煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第7期

• 我国煤矿安全高效开采地质保障系统研究现状及展望

  彭苏萍,

  从近40 a来我国煤炭工业的发展进程，分析和总结了我国煤矿安全高效开采地质保障系统建设随着煤炭工业从炮采和普采向机械化开采的转变，经历了从煤田地质学发展到采矿工程地质学和矿井工程物探的发展过程，并逐步构建了煤矿安全高效矿井地质保障系统的基本框架。20世纪90年代中后期，随着煤矿采区高分辨三维地震勘探技术体系研究成果的建立和完善，使煤矿精细地质构造、煤与瓦斯突出、矿井突水通道等灾害隐患的探测精度和预测准确度大大提高，促进了我国煤矿安全高效矿井的迅速发展，煤矿安全高效矿井地质保障系统也走向成熟并在全国煤炭系统推广应用。笔者认为，虽然煤矿地质保障系统在保障开采安全、提高开采效率等方面取得了显著的成效，但随着信息技术的深度融合和煤矿机械化水平的进一步提高，煤炭绿色开采、智能精准开采等对煤矿安全高效开采地质保障系统提出了更高的要求，矿井地质透明化是当前煤矿安全高效矿井地质保障系统发展的努力方向。其重点任务是:① 在统一的数据融合基础上，进一步提高地球物理勘探精度，提高矿井地质的透明化水平，构建煤矿智能开采地质保障平台;② 研发与惯导技术一体的高分辨煤岩辨识仪器装备，实现对工作面前方5 m范围煤岩结构的自动化数据采集与精准识别;③ 以岩层结构为基础，以岩石力学和流体因子为重点，开发和建立智能矿山建设决策与灾害隐患预警系统。

• 煤炭精准开采透明地质条件的重构与思考

  袁亮, 张平松,

  矿井透明地质条件是煤炭精准开采智慧化的重要基础。结合矿井静态地质要素大数据信息库、多灾害源全程信息感知与监测、动态地质要素虚拟现实展示、特殊地质因素动态评判与风险判识、预警等智慧模块的交互应用，从静态与动态地质模型角度提出实现煤炭精准生产全过程地质条件透明化的思路。其一，静态地质模型通过采集“空-天-地-井-孔”全方位立体化探测模式数据，融合井巷建设基础地质信息，重构地下空间地质特征数字模型，为资源、构造、井巷等静态因素评价、浏览、计算等提供基础。其二，通过动态地质模型获取掘采工程扰动效应影响下，原生静态地下空间地质条件发生变形与破坏，由此而引起的应力应变场、地质地球物理场、渗流场、温度场、浓度场等状态发生改变的参量特征;以及工程动力学作用下，生产环境周边岩层的离层、裂隙、垮落、围岩失稳、底臌、冲击地压显现、应力集中与释放、煤与瓦斯涌突、突水溃沙等多种灾害源现象的动态地质信息变化量值。特别针对动态地质模型发生与发展过程中状态及参数的显现不同，通过进一步加强多介质、多相、多态、多维、多源数据的有机融合，进行多参数联合反演，搭建井上下复合源信息监控平台，构建耦合信息、致灾因素、灾害前兆等多元信息数据库和时空四维地质信息系统，进行实时连续动态监控;并通过对静态地质模型参数注入和改造，反演地质及灾害源条件的变化状态，实现对煤层精细赋存条件、多灾害源受采掘影响致灾过程的透明化。同时，结合采掘要素对特殊地质条件进行探测与评价，从而实现整个矿井地质条件的透明重构。实施中，还需要利用物联网、云平台、大数据、人工智能、VR等技术，进行资源整合、集成和升级改造，将矿区分散的、零星的地质信息聚集起来，实现“主动感知、自动分析、智能决策”，最终为煤系资源的精准开发利用和智慧矿区的建设管理提供支撑。

• 矿井突（透）水灾过程中涉险人员危险性评价方法与应用

  武强, 姚义, 赵颖旺, 张小燕, 徐华, 郝治朝, 杜志立, 杜沅泽,

  矿井突(透)水灾害应急抢险救援的“自救互救”和“他救”效果与成功率如何，很大程度取决于在灾害整个演变过程中对井下涉险人员所处危险性的科学评价与合理预测。针对我国目前在这方面缺乏系统定量评价的难题，构建了涉险人员危险性影响因素的评价指标体系，即个体特征、矿井巷道、水流特征、气体情况和其他物理因素;通过分析矿井水灾演变过程中灾情对涉险人员的危险作用形式，结合矿井水灾影响因素特点，定义了人员的水流危险性、气体危险性和其他危险性，提出了涉险人员危险性定量评价方法与模型，构建了适用于水灾演变过程中涉险人员多种危险性的综合评价计算规则。以典型矿井为例，实现了矿井水灾过程中涉险人员危险性的动态评价，分析了不同特征涉险人员在灾情中危险性的差异，讨论了坡度、地面摩擦因数、水流密度对危险性的敏感性，并给出了降低危险性的相应减灾建议。结果表明:所提出的方法可以科学地解释、评价、量化涉险人员在水灾环境多因素影响下的危险性，提高了涉险人员在矿井水灾演变过程中“知险”的能力，同时为应急抢险救援方案合理制定提供了技术支撑，对保障应急抢险救援过程中的“自救互救”效果和“他救”成功率均具有重要意义和实用价值。

• 鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田典型顶板水害防控技术与应用

  董书宁, 姬亚东, 王皓, 赵宝峰, 曹海东, 刘洋, 刘英锋, 姬中奎,

  为了实现鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田受顶板水害威胁的煤炭资源安全开采，基于侏罗纪煤炭资源赋存条件、顶板含水层特征、顶板水害分布范围与防控难题，对离层水害、薄基岩溃水溃沙、厚层砂岩水害和烧变岩水害4种典型顶板水害的形成机理、判识方法、主控因素和防控技术进行了系统研究。侏罗纪煤田离层水害发生的地质条件为砂泥岩互层，泥岩隔水层厚度是控制离层水害发生的主控因素，研发了离层水体精准定位探放技术，实现了离层水害判别与防控技术的定量化;导水沙裂隙带是薄基岩溃水溃沙的主控因素，构建了基于导水沙裂隙带与基岩厚度对应关系的溃水溃沙危险性评价体系，发明了含水松散沙体高效注浆技术，有效避免了薄基岩溃水溃沙的发生;发现了厚层砂岩含水层在垂向上的非均质特性，揭示了递进渗流充水模式，提出了“适当波及，主动防控”的厚层砂岩水害防控新理念，解放了大量受厚层砂岩水害的煤炭资源;揭示了烧变岩的“边界富水”效应，将烧变岩完整断面分为直接露头区、中部埋藏区和火烧边界区，并构建了烧变岩不同断面注浆材料选择准则，提出了双位双向孔序优选引流注浆帷幕技术，显著减少了烧变岩对工作面的补给水量，同时实现了采煤保水。通过将典型顶板水害防控技术在鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田的推广应用，有效遏制了顶板水害事故的发生。

• 中国煤矿动力地质灾害的构造背景与风险区带划分

  曹代勇, 占文锋, 李焕同, 李小明, 刘德民, 魏迎春,

  煤与瓦斯突出、矿井突水、冲击地压、冒顶等煤矿动力地质灾害对煤炭安全生产构成严重威胁，加强煤矿动力地质灾害形成机理和分布规律研究是确保煤矿安全生产的前提条件和基础工作。煤矿动力地质灾害是静态地质环境与开采扰动耦合作用的结果，区域构造背景通过构造变形产物、构造形成过程和构造应力场等方式决定煤矿床赋存方式和动力环境，从而影响煤矿动力地质灾害的发生。通过实例研究和理论分析，把致灾构造因素归纳为断层构造、褶皱构造、构造复杂程度、构造活动性、煤变形-变质特征、煤层赋存深度等六大类，各类构造因素对不同地质灾害的影响程度不同。研究表明，受煤田构造格局的控制，中国煤矿动力地质灾害具有东强西弱、北强南弱的基本特点;规模大、损失严重的煤矿动力地质灾害主要发生在东部煤田构造域，尤其是大兴安岭—太行山二级构造带以东的东北赋煤构造区中东部、华北赋煤构造区东部和华南赋煤构造区中部，以及受特提斯地球动力学体系与太平洋地球动力学体系复合作用控制的华南赋煤构造区西部。根据致灾构造因素和动力地质灾害特征，结合煤系赋存特点和煤炭开发现状，将基于区域构造背景控制的煤矿动力地质灾害风险等级分为Ⅰ级(低风险)、Ⅱ级(中风险)和Ⅲ级(高风险)等3个等级。从中国煤田构造格局的时空差异性出发，在中国赋煤构造单元框架内进行煤矿主要动力地质灾害风险区带划分，东北、华北、华南和西北四大赋煤构造区共划分煤矿动力地质灾害Ⅲ级区带11个、Ⅱ级区带7个，其余地区属于Ⅰ级区带或未评价区域。

