《煤田地质与勘探》青年编委优秀成果展示—Ⅰ（2023—2024）

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《煤田地质与勘探》青年编委优秀成果展示—Ⅰ（2023—2024）

来源：煤田地质与勘探

行业视野: 煤田地质与勘探
类别; 171个
关键词; 200位
专家; 33篇
论文; 5970IP
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分形界面吸附行为初探

作者(Author)：金毅, 李娅妮, 宋慧波, 赵梦余, 杨运航, 陈泽楠

摘要：煤层气吸附解吸机理研究是揭示煤层气成藏机理及高效开发煤层气的基础。已有研究表明，煤储层孔隙结构非常复杂且具有分形特征，煤层气在孔−固界面的吸附行为明显受到煤孔隙结构特征的影响。对比分析几种常用气−固界面上的吸附模型，总结这些模型的特点和适用条件，指出当前吸附模型在分形界面吸附行为的描述和应用上均未摆脱吸附选择性的平稳假设，尚未考虑吸附厚度的尺度不变特征。而分形拓扑理论可以有效标定分形对象的尺度不变属性，为分形界面的等效表征提供了理论支撑。因此，结合上述模型对气−固界面吸附行为的描述，借助分形拓扑理论提出煤储层孔−固界面上分形吸附行为的相关假设及其控制机理，构建基于吸附拓扑的单层吸附模型。在此基础上，通过设置不同的吸附拓扑参数组合获取其等温吸附曲线，分析得出，随着吸附压力的升高，吸附覆盖率表现出指数、线性和对数3种不同的增长趋势，而吸附热表现为对数减小趋势。结果显示，不同的吸附拓扑参数组合会得到不同类型的等温吸附曲线，在一定程度上弥补了Langmuir方程只能描述单一类型等温吸附线的不足。为了验证吸附模型的适用性，结合沁水盆地武乡区块富有机质泥页岩的液氮吸附实验数据，对比了实际等温吸附曲线与模拟吸附曲线的差异。结果表明，通过调整各吸附拓扑参数之间的组合关系，可以使等温吸附模拟曲线与实际吸附曲线的趋势始终保持一致。最后，探讨了吸附解吸机理的研究方向，类比电子层提出了吸附层的概念，指出发展分形动力学描述模型是解释煤层气吸附解吸规律的关键。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

108

9
准东煤田构造特征及控煤作用研究

作者(Author)：王猛, 马如英, 单雅迪, 闫一超

摘要：构造控煤在采矿安全中扮演着重要的角色，但现有资料对准东煤田构造研究较少，为使煤炭安全高效开采，需有针对性地进行煤田开采地质条件研究。以准东煤田构造特征为研究对象，通过统计断裂构造信息，使用分形维数(分维)定量表征了构造复杂程度，探讨了准东煤田现今构造特征和构造动力成因，分析了构造特征对煤田开采地质条件的影响。结果表明：准东煤田断裂以正断层发育为主，少量大型走滑断层；通过对构造复杂程度的定量表征，煤田大部分区域构造分维为0.5~0.9，表明煤田的总体构造格局较复杂。准东地区主要经历了晚海西期、印支期、燕山期及喜马拉雅期四期构造运动，其中在侏罗系煤层形成后，燕山期南北和东北向挤压应力对煤田改造作用较大，且在该期构造运动后准东煤田构造格局基本形成。受多期构造演化作用的控制，准东煤田形成了多种典型控煤构造样式：复向斜型褶皱构造划分了卡拉美丽山前凹陷带的构造格局；叠瓦式逆冲构造主要表现为构造上盘剥蚀严重，含煤性较差，而下盘煤系保存较好，两侧逆冲断层使得煤层遭受切割，煤层在断层的分界处工程地质条件较为复杂，增大了开采难度；推覆式构造主要表现为使煤系在垂向上重复出现，在煤田勘探时增加了找煤难度，发育部位普遍地应力较大，挤压构造应力的集中，在煤矿生产时易出现矿井动力灾害。因此，针对不同构造样式的煤层，需提出相应的开采模式。

