煤田地质与勘探

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2020, 48(3): .

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摘要:

裴文明, 张慧, 鞠昌华, 姚素平, 任永乐, 马孟枭, 仇宽彪

2020, 48(3): 1-7. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.001

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摘要:
在我国东部高潜水位地区，长期的地下煤炭开采造成地表形成大面积的沉陷水域，受周围人类活动的影响，沉陷水域水环境污染风险逐渐增大。以淮南潘集采煤沉陷水域为研究对象，根据韦伯-费希纳定律，选取与沉陷水域水环境关系密切的水质评价指标，分析不同时间段沉陷水域的水环境状况，通过图层叠加融合定量反映沉陷水域水环境质量时空变化及潜在水环境风险的发生时间和区域。研究结果显示，沉陷水域水质不容乐观，存在水质恶化的风险。从5月到11月，随着时间的变化，沉陷水域都呈现出中警以上的警情，在不同月份沉陷水域出现的警情区域也有所不同，其中沉陷水域的西部和中部警情出现的概率较大。在今后的水环境管理中需针对不同时间不同区域采取针对性的治理措施，避免水环境污染风险的发生。

陕北采煤沉陷区黄土基注浆材料性能试验及配比优选

曹晓毅, 王玉涛, 刘小平, 曹祖宝, 武博强

2020, 48(3): 8-16. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.002

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摘要:
注浆法是采煤沉陷区的主要治理方法，浆材对注浆效果和成本影响很大。以陕北地区黄土-水泥-添加剂混合浆液为研究对象，采用单因素及正交试验对黄土浆液的黏度、凝胶时间、结石率及28 d单轴无侧限抗压强度进行试验研究，对各指标的影响因素及变化规律进行分析，同时，建立黄土基浆液的GA-BPNN预测模型，通过GA多目标全局寻优，优选出一定强度下成本最低的浆液配比。试验结果表明：黄土水泥浆液与陕北地区普遍采用的水泥粉煤灰浆液性能相近，成本大幅降低，黄土基注浆材料密度及结石率受水固比影响最为明显，黏度主要受水固比及黄土（水泥）掺量影响，28 d强度主要受黄土（水泥）掺量影响；采用GA-BPNN构建模型预测的黄土基注浆材料性能预测值与期望值相对误差为0.74%~1.83%，预测结果精度高，可满足实际应用需求。移动阅读

深部条带开采覆岩“三带”探测及量化评判

刘震, 王玉涛, 刘小平, 王晓东

2020, 48(3): 17-23. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.003

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为研究深部条带开采覆岩裂隙发育高度这一采空塌陷区治理中的关键技术问题，综合运用工程地质钻探、钻孔电视与煤田测井3种方法对济宁煤田某煤矿覆岩采动裂隙进行探测与分析。结果表明：缓倾斜（煤层平均倾角6°）、深埋（平均埋深538 m）、采留比1：2（采50 m留100 m）的条带式采动下，覆岩“三带”特征显著，空间整体呈“波浪式”破坏形态，地下采空区无明显空洞；垮落带发育高度为8.45 m，为采高的3.0倍，断裂带发育高度为57.55 m，为采高的20.6倍；覆岩“三带”发育高度判别的8个量化指标中，钻孔电视法比工程地质钻探法、煤田测井法精确度高。探测结果较为准确可靠，为深部条带采空塌陷区治理方案的选择提供依据。

浆液-风积沙双相介质充填材料堆积角度实验研究

白仲荣

2020, 48(3): 24-28,34. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.004

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摘要:
堆积角度是描述充填材料采空区内空间堆积形态的一个重要参数，对确定钻孔间距、优化浆液配置、调整注浆工艺参数具有重要的指导意义。为掌握浆液-风积沙双相介质充填材料堆积角度变化规律，采用尾矿自流堆积模型实验和流变特性实验，以风积沙的质量掺入比为变量，分别测定不同含砂率条件下浆料堆积参数和流变参数，并以此为基础对Sofra&Boger公式进行了回归修正，建立适合于浆液-风积沙双相介质充填材料的堆积角度计算式，为充填材料堆积角度定量评价提供了一条新途径。

