煤田地质与勘探杂志

煤田地质与勘探杂志2025年第2期

• 辫状河−曲流河及转换中煤沉积特征 以澳洲Surat盆地F8区块Walloon组为例

  崔泽宏, 赵一波, 李志华, 李胜利, 李伟茹,

  目的澳大利亚是全球第四大煤炭生产国和第二大煤炭出口国，Bowen-Surat 盆地是澳大利亚最大的产煤盆地，Surat 盆地发育中侏罗统Walloon组含煤层系，沉积环境为河流相沉积，需厘清煤层在辫状河和曲流河及转换中的差异沉积特点和规律。方法运用综合地质分析方法，结合地震、测井、岩心资料，建立沉积模式。利用地震地层追踪和基准面旋回划分，把研究区划分为6个四级地层旋回；依据37口井测井曲线的形态特征、接触关系等分为5种组合类型；通过研究区14口取心井岩心资料分析，识别出6种岩相；结合测井曲线和岩相特征，划分出曲流河和辫状河2种沉积相，4种亚相，8种微相。选取横向和纵向2条连井剖面，刻画煤剖面展布样式，分析煤在辫状河−曲流河及转换过程中的差异沉积特征。结果和结论结果表明：当基准面位于高处时，为曲流河环境，煤发育好，多层叠置。当基准面下降，曲流河慢慢转换为辫状河沉积，岩性由细到粗，层理构造幅度变大，高能水流冲刷先期煤层，辫状河道内零星残留煤沉积。当基准面位于最低附近时，为辫状河沉积，煤发育最差，漫溢砂内少有发育；随着基准面回升，由辫状河转为曲流河的过程中，水体能量变小，岩相依次发生变化Gm-St-Sp-Sh-Fr/C，煤层沉积趋好。曲流河−转换带−辫状河相变过程中，煤在三维空间上的展布表现为，平面上煤的连片性、范围变差；剖面上煤的横向连续性，垂向叠置状及厚度都变差。基准面变化过程中，最有利的聚煤环境为泛滥泥中的煤沼泽，其次河漫砂和漫溢砂有少量煤发育。研究成果可用来指导分析煤层分布范围，在Surat区块井位部署时，有助于煤层气开发目的层“甜点”的识别确认。

• 华北盆地大陆化学风化趋势与晚石炭世—早二叠世高纬度冰川旋回的联系

  凌紫玉, 杨敏芳, 王雷, 王野, 张培新, 刘昊青, 邵龙义, 鲁静,

  目的和方法晚古生代冰室期(LPIA；ca. 360~254 Ma)是地质历史时期唯一有记录冰室向温室过渡的时期，可以为冰川−环境−气候的协同演化和未来气候变化提供深时视角。为了深入理解晚石炭世—早二叠世低纬度地区大陆化学风化趋势和高纬度冈瓦纳地区冰川旋回之间的潜在联系，以华北盆地柳江煤田本溪组−太原组的泥岩为研究对象，利用由泥岩的元素地球化学数据计算得到的多种化学风化指标(CIA、CIW和PIA)，重建柳江煤田的大陆化学风化趋势和古气候演变特征。结果结果显示，低纬度柳江煤田的大陆化学风化作用的周期性变化，包括巴什基尔阶早−中期、莫斯科阶−卡西莫夫阶、阿瑟尔阶早期的3个风化减弱阶段和巴什基尔阶晚期、格舍尔阶的2个风化增强阶段。这种风化趋势的循环交替与高纬度冈瓦纳大陆的冰川旋回密切相关：风化趋势的减弱阶段代表了气候条件向相对凉爽干燥转变，这几乎与高纬度冰期同步，而风化趋势的增强阶段则代表了气候条件向相对温暖湿润的变化，这与高纬度间冰期同步。对比分析发现，间冰期内火山活动频发、大气CO2浓度升高、气候变暖、水文循环增强、海平面上升，共同促进了热带雨林面积缩减和大陆化学风化作用增强，为铝土矿的发育创造了有利条件；而冰期内火山活动减弱、气候变凉、CO2浓度减少、雨林面积扩张，导致大陆风化作用减弱，有利于煤和富有机质泥岩形成。结论研究结果揭示了低纬度华北盆地大陆化学风化趋势与高纬度冈瓦纳冰川旋回和沉积矿产(如煤、铝土矿)分布之间的联系，为理解地质历史时期冰川−环境−气候的复杂相互作用机制提供了新视角。

