成果抢鲜看 | 李树刚教授团队：构建模型高效辨识倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区

近日，西安科技大学安全科学与工程学院李树刚教授团队通过研究不同煤层倾角条件下倾斜厚煤层裂隙演化规律，辨识出采动上覆岩层裂隙场中可持续高效抽采卸压瓦斯的靶向区。结合采动覆岩裂隙椭抛带理论，构建了倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区空间形态演化控制模型，为进一步优化卸压瓦斯抽采布置参数提供参考依据。相关成果6月13日以“倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术”为题在《煤炭科学技术》网络首发。

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构建模型高效辨识倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区

相对于容易开采煤层，倾斜厚煤层开采会引发诸多瓦斯灾害防控问题：采动煤体破碎总量增加，卸压瓦斯涌出强度加大；开采扰动煤岩范围扩大，瓦斯涌出来源构成复杂；采动覆岩垮落对称性差，瓦斯运储区域形态多变；采场上部瓦斯多层聚集，瓦斯抽采布置难度增加。现有的卸压瓦斯抽采技术未完全适宜倾斜厚煤层开采条件下的覆岩垮落与瓦斯运储规律，导致卸压抽采效率不佳，矿井瓦斯防治风险增大。

李树刚团队以新疆硫磺沟煤矿（4-5）06工作面为试验原型，依托西安科技大学西部煤矿开采及灾害防治重点试验室的二维物理相似模拟试验平台，开展相似比为1:100的物理模拟试验。研究不同煤层倾角下倾斜厚煤层采动覆岩裂隙演化规律。研究发现：

在破断裂隙分布规律方面，破断裂隙宽度呈现采空区两侧边界区域大于中部，低层位大于高层位的分布特征，同时破断裂隙宽度受铰接梁影响较强，随着煤层倾角的增大（0°<15°<30°），在第一层铰接梁所在层位上部邻近区域破断裂隙宽度相比下部邻近区域大幅度减小，仅有下部邻近区域的52.8%、64.3%以及71.1%。

在覆岩离层裂隙分布规律方面，瓦斯运移优势通道带内离层裂隙面积占比呈现底部最大，顶部次之，中部最小的分布规律。

在覆岩分形维数演化规律方面，工作面侧瓦斯运移优势通道带内裂隙的分形维数呈现先减小后增大的现象。煤层倾角越大，裂隙分形维数值普遍越大。

研究指出，破断裂隙为卸压瓦斯主要升浮途径，离层裂隙为卸压瓦斯主要储集空间，裂隙分形维数则表明单位空间内的裂隙复杂程度。因此，以工作面侧瓦斯运移优势通道带内破断裂隙宽度、离层裂隙面积占比、裂隙分形维数距煤层底板距离的变化规律为基础，得到了不同煤层倾角下瓦斯运移优势通道带内裂隙演化规律。

工作面侧瓦斯运移优势通道带裂隙演化规律

第一层铰接梁H₁与裂隙分形维数极小值点H₂所在层位两侧裂隙演化规律差异明显，基于此将优势通道带划分为三个层位的靶向区，按空间层位上的高低依次为低层位靶向区、中层位靶向区和高层位靶向区。

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倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区分布

　　最后，基于采动裂隙椭抛带理论，在工作面侧瓦斯运移优势通道带基础上，建立了考虑煤层倾角因素的倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区空间形态数学方程，形成了靶向区卸压瓦斯抽采方法选择依据。

各层位靶向区卸压瓦斯抽采方法选择依据

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在兖矿新疆硫磺沟煤矿（4-5）06工作面的工程实践中，卸压瓦斯抽采效率提升了15.3%，上隅角、工作面、回风巷平均瓦斯浓度为0.31%、0.12%和0.22%，均远低于《煤矿安全规程》规定的阈值1%，有效保证了工作面的安全回采。

这项研究得到了国家自然科学基金面上基金(52074217、51974237、52174205)的资金支持。赵鹏翔教授为本文通讯作者。

引用格式

李树刚,刘李东,赵鹏翔,等.倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术[J/OL].煤炭科学技术:1-14[2023-06-13].https://doi.org/10.13199/j.cnki.cst.2023-0414.

LI Shugang, LIU Lidong, ZHAO Pengxiang,et al.Key technologies for extraction and identification of gas target area for pressure relief in inclined thick coal seam[J/OL].Coal Science and Technology:1-14[2023-06-13].https://doi.org/10.13199/j.cnki.cst.2023-0414.

李树刚教授团队发表于《煤炭科学技术》的成果

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[1]李树刚,刘李东,赵鹏翔,林海飞,卓日升.倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术[J/OL].煤炭科学技术:1-14[2023-06-15].DOI:10.13199/j.cnki.cst.2023-0414.

[2]李树刚,王瑞哲,林海飞,杨二豪,赵泓超,秦雷,郝荷杰.超声波功率对煤体力学损伤特性及能量演化的实验研究[J/OL].煤炭科学技术:1-12[2023-06-15].DOI:10.13199/j.cnki.cst.2022-1596.

[3]赵鹏翔,王玉龙,李树刚,林海飞,金士魁,卓日升,双海清.倾斜厚煤层仰斜综采面覆岩瓦斯缓渗区分域方法及分形特征研究[J/OL].煤炭科学技术:1-13[2023-06-15].DOI:10.13199/j.cnki.cst.2022-1444.

[4]李树刚,王瑞哲,林海飞,杨二豪,赵泓超,秦雷,郝荷杰.超声波功率对煤体损伤特性及能量演化规律的试验研究[J].煤炭科学技术,2023,51(01):283-294.

