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煤炭科学技术
煤炭科学技术

王金华

月刊

0253-2336

cst410@china.com

010-84262920 84262926

100013

北京和平里青年沟路5号

煤炭科学技术/Journal Coal Science and TechnologyCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>该刊为实用性的技术类刊物。辟有技术经验、实验研究、问题探讨、专家论坛、新产品、科技信息等栏目。是全国优秀期刊之一，第二届全国科技期刊评比获二等奖。读者对象为有关专业的科研生产设计教学管理等单位的工作者。
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    顶板水平井分段分簇压裂治理掘进巷道瓦斯模式研究

    王博侯恩科马良孙四清...
    114-126页
    查看更多>>摘要：为了解决淮南矿区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯抽采效率低的问题,提出了煤层顶板水平井分段分簇压裂瓦斯治理模式.运用数值模拟方法和物理相似模拟方法研究了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程;运用产能模拟的方法研究了分段分簇压裂的产气效果,对分簇压裂和不分簇压裂进行了剩余瓦斯含量对比分析.裂缝扩展数值模拟结果表明:煤层顶板水平井内的裂缝能够扩展至煤层,将煤层全部压开,且由于煤层的塑性大于顶板砂质泥岩,煤层形成比顶板更为宽泛的压裂缝.裂缝扩展物理相似模拟结果表明:在考虑了泥岩伪顶发育的条件下,水平钻孔布置在碎软煤层顶板的砂岩内,在合理的垂直距离和大排量压裂液施工的环境下,若煤层发育有较薄的泥岩伪顶,裂缝能沿着射孔孔眼穿过直接顶-伪顶界面(粉砂岩-泥岩界面)和伪顶-煤层界面(泥岩-煤层界面),扩展至下伏煤层内,裂缝延伸形成 1条弯曲不规则的阶梯型裂缝,能实现对碎软煤层的压裂改造目标.但是,当煤层发育有较厚的泥岩伪顶时,泥岩对水力压裂产生了阻挡作用,导致裂缝难以压开下伏煤层.产能模拟结果表明:在相同的地层环境和施工条件下,经过 3a的抽采,单段不分簇压裂能够产生更大的瓦斯抽采影响范围,但不能均匀降低掘进巷道的瓦斯含量,压裂段之间出现了瓦斯抽采空白带,分簇压裂产生的瓦斯抽采影响范围小,却能够更均匀的降低掘进巷道的瓦斯含量.经过在淮南地区潘谢煤矿的工程验证,在10 m3/min的施工排量下,裂缝长度最长可以达到193.8 m,最大缝高27.0 m,单井日产气量最高达到 1 490 m3/d,2 a的瓦斯抽采量达到 31×104 m3,说明煤层顶板水平井分段分簇压裂技术是淮南地区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯高效抽采的有效模式.

    掘进巷道瓦斯治理顶板水平井分段分簇压裂裂缝形态产能模拟

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    基于CESE方法的煤矿风井泄爆全过程模拟与消波增效研究

    宋维宾孙玉宁王永龙王志明...
    127-138页
    查看更多>>摘要：为揭示煤矿风井泄爆过程、探寻增强泄爆效果方法,针对现行泄爆方法和多种改进泄爆方法,建立了系列全尺寸三维仿真模型,利用LS-DYNA软件的CESE求解器,进行了全过程流固耦合模拟分析.结果表明:现行防爆门在泄爆过程中会引发较强烈的反射冲击波且不能快速有效地予以消弱,致使风硐中先后出现可对风机造成二次冲击的 2道冲击波;去除防爆门立壁结构对提升泄爆效果作用不明显,但可使防爆门受到的冲击明显减弱;在一定范围内,减轻防爆门质量对提高泄爆效果的作用较为有限,且会使防爆门吸收的爆炸能量明显增加;在增量不大的情况下,增大防爆门到风井和风硐交岔点的距离即能有效改善泄爆效果;侧向和正向先行泄爆方法均能明显增强泄爆效果,并对防爆门有显著的减冲和保护作用,在算例条件下,最优可使反射波超压峰值下降 49.4%和28.3%;防爆门开启时间、泄爆面积和防爆门到风井/风硐交岔点的距离是影响泄爆效果的重要因素;风井达到良好泄爆效果所需要的开启时间比现行防爆门要短得多;仅在井口设置防爆门存在不能消减风硐中第 1道冲击波超压峰值的局限性.基于对风井泄爆过程、机理和方法的新认识,提出了以"两区域多通道"泄爆为特征的主辅防爆门协同泄爆方法,以系统提升风井泄爆效果和防爆水平.

