煤炭地质 矿井地质

• 静态致裂作用下低渗厚煤层瓦斯增透数值模拟研究

  王新丰;刘文港;王龙;韦友玉;张乔;

  为提高煤层静态致裂井下作业效率，优化致裂布孔参数，以中煤华晋王家岭矿12316综采工作面胶带巷为实验背景，结合煤层变形破坏方程、瓦斯扩散渗流方程和煤层渗透率演化方程，构建煤层破坏及渗透率演化模型；采用FlAC~(3D)-COMSOL Multiphysics对煤体静态致裂增透过程及影响因素进行数值模拟，揭示静态致裂作用下煤层应力分布、塑性扩展与瓦斯压力传递演化规律。通过优化选取致裂工艺参数开展现场试验，定量分析不同孔距下静态致裂过程中煤层瓦斯抽采量的变化特征。结果表明：静态致裂过程中膨胀应力在煤体内部沿致裂孔半径方向向四周均匀传递，单孔致裂过程中形成圆环状应力圈和塑性区；在双孔致裂条件下，两致裂孔内膨胀应力的水平叠加效果优于竖直叠加效果，使煤体水平方向破坏效果较竖直方向显著，且两致裂孔中间区域的煤层先于其他区域破坏。受静态致裂作用范围的限制，增透促抽后煤层内瓦斯压力大小与孔距呈正相关关系，煤层渗透率与孔距间呈负相关关系；现场试验表明，将孔距设为1.6 m以内进行静态致裂增透，在抽采负压为20 kPa条件下抽采30 d，测得致裂后瓦斯抽采纯量提升1倍左右，说明静态致裂对瓦斯抽采具有显著的卸压增透效果。

  2023年11期 v.51;No.311 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 2432K]
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• 煤炭地下气化高温喷淋井筒温度应力场研究

  唐洋;谢娜;熊浩宇;何胤;黄顺潇;

  煤炭地下气化是对传统物理采煤技术补充的新一代化学采煤技术。气化过程中井筒受到高温和内压载荷的共同作用。针对煤炭地下气化生产井井身结构特点，基于传热理论建立了环空喷淋注水降温条件下的井筒瞬态温度计算模型，结合井筒压力模型基础上，根据弹性力学及壁圆筒理论建立了套管–水泥环–地层围岩组合体温度应力场计算模型。结果表明：高温时，井筒各部分因热膨胀或热收缩受限制而使井筒应力增加。在自然降温条件下套管、水泥环的理论计算最大应力分别为2 640.6、151.3 MPa，均超过本身材料许用压应力，在不考虑温度时，套管、水泥环轴向应力分别只有28.4、15.0 MPa，远小于考虑温度时的结果；在环空注水降温方式下，通过控制喷淋腔温度能够有效降低井筒应力；随着套管内压增大，井筒应力也随之增大，且套管内压变化会造成套管和水泥环应力方向发生改变，在对其进行强度校核时需要分情况讨论；在水泥环两侧交面处的应力落差一般较大，水泥环性能参数也与井筒应力密切相关，随着水泥环弹性模量降低或泊松比增加套管-水泥环的应力随之降低，即胶结性能好，高韧性、高泊松比性能的水泥环材料能够降低套管-水泥环应力。上述研究认识可以为煤炭地下气化生产井结构设计及生产工艺提供借鉴。

  2023年11期 v.51;No.311 13-23页 [查看摘要][在线阅读][下载 3764K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 二连盆地巴彦花凹陷煤层气成因类型及生气潜力

  孟芹;李玲;李杰;田文广;林海涛;李恒;

