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页岩储层甲烷原位燃爆压裂理论与技术研究进展

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中国矿业大学学报 2024年第3期53卷 435-455页

作者：翟成曲占庆邓守春孙伟福罗宁王宇刘厅郭天魁吴飞鹏刘静宋正昶陈尚斌杨威蔡承政中国矿业大学安全工程学院中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心中国石油大学(华东)石油工程学院中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室中国矿业大学力学与土木工程学院中国矿业大学低碳能源与动力工程学院中国矿业大学资源与地球科学学院中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室

页岩气通常以吸附和游离状态赋存于暗色泥页岩、高碳泥页岩等产气岩中，是一种清洁、高效的能源资源.相比于常规天然气藏，页岩气储层普遍具有低孔隙度、低渗透率的特点，压裂改造提高页岩气采收率是“十四五”期间我国能源开发的重点... 详细信息

页岩气通常以吸附和游离状态赋存于暗色泥页岩、高碳泥页岩等产气岩中，是一种清洁、高效的能源资源.相比于常规天然气藏，页岩气储层普遍具有低孔隙度、低渗透率的特点，压裂改造提高页岩气采收率是“十四五”期间我国能源开发的重点攻关方向.本文创新性提出了一种页岩储层甲烷原位燃爆压裂的技术构想，该技术利用页岩气储层原位解吸产生的甲烷气体与注入的助燃剂协同燃爆，产生高温高压气体冲击压裂页岩储层，创造立体裂缝网络，为页岩气提供高效运移通道.论文全面分析了甲烷原位燃爆压裂的技术构想、可行性以及关键科学问题，包括甲烷-助燃剂协同起爆机制及燃爆压力波传播特性、甲烷燃爆对井筒介质的瞬态冲击动力学响应特征与控制机制、多级燃爆压裂立体缝网逐级构建及效果评价技术等3个关键研究内容，基本涵盖了当前甲烷原位燃爆压裂理论与技术研究的最新进展.研究认为，燃爆冲击载荷作用对页岩复杂缝网的形成和扩展具有显著促进作用，甲烷燃爆压裂不需要消耗大量的压裂液，也不涉及火工品的地上运输和混合等过程，安全、经济和环保优势非常明显，是一项前瞻性、变革性技术，有助于实现我国页岩气开采技术的创新突破.

关键词：深部页岩储层甲烷原位燃爆燃爆压裂理论燃爆压裂技术

昭通褐煤催化热溶解聚及其可溶物组成和结构特征

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洁净煤技术 2024年第1期30卷 10-21页

作者：赵云鹏吴法鹏仇乐乐肖剑曹景沛魏贤勇中国矿业大学煤炭加工与高效利用教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学江苏省碳资源精细化利用工程研究中心江苏徐州221116

温和热溶是从褐煤获取可溶有机质的有效途径,然而传统热溶过程可溶物收率较低。通过共沉淀法制备了一系列Al_(2)O_(3)负载金属催化剂,考察了昭通褐煤在异丙醇中的热溶和催化热溶行为。采用XRD、H_(2)-TPR、TEM和XPS研究了催化剂的物理... 详细信息

温和热溶是从褐煤获取可溶有机质的有效途径,然而传统热溶过程可溶物收率较低。通过共沉淀法制备了一系列Al_(2)O_(3)负载金属催化剂,考察了昭通褐煤在异丙醇中的热溶和催化热溶行为。采用XRD、H_(2)-TPR、TEM和XPS研究了催化剂的物理化学特征,利用GC/MS、FTIR和MALDI-TOF-MS分析了热溶和催化热溶可溶物的组成和结构特征。结果表明,NiCu/Al_(2)O_(3)对昭通褐煤的催化热溶活性优于其他催化剂,该催化剂中活性组分以NiCu合金的形式存在,且Ni与Cu之间存在相互作用。热溶与催化热溶可溶物收率均随温度升高呈先上升后下降的趋势,320℃可溶物收率最高,分别为27.69%和50.54%。催化剂的引入可提高昭通褐煤可溶物中油、沥青烯(AS)和前沥青烯(PAS)收率,其中油和PAS的收率提升相较AS更明显。酚类化合物是非催化热溶衍生油的主要族组分,相对含量达到64.44%,而催化热溶衍生油主要由芳烃、酚类、醇类和酮类化合物组成,说明催化剂促进了可溶有机质碎片中共价键的断裂和酚类化合物加氢。与非催化热溶得到的AS和PAS相比,催化热溶得到的AS和PAS分子量分布范围窄,且FTIR谱图中羟基和醚键对应的吸收峰变弱或消失,说明催化热溶促进了C—O键加氢裂解。催化热溶可在相对温和的条件下从煤中直接高收率获取可溶有机质,研究结果为从褐煤直接获取化学品技术的开发提供参考。

