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深部高突煤层典型特征、诱突机制及防治对策 被引量：8
1
作者 林柏泉 杨威 刘统 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期311-325,共15页
我国煤炭开采已逐渐进入深部,随着采深的不断增加,煤层的突出风险显著升高,突出发生的频率和强度均明显增大,给深部煤炭资源的安全高效开发带来巨大挑战。首先剖析了深部不同深度下煤层开采面临的复杂应力环境,并系统研究了深部高突煤... 我国煤炭开采已逐渐进入深部,随着采深的不断增加,煤层的突出风险显著升高,突出发生的频率和强度均明显增大,给深部煤炭资源的安全高效开发带来巨大挑战。首先剖析了深部不同深度下煤层开采面临的复杂应力环境,并系统研究了深部高突煤层的典型特性,阐明了深部开采诱突机制,最后提出了深部开采突出灾害防治的对策建议。结果表明:对突出煤层开采而言,深部没有一个固定深度值,而是应力、瓦斯压力和煤体强度等因素综合影响下煤层所表现出的非线性力学状态。深部煤层应力高,采动煤体呈强塑性破坏;突出煤的孔隙率低且连通性差、高应力下煤层渗透率极低;高压瓦斯高饱和赋存、低压吸附能力强;煤的基质尺度大且通达性差、瓦斯跨尺度运移难;深部煤层最大水平主应力增大,强构造应力作用下构造煤破碎程度高,在构造应力集中带内形成高压瓦斯包,导致突出风险激增。当深部开采工作面前方遇到构造软煤时,工作面附近硬煤内更容易形成强应力集中,对构造软煤内高压瓦斯的封闭作用显著增强,造成工作面前方瓦斯压力高、梯度大,煤体内的瓦斯膨胀能显著高于浅部;同时高应力下工作面前方煤体更容易发生强塑性流变破坏,诱发变形能的猛烈释放。构造煤煤体发生大变形损伤,孔裂隙空间增大;基质尺度急剧减小,被封闭的大量瓦斯快速解吸。二者共同造成游离瓦斯存储空间和压力的同步迅速增大,引发游离瓦斯膨胀能的迅速升高,当瓦斯膨胀能高于突出阈值时,大量瓦斯将破碎并抛出煤体,导致突出事故发生。基于此提出深部突出灾害防治应通过合理化采掘布置,从整体上降低采掘过程中的局部应力集中;通过超前探测准确获取煤层隐蔽构造、煤岩力学参数以及瓦斯参数等关键信息,超前识别突出风险进而施行精准防控;强调了要通过深度卸压充分释放应力,降低煤层应力集中,提高煤层渗透率,同时诱导大量低压吸附瓦斯脱附解吸,通过强力造缝增透减小基质尺度并活化基质孔隙,加速瓦斯运移如有必要采用物理化学联合增透方法,构建基质孔隙-裂隙跨尺度流动通道,提高瓦斯抽采效果,充分降低煤层气含量,最终达到超前、精准和均匀消突的目的,实现深部煤层安全高效开采。 展开更多
关键词 深部开采 突出煤层 高应力 诱突机制 突出防控
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强突煤层地面丛式井造穴卸压辅助石门揭煤技术 被引量：3
2
作者 刘厅 翟成 +4 位作者 童校长 徐鹤翔 邹全乐 林柏泉 徐吉钊 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第5期144-157,共14页
针对深部强突煤层石门揭煤危险性高,打钻过程易喷孔、效率低的难题,基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统;其次揭示了... 针对深部强突煤层石门揭煤危险性高,打钻过程易喷孔、效率低的难题,基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统;其次揭示了丛式井造穴卸压煤体物理场演化规律,提出了造穴关键技术参数优化方法;最后成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验,验证了技术的有效性。结果表明:提出了多场协同调控防突方法,揭示了地面丛式井区域全覆盖造穴强化卸压增透,辅助石门揭煤消突机理,开发了“机械扩孔-水力喷射-排水释压”多级造穴技术,并配套研发了“造穴-排渣-水渣分离”一体化系统。煤体塑性区体积与等效直径平方呈线性关系,研究条件下的比值为81.90;洞穴附近低渗透区瓦斯压力随着洞穴直径的增大先降低后升高,对应的最优洞穴直径为2.0 m;揭煤巷道沿着垂直于最大主应力方向布置时,造穴后巷道两侧煤体更容易消突。成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验,技术实施后,煤层透气性系数提高约10倍,残余瓦斯压力和残余瓦斯含量显著降低,试验地点井下揭煤措施孔数量减少了24%、钻孔工程量降低了21%。开发的技术可进一步拓展形成“地面井煤气共采”方法,有望实现难采-难抽煤层煤与瓦斯的协同高效共采。 展开更多
关键词 强突煤层 石门揭煤 地面井造穴 应力-渗流耦合 煤气共采
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煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术研究进展、关键科学问题与展望 被引量：3
3
作者 杨科 张寨男 +5 位作者 华心祝 刘文杰 吕鑫 池小楼 王长城 李彩青 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期944-964,共21页
煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术是指导深部高瓦斯松软低渗煤层瓦斯高效抽采的关键手段。据此提出煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采工程全生命周期开发思路,包括前期科学规划、中期工程施工和后期安全管理3个阶段。梳理了煤... 煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术是指导深部高瓦斯松软低渗煤层瓦斯高效抽采的关键手段。据此提出煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采工程全生命周期开发思路,包括前期科学规划、中期工程施工和后期安全管理3个阶段。梳理了煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采全生命周期开发研究进展,构建了煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采关键科学问题的总体研究框架,并概述了其未来发展方向。结果表明:煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展受地质因素、施工参数和物性参数等影响变得极其复杂,综合评价裂缝扩展多因素影响下的主次关系,揭示多因素影响下的煤层顶板压裂裂缝扩展机理是亟待解决的问题。探寻应力、水、温度与煤体因素耦合对煤层瓦斯吸附、解吸与运移的促进与抑制作用的临界关系,建立多因素临界指标下的煤层瓦斯吸附与解吸最优模型,是实现煤层瓦斯高效排采的关键。目前,煤层顶板压裂遗留水在污染水源、抑制瓦斯排采和危险性聚集方面的研究不足,且缺乏“中国化”的管理经验和技术支撑。以煤层顶板压裂工程全生命周期开发思路为导向,分析了其高耗水性、压裂液选择及潜在污染、支撑剂合理选择、空气污染和地震风险等人文环境问题,提出了与之相对应的政策法规制定思路。实现复杂环境中多裂缝竞争扩展实时精准监测,揭示多因素影响下煤层顶板分段压裂与跨界面裂缝扩展机理,构建煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展有效影响半径评价模型,探究三向应力与煤体结构双重异性条件下水气运移规律,实现煤层顶板水平井压裂水气聚合潜在危险区超前探测,建立煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采效果的精细化评价模型是目前亟待解决的关键科学问题。最后对煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术的精准化、协调化、智能化、综合化和示范化发展方向进行了展望。 展开更多
关键词 顶板水平井 全生命周期 卸压效果 水气运移 潜在危险区 排采效果
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我国废弃/关闭煤矿瓦斯抽采现状及发展趋势 被引量：2
4
作者 华心祝 秦浩 +4 位作者 郝定溢 石必明 林柏泉 赵志根 张苗 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第4期15-28,共14页
在“双碳”目标的驱动下,我国能源结构迎来高质量发展。截至目前,已累计淘汰落后煤炭产能10亿t,废弃/关闭煤矿数量快速增加,据研究预计到2030年,我国废弃/关闭矿井将达到1.5万处,其中赋存非常规天然气近5000亿m3。为构建清洁低碳、安全... 在“双碳”目标的驱动下,我国能源结构迎来高质量发展。截至目前,已累计淘汰落后煤炭产能10亿t,废弃/关闭煤矿数量快速增加,据研究预计到2030年,我国废弃/关闭矿井将达到1.5万处,其中赋存非常规天然气近5000亿m3。为构建清洁低碳、安全高效的能源体系,加快发展新质生产力,亟需加大我国对废弃/关闭煤矿遗留瓦斯的抽采与开发力度。系统性地总结分析了我国现阶段废弃煤矿瓦斯地面抽采理论、技术及工艺设备的研究进展与存在问题,提出了未来研究的关键方向与潜在热点。首先,总结了废弃/关闭煤矿瓦斯赋存规律,归纳对比了遗留瓦斯资源量评估方法,分析了废弃煤矿地面抽采过程中瓦斯渗流及运移规律。其次,总结了2种常见的废弃/关闭煤矿瓦斯地面抽采技术,以及采用的钻井抽采工艺设备,对比分析了与生产矿井地面钻井瓦斯抽采工艺的异同。然后,从废弃/关闭煤矿瓦斯抽采理论、技术和工艺设备等方面分析了研究中存在的不足:①瓦斯资源赋存空间和机理不明;②瓦斯资源量评估不精准;③瓦斯次生运移及动态积聚规律不清;④瓦斯抽采渗流及运移规律研究不充分;⑤瓦斯抽采关键技术不成熟;⑥地面钻井工艺设备不全面;⑦瓦斯抽采系统不完善。最后,凝练提出了未来的研究方向:揭示不同影响因素下的遗留瓦斯资源赋存特征与运移机理,构建废弃煤矿瓦斯储量与资源精准预测理论模型,阐明遗留瓦斯次生运移聚集范围分布特征及演化过程,丰富完善地面抽采过程中遗留瓦斯渗流及运移规律研究理论,逐步优化废弃煤矿地面瓦斯抽采技术体系,系统升级废弃煤矿瓦斯地面钻井工艺设备,逐步实现废弃煤矿地面钻井工艺智能化,深入改进废弃煤矿地面瓦斯抽采工艺设备。废弃/关闭煤矿瓦斯资源的精准与安全开发研究,对于提升废弃/关闭煤矿安全水平、促进能源结构调整、保障国家能源安全和推动经济持续健康发展具有重大意义。 展开更多
关键词 废弃/关闭煤矿 遗留瓦斯 赋存特征 瓦斯抽采 工艺设备
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煤层含水率对CO_(2)等压扩散置换CH_(4)效应的影响研究 被引量：2
