煤田地质与勘探

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2021, 49(2): .

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摘要:

李勇, 韩文龙, 王延斌, 孟尚志, 吴翔, 王壮森, 麻振涛, 刘度, 赵石虎

2021, 49(2): 1-12. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.001

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摘要:
大量低产低效井严重阻碍我国煤层气产业发展，其中，煤粉沉降导致的裂缝堵塞、管柱结块是气井稳产时间短、产气量降低甚至不产气的重要因素。系统梳理国内外煤层气井产出煤粉物质组成、生成机理、悬浮运移和产出控制等研究最新进展，总结煤粉凝聚–沉降及分散行为控制机理及关键问题，提出研究展望。煤粉问题伴随煤层气勘探开发全过程，涉及地质选区评价、工程压裂施工和排采管理控制的各个方面。煤粉包括因煤体结构破坏生成的原生煤粉和工程施工形成的次生煤粉，在气井产出中以有机碎屑和黏土矿物组成的混合物为主，部分样品黏土矿物含量高。煤粉悬浮运移受控于储层条件下煤岩结构和表面性质、nm~μm级煤粉颗粒的相互作用、有机质和黏土矿物的作用、通道内的气水流动等因素。煤粉能够适度稳定产出是排采管控的关键，涉及地层水环境对煤粉表面润湿性、表面电性和空间位阻效应的影响及作用机制，以及分散剂离子加入对煤层气的解吸和渗流能力影响等。围绕煤粉“黏附–润湿–凝聚–沉降全过程开展实验模拟”和“煤粉分散稳定性优化及流动实验”研究，以及煤粉理化性质精细表征、凝聚沉降机理分析和分散行为界定，提出适合煤粉稳定运移控制的流速，形成保持煤粉悬浮产出的基础性依据，为保障煤层气–水–煤粉稳定高效产出提供理论和技术支撑。

延川南深部煤层气田地质单元划分及开发对策

陈贞龙

2021, 49(2): 13-20. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.002

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我国深部煤层气资源潜力大，占总资源量的62.8%，但实现有效开发面临强非均质性、高地应力、工艺配套难、产能低等诸多挑战。以延川南深部煤层气田为例，依据“沉积控煤、构造控藏、水动力控气、地应力控渗、物性控产”五要素，将关键参数进行叠加，精细划分气田开发地质单元，厘清各开发地质单元关键地质属性、开发制约条件，并制定了差异化的开发对策；形成针对层内阻塞、近井地带结垢、深部煤层难改造、高液量难降压等不同低效主因的治理对策和适用于深部煤层气复杂地质条件下“疏导解堵、扰动增透、有效支撑、提液降压”的增效技术系列。在此基础上，提出了一整套基于“多要素耦合气藏控制单元”的地质工程一体化增效思路和工艺技术：以提高资源动用程度为核心，针对高产区煤粉阻碍渗流通道而造成的气井递减，采取“氮气扰动”形成压力波扰动而解决层内疏通，21口井见气效率90%，单井日增产气量400 m³；深部煤层矿化度高易在近井筒地带结垢是导致低产的重要因素，通过实施可控冲击波破裂增透解除堵塞，单井日增产气量达850 m³；以实现高应力区资源有效动用为目标，通过“长距离有效支撑、大规模体积改造”以达到深部煤储层有效改造，实现难动储量效益开发，实施16口井全部见效，单井日增产气量1 500 m³，产气水平提升5~6倍；同时在高产液低效井中持续挖潜，采取提液降压效果初步显现。一体化增效关键技术体系的研发成功，为国内深部煤层气效益开发起到了带动和示范作用。

延川南深部煤层气高产主控地质因素研究

高玉巧, 李鑫, 何希鹏, 陈贞龙, 陈刚

2021, 49(2): 21-27. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.003

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摘要:
延川南区块属于深部高阶煤煤层气藏，受地质条件影响，区块单井产能差异大。结合煤层气开发动态资料，分析区块煤层气井富集高产主控地质因素。研究表明，气井产能受“构造、水动力、煤体结构”三因素控制，构造控制煤层气富集成藏，矿化度表征水动力强弱并影响煤层气保存，煤体结构制约储层改造。高产井主要位于埋深800~1 200 m的局部微幅隆起带翼部以及构造平缓区，地层水矿化度(3~10)×10⁴ mg/L，原生–碎裂煤厚度大于2.5 m，日产气量大于1 000 m³；中产井位于埋深大于1 200 m的万宝山西部构造平缓区，矿化度大于10×10⁴ mg/L，日产气量500~1 000 m³；而低产井主要靠近中部Ⅲ级断层以及局部Ⅳ级断层发育的断裂–凹陷带，矿化度低于0.3×10⁴ mg/L，原生–碎裂煤厚度小于2.5 m，日产气量低于500 m³。区块产能的平面变化证实，构造是深部煤层气高产的主要控制因素。深部煤层气藏构造活动不发育的条件下储层渗透率极低，可改造性差，难以获得高产，构造活动的增强达到了改善储层目的，背斜轴部附近产生裂隙增加储层渗透性，易于煤层气富集和储层改造，局部小断层形成微裂缝，有利于煤层气解吸渗流，但是，构造活动较剧烈的断层以及凹陷带附近形成煤层气逸散通道，不利于煤层气的富集高产。

