煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2019年第8期

• 煤炭精准开采地质保障技术的发展现状及展望

  袁亮, 张平松,

  我国绿色煤炭资源量有限，实施煤炭精准智能开采是未来绿色采矿的必由之路，其中地质保障技术体系是重要的基础。从煤炭开采基础地质及其勘探、综合地球物理探测、地质钻探和矿井地质信息技术平台等方面，系统地分析了我国矿井地质保障技术体系的现状，提出了煤炭精准智能开采模式下矿井地质保障技术的发展趋势和方向。通过大数据、云计算、互联网等技术平台，采用地质调查、钻探、物探、化探、GIS等多种地学参数信息，构筑基于天空、地面、井孔、地下、采煤工作面、长钻孔等全空间、全方位地质动态模型的保障技术体系，为煤炭精准智能开采提供所需的透明地质条件;研发三维和四维地球物理精细探测新方法、新技术，研制震、电、磁、核、声、光等物理参数主、被动源综合探测与成像智能化仪器设备，实现对开采地质条件的精准判识;发展由探测到监测，以及与掘进机械、采煤机械等一体化的监控预报识别体系，对影响开采的多灾源地质因素进行智能预测及监控，不断建设和完善煤炭资源综合开发保障技术体系;结合移动智能终端APP，逐步完成煤炭资源开发过程中井下图、景、物、人、设备等人机共享共管，实现高度信息化和智慧化，切实保障矿井安全高效生产;通过进一步加强高素质复合型地质专业技术人才培养，开展大尺度模拟实验和技术攻关，做到创新发展和技术引领，着力推进煤炭资源开发利用的新发展。

• 煤炭智能精准开采工作面地质模型梯级构建及其关键技术

  程建远, 朱梦博, 王云宏, 岳辉, 崔伟雄,

  随着国家大力推进工业化与信息化融合，煤炭智能精准开采已经成为行业大趋势，众多煤炭企业和科研院所开展了一系列试验研究和工业示范工程。然而，地质条件的适应性不足已经成为制约煤炭智能精准开采的技术瓶颈，迫切需要构建高精度、透明化的工作面三维地质模型。以黄陵煤矿某智能化工作面为例，分析了智能精准开采对地质透明化的时空需求，一方面要确保工作面前方未采区域一定范围内地质条件的“透明化”，另一方面要在采煤机完成一次截割的时间内完成透明化工作面三维地质模型的动态更新。统筹分析工作面地质探测技术现状和智能开采的集控水平，提出了构建透明工作面三维地质模型的总体思路:按照不同的地质、采掘阶段，将回采工作面地质模型分为4个层级，即黑箱模型、灰箱模型、白箱模型和透明模型。在工作面设计阶段，基于地面钻探与采区三维地震资料，可以构建工作面的“黑箱模型”，其精度处于“十米级”;在工作面掘进阶段，开展三维地震资料地质动态解释，可以构建工作面的“灰箱模型”，其精度处于“十米级~米级”;在工作面采前阶段，综合利用槽波、坑透等工作面地质勘探技术，可以构建工作面的“白箱模型”，其精度能够达到“米级~亚米级”;在工作面回采阶段，动态融入回采揭露的地质信息，并进行随采地震动态监测，可以构建起工作面前方50 m的工作面“透明模型”，其精度达到“亚米级”。为此，亟需研发一批关键技术与装备，主要包括三维地震资料地质动态解释技术、煤矿井下孔中物探技术与装备、回采工作面随采地震监测技术、工作面监测数据地质信息提取和多源异构地质信息动态融合技术等，逐级构建智能开采工作面的地质模型，渐次实现工作面的三维地质透明化，为煤炭智能精准开采提供地质保障。

• 煤炭精准开采地质保障与透明地质云计算技术

  卢新明, 阚淑婷,

  煤炭精准开采的目标是以最少的人力实现煤炭资源的低损失、高产出、无事故、少破坏的全程智能化开采，除了开采工艺、采矿装备、传感感知、物联网、自动化和信息技术外，实现煤炭精准开采的技术关键就是基于四维空间的地质保障和透明地质的云计算技术。全面地论述了煤炭精准开采地质保障的技术内涵和目的，其核心是利用先进的装备和软件实现煤炭开采前、开采中和开采后全矿井地质体和隐蔽属性的精准化、可视化和透明化，并能够对地质灾害和危险源超前预知和防治，从地质层面确保精准开采工作的顺利进行。关于地质保障技术，阐述了地质体几何计算、地质灾害预测预报2个科学问题，凝练了构造地质、煤层地质、地质力学、地质扰动、瓦斯地质、水文地质、透明地质7项云计算技术，同时描述了这些科学问题和关键技术的研究进展。为了发挥地质保障技术在煤炭精准开采中的核心作用，首先，对构造地质精准建模、煤层煤质智能预测、开采扰动破坏分析、瓦斯参数反演和瓦斯灾害预报、水文地质分析和水害预警以及综合地质属性透明化处理等比较困难的科学问题和关键技术给出了解题思路。其次，论述了地质保障软件系统及其应用的云计算架构、主要功能以及在煤炭精准开采中的应用方式，并通过部分应用案例说明了这些技术方案的可行性。最后，指出只要在三轴绝对地应力传感器、宽频段微震传感器、宽量程风速传感器、富水区超前探测、煤层自然发火状态监测和在线水质化验等技术上取得进一步突破，就能为煤炭精准开采提供比较完整的地质保障。

• 矿井构造预测及其在瓦斯突出评价中的意义

  姜波, 李明, 程国玺, 李凤丽,

  矿井构造是制约煤炭生产的最重要因素之一，不仅直接影响到煤矿生产效率，同时对矿井瓦斯突出和突水等严重威胁煤矿安全生产的地质灾害具有重要的控制作用。因此矿井构造预测与评价不仅是煤矿生产中亟待解决的实际问题，也是一个重要的科学难题。本文较为系统地评述了我国矿井构造预测以及矿井构造对瓦斯赋存与突出的控制作用的研究现状，并以阳泉矿区新景矿为例阐释了依据区域地质背景-矿井构造-煤体变形特征-构造煤发育及其瓦斯特性进行瓦斯赋存与突出预测的研究思路、内容与技术方法。研究表明，20世纪80年代以前矿井构造研究以定性评价和预测为主;20世纪90年代至21世纪初，矿井构造预测从定性的描述到定量评价取得了实质性的进展，但近年进展较为缓慢，指出基于地质实际的数理方法、地球物理探测和计算机技术的多源信息融合预测理论与方法是矿井构造定量预测和评价重要发展方向;分别从断裂、褶皱和层滑构造等方面阐释了瓦斯赋存与突出的构造控制的研究现状，指出目前多限于某些特定因素或静态的分析，而以矿井构造预测为基础，深入剖析矿井构造控制下的不同类型构造煤的发育、演化及分布规律，揭示不同类型构造煤的瓦斯地质特征是瓦斯突出预测的发展趋势;新景矿的实例剖析表明，EW向与NNE—NE向褶皱叠加复合独具特色的矿井构造对构造煤发育和瓦斯赋存具有关键控制作用，揭示了瓦斯非均质性分布的构造动力学机制。

• 开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征

  王宏伟, 邵明明, 王刚, 邓代新,

  复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切，也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题，断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时，以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象，通过相似模拟和数值模拟，研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景，建立了F16逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型，运用应力监测和声发射监测的手段，分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征，研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型，研究了断层区域岩层裂隙发育情况，分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律，总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段，即水平载荷施加阶段，工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段，断层滑动面不断积聚能量，声发射事件数激增;工作面开采过程中，断层频繁受开采扰动，正应力与切应力两者变化不同步。开采初期，正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采，正应力与切应力的变化情况相反，正应力逐渐降低，切应力逐步增大。工作面接近断层时，断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期，断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能，声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时，能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的“缺震”现象较为吻合，即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少，发生后激增的现象。因此，断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。

