特约来稿

• 西部矿区采动损害及减损开采的地质保障技术框架体系

  王双明;孙强;耿济世;袁士豪;谷超;杨多兴;牛超;路拓;郭晨;张唤兰;黄海鱼;师庆民;

  【目的】煤炭在我国的主体能源地位短期内难以发生改变，是我国能源发展的兜底保障。煤炭资源大规模、高强度的开采损害煤矿区地质环境，同时导致突水、冲击地压等灾害。【方法】围绕煤矿安全高效开采面临的地质环境损害预测预警难和减损开采保障压力大等难题，基于煤炭采动损害预测与减损地质保障多学科交叉特点，突出地质条件的控灾机理和采动致灾模式，强调煤炭开采模式与地质结构演化全时空多场响应，分析采动效应下地质条件物质场、能量场、信息场的耦合机制，厘清损害模式和预警信息关键参量的映射关系，形成安全高效开采的地质保障策略和减损控灾工程技术体系。【结果和结论】研究思路为“孕灾环境→损害机制→过程响应→损害预测→防灾减损”，技术路线是“煤矿开采地质环境条件→地质结构演化规律及损害模式→多物理场演化全时空信息响应→损害监测及预测预警→减损保障工程技术”。核心内容包括：(1)剖析地质条件与致灾地质体的空间关系和成因联系，构建高精度的三维地质力学模型，阐明地质结构、开采条件和损害模式的映射关系，建立主控要素的特征参量数据库；(2)构建采动效应下的工程地质力学模型，研究开采方式、空间布局、采动速率等影响下地质条件结构的时空演化特征和损害机制，提出考虑地质体关键结构破坏演化规律的损害模式判识方法；(3)获取采动过程地质结构演化背景下的全时空多源信息响应，提出主控参量作用下的损害模式识别标准，进而厘清裂隙场、应力场、渗流场与地球物理场信息参量的镜像关系，建立基于地质条件物质场、能量场和信息场耦合响应的全时空信息映射模型；(4)构建地面-钻孔-井下的全空间、多方位、主被动的一体化多源监测体系，提出煤矿采动损害预测模型和预报方法；(5)构建基于损害源、损害模式、损害动力、损害通道剖析以及减损技术与效果评价于一体的减损控灾体系，追求煤炭安全开采与地质环境保护协调发展，破解资源开发与地质环境制约之间的矛盾，为煤矿安全高效开采和防灾减损提供地质、力学、物理基础的科学依据。

  2024年09期 v.52;No.321 1-13页 [查看摘要][在线阅读][下载 1747K]
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• 华北赋煤区地热资源富集模式及开发利用方向

  庞忠和;段忠丰;

  【目的】中国是煤炭大国，在煤炭行业迫切需要转型的形势下，研究赋煤区的地热资源成因与分布规律十分必要。华北赋煤区地热资源储量占全国的74.7%，是中国地热资源最富集的区域之一。区内分布有渤海湾盆地、鄂尔多斯盆地、沁水盆地和南华北盆地等主要含煤盆地，其岩石圈热状态自东向西逐步降低。地热储包括新生界砂岩孔隙型和寒武-奥陶系碳酸盐岩岩溶-裂隙型两大类型。碳酸盐岩岩溶-裂隙热储温度高、水量大、易于回灌，是煤田区地热勘查与开发利用的优先选择。【方法】针对煤田区地热地质的特点，开展地热系统动力学分析，优选华北赋煤区的地热勘查与开发区域。【结果和结论】提出煤田区有以下4种聚热模式：(1)煤层与碳酸盐岩地层储盖组合传导聚热；(2)基岩面起伏变化传导聚热；(3)断裂带地下水活动对流聚热；(4)碳酸盐岩基岩面风化壳岩溶以及侵入体接触面岩溶对流聚热。并结合实例进行数值模拟分析。在此基础上，指出华北赋煤区地热勘查与开发优先方向是深部碳酸盐岩储层中的地热资源。地热能作为非碳基能源之一，以其储量大、清洁、输出连续的特点，在未来社会对电力、燃料和热力三大能源需求中的热力供应方面尤其可以做出重要贡献，而中国地热与煤炭资源在空间分布上的重叠，使地热开发利用成为煤炭行业转型的有效途径之一。

  2024年09期 v.52;No.321 14-22页 [查看摘要][在线阅读][下载 1712K]
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煤炭地质 矿井地质

