煤炭科学技术杂志

煤炭科学技术杂志2021年第5期

• “ 深部煤层瓦斯精准抽采” 专题客座主编致读者

  李树刚,

  党中央、国务院历来高度重视煤矿瓦斯防治工作，近些年相继出台了《煤矿瓦斯治理与利用实施意见的通知》《关于加强煤矿瓦斯先抽后采工作的指导意见》《强化煤矿瓦斯防治十条规定》《关于“十三五” 期间煤层气( 瓦斯) 开发利用补贴标准的通知》等系列文件，构建完善了煤矿瓦斯抽采防治政策体系。2020年我国煤矿共发生7 起瓦斯事故，首次实现了全年无重特大煤矿瓦斯事故，但瓦斯灾害防治形势与压力依然巨大，与“ 以人民为中心”的发展思想，与新时代、新征程、新理念、新格局的要求仍有差距。另外，煤矿瓦斯的温室效应约为二氧化碳的21 倍，但瓦斯还是一种高效清洁能源，抽采利用1 亿m3 瓦斯相当于减排150 万t 二氧化碳。因此，高效抽采利用瓦斯可以达到矿井安全生产、清洁能源供应及大气环境保护等多重效应，加快促进“ 双碳目标”的实现。　　我国煤层瓦斯赋存条件复杂，随着开采深度的增加，煤层透气性降低，地应力、瓦斯含量和压力增大，如何增大煤层透气性、提高瓦斯抽采效果是亟待解决的技术难题，同时随着煤层开采强度的增大，低瓦斯含量煤层卸压涌出强度也快速增加，解吸速率加快，如何高效精准抽采瓦斯已成为亟需解决的重点。《煤炭科学技术》作为煤炭行业的代表性期刊，认真践行“ 推动行业科技进步，培养行业科技人才” 的办刊理念，一直特别关注并跟踪报道瓦斯抽采、煤与瓦斯突出防治等瓦斯防治理论与技术的研究成果与进展。据中国知网统计，自2000 年以来，《煤炭科学技术》共发表瓦斯方面的论文1 500 余篇。　　为进一步总结、凝练我国矿井瓦斯抽采防治成果，充分发挥科技期刊在服务创新驱动发展战略，发现和培养科技人才，弘扬科学家精神等方面的重要作用。2021 年第5 期《煤炭科学技术》策划组织“深部煤层瓦斯精准抽采” 专题，共收到近20 个单位的60 余篇稿件，本期优选刊登16 篇具有代表性的论文，集中报道了我国在深部煤层瓦斯含量精准预测、瓦斯涌出精准测定、瓦斯储运区精准辨识、低渗煤层精准增透、瓦斯精准抽采防治及智能调控等方面的最新科技成果。衷心感谢各位专家学者为专题撰稿，特别感谢中国矿业大学、西安科技大学、河南理工大学、山东科技大学、北京科技大学、湖南科技大学、中国矿业大学( 北京)、辽宁工程技术大学、中国煤炭科工集团重庆研究院、中国煤炭科工集团西安研究院、国家能源集团等单位给予的大力支持! 期待本期专题为提高我国煤矿瓦斯抽采防治水平提供技术参考，以更加优异的成绩迎接建党100 周年。

• 深部开采卸压瓦斯精准抽采体系构建及实践

  李树刚, 杨二豪, 林海飞, 赵鹏翔,

  为推进瓦斯治理水平高质量发展，以国内外研究进展为基础，建立了煤层瓦斯含量测定、瓦斯涌出量预测、瓦斯储运区辨识圈定、抽采方法确定、抽采参数设计、抽采工程施工、计量监测评价及调控的采动卸压瓦斯抽采全环节，从“精确度”“准确度”“精细度”对卸压瓦斯“精准抽采”内涵进行了阐释。以深部开采卸压瓦斯抽采关键问题为核心，主要内容为基石，重点技术为依托，手段与方法为途径，工程实践为验证，构建了多层级精准抽采体系框架。通过总结现有瓦斯涌出量预测的常用方法，得出瓦斯涌出量预测的一般箱体模型；以理论推导、试验模拟和现场反演3个方面研究为基础，提出了卸压瓦斯高效抽采区域精准辨识方法和流程；根据不同设计依据建立了卸压瓦斯精准抽采工程精准施工设计流程；以抽采数据动态感知、抽采效果评价及管网优化、抽采系统决策与调节为主要研究内容，提出了卸压瓦斯抽采精准调控的3个研究课题和研究思路；探讨了卸压瓦斯精准抽采云平台的架构，并应用卸压瓦斯精准抽采体系在山西典型高瓦斯突出矿井进行了现场工程实践。该研究完善了深部矿井卸压瓦斯治理的整体框架，为后续研究及现场应用提供了借鉴。

• 煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源原理与技术

  周福宝, 刘宏, 刘应科, 康建宏, 贺志宏,

  煤层群开采工作面瓦斯涌出来源及比例的定量分析，是矿井瓦斯抽采设计与治理的重要前提。稳定碳氢同位素法基于瓦斯气体混合前后碳、氢同位素总量各自保持不变的原理，可以对工作面瓦斯各来源比例进行定量计算，成为工作面瓦斯精准定量溯源的有效方法。稳定碳氢同位素分析实现的必要条件是混合气样的瓦斯体积分数不低于10%，对此，首先提出煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源原理，并构建了高效分离低浓度瓦斯方法，研究了吸附柱中甲烷、氧气和氮气的分离规律，对比确定了优化的吸附剂种类和吸附柱尺寸，对上隅角、回风巷等地点的超低浓度瓦斯进行分离，进而进行稳定碳氢同位素测试。然后通过测得的各煤层端元气体以及工作面不同位置混合气体的甲烷碳、氢同位素值，利用二端元、三端元线性混合模型，定量分析了西山矿区东曲矿和屯兰矿的4个试验工作面各位置瓦斯来源的占比及规律。最终确定了近距离煤层群回采工作面瓦斯的重点抽采目标：工作面上隅角只有5%来自上邻近层，本煤层占比达到78%，因此应着力加大本煤层瓦斯抽采强度；采空区、上隅角、回风巷的瓦斯主要来源于本煤层卸压瓦斯，从采空区到上隅角和回风巷，上邻近层瓦斯占比呈现上升趋势；采空区、上隅角瓦斯各来源比例受工作面推进度影响较小，基本维持稳定。煤层群开采工作面瓦斯精准定量溯源技术实施简便，效果显著，有效解决了上隅角、回风巷等地点精准定量溯源的重大工程难题。

