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2023封面文章（《煤田地质与勘探》）

来源：煤田地质与勘探

《煤田地质与勘探》，双月刊，创刊于1973 年，是由中煤科工集团西安研究院有限公司主管，中煤科工集团西安研究院有限公司主办的面向国内外发行的煤炭科学技术方面的综合性学术刊物，被Ei、美国《乌利希期刊指南》、中国科学引文数据库(CSCD)核心库等数据库收录。

行业视野: 封面文章
类别; 80个
关键词; 88位
专家; 15篇
论文; 3135IP
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南海水合物地层的孔隙水合物形成机制模拟研究

作者(Author)：郑明明, 周珂锐, 吴祖锐, 刘天乐, 颜诗纯, 曾国澳

摘要：地层骨架孔隙中水合物的高质量形成是开展水合物实验研究的前提和物质基础，可为我国深水油气及水合物资源开发提供理论指导。依据南海GMGS2-07井水合物层地质条件，利用TOUGH+HYDRATE数值模拟软件和自主研制的水合物反应生成装置开展数值模拟和实验研究，在验证数值模拟方法准确性和可靠性的基础上，通过控制变量法分别开展不同地层导热系数和含水饱和度条件下水合物生成质量的影响研究。结果表明：(1) 数值模拟与室内实验过程中，水合物形成时温度、压力与三相物质变化趋势一致且特征值十分接近，验证了数值模拟方法的准确性和可靠性。(2) 导热系数越大，水合物生成越快，最终形成的水合物饱和度越大，分布也更加均匀。但导热系数与最终形成水合物的饱和度的正负相关性，存在临界边界。本次所选用的反应釜尺寸，临界边界距上、右边界距离为1.8 cm，临界边界内导热系数与水合物饱和度呈正相关性，临界边界外呈负相关性。临界边界随着反应釜尺寸的增大而增大，但临界边界位置不受地层渗透率的影响。(3) 随地层含水饱和度增加，最终形成的水合物饱和度先增大后减小，峰值处含水饱和度小于初始压力条件下的理论气水比。当初始压力为7.8 MPa，含水饱和度约22.23%时，所形成的水合物饱和度最大且分布最不均匀。由此可知，选用高导热系数材料制备地层骨架、使初始含水饱和度低于气水理论比以及调整初始温压条件使之偏向相平衡曲线左方有利于形成分布均匀的高饱和水合物。研究认为深水油气含水合物固井和水合物资源钻采提供依据，为水合物商业化开采提供技术储备。

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煤田地质与勘探

2023年第05期

178

87
煤矿井下自动加卸钻杆靶标图像清晰化方法研究

作者(Author)：姚宁平, 梁春苗, 姚亚峰, 宋海涛

摘要：受煤矿井运输巷道空间限制，将钻孔机器人设计为灵活布局的钻进和钻杆加卸2个独立系统，利用基于合作靶标的单目视觉识别，将钻进和钻杆加卸2个系统关联，解决两系统递送钻杆的协同作业问题。然而，煤矿井下钻孔施工中场景复杂，存在孔口煤渣、污水污染合作靶标、粉尘浓度大能见度低、人造光源亮度低、光照不均匀使靶标图像对比度低，以及矿灯直射合作靶标反光等问题，会影响合作靶标图像清晰度，使基于靶标识别加卸钻杆的位置的精度降低，进而影响钻孔机器人自动加卸钻杆的成功率。因此，首先针对施工中孔口返出的煤渣、煤泥污染合作靶标的问题，利用形态学滤波中先腐蚀，再膨胀的开运算，清除煤渣间断斑块和突出靶标像素点；先膨胀再腐蚀的闭运算，消除小的孔洞和间断细小鸿沟，达到消除固体污染物对合作靶标的影响；其次针对粉尘、岩尘、水雾和污水影响图像对比度问题，通过暗通道先验求出初始透射率，采用梯度域导向滤波精细化透射率，利用导向滤波得到改进暗通道，并求大气光值，利用大气散射模型得到除雾后的图像，实现清晰化图像、增强图像对比度目的；最后对亚像素级角点和方向进行精细化，优化能量函数，使用种子棋盘格沿4个边缘生长棋盘格，用能量变化情况确认是否生长出最大的棋盘，补全因强光反射缺失的合作靶标图像。实验结果表明：将形态学滤波、去雾算法和棋盘格生长等方法相融合，可增强煤矿井下复杂场景钻孔施工中合作靶标图像的清晰度，提高基于视觉识别的图像精度，为钻孔机器人自动加卸钻杆的精确控制奠定基础。

