煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2024年第1期

• 煤炭工业数字智能绿色三化协同模式与新质生产力建设路径

  刘峰, 郭林峰, 张建明, 王蕾,

  煤炭工业是支撑我国经济社会高速发展和保障国家能源安全的压舱石与稳定器，承担着能源保供与支撑新能源稳定发展的时代使命，煤炭工业的高质量发展既是落实我国能源安全新战略与产业体系变革的关键，也是推进能源产业可持续发展与促进国家高质量发展的基础。当前我国煤炭工业高质量发展已取得阶段成效，能源保供成绩显著，产业结构不断优化，科技创新能力显著提高，绿色开发与清洁高效利用持续推进。但当前煤炭工业仍面临诸多挑战，发展水平与中国式现代化的国家需求差距较大，可持续发展受多重因素制约，数字技术与煤炭开发利用尚未深度融合，智能化建设仍处于示范培育阶段，绿色化发展不平衡且矛盾突出，煤炭工业的转型升级仍然任重道远。结合当前煤炭工业发展现状与挑战，提出了数字化、智能化、绿色化(三化)协同的发展模式，明确了煤炭新质生产力的核心内涵，构建了三化协同发展煤炭新质生产力的总体架构，阐述了通过数字化变革生产要素创新配置、智能化引领关键技术跨越突破、绿色化主导传统产业深度转型三大要素催生煤炭新质生产力的技术路径，提出了六大技术体系：通过研发全产业链数据高效采集与深度治理技术体系，打通煤炭产—运—储—销—用全流程的数据壁垒；通过研发构建煤炭行业知识图谱与智能决策管控技术体系，深度挖掘煤炭产业上下游各业务场景的关联关系与价值，为煤炭生产利用全流程的自主决策与智能控制奠定基础；开展煤炭资源智能–绿色–高效开发技术体系、煤炭产业安全协同保障技术体系、矿区生态智能监测–预警–修复技术体系、煤炭柔性开发与清洁低碳利用技术体系研究，实现煤炭开发利用全产业链、全流程的三化协同发展，培育形成煤炭新质生产力，为煤炭工业的整体形象带来根本性变革提升。

• 采动力学与岩层控制关键理论及工程应用

  宋振骐, 文志杰, 蒋宇静, 蒋金泉, 石永奎,

  研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采、保障能源稳定供给具有重要意义，是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害(围岩变形、冲击地压等)频发，其形成–演化–发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰动和能量演化密切相关。基于实用矿山压力控制理论，提出并阐述了采场岩层控制进展与控制准则，建立了定量分析的力学模型和设计方法，发展了针对性的岩体灾害控制技术，并创新研制了配套试验研究装备。采动力学与岩层控制理论将岩层控制分为采场岩层控制和巷道围岩控制；提出控制或利用采动岩层运动改变致灾条件，给出“给定变形”和“限定变形”准则；调控“3S”因素准则(围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构)改变围岩自稳能力。以岩体灾害控制为目标，提出了以“应力主控”为核心的释能主控技术；建立了岩体灾害控制大小原理和弱面判据(安全系数K、冲击危险性系数U)；研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统，实现了实验室尺度还原采动力作用下岩体变形–破裂–运动过程，为研究采动力作用下岩体力学响应提供了试验装备；分别从采场岩层控制、地质软岩巷道控制、工程软岩巷道控制及冲击地压控制4个方向进行了工程案例研究，相关研究成果在工程应用中得到了验证。

• 煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

  谢和平, 张吉雄, 高峰, 李百宜, 李存宝, 谢亚辰, 周楠,

  矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题，近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而，现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈，对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标，提出了负碳高效充填开采技术全新构想，系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵，提出和建立了由CO2、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO2 Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想；提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上，明确了煤矿负碳高效充填开采“基础研究—技术攻关—工程示范”的“三阶段”发展规划，构建了煤矿负碳高效充填开采理论与技术体系构想；评估了煤矿负碳高效充填CO2封存能力，可望实现煤炭负碳开采、低碳利用的煤炭开发利用全过程自身实现碳中和的新格局。

• 新型能源体系发展背景下煤炭清洁高效转化的挑战及途径

  谢克昌,

  当今世界地缘政治风险加剧、气候环境问题凸显，能源转型变革加快。在此背景下，构建更加适应形势变化的能源体系对提高我国能源供应系统的可持续性及安全稳定性意义重大。目前我国化石能源仍占据主体地位。油气资源存在能源安全问题及新能源技术水平有待提升，中国短期内对煤炭能源仍将保持较高依赖性。因此，推进煤炭清洁高效转化对于新型能源体系的构建具有重要意义。首先对新型能源体系的具体内涵与构建方向展开讨论，并在此基础上，对新时代中国煤化工产业的发展现状以及面临的机遇与挑战进行了阐述，以期为煤炭的清洁高效转化技术的进步及煤化工产业的未来发展提供建议。新时代要求赋予新型能源体系更多的内涵。因此从战略上看，未来能源体系应具备“安全高效、清洁低碳、多元协同、智能普惠”多个特征，这也对煤炭产业的清洁高效发展提出了更高的要求。我国的煤炭清洁高效转化已取得显著进步，但多个关键技术仍亟待突破。结合煤炭产业转型发展与“双碳”目标关系的系统性认识，在新型能源体系建设的需求下，推进煤炭清洁高效转化对于社会经济发展、助力“双碳”目标实现具有重要意义，其关键在于加强该领域相关学科专业的基础研究和煤炭清洁高效转化技术的创新开发。

• 西部干旱半干旱煤矿区生态环境损伤特征及修复机制

  彭苏萍, 毕银丽,

  我国煤炭开发重点已战略西移，实现煤炭资源绿色开采与生态协调发展，成为保障国家能源安全的重要举措之一。西部煤层大多数埋藏浅、上覆基岩薄、煤层厚，有利于一次采全高大规模井工开采或露天开采。但该地区气候干旱少雨、生态条件脆弱，大规模高强度对矿区及周边生态环境造成的损伤大。由于对开采过程中生态损伤演变机制及采后修复机理尚不清楚，没有成熟的修复理论和方法作指导，成为制约该地区煤炭高质量发展的重大难题。针对上述难题开展系统研究，认为精准勘测煤炭开采全周期工作面地质–水文地质条件和矿区生态演化特征，有助于阐明开采诱致上覆土岩破损机理、水资源散失富集与循环调运规律、生态损伤演变机理和承载力，并揭示采后矿区土岩层、水资源循环、生态自适应机理。采用植物–微生物组合修复方法，初步构建井工和露天矿山人工与自然协同的水–土–生立体耦合修复理论，提出了生态修复机制的新思考，在浅埋深矿区开采形成的裂缝发育犹如农田松土一般，成为生态修复新的契机，促进水–土–生再分配，并利用微生物修复技术，可促进矿区生态环境的正向协同发展，实现西部煤矿脆弱生态区开发“金山银山”，再造“绿水青山”的思维转变。

• 高潜水位采煤沉陷区资源化、能源化、功能化利用构想与实践

  袁亮, 徐良骥,

  高潜水位矿区井工开采往往造成地表大面积沉陷积水，矿区生态环境发生变化，沉陷区国土资源由以土地资源为主转变为水资源为主、水土资源共存的局面。目前，采煤沉陷区水资源开发利用不充分，可再生能源开发、多能互补利用和废弃矿井抽水蓄能等方面具有得天独厚的条件和巨大发展潜力，采煤沉陷区国土空间功能也需结合现有条件重新定位与建构。在此背景下，提出高潜水位采煤沉陷区资源化、能源化和功能化利用构想。系统阐述了“三化”面临的科学问题，如采煤沉陷水域水资源量和水生态环境演变规律、地表残余变形规律；“三化”涉及的关键技术与模式，包括监测与评价技术，如“天–空–地–水–井”一体化协同监测技术体系、采煤沉陷区水生态环境调查评价方法、采煤沉陷区建设场地地基稳定性评价方法，以及治理利用技术及模式，如采煤沉陷区水生态环境修复技术模式、采煤沉陷区水资源保持与高效利用技术模式、水资源区域协调开发与高效利用技术模式、风光互补模式、制氢–合成氨–掺氨燃烧发电模式、废弃矿井抽水蓄能模式、农业用地功能构建(复垦地土壤重构)技术、建设用地功能构建(采空区注浆地基加固)技术、生态用地功能构建(地表水系重构与生态湿地建设)技术；并从产业融合、资金筹集、科技创新、区域统筹等方面提出了具体的政策建议。

• 深部采矿岩石力学进展

  何满潮, 武毅艺, 高玉兵, 陶志刚,

  随着煤炭开采日益向深部发展，深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下，深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题，论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展，主要包括：① 提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法，进行了千米深井现场工程应用；② 构建了深部“非均压建井”模式，研发了实现深井稳定提升的SAP系统，形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法；③ 研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统，揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性；④ 研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统，阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为；⑤ 提出了深部巷道开挖补偿支护理论，进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术；⑥ 研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统，提出了热害治理和热能资源化利用方法，建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用，可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。

