陕西省煤矿水害防治技术重点实验室开放基金

• 煤层底板突水多源信息综合评价系统设计开发与实现

  李博;罗玉岚;樊娟;郭小铭;李梦华;

  多源信息融合评价技术是煤层底板突水预测的重要手段，该方法在应用过程中存在专业技术要求高、评价过程复杂繁琐且智能化水平不足的问题。根据突水危险性评价技术流程特点，系统阐述煤层底板突水多源信息综合评价系统的设计原则、设计思路、开发模式和开发方式。构建具有普适性的煤层底板突水评价指标体系、权重计算方法和危险性评价模型等系统核心功能。以GIS技术为基础支撑，依托Visual Studio开发平台，合理调用三方控件(WindowsForm控件、DevExpress控件、ArcEngine控件)，引入随机森林机器学习方法，集成开发从数据处理、存储、权重运算、专题图制作到评价结果可视化输出等多功能一体化的煤层底板突水危险性综合评价系统，实现从源数据到评价结果可视化呈现的“一”系统，使煤层底板突水评价技术更加简便和高效，解决了现有技术依赖多平台计算、评价步骤分离化大且智能化水平低的问题。

  2023年06期 v.51;No.306 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 2469K]
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• 基于VMD-DBN的矿井涌水量预测方法

  刘慧;刘桂芹;宁殿艳;樊娟;陈卫明;

  在煤矿采掘过程中，因矿井涌(突)水造成的人员和财产损失极为严重。为预防涌(突)水灾害事故的发生，掌握涌水量的发展变化规律，开展涌水预测预报尤其是矿井涌水量的精准预计尤为重要，是矿井水害防治中一项重要的工作任务。为提高矿井涌水量的预测准确性，针对随时间无明显变化规律的涌水量序列，提出了变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD)和深度置信网络(Deep Belief Network,DBN)相结合的高效时间序列预测模型。首先通过VMD模态分解技术对原始数据进行去噪，将原始矿井涌水量时间序列分解为若干个本征模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF)分量，使各个IMF分量都具有原始时间序列在不同时间尺度下的统计学特征量，降低了原始时间序列的强震荡性和非稳定性。其次针对每个IMF分量，分别建立各自的DBN模型进行训练学习，进而建立起相应的预测网络模型。最后融合各分量预测值得到最终结果。结果显示，VMD-DBN的E_(MA)、E_(MAP)、E_(RMS)和R~2分别为9.23、0.76%、11.55和0.97，通过与GA-BP、LSTM、VMD-LSTM、RBM、VMD-RBM和DBN模型的预测值进行对比发现，VMD-DBN模型进行矿井涌水量预测具有更高的预测精度。VMD-DBN模型对于涌水量随时间无明显变化规律、且具有较强震荡性和非平稳的工况具有相对明显的优势，丰富了矿井涌水量预测方法，为智慧矿山的安全监测提供一种新型的技术手段，具有一定的理论价值和现实意义。

  2023年06期 v.51;No.306 13-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 2081K]
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• 矿用丙烯酸盐灌浆材料的制备与性能研究

  曾娟娟;李惠枝;韦代东;薛炜;朱开鹏;

  煤矿顶板渗漏水治理是采煤过程中难以绕开的难题，化学灌浆是解决这一问题的有效手段。采用合成的丙烯酸镁溶液与交联剂、引发剂、促进剂等为原料制备丙烯酸盐灌浆材料。研究丙烯酸镁浓度、交联剂的种类和用量、引发剂用量对丙烯酸盐灌浆材料凝胶体性能的影响。结果表明：交联剂的种类和用量对凝胶体的性能起决定性作用，与常规的二乙二醇二丙烯酸酯交联剂制备的丙烯酸盐灌浆材料相比，采用甲基丙烯酸二甲氨基乙酯交联剂制备的丙烯酸盐灌浆材料具有更优的综合性能，其固砂体抗压强度大于200 kPa，遇水膨胀率超50%，断裂伸长率高于1 000%。该高弹丙烯酸盐灌浆材料兼具优异的可灌性、抗渗性能、抗挤出性能以及与岩样的黏结性能，可用于煤矿顶板渗漏水治理。