5
作者 陈立伟 王东杰 +2 位作者 边乐 刘媛 李晓华 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第S1期87-96,共10页
为了研究水分对煤层注CO_(2)置换CH_(4)效应的影响,采用自主研发的含瓦斯多元气体置换实验系统进行不同含水率煤对CH_(4)和CO_(2)的吸附实验,研究结果表明:煤中水分的存在不影响CH_(4)和CO_(2)等温吸附曲线的规律以及煤吸附CH_(4)和CO_... 为了研究水分对煤层注CO_(2)置换CH_(4)效应的影响,采用自主研发的含瓦斯多元气体置换实验系统进行不同含水率煤对CH_(4)和CO_(2)的吸附实验,研究结果表明:煤中水分的存在不影响CH_(4)和CO_(2)等温吸附曲线的规律以及煤吸附CH_(4)和CO_(2)能力大小的排序;相同吸附平衡压力下,随着煤样含水率的增加,CH_(4)和CO_(2)吸附量逐渐减小,水分对煤吸附CH_(4)的抑制率大于煤吸附CO_(2)的抑制率,这说明水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大。在进行等压扩散条件下不同含水率煤的注CO_(2)置换CH_(4)实验时,发现,相同含水率条件下,随着吸附平衡压力的增加,CH_(4)的置换量和置换率不断增加,而CO_(2)注置比不断减小,CH_(4)的置换效果较好,而CO_(2)的利用率较低。同一吸附平衡压力下,随着煤样含水率的增加,CO_(2)储存量不断减少,与CH_(4)置换量对比发现,相同条件下,CO_(2)在煤体中的储存量始终高于CH_(4)的置换量;当煤样含水率不变时,吸附平衡压力升高,煤样中CO_(2)储存量和CH_(4)置换量均随之变大,且CO_(2)在煤体中的储存量也始终高于CH_(4)的置换量。同一吸附平衡压力下,随着煤样含水率的增加,CH_(4)的置换量和置换率及CO_(2)注置比表现出下降的趋势,水分对CO_(2)置换煤中CH_(4)起抑制作用,煤样含水率越大,置换效果越差,抑制程度越高;CO_(2)注置比下降梯度较小,程度不明显,水分对其影响较小。该研究成果进一步完善影响煤对气体吸附解吸因素的理论分析,将为注气抽采煤层气的工程应用提供理论依据。 展开更多
关键词 煤层气 等温吸附 等压扩散 水分 置换效果
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基于FEDformer-LGBM-AT架构的采煤工作面上隅角瓦斯浓度预测 被引量：3
6
作者 梁运培 李赏 +4 位作者 李全贵 郭亚博 孙万杰 郑梦浩 王程成 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期360-378,共19页
在煤矿智能化升级的大环境下,从海量的工作面监测数据中挖掘高质量的信息来构建科学的模型从而提高预测时长和精度是防范上隅角瓦斯浓度超限的关键。然而,上隅角瓦斯浓度影响因素众多,海量数据利用匮乏,瓦斯浓度预测精度高但时长较短,仅... 在煤矿智能化升级的大环境下,从海量的工作面监测数据中挖掘高质量的信息来构建科学的模型从而提高预测时长和精度是防范上隅角瓦斯浓度超限的关键。然而,上隅角瓦斯浓度影响因素众多,海量数据利用匮乏,瓦斯浓度预测精度高但时长较短,仅为0~30 min,而中长时30~60 min预测精度低、泛化能力差。为了解决这个问题,以山西某矿回采工作面为研究对象,对该工作面的煤层瓦斯含量进行动态提取,组建煤层瓦斯含量、瓦斯浓度、采煤机、风速的特征集合,并对该特征集合进行预处理,通过相关性分析对不同特征进行筛选,进一步构造相关特征的短时趋势、长时趋势、周期趋势以及拼接特征,首先构建基于频率增强分解Transformer(FEDformer)的瓦斯浓度预测层,构建基于轻量梯度增强机(LGBM)的残差修正层,然后引入自适应阈值(AT)技术构建阈值感知层,最终组成3层瓦斯超限预测模型架构,对未来60 min内上隅角瓦斯浓度进行预测,并通过召回率(TPR),误报率(FPR),平均绝对误差(MAE)以及平均绝对百分误差(MAPE)对预测性能进行考察。结果表明:所构建的基于FEDformer-LGBM-AT架构的上隅角瓦斯浓度预测模型的短时TPR为0.956,FPR为0.035,MAE为0.033,MAPE为0.183;长时预测的TPR为0.940,FPR为0.035,MAE为0.047,MAPE为0.262;与传统的灰色模型(GM)、支持向量机(SVM)、反向传播(BP)、门控循环单元(GRU)、粒子群优化的长短期记忆(PSOLSTM)、Transformer等模型的长时预测能力相比,FEDformer-LGBM-AT架构模型具有更好的长时预测精度和泛化能力,自适应阈值感知使得模型对高值瓦斯浓度敏感。该架构模型弥补短期预测局限性和泛化性,支撑现场瓦斯超限防治措施,可为回采工作面瓦斯浓度智能预测提供一定的借鉴和参考。 展开更多
关键词 瓦斯浓度 深度学习 特征构造 自适应阈值 长时预测
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循环载荷条件下含瓦斯煤渗透率演化规律分析 被引量：1
7
作者 王登科 冯浩航 +6 位作者 魏建平 陈旭 蒋志刚 袁修竹 白云 曹塘根 熊文超 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第S1期151-164,共14页
