煤田地质与勘探杂志

煤田地质与勘探杂志2025年第12期

• 咸水层CO2封存多场耦合数值模拟研究 以淮南矿区丁集煤矿为例

  李点尚, 郑司建, 廖清发, 苗伟, 田钰琛, 张贺龙, 刘延智, 刘世奇,

  背景咸水层分布广泛、储量丰富、封存潜力大，是碳捕集、利用与封存(carbon capture, utilization and storage, CCUS)技术中极具前景的CO2封存介质，对缓解温室效应、助力碳达峰碳中和目标意义重大。深入开展淮南矿区深部咸水层CO2封存研究，不仅有助于缓解区域碳减排压力，也为拓展CCUS技术路径与推动工程应用提供了重要支撑。方法基于淮南矿区丁集煤矿咸水层及多场耦合数学模型，构建了三维多物理场数值模型，开展CO2注入、运移与封存过程的模拟分析，探讨储层初始渗透率、孔隙度、弹性模量、注入压力及注入方式等关键地质与工程参数对封存行为的影响与敏感性特征。结果(1) 储层初始渗透率和孔隙度是影响咸水层CO2注入行为与封存效率的核心地质参数。渗透率由0.3×10−12 m2提升至0.5×10−12 m2(增加约67%)时，累计封存量提高约70%。孔隙度由0.20增至0.30(提升约50%)时，封存量增加约20%。弹性模量变化对封存影响较小。(2) 注入压力与注入方式是调控封存效率的重要工程参数，注入压力提高至储层初始压力的5%~10%，可在保持系统稳定的前提下使封存效率提升15%~20%。相比阶梯增压方式，恒压注入的平均压力虽高6%~7%，但可使封存量提升约25%，表明恒压模式能更快建立稳定压力梯度并促进CO2羽流扩展，是更优的注入策略。结论研究认为，咸水层CO2封存应综合考虑储层物性、工艺控制、安全约束与效率提升四个方面。理想储层宜具备孔隙度0.22~0.28、渗透率(0.30~0.45)×10−12 m2的物性条件，注入压力控制在盖层破裂压力的80%~90%，并采用恒压注入方式以兼顾封存效率与安全性。同时，应构建“压力–渗流–饱和度”多参数联动监测体系，实现动态监测与数据反馈控制。未来可通过引入水气交替注入或多井协同注入等工艺，进一步提升CO2封存率与分布均匀性，确保封存过程的长期安全与稳定。研究结果可为淮南矿区及类似资源型地区开展咸水层CO2封存提供关键的理论支撑，也为识别主控地质参数及优化工程选址方案提供一定的科学指导。

• 不同孔隙结构饱水砂岩CO2驱替特征

  刘廷, 李景霖, 李铱, 淡文栋, 刁玉杰, 马鑫,

  目的碎屑岩孔隙结构对咸水层CO2地质封存潜力的评估至关重要，目前对于封存过程孔隙结构的研究多集中于室内人造岩心，天然岩心相较于人造岩心孔径分布更复杂，非均质性更强。方法以鄂尔多斯盆地深部储层的天然岩心和2块不同孔隙的人造岩心为研究对象，通过饱水CO2驱替实验，利用多相流驱替核磁共振分析与成像系统，分析孔隙结构(非均质性)对岩心CO2驱替的影响。结果和结论(1) 孔隙度为5%、15%的人造岩心，驱替效率分别为67.09%和46.71%；孔隙度为15%的天然岩心驱替效率为37.67%。(2) 天然岩心横向弛豫时间曲线呈单峰分布，非均质性强；人造岩心横向弛豫时间曲线呈双峰分布，孔隙大小分布均匀，残余水饱和度较低，其中，低孔隙度时孔隙连通性好，CO2与岩心的充分接触，有效降低了界面张力，显著增强了CO2的驱替效率。(3) 天然岩心的强非均质性导致其CO2驱替效率显著低于相同孔隙度的人造岩心，天然岩心残余水主要赋存于小孔隙中。在碎屑岩储层CO2封存潜力评价中，应充分考虑岩心非均质性的影响，建议实验优先采用天然岩心或构建非均质人造岩心，以更准确预测CO2封存行为，避免采用均质材料高估封存效率参数。本研究为场地筛选、潜力评估、注入方案设计等提供了理论依据和实验支撑。