  2023年06期 v.51;No.306 22-29页 [查看摘要][在线阅读][下载 1962K]
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• 煤层底板区域注浆浆液扩散数值模拟及影响因素分析

  郭艳;桂和荣;魏久传;洪荒;郭祥东;崔亚利;叶爽;李俊;

  地面高压超前区域注浆已成为煤矿水害防治的首选工程方法，注浆浆液扩散机理受到普遍关注，且分支孔间距设计多依赖现场经验，具有一定的盲目性，制约着工程效果及效益。基于淮北煤田恒源煤矿注浆现场实际工况，利用COMSOL Multiphysics软件，开展地面定向钻煤层底板区域高压注浆浆液扩散数值模拟研究及浆液扩散影响因素分析，探讨地面高压注浆浆液扩散机理。结果如下：(1)煤层底板石炭系太原组第三薄层灰岩(简称三灰)裂隙发育，通过模拟发现，8～12 MPa高压注浆时很可能发生劈裂作用，期间渗透系数增大4～5个数量级。(2)不考虑重力影响时，以分支孔为中心，浆液向周边扩散距离相等，且在分支孔附近，浆液浓度较大，体积分数达20%以上；考虑重力作用时，水平向浆液扩散范围相对增大，垂向上浆液主要向下扩散，表现为“上短下长”。(3)浆液扩散模拟得出，扩散范围为41.2 m；浆液扩散范围现场实测显示，扩散范围为38.3～44.0 m，浆液扩散现场实测验证了扩散模型的正确性。(4)浆液扩散范围与浆液相对密度、静水压力、浆液动力黏度、浆液屈服强度及孔隙率呈负相关，与裂隙隙宽、渗透系数呈正相关。其中浆液相对密度越小，其扩散范围响应越明显；随动力黏度增加，扩散范围减小得越来越慢。研究成果可为煤系底板水害区域注浆治理工程合理设计提供参考，具有较好的参考应用价值。

  2023年06期 v.51;No.306 30-39页 [查看摘要][在线阅读][下载 2383K]
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• 木里地区煤系天然气水合物储层中CO_2封存试验研究

  吕文玉;吕超;张文忠;孙强;贾海梁;汤理安;

  二氧化碳地质封存(CGS)是减少温室气体排放和缓解气候变化最有前景的技术之一，以水合物形式将CO_2封存在废弃的天然气水合物储层中，能够在CGS中发挥关键性作用。基于青海木里地区煤系天然气水合物储层的基本物性特征，研制水合物储层人造岩心，分析岩心密度、孔隙率及渗透率随石英砂粒径的变化特征。通过低场核磁共振技术研究岩心中CO_2水合物饱和度演化特征，阐明水合物生成期间岩心孔隙结构特性。结果表明：随石英砂粒径减小，岩心孔隙率与渗透率呈先上升后下降变化特征；岩心孔径主体分布在0.004～0.050μm，主要为小孔与微孔孔隙。CO_2水合物核磁饱和度变化可划分为4个阶段：初始期、诱导期、合成期及稳定期，合成期内核磁信号强度降低，岩心中水合物饱和度快速增大。水合物生成期间，岩心孔隙体积比例曲线逐渐由两边向中间靠拢，孔隙分布范围逐渐减小，岩心中超大孔孔隙随水合物生成逐渐消失，微孔孔隙对水合物的生成起决定作用。岩心孔隙率越大，水合物生成效率及饱和度相对较高。研究成果为掌握天然气水合物储层中CO_2封存机理与封存效率提供科学基础。

  2023年06期 v.51;No.306 40-49页 [查看摘要][在线阅读][下载 3086K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 我国煤矿保护层开采卸压瓦斯抽采现状及发展趋势

