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“中国煤炭学会成立60周年”特刊

来源：《煤炭学报》2022年第1期

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

行业视野: 高端智库
类别; 223个
关键词; 253位
专家; 45篇
论文; 58765IP
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煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

作者(Author)：许江, 程亮, 彭守建, 周斌, 魏仁忠, 杨海林, 李奇贤

摘要：为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征，基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果，结合气体动力学理论，建立冲击气流的形成及其运移模型，并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析。结果表明：煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象，说明能量的释放是分阶段完成的；煤层应力的变化主要集中在卸压区、应力集中区和过渡区，其中，最大主应力的下降量和下降百分比皆高于最小主应力；当煤层瓦斯压力为2.0 MPa时，巷道内冲击气流速度可超过300 m/s，煤粉流速度受气体曳力带动可达70 m/s；冲击气流速度远大于煤粉流速度，存在气流先行煤粉滞后的现象，由此将煤与瓦斯突出过程划分为单相气流阶段和煤-瓦斯两相流阶段；巷道断面冲击力呈现出不均匀的分布特征，其部分区域出现了冲击力陡增现象；随距离的增加，强冲击力有从断面中心向外部扩展的趋势；冲击气流的流动状态与煤层瓦斯压力、突出孔洞形貌特征有直接关联；冲击气流呈射流状，在射流中会周期性地出现膨胀波区和压缩波区，同时，射流截面会出现周期性的先扩大后缩小现象，从而导致射流边界上下起伏呈波纹状；在冲击气流运移过程中通过其速度演化可划分出高速射流区、平稳运移区和回流区，回流区内存在旋涡；冲击气流受膨胀-压缩波系的影响分别会在巷道内形成楔形真空区和锥形压缩区，其静压分别处于负压状态和正压状态。

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改性高岭土抑爆剂对瓦斯煤尘复合爆炸压力的影响

作者(Author)：余明高, 贺涛, 李海涛, 郑凯

摘要：瓦斯煤尘复合爆炸严重影响了煤矿的安全生产，造成了大量的生产损失与人员伤亡。研发能应用在煤矿中高湿低温等复杂环境中的抑爆剂成为了研究的难点与热点。为研发出新型改性高岭土瓦斯煤尘抑爆剂，通过插层改性的方法制备了3种改性高岭土抑爆剂，采用热重分析、扫描电镜和红外光谱分析对样品的热稳定性、表面结构以及官能团变化进行了研究。选用重庆南桐煤样，通过标准筛对煤样进行筛分，通过粒径扫描与扫描电镜观测了煤粉的粒径分布与表面形貌。使用20 L球型爆炸系统对抑制剂抑制瓦斯煤尘爆炸的特性进行了研究，探究改性后高岭土对爆炸最大压力、最大压力上升速率及爆炸峰值时间等爆炸特征参数的影响；基于粉体表征结果及抑爆数据对改性高岭土抑制作用下的瓦斯煤尘爆炸的抑爆机理进行了分析。结果表明：改性高岭土抑爆剂兼具高岭土及插层粒子的双重抑爆效果，改善了高岭土的团聚现象，同时氨基磺酸铵粒子提升了高岭土的热解与抑爆性能。对瓦斯煤尘复合爆炸的抑制性能明显优于改性前粉体，且抑爆效果随着抑制剂质量浓度增加而增大，存在临界质量浓度，试验表明，当改性高岭土与煤尘比例为2∶3，且质量浓度为0.175 g/L时，最大爆炸压力的降幅达到了32.6%，爆炸峰值时间延缓了0.45 s，展现出最佳的抑爆效果。

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鄂尔多斯盆地巨厚白垩系下煤层开采突泥溃砂物源及成灾模式

作者(Author)：李文平, 朱厅恩, 王启庆, 杨玉茹, 杨志

摘要：鄂尔多斯盆地是我国煤炭储量最大、煤质优良的富煤区，盆地腹部为厚度达数百米至上千米的巨厚白垩系含水砂岩层覆盖。近年来，随着盆地周边煤炭开采逐渐向腹地延伸，巨厚白垩系覆盖区侏罗系煤炭开采的一些矿井，发生了严重的突泥溃砂事故，给煤炭安全开采造成严重威胁。通过地质理论分析和区域露头地质调查，认为白垩系底部与中侏罗系顶部接触带(K1/J2)存在古风化壳，具备突泥溃砂的地质组成条件。进一步测试分析了古风化壳岩体结构、物质组成、粒度组成、水理性质，进行了点荷载强度试验和原位大型剪切试验；表明古风化壳岩性以泥质砂岩、泥岩为主，岩体结构在垂向上具有全风化土壤层、强风化碎石层、中-弱风化裂隙块石层的分带特征，天然状态下粒度组成以角砾为主，浸水后泥砂颗粒含量明显增大，遇水存在不同程度的泥化、崩解、碎裂性质，总体属于含泥砂量较高的软弱破碎岩体，岩体强度较低，整体性质与松散泥质砂性土类似，是区域上白垩系覆盖区煤炭开采突泥溃砂的主要物质来源。分析了K1/J2古风化壳下采动突泥溃砂的综合水文工程地质条件，给出了隐伏古风化壳识别方法，提出了K1/J2古风化壳下采动突泥溃砂灾害评价工程地质模型。

