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主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“深部煤层瓦斯精准抽采”专题

来源:《煤炭科学技术》2021年第5期

为进一步总结、凝练我国矿井瓦斯抽采防治成果,充分发挥科技期刊在服务创新驱动发展战略,发现和培养科技人才,弘扬科学家精神等方面的重要作用。2021年第5期《煤炭科学技术》策划组织“深部煤层瓦斯精准抽采” 专题,共收到近20个单位的60余篇稿件,本期优选刊登16 篇具有代表性的论文,集中报道了我国在深部煤层瓦斯含量精准预测、瓦斯涌出精准测定、瓦斯储运区精准辨识、低渗煤层精准增透、瓦斯精准抽采防治及智能调控等方面的最新科技成果。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、山东科技大学、北京科技大学、湖南科技大学、中国矿业大学( 北京)、辽宁工程技术大学、中国煤炭科工集团重庆研究院、中国煤炭科工集团西安研究院、国家能源集团等单位给予的大力支持! 期待本期专题为提高我国煤矿瓦斯抽采防治水平提供技术参考,以更加优异的成绩迎接建党100 周年。

行业视野

煤层气

类别

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  • 作者(Author): 李树刚

    摘要:  党中央、国务院历来高度重视煤矿瓦斯防治工作,近些年相继出台了《煤矿瓦斯治理与利用实施意见的通知》《关于加强煤矿瓦斯先抽后采工作的指导意见》《强化煤矿瓦斯防治十条规定》《关于“十三五” 期间煤层气( 瓦斯) 开发利用补贴标准的通知》等系列文件,构建完善了煤矿瓦斯抽采防治政策体系。2020年我国煤矿共发生7 起瓦斯事故,首次实现了全年无重特大煤矿瓦斯事故,但瓦斯灾害防治形势与压力依然巨大,与“ 以人民为中心”的发展思想,与新时代、新征程、新理念、新格局的要求仍有差距。另外,煤矿瓦斯的温室效应约为二氧化碳的21 倍,但瓦斯还是一种高效清洁能源,抽采利用1 亿m3 瓦斯相当于减排150 万t 二氧化碳。因此,高效抽采利用瓦斯可以达到矿井安全生产、清洁能源供应及大气环境保护等多重效应,加快促进“ 双碳目标”的实现。  我国煤层瓦斯赋存条件复杂,随着开采深度的增加,煤层透气性降低,地应力、瓦斯含量和压力增大,如何增大煤层透气性、提高瓦斯抽采效果是亟待解决的技术难题,同时随着煤层开采强度的增大,低瓦斯含量煤层卸压涌出强度也快速增加,解吸速率加快,如何高效精准抽采瓦斯已成为亟需解决的重点。《煤炭科学技术》作为煤炭行业的代表性期刊,认真践行“ 推动行业科技进步,培养行业科技人才” 的办刊理念,一直特别关注并跟踪报道瓦斯抽采、煤与瓦斯突出防治等瓦斯防治理论与技术的研究成果与进展。据中国知网统计,自2000 年以来,《煤炭科学技术》共发表瓦斯方面的论文1 500 余篇。  为进一步总结、凝练我国矿井瓦斯抽采防治成果,充分发挥科技期刊在服务创新驱动发展战略,发现和培养科技人才,弘扬科学家精神等方面的重要作用。2021 年第5 期《煤炭科学技术》策划组织“深部煤层瓦斯精准抽采” 专题,共收到近20 个单位的60 余篇稿件,本期优选刊登16 篇具有代表性的论文,集中报道了我国在深部煤层瓦斯含量精准预测、瓦斯涌出精准测定、瓦斯储运区精准辨识、低渗煤层精准增透、瓦斯精准抽采防治及智能调控等方面的最新科技成果。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、山东科技大学、北京科技大学、湖南科技大学、中国矿业大学( 北京)、辽宁工程技术大学、中国煤炭科工集团重庆研究院、中国煤炭科工集团西安研究院、国家能源集团等单位给予的大力支持! 期待本期专题为提高我国煤矿瓦斯抽采防治水平提供技术参考,以更加优异的成绩迎接建党100 周年。
  • 作者(Author): 李树刚, 杨二豪, 林海飞, 赵鹏翔

