“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”专题

来源：《煤炭学报》2020年第7期

本专题来源于《煤炭学报》，共30项研究成果。专题论文紧紧围绕“煤炭安全高效绿色智能开采地质保障”论坛的5个主题进行报道，即：① 地质与水文地质条件勘察评价;② 隐蔽致灾地质因素精准探查;③ 矿井水害与煤岩动力灾害防治;④ 智能开采的三维地质透明化;⑤ 现代化煤矿的地质保障实践。

行业视野: 地质
类别; 151个
关键词; 162位
专家; 31篇
论文; 46574IP
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煤层气开发地质单元划分与应用实践

作者(Author)：倪小明, 王延斌, 李勇, 韩文龙, 刘度, 陶传奇, 高向东, 赵石虎

摘要：根据煤层气生产潜力，结合开发地质条件划分煤层气开发地质单元，能为开发工艺选型提供重要支撑。通过分析各项地质储层参数对煤层气开发效果的影响，建立了评价参数体系，确定出主要研究内容;归纳总结出煤储层精细描述中的各项“点”参数和“面”参数获取的一般方法，结合“多层次模糊综合评价+多参数叠加”法，提出了煤层气开发地质单元的划分方法，在鄂尔多斯盆地东缘临兴地区进行了实践应用。根据钻井、测井、压裂、排采和实验室测试等数据，建立了相关数学模型，得出了各井点8+9号煤0层的埋深、构造曲率、厚度、含气量、含气饱和度、渗透率、临储压力比、地下水流体势、煤体结构、水平主应力差、脆性指数等参数，应用克里金插值法绘制各参数的等值线图。然后，应用多层次模糊综合评价法对产气潜力进行评价，叠加气体产出条件和煤层可改造性评价结果将研究区划分为3个产气潜力区38个开发地质单元。其中，“甜点”潜力区开发地质单元10个，包括产出和开发条件均有利的I1类2个，产出有利、开发一般的I2类3个，产出有利、开发较差的I3类1个，产出和开发条件均一般的II2类3个，产出条件不利、开发条件有利的III1类1个;“一般”潜力区开发地质单元20个;“不利”潜力区共划分了8个开发地质单元。该方法可有效服务于“地质-工程-排采”一体化的煤层气开发新理念，为煤层气高效建产区建设提供有效地质支撑。

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晋城矿区煤与煤层气协调开发最优模式决策方法

作者(Author)：刘彦青, 赵灿, 李国富, 张浪, 赵学良, 李振福, 张学超, 李阳, 郭建行, 郭丁丁

摘要：为进一步提高煤矿区煤与煤层气共采效率，需要对现阶段煤与煤层气协调开发模式进行优化决策，针对该问题，以晋城矿区为研究对象，基于层次规划思想提出了“采煤工作面→采区→矿井”3层级煤与煤层气协调开发模式优化决策思路;界定了采煤工作面煤与煤层气开发3区范围，采用非线性规划数学方法构建了采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策理论;基于3区时长控制关键因素建立了3区时长控制机制，明确了特殊阶段转换临界指标;基于优化决策目标内容，采用系统分析及归纳演绎法从安全性、经济性、资源效益性3方面构建了采煤工作面煤与煤层气协调开发效果评价指标体系及评价考核标准，对寺河煤矿东五盘区5301采煤工作面的煤与煤层气协调开发效果进行定量评价应用，验证了评价指标体系具有良好的现场适用性;基于煤层气开发技术和煤层气赋存条件，采用BP神经网络算法，建立了煤层气开采量预测模型，以寺河煤矿地面垂直井和井下顺层长钻孔为煤层气开采技术代表分析论证了其现场可操作性;以3区时长控制机制为纽带、以煤与煤层气开发全生命周期资源量守恒定律为本构模型、引入煤层气开采量预测模型，构建得到以3区时长为最基本待求解变量的采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策模型，决策模型以评价指标体系和特殊阶段转换临界指标作为求解约束条件，建立了可借助计算机编程语言实现的采煤工作面煤与煤层气协调开发模式优化决策流程，具体流程为“构建所有技术方案的3区时空关系制约方程并求解→通过协调开发效果评价确定每个技术方案的最佳开发方案→从所有技术方案的最佳开发方案中优选获得最佳开发方案”。研究表明:“以煤矿区煤与煤层气赋存条件、开采技术、现场实践数据为基础数据，以非线性规划、人工智能为建模方法，以计算机编程为具体实现手段”的煤与煤层气协调开发模式优化决策方法在理论与实践方面是可行的，该优化决策方法能够为解决晋城矿区煤层气开采与煤炭开采的时空矛盾问题提供指导意见。

