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煤炭地下气化碳减排技术研究进展与未来探索

煤炭学报 2024年第1期49卷 495-512页

作者：秦勇易同生周永锋杨磊王军中国矿业大学江苏徐州221116 贵州省煤田地质局贵州贵阳550025

煤炭地下气化(UCG)与碳减排的相互融合,有望成为当前至碳中和到来之前过渡阶段的优秀绿色能源技术,甚至在未来更长的碳中和历史时期发挥重要作用。回顾研究历史与现状,UCG减排系统策略基本形成,可归纳为5种具体途径。其中,地下原位定向... 详细信息

煤炭地下气化(UCG)与碳减排的相互融合,有望成为当前至碳中和到来之前过渡阶段的优秀绿色能源技术,甚至在未来更长的碳中和历史时期发挥重要作用。回顾研究历史与现状,UCG减排系统策略基本形成,可归纳为5种具体途径。其中,地下原位定向调控可减少CO_(2)释放产出并促进UCG提质增产,相关策略和途径可归纳为“碳调减(CRR)”。UCG-CO_(2)地下空间超临界气态封存研究成果相对较多,主要集中在封存介质、封存空间、封存能力等方面,少数研究讨论了封存机制。UCG-CO_(2)地下空间矿化封存不受地质体稳定性和封闭性苛刻条件的约束,潜在着固碳和转化产气的双重效果,但研究成果尚不多见。UCG-CO_(2)回注利用与封存的前期探索集中在煤层气增产和UCG合成气生产改善2个方面,近年来开创了UCG制氢尾气CO_(2)减排利用系列性探索。CRR作为一种主动减排策略,通过调节气化剂及其注入方式来定向调减UCG合成气中CO_(2)浓度,理论成果较多并且经过现场初步验证,有望成为集清洁能源生产与碳减排为一体的洁净煤实用技术。评述进展并分析短板,UCG碳减排科学技术研究已取得诸多实质性成果,也面临持续发展的挑战,未来探索似应聚焦在4个方向:一是立足可行,优先发展以UCG-CRR为重点的UCG-CO_(2)地下转化利用技术;二是聚焦短板,着力突破UCG减排-合成气提质协同机理和关键技术瓶颈;三是扎实推进,优先启动实施UCG-CRR先导试验和工程示范,探索步步取得实效;四是保障实现,探索建立由碳中和与碳管理战略、专项科技行动计划、专业人才培养构成的“三位一体”UCG减排政策支撑体系。

关键词：煤炭地下气化碳减排碳调减策略体系探索方向

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被动源面波三维横波速度反演在山东某矿区应用研究

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地球物理学进展 2024年

作者：张凡斌韩帅曾爱平中国地质大学(北京) 山东省煤田地质局物探测量队

基于地震干涉法的被动源地震勘探通过采集天然噪声信号进行成像，无需主动激发具有低成本、环保的特点，广泛应用于工程、矿产勘探等领域，并得到了快速的发展。本文在山东某矿区开展了被动源面波成像研究，通过布设环形检波器阵列进行... 详细信息

基于地震干涉法的被动源地震勘探通过采集天然噪声信号进行成像，无需主动激发具有低成本、环保的特点，广泛应用于工程、矿产勘探等领域，并得到了快速的发展。本文在山东某矿区开展了被动源面波成像研究，通过布设环形检波器阵列进行数据采集，经去趋势、去均值、去除强振幅等预处理流程后对所有台站对进行互相关计算，并对互相关结果进行滤波去噪来提高信噪比。之后采用双台法拾取台站对的频散曲线，利用直接反演方法直接对混合路径的所有频散曲线进行反演得到了3D横波速度结构，该速度结构较好的反映了探测区域范围内的基底和内部结构，为该区开展进一步矿产勘探提供基础数据。

关键词：矿产勘探被动源地震背景噪声双台法三维反演

山东省滕州城市边缘区土壤潜在有毒元素来源解析和健康风险评价

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中国地质 2024年

作者：阎蓓蓓魏乾乾李新凤孙相宇姜星王敏张睿林高宗军刘久潭山东科技大学山东省煤田地质局物探测量队

【研究目的】为探究城市边缘区周边土壤潜在有毒元素（PTEs）污染特征、来源及生态风险状况。【研究方法】采集了滕州市边缘区周边456个表层（0～20cm）土壤样本，测定了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量。采用地累积指数法和潜在生... 详细信息