为了探究不同循环加卸载条件下含瓦斯煤的渗透演化规律,以原煤煤样为研究对象,利用三轴蠕变-渗流实验系统,设计开展了不同围压和不同循环载荷上限条件下的含瓦斯煤循环加卸载实验,研究了弹性循环加卸载和弹塑性循环加卸载条件下含瓦斯... 为了探究不同循环加卸载条件下含瓦斯煤的渗透演化规律,以原煤煤样为研究对象,利用三轴蠕变-渗流实验系统,设计开展了不同围压和不同循环载荷上限条件下的含瓦斯煤循环加卸载实验,研究了弹性循环加卸载和弹塑性循环加卸载条件下含瓦斯煤渗透特性。研究结果表明:对于不同循环载荷上限下的含瓦斯煤,弹性循环加卸载条件下,随着循环次数的增加,渗透率逐渐减小,绝对渗透率损害率逐渐增大,相对渗透率损害率逐渐减小;弹塑性循环加卸载条件下,渗透特性随着循环次数的增加在不同围压下具有差异性,高围压下含瓦斯煤渗透率依旧随循环进行逐渐减小,低围压下含瓦斯煤渗透率随着循环进行呈减小-增大趋势。高围压条件下含瓦斯煤渗透率损害率与弹性循环加卸载条件下相似,低围压下含瓦斯煤的绝对渗透率损害率先是迅速增大随后趋于平稳,相对渗透率损害率先是迅速下降再趋于平稳。在弹性循环加载条件下,加载阶段和卸载阶段含瓦斯煤的渗透率应力敏感性系数均随着循环次数的增加均单调减小,在弹塑性加载条件下,含瓦斯煤的渗透率应力敏感性系数在一定循环次数内仍呈减小趋势,之后随着循环的增加会产生波动和增加。在加载阶段随着循环进行逐渐减小,卸载阶段渗透率应力敏感性系数逐渐增加,但对于弹塑性循环加卸载条件,含瓦斯煤渗透率应力敏感性系数随着围压的增大而降低。 展开更多
关键词 含瓦斯煤 循环载荷 应力敏感性 渗透性 渗透率损害率
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黔西矿区软硬分层煤温度-压力耦合影响瓦斯解吸试验 被引量：1
8
作者 黄良 李希建 +1 位作者 刘钰 陈守坤 《工矿自动化》 北大核心 2025年第1期156-162,170,共8页
煤层瓦斯解吸特性对矿井瓦斯涌出规律和煤层气开发有重要影响,煤层温度和压力变化对软硬分层煤瓦斯解吸有明显控制作用。贵州黔西矿区煤层大多属于高瓦斯近距离突出煤层群,软硬结合较多,且煤层透气性低。为进一步明确该地区煤层瓦斯解... 煤层瓦斯解吸特性对矿井瓦斯涌出规律和煤层气开发有重要影响,煤层温度和压力变化对软硬分层煤瓦斯解吸有明显控制作用。贵州黔西矿区煤层大多属于高瓦斯近距离突出煤层群,软硬结合较多,且煤层透气性低。为进一步明确该地区煤层瓦斯解吸特性,以贵州黔西典型矿区小屯煤矿和青龙煤矿软硬分层煤为研究对象,利用HCA型高压容量法吸附装置对软硬分层煤进行不同温度、压力下的瓦斯解吸特征试验研究,对比分析温度、压力耦合变化对软硬分层煤瓦斯解吸特征的影响。结果表明:同一煤样温度、压力越高,瓦斯解吸初速度越大,对于0~120 s内的初始瓦斯解吸,瓦斯压力不占主导作用;软分层煤初始瓦斯解吸速率大于硬分层煤,硬分层煤累计瓦斯解吸量大于软分层煤,硬分层煤累计瓦斯解吸量最快在540 s内超过软分层煤;煤体暴露后60 s内含煤瓦斯解吸量变化最剧烈,且软分层煤前60 s解吸量所占比例大于硬分层煤,解吸更“活跃”;瓦斯解吸速率随压力的增加而升高,解吸速率可划分为3个阶段,即0~60 s为“解吸爆炸期”,60~1500 s为“解吸跳跃期”,1500~7200 s为“解吸稳定期”;软分层煤中值解吸时间受温度、压力影响大于硬分层煤,软分层煤瓦斯解吸主要集中在煤炭暴露后1800 s内。 展开更多
关键词 构造煤 软硬分层 瓦斯解吸速率 瓦斯解吸量 温度-压力耦合影响
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“双碳”目标下煤矿瓦斯全浓度区间梯级利用技术研究 被引量：1
9
作者 韩颖 单非凡 +1 位作者 张飞燕 宋金星 《中国煤炭》 北大核心 2025年第5期96-104,共9页
在“双碳”总体目标的要求下,如何切实提高瓦斯利用率并有效降低瓦斯利用过程中的碳排放量,是我国煤炭开采领域亟待解决的关键问题。为此采用文献分析法对我国煤矿瓦斯全浓度区间梯级利用技术进行了系统梳理与总结。目前,我国已经形成... 在“双碳”总体目标的要求下,如何切实提高瓦斯利用率并有效降低瓦斯利用过程中的碳排放量,是我国煤炭开采领域亟待解决的关键问题。为此采用文献分析法对我国煤矿瓦斯全浓度区间梯级利用技术进行了系统梳理与总结。目前,我国已经形成了高浓度瓦斯直接利用、低浓度瓦斯及乏风瓦斯提纯增浓技术为主的阶梯式综合利用体系,其中,高浓度瓦斯主要用于发电、民用燃料、工业燃料、合成化工产品、提纯生产CNG或LNG,低浓度瓦斯主要采用内燃机发电、直燃和提纯增浓等技术加以利用,而乏风瓦斯主要采用蓄热/催化氧化、热逆流氧化、热逆流催化氧化和乏风助燃等技术加以利用。基于此,指明了下一步的重点研究工作,即研究对高浓度瓦斯利用过程中产生的CO_(2)进行有效捕集、利用和封存,攻克低浓度及乏风瓦斯利用过程中存在的发电机组效率低、提纯技术推广难、直燃技术安全性争议大、蓄热氧化装置能耗高等诸多难题,有效提升瓦斯转化与利用装备的智能化、高效性和安全性,进而构建以煤矿瓦斯全浓度区间梯级利用为核心的近零碳排放技术体系。 展开更多
关键词 “双碳”目标 煤矿瓦斯 全浓度区间 梯级利用技术 低浓度瓦斯 乏风瓦斯
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煤层双重孔隙瓦斯输运机理及模型评估 被引量：1
10