• “天窗”隐蔽致灾因素地质−工程一体化普查技术

  董敏涛,

  目的“天窗”作为陕北侏罗纪煤田榆神矿区南部矿井的主要隐蔽致灾因素，其隐蔽性和难探查性使得该区域“天窗”空间分布不明，安全隐患凸显，需研究有效的探测技术手段，解决空间探测难题，保障矿井安全。方法以研究区典型矿井为研究对象，采用地质分析、科学评价和工程探测为一体的“天窗”隐蔽致灾因素地质−工程一体化普查技术，对研究区“天窗”隐蔽致灾因素的空间分布特征及其灾害类型进行探查。结果和结论结果表明：区内“天窗”发育主要受古河道控制，同时与现代河流有一定的继承性；高密度直流电法、微动勘探对研究区“天窗”发育的范围、电性和声波信号明显、显著表现为高电阻率和波速异常的特征，而瞬变电磁勘探物性特征响应不明显；“天窗”发育区为古河道沉积形成的岩性组合，具有明显的二元结构特征和红土层二次沉积与河道沙土层混合或互层沉积的岩性组合特征；红土层发育区具有钻孔缩径、钻孔漏失量少、岩层成层性直立性好等特征。“天窗”发育区黄土层的渗透系数为2.21×10−2 m/d，红土层渗透系数为7.18×10−3 m/d，红土的隔水能力大于黄土。综合物探能够在平面上快速识别红土异常区，为精细勘探工程准确圈定“天窗”提供依据，同时，精细勘探结果也验证了综合物探对 “天窗”发育区在电性和声波信号反映特征的准确性。研究成果为区域内红土缺失性“天窗”隐蔽致灾因素普查、治理提供技术支撑，为地质条件相似矿区提供“天窗”有效探测的技术手段指导，进而为煤矿安全、高效、绿色、智能化开采提供地质保障技术。

• 西蒙矿区深部开采煤自燃特性及预测方法研究

  马砺, 高文博, 拓龙龙, 张鹏宇, 郑州, 郭睿智,

  目的鄂尔多斯盆地西蒙矿区深部开采煤层受地应力高、涌水量大、漏风严重等复杂环境条件影响，煤自燃危险性增强，自燃预测难度大。方法选取该矿区营盘壕和石拉乌素煤矿的煤样开展自燃程序升温实验，测定不同含水率、不同硫质量分数条件下的煤自燃特征参数，结合工业分析等煤质参数建立预测数据库，采用冠豪猪优化算法(CPO)对随机森林(RF)超参数进行优化，建立CPO-RF模型预测煤自燃程度。结果和讨论结果表明：营盘壕和石拉乌素矿井煤样氧化升温过程中的气体浓度、耗氧速率变化规律相似，CO为主要指标气体，初现温度约30 ℃，气体产生量随着硫质量分数的增加而增大，随着水分质量分数的增加则呈现先减后增的动态变化规律，煤自燃临界温度为67.5~70.5 ℃，干裂温度为113.5~115.4 ℃。通过CPO算法高效的全局搜索能力自动寻得RF模型的最优树深度与树个数，避免了设置不当导致的局部最优解，增强了其泛化性与鲁棒性；所构建的CPO-RF模型能够有效提高煤自燃预测的精度，测试集预测温度与真实值重合度良好，平均绝对误差和均方根偏差分别为0.762 ℃和1.014，决定系数达到0.9994。CPO-RF模型所预测结果与煤自燃特征温度对比，能够实现煤自燃危险性的高效判别，据此可以采取针对性的防灭火方法，研究结果可为矿区深部开采煤自燃预防提供参考。

• 延川南区块深部煤炭地下气化地质条件评价及有利区优选

  李鑫, 陈贞龙, 郭涛, 高小康, 肖翠, 金晓波, 吴财芳, 王芳芳,

  目的和方法煤炭地下气化(UCG)地质条件评价将极大降低其工程风险，科学选址则是UCG工程能否成功的先决条件。为研究延川南区块深部UCG地质条件评价和优选有利区域，对研究区2号煤层的煤岩煤质、煤层赋存、围岩、水文地质、构造等指标进行量化处理，利用TOPSIS法，对各开发区域进行数学评价和等级划分，最终形成有利区、较有利区以及潜在有利区的综合评价结果。结果结果表明：研究区2号煤层属于三角洲平原相沉积环境，大部分属于中煤级煤，焦煤、贫煤和瘦煤均有分布；平均水分和灰分平均含量较低，挥发分产率较高，硫分含量则是从低硫煤到高硫煤都有一定发育；煤层厚度较大，稳定性较好，平均夹矸层数和夹矸系数相对较小，煤层结构简单，属于稳定的中厚−厚煤层，煤体结构较完整。2号煤层的顶底板岩性多为泥岩类，围岩综合岩性指数较大，封闭性能好；总体断层分形维数值中等，断层发育程度简单，开发条件较好；研究区地表水部分发育，水文分形维数值中等，地下水封闭系数较大。结论整体而言，研究区2号煤层的资源条件和地质条件适合进行UCG工程实施。依据构造、埋深、河流和矿井边界等分布特征，结合地勘资料描述，将目的煤层划分为11个开发单元，有利区主要集中在北部，最有利区域是中北部的单元Ⅴ和Ⅲ，较有利区主要为Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅸ、Ⅹ，区域Ⅷ和Ⅺ为煤炭地下气化开发的潜在有利区。

