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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

mtxb@vip.163.com

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。
正式出版
收录年代

    高水压高应力岩石声波时域传播特性试验研究

    金解放赵康艳黄方博王宇...
    3074-3089页
    查看更多>>摘要：地下工程岩体普遍处于水压力和地应力环境中，水压力和地应力共同控制着岩石的物理力学特性，研究高水压和高应力对岩石声波传播的影响特性，有利于揭示深部岩体工程开挖时围岩损伤演化、动态力学响应以及水压力和地应力的反演。基于自主研发的高水压高应力岩石声波测试系统，设置多组水压力和轴向静应力等级用于模拟地下水压力和地应力环境，对红砂岩和石灰岩进行声波传播试验。选取岩石声波首波波形，研究岩石声波波速、首波幅值和能量随水压力和轴向静应力的变化关系，构建岩石声学参数的演化经验模型。研究结果表明，当承受的轴向静应力确定时，红砂岩声波波速随水压力的增大呈先上升后下降的变化趋势，2者呈良好高斯函数关系，石灰岩声波波速随水压力的增加先快速升高后缓慢降低。当承受的水压力确定时，2种岩石声波波速随轴向静应力的增大均呈先增加后减小的变化趋势，红砂岩声波波速与轴向静应力呈高斯函数关系，且红砂岩声波波速变化显著，石灰岩变化较小。确定轴向静应力工况下，红砂岩首波幅值和能量随水压力的增加先平缓发展后快速降低，首波幅值与水压力呈指数函数的变化关系;石灰岩首波幅值和能量随水压力的增加先快速增加后平稳发展或略有降低。确定水压力工况下，红砂岩首波幅值和能量随轴向静应力的增加先升高后下降;石灰岩首波幅值和能量随轴向静应力的增大先快速上升后急剧减小。研究成果对深部高水压环境下岩体工程开挖围岩赋存状态表征、应力波传播以及邻近结构的稳定性分析提供理论基础。

    深部高水压岩石声波传播声波波速首波幅值首波能量

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    不同加载角压剪耦合作用下岩石强度与渗透性演变特征

    范钢伟范张磊张东升张世忠...
    3090-3101页
    查看更多>>摘要：华北型石炭-二叠纪煤系基底普遍发育奥陶系灰岩含水层，煤炭开采受到底板承压含水层突水灾害和水资源流失的双重威胁，压剪耦合下岩石水力特性是大倾角承压水上开采底板岩层阻水性能评价的基础。综合采用理论分析及离散元数值计算等方法，建立了不同压剪比例下莫尔圆旋转的岩石失稳判据，揭示了压剪耦合作用下岩石强度衰减机制，提出了综合裂隙角度、裂隙扩展速度、改进体积应变等指标的应力阈值确定方法，明晰了不同加载角、渗透压差及围压条件下岩石微裂纹扩展及渗透性演化特征。主要结论如下:压剪耦合作用下岩石承载能力降低表现在强度降低与弹性模量增大 2个方面;岩石弹性模量随加载角增大呈现先缓慢增大(0°～15°)后迅速增大(15°～30°)再减小(30°～45°)趋势，但仍大于初始值;岩石强度和加载角呈线性负相关关系，降低幅度和围压成正比，2 MPa围压下强度降低速度是无围压的 1。9倍，由等效内摩擦角控制;随着加载角的增大岩石破坏程度降低、峰后应力由脆性跌落向塑性转变;压剪耦合作用下拉伸裂隙诱导起裂及拉剪复合裂隙主导非稳定扩展解释了不同压剪比例条件起裂应力、损伤应力阈值非线性演化的内在机制;渗透率回弹位置处于起裂与损伤应力阈值之间并接近后者，随着加载角的增大，拉剪复合裂隙(优势渗流路径)分布较为集中;岩石强度随渗透压差增大而降低，降低速率和加载角呈负相关关系;岩石峰值渗透率随着加载角的增大而减小，降低趋势随着渗透压差的增大由线性向非线性转变;加载角较大时，渗透压差与围压对岩石强度及渗透性控制作用减弱。

    渗透性保水开采加载角压剪耦合应力阈值破裂特征

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    基于DIC及CPG技术的热冷循环后花岗岩I型断裂特性