• 西山煤田岩溶陷落柱柱壁角特征研究及其意义

  赵金贵;王江玮;杨高峰;郭敏泰;

  【意义】随着采掘向深部延伸，岩溶陷落柱已成为华北煤田矿井开采最隐蔽的致灾地质因素之一。柱壁角是描述陷落柱形态特征的重要指标之一。【方法和结果】以西山煤田上下煤层综采均切割过的265个岩溶陷落柱为数据源，通过分区、统计、函数构建、地质类比，挖掘西山煤田岩溶陷落柱柱壁角中蕴藏的地质信息，获得如下认识：(1)西山煤田陷落柱平均柱壁角为84.29°，超50%的陷落柱柱壁角在85°～90°，平均柱壁角自西北到东南逐渐增大，从82.05°增大到87.57°。(2)西山煤田陷落柱柱壁角与8号煤层揭露的陷落柱面积成反比，依据柱壁角与陷落柱面积大小关系，陷落柱划分为：充分塌陷陷落柱(90°～85°)、次充分塌陷陷落柱(<85°～81°)、不充分塌陷陷落柱(<81°)；对应的2号煤层陷落柱面积分别为<556、556～1 700、>1 700 m~2，等效半径为<13.3、13.3～23.3、>23.3 m；对应的8号煤层陷落柱面积分别为<1 250、1 250～2 750、>2 750 m~2，半径分别为<20、20～30、>30 m。充分塌陷陷落柱一般发育有柱顶空腔，柱体结构较为松散，可导通顶板裂隙水与柱顶空腔水，以及底板承压奥灰水，是西山煤田导水陷落柱的一种重要类型。【结论】类比地质历史时期降雨量结果显示，具有“北柱南相”的西山煤田岩溶陷落柱，可能形成于气候湿热的古近纪渐新世时期，强烈的岩溶作用吸收了大气中的CO_2，并锁定在沉积区，可能是导致全球大气CO_2含量急剧降低的重要原因。

  2024年09期 v.52;No.321 23-30页 [查看摘要][在线阅读][下载 2164K]
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• 低频振动激励煤体共振增渗实验系统研制及应用

  温志辉;郭树乾;魏建平;张铁岗;王建伟;张立博;任永婕;

  【目的】振动波激励煤体共振增渗技术作为一种新兴的绿色高效增渗手段，利用低频振动所产生的应力波激励煤体使其孔裂隙发育，渗透率提升。为研究激励频率、应力场及共振效应等因素对增渗效果的影响，探明低频振动激励煤体共振增渗机制，自主设计研发了低频振动激励煤体增渗实验系统。【方法】该实验系统包括主机控制单元、煤样夹持单元、振动激励单元与煤体振动参数监测单元四个部分，可以测试煤体的固有频率、模拟不同强度的激励条件和实时监测振动激励下煤体的振动响应特征。以河南焦作赵固二矿无烟煤样品为研究对象，利用该实验系统开展煤体固有频率测试实验及低频振动激励下煤体渗流实验，揭示在不同激振参数、应力大小等因素下低频振动激励煤体渗透特性变化规律，实现煤体原位受迫振动，通过监测煤体振动响应特征，观测煤体在低频振动激励下所出现的共振效应，并结合工业CT扫描技术，阐明煤体共振致裂增渗的影响机制。【结果和结论】实验结果表明：(1)低频振动作用促使煤体渗透率上升，越靠近煤岩损伤的临界失稳状态时低频振动激励下煤体增渗效果越好。(2)当低频振动激励频率与煤体固有频率(20 Hz)相接近时煤体产生共振效应，煤体受迫共振后加速度响应加大，煤岩体内部的微裂隙逐渐扩展，煤基质内部的孔裂隙连通，使得其渗透率提升效果显著。上述实验结果及实验设备的研发，可以揭示低频振动激励煤体共振增渗的影响机制，为低渗煤层瓦斯高效抽采提供理论指导。

  2024年09期 v.52;No.321 31-40页 [查看摘要][在线阅读][下载 2218K]
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• 基于TIN-GTP算法的煤矿三维地质建模技术研究

  王晓辉;刘再斌;张东亮;马良;陈宝辉;雷晓荣;白宝军;晏俊生;

