煤田地质与勘探杂志

煤田地质与勘探杂志2025年第4期

• 2023—2024年煤炭地下气化技术研究进展述评

  秦勇, 易同生, 汪凌霞,

  背景煤炭地下气化(UCG)技术产业化是保障清洁能源供给安全的一个可能解决方案，当前新一轮UCG技术探索热潮方兴未艾。方法系统梳理国内国际文献，评述2023—2024年期间UCG技术研究进展，分析UCG技术发展面临的主要挑战，提出未来重点探索方向。进展提出了基于UCG的煤炭能源开发利用变革性技术，认为发展UCG–煤层气资源–CO2封存与利用(UCG–CBM–CCUS)协同高效联产工艺技术是推进UCG技术产业化的关键。UCG生产动态与过程控制研究重点范围有所扩大，完善了UCG传热传质模型和模拟方法并建立了UCG腔体生长过程主要参数数学模型，探讨了UCG生产行为对炉内温度、压力、气化剂配方、注气工艺的响应特点和变化规律，论证了UCG生产富氢气体的天然优势和成本优势，揭示声发射定位技术在UCG生产动态监控中的潜在多项功能。UCG安全研究关注重点集中在运行安全、地下水安全、地表沉降防控、碳减排4个方面，研究了UCG粗煤气爆炸特性、井筒喷淋降温措施和管材抗氢腐蚀特点，初步开发出耐高温回填新材料，提出了多种UCG地下水污染防控技术，形成多种UCG地面沉降及残余沉降预测方法，提出了UCG碳减排基本策略及“碳调减”主动减排策略。UCG地质约束与选区选址评价、井下关键装备与工具、技术经济性评价等方面研究进展显著，地质评价高度关注UCG工程行为对地层条件的响应，提出和论证了催化剂注入工艺、新型点火方式、外加电磁场激励加热、气化剂注入方式和工艺改进等新设想，成功研制可燃套管、连续管等关键装备工具，多种新工艺新技术设想颇具新意和潜在实用价值。研究展示了UCG粗煤气生产和利用的经济竞争力。首次实施UCG-ECBM(煤层气增产)高效联采新工艺现场技术验证。展望鉴于近期UCG现场实践揭示的重大问题，提出了UCG地质−工程一体化、施工技术水平提升、关键装备工具研发三大未来重点探索方向。

• 基于保压煤心的瓦斯压力演化规律及其计算方法

  高明忠, 宋杰, 崔鹏飞, 李永程, 王智鹏, 周雪敏, 李炬, 郝宗欣, 郝海春,

  目的和方法煤层原位瓦斯压力是煤矿安全生产以及煤层气资源评估的重要参数。针对现阶段煤层原位瓦斯压力测定周期长、测算结果受多种参数影响等局限，利用自主搭建的保压煤心瓦斯压力演化实验系统，开展了不同含水率下保压煤心等温吸附和扩容解吸实验，在揭示保压煤样瓦斯压力演化规律的基础上，基于“深部煤层原位保压保瓦斯取心工艺”形成的“煤层原位瓦斯压力”理论计算原理，提出了考虑气体压缩因子与含水率的瓦斯压力计算修正模型，并验证了其可靠性。结果和结论结果表明：(1) 受高瓦斯压力影响，保压空间内瓦斯压力更容易达到新的平衡，在等温吸附过程中瓦斯压力呈阶段性演化特征，保压煤心瓦斯压力先快速下降至某一值，升压后再逐渐趋于平衡。(2) 受煤样介孔为主、微孔孔容较大孔隙特征影响，煤中水分含水率越高，煤对瓦斯的吸附阻力越大，从而导致平衡时间拉长，吸附压降值降低。(3) 基于不同含水率保压煤心扩容解吸实验计算了煤样瓦斯压力，各含水率下瓦斯压力计算结果平均相对误差分别为2.22%、1.29%、0.39%、0.80%，可见修正后的瓦斯压力计算方法有较高准确度。提出的瓦斯压力计算新方法有望为煤层原位瓦斯压力测定提供可靠、便捷、精准的计算方法。

