《煤田地质与勘探》2024年上半年编委及其团队成果

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《煤田地质与勘探》2024年上半年编委及其团队成果

来源：煤田地质与勘探

专题来自于《煤田地质与勘探》2024年上半年，共17篇研究成果。

行业视野: 煤田地质与勘探
类别; 63个
关键词; 69位
专家; 12篇
论文; 1574IP
点击量; 246次
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富油煤研究进展与趋势

作者(Author)：王双明, 鲍园, 郝永辉, 王生全, 师庆民, 李丹, 胡宜亮

摘要：富油煤是集煤、油、气属性于一身的煤基油气资源，针对国内“相对富煤、缺油、少气”的能源禀赋，开发富油煤对缓解我国紧张的油气资源供应局势、实现煤炭的绿色开发和低碳利用具有重要的意义。以富油煤为主要关键词，通过CNKI和Web of Science数据库检索自1985—2023年底已公开发表的学术论文和专利，统计分析富油煤的发展历程和主要研究内容，梳理了富油煤研究的热点方向与前沿领域，展望了未来发展趋势。研究发现：富油煤热解、赋存特征及沉积环境、孔隙和分子结构、焦油产率预测、微生物降解、资源潜力及开发利用是当前富油煤研究热点内容。富油煤含有热解可生成油气的富氢结构，如脂肪结构的侧链与桥键及缩合芳香核周缘的弱键结构；富油煤多形成于陆相沉积物供应稳定、气候温暖湿润、强还原条件下的沉积环境；孔隙结构影响富油煤的热解反应效率、焦油析出和油气运移，而分子结构(主要为脂肪族氢含量和富氢弱键)决定了富油煤的生油潜力；富油煤通过微生物的水解、发酵、产氢产乙酸和产甲烷4个阶段向油气转化。随着地质选区技术瓶颈突破及多学科交叉与融合，富油煤富油性评价指标与预测方法、富氢组分的来源与定量判识、原位开发围岩封闭性及其评价方法、微生物降解与热解联作技术将成为今后研究的热点方向。研究成果为厘清当前富油煤的研究方向和未来走势奠定了基础。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

163

32
煤矿微震监测系统在回采工作面顶板水害防治中的应用

作者(Author)：樊鑫, 程建远, 栗升, 段建华, 范涛, 李博凡, 王艳波

摘要：【目的】随着煤矿开采深度增加，工作面顶板水害风险日益突出，制约了我国煤矿绿色安全高效开采，亟需新型顶板水害监测预警技术。探索井−地联合微震监测系统在回采工作面顶板水害防治中的应用，实现顶板水害风险的透明化智能监测预警。【方法】在工作面上方地表和井下两侧巷道同步布置微震传感器阵列，增加垂向采集空间，提高震源定位精度；提取监测数据时频域特征构建样本数据集，利用支持向量机算法实现微震事件智能识别。【结果和结论】以陕西彬长矿区某煤矿工作面为例，成功识别出3个煤层顶板应力集中区域，与电阻率监测成果吻合，显示导水裂隙带高达160 m，波及含水层，显示出回采期间顶板导水通道动态发育全过程。该井−地联合微震监测系统能够高精度识别微震事件，为回采工作面顶板水害风险监测预警提供新技术手段。研究有助于推进微震监测技术在煤矿顶板水害等领域的智能化应用，促进煤矿开采的安全绿色高效发展。

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煤田地质与勘探

2024年第06期

169

34
煤层采动底板突水物理模拟试验研究进展与展望

作者(Author)：张平松, 欧元超

摘要：【目的】底板突水受特定地质构造、水−岩−应力及采掘扰动等因素叠加作用影响，具有复杂性、隐蔽性、突发性等特点。【方法】物理模拟试验能较好地还原底板岩层与承压水赋存环境、直观展现采动底板裂隙扩展及突水路径演化全过程、实时获取灾变各阶段多源数据信息，因而在底板突水研究方面具有独特优势。【结果和结论】对底板突水经典理论、标准规范、模拟试验及工程实践等方面的研究成果进行了回顾，重点梳理了试验加载装置及水压模拟方式、相似材料研制及其特性指标、监测技术及其观测系统设计3个方面的研究进展，其中在模拟水−岩−应力耦合环境下的三维模型底板突水全过程信息捕捉方面有较大突破。面对数智化研究大背景，分析当前底板突水物理模拟试验领域存在的不足，并据此指出未来应重点关注大型三维底板突水综合试验平台研制、基于标准化的多特性相似材料配比数据库建立、多相多场多维耦合监测预警系统构建、人工智能等数智化技术融合应用研究等发展方向。提出的思考有助于从装置、材料、技术等方面提升未来物理模拟试验水平，从而更好支撑煤矿底板水害数智化防治基础研究工作高质量发展。

