缓倾斜煤层高位定向长钻孔抽采卸压瓦斯技术研究

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作者 双海清 刘子嘉 +3 位作者 林海飞 周斌 张文琦 罗永刚 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期102-108,共7页

为探究缓斜煤层覆岩采动裂隙时空演化及卸压瓦斯富集区的变化特征,采用物理相似模拟和现场监测方法,分析采动覆岩裂隙演化和裂隙分布特征;研究卸压瓦斯富集区演化特征,确定高位定向钻孔的合理布置参数方案,并进行效果检验。结果表明:试... 为探究缓斜煤层覆岩采动裂隙时空演化及卸压瓦斯富集区的变化特征,采用物理相似模拟和现场监测方法,分析采动覆岩裂隙演化和裂隙分布特征;研究卸压瓦斯富集区演化特征,确定高位定向钻孔的合理布置参数方案,并进行效果检验。结果表明:试验工作面沿煤层走向垮落带高度13 m,裂隙带高度68.5 m,沿工作面倾向裂隙网络受煤层倾角影响,工作面断裂角为54°~59°,裂隙发育的开度自工作面向上逐渐增大,瓦斯运移通道呈现出明显的非对称性特征;高位定向钻孔全生命周期瓦斯抽采过程依据其抽采体积分数可分为抽采初期、抽采中期和抽采末期3个阶段,其中抽采初期抽采体积分数偏低,抽采中期为钻孔抽采生命周期内的高效抽采阶段,进入抽采末期抽采体积分数呈现急剧下降的趋势;高位定向长钻孔抽采技术实施后,工作面上隅角、回风巷瓦斯体积分数均小于0.8%,瓦斯抽采效果良好,高位钻孔的布置方式较为合理。 展开更多

关键词 缓倾斜煤层 高位定向长钻孔 瓦斯抽采 卸压瓦斯 采动裂隙

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三轴条件下递增瓦斯压力和煤样孔隙结构对瓦斯解吸-渗流影响研究

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作者 蔡雨初 李树刚 +3 位作者 孔祥国 杨送瑞 季鹏飞 和递 《西安科技大学学报》 北大核心 2025年第2期305-316,共12页

煤体孔隙结构是影响矿井瓦斯抽采的根源因素,而瓦斯抽采涉及瓦斯解吸-渗流等运移阶段,因此,研究煤体孔隙结构对三轴原位赋存条件下瓦斯解吸-渗流规律的影响十分必要。通过煤层气流固耦合测试平台,对5种代表性煤样进行解吸-渗流试验,研... 煤体孔隙结构是影响矿井瓦斯抽采的根源因素,而瓦斯抽采涉及瓦斯解吸-渗流等运移阶段,因此,研究煤体孔隙结构对三轴原位赋存条件下瓦斯解吸-渗流规律的影响十分必要。通过煤层气流固耦合测试平台,对5种代表性煤样进行解吸-渗流试验,研究了递增瓦斯压力下不同煤样解吸量和渗流速率随时间的变化规律,分析了解吸量、渗流速率与递增瓦斯压力相关性。结果表明:在轴压4.0 MPa和围压3.5 MPa条件下,5种典型煤样解吸量、渗流速率随时间变化过程均可分为快速增长、缓慢增长和稳定维持阶段;在瓦斯解吸阶段,赵固二矿(ZG)煤样解吸时间远大于其他煤样,但其解吸量远小于其他煤样,主要是其微小孔与中大孔之间的孔喉结构较多,较小孔喉及封闭孔喉占比较大;瓦斯压力从1.5 MPa递增至2.7 MPa,大柳塔(DLT)煤样解吸率增加最大为54%,而ZG煤样解吸率在40%上下波动(幅度小于4%),瓦斯压力对ZG煤样孔隙结构破坏远低于其他煤样;在瓦斯渗流阶段,煤样瓦斯渗流速率随瓦斯压力递增表现为显著的线性正相关,主要是高瓦斯压力对煤样孔隙和裂隙的扩容效应更强,瓦斯渗流速率将决定现场瓦斯抽采效率,而瓦斯解吸量大小将影响瓦斯抽采能力,二者将共同决定瓦斯抽采效果。基于煤样孔隙结构和递增瓦斯压力条件提出三轴煤样瓦斯解吸-渗流机理,对现场瓦斯抽采及瓦斯灾害防治具有一定借鉴意义。 展开更多

关键词 解吸-渗流 瓦斯压力 三轴受载条件 孔隙特征 煤样

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“深部煤层瓦斯精准抽采”专题客座主编致读者 被引量：1

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作者 李树刚 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第5期F0002-F0002,I0001,共2页

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... 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。 展开更多

关键词 煤矿瓦斯防治 深部煤层 先抽后采 煤矿瓦斯治理 煤矿瓦斯抽采 补贴标准 防治政策 煤层气(瓦斯)

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顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔模式及工程实践 被引量：30

4

作者 林海飞 季鹏飞 +3 位作者 孔祥国 李树刚 窦桂东 李可 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第3期1220-1234,共15页

