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2023年  第8卷  第5期

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准噶尔盆地南缘低煤阶煤层气富集区三维地震预测
徐茂轩 , 杜文凤 , 赫云兰 , 杨峰
2023, 8(5): 593-599. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.001
摘要(338) HTML (70) PDF(124)
摘要:
为深化煤层气资源潜力调查与评价，开展了准噶尔盆地南缘呼图壁区块三维地震勘探。地震数据采集针对宽方位、小道距和高覆盖次数目标设计，采用16L×6S×160R观测系统。地震数据处理针对复杂地貌野外静校正问题和陡倾角煤层成像精度要求高的技术难点，建立了高分辨率三维地震数据处理流程，以满足煤层气富集区预测需求。根据影响煤层气富集的主要地质因素(煤层埋深、断层特征、煤层厚度、煤层顶板岩性和煤层含气量等)定义了煤层气富集区划分原则和有利区分类模式。基于三维地震资料，将地震资料解释与地震属性分析相结合，利用地震岩性反演结果获得煤层厚度、煤层顶板岩性和煤层含气量信息。在钻孔约束下，进行了研究区B4煤层气富集区预测，提出了煤层气开发生产井部署建议。
塔里木盆地卡塔克隆起良里塔格组台缘带储层控制因素
沙旭光 , 姜忠正 , 李玉兰 , 孙志朋
2023, 8(5): 600-612. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.002
摘要(219) HTML (43) PDF(56)
摘要:
为探究卡塔克隆起良里塔格组台缘带不同段储层类型及形成原因，利用薄片、岩芯、成像测井、地震等资料分析了台缘相带沉积储层特征差异及其主控因素。结果表明，良里塔格组中高能礁滩相带沿1号断裂带呈条状分布，台缘带由东向西呈现差异沉积，可划分为断控型窄陡、沉积型陡坡、沉积型宽缓3种镶边台地台缘相带，与之对应形成裂缝-孔洞型、裂缝-孔洞型和孔洞型、低渗透裂缝型3种储层类型；准同生岩溶作用、浅埋藏淡水溶蚀作用、构造破坏作用3类建设性成岩作用，在台缘带不同位置对储层形成的贡献度存在差异；断控型窄陡镶边台地储层形成的主控因素为礁滩叠置体、岩溶期断裂与晚期断层活动，沉积型陡坡镶边台地为礁滩叠置体与北东向走滑断裂，沉积型宽缓镶边台地为岩溶期断裂活动与晚期走滑断裂。该研究成果将为海相碳酸盐岩勘探提供参考依据。
基于CNN的煤岩瓦斯复合动力灾害预测
王凯 , 李康楠 , 杜锋 , 张翔 , 王衍海 , 周家旭
2023, 8(5): 613-622. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.003
摘要(291) HTML (73) PDF(76)
摘要:
随着我国煤矿开采逐渐进入深部区域，煤岩瓦斯复合动力灾害日益严重，对煤矿的安全生产造成极大威胁。基于某矿现场数据，采用智能预测手段对煤岩瓦斯复合动力灾害进行研究。首先，依据大数据处理流程，应用箱型图分析法(Box-plot)与多重插补法(MI)进行数据清洗，结合灰色关联度分析法(GRA)建立煤岩瓦斯复合动力灾害指标体系；然后应用主成分分析法(PCA)进行数据降维，结合深度学习中的卷积神经网络(CNN)建立基于BMGP-CNN的煤岩瓦斯复合动力灾害预测模型；运用现场案例数据将此模型与BP模型、随机森林(RF)模型、支持向量机(SVM)模型及人工神经网络(ANN)模型进行对比验证，发现BMGP-CNN模型预测结果的准确率最高，且该模型的收敛速度较快，能够在数秒内完成预测。研究结果对于煤岩瓦斯复合动力灾害的预测和防控具有重要意义。
基于能量计算的预掘回撤通道顶板下沉量分析
王博楠 , 谷拴成 , 李军
2023, 8(5): 623-632. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.004
摘要(191) HTML (32) PDF(43)
摘要:
