煤炭地质 矿井地质

• 动力变质作用对构造煤微纳米孔隙结构演化的影响机理

  刘和武;吕晓雪;侯晨亮;熊作鹏;

  【目的】煤中微纳米孔隙结构是瓦斯的主要赋存空间之一，探讨动力变质影响下构造煤微纳米孔隙结构的演化机制，有助于深入理解煤与瓦斯突出机理。【方法】综合利用CO2吸附实验、傅里叶变换红外光谱(FTIR)测试和分子动力学，模拟研究宿州祁南矿72煤层发育的不同类型构造煤微纳米孔隙结构演化特征及机理。【结果和结论】结果表明：随着构造变形增强，超微孔(0.3～0.7 nm)孔径整体向小孔径方向偏移，微纳米孔隙体积分形维数和比表面积分形维数增大，非均质性增大，孔隙结构复杂度升高；分子结构测试和分子动力学模拟结果表明，脆性变形构造煤主要发生应力降解作用，煤分子结构中氢键、脂肪侧链和含氧官能团的断裂和解离促使分子结构活动性增强，并在构造应力作用下煤大分子结构初步被压缩；脆韧性和韧性变形构造煤可以发生显著的应力缩聚作用，煤中芳香结构发生旋转、折叠和重组等化学变化，形成排列更紧密的构造煤分子结构构型。因此，随着构造变形作用增强，煤大分子结构被不断压缩改变，分子结构间隙被分割，导致微纳米孔隙结构的形态和大小发生改变，孔隙复杂度升高，孔径整体向小孔径方向偏移。

  2024年12期 v.52;No.324 1-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 2734K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：292 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 考虑顶板断裂动载作用的采场底板破坏深度研究

  黄琪嵩;许波;冯俊军;林晓飞;程久龙;彭俊;

  【目的】准确评估采场底板破坏深度对于底板突水危险性评价至关重要。传统理论模型计算时往往仅考虑采场支承压力和承压水压的静载作用，导致计算结果与实际情况存在较大偏差。因此，综合考虑深部底板破坏的多力源耦合作用，构建更加贴近实际的计算模型可为深部煤层底板水害的有效防治提供科学依据。【方法】在明确顶板来压期间采场底板承受载荷的基础上，基于弹性动力学理论构建了动静载联合作用下的采场底板力学响应计算模型，得到了动载应力在底板中的传递规律以及底板动力响应特征，分析了顶板断裂动载扰动作用对采场底板破坏深度的影响规律；并以山东肥城某矿8031工作面为例，采用数值模拟和现场钻孔注水试验开展了工作面底板深度研究。【结果和结论】结果表明：顶板断裂产生的动载与采场支承压力在底板产生的静载应力叠加，会对底板应力集中区和卸载区造成强烈扰动影响。在动载作用过程中，底板应力场集中程度和区域范围都明显增加；顶板断裂动载扰动会进一步加剧采场底板岩层的破坏，理论计算、模拟分析与现场实测得到初次来压动载扰动造成的采场底板二次破坏深度分别为5.9、6.6、6.3 m，三者结果相近，验证了理论模型的准确性。研究结果能够反映出底板突水发生时间和位置的规律，可为深部底板突水防治提供重要的理论依据和参考价值。

  2024年12期 v.52;No.324 13-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 3186K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：361 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 特厚煤层掘进巷道冲击地压机理及影响因素

  彭雨杰;王强;曹安业;薛成春;吕国伟;郝琪;刘耀琪;白贤栖;李东;

  【目的】特厚煤层掘进巷道冲击地压灾害频发，已成为制约矿井安全生产的最主要问题，其冲击机理及影响因素研究对特厚煤层掘进巷道冲击地压灾害防控具有重要意义。【方法】基于甘肃某矿250107-1特厚煤层掘进巷道，建立特厚煤层掘进巷道冲击失稳判别指标，采用FLAC3D模拟特厚煤层掘进巷道围岩能量分布规律，提出特厚煤层掘进巷道围岩能量分区特征，揭示特厚煤层掘进巷道冲击机制，分析不同因素下特厚煤层掘进巷道围岩损伤程度及冲击地压发生潜在风险。【结果和结论】研究表明，特厚煤层掘进巷道围岩弹性应变能分为3个区域：能量积聚区、能量释放区、能量缓冲区，弹性应变能积聚区域是特厚煤层掘进巷道冲击危险主要来源，塑性耗散能积聚区域是围岩损伤主要区域。巷道开挖后受巷道开挖卸荷及掘进扰动作用影响，深部围岩弹性能量积聚程度增大，浅部围岩损伤程度增大，深部岩体积聚弹性能量大量释放并推动浅部损伤围岩瞬间位移，诱发冲击地压。巷道两帮冲击地压发生潜在风险随水平构造应力增大而增大，巷道顶底煤冲击地压发生潜在风险随开采扰动应力的增大先增大后减小，动载扰动对围岩损伤程度影响较大，冲击地压发生潜在风险区域逐渐向巷道两侧转移。提出了特厚煤层掘进巷道“卸压-降载-补强”协同防控思路，有效降低了掘进过程的冲击地压危险性，对特厚煤层掘进巷道冲击地压防治提供一定的借鉴经验。