• CO2咸水层地质封存面临的关键技术难题、挑战及前景

  魏恒飞, 时俊杰, 聂晓东, 方杰, 陈晶, 赵岳, 孙大为, 李鑫, 张勇, 郭沛,

  背景和方法CCS技术是实现大规模碳减排的主要技术方向，其中CO2咸水层地质封存潜力大，是未来碳封存的主要方式。在调研全球CO2咸水层地质封存研究现状的基础上，聚焦中国复杂地质条件下的封存困境，系统梳理分析CO2咸水层地质封存面临的技术难题、挑战及前景。结果和结论我国在CO2咸水层地质封存技术研发和工程实践上，特别是在百万吨级长期地质封存能力和安全评价技术方面，与西方发达国家存在显著差距。(1) 场地的实际封存能力是制约封存成本的主要因素之一，包括封存量、单井控制封存量及可注入性。如何建立高精度的咸水层三维地质模型、求取封存效率因子、获取盖层破裂及断层开启的极限承压压力、正确理解不同封存机理封存量之间的逻辑关系是封存量计算面临的技术难题；单井控制封存量越大，钻井工程量越小，影响单井控制封存量的因素主要是砂体非均质性、规模及物性；可注入性代表封存量的可实现能力，在CO2咸水层地质封存注入井选址时，需对注入砂体侧向上连通性、润湿性进行精细地质评价，选择高孔渗和低地层压力叠合区，即CO2咸水层地质封存注入甜点，确保注入咸水层中的超临界CO2能从井筒向周围运移。(2) 安全性是CO2咸水层地质封存技术研究的关键问题，包括封存地质体的密封性、稳定性及可监控性。在封存选址时，需正确认识圈闭和极限密封压力对密封性的重要性；稳定性研究面临复杂地质条件下稳定性评价难、CO2咸水层地质封存场地工程参数准确获取难、合理数值模拟数学模型构建难；监测技术手段布置位置和监测技术手段选取是可监控性研究面临的两个主要难题。(3) CO2咸水层地质封存技术的推广还面临国际共识达成难、封存技术保护、封存技术成本高、长期封存安全性、矿权问题争议、政策补贴等方面的挑战。(4) 未来CO2咸水层地质封存技术应用前景广阔，耦合高碳产业脱碳及新能源技术，可延长化石能源的使用时间和新能源供应的稳定性。

• CO2地质封存协同上覆煤矿开采环境风险评估

  顾雷雨, 李文辉, 黄为, 周全超, 朱亚龙, 李霞颖, 刘桂臻, 李琦,

  目的CO2捕集、利用与封存技术是实现碳中和目标的关键途径之一，但大规模工程化应用仍面临显著的环境风险挑战，开展系统性环境风险评估是保障CO2地质封存项目环境安全性和社会可接受性的必要前提。方法以甘肃正宁CO2地质封存协同上覆煤矿开采项目为例，基于《二氧化碳捕集、利用与封存环境风险评估技术指南(试行)》(简称《指南》)规范的要求开展CO2泄漏的环境风险评估。首先结合特征−事件−过程(the features, events, and processes, FEP)风险识别方法，识别该项目运行的环境风险。根据风险识别结果，采用专家研讨会的形式，利用《指南》推荐的风险矩阵风险评估方法，评估CO2泄漏对环境介质与生命体的风险，最后根据评估结果提出针对性的风险管理建议。结果与结论结果表明，除了地表大气的井喷事件评估结果为中风险水平且不可接受外，其余环境风险受体的评价结果均处于可接受的低风险−超低风险水平。通过井筒完整性强化、基于地层压力匹配的井口装置及空−天−地−井智能协同响应等针对性防控措施提出后，地表大气井喷风险至可接受低风险水平。本研究基于环境风险评估结果，构建分阶段防控体系，注入前强化井筒完整性，注入中实施动态调控响应，封存期建立天地协同监测，为项目安全运行提供管控支撑。

• 我国二氧化碳地质封存政策、技术与示范研究进展

  赵岳, 杨学超, 陈晓东, 常佳, 魏恒飞, 刘知邦, 刘辉,

  背景CO2捕集、利用与封存技术(CCUS)被认为是推动CO2规模化减排的关键技术之一，在我国提出的碳达峰碳中和(“双碳”)战略背景下，CO2减排形势非常严峻，为CO2地质封存技术发展提供了新动能，也对技术创新与产业化提出了更高要求。方法和进展系统梳理近20 a我国CCUS政策的发展脉络，累计涉及30余项CCUS相关政策。概述我国CCUS技术示范工程推进情况，总结了以深部咸水层、油气藏、深部煤层为主的3大技术方向。其中，陕西煤化工集团有限责任公司(陕煤)400万t/a、中国华能集团有限公司(华能)150万t/a CCUS 先导示范项目，对碳封存技术的发展具有开拓性意义；CO2-EOR技术已初步实现商业化应用，吉林油田、胜利油田累计注入CO2超350万t，采收率提升幅度达10%~15%；CO2-EGR技术在延安致密气藏完成先导试验，为天然气增采与封存协同提供了理论支撑；安徽淮南矿区即将实施我国首个万吨级水平井组CO2-ECBM示范工程，旨在实现大规模CO2驱煤层气与封存关键技术及工程的突破。当前，我国CO2地质封存技术正处于从技术验证迈向规模化示范过渡的关键阶段，但在示范工程推进、基础理论创新、技术体系集成与配套政策落地等方面还面临一系列挑战。展望未来，深化CO2地质封存机理及长期安全性研究，应加强跨学科技术创新，推动人工智能技术在本领域的深度融合与应用；促进全产业链协同发展，强化对中长期、大规模捕集–利用–封存一体化示范项目的支持与引导，以带动理论突破与技术创新；并进一步完善相关政策标准与激励机制，全面推动CO2地质封存规模化发展。

