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• 煤炭开采地质体复合损害与减损保障

  王双明;孙强;胡鑫;耿济世;侯恩科;王生全;周书涛;师庆民;袁士豪;陈凯;宋世杰;

  【目的和背景】煤炭长期处于我国主体能源地位。随着近年开采规模和强度的增大，煤炭开采区岩石、土壤、水圈、生态环境的关联程度得到强化，急需从地球系统科学的理念出发，理解煤炭安全开采和绿色开采中围岩移动变形、冲击地压、煤与瓦斯突出、涌突水、地面沉陷、水土流失、生态环境损害等之间的耦合关系和链生特征。【方法和结果】提出基于地质结构控制和岩体结构采动响应的地质体复合损害科学研究内容、关键问题与减损地质保障思路，包括：(1)开展煤矿区煤-岩-水-土-生态圈层组合关系与动态响应特征研究，剖析复合损害形成的地质基础条件，厘清开发背景下各圈层采前、采中、采后地质条件动态演化特征，建立煤-岩-水-土-生态环境动态耦合演化模型。(2)建立复合损害协同驱动模型，精准识别量化各要素的关键状态参量，查明损害类型及其主控因素，揭示采动多场耦合响应规律与复合损害演化过程。(3)基于煤炭开采下多圈层损害之间的关联性，关注复合损害动态演化过程与对应关键状态参量变化，建立煤矿区复合损害协同预测监测与防控体系。(4)构建“五体系一平台”(精准勘探体系、智能感知体系、快速解译体系、风险评估体系、工程减损体系和采动复合损害综合分析平台)，科学分析煤炭埋藏条件、岩体结构条件、水文地质条件、生态环境条件等自然因素及岩-水-土-生态环境多圈层响应规律等地质信息，实现地质结构条件透明化、评价模型及方法有效化、煤炭开发模式优选化、风险动态预测超前化、地质保障策略科学化。煤矿围岩复合损害地质保障研究能够为煤炭减损开采提供科学指导，服务煤炭绿色安全开采与生态环境保护。

  2025年01期 v.53;No.325 1-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 8267K]
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煤炭地质 矿井地质

• 中国煤系矿产近现代地质研究进展与走向

  秦勇;

  【背景】煤系矿产是我国矿产资源供给安全的重要保障，回顾中国煤系矿产地质研究进展与走向，极具历史意义，也有现实价值，还可能为未来研究提供启迪。【进展】考证史实，梳理脉络，将研究进展凝练为4个方面。一是煤系矿产地质学理论体系日趋完善，中国煤田地质经典理论体系形成于20世纪后半叶，进入21世纪以来逐渐形成了以煤、煤系气和煤系关键金属为主的煤系矿产地质学理论体系。二是煤起源和成因研究成果推动了国际煤地质学发展，提出新的煤变质作用学说，发现世界上最年轻软褐煤，揭示晚期煤化作用跃变，建立了普通有机岩石学分支学科，全面揭示了煤的形成演化机理。三是煤系矿产聚集分布成矿理论独具特色，建立了多种沉积控煤模式和构造控煤模式，揭示了海域聚煤作用基本格局，发现多种类型煤系关键金属矿床，提出控煤大地构造和煤系关键金属成矿区带划分方案，形成了煤层气地质理论体系。四是特殊用煤资源地质调查与评价成果显著，建立了特殊煤种、优质环保型、洁净煤炭资源地质预测评价方法体系，以及富油煤和煤炭地下气化资源潜力评价方法体系，初步摸查了相关用途煤炭资源家底。【展望】分析认为，国家重大需求决定煤系矿产地质研究走向，建议未来地质研究聚焦在煤炭资源精准勘查开发、煤系气勘查和有序开发、关键金属矿产勘查开发以及煤炭原位流态化开采地质保障4个方向。同时，也应关注煤系氦气富集机理探索和资源预测方法研究。

  2025年01期 v.53;No.325 12-35页 [查看摘要][在线阅读][下载 1448K]
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• 洁净煤地质内涵、现状与未来发展方向

  唐跃刚;王绍清;王晓帅;郭鑫;王亚丰;薛李苹;Harold H.Schobert;

  【目的】勘查与评价低碳、零排放和煤资源利用最大化是21世纪煤地质工作的重要内容。【研究进展】根据煤、煤地质学研究内容及洁净煤技术国内外发展趋势，定义了广义和狭义洁净煤地质学，其中，煤加工利用中提效减排的地质地球化学问题是狭义煤地质学研究内容，煤炭勘探开发利用以及生态修复等全煤炭生命周期提效减排是广义洁净煤地质学研究内容。概述了煤中有益成分和有害成分的组成与分布，梳理了影响洁净煤技术的地质因素，主要与成煤作用过程中内生、外生地质作用相关，涉及构造、变质、火山喷发、岩浆侵入，风水搬运沉积，氧化还原，地下水等。详细综述了煤炭资源洁净评价、洁净加工、转化与利用等研究现状，回顾了中国洁净煤地质学的研究进展，归纳为萌芽-探索-成熟-确立-拓展等5个阶段。【问题与展望】提出了成煤作用、有机无机、矿物质和洁净评价等所存在的科学与技术问题；指出，未来化学、物理学、生物学及大数据人工智能等方面的发展为洁净煤地质学及其大型工程带来拓展机遇；未来十年，洁净煤时空分布、绿色智能煤气等共伴生矿产分质共采、洁净煤气化、煤基新材料、地下煤化工、生态修复等是重要研发方向，建议持续关注相关创新研究成果。

