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2022年  第7卷  第4期

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随钻岩性识别技术研究进展
岳中文 , 岳小磊 , 杨仁树 , 王煦 , 李为 , 戴诗清 , 李杨
2022, 7(4): 389-402. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.001
摘要(1067) HTML (197) PDF(227)
摘要:
随钻岩性识别是一种便捷、高效的地层信息获取技术，具有即时、准确、环保以及节能等优点，可应用于岩石边界确定、支护参数设计、爆破参数设计以及区域地层强度参数识别等工程领域，一直是国内外学者研究的重点方向。本文系统分析了随钻岩性识别技术研究现状以及发展趋势，结合近年来随钻岩性识别技术的应用，探讨了该技术作为智能化探测的新方法与新理论。首先，总结了随钻岩性识别关键技术国内外发展历程；其次，阐述了国内外岩性识别系统的研究现状，包括技术原理及系统组成，并对部分国内外典型岩性识别系统进行对比和评价；再次，总结钻进过程中钻进参数与岩石之间的响应关系及建立的钻进指标和评价体系，并根据旋切式及旋切-冲击式两种钻进方式讨论影响随钻岩性识别的因素；最后，根据随钻岩性识别技术研究领域的发展动态，总结现阶段工程应用中存在的问题，展望随钻岩性识别技术研究未来的发展趋势。
煤矿采场围岩智能控制技术路径与设想
杨胜利 , 王家臣 , 李明
2022, 7(4): 403-416. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.002
摘要(591) HTML (123) PDF(88)
摘要:
煤矿采场围岩的智能控制是实现煤矿智能化的重要组成部分。本文重新定义了采场围岩系统的内涵，明确了围岩控制的范围，包括工作面推进与垂直方向上基本顶范围内支架围岩“小结构”以及影响采场围岩控制的远场岩层；根据作用方式将采场围岩系统因素分为“可控因素”与“不可控因素”，由此确定了围岩智能控制的重点和基本原理。建立了采场围岩系统“多参量智能感知-精准分析模式判别-自主决策-快速执行-控制效果动态评价”智能控制的技术构架，进一步明确了实现智能围岩控制的科学问题和关键技术难题，并提出了工作面开采系统智能化、装备围岩自适应控制、复杂条件围岩智能控制、统一坐标系下的采场围岩系统稳定性分析4点关键技术设想。结合实际案例分析了支架工况信息的可挖掘性，并用堆叠LSTM实现对采场矿压的智能预测。
考虑自然电位的广义Δlog R模型及其在预测总有机碳含量的应用
缪欢 , 王延斌 , 麻振涛 , 国建英 , 张雨健
2022, 7(4): 417-426. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.003
摘要(454) HTML (118) PDF(19)
摘要:
为精准预测吐哈盆地中二叠统桃东沟群烃源岩总有机碳含量，基于研究区内多口钻井测井参数与有机质丰度之间的关系，对广义Δlog R模型进行拓展，提出了一种考虑自然电位广义Δlog R模型。研究发现：研究区内烃源岩与电阻率密度呈弱正相关，与自然电位、自然伽马和密度呈弱负相关，与中子相关性不太明显。通过与其他方法对比，优选出考虑自然电位的广义Δlog R模型的相关系数(R2)为0.804 2，平均误差率为15.58 %，是预测区内中二叠统桃东沟群烃源岩总有机碳含量的最佳方法。该成果将为研究区烃源岩测井评价等工作提供依据。
基于地质统计学反演的透明化矿山岩性建模参数研究及应用
陈柏平 , 崔凡 , 刘波 , 杜云飞 , 王子昌
2022, 7(4): 427-436. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.004
摘要(409) HTML (115) PDF(37)
摘要:
为提供煤炭精准开采地质保障前期高分辨率的岩性地质建模基础数据，针对煤系地层的煤层厚度和存储条件，基于地质统计学反演理论建立楔形煤层的纵波阻抗模型，对获取的地震数据通过多组反演实验分析不同概率密度函数、横向变程参数对煤层厚度反演的影响，并进一步讨论了不同数量和位置的井约束条件下反演的效果，最后基于煤田地震数据进行了实际应用。结果表明，地质统计学反演参数对反演结果影响较大，合理的概率密度函数、横向变程和合理的约束井选取可以提高反演的准确性。实际应用表明地质统计学反演能够预测出1 m左右的薄煤层，反演的煤层厚度与测井数据结果误差范围为1.82 % ~12.24 %。研究结果对薄煤层厚度预测具有一定的可行性，可以为透明化矿山前期岩性地质建模提供有价值的建模数据。
基于水平集方法和U-Net网络的地震初至拾取技术
李阳 , 何登科
2022, 7(4): 437-445. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.005
摘要(419) HTML (129) PDF(39)
摘要:
针对使用U-Net网络拾取地震初至存在的拾取结果不连续等问题，提出了一种融合水平集方法的U-Net网络结构模型。首先基于U-Net网络提取地震图像特征图，逐像素计算损失，然后应用水平集方法对特征图计算水平集损失，最后将两者的加权和作为最终的损失函数。改进后的网络模型采用水平集方法保证了地震道之间初至的连续性，同时保留了U-Net网络“端到端”精细化分类的能力；采用Focal Loss损失函数缓解地震数据样本类别不均衡问题；在训练过程采用混合模拟数据和实际数据的方法克服训练集数据不足问题。经正演模拟和实际地震资料测试结果表明，该网络模型不仅精确度较高，而且较好地适应在低信噪比环境下地震信号的初至拾取。
中美土地复垦质量控制标准对比研究——以草原露天矿区为例
李晶 , 马天跃 , 闫萧萧 , AnnaWaitkus
2022, 7(4): 446-455. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.006
摘要(495) HTML (116) PDF(42)
摘要:
在新时期国土空间生态修复背景下，对比中美两国土地复垦质量控制标准编制方式和内容差异，完善和优化我国土地复垦质量控制标准至关重要。本文以中国北方草原区与美国怀俄明州为例，系统对比了地貌重塑、土壤重构、植被重建、水文恢复标准的差异，揭示了我国相关标准的完善方向。结果与结论：①我国地貌重塑柔性表达不足，可更充分体现注重恢复采前地貌和景观协调并相应调整参数范围等；②土壤重构质量控制，可考虑根据矿种和复垦方向丰富土壤质量选择性指标；③我国植被重建质量控制局限于可测指标的定量数值，宜完善植被种类和重建时限标准，设定采前参照区并使用数理统计核验复垦质量；④根据采前信息增加水环境恢复的相关控制标准；⑤推动当前行业标准上升为国家标准。研究成果有助于变“末端控制”思维为全过程管理，变后端刚性指标阈值控制为参照采前基准信息，变注重生产能力为恢复生态功能，提升复垦质量管理全程化、科学化、精准化和普适化。
基于真实细观结构的FFT数值方法对岩石材料非线性力学行为的研究
李明耀 , 彭磊 , 左建平 , 王智敏 , 李绍金 , 薛喜仁
2022, 7(4): 456-466. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.007
摘要(438) HTML (120) PDF(56)
摘要:
岩石的非均质性(矿物夹杂、微裂隙、微孔洞等细观结构)对其非线性力学行为和破坏过程有着显著影响。本文采用无需对复杂细观结构划分网格的快速傅立叶变换(FFT)数值方法，直接获取图像中的像素点作为材料点，准确得到非均质材料的细观结构特征和力学性质的特点，与数字图像处理(DIP)技术有机结合，建立了基于真实细观结构的FFT数值计算方法，模拟了非均质岩石在外荷载作用下的弹塑性变形过程，探究了岩石内部细观结构对非线性力学行为的影响规律与宏观力学性质的内在联系。研究结果表明：基于真实细观结构的FFT模型，能很好地预测不同埋深和不同围压条件下黏土岩的峰前非线性行为和峰值强度，细观结构的形状、大小和分布直接决定了黏土岩内部应力场的分布。研究结论为研究岩石细观结构特征及其非线性力学行为提供了一个重要手段。
土压作用下面层弯矩和挠度计算方法研究
汪学清 , 汪壮壮 , 王建华
2022, 7(4): 467-473. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.008
摘要(337) HTML (146) PDF(33)
摘要:
面层是基坑支护系统中重要的组成部分，为了对面层进行合理设计，利用薄板小挠度弯曲理论建立了面层的薄板受力模型，对喷射混凝土基坑支护型式的面层进行了受力分析。为简化计算，假设混凝土面层为弹性体，将面层简化为作用在基坑边坡上的四边简支矩形薄板，推导了主动土压力作用下面层挠度和弯矩的一般表达式，并用有限差分软件FLAC3D模拟了某基坑开挖后面层的弯矩和挠度情况。结果表明：挠度和弯矩的理论计算值与数值模拟值吻合度较好，其中最大挠度和最大弯矩的计算值与模拟值之间的误差分别为6 % 和13 %，模拟得到的挠度和弯矩云图与公式计算得到的分布规律一致，均是从中心向四周逐渐减小，验证了该方法的有效性。推导的公式可为面层的设计提供参考。
基于球壳模型的地壳应力与深度关系研究
刘兵权 , 黎立云 , 卫梦希 , 王博楠 , 王之东
2022, 7(4): 474-480. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.009
摘要(340) HTML (180) PDF(33)
摘要:
随着矿产资源的开发逐步进入地壳深部，对深部地应力场的变化趋势的探究愈发重要。近些年的研究更新了许多地应力数据，有必要基于最新数据对现有估算方法做出改进。本文根据弹性力学基本理论和球壳模型，研究随深度变化的万有引力体积力和内压的作用，得到宏观的应力分布理论公式；引用广泛分布的实测数据，对理论公式中的地壳物理参数进行拟合，得出垂直地应力和平均水平地应力随深度变化的拟合公式。结果表明：在地球的宏观尺度上，地壳应力随深度的分布不再是线性关系，但在当前人类活动范围内，地应力均值随深度基本呈线性变化，与金尼克假说在γ=22 kN/m3、λ=0.9时的结果最为接近；随着深度增加，平均侧应力系数逐渐趋近于1，比Brown和Hoek提出的包络线更接近实测数据；地壳内部的高压会引起水平拉应力，但自重引起的压应力更高，使得整个地壳内的垂直地应力和水平地应力都为压应力。研究结果可为地壳应力分布趋势的预测特别是深部区域的预测提供参考。