  二连盆地巴彦花凹陷是内蒙古低阶煤煤层气重点开发试验区，但勘探程度相对较低，对煤层气成因认识不足，在一定程度制约了勘探开发进度。通过对巴彦花凹陷煤层气井气样水样开展气体组分、稳定同位素、水化学及放射性同位素定年等测试，并结合经典天然气成因判识图版厘清气体成因，进一步剖析生气潜力，明确生气关键要素。结果显示：C_1/C_(1—5)>0.99, CO_2-CH_4系数[CDMI=φ(CO_2)/φ(CO_2+CH_4)×100%]基本小于5%，干燥系数(C_1/C_(2+))介于104～5 540,CH_4含量高、重烃及CO_2含量低。δ~(13)C(CH_4)介于-51.80‰～-67.70‰、 δD(CH_4)介于-226.20‰～-291.00‰，δ~(13)C(CO_2)介于-20.30‰～-37.60‰，为陆相生物成因气特征；判识图版中大部分煤层气样品落在生物成因气区域，甲烷产气途径为乙酸发酵和甲基发酵，CO_2主要是微生物产甲烷活动伴生产物。煤层水来源于大气降水，主要为NaHCO_3型弱碱性水，δ~(13)C_(DIC)为-2.6‰，δ~(18)O(H_2O)为-16.4‰，结合~(14)C定年表明水为第四纪水，非原生水，为现代混合水。结合全区构造和水文地质条件分析认为，巴彦花凹陷径流区利于乙酸发酵产气，弱径流区利于生物气富集成藏。区内低阶煤储层孔渗性较好，地温适宜，水文地质条件优越，利于生物气的生成，承压区水力封堵型生物气藏发育。水文地质条件是本区生物气形成关键，在煤层气勘探选区中应重点关注。

  2023年11期 v.51;No.311 24-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 992K]
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• 井地联合压裂长输管路支撑剂悬浮运移规律模拟研究

  李浩哲;姜在炳;孙四清;朱传勇;范耀;郭勇;程斌;

  井地联合压裂是煤矿井下长钻孔分段压裂的发展趋势之一，压裂液经地面压裂泵加压后通过地面贯通井、煤矿井下长输管路进入煤矿井下长钻孔实施大排量压裂。支撑剂在长输管路中的悬浮运移规律对于优化设计加砂参数、避免管路中砂堵具有重要意义。通过室内实验评价压裂液的流变性能和携砂性能；基于欧拉-颗粒流理论构建数值模拟模型，研究水平管内支撑剂悬浮运移规律及其影响因素；探讨压裂液携带支撑剂运移的流态以及临界沉降流速的计算模型。结果表明：1%降阻剂的加入能够使活性水压裂液黏度提高3～5倍，支撑剂密度越小，压裂液黏度、砂比越高，支撑剂在压裂液中的沉降速度越小；支撑剂在水平管内的流动受到多因素的综合影响，压裂液流速越小，支撑剂密度和粒径越大，支撑剂在管道底部的沉积越严重，携砂效果越差；随着管路直径的增大，管道出口截面支撑剂体积分数最大的位置由管道中下部移动至管道底部，支撑剂流动对于管路的磨损加重；砂比越大，支撑剂间的相互作用越强，压裂液携砂能力降低；优选采用疏浚技术规范推荐的模型计算活性水携砂条件下的支撑剂临界沉降速度，随着管路直径的增大，所需的临界携砂排量呈指数式增大，提高压裂液黏度可降低携砂所需的临界排量。建立的携砂运移临界排量模型和总结的支撑剂运移规律可对管路直径和压裂液排量进行优化匹配，为井地联合压裂施工提供理论支撑。

  2023年11期 v.51;No.311 34-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 1826K]
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• 层理特征对油页岩水力压裂裂缝扩展规律影响的数值模拟研究

  李彦伟;朱超凡;曾壹坚;水浩澈;范存翰;郭威;