    吴秋红夏宇浩赵延林翁磊...
    3102-3117页
    查看更多>>摘要：深部储层岩石的热力学特性，尤其是循环热冷作用下损伤破坏特性，对于增强型地热系统井壁稳定性分析及地热开采效率评估具有重要意义。针对中心直裂纹半圆盘(NSCB)花岗岩试样，首先进行不同热冷循环处理(加热温度 400℃，最高循环次数 13次)，然后开展 3点弯I型断裂韧度特性试验。基于裂纹扩展计(CPG)和数字图像相关(DIC)测试技术，研究了热冷循环作用下花岗岩I型断裂韧度、断裂过程区(FPZ)、裂纹扩展速率及断裂轮廓特征的影响规律。试验结果表明:当热冷循环次数达到 10次以上，花岗岩试样脆性明显减弱，而峰前软化特性和峰后延性增强;花岗岩的断裂过程区由裂缝尖端开始逐步孕育，断裂过程区长度随荷载增大呈先增大后减小的趋势，I型断裂韧度、最大断裂过程区长度及裂纹平均扩展速度随热冷循环次数增大而指数减小，I型断裂面随热冷循环次数增大越来越不平整。最后，基于X-ray衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)等微观测试技术，研究了热冷循环作用对花岗岩矿物成分及微观结构的影响规律，结果表明花岗岩 4种矿物成分的峰值衍射强度及矿物质量分数均随热冷循环次数增大而降低，而微裂纹大小及数量随热冷循环次数增大而增大。热冷循环作用下花岗岩的损伤劣化机理包含了多次高温热损伤、水冷冲击及水弱化等3方面的联合作用结果。

    热冷循环断裂韧度断裂过程区裂纹扩展速度裂纹扩展计(CPG)技术数字图像相关(DIC)技术

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    超音速同轴气动雾化降尘技术

    张天穆新升葛少成李胜...
    3118-3128页
    查看更多>>摘要：在煤矿开采过程中伴随大量的呼吸性粉尘产生，严重危害工人健康。喷雾技术作为应用最为广泛的降尘技术，具高效、清洁等优点，但现有的喷雾技术对呼吸性粉尘的捕获能力不强，雾化效率低。为解决该问题，研发了超音速同轴气动雾化技术。通过实验和数值模拟的方法对该技术的雾化特性进行了研究，并基于自行设计的降尘实验平台对比了超音速汲水虹吸气动雾化降尘技术与超音速同轴气动雾化降尘技术的降尘特性。同时通过 2种技术的隔尘对比实验揭示了粉尘在超音速动力微雾幕作用下的沿程沉降机理。结果表明:在不同气动压力下，超音速同轴雾化降尘装置所采用的同轴探针注水方式大幅降低了探针结构对超音速流场能量的损耗，显著提高了雾化效率，产生了大量 11 μm以下、空间分布均匀的高速雾滴群，与虹吸雾化装置相比，粒径减小了 12%～50%，在喷雾流场中形成了大范围高速细雾区域。雾滴场与粉尘场的耦合效果，可以由粉尘的瞬时分散度表征，并由雾滴场特性的分布特征决定。不同时刻，各个粒径区间的分级降尘效率的变化趋势不同，在不同压力下对总的降尘效率的贡献不同。超音速同轴雾化技术产生的大范围高速细雾易于捕集呼吸性粉尘，PM0～PM2。5 的分级效率在 75%以上，最高可达 90%。压力的增大使高速细雾范围增大，有利于对微细颗粒的捕集。含尘气流在有限空间运移过程中粉尘在超音速动力微雾幕作用下的沿程沉降过程可划分为雾滴捕尘区、凝并沉降区、蒸发逃逸区。在不同区域雾滴与粉尘不同的行为与浓度分布，是受到喷雾气流及气载风流曳力运移，高速微雾碰撞捕捉、雾滴凝并沉降、雾滴蒸发失重作用的结果。

    呼吸性粉尘喷雾降尘超音速同轴雾化动力微雾分级降尘效率

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    基于谐振效应的自激振荡脉冲超临界二氧化碳射流最优冲击靶距研究

