“矿井瓦斯防治利用战略研究与进展”专题

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“矿井瓦斯防治利用战略研究与进展”专题

来源：中国矿业大学学报

专题来自于《中国矿业大学学报》2023年06期，共10篇研究成果。

行业视野: 安全
类别; 43个
关键词; 48位
专家; 10篇
论文; 1306IP
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“矿井瓦斯防治利用战略研究与进展”专题——庆祝我国矿井瓦斯防治专家周世宁院士九十华诞

作者(Author)：何学秋, 林柏泉, 王恩元

摘要：<正>煤炭是我国主体能源,在国家主管部门的坚强领导下,矿井瓦斯灾害防治目前已取得了较大进展,有力地保障了我国煤矿安全生产。然而,随着煤炭开采逐渐向深部延伸,矿井瓦斯防治又面临着新的难题和挑战。为贯彻落实“双碳”规划重要指示精神和构建清洁高效的能源体系新发展目标,实现矿井瓦斯灾害科学防治和低碳高效利用,矿井瓦斯灾害防治领域的广大科技工作者使命光荣、责任重大。

中国矿业大学学报

2023年第06期

148
低透难抽煤层等离子体致裂增透机制及研究进展

作者(Author)：林柏泉, 张祥良

摘要：瓦斯抽采是实现灾害防治与瓦斯资源化利用的根本措施，但我国大多数煤层渗透率低、瓦斯吸附性强、抽采难.以物理放电为基础的等离子体技术，以其快速可控、洁净增渗等特性，在煤层增透领域受到高度关注，对提高瓦斯抽采效率与防治瓦斯灾害具有重要应用价值，但其增透机制尚不明确.本文在多年研究工作的基础上，从电破碎的角度出发，回顾了等离子体致裂低渗煤体的发展历程，并从等离子体对煤体微观官能团结构、孔隙结构以及宏观裂隙结构等多个角度出发，深入分析了等离子体击穿煤体的基础理论，并总结了等离子体对煤体内瓦斯的解吸及渗流的影响规律及其主要影响因素，结合笔者所在研究团队多年来的研究工作及国内外最新研究进展，指出了当前等离子体技术在低渗煤层应用中亟待解决的瓶颈问题和方向，并提出了等离子体技术结合其他增透技术联合使用的新思路，在面向深地瓦斯资源开发与灾害防治方面具有重要科学意义.

中国矿业大学学报

2023年第06期

139
煤岩张剪破裂震源模型与动裂隙参数定量反演及应用

作者(Author)：王恩元, 王笑然, 刘晓斐, 单天成, 李楠

摘要：受载煤岩动裂隙参数定量反演有助于从源头解译煤岩破裂“黑箱”过程及演化机制.为了解决实际工程中普遍存在的煤岩张拉、张剪破裂机制及动裂隙参数定量反演难题，本文从2类基本破裂的动力学特征出发，提出了针对煤岩动裂隙事件的广义张剪破裂震源表征模型，通过依次对动裂隙源产生、波传播到接收的全过程建模，提出了基于P波初始振幅的动裂隙参数定量反演新方法，并开展实验室和现场不同尺度煤岩破裂监测的实践应用.研究结果表明：在广义张剪破裂震源模型中，须满足动裂隙源表征张量中间特征值为零的约束条件，提出了采用Lagrangian乘子结合L-M算法的迭代求解方法，继而获取动裂隙源的张剪属性、破裂尺度、空间取向等破裂核心参数，新方法可适用于张拉、张剪和剪切破裂源反演，且反演结果物理意义明确、参数精度高；在煤岩断裂扩展过程中，利用新反演的破裂模式角及张剪体积分解表明微裂纹以张剪复合-张拉位移占优为主，动裂隙面取向与断裂扩展路径方向近乎平行，破裂运动方位主要沿最大主应力方向，故可以通过反演破裂源参数来获取应力场分布特征并预判主破断延伸方位；新方法也成功应用于煤矿现场矿震监测，反演获得矿震破裂源的破断面积、结构面取向及张剪属性等源头参数符合上覆岩层顶板张性断裂实际情况，且综合破裂源参数演化特征能更好地对大矿震超前预报，可以把破裂模式角降低、大震级张拉破裂事件频现、b值下降等作为大尺度顶板断裂的前兆规律.研究成果为工程岩体破裂演化定量反演分析提供了一种科学方法，对诱发地震机理、煤岩动力灾害监测等岩石破裂共性问题研究具有重要的理论意义和实践价值.