  2025年01期 v.53;No.325 36-63页 [查看摘要][在线阅读][下载 1740K]
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• 智能时代的矿井地质工作展望——矿井开采智能地质保障技术体系架构

  夏玉成;孙学阳;苗霖田;郭晨;杜荣军;

  【背景和意义】面临碳达峰碳中和(“双碳”)目标的严峻挑战，煤矿智能化是新时期煤炭产业高质量可持续发展的必由之路和重要标志。矿井地质工作为地下煤矿开采提供地质基础和保障，在煤炭产业转型升级高质量发展中的重要性将日益增强。通过“矿井地质+人工智能”，构建“矿井开采智能地质保障技术体系”，为矿井安全高效绿色智能开采提供全方位和全过程地质保障，是新时期矿井地质工作契合煤矿智能化建设目标的发展方向与必然趋势，必将成为助推矿井地质工作提质增效的新质生产力。【方法和结果】在探讨矿井开采智能地质保障技术体系科学内涵的基础上，初步搭建了矿井开采智能地质保障技术体系架构，并对构成该技术体系的5个子体系：基础地测信息智能化管理、矿井地质灾害的智能化预测预警、矿区生态环境的智能化监测预测预警、开采有利区块的智能化辨识、透明工作面子体系，及其核心工作模块进行系统梳理。【结论】同时特别强调，在地质探测、检测技术手段不断进步的前提下，矿井开采智能地质保障技术体系的有效性取决于原始数据的准确性和可靠性，归根结底取决于地测人员的数量和专业素养，呼吁进一步加强矿井地质专业人才的引进与培养。

  2025年01期 v.53;No.325 64-76页 [查看摘要][在线阅读][下载 1638K]
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• 我国煤矿瓦斯抽采与利用发展历程、技术进展及展望

  李国富;李超;张碧川;徐云;王争;周显俊;

  【目的和方法】为加快推进煤矿瓦斯抽采与利用技术的研发与应用，通过系统梳理我国煤矿瓦斯抽放向瓦斯抽采转变的发展历程，总结归纳我国典型煤矿瓦斯精准高效抽采技术，全面介绍煤矿瓦斯安全集输与全浓度利用技术最新应用情况，以期为加速发展煤矿瓦斯抽采与利用技术、实现甲烷减排、助力碳达峰碳中和(“双碳”)目标提供借鉴。【进展】20世纪30-50年代是我国煤矿瓦斯抽放的起步阶段，主要在辽宁抚顺、山西阳泉、重庆天府等矿区采用井下钻孔法抽放本煤层瓦斯和上邻近层瓦斯保障采掘安全；60-70年代，黑龙江鸡西、贵州水城等矿区采取边掘边抽措施防治瓦斯超限与事故，取得了良好效果，开发了邻近层瓦斯抽放技术，针对低透气性煤层试验了煤层水力割缝、控制预裂爆破、水射流扩孔等方法；自20世纪80年代开始，随着工作面瓦斯涌出量大幅度增加，有针对性地应用本煤层瓦斯预抽、邻近层瓦斯抽放和采空区瓦斯抽放等多种方法对卸压瓦斯进行了有效抽放，但瓦斯利用进展缓慢。进入21世纪后，对煤矿瓦斯的认识已由单一灾害属性向灾害与资源共生属性转变，逐步实现了变瓦斯抽放为瓦斯抽采，结合不同矿区瓦斯地质条件差异性形成了以山西晋城“四区联动”井上下联合抽采模式、安徽两淮碎软低渗煤层保护层开采模式以及重庆松藻水力强化增透模式为典型代表的瓦斯抽采模式，研发形成了水封阻火泄爆、干式阻火器、细水雾和自动喷粉抑爆等安全输送技术与装置，迄今已获得广泛应用。在瓦斯利用方面，研发应用了瓦斯发电、直流氧化、多孔介质燃烧、蓄热氧化、乏风瓦斯掺混氧化等技术，为煤矿瓦斯“全浓度”利用提供了技术支撑。但煤矿瓦斯抽采仍然面临普适性差、成本高等难题，利用技术主要面临经济性差的挑战。【展望】煤矿瓦斯抽采与利用技术的发展将聚焦至发展10 a规划区域瓦斯超前预抽采技术体系、扩展煤与瓦斯共采模式、源头优化瓦斯利用各环节、提升瓦斯抽采管网智能化水平、产-学-研-政联合攻关助力瓦斯利用项目落地等方面，实现煤矿瓦斯的全浓度利用，助力煤炭行业“双碳”目标的实现。

  2025年01期 v.53;No.325 77-91页 [查看摘要][在线阅读][下载 2050K]
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• 煤裂隙粗糙度和开度对注水渗流影响的实验研究

  王刚;陈雪畅;陈昊;隆清明;刘义鑫;

