煤田地质与勘探杂志

煤田地质与勘探杂志2026年第3期

• 构造煤中类碳纳米管结构的发现及其形成机制探讨

  李云波, 王荣琪, 宋党育, 王成涛, 李强, 伊可, 王媛媛, 潘结南,

  目的碳纳米管因独特的结构与性能备受关注，但人工合成常需高温(700~2 300 ℃)、稳定碳源与催化剂等严苛条件，自然界中鲜有发现。煤作为富碳介质，在其变质−变形过程中可形成多种有序碳结构，为探索天然碳纳米管的生成提供了理想载体。方法选取平顶山、淮北典型构造煤为主要研究对象，经脱矿与氯仿萃取处理后，采用高分辨率透射电镜(HRTEM)进行观测，意外发现煤中富含的纤维管状结构，结合X射线衍射(XRD)与拉曼光谱系统表征其结构，并初步探讨其形成机制。结果在中煤级构造煤中首次发现类碳纳米管结构，该结构多呈中空、管壁平行的线状或卷曲状，以2~18层多壁为主，直径为0.4~6.0 nm，单层碳间距约0.4 nm。拉曼光谱中G峰(1 595、1 599 cm−1)与D峰(1 354、1 364 cm−1)的分布与石墨高度一致；XRD分析显示d002晶面间距为0.343~0.348 nm，进一步证实其具有类石墨晶体结构。同时发现，有机溶剂萃取可有效富集并增强该类结构的观测性。结论(1) 分析认为强构造应力(尤其是剪切应力)通过力化学作用、元素迁移与摩擦热的协同效应，显著降低了煤中芳香层有序化与卷曲的能量壁垒，从而在远低于传统合成温度的条件下，驱动有机碳形成类碳纳米管结构。(2) 该发现不仅丰富了天然碳材料体系，更重要的是提出了一种不依赖极端热−催化条件的“构造力−化学”形成路径，为发展基于应力调控的碳纳米管绿色仿生制备技术提供了关键理论与新途径。(3) 未来研究的关键在于定量揭示煤基类碳纳米管结构形成的“力化学”作用过程及动力学机制。

• 热作用下煤层顶板岩石力学性质动态演化特征 以新疆百口泉地区为例

  孙芳芳, 李鑫, 桑树勋, 屈怀林, 杨曙光, 韦波, 王子强, 张斌, 陈艳鹏, 田文岭,

  目的作为煤炭资源清洁利用的关键技术，煤炭地下气化(UCG)过程中围岩在热作用下的热损伤行为直接影响地下气化通道的稳定性与工程安全。方法针对UCG围岩热损伤问题，以新疆百口泉地区西山窑组煤层顶板粉砂质泥岩与粗砂岩为研究对象，通过高温单轴压缩实验结合X射线衍射(XRD)与扫描电镜(SEM)表征方法，系统研究热作用下岩石力学性质动态演化规律及其宏–微观损伤分异特征，定量界定热损伤临界阈值并分析协同致损机制。结果和结论(1) 粉砂质泥岩力学性质经历热强化(25~<400 ℃)–热损伤(400~600 ℃)–热烧结(>600~800 ℃) 3阶段，峰值应力依次提升36.24%、衰减45.99%和跃升75.20%；粗砂岩经历脱水弱化(25~<200 ℃)–热膨胀压密(200~<400 ℃)–热损伤(400~800 ℃) 3阶段，峰值应力依次衰减50.74%、45.16%和52.78%；在400~600 ℃，二者弹性模量显著下降至58.87%和69.42%，损伤变量分别跃升至0.59和0.69。(2) 粉砂质泥岩3阶段控制机理分别以热蒸发–热膨胀协同作用、热破裂–矿物相变协同破坏和烧结反应主导，粗砂岩3阶段分别以热蒸发作用、热膨胀作用和热破裂–矿物相变主导。(3) 400 ℃是两类岩石热破裂与矿物相变(石英α-β相变、高岭石脱羟基)协同破坏的起始阈值温度，超过该阈值围岩过渡区损伤加速扩展，工程实践中氧化带关键封闭性顶板温度需严格控制在<400 ℃，以规避岩体失稳风险。研究明确了新疆百口泉地区UCG围岩的热损伤阈值及热作用下岩石力学分异机制，为气化通道安全设计提供了关键温度敏感性参数与稳定性控制阈值判据。