作者 刘伟 韩冬阳 +2 位作者 徐浩 周禹军 李天男 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期151-162,共12页
瓦斯是赋存于煤层中的非常规天然气。瓦斯的输运行为是煤层气开采的核心问题,然而双重孔隙煤层的瓦斯输运机理还没有达成共识。为了明确瓦斯输运机理,可视化瓦斯动态输运过程,构建裂隙中瓦斯由压力梯度驱动、煤基质内瓦斯分别由压力梯... 瓦斯是赋存于煤层中的非常规天然气。瓦斯的输运行为是煤层气开采的核心问题,然而双重孔隙煤层的瓦斯输运机理还没有达成共识。为了明确瓦斯输运机理,可视化瓦斯动态输运过程,构建裂隙中瓦斯由压力梯度驱动、煤基质内瓦斯分别由压力梯度驱动和密度梯度驱动的2种煤层双重孔隙钻孔瓦斯渗流模型。2种模型均采用有限差分法求解。通过自主开发的数值模拟软件得到瓦斯压力分布、瓦斯涌出速度和瓦斯累计涌出量。通过对比数值解算结果与现场实测数据,探讨2种模型的准确性和差异性。结果表明:①2种模型在抽采前期均由达西流主导,其瓦斯涌出速度和累计瓦斯涌出量与现场基本保持一致,而煤基质内的气体将在后期主导气体输运。②由于游离瓦斯的存在,基质密度梯度模型的钻孔瓦斯压力变化范围比压力梯度模型的更大,更符合现场实测情况。说明煤基质中的扩散行为更符合游离瓦斯密度梯度驱动模型。③钻孔瓦斯涌出速度与原始瓦斯压力、孔隙率、裂隙渗透系数呈正相关,与基质半径负相关。所构建的裂隙瓦斯压力梯度驱动、基质游离瓦斯密度梯度驱动双重孔隙钻孔瓦斯输运模型更真实、准确地反映煤储层钻孔瓦斯输运的物理行为。 展开更多
关键词 煤层 瓦斯输运 密度梯度 双重孔隙模型 瓦斯涌出速率 参数敏感性
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深部煤层气排采技术现状与展望 被引量：1
11
作者 蔡文斌 王江龙 +2 位作者 张衍君 周德胜 雷旭 《煤炭工程》 北大核心 2025年第3期1-10,共10页
我国煤层气资源丰富,但地质和工程条件复杂,天然气井排采工艺技术在煤层气井中的适用性受限,特别是深部煤层气(埋深大于1500 m的煤层气资源),其排采特征与浅层煤层气存在显著差异。为了促进深部煤层气排采技术发展,系统分析了深部煤层... 我国煤层气资源丰富,但地质和工程条件复杂,天然气井排采工艺技术在煤层气井中的适用性受限,特别是深部煤层气(埋深大于1500 m的煤层气资源),其排采特征与浅层煤层气存在显著差异。为了促进深部煤层气排采技术发展,系统分析了深部煤层气储层特征、排采阶段及主控因素、排采工艺的发展方向。结果表明:(1)深部煤层气资源:普遍具有储层压力温度高、地层能量充足、煤层厚度大、含气量高、游离气丰富等储层特征,同时有基质渗透率低、孔隙连通性差、有效应力大及压裂液返排率低等特征。(2)排采主控因素有:排水降压初期,煤粉对排采效果影响较大;见气至稳产阶段,应力敏感性显著,应减少关井次数,避免排采不连续导致的地层污染。(3)建议深部煤层气井采用精细化、定量化的五段式或六段式的阶段划分,有利于控制井底压力平稳下降,制定排采制度是为了延长稳产期,稳产阶段的持续时间决定最终产能。(4)气井全生命周期一体化排采、地质工程一体化排采机器学习与智慧排采等技术是未来排采工艺的发展方向。 展开更多
关键词 深部煤层气 煤层气井 排采影响因素 阶段划分 排采制度 排采工艺
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天然弱面对瓦斯抽采水平井压裂多裂缝扩展的影响 被引量：1
12
作者 庞涛 姜在炳 +2 位作者 王正喜 刘修刚 李浩哲 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第S1期130-138,共9页
针对碎软低渗煤层待掘煤巷条带瓦斯高效抽采难题,提出待掘煤巷条带顶板水平井分段压裂高效预抽瓦斯技术。为实现瓦斯无空白带均衡抽采,基于分段多簇压裂的裂缝网络构建是技术成功的关键。为研究煤系地层中的多裂缝扩展形态,分析了煤系... 针对碎软低渗煤层待掘煤巷条带瓦斯高效抽采难题,提出待掘煤巷条带顶板水平井分段压裂高效预抽瓦斯技术。为实现瓦斯无空白带均衡抽采,基于分段多簇压裂的裂缝网络构建是技术成功的关键。为研究煤系地层中的多裂缝扩展形态,分析了煤系地层天然弱面发育特征,建立了天然弱面对多裂缝扩展形态的判别式,并采用有限元方法分析了单一天然弱面和多天然弱面对多裂缝扩展的影响。结果表明:煤层及顶底板岩层中发育有大量裂隙、层理、界面等天然弱面,影响着水力压裂裂缝的扩展形态;裂缝与天然弱面的相互作用受原场地应力、已形成裂缝的诱导应力和裂缝尖端应力场的共同影响;天然弱面距预置裂缝距离小时能够诱导裂缝起裂并迅速取得扩展优势,距离大时能够诱导多裂缝扩展呈复杂形态;小角度天然弱面能够诱导附近裂缝快速扩展,角度为90°时不影响缝间干扰。多天然弱面发育条件下,应力差低时易形成以天然弱面为主的缝网,应力差大时易形成较为简单的单一裂缝;天然弱面密度大、形态复杂时易形成缝网,地应力对缝网形态影响不大。工程应用表明,试验井水力压裂形成了覆盖待掘煤巷条带的缝网,日产气量已达1708 m^(3),且正处于产气量上升阶段,具有良好抽采前景。 展开更多
关键词 煤巷条带 顶板水平井 瓦斯预抽 天然弱面 多裂缝扩展
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多级大直径钻孔裂隙演化及浆液扩散规律数值研究 被引量：2
13
作者 刘军 吴光伟 刘志宽 《中国矿业》 北大核心 2025年第1期174-182,共9页