• 特厚煤层分层开采下伏煤层应力分布及破坏特征研究

  高建良, 蔡行行, 卢方超, 王文元,

  对于特厚煤层分层开采，掌握煤层开采后下伏煤层应力分布及破坏特征能够为精准判定采空区瓦斯富集区提供一定理论依据。因此，为厘清倾斜特厚煤层下伏煤层应力及塑性破坏区的分布特征，开展了不同煤层倾角工作面回采的数值模拟计算。首先基于采空区压实理论，获得了采空区垮落岩体的应力-应变关系，进而通过迭代反演确定了充填体的岩体力学参数。在此基础上，通过数值模拟计算及分析，得到了煤层倾角变化对下伏煤层应力分布及破坏特征的影响规律。结果表明：在采空区底板范围内，随着煤层倾角增大，采空区应力恢复“O”形圈不再以采空区中部走向线对称分布，而向倾向下部偏移。沿倾向，在采空区的上下两端，侧向应力集中系数均随煤层倾角增大而减小，但倾向上端侧向应力集中系数始终小于倾向下端侧向应力集中系数。沿走向，在工作面底板，超前支承应力集中系数随着煤层倾角增大而增大。最后，通过分析下伏煤层塑性破坏区的分布可知，工作面以及倾向上下端底板煤体内的塑性破坏深度均随着煤层倾角增大而增大，但倾向上端底板破坏深度始终小于倾向下端底板破坏深度；采空区底板最大塑性破坏深度所在位置逐渐远离采空区中部，向倾向下端偏移。

• 煤矿瓦斯智能抽采关键技术研究进展及展望

  赵旭生, 马国龙,

  为了推动智能瓦斯抽采技术发展，提高煤矿安全保障能力，从瓦斯抽采全过程少人化或无人化角度，阐述了智能瓦斯抽采的精准感知、自决策、自执行、自适应、自学习等5个方面特征,提出了包含功能和技术2个维度的智能瓦斯抽采体系结构，功能维度上涵盖瓦斯抽采所有环节，技术维度上包含单机智能、机组智能和集成智能3个层次，体现了智能瓦斯抽采技术的发展迭代过程；设计了智能瓦斯抽采总体架构，由感知控制层、传输层、数据层、应用层等4个层面和信息标准、信息安全等2个体系构成；最后，从动态透明瓦斯地质、抽采钻孔智能设计、打钻-增透-封孔机器人、抽采系统智能调控与诊断、抽采达标自动评判等5个方面对智能瓦斯抽采关键支撑技术进行了探讨，分析了关键技术向精准、高效、智能方向发展的趋势，提出了抽采钻孔差异化智能设计和抽采达标多层递进动态评判等解决策略，并给出了谢桥煤矿“三人五台一组”自动钻机集中控制协同作业、霍尔辛赫煤矿抽采管网自动调控、新元煤矿抽采达标在线评判等典型应用案例，为煤矿智能瓦斯抽采技术研究和建设实践提供了有益参考。

• 应力对含瓦斯煤解吸特征影响的试验研究

  魏建平, 温志辉, 苑永旺, 王奇, 司磊磊,

  深部开采时地应力的升高和剧烈开采的扰动，容易在采掘工作面形成应力集中区，从而导致应力主导型的突出事故和冲击-瓦斯复合动力灾害发生。为了探索深部开采时应力对含瓦斯煤解吸及涌出特征的影响规律，提高矿井瓦斯灾害治理的精准性，以焦作矿区九里山矿无烟煤为研究对象，利用煤岩三轴渗流-吸附-解吸试验装置进行了不同应力状态下煤样的等温解吸试验和恒吸附压力下的应力解吸响应试验，分析了应力作用对煤的解吸涌出特征的影响规律。研究结果表明：应力直接影响含瓦斯煤的解吸能力，决定应力集中区煤层瓦斯的涌出特征；在吸附等量瓦斯气体的情况下，煤的瓦斯解吸累积量、解吸初始速率均随着应力增加逐渐增大，解吸速率衰减指数随应力增加变化不大但呈现逐渐减小趋势，应力作用促进了煤样的瓦斯解吸；通过恒吸附压力下煤样对不吸附性气体（He）和吸附性气体（CH4）应力解吸响应的对比试验，验证了应力作用会明显诱导煤样的解吸行为，导致相同条件下煤样的吸附能力降低；研究结果阐明了应力对含瓦斯煤解吸涌出特征的影响，揭示了应力对煤基质瓦斯解吸的诱导作用，对深部开采煤层瓦斯灾害的防治和煤层气的开采具有理论和工程实践意义。

• 基于特征选择和机器学习融合的煤层瓦斯含量预测

  林海飞, 周捷, 高帆, 金洪伟, 杨卓亚, 刘时豪,

  煤层瓦斯含量是矿井瓦斯灾害防治及煤层气勘探开发的基础参数，为提高其预测精度及科学性，对典型矿井煤层瓦斯含量的35组实测数据进行了零-均值规范化处理，通过全子集回归和随机森林2种特征选择方法对11类影响煤层瓦斯含量的参数进行不同规律组合，得到17种瓦斯含量特征参数组合。运用高斯过程回归、最小二乘支持向量机、梯度提升回归树和极限回归机等4种经典有监督机器学习算法，分别对17种特征参数组合进行预测，得到68种瓦斯含量预测模型。根据各机器学习算法平均判定系数≥0.800，对68种瓦斯含量预测模型进行初步筛选。综合归一化均方误差≤001以及希尔不等系数≤001，得到21种基于特征选择和机器学习融合的最优预测模型，并取平均值得到了最终预测序列。结果表明：最终预测序列的归一化均方误差为0007，希尔不等系数为0005，判定系数为0993，平均绝对误差为0170 m3/t，平均相对误差为075%，各精度评估指标均符合要求，所构建的多参数组合多算法融合的预测模型具有广泛的普适性且精度较高。

