《煤炭科学技术》“煤与瓦斯突出机理及防治” | 虚拟专题

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《煤炭科学技术》“煤与瓦斯突出机理及防治” | 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“煤与瓦斯突出机理及防治”领域的部分文章，希望推进我国煤矿煤与瓦斯突出治理前沿研究，为煤与瓦斯突出治理提供关键信息。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 55个
关键词; 59位
专家; 12篇
论文; 1904IP
点击量; 809次
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平顶山矿区深部动力灾害防治与资源绿色开采

作者(Author)：张建国, 王满, 张国川, 杨国和, 张晋京, 牛泽华

摘要：中国平煤神马集团开采的平顶山矿区是我国煤矿深部开采的典型代表，历经70 a的发展，集团始终坚持以科技力量引领生产，以技术装备保障安全，对瓦斯的认识不断深化，走过了“被动防、主动治、绿色用”三大阶段，动力灾害监测预警技术能够超前研判灾害发生概率，预测不发生动力灾害准确率达到100%，发生动力灾害准确率达80%，使瓦斯灾害可防可控；低渗煤层瓦斯的高效增透抽采技术使瓦斯治理周期由24个月缩至8个月，吨煤瓦斯治理成本降低了60%；瓦斯“抽采—发电—制冷”一体化绿色开发利用技术有效降低巷道温度5～10℃，瓦斯抽采浓度提升到50%，保障了矿井冬季取暖和夏季制冷，日均节省用电消耗6万kW·h，既消除了瓦斯威胁，使矿井瓦斯变害为宝，又保障国家煤炭供应安全，符合“双碳”目标的发展需求。未来，集团将以深部动力灾害的防治为基础，积极推进煤炭转型绿色利用，构建以炼焦煤资源安全开采、高效分选、绿色转化的产业化道路，推进企业快速转型升级，打造领跑行业的科研创新平台，保障国家能源供应安全、紧跟社会经济发展步伐。

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煤炭科学技术

2023年第01期

267

296
中低阶煤官能团对煤润湿性影响试验研究

作者(Author)：严敏, 岳敏, 林海飞, 闫冬洁, 魏嘉宁, 秦雪燕, 张瑾

摘要：煤层注水可有效抑制煤矿开采过程中瓦斯大量涌出，其抑制效果主要取决于煤层的润湿特性。煤的化学结构是影响煤体润湿性的重要因素之一，为研究中低阶煤体官能团与其润湿性之间关系，对典型中低阶煤样进行煤质特征分析，采用Nicolet iN10 傅里叶变换显微红外光谱仪得到煤样官能团参数。以去离子水在煤表面固−液−气交界处接触角的大小来表征煤体润湿性强弱，采用JC2000D接触角测量仪得到煤样接触角大小；Zeta电位可反映煤样润湿性和煤表面官能团电离程度，以此建立煤样亲水性官能团(羟基官能团、其他含氧官能团)与接触角、Zeta电位的关系。试验结果表明：随着煤变质程度增加，煤样亲水性官能团强度逐渐减小，中阶煤亲水性官能团峰高较低阶煤降低0.13，吸收峰面积减小58.91；亲水性官能团与煤样接触角为负相关关系，即随着亲水性官能团吸收峰强度增大其接触角逐渐减小，从中阶煤艾维尔沟煤样到低阶煤屯堡煤样，接触角减小8.27°；亲水性官能团与煤样Zeta电位呈一阶指数衰减函数关系，其相关系数高达0.95以上，即随着亲水性官能团吸收峰面积增大其Zeta电位绝对值逐渐增大，煤样表面负电性强，煤体亲水性好。其中，羟基官能团对煤润湿性影响较大，自缔合羟基形成的氢键是主要影响煤体润湿的因素；其他含氧官能团中的羧基、醚键等亲水性官能团在分子间作用力下与水分子结合，表现出较强的活力，提高了煤体亲水性。

