《煤炭科学技术》“深部煤矿瓦斯防治与利用”专题

为深入报道深部煤矿瓦斯防治与利用在基础理论、关键技术、装备研发等方面取得的最新研究成果，推动清洁高效能源利用体系综合建设，实现煤矿瓦斯灾害科学防治与低碳高效利用，《煤炭科学技术》特邀中国矿业大学翟成教授、西安科技大学林海飞教授、中煤科工集团重庆研究院有限公司孙海涛研究员、中国矿业大学王亮教授担任客座主编，于2024年第4期策划出版“深部煤矿瓦斯防治与利用”专题。专题自发布征稿以来，共收到来稿80余篇，最终录用刊登12篇。在专题出版之际，衷心感谢客座主编在专题策划与出版中的辛勤付出，感谢各位专家学者的大力支持，特别感谢评审专家认真细致的审阅与中肯意见！

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 57个
关键词; 65位
专家; 12篇
论文; 470IP
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深部煤层原位保压保瓦斯取心技术装备及初步应用

作者(Author)：高明忠, 宋杰, 崔鹏飞, 李永程, 李聪, 李佳南, 刘贵康, 游镇西, 史晓军

摘要：深部煤层瓦斯含量精准测定是矿井瓦斯灾害防治和煤层气高效开发利用的基本前提。煤层传统取心技术普遍采用开放式取心，需利用估算方法获得煤层取心过程中的瓦斯损失量，难以保证煤层瓦斯原位参数的准确性和有效性。基于“原位保真取心”学术思想，开发了深部煤层原位保压保瓦斯取心技术，研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取心器，并基于三维数值仿真对取心器外管、保压舱体结构与关键薄弱部件进行了强度校核。同时，依托自主研发的保压取心实验室模拟测试平台，测定并分析了保压控制器的保压能力，通过煤矿现场试验验证了取心器的可靠性。研究结果表明：自主研制的取心器具有保压能力强、保压时间长、防扰动性能稳定等优势；取心器在内部流体压力20 MPa和1000 N$ cdot $m扭矩作用下等效应力为121.1 MPa，远小于材料屈服强度，满足强度设计要求；取心器在20 MPa荷载作用下等效应力为63.9 MPa，满足强度设计要求；取心器整体在19.4 MPa压力条件内可持续稳定运行，可以满足大部分深部煤矿瓦斯测试需求；现场测试表明保压保瓦斯取心器的保压控制器闭合情况良好，现场取心率达100%。研究成果可为深部煤层瓦斯含量精准测定奠定理论、技术和装备基础，对于煤矿瓦斯灾害防治和煤层气勘探开发具有重要意义。

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淮南矿区煤层顶板分段压裂水平井抽采技术及效果研究

作者(Author)：陈本良, 袁亮, 薛生, 降文萍, 杨科, 周韬, 李丹丹, 吴静

摘要：淮南矿区为典型高瓦斯矿区，煤层碎软、渗透率低、瓦斯含量偏高、抽采难度大，为探讨地面煤层气顶板分段压裂水平井在矿区的技术可行性与瓦斯治理效果，在分析矿区主要煤层13-1煤储层特征基础上，采用应力解除法进行了煤层三向地应力测试，结果显示三向应力场类型主要为σh,max > σv > σh,min，具有实施顶板分段压裂水平井技术的充分条件；利用MFrac Suite软件分别模拟了水平段距离煤层1、3、5 m时的压裂缝参数，压裂缝半长最大107.33 m、最小89.47 m，具有理想的压裂效果，说明顶板分段压裂水平井在淮南矿区具有比较好的地质适应性与可行性。以潘一煤矿13-1煤层“L”型顶板分段压裂水平井CBM01井为研究对象，采用井下钻孔检测与数值模拟等手段综合分析了瓦斯治理效果，结果显示CBM01井抽采415 d即显著降低了煤层瓦斯压力与瓦斯含量，距离水平井50、65 m处瓦斯压力由6.4 MPa分别降至2.6、2.7 MPa，降低幅度均超过55 %，水平段两侧各15～20 m范围内瓦斯含量由13.5 m3/t降至最大9.11 m3/t、最小6.92 m3/t，平均7.92 m3/t，约10 m范围均降至8 m3/t以下。最后，采用数值模拟方法预测了CBM01井抽采10 a的产气效果及瓦斯治理效果，气井抽采10 a累计产气约272.08×104 m3，水平段倾向单侧约150 m范围内气含量均降至8 m3/t以下、压力均降至3 MPa以下。综合研究结果表明，煤层顶板分段压裂水平井技术在淮南矿区瓦斯治理方面均具有较大的优势和应用效果。

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煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

