“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

原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响

作者(Author)：褚鹏, 尚德磊, 李建华, 马少明, 朱国栋, 崔鹏飞

摘要：基于保压取心工艺测定煤层瓦斯压力和含量，是实现瓦斯参数快速精准测定的有效方法。瓦斯是一种以甲烷为主的多组分混合气体，煤对于不同气体的吸附能力不同，混合气体中各组分气体分压也存在差异，不同气体组分占比将影响煤层瓦斯含量和压力的测算结果。为实现保压取心煤层原位瓦斯压力的精准测算，采用数值模拟和理论计算相结合，研究气体组分对瓦斯压力测算的影响。通过分析取心器内煤心瓦斯压力演化过程，将多组分气体吸附模型引入瓦斯运移理论，建立考虑多组分气体的双重介质瓦斯压力演化方程，并应用于数值仿真。模拟结果显示，煤心进入岩心筒后裂隙瓦斯压力初始先迅速下降而后逐渐上升，基质瓦斯压力一直缓慢下降，岩心筒内自由空间的瓦斯压力由初始0.1 MPa缓慢上升，数小时后3个压力平衡，平衡压力远小于煤心原始瓦斯压力；CO2组分对平衡瓦斯压力值的影响最大，当气体为纯CH4时平衡压力最小。同时，推导了考虑多组分气体的保压取心煤层原位瓦斯压力计算公式，根据设定的平衡压力反算煤层瓦斯压力，理论计算煤层瓦斯压力值与数值模拟数据的对比结果吻合较好，Pearson相关系数为99.89%；利用取心器平衡压力反算煤层瓦斯压力时，计算结果随CO2、CH4组分增加和N2组分减少而减小，气体为纯CH4时反算的煤层瓦斯压力值最小。利用保压取心测算煤层原位瓦斯压力时，若不考虑气体组分而以纯CH4计算，可能会低估煤层瓦斯压力值，尤其是煤层瓦斯压力较大且CO2气体组分占比高时，误差更大，为准确测算煤层瓦斯压力，应考虑瓦斯气体组分的影响。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

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深部煤矿保压取心保压控制器密封性能分析与结构优化

作者(Author)：王天宇, 李佳南, 张益玮, 李炬, 谢和平

摘要：保压控制器作为深部煤炭原位保压取心器的核心部件，其密封设计对保压取心效果有着决定性作用。为了获取最优的密封结构方案，本文建立了保压控制器密封结构二维轴对称非线性接触模型，通过正交试验分析不同凹槽设计、锥角选型及摩擦因数对密封性能的影响，并研究不同闭合阶段、介质压力下密封圈各应力变化情况。结果表明：1.9 mm凹槽深度的30°锥角保压控制器密封效果最优；摩擦因数对密封性能的影响较小，应根据实际情况选择尽可能小的摩擦因数；室内打压试验结果表明保压控制器在较小预紧力作用下即可形成密封，且其密封性能随密封压力的升高仍维持稳定，该自适应密封特性保证了其密封能力与工作稳定性。研究成果提高了深部煤矿保压保瓦斯取心器的密封可靠性，对实现深部煤矿瓦斯精准测定具有重要工程意义。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

