征稿简则

《中国矿业大学学报》是由中国矿业大学主办,刊登自然科学各个领域最新研究成果,具有矿业特色的综合性学术刊物,被《工程索引》(EiCompendex)、Scopus、《化学文摘》(CA)、《文摘杂志》(AJ)、《中国科技论文与引文数据库》(CSTPCD)等20多种国内外重要检索刊源数据库收录。

“矿井瓦斯防治利用战略研究与进展”专题--庆祝我国矿井瓦斯防治专家周世宁院士九十华诞

煤炭是我国主体能源,在国家主管部门的坚强领导下,矿井瓦斯灾害防治目前已取得了较大进展,有力地保障了我国煤矿安全生产。然而,随着煤炭开采逐渐向深部延伸,矿井瓦斯防治又面临着新的难题和挑战。为贯彻落实“双碳”规划重要指示精神和构建清洁高效的能源体系新发展目标,实现矿井瓦斯灾害科学防治和低碳高效利用,矿井瓦斯灾害防治领域的广大科技工作者使命光荣、责任重大。

陆相页岩碳酸盐矿物成因及其页岩气富集作用——以松辽盆地梨树断陷沙河子组页岩为例

为了揭示陆相页岩中碳酸盐矿物对页岩气的富集作用及意义,本文以松辽盆地梨树断陷下白垩统沙河子组富含碳酸盐矿物的页岩为研究对象,通过高精度厘米级岩心观察、薄片鉴定、X射线衍射全岩矿物分析、XRF元素测试、扫描电镜等手段,分析了页岩中碳酸盐矿物的发育特征,探讨了碳酸盐矿物的形成环境及成因作用,认为碳酸盐矿物对陆相页岩气甜点分布具有重要的指示意义和控制作用.研究结果表明:梨树断陷下白垩统沙河子组发育一套富含碳酸盐矿物(质量分数平均值为15.0%,最高值为48.5%)、富有机质(TOC>2%)且高含气(单井页岩气产量达到7.6×10~4 m~3/d)的陆相页岩,页岩中碳酸盐矿物主要以纹层形式存在,可分为生物碎屑纹层、泥晶方解石纹层和亮晶方解石纹层3种类型.沙河子组富含碳酸盐矿物的页岩主要形成于半深湖—深湖相咸化分层还原的水体环境,不同类型的碳酸盐纹层形成作用具有差异.生物碎屑型碳酸盐是沉积湖底的生物壳体在成岩初期经方解石化作用形成的,纹层状生物碎屑型碳酸盐主要形成于深水稳定咸化还原的水体环境;泥晶方解石纹层是受藻类等生物光合作用诱导结晶形成,主要形成于封闭咸化高生产力强还原的环境,与有机质纹层形成季节性纹层特征;亮晶方解石纹层为原生方解石经有机酸溶蚀后重结晶而成.陆相页岩中碳酸盐富集指示利于原生有机质发育的沉积环境,即指示具有良好生气基础的优质页岩发育段;与方解石相关的溶蚀孔、微裂缝等储集空间发育,为页岩气富集提供了必要条件,碳酸盐矿物含量决定了页岩中孔隙的发育程度,碳酸盐矿物质量分数大于10%的页岩孔隙度一般大于4%.

基于Washburn法的辉钼矿尺度效应分析及浮选响应

辉钼矿是典型各向异性矿物,其表面性质显著影响矿物的浮选行为.为了研究不同粒级辉钼矿表面性质差异及浮选响应,本文采用Washburn动态法分析了-74+38,-38+20,-20μm 3个粒级辉钼矿表面热力学性质,进而研究了不同粒级辉钼矿颗粒的浮选行为,并计算了烃类油捕收剂分子与辉钼矿不同解理面作用差异.研究结果表明:辉钼矿"面"和"棱"亲疏水差异显著,随着粒度减小,辉钼矿表面的疏水性明显降低,且颗粒表面能增加显著,非极性分量降低,极性分量增加明显,-20μm粒级辉钼矿升至高表面能表面,极性强.随着粒度减小,辉钼矿浮选速度及产率均下降,对于-20μm粒级尤为明显;C_(12)H_(26)分子优先在(001)面吸附,而水分子则优先在(010)面吸附,C_(12)H_(26)在(001)面的吸附能远高于(010)面.因此常规烃类油难以有效改善微细辉钼矿表面疏水性,对微细粒辉钼矿浮选性能改善有限.