  目前水力压裂是油页岩储层开发的主要技术手段之一，油页岩层理特征的差异对压后裂缝形态起主要影响作用，目前研究大多聚焦在层理发育程度对裂缝扩展的影响，忽略层理厚度本身对水力裂缝扩展的影响。以鄂尔多斯盆地旬邑地区油页岩为研究对象，基于线弹性断裂力学理论，构建应力-损伤-渗流的水力压裂裂缝扩展模型，并采取全局FEM-CZM的数值模拟方法，分析层理厚度、层理间距、地应力场对水力压裂裂缝扩展的影响规律，对比不同影响因素下裂缝的破坏类型、裂缝长度和层理沟通面积。结果表明：(1)层理厚度影响层理面对水力裂缝的拦截能力，在层理厚度较大时，会导致裂缝在层理面上扩展的倾向更强，发生张拉破坏，所对应的裂缝长度和层理沟通面积更大。(2)层理间距影响水力裂缝到达层理面的时间，较小的层理间距水力裂缝会直接穿透层理面，较大的层理间距增加裂缝扩展的阻力，伴随层理间距越大，发生张拉破坏，水力裂缝长度和层理沟通面积越大。(3)地应力场决定水力裂缝扩展方向，垂向地应力差较大时，垂向应力会对层理有压实作用，导致更容易穿透层理面扩展，垂向地应力差较小时，水力裂缝在层理面扩展多发生弯曲、分支情况，所对应裂缝长度和层理沟通面积均增加。建议在压裂施工选址方面选择层理厚度较大、层理间距较大、垂向地应力场较小的区域，更有利于形成高效渗流传热通道，该研究可为旬邑地区油页岩水力压裂施工提供指导。

  2023年11期 v.51;No.311 44-54页 [查看摘要][在线阅读][下载 2205K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 基于双Packer抽水试验的洛河组水文地质特征垂向变异性研究

  李超峰;刘业献;张金魁;任邓君;侯涛;刘增平;徐新启;马骥;王青振;段西亮;邢介波;李阳;

  为了精细探查鄂尔多斯盆地巨厚洛河组水文地质条件并定量评价其含水层段富水性垂向变异特征，提出采用导水系数进行含水层富水性评价，给出了导水系数法富水性7级分级标准；采用双Packer系统对陕西高家堡井田DJ1、DJ2钻孔洛河组垂向10个固定厚度层段进行抽水试验并计算水文地质参数，采用综合富水性指数法对洛河组垂向分层并对比分析其垂向分层水文地质特征。结果显示：(1)提出导水系数富水性分级标准，即T≤1 m~2/d、1 m~2/d<T≤10 m~2/d、10 m~2/d<T≤50 m~2/d、50 m~2/d<T≤100 m~2/d、100 m~2/d<T≤200 m~2/d、200 m~2/d<T≤400 m~2/d、T>400 m~2/d依次表示富水性极弱、弱、中等、强、很强、特强、极强。(2)采用综合富水性指数法将洛河组垂向上划分为上段、中上段、中下段和下段4个含水层段。(3)洛河组垂向分层水文地质特征存在差异。中上段和中下段厚度相对较大，分别为122.20～124.30 m和113.30～148.70 m，岩性以砂岩类地层为主，渗透系数K分别为0.598 9～0.708 5 m/d和0.111 5～0.211 5 m/d，导水系数T分别为65.60～116.94 m~2/d和11.05～30.89 m~2/d，均相对较大，富水性中等至很强，为主要含水层段；上段和下段厚度相对较小，分别为20.45～35.20 m和57.60～91.19 m，岩性为砂泥岩互层，渗透系数K分别为0.064 6 m/d和0.005 1～0.009 0 m/d，导水系数T分别为1.58 m~2/d和0.34～0.66 m~2/d，均相对较小，富水性极弱至弱，为次要含水层段。(4)导水系数在多个含水层段之间具有确定的换算关系，采用导水系数法评价显示洛河组含水层段富水性在垂向上存在显著差异，现场应用效果良好。

  2023年11期 v.51;No.311 55-64页 [查看摘要][在线阅读][下载 2215K]
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• 基于复杂地质体精细刻画的隧洞涌水量动态预测方法

  杜亚军;李清波;万伟锋;杨风威;李亚哲;钱会;

  在隧洞涌水量预测数值模拟中，准确刻画倾斜断层、倾斜隧洞等不规则地质体和地下构筑物是一个难题，且预测时通常假定隧洞开挖瞬间完成，而未考虑施工进度。通过解决三维地质模型与三维地下水数值模型耦合过程中要求的非自相交性和密封性问题，提出一套基于复杂地质体精细刻画的隧洞涌水量动态预测方法。首先在三维地质建模软件中构造倾斜隧洞、竖井、倾斜断层和不规则地质体的密封性边界面，其中倾斜隧洞和竖井需根据开挖进度分段构建，进而建立三维地质体模型。随后将三维地质模型数据以ml文件格式导入三维地下水模拟软件Feflow，利用Feflow的完全非结构化网格功能实现对复杂地质体的精细剖分。最后在Feflow精细剖分复杂地质体的基础上，将隧洞边界设置为第三类边界，通过设置交换系数与参考水头，实现考虑隧洞开挖进度和施工工艺(如注浆、衬砌等)的隧洞涌水量动态预测。将本方法应用于某地下工程倾斜隧洞与竖井的涌水量计算，实际效果较好。

