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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; 55969IP
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砂型3D打印类煤试样动静组合加载力学特性

作者(Author)：蒋力帅, 吴星宇, 王庆伟, 冯昊, 吴秋红

摘要：深部煤矿巷道围岩软弱、裂隙发育，动载影响下易引发动力灾害，其中软岩及节理岩体动力学试验研究是解决上述问题的关键。3D打印技术因其能突破浇筑法在制作复杂节理试样上的局限，被广泛应用于岩石力学试验研究，而应用该技术的关键是所制类煤试样的静态和动态力学特性与天然岩石相似。本文基于砂型3D打印试样，通过开展单轴压缩、巴西劈裂等力学试验，揭示了砂型3D打印试样与煤样弹塑性力学特性的相似性，利用分离式霍普金森压杆（SHPB）装置开展不同动静组合加载试验，采用宏观破碎块度和细观电镜扫描综合分析等手段，对不同动静组合荷载下砂型3D打印试样的动力响应与破坏特征进行研究。结果表明：砂型3D打印试样的动态强度和组合强度与冲击气压的增大呈正相关关系，动态强度与轴压的增大呈负相关关系，组合强度随轴压的增大呈先增大后减小的变化，这说明岩石抵抗动载的能力随轴压的增大呈先增强后减弱的变化；随着静、动荷载水平的提高，试样的破碎块度逐渐细粒化，其中动载对试样破碎程度的影响最显著。本文揭示了砂型3D打印试样的动力学特性并验证了其应用于煤岩动力学试验的可行性，为采用砂型3D打印技术开展岩石动力学试验提供了重要基础，研究结果有助于进一步揭示不同地应力与动载条件下围岩动力破坏规律。

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基于DIC和YOLO算法的复杂裂隙岩石破坏过程动态裂隙早期智能识别

作者(Author)：张庆贺, 陈晨, 袁亮, 方致远, 李翎, 蒋博文

摘要：为了定量研究复杂裂隙岩石变形破坏规律和裂隙扩展特征，利用裂隙网络模型 3D 打印技术制作了含20条随机节理的类岩石试件，利用数字图像相关方法(DIC)研究了试件破坏过程中应变场演化过程，并分析了每一条裂隙的扩展过程，探讨了动态裂隙对试件整体强度的影响。在此基础上，基于YOLOv5深度学习网络模型，结合DIC云图，提出了一种智能精准识别动态裂隙的算法。研究表明：含复杂裂隙试件破坏过程中往往伴随多条裂隙同时扩展和贯通，试件整体强度与动态裂隙扩展具有重要关系，统计动态裂隙的扩展情况可以半定量的判定试件整体强度。在每一条原生裂隙起裂前，总是首先出现应变集中区域，并且应变集中区域具有前兆性，预示着新裂纹的萌生。原生裂隙的动态演化基本可以分为原生裂隙、应变集中区、新生裂纹和交叉裂隙四种类型，其中，新生裂纹和交叉裂隙对试件整体强度影响最大。提出的智能精准识别动态裂隙算法的精确率、召回率和mAP都在80%以上，且mAP最高达到了91%，GIoU损失参数迭代训练后达到0.01，四种类型裂隙相对应的F1值分别为83%、89%、87%和85%，四种类型裂隙的总体识别精度可达86%。说明该方法在复杂裂隙岩体裂纹识别、定位分类是快速精确有效的。试件在受载时，智能识别算法重点识别并统计新生裂纹和交叉裂隙数量，当新生裂隙和交叉裂隙数量较多时，试件即将破坏，可提前进行预警。本方法可为复杂裂隙岩体破坏的智能监测和破坏预警提供新思路、新方法。

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顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔模式及工程实践

