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《煤炭学报》2022年“新锐科学家”专题

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2022年第2、3期组织策划了“新锐科学家”专题。

行业视野: 煤炭学报
类别; 302个
关键词; 372位
专家; 66篇
论文; 55481IP
点击量; 66341次
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煤矿冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制研究进展

作者(Author)：王宏伟, 王晴, 石瑞明, 姜耀东, 田政

摘要：煤矿冲击地压与断层构造失稳的多物理场互馈机制研究对于保障煤炭资源安全高效开采具有重要的科学意义和工程指导价值。人类采掘活动使得在地壳运动等强挤压过程中形成的断层等复杂地质构造受到扰动，结构面的活化和失稳将释放大量在构造成型期间所积聚的弹性应变能，进而极易诱发冲击地压等动力灾害。从断层构造成因、地质赋存状态和高水平原岩应力环境的角度介绍了冲击地压发生的地质环境特征，总结了与断层构造相关的冲击地压发生模式，凝练了开采扰动下断层滑移失稳的力学机理和断层构造失稳诱冲的多物理场前兆特征等２个关键科学问题，建立了考虑工作面开采影响的断层结构力学模型和厚层顶板赋存的物理模型，推导了断层面上下盘相对滑动位移计算的逐点积分方法，提出了可表征断层滑动摩擦与能量释放相关性的断层结构势能的概念，分析了开采扰动下断层面位移场、应力场和能量场的动态演化特征，系统阐述了断层构造的失稳特点和诱冲力学机理。研究结果显示，工作面开采条件下断层区域位移场表现为由局部静态滑移突然向整体剧烈滑动转变的非线性动态演化过程，并伴随着断层面上下盘之间的相对位移出现由缓慢滑动突然变化为急剧滑移的失稳现象，断层面最大位移也由断层顶部突然转移至断层中部靠近煤层的区域，对工作面造成极大冲击破坏。随着煤层的逐步开采，断层面正应力和剪应力在同步演化发展过程中发生了分化的现象，表现出正应力增加而剪应力降低或剪应力增加而正应力降低的特征。断层结构面和上覆厚层顶板的交界区域在上覆岩层下沉和侧向压力的共同作用下完成了最大滑动静摩擦向滑动失稳摩擦的动态转换过程，位移场的缓急突变和应力场的正剪分化现象均出现在该转换期间，而最大位移的出现也预示着断层结构发生了剧烈的滑移失稳。断层结构失稳前，由于厚层顶板坚硬且不易破断使得断层结构保持相对稳定，此时断层结构势能处于长期积聚而未释放的状态。监测数据显示，与断层结构势能相关的微震事件数、声发射事件数和电磁辐射强度值等数据均出现缺失的现象。断层滑移失稳后，该类监测数据又由几乎为零转为突然激增，并伴随着剧烈的滑动和对工作面的冲击破坏。综上所述，在复杂断层构造赋存、高水平原岩应力环境和开采扰动下，岩层运动与断层滑移的耦合作用是断层失稳的主要原因，而伴随的位移场缓急突变、应力场正剪分化和能量场激增滞后等多物理场演化规律均可作为冲击地压发生的前兆特征。

