《煤田地质与勘探》2023年1-6月高影响力文章

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《煤田地质与勘探》2023年1-6月高影响力文章

来源：煤田地质与勘探

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我国煤与瓦斯突出机理70年发展历程与展望

作者(Author)：张超林, 王培仲, 王恩元, 许江, 李忠辉, 刘晓斐, 彭守建

摘要：煤与瓦斯突出灾害的有效防治一直是我国煤矿安全生产面临的挑战性难题，其前提和基础是对煤与瓦斯突出机理的深入研究。全面阐述我国近70年来在煤与瓦斯突出机理研究领域所开展的工作和取得的成绩，其研究过程分别经历了积极探索阶段(1955—1977年)、理论奠定阶段(1978—2002年)、快速发展阶段(2003—2015年)和稳定发展阶段(2016年至今)；基于文献计量学方法和科学知识图谱分析，探讨了突出机理的研究热点和前沿趋势。分别从理论假说、物理模拟、数值模拟3个方面系统总结了我国煤与瓦斯突出机理研究进展：理论假说方面，在综合作用假说的基础上，针对我国煤矿实际情况形成了以流变假说、球壳失稳理论、力学作用假说等为代表的新观点和新理论，奠定了突出理论研究基础；物理模拟方面，围绕突出主控因素、多物理场演化、能量转化与失稳条件、地质构造与构造煤、两相流致灾机制等方面进行了大量的试验研究，基本掌握了突出的发动条件、发展过程、演化规律及影响因素；数值模拟方面，主要开展了突出煤层、地质构造和突出两相流等方面的模拟研究，然而由于突出过程和影响因素的复杂性，仍无法实现突出全过程的模拟分析。目前，已初步形成了具有我国特色的煤与瓦斯突出理论体系，但时有发生的突出事故表明突出防治形势依然严峻。结合研究现状和发展趋势，认为应进一步研究突出全过程、全要素、全时空耦合演化过程，分析含瓦斯煤多尺度流变行为，探索煤层储能与动态释放过程，揭示复合与次生灾害成灾机制，形成煤与瓦斯突出耦合演化机理、力学模型、能量模型和灾变模型；在此基础上针对典型突出场景，开展复杂地层下突出物理模拟试验和全过程数值模拟反演，实现突出危险的实时监测和连续预警。

煤田地质与勘探

2023年第02期

122
耦合遥感生态指数模型的山西省及规划矿区生态环境评价

作者(Author)：季翔林, 阎跃观, 郭伟, 滕永佳, 赵传武

摘要：生态环境质量是评价宜居水平的重要指标，定量评价区域生态环境质量的变化规律可为地区生态环境保护和治理提供科学依据。以我国山西省及其规划矿区为研究区域，基于谷歌地球引擎(Google Earth Engine,GEE)平台和生态系统服务和权衡的综合评估(Integrated Valuation of Ecosystem Services and Tradeoffs,InVEST)模型，在原有的遥感生态指数(Remote Sensing Ecology Index,RSEI)加入植被净初级生产力(Net Primary Productivity,NPP)和生境质量(Habitat Quality,HQ)，分别用来表征碳汇水平和生境适宜度水平。选取2000—2018年有代表性的3个年份进行分析，通过构建基于耦合NPP、HQ和RSEI的新型遥感生态指数模型(NH-RSEI)，评价山西省生态环境质量的时空异质性，并结合缓冲区分析法、驱动力分析法，对规划矿区的环境变化进行分析。研究表明：2000—2018年，山西省的整体生态水平处于中等偏下但有所改善，改善程度要小于矿区；晋东部的矿区生态环境处于中等偏上且较为稳定，晋西部的矿区生态环境较差但明显改善；矿区对半径6 km以内缓冲区的生态环境质量有较大影响，对于缓冲重叠区的影响具有叠加效应，这种效应随着时间的推移正逐渐减小。NH-RSEI均值与高程、坡度具有很强的相关性，且具有明显的阶段性变化特征，二者是影响NH-RSEI分布的关键因素。本研究为评价大尺度、长序列的生态环境质量提供了一种可靠的途径，对山西省及其规划矿区的生态恢复以及可持续发展管理具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