• 煤矿瓦斯动力灾害地面治理关键技术与应用

  王勃, 徐凤银, 刘文革, 邵嗣华, 王宁, 文建东, 程国玺, 屈争辉, 谢亚东, 韩甲业, 李志, 徐波, 杨卫华, 张艺腾, 李长兴,

  目的意义随着采煤深度增加，煤炭开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压及复合动力灾害愈发突出，深化致灾机理、发展多元化防治技术对于煤矿安全生产意义重大，利用煤层气开发关键技术治理煤矿瓦斯动力灾害是实现煤矿生产“安全关口前移”的必由之路。但目前尚未形成规模化适用性技术体系。方法从地面煤层气开发的关键技术应用视角，系统述评了煤层气钻完井、压裂等技术的发展历程和研究进展；从煤矿安全角度详细梳理了近70年来煤矿瓦斯动力灾害的致灾机理及关键技术。结合煤层气开发技术特点和煤矿动力灾害防治需求，提出了在理论创新和技术攻关方面的一些建议。结果和结论(1)在理论研究方面，深化开展煤与煤层气(瓦斯)综合勘查，并融合多种手段开展精细地质研究。(2)在治理技术方面，进一步探究洞穴消突井+高压空气(液氮、CO2)涤荡+负压抽采、地面L型水平井分段压裂+排采等煤与瓦斯突出治理技术，以及顶板L型井分段水力压裂、顶板L型井分段水力加砂压裂+排采等冲击地压治理技术。在此基础上，优选煤层气开发L型分段压裂等先进技术并开展现场瓦斯动力灾害治理试验，通过实施科研−工程一体化工程项目，探索不同防治理论及技术在不同地质条件下的适用性，构建适用于煤矿瓦斯动力灾害防治的技术系列，为我国煤矿安全生产保驾护航。

• 煤层顶板水平井分段水力压裂微震监测与评价

  李全贵, 彭淑悦, 梁运培, 李文禧, 钱亚楠, 程春晖, 余长君, 湛金飞,

  背景微震监测作为一种无损监测技术被广泛用于煤层水力压裂效果评价，但由于建立层状波速模型时缺乏对同层介质中垂向波速梯度的考虑，导致走时计算和震源定位精度有待提高，影响了煤层水力压裂评价的准确性。目的和方法以安徽某矿煤层分段水力压裂工程为背景，提出了一种基于泛克里金插值法改进的波速模型。结合各向异性因子约束，在声波测井波速模型的基础上，对同层介质中网格波速数值进行插值计算，表征其各向异性特征，并以此修正弹性波传播路径。通过已知位置射孔事件的震源定位精度对比，验证了改进波速模型的有效性。基于该模型，进一步计算了储层渗透率和储层改造体积 (stimulated reservoir volume，SRV)，实现了对煤层水力压裂效果的综合评价。结果与结论结果表明，泛克里金波速插值相比于线性插值能够有效提升震源定位精度，对于同一射孔点，插值后模型定位误差较初始层状模型最高降低了7.22 m。水力压裂效果评价中，波速插值后的震源定位结果得到改善，微震事件在垂向方向离散性得到有效约束，各压裂段有效影响半径约90 m。煤层区域内微震事件分布密度与渗透率存在差异，各段井筒附近压后渗透率较高。储层改造体积总计为1.977×107 m3，改造体积及水力裂缝长度与注入总液量正相关，基于微震评价的压裂改造效果与预期设计相符。

• 深部富游离气煤储层动态供气机理与理论生产模式

  陈世达, 张泰源, 汤达祯, 许浩, 陶树, 李松, 唐淑玲,

  目的和方法吸附气、游离气产出过程及其产出效率的动态配分机制是深部煤层气勘探开发亟待解决的关键科学问题。基于探井取心测试化验数据，系统分析了深部煤层气资源的理论可动性，结合数学/数值模型构建、甲烷碳同位素监测和排采曲线解剖，揭示了排采诱导的储层压降扩展、吸附气解吸扩散、游离气渗流的时空演化过程及其产出效应，提出了深部富游离气煤储层多态甲烷协同供气机制和理论生产模式。结果和结论(1) 深部煤层气井生产过程中，游离气和吸附气具备“连续−协同”的供气特点和“竞争产出”的配分关系，任意时刻产出气均为二者的混合气，不同赋存态甲烷的动态配分比例取决于不同生产阶段压力传播域内以“降压诱导解吸、压差驱动渗流”为核心的游离气传质效率和吸附气解吸补充效率的叠合。(2) 深部煤储层将经历解吸全过程，降至关键解吸节点所需压力降幅较大，初期高储层压力−低解吸效率与后期高解吸效率−低压降空间的矛盾难以调和，压降漏斗内吸附气平均解吸率偏低且供气单元主要集中在高渗改造区，游离气供气半径可持续拓展并始终占据较大产量比重，高密度井组联采或气−水分布的强非均质性会导致吸附气−游离气产出占比发生调整，调整过程取决于供气单元拓展与流体供给能力的动态匹配关系。(3) 游离气和吸附气分别具有“骤增−缓降或骤增−骤降−缓降”和“缓增−趋稳−缓降”的生产特征，总体产能存在快速上产、相对稳产和缓慢递减3个主要阶段，排采曲线形态受控于游离气量、原位渗透率、储层改造效果、排采降压制度等因素，部分井在相对稳产阶段存在先骤降后趋稳2个次级阶段。(4) 增大改造体积、提高水平段长、寻找富游离气−高孔渗区段是增产核心，探索提高吸附气解吸效率和压降下沉幅度的工艺技术是增加下探深度的关键，兼顾气井生命周期和流体产出效率构建“动态调控排采制度”是产能充分释放的重要前提。(5) 以地质−工程一体化原理为指导，合理确定深部不同地质单元煤层气产能目标及其所需井控面积，协同优化钻完井方式、井网密度、压裂参数、配产速率和生产周期，是深部煤层气效益建产的重要攻关方向。