  【背景】煤矿三维地质模型是指导煤矿安全高效生产的重要前提，对实现煤炭精准开采和地质保障具有重要意义。特别是在复杂地质条件下，地质模型若不能准确描述构造和地层之间的关系，将会影响到煤矿生产过程中的采区规划、采掘工艺及生产效率等方面。【方法】以内蒙古桌子山煤田棋盘井煤矿为例，结合现场的地质资料、断层成果和验证结果，开展高精度的煤矿三维地质建模技术研究。首先，通过空间配准、交叉验证和联合反演等手段对地质数据进行融合，以获取更为精确的建模数据；其次，通过沉积构造规律研究，掌握沉积演化特征和构造发育规律；然后，通过不规则三角网-广义三棱柱(TIN-GTP)算法构建三维地质模型。【结果和结论】结果表明：基于该算法的建模技术能够有效、准确且快速地模拟任意复杂地质体，为处理地层不整合、地层尖灭、煤层分叉和断层切割等问题提供了便利。同时，构建了棋盘井煤矿矿井、采区、工作面及其顶底板等不同尺度地质模型，为实现矿井地质透明化智能开采提供了重要数据支撑。经验证，模型误差值均处于0.2 m以下，且0～0.1 m范围内占整体95%，表明该建模技术具有先进性与合理性。研究成果对于提升煤矿生产的安全性、效率性和可持续性具有重要意义。

  2024年09期 v.52;No.321 41-48页 [查看摘要][在线阅读][下载 2116K]
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• 煤系氦气富集机理与资源潜力-以鄂尔多斯盆地东缘为例

  刘祥柏;陶士振;杨秀春;赵群;陈燕燕;刘自扬;裴向兵;王龙飞;伊伟;冯建秋;张谭;高建荣;陶小晚;柳庄小雪;李超正;杨怡青;陈悦;

  【背景】氦气因其化学性质稳定、导热性能好等优势，被广泛应用于国防、军工、航空、航天等高科技领域，具有不可替代的作用。目前我国氦气主要源于进口，对外依存度高，氦气资源安全问题突出。前人对氦气的研究主要集中在常规天然气，对煤系氦气的关注较少。【目的和方法】为了明确煤系中氦气资源分布及资源潜力，对鄂尔多斯盆地东缘(鄂东缘)煤系气进行取样分析，系统研究氦气分布规律及其控制因素。并结合沁水盆地煤层气中氦气测试结果，对比这两大盆地煤系中氦气富集机理，深入研究煤系中氦气资源潜力。【结果和结论】结果表明：鄂东缘韩城和大宁–吉县深部煤层气中氦气含量高于中浅部煤层气，其中，韩城深部和中浅部煤层中氦气平均体积分数分别为0.042 8%和0.013 0%，大宁–吉县深部和中浅部煤层中氦气平均体积分数分别为0.030 7%和0.012 1%；煤系致密气和深部煤层气中氦气含量相当，其中，韩城和大宁–吉县致密气中氦气平均体积分数分别为0.046 7%和0.035 5%，但都属于贫氦煤层气；三交北区块煤系气中氦气含量较高，平均0.093 0%，近一半的井可以达到富氦煤系气标准。鄂东缘煤系中原位自生氦气极少，主要来源于深部基底岩石、铝土岩和紫金山岩体，氦源岩的分布决定了煤系中氦气的分布。鄂东缘断裂系统是深部氦源和紫金山岩体中氦气的有利运移通道，断裂系统的发育强度和位置是氦气运移、聚集的关键，有效的盖层和封闭的水体环境是氦气保存的必要条件。沁水盆地原位自生氦气较少，成藏后期剧烈构造抬升是煤层氦气散失近90%的主要原因。深部煤层气和煤系致密气中氦气浓度相对较低，但是资源量巨大，应加大煤系氦气资源勘查力度。同时，应加强对贫氦–含氦煤系天然气的提氦技术攻关，有效利用煤系天然气中的低浓度氦气，以保障国家的氦气资源安全。

  2024年09期 v.52;No.321 49-66页 [查看摘要][在线阅读][下载 2079K]
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• 液态CO₂-水蒸气循环冲击煤体增透及瓦斯抽采效果模拟

  秦雷;王平;李树刚;王辉;刘鹏飞;李嘉伟;林海飞;