  【目的】煤层注水是矿井除尘、防治煤与瓦斯突出和冲击地压等灾害的关键技术措施，而裂隙粗糙度、开度等形态特征对煤层注水效果具有显著影响。【方法】借助砂纸和聚酰亚胺高温胶带制备了含有不同粗糙度和开度裂隙的煤样，利用激光光谱共聚焦显微镜精准计算裂隙粗糙度参数，测试裂隙煤样渗流量。【结果和结论】结果表明，表面高度偏差H_a、表面最大高度H_z和三维形貌分形维数D_s可以作为表征煤剖面粗糙程度的参数。煤体渗流量随H_a、H_z和D_s的升高呈指数降低趋势，随着剖面粗糙度从4.69提高到18.43，裂隙内的渗流量最高下降84.42%。裂隙开度在60～90μm时其粗糙度对渗流的阻碍效果达到最高，此后粗糙单元阻碍效果开始减弱，裂隙开度在渗流过程占据主导作用。煤体渗流量随裂隙开度的升高呈指数升高的趋势，裂隙开度由30μm提高到150μm，裂隙渗流量最高可增大355.88倍。通过对裂隙开度和粗糙度与渗流量关系的深入探究，明确了两者在煤层注水过程中的关键作用机制，强调在煤层注水实践中应充分考虑裂隙形态特征，依据不同的裂隙开度和粗糙度情况合理选择注水方式，以实现煤层注水效果的有效提升。

  2025年01期 v.53;No.325 92-101页 [查看摘要][在线阅读][下载 2137K]
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• 特厚煤层覆岩裂隙-渗流区域演化规律及工程应用

  孔祥国;赵天烁;林海飞;赵鹏翔;王旭;蔡雨初;季鹏飞;和递;李可;徐传玉;

  【目的和方法】覆岩结构对卸压瓦斯抽采有重要影响，为探究特厚煤层开采过程中上覆岩层瓦斯运移规律，采用物理相似性模拟实验方法分析覆岩裂隙形态和渗流能力演化规律，研究特厚煤层覆岩裂隙-渗流特征区域演化机理，提出特厚煤层覆岩裂隙-渗流特征区域识别方法，依据该识别方法在实验工作面进行定向钻孔抽采实践。【结果和结论】结果表明：(1)覆岩中间区域离层量和裂隙密度分别为两侧区域的47%和31%，呈现中间低两边高的分布模式。开采初期，覆岩的裂隙-渗流特征在空间分布具有同步性，随着工作面进一步推进，覆岩受到不同程度的采动影响，覆岩逐渐开始分区演化，中间区域裂隙-渗流特征明显小于四周，两侧区域则随着层位的增加而递减，裂隙率、裂隙熵、连通性系数和渗透率范围分别为1.0%～8.5%、0.15～0.90、0.10～0.65和6.34×10~(-9)～7.78×10~(-7) m~2。(2)基于覆岩裂隙和渗流能力对瓦斯运移的影响，将覆岩分为4个区域，分别是低位湍流区、中位压实区、中位过渡区和高位恒流区，基于裂隙率、裂隙熵、连通性系数和渗透率在不同区域的时空演化规律，建立特厚煤层覆岩裂隙-渗流特征区域演化模型和判定流程。(3)根据覆岩裂隙-渗流特征区域演化模型，分析中位过渡区和高位恒流区为抽采优势层位，设计钻孔垂距为6～25 m，将钻孔抽采纯量随时间的变化过程分为初始波动阶段、快速增长阶段和缓慢下降阶段，回采期间工作面甲烷体积分数均小于1%，工程实践效果良好，验证了方法的可行性和定向钻孔布置的合理性。研究结果为瓦斯抽采钻孔参数的优化和煤层瓦斯治理提供一定的理论指导。

  2025年01期 v.53;No.325 102-113页 [查看摘要][在线阅读][下载 3013K]
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煤系气 煤伴生矿产

• 中国煤层气勘探开发及其科技进步历程回顾与思考

  叶建平;

  【目的和方法】整理研究大量科技文献和煤层气勘探开发项目技术资料，对比分析煤层气关键技术发展脉络和最新进展，回顾了30多年来我国煤层气勘探开发历程，讨论了煤层气勘探开发面临的理论和技术挑战，提出了未来煤层气发展方向。【进展】结果显示，深层(深部)煤层气吸附态、游离态转换变化是一个重大理论认识，勘探开发思想认识的突破和近钻头地质导向技术、水平井分段多级体积压裂技术的创新应用，成就了我国深层煤层气开发的新局面，深层煤层气成藏机理及成藏模式、勘探开发评价方法及其煤层气生产规律的认识是近年来的重要进展，地质工程一体化是开展有利区预测评价、井位部署、适配性技术研发等的有效方法。丛式水平井井组部署及其与直井/定向井组相结合的部署、水平井分段多级体积压裂改造、无杆举升智能化排采，构成了当前最为先进的煤层气开采综合技术体系。薄煤层煤层气实现高效开采，突破了煤层气开发厚度下限，开辟了新层系。研究认为，我国煤层气开发存在两大对象，即以吸附气为主的煤层气藏和吸附气+游离气共存的煤层气藏，两者在成藏机理、勘探开发技术、勘探开发思想上存在明显差异。【展望】未来我国煤层气勘探开发应该面向4个领域展开：深层煤层气将成为未来煤层气勘探开发主要领域和技术攻关的主要方向，要加大加快鄂尔多斯盆地深部、准噶尔盆地、吐哈盆地、塔里木盆地和四川盆地等地台型沉积盆地深层煤层气资源勘探和开发；中深层煤层气是规模化开发的重要方向；浅层煤层气是煤层气产业发展的压舱石，需要继续做好稳产、接替工作；低阶煤储层煤层气是一个潜在领域。