作者(Author)：孙四清, 杨帆, 郑玉岐, 张庆利

摘要：瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量，依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关，在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面：①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段，密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa，煤心直径达到38 mm；②针对不同煤层地质条件，发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶（底）板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术；③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中，顺层定向长钻孔取样深度达到516 m，密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中，穿层钻孔密闭取样深度达到209 m，测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍；在安徽淮北矿区碎软煤层中，顶（底）板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m，测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍，密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法；④在瓦斯含量测试方面，除了传统解吸法测试，发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备，可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量，一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展，并能实现随钻密闭取样。在测试上，应根据实际情况确定合理的解吸终止限，并将测试装备和密闭取样装备进一步结合，以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段，是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

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倾斜煤层群覆岩“三场”非对称特征及靶向抽采机制

作者(Author)：冉启灿, 梁运培, 邹全乐, 张碧川

摘要：倾斜煤层群“三场”（应力场、位移场和裂隙场）演化规律较为复杂，对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律，研究以新疆1930煤矿为对象，开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态，获得了覆岩应力演化特征，分析了覆岩位移分布和移动方向特征，阐明了采动裂隙分布特征。进而探究了三场演化规律对瓦斯运移的影响，并开展了定向钻孔瓦斯抽采现场试验进行验证。研究结果表明：倾斜煤层群多重采动下，采动裂隙矩形梯台呈现明显的非对称特征。低位侧覆岩应力变化较大，随开采次数增加，卸压效应更为明显，而高位侧覆岩应力变化较小；结合重力−倾角效应，高位侧覆岩更易破坏，垮落次序优先，呈非对称特征。覆岩位移分布呈非对称特征，高位侧位移显著且移动方向变化较大。高位侧裂隙区网格内采动裂隙频数明显高于低位侧；高位侧裂隙区破断裂隙分布更多，且开度较大；采动裂隙呈“高位扩展−低位压缩”的非对称特征。多重采动使得“三场”非对称特征更为显著。此外，覆岩贯通度存在“慢速减小−快速减小”的现象。基于“三场”演化特征和瓦斯运移的关系，揭示了瓦斯抽采靶向优选机制。结合试验结果，构建了基于“三场”演化规律的裂隙带瓦斯抽采靶点区判定流程。现场瓦斯抽采效果良好，保证了工作面安全高效回采。研究结果为倾斜煤层群卸压瓦斯精准抽采提供了理论参考，旨在提高倾斜煤层群瓦斯抽采量，防止上隅角瓦斯超限，实现倾斜煤层群安全高效开采。

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重复注气压降法煤层渗透率模型与原位测试研究

作者(Author)：李伟, 杨世龙, 周红星, 刘金兆

摘要：煤层渗透率作为衡量瓦斯渗流与抽采难易程度的重要指标，对其进行准确测定具有重要意义。针对现有方法计算渗透率测试周期长、结果不稳定、模型不完善等问题，研究煤层渗透率的快速准确测定方法及相应的计算模型。基于煤层中气体径向不稳定流控制方程，结合不同压差下气体在煤层中的体积流量方程，建立可利用全区间压降数据测定煤层渗透率的注气压降计算模型。应用COMSOL数值模拟软件的达西渗流模块对模型进行求解，针对现场工程设计中可对压降曲线产生影响的测压气室长度进行单变量处理，根据模拟结果分析钻孔的测压气室长度可设计为2.0 m。根据数值模拟结果进行现场布置，搭建井下重复注气压降试验系统，结合煤层瓦斯赋存条件和巷道条件施工两组穿层钻孔，对2个测点分别注入两次高于煤层瓦斯压力的补偿气体进行渗透率原位测试，测试周期分别约为6 d和17 d，第2轮测试的注气压力高于第1轮。结合理论推导验证了注气压降过程中煤层瓦斯的雷诺数均处于线性达西渗流段，瓦斯在煤层中的渗流符合达西定律，满足计算模型的假设。与传统煤层渗透率计算方法进行了比较，结果表明：本方法和径向流量法的计算结果基本一致，可以满足实际工程需要。重复注气压降法的测试结果稳定可靠，具备快速测定的优点。

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顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法

作者(Author)：郭世斌, 胡国忠, 朱家锌, 许家林, 秦伟, 杨南

摘要：顶板瓦斯抽采巷因具有大流量和连续抽采的优点，被广泛用于高瓦斯或突出矿井回采工作面瓦斯治理。如何确定合理的顶板巷布置位置，以高效抽采采空区卸压瓦斯，是保障工作面瓦斯治理效果的关键。为此，在深入分析顶板瓦斯抽采巷布置原则及其布置位置影响因素的基础上，提出了一种基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法；采用灰色关联分析法确定了GA–BP神经网络模型的预测指标，并设计开发了顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测系统。研究结果表明：①工作面的采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度等5个物理指标是顶板瓦斯抽采巷布置位置的主控因素，且其权重值排序由大到小依次为采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度。②随着遗传代数的增加，GA–BP神经网络适应度不断减小，且当遗传代数为60时其适应度变化基本稳定，表明GA–BP神经网络初始权重和偏置效果较好。③在当前训练样本数据集的前提下，基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置的预测结果与实际工况值的相对误差仅为0.43%～11.27%，在可接受的范围内。该研究可为顶板瓦斯抽采巷精准设计提供一定的参考。