作者(Author)：林海飞, 季鹏飞, 孔祥国, 李树刚, 魏嘉宁, 周雨璇

摘要：顺层钻孔预抽瓦斯技术是降低煤层瓦斯含量的有效方法之一,合理的布孔参数是提高煤层瓦斯预抽效果的关键｡为提高顺层钻孔布孔精准性和科学性,建立了含瓦斯煤体流固耦合抽采模型,基于响应面法设计布孔参数优化方案,运用COMSOL Multiphysics 模拟软件分析了地质因素(煤层瓦斯含量､透气性系数)和工程因素(抽采负压､钻孔直径､布孔间距)交互作用对钻孔预抽煤层瓦斯的影响规律,提出钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比(Pmax/Pb)的布孔参数判定指标,创新了煤层“分时分区”式顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法,得到适用于不同煤层瓦斯赋存特征的最优钻孔布置参数,并进行现场试验｡结果表明:预抽初期,相邻钻孔间抽采叠加效应不明显;随着预抽时间延长,抽采叠加效应越发显著,垂直钻孔方向的抽采达标区域逐渐由孤立向复合转变｡不同预抽时间下,Pmax/Pb对各因素的敏感性依次为:布孔间距>煤层瓦斯含量>透气性系数>钻孔直径>抽采负压｡不同预抽时间下,煤层瓦斯含量和透气性系数的交互作用响应等值线分布密集,2者对Pmax/Pb影响非常显著,并且对Pmax/Pb数值影响较大;工程因素中抽采负压与钻孔直径的交互作用响应等值线呈圆形分布,说明二者交互作用不明显;在布孔间距与地质因素交互作用下,响应等值线沿布孔间距方向更为密集,布孔间距对Pmax/Pb影响仍然是显著的,与单因素分析结果相互佐证｡试验工作面采用“分时分区”式顺层钻孔精准布孔方法确定的合理布孔参数依次为:抽采负压24.0 kPa､钻孔直径113 mm､布孔间距6.0 m;经优化预抽钻孔参数后,现场瓦斯预抽效果良好且预抽达标检验合格,实现了煤层瓦斯精准预抽｡

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煤层瓦斯抽采多物理场参数动态响应特征及其耦合规律

作者(Author)：彭守建, 贾立, 许江, 陈捷仁, 戴诗杰, 陈月霞

摘要：为进一步深化煤矿瓦斯抽采过程中多物理场参数动态响应特征及其耦合作用机理的认识，运用自主研发的多场耦合瓦斯抽采物理模拟试验装置，开展了工作面前方不同应力区域瓦斯同步抽采物理模拟试验，分析了抽采过程中煤体温度场、瓦斯压力场和煤体变形场的实时演化特征及多物理场耦合作用机制。研究结果表明：(1) 在同步抽采过程中，应力IV区煤体温度下降速率最快，其次为应力I区和应力II区，应力III区的温度下降速度最慢，不同区域瓦斯压力衰减特征与煤体温度下降规律具有相似性。煤体变形受煤体温度和瓦斯压力的耦合作用影响，使煤体变形呈非线性增加。应力IV区煤体变形量最大，应力III区由于受泊松效应影响，其煤体变形大于应力I区和应力II区。(2)在同步抽采过程中，各应力区域煤体变形具有阶段性变化特征，分为变形延迟阶段、变形启动阶段和变形二次递增阶段，变形延迟的实质是煤层中大量分布的微孔和小孔，对吸附态瓦斯脱附的束缚作用，加上煤基质对瓦斯的毛细凝结作用，导致瓦斯解吸滞后，从而出现煤体变形延迟现象。(3) 各应力区域煤体变形的动态响应受到有效应力压缩效应、基质收缩效应、解吸热收缩效应和泊松效应等共同影响，泊松效应对应力III区起主导作用，有效应力压缩效应是突破变形延迟现象的关键因素，解吸热收缩效应和基质收缩效应是煤体变形二次递增的主要原因。

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岩浆岩环境煤层瓦斯异常赋存特征与动力灾害防控关键技术

作者(Author)：王亮, 郭海军, 程远平, 王凯, 徐超, 蒋静宇, 吴昱辰, 廖晓雪, 唐寒露

摘要：为研究岩浆岩赋存环境对煤层瓦斯动力灾害的影响，综合理论分析、实验室实验、多手段数值模拟、工程实践等方法，对岩浆岩侵入煤系地层后的热变质作用特征、煤体化学结构和物理规律变化特性等进行了系统研究与对比分析，并探讨了岩浆岩赋存环境下煤岩瓦斯动力灾害发生机制及防控关键技术。结果表明：（1）岩浆冷却-向围岩传热的散热方式为热传导，其热演化和接触变质作用不仅提升了煤体的变质程度并使其呈现自然分区特征，还导致煤体内部脱氧、去氢、富碳的趋势逐渐明显；（2）岩浆岩侵入煤系地层后，构造应力叠加热演化作用易造成影响区内煤体发生构造煤化，导致煤中孔容和比表面积增大，对瓦斯的吸附解吸能力亦增强；（3）岩浆岩赋存环境中煤体发生“二次生烃”，而致密低渗岩床的圈闭作用进一步提高了异常应力环境下伏煤层的瓦斯含量和瓦斯压力，增大了其煤与瓦斯突出危险性；（4）煤炭开采导致厚硬岩浆岩床失稳破断产生的冲击载荷作用于下伏含瓦斯煤层后，应力叠加等同于加大了煤层埋深并使煤体产生塑性破坏，能量叠加使得煤体灾变潜能提高，是导致煤层瓦斯动力灾害发生的主要因素。在上述研究基础上，结合岩浆岩赋存环境中煤层及其瓦斯赋存特征，建立了煤岩动力灾害预测敏感指标体系，并提出了煤层瓦斯动力灾害防控关键技术。

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受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性

