国际煤炭地下气化历程与启示

• 煤炭地下气化项目技术经济评价研究进展述评

  易同生;秦勇;周永峰;汪凌霞;金军;周泽;

  煤炭地下气化(UCG)是我国清洁高效煤炭能源结构发展战略所驱，其产业化前景取决于项目的经济社会效益。立足这一背景，回顾了国内外UCG项目经济评价研究进展，总结了UCG项目经济竞争力的当前理解，通过案例介绍了煤炭地下气化–蒸气轮机联合循环发电–CO_2捕集与储存(UCGCCGT-CCS)经济评价基本模型及主要认识，讨论了深化UCG项目经济评价研究的方向性启示。结果显示，国内外目前对UCG经济性的认识存在差异，普遍对浅部UCG项目商业竞争力持乐观态度，但对深部UCG经济性认识分歧较大；财务分析基本方法与技术经济参数、适应性数学工具的结合形成了UCG项目技术经济评价模型，国内外UCG技术经济研究各有特色；UCG项目经济性极大程度上取决于合成气利用路线及CO2处理方式和成本，其中腔体宽度因子(HWR)、合成气成分、发电效率、CO2处理对合成气发电总成本的影响最为强烈。分析认为，加强技术经济参数针对性研究是深化我国UCG经济评价的当务之急，系统剖析现有UCG现场试验案例经济性特点是破解目前认识差异困局的客观途径；深化煤炭地下气化–二氧化碳循环利用(UCG–CCU)过程及其工程行为，研究可为研发低成本CO2处理技术提供依据；创新发展UCG工艺技术，将约束因素向效益型方向转变，则是提高UCG开采效益的根本途径。

  2023年07期 v.51;No.307 1-16页 [查看摘要][在线阅读][下载 955K]
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• 中国煤炭地下气化现场试验探索历程与前景展望

  秦勇;易同生;杨磊;周永峰;王军;汪凌霞;

  低碳高效煤炭能源结构转型是碳达峰碳中和(“双碳”)背景下我国能源持续发展的必由之路，煤炭地下气化(UCG)正是其中的一项重要战略选择。基于历史文献调研，分析了我国UCG现场试验探索历程，展望了我国UCG产业化前景。分析认为，我国UCG技术发展和现场试验历程先后经历了初步尝试、沉寂/复苏、广泛探索、技术突破、试验扩展5个发展阶段，为我国新一轮UCG产业化探索奠定了深厚的科学技术基础。以上历程中，3项成果为我国UCG技术发展做出了里程碑式贡献，一是徐州马庄矿井式UCG先导试验首战成功，二是发明“长通道大断面两阶段(LLTS)”UCG工艺，三是内蒙古乌兰察布钻井式UCG现场试验成功。长通道大断面两阶段(LLTS-UCG)工艺，是我国唯一被国际UCG领域公认的创新成果，长通道突破了国际上当时气流通道长度的限制，增加单炉可气化煤量，极大提高了UCG单炉产气能力；大断面提高单炉日产气量，两阶段注气提高煤气转化率，获得了高质量合成气，开创了我国UCG商业化生产先河，且控制方法简单，其基本思想和基本工艺对中深部UCG技术发展同样具有借鉴价值。从国家需求、技术成熟度、资源潜力、保障措施四个方面展望了我国UCG产业化前景，提出了发展重点和产业政策体系建设的建议。一是我国UCG产业化推进短期内重点依赖浅层，需进一步探索低环境损伤高转化率UCG过程调控机理，建立构造煤层、多薄煤层等复杂地质条件UCG技术体系；长远则寄希望于中深层，关键在于发展多场耦合条件下的UCG–煤层气资源–CO2储存与利用(UCG–CBM–CCUS)协同高效联产工艺技术。二是建议政府制订具有可操作性的UCG产业政策体系，为推进UCG产业化进程提供激励机制及法规保障。研究认识，一方面有利于坚定我国UCG产业化探索之路的信心，另一方面也为进一步创新适合于我国地质条件的UCG工艺技术提供了某些参考。

  2023年07期 v.51;No.307 17-25页 [查看摘要][在线阅读][下载 900K]
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• 苏联煤炭地下气化产业化历史回顾与评述