合理的注浆封孔工艺参数是提高瓦斯抽采效率的有效措施,针对多级成孔方式下大直径钻孔的注浆封孔效果不佳问题,对多重损伤影响下大直径钻孔裂隙演化规律和浆液扩散规律进行了研究,得到了多级扩孔方式下大直径钻孔的裂隙演化规律,以及基... 合理的注浆封孔工艺参数是提高瓦斯抽采效率的有效措施,针对多级成孔方式下大直径钻孔的注浆封孔效果不佳问题,对多重损伤影响下大直径钻孔裂隙演化规律和浆液扩散规律进行了研究,得到了多级扩孔方式下大直径钻孔的裂隙演化规律,以及基于大直径钻孔开挖后裂隙分布的注浆扩散规律。以山西省寺家庄煤矿工作面为研究对象,构建了PFC2D钻孔开挖模型和COMSOL浆液扩散模型,并通过理论公式进行了模型验证。研究结果表明:①当终孔直径为400 mm时,多级成孔方式与一次成孔方式相比,形成的钻孔裂隙区半径从0.50 m提高至0.75 m,增幅为50%;钻孔周围煤体产生的剪裂隙数量明显高于拉裂隙,证明剪应力是形成裂隙的主要原因。②当注浆压力由2.00 MPa增加至3.00 MPa时,扩散距离由0.644 m增加至0.657 m,最大浆液扩散速度由0.10 m/s增加至0.18 m/s;当稠度系数k从13 Pa·s增加至21 Pa·s时,最大浆液扩散速度由0.14 m/s降低至0.08 m/s,扩散距离由0.662 m降低至0.644 m。③该工作面在应用高压保压注浆封孔技术时,结合数值模拟和经验公式验证的结果,确认当最佳注浆压力为3.00 MPa、注浆浆液最佳水灰比为1∶1.2时,能达到最佳的浆液扩散效果,浆液径向扩散半径范围为0.597~0.615 m。研究结果可为多级扩孔方式下大直径钻孔的高效注浆封孔的工艺参数确定提供理论依据。 展开更多
关键词 瓦斯抽采 大直径钻孔 PFC2D COMSOL 裂隙演化 浆液扩散
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煤矿瓦斯抽采和探水作业智能管理系统标准研究制定 被引量：1
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作者 孙继平 龚大立 《工矿自动化》 北大核心 2025年第6期1-7,共7页
煤矿瓦斯抽采和探水作业分别是煤矿瓦斯和水害防治的主要措施。当前煤矿瓦斯抽采和探水钻孔作业存在不按设计施工、无有效监督手段、钻孔质量难以保障等问题。煤矿瓦斯抽采和探水作业智能管理系统采用人工智能图像识别技术,自动识别钻... 煤矿瓦斯抽采和探水作业分别是煤矿瓦斯和水害防治的主要措施。当前煤矿瓦斯抽采和探水钻孔作业存在不按设计施工、无有效监督手段、钻孔质量难以保障等问题。煤矿瓦斯抽采和探水作业智能管理系统采用人工智能图像识别技术,自动识别钻孔深度,减少了瓦斯和水害事故发生。①根据煤矿瓦斯抽采和探水作业业务需求,提出目标识别准确率应不低于95%,目标召回率应不低于95%。②根据煤矿瓦斯抽采业务流程,提出煤矿瓦斯抽采智能管理系统应具有瓦斯地质建模、抽采钻孔设计、抽采施工计划、抽采钻孔作业、抽采钻孔验收、抽采钻孔台账、抽采管路管理、抽采参数监测、矿井环境监测、抽采达标评判、绝对瓦斯涌出量预测等显示、查询、存储、报警等功能。根据煤矿瓦斯抽采作业需求,提出煤矿瓦斯抽采智能管理系统应具有基于抽采方法的抽采钻孔辅助设计、抽采施工计划下发、现场设备接收抽采钻孔作业、自动计算抽采钻孔深度、瓦斯抽采钻孔验收等功能;提出工作面抽采设计说明书、安全技术措施、原始记录班报表、抽采钻孔竣工验收表、抽采钻孔作业完整视频、每杆钻机视频等资料文档保存期限应≥2a。③根据煤矿探放水业务流程,提出煤矿探水作业智能管理系统应具有“三专”管理、物探管理、钻探设计、钻探计划、钻探作业、钻探验收、钻探分析、钻探台账等显示、查询、存储、报警等功能。根据煤矿探放水作业需求,提出系统应具有基于物探异常区域范围的钻孔辅助设计、钻探计划下发、现场设备接收钻探作业、自动计算钻孔深度、单孔验收及钻探工程验收、系统大数据应用分析等功能;提出系统应具有专职探放水作业人员作业期间的出入井记录、人员定位轨迹查询等功能;提出系统应具有作业现场甲烷传感器实时监测值显示等功能;提出物探设计文档、钻探设计文档、安全技术措施、停止掘进通知单、探水通知单、原始记录班报表、钻探工程验收表、安全确认移交表、允许掘进通知单、钻探工程总结、月/季/年度探水统计表、钻探作业完整视频、单孔作业视频、每杆钻进视频等资料文档保存期限应≥2a。 展开更多
关键词 煤矿灾害防治 瓦斯抽采 探水作业 智能管理 标准
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松软煤层条带预抽底板梳状孔成孔及飞管完孔技术研究 被引量：1
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作者 丁华忠 王力 +6 位作者 景慎怀 黄寒静 陈洪岩 程合玉 李明强 曾庆辉 聂超 《煤炭技术》 2025年第3期141-145,共5页
