《煤炭学报》2021年“新锐科学家”特刊_中国煤炭行业知识服务平台

《煤炭学报》2021年“新锐科学家”特刊

来源：《煤炭学报》

为全面展示我国煤炭行业青年学者的最新原创科技成果，鼓励我国煤炭行业青年科学家把更多的代表性科研成果发表在祖国大地上，助力青年科学家成长成才，《煤炭学报》编辑部于2021年第2期组织策划了“新锐科学家”特刊，专题稿件覆盖煤炭安全绿色开采、智能矿山建设、煤炭清洁高效利用等方向。

行业视野: 煤炭学报
类别; 159个
关键词; 167位
专家; 32篇
论文; 40030IP
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煤矿顶板离层水害形成机制、致灾机理及防治技术

作者(Author)：乔伟, 王志文, 李文平, 吕玉广, 李连刚, 黄阳, 贺江辉, 李小琴, 赵世隆, 刘梦楠

摘要：顶板离层水害对煤炭生产的威胁日益增大，近年来成为矿井水害防治的研究热点。系统整理和归纳了国内外关于煤矿离层水害的研究进展，从煤矿离层水的形成机制、致灾机理、水害预测预警及关键防治技术4个方面，对煤层覆岩离层水害问题进行阐述。综述了采动覆岩离层研究及覆岩离层水形成机理，将煤层覆岩离层水的形成归纳为3个基本条件：可积水离层、离层周边存在补给水源、离层空间持续时间足够长。根据开采条件、覆岩的工程地质条件、导水通道形成原因与突水特点，从多煤层叠加开采下的重复扰动出水、多煤层叠加开采下动力出水、单煤层开采下的静水压涌出水及侏罗系煤田离层水害形成机制4个方面阐述离层水害致灾机理；重点分析了侏罗系煤田3种典型的离层突水形成机制：崔木、招贤高位离层水害形成机制、新上海一号间歇式离层突水形成机制、携泥砂型离层水害；根据能量源和表现特征将离层水害归为三大类：离层动力突水、离层静水压涌突水以及离层携泥砂井下泥石流。从可积水离层位置预判、离层突水周期性预测及离层涌突水水量预测3个方面总结了覆岩离层水害预测方面的研究进展。分析介绍了目前主要的离层水害防治方法，结合目前离层水害较为严重的鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田，分析了鄂尔多斯盆地侏罗纪煤田离层水害防治的难点：高位离层突水出现的强矿压问题以及离层水害引发的溃砂问题。提出离层水害防治未来的发展与研究方向：开展离层水害采前精准预测分区研究；发展钻探、地球物理探测等勘察技术使覆岩破坏从“灰箱”变为“白箱”；发展离层水害综合防控技术体系。

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2021年第02期

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陕北榆神矿区煤层开采顶板涌水规律分析

作者(Author)：赵春虎, 靳德武, 李智学, 申小龙, 王皓, 王世东, 许峰, 王强民

摘要：榆神矿区是我国陕北煤炭基地的重要组成部分，针对榆神矿区煤层开采顶板覆岩含水层涌水规律研究不足等问题，通过系统分析地质与水文地质结构特征，将矿区开采煤层覆岩划分为松散孔隙、基岩与风化裂隙、烧变岩孔洞裂隙4个含水层组，以及主、亚2个隔水保护层组;根据煤层采动导水裂隙与覆岩含(隔)水层组不同组合关系下的含水层涌水特征，提出了浅埋煤层侧向直接涌水、中深煤层侧向与垂向复合涌水，以及深埋煤层侧向涌水与垂向弱涌水3种含水层涌水模式;并采用数值分析方法，以榆神矿区典型矿井为研究对象，构建了采煤工作面尺度上煤层开采3种模式涌水分析模型，模拟结果显示，浅埋煤层侧向直接涌水型(凉水井井田)，主采煤层为4-2煤层，采动导水裂隙直接发育至松散含水层，工作面顶部含水层被疏干，总涌水量为47 m3/h，地下水流场受采动影响大;深埋煤层侧向涌水与垂向微涌水型(小壕兔1号井田)，主采煤层为1-2煤层，采动导水裂隙发育至基岩含水层，总涌水量为21.87 m3/h，以侧向涌水为主，由于主、亚隔水层复合保护，垂向涌水微弱;中深煤层侧向与垂向复合涌水型(曹家滩井田)，主采煤层为2-2煤层(均厚约为11 m)，在分层开采条件下导水裂隙发育至基岩含水层内部，其侧向涌水量为23.17 m3/h，垂向涌水量为12.67 m3/h，地表松散含水层地下水流场变化较小，在一次采全高条件下导水裂隙突破亚隔水层，发育至风化基岩含水层底部，总涌水量增至131 m3/h，对松散含水层影响较大。此外，当导水裂隙带高度小于180 m、不能沟通风化基岩含水层时，随导水裂隙带高度增加涌水量增加幅度不大，当导水裂隙带高度大于180 m、导水裂隙揭露富水性较好的风化基岩含水层时，涌水量增加幅度较大，由此可见，抑制导水裂隙发育高度与覆岩强含水层的接触关系，是控制煤层覆岩涌水的一项重要措施。