    邓玉洁刘勇魏建平沈荷莲...
    3129-3142页
    查看更多>>摘要：超临界二氧化碳(SC-CO2)射流在钻井工程中具有广泛应用前景，并且其破煤压力阈值低、效率高，能够提高钻井效率。但因其较高的破煤门限压力和系统能耗，限制了其推广应用。自激振荡脉冲SC-CO2 射流的高脉冲压力和谐振效应可有效降低破煤门限压力，显著提高破煤效率。基于此，开展了自激振荡脉冲SC-CO2 射流脉冲频率和脉冲压力幅值对谐振破煤的综合作用研究。采用大涡模拟分析了射流流场结构，明确了流场轴向上脉冲频率和脉冲压力幅值的变化规律;通过脉冲特征测试实验研究了靶距对射流冲击频率和冲击压力的影响，并通过冲击破煤实验研究了脉冲特征对破煤的综合影响，得到了以下结论:自激振荡脉冲SC-CO2 射流脉冲频率和压力幅值在射流轴向处并不会保持不变，随着靶距的不断增大均呈现逐渐减小的趋势。仅考虑脉冲频率并不能将谐振效应最大化，需要综合考虑脉冲频率和压力幅值对谐振效应的影响。采用位移响应振幅表征谐振效果，能够反映频率和幅值对谐振的综合影响。靶距较小时，即 0～15 mm，位移响应振幅的主要影响因素为脉冲压力幅值;靶距较大时，即 15～30 mm，其主要影响因素转变为脉冲频率。减小脉冲频率并增加压力幅值能够有效提高位移响应振幅。不同喷嘴结构条件下，位移响应振幅主要影响因素的转变位置不同，同时最优靶距也并不相同。该研究中，喷嘴a的最优靶距是22 mm，此处的位移响应振幅最大，破煤效果最好，而喷嘴b的最优靶距是26 mm。

    自激振荡脉冲SC-CO2射流靶距脉冲频率压力幅值位移响应振幅

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    SCCO2作用下不同含水性煤孔裂隙结构变化机制

    张小东靳沙沙张瑜张硕...
    3143-3153页
    查看更多>>摘要：深部煤层封存CO2 增产CH4 产出过程中，处于超临界状态的CO2(SCCO2)与煤中矿物质发生反应，改变煤的孔隙性，进而影响煤层封存CO2 的效果和甲烷增产效果。为发现SCCO2-H2O-煤岩作用对煤中孔隙的影响特征，以焦煤为研究对象，开展了不同含水条件下的超临界CO2 改造煤实验，基于矿物组成和孔隙性测定结果，对比煤中主要矿物质和不同尺度的孔裂隙变化的差异，探讨了不同含水状态下SCCO2 流体对孔裂隙性的作用机制。研究表明:①SCCO2 作用后，煤体表面粗糙、疏松，且由于矿物溶蚀使得一些裂隙得到贯通，微裂隙连通性增强。②SCCO2 流体对煤具有"扩孔"作用，表现为微、小孔含量下降，中、大孔占比升高，也即微、小孔隙向大孔隙的转化，且孔隙连通性改善;进一步发现，萃余煤吸附孔的分形维数稍微增加，粗糙度增大，而渗流孔的分形维数显著降低，复杂性和非均质性降低。③SCCO2 对煤中碳酸盐类矿物的溶解性最好，其次是黏土矿物，且随着含水率增加，萃余煤中的碳酸盐矿物占比先增加后减小。SCCO2 使干燥基态、饱和水态煤样中碳酸盐矿物显著溶解，有效改善了孔隙结构，且对饱和水态煤样作用效果更好。空气干燥基态煤样经SCCO2 作用后，新生成的白云石矿物聚集在孔喉中造成堵孔效应，缩小原有大孔隙尺寸，是引起不同含水性煤孔隙差异性变化的主要原因。