松软煤层煤质松软、透气性差,常规煤巷条带瓦斯治理采用“底板巷+穿层钻孔”治理模式存在工程量大、周期长、成本高等问题,随着煤矿井下定向钻进技术的发展,采用底板梳状孔进行煤巷条带瓦斯消突、预抽成为松软煤层瓦斯超前治理的新方法... 松软煤层煤质松软、透气性差,常规煤巷条带瓦斯治理采用“底板巷+穿层钻孔”治理模式存在工程量大、周期长、成本高等问题,随着煤矿井下定向钻进技术的发展,采用底板梳状孔进行煤巷条带瓦斯消突、预抽成为松软煤层瓦斯超前治理的新方法,但还存在煤岩层交替定向钻进施工、梳状煤层分支孔定位下筛管等关键技术问题。针对淮南张集矿底板条带梳状孔,进行了底板梳状钻孔轨迹设计分析、梳状孔成孔工艺研究、分支孔飞管完孔工艺研究及配套装置的研制,在张集矿1223(3)运顺底抽巷施工3个梳状钻孔,孔深450 m以上,9个煤层分支孔均成功下入飞管,最大飞管长度202 m。结果表明,采用气液交替定向钻进技术进行底板梳状瓦斯消突、预抽效率高,气力输送飞管护孔工艺可实现煤层分支孔飞管完孔,使煤孔段有效护孔,形成了一套底板梳状孔成孔和飞管护孔技术,为松软煤层底板梳状孔条带瓦斯治理提供了新技术。 展开更多
关键词 松软煤层 梳状钻孔 条带预抽 飞管完孔 硬岩开分支
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煤层注水渗流与润湿机制研究进展
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作者 王刚 陈雪畅 +3 位作者 程卫民 刘震 孙路路 徐浩 《山东科技大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第1期1-17,共17页
近年来,随着煤炭开采不断向深部发展,矿井所面临的冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害日益严重。煤层注水在治理煤与瓦斯突出、防冲泄压等方面具有显著优势,成为广泛应用的矿井防灾手段。为系统总结煤层注水渗流与润湿机制相关研究,本文梳理... 近年来,随着煤炭开采不断向深部发展,矿井所面临的冲击地压、煤与瓦斯突出等灾害日益严重。煤层注水在治理煤与瓦斯突出、防冲泄压等方面具有显著优势,成为广泛应用的矿井防灾手段。为系统总结煤层注水渗流与润湿机制相关研究,本文梳理了国内外煤层注水发展脉络,从孔裂隙结构、渗流过程、渗流机理及润湿机制等方面综合分析相关成果。在孔裂隙结构研究方面,借助先进的微观观测技术已成功建立起了多种孔裂隙结构的定量表征模型,并准确描述其几何参数特征,有助于针对不同煤层特性制定更具针对性的注水方案。在渗流过程研究方面,构建了考虑多因素的渗流理论模型,并通过先进测量技术获取渗流数据,揭示注水参数影响规律,同时,数值模拟技术实现了渗流场的可视化。煤体润湿机制研究方面,揭示了润湿微观原理,明确了不同煤质润湿特性差异,并筛选有效润湿剂提高注水效果。现阶段的研究还存在局限性,如孔裂隙结构研究与宏观工程结合欠缺,渗流数值模型需进一步考虑流体对煤体结构的影响进行优化等。本研究为优化煤层注水效果提供了理论基础,对保障煤矿安全、推动灾害治理技术发展及能源安全稳定有借鉴意义。 展开更多
关键词 深部开采 煤层注水 孔裂隙结构 注水渗流 润湿机制
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煤层注水对煤矿灾害的防治作用机理研究
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作者 王刚 黄启铭 +3 位作者 程卫民 于岩斌 王振洋 李木坤 《山东科技大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第3期1-12,共12页
国内外长期工程实践证实,煤层注水作为一种防控技术手段,能够从源头上有效治理煤尘、瓦斯及冲击地压等灾害,为煤矿安全生产提供了重要保障。本研究基于近年来国内外研究成果,从注水引发的煤体润湿改性、孔裂隙结构演化及力学性能调控三... 国内外长期工程实践证实,煤层注水作为一种防控技术手段,能够从源头上有效治理煤尘、瓦斯及冲击地压等灾害,为煤矿安全生产提供了重要保障。本研究基于近年来国内外研究成果,从注水引发的煤体润湿改性、孔裂隙结构演化及力学性能调控三个维度,系统梳理了煤层注水防治矿井灾害作用机理的研究成果。煤层钻孔注水在压力驱动下渗流进入煤体孔裂隙网络,通过水膜包裹煤尘颗粒、降低煤体表面能等途径抑制粉化核形成,实现粉尘污染的源头防控;水力润湿作用促使煤体强度弱化并提升煤体塑性,配合水力致裂产生的区域卸压效应,显著改善煤层应力分布状态,从而有效预防煤层冲击地压灾害。同时,注入煤层内部的水分子通过竞争吸附置换煤体孔隙内的瓦斯,结合高压水力增透机制,显著强化煤层瓦斯的流动性,大幅提升煤层瓦斯抽采效率。尽管现有研究已从多角度阐明了注水防灾机理,但在深部复杂地质条件下,注水渗润的各向异性特征、水-煤-气-应力多场耦合动态响应机制,以及地质力学环境变异对注水效果的影响等方面仍需深入探索。这些关键问题的突破将为发展适应深部开采条件的煤层注水新技术提供理论支撑,推动煤矿灾害水力化防治水平迈上新台阶。 展开更多
关键词 煤层注水 粉尘 冲击地压 煤与瓦斯突出 防治机理
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扩散主控型煤层定义、特征及瓦斯促抽路径分析
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作者 赵伟 王凯 +6 位作者 周爱桃 舒龙勇 林海飞 臧杰 徐超 胡彪 涂庆毅 《煤炭学报》 北大核心 2025年第7期3280-3292,共13页