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沁水盆地南部无烟煤大分子结构模型及其含甲烷力学性质

作者(Author)：张彬, 曾凡桂, 王德璋, 康官先, 张晓雨, 康天合

摘要：受地质因素影响的煤体结构能够影响煤层气井的产气能力，且在实际地质条件下，煤储层往往含有甲烷，使得含甲烷煤体的力学性质与储层压裂改造的效果密切相关。通过工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13C-NMR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段测试和分析了山西沁水盆地寺河矿无烟煤的元素组成、原子比和官能团类型与分布等分子结构特征，构建了其大分子结构模型，模型的碳含量和密度与实测值具有较好的一致性。采用蒙特卡洛法模拟计算了甲烷在无烟煤中的吸附量、吸附位和吸附热，得到了甲烷在无烟煤中的吸附构型。结果表明:甲烷在无烟煤中的饱和吸附量为22.4个/晶胞，Langmuir压力为1.12 MPa，无烟煤模型中的芳香碳、吡啶型氮和吡咯型氮以及羧基是甲烷分子主要吸附位，等温吸附热随吸附压力的升高呈对数下降，说明甲烷在低压力时率先占据无烟煤表面的高能吸附位;甲烷在无烟煤中的吸附热介于22.65 ~25 kJ/mol，远小于42 kJ/mol，属于物理吸附。采用分子动力学方法对无烟煤的含气力学性质进行了模拟，定量研究了含气量对无烟煤的体积模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比的影响。结果表明，无烟煤的体积模量、杨氏模量和剪切模量等随着含气量的增大呈对数规律降低，而泊松比随吸附量的增大呈线性增大;与不含甲烷的无烟煤相比，体积模量、杨氏模量和剪切模量最高降低了38.5%,24.4%和27.1%，表明吸附甲烷能够显著降低无烟煤的力学强度，其机理为无烟煤的体积和膨胀率随吸附量的增加呈指数增大，使得无烟煤基质之间的相互作用力降低，进而导致无烟煤的强度降低，抵抗变形的能力减弱。无烟煤的范德华能在吸附甲烷的过程中降幅最大，说明范德华能是保持煤体结构和力学性质稳定的主导因素。

