煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2020年第10期

• 沁水盆地南部煤层气水平井产能影响因素分析

  吕玉民, 柳迎红, 陈桂华, 王存武, 朱学申, 郭广山, 刘佳,

  近20年来，我国煤层气产业稳步实现商业开发，但产业发展瓶颈日益凸显：低效井占比大、达产率低，储产量规模与我国预期的规划目标存在较大差距。为查明煤层气井产能影响因素，研究了相适应的地质选区评价、工程工艺措施及排采管控技术。围绕沁水盆地南部水平井大规模投产实践，在分析地质特征和气井生产动态的基础上，重点结合构造、工程因素与排采管理，探讨了影响该区煤层气水平井产能的主控因素，并针对性地提出了提高水平井产能的对策建议，以期实现煤层气水平井规模化高效开发。研究表明：受气水重力分异影响，处于构造高部位的水平井见气早、上产快，效果明显优于低部位水平井；处于低部位的上翘性水平井见气晚、产水较大、上产慢；受渗透性非均质性影响，区内水平段有效长度与峰值产量相关性较弱，但侧钻易沟通邻近水层并导致局部井眼应力集中，造成气井产水大、煤粉多等问题；排采连续性与产气存在密切关系，停排时间长、次数多引起储层压力频繁扰动，破坏储层降压持续性，进而影响产气恢复速率及整体效果；此外，排采早期降压速率过大易引起压敏和速敏效应，伤害煤储层渗透率，进而影响气藏压降漏斗扩展及整体降压范围，最终影响气水产出效果。因此，建议优化水平井井位，加大低部位水平井的排采强度；定期环空注水稀释井底煤粉，降低停泵检修频次，提高排采连续性，将排采早期压降速率合理控制在0.02 MPa/d内。

• 液氮冻融循环作用下饱水煤样力学特性试验研究

  张春会, 耿哲, 徐刚, 赵全胜, 李和万,

  液氮注入低渗煤层致裂、增透是提高瓦斯抽采率的新技术。液氮是超低温流体，与煤作用的温度应力引起煤结构损伤和力学特性改变，进而影响煤矿安全开采。为揭示液氮冻融循环作用对煤力学特性的影响，将取自于纳林河矿的原煤，制成饱水煤样，开展液氮冻融循环和力学特性试验。通过波速测试、单轴压缩试验和循环荷载试验测试液氮作用前后煤的波速、弹性模量、单轴抗压强度、泊松比、压密应变、破坏应变、疲劳寿命和动轴向应变的变化，分析液氮冷冻和冻融循环次数对煤力学特性的影响规律。结果表明，液氮冷冻和液氮冻融循环次数对煤力学特性有很大影响。液氮冷冻后，煤样结构损伤，力学性能劣化。液氮作用1次，煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变、疲劳寿命分别降低了32.9%、0.2%、29.9%、35.9%和22.7%，泊松比和压密应变分别增加了18.2%和2.1%。液氮作用3次煤样波速、弹性模量、单轴抗压强度、破坏应变、疲劳寿命分别降低了44.9%、20.8%、57.8%、44.7%和42.3%，泊松比和压密应变分别增加了59.1%和16.7%。随着液氮冻融循环次数的增加，煤样结构损伤和力学性能劣化加剧。单轴抗压强度、疲劳寿命与液氮冻融循环次数呈负指数函数关系，弹性模量和压密应变与液氮冻融循环次数之间呈

• 基于无人机倾斜摄影测量技术的露天矿生态修复研究

  闻彩焕, 王文栋,

  目前矿山生态修复多采用全站仪或者GPS-RTK测量，具有强度大、周期长、成本高的缺点，尤其是废弃露天矿山存在的滑坡、坍塌等问题给测绘人员带来安全隐患，且传统的测绘手段均为二维的结果，地形地貌、地质灾害信息不直观，给生态修复方案的设计带来不便。为了满足露天矿山生态修复实际需求，利用无人机倾斜摄影测量技术开展矿山生态修复。在勘查测绘阶段，利用无人机倾斜摄影测量建立实景三维模型，基于实景三维模型进行信息采集，生成3D数字产品；在方案设计阶段，结合地质灾害信息、实景三维模型、测绘3D数字产品进行生态修复设计、工程量统计、投资预算，并建立生态修复效果模型；在施工管理阶段，利用无人机倾斜摄影测量技术对工程的施工进度、工程量、施工效果进行动态跟踪、实时监测、效果对比。研究结果表明无人机倾斜摄影测量技术可以实现：保障技术人员安全，节约人力、财力等成本投入，使勘查测绘更加高效；矿山环境信息更直观、生动、形象，有利于生态修复方案的制定，使方案设计更加科学；动态监测、掌握施工进度、监督施工与设计的符合度，使得管理施工更加全面；分项治理工程量统计、预算金额计算、工程量量化，使矿山生态修复更加精准；留存矿山历史档案，对宣传开展矿山生态修复发挥带动作用。

• 基于融合分布式目标的SBAS方法矿区地表沉降监测

  邓军, 鹿璐,

  由于煤炭资源的大量开采，地面崩塌面积逐年增加，威胁着人民的生命和财产安全，江苏省沛县的煤炭资源开采活动由来已久，矿区地表沉降现象较为明显，为了监测矿区井田边界内的完整地表形变场，先从形变监测精度和点目标密度2个方面阐述了时序InSAR方法的优势和不足；针对时序InSAR方法无法在非城镇区域获取充足点目标的问题，从同质点选取和相位优化2个方面来阐述了分布式目标的处理方法，同时介绍了联和分布式目标的SBAS方法的数据处理流程，为验证该方法的形变监测结果是否有助于更好地掌握矿区地表长时间序列的地表形变特征，分别采用了融合分布式目标的SBAS方法和普通SBAS方法对2016年10月到2017年4月间的14景Sentinel-1A影像进行了时序处理，获取了沛县张双楼矿区内工作面开采产生的形变场。研究结果表明：融合分布式目标的SBAS方法获取到的点目标密度是普通SBAS方法的4.3倍，有效提高了矿区的点目标密度；2016年10月到2017年4月时间段内，前者和后者监测到的地表沉降分别为-209.3 mm和-202.4 mm，2种方法的监测结果较为接近；综合点目标密度和形变监测结果，融合分布式目标的SBAS方法比普通SBAS方法在监测矿区地表沉降中更具有优势；工作面开采引发的地表下沉有逐步增加的趋势，需要通过时序观测进行预警。