[5]赵鹏翔,安星虣,李树刚,康新朋,黄义通,杨俊生,金士魁.倾斜厚煤层综放面伪斜长度变化与上隅角瓦斯浓度耦合机制研究[J/OL].煤炭科学技术:1-14[2023-06-15].DOI:10.13199/j.cnki.cst.2022-1279.

[6]刘超,张爱琳,李树刚,薛俊华,雷晨,张超.基于Pearson特征选择的LSTM工作面瓦斯浓度预测模型及应用[J/OL].煤炭科学技术:1-9[2023-06-15].DOI:10.13199/j.cnki.cst.2022-1618.

[7]王宁,李树刚.压裂液腐蚀效应下煤体力学损伤规律及增透效果研究[J].煤炭科学技术,2022,50(05):150-156.

[8]李树刚,刘李东,赵鹏翔,林海飞,徐培耘,卓日升.综采工作面覆岩压实区裂隙动态演化规律影响因素分析[J].煤炭科学技术,2022,50(01):95-104.

[9]赵鹏翔,康新朋,李树刚,林海飞,甘路军,安星虣.卸压瓦斯运移区“孔-巷”协同抽采布置参数优化及高效抽采[J].煤炭科学技术,2022,50(02):137-146.

[10]张超,范富槐,李树刚,翟成,江丙友,杨朴超,曾祥真.基于微胶囊技术的瓦斯抽采钻孔密封材料研究[J].煤炭科学技术,2023,51(04):72-79.

[11]李树刚,杨二豪,林海飞,赵鹏翔.深部开采卸压瓦斯精准抽采体系构建及实践[J].煤炭科学技术,2021,49(05):1-10.

[12]李树刚.“深部煤层瓦斯精准抽采”专题客座主编致读者[J].煤炭科学技术,2021,49(05):2-3.

[13]马莉,石新莉,李树刚,林海飞,宋爽,代新冠.基于MPC的瓦斯抽采智能调控模型研究[J].煤炭科学技术,2022,50(08):82-90.

[14]李树刚,刘思博,林海飞,双海清,李磊明,于涵旭,罗荣卫.分级循环加卸载煤体变形破坏特征试验研究[J].煤炭科学技术,2021,49(04):199-205.

[15]赵鹏翔,刘李东,李树刚,徐培耘,李刚,魏宗勇,贾永勇.煤层倾角对仰斜工作面覆岩压实区裂隙演化规律的影响[J].煤炭科学技术,2021,49(11):65-72.

[16]成小雨,李树刚,龚选平.预制裂隙砂岩相似材料损伤破坏特性试验研究[J].煤炭科学技术,2022,50(02):171-178.

[17]李树刚,马莉,潘少波,石新莉.基于循环神经网络的煤矿工作面瓦斯浓度预测模型研究[J].煤炭科学技术,2020,48(01):33-38.

[18]林海飞,杨二豪,夏保庆,李树刚,赵鹏翔,孔祥国,秦雷.高瓦斯综采工作面定向钻孔代替尾巷抽采瓦斯技术[J].煤炭科学技术,2020,48(01):136-143.

[19]李树刚,乌日宁,赵鹏翔,肖鹏,杜轩宏.综采工作面上隅角瓦斯流动活跃区形成机理研究[J].煤炭科学技术,2019,47(01):207-213.

[20]李树刚,徐培耘,赵鹏翔,林海飞.采动裂隙椭抛带时效诱导作用及卸压瓦斯抽采技术[J].煤炭科学技术,2018,46(09):146-152.

[21]赵鹏翔,卓日升,李树刚,林海飞,刘超,双海清.综采工作面推进速度对瓦斯运移优势通道演化的影响[J].煤炭科学技术,2018,46(07):99-108.

[22]林海飞,李树刚,赵鹏翔,肖鹏,潘红宇,刘超.我国煤矿覆岩采动裂隙带卸压瓦斯抽采技术研究进展[J].煤炭科学技术,2018,46(01):28-35.

[23]金洪伟,肖乔,李树刚,徐刚.巷道围岩应力场结构的表征及破坏因素分析[J].煤炭科学技术,2017,45(09):92-96.

[24]李树刚,成小雨,刘超,赵鹏翔.低透煤层采空区覆岩高位瓦斯富集区微震探测及应用[J].煤炭科学技术,2017,45(06):61-66.

[25]李树刚,马莉,杨守国.互联网+煤矿安全信息化关键技术及应用构架[J].煤炭科学技术,2016,44(07):34-40.

[26]林海飞,蔚文斌,李树刚,成连华.低阶煤孔隙结构对瓦斯吸附特性影响的试验研究[J].煤炭科学技术,2016,44(06):127-133.

[27]李树刚,成小雨,刘超,张天军,邢立杰,王辉.破碎围岩动压巷道锚索支护与注浆加固技术研究[J].煤炭科学技术,2016,44(01):67-72.

[28]李树刚,安朝峰,林海飞,赵鹏翔,丁洋.多因素影响下煤层吸附甲烷特性试验研究[J].煤炭科学技术,2014,42(06):40-44.

[29]王红胜,李树刚,张新志,吴林梓,董永建,双海清.沿空巷道基本顶断裂结构影响窄煤柱稳定性分析[J].煤炭科学技术,2014,42(02):19-22.

[30]严敏，岳敏，林海飞，等. 中低阶煤官能团对煤润湿性影响试验研究[J]. 煤炭科学技术，2023，51（5）：103−113.

改编：宫在芹

排版：冯春晖

审核：常琛赵鹏翔

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