• 西山煤田岩溶陷落柱柱体形态与组构特征

  赵金贵, 郭敏泰, 李文生,

  岩溶陷落柱柱体形态与组构特征严重影响着华北煤田的物探解译、采掘工作开展和水文地质预测预报。通过野外观测、井下编录、叠置对比和统计分析，以例证的形式，表征了太原西山岩溶陷落柱柱体高度、跨度、柱壁角和柱体组成，归纳了岩溶陷落柱柱体形态特征，在煤层开采界面上直径多为30～50 m，自奥灰顶面算起高度多在150～350 m，柱壁角为82°~85°，高低参差不齐，在柱顶上覆软岩层上多发育直径10 m左右“锅底”状构造的柱状岩块堆积体;总结了其柱体组构特征，柱体顶部往往空洞发育、富水、多生长次生矿物晶体;自柱顶以下的柱体组构密实、干燥，岩块镶嵌接触或碎屑流以基质形式填充于大岩块之间，大岩块与大岩块之间分段相间，岩块表面多发育镜面及擦痕构造;柱体下部岩块分选变好，块度变小，密实镶嵌;柱体中最大岩块直径可达3 m，一般岩块直径多在20～30 cm，最小岩块直径多在1 cm左右，棱角分明;柱体边缘煤层多向柱体倾斜、煤质变差、倾向柱体的裂隙发育;柱体岩块最大塌落距多在40～200 m。在华北克拉通破坏的过程中，不同区域构造地貌演化的历程不同，导致不同区域地壳表层岩溶水系统演化的进程不同，进而导致不同煤田岩溶陷落柱的形成时间、发育密度、柱体形态与组构特征也各异;陷落柱分布于沿先成弱面发育的岩溶水系统径流路径上，多期岩溶水系统演化的叠置会导致一些先成岩溶陷落柱柱体活化;柱体岩块风化是陷落柱柱体活化的重要表现，柱体活化是陷落柱导水的重要因素之一。寻找与对比岩溶陷落柱柱根位置，可作为地球物理方法探测与分辨区域煤系新老陷落柱的依据。

• 华北地区石炭—二叠纪下煤组聚煤期岩相古地理

  李明培, 邵龙义, 李智学, 董大啸, 李静琴,

  在系统收集钻孔、测井和地质剖面资料以及前人地层、古生物研究成果基础上，对华北地区下煤组进行了横向对比，研究了下煤组分布特征、岩相古地理，及其与奥陶系顶面的空间距离关系。根据太原组野外露头剖面观测及钻孔资料，在下煤组下部地层识别出5种沉积体系。采用单因素分析综合作图法，以下煤组下部地层(时间范围为巴什基尔期—格舍尔期)为作图单元，厘定恢复了下煤组聚煤期岩相古地理。结果表明:华北北部以河流、三角洲沉积为主，承德—兴隆一带发育冲积扇沉积;向南过渡为障壁砂坝—潟湖—潮坪沉积;宁夏以西、辽东半岛、华北中东部以及豫东、皖南以碳酸盐台地沉积为主。以38°N为界，华北地区南北下煤组最有利聚煤环境具有显著差异，该纬度以北厚煤层主要形成于三角洲平原，其次为潟湖—潮坪过渡地带，该纬度以南煤层主要形成于潟湖—潮坪，厚度相对北部较小。对比不同沉积环境以及厚煤层形成机理，总结提出下煤组沉积环境聚煤作用强弱依次为三角洲平原分流间湾、潮坪、潟湖和碳酸盐台地，煤层厚度逐渐变薄，煤层层数增加。对下煤组与奥陶系顶面的空间距离研究表明，下煤组可采区煤层底板距奥陶系顶面的距离一般为10～80 m，南缘下煤组可采区一般在30 m以内;鄂尔多斯盆地北部、冀北—环京津地区和山西河东、太原西山等地为50～80 m;豫东—淮北—鲁西南一带为30～60 m;山东济南—淄博—莱芜一带为30～50 m。

• 鄂尔多斯盆地侏罗纪含煤岩系地下水系统关键要素与格架模型

  焦养泉, 王双明, 范立民, 吴立群, 荣辉, 张帆,

  地下水与含煤岩系矿产资源密切共生，直接制约含煤岩系矿产资源的合理开发和长远规划。鄂尔多斯盆地是我国重要的能源盆地，几十年勘查实践表明侏罗纪含煤岩系除具有5套(组)可采煤层外，还伴生有丰富的砂岩型铀矿、砂岩型高岭土和石英砂等矿产资源。基于已往对鄂尔多斯盆地的认知和经验，认为地下水的补给水源和输导通道是侏罗纪含煤岩系地下水系统结构中的关键要素。其中，潜在的地下水补给水源包含3套地下水储层(直罗组底部含水层、下白垩统洛河组含水层和罗汉洞组含水层)和地表水系;地下水输导通道则包含了区域规模的骨架砂体、不整合界面、断裂系统和人工采动裂隙系统等四大类型。含煤岩系矿产资源开发过程中遇到的“水害”，通常是原有的地下水系统被动揭露或者被破坏的表现，是人为因素连通了地下水水源与人工作业面从而导致地下水的泄漏。聚焦侏罗纪含煤岩系矿产资源的安全开发，一方面需要深入总结地下水系统关键要素的基本特征和分布规律，更进一步则需要揭示地下水系统关键要素与矿产资源的空间配置关系，并在此基础上构建含煤岩系地下水的格架模型，以此为煤系资源开发和矿井水害防治提供沉积学-水文地质学基础。在鄂尔多斯盆地，由于构造背景的差异，在不同地区地下水水源类型、输导通道类型、含煤岩系产状、矿产类型组合等都不尽相同，构成的地下水格架模型也因地而异，因此需要区别对待和深入研究。

• 再论含水层富水性评价的“富水性指数法”

  曾一凡, 武强, 杜鑫, 刘守强, 昝军才, 窦桂东, 吴章涛,

  针对现有含水层富水性评价方法中指标权重均为固定不变的常权，忽略了单个主控因素内部之间的变化和多个因素组合状态下的变化，在“富水性指数法”思想指导下，提出了一种基于分区变权理论的富水性指数法，不仅能确定不同评价指标的权重，而且能确定同一指标处于不同状态值时的不同权重。从影响含水层富水性的岩性差异、水力特性、构造因素、地球物理参数4个方面出发，建立了能够较为全面真实刻画富水性分布规律的四大类十六小类主控因素体系;提出了主控因素指标值标准化以及无量纲化处理方法，为多因素的信息融合分析奠定了基础;应用变权理论，运用动态聚类中的K-均值聚类方法划分了主控因素各指标的变权区间阈值，研究了状态变权向量的构建及调权参数的确定方法，定量确定各主控因素对含水层富水性的相互作用关系以及相对重要性大小;构建了基于变权理论的富水性指数评价方法和数学模型。同时以彬长矿区小庄煤矿巨厚洛河组砂岩裂隙含水层为例，详细说明了基于分区变权理论的富水性指数法的具体实施步骤，利用5组抽水试验数据对评价结果进行了校正;结果表明小庄煤矿洛河组充水含水层富水性强度从西北向东南呈递减趋势，较强~强富水区主要分布在二、三盘区，一盘区西部边界也有小范围分布;中等富水区呈条带状分布于矿区中部偏西和五盘区西北部，其余地区为较弱~弱富水区。最后，将其与传统常权评价结果对比，证明变权模型更能体现含水层非均质的特性，预测精度更高。