• 煤层超长定向抽采钻孔正负压分布与瓦斯运移机制

  李泉新, 赵月辰, 牟全斌, 王亮, 方俊, 王成浩,

  背景超长定向抽采钻孔在煤矿瓦斯治理工程中具有重要支撑作用，明晰其抽采过程中正负压耦合机理及瓦斯运移主控机制对实现瓦斯安全高效抽采至关重要。然而，钻孔内正负压分区演化规律与抽采效率的主要影响因素仍缺乏精准表征。方法以神东保德煤矿为工程背景，构建了基于孔隙–裂隙双重介质的“扩散–渗流–孔中流动”多场耦合模型，模拟抽采孔内瓦斯变化，并结合现场数据进行检验，揭示瓦斯运移规律与参数优化路径，判断抽采效率的主要影响因素。结果和结论超长孔内部形成“轴向牵引+径向补给”的耦合流动格局，孔口前段为负压主导的高强抽采区，深部则以正压扩散稳定供气为主，整体呈“局部负压抽采−广域正压补给”分区特征，正负压分区及其平衡点随时间以幂函数规律由孔口向孔中非线性推进，负压有效范围主要集中于钻孔前端百余米，长期抽采中正压补给占主导。引入考虑塌孔/堵塞的阻力演化模型后，比对模拟结果与井下监测确定钻孔阻力系数a1=400为更符合现场的等效阻力系数，准确模拟了正负压分区与日抽采量演化。在尺度匹配方面，短钻孔突出单孔产能，长钻孔强化区域治理效能，中间比例则兼具效率与适应性，工程应用应依据治理目标优化匹配方式。抽采达标半径沿孔轴呈“前缓后陡”特征，可划分为均衡扩散段与衰减控制段。轴–径向贡献分析表明，径向正压扩散供气占比达81.3%，轴向负压牵引主要集中在前段约100 m，体现“径向解吸渗流主导、轴向短程牵引辅助”的空间分工；针对末端半径收缩与通道受限问题，提出通过末端辅助手段实施局部强化，为超长孔布置、抽采制度与达标管控提供了理论依据与工程指导。

• 中高阶煤生物气化潜力及其分子结构控制机理

  鲍园, 李嘉浚, 李丹, 陈雪茹, 王小婧,

  目的不同变质程度煤的生物降解产甲烷潜力差异显著。中高阶煤经微生物降解能够生成数量可观的甲烷，但其生物气化潜力的关键控制因素尚不明确，需从分子结构层面探讨影响中高阶煤生物气化潜力的主控因素及控制机理。方法以鄂尔多斯盆地东缘石炭−二叠系中高阶煤为研究对象，通过本源微生物降解煤生烃实验，进行生烃动力学分析，结合气相色谱与傅里叶变换红外光谱技术，揭示了不同煤层煤样的生物气化潜力及其表面官能团结构变化规律，并基于Pearson相关性分析探讨了煤分子结构参数与生烃潜力的内在关联。结果中高阶煤生物降解产甲烷过程可分为3个阶段：0~28 d为延滞期、28~42 d为指数增长期和42 d后进入平台衰减期。基于Modified Gompertz、SGompertz和Logistic模型的拟合参数分析表明，Modified Gompertz模型拟合效果最佳，且估算最大甲烷产量为8.94~14.65 m3/t，最大甲烷产生速率可达2.18 m3/(t·d)。微生物降解后，煤中含氧官能团吸收峰强度平均降低14.3%，脂肪结构吸收峰强度平均降低26.8%。不同煤层煤样的脂肪结构、芳香结构和含氧官能团特征存在明显差异。Pearson相关性分析显示，脂肪链长与芳香C=C键比值参数(I_\mathrmH_1 )及脂肪/芳香结构比值(Aal/Aar)与最大甲烷产量呈较强正相关关系。富含长链脂肪结构的煤样表现出更高的产气潜力，且脂肪族亚甲基含量与产气能力呈正相关。结论相较于低阶煤，中高阶煤具有更长的初始延滞期、更高的指数增长期和更快的产气速率。脂肪与芳香结构是影响中高阶煤生物甲烷生成潜力的关键因素，其中，I_\mathrmH_1 与Aal/Aar可作为评价中高阶煤生物气化潜力的有效指标。研究结果为中高变质程度煤层生物气化潜力评估提供了重要的理论依据。

• 超深层海相页岩型氦源岩特征与生氦潜力

  苑九涛, 张文锦, 宋泽章, 田兴旺, 罗情勇, 金世贵, 王树龙, 吴镁嘉, 王丽, 陈洪斌, 高嘉玮, MikhailSPASENNYKH, TagirKARAMOV,

  目的规模有效的氦源岩是富氦气田的物质基础。四川盆地威远地区灯影组富氦气藏存在前震旦系基底花岗岩和寒武系筇竹寺组页岩等氦源岩；相较于基底花岗岩，筇竹寺组页岩型氦源岩的富U、Th矿物赋存特征及生氦潜力研究仍旧薄弱。方法以四川盆地威远地区筇竹寺组页岩为研究对象，综合场发射扫描电镜观察、能谱及微量元素分析对筇竹寺组页岩型氦源岩特征和生氦潜力进行研究。结果和结论(1) 研究区筇竹寺组页岩U元素显著富集，而Th元素丰度较低。(2) U、Th赋存主要受控于氧化还原环境。筇竹寺组页岩沉积环境为强还原环境，在此条件下，U以还原沉淀、吸附和络合的形式赋存于有机质、黏土矿物(蒙脱石、绿泥石)、含磷矿物及含铁矿物(菱铁矿)中；Th主要以类质同象的形式赋存于独居石和锆石等稳定矿物中。(3) 筇竹寺组页岩的生氦强度平均为2.41×10−21 m3/(kg·a)，高于前震旦系基底花岗岩1.82×10−21 m3/(kg·a)。筇竹寺组页岩生烃强度大，为(20~200)×108 m3/km2，巨量烃类气强烈地“稀释”氦气，导致页岩气藏中氦丰度较低(体积分数为0.018%)，削弱了对灯影组天然气藏的供氦效率。相比之下，规模巨大的基底花岗岩通过“溶解−脱溶、断层输导”对灯影组气藏有效供氦，形成了以花岗岩为主、页岩为辅的“双源”供氦模式。