煤储层压裂轻质陶粒支撑剂粒级配比优化

常晓亮, 吕闰生, 王鹏, 李冰, 高琳

2021, 49(2): 28-33. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.004

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摘要:
水力压裂是目前煤储层改造增透的主要技术措施之一，支撑剂在压裂裂缝中的铺置范围和输送距离是衡量水力压裂效果的重要指标。针对潞安矿区煤储层特点，采用物理实验和数值模拟方法，对比分析试验煤层气井压裂支撑剂导流能力、铺砂范围、粒径组合等因素对裂缝导流能力的影响，筛选出最优的支撑剂粒径和粒级配比。结果表明，随着闭合压力增大，不同粒径覆膜轻质陶粒支撑剂对裂缝导流能力降低；相同粒径覆膜轻质陶粒在裂缝中形成的砂堤和铺砂区长度是传统石英砂的2倍左右；40~60目(0.25~0.38 mm)、16~40目(0.38~1.00 mm)、12~20目(0.83~1.40 mm)3种粒级覆膜轻质陶粒中，12~20目压裂裂缝长度、支撑缝长和平均支撑剂浓度最小，而导流能力最高；当3种粒级40~60目、16~40目、12~20目配比为1∶6∶2时，覆膜轻质陶粒压裂效果最好，平均裂缝缝长320 m，裂缝宽度0.672 cm，支撑剂密度5.16 kg/m²，裂缝导流能力为1.263。潞安矿区煤层气井采用覆膜轻质陶粒支撑剂压裂时，通过优化支撑剂粒度配比，显著提高裂缝导流能力，以提高煤储层渗透性和煤层气开采效果。

沁水盆地郑庄区块北部煤层气直井低产原因及高效开发技术

贾慧敏, 胡秋嘉, 樊彬, 毛崇昊, 张庆

2021, 49(2): 34-42. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.005

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摘要:
为了实现沁水盆地郑庄区块北部深部煤层气高效开发，通过深入分析煤储层地质条件和开发资料，并对比浅部煤层气开发数据，以含气量评价资源为基础，综合储层渗透性、地解压差，煤体结构和地应力状态等评价煤层气采出难易程度，明确郑庄区块北部煤层气井低产原因，并提出高效开发的适应技术。结果表明，郑庄北部煤层含气量整体较高，在20 m³/t以上；郑庄北部绝大部分地区裂隙发育指数均小于140，渗透率极低；绝大部分地区地解压差大于6 MPa，导致煤层气井有效解吸范围小，宏观解吸效率低；绝大部分地区煤层中碎煤比例在0.7以上，导致水力压裂裂缝较短；垂向应力大于水平应力，为大地静力场形地应力，水力压裂易形成垂直裂缝，裂缝延伸较短。极低的渗透率、相对较高的地解压差、高碎煤占比和大地静力场形地应力状态耦合导致郑庄北部煤层气开发效果较差。仿树形水平井采用人工井眼实现煤层密切割，缩短了煤层气、水渗流距离，利于实现协同降压增产，有力克服了高地解压差的不利影响；同时采用人工井眼代替压裂裂缝，解决研究区水力压裂造缝短的难题，取得了产量突破，但存在不利于排水降压和井眼易垮塌的风险，且其成本高、收效低。L形水平井密切割分段压裂技术克服了仿树形水平井不利因素。与直井相比，L形水平井成本增加2倍，但煤层气产量增加近100倍；且L形水平井与仿树形水平井产量相当，但其成本仅是后者的 40%。由此可知，L形水平井可以实现郑庄北部深部煤层气的高效开发。

无越流补给含水层对煤层气排采影响的数值模拟

刘冰, 张松航, 唐书恒, 王鹏飞, 翟佳宇, 纪朝琪

2021, 49(2): 43-53. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.006

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摘要:
沁水盆地南部煤层气井具有“高产水、低产气”的特征，然而也有部分井存在“高产水、高产气”的现象。一般来说，煤层气井高产水，多与沟通含水层相关。针对这种情况，基于沁水盆地柿庄南区块煤储层地质条件，结合煤层气直井排采的实际情况，利用数值模拟方法，采用气水两相多组分的三维煤储层模拟软件(SIMEDWin)模拟煤层气井排采中，沟通无越流补给含水层对储层压力变化及煤层气水产出规律的影响。结果表明：与无含水层影响的煤层气井对比，沟通无越流补给含水层的煤层气井远井地带压降幅度显著，高产气时间久，累积产气量多，排水量大，但见气时间较晚；含水层渗透率越大，气井日产气峰值越高；气井日排水量越大，产气速度也会越快，但产气速度在排水量达到一定值时不再增大。综合考虑，沟通无越流补给高渗透率含水层，增大日排水量到一定值更有利于柿庄南区块煤层气的增产。

软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯数值模拟及试验

刘晓, 李勇, 宣德全, 胡世雄, 荆天祥, 徐森

2021, 49(2): 54-61. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.007

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摘要:
水力冲孔是煤层瓦斯增透抽采的主要技术措施，其主要以出煤量考察卸压效果，但是也存在出煤量大、卸压不均一、应力易集中等问题。因此，提出软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术，考虑瓦斯压力压缩和煤基质吸附瓦斯膨胀对本体变形的影响，建立应力场、裂隙场、渗流场耦合条件下的多物理场理论模型，并结合COMSOL数值模拟软件对软煤夹层水射流分支数、卸压影响范围内煤体的瓦斯压力和瓦斯含量变化规律进行了研究。研究表明：当水射流分支长半轴为2 m，短半轴为0.22 m时，水射流分支数为6个时较为合理；在相同出煤率情况下，相同时间内瓦斯压力和含量均随着与钻孔距离的增加而减小，抽采180 d，水射流层状卸压有效抽采半径约为常规水力冲孔有效抽采半径的2.14倍，且在有效影响范围2 m时，水射流层状卸压瓦斯含量降低量为7 m³/t，而常规水力冲孔瓦斯含量降低量为4.1 m³/t，水射流层状卸压瓦斯降低量为常规水力冲孔的1.71倍；在新义煤矿现场试验中发现，当水射流层状卸压出煤率为常规冲孔出煤率的0.29~0.71倍，抽采较高浓度瓦斯时长仍是常规水力冲孔的2倍。软煤夹层水射流层状卸压增透抽采瓦斯技术的提出，对未来煤矿井下软煤夹层水力冲孔技术的发展有着重要的意义，为井下瓦斯的治理提供了新的方法和方向。