【研究目的】为探究城市边缘区周边土壤潜在有毒元素（PTEs）污染特征、来源及生态风险状况。【研究方法】采集了滕州市边缘区周边456个表层（0～20cm）土壤样本，测定了As、Cd、Cr、Cu、Hg、Ni、Pb和Zn含量。采用地累积指数法和潜在生态风险指数法评估城市PTEs污染特征，利用绝对主成分得分多元线性回归模型（APCS-MLR）和正矩阵因式分解（PMF）定量解析PTEs污染物来源，并采用健康风险指数模型评估人体健康的风险。【研究结果】PTEs含量特征等结果表明，表层表土壤的生态风险相对较低，Hg污染最为严重，Hg污染存在空间差异大、污染聚集和受人类活动影响严重的特点。源解析表明，滕州市边缘区土壤PTEs源于自然源、工业源、交通源和农业源，在APCS-MLR模型中占比分别为39.59%、29.48%、25.17% 和 5.77%，在PMF模型中占比分别为29.64%、15.38%、28.03% 和 26.93%。人类健康风险评价表明，成人非致癌风险极低，儿童的非致癌风险及总人群的总致癌风险较大，As和Cr有一定致癌危害。【结论】表层土壤PTEs主要来源地质背景，要注意Hg、As和Cr监测和治理。建议加强饮用水资源的监测，并且减少交通污染排放，强化工厂废物排放监管。

关键词：表层土壤来源分析健康风险评估潜在有毒元素环境地质调查工程滕州山东省

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煤储层破裂压力对压裂改造的影响与工程应用

煤矿安全 2024年第3期55卷 84-90页

作者：冯兴凯山东省煤田地质局第二勘探队山东济宁272000

我国煤储层渗透率普遍较低,低渗储层直接进行地面煤层气开发的效益较低,而水力压裂是增加煤储层渗透率和导流能力的有效手段。通过对沁水盆地PN-1井、PN-2井的测井参数进行分析,掌握煤储层的岩石力学特征,为煤储层水力压裂参数优化提供... 详细信息

我国煤储层渗透率普遍较低,低渗储层直接进行地面煤层气开发的效益较低,而水力压裂是增加煤储层渗透率和导流能力的有效手段。通过对沁水盆地PN-1井、PN-2井的测井参数进行分析,掌握煤储层的岩石力学特征,为煤储层水力压裂参数优化提供指导。结果表明:2口井的测井数据反演的煤层具有低泊松比、低杨氏模量、低强度、低破裂压力的特点;通过在前置液阶段控制施工排量及施工压力、提高阶段液量,可以有效避免压裂裂缝沿煤层顶底板之间的层间界面延伸及扩展至煤层顶底板;测井数据反演的PN-1井煤层破裂压力与实际压裂施工的破裂压力较接近,误差仅为3.01%,对压裂施工参数优化的指导意义较高;PN-2井煤层破裂压力略低于顶底板岩层的破裂压力,压裂初期的施工排量偏高,导致施工压力达到顶底板的破裂压力,压裂裂缝在顶底板之间延伸形成单一裂缝,改造效果及产气效果均较差。

关键词：瓦斯抽采煤储层破裂压力水力压裂可压性改造效果

浅埋巨厚富镓煤层的非均质性与反射波响应特征

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地质学报 2024年第8期98卷 2509-2516页

作者：陈同俊尹海洋王海波武磊彬中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 安徽省煤田地质局物探测量队安徽宿州234000

华北石炭系—二叠系部分煤层富含战略性金属镓。为了探讨利用反射波响应解译浅埋巨厚煤中镓元素含量的可能性,以研究程度较深的准格尔煤田黑岱沟矿6号煤为例,综合样品实测、地震岩石物理建模、主成分分析等方法,表征煤层中物质组成、镓... 详细信息

华北石炭系—二叠系部分煤层富含战略性金属镓。为了探讨利用反射波响应解译浅埋巨厚煤中镓元素含量的可能性,以研究程度较深的准格尔煤田黑岱沟矿6号煤为例,综合样品实测、地震岩石物理建模、主成分分析等方法,表征煤层中物质组成、镓元素含量及载体矿物、弹性参数的纵向非均质性;综合煤层反射波响应正演模拟、地震属性分析和AVO分析等方法,表征煤层反射波运动学、动力学和AVO响应与煤层矿物富集类型间的相关关系。研究结果表明,按煤质可以将6号煤划分为三个层段,每个层段的矿物富集类型有明显区别;中上层段煤层巨厚,煤中镓元素的主要载体矿物为勃姆石,勃姆石与镓元素含量强线性正相关,纵波阻抗等弹性参数与勃姆石、镓元素含量正相关;当煤层流体饱和状态已知时,煤层顶底板反射波的双程旅行时差与振幅交会图可以有效区分煤层的矿物富集类型;煤层顶底板反射波的AVO截距与梯度交会图,可以有效区分煤层的流体饱和状态和矿物富集类型,是解译煤中镓元素含量的一种有效方法。本次研究成果不仅能够直接应用于浅埋巨厚煤中镓资源勘探,还能为煤中其他战略性金属的勘探研究提供方法借鉴。

