构造煤渗透率对温度变化响应规律的试验研究

针对含瓦斯构造煤渗透率与温度变化关系,利用自主研发的含瓦斯煤岩热-流-固耦合三轴渗流试验装置,开展不同应力条件下含瓦斯构造煤原煤样的渗透率与温度变化的试验研究。试验结果表明：（1）在试验温度变化过程中,构造煤样渗透率随温度升高而降低,渗透率与温度变化呈现负指数函数分布规律;（2）在试验温度变化过程中,构造煤渗透率损失率与有效应力符合Boltzmann分布,渗透率损失率存在有效应力门槛值大约为4.515 MPa。渗透率变化主要分为渗透率加速变化与平稳变化两个阶段,构造煤样渗透率从加速阶段过渡到平稳变化温度大约为45 ℃;（3）在温度21～80 ℃范围内,渗透率敏感性系数数量级为10-2,温度变化对构造煤样渗透率影响不显著。同时,有效应力的增加使得温度敏感性系数降低。     

煤体瓦斯渗透率的PSO-LSSVM预测模型

结合有关煤体渗透率的众多研究成果,总结出影响煤体渗透率的3个主要因素为有效应力、温度和瓦斯压力。采用粒子群优化算法(PSO)对最小二乘支持向量机(LSSVM)的参数进行优化选择,并以上述3个因素和抗压强度为输入值,以渗透率为目标输出值,建立煤体瓦斯渗透率的PSO-LSSVM预测模型。利用25组数据进行PSO-LSSVM模型与BP神经网络及支持向量机的比较实验,PSO-LSSVM预测结果与实际值拟合程度优于其他两个模型,且具有更小的误差。实验结果表明,采用PSO-LSSVM模型可由有效应力、温度和瓦斯压力对渗透率进行较高精度的预测。      

基于灰熵法的深部煤层瓦斯含量影响因素分析及预测

为了提高深部煤层瓦斯含量的预测精度,提出了采用灰熵分析法对瓦斯含量影响因素进行研究,以潘三矿深部11-2煤层为例,根据灰熵关联度的大小选取不同的影响因素分别建立了GM（1,3）、GM（1,4）和GM（1,5）预测模型,依据精度检验结果选择精度更高的瓦斯预测模型。研究结果表明,影响潘三矿深部11-2煤层瓦斯含量的因素重要程度从大到小依次为:主断层距离、煤层埋深、煤厚、顶板砂泥比、煤层倾角。由此建立的3个模型的预测精度都在合格以上,其中GM（1,4）模型预测精度达到了1级,平均相对误差为5.063 6%,可采用该模型对11-2煤层瓦斯含量进行预测,为深部煤与瓦斯安全高效开采提供可靠依据。      

煤与瓦斯突出预测的距离判别分析方法

以煤与瓦斯突出预测为研究对象,选取地质构造、采深、瓦斯放散初速度等10个因素作为预测指标,应用距离判别分析方法建立了煤与瓦斯突出预测模型;结合实际数据,对预测模型进行训练和检验;将该模型用于实际,预测结果符合实际情况。      

采动煤岩渗透率演化模型及数值模拟

为描述采动煤岩渗透率演化过程,引入强度退化指数,基于Hoek-Brown强度准则,建立了考虑围压影响的煤岩应变软化力学本构模型。给出了体积应变和渗透率的关系方程,结合应变软化模型建立了采动煤岩渗透率演化模型,并在FLAC下予以实现。通过数值模拟研究了不同围压下圆柱岩样的峰后应变软化力学行为和某煤矿工作面开采过程中煤岩的渗透率演化过程,结果表明：（1）该模型能较好地反映围压对煤岩峰后应变软化行为的影响;（2）随着工作面推进,越来越多的煤岩单元破坏,渗透率也不断增长,逐渐成为瓦斯等流体运移的主要通道。（3）模型能再现采动煤岩渗透率演化的动态过程,从而为煤与瓦斯共采、煤层瓦斯抽放和瓦斯灾害防治提供指导。     

加卸载应力作用下煤岩渗透率演化模型研究

为研究开采过程中煤岩力学行为及渗透率演化规律,运用含瓦斯煤热-流-固耦合渗流伺服试验系统,进行了不同加卸载条件下原煤力学及渗流试验,分析了加卸载应力作用对煤岩变形及渗流规律的影响,得到了剪胀角随塑性剪切应变的变化关系,发现了塑性剪切应变在1.6%左右会出现剪胀角急剧变化的现象。根据试验现象和结果,考虑煤岩结构对渗透率的影响,对煤岩在弹性阶段和屈服损伤后的结构进行简化,基于火柴棍模型及渗流理论分析,从应变的角度出发,探讨了加卸载应力对煤岩渗透率的影响,建立了两个不同阶段的渗透率模型（即弹性阶段和损伤阶段）,基于不同阶段的渗透率模型和剪胀角规律,构建了煤岩全过程渗透率模型。所构建的渗透率模型与试验结果对比吻合效果较好,验证了该模型的适用性,可以为实现煤与瓦斯共采提供一定的理论依据。     

