特约来稿

• 富油煤研究进展与趋势

  王双明;鲍园;郝永辉;王生全;师庆民;李丹;胡宜亮;

  富油煤是集煤、油、气属性于一身的煤基油气资源，针对国内“相对富煤、缺油、少气”的能源禀赋，开发富油煤对缓解我国紧张的油气资源供应局势、实现煤炭的绿色开发和低碳利用具有重要的意义。以富油煤为主要关键词，通过CNKI和Web of Science数据库检索自1985-2023年底已公开发表的学术论文和专利，统计分析富油煤的发展历程和主要研究内容，梳理了富油煤研究的热点方向与前沿领域，展望了未来发展趋势。研究发现：富油煤热解、赋存特征及沉积环境、孔隙和分子结构、焦油产率预测、微生物降解、资源潜力及开发利用是当前富油煤研究热点内容。富油煤含有热解可生成油气的富氢结构，如脂肪结构的侧链与桥键及缩合芳香核周缘的弱键结构；富油煤多形成于陆相沉积物供应稳定、气候温暖湿润、强还原条件下的沉积环境；孔隙结构影响富油煤的热解反应效率、焦油析出和油气运移，而分子结构(主要为脂肪族氢含量和富氢弱键)决定了富油煤的生油潜力；富油煤通过微生物的水解、发酵、产氢产乙酸和产甲烷4个阶段向油气转化。随着地质选区技术瓶颈突破及多学科交叉与融合，富油煤富油性评价指标与预测方法、富氢组分的来源与定量判识、原位开发围岩封闭性及其评价方法、微生物降解与热解联作技术将成为今后研究的热点方向。研究成果为厘清当前富油煤的研究方向和未来走势奠定了基础。

  2024年04期 v.52;No.316 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 1471K]
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煤炭地质 矿井地质

• 采动诱发断层活化响应机制特征研究

  孙文斌;郝建邦;戴宪政;孔令君;

  在煤矿开采过程中，采动引起的应力扰动是导致断层活化的关键因素，这种断层活化是煤矿安全开采面临的主要挑战之一。断层活化不仅易于诱发煤矿冲击地压、底板突水等地质灾害，而且对开采安全构成重大威胁。为分析采动效应下断层构造带的演化机制，通过Flac3D数值模拟软件及相似材料模拟试验，建立采动条件下断层的应力-位移响应模型，进行相关研究。结果表明：开采过程中，扰动对于应力的影响作用要先比位移产生，且应力会出现峰值；当应力出现峰值，达到屈服极限后，扰动对于位移的影响作用逐渐显现；随着工作面不断推进，采动导致上覆岩层大面积垮落，致使上覆岩层与断层带贯通，并逐渐诱发断层带的活化现象；采动影响下，断层活化并不是一次性全阶段活化，而是由上部到下部的逐渐活化，其具有明显的空间性、阶段性特征。明确了断层活化的发生特征，能够有效提高对于断层活化间接引起的冲击地压、底板突水等一系列地质灾害事故的预警预防，对于煤矿安全高效开采生产具有重要意义。

  2024年04期 v.52;No.316 12-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 2320K]
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• 不同围压与饱和度下含瓦斯水合物煤体能量变化规律

  祝威;高霞;张保勇;吴强;

  突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术，不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确，无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力-应变曲线，计算并分析不同围压(12、16、20 MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。研究表明：(1)含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大，外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能，在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。(2)当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%，其临界破坏点总能量不断增大，增幅分别为120.30%和81.60%，储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大，增幅分别为174.89%和110.73%，含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压，越不容易破坏。(3)能耗比随着轴向应变增加匀速增大，饱和度50%和80%时，临界轴向应变随围压的增加而增大，但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。(4)围压16、20 MPa下，储能极限随着储能系数的增加而增大，储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。(5)煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力，提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能，整体提升幅度21.11%～42.11%，有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律，可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

  2024年04期 v.52;No.316 21-34页 [查看摘要][在线阅读][下载 1809K]
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• 构造煤层顶板爆破跨界面致裂增透机制研究及应用

  高魁;王有为;乔国栋;田宇;傅师贵;