中国矿业大学学报

2023年第06期

129
基于修正压汞法的不同瓦斯含量煤样孔隙结构及分形特征研究

作者(Author)：郭勇义, 高亚斌, 曹敬, 张少奇, 李子文

摘要：近年来随着煤矿开采深度逐年增加，瓦斯灾害风险持续加剧.研究煤样孔隙结构特征，对矿井灾害防治具有重要意义.压汞法(MIP)是表征煤层孔隙结构的主要方法，但煤基质在高压下会出现显著的压缩现象，导致微、小孔难以得到准确描述.文章以山西省中北部矿井煤样为研究对象，提出一种规律校正法对MIP数据进行修正，结合分形分析，探讨了不同瓦斯含量煤样的孔隙结构及分形特征.研究结果表明：煤基质压缩系数Kc随着镜质组反射率R0,max的增加呈现三段式变化规律，修正后的MIP数据能够更准确地描述煤体孔隙结构；高突煤样以半开放性微、小孔为主，提供了80.64%和81.23%的孔隙比表面积和体积，丰富的比表面积更易于瓦斯积聚；煤样中、大孔分形维数D1和微、小孔分形维数D2随着R0,max的增大逐渐增加，且D1明显小于D2,说明随着煤样的变质程度增加，孔隙整体发育逐渐复杂，表面更加粗糙，且微、小孔内部结构相对简单，孔隙表面较为光滑；高突煤样和低瓦斯煤样的平均D1和D2分别为2.26,2.76和2.09,2.55,高突煤样内部各阶段孔隙更加发育，非均质性更强.

中国矿业大学学报

2023年第06期

114
煤层顶板分段水力压裂应力及裂缝演化试验研究

作者(Author)：胡千庭, 刘继川, 李全贵, 张跃兵, 宋明洋, 孙万杰, 宋继斌

摘要：煤层顶板分段水力压裂是碎软低渗煤层煤层气高效开发的有效技术，该技术应用的关键在于水力裂缝能否顺利从顶板穿层扩展至煤层并为煤层气运移提供通道.通过对煤岩组合体相似材料进行两段封孔开展了顶板分段水力压裂物理模拟试验.在试件中布置应变砖来监测两段压裂的应力时空演化全过程，获得了水力压裂裂缝附近诱导应力场特征，应用声发射技术监测水力裂缝的动态扩展过程，研究了在诱导应力影响下不同排量、不同顶板岩性、不同煤岩界面强度和不同地应力条件下的裂缝延伸形态.最后针对不同储层条件探讨了工艺参数优化方案.研究结果表明：起裂压力受岩石物理力学性质和应力环境的影响.起裂压力随着垂向地应力、泵注水压、岩体抗拉强度的增大出现上升的趋势.当裂缝扩展方向垂直于压裂钻孔时，第一段压裂产生的诱导应力会增加钻孔方向压应力从而导致第二段压裂起裂困难；当裂缝平行于钻孔方向扩展，第一段压裂裂缝会削弱第二段压裂孔附近岩体强度并降低起裂压力.3个影响因素对水力裂缝穿层扩展的影响机制不同.较大的垂向应力差能引导裂缝垂向扩展；较高的煤岩界面强度使得裂缝能够扩展穿过煤岩界面；提高泵注排量主要是增大了岩体的整体破坏范围，从而增加了裂缝扩展到煤层中的程度；压裂产生的诱导应力改变了原始地应力场，使裂缝扩展偏离垂直方向，并降低裂缝扩展程度从而减弱裂缝穿层扩展能力.对顶板分段水力压裂进行了工程探讨，较高的垂向地应力差和较强的煤岩界面强度是裂缝穿层扩展的最有利储层条件，较高的泵注排量和较低的诱导应力是控制裂缝穿层扩展最有利的施工工艺.