• 煤矿地下水库技术原创试验平台体系研制及应用

  顾大钊, 曹志国, 李井峰, 吴宝杨, 张勇, 蒋斌斌, 郭强, 王汉鹏, 武洋, 史小萌, 王路军, 杨毅, 查尔晟,

  煤炭是我国主体能源，西部是我国煤炭主产区，矿井水保护利用是煤炭开发面临的重大技术难题。国家能源集团煤炭绿色开采技术研发团队经过20多年持续技术攻关，首创了煤矿地下水库技术，在西部神东矿区推广应用，为矿区开发提供了95%以上用水，确保了矿区可持续开发。为进一步丰富完善煤矿地下水库理论和技术体系，在西部煤炭主产区不同地质和工况条件下推广应用该技术，保障国家能源安全和水资源安全，研发团队构建了煤矿地下水库原创技术试验平台体系，包括煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台、多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台、煤矿地下水库坝体结构试验平台、西部深部井工矿井筒施工模拟试验台、地下水库水岩耦合机理试验、水处理工艺集成试验平台、煤矿地下水库冲击试验平台等，能够开展西部矿区不同煤层赋存条件下地下水运移规律、坝体结构参数优化、水库安全稳定性、水岩耦合作用机理、矿井水处理工艺参数优化、垮落岩体垮落冲击对坝体影响等研究，为煤矿地下水库建设、运行和安全提供理论支撑和技术验证。利用上述试验平台，开展了多煤层开采煤矿地下水库稳定性及渗流规律模拟、煤矿地下水库坝体结构安全、煤矿地下水库水岩耦合机理等多项试验研究，相关研究成果已应用于现场工程实践，确保了煤矿地下水库安全稳定运行。

• 矿山环境正效应开发利用适宜性评价理论与方法

  武强, 张守成, 刘宏磊, 曾一凡,

  改革开放以来，矿产资源开发为国家经济发展做出巨大贡献，由于多数矿产资源具有不可再生性，相当数量的矿山面临着资源枯竭、关闭。如何开发利用这些矿山所留下的矿山环境正效应资源将成为延长矿业产业链、保障能源绿色低碳发展、实现 “碳达峰、碳中和”战略目标的重要支撑。为了科学开发矿山适宜的环境正效应资源，以矿山环境正效应开发利用中的“资源、能源、科普文娱、生态碳汇”4类目标为研究对象，基于矿山供给本体特征、特定市场需求及开发利用条件的“供给(Supply)–需求(Demand)–开发(Development)”(SDD)约束组合，创建了包含6类一级约束、38个相应属性二级约束的矿山环境正效应开发利用评价约束体系；根据开发利用目标导向的原则，依据目标特征组建了18项实施项目单目标评价指标集；构建了单目标适宜性评价模型，引入三角模糊数确定指标权重，并依据适宜性指数划定了“适宜、较适宜、较困难、困难”四类适宜性分级标准。此外，鉴于矿山环境正效应开发利用系统复杂性，剖析了各开发利用目标的逻辑关系，提出了基于经济、生态、社会效益综合最优理念的矿山环境正效应开发利用多目标线性评价理论，通过理想点法或单目标线性规划求解，获取矿山环境正效应开发利用多目标效益综合最优解或最适宜集。最后，从国家战略、社会需求、流域生态、正效应市场开发等角度，展望了矿山环境正效应开发利用及其系统评价落地的重要意义。

• 煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

  康红普, 姜鹏飞, 王子越, 张小峰, 刘畅, 罗超, 韦尧中, 郭吉昌, 陈志良, 王锐, 韩存地, 李发泉, 何宗科, 苏超,

  分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题，介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备，包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统，将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序，实现了锚杆自动化“一键”打设，单根锚杆作业时间由原来5～6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备，包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料，抗拉强度超过9 MPa，断裂伸长率超过100%，黏结强度高于3 MPa；研发出6自由度喷涂系统，可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统，实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测，监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式，研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测，在时间上，巷道掘出2～3 h后80%以上的围岩位移已经发生；在空间上，距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置，90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成，要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程，打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低，掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定，支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功，具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500～2000 m的能力。

• “双碳”目标下煤炭绿色低碳发展新思路

  王双明, 刘浪, 朱梦博, 申艳军, 师庆民, 孙强, 方治余, 阮仕山, 何伟, 杨潘, 王建友,

  在“双碳”目标背景与当前技术条件下，“煤” “废” “碳”构成了煤炭的“不可能三角”，严重制约着煤炭行业的绿色低碳可持续发展。秉持“以废治废” “从哪里来到哪里去”的原则，着眼“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用、“碳”的低碳化处置三维视角，探索“煤”“废”“碳”协同发展路径，为破解煤炭“不可能三角”和推动煤炭绿色低碳发展提供全方位解决方案。具体包括：① 阐明了“煤”的减损化开采科学内涵，明确了生态脆弱区含(隔)水层空间组合特征、采煤减损技术应用下的覆岩移动规律和覆岩采动损伤下的地表变形规律等减损化开采科学问题，提出了面间煤柱“掘–充–留”一体化、窄条带式充填开采和综采架后充填开采等减损化开采技术；② 阐明了“废”的功能化利用科学内涵，明确了固废功能化利用的科学问题，包括镁–煤基固废原材料改性方法与机理、多元固废协同作用机制、全固废充填材料性能调控理论3个方面，形成了以固废原材料改性、固废基胶凝材料研发、全固废充填材料制备为核心的固废功能化利用关键技术体系；③ 阐明了“碳”的低碳化处置科学内涵，提出了“碳”的低碳化处置科学实践框架和实施路径，厘清了在“碳”的低碳化处置过程中关于矿化材料制备、封存空间构筑、CO2封存机理与调控、CO2封存长期环境效应和储库稳定性等方面的科学问题，明确了碎胀空间CO2封存、煤矿CO2固碳充填等关键技术，形成了利用煤矿采空区实现CO2低碳封存的新模式。立足煤炭绿色低碳可持续发展，协同推进“煤”的减损化开采、“废”的功能化利用与“碳”的低碳化处置，对推动煤炭行业“双碳”目标实现具有重要意义。

• 地铁双线隧道下穿既有车站冻结加固冻胀控制措施

  陈湘生, 丁航, 李方政, 陈曦, 高伟, 王恒, 王磊, 陈汉青,

  针对城市长距离大断面地下空间冻结工程的冻胀特性问题，依托上海地铁18号线国权路站双线隧道下穿既有车站冻结工程，基于热力耦合方程，利用有限元软件建立三维数值模型，结合室内试验所得物理参数，研究该工程的冻胀位移场演化规律，并探究错峰冻结、调整盐水温度等措施对冻胀位移场的影响规律。在本试验条件下，研究结果表明：① 冻胀引起的车站底板变形主要发生于积极冻结期；双线隧道同时冻结模式下，冻结45 d时车站底板竖向位移量达到冻结90 d时竖向位移量的77.72%。② 冻结90 d时，错峰冻结工况下车站底板竖向位移量较双线隧道同时冻结时减小了7.7%，表明错峰冻结避免了同一时间段内的冻胀叠加效应，一定程度上降低冻胀效应。③ 冻结90 d时，调整盐水温度工况下车站底板竖向位移量较温度调控前减小34.2%；表明调整盐水温度可控制冻土扩展速率，有效降低冻胀效应。实际工程中，采用错峰冻结、调整盐水温度等措施协同控制冻胀，车站底板最大竖向位移为25.41 mm；数值模拟所得车站底板抬升规律与实测数据基本一致，有效指导了工程施工。

• 智慧矿山系统工程及关键技术研究与实践

  王国法, 庞义辉, 任怀伟, 战凯, 杜明, 张勇, 程健, 杜毅博, 张建中, 巩师鑫, 王丹丹, 孟令宇, 孟积渐,

  针对智慧矿山复杂巨系统建设过程中存在的问题，提出了智慧矿山建设的总体技术架构，并分别从智慧矿山系统模型构建、地下空间重构与模型动态更新、机器视觉测量技术、瓦斯环境射频防爆测试方法、矿山安全闭环管控体系、智慧矿山标准体系等方面进行了详细阐述。将智慧矿山分为信息感知支撑层、边缘计算层、云数据中心、多型网络、矿山智能生产管控平台、矿山智能生产系统、智慧矿山运维管理系统，构建了基于多系统深度融合的智慧矿山技术架构。基于智慧矿山知识图谱及信息抽取技术，构建了以数据创新为驱动、通信网络为基础、数据算力为核心的智慧矿山系统模型。构建了以机器视觉感知信息为主、其他感知信息为辅的矿山井下三维视觉空间模型，提出了矿山井下场景三维视觉与空间重建框架，实现了矿山井下三维空间重构与动态更新。开发了基于机器视觉技术的井下设备位姿与煤岩界面识别算法，实现了对井下综采装备群及煤岩分界面的同时空测量。探讨了井下瓦斯环境下现行防爆标准对5G基站功率的限制及存在的不足，设计开发了射频电磁能防爆专用试验装置，为提升井下5G基站功率阈值提供了方法借鉴。提出了融合灾害信息全面感知、防控方案自主决策、防控装备协同控制的矿井灾害闭环管控系统技术架构，实现井下灾害的超前预测预警与协同防控。构建了智能化煤矿标准体系框架，剖析了我国煤矿与金属矿山智能化建设典型案例，提出了智慧矿山建设发展趋势及建议。

