煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2021年第8期

• “煤系天然气聚集理论与勘探开发技术”专题特邀主编致读者

  秦勇,

  2020年,我国天然气对外依存度同比降低了1%,但仍高达42%。据2020年英国BP能源统计年鉴预测,今后15 a内我国天然气对外依存度仍将持续增长,2035年将达55%左右。为此,天然气“增储上产”成为保障国家能源战略安全的重大需求,我国丰富的煤系气资源是“增储上产”的一个现实基础。但是,要将煤系气资源数量优势转变为国家天然气供给的保障优势,产业发展仍面临诸多重大科学技术难题,为此,“十三五”期间国家科技重大专项组织10个项目,结合其他国家科技计划项目,对煤层气、煤矿瓦斯、煤系“三气”在内的煤系气勘探开发基本原理、适应性技术与推广应用开展攻关,形成了老产业基地提产与挖潜、深部煤层气勘探开发、多煤层煤层气开发、煤系多气综合开发、构造煤储层煤层气开发五大技术系列,促进了老产业基地提产增效、后备产业基地建设以及深部煤系气勘探开发等重要突破。截止2020年底,全国煤系气累计探明地质储量7 260亿m3,钻井总数20 000口左右,年产量68亿m3,平均单井产量932 m3/d左右,首次总体上达到工业气流标准。加上煤层气企业通过煤层气开发生产的煤系致密砂岩气,2020年全国煤系气产量达到102亿m3,构成了我国天然气年产量的重要组成部分。同时,除了沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘两大传统煤层气生产基地持续提产之外,形成了新疆准噶尔盆地南缘、贵州西部2个后备生产基地,内蒙古东部二连盆地、贵州西部、皖北两淮煤田等10余个小型煤层气开发基地持续发展,初步实现了国家《煤层气产业政策(2013)》中提到的“再用5~10 a时间新建3~5个产业化基地”的战略发展目标。在技术层面上,我国业界充分重视到煤系地质条件的差异化,认识到煤系气储量的可开采性,更加重视工程技术的适应性,强化了地质-工程一体化的重要性,意识到要推进煤层气产业健康发展必须要解决以下4个关键,即现有技术条件下开发储量的控制、经济产能建设的区域优选技术、适应地层特征的工程技术系列以及开发方案的顶层设计技术。基于这些认识开展针对性基础研究和技术攻关,促进了鄂尔多斯盆地深部煤系气井网乃至区块规模商业性的突破,助推了黔西等地质条件复杂地区的煤层气单井产量普遍提升,为下一步科技攻关、工程示范以及国家煤系气产业发展奠定了坚实基础。鉴于上述重要研究背景,《煤炭学报》在2018年第6期刊发“煤系气共采技术”专题的基础上,2021年第8期进一步组织策划“煤系天然气聚集理论与勘探开发技术”专题,自征稿通知发布以来,受到业界专家学者及一线科技人员的积极响应,共收到来稿96篇,最终录用12篇,主要涵盖煤系气富集成藏机制、开发技术原理、测试/探测与开发技术创新、先导试验及工程示范进展、科技发展方向思考等内容。本专题旨在及时介绍推广“十三五”期间煤系气勘探开发科技创新与产业发展的最新成果,助力“十四五”期间进一步攻克煤系气勘探开发“瓶颈”问题,推动我国煤系气产业发展壮大。在专题刊出之际,衷心感谢各位专家学者的高度关注和大力支持,特别感谢各位评审专家认真细致地审阅并提出中肯意见,以及《煤炭学报》编辑部为本专题的策划、评审和出版所付出的辛勤工作。同时,衷心祝愿我国煤系气产业蓬勃发展,期望业界为国家洁净能源战略安全保障做出更大贡献。

• 煤系气聚集系统与开发地质研究战略思考

  秦勇,

  我国煤系天然气（简称“煤系气”）“增储上产”空间巨大，国家能源安全战略价值显著，然而目前资源探明率及动用率极低，反差极大。为此，分析煤系气地质内涵和基本特点，论述了近年来生产实践揭示的重大研究需求，思考了新一轮地质科技攻关战略方向，提出了亟待突破的关键科学技术问题。我国煤系气成藏与开发地质研究近期核心进展体现在三个方面：揭示了煤系气六大基本地质特点，发现了煤系气成藏作用“深度效应”，初步建立了煤系气勘查－开发工程一体化地质技术系列。同时，近年来勘探开发实践展示出正反两方面典型实例：煤系气合采井产气量并非随产（储）层组的层数增多、累计厚度增大而增高，“1＋n”<n乃至<1的产气效果较为普遍；某些深部煤层气井长期稳定在较高产气水平，颠覆了深部煤储层产能低、产气量衰减快的传统认知；薄互层煤系具有更高的产气潜力，而我国业界长期对此关注甚少。分析认为，我国煤系气目前开发效果不理想的地质原因在于四个方面：一是煤系气地质条件特殊性认识尚待深化；二是业界多年来陷入煤系气的非常规属性思维定势，忽略了其常规地质属性，导致新领域新层系探索力度不足；三是可形成超大型聚集及大规模生产的薄互层煤系气总体上属于常规天然气，开发潜力巨大；四是对非常规煤系气地质属性了解相对较多，但对常规煤系气地质条件特殊性仍知之甚少。建议围绕“煤系天然气共生聚集系统与有序开发地质原理”这一主题开展研究：其一，揭示深煤层天然气赋存态与解吸机制，形成深部煤层气优质储层预测理论与技术体系；其二，阐明煤系气聚集过程与成藏效应，形成煤系气开发地质条件预测理论体系，完善煤系气甜点区段优选方法；其三，研究薄互层煤系气成藏特点与优质开发层段地质控制，建立薄互层煤系气聚集与配分理论体系，发展薄互层煤系气甜点区段预测方法；其四，探索煤系气有序开发地质原理与技术基础，初步形成煤系气高效有序合采技术基础。

• 影响中国煤层气产业发展的技术和非技术要素分析

  杨陆武, 崔玉环, 王国玲,

  从中国煤层气产业“低工程成功率、低产能转化率、低资源动用率”和地面煤层气开发规模停滞不前的现状出发，研究了造成这个结果的三个主要原因,包括支撑开采技术路径的科学逻辑缺陷、勘探开发生产的非技术要素错配、和产业政策缺位。在论证中国煤层气资源特殊赋存特点的基础上，探讨了从科学逻辑上如何重建以应力气为目标的技术思路，建立了基于压力场、应力场、温度场三场叠合下的“煤-水-岩-气”煤层气成藏四元组构地质模型，和“流体压力循环”与“固体应力循环”的成藏动力解构双循环工程模型；以压力和应力为两个坐标轴根据不同类型煤层气资源的成藏动力差异，将解构成藏动力的技术路径划分为四个象限，给出了不同象限的开发技术路线图和工程工艺适配建议；针对影响产业发展的非技术要素，提出了如何提升开发效率的产业运营组织规则建议，包括在勘探开发转换上用探采一体化代替勘探开发生产三阶段授权审批，在生产组织上尽可能规避“远离技术进步的大规模+低成本”和“失去组合集成保护的切割分包”造成的低效和浪费；认为片面追求以低造价为特点的“工程意义上的低成本”是造成当前生产低效的一个重大错误，一切生产组织行为都必须回归到以高回报为目的的“产能意义上的低成本”基本原则上来。文章分析了30年来政策配套得失，重点研究了低矿权流转率对技术创新的抑制作用，以及煤层气开发产业链中间环节上服务不能独立和供应商不能主动融入，对构建良性生产循环的破坏作用；讨论了如何在加强矿权流转的基础上通过“强中间担两头”重构健康产业链的策略。