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煤田地质与勘探

2024年第06期

110

9
煤矿用自动化钻机远程控制系统的研制

作者(Author)：董洪波, 姚宁平, 王天龙, 马斌, 彭光宇

摘要：针对钻机在复杂施工环境下所面临的劳动强度大以及安全风险高等问题，采用电子电路技术、测量传感技术、远程控制技术、视频监测技术以及大数据技术，研制出一套适用于煤矿自动化钻机的远程监控系统。该系统以ZDY4500LFK型煤矿用钻机为主体，实现了视距内控制、井下集控以及地面远程监控3种控制模式，并构建了云端自动化钻机管控平台。具体而言，视距内监控模式通过遥控器、控制器及配套传感器，实现了对井下视觉范围内钻机的精确操作；井下集控模式则集成了集控舱、隔爆兼本安型计算机、本安显示器、隔爆兼本安型交换机、本安摄像头以及本安操控箱等设备，实现了对井下危险钻场的钻机远距离安全监控；地面监控模式则通过地面操控台、地面服务器、显示器、交换机以及AI智能分析盒子等设备，为自动化钻机的地面远程监控提供了有力支持。此外，云端自动化钻机管控平台则主要用于自动化钻机群运行状态和施工状态的数据统计与分析。研制的远程控制系统应用于ZDY4500LFK、ZDY6500LDK型钻机，并实现了视距内遥控、井下集控以及地面远距离控制等多种控制方式的稳定运行。现场试验和测试研究结果表明：(1)钻机视距内遥控系统遥控器按键丰富、控制器具有CAN、RS485等丰富的接口，手机升级便捷方便，可广泛应用于钻机电控化升级和改造。(2)远程集中控制系统可以实现10 km距离的远程控制，控制响应时间小于200 ms。视频、参数采集数据响应及时无卡滞，可以满足井下钻机远程监控的需求。(3)地面远程监控系统可以实现地面钻机远程监控并具有AI识别功能，可实现人员闯入预警和停机功能。(4)自动化钻机管控平台经过功能、压力、并行、访问测试，功能正常，响应及时，系统无崩溃，可用于自动化钻机数据和工况的统计分析。该控制系统的应用在保证钻孔施工安全的同时也为煤矿钻机实现少人化、智能化、信息化提供了借鉴。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

123

40
机器学习方法在矿井水防治理论体系研究中的应用思考

作者(Author)：姚辉, 尹慧超, 梁满玉, 尹尚先, 侯恩科, 连会青, 夏向学, 张金福, 吴传实

摘要：致灾机理、危险性评价、灾变预测共同构成矿井水防治理论体系基本内容，其在过去20多年里快速发展，目标是理解矿井水行为特征，预测演化趋势，服务矿区水害防治工作。机器学习是大数据时代进行数据分析和挖掘的有力工具。将机器学习应用于矿井水防治理论体系研究，已得到相对广泛的关注。针对理论体系的3项基本内容，重点讨论了机器学习在各内容建设中的具体应用，主要包括：根据不同水害类型分类简述致灾机理研究现状，指出机器学习应用暂为空白的原因为其不具备做出假设的能力。认为未来致灾机理研究方法依然以传统方法(理论分析、数值模拟、相似模拟等)为主，机器学习促进地质数据获取与处理，对机理研究作出贡献；分析方法优势，指出机器学习作用于危险性评价的主要方式为非结构化数据的处理及丰富评价方法；分析基于物理和基于数据的单一预测模式弊端，论述物理模型与数据驱动相结合的必要性，相应给出“模型−数据”双驱动预测模式的3种实现形式，并讨论了基于图像的灾变预测方法可行性。随着生产数据及地质数据的丰富，机器学习方法可推动理论体系研究快速发展，并为矿井水防治学科系统方法论研究作出贡献。