• 基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法

  胡国忠, 许家林, 秦伟, QU Qingdong, 彭小亚, 李康,

  瓦斯抽采巷(孔)的合理布置是实现邻近层卸压瓦斯精准抽采的基本前提。在深入分析覆岩关键层运动对邻近层瓦斯卸压运移控制机制的基础上，提出了基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计新方法。研究结果表明：邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的合理布置层位为垮落带边界至导气裂隙带最大发育高度之间的空间范围，导气裂隙带最大发育高度可按基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法来确定；邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的合理层面位置为导气裂隙带内的“O”形圈裂隙区中部，“O”形圈裂隙区宽度可按其与煤层采高、覆岩关键层结构及采深的函数关系式进行预计。该方法在阳泉矿区邻近层卸压瓦斯实践中得到了应用和验证，邻近层卸压瓦斯抽采率稳定在92%，能较好地指导煤层群开采条件下煤与瓦斯共采实践。

• 煤油气共存矿井油型气精准治理技术及工程实践

  孙四清, 陈冬冬, 龙威成, 赵继展, 张俭, 郑凯歌, 贾秉义, 张静非,

  油型气是煤油气共存矿井新的隐蔽致灾地质因素。煤田地质勘探阶段对含煤地层中油型气很少关注，矿井生产中又面临着油型气涌出的实际威胁，油型气已是煤油气共存矿井安全高效开采不可回避且亟待解决的难题。针对油型气储集层赋存、油型气涌出规律和油型气抽采治理等关键问题，采用理论分析、测试化验、数值模拟和工程试验等手段在典型煤油气共存矿区开展了油型气精准治理技术及工程实践应用研究。研究结果表明：研究区2号煤层顶底板50 m回采扰动范围内发育有4个连续稳定分布的油型气储集层（直罗组一段砂岩、延二段七里镇砂岩、富县组下部砂岩和瓦窑堡组顶部砂岩）；在距2号煤层底板垂深22.24～33.26 m（平均25.77 m）、相对回采工作面-0.23～-65.14 m段底板钻孔能够有效抽采到卸压油型气。建立了基于定向长钻孔的采前预抽、采中卸压抽和采后采空区抽的油型气精准立体综合抽采模式，工程应用实践显示抽采后回采工作面上隅角平均CH4体积分数由0.81%下降到0.48%，且回采期间工作面未发生油型气异常涌出和CH4浓度超限现象。实践探索形成了一套适合于煤油气共存矿井集油型气赋存、涌出和抽采于一体的精准治理技术体系，为煤油气共存矿井油型气灾害的防治提供理论指导和技术支撑。

• 中阶煤孔隙结构的氮吸附-压汞-核磁共振联合表征研究

  杨明, 柳磊, 刘佳佳, 毛俊睿, 柴沛,

  为精确表征中阶煤储层的孔隙特征，以不同煤阶的4组煤样为研究对象，采用压汞、液氮吸附及核磁共振等试验方法，对其特征参数进行定量研究。结果表明，煤储层是以微小孔为主、中孔次之、大孔最少，微小孔为比表面积与孔容积的主要贡献者。中阶煤的孔容积为(3.19～5.21)×10-2 mL/g，比表面积为6.25～9.81 m2/g，孔隙度为5.171%～8.307%，渗透率为(0.008 ～1.253)×10-3μm2。肥煤与焦煤的孔隙是以开放性孔为主，瘦煤与贫煤的孔隙以封闭或半封闭型孔为主；肥煤微小孔隙多为平行板孔，焦煤与瘦煤为双锥管孔或锥形孔，贫煤为尖劈形孔或圆筒孔。随着煤阶的升高，微小孔、吸附孔喉占比逐渐增大，中大孔、渗流孔喉占比逐渐减小，孔隙之间连通性越来越差，渗透率逐渐降低。随着煤阶的降低，比表面积逐渐减小，有效孔隙度逐渐增大，残余孔隙度逐渐减小，孔容积、总孔隙度呈现出先减小后增大的趋势。

• 瓦斯抽采穿层钻孔钻扩造穴卸压增透机理研究

  王亮, 廖晓雪, 褚鹏, 张晓磊, 刘清泉,

  随着我国煤矿开采逐渐向深部开拓，煤层瓦斯压力增大、含量增加，煤层渗透率普遍较低，增加了瓦斯抽采的难度。钻孔钻扩造穴卸压增透技术能提高煤层渗透率，是增加瓦斯抽采效率的有效手段。为解决寺家庄煤矿15号煤层渗透率低，瓦斯难抽采的问题， 以寺家庄煤矿北翼辅助运输巷15号煤层抽采钻孔造穴为工程背景，以弹性力学应变软化模型和扩散-渗流煤层瓦斯流动理论模型为基础，建立了穿层钻孔钻扩造穴后煤层渗透率演化方程和穿层钻孔造穴煤层瓦斯流动方程。通过COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟软件对方程进行解算，分析了钻孔造穴的增透机理和渗透率分布规律，得到了瓦斯抽采量、瓦斯压力分布以及渗透率等关键参数；结合模拟结论与现场条件，确定了钻孔钻扩造穴的最优造穴半径为0.6 m，最佳布孔间距为6.0～7.0 m，为现场施工造穴半径和钻孔间距的确定提供了指导。最后，在寺家庄煤矿15号煤层实施普钻钻孔与造穴钻孔，进行了瓦斯抽采效果对比。试验结果表明：实施水力钻扩造穴技术后，瓦斯抽采率、抽采浓度和抽采纯量相对普钻钻孔分别提高了约2.7、2.0、5.7倍；瓦斯抽采周期、钻孔施工工程量降低了约2倍，提高了瓦斯抽采技术经济效益,应用结果验证模拟结果可靠，抽采设计可行，可以指导现场施工。

