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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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    基于程序升温试验的煤自燃特性及微观机理研究

    刘垚王福生董轩萌高东...
    94-106页
    查看更多>>摘要：针对煤在变氧条件下氧化自燃能力不同这一情况,选取褐煤、气煤、肥煤 3种不同变质程度的煤作为试验样品开展了氧气体积分数为 3%、5%、10%、14%、18%条件下的程序升温-气相色谱试验和基于ReaxFF力场的分子动力学模拟,根据CO、CO2 等的生成规律和路径,探究不同变质程度煤在变氧条件下基团受氧气影响的变化特征.结果表明:煤受温度和氧气影响容易产生CO、CO2等指标气体,且指标气体CO、CO2 呈指数上升趋势,煤的变质程度越低,在相同氧气体积分数条件下产生指标气体的温度就越低.模拟结果显示,变氧条件下煤与氧的反应可能是氧与煤受温度影响产生的活性中间体片段反应,而不是直接攻击煤的主体结构.煤在受温度影响后煤结构基团并不是直接发生改变,而是经历结构调整进行键的扭转、断裂和原子上的转变生成适合与氧气反应的活性中间体片段.变质程度越高的煤分子结构越稳定越不易受温度的影响产生活性中间体片段,通入氧气后氧与活性中间体反应的速度低于煤受温度影响产生活性中间体的速度,所以变氧条件下氧一般是与活性中间体反应生成水、CO等指标气体,而不是直接与煤主体结构反应.综合分析试验结果与模拟结果发现:褐煤在氧气体积分数处于 3%、气煤在氧气体积分数处于 10%～14%、肥煤在氧气体积分数处于 14%～18%时,水和含氧气体的数量相较于其他阶段明显增加,说明在氧含量较低的区间内这3种不同变质程度的煤受氧气影响较大,加速了煤氧化反应进程,煤自燃倾向性高.

    煤自燃ReaxFF力场变氧条件分子结构活性基团

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    不同浸水率煤矸石浸水复干氧化特性研究

    周琛鸿李绪萍张靖任晓鹏...
    107-115页
    查看更多>>摘要：露天堆积的煤矸石受雨水浸泡发生变化,在不同降水量区域表现出具有差异性的自燃倾向.为了研究水分对煤矸石氧化自燃的作用和影响,采用内蒙古棋盘井地区易自燃中高硫煤矸石进行研究.首先,对煤矸石进行不同浸水率(0、15%、30%、50%、100%)的浸泡试验,浸泡 45d后对煤矸石进行自然风干;将干燥后的矸石样品放入自制程序升温试验炉进行升温试验(升温速率设置为3℃/min,升温范围设置为 30～390℃),使用集气袋收集煤矸石在各阶段温度点的气体(以每升高 15℃为 1个阶段),最后将采集气体通入GC-4000A型气相色谱仪.通过对比煤矸石在不同浸水率处理后的O2 消耗及CO、CH4、C2H4、C2H6 等指标气体生成的体积分数变化,结果表明:煤矸石在浸水率为 15%时的低温氧化特性最佳,CO、CH4、C2H4、C2H6 等指标气体初始生成温度最低,当温度在390℃时产生各类指标气体体积分数最大;当浸水率超过 50%时,在水分的溶解作用下,煤矸石中大量可燃物质被水分携带逸散,导致该浸水率煤矸石升温至 390℃时生成的各类指标气体体积分数显著降低,甚至低于未经过浸水复干处理的对照试验组;煤矸石在水分的浸泡作用下,生成各类指标气体的初始温度点均降低约15℃.

    水浸干燥煤矸石氧化自燃程序升温指标气体

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    贵州省煤层气井压裂改造对产气量的影响及开发建议——以盘关向斜为例

    胡海洋颜智华娄毅杜志刚...
    116-126页
    查看更多>>摘要：贵州省含煤构造单元多、煤层层数多、厚度薄,多为低渗储层,宜采取"分段压裂、合层排采"工艺进行煤层气开发.研究以盘关向斜煤层气井为例,在分析 2口直井压裂改造规模的基础上,分析其压裂效果,进而研究了压裂改造效果对煤层气井气水产出的影响,最后总结了盘关向斜煤层气井高效改造压裂施工参数的合理阈值.结果表明:水力压裂是低渗储层增渗的有效途径,增渗倍数与压裂改造规模密切相关,盘关向斜 2口井每米煤层的加砂量、加液量及单孔排量的差异,导致压裂改造后与改造前的渗透率比值为 55∶1,改造后渗透率差异较大;提高每米煤层的加液量、加砂量及单孔排量,对提高煤层的改造效果及产气量有利,建议每米煤层加液量不宜低于 400 m3,每米煤层加砂量不宜低于 20 m3,压裂施工排量不低于 8 m3/min,且单孔排量宜控制在 0.2 m3/min以上;根据压裂改造后的煤层渗透率,针对改造效果好的煤层气井,可以适当快排降压,反之则应控制排采强度,降低快排降压可能引起的储层敏感性伤害.研究成果可以为该区块低渗煤层增渗增能改造提供技术参考.