• 烟煤中CH4−H2O动态产出的温压控制机制

  张和伟, 申建, 李可心, 吴财芳,

  背景深部煤层气开发面临CH4−H2O两相流动的温−压协同效应认知不清的难题，制约着深部煤层气高效排采制度的建立。方法以鄂尔多斯盆地东缘关家崖煤矿13号煤为研究对象，采用低场核磁共振(LF−NMR)和核磁成像(NMRI)技术，探究了不同驱替压力(2~8 MPa)和温度条件(25与60 ℃)下，CH4驱水的动态过程及其产出机理。结果和结论试样以微孔和介孔为主，水分分布非均质性强，受孔裂隙和层理结构的控制。常温25 ℃驱替下，随着驱替压力和时间的增加，核磁信号呈现显著的非单调变化特征：2 MPa阶段，气−水饱和度显著降低，宏孔水分快速排出；4、6 MPa阶段，气−水饱和度反常升高，主要源于甲烷的吸附作用；8 MPa阶段，气−水饱和度再次降低。NMRI图像揭示了气−水沿注入方向推进并向中轴汇聚的特征，逐渐形成“注入端气饱和−中段气/水共存−出口端残余水”的分带式分布格局。相对而言，高温(60 ℃)驱替下，气−水饱和度下降幅度更大(16.67%)，而常温下仅下降11.2%；且高温条件下4、6 MPa阶段未出现信号回升现象，表明高温抑制了甲烷在中等压力下的吸附滞留；但是，8 MPa阶段仍出现信号回升，揭示高压下吸附能力重新增强的转变。进一步分析表明，CH4−H2O的非线性流动特征是压力驱动下孔隙结构响应、甲烷吸附−膨胀、界面传质与多尺度流动耦合的复杂动力学过程。在深部煤层气开发中应合理调控生产压差，避免诱发严重水锁，同时考虑温度效应以实现气−水协同高效产出，建议温度60 ℃左右的储层生产初期将生产压差控制在4~6 MPa。研究成果为深部煤层气生产压差的设定选取提供了实验参考和理论依据。

• 复杂地质条件煤层气富集规律及成藏模式 以黔西新田煤矿为例

  徐帅, 吴财芳, 别小飞, 李广生, 房孝杰, 王芳芳, 程怡, 赵鹏,

  目的新田煤矿是黔西地区重要生产矿井，煤与瓦斯突出风险高，井下抽采效率低，地面煤层气抽采势在必行。然而，复杂地质条件制约了井位部署与压排效果，亟需系统阐明区内煤层气赋存特征与富集规律。方法基于新田煤矿的勘探钻孔数据，结合实验测试与测井解释，揭示了主采9号煤层的物性条件、构造条件与水动力特征，阐明了煤层气富集规律，构建了“构造−水文−沉积−煤岩”耦合成藏模式。结果(1) 9号煤层整体为低灰分、低挥发分、中高固定碳、低水分、低中硫分的无烟煤，煤厚、埋深中等，含气量较高，为中低渗、正常压力储层。(2)灰分、挥发分和水分与含气量呈负相关关系，固定碳、埋深、储层压力与含气量呈正相关关系，煤层顶板多为薄层泥岩和中厚粉砂质泥岩，封盖性能良好。(3)背斜北西翼构造简单，存在隐伏逆断层，易于气体富集；向斜轴部地下水势低，形成的滞流区利于煤层气富集，但南西部大倾角、长距离张性断层发育，造成了气体的逸散。(4)水动力控气具分区特征，西南部为水动力封堵、水动力逸散控气类型，东北部存在水动力封堵、水动力逸散和水动力封闭控气类型。结论研究区煤层气富集由构造与水动力条件主控，表现为“压性断层−水力封堵”和“向斜−水力封闭”；物性与沉积特征耦合影响，形成了“物性−构造−水力封堵型”与“沉积−水力封闭型”煤层气藏；另存在“沉积−水力逸散型”与“张性断层逸散型” 2种逸散模式。研究成果可为新田煤矿提供煤层气井位部署建议，进一步指导煤层气高效开发与地面瓦斯治理。