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煤炭科学技术

2023年第05期

177

75
高地应力条件煤与瓦斯突出冲击力演化规律研究

作者(Author)：唐巨鹏, 任凌冉, 潘一山, 张昕, 余泓浩

摘要：随着开采深度和强度增加，煤与瓦斯突出动力灾害频发，冲击力致灾机制成为目前研究的主要方向。为进一步揭示高地应力条件煤与瓦斯突出冲击力演化规律及破坏机制，采用自主研发的煤与瓦斯突出全过程模拟巷道系统，引入冲击力和声发射监测技术，以45%CO2和55%N2混合气体压力模拟煤层瓦斯压力，以轴压模拟上覆岩层应力作用，围压模拟围岩应力作用，以平煤十一矿突出煤层为研究对象，考虑埋深为600、800、1 000、1 200、1 400和1 600 m的地应力条件，进行了煤与瓦斯突出模拟试验，分析了煤−瓦斯两相流运移过程、煤粉分布及冲击力演化特征，得到了瓦斯压力、临界瓦斯压力、试验有效应力、声发射信号与冲击力之间的影响关系规律，从煤与瓦斯突出能量转化角度分析了瓦斯内能向冲击动能，即瓦斯压力向冲击力转化特征。研究结果表明：①突出孕育阶段受力情况及破坏程度影响突出发生后冲击力在巷道内传播特性，随模拟埋深增加，冲击力演化特征愈发复杂，具有明显脉冲特征，且随脉冲特征出现冲击力升高。②脉冲特征划分为高频阶段和低频阶段，高频阶段煤−瓦斯两相流速度快、强度高、突出危险性强；低频阶段危险性随突出发展进程逐渐减弱。③突出两相流动能主要由瓦斯内能提供，部分瓦斯压力转化成冲击力，冲击力强弱主要由瓦斯压力决定，在高地应力作用下，深部煤体相对浅部更易发生煤与瓦斯突出。④突出开始时，声发射振铃计数峰值点早于冲击力峰值点，声发射信号更早监测到突出危险性，但冲击力更能具象反映煤体破裂情况，声发射振铃计数出现陡增时，伴随脉冲特征出现，但脉冲特征出现不一定对应声发射振铃计数陡增。

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煤炭科学技术

2023年第08期

256

102
煤与瓦斯突出两相流运移规律研究进展

作者(Author)：张超林, 蒲静轩, 宋世豪, 严吉立, 陆杰

摘要：煤与瓦斯突出是煤矿中一种极其复杂的动力现象，主要表现为瓦斯窒息和煤粉冲击、掩埋，严重威胁煤矿的安全生产。揭示煤与瓦斯突出两相流运移规律及其主控因素，对于厘清突出发生致灾机理、指导现场防灾避灾具有重要意义。近年来，相关学者开展了大量的煤与瓦斯突出两相流试验和理论研究，并取得了丰硕的研究成果，本文就两相流模拟试验装置及国内外学者在突出两相流领域取得的研究成果2个方面进行总结与分析。首先，系统回顾了现有的煤与瓦斯突出两相流物理模拟试验装置，对比分析了不同试验装置的关键参数及功能优势；在此基础上，深入总结了突出煤粉流的运移速度、运移形态和堆积分布特征，以及突出冲击波的形成原因、传播速度和衰减规律；最后，重点梳理了巷道结构、瓦斯压力、煤粉粒径、地应力和气体组分等因素对突出两相流的影响和控制作用。分析认为，现阶段煤与瓦斯突出两相流研究呈现出突出过程可视化、巷道结构复杂化、数据采集多元化、影响因素全面化、研究手段多样化等特点，基本掌握了突出两相流的发生机理及传播致灾规律，但在相似体系（相似准则和相似材料）的建立和完善、两相流与通风系统共存互扰机制、两相流多因素耦合致灾机理、两相流“致灾−防控一体化”研究等方面仍需进一步深入探索。

