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“2022年煤炭科技发展前沿”特刊

来源：煤炭科学技术

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 143个
关键词; 147位
专家; 33篇
论文; 18052IP
点击量; 39102次
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冲击地压矿井智能化防冲控采技术的思考

作者(Author)：祁和刚, 夏永学, 陆闯, 王凯, 张学亮, 余达桂

摘要：针对深部冲击地压矿井智能化工作面防冲开采面临的技术难题，围绕冲击地压煤层安全、高效、智能化开采的目标，将新一代信息技术运用到矿井生产活动和防冲管理中，首次提出了智能化防冲控采的技术思想，其科学内涵与技术途径为：首先，通过数据传输平台快速采集区域煤岩冲击危险信息及全工作面设备、工况环境、人员定位等实时信息，建立冲击地压与智能开采的多源信息数据库；其次，采用具有高吞吐量、低延时特性的分布式数据采集系统，实现对多源异构数据的清洗、存储、聚类、融合，将冲击地压监测预警的危险信息与智能化开采进行动态耦合，搭建冲击地压智能防冲大数据平台；最后，在冲击地压多源信息精准识别与数据融合的基础上，开发互联互通、分析决策、动态预测、协同控制的智能开采响应控制系统，在此基础上建立采煤机自调整、支架自适应、防冲风险自感知与自预警相叠加的智能化防冲控采模型，使开采强度与冲击风险相匹配，最终形成无人干预的自决策、自控制、自优化的防冲、减冲、无冲的智能防冲控采新模式。该技术通过将冲击危险预测、防治与智能化开采系统有机结合，形成智能响应闭环，可以保障冲击地压预警信息的高效反馈，实现采掘、运输、安全保障等过程的智能化运行。

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煤炭科学技术

2022年第01期

650

1457
煤与瓦斯突出流体多物理参数动态响应试验研究

作者(Author)：许江, 魏仁忠, 程亮, 彭守建, 杨海林

摘要：为进一步认识煤与瓦斯突出后巷道内突出流体的运移传播规律以及突出灾害的防灾减灾机制，以大型物理模拟试验为主，研究了突出流体运动、煤粉堆积、冲击波阵面传播、静压和温度等多物理参数的动态响应特征，建立了突出流体运移模型，并着重分析了突出流体在弧形直角拐弯巷道的运移规律。结果表明：突出煤粉在巷道内堆积呈现出两头多中间少的分布特征，多数煤粉集中分布于拐弯后巷道；冲击波阵面的传播速度呈先增大后减小再增大的演化趋势，气流速度快于煤-瓦斯两相流运移速度；巷道静压在单相气流阶段动态响应大，在煤-瓦斯两相流阶段骤降；空气压缩气流、瓦斯气流和煤-瓦斯两相流对静压的演化有着不同影响；在拐弯巷道运移过程中，空气压缩气流内有压缩波叠加现象使得波阵面传播速度加快以及静压升高，瓦斯气流和煤-瓦斯两相流受能量损失影响使得静压降低；巷道温度呈现出迅速下降后缓慢回升的趋势；近突出口区域温度受压缩做功影响，呈现先增大后下降的趋势；巷道内温度呈波动式上升分布状态，部分区域存在一个阻碍巷道温度降低的机制；弧形拐弯后形成一个低温气体聚集区，使得其温度下降量较大。

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煤炭科学技术

2022年第01期

518

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密度梯度驱动的煤粒瓦斯解吸扩散模型及试验研究

作者(Author)：秦跃平, 徐浩, 毋凡, 张凤杰

摘要：为解决菲克扩散模型在煤粒瓦斯解吸扩散过程中存在较大偏差的问题，更好地解释瓦斯在煤粒中的解吸扩散机制，首先开展了封闭空间煤粒瓦斯解吸试验，得到不同初始解吸压力下的煤样瓦斯解吸数据，并评估了4种解吸经验公式的精确性；随后回顾了浓度梯度驱动的菲克扩散模型，提出了游离瓦斯密度梯度驱动的新扩散模型；在此基础上，建立了相关的解吸扩散数学方程，并采用有限差分数值方法进行数值解算；最后将新模型与菲克模型的解算结果以及试验数据进行比较，讨论了新瓦斯扩散模型的优势。结果表明：不同的解吸经验公式拟合试验数据的精确度差异较大，优选出了一种能够在全试验时间尺度下拟合情况良好的经验公式；4种不同初始解吸压力条件下的新扩散模型的数值预测结果在整个试验时间尺度内与试验数据基本一致；相对来说，基于菲克扩散模型数值解算的结果准确性不高；在保证理论预测精度的前提下，新扩散模型中的微孔道扩散系数不随时间和压力而改变；而建立在常扩散系数的假设之上的经典菲克扩散模型的解析解和数值解会产生较大误差。新模型可以更合理和准确地描述瓦斯解吸扩散行为。研究结果旨在为瓦斯解吸扩散机理的认识、瓦斯突出解吸指标及煤层瓦斯含量的标定等工作提供一些新的思路和参考。

