《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; 5019IP
点击量; 2622次
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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
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
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
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
下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣解堵技术应用

作者(Author)：潘竞涛, 刘长宇, 赵丹, 贾男, 刘海金, 任志保

摘要：为解决下行定向钻孔施工过程的堵塞和塌孔问题，优选出氮气泡沫洗井、解堵方法；针对煤矿下行定向钻孔施工的特点，通过COMSOL软件采用含壁函数的湍流模型模拟耦合瓦斯流动和煤体变形，分析钻孔抽采后流体压力变化引起的孔壁弹性位移；模拟结果表明瓦斯携带的煤粉颗粒会撞击孔壁使孔壁变形或剥离，进而导致抽采钻孔塌孔；利用三维库仑失效准则模型求解抽采引起的压力变化以及压力变化引发的应力、应变、位移变化及下行定向钻孔塌孔风险，结果表明钻孔弯曲处发生塌孔现象的可能性最大。研究下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣解堵技术机理，利用幂律多相流理论，对氮气泡沫在钻杆内、钻头处、环空间隙等部分流体压力及煤粉的运动状态进行分析，通过幂律流体的本构方程推导出钻孔内环形空间流量公式，得出钻渣在泡沫流中的输送情况；设计稳定氮气泡沫发生器、泡沫发生灌注系统、下行定向钻孔氮气泡沫钻进工艺、瓦斯抽采钻孔氮气泡沫二次解堵工艺；进行下行定向钻孔氮气泡沫排渣现场工业实验，结果表明氮气钻孔相比水排钻孔，抽采浓度优势明显，初始混量和纯量均值差距达6.5和6.4倍，40天混量和纯量差距达10倍左右，说明氮气泡沫洗井方法可显著提高瓦斯抽采效率。

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95
采动覆岩卸压瓦斯运储通道属性参数拓扑关系研究

作者(Author)：赵鹏翔, 卓日升, 李树刚, 林海飞, 常泽晨, 贾永勇, 金权, 刘元嘉

摘要：煤矿日益加剧的高强度开采过程中，诸多因素综合影响着覆岩裂隙的空间分布特征。覆岩裂隙分布的特征对于解放层开采中的瓦斯治理有着重要的指导意义。通过开展多组二维物理相似模拟试验，探究了不同开采条件下（开采高度、推进速度、关键层层位、煤层倾角）覆岩裂隙网络分布特征及卸压瓦斯运储通道的属性参数，得到了几何参数、裂隙参数的拓扑干系网络。基于复杂网络演化理论可以简化现实干系的拓扑变换，并结合复杂网络特征参数分析运储通道干系结构和因素节点的演化特征，实现了覆岩裂隙网络干系影响因素的定量描述，建立了卸压瓦斯运储通道网络干系结构矩阵及模型。结果表明：卸压瓦斯运储通道的发育范围、贯通度以及分形维数均随着采高、关键层层位及煤层倾角增大而不断扩大；随着推进速度的加快，发育范围却呈现减小的趋势。采高的增加对离层量影响最大，6 m采高相较于4 m时增幅达到146.9%。破断裂隙密度的变化主要受煤层倾角影响，受推速的影响较小，将钻孔布置在高密度区域（破断裂隙密度>4.7条/m），可以有效起到瓦斯截留的作用。研究结果可进一步优化不同因素影响下瓦斯抽采钻孔的布置参数，提高瓦斯抽采效率，从而保证工作面安全高效回采，对实现瓦斯精准绿色抽采具有一定的现实意义。

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煤炭科学技术

2024年第02期

108

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含水页岩甲烷吸附特性及热力学特征研究

作者(Author)：杨竣淞, 李波波, 李建华, 高政, 宋浩晟, 段淑蕾

摘要：页岩储层普遍含水，水分对页岩气体吸附行为和地质储量评估具有显著影响。为探究水分对页岩吸附行为的影响规律，构建了考虑含水率影响的吸附模型，结合多组试验数据对新建模型的合理性进行验证，并进一步剖析了含水页岩的吸附行为。在此基础上，讨论了不同吸附机制对页岩中甲烷等温吸附的贡献，并通过热力学参数对比了干湿页岩中吸附热力学特性。结果表明：在气体压力变化过程中，甲烷气体吸附量呈典型的“三段式”变化。其中，水分对甲烷吸附量具有抑制作用，含水页岩吸附量显著低于干燥页岩，页岩吸附量随含水率的增大呈降低趋势。此外，温度同样对甲烷吸附具有抑制作用，当含水率恒定时，随温度升高页岩吸附能力呈降低趋势。同时，不同吸附机制对吸附量的贡献受到水分和压力的共同影响，压力和含水率越高，微孔填充吸附量对总吸附量的贡献率越低。热力学参数表明干燥页岩与含水页岩的甲烷吸附均为物理吸附，同一吸附量下，干燥页岩等量吸附热始终高于含水页岩。水分通过改变页岩非均一性占据高能吸附位点同时影响分子间作用力，综合作用下使得等量吸附热降低，进而导致含水页岩吸附能力降低。研究结果有助于页岩吸附气量的准确计算，并为页岩气藏开发方案和编制提供理论依据。

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煤炭科学技术

2024年第03期

166

3
基于气−水两相流的注热CO₂增产CH₄数值研究

作者(Author)：张林峰, 杨艳国, 穆永亮, 范楠, 刘康, 姚文军

摘要：注CO2增产煤层气技术（CO2−ECBM）可以降低温室气体排放，具有清洁能源生产和环境保护的功能。为研究气−水两相流条件下，在含水煤层中注CO2增产CH4的排采规律以及不同初始含水饱和度、不同CO2注入条件对CH4产量、CO2储存和储层渗透率的影响，构建了竞争吸附、温度变化、煤体变形以及水运移的流−固−热耦合模型，通过与现场数据、已有试验以及现有模型的数值解结果，对比证明了模型有较高的准确性并对模型的优势做出具体阐述，随后利用COMSOL开展了CO2−ECBM数值模拟。结果表明：注CO2可以提升CH4产气速率和产气量，这表明了注CO2增产的可行性。随着CO2持续注入，储层CH4浓度降低，CO2浓度升高，注气井附近温度升高，生产井附近温度降低且从注气井到生产井的温度缓慢下降；注气抽采期间，水相相对渗透率逐渐减小，气相相对渗透率逐渐增大。由于有效应力、基质收缩/膨胀共同作用，储层渗透率呈现“降低—升高—降低”的趋势；煤层初始含水饱和度越大，CH4产量越低，渗透率下降幅度越小。累计CH4产量最大下降15.19%，忽略煤层中水的影响会高估CH4产量，在进行数值模拟时要考虑煤层水的影响；CO2注入温度与注入压力越大，CH4产量越大，渗透率下降幅度越大。累计CH4产量分别增加13.27%、39.77%，渗透率分别下降20.4%、46.14%，提高CO2注入温度和注入压力有利于提高CH4产量。

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煤炭科学技术

2024年第03期

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