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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

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010-84262930

100013

北京和平里青年沟东路5号煤科院内

煤炭学报/Journal Journal of China Coal SocietyCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《煤炭学报》于1964年创刊，为季刊。1966年停刊，1979年复刊， 1993年改为双月刊，1995年改为大16开本，并申办创刊了《煤炭学报》英文版《Journal of Coal Science & Engineering(China) 》，半年刊。《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的煤炭系统最高水平的综合性学术刊物，现为双月刊，112页。主要刊载与煤炭科学技术相关的基础理论和重大工程研究的理论成果，包括煤田地质学、矿山岩体力学、采矿工程、煤矿安全、环境保护、煤矿机电一体化、煤的加工与利用、煤炭经济研究等领域的学术论文。30多年来，为传播煤炭科学技术起到了重要的作用。 多年来，《煤炭学报》一直以“登一流文章，创一流期刊”为指导思想，培养了一支基础理论知识扎实、专业水平高的稳定的编辑队伍，使《煤炭学报》质量逐步提高。《煤炭学报》1992年荣获全国第一届优秀科技期刊评比二等奖，获中国科协优秀科技期刊二等奖；1997年获全国第二届优秀科技期刊评比一等奖，获中国科协优秀科技期刊一等奖；1999年荣获首届中国期刊奖；2001年入选“中国期刊方阵”,并被评为“双奖期刊”。《煤炭学报》在包括10名中国科学院、中国工程院院士的编委会领导下，每年都制定了明确的报道重点，使刊物能紧紧围绕煤炭重大科技攻关项目发表相关的基础理论论文。《煤炭学报》发表的论文反映了煤炭科学技术的最新研究成果，起到了促进煤炭科学技术交流和发展的龙头作用，为繁荣煤炭科学技术事业作出了重要贡献。《煤炭学报》被国内外近20家数据库和文摘期刊所收录，如IEA Coal Abstract CD-ROOM（美国）、 Ei Page One、美国的能源科学与技术数据库、美国地质文摘、中国科学技术期刊文摘数据库、中国科学引文数据库、日本科学技术文摘速报、РЖ、Coal Highlights（英国）、Geological Abstract（英国）、Geomechanics Abstracts（英国）、中国学术期刊文摘、中国力学文摘、矿业文摘等等。
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    加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率试验研究

    张保勇赵国建高霞吴强...
    1414-1431页
    查看更多>>摘要：为探究瓦斯水合固化及加卸载条件下含瓦斯水合物煤体应变及渗透率变化规律，采用自主设计的应力-渗流-化学耦合作用煤体三轴试验装置，测量瓦斯水合物生成前后煤体渗透率及升轴压卸围压条件下煤体(3种粒径:0。425～0。850(20～40目)、0。250～0。425(40～60目)、0。180～0。250mm(60～80目);3种饱和度:40％、60％、80％)应变及渗透率，获取加卸载条件下应力-应变曲线确定煤体变形特征，分析瓦斯水合物生成、水合物饱和度及偏应力对煤体渗透率的影响规律，通过渗透率损失率、变形角公式对煤体渗透率影响程度、体积膨胀效应进行量化表征，基于渗透率模型初步探讨水合物分布模式对煤体渗透率的影响机制。研究表明:①饱和度对煤体渗透率变化规律影响较为复杂，总体而言，随着饱和度增加，渗透率降低百分比越大，堵塞程度越显著。瓦斯水合物生成后，煤体渗透率明显降低，降低幅度为58。3％～83。3％(20～40目)、61。5％～95。0％(40～60目)、81。8％～90。9％(60～80 目)，随着饱和度增加，煤体渗透率整体呈降低趋势，下降幅度为55。6％～86。1％。②煤体轴向应变随着时间增加呈现出稳定增大、缓慢增大和快速增大3个阶段，煤体渗透率与应变具有一定相关性，并随着偏应力增加呈二项式函数增大、先减小后增大、先增大后减小3种趋势，二项式函数可较好预测采掘应力扰动下瓦斯水合固化后煤体渗透率变化规律。③引入渗透率损失率，在相同水合物饱和度下，随着偏应力增加，煤体渗透率损失率整体呈增大趋势。④引入体积膨胀变形角，在相同偏应力差下，随着饱和度增加，煤体体积膨胀变形角由19。0°～63。9°降至0。2°～38。2°，说明水合物饱和度越低，煤体体积膨胀效应越显著。

    煤与瓦斯突出含瓦斯水合物煤体加卸载应变渗透率

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    冲击载荷下含瓦斯煤动力学破坏特征与瓦斯渗流规律分析