  2023年11期 v.51;No.311 65-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 2996K]
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• 淮南阜东矿区二叠系砂岩高盐地下水低硫酸盐特征及成因机制

  姜春露;黄文迪;傅先杰;郑刘根;程世贵;单崇磊;

  矿区地下水水文地球化学研究对矿井水防治和水资源综合利用具有重要意义。针对安徽淮南煤田阜东矿区二叠系砂岩水低硫酸盐问题，通过水样采集测试，采用多元统计方法，结合水文地质条件分析和硫氧同位素技术，研究砂岩水水化学特征、水-岩作用以及低硫酸盐成因。结果表明：研究区二叠系砂岩水呈弱碱性，TDS平均值为1 842.35 mg/L，属于微咸水，水化学类型主要为Cl-Na型、HCO_3-Na型和Cl·HCO_3-Na型。SO_4~(2-)平均质量浓度为37.48 mg/L，明显低于淮南煤田东部潘谢矿区和淮北煤田二叠系砂岩水。主要水-岩作用为蒸发岩(氯盐岩和硫酸盐岩)和硅酸盐岩矿物溶解，存在阳离子交替吸附作用。由于边界阻水断层切割，二叠系砂岩含水层四周均为相对隔水边界，且埋藏较深，富水性弱，水动力条件较差，形成了一个封闭–半封闭的水文地质单元，具有较强的硫酸盐还原环境，有利于硫酸盐细菌还原，脱硫酸作用明显，导致δ~(34)S升高，砂岩水硫酸盐含量偏低。研究成果可为类似条件矿区涌突水水源识别提供依据。

  2023年11期 v.51;No.311 74-82页 [查看摘要][在线阅读][下载 1492K]
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• 高潜水位采煤沉陷区水质评价与污染因子识别

  胡林;陈永春;徐燕飞;李兵;王锦;安士凯;陈晨;孙宏杰;苗伟;

  淮南矿区潜水位高，采煤沉陷区范围广、面积大、水质监测数据缺失，水环境问题较突出，开展大尺度的沉陷区水质评价及污染因子识别，对于区域水环境治理工作意义重大。通过采集、测试研究区175个样点的水样，采用内梅罗污染指数法对沉陷区水域进行水质评价，采用综合营养状态指数法进行水体富营养化状态评价。结果表明：(1)开放型沉陷区Cu、As和Cr的水质评价等级为优良，DO、COD、NH_3-N、Hg、F~-评价等级为良好，TN、TP评价等级为较好。封闭型沉陷区，对标地表水Ⅲ类标准，Cu、Cr水质评价等级为优良，NH_3-N、Hg、As、DO为良好，COD、TN为较好，TP、F~-为较差；对标地表水Ⅴ类标准，NH_3-N、Hg、As、Cu、Cr的评价等级为优良，DO、COD、TP、TN为良好，F~-为较好。(2)研究区综合营养指数范围为40～90，平均68.61，属于中度富营养，沉陷区水体营养水平适中。175个水样中，轻度富营养占比8.57%，中度富营养占比51.43%，中营养占比2.29%，重度富营养占比37.71%。(3)对标《地表水环境质量标准》，常规指标中DO、NH_3-N超过Ⅴ类占比极小，而COD、TP、TN超过Ⅴ类占比较大；研究区所有水域均无重金属超标现象，测试结果极佳；无机阴离子指标F~-超过Ⅴ类占比较大。开放型沉陷区水域水质状况整体优于封闭型。对于开放型水域，张集、潘一沉陷区TP、F~-指标均较差；对于封闭型水域，潘一、潘三、顾桥、顾北、张集沉陷区TP指标较差，F~-污染分布呈现地域特征，淮河以北普遍较差，淮河以南普遍优良。所有水域的Cr、Cu、Hg、As、NH_3-N、TN、COD、DO指标均处于“优良-较好”区间内；开放型水域的F~-、TP指标均处于“优良-较好”区间内；封闭型水域中潘集片区F~-和凤台颍上片区TP均处于“较差”区间内；区域污染程度表现为凤台颍上片区>潘集片区>老矿区。(4)从保护煤矿区生态环境的角度出发，综合考虑2种污染因子识别方法的特性，最终确定淮南矿区采煤沉陷区污染因子有COD、TP、TN和F~-。本次水质评价工作识别了淮南采煤沉陷区污染因子，为地方政府和企业制定生态环保决策提供重要数据支撑。