• 深层煤层气储层压裂裂缝扩展与支撑剂耦合机理

  郭晓东, 张士诚, 张景臣, 周长静, 张成生, 邱士鑫, 袭祥瑞,

  目的和方法深层煤层气储层普遍具有层理发育、力学非均质性强和地应力梯度高等特征，其压裂裂缝呈现出显著的非线性扩展行为和多场耦合效应。针对传统裂缝力学模型难以刻画深层煤储层裂缝复杂化机理的问题，基于2.0 m × 2.0 m × 1.0 m 超大型真三轴水力压裂物理模拟系统，开展不同排量与黏度条件下的水力压裂物理模拟实验，结合断裂力学与能量守恒理论，建立了裂缝扩展能量平衡方程、支撑剂迁移−沉积对流扩散方程及 “排量−黏度−复杂度”耦合模型，系统揭示了裂缝演化的动力学机制与裂缝网络复杂化规律。结果 (1) 裂缝扩展过程受地应力场、流体压力场及层理结构共同作用，为非稳态能量转换过程，裂缝扩展速率与能量释放率满足幂律关系。(2) 排量主要决定能量输入速率与裂缝传播速度，高排量导致能量集中于主缝前缘，裂缝趋于贯通但分支数量减少，裂缝复杂度降低；低排量条件下能量分布更均匀，增强能量蓄积与横向扩散，利于多点起裂与分支形成，裂缝复杂度提升25%~35%。(3) 压裂液黏度影响流体–固体间能量传递与支撑剂沉降行为，高黏度(45 mPa·s)条件下支撑剂沉降速度显著减小，与低黏度(15 mPa·s)条件相比，高黏度下携砂性能提高约40%，促进支撑剂向远井段均匀铺置，有利于形成连续导流通道。结论实验拟合获得的经验关系表明，裂缝复杂度与排量及黏度呈幂律耦合关系,低排量–高黏度组合更有利于形成立体裂缝网络，其分形维数可达1.46。建立的理论与实验耦合框架揭示了深层煤储层裂缝扩展–支撑剂运移的内在能量传递规律，为深层非常规储层压裂参数优化及裂缝复杂度预测提供了定量化理论基础。

• 煤层气压裂井固相产出机理与防治技术研究进展

  张锋三, 吴金桥, 林进, 李宇, 张颖, 李冰, 张国彪, 孙颖, 甘雨可,

  背景煤层气压裂井开发中，煤粉堵塞与支撑剂回流两大固相产出问题严重制约高效开发，其机理涉及地质条件与工程扰动的复杂耦合作用。系统综述固相(煤粉和支撑剂)产出机理与防治方法的国内外研究现状，并提出未来研究方向。进展煤层气压裂井固相产出的本质是地质条件与工程扰动交互作用下的流–固–化多场耦合问题，煤粉的产生源于内因(煤体自身特性)与外因(如钻井研磨、压裂冲击、排采压差)的协同效应，运移由临界流速、粒径及裂隙几何约束等共同调控，表现为从条带状沉积向块状堆积的动态演化，堵塞则遵循支撑剂充填层中的几何截留(如“1/6法则”)和物理化学吸附规律；支撑剂回流则源于流体拖曳力与颗粒保持力失衡，受裂缝闭合压力、缝宽–粒径比(w/d>3时稳定性降低)及返排速度综合调控。在防治技术方面，已形成“源头控制–过程调控–末端治理”多层次技术体系，煤粉堵塞防控通过化学剂改性、支撑剂优化、压裂液添加剂应用以及生产与钻井参数的精细控制等，支撑剂回流防控主要通过纤维充填压裂、支撑剂改性以及压裂工艺参数优化。展望目前仍存在若干关键瓶颈亟待突破：固相产出微观动力学机制不明、煤–支撑剂–压裂液多相界面调控机制缺失及“地质–工程”一体化固相产出防治技术不完善。未来应重点通过多尺度动态成像与智能算法揭示煤粉运移滞留机制，研发适配煤阶的界面改性剂以调控多相行为，并构建基于数字孪生与实时监测的“地质–工程”一体化智能防控系统，从而实现从被动应对到主动调控的转变，保障煤层气安全高效开发。

• 压裂液中Ba2+在页岩中吸附特征及作用机理

  解晨阳, 刘博, 张玉婷, 祝芳,

  目的和方法大规模水力压裂是开采页岩气的关键技术手段，然而实际工程表明压裂液返排率低且不同区块差异大，压裂液中部分组分可能会污染地下水环境，为探究页岩储层中压裂液Ba2+的吸附特征与机理，选取川南长宁区块龙马溪组页岩和3种不同成分的页岩样品、共计4种典型样品，系统开展不同矿物成分页岩对Ba2+的吸附实验研究，重点考察时间、Ba2+初始浓度、NaCl离子强度、pH及温度等因素的影响。结果和结论(1) 4种页岩对Ba2+的吸附过程可划分为快速吸附、缓慢吸附和吸附平衡3个阶段；吸附能力上：以蒙脱石为主的样品(样品Ⅲ)\gg 以伊利石、方解石和石英为主的样品(样品Ⅰ)>以绿泥石为主的样品(样品Ⅳ)>以长石和石英为主的样品(样品Ⅱ)。(2) 所有样品的平衡吸附量均随Ba2+初始浓度的升高而增大；在溶液离子强度增加时，样品Ⅲ吸附量下降，而样品Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ的吸附量则有所提高。溶液pH的影响表现为：碱性条件更有利于样品Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ对Ba2+的吸附，而酸性环境则更有利于样品Ⅰ的吸附。温度变化对Ba2+吸附量影响不显著；动力学研究表明，吸附过程符合准二级动力学模型，说明该过程受化学吸附作用主导。(3) 等温吸附模型拟合结果显示，样品Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的吸附机制主要为单分子层化学作用与非均匀表面作用共同作用，而样品Ⅰ更倾向于通过双分子层或多分子层形式进行吸附。(4) 调控压裂液的离子强度和pH可有效增强页岩对重金属离子的吸附，降低其对地下水环境的污染风险，研究结果为压裂过程中重金属污染的阻控提供技术依据。