• 基于µCT和深度学习的煤裂隙智能提取方法

  胡咤咤, 张寻, 金毅, 巩林贤, 黄文辉, 任建吉, Norbert Klitzsch,

  目的煤储层裂隙的精细描述对于煤层气资源的勘探开发具有重要意义，裂隙的尺寸、走向、分布密度等直接影响煤层的渗透性，准确识别和提取煤层中的裂隙信息是揭示体积压裂过程中裂缝网络形成与扩展机理的关键。传统的裂隙提取方法往往依赖人工标注和基于一定图像处理技术的特征提取，这些方法在精度和效率上存在明显不足。方法提出一种基于Trans-UNet网络和µCT图像的煤裂隙提取方法，Trans-UNet结合了Transformer模块和卷积神经网络(CNN)的优点，不仅具备全局特征提取能力，还能够捕捉图像中的局部细节特征，大幅提高了分割精度和网络的鲁棒性。首先对煤样µCT图像进行预处理，包括使用差值法提高图像质量、使用数据增强技术扩大样本数量等。随后，利用Trans-UNet网络对处理后的图像进行分割，提取裂隙特征，并比较不同神经网络模型的分割结果。结果和结论结果表明，提出的方法在数据集上表现出优越性能，Trans-UNet模型在煤裂隙提取上的准确性(accuracy)、精确度(precision)、F1分数(F1-score)和交并比(IoU)分别达到91.3%、89.5%、89.8%和84.0%，相较于U-Net、U-Net++等其他多种智能模型有显著提升。结合µCT图像的细粒度特征，将Trans-UNet网络应用于煤裂隙提取任务，是一种高效且准确的解决方案，为煤层气勘探开发领域的相关图像处理任务提供了新的思路。

• 深部地下储存空间利用理论、技术及前景

  魏恒飞, 方杰, 时俊杰, 李秋媛, 余贝贝, 陈晶,

  背景人类利用能源的趋势是从高碳高污染非可再生能源向低碳清洁可再生能源转化，在这个过程中，以天然气、风电、太阳能、氢能为代表的低碳清洁能源需要耦合深部地下储存空间来抵消其地域性和不稳定性的缺点，此外，像CO2地质封存这样的低碳、零碳技术也需要利用深部地下储存空间来实现，因此，研究低碳背景下深部地下储存空间利用理论、技术及前景，对我国未来深部地下储存空间的高效利用具有重要的指导作用。方法在调研国外深部地下储存空间类型及利用历史基础上，结合我国深部地下储存空间利用现状，划分深部地下储存空间利用的历史阶段，概括了深部地下储存空间多元化利用方向及现状，总结了利用深部地下储存空间建设地下储集设施的理论及技术现状，分析了我国在地下储集设施建设方面的理论及技术贡献，剖析了我国利用深部地下储存空间利用的问题和对策。结果和结论总体来看，人类利用深部地下储存空间的历史已有110 a，主要经历3个阶段：初期发展阶段(1915—1945年)、快速发展阶段(1946—1998年)、中国追赶到同步发展阶段(1999年至今)。我国大规模化利用深部地下储存空间的历史短，但在层状盐岩型储库及煤炭地下水库建设理论和技术方面，具有世界独创性和领先性，并发展了复杂地质条件下储气库建设理论和技术。目前我国建成的地下储集设施数量少、类型单一、应用场景单一，还没有建成含水层型储气库，在盐穴储氢、储氦、储油以及咸水层CO2地质封存等方面还需要加强理论和技术攻关，在深部地下储存空间资源分配方面需要加强政府顶层设计及各部门协同。在“双碳”目标愿景下，我国深部地下储存空间发展前景广阔，地下储库将是我国大规模发展天然气、风光电、绿氢、碳埋存等产业的重要配套设施，未来地下储集设施建设行业具有千亿级别的产业规模，具有催生新技术及新产业的潜力，也是新质生产力发展的重要产业创新点。