    王登科张力元魏建平都海龙...
    1432-1446页
    查看更多>>摘要：为探究不同冲击载荷和瓦斯压力作用下的含瓦斯煤动力学特征、裂隙扩展及瓦斯渗流变化规律，采用含瓦斯煤岩冲击损伤-渗流试验系统开展含瓦斯煤冲击试验以及原位渗流测试，并结合工业CT扫描系统进行试样裂隙结构的三维重构，分析含瓦斯煤内部裂隙扩展特征及其对瓦斯渗流的影响规律。研究结果表明，冲击载荷和瓦斯压力对含瓦斯煤的动力学性质、变形过程、裂隙扩展和渗流规律均具有重要影响，具体表现在:①受围压和轴压的影响，冲击载荷耦合瓦斯压力条件下的含瓦斯煤应力-应变曲线无明显压密阶段;含瓦斯煤的变形过程主要经历了弹性变形阶段、应变强化阶段及破坏阶段。②冲击载荷的增加对含瓦斯煤动力学参数具有强化作用，气体压力的升高则劣化了含瓦斯煤动力学参数;冲击载荷越大，瓦斯压力越高，含瓦斯煤的裂隙扩展愈充分，所形成的裂隙结构愈复杂。③含瓦斯煤的渗流规律受控于裂隙扩展，冲击载荷耦合瓦斯压力作用下，含瓦斯煤中存在孔隙流动、孔隙流动-裂隙流动并存及裂隙流动等3种气体流动形式;含瓦斯煤冲击破坏后，随着气体压力增加以及气楔作用的增强，瓦斯流动形式可由孔隙流动依次转变为孔隙流动-裂隙流动并存和裂隙流动;裂隙扩展和流动形式共同影响含瓦斯煤渗流规律，含瓦斯煤渗透率随瓦斯压力的增大总体上符合先增大后减小的变化趋势。

    冲击载荷含瓦斯煤动力学破坏特征工业CT扫描裂隙扩展瓦斯渗流规律

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    基于应力松弛效应的黏弹性煤层地应力分布模型及在突出煤层中的应用

    李伟邓东郭敬杰周梦琦...
    1447-1462页
    查看更多>>摘要：地应力是控制煤矿瓦斯动力灾害的核心因素，现有地应力模型主要基于弹性煤岩体属性而建立，而对于黏弹性煤层介质不适用，需要建立适合煤层属性的地应力分布模型。煤层尤其是构造煤呈现显著的蠕变和应力松弛特性，基于此，构建了黏弹性煤层分数阶麦克斯韦应力松弛数学模型，对扩展伊顿模型中构造应力项改进为黏弹性煤层的应力松弛项，建立了黏弹性煤层地应力分布模型。结果表明，在地质时间尺度内，煤层黏弹性对差应力有显著影响，煤体蠕变和应力松弛程度随黏性系数和分数阶因子的增加而增加;并随弹性模量下降，泊松比、构造比及瓦斯压力增加，煤层应力特征表现为静水压力状态分布趋势，其中弹性模量和泊松比对垂直主应力与水平应力之间差异贡献较大，构造比对水平应力之间差异贡献较大，瓦斯压力对3个主应力贡献相等，应力松弛效应可改变最大、最小水平主应力相对大小及降低应力各向异性。基于临界应力模型，在不同地应力状态下同样获得了摩擦因数降低及瓦斯压力升高的煤层趋近静水压力分布。构造煤力学属性更有利于在地质时间尺度中趋向于静水压力状态。运用地应力模型验证了现场实测结果，并对构造煤瓦斯富集和渗透率降低提出了新的认识。

    地应力分布模型黏弹性煤层应力松弛构造煤煤与瓦斯突出

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    液态CO2-水循环作用下煤体的物理改性规律及增润减尘效应