156

131
苏北盆地层状盐穴储气库CO2封存数值模拟研究

作者(Author)：宗师, 刘世奇, 徐辉, 王文楷, 曹泊, 皇凡生

摘要：地下盐岩溶腔是CO2封存的有效地质体，CO2沿盐岩软弱夹层和盐层-夹层交界面泄漏是制约地下盐岩溶腔CO2安全封存的关键。以苏北盆地金坛地区CO2盐穴储气库为研究对象，建立了层状盐穴储气库CO2封存的流-固耦合数学模型，分析了盐岩及泥岩夹层中CO2运移泄漏规律及其对CO2安全封存的影响，并探讨了盐岩及泥岩夹层渗透率的动态响应特征。结果表明：渗透率是决定盐岩层中CO2运移速率和泄漏范围的关键，在其影响下，相同封存时间内泥岩夹层中CO2运移速率和影响范围远大于盐岩，但随封存时间延长，盐岩和泥岩夹层中CO2运移速率和压力增幅均呈降低趋势，并随着CO2压力传播至模拟边界而趋于稳定。渗透率动态变化是上覆地层压力负效应与盐岩层中CO2压力正效应共同作用的结果，并受盐岩和泥岩夹层力学性质的影响。CO2封存时间<3 a时，上覆地层压力是盐岩渗透率降低的主控因素，随封存时间延长，CO2压力对盐岩渗透率的影响逐渐占据优势，使得CO2影响范围内盐岩渗透率有所恢复。相较于盐岩，泥岩夹层的弹性模量较小，上覆地层压力和CO2压力对其渗透率的影响更显著。泥岩夹层的渗透率一般高于盐岩，CO2主要沿泥岩夹层运移泄漏，CO2盐穴储气库选址、建设和运行中，应充分考虑泥岩夹层的影响，对其进行适当防护和监测，避免CO2沿其泄漏；盐岩溶腔中CO2储气压力对盐岩层中CO2运移速率和泄漏范围无显著影响，但较高的储气压力提高了CO2影响范围内盐岩层中的CO2压力，盐岩与泥岩夹层渗透率恢复程度更高，间接影响了CO2运移泄漏规律，因此储气压力的设置应充分考虑盐岩和泥岩夹层渗透率、力学强度等影响。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

239

114
低阶煤吸附孔结构特征及其对甲烷吸附性能影响

作者(Author)：李树刚, 周雨璇, 胡彪, 秦雪燕, 孔祥国, 白杨, 张静非

摘要：低阶煤甲烷吸附特性研究对瓦斯含量预测、瓦斯抽采及危害防治有着重要意义，为此，选取陕西6个典型矿井低阶煤样，进行低温氮吸附、低压二氧化碳吸附及甲烷等温吸附实验，获得低阶煤吸附孔结构特征。利用微孔填充及单分子层吸附理论定量表征甲烷吸附特征参数与吸附孔结构参数之间的关系，明确吸附孔中甲烷吸附机理。结果表明：吸附孔的比表面积主要由微孔提供，甲烷吸附能力主要受吸附孔孔容大小控制，微孔孔容对吸附孔总孔容的贡献率在74.71%～88.97%。甲烷极限吸附量与吸附孔平均孔径呈线性负相关，与吸附孔孔容、比表面积呈线性正相关，Langmuir压力常数随吸附孔平均孔径、孔容和比表面积的增加仅在小范围内波动，无明显线性相关。6个低阶煤样的分形特征明显，综合分形维数为2.573～2.720，平均值为2.647，说明低阶煤吸附孔非均质性强，甲烷极限吸附量随分形维数增加先增加后减小，整体呈上升趋势。基于微孔填充和单分子层吸附理论可以定量表征低阶煤吸附孔结构与甲烷吸附能力之间的关系，甲烷极限吸附量计算值与实验测试值相对误差较小，长焰煤相对误差为4.47%～6.65%，不黏煤为13.77%～16.02%。研究成果可为后续量化甲烷吸附特性与吸附孔结构之间的关系并精准预测煤层瓦斯含量提供理论指导。

