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《煤炭学报》2023年“新锐科学家”特刊

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2023年第2期组织策划了“新锐科学家”专题。

《煤炭学报》2022年“新锐科学家”专题：http://www.chinacaj.net/i,3,15239,0.html

《煤炭学报》2021年“新锐科学家”专题：http://www.chinacaj.net/i,3,12427,0.html

行业视野: 煤炭学报
类别; 225个
关键词; 275位
专家; 46篇
论文; 12346IP
点击量; 28091次
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煤层采动顶板水文地质参数演化与矿井涌水量动态计算方法

作者(Author)：徐智敏, 陈天赐, 陈歌, 李剑锋, 孙亚军, 李鑫, 袁慧卿, 何也

摘要：为预防煤矿采掘过程中突水事故的发生,开展矿井突水预测预报尤其是涌水量的精准计算尤为重要。以目前矿井涌水量计算普遍采用的解析法(也称“大井法”)为例,针对采动顶板水文地质参数演化与矿井涌水量动态精准计算之间的矛盾问题,在进一步分析笔者团队前期研究成果的基础上,阐述了采动顶板破坏过程中涌水形成机制和水文地质参数演化规律,探索性提出了变参条件下矿井涌水量动态计算方法,并进行了工程应用与可靠性评价。研究表明:采动诱发顶板直接充水含水层的渗透系数(K)呈“稳定增加—波动变化—恢复稳定”的变化特征,水位降深(S)和影响半径( R) 呈“ 快速增加—略微下降—恢复稳定” 的变化特征;传统解析法预计涌水量时在边界条件概化、参数选取以及计算过程存在误差,论文提出了矿井涌水量动态计算方法,即考虑采空区面积、水位漏斗动态变化过程的“ 移动大井” 理论模型,以初次( 周期) 垮落步距为计算单元依次概化“ 移动大井”,渐次计算工作面推进过程中的动态涌水量;以徐矿集团下属某矿 1306 工作面为例,分别开展了工作面回采过程中引用影响半径( R0 ) 单参数变化和引用影响半径( R0 ) 、水位降深( S) 双参数变化条件下的矿井涌水量动态计算,计算结果显示单参数和双参数变化条件下的矿井涌水动态计算方法可显著提高其计算精度,其相对误差平均值由传统解析法的 140.7%可分别降低至88.7%、10.3%。研究成果可为矿井长期开采过程中干扰流场演化的推演,以及工作面回采过程中不同阶段矿井涌水量的动态、精准计算奠定方法基础,为矿井防治水工作开展和合理配备防排水设施提供依据。

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煤炭学报

2023年第02期

291

913
热变煤的变质演化纳米特性及其类石墨结构特征

作者(Author)：王绍清, 陈昊, 王小令

摘要：热变煤所处地质条件明显异于正常变质作用煤,由于受到直接接触的岩浆侵入体影响,热变煤一方面经受了快速升温缓慢冷却的受热过程,另一方面也受到侵入体接触挤压带来的额外应力作用,这使得热变煤的碳纳米结构变化明显异于正常变质作用煤。为揭示热变煤中碳纳米结构的特殊性,基于 X 射线衍射(XRD)与高分辨率透射电镜(HRTEM)分析手段,研究热变煤的微晶结构参数演化,同时对热变煤中碳纳米结构类型及其成因进行系统分析。结果表明:与深成变质作用煤相比,热变煤的微晶层间距更接近石墨微晶。在镜质体反射率小于 10%时,热变煤的层间距和 La / Lc 均呈现三阶段变化。在热变煤中,识别出 4 种碳纳米结构,即无序芳香簇结构、芳香同心环状结构、涡层结构和类石墨状结构。其中,类石墨状结构主要出现在颗粒边缘、显微组分相互挤压面上以及孔隙裂隙边缘处,其成因与颗粒内部应力有关。相比于其他 3 种碳纳米结构,类石墨状结构的定向性更好,同时其芳香层片的长度也更长。与正常变质煤受热形成的类石墨结构不同,热变煤颗粒边缘类石墨结构的层间距更小而延展度更大。基于此,通过改进的 Hummers 法可从热变煤中制备得到石墨烯,但缺陷特征明显,因此亟需进一步深入研究。