  孔维敏;周永峰;易同生;李萍;秦勇;周泽;

  我国能源资源禀赋是缺油少气富煤，煤炭地下气化(UCG)技术产业化是我国低碳高效煤炭能源结构发展转型的一个重要途径，有助于充分利用煤炭资源助力碳达峰碳中和(“双碳”)目标顺利实现。系统查阅并梳理文献资料，回顾了苏联UCG现场试验与产业发展历史，目的是为我国当前UCG技术发展和产业化进程提供借鉴。研究显示，苏联UCG技术发展和产业化过程前后经历了上百年历史，作为全球UCG技术发明者和唯一实现商业化生产国家，给世界留下了珍贵的原创性UCG工艺技术遗产。苏联首次提出UCG构想和第一个UCG炉体结构草案，为全球UCG技术发展做出了奠基性贡献。发明了气流法、直井火力贯通、煤层水平井长通道等技术，首创矿井式-钻井式联合UCG工艺和注氧/注蒸气UCG工艺，对不同地质条件煤层开展了不同气化工艺的现场试验，创造了单个UCG场站连续商业化生产50年以上的历史记录，证明了UCG技术商业应用可行性及其战略价值。将UCG产业化上升到国家战略层面，UCG技术研发放在优先地位，高度重视“政-产-学-研-用”协同推进，这是苏联UCG商业化生产取得成功的重要原因。鉴往知来，UCG产业化作为弥补我国天然气自给能力不足及实现“双碳”目标的潜在技术途径，需要政府从国家战略层面予以强力推动，UCG科学技术创新在国家科技计划体系中应占有更为重要的地位，构建UCG专业技术人才培养体系则是实现UCG战略目标的首要基础。其中，苏联围绕煤层增渗和气化控制两大核心开展UCG技术研发的思路值得借鉴，但构建有效气化通道以提高煤炭气化采收率仍是当前UCG技术发展的主要方向之一。

  2023年07期 v.51;No.307 26-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 1031K]
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• 美国煤炭地下气化先导试验及其对现代UCG技术的贡献

  黄婉;王军;汪凌霞;易同生;陈可心;秦勇;

  煤炭地下气化(UCG)产业化有助于煤炭能源结构转型发展，提高煤炭资源的低碳化利用水平，是一项符合可持续发展战略的环境友好型能源开发技术。20世纪80—90年代的国际能源危机，促使美国大力发展UCG技术，先后开展了6大系列UCG先导试验，极大推进了UCG技术进步，为全球现代UCG技术的形成提供了关键基础。系统收集整理美国40余年的UCG先导试验成果，梳理关键技术发展路径，目的是为我国正在推进的UCG技术产业化进程提供启示和借鉴。研究表明，美国通过UCG先导试验和技术探索，确定了适宜于UCG技术的煤层和煤质条件，创新发展了钻井式UCG方法和工艺，尤其是发明了可控后退式注入点(CRIP)和双水平井(P-CRIP)技术，提供了气化通道建造、气化过程控制、合成气质量提高三方面技术难题的解决方案；提出了相邻孔腔相互融合的技术思路，为从单炉开始扩大UCG气化规模奠定了可行基础。在政府层面上组织实施系统的协同科技研发计划，是美国UCG技术创新能力持续释放的关键。同时，美国UCG系列试验尚有诸多技术难题有待进一步解决，如UCG炉地质密封性及其动态监测评价、气化通道动态监控与稳定性、煤层充分气化保障技术、炉宽安全有效扩展技术、UCG炉环境监测与控制、与碳减排密切结合的UCG技术等，为我国UCG技术发展提供了需要关注的重点方向。

  2023年07期 v.51;No.307 34-42页 [查看摘要][在线阅读][下载 1336K]
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• 欧盟国家煤炭地下气化先导试验历程与进展述评

  金黎黎;杨磊;吴亚荣;王小芳;易同生;秦勇;