  2025年01期 v.53;No.325 114-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 1357K]
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• 深部煤层气勘探开发关键实验技术及发展方向

  闫霞;徐凤银;熊先钺;王峰;李春虎;张纪远;徐博瑞;成前辉;胡雄;朱学光;梁为;袁朴;冯延青;魏振吉;

  【目的】深部煤层气开发具有见气快、单井产量高、资源分布连续稳定等优势，成为天然气增储上产的重要方向，但其勘探开发技术仍面临诸多难题，深部煤层气地质储层特征与工程评价、气水赋存特征与开发机理、生产制度制定和提高采收率方法等方面的关键实验技术研究薄弱。【进展总结】针对深部煤层和煤层气特点，提出了深部煤层在大尺寸煤样采集、高温高压高应力原位条件、亚纳米-纳米级微孔高精度表征与解吸、含气量准确测定4大方面的挑战，系统分析了深部煤多尺度孔裂隙表征、吸附性和含气性评价、煤岩力学特征及裂缝扩展规律、压后流体赋存-产出开发动态规律等实验技术进展与难点。【展望】针对性提出深部煤层气开发及煤炭原位转化实验的7个发展方向：(1)适用于特低孔、特低渗深部煤层小于2 nm微孔结构的清晰直接观测技术、“微孔大量发育-介孔少-宏孔多”的全孔径多尺度拼接技术及孔裂隙连通结构评价技术；(2)考虑高温高压原位环境下深部煤层润湿性、压裂液侵入、高矿化度影响的原煤等温吸附测试技术；(3)具有高保压率和高保温率、气量可位置追溯的密闭取心装置和原位保压取心技术；(4)高温、高压等多场耦合作用下，基于“纳米科学”的深部煤层微孔气水赋存评价技术和“纳米-微米-毫米”多尺度解吸-扩散-渗流实验技术；(5)适用于深部煤层高应力、低弹性模量、高泊松比特点的原位条件多功能力学实验设备研制及测试技术；(6)适用于提高深部煤层气采收率的储层赋能(微波、激光、电热)、激励增渗改造(电磁脉冲、脉冲超声波、可控冲击波)、注CO_2驱替、超临界CO_2机械脉动联合等实验技术；(7)适用于深部煤炭原位转化/利用的热解、煤炭地下气化、地热利用、CO_2地质封存等实验技术。分析认为，深部煤层气勘探开发的客观需求亟需建立相关实验技术的操作流程标准与规范，以期实现“绿色环保、增渗、促解吸、CO_2封存”多重功效，为深部煤层气和深部煤炭的高效开发利用提供重要支持，助力实现“双碳”目标。

  2025年01期 v.53;No.325 128-141页 [查看摘要][在线阅读][下载 1860K]
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• 延川南深部煤层气开发关键技术与地质工程一体化实践

  陈贞龙;王运海;刘晓;崔彬;杨松;李鑫;房启龙;

  【目的和方法】针对深部煤层气储层非均质性强、开发井网部署模式单一、常规水力压裂适用性较差、传统排采周期过长以及低效井占比大等难题，以国内首个深部煤层气田-延川南煤层气效益开发实践为例，力图通过深部煤层气地质工程一体化技术的深度融合，形成延川南深部煤层气的高效开发建产模式。【结果和结论】结果表明：(1)延川南深部煤层气田规模化产能建设历经规模建产、技术攻关、创新推广3个开发阶段，形成了“四元耦合”地质工程“双甜点”优选和高效开发地质认识，创立了“有效支撑”压裂理念及储层改造关键配套技术，提出了“四段三稳三控”优快上产排采等针对性技术，平均见气周期由240 d缩短至30 d，单井产量实现大幅提升，定向井单井日产气量达2.0万m3，水平井单井日产气量达6.5万m3。(2)深部煤层气非均质性强、效益开发难度大，产能建设按照“整体部署、分批实施、评建一体、滚动建产”的思路，不断评价调整地质工程“双甜点”区，及时优化开发方案，有效规避低效井成批出现，产能到位率由最初84%提升至100%，经济效益明显提高。(3)立足井位部署-钻完井-储层改造-试气排采-集输处理等气藏全生命周期，遵循地质工程一体化理念，形成了“储量-井网-缝网”相匹配的合理井距，单井动用储量提高30%～50%；建立了“提速+降本”为核心的优快钻完井技术，钻进速度较早期提速34%；提出了“高低压分输+三级增压+站间互通”为内涵的低压集输工艺技术，平台投资降低10.8%、节约用地20%。延川南煤层气田地质工程一体化实践，为深部煤层气产业发展提供了技术支持，具有较好的示范和带动意义。

  2025年01期 v.53;No.325 142-151页 [查看摘要][在线阅读][下载 2126K]
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• 煤层气多层合采解吸叠加效应分析方法与实践——以黔西小屯井田为例

