《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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柱状聚能药管聚能罩角度对煤层爆破增透效果试验研究

作者(Author)：杨帅, 刘泽功, 张健玉, 傅师贵, 乔国栋, 张鑫

摘要：为解决传统预裂爆破煤体裂隙无序扩展导致增透效果不佳的问题，开展了聚能爆破药管不同聚能罩张开角度对煤层增透效果影响研究。通过建立聚能罩微元闭合理论模型，分析了随着聚能罩角度减少时形成聚能射流的速度和质量变化；以此为基础对聚能爆破增透机制进行了分析。在实验室搭建了可从煤体宏观裂纹和应变数据多角度对试验模型进行分析的双向加载气固耦合爆破相似模拟试验系统，对含瓦斯煤体试块进行普通爆破和不同聚能张开角爆破模拟对比试验。结果表明，使用聚能药包相较于普通爆破能够有效引导裂纹在聚能罩开口方向上定向发育；随着聚能罩角度减少，聚能爆破后形成的裂纹在聚能方向上更加平滑，裂纹宽度也随之增加，试块剖面更加平整；根据超动态应变仪反演结果，1号测点60°、80°和100°聚能爆破的压应力峰值分别为普通爆破的1.52倍，1.26倍和1.08倍，且60°聚能爆破到达应力峰值的时间最短，表明随着聚能罩开口的减小，聚能方向上能量集中现象越明显。通过ANSYS/LS-DYNA软件对4种不同角度的聚能爆破进行对比分析。模拟结果中60°聚能爆破初始形成的聚能射流有效应力最大，聚能方向产生的裂纹最长。试验和模拟结果表明通过使用60°聚能药包可得到更好的爆破效果，研究成果对松软高瓦斯煤层聚能爆破增透有一定的参考意义。

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煤炭科学技术

2024年第03期

160

8
淮南矿区煤层顶板分段压裂水平井抽采技术及效果研究

作者(Author)：陈本良, 袁亮, 薛生, 降文萍, 杨科, 周韬, 李丹丹, 吴静

摘要：淮南矿区为典型高瓦斯矿区，煤层碎软、渗透率低、瓦斯含量偏高、抽采难度大，为探讨地面煤层气顶板分段压裂水平井在矿区的技术可行性与瓦斯治理效果，在分析矿区主要煤层13-1煤储层特征基础上，采用应力解除法进行了煤层三向地应力测试，结果显示三向应力场类型主要为σh,max > σv > σh,min，具有实施顶板分段压裂水平井技术的充分条件；利用MFrac Suite软件分别模拟了水平段距离煤层1、3、5 m时的压裂缝参数，压裂缝半长最大107.33 m、最小89.47 m，具有理想的压裂效果，说明顶板分段压裂水平井在淮南矿区具有比较好的地质适应性与可行性。以潘一煤矿13-1煤层“L”型顶板分段压裂水平井CBM01井为研究对象，采用井下钻孔检测与数值模拟等手段综合分析了瓦斯治理效果，结果显示CBM01井抽采415 d即显著降低了煤层瓦斯压力与瓦斯含量，距离水平井50、65 m处瓦斯压力由6.4 MPa分别降至2.6、2.7 MPa，降低幅度均超过55 %，水平段两侧各15～20 m范围内瓦斯含量由13.5 m3/t降至最大9.11 m3/t、最小6.92 m3/t，平均7.92 m3/t，约10 m范围均降至8 m3/t以下。最后，采用数值模拟方法预测了CBM01井抽采10 a的产气效果及瓦斯治理效果，气井抽采10 a累计产气约272.08×104 m3，水平段倾向单侧约150 m范围内气含量均降至8 m3/t以下、压力均降至3 MPa以下。综合研究结果表明，煤层顶板分段压裂水平井技术在淮南矿区瓦斯治理方面均具有较大的优势和应用效果。

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煤炭科学技术

2024年第04期

133

38
顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法

作者(Author)：郭世斌, 胡国忠, 朱家锌, 许家林, 秦伟, 杨南

摘要：顶板瓦斯抽采巷因具有大流量和连续抽采的优点，被广泛用于高瓦斯或突出矿井回采工作面瓦斯治理。如何确定合理的顶板巷布置位置，以高效抽采采空区卸压瓦斯，是保障工作面瓦斯治理效果的关键。为此，在深入分析顶板瓦斯抽采巷布置原则及其布置位置影响因素的基础上，提出了一种基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法；采用灰色关联分析法确定了GA–BP神经网络模型的预测指标，并设计开发了顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测系统。研究结果表明：①工作面的采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度等5个物理指标是顶板瓦斯抽采巷布置位置的主控因素，且其权重值排序由大到小依次为采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度。②随着遗传代数的增加，GA–BP神经网络适应度不断减小，且当遗传代数为60时其适应度变化基本稳定，表明GA–BP神经网络初始权重和偏置效果较好。③在当前训练样本数据集的前提下，基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置的预测结果与实际工况值的相对误差仅为0.43%～11.27%，在可接受的范围内。该研究可为顶板瓦斯抽采巷精准设计提供一定的参考。

