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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

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

来源:《煤炭学报》2022年第1期

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

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  • 作者(Author): 鞠杨, 任张瑜, 郑江韬, 毛灵涛, 王凯, 周宏伟, 谢和平

    摘要:煤炭对于我国经济发展与能源安全起到压舱石和兜底保障的作用,在“碳达峰、碳中和”国家重大战略决策背景下,研究如何充分发挥煤炭的保障能源与战略资源的作用、实现煤炭绿色智能低碳开发利用迫在眉睫。煤炭生产开发活动打破了地层初始应力平衡,引起围岩应力场重分布,诱发工程灾害。岩石是煤炭生产开发与工程建设的主要对象,研究和解决煤炭绿色智能安全开采问题的基础理论之一是岩石力学。然而,传统的岩石力学理论在定量分析和描述煤炭生产开发活动引发的岩石灾变行为及内禀机理时存在诸多困难,人们对岩石不连续结构演化引起的应力场、变形场和渗流场的变化认识不足,缺乏定量解析内部应力、变形与渗流等多物理场的方法、理论和模型,难以对不同开采模式可能引发的工程灾害进行超前研判、预警和科学防控。解决这些基础科学与技术难题,迫切需要建立和发展颠覆性理论与变革性技术,这已成为创新发展煤炭资源绿色智能安全开发理论与技术的基础性前沿课题。围绕岩石灾变的非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演,概述了岩石的三维数字重构、3D打印模型材料、透明物理模型、尺度效应、应力场、变形场和渗流场演化以及灾变机理的透明定量解析等方面的最新成果,分析了未来发展目标与面临的挑战,以求为发展非连续岩石力学与灾变分析理论,实现煤炭绿色智能开采及灾害超前预警防控提供研究基础与参考。
  • 作者(Author): 蒋宇静, 张孙豪, 栾恒杰, 王长盛, 王冬, 韩伟

    摘要:准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础。首先,通过FISH语言修正了FLAC3D软件自带的INTERFACE本构模型,使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为;然后,采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究,分析了法向应力和结构面粗糙度系数(JRC)对接触特征的影响规律;最后,研究了结构面表面形貌-接触特征-剪切应力3者间的关系,揭示了结构面剪切应力演化机理。结果表明:FLAC3D自带INTERFACE模型无法很好地模拟结构面峰后剪切行为,是由于结构面凸起未啃断导致黏聚力和法向应力偏大,通过对INTERFACE破坏单元的黏聚力和法向刚度进行修正可很好地模拟结构面的损伤破坏行为。随着剪切位移增大,结构面的接触面积逐渐减小,但最大渗透深度却不断增加;随着法向应力的增大,结构面的接触面积和渗透深度都增大;随着JRC的增大,结构面的接触面积减小,最大渗透深度增大。剪切过程中结构面接触面积逐渐减小,结构面剪切应力集中现象越来越显著,当INTERFACE单元达到最大剪切应力后,最大剪应力分布范围增大;随着法向应力增大,结构面剪切应力分布范围和高剪切应力的分布范围都增大;随着JRC增大,结构面接触面积减小,但高剪切应力的分布范围显著增大。临界视倾角是判断结构面接触面积的重要参数,其随着结构面剪切位移的增大而增大,但增加速度逐渐变缓,呈幂函数关系;临界视倾角随着法向应力的增大而减小,随着JRC的增大而增大。结构面的剪切应力与接触面积有较强的相关性,不同剪切位移阶段的结构面接触面积比下降速率不同,弹性阶段下降最快,位移-软化阶段次之,残余阶段下降最慢。
  • 作者(Author): XIA Kaiwen, 李星, 齐春艳, 姚伟, 肖香姣, 张杰, NASSERI M H B

    摘要:超深层裂缝性非常规天然气藏的开发在能源领域所占比重越来越大,但目前关于该类型储层在原位应力下各向异性地震波速及渗透率的基础研究仍鲜有报道,一定程度上制约了其高效开发策略的制定进程。以塔里木油田克深2号裂缝性致密砂岩天然气储层为工程背景,利用先进的地球物理成像真三轴测试系统,开展了储层衰竭期间原位应力下完整砂岩与不同倾角裂缝岩样的各向异性地震波速以及各向异性渗透率演化规律实验研究,探讨了压缩波、剪切波、纵横波速比、3个主应力方向渗透率各向异性特性与内在机制,研究了地震波速与渗透率的内在关联特征。研究结果表明:首先,裂缝引起的结构非均质性以及三向不等应力作用下岩石各主应力方向微观结构的变形差异导致了地震波速的各向异性;储层衰竭期间地震波速度均随有效应力的增大近似线性增加,压缩波速度明显大于剪切波速度;纵横波速比随有效应力增大而单调减小,表明剪切波对外部荷载敏感性更强;通过压缩波速和纵横波波速比数据对比,发现剪切波S2速度对裂缝倾角更为敏感。其次,原位应力下各主方向渗透率均表现出显著的应力敏感性和结构(裂缝)敏感性,早期应力大小对储层衰竭中后期渗透率变化具有重要影响,渗透率各向异性随裂缝倾角减小而更加显著;与裂缝平面正(斜)交方向的渗透率相对比较平滑,而沿裂缝平面方向渗透率呈现出一定的波动特性,这主要是由于在压力流体冲刷和岩石骨架进一步受压变形双重作用下,破碎的微颗粒会在孔隙/裂隙中不断运移,造成岩石内部孔隙/裂隙周期性堵塞和疏通引起的。此外,在实验应力条件下(走滑应力状态),裂缝倾角越小,水平主应力方向上的地震波速度-渗透率相关性越不明显;最大与最小水平主应力方向上的地震波速度-渗透率关系应区分对待,最大水平主应力方向地震波速与渗透率的相关性明显优于最小水平主应力方向。
  • 作者(Author): 赵毅鑫, 刘文超, 张村, 刘焕海, 魏勇, 王朋朋, 师洋洋, 翟江澎, 高森

