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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。

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煤炭地下气化高温喷淋井筒温度应力场研究

作者(Author)：唐洋, 谢娜, 熊浩宇, 何胤, 黄顺潇

摘要：煤炭地下气化是对传统物理采煤技术补充的新一代化学采煤技术。气化过程中井筒受到高温和内压载荷的共同作用。针对煤炭地下气化生产井井身结构特点，基于传热理论建立了环空喷淋注水降温条件下的井筒瞬态温度计算模型，结合井筒压力模型基础上，根据弹性力学及壁圆筒理论建立了套管–水泥环–地层围岩组合体温度应力场计算模型。结果表明：高温时，井筒各部分因热膨胀或热收缩受限制而使井筒应力增加。在自然降温条件下套管、水泥环的理论计算最大应力分别为2 640.6、151.3 MPa，均超过本身材料许用压应力，在不考虑温度时，套管、水泥环轴向应力分别只有28.4、15.0 MPa，远小于考虑温度时的结果；在环空注水降温方式下，通过控制喷淋腔温度能够有效降低井筒应力；随着套管内压增大，井筒应力也随之增大，且套管内压变化会造成套管和水泥环应力方向发生改变，在对其进行强度校核时需要分情况讨论；在水泥环两侧交面处的应力落差一般较大，水泥环性能参数也与井筒应力密切相关，随着水泥环弹性模量降低或泊松比增加套管−水泥环的应力随之降低，即胶结性能好，高韧性、高泊松比性能的水泥环材料能够降低套管−水泥环应力。上述研究认识可以为煤炭地下气化生产井结构设计及生产工艺提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

143

72
淮南阜东矿区二叠系砂岩高盐地下水低硫酸盐特征及成因机制

作者(Author)：姜春露, 黄文迪, 傅先杰, 郑刘根, 程世贵, 单崇磊

摘要：矿区地下水水文地球化学研究对矿井水防治和水资源综合利用具有重要意义。针对安徽淮南煤田阜东矿区二叠系砂岩水低硫酸盐问题，通过水样采集测试，采用多元统计方法，结合水文地质条件分析和硫氧同位素技术，研究砂岩水水化学特征、水−岩作用以及低硫酸盐成因。结果表明：研究区二叠系砂岩水呈弱碱性，TDS平均值为1842.35 mg/L，属于微咸水，水化学类型主要为Cl-Na型、HCO3-Na型和Cl·HCO3-Na型。SO4 2−平均质量浓度为37.48 mg/L，明显低于淮南煤田东部潘谢矿区和淮北煤田二叠系砂岩水。主要水−岩作用为蒸发岩(氯盐岩和硫酸盐岩)和硅酸盐岩矿物溶解，存在阳离子交替吸附作用。由于边界阻水断层切割，二叠系砂岩含水层四周均为相对隔水边界，且埋藏较深，富水性弱，水动力条件较差，形成了一个封闭–半封闭的水文地质单元，具有较强的硫酸盐还原环境，有利于硫酸盐细菌还原，脱硫酸作用明显，导致δ34S升高，砂岩水硫酸盐含量偏低。研究成果可为类似条件矿区涌突水水源识别提供依据。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