准噶尔盆地西部下组合深层天然气成因与保存

为了揭示准噶尔盆地西部深层天然气勘探潜力,综合利用天然气组分、碳同位素和轻烃数据,结合天然气藏散失特征综合分析,针对深层天然气成因与保存开展研究。通过烃源岩有机质丰度、类型和成熟度分析,评价了烃源岩生烃潜力,根据天然气组分、碳同位素和轻烃等参数,分析了天然气来源,综合地层水、油气显示和断裂分布认为天然气存在散失,深层烃源岩生气潜力较大,保存条件是制约天然气成藏和勘探的关键因素之一.研究结果表明:天然气C_(2)H_(6)碳同位素偏轻(-40‰~-25‰),以油型气为主,轻烃类型指示天然气有机质母源以湖相低等生物为主.天然气主要来源于风城组烃源岩,风城组烃源岩有机质丰度高、类型好、成熟度适中,生气潜力大;大跨度的油气显示以及矿化度随深度变化较小均揭示了前期勘探领域天然气发生了明显散失,优先选择天然气保存条件较好的区域(盖层厚度大于200 m,压力系数高于1.6,断裂发育程度弱的近凹陷带)开展天然气勘探,有望实现准噶尔盆地深层天然气勘探的规模突破.

煤矿井下煤矸智能分选与充填技术及工程应用

我国中东部煤矿开采已全面进入深部开采,深部开采过程中原煤中矸石运输提升与地面排放严重制约矿区高效生产与环境协调发展.国家重点研发计划项目(2018YFC0604700)围绕深部煤矿井下洗选与就地充填中重大难题开展系统研究:提出了深部采选充一体化矿井协同开采技术框架,构建了井下采选充空间布局与煤矸物流运输优化方法;研发了井下专用的紧凑型跳汰机、水介质分级分选旋流器,以及煤矸分选智能化与模块化控制系统;构建了硐室围岩锚固承载结构损伤演化模型,揭示了硐室群连锁破坏失稳力学机理,开发了抗动载吸能阻尼锚索、锚固支护设计方法及硐室群围岩失稳智能预警平台;系统研究了破碎矸石充填材料细观结构破坏特征,揭示了散体充填材料承载压缩变形影响机制,研发了矸石聚合物充填材料;建立了深部充填开采地表沉陷场模型,研发了深部充填开采地表变形井上下多源综合监控方法与装备,提出了"采选充+留"协同开采模式与工程设计方法.研究成果应用于新巨龙煤矿,井下分选系统设计分选能力达400万t/a,就地充填能力150万t/a,为我国深部煤矿井下分选与就地充填、矿区环境保护协调发展提供了可靠技术途径.

综采面覆岩结构稳定控制的推采速度效应

开采速度会影响采空区矸石压缩变形,改变基本顶断裂岩块运移位态,影响覆岩结构稳定及矿压显现.采用理论分析和现场实测的方法,建立了考虑矸石压缩效应的"砌体梁"结构模型,分析了推进速度与矸石变形的内在联系,揭示了推进速度对覆岩结构稳定及控制的影响规律.结果表明:随推进速度加快,关键块C下沉量及回转角呈近似负指数关系衰减,进而增加岩块间挤压程度与水平推力,对控制关键块滑落失稳有利;矸石压缩对关键块B触矸后运动影响不大,故分析回转失稳时应回归B块断裂回转至触矸的过程.回转失稳主要与采空区充填程度有关.因提速增加的岩块间水平推力有助于补偿滑落失稳产生的附加载荷,减小支架受力,一旦结构实现自稳,所需支架工作阻力将趋于恒定.

瞬变电磁超前探视纵向电导微分合成孔径成像

为避免瞬变电磁数据成像二次微分运算中由引入误差的传递与积累造成的假异常现象,以合成孔径雷达相干成像的思想引入瞬变电磁合成孔径成像方法,通过相邻测点对地质体成像的相关性进行加权相关叠加.结果表明:真实的有效信号具有较高的相关度而得到加强,传递与积累的误差因具有随机性而相关度较差,能够得到压制,最终提高视纵向电导微分成像的分辨率.该方法改变了传统的以单点单独解释的瞬变电磁解释方法,形成了通过相邻测点的相关性进行联合成像解释的新方法.对实际工程进行了传统瞬变电磁数据成像和合成孔径成像对比,可明显看到瞬变电磁合成孔径成像得到的界面更清晰,对判断电阻率变化界面位置非常有利.