  2023年11期 v.51;No.311 83-91页 [查看摘要][在线阅读][下载 2184K]
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• 西北生态脆弱区浅埋煤层保水开采隔水层稳定性评价方法

  李恒;何滔;郭宾;

  水资源保护与煤炭资源开采是西北地区面临的重要问题。保水采煤是西北地区实现煤炭资源与水资源协调发展的重要技术，其中隔水层稳定性评价是保水采煤技术的首要关键问题。针对西北生态脆弱区煤层埋深浅，地形切割强烈，近地表含水层变化较为复杂，传统的隔水层评价方法与实际水文观测情况存在较大误差等问题，提出采用三维地质建模和数值模拟相结合的方法以实现浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的精准评价。首先根据勘探信息和地形等值线构建直观可靠的三维地质模型以精细刻画地形切割及浅层含水层的复杂变化，然后选择典型工作面开展数值模拟分析煤层采动覆岩破坏特征以获取三维煤层模型各煤层点导水裂隙带高度，最后利用三维地质块体模型从全三维角度计算各煤层顶板点导水裂隙带高度与含水层覆岩厚度之差作为保水开采隔水层稳定性评价依据。以内蒙古鄂尔多斯满都拉煤矿为例，通过搜集区内36个钻孔柱状图与地形地质图构建精细化的三维地质模型并计算隔水层的稳定性。与2个井下积水区观测结果对比发现，传统方法计算的隔水层不稳定区未能准确反映南侧工作面充水区，而新方法计算的隔水层不稳定区更加精细，充分反映了第四系含水层受地形切割、风化、剥蚀的影响作用。研究结果表明，基于三维地质建模的浅埋煤层隔水层稳定性评价方法相对传统评价方法更能直观、精准刻画浅埋煤层采动对含水层的影响且适应性更强，能为保水开采提供精细化的评价指标。

  2023年11期 v.51;No.311 92-98页 [查看摘要][在线阅读][下载 1528K]
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• 采煤地裂缝MICP修复规律及影响因素实验研究

  李涛;高颖;闫敬旺;张嘉睿;寇规规;马腾飞;梅奥然;

  西北黄土覆盖区采煤地裂缝造成浅表水资源漏失和土体失稳，为此开展黄土覆盖区采煤地裂缝微生物诱导碳酸钙(CaCO_3)沉淀(Microbial Induced Carbonate Precipitation,MICP)修复实验研究。以陕北柠条塔煤矿为研究背景，对采煤地裂缝特征进行观测，揭示采煤地裂缝发育特征。结合矿山压力观测，划分黄土采煤地裂缝类型。基于采煤地裂缝分类和特征，采用无侧限抗压实验、三轴抗压实验、变水头渗透实验及三轴渗透实验，对比测试了两类裂缝黄土MICP修复样品的力学和水理参数。基于修复体pH、MICP CaCO_3产量和扫描电镜测试结果，剖析采煤地裂缝MICP修复影响因素。结果表明：黄土覆盖区采煤地裂缝可分为边界地裂缝和内部地裂缝2种类型。边界地裂缝条件下，菌液和胶结液的最佳比例为1.2∶1.0。内部地裂缝条件下，裂缝充填物中风积沙与黄土的最佳比例为1∶1，菌液和胶结液的最佳比例为1∶1。黄土覆盖区不同类型采煤地裂缝的开度差异，造成CaCO_3产率相差31.2%，因此，边界地裂缝较内部地裂缝最佳MICP修复液中胶结液成分所占比例更大。裂缝充填物中风积沙与黄土为1∶1时，充填物与修复液混合体的pH为9.2。该pH环境CaCO_3产率可达88%，促进了MICP高效运行。研究成果为黄土覆盖区采煤地裂缝修复提供了参考。

