煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2023年第12期

• “双碳”背景下我国煤炭资源保障能力与勘查方向的思考

  王佟, 刘峰, 赵欣, 邓小利, 袁同兴, 任世华, 孔庆虎, 张建强,

  我国以煤为主的能源消费结构短期内不会改变。目前我国煤炭能源仍然处在需求量大、资源高强度开发阶段，有必要认真审视我国煤炭资源勘查工作。通过分析我国煤炭资源分布与保存问题，基本摸清了煤炭资源状况。认为我国煤炭资源相对丰富，但分布主要受东西向、南北向“两横”和“两纵”构造带控制，在“九宫”分布不同区域资源赋存与开发程度不均衡，中东部地区开发强度大，西部资源丰富但勘查开发程度低。同时，对我国主要煤炭矿区典型矿井的煤炭资源采出情况进行了调查与计算，研究了煤炭资源采出率的计算方法，得出目前技术条件下多数矿井的煤炭资源采出率在24.3%～59.8%，直接反映了目前开采技术条件下我国查明煤炭资源、储量的实际采出情况。我国目前查明煤炭资源、储量20 a后大多将被开采和占用，保障能力不足，需要引起全社会对煤炭资源勘查工作的重视，提前谋划合理制定针对性的解决方案。从现在开始勘查工作：一是加强中东部老矿区煤炭储量增储勘查力度；二是加快煤炭勘查开发战略西移，建设煤炭基地“双子座”；三是开展深部和复杂地区的地质条件精细勘查评价，助力煤炭资源、储量的储备能力提升，实现煤炭在保障我国能源安全稳定发展中的压舱石作用。

• 西部黄土高原矿区采煤沉陷多源遥感监测技术进展与展望

  汤伏全, 杨倩,

  西部黄土覆盖区是我国重要的煤炭生产基地，地貌及地质采矿条件复杂，黄土层厚度巨大，开采沉陷具有不同于其它矿区的特殊性，地表下沉速度大，起动距偏小，采动裂缝等非连续破坏更为严重，地表沉陷盆地形状和沉陷变形分布特征更为复杂多变。在当前技术条件下开展地表沉陷的高效监测和定量评价仍面临一定困难。近年来，合成孔径雷达干涉测量(InSAR)、无人机摄影测量(UAV photogrammetry)、激光雷达(LiDAR)等多源遥感技术迅速发展，其具备的非接触式观测、大范围覆盖、高时空分辨率等特点，能够实现地表沉陷连续性、动态性和全面性监测，通过多源观测数据的融合处理，可为西部矿区开采沉陷高效监测提供新的技术途径。综述了多源遥感技术在矿区沉陷监测中的应用进展；通过现场试验探索了InSAR、UAV photogrammetry、LiDAR用于黄土高原矿区沉陷监测的实际效果，发现在地貌复杂、地形起伏和植被覆盖及地表大梯度形变条件下， InSAR干涉失相关和大气延迟等各种误差过大；无人机航测影像构建的三维模型受植被和地形影响导致地面模型的高程精度不足；无人机激光扫描受地形坡度、点云密度和地表点水平移动的综合影响导致显著的DEM模型误差，因而当前条件下多源遥感技术均存在各自的优势、局限性和技术瓶颈。在此基础上，提出了黄土沟壑区地面点云提取及地表三维变形信息获取的算法流程；指出了基于多源遥感数据融合实现矿区沉陷三维位移精准、高效监测的技术路径；展望了构建矿区沉陷多源遥感监测智能化体系的应用前景。

• 煤与煤系战略性金属矿产协同勘查技术方法

  魏迎春, 李新, 曹代勇, 张昀, 位金昊, 徐来鑫, 王安民,

  战略性金属矿产在新材料、新能源、现代信息技术、国防军工等新兴产业均具有不可替代性，传统战略性金属矿产资源储备相对较低，供应风险较高。煤系战略性金属矿产资源作为重要补充，已成为新型战略性金属矿产资源勘查的重要方向，因此，基于煤与煤系战略性金属矿产的基本特征，亟需开展煤与煤系战略性金属矿产协同勘查方法研究。基于前人研究成果，以煤与煤系战略性金属矿产（铀、锂、镓、锗、铌−锆−镓−稀土）为研究对象，总结了煤与煤系战略性金属矿产的主要组合类型，探讨了煤与煤系战略性金属矿产协同勘查方法。从煤与煤系战略性金属矿产的赋存位置角度，总结了煤与煤系战略性金属矿产资源的主要组合类型，包括煤−铀矿床、煤−锂、镓矿床、煤−锗矿床、煤−铌−锆−镓−稀土矿床。根据不同岩石及矿产的物性差异，总结了不同勘查技术方法的响应原理及特征。基于煤与煤系战略性金属矿产的分布规律、赋存层位等，针对煤与煤系战略性金属矿产的地质条件、地球化学条件和地球物理条件，总结了主要组合类型的基本特征。从多矿种勘查的协同和各勘查技术的协同两方面出发，基于煤和煤系战略性金属矿产的勘查技术方法，遵循经济效益最大化和勘查方法最优化原则，提出了合理的煤与煤系战略性金属矿产的协同勘查方法。基于铀具有放射性特征，煤−铀矿床协同勘查应加强遥感、地质填图、放射性勘查方法（伽马总量、伽马能谱、氡及其子体测量和伽马录井）、穿透性地球化学、地面物探（高精度磁法/地震/电磁法）、钻探、测井和岩石地球化学等方法的协同运用。基于锂、镓的分散性和赋存位置，煤−锂、镓矿床的协同勘查应加强遥感、地质填图、山地工程、高精度地震、钻探、测井和岩石地球化学等方法的协同运用。基于煤−锗同体，且锗赋存在有机质中，煤−锗矿床协同勘查应加强遥感、地质填图、山地工程、钻探、测井和岩石地球化学等方法的协同运用。基于铌、锆、镓、稀土伴生元素具有高场强特征，煤−铌−锆−镓−稀土矿床协同勘查应加强遥感、地质填图、山地工程、钻探、测井（自然伽马）和岩石地球化学等方法的协同运用。