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煤田地质与勘探

2023年第02期

248

171
瓦斯抽采钻孔变形塌孔规律及精准监测技术研究

作者(Author)：肖鹏, 黄晓昇, 刘潇潇, 李秉昆, 陈丽萍, 陈紫溪, 张超, 程仁辉, 赵亚婕

摘要：为推进瓦斯抽采钻孔精准智能化发展水平，基于分布式光纤监测和布里渊光学时域分析技术(BOTDA)，以山西某矿为工程背景，开展了不同粒径配比下的钻孔堵孔模拟实验；构建了试验矿井堵孔率计算数学模型，揭示了钻孔变形塌孔发育规律，提出了适用于试验矿井的瓦斯抽采钻孔精准监测现场实施技术工艺，并通过现场试验对技术工艺的可行性和准确性进行了验证。结果表明：(1)光纤耦合体应变、模拟煤样堆积质量与钻孔变形塌孔间具有线性关系，随质量增加应变变化趋势相近，呈“陡−缓−陡”三阶段变化。通过分段拟合构建了适用于试验矿井的钻孔堵孔率计算数学模型。(2)通过误差分析，发现随着应变增加最大绝对误差先变大后变小再变大，中期最大绝对误差为19.48 %，后期完全堵孔状态下的质量极值越接近不同配比煤样的平均质量极值误差越小。(3)基于上述数学模型解算，揭示了模拟堵孔过程中煤块首先在钻孔底部呈“凸”状堆积，随后滑向两侧，最后又在顶部聚集的塌孔演化规律，以应变值0、45.95×10−6、72.19×10−6为临界值区分塌孔前、中、后期，构建了适用于试验矿井的瓦斯抽采钻孔精准监测技术。通过现场应变监测结果分析，发现在孔周应力、扰动等因素作用下，失稳孔段孔周裂隙更易发育，塌孔程度随时间加剧。结合钻孔沿程堵孔率计算结果，对钻孔沿程变形塌孔情况进行了判断，对比钻孔窥视图可得，该精准监测技术判断结果基本符合实际观测情况。提出的以分布式光纤耦合体和BOTDA技术为基础的钻孔精准监测技术工艺可行、可靠，可为推进瓦斯抽采钻孔精准智能化发展水平提供参考。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

110

15
煤层分布规律新认识：气候演变控制下的聚煤模式

作者(Author)：侯海海, 陈泓圳, 邵龙义, 潘姿孜

摘要：正确认识不同聚煤模式下煤层分布规律及其内在控制因素对于煤及煤系气的勘探至关重要。在综述古地理控煤、层序地层聚煤、异地堆积成煤和多元聚煤理论体系等理论和模式的基础上，以准噶尔盆地南缘(准南)侏罗纪含煤地层为例，提出了气候演变控制下的新聚煤模式。准南侏罗系八道湾组(聚煤期)、三工河组和西山窑组(聚煤期)、头屯河组的古气温和古湿度分别呈低—高—低—高和大—小—大—小的变化规律，是分析古气候演变作用下煤层聚集规律的有利层位。基于煤层层数、厚度变化和首煤层、末煤层、最厚煤层与煤系顶底界面距离等参数的统计分析，认为古气候变化对区域煤层空间展布具有重要的控制作用。古气候由温暖潮湿向干旱炎热转变过程中，煤层层数逐渐减少，单层煤厚先增大后降低直至消失，可将聚煤强度分为中等、强、中等和弱4个阶段，含煤地层的中下部出现较多厚煤层，是煤炭勘查的重要层位；对于八道湾组或西山窑组而言，聚煤早期煤层快速形成，聚煤晚期煤层则缓慢消失，这应该与温度持续升高背景下湿空气向干空气转换时间较长，而从干气候向湿气候转换时间较短密切相关。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