  薛俊华;肖健;杜轩宏;石钰;

  高地应力、高瓦斯压力和低煤层透气性等因素严重制约着我国深部煤炭开采，且随着深部煤层开采条件逐步恶化，本煤层瓦斯治理难度凸显，通过保护层卸压开采的方式治理瓦斯和消除煤与瓦斯突出可达到事半功倍的效果。为了满足实际工程的需求，综述近年来我国在保护层开采技术、被保护层应力特性变化规律、裂隙系统演化规律、渗透率演化规律及被保护层卸压瓦斯抽采技术等方面的研究工作，总结并探讨了保护层卸压开采研究的不足，发现对处于弯曲下沉带内的超远距离上被保护层煤体卸压效果的关注较少，未能满足实际工程需求，根据保护层卸压开采期间超远距离上被保护层煤体变形特征及其横向裂隙开启和闭合特征，提出了保护层卸压开采的“时间窗口期”这一概念，同时指出，建立保护层开采与被保护层瓦斯流动特性演化的时空关系，构建瓦斯抽采“时间窗口期”判识模型，建立保护层卸压开采和超远距离上被保护层瓦斯治理时空协同模式是今后治理超远距离被保护层卸压瓦斯的重要方向。最后提出采用定向长距离钻孔抽采上被保护层卸压瓦斯的方法，并在河南平顶山矿区实践验证了其抽采效果。

  2023年06期 v.51;No.306 50-61页 [查看摘要][在线阅读][下载 2997K]
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• 煤储层水力压裂裂缝内支撑剂运移控制因素实验研究

  苏现波;范渐;王然;汪露飞;赵峰振;王乾;

  煤储层水力压裂裂缝的有效支撑是确保煤层气高效产出的重要条件。通过可视化实验研究了裂缝形态、压裂液量、排量和性质对裂缝内支撑剂运移的影响。结果表明：首先，单一开度不变裂缝内支撑剂分布相对均匀，而局部单一变开度裂缝和网状裂缝内，支撑剂运移受压裂液流速变化、裂缝壁阻挡等作用，能够形成具有支撑剂柱和无支撑剂房的房柱式支撑；房柱式支撑对于深部应力敏感伤害严重的储层是一种有效的支撑方式。其次，单一变开度裂缝和网状裂缝内会发生明显的颗粒架桥效应，使得具有不同开度的各级裂缝允许通过的支撑剂粒径范围存在较大差异；同时当裂缝发生砂堵时，进一步注入压裂液会促进裂缝转向开启新裂缝，说明端部脱砂有利于缝网改造。最后，随压裂液量和排量增大，支撑剂运移距离增加，且网状裂缝内支撑剂能够进入更多分支裂缝，裂缝支撑面积显著提升；而向压裂液中加入减阻剂后黏度增加，能够有效提升压裂液携砂能力，并进一步增大裂缝内支撑剂运移距离和支撑面积。基于上述结果，建议采用大排量、大液量水力压裂，并采用低伤低阻压裂液与包含粉砂、细砂、中砂和粗砂的多级配支撑剂，提升储层内各类、各级裂缝支撑效果，促进流体高效产出。研究结果能够为煤层气、煤系气储层压裂工艺的优化提供实验支撑。

  2023年06期 v.51;No.306 62-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 3665K]
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• 补给水类型对煤层气井产水量的控制作用及开发对策

  杜丰丰;倪小明;张亚飞;刘玉茹;王文升;

