青年科学家特刊（2022）（Special Issue of Young “Tigers” ）

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青年科学家特刊（2022）（Special Issue of Young “Tigers” ）

来源：煤炭科学技术

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 175个
关键词; 190位
专家; 37篇
论文; 14066IP
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微观等效毛管束下液体初始渗流特性的可视化研究

作者(Author)：王刚, 李艳青, 刘世民, 李怀兴, 商荦真, 陈建

摘要：低渗煤体微观渗流特性研究对煤层注水增注、防治瓦斯灾害具有重要价值，物理模型仿真试验是开展此研究的重要途径之一。为研究煤体孔隙微观尺度下液体的初始渗流特性，以微流控技术为基础，制作替代煤体孔隙的等效毛管束模型，构建了微观渗流可视化试验平台，开展了不同孔隙尺寸、不同流体的渗流模型试验，分析了渗流流量、渗流压力、孔径尺度、润湿性等多个参量对渗流特性的影响。研究结果表明：① 渗流过程不同位置孔隙渗流的活跃性差异较大，模型中间位置渗流更活跃；渗流初始流量越大，参与渗流通道数目越多。渗流初始流量与毛细管内流体体积成正比；② 初始流量一定时，不同孔径内渗流压力和时间关系相同，即渗流压力随时间增加增大。初始渗流流量越大，体系渗流压力也越大；毛管束内渗流呈现较明显的非线性渗流特征；③ 不同的模型孔径尺度下，渗流流量与渗流压力关系十分接近；3种孔径尺度的毛管束模型中去离子水的流量和压力都呈现出不同程度的非线性特征，且孔径尺度越小，非线性程度越强；④ 在流体润湿性的影响上，不同模型孔径的试验结果都表明，润湿性好的流体在毛细孔隙模型中渗流压力更小。相较于孔径尺度，渗流初始流量对流体渗流压力的影响更大。

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煤炭科学技术

2022年第02期

314

488
页岩气吸附量校正及其吸附性影响因素

作者(Author)：周军平, 范茂琳, 鲜学福, 杨康, 陆朝晖

摘要：为探究页岩矿物组分、孔隙结构及其分形维数对页岩吸附特性的影响，开展龙马溪组、五峰组以及延长组页岩总有机碳（TOC）含量测试、X射线衍射（XRD）测试、低温N2吸附测试，CH4等温吸附实验，基于吸附相体积Va恒定、吸附相密度ρa恒定2种方法对页岩气绝对吸附量进行了校正，并采用Langmuir模型对绝对吸附量进行了拟合，在此基础上获得了页岩矿物组分、孔隙结构以及Langmuir模型参数之间的关系。结果表明：Langmuir模型能很好地拟合实验条件下CH4在不同页岩上的吸附数据，且Langmuir模型对基于Va恒定方法得到的页岩气绝对吸附量拟合结果精度更高。Langmuir体积VL与页岩TOC、石英含量、比表面积、孔体积均呈正相关关系，与平均孔径呈负相关关系，与黏土矿物相关性较差；页岩孔隙结构分形维数D与其TOC含量、石英矿物含量、比表面积、孔体积呈正相关关系，与平均孔径呈负相关关系，与黏土矿物相关性较差；分形维数D与VL呈正相关关系，与Langmuir压力PL呈负相关关系，表明分形维数越大，页岩吸附能力越强。

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煤炭科学技术

2022年第02期

298

482
不同类型煤颗粒侧限压缩变形破碎特性试验研究

作者(Author)：李伟, 钟艺, 郭敬杰, 蔡浩鑫, 李海滨, 花春雨

摘要：煤与瓦斯突出等动力灾害严重制约了矿井的安全生产，不同类型煤颗粒在加载破碎特征反应了煤体结构、力学特性以及能量存储行为对煤与瓦斯突出灾害研究具有重要的意义,但目前缺少煤颗粒的破碎特性研究。研究选取了原煤和构造煤颗粒，开展了不同粒径级配和应力条件下的侧限加载试验研究。结果表明，加载过程依次分为滑移阶段、破碎阶段和压固阶段。在滑移阶段和破碎阶段构造煤抗变形能力均弱于原生煤，但是在压固阶段其应变硬化趋势明显强于原生煤。应力虽然会较大程度影响煤颗粒的相对破碎率，但是在压固阶段该影响较弱。加载过程中由于中粒径中部分煤颗粒结构不稳定，加载过后的煤颗粒存在明显粒径丢失现象。同时粒径级配也影响着煤颗粒的破碎，单一级配试样组中大粒径的试样相对破碎率更高，混合级配试样组的相对破碎率整体比单一级配的要低。相比于原生煤，构造煤的大、中粒径煤颗粒绝对破碎率更高，且破碎过程中更倾向于破碎成粒径更小的煤颗粒，构造煤颗粒破碎程度总高于原生煤。总体而言试验中构造煤颗粒应变硬化现象明显、破碎程度较高，甚至呈现流变特征，这是导致构造煤孔隙率小，渗透率更低的根本原因。且外界对构造煤颗粒输入的能量大都耗散在煤颗粒的摩擦、破碎以及塑性变形，因而储存在其本身的弹性能较低。