  郭晨;吉彦;赵宸谊;卢玲玲;于鑫航;高俊喆;李猴强;张旭阳;王祥;何红斌;张润涵;

  【目的】煤层气多层合采是提高单井产量的重要手段，但开发实践表明煤层气合采效果与控制因素复杂多变，面临产气贡献判识、产气潜力预测、产层组合优化等技术难点。不同煤储层解吸产气的叠加性决定着煤层气合采能否取得高产。【方法】提出解吸次序判断、解吸区间叠加性与解吸阶段匹配性分析、井控可解吸量预测的煤层气合采解吸叠加效应分析方法，并以黔西小屯井田为例开展应用研究。【结果和结论】结果表明，该区煤储层具有吸附能力强、含气饱和度低、临界解吸压力低的特点。煤层气产层可划分为2套解吸系统，上部解吸系统的解吸次序为6_上、7、6_中与6_下煤，下部解吸系统的解吸次序为34、33煤。以生产过程动液面变化为刻度，分析煤层气合采过程中各煤层的解吸历程，发现6_上、7、6_中、6_下煤在45 m的动液面范围内能够同步解吸，33煤与34煤在92 m的范围内能够同步解吸。基于等温吸附曲线揭示各煤层解吸阶段的匹配性，由于临界解吸压力低，各煤层解吸后直接进入敏感解吸阶段，解吸效率高且匹配性好，有利于高产，但存在压降空间不足，排水周期长等弊端，对煤储层改造和排采提出更高要求。井控可解吸量及其时变曲线预测表明，当解吸系统内部所有产层同步解吸时，将迎来解吸高峰，此阶段上部系统井控可解吸量378.09万m~3，日均4.20万m~3，下部系统井控可解吸量199.11万m~3，日均1.08万m~3。上下2套解吸系统均显示了良好的解吸叠加效应，分别构成两套有利合采产层组合。该方法可为煤层气合采产气贡献识别、产气潜力预测与产层组合优化提供参考依据。

  2025年01期 v.53;No.325 152-162页 [查看摘要][在线阅读][下载 1886K]
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水文地质 工程地质 环境地质

• 煤基固废与高盐废水“固液协同”充填处置关键技术

  董书宁;于树江;董兴玲;张步勤;郭小铭;王晓东;王凯;朱世彬;武博强;刘磊;

  【目的和背景】受地域、经济和技术水平等限制，大部分煤基固废仍以露天堆填的形式积存而未进行处置，不仅占用大量土地资源，还会对环境造成二次污染。高盐废水(如矿井高盐水、煤化工高盐水)的妥善处置及减量化是实现废水“零排放”的关键环节，然而现有高盐废水处理技术普遍存在工程初期投资大、运行费用较高等问题。【方法】提出煤基固废和高盐废水“固液”两废协同处理技术，即使用高盐废水代替普通用水和早强剂等添加剂，采用固废胶凝材料代替水泥材料，将煤基固废和高盐废水搅拌混合后得到充填膏体，泵送至煤矿井下空间。为了分析该技术的可行性，以宁夏宁东煤炭基地某煤矿为研究区，研究煤基固废充填膏体的力学性能及其对环境的潜在影响。采用单轴抗压强度测试试验(UCS)、扫描电镜(SEM)和电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)分析固化充填膏体的力学性能、微观结构及重金属浸出特征。【结果和结论】结果表明：随着时间的延长，固化充填膏体的强度不断增加，而随着矿粉添加量的增多，胶凝材料比例下降，固化充填膏体的强度逐渐减小。值得注意的是，随着时间延长，所有使用高盐废水作为拌合水的充填膏体3 d强度都高于0.5 MPa，基本满足NB/T 11432-2023《煤矿矸石基固废充填技术规范》中的最低要求，14 d强度达到3.38～5.99 MPa，能够满足绝大部分煤矿充填的各种场景要求。内梅罗污染指数法评价结果显示，固化充填膏体浸出液中重金属的综合污染指数为0.25，评价分级标准为安全；从固化充填膏体的浸出试验结果可以看出，浸出液中主要污染物的浓度均低于GB 5085.3-2007《危险废物鉴别标准浸出毒性鉴别》及GB/T 14848-2017《地下水质量标准》中所列的Ⅲ类水标准要求。因此，煤基固废和矿井高盐水协同处理技术，在力学性能和环境稳定性评估方面均满足相关标准，可实现煤基固废及高盐废水的可循环、低成本和全量化利用，具有显著的经济效益和环境生态效益，在无废矿山、无废化工建设方面有较好的应用前景。

  2025年01期 v.53;No.325 163-173页 [查看摘要][在线阅读][下载 2041K]
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• 帷幕墙影响下侏罗系砾岩含水层地下水化学时空演化规律

  陈陆望;武明辉;侯晓伟;胡永胜;张苗;蔡欣悦;殷晓曦;施小平;