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冲击地压“双驱动”智能预警架构与工程应用

作者(Author)：陈结, 杜俊生, 蒲源源, 姜德义, 齐庆新

摘要：冲击地压预测预警有助于全面掌握灾害风险程度,提前采取针对性防冲措施,可以有效降低灾害影响｡冲击危险性等级､冲击危险性区域与潜在冲击时间的实时量化预测是冲击地压预测预警的核心｡为此,提出“双驱动”冲击地压智能预警架构,结合物理驱动与数据驱动,动态实时确定工作面冲击地压的等级､时间及区域｡在物理驱动的框架下,通过贝叶斯概率的综合模型,使用工作面实时微震数据､巷道实时应力､地震CT-微震等相关参数,对工作面冲击地压危险性等级进行动静态协同综合实时评价;在数据驱动的框架下,以微震大事件定量预测为切入点,构建一个结合普通卷积模块､循环神经网络模块与AR 自回归模型的深度学习模型MSNet,利用工作面历史微震事件作为模型输入,定量动态预测未来几次微震事件发生的时间､位置与能量,继而确定冲击时间与危险性区域,并基于Unity3D软件开发了相应的冲击地压三维智能预警平台｡创新性提出了基于物理及数据“双驱动”的冲击地压灾害预警技术,实现了冲击地压风险特征信息的动态智能预警预测和危险区域的三维可视化显示｡平台的现场应用表明,具有冲击危险性的等级预测精度可达0.88｡和现场微震记录相比,工作面微震事件位置坐标预测的平均精度达到0.977,时间预测的平均精度达到0.523,基于微震事件定量预测结果的冲击区域与时间确定和现场实际情况表现一致,显示出了良好的工程适用性｡

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我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害分类、预测与防控

作者(Author)：朱斯陶, 刘金海, 姜福兴, 尚晓光, 孙希奎, 张修峰 , 王超, 张明, 王爱文, 谢华东, 曲效成

摘要：针对我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害频发的现状,采用现场调查､理论分析､现场监测等方法,对顶板运动型矿震及诱发灾害发生机制､预测和工程分类技术进行了研究,得到以下主要结论:① 基于关键层运动模式将顶板运动型矿震分为关键层断裂型､关键层回转型和关键层滑移型3类矿震,建立了基于“关键层运动状态”的顶板运动型矿震的能量预测模型,分别提出了3类顶板运动型矿震能量的计算方法;② 基于顶板运动型矿震诱发井下和地面灾害机制,建立了顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害的一体化力学模型和评估方法,为煤矿顶板运动型矿震诱发灾害的预测提供了基础;③ 提出了分类防控､源头减震､吸能抗震协同防控顶板运动型矿震的理念,形成了以低矿震能量､低围岩密度和高抗震能力为基础的煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控体系,开展了地面直井压裂源头防控顶板运动型矿震的技术试验研究;④ 根据工作面在压裂区开采期间的矿压显现和相似材料模拟试验结果,大范围压裂措施能够降低大能量矿震发生频次,但也可能改变关键层运动模式,甚至增大井下矿压显现强度｡

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基于TFA-DC到时拾取的双震相微震震源定位方法

作者(Author)：贾宝新, 李峰

摘要：针对双震相定位中S波初至到时拾取困难的问题，提出了同时使用由基于时频分析的下山比较法（TFA-DC方法）所得P波精确到时与S波峰值到时的双震相定位方法(TD-DL方法)。引入计算发震时刻估计值的双震相目标函数，将其中双震相波速整合为震相传播速度，并与震源坐标一同作为未知量代入粒子群算法中进行计算，以此同TFA-DC方法组成了TD-DL方法。利用TFA-DC方法拾取P波到时与S波到时的特点，结合模型试验下两种单震相与TD-DL方法的定位结果分析，获取了单、双震相定位之间的区别与联系，并论证了该方法提高定位精度的原理。通过对比矿震信号下两种单震相与TD-DL方法在定位精确度与稳定性方面的优劣，对该方法的优越性进行了验证。结果表明：由于S波到时约束信息的增加以及目标函数的最小值趋向作用，TD-DL方法提高了对检波器坐标、双震相到时等已知信息的统合能力，使其定位结果趋于两种单震相定位结果较真实震源误差更小的一方，并且利用TFA-DC方法对于P波与S波拾取到时的偏移关系，在一定程度上抵消了P波、S波单震相计算所得的定位误差，从而达到提高震源反演定位精度的效果；模型试验下TD-DL方法定位误差平均值分别为P波、S波单震相定位的23.9%和18.9%，定位误差标准差分别为P波、S波的50.9%和36.9%，工程数据下TD-DL方法定位误差平均值分别为P波、S波单震相定位的8.1%和12.6%；各坐标轴上坐标可变检波器的个数与定位结果在相应坐标轴上的误差呈负相关关系，高精度定位对检波器空间高密度布置的要求可简化为检波器在各轴对应自由面上的高密度布置。