• 基于SBAS－InSAR技术采动地表沉降监测与分析

  栾元重, 梁耀东, 纪赵磊, 于健,

  为了掌握煤矿开采区域地面沉降情况，包括时序沉降量、沉降速率、时序沉降面积等，利用覆盖郓城县的19幅Sentinel-1 A影像、AUX_POE-ORB精密星厉和SRTM1（空间分辨率为30m）DEM数据，采用SBAS-InSAR技术从19幅影像数据中提取矿区的沉降速率、时序沉降量和累计沉降量，对沉降漏斗沉降速率的分布情况和沉降发展趋势进行了研究，并在开采工作面方向与水准观测线数据进行量化分析和对比。结果表明：从2016年9月至2017年9月该煤矿区域内存在一个较大的沉降漏斗，通过分析该沉降漏斗的沉降速率，发现2302、1307、1305、1303和4302工作面最大沉降速率分别为353、389、345、273和352 mm/a；通过分析各工作面的时序沉降情况，发现1303和1305工作面北部沉降量在减小，南部沉降量还会增加，而4302、2302和1307工作面还处于活跃期，其沉降还会不断增加；对2302工作面走向方向的时序沉降情况进行了量化分析并与水准监测数据进行对比分析，发现最大中误差为9.25mm，其精度结果符合《DD2014-11地面沉降干涉雷达数据处理技术规程》中的精度(10mm) 要求，证明SBAS-InSAR技术沉降监测精度可靠。

• 矿区复垦林地生态修复无人机监测研究

  陈秋计, 朱小雅, 侯恩科, 李继业, 杭梦如,

  在生态文明时代背景下，建设绿色矿山已经成为国家战略，是矿产资源开发实现发展转型的重要途径和必然要求，为及时快速地获取矿山生态环境信息，制定差异化的管护措施，提升绿色矿山建设能力，成为当前迫切需要解决的技术问题。 以某露天矿近期复垦的林地为试验区，采用无人机技术获取生态环境数据，基于Agisoft PhotoScan软件制作高分辨率正射影像，利用ENVI软件计算无人机影像的可见光波段差异植被指数，基于Crop Science工具提取复垦苗木的数量、冠幅、长势等信息，利用ArcGIS研究相关指标的空间分布状况，然后基于热点分析工具，对苗木长势进行空间聚类。研究结果表明：根据植被指数值的统计，试验区的苗木长势存在较大的空间差异，需要采取针对性的管护措施；基于Crop Science的单木指标统计结果，复垦苗木栽植密度、数量及规格与设计要求基本相符。试验区的植被覆盖度较低，后期还需加大维护力度；结合热点计算结果，试验区的苗木健康状况存在显著统计学意义的高值空间集聚区和低值空间集聚区所采用的研究方法和技术在矿区生态恢复监测应用中具有可行性。

• 水库水体及坝体下多煤层开采可行性分析

  刘贵, 汪义龙, 高超, 田国灿,

  水库下采煤，在保证煤矿井下安全生产的同时，也要保证水库水体与坝体不被破坏，这牵涉到水体下、水工构筑物下的煤层安全开采。在开展在水库水体与坝体不受开采损坏的同时，实现井下安全生产可行性的研究。基于BLS煤矿的地质采矿条件及地面水库、坝体情况，通过分析各煤层上覆岩层岩性，确定了覆岩类型为中硬-坚硬覆岩类型，并根据近距离煤层开采覆岩破坏高度计算规则，计算出了覆岩破坏高度。在此基础上进行了防水安全煤岩柱高度的预计、工作面充水影响分析和C2、C3、C4、C7+8煤层的采动影响计算。结果表明：①水库区域煤层埋深大，可采煤层为薄及中厚煤层，覆岩破坏发育高度低。在水库、浅层水体与采动破坏之间赋存有分布稳定、厚度大、未被采动破坏的隔水岩层，同时在水库区域周边未揭示大型断层或陷落柱等构造。隔水岩层良好的隔水性能使得水库、浅部水体与采动影响区域没有水力联系，开采不会使水库蓄水的原有地质条件发生变化，水库、浅层水体的赋存状态基本不受煤层开采的影响，因此水库下开采可行；②C2煤层开采后，坝体受到最终的静态变形为压缩变形，值为-1.3 mm/m，相对拉伸变形，压缩变形对保护坝体较有利。在C2煤层开采过程中坝体还可能受到的动态最大拉伸变形在2.0 mm/m以内，在允许变形范围内，坝体基本不会产生损坏；③其余煤层开采时须留设坝体保护煤柱或采取其他措施以保证坝体安全使用。

• 受采动影响立井井筒破坏机理及抗变形设计

  郭轲轶, 王建娥,

  矿井深部开采新建井筒压煤量巨大， 为了解决受到采动影响的新建井筒在进行抗变形结构配筋设计时没有合理的计算方法的问题，采用了分析井壁的破坏规律、井壁破坏与覆岩变形关系研究受采动影响下的井筒受力情况的方法，确定了新建井筒设计井壁厚度及井壁配镜的计算公式。结果表明：通过软弱岩层的井壁最容易受到煤层开采影响发生变形和破坏；井筒在表土段和基岩段的受力不尽相同，在表土段容易产生竖向的压缩或者拉伸破坏，在基岩段，尤其是软岩处容易产生应力集中；新建井筒设计时，通过对受采动条件影响下新建井筒的受力分析，确定新建井筒厚度和井壁配筋量。按照此方法设计新建井筒井壁厚度600mm，井壁配镜采用2Φ22@250，混凝土强度等级C40，新建井筒经受了煤层的开采影响，未出现任何破坏。