关键词：巨厚煤层镓元素载体矿物非均质性反射波响应特征

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淮南煤田富油煤赋存规律与开发利用潜力研究

洁净煤技术 2024年

作者：詹润张文永韩锋孙贵徐创业刘桂建安徽省煤田地质局勘查研究院中国科学技术大学地球和空间科学学院安徽省煤田地质局第一勘探队安徽大学资源与环境学院

富油煤兼具“煤、油、气”多重资源属性特征，清洁高效开发富油煤对优化能源产业结构具有重要的战略意义。安徽省淮南煤田富油煤资源储量丰富且煤质优良，是华东地区最具开发潜力的富油煤产地。为全面系统认识研究区富油煤赋存规律与开... 详细信息

富油煤兼具“煤、油、气”多重资源属性特征，清洁高效开发富油煤对优化能源产业结构具有重要的战略意义。安徽省淮南煤田富油煤资源储量丰富且煤质优良，是华东地区最具开发潜力的富油煤产地。为全面系统认识研究区富油煤赋存规律与开发利用前景，通过大量采样测试，利用显微煤岩分析、工业指标与低温干馏测试分析、元素分析、煤相分析、综合制图等手段，揭示了富油煤焦油产率变化的时空分布规律、控制因素及其成煤环境。结果表明，富油煤焦油产率受煤岩物质组成、变质程度、成煤环境影响较大，与煤中镜质组、氢元素、挥发分及CaO-MgO和Fe2O3-SO3含量呈正相关性，与煤灰分和SiO2-Al2O3含量呈负相关性。本区富油煤变质程度属中煤级II-III型，Rmax变化在0.68%～1.06%之间，最佳产烃范围在0.68%～0.95%之间，主要形成于三角洲平原下的潮湿森林沼泽相，成煤期覆水还原程度较强。各矿区煤层富油煤焦油产率变化平均值为9.56%～11.58%，焦油产率空间上具有“南低北高”、“中部高、东部低、西部中等”的分布特点，上石盒子组13-1与11-2煤层是富油煤最有利开发层段。采用地质块段法分类估算了富油煤资源潜力，1500m以浅富油煤资源量约为163.36亿吨，高油煤30.81亿吨，煤制油气潜力较大。基于现阶段煤炭利用现状，从“地面”和“地下”角度，提出通过热电、焦化、气化技术改造升级与钻孔、井下原位热解，可实现富油煤绿色、低碳化利用。

关键词：淮南煤田富油煤赋存规律焦油产率开发潜力清洁高效利用

黄河流域山东段近河道煤矿区土壤重金属污染特征及源解析

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环境科学 2024年第5期45卷 2952-2961页

作者：戴文婷张晖吴霞钟鸣段桂兰董霁红张培培樊洪明中国矿业大学环境与测绘学院徐州221116 山东省煤田地质局物探测量队济南250104 中国科学院生态环境研究中心北京100085

以黄河流域山东段近河道煤矿区土壤为研究对象,采用地累积污染指数法和改进内梅罗污染指数法对土壤重金属污染特征进行评估,利用绝对主成分-多元线性回归模型(APCS-MLR)定量解析了土壤重金属污染来源,并结合ArcGIS中克里金空间差值法分... 详细信息

以黄河流域山东段近河道煤矿区土壤为研究对象,采用地累积污染指数法和改进内梅罗污染指数法对土壤重金属污染特征进行评估,利用绝对主成分-多元线性回归模型(APCS-MLR)定量解析了土壤重金属污染来源,并结合ArcGIS中克里金空间差值法分析土壤Hg和Cd空间分布,进一步验证了模型源解析结果的准确性.结果表明,土壤Cu、Zn、Pb、Cr、Cd、Ni、As和Hg实测含量均超出了正常场地,其中,土壤Hg和Cd超出了土壤元素背景值.Hg的变异系数(CV)均高于0.500,空间异质性明显,且与其他重金属相关性极低,存在相同污染来源的可能性很小.地累积污染指数和改进内梅罗污染指数结果显示,土壤重金属总体处于偏中度污染,其中,土壤Hg污染程度最高,最大值处于偏重度污染程度,Cu、Cd和As存在局部污染情况,处于轻度污染程度,土壤重金属污染与煤矿区开采活动、修复整治和工程施工等密切相关.研究区土壤重金属两大污染源分别为成土母质和工矿业交通的复合源(已知源1)、大气沉降和煤炭生产的复合源(已知源2),其贡献率分别为76.705%和16.171%;通过克里金空间差值模拟的Hg和Cd含量分布证明了APCS-MLR模型的解析结果较为可信.研究可为黄河流域山东段煤矿区土壤重金属污染精准防治和改良、保障粮食和农产品安全,以及提高生态环境质量提供科学依据.