  煤炭地下气化(UCG)是我国煤炭能源结构转型的重要路径。欧盟国家在UCG领域开展了80余年探索，丰富的经验可为推进我国UCG产业化提供借鉴。英国是世界上最先筹备UCG先导试验的国家。在1944—2014年，欧盟国家先后借鉴前苏联及美国经验，分3阶段至少实施了12个UCG先导试验项目，为UCG技术进步做出了重要贡献。发明了盲孔法及V型炉体结构，率先将浅部UCG先导试验成功延伸到深度500～1 000 m，系统环境监测结果为消减UCG环境安全担忧提供了实际依据。同时，欧盟国家成功与失败案例均给将来的UCG技术发展带来珍贵启示。UCG炉密封性地质条件研究及针对性的工程技术措施极其重要。提高气化效率及产品气质量，是实现UCG项目商业竞争力的关键。依靠自修复功能可以在短时间内使UCG炉附近地下水环境风险自行解除，但环境动态监控需要加强。

  2023年07期 v.51;No.307 43-51页 [查看摘要][在线阅读][下载 971K]
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• 澳大利亚UCG工程示范历程与启示

  周泽;汪凌霞;秦勇;金军;杨磊;易同生;

  煤炭地下气化(UCG)作为变革性的采煤技术，是我国低碳高效煤炭能源结构转型方向的重要选择，也是为保障我国碳达峰、碳中和(“双碳”)目标顺利实现而可探索的潜在重要途径。通过文献调研，梳理了澳大利亚UCG技术探索历程，依据现场试验案例分析探讨了澳大利亚UCG技术探索的得失，其中的经验可为我国UCG技术发展提供借鉴。结果显示，澳大利亚UCG技术探索可追索到20世纪70年代，随后开展了长达15年的UCG现场试验，先后启动3个UCG示范工程，成功实施了迄今为止在前苏联之外最大规模的现场示范；尽管探索历程“一波三折”，但UCG技术进步显著，相关成就为全球UCG产业化努力做出了示范。澳大利亚UCG技术探索与发展历程显示：引入民间资本是支撑费用巨大的UCG技术研发及现场试验的可行途径，充分考察并借鉴全球经验可使UCG现场试验少走弯路，利用合成气生产多元化最终产品是UCG产业发展的重要方向。在工程技术方面：钻井设计及工程质量是确保UCG炉安全高效运行的关键，尤其是固井材料选择应考虑井壁受热产生的收缩膨胀性能；纯氧注入装置应设计自动跳闸系统以保证UCG生产安全，整体工程任何环节都需要严格保证气化炉及其管线密封质量，前期UCG地质评价与选址十分必要；UCG设计需要综合考虑各方面因素，确保在单炉滚动式投产基础上实现气化区炉井最佳配置。同时，系统而详细的产业政策建设是推进UCG产业化的基本保障，企业与政府主管部门事前沟通充分程度往往决定着UCG项目的成败。

  2023年07期 v.51;No.307 52-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 1033K]
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煤炭地质 矿井地质

• 薄互层致密砂岩水力压裂裂缝扩展特征研究

  杨帆;梅文博;李亮;孙泽宁;安琦;杨琦;陆美全;杨睿月;

  薄互层致密砂岩储层由于其砂泥叠置沉积，纵向非均质性强的特点，在水力压裂施工中，裂缝难以垂向扩展，有效沟通储层，明确薄互层水力裂缝垂向扩展规律对薄互层致密砂岩的开发具有重要意义。针对鄂尔多斯盆地临兴区块下石盒子组薄互层致密砂岩储层，通过建立薄互层致密砂岩地层裂缝扩展模型，研究了储隔层间应力差、储隔层厚度、岩石力学性质等地质因素和压裂液黏度、施工排量等工程因素对水力压裂裂缝扩展的影响，并通过现场井压裂效果和微震检测数据验证了模型的可靠性与准确性。研究结果表明：储隔层间应力差和储隔层厚度是影响水力裂缝穿层扩展最主要的地质因素，当应力差大于4 MPa时，裂缝垂向扩展受到抑制；弹性模量大的隔层有利于裂缝垂向扩展；泊松比对裂缝垂向扩展几乎没有影响；压裂液黏度对裂缝垂向扩展影响较小；泵注排量对裂缝垂向扩展有促进作用，但当排量增加到一定程度后，裂缝扩展放缓，对于不同的应力差，存在不同的最优排量。因此，对于薄互层致密砂岩水力压裂，低储隔层厚度、低储隔层应力差、高弹性模量和高注入排量能有效促进裂缝垂向扩展。研究成果可为该类储层水力压裂施工设计提供一定理论依据。