• 准噶尔盆地煤层气勘探开发与地质研究进展

  汤达祯, 杨曙光, 唐淑玲, 陶树, 陈世达, 张奥博, 蒲一帆, 张泰源,

  准噶尔盆地煤层气资源极为丰富，已开展近30个煤层气勘查项目，施工煤层气井270余口，建成白杨河、四工河、乌鲁木齐河东煤层气开发先导试验区，正在着力推进煤层气规模化开发利用，多个区块呈现出煤层气单井高产势头，针对多、厚、大倾角煤层顺煤层钻井、储层改造、优化排采技术不断推广应用，带动了新疆煤层气产业起步发展。系统总结准噶尔盆地煤层气成藏特殊地质条件，科学分析前期煤层气勘探开发的现状与趋势，全面梳理煤层气勘探开发所面临的地质难题，以期为新疆地区乃至中国中低煤阶煤层气的高效开发提供借鉴。盆地周缘构造隆升、水力逸散、煤层气风氧化带深延是制约煤层气资源分布和勘探开发潜力的不可忽略的地质因素，盆地腹地包括煤层气在内的深部煤系气资源潜力巨大，开展煤系油气地质综合研究、拓展煤系气勘探开发领域势在必行。盆地边缘多个区块煤层气富含CO2且呈现随煤层埋深增大CO2体积分数增高的异常现象，拟以水动力场和水化学场耦合作用为主线，气体差异构成与禀赋为线索，鉴别多源多阶气体来源、混合度及成藏贡献，揭示CO2异常富集成因，探索流体场主导作用下的煤层气多源多阶多因素耦合成藏机制。盆地西山窑组与八道湾组2套煤系地层厚度巨大，受聚煤环境控制，多层叠置统一、多层叠置独立、多层叠置混合含煤层气系统空间分布有别，基于沉积、构造、水文耦合作用归纳出煤层气富集成藏基本模式，有效厘定流体压力系统，合理选层选段、组合开发，优势成藏地质配置及其区域、局域、层域变化规律有待深入研究。盆地周缘煤储层倾角大多超过35°，急倾斜煤储层在较小空间随深度发生快速变化，储层流体运动方式、储层应力状态等影响制约压降传播和煤层气产出过程，开发过程储层力学性质与物性变化、流体相态与饱和关系转化、气/水产出机制与生产规律需要进一步揭示。

• 深部微构造特征及其对煤层气高产“甜点区”的控制——以鄂尔多斯盆地东缘大吉地区为例

  闫霞, 徐凤银, 聂志宏, 康永尚,

  国内埋深大于2 000 m的深层煤层气资源丰富，但整体勘探开发程度低，尚未有明确的开发规律认识和系统的开发地质理论。对比分析了鄂东缘大吉地区埋深大于2 000 m的深部煤层与1 000~1 500 m中深部煤层20项地质参数，对深部煤层单斜构造上的微幅构造区进行了精细刻画和分类，通过深部煤层气井生产特征规律、测井、工程改造参数及压裂曲线特征研究，发现煤层微幅构造差异对深部煤层气井高产控制作用明显，并从现象入手，深入剖析了深部煤层气赋存机理、开发机理及高产主控因素，预测了深部煤层气理想排采曲线，提出了与浅层煤层气排采曲线的异同之处。研究表明:① 深部煤层整体上展现了“高含气、高饱和”的优势和“煤体结构好、特低渗”的特征，生产井具有“见气时间短、见气时压力高、见气后产液量少”的特点;② 精细划分出斜坡构造上的5类微构造区，深部煤层气高产井主要分布在顶板封盖较好的正向微幅构造和平缓构造区，该区渗透性相对较好、易于加砂，生产井压裂施工压力相对低、稳产能力好，且稳产气量与施工排量、总加砂量呈现出明显的正相关;在中高加砂规模的前提下，位于正向微构造部位直井平均稳产水平为5 000 m3/d、平缓构造部位井3 500 m3/d;位于其他部位井试验了不同的工艺、施工排量、酸量、加砂规模，稳产水平1 500 m3/d;③ 不同于浅层开发机理“排水诱导解吸”，深部煤层气是“产气诱导解吸”;在一定深度高温状态对解吸占主导作用时，部分解吸出来的煤层气会以“游离态”赋存于煤层，开发初期表现为以“游离气”为主，生产特征类似页岩气;④ 认为深层煤层的致密性是制约深部资源能否开采出来的最关键因素，深部煤层具有原生结构煤的优势和特低渗的劣势，微幅构造在深部高压状态下对煤层渗透性有“放大”的效果，或者改善、或有较大影响，故除了压裂能改善有限的范围外，寻找渗透性相对较好、天然裂隙更发育的正向或平缓微构造部位，不仅有助于压裂改造效果，还有助于高产;⑤ 由于背斜构造比例少，建议将深部煤层的精细微幅构造研究，作为突破深部煤层气勘探开发的重要方向，可将正向微构造和平缓构造部位作为优选“地质-工程”双甜点部位;负向微构造和水平向挤压部位的压裂改造技术攻关，将是关系到未来深部煤层气是否能开拓更大战略场面必须要攻克的难题。研究为深部煤层气勘探开发方向、深部煤层甜点评价、针对性地开展工程技术对策攻关及深部煤层气井曲线合理生产制度的制定，提供了借鉴。

• “源-储-输导系统”联控煤系气富集成藏机制——以鄂尔多斯盆地东缘为例

  李勇, 许卫凯, 高计县, 吴鹏, 陶传奇, 田阳, 李军辉, 张怡乐,

  煤系气资源丰富，如何系统认识煤系多种非常规天然气富集成藏机制，是实现气藏有效开发的关键。从“源-储-输导系统”时空耦合配置角度，阐明煤系生烃—运聚—成藏的关键过程和主控因素，建立煤系气富集序列，丰富煤系气综合成藏内涵。稳定烃源岩是煤系气富集的基础，沉积微相宏观上控制优势储层展布，储层物性微观上决定成藏有效性，在输导体系影响下动态调整构成煤系综合含气系统。输导系统和储集系统受控于构造、沉积和成岩作用，生烃强度和生烃演化过程直接影响气体运移和聚集，输导系统转换是界定源内滞留和源外富集成藏的关键因素。输导系统转换界面之下，以煤系煤层和页岩内部发育的微纳米孔喉网络作为储集系统，煤系气在其中不运移或短距离运移;界面之上以砂体、裂缝和断层作为输导系统，煤系气就近或远距离运移。在此基础上，提出煤系气综合成藏序列，包括原位滞留型(包括太原组和山西组煤层气及页岩气)、近源充注型(包括山西组和下石盒子组致密气)和远源调整型(包括上石盒子组、石千峰组砂岩气和马家沟组灰岩气)的煤系气综合聚集模式，借此分析了华北地台煤系气富集规律和勘探方向，为煤系多气多层综合开发提供借鉴。