    摘要:为推进瓦斯治理水平高质量发展,以国内外研究进展为基础,建立了煤层瓦斯含量测定、瓦斯涌出量预测、瓦斯储运区辨识圈定、抽采方法确定、抽采参数设计、抽采工程施工、计量监测评价及调控的采动卸压瓦斯抽采全环节,从“精确度”“准确度”“精细度”对卸压瓦斯“精准抽采”内涵进行了阐释。以深部开采卸压瓦斯抽采关键问题为核心,主要内容为基石,重点技术为依托,手段与方法为途径,工程实践为验证,构建了多层级精准抽采体系框架。通过总结现有瓦斯涌出量预测的常用方法,得出瓦斯涌出量预测的一般箱体模型;以理论推导、试验模拟和现场反演3个方面研究为基础,提出了卸压瓦斯高效抽采区域精准辨识方法和流程;根据不同设计依据建立了卸压瓦斯精准抽采工程精准施工设计流程;以抽采数据动态感知、抽采效果评价及管网优化、抽采系统决策与调节为主要研究内容,提出了卸压瓦斯抽采精准调控的3个研究课题和研究思路;探讨了卸压瓦斯精准抽采云平台的架构,并应用卸压瓦斯精准抽采体系在山西典型高瓦斯突出矿井进行了现场工程实践。该研究完善了深部矿井卸压瓦斯治理的整体框架,为后续研究及现场应用提供了借鉴。
  • 作者(Author): 周福宝, 刘宏, 刘应科, 康建宏, 贺志宏

    摘要:煤层群开采工作面瓦斯涌出来源及比例的定量分析,是矿井瓦斯抽采设计与治理的重要前提。稳定碳氢同位素法基于瓦斯气体混合前后碳、氢同位素总量各自保持不变的原理,可以对工作面瓦斯各来源比例进行定量计算,成为工作面瓦斯精准定量溯源的有效方法。稳定碳氢同位素分析实现的必要条件是混合气样的瓦斯体积分数不低于10%,对此,首先提出煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源原理,并构建了高效分离低浓度瓦斯方法,研究了吸附柱中甲烷、氧气和氮气的分离规律,对比确定了优化的吸附剂种类和吸附柱尺寸,对上隅角、回风巷等地点的超低浓度瓦斯进行分离,进而进行稳定碳氢同位素测试。然后通过测得的各煤层端元气体以及工作面不同位置混合气体的甲烷碳、氢同位素值,利用二端元、三端元线性混合模型,定量分析了西山矿区东曲矿和屯兰矿的4个试验工作面各位置瓦斯来源的占比及规律。最终确定了近距离煤层群回采工作面瓦斯的重点抽采目标:工作面上隅角只有5%来自上邻近层,本煤层占比达到78%,因此应着力加大本煤层瓦斯抽采强度;采空区、上隅角、回风巷的瓦斯主要来源于本煤层卸压瓦斯,从采空区到上隅角和回风巷,上邻近层瓦斯占比呈现上升趋势;采空区、上隅角瓦斯各来源比例受工作面推进度影响较小,基本维持稳定。煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源技术实施简便,效果显著,有效解决了上隅角、回风巷等地点精准定量溯源的重大工程难题。
  • 作者(Author): 高建良, 蔡行行, 卢方超, 王文元

    摘要:对于特厚煤层分层开采,掌握煤层开采后下伏煤层应力分布及破坏特征能够为精准判定采空区瓦斯富集区提供一定理论依据。因此,为厘清倾斜特厚煤层下伏煤层应力及塑性破坏区的分布特征,开展了不同煤层倾角工作面回采的数值模拟计算。首先基于采空区压实理论,获得了采空区垮落岩体的应力-应变关系,进而通过迭代反演确定了充填体的岩体力学参数。在此基础上,通过数值模拟计算及分析,得到了煤层倾角变化对下伏煤层应力分布及破坏特征的影响规律。结果表明:在采空区底板范围内,随着煤层倾角增大,采空区应力恢复“O”形圈不再以采空区中部走向线对称分布,而向倾向下部偏移。沿倾向,在采空区的上下两端,侧向应力集中系数均随煤层倾角增大而减小,但倾向上端侧向应力集中系数始终小于倾向下端侧向应力集中系数。沿走向,在工作面底板,超前支承应力集中系数随着煤层倾角增大而增大。最后,通过分析下伏煤层塑性破坏区的分布可知,工作面以及倾向上下端底板煤体内的塑性破坏深度均随着煤层倾角增大而增大,但倾向上端底板破坏深度始终小于倾向下端底板破坏深度;采空区底板最大塑性破坏深度所在位置逐渐远离采空区中部,向倾向下端偏移。
  • 作者(Author): 赵旭生, 马国龙