  深部煤炭开采地质条件恶化，原生煤在多期构造运动作用下形成松软低渗高瓦斯构造煤层，煤层钻孔施工困难，爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实。针对目前构造煤层顶板爆破致裂增透关键技术没有得到根本突破问题，构建试验模型进行煤层顶板爆破相似模拟试验和数值分析，监测跨界面应力波传播和宏观三维裂隙演化形态，再现了爆破应力波传播和煤岩体内部损伤破坏过程。研究表明：(1)构造煤层爆破损伤范围主要集中在爆破孔和煤层上下煤岩交界面附近煤体；构造煤顶板爆破产生跨界面致裂卸压裂纹，爆破损伤沿爆破孔向四周岩体扩展，最后蔓延到煤层底板，爆破孔位置和上部煤岩交界面以及煤层内部的损伤较为严重。(2)爆破应力波从构造煤层顶板传播到煤岩交界面时发生波的透射和反射，透射的压缩应力波破坏煤体；反射的拉伸应力波反作用于煤岩交界面区域岩体。(3)爆破累积损伤产生的跨界面交叉裂纹卸压，使顶板岩层裂隙和构造煤层裂隙贯通，有利于构造煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。现场应用表明，煤层顶板爆破瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升，瓦斯抽采纯量从爆破前的0.07 m3/min提高到1.73 m3/min，体积分数从10.46%上升到68.50%，并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部构造煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

  2024年04期 v.52;No.316 35-46页 [查看摘要][在线阅读][下载 2300K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 煤层气水平井开发的理论技术初探——兼论煤层气和页岩气开发条件对比

  王红岩;段瑶瑶;刘洪林;赵群;陈尚斌;卢海兵;施振生;孙钦平;陈振宏;周尚文;杨明伟;王聪;

  经过30 a的不懈探索，我国煤层气开发井型逐渐由直井向水平井开发过渡，水平井开发煤层气的基础理论是制约当前煤层气开发的主要问题。和页岩相比，煤层页理和脆性矿物不发育，非均质性更强，不利于体积缝网的形成。但煤层顶底板封盖强，机械强度高，具备较好的水力压裂条件。部分煤层裂隙被方解石等填充，酸化有利于储层渗透率改善和复杂裂缝形成。因此，建立一套适合煤层气储层特征的水平井开发工艺尤为重要。针对煤层地质特征，从水平井长度优化、簇间距优化、压裂液选择、支撑剂选择、返排率、最终可采储量(EUR)特征6个方面，系统分析煤层气水平井开发技术经济政策，认为煤层气水平段长度一般不超过1 000 m，簇间距15～30 m储层改造效果较好；深部煤层气压裂液中加入滑溜水破胶剂及少量低温辅助破胶剂可提高破胶效率；相比中浅部煤层气储层，深部煤层压裂支撑剂应提高大粒径(0.425/0.850 mm)比例；深部煤层(如大吉区块8号煤)达到最高产气时的压裂液返排率与威远-长宁页岩气相近；煤层气EUR偏低，但用液强度、加砂强度大，应提高煤层气开发效率及经济效益等。煤层气开发效果受地质特征和开发工程技术协同控制，从地质工程一体化角度，提出下步煤层气水平井开发的对策，指出应进一步优化煤层气水平井开发工艺；完善水平井钻完井与配套技术，降低单井钻完井成本；依据煤粉迁移规律，实现煤层气水平井控粉有序返排，提高排采效果；依据游离与吸附气赋存比例，优化生产控制技术提升单井EUR。

  2024年04期 v.52;No.316 47-59页 [查看摘要][在线阅读][下载 1979K]
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• 川东南南川区块龙潭组深部煤层气成藏特征及勘探前景

  郭涛;金晓波;武迪迪;解飞;刘尽贤;