    风井煤矿风井泄爆先行泄爆协同泄爆防爆门流固耦合

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    煤矸石山斜坡面矸石散体的空气渗流特性研究

    王文才王鹏吴周康李扬康...
    139-151页
    查看更多>>摘要：煤矸石山斜坡面矸石散体的颗粒偏析现象对其渗透特性有重要影响.为了研究斜坡面的空气渗流特性,基于自主设计的室内渗透率测定装置,结合散体岩土力学理论、通风理论及FLUENT数值模拟,研究了煤矸石山斜坡面不同高度不同深度处矸石散体孔隙率与渗透率的整体分布规律及空气渗流和温度分布特征,并通过现场实测进行验证.结果表明:在研究预设条件下,矸石山斜坡面浅部的孔隙率和渗透率分布特征受到颗粒偏析现象的显著影响,随着高度与深度增大,呈现出非线性负指数衰减规律;随着斜坡面矸石散体的粒径增大,其孔隙率也呈增大趋势,并且其增速逐渐放缓;矸石山顶部覆盖黄土层,导致渗流速度缓慢,氧气质量浓度较低,不利于氧化放热反应的进行,底部孔隙率较大风速过快,积热条件不佳,因此高温区域位于矸石山中上部距坡面 2～3 m处,最高可达780 K;风速场在热风压与外界风压的共同影响下,最高风速位于中上部近坡面处,可达0.06 m/s.此外,沿矸石山X方向和Z方向深入,渗流速度与氧气浓度下降速率逐渐减小;整体而言,矸石山斜坡面孔隙率的分布是影响矸石山内部空气渗流特性的一个极为重要的因素.通过对矸石山风速氧气以及温度场的研究,将矸石山大致划分为表层冷却区、聚热易燃区以及内部低温区.研究成果可为我国干燥多风的中西部矿区煤矸石山自燃火区的准确预测和判定提供基础参考.

    煤矸石山渗流渗透率孔隙率热风压

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    倾斜煤层煤层气与煤炭地下气化协调开发技术构想

    韦波杨曙光李鑫王双明...
    152-165页
    查看更多>>摘要：煤层气(CBM)开发与煤炭地下气化(UCG)是我国煤基天然气生产的重要来源,新疆前陆冲断带倾斜煤层发育区煤与煤层气资源丰富.为深入剖析倾斜煤层CBM与UCG协调开发可行性,系统剖析了现有CBM与UCG关键技术及其对CBM-UCG协调开发的借鉴意义,分析了倾斜煤层CBM与UCG协调开发优势、技术路径、面临的主要问题和未来研究方向,得到以下认识:①"CBM开发疏干效应""UCG热作用解吸效应""UCG采动卸压效应"下CBM-UCG协调开发可形成相互促进的良性循环;②提出了直井+顺煤层倾向井"先抽后烧"、顺煤层倾向井组合"边抽边烧"、定向L型CBM井+顺煤层倾向UCG井"边烧边抽"、下部煤层布置沿倾向UCG井+上部煤层布置定向L型CBM井"先抽后烧再抽"、复杂井型"井工厂式"布置等协调开发技术路径;③CBM与UCG协调开发面临地质选区评价理论基础研究薄弱、缝网条件下UCG热作用扩展范围不清、倾斜煤层UCG过程岩层移动卸压范围不明等理论问题;同时面临CBM-UCG协调开发"井工厂式"钻井技术、CBM井与UCG井协调开发生产制度、CBM与UCG协调开发地质动态测控、CBM井密封性与耐高温性保护等工程问题;④要强化倾斜煤层CBM与UCG协调开发地质选址评价研究、开发动态理论研究、工程协调技术先导性试验研究,确保协调开发安全、有序、可控、高效.