• 煤层CO2吸附相密度变化特征及其控制机理 以两淮煤为例

  刘会虎, 范正谱, 杨靖浩, 刘峻麟, 丁海, 徐宏杰, 高德燚, 方辉煌, 赵雨晴,

  目的和方法CO2吸附相密度是决定煤层中CO2吸附封存量的关键因素。为深刻认识煤层孔隙中CO2密度分布的特征，以淮南矿区刘庄矿13煤和淮北矿区7煤为对象，通过简化局部密度理论(SLD)开展了优势孔径的不同压力、不同温度的CO2吸附相密度模拟，依据不同方法获得CO2吸附相密度，揭示了煤中CO2吸附相密度的变化特征及煤中CO2赋存相态分布与压力、温度与孔径的关系，以期揭示CO2吸附相密度的控制机理，指出煤层CO2吸附相密度的SLD模拟进一步研究方向。结果和结论(1) 在相同温度下，煤中相同孔径内CO2密度随压力升高而增加。孔径≤2.0 nm时，孔隙中心CO2密度与压力关系符合Langmuir等温吸附特征，CO2以吸附相赋存；孔径>2.0 nm时，Langmuir拟合不收敛，仅当孔隙中心压力达到超临界后才出现游离相。(2) 压力<8 MPa时，孔隙中CO2密度随温度升高而降低；压力≥8 MPa且孔径>3.0 nm时，临界温度以下的CO2密度低于临界温度以上，且随孔径增大更明显。(3) 孔径3.0 nm时孔隙中心出现游离相，孔径>4.0 nm时中心均为游离相。(4) 温压–孔径对CO2吸附相密度协同控制的实质在于通过控制CO2吸附相层厚变化进而控制CO2吸附相密度的变化。(5) 研究揭示了煤层CO2吸附相密度的温压–孔径协同控制机理，为认识CO2有效封存提供理论依据，并指出SLD模拟未来需进一步考虑非均质孔隙结构的影响。

• 固废基充填材料CO2矿化与胶凝性能退化关联机制

  刘志飞, 陈庆庭, 李宏杰, 王恩, 赵鹤鸣,

  目的研究钢渣、粉煤灰、炉底灰3种典型碱性工业固废的CO2矿化封存效率差异及固碳产物胶凝活性退化规律，揭示其矿化机理，评估其在充填工程中的应用潜力，推动工业固废资源化与碳减排协同发展。方法采用直接湿法矿化实验，系统研究固废-CO2反应动力学及产物特征；结合X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FTIR)和热重分析(TGA)表征矿化产物的物相组成与微观结构；以碳酸化固废制备胶结充填试块，对比分析其力学性能与孔隙结构演化规律。结果和结论 (1) CO2矿化降碱反应过程受Ca2+含量与溶出动力学调控，钢渣、粉煤灰、炉底灰溶液的pH分别呈现“两段式”“三段式”和“骤降式”变化趋势。(2) 0.3 MPa-25 ℃反应条件下，钢渣固碳量(CO2)最高(136.1 g/kg)，显著优于粉煤灰(CO2)(81.86 g/kg)和炉底灰(CO2)(16.2 g/kg)，产物分别以方解石型和霰石型CaCO3为主。(3)受活性钙消耗和界面效应影响，固碳后试块抗压强度下降45.65%~73.48%，其中钢渣基材料强度降幅最大(10.22→2.71 MPa)，粉煤灰次之(9.8→3.61 MPa)，炉底灰因矿化反应不完全降幅最小(7.82→4.25 MPa)。研究结果为工业固废-CO2矿化协同处置提供了理论支撑和技术参考。

• 黔西地区玄武岩CO2矿化反应的储层响应特征与地质固碳前景

  韩思杰, 艾祉希, 刘纪杰, 周效志, 高为, 刘柱,

  背景玄武岩CO2地质封存因其安全、稳定、高效的矿化固碳机制近年来备受关注。方法以黔西地区龙潭组玄武岩为例，在模拟不同温度、压力和反应时间下CO2–水–玄武岩地球化学反应的基础上开展了反应前后矿物学、地球化学以及储层物性测试对比，研究矿化反应的影响因素，阐明反应后矿物与孔隙协同演化机制；总结玄武岩CO2矿化固碳反应机理，探讨我国西南地区玄武岩CO2地质封存前景。结果(1)温度、压力与反应时间对CO2–水–玄武岩反应中矿物溶蚀–沉淀作用影响机制不同，但高温(200 ℃)、高压(>12 MPa)与长反应时间(20 d)能促进碳酸盐矿物沉淀；(2)玄武岩CO2矿化反应的实质是原始矿物的溶蚀–溶解与新矿物的生成，反应初期以斜长石、普通辉石以及少量蚀变矿物溶蚀为主，随着溶液中Ca2+、Mg2+浓度增加，方解石、白云石以及黏土矿物等沉淀作用逐渐增强；(3) CO2–水–玄武岩反应过程中储层孔裂隙演化具有阶段性，且与溶蚀–沉淀反应有耦合关系，整体呈现初期孔渗协同增大、中期孔隙率继续增加而渗透率衰减、后期孔渗协同减小的3阶段演化特征；(4)玄武岩CO2矿化固碳反应类型及其储层响应过程复杂，碳酸盐岩沉淀是固碳反应的核心机理。结论我国西南地区拥有开展玄武岩CO2地质封存工程试验的有利地质条件，如广泛分布的玄武岩储层和丰度的富Ca2+、Mg2+地下水，同时应适当考虑临海地区海水替代与矿化反应后的储层解堵工艺。研究为认识我国西南地区玄武岩CO2地质封存机理与可行性提供重要的理论依据。