采用预掘回撤通道技术的综采工作面在末采阶段易发生顶板大变形而引发压架事故。本文基于工作面贯通后的3种基本顶破坏形式，建立了不同的回撤通道顶板力学模型，通过分析顶板变形过程中的能量释放与做功过程，求得不同基本顶破坏形式下的回撤通道直接顶下沉量。结合张家峁煤矿N14201工作面回撤通道顶板大变形案例，分析了不同顶板力学模型的影响因素，发现基本顶破断位置、关键块及其上覆岩层厚度、关键块回转角和支护强度对回撤通道顶板下沉量影响显著，确定了张家峁煤矿N14201工作面发生压架事故的原因，即基本顶在保护煤柱上方4~6 m范围内破断以及上部3-1煤层开采导致主关键层破断失稳。
不同倾角充-岩组合体三轴压缩力学特性及破坏特征
徐文彬 , 陈伟
2023, 8(5): 633-641. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.005
摘要(235) HTML (37) PDF(56)
摘要:
为探究交界面倾角β对充填体与围岩组合体(充-岩组合体)三轴力学特性影响规律，开展β为0°、15°、30°、45°和60°的充-岩组合体三轴压缩试验，对比分析了不同交界面倾角组合体的力学特性、破坏特征与强度演化规律。试验结果表明：当β≤30°时，组合体的应力-应变曲线可划分为孔隙压密、弹性变形、塑性变形和破坏发展4个阶段，其破坏特征以充填体压剪破坏为主；随着交界面倾角增加，组合体在达到峰值强度后应力陡降，无明显塑性变形和破坏发展阶段，其破坏特征由充填体内部压剪破坏逐渐转变为沿交界面滑移破坏；组合体的峰值强度随着交界面倾角增加先增大后减小，β=30°时峰值强度达到极大值。基于单弱面理论得到组合体滑移破坏的交界面临界倾角为57°~68°，其中β=60°时组合体发生沿交界面滑移破坏，理论计算与试验结果相吻合。
高压电脉冲破岩机理数值模拟研究
刘伟吉 , 张有建 , 祝效华 , 冯文荣
2023, 8(5): 642-653. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.006
摘要(218) HTML (101) PDF(72)
摘要:
高压电脉冲钻井技术目前已成为一种新型高效的岩石破碎方法，同时也是目前钻井提速领域的研究热点。为了推动高压电脉冲的破岩机理研究，建立了单对电极破碎红砂岩的多物理场耦合电击穿二维数值模型，通过电流场、电击穿场和电路场的耦合再现均质红砂岩中等离子体通道的产生，分析了电极倾角、电压、电极间距对岩石电击穿(岩石内部等离子体通道的形成)的影响规律。研究表明：等离子体通道由靠近放电电极顶端局部区域开始萌生，并朝着岩石局部介电强度薄弱处发展；随着加载脉冲电压值的增大，电击穿发生时刻逐步降低，岩石模型的等效失效体积逐渐增大；在保证岩石能被电击穿的前提下，增大电极间距能提高高压电脉冲的破岩效率；放电电极的电极倾角逐步增大的过程中，岩石等效失效体积出现明显的波动，其极值多数出现在电极倾角35°~55°的范围之内。为了进一步推动高压电脉冲破岩的工业化应用，在二维模型基础上构建了红砂岩的多物理场耦合动态电击穿三维数值模型，再现了电极钻头破岩过程中岩石内部破碎坑的状貌；与此同时，选用自主设计的同轴型电脉冲钻头开展了电击穿室内实验，电击穿室内实验结果与仿真实验结果相互印证。
核磁共振无损检测泥岩水分迁移过程的新方法
李东阳 , 周星辰 , 刘波 , 张千里 , 刘景宇
2023, 8(5): 654-662. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.007
摘要(126) HTML (32) PDF(36)
摘要:
利用传统方法测试岩土体内水分迁移时，往往要将原状土破碎和重塑，这会改变岩土体的结构，影响测试结果的真实性。利用核磁共振(NMR)技术具有无损测量材料中水分的特点，提出了一种新的测试方法。首先进行标定试验，将岩土试样放置在0~0.05 T的非均匀磁场中用不同的磁场强度测试，获得NMR信号量和试样水含量间的函数关系；然后对土样进行一维入渗试验与NMR测试，记录入渗时间、入渗水质量和不同位置条件下试样的NMR信号量；最后，根据标定试验所得NMR信号量与水含量之间的函数关系，计算获得试样中水分的空间分布。采用烘干法进行验证，试验结果与理论结果最大误差为4.05 %。
剪切粗糙裂隙渗流多尺度分形表征
