煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2019年第9期

• 我国煤矿冲击地压发展70年：理论与技术体系的建立与思考

  齐庆新, 李一哲, 赵善坤, 张宁博, 郑伟钰, 李海涛, 李宏艳,

  文章系统全面地阐述了我国建国70年来在冲击地压研究方面取得的成绩，主要从理论、监测与预警装备、防治技术及法律法规与标准构建等方面进行了重点介绍。同时，兼顾国外主要采矿国家在冲击地压研究上开展的工作。可以看到，随着我国煤矿开采深度的增加，冲击地压矿井数量和灾害危害程度显著增加，而国外冲击地压因煤矿开采的萎缩，只在个别一些国家偶尔发生冲击地压；对于冲击地压发生机理的研究，国外对此研究的工作主要是停留在20世纪50—90年代，而我国主要研究成果是近30年的事情，主要包括“三因素”机理、强度弱化减冲机理、应力控制理论、冲击启动理论和扰动响应失稳理论等；在冲击地压监测预警方面，国外主要集中在微震与地音监测方面，并配合钻屑法，而我国在此基础上，提出了采动应力监测方法，并开发了相关技术装备，现已广泛应用于实际煤矿冲击地压监测与预警；在冲击地压防治方面，以往重点关注在煤层和顶板冲击危险性的消除和解危上，而最近10年来，在巷道支护及煤岩体结构控制的研究与工程实践方面开展了有益的探索，旨在加强局部巷道支护的同时，从区域上控制煤岩体结构稳定性和应力分布，开发分级分类的冲击地压巷道支护技术，采用水力压裂与深孔爆破等技术实现了对坚硬顶板岩层的有效控制；在冲击地压相关法律法规与标准体系建设方面，最近10年来，我国开展了较为系统的制订工作，包括《防治煤矿冲击地压细则》在内的规程及相关标准已制订并实施，现已初步建成冲击地压标准体系。改革开放40年来，我国煤矿冲击地压矿井数量不断增加，研究冲击地压的人数不断增加，冲击地压发生机理不断完善，冲击地压监测技术及仪器与装备从无到有，性能不断提升，冲击地压防治技术与方法不断完善，有效性不断提高，冲击地压有关法律法规从无到有，现已趋于完善。综合而言，我国煤矿冲击地压理论与技术体系已初步形成。应该看到，随着大数据、智能化与机器人时代的到来，在新的科学技术的推动下，冲击地压理论与技术将获得更大的发展。

• 国内外低阶煤煤层气储层特征对比研究

  王涛, 邓泽, 胡海燕, 曹明亮, 张宝鑫, 焦鹏飞, 余喆,

  中国低阶煤煤层气资源丰富，但勘探和认识程度较低，煤层气成藏条件、煤储层特征和资源潜力等方面研究不足。首先分析了中国低阶煤分布特点和煤层气成因，基于二连盆地、海拉尔盆地、准东地区、吐哈盆地与美国粉河盆地和澳大利亚苏拉特盆地的煤层气地质资料，探讨了国内外盆地地质构造演化，对比分析了国内外盆地煤阶和煤岩组成、含气量、孔隙度、渗透率和水文地质条件等特征，指出了国内外低煤阶盆地在煤层气含量构成、储层物性条件及水文地质条件等方面的差异，并全方面地阐明了国内外低煤阶盆地含气量差异性的原因。研究结果表明：国内外低煤阶盆地地质构造特征和煤岩特征相似，且煤层气主要是次生生物成因气，国内外低煤阶盆地煤层含气量随埋深总体呈现为先增加后降低的趋势；国内低煤阶盆地与粉河盆地含气量介于0～4 m3/t，但是含气量梯度差异大，埋深相同的条件下，国内低煤阶盆地煤岩含气量低于粉河盆地和苏拉特盆地的含气量。水文地质条件是影响低阶煤煤层气含气量差异的最为重要的因素之一，国内低煤阶盆地水文地质条件差，导致煤层含气量低，粉河盆地和苏拉特盆地水文地质条件好，则含气量高。国内外低煤阶盆地渗透率差异大；国内低煤阶盆地渗透性差，一般小于1.0×10-3 μm2，粉河盆地和苏拉特盆地渗透性好，要比国内低煤阶盆地高1～2 个数量级，导致了国内低煤阶盆地与美国粉河盆地和澳大利亚苏拉特盆地在低煤阶煤储层特征方面的巨大差异。

• 基于多物理场耦合求解的煤层CO2-ECBM数值模拟研究

  刘世奇, 方辉煌, 桑树勋, 吴建光, 张守仁, 张兵,

  数值模拟技术是在煤层中注入CO2提高煤层CH4采收率（CO2-ECBM）工程方案优化设计与增产效果评价的有效方法。考虑温度效应和有效应力影响下的CO2与CH4竞争吸附、扩散与渗流作用，以及煤层孔隙度与渗透率的动态演化特征，建立了CO2注入煤储层结构演化-流体运移-储存能力THM（thermo-hydro-mechanical）全耦合数学模型，并采用有限元法进行多物理场全耦合求解。通过对沁水盆地3号煤层典型五井式CO2-ECBM开发井网开展模拟，探讨了不同注入压力条件下CO2注入与CH4产出特征。模拟结果显示，数学模型具有较高的准确性，证实了CO2-ECBM过程中煤层渗透率总体呈降低趋势，注入井附近渗透率主要受CH4与CO2竞争吸附的影响；注CO2对提高CH4累计产出量具有积极作用，增大注气压力可提高CO2注入及CH4产出的效率。

• 温度/压力对甲烷超临界吸附能量参数的影响机制

  吴双, 汤达祯, 李松, 李翔,

  煤层气在储层高温高压环境中主要以超临界吸附状态赋存，温度和压力是影响煤储层含气性的重要外部控制因素，温压条件改变意味着煤-甲烷吸附体系的原始平衡状态被打破，体系能量发生变化。基于无烟煤等温吸附试验数据，通过Gibbs方程对比了甲烷超临界与亚临界吸附的差异，从吸附热力学和吸附动力学角度，分析了温度和压力对甲烷超临界吸附过程中的能量参数的影响规律。结果表明：超临界条件下的煤-甲烷吸附体系绝对吸附量大于过剩吸附量，二者间的差异随平衡压力增大而增大，随温度升高而减小。对于特定的煤-甲烷吸附体系，吸附势与吸附空间在任意温压条件下呈现单一吸附特征曲线关系，且平衡压力增加引起吸附势减小，吸附空间增大，而温度升高引起吸附势增大，吸附空间减少。甲烷分子主要以菲克型扩散方式在煤岩中传质，由于分子平均自由程受温压控制，扩散系数随压力增大而减小，随温度升高而增大。气体分子吸附活化能本质为分子动能的体现，不受体系压力影响，但受体系温度影响，温度越高，吸附活化能越大。

