《煤炭科学技术》“煤与瓦斯共采理论与技术” | 虚拟专题

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《煤炭科学技术》“煤与瓦斯共采理论与技术” | 虚拟专题

来源：煤炭科学技术

本专题收录了《煤炭科学技术》2023年至今发表的“煤与瓦斯共采理论与技术”领域的部分文章，希望推进我国煤矿煤与瓦斯共采前沿研究，为煤与瓦斯共采提供关键信息。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 40个
关键词; 40位
专家; 8篇
论文; 1331IP
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特厚煤层开采卸压瓦斯储集区演化特征分析及工程应用

作者(Author)：林海飞, 王旭, 徐培耘, 孔祥国, 双海清, 赵鹏翔

摘要：为研究特厚煤层开采卸压瓦斯储集区动态演化规律，采用3DEC 数值模拟软件，分析了采动覆岩应力及位移分布规律，研究了卸压瓦斯储集区演化特征，提出了卸压瓦斯储集区位置判别方法，并在试验工作面高位钻孔瓦斯抽采进行了实践。结果表明：特厚煤层开采后，覆岩垮落带高度49.5 m，裂隙带高度104 m。工作面侧卸压区范围内关键层失稳后，其下方形成卸压瓦斯储集区。卸压瓦斯储集区划分为3 类：①关键层处于弯曲下沉带，其下方形成高位储集区；②关键层处于裂隙带，砌体梁下方形成中位储集区；③关键层处于垮落带，悬臂梁下方形成低位储集区。储集区形态及面积与其上方控制关键层状态密切相关，控制关键层破断前，面积持续上升，低位储集区形态呈矩形，中位和高位储集区形态呈半椭圆形，拓展至三维形态呈矩形截面环体和椭圆截面半椭球体；破断后面积快速下降，之后随覆岩来压呈现周期性变化，低位储集区形态呈梯形，中位储集区形态呈三角形，高位储集区形态呈半椭圆形，拓展至三维形态呈矩形截面环体、三角形截面环体和椭圆截面半椭球体。现场将高位钻孔的终孔位置布置在中位储集区范围，进行了抽采验证，单孔最大抽采浓度34.5%，平均抽采浓度16.8%，抽采后上隅角瓦斯体积分数0.55%，瓦斯抽采效果良好，说明据此方法布置高位钻孔具有合理性。

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煤炭科学技术

2023年第02期

337

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地面井分区式瓦斯抽采技术体系及工程实践

作者(Author)：李延河

摘要：为有效减少煤层瓦斯含量，实现瓦斯资源的高效利用并降低井下瓦斯治理难度，结合首山一矿现场地质特征，构建了地面井分区式瓦斯抽采技术，旨在实现矿区瓦斯治理体系化。基于采矿活动的时空分布特征，将井田划分为未采区、采动区和采空区，分区建立不同地面井进行瓦斯抽采，实现瓦斯治理向瓦斯利用并重转变。体系化瓦斯治理技术包括地面井井位科学布置、井身结构及施工设计、未采区储层压裂增透和排采与集输工程4部分。综合考虑空间层位、煤层特征、地面位置、煤层回采和瓦斯赋存条件进行地面井井位选取。在采动区，基于煤层回采后垮落带和裂隙带高度，设计采动区直井和L型井井底层位分别位于裂隙带中上部，借助本煤层回采的卸压效果，实现区域内多煤层瓦斯高效抽采。设计了未采区L型井井身、采动区直井井身、采动区L型井井身和采空区直井井身。对未采区煤层进行水力压裂实现煤层增透，选用定向射孔+泵送桥塞式光套管压裂的复合压裂工艺进行煤层压裂，采用深穿透加强弹进行射孔作业，支撑剂采用0.841/0.42 mm石英砂。在首山一矿进行地面井分区式瓦斯抽采技术工程实践，统计了矿区内不同类型地面井瓦斯抽采情况，结果显示：采动区地面井单井瓦斯日产量最高可超过4万m3，单井累计瓦斯抽采量高达259.7万m3，井田区域内目前在抽钻井11口，累计抽采量高达1 425.2万m3。现场效果检验表明实施地面井分区式瓦斯抽采技术可实现瓦斯的高效抽采，形成了“采一层治多层”的瓦斯治理模式。