• 基于钻进参数聚类的含煤地层岩性模糊识别

  张幼振, 张宁, 邵俊杰, 钟自成,

  通过钻进参数进行煤矿巷道围岩特征描述可为煤矿安全绿色开采提供地质信息保障。针对煤矿井下坑道钻探中随钻地层岩性识别难度大、精度低的问题，提出了一种基于钻进参数核模糊C均值聚类(Kernel Fuzzy C-means,KFCM)算法的含煤地层岩性模糊识别方法。结合钻进试验台上开展的模拟岩样钻进试验，获得了包括钻速、转速和钻压等敏感钻进参数的训练样本，利用KFCM算法对获取的钻进参数训练样本进行学习，构造钻进参数样本空间并映射到高维空间进行聚类处理。建立了以典型含煤地层分类为目标的聚类模型，采用高斯核函数分别确定了软弱夹层、煤层和泥岩层的分布结构以及对应的聚类中心。其中，对比线性核函数，高斯核函数在垂向上的分类效果符合沉积岩构造的特征，且聚类时间节约了7.2%。进一步基于钻进参数的聚类结果，将钻速作为衡量各类岩石钻进性能的关键参数，通过分析钻进参数数据集的变化规律，建立了钻速与转速、钻压幂函数表达形式的地层岩性预测模型，采用数据插值拟合方法完成了典型软弱夹层、煤层和泥岩层的空间划分。并应用模糊数学方法通过构建钻速的分段三角形隶属度函数，得出样本地层钻速对典型含煤地层钻速的隶属度公式，根据隶属度公式将地层岩性划分为5个级别，实现了对样本地层岩性的模糊识别。在实钻试验中，对提出的模糊识别方法的有效性进行了验证。结果表明，该方法能够在PDC锚杆钻头回转钻进条件下快速识别典型含煤地层岩性，识别的正确率为92%，研究结果为实现煤矿井下巷道隐蔽致灾因素动态智能探测提供了借鉴。

• 矿井并行电法技术体系与新进展

  刘盛东, 刘静, 戚俊, 曹煜, 吕荣其,

  并行电法(Parallel Electrical Method，PEM)是集阵列式、全电极、全波形3种电场(自然电场、激励电场和感应电场)的同步采集和处理于一体的地电场勘探方法，它以时空域地电场的并行测试与并行处理为核心思想:通过每个电极1个ADC及开关装置的集成，实现全部电极的并行激励与采集，获得包括AM法和ABM法两种形式的地电场数据体;按照电极的空间组合与时序关系，解编出激励电流序列和对应的自然电场(零次场)、激励电场(一次场)和感应电场(二次场)的电位响应序列，再根据电位响应与电流激励的传递原理解析出探测介质的电阻抗属性(包括自然电位、电阻率和极化率等参数)，由此实现3种电场信息的并行解析。矿井并行电法(Mine-PEM)充分利用了巷道空间、钻孔空间及其组合形式，进而实现了对煤层顶底板充水水源、导(含)水断层、岩溶陷落柱及注浆改造效果的有效探查，对采动围岩破坏特征及富水异常区的动态检测，以及对地下水渗流演化的实时远程监测及水害超前预警等，这些技术于过去15 a间在全国煤矿防治水领域得到推广应用，发展、形成了矿井并行电法技术体系。矿井物联网技术的普及，使网络并行电法的智能特色得以发挥，实现了矿井地电场定时激励采集与实时动态监测的在线远程控制;双模式电极测试技术(Double-mode Electrode Testing Technique)的引入与应用，解决了常规地电场测试技术(如高密度电法)中激发、接收共用同一电极而导致自然电场、感应电场数据误差大甚或失效的问题，保证了3种电场并行测试数据的有效性;由此，并行电法技术实现了对主动源电法勘探与被动源地电场监测的有效融合，这对矿井灾害源动态、精细探测尤其是水害预警来说意义重大，形成的并行电法国家能源行业标准已得到实施。并行电法不仅可为智能矿山、透明矿山的建设提供技术保障，而且在工程与环境物探领域以及城市地下空间精细探查中也已得到推广。当前，地电场多参数的并行解析与联合反演是其重点研究内容，通过对介质电阻抗成像理论的深入研究，有望为岩土体多相介质多场耦合作用及其演化特征的探查提供有效手段。

• 基于电性标志层识别的瞬变电磁精准处理技术

  刘最亮, 王鹤宇, 冯兵, 张继锋,

  地面瞬变电磁资料解释精度的进一步提高一直是该方法研究的重点内容。以瞬变电磁烟圈效应扩散理论为依据，通过双倍旅程和平均速度概念建立了时深转换方法，以克服瞬变电磁采用简单经验公式计算实测数据时可能出现的深度翻转问题;以三维地震成果数据获取的9号煤层深度作为电性标志层校正标准，采用视电阻率微分极值点识别该电性标志层，通过比值法计算相应瞬变电磁测点的深度校正系数K值，然后采用内插方法得到测区任意点K值，以校正瞬变电磁在计算探测深度时出现的偏差。通过堡子矿钻孔ZKB1-1和ZK201电阻率测井资料分别建立了正演理论模型，计算了瞬变电磁响应，并和钻孔旁瞬变电磁实测数据的视电阻率微分极值对比，结果表明，两者基本一致，能够准确识别电性分界面。以矿区256线和344测线为例说明了电性标志层识别效果，计算了堡子矿全区深度校正系数，对该区资料进行了精细处理，圈定了工作区奥灰顶低阻异常区，以视电阻率为基本参数，分析评价了该区的地层赋水性强弱。根据奥灰顶视电阻率平面图以及地表径流，结合断层构造的分布特征，确定了导水通道存在及位置。最后通过钻孔验证表明:该方法处理探测深度精度误差小于5%，达到了对地面瞬变电磁资料的精细解释。

• 煤层顶板致灾水体井上下双磁源瞬变电磁响应及应用

  于景邨, 苏本玉, 薛国强, 常江浩,

  煤层顶板隐蔽致灾水体是矿井水害之一，矿井瞬变电磁法是探测矿井灾害水源的主要方法之一。由于矿井瞬变电磁法采用多匝小回线装置，发射磁距小，其探测深度不能满足大深度矿井对煤层顶板探测的要求。基于此，提出了井上下双磁源对煤层顶板进行立体探测的新方法。利用有限差分数值模拟技术，对井上(地面)激发，井下巷道接收和井上下双磁源激发，井下接收2种装置瞬变电磁响应进行了对比,结果表明:当顶板含有富水体和不含有富水体时，瞬变电磁响应特征均有明显的差异，主要表现为:在感应电位衰减曲线交叉点左侧，顶板存在含水体时曲线幅值相对较小，而在交叉点右侧幅值相对较大，表明该曲线特征与顶板富水性密切相关。分别采用井上下双磁源激发、巷道接收和井下磁源激发、巷道内接收2种工作方式在某矿进行煤层顶板含水体实际探测，探测结果表明:当煤层顶板富水性较强时，井上下双磁源激发、井下接收与井下激发、井下接收的瞬变电磁响应特征与数值模拟结果一致，交叉点左侧井下单磁源激发的视电阻率值明显低于井上下双磁源激发视电阻率值，而在交叉点右侧情况正好相反;当顶板富水性较弱时，2种情况所测的视电阻率曲线趋势基本一致，实际探测结果与钻孔资料吻合良好，对大深度矿井顶板隐蔽致灾水体的探测提供了一种新的有效探测方法。