• 采动区钢筋混凝土灌注桩受力特性分析及抗变形技术

  田迎斌, 李学良,

  在我国矿业城市采煤塌陷区搞建筑开发越来越普遍，随着建筑层数和荷载的增加，建筑物采用的基础型式也由浅基础逐渐过渡到深基础，钢筋混凝土钻孔灌注桩也为深基础的一种形式，为解决采动区内建筑物钢筋混凝土钻孔灌注桩在地基土体水平变形作用下的配筋设计问题，分析了在常规水平荷载和地基土体水平变形作用下桩身的受力、变形和工作特性，推导了柔性桩在水平力作用下的挠曲微分方程，并将地基土体位移代入挠曲微分方程求解位移，将地基土体位移转化为等效的桩顶水平集中力，然后将其与常规水平力相叠加作为在受采动影响下的桩顶的荷载作用效应。在确定桩顶水平力作用效应时，承台底部的总水平力和弯矩按照平均分配的方式将水平力传递到基桩顶部，以求得的桩身最大弯矩按受弯构件进行桩身受弯承载力计算，以桩身最大剪力按受剪构件进行桩身受剪承载力计算。计算结果分析表明：基桩的纵筋直径由16mm增加到18mm，配筋量增加约26%，箍筋直径由8mm增加到10mm，配筋量增加约56%，可增加纵筋和箍筋的配筋量，以提高基桩抗变形能力；同时，在承台底部设置滑动层可以有效减少地基土体传递给承台及上部结构的摩擦力，减少了承台及上部结构的附加应力，从而间接提高了建筑物的整体抗变形能力。

• 采煤沉陷区大型建筑物与地基相互作用机理研究

  易四海,

  井下大规模开采将导致覆岩移动、变形乃至破坏，并在地表形成大范围的沉陷区，形成不良地基，存在再次沉陷变形的可能，在沉陷区上兴建大型建筑物将存在着较大的安全隐患，认识建筑物与地基相互作用机理是确保建筑安全的前提。以大型建筑物结构为研究对象，采用Matlab、COMSOL等数值模拟软件，建立了上部结构-基础-地基共同作用数值模型，采用连续损伤演化理论，分别分析了地基倾斜、水平拉伸、水平压缩、负曲率、正曲率等采动变形作用下的大型建筑物上部结构、基础等各部位的采动响应。结果表明：地基倾斜变形、曲率变形对建筑物上部结构和基础的变形影响均成整体性，位移量表现为建筑中间部位小、两侧大；地基水平变形对基础的变形影响比较大，对上部结构的变形影响相对较小。地基采动变形对建筑物产生的附加应力多集中在杆系结构的节点处，尤其是在地基水平变形、曲率变形作用下，附加应力主要集中在基础的杆系结构部分。地基曲率变形、水平变形对建筑物的损伤比较大，倾斜变形对建筑物的损伤比较小；建筑物的上部结构损伤明显小于基础部分，整体刚度大的区域损伤明显比刚度小的区域小。研究成果将为沉陷区上方兴建大型建筑物的安全设计与保护提供理论指导。

• 矿区地表与建 (构) 筑物移动变形关系实测研究

  阎跃观, 师晓波, 刘吉波, 田秀国, 张国光,

  针对矿区建（构）筑物损害防护的研究由来已久，特别是我国东部矿区压煤问题较为突出，因缺乏科学合理的抗变形建筑设计指导原则，存在建（构）筑物防护的不合理或搬迁矛盾激化等经济社会问题。传统的地表与建构筑物变形关系研究成果，难以适用于现代建筑材料与结构形式下建构筑物与地表变形特征。为此，以开滦某矿工业广场煤柱开采下的建构筑物为研究对象，针对建（构）筑物分布情况来设计地表与建（构）筑物变形监测网，并选取典型建（构）筑物及对应的地表点进行7次同步观测，研究矿区地表及典型建（构）筑物间的移动变形关系。结果表明：建（构）筑物和地表同步下沉，呈线性函数关系；建筑物整体倾斜变形与地表基本同步，受整体结构影响，建筑物局部倾斜变形较小；占地面积小的低层规则建筑物受到的曲率变形比地表小，占地面积大的多层建筑物易出现负曲率变形。研究成果可为类似条件下煤矿开采与建筑物保护提供依据和参考。

• 济宁城市规划区开采沉陷概率积分法参数综合研究

  张丰, 吴志聪, 张岩, 谭秀全,

  济宁城市规划区与区内20多个煤矿采区有重叠区域，为掌握济宁城市规划区的开采沉陷规律，为济宁城市规划提供依据 ，在收集整理城市规划区内岱庄矿的观测站资料和13个煤矿的20条观测线资料基础上，综合分析了各矿井概率积分法参数与采深、采高、表土层厚度及充分采动程度的相关性。研究结果表明：研究区域的下沉系数与采动程度、开采深度具有强相关性，即下沉系数随采动程度增大呈现出增大趋势，而随采深增大呈现出减小趋势，且各因子在下沉系数影响程度上表现为表土层厚度>开采深度>开采高度；水平移动系数与表土层厚度、采深、采高和采动程度无明显强相关性。经统计处理得：与表土层厚度在局部上存在二次函数关系；主要影响角正切与表土层厚度在局部上存在线性相关性，并受到开采深度的约束，随采深增大呈现增大趋势，且在局部上与采高存在“波浪”式函数关系；开采影响传播角在本区域比较稳定，处于86.4°～90.0°。