• 海相煤系气成藏特征及其有利开发层段——以黔北威宁龙参1井下石炭统祥摆组为例

  杨兆彪, 易同生, 李庚, 颜智华, 耿殿英, 高为, 姜炳仁,

  黔北下石炭统祥摆组是一套海相煤系沉积地层，是页岩气勘探开发的重要层系之一。以黔北威宁龙街向斜龙参1井为例，评价了其煤系气成藏特征及其有利开发层段。结果显示:海相煤系地层祥摆组储层空间展布具有分段性:下段薄煤层发育，煤层层数较多，煤-泥岩-砂岩互层发育;上段泥页岩发育，单层连续厚度大。泥页岩 TOC含量在0.77%~8.94%，平均2.01%，随层位埋深增大而增大。祥摆组上段有机质类型主要为Ⅱ1型，下段主要为Ⅱ2型,Ro,max平均为 2.54%。矿物组分主要以黏土矿物和石英为主，石英平均质量分数38.52%，黏土平均质量分数48.99%，脆性指数高，平均为48.02%，整体上随层位埋深增大而增大;泥页岩孔隙度平均为4.77%，渗透率平均为0.002×10-15 m2，属于低渗储层;泥页岩储层物性接近于非含煤海相地层，优于含煤海陆过渡相地层。泥页岩含气量介于0.27~1.48 m3/t，平均0.57 m3/t。气体组分结果显示860 m以浅仍处于风化带。薄煤层变质程度高，Ro,max平均为2.92%，但含气量平均为5.88 m3/t，含气饱和度低。整体显示海相煤系气资源潜力具有以页岩气为主，煤层气为补充的特征，推测深部区域更具有勘探前景。以煤系页岩气为评价主体，选取泥页岩单层厚度、TOC含量、含气量、脆性指数等关键参数，采用主成分分析法，评价了祥摆组煤系气有利开发层段。综合研究认为:有利开发层段主要位于祥摆组上段中部和下段的下部。

• 原位地应力约束下煤储层自封闭作用及其成藏效应

  陈世达, 汤达祯, 陶树,

  关于煤层气叠置成藏效应的研究通常注重煤系地层层序地层格架的时空配置，对于原位地应力制约下储层的“自封闭效应”关注不足，应力场垂向转换诱导的煤储层渗透性的非单调性变化及其对储层压力、含气性等成藏特征参数的调控作用常被忽视。系统分析了黔西地区煤储层地应力场的垂向分布规律及其构造控制效应，揭示了渗透率随埋深的非指数变化规律及其在沁水、鄂东等含煤盆地的普适性，探讨了储层压力、压力系数垂向差异性分布及其与地应力-渗透率的匹配关系。黔西地区煤储层水平主应力(200~1 300 m)是埋深和构造综合作用的结果，含煤向斜轴部是水平主应力最为集中的区域。根据应力梯度垂向演变规律可以将其划分为应力挤压区(200~500 m，水平构造应力主导)、应力释放区(500~750 m，垂直应力主导)、应力过渡区(750~1 000 m，近向斜轴部)和构造集中区(>1 000 m，向斜轴部低点部位，高应力区)。埋深中段的应力释放区有利于相对高渗储层的形成(平均0.2×10-15 m2)，在此深度区间上下(200~500 m，平均0.06×10-15 m2;>750 m，平均0.02×10-15 m2)渗透率普遍较低。渗透率随埋深的这种非单调性变化规律具有普遍性，黔西盘关—土城向斜、比德—三塘向斜埋深中段均存在渗透率相对高值区，沁南(650~800 m)、鄂东(800~950 m)、滇东(600~800 m)、准南(600~800 m)等含煤盆地内这一现象也并不鲜见。原位条件下，低渗储层(750 m埋深段的低渗储层自封闭成藏作用显著，储层压力与埋深相关性较差，含气量与压力系数垂向呈“波动式”的无规律变化，常压、欠压、超压储层均有分布，流体压力系统叠置发育。500~750 m的相对高渗储层需外围形成致密的封堵盖层才能阻断层间的流体联系，相对于其他埋深区间更有利于形成统一的流体压力系统，储层压力随埋深增加或层位降低而单调递增，压力系数无明显波动，基本以常压储层为主，含气量随着埋深增大而增大。在同一煤层或气藏内部，储层相对致密部分也可能会封堵高孔渗部分的流体，导致流体压力系统横向上多段叠置。

• 基于Ono-Kondo格子模型的超临界页岩气吸附试验研究

  胡科, 汤积仁, Helmut Mischo,

  页岩储层普遍埋藏较深，地层温度和压力较高，相当一部分页岩气在储层中处于超临界吸附状态。超临界吸附与传统亚临界吸附在机理上有着较大区别，将建立在亚临界条件的吸附模型运用到超临界页岩气吸附领域仍然面临一些挑战。因此，准确表征超临界页岩气吸附是精准评估页岩气储量和制定合理开发方案先决条件。针对页岩中超临界甲烷吸附问题，借助高精度磁悬浮天平重量法吸附仪，开展了高温高压甲烷吸附实验，分别测定了超临界甲烷在40，60，80和100 ℃的气体相密度和等温吸附曲线。实验结果表明:磁悬浮天平能同时测定气体相甲烷密度和过剩吸附量;超临界甲烷过剩吸附量随压力先增加后减小，过剩吸附量随温度升高而降低，最大过剩吸附量对应的压力随温度升高而升高。在不对吸附相密度和体积做任何假设的前提下，利用Ono-Kondo格子模型分别分析了页岩气的单层和多层吸附。Ono-Kondo格子模型分析结果表明:超临界甲烷吸附只能形成单层吸附，其中吸附相密度和绝对吸附量均随压力单调递增，吸附相体积近似保持不变。随着压力的升高，吸附相密度与气体相密度的差值先增加后减小，而吸附相体积近似保持不变，因此会导致过剩吸附量出现极大值。若将吸附相密度假定为定值会低估高压力段的绝对吸附量。

• 深部煤层气水平井水力压裂技术——以沁水盆地长治北地区为例

  申鹏磊, 吕帅锋, 李贵山, 任博, 白建平, 贾晋生, 陈召英,

  储层改造是获得低渗透煤层气井高产的重要手段，虽然我国深部煤层气资源丰富，但是由于煤储层渗透率低，面临着不同煤层气地质条件下的储层改造技术适应性差的困境。以沁水盆地长治北部地区为例，介绍了研究区地质概况和开发模式，分析了4种深部煤层气井水力压裂工艺技术及应用效果。结果显示以水平井为主要井型、实现压裂后井间干扰提产是规模化开发深部煤层气资源的主要途径。光套管压裂技术可实现大规模压裂，但容易造成储层污染，且可调性较差导致压裂效果偏差;连续油管压裂技术自动化程度和作业效率高，是目前的主流压裂技术，但是配套设施要求较高、成本高;常规油管压裂技术可实现射孔、压裂、封隔一体化作业，且射流效应定向性强，但是不能够带压作业，容易造成压力激动、压后堵前。为此，自主开发了常规油管带压压裂新技术。该技术以常规油管压裂技术为基础，在井口和井下油管内安装稳压装置控制压裂过程中油管内外的带压状态，配合钢丝绳打捞装置，优化上提下放程序，从而实现带压拖动压裂作业。该技术压裂施工曲线以压力平稳型为主，能够形成连续和平直的压裂裂缝通道，减少储层伤害;微地震监测显示压裂裂缝两翼长达70 m;试验井日产气量达4 000 m3以上;同时节约了作业成本，提高了压裂效率。