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煤层地面井保压取心控制器闭合轨迹模型

作者(Author)：郭达, 张益玮, 王鼎铭, 方欣, 杨本高, 郭利花, 侯乐乐, 赵祥

摘要：传统煤层勘探方式采用开放式取心工具获取煤样，并通过理论估算的方式计算损失气。导致所测得的煤样含气量普遍偏低，严重制约煤层气开发利用，影响煤矿安全开采。为满足深部煤层勘探需要，创新设计了一款煤层地面井保压取心工具，工具总长6.7 m，单次可取保压煤心样品3 m。为提高深部煤层保压取心可靠性和成功率，构建了孔底液体环境下保压控制器闭合轨迹模型，并通过实验测试和理论推导获取了控制器触发弹片弹力转矩的变化曲线。为验证闭合轨迹模型的准确性，了解保压控制阀盖在钻井液环境下的翻转闭合过程，进行了保压控制器触发闭合室内实验。结果显示，实验所测得阀盖运行轨迹与理论计算结果的偏差小于5%，验证了模型的准确性。在此基础上，优化了煤层地面井保压取心工具内保压控制器触发系统，并在深度为30 m的试验井下，密度1.1 g/cm3、黏度60 s的膨润土基泥浆环境中进行了8次孔底抽拉触发实验，保压控制器均能稳定闭合，成功率为100%，并能保证压力在14 MPa时连续工作至少350 min无泄漏，证实了保压控制器触发系统的可靠性。本文所建立模型可以实现井下保压控制器运行轨迹预测，进而可以针对不同钻井液体系设计、优化触发系统，从而提高深部煤层保压取心成功率。

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2023年第08期

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基于分形理论的煤岩裂隙网络渗透率模型

作者(Author)：夏彬伟, 廖传斌, 罗亚飞, 冀凯楠

摘要：煤储层裂隙是煤层气渗流的主要通道，决定了煤储层的渗透性及煤层气产能，研究裂隙结构特征与煤储层渗透性的关系对准确预测煤层气产能具有重要理论及实践意义。基于经典立方定律渗透率模型，同时考虑分形理论、裂隙网络结构特征及有效应力，构建包含复杂弯曲裂隙特征的分形渗透率模型，将分形渗透率模型与S & D(Shi-Durucan)模型相结合，建立真三轴应力作用下的裂隙煤渗透率模型。开展真三轴应力条件下的气体渗流实验，将构建的渗透率模型与试验结果及S & D模型拟合数据对比，该渗透率模型与实验结果具有良好的一致性，能够体现出三向应力加载条件下应力对渗透率变化的影响趋势，与S & D模型相比更能反映煤岩渗透率的各向异性特征。基于该渗透率模型，定量分析了煤岩裂隙结构参数对其渗透率的影响。结果表明，煤岩渗透率与孔隙率$ phi $(0.05~0.41)、分形维数Df(2.37~2.81)、最大裂隙长度lmax(3.5~8.0 cm)、比例系数β(0.010~0.065)呈正幂律关系；与迂曲度分形维数DTf(2.005~2.275)，裂隙倾角θ(10°~80°)呈负幂律关系。研究成果对准确预测煤岩储层渗透率，揭示煤储层中煤层气的流动机理具有重要作用。

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2023年第08期

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千米深井解放层开采卸压机理及效果分析—以华丰煤矿为例

作者(Author)：高亚楠, 张垚, 张德飞, 张玉栋, 赵卫东, 蔚立元

摘要：解放层开采是煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿动力灾害防治的重要措施，以山东泰安千米深井华丰煤矿2613、2412工作面为背景，采用物理模拟与数值模拟相结合的方法，围绕解放层开采卸压机理、卸压效果评价等工程科学问题开展研究，明晰解放层开采后上覆岩层运动规律及矿压变化特征，厘清被解放层采动过程中采场应力与岩层位移演化规律，进而对解放层开采卸压效果和被解放层开采可行性进行指标化评价。结果表明：(1)解放层开采过程中，上覆岩层逐渐垮落形成漏斗状、非对称的多固支梁状结构，解放层开采结束后，采场左右两端分别形成对被解放层起永久性卸压保护的类悬臂梁结构，左右保护角分别为54°、60°。(2)解放层上覆岩层划分为“永久性卸压保护区”和“采空触矸压实区”，两种应力分布区对应解放层顶板应力最大值约20、36 MPa，对应被解放层内最大应力值约29、24 MPa，被解放层受两种应力区的叠加影响。(3)解放层开采结束后，工作面两端出现应力积聚，其他区域上覆岩层整体处于卸压状态，“采空触矸压实区”的持续发育已影响到被解放层，被解放层50~100 m区域沉降量约等于采高。(4)被解放开采过程中，覆岩板裂指数f为0.5，小于临界值0.7，不具有发生强矿压动力灾害的倾向，上覆岩层扰动范围较开采前变化极小，同时结合覆岩破坏形态，可知，被解放层开采始终处于解放层卸压范围内，解放层卸压充分，被解放层开采具有可行性。