• 基于优化时间函数的采动地表任意点沉陷动态预计

  张兵, 赵玉玲, 崔希民, 袁德宝, 李春意,

  针对常用Knothe时间函数在动态预计中理论研究方面存在不足及在地表下沉初始阶段预计精度较低等问题，为了能够全面地了解矿区地表沉陷动态发展变化过程，掌握地表各重要点位的动态变形规律，提高动态预计精度和动态预计的针对性，发挥动态预计在指导矿山工程实践中的应有作用，基于概率积分模型，采用优化分段Knothe时间函数，构建了可预测地表任意点动态沉降变形的计算模型，并开发了计算程序，所建模型各参数意义明确，求取方便，同时，矿区地表监测点即使布设在非主断面上，也可根据实测数据利用模型反算概率积分参数。实例1表明：在考虑拐点偏移距的情况下，预测的地表下沉盆地两拐点的下沉值基本等于盆地最大下沉量的1/2，与理论揭示完全吻合；通过对不同时刻地表点的下沉和倾斜进行动态预计，清楚地说明了地表下沉盆地和倾斜变形的动态发展过程；另外，通过倾斜三维图及其二维等值线图的变化过程可知，下沉盆地平底部分的倾斜值尽管最终为0，但也是经历了从小到大、再从大到小、最后趋于0的剧烈变化过程，如果只进行稳定后的静态预计则反映不了这一动态过程;实例2表明：通过对比分析1176东工作面各采动期的地表监测点实测与动态预计结果，并抽样进行精度分析可知，动态预计相对中误差最小为5.6%，最大为14.2%。经统计预测相对中误差可稳定在8%左右，证明了模型预测精度是可靠性的。

• 基于降维模糊Ｃ 均值聚类算法的采动场地稳定性评价

  郭松, 郭广礼, 李怀展, 崔海尚,

  模糊聚类分析是无监督机器学习的主要技术之一，可用于进行数据分析和建模，模糊C均值聚类算法(Fuzzy C-Means,FCM)通过优化目标函数得到所有类中心样本点的隶属度以实现样本数据的自动聚类目的，但面对煤矿采空区场地稳定性评价影响因素多、数据样本大时，容易陷入局部鞍点问题，提出了一种基于主成分分析(PCA)降维的改进模糊聚类算法。该算法选取7个采空区场地稳定性影响因素构建评价体系，根据主成分降维后的样本信息对模糊C均值聚类模型初始类中心和隶属度参数进行动态优化，以提升算法的鲁棒性与泛化能力;使算法更适用于评价稳定性影响因素复杂的采空区场地。以山东省济宁市快速路任兴路段压覆工作面采空区为例，结合快速路沿线其他5个煤矿共计120个采空区场地稳定性评价。试验结果表明：样本数据经主成分分析降维后，前4个主成分的累计贡献率为81.86%，有较好的表征原始样本信息的解释能力。对模糊C均值聚类后的类(簇)样本集占比进行统计分析，其中“稳定”路段占比36.67%，“基本稳定”路段占比35%，“欠稳定-不稳定”路段占比为28.33%，对比各采空区场地实际稳定性状态，模糊C均值聚类算法能有效提高聚类精度，证明了所提出的方法应用于煤矿采空区场地稳定性评价的可行性和有效性。

• 基于无人机影像的采动地表裂缝特征研究

  汤伏全, 李林宽, 李小涛, 刘世伟,

  地下采煤引起的地表裂缝是开采沉陷破坏的直观表现，对建筑物和土地造成严重损害，精准地获取采动地表裂缝发育特征对于开采沉陷研究和矿区地面保护具有实际意义。目前采集沉陷区裂缝信息的主要方式是实地人工测量或卫星遥感影像解译，在成本效率和时空分辨率方面存在明显局限性。以榆神矿区某矿综放工作面地表为试验区域，利用低空无人机摄影测量系统通过设定合理的航拍参数，获取采煤沉陷区数字正射影像，分别采用Canny算法、支持矢量机（SVM）以及最大似然法(MLM)对影像中的裂缝进行特征提取，并定义裂缝提取率来评价裂缝图像的提取效果。结果表明，Canny算法提取的非裂缝信息较多，支持矢量机算法效果次之，最大似然法在裂缝长度和宽度信息提取上效果较好，但得到的裂缝图像中仍存在大量的干枯植被信息。为此，利用随机森林（RF）算法对影像进行植被分类和腐蚀操作后，制作成掩膜文件以消除植被影响，再采用最大似然法进行地表裂缝的精提取。根据地表裂缝图像的灰度特征，将试验区采动裂缝分为开裂式台阶裂缝、闭合式台阶裂缝、凹陷式裂缝、条纹式裂缝、裂纹式裂缝、凹陷式闭合台阶裂缝，并将图像提取的地表裂缝信息与实测结果进行对比，验证了低空无人机影像自动提取裂缝的可靠性，为定量分析和揭示采煤沉陷区裂缝发育规律提供了有效的技术手段。

• 上湾矿高强度开采地表裂缝发育规律实测研究

  戴华阳, 罗景程, 郭俊廷, 阎跃观, 张旺, 朱元昊,

  神东矿区上湾矿1-2煤层倾角小、厚度大、埋藏较浅、赋存稳定，采用宽工作面大采高综采技术，高强度开采对地表环境的影响也更加剧烈，为了掌握该矿地表裂缝发育规律，对12401工作面推进过程中切眼侧1 km范围观测区进行了地表裂缝实测研究。设计了地表裂缝分区分方向观测方案，采用手持GPS测量裂缝轨迹、钢尺测量裂缝宽度、铁钎测量裂缝深度。历时3个月，获得了回采工作面开切眼侧观测区的2303条裂缝的分布信息。研究结果表明：①分析确定了本矿地质采矿条件地表裂缝的拉伸、压缩、台阶、塌陷4种类型及其分区分布情况。②得出了地表裂缝的周期性发育规律和集中于采空区范围的分布规律，确定了裂缝分布主要参数。测得裂缝间距约10m，裂缝最大宽度0.7m，最大深度4～10m，最大长度298m，最大台阶高度0.45 m，切眼侧走向裂缝角76.0°，上山裂缝角86.0°，下山裂缝角84.7°。③在工作面沿走向推进过程中，地表周期性产生与推进方向垂直分布的主裂缝，经历“产生—扩展—收缩—稳定”约14d的发育过程，主裂缝宽度大于50mm，平均间距129m，相对于推进位置滞后角79.8°～87.1°。通过对上湾矿12401工作面开采地表裂缝的实测研究，为科学评价该矿地质采矿条件下地表采动损伤状况提供了依据。