顺层钻孔预抽瓦斯技术是降低煤层瓦斯含量的有效方法之一,合理的布孔参数是提高煤层瓦斯预抽效果的关键。为提高顺层钻孔布孔精准性和科学性,建立了含瓦斯煤体流固耦合抽采模型,基于响应面法设计布孔参数优化方案,运用COMSOL Multiphys... 顺层钻孔预抽瓦斯技术是降低煤层瓦斯含量的有效方法之一,合理的布孔参数是提高煤层瓦斯预抽效果的关键。为提高顺层钻孔布孔精准性和科学性,建立了含瓦斯煤体流固耦合抽采模型,基于响应面法设计布孔参数优化方案,运用COMSOL Multiphysics模拟软件分析了地质因素(煤层瓦斯含量、透气性系数)和工程因素(抽采负压、钻孔直径、布孔间距)交互作用对钻孔预抽煤层瓦斯的影响规律,提出钻孔间最大瓦斯压力与达标压力比(P_(max)/P_(b))的布孔参数判定指标,创新了煤层“分时分区”式顺层钻孔预抽煤层瓦斯精准布孔方法,得到适用于不同煤层瓦斯赋存特征的最优钻孔布置参数,并进行现场试验。结果表明:预抽初期,相邻钻孔间抽采叠加效应不明显;随着预抽时间延长,抽采叠加效应越发显著,垂直钻孔方向的抽采达标区域逐渐由孤立向复合转变。不同预抽时间下,P_(max)/P_(b)对各因素的敏感性依次为:布孔间距>煤层瓦斯含量>透气性系数>钻孔直径>抽采负压。不同预抽时间下,煤层瓦斯含量和透气性系数的交互作用响应等值线分布密集,2者对P_(max)/P_(b)影响非常显著,并且对P_(max)/P_(b)数值影响较大;工程因素中抽采负压与钻孔直径的交互作用响应等值线呈圆形分布,说明二者交互作用不明显;在布孔间距与地质因素交互作用下,响应等值线沿布孔间距方向更为密集,布孔间距对P_(max)/P_(b)影响仍然是显著的,与单因素分析结果相互佐证。试验工作面采用“分时分区”式顺层钻孔精准布孔方法确定的合理布孔参数依次为:抽采负压24.0 kPa、钻孔直径113 mm、布孔间距6.0 m;经优化预抽钻孔参数后,现场瓦斯预抽效果良好且预抽达标检验合格,实现了煤层瓦斯精准预抽。 展开更多

关键词 瓦斯精准抽采 顺层钻孔 交互作用 布孔优化 分时分区

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我国低渗煤层井下注气驱替增流抽采瓦斯技术进展及前景展望 被引量：23

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作者 林海飞 季鹏飞 +5 位作者 孔祥国 李树刚 白杨 龙航 李柏 和递 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期730-749,共20页

我国大部分矿区煤层渗透率较低,注气驱替增流抽采瓦斯技术是提高低渗煤层瓦斯抽采效率的有效方法之一。分类梳理了我国低渗煤层瓦斯赋存特征,总结概括出高资源储量、低含气饱和度、多储层压力并存、低渗透性和复杂分区性5个特点。利用... 我国大部分矿区煤层渗透率较低,注气驱替增流抽采瓦斯技术是提高低渗煤层瓦斯抽采效率的有效方法之一。分类梳理了我国低渗煤层瓦斯赋存特征,总结概括出高资源储量、低含气饱和度、多储层压力并存、低渗透性和复杂分区性5个特点。利用差异置信法、灰色关联法、置信区间计算法,分析了我国煤层瓦斯对井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的适用性,获得6个影响注气驱替瓦斯效果的直接因素,影响度依次为:煤体普氏系数>瓦斯压力>渗透率>灰分>瓦斯含量>朗格缪尔压力常数;建立了适用于井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的煤层参数筛选评价方法。根据注气驱替煤体瓦斯增流机制的不同,从气体因素、注能改性两方面厘清了注气驱替煤体瓦斯增流机制,气体因素增流机制包括:充能携载、分压促解、稀释促扩散、竞争吸附;注能改性增流机制包括:充能扩孔、促解扩孔、充能拓孔、脉冲气流损伤孔隙结构/展布裂隙网络。总结了注气驱替气源、工艺参数对瓦斯驱替效果的影响规律,简要介绍了井下注气驱替增流抽采瓦斯关键技术与装备、应用模式及应用效果。展望了我国井下注气驱替增流抽采瓦斯技术的未来发展趋势,具体包括:多学科深化注气驱替增流抽采瓦斯理论、多方法协同注气驱替增流抽采瓦斯技术、注气驱替增流抽采瓦斯工艺参数精准化、注气驱替增流抽采瓦斯装备智能化、煤层注-抽-掘-采衔接布局协调化。 展开更多

关键词 增流机制 注气驱替 低渗煤层 关键技术与装备 抽采瓦斯技术

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倾斜厚煤层仰斜综采工作面覆岩瓦斯缓渗区分域方法及分形特征研究

6

作者 赵鹏翔 王玉龙 +4 位作者 李树刚 林海飞 金士魁 卓日升 双海清 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S02期71-83,共13页