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煤储层天然裂隙系统对水力压裂裂缝扩展形态的影响分析

作者(Author)：吕帅锋, 王生维, 刘洪太, 李瑞, 董庆祥, 肖宇航, 申鹏磊

摘要：煤储层压裂改造过程中，天然裂隙系统对压裂裂缝的开启和延展具有重要影响。通过对沁水盆地寺河、成庄和新元煤矿21口地面煤层气井的井下精细解剖，描述并统计了天然裂隙系统和压裂裂缝形态及类型，并阐明了二者之间的作用关系。结果表明，煤储层中天然裂隙系统根据成因和规模分为层面裂隙、外生节理、气胀节理、内生裂隙、层理裂隙和微裂隙，且按照裂隙规模和导流能力将其分为4个级别。井下观测的压裂支撑裂缝主要与规模较大的一级天然层面裂隙和外生节理有关，伴生次级天然裂隙对压裂裂缝的扩展影响较小。压裂裂缝主要形态包括垂直裂缝、水平裂缝、“T”型和倒“T”型裂缝、“工”型裂缝等4种，其中，水平压裂裂缝受顶底板和煤层间层面裂隙、宏观煤岩类型间层面裂隙以及构造煤分层的控制。垂直压裂裂缝扩展方向具有选择性，受最大主应力和天然裂隙的共同作用，研究区的最大主应力方向与天然裂隙优势方位间的夹角小于临界夹角，因此垂直压裂裂缝主要沿着煤层外生节理扩展。“T”型和倒“T”型裂缝、“工”型裂缝等复合压裂裂缝形态还受到煤层结构和煤体结构等的共同制约。此外，考虑到天然裂隙对煤岩强度的影响，提出压裂裂缝启裂方向为地应力与煤岩结合力之和最小值的方向。本研究有助于提高裂缝型煤储层压裂裂缝形态识别和预测的准确率。

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煤制生物气产出规律及其同位素分馏效应

作者(Author)：简阔, 傅雪海, 李国富, 许小凯, 周丹, 茹忠亮, 王观宏, 郭晨

摘要：为了探索生物成因煤层气机理，选取低阶煤作为煤制生物气的母质，采用携带产甲烷菌的煤层矿井水为菌源，在高纯氮气环境中向500 mL产气瓶(反应瓶)中加入40 g煤样、20 mL富集后的菌种液、380 mL培养基完成接种，之后将产气瓶置于37 ℃下的振动培养箱中开展为期90 d的厌氧产气模拟实验。研究结果显示，在厌氧封闭条件下，气体产出方式以乙酸发酵为主，产气效率较慢，产气过程受环境pH值的影响较大，进入产气稳定期后(＞30 d)，pH值与校正后的产气量随产气时间延续总体呈现同步变化规律，产酸菌与产甲烷菌的数量、丰度和活性直接影响了产气环境的pH值和产气量。产出气组分以CH4和CO2为主，存在极少量的氢气，气体组成偏干，CH4和CO2含量随稳定产气时间的延长呈现明显的同步变化规律。90 d的产气过程中，δ13C1值均小于-55‰;δ13C(CO2)值介于-20.8‰~-10.7‰，平均为-16.38‰;δ13D1值介于-361‰~-332‰，平均为-348‰，可以判定产出气中CH4和CO2均为有机生物成因气;煤制生物气中CH4和CO2碳同位素组成变化的主要原因是2次重要的继承性同位素分馏效应造成的，第1次分馏作用发生在生成乙酸过程中，由于有机母质本身脂族甲基碳同位素组成偏轻，而羧基碳同位素组成偏重，这种碳同位素组成特点在生成乙酸过程中得以继承;第2次分馏作用发生在乙酸发酵生成CH4和CO2过程中，乙酸中的甲基通过加氢形成CH4，而羧基通过去氢形成CO2，造成甲基本身的轻碳同位素被分馏到CH4中，而羧基的重碳同位素被分馏到CO2中。因此总体表现出产出生物气的轻碳同位素被分馏到CH4中，而重碳同位素被分馏到CO2中，δ13C1越轻，δ13C(CO2)越重，两者呈现负相关关系;90 d的产气时间里，微生物作用时间越长，甲烷碳同位素组成越轻，具有明显的富集轻碳同位素的趋势。

