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地面井分层卸压的煤系气合采原理及方式探讨

煤田地质与勘探 2024年第2期52卷 171-179页

作者：李瑞金丽红夏彬伟葛兆龙重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

为了进一步认识制约煤系气合采的因素,提高煤系合层排采各产层的产气贡献,分别从动力、通道和气源条件出发,分析了煤系气合采的必备因素。基于改变地应力状态提高储层导流能力以及分层改变储层流体压力,满足多层合采动力条件的原理,提... 详细信息

为了进一步认识制约煤系气合采的因素,提高煤系合层排采各产层的产气贡献,分别从动力、通道和气源条件出发,分析了煤系气合采的必备因素。基于改变地应力状态提高储层导流能力以及分层改变储层流体压力,满足多层合采动力条件的原理,提出了地面井分层卸压的煤系气合采方式。该方式通过在地面进行定向钻井,在目标储层中进行高压水射流作业,人工创造卸压空间(缝、槽、穴等),改变地应力状态,降低有效应力伤害,增加储层导流通道的数量和开度,提高目标储层压降传递速率。待储层压力降至符合煤系气合采动力条件时进行合层排采,从而提高煤系合采各产气层的产气贡献。相较于常规增产改造措施,此方式能够减少煤系气储层在有效应力作用下的储层伤害,且有助于提高储层压降传递效率,增强煤系气的解吸和扩散,降低多层煤系气合采过程中的层间干扰。在以上研究基础上,认为地面井分层卸压的合采方式主要适用于储层地应力大、产层间距小的煤系气储层,且有望在薄互层煤系气储层增产改造及层间干扰严重的叠合共生煤系储层开发领域进行应用推广。

关键词：煤系气分层卸压多层合采高压水射流地应力有效应力

基于颗粒流的倾斜厚煤层坚硬顶板运动失稳规律及水力弱化参数研究

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岩石力学与工程学报 2024年第S1期43卷 3428-3438页

作者：梁运培李其罡黄旭超武兆鹏陈亮瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044 中国煤炭科工集团重庆研究院有限公司重庆400037

为了探究倾斜厚煤层坚硬顶板的运动失稳规律,基于PFC^(2D)离散元颗粒流分析软件建立倾斜厚煤层采动覆岩的数值模型,并针对倾斜厚煤层坚硬顶板大面积悬露问题进行水力弱化方案设计,分析不同压裂参数对倾斜厚煤层坚硬顶板水力弱化效果的影... 详细信息

为了探究倾斜厚煤层坚硬顶板的运动失稳规律,基于PFC^(2D)离散元颗粒流分析软件建立倾斜厚煤层采动覆岩的数值模型,并针对倾斜厚煤层坚硬顶板大面积悬露问题进行水力弱化方案设计,分析不同压裂参数对倾斜厚煤层坚硬顶板水力弱化效果的影响,并提出一种水力弱化参数优选方法。研究表明:倾斜厚煤层的坚硬顶板初次来压以一种“堤坝体”的岩块结构破断,采空区上覆岩层垂向应力表现出非对称特征,在纵向上随工作面推进呈阶梯状垮落;针对倾斜厚煤层大面积悬露提出4种不同压裂角度,3种不同压裂高度的水力弱化方案,结果表明压裂角度为“直角”,压裂高度为基本顶厚度一半的弱化方案可以达到预期弱化效果,坚硬顶板水力弱化影响区域来压强度整体降低,来压峰值压力降低约42%,来压步距降低约52%;综合考虑施工难度和成本,基于弱化程度和压裂角度、高度之间的关系,对倾斜厚煤层坚硬顶板水力弱化参数进行优化,提出一种倾斜厚煤层坚硬顶板非充分定向水力弱化参数的优选方法,于1E201工作面进行工业性试验并取得了良好的顶板弱化效果。

关键词：采矿工程倾斜厚煤层坚硬顶板颗粒流水力压裂弱化参数

考虑孔弹性效应的煤岩微纳米孔隙瓦斯表观渗透率模型及其在瓦斯抽采中的应用

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 587-599页

作者：李伟杨康邓东王海锋中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对其产气量具有重要影响,而目前微纳米孔隙中渗透率模型很少考虑此因素。为了探究煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对气体流动机制的影响,基于微纳米孔隙中孔弹性效应与多种机制流动模型,构建一种考虑孔径动态变... 详细信息

煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对其产气量具有重要影响,而目前微纳米孔隙中渗透率模型很少考虑此因素。为了探究煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对气体流动机制的影响,基于微纳米孔隙中孔弹性效应与多种机制流动模型,构建一种考虑孔径动态变化的瓦斯表观渗透率模型,并分析动态表观渗透率模型的主控流动机制与微纳米孔隙中滑脱效应对瓦斯开采产量的贡献程度。研究结果表明:孔弹性效应通过影响孔径演化,改变滑脱效应、表面扩散效应对表观渗透率的贡献程度。随着孔隙压力增大,动态表观渗透率比值依次受到气体滑脱效应、孔弹性效应主控,滑脱效应对表观渗透率比值(孔弹性效应影响的表观渗透率与初始表观渗透率的比值)的贡献程度在低压时随着孔隙压力增大迅速下降,在高压时缓慢下降。深部低渗透率煤层瓦斯开采过程中,滑脱效应对瓦斯开采产量的贡献程度分别呈现初期时快速增大,中期时缓慢下降及后期时缓慢增加的趋势。微纳米孔隙平均孔径越低时,滑脱效应对瓦斯开采产量贡献程度越大。

关键词：采矿工程瓦斯表观渗透率孔弹性效应滑脱效应微纳米孔隙瓦斯抽采

新疆难解吸煤可溶有机质对瓦斯吸附解吸特征的影响研究

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矿业安全与环保 2024年第1期51卷 43-50页

作者：梁运培吕学伟罗永江朱家锌重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044 中国矿业大学矿业工程学院江苏徐州221116

新疆焦煤公司煤层瓦斯难解吸,导致抽采难度增大。而煤中可溶有机质对瓦斯的吸附解吸有重要影响。为了研究其影响,使用四氢呋喃对煤中的可溶有机质进行抽提,采用低温氮吸附测试抽提前后煤的孔隙结构,利用煤岩高压瓦斯吸附装置进行抽提前... 详细信息

新疆焦煤公司煤层瓦斯难解吸,导致抽采难度增大。而煤中可溶有机质对瓦斯的吸附解吸有重要影响。为了研究其影响,使用四氢呋喃对煤中的可溶有机质进行抽提,采用低温氮吸附测试抽提前后煤的孔隙结构,利用煤岩高压瓦斯吸附装置进行抽提前后煤样的吸附解吸实验。研究结果表明:经过四氢呋喃抽提后,发现所有煤样的平均孔径、孔体积和比表面积均有不同程度的增大,认为煤中的可溶有机质被溶解,形成了新的微孔,同时原孔隙被扩大;4^(#)煤、5^(#)煤和6^(#)煤的吸附常数a分别减小了2.73%、16.09%、14.57%,4^(#)煤和5^(#)煤吸附常数b分别增大了12.18%、2.58%,6^(#)煤的吸附常数b减小了8.59%,煤的吸附能力降低,解吸速度增大,可溶有机质促进了煤对瓦斯的吸附。

关键词：煤可溶有机质孔隙结构极限瓦斯吸附量吸附速度解吸速度吸附抑制率

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

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煤炭科学技术 2024年第6期52卷 111-122页

作者：甘青青许江彭守建蔡果良耿加波江西理工大学应急管理与安全工程学院江西赣州341000 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037

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... 详细信息

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(d_(002))呈先减后增,而微晶直径(L_(a))和微晶高度(L_(c))均先增后减;脂肪链的长度减少,芳香环的缩合程度(A_(ar)/A_(al))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)m^(2)和1.127 g/cm^(3)。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。

关键词：煤矿瓦斯灾害微结构力学特性渗流特性二次炭化型煤

超临界CO2作用下无烟煤孔隙结构演化时间效应规律

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天然气工业 2024年第7期44卷 97-108页

作者：葛兆龙张翔宇刘浩侯昱东符文宇贾云中煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室·重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室·重庆大学重庆朝阳气体有限公司