• 多储层产量伤害物理模拟系统及其在煤系气合采中的应用

  郑力会, 陶秀娟, 魏攀峰, 吴通, 刘皓, 曹章敬,

  煤系层薄叠置，压裂作业客观上无法规避合采。作业者主观上希望合采解决单一产层、单井产量低的难题。但是，导致这一难题的内外部因素十分复杂。传统方法中无法使用渗透率定量评价合采储层损害程度，因此，提出用合采产量评价储层伤害的思路。引入以“等当气井产量”为测试基准的多储层产量伤害物理模拟系统，在储层压力温度下测试煤系气开采过程中任意层位、开采方式的产量和压力。应用表明:① 合采产层组合中任一储层伤害前后的气体流量伤害程度均可以很好地符合渗透率伤害程度，由此提出储层伤害流量法替代渗透率法评价合采产量伤害，解决了以往煤系气合采时产层长度和过流面积无法选择而无法获得渗透率的难题;② 以合采测试的流量压力为边界条件，数值模拟不同产层天然气在井筒内混合后的流动状态，从能量角度建立了煤系气合采时地层与井筒中熵产计算模型，发现气体混合能量损耗致使煤系气产量降低，提出了“气体混合伤害”的产量伤害新类型;③ 利用该系统模拟评价地层压力恒定条件下工作液伤害前后气井流量变化率，优选出了适合临兴区块煤系气合采的钻完井流体。研究结果显示，多储层产量伤害物理模拟系统能够较为系统地支撑煤系天然气开采过程储层敏感类型和程度分析、机理研究以及工作流体优选，为煤系气合采技术优化及增产措施制定提供了方法和依据。

• 定产定压条件下叠置含气系统煤层气合采试验研究

  许江, 李奇贤, 彭守建, 韩恩德, 周斌, 高晓明,

  为了研究多压力系统合采生产特征，以叠置含气系统这一特殊气藏模式为工程背景，利用自主研发的多场耦合叠置含气系统煤层气开采物理模拟试验系统开展了常规合采、定压合采和定产合采3种模式的物理模拟试验研究，探讨了不同合采模式下叠置含气系统煤层气开采产气特征及其流体流动规律，阐述了多压力系统煤层气合采过程中的流体扰动效应机制。结果表明:① 对井筒出口施加限定条件，较低初始能量煤储层易遭受压力扰动，导致近井地带出现压力上升的现象，但该压力扰动主要存在合采初期阶段，而后逐渐消弱;② 压力扰动会改变煤储层内势能的空间分布形态，尤其是初始流体能量较低的煤储层，即在近井地带形成一个高势带，导致煤储层内流体在高势带的影响下而改变其原有的流动特征;③ 定压合采会致使压力存在差异的各个煤储层与井筒之间形成一种“动态压力平衡”关系，在压力势能的作用下，来自高初始流体能量煤储层的流体向低初始流体能量煤储层流动，而定产合采将整个合采过程划分为稳产期和衰减期，在稳产期内，各煤储层的产气能力在井口定产的作用下重新分配，形成一种“动态分配”产气模式，即当流体能量高的煤储层产气能力超越定产值时，部分来自初始流体能量高煤储层的流体向初始流体能量低煤储层反向注入，加剧合采流体扰动效应。

• 高煤阶煤层气井储层压降扩展规律及其在井网优化中的应用

  胡秋嘉, 毛崇昊, 樊彬, 贾慧敏, 张庆, 张先敏, 乔茂坡, 潘秀峰,

  为明确煤层气井开发过程中煤储层压降扩展规律，建立了考虑气水同流的压降扩展模型，开展了压降扩展速度及压降漏斗扩展形态主控因素分析，在沁水盆地南部樊庄、郑庄区块设计了5口直读压力钻孔，实时监测煤层气井生产过程中地层压力变化和传导规律，基于监测结果讨论了储层压降扩展在井网优化中的应用。研究结果表明:高煤阶煤储层在平行于最大水平主应力方向的压降扩展因压裂裂缝影响存在明显的双段性，压降横向及纵向扩展速度较快;在垂直于最大水平主应力方向的压降扩展双段性不明显且压降扩展速度较慢。甲烷解吸膨胀的弹性能对煤层气井压降扩展的影响不可忽略，储层边界的压力扩展在压力降至临界解吸前后存在“双峰”变化。在相同排采制度下，压降漏斗扩展速度及形态主要受水动力条件、渗透率、地解比及束缚水饱和度影响，水动力条件越活跃、渗透率越低、地解比越小、束缚水饱和度越大，越不利于压降横向及纵向传播，含气饱和度较低的储层进行开发时，需要适当延长排水期、扩大压降漏斗在解吸前的波及范围，才能够在解吸后获得更快的解吸效率，以换得更长的稳产时间。通过分析部署在樊庄、郑庄开发井网内的井间地层压力监测井实测数据，认为储层压降扩展存在协同降压和协同解吸2个阶段，为了实现协同增产，两井井距范围内煤储层压力必须下降至解吸压力以下。使井间储层压力全部降低至解吸压力以下的最大井距定义为“协同增产临界井距”。该井距受渗透率及应力场控制，渗透率控大小、应力场控方向。渗透率越高，临界井距越大;与最大水平主应力方向夹角越小，临界井距越大。煤层气开发过程中应考虑不同方位的“协同增产临界井距”差异，开展差异化井网井距设计，以最大化动用资源，提高采收率。

• 采空区场地高速铁路路基变形控制研究现状与展望

  任连伟, 宁浩, 邹友峰, 顿志林, 郭文兵, 田忠斌,

  我国煤炭产量高居世界首位，大量煤炭资源的开采，遗留了大面积的采空区场地。随着我国高速铁路的快速发展，一些关键线路难免会穿越采空区场地。采空区地基变形及高速列车密集动荷载下的活化变形对高速铁路安全运行存在着重大安全隐患。如何保障采空区场地高速铁路的安全运营是关键问题，其中采空区场地高速铁路路基变形控制研究是该类问题的核心内容。首先从理论研究、现场实测、模型试验和数值模拟4种研究手段分别总结了国内外高速铁路路基动力学和采空区地表变形的研究现状;接着重点从高速铁路列车动荷载分布及传递规律、高速铁路路基工后沉降相关要求、采空区地基与高速铁路路基相互作用机理、采空区场地高速铁路路基变形问题的可行性研究等4个方面介绍了采空区场地高速铁路路基变形问题的研究;最后简要总结了高速铁路采空区地基治理技术及采空区场地高速铁路路基抗变形措施等相关内容，并结合太原—焦作高铁和合肥—福州高铁线路穿越采空区场地而采取的实际治理方案及路基抗变形措施加以说明。在现有成果分析的基础上，探究了高速铁路动荷载最大扰动深度如何确定、高速铁路采空区地基本构模型如何选择、相似模型试验列车动荷载如何施加和高速铁路采空区地基治理体系如何完善等相关问题，并展望了该领域的发展方向。

