“难抽煤层瓦斯增流新技术”专题_中国煤炭行业知识服务平台

“难抽煤层瓦斯增流新技术”专题

2023年,《煤炭科学技术》“安全科学与工程”栏目共刊登论文50篇，涵盖了难抽煤层瓦斯增流新技术、煤与瓦斯突出机理及防治、矿井智能通风、矿井防灭火、矿井粉尘防治等领域。为了便于读者阅读，我们按专业对2023年“安全科学与工程”栏目文章进行细分、组织虚拟专题。本期为“难抽煤层瓦斯增流新技术”专题。共12篇文献。

行业视野: 安全
类别; 63个
关键词; 55位
专家; 12篇
论文; 3473IP
点击量; 2469次
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基于光纤光栅的煤层瓦斯钻孔塌孔位置表征试验研究

作者(Author)：张超, 程仁辉, 黄晓昇, 范富槐, 段晨烨

摘要：钻孔瓦斯抽采是解决瓦斯超限问题的重要手段，受地应力、钻进扰动等影响矿井瓦斯抽采钻孔易塌孔变形，严重影响瓦斯治理效果。针对煤层瓦斯抽采钻孔塌孔位置难以监测的问题，提出了一种基于光纤光栅智能传感技术的钻孔塌孔监测技术。首先从光纤光栅传感器应力监测理论出发阐述了光纤光栅钻孔塌孔监测原理，在此基础上构建了基于光纤光栅的塌孔表征实验平台，开展了不同塌落煤量下3种光栅布置方式（0°、90°、180°）的钻孔塌孔监测模拟试验，研究了光栅测量波长偏移量、抽采流量随塌落煤量的变化规律，划分了钻孔塌孔等级。结果表明：光栅测点位于基体材料下方布置方式的塌孔监测准确度最高，此时中心波长偏移量Δλ与塌落煤量m的关系为$ m = 3.017Delta lambda $，抽采流量Q与波长偏移量Δλ的关系为$ Q = 8.72E{{ - }}7{{{x}}^{{3}}}{{ + 2}}{{.30}}E{{ - }}4{{{x}}^{{2}}}{{ - 0}}{{.18x + 30}} $。以抽采流量衰减率为塌孔评判标准划分三级塌孔标准：Ⅰ级塌孔抽采流量衰减至90%，Ⅱ级塌孔抽采流量从90%衰减至50%，Ⅲ级塌孔抽采流量衰减至50%以下。最后，通过在潞安集团漳村煤矿2802工作面的现场试验验证了光纤光栅塌孔监测技术的有效性，发现钻孔30 d后塌孔位置分布与钻孔打钻完成后的初期期情况相近；在现场试验中，基于所提出的塌孔监测技术成功定位并修复了5个钻孔，修复后钻孔瓦斯抽采纯量较未修复前提升了37.79%。

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煤炭科学技术

2023年第11期

381

139
液氮冻结含水煤体能量耗散动态变化规律的试验研究

作者(Author)：林海飞, 罗荣卫, 李博涛, 秦雷, 王裴, 刘思博, 杨二豪

摘要：为研究液氮冻结含水煤体过程能量动态变化规律，利用自主研发的液氮冻结煤体全过程声发射试验系统，分析了不同含水率煤体液氮冻结全过程的声发射能量耗散特征及变化规律。结果表明：液氮冻结煤体过程中声发射能量在时间域上，分为陡增期、波动期、平静期，能量一次、二次峰值均与含水率呈正线性关系，含水率5.96%煤体能量一次、二次峰值是干燥煤体的1.66、2.26倍；液氮冻结煤体累计能量与时间关系分为陡增、缓慢增长及稳定等3个阶段，累计能量与含水率呈正线性关系，含水率5.96%煤体是干燥煤体的2.88倍；不同含水率煤体幅值绝大部分集中在40～50 dB之间，占比为94.39%～99.11%，且随着煤体含水率的增加呈线性减小；液氮冻结煤体声发射振铃计数时间序列存在混沌分形特征，陡增阶段、缓慢增长阶段、稳定阶段的关联维数分别与含水率呈正指数、正线性、正线性相关，含水率5.96%煤体陡增阶段关联维数分别是缓慢增长阶段、稳定阶段的2.00、5.78倍；液氮冻结煤体产生裂隙类型以拉伸裂隙为主，其占比随含水率增加呈负指数减小，剪切裂隙占比随含水率增加呈正线性增大。煤体水分增加，增大了液氮冻结过程中水−冰相变产生的冻胀力，能量耗散增加，促使孔裂隙发育，可通过声发射能量反演。