• 矿井瞬变电磁法的时域矢量有限元三维正演

  张永超, 李宏杰, 邱浩, 廉玉广, 李文,

  为拓展矿井瞬变电磁正演对复杂地质模型的适用性，开展了基于时域矢量有限元的三维正演研究。首先，基于时间域麦克斯韦方程组和库仑规范推导了磁矢量势的赫姆霍兹方程，在此基础上结合理想导体边界条件采用Galerkin加权余量法推导了相应的弱形式方程，采用模型适用性强的一阶四面体矢量单元对弱形式方程进行了单元分析，并在单元分析时将回线源视为多个电流元克服了源的奇异性，时间离散则采用步长逐渐增大的向后差分法进行，由此实现了复杂地质模型的矿井瞬变电磁法全波形响应计算。对于均匀全空间模型，有限元数值解和解析解的均方相对误差为0.84%，验证了上述算法的正确性。其次，正演了关断效应的影响，结果表明关断效应会使感应电压升高，关断时间相同时，线性关断波形的影响大于指数关断波形，关断波形相同时，关断时间越长，关断效应的影响越向晚期延伸;线性关断时，电流完全关断之前的感应电压主要由发射回线中的电流变化引起。然后，正演了巷道的影响，结果表明关断时间为0时巷道会使早期的感应电压降低，但对晚期的数据影响很小，且发射回线位于巷道中心时的影响大于回线位于掘进工作面时，回线朝向顶底板或侧帮时的影响程度要大于朝向掘进工作面时，但考虑到实际仪器的关断时间，巷道的影响基本可以忽略。最后，对长方体状积水采空区的水平剖面和垂直剖面响应进行了正演，结果表明积水采空区会使感应电压升高，在水平剖面上最强的低阻异常响应出现在发射回线指向采空区中心时，但在垂直剖面上却出现在发射回线指向顶底板时。

• 采煤工作面底板水视电阻率全方位探测方法

  胡雄武, 孟当当, 张平松, 吴荣新,

  深部煤层开采受下伏灰岩水害威胁日益严重，探测采煤工作面底板富水区是保障安全生产的一项重要工作。目前，矿井电法是富水区探测的主要手段之一，但存在对富水区定位不准的问题。为进一步提高对采煤工作面底板岩层富水区的判定精度，在充分分析单巷电法和双巷电透视法优缺点的基础上，通过对视电阻率观测与反演方法的改进，提出视电阻率全方位探测方法。以全空间球状模型为例，给出了球状模型外空间中任意三极装置的视电阻率表达式。针对采煤工作面内侧、巷道和外侧底板不同位置的5个低电阻率模型，分别计算了全方位和双巷透视视电阻率数据，通过三维反演分别获得了采煤工作面底板岩层的电阻率图像，对比可见:① 在平面上，前者的低阻核心区与5个模型位置一致;后者的低阻核心区与工作面内侧及巷道底板的3个模型位置一致，而与工作面外侧底板的2个模型位置存在误差，误差系数分别为1.0和2.0，反映工作面外侧模型距离巷道越远，误差则越大;② 在垂向上，两者对模型深度的判定均存在不同程度的误差，但相比而言，前者定位误差小，对模型深度的判定更准确。分析结果表明在全方位视电阻率反演过程中，单巷测深数据与双巷透视数据之间能够相互约束，促使低电阻率球状模型的准确归位，体现了全方位视电阻率探测方法的优越性。工程实践进一步表明了该方法的准确性和可靠性。

• 煤矿瓦斯智能抽采理论与调控策略

  周福宝, 刘春, 夏同强, 刘应科, 孙玉宁,

  基于瓦斯抽采的安全原则与效率原则，提出了瓦斯智能抽采的原理;建立了瓦斯抽采管网中瓦斯-空气混合气体流动控制方程，以最大瓦斯抽采纯流量为目标函数，建立了瓦斯抽采管网参数的优化模型，分别从瓦斯体积分数、流量以及效能比等参数约束条件定量判定瓦斯抽采安全与效率;以上述模型为基础，针对钻孔抽采区域温度高于临界温度、钻孔抽采纯量低于抽采纯量下限，以及钻孔抽采浓度低于瓦斯安全浓度下限等工况条件展开理论分析和数值计算，提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略，通过协同调整不同抽采钻孔的阀门开度和抽采泵转速，有效提高了抽采瓦斯体积分数、效能比和抽采纯流量，并提出了相应的瓦斯抽采系统优化策略。最后，设计了由数据感知模块、通信传输模块、数据处理与决策模块、控制模块等部分组成的瓦斯智能抽采系统，开发了基于物联网的智能调节阀门，阀门的感知模块包括温度传感器、瓦斯浓度传感器和气压传感器等，通讯模块将数据上传至云存储端，通过电脑网页和手机客户端实现监测与控制;发明了采用高分子减阻剂提高水环真空泵效率的技术方法，以高分子减阻溶液作为水环真空泵的工作介质，有效降低了液环的湍流损失和流体与泵体过流部件的摩擦损失，并开发了地面全封闭式和井下直注式2种瓦斯抽采泵节能系统，该项技术在山西潞安集团余吾煤业成功应用，节电率和节水率分别达到22.5%和66.7%，为瓦斯智能高效抽采提供了借鉴。

• 松软煤层可控冲击波增透瓦斯抽采创新实践

  张永民, 蒙祖智, 秦勇, 张志峰, 赵有志, 邱爱慈,

  松软煤层瓦斯低成本高效抽采属于世界性技术难题之一，中井煤矿回采工作面规模煤层可控冲击波增透效果为解决这一难题提供了一个成功示范。通过可控冲击波增透煤层钻孔，单孔日均瓦斯抽采量平均提高3.37倍，最高达到6.54倍，瓦斯浓度平均提高2.31倍，增透有效半径可达40～60 m，将原来的难以抽采煤层转变为可以抽采～容易抽采煤层，需要的钻孔工程量只有传统抽采工程的11%～18％。在钻孔直径、冲击能量条件相同条件下，示范区煤层增透的最佳冲击密度在1.0～1.1次/m，增透段长度应大于120 m;在最佳冲击密度条件下，回采工作面抽采孔增透效果主要与抽采开始时机、周围抽采环境有关，巷道掘进暴露越晚以及回采工作面增透孔相互干扰越明显，抽采效果越好。与传统钻孔抽采流量幂指数单调衰减曲线形态不同，增透孔瓦斯流量曲线表现为“两段式”变化的典型特征，其中多数孔第1阶段流量曲线出现类似于煤层气地面井排水降压的流量“峰”，第2阶段流量衰减系数也远远小于对比基准。分析认为，产生上述效果的机理在于两个方面:① 以冲击波增透孔为中心向外，煤层流场由井巷采动流场向冲击波改造流场过渡，大大扩展了原有的有效流场半径，冲击波改造流场类似于地面井煤层流场，可以通过排水降压形式产出煤层瓦斯;② 冲击波改造流场为抽采影响带流场提供了更为充足的瓦斯气源，有效阻滞了瓦斯流量衰减系数的快速降低，显著提高了抽采效果。

• 淮北许疃矿抽采后瓦斯含量损失影响因素分析及预测

  汪吉林, 翟建廷, 秦勇, 王琳琳, 琚宜文,

  抽采后残余瓦斯的存在对于矿井生产依然具有危险性，研究残余瓦斯的赋存规律及其预测是十分必要的。分析了淮北煤田许疃煤矿3233采区地质条件，通 过断层分维、煤层底板构造曲率和煤层倾角等指标的计算和统计，并分别赋予0.35,0,35和0.30的权重，计算得到研究区的构造指数及其分布，根据选取的42组数据，讨论了构造指数 、煤层埋深、煤厚和原煤瓦斯含量等影响因素对抽采残余瓦斯赋存的影响，运用多元线性回归方法，拟合了瓦斯含量损失与构造指数、煤层埋深、煤厚等影响因素指标之间的相关 关系，运用BP人工神经网络模型研究了预测抽采后瓦斯含量损失的可行性。结果表明:构造指数可以更精确地定量表征矿井构造复杂程度。瓦斯含量损失的主要影响因素为构造指数 、煤层埋深、煤厚和原煤瓦斯含量。瓦斯含量损失总体上与构造指数呈负相关，而与其他因素的指标均呈正相关。经过数理统计的F检验，F=20.82＞F0.01(3,38)=4.35，故多元线性回 归的结果是显著的，表明瓦斯含量损失与各影响因素指标之间具有较密切的内在联系，其中构造指数对瓦斯含量损失的影响程度最大，煤层埋深影响程度最小，煤厚的影响程度介 于构造指数与煤层埋深之间。以瓦斯含量损失为输出指标，以构造指数、埋深、煤厚和原始瓦斯含量为输入指标，建立了4×10×1结构的BP人工神经网络模型，模型经过学习训练后 预测精度高，相对误差为1.19%～1.34%，表明可以运用人工神经网络模型预测未采区抽采后的瓦斯含量损失，残余瓦斯含量即为原煤瓦斯含量减去瓦斯含量损失，故可以间接预测 抽采后残余瓦斯含量。