• 基于集对分析-可变模糊集耦合法的砂岩含水层富水性评价

  韩承豪, 魏久传, 谢道雷, 徐建国, 张伟杰, 赵智超,

  我国西北地区的侏罗系煤炭资源开采过程中面临顶板水害威胁，其危害程度与煤层上覆地层的水文地质结构有关，对煤层顶板含水层富水性进行合理有效的预测评价，有利于对顶板水害防治做出科学的决策，从而实现安全开采。以宁东矿区金家渠煤矿为例，基于岩性，选取了砂岩等效厚度，砂岩岩性系数，砂泥互层数3个评价因素，建立了岩性影响指数评价指标;基于构造，针对断层、褶皱，选取了断层交端点密度、断层规模密度、煤层倾角变异系数3个指标作为主采煤层上覆直接充水含水层-直罗组砂岩含水层富水性的评价指标。在此基础上，引入集对分析-可变模糊集耦合评价方法，构建了基于集对分析-可变模糊集耦合评价法的直罗组含水层富水评价模型。利用“联系度”实现了富水评价指标与评价等级间的反映联系，利用“相对隶属度函数”实现了富水评价指标值之间的有机融合。在富水性相对分区的基础上，以研究区钻孔抽(放)水试验的单位涌水量为基准，综合确定了研究区富水性分区，结果表明，研究区整体富水性较弱，具有中等、弱2个等级分区，其中富水性中等区域主要位于研究区中北部，富水性弱区主要位于南部、东部及西部。

• 邢东矿深部带压开采底板突水特征及控制技术

  王朋朋, 赵毅鑫, 姜耀东, 张村, 刘文超, 翟江澎,

  针对深部带压开采工作面区域注浆治理后底板突水仍频发的难题，以邯邢矿区邢东矿深部带压开采为工程背景，通过现场调研和理论分析已突水工作面突水过程和开采地质条件，获得了邢东矿深部带压开采底板突水特征和影响因素，确定了邢东矿深部带压开采底板突水主控因素;应用弹塑性力学理论从动静载角度分析了不同来压步距对底板破坏深度和宽度影响规律，进而采用数值模拟研究不同来压步距下底板应力场和塑性区演化规律。研究结果表明:工作面顶板剧烈来压突水是邢东矿深部带压开采底板突水主要特征，顶板难以及时垮落是其关键诱因;随来压步距增大，底板应力集中带和卸荷应力拱逐渐向底板深部岩体传播扩展，顶板垮落易产生强烈来压动载效应，底板采动破坏深度和宽度增大，诱发隐伏导水构造活化及深部岩体破坏，贯通底板隐伏构造带等导水通道诱发底板突水。为此，提出了顶板水力压裂卸压以及底板微震监测、采动应力监测、围岩变形监测和承压水水位监测等多参量监测的防治技术。现场监测表明，试验工作面顶板水力压裂后周期来压步距缩短为9.53 m，相比邻近未压裂工作面减小了61.42%，来压动载系数、应力集中系数和围岩变形速度均较小，奥灰水位相对稳定，未形成底板突水通道，底板突水得到有效控制。

• 基于GWO-Elman神经网络的底板突水预测

  施龙青, 张荣遨, 徐东晶,

  我国是世界最大的煤炭生产国和消费国，特别是在我国的华北地区，煤炭储量非常丰富，但由于华北地区的水文地质条件复杂，煤炭实际生产过程中事故频发，特别是煤层底板突水事故，一旦发生往往会造成较为严重的人员伤亡和财产损失。因此煤层底板突水预测已经成为煤矿安全生产领域研究的重点。巨野煤田红旗煤矿是典型的华北型煤田，其主要可采煤层3煤层平均厚度5.48 m，实际生产过程中受底板突水威胁严重，在矿井的建设及生产过程中多次出现底板突水。为了对3煤层进行底板突水预测，在分析收集红旗煤矿相关矿井水文地质资料的基础上，选取断裂分维值、取心率、隔水层厚度、单位涌水量、渗透系数、底板含水层总厚度、承压含水层水压共7个因素，作为进行底板突水预测的主要影响因素;以现场实际数据为输入样本，通过灰狼优化算法(Grey Wolf Optimizer,GWO)得到Elman神经网络优化的最佳权重和阈值，分别为18.7482和0.014435，之后建立相应的GWO-Elman神经网络底板突水预测模型;在此基础上通过测试样本输入模型验证，结果准确率达到100%，再用熵值法确定权重的脆弱性指数法进行对比，证明神经网络模型准确度更高，可以用于工程实际。最后，利用所建立的神经网络模型对2个未开采工作面进行了底板突水预测，将预测结果指导矿井实际安全生产。

• 矿井张量电阻率法理论基础研究

  岳建华, 杨海燕, 苏本玉, 李锋平, 刘志新, 姜志海, 宋雷,

  煤矿采掘活动诱发的局部和微观电各向异性特征时空演变规律有望成为煤矿动力灾害预测预报的新机制。张量电阻率测量是掌握和认识电各向异性特征的重要方法途径，煤矿井下具有开展张量电阻率测量的独特优势。在岩石电各向异性物理机制分析的基础上，结合煤矿井下实际，提出了适合煤矿井下条件的张量电阻率测量方法。以层状各向异性介质模型为例，采用模拟计算的方法对地层倾角、走向变化时的视电阻率方向特性进行了分析;建立了巷道底板岩溶发育全空间模型，从宏观电各向异性的角度分析和验证了电阻率测量所具有的方向性。研究结果表明，采动影响使煤岩体具有电各向异性特征，采动裂隙内的水气富集程度也对煤层横向和纵向电阻率产生明显影响;含水量越大，各向异性系数越高。受上覆和下伏地层电阻率影响，各向异性地层的张量电阻率幅值显示出层状地层的综合反映;其电阻率幅值与裂隙带倾角大小有关，不受地层走向影响，但视电阻率的椭圆分布会随地层走向而发生旋转，旋转的角度依赖于地层走向的变化。这说明采动岩体变形、破坏与流体运移必然会引起含煤地层电各向异性特征的规律性时空演变。通过实时动态测量煤岩体的张量电阻率，可以识别和发现因采掘活动、流体运移引起的局部、微观电各向异性特征。在应力峰值未到达之前，及时捕捉煤矿动力灾害孕育、发展的先兆信息，并在应力释放前的可逆阶段采取预防措施，可从源头上避免煤矿重大动力灾害的发生。

• 矿井TEM与地震联合反演导水陷落柱的试验研究

  李飞, 程久龙, 杨思通, 温来福, 董毅,

  D TEM正演算法的矿井拟二维(Pseudo-2D)TEM反演算法。矿井Pseudo-2D TEM反演算法既满足交叉梯度联合反演算法对2D模型的需要，又具有较快的反演计算速度。然后，通过去掉常规联合反演目标函数中的地震正演项，只在交叉梯度项中保留地震波阻抗模型参数，建立了单向交叉梯度联合反演算法。在单向交叉梯度联合反演算法中，地震波阻抗模型只对TEM反演进行约束，电阻率模型不对地震反演进行约束，地震波阻抗反演可以通过商业软件完成，TEM反演采用矿井Pseudo-2D TEM反演算法。通过对地震波阻抗模型进行双三次插值处理，实现地震波阻抗模型和电阻率模型之间的模型网格匹配。通过基于K-means算法的地震波阻抗模型聚类分割处理方法消除地震波阻抗模型中的次要结构变化，增加联合反演稳定性。最后，建立了含导水陷落柱地质-地球物理模型，采用有限差分方法分别进行了3D矿井TEM和3D地震勘探正演计算，对正演模拟数据进行了单独反演和联合反演计算。结果表明:联合反演能够同时重建理论模型的形状和电性特征，联合反演结果不仅具有较高的空间分辨率，而且能够反映陷落柱的富水性，优于单独TEM和单独地震方法反演结果。相比传统联合反演方法主要应用于大尺度目标体探测或浅地表成像，基于矿井TEM和地震的单向交叉梯度联合反演方法可以实现大深度小尺度目标体的精细探测。