为研究倾斜厚煤层仰斜综采工作面覆岩瓦斯缓渗区的分域方法及分形特征,以分形理论和灰色理论为基础,采用平面物理相似模拟试验方法,开展了仰斜综采工作面覆岩瓦斯缓渗区裂隙演化规律研究,得到了覆岩瓦斯缓渗区的动态扩展规律,进而构建... 为研究倾斜厚煤层仰斜综采工作面覆岩瓦斯缓渗区的分域方法及分形特征,以分形理论和灰色理论为基础,采用平面物理相似模拟试验方法,开展了仰斜综采工作面覆岩瓦斯缓渗区裂隙演化规律研究,得到了覆岩瓦斯缓渗区的动态扩展规律,进而构建了覆岩瓦斯缓渗区精细分域方法,并采用灰色关联分析方法对覆岩瓦斯缓渗区沿横向(工作面推进方向)和纵向(垂直于煤层底板向上方向)分形维数与离层量、破断裂隙密度及应力集中系数之间的最大关联度分别进行确定。研究结果表明:覆岩瓦斯缓渗区在第一次周期来压后初步形成,其后每次周期来压时,覆岩瓦斯缓渗区两侧的垮落角均不断减小而宽度和高度均不断增大。具体表现为从缓渗区初次形成至缓渗区充分发育期间,缓渗区开切眼侧和工作面侧的垮落角分别从68.3°和76.2°减小到44.7°和53.5°;而缓渗区的宽度和高度分别从16.3 m和19.2 m增大到52.1 m和38.4 m。根据建立的覆岩瓦斯缓渗区分域准则及流程,结合灰色关联分析方法,得到覆岩瓦斯缓渗区沿横向和纵向分形维数变化均与离层量变化相关性最强(r_(1)=0.93,r_(1)^(*)=0.91),并通过试验验证了理论计算的准确性。因此,在后期确定卸压瓦斯抽采钻孔(巷道)终孔(巷)时,可通过现场观测离层量对覆岩瓦斯缓渗区边界进行判断,研究结果对采空区卸压瓦斯精准高效抽采具有一定的指导意义。 展开更多

关键词 倾斜厚煤层 仰斜综采工作面 覆岩瓦斯缓渗区 分域方法 分形特征

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含气量对煤超声波传播速度的影响实验研究

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作者 徐刚 史嘉慧 +1 位作者 金洪伟 王云龙 《中国安全生产科学技术》 北大核心 2025年第1期64-71,共8页

为了借助超声波探测方法快速准确定量获得煤层中的甲烷含量。采用低频岩石物理测量装置开展原生结构煤和碎裂结构煤在不同含气量条件下的超声波速度测试实验,分析含气量对煤超声波传播特性的影响规律。研究结果表明:煤体纵波速度随含气... 为了借助超声波探测方法快速准确定量获得煤层中的甲烷含量。采用低频岩石物理测量装置开展原生结构煤和碎裂结构煤在不同含气量条件下的超声波速度测试实验,分析含气量对煤超声波传播特性的影响规律。研究结果表明:煤体纵波速度随含气量的增加呈现出先增大后减小的变化规律,煤体横波速度随含气量的增加而增大;与原生结构煤相比,含气量对碎裂结构煤超声波速度变化幅度的影响更加显著;以煤体超声波速度和孔隙率关系为基础,建立超声波速度随含气量变化的数学模型;含气量初始增加时,煤体基质吸附膨胀效应起主导作用,煤体纵波速度增大,随着含气量的持续增加,孔隙压力压缩煤体骨架效应起主导作用,煤体纵波速度减小。研究结果可为超声波探测方法识别瓦斯富集区提供参考。 展开更多

关键词 煤体 含气量 超声波速度 孔隙率 吸附膨胀效应

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高瓦斯厚煤层综采工作面推进速度影响下的瓦斯运–储区交叉融合机理 被引量：8

8

作者 赵鹏翔 张文进 +3 位作者 李树刚 卓日升 林海飞 索亮 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第9期3405-3419,共15页

裂隙结构具有复杂性和不规则性,对上覆岩层卸压瓦斯的运移和储集具有决定性影响。为了确定高瓦斯厚煤层综采工作面推进过程中瓦斯运移区和储集区交叉融合的动态变化对瓦斯赋存的影响以及在不同推进速度下上覆岩层中的瓦斯运储规律,采用... 裂隙结构具有复杂性和不规则性,对上覆岩层卸压瓦斯的运移和储集具有决定性影响。为了确定高瓦斯厚煤层综采工作面推进过程中瓦斯运移区和储集区交叉融合的动态变化对瓦斯赋存的影响以及在不同推进速度下上覆岩层中的瓦斯运储规律,采用二维物理相似模拟实验分析覆岩裂隙分布特征和瓦斯运–储区的几何变化规律,探究不同推进速度下运–储区随周期来压交叉融合的变化特征,并以工作面推进速度为关键参数,建立瓦斯运–储区的推速效应量化表征模型,揭示推进速度影响下瓦斯运–储区的对称周期性构建机制。结果表明,瓦斯的运–储区内外边界和运–储交界分别位于裂隙开合度和贯通度的突变区域,随着推进速度的增大,运–储区边界从采空区中部向两侧缩减;随着工作面推进,瓦斯储集区逐渐过渡成为运移区,两区域范围相互交叉融合,整个过程中运–储区在循环“构建—破坏—构建”,最终形成完整的对称椭圆抛物带状的覆岩裂隙场;裂隙熵的变化随工作面的推进先增大后减小,裂隙率的变化随工作面的推进分别经历了2次增大和减小,表明瓦斯运移区和储集区随工作面推进呈“初次形成—交叉融合—区域分离扩大”的动态变化;此外,在采动裂隙椭抛带理论的基础上,构建瓦斯运–储区推速效应量化表征模型,建立瓦斯运–储区边界及状态判定流程,揭示推进速度影响下的瓦斯运–储区交叉融合演化机理和对称形态的周期性构建机制,为研究采空区卸压瓦斯分布和实现瓦斯富集区定向精准抽采提供指导。 展开更多