织纳煤田晚二叠世构造煤区域分布及构造控制

周培明, 高为, 邓兰, 付炜

2020, 48(3): 29-34. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.005

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为查明织纳煤田构造煤分布规律，通过整理分析贵州织纳煤田比德向斜、三塘向斜、珠藏向斜、阿弓向斜和关寨向斜等14个含煤构造单元共200余个煤田钻孔取心资料，并辅以测井曲线分析，综合分析6、16和27号等主采煤层的煤体结构区域分布特征及构造控制因素。研究表明：自西向东，织纳煤田内构造煤比例逐渐增大，西部主要为原生结构煤和碎裂煤，东部以碎粒煤和碎粉煤为主；构造煤的分布主要受构造演化和4条深大断裂影响，多期性构造运动造成煤体多期次变形，其中，燕山期是煤层发生构造变形的主要阶段，喜马拉雅期对早期构造变形进行了叠加改造；深大断裂影响了区域应力场分布，遵义-惠水断裂对构造煤的形成和分布影响最大，主燕山早期自东向西的区域性应力场受到遵义-惠水断裂阻挡，在煤田东部褶皱、断裂作用剧烈，发育逆冲、逆掩断层等构造，对煤体结构破坏严重，碎粒煤和碎粉煤发育。研究取得的认识对织纳煤田瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发具有指导意义。移动阅读

准格尔煤田不连沟矿井构造特征及其对煤矿生产的影响

马良, 郭瑞

2020, 48(3): 35-44,50. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.006

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准格尔煤田位于鄂尔多斯盆地伊盟隆起和晋西褶曲带的转折部位，煤田内的矿井构造样式多样，而且矿井生产揭露前后构造复杂程度发生了重大变化。以不连沟矿井地质勘查和矿井揭露的褶皱、断层、岩溶陷落柱、火成岩侵入体等地质构造为主要研究对象，通过数理统计方法对矿井内的构造发育特征进行了定量或半定量评价，分析不同地质构造的形成机制、演化背景及矿井构造复杂程度变化的主要原因，统计分析不同类型地质构造对矿井采掘生产的影响，总结矿井地质构造探查经验，提出适应于该区的构造探查思路。结果表明：不连沟煤矿构造样式多样，构造发育的分区特征明显，构造组合具有耦合性；矿井中部的弧形坡折带及波状褶皱形成开始于加里东构造运动，属于黄河断裂和呼-清断裂的伴生构造；区内走向EW （或近EW向）和NW断层组合是鄂尔多斯盆地印支期S—N向挤压应力和燕山期NW—SE向挤压应力共同作用的结果。各类地质构造制约着矿井采区部署、巷道掘进、工作面回采速度，造成大量资源损失，给矿井防治水带来巨大挑战。针对类似研究区的复杂矿区，建议采用三维地震勘探扫面，井下槽波、电法勘探靶区圈定，定向钻验证的“物探、钻探，地面、井下”相结合的综合探查方案。

大倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验

姜伟, 张军, 仲劼, 赵琛, 唐助云, 卢海兵, 易新斌, 王海

2020, 48(3): 45-50. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.007

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摘要:
为研究大倾角煤层水力压裂裂缝扩展形态，采用大尺寸真三轴压裂模拟系统，分别开展最大水平主应力沿地层走向和沿地层倾向的60°倾角煤层水力裂缝扩展物理模拟实验。结果表明：最大主应力方向沿地层走向时，裂缝起裂容易，缝高受限，裂缝连通性好，裂缝的开启主要沿层理和天然裂缝，形成垂直缝形态，地层倾角对压裂施工影响相对较小，建议进行大规模压裂以充分改造煤储层；最大主应力方向沿地层倾向时，裂缝起裂困难，前期缝高受限，后期缝高失控，裂缝连通性差，受节理影响，不易形成主缝，所以裂缝扩展困难，转向及多级破裂较多，此类煤层建议进行多级小规模压裂改造。实验结果对新疆等地区大倾角煤层的改造模式和改造规模具有指导作用。

鄂尔多斯盆地南部延安组巨厚煤层内古气候旋回分析

董国旗, 王东东, 刘海燕, 毛强, 尹露生

2020, 48(3): 51-58. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.008

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煤是一种气候敏感型沉积物，为了查明煤层中蕴含的古气候信息及其演化控制因素，选取鄂尔多斯盆地南部延安组一段4号巨厚煤层为研究对象，通过系统密集采样，并测试煤的有机显微组分含量、主量和微量元素及有机质稳定碳同位素含量。利用煤岩显微组分、特征元素和碳同位素等方法，分别在该巨厚煤层内部识别出4个温湿-干热交替的古气候旋回，且识别结果非常一致；该结果与前人在邻区4号煤层中使用古植物含量系数法的识别结果也非常吻合。在此基础上，与前人在该巨厚煤层中识别出的米兰科维奇旋回信息进行比较，综合分析认为该巨厚煤层中古气候旋回的发育与演化主要受到天体轨道参数中偏心率长周期的控制。研究成果证实了方法的可靠性，阐明了古气候旋回的成因机制。