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低场核磁共振技术在煤孔隙结构精准表征中的应用与展望

作者(Author)：翟成, 孙勇, 范宜仁, 杨培强, 葛新民, 吴飞, 徐吉钊, 余旭, 刘厅, 赵洋

摘要：煤的孔隙结构对于瓦斯、水等流体的运移起关键作用，煤储层资源评估和致裂效果评价均有赖于高效的测孔技术。在众多的测孔技术中，低场核磁共振是近年来应用广泛的煤孔隙结构无损、快速、精准测试技术。该技术通过检测多孔介质中的饱和含氢流体（甲烷、水、油等）的核磁共振驰豫信号，反映孔隙结构及孔隙流体分布等信息。通过核磁共振弛豫谱分析可以得到煤的孔隙度、孔径分布、孔连通性、孔隙流体、润湿性和渗透率等物性特征，评价致裂增透效果；通过二维核磁共振可以区分水、甲烷等不同含氢流体及同一含氢流体的不同相态；通过核磁共振成像可以使煤内部的孔隙分布与流体运移可视化。高温高压核磁共振分析仪可以模拟深部原位煤层环境，实现水力压裂、注气驱替、瓦斯吸附/解吸、应力变形等过程煤心的实时分析与成像。介绍了核磁共振弛豫法和冻融法的测孔原理及相应的设备系统，总结了基于核磁共振的煤孔隙结构及流体特性分析体系，涉及了弛豫分布曲线到孔径分布曲线的转换、孔隙流体的划分、孔隙润湿性评价等关键问题，进而阐述了高温高压低场核磁共振测试系统在煤炭开发领域的最新应用进展，未来低场核磁共振技术将向着模拟原位煤层环境、结合大数据与机器学习以及煤矿现场应用的方向发展。

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煤层瓦斯解吸扩散过程中甲烷碳同位素分馏动力学模型

作者(Author)：李伟, 杨康, 程远平

摘要：甲烷在多孔介质煤层中运移时，会发生显著的同位素分馏，目前的模型和机制并不能完全解释瓦斯运移过程中的同位素分馏现象。以不同分子间的竞争吸附作用、扩散能力差异性以及碳同位素分馏解吸—扩散成因等理论为基础，构建了煤层甲烷碳同位素分馏动力学模型。研究结果表明，在解吸过程中，甲烷碳同位素逐渐变重。瞬时同位素值在解吸后期呈指数级变重，累计同位素值随时间的变化与气体的累计脱气量随时间的变化相似。在气体扩散过程中，扩散系数比值(D1/D2)对同位素分馏具有显著的控制作用。煤芯中吸附气的含量占到90%以上，解吸/吸附引起的同位素分馏变化与耦合作用下引起的同位素分馏变化相近，该模型较好的预测了煤芯瓦斯解吸中碳同位素分馏实验。甲烷在孔隙中的解吸、扩散是碳同位素发生分馏的重要原因，在此过程中游离气和吸附气引起的同位素分馏具有阶段性。通过该模型的参数与煤芯的参数匹配后，可以获得煤芯吸附气含量、游离气含量，进而评价煤层瓦斯含量。将该模型应用到煤层钻孔瓦斯抽采过程中，结合现场测试和实验室测试确定模型参数，建立煤层钻孔抽采瓦斯碳同位素值与瓦斯抽采情况的关系。可以判断煤层瓦斯抽采所处的阶段，并计算残余瓦斯含量,为评价煤层瓦斯抽采效果的潜在应用提供理论基础。

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基于流动扩散互竟关系的基质吸附态瓦斯表观扩散系数实验室测定准确性分析