• 煤层气井位精细部署的地质工程一体化影响因素分析与科学优化

  赵欣, 段士川, 王梓良, 张尚锟, 丁恋, 李聪聪, 王伟超, 尹亚磊, 董昌乐,

  煤层气井位部署与实施方案的研究与论证是煤层气区块开发方案制定的关键环节。通常认为煤层厚度、含气量、埋深等是煤层气井位部署的主控因素，但在实践中发现构造、井间干扰等因素对产气效果的影响也十分显著，煤层气井位部署需要综合地质条件、工程、经济效益等多因素进行科学合理性和全成本投入评价的系统研究。为此，重点介绍了在区块地质条件分析、井距优化、现场施工过程中时常被忽略掉的一些重要因素，并加以分析优化。①提出了煤层气井位精细部署与实施的思路与方法。煤层气井位精细部署和科学实施，要充分考虑地质因素、开发效果、经济效益、施工要求等多因素，对区块进行整体规划、精细部署、科学施工和动态调整，主要包括3个阶段任务：开发前精细部署阶段、现场科学实施阶段、开发后动态调整阶段。②构造变化对煤层气井产气效果影响较大。分析了沁水南部某煤层气区块内发育小高点、小低点、小鼻状、小断层等次级构造对产气效果的影响，局部小鼻状构造最有利于煤层气富集高产。针对不同构造部位的变化特点，提出了考虑不同井型和次级构造变化的4类13型井网样式分类，适用于不同地质条件的煤层气井型井网部署。③模拟研究了多因素影响下的井距优化方案。综合考虑不同井距条件下井间干扰对产气效果的影响、不同井距累计产气量差异、开发井数与产气效果之间的经济效益差异等因素，得出能够实现较好产气效果和经济效益的最优井距大小。④提出一种地质工程一体化的井位部署与实施新思路。提出“地质‘块段’划分+井口靶点坐标优化+集中工厂化钻井+强化缝网的‘块段’式压裂”4个步骤的地质工程一体化井位部署和工艺改进优化方法，通过优化井位部署单元，提高钻探效率的同时，利用多口井交替压裂促使裂缝转向，产生更大规模更加复杂的缝网，最大化的沟通储层裂缝和孔隙，以提高部署井的产气效果。文中提出的研究思路和方法可应用于煤层气区块井位部署和现场实施，以不断完善和细化煤层气井位部署实施的内容和全流程，提高煤层气开发方案的科学和合理性，最大化地开采利用煤层气资源。

• 准噶尔盆地中生代“下煤上铀”地层结构的沉积机理

  吴兆剑, 韩效忠, 李紫楠, 胡航, 来强,

  中国北方中生代含煤盆地常见煤、铀共伴生发育，且煤及煤系砂岩型铀矿表现为特征的“下煤上铀”的地层结构。为精确约束沉积要素在中生代含煤盆地煤及煤系砂岩型铀矿富集成藏(矿)中的作用，探讨煤、铀共伴生的沉积机理，优选准噶尔盆地东部发育“八道湾组煤–八道湾组铀”“西山窑组煤–头屯河组铀”两套“下煤上铀”地层结构的准东煤田及其邻区，聚焦侏罗系构造–沉积演化，通过典型地震剖面的构造解译和连井剖面的细致解析，重点开展等时地层对比和地层层序分析，精细刻画早侏罗世八道湾组至晚侏罗世奇古组的沉积相类型和沉积体系变化规律。结果表明：①准噶尔盆地东部准东煤田及其邻区侏罗系的沉积演化具有明显的旋回性，是一个顶、底面为区域性不整合面所限，由多个退积–进积的3级沉积旋回组成的完整2级沉积序列；②盆地退积–进积沉积演化的旋回性是“下煤上铀”地层结构发育的主要原因，它通过可容纳空间变化控制了沉积环境的转变和物质的空间配置，且进积比退积对应更强的聚煤作用和更适宜的铀储层砂体；③高级别的沉积旋回具备更强的强迫性，制约在2级旋回中处于退积环境的八道湾组的“下煤上铀”规模远小于处于进积环境的西山窑–头屯河组。沉积序列分析可用于含煤盆地的聚煤作用分析和铀储层铀成矿远景预测，特别是铀成矿新区新层位的预测。

• 任家庄井田晚古生代煤系战略性金属元素富集特征

  姬晓燕, 张志峰, 祁风华, 黄鹏程, 刘世恒, 袁红, 梁永平,

  煤系是战略性金属矿产增储的重要来源。宁东煤田煤炭资源丰富，部分地区煤中富集战略性金属。以宁东煤田任家庄井田煤系为研究对象，系统采集主煤层剖面煤样、夹矸及顶(底)板样，采用电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、X-射线荧光光谱(XRF)和X射线衍射(XRD)进行了系统的矿物学和地球化学测试分析，查明常量元素和微量元素分布及富集情况，讨论战略性金属元素富集成因并进行物源分析。结果表明，任家庄井田石炭－二叠纪煤系富集战略性金属矿产，太原组和山西组煤中战略性金属元素整体含量水平较高，以Li-Ga-Zr(Hf)-Nb(Ta)-Th(U)-Pb及REY共富集为特征，且顶底板及夹矸更为富集。其中：5号煤层Li、Ba高度富集，Rb、Zr富集；9号煤层Li高度富集，Zr、Hf、Th富集；9上煤层微量元素含量整体相对较低，Cr富集。5号煤层和9号煤层战略性金属元素富集程度较9上煤层更好。5号煤层和9号煤层灰基Li、Ga均达到了开发利用品位，5号煤层灰基REY也达到了开发利用品位，具有良好开发利用前景。基于元素赋存特征、沉积环境、构造演化的综合分析，认为任家庄井田战略性金属元素富集主要受陆源碎屑供给影响，由鄂尔多斯盆地西缘北部阴山古陆与西北部阿拉善地块蚀源区的长英质−中性岩碎屑物质经古水流搬运进入泥炭沼泽，在特定沉积环境及地球化学环境下通过有机质与无机质相互作用而富集，并经多期次构造演化控制形成现今赋存分布状态及富集特征。