高阶煤煤层气井产量递减规律及影响因素

贾慧敏, 胡秋嘉, 毛建伟, 毛崇昊, 刘春春, 张庆, 刘昌平

2020, 48(3): 59-64,74. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.009

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摘要:
为揭示高阶煤煤层气井产量递减规律，基于沁水盆地南部樊庄区块10余年的开发数据，通过数值模拟、统计分析等方法，对现有开发技术条件下高阶煤煤层气井产量递减点（即煤层气井产量开始递减时的煤层气采出程度）、递减类型及影响因素进行分析。结果表明：樊庄区块煤层气井产量递减点平均为25%，单井平均递减点为21%，大部分井在排采4 a后开始递减；煤层气井递减点由基质渗透率和裂缝半长决定，基质渗透率和裂缝半长越大，单井有效控制半径越大、有效控制储量越多，递减点越大；基质渗透率越高，裂缝半长增加引起的递减点增幅越大。由此可知，渗透率是煤层气井递减类型的主控因素，渗透率越高，递减指数越小，递减速度越慢。随着渗透率增加，递减类型依次为线性递减、指数递减和双曲递减。综合分析认为，储层平均孔隙半径越大，煤的应力敏感性越弱，煤基质收缩对渗透率的改善程度越大，导致储层动态渗透率越高，递减速度越慢。该研究为合理控制高阶煤煤层气井产量递减具有指导意义。移动阅读

煤层气直井氮气泡沫压裂参数分析及产能评价

李恒乐, 曹运兴, 周丹, 柴学周, 刘同吉, 冯培文, 石玢, 田林

2020, 48(3): 65-74. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.010

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压裂参数是决定压裂效果、影响裂缝特征与煤层气产能的重要参数，深入认识压裂参数对产能的影响规律，对于优化压裂工艺和提高煤层气井产能至关重要。以潞安矿区45口氮气泡沫压裂井为对象，分析压裂施工曲线的类型及其对产能的影响，探讨各阶段压裂液用量与产能之间的关系，并对比评价氮气泡沫与水力压裂井产能的差异性。结果表明：氮气泡沫压裂施工曲线可分为稳定型、波动型、上升型和下降型4类9型，下降型和稳定型压裂曲线对应的产能要高于波动型，上升型曲线对应的产能最差；总压裂液用量以800 m³为宜，前置液和顶替液用量分别为450 m³和8 m³，氮气注入量在5万m³左右最佳，而携砂液用量越大产能越高，氮气泡沫压裂液良好的携砂、造缝、沉降支撑性能是有助于提高产能的优势所在；整体上，就潞安矿区而言，氮气泡沫压裂井的产能明显高于水力压裂井，主要体现在高产井、中高产井的比例远大于水力压裂井，约61%的氮气泡沫压裂井具有较高产能，而水力压裂井为23%。氮气泡沫压裂技术在潞安矿区展示出的可观潜力，可为国内其他具有类似储层特征矿区的煤层气开发提供技术借鉴。

沁水盆地南部15号煤层和顶板K₂灰岩水文地球化学演化特征

李忠城, 吴建光, 王建中, 吴翔, 卢国军

2020, 48(3): 75-80. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.011

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摘要:
针对煤层气井产水量大、降压困难、产气效果不佳等问题，基于沁水盆地南部煤矿15号煤层顶板K₂灰岩水以及15号煤层气井水矿化度和离子数据，利用统计、对比方法，系统研究两者的水化学成分特征、类型、成因机理，建立了地层水演化模型，系统阐述灰岩和煤层水在补给区、径流区、滞流区发生的各种反应和作用。研究结果表明：K₂灰岩水和15号煤层水会发生离子交换、混合作用及CO₂作用，在补给区和强径流区，K₂灰岩水水型以Ca-Mg-HCO₃-SO₄型为主，煤层水水型以Na-HCO₃-SO₄型为主；缓径流区K₂灰岩水一般为Na-Ca-Cl-HCO₃型，而煤层水以Na-Cl-HCO₃或Na-HCO₃型为主；滞流区K₂灰岩水和煤层水水型相同，为Na-HCO₃或Na-Cl-HCO₃水型。研究结果为15号煤的煤层气开发提供可靠的水文地质依据。

基于工作面全覆盖的地面瓦斯高效抽采模式研究

方佳伟, 韩保山, 周加佳, 王正喜, 张丁亮, 刘嘉, 徐建军

2020, 48(3): 81-85. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.012

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摘要:
针对煤层碎软、渗透性低、工作面瓦斯抽采难度大且效率低的问题，提出两端对接分段压裂顶板水平井组的工作面瓦斯抽采全覆盖模式。选取淮北煤田宿县矿区某矿井为例，依据研究区地应力与工作面展布特征，结合研究区内瓦斯地质条件及煤层力学性质分析，利用交叉偶极子声波测井方法优选水平井水平段布置方位，采用Fracpro PT的压裂模拟技术确定水平井水平段距离7₁煤层的范围，即布置在煤层顶板2 m以内；采用抽采模拟技术对研究区试验工程进行预测，结果显示，抽采3 a后工作面的瓦斯含量和压力都大幅度降低，达到了工作面瓦斯抽采全覆盖的要求。提出的抽采模式为国内类似地质条件煤矿地面瓦斯高效抽采提供一种手段。

