“紀念中國煤炭學會成立60周年”特刊（更新中）

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“紀念中國煤炭學會成立60周年”特刊（更新中）

來源：《煤炭學報》2022年第1期

“紀念中國煤炭學會成立60周年”特刊

行業視野: 高端智庫
類別; 44個
關鍵詞; 46位
專家; 8篇
論文; 1381IP
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鄂爾多斯盆地巨厚白堊系下煤層開采突泥潰砂物源及成災模式

作者(Author)：李文平, 朱廳恩, 王啟慶, 楊玉茹, 楊志

摘要：鄂爾多斯盆地是我國煤炭儲量最大、煤質優良的富煤區，盆地腹部為厚度達數百米至上千米的巨厚白堊系含水砂巖層覆蓋。近年來，隨著盆地周邊煤炭開采逐漸向腹地延伸，巨厚白堊系覆蓋區侏羅系煤炭開采的一些礦井，發生了嚴重的突泥潰砂事故，給煤炭安全開采造成嚴重威脅。通過地質理論分析和區域露頭地質調查，認為白堊系底部與中侏羅系頂部接觸帶(K1/J2)存在古風化殼，具備突泥潰砂的地質組成條件；進一步測試分析了古風化殼巖體結構、物質組成、粒度組成、水理性質，進行了點荷載強度試驗和原位大型剪切試驗；表明古風化殼為含泥砂量較高的軟弱破碎巖體，遇水存在不同程度的泥化、崩解、碎裂性質，巖體整體性質與松散泥質砂性土類似，是區域上白堊系覆蓋區煤炭開采突泥潰砂的主要物質來源。分析了K1/J2古風化殼下采動突泥潰砂的綜合水文工程地質條件，給出了隱伏古風化殼識別方法，提出了K1/J2古風化殼下采動突泥潰砂災害評價工程地質模型。

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高煤階煤層氣富集機理的深化研究

作者(Author)：桑樹勛, 韓思杰, 劉世奇, 周效志, 李夢溪, 胡秋嘉, 張聰

摘要：高煤階煤層氣資源相對豐富是中國煤層氣資源的重要稟賦之一，實現高煤階煤層氣大規模商業化開發突破是中國煤層氣產業的世界貢獻。以沁水盆地為代表的高煤階煤層氣生產基地是目前中國煤層氣產量的主體來源，基于沁水盆地等高煤階煤層氣勘探開發工程實踐數據和大量研究工作積累，開展了高煤階煤層氣富集機理的系統深化研究。研究工作表明：區域巖漿熱變質作用成因高階煤是高煤階煤層氣富集的基本地質背景，沁水盆地南部(晉城)、鄂爾多斯盆地東南緣（韓城-延川南）、沁水盆地北端（壽陽-陽泉）、黔北-川南（織金-筠連）等中國高煤階煤層氣富集區煤儲層均以區域巖漿熱變質成因為主；高煤階煤層氣富集規律是煤層含氣量和滲透率在不同埋深和構造條件下耦合配置的結果，在沁水盆地高煤階煤層氣向斜富集模式、褶曲翼部斜坡帶富集模式、構造高位富集模式分別對應于煤層埋深約500m以淺、約500-800m埋深、約800m以深；決定高階煤儲層滲透率的主控地質因素構成高煤階煤層氣富集關鍵主控地質因素，主要為煤層埋深、地質構造（含構造應力場）、煤體結構等；煤層滲透率隨埋深呈負指數關系減小，煤層拉張裂隙發育且與現今最大主應力方向一致的構造部位煤層滲透率高，不同煤體結構高階煤中碎裂煤滲透率最高；埋深、地質構造、煤體結構等關鍵主控地質因素通過煤儲層地應力變化、裂隙發育與應變破壞等方式控制高階煤儲層滲透性，這是高煤階煤層氣富集的主要機理，在地應力場作用下煤巖應變破壞過程對煤層中裂隙發育的自然改造作用是高階煤儲層原始滲透率變化的根本原因。