• 基于半航空瞬变电磁法识别复杂地形废弃煤矿富水空间的应用研究

  范莹琳, 潘树仁, 杜松, 李萌, 赵岳, 张玉峰, 丁晏, 宋思彤, 车巧慧, 王锋利,

  煤矿关闭后产生不明源头的酸性矿井涌水是困扰矿区生态修复治理的关键问题，由于中国南方煤矿区普遍存在地形条件复杂，矿硐基数大，点多面广等问题，因此开展大面积的地下污染源头识别难度较大。为了在地形复杂地区开展煤矿富水空间调查研究，追溯地表酸性矿井涌水源头，以处于闽西南坳陷带的福建省龙岩市雁石镇历史遗留废弃矿山为例，利用以无人机为载体的半航空瞬变电磁法，以高阻包裹的低电阻率特征为探测目标，以富水区与围岩的电阻率差异特征为参考依据，结合多源数据识别地表以下300 m范围内的含水异常区，分析异常区含水性，划定富水空间的地理位置，为废弃煤矿酸性矿井水治理提供科学依据。分析结果表明：①半航空瞬变电磁探测技术对地下富水空间探测具有较高的敏感性，高阻包裹的低阻异常区可有效反映地下空间的含水性；②研究区内历史采空区分布广泛，但并非所有历史采空区都富水，利用半航空瞬变电磁探测技术及地质剖面共圈定了8处富水采空区、大量近圆形通道富水区及3处断裂带富水区；③研究区内的历史采空区并非地下主要的富水空间，与采空区含水性相比，近圆形通道及断裂带的含水性也普遍较高，因此近圆形通道及断裂带积水区治理对于地表酸性矿井水涌水治理也尤为重要。

• DSE及其代谢物对紫花苜蓿促生作用及其矿区生态修复潜力

  毕银丽, 宋雅宁, 白雪蕊, 王淑惠,

  煤炭开采造成矿区土地生产力降低，生态脆弱问题加剧，微生物联合植物复垦技术是矿区生态修复常用手段，合适的菌剂接种方式对加快矿区生态修复具有重要意义。深色有隔内生真菌(Dark Septate Endophytes，DSE)是一类普遍存在于植物根系的内生真菌，其代谢物具有植物生长刺激素的功能。以紫花苜蓿为研究对象，在浸根方式和模拟土培方式2种接种方式下，设置DSE菌丝（HD）、代谢物（MD）、菌丝及其代谢物（HD+MD）及空白对照（CK）4个处理，探究DSE及其代谢物对紫花苜蓿的促生作用机制。结果表明：浸根方式下菌丝及其代谢物联合处理的紫花苜蓿长势最佳，总生物量、总叶绿素、根体积、全氮含量分别比对照组增加了83.78%、35.54%、132.12%、82.16%，DSE在紫花苜蓿根系定殖率可达68.89%，且以菌丝结构定殖为主。模拟土培方式下DSE代谢物对紫花苜蓿的促生作用显著，定殖以微菌核结构为主。相关性分析表明，与接种方式相比较，DSE接种处理与菌丝定殖率、微菌核定殖率、总定殖率、根长、根表面积、根投影面积呈显著正相关(P<0.05)，与地上部鲜重、根鲜重、总鲜重、根体积、全氮、全钾呈极显著正相关(P<0.01)。DSE及代谢物通过定殖率和光合作用调控紫花苜蓿的生长，为矿区生态修复绿色菌肥的的开发利用提供了理论依据。

• 北方大型露天矿区土壤有机碳库扰动与恢复研究

  雷少刚, 王维忠, 李园园, 杨星晨, 周叶丽, 段雅婷, 赵小同, 程伟,

  大规模露天煤矿开采严重扰动了矿区地形地貌和土壤碳循环过程。露天矿区土壤有机碳恢复提升符合“双碳”目标，对土壤肥力改善和生态系统自维持具有重要意义。为揭示露天采矿引起的土壤有机碳库的损失扰动特征，掌握矿区土壤有机碳恢复的影响因素及其提升策略，以我国最大的露天煤矿群准格尔矿区为研究区域，通过哨兵二号遥感影像提取了采损区域，采用了149个土壤采样和统计插值、影响因素回归分析等方法。研究结果表明，半干旱地区露天矿排土场矿山土与自然土壤的理化性质、生物活性等都具有明显差异，缺少自然表土覆盖的新复垦排土场矿山土有机碳含量极低，平均为0.19%；由于自然表土剥离不规范，无序混排等，据测算该区域表层土壤有机碳损失累计超过62万t；回归分析表明影响矿山土有机碳的恢复的因素依次是全氮（0.559）、复垦年限（0.225）和植被NDVI（0.172）；调查表明复合植被恢复模式的土壤有机碳含量显著高于单一植被恢复模式，其中沙棘、苜蓿、草木樨构成的草灌群落土壤有机碳含量接近自然土壤。在单一植被恢复模式下，土壤有机碳含量恢复表现为：以沙柳等为主的灌木>以油松等为主的乔木>以火炬树等为主的小乔木>以紫花苜蓿等为主的草本植物。排土场复垦区平台和边坡土壤有机碳含量随时间变化不断增加，复垦年限5年后矿山土有机碳快速提升。排土场矿山土有机碳的持续提升是排土场生态修复成功的关键；控蚀保肥、添料增碳、植被汇碳、保护性耕作等措施是露天矿区排土场矿山土有机碳提升的主要技术途径。