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煤炭科学技术

2022年第01期

285

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大倾角高瓦斯煤层采动覆岩“三带”微震监测及瓦斯抽采效果

作者(Author)：孟祥军, 赵鹏翔, 王绪友, 刘李东, 杨俊生

摘要：为了明确大倾角高瓦斯煤层采动覆岩裂隙发育情况，提高卸压瓦斯抽采效果，运用了微震监测技术对新疆硫磺沟煤矿（4-5）06工作面推进过程中采动上覆岩层的微震事件进行实时记录，据此分析了采动上覆岩层的裂隙发育形态特征和演化趋势，且运用经验公式对微震监测结果加以验证，并结合监测结果对高位钻场瓦斯抽采参数进行了优化，检验了卸压瓦斯抽采效果。结果表明：（4-5）06工作面周期来压步距约15 m，采动覆岩断裂带高度约60 m，裂隙发育形态整体呈不对称椭抛带，其中心对称轴向回风巷一侧偏移。以此为依据，对高位钻场瓦斯抽采钻孔参数进行优化，设计高、中、低3个层位钻孔，且全部布置于靠近工作面一侧的瓦斯优势运移通道带以内区域。通过分析现场瓦斯抽采监测装置记录的数据发现，高位钻场中高、中、低3个层位钻孔瓦斯抽采浓度及抽采流量均呈现先增大后减小的趋势，且中层位钻场瓦斯抽采浓度明显高于其余层位。优化后高位钻场瓦斯抽采流量为63～85 m3/min，钻场瓦斯抽采体积分数为6.22%～10.94%，井下回风巷及上隅角瓦斯浓度均低于阈值1%，有效保证了工作面的安全推进。实践表明微震监测技术可有效运用于大倾角高瓦斯煤层裂隙带高度发育情况与形态定位的监测，为高位钻场瓦斯抽采参数设计与优化提供一定的依据。

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煤炭科学技术

2022年第01期

516

622
厚煤层成因机制：受天文周期控制的多期泥炭沼泽叠加模式

作者(Author)：邵龙义, 党星宇, 高祥宇, 王东东, 温和, 王学天, 高迪, 鲁静

摘要：蕴含丰富地质信息的厚煤层是重要的地质碳库，我国是煤炭资源大国，华北、西北、东北、华南等聚煤区都发育有厚煤层。传统煤田地质学理论认为，厚煤层是泥炭沼泽潜水面上升速度与植物遗体聚集速度长期处于均衡补偿状态下的连续聚集产物。但现今发育的泥炭沼泽单层最大厚度仅为20 m，考虑泥炭到烟煤成煤过程受到高达约6∶1的压实比例，均衡补偿成因解释厚煤层的形成可能存在一定的不合理性。基于煤岩学、层序地层学、旋回地层学的理论和研究方法，对不同盆地厚煤层中反映气候变化的天文周期信息开展研究。结果表明，厚煤层中煤岩显微组分以及灰分在垂向上的周期性变化和沉积间断面的存在，是多期次泥炭沼泽叠加形成厚煤层的重要依据。泥炭沼泽多期叠加及厚煤层中煤岩显微组分的周期性变化均受当时的气候环境演化影响，而气候环境的演化又受控于天文周期。综合已有的厚煤层成因观点和实例研究，提出受天文周期控制的多期次泥炭沼泽叠加成煤理论和模型，用于解释厚煤层的成因机制。