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煤炭科学技术

2023年第10期

159

84
航天固体推进剂对煤储层致裂增透试验研究

作者(Author)：李军军, 余梦飞, 李国富, 王争, 龚健, 高军科

摘要：高瓦斯低渗透性的煤储层严重制约煤炭和煤层气的高效生产，必须对煤储层进行致裂增透。航天固体推进剂爆燃能够产生大量的高能气体冲击煤储层，可以达到致裂增透煤储层的目的。为研究航天固体推进剂致裂煤体特性，首先以民用航天固体推进剂配方为基底，研发了一种用于煤储层致裂增透的固体推进剂，并对其性能、感度、耐压和耐温性能进行了测试，然后采用模拟煤样开展了航天固体推进剂致裂试验，并对试验过程中的孔壁压力和模拟煤样内应变进行了监测，最后根据试验结果分析了模拟煤样的破坏特征。结果表明：航天固体推进剂性能良好，具备防水、耐压和不产生CO等优点，能够适应煤矿井下的环境。试验过程中孔壁压力时程曲线呈现急速升压阶段、缓慢升压阶段和非线性降压阶段，孔壁压力上升时间约为18 ms；孔内压力峰值较低且分布不均匀，孔中压力峰值为118.1 MPa，孔底压力峰值为85.3 MPa。航天固体推进剂致裂过程中，模拟煤样内产生的应力波由压缩相和拉伸相组成，应力波强度较低、持续时间长并且随距离的增大衰减缓慢。航天固体推进剂致裂煤储层以高能气体的准静态作用为主，应力波能量的利用率较高。研究结果为航天固体推进剂在煤层气开采领域的应用提供了参考。

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煤炭科学技术

2023年第09期

206

157
应力作用下含水煤岩渗透率及水膜动态演化机制

作者(Author)：段淑蕾, 李波波, 成巧耘, 宋浩晟

摘要：为探究应力−吸附−水与滑脱效应多因素综合作用下煤岩渗透率演化机制，考虑应力−吸附诱导煤岩变形的影响，修正水膜厚度表达式，并分析煤岩孔隙的动态变化。基于此，进一步量化含水煤岩气体滑脱效应的强度，建立考虑应力−吸附−水与滑脱效应多因素综合作用的煤岩渗透率模型。此外，结合煤岩渗透率试验研究，通过试验数据验证渗透率模型的可靠性，以揭示应力−吸附−水多因素综合作用下煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子的演化机制。研究结果表明：同一含水饱和度条件下，煤岩渗透率随有效应力增大先急剧减小后趋于平缓；同一有效应力条件下，煤岩渗透率随含水饱和度增大逐渐减小。水膜厚度在应力−吸附−水作用下动态变化，水膜厚度与应力、吸附呈负相关趋势，而与含水饱和度呈正相关趋势；随含水饱和度增大，滑脱因子逐渐增大，但在低应力条件下，增大趋势平缓，高应力条件下增大趋势急剧。此外，基于气−液−固表面分离压，推导应力−吸附作用下正方形、正三角形内动态水膜表达式，并分析不同几何形态孔隙的煤岩渗透率、动态水膜及滑脱因子演化机制的差异。其中，因角孔存在，不同几何形态孔隙内水膜厚度从大至小排序为圆形、正方形、正三角形，煤岩渗透率排序与其相反；圆形孔隙内滑脱因子较含角孔隙更大，而正方形与正三角形孔隙内滑脱因子差异较小。

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煤炭科学技术

2023年第06期

256

144
液氮致裂时间对煤样力学性能、渗透性与致裂机理的影响

作者(Author)：王菁瑞, 赵耀江, 李雨成, 王浩, 王江涛, 张慧娟

摘要：为研究液氮致裂时间对煤样的力学性能和渗透率的影响，利用自主研发的WYS-800三轴瓦斯渗流试验装置及声发射检测系统，对4组不同液氮致裂时间处理的煤样分别进行三轴力学渗流试验并采集声发射信号，对三轴力学渗流试验中各组煤样的力学性能、渗透率的变化进行了分析，描述了声发射信号的特征；根据沸腾换热理论、一维圆柱导热理论、热应力理论分析了致裂机理，计算了不同致裂时间下产生的热应力，通过数据拟合揭示了平均温度降、平均热应力、初始渗透率与致裂时间的关系。研究结果表明：①液氮致裂时间对煤样的力学性能产生不同影响，抗压强度和弹性模量随致裂时间的增加呈现先减小后增大的趋势，泊松比则呈现先增大后减小的趋势，煤样三轴加载时轴向应力-轴向应变曲线的阶段性演化具有明显差异，与力学参数的改变相关。②不同液氮致裂时间煤样在三轴加载过程中的渗透率均呈U型变化，煤样的初始渗透率、最小渗透率、试验测得最大渗透率随致裂时间的增加而增大，致裂30 min时增幅分别为119.05%、437.5%、146.49%；声发射信号在压密和弹性阶段不活跃，主要产生于屈服阶段和破坏阶段，致裂后煤样的声发射振铃计数峰值产生于破坏点附近，均大于20000次。③煤样与液氮之间的膜态沸腾换热系数为570.4 W/(m2·K)，煤样平均温度降与致裂时间相关，对平均热应力和初始渗透率起主导作用，致裂30 min时煤样内部产生的平均温度降可达213.63 K，平均热应力可达5.850 MPa。④液氮处理后煤样的初始渗透率与平均温度降之间呈线性关系，与致裂时间呈负指数分布关系。改变参数取值，可推广至其他类似处理的煤样或实际生产评估。

