柱和倾斜板模型数据反演误差为0.42%和0.25%，相同情况下改进麻雀搜索算法(ISSA)的反演误差为0.06%和0.07%，改进后算法拟合精度提高到3～7倍，对比目标函数收敛曲线图中ISSA的收敛速度与收敛精度都要明显优于SSA;SSA反演参数的稳定性、精度和异常响应曲线拟合程度都会随着随机噪声的加入变差，并且随着随机噪声幅值的扩大，反演效果变差的程度表现得更加剧烈；相反，ISSA既能保持快速收敛，又能获得更小的异常响应曲线拟合误差。实际数据反演结果进一步验证了改进麻雀搜索算法具有更快的收敛速度，更强的抗干扰能力和更高的反演精度以及稳定性，可有效地应用于自然电位数据的定量解释或者推广至求解其他地球物理反问题。

  2023年03期 v.51;No.303 143-152页 [查看摘要][在线阅读][下载 2232K]
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• 基于Julia加速的射频大地电磁法正演模拟与位移电流作用研究

  梅竹虚;原源;周峰;周聪;张林成;

  射频大地电磁法(Radio-magnetotelluric, RMT)是浅地表电磁勘探的重要手段之一。由于勘探频段为10～300 kHz，其电磁场传播受地下介质介电常数的影响较大。传统准静态条件下的电磁响应严重制约RMT正演模拟精度，并进一步影响反演成像分辨率。针对这一问题，提出了一种基于Julia并行加速的全电流RMT电磁响应数值模拟方法，利用Julia的分布式计算将各频点的计算发送到不同进程进行求解，从而达到加速计算的目的，同时在计算中考虑位移电流的影响，提升正演的模拟精度。通过计算几种典型高阻/高介电模型的RMT响应，分析并总结了位移电流对射频段电磁场视电阻率及相位响应的影响规律。数值模拟结果表明：当浅部存在高阻覆盖层时，基于准静态假设条件计算的RMT视电阻率和相位响应偏高，且频率越高、覆盖层电阻率越大，响应偏差越大；对于煤炭采空区模型，RMT法能有效反映异常体位置，但忽略位移电流会在采空区及其附近引起较大计算误差；起伏地形的算例表明地形会覆盖地下异常体的RMT数值响应，尤其是地形拐角处；2种不同规模的并行算例对比证明了并行算法的高效性，且随着求解问题规模增大，并行算法效率也随之增大。本文研究提高了RMT的正演速度与精度，为后续快速反演算法的实现奠定基础，数值算例表明RMT法在煤田采空区等实际勘探中具有较好的应用前景。

  2023年03期 v.51;No.303 153-167页 [查看摘要][在线阅读][下载 3886K]
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钻掘工程

• 钻孔救援连续缆管储放设备研制

  高科;牛鑫;赵研;秦小琳;吕晓姝;谢晓波;

  双钻头仿生自平衡连续钻进技术具有无需钻机、钻进速度快和对井壁扰动小等优点，是构建矿山灾害保障救援通道的潜在关键技术之一。该技术中的连续缆管由于内置有电源、信号和排屑等通道，要求在储放过程中不能出现像现有滚筒式绞车储存连续管时存在的互咬、挤压和设置动静导电滑环等情况，故需研制与之匹配的专用连续缆管地面储放设备。依据双钻头自平衡钻进技术的需求和连续管滚筒式绞车储存技术存在的不足，提出了连续缆管套筒式储存和夹持式输送原理，构建了连续缆管套筒式储存和输送模型，并应用有限元分析软件对连续缆管的夹持输送过程进行模拟分析。依据双钻头仿生自平衡钻进系统对连续缆管的性能要求，确定了整机尺寸参数，并对整机的运行参数进行了计算，建立了适用于连续缆管外径为50.8 mm、井眼深度小于1 016.8 m、场地面积小于50 m2钻井工况的钻孔救援连续缆管储放设备三维模型。最后，研发了与本设备匹配的电控系统，并对加工组装好的整机进行了连续缆管夹持输送、储放设备运行、连续缆管储放等机电一体化联调与试验。结果表明：连续缆管储放设备运行平稳，在连续缆管存储和输送过程中，无互咬和锁死现象，没有动静导电滑环，能够满足双钻头仿生自平衡钻进系统的技术需求，为钻孔救援双钻头自平衡连续钻进提供了必要的装备支撑。