• 基于透射槽波的工作面煤层厚度高精度反演方法

  崔伟雄, 王保利, 王云宏,

  矿井地质条件复杂，煤岩体的非均质性和各向异性、煤层结构和煤岩层组合特征、以及巷道条件导致炮检点环境的差异，均会影响槽波的形成及传播，使实际槽波传播特征与理论“岩-煤-岩”模型差别甚远，增加了透射槽波方法反演煤层厚度的准确性和难度。为提高煤矿井下采煤工作面煤层厚度变化的预测精度，提出了基于槽波频散理论和分频处理技术反演煤层厚度变化的方法，通过理论情况下Love型槽波传播规律建立了不同频率下槽波群速度与煤层厚度的关系，采用窄带滤波方法分析了成像频带对反演精度的影响，提出了层析成像频带优选策略，提高了群速度反演煤层厚度的精度;将该方法应用于陕西铜川焦平矿区2408工作面煤层厚度探测，该工作面平均煤层厚度7.6 m，选择50~80 Hz的频率区间对层析成像频带进行研究，定义了煤层厚度采样点与槽波群速度的分类关系，利用87个巷道采样点评价了各成像频段对群速度和反演煤层厚度的影响，优选60~75 Hz频带的成像群速度与巷道采样点和回采揭露点的相关性分别为81.6%和85.1%;将优选频带反演的煤层厚度与回采前后181个实际煤层厚度数据进行误差分析，煤层厚度预测误差绝对值小于0.40 m(误差小于5%)和0.80 m(误差小于10%)的点数，分别达到48.62%和85.64%。结果表明:透射槽波层析成像预测工作面煤层厚度的精度与层析成像的频带有关，成像主频越高、频带越窄，层析成像对煤层厚度的反演精度就越高，但可反演最大煤层厚度变小。因此，成像主频应考虑层析成像对研究区煤层大部分区域都有良好效果，选择槽波群速度变化率极大值曲线上平均煤层厚度对应的频率，使层析群速度与煤层厚度采样点相关性更高的最小频率范围为最佳频带宽度。

• 深部煤层气水平井测-定-录一体化地质导向技术

  申鹏磊, 白建平, 李贵山, 吕帅锋, 贾晋生,

  我国深部煤层气资源丰富，目前已逐步进入勘探开发阶段，但经济高效的煤层气井数量偏少。钻井工程导向技术是制约煤层气水平井产能的首要因素:一方面，要求着陆井段轨迹平滑，使着陆层位和角度与地层参数相互匹配，以免造成后期排采设备故障率高、排采不连续的现象;另一方面，水平段煤层钻遇率尽可能高，以保障供气充足。基于此，在总结前期深部煤层气水平井地质导向经验基础上，提出集测井、定向、录井技术于一体的地质导向技术，最大限度优化井眼轨迹，提高靶点着陆准确度和水平段煤层钻遇率。该技术主要流程为:根据前期有限的钻探、地震等资料建立目的层地质模型，钻井工程实施过程中通过垂直井段获取钻遇地层的测井参数响应值，水平段钻进时实时对比定向和录井参数，及时校正随钻伽玛，利用GeoWorks软件进行层位对比和划分，并建立动态地质模型，进而调整和预测后续井眼轨迹。通过沁水盆地横岭区块HL-U-04井实例应用，该技术取得了良好的应用效果，施工周期缩短了30%，煤层钻遇率提高了24.47%。该井完钻后连续油管压裂套管压力在5.7 m3/min的排量下稳定维持在35 MPa，达到了储层改造效果，投产后该井排采初期日产气量稳定在1000 m3左右。因此，测-定-录一体化地质导向技术提高了水平井钻井技术的精确性和高效性。

• 煤矿井下护孔筛管煤粉颗粒通过性分析及抽采效果试验

  张金宝, 王毅, 姚宁平, 金新, 张杰, 王力, 陈斌, 马腾跃,

  煤矿井下煤层钻孔后筛管完孔已成为碎软煤层瓦斯抽采的有效护孔措施。为了研究常规圆孔筛管和割缝筛管的缝眼参数变化对瓦斯抽采效果的影响规律，基于离散单元法，利用PFC3D离散元分析软件建立了煤粉颗粒通过筛管的颗粒流模型，对煤粉颗粒在围压下穿过筛管筛眼或割缝的体积量进行了模拟，研究了筛眼直径、割缝宽度和割缝长度等参数变化对煤粉颗粒通过筛管性能的影响规律;结合模拟分析结果，设计了3种割缝筛管和1种圆孔筛管，并在淮北童亭煤矿864工作面进行了瓦斯抽采效果试验。模拟分析结果表明:同样过流面积下，筛管煤粉通过体积量随筛眼直径或割缝宽度和长度的增加而线性增大，同一筛眼直径和割缝宽度下煤粉通过体积量基本相当，且筛眼直径和割缝宽度对于煤粉通过体积量的影响要远大于割缝长度。现场抽采试验表明:3组割缝筛管瓦斯抽采纯量分别比圆孔筛管提高60.0%,43.3%,33.4%，且抽采51 d后的瓦斯混合流量和纯量也分别是圆孔筛管的约4倍,2.5倍和1.5倍以及约2.5倍,2倍和1.5倍，结合φ10 mm圆孔筛管煤粉体积通过量分别是缝宽2,3,4 mm割缝筛管的22,6,3.3倍，可以发现减小筛管的煤粉体积通过量可有效提高筛管在整个抽采过程中的抽采混合量和瓦斯纯量。

• 煤矿井下随钻测量数据声波传输系统

  高珺, 李泉新, 陈龙, 张冀冠, 李姗,

  煤矿井下坑道钻探是防治瓦斯和水突出最直接、最有效的技术手段，常规回转钻进工艺因为工艺简单、成孔速度快和设备要求低等优点成为煤矿坑道钻探的主流施工方式，但其钻进过程中不能进行钻孔轨迹随钻测量，给煤矿安全开采留下了安全隐患。针对常规回转钻进过程中无法随钻测量钻孔轨迹的关键问题，进行随钻测量数据声波传输的研究，弥补现有随钻测量数据传输方式应用于常规回转钻进的不适应性。首先，通过建立钻杆柱中声波传输数学模型、借助仿真分析软件和搭建声波传输特性试验平台，得到声波在不同钻杆柱结构中传播时幅值衰减和波形变化规律，为数据传输速率的确定提供理论依据;其次，通过建立稀土超磁致伸缩换能器输出特性数学模型和优化激励线圈和预压力系统参数，研制钻孔内声波信号发送装置，为声波传输系统提供大功率高精度信号源;然后，针对接收信号的波形识别问题，通过对识别的信号提取多维特征向量，构建支持向量机分类器，提出SVM多维特征向量提取的波形识别方法，解决煤矿复杂工况条件下声波信号的智能识别问题;最后，通过搭建的随钻测量数据传输平台验证系统在传输距离289.5 m和传输速率10 bit/s条件下的运行效果，证明各模块理论模型、设计方法和整体系统的科学性和有效性。

• 煤系气开采模式探索及先导工程示范

  秦勇,

  煤系气赋存态多种多样，储层属性复杂多变，经济高效开采模式尚处于探索起步阶段。分析了国内科技攻关和现场试验近期进展，初步总结关于煤系气开采模式现有认识，对比分析了不同模式的适用性和局限性，并以临兴区块示范工程为例分析归纳了产量曲线类型及其合采有效性特点，介绍了煤系气合采成功范例。以管柱结构设计和排采管控方式为主，考虑井型选择和压裂方式，将煤系气开采工艺初步归纳为分排、先分后合、合排3类模式。每类模式包括若干具体方式;这些模式和方式各有优短点，分排及合排模式中的主要方式在应用中见到初步效果，先分后合模式目前尚处于设计乃至设想阶段。建议煤系气开采模式及其技术创新本着“因地制宜、取长补短、多管齐下、有所侧重”的策略，根据气藏具体地质条件选用和发展适应性开采工艺。目前仅有的两个国家级示范专项工程推进了我国煤系气开采模式的创新，临汾示范区采用分区分采方式实现了煤系气开发规模快速扩展，临兴示范区探索“排气降压”诱控接续合排工艺实现了煤系多气经济高效合采。重点分析了临兴示范区煤系气开采工程示范效果，揭示了自然接续工艺下的煤系气生产规律，发现存在4种单井产量曲线类型，包括以解吸气多层合采为特征的I型曲线，以游离气－解吸气诱导控制接续合采的Ⅱ类、Ⅲ类曲线，以及单纯游离气产出的IV型曲线。工程示范结果展示，采用“排气降压”的诱控接续方式，可以在较为广泛的气藏条件下实现煤层气－煤系致密砂岩气、煤系致密砂岩气－页岩气的有效合采，是值得进一步探索和具有推广应用潜力的煤系气经济高效合采新模式。值得关注的是，具有工业价值的煤系多类型共生气藏均赋存在深部，而深部地层富水性往往微弱，使得“排水降压”传统模式难以奏效;而“排气降压”诱控接续恰恰针对于弱富水储层降压面临的这一局限，可能成为煤系气经济高效综合开发的一项重要技术。