• 深部储层煤层气产出影响因素

  王振至, 傅雪海, 潘结南, 金毅, 王海超,

  目的深部煤层气产出与浅部存在较大差异，维持储层渗透性或尽可能减小渗透率损失、提高煤层气(CH4)解吸效率及准确预测扩散规律是深部煤层气产出面临的重要挑战，亟需通过技术创新和理论研究攻关突破。方法对国内外煤储层渗透性、煤层气解吸、扩散等基础研究进展进行系统分析，结合深部煤储层排采阶段划分和不同阶段煤层气运移主要形式，总结深部煤层气产出机制及其影响因素。结果和结论结果表明：(1) 深部煤层气产出划分为快速上产、相对稳产、缓慢递减和低产4个阶段。(2) 快速上产和相对稳产阶段，储层压力高，气源以游离气为主，甲烷运移以渗流为主导，其主要影响因素包括煤体结构、孔裂隙发育程度、储层温度、原位地应力、有效应力等。该阶段应尽可能地减少渗透率损失，避免直接压开碎粒煤、糜棱煤占比较大的储层；相对稳产阶段之后储层温度的增渗作用会随着滑脱效应的增强逐渐增大；控压降、慢排采有助于减缓储层渗透率衰减。尽管在低产气阶段原生裂隙及人工裂隙渗透率损失率均接近100%，但不可逆渗透率损失率却远远低于浅部煤储层，昭示着储层二次改造增产的可行性。(3) 快速上产至相对稳产阶段，吸附气开始缓慢解吸，扩大解吸范围、保证渗流通道，提高煤层气井产量是重中之重。深部煤储层中吸附气解吸较浅部所需时间长，临界解吸压力难以准确判断，解吸气体运移通道易压缩闭合，解吸范围受限。实验研究时应选用逐级降压解吸方式，可精准预估煤层气开采率；排采过程控制储层压力缓慢降低，可有效提升微孔中吸附气的解吸率。(4) 低产气阶段，产气以远井区域解吸气供给为主，甲烷扩散决定煤层气井产量，扩散系数的准确测试和动态模型构建是关键。扩散系数各向异性特征显著，目前CH4扩散模型对煤体结构的各向异性特征很少涉及；构建CH4时变扩散模型，需考虑煤体多尺度孔隙−显微裂隙中扩散模式；结合煤中多尺度孔裂隙精细表征实验与高温高压核磁成像分析技术，可表征不同孔径间CH4密度变化。本次系统的总结和认识，将理论与生产实践相结合，进一步完善深部煤层气开发理论基础。

• 咸水层中液态与超临界CO2运移特征和封存方式

  彭玺伊, 王延永, 李嵩, 王晓光, 崔国栋, 何勇明,

  目的CO2咸水层封存是实现大规模温室气体减排的关键技术。对离岸浅部咸水层，海洋低温环境与上覆海水压力作用使其温度和压力条件相较于相同埋深陆上咸水层差异明显，地层内CO2可能以液态形式存在。与超临界态相比，液态CO2的密度、黏度及其在地层水中的溶解度更高，影响其运移和封存过程。现有研究以超临界CO2为主，液态CO2在咸水层中的运移和封存规律缺乏深入认识。方法考虑液态与超临界态CO2特征，构建浮力与毛管力作用下CO2运移与封存的数学模型。基于高精度两相渗流数值模拟，对比注气结束后液态与超临界态CO2在咸水层中的运移特征和封存方式变化规律。结果和结论结果表明：与超临界态相比，浮力主导下液态CO2垂向运移速率降低，波及体积减小。25 a后不同封存方式下液态CO2的封存量要明显低于超临界态，咸水层的封存容量更难被充分利用。局部毛管力封存占比55%，残余气封存约为40%，溶解气封存占比5%，相态对不同封存方式贡献的影响较小。地温梯度的增大有利于强化液态CO2的垂向运移，增加其波及体积，提高不同封存方式封存量及咸水层封存容量的利用效率。相同埋深条件下，超临界CO2在陆上与离岸咸水层中运移特征和封存量呈现明显差异。离岸咸水层中超临界CO2的垂向运移被抑制，降低了局部毛管力和残余气作用下CO2封存量，不利于咸水层封存容量的有效利用。研究成果可为陆上和离岸咸水层CO2高效封存提供一定指导。

• 浅埋煤层开采地表裂缝发育规律及形成演化机理

  侯恩科, 慕佳欣, 谢晓深, 冯栋, 杨磊, 李研, 何涛, 包康光, 陈小绳,

  目的地表裂缝是陕北煤矿区最常见的一种地质灾害，不仅损伤地表生态环境，与覆岩裂隙贯通的地表裂缝还是地表水溃入井下的主要通道，威胁井下安全生产。方法为进一步揭示浅埋煤层开采地表裂缝发育规律，并阐明其形成及演化机理，以陕北红柳林煤矿15218工作面和25213工作面为研究对象，采用地表裂缝填图、裂缝动态监测和数值模拟等方法，对地表裂缝进行深入研究。结果和结论研究表明：(1)浅埋煤层开采地表裂缝整体呈“C”形展布，其发育特征与发育位置和地貌类型密切相关。相同开采条件下黄土沟壑区>5 cm宽度的裂缝数量占比是风沙滩地区的2.15倍，发育程度明显大于风沙滩地区；工作面边界裂缝发育程度明显大于面内裂缝。(2)浅埋煤层开采地表裂缝具有超前和滞后2种动态发育特征，其中，25213工作面开采诱发的地表裂缝滞后回采位置发育，滞后距6.49 m；15218工作面开采诱发的地表裂缝超前回采位置发育，超前距20.07 m；面内裂缝具有4种活动特征，边界裂缝宽度仅呈现“开裂—增大—稳定”的活动特征，地表裂缝整体活动时间4~14 d。(3)采空区地表附近形成压缩区、拉压转换区和拉伸区，随着工作面推进，采空区顶板岩层和地表移动变形破坏区不断向前扩展。地表下沉盆地范围略大于采空区，最大下沉系数0.82。(4)非贯通裂缝主要由地表移动盆地边缘土体拉伸变形超过其极限值所引起，贯通裂缝是覆岩内部上行裂缝与地表裂缝相接或直接导通地表的结果。随着工作面推采，基本顶周期破断引起地表裂缝向前不断扩展。地表裂缝宽度变化特征与裂缝两侧块体的复杂运动密切相关。研究成果对浅埋煤层开采区地表裂缝防治具有重要参考价值。