• 低碳化现代煤基能源技术体系及开发战略

  葛世荣, 樊静丽, 刘淑琴, 宋梅, 鲜玉娇, 王兵, 滕腾,

  煤炭为人类社会工业化进程做出了重要贡献，为保障我国能源安全和经济平稳发展发挥了关键支撑作用。从19世纪中期开始，煤炭、煤油、煤气、煤电共生的煤基燃料逐步进入规模化使用时代。但是，传统的煤炭利用产生高碳排放，成为能源转型的重大难题。面向生态文明社会发展，煤炭清洁高效利用迫在眉睫，现代煤基能源技术创新势在必行。首次提出现代煤基能源技术体系定义及内涵，将其定义为基于煤炭原料的创新转化而生产具有低碳属性的煤基气、煤基油、煤基氢和煤基电等能源产品，并在矿区原位消纳二氧化碳，形成具有碳中和能力的清洁低碳能源生产系统，其技术内涵包括煤基气、煤基油、煤基氢、煤基电和矿区动态碳中和，共有5个技术模块、19个技术单元和61项关键技术。现代煤基能源技术体系在未来新型能源体系中将发挥“一主体三支撑一突破”的重要作用，即煤基电在我国电力保障中的“以煤稳电”主体作用，煤制油在我国油品安全的“以煤增油”支撑作用，煤基气对我国燃气安全的“以煤补气”支撑作用，煤基氢气对我国氢能发展的“以煤助氢”支撑作用，实现煤基能源动态碳中和技术的“以煤固碳”重大突破。当非化石能源与低碳化煤基能源之比保持在2.5～3.0，煤基能源及油气能源与风光水核能源可实现合理融合，组成具有强互补性、高可靠性、低碳排放的新质能源系统。研究预测，基于现代煤基能源技术实现重大突破和实际应用，2060年我国低碳化煤基能源产量可达10.2亿～14.6亿t标准煤，相当于全国能源需求量的18%～24%，二氧化碳排放量控制在5亿t以下，与目前基于“去煤化”的能源转型规划路径相比，煤炭在我国能源体系中的占比从10%提高到20%以上，二氧化碳排放量降低了50%。届时，现代煤基能源体系对我国能源安全保供和二氧化碳减排具有重大技术创新意义，助力我国走向能源自主独立强国。

• MILD粉体燃烧技术研究进展与关键问题分析

  吕俊复, 冯乐乐, 吴玉新, 张海,

  MILD燃烧是一种在中度或极度低氧环境下发生的温和燃烧模式，兼具高燃烧热利用率和极低NOx排放的优势，国际燃烧领域认为它是拥有巨大应用潜力的清洁燃烧技术之一。自1990年左右开展相关研究以来，对于实现气体燃料的MILD燃烧的相关技术已相对成熟，而关于煤粉和生物质等固体燃料的MILD燃烧机制和实现条件的研究仍相对缺乏。基于高动量氧化剂射流来实现内部再循环，不再需要外部高温预热来建立MILD燃烧，极大拓宽了MILD燃烧的应用范围。从颗粒弥散、受热、着火、燃烧、污染物等方面概述了MILD粉体燃料燃烧的基础特性，由于颗粒的不均匀弥散和反应，煤粉等碳基固体燃料的MILD燃烧进程较气体燃料更复杂。高速射流MILD燃烧在增加点火延迟的同时也扩展了点火区和反应区，需要对燃烧各阶段的特征和机理开展系统研究。介绍了固体燃料MILD燃烧理论设计和装备研发领域所取得的研究成果，建议通过高精度数值模拟，改进现有燃煤锅炉燃烧器、调节工艺参数以匹配MILD燃烧模式，增加焦炭颗粒的停留时间以提高燃烬率，提高燃烧稳定性并抑制包括细颗粒物在内的各类污染物排放。基于互联能源系统的整体方法，推进MILD燃烧与各类新型燃烧技术的耦合研究，尤其加强煤粉、生物质与氢、氨等可燃气体共燃特性研究，助力能源转型。探究粉体MILD燃烧中的湍流两相流特征、湍流相间传热作用以及湍流–化学耦合作用是加深对粉体MILD燃烧理解的关键，涉及多变量分析和高精度模拟，是未来研究的重点和难点。

• 中国露天煤矿70年成就回顾及高质量发展架构体系

  才庆祥, 陈彦龙,

  露天煤矿作为我国煤炭工业的重要组成部分，具有生产能力大、开采成本低、安全条件好等优势，近年来在建设规模、生产总量、开采工艺及技术装备等多方面均取得了跨越式的发展，有力保障了煤炭作为国家能源安全稳定供应的“压舱石”地位。首先回顾了新中国成立后我国露天煤矿70年来的发展历程，将其划分为起步恢复阶段(1949—1979年)、快速发展阶段(1980—1999年)、综合发展阶段(2000—2020年)和智能化初级发展阶段(2021年以后)4个时期；系统总结了每个时期的产量与数量规模、开采理论与技术、开采工艺与装备、资源开发与环境保护方面取得的突出成就。然后，探讨了现阶段露天煤矿发展面临的4个方面的主要问题，包括发展布局不均衡、可持续发展面临瓶颈、关键技术难题需深入攻关、人才短缺培养机制不完善。最后，提出构建以“安全、高效、绿色、低碳、智能”为总体目标的全链条、全周期、全要素露天煤矿高质量发展架构体系，其内涵特征包括以时效边坡理论、开采扰动指数理论、绿色开采理论、生态型开采理论、零碳负碳开采理论、智能化开采理论6种学术思想为理论基础，以灾害安全监测防控、复杂条件协同保障、生态源头减损开采、节能减污清洁利用、数字–自动–智能同建5类技术体系为核心支撑，以透明地质模型动态重构、边坡蠕滑全程精准预测、深大孔低扰动控制爆破、采空区超前探测与处置、粉尘抑制及煤自燃防治等30项关键技术为重点突破，以设计理念先进化、安全保障标准化、建设规模大型化、生产工艺综合化、开采装备智能化、核心制造国产化、矿区生态绿色化、煤炭利用清洁化、组织管理科学化、人才队伍国际化的“十化型”露天矿山为建设任务；同时给出了以规划引领为基础，以科技创新为驱动，以人才培育为保障的露天煤矿高质量发展实现路径。最终为推动我国露天煤矿向持续健康高质量方向发展提供指导。

• 矿业系统工程60年发展与展望

  王家臣, 刘云熹, 李杨, 王蕾,

  矿业是以安全高效绿色开发和清洁高效低碳利用矿产资源为目的行业，也是经济社会发展的基础行业。为了使矿业开发更加经济、考虑的因素更加全面、设计和开发过程更加优化，20世纪50年代末期，将运筹学和计算机技术引入到了矿业工程，形成了矿业系统工程这一新的学科分支。早期的矿业系统工程主要是以采矿生产过程优化和计算机在矿山设计、采掘计划编制、信息处理、应用软件开发为主，且多以露天矿为研究对象。近年来矿业系统工程研究紧密结合大数据、人工智能、网络技术等，在矿山信息网络构建、运销系统、智能开采、设备管理、安全管理等方面取得了丰硕成果。详细阐述了矿业系统工程的起源和发展过程，并以运筹学和计算机在矿业中的应用国际会议(APCOM)，尤其是已经举办的十五届全国矿业系统工程学术会议为脉络，客观地总结了矿业系统工程的发展过程和研究内容演变。以CNKI数据库为数据基础，通过聚类分析，研究了近20 a矿业系统工程的刊文量和研究对象及其变化。矿业系统工程的未来发展应聚焦于系统科学思想与现代采矿技术的结合，建立科学的系统及其边界，比如科学采矿系统、矿山全生命周期系统、智能矿山系统等八大系统，矿业系统工程的发展将更加注重数字化、智能化、可持续发展、信息化和自动化等方面的创新和应用，同时将不断拓展其应用领域，以实现矿业开发的最优化、高效化、绿色化和低碳化。

• 大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

  伍永平, 皇甫靖宇, 王红伟, 胡博胜, 罗生虎,

  大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化，工作面不同位置“支架–围岩”系统的构成因素及灾变模式不同，导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析，提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想，工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填，充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道，取消区段保护煤柱，实现大倾角煤层无煤柱开采，又增大了工作面倾向下部充填压实区长度，加强了工作面“支架–围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点，优选确定了大倾角膏体局部充填工艺，设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法，分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明：充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征，基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小；为防止采空区未充填区悬顶灾害，充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断，降低覆岩关键域形成层位，形成稳定的巷帮，减小沿空留巷围岩变形量；同时工作面倾向下部充填区长度增大，中、上部围岩结构不稳定区域的长度缩小，“支架–围岩”系统稳定性提升。充填体改变了采场围岩应力传递路径，承担了部分覆岩载荷，工作面下侧支承压力及超前支承压力均随充填长度的增大而减小，工作面倾向下部充填区域的超前支承压力降幅最大，沿空巷道及工作面应力状态得到改善。大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术具有提高资源采出率、降低掘进率、缓解采掘接替紧张、加强工作面“支架–围岩”系统稳定性等优势。