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无烟煤中甲烷和二氧化碳混合气吸附运移规律

作者(Author)：张松航, 张守仁, 唐书恒, 信迪, 刘冰

摘要：煤中CH4和CO2的运移和竞争吸附，是煤中CO2封存和提高煤层气采收率(CO2-ECBM)项目注入优化设计、注入驱替效果评价的重要依据。针对沁水盆地南部3个高阶煤样品开展了煤岩煤质、孔隙结构测试(低温液氮和二氧化碳吸附实验)和纯甲烷、二氧化碳及其混合气(体积分数75%C4+25%CO2,50%CH4+50%CO2,25%CH4+75%CO2)吸附试验。基于混合气吸附相密度计算，分析了煤中混合气吸附的绝对吸附量和气体分离因子随压力的变化规律;同时采用双孔隙扩散模型计算了吸附实验中每个压力段气体的等效扩散系数和大孔扩散占比;最后研究了煤岩煤质和孔隙结构对煤中CH4,CO2吸附运移和竞争吸附作用的影响。结果表明:① 煤中超微孔比表面积较低温氮比表面积高1~2个数量级，是煤岩吸附的主要场所;② 高阶煤气体吸附分离因子(S(CO2-CH4))随平衡压力和气体组分摩尔分数于3~20变化，一般随压力的升高而下降，与煤中微、小孔发育正相关;③ 双孔扩散模型可以较好的描述混合气体的扩散过程，总体上受基质膨胀效应影响煤样的大孔等效扩散率随压力升高呈幂函数降低，且在相同压力下，大孔等效扩散率随二氧化碳体积分数增加而增高。煤样的小孔等效扩散率与气体体积分数和压力关系不明显，大孔扩散占比随压力升高呈“V”型变化。项目成果有助于深入理解甲烷和二氧化碳的吸附解吸过程。

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CO2集中力源的地震波场特征及应用

作者(Author)：王勃, 孙华超, 李兴兴, 邢世雨, 丁昕

摘要：CO2震源通过调节泄压头的出气口控制激发方向，实现集中力源的定向激发，克服了传统震源激发方向不可控的难题，然而CO2集中力源在煤层中激发的三维波场特征尚未揭示。基于此，笔者通过三维数值模拟、物理分析、现场试验对CO2集中力源进行研究，结果表明:不同集中力源在煤层中激发的地震波场差异显著，通过力学机制分析了均匀模型及煤-岩-煤模型X方向集中力源下多分量不同方向纵波、横波及槽波振幅差异特性，研究了煤层界面对地震波传播的影响机制，进一步解释了煤层内部激发X方向集中力源加载下体波、槽波的波场特征和传播机理。研究发现X方向集中力源在X分量中沿着震源位置的Y方向槽波振幅最强，Y方向集中力源在Y分量中沿着震源位置的X方向槽波振幅最强，Z方向集中力源的Z分量槽波振幅强。因此，X方向集中力源适合回采工作面Love型槽波透射探测，Y方向集中力源适合掘进工作面Love型槽波超前探测，Z方向集中力源适合Rayleigh型槽波勘探。利用X方向集中力源进行了面内透射试验，对多组CO2集中力源激发多道接收的地震记录进行了槽波能量衰减成像，探钻对比结果验证了CO2集中力源地震成像结果的可靠性。下一步重点围绕CO2震源多类型激发条件下的多波多分量地震波场特征开展研究。

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黏弹TI煤层介质3层模型Love槽波频散与衰减特征

作者(Author)：姬广忠, 吴荣新, 张平松, 郭立全, 胡泽安, 焦文杰

摘要：煤层是典型的黏弹各向异性介质，将黏弹性和各向异性两种性质结合起来的槽波研究较少。以弱各向异性煤层为研究对象，应用Thomsen等效介质理论，采用Kelvin-Voigt黏弹性模型，研究了黏弹TI(Transverse Isotropy)介质3层水平层状模型Love槽波频散与衰减特征;推导了3层水平介质的Love槽波频散方程解，可以计算品质因子随频率变化的情况;分析了各向异性参数γ、煤层横波品质因子Qs值变化及煤层Qs随频率变化对Love槽波频散、品质因子和衰减曲线的影响;模拟了煤层Qs=10和Qs=20时三维槽波波场传播过程。得到：TI介质和各向同性介质的槽波品质因子和衰减系数基阶曲线差别小，各向异性参数γ对Love槽波品质因子和衰减系数影响较小;煤层Qs对Love槽波频散曲线影响很小，主要影响槽波品质因子和衰减系数曲线，煤层Qs=10时槽波衰减系数值比Qs=20和30时大很多;目前煤层Qs在0~1 000 Hz内是否随频率变化尚无定论，假设煤层Qs随频率线性减小，各阶槽波品质因子曲线低频部分差异很小，高频部分差异变大，当Qs减小到10时，槽波衰减系数随频率增长很快;对于三维槽波波场，煤层Qs=20时透射Love槽波和基阶Rayleigh槽波能量较强，而Qs=10时这些波衰减很快，对面巷道接收不到，说明实际工程中接收不到这些波的原因很大可能是煤层Qs很小;针对实际工作面探测中接收不到Love槽波和基阶Rayleigh槽波的情况，可以利用速度较高、衰减相对较小的高阶Rayleigh槽波探测。