• 低渗透煤层金刚石串珠绳锯切割卸压增透机理及应用

  李树清, 汤铸, 黄飞, 李波, 蔡康旭, 刘诚, 段蓉, 朱颜平, 杨党震,

  为探求金刚石串珠绳锯煤层割缝卸压增透机理，结合开滦矿区某矿煤层绳锯割缝的工程背景，采用相似模拟试验研究了绳锯煤层割缝缝槽上下方煤岩层裂隙、应力、位移分布特征，建立了煤样3次等压循环加卸载应力-渗透率公式，基于FLAC3D开发了煤层瓦斯渗透率计算程序，通过数值模拟分析了绳锯切割过程中缝槽上方煤层渗透率分布特征及演化规律，研发了金刚石串珠绳锯煤层割缝系统及工艺，开展了大范围连续煤层割缝试验。研究表明：金刚石串珠绳锯切割煤层形成缝槽后，在上方形成较小范围的断裂带和弯曲下沉带，在缝槽上下方煤体中形成了应力降低区，该区内随着远离缝槽其应力变化幅度减小；金刚石串珠绳锯割缝缝槽上方形成了一定范围的增透区，其分布特征是起割位置附近和收割位置附近渗透率提高幅度大，中间部分由于应力恢复的影响煤体渗透率提高幅度较小；缝槽上方区域的渗透率随着至缝槽距离的增加而逐渐降低，达到某一阈值后，割缝对提高煤体渗透率将失去作用；金刚石串珠绳锯煤层割缝效率约80 m2/h，工作效率和连续割缝范围均大于水力化割缝措施。

• 急倾斜煤层瓦斯钻孔有效抽采范围的精准确定

  王刚, 李怀兴, 常博,

  为了明确急倾斜煤层瓦斯抽采钻孔的有效抽采范围，合理布置抽采钻孔位置，以乌东煤矿43号煤层为例，利用数值模拟得到急倾斜煤层瓦斯钻孔有效抽采范围随时间变化规律，建立急倾斜煤层钻孔周围气体渗流单元模型，推导了急倾斜煤层有效抽采范围的数学模型并结合现场实测结果对数值模拟和数学模型进行验证，且平均相对误差率较小（均小于5%）。数值模拟结果显示：与常规煤层瓦斯钻孔有效抽采范围相比，急倾斜煤层有效抽采距离与抽采时间呈非线性关系；在抽采过程中，有效抽采范围随时间的增加，在钻孔平面不同方向上扩展速度不同，最终趋于稳定后有效抽采范围呈椭圆形区域。通过对急倾斜煤层钻孔周围煤壁上受力状态分析，认为有效抽采范围出现差异的原因主要是钻孔的出现改变了原有的地应力的分布状态，钻孔周围煤壁的稳定性遭到破坏，其附近一定范围内的煤体物理力学性质发生改变，此外，地应力的重新分布对钻孔周围煤层渗透率也产生一定影响。为定量研究垂直于钻孔二维截面上有效抽采范围随时间变化的发展趋势，通过急倾斜煤层有效抽采范围的数学模型得到急倾斜煤层有效抽采范围表达式，分析不同方向上抽采距离扩展速度造成的差异程度，对急倾斜煤层瓦斯抽采钻孔的现场应用具有一定指导作用。

• 基于非线性渗透率模型的高抽巷精准抽采参数优化

  徐超, 李小芳, 陈晴晴, 曹明月, 申立华,

  利用高抽巷抽采工作面与断裂带卸压瓦斯是煤层群瓦斯治理的重要技术手段，为进一步提高高抽巷瓦斯抽采效果并实现精准抽采，基于砌体梁理论和“O”形圈理论建立采空区非线性渗透率模型，以此建立更符合实际情况的模拟模型，提高数值模拟结果的准确性，并将其运用到Fluent模拟软件中分析高抽巷在不同抽采负压、垂距、平距下对采空区瓦斯三维流场的影响规律，进而提出了高抽巷精准抽采的优化技术参数。结果表明，采空区渗透率分布特征规律为沿采空区倾向，进风、回风巷两侧渗透率大，阻力系数较小，中部渗透率较小，呈先减小后增大趋势分布；沿采空区走向方向，随着远离工作面，渗透率逐渐下降，在压实稳定区内基本保持稳定；采空区内瓦斯分布受风流及高抽巷抽采的影响，进风巷侧瓦斯浓度较低，回风巷侧瓦斯浓度较高，采空区瓦斯浓度分布等值线呈现“外凸”分布；当高抽巷平距为32 m，垂距为30 m，抽采负压为15 kPa时，抽采效果最佳，且采空区低浓度瓦斯分布范围较广，瓦斯浓度峰值最小，可以有效降低上隅角瓦斯浓度；通过对比现场实测高抽巷瓦斯抽采效果及上隅角瓦斯浓度和模拟结果，验证了模拟结果的准确性。研究结果可为高瓦斯煤层群精准开采及高抽巷参数优化提供理论依据。

• 区域和局部突出危险性动态实时监测预警技术研究

  宋大钊, 何学秋, 邱黎明, 赵英杰, 程肖禾, 王安虎,

  为实现煤与瓦斯突出灾害的准确监测预警，将微震监测技术、震动波CT技术与声电瓦斯监测技术应用于煤与瓦斯突出矿井，分析了微震信号的时空演化特征规律，研究了震动波CT与应力异常、突出预兆、采掘工程的关系，深入挖掘了掘进期间的电磁辐射、声发射、瓦斯等监测数据的时空演化规律，建立了预警准则统一、预警指标统一、预警临界值统一的综合集成高可靠性预警方法，最终形成了逐级聚焦的突出危险区域-局部动态实时监测预警方法技术，并开展了煤岩动力灾害监测预警云平台的应用。结果表明：基于微震监测以及震动波速反演得到的区域应力场结果，可以预测采掘强扰动区、应力集中区，地质异常区共同组成的煤与瓦斯突出危险区，实现了突出危险区域预测；声发射12 h偏差值DA、声发射偏离异常频次N、电磁辐射24 h偏差值DE、电磁辐射偏离异常持续时间h、瓦斯涌出量Q、瓦斯涌出变化率I等指标对突出危险具有较好的响应，可进行局部突出危险预警。突出危险区域-局部动态实时监测预警技术首先通过微震动态监测区域动载扰动信息，结合震动波CT探测区域应力场的分布特征，初步划定突出危险煤层危险区域，随后集成电磁辐射、声发射、瓦斯等多参量综合监测实现突出危险的局部即时预警。