• 露天煤矿安全–绿色–高效–低碳协同开采技术体系

  白润才, 付恩三, 马力, 赵浩, 柴森霖,

  露天煤矿安全绿色高效低碳开采是全球露天煤矿发展的共识性目标。我国露天煤矿资源开发强度与生态承载力呈现逆向发展特征，我国西北部生态环境脆弱区已成为露天煤炭的主产区，使得露天煤矿开采与生态环境保护成为亟需解决的重要科学问题、生态问题和发展问题。基于我国露天煤矿发展概况、自然条件及主要影响因素，阐释了实现露天煤矿安全–绿色–高效–低碳开采内涵特征与总体架构，针对露天煤矿采前–采中–采后全生命开采周期特点，从安全开采技术、绿色开采技术、高效开采技术、低碳开采技术4个层次，归纳总结了时效边坡控制技术、智能预警决策技术、运输环节新模式、矿区生态建设、相邻矿山协调开采、智能采矿设计、电动矿卡应用以及采矿源头生态减损8项关键技术，明确了露天煤矿安全–绿色–高效–低碳协同开采研究重点工作和方向。在安全–绿色–高效–低碳协同发展措施方面，从强化顶层设计、加快分布实施、深化科研攻关、提升人才培养以及完善标准规范5个方面，提出2025年、2030年、2035年不同阶段需要完成的目标任务。新时期露天煤矿要坚定不移走安全–绿色–高效–低碳发展路径，实现露天煤矿在新时期、新格局下的高质量发展目标。

• 高频低能冲击扰动下锚固结构渐进失效试验研究

  张农, 王朋, 阚甲广, 许兴亮, 谢正正, 魏群,

  高频低能冲击扰动对巷道围岩及锚固结构造成持续疲劳损伤，是深部巷道趋向失稳的重要诱因，合理构建抗冲击动载巷道锚固支护体系及避免锚固结构失效已经成为深部煤炭开采面临的重要课题之一。采用理论分析、实验室试验、数值模拟等方法，研究了冲击载荷下锚固结构内部应力传递转化机制，阐明了锚固结构累积损伤与渐进失效机理，提出了冲击动载巷道控制准则。结果表明：压缩应力、拉伸应力与压拉快速转换形成的震荡效应是造成锚固结构损伤的三大要素；压缩、拉伸作用下介质抗压强度与不协调变形是导致锚固界面破坏的关键因素，锚固结构在内部法向驱动力作用下损伤累积，切线模量为负或单次动载冲击变形量持续逆势上扬时锚固结构失效，压缩、拉伸、震荡叠加影响下锚固结构预紧力损失及内部损伤存在明显的累积突变效应，内部裂隙以张拉裂隙为主，整体破坏从震荡效应向拉伸效应再向压缩破坏效应逐渐演化。通过提高围岩/锚固剂协调变形能力，增加锚固长度调动大范围岩体承载、保护锚固界面，保持锚固结构承载区抗剪阻滑强度大于动载冲击时内部法向驱动力，同时削弱震荡效应可有效降低锚固结构累积损伤程度。最后提出了降能–高阻–让压的冲击动载巷道控制技术准则，包括远场卸压、近场强支、破碎围岩改性、预紧力维持和让压结构，可为类似条件巷道维控提供指导。

• 基于塑性区控制的巷道围岩支护理论与技术研究进展

  王卫军, 范磊, 赵志强, 韩森,

  随着煤层开采深度的不断增加，深部巷道围岩稳定性控制已成为采矿领域的重大难题之一，深部巷道围岩控制效果直接关系煤矿井下的安全生产和人员健康。巷道开挖后，塑性区的出现是影响巷道围岩稳定的主要原因。从塑性区形成与扩展的视角出发，在整理和归纳现有巷道破坏机理和围岩塑性区理论等成果的基础上，探讨了巷道破坏模式与围岩塑性区分布的内在关系，认为巷道围岩控制从本质上来说就是控制围岩塑性区形成与扩展的过程。围岩塑性区扩展的时效特性以及锚杆支护对围岩塑性区的控制作用，成为科学有效控制巷道围岩的重要理论依据，并基于此提出巷道围岩稳定性的控制理论与技术。结果显示，塑性区是巷道开挖的产物，围岩塑性区的形成与扩展是矿山压力作用的结果，对于深部巷道，围岩塑性区的出现是必然的。科学控制塑性区需要全面认识塑性区在巷道围岩中所起的作用，既要让围岩通过塑性破坏释放体内能量，又要防止塑性区的无序扩展。因此，在巷道围岩控制过程中应以充分发挥围岩自承能力为主，支护干预为辅。深部巷道围岩塑性区的控制具有全局性和过程性，将对巷道全周期内围岩塑性区的控制划分为3个阶段，通过调控塑性区形态、抑制塑性区扩展，实现深部巷道围岩的稳定控制。

• 急倾斜深埋巨厚煤层掘巷冲击地压前兆特征及其灾害防治

  来兴平, 贾冲, 胥海东, 崔峰, 刘旭东, 王昊, 陆长亮, 张随林, 何仕凤,

  随着冲击地压矿井逐渐向深开采，其巷道掘进伴随的冲击显现愈发强烈。针对巷道掘进过程中的冲击地压有效防治问题，以新疆乌东煤矿急倾斜煤层矿井为例，运用微震监测对巷道掘进的冲击地压时空前兆特征加以分析。结合巷道掘进的应力与能量变化数值模拟分析，揭示巷道掘进的冲击地压发生机理，提出急倾斜巨厚煤层巷道冲击地压防治策略，并完成现场工程实践验证。研究结果表明：急倾斜巨厚煤层巷道掘进的冲击地压发生前第2～5天出现微震总能量极低值，或存在至少4 d的能量潜伏期；冲击地压发生前5 d普遍存在3 d以上的最大能量占比高频波动期。冲击地压发生前存在明显缺震现象，发生位置集中分布在距离掘进工作面较近的微震能量极小值区间范围内，或位于微震能量极值区间附近的微震频次极小值区间范围内，且冲击地压事件位于冲击变形能指数较高区域。急倾斜巨厚煤层水平分段综放开采的坚硬覆岩结构不易破断，使得巷道掘进存在上水平采空区两侧“双翼型”应力集中，掘进工作面前方与巷道底部受顶底板岩层相互挤压的应力集中分布且能量积聚显著，随着巷道掘进深度增加其应力集中与能量积聚进一步增强，容易诱发冲击地压等动力灾害。综合分析形成急倾斜巨厚煤层巷道掘进的工作面爆破卸压、巷道钻孔卸压与补强支护、复杂区域架蓬的冲击地压防治策略。结合冲击地压时空前兆异常为及时加强卸压力度提供时机。通过工作面与巷道卸压使得掘进期间未发生单日累计1×105 J以上微震能量，在对支护优化调整与复杂区域重点防护后，巷道掘进日均微震能量降至2.2 kJ，其1 kJ以上微震事件占比下降且巷道断面整体平整。研究结果为急倾斜巨厚煤层巷道安全掘进提供了科学依据。

• 深部巨厚承压含水层采动疏水诱冲机理

  窦林名, 周坤友, 曹安业, 侯涛, 巩思园, 阚吉亮, 马小涛,

  陕蒙地区覆岩普遍赋存较厚承压含水砂岩层，工作面涌水量大、承压含水层水位显著下降，巨厚覆岩承压含水层下冲击地压和高能矿震监测表明覆岩承压水的采动疏放具有一定的诱冲效应。为揭示覆岩承压含水层采动疏水诱冲机理，开展了流固耦合数值模拟，分析了不同孔隙水压岩体力学行为及巨厚覆岩承压含水层采动疏水条件下围岩应力−能量场演化特征，揭示了覆岩承压含水砂岩层采动疏水对围岩应力场作用机制；并考虑巨厚覆岩对围岩动静载应力作用效应，提出了覆岩承压含水层采动疏水诱冲机理。研究结果表明：覆岩巨厚承压含水砂岩层下动力显现均发生在覆岩承压水位快速下降期间，覆岩承压水的采动疏放对围岩产生应力扰动；采动疏水条件下覆岩承压含水岩层孔隙水压降低，岩层强度和承载能力增大，覆岩载荷向采场两侧转移，导致围岩应力升高、能量进一步积聚，其对围岩应力场−能量场作用程度与采场尺度和疏放程度正相关，与煤层-承压含水层距离、承压含水层岩层厚度及强度负相关；巨厚覆岩承压含水层下顶板大尺度悬臂−铰接结构导致采场围岩高静载及强动载，在覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用下，煤岩体中叠加应力超过其临界载荷且释放的总能量超过其破坏所消耗能量，诱发冲击地压，其中高静载是冲击地压发生的应力基础，矿震动载和覆岩承压含水层采动疏水导致的应力扰动是重要诱因。针对覆岩承压含水层采动疏水及巨厚承压含水层覆岩结构对冲击风险的影响特征，提出了巨厚承压水含水层注浆堵水和优化盘区尺寸的防冲措施，通过地面注浆和降低采场尺寸能够降低覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场的作用效应、避免巨厚覆岩形成大尺度悬臂−铰接结构，从而降低巨厚承压含水层下冲击地压风险。