随着我国煤炭资源生产重心向中西部转移、开采水平向深部延伸,煤层结构呈现多元化、差异化特征,导致瓦斯储运规律发生变化,构建适用于多煤体结构类型的差异化瓦斯抽采方案是发展趋势。当前,关于煤粒或煤体的瓦斯解吸特征演化过程仍缺乏... 随着我国煤炭资源生产重心向中西部转移、开采水平向深部延伸,煤层结构呈现多元化、差异化特征,导致瓦斯储运规律发生变化,构建适用于多煤体结构类型的差异化瓦斯抽采方案是发展趋势。当前,关于煤粒或煤体的瓦斯解吸特征演化过程仍缺乏数学性系统分析,对解吸曲线是裂隙(渗流)主控还是孔隙(扩散)主控仍存在争议。基于扩散与渗流的相互竞争制约关系,对瓦斯解吸曲线形态进行了综述性总结和归纳,并分析了其内在控制机制;对扩散主控型煤层进行了定义,探讨了低瓦斯厚煤层以及高瓦斯构造煤层瓦斯抽采的有效途径及隐含机制,并给出了扩散主控型煤层瓦斯治理的适配性方法;提出了未来扩散主控型煤层瓦斯储运规律的研究重点。研究表明:中西部低压厚煤层普遍瓦斯含量低、运移动力不足,可称为直接扩散体;深部构造煤层等效扩散距离长、运移难度大,可称为等效扩散体。扩散主控型煤层具有低压敏感性、应变敏感性、时间敏感性和压力差异化响应等特点,使得瓦斯治理时要着重考虑增能增扩和减距增扩,形成驱替、微生物降解基质、表面活性剂等基质面改性技术,以及水力冲孔造穴、保护层开采等基质体改性技术2类强化抽采措施。未来仍需在扩散力学模型及响应机理、扩散系数正向测试方法、扩散主控体瓦斯抽采评价指标等着重研究。研究结果可为煤层瓦斯差异化治理体系建立提供参考。 展开更多
关键词 扩散主控 瓦斯抽采方法 微孔填充 吸附应变 扩散系数
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不同多孔介质布置下低浓度甲烷燃烧特性
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作者 张建国 翟成 +4 位作者 张国川 曹运齐 刘方 仝艳军 苏童 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第16期6752-6759,共8页
为了解决传统直燃式多孔介质燃烧器存在火焰稳定性差、燃烧效率低和贫极限高的问题,通过构建5种排布方式的多孔介质燃烧器用于低浓度甲烷(low-concentration methane,LCM)燃烧实验,研究不同多孔介质排布方式、当量比和流量对LCM燃烧特... 为了解决传统直燃式多孔介质燃烧器存在火焰稳定性差、燃烧效率低和贫极限高的问题,通过构建5种排布方式的多孔介质燃烧器用于低浓度甲烷(low-concentration methane,LCM)燃烧实验,研究不同多孔介质排布方式、当量比和流量对LCM燃烧特性的影响,并分析贫燃工况下的CH4转化率、污染物排放和烟气温度。结果表明:渐变E型多孔介质燃烧器具有最佳的LCM燃烧适应性,可部分弥补LCM燃烧过程中的界面温度扰动,提高LCM燃烧稳定性。在当量比0.39、流量50 L/min的条件下,LCM驻定燃烧时间超过140 min,火焰位置始终维持在60 mm处。LCM在E型燃烧器中燃烧的CH4转化率为99.99%,CO和NOx排放分别为531×10^(-6)和23×10^(-6),产生平均温度588℃以上的高品质烟气可用于工业生产。研究成果为提高煤矿低浓度瓦斯利用效率、降低甲烷排放提供重要参考。 展开更多
关键词 多孔介质燃烧 低浓度甲烷 渐变排布 燃烧特性 可燃极限
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注热过程中高温蒸汽渗流与煤体热应变动态演化规律
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作者 李志强 张宁超 +4 位作者 陈金生 陈立伟 冯文祥 刘龙威 王云刚 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第5期93-103,共11页
【背景】高温蒸汽热激励煤层是一种极具前景的增产瓦斯技术方法,蒸汽渗透率是表征热流体注入能力的关键参数。然而,蒸汽在煤中的渗流规律及其演化机理目前依然未知,探索上述问题对注热增产瓦斯工程具有重要的科学意义。【方法】采用稳... 【背景】高温蒸汽热激励煤层是一种极具前景的增产瓦斯技术方法,蒸汽渗透率是表征热流体注入能力的关键参数。然而,蒸汽在煤中的渗流规律及其演化机理目前依然未知,探索上述问题对注热增产瓦斯工程具有重要的科学意义。【方法】采用稳态法进行了煤中注入高温蒸汽的渗流与热应变实验,研究了蒸汽渗透率和煤体热应变随时间的动态变化规律。采用Kelvin毛细凝聚理论、段塞流理论和热应力理论,分别分析了蒸汽在煤中的冷凝相变、脉动渗流和煤体热应变变化机制。【结果】高温蒸汽注入煤体过程中,随注热时间延长,蒸汽液测渗透率呈间歇性脉动规律。随蒸汽温度升高,脉动峰值降低,周期缩短,脉动更加剧烈。注热过程中,煤体径向、体积应变呈2~3段阶段式膨胀变化。蒸汽温度较低时,轴向应变为压缩应变,而温度较高时,转为膨胀应变。【结论】蒸汽在煤体微孔隙中的平衡压力小于大空间中的饱和蒸汽压,孔径越小,蒸汽冷凝所需压力越低,也越容易冷凝相变。蒸汽在煤体中产生的气液段塞流是造成其渗透率间歇性脉动的主要原因。此外,高温蒸汽对煤体渗透率还叠加了内外膨胀影响效应,导致大孔渗透率降低,基质小孔渗透率增大。蒸汽注入过程中,前期的快速膨胀应变,主要由孔隙压力控制,中后期的缓慢膨胀应变,主要由升温引起的热应变控制。研究结果为蒸汽热采瓦斯工程和数值模拟提供了事实依据和理论参考。 展开更多
关键词 瓦斯 蒸汽 温度 两相渗流 热应变 注热
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