• 倾斜煤层开采地表移动变形等价计算方法研究

  张华兴,

  目前关于倾斜煤层开采引起的地表移动变形计算一般是将倾斜煤层开采等价为2个水平煤层的半无限叠加或者将倾斜煤层进行水平划分的方法，计算过程存在简化。为了克服倾斜煤层开采由于计算简化带来的误差，根据计算地表点与倾斜煤层的相对位置关系，利用开采影响传播角进行等价水平煤层转换，将倾斜煤层的移动变形计算转化为水平煤层计算，提出倾斜煤层开采地表移动变形等价计算方法，并将等价计算结果与半无限叠加开采、水平划分计算结果进行对比，分析了半无限叠加和水平划分简化计算误差产生的原因。研究结果表明：①等价计算结果与半无限开采叠加下沉量计算结果基本相同，半无限开采叠加计算存在变形计算误差表现为上、下山边界两侧拉伸与压缩变形值相同，未能充分体现变形与开采深度的密切关系；②由于煤层倾角和开采影响传播角的影响，水平划分方法下沉量、水平变形计算误差较大，煤层倾角越大误差越大，这一误差不会因水平煤层划分个数的增加而消除；③采用等价计算方法能够消除概率积分法对倾斜煤层开采地表移动变形计算的简化误差，实现计算结果与理论的完美契合。研究结果丰富了开采沉陷预计体系，对提高倾斜煤层开采地表移动变形计算精度具有一定意义。

• 基于水合物分离法提纯高浓度CO2瓦斯的相平衡研究

  张保勇, 于洋, 吴强, 刘传海,

  高浓度CO2瓦斯水合物相平衡的确定是基于瓦斯水合物分离法的瓦斯抽采利用关键问题。利用可视化瓦斯水合物相平衡装置，结合恒容温度搜索法和观察法，首先测定了不同温度、压力下3种高浓度CO2瓦斯气样的相平衡条件，在试验基础上提出了高浓度CO2瓦斯水合物相平衡温度与压力关系式，此外，对比分析了高浓度CO2瓦斯气样与纯CO2、纯CH4气样水合物相平衡的差异。结果表明：高浓度CO2瓦斯水合物形成条件较温和，0.44℃下相平衡压力最低，为1.58MPa；高浓度CO2瓦斯水合物相平衡温度与压力呈二项式关系；高浓度CO2瓦斯水合物相平衡曲线位于纯CH4和纯CO2水合物相平衡曲线之间，且更为接近纯CO2相平衡曲线；较低温度、压力(0.44～4.94℃，1.58～2.80MPa)下，气样中CO2浓度上升能降低高浓度CO2瓦斯水合物相平衡压力，改善其相平衡条件，而较高温度、压力(4.94～7.80℃，2.80～4.02MPa)下，气样中CO2浓度变化对水合物相平衡条件影响较小；高浓度CO2瓦斯水合物相平衡温度与压力关系式得到的压力计算值与实测值之间差值较小，平均相对误差为2.33%，能较准确地预测高浓度CO2瓦斯水合物相平衡条件。高浓度CO2瓦斯相平衡测定结果可为瓦斯水合分离技术中温度和压力选取，基于水合物分离法的CO2捕集与封存技术提供试验参考和理论基础。

• 低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性试验研究

  秦雷, 林海飞, 兰世瑞, 赵鹏翔, 严敏,

  液氮致裂煤层增透技术具有良好的发展前景，而针对低温液氮作用下煤体瓦斯吸附特性研究目前尚不完善，大部分研究处于初步研究阶段；为了对液氮冻融作用及试验初始温度作用下的煤体瓦斯吸附特性变化规律及变化趋势进行研究，选取新疆硫磺沟煤矿煤样作为研究对象，利用PCTPro高压气体吸附仪对试验煤样在不同液氮冻融时间(0、30、60、90、120min)及不同试验初始温度(30、40、50、60、70℃)条件下的吸附特性进行了研究，得出了不同液氮冻融时间及不同试验初始温度条件下煤体瓦斯吸附量、吸附增量及煤体瓦斯饱和吸附量的变化，并根据试验结果选取了3种吸附理论模型对试验结果进行拟合，分析拟合效果对吸附理论进行优选。归纳煤体在2个变量影响下吸附特性的变化。研究结果表明：煤体瓦斯吸附量随液氮冻融时间增加而逐渐增大、随试验初始温度增大而逐渐减小；煤体瓦斯饱和吸附量随液氮冻融时间增加呈上升趋势、随试验初始温度增加呈下降趋势。在2个变量条件下进行不同理论模型拟合，结果表明Langmuir理论模型拟合效果最好，其拟合度最高，误差范围小；2个变量影响条件下，Langmuir理论模型中吸附常数b无明显规律，其影响因素包含多种，而吸附常数a随液氮冻融时间增加逐渐增大、随试验初始温度增加逐渐减小。