  外来水补给导致煤层气井产水量高，影响了煤层内压力传播的有效性，最终影响产气量。为了查明不同补给水类型对煤层气井产水量的影响及产水/产气特征，以寿阳区块25口煤层气井勘探开发资料为基础，阐述了补给水类型划分参数获取的一般方法，提出了“阶梯法”的补给水类型划分方法，划分了补给水类型。分析了不同补给水类型对煤层气井产水量的控制作用和产水/产气曲线特征，并提出相应的开发对策。结果表明：煤层气井补给水类型可以划分为地表水补给、围岩水补给、无补给等三类，其中围岩水补给分为断层沟通型、突破隔层型、侧向补给型。寿阳的中、高产水块段主要分布在北部、西南部和南部；北部煤层埋藏浅，地表水是煤层气井外来水的主要补给源；西南部，围岩水补给-断层沟通型是煤层气井高产水的主控因素；中部、南部，围岩水补给-突破隔层型和侧向补给是煤层气井高产水的主控因素。最后，以柿庄南区块为例，验证了本文划分方法的可靠性，并提出不同补给水类型下的开发对策：地表水补给区，一般含气量较低，煤层气井一般表现为产气量小产水量大，需慎重布井；侧向补给区，产水量大，布井时避开径流区；断层沟通型补给区，产水量大、产气不稳定，建议不布井；突破隔层型补给区，压裂参数优化、井网协同排水降压是实现较高产气量的关键；无补给区，排水降压容易，优化压裂和排采工艺是煤层气高产的重要保障。多种补给水类型叠加区，开发难度大，布井需谨慎。

  2023年06期 v.51;No.306 74-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 2705K]
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• 智能矿山综合管控平台的三维模型界面设计及应用

  张靖;

  矿山安全生产管控平台呈现了煤矿生产过程中掘、采、机、运、通等各种装备和自动化、智能化生产系统的集中调度、实时监测、风险防控、运维检测、决策分析等信息。智能矿山综合管控平台的界面设计对于使用者的体验感尤为重要。针对矿山综合自动化系统的界面采用单色组态工程平面图、展示操作界面效果单一等问题，引入工业设计理念，运用三维模型界面设计技术，综合考虑色彩相对统一。煤矿井下特定的偏暗环境，贴合大型设备的功能特定3个方面进行了平台的美观和直观设计。总结了针对煤矿的三维建模制作5个工作流程与6个制作步骤，并将其设计思路应用于内蒙古某煤矿实施搭建智能矿山综合管控平台的水泵房、空气压缩机、主斜井带式输送机、主扇风机等监控系统。实现管控平台运行使用过程中，界面呈现效果好，整体平台界面布局合理，界面色彩搭配协调，设备外形接近真实、外形美观，系统的使用体验感提升，并且功能与实用性符合要求。

  2023年06期 v.51;No.306 85-91页 [查看摘要][在线阅读][下载 2518K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 神府南区延安组含水层富水性对矿井涌水量的影响研究

  李舒;杨泽元;马雄德;刘胜祖;方楚婧;张奥奇;

  针对榆神府矿区不同井田矿井涌水量差异大的问题，基于所收集区内大量的钻探、抽水试验等资料，从风化剥蚀作用、烧变作用、天窗、砂岩微观孔隙结构等入手，分析了延安组含水层富水性的影响因素。结合导水裂隙带发育高度，探讨了延安组含水层富水性对矿井涌水量的影响。结果表明：风化剥蚀作用使延安组砂岩裂隙发育、破碎严重，增强其渗透性和连通性，随着基岩风化率的增加，富水性增强；烧变作用使延安组砂岩裂隙、孔洞显著增加，随着烧变岩厚度增加，富水性增强；天窗为延安组含水层与其他含水层之间提供了水力联系通道。采煤形成的导水裂隙带导通了延安组风化段和烧变段，使矿井涌水量较大。区域上各影响因素的叠加会导致延安组含水层富水性增强，局部呈现强富水-极强富水性，导水裂隙带导通后矿井涌水量较大，威胁煤矿安全生产。进一步探讨了各涌水量较大井田延安组富水性对矿井涌水量的影响，为榆神府矿区井田安全开采和顶板水害防治提供参考。

  2023年06期 v.51;No.306 92-102页 [查看摘要][在线阅读][下载 12806K]
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• 寒旱露天矿区土壤水分运移规律及其生态效应

  王强民;赵春虎;王皓;孙洁;杨建;王文科;