    摘要:针对蹬空状态下煤层底板岩层完整性与承载力影响制约工作面安全高效开采的问题。以草垛沟矿8201综采工作面为研究背景,通过对8-2煤层下伏11煤巷柱式采空区顶板岩层结构与受载进行分析,建立基于弹性地基假定的顶板-煤柱系统力学模型,推导并解析了顶板岩梁弯曲下沉挠度函数;将工作面底板视为半无限平面体,建立工作面走向不同区段静载荷对底板采动附加应力模型,得到底板不同深度处应力分布规律及其岩层损伤破坏深度解析解;运用数值模拟软件对8-2与11煤层回采过程采场围岩应力、覆岩裂隙分布特征及其时空演化规律进行模拟研究,确定8-2与11煤层层间稳定岩层最小厚度;通过制定现场专项钻孔探测方案对下伏11煤巷柱式采空区覆岩裂隙带发育形态展开探测研究。研究结果表明:① 顶板岩梁在相邻介质交界面的弯曲下沉挠度具有连续性且在巷柱式采空区交汇处弯曲下沉最大为2 cm;② 8201综采工作面回采期间受采动应力影响下巷柱式采空区顶板-煤柱系统形成的稳定平衡结构仍具有稳定性,综合理论计算、数值模拟结果可确定8-2与11煤层层间存在稳定岩层且最小厚度D min1为14 m;③ 专项钻孔探测显示了8-2与11煤层层间稳定岩层最小厚度D min2为12.2 m。因此,近距离煤层间重复采动影响下8201综采工作面底板存在稳定岩层且岩层较完整具有一定的承载能力,排除蹬空开采期间下伏11煤层潜在安全隐患。
  • 作者(Author): 董书宁, 柳昭星, 王皓

    摘要:我国西部矿区黄陇、宁东两大煤炭基地发生的采场顶板溃水溃砂与强矿压显现叠加灾害是一种厚基岩采场顶板弱胶结岩层动力溃砂灾害。该灾害类型在表象、物源和动力源上均不同于以往浅埋、近松散层采场的非动力溃水溃砂灾害,是一种新型的采场顶板灾害。由于该类型灾害突发性强、破坏性大、冲击力大,对安全生产带来严重威胁,致使如何有效防控灾害的再次发生成为许多矿区亟待解决的难题。目前揭示灾害形成的内在机制、探明其中蕴藏的科学问题是建立灾害防控技术体系的基础和关键。通过挖掘灾害形成的表象、物源和动力源特征,分析事故矿区覆岩结构、地层条件及相关研究现状,研究得到硬岩下方支承压力和基本顶载荷分布对弱胶结地层劣化的响应规律、硬岩破断作用下劣化弱胶结地层溃涌的动力形成机制和通道演化规律等2个关键科学问题是揭示灾害形成机制的瓶颈。因此,关于灾害形成机制研究形成了弱胶结地层遇水劣化对影响因素的反馈特征及响应关系、上硬岩层和基本顶受力条件随弱胶结地层劣化的变化规律、劣化弱胶结地层溃涌动力机制和增量载荷作用下通道演化规律等3个主要研究内容,并且提出了从根本上改变灾害发生客观条件的硬岩超前预裂和弱胶结地层注浆改性的综合主动防控技术思路。研究成果将为采场顶板溃水溃砂和强矿压显现并发灾害构建防控技术体系提供借鉴,保障西部煤田大规模安全开发。
  • 作者(Author): 李树刚, 闫冬洁, 严敏, 白杨, 岳敏