• 高瓦斯矿井采煤工作面瓦斯地质分级评价方法与实践

  郭晨, 夏玉成, 孙学阳, 王生全, 王社荣, 杜荣军, 解海军, 许珂,

  瓦斯灾害是制约我国煤矿安全生产的主要灾害类型，在当前煤炭精准开采背景下，如何在工作面尺度实现瓦斯地质分级评价与风险精准识别，成为保障高瓦斯矿井安全、高效生产的关键。韩城矿区位于鄂尔多斯盆地东南缘渭北石炭—二叠纪煤田，构造条件复杂，瓦斯含量高且瓦斯动力现象频发，但工作面尺度瓦斯地质及致灾风险缺乏精细研究，对实际生产指导性不足。基于此，本文立足韩城矿区瓦斯地质条件，基于适用性与可行性原则优选煤层埋深、厚度、煤体结构、构造变形、绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量共6个参数作为基本指标，厘定其分级评价阈值标准;基于多层次模糊数学评价原理，提出了包括评价参数体系确立与分级、隶属函数与权重确定、数学模型构建、地质成图与分区评价等流程的工作面瓦斯地质分级评价方法。在此基础上，以桑树坪矿4321回采工作面为例，对其进行网格剖分，耦合单因素地质指标计算瓦斯地质分级评价指数，结果显示该工作面瓦斯地质条件差异显著，可划分为Ⅰ型有利区、Ⅱ型相对有利区、Ⅲ型相对不利区和Ⅳ型不利区，分区结果与实际地质条件具有较好的一致性，煤层构造变形及煤体结构破碎是制约工作面安全回采的主要地质因素。建立的工作面多层次模糊数学瓦斯地质分级评价方法符合当前煤炭精准、安全开采的现实需求，对其他高瓦斯矿井和构造煤区瓦斯地质保障具有借鉴意义。

• 采掘诱发高势能溃砂灾变机理与防控研究与展望

  隋旺华, 刘佳维, 高炳伦, 梁艳坤,

  采掘诱发高势能溃砂是威胁矿山生产和矿工生命安全的重大灾害，其发生机理与防控原理不同于矿井突水和浅部流砂，具有突发性强、蓄能高、破坏力大、防控困难等特点，亟需在以往研究基础上，对高势能溃砂灾变机理和防控原理开展研究。结合矿山深部开采和高强度开采实际，以赋存—形成—运移—预测—防控为主线，采用地质勘查与建模、物质成分和结构测试、野外及井下长期观测、监测预警、透明土离心模型试验、渗水力模型试验、理论研究和数值模拟等方法，围绕矿山采掘诱发高势能溃砂启动与灾变机理、高势能水砂混合流在采动覆岩裂隙带和垮落带中的运移规律、高势能溃砂注浆扩散凝固机理、挡砂墙渗透失稳机理等关键科学问题，重点研究高势能溃砂形成的地质背景、启动判据、灾变机理、运移规律、辨识评价和防控原理等内容，建立高势能溃砂的危险源辨识、预测评价、灾变机理、运移规律、预警救援、治理恢复的系统防灾减灾救灾的溃砂防控理论及关键技术体系。研究结果将为解决我国采掘诱发高势能溃砂、突破高势能溃砂灾害防控的技术瓶颈提供理论支撑。由于工程诱发灾变过程和结果的不确定性，将高势能溃砂防控向深层次、多结构、多维度、多决策的综合防灾减灾体系拓展，是今后矿山重大地质灾害防控的重点方向。

• 复杂水文地质条件下大型帷幕截流工程效果数值仿真分析

  刘基, 靳德武, 姬亚东, 郑士田, 石志远,

  朱仙庄煤矿水文地质条件复杂，其8煤开采受到奥灰和太灰强富水含水层的补给影响，严重威胁煤矿的安全开采。提出了建造大型帷幕截流墙、切断它们之间的水力联系、进行疏水降压的水害治理方法。针对前人单点局部检验帷幕效果的不足，为预测大型帷幕墙的整体截流效果，在井下开展了三阶段放水试验，以此为基础，开展了朱仙庄煤矿多层、复杂接触、复合边界的水文地质条件下大型帷幕截流工程数值仿真分析。结果表明:放水试验期间，帷幕墙内“五含”水位呈现“平盘式”下降现象，墙内外水位差明显，放水试验末期墙内外水位差约200 m，“四含”水位变化出现“滞后”现象，判断了它们之间水力联系微弱，确定了“五含”和“四含”的参数分别为4个和2个分区。针对朱仙庄煤矿复杂的水文地质模型，通过将第2和第3层赋值为相同参数概化了“四含”和“五含”的高角度不整合接触关系，奥灰与“四含”的接触带概化为变水头边界，同时将太灰与“四含”，奥灰、太灰与“五含”的接触带概化为源汇补给项，建立了420行×260列×3层的大型帷幕截流工程的大型数值模型，运用MODFLOW软件的WHS求解器进行模型计算。由于研究区复杂的地层接触关系，数值模型在计算中容易出现不收敛现象，通过动态调整算法的阻尼系数在0.8~0.5可以很好地控制模型的收敛性。帷幕截流墙的数值仿真分析发现，帷幕截流墙整体渗透性能较差，整体渗透系数为0.6 Lu(折合渗透系数为0.005 m/d)。预测了“五含”水位疏降至安全水头-350 m时的残余水量为91 m3/h，截流率达95%以上，综合分析帷幕墙截流效果非常明显。本次计算方法和技术可为类似的复杂水文地质条件下大型数值模型的构建、计算及快速收敛提供参考，同时丰富了煤炭精准开采背景下的矿井地质保障技术。

• 深部矿井水害特征、评价方法与治水勘探方向

  李文平, 乔伟, 李小琴, 孙如华,

  煤矿区深部含水层具有大埋深高水压等特点，是深部煤层开采水害防范的主要对象。在分析深部矿井水害特征基础上，探讨了深部矿井地应力对裂隙水价值的力学作用机制，阐述了深部矿井裂隙水介质呈现“高承压、弱富水”的力学原因;基于古岩溶成因演化理论，结合水文地质勘探和野外调查，分析探讨了华北型煤田奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”的岩溶充填结构特征，并将奥陶纪石灰岩顶部“古风化壳”划分为“隔水充填带、弱隔(透)水充填带、富(透)水带”3种岩溶充填结构类型，给出了各类型确定的关键指标和阈值，明确了奥陶纪灰岩顶部存在隔水层的理论依据。将深部矿井煤层开采底板突水划分为“完整底板突水模式”和“集中破碎带底板突水模式”，分析了深部煤层开采底板含水层高水压作用下沿用传统的突水系数法(Ts法)评价底板突水危险性的局限性，引入隔水层厚度(M)和含水层钻孔单位涌水量(q)2个指标，结合突水实例分析，提出了“修正的突水系数法”(Ts-M-q法，适用于完整底板突水模式);在实验和实例分析基础上，提出“渗-流转换”突水评价法(适用于集中破碎带底板突水模式)。最后，基于深部矿井水害特征及突水模式，结合深部含水介质赋存、构造发育特征和地应力场方向，阐述了深部矿井水害精准查治一体化勘探关键技术。