薛东杰 , 侯孟冬 , 程建超 , 贾震 , 刘殷彤 , 辛翠 , 徐颜卓 , 王路军
2023, 8(5): 663-676. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.008
摘要(117) HTML (59) PDF(43)
摘要:
甘肃北山为高放废物深地质处置库场址的主预选区。针对场址区花岗岩受剪切破坏形成裂隙的渗流特性进行研究，具有重要的工程建设指导意义。为探究北山花岗岩多尺度粗糙裂隙几何特征对非线性渗流场演化的影响规律，对剪切条件下花岗岩裂隙断面的几何特征及渗流特性进行了分形建模研究。结果表明，粗糙裂隙的粗糙程度和开度在模型尺度变化过程中存在完全的自相似性，二者的分布特征在分布空间尺度变化过程中始终保持一致；渗流速度场、梯度场及散度场只存在局部特征的延续，尤其是不同尺度下对应的数量场均服从于正态分布；随着观察尺度的增大场内空间起伏逐渐减小，三场内的尖锐突变逐渐消失且向平滑过渡，这意味着观察尺度越大，粗糙裂隙渗流被误判为平行板渗流的概率越大，即粗糙断面渗流特性的精准描述依赖于几何尺度。
混凝土测试中光强对数字图像相关测量精度的影响研究
杨登辉 , 黄晨 , 樊平 , 吕健 , 韦鹏 , 杨立云
2023, 8(5): 677-687. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.009
摘要(181) HTML (36) PDF(40)
摘要:
在复杂光照条件下采用数字图像相关技术(DIC)测量混凝土结构表面应变场时，光强变化会引起图像的退相关效应。针对此问题，基于传统2D-DIC测量系统，探究了光强变化对DIC测量精度与计算效率的影响规律。试验结果表明：平均灰度190为最优光强；以最优光强下的图片作为参考图像，光强增大时应变误差呈指数增长，光强减小时应变误差呈线性增长；计算时间与计算点匹配率对光强的小范围波动不敏感，但光强的剧烈变化会导致计算时间增加1~3倍以及25 % 的计算点匹配失败。结合图像质量评估指标，验证了实验结果的准确性。为了获得高质量的图像，本文建立了绿光带通滤波成像系统，该系统在外界环境光剧烈变化条件下依然能够保持图像的亮度与对比度基本不变，应变误差与计算效率均接近于最优光强。相对于传统2D-DIC测量系统，绿光带通滤波成像系统可较好地应用到室外环境测量。
华北型煤田底板破坏深度BP神经网络预测模型研究
邢晁瑞 , 李磊 , 王立彬 , 刘玉龙
2023, 8(5): 688-694. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.010
摘要(148) HTML (26) PDF(44)
摘要:
华北型煤田开采受底板含水层严重影响，为了准确计算工作面底板破坏深度，本文结合现场实测和神经网络预测模型对其进行分析。首先采用直流电法与专门电极电缆，对九里山矿综放开采工作面15091的底板破坏深度进行观测；其次结合大量实际数据，应用遗传算法优化BP神经网络，通过优化参数构建底板破坏深度预测模型，预测模型的均方误差为0.011，平均百分比误差为5.983 %，预测集预测结果误差在10 % 以下，模型可以预测底板破坏深度；最后以预测模型分析采厚和切顶卸压对工作面底板破坏深度的影响。研究结果表明，分层开采下，切顶卸压比未切顶卸压底板破坏深度约减少77.84 %；综放开采下，切顶卸压比未切顶卸压底板破坏深度约减少59.17 %；采厚对底板破坏深度的影响呈正相关。
无人机飞播参数优选与DSE浸种荞麦生态修复效应研究
毕银丽 , 张龙杰 , 白雪蕊
2023, 8(5): 695-703. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.011
摘要(122) HTML (23) PDF(35)
摘要:
陕北矿区地势复杂多变、地形沉陷及地裂缝导致机械生态修复困难，基于北方天途八旋翼无人机，以荞麦为试验对象，研究了飞播参数对无人机飞播作业的影响，并探究了深色有隔内生真菌(DSE)浸种后无人机飞播荞麦生态修复效应。结果表明：飞播参数对荞麦种子有效幅宽与飞播均匀性有显著影响，获得无人机最优飞播参数为高转速、飞行高度2.5 m、飞行速度4 m/s、作业间距6 m；该飞播参数下荞麦DSE接菌区，其生长期株高、地径和地上生物量分别比对照区提高了11%、25%、49%；接种DSE可有效提高荞麦叶片叶色值和光合速率，促进荞麦根系生长，提高荞麦产量和品质，无人机飞播联合DSE浸种促生技术可为西部煤矿区复杂地形生态修复奠定技术基础。