  2023年11期 v.51;No.311 99-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 1876K]
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• 大相似比模型试验用超高强相似材料配比试验研究

  战新宇;高林;赵芳昊;汪永印;刘萍;韩森;

  物理材料相似模拟试验是岩土工程领域中一种常用的研究手段，选择合适的相似材料并确定其配比是成功模拟原型工程的关键。现有相似材料多是针对几何相似比较小(1∶250～1∶25)的相似模拟试验研制，其强度普遍较小(0.2～7.6 MPa)，难以满足较大相似比模型试验的需求。因此，为配制出强度在10 MPa以上的适合较大相似比模型试验的超高强相似材料，选择河砂、重晶石、石膏及不同强度等级的水泥作为模型试验的相似材料原料，以骨胶比、水泥石膏比、重晶石含量及水泥强度等级为正交试验的4个因素，共设计25组不同材料配比方案。根据试验要求制备各类相似模拟试件并开展相应的岩石力学试验，获得不同配比相似材料的基本物理力学参数。结果表明：试验所得相似材料力学参数变化区间较大，抗压强度为3.017～48.179 MPa，能满足较大相似比下超高强度相似模拟试验的需求；通过直观分析法分析各因素对相似材料物理力学参数的敏感性和影响规律，发现重晶石含量对相似材料密度起主要控制作用，骨胶比对相似材料抗压强度、抗拉强度、弹性模量、内摩擦角起主要控制作用，水泥石膏比对相似材料黏聚力起主要控制作用；运用SPSS软件对相似材料配比正交试验结果进行回归分析，得出超高强相似材料配比的经验公式并进行工程应用，所得公式可为快速确定水泥石膏砂相似材料的配比提供理论依据。

  2023年11期 v.51;No.311 109-118页 [查看摘要][在线阅读][下载 1246K]
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• 冻融循环作用下露天煤矿内排土场土体力学特征及强度劣化机理

  张合勇;王雪冬;朱永东;王海鹏;漆利辉;

  为了探究冻融循环作用对土体结构和力学性质的影响机理，以内蒙古元宝山露天煤矿内排土场典型黏土为研究对象，采用室内冻融循环试验和MatDEM数值模拟，进行土体内部温度场、水分场和应力场的模拟分析。结果表明：排土场土料经过冻融循环后发生冻缩现象；低围压时应力-应变曲线呈现应变软化型，发生剪切破坏，围压升高后向应变硬化型转变，发生剪胀破坏；抗剪强度的劣化受前3次冻融作用的影响最为显著，在第3次达到最低值；温度的传递过程可划分为温度快速下降、缓慢相变过程、继续降温、温度稳定4个阶段；水分运移主要在温度传递的前2个阶段发生，且第二阶段的水分运移量居多；颗粒受冻融作用后整体半径缩小、分散性增大；温度和水分运移引起的颗粒胀缩、冰-水相变、冷生结构的形成等，导致颗粒的大小、位置、连接状态和颗粒间的应力等反复变化，共同驱动土体产生不可逆的结构性损伤，进而造成强度劣化。水分运移不仅为冷生构造的生长提供水源条件，还产生溶蚀、冲刷破坏，与水的相变共同成为冻融循环作用导致土体发生结构调整和应力场变化的主要原因。通过离散元法模拟冻融循环，有助于了解土体内部的力学特征和强度劣化机理，为冻区露天煤矿内排土场边坡及其他工程建设的稳定性研究提供参考。

  2023年11期 v.51;No.311 119-131页 [查看摘要][在线阅读][下载 6568K]
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• 露天煤矿采场无人机遥感图像小目标检测

  刘洺睿;车奔;董洪波;朱若篱;