• 超高压水力割缝煤层增透成套装置研制及应用

  张永将, 陆占金,

  现有割缝（扩孔）装置对于中硬或坚硬煤层割缝效率低，配套安全防护措施相对较少，未能实现远程操控割缝作业。为了解决中硬或坚硬煤层安全、高效割缝增透难题，亟需研制更高压力的割缝成套装置。在综合考虑设备效率、割缝深度及割缝排渣所需流量的基础上，研制了高压清水泵；通过分析钻孔流场分布规律，依据水射流理论，研制了高低压转换割缝器；依据钻孔排渣原理，采用整体加工工艺，研制了浅螺旋整体钻杆；依据窄缝黏性流体流动理论，采用间隙密封设计，研制了超高压旋转水尾；基于煤矿井下巷道条件的多变性，根据高压清水泵的额定压力、额定流量确定了溢流阀的设计要求，研制了高压远程操作台；综合分析耐压性及远距离割缝作业沿程阻力损失，研制了超高压液压软管。通过关键部件的研制，成功研制了ZGF-100(A)型超高压水力割缝装置，成套装置工作压力达100MPa，具备钻割一体化功能，可实现100m以上远程操控，并配套研制了安全防护装置，形成了超高压水力传输的安全防护系统，同时，对成套装置空载运行、工作压力、工作流量、密封性能、耐压性能等8项内容进行了安全检测，检测内容均符合国家相关检测要求。现场应用结果表明：采用超高压水力割缝装置对煤层进行卸压增透，穿层钻孔割缝平均单刀出煤量0.85t，割缝半径1.78～2.18m，可提高钻孔瓦斯抽采纯量2.0倍以上，缩短抽采达标时间50%以上；顺层钻孔在钻孔工程量减少47%条件下，单孔抽采纯量提高2.0～2.5倍，缩短掘进循环施工周期60%以上，说明该方法割缝效率高，割缝后煤层卸压增透效果显著。

• 超临界CO2作用下CO2渗流特性与煤层增透效果研究

  吴迪, 王翰阳, 苗丰, 翟文博, 刘雪莹,

  为了研究超临界CO2对煤层的增透效果，利用自主研发的吸附渗流试验装置开展考虑注入压力和温度影响的煤层中超临界CO2渗流、吸附试验研究，对比试验前后煤样纵波波速变化以及渗透率变化，分析超临界CO2对煤样的增透效果。试验结果表明：煤样所受体积应力为36 MPa时，渗透率随着温度的升高而降低，随孔隙压力的升高而增大，注入超临界CO2比注入CO2后的煤样渗透率平均增长93%。利用修正后的D-R模型对吸附数据进行拟合，发现煤样对超临界CO2的过剩吸附量最大值出现在8MPa左右，之后随着吸附压力的升高而减小，温度每升高10℃，吸附量平均下8.3%。当CO2未达到超临界状态时，煤样中的CO2过剩吸附量和绝对吸附量数值相近且变化趋势一致。当CO2达到超临界状态时，绝对吸附量随着压力的升高而增加，绝对吸附量和过剩吸附量两者差值随温度的升高而增大。超临界CO2作用后纵波在煤样中的传播速度明显变小，煤样渗透率平均提高了53.34%。超临界CO2能有效促进煤样内部的孔裂隙发育，对煤层具有明显的增透效果，在35℃时增透效果最好。

• 井下定向长钻孔水力压裂煤层增透技术体系与工程实践

  陈冬冬, 孙四清, 张俭, 赵继展, 郑凯歌, 贾秉义,

  低渗煤层区域超前增透是实现瓦斯区域超前高效抽采的技术支撑。针对定向长钻孔水力压裂面临的泵注能力不足和压裂不均衡问题，研发了煤矿井下快速、定点、分段与可重复的水力压裂孔内装备，实现了煤矿井下水力压裂由传统的点式压裂向区域压裂的转变。结合不同煤（岩）层定向长钻孔布孔方式，提出并形成了碎软煤层顶（底）板梳状孔整体/分段、中硬煤层穿层定向孔顺煤层整体及硬煤层顺层定向长钻孔整体/分段水力压裂煤层增透技术体系。以韩城矿区碎软煤层、黄陵矿区中硬煤层和焦作矿区硬厚煤层为研究对象进行工程实践。结果表明：韩城矿区碎软煤层顶板梳状主孔588m、分4段压裂，最大封隔深度467.81m，水力压裂半径39.6m，钻孔瓦斯抽采量是常规钻孔的4.8倍；黄陵矿区中硬煤层主孔深度240～285m、压裂段长度117～216m（5孔），压裂影响半径最小36m，钻孔瓦斯平均抽采量是未压裂钻孔的4.0倍；赵固二矿顺层主孔深度605m、封隔深度385.73m、压裂段长220m，水力压裂影响半径33m，钻孔瓦斯抽采量是常规钻孔的2.3倍。井下定向长钻孔水力压裂技术融合了定向长钻孔瓦斯高效抽采及水力压裂强化抽采技术的优势，实现了大区域煤层增透与瓦斯超前强化预抽。

• 淮北煤田煤与瓦斯突出灾害差异性和控制因素研究

  王亮, 郑思文, 赵伟, 陈大鹏, 朱子斌,

  淮北煤田是我国重要的煤炭资源开发基地，也是我国煤矿瓦斯灾害最严重的矿区之一。为了掌握淮北煤田瓦斯赋存和灾害特点，通过突出灾害案例分析、瓦斯地质参数统计和理论研究的方法，对淮北煤田瓦斯地质特征、突出灾害差异性和主控因素进行了系统研究。结果表明：淮北煤田处于徐宿弧形构造圈内，煤田内网状断裂构造纵横交错，构造密度最大可达51条/km2，最大煤层瓦斯压力接近6MPa，部分矿井岩浆侵入现象严重，煤田煤层及瓦斯赋存呈现“两极性”分布。淮北煤田发生的煤与瓦斯突出动力现象多集中在处于高瓦斯带的宿县矿区，事故占比达到57%，煤田整体呈现“南高北低、东高西低、东南最高”的瓦斯赋存分布及瓦斯灾害分布特征。煤田内经历多期构造运动，局部区域构造分布十分复杂，地应力分布异常；岩浆侵入的热演化使得煤的微孔发育、吸附瓦斯能力增强，岩浆岩的圈闭作用为下伏煤体中的瓦斯保存提供了良好条件，使得该区域煤层易于发生煤与瓦斯突出，海孜和卧龙湖煤矿共计15起事故发生在岩浆岩下伏煤体的热演化区；煤田内部分煤层厚度大，如芦岭特厚松软煤层厚度大于10m；煤层顶底板多为透气性较差的泥岩或粉砂岩，有效抑制了煤体中瓦斯的逸散；Ⅲ—Ⅴ类构造煤广泛分布，有利于煤层瓦斯的赋存；部分矿井已延伸至-900—-1 000m，具有开采深度大、地应力大的特点。研究结果为淮北煤田瓦斯灾害的精准防治及安全高效开采提供了支撑