• 陕北不同地貌类型区采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响

  宋世杰, 王艺, 彭芮思, 张玉玲, 唐利君, 程霞,

  深刻认识采煤沉陷的衍生生态损害效应已经成为当前修复西部煤矿区生态环境采动损害的关键基础科学问题和研究热点。掌握不同地貌类型单元采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响规律有利于西部采煤沉陷区的生态环境保护与修复。以陕北煤矿区榆树湾井田（风沙地貌）、柠条塔井田北翼（黄土地貌）的典型沉陷坡面土壤为研究对象，分别采集不同坡面部位（垂直深度为0～60 cm）的土壤样品，分别采用绝对定量PCR方法和酶标仪法测定土壤细菌、放线菌、真菌的数量和蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶、磷酸酶的活性，细致分析土壤微生物数量和酶活性在沉陷坡面上的空间变化特征，综合土壤主要理化特性，揭示不同地貌类型下采煤沉陷对土壤微生物和酶活性的影响规律。结果表明：①风沙地貌类型单元和黄土地貌类型单元的采煤沉陷都会导致沉陷坡面土壤微生物数量和酶活性显著降低，土壤微生物数量的降幅分别达到8.27%～42.39%和11.53%～45.95%，土壤酶活性的降幅分别达到6.52%～39.83%和9.09%～42.42%；随坡面部位由坡顶到坡中再到坡脚的转换，该效应对于土壤3种微生物和4种酶呈现出不同的变化特征；②黄土地貌类型单元的采煤沉陷对“坡中部位的0～10 cm土层+各类土壤微生物数量和酶活性”的降低效应最为显著，风沙地貌单元的采煤沉陷对“坡中部位的0～10 cm土层+土壤放线菌数量及蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性”“坡中部位的10～20 cm土层+土壤细菌、真菌数量”“坡中部位的20～40 cm土层+土壤过氧化氢酶活性”的降低效应最为显著，其可作为陕北采煤沉陷区坡面土壤微生物修复的靶向区域；③无论在风沙地貌类型单元还是黄土地貌类型单元，土壤真菌数量和脲酶活性对采煤沉陷最为敏感，其降幅分别达到23.28%～45.95%和22.78%～42.42%，二者可作为分析陕北矿区采煤沉陷损害土壤微生物特性的标志物；④无论在风沙沉陷坡面和黄土沉陷坡面，土壤中速效磷、有机质含量与土壤微生物和酶活性的相关系数最高，分别超过0.8和0.7，可作为采煤沉陷影响土壤微生物特性的关键指示性因素。

• 基于时间序列模型的戈壁荒漠露天矿生态环境评价

  刘英, 胡霄, 岳辉, 毕银丽, 彭苏萍,

  矿区生态环境评价中常采用单景、多景遥感数据来进行评价，但这2种数据存在时间不一致性和评估不准确性的缺点。为实现矿区生态环境的准确监测，以戈壁荒漠露天矿及其周边环境为研究对象，采用CFmask算法+Tmask算法获取纯净像元反射率。经时间序列模型合成研究区年度遥感数据，采用压力-状态-响应模型对其进行长时间序列生态环境评价。结果表明：①基于时间序列模型预测的地表反射率值与对应局部区域的卫星观测地表反射率值差异较小且其真彩色影像视觉差异较小，非纯净像元位置处预测反射率与周边纯净像元地表反射率真彩色影像视觉差异较小。以2022年各波段纯净像元反射率观测值与预测值验证精度，结果显示观测值与预测值显著相关(相关系数均大于0.6)。实地考察数据与经时间序列预测数据得到的生态环境指数的相关性(R2=0.450)优于单景生态指数(R2=0.347)、多景生态指数(R2=0.386)。② 2013—2021年研究区整体生态环境较差，呈南高北低、西高东低的空间格局，且随着时间增加，南部生态环境退化较为严重。矿区内生态环境变化较矿区外生态环境变化稳定，矿区外生态环境退化较快。③生态差、生态中、生态优面积的年变化速率分别为0.005/a、0.002/a、−0.007/a。各生态等级状况随时间呈现景观破碎度减小、景观异质性减小、聚合度增加态势，生态优斑块流向生态中、生态差斑块，生态差等级逐渐成为研究区生态环境主要生态等级。矿区内各等级占比稳定，矿区外生态差占比逐年增加。在对研究区进行生态修复时应尽量避免在半阳坡方向种植作物，且在阴坡、半阴坡、阳坡、半阳坡方向种植作物时均应避免坡度大于17.5°。

• 高原高寒矿区生态地质层修复中冻土层构建与应用

  梁振新, 王佟, 王伟超, 肖龙, 杨成, 李聪聪,

  冻土层在高寒地区的生态平衡中起着重要作用，但冻土层的修复与保护在高原高寒矿区生态环境治理中经常被忽略，鲜有研究。以木里矿区聚乎更区生态环境综合整治实践为例，通过对原始冻土层的平面分布、垂向分布、地层结构、地温变化等特征的分析，针对破坏的土壤层、地表层、冻土层、煤层顶板岩层等不同研究对象的生态地质层剖面，按照模拟季节性冻土、多年冻土差异变化特征及其生态地质功能的思路，在利用构建人造冻土层和回填层二元结构冻土生态地质层剖面模型的基础上，提出了以冻土概况调查、剖面模型建立、搭接融合、确定回填时间、设计表层保水、布设截排水沟、地貌重塑为流程的人工构建冻土层的修复技术，以实现人造冻土层在物质结构、地下含隔水层结构及水力联系、水源涵养等方面的功能基本达到原始冻土层的水平，同时提供更多对冻土保存有利的条件。采用探坑、钻孔岩心取样和孔内长期地温监测等不同方法手段在以往矿区渣山区和新回填修复采坑内对比实验，证实了原渣山压覆区域多年冻土顶界在稳定抬升，采坑内新回填区已经开始形成新的冻土层；通过对比渣山区自然恢复冻土层和采坑内人工修复冻层形成的时间和厚度，表明人造冻土层构建更有助于该区冻土快速恢复。