关键词 高瓦斯厚煤层 推进速度 覆岩裂隙 瓦斯运–储区 交叉融合

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倾斜厚煤层综放工作面伪斜长度与上隅角瓦斯浓度耦合机制研究 被引量：7

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作者 赵鹏翔 安星虣 +4 位作者 李树刚 康新朋 黄义通 杨俊生 金士魁 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S01期73-85,共13页

倾角煤层的开采,常伴随输送机上窜、下滑问题。一般通过增加伪斜长度来确保液压支架的正常移动,并为机头机位提供更多作业空间,但伪斜长度增加会影响架间和上隅角瓦斯变化,导致工作面出现瓦斯浓度异常现象。针对倾斜厚煤层开采中容易出... 倾角煤层的开采,常伴随输送机上窜、下滑问题。一般通过增加伪斜长度来确保液压支架的正常移动,并为机头机位提供更多作业空间,但伪斜长度增加会影响架间和上隅角瓦斯变化,导致工作面出现瓦斯浓度异常现象。针对倾斜厚煤层开采中容易出现上隅角瓦斯超限的问题,应用Fluent数值模拟软件,分析不同伪斜长度下采空区瓦斯浓度分布规律,确定最优伪斜长度。为研究采空区瓦斯运移规律,应用Fluent数值模拟软件,在伪斜长度分别为20、25、30、35 m条件下对“U”型通风方式下的采空区瓦斯分布及流场情况进行研究。模拟发现:伪斜长度在一定程度上影响采空区内的风流,使得采空区内风流紊乱,瓦斯局部地区集聚严重,进而对采空区内的瓦斯分布及运移造成一定的影响。研究结果表明:工作面伪斜长度对于采空区瓦斯浓度分布有显影响,随着伪斜长度的增加,采空区内风流发生提前转向,导致采空区瓦斯提前向工作面涌出,瓦斯异常区从上隅角处逐渐向工作面偏移,上隅角瓦斯浓度逐渐降低。通过模拟结果对现场伪斜长度优化应用后,试验工作面在伪斜长度25 m左右时,上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内,工作面未出现瓦斯异常积聚现象。模拟结果与现场观测结果吻合,得到最优伪斜长度为25 m。 展开更多

关键词 倾斜厚煤层 伪斜长度 “U”型通风 瓦斯浓度 上隅角

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基于STL-EEMD-GA-SVR的采煤工作面瓦斯涌出量预测方法及应用 被引量：12

10

作者 林海飞 刘时豪 +2 位作者 周捷 徐培耘 双海清 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2022年第12期131-141,共11页

瓦斯涌出量准确预测可为矿井通风及瓦斯灾害防治措施提供重要依据。为提高采煤工作面瓦斯涌出量预测精度,根据陕西黄陵某矿采煤工作面绝对瓦斯涌出量监测数据,应用基于局部加权回归的周期趋势分解(Seasonal-Trend decomposition procedu... 瓦斯涌出量准确预测可为矿井通风及瓦斯灾害防治措施提供重要依据。为提高采煤工作面瓦斯涌出量预测精度,根据陕西黄陵某矿采煤工作面绝对瓦斯涌出量监测数据,应用基于局部加权回归的周期趋势分解(Seasonal-Trend decomposition procedure based on Loess,STL),将监测数据分解成趋势项、周期项和不规则波动项;利用集成经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD),将不规则波动项分解得到不同特征尺度的IMFs(Intrinsic Mode Functions,IMFs)分量以及残差余量;通过遗传算法(Genetic Algorithms,GA)参数寻优后的支持向量回归机(Support Vector Regression,SVR),对各项分解数据进行预测;叠加各分量模型预测结果,得到最终瓦斯涌出量预测结果。结果表明:在预测集为247、147和70组3种情景下,对比分析了STL-EEMD-GA-SVR模型(简称SEGS)、EEMD-GA-SVR模型、GA-SVR模型和高斯过程回归(Gaussian Process Regression,GPR)模型的评价指标精度,其中,SEGS模型最优,拟合度R^(2)分别为0.81、0.92、0.99,峰值点平均相对误差最低,分别为3.15%、2.33%、1.04%。所构建的SEGS模型可以准确预测采煤工作面的瓦斯涌出量。 展开更多

