“深部煤层瓦斯精准抽采”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“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; 77个
关键词; 86位
专家; 19篇
论文; 10746IP
点击量; 23731次
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煤油气共存矿井油型气精准治理技术及工程实践

作者(Author)：孙四清, 陈冬冬, 龙威成, 赵继展, 张俭, 郑凯歌, 贾秉义, 张静非

摘要：油型气是煤油气共存矿井新的隐蔽致灾地质因素。煤田地质勘探阶段对含煤地层中油型气很少关注，矿井生产中又面临着油型气涌出的实际威胁，油型气已是煤油气共存矿井安全高效开采不可回避且亟待解决的难题。针对油型气储集层赋存、油型气涌出规律和油型气抽采治理等关键问题，采用理论分析、测试化验、数值模拟和工程试验等手段在典型煤油气共存矿区开展了油型气精准治理技术及工程实践应用研究。研究结果表明：研究区2号煤层顶底板50 m回采扰动范围内发育有4个连续稳定分布的油型气储集层（直罗组一段砂岩、延二段七里镇砂岩、富县组下部砂岩和瓦窑堡组顶部砂岩）；在距2号煤层底板垂深22.24～33.26 m（平均25.77 m）、相对回采工作面-0.23～-65.14 m段底板钻孔能够有效抽采到卸压油型气。建立了基于定向长钻孔的采前预抽、采中卸压抽和采后采空区抽的油型气精准立体综合抽采模式，工程应用实践显示抽采后回采工作面上隅角平均CH4体积分数由0.81%下降到0.48%，且回采期间工作面未发生油型气异常涌出和CH4浓度超限现象。实践探索形成了一套适合于煤油气共存矿井集油型气赋存、涌出和抽采于一体的精准治理技术体系，为煤油气共存矿井油型气灾害的防治提供理论指导和技术支撑。

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中阶煤孔隙结构的氮吸附-压汞-核磁共振联合表征研究

作者(Author)：杨明, 柳磊, 刘佳佳, 毛俊睿, 柴沛

摘要：为精确表征中阶煤储层的孔隙特征，以不同煤阶的4组煤样为研究对象，采用压汞、液氮吸附及核磁共振等试验方法，对其特征参数进行定量研究。结果表明，煤储层是以微小孔为主、中孔次之、大孔最少，微小孔为比表面积与孔容积的主要贡献者。中阶煤的孔容积为(3.19～5.21)×10-2 mL/g，比表面积为6.25～9.81 m2/g，孔隙度为5.171%～8.307%，渗透率为(0.008 ～1.253)×10-3μm2。肥煤与焦煤的孔隙是以开放性孔为主，瘦煤与贫煤的孔隙以封闭或半封闭型孔为主；肥煤微小孔隙多为平行板孔，焦煤与瘦煤为双锥管孔或锥形孔，贫煤为尖劈形孔或圆筒孔。随着煤阶的升高，微小孔、吸附孔喉占比逐渐增大，中大孔、渗流孔喉占比逐渐减小，孔隙之间连通性越来越差，渗透率逐渐降低。随着煤阶的降低，比表面积逐渐减小，有效孔隙度逐渐增大，残余孔隙度逐渐减小，孔容积、总孔隙度呈现出先减小后增大的趋势。

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瓦斯抽采穿层钻孔钻扩造穴卸压增透机理研究

作者(Author)：王亮, 廖晓雪, 褚鹏, 张晓磊, 刘清泉

摘要：随着我国煤矿开采逐渐向深部开拓，煤层瓦斯压力增大、含量增加，煤层渗透率普遍较低，增加了瓦斯抽采的难度。钻孔钻扩造穴卸压增透技术能提高煤层渗透率，是增加瓦斯抽采效率的有效手段。为解决寺家庄煤矿15号煤层渗透率低，瓦斯难抽采的问题，以寺家庄煤矿北翼辅助运输巷15号煤层抽采钻孔造穴为工程背景，以弹性力学应变软化模型和扩散-渗流煤层瓦斯流动理论模型为基础，建立了穿层钻孔钻扩造穴后煤层渗透率演化方程和穿层钻孔造穴煤层瓦斯流动方程。通过COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟软件对方程进行解算，分析了钻孔造穴的增透机理和渗透率分布规律，得到了瓦斯抽采量、瓦斯压力分布以及渗透率等关键参数；结合模拟结论与现场条件，确定了钻孔钻扩造穴的最优造穴半径为0.6 m，最佳布孔间距为6.0～7.0 m，为现场施工造穴半径和钻孔间距的确定提供了指导。最后，在寺家庄煤矿15号煤层实施普钻钻孔与造穴钻孔，进行了瓦斯抽采效果对比。试验结果表明：实施水力钻扩造穴技术后，瓦斯抽采率、抽采浓度和抽采纯量相对普钻钻孔分别提高了约2.7、2.0、5.7倍；瓦斯抽采周期、钻孔施工工程量降低了约2倍，提高了瓦斯抽采技术经济效益,应用结果验证模拟结果可靠，抽采设计可行，可以指导现场施工。