  2024年12期 v.52;No.324 25-39页 [查看摘要][在线阅读][下载 4069K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：581 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 复杂夹矸煤层三维孪生模型的构建与修正

  张美晨;赵丽娟;王雅东;张凯;

  【目的】复杂夹矸三维孪生煤层要实现对物理煤层的信息化描述，真实映射物理煤层的虚拟形态，构建模型是研究智能化采煤机高效截割的必要前提，同时也为实现“无人化”开采提供有效的数据保障。【方法】以山东兖矿能源集团股份有限公司17层工作面采样数据为基础，研究了融合更多煤层地质结构条件信息的方法。采用不规则颗粒建模技术，孪生硫化铁结核；优化煤岩层颗粒填充技术；建立自定义接触模型模拟煤岩颗粒表面的粗糙度。以所构建的煤层三维孪生初始静态模型为基础，完成煤层应用插件的编译，根据地质特征为煤岩颗粒及结构体添加新属性实现孪生模型结构的修正；开展采煤机截割实验验证孪生模型的可行性。【结果和结论】结果显示：(1)实现了硫化铁结核、断层、顶底板构造的添加，完成煤层工作面三维孪生初始静态模型构建。(2)获得了可实现修正替换颗粒集的动态复杂夹矸煤层三维孪生模型。(3)采煤机截割实验的开展验证了其物理性能与实际煤岩的接近程度，截割复杂夹矸煤层三维孪生模型过程滚筒受载与实际煤岩之间的误差更小。(4)该模型在煤岩截割双向耦合试验中投入应用后，其优化后的重构煤层工作面三维孪生模型真实地反映了工作面煤层的形态，具有修正替换颗粒集功能的动态复杂夹矸煤层三维孪生模型可更准确快速地表达真实工作面的各种地质结构信息，提升煤岩截割数据信息获取的有效性。

  2024年12期 v.52;No.324 40-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 2697K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：181 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 基于曲率分析与分形维数的断层三维复杂度计算模型

  晏俊生;刘再斌;范涛;杨辉;刘文明;杜文刚;安林;刘晨光;王晓辉;

  【目的和方法】断层是煤矿隐蔽致灾因素中威胁最大的地质构造因素之一，其三维量化评价一直是个难题。针对现有量化指标无法全面反映断层形态及缺乏三维空间断层耦合分析的不足，提出了一种基于曲率分析与分形维数的断层三维复杂度计算模型。该模型利用Delaunay算法改进了传统分形维数的测量体形态，有效减少了断层在三维分形维数计算中存在的无效值，同时引入断层面曲率来修正断层参数量，从而保留了断层自身结构特征。为验证模型的有效性，选取陕西某煤矿实际揭露的断层，进行地质构造复杂程度定性评价，并对工作面、巷道历史突水点空间分布数据开展模型应用及验证。【结果和结论】对比发现，模型识别出煤矿井田三维空间内，共有75个剖分区间具有非零统计值；计算得出的断层三维分形维数、2种融合断层面曲率(高斯曲率和平均曲率)的断层三维复杂度的均值，分别为0.939 4、1.136 2、1.219 9，与单一的分形维数相比，融合曲率的复杂度指标在揭示断层走向差异及分布集中区方面表现出明显优势。将断层三维复杂度、样本点与各突水点间的距离作为2个相关性指标计算皮尔逊相关系数，结果可分为工作面及巷道突水点两类，其平均值按断层三维分形维数、融合断层面高斯曲率以及平均曲率的断层三维复杂度排序，前者为0.784 3、0.838 6以及0.907 2，后者为0.771 8、0.832 4、0.890 3。数据结果表明，断层复杂度与工作面突水点的相关性均大于其与巷道突水点的相关性，即在研究区内，断层对工作面的生产活动影响更大。同时，无论融合何种断层面曲率，相关系数均在0.77以上，即提出的断层三维复杂度与矿井水害条件有强相关关系。另一方面，结合该煤矿构造复杂程度定性评价结果为总体较低，且主要受断层影响，而该煤矿的断层复杂度在1左右，极少区域在2以上，反映了该煤矿断层分布虽在部分区域较为集中，但总体的断层复杂程度较低。这与该煤矿已有的构造复杂程度定性分析相符合，研究成果为三维断层复杂度计算提供了一种新的模型构建思路。

  2024年12期 v.52;No.324 54-63页 [查看摘要][在线阅读][下载 1952K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：264 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

煤系气 煤伴生矿产

• 基于地层成拱效应的水泥环对套管应力影响规律研究

  安峰辰;苗智博;孟思炜;魏子莹;张潇;曾家明;王晓华;