• 地面井煤层气含量精准测试密闭取心技术及设备

  孙四清, 张群, 郑凯歌, 龙威成,

  煤层气含量是表征煤储层特征的重要参数，是煤层气资源勘探开发和煤矿瓦斯防治的重要依据。针对地面井常规取心方法获取的煤层气含量比煤储层实际气量明显偏低(碎软煤层尤其突出)的现实问题，提出了适合于碎软煤储层特征的煤层气含量精准测试密闭取心方法。根据煤储层特征(与油气储层相比，埋藏较浅、压力较小、温度较低、煤体强度低)和煤层气含量精准测试要求，设计并试制了适用于地面井煤层气含量测定的“三筒单动、球阀关闭、取心筒与解吸罐一体化”的密闭取心器和“前端小径钻心、后端大径钻井”的碎软煤层双径PDC密闭取心钻头。密闭取心器外筒直径120 mm，采取煤(岩)芯直径可达38 mm，密闭保压能力达10 MPa以上，适用于煤层埋深1 000 m的地面井密闭取心;双径PDC密闭取心钻头减少了取心钻进过程中钻井液对煤芯的冲洗旋流作用，提高碎软煤层的煤芯采取率。利用密闭取心设备在我国的淮南潘三煤矿和淮北芦岭煤矿碎软煤层中开展了2口地面井煤层气含量测定密闭取心工程应用对比试验，共采得密闭取心煤样5组，常规取心煤样3组;8组煤层气含量测试结果表明，由密闭取心法获得的煤层气含量比常规取心法获得的煤层气含量高20.23%~40.34%，均值27.22%;研究结果表明采用密闭取心技术能够提高煤层气含量测试精度。地面井密闭取心设备研制成功及推广应用将为碎软煤层煤层气资源勘探开发、煤矿瓦斯灾害预测及治理提供更为准确的煤层气含量参数。

• 应力释放构造煤煤层气开发理论与关键技术研究进展

  桑树勋, 周效志, 刘世奇, 王海文, 曹丽文, 刘会虎, 李自成, 朱术云, 刘长江, 黄华州, 徐宏杰, 王冉, 贾金龙, ASHUTOSH Tripathy, 韩思杰,

  构造煤煤层气高效开发是我国煤层气资源禀赋的选择，构造煤储层与煤层气赋存特征决定了疏水降压煤层气开发理论技术不再适合构造煤储层，应力释放(原位)煤层气开发理论技术是新的技术方向，有望将构造煤煤储层从煤层气开发禁区变为新领域，同时也有望成为煤矿煤与瓦斯突出治理、煤矿区甲烷温室气体减排的治本之策。依托国家重大科研仪器研制项目，以应力释放构造煤煤层气开发关键实验平台和工程装备原理机为基本定位，以开发理论创新、技术原理探索为先导，以装置、装备及其工艺技术为研究核心，应力释放构造煤煤层气开发理论技术研究取得重要和实质性进展。探索构建了应力释放煤层气开发理论技术基础，阐明了水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发的工程原理。水平井造洞穴应力释放构造煤原位煤层气开发模拟试验系统已完成设计进入加工阶段，系列配套基础实验取得了重要数据;探索建立了构造煤储层应力释放与煤层气解吸扩散关系模型;揭示了应力释放构造煤煤层气开发煤储层渗透率变化规律。研发形成了构造煤储层大口径水平井双向往复式钻进+多级扩孔+复杂循环钻井液成井、水平井泵注+喷射诱导控制造洞穴应力释放与储层激励、气/水/高浓度煤粉混合物直井射流泵+配套井底装置组合高效举升、产出物地面高效重力分离+回收+水循环、煤层气应力释放开发装置(装备)数据采集和控制系统等应力释放构造煤煤层气开发关键技术。

• 围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

  孟召平,

  煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础，声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法，已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究，揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明，基于煤样全应力-应变-渗透性--声发射特征，将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段，荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密，煤样渗透率下降，进入弹性变形阶段，煤样渗透率较低，声发射活动不明显。在塑性变形阶段，随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展，煤样渗透率增大，声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段，煤的轴向应力随应变的增加而降低，煤样渗透率开始下降，声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大，煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。

• 过采空区煤层气井地面抽采关键技术

  张江华, 李国富, 孟召平, 张永成, 刘亮亮, 李德慧, 徐云,

  为保证煤矿区煤层气资源超前预抽和连续性开发利用，抽采煤矿采空区下伏煤层的煤层气，已成为煤矿区煤与煤层气共采的重要课题之一。以山西晋城寺河矿井为例，分析了3号煤层采空区下伏岩层应力-应变分布规律、采空区下伏岩层裂隙演化规律和下伏煤层渗透率变化情况，根据采空区卸压效果和下伏煤层的煤层气解吸程度，揭示了过采空区煤层气井抽采机理。通过在采空区以上50 m位置对二开技术套管外安装裸眼封隔器和反扣装置，二开固井后，将反扣装置及以上套管进行回收，使三开固井实现全井段有效固井。从3号煤层采空区以上90 m至采空区底板20 m以下的二开钻进过程采用氮气钻进，研发了煤层气地面钻井过采空区成套系统，包括空压机组、制氮机和增压机组，对其机组参数进行了优化。基于以往寺河矿区煤层气井裂缝监测结果，优化压裂施工参数，适当缩小9号和15号煤层规模压裂。按照过采空区井抽采机理和产气特征划分了3种产气类型，分析了其产气规律。研究结果表明，9号煤层和15号煤层都位于采空区下伏底臌变形带内，3号煤层回采后，9号煤层和15号煤层渗透率分别提高了2.70倍和2.65倍，9号煤层渗透率提高到10×10-15 m2左右，卸压效果较好。通过安装裸眼封隔器和反扣装置优化井身结构，过采空区井实现了全井固井，保证了固井质量;二开采用氮气介质穿越采空区，可以保障过采空区钻井的安全高效施工。压裂裂缝监测结果显示，该井15号煤层裂缝总长为290 m，走向为NE150°;9号煤层裂缝总长370 m，走向为NE80°，压裂效果较好。60%的过采空区井一般在1个月内产气，29%的井2~5个月产气，11%的井7个月以上产气。3种过采空区井产气类型分别为:单峰型Ⅰ，即气产量缓慢增加-下降型(以吸附气为主);单峰型Ⅱ，即气产量快速增加-下降型(以游离气为主)和双峰型(游离气+吸附气)，不同类型煤层气井产气规律存在明显的差异性;3种类型的过采空区井，一般保持井口套压在0.5 MPa以上，在进入稳定产气阶段后，大部分井套压控制稳定在0.2~0.4 MPa，以保证过采空区井的持续高产。