• 宁东煤田枯竭油层回注存储高矿化度矿井水技术思路

  马莲净, 王颂, 杜松, 赵宝峰, 张阳, 卢才武,

  宁东煤田地处我国西北干旱−半干旱区，是我国批准建设的14个亿吨级大型煤炭基地之一，目前存在高矿化度矿井水量大、处理技术成熟但成本高、综合利用率低等问题。为实现宁东煤田高矿化度矿井水的低成本资源化回注存储和水文生态环境保护，结合宁东煤田13座煤矿矿井水矿化度高的典型特征，因地制宜地提出在煤油资源重叠区，利用枯竭油层回注存储高矿化度矿井水这种宝贵的非常规水资源的技术思路，即利用枯竭油层孔−裂隙双重结构中储水空间、油田关停初期地层压力亏空和废弃油井/注水井低成本处置高矿化度矿井水经资源化利用后的余量水；系统阐述枯竭油层选择、回注工艺、储水潜力、预处理水质要求和环境的可行性；凝练出基础理论、法律法规政策和实时监测监管的研究展望。结果表明，提出的枯竭油层回注存储技术具有可行性，可实现宁东煤田高矿化度矿井水的低成本资源化处置，“如何精细刻画注水渗流过程”是回注处置技术瓶颈问题，科学实质是高矿化度矿井水−砂岩耦合化学作用下孔裂隙介尺度的枯竭油层注水渗流演化机理。同时，相关法律法规政策和实时监测监管方面亟需完善，以保障枯竭油层回注存储技术的顺利实施。研究旨在为高矿化度矿井水资源化回注存储提供新思路，为煤油气资源开发中二次水资源保护提供参考。

• 生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度解析研究

  刘士亮, 张文慧, 王傲, 郑雨生, 毛德强,

  生态脆弱区生态水位变异程度对区域生态地质环境保护至关重要。煤层采动下生态水位势必发生变异，当前研究集中于采动潜水渗漏下生态水位下降，极少考虑潜水不渗漏/采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。为此，采用地下水动力学、地下水位实测、数理统计、综合分析等方法，提出以“判别煤层采动下潜水渗漏状态→实测采煤工作面生态水位变化→建立生态水位恢复程度井流解析模型→预测不同生态水位恢复时间→对比不同生态水位恢复时间解析值与实测值”为思路的解析方法，研究生态脆弱区采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度。结果表明：①基于“关键层位置+薄板理论+土拱效应+下行裂隙”建立了采动覆岩–土结构下导水裂隙发育高度计算方法，克服了现有经验公式未考虑土层效应导致的预测精度不足，结合残余隔水层厚度与潜水渗漏状态，实现了采动潜水渗漏状态判别；②采煤沉陷扰动下实测生态水位呈现“先迅速下降–缓慢回升–趋于稳定”的变化规律，但采后生态水位不能完全恢复至采前状态；③建立了采煤沉陷扰动下生态水位恢复程度井流解析模型，预计生态水位3个不同恢复程度的恢复时间解析值，对比于实测值，两者时间误差均小于10%；④从地表地形地貌、大气降雨补给、潜水含水层补径排、矿区井下疏放水等角度探讨了采后生态水位未完全恢复至采前状态原因。

• 高寒冻土区露天矿水传输涵养系统构建模式及应用

  王伟超, 王佟, 王明宏, 李永红, 梁振新, 赵欣, 孙玉琦, 李有鑫,

  水源涵养修复与保护一直是露天矿从开采到闭坑后全生命周期治理和生态环境保护中的薄弱环节，涉及高寒冻土区复杂背景下多学科、多圈层环境下更为错综复杂的水问题，其中相互联动水文过程的分析研究更是巨大挑战。在分析自然环境及高寒冻土环境下水传输涵养的影响因素和矿山开采活动对水传输涵养影响的基础上，从不同形式和环境圈层中水的相互交织传输过程，重点分析在自然环境、露天矿生产活动破坏影响和人工修复保护3种情形下的水传输涵养机理。基于全面联系分析查找问题的思路和综合系统治理的原则，提出了水传输涵养系统的概念，并从3个基本构架提出了露天矿水传输涵养系统模式构建：①从治理区到与自然水系联通的20余种组合模式及不同类型对象基本适用条件，提出了地表水系联通搭接顶层系统构建；②按照近似原位涵养、汇水传输、过水传输、输排通道等功能单元定位，从生态截排水沟、不同截排水沟空间展布样式和输排水骨干网、汇水支网、功能单元分区提出生态截排水网络构建；③从微地貌整形、地表毛细沟网络和垂向上多元生态地质层重构理念支撑原位水源涵养系统重构的底层设计。基于以上研究，以5号井为例将其规划建造成10个功能单元分区，实现分区引导下地表水补径排汇空间分布的重新调整分配，最终形成5号井新的地表水传输涵养系统。研究旨在为高寒冻土区露天矿水的修复保护工作提供新的系统思路和方法支撑。

• 鄂尔多斯典型煤矿不同功能区水化学与微生物群落特征及环境响应

  张莉, 徐智敏, 孙亚军, 朱璐璐, 陈歌, 高雅婷, 赵先鸣,

  为探究煤矿井下不同功能区的微生物群落分布及其对水文地球化学特征的响应，以鄂尔多斯某矿为研究对象，在涉及矿井水的来源、形成、汇集和排放全过程的6个功能区中采集了24份水样，进行水化学组分检测和微生物16S rRNA基因高通量测序，并采用多元统计方法进行序列数据处理。研究结果表明：矿井水的水化学类型继承了其直接充水水源，均为高矿化度的SO4Na型，而特征污染物SO4 2−在煤巷和地表水池中浓度最高。不同功能区的微生物群落组成差异明显：属水平上检出的优势菌属包括能氧化硫化物的发硫菌属和硫氧化菌属，以及可降解有机物的新鞘氨醇杆菌属和短波单胞菌属等在煤巷、采空区中分布较高；好氧的Uliginosibacterium和具有极强吸附力且能降解有机物的不动杆菌属在岩巷中丰度最高；与氮循环有关的噬氢菌属和红细菌属在水仓和地表水中分布较高。微生物群落与水化学过程响应灵敏且关系密切；井工煤矿微生物群落分布不仅与C、N、Ca、Mg等营养元素相关，还与Fe、COD和SO4 2−等氧化还原敏感物质密切相关。煤巷和采空区是地下水污染防控的关键区域；开采扰动后，煤中伴生的低价硫化物在化学氧化和硫氧化菌的催化氧化作用下生成大量SO4 2−；然而，当工作面停采半年到3年后，在物理或化学吸附、沉淀作用（前期占主导），以及硫酸盐还原菌的还原作用下（后期占主导），SO4 2−降低了15%～34%，这说明采空区具有一定的自净能力。综上所述，研究成果可为矿井水污染防控的工程应用提供以下理论支撑：一方面可通过通氮气保持工作面的厌氧条件，从源头上减少SO4 2−的生成；另一方面可以筛选、培养硫酸盐还原菌和有机物降解菌，制作成生物材料投加到井下进行原位地下水污染修复。