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煤田地质与勘探

2024年第05期

118

29
自驱修孔钻头动力参数及钻齿结构研究

作者(Author)：刘勇, 李阳, 魏建平, 苑永旺, 代硕, 李林豫

摘要：自驱修孔钻头是修复失效长钻孔的有效技术手段，为进一步提高修孔速度和瓦斯抽采效果，本文基于射流反冲理论，分析了射流反冲力与喷嘴参数的关系，构建了自驱修孔钻头旋转力学理论模型。采用LS-DYNA开展不同结构钻齿破煤过程，分析了不同钻进压力和扭矩作用下钻齿对煤体破坏形式和钻齿破煤体积变化规律，并开展了破煤实验验证数值模拟结果。形成了自驱修孔钻头参数确定方法，设计了自驱修孔钻头，并在郑煤集团超化煤矿22煤柱面底抽巷进行了工程实验。研究结果表明：(1)喷嘴张角α和偏心角β是决定钻进压力和扭矩分配的关键参数，通过调控张角和偏心角可实现钻进压力和扭矩的最优匹配。(2)相同钻进参数条件下，钻齿结构对破煤体积影响较大，阶梯钻齿破煤效果最优。在钻进压力为120 N、扭矩0.6 N·m时，阶梯型钻齿结构的修孔钻头能够实现钻进压力和扭矩最优匹配。(3)确定了最优修孔钻头结构参数为：钻头外径28 mm；后置喷嘴张角20°，偏心角90°；前置喷嘴张角90°，偏心角0°。(4)工程应用结果表明：瓦斯抽采纯量提高了1.96倍，瓦斯抽采体积分数提高了3.98倍，修孔速度提高了1.2倍。通过改进钻头动力参数及优化钻齿结构，设计的自驱修孔钻头在工程实践中达到了提高修孔速度和瓦斯抽采效果的目的。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

104

3
基于CT扫描的重构土壤孔隙结构及其对水盐运移影响

作者(Author)：李华焜, 郑刘根, 陈永春, 李兵, 陶鹏飞, 李浩

摘要：煤矸石是煤矿沉陷区土地充填复垦的关键材料。但煤矸石质地较为粗糙，持水性较差，煤矸石重构土壤的孔隙结构和水盐运移都会与原状土壤产生一定差异。为研究煤矸石充填土壤孔隙结构变化以及对水盐运移的影响，利用CT扫描技术和图像分析方法，分析覆土、泥矸混合、矸石与原状土样品的孔隙结构差异，同时设计一种室内重构土壤水盐运移模拟装置，通过在实验装置不同深度布设传感器，连续记录重构土壤剖面水分与盐分的运移情况。结果表明，在原状土、覆土、泥矸混合与矸石4份样品中，矸石样品孔隙率高于其他样品，达到8.299%，导致其持水能力较差；泥矸混合样品小孔隙占比高，达到58.73%，孔隙连通性较差，缺乏水分运移通道，导致层间障碍带的形成；覆土样品与原状土样品孔隙结构非常接近。在土柱模拟实验中，土壤盐分含量随水分运移而变化，各土壤层含盐量均先升高后降低，入渗结束后，表层土壤完成脱盐，深层土壤呈现积盐状态。在注水6 d内，土壤层含盐量均先降低后升高，50 cm土壤层变化幅度最大，为38.34%。深层土壤盐分借助毛管力作用向上运移，表层土壤含盐量逐渐回升。由于层间障碍带的存在，矸石层水分与盐分均难以向上运移，其含量逐渐下降。研究结果可为沉陷区土地充填复垦和矿区生态修复提供参考。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

147

16
基于SSA-CG-Attention模型的多因素采煤工作面涌水量预测

作者(Author)：丁莹莹, 尹尚先, 连会青, 刘伟, 李启兴, 祁荣荣, 卜昌森, 夏向学, 李书乾

摘要：矿井工作面涌水量预测对确保矿山安全、优化资源配置、提高工作效率等都具有重要作用。为提高预测结果的准确性和稳定性，基于钻孔水位和微震能量数据与涌水量的强关联性，选择其作为多因素特征变量，提出SSA-CG-Attention多因素矿井工作面涌水量预测模型。该模型在门控循环单元(Gated Recurrent Unit，GRU)提取时序特征的基础上，与卷积神经网络(Convolutional Neural Network，CNN)融合形成新的网络结构提取数据的有效非线性局部特征，并且加入注意力机制(Attention)，在预测过程中将注意力集中在输入元素上，提高模型的准确性。最后通过麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm，SSA)优化模型参数，避免局部最优解的问题。将提出的模型分别与传统的BP神经网络、LSTM、GRU单因素涌水量预测模型以及MLP、SLP、SVR、LSTM、GRU、SSA-LSTM、SSA-GRU多因素涌水量预测模型的预测结果进行对比分析，结果表明：SSA算法以最少迭代次数快速寻优，避免了局部最优解的缺陷；SSA-CG-Attention多因素涌水量预测模型整体预测指标绝对误差(EMA)、均方根误差(ERMS)以及平均绝对百分比误差(EMAP)分别为5.24 m3/h、7.25 m3/h、6%，指标方差和为8.90。相较于其他预测模型预测精度更高，相较于单因素涌水量预测模型，多因素涌水量预测模型预测结果更加稳定。研究结果为矿井工作面涌水量预测提供了新的思路与方法，对矿井工作面涌水量预测及防控有着借鉴与指导作用，具有一定的理论价值和现实意义。

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煤田地质与勘探

2024年第04期

108

17