• 关闭矿井地表抬升变形特征及其影响因素

  罗锦, 李英明, 郭庆彪, 赵光明,

  目的关闭矿井地表残余变形持续时间长、演变过程复杂，可能出现抬升等非常规现象，从而影响关闭矿井开发再利用。方法为探究关闭矿井地表抬升变形机理、特征及影响因素，以安徽淮南某矿为例，利用数值模拟分析地下水位回升后地表抬升传导过程，研究采高、地下水位高度和垮落带岩体强度因素变化对地表抬升特征的定量影响。结果和讨论结果显示，地下水位回升导致采空区上方岩层孔隙水压力增大，水位从30 m回升至150 m时，采空区中央孔隙水压力从5.99×102 kPa增加至2.17×102 kPa，而采空区四周区域孔隙水压力减小。在采高临界值之内，随着采高增加，覆岩回弹值和地表抬升值均增大，深埋岩层回弹显著，地表抬升存在滞后效应，在渗流时间达4个月后地表才开始抬升。水位回升高度对覆岩回弹和地表抬升有直接影响，地下水位升高，覆岩整体呈现回弹趋势，但随水位升高，覆岩回弹趋势降低，水位回升高度超过146 m后地下水位引起的回弹效果将会减弱。垮落带弹性模量衰减会显著加剧地表抬升效应，且抬升值与衰减程度呈线性正相关，垮落带弹性模量未衰减时地表抬升值为86.4 mm，衰减程度增加至50%时，地表抬升值为160 mm。研究成果明确了不同因素下地表抬升的变形特征及传导机制，为关闭矿井地下水回升引起地表抬升的进一步研究提供了重要参考。

• 岩体粗糙单裂隙非达西流动各向异性特性

  朱寅斌, 廖震, 李长冬, 刘洪斌, 姜茜慧,

  目的研究岩石粗糙单裂隙中发生的流体流动行为是全面了解裂隙网络渗流特性的基础。方法基于分形理论生成人工合成岩石裂隙，采用COMSOL Multiphysics软件开展渗流数值模拟研究；利用3D打印技术制备与数值模型具有相同几何特征的裂隙试样，并结合自主搭建的渗流实验装置开展一系列不同注入流量下的渗流试验，研究了不同注入方向对三维粗糙单裂隙非达西流动微观和宏观流动行为的影响。结果和结论结果表明：(1)不同注入方向条件下岩石裂隙表面粗糙度的差异会显著影响裂隙的渗流特性，在表面粗糙度更大的方向上流体流动阻力、流动路径迂曲度和非达西效应更大。(2)裂隙中涡旋区发育程度与表面粗糙度呈正相关，在表面粗糙度更大的注入方向上涡旋区的发育程度比表面粗糙度较小的注入方向上涡旋区发育程度更高。(3) Forchheimer方程在描述裂隙中的非达西流动时不能适用于整个雷诺数范围，只有在非达西流动充分发生时才能有足够的准确性。(4)裂隙表面粗糙度各向异性程度越大则裂隙在粗糙度更大的方向上越容易发生非达西流动，两个注入方向上的流动行为差异也越明显。(5)基于三维裂隙渗流模拟研究建立了裂隙临界雷诺数与表面粗糙度各向异性因子以及平均开度的定量化表征模型，并通过开展渗流试验验证了所建立模型的有效性。研究成果可为更全面研究粗糙裂隙中非达西流动行为的各向异性提供借鉴。