• 浙江省固定源CO2排放量空间分布与源汇匹配特征

  朱前林, 陈东宝, 刘含笑, 陆诗建, 陈浮,

  目的CO2捕集与地质封存(CCUS)将是碳中和情景下化石能源使用的必需配套技术。需深入了解区域固定排放源空间分布及源汇之间的匹配特征，进一步提高CCUS决策合理性，促进碳封存技术的发展。方法调查了浙江省CO2固定排放源空间分布，通过固定排放源规模及碳排放因子评估了碳排放量。分析了浙江省陆上及其近海盆地的地质特点，评价了潜在目标盆地的封存条件与潜力。对固定排放源进行了集群聚类分析，假设在海岸线布设海陆运输中转平台，并采用运输成本最小为目标函数，进行了源汇匹配分析。结果与结论 (1)浙江省现有火电厂、钢铁厂、水泥厂、合成氨厂4类CO2固定排放源198个，CO2年排放量约为29739.73万t，其中，火电厂排放占82.96%。年排放量大于500万t的固定源21个，排放量占到了总排放量的63.87%。10万t以上大型CO2固定排放源157个，总排放量约为29 512.52万t/a。(2)浙江省陆上盆地面积小、封存条件差，而近海的东海陆架盆地封存条件好、勘探程度高，封存潜力大，能满足该省196 a排放量的碳封存，其中离岸相对较近的长江凹陷、钱塘凹陷与瓯江凹陷可供该省54 a碳排放量的封存。(3)源汇之间总体呈平行匹配特征。在不同集群划分距离条件下，集群中心位置的变动以及排放源与多个封存汇之间距离相近等因素，可能导致同一排放源在不同情景下被分配至不同的封存汇。研究成果可为浙江省未来CCUS技术的科学决策与合理规划提供理论依据，有助于推动该省化石能源的低碳化利用与碳中和目标的实现。

• 鄂尔多斯盆地西缘奥陶系克里摩里组—拉什仲组岩相古地理特征

  王维斌, 马占荣, 胡爱平, 张倩, 李文厚, 陈强, 马瑶, 王彦博,

  目的中—晚奥陶世克里摩里期—拉什仲期是鄂尔多斯盆地西缘构造格局转折的重要阶段，其岩相古地理研究可以揭示该时期构造—沉积响应过程，为天然气资源潜力预测与勘探开发提供依据。方法基于野外剖面观测、钻井岩心观察与测井资料解释，结合前人研究成果，从地层特征、沉积体系划分及沉积模式等方面对盆地中—晚奥陶世地层进行综合分析，重建该期岩相古地理格局，揭示沉积环境的空间演化。结果和结论鄂尔多斯盆地西缘在奥陶纪克里摩里期至拉什仲期整体处于大陆边缘构造背景之下，构造活动性在不同时期存在差异。发育浅海、半深海及深海3类沉积体系，可识别出台地边缘、大陆斜坡和盆地3种沉积亚相，反映出东浅西深、水体向西逐步加深、地形渐趋复杂的古地理格局。克里摩里期以台地前缘斜坡微相为主体沉积类型，岩性主要为中—薄层泥晶灰岩与钙质泥岩互层。乌拉力克期沉积环境发生重大改变，东部仍以碳酸盐岩台地相为主导，向西快速过渡为大陆斜坡—盆地相。拉什仲期，水体有所变浅，研究区主体转变为大陆斜坡环境，向西过渡为盆地相，东部仍为碳酸盐岩台地。鄂尔多斯盆地西缘受区域海平面变化与构造沉降共同控制，克里摩里期—拉什仲期经历了从台地前缘斜坡为主导至大陆斜坡—盆地体系广泛发育的转变过程，为认识西缘构造—沉积耦合关系及天然气成藏提供了重要地质依据。