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厚松散層薄基巖非對稱開采井筒偏斜機理

作者(Author)：程樺, 張亮亮, 姚直書 , 彭世龍, 郭龍輝

摘要：針對厚松散層薄基巖非對稱開采井筒偏斜機理問題，以山東郭屯煤礦立井井筒偏斜為研究對象，在闡釋厚松散層薄基巖煤層開采覆巖移動變形機理的基礎上，采用煤層開采沉陷理論、土體固結理論和隨機介質理論，根據疊加原理給出了該類地層煤層開采和底含疏水共同作用覆巖移動變形計算公式，并得到實測驗證；基于對該類地層開采覆巖移動變形特征分析，揭示了厚松散層薄基巖非對稱開采與底含疏水共同作用下井筒偏斜機理及其影響因素。研究表明：在煤層開采與底含疏水固結共同作用下，大幅增大了地層下沉與水平移動系數、沉降和水平移動范圍；反演郭屯礦井筒偏斜參數，得到其松散層主要影響角正切值為0.6，遠小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》規定的2.41~3.54；導致該礦工廣內立井井筒偏斜的機理是，煤層開采引發的底含疏水固結沉降疊加作用，致使該礦主、副、風井均處于覆巖移動變形影響范圍內，在非對稱煤層開采（西北方向）條件下，上覆深厚松散層向該方向發生水平移動，從而導致井筒發生偏斜；井筒偏斜量與底含厚度M、松散層與基巖層厚度比k0，以及底含水位降深Sw等因素成正相關，且影響敏感度依次為Sw、k0、M。研究結果可為今后預防類似條件立井井筒偏斜、確保礦井安全生產提供理論依據。

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采動覆巖卸荷膨脹累積效應的影響因素研究

作者(Author)：許家林, 秦偉, 陳曉軍, 胡國忠, 謝建林, 王曉振, 朱衛兵

摘要：采動覆巖經歷了卸荷膨脹與再壓實的動態過程，將覆巖卸荷膨脹總量隨卸荷高度及承受載荷不斷累積而發生動態變化的現象稱為采動覆巖卸荷膨脹累積效應。采動覆巖卸荷膨脹累積效應是巖層移動過程中的自然現象，對巖層移動規律具有重要影響?；谛拚蟮牟蓜痈矌r卸荷膨脹累積效應力學模型，以趙莊煤礦1311工作面內部巖層移動實測結果為基礎，針對采高、采深和巖性對采動覆巖卸荷膨脹累積效應的影響開展了理論研究。結果表明：采動覆巖卸荷膨脹總量主要由冒落帶和裂隙帶的塑性膨脹與主關鍵層下部彎曲下沉帶的彈性膨脹所組成，其中冒落帶的塑性膨脹占比最大，彎曲下沉帶的彈性膨脹占比最小。采動覆巖卸荷膨脹總量隨覆巖卸荷高度的逐步增大呈現先增大到峰值后再逐步減小的過程，當覆巖主關鍵層破斷后（即卸荷高度達到地表），彎曲下沉帶的彈性膨脹量降為0 ，此時覆巖卸荷膨脹總量達到最小值，為覆巖殘余膨脹量。采高對覆巖卸荷膨脹累積效應的影響主要體現在不同采高條件下冒落帶與裂隙帶高度不同，從而影響覆巖卸荷膨脹總量。覆巖卸荷膨脹總量隨采高的增大而增加，當采高由2.5m增大至10.5m時，卸荷膨脹總量峰值和殘余碎脹量均增大3倍以上。與采高相比，采深變化一般不會改變冒落帶與裂隙帶高度，采深對覆巖卸荷膨脹總量峰值影響較小。采深對覆巖卸荷膨脹累積效應的影響主要體現在不同采深條件下覆巖殘余膨脹量的不同，覆巖殘余膨脹量隨采深增大而減小，當采深由496.6m增加至896.5m時，覆巖殘余膨脹量減少了32.5%。巖性對覆巖卸荷膨脹累積效應的影響主要體現在不同巖性碎脹煤巖被壓實的難易程度不同，覆巖卸荷膨脹總量隨巖性的變硬而增加。當初始切線模量和彈性模量由降低50%到增大50%時，覆巖卸荷膨脹總量峰值增加4.3%，但覆巖殘余膨脹量增加110%。覆巖殘余膨脹量決定了地表下沉系數大小，因此，覆巖卸荷膨脹累積效應可影響地表下沉系數變化規律。采高對地表下沉系數的影響并非單調線性的，下沉系數隨采高增大是微量減小還是微量增大取決于關鍵層位置對裂隙帶高度的影響情況，若受關鍵層位置影響不同采高條件下的裂隙帶高度相同，則地表下沉系數隨采高增大而微增；若裂隙帶高度隨采高增大而增大，則地表下沉系數隨采高增大而微降。在充分采動條件下，由于塑性膨脹區殘余膨脹量隨采深增大而減小，下沉系數隨采深增大而增大且增幅不斷降低。當巖性由軟變硬時，塑性膨脹區越不易被壓縮，地表下沉系數相應減小。