    王和堂王辉谭江龙王豪杰...
    1463-1474页
    查看更多>>摘要：煤层注水是预防煤矿粉尘危害的主动性、治本性措施，也是防治瓦斯突出、冲击地压等灾害的重要手段之一。但我国大量煤层具有高地应力、低孔隙率、低渗透性的特点，传统方法和技术面临水注入难、注水周期长、煤体假性润湿等瓶颈。为此，利用液态CO2具有的低温冷冻、高渗透性、相变自增压、酸化解堵等优异特性，提出液态CO2-水循环作用致裂增润煤体的新思路，研制了液态CO2循环冷浸试验系统，联合低场核磁共振仪研究了液态CO2-水循环作用对煤孔隙结构的影响规律，联用电液伺服压力实验机探究了循环作用对煤体力学特性的改变机理，运用截齿破碎煤岩产尘试验系统研究了循环作用后煤体破碎过程的产尘特性。结果表明:液态CO2-水循环作用使煤体有效孔隙度(φNF)增加，增幅与循环作用次数呈正相关，煤体内部束缚流体变少，自由流体增多，T2截止值(T2cutoff)随之降低，结合分形理论发现基于渗流孔隙的分形维数Ds具有明显的分形特征，煤体原生孔隙经历了"扩容"的过程，微裂隙与原始裂隙形成贯通，循环作用增强了有效渗流通道连通性，优化了煤的孔隙网络与渗流条件。随着循环次数的增加，煤的最大应力σc呈指数衰减至4。93 MPa，应变εc线性增加至2。29×10-2，煤的抗压强度减弱，变形能力增加，循环作用改变了煤基质间联结状态，产生的冻胀力对煤体施加挤压作用加剧了裂隙的扩展，脆性指数B5最大降幅为34。71％，显著减弱了煤体脆性，具有了更好的抗动载荷或冲击能力;煤体对外加能量的存储能力弱化，改变了煤在截割过程中的破坏形式，试验条件下煤体破碎过程全尘产尘率降低了 74％，呼吸性粉尘占比下降至2％，大幅减弱了粉尘危害性。

    液态CO2-水循环作用孔隙结构力学特性物理改性减尘效应

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    海藻酸钠改性垃圾焚烧底灰-矿渣基胶凝堵漏材料研究

    窦国兰简赫达仲晓星秦波涛...
    1475-1487页
    查看更多>>摘要：针对传统矿用水泥基堵漏材料存在的收缩开裂、高能耗及高碳排放的问题，探索采用海藻酸钠(SA)交联金属离子，制备SA改性垃圾焚烧底灰(MSWI-BA)-粒化高炉矿渣(GBFS)基胶凝堵漏材料(SWM)。通过抗压强度和凝结时间的测试，确定了最佳水固比为0。4。通过胶凝材料在不同温度下的抗压强度、收缩率及裂缝形貌的分析，探究了 SA改性对胶凝材料的耐高温性能的影响，结果表明SA改性后，胶凝材料的耐高温性得到了改善，受热后改性胶凝材料表面裂缝明显减少，收缩率较改性前最大降低了 26。5％，在400 ℃受热后，剩余抗压强度仍高达17。25 MPa。结合微观形貌、孔结构性能和热分析实验，探究了 SA改性胶凝材料的形成机理，结果表明，SA改性MSWI-BA-GBFS基胶凝堵漏材料通过SA与底物中的Ca2+/Al3+的配位交联与碱激发底物形成的硅铝酸盐共价网络协同作用，细化孔径，减小孔容，在受热后保持基体结构的完整性，从而改善胶凝材料的抗收缩开裂性。堵漏风模拟实验结果表明，水固比0。4的SA改性MSWI-BA-GBFS基胶凝堵漏材料的堵漏性能优于矿用水泥基材料，表现出较好的堵漏性能。SA改性MSWI-BA-GBFS基胶凝堵漏材料的研制不仅为城市垃圾焚烧底灰的资源化利用提供了有效途径，还提供了一种抗压强度高、抗收缩开裂且耐高温的可以完全替代传统矿用水泥基堵漏材料的环保防灭火材料。

    海藻酸钠垃圾焚烧底灰胶凝材料堵漏风防灭火

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    裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验

    魏迎春张琦刘子亮李彪...
    1488-1500页
    查看更多>>摘要：煤粉在煤储层裂隙中沉积会降低裂隙导流能力，制约煤层气井高效稳产开发。设计了裂隙中煤粉运移及解堵可视化物理模拟实验方案，通过裂隙中煤粉运移可视化物理模拟实验，分析了裂隙不同位置煤粉颗粒沉积面积的变化和沉积形态特征，揭示了煤粉运移、沉积的动态规律;通过裂隙中煤粉解堵可视化物理模拟实验，分析了解堵时间和流速对裂隙中沉积煤粉解堵面积的影响，揭示了煤粉启动、解堵的动态规律。实验结果表明:煤粉颗粒在裂隙不同方向和位置聚集状态不同，裂隙喉道由入口向垂直主运移方向的两端及主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐减少，支路通道沿主运移方向煤粉颗粒沉积面积逐渐增加。裂隙喉道、支路通道和主路通道处煤粉沉积的形态分别呈鹰嘴状、层状和流线型，其原因是裂隙不同位置对含煤粉流体的阻力不同，导致煤粉在不同位置的沉积形态不同。在相同流速下，随解堵时间增长，煤粉解堵效果越好，但前期解堵面积大，后期解堵面积小，裂隙喉道处煤粉解堵效果明显优于支路通道，其原因是松散、易于解堵的煤粉颗粒会被首先解堵，随时间进行，剩余未被解堵的煤粉颗粒需要更大的启动流速。流速越大，裂隙喉道处和支路通道处的煤粉解堵面积越大，其原因是提升流速能增强煤粉颗粒的流动性。