• 基于小样本数据集的煤层顶板突水溃砂危险性预测

  张文泉, 李子旭, 朱先祥, 邱伟, 张承杰,

  目的我国华东、华北地区松散层厚度大、基岩薄，突水溃砂事故频发，实现顶板突水溃砂危险性精准预测对保障煤矿安全生产意义重大。但突水溃砂致灾机理极为复杂，涉及多因素耦合作用。现场实测面临高风险、高成本等问题，导致数据获取困难，样本量严重不足，制约了传统预测模型的精度与性能，探索适用于小样本场景的有效预测方法迫在眉睫。方法梳理分析近松散层工作面现场实测数据与历史案例，确定底部含水层厚度、基岩厚度等11个影响因素，构建原始样本数据集。运用斯皮尔曼相关性分析揭示各因素的内在联系及相关性；基于条件表格生成对抗网络(CTGAN)、探测粒子群优化算法(DPSO)、随机森林算法(RF)构建突水溃砂危险性预测模型(CTGAN−DPSO−RF)，探讨CTGAN合成数据的质量，并与DPSO−SVM、DPSO−XGBoost模型进行对比，最后结合工程实例验证模型有效性。结果和结论11个突水溃砂影响因素中，垮落带高度与采高相关性最大，相关系数为0.93；松散层底部含水层水压与导水裂隙带发育高度相关性最小。CTGAN合成数据与原始数据高度相似，综合质量分数达85.03%；DPSO寻优后最优适应度为0.9265，优于PSO算法；CTGAN−DPSO−RF模型测试集AC、PW、RW、F1W均达到1，全面优于对比模型，工作面预测结果与实际开采情况一致，该模型通过合成高质量数据扩充样本集、优化超参数，有效解决小样本下传统模型精度低、性能差的问题，为厚松散层薄基岩条件下煤层顶板突水溃砂危险性预测提供了新方法。

• 幂律型裂隙的深部煤矿底板破坏水力压裂控制机制

  段宏飞, 叶大羽, 赵丽娟, 曾一凡, 邹俊鹏, 余国锋, 孟相,

  目的底板水力压裂是实现主动卸压、降低岩体破坏程度和改善渗流通道的重要技术手段，但底板裂隙网络在水力压裂过程中的演化特征，及其对应力重分布与岩体稳定性的影响仍缺乏系统定量认识。方法为解决这一易导致底板岩体严重破坏的问题，基于幂律裂隙网络与流固耦合理论，将底板视为含多尺度裂隙的饱和多孔介质，引入裂隙幂律指数、最大裂隙长度和裂隙长度比参数，构建统一表征原生裂隙与水力压裂诱导裂隙的底板水力压裂流−固−裂隙耦合模型，从而实现底板裂隙网络结构演化特征的定量、全面分析。通过与裂隙介质渗流试验及现场工程数据的对比，验证模型对裂隙网络控制下流体运移和应力重分布的表征能力。以安徽淮南矿区某矿1221(3)W工作面底板为算例，分析承压含水层或注水边界条件下底板中线应力的时空演化特征；结合底板破坏监测点轴向应力与时程曲线，为数值模型中应力演化与失稳判据提供参照。结果和结论采用提出的耦合模型计算1221(3)W工作面可得：裂隙统计特征对应力场的影响具有明显差异；当裂隙幂律指数由1.7减小至1.3时，底板岩体最大应力增幅约24.91%；当最大裂隙长度由0.012 m增至0.020 m时，最大应力增幅约43.71%；当裂隙长度比由0.002增至0.010时，最大应力增幅约10.85%；因此可得最大裂隙长度是控制底板应力集中和稳定性最敏感的裂隙参数，其次为裂隙幂律指数，裂隙长度比的影响相对较弱。此外，研究发现底板中少量贯通性强的长大裂隙对应力集中和裂隙导水范围具有主导作用，应在底板水力压裂设计中予以重点识别和控制，为深部煤矿底板稳定性评价和突水风险防控提供参考。

• 中厚及以上煤层综采条件下底板破坏带深度计算模型对比

  徐斌, 仲岑, 董书宁, 尹尚先, 王皓, 李树霞, 杜永威, 张克斌,

  目的底板破坏带深度的计算是进行底板突水危险性评价的关键参数，随着大采高综采技术的推广，现有经验公式面临不能满足中厚及以上煤层开采底板破坏带计算精度问题。方法在统计107组中厚及以上煤层综采底板破坏深度实测数据的基础上，依据底板抗压强度(坚硬、中硬、软弱)对样本进行分类，并考虑采高、工作面斜长、倾角、采深4个因素建立底板破坏深度计算模型。构建的4个理论模型，分别是3个线性模型(类经典法、线性SVR支持向量回归法、对数线性混合模型)和1个非线性理论模型(BP神经网络模型)。为对比新构建4个理论模型的可靠性，运用拟合优度(R2)、平均百分比误差(EMAP)2个评价指标和9个矿的实测数据进行对比验证。结果和结论3种岩性下拟合优度呈现神经网络模型>对数线性混合模型>SVR支持向量机模型>类经典公式的规律；线性支持向量机回归(SVR)模型与类经典公式的拟合优度一般，3类新建模型(对数线性混合模型、线性SVR模型和类经典公式模型)在3种岩性条件下，EMAP虽未达到20%的理想阈值，但相较经典公式均有显著改进，经典经验公式计算结果与实际数据存在失真，已不能指导综采条件下中厚及以上煤层底板破坏带深度预测；BP神经网络模型平均相对误差低于10%，显著优于其他模型。通过系统比较4种理论模型预测精度的差异，为中厚及以上煤层条件下底板破坏带深度计算方法的选择提供有益参考。