• 深层煤层气勘探开发标准体系建设思考及实施战略探讨

  陈新军, 刘曾勤, 申宝剑, 赵石虎, 张嘉琪, 叶金诚,

  目的我国深层煤层气(埋深>1 500 m)资源潜力巨大，作为战略性清洁能源，其开发利用价值日渐凸显，对于促进我国能源结构转型、支撑“双碳”目标具有重大现实意义。近年来在鄂尔多斯、四川、准噶尔等盆地取得重大勘探突破，单井日产气量突破10万m3，初步实现规模化开发。然而，现有煤层气标准体系主要针对浅层资源(埋深<1 000 m)，难以适应深层储层高温、高压、高应力、强非均质性、高游离气占比等复杂及特殊地质条件，导致勘探开发技术适配性不足、安全环保风险突出。方法通过系统分析深层煤层气地质−工程特征差异，提出“三个维度–四项原则”的标准体系架构，并指出了标准体系建设的阶段目标：短期聚焦勘探精度提升与开发工艺优化，建立地质–工程一体化标准框架，推动技术创新和产业转型升级；中期构建全产业链技术标准集群，推动全生命周期风险管理，实现资源高效利用和投资收益最大化；长期参与国际标准制定，促进国际技术交流和合作，提升我国深层煤层气产业的国际竞争力。结果和结论结果表明，深层煤层气标准体系建设应涵盖基础通用、地质勘探、地震测井、开发评价、工程建设和安全环保六大领域，采用“继承性改良+颠覆性创新”相结合的研制策略，重点关注储层评价、甜点评价、压裂改造等核心技术标准的建设。建议通过“标准体系框架构建、关键标准制修订、技术创新与标准化结合、国际合作与交流以及政策支持与保障”等战略路径，加速形成标准化工作格局，为深层煤层气产业高质量发展提供制度保障和技术支撑。

• 深层煤系气水平井多簇射孔分段压裂参数优化 以准噶尔盆地侏罗系白家海地区为例

  王波, 金成洪, 刘江, 王志威, 李申建, 盛茂,

  目的水平井多簇射孔分段压裂已成为深层煤系气效益开发的有效途径之一。然而，深层煤特有的岩石力学性质、储层滤失特性和微裂缝发育特征与非常规页岩、致密砂岩及浅层煤等差异显著，现有压裂经验无法照搬，需要开展针对性压裂参数优化研究。方法以准噶尔盆地白家海地区深层煤系气储层为对象，建立了顶底板−夹矸−煤复合地质构造的水平井多簇射孔分段压裂模型，模型考虑煤的层理、割理对裂缝扩展和储层滤失的影响，利用小压测试数据对储层关键参数进行修正，综合表征深层煤系气储层的物理力学特性。建立了多目标条件下最优泵注参数组合设计方法，获微地震监测数据验证。结果和结论结果表明，变黏滑溜水体系相较低黏滑溜水体系、冻胶体系更适合深层煤系气压裂，兼具缝长、缝宽和裂缝均衡性的优势；获得目标区块压裂最优参数组合：3簇+簇间距19 m+每米加砂量2.8 m3+排量16 m3/min。试验井微地震监测结果表明，优化后裂缝半长和改造体积分别增加了57.2%和12.3%。对隔层遮挡严重的深层煤系储层，裂缝在缝高方向通常难以突破，因此，需要提高缝长和缝宽。增大砂量和排量可以显著提高缝长和缝宽，是提升改造效果的关键。