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煤炭科学技术

2024年第04期

62

15
天然裂缝对水力压裂煤的起裂及扩展试验研究

作者(Author)：蒋长宝, 杨毅毫, 刘辉辉, 郭建泉, 付银兰, 吴家耀

摘要：水力压裂是提高低渗透高瓦斯煤层抽采效率和瓦斯产量的有效方法之一。由于煤层中存在丰富的天然裂缝，天然裂缝与水力裂缝相互作用会使水力裂缝的起裂和扩展形式呈现出复杂多样性，从而影响煤层的增透效果。为研究水力压裂煤在天然裂缝作用下的起裂和扩展规律，利用自主研发的多功能真三轴流固耦合试验系统开展了煤的水力压裂试验。基于“孔壁应力集中诱发拉伸破裂”理论研究了水力压裂煤的裂缝起裂规律，并结合断裂力学从细观角度揭示了水力压裂煤的裂缝扩展机制。研究结果表明：天然裂缝的存在会诱导水力裂缝沿着天然裂缝方向扩展，极大降低了煤岩的起裂压力。不含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力与根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力结果相近，符合“孔壁应力集中诱发拉伸破裂”准则；含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力均小于根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力，且当天然裂缝方向垂直于最小主应力方向时，所需的起裂压力较小，为3.355 MPa；当天然裂缝平行于最小主应力时，所需的起裂压力仅大于最小主应力，为7.902 MPa。水力裂缝类型为I型时，不含明显天然裂缝煤岩的实测最小和最大扩展压力值均大于理论计算最小和最大扩展压力值，差值范围分别为2.043～6.845 MPa和3.951～8.576 MPa；当煤岩含明显天然裂缝且天然裂缝方向平行于X方向时，水平应力差的存在将引起煤岩的实测扩展压力值小于理论计算的扩展压力值。水力裂缝类型为Ⅱ型或I-Ⅱ型时，随着水力裂缝长度的增加，裂缝扩展所需压力逐渐减小。

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煤炭科学技术

2024年第05期

98

8
循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律研究

作者(Author)：王磊, 钟浩, 范浩, 邹鹏, 商瑞豪, 晋康

摘要：为研究循环荷载下含瓦斯煤力学特性及应变场演化规律，利用MTS816岩石力学试验系统和自主研制的含瓦斯煤气固耦合装置开展循环加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验，分析循环加卸载下煤样强度和变形特性，并结合数字图像相关（DIC）技术探究含瓦斯煤应变场演化规律。结果表明：①循环加卸载作用下，加卸载曲线之间不重合，形成滞回环，且随着循环次数的增加，滞回环面积逐渐增大，并向着应变增大的方向逐渐移动；不同瓦斯压力的煤样在循环荷载作用下均呈明显的脆性破坏。②循环加卸载作用下，随瓦斯压力升高，煤样峰值强度降低，加载变形模量和卸载变形模量均增大，且卸载变形模量始终大于加载变形模量；随着循环次数的增加，变形模量差值逐渐减小并最终在0～0.1 GPa。③循环加卸载条件下煤样不可逆应变与循环次数之间呈“初始、稳定、加速扩展”的3阶段变化特征，曲线整体从L型向U型趋势发展，累计不可逆应变与循环次数之间呈快速增加、缓慢增加、快速增加的趋势，不可逆应变与累积不可逆应变均随瓦斯压力增大而增加。④在低瓦斯压力下，煤样应变集中区主要为单一竖向应变集中带，随瓦斯压力增大，局部应变集中带逐渐由竖向单一向无序复杂转变；瓦斯压力越大，应变场波动程度越剧烈且剧烈程度主要集中在中部区域；高瓦斯压力下，随瓦斯压力升高，峰值点的个数越多，应变越大。