• 深部低阶煤瓦斯吸附特性核磁共振试验研究

  刘佳佳, 贾改妮, 陈守奇, 马权,

  为了研究深部低阶煤瓦斯吸附特性，采集新疆艾维尔沟矿深部低阶煤样，采用低场核磁共振技术（NMR）对原煤煤样进行瓦斯吸附试验，并提出了以核磁共振T2（横向弛豫）谱积分面积值作为吸附瓦斯含量的定量表征。试验结果表明：深部低阶煤瓦斯吸附过程T2谱曲线有3个特征峰（吸附峰、游离峰、自由态瓦斯峰）；不同瓦斯压力下，瓦斯吸附总量均随吸附时间的增加而增加，直至保持不变，瓦斯吸附速度先增加后减小；不同瓦斯压力下，深部低阶煤吸附孔的瓦斯吸附量随着吸附时间的增加先增加后保持不变，吸附态瓦斯量与瓦斯压力的关系呈双曲线函数分布，瓦斯压力越大，低阶煤中瓦斯达到吸附平衡时间越长。研究成果对深部低阶煤的煤层气勘探开发和瓦斯抽采具有重要指导意义。

• 不同煤阶煤热解过程中孔隙结构变化规律研究

  尹振勇, 许浩, 汤达祯, 陈艳鹏, 赵天天,

  为了研究不同煤阶煤样品在热解过程中的孔隙变化规律，采用自制的煤炭热模拟装置对内蒙古褐煤、新疆长焰煤和韩城烟煤进行热模拟试验，并用ASAP2020M型全自动比表面积分析仪分析了煤焦样品在热解过程中孔隙结构变化。N2吸附解吸试验表明：3种煤焦样品的吸附脱附曲线之间没有或存在较小的回线，孔隙形态较为单一，主要由连通性差的半开孔组成（单侧封闭的楔形、圆柱形和狭缝状孔），孔隙体积对应的孔径呈多峰分布，内蒙古褐煤的孔体积主要来自过渡孔的贡献，新疆长焰煤孔体积主要来自过渡孔和微孔的贡献，韩城烟煤的孔体积主要来自微孔的贡献，3种煤焦的比表面积主要由孔直径为2～3 nm的孔贡献，随着煤化程度的增加，其吸附量、比表面积和总孔容呈现减小趋势，总孔容和比表面积成正相关；煤化程度高，有利于微孔的发育，煤化程度低则有利于过渡孔的发育。随热解温度升高，煤中挥发分剧烈析出，更多的孔隙开放，煤焦的吸附量增加。当温度过高时，煤焦碳骨架发生熔融坍塌，部分微孔转化为过渡孔和中孔从而使吸附量下降。随热解温度的升高，内蒙古褐煤的吸附量呈增高的趋势，新疆长焰煤的吸附量先增高后降低，韩城烟煤的吸附量呈降低的趋势，对比不同阶煤样品的孔径随热解温度的变化规律可知，内蒙古褐煤孔隙更加发达，有利于煤中气化剂和气体产物的输送。

• 西山煤田构造-水文地质对煤层气成藏的控制作用

  曾玲, 孙晓光, 崔少华, 眭晋阳,

  煤层气富集成藏受构造、沉积环境、水文地质条件、岩浆活动等多方面因素控制，为了研究西山煤田煤层气富集的主控因素及其成藏规律，通过资料收集整理、采样分析研究，发现西山煤田煤层气成藏的主控因素为构造及水文地质条件。利用多口西山煤田水文孔的资料，分别对太原组含水层及山西组含水层的水动力场和水化学场进行研究；利用煤层气井的含气量等资料，找出对煤层气有利的构造、水动力、水化学因素，提出3种构造-水动力成藏模式；最后基于前面的研究提出构造-水动力控制下的煤层气富集区识别标准，对研究区进行富集区识别。研究表明：①西山煤田煤系地层水动力场可以分为三部分地下水流动系统：西北部系统Ⅰ、中南部系统Ⅱ和东部系统Ⅲ；其中屯兰矿东曲矿南部、原相地区以及西部水峪贯向斜核部、杜儿坪断层附近，水动力活动相对较弱，有利于煤层气成藏；②有利于煤层气富集的水化学类型为重碳酸钠型；③提出构造-水动力作用有利于煤层气聚集成藏的3种模式：单斜-水动力成藏、向斜-水动力成藏、断层-水动力成藏；④对西山煤田进行煤层气富集区识别,识别出邢家社附近和杜儿坪南部2个富集区。用上述方法将构造-水文地质条件对煤层气成藏的控制作用定量化和标准化，有利于其他区块参考和利用。

• 临兴区块深部煤层气潜在可采地质模式分析

  高丽军, 逄建东, 谢英刚, 周龙刚,

  鄂尔多斯盆地东缘晋西挠褶带临兴中部区块深部煤层气资源潜力大，基于区内煤层气地质评价和单井试采效果，从试采井生产特征入手，分析深部煤层气井气水产出特征。重点从裂缝展布和应力特征方面，浅析深部煤层气井控产地质因素，同时结合煤系气多类型气层（致密气层、煤层）匹配关系，探讨了区内深部煤层气潜在可采地质模式。结果表明：①临兴区块煤层气资源潜力巨大，具有“煤层厚、含气量高、煤岩煤质较好、煤岩顶底板封盖好、滞留水环境”特征，煤层埋深较深，高应力、低孔低渗是制约区内煤层气开采的主要地质因素。②深煤层应力较大，以常规清水压裂为主的直井单压煤层模式难以有效压裂煤层、气井生产效果较差；“兼压砂层差气层、主采煤层气”模式可改善深部煤层气开发效果，且直井产气曲线仍以煤层气典型形态为主，具有“单井见气快、产水多,易应力敏感、气产量上升缓慢”的特点；③煤系地层微裂缝发育区为深煤层单井突破的潜力区。依据临兴区块现有气井开发经验，临兴区块深部煤层气可划分出2种潜力地质开发模式，其中“内生外储型”的Ⅰ型可采地质模式是目前深部煤层气开发现实可行的优选地质模式。“内生外储型”Ⅱ型可采地质模式、“内生内储”的Ⅰ型可采地质模式是后期深部煤层气开发的潜力接替模式。