• 防冲水平井分段水力压裂对回采巷道影响特征及控制 以陕西招贤煤矿某工作面为例

  刘修刚, 姜在炳, 杨眷, 刘明军, 庞涛, 吴卫星, 涂肖龙, 莫海涛, 郭小龙, 杜新锋,

  目的坚硬顶板地面水平井分段水力压裂是矿井冲击地压灾害治理的重要技术手段，压裂工艺控制不当可能会对井下已掘回采巷道产生影响，造成巷道变形、网兜掉块及压裂液流入巷道。方法以陕西永陇矿区招贤煤矿某工作面为研究对象，针对压裂后巷道的不同特征现象，采用理论分析、数值计算及数值模拟方法分析水力压裂期间压裂液流入巷道的原因，进而优化压裂工艺，并进行工程验证。结果(1) 水力压裂期间回采巷道围岩变形、网兜掉块的产生是由于巷道围岩所受原始地层应力与水力压裂所产的诱导应力共同作用；(2) 压裂液流入巷道途径分为3种类型，即压裂裂缝与巷道开挖扰动裂隙贯通，压裂裂缝、岩层天然裂缝与巷道开挖扰动裂隙贯通，压裂裂缝、岩层基质孔隙与巷道开挖扰动裂隙贯通；(3) 提出压裂施工参数、泵注程序优化等裂缝控制技术；(4) 基于前期压裂对巷道影响机理，针对剩余段压裂采取控制技术后，未出现已掘巷道次生响应特征，微地震监测显示压裂影响缝高为52~55 m，缝长为304~335 m，裂缝覆盖整个工作面且超工作面两侧回采巷道64~95 m，实现了考虑已掘巷道安全的坚硬顶板冲击地压超前防治，相比于邻近工作面，研究工作面回采过程中的平均来压步距为6.6 m、微震事件日均总能为2.46 kJ、最大能量为5.02 kJ、日均总频次为4.7，均明显较低，且回采过程中未曾发生过104 J及以上高能量事件。结论研究表明，针对特定地质条件下，需进行合理的压裂工艺设计和参数优化，以更好地控制裂缝的扩展形态，避免压裂过程中对巷道造成影响，以保证坚硬顶板灾害治理效果。

• 深煤层富气层段的超越效应及其表征

  周立宏, 李勇, 丁蓉, 李昀, 李永州, 孔锦涛,

  目的和方法高游离气含量是控制深层煤层气富集与高产的关键因素，但其直接测定难度大，如何准确识别富含游离气的煤层段是实现高效勘探开发的核心科学问题。基于鄂尔多斯盆地大宁−吉县区块典型钻井保压取心含气量测试、煤岩类型、物性测试和测录井响应特征分析，系统评估了深煤层垂向非均质性，明确了超越效应及其影响因素。结果和结论深煤层存在“超越效应”，即煤层总含气量超过原位地层条件下的最大吸附气量，是优势含气和产气层段。提出含气指数(GCI，实际含气量/原位地层条件下Langmuir体积)作为衡量游离气富集程度指标，GCI<0.8、0.8~1.2和>1.2分别对应吸附气主导、吸附气和游离气共存及富含游离气3种状态。发生超越效应层段(GCI≥0.8)以光亮型和半亮型煤为主，储层物性好，含气量高，在测井参数上表现出低自然伽马(≤50 API)、低密度(≤1.5 g/cm3)和高声波时差(≥350 μs/m)特征。进一步将含气指数与录井特征对应：GCI>1.2对应全烃峰值>50%、随钻伽马<70 API；0.8≤GCI≤1.2对应全烃峰值20%~50%、随钻伽马70~100 API；GCI<0.8对应全烃峰值<20%、随钻伽马>100 API。根据光亮煤+半亮煤、半暗煤+暗淡煤及夹矸层段垂向分布组合将深煤层划分为厚层箱型、夹心饼型和微齿厚层型，其中厚层箱型煤层含气量高，是发生超越效应的优势层段。上述工作提出了含气指数以表征煤层含气性，明确了超越效应的测井和录井识别参数，对深煤层富气机理研究及甜点层段预测具有理论与实践意义。

• 低孔低渗煤甲烷动态扩散–吸附4D可视化物理模拟实验探索

  刘统, 焦白卓, 林柏泉, 桑树勋, 杨威, 刘世奇, 刘厅, 李贺, 杨明星,

  目的和方法甲烷(CH4)在煤层中的扩散性是影响煤层气地面开发和井下瓦斯抽采效果的重要因素，针对煤体内CH4扩散运移过程的可视化表征难题，系统论证Kr和CH4在煤中吸附及扩散行为的相似性，采用高X射线衰减气体Kr作为CH4的替代示踪剂，结合自主搭建的4D原位CT可视化实验系统，实现低孔低渗非均质煤体内气体动态运移过程的透明化观测。进一步基于FIB-SEM重构获得煤基质三维纳米孔隙结构，开展真实纳米孔隙内CH4扩散数值模拟，揭示纳米尺度孔喉结构对气体运移的关键控制作用。结果和结论(1) 低孔低渗煤体内存在广泛分布的低透基质区域，对CH4扩散具有显著阻滞作用。“微裂隙+微纳米孔群”是低透基质区孔裂隙赋存的主要模式，Kr由裂隙向低透基质的扩散运移速率极低，且扩散过程呈现非均匀、阶梯式特征。(2) 低透基质内纳米孔喉狭窄(直径主要<30 nm)、孔隙间的连通性差(配位数3~5)。狭窄孔喉导致CH4浓度曲线突降，且随孔径减小，克努森扩散效应增强，有效扩散系数显著降低，表面扩散贡献率显著提升，7 nm时表面扩散与体扩散系数比值已达0.24，微孔内表面扩散将逐渐成为主导运移机制。(3) 在低透基质复杂的微孔群结构内，气体分子运动受孔壁作用势的约束增强，扩散阻力进一步增大，导致CH4扩散呈现出逐级–缓滞的特性。(4) 未来研究可结合先进4D动态CT技术，开发吸附–解吸–渗流–驱替等多过程耦合的原位CT实验平台，透明刻画和精细表征不同工程扰动应力下煤层甲烷动态扩散规律，以深入揭示煤层气开发和瓦斯抽采过程中CH4的跨尺度运移机制。