远红外作用下不同含水率煤体吸附/解吸能量变化规律

马凯, 马钱钱, 史永涛

2020, 48(3): 86-92. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.013

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摘要:
煤体对气体进行吸附/解吸过程的本质是气体分子和煤基质表面分子或原子相互作用的过程，而发生相互作用的本质是能量变化，为了深入研究远红外作用下煤层气吸附/解吸过程及能量变化规律，利用自主研制装置进行远红外作用下不同含水率煤样对CO₂的吸附/解吸实验，然后利用远红外热辐射原理所得的吸附/解吸能量公式对实验结果进行计算，得到不同含水率煤体吸附/解吸过程能量变化规律。结果表明：在远红外作用下，解吸率虽然随含水率增大呈下降趋势，但是下降幅度明显减小，远红外作用可以降低水分对煤层气吸附/解吸能力的影响；远红外作用下不同含水率煤体对气体吸附/解吸过程是一个物理变化，从能量角度可以解释该过程，其变化规律与等温吸附/解吸过程相吻合。研究结果丰富了煤层气增产技术理论。

六盘水地区煤层气井合层排采实践与认识

刘江, 桑树勋, 周效志, 毕彩琴, 金军, 单衍胜

2020, 48(3): 93-99. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.014

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摘要:
为了提高煤层气井合层排采效果，需要合理划分排采阶段并制定与之对应的管控措施。基于贵州六盘水地区以往煤层气勘查与试采工作，分析该区二叠系龙潭组煤层气地质条件和煤储层特征，对比分析两口煤层气井合层排采管控制度及其效果。结果表明：研究区具有煤层层数多、单层厚度薄、含气量高、储层压力大、煤层渗透率低、局部构造煤发育等煤层气地质特点，使煤层气井排采过程中压敏效应和贾敏效应较明显，储层伤害较严重，煤层气井高产时间较短，产气量较低。应该优选厚度较大、含气性好的原生结构煤层或煤组进行射孔压裂。在合层排采过程中，对排采阶段进行合理划分，并根据排采阶段控制流压、套压、流压降幅、套压降幅和液面高度等参数，可有效减小压敏效应、贾敏效应、速敏效应等储层伤害。合理的合层排采管控有助于实现控制产气量稳定平稳上升、煤层气井长期稳产与高产的目标。

酸化作用对页岩微观结构及其物性的影响

陈刘瑜, 李希建, 沈仲辉, 许石青, 马晟翔, 尹鑫

2020, 48(3): 100-107. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.015

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摘要:
龙马溪组页岩作为贵州页岩气的主要储气层位，勘探及钻井均证实其具有良好的页岩气成藏条件和资源开发潜力。为揭示贵州龙马溪组页岩微观孔隙结构及其物性对酸化作用的响应规律，基于X射线衍射分析（XRD）、压汞、低温氮吸附及核磁共振（NMR）等实验手段，定量表征页岩酸化作用前后的孔隙体积、孔隙率、比表面积、孔径分布等页岩微观结构物性参数的差异性，分析酸化作用前后页岩孔裂隙的结构特征。研究表明：酸化作用增大了页岩的孔隙体积、孔隙率、比表面积和孔径，酸化作用后页岩进-退汞曲线及低温氮吸/脱附曲线的滞后环明显增大，酸化作用增大了墨水瓶孔的孔隙体积；受到酸化作用影响，页岩优势孔隙由介孔和110 nm左右大中孔向介孔与2 800 nm左右宏孔发展，介孔数量减少，宏孔数量增加，页岩孔隙的连通性明显变好；酸化对页岩孔裂隙中矿物质及黏土成分具有明显的化学溶解和刻蚀作用，对页岩孔裂隙体积的改造效果显著，增加了页岩储层的渗透性，进而提高了页岩气的运移与渗流能力；酸化作用下伴随的水化作用对页岩孔裂隙沿层理面起裂、扩展延伸起促进作用，但是页岩酸化作用下的水化作用机制尚需进一步研究。

时间序列模型在工作面涌水量预测中的应用

施龙青, 王雅茹, 邱梅, 高卫富

2020, 48(3): 108-115,121. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.016

