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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

国家科技计划矿井瓦斯防治技术成果

来源:《煤炭科学技术》2020年第10期

煤矿瓦斯不仅具有燃烧、爆炸危险性,且具有煤与瓦斯突出危险性,瓦斯事故是影响煤矿安全生产的“第一杀手”。2019年,我国煤矿共发生27起瓦斯事故,死亡118人,占全国煤矿总事故死亡人数的37.3%,居各类煤矿事故死亡人数之首。因此,加强矿井瓦斯防治尤其重要。

近年来,随着煤炭资源的大规模开发,煤矿开采强度和深度越来越大,地应力、瓦斯压力、瓦斯含量等越来越高,煤与瓦斯突出危险性日趋严重且复杂。深部开采工作面的瓦斯超限、动力现象显现、煤与瓦斯突出等现象愈加频繁,成为制约矿井安全高效生产的主要因素。

为解决煤矿瓦斯防治方面存在的突出问题,近年来,国家科技部、国家基金委等针对瓦斯防治与利用设立了多项科研项目,各科研院所、企业也进行了大量技术攻关,在煤层瓦斯赋存、煤层增透及瓦斯高效抽采、煤与瓦斯突出监测预警及防治理论与技术,以及瓦斯利用等方面取得了丰硕成果。

《煤炭科学技术》作为全国煤炭行业重要的科技窗口和学术交流平台,一直积极跟踪报道国内外煤矿瓦斯治理与利用成果。为促进煤矿安全生产形势稳步好转,本刊组织策划了“国家科技计划矿井瓦斯防治技术成果专题”,共收到国家科技计划项目资助成果论文80余篇,限于篇幅,本期刊登论文12篇。专题内容涉及煤层瓦斯地质、瓦斯抽采、瓦斯爆炸防治、煤与瓦斯突出防治及瓦斯开发利用等领域。衷心感谢各位专家学者为专题撰稿;特别感谢中国矿业大学、西安科技大学、河南理工大学、黑龙江科技大学、辽宁工程技术大学、贵州大学、中煤科工集团重庆研究院有限公司、中煤科工集团西安研究院有限公司等单位在专题出版过程中给予的大力支持!

行业视野

煤层气

类别

54个

关键词

51位

专家

12篇

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  • 作者(Author): 司荣军, 李润之

    摘要:低浓度含氧瓦斯(体积分数<30%)存在燃爆风险,不能直接进行输送和利用,不仅造成资源浪费,也严重污染环境。从文献研究的角度,综合论述了近年来我国低浓度含氧瓦斯爆炸防控技术及装备的发展现状及趋势,主要内容包括:①实际工况低浓度含氧瓦斯爆炸精准辨识技术:研发了特殊环境20 L爆炸特性测试系统及超低温环境爆炸特性测试系统等试验装置,建立了测试技术及方法,解决了特殊环境瓦斯爆炸特性难以定量测试的难题;研究了环境温度、压力、湿度、点火能量等单一因素及多因素耦合条件下的瓦斯爆炸特性,填补了超低温、环境湿度、多因素耦合等条件下瓦斯爆炸特性研究的空白,实现了实际工况低浓度含氧瓦斯爆炸的精准辨识。②工程尺度管道内瓦斯爆炸传播关键表征技术:构建了工程尺度系列爆炸管网试验系统,实现了真实场景低浓度瓦斯爆炸灾害效应的模拟与试验;进行了不同浓度、点火能量及输送管径组合条件下的瓦斯爆炸传播试验,得出压力峰值、火焰速度与传播距离呈“正反馈机制”的传播规律,为爆炸防控装备研发和安装设计奠定了基础。③低浓度含氧瓦斯快速可靠爆炸防控系列装备:开发了清洁式气体抑爆装置、快速响应的主动喷粉抑爆装置、双重阻火泄爆装置、阻火装置等系列爆炸防控技术装备;创立了以阻火、泄爆、抑爆、阻爆为核心的多级防护安全输送技术体系。后续研究过程中,应继续深入开展复杂多因素耦合条件下瓦斯爆炸特性研究工作;在大直径管道瓦斯爆炸传播规律研究的基础上,通过技术创新提升爆炸防控装备的整体性能,简化安装程序及方法,提高适用性;研究各类爆炸防控装备的联动技术及集中控制技术,提升装备的智能化水平。
  • 作者(Author): 李忠辉, 王恩元, 郑安琪, 钮月, 张昕, 蔡冠楠