  2023年07期 v.51;No.307 61-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 2492K]
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• 考虑煤厚煤质变异性的煤层价值模型构建与应用

  刘飞跃;杨科;杨天鸿;阚磊;付凯;

  煤层厚度与煤质特征(包括发热量、挥发分、灰分与硫分)的变异性决定了煤炭价格的空间分布，准确表征煤层经济价值对于煤炭资源的合理开发利用有着重要作用。首先明确煤厚煤质等地质属性为区域化变量，使用块体模型的方法对研究区域地质实体进行离散化；其次利用地质统计学方法获取实测钻孔煤厚煤质的实验半变异函数，当变异性较小、实测数据丰度较大、能建立变程内实验半变异函数的数学模型时，使用普通克里金进行空间估值，反之则考虑使用距离幂次反比法进行空间估值，并使用交叉验证获取均方误差最小的幂次；然后使用动力煤计价方法计算每个块体单元上的煤炭价格，建立煤层价值块体模型；最后以准格尔煤田麻地梁煤矿5号煤层为例，考虑煤层价值模型对工作面开采接替顺序进行优化。结果表明：煤炭价格呈现出明显的空间异质性，变化范围从574元/t至1 192元/t，平均834元/t，符合正态分布；工作面开采接替顺序优化后煤炭销售额净现值NPV (Net Present Value)增加4.16亿元，提升1.64%，显著提高了采矿收益。使用地质统计学方法可充分挖掘实测数据的空间相关性，建立的块体模型不仅获得煤厚、煤质与煤炭价格在宏观上的统计信息，还可以给出其精细化的空间分布，在后续的选煤、配煤及销售环节具有广泛的应用前景；使用地质统计学方法建立的块体模型精度受控于实测数据规模，可根据开采过程中的新生数据进行动态修正与预测。

  2023年07期 v.51;No.307 72-79页 [查看摘要][在线阅读][下载 1269K]
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• 不同储层射孔参数适用性评价技术研究

  毕刚;吴捷敏;杨尚谕;李蒙蒙;韩斐;汪鑫;崔颖;

  射孔参数对油气井产能有着重要的影响，目前对射孔参数的优选大都基于单因素分析，缺乏多因素的综合分析评价。笔者应用有限元模拟的方法，开展不同储层条件下射孔参数对井口流量影响规律的分析研究，首先建立射孔完井储层压降的几何模型，进行射孔后流体流动模拟研究，得到均质储层、各向异性储层、裂缝性储层的射孔参数、各向异性参数及天然裂缝参数对储层压力场及渗流场的影响规律。定量计算孔深、孔密、孔径、相位角、污染带深度及污染程度等参数与井口流量的关系，并设计不同储层不同射孔方式下射孔参数多因素分析的正交实验，得到每种工况下的井口流量。然后利用灰色关联理论分析在不同储层条件、不同射孔方式下各参数与井口流量之间的灰色关联系数，进而对各参数进行适用性评价，并形成射孔参数优化设计软件。保证套管抗挤毁能力降低不超过5%，以射孔完井产能比最大为目标，针对实际射孔参数组合，结合F油田进行射孔参数优化，给出了不同储层、不同射孔方式下射孔优化方案。最后对射孔参数进行敏感性分析，得到射孔深度、相位角、孔密的变化对定向井产能的影响规律，随着孔深、孔密的增加水平井日产量和累产量均逐渐增加，45°相位角时油井日产量与累产量均高于0°相位角。基于有限元模拟的正交实验实现了射孔参数的多因素综合评价，灰色关联法提高了射孔参数权重的可靠性，本研究为射孔参数合理范围优选提供依据。

  2023年07期 v.51;No.307 80-91页 [查看摘要][在线阅读][下载 2651K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 煤系铁赋存形态及水–煤/岩作用过程中的溶解释放机制——以东部草原某矿为例

  王甜甜;