• 高碱煤中碱性金属的有机赋存形式及其地质意义

  王小令, 王绍清, 赵云刚, 穆瑞峰, 邵燕,

  目的和方法煤中碱性金属影响煤加工利用，通过水洗、浮选、重液分离等可去除大部分水溶态和矿物中的碱性金属，而与有机质结合的碱性金属难以脱除。为探究高碱煤中碱性金属的有机赋存形式，选取不同镜惰比的新疆准东煤田高碱煤样，通过逐级化学提取，结合23Na CP/MAS NMR和TEM-EDS等实验手段，系统分析煤中碱性金属的含量、分布规律和赋存状态。结果(1)准东煤中碱性金属以水溶态和离子交换态为主，其中Na+和Ca2+因含量显著高于其他碱性金属离子，更易通过离子交换与煤分子相互作用。(2)水溶态和离子交换态碱性金属主要通过与煤有机质中的含氧官能团(羰基、羧基、酚羟基)通过吸附结合。量子化学计算结果表明，Na+主要通过与羧酸根或羰基结合形成羧酸Na或配位结构(−C=ONa+)；大部分Ca2+以化学吸附形式与有机分子结合，表现出较强的离子键作用。随镜质组含量的增加，离子交换态Na从28.3%增加到30.9%，离子交换态Ca从62.3%增加到70.1%，表明镜质组更易与碱性金属结合。(3)碱性金属离子随地下水流动发生迁移，在含氧官能团附近吸附，吸附能力受控于煤的显微组分，这种显微组分−官能团−吸附能力的级联控制，是碱性金属离子差异性富集的根本原因。结论碱性金属Na、Ca的有机赋存规律提供了明确的地质意义，为预测煤层垂向碱性金属富集层位提供了重要的煤岩学依据；同时，碱性金属离子占据含氧官能团的吸附位点，对煤层气吸附产生不利影响。未来需重点探究碱性金属离子对煤层气竞争吸附的分子抑制机制，为高碱煤的合理清洁开发利用提供理论依据。

• 吐哈盆地大南湖矿区煤中钠的富集机理

  齐争辉, 孙凡星, 王文龙, 黄春慧, 梁开华, 黄杨杨, 邵龙义,

  背景大南湖矿区煤炭资源丰富，是新疆重要的煤电基地，但矿区煤中含量极高的钠元素，在煤炭燃烧时会造成沾污结渣现象，严重影响区内煤炭资源清洁高效利用。方法和结果以矿区各主采煤层为主要研究对象，进行工业分析和灰成分分析，发现矿区煤样具有低灰、低硫、高挥发分特征，灰成分中SiO2含量最高，其次为CaO、Al2O3和Fe2O3，其中Na2O平均质量分数为4.83%，是典型的高钠煤。区内煤灰中Na含量呈现显著的垂向分异规律，具有明显的随煤层深度增加而减少的趋势。根据研究区煤样工业分析与灰成分相关性分析，认为研究区煤中Na以有机钠为主，其次为水溶钠。结合成煤期沼泽环境和植物类型、成煤后地层演化规律以及地下水特征分析影响Na富集的地质因素。分析得出，区域内高盐度的地下水是矿区内煤中Na的主要来源，地下水条件决定矿区煤中Na的含量分布。结论对煤中Na的富集机理进一步研究，认为其来自矿区周缘岩浆岩体，经风化淋滤产出，随地表径流及降水进入凹陷内部，并从岩石裂隙进入地下水中，最终进入煤层中。矿区地下水因Na的进入而导致矿化度升高，高矿化度的地下水与煤层长期接触，煤中有机质官能团不断与水中的Na+结合形成有机钠，水溶钠则赋存在煤中丰富的孔隙结构中。适合矿区实际的脱钠方法主要有脱钠剂水洗和添加剂掺烧两种方法。采用低浓度有机酸和低浓度铵盐溶液作为脱钠剂，可以对煤中的有机钠和水溶钠进行精准脱除；合适比例的低钠煤掺烧和固钠剂添加也可以有效减轻或消除煤燃烧过程中的结渣问题。