• 冲击地压主控因素及孕灾机制

  谭云亮, 张修峰, 肖自义, 范德源, 尹延春, 陈洋, 刘学生,

  随着我国煤矿逐步向深部开采转移，冲击地压灾害日趋严重。在冲击地压从机理认知走向防冲工程进程中，首要的任务是厘清冲击地压孕灾主控因素，并进行风险程度判识。在上百个冲击地压矿井致灾评价分析基础上，提出了导致冲击地压发生的4类客观主控因素：煤岩冲击倾向性、开采深度、坚硬顶板、地质构造，以及3类人为主控因素：煤柱、采空区及采掘卸荷，并对各主控因素对冲击地压孕灾的力学机制进行了分析讨论。在客观主控因素方面，煤岩冲击倾向性是煤岩积聚变形能进而诱发冲击破坏的自身属性；开采深度与巷道围岩内积聚的变形能呈正相关关系，是冲击地压发生的必要条件；坚硬顶板大尺度周期断裂形成的冲击动载及动能是诱发冲击地压的“导火索”；地质构造对冲击地压的影响显著，对于断层构造而言，断层两盘将在开采扰动造成的突发卸荷影响下产生相对“回弹”；煤层变薄区等效弹性模量变大，超前支承压力呈“双峰值”分布，使得冲击影响范围扩大。在人为主控因素方面，煤柱作为高应力集中区，其尺寸、倾角及相对位置等将直接影响冲击地压发生的概率和强度；采空区会诱发超前支承压力集中区内围岩积聚弹性能的突然释放，尤其是在采高较大、顶板垮落不充分的情况下；采掘卸荷会导致应力集中区快速“迁移”，引发煤体内弹性应变能的大量释放，是造成冲击地压的重要外因条件。在此基础上，对山东新汶、山东鲁西、内蒙古鄂尔多斯、陕西彬长、新疆和甘肃等矿区冲击地压孕灾主控因素差异性，进行了对比分析，强调按层次对矿井、采区和工作面进行冲击地压主控因素及其影响程度判识重要性，构建了从降能、释能、阻能到抗能的冲击地压治理工程路径。

• 煤矿矿区普适性拓展型固体改性充填采煤技术与装备

  刘建功, 赵家巍, 刘扬, 杨军辉, 史艳楠, 王毅颖, 陈锋,

  从我国煤炭行业绿色发展趋势和要求出发，分析了煤炭企业对不同充填开采方式选择的考量因素，以及影响充填开采技术推广的制约因素，针对不同矿区地域分布特征和充填需求差异性，划分了煤矿充填开采“保护生态环境优先、保护地面建筑优先、处理煤矸固废优先、提高经济效益优先”4类优先原则，提出了“以充填开采作为煤矿保护生态环境的调节工具，建设全过程全息立体生态矿山”的生态开采目标。依据充填开采顶板限定变形力学模型，阐述了影响充填开采目标岩层下沉量的构成因素，构建了生态环境保护、地面建筑保护、矸石固废处置3种充填工程模式下的工作面支护强度计算及覆岩变形控制方程。介绍了我国煤矿普适性充填采煤技术发展现状及发展方向，涵盖散状原矸固体充填、类贫混凝改性充填、矸石混凝土充填、薄煤层充填、区域性保护充填、巷道充填、选充留协同等适应各类煤矿需求的充填采煤技术，详细描述了不同充填技术的材料制备、运输、充填工艺特点及适应性充填装备。为实现煤矿充填智能化，建立了全面的数据感知系统，通过空间规划及充填效果判定来实现从单元到整体充填工作面的智能化过程，结合传感器网络和人工智能算法，实时监测和控制煤矿固体充填过程，提高充填质量和充填效率。煤矿充填开采在我国绿色矿山建设的远景规划中将扮演更加重要的角色，加强基于主动充填的煤矿生产全过程生态矿山建设、普适性充填技术工艺体系构建、新型固体充填材料研制、智能化充填开采研发等4个方向的科技攻关，我国煤矿充填开采会有极为广阔的发展前景。

• 煤矿采动影响体微生物采残煤与CO2–粉煤灰协同充填关键技术

  苏现波, 赵伟仲, 王乾, 周艺璇, 汪露飞,

  煤矿采空区是我国实现“双碳”目标的重要突破口，煤炭开采形成的、能够富集煤层气、为后期微生物活动和矿化充填提供底物和空间的地质体定义为采动影响体。以采动影响体为研究对象，提出了采动影响体微生物采残煤与CO2–粉煤灰协同矿化充填关键技术，并从必要性和可行性2个方面阐述了该技术在采动影响体资源二次开发、CO2安全封存以及燃煤电厂粉煤灰固废高效处置等的广阔前景。其总体思路是将采动影响体作为一个厌氧发酵“工厂”，高产高效产甲烷菌群作为“劳动者”对“工厂”已有的原材料——残煤、薄煤层和分散有机质以及注入的CO2进行加工，其“产品”是甲烷，进而实现微生物采残煤和CO2资源化。同时，CO2与碱性的粉煤灰结合，在实现了CO2矿化封存的同时，也实现了采动影响体的充填。该技术涉及的关键科学问题包括采动影响体类型划分与有机质特征、采动影响体原位条件下厌氧发酵产甲烷机制、微生物–CO2–粉煤灰协同矿化/固化机制以及微生物采残煤与充填关键技术示范工程建设。实验室物理模拟采动影响体原位条件实验表明其中残煤和富含有机质的泥页岩能够在微生物作用下生成生物甲烷，且添加少量的粉煤灰能够进一步强化甲烷的产出。物理模拟地下水补给的动态实验表明营养物质的补给对厌氧发酵系统的影响尤为重要，补给循环周期为14 d的厌氧发酵系统恰与产甲烷菌群繁殖的周期一致，能够保证厌氧发酵系统的持续高效运行。高钙粉煤灰–CO2–矿井水协同胶结的试件经过28 d的养护后抗压强度为12.31 MPa，其矿化封存潜力约为21.99 m3 CO2/t(粉煤灰)，说明粉煤灰在实现采空区固化的同时能够实现CO2减排。此外，基于微生物采残煤与粉煤灰充填目的对工程试验靶区进行优选，地下水滞留区是CO2矿化和粉煤灰充填的最佳场所，因采掘活动自然形成的自然圈闭和人工充填形成的圈闭是较有利的工程试验靶区之一。针对这些靶区提出了微生物采残煤与CO2–粉煤灰协同充填关键技术，旨在为中国碳减排和采空区生态环境治理提供一条新的技术路径。

• 预切缝位置及深度对SBM滚刀破岩的影响

  杨仁树, 康一强, 杨立云, 刘康, 丁晨曦, 樊谨豪,

  利用水射流对岩体进行预切缝是提高竖井全断面掘进机破岩效率、实现深部资源机械化开发的关键技术。针对预切缝位置及深度合理参数选取的难题，首先指出了锥面刀盘带动下滚刀破岩的工况特征，进而基于Cohesive单元方法，建立了预切缝条件下的滚刀破岩离散–连续耦合数值模型。以完整岩体为对照组，对比分析了不同预切缝距离和深度对滚刀破岩的受力特征和岩石破碎特征的影响规律。阐述了预切缝条件下，滚刀破岩时密实核形成、块状岩渣形成、Hertz裂纹扩展3个阶段性特征，指出了岩体的非对称破碎特性和不同区域岩渣的形成机制。最终从滚刀受力、破岩面积、破岩比能耗、岩渣破碎程度4个方面综合分析，确定了预切缝的最佳距离和深度取值范围。研究结果表明：预切缝可以显著减小竖井全断面掘进机滚刀破岩过程中的贯入力和侧向力。与完整岩体相比，贯入力峰值降低了44.0%～10.3%。侧向力峰值降低了35.2%～6.5%。预切缝间距及深度较小时，会限制滚刀破岩范围，同时使得破碎岩体块度更小，导致破岩比能耗增高。随着预切缝深度的增大，破岩体积先增大后趋于稳定，比能耗先减小后保持不变。最终，确定了切缝距离为70～90 mm，深度为60～80 mm时破岩效果最佳，破岩体积较无切缝时提高约1倍，破岩比能耗降低69.2 %。研究结果为刀盘辅助破岩装备的设计及参数确定提供了参考。

