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期刊信息/Journal information
煤田地质与勘探
中煤科工集团西安研究院
煤田地质与勘探

中煤科工集团西安研究院

王丽

双月刊

1001-1986

ccrimtdzykt@vip.163.com

029-81778075 81778078

710077

陕西省西安市高新区锦业一路82号

煤田地质与勘探/Journal Coal Geology & ExplorationCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是中文核心期刊，被美国EI PAGE ONE数据库、美国能源研究院《煤文摘》（COAL ABSTRACT）和国际能源机械《煤文摘》（COAL HIGHLIGHTS）等12种数据库和文摘期刊收录。主要刊载煤田地质、矿井地质、煤层气、水文地质工程地质、环境地质、煤田物探、矿井物探、探矿工程等方面的新发现、学术论文、先进经验和技术革新成果。
正式出版
收录年代

    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...
    1-12页
    查看更多>>摘要：[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。

    构造煤动力变质孔隙结构分子结构影响机理

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    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...
    13-24页
    查看更多>>摘要：[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。

    动静载力学模型底板破坏深度动力响应数值模拟

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    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...
    25-39页
    查看更多>>摘要：[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。

    特厚煤层掘进巷道冲击地压能量演化影响因素

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    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...
    40-53页
    查看更多>>摘要：[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。

    三维孪生模型颗粒集的修正替换虚拟映射煤岩截割信息离散元复杂夹矸煤层

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    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...
    54-63页
    查看更多>>摘要：[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。9394、1。1362、1。2199，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。7843、0。838 6以及0。907 2，后者为0。7718、0。8324、0。8903。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。

    断层复杂度三维量化分析曲率分析Delaunay算法皮尔逊系数突水点

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    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...
    64-71页
    查看更多>>摘要：[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。

    水泥环弹性模量套管应力有限元模型成拱效应

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    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...
    72-83页
    查看更多>>摘要：[目的和方法]为探索低压环境下CO2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CO2和H2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CO2对CH4的产出有抑制作用，CH4产出效率呈现降低现象，H2注入后很快被转化利用，H2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H2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(Meth-anobacterium)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H2+CO2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H2，其丰度也快速减小。(3)相比于原煤，低压CO2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CO2注入越多，分形维数D1和D2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CO2生物转化利用基础理论，尤其为煤层中CO2生物转化埋存技术贡献一定的理论依据。

    煤微生物转化甲烷低压环境CO2和H2微生物群落孔隙结构

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    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...
    84-94页
    查看更多>>摘要：[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 m3/min的泵注排量进行开采，从而实现更高效的资源开发。

    煤系气合层水力压裂数值模拟地质因素施工因素

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    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...
    95-105页
    查看更多>>摘要：[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。70mm，最大误差2。70mm，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。12mm;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。

    矿山安全井筒注浆D-InSAR地表沉降建筑物变形皖北矿区

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    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...
    106-117页
    查看更多>>摘要：[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。

    巨厚煤层分层开采导水裂隙带破断结构新疆准南煤田

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