    煤层气井分层压裂排采控制气水产出开发建议

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    柿庄北煤层气区块煤层压裂裂缝扩展规律及影响因素

    韩文龙李勇王力王延斌...
    127-136页
    查看更多>>摘要：揭示煤层气储层压裂裂缝扩展规律及影响因素,对于制定压裂工艺及高效开发煤层气资源具有重要的意义.利用沁水盆地柿庄北煤层气区块的钻井取心、测井、井下节理观测、压裂施工及微震监测等数据,系统分析了水力压裂裂缝扩展规律及影响因素.结果表明:研究区主要采用清水压裂液,压裂施工曲线可分划为上升型、下降型、平稳型和波动型 4类;微震监测表明压裂裂缝走向主要在 37°～55°和 42°～70°,压裂裂缝网络长度范围在 69.5～157.5 m,宽度在 35.0～68.5 m.Ⅰ型地应力(σv>σH>σh)状态下,压裂裂缝容易沿着垂向扩展,多数压裂曲线为下降型或稳定型;Ⅱ型地应力(σH>σv>σh)状态下,压裂裂缝扩展方向相对单一,多数为单一形状的垂直裂缝,裂缝网络宽度较小;Ⅲ型地应力(σH>σh>σv)状态下,压裂裂缝沿水平方向扩展,裂缝形态复杂.侧压系数λ与压裂裂缝网络长度呈正相关关系,与压裂裂缝网络宽度呈负相关;若λ大于0.3,压裂裂缝网络长度常大于90 m.压裂裂缝扩展到节理(裂隙)时能够出现穿越、沟通和俘获 3种类型;其中沟通型压裂效果较好,多数煤层气井具有高产稳产的特点;穿越型的压裂裂缝延展长度有限,俘获型的压裂裂缝多数与节理(裂隙)重合,这 2类压裂井的产气效果相对较差.随着原生+碎裂结构煤占比的增大,压裂裂缝网络长度逐渐增大,宽度逐渐减小;当原生+碎裂结构煤厚度占比小于 40％,压裂裂缝网络长度难以超过110 m.上述成果可为煤层压裂改造提供理论基础及地质保障.

    沁水盆地煤层气水力压裂裂缝扩展微震监测

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    基于微电阻率成像测井的深煤层顶板封盖性评价方法及应用

    吴鹏周国晓刘世伟姜非...
    137-144页
    查看更多>>摘要：深煤层游离气含量高,资源量丰富,是天然气增储上产的重要潜力资源.顶板封盖条件是影响深煤层含气性,特别是游离气含量的重要因素.基于微电阻率成像测井技术,系统开展鄂尔多斯盆地东缘某煤层气开发区顶板岩性识别,建立了煤层顶板岩性和裂缝识别图版,分析了地应力方向,提出了有利的顶板组合类型.研究结果表明:①综合常规测井资料和电成像测井特征,可以基于静态电成像图有效区分砾岩、砂岩和泥岩等 10类岩性,对应不同的伽马和声波时差测井结果,研究区煤层顶板以泥岩为主,砂岩次之;②煤层顶板裂缝主要发育有高导缝与诱导缝,高导缝显示为正弦曲线,包括张开缝和泥质充填缝,诱导缝呈现为羽状或雁行状排列,可以用于判断应力方向;③结合顶板岩性厚度、裂缝发育情况等,可划分出封盖性不同的 3类煤层顶板组合,其中Ⅰ类顶板电成像图像一般呈亮色且裂缝发育少,Ⅱ类顶板发育较多裂隙,Ⅲ类顶板图像显示裂隙切割且图像不清晰;④基于此划分了 3类顶板组合条件的分布,研究区以Ⅰ和Ⅱ类为主,具备良好封盖性.研究明确了不同岩性在电成像测井上的显示特征,提出了基于微电阻率成像测井的深煤层顶板封盖性评价方法,可有效支撑深部煤层气甜点区带优选和井位部署.