关键词 瓦斯涌出量 机器学习 周期趋势分解 集成经验模态分解 时序预测

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双碳战略中煤气共采技术发展路径的思考 被引量：15

11

作者 李树刚 张静非 +5 位作者 林海飞 丁洋 白杨 周雨璇 朱冰 戴政 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期138-153,共16页

自提出“双碳”目标以来,我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期。煤炭作为兜底能源的地位短期内不会改变,能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的核心即为CH_(4)-CO_(2)协同减排。在精准分析碳达峰、碳中和阶... 自提出“双碳”目标以来,我国生态文明建设已进入以降碳为重点战略方向的关键时期。煤炭作为兜底能源的地位短期内不会改变,能耗“双控”向碳排放总量和强度“双控”转变的核心即为CH_(4)-CO_(2)协同减排。在精准分析碳达峰、碳中和阶段煤矿CH_(4)-CO_(2)双重碳减排面临挑战的基础上,明确了双碳战略中煤气共采技术发展需结合现状需求-技术攻关-政策驱动的核心原则,制定了双碳战略中煤气共采技术的发展路径,论述了其中的关键技术问题。碳达峰阶段,CH_(4)减排以排放源管控为基础视角,核心为瓦斯抽采-利用全周期碳减排关键技术,包含瓦斯富集区靶向精准抽采技术、低渗煤层增透及注气驱替增流抽采技术、关闭矿井瓦斯逃逸通道封堵减碳技术、瓦斯富集-提浓-利用一体化技术,目的是大幅提升高浓度瓦斯抽采-利用效率,减少低浓度及通风瓦斯碳排放;CO_(2)减排以“CCUS+生态碳汇”全域负碳排放技术为核心,包含煤层CO_(2)封存、工业固废采空区充填协同CO_(2)地质封存、煤矿碳封存区域土壤-地表-大气异常监测及生态碳汇技术,进一步吸纳烟道气或纯CO_(2)排放。碳中和阶段核心任务是实现CH_(4)-CO_(2)(近)零碳排放,CO_(2)减排应当由技术攻关示范工程转变为规模化应用阶段,并建立全生命周期煤矿CH_(4)-CO_(2)排放智能监测及动态管控技术体系,实现监测管控技术手段与碳排放环节深度匹配、碳排放监测管控云平台与煤矿全局监控系统深度对接。最后对未来煤气共采体系绿色低碳发展提出了自身见解与思考:(1)继续深化“高效精准抽采+全浓度梯级利用”煤矿CH_(4)零排放技术模式;(2)持续攻关“CO_(2)工程封存+生态碳汇”CO_(2)零排放技术体系;(3)积极探索煤矿“零碳智慧园区”综合解决方案,形成激励和倒逼并重的煤矿碳减排政策支持体系。 展开更多

关键词 双碳目标 CH_(4)-CO_(2)协同减排 煤气共采 发展路径 绿色低碳

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采空区碳封存条件下CO_(2)-水界面特性及溶解传质规律 被引量：4

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作者 李树刚 张静非 +5 位作者 林海飞 包若羽 丁洋 白杨 周雨璇 朱冰 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期513-527,共15页

采空区CO_(2)封存作为解决煤炭行业碳排放难题的重要负碳技术储备,在采空区废弃资源二次利用、CO_(2)封存等方面具有广泛的应用前景。利用原位界面张力测定仪开展了不同温压、地层水矿化度及阳离子溶液类型对CO_(2)地层水系统的界面张力... 采空区CO_(2)封存作为解决煤炭行业碳排放难题的重要负碳技术储备,在采空区废弃资源二次利用、CO_(2)封存等方面具有广泛的应用前景。利用原位界面张力测定仪开展了不同温压、地层水矿化度及阳离子溶液类型对CO_(2)地层水系统的界面张力(IFT)影响规律实验,明晰了CO_(2)注入含水碎胀煤岩体中的气液界面扩散效应,并将基于统计缔合理论结合兰纳−琼斯势能模型的状态方程(SAFT-LJ状态方程)与密度梯度理论(DGT)结合预测了IFT理论值;利用自主研发的地质封存地化反应模拟实验平台对相同条件下的CO_(2)溶解性进行了探究实验,得到了采空区储层环境下CO_(2)溶解度变化特征,采用D-S模型计算了对应CO_(2)溶解度理论值。实验结果表明:环境温度一定时,采空区储层压力与IFT呈线性负相关关系,储层温度升高,IFT相应增加,但变化幅度较小;温压条件一定时,矿化度与IFT存在正相关性,且在本实验范围内,低压、高温、高矿化度会促使IFT升高;CO_(2)−盐溶液之间的IFT呈现出随着阳离子价态升高而增大的现象(K^(+)<Na^(+)<Ca^(2+)<Mg^(2+));采空区储层压力与CO_(2)溶解度呈正相关关系,当温度为25℃、纯水条件下,压力由0.5 MPa增至2.5 MPa,对应CO_(2)溶解度由0.1627 mol/kg升至0.7141 mol/kg;CO_(2)溶解度随着温度与矿化度的升高而降低;相同质量分数下,一价阳离子溶液(NaCl、KCl)比二价阳离子溶液(CaCl_(2)、MgCl_(2))可溶解更多的CO_(2)。注入采空区中的游离相CO_(2)克服界面张力通过扩散溶解传质作用打破了采空区地层的地球化学平衡,通过明确环境温压条件、采空区水环境对IFT及CO_(2)溶解度的影响规律,阐明CO_(2)地层水气液界面效应及溶解传质机理,以期为采空区CO_(2)封存安全性及封存量评估提供理论基础。 展开更多