• 陕北采煤沉陷地长期微生物复垦土壤水分蒸发及入渗机理

  柯增鸣, 毕银丽, 杨伟,

  背景水是制约干旱半干旱矿区生态修复的重要因素，微生物复垦技术(指丛枝菌根真菌，AMF)在矿区应用取得了较好的生态效应，研究长期微生物复垦下矿区土壤水分运动及其控制因素是认识菌根的长效生态修复机制的关键科学问题。方法以位于黄河中游的陕北大柳塔采煤沉陷微生物复垦基地为研究区，选择微生物复垦(AM)、未接菌复垦(CK)和自然恢复(L-CK)10 a的紫穗槐样地，每个处理设置小(<30%)、中(30%~60%)、大(>60%)3种林下覆盖度，共9种试验处理，采用双环土壤水分入渗仪和微型土壤蒸发器对土壤水分入渗和蒸发过程进行原位监测试验。结果和结论微生物复垦处理显著降低了土壤体积质量，增加土壤孔隙率、有机质和养分含量(P<0.05)，有利于水分在土壤中运移和涵蓄。相较于L-CK处理，微生物复垦处理土壤水分蒸发量在大、中、小覆盖度下分别降低了22.7%、10.3%和1.2%，平均水分入渗速率分别增加21.4%、38.5%和125.9%(P<0.05)，方正三方程能更好地反映研究区土壤水分入渗特征，平均R2=0.94。土壤水分入渗的关键因子是土壤有机质含量、体积质量和总孔隙率，而土壤水分蒸发量则是土壤体积质量、林下植被覆盖度、有机质含量。长期微生物复垦有效降低了土壤水分蒸发、增加了水分入渗，有利于复垦区土壤水分保蓄和提高水分利用效率，该技术具有长期生态复垦的应用潜力，为黄河流域煤矿区“以水量植”的生态复垦工作提供现实指导意义。

• 大同浅部煤层老空水水质特征及资源化利用

  李俊, 桂和荣, 丁鹏飞, 陈永青, 万和勇, 李为琦, 黄大伟, 彭位华, 胡洋, 郭艳,

  目的山西大同矿区老空水水害威胁严重，疏排老空水又受到环境保护政策的制约，因此老空水资源化利用是解除矿山水害困扰、水环境保护以及缓解矿区缺水现状的有效途径。方法以区内浅部煤层老空水为研究对象，基于饱和指数(SI)、氯碱指数(CAI)、钠离子吸附比(SAR)等水文地球化学指标及水质评价理论，进行老空水常规理化特征、水化学组分和水质污染指标联合测定，分析老空水水质特征及成因，确定不同用水标准下特征污染物类型。结合应用案例，提出大同矿区老空水资源化应用技术路径。结果和结论(1) 大同矿区老空水水化学类型与典型西北煤炭基地矿井水一致，主要为Na-SO4、Ca-SO4。溶解性总固体(TDS)和电导率(EC)均值(分别为2 190 mg/L、2716 μS/cm)指示水体盐度和离子浓度较高的特征。(2) SI、离子比例、CAI和Gibbs半对数图解阐释老空水化学组分受到岩石风化和蒸发−浓缩协同控制，主要化学成分形成作用为阳离子交替吸附和溶解溶滤作用。(3) 基于“源头保护、分类处理、综合利用”基本原则，确定老空水作为景观娱乐用水、工业用水、农田灌溉用水时，属于高矿化度、高悬浮物、高硫酸盐型水，超标指标有TDS、\mathrmSO_4^2- 、硬度(TH)、悬浮物、化学需氧量、总(粪)大肠杆菌等。(4)基于老空水水源地科学定位、储水模式分级、特征(剩余)污染物控制处理、资源化综合用水潜力评估，构建大同矿区老空水资源化综合利用技术路径，并通过工程案例分析，论证移动式水处理站对研究区沟壑纵横地形地貌的适应性，有效地验证了移动式水处理装备推广应用前景，同时对于推动类似缺水煤矿走上节水、绿色发展之路具有重要的战略意义。

• 硫酸盐还原菌修复煤矿高硫酸盐矿井水的缓释碳源筛选实验研究

  夏侯铭安, 张莉, 徐智敏, 郭娟, 陈歌, 熊小锋, 孙亚军,

  背景高硫酸盐矿井水是我国煤矿区面临的主要水环境问题，其经济高效治理是矿业可持续发展的迫切需求。硫酸盐还原菌(SRB)生物修复法前景广阔，但其效能受矿井水中溶解性有机碳匮乏的限制。方法针对SRB的外加缓释碳源材料初期有机物释放量可能过多、溶解性有机质(DOM)释放机理不明确和利用速率定量化困难等问题，对甘蔗渣、玉米芯和木屑3种缓释碳源进行浸泡释碳动力学和SRB利用性实验，对其释碳规律、DOM释放机理和SRB利用性进行探究。结果和讨论结果表明，3种材料的释碳过程均符合二级动力学方程和Ritger−Peppas方程，0~8 h为快速释碳期，8~120 h为缓慢释碳期。120 h内甘蔗渣、玉米芯和木屑的累计释碳量分别为218.44、77.72、39.87 mg/(g·L)。三维荧光光谱表明，甘蔗渣释放的DOM大多为类富里酸和类胡敏酸，分子量较大。玉米芯和木屑释放的大多为类色氨酸、类酪氨酸和微生物降解产物，微生物利用性更好。SRB利用甘蔗渣、玉米芯和木屑处理降解\mathrmSO_4^2- 的酶促速率分别为3.88、3.21、2.67 mmol/(L·d)。因此，玉米芯释碳能力适中且酶促速率也较好，最适合作为缓释碳源材料。研究成果相关结论可以为生物碳源材料筛选和高硫酸盐矿井水的微生物修复提供理论依据。