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低渗透煤层金刚石串珠绳锯切割卸压增透机理及应用

作者(Author)：李树清, 汤铸, 黄飞, 李波, 蔡康旭, 刘诚 , 段蓉, 朱颜平, 杨党震

摘要：为探求金刚石串珠绳锯煤层割缝卸压增透机理，结合开滦矿区某矿煤层绳锯割缝的工程背景，采用相似模拟试验研究了绳锯煤层割缝缝槽上下方煤岩层裂隙、应力、位移分布特征，建立了煤样3次等压循环加卸载应力-渗透率公式，基于FLAC3D开发了煤层瓦斯渗透率计算程序，通过数值模拟分析了绳锯切割过程中缝槽上方煤层渗透率分布特征及演化规律，研发了金刚石串珠绳锯煤层割缝系统及工艺，开展了大范围连续煤层割缝试验。研究表明：金刚石串珠绳锯切割煤层形成缝槽后，在上方形成较小范围的断裂带和弯曲下沉带，在缝槽上下方煤体中形成了应力降低区，该区内随着远离缝槽其应力变化幅度减小；金刚石串珠绳锯割缝缝槽上方形成了一定范围的增透区，其分布特征是起割位置附近和收割位置附近渗透率提高幅度大，中间部分由于应力恢复的影响煤体渗透率提高幅度较小；缝槽上方区域的渗透率随着至缝槽距离的增加而逐渐降低，达到某一阈值后，割缝对提高煤体渗透率将失去作用；金刚石串珠绳锯煤层割缝效率约80 m2/h，工作效率和连续割缝范围均大于水力化割缝措施。

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急倾斜煤层瓦斯钻孔有效抽采范围的精准确定

作者(Author)：王刚, 李怀兴, 常博

摘要：为了明确急倾斜煤层瓦斯抽采钻孔的有效抽采范围，合理布置抽采钻孔位置，以乌东煤矿43号煤层为例，利用数值模拟得到急倾斜煤层瓦斯钻孔有效抽采范围随时间变化规律，建立急倾斜煤层钻孔周围气体渗流单元模型，推导了急倾斜煤层有效抽采范围的数学模型并结合现场实测结果对数值模拟和数学模型进行验证，且平均相对误差率较小（均小于5%）。数值模拟结果显示：与常规煤层瓦斯钻孔有效抽采范围相比，急倾斜煤层有效抽采距离与抽采时间呈非线性关系；在抽采过程中，有效抽采范围随时间的增加，在钻孔平面不同方向上扩展速度不同，最终趋于稳定后有效抽采范围呈椭圆形区域。通过对急倾斜煤层钻孔周围煤壁上受力状态分析，认为有效抽采范围出现差异的原因主要是钻孔的出现改变了原有的地应力的分布状态，钻孔周围煤壁的稳定性遭到破坏，其附近一定范围内的煤体物理力学性质发生改变，此外，地应力的重新分布对钻孔周围煤层渗透率也产生一定影响。为定量研究垂直于钻孔二维截面上有效抽采范围随时间变化的发展趋势，通过急倾斜煤层有效抽采范围的数学模型得到急倾斜煤层有效抽采范围表达式，分析不同方向上抽采距离扩展速度造成的差异程度，对急倾斜煤层瓦斯抽采钻孔的现场应用具有一定指导作用。