• 钻井法凿井气–液–固耦合排渣流场及刀盘吸渣口优化

  程桦, 郭龙辉, 姚直书, 杨光, 荣传新,

  针对西部地区侏罗系地层煤矿立井钻井法施工中出现的气举反循环洗井排渣与钻进效率低下问题，以陕西可可盖煤矿中央回风立井ϕ4.2 m超前钻井为工程背景，基于CFD-DEM(计算流体力学和离散单元法耦合)研究方法，建立了气–液–固多相耦合排渣数值模型，揭示了排渣管内、井底流场的速度及压力分布规律，并基于自研的气举反循环排渣试验装置，采用PIV(粒子图像测速法)测试技术对流场分布的正确性进行验证；提出了优化刀盘吸渣口评判指标和方法，对吸渣口的数量、长径比、面积比、总面积占比进行优化，得到了超前钻头刀盘吸渣口布置的最佳方式和相关参数；讨论了钻头转速、注气量、风管没入比和泥浆黏度等主要因素对排渣流场的影响。研究结果表明：① 排渣管内流体的运移以轴向流动为主，且途经注气端时，流速发生跳跃式剧增；井底流体的运移主要以水平流动为主，流体的垂直上返仅存在于吸渣口附近；井底流体的水平流动以切向流动为主，径向流动仅在吸渣口两侧较为明显，且远离吸渣口处，径流速度较小易产生岩屑沉积；② 当刀盘吸渣口数量为2，长径比为0.4，面积比为1，总面积占比为1.94%时，吸渣口的布置方式最佳，且清渣率较现行吸渣口布置方式提高66%；③ 增大钻头转速可显著增强吸渣口的吸附作用，注气量、风管没入比与井底和排渣管内流体的轴向速度均呈正相关关系，低黏、低密度的泥浆易获取高流速，但携岩能力较差。研究结果可为破解侏罗系地层深大立井钻井法洗井排渣与钻进效率低下技术难题，提供有益的理论参考。

• 循环加卸载条件下考虑温度的煤体本构模型

  周宏伟, 侯魏, 张龙丹, 谢森林, 贾文豪, 史贝贝,

  随着煤炭资源深部开采趋于“常态化”，深入了解处于高地应力和高地温环境中深部煤体在扰动条件下的力学性质及其损伤演化规律，对煤矿深部开采具有重要意义。选取平煤十二矿己16-17-17200工作面的煤体为研究对象，开展了在不同温度条件下三轴循环加卸载试验，分析了温度对试件峰值强度、变形模量、泊松比等基本力学参数的影响。将不同加卸载速率相关的应力–应变问题转化为时间–应力–应变问题，同时引入分数阶导数理论和连续介质损伤理论，提出了一个考虑了热–力耦合作用的分数阶粘弹塑性本构方程，通过试验数据验证了其有效性。结果表明：煤体变形模量随着循环次数的增加呈出现线性减小的趋势，而煤体泊松比减速上升，在峰值应力处达到极值，然后降低，表明循环加卸载作用对煤体基本力学性能有劣化作用。随着温度的升高，煤体峰值强度非线性减小，损伤累积变缓，对应的应变逐渐增大，表明升温能增强煤体延性变形能力，加速煤体损伤的发展。在循环加卸载过程中，输入能密度、弹性能密度和耗散能密度在煤体破坏失稳阶段随温度升高呈现出明显的衰减现象，说明高温加剧了煤体内部的损伤，降低了煤体强度，使得破坏所需外界输入能量减少。考虑温度影响的分数阶粘弹塑性模型可以较好地描述深部煤体在循环加卸载条件下的力学行为。模型适用于热力耦合下深部煤体的复杂应力状态。

• 流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展

  夏开文, 王峥, 吴帮标, 徐颖, 岳腾泷,

  深部岩石处于高地应力、高渗透压和强动态扰动的复杂地质环境之中，3者作用下岩石体更加容易发生损伤破裂，诱发突涌水、渗漏、井喷等工程地质灾害，因而探究流固耦合作用下岩石的动态力学响应是开展岩石工程建设的前提之一。近年来，国内外众多学者在考虑水和不同应力状态下的岩石动态力学实验研究方面取得了显著的成果。为给工程建设提供更加全面的指导并为后续研究奠定基础，从实验装置、测试结果以及围压与水的作用机理层面，对上述工作进行了回顾与总结。首先介绍了分离式霍普金森压杆测试装置的基本原理，以及用于模拟深部岩石赋存环境所进行的装置改进，包括围压分离式霍普金森压杆实验系统和孔压(渗透压)耦合的分离式霍普金森压杆实验系统，简要分析了各类装置在研究流固耦合作用下岩石动力学问题时的优势和不足。其次，总结了考虑不同应力状态(单向加载、三向围压加载)的流固耦合作用下岩石的动态力学响应特性。详细介绍了固定预设孔压、渗透压耦合作用下深部岩石的动态力学响应及其随孔隙水压、渗透压变化的规律。随后，概述了围压对岩石动力学性质的影响机理，分析了不同围压条件下的影响规律；总结了水对岩石动态力学性质的强化、弱化微观机制和定量表达。最后，对流固耦合作用下深部岩石的动态力学响应进行了概括总结，并对未来实验研究工作和深部赋存条件下岩石动态力学的研究方向进行了展望。

• 煤与煤系战略性金属矿产协同勘查理论与技术体系框架探讨

  曹代勇, 魏迎春, 李新, 张昀, 徐来鑫, 位金昊, 董博,

  煤与煤系战略性金属矿产协同勘查模型的建立，是实现煤系战略性金属元素向金属矿产转变的前提条件，煤与煤系战略性金属矿产协同勘查基础理论与关键技术研究，则是建立协同勘查模型的核心任务。从煤系战略性金属元素的基本特点分析入手，论证了实施煤与煤系战略性金属矿产协同勘查的必要性；通过对协同勘查概念演变历史的梳理，阐明了煤炭综合勘查与协同勘查的关系，认为协同勘查是综合勘查的继承和发展，强调2种或多种矿产综合勘查过程中的协调有序和科学组织，其核心是协同组织勘查工程、协同实施关键技术。在论述煤与煤系战略性金属矿产协同勘查原则的基础上，初步提出煤与煤系战略性金属矿产协同勘查理论与技术方法体系框架，作为建立煤与煤系战略性金属矿产协同勘查模型的基础。煤与煤系战略性金属矿产协同勘查应以煤系战略性金属元素富集成矿机制、组合类型与赋存规律研究为前提条件，以煤地质学、矿床学、地球化学、地球物理学、勘查工程学等多学科理论为基础，以精准钻探、精细物探和精细化探等关键技术构成的协同勘查技术体系为支撑，以固体矿产勘查规范等标准为工作依据，遵循固体矿产资源勘查和综合勘查及单矿种勘查的一般性原则，以及研究先行、技术有效、精细勘查、动态调整、分区施策、协调同步等原则，协同组织勘查工程、协同实施关键技术，实现煤与煤系战略性金属矿产协同勘查的最佳技术效益和最佳经济效益的平衡，在完成煤炭地质勘查任务的基础上，查明共伴生战略性金属矿产的地质特征和开发地质条件，获得相应的资源量或元素分布特征，为煤系矿产资源综合开发利用提供地质依据。煤与煤系战略性金属矿产协同勘查值得关注并深入研究的核心问题包括：协同勘查对象的确定，勘查技术的选择和协同实施，勘查工程的协同部署，资源量的科学估算。

• 煤炭地下气化碳减排技术研究进展与未来探索

  秦勇, 易同生, 周永锋, 杨磊, 王军,

  煤炭地下气化(UCG)与碳减排的相互融合，有望成为当前至碳中和到来之前过渡阶段的优秀绿色能源技术，甚至在未来更长的碳中和历史时期发挥重要作用。回顾研究历史与现状，UCG减排系统策略基本形成，可归纳为5种具体途径。其中，地下原位定向调控可减少CO2释放产出并促进UCG提质增产，相关策略和途径可归纳为“碳调减(CRR)”。UCG-CO2地下空间超临界气态封存研究成果相对较多，主要集中在封存介质、封存空间、封存能力等方面，少数研究讨论了封存机制。UCG-CO2地下空间矿化封存不受地质体稳定性和封闭性苛刻条件的约束，潜在着固碳和转化产气的双重效果，但研究成果尚不多见。UCG-CO2回注利用与封存的前期探索集中在煤层气增产和UCG合成气生产改善2个方面，近年来开创了UCG制氢尾气CO2减排利用系列性探索。CRR作为一种主动减排策略，通过调节气化剂及其注入方式来定向调减UCG合成气中CO2浓度，理论成果较多并且经过现场初步验证，有望成为集清洁能源生产与碳减排为一体的洁净煤实用技术。评述进展并分析短板，UCG碳减排科学技术研究已取得诸多实质性成果，也面临持续发展的挑战，未来探索似应聚焦在4个方向：一是立足可行，优先发展以UCG-CRR为重点的UCG-CO2地下转化利用技术；二是聚焦短板，着力突破UCG减排－合成气提质协同机理和关键技术瓶颈；三是扎实推进，优先启动实施UCG-CRR先导试验和工程示范，探索步步取得实效；四是保障实现，探索建立由碳中和与碳管理战略、专项科技行动计划、专业人才培养构成的“三位一体”UCG减排政策支撑体系。