  【目的】随着对油气需求的增长以及开采技术的进步，油气钻井深度不断刷新纪录。随着钻井深度的增加，地应力急剧增加，因此超深油气井套管损伤问题日益突出。为了提高套管在高地应力条件下的承载力，通常采用大壁厚高强套管来解决这个问题，但收效甚微。【方法】通过套管-水泥环-地层系统的有限元模型，证实在套管系统中成拱效应的存在以及柔性水泥环对套管的保护作用。在此基础上，通过参数分析，研究不同地层、水泥环的材料参数及其厚度对系统内应力传递机制的影响。【结果和结论】结果表明：柔性固井水泥通过允许套管附近地层发生有限变形的形式使地层能够承担地应力，进而减小套管所承担的载荷；刚性固井水泥通过限制套管附近地层发生变形来承担地应力，从而使套管与其共同承担地应力。在前者的受力体系中，固井水泥的弹性模量越小，套管应力越小，属于主动拱效应；而在后者的受力体系中，固井水泥的弹性模量越大，套管应力越小，属于被动拱效应。然而，主动拱效应场景中的应力减小幅度远远大于被动拱场景。因此，主动拱效应对套管具有更好的保护效果，而且，在硬地层中要比软地层中明显。此外，水泥环泊松比及其厚度对套管应力也有一定的影响，但影响程度不及水泥环弹性模量。鉴于此，认为采用柔性水泥固井的条件应为地层是否具备成拱条件，即地层是否具有抗剪强度，而非地层本身的软硬程度。

  2024年12期 v.52;No.324 64-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 1753K]
  [阅读次数：1 ] |[下载次数：191 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• CO₂和H₂低压环境下煤微生物降解气化实验

  简阔;傅雪海;刘明杰;刘健;李晋;茹忠亮;吉小峰;王强;

  【目的和方法】为探索低压环境下CO_2生物甲烷化和煤炭微生物降解气化特征，选取低阶烟煤(Rmax=0.67%)作为发酵底物，利用CO_2和H_2营造低压氛围，开展为期96 d的微生物发酵产气实验。借助气相色谱、16S rRNA基因测序和低温液氮吸附测试分析生物气产出-微生物群落-煤结构内在变化规律。【结果和结论】结果表明：(1)相比于常规发酵，注入低压CO_2对CH_4的产出有抑制作用，CH_4产出效率呈现降低现象，H_2注入后很快被转化利用，H_2体积分数快速降低，促进了CH4的产出，同时也改变了生物气产出方式，对发酵液中微生物群落结构也产生了深刻影响，表现为细菌中厚壁菌门(Firmicutes)相对丰度的降低和拟杆菌门(Bacteroidota)相对丰度的升高，尤其是拟杆菌门中S50＿wastewater＿sludge＿group菌属始终为优势菌属，它与unclassified＿W27菌属均呈现上升趋势，分析原因为后期H_2的注入，促进了它们的生长代谢。(2)古菌在属水平分布中，甲烷杆菌属(Methanobacterium)所占比例最大(47.66%～83.05%)，其次是甲烷八叠球菌属(Methanosarcina)、甲烷囊菌属(Methanoculleus)；得益于可以同时利用H_2+CO_2和乙酸等底物，Methanosarcina相对丰度增大趋势显著；而Methanoculleus是通过氢营养途径进行甲烷的合成，后期缺乏H_2，其丰度也快速减小。(3)相比于原煤，低压CO_2的注入导致煤吸附能力的减弱，总孔容和比表面积的减小；随着低压CO_2注入越多，分形维数D_1和D_2分别出现了增大和减小趋势，煤中孔隙表面粗糙程度增加，孔隙结构复杂程度或均质化程度减小，考虑与微生物降解和碳酸盐沉淀形成的双重作用有关。研究结果丰富了煤炭生物降解与CO_2生物转化利用基础理论，尤其为煤层中CO_2生物转化埋存技术贡献一定的理论依据。

  2024年12期 v.52;No.324 72-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 1843K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：148 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 深部煤系气合采压裂裂缝扩展规律及其主控因素

  陈昊;李国璋;秦勇;王建国;申建;孙玉琦;袁二军;李典;

  【目的】煤系气合采是提高我国非常规天然气单井产量的重要开发方式。然而，煤系气储层物质组成截然不同、物理性质差异巨大，导致煤系气合采储层在压裂过程中裂缝在不同储层内的扩展方式和发育程度存在不确定性。如何协调好多储层改造实现多气共采对于降低煤系气开发成本、提高产能至关重要。【方法】以鄂尔多斯盆地东北缘临兴区块为例，剖析影响煤系气储层合层压裂效果的地质因素、工程因素，利用数值模拟方法，研究不同储层内压裂裂缝的扩展规律，并对合层压裂提出针对性建议。【结果】结果表明，储隔层最小水平主应力差、抗拉强度差、泵注排量和黏度的增大有利于缝高和缝宽的扩展，其数值越大，裂缝的穿层能力越强。岩层的最小水平主应力和压裂液黏度主要影响储层中裂缝宽度，具体表现为，岩层相对最小水平主应力越大或压裂液的黏度越小，裂缝宽度越小。储隔层弹性模量差和泊松比差的变化对整体压裂效果的影响较小，但弹性模量差增大会减少裂缝穿层时间，使裂缝更快到达极限高度。【结论】基于上述研究，提出了临兴地区煤系气合采储层优选方案及排采建议，即应优先选取储隔层最小水平主应力差在0～4 MPa、抗拉强度差大于4.5 MPa的储层进行合采压裂，并以大于4 m~3/min的泵注排量进行开采，从而实现更高效的资源开发。