• 黄河中游榆神府矿区采动含水层失水模式及保护技术

  谢晓深, 侯恩科, 王双明, 赵兵朝, 龙天文, 冯栋, 侯鹏飞, 张琦,

  “煤−水”矛盾已成为制约榆神府矿区煤炭安全高效绿色开采的主要因素。为缓解区内煤炭开采与水资源保护之间矛盾，切实保护水资源和生态环境，以榆神府矿区内典型煤矿为例，研究揭示了煤水赋存特点，构建了采动含水层失水模式，初步探讨了水资源保护整体思路和技术。研究成果表明:榆神府矿区内存在地表水和地下水2大类水资源。地表水以海子、地表径流以及泉的形式赋存，地下水则有萨拉乌苏组潜水、烧变岩水和风化基岩水3种重要类型。按照含水层与导水裂隙带的位置关系，将其分为低位含水层和高位含水层2类。低位含水层失水模式为导通漏失型，高位含水层存在非导通垂向渗失和渗流溢出蒸发散失型2种失水模式，前者发生于高位承压含水层中，后者则主要是高位潜水含水层的失水模式。低位含水层可通过导水裂隙带发育高度控制技术、采后顶板注浆加固技术实现水资源保护，高位含水层可通过人工隔水层再造、离层注浆以及协调开采技术实现水资源保护。对于无法实施原位保护流入采空区的水则可通过地下水库存储、净化循环利用和深部回灌等矿井水综合利用技术处理间接实现水资源保护。

• 深部开采高盐矿井水减排治理技术体系构建与实现

  张雷, 徐智敏, 袁慧卿, 孙亚军, 郭娟, 陈天赐, 李鑫, 刘琪,

  近年来，随着我国煤矿矿井水排放标准的不断提高，针对高盐矿井水处理及资源化利用方面的技术创新需求进一步提升。减少矿井水尤其是高盐矿井水的排放、提高矿井水的可利用性是提高煤炭生产安全、加快绿色矿山建设、促进煤炭企业可持续发展的重要保障。针对张双楼煤矿深部开采过程中面临的矿井水涌水量大、矿化度高、处理利用成本高等问题，提出了该矿高盐矿井水以“减量、储存、净化”为核心的减排治理技术体系，即：通过底板涌水封堵减量技术对已有残余涌水点进行减量封堵，从源头上减少高盐矿井水的排放；通过矿井水深层回灌储存与保水修复技术将高盐矿井涌水进行深部转移储存，助力实现矿井水“零排放”与深层地下水的保水修复；通过采空区煤岩自净与调蓄技术进行高盐矿井水的煤岩自净预处理，并进一步通过地面深度脱盐处理技术，实现高盐矿井水净化处理以及资源化利用或达标排放。同时，结合该矿的水文地质背景、矿井涌水规律以及矿井水处理利用现状，对以上技术在该矿应用实现的可行性和途径进行了综合分析与评价：通过底板涌水封堵减量技术的实施，实现了188 m3/h的底板四灰涌水减量治理；通过深层回灌储存技术，西翼采区能够实现对奥灰含水层200 m3/h的回灌储存与保水修复；通过采空区煤岩自净预处理与调蓄技术，东翼采区可蓄存约165万m3矿井水并进行特征组分的井下预处理；通过地面深度脱盐处理技术，矿井水处理能力达到700 m3/h，每年可减少盐排量14 271.5 t。最后，提出并形成了张双楼煤矿高盐矿井水减排治理的综合技术思路。张双楼煤矿高盐矿井水减排治理技术体系的提出，可为该矿及其他类似深部开采煤矿高盐矿井水的减量治理以及资源化利用提供理论基础与技术借鉴依据。

• 深井巨厚覆岩邻空采动强矿震孕育发生机理

  杨耀, 曹安业, 白贤栖, 刘耀琪, 闫振乾, 王常彬, 王崧玮, 赵迎春, 顾颖诗,

  矿震是深部矿井开采必然出现的动力现象，针对鄂尔多斯矿区白垩系巨厚覆岩邻空采动强矿震频发的现状，采用地面离层探测、地表岩移监测等技术，结合Reissner厚板理论与相对矩张量反演方法，分析了工作面邻空采动下白垩系巨厚覆岩破断运移特征，研究了工作面实体煤阶段向邻空回采阶段过渡区域频发矿震震源破裂模式的演化规律，揭示了白垩系巨厚覆岩深部煤层邻空采动强矿震孕育发生机理。结果表明：综放工作面实体煤回采阶段，白垩系巨厚覆岩无明显裂隙产生，地表沉降稳定，沉降量最大为0.23 m；邻空回采阶段，裂隙发育高度最大至煤层上方444.8 m处白垩系巨厚覆岩，强矿震震源处地表总是最先达到最大沉降，强矿震发生前地表最大沉降量快速增加，较1个月前监测最大沉降量增大超60%，表明白垩系巨厚覆岩破断运动为强矿震动力源，强矿震扰动作用下，巨厚覆岩失稳引起地表再次快速沉降。白垩系巨厚覆岩初次破断步距为307.7 m，与工作面实际推进度基本吻合，佐证了强矿震由白垩系巨厚覆岩初次破断诱发；巨厚覆岩破断厚度增大，其初次破断步距增幅逐渐变缓；工作面面长增大，巨厚覆岩初次破断步距线性增长，巨厚覆岩初次破断形式由横“O-X”形转变为竖“O-X”形。邻空采动下，白垩系巨厚覆岩下岩层逐级向上破断，岩层自下而上破断诱发矿震震源主导破裂模式由压缩、剪切破裂向压缩、张拉破裂转变；随着邻空工作面采空范围进一步增大，裂隙扩展至白垩系巨厚覆岩后，不稳定巨厚覆岩张拉破断是诱发“8•20”强矿震的根本原因。研究结论可为深部矿井巨厚覆岩邻空采动强矿震的防控提供参考。