贵州省织金区块岩脚向斜煤层气富集高产规律研究

郭涛

2021, 49(2): 62-69. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.008

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摘要:
针对南方煤层层数多、单层薄，构造复杂，糜棱煤发育，选区评价难度大等问题，利用织金区块勘探成果及分析化验数据，开展了多煤层煤层气成藏条件研究。结果表明，南方多煤层煤层气具有“沉积控储，保存控气，地应力、煤体结构控产”四元富集高产规律。沉积控制煤层厚度、层数、煤岩煤质等，决定了煤层气资源基础，潮坪沼泽控制下的煤层分布稳定，连续性好，灰分小于20%，镜质组体积分数大于80%。构造、水文地质联合控制煤层含气性，呈现出向斜核部富气特征，珠藏次向斜翼部往核部方向，随着埋深增大，氯根质量浓度及储层压力逐渐增大，含气量由8 m³/t逐渐增大到28 m³/t。构造作用影响煤体结构、地应力大小及现今地应力状态，进而影响压裂改造效果、渗流条件，直接影响煤层气井产能，研究区NE向与NW向构造分属不同形变区，北西向构造珠藏、阿弓、三塘次向斜较北西向构造比德、水公河次向斜形成时间晚，构造作用相对弱，现今地应力小于20 MPa，煤体结构主要为原生结构煤或碎裂煤，且水平应力大于垂向应力，压裂缝以水平缝为主，利于裂缝在煤储层中延伸，煤层气开发条件更有利。通过富集高产规律研究，认为南方多煤层资源基础较好，构造及其对地应力、煤体结构的影响是多煤层选区评价的关键因素，岩脚向斜珠藏–阿弓–三塘次向斜为煤层气开发有利区。区域上，远离威宁—紫云断裂的NE向含煤向斜是南方多煤层煤层气勘探的重点方向。

煤矿井下顶板梳状长钻孔分段压裂强化瓦斯抽采实践

贾秉义, 陈冬冬, 吴杰, 孙四清, 王建利, 赵继展, 张杰

2021, 49(2): 70-76. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.009

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摘要:
为了解决碎软煤层本煤层钻孔施工困难，瓦斯抽采浓度低，抽采效果差，无法实现大面积区域预抽的问题，在现有煤矿井下定向钻进技术和水力压裂技术的基础上，结合前期研究成果，提出了顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术，并在韩城矿区桑树坪二号井进行了现场试验。现场施工顶板梳状长钻孔主孔长度588 m，包含8个分支孔，钻孔总进尺1 188 m，主孔距煤层0~3.28 m，平面上覆盖约12.5 m。采用不动管柱分段水力压裂工艺，分4段进行水力压裂施工，累计注水2 012 m³，最大泵注压力8.74 MPa。压裂后最大影响半径大于30 m，且裂缝主要位于钻孔下方，向煤层延伸。压裂钻孔稳定抽采阶段瓦斯抽采纯量1.18 m³/min，抽采瓦斯体积分数平均43.54%。顶板梳状长钻孔分段水力压裂钻孔瓦斯抽采纯量是水力割缝钻孔的1.2倍，是本煤层顺层钻孔的4.0倍。试验结果表明，顶板梳状长钻孔分段水力压裂技术可有效避免本煤层常规钻孔施工过程中存在的塌孔、卡钻、喷孔等问题，实现了碎软低渗煤层大面积区域瓦斯预抽，为碎软低渗煤层区域瓦斯预抽提供了新思路和新方法。

高阶煤煤岩毛管压力曲线新数学模型及关键参数

陈科, 唐磊, 尹超, 何伟, 张伟, 权政

2021, 49(2): 77-82. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.010

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摘要:
毛管压力是影响煤层气赋存和开发的重要参数，为建立能够有效表征高阶煤煤岩毛管压力曲线的数学模型，以高阶煤为研究对象，开展了高压压汞实验，系统评价了目前常用的典型毛管压力曲线数学模型的适应性，建立拟合程度更高的数学模型。结果表明，6块高阶煤煤样毛管压力曲线基本没有中间平缓段，整体表现为向左上方凸出的形态，与常规砂岩、低阶煤差异明显；BC模型、贺承祖模型和Li模型均不能很好地拟合高阶煤的毛管压力曲线；建立的新毛管压力曲线数学模型，能够很好地拟合高煤阶煤样毛管压力实验数据，拟合程度达到97%以上；在双对数坐标中，毛管压力和最小毛管压力的对数差与进汞饱和度与最小毛管压力的对数差呈线性关系，可利用该线性关系直接求取毛管压力模型的斜率a和幂指数b，求解步骤较为简单；在其他条件相同时，毛管压力与斜率a和幂指数b均成反比。