  2024年12期 v.52;No.324 84-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 1878K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：397 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

水文地质 工程地质 环境地质

• D-InSAR技术在井筒注浆对地表及建筑物变形影响中的应用

  刘辉;卢如梦;苏丽娟;程诗广;张鹏飞;程桦;

  【目的】在煤矿工程中，井壁破损对生产设施和矿井安全构成威胁，全面监测井筒注浆工程对工业广场及地表建筑物的变形影响，对保障矿山生产安全至关重要。【方法】以皖北矿区某煤矿为研究对象，选取覆盖该区域的15景Sentinel-1A影像数据，采用D-InSAR技术全面监测井筒注浆修复前后工业广场及地表建筑物沉降，获取地表及建筑物动态变形信息，分析注浆活动对地表及建筑物的影响。【结果和结论】结果表明：(1)与水准监测相比，D-InSAR地表沉降监测平均误差1.70 mm，最大误差2.70 mm,D-InSAR监测地表微小沉降精度可靠，能够满足工业广场地表沉降监测的要求。(2)井筒注浆工程实施前，地表及建筑物呈持续下沉状态，监测期内最大下沉量为21.12 mm；工程实施后，下沉趋势减缓并逐渐趋于稳定；分析井筒应变监测结果和地面沉降变化可知，注浆修复效果显著，在井筒周围形成隔水帷幕。(3)监测结果显示，注浆前后地表经历“连续下沉-微量抬升-轻微沉降-趋于稳定”4个阶段，注浆初期对地表沉降抑制作用明显，注浆中地表略有抬升，工程结束后轻微沉降直至稳定。(4)监测期内主要建筑物变形均小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(2017版)中Ⅰ级损坏标准，处于安全阈值内，注浆工程进一步减缓了建筑物变形，保证建筑物安全。

  2024年12期 v.52;No.324 95-105页 [查看摘要][在线阅读][下载 2350K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：252 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 巨厚煤层分层开采覆岩“两带”发育探测及破断特征

  张鑫;陈优阔;孟海伦;覃启发;程香港;黄荣杰;董海瑞;孙文斌;乔伟;

  【目的】我国新疆准南煤田煤炭资源丰富，矿井水害严重制约着该区域煤炭安全高效生产。顶板导水裂隙是工作面回采产生的主要导水通道，进行巨厚煤层分层开采条件下顶板导水裂隙发育规律研究尤为关键。【方法】以新疆硫磺沟煤矿(9-15)08工作面为研究区，通过地面探查孔、钻孔电窥视等方法，实测不同开采条件下覆岩“两带”发育特征，通过数值模拟，分析多煤层下行式开采导水裂隙带发育规律，分析巨厚煤层分层开采覆岩运移及破断特征，探究覆岩破断结构模式。【结果和结论】结果表明：巨厚煤层分层开采对导水裂隙带的发育有一定抑制作用，由于分层数量增加，覆岩破坏程度逐渐加剧，导致其力学性质降低且裂隙增多，表现出“软弱”层特性，进而抑制导水裂隙带向上发育。此外，巨厚煤层分层开采时覆岩破断结构总体上呈“宏观-大-小”结构，其中，在采动影响范围内，宏观上呈压力拱结构。而由于高、低位岩层岩体垮落和铰接作用，使得高位覆岩呈现高位梁式大结构，而低位岩体受分层叠加开采的影响，垮落带内岩体铰接点的连线整体宏观呈连续的“M”形，呈“M”形铰接小结构。研究结果可为巨厚煤层采场事故形成机制、灾害防控提供理论依据和指导。

  2024年12期 v.52;No.324 106-117页 [查看摘要][在线阅读][下载 2621K]
  [阅读次数：1 ] |[下载次数：548 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 大柳塔煤矿地下水库水化学特征及来源解析

  张海涛;蒋斌斌;张海琴;李鹏;吴敏;郝经纬;胡瑜恬;

  目的】煤矿地下水库具有储存和净化矿井水的功能，深入理解水库水体的水化学特征及形成机制是大规模开发矿井水处理技术的重要前提。【方法】以神东大柳塔煤矿地下水库为对象，通过对水库进出水水样采集测试与分析，结合离子比值法、多元统计分析(包括相关性分析和主成分分析)和正矩阵分解模型等方法，分析了水库水体的水文地球化学特征及组分来源。【结果和结论】结果表明：(1)与水库进水水质相比，出水处水体的固体悬浮物(SS)、电导率(EC)、溶解性总固体(TDS)、Fe~(3+)、Mn~(2+)等重金属指标明显降低，且沿着水流方向上Na~+、Cl~-含量逐渐增加，Ca~(2+)、Mg~(2+)含量逐渐降低，水化学类型由进库的Cl·SO_4-Ca型向出库的Cl·SO_4-Na·Ca型和Cl·SO_4-Na型转变。(2)水库内垮落岩石主要为泥岩和砂岩，其矿物成分包括石英、正长石、钠长石、伊利石、高岭石、绿泥石、石膏和黄铁矿等，发生的水文地球化学作用主要包括矿物溶解(即岩盐、硅酸盐和石膏溶解)、阳离子交换、吸附和沉淀以及混合作用。(3)水库水体的水化学组分主要受矿物溶解和阳离子交换作用(F1)、离子的吸附和沉淀作用(F2)、不同水源的混合作用(F3) 3种因子控制，三者对水库水体离子质量浓度的平均贡献率分别为57.2%、22.0%和20.8%。(4) F1对Na~+、K~+、Ca~(2+)、Cl~-、SO_4~(2-)和HCO_3~-质量浓度的贡献率依次为86.9%、78.8%、79.2%、79.7%、74.0%、74.8%;F2对Fe3+和Mn2+质量浓度的贡献率分别为83.9%和70.3%;F3对Mg~(2+)质量浓度的贡献率为84.9%。研究成果为深入理解煤矿地下水库水质净化机理提供了理论支持，并为优化矿井水处理技术和实现水资源可持续利用提供了技术指导。