  矿井水铁超标将腐蚀配水管道、工业设备，损害人体肝脏，威胁人类健康。煤系铁的含量、赋存形态及其在水–煤/岩作用过程中的溶解释放决定了矿井水中铁的富集或贫化。通过采集东部草原某矿区煤及岩石样品18组，利用等离子电感耦合质谱仪、X射线衍射、带能谱的扫描电镜、逐级化学提取，分析煤系铁的含量、赋存形态、赋存载体，开展室内水-煤/岩模拟试验，研究煤/岩中铁的释放机制。结果表明：煤与顶板砂岩中的铁含量均较高，18组煤/岩样中铁的富集因子均大于1；煤与砂岩中铁的赋存形态主要以残渣态为主，有机结合态次之，碳酸盐结合态与可交换态最少。煤中残渣态、碳酸盐结合态、可交换态铁的赋存载体分别为高岭石、菱铁矿、伊利石；砂岩中残渣态、碳酸盐结合态、可交换态铁的赋存载体分别为绿泥石、菱铁矿、伊利石。水–煤/岩相互作用过程中，煤与砂岩中铁的最大释放量分别为1.26、2.75 mg/L，显然砂岩中铁的释放量大于煤中。对比水-煤/岩作用前后煤/岩中铁的赋存形态变化可知，残渣态、有机结合态及铁锰氧化物结合态的铁含量基本不变，可交换态及碳酸盐结合态的铁含量均减小，这2种形态的铁稳定性差，迁移性强，易于释放进入水中，是导致矿井水中铁富集的主要原因，将为高铁矿井水的处理与利用提供基础。

  2023年07期 v.51;No.307 92-102页 [查看摘要][在线阅读][下载 3628K]
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• 新型老空底板奥灰突水：成因机制及防控技术

  周帅;李书乾;尹尚先;梁满玉;孟浩鹏;祁荣荣;李媛媛;

  河北峰峰矿区辛安矿2021年“10·25”小煤窑区奥陶系灰岩(简称奥灰)突水，导致矿井生产水平被淹，矿井停产。对事故成因进行了剖析，提出老空区底板奥灰岩溶水突(涌)水概念，总结其区别于采动引发老空透水或底板突水事故的内涵及外延，揭示浅部老空区底板奥灰承压水储能释放动态演化的突水机制。基于区域奥灰岩溶演化史，采用流场分析、数值模拟以及探治工程揭露，确定区域奥灰岩溶强径流带在井田内的展布形态，建立岩溶水动力场模型，应用人工智能及深度学习方法反演辛安矿“10·25”突水时间及空间位置。针对煤矿采空区底板奥灰突水特点及难点，提出流场树靶、探治结合、新旧共治“三位一体”的水害防控技术体系，经过3个阶段治理实践，不仅3个老旧突水点共1 080 m~3/h涌水量以及新突水点稳定涌水量3 600 m~3/h得到完全封堵，且矿井原正常涌水量2 040 m~3/h下降到1 020 m~3/h，效果超出预期目标。

  2023年07期 v.51;No.307 103-112页 [查看摘要][在线阅读][下载 1590K]
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• 露天矿区生态地质层修复中地形重塑层的构建技术及应用

  赵欣;王佟;李聪聪;林中月;李飞;王伟超;冯康宁;尹亚磊;蒋喆;