• 低阶煤不同宏观煤岩组分润湿性及影响因素研究

  陈跃, 马东民, 夏玉成, 郭晨, 杨甫, 邵凯,

  随着我国低阶煤煤层气勘探开发的深入，低含气量、低储层压力、高含水性等问题逐渐凸显。为研究低阶煤不同宏观煤岩组分润湿性差异及影响因素，以黄陇煤田大佛寺煤矿4号煤为研究对象，采集全层煤样、镜煤样和暗煤样，通过测定接触角，对比分析润湿性差异并详细探讨工业组分、化学结构、孔隙特征等因素对润湿性的影响。结果表明：大佛寺煤矿4号煤的接触角为45.8°～60.4°，均小于90°，表现出较强的亲水性，镜煤的接触角大于暗煤，暗煤的润湿性更好，并且润湿性与层理方向有关，润湿性由高到低依次为：垂直层理方向、斜交层理方向、平行层理方向。表面活性剂6501可以有效增强煤的润湿性，其对镜煤的改性作用大于暗煤，并且对平行层理方向改性作用大于垂直层理方向。煤的物质组成和孔隙结构对其润湿性具有显著影响。无机矿物（灰分）具有亲水性，灰分越高，煤的润湿性越好，而挥发分通常具疏水性，挥发分越高，煤的润湿性越差。相对于暗煤，镜煤的灰分更低，挥发分更高，因而润湿性更差。H元素含量高，润湿性变差，C、O元素对润湿性的影响较为复杂，主要取决于含氧官能团的类型，暗煤含有更多的羟基和羧基等极性含氧官能团，而镜煤则含醚氧基和酯键较多，故暗煤的润湿性更好。相较于暗煤，镜煤的孔隙以半封闭孔为主，连通性差、分选差、孔径小、比表面积大、表面更粗糙，使得润湿性更差。

• 沁水盆地深部复杂结构煤储层钻完井及压裂工艺研究

  王海, 杨兆中, 李岳, 高海滨, 张坤, 胡皓, 孔鹏,

  为了探求适于深部复杂结构的煤储层中煤层气高效开发工艺，以沁水盆地柿庄北区块为例，基于水源钻机定向井组开发过程中，实施的PDC钻头+螺杆钻技术、低固相聚合物钻井液、煤层段“低排量、低转速、低泵压”钻进、小井组同步水力波及压裂等工艺实践，探讨了构造复杂的深部煤层钻进过程中，引起井内煤壁段坍塌的主要因素，优化了钻完井、水力压裂工艺参数。研究表明钻井液入侵与压力波动是影响煤壁垮塌的主要原因，分段钻井液性能和煤层段最佳钻进参数：钻压20～30 kN，转速25～30 r/min，排量16～18 L/s；采用小井组同步水力波及压裂工艺可以形成有效的裂缝延伸，有效裂缝长度为250～350 m。研究认为，施工至复杂煤体结构的煤层段时在调整好钻井液性能的基础上，采用“低转速、低泵压、低排量”平稳钻进，且可根据井距采用单井压裂+同步水力波及压裂的组合施工，以获得最佳的压裂效果。

• 延川南煤层气田深部煤层气成藏规律与开发技术

  陈贞龙, 郭涛, 李鑫, 肖翠, 金晓波,

  位于鄂尔多斯盆地东南缘的延川南煤层气田从勘探发现到效益开发经历了近10年，其产能建设和开发上产的整个历程，在我国深部煤层气领域的勘探开发探索中具有很强的代表性和示范作用，气田突破了800 m以浅的经济开发极限深度，实现了规模效益开发。基于对延川南煤层气田的地质特征、成藏规律以及开发生产动态的综合分析，研究了其富集高产要素以及勘探开发技术。大量实践证实了研究区煤层气藏具有三大地质特征：①埋深大、煤阶高、含气量高，资源条件较为有利；②孔隙度低、渗透率低、微孔发育有利于吸附，但孔隙连通性较差不利于产出；③储层压力系数低，开发难度较大。在深入分析深部煤层气地质成果的基础上，总结提出了“沉积控煤、构造控藏、水动力控气、地应力控缝、物性控产”的延川南深部煤层气田成藏富集高产的五要素协同控制理论，形成了适用于深部煤层气勘探开发的四大关键技术体系：①构建了以“串枝化”、“井工厂”为特色的集约化大平台钻完井技术；②形成了适用于深煤层开发的有效增产改造技术；③制定了基于解吸理论的智能化精细排采控制技术；④集成了适宜于复杂地貌的地面集输以及气田数字化技术，为同类型的深部煤层气的产能建设和经济有效开发提供了技术支撑。

• 基于修正库萨金公式的煤层气井井间干扰定量评价

  王文升, 张海锋, 张亚飞, 段宝江, 刘灵童, 倪小明, 冯毅,

  我国煤层气直井的排采是经过储层改造后进行的，且不同的排采阶段，水相渗透率的值不同。为了更加准确地定量评价煤储层改造后煤层气直井排采的井间干扰程度，基于沃伦-茹特渗流模型，结合压裂时的压降曲线，构建了压裂后渗透率预测模型；根据排采过程中气/水所占比例的差异，分别构建了气/水两相流低产阶段和稳产阶段水相相对渗透率模型；把不同排采阶段的水相渗透率模型嵌入经典的无越流补给的库萨金水压影响模型中，得出了不同排采阶段水压传播距离的数学模型。以柿庄南区块典型井组的干扰试井及勘探资料为基础，验证了理论模型的准确性。根据数学模型建立了渗透率-压力梯度-影响距离图版。结果表明：储层压力梯度不变的情况下，随着渗透率的增加，影响距离呈指数型增加；渗透率不变的情况下，随着储层压力的增加，影响距离呈线性增加。当储层压力梯度为0.5 MPa/hm，压裂后渗透率一般为(0.5～8.0)×10-3 μm2时，长轴影响距离一般为95～120 m，短轴影响距离一般为56～75 m，该储层条件下井网应小于240 m×150 m。该方法可以为无越流补给且煤体结构为原生或碎裂煤储层条件下井网优化提供理论依据。当煤体结构为碎粒煤或糜棱煤为主或有越流补给时，该方法的计算结果仅能作为一种参考。