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煤炭科学技术

2024年第06期

61

3
松软煤层底板爆破致裂增透模拟试验研究及应用

作者(Author)：高魁, 王秘, 乔国栋, 田宇, 傅师贵, 王有为

摘要：针对松软煤层爆破增透钻孔施工困难，爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实的问题，提出在底板岩层开展爆破作业，达到松软煤层增透进而增加瓦斯有效抽采时间的目的。为了监测跨界面应力波传播规律及煤层损伤状况，在实验室构建了物理模型并开展了煤层底板爆破相似模拟试验。同时使用数值模拟的研究方法对煤层底板爆破过程中煤、岩体内部的损伤及裂隙的演化过程进行补充。结果表明：松软煤层底板爆破裂纹沿爆破孔向四周岩体扩展，爆破孔位置和底板煤岩交界面以及煤层内部的破坏较为严重，产生跨界面损伤裂纹。爆炸应力波从松软煤层底板岩层传播到松软煤层时，岩体和松软煤体的交界面产生透射压缩应力波和反射拉伸应力波，透射波作用于松软煤体，使煤层裂隙增加；反射波反作用于岩体，在煤岩交界面形成交叉裂纹，使底板岩层裂隙和松软煤层裂隙贯通，有利于松软煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。潘一东煤矿现场应用表明，煤层底板爆破增透后瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升，抽采纯量从0.06 m3/min提高到1.46 m3/min，增加了23.33倍；瓦斯浓度从爆破前的10.46%上升到45.50%左右，增加了3.34倍，并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部松软煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

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煤炭科学技术

2024年第06期

93

21
保温时间对二次炭化型煤微结构的影响与力学−渗流特性强化研究

作者(Author)：甘青青, 许江, 彭守建, 蔡果良, 耿加波

摘要：物理模拟试验是煤矿瓦斯灾害发生机制与防控的一种有效方法。目前开展煤矿瓦斯灾害物理模拟试验所用型煤材料其力学强度、渗透率与原煤差异性较大，如何改善型煤（BC）的抗压强度、渗透率是型煤成型过程中面临的关键问题。基于此，采用热压成型方法制作了若干不同保温时间下二次炭化型煤，并采用SEM、NMR、XRD、FTIR、MTS-815岩石力学试验系统和含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对不同保温时间下二次炭化型煤进行测试分析，分析了不同保温时间对其表面形貌、T2谱形态、孔隙度、微晶结构、基本结构单元芳香烃、烷基侧链和各种官能团演化规律，厘清了不同保温时间下二次炭化型煤的力学及渗流特性，并确定最优的保温时间。结果表明：随着保温时间的增加，二次炭化型煤表面粗糙度、孔径逐渐变大，且增至6.7 h后，BC表面有裂隙出现，保温时间越长，裂隙越明显；BC累计孔隙度及中孔孔隙度逐渐增大，而微孔孔隙度逐渐减少；芳香层间距(d002)呈先减后增，而微晶直径(La)和微晶高度(Lc)均先增后减；脂肪链的长度减少，芳香环的缩合程度(Aar/Aal)呈先增大后减小；单轴抗压强度呈先增大后减小，渗透率呈先减小后增加。在保温时间为5.3 h为最佳保温时间，此时热压BC的单轴抗压强度和弹性模量都最大、泊松比和渗透率最小，其力学强度、渗透率和密度依次为9.85 MPa，1.49×10−15 m2和1.127 g/cm3。该研究为提高煤矿瓦斯灾害发生机制与防控基础试验中的真实还原性，有效预防控制煤矿瓦斯灾害事故具有重要的现实指导意义。

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煤炭科学技术

2024年第06期

62

4
基于伪随机序列的松散煤体声学测温方法及应用

作者(Author)：郭军, 高文静, 蔡国斌, 刘荫, 王凯旋

摘要：长期以来，采空区、煤堆、煤仓等空间的煤自燃火灾时有发生，受限于工作区域的复杂环境和火源探测技术瓶颈等因素，较难实现煤自燃灾害高温点的快速量化识别。而声学测温技术具有测量精度高、测温范围宽、测量空间大等特点，可实现采空区等隐蔽火源位置精准探测且极具发展前景。目前该技术在松散煤体温度测量领域尚处于基础研究和实验室研究阶段，仍需开展大量研究。基于伪随机序列的优越性能，将其引入作为声源信号，并根据声学测温原理和伪随机序列声源信号产生原理，搭建了松散煤体声波测温试验系统。系统主体部分包括声学测试系统、程序升温系统、隔音系统和煤样箱体，结合试验测试和仿真模拟方法，验证了系统的准确性。利用理论分析、Matlab仿真和试验测试相结合的方法，开展伪随机序列声源信号的失真特性研究，确定了该信号的最佳处理方法，成功将其应用于松散煤体测温中。结果表明：伪随机序列可以作为采空区、煤堆、煤仓等空间的松散煤体声学测温的声源信号，但需运用二次相关PHAT–β算法对伪随机序列声源信号发生频率区间(1 000～3 000 Hz)进行处理，使频带变窄，能量集中；运用伪随机序列声源信号测量声波在松散煤体中飞渡时间，发现不同距离下声波飞渡时间测量结果误差小于5%，并通过了对比验证；伪随机序列作为松散煤体的测温声源信号时，所反演温度与不同粒径的煤样温度之间的平均绝对误差为2.051 ℃，平均误差率5.293%，能够较为精准、可靠地反演煤温。

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煤炭科学技术

2024年第06期

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