    焦煤孔裂隙结构含水性超临界状态的CO2CO2封存

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    煤中超临界CO2解吸滞后机理及其对地质封存启示

    刘操闫江伟赵春辉钟福平...
    3154-3166页
    查看更多>>摘要：将CO2 注入不可采煤层地质封存既是降低温室气体效应最理想选择之一，也是煤炭工业降低CO2 排放、实现低碳化可持续发展的必由之路，然而，煤层CO2 地质封存悬而未决的关键问题是:"注入煤层中的CO2 到底能否长期停留而安全封存?"。鉴于此，在弄清煤体CO2 解吸滞后规律的基础上，揭示超临界CO2 解吸滞后机理，建立煤层CO2 地质封存量化模型，探讨利用解吸滞后实现煤层CO2 长期安全封存。研究表明:煤中超临界态CO2 解吸滞后程度大于亚临界态CO2，在超临界阶段，吸附与解吸等温线形成近似"平行线"的稳定滞后特征;解吸滞后的本质原因是煤中微纳米级亲水性孔隙形成弯液面、产生强大毛细压力、渗吸液态水、截断并固定超临界CO2 流体、最终形成了CO2 残余封存，例如，煤中直径40～10 nm圆柱形无机孔隙可产生7。30～29。12 MPa毛细压力，足以封堵超临界态CO2;以九里山煤样解吸等温线数据为例，采用基于煤层CO2 解吸滞后的地质封存量化模型，评估出 900～1 500 m深部二1 煤层封存总量稳定在 35～37 m3/t，其中，吸附封存约占 80%，残余封存约占 15%，而结构封存仅占 5%;解吸滞后启示应尽可能采取措施提高煤层残余封存CO2 比例，原因是毛细堵塞的残余封存CO2 较围岩密封的游离和吸附CO2 更安全且没有泄露风险，煤层灰分、水分、孔隙尺寸和形貌等物性参数是影响残余封存效率的主要因素。

    CO2地质封存超临界CO2解吸滞后残余封存毛细压力地质封存量化模型

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    考虑煤层割理的多分支水平井煤层气开发数值模拟研究

    徐加祥赵洋董丹丹王玫珠...
    3167-3177页
    查看更多>>摘要：开发煤层气的多分支水平井形态多样且在对开发过程中割理的作用认识不清，有必要探究煤层中离散割理分布特征和多分支水平井形态对气井产能的影响。根据煤层中面割理和端割理的发育情况和正交特性，采用随机方法在煤层中分别构建了低密度、中密度和高密度的离散割理系统，并与等长型、纺锤型、交错型和哑铃型 4种不同形态的多分支水平井结合，构建出多分支水平井开发煤层气的物理模型。在考虑开发过程中煤层有效应力变化和基质收缩效应的条件下建立了煤层基质和割理系统的应力敏感模型，并采用Langmuir定理计算煤层气的解吸附，建立了一种可压缩煤层气在煤层基质-割理系统-多分支水平井耦合中流动的开发模型，进而研究了多分支水平井形态和割理密度对煤层气开发的影响。结果表明:煤层中的离散割理可以极大地增加多分支水平井在短时间内对煤层的动用范围，但是仅限于与多分支水平井直接联通的割理及周围基质区域，未与多分支水平井联通的部分则需要较长的开发时间，这也是气井在较短的时间获得峰值产量并迅速减产的重要原因;等长型多分支水平井控制的储层范围最大，交错型、哑铃型和纺锤型的控制范围依次减小;在煤层中割理密度相同时，等长型多分支水平井的煤层气峰值日产量和20a内的累积产量均高于其他 3种类型的多分支水平井，可以取得更好的开发效果;增大多分支水平井主次井筒的夹角，等长型多分支水平井开发效果更好，同时纺锤型分支水平井的峰值日产量提高显著;交错型和哑铃型多分支水平井的峰值日产量对分支数量更加敏感，纺锤型多分支水平井的分支数量应不少于8条，而哑铃型多分支井的分支数量不多于6条。