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基于非线性渗透率模型的高抽巷精准抽采参数优化

作者(Author)：徐超, 李小芳, 陈晴晴, 曹明月, 申立华

摘要：利用高抽巷抽采工作面与断裂带卸压瓦斯是煤层群瓦斯治理的重要技术手段，为进一步提高高抽巷瓦斯抽采效果并实现精准抽采，基于砌体梁理论和“O”形圈理论建立采空区非线性渗透率模型，以此建立更符合实际情况的模拟模型，提高数值模拟结果的准确性，并将其运用到Fluent模拟软件中分析高抽巷在不同抽采负压、垂距、平距下对采空区瓦斯三维流场的影响规律，进而提出了高抽巷精准抽采的优化技术参数。结果表明，采空区渗透率分布特征规律为沿采空区倾向，进风、回风巷两侧渗透率大，阻力系数较小，中部渗透率较小，呈先减小后增大趋势分布；沿采空区走向方向，随着远离工作面，渗透率逐渐下降，在压实稳定区内基本保持稳定；采空区内瓦斯分布受风流及高抽巷抽采的影响，进风巷侧瓦斯浓度较低，回风巷侧瓦斯浓度较高，采空区瓦斯浓度分布等值线呈现“外凸”分布；当高抽巷平距为32 m，垂距为30 m，抽采负压为15 kPa时，抽采效果最佳，且采空区低浓度瓦斯分布范围较广，瓦斯浓度峰值最小，可以有效降低上隅角瓦斯浓度；通过对比现场实测高抽巷瓦斯抽采效果及上隅角瓦斯浓度和模拟结果，验证了模拟结果的准确性。研究结果可为高瓦斯煤层群精准开采及高抽巷参数优化提供理论依据。

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区域和局部突出危险性动态实时监测预警技术研究

作者(Author)：宋大钊, 何学秋, 邱黎明, 赵英杰, 程肖禾, 王安虎

摘要：为实现煤与瓦斯突出灾害的准确监测预警，将微震监测技术、震动波CT技术与声电瓦斯监测技术应用于煤与瓦斯突出矿井，分析了微震信号的时空演化特征规律，研究了震动波CT与应力异常、突出预兆、采掘工程的关系，深入挖掘了掘进期间的电磁辐射、声发射、瓦斯等监测数据的时空演化规律，建立了预警准则统一、预警指标统一、预警临界值统一的综合集成高可靠性预警方法，最终形成了逐级聚焦的突出危险区域-局部动态实时监测预警方法技术，并开展了煤岩动力灾害监测预警云平台的应用。结果表明：基于微震监测以及震动波速反演得到的区域应力场结果，可以预测采掘强扰动区、应力集中区，地质异常区共同组成的煤与瓦斯突出危险区，实现了突出危险区域预测；声发射12 h偏差值DA、声发射偏离异常频次N、电磁辐射24 h偏差值DE、电磁辐射偏离异常持续时间h、瓦斯涌出量Q、瓦斯涌出变化率I等指标对突出危险具有较好的响应，可进行局部突出危险预警。突出危险区域-局部动态实时监测预警技术首先通过微震动态监测区域动载扰动信息，结合震动波CT探测区域应力场的分布特征，初步划定突出危险煤层危险区域，随后集成电磁辐射、声发射、瓦斯等多参量综合监测实现突出危险的局部即时预警。

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高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术

作者(Author)：刘忠全, 陈殿赋, 孙炳兴, 李健威

摘要：基于大功率定向钻进技术与装备的发展和矿井瓦斯防治技术的提升，保德煤矿先后创造了2311、2 570、3 353 m井下顺层定向长钻孔瓦斯抽采施工纪录，为矿井实施超大区域瓦斯治理技术提供了基础条件。以保德煤矿8号煤的煤层气防治为研究对象，基于超长工作面区域瓦斯治理需要，依据区域范围及预抽时间的不同，分别采用井上井下联合抽采、盘区超前大区域预抽、掘进工作面主巷羽状钻孔大区域预抽、采煤工作面大区域递进式预抽等措施对采掘区域内煤层气进行了大面积超前预抽，为煤层气治理提供了充裕的时间和空间，确保了抽采达标所必备的时间条件；针对8号煤层透气性低、抽采衰减快的问题，采用定向钻孔分段压裂增透技术并辅以高效封孔工艺技术，实现了煤巷掘进前和工作面回采前煤层气的高效治理；针对矿井超长工作面回采后形成的大范围采空区瓦斯异常涌出问题，提出并实施了大范围采空区平衡卸压抽采技术，有效地阻止了采空区瓦斯涌入采掘空间。实践表明：保德煤矿8号煤层通过实施超大区域瓦斯治理技术措施，煤层气预抽率大于30%，切实有效地解决了工作面采掘期间的瓦斯涌出治理问题，矿井生产全过程瓦斯抽采达标；采掘工作面月产量达80万t，掘进工作面月单进尺560 m以上，实现了高瓦斯矿井长周期安全高效生产，实践证实了超大区域瓦斯治理技术具有显著的安全和经济效益。

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