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煤炭学报

2023年第02期

204

420
煤有机大分子碳结构石墨化机制

作者(Author)：李伍, 杨文斌, 战星羽, 李锦

摘要：煤化作用和石墨化作用共同控制煤的形成和演化,因煤物质成分、化学结构的复杂性和石墨化作用的特殊性,使得研究煤大分子结构热演化过程非常困难。为了探索煤化过程和石墨化过程中的大分子结构变化特征,通过煤质分析、固体核磁共振、高分辨率透射电镜( HRTEM) 、黄金管热模拟等实验技术和 Amsterdam Modeling Suite (AMS)量子化学计算技术,对不同煤阶煤和煤系石墨样品进行测试分析,从大分子量子化学角度构建不同煤阶煤的有机大分子结构,以揭示煤的有机质大分子碳结构演化及石墨化机制。 1 随着成熟度升高,煤大分子结构中芳香结构的占比逐渐增大,脂肪结构含量逐渐减小,芳碳率在无烟煤阶段达到 0.9 以上;2 低煤级煤和中煤级煤大分子中 2×2、3×3 尺寸的芳香条纹含量占比最大,随着成熟度的升高优势方向(75°、90°和 105°)条纹占比由 26.47%增至 50.10%,在无烟煤和高级无烟煤阶段出现芳香条纹堆叠现象;3 利用构建的三维大分子结构模型开展热解模拟计算,发现随着模拟温度升高,芳香层片间距有规律的减小,从 0. 400 nm 降至 0.318 nm,这与低煤阶煤到高煤阶煤芳香层片层间距从 0.467 5 nm 降到 0.368 0 nm 的结果是一致的;4 分析评价了煤石墨化过程中大分子结构体系的变化规律,初步认为杂原子和脂肪结构的脱除是煤芳香结构向晶簇转化的原因,并探讨了煤大分子石墨化机制,初步揭示煤化作用和石墨化作用过程中,碳结构的变化规律和演化机理。

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煤炭学报

2023年第02期

262

294
燃爆冲击载荷对页岩储层孔裂隙系统的改造作用特征

作者(Author)：陈尚斌, 罗宁, 翟成, 林威, 翟潇航, 张瑛堃, 张宇航, 王阳, 刘厅

摘要：燃爆压裂是近年提出的一项针对页岩气储层压裂的变革性技术,研究燃爆冲击载荷的改造作用可为燃爆压裂法的应用提供基础依据。选取川南泸州区块龙马溪组一段页岩样品,采用自制的燃爆冲击载荷试验系统开展燃爆冲击实验,用计算机断层扫描仪(μ-CT)扫描燃爆前后样品,通过数字图像处理技术提取孔隙并重构,统计孔隙数据获取孔径分布,研究燃爆冲击载荷作用前后孔裂隙系统的变化特征。结果表明:1 瞬时升温产生的热应力破坏页岩中层理弱介质,使其内部微裂缝失稳、扩展乃至贯通;受燃爆冲击载荷作用影响,页岩中心位置应力集中,应力波冲击使页岩形成多条裂缝,产生大量孔隙;2 燃爆冲击载荷作用对页岩储层孔裂隙系统的改造显著受层理和微裂缝的影响;层理和微裂缝越发育,改造后形成的裂缝网络越复杂;受黏土矿物等塑性矿物的约束性降低,储层应用范围更广;3 瞬时升温和燃爆冲击载荷作用对页岩复杂缝网的形成和扩展均有显著促进作用;燃爆冲击载荷作用更加有效地改造页岩储层孔裂隙系统并产生大量连通性孔裂隙, 连通性孔隙增加约 67%。这一研究从微观层面证实燃爆冲击载荷作用能有效改造页岩储层。