• 煤层气合层排采井产能影响因素分析

  王少雷, 王有坤, 张祝平, 李哲远, 冯云飞,

  为了探索煤层气合层排采井产能影响主控因素和层间干扰规律，以贵州黄泥塘向斜某煤层气勘探开发试验区的上煤层组物性参数为数据来源，利用COMET3数值模拟软件建立多因素多水平的两层合采地质模型，采用正交试验设计13因素3水平正交表和级差分析法，模拟结果显示合层排采主控因素由大到小依次为：临储比、储层渗透率、含气量、孔隙度、层间距、甲烷吸附时间及层厚。采用单因素敏感性分析法，分别对临储比、储层渗透率、含气量和层厚4个因素的敏感性进行模拟，模拟结果显示在压力系数相同的条件下层间干扰现象不存在，并分析得出合层排采采收率主控因素是临储比和储层渗透率。

• 潘河区块煤层气L型水平井排采工艺及配套技术研究

  秦绍锋, 王若仪,

  L型水平井在开发低渗煤层气田上具有很大的技术优势，但由于沁南盆地潘河示范区煤层气田储层浅（500～650 m），致使L型水平井具有井斜角大、全角变化率大、斜井段长且水平位移大的特点，加上水平段具有出煤粉严重、井筒气液比高、微含硫化氢的特点，给后期投产排采带来很大难度。为充分发挥L型水平井钻完增产一体化的技术优势，提出了以携带煤粉能力强的特定螺杆泵技术为主体，配套减阻、扶正、防偏磨、井下气液分离、地面注水、智能自控的技术对策。通过现场22口井试验，有效降低偏磨、卡泵和气体影响，消除了硫化氢安全影响，正常运行时率达92.4%，解决了在埋深浅的大井斜大位移井内的有效排采问题，因此建议煤层气L型水平井排采工艺设计中，强携带煤粉能力作为选泵的必要条件，同时应不断完善配套技术，实现工艺运行得更加平稳。研究结果为L型水平井技术在沁南煤层气田的大规模应用奠定了基础，同时也为其他煤层气区块的开发提供了借鉴经验。

• 基于气举的煤层气/致密砂岩气同井合采可行性研究

  丁万贵, 朱森, 林亮, 綦耀光, 朱洪迎, 张晧,

  在我国鄂尔多斯盆地等地存在多个煤系气富集区，具有煤层气与致密砂岩层垂向上叠置分布的特点，但多数煤系气井单采致密砂岩气或煤层气存在资源利用率低，经济效益差，而两气合层开采可提升开发效益。针对上部高压致密砂岩气层下部低压煤层气的储层叠置关系，提出了一种同井筒气举合采的工艺管柱结构，基于闭式气举管柱的改进，利用上部高压致密砂岩气的能量，将下部煤层气储层的井液举升至地面，实现煤层气储层降压、解吸、产气，达到两气合采的目的。根据气举动态方程，分析煤储层不同产液量、储层深度条件下致密砂岩气的气量、压力等的关系，得出了井口油压、套管压力、气举深度、环空气量、油管直径等气举合采关键参数的选择依据。结合典型井例，给出了设计验证和应用的适应性条件，气举合采管柱适用于上部煤层气与下部致密砂岩气合层开采，为多气合采提供一种有效、经济的排采管柱。

• 基于原子力显微镜的煤岩微尺度力学性质研究

  杨江浩, 李勇, 吴翔, 吴鹏, 韩文龙, 赵石虎,

  为了研究微观尺度下煤岩力学特性以及影响因素，以保德地区烟煤样品（Ro=0.80%）为研究对象，使用原子力显微镜的力学性能量化模块，通过测量煤岩表面不同位置的杨氏模量与黏附力，利用NanoScope Analysis软件对所测得的数据进行处理分析，得到煤岩表面形貌图、杨氏模量图、黏附力图和形变量图，并进一步分析表面力学性质的影响因素。研究结果表明：整个扫描区域的杨氏模量平均值为7.62 GPa，测量结果大于传统岩石力学测试方法的试验结果，其中有机质的弹性模量约为2 GPa，黏土矿物的弹性模量平均值在15 GPa左右；黏附力范围在10～40 nN，影响杨氏模量和黏附力的主要因素为粗糙度，同时孔隙的分布也影响着黏附力的大小，其所在的位置有较大的黏附力。

• 煤矿采空区煤层气钻井施工堵漏液研制

  李彦明, 郭小阳, 李称心, 刘璐,

  为解决在煤矿采空区施工煤层气井时出现的钻井液恶性漏失、掉块卡钻、下套管遇阻等问题，以采空区覆岩特征为研究基础，通过对比激活剂、悬浮剂及降失水剂的不同添加量对堵漏液性能的影响，确定了各添加剂的最优添加量，形成了一种具有固化功能的无机胶凝材料钻井堵漏液，其配方为：100%水+5%激活剂+0.5%悬浮剂+ 3%降失水剂+54%矿渣。该堵漏液在30 ℃条件下流动度为21 cm，稠化时间在61 min以内，1 d抗压强度大于6 MPa，其性能指标满足煤矿区煤层气浅井堵漏要求。为进一步分析该堵漏液的作用机理，采用扫描电镜、X-射线及热重分析等现代测试分析方法对形成的固化体进行测试，结果表明：堵漏液中的胶凝材料与水接触后发生水化反应生成C—S—H凝胶，随着时间的增加，C—S—H凝胶越来越多，最终水化产物的结构越来越致密形成了较高的抗压强度。宏观表征即：具有良好流动性的堵漏液通过泵送进入地层裂缝，浆液填充裂缝直至裂缝被充满，随着水化反应的进行堵漏液逐步失去流动性，最终原裂隙发育地层形成一个胶结具有承压能力的整体，实现了堵漏。