    煤层气煤炭地下气化倾斜煤层协调开发技术路径

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    基于层次分析灰色定权聚类的煤层气开发甜点预测方法——以柿庄北区块为例

    张亚飞张松航邓志宇王瑞欣...
    166-175页
    查看更多>>摘要：随着煤层气产业的发展以及非常规油气勘探开发一体化的要求,当前煤层气的勘查评价工作逐渐由勘探选区向开发甜点选区推进.然而,受限于勘探开发阶段或资料占有程度,当前多数的选区评价体系对煤储层的可改性和煤层气的可采性考虑不足,在指导开发区井位优选或加密井方面效果不佳.基于沁水盆地柿庄北区块 100余口煤层气参数井和开发井资料,分析区内 3号煤层煤层气开发的资源条件、储层可改造性和煤层气可采性,采用层次分析和灰色定权聚类方法构建评价模型,评价了煤层气开发甜点区,为区内新井和加密井的部署提供依据.评价模型以煤层含气量、煤厚反映煤层气资源条件;综合考虑地应力环境和岩石力学性质,构建储层综合可改造性参数,评价储层可改造性;使用原始结构煤和碎裂煤占比、临储比和储层原始渗透率反映煤层气的可采性.每个参数采用word聚类方法分级,每个点位(每口井)计算出综合优度并排序,最终划分出煤层气开发甜点区.评价结果表明,研究区中部综合优度大于65的地区为进一步开展开发工作的甜点区.

    煤层气柿庄北区块评价体系层次分析法灰色定权聚类开发甜点

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    巨厚煤层物质组成特征与成因机制——以柴北缘鱼卡地区中侏罗统为例

    刘炳强王敏王东东曹玉鹏...
    176-190页
    查看更多>>摘要：厚煤层蕴含着丰富的地质信息,在全球碳循环中扮演着重要的角色.国内外深时地层中厚煤层广泛分布,近年来其成因机制逐渐成为煤地质学的研究热点.为明晰等时层序地层格架中的巨厚煤层的物质组成特征与形成机理,选取柴北缘鱼卡地区中侏罗统层序S1湖侵体系域发育的巨厚煤层M7为研究对象,等间隔连续采样并进行室内显微组分与矿物鉴定,依据煤层关键界面的识别原理、显微组分与矿物的古环境指示意义进行综合分析.结果显示:显微组分中镜质组体积分数最高(48.5%),惰质组体积分数同样较高(37.22%),类脂组所占比例很低,仅为 3.32%.矿物组分体积分数较为稳定,平均值为 10.96%.依据煤层与碎屑沉积的交替出现、显微组分与矿物体积分数在垂向上的变化趋势,识别出了多种关键界面,包括陆化面(TeS)、陆地暴露面(ExS)、沼泽化面(PaS)、湖侵淹没面(GUTS)与可容空间转换面(ARS).沿沉积倾向在向陆与向湖方向分别选择钻孔,与鱼卡煤矿对比分析沼泽环境垂向演化过程.鱼卡煤矿巨厚煤层M7识别出 4个沉积旋回,向陆以及向湖方向的YQ6-22与YQ6-12中由陆源碎屑、湖相沉积所分隔的M7-1—M7-3则均识别出 3个沉积旋回.发现了巨厚煤层中蕴含的高分辨率层序,经过分析划分为 4个四级层序,结合煤层中关键界面所对应的层序界面,揭示了巨厚煤层的成因机制.建立了层序地层格架中的多期泥炭沼泽垂向叠置模式,可进一步应用于国内外更多深时地层中巨厚煤层的研究.