  露天煤矿采场地形复杂，车辆事故时有发生，准确定位车辆位置对于安全生产至关重要。针对矿区无人机遥感图像小目标定位不准确的问题，提出了一种改进的YOLOv7目标检测模型。首先对原始网络模型中的ELAN模块进行卷积替换，加速网络的推理速度。并在此基础上，进一步结合eSE通道注意力机制，形成PConv-eSE卷积注意力模块，加强模型网络对小目标的特征提取能力，降低背景信息的影响。最后，使用NWD度量标准的损失函数，进一步优化网络，提高准确性。在矿区采场车辆数据集上对改进的模型进行了实验验证，结果表明：改进后的模型P_(mav)值达到94.5%，相对于原始模型上升了7.2%，有效解决了原始网络对于遥感小目标定位漏检的问题，为无人机在露天矿区小目标定位领域的应用提供了理论基础。

  2023年11期 v.51;No.311 132-140页 [查看摘要][在线阅读][下载 1116K]
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钻掘工程

• 基于钻柱状态估计的坑道回转钻进智能优化方法

  姚宁平;魏宏超;张金宝;陆承达;李浩;姚亚峰;柯友刚;张幼振;

  为解决现有研究中难以通过随钻获取孔底钻进参数，仅利用孔口数据进行回转钻进操作参数优化准确性不高、提升效果不足的问题，通过构造孔内状态观测器估计孔底钻进参数信息，提出基于钻柱状态的坑道近水平回转钻进智能优化方法。首先分析煤矿井下坑道回转钻进特性，考虑实钻约束条件，提出机械钻速和钻头磨损的优化目标评价方法；随后建立轴向和扭转维度的集中质量钻柱动力学模型，构建基于该模型的钻柱状态空间方程，得到了孔口-孔底钻柱运动状态映射关系；基于此设计了状态观测器，利用李雅普诺夫稳定性分析方法，得到反馈增益矩阵L，以估计孔底钻头的运动状态，并进行仿真分析评价；最后综合孔口采集的数据和孔底状态估计，运用NSGA-Ⅱ多目标优化算法实现了动力头转速和给进压力的优化，并利用安徽淮南某煤矿实钻数据进行了验证。结果表明，基于钻柱状态估计孔底信息进行优化后的钻速和司钻操作相比预计提升32.47%，仅利用孔口实测数据优化后的钻速仅预计提升15.04%，基于钻柱状态估计的坑道回转钻进智能优化方法更具优势，孔底估计钻进信息对提升钻进水平具有关键作用，研究对煤矿坑道回转钻孔实现高效、智能钻进具有重要理论与实际意义。

  2023年11期 v.51;No.311 141-148页 [查看摘要][在线阅读][下载 1150K]
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• 矿用钻孔机器人加卸钻杆的避障轨迹规划研究

  姚亚峰;姚宁平;彭涛;梁春苗;彭光宇;

  矿用钻孔机器人加卸钻杆位置会随主机的调姿而变化，同时在加卸钻杆路径中还存在障碍物。因此，钻孔的加卸钻杆过程存在变目标的避障轨迹规划问题。根据防爆六自由度机械手的性能参数建立DH参数表，并提出三自由度主机调姿前后加卸钻杆位置变化的函数关系。利用凸包络体结合简单几何体的包络法建立了加卸钻杆系统的碰撞检测模型，可通过欧氏距离判断是否发生碰撞。提出了三段式的加卸钻杆避障轨迹规划策略，第一段和第三段在笛卡尔空间下采用直线规划，第二段在关节空间下采用多项式插值算法进行规划，并可通过增加过渡点解决避障问题。开展了基于七次多项式插值的最小冲击避障轨迹规划算法研究，由仿真分析可知，关节角度、角速度、角加速度和角加加速度都是连续的，但绝对值峰值很大且路径较长。进一步开展了基于改进双树RRT算法、B样条路径优化及七次多项式插值的冲击优化避障轨迹规划算法研究，由仿真分析可知，不仅可保证关节角度、角速度、角加速度和角加加速度的连续性，且路径较短，角加加速度的绝对值峰值降低了98.2%。通过示教试验验证了冲击优化避障轨迹规划方法在避障、加杆轨迹规划等的可行性，机械手各关节运行曲线及运动路径与仿真结果具有较高的相似度。研究结果可为钻孔机器人加卸钻杆系统控制程序提供借鉴，对钻机智能化提升具有重要意义。