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摘要:
在矿山实际生产过程中，涌水量预测对于矿山防治水具有重要意义。以山东郓城煤矿1301工作面为研究对象，先不考虑季节性因素影响的条件下，采用时间序列分析模型ARIMA建立涌水量与时间的函数关系，迭代拟合结果精度低，表明郓城煤矿1301工作面涌水量时间序列受季节性因素影响；在此基础上，基于时间序列加法分解原理，分离提取涌水量时间序列中的长期趋势、季节指数、循环因子和随机变动参数，并应用熵权法确定各参数权重，建立工作面涌水量预测的非线性回归修正模型，并将模拟预测结果与忽略季节效应的ARIMA模型预测的涌水量进行对比，结果表明，建立的非线性时间序列模型计算的涌水量更为接近实测涌水量，验证了方法的准确性。研究成果将为矿井涌水量预测提供新思路。

西部弱胶结软岩细观结构及水理特性试验

张嘉凡, 程树范, 王焕, 高壮, 周飞文, 周洪文

2020, 48(3): 116-121. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.017

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摘要:
为准确掌握西部弱胶结软岩的水理特性，对采自陕北矿区的红砂岩进行水理及力学特性试验，并基于电镜（SEM）扫描图像分析细观结构特性，建立岩石细观结构与其宏观水理特性间的联系。试验表明：红砂岩具有明显的饱水软化和吸水膨胀特性，其软化系数为0.64；无压力水侵蚀和干湿循环作用下饱水红砂岩性能将进一步劣化，宏观上表现为强度和弹性模量的减小和质量损失率的增大；细观上，红砂岩颗粒间的联系比较松散，具有明显的弱胶结结构特征。总体来说，亲水矿物溶解与弱胶结结构破坏的耦合作用，导致红砂岩特殊的宏观水理特性。研究结果可为类似地区软岩夹层工程治理提供借鉴。

基于分形理论的赫巴流体在多孔介质中的渗流模型

杨仙, 卢伟, 金新, 陈娟, 冯兴法

2020, 48(3): 122-127. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.018

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摘要:
泥浆是一种用途广泛的工程浆液，在工程施工过程中会渗流进入地层，给工程带来一定的影响。为深入研究泥浆的渗流机理，把地层模拟为多孔介质，泥浆模拟为能更全面地反映其流变性能的赫巴流体，基于分形理论，建立赫巴流体在多孔介质中的渗流模型。基于渗流模型计算结果，详细分析压力梯度、流性指数、稠度系数及孔隙率等参数对多孔介质中赫巴流体瞬时平均流速的影响，指出流速变化与压力梯度、流性指数及稠度系数的变化均呈幂指数关系，与孔隙率变化呈二项式关系，且流性指数是一个影响赫巴流体渗流速度的极敏感因素。渗流模型计算结果为相关工程中泥浆方案的设计与施工奠定了一定的理论基础。

不同围压下煤岩声发射基本特性及损伤演化

余洁, 刘晓辉, 郝齐钧

2020, 48(3): 128-136. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.019

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摘要:
利用PCI-2声发射系统对四川芙蓉白皎煤矿煤岩展开不同围压（0、8、16、25 MPa）的声发射试验研究，旨在揭示不同围压下煤岩破坏过程的振铃计数率、声发射时空分布、声发射b值及破坏煤岩的损伤特性变化规律，为有效预测煤岩破坏提供有利的理论依据。研究表明：声发射现象能够较好地反映煤岩内部裂纹的扩展情况，围压对煤岩破坏具有一定的抑制作用。随围压增大，振铃计数率平静期越长；单轴、三轴状态下振铃计数率高频段发生时段不同。单轴状态下声发射定位点均匀分布于煤岩内部，三轴状态下则集中分布于破坏截面。随围压增大，峰前声发射b值波动现象增强，可利用b值变化预测煤岩破坏。基于累计振铃计数、结合煤岩破坏应力建立煤岩损伤破坏模型，结合声发射振铃计数率、时空分布、b值及损伤变量可对煤岩有效破坏的前兆应力点进行预测。研究成果将为煤岩破坏的微震监测分析奠定基础。移动阅读

水压-应力耦合作用下灰岩力学特性试验

田树坤

2020, 48(3): 137-144. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.020

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摘要:
为探究富水饱和灰岩体在水压-应力耦合作用下的力学特性，利用自主研发的可实现单轴压缩的渗透试验装置对不同水压强度下的灰岩试样进行压缩破坏试验，测试灰岩应力-应变特性，分析水压对单轴抗压强度、弹性模量、变形模量的影响，灰岩破碎特性与水压强度相关性以及孔隙变化规律。研究表明：增加的水压强度对灰岩应力-应变和强度特性有显著的影响。随着水压强度增大，应力-应变曲线的压密阶段相对延长而弹性相对缩短，峰值强度呈指数减小而弹性模量和变形模量均呈线性下降，表明水压作用显著降低了灰岩脆性。另外，灰岩弹性模量、变形模量均与峰值强度呈线性关系。增大的水压强度对灰岩宏观断裂具有显著影响而未对其破坏类型造成影响，随水压强度增加，碎块均一系数和单位质量孔隙体积均呈指数函数增加。研究成果为隧道建设中富水岩体的开挖稳定性分析提供参考。

