《煤炭学报》2019年度影响力优秀学术论文_中国煤炭行业知识服务平台

《煤炭学报》2019年度影响力优秀学术论文

为繁荣煤炭科技事业，活跃学术气氛，发现优秀人才，鼓励广大煤炭科技工作者把代表性学术成果发表在祖国大地上，本刊编辑部根据《<煤炭学报>年度影响力优秀学术论文评选办法》，组织实施了《煤炭学报》2019年度影响力优秀学术论文评选活动。共有30篇论文入选。

行业视野: 煤炭学报
类别; 140个
关键词; 117位
专家; 29篇
论文; 51615IP
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华北型煤田奥灰顶部利用与改造判别准则及底板破坏深度

作者(Author)：董书宁, 王皓, 张文忠

摘要：随着我国华北型煤田开采深度逐年增加，大部分矿井已面临由上组煤转向深部及下组煤开采阶段，奥陶纪灰岩岩溶水害威胁呈上升趋势，底板突水危险逐年增加，而目前规范和规程中的底板突水系数法虽然应用较广泛，但并未充分考虑到奥灰顶部实际阻水能力，其评价方法存在一定的局限性。在现有奥灰顶部地质及水文地质条件认识的基础上，提出了部分矿区奥灰顶部存在阻水性能较好的风化充填带可作为隔水层利用的理念，将煤系隔水层厚度、风化充填带厚度、注浆改造段厚度和底板扰动破坏深度视为底板突水系数判别式的影响因素，建立了改造奥灰顶部岩层段厚度的判别准则，论述了底板破坏深度在判别准则中的重要性，并以韩城矿区桑树坪煤矿11号煤层3105工作面开采为典型案例，通过构建的17组数值模拟方案，分析得出了煤层开采深度对底板扰动破坏深度影响最大、开采厚度最小、开采宽度则存在尺寸效应等结论;同时将模拟数据与全国相似矿区实测样本结合，给出了采深、采宽和采高3因素影响的预测模型，并对其进行了验算和适用性分析，结果表明新模型拟合方程的误差均值、百分比、方差和均方差均优于统计公式，具有预测精度高、误差小、适用性广等特点，基本满足工程实际需要。其研究成果可用于奥灰顶部含水段的注浆改造实际工程中，对深部下组煤安全带压开采提供有利的技术保障。

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煤炭学报

2019年第07期

1386

429
打造我国主体能源(煤炭)升级版面临的主要问题与对策探讨

作者(Author)：武强, 涂坤, 曾一凡, 刘守强

摘要：我国“相对富煤、贫油、少气、缺铀”的能源禀赋特征决定了煤炭资源作为我国主体能源的地位在短期内不会改变;同时，相对丰富的煤炭资源仍然是我国目前稳定供应最有保障、成本可接受的优势能源矿产，抛弃以煤为主的现实能源选择去解决中国的能源问题，是本末倒置，是不现实、不科学、不明智的，应该有清醒的认识;可以说，煤炭产业虽然不是“朝阳产业”，但短期内也决不会变成“夕阳产业”。但是，应该看到煤炭资源在过去的地质勘查、开发和消费利用全生命周期过程中带来了环境污染、生态损害、资源浪费、超高排放等诸多问题。因而，在新时代我国煤炭工业的发展必将发生重大变革，以科学化、安全化、生态化、高效化、标准化、数字化、和谐化和智能化等为特征的科学勘查和开发及清洁化、低碳化的消费利用方式，将是实现我国煤炭工业可持续发展的必由之路。针对我国煤炭工业面临的挑战和机遇，分析了煤炭资源从地质勘查到开发和利用全生命周期过程中的现状与存在问题，制定了打造我国主体能源(煤炭)升级版的战略思路，提出了在实现我国主体能源(煤炭)升级版过程中面临的十一大关键科技难题，即:煤炭资源在地质勘查过程中的综合协调、绿色、深部、智慧难题和开发过程中的绿色化、安全、采出率、职业健康、高效益难题以及消费利用过程中的清洁化和低碳化难题，并探讨性地提出了相应的解决对策措施，对推动我国从煤炭生产大国转变为煤炭工业强国的转型升级、破解我国目前经济社会发展与生态环境保护之间的尖锐矛盾，具有指导意义和实用价值。