砂砾岩储层成岩作用与物性演化——以玛湖凹陷北斜坡区三叠系百口泉组为例

为深化对砂砾岩储层非均质的认识,以玛湖凹陷北部斜坡区三叠系百口泉组砂砾岩储层为例,利用岩心观察、薄片鉴定、扫描电镜、阴极发光、电子探针、背散射、碳氧同位素、流体包裹体及孔渗测试等技术,结合埋藏演化史和油气充注史,对储层的成岩作用和孔隙度演化规律进行研究.通过恢复地质历史时期的孔隙度,对比不同区块储层孔隙演化特征、油气充注差异,综合试油解释成果,总结出3种成因类型的储层,其中Ⅰ类强压实改造型储层和Ⅱ1类早期碳酸盐强胶结改造型储层勘探潜力最差,Ⅲ类强溶蚀改造型储层勘探潜力最大.研究结果表明:储层非均质性强,整体为特低孔低孔-超低渗储层,经历了碱性—酸性—弱碱性—酸性—弱酸性的成岩环境变化,成岩作用类型复杂,主要的成岩序列为绿泥石膜胶结→菱铁矿/方沸石胶结→凝灰质杂基/长石/岩屑/菱铁矿/方沸石溶蚀,自生高岭石/孔隙充填式绿泥石沉淀/石英加大→早期方解石/铁白云石/片钠铝石胶结→凝灰质杂基/长石/岩屑/早期方解石/铁白云石溶蚀,自生高岭石/孔隙充填式绿泥石沉淀→晚期方解石胶结→少量黄铁矿胶结,压实作用贯穿整个埋藏过程.孔隙演化定量恢复结果显示,Ⅰ类储层压实作用对孔隙度的影响最大,其减孔量占总减孔量的93.89%,溶蚀作用绝对增孔量为1.29%;Ⅱ1类压实作用占总减孔量的78.44%,早期碳酸盐胶结减孔量占总减孔量的21.56%.Ⅱ2类晚期碳酸盐强胶结改造型储层在第2期油气充注过程中致密,含油性较好,勘探潜力中等.Ⅲ类强溶蚀改造型储层溶蚀作用绝对增孔量约为6.83%,且次生溶蚀孔隙发育且保存较好,现今为中低孔储层,为优先勘探方向.

煤与瓦斯突出的地质动力系统失稳判据研究

为了进一步弄清煤与瓦斯突出发生的原因及演化规律,在分析突出现象和已有研究成果的基础上,明确了突出的地质动力系统构成,分析了地质动力系统的演化过程,并构建了地质动力系统的失稳判据.研究结果表明:含瓦斯煤体是突出的物质基础,地质动力环境为突出营造了高构造应力、低强度煤岩体、高瓦斯赋存环境,而采掘扰动为突出提供了激发动力和空间条件;突出的发生需经历地质动力系统的孕育、形成、发展和终止等演化过程;突出的发生需满足地质动力系统形成的力学判据C_1;失稳力学判据C_2和能量判据C_3;利用地质动力系统判据能够揭示典型煤与瓦斯突出事故的发生机理,为掘进工作面突出的预测和防治提供了依据.

深部巷道钢管混凝土支架承载性能研究进展

为掌握钢管混凝土支架承载性能的研究动态,从轴压构件、纯弯构件、偏压构件以及整体支架4个方面系统梳理了钢管混凝土支架承载性能室内试验、计算理论和数值研究的发展现状.在此基础上,详细分析了钢管混凝土支架的现场实践进展.最后,探讨了存在的不足及需要解决的若干关键技术问题.研究表明:支架承载性能研究较为系统,取得了较好的实践效果,初步形成了支架支护技术框架;通过在短柱承载力的基础上引入折减系数来计算支架整体承载力,但折减系数的取值依据不明确;除支架整体试验外,其他试验不能准确反映支架在巷道中的真实受力,后期应重点开展偏压承载试验;现有数值模拟方法不能有效揭示支架的破坏机制,套管接头以及材料间的界面模拟方法需要进一步研究;支架设计理论仍以实际经验为主,尚需考虑围岩、其他支护方式与支架之间的耦合作用机理,完善设计方法.