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构造煤分子结构的动力损伤对瓦斯吸附的影响

作者(Author)：郭德勇, 郭晓洁

摘要：为了揭示构造应力作用对煤中芳香片层造成的动力损伤以及对瓦斯吸附的影响，采集平顶山矿区不同变形程度构造煤样品，通过高分辨透射电镜图像和拉曼光谱获取了构造煤的晶格条纹特征和结构缺陷类型，借助分子模拟对比了构造煤中分子结构缺陷的形成能量和吸附能量差异，探讨了结构缺陷的形成机制，并采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)方法模拟了瓦斯分子在不同结构缺陷上的吸附行为。结果表明，构造煤中广泛存在着边界类缺陷(SW)和多种空位状缺陷，包括单空位缺陷(SV)、双空位缺陷(DV)以及多空位缺陷(MV1和MV2)。依据缺陷的形成方式和形成能可知，脆性变形煤以SV和DV结构缺陷为主，韧性变形煤主要包含SW,MV1和MV2结构缺陷;相对于C—C键和芳香环中心，缺陷中碳原子表面具有更高电子密度，更利于瓦斯分子吸附，缺陷附近瓦斯密度分布更高。瓦斯分子在不同结构缺陷表面的吸附等温线均符合I型吸附曲线特征，不同结构缺陷对瓦斯分子的吸附能力强弱表现为:Langmuir体积(VL)符合MV1>MV2>DV>SW>SV，Langmuir压力(PL)符合SW>SV>DV>MV2>MV1。研究表明，地质构造动力作用下构造煤内部结构产生的缺陷增大了瓦斯的赋存空间。

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基于云服务的煤矿水害监测大数据智能预警平台构建

作者(Author)：乔伟, 靳德武, 王皓, 赵春虎, 段建华

摘要：针对华北型煤田煤层底板突水监测预警问题，以底板“下三带”理论为基础，开展了微震-电法耦合系统水害监测预警。在分析微震-电法耦合系统监测数据基础上，采用Flume设计数据迁移子系统，以流处理方式对监测源数据进行预处理，对关键目标数据进行采集、聚合和传输，实现了有效监测数据的实时迁移。此外，针对煤矿水害多源监测预警过程中数据规模大、数据实时处理要求高等特点，结合多源异构数据关联分析和时空属性数据分析处理需求，基于Spark和HDFS设计实现了具备TB级数据存储处理能力的煤矿水害多源监测大数据存储平台。该平台采用HDFS设计构建统一的多源时序大数据存储体系，通过MapReduce实现大数据并行处理，利用YARN实现资源的调度与管理，为海量数据存储提供支撑。平台采用Spark Streaming框架搭建了数据实时处理中心，通过流处理方式实现监测数据高速处理，并通过智能预警算法模块和远程服务接口为预警系统现场应用提供支撑。在智能预警技术方面，结合监测数据的时空属性特点，提出了基于深度学习时空序列预测方法——长短时记忆循环网络智能预警模型的底板突水模型预警技术。该预警技术基于LSTM方法，以“下三带”理论为基准对模型进行初始化，形成初始预警判据;将电法、微震监测数据作为输入变量，实际涌(突)水事件作为干预输出量，对智能预警模型进行半监督分类学习训练，形成动态化、参数最优的模型预警准则，将监测数据动态划分为4个预警等级，从而实现了水害智能动态预警和数据可视化表达。在冀中能源葛泉矿东井的实际应用中发现，该平台能够基本达到预期目标。

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透明工作面多属性动态建模技术

作者(Author)：刘再斌, 刘文明, 陆自清, 李鹏, 韩保山, 李明星, 陈宝辉

摘要：为满足煤矿智能化开采对高精度地质模型的需求，提出透明工作面多属性动态建模方法，探讨了工作面综合探测多源异构数据特征、多属性数据融合算法、动态可视化建模技术，并进行实例应用。利用综合探测技术对工作面进行逐级综合探测，可在不同阶段获得多属性、多维度和多精度的多源异构探测数据，按照数据产生的阶段和频度，将多源异构探测数据划分为静态、动态和实时数据;通过数据配准实现多源异构探测数据量纲和尺度统一;通过交叉验证实现多源异构探测数据相互验证和补充;通过井震、震电和多参数联合反演，实现煤层厚度、地层波速、电阻率及其他属性参数预测;利用局部搜索、内插和网格化等动态可视化建模技术，实现模型的局部快速更新;采用局部渲染和CUDA实时绘制技术，实现模型高效渲染和实时呈现。结果表明:多属性融合能够将多源异构探测数据统一到同一地质空间中，交叉验证可提高探测数据解释精度，联合反演可实现多源异构探测数据多属性融合，提高探测数据空间分辨率并丰富属性信息;动态可视化建模以静态数据和工作面精细探测动态数据构建的初始工作面地质模型为基础，融合回采过程中获取的动态探测数据和实时数据，可实现回采工作面前方煤层顶底板和构造等信息快速局部更新和可视化，模型精度逐步得到提高，推采前方逐步地质透明化。透明工作面动态建模技术以采前、采中产生的多源异构数据为基础，与开采系统循环互馈，可为智能工作面开采提供高精度地质导航。

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