• 形状对大倾角煤层飞矸运移的影响

  刘明, 陈杰,

  大倾角煤层工作面飞矸运移过程具有一定的复杂性和随机性，准确模拟飞矸运移过程对大倾角煤层的安全高效开采具有重要的意义。以山西某大倾角特厚煤层矿井为研究背景，根据球度设计涵盖所有椭球形飞矸形状的数值模拟试验方案，采用能量跟踪法对飞矸在三维工作面回采空间的运移过程进行数值模拟试验，得到飞矸的运动轨迹，以及任意时刻的速度、角速度和能量变化曲线，分析了形状对飞矸运移过程的影响。并考虑了多飞矸同时运移时碰撞对飞矸运移过程的影响，模拟对比飞矸之间无碰撞和有碰撞时的运移过程。为验证本文方法的准确性和可行性，采用Rockyfor3D软件模拟的轨迹进行对比。结果表明:本文方法模拟的轨迹与Rockyfor3D软件模拟的轨迹基本吻合，且飞矸与工作面底板的碰撞接触点更加明显。飞矸的运移主要受飞矸形状、飞矸与工作面底板的碰撞的影响较大。此外，飞矸在运移过程中发生的相互碰撞会导致飞矸运动轨迹发生改变，侧向偏移距离增加，导致飞矸在运移过程中与煤壁和支架立柱、刮板机等设备发生碰撞，增加飞矸防护难度。将能量跟踪法应用于现场，可为飞矸灾害的预测与防护提供借鉴。

• 温度及压力对高岭石吸水特征影响的分子动力学模拟

  柴肇云, 张海洋, 杨攀, 杨泽前, 张彬,

  高岭石是煤系泥岩的主要黏土矿物组成成分之一，它的存在对泥岩的水理作用产生重要影响。高岭石与水相互作用的分子机制是深入认识泥岩遇水膨胀、软化崩解甚至泥化等现象的基础。分子动力学模拟技术是揭示物质结构与性质间关系、了解物理化学体系中物质相互作用机制的有力工具。应用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)及分子动力学(MD)方法对高岭石的吸水特征进行了模拟，研究了温度及压力对水分子在高岭石颗粒表面的吸附量、吸附位、吸附热、吸附能以及高岭石体积膨胀性等的影响规律，阐明了高岭石吸水的分子机制。研究结果表明:高岭石吸附水过程中，水分子和高岭石表面原子以Hw-Ok和Ow-Hk两种形式形成氢键联接;吸附热介于1.898～2.133 kJ/mol，远低于发生化学吸附的临界值42 kJ/mol，高岭石与水分子间的相互作用为典型物理吸附;吸附能为负值，高岭石吸水后体系热力学稳定，吸附能数值、吸附量及体积膨胀率变化规律相似，均随压力增加呈对数关系递增，而随温度升高递减且减幅相对较小;吸附位为吸附过程中水分子在高岭石颗粒表面某一位置出现的频次;水分子在高岭石颗粒表面的吸附依赖于分子间的范德华能和氢键作用能，压力对吸附特征的影响比温度更大，且高温不利于水分子在高岭石颗粒表面的吸附。

• FLAC3D中岩石能量耗散模型的开发与应用

  王猛, 宋子枫, 郑冬杰, 神文龙, 勾攀峰, 韦四江,

  岩石破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象，从能量角度描述岩石强度及变形行为是评价工程岩体安全和稳定性的有效途径之一。为增加能量理论模型分析工程问题时的适用性，准确描述工程岩体变形破坏全过程能量实时演化及分配规律，利用GCTS岩石力学试验系统，开展了常规单、三轴力学试验，结合能量守恒和有限差分理论，推导了岩石弹性能和耗散能的有限差分方程式，采用FISH语言编制了能量耗散模型的有限差分程序，实现了对FLAC3D应变软化模型的二次开发，补充了软件能量计算模块。通过不同围压下岩石室内试验和数值模拟结果对比分析得到:开发的能量耗散模型能有效描述岩石峰后变形特征及破坏路径，可用于研究工程岩体峰后大变形行为，但对峰前压密和塑性变形阶段的描述需谨慎。利用开发模型进一步讨论了深部巷道变形破坏全过程围岩耗散能演化规律，结果表明围岩耗散能集中区与巷道主破坏位置基本吻合，依据耗散能密度可量化巷道围岩压剪破坏程度，评估峰后损伤围岩稳定性，有效弥补了传统采用塑性区定性判别巷道围岩变形破坏及其稳定性时的不足。岩石能量耗散模型在FLAC3D中的应用，扩展了软件适用范围，研究成果不仅可准确定位工程岩体主破坏位置，同时依据耗散能分布密度可量化评估围岩稳定性，为巷道大变形预测预报及加固方案设计提供了一条新途径。

• 层理对煤岩动态裂纹扩展分形特征的影响

  龚爽, 赵毅鑫, 王震, 周磊, 杨达明, 王文,

  对于煤岩类材料在不同应变速率下的裂纹扩展行为研究为采矿工程实践提供了重要的理论参考，然而该类研究难度较大。为了研究含层理结构各向异性煤样在冲击载荷下的裂纹扩展行为及发育机制，采用霍普金森加载装置对直切槽半圆形煤样进行冲击条件下的断裂特性测试，并采用高速摄像机对冲击过程中裂纹扩展发育特征进行拍摄。利用Matlab和Image J等图像处理软件，进一步分析了层理和加载速率对煤中动态裂纹扩展分形特征的影响。研究表明:层理结构对煤中动态裂纹扩展路径及速度均具有重要影响，45°层理煤样分形裂纹扩展速度最大，而层理倾角为0°煤样的分形裂纹扩展速度最小;层理倾角对裂纹扩展路径的分形维数也具有显著影响，45°时煤样中裂纹扩展路径分维值最大，其次为层理角度22.5°和67.5°，0°和90°最小;同一裂纹的速度峰值和加速度峰值交替出现，且加速度峰值出现在速度峰值之前，裂纹扩展的驱动力可由加速度指标间接表示。考虑瞬时效应和分形特征的若干煤样裂纹扩展速度测试值与瑞利波速接近，且22.5°，45.0°和67.5°层理角度的煤样测试时易出现最高峰值。该试验结果与先前理论假设相吻合，因此获取含结构面煤岩类材料动态裂纹扩展速度时应当充分考虑其分形效应和瞬时特征。研究成果有助于进一步理解掌握含结构面煤岩体受动载扰动下的裂纹扩展分形特征及裂纹速度演变规律。

• 松软低透煤层深孔微差聚能爆破致裂机理

  郭德勇, 张超, 李柯, 朱同功,

  针对松软低透煤层微差聚能爆破致裂增透问题，在分析微差聚能爆破作用过程及影响因素的基础上，利用流固耦合算法建立了微差聚能爆破数值模型，研究了煤体单元应力及裂隙发育特征，并通过煤层深孔微差聚能爆破现场试验探讨了微差聚能爆破致裂机理及对煤层增透的影响。结果表明:深孔微差聚能爆破的新自由面和应力波叠加效应是促进爆生裂隙扩展、衍生裂隙形成的关键因素，炮孔间煤体在短时间内经两次爆破作用使裂隙进一步发育和扩展。先爆炮孔为后爆炮孔提供了新的裂隙面，爆炸应力波经裂隙面绕射、反射并与入射波叠加，使裂隙面附近煤岩体处于拉伸应力状态并促进衍生裂隙的形成;后爆炮孔利用先爆炮孔形成的残余应力场使爆生裂隙密度增加，扩大了煤体致裂范围。微差时间与炮孔间距是影响爆生裂隙扩展特征的重要因素，在其他条件不变的情况下，两者共同作用决定了爆生裂隙的发育形态。当先爆炮孔产生的应力波在微差时间内传播距离小于炮孔间距时，爆炸应力波在两炮孔间煤体中相互叠加增强，随后在裂隙面之间发生反射形成拉伸应力波对煤岩体产生复杂的破坏作用，在原有爆生裂隙间形成新的裂隙。煤层实施深孔微差聚能爆破后增透效果显著，先爆炮孔附近煤体裂隙在后爆炮孔作用下进一步发育，炮孔间煤体裂隙随孔间距减小更易贯通。