• 贵州地区突出煤层微孔结构及对瓦斯流动特性的影响

  李希建, 薛海腾, 陈刘瑜, 沈仲辉, 徐明智, 许石青,

  煤层瓦斯流动规律与煤的孔隙结构密切相关。为揭示贵州地区突出煤层微观孔隙结构特征及对其瓦斯流动特性的影响，以贵州地区6个典型矿井突出煤层为研究对象，采用高压容量法测试了6个煤样的吸附能力。同时，根据高压压汞试验，利用分形方法获得煤样分形维数，并分析样品的微观孔隙结构分形特征及其与煤质参数的关系。在此基础上，探讨多尺度孔隙中瓦斯流动规律，分析吸附作用对瓦斯流动特性的影响。结果表明，贵州突出煤层以微孔为主，微孔为比表面积和孔隙体积的主要贡献者。同一煤样微孔分形维数D1、小孔分形维数D2和中孔分形维数D3依次增大，且分形特征明显。D1和综合分形维数Dk与水分呈负相关，挥发分与D2、D3呈负相关，灰分和D3呈负相关。突出煤层中瓦斯扩散模式主要为Knudsen型和过渡型。在Knudsen扩散区和过渡扩散区，渗透率受温度和压力影响较小；Fick扩散区，在相同Kn和温度条件下，渗透率随压力增大而减小，随温度增高而降低；压力越高，孔径越小，渗透率受吸附作用影响越大

• 煤层顶板裂隙带瓦斯抽采技术与装备探索

  闫保永, 曹柳, 张家贵,

  采空区与回风巷上隅角瓦斯超限情况亟待解决。为了对采空区裂隙带内瓦斯进行抽采，降低瓦斯浓度。提出了采用高位定向长钻孔代替传统高抽巷对采空区上隅角瓦斯进行治理的方案，分析了高位定向钻孔的直径大小、层位高低、深度等对裂隙带瓦斯抽采效果的影响，并以大直径定向钻机ZYWL-13000DS在双柳煤矿33（4）13工作面钻进为案例进行验证。结果表明：①定向钻孔直径对瓦斯抽采效率影响较大，因此应在地质条件与钻机性能允许的情况下，选择尽可能大的钻孔直径；②煤层顶板5～8倍采高内为定向钻孔较为适合的施工层位；③在不塌孔的情况下，随着定向钻孔的深入，瓦斯抽采效果逐渐提升，且随着煤矿的回采，高位钻孔涌出的瓦斯会呈平衡状态。实例分析表明：在定向钻进4个孔，且1孔失效的情况下，瓦斯抽采总量仅比高抽巷抽采量低2m3/min，但采用高位定向长钻孔工艺进行瓦斯抽采能使成本降低70%以上，使有效施工周期缩短75%以上。

• 瓦斯抽采钻孔封孔水泥砂浆黏度时变性扩散模型

  张宏图, 李阳, 姚邦华, 王冕,

  为准确预测瓦斯抽采钻孔水泥砂浆注浆封孔浆液扩散特征，根据注浆流固耦合理论，考虑浆液黏度时变性对水泥砂浆扩散的影响以及应力对煤体形变的影响，提出瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型，采用COMSOL数值模拟研究不同注浆压力下的浆液扩散分布特征与考虑浆液黏度时变性对注浆扩散范围结果的影响，并在新义煤矿开展现场试验验证。研究结果表明：①瓦斯抽采钻孔水泥砂浆封孔黏度时变性扩散模型，综合考虑了浆液黏度时变性以及注浆压力对煤体形变的影响，可以更全面地对注浆时浆液扩散特性进行预测；②水灰比为0.9时，水泥浆注浆效果较好，对应的水泥浆黏度随时间增大逐渐增大，呈指数函数关系增长；③浆液黏度时变性对浆液扩散范围有直接影响，考虑浆液黏度时变性较将浆液黏度考虑为常数浆液时扩散范围更小；④通过瓦斯抽采钻孔黏度时变性水泥砂浆扩散模型的现场实际验证效果可知，最优封孔注浆压力为1.4MPa。研究结果可为进一步优化水泥砂浆注浆封孔方案和提高瓦斯抽采钻孔封孔质量提供理论支撑。

• 钻孔变形失稳条件下抽采负压及流量分布规律试验研究

  张学博, 王文元, 沈帅帅,

  为了研究钻孔变形失稳对瓦斯抽采的影响和判定钻孔失稳坍塌区域，根据钻孔内瓦斯流动变质量流的特点及钻孔变形情况，设计搭建了考虑钻孔变形失稳的瓦斯抽采试验系统，测试分析了钻孔不同变形失稳、不同负压情况下钻孔负压及流量分布规律，提出了考虑钻孔变形的负压损失计算方法。结果表明：①完整孔抽采负压沿孔长分布大致呈线性分布，其负压损失较小，钻孔不同部位负压较接近，钻孔抽采流量沿孔长大致亦呈线性分布。孔口负压越高，钻孔抽采流量越大，钻孔负压损失越大，不过与孔口负压相比仍较小，仅占2.93%～3.62%。②孔底塌孔时，塌孔段负压损失比完整段负压损失大，由于塌孔段孔内流量较小，其负压损失亦不大，仅占孔口负压的2.75%～4.03%。塌孔时总负压损失占孔口负压的4.68%～6.14%，比完整孔总负压损失有所增加，其抽采总流量比完整孔抽采总流量略有降低。孔底塌孔对瓦斯抽采效果影响不大。③孔底堵孔时，塌孔段孔内煤体与周围煤体互相接触成为连续介质，塌孔段瓦斯流动变成了渗流，其抽采压力变成了煤层瓦斯压力，与完整孔和堵孔时抽采流量相比，塌孔时钻孔抽采流量明显降低，直至流量降为0。堵孔对瓦斯抽采效果影响较大。④基于钻孔负压损失计算理论、钻孔不同变形失稳情况下负压分布及流量分布试验结果，提出了考虑钻孔变形的抽采钻孔负压损失计算方法，并对其进行了验证。研究结果可以为钻孔失稳坍塌区域判定及钻孔失稳坍塌的精确防护提供理论基础。