• 采动影响下断层稳定性的力学机理及其控制研究

  林远东, 涂敏, 付宝杰, 李传明,

  断层受采动影响易发生活化，常引发塌方、冒顶、突水、矿震、冲击地压等事故。为了探明断层发生活化的条件，将断层带、上盘和下盘视为一个系统，采用Anderson断层模型和Mohr-Coulomb强度准则，经数理分析，研究了采动影响下断层的稳定性问题及系统参量对断层稳定性的影响。结果表明：断层处于自锁还是活化状态，取决于断层视摩擦因数k1与断层摩擦因数k之间的量值关系；当k1<k时断层处于自锁状态，当k1≥k时断层处于活化状态；视摩擦因数k1反映了断层在采动影响下地应力(包括σ1和σ3)、断层面黏聚力c及断层裂隙流体压力pi等因素共同作用的应力积累水平，其值越大断层活化的倾向性越高；摩擦因数k是由断层内摩擦角φ确定的量，反映了断层带与断层上盘和下盘在结构面处的粗糙度，结构面越粗糙断层内摩擦角φ越大，使得摩擦因数k越大；摩擦因数k越大断层的稳定性越好；系统参量(包括α、φ、c、pi、σ1和σ3等)在采动作用下发生变化后将对断层的稳定性产生影响：断层倾角α越接近于断层特征角α1，断层发生活化的倾向性越大；断层内摩擦角φ越小断层越易活化；断层面黏聚力c越小断层越易活化；断层裂隙流体压力pi越大断层越易活化；垂直应力σ1越大断层越易活化；水平应力σ3越小断层越易活化。基于系统参量对断层稳定性的影响规律，提出了控制系统稳定性的方法。研究结果对发育有断层的地下资源开采及防震减灾、隧道、地下结构等工程具有参考价值。

• 露天矿排土场形态参数整体优化研究

  王忠鑫, 王金金, 宋波,

  为解决排土场形态参数相互影响、难以实现整体优化的难题，基于排土费用随排土场形态参数变化的关系，建立了决策排土场形态多参数的整体优化模型，并据此模型给出了具体的求解算法。以某露天矿为例进行了实证研究，结果表明：该露天矿的最优形态参数为最下排土台阶底面半径945 m、单台阶高度30 m、最终平盘宽度40 m、台阶坡面角33°、台阶数量4个、坡道坡度8%，模型确定的排土场形态参数满足工程实施的要求，结果是可用的。揭示了运输费用随台阶数量的增多呈现先降后增的U型变化规律，即存在最优的排弃高度，一般为120 m左右为宜，实际中不应只追求增高扩容。在终了排弃标高一致的前提下，运输费用随台阶高度的增大而增加，在购地价格低廉地区，台阶高度应根据设备作业参数适当降低，而购地价格较高的地区，台阶高度应适当提高，以节省排土工程费用。

• 综采工作面水力压裂顶板控制技术研究

  崔峰, 刘星合,

  为解决综采工作面基本顶难垮落且垮落步距大的问题，根据魏墙煤矿1307工作面地质条件，采用水力压裂技术进行水力压裂现场试验研究。探讨了工作面顶板垮落情况和初次来压步距，研究结果表明：压裂后，顶板围岩破碎度及裂隙发育明显扩大，压裂破坏了顶板围岩的完整性，有效弱化了顶板岩层；根据支架初撑力和工作阻力连续监测可以得出压裂后工作面基本顶初次垮落平均步距为44.5 m，与预裂爆破强制放顶相比，来压步距减少约8.0 m。水力压裂控制顶板技术具有工程量小，安全性高，施工速度快和控顶效果好等特点，能够有效解决综采工作面坚硬顶板基本顶初次垮落步距大、支架压力大等问题，实现矿井安全高效开采。

• 基于修正系数的岩石本构关系研究

  袁超, 张慧梅, 孟祥振, 杨更社, 吴禄源,

  为对具有原始微元破坏的工程岩石建立更切合实际的本构关系，通过引入修正系数得到原始损伤部分与岩石整体部分的关系，并基于Weibull随机分布和损伤力学理论，在微元破坏符合摩尔-库仑准则的条件下，采用理论推导与试验验证相结合的方法，建立了基于修正系数的岩石损伤本构关系，并以红砂岩常规力学特性试验验证其合理性。结果表明：通过该本构关系获得的理论曲线与试验曲线较为吻合，能够较好的反映岩石变形破坏阶段的特征；受荷过程中，岩石以原始损伤为基准进一步损伤，最终完全破坏；模型参数m和F0的变化均对岩石损伤关系有一定影响，随着F0变化，弹性阶段、峰值应力和相应应变以及最终达到完全破坏时的应变都呈现一致性变化，影响岩石脆延性；随着m变化，弹性阶段及峰值点有所变化但不明显，峰值应力、峰后损伤程度影响较大；随着修正系数γ变化，峰前峰后同一应变对应的应力均发生变化，但γ的取值对理论曲线的发展趋势及峰值点的大小和位置没有影响。

• 动静载影响下大倾角工作面巷道两帮应力分布规律研究

  韩泽鹏, 窦林名, 王正义, 乔中栋,

  为了研究动静载影响下大倾角工作面运输巷、回风巷帮部最大主应力分布特征，以新疆博斯坦煤矿1132工作面地质条件为原型，建立了煤层倾角37°的FLAC3D数值模型进行数值模拟研究。结果表明：静载影响下大倾角工作面最大主应力分布非对称，运输巷和回风巷两帮表现为左帮高应力区偏下，右帮高应力区偏上的特征；动静载叠加影响下，运输巷帮最大主应力波动幅度大于回风巷，运输巷和回风巷左帮最大主应力升高，右帮最大主应力降低，巷道帮部最大主应力分布比静载作用下更加不对称。针对大倾角工作面巷道帮部的最大主应力分布特征，对大直径钻孔卸压措施进行优化，经现场钻屑检验，运输巷回采帮钻屑量平均降低11.8%，回风巷回采帮钻屑量平均降低16.5%，卸压效果良好。