  【目的】帷幕墙是煤矿水害防治的主要工程之一，不仅改变地下水动力场，帷幕墙溶蚀也会影响地下水化学场，导致水化学组分发生变化。【方法】以安徽淮北煤田朱仙庄煤矿侏罗系砾岩含水层为研究对象，基于常规水化学组分统计、Piper三线图、离子组合比例及主成分分析，探讨帷幕墙对该含水层水化学作用的影响，阐明帷幕墙影响下水化学作用时空演化规律。【结果和讨论】结果表明：(1)帷幕墙内外水化学特征差异显著，与帷幕墙外相比，帷幕墙内地下水中Ca~(2+)和Mg~(2+)含量增加；(2)修建帷幕墙后，水化学作用主要为基于方解石(CaCO_3)与白云石(CaMg(CO_3)_2)溶滤溶解的帷幕墙溶蚀作用，并伴随不同程度的黄铁矿氧化、阳离子交替吸附以及脱硫酸作用；(3)受采动影响，帷幕墙内地下水受帷幕墙溶蚀作用影响趋于增强，且与东线帷幕墙相比，北线帷幕墙溶蚀作用相对较弱。研究成果可为帷幕墙监测防护和地下水环境保护提供理论支持。

  2025年01期 v.53;No.325 174-183页 [查看摘要][在线阅读][下载 2197K]
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• 渭北地区中更新世黄土的压电性试验研究

  井彦林;刘杰;刘清颖;段晓晓;谢娜;杨登科;

  【背景】石英为最早被发现的压电材料，石英的压电性在工业、军事及人们的日常生活等方面均得到了广泛应用。黄土在世界上分布较广，其主要矿物成分为石英，石英质量分数为37.0%～69.9%，但目前国内外对黄土的压电性少有研究。【方法】为了探讨黄土的压电性，以陕西渭北黄土塬Q e2ol黄土为研究对象，对其压电系数进行测定，并对黄土在静力作用下及振动作用下的压电电压进行试验研究。【结果和结论】结果表明：黄土具有压电性。基于黄土的压电性，可制作压电式电池，也可进行压电式发电。黄土的压电性与其厚度无关，与干密度、含水率相关。干密度越小、含水率越高，压电性越强，压电系数越大，反之，压电系数越小；黄土在天然密度及天然含水率状态下，其压电系数为16.1 pC/N。在静力作用下，压电电压信号为正弦波，波形较规则，电压频率10 MHz，周期100 ns。静力作用下压电电压可达到0.6 V以上；多个试样串联连接，则电压值累加式增高。在振动作用下，黄土压电电压显著增高，且在不同的振动频率作用下电压不同，共振作用下压电电压最高，共振时单个黄土试样电压最大值超过2.1 V。在振动及上部荷载双重作用下，以(黄土)压电式电池替代传统汽车电池的可行性研究无疑是一个备受关注的课题，同时，基于黄土的压电性，在黄土地区进行土壤湿度、地震活动监测以及卓越周期测试等方面的研究颇具理论和实际意义，研究成果可为上述研究提供重要参考和借鉴。

  2025年01期 v.53;No.325 184-192页 [查看摘要][在线阅读][下载 1886K]
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• 侧限条件下断层破碎岩体变形及渗流侵蚀特性

  孙文斌;田殿金;马诚;薛彦超;杨灿;朱开鹏;

  【目的】我国大部分矿区进入深部开采阶段，复杂的深部水文地质条件和显著增加的隐蔽致灾因素以及断层的存在加大了矿井突水事故的风险。【方法】利用破碎岩石变形–渗流试验系统，研究断层破碎岩体的承压变形与渗流侵蚀特性，通过分析侧限轴向压缩条件下级配组合、饱水状态和渗透水压3个因素对破碎岩体变形-渗流特性的影响，进一步研究破碎岩体岩样颗粒流失特征、空隙结构及渗透参数变化的时变规律。【结果和结论】结果表明：(1)破碎岩样峰值应变随着级配指数n的增加而增大。饱水状态下相同级配的岩样在相同应力下的应变增量值比干燥状态下大。(2)流失颗粒质量与时间的拟合曲线呈指数增长函数关系，流失颗粒质量与侧限轴向应力成反比。次生颗粒质量随着轴向荷载的增大而增大。(3)岩样空隙率的演变趋势与其粒径级配密切相关。级配指数n与岩样的整体空隙率呈正相关关系。加载渗透前后相比，分形维数D与n成反比，细小粒径颗粒的质量增加，大粒径颗粒的质量降低。加载渗透后的岩样分形维数有较大的增量。(4)断层内承压水导升过程宏观上可分为承压水导升初期、导水溃砂通道扩展和发育成熟阶段，细观上可分为岩体浸水软化、错位挤压、变形开裂、破碎剥离的发育过程。研究成果可为断层突水灾害演化规律研究提供试验数据和理论依据。

  2025年01期 v.53;No.325 193-203页 [查看摘要][在线阅读][下载 1999K]
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煤田物探 矿井物探

• 煤系典型岩石受载全过程光-电-声波多参数响应特征

  张平松;刘畅;