关键词：昭通褐煤催化热溶可溶物油沥青烯前沥青烯

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压剪作用下单一闭合裂纹起裂扩展研究

应用力学学报 2024年第3期41卷 524-535页

作者：徐海铎李宏艳梁冰孙中学何适莫云龙辽宁工程技术大学力学与工程学院阜新123000 煤炭科学技术研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)能源与矿业工程学院北京100083

构建了压剪作用下单一闭合裂纹尖端应力场方程,应用最大周向应力准则分析了翼裂纹开裂角,侧压系数k对应力场和翼裂纹起裂扩展的影响,单轴压缩下裂纹倾角α对翼裂纹起裂应力的影响。通过单轴压缩试验及三轴文献数据对比验证了理论解的正... 详细信息

构建了压剪作用下单一闭合裂纹尖端应力场方程,应用最大周向应力准则分析了翼裂纹开裂角,侧压系数k对应力场和翼裂纹起裂扩展的影响,单轴压缩下裂纹倾角α对翼裂纹起裂应力的影响。通过单轴压缩试验及三轴文献数据对比验证了理论解的正确性。研究表明:开裂临界相对尺寸λ→0或裂纹倾角α→45°,T应力对翼裂纹开裂角的影响作用可以忽略;周向拉应力随侧压系数k的升高而降低,翼裂纹起裂所需轴向应力增大;围压对翼裂纹的扩展存在抑制作用,且裂纹面有效剪应力大于0时抑制作用更强;试验观察到预制裂纹尖端出现翼裂纹和少量的反翼裂纹和共面剪切裂纹,翼裂纹的开裂角在预测值附近上下波动;单轴压缩,翼裂纹起裂应力随裂纹倾角的增大而增大;三轴压缩,翼裂纹起裂应力随侧压系数的增大而增大,与模型预测的变化关系具有一致性。

关键词： T应力有效剪应力翼裂纹侧压系数周向应力单轴压缩试验

CaCO_(3)/Fe(OH)_(3)修复单一裂隙岩样的降渗试验

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采矿与安全工程学报 2024年第1期41卷 151-159页

作者：鞠金峰李全生许家林李娟娟中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室江苏徐州221008 中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心江苏徐州221008 煤炭开采水资源保护与利用全国重点实验室北京100011 国家能源投资集团有限责任公司北京100011 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

采煤引起的覆岩导水裂隙广泛发育是导致地下水流失与生态损伤的重要原因,科学实施导水裂隙的修复降渗对于实现采损含水层生态功能修复与煤矿绿色开采意义重大。利用化学沉淀易发生吸附-固结而形成封堵降渗作用的特性,开展了CaCO_(3)/Fe(... 详细信息