关键词 采空区 CO_(2)封存安全性 气液界面扩散-溶解 界面张力 溶解度

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煤吸附瓦斯影响因素的正交设计实验研究 被引量：4

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作者 李树刚 秦雪燕 +3 位作者 白杨 龙航 岳敏 严敏 《矿业安全与环保》 北大核心 2022年第4期72-79,共8页

为研究含水率、粒径、温度等因素对煤样吸附瓦斯特性的影响,选取黄陵二号煤矿2~#煤层煤样,通过HCA型高压瓦斯吸附仪,采用正交实验法开展不同含水率、粒径、温度作用下煤样瓦斯等温吸附实验,得到了影响瓦斯吸附性能的主控因素。研究结果... 为研究含水率、粒径、温度等因素对煤样吸附瓦斯特性的影响,选取黄陵二号煤矿2~#煤层煤样,通过HCA型高压瓦斯吸附仪,采用正交实验法开展不同含水率、粒径、温度作用下煤样瓦斯等温吸附实验,得到了影响瓦斯吸附性能的主控因素。研究结果表明:不同含水率、粒径、温度条件下,煤的瓦斯吸附曲线均符合Langmuir理论;各因素对吸附常数a值的敏感性依次为粒径>温度>含水率,粒径影响程度是含水率的3.126倍、温度的4.458倍;各因素对吸附常数b值、吸附饱和度X值的敏感性依次为温度>粒径>含水率,温度对吸附常数b值的影响程度是粒径的3.946倍、含水率的7.719倍,温度对吸附饱和度X值的影响程度是含水率的4.947倍、粒径的1.918倍;煤样优先吸附水分,瓦斯吸附量随含水率的增大而减小;瓦斯吸附过程会放热,当温度升高时,瓦斯吸附量会减少;粒径减小,增大了煤样的比表面积,导致瓦斯吸附量增加。 展开更多

关键词 瓦斯等温吸附实验 多因素 正交设计 LANGMUIR模型 极差分析 方差分析

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基于特征选择和机器学习融合的煤层瓦斯含量预测 被引量：20

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作者 林海飞 周捷 +3 位作者 高帆 金洪伟 杨卓亚 刘时豪 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第5期44-51,共8页

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... 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≤0.01以及希尔不等系数≤0.01,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0.007,希尔不等系数为0.005,判定系数为0.993,平均绝对误差为0.170 m^(3)/t,平均相对误差为0.75%,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。 展开更多

关键词 瓦斯含量 精准预测 煤层气勘探开发 瓦斯灾害

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分级循环加卸载煤体变形破坏特征试验研究 被引量：9

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作者 李树刚 刘思博 +4 位作者 林海飞 双海清 李磊明 于涵旭 罗荣卫 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2021年第4期199-205,共7页

瓦斯抽采钻孔在采动影响下所处的应力状态比较复杂,随着工作面的推进,经历复杂的加载和卸载共同作用,易导致抽采钻孔失稳破坏。为深入研究采动影响下煤体钻孔的变形破坏特征,通过开展单调加载及分级循环加卸载试验,分析不同加载路径下... 瓦斯抽采钻孔在采动影响下所处的应力状态比较复杂,随着工作面的推进,经历复杂的加载和卸载共同作用,易导致抽采钻孔失稳破坏。为深入研究采动影响下煤体钻孔的变形破坏特征,通过开展单调加载及分级循环加卸载试验,分析不同加载路径下试样的强度特征,并结合数字散斑技术(XTDIC)分析试样单轴压缩过程中裂纹扩展及孔周位移演化规律,通过布置"虚拟引伸计"分析试样局部化带位移演化特征。结果表明:与单调加载路径相比,分级循环加卸载路径下试样的抗压强度减小,减小幅度为4.59%;分级循环加卸载路径下,含钻孔试样的最终破坏是由远场裂纹与钻孔两侧的剪切裂纹贯通形成宏观破裂带导致的,不同加载路径下试样破坏模式均为拉剪复合破坏,破坏形态呈"X"状;试样加载顶点与卸载低点的张拉、错动位移随着循环次数增加逐渐增大,呈波动上升趋势,并且在时间上滞后于应力变化;孔周位移测点层位越高,试样加载至相同时刻的位移越大;分级循环加卸载路径下,试样卸载阶段的测点位移有轻微恢复现象,最大恢复量为0.149 mm,位移随时间增长表现为"台阶式"递增现象。 展开更多