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煤炭科学技术

2023年第08期

208

62
表面活性剂泡沫性能对煤中瓦斯缓释影响试验研究

作者(Author)：严敏, 杨婷, 林海飞, 闫冬洁, 李泳, 霍世豪

摘要：煤炭资源开采过程中，与煤伴生的瓦斯异常涌出可能会导致严重的瓦斯超限，引发煤矿瓦斯灾害或温室效应等问题。已有诸多研究表明煤层注表面活性剂溶液是有效且重要的治理瓦斯手段之一。表面活性剂与气体混合易产生稳定泡沫，关于泡沫性能对瓦斯解吸影响相关研究较少，本文研究表面活性剂泡沫性能对甲烷气体缓释规律的影响。选取十二烷基苯磺酸钠（SDBS）和烷基糖苷（APG0810）2种表面活性剂进行试验，测定溶液表面张力、黏度、发泡性、稳定性及泡沫形态。利用自行研制的试验装置开展表面活性剂泡沫性能对甲烷气体缓释效应影响的试验研究。试验结果表明：随着表面活性剂质量分数增加，液体表面张力起初降低幅度较大，发泡率有明显升高现象，稳泡性也逐渐增强。接近临界胶束浓度时降低幅度减缓，发泡性和稳泡性升高趋势变得平缓。表面活性剂质量分数为0.15%时，在注入空气后SDBS和APG0810发泡高度分别为44 mm和40 mm，且SDBS泡沫半衰期最大为786.5 s。溶液泡沫发泡率和半衰期与其对甲烷缓释效应相关度较大，相同质量分数下SDBS对甲烷的缓释效果普遍优于APG0810，表面活性剂溶液质量分数0.15%时，10 min内APG0810和SDBS对瓦斯缓释率分别约为37.4%和12.7%，2 h内SDBS对瓦斯缓释率仍有约50.84%。研究为探究表面活性剂抑制煤中甲烷解吸及其机理提供一个新的角度，可为矿井瓦斯防治，煤炭绿色开采提供一定的理论支撑。

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煤炭科学技术

2023年第10期

172

66
采掘工作面孕突过程地应力诱使煤体初始破坏动态响应机制

作者(Author)：王超杰, 唐泽湘, 徐长航, 杨洪伟, 刘鲁坦

摘要：工作面采动应力场诱发煤体初始破坏，作为突出发生的必要条件，揭示其细宏观动态力学过程依然存在巨大挑战。基于采掘工作面典型突出事故，构建了采动煤体损伤失稳过程多变应力载荷路径。采用PFC3D离散元软件开展了多工况多尺度下煤体损伤失稳可视化模拟，揭示了采动煤体损伤失稳动态响应规律，阐明了采动煤体裂纹动态演变行为，并基于采动下地应力诱使煤体初始破坏规律提出了突出防治技术展望。结果表明：采动煤体随主应力加卸载速率的变化，其破坏类型和破坏强度差异明显。应力渐进卸载过程，煤体宏观破断面呈现单斜面或共轭剪切面形式，且随卸载速率增加，煤体破坏强度降低。随应力双向同等速率渐进加载，单向突然卸载或保持一定残余应力状态下呈现宏观破断面与中间主应力方向平行，且卸载程度增加或残余应力降低引发煤体破坏强度降低。不同应力载荷下，煤体破坏过程随剪切和张拉裂纹先后出现，呈现张剪破坏。在采动煤体损伤引发失稳过程中裂纹动态演变过程呈现间歇性、渐进性和阵发性复合特征。裂纹整体发育过程可表征为初期新裂纹出现（间歇性−突增阶段）、裂纹扩展（渐进性−慢增阶段）以及贯通并扩展（阵发性−慢增阶段）、整体撕裂煤体过程（骤增阶段）。煤体力学强度被视为影响突出发生的一主控因素，地应力诱发采动煤体初始破坏的难易程度关键在于应力加卸载路径。单向主应力突然卸载或双向主应力渐进卸载，煤体最易发生初始破坏。基于此力学规律，提出可表征工作面突出煤体最危险状态的“采掘工作面突出预测理想采动模式”。