• 采空区碳封存条件下CO2–水界面特性及溶解传质规律

  李树刚, 张静非, 林海飞, 包若羽, 丁洋, 白杨, 周雨璇, 朱冰,

  采空区CO2封存作为解决煤炭行业碳排放难题的重要负碳技术储备，在采空区废弃资源二次利用、CO2封存等方面具有广泛的应用前景。利用原位界面张力测定仪开展了不同温压、地层水矿化度及阳离子溶液类型对CO2地层水系统的界面张力(IFT)影响规律实验，明晰了CO2注入含水碎胀煤岩体中的气液界面扩散效应，并将基于统计缔合理论结合兰纳–琼斯势能模型的状态方程(SAFT-LJ状态方程)与密度梯度理论(DGT)结合预测了IFT理论值；利用自主研发的地质封存地化反应模拟实验平台对相同条件下的CO2溶解性进行了探究实验，得到了采空区储层环境下CO2溶解度变化特征，采用D-S模型计算了对应CO2溶解度理论值。实验结果表明：环境温度一定时，采空区储层压力与IFT呈线性负相关关系，储层温度升高，IFT相应增加，但变化幅度较小；温压条件一定时，矿化度与IFT存在正相关性，且在本实验范围内，低压、高温、高矿化度会促使IFT升高；CO2–盐溶液之间的IFT呈现出随着阳离子价态升高而增大的现象(K+ < Na+ < Ca2+ < Mg2+)；采空区储层压力与CO2溶解度呈正相关关系，当温度为25 ℃、纯水条件下，压力由0.5 MPa增至2.5 MPa，对应CO2溶解度由0.162 7 mol/kg升至0.714 1 mol/kg；CO2溶解度随着温度与矿化度的升高而降低；相同质量分数下，一价阳离子溶液(NaCl、KCl)比二价阳离子溶液(CaCl2、MgCl2)可溶解更多的CO2。注入采空区中的游离相CO2克服界面张力通过扩散溶解传质作用打破了采空区地层的地球化学平衡，通过明确环境温压条件、采空区水环境对IFT及CO2溶解度的影响规律，阐明CO2地层水气液界面效应及溶解传质机理，以期为采空区CO2封存安全性及封存量评估提供理论基础。

• 鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气高效开发理论技术体系

  徐凤银, 聂志宏, 孙伟, 熊先钺, 徐博瑞, 张雷, 时小松, 刘莹, 刘世瑞, 赵增平, 王渊, 黄红星, 林海鲲,

  针对深部煤储层埋藏深、渗透率低、应力环境复杂等开发难题，总结大宁—吉县区块近5 a勘探开发取得成果，明确了资源富集条件、有效改造体积、水平段长、良好储盖组合条件是气井高产关键因素。在“人造气藏”开发理论指导下，建立了地质–工程一体化背景下的深部煤层气高效开发技术体系：① 基于储层资源条件、构造保存条件和工程改造条件三大类11项指标，建立深部煤层气地质工程开发甜点评价标准；② 基于微幅构造刻画、多尺度裂缝预测、三维地质模型构建等技术，形成“地质+工程”全要素定量化、可视化表征的煤储层精细评价技术；③ 按照“地质小尺度、三维地震微尺度、轨迹走靶体、少调快钻”导向思路，形成以钻前轨迹精优设计、精准入靶及靶后微调为核心的三阶段地质工程一体化导向技术；④ 按照实现资源动用和采收率最大化为目标，形成“地应力场、天然裂缝场、人工裂缝场、井型与方位、井网井距”五位一体井网优化设计技术；⑤ 依据深部煤层气赋存特征、渗流机理和气井生产特征，形成以产量不稳定分析法为主，经验产量递减法、数值模拟法和经验类比等多方法结合的气井产能评价及EUR预测技术；⑥ 遵循“四位一体”精准选段和“井间交错+段内差异化”设计原则，形成以构建人造气藏为目标的大规模体积压裂技术；⑦ 根据气井气水变化特征，形成全生命周期不同生产阶段排采优化控制技术；⑧结合当前AI技术进展与深部煤层气开发规律、集输等特征，探索了地质、工程、地面等多专业一体化协同环境下集输和数智化技术。在这一成果指导下，已投产29口水平井生产初期日产量5×104～16×104 m3，平均10.2×104 m3，区块日产气量突破300万m3，对加快鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气规模上产具有重要指导意义，也为同类资源高效开发建立了参考标准。

• 沁水盆地南部煤储层赋存环境条件及其对渗透率的影响

  孟召平, 任华鑫, 禹艺娜, 杨宇, 王宇乾, 阿古泽仁,

  煤层气赋存与产出受控于煤储层地应力、压力和地温等赋存环境条件，正确分析煤储层赋存环境条件及其对渗透率的影响是煤层气有效开发所关注的关键问题。采用沁水盆地南部煤层气井63个测试资料，系统分析了研究区煤储层地应力、压力和温度条件，揭示了煤储层应力、压力和温度随埋藏深度的变化规律，建立最小水平主应力与垂直主应力和煤储层压力之间关系模型。采用三轴渗流试验系统，开展了不同应力、压力和温度条件下煤层气渗流试验研究，揭示了不同温度、应力和压力条件下煤样渗透率变化规律及其控制机理。研究结果表明，研究区煤储层最大、最小水平主应力分别为6.62～42.06和3.30～26.40 MPa，其梯度分别为1.20～5.26和0.99～2.95 MPa/hm；煤储层压力及其梯度分别为0.99～12.63 MPa和0.23～1.18 MPa/hm；煤储层温度及其梯度为19.36～38.84 ℃和1.98 ℃/hm；且煤储层应力、压力和温度均随深度的增加呈线性增大的规律。随着有效应力的增加，煤储层渗透率不断降低，在初始加压阶段，渗透率下降幅度较大，随着有效应力的增加，下降幅度变缓。在相同的应力条件下，温度的增加使得煤样渗透率不断降低，渗透率的下降速率随温度的升高而减小。随着有效应力和温度的增加，煤储层渗透率按负指数函数规律降低。随着孔隙压力的降低，有效应力增加，煤储层渗透率不断降低。在初始降压阶段，煤储层渗透率急剧下降，随着孔隙压力的降低，渗透率下降速率逐渐变缓;当孔隙压力小于0.6 MPa后，煤储层渗透率随孔隙压力的降低而升高。在高孔隙压力条件下，渗透率随温度的升高呈负指数函数降低，在低孔隙压力条件下，煤储层渗透率随温度的升高呈线性降低。在此基础上，建立了煤储层渗透率与应力、压力和温度之间的关系模型，揭示了煤储层渗透率随应力、压力和温度应力的增加按负指数函数降低的规律和控制机理。

• 原位储层生物地球化学评价及其对煤层气开采的指示意义——以沁水盆地南部柿庄南区块为例

  唐书恒, 李洋, 吕建伟,

  煤储层是微生物生存代谢的良好场所，其中与碳循环相关的微生物群落普遍存在，但微生物的地理分布与代谢表达尚未与储层建立有效联系。通过微生物代谢难以在自然条件形成有效气藏，但微生物群落受有机物供给、环境条件等影响，对储层原位环境与煤层气保存条件形成良好响应。沁水盆地南部煤层气资源丰富，是我国最早实现煤层气商业开发的区域之一。以沁水盆地南部柿庄南区块为例，通过研究区储层水的生物地球化学特征与生物基因测序，分析离子质量浓度、溶解无机碳同位素、硫酸盐同位素和微生物丰度与多样性，以产甲烷菌、硫酸盐还原菌等微生物为依据评价储层环境条件。研究表明，储层地球化学受水岩作用、离子交换和微生物代谢等因素影响。较高的钠离子和碳酸氢根离子质量浓度说明储层为相对还原环境或滞留条件。硫酸盐还原菌和产甲烷菌在降解煤过程中发挥协同作用，但硫酸盐还原菌在硫酸盐满足代谢需求时与产甲烷菌竞争可用底物占优而抑制产甲烷菌代谢。硫酸盐同位素、溶解无机碳同位素以及微生物丰度和多样性等可表征上述微生物间的共生关系与储层环境条件。硫酸盐还原作用活跃而产甲烷作用不明显的区域不具备有效保存煤层气的条件。相对还原或滞留的储层环境适宜产甲烷菌代谢，也是煤层气保存的有利区。研究认识丰富了储层生物地球化学评价方法，指导了煤层气勘探开发有利区优选，为我国煤层气生物工程的现场实施提供理论基础与方案指导。