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煤炭学报

2023年第02期

155

470
基于纳米压痕的煤岩微观力学特性及其影响因素剖析

作者(Author)：蔡益栋, 贾丁, 邱峰, 刘大锰, 闫霞, 周优, 安康

摘要：煤岩微观力学特性与宏观力学特性关系密切,是剖析宏观力学性质机理的关键指标,也是影响煤层气压裂开采的重要因素。现阶段煤岩微观力学特性研究局限于力学参数表征与现象描述,演化机制及影响机理方面的研究较为缺乏。以我国不同变质程度煤岩为研究对象,通过以纳米压痕实验为主,低温液氮与原位激光拉曼测试为辅的手段,实现了纳米压痕实验关键参数优选,并明确了煤岩镜质组与惰质组微观力学特性及其主控因素。研究结果表明:1 预实验结果显示,低载荷、小量程下,最大压入深度在 1 000 nm 左右(对应峰值载荷约为 9 mN)的参数设定较为适合煤岩镜质组和惰质组的纳米压痕实验;2 煤岩惰质组的弹性模量和硬度均普遍高于镜质组,且同一煤样中不同位置显微组分的弹性模量和硬度相近,说明在局部范围内煤基质显微组分的微观力学性质分布具有一定相似性;3 煤岩显微组分和成熟度通过控制孔隙结构与化学结构以“一主一辅” 形式共同影响其微观力学性质,即镜质组微观力学强度随煤化程度加深先升后降再升,下降段主要受因气孔增多导致的孔隙结构变化影响,上升段化学组分和结构为主控因素;惰质组的微观力学性质随煤岩成熟度升高持续增加,始终以受化学组分和结构控制为主。煤岩微观力学性质研究可广泛运用于微观尺度下的煤基质变形机制分析、水力压裂过程中微裂缝的产生与拓展探究以及开发有利区优选。

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煤炭学报

2023年第02期

223

514
多手段表征富油煤微生物厌氧发酵孔隙结构变化特征及机制

作者(Author)：鲍园, 李争岩, 安超, 王双明, 李丹

摘要：煤层气生物工程技术是实现富油煤绿色、低碳开发的有效手段之一。为探究微生物厌氧发酵作用下富油煤孔隙结构演化特征,以鄂尔多斯盆地南部黄陵矿区富油煤为研究对象,在实验室条件下开展微生物厌氧发酵(降解)富油煤生烃模拟实验,采用场发射扫描电镜、3D 形貌仪、CT 扫描、孔隙度 / 渗透率测试等手段,对微生物降解前后的富油煤表面形貌、粗糙度和内部孔隙进行表征,并探讨微生物降解作用下富油煤的孔渗结构演化规律及生烃机制。结果表明:不同规格大小的煤样甲烷生成潜力与煤的质量( 或接触面积) 呈正相关关系;微生物降解作用具有显著的扩孔、增孔、增容、造缝等效果,以及降低煤体表面粗糙度,使其变得平滑,有利于煤层气的解吸和运移;微生物还可沿着节理、裂隙系统进入富油煤内部,改造煤体孔隙结构及其连通性;同时微生物降解作用还可提高富油煤的孔隙度和渗透率,为煤层气的渗流和运移提供了良好的通道。微生物主要作用于富油煤中脂肪族上的支链,打破小分子间连接较弱的氢键,降低脂肪族的分支程度和煤结构的交联度,进而生成甲烷。微生物作用还可改变富油煤芳香度和芳香环的缩合程度,进而改变富油煤大分子结构与孔隙结构。微生物厌氧发酵富油煤与非富油煤的生烃机制差异性问题值得后续深入研究。