  为了探究寒旱露天煤矿区土壤水分运移规律及其生态效应，以位于蒙东草原的露天煤矿为研究区，开展了长时间段土壤水分观测原位试验。研究结果表明：非冻结期浅层土壤含水率主要受降水影响，冻结期土壤含水率受土壤温度影响明显；50 cm以上土壤饱和渗透系数大于150 cm/d,50 cm以下土壤饱和渗透系数仅为20 cm/d左右，表现为土壤饱和渗透系数随土壤深度的增加呈减小趋势，降水入渗形成的土壤水主要滞留在50 cm以上的植被根系作用层；区内地下水位埋深(>10 m)远超地下水补给植被的临界埋深(3.52 m)，植被指数与年降水量呈正相关关系，表明土壤水是维持区内植被需水的最关键水源；冻融期土壤含水率可恢复甚至超过非冻结期的含水率水平，同时特殊的土层结构造成植被根系区的土壤持水性较好，以上2个因素对植被生长具有积极意义。研究结果可为寒旱露天煤矿区的生态环境保护与修复提供借鉴。

  2023年06期 v.51;No.306 103-110页 [查看摘要][在线阅读][下载 1876K]
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• 保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流机制数值模拟

  杨志斌;

  为了更加细微和形象地刻画保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流局部和整体发展过程，按照等流速原理构建了巷道进水口在给定水头边界条件下CFD-DEM流固耦合数学模型，在2 000 m3/h和20 000 m3/h突水水量等流速条件下，分别对有无保浆袋囊工况22 mm粒径骨料灌注堆积阻水体建造过程进行了数值模拟。结果表明：(1)低流速条件骨料都能堆积接顶，高流速条件骨料都只能堆积至巷高的3/4，主要差异是有袋囊工况阻水体堆积至相同高度所需时长都更短且都具有高阻弱渗阻水性能。(2)高流速条件阻水体不能局部接顶情况下，单纯增大骨料粒径仍然难以局部接顶，但是单纯增加骨料灌注速度可以局部快速接顶。(3)分析有无袋囊工况阻水体建造结果差异原因，得到保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流机制其一是袋囊自身快速充填了部分阻水体空间，相当于提前完成了部分骨料铺底和充填阶段；其二是阻水体高阻弱渗的阻水性能，可以减少堵水后期阻水段快速升压阻水体突破再造次数，同时有利于补充注浆阶段浆液快速凝结。

  2023年06期 v.51;No.306 111-120页 [查看摘要][在线阅读][下载 2804K]
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煤田物探 矿井物探

• 陆地地区深地震反射剖面技术的研究现状与展望

  岳航羽;王小江;王磊;王凯;张保卫;

  深地震反射剖面早已被国际上证实是一种地球深部探测的先锋技术，它利用比石油地震勘探更长的接收排列、更大的激发能量，探测上至地表，下达上地幔的精细结构和构造特征，现已被国内外越来越多地应用于大陆及海洋地壳与岩石圈上地幔探测上。深地震反射剖面技术在揭示地球深部动力学过程，论述大地构造演化，确定盆山耦合关系，推测成矿成藏条件，分析地震灾害等方面取得了丰硕成果。系统地梳理和概括了国内外陆地地区深地震反射剖面技术的研究现状以及典型应用案例。在此基础上，从深地震反射野外数据采集、数据资料处理、剖面地质解译以及多方法联合探测4个方面，对地震反射剖面技术未来发展方向进行了展望。研究认为：在野外采集方面，研发不同激发、接收组合类型的采集技术、提升深地震反射数据采集质量，减少环境破坏，降低经济成本；在数据处理中，继续探究提高深地震反射剖面的信噪比与分辨率，定量监控深地震反射数据处理过程中振幅保真度的相对变化；在资料解译时，将深入挖掘深地震反射剖面的叠前、叠后潜在信息，降低单纯依靠深地震反射振幅解译的非唯一性；在综合研究上，从多学科、多角度、多尺度、多方法上相互补充印证，降低剖面的多解性，提高成果的准确性和可靠度。