作者(Author)：赵伟, 王凯, 李成武, 鞠杨, 刘晨熙, 魏诚敏, 袁廷璐

摘要：解吸实验初期高速涌出的游离瓦斯使得不同损失时间条件下观测到的解吸曲线形态发生剧烈变化，为实验室准确测定基质吸附态瓦斯表观扩散系数，以及工程中精确测定K1值与损失瓦斯含量带来了不便。基于瓦斯流动与扩散的竞争互抑关系，建立了引入游离瓦斯流动的全浓度表观扩散模型，确定了游离瓦斯和吸附瓦斯对于整体逸散瓦斯的贡献变化，同时构建了K1值时因衰减数学模型。利用自主研发的瓦斯解吸自动测试装置，精确测定了初期瓦斯解吸曲线，并获得了损失时间为1 min，5 min及10 min条件下的表观扩散系数有效值。研究结果显示：随解吸时间的延长整个解吸过程可分为三个阶段，分别为游离瓦斯流动主控阶段、过渡阶段和基质吸附瓦斯扩散主控阶段；裂隙游离瓦斯量与解吸时间呈线性规律，基质吸附瓦斯量与解吸时间符合单孔扩散模型规律，其在短时间内又符合t模型；随着损失时间增大，游离瓦斯在整体逸散瓦斯中的贡献逐渐减小，而吸附瓦斯扩散的比重逐渐增大，在宏观上表现为解吸曲线线性段缩短，而曲率增加；依此推导出的表观扩散系数和K1值亦随之逐渐减小，且减小速度初期较大。利用表观扩散系数时因衰减关系，论文最后给出了K1值及损失量测定的有效测算时间区间，并建立了精确度更高的瓦斯损失量推算模型，将原有t模型对实验样品数据的拟合度提升了20.8%。研究结果有助于煤与瓦斯突出防治工作中提升相关瓦斯指标测算的精准度。

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瓦斯脱附扩散迟滞压力及双重孔隙煤体窜流函数

作者(Author)：刘清泉, 褚鹏, 黄文怡, 吕彪, 王亮, 张保勇, 刘嫄嫄

摘要：煤中瓦斯运移要经过脱附-扩散-渗流等贯序环节才能进入钻孔或巷道。大量有关残存瓦斯含量、煤的瓦斯吸附解吸残余变形及吸附解吸迟滞的研究显示，煤中瓦斯脱附扩散过程较吸附扩散过程存在不可忽略的附加阻力，其大小由扩散路径长度及复杂度所控制。脱附扩散附加阻力影响基质系统与裂隙系统间的质量交换，但当前被广泛的使用的双重孔隙煤体瓦斯运移模型并未考虑其影响，用于瓦斯抽采流场特性的理论分析时将使得瓦斯含量被低估。基质系统与裂隙系统间的质量交换也被称为窜流，窜流函数是计算基质系统与裂隙系统间质量交换量/速率的关键函数。为了修正煤层瓦斯运移模型，开展了以煤粒（煤柱）吸附解吸等温测试模拟裂隙压力恒定的窜流试验，提出了瓦斯脱附扩散迟滞压力用于定量评价附加阻力，修正了双重孔隙煤体窜流函数，并同试验结果进行了对比验证。获得如下成果：明确了瓦斯脱附扩散迟滞压力的概念与物理意义；当最大吸附平衡压力相同时，降压过程中瓦斯脱附扩散迟滞压力随粒径增大而增大，对于同一样品，瓦斯脱附扩散迟滞压力随压降值的增大而减小；使用修正模型模拟煤柱瓦斯解吸过程与实验获得的等温解吸数据匹配度较好，R2可达98.2%。随着开采深度增加，地应力增大，煤的基质尺度将大幅增大，脱附扩散迟滞压力对于煤层瓦斯运移的影响将更加显著，通过技术手段减小脱附扩散迟滞压力应成为深部煤层瓦斯治理或煤层气开发需深入研究的问题之一。

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