• 高瓦斯矿井超大区域瓦斯治理技术

  刘忠全, 陈殿赋, 孙炳兴, 李健威,

  基于大功率定向钻进技术与装备的发展和矿井瓦斯防治技术的提升，保德煤矿先后创造了2311、2 570、3 353 m井下顺层定向长钻孔瓦斯抽采施工纪录，为矿井实施超大区域瓦斯治理技术提供了基础条件。以保德煤矿8号煤的煤层气防治为研究对象，基于超长工作面区域瓦斯治理需要，依据区域范围及预抽时间的不同，分别采用井上井下联合抽采、盘区超前大区域预抽、掘进工作面主巷羽状钻孔大区域预抽、采煤工作面大区域递进式预抽等措施对采掘区域内煤层气进行了大面积超前预抽，为煤层气治理提供了充裕的时间和空间，确保了抽采达标所必备的时间条件；针对8号煤层透气性低、抽采衰减快的问题，采用定向钻孔分段压裂增透技术并辅以高效封孔工艺技术，实现了煤巷掘进前和工作面回采前煤层气的高效治理；针对矿井超长工作面回采后形成的大范围采空区瓦斯异常涌出问题，提出并实施了大范围采空区平衡卸压抽采技术，有效地阻止了采空区瓦斯涌入采掘空间。实践表明：保德煤矿8号煤层通过实施超大区域瓦斯治理技术措施，煤层气预抽率大于30%，切实有效地解决了工作面采掘期间的瓦斯涌出治理问题，矿井生产全过程瓦斯抽采达标；采掘工作面月产量达80万t，掘进工作面月单进尺560 m以上，实现了高瓦斯矿井长周期安全高效生产，实践证实了超大区域瓦斯治理技术具有显著的安全和经济效益。

• 瓦斯抽采中煤层参数动态响应及其应用

  张超林, 王恩元, 许江, 彭守建,

  利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统，开展了不同钻孔数量条件下顺层钻孔抽采瓦斯试验，发现抽采瓦斯过程中煤体应变、瓦斯流量、瓦斯压力及煤体温度呈现出显著的耦合特性，均表现出抽采前期快速变化而后平稳发展的整体趋势，钻孔数量的增加能有效降低抽采时间并提高抽采效率；通过MATLAB编程实现了抽采瓦斯过程中瓦斯压力云图、等压面以及切片图的多维可视化，抽采瓦斯过程中瓦斯压力下降区域近似呈现以钻孔走向为长轴方向的椭球形态，并逐渐向外扩展；基于煤层瓦斯压力分布研究了消突区域的动态演化，消突区域以各钻孔为中心近似呈现圆形分布，不同消突区域受钻孔叠加效应影响逐渐相互融合，最终实现了煤层的消突。研究成果为实现抽采数据可视化和瓦斯高效精准抽采提供了参考和思路。

• 复杂岩体不对称V型斜线起爆网路爆破效果分析

  陈亚军, 白晓杰, 李永武, 周立云,

  为减小干旱区深凹露天煤矿在复杂岩体赋存条件下爆破所产生的岩体大块和近距离爆破对到界台阶的振动影响，基于对新疆托克逊县库米什露天煤矿复杂岩体岩体结构、岩性特点、破裂面构成、形态和节理、裂隙发育变化趋势影响分析和爆破作用对边坡安全稳定分析研究，提出了：①在接近台阶坡面进行剥离作业的爆破岩石台阶，至少有1个侧向自由面和正向自由面，起爆点位于台阶上部侧向和正向自由面交汇处，爆轰由外向内沿斜线方向传爆，避免受节理、裂隙和结构面影响使爆破能量集中作用在某一爆破区域而出现的爆破病害；②优选不对称单侧向自由面非电导爆管加“四通”的V型斜线多段位单位药量毫秒微差间隔逐次起爆的爆破网路，使爆破能量沿炮区对角斜线方向分散作用并使爆破作用效果平衡，有别于直线型排间和孔间逐孔毫秒微差爆破起爆使爆破后冲效应大，对边坡产生振动危害；③采用不耦合分段或连续集中装药非电导爆管雷管加起爆药加膨化铵油炸药逐孔毫秒微差起爆技术孔内药包多点瞬发起爆，使炸药爆炸时压缩应力波峰值随装药表面到炮孔壁的距离增大而下降，减少应力波对岩壁的过度破碎而使爆破效能更加持续有效。爆破试验结果表明，所采用的爆破关键技术，使爆破岩石大块率降低5%～8%，爆堆沉降高度小于2 m，爆破能量分配更加均匀，既有利于边坡安全稳定，又便于4 m3液压反铲的采装，对于解决干旱区复杂岩体深凹露天矿爆破技术问题有借鉴之用。

• 孔洞围岩塑性区边界计算的理论研究现状与分析评价

  李永恩, 郭晓菲, 马念杰, 李臣, 霍天宏,

  地下采矿工程中的巷道、开切眼、各种开采硐室空间、人工钻孔及天然洞穴等，在地下无限大的空间范围内，其围岩破坏及稳定性问题均可统一到孔洞周围岩体力学的研究中。结合煤矿井下的工程条件，采用理论计算与数值模拟对比分析的方法，研究了静水压力下的理论公式与非均匀应力场中的塑性区边界方程，详细分析了理论计算的力学模型、推导原理、推导过程、计算精度，进而对其适用性进行评价分析。研究结果表明：静水压力下的理论公式推导过程严密，精度较高，适用于静水压力及偏应力不高条件下围岩塑性区范围的计算，偏应力较高环境下不再适用；非均匀应力场中圆孔围岩塑性区边界方程推导过程做了简化，其结果为近似解，与数值模拟计算结果相比在精度上有一定误差，但是可以很好地反映非均匀应力场中孔洞围岩塑性区形态演化规律，对于研究地下高偏应力场中巷道围岩的破坏规律及致灾机理有重要的指导意义。通过对已有孔洞围岩塑性区边界计算理论的分析评价，明确了不同理论方法的优劣势以及适用条件，对于合理应用理论指导工程实践有重要的实用意义。

