“深部煤矿瓦斯精准探测与灾害防控”专刊

来源：煤田地质与勘探

当前浅部资源日趋枯竭，深部资源开采已成为常态。深部煤炭资源开采是我国资源开发的重要领域之一，也是我国能源结构调整和转型升级的重要内容。从世界范围内资源开采看，目前煤炭开采深度已达1 500 m，并以平均每年5~10 m的速度向深部迈进。然而，深部煤炭开采面临煤与瓦斯突出防治、瓦斯高效抽采、灾害智能监测、瓦斯与火耦合灾害防治等难题。特别是瓦斯灾害事故频发、规模大、预测困难，严重制约深部煤炭资源的安全高效开采。瓦斯灾害防治是煤矿安全生产的重点和难点。为全面落实我国碳达峰碳中和的双碳战略目标，构建清洁高效的能源体系新发展战略，加快研究并突破深部煤炭安全高效低碳开采技术，亟需形成适应我国地质赋存特征的深部煤矿瓦斯精准探测与灾害防控技术体系，准确获取深部煤矿瓦斯分布、瓦斯压力、瓦斯含量等关键信息，实现对瓦斯动态变化的实时监测和准确预测，为瓦斯防治提供科学依据和技术支持，推动我国深部煤炭资源的安全高效低碳开采和绿色智能化发展。

基于上述背景，《煤田地质与勘探》编辑部与深圳大学谢和平院士团队联合组织策划了“深部煤矿瓦斯精准探测与灾害防控”专刊，聚焦深部煤炭开采中瓦斯探测与灾害防控的关键难题。我们邀请了业界的专家学者和科技工作者积极参与，共同探讨深部煤炭开采与瓦斯防控理论与技术的创新与应用。自征稿通知发布以来，共计收到投稿46篇，经过专刊负责人初审、同行评议、编辑部复审及执行主编终审，从而优选出本专刊的高质量学术论文。本期专刊共发表学术论文18篇，专刊内容涵盖深部煤矿瓦斯原位精准探测、深部煤矿灾害智能监测与防控、难抽煤层瓦斯增产新技术等方面的研究内容，涵盖了深部煤层瓦斯探测与灾害防治的关键技术、先进方法和典型案例等方面。

在专刊刊发之际，我们要衷心感谢各位专家学者对本专刊的高度关注和大力支持。本专刊的出版，得益于有关专家在百忙之中对论文的认真评审，在此，谨向所有审稿专家表示崇高的敬意!

行业视野: 安全
类别; 70个
关键词; 87位
专家; 18篇
论文; 3636IP
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专题栏目

深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展

作者(Author)：谢和平, 崔鹏飞, 尚德磊, 凡东, 陈领, 杨明庆, 杜林, 高明忠

摘要：煤层原位瓦斯压力与瓦斯含量是深部煤矿安全生产与煤层气资源精准评估的关键参数。针对深部煤层原位瓦斯含量精准测定的技术难题，提出了原位保压取心与原位瓦斯含量和压力测试的全新原理，推导并建立了煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法。根据矿井深部原位应力环境特点与多向取心工程需求，分别自主研发了重力式、弹力式和磁力式保压控制器，可实现任意角度保真取心。自主研制了集低扰动保压取心与样品含气量一体化测试技术与装备，可实现与保压取心器对接并解锁的原位样品转移、破碎与测试，解决了原位取心、样品转移过程中瓦斯量损失问题，大大提高了瓦斯含量测定的准确性，为精准测定深部煤层原位瓦斯压力及瓦斯含量提供了理论和技术支撑，以期降低瓦斯事故，提高高突矿井安全开采效率。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

149

52
煤矿井下原位磁控多向保压取心原理与技术

作者(Author)：刘贵康, 李聪, 游镇西, 胡云起, 黄伟, 王瑞泽, 徐萌

摘要：获取煤岩体原位物理力学参数是煤炭资源开发的首要任务，瓦斯原位参数精准测量是实现煤矿安全开采的基本保障。针对煤矿原位瓦斯参数测不准的技术难题，结合煤矿井下取心的技术特点，创新提出基于磁力控制的多向保压取心技术构想。基于复合磁场特性，自主设计了磁控自触发保压控制器，优化了取心触发及密封结构，关键保压构件实现磁控非接触式自触发及自密封，提升保压触发的容错率。自主研制了多向保压取心性能测试平台，基于该平台验证了保压控制器在不同取心角度的良好触发能力及自密封能力。集成磁控保压模块，形成多向保压取心装备，通过实验室测试验证了该装备可在多个方向实现保压取心，且保压能力可以达到6 MPa，满足煤矿保压取心条件。研究成果为深部煤矿多向保压取心提供了技术支持，为保压控制结构设计提供了全新思路。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