• 深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术

  王洋, 武强, 丁湘, 高柏, 蒲治国,

  为解决目前蒙陕矿区深部侏罗系矿井采后采场落地水量大、煤水混杂，以及上部煤层距离强含水层较近，无法安全掘进与回采等一系列问题，提出了深埋侏罗系煤层顶板水害源头防控关键技术。应用沉积控水规律，分析了含(隔)水层在平面与剖面的空间展布规律与含水层富水性分布规律，在此基础上，针对煤层厚度变化较大、顶板含(隔)水层交互成层的特征，通过构建含有沉积环境影响指数、砂岩厚度、岩芯采取率、单位涌水量、渗透系数与导水裂隙带发育高度6个指标在内的评价指标体系，提出了符合深部侏罗系矿井水文地质特征的矿井涌(突)水风险分区评价方法，进而根据“断源截流、集中疏排、源头预防、超前治理”的防治水思路，提出了“上行开采低位截流”、“工作面单侧截流”、“工作面双侧截流”与“工作面方向调整截流”4种地下水截流治理模式，最后以蒙陕矿区的门克庆矿井和母杜柴登矿井进行实例分析。应用结果表明:① 直罗组一段砂岩含水层主要为河道相沉积，砂体的空间连续性较好，是深部侏罗系矿井的主要充水含水层;② 门克庆矿井首采区3-1煤顶板涌(突)水危险区主要分布在研究区的南部，呈东西向条带状展布，与实际情况较为吻合;③ 根据门克庆矿井首采区涌(突)水危险性分布规律，应用了“工作面单侧截流”与“上行开采低位截流”两种治理模式并分析了其在实际工程中的应用效果。深部侏罗系矿井水害防治作为一个复杂的系统工程，以源头防控为重点的系统防治技术体系仍是深部侏罗系矿井水害防治需要重点攻关的研究方向。

• 砾岩含水层帷幕浆液运移规律与改性效果分析

  尚宏波, 靳德武, 赵春虎, 柳昭星, 王皓, 王晓东, 姬亚东, 朱慎刚, 石志远,

  注浆帷幕截流是深部矿井水害治理的主要技术手段之一，针对淮北矿区朱仙庄煤矿8号煤层水害防治问题，采用CT扫描与室内试验测试得到受注砾岩孔裂隙分布及岩石力学特征，利用COMSOL Multiphysics软件建立了受注砾岩层的孔隙介质与孔隙-单裂隙介质2种数值模型，分析了帷幕墙注浆截流效果。研究结果表明:浆液在孔隙介质中的运移范围随注浆时间的增加而增大，浆液运移稳定后的扩散范围为10.12~10.44 m;孔隙-单裂隙介质数值模型中，浆液运移形态沿裂隙方向对称，浆液运移优先进入裂隙通道，随后沿裂隙方向扩散至孔隙介质中，随注浆时间的增加，浆液运移范围逐渐增大并最终趋于稳定，孔隙-单裂隙介质中浆液的纵向扩散范围为10.05~10.23 m，横向扩散范围为16.30~16.98 m;根据数值计算结果，提出了注浆孔间距为20 m、两排注浆孔交错布置、有效宽度约为40 m的帷幕截流方案。最后，通过注浆前后砾岩物理力学性质对比分析与现场放水试验的方法，验证了帷幕墙截流效果良好、注浆孔间距布置合理。

• 巴拉素井田煤层富水机理与注浆堵水技术

  方刚, 梁向阳, 黄浩, 夏玉成, 靳德武, 刘洋,

  陕北侏罗纪煤田榆横矿区(北区)是我国重要的煤炭生产基地，区内大型矿井分布较多，煤层埋藏相对较深，在采掘过程中发现有富水煤层问题。为研究区内煤层富水机理及采掘过程中的水害问题，以巴拉素煤矿2号富水煤层注浆堵水治理工程为例，通过对水文地质条件和地下含水层之间水力联系情况分析，查明了区内各含水层水文地质特征及类型，确定了2号煤层水为立井井筒过煤层段的主要充水水源，并提出了富水煤层注浆治理保障新技术。通过抽水试验、水化学测试，发现区内地下水含水层主要为第四系松散层潜水含水层、白垩系下统洛河组孔隙-裂隙含水层、侏罗系中统直罗组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤顶板延安组碎屑岩类裂隙含水层、2号煤层含水层等。第四系松散潜水含水层和白垩系洛河组孔隙裂隙含水层之间水力联系密切，其他含水层之间均未发现水力联系。根据现场实际及多次实践，确定以“引流注浆、帷幕封堵”为总体思路，运用“井下打钻，地面拌浆，管道输送，高压灌注”的方法，完成2号煤层富水区段的封堵。研究及实践结果表明:通过多种材料结合、钻探注浆等组合工艺实施后，在副立井井筒马头门煤层揭露区段及待掘巷道周围形成了有效的止水帷幕，将掘进巷道与富水煤层隔开，最大程度地减小井筒涌水量，超出预期目标完成注浆堵水任务，副立井井筒总涌水量由最初的150 m3/h(最高200 m3/h)衰减至竣工时的11 m3/h，注浆堵水率约为93%，实现了对富水煤层大量出水有效封堵的目的。

• 多模型融合评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性

  施龙青, 曲兴玥, 韩进, 邱梅, 高卫富, 秦道霞, 刘海松,

  在我国华北型石炭——二叠系煤田中，煤层底板灰岩岩溶突水现象尤为突出。为准确地评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性，防治煤矿水害事故，实现承压水体上煤层安全开采。基于未知测度-集对分析理论，选用含水层厚度、单位涌水量、充水含水层渗透性、水压、断层影响因子、含水层厚度、含水层岩性组合特征以及底板破坏深度8个指标评价煤层底板灰岩岩溶突水危险性。采用有序二元比较量化法和区间数模糊决策矩阵EA-TOPSIS排序模型分别确定煤层底板灰岩岩溶突水主控因素权重。在此基础之上，基于冲突证据理论将二者进行耦合，得到煤层底板灰岩岩溶突水主控因素组合权重，保证了对动态模型指标相对重要性的有效评价。基于未知测度-集对分析理论，构建单指标直线型未知测度函数及非直线型未知测度函数，并以新汶煤田煤层开采为例，将30个监测点处实测的8个指标值代入，建立多指标综合测度矩阵。引入“置信度”评价准则判定样本数据Xi所属的危险性等级。并通过集对分析，进一步表征新汶煤田煤层开采过程中煤层底板灰岩岩溶突水风险总体态势。研究表明，评价结果与矿山实际情况相吻合。在此基础之上，依据搜集的大量华北煤矿突水案例，以其中典型的15个为例，将建立的模型推广到整个华北煤田底板突水危险性的评价。通过与矿井实际突水情况对比可以发现，模型确定的矿井突水危险性等级与实际相吻合，表明该模型对于评价整个华北煤田底板灰岩岩溶突水危险性具有一定的适宜性。

• 基于承压水单孔放水实验的底板水害精准注浆防治

  李涛, 高颖, 艾德春, 杨军伟, 冯海, 薛卫锋, 赵国杰,

  我国华北型煤田普遍受底板承压水威胁，底板注浆改造是承压水害防治的有效途径。但注浆改造层位多为非均质的灰岩，其注浆地质条件复杂多变，使得注浆工程效率有限。为了提高底板注浆水害防治的效率，开展基于承压水单孔放水实验的底板精准注浆研究。以渭北煤田，特别是澄合矿区董家河煤矿为研究背景。在分析研究区底板水害防治特征的基础上，结合底板精准注浆内涵，针对性研发了单孔放水实验装置及配套使用技术。在开展单孔放水实验的基础上，结合突水优势面理论提出了底板分类注浆技术。研究结果表明:通过设置定流量控制阀，可以实现单孔放水实验，获取承压水的渗透系数K和富水系数q等参数。结合环向非完整井的设计，可以获取承压水水平方向上主要的径流方向。依据单孔放水实验获取的水文参数，结合突水优势面理论，注浆条件类型可以划分为5大类7小类，包括不富水型、Q-S曲线直线Ⅰ型、Q-S曲线直线Ⅱ型、Q-S曲线抛物线Ⅰ型、Q-S曲线抛物线Ⅱ型、Q-S曲线幂函数型、Q-S曲线对数型。依据钻孔注浆条件的重要性，给出了每种类型钻孔的注浆工艺。通过工程实践应用，采用分类注浆技术的注浆工程提高了注浆效率，有效控制了底板水害。研究成果为华北型煤田底板承压水害信息化防治提供了新的技术和设备。