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2023年第08期

238

88
基于分子模拟的表面活性剂对煤体的润湿机制探讨

作者(Author)：仝艳军, 杨尊东, 宋杰, 李永程, 刘依婷

摘要：随着煤矿开采深度和机械化程度的逐渐提高，瓦斯煤尘二次爆炸愈加严重，采用表面活性剂等化学抑尘剂可以有效抑制煤尘的产生及扩散，减少瓦斯煤尘爆炸。为探明非离子表面活性剂对疏水性煤尘的抑制机理，以典型深部(1 050 m)疏水性煤尘为研究对象，利用FT-IR、XRF、XRD等手段分析其基础物化特性，联合EA、XPS、13C NMR等测试技术分析并建立煤尘分子结构模型，通过建立分子模型考察水−表面活性剂−煤润湿吸附体系的平衡吸附构型、分子空间分布特征，设计实验测定表面活性剂吸附前后煤尘的表面自由能组成变化，验证并讨论表面活性剂在煤尘界面的润湿吸附机制。结果表明：表面活性剂可在疏水性煤尘表面形成有效定向吸附层(吸附层较紧密，对煤表面覆盖程度高)，通过表面活性剂疏水尾链覆盖煤尘表面疏水结构，亲水头基朝向水相，使得煤尘表面自由能极性分量增大，煤尘表面因此由疏水性向亲水性发生转变。研究结果可为煤矿开采中的高效抑尘处理提供理论指导和借鉴。

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2023年第08期

206

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脉冲超声波激励对煤的孔隙全尺度改造效应

作者(Author)：林海飞, 仇悦, 韩双泽, 高海东, 杨二豪, 王瑞哲, 严敏

摘要：为深入研究脉冲超声波激励对煤体孔隙结构的改造效应，利用含瓦斯煤体超声波激励实验系统，开展超声波功率800和1 000 W持续、交互脉冲下煤的超声波激励实验，综合低压CO2吸附、低温N2吸附和高压压汞等实验，研究煤的大孔(>50 nm)、介孔(2~50 nm)、微孔(

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煤田地质与勘探

2023年第08期

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断层带破碎岩体采动剪切变形与渗透性演化规律

作者(Author)：李樯, 马丹, 张吉雄, 刘勇, 侯文涛

摘要：为探索采动影响下的断层活化突水机理，开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统，实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程，开展多因素影响下的破碎岩体剪切−渗流耦合试验，获得连续剪切过程中颗粒级配和初始孔隙率对孔隙率和渗透性参量的影响规律。结果表明，连续剪切条件下，破碎岩体的渗透率和孔隙率变化过程大致相同，可分为3个阶段：缓慢增长阶段，破碎岩石颗粒由散乱状态向有序的组织结构调整；加速增长阶段，破碎岩石颗粒剪切膨胀；增速放缓阶段，破碎岩体颗粒的剪切变形在围压的约束下达到动态平衡。试样Talbot指数越小或初始孔隙率越大，渗透率和孔隙率敏感性越强，渗透率和孔隙率越大；非Darcy流β因子的演化规律与渗透率的演化规律相反。结合数值模拟发现，剪切作用下破碎岩体剪切带内岩石颗粒的运移是剪胀现象发生的主要原因，破碎岩体剪胀过程中颗粒的力链由随机分布向特定方向转化，表现为局部孔隙和孔喉的膨胀，是孔隙率和渗透率增加的主要原因。研究成果可为深部煤矿突水灾害机理揭示与灾害防治提供参考。

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