• 特厚煤层残留煤柱应力分布与巷道跨煤柱布控技术

  王鹏, 王志强, 洛锋, 苏越, 李敬凯, 武超, 张智尧,

  为确定老公营子煤矿特厚煤层分层开采残留煤柱影响下回采巷道的合理布置位置及稳定控制方案，采用现场监测、理论分析与数值模拟结合的方法，研究了残留煤柱与下分层煤体应力分布特征，对比分析了不同巷道布置位置的围岩应力状态，提出了跨残留煤柱巷道布置方式，建立了以应力增高区宽度作为条形基础宽度的底板滑移线场力学模型，确定了距残留煤柱水平距离4 m的巷道布置方案，结合巷道布置特点，提出了“工字钢棚+锚索+喷浆+浅孔低压注浆”的主被动联合支护方案。研究结果表明，上分层两侧工作面采空后，主应力偏转导致残留煤柱与下分层煤体间均存在双峰值的应力集中现象，煤柱内部为垂直应力集中区，煤柱边缘为剪应力集中区；外错式布置巷道受垂直应力与剪应力双重影响，应力集中程度最高且随外错距离增大而增大，垂直式布置巷道应力集中程度次之，受剪应力影响更为明显，而跨残留煤柱布置巷道受垂直应力与剪应力影响明显降低，垂直应力峰值稳定为34.1 MPa，剪应力峰值稳定为6.7 MPa，应力集中程度最低且随跨距增大而减小。现场应用效果显示，跨残留煤柱巷道围岩变形量小，无强烈的矿压显现特征，能够满足安全生产的要求。

• 密集钻孔切顶卸压关键参数影响因素研究及应用

  李小鹏, 刘少伟, 付孟雄, 彭博, 何亚飞,

  密集钻孔切顶技术主要通过对采场侧向顶板围岩结构进行改造，利用覆岩载荷和顶板自重切落基本顶，能够有效降低巷道顶板压力。通过统计国内部分矿井密集钻孔切顶卸压沿空留巷技术的应用案例，对钻孔关键参数及留巷效果进行了分析，并对密集钻孔切顶关键参数主要影响因素进行研究。研究结果表明：密集钻孔切顶适用于不同厚度的煤层，切顶效果取决于切顶高度、切顶角度、钻孔直径与间距是否合理。由于密集钻孔切顶时顶板在回采前未完全破断，在回采后，煤层厚度越大，顶板下沉回转在钻孔周围产生的拉伸应力就越大，密集钻孔顶板就越容易发生破断，煤厚的增加有利于顶板的自主破断。密集钻孔切顶高度随煤厚及基本顶厚度增加而增加；随煤厚增加切顶钻孔角度对切顶的影响逐渐减小，切顶角度呈现降低的趋势；密集钻孔孔径与孔间距二者共同作用影响密集钻孔顶板破断效果，D/B值(孔间距与孔径之比)在一定范围内随煤厚而增加，随基本顶强度增加而减小。根据统计结果采用工程类比法，并结合切顶钻孔主要影响因素研究结果，提出了密集钻孔切顶关键参数确定方法，并在赵家寨矿11210工作面回风巷进行了密集钻孔切顶留巷试验，现场留巷效果较好，证明该方法实用有效，具有一定的工程参考价值。

• 基于安全高效支护结构体的堆喷技术研究与应用

  任兴云, 郝兵元, 李宪军, 王宏伟, 冯旭超, 张霁,

  针对煤矿井下作业环境的特殊性和现有支护技术的不足，提出了堆喷技术，确定了工艺参数，研发了堆喷外加剂（S2），揭示了S2强化堆喷料性能的作用机理，形成了一套完整的堆喷构筑矿用支护结构体的工艺方法，并应用于沿空留巷等工程实践。结果表明：①堆喷技术可以根据需要构筑支护结构体，不受空间断面限制，操作工远离危险区，安全高效控制围岩；②堆喷料潮拌及输料管路分段加水工艺，提前湿润物料，可以促进堆喷料水化作用、增强粘附性及和易性、降低粉尘和回弹率；③S2的促凝组分包括NaAlO2、Al2(SO4)3、NaF、Al(OH)3和快硬硫铝酸盐水泥（SAC-42.5），增粘抗裂组分为硅灰（GS）、聚丙烯纤维（JB），提高了支护结构材料的凝结速度和抗压强度，且具有微膨胀特性；④现场堆喷标准试件的单轴抗压强度测试结果为1天12.0 MPa，3天18.1 MPa，7天27.5 MPa，28天42.1 MPa，90天42.3 MPa，具有高强承载能力，且后期强度不倒缩，强度增长过程分为三个阶段：初期快速增长阶段（龄期0～14 d）、中期持续增长阶段（龄期14～28 d）、后期稳定阶段（龄期＞28 d）；⑤堆喷技术构筑巷旁隔离墙实现沿空留巷，拓展了矿用支护结构体的高效施工方法。