采煤引起的覆岩导水裂隙广泛发育是导致地下水流失与生态损伤的重要原因,科学实施导水裂隙的修复降渗对于实现采损含水层生态功能修复与煤矿绿色开采意义重大。利用化学沉淀易发生吸附-固结而形成封堵降渗作用的特性,开展了CaCO_(3)/Fe(OH)_(3)修复单一裂隙岩样的降渗试验。以Na_(2)CO_(3)水溶液作为模拟地下水,CaCl_(2)水溶液和FeSO4水溶液分别作为修复试剂,模拟裂隙岩体的导水渗流条件,将模拟地下水和修复试剂以恒流方式同时注入单一裂隙岩样中,最终得到了两种沉淀物分别对两个不同裂隙发育岩样的修复降渗规律。试验结果表明,两种沉淀物对岩样裂隙均起到明显降渗作用,但由于两者微观结构及固结成垢机制的差异,造成对裂隙修复降渗效果的不同。CaCO_(3)沉淀属典型晶态沉淀,依靠晶种吸附和晶体生长固结成核,形成的固结体结构紧密、稳定性好,对裂隙易产生良好的修复降渗效果;两个岩样分别历经400 min和208 min后的降渗幅度即达到220倍和175倍。而Fe(OH)_(3)沉淀属典型非晶态沉淀,单纯依靠沉淀胶体的范德华力吸附于裂隙面并积聚固结,水温偏高易降低范德华力造成沉淀固结体结构疏松,难以抵抗高水压冲蚀作用,修复过程易出现降渗曲线频繁“反弹”现象;将试验水温由28℃降至8℃时,裂隙降渗幅度即由35倍提升至106倍,修复降渗效果显著提高。表明Fe(OH)_(3)沉淀适宜用于浅部相对低温条件的裂隙岩体修复降渗,而CaCO_(3)沉淀修复裂隙适宜的水温区间更广。研究结果可为化学沉淀修复导水裂隙的含水层生态功能修复实践提供参考。

关键词：导水裂隙修复化学沉淀吸附-固结渗透率含水层生态功能修复绿色开采

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煤矿掘采空间垮塌岩体稳定性与救援通道构建

绿色矿山

绿色矿山 2024年第1期2卷 11-20页

作者：李桂臣邵泽宇孙元田李菁华杨森郝浩然沃小芳中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116

煤矿地质动力灾害发生后,往往会造成掘采空间巷道发生垮塌堵塞,严重威胁煤矿井下工作人员安全。垮塌形成的松散破碎堆积体力学结构、堆积形态十分复杂,如何快速清理垮塌堆积体并构建救援通道是亟待解决的科学问题。在分析灾变垮塌体结... 详细信息

煤矿地质动力灾害发生后,往往会造成掘采空间巷道发生垮塌堵塞,严重威胁煤矿井下工作人员安全。垮塌形成的松散破碎堆积体力学结构、堆积形态十分复杂,如何快速清理垮塌堆积体并构建救援通道是亟待解决的科学问题。在分析灾变垮塌体结构运移规律及救援通道构建研究现状和问题的基础上,针对垮塌堆积体堆堵机理复杂、扰动变形规律不明的特点,首先基于颗粒流数值模拟软件构建了垮塌堆积体二维计算模型,探究了在垮塌堆积体内部构建救援通道过程中颗粒的运动特征,明晰了其掘进扰动规律;其次分析了不同区域构建救援通道条件下堆积体内应力重分布特征,优选了救援通道在垮塌堆积体中的构建位置;最后根据垮塌堆积体的力学特征及堆积形态,提出了一种新型救援通道快速构建方法。结果表明:在构建救援通道掘进扰动的影响下,垮塌堆积体的岩体均有向开挖空间运动的趋势,距离开挖位置越远的区域受到扰动影响越小;垮塌堆积体向开挖空间的二次塌落主要以垂直方向为主,水平方向次之;左下方开挖稳定后,垮塌堆积体呈"梯形",中下方开挖稳定后,垮塌堆积体呈“V”形。综合考虑救援通道构建的二次扰动影响、支护结构稳定性与垮塌堆积体物源结构,救援通道构建位置选择在垮塌堆积体中部区域为宜。

关键词：垮塌堆积体掘进扰动数值模拟救援通道构建灾后应急救援

动静载作用下区段煤柱能量响应特征及动力失稳机制

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采矿与安全工程学报 2024年第2期41卷 221-231页

作者：王方田王文林牛滕冲魏学谦中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116 中国矿业大学煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室江苏徐州221116 陕西华彬煤业股份有限公司陕西咸阳713500 中赟国际工程有限公司河南郑州450007

针对综放工作面回采过程中高静载及强动载扰动下区段煤柱动力失稳问题,以陕西蒋家河煤矿为工程背景,采用理论分析、数值模拟、实验测试及现场实测等方法研究区段煤柱失稳能量判据、极限能量解析解、静载作用下区段煤柱应力、极限能量演... 详细信息