  2023年11期 v.51;No.311 149-158页 [查看摘要][在线阅读][下载 1584K]
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• 基于南海巨厚塑性泥岩地层特征的钻速预测模型

  曾小龙;李谦;魏宏超;陈嘉豪;朱海燕;

  南海油气资源是我国重要的能源接替区，但储层埋深大多较深，高围压下岩层展现的强塑性和复杂的地质环境严重影响了钻井时效，精确预测钻速也十分困难。基于此，针对南海巨厚泥岩地层具有独特的黏弹性和强塑性特征，建立智能钻速预测模型。该模型以南海某区域10口井的实际数据为样本，首先进行预处理，寻找离群值、降噪和标准化后，排除了若干影响因素；其次对5种实测地层特征(含地震波速、孔隙压力、破裂压力、上覆压力和地层岩性)使用因子分析，得到5种地层特征在3个公共因子下的关系；随后基于K-Means++算法进行分析，利用轮廓系数为指标，得出了该区域的地层聚类主要划分为2种地层类型，分别为以泥岩和粉砂质泥岩为主的地层类型和以粉砂岩、细砂岩和中砂岩为主的地层类型；在此基础上，引入5种地层特征，训练KNN分类模型，实现了对地层类型的准确预测；最后针对不同的地层类型，使用随机森林就不同的地层类型分别建立钻速预测模型，并在建立时使用经过贝叶斯优化算法进行超参数优化，得到了最适合的超参数组合。测试结果表明，所提出的基于地层分类预测的钻速预测模型在测试集的数据环境下，R~2达到0.991,E_(RMS)达到0.018,E_(MA)达到0.011，相比其他常规机器学习算法在该区域具有更高的预测精度。本研究可为寻找地层潜在分类对钻速预测精度的影响提供参考。

  2023年11期 v.51;No.311 159-168页 [查看摘要][在线阅读][下载 2233K]
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• 基于磁-惯性黏菌算法的随钻地磁误差在线补偿

  杨金显;蔡纪鹏;

  针对随钻测量环境中，捷联在钻具上的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)磁强计测量误差大引起钻具方位角严重失真的问题，提出基于磁-惯性黏菌算法(Magnetic Inertial Slime Mould Algorithm,MISMA)的随钻地磁误差在线补偿方法。首先，通过对磁强计输出误差进行分析，建立钻具地磁测量误差补偿模型，并把磁强计误差参数整理为解向量。然后，根据随钻环境下磁-惯性传感器的输出特性，在黏菌算法的基础上，给出理想磁输出数据的目标函数、钻具径切向皮尔逊不等式和磁场模值约束条件，根据陀螺仪数据解耦的地磁数据重新定义上下界，并把目标函数看作为适应度函数，对当前误差参数解向量的适应度值和最佳适应度值分别作差的绝对值与绝对值之和的比值来设计自适应参数控制算法的有界全局搜索范围，以提高MISMA搜索能力和收敛速度，通过设计磁模比来自适应调整随机步长，解决黏菌算法(Slime Mould Algorithm,SMA)易陷入局部最优的问题，通过计算当前地磁误差参数解向量和最优解向量对应的适应度值，先作归一化处理再作差，同时结合自适应参数值得到地磁误差参数解的深入开发阈值，进一步提高地磁误差参数向量解的质量。最后，对磁强计进行误差补偿，达到提高钻具方位角精度的目的。模拟实验和实钻实验表明，MISMA和SMA相比，在相同迭代次数下适应度值更小，且下降的速度更快，收敛速度提高了37.99%，钻具方位角绝对误差的平均值可保持在2.37°以内。研究可提高煤矿井下捷联在钻具上的MEMS磁强计测量精度，是获得可靠钻具方位角的有效方法。

  2023年11期 v.51;No.311 169-178页 [查看摘要][在线阅读][下载 1482K]
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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。

  2023年11期 v.51;No.311 179页 [查看摘要][在线阅读][下载 620K]
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