• 高温后花岗岩加卸载条件下力学特性演化试验研究

  郝文才, 乔伟, 刘会臣, 朱振南, 王豪, 刘日成, 郭杰, 解经宇, 程香港, 吕锐杰,

  目的在深部地热储层钻采过程中，井壁围岩处于应力释放状态，因而研究花岗岩在加载/卸载条件下热处理后的特征力学对深部干热岩储层改造裂纹演化至关重要。方法对不同高温(200、300、400、500和600 ℃)处理后的花岗岩试样进行60 MPa围压下加载和卸载三轴试验，以研究高温和卸载应力对花岗岩力学特性的影响规律，进而结合偏光显微镜观测结果揭示高温处理后花岗岩微裂纹的演变机理，最后总结加卸载条件下试样细观裂纹演化成宏观裂纹的最终破裂特征。结果和结论(1)加载和卸载条件下，不同温度处理后花岗岩4种特征应力皆随温度的升高而降低，高温冷却使花岗岩裂纹闭合、起裂和聚合阈值应力降低，而卸载应力进一步降低了花岗岩裂纹演化的阈值应力。(2)随着温度升高，高温会引起矿物晶体不均匀膨胀，矿物成分和结构发生变化，导致高温后花岗岩晶间裂纹和晶内裂纹逐步起裂、扩展和交汇，裂纹密度ρf和平均宽度Wa皆随着温度的升高而增加，与特征应力随温度变化的趋势相对应。(3)在卸载过程中，围压逐渐降低，卸载应力状态本质上相当于在加载应力状态上叠加横向拉应力，侧向拉应力引起的拉裂纹逐渐扩展并合并，产生了更加明显的径向膨胀，引起特征应力的降低，使得不同高温后花岗岩试样呈现多重剪切破坏。试验结果可为深部干热花岗岩储层压裂和采热分析计算和数值模拟提供一定的理论支撑。

• 神东煤炭基地植被净初级生产力时空变化及影响因素评价

  杨飞, 崔宽宽, 张成业, 李军, 董秋林,

  目的地处西部干旱半干旱地区的神东煤炭基地，是我国煤炭资源开发与生态环境保护矛盾最为突出的地区。开展神东煤炭基地尺度的生态环境时空变化及影响因素评价分析，不仅是推进绿色矿山建设的必要基础，也是实现区域可持续发展的关键支撑。方法以植被净初级生产力(NPP)作为矿区生态环境评价指标，结合地形、气候气象、社会经济与人类活动等数据，运用Theil−Sen趋势分析、MK检验和变异系数(CV)分析煤炭基地植被NPP的时空变化和稳定性；引入偏导数残差分析、参数最优地理探测器和结构方程模型开展煤炭基地植被NPP影响因子的分析。结果和结论(1) 2000—2020年，研究区植被NPP呈波动增加趋势，均值和总量的年际增长速率分别为6.39 gC/(m2·a)和0.15 TgC/a，大部分地区植被NPP呈低稳定性和持续增加的变化趋势。(2)偏导数残差分析结果显示，气候因子对植被NPP变化的贡献高于人类活动；气候因子中降水的贡献高于太阳辐射、气温和潜在蒸散发 。此外，主导因素分析结果表明，气候和人类活动主导下NPP增加的区域面积占比分别为77.12%和22.24%。(3)参数最优地理探测器结果表明，气候因子对植被NPP变化的影响程度最强，且地形因子对植被NPP的影响也大于人类活动因子；不同影响因子间的交互作用增强了单因子的影响。(4)结构方程模型结果表明，气候因子对植被NPP变化的总效应和直接效应最高，人类活动因子的总效应和直接效应最低。地形因子主要通过对气候和人类活动因子的间接作用影响植被NPP。各分析方法的结果一致表明，气候因子是影响神东煤炭基地植被NPP变化的主导因素，其中降水的影响最为显著；地形因子和人类活动因子的影响相对较弱。研究成果揭示了高强度开采扰动下矿区生态系统植被生长的影响机制，可为干旱半干旱煤矿区的差异化生态修复策略制定及绿色矿山建设提供科学依据。

• 煤矿开采地表初始、活跃和衰退期下沉量预测模型

  张亮亮, 刘喜雅, 程桦, 杜少能,

  目的和方法针对目前煤矿开采地表初始、活跃和衰退期下沉量缺乏理论预测模型的不足，首先统计得到7个煤矿地表最大下沉量与动态下沉量之比随时间的指数函数关系，建立改进Knothe时间模型，并分析模型参数对地表动态下沉量、下沉速度和下沉加速度曲线的影响规律。然后基于改进Knothe时间模型，以及地表下沉初始、活跃和衰退期划分依据的临界下沉速度，建立煤矿开采地表初始、活跃和衰退期下沉量预测模型，并给出了模型参数计算表达式。最后分别采用安徽淮南某矿GNSS地表实时下沉监测数据和4个常规下沉测点实测数据对改进Knothe时间模型的精确性和适用性进行验证，以及20个矿区地表动态下沉实测数据对地表初始、活跃和衰退期下沉量预测模型的合理性和精确性进行验证。结果和结论改进Knothe时间模型拟合GNSS地表实时下沉监测数据的精度明显高于Knothe时间模型，且优于Weibull和Hill时间模型，拟合4个常规测点实测数据的相对标准偏差均小于4%，验证了模型的精确性；20个矿区地表动态下沉量实测值与地表初始、活跃和衰退期下沉量理论模型预测值基本吻合，3个阶段的均方根误差分别仅为0.039、0.105和0.076 m，验证了预测模型的精确性和合理性。研究可为地表动态下沉规律分析及其预测提供模型选择和理论依据。