CO2地质封存技术是实现减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一，但煤层孔隙结构在CO2注入后的变化具有时间效应，其演化规律将直接影响CO2地质封存潜力。为了探索作用时间增加后煤层孔隙结构变化的真实情况，提高CO2地质封存量计算精... 详细信息

CO2地质封存技术是实现减排和废弃矿井资源再利用的有效技术之一，但煤层孔隙结构在CO2注入后的变化具有时间效应，其演化规律将直接影响CO2地质封存潜力。为了探索作用时间增加后煤层孔隙结构变化的真实情况，提高CO2地质封存量计算精度，通过对重庆市南桐矿区无烟煤进行超临界CO2吸附实验、低温氮气吸附实验、X射线衍射测试、核磁共振测试、扫描电镜测试等实验，研究了不同超临界CO2作用时间对该区域内煤样孔隙结构的演化规律。研究结果表明：（1）超临界CO2作用后煤样孔隙度的变化主要发生在7 d内，处理7 d后煤样孔隙度增加了3.20%,7～14 d内煤样孔隙度仅增加了0.05%；（2）随作用时间增加，煤样孔隙的比表面积增加但变化量逐渐减小，7 d内日均增长19.74%～24.50%,7～14 d内日均增长2.37%～4.60%，其变化规律近似呈对数函数关系；（3）超临界CO2与煤产生的化学反应引起矿物质的溶解，增大了煤体的表面粗糙度，表征煤样粗糙度的分形维数随着作用时间的增加持续增大；（4）超临界CO2作用后能有效改变煤样的孔隙度及表面形貌，为CO2吸附提供了更多吸附点位，超临界CO2对孔隙结构的改造效果在7 d内比较明显。结论认为，超临界CO2作用下无烟煤孔隙结构的变化随作用时间增加最终会趋于稳定，研究结果可为无烟煤储层CO2地质封存潜力评价提供理论指导。

关键词：无烟煤超临界CO2 孔隙结构作用时间 CO2地质封存核磁共振分形维数

来源：博看期刊

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顺层钻孔施工“三防”装置研究及应用

煤炭工程 2024年第5期56卷 211-217页

作者：邹云龙中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037 重庆大学资源与安全学院重庆400044 煤矿灾害防控全国重点实验室重庆400037 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

高瓦斯以及具有煤与瓦斯突出危险的矿井主要通过施工各种类型的瓦斯钻孔来降低煤层瓦斯浓度或者消除突出危险。但是钻孔施工过程中会从钻孔中涌出大量的煤渣和瓦斯,且钻孔摩擦有着火的风险,严重威胁到作业地点施工人员的安全。为了避免... 详细信息

高瓦斯以及具有煤与瓦斯突出危险的矿井主要通过施工各种类型的瓦斯钻孔来降低煤层瓦斯浓度或者消除突出危险。但是钻孔施工过程中会从钻孔中涌出大量的煤渣和瓦斯,且钻孔摩擦有着火的风险,严重威胁到作业地点施工人员的安全。为了避免钻孔施工过程中的瓦斯、煤尘和火灾问题,自主研发了一套CBS-2型三防装置,该装置主要由封孔套管、气渣分离箱、二次气尘分离箱、控制阀以及防喷除尘毛刷等部件组成。通过现场应用,该装置的应用实际降低巷道瓦斯浓度77.8%,降低孔口瓦斯浓度97.4%,降尘幅度达90%以上。该装置满足矿井普通顺层钻孔钻进施工中灾害防治需求,提高了矿井井下钻孔施工过程防瓦斯异常、防尘以及阻火能力。整个装置的所有控制都采用气动阀门控制,可以快速提高瓦斯排放效率,也为后期的电动自动控制改进奠定了基础。

关键词：瓦斯超限钻孔施工 CBS-2型三防装置灾害防治钻孔防尘

双重卸载模式下含瓦斯煤力学特征响应及渗流规律研究

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煤炭学报 2024年

作者：周斌刘航李树刚双海清张东明彭守建刘子嘉王崇智西安科技大学安全科学与工程学院西安科技大学西部煤矿瓦斯灾害防控陕西省高等学校重点实验室重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室