  【目的】为解决液态CO_2煤层增透技术应用时煤层内部孔隙水受冷凝结为冰阻塞瓦斯运移通道这一问题，提出液态CO_2-高温水蒸气冷热循环冲击煤体增透技术。【方法】利用低场核磁共振仪、煤岩渗透率自动测试仪、接触角测试仪和三维CT扫描仪分析液态CO_2-高温水蒸气冷热循环冲击煤体渗透率演化规律。【结果和结论】结果表明：(1)液态CO_2-高温水蒸气冷热循环冲击煤体T2曲线面积随冷热循环冲击次数增加而增加。(2)煤体渗透率增量与液态CO_2-高温水蒸气冷热循环冲击次数指数相关，循环冲击次数增加，煤体渗透性和润湿性均增强。(3)液态CO_2-高温水蒸气冷热循环冲击次数达到12次时，渗流孔体积比例增加23.57%，渗透率增加0.009 3×10~(-3)μm~2，接触角减小39.45°。(4)煤体渗透性与渗流孔体积比例、接触角相关，渗流孔体积比例与煤体渗透率正相关，接触角与煤体渗透率指数相关。基于实验研究结果，利用COMSOL软件数值模拟低温液态CO_2-高温水蒸气冷热循环冲击煤层工程现场应用。依据试验结果确定恢复到室温25℃时的有效作用半径为0.719 8 m，以此数据模拟矿井煤层瓦斯抽采，结果显示煤层温度与瓦斯抽采效率成正比。试验及模拟结果揭示了液态CO_2-高温水蒸气冷热循环冲击煤体增透技术的现场钻孔布置及瓦斯抽采运移规律，为该技术下一步现场应用提供参考。

  2024年09期 v.52;No.321 67-79页 [查看摘要][在线阅读][下载 2942K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 深部开采环境下底板隔水关键层深梁力学分析

  王秉文;查文华;鲁海峰;

  【目的】随着矿井开采深度增加，来自高承压岩溶水威胁增大，导致煤层工作面出现涌水、突水等水害现象，分析深部开采环境下煤层底板隔水关键层抵抗水压力强度是解决这一现象的重要内容之一。【方法】为解决此问题，将隔水底板简化为岩梁模型，并运用深梁理论解决深部开采突水预测中的岩梁模型问题，采用理论分析和数值模拟相结合的方法，根据深梁弯曲力学特点，结合前人研究成果，将深梁条分成浅梁，通过弹性力学单根浅梁受力分布形式假定层间挤压应力σy为三次函数，给出深梁弯曲应力求解的条分技术，并将计算结果与弹性力学解、FLAC3D模拟结果进行对比。【结果和结论】结果表明，深梁条分解得到的应力及位移与数值解结果趋势更为接近，计算结果更为精确，相对误差均在10%以内，同时，随着条分层数增加，精度也增加，但提高幅度逐渐降低，因此，工程应用中针对深部岩梁模型条分到一定程度即可；随着高跨比不断增加，精度误差也在增加，说明条分层宽度不宜过大，否则造成误差增加；底板隔水关键层实例表明，当隔水关键层高跨比大于0.2时，为典型的深梁问题，常规弹性力学的最大拉应力求解结果误差较大，相对误差达到40.6%，给正确判定关键层突水危险性带来不利影响，此时采用深梁条分法求解应力精度较高，可为深部煤层底板突水预测研究起到重要的指导作用。

  2024年09期 v.52;No.321 80-91页 [查看摘要][在线阅读][下载 1915K]
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• 煤矿“Y”型断层分支底板断裂力学判据及模拟研究

  李昂;孙靖昕;张文忠;张壮;杨宇轩;王伟东;吕伟;范六一;

  【目的】断层分支作为主断层的一部分普遍存在，不易引起人们重视，但断层分支是引起突水的主要因素之一。【方法】以安徽刘庄煤矿为工程地质背景，在考虑Mohr-Coulomb准则岩体压剪断裂判据基础上，建立断层分支渗流与应力双重影响下的断裂力学灾变模型，分析得出断层分支发生劈裂破坏时的临界水压及断层分支到底板破碎区最小安全距离，研究断层倾角、最小主应力、主断层长度和渗透水压对临界水压及最小安全距离的影响规律和主控影响因素，并模拟分析断层分支在采动影响下塑性区及渗流场的演化特征，开展现场压水试验的验证工作。【结果和结论】结果表明：(1)断层分支倾角越大越易发生突水；最小主应力越大，断层分支裂隙越不容易发生扩展；(2)当主断层倾角为60°且断层分支与主断层夹角为60°时，模拟分析结果显示在工作面推进至断层分支正上方位置时，断层导升通道整体活化贯通；当工作面推过断层分支正上方10 m后，断层分支尖端裂隙与工作面底板破坏带贯通并引起底板突水；(3)通过现场压水试验验证了理论计算的正确性，证实断层分支会造成底板裂隙提前与断层相互贯通，引起工作面出水。研究结果可为煤矿采场底板含此类断层分支时的防水煤柱留设提供一定参考。