• 煤层瓦斯抽采失效钻孔管底二次注浆技术研究

  高保彬, 任闯难, 亢昊庆, 陈立伟, 董群,

  为解决失效钻孔漏气导致抽采瓦斯浓度降低的问题，根据钻孔内、外漏气机理，分析得到孔外漏气受钻孔轴向巷道煤壁破碎漏气带和钻孔径向围岩漏气圈的影响，孔内漏气区域分布受封孔材料漏气阻力系数、封孔段长度、支护强度等多重因素的影响，提出对失效钻孔进行靶向二次注浆的思路。阐述了失效钻孔管底二次注浆提浓技术，根据检测出的瓦斯浓度变化趋势分析得出钻孔具体漏气区域，从而确定钻孔需要二次封堵注浆的具体位置与长度；通过注浆专用设备，将浆液注入漏气钻孔封孔段附近的漏气通道中，随着浆液在贯通裂隙中流动、充填、凝固，钻孔通道被封堵，孔外空气进入孔内的阻力增大或无法进入孔内，实现对漏气通道的靶向处理。研发了钻孔漏气位置检测及管底二次注浆提浓装备，主要由封孔气囊、双通道连接管、孔口三通等部件组成；结合山西某矿S5101采煤工作面现有钻孔的实际尺寸情况，对装置整体尺寸进行设计；选用KFGP-Ⅲ型微膨胀水泥基瓦斯封孔专用材料，并对其材料性能、外加剂和浆液配合比进行试验。通过模拟验证了管底二次注浆的有效性，模拟结果表明钻孔周边裂隙和一次封孔段收缩失效形成的漏气通道在管底二次注浆条件下得到了有效封堵。在余吾煤业进行工业性试验，试验钻孔注浆后瓦斯抽采体积分数总体提升至35%～80%，试验数据表明注浆后不仅对试验钻孔提浓效果明显，对注浆钻孔邻近范围内的抽采钻孔瓦斯浓度同样具有一定提升作用。

• 深部煤层抽采钻孔变形失稳影响因素研究

  张学博, 王文元, 蔡行行,

  为了研究深部煤层抽采钻孔变形失稳的主控因素，分析了抽采钻孔变形失稳机理，建立了三维数值模型，研究了钻孔埋深、侧压系数等对钻孔稳定性的影响，最后确定了地应力为抽采钻孔变形失稳的主控因素。结果表明：①随着钻孔埋深的增加，钻孔围岩的最大垂直位移、最大水平位移和最大垂直应力都随之增加，并且埋深扩大1倍，位移最大增加6.11倍，最大垂直压力增加1倍，最大垂直应力所处位置距钻孔表面距离不断增大，但垂直应力集中系数基本不变。②随着侧压系数的增大，钻孔围岩的最大垂直位移和最大水平位移都增大，最大垂直位移增加速率较快，并且侧压系数扩大1倍，钻孔的最大位移变为原来的3.29倍；钻孔最大垂直应力随之缓慢增加。③孔径和瓦斯压力对钻孔稳定性影响较小。孔径或瓦斯压力的增加导致钻孔的最大垂直位移、最大水平位移和最大垂直应力都缓慢增加。④采用套管对钻孔进行支护，钻孔变形得到一定的控制，最大垂直位移和最大水平位移都明显减少，最大垂直应力所处位置至钻孔的距离与应力集中系数都减小，并且PP套管效果最佳。⑤由埋深和侧压系数（地质构造）决定的地应力是钻孔失稳的根源，是影响抽采钻孔稳定性的主控因素。研究结果可以为矿井瓦斯治理提供理论基础。

• 不同CO2注入温度置换驱替CH4特性试验研究

  白刚, 姜延航, 周西华, 兰安畅, 王继仁,

  注气温度是煤层注气促抽瓦斯的关键技术参数，为研究CO2注入温度不同对CH4驱替量的影响规律，采用自主研发的CO2置换驱替CH4试验系统，开展CO2注入温度为40、50和60 ℃的置换驱替CH4试验，研究CO2置换驱替CH4过程中煤层温度、气体浓度、驱替效率、CO2封存量与CH4解吸量等变化规律。结果表明：注气温度是影响CH4解吸量与CO2封存量的关键因素，提高注气温度可以能够驱替出更多的CH4并储存更多的CO2；CO2注入温度越高，CO2突破时间越短，突破时间分别为107、73.8和57.5min，出口CO2体积浓度达到99.99%所需时间越短，相同注气时间内解吸CH4体积量和CO2封存量越多；注气温度由40℃升至60℃时，煤层CH4累计解吸量分别为6.43、6.57和6.71 cm3/g，CH4产出率提高了2.1%～4.3%，煤层累计封存CO2解吸量分别为17.39、17.99和17.41cm3/g；注气驱替CH4过程中煤层吸附CO2起占主要地位，随着注气时间的增加，煤层温度升高，可分为缓慢升温、急剧升温和缓慢降温阶段，且缓慢升温阶段随着CO2注入温度升高而明显“滞后”，表现为“逐渐驱替”效应，煤层温度最高变化量分别为10.5、11.4和11.3℃；运移速率随CO2注入温度的升高而增大，分别为0.006 53、0.007 81和0.008 86 cm/s，运移速率提高了19.6%～35.7%；相同注气温度下，驱替效率随注气时间增加逐渐增大，且注气温度越高，相同注气时间内驱替效果越明显，试验结束分别为88.49%、90.93%和91.7%，驱替效率可提高2.44%～3.21%。

• 深部动力灾害诱发机理及影响因素研究

  郭怀广, 朱立凯,

  针对深部动力灾害诱发机理及影响因素复杂的问题，以红阳二矿动力灾害为背景，宏观统计了灾害空间分布规律，开展了不同参数条件下的动力灾害相似模拟试验，进而研究灾害诱发机理及影响因素。结果表明：红阳二矿煤与瓦斯突出分布存在着明显的区域性，突出发生主要集中在地应力较高区域或地应力急剧变化区域，突出次数和突出能力均随埋深的增加而增加，相对于倾出和压出，典型突出的变化规律更加明显；获得了红阳二矿突出强度、突出距离及相对突出强度与瓦斯压力、放散初速度指标之间的拟合经验关系；灾害性质随瓦斯压力增加发生转变（倾出-压出-典型突出），瓦斯压力是红阳二矿动力灾害诱发的主导因素；动力灾害诱发的关键在于煤体具有足够的瓦斯梯度，地应力对突出的1个重要作用在于地应力的快速释放能够使突出发生所需的瓦斯压力临界值降低；瓦斯放散初速度Δp对于突出强度有着明显正向影响作用；倾出和压出可视为煤体经过一定的破坏累积准备阶段后，发生的一次性破坏失稳，典型突出发动的关键在于具有高突出潜能的煤体和具有充分的瞬间释放条件，典型突出的全过程可视为煤体的力学失稳和高潜能突出煤体持续发展；动力判定指标Cm满足时，发生典型煤与瓦斯突出；若Cm不满足条件，则意味着突出潜能不足，对于局部发育或应力集中的软弱煤体，将发生倾出或压出灾害。