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煤田地质与勘探

2023年第05期

223

73
蒙陕矿区深部煤层开采顶板含水层失水特征与钻孔注水帷幕保护分析

作者(Author)：赵春虎, 王世东, 姬中奎, 朱开鹏, 杨建, 许峰, 蔚波

摘要：我国蒙陕接壤深部矿区主采煤层赋存地质与水文地质特征较之浅部矿区差异较大。文章通过系统分析呼吉尔特、台格庙、新街等蒙陕深部矿区主采煤层地质、水文地质特征以及采动导水裂隙等相关研究成果，总结出巨厚白垩系孔隙−裂隙含水层作为矿区保水目标层，在侏罗系安定组砂质泥岩弱隔水关键层间隔保护下，在煤层开采驱动下易形成典型的间接涌(失)水模式。并以研究区案例矿井为分析对象，数值模拟深部煤层开采过程中地下水流场变化规律。结果显示，煤层回采扰动下地下水流场以采掘空间为中心形成降落漏斗，并随着回采进尺的增加，降落漏斗影响范围与工作面总涌水量均增加，上部白垩系含水层越流失水量增加幅度小于总涌水量增加幅度，模拟结果与案例实测结果基本一致。最后，针对深部煤炭资源开采与研究区水源地保护“煤−水矛盾”问题，以保护白垩系含水层地下水水位为目标，提出以白垩系为回灌层、安定组顶部为终孔层位、注水井尽量远离煤矿区为基本原则的白垩系含水层地下水水位钻孔注水帷幕保护思路。并模拟分析案例矿井在正常开采与注水帷幕墙体建设条件下白垩系含水层地下水流场的变化规律，结果显示“钻孔注水帷幕”在低渗透性含水层水位保护具有较好的可行性，对于深部矿区煤层开采顶板水资源保护具有借鉴意义。

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煤田地质与勘探

2023年第05期

280

72
近海断陷盆地古近纪煤系沉积控煤作用与成煤模式——以山东黄县盆地为例

作者(Author)：吴悦, 王东东, 王海亮, 刘海燕, 李增学, 郑雪

摘要：我国海域区煤型油气资源量丰富，然而海域煤型烃源岩的研究程度却相对较低，严重制约了海域区煤型油气资源勘探。选取与海域区煤盆地成煤时代基本一致、地质条件相似、研究程度高的近海断陷含煤盆地——黄县盆地为例，开展沉积控煤作用与成煤模式研究。在充分吸取前人研究成果的基础上，精细重建了成煤期的古地理格局、演化及其沉积控煤作用。结果表明：(1)黄县盆地古近纪煤系主要发育冲积扇、扇三角洲、辫状河三角洲和湖泊沉积，可以识别出2个三级层序。煤层主要发育在湖扩张体系域时期的辫状河三角洲、滨浅湖环境。(2)综合恢复了涵盖古近系整个成煤过程的层序I湖扩张体系域和高水位体系域、层序II低水位体系域和湖扩张体系域的层序-古地理格局，并分析其沉积演化特征与沉积控煤作用；煤层主要发育在低水位体系域晚期-湖扩张体系域早期，湖平面缓慢上升的辫状河三角洲前部湖沼环境，并逐步向辫状河三角洲扩展；其次，煤层发育在湖扩张体系域的中晚期，湖平面频繁变浅-变深的湖沼-浅湖沉积环境。(3)建立了古近纪近海断陷盆地2种典型的沉积成煤模式。一是滨浅湖湖沼-辫状河三角洲成煤模式，主要发育在低水位体系域晚期-湖扩张体系域早期湖水平面缓慢抬升的过程，煤层厚度较大但分布相对局限，如煤4、煤2。二是滨浅湖湖沼-浅湖成煤模式，主要发育在湖扩张体系域中-晚期湖平面下降-上升的过程中；湖平面升降频繁导致成煤环境频繁出现-消失，形成的煤层厚度较小但分布较广，如煤1、煤上1等。本研究阐明的近海断陷盆地煤层发育规律和建立的沉积成煤模式，将为海域区煤型烃源岩勘探提供一定的理论支持。