137

47
基于钻柱状态估计的坑道回转钻进智能优化方法

作者(Author)：姚宁平, 魏宏超, 张金宝, 陆承达, 李浩, 姚亚峰, 柯友刚, 张幼振

摘要：为解决现有研究中难以通过随钻获取孔底钻进参数，仅利用孔口数据进行回转钻进操作参数优化准确性不高、提升效果不足的问题，通过构造孔内状态观测器估计孔底钻进参数信息，提出基于钻柱状态的坑道近水平回转钻进智能优化方法。首先分析煤矿井下坑道回转钻进特性，考虑实钻约束条件，提出机械钻速和钻头磨损的优化目标评价方法；随后建立轴向和扭转维度的集中质量钻柱动力学模型，构建基于该模型的钻柱状态空间方程，得到了孔口−孔底钻柱运动状态映射关系；基于此设计了状态观测器，利用李雅普诺夫稳定性分析方法，得到反馈增益矩阵L，以估计孔底钻头的运动状态，并进行仿真分析评价；最后综合孔口采集的数据和孔底状态估计，运用NSGA-II多目标优化算法实现了动力头转速和给进压力的优化，并利用安徽淮南某煤矿实钻数据进行了验证。结果表明，基于钻柱状态估计孔底信息进行优化后的钻速和司钻操作相比预计提升32.47%，仅利用孔口实测数据优化后的钻速仅预计提升15.04%，基于钻柱状态估计的坑道回转钻进智能优化方法更具优势，孔底估计钻进信息对提升钻进水平具有关键作用，研究对煤矿坑道回转钻孔实现高效、智能钻进具有重要理论与实际意义。

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煤田地质与勘探

2023年第11期

93

37
基于物理信息约束的页岩油储层可压性评价新方法

作者(Author)：李玉伟, 李子健, 邵力飞, 田福春, 汤继周

摘要：储层可压性的准确评价是储层压裂设计和压后产能评估的重要前提。目前，采用岩石力学参数进行页岩可压裂性评价取得了较好的现场应用效果。因此，如何准确获取岩石力学参数成为至关重要的问题。通过建立一种基于物理信息约束的神经网络模型，该模型采用物理和数据双驱动，仅使用少量数据就能够实现岩石力学参数的准确预测。为验证模型性能的优异性，采用人工神经网络、随机森林和XGBoost模型与之进行对比。结果表明，物理信息约束的神经网络在少量数据下预测岩石力学参数的平均准确率高于95%，性能远优于其他模型。采用物理信息约束的神经网络预测得到弹性模量、泊松比、抗拉强度和断裂韧性4种岩石力学参数，基于岩石力学参数对储层可压性的影响，建立了基于脆性指数和力学参数的可压性评价方法。最后，以渤海湾盆地沧东凹陷K2段不同储层可压性为例进行验证。结果表明：研究区整体可压性较好，其中，纹层状混合质页岩可压裂指数高于0.7，可压性良好；纹层状长英质页岩、厚层状灰云质页岩和薄层灰云质页岩可压裂指数均处在0.4~0.7，可压性中等。评价结果与实际施工现场各储层日采油量进行对比，证实了可压性智能评价方法的可靠性，该方法可以推广至页岩储层可压性评价工作中。

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煤田地质与勘探

2023年第10期

153

64
准南阜康区块煤层后生生物成因H2S的发现与成因机制

作者(Author)：闫佩佩, 苏现波, 邹成龙, 赵伟仲, 汪露飞, 伏海蛟

摘要：随着排采的进行准南东段阜康区块煤层气井产出的煤层气中H2S浓度呈现逐渐增加的趋势，对安全生产构成严重威胁。基于煤层气勘探开发资料，结合实验室厌氧发酵实验，对该区块排采阶段煤层H2S的异常原因进行初步探讨。煤层气勘探阶段含气量测试结果表明，煤层气原始气体中H2S含量低，最高仅为2.152×10−6；排采初期并未出现H2S浓度异常现象，但随着排采的进行，部分井出现异常，如13号井在排采7 a后H2S含量异常增加，高达700×10−6。灰色关联分析表明，H2S的浓度与煤层气井的产水量和水质密切相关，当地下水的补给带来充足的营养物质供给菌群代谢时，就会促进H2S的产出。由该区煤和排采水作为发酵基液构建的厌氧发酵系统表明，H2S的产量与发酵液中SO4 2−含量成反比、与HCO3 −含量成正比；CH4的产气高峰滞后于H2S，且累计生成量显著低于H2S，而由该区的煤与蒸馏水作为发酵基液构建的厌氧发酵系统则以产CH4为主，仅生成微量的H2S，说明H2S是硫酸盐还原菌以CH4为电子供体还原SO4 2−生成的；发酵液中小分子有机酸含量的不断减少说明硫酸盐还原菌同样利用了有机酸为电子供体还原SO4 2−生成H2S。因此，现场生产资料和实验室厌氧发酵结果表明该区H2S是由煤层水中的SO4 2−被硫酸盐还原菌还原生成。这种排采阶段生成的生物气与以往人们认为的原生和次生生物气都不相同，将其称为后生生物气，其中的H2S称为后生生物H2S。排采过程中后生生物气的生成进一步说明人工干预下的煤层气生物工程实施的可行性。