  2024年12期 v.52;No.324 118-130页 [查看摘要][在线阅读][下载 2654K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：389 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 循环热冲击花岗岩微观裂隙表征与渗透特性演化规律

  何将福;任成程;何坤;余启航;李欣儒;邓旭;

  【目的】为揭示增强型地热系统(EGS)热储开发过程中，钻井液、循环取热介质等低温流体与高温花岗岩储层循环热冲击致裂微观损伤特性与渗透率演化规律。【方法】开展了不同冷却方式、循环热冲击次数、冷却温度等条件下高温花岗岩致裂特征实验研究，得到了循环注水冷却和自然冷却状态下25～700℃花岗岩的纵波波速、孔隙体积分数、分形维数等微观结构特征参数，并基于CT扫描三维重构技术与Avizo-COMSOL交互式联合建模技术，构建了花岗岩微观孔隙渗透率演化特征模型，揭示了孔隙流体流动过程中渗流场、压力场和速度场的流线分布规律，并计算了X、Y、Z方向的绝对渗透率。【结果和结论】结果表明：(1)热处理温度与循环热冲击次数均与纵波波速呈负相关，循环次数越大，波速下降越明显，岩石损伤越严重，水冷却组波速下降速率整体大于空气自然冷却组。(2)当花岗岩温度t≤300℃时，CT扫描切片中的微裂纹数量较少，连通性较差；当温度t≥400℃时，花岗岩内部微裂纹及孤立孔隙迅速发育，并逐渐形成裂隙连通网络，且水冷却对花岗岩内部损伤致裂效果更显著。(3)由于微观孔隙结构的非均质性导致X、Y、Z三个方向渗流计算结果存在差异，沿流动方向孔隙压力减小、流量变大，在裂缝通道较窄的地方流量突然增加，但在一些复杂的孔隙结构中，不可避免地导致流体停滞或回流。研究结果揭示了循环热冲击对高温花岗岩损伤机制与渗透率演化规律，为热刺激法干热岩储层改造提供了可靠参数。

  2024年12期 v.52;No.324 131-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 2629K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：415 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 神东采煤沉陷区生态环境一体化监测技术与应用

  程洋;刘薇;张娜;李贯杰;刘凯;张成业;李军;

  【背景】干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测是区域性生态环境保护与治理的重要前提，对推动绿色矿山建设具有重要意义。【方法】立足政府对矿山生态环境的监管要求，分析了神东采煤沉陷区生态环境监测的难点，详细论述了“煤-岩-水-土-气-植-碳”一体化监测技术体系，制定了神东生态环境一体化监测要素、主要方法、技术路线，分析了“天-空-塔-地-室”一体化观测的时空协同关系，设计并实现了神东生态环境监测平台，在神东采煤沉陷区进行了生态环境一体化监测实践。【结果和结论】研究表明：(1)提出的“煤-岩-水-土-气-植-碳”要素一体化监测和“天-空-塔-地-室”多观测平台协同的技术体系，统筹考虑了各监管部门的要求和不同观测平台的优势，解决了生态环境多要素耦合协同分析、多部门监测要求协调的问题，满足了多个监管部门对指标覆盖性和监测效率的要求。(2)研发的神东生态环境监测平台集成了多源数据高效组织管理模型、智能决策模型等，解决了多源异构大数据管理与时空协同处理、基于多源监测大数据的生态修复智能决策等问题，助力了采煤沉陷区生态修复工程与植物日常管护。(3)提出的采煤沉陷区生态环境一体化监测技术在神东矿区绿色矿山建设中应用，在植物类型与种植密度优化决策、植被长势与土壤墒情研判、修复工程的植株数量与存活率智能监测验收等方面取得了良好的应用效果，为干旱半干旱采煤沉陷区生态环境监测治理提供了典型案例参考。

  2024年12期 v.52;No.324 143-154页 [查看摘要][在线阅读][下载 2313K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：354 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• Bi-RNN与GMS耦合的金属露天矿井涌水量预测

  赵誉兴;李向文;