• 饱和浸水过程矸石胶结充填体强度及损伤特征

  于祥, 杨科, 何祥, 侯永强, 文志强, 张连富,

  目的受充填料浆水、工作面涌水和采空区内积水的影响，矸石胶结充填体的含水率会随浸水时间的增加而发生改变，进而改变了充填体的承载性能。研究矸石胶结充填体在饱和浸水过程的强度特性及损伤破坏特征，对于保持充填体的稳定性和保障煤矿安全至关重要。方法通过对饱和浸水过程的矸石胶结充填体开展单轴压缩试验和微观电镜扫描测试，分析充填体强度随浸水时间的变化规律，并基于微元强度统计分布量，建立峰前阶段的分段损伤本构模型，通过微观电镜扫描，揭示饱和浸水过程中矸石胶结充填体强度弱化机制。结果和结论结果表明：(1) 饱和浸水过程中，胶结充填体单轴压缩下的应力−应变曲线呈现出明显的“四阶段”特征，孔裂隙压密闭合阶段最大应变和应力及峰值应力点应变与浸水时间呈正相关，而峰值应力和弹性模量与浸水时间呈负相关。(2) 随着浸水时间的增加，矸石胶结充填体的破坏形态由剪切破坏为主过渡到以张拉−剪切共轭破坏为主，最终转化为以纵向张拉破坏为主，破坏位置主要集中在矸石胶结充填体的中部。(3) 建立了考虑孔裂隙压密闭合阶段最大应力和最大应变、弹性模量及峰值应力和峰值应力点应变的分段损伤本构模型，基于试验数据对模型进行了验证，理论模型曲线与试验曲线基本吻合。(4) 受水分张力作用、润滑作用及矿物溶解作用的影响，将饱和浸水过程中矸石胶结充填体强度弱化机制分为3个阶段，当充填体达到饱和状态后，其强度持续降低，但是降低速率减小。研究结果可为采空区富水环境下矸石胶结充填开采提供一定的数据支撑。

• 矿用随钻方位电磁波仪器正交天线响应特征

  陈刚,

  目的和方法为掌握煤层水平井中随钻电磁波仪器探测影响因素，通过有限元数值模拟采用多频、多线圈距的正交耦合线圈进行边界探测研究，确定了仪器线圈最佳排布非对称方式，并获得了适合高阻煤层的频率、源距、线圈间距的优化工作参数选择。结果和结论通过正交线圈与倾斜线圈对比研究，发现倾斜线圈时定向信号虽然理论上幅度比信号随着线圈距增大在增强，但实际的倾斜线圈感应电动势的幅值却随着线圈距增大而减小，增大了信号采集的难度。通过研究设计了一种适合煤矿使用的方位电磁波电阻率正交线圈系结构，满足高阻情况下同时具备电阻率和界面探测的功能，获得了适合高阻煤层的频率、源距、线圈间距的优化参数，为煤矿井下孔内顺煤层方位电磁波探测技术提供基础。

• 基于有限元模拟的矿井微震源高精度定位方法

  宁殿艳, 朱开鹏, 朱永生, 袁淑霞, 周振方,

  目的和方法矿井微震监测技术通过捕捉岩层内部结构在受力变形及破坏过程中产生的低频振动信号，来反映岩层变形及破坏情况，从而实现突水预警和地质灾害预测。其中，声源定位技术是关键环节，能够确定能量释放位置，预警潜在的灾害。目前，时差法用于声源定位存在算法复杂、定位精度受探头布置影响显著，以及对复杂地层结构适应性较差等问题。针对不同地层结构，基于有限元法，模拟弹性波在地层中的传播，考虑不同地层界面的透射、反射和衍射效应，研究了不同反演模型及探头布置方式对定位精度的影响。结果和结论研究结果表明：点声源控制模型能较好地模拟弹性波在岩石中的传播，而正交探头布置方式在声源定位中表现更佳。在平面均质材料中，相较于双三角探头簇，单正方形探头簇定位误差降低了0.6%，双正方形探头簇提高了1.69%的精度；在平面层状结构中，双三角形探头簇采用透射反演法相比均速反演法精度提升15%，双正方形探头簇则提升了14.9%；在三维层状结构中，直角四面体探头簇的透射反演法精度提高了14.5%。总体而言，反演模型对定位精度的影响更为显著，提出的数值模拟方法能够通过时差法透射反演实现高精度、快速的声源定位。研究结果为矿井微震与微震监测预警系统的优化提供了重要参考。