  2024年09期 v.52;No.321 92-105页 [查看摘要][在线阅读][下载 3976K]
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• 多冷媒非均质人工冻结壁弹塑性应力分析

  王彬;梁秀玲;张子浩;蔡海兵;荣传新;

  【目的】受制冷媒介温度差异以及被冻地层与冻结管距离差异的影响，多冷媒联合双排管冻结壁的非均匀性较为显著，为了合理评价该类冻结壁的安全性，需开展考虑非均质性的多冷媒人工冻结壁弹塑性应力分析。【方法】选取距离1/4管距处的冻结壁作为特征截面，将该截面上的温度分布曲线等效成三段一次函数形式，并将冻结壁视为随温度成线性变化的非均质材料，分别基于4种冻土屈服准则，推导得出多冷媒联合双排管非均质冻结壁弹塑性应力解析表达式。基于该解析表达式，对多冷媒冻结壁的受力特性进行计算，并将该计算结果与均质冻结壁计算得出的结果进行对比。【结果和结论】研究发现：(1)在盐水-二氧化碳联合双排管冻结壁中，径向应力随着相对半径r的增加而上升，环向应力在不同冻结区间(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)表现出不同的变化趋势。(2)基于均质冻结壁计算理论，弹性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁内侧，弹塑性状态的冻结壁的环向应力最大值出现在弹塑性分界面处，塑性极限状态的冻结壁的环向应力最大值出现在冻结壁最外侧；而基于非均质冻结壁计算理论，冻结壁环向应力最大值始终出现在冻结壁分区界线(r=2)处。(3)在考虑非均质特性后，冻结壁的弹性极限承载力降低1.8%，而塑性极限承载力提高8.1%。在弹塑性状态下，对应相同塑性区相对半径，非均质冻结壁具有更高的承载力，且这种现象随着塑性区相对半径的增大而愈发明显。研究成果对富水地层多冷媒联合冻结帷幕的设计具有重要的参考价值。

  2024年09期 v.52;No.321 106-120页 [查看摘要][在线阅读][下载 2035K]
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• 水热型地热水平井取热对流传热耦合机制

  谷峰;李又武;张越;高英;杨鹏;王安然;崔景云;

  【目的】闭式取热技术只利用地层热量，不抽采地热水，近年来成为地热开发研究的重点领域之一，但关注储层对流对传热影响的研究相对缺乏。【方法】为了提高单井取热量，提出水热型储层水平井闭式取热工艺，增大井筒与储层的接触面积，且充分利用储层对流。建立水平井、循环水、储层互相耦合的流动传热模型，分储层自然对流、强制对流条件开展取热性能预测，揭示储层对流场、温度场演变特征。【结果和结论】结果表明：(1)储层发育与水平段垂直的强制对流可有效缓解热突破，对取热提升较为明显；与水平段平行的强制对流与自然对流取热量无明显差异。(2)与上覆地层相比，储层段对循环水温的提升占主导地位，平均每米温度提升是上覆地层的2.4倍。(3)储层对流场和温度场演变具有高度耦合特性。当储层只存在自然对流时，温度场变化范围与达西流动活跃区局限于井筒邻近区域，沿径向方向扩展；当储层发育强制对流时，温度场和对流场在水平井筒两侧呈非对称分布，低温区和低达西流速区位于对流下游方向。(4)储层温度动态恢复特征受对流条件控制。强制对流可加速对井筒周围区域热量补给，促进温度恢复，具备长年运行的条件。研究成果为水平井取热系统研究与设计提供借鉴。

  2024年09期 v.52;No.321 121-130页 [查看摘要][在线阅读][下载 2135K]
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• 单裂隙管道-基质系统中反应性溶质运移解析模型研究

  魏娜娜;李旭;许光泉;张海涛;邵则凡;