  2023年03期 v.51;No.303 168-176页 [查看摘要][在线阅读][下载 3662K]
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• 基于模糊粒子群算法的钻杆运移装置控制系统研究

  张宁;刘祺;邵俊杰;常江华;罗鹏平;邹祖杰;

  在大直径救援井施工起下钻作业中，钻杆运移装置用于大直径钻具输送及钻柱接续。针对钻杆运移装置定位过程中钻杆易产生振动，难以快速、准确地将钻杆举升至动力头翘起角度进行对扣的问题。首先分析了钻杆运移装置的结构特点和工作原理，利用结构关系推导了钻杆举升时的运动学模型，得出钻杆末端接头与举升油缸和运移小车运动规律的映射关系，并采用有限元方法建立了钻杆举升时的动载受力模型，得出了钻杆末端接头的振动加速度主要由举升油缸和运移小车的工作速度所决定，且各部件的工作速度主要由各自的输入流量所确定；其次引入了基于模糊粒子群优化算法的综合误差评价函数，将钻杆末端接头的转角误差和位姿误差作为输入信号，采用加权法进行计算出综合误差和加速度误差，利用梯形隶属度函数构造了模糊控制规则，得出综合误差、加速度误差与比例参数、积分参数、微分参数之间关系，完成PID的控制参数调节，实现了对钻杆末端接头的主动抑振控制；最后利用MATLAB软件搭建了数值仿真模型，以某次钻杆运移装置工作时测量数据信号为例进行仿真研究，系统综合误差只需0.9 s可将振幅衰减至峰值的10%以下，同时加速度误差仅为0.05 mm/s~2，并通过现场应用试验进行了验证。试验结果表明：该钻杆运移装置的控制方法可以实现钻杆举升过程的主动抑振，定位过程中钻杆末端接头能够在短时间内进入稳态，采用模糊控制器时平均加卸单根钻杆时间约192.8 s，节约时间约60 s，整体加卸钻杆效率提高24%。研究结果为提高钻杆运移装置的整体施工作业安全性和施工效率提供了理论基础。

  2023年03期 v.51;No.303 177-185页 [查看摘要][在线阅读][下载 1994K]
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• 基于谱聚类的救援提升车故障诊断方法

  李立晶;常大帅;李磊;柴君飞;

  针对救援提升车结构复杂、工况故障数据独立性差、故障诊断难的特点，提出一种基于谱聚类的半监督支持向量机救援提升车故障诊断算法。该算法利用谱聚类的思想挖掘原始故障数据的隐藏特征信息，有效区分不同耦合程度的部件系统中故障信息的独立结构特征。首先根据原始输入数据建立故障图谱，然后通过建立拉普拉斯矩阵获取更加符合聚类假设的核函数，最后，建立半监督支持向量机模型，利用梯度下降算法求解最终分类结果。将上述算法应用于XCA30＿JY救援提升车工况故障诊断系统，通过搭建真实仿真环境，对采集到的工况数据进行分类，获取最终分类效果。为评价其性能，分别与传统支持向量机及梯度下降半监督支持向量机进行比较。实验结果表明：提出的算法对于救援提升车故障诊断具有较好的分类效果，救援提升车工况故障分类错误率降低至10.2%，可有效解决复杂工况故障诊断难题。由于本算法具备任意样本空间聚类及非凸函数优化求解能力，因此，除可广泛应用于车载故障诊断系统外，对于数据分类、模式识别等方面具有普遍的应用和指导意义。

  2023年03期 v.51;No.303 186-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 2222K]
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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。

  2023年03期 v.51;No.303 195页 [查看摘要][在线阅读][下载 665K]
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