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煤炭科学技术

2023年第03期

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倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区辨识及抽采关键技术

作者(Author)：李树刚, 刘李东, 赵鹏翔, 林海飞, 卓日升

摘要：为了研究倾斜厚煤层卸压瓦斯靶向区演化规律的煤层倾角效应，运用物理相似模拟试验及理论分析相结合的研究方法，开展不同煤层倾角条件下采动覆岩卸压瓦斯靶向区裂隙演化规律的研究，得到了靶向区破断裂隙宽度、离层裂隙面积占比以及裂隙分形维数随煤层倾角变化的演化规律，进而建立了靶向区演化煤层倾角效应模型。结果表明：破断裂隙宽度呈现采空区两侧边界区域大于中部，低层位大于高层位的分布特征，同时破断裂隙宽度受铰接梁影响较强，随着煤层倾角的增大(0°

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煤炭科学技术

2023年第08期

226

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双碳战略中煤气共采技术发展路径的思考

作者(Author)：李树刚, 张静非, 林海飞, 丁洋, 白杨, 周雨璇, 朱冰, 戴政

摘要：自提出“双碳”目标以来，我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期。煤炭作为兜底能源的地位短期内不会改变，能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的核心即为CH4−CO2协同减排。在精准分析碳达峰、碳中和阶段煤矿CH4−CO2双重碳减排面临挑战的基础上，明确了双碳战略中煤气共采技术发展需结合现状需求−技术攻关−政策驱动的核心原则，制定了双碳战略中煤气共采技术的发展路径，论述了其中的关键技术问题。碳达峰阶段，CH4减排以排放源管控为基础视角，核心为瓦斯抽采−利用全周期碳减排关键技术，包含瓦斯富集区靶向精准抽采技术、低渗煤层增透及注气驱替增流抽采技术、关闭矿井瓦斯逃逸通道封堵减碳技术、瓦斯富集−提浓−利用一体化技术，目的是大幅提升高浓度瓦斯抽采−利用效率，减少低浓度及通风瓦斯碳排放；CO2减排以“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术为核心，包含煤层CO2封存、工业固废采空区充填协同CO2地质封存、煤矿碳封存区域土壤−地表−大气异常监测及生态碳汇技术，进一步吸纳烟道气或纯CO2排放。碳中和阶段核心任务是实现CH4−CO2（近）零碳排放，CO2减排应当由技术攻关示范工程转变为规模化应用阶段，并建立全生命周期煤矿CH4−CO2排放智能监测及动态管控技术体系，实现监测管控技术手段与碳排放环节深度匹配、碳排放监测管控云平台与煤矿全局监控系统深度对接。最后对未来煤气共采体系绿色低碳发展提出了自身见解与思考：①继续深化“高效精准抽采+全浓度梯级利用”煤矿CH4零排放技术模式；②持续攻关“CO2工程封存+生态碳汇”CO2零排放技术体系；③积极探索煤矿“零碳智慧园区”综合解决方案，形成激励和倒逼并重的煤矿碳减排政策支持体系。