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煤炭科学技术

2022年第02期

332

703
预制裂隙砂岩相似材料损伤破坏特性试验研究

作者(Author)：成小雨, 李树刚, 龚选平

摘要：为了揭示煤岩动力灾害物理模拟的细观损伤机制，利用YYW-Ⅱ单轴压缩试验仪及PCIE-8声发射（AE）监测系统，探究了含不同长度预制单裂隙的砂岩相似材料试样在单轴压缩条件下的力学特性、破坏特征和损伤演化特性。结果表明：随着预制单裂隙长度的增加，试样的峰值强度和残余强度近似线性减小，分别由746.84 kPa和199.117 kPa减小至597.643 kPa和110.375 kPa，而峰值轴向应变和初始压密阶段应变近似线性增大，分别由0.018 18和0.002 40增大至0.023 61和0.005 32；预制裂隙对试样破坏形式及特征的影响增大，试样的主导破坏形式逐渐由剪切破坏，经剪切张拉复合破坏，演变为贯穿裂隙中部的纵向张拉破坏；试样的声发射（AE）事件累计和能量累计均呈逐渐减小的趋势，分别由465和82 278 J减小至306和54 152 J，AE事件活动逐渐减弱；试样损伤演化经历了初始损伤累积、损伤稳定发展和损伤加速发展3个阶段，稳定发展和加速发展阶段损伤增大，分别由0.621和0.734增大至0.655和0.817，预制单裂隙对试样损伤演化在加速发展阶段的影响大于稳定发展阶段，各试样的最大损伤变量差值在损伤稳定发展阶段和损伤加速发展阶段分别为0.017和0.042；相似材料在受载过程其力学、声发射、损伤特征具有较强的相关性，力学变化引发了损伤变化，而损伤变化又与声发射参数的变化具有较强的因果关系，AE事件特征参数可准确描述相似材料的损伤破坏特性。

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煤炭科学技术

2022年第02期

295

477
滇东-黔西地区现今地应力场与二叠系煤储层渗透率特征

作者(Author)：鞠玮, 王胜宇, 姜波, 苗琦, 李明, 黄沛铭

摘要：现今地应力状态(大小和方向)和煤储层渗透率是影响煤层气勘探开发的重要地质因素。基于震源机制解反演、水力压裂等方法确定了滇东-黔西地区现今地应力状态，揭示了二叠系煤层地应力大小垂向变化规律，并在此基础上剖析了滇东-黔西地区二叠系煤储层渗透率发育特征及其控制因素。研究结果表明：滇东-黔西地区水平最大主应力(Sh，max)方向总体为WNW-ESE向；水平最大主应力为2.67～29.84 MPa，平均为14.10 MPa，水平最小主应力(Sh,min)为1.85～23.76 MPa，平均为10.36 MPa，垂向应力(Sv)为0.86～31.93 MPa，平均为14.49 MPa。现今地应力大小随煤层埋深的增加而增大，在垂向分布上呈现出分带性，在600 m以浅，地应力分布整体表现为Sh,max>Sv>Sh,min，水平最大主应力起主导作用，为大地动力场型，而在700 m以深之后，地应力机制转换为Sv>Sh,max>Sh,min，垂向应力起主导作用，为大地静力场型，地应力垂向转换深度约为600～700 m。滇东-黔西地区二叠系煤储层渗透率的变化受多种因素的综合影响，天然裂隙发育特征与现今地应力状态耦合对该区煤储层渗透性具有重要的控制作用。