山东黄河北煤田中生代岩浆侵入与古生代多矿产成因机制

王怀洪, 沈立军, 王东东, 朱裕振, 李增学, 王勇军, 毛强

2021, 49(2): 83-92. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.011

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摘要:
地层中常见到多种矿产富集的现象，特别是有岩浆侵入的地区，更有利于多种矿产的生成和保存，大大提升了矿产资源的勘探效益与开发价值。以山东黄河北煤田为例，开展中生代岩浆侵入与古生代多矿产(煤炭、煤层气、煤系页岩气、富铁矿)成因机制研究。结果表明：黄河北煤田石炭–二叠系构造条件和沉积环境利于煤层的发育，平面上煤层分布具有东多西少、东薄西厚、北薄南厚的特征，纵向上具有下厚上薄的特征；煤层气藏具有煤层厚度中等、煤级分布广、含气量中等、吸附性好、特低欠饱和、低孔较高渗、欠压、埋深适中的特点；煤系页岩气藏具有泥页岩累积厚度大、有机质丰度较高、生烃能力中等、Ⅱ型干酪根为主、成熟度中等、低孔特低渗的特点；中生代岩浆侵入奥陶系马家沟组灰岩地层中，含矿热液与围岩发生接触交代作用和磁铁矿化，形成了接触交代型富铁矿床；中生代岩浆的侵入与岩浆热变质作用，使得研究区上覆煤系中出现了以岩浆侵入体为中心的煤类分带和局部地区煤层气与煤系页岩气的大量产生与成藏。煤层和泥页岩含气量、孔隙率/孔径、有机质的热演化程度和生烃能力与距离侵入体的距离成负相关关系，且煤层距离侵入体越近，气体的吸附性能越弱，以游离态为主。综上，中生代的岩浆侵入作用控制了古生代多种矿产的形成与共存。

智能开采工作面三维地质模型构建及误差分析

王新苗, 韩保山, 宋焘, 沈凯, 岳辉, 雷晓宇

2021, 49(2): 93-101,109. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.012

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摘要:
地质条件的复杂性是影响当前智能开采进一步发展的关键问题之一，亟需构建高精度回采工作面三维地质模型。通过分析智能开采地质模型的构建方法，并以黄陵一号矿某智能工作面为例，结合工作面所有的地质勘探资料，利用TIM-3D建模软件分别构建了工作面初始静态模型和回采工作面动态模型，搭载透明工作面数字孪生系统对智能开采地质模型进行展示；通过对比回采揭露真实煤厚值与地质模型预测煤厚值，分析静态地质模型与动态地质模型的误差，探讨模型误差产生的原因。分析认为：静态地质模型精度不能达到智能化开采的地质要求；更新后的动态地质模型可显著缩小煤厚预测误差，基本能达到智能化开采的地质需求；模型的误差是测量误差、采样数据量及其分布、插值算法选取共同造成的。综合认为模型的建立要充分融合工作面所有地质信息，模型建立巷道标志点的间隔应该小于10 m，模型动态更新的推采距离应该小于15 m。研究结果对于充分认识当前智能开采地质模型精度水平有重要意义，为下一步智能开采地质保障技术的发展具有借鉴意义。

基于SAPSO-ELM的瓦斯涌出量分源预测及应用

任海峰, 严由吉, 吴青海

2021, 49(2): 102-109. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.013

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摘要:
为了提高瓦斯涌出量预测精度，针对瓦斯涌出量影响因素的多重相关性、复杂性等问题，结合主成分分析法和分源预测理论，对开采层、邻近层、采空区的瓦斯涌出量数据分别进行主成分分析降维，得到预测指标。针对极限学习机(ELM)存在的输入权值矩阵与隐含层阈值随机生成的问题，利用模拟退火粒子群算法(SAPSO)对极限学习机的参数寻优，将新疆某煤矿回采工作面瓦斯涌出量及影响因素作为SAPSO-ELM模型的输入进行训练，再利用训练好的SAPSO-ELM模型对陕西某煤矿回采工作面的瓦斯涌出量进行验证预测，并对比原始ELM模型的预测结果。结果表明，SAPSO-ELM模型的平均相对误差为3.45%，ELM模型的平均相对误差为8.81%，与ELM模型相比，SAPSO-ELM模型预测精度及效率均优于原始ELM模型。分源预测理论和主成分分析法的结合有效解决了多因素间的多重相关性并降低了预测模型的复杂度，SAPSO-ELM预测模型实现了瓦斯涌出量的快速精准预测，对预防瓦斯事故发生和保障煤矿安全高效开采具有较好的指导作用。

综采工作面回撤巷强矿压显现机理及控制技术

张寅, 赵毅, 李皓

2021, 49(2): 110-116. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.014

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摘要:
为保障厚煤层综采工作面回撤巷的安全使用，以鄂尔多斯纳林河二号井31102工作面回撤巷强矿压显现为背景，通过现场监测与理论分析相结合的方法，对厚煤层综采工作面开采过程中回撤巷强矿压显现进行研究。结果表明：厚煤层综采工作面回撤巷强矿压显现，主要为工作面采动引起的超前支承压力、相邻采空悬顶引起的双向支承应力，以及回撤巷开掘引起的静载三者耦合作用的结果。根据强矿压发生机理，提出回撤巷道及相邻巷道钻孔卸压和补强支护相结合的控制方案，使其处于“强支、强卸”状态。在相邻31103工作面回撤巷实施强矿压控制技术，通过现场观测和数据分析，表明强矿压控制技术效果良好，可有效保障回撤巷的安全使用。

基于AHP-熵权法的采动区煤层气开发潜力评价

贾志超, 黄华州, 黄绍博, 周宇, 王波

2021, 49(2): 117-124. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.015

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摘要:
采动区煤层气抽采利于高效开发采煤工作面卸压煤层气，降低井下瓦斯安全风险，但地质条件、煤炭采掘条件的差异使得地面井开发效果差异较大，因此，对预备采区进行选区评价具有指导意义。为了探索煤矿采动区煤层气高效开发的选区方式，通过建立一票否决制度及评价指标体系、结合层次分析法及熵权法确定指标权重、最后量化计算综合得分的方法，建立一套完整的采动区煤层气开发潜力评价体系，并应用于铁法矿区晓南矿。结果显示，研究区16个规划采区中有4个得分大于0.6，建议进行采动区煤层气开发；同时，评价结果排序靠前的单元净收益也较高，且处于矿区内煤层气赋存有利构造区域，与评价结果相吻合，验证了评价结果的合理性。综合认为，采用层次分析–熵权法组合权重的评价结果更为合理，有效避免了采动区煤层气选区开发的盲目性，评价结果具备一定实际工程开发部署及经济效益参考价值。