  露天地区矿山开采容易形成不规则采坑、高陡边坡和渣山、原始土壤破损、采坑积水等一系列地貌形态的改变，造成与周边环境的不协调。不仅影响地表生态环境，还会对地下浅层水渗流场、冻土层等带来不同程度的影响和破坏，且存在滑坡、垮塌等地质隐患和灾害。针对这些问题，从地质角度提出通过构建地形重塑层实现开采后矿山地形地貌重塑的思路与方法，应用形成的地形重塑层修复关键技术，在青海木里高原高寒露天矿区生态环境治理与修复中取得显著效果。首先定义地形重塑层，即是对地貌起伏形态、采坑和渣山边坡等的稳定性和安全性起控制作用的复杂成形曲面。地形重塑层是一个复杂不规则且动态变化的重构层，是生态地质层修复的一种情况。提出地形重塑层的构建思路与方法：(1)通过空-天-地一体的地质勘查与监测手段，对矿山开采后的采坑、采坑边坡和渣山等情况进行系统的勘查、监测和评估。(2)根据治理对象的不同，对修复的目标地质体进行分类，本次依据边坡坡体岩性变化和岩层倾向与坡向的关系，将岩质边坡分为4类13型。(3)通过理论计算结合现场勘查测量，确定不同修复地质体的地形重塑层形态与产状。(4)通过覆土复绿，实现采坑、渣山依形就势的综合治理和矿山地形地貌的修复。以青海木里矿区为例，系统论述了地形重塑层构建与修复技术：对采坑坑底的修复，考虑挖损采坑深度和地形现状，设计合理的坑底样式，防止出现二次滑坡或坍塌等地质灾害；对边坡治理与修复，通过理论计算和野外现场观测，确定木里矿区边坡稳定的合理坡角应小于26°，治理时根据不同岩质边坡类型，采用清坡处理、修筑台阶状边坡等方法，保证采坑边坡稳定和后期植被复绿；对于特殊的渣山边坡治理，需要通过构建坚硬的地形重塑层，形成类似鸡蛋壳一样的渣山外壳，以起到稳定地形地貌、防止水土流失和涵养水源的作用。利用遥感影像数据对比治理效果，治理前矿区地形杂乱，边坡坡角大且不稳定，植被退化，经地形地貌重塑治理后，矿区边坡的坡角基本都处于26°以下，植被长势良好，治理效果显著。提出的地形重塑层构建方法和修复技术为高原高寒矿区生态治理和矿山地形地貌的修复提供了新的治理思路与方法。

  2023年07期 v.51;No.307 113-122页 [查看摘要][在线阅读][下载 1945K]
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• 直接顶-基本顶耦合作用下采场顶板断裂力学模型研究与应用

  李金华;郑承先;谷拴成;吴宝林;王雄;宋勇军;

  周期来压是矿山压力显现的典型特征，准确进行采场周期来压步距预测是有效降低采场事故发生的重要途径。针对基本顶自身缺陷与直接顶耦合作用对周期来压步距的影响，视采场顶板为自带裂缝的有限板模型，根据覆岩协调变形机理，基于断裂力学理论建立采场顶板断裂力学模型，推导直接顶-基本顶耦合作用下周期来压步距函数式，以陕北某矿区2个工作面为例，分析基本顶岩石断裂韧度、裂缝深度、直接顶厚度和弹性模量等参数对周期来压步距的作用规律。研究表明：基本顶断裂韧度与周期来压步距呈近似线性关系；裂缝深度比(裂缝深度/顶板厚度)对周期来压步距影响较大，裂缝深度比达到0.8后，基本顶失稳破坏；直接顶厚度小于3 m时对周期来压步距影响较小，超过3 m后对周期来压步距影响显著。研究结果对采场顶板周期来压步距预测及支架选型具有重要的理论意义和工程价值。

  2023年07期 v.51;No.307 123-129页 [查看摘要][在线阅读][下载 1495K]
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• 基于FM-UNet++和高分二号卫星影像的露天矿区范围变化检测

  杜守航;李炜;邢江河;张成业;佘长超;王绍宇;李军;

  利用遥感和深度学习技术实现露天矿区土地利用变化信息的自动提取对于矿区开采监测、生态环境保护具有重要意义。针对复杂异质矿区场景下土地利用类型的变化，构建新型深度学习模型FM-UNet++，利用高分二号(GF-2)卫星影像实现露天矿区的自动变化检测。首先，通过资料调查和目视解译制作露天矿区变化检测数据集，通过数据增强对其进行扩充；其次，通过在UNet++模型中引入特征增强坐标注意力机制FECA(Feature-enhanced Coordinate Attention)和Mish激活函数构建面向露天矿区变化检测的FM-UNet++模型；最后，训练FM-UNet++及7种对比模型进行露天矿区变化检测实验，并比较不同深度学习模型的检测结果。结果表明：特征增强坐标注意力机制FECA和Mish激活函数均提升了UNet++模型的露天矿区变化检测性能。FM-UNet++模型对露天矿区变化检测的精确率(Precision)、召回率(Recall)、F1-Score和交并比(IoU)值分别达到95.6%、89.2%、92.3%和85.7%，相较于FCN、PSPNet、Deeplabv3+、LANet、UNet、UNet++和DA-UNet++等深度学习模型均有显著提升。FM-UNet++模型的变化检测速度与上述7种对比模型保持在同一数量级，且其训练过程稳定，验证了FM-UNet++模型应用于露天矿区变化检测的可行性。