    巨厚煤层层序地层关键界面成因机制柴北缘

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    中国煤中钪地球化学特征的研究进展

    李秀丽陈健李洋齐啸威...
    191-208页
    查看更多>>摘要：钪(Sc)具有较高熔点、较小密度,是最好的阻挡金属,广泛应用于照明、合金、陶瓷、催化剂等工业领域.在特定地质条件下,部分煤富集钪,可成为战略金属资源予以利用,因此,钪地球化学是煤地质学研究领域的热点问题之一.为阐明我国煤中钪的地球化学特征,在全面收集我国煤中钪测试数据的基础上,并结合安徽淮南煤、重庆南桐煤、四川宝鼎煤和云南勐托煤等实例,系统总结了我国煤中钪的含量水平、时空分布、赋存状态和富集成因,并初步评价了我国的煤系钪资源.结果表明:我国大多煤中钪含量正常,钪的平均含量为4.02 mg/kg,仅略高于世界硬煤.贵州、重庆、安徽、广西、内蒙古、山西、云南等局地煤中钪含量较高,最高达 139 mg/kg.煤层顶、底板围岩及夹矸岩石较煤富集钪.我国富钪煤大多为二叠纪烟煤,晚侏罗-早白垩世煤中钪含量普遍较低.一般而言,高灰煤和腐泥煤因具较高的矿物质含量,常富集钪.钪为亲石元素,在煤中主要与矿物质结合,多赋存于高岭石等硅酸盐矿物和磷钇矿等自生矿物中,部分与有机质结合,与腐植质有关.我国煤中钪的主要富集成因类型包括:①基性源岩贡献型,钪为相容元素,基性岩中钪含量高于中酸性岩,因此,物源区基性源岩风化可导致部分煤中钪富集;②海陆过渡沉积环境贡献型,海水入侵导致泥炭沼泽的pH值增大,从而利于钪的迁移,此外,在泥炭沼泽的还原环境中,大量腐植酸生成,钪易与有机质结合而富集;③地下水淋滤贡献型,地下水淋滤围岩的含钪矿物导致煤层中钪局部富集;④热液贡献型,热液与围岩发生交代反应使钪迁移,改变煤的矿物质组成导致煤富集钪;⑤岩浆及变质贡献型,岩浆侵入导致煤阶提升,从而减少有机质结合态的钪,同时,伴随灰分的升高,煤中矿物结合态的钪相应增加;⑥同沉积火山灰贡献型,煤系基性凝灰岩层(蚀变黏土岩夹矸,Ton-steins)可为煤提供钪.

    中国煤钪战略金属时空分布赋存状态富集成因

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    井下动水截流施工骨料堆积生长机制研究

    苏培莉杨述刘锋
    209-221页
    查看更多>>摘要：灌注骨料形成阻水屏障实现截流降速是井下治水工程的关键所在.为定量描述骨料堆积生长的时空演化机理,提出了将骨料沉降堆积过程切分为具有一定厚度的片状颗粒层堆叠过程的分析计算方法,以及动水环境中骨料灌注后从沉降到堆积全过程关键参量(颗粒水平移距xd,动水休止角ψ,未接顶区流速U,骨料留存临界流速Ucr)的理论计算公式,在此基础上构建了骨料堆积体生长预测模型.通过CFD-DEM双向耦合算法研究了骨料灌注期间流场分布演化特征和骨料堆积形态差异,并验证了预测模型合理性.研究表明:空间上,依据初始流速Us是否超过骨料起动流速Uc或骨料留存临界流速Ucr,可将截流初期骨料沉积主域的所在位置划分为 3个区域,若沉积主域位于③区,则将其视为无效灌注;时间上,骨料堆积体生长过程可归结为 3个阶段:高度快速增长阶段、高度长度同步生长阶段、仅水平向伸长阶段;初始流速决定了第 1阶段的有无,而灌注条件(骨料粒径、灌注速度)主导着第 1阶段所持续的时间;基于泥沙运动力学中推移质输沙率、起动流速等概念,得出了堵孔现象发生及骨料能否留存的临界判据;数值模拟试验结果表明,预测模型能够较好地刻画骨料灌注后的堆积生长规律,骨料堆积稳定后,理论计算值与模拟试验值相对误差小于10%.