• 煤层气开发地质单元划分与应用实践

  倪小明, 王延斌, 李勇, 韩文龙, 刘度, 陶传奇, 高向东, 赵石虎,

  根据煤层气生产潜力，结合开发地质条件划分煤层气开发地质单元，能为开发工艺选型提供重要支撑。通过分析各项地质储层参数对煤层气开发效果的影响，建立了评价参数体系，确定出主要研究内容;归纳总结出煤储层精细描述中的各项“点”参数和“面”参数获取的一般方法，结合“多层次模糊综合评价+多参数叠加”法，提出了煤层气开发地质单元的划分方法，在鄂尔多斯盆地东缘临兴地区进行了实践应用。根据钻井、测井、压裂、排采和实验室测试等数据，建立了相关数学模型，得出了各井点8+9号煤0层的埋深、构造曲率、厚度、含气量、含气饱和度、渗透率、临储压力比、地下水流体势、煤体结构、水平主应力差、脆性指数等参数，应用克里金插值法绘制各参数的等值线图。然后，应用多层次模糊综合评价法对产气潜力进行评价，叠加气体产出条件和煤层可改造性评价结果将研究区划分为3个产气潜力区38个开发地质单元。其中，“甜点”潜力区开发地质单元10个，包括产出和开发条件均有利的I1类2个，产出有利、开发一般的I2类3个，产出有利、开发较差的I3类1个，产出和开发条件均一般的II2类3个，产出条件不利、开发条件有利的III1类1个;“一般”潜力区开发地质单元20个;“不利”潜力区共划分了8个开发地质单元。该方法可有效服务于“地质-工程-排采”一体化的煤层气开发新理念，为煤层气高效建产区建设提供有效地质支撑。

• 晋城矿区煤与煤层气协调开发模式优化决策方法

  刘彦青, 赵灿, 李国富, 张浪, 赵学良, 李振福, 张学超, 李阳, 郭建行, 郭丁丁,

  为进一步提高煤矿区煤与煤层气共采效率,需要对现阶段煤与煤层气协调开发模式进行优化决策,针对该问题,以晋城矿区为研究对象,基于层次规划思想提出了“采煤工作面→采区→矿井”3层级煤与煤层气协调开发模式优化决策思路;界定了采煤工作面煤与煤层气开发3区范围,采用非线性规划数学方法构建了采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策理论;基于3区时长控制关键因素建立了3区时长控制机制,明确了特殊阶段转换临界指标;基于优化决策目标内容,采用系统分析及归纳演绎法从安全性、经济性、资源效益性3方面构建了采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价指标体系及评价考核标准,对寺河煤矿东五盘区5301采煤工作面的煤与煤层气协调开发效果进行定量评价应用,验证了评价指标体系具有良好的现场适用性;基于煤层气开发技术和煤层气赋存条件,采用BP神经网络算法,建立了煤层气开采量预测模型,以寺河煤矿地面垂直井和井下顺层长钻孔为煤层气开采技术代表分析论证了其现场可操作性;以3区时长控制机制为纽带、以煤与煤层气开发全生命周期资源量守恒定律为本构模型、引入煤层气开采量预测模型,构建得到以3区时长为最基本待求解变量的采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策模型,决策模型以评价指标体系和特殊阶段转换临界指标作为求解约束条件,建立了可借助计算机编程语言实现的采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策流程,具体流程为“构建所有技术方案的3区时空关系制约方程并求解→通过协调开发效果评价确定每个技术方案的最佳开发方案→从所有技术方案的最佳开发方案中优选获得最佳开发方案”。研究表明:“以煤矿区煤与煤层气赋存条件、开采技术、现场实践数据为基础数据,以非线性规划、人工智能为建模方法,以计算机编程为具体实现手段”的煤与煤层气协调开发模式优化决策方法在理论与实践方面是可行的,该优化决策方法能够为解决晋城矿区煤层气开采与煤炭开采的时空矛盾问题提供指导意见。

• 煤储层天然裂隙系统对水力压裂裂缝扩展形态的影响分析

  吕帅锋, 王生维, 刘洪太, 李瑞, 董庆祥, 肖宇航, 申鹏磊,

  煤储层压裂改造过程中，天然裂隙系统对压裂裂缝的开启和延展具有重要影响。通过对沁水盆地寺河、成庄和新元煤矿21口地面煤层气井的井下精细解剖，描述并统计了天然裂隙系统和压裂裂缝形态及类型，并阐明了二者之间的作用关系。结果表明，煤储层中天然裂隙系统根据成因和规模分为层面裂隙、外生节理、气胀节理、内生裂隙、层理裂隙和微裂隙，且按照裂隙规模和导流能力将其分为4个级别。井下观测的压裂支撑裂缝主要与规模较大的一级天然层面裂隙和外生节理有关，伴生次级天然裂隙对压裂裂缝的扩展影响较小。压裂裂缝主要形态包括垂直裂缝、水平裂缝、“T”型和倒“T”型裂缝、“工”型裂缝等4种，其中，水平压裂裂缝受顶底板和煤层间层面裂隙、宏观煤岩类型间层面裂隙以及构造煤分层的控制。垂直压裂裂缝扩展方向具有选择性，受最大主应力和天然裂隙的共同作用，研究区的最大主应力方向与天然裂隙优势方位间的夹角小于临界夹角，因此垂直压裂裂缝主要沿着煤层外生节理扩展。“T”型和倒“T”型裂缝、“工”型裂缝等复合压裂裂缝形态还受到煤层结构和煤体结构等的共同制约。此外，考虑到天然裂隙对煤岩强度的影响，提出压裂裂缝启裂方向为地应力与煤岩结合力之和最小值的方向。本研究有助于提高裂缝型煤储层压裂裂缝形态识别和预测的准确率。

• 煤制生物气产出规律及其同位素分馏效应

  简阔, 傅雪海, 李国富, 许小凯, 周丹, 茹忠亮, 王观宏, 郭晨,

  为了探索生物成因煤层气机理，选取低阶煤作为煤制生物气的母质，采用携带产甲烷菌的煤层矿井水为菌源，在高纯氮气环境中向500 mL产气瓶(反应瓶)中加入40 g煤样、20 mL富集后的菌种液、380 mL培养基完成接种，之后将产气瓶置于37 ℃下的振动培养箱中开展为期90 d的厌氧产气模拟实验。研究结果显示，在厌氧封闭条件下，气体产出方式以乙酸发酵为主，产气效率较慢，产气过程受环境pH值的影响较大，进入产气稳定期后(＞30 d)，pH值与校正后的产气量随产气时间延续总体呈现同步变化规律，产酸菌与产甲烷菌的数量、丰度和活性直接影响了产气环境的pH值和产气量。产出气组分以CH4和CO2为主，存在极少量的氢气，气体组成偏干，CH4和CO2含量随稳定产气时间的延长呈现明显的同步变化规律。90 d的产气过程中，δ13C1值均小于-55‰;δ13C(CO2)值介于-20.8‰~-10.7‰，平均为-16.38‰;δ13D1值介于-361‰~-332‰，平均为-348‰，可以判定产出气中CH4和CO2均为有机生物成因气;煤制生物气中CH4和CO2碳同位素组成变化的主要原因是2次重要的继承性同位素分馏效应造成的，第1次分馏作用发生在生成乙酸过程中，由于有机母质本身脂族甲基碳同位素组成偏轻，而羧基碳同位素组成偏重，这种碳同位素组成特点在生成乙酸过程中得以继承;第2次分馏作用发生在乙酸发酵生成CH4和CO2过程中，乙酸中的甲基通过加氢形成CH4，而羧基通过去氢形成CO2，造成甲基本身的轻碳同位素被分馏到CH4中，而羧基的重碳同位素被分馏到CO2中。因此总体表现出产出生物气的轻碳同位素被分馏到CH4中，而重碳同位素被分馏到CO2中，δ13C1越轻，δ13C(CO2)越重，两者呈现负相关关系;90 d的产气时间里，微生物作用时间越长，甲烷碳同位素组成越轻，具有明显的富集轻碳同位素的趋势。

• 构造煤分子结构的动力损伤对瓦斯吸附的影响

  郭德勇, 郭晓洁,

  为了揭示构造应力作用对煤中芳香片层造成的动力损伤以及对瓦斯吸附的影响，采集平顶山矿区不同变形程度构造煤样品，通过高分辨透射电镜图像和拉曼光谱获取了构造煤的晶格条纹特征和结构缺陷类型，借助分子模拟对比了构造煤中分子结构缺陷的形成能量和吸附能量差异，探讨了结构缺陷的形成机制，并采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法模拟了瓦斯分子在不同结构缺陷上的吸附行为。结果表明，构造煤中广泛存在着边界类缺陷(SW)和多种空位状缺陷，包括单空位缺陷(SV)、双空位缺陷(DV)以及多空位缺陷(MV1和MV2)。依据缺陷的形成方式和形成能可知，脆性变形煤以SV和DV结构缺陷为主，韧性变形煤主要包含SW,MV1和MV2结构缺陷;相对于C—C键和芳香环中心，缺陷中碳原子表面具有更高电子密度，更利于瓦斯分子吸附，缺陷附近瓦斯密度分布更高。瓦斯分子在不同结构缺陷表面的吸附等温线均符合I型吸附曲线特征，不同结构缺陷对瓦斯分子的吸附能力强弱表现为:Langmuir体积(VL)符合MV1>MV2>DV>SW>SV，Langmuir压力(PL)符合SW>SV>DV>MV2>MV1。研究表明，地质构造动力作用下构造煤内部结构产生的缺陷增大了瓦斯的赋存空间。

