《煤炭科学技术》“创刊五十周年”纪念专辑（上、下辑）

《煤炭科学技术》创刊于1973年，这50年是我国煤炭行业起步、加速、稳定发展的50年，也是我国煤炭科学技术持续发展的50年。《煤炭科学技术》见证了我国煤炭工业从人工采煤、炮采、普采到综采的具有里程碑意义的技术革命。

在1973年2月至2023年1月这50年间，《煤炭科学技术》共出版了50卷580期，刊登了煤田地质与勘探、煤矿开采、矿山测量、矿井建设、煤矿安全、煤矿机电与自动化、煤矿信息化、煤炭加工与利用、煤矿环境保护等专业的学术性或技术性论文共计18100余篇，营造了百花齐放、百家争鸣的学术氛围。

50年披荆斩棘，50年砥砺奋进。《在全国奋力建设世界一流科技期刊目标的推动下，《煤炭科学技术》将继续肩负起时代赋予的使命和任务，坚持守正创新，重点报道煤炭领域及相关交叉学科领域的前沿和先进实用性成果，引导社会重新认识煤炭行业、煤炭科学家和煤炭高科技创新贡献，向全世界讲好中国煤炭故事，提升我国在世界能源与矿业领域的科技话语权，助力实现中国科技期刊强国梦。（引自王国法，杜毅博，徐亚军，等：中国煤炭开采技术及装备 50 年发展与创新实践——纪念《煤炭科学技术》创刊五十周年）

行业视野: 高端智库
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超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理及影响因素分析

作者(Author)：刘佳佳, 聂子硕, 于宝种, 杨迪

摘要：在如今的双碳背景下，超临界二氧化碳压裂技术不仅能增透煤体，还能用于地质封存二氧化碳，因此其在煤炭领域越来越受到重视。然而超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理和主要影响因素尚未明晰，故为掌握其作用机理，探究其主要影响因素，进行了数据处理和总结分析。首先，明确了超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理主要包含3 个方面：对煤体微观组分的改造作用、对煤基质的溶胀效应以及对煤中瓦斯的驱替作用。其次，阐述了影响超临界二氧化碳增透煤体的主要因素包含作用温度、作用压力、作用时间和煤体含水率，并得到了主要因素与煤体特性之间的关系：煤体孔隙率和渗透率会随着作用温度的升高而降低，随着作用压力、作用时间和煤体含水率的增加而增大，且其与作用压力和短时浸泡时间皆符合正指数函数关系；煤体力学强度会随着作用时间和含水率的增加而逐渐弱化，且抗压强度、弹性模量和抗拉强度与作用时间皆符合负指数函数关系。最后，对超临界二氧化碳增透煤体所存在的问题进行了探讨，指出现今研究忽略了浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响，以及缺乏对主控因素和最佳增透条件的分析，可以仿照循环液氮致裂试验来进行超临界二氧化碳循环浸泡次数研究，可通过正交实验法来确定超临界二氧化碳增透煤体的主控因素和最佳增透条件。研究成果对于优化超临界二氧化碳增透技术、封存二氧化碳以及提高煤层气抽采效果具有一定的指导意义。

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2023年第02期

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瓦斯非均衡赋存煤层精准冲孔增透技术及应用

作者(Author)：刘厅, 林柏泉, 赵洋, 翟成, 邹全乐

摘要：为实现瓦斯非均衡赋存煤层的精准卸压增透，基于理论建模、数值模拟和现场试验的方法研究了水力冲孔关键工艺参数的判定准则和优化方法。构建了卸压煤层多场耦合模型，分析了冲孔最优出煤量的判定指标体系，提出了冲孔最优出煤量的判定准则及方法，绘制了水力冲孔关键工艺参数优化图谱，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术。结果表明：①抽采时间一定时，随着冲孔出煤量的增加，煤层残余瓦斯含量逐渐降低，而由于孔间应力集中程度的升高，残余瓦斯压力先降低后升高；②冲孔最优出煤量的判定准则包括瓦斯抽采达标约束和巷道失稳风险和施工成本最小化约束，当残余瓦斯含量和压力均小于临界值时，认为抽采达标，在满足抽采达标的前提下，应尽量减小冲孔出煤量以保证煤巷稳定、降低工程成本；③冲孔最优出煤量随地应力的升高而降低，随黏聚力、瓦斯压力和钻孔间距的增大而升高。对于给定煤层，冲孔出煤量存在最大值，抽采达标时间存在最小值；④综合考虑煤层瓦斯压力、出煤量、钻孔间距及抽采达标时间之间的关联关系，绘制了冲孔关键参数的优化图谱，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术，融合煤层瓦斯赋存特征和冲孔关键参数的优化图谱，确定不同瓦斯赋存区域对应的冲孔工艺参数，实现瓦斯非均衡赋存煤层的精准卸压增透。