197

98
利用煤炭开发地下空间储能的技术路径与地质保障

作者(Author)：孙强, 张卫强, 耿济世, 胡建军, 张玉良, 吕超, 葛振龙, 李鹏飞, 贾海梁, 刘亚斌, 李宇翔

摘要：煤炭资源在我国能源结构中仍处于主体地位，但煤炭工业发展面临着“碳达峰碳中和”的新挑战。积极发展煤炭开发地下空间储能技术，是推动能源利用低碳化和清洁化的有效手段，也是保证我国能源战略安全的关键措施。结合当前储能技术，探讨了煤炭开发地下空间的利用现状，围绕利用煤炭开发地下空间抽水蓄能、热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能等储能新技术，重点阐述废弃矿井不同能源类型的储能理念及方式，系统分析储能过程中面临的地质保障关键技术难题。煤炭开发地下空间储能新技术总体思路为：利用煤炭开发地下空间所具有的低位势能差，将其用作梯级储水库(抽水蓄能)；或直接将其用作储质、储能空间(热储能、压缩空气储能、电化学储能、生物质储能)，既可提升煤炭开发地下空间资源的开发利用率，又可避免土地资源浪费，尽量降低对生态环境的扰动。虽然煤炭开发地下空间可作为大规模储能库，但其开发利用过程仍存在一些亟待解决的地质问题以及地质保障技术。主要包括：(1)地质条件与选址适宜性分析和安全性评价，即对储能空间的地质因素进行岩土工程性质和环境地质条件的系统研究，查明储能空间稳定性主控因素及其权重，构建选址指标体系与评价方法，重点查明区域构造、围岩体强度以及孔裂隙发育等情况，必须保证场地安全性。(2)储能地质体构建及关键技术研究，即根据地下空间实际条件和相关参数构建储能地质体在温度(T)、渗流(H)、应力(M)、化学(C)耦合条件下的地质体多尺度性能演化模型，结合数值分析和仿真技术构建地下空间隔离墙，确立储能空间体系，评价储能潜力，创新地下空间围岩加固改良、防渗等安全措施，并为地下空间储能长期安全高效开发提供地质保障。(3)储能地质体性能演化规律研究，即基于多相(固、液)、多场(温度场、应力场、渗流场、化学场)耦合模型，揭示多尺度下(微观、细观、宏观)围岩热损伤特性、围岩疲劳强度劣化机制等，获得储能介质物性参数、注入量、注采频率、储能时间和储能压力等关键参数，提出合理的围岩加固工艺与稳定性控制技术，分析覆岩长期沉降规律，为储库泄漏防治工程提供依据。(4)地下空间长期安全稳定性评估，即对煤炭开发地下空间地质条件、安全条件及环境条件等方面进行长时间、多尺度健康监测与动态评估，构建储库地质环境安全预警系统，分析运行过程及地质环境演变，为煤炭开发地下空间储能提供全方位安全监测和预警。发展煤炭开发地下空间储能技术可为我国井下空间资源利用提供思路，推进“双碳”目标下我国煤炭产业向绿色清洁高效转型发展。

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煤田地质与勘探

2023年第02期

228

134
新近系保德组沉积薄弱区红土阻水性能及其资源开发意义

作者(Author)：曾一凡, 包函, 武强, 孟世豪, 华照来, 苗彦平, 张晔, 卜文扬

摘要：关键隔水层沉积薄弱区阻水性能的深入研究对于矿井生产安全和生态水资源保护均具有重要意义。基于区域沉积特征重新优化钻孔数据，研究榆神矿区红土沉积厚度的分布规律，并探讨与红土阻水性能相关的微观工程特性和控制因素。结果表明，红土沉积厚度从西北向东南逐渐增大，并且随着河流的演化，红土分布变得极不均匀，红土缺失区面积达到48.80%。在垂直方向上通过粒径分析和渗透试验表明，红土的阻水性能随着红土沉积深度的增加而增强；在水平方向上通过微观结构和物质组成分析表明，红土的隔水性能与其沉积厚度并非简单的线性关系，随着红土沉积厚度的减小，薄弱区红土的隔水性能急剧下降。基于稳定达西流速概念计算了非完全阻水的红土薄弱区临界厚度，通过多源数据融合，得到榆神矿区红土阻水性能的分区。榆神矿区红土工程特性及阻水性能的系统研究可为红土薄弱区内矿井查清隐蔽致灾地质因素、实现关键隔水层保护及再建以及指导煤水双资源协同共采工程实践等方面提供重要的理论依据。

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煤田地质与勘探

2023年第10期

203

62
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

281

72
承压含水层水压传递速率变化规律

作者(Author)：王文学, 王柏森, 高艳卫, 吴冰, 聂天宇

摘要：含水层内水压以能量的形式传递，其传递速率远大于水质点的迁移速率，水压传递速率对高压水体下工程安全施工及灾害预测预报具有重要意义。以无黏性土承压含水层为研究对象，通过理论分析、数值模拟、现场试验及室内物理模型试验等方法对水压传递速率变化规律进行探讨。结果表明：含水层中水压变化传递具有明显的滞后性，传递速率并不是无限大或接近声速，且存在随传递距离增加逐渐衰减的现象，水压径向传递的滞后时间t与水压传递距离r呈二次幂函数关系；稳定边界压力水头越大，在承压含水层中同等水压变量的传递速率越快，渗透系数越大水压传递速率越快；当渗透系数一定时，水压传递滞后时间与传播距离的拟合系数C随边界稳定压力水头的增加呈一阶指数函数减小；现场试验表明，边界稳定压力水头差异性不大时，在传输距离较远的条件下，其水压传递平均速率基本相当；室内试验表明，瞬态脉冲水压力随传递距离增加，波形发生明显变异，峰值压力逐渐减小、脉冲压力波波长变大、峰值压力传递速率减小，随传输距离的增加其传递速率呈指数函数衰减，说明瞬态脉冲水压力能量随传输距离增加快速衰减；瞬态脉冲压力值越大其初始阶段的传递速率越快，但随传输距离的增加其传递速率衰减幅度更大。研究成果对水压传递速率变化规律的影响机制及其应用于地下工程突水灾害预测及防治具有重要的理论及实践指导意义。

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煤田地质与勘探

2024年第03期

171

10