• 基于云服务的煤矿水害监测大数据智能预警平台构建

  乔伟, 靳德武, 王皓, 赵春虎, 段建华,

  针对华北型煤田煤层底板突水监测预警问题，以底板“下三带”理论为基础，开展了微震-电法耦合系统水害监测预警。在分析微震-电法耦合系统监测数据基础上，采用Flume设计数据迁移子系统，以流处理方式对监测源数据进行预处理，对关键目标数据进行采集、聚合和传输，实现了有效监测数据的实时迁移。此外，针对煤矿水害多源监测预警过程中数据规模大、数据实时处理要求高等特点，结合多源异构数据关联分析和时空属性数据分析处理需求，基于Spark和HDFS设计实现了具备TB级数据存储处理能力的煤矿水害多源监测大数据存储平台。该平台采用HDFS设计构建统一的多源时序大数据存储体系，通过MapReduce实现大数据并行处理，利用YARN实现资源的调度与管理，为海量数据存储提供支撑。平台采用Spark Streaming框架搭建了数据实时处理中心，通过流处理方式实现监测数据高速处理，并通过智能预警算法模块和远程服务接口为预警系统现场应用提供支撑。在智能预警技术方面，结合监测数据的时空属性特点，提出了基于深度学习时空序列预测方法——长短时记忆循环网络智能预警模型的底板突水模型预警技术。该预警技术基于LSTM方法，以“下三带”理论为基准对模型进行初始化，形成初始预警判据;将电法、微震监测数据作为输入变量，实际涌(突)水事件作为干预输出量，对智能预警模型进行半监督分类学习训练，形成动态化、参数最优的模型预警准则，将监测数据动态划分为4个预警等级，从而实现了水害智能动态预警和数据可视化表达。在冀中能源葛泉矿东井的实际应用中发现，该平台能够基本达到预期目标。

• 透明工作面多属性动态建模技术

  刘再斌, 刘文明, 陆自清, 李鹏, 韩保山, 李明星, 陈宝辉,

  为满足煤矿智能化开采对高精度地质模型的需求，提出透明工作面多属性动态建模方法，探讨了工作面综合探测多源异构数据特征、多属性数据融合算法、动态可视化建模技术，并进行实例应用。利用综合探测技术对工作面进行逐级综合探测，可在不同阶段获得多属性、多维度和多精度的多源异构探测数据，按照数据产生的阶段和频度，将多源异构探测数据划分为静态、动态和实时数据;通过数据配准实现多源异构探测数据量纲和尺度统一;通过交叉验证实现多源异构探测数据相互验证和补充;通过井震、震电和多参数联合反演，实现煤层厚度、地层波速、电阻率及其他属性参数预测;利用局部搜索、内插和网格化等动态可视化建模技术，实现模型的局部快速更新;采用局部渲染和CUDA实时绘制技术，实现模型高效渲染和实时呈现。结果表明:多属性融合能够将多源异构探测数据统一到同一地质空间中，交叉验证可提高探测数据解释精度，联合反演可实现多源异构探测数据多属性融合，提高探测数据空间分辨率并丰富属性信息;动态可视化建模以静态数据和工作面精细探测动态数据构建的初始工作面地质模型为基础，融合回采过程中获取的动态探测数据和实时数据，可实现回采工作面前方煤层顶底板和构造等信息快速局部更新和可视化，模型精度逐步得到提高，推采前方逐步地质透明化。透明工作面动态建模技术以采前、采中产生的多源异构数据为基础，与开采系统循环互馈，可为智能工作面开采提供高精度地质导航。

• 沁水盆地柿庄南区块地质因素对煤层气井压裂效果的影响

  张迁, 王凯峰, 周淑林, 唐书恒, 张松航, 闫欣璐, 伊永祥, 党枫, 朱卫平,

  在煤层气开发过程中，地质条件不仅是煤层气开采的先决条件和地质保障，也直接影响了水力压裂施工，从而影响煤层气井的产能。以沁水盆地柿庄南区块施工参数相近的34口煤层气井为例，从地应力条件、煤体结构和煤层顶底板岩性组合3个方面具体分析了地质因素对煤层气井水力压裂效果的影响，进而对研究区压裂效果进行评价。结果表明:三向地应力的大小关系控制裂缝的延伸方向和缝长，煤体结构类型决定能否形成有效裂缝，煤层顶底板砂岩、泥岩厚度及比例影响裂缝能否穿透隔水层。应力比越小、水平主应力差系数越大、煤层中原生结构煤比例越高、煤层顶底板的泥岩隔水层厚度及比例越大，水力压裂效果越好，煤层气井的平均日产气量也越高。综合上述3方面地质因素，研究区中部地区具有易发育垂直裂缝的地应力特征，且煤层的原生结构煤比例和顶底板泥岩比例高，最有利于水力压裂裂缝的形成与延伸，该区域为水力压裂的优选区域。其次为南部及西南部地区，地应力和顶底板条件较好，但煤体结构破坏程度相对较大。研究区北部、东北部及东南部区域由于煤体结构破坏程度大、顶底板封闭性差等因素，在进行水力压裂时应尽量规避。建议在对煤层气井进行水力压裂时应根据煤层气井的地质条件进行压裂方案设计。

• 不良地质体注浆细观力学模拟研究

  秦鹏飞,

  从细观力学角度着手研究岩土等离散介质的变形和受力特性是一种重要的方法，基于细观力学理论的PFC2D数值仿真试验技术，可以从细观角度揭示注浆过程中拉压应力场的分布、土颗粒的变形运动及其与浆液的耦合作用过程等注浆进程的发展动态，为软弱土、风化岩和破碎带等不良地质体的注浆加固分析研究提供了一种新的途径。基于流固耦合原理的PFC2D颗粒流数值模拟程序，运用其内置FISHTANK函数库和FISH语言，分别定义流体域的流动方程和压力方程，对注浆过程中浆液的扩散过程、形态及颗粒的位移情况进行了数值模拟计算。通过调节PFC命令流中的hist,n_bond,s_bond和measure等参数，实现了颗粒体位移变动的追踪，并揭示了不同深度土体浆液的扩散规律和地层孔隙率改变等细观机理。数值计算表明，注浆压力对地层结构的改变和破坏作用十分显著，黏结强度增加劈裂效果逐渐变差，孔隙率随注浆压力提高则显著增大。基于Mohr-Colomb准则的弹塑性理论对钻孔周围土体的应力场进行理论推导，指出环向受拉径向受压的力学机制是劈裂注浆作用方式出现的根本原因。浆液黏度增加有利于提高劈裂-压密注浆的注浆效果，摩擦因数增加则对注浆效果影响不大。实验室试验对比分析表明，PFC2D模拟注浆过程是可行的。