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中国煤系气大产业建设战略价值与战略选择

作者(Author)：秦勇, 申建, 史锐

摘要：我国煤系气资源十分丰富，但产业历经30余年建设，2020年地面井产量只占全国天然气总产量的3.07％，发展规模不尽如人意。面向这一困局，中国工程院发起组织了煤层气有效开发建设大产业的战略研讨。笔者借此契机，放眼更为宽广领域，将煤系其他类型天然气一并考虑，在定义煤系气大产业基础上，论证我国建设煤系气大产业的战略价值和可能性，思考目前面临的困难和挑战，提出了突破困局的技术战略选择与保障条件完善建议。类比美国煤层气产业发展历程，认为煤系气大产业形成标志在于2个方面：一是年产量>300亿m3；二是对全国天然气年总产量贡献>4.5％。建设煤系气大产业具有三大战略价值：① 煤系气大产业是国家天然气安全保障基石之一；② 煤系气有效开发将持续助力我国主体能源产业健康发展；③ 煤系气规模性代煤将助力国家“双碳”目标得以实现。我国具有建设煤系气大产业的可行基础，包括强大的国家需求驱动、雄厚的资源基础、扎实的产业布局以及宽广的科技储备4个方面。我国实现煤系气有效开发进而建设大产业仍然面临5方面困难和挑战，即：业内外对煤层气产业发展缺乏耐心，单井产量倍增目标总体上仍未实现，对煤层气探明储量动用率关注不够，新领域新方向探索力度不足，不同类型煤系气矿业权单置。分析认为，发展适用性技术是高效低成本开发我国不同地质条件煤系气资源的惟一途径，机制创新是产业快速发展的保障基础。建议针对5个方面关键技术持续攻关，包括煤矿井下瓦斯低成本高效抽采、老区煤层气井改造与增储提产、深部煤系气优质储层评价与开发、薄互层煤系气勘探与有序开发以及煤炭地下气化-煤系气联采。认为保障条件建设的关键在于2个方面：一是持续组织实施煤系气国家科技重大计划，助推大产业尽快形成；二是先行先试煤系气矿业权合一，激励煤系气资源潜力最大限度释放。

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高煤阶煤层气富集机理的深化研究

作者(Author)：桑树勋, 韩思杰, 刘世奇, 周效志, 李梦溪, 胡秋嘉, 张聪

摘要：高煤阶煤层气资源相对丰富是中国煤层气资源的重要禀赋之一，实现高煤阶煤层气大规模商业化开发突破是中国煤层气产业的世界贡献。以沁水盆地为代表的高煤阶煤层气生产基地是目前中国煤层气产量的主体来源，基于沁水盆地等高煤阶煤层气勘探开发工程实践数据和大量研究工作积累，开展了高煤阶煤层气富集机理的系统深化研究。研究工作表明：区域岩浆热变质作用成因高阶煤是高煤阶煤层气富集的基本地质背景，沁水盆地南部(晋城)、鄂尔多斯盆地东南缘(韩城—延川南)、沁水盆地北端(寿阳—阳泉)、黔北—川南(织金—筠连)等中国高煤阶煤层气富集区煤储层均以区域岩浆热变质成因为主；高煤阶煤层气富集规律是煤层含气量和渗透率在不同埋深和构造条件下耦合配置的结果，在沁水盆地高煤阶煤层气向斜富集模式、褶曲翼部斜坡带富集模式、构造高位富集模式分别对应于煤层埋深约500 m以浅、500～800 m埋深、约800 m以深；决定高阶煤储层渗透率的主控地质因素构成高煤阶煤层气富集关键主控地质因素，主要为煤层埋深、地质构造(含构造应力场)、煤体结构等；煤层渗透率随埋深呈负指数关系减小，煤层拉张裂隙发育且与现今最大主应力方向一致的构造部位煤层渗透率高，不同煤体结构高阶煤中碎裂煤渗透率最高；埋深、地质构造、煤体结构等关键主控地质因素通过煤储层地应力变化、裂隙发育与应变破坏等方式控制高阶煤储层渗透性，这是高煤阶煤层气富集的主要机理，在地应力场作用下煤岩应变破坏过程对煤层中裂隙发育的自然改造作用是高阶煤储层原始渗透率变化的根本原因。