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2023年第02期

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杉木锯屑基高吸水抑尘材料制备及效果分析

作者(Author)：周刚, 李帅龙, 徐乙鑫, 李琳, 孟群智, 王琪

摘要：煤矿生产及运输过程中存在大量煤炭残渣和粉尘，对作业环境和当地居民造成极大影响，为提高抑尘剂的抑尘效率，改善作业空间及周边环境，笔者遵循废物利用原则，实现了废物再利用。提出了以杉木锯屑为原材料，经过NaOH、Na2SO3 等溶液处理后获得脱木素木粉(DWF)，通过微波辅助-原位合成的手段，制备了一种新型绿色高吸水抑尘剂(AA-DWF-PAM/GD)。试验结果表明：借助SEM、FTIR、TG-DTG 及溶胀动力学试验手段，对AA-SW-PAM/GD 的微观形貌、反应机理、热稳定性及吸水性能进行研究，发现该抑尘剂呈现网状空间结构且稳定性较高，DWF 与丙烯酸(AA)和聚丙烯酰胺(PAM) 反应良好，在73 ℃ 之前不会发生任何活性破坏，且最高吸水倍率为325 倍，在NaCl、MgCl2、CaCl2 三种盐溶液溶度为1% 时，最高吸盐水倍率为100 左右。在AA-DWFPAM/GD 与煤尘性能测试中发现，当风速14 m/s 时抑尘率在90% 左右；抑尘材料与煤混合后的燃烧后，热释放速率提高了4.53 kW/m2，燃烧时间延长了15 s 左右，在喷洒使用后不会对煤的热值产生负面影响。分子动力学模拟(MS) 结果表明抑尘剂主要作用于煤−水界面处，煤−水界面吸附层的厚度增大至28×10−6 mm (13×10−6 mm~41×10−6 mm)，促进了水分子在煤表面的扩散，吸引水分子向煤层方向迁移，添加AA-DWF-PAM/GD 后水分子的自扩散系数(D) 增加了4.3×10−9 m2/s，提高了煤层表面的润湿性。总的来说，该抑尘剂具有成本低、绿色环保、抑尘性能强的优势，有望使其在煤矿现场大规模应用推广。

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2023年第02期

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废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分——以屯兰煤矿12501工作面为例

作者(Author)：杨兆彪, 王家琛, 杨彦群, 秦勇, 李国富, 董志勇, 孟祥昊

摘要：废弃矿井扰动空间精确划分是遗留煤层气资源评价和开发利用的重要基础，以山西西山矿区屯兰煤矿2 号煤12501 工作面为例，采用应力场数值模拟、裂隙场数值模拟和物理相似模拟的方法，综合研究了采动过程中及采空区稳定后的应力场、裂隙场的分布规律。研究结果显示：物理相似模拟与数值模拟吻合度高，综合以上3 种方法，最终将12501 废弃工作面遗留煤层气扰动储层空间划分为底板裂隙区、重新压实区、导气裂隙区和承压区。底板裂隙区位于煤层中工作面的正下方，整体采动裂隙发育区域呈现出靠近开采煤层为底面的倒梯形台，裂隙场数值模拟结果显示其垂向深度为22.3 m，其深度为开采煤厚的5.58 倍。承压区位于工作面四周的未开采煤储层，在工作面倾向的边界起分别向外延伸70 m，在工作面走向的边界起分别向外延伸100 m 的位置上，数值模拟结果显示承压区煤储层垂向应力峰值为远大于煤层原始状态的应力数值，但小于垂层煤样的平均抗压强度。导气裂隙区主体位于开采煤层工作面边缘区域，底部为高度约为13.2 m 的岩层垮落带，紧邻垮落带上部为高约33.6 m 的岩层断裂带，断裂带内竖向裂缝不断扩展贯通离层裂缝。导气裂隙区整体形状为梯形台，其高度为开采煤厚的11.7 倍。重新压实区主体分布于开采工作面采空区的中间部分，倾向宽度为110 m，走向长度为1 268 m。此区域主要为弯曲垮落的覆岩构成，整体形状为梯形台，位于导气裂隙区内部。导气裂隙区为遗留煤层气资源的开发有利区。