    摘要:煤层注水是减缓瓦斯解吸速率、降低煤体采动后瓦斯快速解吸涌出的有效方法之一,添加表面活性剂可改变煤体化学结构并增强瓦斯解吸抑制效应。选用典型高瓦斯矿井煤样,配制了不同质量分数烷基糖苷(APG0810)表面活性剂,利用红外光谱仪(FTIR)、顺磁共振波谱仪(EPR)及微电泳仪等,研究了烷基糖苷活性剂对煤体改性前后官能团、自由基及Zeta电位等影响规律,采用接触角测定试验台分析了烷基糖苷表面活性剂对煤体接触角的影响,利用自主研发的外侵溶液抑制甲烷解吸动态试验系统,研究煤样在干燥、注水和注烷基糖苷表面活性剂等条件下甲烷解吸规律。试验结果表明:煤体含氧官能团总量与APG0810质量分数呈指数函数关系,煤样Zeta电位与APG0810质量分数呈负指数函数关系;自由基相对含量(Ng)随APG0810质量分数先增大后趋于平缓,样品中不成对电子摩尔浓度增加4.18倍;煤体接触角与APG0810质量分数呈负指数函数关系,接触角由79.15°降至25.63°,降幅为67.62%;甲烷最大解吸量、解吸速率与APG0810质量分数均呈负指数关系,甲烷解吸量最大降幅为31.59%,最大解吸速率降幅为78.23%;煤体接触角、甲烷最大解吸量、解吸速率与含氧官能团总面积、自由基相对含量呈负相关关系,与Zeta电位呈正相关关系;烷基糖苷活性剂与煤体接触发生物理化学反应,使煤体表面含氧官能团、氢键等增多,煤体表面负电性增加,自由基相对含量增大,接触角减小,改善了煤体润湿特性,从而减缓甲烷解吸速率,以期为预防甲烷超限或煤与瓦斯突出等灾害事故提供依据。
  • 作者(Author): 王恩元, 张国锐, 张超林, 李忠辉

    摘要:我国是世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家,在突出预防方面进行了大量深入的研究和实践,突出防治取得了较为显著的效果,但近年来突出灾害事故仍时有发生。为了进一步提高深部矿井煤与瓦斯突出防控技术,提升煤矿安全、智能化水平和煤炭安全保障能力,分析了突出发生机理研究进展及现状,阐述了我国煤与瓦斯突出预测及监测预警手段的关键技术,系统总结了防治煤与瓦斯突出的措施及新兴技术。我国在煤与瓦斯突出机理、预测、监测和防治等理论与技术方面取得了系列创新性成果,解决了大量理论和技术难题。但是,随着我国煤矿开采深度的增加,煤矿突出危险性日趋严重复杂。与此同时,国家对煤矿安全生产的要求也越来越高。针对新形势下煤与瓦斯突出防治现状和需求,亟需建立更为适应完善的煤与瓦斯突出防治理论及技术体系。基于此,提出了未来发展趋势及研究展望:在突出机理方面,应加强复杂多变地层及不同构造条件下突出耦合演化机理和定量化表征研究;在突出危险性鉴定方面,需关注低参数突出多发背景下不同区域及类别突出危险性的适应性判定标准研究;在瓦斯参数测试方面,应聚焦精细化定点测量及随钻反演技术的发展;在工作面突出危险性精准探测/预测/监测预警技术方面,应加强物联网、大数据分析及人工智能识别技术在突出危险性综合监测、智能预警方面的研究与应用;在防治方面,应进一步发展煤层突出危险性远程、区域、智能防控技术;在风险隐患管控方面,应深入研究并推广瓦斯灾害风险大数据分析与预警平台,从而全面提高我国瓦斯灾害风险隐患管控能力和瓦斯治理水平。
  • 作者(Author): 魏建平, 王洪洋, 司磊磊, 席宇君

    摘要:为了探明瓦斯氛围下煤水固液接触机制,搭建了瓦斯氛围下煤水润湿角测试系统,测试了CZ(山西成庄矿无烟煤)及DW(陕西大湾矿烟煤)2种煤样在不同甲烷及氦气压力条件下的润湿角变化,结合煤表面形貌测试、低压CO2吸附试验及XRD试验分析了瓦斯氛围下煤水接触角的变化规律。结果表明,随着气体压力的增加,煤润湿角逐渐增加,但在吸附性气体环境中,煤润湿角增加幅度更为明显,在0~2 MPa,CZ煤样的润湿角由72.99°增加到106.90°,从亲水性润湿过渡为中性润湿,最终转变为疏水性润湿,而DW煤样的润湿角由61.23°增加到85.14°,始终为亲水性润湿。分析认为,煤对甲烷的吸附能力是影响煤润湿角的主要原因。煤吸附甲烷后,在煤表面形成气膜,特别是在高压条件下,煤孔隙中的游离气体也会阻碍水对煤的润湿。而且吸附甲烷后,煤表面自由能降低,表面状态更加稳定,致使润湿性进一步减弱。气液竞争吸附也是影响煤水润湿性减弱的原因之一。进一步的,无烟煤的表面更加粗糙且具有更加发育的微孔结构,致使其具有较高的表面自由能,对甲烷的吸附能力更强,这是造成无烟煤在甲烷氛围下其润湿角变化更为明显的重要因素。此外,煤中矿物质可以影响煤的瓦斯吸附能力及表面润湿特性,也是影响含瓦斯煤润湿角的重要因素。

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