• 积水采空区地面-钻孔瞬变电磁探测技术

  王鹏, 程建远, 姚伟华, 李明星, 王益,

  小煤窑积水采空区威胁煤矿安全生产，为有效识别钻孔旁侧遗漏的积水采空区并确定其空间位置，采用地面发射阶跃磁场、钻孔中接收三分量感应场的观测方式进行地面-钻孔瞬变电磁探测。通过构建积水采空区地电模型，正演分析了异常的响应特征及异常场随异常体电阻率、规模和相对钻孔距离变化的规律。计算结果表明:异常场的3个分量均响应明显，X，Y分量过零点与Z分量极值点对应异常体深度;X，Y分量幅值相对较小，但为纯异常场，便于识别和提取;Z分量幅值相对较强，但异常场为背景场的千分之一，不易识别和提取;由于更接近异常体，地面-钻孔观测方式相比地面瞬变电磁采集到的Z分量异常信号更强;异常响应强度随异常体电阻率降低、规模增大、距离减小而增强。基于等效电流环理论，设计了最小二乘约束反演算法，通过反演拟合异常场能获得异常体的中心坐标、倾角、尺寸等参数，实现异常体的空间定位。在陕西省榆林市某煤矿使用地面-钻孔瞬变电磁法开展积水采空区探测实验，采集的X，Y分量数据在目标层附近表现明显的异常响应特征，通过对1.0 ms和1.3 ms的异常场数据进行反演拟合，发现并推断钻孔北侧存在小煤窑积水采空区，反演结果得到后期钻孔验证，与实际揭露情况吻合。理论分析与现场实验证明:地面钻孔瞬变电磁法能有效探测到钻孔旁侧的积水采空区，实现“一孔多用”并突破“一孔之见”，为小煤窑积水采空区的精细探查提供了一种新的地球物理勘探手段。

• 时域电性源地空电磁系统在煤炭采空积水区勘查中的应用

  张庆辉, 田忠斌, 林君, 黎东升, 嵇艳鞠, 马玉龙, 贾伟,

  为实现山区复杂地形条件下，对沁水盆地东南地区煤炭采空区及采空积水区的快速、精确勘查，采用时域电性源地空电磁法对上述区域进行地球物理勘查。时域地空电磁法采用地面发射空中接收的方式，在地面布设接地长导线源，利用大功率发射机向地下发射时域方波信号，在空中利用无人机搭载接收系统沿平行于发射源的预定航线进行飞行探测获取电磁信号和测点坐标信息，发射与接收的电磁数据通过GPS时钟进行同步。利用时域电性源地空电磁探测系统，采集到了信噪比高的电磁数据，同时开展了地空电磁基线校正方法、地空电磁噪声抑制方法及视电阻率成像方法的研究，进一步提升电磁数据的质量和成像分辨率。通过对时域电性源地空电磁数据和空间坐标信息进行处理获得反应测区地电信息时间的电性源地空电磁法视电阻率，结合已知地质信息进行解释，推断解释了煤炭采空区和采空积水区的空间分布特征。时域电性源地空电磁法在极大减少地面工作量的同时，兼顾了勘探深度，因此兼具航空电磁法快速高效和地面电磁法勘探深度大的特征。本次勘查表明:利用该系统开展地空电磁勘查，可以实现工作效率4~5倍的提升，且勘探效果与已知地质信息基本吻合，表明时域电性源地空电磁探测系统可以实现对煤炭采空区的快速、精确勘查。针对本次勘查的效果，可以预期时域电性源地空电磁探测系统将在复杂地形条件下的深部资源探测、环境、工程、灾害地质调查中发挥重要的作用。

• 煤炭地下气化中的地质问题

  秦勇, 王作棠, 韩磊,

  煤炭地下气化是弥补我国天然气供需缺口的多元化途径之一。然而，该项技术历经80余年现场试验目前仍未产业化应用。煤炭地下气化炉的载体为地质体，煤矿床地质禀赋约束了特定地下气化项目的可行性，推进这一过程必须跨越地质风险瓶颈。立足于这一战略需求和基本认识，简要回顾历史并提出问题，从资源禀赋、选址评价、环境安全3个方面评述了国内外关于煤炭地下气化地质因素的认识与进展，提出了推进煤炭地下气化产业化的地质工作建议。分析认为，煤炭地下气化地质工作贯穿于规划布局、炉址选择、气化生产、燃后处理整个过程，系统性地质工作尚不到位是煤炭地下气化长期未能实现产业化的重要原因，需要从战略高度上充分理解我国煤炭资源禀赋对当前地下气化技术的适应性，国外严格的选址“标准”启示我们加大对难采、劣质、零散煤炭资源原位规模性气化技术研究探索的力度，高温因素与静态地质体叠加所潜在环境地质安全问题需要正视并积极应对。基于上述地质思考，建议对煤炭地下气化技术应持谨慎的乐观态度，不宜保守，更不宜盲目，鼓励选择适宜地质条件开展工业性试验探索。将煤炭地下气化作为一项保障国家长远能源安全的战略措施，围绕煤炭地下气化资源评价选区与战略规划、气化炉勘查与选址评价技术、高安全广适性地下气化工艺技术、生产地质动态监测预警技术、地下气化地质保障系列规范5个方面，推进并组织论证和实施“煤炭地下气化地质风险评价与预测关键技术”计划。其中，煤炭地下气化资源评价选区与战略规划是打破目前“难以产业化”僵局的基础，需要立足于我国煤炭资源特性及赋存条件实际，总结国内外地下气化工业性试验经验，建立全国统一的煤炭地下气化资源评价技术准则，评价全国或大区煤炭资源对当前地下气化技术的适应性程度。然后，提出可供分步实施的典型地质条件国家级先导性试验区建议。

• 煤炭地下气化地质选址原则与案例评价

  刘淑琴, 师素珍, 冯国旭, 冯健, 李明轩, 郭巍,

  21世纪以来，煤炭地下气化技术水平快速发展，以煤层水平井和移动注气技术应用为基础的现代煤炭地下气化技术日益成熟，具备了产业化示范的技术基础。煤炭地下气化的技术流程包括气化炉选址、气化炉建炉、气化炉点火、气化过程测量与控制、地下水污染防治与控制、气化炉闭炉，而地质选址是煤炭地下气化项目规划、规模化稳定生产及地下水污染防治的保障条件和先决条件。首先概述了煤炭地下气化的3种主要技术路线。依据现代煤炭地下气化技术路线，提出了地质选址评价的基本原则。地质选址需从煤炭储量、煤层条件、地质构造、水文地质条件、顶底岩层稳定性、煤种、煤质等多个角度，围绕气化炉建设、稳定气化和环境影响进行全面评价。在此基础上，以内蒙古哈日高毕矿区为例，进行了煤炭地下气化地质选址案例分析。基于三维地震解释成果和波阻抗反演数据体，研究了目的煤层的空间展布及断层发育特征。通过对拟声波反演结果进行分析，获得了目的煤层顶底板岩性的分布特征。基于地震属性和视电阻率测井曲线，采用多属性神经网络反演对目的煤层及顶底板的富水性进行了研究。基于蚂蚁体属性技术对目标层段的裂隙发育特征进行了分析。最后，从煤层展布及构造特征、岩性分布特征、富水情况、裂隙发育规律方面对案例研究区进行了地质选址综合评价，以此作为科学选址的决策依据。