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2023年第02期

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水分对煤层气吸附/解吸微观作用研究进展

作者(Author)：郑超, 马东民, 陈跃, 伋雨松, 马卓远, 王丽雅, 王馨

摘要：水分是制约煤层气吸附/解吸的关键因素之一，受煤储层多元孔隙结构和煤岩组分润湿性差异影响，煤−水−甲烷界面作用导致煤层气产出过程中CH4 与H2O 相互激励、相互制约。立足于水分对煤层气吸附/解吸作用的研究进展与前沿认识，从煤储层水分赋存状态、煤−水界面微观作用和水分对甲烷吸附/解吸影响3 个方面重点分析了水分与煤层气吸附/解吸微观效应之间的内在关系。研究认为煤储层孔隙结构及水分赋存状态复杂。以煤−水界面作用及孔隙结构特征为依据将煤储层水划分为结合水、束缚水和自由水3 种主要类型，不同类型水分对甲烷吸附的抑制作用机制存在差异、且对低阶煤的影响程度严重。水分相态变化成为影响甲烷解吸−运移的核心，水蒸汽分子通过竞争吸附置换吸附态甲烷，液态水在润湿性和毛细管力作用下水锁堵孔、抑制气−水运移。在地面煤层气钻采过程中水分的作用机理随储层温度−压力环境动态变化而变化。针对水分对甲烷解吸作用机理不清、影响界限不明的现状，由此提出了量化储层水分含量及分布特征，增强甲烷解吸与气−水运移，完善甲烷吸附/解吸理论与模型，强化水分激励、促进煤层气增产4 方面的科学问题及发展方向，进一步深化煤−水界面微观作用在煤层气解吸运移过程中的机理，促进煤层气持续稳定高效开发。

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复杂构造区页岩孔隙结构、吸附特征及其影响因素

作者(Author)：尚福华, 苗科, 朱炎铭, 王猛, 唐鑫, 王阳, 高海涛, 冯光俊, 密文天

摘要：：随着我国页岩气勘探开发的不断深入，构造复杂区已成为下一步勘探的重要方向。以渝东北复杂构造区龙马溪组页岩为例，开展了扫描电镜、压汞、低压气体吸附、等温吸附等试验，系统性地表征了渝东北地区不同构造变形带龙马溪组孔隙结构及吸附特征，分析了复杂构造区页岩孔隙结构和吸附特征的影响因素，阐明了构造变形对于孔隙结构和吸附能力的作用机制。结果表明：① 滑脱褶皱带和断层褶皱带龙马溪组页岩中发育较多的有机质孔，而叠瓦断层带龙马溪组页岩仅发育少量有机质孔隙，但发育更多矿物相关的孔裂隙；② 滑脱褶皱带龙马溪组页岩中微孔（< 2 nm）、介孔（2~50 nm）及宏孔（> 50 nm）均有发育，而断层褶皱带和叠瓦状冲断带龙马溪组页岩样品中微孔不是很发育，而介孔和宏孔相对比较发育；③ 龙马溪组页岩“过剩”吸附量都是随着压力的增大迅速增加，达到最大值（ 6~9 MPa）后开始缓慢降低，而绝对吸附量则随着压力的增大单调增大；④ 孔隙结构主要受控于TOC（总有机碳）和黏土矿物含量，而吸附能力主要与TOC 和微孔密切相关，此外，构造变形也可以通过改造孔隙结构来影响吸附能力。该研究成果为复杂构造区页岩气勘探提供了理论依据。