基于覆岩结构效应的导水裂隙带发育特征

曹祖宝, 王庆涛

2020, 48(3): 145-151. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.021

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摘要:
为探讨黄陇煤田煤层采动引起的顶板水害问题，以煤层顶板不同覆岩结构采动导水裂隙为研究对象，概化了煤-软-硬-软-硬（组合一）、煤-软-软-硬-硬（组合二）、煤-硬-软-硬-软（组合三）及煤-硬-硬-软-软（组合四）4种典型的岩性组合结构，运用数值模拟和理论计算等方法，分析了不同覆岩组合采动破坏特征和覆岩导水裂隙与覆岩结构之间的相关关系，研究了覆岩结构对导水裂隙发育高度（简称“导高”）的影响规律。研究结果显示：在相同的采高条件下，煤-软-硬-软-硬型覆岩结构导高最小，煤-硬-硬-软-软型覆岩结构导高最大；工程实例表明，黄陇煤田煤层开采导高与采高之间并非简单线性关系，利用覆岩结构效应预测的导高更接近实测值。

典型黄土-古土壤系列浸水渗透及湿陷变形规律

赵金刚, 吕远强, 晁军, 杨喆, 夏蒙

2020, 48(3): 152-159,168. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.022

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摘要:
为查明典型黄土-古土壤系列地层结构的水分运移及湿陷变形规律，依托西安北至机场城际轨道项目于渭北黄土塬区所进行的大型试坑浸水试验，采用现场实时观测的方法，跟踪测试了无渗水孔条件下的湿陷性土层浸水渗透及湿陷变形。结果表明：在浸水前期，渗透水流以垂直运动为主，整体形态似一不断加大的“秤砣”形，随着水分运移至埋深较大土层时（约15.0 m），水平运动开始加大，直至达到水分入渗扩散角界限，最终，浸润区及饱和区均呈现形似倒置“漏斗”的形态；受水分扩散的影响，沉降过程可划分为：初始浸水段-剧烈湿陷段-湿陷稳定段-停水孔压消散段-固结沉降段-沉降稳定段；古土壤层阻碍了水分的垂直渗透速度，并对其上土层的侧向扩散起到一定促进作用，停水后，则起到隔绝水分向下快速扩散的作用。研究结果为认识典型黄土-古土壤系列场地水分运移及湿陷变形规律提供了参考，也可为该地区未来工程建设提供指导及借鉴。

拱北隧道管幕冻结法温度场数值计算

龙伟, 荣传新, 段寅, 郭轲

2020, 48(3): 160-168. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.023

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摘要:
以港珠澳大桥珠海连接段拱北隧道为工程实例，研究管幕冻结法的温度场发展规律，基于二维多孔介质传热理论，采用有限元软件COMSOL对积极冻结期的实际工况进行数值计算，模拟结果通过现场实测验证，研究了温度场在异形冻结管开启前后的发展与分布规律。结果表明：冻结30 d时，实顶管完全被冻土包裹，并且顶管之间开始形成连续的冻土帷幕；冻结50 d时，空顶管被冻土完全包裹；冻结90 d时，实顶管和空顶管处冻土帷幕厚度达到2.0 m，满足设计要求。在异形冻结管开启前、开启后10 d内和开启后10~20 d内，两顶管间中点处温度测点的平均温度变化速率分别为-0.86℃/d，-0.88℃/d和-0.25℃/d，之后各测点温度趋于稳定，进而形成温度较为均匀的冻土帷幕。研究成果可为类似冻结工程提供技术参考。

双圈管冻结壁温度场形成特性及影响因素

李怀鑫, 林斌, 王鹏

2020, 48(3): 169-175. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.024

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摘要:
为研究双圈管冻结壁温度场变化规律，以淮南某矿副井为研究对象，根据其相关地质参数，利用FLAC^3D软件数值模拟双圈管冻结壁温度场形成过程以及不同因素对冻结壁平均温度的影响。研究结果表明：双圈管内土体温度最低，两侧温度逐渐升高；冻结孔间距越小，交圈时间越早，内外圈管交圈之后形成封闭的未冻承压水仓，对冻结壁不利，冻结锋面向内侧扩展速度大于向外侧扩展速度；双圈管冻结壁平均温度与冻结时间呈对数关系下降，有效厚度在内外圈管交圈后增长十分明显，且与冻结时间呈对数关系上升；双圈管主、界面温度场曲线随冻结时间近似由马鞍形分布逐渐转变为梯形分布，界面温度场扩展速度大于主面温度场；土体初始温度、盐水温度及导热系数对冻结壁平均温度影响均较大，土体初始温度和盐水温度越低、导热系数越大，冻结壁平均温度越低。研究成果为相关冻结工程的设计和施工提供参考。