关键词 分级循环加卸载 裂纹演化 局部化带位移 虚拟引伸计 抽采钻孔

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温度效应下煤体吸附瓦斯热力学及动力学特征 被引量：7

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作者 仇悦 龙航 +3 位作者 白杨 林海飞 严敏 肖通 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第7期147-155,共9页

为研究煤体与瓦斯相互作用的热力学与动力学特征,利用自主研发的煤系气流固耦合试验平台,开展298、308、318、328、338 K温度点煤体等温吸附试验,分析温度效应下煤体吸附瓦斯热力学参数、吸附动力学特征。试验结果表明:随温度升高,煤体... 为研究煤体与瓦斯相互作用的热力学与动力学特征,利用自主研发的煤系气流固耦合试验平台,开展298、308、318、328、338 K温度点煤体等温吸附试验,分析温度效应下煤体吸附瓦斯热力学参数、吸附动力学特征。试验结果表明:随温度升高,煤体瓦斯吸附量逐渐降低,等温吸附曲线符合Langmuir型变化规律;煤体等量吸附热随吸附量的增加而增大,变化范围为-10.191~-7.127 kJ/mol;煤体吸附瓦斯为放热物理过程,温度升高抑制煤体吸附瓦斯能力,煤体极限吸附热为-11.369 kJ/mol;不同温度吸附自由能和吸附熵均小于0,分别为-6.958~-2.452 kJ/mol和-14.085~-12.607 J/(mol·K);动力学模型拟合中,吸附平衡时的瓦斯吸附量随温度升高而降低,吸附速率常数与温度呈正线性关系。煤体吸附瓦斯为动态放热过程,随温度升高,瓦斯气体分子能量逐渐大于煤体孔隙吸附势能,吸附质态瓦斯逐渐转变为游离态瓦斯,煤体吸附瓦斯能力下降。 展开更多

关键词 瓦斯吸附 吸附热力学 动力学特征 温度效应 等温吸附

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原油浸泡对煤微观孔隙结构特征的影响研究

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作者 双海清 魏萌萌 +3 位作者 白杨 张瑾 田雨 张星 《中国安全科学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期113-121,共9页

为研究原油浸泡对煤体孔隙结构的影响,首先选用典型煤油伴生矿井煤样,对煤样进行不同天数的原油浸泡处理;然后采用压汞、低温氮吸附等仪器,研究浸油前后煤的孔隙形态、类型、孔容积及比表面积等变化特征,并结合扫描电镜(SEM)揭示原油侵... 为研究原油浸泡对煤体孔隙结构的影响,首先选用典型煤油伴生矿井煤样,对煤样进行不同天数的原油浸泡处理;然后采用压汞、低温氮吸附等仪器,研究浸油前后煤的孔隙形态、类型、孔容积及比表面积等变化特征,并结合扫描电镜(SEM)揭示原油侵入煤体的微观机制。研究表明:煤样通过原油浸泡后,进退汞曲线及低温吸脱附曲线均有滞后环且明显的滞后现象,煤样的微小孔隙由原来的平行板孔转为尖劈形孔,孔隙间连通性变差。随着浸油天数的增加,原油浸泡对煤孔隙影响明显,与原煤样相比,煤样的总孔容积降低32%~80%,其中大孔、中孔孔容下降程度显著;煤样的总孔比表面积降低87%~94%,其中小孔、微孔比表面积下降程度显著;原油在煤体中的流动大致分为较大孔裂隙的贯通-中大孔的填充-微小孔隙的堵塞等3部分。 展开更多

关键词 原油浸泡 浸油煤样 孔隙结构 孔隙形态 孔容 孔比表面积

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岩煤强度比对组合体破裂声发射及裂隙分形特性的影响 被引量：3

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作者 赵鹏翔 王晓玉 +4 位作者 李树刚 贾永勇 林海飞 易春艳 李绍蓉 《西安科技大学学报》 CAS 北大核心 2024年第4期649-659,共11页

为研究不同岩煤强度比条件下煤岩组合体分层介质的渐进破坏特征,采用DYD-10电子万能试验机、PCI-8型声发射信号采集系统,结合能量耗散、分形理论,对不同岩煤强度比的煤岩组合体开展了单轴压缩试验。结果表明:不同岩煤强度比组合体试件... 为研究不同岩煤强度比条件下煤岩组合体分层介质的渐进破坏特征,采用DYD-10电子万能试验机、PCI-8型声发射信号采集系统,结合能量耗散、分形理论,对不同岩煤强度比的煤岩组合体开展了单轴压缩试验。结果表明:不同岩煤强度比组合体试件破坏模式为煤体部分的剪切破裂进而牵引岩体破裂;岩煤强度比的增加,使得煤岩组合体的抗压强度在有限的范围内增加,而煤体强度是影响试件抗压强度的主要因素;分形维数D_(c)的斜率均大于D_(r),煤岩组合体全应力应变过程中裂隙在煤体部分的发育程度更完全;随着岩煤强度比增大,煤岩组合体中煤体部分裂隙更加发育、破坏程度更大,岩体部分裂隙扩展范围更小;当岩煤强度比增大时,煤岩组合体储能极限逐渐减小,试件内部储存的能量不足以驱动裂隙进一步向岩层部分扩展。该研究对进一步完善采动煤岩体动力学灾害防治具有重要意义。 展开更多