• 新疆煤层气大规模高效勘探开发关键技术领域研究进展与突破方向

  桑树勋, 李瑞明, 刘世奇, 周效志, 韦波, 韩思杰, 郑司建, 皇凡生, 刘统, 王月江, 杨曙光, 秦大鹏, 周梓欣,

  新疆煤层气资源量7.5万亿m3(2000 m以浅)，已施工煤层气井450口，年产气量达到0.8亿m3，新疆维吾尔自治区提出了2025年实现煤层气产量25亿m3的目标，煤层气大规模高效开发成为紧迫的重大需求。从煤层气富集模式与选区技术、“甜点”预测探测技术、加速滚动开发与快速增储上产策略、地质适配性开发技术、煤层气与煤炭、油气协同开发技术5个关键技术领域，系统梳理了新疆煤层气勘探开发已取得的主要研究进展，分析提出了可能突破方向。研究表明：新疆煤储层具有多–厚煤层普遍、低阶煤发育、急倾斜煤层多见、煤体变形与构造控制显著、水文条件和露头条件复杂，和三“低”(含气量低、甲烷体积分数低、含气饱和度低)五“高”(高含气强度、高孔隙度、高地应力变化、高储层压力变化、高渗透率变化)的含气性及物性等煤层气地质独特性；煤层气成因与富集模式具有多样性，包括生物成因气、热成因气或生物–热复合成因及其相应富集模式，生物成因气藏或生物成因气贡献普遍；煤层气分布赋存规律呈现前陆盆地、山间盆地显著差异性；创新形成基于“两”分开(浅部与深部，低阶煤与中高阶煤)“两”结合(地质评价与工程评价，多元数据)的科学评价与基于“机器学习+三维地质建模”的精准选区技术是第1个突破方向。深部煤层气/煤系气“甜点”发育区域主要为盆内坳陷的凸起、盆内隆起的凹陷、盆缘斜坡，高产井位多为构造高点，发育层位为割理裂隙发育的原生结构煤层或孔裂隙发育的煤系砂砾岩储层；基于“地球物理+岩石物理+岩石力学地层新方法”和”地质甜点+工程甜点新理念”的深部煤层气/煤系气“甜点”预测探测技术是第2个突破方向。低风险、短周期、高效率、多批次工程部署是加速滚动开发的基本原则；中浅部煤层气快速增储上产技术策略是在优选新区块布井建井、对老区块煤层气井进行增产改造；深部煤层气快速增储上产技术策略是在大型盆地缓坡深部和盆内凸起“甜点”区优先部署开发；科学加速滚动开发与高效快速增储上产的工程部署方法与技术策略是第3个突破方向。在井网井型差异性优化部署、低储层伤害钻井固井、高可靠性录井测井试井、多井型高效分段压裂、低套压–控压排采管控等工程技术取得重要进展；发展构建新疆煤层气大规模高效勘探开发地质适配性技术体系是第4个突破方向。开展先采气后采煤、煤层气与煤共采、煤层气与原位富油煤共采，推动中浅部煤层气与煤炭协同勘探开发；开展煤系叠合型气藏开发、煤层气与煤系气共探共采、煤系全油气系统勘探开发，推动深部煤层气与油气协同勘探开发，已有关注和探索；煤层气与煤、油气共探共采是第5个突破方向。成果试图为新疆煤层气大规模高效勘探开发提供技术支持和工程决策参考。

• 矿井微震与电法耦合监测技术

  刘盛东, 杨彩, 章俊, 李纯阳, 任川,

  随着煤炭资源开采区域、深度及强度的增加，矿井工作面采掘扰动极易诱发矿井突水事故，严重威胁我国煤炭资源安全开采。矿井水害事故的发生主要是岩体采动破裂与矿井水渗流共同作用的结果。研究表明，微震信号的纵横波到时、幅值、频率等参量可有效表征岩体破裂位置、强度及其震源机制，地电场信号中的电阻率、激励电流及自然电位等参量可有效表征岩体渗流演化过程。透水通道形成对应微震场特征，地下水渗流对应地电场特征，因此微震电法耦合方法对矿井水害孕育发展过程具有监测预警的功能，可有效对采动破坏过程中形成的突水通道、水源位置及渗流过程等水害三要素进行精准捕捉；减少单一地球物理方法多解性，提高水害监测预警精度，对煤矿防治水意义重大。当前，微震与电法耦合监测技术在煤矿水害实时动态监测中开始得到应用，突破传统微震与电法独立采集的局限，课题组自主研发了国内外首款煤安认证的微震与电法耦合并行监测系统，该系统以微震场与地电场并行采集基站为核心，集被动源微震波场与主被动地电场为一体，通过连接矿井物联网，实现远程数据采集控制、传输及云端存储；其一体化网络服务器主机可连接多个采集基站，并将微震检波器、电法激励电极与电位测量电极进行相互隔离、并行采集，形成微震事件密度与能级分布、电阻率分布、自然电位分布等时空云图来监测预判水害三要素。微震与电法耦合监测技术仍需在微震事件智能识别与定位、地电场的电阻率三维反演以及自然电位渗流反演方面进行专项攻关；结合并行监测的微震电法大数据集，重点在微震电法数据联合反演、智能化监测预警方向开展进一步研究。微震与电法耦合监测技术，作为矿井水害的主动预警监测新方法，可为我国智能化矿井建设发挥重要作用。

• 基于孔间直流电透视的煤层底板采动破坏电阻率时移变化规律与机理

  岳建华, 滕小振, 胡双贵, 习丹阳, 张河瑞,

  煤层采动过程中，底板应力状态的改变会产生变形与破坏，而不同煤层采动过程中底板破坏具有一定的规律。目前基于直流电阻率法的煤层底板水害监测主要集中于底板变形与破坏的电阻率响应特征上。为了研究工作面回采过程中煤层底板的电性时移变化特征，采用孔间直流电透视观测系统和时移电阻率反射系数法，通过数值模拟和现场试验揭示了煤层底板采动破坏电阻率时移规律。首先，针对典型地电模型，对比单独反演和时移电阻率变化率的结果，验证了孔间直流电透视时移方法的可靠性。然后，针对煤层底板采动破坏，分析了采动过程中底板承压水导升与底板破坏带的电性响应规律与特征，并讨论了时移电阻率反射系数确定煤层底板破坏深度的可行性，为野外施工提供理论依据。最后，通过现场监测试验，获得工作面回采过程中煤层底板的电性变化特征，并采用时移电阻率反射系数R确定了工作面底板岩层的破坏深度为15 m。结果表明：利用孔间直流电透视法获得的煤层底板采动破坏电阻率时移特征可在一定程度上消除了监测数据中的地层因素和随机噪声影响，且时移电阻率反射系数可用来确定煤层底板破坏深度。该方法将探测目标从单一的研究地质异常转换到对煤层采动过程中工作面底板破坏的全生命周期动态监测，进而实现了工作面底板结构破坏的精细刻画。

• 钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法

  程久龙, 姜成麟, 李垚, 白仁喜,

  利用掘进巷道超前探水钻孔进行钻孔瞬变电磁法探测钻孔孔壁外围远距离含水体，避免了常规测井方法仅能探测钻孔孔壁岩层的“一孔之见”。目前钻孔瞬变电磁法受全空间效应的影响，接收到的单分量响应不能判别异常体方位；多分量响应可以近似判断异常体的大致方位，但难以通过成像等直观有效的方法对其进行精确定位。基于钻孔瞬变电磁法和方位电磁波测井相关理论，提出了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法，采用方位线圈作为探测装置，减小线圈互感，增强钻孔瞬变电磁法的探测效果。同时，通过改变线圈旋转角，对钻孔孔壁进行360°扫描，形成钻孔径向全方位探测，旨在对钻孔孔壁外围岩体中的低阻体进行精确定位。首先推导方位线圈的互感解析表达式，探讨方位角对方位线圈互感的影响，通过数值计算确定最佳方位角取值。分别建立均匀介质和含低阻异常体的钻孔全空间三维地质–地球物理模型进行瞬变电磁场数值模拟，分析方位线圈的瞬变电磁法扫描探测多分量响应特征，总结方位线圈扫描探测瞬变电磁响应规律，确定了钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法，即通过钻孔轴向和径向的瞬变电磁响应特征判别钻孔孔壁外围岩体中低阻异常体的位置。最后建立含2个低阻体的地质–地球物理模型，采用最佳方位角的方位线圈进行数值实验，验证了该方法能有效地判别低阻异常体的方位。研究表明：钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测结果可以较好地反映钻孔径向外围岩体中低阻异常体引起的瞬变电磁场异常，全空间视电阻率成像结果分辨率较高。依据钻孔轴向和径向的瞬变电磁响应特征，钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法对钻孔孔壁外围岩体中的低阻异常体具有较高的分辨率及定位精度。研究结果可以为钻孔瞬变电磁法方位线圈扫描探测定位方法的实际应用提供理论依据。

• 煤层采动巨厚松散层全断面监测及内部变形特征

  张平松, 许时昂, 傅先杰, 吴荣新,

  开采沉陷是煤炭资源井工开发利用所面临的主要环境地质问题，尤其对于我国东部高潜水位矿区而言，巨厚松散层的移动变形控制与采动减损评价备受关注。为了研究巨厚松散层内部移动机制，明确其对地表移动变形影响，以淮南新集矿区某井田为研究区，通过采用分布式光纤与并行电法联合测试技术，构建超过600 m深度全断面钻孔监测系统，探究巨厚松散层变形特征和内部移动规律。全断面监测系统能够获取煤层采动区域巨厚松散层内部应变、位移信息及监测钻孔周围电阻率变化情况，量化地层监测断面松散层内部移动变形时空关系和渗流场变化数据，分析松散层内地层变形特征与发育形态。研究结果表明：多参量联合测试技术的应用，显著提高了对巨厚松散层移动变形的监测效率和变形定位的准确性，获得了工作面回采位置与松散层内部变形时空演变关系。并根据松散层变形特征，将采动影响过程划分为超前影响期、弱采动影响期、强采动影响期、采后沉稳期4个阶段，揭示了超前影响变形表现“台阶状”形态与采动影响期的“反向3字型”移动特征，同时分析了“反向3字型”移动模式的构成条件、影响因素。基于全断面监测数据，提出巨厚松散层变形多场可测信息量化评价方法，阐明了巨厚松散层在煤层开采过程中存在分层应力积累与释放的规律。研究内容为巨厚松散层内部移动变形的精细化监测分析提供重要的技术支持。全断面监测技术的应用，也可为采动损害过程监测与评价、矿山生态源头减损与减沉、沉陷区土地规划与复垦以及松散层内注浆改造等提供参考。