  2023年07期 v.51;No.307 130-139页 [查看摘要][在线阅读][下载 1400K]
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• 滑坡失稳运动过程的物质点法模拟及动力特性分析——以三峡库区盐关滑坡为例

  宋琨;阮迪;吕泓霖;韩璐阳;黄海峰;

  滑坡失稳运动的动力学过程及影响范围对滑坡灾害的风险区划分和防控具有重要影响。为了能准确且系统地分析滑坡失稳运动过程中的动力特性变化，对三峡库区湖北省秭归县盐关滑坡失稳运动过程详细调查分析，通过滑带土的室内环剪试验获得其残余强度变化规律及不同剪切速率的滑带土运动参数。采用适用于大变形模拟计算的物质点法(MPM)，再现了盐关滑坡的2次运动堆积过程，并分析了滑坡运动过程中的速度、能量、冲击力等动力特性的动态变化与阶段特征。结果表明，盐关滑坡物质点法(MPM)模拟结果与现场勘测运动距离和滑坡堆积形态相吻合；滑坡2次运动过程均经历失稳启动、加速滑动、减速堆积和停止4个阶段；第一、二次滑动分别在第10、31 s时达到了1.9、3.2 m/s的速度峰值，总动能为1.57×107、1.60×108 J，冲击力峰值为7.82×103、3.87×104 kN；滑坡平均速度、总动能及最大冲击力均随滑距增加呈现先增加后减小的变化趋势。物质点法应用于滑坡动力学分析取得较好的效果，室内环剪试验获取的控制滑坡运动的滑带土残余摩擦系数为物质点法模拟计算提供了可靠的数据支撑。滑坡失稳运动过程的动力学特征在滑坡灾害范围和危害程度预测及风险评价中具有重要意义。

  2023年07期 v.51;No.307 140-150页 [查看摘要][在线阅读][下载 2775K]
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煤田物探 矿井物探

• 无人机航测空三点误差分布及像控点对其精度影响机理

  查剑锋;朱鹏程;吴德军;马晨阳;仲崇武;尹洪武;王栋;

  无人机以其机动灵活、受天气影响小、快速获取目标区域影像的优势已成为矿区地表形变监测的重要方法，如何提升无人机测量精度是亟需解决的关键问题。在系统分析无人机监测地表点精度影响因素基础上，重点研究了像控点质量对空三点误差分布、精度的影响规律。首先采用大量的重复观测实验的方法，研究揭示了在四周均匀布设像控点条件下，监测点平面位置、高程的误差特性及其分布特征；在此基础上，通过对像控点平面坐标、高程坐标施加随机误差，研究了像控点平面、高程精度与监测点平面、高程精度的对应关系。最后，依据前述研究成果，给出了提升无人机地表沉陷监测精度的策略。研究结果表明，在四周均匀布设像控点条件下，无人机测量点位平面、高程误差符合正态分布规律，但存在一定的系统误差影响；像控点平面坐标、高程坐标对空三解算平面坐标、高程坐标影响具有独立性；通过对多次测量结果进行数字平均可以有效提升测量精度。研究成果为采煤塌陷区无人机高精度监测方案设计提供理论与技术支撑。

  2023年07期 v.51;No.307 151-161页 [查看摘要][在线阅读][下载 3840K]
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• 二维瑞雷波多参数全波形反演方法探测浅地表空洞应用研究

  李宇;王靖岐;管建博;闫英伟;