• 动载作用下锚固体破坏机理与能量耗散特性

  王长城, 杨科, 刘文杰, 张寨男, 郑诗章, 许日杰, 郭鹏慧,

  目的深部强采动条件下，巷道支护系统受远近场动载影响较大，围岩变形严重，研究动载作用下锚固体破坏机理则尤为重要。方法基于霍普金森压杆(split Hopkinson pressure bar, SHPB)试验系统与数字散斑(digital image correlation，DIC)技术，研究不同冲击气压下锚固体的力学响应特征，获得其动态应力–应变关系、能量耗散特性、裂纹演化规律和破坏模式。结果和结论随着冲击气压增大，锚固体的平均峰值强度由约8.3 MPa增至20.8 MPa，平均割线模量由约5.5 GPa增至10.4 GPa；锚固体入射能、吸收能呈现升高趋势，对应吸收能占比由4.39%升至16.86%，而反射能占比则由92.71%降至81.82%；锚固体的裂纹分布由分散向集中转变，应变集中区域从界面向煤体内部转移且应变最大值显著增大，应变场波动程度呈二次函数递增，局部应变波动性增强；锚固体破坏形态从表面裂纹扩展转变为更深层、更复杂的裂纹贯通，破坏阶段与煤岩体−锚固剂−锚杆之间不协同变形直接相关；锚固组合体破坏主控因素：煤−岩波阻抗失配效应、煤体脆性主导裂纹扩展、多界面协同失效作用、锚固结构参数适配性。研究结果可对深部巷道的稳定性控制提供参考。

• 煤矿钻孔物探技术发展与展望

  李萍, 卫蓉, 范涛, 赵睿, 蒋必辞, 田小超, 王冰纯,

  背景近年来，煤矿钻孔地球物理探测技术通过融合钻探与物探的优势，在煤炭智能化开采技术及装备方面取得了多项关键性进展，实现了长距离、较高精度的地质探测，在深部矿产资源勘查、隐蔽致灾因素普查等领域发挥着越来越重要的作用，为煤矿安全高效开采提供了重要支撑。进展系统梳理钻孔物探技术的发展历程，阐述了煤矿钻孔瞬变电磁、钻孔雷达、钻孔直流电法、孔间电阻率CT、钻孔地震、钻孔自然伽马及钻孔多源数据融合技术在方法理论和反演成像方面的研究进展，各类技术在低阻异常识别、高分辨率界面探测、岩性划分、导水构造探查等方面各有优势，结合煤矿实际应用，进行采空区、断层、陷落柱、富水异常性探测和注浆效果评价，效果显著。展望钻孔物探技术三大重点发展方向：(1)构建多场耦合和协同探测技术体系，研发强干扰环境下自适应去噪算法，构建全空间场传播精准模型，将探测精度从米级提升至分米级，同时推进电磁场、波动场等多场协同观测与耦合分析；(2)研发智能化钻孔物探装备，提升微弱信号全数据采集及全向立体探测，突破钻杆材料、噪声压制、数据传输等关键技术瓶颈，推进随钻装备研制；(3)加强精细反演与多方法融合，实现大数据联合快速反演，构建多参数动态监测与预警平台，深化人工智能算法在数据处理中的应用，提升对复杂地质条件的适应性与精准性，为煤炭高效勘探与矿井灾害防治提供更坚实支撑。

• 随掘地震探测技术在密集发育小断层识别中的应用

  李浩荡, 李康, 陈健, 宋孝忠, 金丹, 王保利,

  目的和方法密集发育的小断层已成为严重影响煤矿生产效率、作业安全以及隐蔽致灾主要地质因素。为精确超前探测煤矿井下小断层，设计了矿井下密集发育小断层地质模型，运用煤矿掘进巷道随掘地震探测技术，正演数值模拟随掘地震超前探测密集发育小断层的地质场景，研究其在随掘地震观测系统下不同测线长度及道间距条件下的地震波成像特征。结果模拟结果表明，随掘地震观测系统的布设对密集小断层探测位置精确度及断层平面上的方位展布影响较大。随着测线长度增加及道数加密，探测精度显著提高；相反，道间距越大信噪比越小、偏移假象越强；测线越短，绕射弧能量越发散，假象成像幅值越大，成像信噪比降低、效果变差。根据模拟数据设计优化随掘地震观测系统参数，并在新疆屯宝WII02040503工作面掘进巷道实施随掘超前探测应用验证，2条巷道共布置测线长度2 780 m，接收点共558个，累计监测2 558 m。共计超前预报断层异常37处，验证断层29处，预报发育侧帮待验证断层6处，预报异常位置平面误差平均5.68 m，小断层超前探测准确率为93.5%。结论采用随掘地震超前探测技术，结合矿井断层发育特征，合理优化布设巷道随掘探测观测系统的关键参数，能够较好地探测密集发育小断层。依据精准的超前探测预报，可及时优化掘进工艺与支护参数，实现矿井生产效率的提升和掘进作业成本的降低。