作者(Author)：周斌, 许江, 彭守建, 赵鹏翔, 秦雷, 白杨, 程亮

摘要：受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出（简称“突出”），为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理，本研究基于大型突出物理模拟试验结果，分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性，研究结果表明：突出初期，高瓦斯压力梯度和应力共同作用下低强度煤体发生破坏，瓦斯压力和应力同时跌落；突出中期，煤体将再次表现出一定承载能力，应力和瓦斯压力将因此升高，而当其达到煤体的极限承载能力时，煤体会被再次破坏，应力和瓦斯压力将再次下降；突出后期，煤体的内外荷载无法达到其破坏强度，导致其所承受的应力荷载会产生大幅回升，瓦斯压力下降速率减缓。突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用，温度变化则可等效为对煤体的压缩作用。突出过程中有效应力集中区会反复地向煤体深部转移，并在突出终止时逐渐恢复至原始位置，有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。随着突出的持续发展，卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向τ-σ图的原点处靠近，但每个周期移动的距离逐渐缩短。此外，卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变，且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程，而集中区的主应力差总体表现为先减小后增大的过程。突出煤体在压缩和张拉状态的动态演变过程中，表现出间歇性的趋于破坏和稳定状态，卸压区和集中区突出煤体在经历一个趋于破坏的力学状态后，将会随即进入另一个趋于稳定的状态。

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不同排采程度煤储层注CO2驱煤层气模拟评价

作者(Author)：张松航, 唐书恒, 张守仁, 王敬宇

摘要：在“双碳”战略背景下，开展煤中封存CO2和提高煤层气采收率(CO2-ECBM)研究有重要现实意义，我国也已开展多方位的先导性试验和工程示范。已有的工程实验表明，煤储层的排采程度对CO2注入的难易程度有重要影响，然而还缺少定量数据的支撑以及对CO2注入及驱煤层气的效果的评价。借助数值模拟手段，以沁水盆地柿庄北区块SX018-5H井煤层气地质和工程条件为基础，构建了含1口水平井和2口直井的3号煤层CO2-ECBM工区，设计了水平井排采0，1，2，3和4 a后，在1 a内连续注入万吨CO2，以及排采4 a后持续注入CO2共计6个注入驱替方案，对比了10 a模拟时间内注入CO2各方案及不注入CO2方案的气井产出和储层动态变化情况。研究结果表明，在沁水盆地南部柿庄北区块3号煤层地质条件下，水平井具有较高的CO2注气效率，3号煤层具有较大的封存潜力，注入万吨CO2主要封存在水平井筒(长700 m)附近60 m范围内；煤储层的排采程度，也就是注入CO2前储层的含气/含水饱和度，对CO2注入有重要影响，储层中甲烷排采越充分，越有利于CO2注入；CO2注入对邻近煤层气井的生产存在增加储层压力的“负”效应和驱替甲烷的“正”效应。要在CO2-ECBM项目中达到较好的驱替效果，一方面应增加煤储层的排采程度，另一方面应适当降低CO2注入井和煤层气生产井距。

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水岩耦合演化自然电场近源效应与临灾前兆

作者(Author)：刘静, 刘盛东, 王勃, 路拓, 刘志新

摘要：水岩耦合演化是重大水害防控面临的核心科学问题之一。在全空间地电场探测中，自然电场可指示水体流向且对渗流演化行为的时域响应更超前,将其与激励电场、感应电场对物性的空间表征能力相结合，可提升探测的时空精度、获取水岩耦合演化监测及临灾预警的新突破。在裂隙岩体渗流、破碎岩体渗流等非饱和渗流及突变过程中，鉴于自然电场受流动电位控制且与水岩耦合演化、尤其是过水区的演化密切相关，故把在自然电场全空间监测工作中出现的、水流充分接近测点(含覆盖)时诱发的自然电场异常响应定义为一种近源效应，其主要特征为：① 不存在过水事件时，自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流与测点的远离而下降；② 存在过水事件时，自然电位随水流向测点的靠近而攀升、随水流覆盖测点而出现相位突变(相对其他测点而言)和负向跳变、而后恢复攀升趋势但最终随着水流与测点的远离而再次下降；③ 因裂隙发育的非均质性，同一条测线上往往只有部分测点发生过水事件，这可根据自然电位的相位突变、负向跳变及视电阻率(或电阻率)图中的低阻演化等综合响应特征予以识别。利用自然电场法与直流电阻率法的并行探测关键技术，可实现地下水渗流状态及观测系统过水事件的有效判识；由此再对自然电位与直流电阻率数据进行耦合分析，由此实现对导水通道及富水区演化特征的精细解释和对水岩耦合演化趋势的超前预测，为矿井、隧道、地铁及其他地下空间工程中的重大水害防控提供有效方法。

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