• 高应力煤巷围岩控制关键技术研究

  耿继业, 王方田, 张洋, 班建光, 李岗,

  针对深井高应力煤巷帮部煤壁整体偏移、锚杆剪切破断、巷道围岩变形剧烈等支护难题，以城郊矿二水平西翼回风大巷为工程背景，采用YTJ-20型岩层探测记录仪实测、微梯形与矩形断面巷道力学结构分析、FLAC3D数值模拟及现场试验监测分析相结合的方法，观测了巷道围岩裂隙演化规律，探究了不同地应力、侧压系数对巷道稳定性的影响特征，并提出了微梯形断面巷道支护设计方案。研究结果表明：煤巷呈大松动圈发育特征，围岩碎胀变形范围大、变形持续时间长、支护难度大，高地应力是其主要影响因素；力学结构对比分析表明微梯形断面受力小于矩形断面巷道，有利于增加巷道的抗冲击性；数值模拟显示微梯形巷道应力集中、塑性区发育范围及围岩变形量相较于矩形煤巷均有所减小，尤其帮部位移减小量明显，微梯形巷道断面有利于巷道围岩稳定性控制。断面形状优化设计及合理支护技术是实现高应力煤巷围岩变形有效控制的关键。结合现场深井高应力煤巷围岩条件，基于悬吊理论与数值模拟优化确定了微梯形巷道合理支护设计参数，跟踪监测结果显示巷道顶板下沉量达到20 mm时趋于稳定，两帮移近量为82 mm，底鼓量为126 mm，表明深井高应力煤巷顶板采用锚网带+锚索梁、帮部采用锚网带的联合支护方案的围岩控制效果良好，可满足深井高应力煤巷长期稳定要求。

• 充填开采不同充填率覆岩破坏特征相似模拟研究

  贾林刚,

  为了研究充填开采过程中覆岩破坏、应力、位移等特征，根据某矿充填工作面地质采矿条件，采用相似模拟试验方法开展了不同充填率对覆岩移动特征的影响研究。结果表明：覆岩变形破坏剧烈程度与充填率密切相关，充填率较低时，裂隙分布范围扩大，出现纵、横交错裂隙，充填率较高时，裂隙只在低位岩层出现，覆岩整体比较完整；采动影响距离与充填率之间呈幂函数关系，集中应力程度随充填率增加而线性减小；充填率较低时，岩层垂直位移分化明显，充填率较高时，岩层位移集中发生在直接顶及附近岩层，各岩层位移曲线在稳定沉陷区黏合在一起，呈现整体弯曲变形移动特征。充填率是控制地表变形的重要因素，该研究成果对指导充填开采实践具有重要意义。

• 综采工作面智能供液技术及发展趋势

  李然,

  为了系统归纳煤矿综采工作面供液系统技术的研究成果，促进综采供液技术向智能、高效、绿色发展，采用综合分析方法，对国内外综采工作面智能供液技术发展现状进行了全面总结和归纳。探讨了智能供液控制技术、高压大流量乳化液泵技术、工作介质质量综合保证技术、安全节能高效供液技术4个方面的关键技术的研究和应用。供液系统智能控制基础是以工作面开采工艺为基础的流量需求函数，通过电液控制系统传递给供液系统，实现用液需求的预知预判和及时响应。攻克了基础材料和基础工艺等共性技术难题，创新了动力端和液力端结构，研制适用于7 m大采高工作面的乳化液泵，流量达到630 L/min，压力达到40 MPa。研究乳化液自动配比、浓度在线监测和矫正、多级过滤技术和水处理技术为一体的工作介质质量综合保障技术。重点围绕综采智能供液系统大功率、高压力、高载重的显著特点，探索了以远距离供液技术、永磁直驱技术以及主管路爆管保护技术为基础的安全节能高效保障技术。提出了随着智能、绿色开采技术的不断发展和完善，纯水供液技术、智能生命周期管理以及远距离集中供液中心等将会成为热点研究方向，并最终形成综采智能供液技术体系和标准。

• 封闭储煤场高空轨道盘煤机器人系统设计

  黎少辉, 顾军, 钱建生, 蔡利梅, 吉智,

  针对目前储煤场高效盘煤的无人机自动盘煤系统存在拍照抖动、定位精度不稳定、封闭空间盘煤适应性差的问题，结合封闭储煤场大棚结构特点，设计一款封闭储煤场高空轨道行走机器人自动盘煤系统。该系统主要由地面操作系统、轨道系统、行走机器人系统构成。地面系统实现应急手动操作控制、数据接收与处理，由手控遥控器及操作箱构成；轨道系统包含棚顶轨道系统与机器人升降轨道系统，棚顶轨道及轨道上设置的位置感应器实现机器人的行走轨迹及位置信息确定，升降轨道系统设置有固定开关及行程位置开关，保障机器人的机体固定，升降轨道与棚顶轨道有效结合，实现行走机器人的安全提升、行走与下降；行走机器人系统包括动力模块、数据采集模块、控制模块3个部分，动力模块为机器人在轨道上行走提供动力源，包括电池与行走机构，数据采集模块实现图像采集与位置信息融合，PLC控制系统实现机器人远距离遥控、行走控制及高清图像采集与传输。试验证明，该系统保留了无人机盘煤系统的高效数据采集分析的优点，解决了无人机盘煤系统的不足。轨道机器人自动盘煤系统虽然前期整体投入较高，但使用成本低、易操作。

• 煤矿井下水泵电动机设备瞬态电磁辐射骚扰的研究

  陈辉, 田子建, 陆奎, 梁喆, 王仲根,

  针对煤矿井下启停高压大功率电动机设备产生的瞬态电磁干扰问题，分析了工频交流电动机设备启停过程引起的瞬态电磁辐射产生机理，结合井下机电设备特点以及井下特殊环境，研究了井下电动机设备瞬态电磁辐射的主要辐射途径和测试要求，并对井下电磁启动器启停水泵电动机产生的瞬态电磁辐射骚扰进行了现场测试。测试结果表明：水泵电动机启停阶段的电磁辐射频谱较宽，幅值频谱主要集中在100 MHz以内，尤其在1～10 MHz范围内辐射电场强度达到最大，100 MHz以上仍然有明显的噪声突起，但辐射强度较小。研究结果可为进一步研究和治理井下瞬态电磁辐射干扰提供参考和依据。