    摘要:为了揭示煤层瓦斯抽采钻孔失稳破坏规律及服役寿命周期特征,研发了包括钻孔变形模拟装置和钻孔变形测试装置的钻孔变形破坏测试系统,利用相似材料进行了钻孔变形破坏全过程的试验测试。研究了压力感应器压力、钻孔变形之间的关系,提出了评价钻孔变形破坏状态的指标——钻孔破坏度。基于试验测试数据建立了钻孔破坏度与压力感应器压力的定性关系,根据试验结果确定了钻孔塌孔失效的判定条件为钻孔破坏度大于50%。现场测试了瓦斯抽采钻孔的变形破坏过程,分析了钻孔破坏度随时间和孔深的变化规律,定量考察了钻孔稳定性,发现钻孔成孔后初期变形破坏速度较快,之后进入缓慢变形破坏阶段直至稳定;沿孔深方向,钻孔破坏度先增大后减小,孔深5~11m范围内钻孔破坏度最大,与巷道围岩应力分布相吻合,对确定合理封孔深度有指导意义;钻孔的变形破坏对瓦斯抽采流量影响显著,随着钻孔破坏度增加至50%及以上,钻孔失效,无法继续抽采。研究成果对合理瓦斯抽采设计、瓦斯抽采动态考察、准确评价抽采效果提供了依据。
  • 作者(Author): 张学博, 王文元, 沈帅帅

    摘要:为了研究钻孔变形失稳对瓦斯抽采的影响和判定钻孔失稳坍塌区域,根据钻孔内瓦斯流动变质量流的特点及钻孔变形情况,设计搭建了考虑钻孔变形失稳的瓦斯抽采试验系统,测试分析了钻孔不同变形失稳、不同负压情况下钻孔负压及流量分布规律,提出了考虑钻孔变形的负压损失计算方法。结果表明:①完整孔抽采负压沿孔长分布大致呈线性分布,其负压损失较小,钻孔不同部位负压较接近,钻孔抽采流量沿孔长大致亦呈线性分布。孔口负压越高,钻孔抽采流量越大,钻孔负压损失越大,不过与孔口负压相比仍较小,仅占2.93%~3.62%。②孔底塌孔时,塌孔段负压损失比完整段负压损失大,由于塌孔段孔内流量较小,其负压损失亦不大,仅占孔口负压的2.75%~4.03%。塌孔时总负压损失占孔口负压的4.68%~6.14%,比完整孔总负压损失有所增加,其抽采总流量比完整孔抽采总流量略有降低。孔底塌孔对瓦斯抽采效果影响不大。③孔底堵孔时,塌孔段孔内煤体与周围煤体互相接触成为连续介质,塌孔段瓦斯流动变成了渗流,其抽采压力变成了煤层瓦斯压力,与完整孔和堵孔时抽采流量相比,塌孔时钻孔抽采流量明显降低,直至流量降为0。堵孔对瓦斯抽采效果影响较大。④基于钻孔负压损失计算理论、钻孔不同变形失稳情况下负压分布及流量分布试验结果,提出了考虑钻孔变形的抽采钻孔负压损失计算方法,并对其进行了验证。研究结果可以为钻孔失稳坍塌区域判定及钻孔失稳坍塌的精确防护提供理论基础。
  • 作者(Author): 张宏图, 李阳, 姚邦华, 王冕

    摘要:为准确预测瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔浆液扩散特征,根据注浆流固耦合理论,考虑浆液黏度时变性对水泥砂浆扩散的影响以及应力对煤体形变的影响,提出瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型,采用COMSOL数值模拟研究不同注浆压力下的浆液扩散分布特征与考虑浆液黏度时变性对注浆扩散范围结果的影响,并在新义煤矿开展现场试验验证。研究结果表明:①瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型,综合考虑了浆液黏度时变性以及注浆压力对煤体形变的影响,可以更全面地对注浆时浆液扩散特性进行预测;②水灰比为0.9时,水泥浆注浆效果较好,对应的水泥浆黏度随时间增大逐渐增大,呈指数函数关系增长;③浆液黏度时变性对浆液扩散范围有直接影响,考虑浆液黏度时变性较将浆液黏度考虑为常数浆液时扩散范围更小;④通过瓦斯抽采钻孔黏度时变性水泥砂浆扩散模型的现场实际验证效果可知,最优封孔注浆压力为1.4MPa。研究结果可为进一步优化水泥砂浆注浆封孔方案和提高瓦斯抽采钻孔封孔质量提供理论支撑。
  • 作者(Author): 闫保永, 曹柳, 张家贵

    摘要:采空区与回风巷上隅角瓦斯超限情况亟待解决。为了对采空区裂隙带内瓦斯进行抽采,降低瓦斯浓度。提出了采用高位定向长钻孔代替传统高抽巷对采空区上隅角瓦斯进行治理的方案,分析了高位定向钻孔的直径大小、层位高低、深度等对裂隙带瓦斯抽采效果的影响,并以大直径定向钻机ZYWL-13000DS在双柳煤矿33(4)13工作面钻进为案例进行验证。结果表明:①定向钻孔直径对瓦斯抽采效率影响较大,因此应在地质条件与钻机性能允许的情况下,选择尽可能大的钻孔直径;②煤层顶板5~8倍采高内为定向钻孔较为适合的施工层位;③在不塌孔的情况下,随着定向钻孔的深入,瓦斯抽采效果逐渐提升,且随着煤矿的回采,高位钻孔涌出的瓦斯会呈平衡状态。实例分析表明:在定向钻进4个孔,且1孔失效的情况下,瓦斯抽采总量仅比高抽巷抽采量低2m3/min,但采用高位定向长钻孔工艺进行瓦斯抽采能使成本降低70%以上,使有效施工周期缩短75%以上。
  • 作者(Author): 李希建, 薛海腾, 陈刘瑜, 沈仲辉, 徐明智, 许石青