  2023年06期 v.51;No.306 121-148页 [查看摘要][在线阅读][下载 4471K]
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• 声波探测技术在矿井领域中的应用及展望

  邓军;王津睿;任帅京;何骞;王彩萍;屈高阳;

  声波矿井探测技术是基于声学法进行矿井信息探测的物探技术，相较于其他探测方式具有适用性广、可靠性高、经济投入低等优势。介绍了声波探测技术在矿井领域的发展概况，针对声波探测技术在矿井内部基础物理信息探测、矿井外部地质信息勘探领域内的研究进展和技术特点进行文献梳理与论述，研究声波探测技术在矿井探测领域内判断物体状态的探测机理、实现方式和适用场景。在矿井内部基础物理方面归纳了声波测温、声波定位、声波流场测速等方向的发展概况，针对煤体测温、矿井管线测距、地下构筑物完整性检测及生命探测救援领域内的技术进行重点介绍，同时拓展了声波在烟气流速监测、气体浓度感知、湿度信息探测等方面的发展趋势；在矿井外部地质情况勘探中，总结了声波测井技术和声波CT探测技术的应用情况，并着重介绍了其在围岩裂隙超声波探测及强矿震异常区探测等应用场景中的研究现状。探讨了现阶段矿井声测技术研究中有关定位精度、算法优化、噪声干扰等方面存在的不足，结合当前的物理探测技术现状和现代声学发展形势，对未来声波在微观信息探测、实时系统化控制、误差优化等矿井探测领域的发展趋势与研究重点进行展望，研究成果为我国在声波矿井信息探测领域的研究提供一定借鉴。

  2023年06期 v.51;No.306 149-162页 [查看摘要][在线阅读][下载 4634K]
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• 基于井震裂缝识别敏感性参数模型的碳酸盐岩储层裂缝预测方法

  王志伟;张凯;武群虎;张本华;于世娜;张尊香;吴彦佳;

  碳酸盐岩储层裂缝发育、非均质性强，单一测井或地震方法识别裂缝存在局限性，为此，提出了基于井震裂缝识别敏感性参数模型的碳酸盐岩储层裂缝预测方法。基于岩石物理分析，根据成像测井资料以及井点裂缝解释成果，建立了分层段测井井点裂缝识别敏感性参数(FISP)模型；以基于地质和测井多井解释结果划分的优质裂缝储层为判别依据，优选井旁道地震属性，以测井井点裂缝识别敏感性参数为参照，构建了基于井旁道地震属性的裂缝识别敏感性参数(FISPSA)模型；建立了基于测井、地震裂缝识别敏感性参数模型的储层裂缝预测技术路线和方法流程，实现了裂缝发育三维地震预测，形成了适用于潜山碳酸盐岩油藏的基于井震裂缝识别敏感性参数模型的三维地震裂缝预测方法。渤海湾盆地胜利油田埕岛潜山油藏实际应用取得了与实钻裂缝吻合一致的预测效果，表明了基于井震裂缝识别敏感性参数模型的三维地震裂缝预测方法的可行性。研究成果在同类地区裂缝性潜山油藏裂缝检测具有广泛的推广应用价值。

  2023年06期 v.51;No.306 163-174页 [查看摘要][在线阅读][下载 4153K]
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• 定向钻孔雷达天线探测平衡分析与配重优化设计

  李涛涛;许献磊;徐海龙;欧阳兵;王鹏杰;