  四川盆地东南缘南川区块Y2井直井自喷日产气1.3×10~4 m~3，获四川盆地东南缘深部煤层气勘探战略突破。为了系统揭示南川区块深部煤层气富集高产规律，通过区域地质、测试、化验及生产资料，从煤岩煤质、孔裂隙发育特征、含气性、可压性入手，开展深部煤层气成藏特征及勘探潜力评价。结果表明：研究区深部煤储层全区稳定分布，厚度在1.5～4.2 m，镜质体随机反射率Rran在1.6%～2.2%，为高镜质组含量、低灰分煤层，为煤层气成藏提供了物质基础；煤储层为“微孔-微裂隙”型储层，微孔占比达78.4%，其比表面积贡献达95%，利于煤层气吸附与保存，微裂隙发育，利于压裂改造及气体渗流；煤层具有“高含气量、富含游离气”的特征，总含气量12～37 m~3/t，深部煤层气游离气占比一般在24%～36%，吸附临界转换深度在1 500 m左右；深部煤层水平应力差异系数小，煤体结构好，顶板为良好的应力隔档，天然裂缝与最大主应力夹角小，具有良好的可压性；丁山、林滩场等盆缘宽缓背斜及盆内高陡背斜是川东南深部煤层气勘探的有利区带。研究成果对川东南深部煤层气勘探具有重要的指导作用，也可为全国类似盆地深部煤层气勘探提供借鉴。

  2024年04期 v.52;No.316 60-67页 [查看摘要][在线阅读][下载 1557K]
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• 煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

  庞涛;姜在炳;惠江涛;贾秉义;

  复杂含煤地层顶板水平井射孔压裂是增加煤层透气性、提升瓦斯抽采效率的关键，而地层结构和射孔位置影响裂缝扩展形态。考虑地层结构特征及射孔位置，建立压裂工程地质模型；基于有限元方法构建数值模型，研究射孔位置、地层条件、垂向应力与水平应力差对裂缝扩展的影响，并进行工程验证，提出施工建议。结果表明：射孔孔眼位置存在全部位于煤层中、全部位于顶板岩层中和部分位于顶板部分位于煤层3种情况。孔眼位于煤层中，裂缝受到界面的“阻隔”作用，对煤层改造有利；孔眼位于顶板，当顶板层理发育，垂向应力与最小水平主应力差大于2 MPa时裂缝能够穿越层理和界面进入煤层，而顶板完整时，应力差大于-2 MPa裂缝即可在孔眼诱导作用下进入煤层，顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用，结构完整地层有利于裂缝的垂向穿层扩展；孔眼部分进入煤层，对裂缝起裂、扩展产生明显诱导作用，形成沿界面的水平缝和进入煤层的垂直缝，无论顶板是否完整，都能形成有效改造裂缝。当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂施工规模不足时，建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施，以保证压裂效果。研究结果在陕西韩城某煤矿的井下分段压裂施工中进行了应用，试验孔瓦斯抽采效果良好，可为类似地质、工程条件下的压裂施工提供借鉴。

  2024年04期 v.52;No.316 68-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 1525K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 蒙陕接壤区煤层顶板涌水水源智能判别方法

  王皓;孙钧青;曾一凡;尚宏波;王甜甜;乔伟;

  蒙陕接壤区煤炭高强度开采诱发的煤层顶板水害问题日益凸显,高效智能地判别煤层顶板涌水水源是顶板水害防治的关键。以蒙陕接壤区3个典型矿井为研究对象,将无机指标K~++Na~+、Ca~(2+)、Mg~(2+)、Cl~-、SO_4~(2-)、HCO_3~-TDS和有机指标UV_(254)、TOC、溶解性有机质(DOM)的荧光光谱作为判别指标,利用主成分分析法(PCA)对80组地下水水样数据进行主成分提取,提出一种人工鱼群算法(AFSA)改进随机森林(RF)的PCA-AFSA-RF顶板涌水水源智能判别方法。首先,建立PCA-RF判别模型,其准确率(A_c)、精确率(P_r)、召回率(R_c)和F-measure指数(f_1)分别达到了83.00%、83.17%、80.42%和79.57%;其次,通过AFSA对PCA-RF判别模型中决策树数目、树深和内部节点分裂所需的最小样本数进行寻优,在AFSA中引入遗传机制以避免陷入局部最优,建立基于PCA-AFSA-RF的煤层顶板涌水水源智能判别模型,该模型A_c、P_r、R_c、f_1分别达到92.18%、91.11%、87.58%和88.82%,较PCA-RF分别提高9.18%、7.94%、7.16%和9.25%,回代准确率达到97.50%;最后,利用该模型对12个矿井水水样进行判别,结果与现场实际相一致,表明AFSA改进后的PCA-RF模型具有更好的准确性和泛化能力。研究结果可为煤层顶板涌水水源的准确判别提供新方法。