针对综放工作面回采过程中高静载及强动载扰动下区段煤柱动力失稳问题,以陕西蒋家河煤矿为工程背景,采用理论分析、数值模拟、实验测试及现场实测等方法研究区段煤柱失稳能量判据、极限能量解析解、静载作用下区段煤柱应力、极限能量演化规律及动力能量响应特征,从能量角度阐明区段煤柱动力失稳机制,并对煤柱动力失稳危险区进行精准预测。结果表明:煤柱动力失稳应满足煤体单位时间内释放能量>煤体耗散能量,静态失稳则满足煤体单位时间内释放能量≤煤体耗散能量。区段煤柱极限能量与最小主应力呈二次正相关关系,煤体损伤的加深会降低煤体极限能量。动静载组合影响下区段煤柱应力、弹性能均增大,超前采动应力影响范围约为工作面前方80 m,塑性区范围内区段煤柱弹性能>极限能量,验证了理论分析的正确性。以弹性能与极限能量负向差值表征煤柱动力失稳危险性,负差值越大,动力失稳危险性越高。动载荷作用下,区段煤柱竖向应力峰值由41.87 MPa增至43.02 MPa、弹性能峰值由0.22 MJ/m^(3)增至0.24 MJ/m^(3)、塑性区逐渐延伸以至贯通,最大负能量差约为0.02 MJ/m^(3),其所在区域主要位于煤柱顶端及两帮,其中超前段区段煤柱采动侧距离巷道帮部约3.0 m处达到负能量差峰值,是煤柱动力失稳的高危区域,通过对照工作面月度微震能量事件,验证了煤柱动力失稳机制研究的合理性。

关键词：动静载煤柱能量响应动力失稳安全高效开采

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受载砂岩变形破坏过程磁场响应规律研究

岩土力学 2024年第6期45卷 1803-1812页

作者：殷山宋大钊王恩元何学秋李忠辉刘晓斐刘玉冰中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 中国矿业大学煤岩动力灾害防控理论与技术国家矿山安全监察局重点实验室江苏徐州221116

探寻岩石破坏过程新的物理响应规律,将会推动岩体监测预警技术的发展。利用磁通门弱磁检测技术,开展了单轴加载和循环加卸载砂岩受载破坏磁场监测试验,测试了砂岩在变形破坏过程中的磁场信号,分析了磁场与载荷、声发射之间的关系。结果... 详细信息

探寻岩石破坏过程新的物理响应规律,将会推动岩体监测预警技术的发展。利用磁通门弱磁检测技术,开展了单轴加载和循环加卸载砂岩受载破坏磁场监测试验,测试了砂岩在变形破坏过程中的磁场信号,分析了磁场与载荷、声发射之间的关系。结果表明:砂岩在变形破坏过程中能够产生磁场信号,在单轴加载过程中,随着载荷增加,压密阶段磁场信号波动上升,波动系数较大;弹性阶段磁场信号稳定增大,波动系数变小;塑性阶段磁场信号显著增加,塑性阶段后期波动系数开始增大;破坏阶段磁场信号快速增加,波动系数变化较大,与试样载荷降和主破坏对应。相对于波动系数,磁场信号方差在前3个受载阶段较为稳定,破坏阶段的方差逐渐增大,并出现显著突变。在循环加卸载过程中,当载荷增加时磁场信号逐渐增大,载荷减小时磁场信号逐渐减小,试样临近失稳破坏时,磁场信号快速增加,显著高于前期循环加卸载过程。磁场信号与声发射计数具有较好的对应关系,表明磁场的产生与试样变形破坏密切相关。在岩体变形破坏过程中,矿物颗粒发生非均匀变形,界面处的电平衡被打破,自由电荷产生、迁移,引起电流变化,运动电荷或电流变化产生了磁场信号。利用磁场信号评估岩体的稳定性,有望成为一种无损、非接触、可连续监测的新方法。

关键词：砂岩变形破坏磁场信号循环加卸载监测预警

黄陇煤田典型特厚煤层综放开采涌水机理与导水裂隙带发育规律

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煤田地质与勘探 2024年第5期52卷 129-138页