• 基于无人机LiDAR的榆神矿区采煤沉陷建模方法改进

  汤伏全, 芦家欣, 韦书平, 李小涛, 何柯璐, 杨倩,

  煤矿地表沉陷监测中常规的大地测量和InSAR等遥感手段均有一定的局限性。利用无人机LiDAR对沉陷区进行地面扫描，通过多期数据叠加可快速获取地表沉陷盆地的精细特征。然而，按现有的主流点云滤波及插值算法所构建的沉陷模型往往包含显著噪声，限制了该技术在矿区的实际应用。以榆神矿区某开采工作面地表为实验区，针对其地形起伏而植被覆盖度较低的地理环境，利用低空无人机LiDAR获取两期4组地面点云数据，结合常规地表移动实测数据，研究基于激光点云的矿区沉陷建模改进方法。分别采用专业化数字高程模型插值、反距离权重插值、克里金插值、自然邻域插值、样条函数插值及三角网渐进加密滤波、基于高程阈值的滤波、多尺度曲率滤波、基于坡度阈值的滤波、渐进形态学滤波等主流点云插值和滤波算法，构建实验区数字高程模型(DEM)并进行误差对比分析，发现专业化数字高程模型插值及三角网渐进加密滤波算法的效果相对较优，但两期DEM叠加生成的初始沉陷模型仍然精度不足，主要包含点云平面位置误差、非地面点噪声、点云内插误差、水域覆盖范围变化等引起的模型误差。在分析上述误差分布特征及其改进途径的基础上，提出基于小波阈值的沉陷模型去噪优化方案。针对沉陷盆地和非沉陷区域选用不同的小波参数，先利用非沉陷区下沉值为零的先验条件，对全区域数据进行多层次小波分解，再对沉陷区进行低层次小波分解，最后将两者结果进行镶嵌处理。实测验证表明，经上述小波去噪后的沉陷模型精度得到显著改善，并有效保留了沉陷盆地的细节特征，沉陷模型的总体标准差在50 mm以内，能够满足西部矿区地表大变形监测的基本要求。进一步根据沉陷模型边缘的随机误差特征，提出了基于下沉坡度临界值的沉陷边界提取方法，为机载LiDAR技术用于西部矿区采煤沉陷的高效监测与精细建模提供了可行方案。

• 采动影响巷道弱胶结层状底板稳定性分析与控制对策

  杨仁树, 朱晔, 李永亮, 李炜煜, 肖博,

  针对弱胶结层状底板巷道在强烈采动影响下的非对称性变形失稳问题，以梅花井矿工作面辅助运输巷为工程背景，综合采用现场调研、理论计算、数值分析和工程试验的方法，对巷道围岩变形破坏机制和控制对策展开研究。结果表明:井田内含煤岩系成岩程度低，胶结程度差，顶底板岩层层理发育，巷道围岩具有产生大变形的倾向。在采动影响下，巷道呈显著的非对称性变形破坏，实体煤侧肩角、煤柱侧底角和底板是大变形频发区域，巷道收敛以底臌为主;由于工作面位置的动态性和弱胶结软岩的蠕变性，巷道底臌具有典型的时空特性。基于弹性理论，建立采动影响下横观各向同性底板力学分析模型，推导获得层状底板任一点的真实应力状态，准确反映了层状底板非对称应力分布特征。根据摩尔-库伦准则，获得层状底板破坏判据，采用Matlab计算得到底板非对称马鞍形破坏形态。上覆岩层关键岩块回转变形所产生的偏载效应使围岩主应力方向发生偏转，主应力偏角越大，塑性区非对称性扩展越显著，围岩破坏具有显著的方向性，垂直于最大主应力方向围岩破坏程度更大。针对强采动弱胶结层状底板非对称破坏特征，提出基于破碎区修复、塑性区加固、弹性区承载的底板分区差异化支护技术。工程实践表明，支护系统很好的适应了围岩非对称应力环境，围岩变形得到有效控制。

• 正交型交叉裂隙岩石强度特征与破裂机理试验研究

  武旭, 王帆, 席迅, 郭奇峰, 孙景来, 王新灵,

  工程岩体是具有各向异性的非均匀地质体，隧道开挖或服役过程中由于岩体节理、裂隙诱发的片帮、冒顶等事故时有发生，造成严重的人员伤亡和经济损失。天然岩体中裂隙主要以交叉形态分布，为了探究裂隙对岩石力学特性及破裂特征的影响规律，利用线切割设备对岩石试样预制不同分布状态的正交型交叉裂隙，借助声发射和表面应变测量系统对单轴压缩条件下裂纹起裂应力、裂纹扩展路径与应力性质进行计算与分析。研究结果表明，裂隙长度对岩石强度的影响作用较小，裂隙与加载方向的夹角是影响岩石强度的最主要因素。岩石峰值强度与弹性模量均随主裂隙倾角的增大呈先增加后减小的变化规律，当主裂隙倾角α=90°时，岩石试样的力学指标达到最小值;正交型裂隙试样中主裂隙或次裂隙端部更容易产生起裂破坏，起裂位置与预制裂隙倾角息息相关;裂隙岩石的破裂具有显著方向性，正交型裂隙岩石的起裂裂纹主要呈翼型或反翼型，当α45°时，起裂裂纹主要位于次裂隙端部，起裂由次裂隙控制。与完整试样相比，裂隙岩石试样整体失稳破坏前产生多次声发射突增现象，即加载过程中产生多次破裂，正交型裂隙试样起裂应力集中于0.22σc~0.34σc，起裂发生在较低应力水平;当岩石中存在与加载方向垂直的裂隙时，岩石的破裂与破坏受此类裂隙的影响最为显著。

• “ 煤炭安全高效绿色智能开采地质保障” 专辑特邀主编致读者

  袁亮, 董书宁,

  煤炭地质工作是煤炭开发的基础性工作，它横跨了煤田勘探、井田划分、矿井设计、开拓掘进、安全回采、煤炭利用及矿井关闭等煤炭开发的各个阶段，服务于煤炭资源开发的全生命周期，为煤炭资源开发的规划、生产和利用等提供基础保障。 　　随着我国煤炭工业的发展和煤炭地质科技工作者的不断努力，煤炭地质保障系统的整体架构、研究内容、保障目标、配套技术等逐渐发展成熟，其内涵与外延不断丰富和完善，迄今为止历经了4个阶段。 　　第1阶段：煤炭开发地质资源保障。改革开放后，我国完成了第3次全国煤田预测与评价，埋深2 000 m以浅的煤炭资源总量5.57万亿t、保有资源量超过1万亿t。这是煤矿地质保障技术的萌芽阶段。 　　第2阶段：“双高矿井”建设地质保障。“九五”期间，煤炭工业开始创建以高产高效为主要特征的“双高矿井”，随着大型综采配套设备的投入使用，迫切需要超前查明煤矿采区的构造、水文等开采地质条件，传统的地质保障技术开始从煤田地质勘探进入矿井设计领域。这是煤矿地质保障技术的初级阶段。 　　第3阶段：煤矿安全高效生产地质保障。进入21世纪以来，为有效减少煤矿瓦斯、水害等事故，煤矿地质保障工作从地面到井下，全方位开展煤矿隐蔽致灾地质因素的精准探查与治理，煤矿地质保障工作进入生产阶段，地质保障技术向煤矿开采地质保障系统发展。 　　第4阶段：煤矿智能化绿色开采地质保障。从2014年陕煤集团黄陵矿业一号煤矿41101工作面首次实现智能化开采以来，少人化、无人化、智能化开采以及智慧矿井等先进生产理念深入人心，煤炭绿色开采、智能精准开采等对煤矿地质保障系统提出了新的更高要求。随着八部委联合印发的《关于推进煤矿智能化发展的指导意见》的逐步落实，煤炭地质保障系统必将迈向以探测智能化、地质透明化为特点的新的发展阶段。 　　多年来，挂靠在安徽理工大学的中国煤炭学会矿井地质专业委员会和挂靠在中煤科工集团西安研究院有限公司的中国地质学会和中国煤炭学会煤炭地质专业委员会、中国煤炭工业安全科学技术学会水害防治专业委员会等持续不断精心打造矿井地质和煤炭开采地质保障技术交流高端平台，2020年4个专委会将共同主办主题为“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”学术论坛，为煤炭地质领域广大科技工作者提供展示近年来研究取得的新理论、新技术、新装备和应用新成果的高端交流平台，研讨未来煤炭地质科技发展新方向。 　　本期前30篇论文紧紧围绕论坛的5个主题进行报道，即：① 地质与水文地质条件勘察评价;② 隐蔽致灾地质因素精准探查;③ 矿井水害与煤岩动力灾害防治;④ 智能开采的三维地质透明化;⑤ 现代化煤矿的地质保障实践。 　　我们相信，专辑的出版和学术论坛的举办，必将促进煤炭安全高效绿色智能开采地质保障理论研究、技术装备开发和推广应用的全面深入和系统提升，并必将为我国煤炭工业转型升级和高质量发展做出新的贡献!