    煤层气煤粉运移煤粉解堵可视化物理模拟实验

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    煤岩吸附氢气特征及其地质意义

    韩双彪王缙黄劼金之钧...
    1501-1517页
    查看更多>>摘要：氢气有望成为接替化石能源的重要清洁能源类型，可以减少全球温室气体排放，但是规模化的氢气产业需要大型的储库来储存氢气，利用地下储层储集大量氢气已成为一条新的思路。以中国鄂尔多斯盆地、沁水盆地及宁武盆地石炭—二叠系山西组及太原组11个不同变质程度煤岩样品为研究对象，利用氢气等温吸附实验，结合朗格缪尔模型、比表面积和总孔体积评价了煤岩吸附氢气量，结合煤岩煤质、有机地化、矿物及孔隙结构特征对煤岩吸附氢气机理进行了探讨。研究表明:朗格缪尔模型适用于模拟煤岩吸附氢气潜力计算与评价，不同变质程度煤岩均具有较高的氢气吸附量，且变质程度越高、有机质丰度越高、微孔越为发育的煤岩，其氢气吸附量越高。煤岩中的氢气主要通过范德华力被物理吸附在煤岩表面，随着煤岩变质程度升高，有机质参与形成的微孔越多，提供的孔体积及总比表面积逐渐增加，提高了氢气吸附量，且较高的孔隙连通性可以提高氢气进入孔隙并被吸附的效率。煤岩吸附氢气量会随压力增大而增大，但由于分子间斥力等原因，吸附速率逐渐下降，氢气储存逐渐达到饱和。中国深部煤层较为发育，为煤层储氢提供了良好的基础，但由于化学反应、竞争吸附等问题，氢气在煤岩储层中会发生损耗和散失。利用高压进行氢气封存或采出氢气会对煤岩储层结构产生不可逆破坏，这对于通过煤岩储层进行氢气的一次或多次储存都存在不利影响。变质程度较高的深部煤层作为储氢层位具备一定潜力，但仍需进一步研究以克服氢气损耗和储层破坏等关键问题。

    深部煤岩氢气吸附储氢潜力氢气消耗储氢机理

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    沁水盆地南部郑庄区块中北部煤层气直井增产新技术研究与应用

    胡秋嘉张聪贾慧敏张建国...
    1518-1529页
    查看更多>>摘要：为提高沁水盆地郑庄区块中北部煤层气直井产量，基于研究区评价井地应力测试资料、压裂裂缝监测资料，分析了研究区直井增产效果差的原因，提出了针对性增产技术，开展了现场对比试验，并对结果进行了分析，结果表明郑庄中北部直井产量低、措施增产效果差的主因为:①研究区以垂直裂缝为主、压裂缝长较短，且随着埋深增加，相同压裂规模形成的裂缝尺寸减小;②随着埋深增加，支撑剂嵌入深度增加，裂缝闭合加快，导致稳产时间短，产气曲线主体形态为"单峰型";③经初次压裂后煤体结构更加破碎，新裂缝容易进入初次压裂裂缝，造新缝难度增加。针对上述原因，创新提出的充填预堵+大规模压裂+远端支撑增产技术，"充填预堵"即先采用相对较低的排量、砂比、规模充填初次压裂裂缝，然后再进行大规模重复压裂，实现堵老缝、造新缝。"大规模"压裂即大排量、大液量、高砂比压裂，将压裂液量由600～800 m3提高至1300～2 000m3以上，增加改造体积;将排量由6～8 m3/min提高至10～14m3/min以上，增加裂缝长度和携砂性能;采用低黏压裂液体系配合低密度支撑剂，将砂比由7％～8％提高至10％～15％以上，提高铺砂强度，降低裂缝闭合程度。"远端支撑"即采用自悬浮支撑剂与大排量相结合，增长支撑剂运移距离，提高支撑裂缝比例。充填预堵+大规模压裂+远端支撑增产技术实施后平均单井日产量达到1 380m3，比措施前增产1 190m3，比邻井稳产气量增加近1 000m3，实现了郑庄中北部中深储层连片低产区直井产量突破。现场对比试验表明:实施"充填预堵"后再进行大规模压裂，平均净施工压力比初次压裂增加了 3。3 MPa，形成了新裂缝，比直接进行大规模压裂增量提高1 000 m3。总体上，充填预堵+大规模压裂+远端支撑增产技术关键参数数值越大，增产效果越好。