• 不同初始储层压力下CO2驱替CH4试验研究

  许江, 蒋石宇, 彭守建, 王忠晖, 陈嘉璇, 牛慧婷,

  目的为揭示注二氧化碳强化煤层气开采(CO2-ECBM)过程中的储层参数演化规律及初始储层压力对煤层气注气开采效果的影响。方法利用多场耦合煤层注气增产物理模拟试验系统，开展了恒定注气压力2.0 MPa和初始储层压力分别为1.5、1.0和0.5 MPa的注CO2驱替CH4试验研究，探讨了CO2驱替CH4过程中储层压力、温度和体积应变等多物理场参数的时空演化规律及其驱替效果，并在分析其作用机制的基础上对CO2驱替CH4过程进行了阶段划分。结果和结论结果表明：(1)在驱替过程中，注气井储层压力高于生产井储层压力，且压差随初始储层压力增大而增大，最大值为0.34 MPa，而储层平衡压力随初始储层压力增大而减小。(2)储层温度在距离注气井越近的位置越早上升，且初始储层压力越小温度上升速率越大，储层平衡温度随初始储层压力增大而减小。(3)储层体积应变演化可划分为缓慢上升、急速上升、趋于平缓3个阶段，储层体积应变随初始储层压力增大而减小。(4)在驱替过程中，初始储层压力从0.5 MPa依次增至1.0、1.5 MPa时，CH4采收率由91.00%依次降至88.48%、86.81%，随初始储层压力增大呈现减小趋势，与之相反，CO2突破时间和CO2封存效率随初始储层压力增大而增大。驱替过程各阶段作用机制不同，阶段1 (CO2未突破阶段)和阶段2 (CO2突破阶段)的CH4累积体积、CO2封存体积随着初始储层压力的增加而增加，均占整个驱替过程中CH4累积体积、CO2封存体积的80%以上。研究成果为构建煤层气高效开采协同CO2地质封存一体化技术提供理论依据。

• 煤系锂及锂同位素研究进展

  张昀, 魏迎春, 曹代勇, 李新, 靳亮亮, 董博, 王鑫,

  意义锂(Li)作为新兴产业的重要战略金属，因其同位素显著的质量分馏效应，Li同位素成为重要的地球化学示踪工具。近年来，煤系Li矿产已成为战略性金属矿产资源勘探的重点。研究煤系Li同位素的组成及变化有助于揭示Li的来源、迁移与富集过程，并为煤系Li矿产的勘探与开发提供理论依据。进展从煤系Li的基本特征、同位素组成特征及分馏机制、煤系Li测试方法与提取分离及Li同位素测试分析技术3个方面总结了煤系Li及其同位素的研究进展。(1) Li在地幔和地壳中广泛分布，具有强烈的流体活动性。(2) 2种天然稳定同位素(6Li与7Li)因扩散速率差异及相对质量差，表现出显著的分馏效应，成为关键的地球化学示踪工具。(3)我国煤系Li矿产主要分布于华北石炭−二叠纪和华南晚二叠世煤系中，Li元素主要赋存于次生黏土矿物中，富集过程受沉积成岩、微生物活动、构造作用、岩浆热液活动及地下水迁移等多种因素的共同影响。(4)煤系Li同位素的分馏主要受温度、风化作用、变质作用及次生黏土矿物生成等因素的影响。煤系样品Li含量的测定方法已较为成熟，高精度Li同位素测试技术为Li同位素的广泛应用提供了可能。MC-ICP-MS已初步应用于煤系Li同位素分馏机制的研究，但煤系样品原位微区Li同位素测试技术尚处于探索阶段。由于含煤地层中Li的赋存载体成分和结构复杂，迫切需要开发煤系Li同位素原位分析标准样品和建立测试标准。煤系Li资源分离与提取的关键在于浸出效率的提高和浸出液中Li的提纯、回收。展望当前研究存在对于煤系Li同位素分馏机制探索尚浅、测试方法可能存在质量歧视效应、缺乏原位分析标准样品和模拟实验验证等一些不足。提出煤系Li及其同位素的未来发展趋势，包括煤系Li运移的动态过程与富集机制、高精度Li同位素测试分析技术的开发、煤系Li同位素分馏与沉积热演化过程的耦合机制研究和煤系Li资源的分离提取与回收研究等。

• 青海木里矿区四号井生态地质修复与效果

  赵欣, 王佟, 王伟超, 李聪聪, 李飞, 蒋志坤, 李津,

  目的青海木里矿区地处祁连山腹地，为黄河重要支流大通河源头，属高原高寒冻土地带，生态环境敏感、脆弱。本世纪初，矿区煤炭无序开采对生态环境造成了破坏，其中四号井开采后面临高陡不稳定渣山边坡、大量采坑积水、冻土挖毁破坏、渣石占地与草甸破坏4类生态环境修复难题。方法从地质修复的角度，模拟原始地层结构和属性，对不同地质体进行生态地质层构建和再造修复。通过对南渣山滑坡后缘中部进行削顶减载，渣山表层构建坚硬的土壤基底层，采坑坑壁边坡清理、整治形成台阶或平台状，东侧坑底回填和冻土层修复，采坑积水整治形成高原湖泊，渣山采坑边坡人造土壤层和种草覆绿等多种生态地质修复措施，重新塑造四号井开采后的地形地貌形态。结果和结论本次治理范围总面积达1 670.31万m2，累计完成回填渣土916.03万m3，种草覆绿面积296.8万m2。经历3年的生态恢复，木里矿区四号井的渣山山体整体稳定，用渣土成功构建出的人造土壤，自然生长的草种长势旺盛，地表水质良好，已实现地形地貌、生态环境与周边环境整体自然融合的高原新景观。研究方法和效果为高原高寒地区的生态屏障保护和其他地区生态修复提供了成功经验和借鉴。