基于多层次模糊数学法的煤层气井产能综合评价模型

冯玉龙, 周林元, 王乾, 刘程瑞

2021, 49(2): 125-132. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.016

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摘要:
为了更加准确地预测煤层气井产能，采用多层次模糊数学法建立包含3个二级评价参数(资源条件、储层条件及改造工艺)、10个三级评价参数在内的综合评价模型。利用该模型，结合收集到的国内15个煤层气目标区块的储层参数与改造工艺资料，对各区块煤层气井产能进行综合评价。最后利用各区块的实际产量对评价结果进行验证分析并拟合，最终得到了评价结果与产量的对应关系。研究结果表明：大部分区块单井平均日产气量不超过600 m³/d，且评分相对集中在0.64以下，这主要是由于较差的储层条件和不合理的改造工艺所致；单井平均日产气量与综合评价结果相关性良好，二者呈幂函数关系；根据评价结果可知，当综合评分超过0.660 6时，预计平均单井日产气量将超过1 000 m³。研究认为，煤层气开发一方面要加强储层评价，优选有利区；另一方面要优选相适应的储层改造措施，以达到煤层气开发产能最大化。

保德地区煤层气地球化学特征及成因探讨

李洋冰, 曾磊, 胡维强, 陈鑫, 马立涛, 刘成, 黄英, 乔方

2021, 49(2): 133-141,151. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.017

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摘要:
为了查明保德地区煤层气地球化学特征及成因，采集煤样、煤层气样及水样，开展气体组分分析、煤层气井产出水水质检测和稳定同位素分析。结果表明：煤层气组成中烃类气体以CH₄为主，体积分数为88.60%~97.59%；含有少量乙烷，体积分数仅为0.01%~0.14%；干燥系数均大于0.99，属于极干煤层气。非烃类组分中，主要含有CO₂和N₂，其中，CO₂体积分数为1.74%~7.61%，N₂体积分数为0.04%~8.18%。煤层气δ¹³C(CH₄)值为–56.8‰~–47.7‰，δ¹³C(CO₂)值为–6.6‰~13.9‰，δD(CH₄)值为–252.6‰~–241.6‰。煤层产出水呈弱碱性，属于NaHCO₃类型水，与地表水离子构成、矿化度、δD(H₂O)和δ¹⁸O(H₂O)值均相近，有地表水的补给，有利于产CH₄菌大量繁殖，生成次生生物气。综合认为，研究区煤层气为热成因气和生物气的混合气，生物成因气主要是通过二氧化碳还原作用形成，受煤层解吸–扩散–运移作用、水溶作用和次生生物作用导致煤层气“变轻”。研究成果为后续煤层气勘探开发提供指导。

沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩气储层特征

李阳阳, 李贤庆, 张学庆, 肖贤明, 于振锋, 王保玉

2021, 49(2): 142-151. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.018

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摘要:
页岩储层特征是进行页岩气储集能力评价的基础内容。为探究高演化阶段煤系页岩气储层性质和优选有利储层，运用岩石热解、X射线衍射、扫描电子显微镜、高压压汞、低温N₂和CO₂气体吸附多种实验方法，对沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩岩心样品进行储层特征研究。结果表明：沁水盆地阳泉区块上古生界煤系页岩，有机碳含量较高(TOC平均为4.9%)，处于过成熟阶段(R_ran平均为2.32%)，黏土矿物质量分数较高(平均为50.0%)，具有低孔低渗的特征(孔隙率平均为6.61%，渗透率平均为0.006 3×10^–3μm²)，孔隙类型以粒间孔、粒内孔和微裂缝为主，微米–纳米级孔隙为页岩气的赋存提供了储集空间；孔隙总孔容为0.025 5~0.051 7 mL/g，平均0.038 9 mL/g，总比表面积为12.64~40.98 m²/g，平均28.43 m²/g，微孔(<2 nm)、介孔(2~50 nm)的孔容与比表面积呈良好的正相关性，宏孔(>50 nm)孔容与比表面积则相关性不明显，表明微孔和介孔是阳泉区块煤系页岩气储集的主要载体。总体来说，阳泉区块上古生界煤系页岩具有较好的页岩气储集性能，但页岩储层可压裂性较差，影响页岩气的开发。

基于ABC-BP模型的煤层含气量预测

臧子婧, 吴海波, 张平松, 董守华

2021, 49(2): 152-158. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.019

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摘要:
煤层含气量预测是煤层气资源勘探开发利用前期的重要研究内容之一。近些年，BP神经网络算法常用于煤层含气量预测领域，但传统BP模型在训练过程中往往存在收敛速度慢、对初始值敏感以及易陷入局部极小值等问题。为此，提出了一种改进的以人工蜂群算法为特征的BP神经网络预测方法。以沁水盆地某工区3号煤层为研究对象，首先，利用R型聚类分析法对目标煤储层所提取的多种类型的地震属性进行分类，优选出4种对煤层含气量变化反应最敏感且相互独立的地震属性；再利用人工蜂群算法(ABC)寻找BP神经网络的输入层与隐含层的最优连接权值和隐含层的最优阈值，构建具有鲁棒性的ABC-BP神经网络预测模型，并以井位置优选地震属性和含气量数据为样本训练该模型；最后，以整个工区目标储层的优选地震属性为输入，进行工区内煤层含气量的预测。预测结果与各井含气量的变化趋势基本吻合，其中，训练井处的平均误差率为0.23%，验证井处的误差率低于15%，预测精度较高，因此，该预测方法可靠性高，适用性强，可有效用于煤层含气量预测。