  2024年04期 v.52;No.316 76-88页 [查看摘要][在线阅读][下载 1615K]
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• 考虑采动效应的闭坑矿井水硫酸盐污染规律

  齐跃明;周沛;周来;蒋丹;杨雨晴;刘延卓;

  高硫煤矿闭坑后成为埋藏在地表以下深部的产酸污染场，对相邻含水层和周边环境造成了潜在危害，且因采动效应影响和矿井空间分布复杂导致相邻含水层的污染过程与污染程度评价困难。以某闭坑矿区为研究对象，选取SO_4~(2-)作为特征污染物，考虑多煤层采动裂隙对含水层结构的破坏影响，运用数值模拟技术对闭坑矿区酸性矿井水中SO_4~(2-)污染迁移特征进行研究，并分析流体扩散系数对含水层污染物运移的影响。结果表明：SO_4~(2-)在二叠系童子岩组砂岩含水层中水平迁移面积随时间增大而增大，增大速率逐渐减小，垂向渗透系数扩大10倍，空间变异性增强；闭坑5、10、15 a后，最大水平迁移距离分别为215、414、612 m，最大垂向迁移距离分别达到50、65、70 m；而扩散系数越大，产酸时间越长，SO_4~(2-)迁移距离和污染范围将随之增大，相较于水平方向，垂向上SO_4~(2-)浓度变化对扩散系数的敏感度更高。基于模拟结果，结合闭坑矿区实际条件，针对性提出了“源头减量-过程阻断-末端治理”的综合防控与治理方案。研究结果将为该闭坑煤矿酸性矿井水污染治理与防控提供理论基础，也为其他同类矿井提供科学借鉴。

  2024年04期 v.52;No.316 89-100页 [查看摘要][在线阅读][下载 2856K]
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• 灰岩在烧变过程中的热破裂机制试验研究

  张卫强;曹志成;周琦忠;王左券;吴云;

  自燃煤层围岩在不同高温作用下会引起不同程度的结构损伤，导致其物理力学性质和工程地质效应发生显著变化。为深入认识烧变过程中岩石的结构演化规律，以徐州某矿底板灰岩为研究对象，开展不同温度作用下的热破裂试验，从多尺度上探究岩石热破裂的规律，并结合数值模拟和微观结构测试揭示其发育机理。结果显示：(1)方解石填充裂隙、层理等相对软弱结构面的热破裂温度阈值在300～400℃，完整岩石结构的热破裂温度阈值在500℃左右；600℃之前的热破裂形态较简单，基本是直线型裂纹，且宽度较小、数量较少；700℃以上出现宽度和长度显著增大的弧形热裂纹，热裂纹两侧试样的颜色有明显区别，靠近热裂纹的白色部位还发育一些连通弧形裂纹的次级小裂纹；800℃时，试样颜色全部变白，结构完全破碎，成散体状。(2)从微观结构和热应力角度阐释灰岩热破裂发育机理，发现试验温度路径下试样的热破裂主要发育在降温过程中，且最大热应力差主要在靠近试样表面的近似环形带上分布。500℃以下的热破裂成因主要为热应力在试样的原始缺陷处集中，并超过了部分软弱结构的抗拉强度；500℃以上受热应力与矿物分解共同控制，500℃以上升降温过程中的最大热应力基本超过灰岩的抗拉强度，且菱镁矿、白云母、白云石等矿物逐渐分解，逐渐增多的内部缺陷为应力集中提供有利条件，加剧了热破裂的发育；当温度达到800℃时，热破裂发育程度很高，且白云石和方解石快速分解，生成CaO，部分CaO在冷却过程中与空气接触生成Ca(OH)2，热裂纹与主体矿物分解共同导致试样结构的破碎。研究成果可为岩体破裂和地质结构演化分析奠定基础。

  2024年04期 v.52;No.316 101-110页 [查看摘要][在线阅读][下载 2169K]
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• 基于SSA-CG-Attention模型的多因素采煤工作面涌水量预测