• 基于多场信息融合的采动覆岩宏−细观损伤演化及“两带”发育位置判识

  魏江波, 王双明, 刘浪, 蔚保宁, 种德雨, 刘智振, 李东奎, 庄登登, 周静,

  目的黄河中游煤炭开采区采动覆岩破坏特征与“两带”空间结构演化是采空区注浆充填开采领域亟需破解的关键难题。方法为准确判识采动覆岩“两带”发育位置，以陕北凉水井煤矿42205工作面为地质原型，根据现场钻孔资料，采用颗粒流离散元方法构建采煤数值模型，模拟分析采动覆岩微裂隙发育、破断岩块分布、垂向位移变化、力链结构演化和空隙率演化等采动覆岩损伤特征和规律，综合判识采动覆岩“两带”发育位置和形态，结合现场实测对比验证模拟结果的准确性和可靠性，提出基于宏−细观多场信息融合的采动覆岩“两带”发育位置精准判识方法。结果和结论结果表明：(1)采动覆岩微裂隙发育数量随着工作面推进呈正相关关系，且表现为先幂指数增长后线形增长的两阶段特征；在基载比接近1.0且采动覆岩“上三带”完整条件下，采动覆岩破断岩块平均长度随岩层高度的增大呈非线性对数增长特征。(2)采动覆岩强力链拱随工作面的不断推进，其高度先增大后趋于稳定，而跨度同步工作面推进速度；受覆岩载荷不断增大，强力链拱的破坏是岩层破断致使导水裂隙带发育高度增大的内在原因；强力链拱内强力链结构自下而上表现出垂向密集分布和近水平稀疏分布的双区段特征。(3)采动覆岩空隙率与岩层高度呈负相关关系，垮落带沿两侧松散区向中部压实区，采动覆岩空隙率平均由30%逐渐非线性减小至10%左右；融合多源信息综合判识采动覆岩导水裂隙带发育高度平均为69.00 m，裂采比平均为19.71，垮落带发育高度平均为19.63 m，垮采比平均5.61；采动覆岩导水裂隙带形态呈“正梯形”特征。该研究结果相较于传统单因素分析方法具有较高的准确性，其在工程应用方面可为黄河中游采空区垮落带矸石浆体高效充填空间精准计算提供科学依据。

• 基于NRBO-XGBoost的煤体破坏声发射特征及裂纹扩展状态智能识别

  张天军, 曹新爽, 宋爽, 贺绥男, 薛仪伦, 刘国瑛, 陈俊涛,

  目的煤岩动力灾害事故与煤岩破坏的复杂性和不确定性密切相关，准确识别煤体裂纹扩展状态是研究其失稳破坏的重要途径，目前基于声发射物理量信息的识别方法存在速度慢、效率低等问题，难以满足煤矿安全、高效和智能化开采需求。方法为实现煤体裂纹扩展状态的智能识别，通过分布式梯度增强库(XGBoost)构建一种基于牛顿−拉夫逊优化算法(NRBO)的优化模型，建立声发射震级−频度关系b值、活跃度S值及破裂类型RA-AF值等多元参量与煤体裂纹扩展状态的对应关系，通过开展煤体破坏声发射监测试验，得到声发射多元信号数据，并以此作为训练样本，利用NRBO-XGBoost模型对不同加载速率下煤体的裂纹稳定扩展(Ⅲ)和不稳定扩展(Ⅳ)阶段进行智能识别，实现XGBoost参数的自适应寻优，采用准确率、精确率、召回率及F1值4项指标评估各模型的性能。结果和结论结果表明：(1) 在Ⅲ阶段，煤体b值和S值均小幅度升高，剪切裂纹所占比例减少，进入Ⅳ阶段后，b值和剪切裂纹占比呈相反变化趋势，S值大幅度升高；随着加载速率增加，b值波动水平和幅度均降低、S值升高幅度减小、剪切裂纹所占的比例增加幅度增大。(2) 建立的NRBO-XGBoost模型实现了由声发射多元参量到煤体裂纹扩展状态的智能识别。(3) 同XGBoost和PSO-XGBoost模型的4项评估指标对比，NRBO-XGBoost模型下低和高加载速率样本分别达到90.69%、88.79%、99.00%、93.62%和82.76%、86.76%、88.50%、87.62%，效果最优。研究成果为声发射技术在煤体裂纹扩展状态识别与智能监测研究提供了新的思路，利用实测声发射数据建立预测模型，可实现煤岩动力灾害的监测、预警。