薄煤层透射槽波探测技术及应用

杨辉

2020, 48(3): 176-181,187. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.025

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摘要:
为提高透射槽波探测技术在薄煤层中对断层的解释精度，根据槽波在薄煤层中吸收衰减严重，传播距离近的特点，提出采用槽波最远传播距离来约束CT成像的方法。通过理论推导，研究不同煤层厚度条件下槽波频率的变化情况；以1.5 m煤层为主要研究对象，正演模拟槽波的衰减特性，确定1.5 m煤层中槽波的有效传播距离为300 m。对山东某矿15号煤层的槽波资料，应用该技术CT成像，解释的断层和巷道揭露推断的断层位置基本吻合。结果表明：对1.5 m煤层的槽波资料处理时，以300 m为最大有效传播距离，对实际数据进行能量衰减成像，提高了槽波CT成像质量和解释精度。该方法可为薄煤层槽波探测技术提供借鉴意义。

复合煤层中夹矸对槽波探测解释断层落差的影响

苏晓云

2020, 48(3): 182-187. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.026

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摘要:
槽波地震勘探技术在探测工作面内部断层、陷落柱发育情况、煤厚变化等方面已经取得较好的应用效果，现已成为井下地质构造探测的首选方法。但对于含夹矸的复合煤层地质构造的探测，槽波方法还存在一定的问题，为研究复合煤层中夹矸对槽波地震探测中断层落差解释的影响，通过建立不同的数值模型进行正演分析，并选取山西某矿复合煤层进行槽波探测试验。研究结果表明：复合煤层中的夹矸对槽波探测解释断层落差有较大影响，夹矸的厚度与煤层差异较小时，槽波探测解释断层落差时的单位煤厚标准应为复合煤层的总厚度；差异较大时，单位煤厚标准应为激发接收层的单一煤层厚度。研究结果可为槽波实际资料的解释、分析提供参考依据。

基于模型驱动的煤层强反射能量衰减方法

张宪旭

2020, 48(3): 188-194. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.027

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摘要:
地震数据中煤层反射波具有能量强的特征，使邻近地层的反射被煤层反射所掩盖，导致邻近层难以成像，岩性解释工作存在困难。针对此问题，提出基于模型驱动的煤层强反射能量衰减方法。利用测井数据和煤矿井下钻孔实测的煤厚数据与煤层反射振幅绘制交会图，拟合振幅与厚度的关系式，构建数字模型并模拟煤层反射，在振幅残差阈值的控制下迭代求取全区煤层厚度，使用求取的模型煤层反射数据对实际数据中的煤层振幅进行衰减。通过模型试算表明，该方法在理论上具有可行性；通过对鄂尔多斯市某煤矿地震数据中3^-1号煤层反射压制的应用表明，该方法对实际数据中的煤层反射压制效果良好，煤层附近的弱反射层成像质量得到提升，为岩性解释提供基础数据。

基于震源垂向组合的浅层低速带多次反射折射波压制方法

傅彦宁, 常锁亮, 张生, 刘最亮, 杨勇, 陈强, 刘波, 许玉莹

2020, 48(3): 195-203. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.028

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摘要:
低速带发育地区地震记录中的多次反射折射波严重影响波场中相近的反射波，导致反射波形态畸变，影响了对地震资料的正确解释。在阐明浅层低速带多次反射折射波产生机理和传播规律的基础上，提出垂向组合双震源的压制方法。根据勘探前期小折射、微测井等方法获取浅层参数信息，结合多次反射折射波与有效波之间相对位置关系，给出需要对多次反射折射波进行压制的前提条件，然后根据震源组合公式计算得到垂向组合参数可选范围，用于调整低速带中垂向设置的两个震源的相对位置，在不影响目的层反射波的基础上压制多次反射折射波。在正演模拟和黄土塬勘探区试验中，对比了常规单炮记录与震源垂向组合记录。结果表明：震源垂向组合方法在一定程度上能较好地压制浅层低速带多次反射折射波，有效提高地震数据信噪比和解释精度。

基于贝叶斯理论的反射率法煤田地震波阻抗反演

杨真, 高振宇, 刘兴业

2020, 48(3): 204-210,218. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.029