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煤炭科学技术

2024年第01期

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采空区下伏煤层水力压裂试验研究与应用

作者(Author)：陆泳鑫, 胡胜勇, 李国富, 武玺, 路佳旗, 杨育涛, 张村, 苏燕

摘要：采空区下伏煤层气资源储量丰富，长期未能有效开发。水力压裂技术是一种提高煤层气采收率的有效手段，上覆煤层的开采与重新压实会直接影响采空区下伏煤层水力裂缝的扩展行为。通过大尺寸(300 mm×300 mm×300 mm)真三轴水力压裂试验，分析了不同加卸载应力扰动程度下煤体的力学与声发射响应特征，提出了表征煤体损伤程度的损伤变量$T$,明晰了损伤与水力裂缝起裂与扩展规律之间的关系。结果表明：采空区下伏煤体垂向应力加载阶段引起的损伤显著大于卸载阶段，垂向加载应力不超过11 MPa时，煤体处于弹性阶段，损伤极少；加载至11～15 MPa，处于屈服阶段，损伤大幅增加；加载至15～18 MPa，处于强化阶段，煤体孔裂隙逐渐被压实。损伤变量$T$可以有效表征煤体内部损伤程度，Tc为煤体未经过加卸应力扰动时的损伤变量。$T = {T_{mathrm{c}}}$时，煤体内部的损伤程度与未经过加卸载应力扰动的煤体损伤程度相当；$ T>{T}_{{mathrm{c}}} $时，煤体呈应力损伤态，$T$越大，损伤程度越高；$ T<{T}_{{mathrm{c}}} $时，煤体呈应力压实态，$T$越小，压实程度越高。煤体应力损伤程度与破裂压力呈负相关，高损伤程度使得煤体更容易破裂，井筒近端容易形成主水力裂缝，有利于开展水力压裂。煤体的压实程度与破裂压力呈正相关，高压实程度使得水平应力差对水力裂缝扩展的影响减弱，井筒近端水力裂缝发育，不易形成主水力裂缝，阻碍水力压裂开展。基于研究成果制定了采空区下伏煤层水力压裂施工方案优化原则并在现场应用，优化后的方案水力压裂造缝能力显著提高。

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煤炭科学技术

2024年第04期

127

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高位定向长钻孔水力输送对接筛管护孔技术研究

作者(Author)：张金宝

摘要：保障高位定向长钻孔在工作面回采过程中的稳定抽采是实现“以孔代巷”的前提，而采用筛管完孔是维持钻孔稳定的有效护孔措施。为了实现高位定向长钻孔全孔段筛管护孔的工程应用，开发了钻孔内水力输送分组筛管自主对接完孔工艺技术，配套研制了ø95 mm筛管悬挂装置、ø95 mm玻璃钢筛管、ø100 mm封堵短节、ø140 mm钻头通水堵头以及ø95 mm分组筛管对接装置，并在皖北矿区两个煤矿的不同工作面顶板高位钻孔进行了水力输送分组筛管完孔现场试验。试验结果表明：玻璃钢筛管质量轻推送阻力小，可在倾角17°～26°的钻孔内人工连接长100 mø95 mm玻璃钢分组筛管，分组筛管输送过程中水压为1.0～1.5 MPa，输送到位时水压降为0.5 MPa以下，在泵量200～390 L/min下，分组筛管水力平均输送速度可达150～260 m/min，试验期间分组筛管输送到位时泵压变化明显，前后两组筛管对接可靠，可有效实现到位报信，成功实现ø153 mm高位定向钻孔内ø95 mm筛管的全孔段护孔，2个钻孔的筛管水力输送试验深度分别达到501、522 m，工作面回采120 d累计抽采瓦斯纯量分别为139 945、176 139 m3。钻孔内水力输送对接筛管护孔技术为高位定向长钻孔全孔段大直径筛管护孔提供了可实现的技术解决方案，有助于保障高位定向长钻孔的瓦斯抽采效果，为煤矿井下“以孔代巷”的瓦斯治理模式革新提供技术支撑。