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小断层影响下的采空区瓦斯运移规律研究

作者(Author)：张学博, 王攀, 王豪

摘要：在煤矿开采过程中，小断层会导致采空区瓦斯聚集形成瓦斯富集区，对生产安全具有很大威胁，因此有必要研究小断层影响下的采空区瓦斯运移规律。通过UDEC数值模拟采空区上覆岩层破坏过程，从而计算小断层影响下采空区上覆岩层的空隙率，并利用FLUENT软件数值模拟开采过程中考虑小断层影响的采空区瓦斯运移规律。研究表明：①工作面距离小断层20 m远处，小断层从顶部首先出现滑移现象，采空区上覆岩层的位移开始受到断层的影响；工作面到达断层时，由于断层滑移，上盘岩体在断层面滑移产生回转现象，支撑着采空区岩层，覆岩垮落位移量出现大幅度减小，并且岩层垮落出现滞后现象；小断层的影响范围有限，工作面过小断层60 m之后，采空区上覆岩层位移规律逐渐恢复正常。②通过分析含小断层采空区上覆岩层位移特征，得到了采空区上覆岩层位移及其拟合公式，计算得到了三维空隙率分布规律：垮落带范围内，覆岩空隙率在4个隅角位置最大，并且断层靠近进回风巷的位置也出现了空隙率增高；裂隙带范围内，除断层靠近进回风巷的位置空隙率较大，其他位置空隙率相对较低且变化不明显。③获得了小断层影响下的采空区瓦斯运移规律：在工作面距离断层50 m远处，采空区瓦斯运移几乎不受断层的影响；在工作面推进至断层时，瓦斯沿着断层及其附近的高空隙率覆岩产生的优势逃逸通道向采空区深部运移，同时上盘的瓦斯也向深部转移导致大量瓦斯积聚在断层下盘，可能导致瓦斯随漏风流入工作面及回风巷；在工作面过断层50 m时，采空区瓦斯继续向上隅角附近转移；工作面过断层100 m时，采空区上覆岩层瓦斯运移出现回转现象，上隅角和下盘垮落带瓦斯体积分数高。

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采空区下伏煤层水力压裂试验研究与应用

作者(Author)：陆泳鑫, 胡胜勇, 李国富, 武玺, 路佳旗, 杨育涛, 张村, 苏燕

摘要：采空区下伏煤层气资源储量丰富，长期未能有效开发。水力压裂技术是一种提高煤层气采收率的有效手段，上覆煤层的开采与重新压实会直接影响采空区下伏煤层水力裂缝的扩展行为。通过大尺寸(300 mm×300 mm×300 mm)真三轴水力压裂试验，分析了不同加卸载应力扰动程度下煤体的力学与声发射响应特征，提出了表征煤体损伤程度的损伤变量$T$,明晰了损伤与水力裂缝起裂与扩展规律之间的关系。结果表明：采空区下伏煤体垂向应力加载阶段引起的损伤显著大于卸载阶段，垂向加载应力不超过11 MPa时，煤体处于弹性阶段，损伤极少；加载至11～15 MPa，处于屈服阶段，损伤大幅增加；加载至15～18 MPa，处于强化阶段，煤体孔裂隙逐渐被压实。损伤变量$T$可以有效表征煤体内部损伤程度，Tc为煤体未经过加卸应力扰动时的损伤变量。$T = {T_{mathrm{c}}}$时，煤体内部的损伤程度与未经过加卸载应力扰动的煤体损伤程度相当；$ T>{T}_{{mathrm{c}}} $时，煤体呈应力损伤态，$T$越大，损伤程度越高；$ T<{T}_{{mathrm{c}}} $时，煤体呈应力压实态，$T$越小，压实程度越高。煤体应力损伤程度与破裂压力呈负相关，高损伤程度使得煤体更容易破裂，井筒近端容易形成主水力裂缝，有利于开展水力压裂。煤体的压实程度与破裂压力呈正相关，高压实程度使得水平应力差对水力裂缝扩展的影响减弱，井筒近端水力裂缝发育，不易形成主水力裂缝，阻碍水力压裂开展。基于研究成果制定了采空区下伏煤层水力压裂施工方案优化原则并在现场应用，优化后的方案水力压裂造缝能力显著提高。

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