221

66
深部煤矿保压取心触发装置仿真优化及应用

作者(Author)：史晓军, 李铭辉, 刘贵康, 游镇西, 郭利花, 侯乐乐, 赵祥

摘要：保压控制器是深部煤矿保压保瓦斯取心装备的核心部件，其保压能力与密封性能是保压保瓦斯取心技术的关键。针对保压控制器仅由重力提供初始密封力时，初始密封比压较小、密封性能差的问题，设计了一种保压取心触发装置，以期为保压控制器实现密封提供初始密封比压。采用动力有限元对该触发装置工作过程进行数值仿真，并根据仿真结果对保压取心触发装置进行优化，之后对优化后的保压取心触发装置进行室内实验。结果表明：优化后的保压取心触发装置可为保压控制器实现密封提供足够的初始密封比压，且不影响保压控制器的保压能力，可满足井下瓦斯压力的维持。同时，为了检验保压取心触发装置在整套装备中的应用效果，开展了保压保瓦斯取心现场试验，试验测试过程中保压取心触发装置运行平稳，并成功取得保压煤心样品，验证了保压取心触发装置功能的可靠性。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

174

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深部岩石原位保温取心保温材料物理力学特性研究

作者(Author)：薛守宁, 何志强, 李聪, 余波, 路雪莲, 刘文玥, 杨建平, 魏子杰

摘要：高温影响深部煤炭资源开采等工程活动，而传统陆地硬岩取心方法没有保温措施，忽略了温度对岩石物理力学性能的影响，导致获得的参数失真，影响深部煤炭等资源安全高效开采。为攻关深部岩石保温取心技术，提出采用环氧树脂基空心玻璃微珠材料作为保温材料应用于保温取心设备。开展了材料的物理、力学性能测试，结果表明：随微珠含量增加，保温材料导热系数呈显著下降趋势，但其力学性能出现弱化；同时，不同强度类型微珠含量增大时，保温材料力学性能降低，由于荷载承担对象的变化，会在不同体积分数处出现拐点；材料保温性能与强度是一对矛盾体，随微珠增加呈现出博弈竞争规律。为定量评价保温材料性能，定义了保温材料强度导热比，发现S60HS微珠体积分数为30%、40%、50%时的保温材料综合强度导热比分别为1.796、1.719、1.737，优于其他同类型材料，初步确定可以作为深部岩石取心保温材料。试验结果为深部岩石保温取心提供可能，进而为深部煤炭等资源开采提供支撑。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

190

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煤矿井下水平保压取心保压触发装置研制与试验研究

作者(Author)：黄伟, 陈领, 李佳南, 凡东, 杨明庆, 刘贵康, 许晴, 马长亮, 吕晓东, 王鼎铭

摘要：瓦斯含量是煤矿安全开采和煤层气资源开发利用的重要评价指标，而保压取心技术是提高煤层瓦斯含量精确测定的有效途径。针对煤矿水平保压取心特殊工况，基于煤矿原位保压保瓦斯取心原理与技术，为提高保压煤样的采取率，研制了保压触发装置，系统设计了装置的密封保压单元、液压驱动模块和捞矛头与水平打捞器连接−脱卡机构等关键部件。搭建了保压触发装置工作性能地面试验系统，对装置性能进行试验研究。结果表明：在保压控制器阀盖5个典型的翻转方向工况下，保压触发装置的各功能模块均稳定运行，保压控制器均完成了翻转闭合；同时，钢丝绳顺利从取心钻杆内取出，有效防止取心器从孔底提至孔口过程中钢丝绳缠绕，避免引起设备故障。采用电动试压泵对已完成工作性能试验的取心器保压舱进行打压测试，结果表明：在最高压力为4.1 MPa条件下，压力表读数稳定，取心器保压舱内带压流体不发生泄漏，表明保压触发装置可触发取心器的密封保压功能。最后，在煤矿井下实际条件下对装置性能进行试验，结果表明：保压触发装置可在煤层实际工况下稳定实现取心器的密封保压功能，煤样采取率高达90%。保压触发装置的研发可促进煤矿水平保压取心技术的发展，对煤层瓦斯含量的精准测定具有重要意义。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