    摘要:为了推动智能瓦斯抽采技术发展,提高煤矿安全保障能力,从瓦斯抽采全过程少人化或无人化角度,阐述了智能瓦斯抽采的精准感知、自决策、自执行、自适应、自学习等5个方面特征,提出了包含功能和技术2个维度的智能瓦斯抽采体系结构,功能维度上涵盖瓦斯抽采所有环节,技术维度上包含单机智能、机组智能和集成智能3个层次,体现了智能瓦斯抽采技术的发展迭代过程;设计了智能瓦斯抽采总体架构,由感知控制层、传输层、数据层、应用层等4个层面和信息标准、信息安全等2个体系构成;最后,从动态透明瓦斯地质、抽采钻孔智能设计、打钻-增透-封孔机器人、抽采系统智能调控与诊断、抽采达标自动评判等5个方面对智能瓦斯抽采关键支撑技术进行了探讨,分析了关键技术向精准、高效、智能方向发展的趋势,提出了抽采钻孔差异化智能设计和抽采达标多层递进动态评判等解决策略,并给出了谢桥煤矿“三人五台一组”自动钻机集中控制协同作业、霍尔辛赫煤矿抽采管网自动调控、新元煤矿抽采达标在线评判等典型应用案例,为煤矿智能瓦斯抽采技术研究和建设实践提供了有益参考。
  • 作者(Author): 魏建平, 温志辉, 苑永旺, 王奇, 司磊磊

    摘要:深部开采时地应力的升高和剧烈开采的扰动,容易在采掘工作面形成应力集中区,从而导致应力主导型的突出事故和冲击-瓦斯复合动力灾害发生。为了探索深部开采时应力对含瓦斯煤解吸及涌出特征的影响规律,提高矿井瓦斯灾害治理的精准性,以焦作矿区九里山矿无烟煤为研究对象,利用煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置进行了不同应力状态下煤样的等温解吸试验和恒吸附压力下的应力解吸响应试验,分析了应力作用对煤的解吸涌出特征的影响规律。研究结果表明:应力直接影响含瓦斯煤的解吸能力,决定应力集中区煤层瓦斯的涌出特征;在吸附等量瓦斯气体的情况下,煤的瓦斯解吸累积量、解吸初始速率均随着应力增加逐渐增大,解吸速率衰减指数随应力增加变化不大但呈现逐渐减小趋势,应力作用促进了煤样的瓦斯解吸;通过恒吸附压力下煤样对不吸附性气体(He)和吸附性气体(CH4)应力解吸响应的对比试验,验证了应力作用会明显诱导煤样的解吸行为,导致相同条件下煤样的吸附能力降低;研究结果阐明了应力对含瓦斯煤解吸涌出特征的影响,揭示了应力对煤基质瓦斯解吸的诱导作用,对深部开采煤层瓦斯灾害的防治和煤层气的开采具有理论和工程实践意义。
  • 作者(Author): 林海飞, 周捷, 高帆, 金洪伟, 杨卓亚, 刘时豪

    摘要:煤层瓦斯含量是矿井瓦斯灾害防治及煤层气勘探开发的基础参数,为提高其预测精度及科学性,对典型矿井煤层瓦斯含量的35组实测数据进行了零-均值规范化处理,通过全子集回归和随机森林2种特征选择方法对11类影响煤层瓦斯含量的参数进行不同规律组合,得到17种瓦斯含量特征参数组合。运用高斯过程回归、最小二乘支持向量机、梯度提升回归树和极限回归机等4种经典有监督机器学习算法,分别对17种特征参数组合进行预测,得到68种瓦斯含量预测模型。根据各机器学习算法平均判定系数≥0.800,对68种瓦斯含量预测模型进行初步筛选。综合归一化均方误差≤001以及希尔不等系数≤001,得到21种基于特征选择和机器学习融合的最优预测模型,并取平均值得到了最终预测序列。结果表明:最终预测序列的归一化均方误差为0007,希尔不等系数为0005,判定系数为0993,平均绝对误差为0170 m3/t,平均相对误差为075%,各精度评估指标均符合要求,所构建的多参数组合多算法融合的预测模型具有广泛的普适性且精度较高。
  • 作者(Author): 胡国忠, 许家林, 秦伟, QU Qingdong, 彭小亚, 李康

    摘要:瓦斯抽采巷(孔)的合理布置是实现邻近层卸压瓦斯精准抽采的基本前提。在深入分析覆岩关键层运动对邻近层瓦斯卸压运移控制机制的基础上,提出了基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计新方法。研究结果表明:邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的合理布置层位为垮落带边界至导气裂隙带最大发育高度之间的空间范围,导气裂隙带最大发育高度可按基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法来确定;邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的合理层面位置为导气裂隙带内的“O”形圈裂隙区中部,“O”形圈裂隙区宽度可按其与煤层采高、覆岩关键层结构及采深的函数关系式进行预计。该方法在阳泉矿区邻近层卸压瓦斯实践中得到了应用和验证,邻近层卸压瓦斯抽采率稳定在92%,能较好地指导煤层群开采条件下煤与瓦斯共采实践。

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