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煤炭学报

2019年第06期

2995

891
煤炭深部开采界定及采动响应分析

作者(Author)：张建民, 李全生, 张勇, 曹志国, 王新中

摘要：科学界定深部是深部开采理论发展与技术实践的重要问题，探讨适于我国煤炭现代开采实践的深部开采界定方法具有重要意义。为此，综合考虑我国煤矿矿区深部岩石、地下水环境和现代开采方式，将区域应力场与采动应力场分析相结合，基于我国地壳浅部、煤矿矿区深部准静水应力状态分析，进一步研究我国煤矿矿区的深部界定、基于不同矿区煤岩状态(岩性及组合、含水性等)差异的相对深部界定和开采时动态深部区确定方法。研究表明，原岩初始状态和开采方式共同决定了采动力学状态及变化规律和其他伴生状态变化。基于深部与浅部的力学状态差异，将深部开采界定为在高地应力环境且具有采动非线性力学响应的煤岩体空间实施的采矿活动;依据我国煤矿矿区应力场统计变化规律和准静水应力状态分析，采用平均侧压系数Kav(即:水平最大主应力和最小主应力的平均值与垂直应力之比)确定煤矿矿区深部临界深度，结合我国中东部深部开采实践确定的参考深部临界深度Hm≈850~900 m;基于不同矿区原岩差异性(岩性及组合、含水性等)，建立了不同初始状态时实际深部临界深度Hs(简称为视临界深度)与Hm比较模型，分析发现采动煤层覆岩越软和含水性越强，其深部临界深度越浅(或“趋浅”)，降低幅度可达30%~50%;基于开采“应力拱”现象构建了深部采动应力状态Kav模型和Hs计算方法，采动响应分析表明:开采工作面切眼外侧及采场前端局部Hs呈变浅→变深→正常的变化特征(或“端部效应”)，工作面中部区域呈变浅趋势(或“趋浅”)，采高越大其Hs“趋浅”效应越显著，而随工作面推进距离增加端部效应变小;东、中、西部典型矿区Hs与Hm比较表明:东部矿区Hs偏深，中部矿区深度相近，西部(陕、蒙等)地下水丰富的矿区偏浅，在500~600 m即可达到实际深部临界深度，采深400~500 m时大采高工作面两端外侧局部也可显现深部力学状态。研究基于我国深部岩石力学研究成果和开采条件及现代开采方式，探讨提出的深部界定方法和结果，与已有深部开采理论研究与实践成果比较证实，该方法具有理论合理性和结果可靠性。

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煤炭学报

2019年第05期

1735

880
深部岩体力学与开采理论研究进展

作者(Author)：谢和平

摘要：随着地球浅部矿物资源逐渐枯竭，深部矿产资源开采已然趋于常态。然而，由于深部岩体典型的“三高”赋存环境的本真属性及资源开采“强扰动”“强时效”的附加属性，导致深部高能级、大体量的工程灾害频发，机理不清，难以预测和有效控制，传统岩石力学和开采理论在深部适用性方面存在争议。国家“十三五”重点研发计划“深部岩体力学与开采理论”针对上述难题进行了系统研究，本文详细总结了项目研究进展，包括:① 初步形成了原位保真取芯、保真移位、保真测试的技术体系并开展不同深度原位恢复物理力学试验;② 系统探索了扰动条件下不同赋存深度岩体原位长期力学行为，构建了不同赋存应力环境的岩石动态本构模型;③ 提出了适用于复杂地质条件下深部非线性岩体平均应力与变形模量的关系式，开发了批数据处理网络(GMDH)算法反演深部地应力场，系统研究了岩石破坏过程中的能量积聚，能量耗散特性;④ 提出了“强扰动”和“强时效”特征的判定依据，探索了深部开采强扰动应力路径下煤体损伤规律及非连续支承压力理论，研究了深部开采强扰动煤体损伤破裂、能量演化及渗透特性;⑤ 建立了岩体介质复杂孔隙结构的三维可视化模型，实现了裂纹动态扩展过程中应力场的可视化，研发了可视化物理模型的三维应力场的冻结实验装置;⑥ 开展了深部硬岩矩形隧洞围岩板裂破坏的试验模拟，提出了深部近采场区域应力平稳释放理论与方法，研发并应用了深部硬岩高应力诱导与爆破耦合的破岩方法与技术;⑦ 概括了深部硬岩强卸荷下3种灾害模式的破裂孕育分异演化机制，提出了基于物质点原理描述岩体连续-非连续计算分析新方法，创新了硐室稳定的裂化-抑制支护方法;⑧ 分析了深部煤炭安全绿色开采的主要影响因素，初步构建了“高保低损”型深部煤炭安全绿色开采新模式;⑨ 建立了深部地下开采空间模型及生产计划动态优化模型，提出了深部掘进工作面卸荷技术、深部高应力矿柱一体化卸压控制对策以及深部卸压帷幕应力隔断技术。基于以上内容，初步构建了深部岩体力学与开采理论研究体系,以期为未来中国深部矿产资源开发提供理论基础与技术支撑。