作者：闫和平李文平段中会杨玉贵中国矿业大学资源与地球科学学院江苏徐州221116 陕西省一九四煤田地质有限公司陕西铜川727000 自然资源部煤炭资源勘查与综合利用重点实验室陕西西安710021 中国矿业大学深地工程智能建造与健康运维全国重点实验室江苏徐州221116

黄陇侏罗纪煤田厚煤层开采导水裂隙带发育高度大,易导通上覆白垩系洛河组巨厚砂岩含水层,区内青岗坪煤矿回采期间出现典型的“脉冲式”涌水特征,给矿井的安全回采造成严重影响。以青岗坪煤矿42105综放工作面为研究对象,采用3DEC离散元... 详细信息

黄陇侏罗纪煤田厚煤层开采导水裂隙带发育高度大,易导通上覆白垩系洛河组巨厚砂岩含水层,区内青岗坪煤矿回采期间出现典型的“脉冲式”涌水特征,给矿井的安全回采造成严重影响。以青岗坪煤矿42105综放工作面为研究对象,采用3DEC离散元模拟、钻孔冲洗液漏失量、综合物探以及钻孔电视相结合的实测方法,对工作面回采过程中覆岩导水裂隙带和离层发育规律进行研究,探究该典型地质条件下矿井的涌水机制与导水裂隙带发育特征。结果表明:42105工作面导水裂隙带受覆岩周期性垮落影响不断向上发育,洛河组孔裂隙砂岩静储水不断释放,间歇性涌入工作面,形成幅值稍低的“脉冲式”涌水;在采动影响下巨厚砂岩含水层内不断出现离层,导水裂隙带导通砂岩含水层离层积水区,致使涌入工作面的瞬时涌水量突增,形成幅值较高的“脉冲式”涌水。结合现场钻孔冲洗液漏失量实测、综合物探以及钻孔电视结果,揭示了青岗坪煤矿洛河组孔裂隙砂岩静储水与离层水叠加影响的“脉冲式”涌水机理,确定导水裂隙带的最大发育高度为316.83~333.00m,裂采比为30.17~31.71。研究结果对于类似地层条件下矿井涌水的防治和安全高效回采具有指导意义。

关键词：黄陇煤田特厚煤层导水裂隙带 “脉冲式”涌水综合探测离散元模拟

千米深井沿空巷道合理煤柱宽度与支护技术研究

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地下空间与工程学报 2024年第1期20卷 219-229,250页

作者：李路恒杨新安谢文兵马明杰同济大学道路与交通工程教育部重点实验室上海201804 同济大学交通运输工程学院上海201804 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室江苏徐州221116

针对千米深井沿空巷道围岩大变形难题,以朱集西矿11502工作面运输巷为工程背景,分析了沿空巷道变形失稳原因与特点,通过理论分析和数值模拟确定了煤柱合理宽度,并结合现场试验研究了巷道围岩控制技术。结果表明:随煤柱宽度增加,掘进期... 详细信息

针对千米深井沿空巷道围岩大变形难题,以朱集西矿11502工作面运输巷为工程背景,分析了沿空巷道变形失稳原因与特点,通过理论分析和数值模拟确定了煤柱合理宽度,并结合现场试验研究了巷道围岩控制技术。结果表明:随煤柱宽度增加,掘进期间煤柱中部稳定承载区范围逐渐增大,回采期间巷道顶板下沉及实体煤帮移进量减小,底鼓量逐渐增大,综合考虑得出,8 m煤柱宽度可以保证锚杆可靠锚固;提高锚杆初次预紧力矩并进行二次预紧,能充分发挥锚杆支护性能,超张拉措施则可以使锚索快速实现高阻支护;伞状弹片结构可以提高锚杆锚固可靠性,锚索锚具防滑移自锁装置则能有效降低锚具滑移和破断钢绞线弹射可能性;井下试验表明,合理的煤柱宽度配合高强锚杆索高预应力支护,能有效控制沿空巷道围岩变形,保证巷道正常服务能力。

关键词：高地应力沿空掘巷围岩稳定性高预应力数值模拟