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煤炭科学技术

2023年第10期

145

75
瓦斯缓释剂作用下多因素对解吸瓦斯峰值浓度分布影响研究

作者(Author)：严敏, 霍世豪, 林海飞, 李泳, 杨婷, 魏嘉宁, 张坤尹

摘要：为防范煤矿瓦斯事故，实现瓦斯高效精准抽采，在井下局部高浓度瓦斯区域喷淋瓦斯缓释剂成为防控瓦斯超限的重要手段之一。依据煤矿掘进工作面搭建相似比模型，利用自主研制的多因素影响煤体瓦斯解吸喷淋试验台，研究了喷淋瓦斯缓释剂下不同因素影响解吸瓦斯峰值浓度分布的规律，分析了APG溶液质量分数、雾化压力、煤样粒径、平衡压力、环境温度、空气流量等因素对解吸瓦斯峰值浓度分布的影响，利用Pearson相关系数法得到了喷淋瓦斯缓释剂后各因素与不同区域瓦斯峰值浓度的相关性。结果表明：APG溶液质量分数小于0.10%时，瓦斯峰值浓度随APG质量分数增加迅速下降，超过0.10%时下降率减小。缓释剂作用下，瓦斯峰值浓度与雾化压力、煤样粒径分别呈负线性和负指数关系，瓦斯峰值浓度随雾化压力与煤样粒径的增大而降低，煤样粒径为5～10 mm时瓦斯下降率最大；瓦斯峰值浓度与平衡压力、环境温度分别呈线性和指数函数关系，瓦斯峰值浓度随平衡压力与环境温度的升高而增加，环境温度为35 ℃时瓦斯峰值浓度增长率最高。在工作面模型中心，瓦斯峰值浓度随空气流量升高而迅速降低，工作面拐角处瓦斯峰值浓度也随空气流量增大而降低，并在超过12.7×10−3 m3/s时瓦斯峰值浓度降低速率减小。在多因素共同作用下，瓦斯峰值浓度相较于单一因素降低了4.3%～8.0%。利用相关系数法计算得到影响进风口上下拐角、出风口上下拐角和模型中心的瓦斯峰值浓度最大因素分别为雾化压力、雾化压力、平衡压力、环境温度、平衡压力。

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煤炭科学技术

2023年第12期

143

36
强突出煤层“内保护层”构建理论及工程实践

作者(Author)：辛新平, 杨程涛, 魏建平, 刘勇, 王一彤, 徐向宇

摘要：保护层开采是煤矿瓦斯灾害防治最有效的技术手段，适用于有保护层可采的多煤层（群）等。对于无保护层可采的强突出单一煤层，随着采深加大、开采强度增加、构造更加复杂等多重因素叠加影响，应力与瓦斯耦合型灾害成为主导。为消除煤与瓦斯突出危险，目前采取的诸如机械扩孔、水力冲孔、水射流割缝和水力压裂等措施均能较好地提高抽采效果，但未能实现均匀卸压、均匀增透和消除应力异常，存在一定的消突局限性。如何实现瓦斯高效抽采和高效消突是长期遏制该类煤层安全高效开采的主要技术瓶颈。研究结合河南能源集团所属突出矿井“零距离保护层”分层开采、穿层钻孔卸压增透强化抽采消突的工程实践，通过优化穿层钻孔设计、合理选择卸压措施和精准计量掏出煤量，强化卸压消突效果考察，实现大区域连片均匀卸压，形成了在煤层内构建类似保护层的消突途径，提出了“构建内保护层技术”，实现了强力均匀卸压、高效抽采，实现煤层快速消突。总结以河南能源焦煤公司为代表的突出矿井瓦斯治理技术发展历史及经验，开展单一厚煤层“构建内保护层技术”研究，阐释了“构建内保护层”消突的科学内涵、消突机理构建方法，开发了内保护层消突效果评价技术，构建了强突出单一煤层内保护层消突技术体系并制定了相关企业标准。提出强突出单一煤层主动构建内保护层的消突理念，创新了保护层开采的内涵和外延，为强突出单一煤层高效消突提供了较完善的技术体系和较为坚实的理论基础及技术手段。

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煤炭科学技术

2023年第12期

249

47