  【目的】裂隙介质精确地定量刻画及其溶质运移理论研究已经成为裂隙含水层地下水污染防治的关键。目前裂隙含水层通常被概化为水平裂隙，而忽视管道裂隙几何特征以及基质扩散对溶质运移的影响。【方法】基于此，建立单裂隙管道-基质系统的溶质运移模型，并利用Laplace变换以及数值逆变换获得模型的半解析解，同时通过COMSOL Multiphysics软件建立数值模型进行验证。定量分析水动力弥散系数、迟滞因子等参数对溶质运移规律的影响，并计算溶质扩散质量通量以及存储量来反映溶质运移的时空规律。【结果和结论】结果表明：(1)管道裂隙水动力弥散系数越大，穿透曲线早期浓度越高，而所达到的峰值越低，且裂隙中溶质浓度随着迟滞因子增大而降低。(2)扩散质量通量峰值随着裂隙弥散系数的增加而减小，并通过分析不同位置的穿透曲线以及扩散质量通量的空间分布曲线可得反向扩散是导致穿透曲线产生明显拖尾现象的主要原因。(3)脉冲注入条件下，裂隙作为主要的存储空间，其存储总量表现出快速增加后不断降低的趋势，而基质中存储量表现出不断增加的过程。总之，通过理论模型计算分析表明在管道裂隙-基质系统中，基质存储与反向扩散过程对裂隙系统中溶质运移规律的影响不容忽视。

  2024年09期 v.52;No.321 131-139页 [查看摘要][在线阅读][下载 1834K]
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• 基于信息量-机器学习耦合模型的采煤沉陷区滑坡敏感性评价

  牛晨昊;焦润成;韩建锋;王晟宇;郭学飞;刘畅;韩玉成;宋国峰;

  【目的】采煤沉陷区由于其特殊的地质条件和采煤背景，极易引发地面裂缝和地面塌陷，进而导致滑坡等地质灾害，选择适用的影响因子和训练模型在该地区开展滑坡敏感性评价十分必要。【方法】以北京西山煤矿区为例，采用斜坡单元与数学统计模型和机器学习模型耦合方法，开展采煤沉陷区的滑坡敏感性评价。在地理信息系统环境中，选取坡度、坡向、地表湿润度等地形地貌因子，并加入地质背景的地层岩性和与断层距离因子，采煤背景的与采煤巷道距离和与井口距离等共10个因子作为评价指标，通过相关性分析优化滑坡敏感性评价体系。同时以水文分析法划分的地形斜坡单元为评价基础，分别应用信息量模型(I)信息量-随机森林(I-RF)、信息量-多层感知机(I-MLP)耦合模型对滑坡敏感性进行空间预测。【结果和结论】结果表明，耦合模型(I-RF、I-MLP)的精度均高于独立模型(I),3种模型的AUC值分别为0.861、0.845、0.761,I-RF模型具有更强的预测能力和精度。此外地质和采煤背景因子的加入，优化了滑坡敏感性的评估效果。为了验证滑坡敏感性分区结果的实用性，以北京市“23·7”强降雨事件为时间节点，利用大比例尺航空摄影测量、时序InSAR技术等手段对滑坡敏感性评估结果进行佐证。结果表明，基于斜坡单元和耦合模型的滑坡敏感性评估结果与诱导事件后的滑坡灾害发育情况，有很大程度的吻合性。滑坡敏感性评价结果在一定程度上可以反映各斜坡的滑坡发生概率，对于采煤沉陷区滑坡灾害的预测和防治工作的开展有一定的参考性。

  2024年09期 v.52;No.321 140-153页 [查看摘要][在线阅读][下载 5708K]
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煤田物探 矿井物探

• 反射槽波探测法在煤层褶曲与断层识别中的研究与应用

  吴国庆;