关键词：土壤重金属污染特征绝对主成分-多元线性回归模型(APCS-MLR) 源解析克里金空间差值

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顾及空间异质性的断裂地形区高精度DEM建模方法

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武汉大学学报(信息科学版) 2024年

作者：王兴杰陈东兴陈传法徐联中洪壮壮山东科技大学测绘与空间信息学院山东省煤田地质局第二勘探队

在数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）建模过程中，传统插值方法以地表光滑连续为基本假设且只考虑了采样点和待插值点之间的空间相关性，忽略了诸如断裂线等不连续地形特征带来的空间异质性影响，导致断裂线周围的高程被平... 详细信息

在数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）建模过程中，传统插值方法以地表光滑连续为基本假设且只考虑了采样点和待插值点之间的空间相关性，忽略了诸如断裂线等不连续地形特征带来的空间异质性影响，导致断裂线周围的高程被平滑，进而使得构建的DEM失真。针对上述问题，本文提出了一种顾及空间异质性的多元径向基函数插值方法。该方法耦合了空间距离、高差、法向量三种地形信息，充分考虑了采样点和待插值点之间的空间相关性和地形特征异质性，确保地形断裂区DEM高精度建模。采用ISPRS提供的10组公共数据以及1组机载LiDAR点云数据为研究对象，将本文方法与结构张量约束的插值方法以及3种传统插值方法（包括标准径向基插值法（Radial Basis Function，RBF），不规则三角网法（Triangulated Irregular Network，TIN），ANUDEM法（Australian National University Digital Elevation Model））比较表明，本文方法的平均总误差最小，插值性能最优，而且还能较好的保持断裂地形特征。

关键词：径向基函数插值断裂线多元核函数空间异质性

基于地面定向钻孔注浆的煤矿立井钻井法井壁渗漏水治理技术研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：王雪松程桦荣传新姚直书余大有安徽理工大学土木建筑学院安徽省煤田地质局第一勘探队

煤矿钻井井壁为单层结构，在深厚表土层段其渗漏水将严重威胁矿井安全生产，建井阶段井壁接茬部位若存在施工缺陷，则会导致地下水腐蚀锈穿接茬部位金属及焊缝，造成井壁渗漏水，若不及时治理，易引发突水溃砂而酿成淹井事故。为探寻一... 详细信息

煤矿钻井井壁为单层结构，在深厚表土层段其渗漏水将严重威胁矿井安全生产，建井阶段井壁接茬部位若存在施工缺陷，则会导致地下水腐蚀锈穿接茬部位金属及焊缝，造成井壁渗漏水，若不及时治理，易引发突水溃砂而酿成淹井事故。为探寻一种行之有效的治理技术，以许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理为工程背景，开展了煤矿钻井井壁渗漏水治理技术研究。首先，结合矿井水文地质特征等信息分析了钻井法单层井壁渗漏水致因，发现许疃煤矿副井井壁接茬处发生渗漏水的主要原因是地下水中的HCO3-、Cl-共同作用腐蚀锈穿井壁接茬部位后，含水层之间越流补给的高压地下水通过孔隙连通性良好的壁后碎石充填层流入井筒内；然后，对比分析了许疃煤矿副井井筒井壁渗漏水治理采用壁后注浆和地面钻孔注浆的可行性与安全性，发现在流砂层中对采用钻井法施工的钢筋混凝土单层井壁进行壁后注浆，安全风险较大，影响井筒正常提升，且存在再次发生渗漏水的风险，而采用地面定向钻孔注浆技术的注浆量大，壁后充填层碎石间孔隙可被水泥浆充分填充，改善井筒防渗和承载能力，且施工人员全程在地面操作，安全性好，不影响井筒正常提升；最后，提出了针对深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理的地面定向钻孔注浆技术并进行工程示范，2个钻孔共注入130.9 m3水泥浆，完全充填了94.00～131.40 m层段壁后充填层碎石间孔隙，顺利封堵了井下94 m处出水点，经现场长期观测，该段井壁未再渗漏水。研究结果表明，针对深厚表土层段煤矿钻井井壁渗漏水治理，采用地面定向钻孔注浆技术的治理效果良好，安全性高。研究成果可为深厚表土层煤矿钻井井壁渗漏水治理提供一定的参考。

关键词：煤矿钻井井壁深厚表土层井壁渗漏水地面定向钻孔注浆