• 基于多类型四双法的煤层顶板突水预测评价研究

  吕玉广, 李宏杰, 夏宇君, 刘汉慈, 韩港,

  富水性和导通性是评价预测顶板突水的2个关键判据。基于GIS的多源信息复合叠加方法评价富水性，存在数据来源不足、评价过程烦琐、评价手段过于专业等问题；采用冒裂安全性分区图来评判含水层的导通性，存在两极值区间过大、精度较低问题；采用疏干开采技术时，采前疏干程度评价缺少量化判据。实践中，顶板突水条件千差万别，目前缺少一套适用于各种地质条件的技术评价体系预测顶板突水，为此提出了“多类型四双法”评价预测技术，简称MTFD法。首先，依据煤层与上部岩层（含水层）空间组合关系以及岩层自身富水性强弱，将顶板分为A、B、C、D四种评价类型，确定了每种类型的评价对象和评价准则，并形成了完整的技术评价路线。再次，基于钻孔柱状图信息建立了双表，即基础数据表和工作表，获取评价和预测工作的数据源；其次，引入了双指数概念，即富水性指数和突水危险性指数评价参量，通过双指数绘制双图，即富水性等值线图和突水危险性等值线图，富水性指数用来表征地层的富水性，将砂岩厚度和脆塑性比值2种最重要地学信息指数，可省去繁琐的多源信息归一化处理过程；突水危险性指数用来衡量间接充水含水层水导入采场可能性大小，由于两极值区间范围小，有利于提高评价的精准度和灵敏度，同时能够克服经验公式的不足。最后，提出了双水量预测方法，即疏干水量预测或涌水量预测，以富水性指数为主控因素预计的疏干水量，可以作为采前安全开采评价的量化判据；以富水性指数为主控因素预计工作面涌水量，可以作为涌水量传统预计方法的有益补充。应用结果表明：MTFD工作法在内蒙古上海庙矿区、宁夏鸳鸯湖矿区、山东济宁矿区均已得到广泛应用，指导了约60个采煤工作面的疏放水钻孔设计和施工。富水性指数法预测富水性指数与实测钻孔放水量呈正相关关系，预计水量的偏差率约4%；利用“双图”科学揭示了多起典型的突水溃沙事故的机理。

• 关键层对特厚煤层综放开采地表沉陷规律的影响研究

  高超, 徐乃忠, 何标庆, 邓伟男,

  特厚煤层综放开采一次性采全高，其采放煤层厚度大，垮落带和裂隙带高度亦相应增大，使得覆岩“两带”发育直接波及到覆岩上部、对地表沉陷起重要控制的厚硬关键层，其移动变形与地表沉陷特征密切相关。为从覆岩内部岩层移动变形角度探究关键层对特厚煤层综放开采地表沉陷的控制影响作用，应用工程类比法与数值模拟综合确定了东坡煤矿914工作面“两带”高度发育情况，通过关键层理论计算了各亚关键层和主关键层破断距与层位，应用3DEC模拟了关键层对地表沉陷规律的控制影响作用。研究结果表明：应用工程类比法结合数值模拟塑性分区法可综合确定“两带”高度发育情况；上覆岩层及地表的移动变形受厚硬岩层的影响控制，表现为上覆岩层破断特征具有组合移动性、传播至地表呈突陷性；关键层内岩梁破断长度越短，地表沉陷盆地边缘越平缓、地表沉陷影响范围越大；受关键层破断距与破断形式差异的影响，地表下沉盆地开切眼侧较陡、终采线侧相对较缓。

• 地表动态沉陷预测正态时间函数模型优化研究

  张凯, 胡海峰, 廉旭刚, 蔡音飞,

  开采沉陷动态预计描述了地表移动变形与开采时间的关系，在防治采空区地表移动变形破坏方面具有重要的指导意义。时间函数是动态预计的理论核心，以其为基础建立的开采沉陷动态预计模型为地表建筑物的保护提供了实时和准确的理论数据依据，正态分布时间函数作为一种新型的时间函数，在时空上具有完备性，但应用于动态预计存在理论缺陷，通过对比正态分布时间函数与理想时间函数的特点的差异性，分析其缺陷是由该时间函数的密度函数有效积分域亏损随时间参数c的减小增加造成的，为了拓展其应用范围，提高其预计精度，采用整体偏差修正的方法将函数纠正至理论位置，消除了理论偏差，再利用生长函数模型对正态分布时间函数进行优化。结果表明：优化后的正态分布时间函数修正了动态预计关键节点处函数值的理论误差，拓宽了预计参数的选取范围，可以适用不同的地质采矿条件，解决了原本时间函数终点预计误差随预计参数的减小而增大的问题。通过与大同矿区两工作面实测数据的对比分析表明使用优化后正态分布时间函数比原正态分布时间函数在地表下沉动态预计精度上有所提高，更加符合实际情况，可为高精度预计矿区地表移动和重要建筑物的保护提供更为可靠的数据依据。

• 高精度三维地质建模新方法与关键技术研究

  孙月成, 李永飞, 孙守亮,

  为了充分利用三维地震勘探数据蕴含的有关地下岩性、物性和流体的空间分布信息、进一步提高三维地质模型精度、改善油藏数值模拟效果，探讨了提高叠前地震道集质量、改善井震匹配关系及多学科一体化研究的新方法。通过不同偏移距地震道的频谱均衡对地层吸收作用和动较拉伸效应造成的远偏移距地震数据波形畸变现象进行了校正；通过构建高精度的三维数据体时深转换速度模型提高了地震数据体在深度域与测井曲线深度的一致性；并采用岩石物理、地震反演、地质建模和油气藏数值模拟多学科一体化的研究方法对多学科研究进行循环反馈，不断优化三维地质模型的准确性、提升油藏模拟吻合度。研究结果表明：针对不同偏移距地震道的频谱均衡技术的应用消除了远偏移距地震波形畸变现象，使地震波能量集中到有效频带范围内；将地质统计学反演的高分辨率速度体与层间网格自动剖分技术相结合建立的三维时深转换新方法保障了深度域的三维地震数据体与测井曲线的精细匹配，时深转换后的深度域地震反演数据体与测井曲线在深度和数值两方面一致性都很好；同时基于新建地质模型得到的数值模拟数据与实际生产数据吻合度高、生产历史拟合效果好，重新计算的地质储量与动态储量的差异大大缩小，解决了某气田长期存在的三维地质模型精度不高、动静储量差异大等难题。