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煤田地质与勘探

2023年第02期

170

112
煤矿智能化关键技术研究与实践

作者(Author)：王海军, 曹云, 王洪磊

摘要：煤矿智能化是煤炭行业实现可持续发展的重要途径,为煤矿企业减人增效、安全生产提供有效保障,大数据、机器人、人工智能等新一代信息技术有力支撑了煤矿智能化建设。首先阐述了智慧矿山的设计思路,提出了智能化建设总体技术体系。然后,分析了通用异构型控制和数据处理平台、矿用巡检机器人技术、人工智能技术、故障诊断技术和智能穿戴等煤矿智能化关键技术的发展现状与趋势,梳理了智能化建设应用过程中存在的关键难题,并针对瓶颈问题提出了解决方法与未来发展趋势。研究基于模块化开发的通用异构型控制和数据处理平台,实现了底层终端的可重构和底层通信协议的统一,解决了数据孤岛问题;研究巡检机器人驱动模块监测、运动控制与精确定位等关键技术,基于多传感器融合技术实现机器人精确定位;研究人工智能技术在煤矿场景应用中缺少典型数据和与场景知识结合的问题,提出小样本学习技术有望推动人工智能技术在煤矿智能化领域的进一步落地应用;研究煤矿设备故障诊断技术,提出构建基于数据和知识混合驱动的设备故障诊断模型将有效解决过度维修和欠维修的问题;智能穿戴技术是解决井下关键岗位作业人员防护问题的关键,提出了由呼吸系统、传感监测系统、人机交互系统、语音显示系统组成的智能穿戴系统设计方案。最后,阐述了内蒙古神东天隆集团霍洛湾煤矿与内蒙古神东天隆集团武家塔露天煤矿智能化建设实践经验与阶段成果,为不同类型煤矿的智能化建设提供参考。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

155

196
鄂尔多斯盆地东缘深部(层)煤层气勘探开发理论技术难点与对策

作者(Author)：徐凤银, 闫霞, 李曙光, 熊先钺, 王予新, 张雷, 刘川庆, 韩金良, 冯延青, 甄怀宾, 杨贇, 王成旺, 李宇新

摘要：我国深部(层)(以下均指埋深大于2 000 m)煤层气资源丰富,勘探开发潜力巨大。2019年以来,鄂尔多斯盆地东缘(鄂东缘)大宁–吉县区块逐步进入深部(层)煤层气“规模勘探+先导试验”阶段,直井日产气量突破2×104 m3,水平井日产气量突破10×104 m3,这一标志性成果既突破传统意义上煤层气勘探开发领域的深度禁区,使得煤层气总资源量有望在30.05×1012 m3基础上大幅度增加,又将成为“十四五”乃至长远煤层气产业实现规模发展的重点勘探开发方向。面对以地面传统钻井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输和数智化等为主体技术及开发方式的迫切需求,鄂东缘深部(层)煤层气面临许多基础理论和技术难点,包括:成藏机理和赋存规律,有利区优选方法;高产主控因素及控制机理,解吸–渗流机理与开发规律,“地质–工程一体化”开发甜点分类评价标准,关键开发指标确定方法和依据;低成本优快高效钻完井技术,水平井水泥环高效密封控制技术;煤岩缝网形成机理,低成本、高效、环保压裂入井材料,改造后缝网孔渗特征、流动规律;高盐、高水气比、出砂等工况下排采及举升控制技术;高效节能集输、规模开发所需复杂集输管网稳定运行理论与实践体系;数智气田建设和人工智能应用研究。在系统梳理上述难点基础上,针对性地提出勘探地质、开发地质、钻完井、压裂(储层改造)、排采(举升)、集输与数智化等理论与技术的研究方向和具体对策,这一成果不仅对加快鄂东缘深部(层)煤层气规模上产具有重要的指导意义,而且对国内外深部(层)煤层气规模开发具有很强的引领和示范作用,也可有力推动煤层气产业高质量发展、支撑实现国家碳达峰碳中和目标与保障清洁能源安全。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