    煤层气多分支水平井煤层割理应力敏感产能分析

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    钻孔瞬变电磁法接收线圈定向屏蔽物理模拟研究

    辛成涛程久龙李垚孔孟行...
    3178-3187页
    查看更多>>摘要：钻孔瞬变电磁(BTEM)扫描探测方法可以利用巷道已有超前探查钻孔，通过旋转置于钻孔内收发线圈对孔壁外围隐蔽地质异常体进行扫描探测，因收发装置位于钻孔内，不仅避免了巷道内电气设备和金属物的电磁干扰，而且可以提高钻孔利用率，减少钻探工作量。然而，钻孔瞬变电磁法受全空间效应的影响，在扫描探测过程中，以收发线圈法线方向为探测方向接收异常体二次场信号的同时，还易受到其他方向信号的叠加干扰。若无法有效压制干扰信号，将直接影响对钻孔孔壁外围地质异常体的精确定位。利用屏蔽的方法，在接收线圈上安装屏蔽罩，尽可能保留线圈法线与屏蔽罩开口一致的探测方向的响应信号，而对其他方向的信号进行压制，从而实现钻孔孔壁径向一定范围内指向性探测。首先通过物理模拟实验探讨了不同匝数、尺寸的收发线圈对瞬变电磁场响应特征的影响，对适用于钻孔内的收发线圈参数进行组合优选。然后针对所要屏蔽的电磁波，选择不同种类的屏蔽材料，开展不同材料对不同方向电磁波的屏蔽效果实验。通过对比探测方向和其他方向的感应电动势，证实以泡沫镍制作的屏蔽罩能有效地压制非探测方向的干扰信号。通过实验分别对屏蔽罩的不同形状、磁导率等物性参数进行瞬变电磁场响应特征对比分析，并探讨屏蔽罩开口角度与定向屏蔽效果的关系，优化定向屏蔽罩参数，增强屏蔽效果。最后使用参数优化后的收发线圈和定向屏蔽装置进行钻孔瞬变电磁法径向断面扫描探测现场实验，采用基于混合分布的混沌量子粒子群和Levenberg-Marquarat及Occam组合算法的反演方法进行电阻率成像。研究表明:以泡沫镍为屏蔽材料，安装在接收线圈上的弧形屏蔽罩定向屏蔽效果较好，可以有效地压制钻孔瞬变电磁法扫描探测过程中非探测方向的信号干扰，且能较大程度的保留探测方向的异常响应信号，进而可以实现对钻孔孔壁外围隐蔽地质异常体的精确定位。

    钻孔瞬变电磁法定向屏蔽瞬变电磁场特征扫描探测

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    某废弃煤矿区土壤重金属污染风险评价

    张永康曹耀华冯乃琦刘岩...
    3188-3198页
    查看更多>>摘要：煤矿在开采过程中产生大量煤矸石、洗煤水等废弃物，其中的重金属污染物经沉降、径流、淋滤等作用迁移、扩散至周边水土环境中，对生态环境构成威胁。为研究某废弃煤矿区土壤重金属污染状况，评价重金属污染生态风险，检测了该矿区煤矸石、水、土壤样品中Cu、Pb、Zn、As、Cr、Ni、Hg、Cd元素质量分数，利用单因子指数法和潜在生态危害指数法分别分析了土壤重金属污染状况和潜在生态风险;重点分析了矿区洗煤厂下游土壤重金属污染特征，并采用改进BCR连续提取法分析了洗煤厂下游土壤样品重金属元素(Cu、Zn、Cd)形态，借鉴风险评价编码法评价了重金属元素的生物有效性和环境风险。结果表明:①以平均值计，废弃煤矿区煤矸石中重金属质量分数较低，仅Cr元素质量分数稍高于土壤中的质量分数，且煤矸石中重金属元素质量分数均未超过相应的农用地土壤风险筛选值，对矿区土壤重金属污染影响小。②废弃煤矿区土壤重金属超标元素为Cu、Zn、Cd、Ni、As，Cu、Zn、Ni和As元素污染较轻微，Cd元素污染较严重;Cu、Zn、Ni元素污染区主要集中在矸石山西部和东南部地块，在空间分布上有一定重合;As元素污染分布在矸石山东北部地块，Cd元素污染在矿区广泛分布，以中度-重度污染为主。③Cd、Hg元素存在潜在生态危害风险，Cd元素潜在生态危害风险程度高，重金属元素综合潜在生态危害风险等级较高，主要为中等-强风险。④洗煤厂下游区域沿水流方向土壤重金属元素总体呈递减趋势，Cd元素污染较严重，Cu、Zn、Ni、As元素污染集中在洗煤厂下游 200 m内，剖面样品中垂向方向上重金属元素质量分数呈递减趋势，在垂向上没有累积。⑤矿区地下水水质较好，矿井排水重金属元素质量分数及pH满足Ⅲ类地表水水质标准限值，矿井水外排对周边土壤重金属污染影响小。⑥Cu和Zn元素酸可提取态占比低，生物有效性低，Cd元素酸可提取态占比高，呈高度风险-极高风险，生物有效性强，环境风险高。基于矿区重金属污染现状，建议进一步加强土壤重金属污染防治工作，加强源头治理、农产品食品安全监测和Cd元素污染调查研究工作。

    重金属污染煤矿潜在生态危害风险重金属形态生物有效性风险评价

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