• 煤矿巷道掘进前方含水体的频率域激电响应特征

  胡雄武, 胡原榕, 吴荣新, 於浩,

  目的频率域激电法因能观测地质体的频散率和复电阻率等关键电性参数，有效降低电性异常的多解性，已成为煤矿巷道掘进电法超前探水技术的主要发展方向。然而，目前该方法主要沿巷道轴向观测数据，导致对巷道前方地电信息的捕捉能力不足，存在含水异常体方位判识不清等实际难题。因此，探究巷道频率域激电参数的超前响应特征及其各向异性，对于改进数据观测方式，进一步增强含水体判识精度具有重要的理论与实际意义。方法首先，结合矿井巷道实际场景，提出了三方向激电视参数观测方式。其次，以全空间无限大板状导电体作为巷道掘进前方含水体模型，推导了三方向激电视参数响应表达式；最后，通过数值计算和理论分析等方法，研究了三方向激电视参数随模型方位角、倾角及其至场源距离等产状参数的变化特征。结果结果表明：(1)巷道轴向视频散率和视复电阻率的曲线类型分别为K(低−高−低)型和H(高−低−高)型，基本不受模型参数变化的影响，电性异常始终表现为“低阻高频散”特征。(2)垂直巷道两帮方向的视频散率曲线类型在模型位于巷道正前方时呈现K型，其他为反比例函数型；视复电阻率曲线类型则在模型偏向巷道左、右两侧时分别呈现K型和H型。(3)垂直巷道顶底板方向的视频散率曲线类型在模型处于直立时呈现K型；其他表现为反比例函数型；视复电阻率曲线类型在模型倾向巷道前方和后方时分别呈现K型和H型。(4)三方向激电视参数的异常幅值及其探测极距显著受到模型参数的影响，尤其是异常极值点或阶跃点对应的探测极距，随模型至场源距离的变化而发生显著变化。结论三方向激电视参数对板状含水体模型的响应表现出显著的各向异性，其中巷道轴向的激电视参数对模型产状的敏感性差，是导致目前实际探测电性异常方位判识精度偏低的主要原因；垂直巷道两帮的激电视参数对模型方位敏感；垂直巷道顶底板方向的激电视参数对模型倾向敏感。与现有观测方法相比，三方向观测方法能为探测巷道掘进前方含水体提供更为丰富的电性信息，有助于提升含水体的空间定位精度。

• 分布式光纤声波传感技术优化煤层气水力压裂微震震源定位

  华豪, 程冰洁, 徐天吉, 严震乾, 高波, 何成,

  目的为了达到安全且高效的压裂效果，通常需要对储层压裂过程实现及时、准确的微地震监测，用于分析和评估压裂效果。方法通过在煤层气储层钻井的套管外永久式地布置光纤，实现了基于分布式光纤声波传感技术(distributed optical fiber acoustic sensing，DAS)进行全井段、宽方位、高密度煤层水力压裂改造过程微振动的实时监测，并进一步提出了一种基于波形走时信息和震源约束映射算法的微震源定位新方法。首先，通过计算光纤采集数据中道间相似系数识别有效微震事件。其次，根据P波和S波波形顶点获得在光纤中的入射位置，并采用长短时差能量比法获取波形走时差用于确定微震事件距光纤的空间距离。最后，结合入射光纤位置和震源距监测光纤距离进行震源约束映射定位。结果和结论结果表明：光纤采集过程中，DAS对于地震波具有很强的方向敏感性。表现为对0°入射角的P波敏感，对90°入射角的P波则基本不敏感；对45°入射角的S波敏感，但对90°入射角的S波不敏感。在噪声强度一致的情况下，基于不同标距长度的波场采样效果显著性顺序为：1 m>10 m>100 m，在噪声强度为300%时，1 m空间采样数据仍能展现出相对连续的波形特征，明显突出50 Hz的震源子波。预测缝网展布走向以NNW—SSE为主，与区域最大主应力方向一致，平台内大部分压裂缝网预测误差在10 m内。在四川盆地川南煤田M井田的应用实践进一步表明，基于约束定位算法得到的预测结果与实验验证结果一致，能够有效指示煤储层压裂缝网区域，对致密、低孔渗油气藏开采效率的提升具有重要意义。

• 煤矿井下定向钻孔轨迹模型预测控制方法

  李浩, 姚宁平, 陆承达, 张金宝, 魏宏超, 吴加俊, 李金宇,

  目的针对煤矿井下复杂地层定向钻进过程中存在的实钻轨迹控制难度大、与设计轨迹偏差较大的问题，提出了基于模型预测控制(model predictive control，MPC)的定向钻孔轨迹跟踪控制方法。方法以螺杆钻具定向钻进过程为研究对象，在分析煤矿井下复杂地层条件下定向钻进特性的基础上，研究定向钻具的运动规律，采用运动学理论建立滑动定向钻进的钻孔轨迹延伸模型，并用泰勒级数展开方式对模型进行线性化处理，以消除钻孔倾角与方位角等状态量之间的耦合关系，在此基础上构建钻孔轨迹预测模型和以最小轨迹偏差作为控制目标的目标函数，采用反馈校正方法解决预测模型的稳态误差问题，并设计具有预测模型、滚动优化、反馈校正功能的模型预测控制器，得到钻孔轨迹最优控制量的推荐−工具面向角，最终实现定向钻孔轨迹跟踪优化控制。最后，利用陕西韩城某煤矿钻孔实钻数据，对控制算法进行了验证。结果和结论结果表明，线性化处理后的钻孔轨迹延伸模型有效保留了原有模型的特征，并简化了控制器的设计过程。改进后的定向钻孔轨迹反馈校正模型预测控制方法克服了模型适配和稳态误差的影响，相比于基于螺杆钻具造斜规律的人工经验控制决策方法，倾角平均绝对误差和方位角平均绝对误差分别降低79.5%和70.5%，为复杂地层定向钻孔轨迹控制提供了一种新的控制算法。