拓扑保形的矢量地理数据几何脱密方法

提出了基于紧支撑径向基函数(CSRBF)的具有拓扑与几何保持性的矢量地理数据几何脱密方法.根据矢量地理数据的结构特征,分别对点、线、面地理要素进行分类,针对不同类别的地理要素构建相应的拓扑保形规则;利用CSRBF生成脱密函数模型,根据矢量地理数据几何脱密要求,分别对点、线、面结构的矢量地理要素进行脱密处理;通过脱密函数模型和要素脱密拓扑保形规则,对矢量地理数据进行迭代脱密,直至满足脱密要求.实验表明:提出的方法得到的脱密结果能够在满足地理信息安全性的条件下,保留数据的拓扑特征及一定的几何精度,从而保证了矢量地理数据的共享可用性.

陷落柱影响区软岩巷道加固段长度及其底鼓控制研究

我国很多煤矿巷道受到临近陷落柱或地质构造影响.针对常村煤矿陷落柱附近-470南翼辅助运输巷底鼓严重的问题,根据弹塑性理论和Hoek-Brown准则,建立了陷落柱周围塑性破坏区力学模型,推导出陷落柱影响区巷道加固段长度计算公式.基于X射线衍射实验和朗肯土压力理论分析了陷落柱区巷道底鼓机理,提出了"适当加密锚杆+大直径高强锚索+钢筋网喷层+滞后高压注浆"的锚网喷注综合控制方案,并对其支护机理进行分析.工程实践表明,加固段长度的理论计算误差约为9.3%,巷道加强支护后底鼓量比原方案大约减小了70%~75%,实现了陷落柱影响区大断面膨胀性软岩巷道底鼓的有效控制.

塔中隆起西北地区深部奥陶系天然气分布特征及运聚模式

综合油气产能、原油性质、天然气组分和同位素组成资料,结合研究区地质背景探讨了塔中隆起西北地区深部奥陶系天然气藏的分布特征及运聚模式,认为研究区目的层油气分布具有＂外气内油＂及＂羽状破碎带富气＂的特征,提出＂垂向输导运移-侧向差异聚集＂的天然气运聚成藏模式.研究结果表明：塔中隆起西北地区深部天然气通过塔中Ⅰ号断裂及左旋走滑断裂垂向运移至塔中隆起西北地区奥陶系储层后,一方面优先聚集于外部1~5号走滑断裂末端高孔渗羽状破碎带,导致在羽状破碎带油气产能、气油比、硫化氢质量分数、干燥系数、原油含蜡量异常高,分别可达199 442m^3/d,7 875 m^3/m^3,40 000×10-6,0.96,16.1%;原油密度异常低,低至0.77g/cm^3;天然气富集重碳同位素,最重值为-39.1‰;另一方面在不整合面、走滑断裂、高孔渗＂孔缝洞＂储层的侧向输导下,自北东向南西方向运移聚集,随着远离塔中Ⅰ号断裂带,气侵程度逐渐减弱,油气相态由凝析气藏向油藏过渡,气油比、天然气产能、干燥系数、硫化氢质量分数、原油含蜡量逐渐减小,分布范围分别为79~7 875m^3/m^3,1 198~199 442m^3/d,0.72~0.96,10×10-6~40 000×10-6,2.0%~16.1%,原油密度从0.77g/cm^3逐渐增大至0.89g/cm^3,甲烷碳同位素从-39.1‰逐渐变轻为-54.9‰.综合分析认为研究区深部或超深部天然气资源勘探潜力巨大,尤其是深大通源断裂附近的应力破碎带岩溶储层发育区,可作为深部天然气的优先勘探目标.

基于中和技术的矿工不安全行为实证研究

矿工不安全行为是导致煤矿事故的重要原因,而不安全行为的实施是矿工在综合考量作业环境和安全管理要求后的行为意向选择.为分析矿工不安全行为意向的影响因素和煤矿激励策略的合理性,提出7种研究假设,建立结构方程模型,设计调查问卷收集数据进行实证研究.结果表明:中和技术理论中否认行为的伤害后果、功过相抵和必然狡辩对于矿工当前不安全行为意向呈现显著正向影响,而否认责任的影响不显著.同时,激励策略中经济惩罚和羞愧惩罚呈现显著负向影响,而经济奖励的影响不显著.