• 新疆干旱采煤沉陷区自然恢复年限土壤微生物量与有机碳组分特征

  肖礼, 毕银丽, 王董董, 李剑锋, 龚翰林, 邓媪绢, 侯文盛,

  目的阐明采煤沉陷区自然恢复过程中土壤微生物生物量与有机碳组分变化的影响，是明晰干旱沉陷区自然生态恢复及碳累积动态的重要科学基础。方法以新疆干旱采煤沉陷区为研究对象，以空间代替时间方法选取未开采区及恢复1、3、8、12 a的样地，系统分析0~10 cm与>10~20 cm土壤基本理化性质、微生物生物量碳氮磷及有机碳组分的动态变化，为加速矿区生态恢复提供科学依据。结果和结论不同自然恢复过程呈现明显的阶段性变化特征，土壤有机碳(SOC)、总氮(TN)、总磷(TP)、速效磷(AP)在恢复1 a时急剧下降至最低值，随后缓慢回升，至12 a仅恢复至未开采水平的60%~90%；矿区土壤微生物生物量呈现时序累积的特征及其化学计量说明在恢复早期受到碳源限制，后期微生物氮相对磷更加缺乏，随自然恢复年限增加微生物碳氮限制逐渐减小；土壤颗粒有机碳(POC)占土壤有机碳 21%~33%，土壤矿质结合态有机碳(MAOC)占67%~79%，MAOC恢复更快；表层土壤POC受土壤TN、TP影响，而微生物利用溶解性有机碳(DOC)、AP增加微生物生物量碳(MBC)，最终驱动表层MAOC累积。亚表层土壤POC与MAOC同步累积，受TN、溶解性有机氮(DON)、TP、AP控制，反映养分与微生物间耦合调控碳动态。综上，自然恢复初期破坏严重，后期改善但未完全恢复到未开采水平，建议结合人工植被加速生态恢复和碳汇功能。

• 重大工程场地采空区覆岩工后沉降光纤监测与变形机理

  曹晓毅, 刘小平, 刘浩琦,

  背景工程加固(注浆充填)后采空区残余变形特征及机理，事关重大工程设计建造及长期安全，更是老矿区采空区废弃土地高效开发之关键。需要探索采空区整套地层工后沉降监测方法与工艺，现场获取长时段高品质变形监测数据，揭示采空区工后沉降变形机理。方法以陕西合铜高速小河沟大桥场地(含采空区)为研究对象，构建了地面垂直钻孔为地层变形监测通道、密集光栅光纤为感测器、光信号原位调制解调与远程无线传输的深部整套地层监测系统，空间分辨率达1点/m，采样频率为1点/h，实现了重大工程场地采空区工后沉降的整套地层(0~297 m，地表至煤层底板下10 m)及长时段(3 a)动态监测。结果和结论(1)地表10 m范围内土体变形随季节变化显著，10 m以下变形随季节影响逐步减弱，200 m以下累计竖向变形不再随季节周期性变化。采空区工后沉降最大变形值1.34 mm，最大变形速率0.013 mm/d，地层变形速率逐步收敛，变形量及速率满足工程设计要求，桥梁场地处于稳定状态。(2)采空区工后沉降变形分布于整套地层中，不仅只发生在邻近采场垮落带与导水裂隙带，整套地层中未完全注浆充填密实的采动裂隙张开−闭合是工后沉降变形根源。地层浅部至中部以沉降(压应变)为主，局部区段出现拉压应变不连续转化；深部地层发生抬升(拉应变)现象，变形微弱，推测为采空区注浆充填后地下水环境变化引起。(3)采用密集光纤光栅感测技术对毫米−亚毫米级变形的采空区工后长期沉降变形监测具有良好的适宜性，对变形极为敏感的重大工程场地采空区处治方案制定、施工工法与工艺优化及处治效果评价具有重要意义，将提高矿区防灾减灾水平及废弃土地资源高效开发利用能力。

• 基于OVT域地震数据的陷落柱精细识别方法

  张广忠, 刘松, 单蕊, 蔡文芮,

  目的和方法针对沁水盆地YQ矿区地震地质条件复杂、陷落柱与挠曲构造发育，常规三维地震勘探难以满足矿井安全开采精细化需求的现状，通过构建符合研究区实际的物理模型，正演模拟了陷落柱在不同方位角的地震响应，系统分析其方位各向异性特征。采用基于曲波变换的规则噪声压制技术与偏移矢量片(off vector tile，OVT)域叠前分方位角、分偏移距偏移方法，获得了高保真的五维地震数据体。在此基础上，结合地震方差体、相干体属性及分水岭边缘检测算法，提升了陷落柱边界的识别精度。结果和结论陷落柱在近偏移距及垂直于其长轴方向的方位角数据中边界特征最为清晰；OVT域五维数据处理能有效保留方位信息，增强对陷落柱、挠曲及断层的识别能力。工程实践表明，新识别陷落柱达62个，且井下巷道验证吻合良好，提升了复杂地质条件下陷落柱的地震勘探精度，为煤矿安全开采提供了技术支撑。