  【目的】在矿井实际生产过程开始前，准确预测涌水量对预防矿井潜在水害事故和保障安全生产具有重要的直接指导作用。【方法】为提升以大气降水为主要补给来源的露天矿井涌水量预测的准确性与稳定性，提出一种结合双向循环神经网络(bidirectional recurrent neural network,Bi-RNN)和地下水数值模拟系统(groundwater modeling system,GMS)的涌水量预测耦合模型。该模型通过对全球预报系统数据(global forecast system,GFS)提供的研究区内历史预报降水与实际降水之间差值的波动规律进行分析，利用Bi-RNN对预报降水数据进行校正，将校正后的降水数据输入GMS中以预测南北2个开采区的涌水量。同时，采用传统的大井法和补给模数大井法对开采区涌水量进行预测，并对比不同方法的预测结果。【结果和结论】结果表明：北部开采区耦合模型预测结果为294 m~3/d，大井法预测结果为276.651～940.613 m~3/d，补给模数大井法预测结果为287.241 m~3/d；南部开采区耦合模型预测结果为1 160 m~3/d；大井法预测结果为3 330.107～5 090.944 m~3/d，补给模数大井法预测结果为1 108.575 m~3/d。研究表明，所建立的耦合模型在预测露天矿井涌水量方面取得了一定成果，作为一种结合多数据源的预测方法具有一定优势。该模型为解决矿井涌水量问题提供了新的思路和技术支持，具有较高的理论价值和实际应用潜力。

  2024年12期 v.52;No.324 155-169页 [查看摘要][在线阅读][下载 2876K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：307 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

煤田物探 矿井物探

• 掘进工作面地质构造探测频谱声学方法试验研究

  张建国;冯志成;魏风清;马骥;赵锴;王满;郭明功;Шилов Владимир Иванович;

  【目的】煤矿生产实践证明，绝大多数煤与瓦斯突出受地质构造的控制，且主要发生在掘进工作面。因此，地质构造连续超前探测是防治掘进工作面煤与瓦斯突出的重要技术手段，对保证矿井安全生产具有重要意义。【方法】基于频谱声学方法在俄罗斯多年的研究成果，利用掘进机割煤时激发的人工声学信号在顶板岩层弱化接触面处产生的谐振现象，构建以应力指标和频率指标为基础的地质构造预测系数，通过地震检波器、监测分站、工业环网、监测主机组成的监测预警系统，实时计算分析相对应力系数、频谱最大值频率和地质构造预测系数，实现掘进工作面地质构造的实时监测预警。中俄双方合作并在平顶山天安煤业股份有限公司八矿己15-15080风巷掘进工作面进行了试验研究，试验工作面连续推进756 m，共揭露断层7个。【结果和结论】试验结果表明：(1)地质构造监测指标异常区的分布与工作面地质构造的分布具有较好的一致性，工作面地质构造均分布在地质构造监测指标异常区内，在地质构造揭露前一定范围内，地质构造预测系数一定增大并超过其临界值，地质构造预测系数临界值可取7，对地质构造监测预警的可靠性可达100%。(2)按工作面至断层走向的法向距离计算，超前预警距离为6.5～27.3 m，沿工作面掘进方向计算，超前预警距离为13.5～44.0 m。(3)地质构造预测系数在断层两侧的分布形态可分为两类单翼型和双翼型，断层上盘或者下盘其中一盘的地质构造预测系数超过临界值的属于单翼型，断层上盘和下盘的地质构造预测系数都超过临界值的属于双翼型。(4)根据断层面和断层上下盘的相对应力系数的分布情况，断层附近的应力应变状态可分为单侧高应力区、双侧高应力区和整体高应力区，高应力区至断层面的距离一般为3.2～28.0 m。研究结果为掘进工作面地质构造超前探测连续在线预警提供了新的指标和方法。

  2024年12期 v.52;No.324 170-178页 [查看摘要][在线阅读][下载 1960K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：126 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 微震监测在复合坚硬砂岩体顶板控制策略优化中的应用

  张寅;李家俊;赵乾;杨晨晨;刘家麒;周雨;

  【目的】随着我国煤炭开采深度不断增加，上覆厚层坚硬岩层运动对矿压的影响愈加复杂，而鄂尔多斯矿井多数工作面上覆岩层赋存复合坚硬砂岩体，该类型关键层特点是厚、硬、近，这导致工作面矿震与动力显现风险并存。【方法】以鄂尔多斯地区某矿11-3106工作面为工程背景，基于微震聚集演化特征，采用理论分析和数值模拟的方法，对复合坚硬砂岩体顶板破断裂隙发育进行了研究，探讨了复合坚硬砂岩体顶板控制措施。【结果和结论】研究结果表明：(1)随着工作面的推采，上覆复合坚硬砂岩体在微震显著聚集区域发生破断，并可基于微震聚集特征演化规律来判识复合坚硬砂岩体的断裂位置，该工作面微震聚集高密度区呈现“高频率-高能量”的特征，并出现区域峰值大能量事件；(2) 11-3106工作面在推采至一次见方和二次见方附近，复合坚硬砂岩体呈现2～3个小周期和1个大周期的破断特征，微震聚集在工作面走向方向动态变化；(3)基于微震聚集演化特征，优化了深孔预裂爆破的破断步距，回风巷微震聚集程度显著减少，采动影响范围缩小，效果显著。根据工作面微震聚集特征演化的复合坚硬砂岩体动态迁移现象，对复合坚硬砂岩体顶板控制措施进行优化，对鄂尔多斯矿区相似覆岩结构的工作面的顶板防治具有参考意义。