  【目的】岩石在载荷作用下的变形与断裂会引起潜在参数信息的变化，通过参数的动态捕捉可表征裂隙生成、扩展、闭合过程，是一种岩石健康评价的重要方法。【方法】基于搭建的多参数测试系统，开展单轴加载条件下岩石试件的分布式光纤应变、电极电流、纵波波速的同步采集，进一步构建强度-参数特征关系图谱以及参数层析成像结果，精细描述了砂岩、灰岩、泥岩3类典型岩石受载全过程多参数的时空演化特征。【结果和结论】试验结果表明：时间-压力曲线和多参数响应曲线具有较好的一致性，螺旋布设的分布式光纤应变在试件的原生孔隙压缩和线弹性阶段表现为缓慢、稳定的增长，在裂隙生成、扩展阶段表现为突然、快速的增长。试验中，砂岩、灰岩、泥岩的临破裂分布式光纤应变值分别为933×10~(-6),401×10~(-6)和3 790×10~(-6)；电极电流在原生孔隙压缩和线弹性阶段变化微小，在裂隙生成、扩展阶段明显地降低、裂隙闭合时有一定回升；在原生孔隙压缩、线弹性、破裂阶段，砂岩的纵波波速分别为4.31、4.39、1.26 km/s，灰岩的纵波波速分别为4.80、4.93、3.10 km/s，泥岩的纵波波速分别为3.65、3.57、1.71 km/s。通过获得的岩石受载全过程能量值，构建了损伤变量D来评价岩石试件的损伤演化程度，砂岩的D值经历了缓增-降低-突增3个阶段，灰岩的D值经历了缓慢增大-快增-停滞-突增4个阶段，泥岩的D值经历了缓慢增大-快增-突增3个阶段。基于分布式光纤应变测试结果，探究了不同岩性岩石试件的破裂模式，为载荷下次生裂隙生成、扩展以及潜在破裂面位置预测提供支持。

  2025年01期 v.53;No.325 204-214页 [查看摘要][在线阅读][下载 2991K]
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• 西湖凹陷平南地区新生代火山机构特征

  孙乃泉;江东辉;潘杰;高阳;蒲仁海;董新旭;

  【研究意义】东海陆架盆地西湖凹陷平湖斜坡带南部火成岩发育，岩浆活动导致的局部地温升高对烃源岩热演化和砂岩储层次生孔隙形成具有重要影响，同时也是区域构造运动的一个重要指示，对于理解区域地质历史具有重要意义。【目的和方法】为明确西湖凹陷平湖斜坡带南部盖层火成岩形成期次和分布规律，综合前人研究成果和邻区数据，利用三维地震数据及相关属性，结合钻井、录井和测井资料，分析了火山岩类型、分布地层和范围；通过地层年代学、火山机构形态及其与围岩的接触关系，探讨了火成岩的形成期次。【结果和结论】研究结果表明：(1)平南地区火成岩地震相可分为火山通道相、爆发相、溢流相和侵入相，其中盾状火山机构和丘状火山机构最为发育。(2)岩浆活动可分为3期，中新世末期区域性龙井运动岩浆活动最为强烈，影响范围最广；玉泉组沉积晚期和三潭组沉积早期为局部小规模构造运动，岩浆活动较弱，影响较小。(3)研究区发育5个与岩浆活动有关的岩性、低幅度披覆背斜和断裂复合圈闭。研究成果为后续西湖凹陷平湖斜坡带南部油气勘探开发提供参考。

  2025年01期 v.53;No.325 215-225页 [查看摘要][在线阅读][下载 3619K]
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• 基于U-Net的半航空瞬变电磁降噪方法及应用

  刘东;冯浩;王用鑫;周小生;姚宇洪;孙怀凤;

  【目的和方法】半航空瞬变电磁法(SATEM)是一种高效的地球物理勘技术，在矿产资源勘探、地下水及地热资源调查等方面得到了广泛的应用。然而，所采集的数据常常受到噪声干扰，对后续的数据处理和解释精度产生了显著影响。为了解决噪声残留及有效信号丢失的问题，提升去噪效果，并减少主观因素的影响，将U-Net运用到处理半航空瞬变电磁数据降噪领域，提出一种基于U-Net深度学习架构的半航空瞬变电磁数据降噪方法。该方法使用U型编解码网络结构，通过端到端的训练方式，自动学习并提取数据中的噪声特征。编码结构学习并提取数据中的噪声信息特征，解码结构重组数据特征还原去噪后数据尺寸。通过在编码和解码结构的对称层上引入跳跃连接，有效融合了包含丰富空间信息的低级特征与包含语义信息的高级特征，从而实现对噪声的准确去除。【结果和结论】实际算例表明，经U-Net去噪后的数据信噪比提升约10 dB，与传统去噪方法相比，U-Net在瞬变电磁数据的噪声去除效果上具有明显优势。在广西贺州至巴马高速公路(来宾至都安段)凤凰2号隧道的实测数据降噪工作中，降噪后的多测道图和视电阻率成像结果的可解释性显著增强。证明本方法在半航空瞬变电磁数据降噪中的重要实际意义，为未来的地球物理勘探提供了有效的技术支持。

  2025年01期 v.53;No.325 226-234页 [查看摘要][在线阅读][下载 7435K]
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• 砂泥岩地层岩性智能识别方法与应用——以新疆轮南侏罗系岩层为例

  蔡明;周庆文;杨聪;陈枫;伍东;林旺;章成广;张远君;苗雨欣;