• 随钻钻进参数优化下煤体原位应力响应特征解析

  张琨, 王珂, 任建喜, 冯上鑫, 常鹏博, 赵玉桃, 苗彦平, 胡俭,

  背景井下煤体应力空间分布状况是影响矿井安全生产和采掘工艺优化的重要因素之一，实现煤体应力定量且超前的原位预测，对于精准调控井下应力场、划分冲击危险区域意义重大。方法利用自主研发的随钻监测系统，开展不同钻进工况条件下的煤岩钻孔室内试验，探究不同应力条件下钻进工况对钻进参数(扭矩、钻进位移)的作用规律，进而提出基于钻进参数的煤体应力测定方法，并开展了井下原位工程应用实践。结果和结论结果表明：(1)在钻进过程中，随钻监测系统可在干扰钻进工艺下实时监测钻进参数。钻进过程中钻进速度与钻压呈负相关关系，与扭矩呈正相关关系。(2)构建的钻进指标与煤体应力大小的函数关系拟合效果良好，拟合度达R2=0.92。(3)井下原位工程验证发现，基于钻进参数煤体应力预测值和煤体应力实际值平均差异率小于10%，具有较好的一致性。该研究验证了基于钻进参数测定煤体应力的可靠性，也为实现煤体应力原位数字钻探技术提供了科学参考。

• 深部地质钻进过程钻速时序融合建模方法

  周洋, 陆承达, 吴敏, 陈鑫, 姚宁平, 宋海涛, 张幼振,

  目的钻速是衡量钻进效率的关键指标，构建准确的钻速模型对于优化钻进过程、减少钻进成本具有重要意义。然而，深部地质钻进面临非线性、非凸优化、多工况及时序变化等挑战，传统建模方法难以适应复杂地质环境。方法为解决上述难题，提出一种结合时序调节的钻速融合建模方法。首先，利用支持向量回归构建了钻速基础模型，用于解决钻速变化带来的非线性问题。接着，设计一种改进的蜣螂优化算法，通过权重融合、改进的回声定位、改进的局部迭代搜索与最佳解重更新策略，来解决模型参数设计面临的非凸优化问题。此外，采用基于模糊C均值聚类与Mann-Kendall趋势检验的时序调节方法，对模型输出进行时序调节，以适应钻速的时序变化。结果和结论结果表明：(1)改进的蜣螂优化方法11个基准测试函数中展现出更好的效果，表明其能够有效解决模型参数设计问题。(2)基于实际钻进数据的仿真结果也说明了建立的钻速模型在两个井段中均取得了最佳的效果，时序调节后的模型在两个井段中的预测趋势正确率也分别提升到了80%和87.5%。(3)在微型钻进实验系统的测试中，建立的钻速模型在不同的岩石样本中均达到最高精度。建立的钻速模型能有效应对复杂的地质环境变化，为深部地质钻进过程控制奠定良好基础。

• 万米钻机全液压顶驱平衡装置液压回路设计与仿真

  罗朝椿, 王清岩, 范黎明, 李昊轩, 钟蔚岭, 郭乃铭,

  目的全液压顶驱平衡装置作为万米钻机重要设备之一，旨在动态精准调控拧卸扣过程中的轴向载荷，以保护钻杆接头螺纹免受损伤，确保钻探作业的稳定性和安全性。方法针对SP.TD-01A型全液压顶驱，设计了平衡装置及其液压回路，以实现顶驱使用过程中所需的平衡和弹跳功能。首先，确定顶驱平衡装置液压回路组成结构及主要工作参数。随后，利用Matlab/Simulink/SimScape仿真平台，构建了顶驱平衡装置液压回路动态仿真模型、顶驱主轴与钻杆拧卸扣机构动力学仿真模型，模拟测试顶驱主轴保护接头在拧卸扣过程中的轴向载荷变化和位移特性，以及平衡装置液压回路的流量−压强特性和能耗指标。结果和结论结果表明：设计的顶驱平衡装置功能结构合理且具有良好的动态调节性能。在主轴转速为10 r/min情况下，拧扣、预紧用时24 s，卸扣、脱扣用时26 s。拧扣阶段螺纹面最大压力(碰撞)为11.2 kN，稳定时约550 N。卸扣阶段，螺纹面最大压力为3.5 kN，平均约1.2 kN。完成拧扣作业后，顶驱弹离钻杆柱76.5 mm。设计的顶驱平衡装置及其液压回路已应用于SP.TD-01A型全液压顶驱系统，使用效果良好，在保护钻杆接头螺纹方面发挥了重要作用，在服务“松科二井”施工期间出于安全方面的考虑，顶驱主轴保护接头仅更换4次。研究工作对于后续顶驱系统研发具有指导意义。