• 近距离煤层开采覆岩裂隙活化特征与隔水层稳定性

  曹健, 苏海涛, 王超, 李建伟, 李亮, 毛旭魏,

  背景陕北侏罗纪煤田近距离煤层重复采动覆岩裂隙活化发育加剧，易导致隔水层失稳，引起地下水流失。方法为揭示近距离煤层开采覆岩裂隙发育特征及隔水层稳定性，采用实测统计、物理相似模拟及理论分析相结合的方法，提出基于陕北侏罗纪煤田近距离煤层保水开采的主要煤岩组合类型划分，分析重复采动裂隙活化发育规律，建立重复采动隔水层稳定性判据。结果和结论研究表明，依据该煤田上部近距离两层可采煤层煤−水赋存条件及地质特征，可分为薄及中厚−厚型(Ⅰ型)、厚−薄及中厚型(Ⅱ型)、厚−厚型(Ⅲ型)、薄及中厚−薄及中厚型(Ⅳ型)4种类型。得出基于上述4类条件采动覆岩上行与下行裂隙发育的隔水层破坏特征，重复采动裂采比(上行裂隙发育高度/复合采高)一般为14~30，相比上部单一煤层开采显著减小，下行裂隙发育深度为复合采高的1.6~3.0倍。建立基于重复采动裂隙发育高度(深度)的隔水层稳定性判据，当隔水层厚度大于等于重复采动裂隙发育高度、深度、安全厚度之和时，隔水层稳定，反之失稳；给出陕北侏罗纪煤田重复采动隔水层稳定性评价，包括稳定−稳定、稳定−失稳、失稳−失稳3种情况。研究成果可为陕北侏罗纪煤田近距离煤层保水开采的隔水层稳定性判据确定与控制提供理论基础。

• 倾斜采场覆岩非对称载荷传递路径倾角效应

  朱开鹏, 罗生虎, 解盘石, 李志林, 樊娟, 田程阳, 易磊磊, 徐辉,

  目的煤层倾角是导致倾斜采场覆岩载荷传递路径远较一般煤层复杂的根本原因，明确倾斜采场覆岩载荷传递路径倾角效应，对实现该类煤层围岩稳定性控制具有重要意义。方法以新疆某矿为工程背景，综合采用物理相似模拟、有限元数值仿真及理论计算等方法，分析倾斜采场覆岩非对称变形破坏特征，并构建顶板应力特征量，研究不同维度条件下覆岩载荷传递路径及其倾角效应。结果和结论结果显示：(1)倾斜煤层开采过程中，顶板应力特征量传递路径为倾向“m”形和走向双“n”形的分布，在平行煤层方向，顶板应力特征量传递路径为双“v”形分布，使采动影响范围以内、应力分界线以外的覆岩载荷，向采场四周煤壁作双向传递，而应力分界线以内的覆岩载荷则向工作面倾向两侧煤体单向传递。(2)随着煤层倾角的增大，采场顶板应力特征量的偏转界线范围逐渐减小，使采场四周支承压力峰值呈逐渐减小的演化趋势。(3)受此影响，倾斜采场顶板破断形态呈中上部大于下部的非对称分布形态，造成工作面倾向中部、上部支架工作阻力及其离散程度较大，支架偏载、空载现象频发，而工作面倾向下部支架工作阻力及其离散程度相对较小。(4)覆岩载荷传递路径的非对称性是导致倾斜采场顶板力学行为区域性分布的根源，且这一现象随着煤层倾角的增加而愈发突出。研究成果可指导倾斜采场支架设计与布置，预防偏载、空载，提升围岩稳定性，提高开采效率，保障煤矿安全。