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圖像識別智能放煤技術原理與應用

作者(Author)：王家臣, 潘衛東, 張國英, 楊勝利, 楊克虎, 李良暉

摘要：煤炭智能開采是煤炭行業高質量發展的必由之路，放頂煤工作面的智能化滯后于綜采工作面。智能放煤是實現智能放頂煤開采的關鍵核心技術，低照度、小空間、高粉塵、煤矸疊壓、聲振信號干擾、夾矸誤識別等問題嚴重制約智能放煤技術開發。在探索嘗試圖像、聲音、振動等多種煤矸識別技術的基礎上，提出了圖像識別智能放煤技術。精準快速識別混矸率與適應惡劣環境是圖像識別智能放煤需要攻克的主要技術難題。針對混矸率識別問題，將混矸率細化為投影面積混矸率、表面體積混矸率、內部體積混矸率。建立了輕量級的放頂煤工作面矸石識別及邊界測量模型，實現了投影面積混矸率的精準快速識別。提出了快速寫意重建和精準重建等兩種煤矸塊體三維重建方法，研究了煤矸塊體三維形態特征與二維形態特征關系，揭示了后部刮板運輸機上煤矸塊體堆積特征。在此基礎上，提出了“由表及里”的混矸率高精度預測兩步走策略，以實現透明化煤流，達到混矸率高精度測量的目的。針對低照度、高粉塵等惡劣環境適應問題，提出了立體視覺照度智能監測與自適應調節方法，為圖像采集實時提供最優照度環境?；谌梭w仿生學以及邊緣AI技術開發了智能圖像采集系統，提出了基于頻域先驗的單通道Retinex去粉塵算法以及空頻域聯合強化去粉塵算法，為圖像識別持續提供高質量圖像。形成了“三位一體”夾矸智能識別技術，對放煤過程中可能出現的夾矸進行了精準識別，減少了由于夾矸放出而引發的誤識別、誤操作。圖像識別智能放煤技術可以提高放煤工序的智能化水平，提高資源回收率、降低含矸率，保證礦井安全生產，研究成果的科學應用將有助于高質量實現智能化放頂煤開采。

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中國煤系氣大產業建設戰略價值與戰略選擇

作者(Author)：秦勇, 申建, 史銳

摘要：我國煤系氣資源十分豐富，但產業歷經30余年建設，2020年地面井產量只占全國天然氣總產量的3.07％，發展規模不盡如人意。面向這一困局，中國工程院發起組織了煤層氣有效開發建設大產業的戰略研討。筆者借此契機，放眼更為寬廣領域，將煤系其它類型天然氣一并考慮，在定義煤系氣大產業基礎上，論證我國建設煤系氣大產業的戰略價值和可能性，思考目前面臨的困難和挑戰，提出了突破困局的技術戰略選擇與保障條件完善建議。類比美國煤層氣產業發展歷程，認為煤系氣大產業形成標志在于兩個方面，一是年產量>300億m3，二是對全國天然氣年總產量貢獻>4.5％。建設煤系氣大產業具有三大戰略價值：其一，煤系氣大產業是國家天然氣安全保障基石之一；其二，煤系氣有效開發將持續助力我國主體能源產業健康發展；其三，煤系氣規模性代煤將助力國家“雙碳”目標得以實現。我國具有建設煤系氣大產業的可行基礎，包括強大的國家需求驅動、雄厚的資源基礎、扎實的產業布局以及寬廣的科技儲備四個方面。我國實現煤系氣有效開發進而建設大產業仍然面臨五方面困難和挑戰，即：業內外對煤層氣產業發展缺乏耐心，單井產量倍增目標總體上仍未實現，對煤層氣探明儲量動用率關注不夠，新領域新方向探索力度不足，不同類型煤系氣礦業權單置。分析認為，發展適用性技術是高效低成本開發我國不同地質條件煤系氣資源的唯一途徑，機制創新是產業快速發展的保障基礎。建議針對五方面關鍵技術持續攻關，包括煤礦井下瓦斯低成本高效抽采、老區煤層氣井改造與增儲提產、深部煤系氣優質儲層評價與開發、薄互層煤系氣勘探與有序開發以及煤炭地下氣化－煤系氣聯采。認為保障條件建設的關鍵在于兩個方面：一是持續組織實施煤系氣國家科技重大計劃，助推大產業盡快形成；二是先行先試煤系氣礦業權合一，激勵煤系氣資源潛力最大限度釋放。文中相關認識和建議，可為戰略制訂部門以及業內科技人員提供參考。