  【背景】煤矿智能化转型中，精准识别地下异常体对地质透明化体系构建至关重要，褶曲异常体的精确探测是井下物探技术的难点，其准确辨识对减少掘进成本、回采难度及安全风险有重要意义。【目的和方法】基于以往的槽波勘探实践，发现褶曲对槽波的传播特性具有显著影响，但传统槽波反演技术难以区分褶曲与断层。为此，构建了几何形态类似、勘探距离相等的断层与褶曲数值模型，首先运用三维波场模拟技术挖掘波场信息，明确了二者波场响应差异；其次采用绕射偏移成像方法反演处理，获取了成像结果。【结果和结论】研究结果表明：(1)褶曲异常相较于断层，其反射槽波波形更为分散且模糊，不同反射点能量分布不均。(2)褶曲异常在远偏移距处的直达槽波信噪比高于断层构造，且能减缓直达槽波的衰减速度，使得直达槽波在褶曲异常中的传播距离约为断层构造中的1.5倍。(3)断层的反射槽波与直达槽波能量差异较小，而褶曲异常则表现出较大的能量差异。(4)褶曲异常的反射槽波主频低于断层构造，并导致直达槽波与反射槽波的频带变宽；褶曲异常反射槽波频率和速度均略高于直达槽波，断层构造此特征不明显。(5)断层构造的反射面通常位于断层面中上端，而褶曲异常的反射面则倾向于褶曲面中部，且褶曲异常的绕射偏移成像反射面在连续性上较断层构造差。基于上述波场特征与频散特性的深入分析，以山西阳泉某矿15号煤层为例，通过反射槽波绕射偏移成像技术，成功实现了巷道侧帮煤层中断层与褶曲的定性识别，并清晰描绘了褶曲的发育形态。研究成果不仅为采区工作面的合理布局提供了更为精确的地质依据，也为煤矿的安全生产、高效开采提供了有力的技术支撑。

  2024年09期 v.52;No.321 154-165页 [查看摘要][在线阅读][下载 4627K]
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• 基于神经网络的绕射波速度分析方法

  陶俊宏;赵惊涛;盛同杰;

  【背景】在地震成像领域，精确的速度模型对于细致地刻画地下空间结构至关重要。尤其在煤矿开采中，小尺度地质结构如断层和陷落柱与开采安全事故密切相关，这些结构在地震记录中通常以绕射波的形式出现。【目的和方法】为了有效成像这些小尺度地质体，充分利用绕射波信息进行精细化速度建模显得尤为重要。基于此，提出了一种基于神经网络的绕射场速度分析方法。首先在共虚震源域分离绕射波，利用分离的绕射波道集生成绕射速度谱；其次，在偏移倾角域利用绕射波的拟线性特征生成绕射速度比值γ谱。最终，将传统的反射速度谱与两类绕射速度谱作为输入，基于卷积注意力神经网络进行绕射场智能速度建模。【结果和结论】数值模拟数据测试验证了绕射场速度分析网络能够提高对地层尖灭、岩溶陷落柱等地质体精细化速度建模的准确性，在成像剖面上可有效聚焦绕射波，实现中小尺度构造的精细刻画。对煤矿实际数据的应用进一步证明了该方法在速度建模的效率以及成像精度上均优于传统方法，更适用于复杂地质条件下的小尺度构造成像。

  2024年09期 v.52;No.321 166-175页 [查看摘要][在线阅读][下载 3070K]
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• 基于循环特征推理的大间距缺失地震数据重建方法

  李紫娟;常光耀;贾永娜;

  【目的】由于急流、裂谷、高山等自然环境的限制，采集的地震数据会出现大间距缺失的现象，影响后续的地震数据处理和地质分析工作，需要对缺失数据进行插值重建。【方法】为解决大间距地震数据缺失问题，提出一种基于循环特征推理的重建方法。首先缺失的地震数据经过部分卷积运算，在计算过程中根据感受野内有效特征图数据的占比，自适应地调整卷积运算结果的权重，避免在连续缺失的地震道上执行无效的卷积操作。然后采用循环特征推理的方式，逐步对缺失部分进行渐进式重建。部分卷积运算和循环特征推理交替进行，直至所有缺失数据重建完成。最后特征融合每次迭代产生的重建特征，以保证推理的准确性。为增强模型对大间距缺失区域纹理细节的学习能力，结合纹理损失和均方误差函数作为复合损失函数，进一步提高重建精度。【结果和结论】结果显示：(1)基于循环特征推理的方法可以有效重建大间距缺失的地震数据，信噪比在原缺失数据的14.89 dB的基础上提升至28.15 dB。(2)连续缺失30道至80道的多次重建实验中，本方法的重建结果信噪比、结构相似性、均方误差等评价指标均优于U-Net方法。采用6种不同公开数据集测试了本方法的重建效果，进一步证明了本方法的有效性。(3)对比实验探究部分卷积核大小对重建结果的影响表明，当部分卷积核大小为3×3时重建结果信噪比更高并且迭代时间更短。研究成果为大间距缺失地震数据的重建方法提供了新的解决思路。