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煤炭学报

2023年第02期

222

413
深煤层含气系统差异及开发对策

作者(Author)：李勇, 徐立富, 张守仁, 吴见, 毕建军, 孟尚志, 陶传奇

摘要：我国深部煤层气资源丰富且开发潜力巨大,实现规模开发有助于形成煤系气大产业,服务油气增储上产,保障国家能源安全。在系统总结近年深部煤层气勘探开发成果基础上,结合实验测试和理论分析,揭示了深部差异含气系统模式,并针对性提出了开发策略。研究结果表明,受构造演化和保存条件差异影响,煤层气存在过饱和干煤系统、饱和 ~ 近饱和湿煤系统和欠饱和湿煤系统。干煤系统游离气含量高,且在深煤层中呈压缩状态,在储层压力>10 MPa 条件游离气含量可以达到并超过吸附气,易形成高产。湿煤系统中煤岩裂隙或者大孔隙中饱和地层水,需要排水降压解吸产气。煤层在煤化作用过程中生烃超压,纳米孔隙中饱和游离气且地层水难以侵入。深部吸附气和游离气处于动态转化,受范德华力、毛细管力和浮力作用综合影响,深煤层形成连续型天然气藏,具有“ 源岩控储” ( 连续稳定煤层控制储层质量) 和“ 物性控藏” ( 物性差异影响甜点分布) 特征, 可在封盖条件良好的稳定高渗煤层寻找甜点区。深煤层压实致密且地应力高,煤岩抗压强度增加, 储层改造裂缝有序性增强,可在不同粒径支撑剂下形成立体渗流网络。干煤系统改造以体积改造和“碎裂化”为主要目的,考虑采用水平井大规模分段压裂,扩大渗流面积,提高产气速度;湿煤系统以适度改造和“疏导化”为主要方式,并考虑水平井顶板间接压裂等开发策略。煤成气在地质历史中持续向邻近层系充注运聚,形成全含气系统,应当充分利用成熟探区地质和工程基础,整体部署,分类突破,多气合采,实现深部煤层气规模化开发和多类型天然气总体动用。

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煤炭学报

2023年第02期

291

449
瞬变电磁共中心零磁通线圈研制与试验

作者(Author)：胡雄武, 陈人峻, 张平松, 吴荣新, 付茂如, 周昊钰

摘要：基于小尺度共中心线圈的瞬变电磁方法因施工便捷、快速且对低阻体敏感等优点,而被广泛应用于矿山、交通、水利等领域的工程地质探测。但理论与实践表明,该方法实测早延时信号明显失真,所计算的视电阻率值严重偏离实际,从而造成该方法对浅层地电信息的探测能力缺失,存在勘探盲区。为克服该技术缺陷,首先重建了共中心观测方式下仪器记录的瞬变场信号,基于理论分析研究了接收系统暂态过程和一次场对瞬变场观测信号的影响特征。结果表明,接收系统暂态过程和一次场是引起早延时数据失真的 2 个原因;与前者相比,后者对瞬变场有效分辨时间滞后的影响更大,为关键因素。同时指出在调制接收系统阻尼匹配情况下,进一步消除一次场干扰是减小勘探盲区的有效途径。基于此,考虑到发射线圈内、外磁场极性相反的特点,建立了共中心零磁通线圈的绕制方法,明确采用内、外接收线圈串联的方式可实现接收线圈内一次场总磁通量趋向于零(即零磁通);并通过公式推导,给出了内、外接收线圈匝数比的理论计算方法。现场试验结果表明:1 内、外接收线圈匝数比的理论值较为可靠,但因线圈绕制存在误差,实际中还需结合线圈实测信号特征进行修正;2 与中心线圈相比,所绕制的零磁通线圈受一次场干扰明显减小,瞬变场有效分辨时间大幅前移,早延时信号得到高度保真;在此基础上,通过增加内、外接收线圈匝数,可有效改善晚延时数据信噪比;3 与中心线圈相比,零磁通线圈实测数据对试验区浅层地电信息的分辨能力明显增强,较好地解决了瞬变电磁方法存在浅层勘探盲区的技术难题,体现了零磁通线圈的可靠性和优越性,可为实际探测提供装备支撑。

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2023年第02期

257

423