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煤炭科学技术

2022年第01期

522

917
中国煤层气储层地质与表征技术研究进展

作者(Author)：刘大锰, 贾奇锋, 蔡益栋

摘要：我国煤层气资源丰富，发展煤层气储层地质学理论与技术有助于我国煤层气勘探开发的进一步突破。基于对文献调研与分析，阐述了煤层气储层地质与表征技术的研究内容及进展，分析了前缘发展方向。研究认为，煤层气储层地质学研究正在从宏观向微观、从定性向定量、从单学科到多学科协同发展，研究内容涉及煤储层成因类型、沉积环境、构造作用、应力特征、物性特征、几何形态、井网布置方式、储层改造及保护、井网调整及优化等产业全过程；煤层气运聚动力分为2类，一类是在气体浓度差作用下的扩散-渗流机制，另一类是压差或势差作用下的水动力-浮力机制；构造挤压应力主要通过骨架岩石的变形改变含水层与隔水层，并影响到流体渗流网络的疏导能力；沉积压实主要影响孔-裂隙空间及喉道，沉积物沉降速度过快容易形成异常高压带，不利于储层流体流动；流体在三维空间中所处的温度不同，温差效应常会引起流体发生瑞利和非瑞利对流驱动，一般浅部低温、密度较大的流体会向下运动，而深部高温、密度较小的流体会向上运动；渗透率研究经历了4个阶段，包括表观现象与经验推测定性分析、多种理化效应与细化各因素作用影响机制、数学模型与数值分析等多种模拟手段定量表征以及精细完善储层微米尺度传输介质渗透率动态变化。研究指出，未来需要精细研究深部构造煤和热改造煤储层纳米级孔隙气体的赋存状态与扩散运移机理，建立健全煤系非常规天然气合采技术制度，根据纳米孔隙超量吸附的聚散过程厘定不同温压条件下煤储层微纳米孔隙中气体凝聚与游离空间变化。

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煤炭科学技术

2022年第01期

462

972
晋城矿区废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究进展

作者(Author)：孟召平, 李国富, 田永东, 王宇红, 李超, 陈浩越, 吴迪

摘要：废弃矿井煤层气资源丰富，抽采废弃矿井煤层气，已成为煤矿区煤层气的重要资源之一。基于山西晋城矿区废弃矿井煤层气抽采实际，系统介绍了废弃矿井采空区煤层气赋存特征及其地面抽采技术的研究进展，分析了废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究现状和存在的问题，提出了目前我国废弃矿井采空区煤层气地面抽采研究面临的关键科学问题和研究内容。研究结果表明，煤炭开采形成的冒落-断裂带，为采空区煤层气赋存提供了储集空间。废弃矿井采空区煤层气主要来源于煤柱及残留煤层、临近未采煤层和围岩中的游离气和吸附气，基于体积法对废弃矿井采空区吸附气和游离气资源分别进行计算和评价。为有效解决采空区上部含水层涌水对钻井井身稳定性及抽采效果的影响，将采空区煤层气抽采井身结构由二开优化为三开结构，优先采用压缩空气潜孔锤钻井技术，用氮气取代空气作为循环介质安全揭露含气断裂带的井工艺技术；根据晋城矿区废弃矿井采空区煤层气井抽采过程中压力和日产气量的变化特征，将采空区煤层气井抽采划分为自由放喷、气量快速下降、稳压产气和定量产气4个阶段，并提出了适用于废弃矿井采空区煤层气抽采的“四段制”抽采控制方法；最后，指出了目前面临“废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理和废弃矿井煤层气抽采条件评价及抽采参数优化方法”2个关键科学问题和“废弃矿井煤层气赋存规律及其控制机理、废弃矿井煤层气资源评价模型与方法和废弃矿井采空区煤层气抽采技术”等研究内容。

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煤炭科学技术

2022年第01期

625

804
煤层CO2安全封存研究进展与展望

作者(Author)：何学秋, 田向辉, 宋大钊

摘要：以CO2地质封存为代表的负碳排放技术是实现我国碳达峰、碳中和战略目标的重要途径。煤层CO2封存成本低，同时可实现煤层气高效采收，符合国家绿色发展理念。尽早布局煤层CO2封存安全研究是保障我国碳达峰、碳中和目标的战略要求。对煤层CO2封存技术发展现状和安全问题进行了梳理和分析，当前煤层CO2封存仍处于示范阶段，规模化推广应用尚未实现。煤层CO2封存安全性主要受封存地质体结构、地质灾害、工程扰动等因素影响，现有安全监测方法多以CO2泄漏产生的某些环境效应为监测对象，缺乏对封存地质体自身安全性的监测。煤层碳封存全生命周期安全性存在诸多研究空白，严重制约着我国煤层CO2封存技术的发展。针对现存问题，总结提出了应对煤层CO2封存安全的4项关键技术，即煤层安全储碳机理与主控因素、煤层碳封存风险探测与安全评价方法、煤层碳封存全生命周期安全监测预警技术以及煤层碳封存风险应对与应急处置规范。通过上述4个方面的研究，有望构建煤层碳封存科学选址、安全监测预警以及规范应急全流程理论与技术方法体系，为我国煤层碳封存商业化、规模化奠定理论与技术基础。

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煤炭科学技术

2022年第01期

533

658