• 煤层底板灰岩区域注浆浆液屈服强度性能实验

  邹军, 郭艳, 桂和荣, 汪伟民, 陈振林, 刘发明, 戴亚男, 胡洋, 陈增宝, 李俊, 高川, 李恒,

  目的和方法近年来，地面定向钻区域注浆是煤矿区底板灰岩水害的首选技术。在其注浆工程实施中，浆液扩散半径一直备受关注，而浆液扩散半径受浆液剪切屈服强度(简称“屈服强度”)、浆液相对密度、注浆压力等多种因素制约，影响现场注浆工程实施效果，其中屈服强度无法现场测试。以淮北煤田恒源煤矿实际注浆工况为例，通过配制不同水灰比浆液，开展浆液剪切实验，分析初始黏度、凝结时间等因素影响，获得屈服强度参数，探讨屈服强度对浆液扩散半径、注浆压力等因素的影响。结果和结论结果显示：(1)恒源煤矿P.O42.5级水泥制成的相对密度1.2~1.6的水泥浆，随着初凝时间的增加，浆液的初始黏度总体上随浆液相对密度的增大而增大，浆液相对密度越大，黏度增长越快。(2)区域注浆水泥在初凝之前的剪切应力在0~17 Pa，屈服强度在0~13 Pa；浆液相对密度1.2、1.3的浆液易于流淌，适用于底板太原组第三层灰岩窄而深的细微裂缝的灌注。(3)相同注浆条件下，随浆液屈服强度增加浆液扩散范围减小，当屈服强度为0.5 Pa时，浆液扩散范围大于35 m；当屈服强度大于1.5 Pa时，浆液扩散范围开始小于10 m。(4)示踪试验验证，实际浆液扩散较远处水泥主要来自屈服强度较低的相对密度为1.2的浆液，与室内实验结果相一致。该研究对注浆治理工程实施具有一定的参考作用。

• 不同低温与加载速率下冻结饱和砂岩Ⅱ型动态断裂特性

  赵涛, 崔朝, 贾海梁, 杨光宇,

  背景研究动力扰动下冻结饱和砂岩Ⅱ型断裂，包括临界应力强度因子(断裂韧度)变化特征以及能量耗散机制，对煤矿冻结井筒安全钻爆掘砌至关重要。方法利用分离式霍普金森压杆装置，在不同温度和不同加载速率下进行一系列动态SCC试验，分析了冻结饱和砂岩应力强度因子−时间曲线、断裂韧度和能量耗散机制随温度和加载速率的演化规律。总结宏观与微观层面上砂岩剪切断裂面特征，并利用核磁手段揭示了冻结效应的微观影响机制。此外，基于有限元模拟，进一步分析了断裂特性的加载速率效应。结果和结论结果表明：(1)随温度下降，冻结饱和砂岩断裂过程中岩石断裂韧度增大，相应地砂岩吸收的能量增加，能量利用率呈现一定的增长趋势。随加载速率增加，砂岩断裂韧度呈线性增加，岩石断裂吸收的能量也呈现增加趋势，而能量利用率呈现减小的趋势。(2)试件剪切面存在2种不同的断裂模式：“阶梯状”剪切滑移和“断口状”剪切滑移。(3)依据核磁数据总结了孔隙水冻结的3个阶段：过冷阶段，此阶段未冻水含量不变；快速冻结阶段，此阶段自由水与毛细水基本相变，大部分结合水冻结，断裂韧度迅速增加；缓慢冻结阶段，此阶段少部分结合水冻结，断裂韧度缓慢提升。(4)模拟应变−时间曲线与试验应变−时间较为吻合，表明模拟结果合理可靠，经模拟发现岩桥上出现明显的应力集中现象，并且随加载速率的增加剪应力呈现增加趋势，砂岩的断裂韧度与断裂吸收能均存在加载速率强化机制。研究成果对西部富水软岩地层冻结井筒的钻爆掘砌具有指导作用。

• 中深层地热供暖系统运行策略模拟研究

  赵永哲, 赵宝锋, 胡振阳, 苟立, 杜丁山, 刘成路,

  背景积极利用中深层地热能供暖是实现碳达峰碳中和目标的重要举措。中深层地热供暖系统运行策略的优劣直接影响供暖效果，并对地热供暖系统运行能耗产生重要影响，在利用地热能的同时要避免造成资源的浪费。方法依托陕西关中盆地某中深层地热能实际供暖工程，基于TRNSYS瞬态模拟软件建立动态仿真模型，模拟5种运行策略的供暖效果及系统运行能耗，并对温度数据、能耗表现、运行机理进行系统性分析。结果和结论结果表明：(1)在供暖季初期及末期采用地热井直接换热供暖模式下的运行策略供暖效果最佳，用户侧房间温度最高32 ℃，COP峰值可达19；采用地热井加热泵机组梯级利用的供暖运行策略适用于供暖季中期地埋管出水温度逐渐下降时，在短期内可将用户侧房间温度保持在30 ℃左右，COP值最高为12.75、最低为9.06。(2)单井连续供暖运行后期可采用以热泵机组供热为主的运行策略，短期内可将用户侧房间温度保持在20~28 ℃，COP值最高为6.99、最低为5.22。(3)此外，在不同应用场景下需根据地埋管出水温度及用户侧房间温度对运行策略进行调整，从综合能耗表现可得出应优先采用地热井直接换热供暖的运行策略，尽量减少热泵机组开启次数及时间。(4)梯级利用应优先开启一台热泵机组、尽量减少热泵机组开启台数。对于单口井供暖的运行策略，在供暖季中后期依赖热泵机组会导致系统能耗增加，条件允许应尽量采取多井间歇运行。研究成果可应用于中深层地热同轴套管式地埋管换热系统运行策略的调整优化，同时可为运行策略的设计提供借鉴。