    煤矿突水骨料灌注临界流速沉积主域固-液两相流

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    基于LMIENet图像增强的矿井下低光环境目标检测方法

    田子建阳康吴佳奇陈伟...
    222-235页
    查看更多>>摘要：煤矿井下工作环境复杂,存在人造光源亮度低、粉尘多和水气密度大等不利因素,导致现有的目标检测算法在应用到煤矿井下时,存在提取特征困难、目标识别和定位精度低等问题.提出一种煤矿井下低照度环境目标检测算法,由矿井低光图像增强模块LMIENet和目标检测模块组成,使用图像增强模块对原始图像进行画质提升,恢复各类图像信息,再使用目标检测网络对增强图像进行特定目标检测,有效提高检测的精确度.在图像增强模块中,改进Zero-DCE算法设计轻量级增强参数预测网络,计算像素级增强参数矩阵,用于低光照图像的亮度调整和画质增强,该网络通过设计的非参考损失函数隐性衡量图像的增强效果,引导网络进行无监督学习,使网络能够不依赖配对数据集对原始图像进行自适应的画质增强.目标检测模块中,采用YOLO v8n目标检测模型,其轻量化的模型尺寸和高灵活性可避免模型整体复杂度过高;采用Focal-EIoU Loss改进回归损失函数,有效加速模型收敛并提升模型检测精度.实验结果显示:与经典目标检测算法Faster R-CNN,SSD,RetinaNet,FCOS等相比,提出算法在自建矿井人员数据集上表现出色,低光照环境下目标检测的mAP@0.5达到98.0%,mAP@0.5∶0.95达64.8%,在实验环境中单帧图像推理时间仅11 ms,优于其他对比方法,证明提出算法能够有效实现在煤矿井下低照度复杂环境下的目标检测,且耗时短、计算效率高.

    低照度矿井目标检测图像增强无监督学习

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    惯导与视觉信息融合的掘进机精确定位方法

    毛清华周庆安炎基薛旭升...
    236-248页
    查看更多>>摘要：针对煤矿巷道复杂环境下掘进机精确定位难题,提出了一种惯导与视觉融合的掘进机精确定位方法,该方法采用惯导与"视觉+激光标靶"的定位方案.该方案将设计的四特征点大尺寸激光标靶固定于巷道顶板,相机固定于掘进机机身采集激光标靶图像,并运用圆拟合法定位光斑中心和基于四特征点的EPnP算法解算掘进机位置.为了验证"视觉+激光标靶"方法对掘进机位置检测效果,在模拟掘进工作面环境下开展了"视觉+激光标靶"位置检测试验,结果表明:在 30m内沿巷道宽度方向、掘进方向、高度方向最大误差不超过 28.549 mm、78.868 mm、44.459 mm,实现了掘进机位置精确检测.针对惯导测量掘进机位姿误差随时间累积和掘进机振动对组合定位系统产生干扰导致位姿检测不准问题,提出改进Sage-Husa自适应滤波的惯导与视觉信息融合方法,该方法通过检测新息方差值修正量测误差来提高定位准确性.在模拟掘进工作面环境下开展了惯导与"视觉+激光标靶"组合定位实验,采用改进前后Sage-Husa自适应滤波算法融合惯导与视觉信息进行对比分析,结果表明:改进后Sage-Husa自适应滤波算法融合得到的定位误差更小,俯仰角、横滚角、航向角最大误差分别为0.029°、0.051°、0.011 3°,在距离激光标靶 30m内巷道宽度位置误差在 0.033 m范围内,巷道掘进方向位置误差在0.062 m范围内.所提出的惯导与视觉融合定位方法能够满足巷道掘进定位精度要求.

    掘进机定位惯导机器视觉EPnPSage-Husa自适应滤波

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