• 无井式煤炭地下气化岩层及地表移动与控制

  郭广礼, 李怀展, 查剑锋, 刘潇鹏, 徐友友,

  煤炭地下气化是我国先进能源领域重要的研究方向之一，也是我国煤炭资源“流态化”开采技术体系的重要组成部分。目前已完成的煤炭地下气化工业性实验由于实验规模较小没有引起显著的裂隙发育和明显的地表沉降发生。但随着煤炭地下气化实验规模的扩大及推广应用，如何面向不同地质条件进行地下气化生产设计控制裂隙发育及地表沉降是目前亟待解决的瓶颈问题，极大的限制了煤炭地下气化的选址及规模化生产。为了解决这个难题，利用数值模拟方法研究了无井式煤炭地下气化岩层与地表移动规律以及导水裂隙发育高度与气化炉参数的关系，同时利用理论方法提出了“双曲线”型焦化隔离煤柱稳定性评价方法。研究得出:① 无井式煤炭地下气化岩层和地表移动曲线与常规条带开采岩层和地表移动曲线形态相似，可参考条带开采地表沉陷预测方法进行无井式煤炭地下气化岩层和地表沉陷计算，但预测参数需修正;② “双曲线”型煤柱评价可分为弯曲和矩形两部分进行，并在此基础上建立了“双曲线”型煤柱稳定性评价方法，可为不同地质条件下地下气化生产设计提供技术支撑;③ 无井式煤炭地下气化引起的导水裂隙发育高度与气化炉参数直接相关。当气化炉高度一定且隔离煤柱稳定时，气化炉宽度与导水裂隙发育高度呈线性正相关;当气化炉宽度和隔离煤柱宽度一定时，气化炉高度与导水裂隙发育高度也呈线性正相关，故在覆岩含水层下进行地下气化生产时，要兼顾导水裂隙与气化炉参数的关系。

• 郑庄区块高阶煤层气低效产能区耦合盘活技术

  朱庆忠, 鲁秀芹, 杨延辉, 张倩倩, 鲁晓醒,

  高阶煤层气井低产低效区的普遍存在，已成为制约我国煤层气产业发展的主要瓶颈之一。沁水盆地郑庄区块有2/3的矿井属于低效井，区块整体经济效益差，以郑庄区块为例，剖析造成高阶煤煤层气低效开发问题的影响因素，提出了低效区盘活技术策略和模型。建立了井网部署方式、储层改造适应性技术、高效排采管控方式3个方面的优化技术，形成了适用于高阶煤储层煤层气井增产的技术系列:一是基于开发动态分析和数值模拟的开发井型井网优化技术和水平井耦合降压盘活直井技术;二是基于煤储层特征及煤层气开发机理分析的高阶煤储层疏导式储层改造技术;三是基于煤储层气-水赋存机理和微裂隙气-水流动机理的高效排采管控技术。在此基础上，提出了郑庄区块低效产能带耦合盘活的工艺技术思路:以资源有效动用为核心，通过调整井网井型，采取疏导式储层改造技术和高效排采管控模式，实现低效区带整体协同降压，新井高效开发，老井稳定增产，达到区块整体盘活的效果。建立了低效区整体盘活工艺技术模型，并在郑庄区块进行了现场试验。为期3 a的现场试验取得了显著的开发效果:44口直井平均单井日产气量2 400 m3，是周围老井峰值产气量的3.6倍;22口水平井盘活试验井产量是调整前水平井的4.2倍，耦合降压使得周围低产直井平均单井日产气量提高了435 m3，试验区采气速度由调整前的1.8%提高为目前的7.6%，提高了区域煤层气储量动用程度和采气速度，使区块开发经济效益转亏为盈。该项技术的研发成功，为国内类似地质条件煤层气低效区盘活提供了示范和借鉴。

• 煤层气低产井高压氮气闷井增产改造技术与应用

  曹运兴, 石玢, 周丹, 吴海明, 刘同吉, 田林, 曹永恒, 贾猛,

  我国煤层气储层地质条件复杂，低产煤层气井普遍存在。低产井增产改造是中国煤层气行业迫切需要破解的重大理论和瓶颈技术难题。本文所研究的低产井是指投产后经过一个时期排采生产，储层水和煤层气已经大量产出，气产量较低的生产井。这类低产井的一个重要储层属性是双低压特征，即低水压和低气压。针对这类双低压低产井，研究开发了高压氮气闷井储层保护型增产改造技术，并在潞安矿区余吾井田进行了工程试验，获得了预期增产效果。余吾井田山西组3号煤层区域上为低压低渗储层，煤层气井的产量普遍偏低。两口试验井LA-011和LA-016于2008年投产，经过4 a的排采生产，平均日产量只有31 m3/d和20 m3/d;两井各进行过一次水力压裂二次改造，增产效果仍不明显。两口井试验前的储层压力梯度只有1.0 kPa/m左右，具有典型的低压低产特征。高压氮气闷井增产改造试验于2012年10月进行，分别泵注高压氮气34 800 m3和44 960 m3，泵注结束后关井闷压92 h和112 h，在井口压力降低到1.0 MPa以下时开井排采。在高压氮气闷井期间，实时监测了试验井周边邻井的套压变化，分析高压氮气在煤层中的运移方向，试验结束后进行了1～3 a的排采生产。结果表明:① 在高压氮气泵注阶段，位于不同方向邻井的套压不同程度升高，这一方面表明高压氮气具有区域性面状穿透扩展和造缝现象，并清晰指示了高压氮气在煤层中的造缝穿透运移方向，而且高压氮气新生裂缝扩展方向不再受控于原始的区域地应力场方向，主要与排采后均化的局部地应力场有关。② 试验前后同一时间段的产量对比表明，氮气闷井改造具有“单井改造，多井增产”的区域性增产效果:即2井(LA-011和LA-016)改造，受到影响的5口井(LA-011,LA-016,LA-013,LA-014和LA-015)同时增产。③ 增产效果显著，两口试验井日产气增加1.2～8.9倍，3口邻井日产气增加1.4～3.7倍。高压氮气闷井技术是低压低产井改造增产的有效技术，对煤层气低压低产井增产改造具有推广应用价值。

• 淮南矿区地热地质特征与地热资源评价

  吴基文, 王广涛, 翟晓荣, 张文永, 彭涛, 毕尧山,

  为了探索淮南矿区地热地质特征和矿井深部热害防治对策，系统收集和分析了淮南矿区钻孔井温测井资料，基于近似稳态测温数据，拟合了测温孔孔底温度校正曲线，对简易井温测井钻孔孔底温度进行了校正;采用浅钻孔测温法，对井下巷道围岩温度进行了测定;计算了各井田的地温梯度，并结合110块煤系地层煤岩样品的热导率测试结果，计算得出淮南矿区的大地热流值，编制了淮南矿区现今地温场、地温梯度和大地热流分布图，在此基础上，系统论述了该区现今地温场、地温梯度和大地热流的展布趋势以及煤系岩石的热物理性质，探讨了地温场分布的构造控制作用，并对矿区地热资源进行了评价。研究结果表明:① 淮南矿区测温井底温度恢复与静井时间符合指数函数关系，并据此建立了简易井温测井钻孔孔底温度变化的校正公式;② 淮南矿区地热参数表现为地温梯度为1.00~4.00 ℃/hm，平均值为2.8 ℃/hm;大地热流值变化在31.87~92.68 mW/m2，平均值为65.50 mW/m2;-500 m水平平均地温为29.96 ℃，-1 000 m水平为41.84 ℃，-2 000 m水平为69.62 ℃;岩石热导率在0.37~5.22 W/(m·K)，平均值为2.93 W/(m·K);③ 平面上地温梯度、地温场、大地热流总体呈现为西低东高、南低北高的分布趋势;④ 矿区现今地温场和大地热流分布主要受控于地质构造，表现为褶皱型、逆掩断层阻热型和导水断层传热型3种构造控温模式;⑤ 基于地热资源评估，该区热储层地热资源量为2.32×1016 kJ，可采热能储量为2.64×1015 kJ，矿井水和矿井回风余热资源量为0.97×1013~1.26×1013kJ/a，是一个可再生的低温热源，潜在效益显著。研究成果为淮南矿区深部煤炭开发热害防治和地热资源综合开发利用提供了地质依据。加强煤矿区深部地热资源和矿井余热资源的评价、利用研究，应是煤矿区可持续发展的方向之一。