  丁莹莹;尹尚先;连会青;刘伟;李启兴;祁荣荣;卜昌森;夏向学;李书乾;

  矿井工作面涌水量预测对确保矿山安全、优化资源配置、提高工作效率等都具有重要作用。为提高预测结果的准确性和稳定性，基于钻孔水位和微震能量数据与涌水量的强关联性，选择其作为多因素特征变量，提出SSA-CG-Attention多因素矿井工作面涌水量预测模型。该模型在门控循环单元(Gated Recurrent Unit,GRU)提取时序特征的基础上，与卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)融合形成新的网络结构提取数据的有效非线性局部特征，并且加入注意力机制(Attention)，在预测过程中将注意力集中在输入元素上，提高模型的准确性。最后通过麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)优化模型参数，避免局部最优解的问题。将提出的模型分别与传统的BP神经网络、LSTM、GRU单因素涌水量预测模型以及MLP、SLP、SVR、LSTM、GRU、SSALSTM、SSA-GRU多因素涌水量预测模型的预测结果进行对比分析，结果表明：SSA算法以最少迭代次数快速寻优，避免了局部最优解的缺陷；SSA-CG-Attention多因素涌水量预测模型整体预测指标绝对误差(E_(MA))、均方根误差(E_(RMS))以及平均绝对百分比误差(E_(MAP))分别为5.24 m3/h、7.25 m3/h、6%，指标方差和为8.90。相较于其他预测模型预测精度更高，相较于单因素涌水量预测模型，多因素涌水量预测模型预测结果更加稳定。研究结果为矿井工作面涌水量预测提供了新的思路与方法，对矿井工作面涌水量预测及防控有着借鉴与指导作用，具有一定的理论价值和现实意义。

  2024年04期 v.52;No.316 111-119页 [查看摘要][在线阅读][下载 1520K]
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• 基于CT扫描的重构土壤孔隙结构及其对水盐运移影响

  李华焜;郑刘根;陈永春;李兵;陶鹏飞;李浩;

  煤矸石是煤矿沉陷区土地充填复垦的关键材料。但煤矸石质地较为粗糙，持水性较差，煤矸石重构土壤的孔隙结构和水盐运移都会与原状土壤产生一定差异。为研究煤矸石充填土壤孔隙结构变化以及对水盐运移的影响，利用CT扫描技术和图像分析方法，分析覆土、泥矸混合、矸石与原状土样品的孔隙结构差异，同时设计一种室内重构土壤水盐运移模拟装置，通过在实验装置不同深度布设传感器，连续记录重构土壤剖面水分与盐分的运移情况。结果表明，在原状土、覆土、泥矸混合与矸石4份样品中，矸石样品孔隙率高于其他样品，达到8.299%，导致其持水能力较差；泥矸混合样品小孔隙占比高，达到58.73%，孔隙连通性较差，缺乏水分运移通道，导致层间障碍带的形成；覆土样品与原状土样品孔隙结构非常接近。在土柱模拟实验中，土壤盐分含量随水分运移而变化，各土壤层含盐量均先升高后降低，入渗结束后，表层土壤完成脱盐，深层土壤呈现积盐状态。在注水6 d内，土壤层含盐量均先降低后升高，50 cm土壤层变化幅度最大，为38.34%。深层土壤盐分借助毛管力作用向上运移，表层土壤含盐量逐渐回升。由于层间障碍带的存在，矸石层水分与盐分均难以向上运移，其含量逐渐下降。研究结果可为沉陷区土地充填复垦和矿区生态修复提供参考。

  2024年04期 v.52;No.316 120-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 1572K]
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煤田物探 矿井物探

• 基于2.5D有限元的高密度电法不同装置勘探效果研究

  赵荣春;吕玉增;张智;韦柳椰;潘泓序;