  定向钻孔雷达(Orientated Borehole Ground Penetrating Radar,OBGPR)有效解决了矿井或油井钻孔、工程检测探孔等周边地质情况的定向精细化探测问题。针对深孔中介质多变，雷达天线配重不合理，导致天线下沉时状态难以控制、探测效果不理想的情况，开展定向钻孔雷达探测过程中的天线平衡分析和配重优化设计研究。首先对深孔/井探测中的定向钻孔雷达天线进行平衡状态下的受力分析，在明确不同密度介质条件天线所受重力、浮力的前提下,通过构建钻孔泥浆黏度系数随密度变化模型，数值模拟与试验验证相结合确定雷诺数与阻力系数关系，重点研究雷达天线匀速下沉检测的运动阻力情况。接着开展定向钻孔雷达天线的配重优化设计，形成了配重大小可调节的配重块结构以及不同探测条件下(钻孔直径0.1～0.2 m、介质密度1 000～1 700 kg/m3、检测速度0.03～0.06 m/s)的配重方案。在此基础上，开展定向钻孔雷达的电塔桩基和大坝坝基质量现场探测试验，以验证天线的配重优化设计结果。对试验过程中的线缆拉力变化情况和雷达探测结果进行分析，结果表明：优化设计出的钻孔雷达天线配重结构和方案满足不同工况条件下天线平稳下沉探测的需求，探测结果能有效得到钻孔周边地质异常区域的方位和尺寸。研究结果可为钻孔雷达实现复杂孔/井中环境下的超深、定向和精细化探测提供技术支撑和指导价值。

  2023年06期 v.51;No.306 175-184页 [查看摘要][在线阅读][下载 2634K]
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• 基于人工神经网络的矿井直流电阻率法超前预测方法

  李宇腾;程建远;鲁晶津;代凤强;吴正飞;房哲;赵佳佳;

  矿井直流电阻率法具有施工效率高、成本低的特点，广泛应用于煤矿掘进工作面水害超前探测。随着应用的不断深入，对矿井直流电阻率法超前探测信号处理方法提出了更高的要求。基于有限元方法和数据重构所得响应信息库，采用Levenberg-Marquardt人工神经网络方法实现了矿井直流电阻率法超前预测。首先采用非结构网格剖分和BiCGSTAB迭代有限元法建立了直流电阻率法超前探测模型，基于EMD方法实现数值计算响应与实测响应匹配，并提出了基于异常体超前距离与其异常率的预测机制，得到3 000组23维重构响应；然后，采用L-M算法构建了人工神经网络模型；最后，基于训练好的网络对数值计算响应和实测数据进行预测分析。研究表明：针对数值模拟响应，基于L-M人工神经网络的矿井直流电阻率法超前预测方法可有效预测100 m范围内的水害异常，预测网络均方误差为0.002 47，测试样本显示最大距离误差小于0.6 m；针对实测数据发现，该神经网络在全区段预测准确率为67%，当预测异常位置在15～80 m时预测准确率超过85%，基于L-M算法的人工神经网络可应用于直流电阻率法超前预测。研究成果对煤矿井下掘进工作面直流电阻率法超前探测方法的完善与推广应用有重要意义。

  2023年06期 v.51;No.306 185-193页 [查看摘要][在线阅读][下载 2020K]
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钻掘工程

• 提高烧结压力对孕镶金刚石钻头性能的影响研究

  杨展;谭松成;方小红;杨凯华;

  传统的热压孕镶金刚石钻头胎体配方多为单质金属体系，采用WC或YG8作为骨架材料，Cu合金作为粘结材料，Ni、Co、Fe和Mn等金属作为中间材料。受配方中粘结材料和骨架材料成分及含量的影响，其适宜的烧结压力有限(≤16 MPa)，且烧结温度则相对较高(≥930℃)，常造成金刚石钻头胎体实际密度与理论密度之比偏低(≤98%)，且高烧结温度会对金刚石产生热损伤，从而使钻头难以同时兼顾机械钻速和使用寿命。采用混料回归试验方法优选了2种全预合金成分的孕镶金刚石钻头胎体配方，并以钻头胎体的硬度(HRC)、磨损量和相对密度作为评价指标，分别开展了上述2种配方的烧结温度和烧结压力的单因素试验，以及配方2的烧结温度(930、940、950℃)和烧结压力(17、18、19、20 MPa)优化试验。试验结果表明，钻头胎体试样的最高压入硬度可达30.1(HRC)，对应磨损量和相对密度分别为134 mg和99.1%。基于此，采用配方2及其优选的热压烧结工艺参数，试制了3只?75/49 mm规格的普通双管钻头，并在河南洛阳栾川某金矿钻探现场进行了野外钻进试验，其平均机械钻速达到2.02 m/h，平均使用寿命达到121.4 m。同机台使用的其他厂家的金刚石钻头，其平均机械钻速为1.81 m/h，单只钻头平均使用寿命为89 m。野外钻进试验结果表明，相较于其他厂家的常规孕镶金刚石钻头，采用全预合金配方体系和优化配合的烧结压力与烧结温度制备的孕镶金刚石钻头具有明显的优势，可以同时兼顾高效与长寿命的钻进效果。