• 基于Langmuir模型温度对煤吸附解吸甲烷影响研究

  唐明云, 张海路, 段三壮, 姚冠霖, 郑春山, 张亮伟,

  为研究热对煤体吸附/解吸瓦斯的作用效果及影响程度，在高压气体吸附仪的基础上，使用外接的恒温水浴装置，对潘三煤矿11-2煤层煤样进行不同温度下的甲烷吸附/解吸试验研究。结果表明：相同温度条件下，甲烷气体吸附量随着压力的增加而增大，但增加幅度逐渐降低；相同气体压力条件下，甲烷气体吸附量与温度之间呈非线性负相关关系，而且降低幅度逐渐增大；将气体压力修正系数引入到Langmuir方程之后，对不同温度条件下煤样吸附数据拟合，发现与传统的Langmuir方程相比，修正后的Langmuir方程拟合曲线的相关系数更高，而且拟合回归得到的吸附常数a、b的标准误差更小；在Langmuir方程修正模型基础上对不同温度条件下的吸附常数a、b及修正系数c进行了多项式拟合，得到煤吸附甲烷含量与温度、压力之间的耦合方程；试验得到的同一温度条件下煤样对甲烷的吸附和解吸曲线不重合，说明煤样对甲烷的解吸过程滞后于吸附过程，随着试验温度升高，吸附和解吸2条曲线间距越小，表明煤对甲烷的解吸滞后性越弱；利用吸附/解吸滞后评价模型定量计算了不同温度下的吸附/解吸滞后量，通过曲线拟合得到解吸滞后量与温度呈现负指数关系；从吸附热角度进一步揭示了解吸滞后于吸附的原因是吸附热小于解吸热，而且随着温度升高，煤对甲烷吸附/解吸热差值越小，从而导致煤解吸甲烷滞后量也越小。

• 煤矿区地面大直径钻孔成孔关键技术与装备

  莫海涛, 郝世俊, 赵江鹏,

  煤矿区地面大直径钻孔主要成孔工序，采用理论分析及工程总结的方法，分别对导向孔钻进、扩孔钻进、下套管及固井等成孔关键技术进行论述，并介绍了典型施工案例，总结了配套装备技术现状，重点分析了集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺及配套机具，提出了大直径钻孔成孔技术与装备发展趋势。实践表明：空气潜孔锤钻进工艺和下导管钻进工艺能够提高导向孔钻进效率，气举反循环钻进工艺及集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺可提高扩孔钻速，提吊浮力法下套管及内插法固井工艺能够满足套管安全下放及固井质量要求；上述成孔关键技术及配套装备可为煤矿区地面大直径钻孔快速成孔提供技术支持。 随着工艺技术的持续改进和配套装备的不断完善，在国家重点研发计划的支持下，集束式气动潜孔锤反循环钻进工艺有望成为煤矿区地面大直径钻孔核心钻进技术，最终发展成为应对矿山应急抢险救援的可靠技术体系。

• 水力压裂煤体复电阻率频散特征试验研究

  郭跃辉, 雷东记, 张玉贵, 周猛, 李健,

  为揭示水力压裂对煤体复电阻率的影响规律进而达到以复电阻率法评价水力压裂效果的目的，以焦作赵固煤矿无烟煤为研究对象，制作柱形煤样，建立了水力压裂复电阻率测量系统，开展了实验室水力压裂试验。采用恒定的交变电流，在0～200 kHz频率范围内，测量了水力压裂前-后煤样的电容、复电阻率模值和相位。通过分析压裂前后煤体复电阻率频散特征给出了水力压裂复电阻率响应原理，分析得到了水力压裂对煤体复电阻率的影响规律，提出了复电阻率法水力压裂效果评判指标。研究结果表明：在0～100 Hz频率范围内，煤样激发极化受频率的影响很小，可用区间内任意频率的电流来监测水力压裂;模值大小受煤中水含量的影响较大，由于水填充至压裂产生的新生裂隙，致使压裂后模值较压裂前减小，且模值曲线整体向下偏移，偏移量越大，压裂效果越好;相位的峰值点受电流频率和煤样电容容量的影响，水力压裂增加了煤样内部的裂隙，煤样电容容量发生变化，导致相位峰值点发生偏移，偏移量越大，压裂效果越好。

• 四川盆地南缘龙马溪组混合岩相页岩及其沉积环境

  徐传正, 李鑫, 田继军, 吝文, 蒋立伟, 张治恒,

  四川盆地南缘海相页岩发育，尤其是上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组下段是页岩气勘探开发的优质储层。为对其页岩岩相和沉积环境进行研究， 以四川盆地南缘Y5井龙马溪组页岩（L1段）为研究对象，基于页岩储层品质和压裂品质2个影响页岩气勘探开发的主要因素，提出了以有机碳含量和页岩矿物组成为基础的页岩岩相划分方案，利用X全岩衍射分析及有机碳含量测试资料，开展了页岩岩相划分，分析了不同岩相的属性；通过主量元素和微量元素分析，研究了不同岩相页岩的沉积环境；通过对不同岩相页岩的FE-SEM图像观察，利用Image J软件提取有机质孔和前人提出的有机质孔隙度计算方法，查明了不同岩相页岩有机质孔发育特征；最后总结了沉积环境对不同岩相页岩有机质丰度和有机质孔隙发育的控制作用。结果表明：L1段主要发育富有机质黏土质-硅质混合页岩（OR-M-1）和极富有机质钙质-硅质混合页岩（OER-M-3）；微量元素 V/Cr、Ni/Co 和 U/Th等指标表明龙马溪下段OR-M-1页岩形成于富氧-缺氧的海水中，而OER-M-3页岩形成于厌氧水体，Ba/Al、P/Ti和Cu+Zn+Ni等指标表明此2种岩相沉积环境古海洋生产力差异不大，样品中Al和Ti的百分含量表明OR-M-1页岩沉积期的陆源碎屑输入强度大于OER-M-3页岩；基于海平面变化和上升洋流造成的水体分层的古环境，导致OER-M-3页岩沉积期有机质形成条件好于OR-M-1页岩，OER-M-3页岩有机质孔隙体积占页岩总孔隙体积比更高，更有利于页岩气的吸附。