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煤炭科学技术

2022年第02期

278

735
煤层底板水文地质结构划分及阻隔水能力定量评价方法研究

作者(Author)：徐智敏, 刘栓栓, 李剑锋, 陈天赐, 骆俊峰, 李鑫, 陈歌

摘要：新桥井田内构造发育，在沉积环境、断层以及大型褶曲构造的共同作用下，使得新桥井田内呈现出区块化特征，各个区块间二2煤底板隔水层在岩层厚度、岩层组合关系等方面呈现出差异性，其结构组合形式成为影响底板隔水层阻隔水能力的重要因素。基于上述背景，统计了井田内勘探钻孔资料，选取典型钻孔柱状图，提出并利用“三层段”结构划分方法，将井田范围内二2煤底板隔水层划分成a、b、c、d四类结构模型；从“三层段”中各层段所抵抗的破坏类型以及自身岩层的性质定性评价4类结构模型，得出阻隔水能力由大到小为：a类>b类=d类>c类；以2301工作面为典型工作面，通过对底板隔水层补勘取样和测试分析，得到：Ⅲ层（杂砂岩层）岩石力学强度高；Ⅳ层（粉砂质泥岩层）岩石渗透性能极差。根据采动条件下底板破坏深度现场实测结果和经验公式计算结果的对比分析，确定Ⅲ层（杂砂岩层）为抗采动破坏关键层；并建立以c类结构模型为基础的评价模型，通过定性分析确定了结构对底板隔水层阻隔水能力的影响；最后，对4类结构模型分别进行质量比值系数和强度比值系数与岩层厚度加权计算，分析计算结果并比较了2种计算方法的优缺点。基于上述分析，初步提出了综合考虑隔水层厚度的结构比值系数的概念，为进一步研究阻隔水能力定量评价方法奠定了理论基础。

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煤炭科学技术

2022年第02期

334

739
弱胶结砂质泥岩注水软化与渗流特性试验研究———以神东矿区为例

作者(Author)：张凯, 郭俊廷, 滕腾

摘要：神东矿区基岩弱胶结特性显著，岩体遇水后的软化和渗流特性是煤炭地下开采顶板注水软化治理、突透水事故防治、煤矿地下水库建设等工程领域的共性和基础性难题。针对神东布尔台矿弱胶结砂质泥岩，系统开展了岩石吸水、单三轴压缩、巴西劈裂和渗流等试验，获得了自然和饱水状态下的砂质泥岩力学参数与拉压变形、渗流曲线及其特征。研究结果表明，神东矿区弱胶结砂质泥岩的水岩固体软化效应、流体传质效应显著，在相关的地下工程中必须充分考虑，具体如下：① 弱胶结砂质泥岩吸注水后塑性明显增强，软化效果显著，岩石抗压强度减小29%～57%，围压越小，软化效果越明显；不同围压下弹性模量均减小25%～30%，随着围压的增大弹性模量的减小量有增大趋势；在低围压下，泊松比增大效果显著，在高围压下，泊松比变化不大；岩石三轴压缩破坏峰后跌落应变增大12%，且随围压的增大而减小；单轴抗拉强度下降66%;② 试验所用神东矿区布尔台矿顶板砂质泥岩的抗拉强度与抗压强度的比值约为1/10，且岩石吸水后该比值基本保持不变;③ 弱胶结砂质泥岩的水渗过程易导致裂缝通道局部的崩解，渗透率随注水压力梯度的增大而增大，随围压的增大而减小，渗透率随裂缝通道的崩解而瞬时减小。研究结果为揭示神东矿区弱胶结砂质泥岩水岩耦合力学特性和开展相关工程实践提供了一定的理论依据。

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煤炭科学技术

2022年第02期

312

531
东胜煤田导水裂隙发育及其分区特征研究

作者(Author)：鞠金峰, 马祥, 赵富强, 刘阳军, 王业征, 刘乐, 许家林

摘要：东胜煤田是我国西北部能源供给的重要基地，煤炭资源丰富但赋煤条件多变，导致不同矿区采动导水裂隙的发育存在显著差异；研究揭示东胜煤田采动导水裂隙发育的分区特征对于科学指导区域煤炭绿色高效开发具有重要意义。基于东胜煤田17对主力矿井30个工作面的导水裂隙发育特征统计与实测，获得了赋煤条件变化对导水裂隙带高度(简称“导高”)的影响规律；通过对东胜煤田赋煤条件的典型分区，提出了不同分区覆岩“导高”的预计方法。结果表明，相比深部开采，浅部煤层采动引起的覆岩“导高”波动程度更为显著，尤其在埋深200～300 m，裂采比上下波动范围可达2.55倍。覆岩导水裂隙的发育受控于关键层的破断运动，顶板7～10倍采高范围之外最近一层关键层底界即为导水裂隙发育的顶界；据此合理解释了浅/深埋煤层“导高”波动性差异的原因。浅埋煤层覆岩关键层数量相对偏少，极易出现主关键层进入7～10倍采高范围的情况，造成导水裂隙直接发育至基岩顶界，引起“导高”值的异常大幅度波动。而对于深部煤层，覆岩7～10倍采高范围之外关键层数量相对偏多、间距偏小，当因地质条件改变而引起关键层位置变化时，“导高”的波动范围仅限于7～10倍采高范围附近关键层与其上部相邻关键层之间的间距，难以出现“导高”的大幅度波动现象。据此提出，在埋深低于500 m条件不能直接使用采高倍数法进行“导高”预计，应根据关键层位置及其对破断裂缝导水性影响规律进行判断；而当埋深超500 m时，可按17～24倍采高的统计值进行简单估算。

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2022年第02期

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