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煤田地质与勘探

2023年第04期

287

80
煤系固废协同固化盐渍土的力学特征与机理研究

作者(Author)：董晨曦, 王念秦, 李江山, 陈新, 闫旭升, 马威

摘要：以干旱半干旱地区固体废弃物资源化利用为研究背景，利用煤系固废煤矸石(CG)、煤系偏高岭土(CMK)联合干旱区易获取的固废材料电石渣(CS)协同普通硅酸盐水泥(OPC)开发一种新型固化材料，探讨其固化干旱半干旱区盐渍土的力学性能与微观变化机理。基于室内实验，对比100%OPC固化盐渍土，研究不同矿区产出的CG以及煤矸石-煤系偏高岭土-电石渣协同固化剂(CGCMK-CS)替代52%、60%、68%、72%、84%OPC后各龄期的无侧限抗压强度(UCS)特征，并取特征组进行有害阴离子(Cl-、SO42-)浸出试验与微观测试，从微观角度对其强度变化机理进行探讨。结果表明，煤矸石–电石渣–煤系偏高岭土–普通硅酸盐水泥协同固化(CG-CMK-CS-OPC)体系具有良好的Cl-与SO42-结合能力，固化盐渍土后Cl-与SO42-浸出量是100%OPC的一半，其水化产物铝酸三钙能与盐渍土中的Cl-与SO42-生成AFm相产物，并使体系中的团粒内孔隙与团粒间孔隙向颗粒内与颗粒间孔隙转化，由此降低了盐渍土中盐分带来的危害。根据7 d UCS试验结果，使用山西运城CG固化体系的效果最佳，这与其活性钙质和铁铝质含量高、生物质含量低有关，榆林CG次之，咸阳CG性能最差。CG-CMK-CS在替代52%的OPC固化盐渍土后，部分试验组抗压强度qu超过了使用100%OPC固化盐渍土，即使在替代84%OPC之后，CG-CMK-CS-OPC依然满足公路底基层水泥粉煤灰材料的强度要求。因此，CG-CMK-CS-OPC可作为一种绿色、经济、环保低碳的固化材料，推广应用于干旱半干旱地区的盐渍土公路路基工程中。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

213

117
考虑Klinkenberg因子状态的CO2-ECBM模拟研究

作者(Author)：撒占友, 吴静波, 杨永亮, 张鑫, 卢守青, 刘杰, 王昊

摘要：为了探究Klinkenberg效应及不同状态的Klinkenberg因子在注CO2提高煤层气采收率(CO2-Enhanced Coal Bed Methane,CO2-ECBM)过程中的作用，借助COMSOL有限元软件模拟分析了Klinkenberg因子为0、固定Klinkenberg因子与动态Klinkenberg因子3种状态对CO2-ECBM及有效渗透率的影响，以及CH4与CO2压力随该因子的动态变化情况，并将CH4产气量与工程实际作了对比验证。结果表明，CH4与CO2有效渗透率呈先缓慢增长再急速下降后逐渐趋于平缓的态势，相较于固定Klinkenberg因子或Klinkenberg因子为0，动态Klinkenberg因子影响下的CH4与CO2有效渗透率更大，当Klinkenberg因子为动态变量时，受不同气体的摩尔质量与动力黏度影响，CO2有效渗透率小于CH4有效渗透率。在动态Klinkenberg因子作用下，煤层中CH4压力下降和CO2压力上升均更快，当Klinkenberg因子为固定值或0时，会高估煤层内CH4压力，低估CH4抽采与CO2压注的影响范围，并且估值均随时间增长而增大。工程验证表明，考虑动态Klinkenberg因子作用下的CH4累积产气量更接近真实情况。研究成果有助于分析CH4与CO2有效渗透率变化趋势，预估CH4抽采与CO2压注的影响范围及CH4产气量，在探究煤层增渗，优化井网布置，定量评价煤田产气量等方面具有理论指导意义。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

194

84
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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2023年第03期

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