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摘要:
地震波阻抗反演可以直接提供地下介质的弹性信息，为后续的煤层识别，水通道预测以及陷落柱识别等提供可靠的资料。在面对复杂地质条件时，现有的波阻抗反演方法精度较低，不能满足实际勘探的需求。反射率法通过求解弹性波动方程获得弹性参数信息，能够模拟全波场响应以及地震波的各种传播效应，能更精确地考虑透射损失、多次波等引起的地震波振幅和相位变化，精度较高，且计算效率高于其他波动方程求解方法。因此，基于贝叶斯框架，建立了反射率法的反演目标函数并通过引入柯西分布作为先验分布提高反演结果的分辨率，形成了一种基于贝叶斯的反射率法波阻抗反演方法。将该方法应用于布尔台煤矿地震数据中，获得的波阻抗反演结果与测井资料匹配度较好，相比于常规方法分辨率更高，精度高，能够有效识别薄煤层和深部煤层分布，有效验证了新方法的可行性和有效性。该方法能为利用地震反演技术识别煤层及陷落柱等小构造，预测顶底板水分布提供有力的资料。

基于共中心点道集约束的探地雷达波阻抗反演

戴前伟, 宁晓斌, 张彬

2020, 48(3): 211-218. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.030

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摘要:
探地雷达（GPR）波阻抗反演是一种准确获取地下介质本征参数的有效方法，该方法依赖于测井资料提供的低频信息，而在GPR实际应用中，钻孔资料很少。为此，提出利用共中心点（CMP）速度分析为波阻抗反演提供大尺度纵向约束，实现在CMP速度分析结果的约束框架下，精细重构介质的介电参数信息。首先，以层状模型为算例，验证了CMP速度分析结果作为波阻抗反演的初始模型约束的可行性；在此基础上，开展了2个随机介质模型的波阻抗反演测试，反演结果的整体结构与模型接近，细微结构得到了较好的重构，与理论值的平相对误差为8.73%。结果表明，该方法在随机介质模型的探地雷达的波阻抗反演中更高效和经济，并且成像结果中包含着丰富的细节信息，在土壤介质其他物理参数估计中具有可行性和适用性。

煤矿井下坑道钻机电控自动化技术研究

董洪波, 姚宁平, 马斌, 廖姜男

2020, 48(3): 219-224. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.031

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摘要:
为顺应煤矿井下钻探装备自动化、智能化发展方向，根据煤矿井下坑道钻机特点，研制了一套钻机电控系统，实现了钻机远程控制、参数监测、工况判断和安全互锁等功能，并在钻机单动控制基础上进行了钻机自动钻进和自动起钻技术研究，大大提高了煤矿井下钻机自动化程度。地面功能性试验与现场工业性试验表明：设计的电控系统功能性、实时性和可靠性满足使用要求。研制的钻机电控系统配套在钻机上，可提高钻机自动化水平，更好地保障了施工人员和设备的安全，对推动煤矿井下钻机智能化发展有积极作用。

特高多层胎体孕镶金刚石钻头设计与数值模拟

孙祺斌, 沈立娜, 杨甘生, 田国亮, 阮海龙, 陈西

2020, 48(3): 225-230. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.032

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摘要:
针对金刚石钻头寿命受限于钻头胎体高度的问题，提出了一种新型多层特高胎体孕镶金刚石钻头的设计方案。钻头设计中，引入了偏心交错切削齿、交替式水口以及挡水片结构，保证了多层特高胎体钻头的冷却及有效钻进。通过强度及水力流场模拟，校核了钻头强度，验证了水路结构的合理性，并进一步实现了钻头成品加工制造。该钻头打破钻头胎体高度的限制，为大幅提高钻头寿命提供了新的思路。移动阅读

冲击倾向性煤层注水对钻进中吸钻卡钻的影响及试验

郝志勇, 李志伟, 潘一山

2020, 48(3): 231-238. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2020.03.033

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摘要:
应用螺旋钻杆局部预测和评价冲击地压等动力灾害时易发生吸钻、卡钻等钻孔动力现象。为研究具有冲击倾向性煤层注水对吸钻、卡钻的影响规律，通过建立钻杆力学模型分析吸钻、卡钻动力现象产生机理，探明煤体应力和钻屑量是影响吸钻、卡钻发生的重要影响因素，推导了注水煤体的钻杆推力、钻杆扭矩等钻削力学参数计算公式，分析煤层注水后煤体应力重分布规律与钻屑量变化规律，并利用钻孔多参量测试系统，在井下对不同含水率煤体进行钻孔试验，从而研究钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量随煤体含水率的变化规律，并结合现场观测到的吸钻、卡钻动力现象，深入研究冲击倾向性煤层注水对煤体力学性质及吸钻、卡钻力学特性的影响。研究结果表明：吸钻时，钻杆推力值明显降低，卡钻时，钻杆扭矩值急剧升高；钻杆推力、钻杆扭矩均值增大幅度和钻屑量均值减小幅度随煤体含水率增大呈现先增大后减小的变化趋势；吸钻、卡钻点随煤体含水率的增大逐渐向煤壁深部转移；井下钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量的数据变化特征与煤体应力分布具有较好的对应关系。研究结果可为冲击地压预测和井下钻孔安全作业提供一定理论借鉴和工程指导。

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