• 煤层瓦斯抽采钻孔变形破坏测试技术及其应用研究

  李忠辉, 王恩元, 郑安琪, 钮月, 张昕, 蔡冠楠,

  为了揭示煤层瓦斯抽采钻孔失稳破坏规律及服役寿命周期特征，研发了包括钻孔变形模拟装置和钻孔变形测试装置的钻孔变形破坏测试系统，利用相似材料进行了钻孔变形破坏全过程的试验测试。研究了压力感应器压力、钻孔变形之间的关系，提出了评价钻孔变形破坏状态的指标——钻孔破坏度。基于试验测试数据建立了钻孔破坏度与压力感应器压力的定性关系，根据试验结果确定了钻孔塌孔失效的判定条件为钻孔破坏度大于50%。现场测试了瓦斯抽采钻孔的变形破坏过程，分析了钻孔破坏度随时间和孔深的变化规律，定量考察了钻孔稳定性，发现钻孔成孔后初期变形破坏速度较快，之后进入缓慢变形破坏阶段直至稳定;沿孔深方向，钻孔破坏度先增大后减小，孔深5～11m范围内钻孔破坏度最大，与巷道围岩应力分布相吻合，对确定合理封孔深度有指导意义;钻孔的变形破坏对瓦斯抽采流量影响显著，随着钻孔破坏度增加至50%及以上，钻孔失效，无法继续抽采。研究成果对合理瓦斯抽采设计、瓦斯抽采动态考察、准确评价抽采效果提供了依据。

• 低浓度含氧瓦斯爆炸动力特性及防控关键技术

  司荣军, 李润之,

  低浓度含氧瓦斯(体积分数<30%)存在燃爆风险，不能直接进行输送和利用，不仅造成资源浪费，也严重污染环境。从文献研究的角度，综合论述了近年来我国低浓度含氧瓦斯爆炸防控技术及装备的发展现状及趋势，主要内容包括：①实际工况低浓度含氧瓦斯爆炸精准辨识技术：研发了特殊环境20 L爆炸特性测试系统及超低温环境爆炸特性测试系统等试验装置，建立了测试技术及方法，解决了特殊环境瓦斯爆炸特性难以定量测试的难题;研究了环境温度、压力、湿度、点火能量等单一因素及多因素耦合条件下的瓦斯爆炸特性，填补了超低温、环境湿度、多因素耦合等条件下瓦斯爆炸特性研究的空白，实现了实际工况低浓度含氧瓦斯爆炸的精准辨识。②工程尺度管道内瓦斯爆炸传播关键表征技术：构建了工程尺度系列爆炸管网试验系统，实现了真实场景低浓度瓦斯爆炸灾害效应的模拟与试验;进行了不同浓度、点火能量及输送管径组合条件下的瓦斯爆炸传播试验，得出压力峰值、火焰速度与传播距离呈“正反馈机制”的传播规律，为爆炸防控装备研发和安装设计奠定了基础。③低浓度含氧瓦斯快速可靠爆炸防控系列装备：开发了清洁式气体抑爆装置、快速响应的主动喷粉抑爆装置、双重阻火泄爆装置、阻火装置等系列爆炸防控技术装备;创立了以阻火、泄爆、抑爆、阻爆为核心的多级防护安全输送技术体系。后续研究过程中，应继续深入开展复杂多因素耦合条件下瓦斯爆炸特性研究工作;在大直径管道瓦斯爆炸传播规律研究的基础上，通过技术创新提升爆炸防控装备的整体性能，简化安装程序及方法，提高适用性;研究各类爆炸防控装备的联动技术及集中控制技术，提升装备的智能化水平。

• 煤层气成藏机理及形成地质条件研究进展

  刘大锰, 刘正帅, 蔡益栋,

  煤层气成藏机理及形成地质条件研究对合理评估煤层气资源和指导煤层气开发具有重要意义。煤层气成藏是煤层气在含煤盆地生成、赋存、运移和保存的动态地质演化过程，每个阶段均受多种地质因素控制。基于近年来国内外相关领域研究成果，从煤层气成藏过程和流体特征角度出发，依次总结煤层气成因机理、煤层气储集及运移机理和煤层气藏形成地质条件。结果表明：丰富的有机碳是煤层气形成的物质基础，生物成因煤层气的形成主要依赖于煤层中微生物群落特征，热成因煤层气的形成依赖于煤变质程度;吸附解吸机理是研究煤层气储集的基础理论，固-液吸附解吸理论可以更好地解释含水煤层气体吸附解吸现象;扩散机理和渗流机理是煤层气运移的微观理论，基于时间变化的扩散模型和非达西渗流模型更适合解释我国低渗储层煤层气的运移过程;煤层气藏形成的地质条件归纳为沉积条件、构造条件和水文地质条件，沉积条件控制煤岩组成、煤层厚度和顶底板特征等影响煤层气的成藏过程，构造条件通过构造活动、煤层埋深、岩浆活动和构造类型等影响煤层气的成藏过程，水文地质条件对煤层气成藏具有双重作用。总之，我国含煤盆地地质构造复杂，煤层气成藏受多种地质因素控制，煤层气藏主控因素分析应结合煤层沉积埋藏史、热演化史、构造演化史和地层水动力特征。