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煤田地质与勘探

2023年第10期

156

44
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

166

55
不同变质煤的瓦斯膨胀能演化特征及其突出预测启示

作者(Author)：刘高峰, 李宝林, 张震, 刘欢, 关文博, 司念

摘要：为了提高煤与瓦斯突出(突出)预测的准确性，选取6种不同变质程度的煤样，开展高压压汞实验、等温吸附实验，计算瓦斯膨胀能，分析不同变质程度煤的瓦斯膨胀能演化特征及其与突出预测指标间的关系。结果表明：不同变质程度煤的孔隙结构与吸附性的差异，导致煤体所含的瓦斯膨胀能存在差异。煤的总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能随瓦斯压力的升高而增大，增加趋势逐渐变缓；相同瓦斯压力下，煤的变质程度越高，总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能越大。煤的游离瓦斯膨胀能随瓦斯压力升高呈指数增大；相同瓦斯压力下，游离瓦斯膨胀能随单位质量煤体孔隙体积的增加而增大。当Rmax>1.6%，0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能与初始释放瓦斯膨胀能突出临界指标42.98 mJ/g基本相等，进一步验证了游离瓦斯在突出触发阶段起主要作用，也为突出预测临界压力值采用0.74 MPa的合理性提供了科学依据。当Rmax为0.6%~1.6%时，0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能小于42.98 mJ/g，夸大了煤体所具备的突出潜能，会加大防突工作量。当Rmax<0.6%，0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能大于42.98 mJ/g，这会导致低指标突出灾害的发生。因此，在进行煤与瓦斯突出预测和防治时，应充分考虑煤的变质程度对突出的影响，研究可为突出预测提供新的科学依据和方法借鉴。

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煤田地质与勘探

2023年第10期

129

29
煤储层水力压裂裂缝内支撑剂运移控制因素实验研究

作者(Author)：苏现波, 范渐, 王然, 汪露飞, 赵峰振, 王乾

摘要：煤储层水力压裂裂缝的有效支撑是确保煤层气高效产出的重要条件。通过可视化实验研究了裂缝形态、压裂液量、排量和性质对裂缝内支撑剂运移的影响。结果表明：首先，单一开度不变裂缝内支撑剂分布相对均匀，而局部单一变开度裂缝和网状裂缝内，支撑剂运移受压裂液流速变化、裂缝壁阻挡等作用，能够形成具有支撑剂柱和无支撑剂房的房柱式支撑；房柱式支撑对于深部应力敏感伤害严重的储层是一种有效的支撑方式。其次，单一变开度裂缝和网状裂缝内会发生明显的颗粒架桥效应，使得具有不同开度的各级裂缝允许通过的支撑剂粒径范围存在较大差异；同时当裂缝发生砂堵时，进一步注入压裂液会促进裂缝转向开启新裂缝，说明端部脱砂有利于缝网改造。最后，随压裂液量和排量增大，支撑剂运移距离增加，且网状裂缝内支撑剂能够进入更多分支裂缝，裂缝支撑面积显著提升；而向压裂液中加入减阻剂后黏度增加，能够有效提升压裂液携砂能力，并进一步增大裂缝内支撑剂运移距离和支撑面积。基于上述结果，建议采用大排量、大液量水力压裂，并采用低伤低阻压裂液与包含粉砂、细砂、中砂和粗砂的多级配支撑剂，提升储层内各类、各级裂缝支撑效果，促进流体高效产出。研究结果能够为煤层气、煤系气储层压裂工艺的优化提供实验支撑。

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煤田地质与勘探

2023年第06期

179

93