摘要：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。

摘要：为了明确与倾斜碎软煤层开采条件相适配的煤与煤层气协调开发关键技术,基于倾斜碎软煤层群瓦斯难抽采与煤层群非对称采动特征,形成了与之匹配的非对称卸压时空协同“三孔四区五量”煤与煤层气协调开发模式,明确了非对称采动下煤与煤层气协调开发策略,阐明了井上下联合煤与煤层气协调开发时空协同机制。针对倾斜碎软突出首采煤层消突困难的问题,优化了倾斜碎软煤层下向长钻孔施工工艺,研制了钻头电磁波无线随钻测量系统,实现了更高精度的钻孔轨迹防偏。针对非对称采动区地面井防护缺乏针对性的难题,阐明了非对称采动覆岩卸压破坏时空演化特征,获得了非对称采动下覆岩采动裂隙演化特征,确定了倾斜煤层地面井井位安全位置,研发了能够兼顾地面井稳定性和抽采效率双因素的采动区地面三开套管结构。应用结果表明:时空协同的“三孔四区五量”模式能够实现煤层气高效抽采,保障倾斜煤层群的抽掘采接替平衡;倾斜煤层下向钻孔递进式抽采方式拓展了递进式抽采的应用范围,破解了倾斜煤层煤层气抽采过程中的时间不协调问题;优化后的采动地面井维稳结构能够适应非对称采动作用,实现了采动区地面井煤层气高效抽采。上述成果在新疆焦煤集团艾维尔沟矿区得到推广应用,初步形成符合艾维尔沟矿区主要高瓦斯矿区倾斜煤层特点的煤层气抽采关键技术和典型模式。

摘要：全球正向低碳能源结构转型,加之煤矿资源枯竭、瓦斯灾害等问题,关闭/废弃煤矿数量快速增加。煤矿关闭退出后,采空区残存甲烷持续向地面逸散,成为温室气体重要排放源。针对关闭/废弃煤矿甲烷残存量、排放速率、减排措施等系列问题,通过大量文献调研、梳理,明确了国内外关闭/废弃煤矿数量及高瓦斯矿井分布,归纳总结了采空区残存甲烷来源及残存量的估算方法,并借鉴天然气成藏研究领域中甲烷地质渗漏理论与研究方法,分析了残存甲烷排放机制及监测手段,最后提出了残存甲烷减排对策及面临挑战。研究发现:我国山西、贵州、重庆、湖南、江西等地区存在大量关闭/废弃煤矿,且残余煤主要是具有强甲烷吸附力的无烟煤,导致矿井残存甲烷量大,成为重要甲烷排放源;关闭/废弃煤矿甲烷从残余煤中解吸释放至采空区,然后经由井口、采动裂隙等通道排放至大气;通过卫星遥感、通量室法、地球化学探针法、微气象技术等手段,可实现对煤矿甲烷排放的有效监测。基于甲烷排放预测模型预测,到2050年关闭/废弃煤矿排放甲烷在煤炭开采释放甲烷总量中占比可能超过20%,解决关闭/废弃矿井甲烷排放问题刻不容缓。为此,提出了抽采利用、原位爆燃发电、微生物降解甲烷、注水淹没、甲烷排放通道封堵等减排对策,综合考虑减排成本、甲烷排放持续时间、地下水污染等限制性因素,认为采用矿化修复方法封堵覆岩采动微裂隙,可低成本实现关闭/废弃煤矿甲烷减排目标。

摘要：温和氧化解聚作用下,低阶煤(褐煤、长焰煤)可高效生成高值化学品,同时煤体多尺度流动能力显著改善。针对我国低阶煤资源丰富与煤层中赋存巨量天然气的地质背景,结合低阶煤化学性质特点,提出了基于原位氧化改性的深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采技术构想,从氧化解聚制备羧基化学品方法、氧化改性提高煤层气采收率机理、共采技术模式、地质及工程有利条件等4方面论证了该技术可行性。调研总结发现:低阶煤具有丰富的含氧官能团(如羧基—COOH和酚羟基—OH)和侧链,为氧化解聚制备高值化学品(如羧酸)提供了关键前体结构;过氧化氢、次氯酸钠等氧化剂,在低温(<100℃)、常压条件下,温和氧化解聚低阶煤可高效、低成本制备羧基化学品,实现低阶煤非能源化高值利用;氧化解聚反应对低阶煤具有明显的氧化改性作用,主要表现为煤表面对甲烷的吸附能力减弱、水的疏水性增强、形成溶蚀孔与微裂缝,并可原位生成CO_(2),从而增加了煤层气解吸-渗流能力。围绕深部低煤阶煤层气井高效增产改造需求与枯竭煤层气井二次利用,设计了单井压裂-溶浸开采(采气为主)与群井压裂-溶浸开采(采高值化学品为主)2种技术模式。前者通过注入氧化性压裂液,合理控制压后焖井时间,充分发挥力学-化学协同改造增渗作用,返排阶段分离压裂液中高值化学品,并高效抽采天然气;后者对各枯竭气井重复改造,通过压裂缝网形成相互沟通的注采井网,持续生成、抽采高值化学品。我国巨厚(数十米~近百米)、深埋藏(500~1000 m)低煤阶煤层分布广泛,能有效减小氧化剂及反应产物泄漏诱发的地下水污染,为共采提供了有利地质条件;现有大规模煤层气水平井及水力压裂缝网,避免了高值化学品原位制备的高额建井成本,为共采提供了有利工程条件。结论认为,利用温和氧化解聚反应,实现深部低煤阶煤层高值化学品与天然气共采,丰富了原位改性采矿理论与技术体系,有望形成煤层气增产改造新模式,增加低煤阶煤层资源开采综合经济效益。