• 建井期间平巷冷风输送系统的冷损失

  吴学慧, 陈凡, 王义江, 高涛, 魏京胜, 孙猛, 岳丰田,

  建井期间平巷掘进工作面局部降温系统多采用非保温风筒长距离输送冷风的方法，输送距离可达600 m。由于距离长输送过程中的冷量损失占总制冷量的比重较大，是影响降温系统投资、设计、运行管理的关键因素。为解决该项冷量损失的计算问题，针对建井期间水平巷道的掘进与通风系统尚未贯通的特点，基于风筒内、外风流及风流与围岩间热能的输运与守恒关系，构建了风筒内、外风流温度场的微分方程组;并将巷道内随通风时长变化的不稳定换热系数解析为沿巷道长度变化的空间分布函数，通过数值计算得到了风筒内外温度场的分布及输送过程中的冷量损失。进一步结合工程案例现场实测的结果，分析了降温系统送风风筒入口风温、通风时间与送风距离、送风量等主要设计参数对风筒、内外风流温度场及输送冷量损失的影响。并通过理论计算对比了该案例在通风时长为0，30，90，120，150 d，送风量为300,330,360 m3/min，送风入口风温为16,18,20 ℃时系统的运行特征，结果表明围岩与风流的不稳定换热系数随通风时长增加而减小，并在通风90 d左右后基本达到稳定;受不稳定换热系数变化的影响，风筒内风流的温度沿风流方向增加较为明显;风筒外的风流温度变化随通风时间的增长逐渐变得平缓;系统的冷量损失约为制冷量的5%~9%;送风温度每降低2 ℃，冷量损失平均增大约5%;冷量损失大小与送风距离呈线性正比关系;通风风量每增大10%，冷量损失减小约4.5%。

• 开放管道内煤粉云形成机制及爆炸过程火焰动态行为数值模拟

  李海涛, 陈晓坤, 邓军, 胡湘渝, 王秋红, 翟小伟,

  半密闭空间内煤尘云爆炸火焰传播过程及传播机制更为复杂，影响因素众多，爆炸过程中存在火焰、湍流与压力的相互耦合作用。为揭示开放管道内煤尘云形成机制及爆炸火焰行为动态演化特征，基于计算流体力学、燃烧学及数值传热学等理论，以开口的哈特曼管道为对象，分别对管道内煤尘扩散特征和爆炸过程进行模拟分析。基于物理实验验证及数值模拟研究，分析了煤尘在开口管道内的分散、悬浮及沉降特征，获取了粉尘扩散过程中流场的时空演化特征，得到了煤尘云爆炸过程中的温度变化规律，获取了爆炸过程中火焰动态行为及火焰高度、火焰速度的变化规律，研究了煤粉粒径及点火延时对火焰高度及火焰速度的影响规律，揭示了开放管道内煤粉云爆炸火焰传播的动力学机制。结果表明:①煤尘颗粒经过快速注入、减速分散、自由扩散和沉降阶段并最终形成粉尘云;② 在爆炸的不同阶段，影响火焰形态的因素不同;整个爆炸过程中，火焰阵面演化趋势为:“非球形—飞火及点状火—蘑菇状”;③ 随着爆炸的发展，火焰高度呈现Logistic函数特征，火焰速度呈现先迅速增大后缓慢减小；④ 湍流对均相燃烧及非均相燃烧的耦合影响造成了火焰锋面的不稳定性，火焰阵面热气流对管道口外侧冷气流的卷吸是形成“蘑菇状”火焰的主要原因。

• 液滴在球形粉尘表面的动力润湿特性

  韩方伟, 张金宜, 赵月, 李建,

  液滴撞击、润湿粉尘现象在喷雾除尘中广泛存在，该润湿过程具有明显的动力学特征。为进一步理解液滴对粉尘的动力润湿特性，以液滴形态为监测对象，在欧拉框架下采用VOF数值模拟法，对液滴进行表面追踪，研究了液滴撞击球形尘粒前的形变特征及其与尘粒撞击过程中的动力润湿特性，分析了液滴撞击速度、液尘粒径比与无量纲展铺系数、无量纲液滴中心高度的关系。结果表明:在近尘时，随着液尘粒径比的增大，液滴形变程度降低。液滴速度越大，其形变程度越大。随着粒径降低，液滴抵抗形变能力逐渐增强。液滴撞击尘粒后，界面处存有气泡，阻碍液滴润湿尘粒，且气泡可发生断裂。液滴速度越大，气泡在压力和剪切应力作用下断裂越快。液滴展铺过程中，速度越大，越易达到最大展铺系数和最小液滴中心高度。随着液尘粒径比增大，初始无量纲液滴中心高度增大。液滴撞击尘粒表面后，无量纲液滴中心高度逐渐降低，其变化幅度逐渐降低。尘粒粒径分别为20,200,2 000 μm时，随着液尘粒径比增大，无量纲展铺系数相应减小，液尘粒径比大于1时，增大液滴粒径不会提高对尘粒的包裹程度;展铺结束后，有少部分微液滴滞留在尘粒表面。尘粒粒径为2 μm、粒径比在0.5~1.5时，液滴展铺过程受到明显抑制，尽管粒径比大于1时无量纲展铺系数最大值稍有增加，但增加量十分微小;展铺结束后，液滴整体滞留在尘粒表面。

• 煤的显微组分定义与分类(ICCP system 1994)解析III:腐植体

  代世峰, 刘晶晶, 唐跃刚, 姜尧发, 任德贻, 赵峰华, 邵龙义, 赵蕾,

  国际煤地质学杂志(International Journal of Coal Geology)在2005年发表了褐煤腐植体显微组分的分类方案。由于我国没有低阶煤中腐植体的显微组分分类方案，因此“ICCP System 1994”中关于腐植体的显微组分的定义和分类方案对我国学者更具有特殊的意义。该显微组分分类方案(ICCP system 1994)在原分类方案的基础上，对腐植体显微组分的分类进行了修订，以便能够使其与其他显微组分，特别是镜质体分类中的相关术语更相匹配。该分类方案将腐植体显微组分为3个亚组，分别是结构腐植体亚组、碎屑腐植体亚组、凝胶腐植体亚组;每个显微组分亚组又分为2个显微组分，显微组分可以进一步分为显微亚组分以至显微组分种。虽然本分类方案主要针对的褐煤(指腐植体平均随机反射率低于0.4%的低阶煤，或称之木质褐煤)，但适合于褐煤和亚烟煤，主要是因为镜质体和腐植体，以及次级的显微组分亚组之间具有对应的关系，因此，“ICCP system 1994”分类方案的腐植体和镜质体2种分类体系可以并行使用。目前，在显微组分以及细化的分类方面，研究者可根据低阶煤的性质和分析目的，选择腐植体和镜质体2个分类体系中的其中一种使用。这与新的ISO煤的分类方法一致。在ISO分类中，也涵盖了低阶煤，并且提出，对于低阶煤可联合使用腐植体和镜质体2种分类方法。