煤与瓦斯突出（简称“突出”）的发生是一个气压与围压同时卸载的过程（即“双重卸载”），为判断应力和气压对突出煤体破坏的主控作用，明确其在突出过程中的作用机理，本研究基于三轴渗流试验，分析了煤体试件在多种卸载模式及不同卸... 详细信息

煤与瓦斯突出（简称“突出”）的发生是一个气压与围压同时卸载的过程（即“双重卸载”），为判断应力和气压对突出煤体破坏的主控作用，明确其在突出过程中的作用机理，本研究基于三轴渗流试验，分析了煤体试件在多种卸载模式及不同卸载比条件下的力学状态、渗透特性及破坏倾向性，并探讨了多种卸载模式下有效应力作用与Klinkenberg效应的作用机制，研究结果表明：煤岩体在气压卸载、围压卸载及双重卸载模式下轴向应变持续增加；单纯卸载气压时，径向应变线性减小，表现为煤岩体的最终渗透率增长率仅有36.88%，应力圆半径未发生变化，应力圆逐渐远离强度包络线，试件将逐渐趋于稳定；单纯围压卸载时，径向应变线性增加，表现为煤岩体最终渗透率增长率高达990.91%，同时应力圆半径逐渐增大，应力圆逐渐靠近强度包络线，试件趋于发生破坏；而双重卸载模式下，在卸载前期体应变比最大，煤岩体最终渗透率增长率为149.24%，应力圆半径逐渐增大，应力圆远离强度包络线，试件逐渐趋于稳定。但随着双重卸载模式的卸载比增加，煤岩体轴向应变、径向应变及体应变变化速率均增加，有效应力在突出过程中的主导作用增强，进而导致渗透率增长速率升高，相应的应力圆半径增长幅度也将逐渐增大，应力圆将由远离包络线转至靠近包络线。由试验结果进一步得知，多次的阵发式突出过程中，受应力和瓦斯压力的双重控制，当发生典型的煤-瓦斯两相流动现象时，煤岩体表现为双重卸载过程，应力对突出的发展起到主导作用，而在突出处于短暂的停止阶段，煤岩体表现为单纯的气压卸载过程，此时气压对突出的再次启动起到了主导作用。本文研究成果为进一步揭示煤与瓦斯突出的力学作用机理具有重要参考价值。

关键词：煤与瓦斯突出渗透率 Klinkenberg效应有效应力应力圆

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沿空留巷采空区自动化密闭系统

工矿自动化 2024年第6期50卷 16-22页

作者：聂百胜夏晓峰周皓文秦枫重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院北京100083

现有的沿空留巷采空区密闭方法大多集中于构筑密闭墙及封堵墙体裂隙,施工周期较长且反复进行,消耗大量人力成本,自动化程度低,易发生二次破坏。针对上述问题,设计了一种沿空留巷采空区自动化密闭系统。该系统以柔性密闭气囊为载体,将未... 详细信息

现有的沿空留巷采空区密闭方法大多集中于构筑密闭墙及封堵墙体裂隙,施工周期较长且反复进行,消耗大量人力成本,自动化程度低,易发生二次破坏。针对上述问题,设计了一种沿空留巷采空区自动化密闭系统。该系统以柔性密闭气囊为载体,将未充气的气囊置于采空区密闭墙和单体液压支柱之间,对气囊充气使其与沿空留巷顶底板及采空区密闭墙外侧贴合接触;智能感知矿压显现导致的巷道围岩变形,气囊随时变化形状柔性应对,即当气囊内部压力上升并超过安全泄压阀额定压力时,自动释放气囊气体缩小体积,以重新与顶底板围岩紧密贴合,达到持续密闭采空区的效果,抑制采空区危险气体泄漏。现场试验结果表明:安全泄压阀在柔性密闭气囊内部压力达到约4 kPa时正常开启,压力达到2.7 kPa左右停止泄气;柔性密闭装备感知压力变化后收缩体积以重新适应围岩形态,可长时间并持续性地密闭采空区;柔性密闭装备安装后与采空区密闭墙贴合度高,密闭墙墙体前瓦斯体积分数降低0.13%,有效抑制了瓦斯溢出。

关键词：沿空留巷瓦斯治理采空区密闭密闭墙柔性密闭气囊

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