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基于钻孔TEM智能立体成像的快速掘进超前探测方法

作者(Author)：范涛, 张幼振, 赵睿, 刘磊, 刘耀波, 李博凡, 李宇腾, 田小超, 蒋必辞

摘要：采掘失调是煤矿安全生产的重大隐患之一，巷道快速掘进是保障采掘平衡的重要手段，矿井地球物理超前探测有效距离短，探测精度受井下复杂环境影响严重，制约巷道掘进速度，为解决探掘接续紧张矛盾，提出一种利用掘进工作面前方500 m长度定向钻孔开展探测工作的钻孔瞬变电磁探测方法，该方法可实现超长距离水害超前探测。在以钻孔钻进方向为Z轴正方向，以孔口所在平面右向为X轴正方向，下向为Y轴正方向的坐标系下，钻孔瞬变电磁水平分量异常响应形态均为“正弦曲线”或“反向正弦曲线”形态，通过形态组合判定出孔旁异常体所在象限，结合由水平分量异常场矢量合成得到的异常体中心偏转角度计算了异常体中心XOY平面旋转角。在此基础上，视每一个由垂直分量反演得到的电阻率为独立异常体，基于深度计算系数与电阻率的关系曲线推导出深度-电阻率与采样时间的映射关系，实现了电阻率与测点测道的一一对应，进一步采用K-means聚类算法智能定位其分布象限，计算了其XOY平面旋转角，再以定向钻孔轨迹为旋转轴，以测点所在孔位的倾角和方位角为旋转角进行坐标空间旋转，实现了非直钻孔径向的电阻率立体成像。计算了三维数值模拟和水槽物理模拟结果，对钻孔径向的异常体均取得了良好的立体成像效果。结合山西某煤矿井下的工程实践，对该方法远距离超前探测能力和精细立体解释掘进工作面前方地质异常体的性质、形态和规模的实用性和有效性进行了检验。研究表明:基于聚类的钻孔瞬变电磁立体成像方法是地球物理与机器学习的有机结合，该方法能够为井下掘进工作面隐伏水害超前探测精细解释提供技术支撑，此外，在掘进前开展定向钻孔中的长距离瞬变电磁水害立体超前探测，可有效保障巷道高效快速掘进。

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高变质煤HRTEM图像中芳香晶格条纹的MASK R-CNN识别

作者(Author)：王绍清, 常方哲, 陈昊, 王小令, 李雪琦

摘要：近年来，人工智能的兴起推动了我国煤炭行业在绿色环保、智能生产等方面的发展。针对芳香晶格条纹识别过程中存在的解译慢、周期长和误判率高等问题，提出了一种基于MASK R-CNN的智能提取方法。该智能提取方法通过调整特征参数和优化网络结构，对条纹特征的识别算法进行改进:① 跳过前期预处理过程，以端到端的模式进行芳香晶格条纹的特征提取训练，实现从原始HRTEM中自动识别芳香晶格条纹的功能;② 突破常规神经网络提取目标物外轮廓的思维桎梏，实现对线要素的快速准确分割。以人工解译结果为标准，通过智能提取结果和传统提取结果在精度评价、识别效果和参数提取等方面的对比，验证该智能提取方法的有效性。结果表明，在识别精度方面，智能提取方法的准确率、精准率、召回率和交并比的数值为91.2%，85.2%，83.4%和72.9%，分别高于传统提取方法的89.9%，62.1%，75.4%和51.6%;在识别效果方面，智能提取方法对细节的处理更加智能，提取的线条连贯性和平滑性更好，同时噪音更少;在长度和取向等参数的统计分析方面，智能提取结果与人工解译结果在取向和长度分布图上的匹配度更高。综上所述，该智能提取方法通过MASK R-CNN进行芳香晶格条纹的自动识别，降低工作成本，提高工作效率，为煤大分子结构研究提供更快捷可靠的数据支持。

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