• 大采深煤层弱胶结厚层砾岩突水溃砂灾害研究

  任胜文,

  针对煤矿突水溃砂事故难题，基于突水溃砂机理理论研究和突水溃砂实例分析，结合塔然高勒煤矿水文地质、工程地质特征，通过对顶板厚层砾岩含水层岩石物理力学性质测试分析，从导水裂隙带高度、含水层厚度2个主控因素对突水溃砂危险性建立影响因素的数学评价模型，利用ArcGis平台根据“富水性指数法”得出顶板含水层富水性评价结果和冒裂安全性分区结果，获得了突水溃砂危险性分区。研究结果表明：受扰动影响的胶结程度差、遇水易松散的粗粒砂岩，受到静水压力的劈裂作用和地下水为克服阻力而对砂层施加的动水压力作用，在静水、动水压力共同驱动下，形成砂粒。含水层中的砂粒通过断层、褶皱等先天性破碎通道和受开采活动引起网络裂隙通道与冒落裂隙通道，随着水流方向朝涌水口发生大范围移动，进入工作面、采空区和巷道，从而引发水砂溃涌事故，水砂源、动力源、通道、流动空间4个要素的相互作用是导致突水溃砂的内在机理。导水裂隙带和断裂构造发育区是预防突水溃砂事故的工作重点，研究为导水裂隙带观测、顶板管理、探放水钻孔施工及大采深弱胶结砾岩含水层突水溃砂治理提供依据。

• 低温等离子体改性技术对煤泥浮选效果的影响

  李琛光, 王大鹏, 胥萌, 周济,

  煤泥浮选是利用矿物表面性质差异实现有用矿物与脉石的分离，低温等离子体改性技术可以在保持材料基体性能的前提下显著改变材料的表面性能，目前在煤炭浮选领域的应用还处于起步阶段。从低温等离子体改性处理固体煤泥及液体药剂2个方面对其在煤炭浮选方面的应用进行探索。采用低温等离子体改性固体煤泥进行反浮选脱硫，结果表明：低温等离子体对煤和硫化矿物表面直接改性，可以有效扩大硫化矿物和煤的可浮性差异，替代药剂抑制煤上浮，强化反〖JP〗浮选脱硫率，低温等离子体处理5 min时对煤的抑制效果最好；采用低温等离子体改性捕收剂进行浮选试验并与未改性药剂进行对比，结果表明：等离子体处理后的药剂对中煤阶煤泥的回收性能增强，提高煤浮选精煤产率，通过红外光谱分析可知，在等离子体预处理过程中引入了种类丰富的极性基团，提高了捕收剂的捕收性能。

• 过氧化氢预处理中/高煤阶煤增产生物甲烷研究

  张亦雯, 郭红光, 李亚平, 李兴凤, 张攀攀,

  基于过氧化氢（H2O2）可以有效作用于煤中部分化学键，从而改善煤的生物有效性，研究了3种不同浓度H2O2预处理中/高阶煤所得固相、液相产物及其组合的生物甲烷生成能力。结果表明，液相产物单独降解的甲烷产量最大，高煤阶煤增产161%，中煤阶煤增产338%。高阶残煤的生物甲烷产量与H2O2浓度正相关。从混合降解产气效果来看，质量分数0.05% H2O2处理的中/高煤阶煤均有显著提升。基于以上结果提出2种工业应用方法：注入H2O2或预处理液。试验证明，0.05%H2O2直接注入煤层或将预处理液注入煤层均可实现生物甲烷的增产，高煤阶煤分别增产96%和106%，中煤阶煤分别增产38%和198%。研究结果为提速煤的厌氧生物降解提供了一条有效途径，为微生物增产煤层气的现场应用奠定了基础。

• 矿井瞬变电磁PSO-DLS组合算法反演研究

  李明星,

  隧道及煤矿井下巷道施工过程中面临严重的水文地质灾害问题，在复杂的施工环境及水文地质条件下，对水文地质的精确探测是十分困难的。矿井瞬变电磁法作为一种应用广泛的电磁感应勘探方法，对低阻体非常敏感，能够对隧道及巷道顶底板含水层进行探测。为解决巷道或隧道瞬变电磁探测数据处理难度大且准确度不高的问题，通过对粒子群优化法（PSO）和阻尼最小二乘法（DLS）2种算法进行了比较分析研究，提出一种PSO-DLS组合反演算法，解决了PSO算法晚期寻优效率低下和DLS算法需要人工给定初始值的问题。结合某矿井实际地层资料，建立数学模型，分别利用PSO、DLS以及笔者提出的组合算法进行反演试算。研究结果表明：相比于两种单独的算法，组合算法具有更高的寻优效率且不需要人工给定初始模型，最后应用该组合算法对中国淮北煤田煤矿巷道实测瞬变电磁数据进行反演计算，结果实现了顶底板异常分离，解释成果与测井资料、地质资料及巷道揭露情况吻合，证明该组合算法能够对巷道瞬变电磁探测数据进行反演处理且准确度较高。

• 沿空留巷巷旁充填体稳定性控制技术研究

  陈勇, 孟宁康, 杨玉贵, 郝胜鹏,

  充填体稳定性控制是沿空留巷成功的关键因素之一。为获得合理的充填体稳定性控制技术，以三河尖煤矿7136工作面千米深井沿空留巷为工程背景，采用UDEC6.0的Trigon模型校正了巷旁充填体（高水材料水灰比为1.5:1.0）的数值模型，然后对充填体稳定控制的钢筋梯子梁直径、对拉锚杆直径及数量不同时的充填体应力应变进行了模拟分析。研究结果表明：充填体的加固作用可有效约束充填体表面位移，综合提升充填体的承载能力可达20%以上，提高了沿空留巷充填体的稳定性，特别是增加对拉锚杆直径和数量在大变形的条件下可有效控制充填体帮部的整体横向变形和鼓包现象，是提高充填体加固系统护表能力、充填体承载能力的重要参数之一。研究成果成功应用于千米深井沿空留巷，加固后的充填体帮平均变形不超过150 mm，顶板下沉量不超过250 mm，表明充填体加固系统可靠，而且具有良好的适应性。