  高密度电法是一种适用性广泛的电阻率勘探方法，拥有多种电极排列装置选择。不同装置由于电极分布方式的差异，在针对不同地质目标和测区环境时往往表现出明显不同的探测能力。为探究各排列装置的特点及其适用情况，推导了2.5D电位的变分问题，采用Delaunay三角化算法实现了非结构化网格剖分，进而实现了有限元正演模拟。结合实践，对常见地质情况进行建模，分别使用温纳α、温纳β、施伦贝谢尔、偶极-偶极4种装置开展正反演对比研究。研究发现：(1)在探测未知区域单个异常体时，温纳β、施伦贝谢尔2种排列的效果更好；(2)在探测相邻较近的多个异常体时，应优先采用具有更高水平分辨率的施伦贝谢尔和偶极-偶极排列；(3)对于低阻破碎带的勘探，温纳β和偶极-偶极排列更为适用；(4)当地层具有较好分层界限时，4种排列均可体现良好的分层效果。因此，高密度电法勘探实践中应综合考虑不同排列装置的特点，根据具体情况选用合适的多种排列方式进行测量，并对采集数据进行综合对比分析，以获得更为准确的解释结果。

  2024年04期 v.52;No.316 128-136页 [查看摘要][在线阅读][下载 4646K]
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• 复杂地形瞬变电磁三维正演模拟与地形效应分析

  屈少波;朱姣;姜志海;李毛飞;何治隆;

  目前，地面瞬变电磁法凭借其优势已被广泛用于煤矿水文地质勘查中，然而，在野外实际勘探中，复杂地形环境常导致发射源几何形状的改变与信号接收偏差，降低了勘探精度。为此，采用理论分析、数值模拟和实际地形数据分析相结合的方式，系统研究了复杂地形条件下电性源与磁性源瞬变电磁场的响应特征。首先，基于二阶后退欧拉离散的矢量有限元正演模拟技术，详细探讨了山峰和山谷地形位于接收点和发射源位置时，对两种源系统的影响规律。结果表明：电性源系统会出现响应变号现象，源导线位置高于周围地形时响应增强，反之则被削弱；而磁性源无变号现象，但响应变化规律与电性源类似。其次，利用实测地形数据，采用四面体网格建立与实际地形高度吻合的三维正演模型。模拟结果显示：早期响应曲线能够清晰反映地形细节，曲线形态与地形特征一致；而晚期响应则逐渐趋于平缓，体现了深部背景的影响。研究成果可为复杂地形条件下瞬变电磁法的勘探装置布设、数据采集、处理和解释提供理论指导，对提高煤矿水文地质勘探精度具有重要意义。

  2024年04期 v.52;No.316 137-151页 [查看摘要][在线阅读][下载 3504K]
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钻掘工程

• 煤矿井下掘进机器人路径规划方法研究

  张旭辉;郑西利;杨文娟;李语阳;麻兵;董征;陈鑫;

  针对煤矿非全断面巷道条件下掘进机器人移机难度大、效率低下等问题，分析了煤矿井下非结构化环境特征及掘进机器人运动特性，提出了基于深度强化学习的掘进机器人机身路径规划方法。利用深度相机将巷道环境实时重建，在虚拟环境中建立掘进机器人与巷道环境的碰撞检测模型，并使用层次包围盒法进行虚拟环境碰撞检测，形成巷道边界受限下的避障策略。考虑到掘进机器人形体大小且路径规划过程目标单一，在传统SAC算法的基础上引入后见经验回放技术，提出HER-SAC算法，该算法通过环境初始目标得到的轨迹扩展目标子集，以增加训练样本、提高训练速度。在此基础上，基于奖惩机制建立智能体，根据掘进机器人运动特性定义其状态空间与动作空间，在同一场景下分别使用3种算法对智能体进行训练，综合平均奖励值、最高奖励值、达到最高奖励值的步数以及鲁棒性4项性能指标进行对比分析。为进一步验证所提方法的可靠性，采用虚实结合的方式，通过调整目标位置设置2种实验场景进行掘进机器人的路径规划，并将传统SAC算法和HER-SAC算法的路径结果进行对比。结果表明：相较于PPO算法和SAC算法，HER-SAC算法收敛速度更快、综合性能达到最优；在2种实验场景下，HER-SAC算法相比传统SAC算法规划出的路径更加平滑、路径长度更短、路径终点与目标位置的误差在3.53 cm以内，能够有效地完成移机路径规划任务。该方法为煤矿掘进机器人的自主移机控制奠定了理论基础，为煤矿掘进设备自动化提供了新方法。

