《煤炭科学技术》“难抽煤层瓦斯增流新技术” | 虚拟专题

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《煤炭科学技术》“难抽煤层瓦斯增流新技术” | 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“难抽煤层瓦斯增流新技术”领域的部分文章，希望推进我国瓦斯抽采前沿研究，为瓦斯抽采研究提供关键信息。

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 119个
关键词; 120位
专家; 24篇
论文; 4458IP
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超声波功率对煤体损伤特性及能量演化规律的试验研究

作者(Author)：李树刚, 王瑞哲, 林海飞, 杨二豪, 赵泓超, 秦雷, 郝荷杰

摘要：为研究超声波致裂对煤体力学损伤特性及能量演化规律的影响，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩试验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。试验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期、波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延–塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗流网络，提高了煤层渗透率。

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煤炭科学技术

2023年第01期

345

463
超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理及影响因素分析

作者(Author)：刘佳佳, 聂子硕, 于宝种, 杨迪

摘要：在如今的双碳背景下，超临界二氧化碳压裂技术不仅能增透煤体，还能用于地质封存二氧化碳，因此其在煤炭领域越来越受到重视。然而超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理和主要影响因素尚未明晰，故为掌握其作用机理，探究其主要影响因素，进行了数据处理和总结分析。首先，明确了超临界二氧化碳对煤体增透的作用机理主要包含3 个方面：对煤体微观组分的改造作用、对煤基质的溶胀效应以及对煤中瓦斯的驱替作用。其次，阐述了影响超临界二氧化碳增透煤体的主要因素包含作用温度、作用压力、作用时间和煤体含水率，并得到了主要因素与煤体特性之间的关系：煤体孔隙率和渗透率会随着作用温度的升高而降低，随着作用压力、作用时间和煤体含水率的增加而增大，且其与作用压力和短时浸泡时间皆符合正指数函数关系；煤体力学强度会随着作用时间和含水率的增加而逐渐弱化，且抗压强度、弹性模量和抗拉强度与作用时间皆符合负指数函数关系。最后，对超临界二氧化碳增透煤体所存在的问题进行了探讨，指出现今研究忽略了浸泡次数对超临界二氧化碳增透煤体效果的影响，以及缺乏对主控因素和最佳增透条件的分析，可以仿照循环液氮致裂试验来进行超临界二氧化碳循环浸泡次数研究，可通过正交实验法来确定超临界二氧化碳增透煤体的主控因素和最佳增透条件。研究成果对于优化超临界二氧化碳增透技术、封存二氧化碳以及提高煤层气抽采效果具有一定的指导意义。

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煤炭科学技术

2023年第02期

426

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瓦斯非均衡赋存煤层精准冲孔增透技术及应用

作者(Author)：刘厅, 林柏泉, 赵洋, 翟成, 邹全乐

摘要：为实现瓦斯非均衡赋存煤层的精准卸压增透，基于理论建模、数值模拟和现场试验的方法研究了水力冲孔关键工艺参数的判定准则和优化方法。构建了卸压煤层多场耦合模型，分析了冲孔最优出煤量的判定指标体系，提出了冲孔最优出煤量的判定准则及方法，绘制了水力冲孔关键工艺参数优化图谱，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术。结果表明：①抽采时间一定时，随着冲孔出煤量的增加，煤层残余瓦斯含量逐渐降低，而由于孔间应力集中程度的升高，残余瓦斯压力先降低后升高；②冲孔最优出煤量的判定准则包括瓦斯抽采达标约束和巷道失稳风险和施工成本最小化约束，当残余瓦斯含量和压力均小于临界值时，认为抽采达标，在满足抽采达标的前提下，应尽量减小冲孔出煤量以保证煤巷稳定、降低工程成本；③冲孔最优出煤量随地应力的升高而降低，随黏聚力、瓦斯压力和钻孔间距的增大而升高。对于给定煤层，冲孔出煤量存在最大值，抽采达标时间存在最小值；④综合考虑煤层瓦斯压力、出煤量、钻孔间距及抽采达标时间之间的关联关系，绘制了冲孔关键参数的优化图谱，提出了瓦斯非均衡赋存煤层梯级精准增透强化抽采技术，融合煤层瓦斯赋存特征和冲孔关键参数的优化图谱，确定不同瓦斯赋存区域对应的冲孔工艺参数，实现瓦斯非均衡赋存煤层的精准卸压增透。

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煤炭科学技术

2023年第02期

297

341
基于微胶囊技术的瓦斯抽采钻孔密封材料研究

作者(Author)：张超, 范富槐, 李树刚, 翟成, 江丙友, 杨朴超, 曾祥真

摘要：煤矿瓦斯抽采钻孔密封材料的性能在改善钻孔密封质量、提高瓦斯抽采效率等方面起着至关重要的作用。为了改变传统水泥基钻孔密封材料在水化初期发生无效膨胀的问题,采用理论研究、物理试验与测试相结合的方式,提出了利用微胶囊技术延缓密封材料膨胀时间的方法。实验确定了以乙基纤维素 (EC) 作为囊壁材料、蒙脱石 (MMT) 为囊芯材料,以相分离法制备延迟膨胀微胶囊,并通过单因素实验与响应曲面分析法 (RSM) 得出各关键参数之间的交互作用,结果表明各关键参数对包封率的影响程度大小排序为:搅拌速率>芯壁比>聚乙烯 (PE) 用量。此外,根据 Design-Expert 软件得出微胶囊制备的最优参数为:芯壁比为 0.8,PE 用量为 1.5%、搅拌速率为 400 r/min。最后,通过自主设计的模拟钻孔密封性能实验表明:延迟膨胀密封材料相较于普通膨胀材料具有更好的密封性能,其有效密封时间可提高 60% 左右。

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煤炭科学技术

2023年第04期

291

212
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

221

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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

268

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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

210

161
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

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