煤层开采覆岩预裂–注浆改性失水控制方法探讨

赵春虎, 王皓, 靳德武

2021, 49(2): 159-167. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.020

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摘要:
陕北榆神矿区煤层开采面临顶板水害防治与水资源协同保护技术需求，根据材料力学、断裂力学相关理论，以及不同覆岩类型的采动裂隙带统计成果，提出基于预裂–注浆改性(P-G)的煤层顶板失水控制技术思路，其基本原理为通过压裂工艺将连续性好的基岩层压裂成非连续性岩层，削弱采动导水裂隙在坚硬岩层中向上扩展的“尖端效应”，抑制导水裂隙发育高度。再采用黏土类软弱注浆材料将岩层改性为相对软弱的岩层，起到抑制导水裂隙带向上发育与降低上覆岩层导水能力的双重作用，从而实现煤层顶板含水层失水控制。本文以陕北能源基地榆神矿区为对象，提出以采煤工作面地质与水文地质条件分析，采煤工作面顶板含水层涌(失)水模式识别，P-G模式、层位与时间确定，顶板岩层水平孔水力压裂与注浆改性为主要思路，对榆神矿区采煤工作面顶板含水层失水控制方法进行了探讨，为我国陕北能源基地榆神矿区顶板水害防治和水资源协同保护技术实践提供一定的借鉴。

基于定向水平钻陷落柱综合探查与阻水塞立体建造技术

田干, 南生辉, 林旭东, 樊娟

2021, 49(2): 168-175. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.021

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摘要:
导水陷落柱导致的底板奥灰突水是同煤集团塔山矿的主要水害威胁，矿井8228工作面巷道掘进过程中曾发生陷落柱突水。为查明此导水陷落柱发育边界及其内部充填破碎体分布特征，并对陷落柱进行针对性注浆治理，在井上下综合物探勘探的基础上，采用分层多分支地面定向水平钻钻速录井、钻井液漏失量、岩屑录井、随钻测井等综合探查技术手段，结合数据统计分析，查明导水陷落柱的发育边界、影响带范围和破碎体胶结情况及其分布特征。结果表明，导水陷落柱的长短轴分别为410、200 m，破碎区主要分布在靠近工作面突水巷道运输巷掘进工作面右前方。利用Surpac软件对陷落柱空间结构和发育特征进行三维地质建模，并根据柱体充填物破碎程度将其刻画分区为主通道区、裂隙区和次生裂隙区。针对陷落柱破碎体不同分区，利用定向水平钻进控制技术和阻水塞立体建造注浆工艺分区控制技术，通过充填、挤密、劈裂等不同注浆工艺，对工作面导水陷落柱进行截源、加固等综合治理，最终实现工作面安全回采。定向水平钻分层多分支陷落柱综合探查与治理技术为其他类似工程提供重要的借鉴意义。

基于RA/AF的高温后砂岩破裂特征识别研究

葛振龙, 孙强, 王苗苗, 赵春虎

2021, 49(2): 176-183. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.022

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摘要:
开展岩石高温损伤破裂信息识别研究对地热开发和煤炭地下气化等具有重要的指导意义。通过不同高温处理后砂岩在破坏过程中声发射参数RA(上升时间/振幅)和AF(平均频率)值变化，研究高温后砂岩内部不同类型裂纹的发展演化规律。结果表明：砂岩在整个加载过程中以拉张裂纹为主，当加载应力超过峰值应力的80%后，剪切裂纹所占比例迅速增大，可将此作为砂岩发生破坏的前兆；当加热温度超过600℃时，剪切裂纹所占比例上升，超过800℃，剪切裂纹所占比例迅速下降，600℃和800℃可作为砂岩损伤突变的阈值温度；高温后位错塞积现象增多，砂岩塑性特征增强，拉张裂纹所占比例增大。研究成果将对高温作用后岩石破裂失稳前兆信息的识别提供重要的理论基础。

深层地热能开发及其对地热水流场的影响

宋前进, 王刚, 许一川, 程磊

2021, 49(2): 184-193. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.023

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摘要:
为了研究深层地热能开发对热储层流场造成的影响，选取兰考县深层地热能开发为研究对象，分析研究区新生代以来的地质结构和区域构造特征，调查地区地热开采情况及存在的问题。根据地热能类型分析了第四系Q、新近系明化镇组N₂、新近系馆陶组N₁等3个热储层特征，利用可控源音频大地电磁测深查明区内的断裂分布、热储层发育、隔水边界等条件，通过现场试验与测试手段查明不同部位热储层的参数指标，分区计算各层的地热资源量。根据开采方式、边界条件、水文地质参数建立数学模型，通过数值模拟预测出2023年Q热储层流场将恢复到原始流场模式，N₂热储层流场漏斗效应持续减弱，N₁热储层流场漏斗效应明显且分布不规则，为控制地热资源开发对环境造成的影响，提出封闭循环利用地热、同层加压回灌的开采方式及合理布局开采井、综合利用多层地热等措施，为本地及周边地区地热资源开发及环境保护提供参考。