多煤层开采层间等效基本顶结构及其活动规律

针对晋华宫矿多煤层下行开采过程中层间赋存有19m厚中粒砂岩的特殊条件,在分析其覆岩结构特征的基础上建立了多煤层开采的围岩整体结构模型,据此提出了"层间等效基本顶"的概念,通过理论分析探讨了层间等效基本顶覆岩载荷和等效厚度.结果表明:从砌体梁结构稳定角度认为咬合处即为等效基本顶分界,即厚基本顶中下部未损伤区域作为砌体梁结构的主承载区域,其厚度为基本顶等效厚度.等效基本顶破断步距为19.1m,与现场矿压监测结果一致,较好地解释了11号煤层开采时19m厚中粒砂岩作为基本顶时周期来压步距变小的原因.

古近系湖相碳酸盐岩储集特征与含油性分析——以柴达木盆地英西地区为例

对英西地区古近系E_3~2致密湖相碳酸盐岩储集特征与含油性进行分析.系统地开展了岩石学和矿物学研究、物性分析和毛管压力曲线研究、超微观形貌和微区地球化学成分分析以及其他配套综合分析研究,提出英西地区E_3~2储集层以白云石晶间孔为主,且饱含油,见少量有机酸溶蚀加大现象,具有形成规模油气藏的储集能力.研究结果表明:1)显微镜和扫描电镜下均可见到岩石中发育大量白云石晶间孔,在毛管压力曲线上表现为"高-宽"平台,具有"小孔径-大数量"意义;2)电子探针分析结果显示白云石分子式为Ca(Mg_(0.96)Fe_(0.04))(CO_3)_2,理想状态下可形成13.36%的面孔率;3)统计数据显示少量样品存在晶间孔被有机酸溶蚀加大现象,高沉积速率的大背景下未见大气水的淋滤溶蚀证据,且碎屑长石未发生溶蚀;4)实测的孔径大小和化学理论推导值均显示孔径约为0.40~1.07μm,完全有能力储集各类石油、天然气及其共生物质且能允许其在孔隙内发生流动或运移.

微细高岭石颗粒表面水化作用机理研究

为掌握微细高岭石颗粒表面水化作用机理,利用流变仪测定了微细高岭石在不同离子溶液中分散体系的黏度.基于爱因斯坦黏度方程,建立了矿物颗粒表面水化度测定方法,分析了Na+,K+,Ca2+,Mg2+等离子对高岭石颗粒表面水化度的影响规律.结果表明:高岭石颗粒表面水化度在去离子水中为131.895,在浓度为0.001,0.010,0.100mol/L不同离子溶液中分别为NaCl溶液中的160.714,123.397,109.834,KCl溶液中的141.761,106.171,93.071,CaCl_2溶液中的118.854,93.141,86.800和MgCl2溶液中的95.195,82.764,57.234,水化度随溶液中离子浓度的增加而逐渐减小,浓度较低时Na^+,K^+离子有利于水化膜的形成,颗粒表面水化度最高;煤泥水中常见阳离子对高岭石颗粒表面水化膜的弱化能力依次为:Na^+<K^+<Ca^(2+)<Mg^(2+);溶液中的离子主要是通过改变颗粒表面扩散双电层内游离水的含量,使双电层中剪切面产生移动,从而改变颗粒表面水化膜的厚度.

考虑渗流-扩散的煤层瓦斯流动修正模型

为研究煤层瓦斯流动规律,在考虑了不同扩散机制和滑移边界的前提下,建立了考虑渗流-扩散效应的煤层瓦斯流动新模型,分析了同一气体压力条件下扩散质量通量占总质量通量比重、视渗透率和达西渗透率的比值随Knudsen数(Kn)的变化关系.结果表明:新模型在描述煤层瓦斯流动规律方面更为合理准确;当Kn>20.000时,瓦斯在煤层中的流动属于自由分子流,流动规律符合扩散定律;当0.020<Kn≤20.000时,煤层瓦斯流动需同时考虑扩散项和渗流项,煤层瓦斯流动属于过渡流;当0.002<Kn≤0.020时,煤层瓦斯流动属于黏性连续流,流动规律满足带滑移边界的达西方程;当Kn≤0.002时,煤层瓦斯流动满足达西方程.