    微电阻率成像测井顶板岩性裂缝地应力封盖性

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    竖井巷道掘进超前地质探测研究进展与展望

    刘翔宇杨仁树杨立云段云...
    145-152页
    查看更多>>摘要：以掘进机为代表的机械破岩是未来竖井巷道掘进技术发展的方向,为保障竖井巷道快速机械智能化掘进的安全,超前地质探测是不可或缺的工序.从探测范围、适用条件以及优势不足等方面对常规超前地质探测技术和随掘超前探测技术的发展现状与特点进行了分类总结,常规超前探测技术各有一定的适用范围,在钻爆法施工环境中得到了较好地应用.在面对掘进机复杂的施工环境时,常规超前探测技术难以适用.而随掘超前探测可以实现掘进与超前地质探测同步进行,实时预测工作面前方的不良地质,是井巷机械智能化掘进超前地质探测技术研究的重点.其中,竖井全断面掘进机是综合机械化凿井的发展方向和趋势,但其施工环境非常复杂,基于掘进机破岩震源地震波的超前地质探测是有效的预测方法.针对全断面竖井掘进机破岩震源超前探测方法的难点,即施工环境和破岩震源地震波场的双重复杂性,从多个方面提出了解决思路:针对震源先导信号,采用多种方法联合去噪,压制破岩震源干扰波;对于地震记录信号,采用以互相关为核心的地震记录重构方法恢复有效波场;开展竖井全空间三维立体探测和高精度成像的研究等.此外,开展多种随掘物探方法联合反演能够提高地质判识的可靠性和解释精度.研发竖井掘进机的掘探一体化装备是未来深入研究的方向.

    竖井巷道超前地质探测随掘探测竖井掘进机掘探一体化

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    准噶尔盆地东部西山窑组煤地球化学特征及古环境意义

    徐小涛宁树正孙杰王化耀...
    153-163页
    查看更多>>摘要：准噶尔盆地是我国西北地区重要的含煤盆地,其东部煤田是我国新疆大型煤炭基地的重要组成部分,蕴藏着丰富的煤炭资源.以准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组B0、B1 和B2 煤层为研究对象,选取 220个煤样品进行了详细的微量元素测定,并对 16个煤样品进行了显微组分和镜质组最大反射率测试分析,在此基础上,综合分析了准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组成煤时期泥炭沼泽水体的氧化还原状态、古盐度特征以及成煤时期的古气候和大气氧含量变化特征.与世界低阶煤均值相比,准噶尔盆地东部中侏罗世西山窑组B0、B1 和B2 煤中Sr元素轻微富集,除此之外,B0 煤中还存在Co元素轻微富集.Ni/Co-V/Cr和Ni/Co-Mo图解分析表明,泥炭沼泽处于氧化和贫氧状态,由此推断泥炭沼泽中水体的活动性较强,游离态的氧含量较高.煤中B/Ga比值的变化趋势表明,从B0 到B1 再到B2 煤层,泥炭沼泽水体的古盐度逐渐升高,上部B2 煤层沉积过程中泥炭沼泽古盐度较高可能是由水体蒸发量增加造成的,同时也表明B2 煤层沉积时期的古气候呈现相对干热的特征.通过对B0、B1 和B2 煤中Sr/Cu比值分析得出,从西山窑组下部的B0 煤层到中部的B1 煤层再到上部的B2 煤层,准噶尔盆地东部西山窑组成煤时期的古气候自下而上经历了由相对温湿逐渐向相对干热转变的过程.B0、B1 和B2 煤层中惰质组平均体积分数在 40.4%～57.2%,平均值为 48.5%,基于惰质组与大气氧含量的关系模型,估算出中侏罗世的大气氧体积分数约为 27.7%,远高于持续燃烧所需的最低大气氧水平.