中深层地热井下同轴换热器长期换热性能研究

李奉翠, 韩二帅, 梁磊, 吴京安, 鲁冰雪

2021, 49(2): 194-201. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.024

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摘要:
中深层地热井下同轴换热器具有取热量大、出口水温高的特点，近年来受到供热行业的高度关注。目前的研究主要是对单个供热周期内的中深层地热井下同轴换热器的换热性能进行分析，缺乏对其长期换热性能的相关研究。本文根据中深层地热井下同轴换热器供暖季供热、非供暖季停歇运行的特点，基于能量守恒方程建立换热器的数值换热模型，并采用有限体积法对模型进行离散，通过Matlab平台数值分析其在长期运行过程中换热性能的变化规律。结果表明：换热器的换热性能随着运行年份逐渐下降，且下降程度逐年减小，最终达到准稳态。其中，次年平均换热量的下降比例最大，且换热器埋深越大，换热量的下降比例越小。埋深为2 000、2 500、3 000 m换热器的次年平均换热量的下降比例依次为4.00%，3.78%和3.56%，第30年的平均换热量较第1年分别下降13.7%、13.1%、12.4%。岩体温度逐年下降，其受干扰半径逐年增加。在30 a运行期间，埋深2 000 m的换热器在每年供热季结束时的岩体温度受干扰半径从13 m增加至105 m。此外，换热器深度越大，其周围岩体温度受干扰半径越大。本研究结果阐明了中深层地热井下同轴换热器在长期取热过程中换热性能的变化规律，对换热器长期取热的设计具有指导意义。

丛枝菌根真菌与沙棘对露天矿排土场的联合改良效应

苗春光, 杨惠惠, 毕银丽, 宋子恒, 郭楠

2021, 49(2): 202-206. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.025

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摘要:
我国东部草原露天矿区土壤瘠薄，草场退化严重，生态恢复难度大。针对露天矿排土场的特殊环境，研究丛枝菌根真菌与沙棘的共生状况以及菌根对沙棘根系发育的影响和对排土场土壤的改良效应。试验发现，接菌组(+M)沙棘的株高和冠幅比对照组处理(CK)分别提高了20%和21%，+M的根长和根体积分别为CK的1.46倍和1.97倍；+M中沙棘根际土中的易提取球囊霉素含量为3.22 mg/g，显著高于CK的2.16 mg/g；+M的磷酸酶活性是CK的1.76倍，速效磷含量也有相似变化规律。研究结果表明，利用微生物促进露天矿排土场的土壤改良及生态恢复具有较强的可行性，对矿区生态系统的恢复具有重要意义。

基于Landsat时序数据的高潜水位煤矿区植被扰动分析

方良成, 陈永春, 安士凯, 徐燕飞, 殷梦杰, 李志辉, 赵萍, 陈业禹

2021, 49(2): 207-215. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.026

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摘要:
我国东部矿区是重要的煤粮生产复合区，由于境内地势平坦，地下潜水位高，采空区形成的沉陷大多常年积水或季节性积水，所引起的土地、生态、环境问题尤为严重。植被作为矿区生态环境的重要组成部分，因外界干扰和环境要素的变化而具有动态特征。归一化差值植被指数(NDVI)是植被生长状况遥感监测的常用指示因子，基于NDVI时间序列数据的分析可以有效揭示植被的扰动效应。以安徽淮南顾桥矿为研究对象，基于2007—2018年Landsat NDVI时间序列数据的分级统计，以及热点分析、聚类与异常值分析和剖面线分析，研究NDVI值的时空变化特征，探讨煤矿开采沉陷对周围植被的扰动效应。研究表明：2007—2018年间顾桥矿植被生长状况整体良好，但植被覆盖离散程度在增大；NDVI分布具有明显的空间聚集特征，均为“高–高”聚类和“低–低”聚类，无异常出现；受煤炭开采影响，热点区减少，冷点区增加，热点向冷点的转化主要发生在沉陷积水区、德上高速和永幸河附近；沉陷积水区周围一定范围内存在明显的植被扰动，开采初期扰动较小，随着积水区范围的增长和时间的推移，扰动范围逐渐增大，最后趋于稳定，具有时序滞后性和时空累积性。研究成果为采煤沉陷区生态影响范围的确定及生态环境的恢复治理提供了参考。

基于构造要素量化聚类分级的煤层气有利区预测

刘晶, 常锁亮, 刘最亮, 张生, 陈强, 刘波

2021, 49(2): 216-224,233. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.027

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摘要:
为优选煤层气构造要素富集区，精细划分开发尺度下构造控气有利区块，以沁水盆地西南部永乐南区块为例，细分构造表征要素，量化构造要素指标，提出趋势面迭代法表征不同程度构造变形、模糊聚类分级、以及要素二分进行煤层气构造有利区优选的方法。基于地震地质综合解释成果，从构造变形、断裂系统和埋深3个方面，对研究区2号和9+10号煤层进行构造要素定量表征，采用Q型聚类法对构造要素的表征指标进行定量分级，在此基础上，以影响煤层气富集、保存的构造地质规律为指导，采用要素二分法划分得到单要素控气有利和不利区，最终综合单要素控气有利区，得到构造影响下煤层气富集的最有利、较有利、较不利和不利四类区域，并通过煤田钻孔瓦斯含量数据得以验证。

鄂尔多斯盆地低信噪比复杂地区检波器组合方法分析

王正良, 肖国强, 付群礼, 吕震川, 姚宗惠, 史庆阳, 高斌, 伊鸿斌, 高强, 张鹏, 侯杰, 史炳程, 王彦铎, 焦桂行

2021, 49(2): 225-233. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.028

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摘要:
在鄂尔多斯盆地西北部，低信噪比复杂地区存在严重的随机干扰，这导致该区地震资料信噪比很低。在不提高覆盖次数情况下，针对该区造成地震资料信噪比低的严重随机干扰问题，开展检波器组合压制随机干扰的方法研究。研究了随机干扰对动静校正量准确求取的影响，检波器组合对干扰波的压制作用，组内高差和组合基距对地震采集资料高频的影响，对比分析检波器组内距对随机干扰的衰减效果。研究结果表明：在盆地低信噪比复杂地区，野外检波器组合重点压制严重的随机干扰波，提高地震资料信噪比；小于1 m的检波器组内高差对该区地震采集资料110 Hz以下高频成分影响有限，小于13 m组合基距对中、深目的层地震资料70 Hz以内频率影响有限；理论计算和试验资料综合确定的随机干扰半径为1.7~2.0 m，大于随机干扰半径的检波器组合内距能有效压制随机干扰波，其中组内距3 m比较稳定；以上参数确定的检波器组合接收方法压制随机干扰波后，所得到的地震单炮记录相比单点接收、高覆盖次数压制随机干扰波所得到的资料在70 Hz有限频带内更能提高信噪比、频率，而且成本相对低。该结果在鄂尔多斯盆地低信噪比复杂地区地震勘探野外采集中具有指导作用。