  浅地表低速异常体(如空洞)的精确探测一直是地球物理领域具有重要价值与挑战性的研究课题，对城市灾害评估与复杂条件下煤田地震勘探的浅地表精细建模具有重要意义。面波全波形反演适合浅地表高精度建模，然而在实际应用中仍存在诸多亟待解决的难题。针对面波全波形反演方法中多参数串扰、实际数据预处理、震源子波估计等关键问题，开发了一套完整的瑞雷波多参数全波形反演方法流程，以实现对浅地表空洞的精确探测。该方法中模型的横波速度、纵波速度和密度随反演进程均被同步更新，减弱后两个参数偏离真实值对横波速度反演精度的消极影响。采用伴随状态法构建的拟海森算子对梯度进行预处理以压制地表伪影、增强波场照明，提高对小尺度异常的表征能力。通过褶积因子消除波场正演与实际数据采集的维数差，实现3D波场到2D波场的转换。采用校正滤波方法估计震源子波，并在迭代进程中进行动态估计，以减弱特定参数模型不准确的影响。同时，该方法采用多尺度反演策略，减轻由低速异常引起的目标函数非凸性，提高反演稳定性。合成数据和实际案例测试结果表明，瑞雷波多参数全波形反演方法得到的横波、纵波速度模型、密度模型具有基本一致性，其中横波速度模型准确度最高。实测数据反演的横波速度模型显示了一个4 m×3 m的人工空洞，与实际位置和尺寸相符，证明了该方法在浅地表空洞探测方面的可行性和有效性。

  2023年07期 v.51;No.307 162-173页 [查看摘要][在线阅读][下载 3293K]
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• 煤层顶板高地应力区对微震层析反演的影响

  刘开航;冯磊;云美厚;曹运兴;田林;

  为满足煤矿安全生产的需求，针对煤层顶板高地应力区域易诱发煤矿冲击地压等动力灾害问题，利用微震台站实时传输数据，采用快速三维层析反演算法对煤岩层波速进行反演，从而实现对高地应力区域的实时监测和快速预警。层析反演结果的精度直接决定了高地应力区域的判断，因此，通过建立三维地质模型，分析微震事件空间分布的不同以及高地应力区域与煤层顶板的间距对层析反演结果的影响，并将该方法在某矿区进行了试验。试验结果表明：(1)由于地震波在煤层和围岩中的传播规律不同，微震事件在煤岩层空间分布不同会降低探测高地应力区域的精确度；(2)煤层顶板与高地应力区域间距过小时，高波速区域附近所产生的波速梯度会影响低速区域，导致反演结果中煤层位置不清晰；(3)通过筛选微震事件使其均匀分布以及合理的布置微震地面观测系统可以有效的提高数据完整度和反演精度。研究结果为基于微震的快速三维层析反演技术探测煤层顶板高地应力区域提供理论依据。

  2023年07期 v.51;No.307 174-183页 [查看摘要][在线阅读][下载 3468K]
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• 基于特征波形态成分分析的VSP资料套管耦合噪声压制方法

  潘龙;毛海波;蒋立;胡可扬;党志敏;陈文超;

  VSP(Vertical Seismic Profiling)资料采集过程中，由于水泥固井不牢或多层套管之间水泥环空等原因，容易产生套管耦合噪声。该类噪声具有能量强、空间影响范围广、衰减缓慢等特点，且与有效信号在时间域、频率域等多域重叠，严重影响了VSP资料的信噪比。首先介绍了形态成分分析(Morphological Component Analysis, MCA)的基本理论，然后对比分析了有效信号和套管耦合噪声在时域、频域及时频域分布特征差异，接着将VSP资料建模为有效信号、套管耦合噪声及随机噪声之和，最终提出基于特征波形态成分分析的VSP资料套管耦合噪声压制方法。该方法选用Q可调小波变换(有效信号的稀疏表示字典)和余弦变换(套管耦合噪声的稀疏字典)构建了相应的超完备字典，然后采用分块坐标松弛法实现了VSP资料中套管耦合噪声的压制。实际VSP资料处理结果表明，该方法对套管耦合噪声能量及频域分布区域的变化具有良好的自适应性，在明显压制该类噪声的同时对有效信号具有良好的保真性。

  2023年07期 v.51;No.307 184-190页 [查看摘要][在线阅读][下载 1645K]
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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07期 v.51;No.307 191页 [查看摘要][在线阅读][下载 678K]
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