  2024年04期 v.52;No.316 152-163页 [查看摘要][在线阅读][下载 1817K]
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• 煤矿采空区覆岩“三带”智能识别方法

  李建文;赵文;吴振坤;徐小兵;王庆涛;段隆臣;

  为了探明煤矿采空区覆岩破坏类型与裂隙发育情况，快速准确划分采空区覆岩弯曲带、断裂带、垮落带(简称“三带”)，提出智能识别方法，为制定采空区治理方案提供依据。以山东某矿区采空区为例，采用贝叶斯在线变化点检测(Bayesian Online Changepoint Detection,BOCD)算法对钻进过程中的冲洗液漏失量和钻速数据在煤矿采空区“三带”界限处的变化及响应特征进行分析。以勘察规范中有关“三带”高度计算经验公式作为约束条件，对冲洗液漏失量和钻速数据中的候选变化点进行检测、优选，进而确定煤矿采空区“三带”界限深度。智能识别的结果与实际值吻合，其中，弯曲带下限、断裂带下限、垮落带下限的深度误差分别为+0.67、+0.31和+0.52 m，弯曲带、断裂带和垮落带的高度误差分别为+0.14%、-0.63%和+2.49%。基于钻进数据的采空区覆岩“三带”智能识别方法精度满足设计需要，切实可行。该方法将钻进数据与经验公式相结合，在钻进过程中即可完成“三带”界限的划分，充分发挥数据的时效性，避免了技术人员主观判断对识别结果产生影响。相较于依靠多种方式综合确定“三带”界限的传统方法，该智能识别方法显著提高了“三带”划分的时效性和准确性。

  2024年04期 v.52;No.316 164-171页 [查看摘要][在线阅读][下载 1637K]
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• 采煤机截割部低照度图像的边缘检测技术

  贾澎涛;靳路伟;王斌;郭风景;李娜;

  针对井下低照度环境下采煤机截割部边缘检测任务中存在的边缘缺失、细节模糊等问题，提出一种基于分数阶微分的边缘检测Lif算法。首先采用更大的检测模板尺寸，根据Grünwald-Letnikov分数阶定义构造最初的分数阶掩膜算子；然后根据Pascal三角形理论确定掩膜算子上各位置的权重系数，并将掩膜算子扩展到4个不同方向；最后将得到的掩膜算子与图像进行卷积，利用图像的局部特征信息对每个方向的微分结果进行后处理。结果表明：(1)在进行多个不同场景的井下低照度图像上的实验时，Lif算法可以更全面地获取图像中不同方向上的边缘信息，在处理低照度图像时具备更强的抗噪性能，并且提取的边缘线条比其余边缘检测算法更加清晰、完整，保留了更多的纹理细节信息。(2)在客观指标评价的对比上，与基于分数阶灰色系统模型的边缘检测算法以及改进的分数阶Sobel边缘检测算法相比，Lif算法在Entropy指标上分别提高了43%、11%,AG指标上分别提高了23%、23%,SSIM指标上分别提高了152%、6%。表明Lif算法在进行采煤机截割部的边缘检测任务时更具优势，研究对井下设备工作运行时的安全性和可靠性提升具有重要意义。

  2024年04期 v.52;No.316 172-178页 [查看摘要][在线阅读][下载 1572K]
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• 自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

  刘勇;李阳;魏建平;苑永旺;代硕;李林豫;

  自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段，为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果，本文基于射流反冲理论，分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系，构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程，分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律，并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法，设计了自驱修孔钻头，并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明：(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数，通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下，钻齿结构对破煤体积影响较大，阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120 N、扭矩0.6 N·m时，阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为：钻头外径28 mm；后置喷嘴张角20°，偏心角90°；前置喷嘴张角90°，偏心角0°。(4)工程应用结果表明：瓦斯抽采纯量提高了1.96倍，瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍，修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构，设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

  2024年04期 v.52;No.316 179-189页 [查看摘要][在线阅读][下载 1852K]
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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。

  2024年04期 v.52;No.316 190页 [查看摘要][在线阅读][下载 1191K]
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