薄互煤层中透射槽波探测断层的正演模拟

马彦龙

2021, 49(2): 234-239. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.029

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摘要:
为了研究西南地区矿井薄互煤层中透射槽波探测断层的可行性，选择具有代表性的攀枝花煤业集团某矿为研究对象，根据实际地质资料建立不含夹矸、含3层夹矸、含3层夹矸和断层的3个薄互煤层的地质模型，通过三维弹性波正演模拟分析槽波的波场特征和频散特征，总结振幅衰减系数成像在薄互煤层中槽波探测断层发育位置及延展方向的有效性；并结合实际应用，探讨了透射槽波在薄互煤层中的传播速度及频散特征，以及断层、夹矸对槽波传播的影响。结果表明：薄互煤层中透射槽波探测，断层在影响薄互煤层槽波传播中占主导作用；0.5 m以下夹矸对槽波的发育和能量成像影响不大；在煤厚相同的情况下，含夹矸层状模型相比不含夹矸层状模型的槽波主频低，槽波对煤厚2 m、夹矸厚度0.5 m以下的薄互煤层能够进行比较准确的探测。透射槽波可在薄互煤层中探测断距大于1/2煤厚的断层位置、走向及延展长度，可为西南地区薄互煤层中构造探查提供参考。

全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理的有限元分析

彭旭, 郝世俊

2021, 49(2): 240-246,252. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.030

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摘要:
针对坚硬地层破岩效率低、钻具粘滑振动造成钻头寿命降低等问题，通过ANSYS有限元分析软件对全尺寸钻头复合冲击破岩机理进行研究。分析了冲击频率、钻压和转速对钻头破岩效率的影响，通过分析发现钻头破岩过程中，岩石内部既存在拉应力，也存在压应力，岩石破坏表现形式为“拉伸+压剪”的综合作用破坏。研究得出在扭转冲击频率为25 Hz条件下，此时轴向冲击的最佳频率为13 Hz，在这2种冲击频率的配合下机械钻速最快；钻压对机械钻速影响较大，两者呈线性正相关关系，并回归出有无冲击载荷条件下钻头机械钻速与钻压的变化关系式；转速对机械钻速的影响较小，两者呈微增趋势，分析认为是坚硬岩层使PDC钻头变切削为研磨状态导致机械钻速变化不大；复合冲击在地层钻进中能明显提高机械钻速。全尺寸PDC钻头复合冲击破岩机理研究对于钻进效率的提高和复合冲击技术的发展具有重要意义。

湘西北复杂构造区破碎地层绳索取心钻进技术难点及优化

孔祥旺, 张绍和, 王文彬, 孙平贺, 吴冬宇, 肖金成, 何红生

2021, 49(2): 247-252. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.031

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摘要:
以湘西北复杂构造区湘慈地1井为例，针对钻进过程中遇到的岩心采取率低以及卡钻埋钻等钻进难点，通过采用无泵反循环超前侧喷绳索取心钻具以及优化钻井液体系的方法，有效地提高了该钻井工程中的岩心采取率；该新型钻具能够在孔底形成局部反循环，并且结合钻具内部防堵锥网以及超前侧喷钻头的设计能够有效地提高破碎地层中的岩心采取率；通过在钻井实践中应用，该钻具在岩心破碎井段的采取率达到了94.4%，取得了良好的应用效果。

煤矿井下自动封孔装置坐封与注浆压力研究

李程程, 王毅, 王力, 段会军

2021, 49(2): 253-259. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.032

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摘要:
注浆压力和坐封压力是设计煤矿井下自动封孔装置所需的主要参数，同时也是自动化封孔施工设计的重要依据。以浆液的有效封堵半径为基础，采用理论计算、数值模拟等方法分析了不同注浆压力条件下的封孔效果，结合橡胶的Mooney-Rivlin本构模型的力学特征、挤压密封等原理，研究并确定最佳注浆压力和坐封压力。结果表明，注浆压力为2~4 MPa时浆液的径向封堵范围达2~4 m，可以满足对钻孔的封堵要求；当钻孔直径为96~100 mm时，坐封压力范围为2.2~8.4 MPa，可以使装置达到最佳坐封效果。研究结果可为装置的设计提供理论基础，为装置应用所需技术参数的确定提供理论依据。

大直径救援井动载荷作用下安全透巷距离数值模拟

李必智, 郝世俊, 刘明军, 张强, 白刚, 莫海涛

2021, 49(2): 260-266. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.02.033

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摘要:
为了防止透巷作业时地层水和钻井液沿钻孔突然涌入巷道，造成井下被困人员二次伤害，采用ABAQUS岩土数值模拟方法，以山西坪上煤矿3 号煤层巷道地面救援井为例建立模型，研究钻井动力扰动条件下巷道顶板围岩塑变特性规律，优化安全透巷距离。结果表明：动力扰动造成顶板围岩位移变形和塑性破坏，且以钻孔中心呈对称的锯齿形分布；轴向作用力对透巷顶板围岩的影响较大，安全透巷距离取值为16.53 m。模拟结果为优化安全的透巷距离提供了参考，实现了安全高效透巷的目的，为救生舱在救援井中安全下放、提升作业提供了保障。

留言板

2021年第49卷第2期

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