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煤炭科学技术

2023年第06期

257

128
不同冷热交替周期影响煤岩损伤规律研究

作者(Author)：李和万, 孙思洋, 王来贵, 刘戬, 张子恒

摘要：温度是影响煤岩物理性质的重要因素，而煤岩作为固体介质存在着热胀冷缩的性质，冷热交替会使煤岩因形变发生不可逆损伤，最终导致煤岩原生裂隙结构损伤破坏。为了研究不同冷热交替周期对煤岩损伤的影响规律,选用辽宁省阜新地区长焰煤制成尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的正方体试件，采用在低温保存箱(−15 ℃)和室温(20 ℃)内往复切换施加温度载荷的研究方法,测定试验前后煤样各力学参数和煤样表面维度，进而揭示煤样裂隙结构随冷热交替周期循环的扩展规律以及损伤机理。研究结果表明：①冷热交替作用下煤样裂隙膨胀扩展，且煤样表面裂隙扩展量、扩展率均随冷热交替周期的循环逐渐增大。②煤样在多周期温度载荷作用下力学性能减弱,损伤破坏严重，且煤样抗压强度随冷热交替周期的循环逐渐减小。③利用ABAQUS软件建立煤样结构损伤力学模型,模拟计算结果与试验结果吻合度较高。煤样整体结构损伤程度加剧，表明冷热交替作用是煤样结构损伤的重要因素。

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煤炭科学技术

2023年第06期

223

162
水力压裂煤裂隙网络表征与造缝性能评估试验研究

作者(Author)：蒋长宝, 付银兰, 王光淇

摘要：煤裂隙网络的准确表征可以有效评估深部煤层经水力压裂后的压裂效果，为了定量评估煤层经水力压裂后的复杂程度，利用自制的真三轴试验系统进行了煤的水力压裂试验，结合CT扫描，重建了具有拓扑结构的孔裂隙网络，用分形理论和拓扑学定量表征了断裂网络的复杂程度。探究了在真三轴应力条件下，中间主应力对裂缝网络复杂程度的影响。结果表明：压裂后煤样的二维分形维数变化率K为1.03%~7.10%，三维分形维数的变化率为3.50%~9.18%，经过水力压裂后煤样的二维和三维分形维数均显著增大。基于分形理论和拓扑学的方法能有效表征水力压裂的裂缝结构和造缝能力。压裂后煤样的二维拓扑参数为1.18~1.52，与压裂前后煤样的二维分形维数变化率呈正相关关系，二维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大逐渐减小。重构的内部结构和裂缝分布表明，压裂后的三维分形维数比二维分形维数更具优势，压裂后煤样的三维拓扑参数为1.82~1.93，随着三维分形维数变化率的增加而增大，三维分形维数变化率的增加速率随着拓扑参数的增大而增大。中间主应力对煤层的造缝能力存在积极影响。水力压裂前后的分形维数和拓扑参数都随着中间主应力的增大而增大，即随着中间主应力的增大而增大，产生的裂缝网络更复杂，连通性更好，水力压裂的造缝能力更强。

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煤炭科学技术

2023年第06期

291

167
液氮冷浸前后煤体的微观结构精细化表征方法研究

作者(Author)：刘淑敏, 李学龙, 王登科

摘要：随着煤层增透技术的发展，液氮冷浸致裂煤体促进瓦斯抽采的研究取得了广泛关注。为研究液氮冷浸对不同煤质煤体微观结构的改造效果，分别采用电镜扫描仪、压汞仪和低温氮吸附仪对液氮冷浸前后不同煤质煤样（贫煤、肥煤和无烟煤）的微观结构进行了联合表征，对比分析了液氮冷浸对不同煤质煤样孔体积、比表面积分布情况的影响。结果表明：液氮冷浸煤体产生的热应力大于煤的抗拉强度，导致煤的微结构破坏，出现微裂隙萌生或颗粒脱落等现象，显著增加煤的透气性；液氮冷浸后不同煤质煤样的总孔体积和比表面积均增大，肥煤总孔体积增长率最小，其次是无烟煤，贫煤总孔体积增长率最大；液氮冷浸促使煤样内部微孔、小孔、中孔及宏孔/裂隙的孔体积均增大，促使煤样内部大孔贯通形成宏孔/裂隙，导致大孔的孔体积减少；液氮冷浸后各煤样的孔比表面积均集中分布在10 ~ 100 nm，并有明显的峰值特征；液氮冷浸促使贫煤、肥煤和无烟煤煤样的吸附量增大，且处于中高压区(0.4 < p/p0 < 1.0)时吸附量差值最大；液氮冷浸能够有效改造不同煤质煤样的内部孔隙结构，研究结果有利于揭示液氮致裂过程中煤储层宏观及微观孔裂隙的空间扩展与连通规律。

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煤炭科学技术

2023年第05期

233

105