摘要：煤层气是非常规天然气的重要组成部分,新疆作为我国十四个特大型煤炭产业基地之一,煤层气资源储量丰富,约占全国煤层气资源总量的26%。为分析归纳新疆特殊的大倾角多煤组煤矿区煤层气资源特征,总结了“十三五”以来,新疆煤矿区煤层气开发利用在理论、技术及装备方面取得的突破性研究进展,并对未来新疆煤矿区煤层气开发利用潜力和应用前景作出长远的展望。结果表明:新疆煤矿区资源具有“倾角大、煤层多、煤阶低、含气高”的特征。取得的突破性研究进展主要包括:提出了基于“三孔四区五量”的大倾角多煤组煤矿区时空协同煤与煤层气协调开发模式;阐明了大倾角采动地面井变形模式及高危位置确定方法,提出了“避、抗、让、疏、护”五字理念的地面井设计技术;研发了大倾角碎软煤层下向递进式抽采钻孔成套技术与装备;构建了新疆高寒地区煤层气利用蓄热氧化供暖技术;上述研究成果在现场试验中成功应用,提升了新疆煤矿区煤层气开发利用的整体水平。然而,规模化的煤层气开发利用产业尚未大面积形成。因此,亟需总结推广典型的大倾角多煤组煤矿区三区联动煤层气开发模式;加强多煤组煤矿区的地面井均匀超前预抽;研发井下煤层气高效抽采技术及装备;基于非对称采动卸压作用实现靶向精准抽采煤层气;拓展适用于高寒地区的全浓度范围煤层气利用技术;重点加快推进国家级“新疆准噶尔盆地南缘煤层气产业化基地”建设,实现新疆丰富煤层气资源的规模有效开发利用。

摘要：为了研究相关截割参数对截割比能耗的影响,基于直线截割试验装置,在不同截割角条件下,使用5种不同锥角的镐形截齿对一种砂岩进行截割试验,研究了相关角度参数对截割力和比能耗的影响;在截割角为55°时,使用锥角80°的截齿,在不同截割厚度和截线距条件下进行截割试验,探讨了截割厚度和截线距对截割力和截割比能耗的影响。试验结果表明,清理角对截割力和截割比能耗有显著的影响,当清理角过小时,截齿与岩石之间产生严重的摩擦使截割力明显较大,从而使截割比能耗较大。当清理角小于等于10°时,平均截割力随截齿锥角的增大呈线性增大,随前角的增大呈线性减小,此时截割比能耗明显小于清理角大于10°时的截割比能耗,但锥角和前角对截割比能耗未见明显的影响趋势。平均截割力随截割厚度和截线距的增大呈线性增大。截割比能耗随截割厚度的增大呈幂函数减小。截线距与截割厚度的比值存在一个最优值使截割比能耗最小,此时截割比能耗相对无截槽影响时约降低65.1%。截线距与截割厚度比值的最优值为2或3,且该比值不受截割厚度和截线距的影响。这些结论对镐型截齿工作角度的设计及采掘机械工作机构截齿布置有重要的指导意义。

摘要：地面钻井抽采采空采动区瓦斯技术在世界范围内的应用越来越广泛,然而仍存在着瓦斯流量和浓度偏低以及钻井稳定性差的问题。基于淮南矿业集团和澳大利亚的应用实践,开展了大直径地面钻井提高瓦斯抽采效果的理论与技术研究。通过对围岩采动影响和瓦斯抽采效果的数值模拟,参考瓦斯高效抽采范围的高位环形体理念,进行了抽采管径分别为244.5 mm和177.8 mm的大直径地面钻井设计和抽采瓦斯试验。试验结果表明:大直径地面钻井在抽采效果、控制工作面瓦斯涌出以及钻井稳定性上均明显优于普通钻井,瓦斯抽采总量可达316.7万m3,瓦斯纯量达170万m3,服务时间达106 d,能够有效地控制工作面回风瓦斯浓度;地面钻井布置于回风巷一侧在抽采效果上优于进风巷一侧,前者瓦斯抽采量和浓度分别高于后者33.7%和75.3%。

摘要：循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。

摘要：该文介绍了协庄煤矿在-850皮带井机头硐室施工中,采用高马蹄形断面和锚网喷二次支护技术及锚索补强措施,同步进行矿压观测表明,支护效果良好,为解决深部软岩内布置大断面硐室围岩变形大,稳定性差,巷道难以维护的问题提供了一条新路。

摘要：采用顶板岩层水平长钻孔抽放邻近层和采空区瓦斯是一项在研的新技术，本文对抽放钻孔的布孔层位对瓦斯抽放的影响进行了研究。通过建立瓦斯越流动力学模型、对瓦斯越流规律进行了研究，分析了钻孔的市孔层位对瓦斯抽放的影响，为抽放钻孔的布孔设计奠定了理论基础。