• 界面约束的面波反演方法及其在矿震地表震动评估中的应用

  李成, 钱昌宝, 刘影, 程怡, 倪圣军, 姚华建,

  目的我国西部矿区下伏界面起伏明显，影响了地震勘探的精度，同时为矿震等动力灾害引发的地表振动评估带来困难。为提升浅层速度结构的刻画能力、支持矿区动力灾害防控，提出了一种融合先验地质界面信息的约束反演方法。方法在内蒙古准格尔旗龙口镇矿区布设由489台单分量和108台三分量地震仪组成的密集台阵，采集连续背景噪声约一个月；基于噪声谱比法(HVSR)反演第四系沉积层(Q4界面)厚度，通过噪声互相关与时频分析提取面波频散曲线；融合Q4界面与煤层界面等先验信息进行约束反演，构建起伏界面下的三维横波速度结构；进一步利用谱元法(SEM3D)开展数值模拟，对比均质模型、无约束模型及界面约束模型的地震波场响应。结果界面约束下的面波反演方法使走时残差较无约束反演降低约40%，收敛速度加快，有效抑制了界面起伏引起的路径畸变，提高了浅层速度结构的成像精度。数值模拟显示，沉积层与山间盆地影响地震波能量分布与衰减特征，盆地地形对波场的放大作用强于沉积层。结论界面约束反演方法可为起伏界面矿区的浅层速度结构精细建模提供技术途径，并为矿震等地表振动灾害的评估与防治提供方法与模型支持。

• 基于KPCA−PSO−SVR模型的煤层厚度动态预测方法

  杨暾, 叶树刚, 马明, 王千遥,

  目的和方法随着高精度和智能化地震勘探技术的发展，准确量化解释煤层厚度，为构建高精度三维地质模型提供可靠的数据支撑，有助于保障煤矿安全高效生产。针对煤层厚度预测中多属性综合分析方法面临的地震属性优选繁琐与回归分析模型精度较低的问题，提出了一种基于核主成分分析和粒子群优化的支持向量回归(KPCA−PSO−SVR)预测模型。利用KPCA降维技术减少地震属性冗余信息，并结合PSO算法自动优化SVR模型的超参数(惩罚系数c和核函数参数γ)，克服了经验法调参的局限性，有效提升了预测精度和效率。最后引入增量学习机制，将工作面揭露数据动态融入模型进行训练，实现煤层厚度的动态解释。结果和结论楔形正演模型数值分析表明，KPCA降维技术优化了多属性组合，为回归分析模型提供了高质量数据保障。不同模型的预测效果定量对比表明，KPCA−PSO−SVR模型的拟合优度R2为0.966 7，预测精度优于传统SVR、PSO−SVR、GWO−SVR和BP神经网络模型。KPCA−PSO−SVR和PSO−SVR模型在不同训练集占比下均表现出高预测精度和高计算效率。实际工区应用表明，KPCA−PSO−SVR模型在煤矿采区小样本条件下的稳健性和泛化能力良好，R2达到0.985 8，高于对比模型。对预测模型融入工作面巷道揭露数据进行增量训练后，预测煤厚值最大绝对误差由0.622 m降至0.178 m，进一步提升了模型的适应性和预测性能。KPCA−PSO−SVR模型为煤层厚度解释提供了行之有效的技术方案，具有良好的工程应用价值。

• 生成对抗网络在随钻电阻率成像测井裂缝图像超分辨率中的应用

  韩森, 沈传海, 许琛, 田亦萌, 赵彪, 王泽, 刘永康, 康正明,

  目的随钻电阻率成像测井技术能够直观呈现井壁附近地质体的图像，是精细评价地层参数的重要手段，在裂缝储层钻井中具有显著的地质导向作用。然而，受限于井地数据传输速率，其实时数据处理面临图像分辨率低的挑战，进而影响井壁裂缝的定性识别和参数的定量评价。针对这一问题，提出一种基于生成对抗网络的图像超分辨率重建方法，以提高裂缝图像的清晰度。方法基于生成对抗网络的基本框架，将生成对抗网络与残差密集块、通道注意力机制相结合，构建一个23层深度生成器网络。利用钻头电阻率测井仪器RAB的实测数据构建高分辨率存储数据图像与低分辨率实时数据图像的数据集。使用生成对抗网络对构建的图像数据集进行训练，通过优化批尺寸和学习率参数，获得误差较小、精度较高的网络参数。利用训练完成的网络模型对实时数据进行超分辨率重建，使其分辨率接近存储数据。结果和结论与传统方法相比，所提出的图像超分辨率智能重建方法使峰值信噪比和结构相似性指数分别提高了2.2 dB和0.6。在4倍降采样条件下，该算法仍能有效重建裂缝地质体的图像特征，显著提升了随钻实时图像的分辨率。研究成果对提高钻井实时地质导向效果具有重要意义。