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煤炭科学技术

2024年第04期

105

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顶板水平井分段分簇压裂治理掘进巷道瓦斯模式研究

作者(Author)：王博, 侯恩科, 马良, 孙四清, 杜新峰, 杨建超, 王正喜, 单元伟

摘要：为了解决淮南矿区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯抽采效率低的问题，提出了煤层顶板水平井分段分簇压裂瓦斯治理模式。运用数值模拟方法和物理相似模拟方法研究了煤层顶板水平井水力压裂裂缝扩展过程；运用产能模拟的方法研究了分段分簇压裂的产气效果，对分簇压裂和不分簇压裂进行了剩余瓦斯含量对比分析。裂缝扩展数值模拟结果表明：煤层顶板水平井内的裂缝能够扩展至煤层，将煤层全部压开，且由于煤层的塑性大于顶板砂质泥岩，煤层形成比顶板更为宽泛的压裂缝。裂缝扩展物理相似模拟结果表明：在考虑了泥岩伪顶发育的条件下，水平钻孔布置在碎软煤层顶板的砂岩内,在合理的垂直距离和大排量压裂液施工的环境下，若煤层发育有较薄的泥岩伪顶，裂缝能沿着射孔孔眼穿过直接顶−伪顶界面（粉砂岩−泥岩界面）和伪顶−煤层界面（泥岩−煤层界面），扩展至下伏煤层内，裂缝延伸形成1条弯曲不规则的阶梯型裂缝，能实现对碎软煤层的压裂改造目标。但是，当煤层发育有较厚的泥岩伪顶时，泥岩对水力压裂产生了阻挡作用，导致裂缝难以压开下伏煤层。产能模拟结果表明：在相同的地层环境和施工条件下，经过3 a的抽采，单段不分簇压裂能够产生更大的瓦斯抽采影响范围，但不能均匀降低掘进巷道的瓦斯含量，压裂段之间出现了瓦斯抽采空白带，分簇压裂产生的瓦斯抽采影响范围小，却能够更均匀的降低掘进巷道的瓦斯含量。经过在淮南地区潘谢煤矿的工程验证，在10 m3/min的施工排量下，裂缝长度最长可以达到193.8 m，最大缝高27.0 m，单井日产气量最高达到1 490 m3/d，2 a的瓦斯抽采量达到31×104 m3,说明煤层顶板水平井分段分簇压裂技术是淮南地区碎软低渗煤层掘进巷道瓦斯高效抽采的有效模式。

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煤炭科学技术

2024年第05期

129

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深部高瓦斯煤层爆破致裂增透裂纹扩展规律研究

作者(Author)：张鑫, 刘泽功, 张健玉, 傅师贵, 乔国栋, 杨帅, 常帅

摘要：针对深部高瓦斯煤层在地应力作用下爆破增透时裂纹扩展规律尚不明确的问题，首先根据爆破应力波的传播和叠加，从理论上分析了地应力和爆破荷载耦合作用下炮孔周围的应力分布规律；然后通过室内试验研究了不同地应力条件下单孔爆破裂纹扩展特征，在此基础上，对不同侧压系数下双孔爆破裂纹扩展机理以及贯通过程进行数值模拟研究，并结合ImageJ图像识别软件和LS-PrePost软件，以裂纹密度和扩展长度为量化指标表征地应力对裂纹发育程度的影响；最后根据室内试验和数值模拟研究结果，给出考虑地应力影响下的煤层爆破致裂增透爆破孔布置方案建议。单孔爆破室内试验结果表明：地应力可以减小爆破荷载引起的拉应力，从而抑制裂纹扩展；在非静水地应力条件下，与较大主应力方向正交的拉应力受到削弱，导致该方向的裂纹扩展受到抑制，使裂纹优先向高应力方向扩展；双孔爆破数值模拟研究结果表明：侧压系数不为1时，爆生裂纹扩展呈现出方向性，主裂纹倾向于向较高地应力方向扩展，造成爆破裂纹区域呈椭圆形，长轴和较大地应力方向一致。根据室内试验和数值计算结果，在深部煤层进行爆破致裂增透时，宜沿较大地应力方向钻孔，有利于提高爆破致裂增透效果。研究成果对深部高瓦斯煤层爆破增透时了解裂纹扩展机理以及优化炮孔布置方案具有指导意义。

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煤炭科学技术

2024年第07期

92

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