  2024年12期 v.52;No.324 179-189页 [查看摘要][在线阅读][下载 6977K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：309 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 基于钻孔多参数测井的煤层顶底板岩性及厚度识别

  李哲;高保彬;雷文杰;李东会;李子馨;

  【背景】在煤层开采过程中，有效的地层特征探测方法对于井下工作开展至关重要，精确掌握煤层及其顶底板围岩的地层特征信息，有助于煤层瓦斯治理，保障矿井安全高效生产。【方法】采用底抽巷穿层钻孔进行多参数测井，重点分析了低位上行钻孔轨迹信息与自然伽马、自然电位和电阻率等参数的变化特性；通过综合对比多个钻孔的轨迹数据钻孔视频成像和测井结果，详细描述了工作面煤层及周围岩层的分布特征，并准确界定了各岩石类型及其真厚度；基于钻孔测井曲线特征和对应区域成孔视频，识别煤层中煤体结构异常区域和煤层含水区域。【结果和结论】研究结果表明：研究区域煤层顶底板岩性主要包括砂质泥岩、泥岩、细砂岩、煤4种岩石，不同岩性具有显著的测井响应特征，结合岩性划分结果和对应的钻孔轨迹信息，能有效划分煤层及其顶底板围岩层位。对单个钻孔开展重复性测井，提高了岩石岩性和厚度的识别精度，孔内厚度测量误差控制在0.2 m内，验证了测井结果的可靠性。煤层自然电位和电阻率曲线交会图表明，底抽巷第三、第四组钻孔之间存在长8.4 m，厚1.1 m的煤体结构异常区域；自然伽马、电阻率曲线交会图曲线和钻孔视频表明，第6组钻孔间存在长3.4 m，厚0.9 m的含水区域，研究结果与工作面瞬变电磁法勘测结果相一致，区域表现为弱富水性。多参数测井为快速判别井下钻孔的目标层位提供了高效手段，在推进矿井地质信息的透明化建设上有着良好的应用前景。

  2024年12期 v.52;No.324 190-200页 [查看摘要][在线阅读][下载 2966K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：327 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：1 ]

• 含水采空区瞬变电磁时空响应特征研究及应用

  宋贵磊;公绪飞;杨富强;崔建廷;李瞻领;刘丽娜;

  【目的与方法】为提高矿井瞬变电磁法对煤矿含水采空区的成像精度，基于高家梁煤矿地质条件，通过COMSOL有限元软件模拟不同层间距含水采空区模型的感应电磁场时空响应特征，分析其在视电阻率拟断面图及视纵向电导微分图分布规律；在鄂尔多斯高家梁煤矿开展了实地探测，成功识别出采空区含水情况。【结果和结论】结果表明：感应磁场在含水体内衰减速度慢于岩层内，电压衰减曲线可随时间的推移分为初始稳定衰减、相对缓慢衰减、相对快速衰减和最终稳定衰减4个阶段；层间距越小，初始稳定衰减阶段到相对缓慢衰减的转折点出现时间越早，相对缓慢衰减和相对快速衰减阶段持续时间越长，感应电压越大；磁感应强度最大值通常出现在含水采空区内，且随层间距增大线性减小；视纵向电导二阶微分能有效分辨高阻-低阻交界面，且层间距越小视纵向电导微分幅值越大；在高家梁煤矿20302和20313工作面采空区积水探测中，感应电压衰减转折点分别出现在718.51μs和1 004.31μs，根据相邻测道电压及视纵向电导微分变化，判断出积水横向分别分布在36～120 m和24～168 m，岩-水交界面分别出现在66 m和72 m处，并经钻探得到验证。研究结果可为矿井老空水探测及疏放提供指导，并对矿井安全生产具有重要意义。

  2024年12期 v.52;No.324 201-212页 [查看摘要][在线阅读][下载 3329K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：395 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

钻掘工程

• 钻杆仿生技术研究进展与发展趋势

  王传留;居培;

  【意义】钻杆作为钻井工程中的核心工具，其性能对钻井效率和安全性具有重要影响。近年来，仿生技术在钻杆设计中的应用逐渐成为研究热点，借助对自然界中生物出色的结构、形态以及材料特性的模仿，为钻杆的创新性设计开辟了全新的思路与方法。【进展】从结构仿生设计、形态仿生设计和材料仿生设计3个方面总结了钻杆仿生技术的研究进展。在结构仿生设计方面，通过模仿四足哺乳动物刚柔并济的脊柱结构特征，开发了具有防掉钻和柔性结构特征的高韧性仿生钻杆；在形态仿生设计方面，通过模拟蜣螂、贝壳等生物体表的非光滑表面形态，开发了具有凹凸不平表面特征的强耐磨仿生形态钻杆；在材料仿生设计方面，通过模拟毛蚶、甲壳等生物梯度复合材料特性以及竹子的生物纤维增强结构特性，开发了具有梯度和纤维材料特征的高强度、抗腐蚀、耐磨性能优异的仿生材料钻杆。【展望】指出当前研究存在的不足：理论与实践结合不足，多功能集成设计不足。同时提出仿生钻杆的未来发展趋势，未来钻杆仿生技术将朝着高强度和轻量化、耐磨、防腐、抗疲劳性能的集成化和结构与信息传输的智能化方向迈进，最终为未来钻杆技术的创新和发展提供依据和指导。