• 华南龙马溪组海相页岩溶剂抽提物的GC-MS分析

  陈凤杰, 张小东, 杨燕青, 刘晓, 李贵中, 张硕,

  华南志留系龙马溪组海相页岩是我国页岩气勘探的重要目标层位，为了解华南地区龙马溪组海相页岩中可溶有机质的化学组成特征，采用正己烷、氯仿、丙酮、甲醇4种不同极性溶剂对来自重庆涪陵、云南昭通、湖北宜昌地区的龙马溪组页岩样品进行了索氏抽提，通过气相色谱/质谱联用仪(GC/MS)对抽提物的化合物组成进行了测定。研究发现，华南龙马溪组海相页岩的溶剂抽提率普遍较低(0.02%～0.73%)。相比而言，云南昭通龙马溪组下段页岩的溶剂抽提率最高，其次为重庆涪陵和湖北宜昌的龙马溪组下段页岩，重庆涪陵龙马溪组中段页岩抽提率明显低于下段;不同溶剂抽提率对比，氯仿抽提率最高，其次为甲醇和丙酮，正己烷的抽提率最低;华南龙马溪组页岩中的可溶有机小分子化合物由微量的芳香烃、少量的脂肪烃和大量的含杂原子化合物组成，脂肪烃主要为烷烃及脂环烃，杂原子化合物中酯类较多，其次为卤代烃，醇类和酮类较少，其中邻苯二甲酸酯类和1-碘-2-甲基十一烷占有重要地位;不同地区页岩可溶有机质组成相比略有差异，表现为重庆涪陵龙马溪组中段页岩中脂肪烃相对较少，重庆涪陵龙马溪组下段页岩中脂肪烃和卤代烃相对较多，云南昭通龙马溪组下段页岩中醇类少、酮类稍多;正己烷、甲醇、丙酮溶剂对页岩中含氧小分子化合物有较好的溶出能力，氯仿溶剂对脂肪烃、卤代烃和含氧小分子化合物均有较好的溶出能力；正己烷和甲醇抽提物主要组分为酯类，氯仿抽提物主要组分为酯类、卤代烃和脂肪烃，丙酮抽提物主要组分为酯类、酰胺类、酮类和醇类。研究认为，华南龙马溪组海相页岩的溶剂抽提率、可溶有机质中脂肪烃和卤代烃含量受到沉积环境和沉积物组成的影响，可作为潜在的指相参数。

• 采矿与气候变化对戈壁矿区土地生态系统的影响——以准东煤炭基地为例

  于昊辰, 陈浮, 尹登玉, 韩晓彤, 牟守国, 雷少刚, 卞正富,

  新疆煤炭富集、植被稀疏、生态脆弱与气候干旱并存，亟待破解煤炭开发与生态保护的矛盾。为此，选取准东煤炭基地为研究对象，利用2000—2020年18期 Landsat多光谱遥感影像提取干旱遥感生态指数(IARSE)，并运用逐像元趋势分析法揭示准东IARSE时空演变，借助多元回归模型与残差分析解析采矿与气候变化对戈壁矿区土地生态系统质量的影响机制。结果表明:① 近20 a研究区平均IARSE为0.403 8，以中等(44.22%)与较差等(41.27%)为主，优等仅占1.57%。退化占比(41.19%)远高于改善(7.05%)，且矿山尺度退化占比超85%。② 气候条件模拟的I′〖KG-*2〗ARSE呈西南向东北递减的格局。2006年之后气候变化改善了I′〖KG-*2〗ARSE，主要集中在大井东部、将军庙东北部、西黑山北部，退化则主要分布于五彩湾矿区。③ 采矿对土地生态系统质量具有负效应，平均残差为-0.128，采矿诱发的退化集中于新增矿区与新建道路两侧，呈“点—线—网—面”退化格局。④ 戈壁矿区土地生态系统质量主要受气候变化影响，采矿影响较小，但2者对IARSE改善区与退化区作用不同，气候变化与采矿对改善区贡献率分别为88.53%与11.47%，对退化区则分别为58.68%与41.32%。综上认为，戈壁矿区煤炭开发应规避自然保护区，尽量减少不必要的路网建设，重视道路两侧生态防护与修复，避免生态沿路向外进一步退化。此外，可依托近年气候利好趋势，辅以必要的人工诱导，推动戈壁矿区整体保护、系统修复与综合治理。

• 振动流化床流化特性与细粒煤干法分选

  董良, 张亚东, 赵跃民, 段晨龙,

  将振动能量引入气固分选流化床，形成振动分选流化床，将煤粉和磁铁矿粉混合作为二元复合加重质，利用微差压传感器在线采集床层压力信号，并采用信号时频分析方法将信号进行划尺度分解，从微观角度分析振动流化床分选过程中的流化行为特性，研究振动能量对分选流化床流化质量的作用，并利用床层压力信号能量量化研究压力波动与不同流化现象的响应;基于对6~1 mm细粒煤分选试验结果的研究，结合床层中气泡行为的演变规律，提出了细粒煤分选效果的颗粒混合熵评价方法，研究了6~1 mm细粒煤在振动流化床中的分选特性及气泡运动行为对细粒煤离析分层效果的影响。结果表明，气泡引起压降信号的能量随着气速的增加，呈先增加后降低的趋势，随着振幅和频率的增加，气泡引起的压降信号能量逐渐增大，但床层压降信号的总能量随着气速、振动频率和振幅的增大逐渐增加。此外，通过对精煤和矸石组分的颗粒混合熵判定2组分的离析程度发现，随气速的增大，颗粒混合熵的变化趋势先降低后升高，随着振动频率和振幅的增加，精煤和矸石的颗粒混合熵逐渐增大，且在振幅A=2 mm，频率f=20 Hz，流化气速v=12 cm/s条件下，床层压力波动的能量和颗粒混合熵最低，床层压降波动平稳，床层密度分布均匀，对6~1 mm 细粒煤具有最佳分选效果，其分选精度E值为0.095 g/cm3，精煤灰分为9.59%。

• 不同体积分数氧气气化剂下煤炭地下气化过程㶲分析

  单佩金, 梁杰, 王皓正, 陈晨晨, 杨彦群, 王翠兰, 金永传,

  开展煤炭地下气化过程中能量转化环节效率优化,有利于提高煤炭地下气化系统实际生产效率和经济性。利用煤炭地下气化模型试验系统,进行了不同气化剂氧气体积分数条件下的地下气化模型试验,并结合热力学第1定律和热力学第2定律建立了煤炭地下气化系统㶲评价模型。结合实际试验数据和物料平衡、热量平衡、㶲平衡等理论模型,分析了不同氧气体积分数的气化剂对煤炭地下气化系统㶲效率及不可逆㶲损的影响。结果表明,煤炭地下气化系统是具有较高有效能量转化效率的系统;气化剂氧气体积分数是影响煤炭地下气化系统㶲效率的主要因素之一。在气化剂氧气浓度为40%,60%和80%条件下,煤炭地下气化炉的综合㶲效率分别为67.47%,73%和78.52%,外供㶲效率分别为47.36%,61.00%和57.73%,不可逆㶲损分别为32.53%,27.00%和21.48%。提高氧气体积分数可以显著提高系统的㶲效率并降低不可逆㶲损失;在利用纯氧作为气化剂时,地下气化系统㶲效率可达到84.72%,外供㶲效率可达68.86%,不可逆㶲损可低至15.28%。对比地面气化系统,煤炭地下气化系统的有效能转换率大于高炉系统和发生炉系统、低于焦炉煤气的生产过程。水碳比是影响外供㶲的主要因素之一,通过提高绝热燃烧温度、减少煤炭地下气化系统的热量损失和提高传热系数可以降低不可逆㶲损。