  【目的】岩性识别是储层精细评价的基础，传统方法一般仅用2～3种测井参数的交互关系进行岩性识别，测井信息利用率低，对于岩性测井响应差异小的地层岩性识别精度低，严重制约了老井复查效果。高效的智能分类算法CatBoost可充分挖掘多源测井信息与岩性的关联。【方法】以新疆轮南地区侏罗系砂泥岩储层为研究对象，通过敏感性分析选取自然伽马、自然电位、深浅电阻率比值、声波时差和密度5个测井参数，构建基于CatBoost算法的岩性智能识别模型。利用优化的模型处理实际井资料以进行地层岩性识别，通过准确率、精确率和召回率综合评估模型的岩性识别效果，并对比分析了其与随机森林和KNN算法模型的识别效果。【结果和结论】结果表明：轮南侏罗系大类岩性包括泥岩、砂岩和砾岩，细分岩性复杂；根据岩性敏感测井参数利用CatBoost算法建立的岩性智能预测模型对目标储层细分岩性的识别准确率达92.64%，显著高于随机森林模型的82.95%和KNN模型的70.16%，证明该方法能有效解决研究区的岩性识别问题。研究成果不仅为轮南地区老井复查和进一步勘探开发提供了科学依据，还为复杂岩性精细识别方法研究提供重要参考。

  2025年01期 v.53;No.325 235-244页 [查看摘要][在线阅读][下载 2164K]
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钻掘工程

• 煤矿井下采掘工作场景非均质图像去雾与增强技术

  张旭辉;解彦彬;杨文娟;张超;万继成;董征;王彦群;蒋杰;李龙;

  【目的】针对煤矿井下采掘作业中采煤和除尘活动引发尘雾分布不均及复杂光照条件，导致视频图像模糊不清、信息量和细节丢失等问题，提出了一种井下采掘工作场景非均质图像去雾与增强技术。【方法】首先对雾图进行区域分割，计算不同亮度区域的全局暗通道环境光均值，并与通过自适应伽马矫正和多尺度高斯滤波得到的局部亮通道环境光进行加权融合，以获得精确的环境光估计。为了保证图像细节的同时实现自然去雾效果，采用多尺度融合矫正技术处理透射图，并利用联合双边滤波得到精细化的透射图，结合大气散射模型，实现尘雾图像的清晰化。针对去雾后的图像整体较暗且对比度不足，进一步采用修正白平衡处理，将图像转换到HSV空间，提出自适应饱和度矫正和改进对比度增强算法，并结合拉普拉斯锐化提升图像的细节和对比度。【结果和结论】通过选取DCP、MRP、OSFD、MF-LIME、CEEF 5种算法处理真实典型的场景图像，并采用多项指标与本研究算法处理结果进行对比实验，结果表明：与新颖优秀算法的最优指标对比，提出算法相比CEEF在平均梯度的平均提升约为两倍，提升了图像的清晰度；相比MRP的信息熵平均降低约为1%，保留了更多图像信息；相比OSFD的标准差平均提升约为6%，改善了图像对比度；相比CEEF的FADE平均降低约为23%，能更有效地降低尘雾密度且运行速度较快，表现出更优越的性能。提出的算法能够有效提高煤矿井下采掘工作场景中模糊图像的视觉效果和图像质量，增强了其在工程应用中的实用性。

  2025年01期 v.53;No.325 245-256页 [查看摘要][在线阅读][下载 2139K]
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• 基于深度学习的钻孔冲煤量智能识别方法

  李小军;赵明炀;李淼;

  【目的】为解决人工统计钻孔冲煤量不准确以及效率低等问题，提出一种YOLOv8n、ResNet34和PP-OCRv4算法相结合的智能识别方法。【方法】该方法首先使用YOLOv8n算法完成一级检测，同时并行级联ResNet34算法与PP-OCRv4算法进行二级处理，并结合基于追踪帧数的分类状态判别方法，建立了冲煤量自动计算的算法框架。其次，在YOLOv8n的C2f模块中引入可变形卷积DCNv2模块，以削弱点状强光照对特征采集的影响，并将其默认的检测头替换为Dynamic Head检测头模块，以强化算法在尺度，空间和通道维度的特征提取能力，以及将CIoU损失函数替换为SIoU损失函数，以加速预测框与真实框的匹配，并利用自建的数据集对改进后的YOLOv8n算法进行验证。【结果和结论】结果表明：(1)与原算法相比，平均类别检测精度提高了7.6%，召回率提高了3.5%，精确率提高了6.4%，验证了改进策略对提升模型性能的有效性和稳定性。(2)对4个不同的瓦斯抽采水力冲孔钻场的实时视频进行测试，识别准确率分别为100.0%、93.3%、95.7%和93.1%，平均达到95.5%，满足了水力冲孔钻孔冲煤量自动识别的精度要求。(3)采用追踪帧数确定ResNet34分类状态的方法，解决了分类状态单次识别结果不可靠的问题。研究成果为YOLO系列算法与其他深度学习技术的融合和广泛应用提供了技术与实践基础，对促进瓦斯抽采钻场等煤矿井下复杂场景的智能化进步具有参考价值。

  2025年01期 v.53;No.325 257-270页 [查看摘要][在线阅读][下载 2529K]
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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。

  2025年01期 v.53;No.325 271页 [查看摘要][在线阅读][下载 470K]
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