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煤炭学报

2019年第05期

3062

2176
基于压汞、低温N₂吸附和CO₂吸附的构造煤孔隙结构表征

作者(Author)：李阳, 张玉贵, 张浪, 侯金玲

摘要：我国煤层受多期次构造运动影响构造煤普遍发育，构造煤孔隙大小分布尺度较广(毫米～纳米级)，孔隙结构较为复杂。不同尺度的孔隙结构控制着煤层气的吸附-解吸(孔隙表面)、扩散(纳米级孔隙)与渗流(微米~毫米级孔隙)等过程，是影响煤层气储存与运移的重要因素。为研究构造煤不同尺度孔隙结构的分布特征与演化规律，在潞安矿区采集4种破坏类型煤样，利用压汞法、低温N2吸附法及CO2吸附法分别测试了煤样的孔隙分布特征，对比分析了各测试方法的优势孔径段，提出利用CO2吸附法表征构造煤微孔(<2 nm)、低温N2吸附法表征介孔(2～50 nm)、压汞法表征大孔结构(>50 nm)的孔隙结构多尺度联合表征方法。实验结果表明所采煤样的孔容和孔比表面积均主要分布在微孔阶段，在0.6 nm左右时的孔隙孔容量和孔比表面积达到最大，其中微孔容占总孔容的70%以上，微孔孔比表面积占总孔比表面积的99%以上，煤中孔容和孔比表面积分布存在微孔>大孔>介孔的规律。分析构造煤孔隙特征与煤体破坏类型的关系，随煤破坏程度增加，孔容和孔比表面积逐渐增高，大孔孔容比及介孔孔容比逐渐增大，微孔孔容比逐渐减小;孔容增幅主要体现在大孔阶段，比表面积增幅则主要体现在微孔阶段。其中大孔演化主要受控于角砾孔、碎粒孔及摩擦孔等外生孔，介孔演化受控于煤的大分子堆叠结构及分子间距，微孔演化主要受控于煤中芳香层片大小及排列方式。

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煤炭学报

2019年第04期

1327

421
软硬煤复合的煤层气水平井分段压裂技术及应用

作者(Author)：许耀波, 郭盛强

摘要：针对软硬煤复合煤层的煤层气抽采效率低、煤层纵向剖面上抽采不均衡等问题，为了实现大面积快速、整体高效抽采煤层气，以沁水盆地赵庄井田3号煤层为例，对软硬煤分层特征进行精细评价，优化了软硬煤复合煤层中的局部硬煤段，研究了硬煤层中不固井水平井分段压裂开发煤层气技术方法，在对水平井压裂裂缝扩展规律研究的基础上，研究了分段压裂水平井开发煤层气技术对策。研究结果表明:3号煤层软硬煤结构分层明显，软硬煤存在明显的自然伽马和电阻率测井响应特征;硬煤层中水平井压裂能形成一条复杂不规则的垂直裂缝，裂缝易于沿脆性较强的顶板岩层扩展延伸，裂缝能够扩展延伸进入软煤层，提高软硬煤的压裂增产效果;硬煤层中水平井位置和压裂施工排量是影响裂缝扩展效果的两个因素，压裂施工排量影响程度较大、水平井位置影响程度较小。针对这一特点，进一步研究了硬煤层中不固井水平井分段压裂开发煤层气4个关键技术:① 水平井射孔、压裂段优选工艺技术;② 油管拖动大排量水力喷射防窜流工艺技术;③ “大排量、大规模、中砂比”的段塞式清水携砂压裂工艺技术;④ 气/水分井同步生产精细化排水采气技术。工程试验证明，该技术能大幅度提高煤层气水平井单井产量，突破了软硬煤复合煤层低产技术瓶颈，为软硬煤复合煤层的煤矿区煤层气抽采和瓦斯灾害治理提供了技术途径。

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煤炭学报

2019年第04期

904

525
煤炭开采与岩层运动

作者(Author)：钱鸣高, 许家林

摘要：采矿是从地层内获取煤炭资源的过程，是一次对矿区地层的扰动，必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变，从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此，采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题，对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性，至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题，明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为，坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性，破断块体互相咬合可能形成“大变形”结构，块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个“黑箱”，目前仅仅在控制原理上得到解释，达到“灰箱”程度。因此，岩层控制在很多场合只能是“宏观”控制。“砌体梁”结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下，按照4~8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要，在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限，个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题，还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性，将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型，提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前，由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防，为此，深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。

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煤炭学报

2019年第04期

2481

2180
西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征

作者(Author)：孙利辉, 纪洪广, 杨本生

摘要：西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法，研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律，选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据，分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区，岩石成岩不充分，岩石强度普遍偏低，具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩，胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关，随埋深增加呈线性递增，岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性，循环次数越多，崩解后的粒径越小越均匀，弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。

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煤炭学报

2019年第03期

1350

580