• 粉煤气化细灰微观结构及表面特性试验研究

  张燕, 乐恺, 于卓艺, 张欣茹, 张欣欣,

  粉煤加压气化技术合成气热量回收装置内的积灰使其换热效率大幅降低，如何避免或减少积灰是该技术研发的关键。为分析不同粉煤气化工艺中热量回收装置内的积灰问题，选取2种典型粉煤气化工艺产生的细灰，即来源于上行气激冷工艺的细灰A和来源于下行水激冷工艺的细灰B，对其微观结构及表面特性进行了试验研究，分析了2种细灰的黏附特性，探究了2种细灰差异的主要原因。采用激光粒度分析仪测量了细灰的粒径分布，采用扫描电镜观测细灰的微观形貌，并根据能谱分析测定细灰表面的元素含量，采用毛细渗透法测得了2种细灰的超纯水接触角，并根据Neumann状态方程计算得到细灰的表面能。结果表明，细灰A的颗粒呈规则球形，体积分数累积分布最大的颗粒直径dd为1.2 μm，表面不含碳元素;而细灰B大部分为结构疏松的不规则大颗粒(dd为45 μm)，表面含碳量高;细灰A和细灰B的超纯水接触角分别为39.69°，79.06°，表面能分别为56.77和26.85 mJ/m2，细灰B的表面能显著低于细灰A;基于黏附功及临界黏附力的分析发现，在热回收装置中以范德华力为主要黏附作用力的区域，细灰A将比细灰B更容易黏附，且难以靠重力或机械振打清除。结合气化工艺过程的分析认为，造成2种细灰差异的主要原因是气化工艺中细灰和粗渣分离方式的不同，上行气激冷工艺中决定分离的主要作用是气化室内的旋流作用，而下行水激冷工艺中则是激冷室内的水浴分离作用;热回收装置内的积灰除考虑细灰本身的特性外，还需考虑工艺条件对于细灰量的影响。表面能测量方法降低了堆积状态差异造成的试验结果偏差，可作为粉煤气化细灰表面能的定量分析方法。

• 煤与催化裂化油浆共热解特性及气体逸出规律

  袁泉, 张乾, 梁丽彤, 涂椿滟, 向欣宁, 刘建伟, 黄伟,

  煤油共炼改变了单一的煤炭直接液化和重油加氢裂化加工模式，降低了煤液化的操作难度，开辟了煤直接液化和重油轻质化的新途径，为推动煤炭和重油高效清洁转化、保障国家能源安全提供了技术支撑。然而煤油共炼常在高压、催化、加氢的条件下进行，难以直接获得共转化过程中煤和共炼油热裂解行为匹配特性，也不利于区分不同组分间的相互作用。选取一种低变质烟煤和一种催化裂化油浆(FCC油浆)为原料，利用热重-质谱联用技术研究了煤与FCC油浆单独热解和不同掺混比例下共热解的反应特性，探讨了煤和油浆本征热解的匹配性。结果表明，FCC油浆热解的起始温度，峰值温度和结束温度要远低于煤样，其产生的挥发分量则明显高于煤样。共热解实验曲线与计算反应曲线分析发现，反应初始阶段(200~400 ℃)，煤样与油浆混合样品的热解曲线明显向低温区偏移，表明该阶段煤与FCC油浆共热解反应有协同作用，但当反应温度大于400 ℃后，由于此时大部分FCC油浆已经挥发，生成的残焦与煤共热解没有明显的相互作用。结合在线质谱，发现在FCC油浆热解温区，出现煤热解反应产生的CO2和CO气体逸出峰，分析可能是由于FCC油浆的溶剂效应，或是其含有的活性金属，使煤中的部分醚键、羟基或含氧杂环分子发生了断键反应。通过煤灰与FCC油浆共热解没有相互作用、而FCC油浆对脱灰煤在低温区(200~400 ℃)的热解有一定促进作用，进一步验证了上述结论。

• L1范数约束的随掘地震噪声衰减

  刘强,

  煤矿随掘地震勘探将掘进机截割煤岩的振动能量作为震源，规避了炸药震源具有危险性隐患及防碍正常施工的缺陷，具备在煤矿开展正常掘进作业的同时进行井下地震勘探的优势。但与炸药震源相比，掘进机截割煤岩的能量较低，通过互相关得到的类脉冲源的信噪比低;并且，由于煤矿井下狭小的掘进空间里布设了各类设备，导致环境噪声频率成分复杂且能量通常较大，进一步降低了采集到的随掘信号的信噪比，影响了后续偏移成像等数据处理质量。将煤矿随掘地震信号的噪声衰减视作求解一个反问题，并基于互相关的随掘信号在时频域的系数分布相对于环境噪声呈现稀疏性的特征，提出了在反问题的求解过程中嵌入L1范数的约束，然后通过快速迭代算法求解该反问题以达到噪声衰减的目的。与传统阈值类小波去噪方法相比，由于本方法降低了时频系数扩散的影响，提高了时频系数的分辨率，当信号频率成分复杂时，噪声衰减后有效信号保真度更高。分别通过模拟和实际数据验证了方法的有效性。其中，模拟数据的频率分布由2种形式组成:主频(40,60 Hz)独立分布以及(20,60 Hz)重叠分布，并在其基础上合成了3类不同信噪比的含噪信号(信噪比分别为10.8,6.8和1.2)。传统方法和本方法的去噪结果证实:当信噪比较高以及主频独立分布时，传统方法和本方法的噪声衰减效果相当，而对于低信噪比并且主频有重叠的信号，本方法的去噪信噪比可以达到传统方法的4倍左右。而由于实际地震勘探数据的频率成分更复杂，通过2种方法用于实际信号的去噪效果对比，可以看出本方法在保持信号变化趋势及保护信号细节方面更具优势。

• 基于探地雷达的特厚煤层厚度动态探测技术

  刘万里, 马修泽, 张学亮,

  煤层厚度动态探测对于提升工作面煤层三维模型局部精度及实现智能化精准开采具有重要意义。而现阶段煤厚探测普遍以薄煤层为主很少涉及特厚煤层，且在进行煤厚计算时主要使用单一的介电常数进行计算，探测方式大多为静态点测，探测效率较低且测点之间的探测精度难以控制。为提高特厚煤层三维模型局部建模精度，迫切需要对工作面两巷区域的特厚煤层信息进行动态探测。为此，在详细分析了目前特厚煤层厚度探测存在的问题基础上，提出基于带通滤波的煤岩界面识别技术、煤层介电常数精确校正技术、基于时间同步的探测数据定位技术，实现了两巷特厚煤层厚度的动态测量。主要研究思路是:首先，在钻孔位置利用探地雷达对煤厚信息进行静态探测获取煤岩分界面数据，利用钻孔数据与雷达探测煤岩界面信息对煤层的介电常数进行校正;其次，利用插值法获取相邻两钻孔之间的煤层介电常数，探地雷达结合单片机与加速度计测量信息实现对钻孔之间煤厚信息动态探测，精确计算出探地雷达位移量，并利用井下巷道开拓时已标记的距离信息对雷达位移进行校正;最后，基于时间同步原则将探测数据与位移进行匹配，实现探测数据精确定位，融合校正后的介电常数与带有位移信息的探测数据准确计算出各个探测位置的煤厚信息。在塔山煤矿试验结果表明特厚煤层动态探测误差小于10%，满足煤层三维模型局部建模垂向精度的要求，验证了该方法进行特厚煤层厚度动态探测的有效性。