• 基于改进粒子群算法的SOTEM电场分量Ex反演

  张继锋, 陈昌涧, 李宇腾, 游希然, 马子奔,

  目的针对电性源短偏移距瞬变电磁法(SOTEM)水平电场分量反演中传统算法易陷入局部极值的问题，提出一种融合重心反向学习策略的改进粒子群算法。方法该算法通过引入重心反向学习策略，动态调整学习因子和自适应惯性权重，有效提升了全局搜索能力与收敛效率。研究构建了三层、五层及七层典型地电模型，来验证算法性能。结果和结论研究结果表明：对于五层和七层地电模型，阻尼最小二乘算法的反演平均误差分别为0.34%和4.68%，改进粒子群算法反演平均误差分别为0.21%和0.87%，可见改进粒子群算法反演对复杂地电结构的识别精度提升显著。在多层数(≥5)及宽泛参数搜索区间条件下，三层和五层地电模型反演平均误差均小于 5%，验证了改进粒子群算法的有效性。利用某区实测数据进行阻尼最小二乘反演和改进粒子群算法反演，改进的粒子群算法较阻尼最小二乘算法有着较好的反演效果，反演结果与已知矿体的电性结构吻合较好，研究成果为提高SOTEM在矿产勘探中的分辨率提供了理论支持。

• 五维地震属性在鄂尔多斯盆地东缘深部煤层气天然裂缝预测中的应用

  童姜楠, 王峰, 张枫, 侯伟, 李忠百, 季亮, 姜亚南, 孙伟,

  背景天然裂缝既是深部煤层气游离气主要储集空间，也是油气运移的通道，同时在深部高压状态下天然裂缝可以提高地层的孔隙率和渗透率，对煤层渗透性有“放大”的效果，精细刻画其平面展布规律对深部煤层气开发至关重要。目的和方法以鄂尔多斯盆地东缘大宁–吉县区块石炭系本溪组 8号煤为研究对象，应用“两宽一高”三维地震资料，通过OVT域处理，获得时间、空间(三维坐标)、偏移距(或炮检距)和方位角五维地震数据，开展叠前方位各向异性属性提取预测裂缝。结果和结论建立了椭圆拟合与方位统计相结合的五维地震解释技术流程，揭示了研究区发育燕山期近 EW/NEE 向与喜马拉雅期近 SN/NNE 向的共轭裂缝系统。通过与成像测井、阵列声波测井及压裂施工曲线的多源数据验证，证实方位统计法在裂缝方向(符合率 89%)和发育程度(预测准确率 88.5%)预测方面具有更高可靠性。研究成果成功指导了水平井部署优化，为深部煤层气高效开发提供了重要技术支撑，相关方法可推广至其他深部煤岩含气盆地。

• 矿山救援大直径多级跟管钻进关键工艺参数

  许超, 姚宁平, 姜磊, 田宏杰, 刘智, 朱宁,

  目的为满足矿山井下狭小空间内塌方事故救援需求，解决装备小型化与坍塌体混杂条件下大直径救援钻孔钻进之间的矛盾，根据60 m长距离救援通道构建目标，制定了混杂坍塌体内大直径水平救援钻孔多级跟管双动力复合钻进工艺，并开展关键钻进工艺参数研究，为救援装备功能开发和参数制定提供依据。方法为此，设计了配套三级大直径跟管套管及大直径螺旋钻杆，并进行了大直径跟管套管复合钻进力学分析，在此基础上建立了钻具运动及力学模型，分别分析一级、二级和三级大直径跟管套管在不同转速和机械钻速条件下的轴向摩擦阻力和摩擦力矩的变化规律。结果和结论结果表明：(1)大直径复合跟管钻进中，套管机械钻速和转速是影响套管轴向摩擦阻力和旋转摩擦力矩的主要控制因素。(2)根据跟管钻进套管摩阻规律，转速0~2 r/min复合跟管钻进时，少量的转速增加，便会引起轴向摩擦阻力显著降低，转速0~1.5 r/min范围内，少量的转速增加，便会引起旋转摩擦力矩快速增加。(3)基于跟管钻进套管摩阻规律分析，大直径跟管钻进工艺核心参数要求推进力≥2 000 kN，额定转矩≥5 000 kN·m，钻进过程中最大扭矩条件下套管最高转速≥1 r/min，保证套管回转实现较好的减阻效果。研究结果对于矿山井下救援钻机开发、钻进技术参数制定具有重要的参考和借鉴意义。