    摘要:煤层瓦斯流动规律与煤的孔隙结构密切相关。为揭示贵州地区突出煤层微观孔隙结构特征及对其瓦斯流动特性的影响,以贵州地区6个典型矿井突出煤层为研究对象,采用高压容量法测试了6个煤样的吸附能力。同时,根据高压压汞试验,利用分形方法获得煤样分形维数,并分析样品的微观孔隙结构分形特征及其与煤质参数的关系。在此基础上,探讨多尺度孔隙中瓦斯流动规律,分析吸附作用对瓦斯流动特性的影响。结果表明,贵州突出煤层以微孔为主,微孔为比表面积和孔隙体积的主要贡献者。同一煤样微孔分形维数D1、小孔分形维数D2和中孔分形维数D3依次增大,且分形特征明显。D1和综合分形维数Dk与水分呈负相关,挥发分与D2、D3呈负相关,灰分和D3呈负相关。突出煤层中瓦斯扩散模式主要为Knudsen型和过渡型。在Knudsen扩散区和过渡扩散区,渗透率受温度和压力影响较小;Fick扩散区,在相同Kn和温度条件下,渗透率随压力增大而减小,随温度增高而降低;压力越高,孔径越小,渗透率受吸附作用影响越大
  • 作者(Author): 王亮, 郑思文, 赵伟, 陈大鹏, 朱子斌

    摘要:淮北煤田是我国重要的煤炭资源开发基地,也是我国煤矿瓦斯灾害最严重的矿区之一。为了掌握淮北煤田瓦斯赋存和灾害特点,通过突出灾害案例分析、瓦斯地质参数统计和理论研究的方法,对淮北煤田瓦斯地质特征、突出灾害差异性和主控因素进行了系统研究。结果表明:淮北煤田处于徐宿弧形构造圈内,煤田内网状断裂构造纵横交错,构造密度最大可达51条/km2,最大煤层瓦斯压力接近6MPa,部分矿井岩浆侵入现象严重,煤田煤层及瓦斯赋存呈现“两极性”分布。淮北煤田发生的煤与瓦斯突出动力现象多集中在处于高瓦斯带的宿县矿区,事故占比达到57%,煤田整体呈现“南高北低、东高西低、东南最高”的瓦斯赋存分布及瓦斯灾害分布特征。煤田内经历多期构造运动,局部区域构造分布十分复杂,地应力分布异常;岩浆侵入的热演化使得煤的微孔发育、吸附瓦斯能力增强,岩浆岩的圈闭作用为下伏煤体中的瓦斯保存提供了良好条件,使得该区域煤层易于发生煤与瓦斯突出,海孜和卧龙湖煤矿共计15起事故发生在岩浆岩下伏煤体的热演化区;煤田内部分煤层厚度大,如芦岭特厚松软煤层厚度大于10m;煤层顶底板多为透气性较差的泥岩或粉砂岩,有效抑制了煤体中瓦斯的逸散;Ⅲ—Ⅴ类构造煤广泛分布,有利于煤层瓦斯的赋存;部分矿井已延伸至-900—-1 000m,具有开采深度大、地应力大的特点。研究结果为淮北煤田瓦斯灾害的精准防治及安全高效开采提供了支撑
  • 作者(Author): 陈冬冬, 孙四清, 张俭, 赵继展, 郑凯歌, 贾秉义

    摘要:低渗煤层区域超前增透是实现瓦斯区域超前高效抽采的技术支撑。针对定向长钻孔水力压裂面临的泵注能力不足和压裂不均衡问题,研发了煤矿井下快速、定点、分段与可重复的水力压裂孔内装备,实现了煤矿井下水力压裂由传统的点式压裂向区域压裂的转变。结合不同煤(岩)层定向长钻孔布孔方式,提出并形成了碎软煤层顶(底)板梳状孔整体/分段、中硬煤层穿层定向孔顺煤层整体及硬煤层顺层定向长钻孔整体/分段水力压裂煤层增透技术体系。以韩城矿区碎软煤层、黄陵矿区中硬煤层和焦作矿区硬厚煤层为研究对象进行工程实践。结果表明:韩城矿区碎软煤层顶板梳状主孔588m、分4段压裂,最大封隔深度467.81m,水力压裂半径39.6m,钻孔瓦斯抽采量是常规钻孔的4.8倍;黄陵矿区中硬煤层主孔深度240~285m、压裂段长度117~216m(5孔),压裂影响半径最小36m,钻孔瓦斯平均抽采量是未压裂钻孔的4.0倍;赵固二矿顺层主孔深度605m、封隔深度385.73m、压裂段长220m,水力压裂影响半径33m,钻孔瓦斯抽采量是常规钻孔的2.3倍。井下定向长钻孔水力压裂技术融合了定向长钻孔瓦斯高效抽采及水力压裂强化抽采技术的优势,实现了大区域煤层增透与瓦斯超前强化预抽。

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