  2024年09期 v.52;No.321 176-183页 [查看摘要][在线阅读][下载 1940K]
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钻掘工程

• 阳泉矿区碎软煤层深孔气动定向钻进关键技术与实践

  刘飞;李泉新;方俊;刘建林;杨伟锋;褚志伟;赵建国;王四一;

  【目的】针对山西阳泉矿区碎软煤层瓦斯精准、超前、区域治理需求，提出采用气动定向钻进煤层预抽钻孔的技术方案。【方法】在分析气动定向钻进成孔技术难题的基础上，开发了适用于阳泉矿区碎软煤层赋存条件的气动螺杆钻具稳定运转技术、钻孔轨迹精确控制技术、深孔高效排渣技术、气动套铣打捞技术，优化了气动定向钻进装备配套方案，并在阳泉矿区碎软煤层中开展了现场工业性试验。【结果和结论】结果表明：(1)通过优化气动螺杆钻具结构和工艺流程、设计低风阻管路，有效解决了气动螺杆钻具的异常制动，实现了稳定高效运转。(2)通过优化钻孔设计轨迹和工艺参数、设计大角度造斜钻具组合和研制气动冲击螺杆钻具，保障了钻孔轨迹的精确调控，提高了煤层钻遇率。(3)通过复合强排渣技术和短起钻冲孔工艺的应用，有效提升了钻孔排渣效率。(4)通过采用气动套铣打捞技术，配套设计的专用可退式打捞筒，满足阳泉区矿区碎软煤层孔内复杂事故处理需要，并成功处理2起严重卡钻事故。(5)在阳泉矿区某矿施工完成孔径120 mm的10个定向钻孔，成孔深度均达到450 m以上，最大钻孔深度达到607 m，最大单班进尺76 m。碎软煤层定向孔取得了显著的瓦斯抽采效果，单孔日均抽采瓦斯纯量最大达971.96 m3，实现了阳泉矿区碎软煤层瓦斯长时间稳定抽采。研究成果为阳泉矿区碎软煤层瓦斯高效治理提供了新的技术途径，具有显著的应用和推广价值。

  2024年09期 v.52;No.321 184-191页 [查看摘要][在线阅读][下载 2301K]
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• 矿山地面救援应急响应与大直径钻孔关键技术

  麻坦;诸葛雷;赵伟东;

  【目的】大直径救生孔多次在矿山地面钻探救援中得到成功应用，但在快速出动、跨区域救援等应急响应方面仍有短板，在应对复杂地层时大直径救生孔的工艺适配性不足。【方法】从应急救援整体角度出发，以救援时效为指标，就响应能力提升、复杂地层成井工艺等关键技术进行总结。构建了矿山地面钻探救援应急处置流程，明确了预案启动、响应动作和响应速度3个方面的提升内容，建立了跨区域救援层次化出动机制和钻前技术保障响应机制。分析了大直径救生孔松散层、基岩层钻进工艺特点，提出了针对破碎、高涌水等复杂地层施工难点的解决方案，指出了救援提升过程中的典型问题。【结果和结论】研究表明：(1)科学的矿山地面钻探救援应急响应机制是提高救援效率的重要方式之一，通过采用跨区域救援层次化出动机制和钻前技术保障响应机制，可有效提高应急响应效率2.3倍。(2)形成了复杂地层条件下大直径救生孔高效成孔的解决方案，并应用于济宁九顶山矿大直径救生孔工程试验，完钻孔深403.2 m，终孔孔径580 mm，平均机械钻速2.5 m/h，从应急响应到救援提升总用时311.95 h，救援整体时效性提升47%。(3)就救援时效性而言，救援准备阶段的提升效率要优于救援实施阶段，且应急响应能力的提升途径更易实现，因此在钻探工艺和装备提升不大的情况，矿山救援队应着重提升应急备战和快速反应能力。研究结果可满足400 m以浅矿山地面应急救援需求，可指导矿山救援队建立应急响应机制，为大直径救生孔的施工设计提供参考，对矿山地面钻探应急救援具有指导意义。

  2024年09期 v.52;No.321 192-202页 [查看摘要][在线阅读][下载 1908K]
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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09期 v.52;No.321 203页 [查看摘要][在线阅读][下载 642K]
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