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承压水体上煤层底板下位隐伏断层采动突水机制研究

作者(Author)：张玉军, 张志巍, 肖杰, 李友伟, 于秋鸽

摘要：由于煤层底板隐伏断层分布广、数量多、隐蔽性强且不易探测的特点，使得底板隐伏断层活化突水成为深部开采突水的主要形式之一。根据底板隐伏断层发育规模及空间位置条件，总结提出了底板沟通隐伏性断层突水、上位隐伏性断层突水及下位隐伏性断层突水3 种模式。针对承压水体上煤层底板下位隐伏断层底板突水模式，通过力学分析、底板突水相似模拟及FLAC3D 数值拟研究了煤层回采过程中底板空间采动应力变化规律、隐伏断层扩展及突水通道演化过程。研究结果表明：近煤层底板采动岩体随工作面推进，经历压缩-卸荷-恢复过程，形成采动破坏带，底板空间采动应力状态以工作面为分界线呈现水平“S”型分布形态；采动−水压−隐伏断层作用下，隐伏断层将对采动应力随工作面移动起到阻隔作用；隐伏断层顶部受矿压−水压作用的破坏程度时机更早、程度更严重，更易诱发导水裂隙发育，隐伏断层原生裂隙扩展并向逆工作面推进方向上方发育，与采动破坏带沟通形成突水通道；采动承压水导升运移与采动裂隙发育紧密相关，采动承压水导升强度及强渗流区范围随工作面推进渐进发展，底板隐伏断层采动突水先出现隐伏断层上方采空区，突水量随工作面推进渐进增加。在将含隐伏断层底板采动空间划分为隐伏断层采动活化区、阻隔水区和采动影响区的基础上，揭示了承压水上底板下位隐伏断层突水机制。

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祁东煤矿构造控水特征和地下水运移规律

作者(Author)：张培森, 李复兴, 付翔, 田志兆, 牛辉, 许大强

摘要：以祁东煤矿为例，通过研究矿井地下水运移规律及其所在区域的构造控水特征，以期为煤矿水害的超前精准治理和区域防治提供借鉴参考。利用构造控水理论结合祁东煤矿及其所在矿区、煤田的地质构造背景，对构造控水的逐级控制作用和构造控水作用方式进行研究，结果如下：祁东煤矿基岩地层形态整体受宿南向斜控制，局部受魏庙断层等构造控制，新生界地层形态亦受到构造的间接控制；在宿南向斜控制下，矿井内或矿井外南部风化后的二叠系煤系砂岩裂隙含水层、太灰、奥灰与四含角度不整合接触；在魏庙断层控制下，在矿井南部采区部分二叠系煤系砂岩裂隙含水层含水层再次露头，与四含角度不整合接触，不整合接触使得含水层间可产生水力联系。总结分析结果，认为：①地质构造通过对地层形态的控制，对地下含水层水起到控制作用；②地质构造通过控制含水层间的接触，对含水层间的水力联系起到控制作用。为进一步验证含水层间的水力联系，利用水位变化的对比分析和皮尔逊（Person）相关系数，对放水试验期间南部采区四含、太灰和正常水位观测期间四含、太灰、奥灰的钻孔水位观测结果进行分析，得出：①南部采区放水试验期间，四含（SQ10-14）与太灰（ST4）水位变化基本同步，相关性极强；②正常水位观测期间，四含（SQ10）、太灰（ST4）、奥灰（SO2）两两之间水位变化具有极强的相关性，同一含水层内不同观测孔间水位变化的相关性差异较大。证实：受构造控制，在矿井局部，四含与基岩含水层角度不整合接触区域，存在水力联系。利用地下水数值模拟软件Groundwater Model System（GMS）结合参数反演Parameter Estimation（PEST），对四含水位分布和径流规律进行研究，得出：四含水位在−7~−57 m，南部水位比北部水位高，在魏庙断层处，水力梯度较大；四含水径流集中在矿井西南部和中部，西南部整体向北径流，中部以东西向径流为主，四含径流有绕过魏庙断层。

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