• 鸡西盆地煤储层吸附孔特征及分形表征研究

  黄赞, 孙斌, 杨青, 马施民, 邵延文, 田文广, 祁灵, 黄雷,

  为研究有利于煤层气勘探开发的煤储层孔隙结构特征，采集8个具代表性的鸡西盆地不同矿区煤岩样品进行了工业分析和低温液氮吸附试验。基于低温液氮吸附数据，采用分形几何学原理及方法定量表征了鸡西盆地煤储层吸附孔孔隙结构特征。运用Frenkel-Halsey-Hill（FHH）模型计算了吸附孔分形维数D1（相对压力为0～0.5）和D2（相对压力为0.5～1.0），并探讨了分形维数与孔隙结构、物质组成以及煤变质程度的关系。研究结果表明：研究区煤岩样品吸附孔的孔隙形态主要包括半封闭的狭缝形孔、开放性较好的平行板状孔以及墨水瓶或细颈瓶形孔3种类型。较小相对压力阶段分形维数D1变化范围1.38～2.74，平均为2.32，较大相对压力阶段分形维数D2变化2.30～2.84，平均为2.59。其中，D1表征煤吸附孔表面粗糙程度而D2表征吸附孔结构的不规则性，D1越高，孔比表面积越大；D2越高，平均孔径越小，微孔含量越高，孔隙内部非均质性越强。不同吸附回线类型的煤样分形维数D1呈现出Ⅲ类＞Ⅱ类＞Ⅰ类的规律，D2则呈现出Ⅲ类＞Ⅰ类＞Ⅱ类的规律，D1与水分、灰分以及镜质组含量均呈多项式分布，而D2与水分及镜质组含量呈现负相关关系，与灰分关系不明显。D1和D2与镜质体反射率Ro关系均不明显。

• 基于多分辨VMD算法的大地电磁信号去噪效果研究

  庞曦, 王晨晨, 孙伟翔,

  大地电磁信号中的长周期噪声主要存在于信号的低频、甚低频分段，此类噪声幅值大、随机性强，能将有效的电磁信号完全淹没，导致低频段反演结果出现严重的偏差，为了有效去除大地电磁信号中的长周期噪声，结合变分模态分解（Variational Mode Decomposition，VMD）和多分辨分析的特点，提出了多分辨VMD算法：首先对信号的低频本征模态分量（Intrinsic Mode Function，IMF）进行多层VMD处理，提高长周期噪声在信号低频、甚低频分段的时频分辨率；之后根据噪声的时频特性准确地筛选出包含长周期噪声的IMF分量；最后剔除掉这些IMF分量，达到去除长周期噪声的目的。使用此算法分别对仿真和实测的大地电磁信号进行处理，结果表明：多分辨VMD算法显著的提高了长周期噪声的时频分辨率，通过此算法能够有效的去除大地电磁信号中的长周期方波、三角波噪声，去噪后时域波形的周期性和平滑性明显提高，同时保存了信号的低频有效分量，低频分段的视电阻率、相位图曲线得到了明显优化。

• 井下长距离遥控式设备列车组关键技术研究

  李刚,

  为解决煤矿井下传统绞车牵引设备列车采用钢丝绳牵引、频繁带电移动牵引绞车、高空悬挂单轨吊以及铺设轨道带来的安全风险问题，避免设备列车在运输过程中发生自滑移、掉道、翻车、跑车、钢丝绳断裂等事故，研制 KDYZ40-40/2000矿用电控液压移动列车组，对综采工作面动力控制设备提供安全保障，介绍了传统绞车牵引设备列车的工作原理，分析了长距离遥控式设备列车组整体结构形式，采用设备列车整体同步升降、迈步推移调偏体系，锚固牵引装置、自移平板车以及自动伸缩管缆装置解决了设备列车随工作面推进同步移动、调偏与管揽自动伸缩等问题，分析了设备列车采用的分组遥控电液控制系统，环形供液以及多传感器反馈闭环控制方式，提高了列车长距离控制速度，实现了列车同步平稳安全运行。结果表明：该设备列车组能够适应巷道高度2.0 m以上的工况条件，取消绞车牵引、高空悬挂单轨吊以及铺设轨道，简化了劳动组织工序，提高设备整体运行安全性以及速度，有效保证安全高效生产，推进综采面自动化、无人化管理。

• 黄土地区高速公路隧道洞口滑坡变形机理分析

  倪向龙, 龙建辉, 张玲玲,

  黄土地区修建高速公路隧道时，时常会遇到由于隧道洞口的施工造成上覆黄土发生蠕滑，使隧道因滑坡滑动而产生变形、开裂等病害，造成隧道无法正常运行。基于上述问题，通过收集黄土地区已发生的隧道洞口滑坡资料，选取6组典型案例分析该类型滑坡的诱发因素与形成条件，结合地质结构模型对隧道洞口滑坡的变形发展过程和运动特征进行了理论分析，并利用数值模拟方法研究隧道洞口开挖对上覆黄土的影响规律，确定隧道在滑坡体中的受力模式，结合典型工程实例对该规律进行验证。研究结果表明：黄土地区隧道洞口滑坡多发生于黄土塬梁地区，坡脚常有冲沟存在，滑坡体主要为第四系风积黄土与马兰黄土，其中人工扰动与降雨入渗为滑坡主要诱发因素。诱发机理为隧道施工坡脚出现邻空面，坡体内部开挖，造成坡体应力重分布，同时坡体在降雨条件下降低了岩土体的力学性质。根据诱发原因，滑坡的破坏机理与形成过程分为4个阶段：隧道开挖应力调整、蠕滑剪切与拉裂、变形加速阶段和坡体失稳。有限元数值模拟案例也很好地反映了滑坡体内的变形场、应力场及破坏区分布，且隧道与滑坡的空间位置关系控制滑坡的性质和规模，研究结果可为后续类似的隧道洞口滑坡提供实践经验与理论指导。