基于遥感绿色指数的矿区生态环境质量评价研究——以义马矿区为例
彭金艳 , 王世东 , 潘金胤
2023, 8(5): 704-713. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.012
摘要(160) HTML (86) PDF(43)
摘要:
矿区的开采活动对区域的生态环境质量具有很大影响。为了更加客观准确地评价矿区生态环境质量，构建了一种适用于研究矿区生态环境质量的遥感绿色指数(RSGI)模型，并初次将模型应用于义马矿区的生态环境质量评价。基于1991年、2011年、2021年的Landsat遥感影像，利用ENVI5.3软件对遥感影像进行监督分类、计算遥感绿色指数，从时间和空间上对义马矿区近30年生态环境质量进行评价；并运用皮尔逊相关系数分析了矿区生态环境质量与矿区各生态要素之间的相关性。结果表明：① 1991—2021年总体的生态环境质量以优为主，绿色空间面积均达到80%以上；② 1991年、2011年和2021年义马矿区RSGI数值分别为0.90、0.91和0.89，其生态环境质量呈现先增长后缓慢下降，总体上处于下降趋势；③ 1991—2021年间，生态环境质量变化明显的是城镇以及矿区，大部分城镇和矿区生态环境质量呈现下降趋势，说明义马矿区生态环境质量的变化与矿业开发活动密切相关；④遥感绿色指数高的地方，其耕地、林地、草地所占面积比重比较大，建筑物和不透水表面面积占比较小，遥感绿色指数与各指标之间有显著的相关性。研究结果为义马矿区生态环境修复与绿色矿山建设提供重要的科学依据。
河南省煤矿城市地下空间开发适宜性评价
石贝凝 , 向中林
2023, 8(5): 714-724. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.013
摘要(134) HTML (38) PDF(39)
摘要:
为保证煤矿关闭后遗留地下空间的合理利用、避免资源浪费，本文以河南省空间资源量超过10 000 m3的典型煤矿城市(郑州市、平顶山市、三门峡市和洛阳市)为例，对煤矿地下空间开发利用适宜性展开研究，利用层次分析法建立了有关煤矿城市地下空间开发利用适宜性评价体系。该评价体系包括安全性、稳定性、空间资源量、空间环境、经济性等5大类以及相应的20小项评价指标。最后根据所建评价体系、结合专家打分法，得出河南省4个典型煤矿城市开发适宜度由高到低依次为：郑州市25.59、平顶山市23.21、三门峡市8.86和洛阳市8.56。论文采用城市之间横向对比的思路，为河南全省乃至全国各煤矿城市地下空间适宜性评价提供参考。
煅烧工艺与钙硅比对水硬性石灰组成及性能的影响
张朋娟 , 宋学锋
2023, 8(5): 725-732. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.05.014
摘要(73) HTML (12) PDF(31)
摘要:
煅烧工艺、原料钙硅比是影响天然水硬性石灰(NHL)矿物组成及性能的关键因素。本文以不同化学组成泥质石灰石尾矿为原料，采用不同煅烧工艺制备了NHL。采用正交试验与单因素试验相结合的方式对所制备NHL的矿物组成及抗压强度进行研究，分析了煅烧工艺与钙硅比对其性能的影响规律。研究结果表明：随着煅烧温度升高，NHL中气硬性矿物CaO含量减少，水硬性矿物硅酸二钙(Ca2SiO4，C2S)含量增加；煅烧温度对NHL的矿物组成及抗压强度影响最为显著，保温时间与升温速率次之；在煅烧温度1 000~1 100 ℃范围内，利用给定的泥质石灰石尾矿制备的天然水硬性石灰满足NHL2、NHL3.5强度等级要求；当钙硅比在3.55~6.76范围内，NHL抗压强度随钙硅比的增大先降低后升高，而CaO含量呈增大趋势。

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