基于断裂力学的层状岩石Hoek-Brown准则修正模型研究
李英杰 , 王炳乾 , 左建平 , 薛东杰 , 刘德军
2022, 7(4): 481-489. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.010
摘要(353) HTML (181) PDF(52)
摘要:
本文基于各向同性Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论，从层状岩石细观断裂机理出发，分析初始微裂纹沿层理分叉后起裂条件，考虑初始裂纹引发岩石破裂的临界角，建立层理弱面主导裂纹偏转的参数m1各向异性公式，引入考虑岩石沿层理和基质混合破裂修正系数，得到Hoek-Brown强度准则的各向异性修正模型。对比其他各向异性Hoek-Brown模型以及页岩三轴试验结果证明了模型的有效性。修正模型继承了各向同性Hoek-Brown强度准则的断裂力学理论对于岩石破坏特征量的选择，反映了岩石的细观破坏机理，同时考虑层理各向异性的影响，准则中的相关参数物理意义明确。模型中参数m与层理面角度、层理及岩石的抗拉强度、抗压强度、摩擦系数有关，其中层理面摩擦系数的变化会引起参数m极小值点位置及岩石强度特性发生改变。
煤-气交叉开采区天然气井防碰撞预警技术研究
王文 , 杨昆 , 何云 , 王斌 , 高斐 , 潘叶信
2022, 7(4): 490-497. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.011
摘要(245) HTML (111) PDF(18)
摘要:
伴随着多种矿产资源协同交叉开采逐渐常态化，天然气井安全形势日渐严峻。以鄂尔多斯盆地煤-气交叉开采为研究对象，提出了基于振动波监测的防碰撞预警技术方法，防止掘进机与天然气井碰撞事故的发生。通过钢管敲击振动试验及煤矿井下掘进振动试验，研究振动波在钢管及煤岩中的衰减规律，并根据振动衰减规律推导出掘进机到天然气井距离计算公式。研究结果表明：振动波在钢管和煤岩中传播衰减系数不同，但衰减规律基本相同，均符合指数衰减规律，振动波先急速衰减，随后缓慢衰减。为实现地面监测井下掘进机到天然气井的距离、防止碰撞、预测预警提供参考。
氧化煤低温氧化特性及演化规律
陈荣芳 , 郭志国 , 张俊 , 赵宇
2022, 7(4): 498-504. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.012
摘要(423) HTML (150) PDF(24)
摘要:
为了探究氧化煤的低温氧化特性及演变规律，采用程序升温实验系统，对平煤八矿煤样分别预氧化至60 ℃、90 ℃、120 ℃、150 ℃、180 ℃、210 ℃时通入N2绝氧降温形成的氧化煤，进行低温氧化程序升温实验；为进一步揭示不同灭火条件下形成的氧化煤低温氧化行为特征，对煤样预氧化至120 ℃时，通入3种不同体积分数N2灭火后形成的氧化煤，开展低温氧化程序升温测试，测定这两类氧化煤低温氧化过程耗氧速率、标志性气体(CO、CO2)产生率以及放热强度的变化规律。结果表明：氧化煤的耗氧速率、标志性气体产生率和放热强度均小于原煤；预氧化至90 ℃煤样的自燃特性参数更接近原煤，说明预氧化至临界温度的煤更易发生复燃；而预氧化至120 ℃时通入N2的体积分数越高，这类氧化煤的自燃特征参数越接近原煤，说明通入N2体积分数越高的煤复燃能力越强。因此，开采近距离煤层群、复采工作面以及启封火区等区域的煤体时，应防范其发生复燃。
近距离下部煤层回采巷道合理位置确定
何富连 , 杨阳 , 李亮 , 欧阳烽 , 张潇 , 付丽红
2022, 7(4): 505-512. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2022.04.013
摘要(374) HTML (135) PDF(39)
摘要:
为研究燕子山矿近距离下部煤层回采巷道的布置，通过理论计算对上部4号煤层4216、4218双侧采空遗留区段煤柱建立力学模型，明晰遗留区段煤柱主应力差在其底板的传递规律；应用FLAC3D数值软件模拟上部区段遗留煤柱在底板不同深度垂直应力、水平应力及主应力差的分布特征，分析了主应力差与应力降低区因素对巷道合理内错距离的影响。结果表明，巷道应布置于低主应力差环境，避开主应力差峰值区域，下煤层水平距离上部煤柱边缘30 m位置时，垂直应力接近原岩应力，平均主应力差值小于1.24 MPa，且主应力差变化率较低；最终确定下煤层工作面回采巷道采用内错30 m布置。现场实践证明，在该错距下巷道围岩变形较小，能够保证矿井安全、高效生产。

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