• 循环载荷作用下煤体渗透率演化的实验分析

  刘永茜,

  多期次载荷作用下的煤体，其孔隙结构会发生复杂变化，渗透率也随之改变。然而，不同加卸载速率与循环周期决定着煤体渗透率变化路径，影响其应力敏感性，开展循环载荷控制下煤体渗透率演化规律研究，对于解释复杂应力场下煤层渗透率的各向异性特征有理论支撑作用。借助于煤层渗透率应力敏感模型分析，研究了影响煤体渗透率变化的关键表征参数及其函数关系;为验证关键参数对煤体渗透率影响，采用预定轴压和气压、加卸载围压的方式开展煤体三轴循环变载气体渗流实验，分析在不同围压(2.0~12.0 MPa)下煤体渗透率和体应变的演化规律;为研究煤体孔隙结构变化对渗透率的影响，通过低温氮气吸附实验和荧光显微镜煤样观测统计，完成了循环载荷加卸载前后煤体孔隙结构变化对比。研究结果表明，煤体加载/卸载过程中渗透率变化趋势与围压变化负相关，总体可以分为线性段、指数段和稳定段等3个阶段;随循环加载次数的增加煤体应变逐步增大，而渗透率却随之降低;相同条件下，煤体渗透率随体应变增加而升高，增幅在16.79%以上，而渗透率恢复率逐步降低，且与围压变化负相关;3次循环加卸载实验导致煤体孔隙结构发生了显著变化，微孔体积提高71.79%，比表面积增加52.19%，而平均孔径降低32.06%，但循环载荷没有改变煤体的最可几孔径;孔隙结构变化的数据表明，微孔体积增加是煤体渗透率劣化的重要标志之一。对比循环载荷作用前后的孔隙结构实验数据发现，影响气体吸附-解吸的孔隙结构变化，决定了“迟滞环”面积，而决定“迟滞环”形状的关键因素是由煤体最可几孔径控制的突变压力。另外，煤体应变包括裂隙体积变化和孔隙体积变化两部分，其中裂隙影响重要度指标(χ)反映了裂隙体积变化在煤体应变中的权重关系，χ变化随围压升高而降低。

• 基于统一强度理论的煤层平动冲击失稳解答

  张常光, 祁航, 蔡明明, 高本贤,

  以统一强度理论作为煤层塑性区的屈服判据，考虑中间主应力对煤层强度的提高作用，建立了平动冲击失稳之前煤层的应力统一解、扰动深度解析式以及塑性区宽度统一解，对其进行可比性分析、文献已有解答的对比验证，探讨了中间主应力效应、煤层埋深与厚度、煤层强度参数对平动冲击失稳的影响特性。研究结果表明:本文所得应力统一解和塑性区宽度统一解均是一系列有序解答的集合，并得到文献Mohr-Coulomb准则解答、Hoek-Brown准则解答以及Lippmann理论的验证，具有广泛的理论意义和良好的工程应用前景;当统一强度理论参数b从0增加到1时，煤层发生冲击失稳的破坏范围减小了25.3%，冲击倾向性即塑性区扩展率由0.63减小到0.47，这表明中间主应力对煤层平动冲击失稳的影响显著，应合理考虑中间主应力效应，以充分发挥煤层的承载潜力;支护力对煤层的塑性区宽度影响较大，当支护力从0增加到1 MPa时，塑性区宽度平均减小了21.3%，需切实构筑有效支护以减小煤层平动冲击失稳的破坏范围;深埋煤层的稳定性较差、冲击失稳时破坏范围较大，另外厚煤层相比于薄煤层的稳定性较高，但发生冲击失稳的破坏范围更大;黏聚力和内摩擦角作为煤层的重要强度参数，对煤层平动冲击失稳的影响十分显著，开挖设计时应充分考虑煤层强度参数的变化，特别是内摩擦角。

• 燃煤电厂高盐脱硫废水固化基础实验

  马双忱, 向亚军, 陈嘉宁, 万忠诚, 张净瑞, 柴晋,

  脱硫废水零排放背景下，常规的蒸发和结晶工艺无法有效避免二次污染，提出了一种脱硫废水烟气浓缩及水泥化固定的技术路线。在烟气浓缩塔中，利用部分电除尘器后的烟气对脱硫废水进行蒸发浓缩，浓缩后的脱硫废水与水泥、粉煤灰等材料拌合后制得固化体，从而实现污染物的水泥化固定。实验将模拟高盐水与水泥、粉煤灰和河砂拌合，制得固化体，养护至特定龄期后，对其抗压强度和结合氯离子能力进行检测。通过控制单变量的方法，实验探究了不同组分材料的配比对固化体的抗压强度和结合氯离子能力的影响，并利用XRD对固化体粉末进行了产物表征。结果表明:在水泥配比为1.08时固化体的抗压强度最高，粉煤灰配比大于0.25后固化体的抗压强度提升明显，模拟高盐水配比越大，固化体的抗压强度越低，河砂量对固化体的抗压强度影响小。实验中制得的固化体在养护28 d后，其抗压强度值在30 MPa以上，能达到《混凝土路缘石》标准中路缘石的最低抗压强度要求。随着水泥配比的增大，固化体的结合氯离子能力增大21.7%，且受水泥水化所需水量的限制，其增大趋势渐缓;由于粉煤灰在水化过程中的产物与氯离子生成的Friedel’s盐量较少，随着粉煤灰配比的增大，固化体的结合氯离子能力仅增大4.9%。XRD的结果验证了水泥固化过程中Friedel’s盐的存在。

• 基于LBM-DEM耦合模型的多孔射流喷动床内流动特性

  李斌, 张尚彬, 滕昭钰, 张磊, 巴兴原, 刘哲,

  研究喷动床内颗粒的流动特性对于喷动床的设计和优化具有重要意义。基于格子boltzmann方法 (LBM) -离散单元法 (DEM) 的数学模型，综合考虑固体运动对流场的影响，气相采用修正后的格子Boltzmann方程计算，颗粒-颗粒以及颗粒-壁面之间的碰撞采用离散单元法软球模型，颗粒所受气体曳力采用Gidaspow曳力模型，流固耦合基于牛顿第三定律，从介观角度深入剖析了多孔射流稠密气固流化床内流动机理。采用Fortran语言编程对上述模型进行求解，通过复现气泡在鼓泡床中的演化过程，有效验证了LBM-DEM耦合模型的准确性。研究了单喷口系统与多喷口系统在不同射流速度下的空隙率、颗粒拟温度、床层膨胀高度以及颗粒动能与势能等典型参数变化。结果表明：单喷口射流气速增加时，气体对颗粒的携带能力增强，喷泉区扩大，床内空隙率分布增大，速度脉动变大，颗粒拟温度升高，床层膨胀高度提高；而在多喷口系统中，相邻喷口间存在较强的横向扰动，在床层底部喷泉区出现明显射流合并，位于中心射流区域的颗粒获得较高动量，喷口数的增加使得床层膨胀高度提高27.50%，时均空隙率范围扩大，颗粒拟温度升高，且射流合并高度随喷口数量的增加而降低28.57%，颗粒势能增加66.07%，动能减少48.48%。以上分析结果表明基于修正格子Boltzmann方法与离散单元法相结合的耦合模型可以作为分析稠密气固两相流内在机理的有效工具。