    高煤阶煤层气郑庄区块中北部中深层煤层气增产技术充填预堵+大规模压裂+远端支撑重复压裂

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    基于VMD和GA-SVM的矿井地震自适应噪声压制方法

    王勃申思洪任蔚立元刘盛东...
    1530-1538页
    查看更多>>摘要：煤矿井下地震信号往往呈现出复杂的波场特性且伴随着大量噪音干扰，导致地震信号的初至拾取精度降低，从而影响地震数据的反演与解释。针对复杂干扰环境下采集的低信噪比地震信号，提出了基于变分模态分解(VMD)和遗传算法优化支持向量机(GA-SVM)的地震噪声压制与初至提取方法，以提高煤矿井下复杂噪声条件下的地震信号质量。采用变分模态分解对含噪地震信号进行自适应分解，得到数个的变分模态分量(IMF);对VMD分解得到的IMF分量进行特征提取，将提取所得的信号特征作为信号有效性判别的依据;利用遗传算法对支持向量机模型进行优化，得到最优的惩罚因子c与核函数参数g;利用优化后的支持向量机模型对IMF分量进行有效性判别并将有效分量重构成高信噪比信号;通过对人工加噪的地震信号应用噪声压制算法，煤矿井下常见的不同类型噪声被有效地压制，验证了算法的可行性;对矿井巷道实采的地震记录进行噪声压制处理，有效地压制了数据中的干扰噪声，极大程度地提高了地震记录的信噪比，使初至拾取得更加准确。结果表明，基于VMD和GA-SVM的地震噪声压制方法可以很好地提取含噪地震记录中的有效信号，提高初至拾取精度，在矿井复杂干扰条件下具有显著的应用潜力，对解决矿井复杂干扰条件下的地震勘探问题有重要意义。

    矿井地震勘探噪声压制初至拾取变分模态分解遗传算法优化支持向量机

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    我国不同类别煤层顶板水害致灾机理与防控路径

    曾一凡朱慧聪武强王皓...
    1539-1555页
    查看更多>>摘要：我国是世界上成煤和赋存条件最复杂的国家，煤层顶板水文地质条件的多样性和复杂性，采动覆岩裂隙场与渗流场耦合的相互性和时变性以及煤层顶板突水的独特性和危害性，造成顶板水害是我国尤其是西部煤矿区的主要矿井灾害之一。为了更好地认识顶板水害和推广现有技术和探索新技术防控此类矿井灾害，在全面分析近年来我国煤层顶板水害事故规律与顶板充水含水层的赋存条件、突水模式、动力特征、力学行为等基础上，系统划分了顶板水害的类型、特征、主要类别的致灾机理及梳理了现有顶板水害的防治技术，并展望了未来顶板水害防治领域的发展方向。研究发现:①顶板水害主体架构包括巨厚基岩含水层涌(淋)水、薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌、离层空间蓄水储能突水、天窗补给型突水、围岩烧变增透致突等5种类别，集中分布于秦岭—淮河沿线以北地区，陕、蒙、宁是顶板水害主要聚集地。②采动诱发巨厚基岩含水层下覆岩原生裂隙互馈-贯通发育"Z"型离层空间，导致采场出现大面积涌(淋)水现象;基于复合关键层破断力学条件，阐明了薄基岩弱胶结层水-砂耦合溃涌致灾的动力源;构建了离层失稳突水临界判别准则，将离层突水划分为静载扰动、"动+静"载复合扰动、复合煤层开采重复扰动3种模式;红土隔水层缺失及红土薄弱区采动劣化损伤是产生天窗越流补给的主要根源;围岩烧变增透，孔隙度增大，接受临近水源补水后形成新的含水结构体，在采动诱发下烧变岩水涌入采场发生水害事故。③梳理了当前煤层顶板水害"探-放-治"三位一体的解危防控技术体系，提出了井上下共轭联动、钻-采(掘)高位协同地质勘探系统，以防治水"三区"划分为导向的地质保障工作，"煤-水-生态"多目标齐抓共管的绿色开采和防治水理念，以及数智化、透明化矿山水文地质灾害信息维护系统等未来发展方向。

    顶板水害矿井防治水离层突水致灾机理防控技术

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