• 强突出煤层“内保护层”构建理论及工程实践

  辛新平, 杨程涛, 魏建平, 刘勇, 王一彤, 徐向宇,

  保护层开采是煤矿瓦斯灾害防治最有效的技术手段，适用于有保护层可采的多煤层（群）等。对于无保护层可采的强突出单一煤层，随着采深加大、开采强度增加、构造更加复杂等多重因素叠加影响，应力与瓦斯耦合型灾害成为主导。为消除煤与瓦斯突出危险，目前采取的诸如机械扩孔、水力冲孔、水射流割缝和水力压裂等措施均能较好地提高抽采效果，但未能实现均匀卸压、均匀增透和消除应力异常，存在一定的消突局限性。如何实现瓦斯高效抽采和高效消突是长期遏制该类煤层安全高效开采的主要技术瓶颈。研究结合河南能源集团所属突出矿井“零距离保护层”分层开采、穿层钻孔卸压增透强化抽采消突的工程实践，通过优化穿层钻孔设计、合理选择卸压措施和精准计量掏出煤量，强化卸压消突效果考察，实现大区域连片均匀卸压，形成了在煤层内构建类似保护层的消突途径，提出了“构建内保护层技术”，实现了强力均匀卸压、高效抽采，实现煤层快速消突。总结以河南能源焦煤公司为代表的突出矿井瓦斯治理技术发展历史及经验，开展单一厚煤层“构建内保护层技术”研究，阐释了“构建内保护层”消突的科学内涵、消突机理构建方法，开发了内保护层消突效果评价技术，构建了强突出单一煤层内保护层消突技术体系并制定了相关企业标准。提出强突出单一煤层主动构建内保护层的消突理念，创新了保护层开采的内涵和外延，为强突出单一煤层高效消突提供了较完善的技术体系和较为坚实的理论基础及技术手段。

• 瓦斯缓释剂作用下多因素对解吸瓦斯峰值浓度分布影响研究

  严敏, 霍世豪, 林海飞, 李泳, 杨婷, 魏嘉宁, 张坤尹,

  为防范煤矿瓦斯事故，实现瓦斯高效精准抽采，在井下局部高浓度瓦斯区域喷淋瓦斯缓释剂成为防控瓦斯超限的重要手段之一。依据煤矿掘进工作面搭建相似比模型，利用自主研制的多因素影响煤体瓦斯解吸喷淋试验台，研究了喷淋瓦斯缓释剂下不同因素影响解吸瓦斯峰值浓度分布的规律，分析了APG溶液质量分数、雾化压力、煤样粒径、平衡压力、环境温度、空气流量等因素对解吸瓦斯峰值浓度分布的影响，利用Pearson相关系数法得到了喷淋瓦斯缓释剂后各因素与不同区域瓦斯峰值浓度的相关性。结果表明：APG溶液质量分数小于0.10%时，瓦斯峰值浓度随APG质量分数增加迅速下降，超过0.10%时下降率减小。缓释剂作用下，瓦斯峰值浓度与雾化压力、煤样粒径分别呈负线性和负指数关系，瓦斯峰值浓度随雾化压力与煤样粒径的增大而降低，煤样粒径为5～10 mm时瓦斯下降率最大；瓦斯峰值浓度与平衡压力、环境温度分别呈线性和指数函数关系，瓦斯峰值浓度随平衡压力与环境温度的升高而增加，环境温度为35 ℃时瓦斯峰值浓度增长率最高。在工作面模型中心，瓦斯峰值浓度随空气流量升高而迅速降低，工作面拐角处瓦斯峰值浓度也随空气流量增大而降低，并在超过12.7×10−3 m3/s时瓦斯峰值浓度降低速率减小。在多因素共同作用下，瓦斯峰值浓度相较于单一因素降低了4.3%～8.0%。利用相关系数法计算得到影响进风口上下拐角、出风口上下拐角和模型中心的瓦斯峰值浓度最大因素分别为雾化压力、雾化压力、平衡压力、环境温度、平衡压力。

• 下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣解堵技术

  潘竞涛, 刘长宇, 赵丹, 贾男, 刘海金, 任志保,

  为了解决下行定向钻孔煤屑堵塞、瓦斯抽采有浓度无流量技术瓶颈难题，提出下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣、解堵技术，采用理论分析、数值模拟、现场工业试验等方法，对煤矿井下下行定向钻孔瓦斯抽采引起煤屑堵塞的原因、下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣理论及实践应用进行了研究。通过含壁函数的湍流模型数值模拟耦合瓦斯流动和煤体变形，钻孔抽采后流体压力变化引起的孔壁弹性位移。通过三维库仑失效准则模型数值模拟求解抽采引起的压力变化以及压力变化引发的应力、应变、位移变化及下行定向钻孔塌孔风险。通过幂律多相流理论分析氮气泡沫的稳定性、泡沫在钻杆内、钻头处、环空间隙的流动性、泡沫中煤粉悬浮性能、环空间隙泡沫排渣的压力损失、泡沫向上排渣受力情况。在下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣理论分析的基础上，设计了稳定氮气泡沫发生器、泡沫发生灌注系统、下行定向钻孔氮气泡沫钻进工艺、瓦斯抽采钻孔氮气泡沫二次解堵工艺，并进行下行定向钻孔氮气泡沫排渣现场工业试验。研究结果表明：钻孔壁摩擦曳力和弯曲处的离心力会造成煤屑颗粒聚集及孔壁坍塌风险增大，瓦斯携带的煤粉颗粒会撞击孔壁使孔壁变形或剥离，进而导致抽采钻孔塌孔堵塞；建立的涵括氮气泡沫稳定性、流动性、煤粉悬浮性能、环空间隙泡沫压力损失、排渣受力分析的下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣、解堵技术理论体系能很好的为下行定向钻孔氮气泡沫排渣提供理论支撑；现场工业试验中氮气泡沫排渣钻孔相比水排钻孔，初始混合量和纯量分别提高了6.5倍和6.4倍，40 d混合量和纯量分别提高了10倍左右，说明氮气泡沫携渣、解赌技术可显著提高下行定向钻孔的瓦斯抽采效率。