163

68
深部煤矿保压取心煤样自锁转移机构研制

作者(Author)：朱鹏飞, 李佳南, 李炬, 付成行, 叶帮华

摘要：保压取心技术能够将获取的深部煤层样品在孔底直接封存，以最大限度消除取心过程中瓦斯逸散；基于获取的保压岩心开展带压转移及测试是实现瓦斯含量精准测定的技术前提，而如何实现保压取心与带压转移测试的精准对接，已成为亟需解决的关键技术难点。围绕保压取心系统与测试系统对接转移的核心部件自锁转移机构开展研究，基于理论计算与室内试验，对自锁转移机构的装配关系、运动特性与承载能力等进行分析。首先，创新设计了可集成于保压取心系统内部的自锁转移机构，根据取心作业实际工况揭示了锁紧轴顺利通过与安全承载的临界条件；通过理论计算，获取了锁紧环与锁紧轴的最佳装配过盈量为0.1 mm，此时无论通过性还是抗拉承载特性均能保持良好的力学性能。其次，开展了室内锁紧轴通过性及拉伸承载测试，验证了5 kN拉伸载荷作用下锁紧机构的工作安全性。最后，完成了自锁转移机构的样机试制与装配，并进行了入井功能及带压转移动作测试，验证了自锁转移机构动作可靠性。研究成果为获取原位保压岩心并开展带压转移测试等提供了技术基础与装备支撑。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

221

45
基于保压取心的深部煤层原位压力计算原理及方法初探

作者(Author)：崔鹏飞, 高明忠, 尚德磊, 李建华, 褚鹏, 宋杰, 李永程, 郝海春, 赵乐, 陈领

摘要：准确获取煤层原位瓦斯压力是防治瓦斯灾害的关键环节，现阶段仍需探寻测量准确、经济投入小、测定周期短的瓦斯压力测定手段。基于深部煤层原位保压取心原理技术，提出了深部煤层原位瓦斯压力计算方法并形成其测定流程，构建了保压空间内瓦斯压力演化数值模型，对比理论与数值模拟结果验证方法的可靠性，进一步探究煤层不同原位瓦斯压力下保压空间内瓦斯压力演化规律。结果表明：保压空间中瓦斯压力示数并非煤层原位瓦斯压力，当保压空间中压力示数为0.3 MPa时，煤层原位瓦斯压力约0.38 MPa；保压空间中瓦斯压力平衡值越大，原位状态游离瓦斯占比越大，平衡后游离瓦斯质量占比也越大；随着保压空间中瓦斯由原位状态向新平衡态转换，游离瓦斯质量占比逐渐增加，吸附态瓦斯质量占比则相应减小；保压空间内瓦斯压力演化规律分为3个阶段，自取心完成后分别经历瓦斯压力快速增加、缓慢增加以及最终平衡阶段；基质内吸附态瓦斯压力缓慢衰减，游离态瓦斯压力快速衰减，保压空间内瓦斯压力先快速增加后趋于稳定最终达到压力平衡；煤心渗透率越大，保压空间中瓦斯压力达到平衡所需时间越短，但其保压空间中瓦斯压力最终平衡压力与煤心渗透率无关。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

212

40
温压荷载作用下深部原位保压取心控制器承压特性研究

作者(Author)：梁巍巍, 李聪, 刘贵康, 游镇西, 史晓军

摘要：深部原位保压取心是深部流态资源(煤层气、页岩气等)储量评估的重要途径，其密封性能与承压能力受温压影响显著。然而目前研究鲜有考虑深部原位环境(温度、压力)对保压控制器极限耐压能力与保压效果的影响。围绕保压控制器在深部环境下承压性能关键问题开展研究，进行保压控制器运动分析，开展304钢高温拉伸实验，获取其材料力学特性。基于自主研发的保压取心实验室模拟测试平台与数值仿真研究手段，模拟深部原位环境下保压控制器结构变形与应力分布特征，提出保压控制器失效控制策略。结果表明：(1)随着温度增加，304钢的屈服强度呈降低趋势，25、50、100、150、200℃条件下，其平均屈服强度分别约为556.42、536.26、513.22、511.00、489.88 MPa；(2)其失效内因在于阀盖等效应力集中于底面中部，阀盖结构变形以短轴两翼向内部收缩为主，导致密封接触压强降低，无法形成有效密封；(3)为了提高保压控制器的承压性能，建议通过优化材料性能(选取弹性模量大的材料)来降低保压控制器的变形，或在阀座内置限位结构来控制阀盖弱侧变形，促使保压控制器处于“越压越紧”的良性状态。相关研究可为深部原位保压取心控制器结构优化与能力增强提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

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