中国矿业大学学报

2023年第06期

136
煤岩破裂电磁辐射矢量特征规律

作者(Author)：韦梦菡, 何学秋, 宋大钊, 任廷祥, 邱黎明, 李振雷, 何生全

摘要：煤炭等资源的安全开采是保障我国能源安全的关键.随着开采强度和深度的不断增加，煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害严重威胁着煤炭安全高效开采.电磁辐射技术作为一种实时、非接触、前兆性强的地球物理监测方法，在煤岩动力灾害监测预警等方面发挥了重要作用.但当前电磁辐射理论与技术研究主要针对标量参数进行，忽略了电磁场本身包含的空间矢量特征.基于此，利用自主研发的三轴电磁天线，根据矢量合成原理研究了煤岩破裂产生的电磁辐射矢量特征规律.结果表明：煤岩破裂过程产生的三轴电磁信号在时域上具有明显差异性，而在频域上分布较为一致，可视为破裂产生的电磁场在3个方向上的分量，并且该矢量电磁场在试样周围呈非均匀分布状态；通过三轴电磁信号的方向性差异可表征电磁辐射矢量，其等效矢量方向与裂纹面方向表现出明显的相关性；煤岩破裂产生的矢量电磁场是多个微裂纹综合作用的结果，多频电磁信号可视为不同方向、不同频率的多个偶极子受迫振荡和阻尼振荡产生的电磁效应叠加；现场测试表明利用电磁辐射矢量特征规律可辅助判识断层区域和危险程度.研究结果有助于进一步揭示煤岩破裂全过程破裂性态的时空演化规律，为实现非接触、时空定位精细化的煤岩动力灾害监测预警奠定基础.

中国矿业大学学报

2023年第06期

129
含煤体系瓦斯水合物相平衡测定与分解热计算

作者(Author)：吴强, 韩慧明, 刘传海, 陈冉, 张保勇, 赵子琪, 王维维

摘要：随着煤矿开采深度的增加，煤与瓦斯突出事故频繁发生，采取有效措施预防煤与瓦斯突出灾害发生是国家煤炭能源战略所需.煤介质中瓦斯水合物相平衡值与分解热值是基于水合物法防治煤与瓦斯突出的重要参数.利用瓦斯气体水合物相平衡试验装置研究CH4水合物与CO2水合物在4种粒径(C1:0.425～0.850 mm, C2:0.250～<0.425 mm, C3:0.180～<0.250 mm, C4:0.150～<0.180 mm)煤介质中相平衡条件，得到4种粒径煤介质中CH4水合物与CO2水合物相平衡参数曲线，将其与Chen-Guo模型理论预测值比较，并基于Clausius-Clapeyron方程计算了CH4水合物与CO2水合物在4种粒径煤介质中的分解热.结果表明：4种粒径煤介质中瓦斯水合物相平衡条件存在一临界值，低于此临界值，相平衡热力学条件随着粒径的减小而趋于温和，高于此临界值，相平衡热力学条件随着粒径的减小变得更加苛刻；CH4水合物完全分解所需要的平均分解热随着煤介质粒径的减小而逐渐增加；除C1粒径外，CO2水合物完全分解所需要的平均分解热随着煤介质粒径的减小而逐渐增加，CO2水合物平均分解热均小于CH4水合物的平均分解热，CH4水合物在煤介质中的稳定性相比于CO2水合物更高，分析认为利用水合固化机理防治煤与瓦斯突出在富含CH4的煤层中应用效果更好.

中国矿业大学学报

2023年第06期

126
煤自燃大分子量气态产物生成规律研究

作者(Author)：李增华, 苗国栋

摘要：除了常见的煤自燃预报标志气体外，煤在低温氧化过程中会生成许多分子量相对较大的气态产物，这些尚未被人们关注的大分子量气态产物同样携带着能够反映煤自燃进程的关键信息.为了探究煤自燃过程中大分子量气态产物的生成规律，使用气相色谱分析技术对煤低温氧化和热解过程中生成的气态产物进行检测.结果表明：在煤的低温氧化和热解过程中共检测到19种大分子量气态产物，包括16种C4～C7烃类化合物和3种醛酮类化合物，绝大部分大分子量气态产物的体积分数随煤温升高表现出规律性的增长趋势；煤氧化过程中大分子量气态产物的生成量高于热解过程，且仅在煤的氧化过程中检测到了醛酮类气态产物，说明醛酮类气态产物仅来源于煤的氧化反应；煤自燃大分子量气态产物的初始出现温度能有效填补使用常规标志气体时存在的预报空白区间.采用原位红外光谱分析技术分析了煤氧化过程中活性基团的变化规律，发现烃类基团的含量在煤温达到110℃后表现出明显的减少趋势，而含氧官能团的含量在煤氧化前期增长缓慢，当温度达到150℃后其增长速率明显增大.使用灰色关联分析法分析了煤氧化过程中大分子量气态产物与活性基团之间的关联度，结合灰色关联分析结果探讨了不同类型的煤自燃大分子量气态产物的生成机理.

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2023年第06期

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