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煤矿巷道快速掘进的“长掘长探”技术

作者(Author)：程建远, 陆自清, 蒋必辞, 李鹏, 王盼

摘要：煤矿巷道掘进效率低是造成采掘失调的主要原因，而掘进巷道超前探测距离短、精度低，且与巷道掘进存在施工时间、作业空间和探测环境上的矛盾，是导致掘进效率偏低的地质因素，常规的“短掘短探”技术已经不能适应巷道快速掘进对长距离、高精度地质超前探测的技术需求。“长掘长探”的工作模式是以煤矿井下千米定向钻机施工的主孔与分支孔为基础，实现对掘进巷道前方煤层赋存形态、隐蔽致灾地质因素的长距离探查；在定向长钻孔中采用钻孔瞬变电磁、钻孔地质雷达和方位自然伽马等孔中物探新技术，对钻孔径向30 m范围的地质构造、富水异常区进行探测，满足了快速掘进巷道前方长距离、高精度、全方位构造探测和隐患排查的地质需求。工程实践表明：基于“定向长钻孔+孔中物探”的“长掘长探”技术，实现了沿掘进巷道方向的“长距离”探测、巷道周围近距离高精度探测，为巷道安全、快速掘进提供了地质依据；同时，“长掘长探”技术能够满足井下探放水防治水细则的要求，解决了超前探测与快速掘进在施工时间、作业空间和探测环境上的冲突，有助于提高巷道快速掘进的有效时间，具有较好的技术适应性和推广价值，将为今后煤矿巷道快速掘进的高精度长距离超前探测提供可靠的地质保障。

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基于IABC-ICA的随掘地震去噪方法

作者(Author)：程久龙, 程鹏, 李亚豪

摘要：随掘地震是利用掘进机切割岩石产生的振动作为震源来进行探测，具有安全、简便、高效等优点，但随掘地震探测所采集的地震记录中波组成分复杂，有效信号能量弱，且被掘进机工作时产生的强噪声干扰，信噪比极低，去噪难度大，需要对随掘地震记录去噪方法进行研究。通过改进人工蜂群（IABC）算法搜索策略，提高了人工蜂群算法的收敛速度和收敛精度，将改进人工蜂群算法作为独立分量分析（ICA）方法的优化算法，提高独立分量分析方法的信噪分离效果。建立随掘地震超前探测地质-地球物理模型，给定加噪的变频变幅连续信号作为随掘地震震源子波，采用有限差分法进行数值模拟，得到随掘地震的地震记录，并在仿真地震记录中加入随机噪声；采用基于改进人工蜂群的独立分量分析方法（IABC-ICA）进行噪声与有效信号的分离，在此基础上利用互相关和脉冲反褶积方法进行压缩子波处理，得到与采用雷克子波震源模拟地震记录一致的波场特征，验证了该方法的去噪效果。结合现场试验的实测数据，进行IABC-ICA去噪、互相关、反褶积等处理，从信噪比较低的实际地震记录中提取了有效波信号。研究表明：基于改进人工蜂群的独立分量分析方法能够较好地分离随掘地震记录中的有效信号和干扰噪声信号，改善随掘地震有效信号的提取质量。

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煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制及研究进展

作者(Author)：孙亚军, 张莉, 徐智敏, 陈歌, 赵先鸣, 李鑫, 高雅婷, 张尚国, 朱璐璐

摘要：煤矿开采必然产生大量矿井水，并可能引发水环境污染问题，研究并揭示矿井水的水质形成与演化机理，是煤矿区水污染防控的理论基础。矿井水的水质形成及演化过程非常复杂，受水动力场、水化学场、微生物场和温度场多场作用控制。通过矿井水水质形成的多场作用研究和文献调研，界定了煤矿区矿井水污染场地的研究范围，提出了我国矿井水水质形成的“三带”模型，以传统矿井水害形成的水文地质结构模型为基础，提出并阐明了华北型、西北—东北型、南方型3种典型矿井水水质形成的水文地质结构模式及主控因素；划分并阐明了矿井水水质形成的水动力场的演化阶段及作用过程，包括采前自然平衡、开采强烈扰动和闭坑后再平衡3个阶段；厘清了矿井水水质形成的水化学场控制因素，包括地下水原生化学背景、物源特征及主要化学作用、矿井水水质的总体特征及演化趋势等；提出并阐明了矿井水水质形成的微生物作用机制，论述了矿井水中微生物群落的分布特征、矿井水水质演化以及矿井水污染负荷减量的微生物作用过程；阐明了矿井水水质演化的温度场作用过程，分别探讨了矿区的原生温度场、采动温度场特征及其对矿井水水质演化的影响。在上述基础上，总体阐明了煤矿区矿井水水质形成与演化的多场作用机制，提出了多场耦合作用等问题的研究展望。

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