关键词 类煤岩材料组合体 岩煤强度比 渐进破坏 分形维数 能量耗散

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烷基糖苷活性剂对煤体结构改性及甲烷解吸特性的影响 被引量：10

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作者 李树刚 闫冬洁 +2 位作者 严敏 白杨 岳敏 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第1期286-296,共11页

煤层注水是减缓瓦斯解吸速率、降低煤体采动后瓦斯快速解吸涌出的有效方法之一,添加表面活性剂可改变煤体化学结构并增强瓦斯解吸抑制效应。选用典型高瓦斯矿井煤样,配制了不同质量分数烷基糖苷(APG0810)表面活性剂,利用红外光谱仪(FTIR... 煤层注水是减缓瓦斯解吸速率、降低煤体采动后瓦斯快速解吸涌出的有效方法之一,添加表面活性剂可改变煤体化学结构并增强瓦斯解吸抑制效应。选用典型高瓦斯矿井煤样,配制了不同质量分数烷基糖苷(APG0810)表面活性剂,利用红外光谱仪(FTIR)、顺磁共振波谱仪(EPR)及微电泳仪等,研究了烷基糖苷活性剂对煤体改性前后官能团、自由基及Zeta电位等影响规律,采用接触角测定试验台分析了烷基糖苷表面活性剂对煤体接触角的影响,利用自主研发的外侵溶液抑制甲烷解吸动态试验系统,研究煤样在干燥、注水和注烷基糖苷表面活性剂等条件下甲烷解吸规律。试验结果表明:煤体含氧官能团总量与APG0810质量分数呈指数函数关系,煤样Zeta电位与APG0810质量分数呈负指数函数关系;自由基相对含量(N_(g))随APG0810质量分数先增大后趋于平缓,样品中不成对电子摩尔浓度增加4.18倍;煤体接触角与APG0810质量分数呈负指数函数关系,接触角由79.15°降至25.63°,降幅为67.62%;甲烷最大解吸量、解吸速率与APG0810质量分数均呈负指数关系,甲烷解吸量最大降幅为31.59%,最大解吸速率降幅为78.23%;煤体接触角、甲烷最大解吸量、解吸速率与含氧官能团总面积、自由基相对含量呈负相关关系,与Zeta电位呈正相关关系;烷基糖苷活性剂与煤体接触发生物理化学反应,使煤体表面含氧官能团、氢键等增多,煤体表面负电性增加,自由基相对含量增大,接触角减小,改善了煤体润湿特性,从而减缓甲烷解吸速率,以期为预防甲烷超限或煤与瓦斯突出等灾害事故提供依据。 展开更多

关键词 甲烷解吸 烷基糖苷活性剂 化学结构 EPR参数 含氧基团

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构造煤组合体单轴加载下裂隙演化及分形规律 被引量：2

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作者 赵鹏翔 刘云川 +4 位作者 韩霜莹 刘妍群 刘莹莹 曹聪颖 王玉龙 《西安科技大学学报》 CAS 北大核心 2023年第6期1035-1044,共10页

为研究不同占比的构造煤-原生质煤组合体压裂后的裂隙演化规律及分形特征,运用单轴加载试验手段,得到了5种不同占比构造煤组合体的裂隙长度、角度及分形维数演化规律。结果表明,随构造煤占比的增大,组合体抗压强度、弹性模量均呈减小的... 为研究不同占比的构造煤-原生质煤组合体压裂后的裂隙演化规律及分形特征,运用单轴加载试验手段,得到了5种不同占比构造煤组合体的裂隙长度、角度及分形维数演化规律。结果表明,随构造煤占比的增大,组合体抗压强度、弹性模量均呈减小的趋势,而峰值应力应变呈增大的趋势,组合体整体特性向构造煤的脆性特性靠近,破坏形式从剪切破坏逐渐过渡到拉伸破坏。随构造煤占比的增大,主裂隙扩展时间占比由14%增大至59%,主裂隙平均扩展速率由0.76 mm/s增长至2.34 mm/s,主裂隙角度平均变化速率由3.07°/s减小至0.70°/s,煤体交界处的主裂隙角度和主裂隙角度平均变化速率均逐渐减小。随着不断的加载,组合体分形维数逐渐增大,各峰值应力处分形维数普遍分布在0.99~1.31。随着主裂隙角度的变化,全原生质煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐减小,全构造煤试件主裂隙不同角度的分形维数逐渐增大,其他占比的构造煤组合体不同角度的主裂隙分形维数均先增加后减少,且其变化均发生在各自的煤体交界处。揭示了不同占比的构造煤组合体在加载过程中的裂隙扩展与角度的有关变化规律,为煤矿安全开采提供理论依据。 展开更多

关键词 构造煤组合体 单轴加载试验 裂隙演化 主裂隙发育角度 分形特征

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