  2024年12期 v.52;No.324 213-223页 [查看摘要][在线阅读][下载 1974K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：146 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 基于DC-UNet的煤矿掘进巷道断面裂隙图像检测方法

  董征;张旭辉;杨文娟;康乐;汤杜炜;田琛辉;

  【目的】煤矿巷道断面裂隙检测可表征巷道地质情况，指导掘进与支护工程。传统的巷道断面裂隙图像处理方法容易受到煤矿井下复杂环境的影响，导致裂隙检测效率较低。【方法】提出一种基于DC-UNet模型的巷道断面裂隙检测方法，可部署在移动端与嵌入式设备，实时有效地检测巷道断面裂隙情况，提高裂隙检测效率。首先，建立了巷道断面裂隙图像数据集，使用图像数据增强技术增加原始图像数据集，并对数据集图像进行标注。随后，基于DC-UNet网络构建了裂隙检测与裂隙参数计算框架，通过改进深度可分离卷积(depthwise separable convolution,DwConv)与引入双重注意力模块(convolutional block attention module,CBAM)，提高了模型的轻量化与检测精度。DwConv替代传统卷积操作，降低了模型的参数量和计算量；CBAM模块通过串联通道注意力与空间注意力，提高了模型在低照度多粉尘复杂井下环境中的裂隙语义信息。最后，将所提算法与现有图像处理算法进行了对比，并将模型导入到移动端设备中进行验证。【结果和结论】结果表明：改进模型的裂隙检测精度为92%，相比于传统图像处理方法，检测精度得到了提高；改进模型部署在移动端设备，数据量为7.52 MB，相比于原有模型减少了68.9%，降低了模型的计算量；占用空间为19.43 MB，相比于原有模型降低了80.2%，提高了模型的轻量化水平；检测时间为0.075 s，满足现场检测实时性的要求，提高了检测速度。提出的改进算法可以满足煤矿井下掘进断面裂隙检测要求，为煤矿巷道裂隙检测与巷道掘进工程奠定了基础。

  2024年12期 v.52;No.324 224-232页 [查看摘要][在线阅读][下载 1887K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：465 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 基于功率回收的矿用全尺寸钻杆动态加载系统研制

  章静;王杰;

  【目的】为了模拟钻杆在煤矿井下瓦斯抽采钻孔过程中的真实受力情况，满足实物钻杆的疲劳试验需求。【方法】设计了一种矿用全尺寸钻杆动态加载系统，整个系统由钻杆加载平台、功率回收型液压泵站和测控系统3大部分组成，能够对不同规格的钻杆进行动态扭矩、轴向力和径向位移的复合加载。扭矩加载采用液压功率回收方式，由两个完全相同的液压马达和钻杆进行机械连接，主动马达带动钻杆和加载马达旋转，两者互为负载，加载马达将输出的流量反馈给主动马达，从而实现扭矩加载和功率回收，该闭环系统的能量损失由两个液压补偿泵进行弥补；轴向力和径向位移加载采用电液比例控制方式，由传感器采集各变量参数，可编辑逻辑控制器(programmable logic controller,PLC)对加载油缸的力和位移进行闭环调节，从而实现精确控制；试验过程中的各项运行参数和功率回收效率由测控系统进行数据采集并实时显示在上位机中。最后，采用?127 mm×3 000 mm型外圆钻杆对系统的加载能力进行了试验验证。【结果和结论】结果表明：(1)加载系统的扭矩和转速可通过改变液压补偿泵的流量或压力，主动马达与加载马达的排量关系，变速箱档位等多种方式进行调节，能满足各种不同的试验工况。(2)当主动马达和加载马达的排量一致时，功率回收效率取得理论最大值77%。(3)在低速大扭矩工况下，实测的钻杆扭矩加载最大值为35 080 N·m，对应的转速为28 r/min，电机功率为50.7 kW，功率回收效率为66.2%，有效降低了加载系统的装机功率。研制的钻杆动态加载系统成功解决了现有矿用钻杆疲劳试验装置加载能力不足及耗能大的问题，为钻杆的测试研究工作提供了有力的设备支撑，具有显著的应用价值。

  2024年12期 v.52;No.324 233-242页 [查看摘要][在线阅读][下载 1858K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：70 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 《煤田地质与勘探》2024年(第52卷)总目次

  <正>~~

  2024年12期 v.52;No.324 243-254页 [查看摘要][在线阅读][下载 846K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：9 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]

• 《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12期 v.52;No.324 255页 [查看摘要][在线阅读][下载 362K]
  [阅读次数：0 ] |[下载次数：11 ] |[网刊下载次数：0 ] |[引用频次：0 ]
下载本期数据