    准噶尔盆地东部煤西山窑组地球化学古气候大气氧体含量

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    山西大同塔山井田煤中Sr的赋存特征

    门昌钰宋晓夏马宏涛李伟...
    164-173页
    查看更多>>摘要：大同煤田石炭-二叠系煤层中广泛分布有印支期和燕山期火成岩,使煤层发生接触变质作用.以往的研究表明塔山井田 5222巷煤中微量元素Sr异常富集,接触变质煤和正常煤中Sr含量最大值分别为 3067 μg/g和 2729 μg/g,平均含量为 1165 μg/g,是世界煤中Sr平均含量的 10.6倍,但其赋存特征尚不清楚.通过对塔山井田 5222巷煤和辉绿岩岩墙进行系统采样,综合运用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、X射线荧光光谱(XRF)、带能谱的扫描电子显微镜(SEM-EDS)对样品进行Sr元素和主量元素含量测定及矿物学分析,结合元素相关性分析和逐级化学提取等方法,研究了煤中Sr的赋存状态.煤中 Sr与 P2O5 的显著相关性和逐级化学提取试验得出,Sr可能主要与含磷矿物(磷灰石)和硅酸盐矿物(黏土)结合;扫描电镜分析得出这 2类矿物紧密交互共生,磷灰石的种类包括呈六方柱形的氟磷灰石和嵌入在黏土矿物中呈细小分散粒状的羟基磷灰石.

    塔山井田煤Sr磷灰石赋存状态

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    基于多种解析法和数值法求解巨厚砂岩水文地质参数

    周全超刘玲李继升殷裁云...
    174-182页
    查看更多>>摘要：在煤矿开采过程中,矿井涌(突)水等事故不仅会造成巨大的经济损失,还严重威胁工作人员的生命安全.水文地质参数在计算矿井涌水量过程中扮演着重要角色,因此,准确测定含水层的水文地质参数对于煤矿防治水等工作具有重要意义.为了获取更加贴近实际的矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的水文地质参数,以新庄煤矿洛河组巨厚砂岩含水层上、下段的抽水试验资料为依托,采用传统的非稳定流的Theis公式法、Jacob直线图解法和水位恢复法等解析法,结合实际场地特征,计算出洛河组砂岩含水层上、下段的渗透系数分别为 0.22～0.59 和 0.03～0.35 m/d;上段导水系数为128.74～373.67 m2/d,下段为 5.52～47.07 m2/d;上段的贮水系数为 2.22×10-4～6.69×10-3,下段为6.53×10-5～3.29×10-3.并通过FEFLOW软件建立新庄矿区的地下水流数值模型,求解洛河组含水层的水文地质参数,得到洛河组上、下段渗透系数分别为 0.55和 0.45 m/d.通过多种方法对比分析表明,通过数值模拟法得到的水文地质参数结果与多种解析法计算的结果相近.在此基础上,根据各方法得出的水文地质参数计算矿井涌水量,并与实际涌水量进行对比,结果表明:在含水层上段,采用数值模拟法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量;而在洛河组下段,采用Jac-ob直线图解法得到的水文地质参数计算的涌水量更加接近实际涌水量.进一步提高了水文地质参数计算的准确度,为后期的含水层富水性研究、矿井涌水量预测以及类似矿区顶板巨厚洛河组砂岩含水层的矿井水防治工作提供依据.

    矿井涌(突)水水文地质参数抽水试验洛河组砂岩

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    底板突水危险性评价研究进展

    姚辉尹慧超尹尚先侯恩科...
    183-191页
    查看更多>>摘要：回顾了煤层底板突水危险性评价的发展历程,提出其危险性评价的体系:指标(指标体系的建立)—方法(评价方法的选取)—工具(处理工具的革新),并对 3个环节进行总结.指出指标体系的发展不再是因素集的扩充,而是因素与因素之间非线性关系的处理以及对以开采条件及地质条件为两大基本要素集的化繁为简;将现有方法依据处理数据的逻辑分为 3类:以数据的基础信息为基准,将原始数据对评价对象所产生的大小、高低、优劣性影响进行考量、排序及综合形成评价结果的第一类方法;对数据列进行人工评判、加工分析、拓展和延伸,挖掘数据的潜在信息,并形成最终评价结果的第 2类方法;整理具有相同指标的数据集,通过数据信息处理技术发现数据间的共有信息,从而获得最终评价结果的第 3类方法.指出未来评价方法的发展方向一方面是对突水系数法的传承,修正其在厚、巨厚、极薄隔水层的不良表现,另一方面是对机器学习新型方法的创新,对其本身及组合模型进行开发与应用.提出了处理工具所需实现的三大目标:矿井立体化模型的建立、评价结果的动态化演示、"定位、定量、定概率"三定指标的实现.分别探讨了三者面临的问题并阐述具体解决手段.在上述基础上,总体阐明了煤层底板突水危险性评价体系各环节的研究展望.

    带压开采底板突水危险性评价突水系数神经网络

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