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保水開采覆巖等效阻水厚度的內涵、算法與應用

作者(Author)：張東升, 范鋼偉, 張世忠, 馬立強, 王旭鋒

摘要：煤炭資源保水開采是實現綠色化開采的核心技術之一，保水開采可行性評價則是開展科學開采設計的基礎問題。從采動覆巖整體阻水性角度入手，綜合考慮覆巖整體的阻水行為與地下水系統的動態響應之間的關系，提出了將上覆隔水巖層（組）虛擬為等效阻水層的學術思想，形成了基于采動覆巖等效滲透系數計算等效阻水厚度進行保水采煤可行性定量評價的新思路與方法?；谶_西定律、Kozeny-Caman方程以及采動覆巖移動影響函數遞推關系，采用分層、分區組合等效方法，在單巖層水平方向上通過并聯來計算整層垂向等效滲透系數，進而通過垂直方向上進行多巖層等效滲透系數串聯計算，建立了基于采高、采出長度、沉陷參數和巖層初始水理參數的采動覆巖整體垂向等效滲透系數的計算方法；以采后覆巖地下水滲漏速度與目標含水層補給速度相等作為保水采煤臨界條件，確定了保水采煤最大臨界滲透系數與采高、等效巖層厚度之間的關系；基于采動覆巖的滲透系數與其等效阻水厚度成反比的假設，建立了采動覆巖等效阻水厚度的計算方法，進而根據維持含水層水位穩定所允許的最大臨界滲透系數，提出了基于采動覆巖等效阻水厚度的保水采煤可行性評價方法，并通過伊犁四礦保水采煤含水層水位變化實測對進行了實例驗證。研究成果為保水開采預測評價、方法選擇和參數優化提供了新的方法。

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基于精確大地坐標的煤礦透明化智能綜采工作面自適應割煤關鍵技術研究及系統應用

作者(Author)：毛善君, 魯守明, 李存祿, 陳華州, 張鵬鵬, 范吉宏, 李鑫超, 陳金川

摘要：目前煤礦智能綜采工作面存在生產環境狀態不透明、成套裝備難以應對煤層起伏變化、信息化與智能化集成度不高等問題，其系統的適應性和實用性受到影響。具體而言，主要是缺乏基于地理信息系統的可視化數字孿生管控平臺，無法實現基于統一大地坐標驅動的透明化工作面的自適應割煤。為突破相關技術難題，本文提出并研究了測量機器人大地坐標傳導、透明化工作面系統建立和動態修正、5G通信、采煤機與地質模型的自適應耦合以及基于時態地理信息系統（TGIS）的“一張圖”一體化管控平臺等多項關鍵技術，完成了多維可視化軟件系統的開發和與硬件系統的高度集成，實現了：（1）采煤機、刮板輸送機等固定或移動目標點達毫米或厘米級的精確定位；（2）三維地測模型、設備模型、開采環境與工業控制之間的基于邏輯關系的一體化集成和數字孿生系統的構建；（3）綜采工作面采煤機、視頻、慣導、測量機器人和地質雷達等信息的可靠、實時傳輸；（4）為地表調度指揮控制中心的遠程決策和智能自適應控制提供了可視化管控環境。系統已經成功應用于臨沂礦業集團菏澤煤電郭屯煤礦3301、2305兩個工作面，初步實現了較為復雜地質條件下的智能化自適應開采和地面遠程管控，為煤礦工人變為采礦員奠定了高科技基礎。

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