  2023年06期 v.51;No.306 194-199页 [查看摘要][在线阅读][下载 1647K]
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• 断裂自锁防掉钻杆的设计及应用

  董昌乐;

  钻杆长期服役会不可避免地发生断裂并导致掉钻，严重影响了钻孔施工效率和成孔率，还会给煤矿带来重大经济损失。针对施钻过程中钻杆随机断裂导致的掉钻问题，指出了丝锥打捞技术存在的不足，通过分析钻杆断裂特点，得出解决掉钻难题的关键是研究公接头断裂后的轴向连接技术。提出具有断裂自锁功能的主动防掉技术，阐述了其技术原理，介绍了防掉钻杆设计原则，设计并研制了?73 mm防掉钻杆。室内实验结果表明，钻杆抗扭能力20 120 N·m，抗拉能力1 444 kN，公接头断裂后的二次抗拉能力384 kN。并在山西焦煤西山煤电(集团)有限公司进行工业性试验，200根钻杆累计进尺43 757 m，发生的5次断裂事故均位于公接头螺纹根部区域，其中4次直接将断点以深的钻杆全部提出，另1次因孔内严重埋钻未能提出孔内钻杆。现场试验结果表明，该钻杆结构合理，具有良好使用寿命和可靠的主动防掉能力。研究可为钻杆设计提供新方向，为煤矿井下钻孔安全高效低成本成孔提供钻具支撑。

  2023年06期 v.51;No.306 200-206页 [查看摘要][在线阅读][下载 1940K]
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• 含煤地层植物胶冲洗液改性及机理研究

  解程超;王胜;颜鹏;陈礼仪;李冰乐;张洁;

  为改善植物胶资源日益枯竭对含煤地层等复杂地层冲洗液应用带来的不利影响，对瓜尔胶进行复配-交联改性研究。以黄原胶为复配增效剂，有机硼为交联改性剂，并辅以交联控制剂、无机处理剂，研发一种新型植物胶冲洗液(GXB)，并对其进行一系列的性能评价。评价结果表明，GXB性能优良，能够满足含煤地层等复杂地层的钻进需求。采用红外光谱分析、黏度分析、核磁共振分析相结合的方法对其复配-交联改性机理进行分析。结果表明：(1)复配增效过程存在2种作用机制：首先瓜尔胶中无半乳糖分布的区域可与黄原胶分子产生氢键或范德华力嵌合形成三维网状结构以增黏；同时在瓜尔胶作用下黄原胶易发生自缔合以提升体系结构黏度。(2)有机硼中的硼酸根离子主要通过络合半乳糖上的羟基以发生交联反应，体系黏度得到进一步提升，其过程可分为起始期、过渡期、上升期、稳定期4个阶段，各阶段交联反应的快慢主要受有机配位体释放硼酸根离子的速度影响。研究成果为解决含煤地层垮塌难题提供新的解决方案，同时对植物胶冲洗液的改性研究具有一定的参考价值。

  2023年06期 v.51;No.306 207-214页 [查看摘要][在线阅读][下载 2187K]
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