148

116
我国煤矿区煤层气地面开发现状及技术研究进展

作者(Author)：张群, 降文萍, 姜在炳, 孙四清, 李彬刚, 杜新锋, 巫修平, 赵继展, 范耀, 范章群, 韩保山, 许耀波, 刘柏根

摘要：回顾了我国煤炭企业组织实施和合作开展的煤矿区煤层气勘探开发进程。经过三十多年攻坚克难、不懈努力,我国煤矿区煤层气地面开发技术研究、工程试验和产业发展均取得了可喜的成绩,不仅在山西晋城矿区首次取得国内外无烟煤的煤层气开发成功,实现了煤层气规模化商业化生产,而且在安徽淮北矿区取得了碎软低渗煤层顶板水平井开发煤层气技术的重大突破,实现了碎软低渗煤层的煤层气水平井单井的高产稳产;煤矿区采动区煤层气井开发在安徽淮北、淮南,山西晋城等矿区实现了规模化工程应用。同时,梳理总结了依托“十一五”—“十三五”国家科技重大专项项目,在煤矿区煤层气地面开发理论及技术研究方面取得的主要成果及其应用效果,包括:煤层气井密闭取心技术与设备、碎软低渗煤层地面煤层气垂直井强化增产技术、碎软低渗煤层顶板和煤层水平井分段压裂开发技术、多煤层分层控压合层排采技术、低煤阶低气含量煤层地面煤层气开发技术、煤层气井极小半径多孔旋转射流侧钻水平井技术,以及煤矿采动区煤层气产量预测技术等。在此基础上,根据全国煤矿区煤炭开采发展趋势和需求,提出今后煤矿区煤层气研究应重点关注3个方向:穿浅部采空区/采动区的深部煤层气与煤炭资源协调开发、低煤阶低气含量厚煤层矿区煤层气与煤炭资源协调开发和废弃/关闭矿井煤层气开发等。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

152

231
中国煤炭甲烷管控与减排潜力

作者(Author)：桑树勋, 刘世奇, 韩思杰, 郑司建, 刘统, 周效志, 王冉, 王猛

摘要：甲烷是最主要的非二氧化碳温室气体,受到越来越多的重视。煤炭甲烷是我国最主要的甲烷排放源类型,我国也是世界煤炭甲烷排放量最大的国家,煤炭甲烷的有效排放管控与高效开发利用兼具温室气体减排、能源气体开发利用和灾害气体防治三重意义。基于系统调研和研究工作积累,概述了煤炭甲烷排放管控背景,总结了全球与代表性国家煤炭甲烷排放及其管控现状,阐释了我国煤炭甲烷开发利用与排放管控历程及发展趋势,讨论和前瞻了我国煤炭甲烷减排路径与减排潜力。已有研究工作表明:我国煤炭甲烷排放主要来自煤炭地下开采风排瓦斯,且较长时期内仍是我国煤炭甲烷的主要来源;随着我国关闭矿井增多,由此产生的关闭矿井甲烷排放量呈增长趋势,是我国煤炭甲烷不容忽视的来源。随着碳中和目标的提出,温室气体减排的政策导向逐渐成为我国煤炭甲烷排放管控的重点,明确了煤炭甲烷减排方向。我国煤炭甲烷排放管控形成了以煤层气勘探开发利用、煤矿瓦斯抽采利用、关闭/废弃矿井瓦斯抽采利用、乏风瓦斯利用等全浓度利用,煤炭采前、采中和采后全周期利用为特征的关键技术路径。我国煤炭甲烷排放管控面临巨大压力和严峻挑战,诸多政策、机制、技术问题亟待破解。突破复杂地质条件适配性煤层气高效勘探开发技术体系,精准化、数字化、智能化、低碳化煤矿瓦斯高效抽采技术体系,关闭/废弃矿井煤炭甲烷减排管控与利用技术体系,全浓度瓦斯综合利用技术体系等是主要发展方向。

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煤田地质与勘探

2023年第01期

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