淮北许疃矿构造煤孔隙结构及压敏效应

为了探究构造煤的孔隙结构及压敏效应,采取淮北许疃矿煤样,利用扫描电子显微镜、压汞实验、含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置进行相关参数测试,研究构造煤的孔隙结构以及有效应力对煤样渗透率渗透系数的影响。实验结果表明:碎裂结构煤裂隙规则、平直,连通性较好;原生结构煤中主要以微孔为主,构造煤中以微孔和过渡孔占主导。韧性变形系列构造煤的有效应力与渗透率呈抛物线关系;有效应力小于4 MPa时,煤体渗透率敏感性显著,大于4 MPa时其渗透率敏感性弱。该趋势是有效应力和解吸效应共同作用的结果;由于解吸和有效围压的共同作用,渗透率存在最小值。与沁水盆地相比,许疃矿煤样部分渗透率损害系数较高。      

基于APSO-SVR-GRU模型的白水河滑坡周期项位移预测

滑坡周期项位移的预测,是研究地质灾害中滑坡变形至关重要的一步。由于单一模型易受偶然因素影响,且无法充分利用有效信息,导致其预测精度不高,适用性不强。基于此,文中提出了一种结合自适应粒子群算法（APSO）、支持向量机回归算法（SVR）、门控神经网络算法(GRU)的组合模型。该模型通过自适应粒子群优化算法对支持向量机回归算...     

基于SAPSO-ELM的瓦斯涌出量分源预测及应用

为了提高瓦斯涌出量预测精度,针对瓦斯涌出量影响因素的多重相关性、复杂性等问题,结合主成分分析法和分源预测理论,对开采层、邻近层、采空区的瓦斯涌出量数据分别进行主成分分析降维,得到预测指标。针对极限学习机(ELM)存在的输入权值矩阵与隐含层阈值随机生成的问题,利用模拟退火粒子群算法(SAPSO)对极限学习机的参数寻优,将新疆某煤矿回采工作面瓦斯涌出量及影响因素作为SAPSO-ELM模型的输入进行训练,再利用训练好的SAPSO-ELM模型对陕西某煤矿回采工作面的瓦斯涌出量进行验证预测,并对比原始ELM模型的预测结果。结果表明,SAPSO-ELM模型的平均相对误差为3.45%,ELM模型的平均相对误差为8.81%,与ELM模型相比,SAPSO-ELM模型预测精度及效率均优于原始ELM模型。分源预测理论和主成分分析法的结合有效解决了多因素间的多重相关性并降低了预测模型的复杂度,SAPSO-ELM预测模型实现了瓦斯涌出量的快速精准预测,对预防瓦斯事故发生和保障煤矿安全高效开采具有较好的指导作用。      

砂土地震液化预测的GA_SVM_Adaboost模型

为快速准确地对砂土液化情况作出预测,选取地震烈度、地下水位、覆盖厚度、标贯击数、平均粒径、地貌单元、土质及不均匀系数为主要影响因素,运用相关性分析和因子分析模型对其进行分析和属性约减,采用遗传算法（GA）对支持向量机（SVM）的参数寻优,结合Adaboost迭代算法,建立预测砂土地震液化的GA_SVM_Adaboost模型。选用唐山地震砂土液化现场勘察资料中的329组数据对模型进行训练,利用该模型对剩余68组砂土液化数据进行预测。最后,将预测结果与GA_SVM和SVM模型预测结果进行比较。结果表明,3个模型的平均预测准确率分别为100%、98.04%、89.71%,基于因子分析的GA_SVM_Adaboost模型的预测准确性优于GA_SVM模型和SVM模型,是一种解决砂土地震液化预测问题的有效方法,具有一定的应用参考价值。      

基于匹配追踪分解的流体活动因子预测煤层气甜点区

煤层气勘探与开发是我国非常规油气资源勘探的热点之一,近年来已取得了较多突破性进展,但煤层非均质性强,吸附态为主的煤层气识别困难,勘探开发风险大,因此在钻井资料较少及叠后地震资料未充分利用的情况下,充分利用地震资料的横向变化特征,精确刻画煤层气“甜点”区分布具有重要意义。常规叠后地震反演能够识别煤层,但无法预测煤层的含气性,而基于地震波衰减理论的流体活动因子能够有效表征储层的渗透性,识别含气煤储层。提出将流体活动因子与高精度匹配追踪算法相结合,充分发掘已有叠后地震数据信息,在高精度地震信号时频分解的基础上,建立含气煤层与地震波衰减的联系,求取流体活动性属性,实现高精度煤层气“甜点”识别。该方法忠实于地震数据,不受构造及层序解释的影响,能客观反映煤层的含气性。理论模型试算和在沁水盆地煤层气勘探中的实际应用证明了该方法的可行性及有效性。      

基于ABC-BP模型的煤层含气量预测

煤层含气量预测是煤层气资源勘探开发利用前期的重要研究内容之一。近些年,BP神经网络算法常用于煤层含气量预测领域,但传统BP模型在训练过程中往往存在收敛速度慢、对初始值敏感以及易陷入局部极小值等问题。为此,提出了一种改进的以人工蜂群算法为特征的BP神经网络预测方法。以沁水盆地某工区3号煤层为研究对象,首先,利用R型聚类分析法对目标煤储层所提取的多种类型的地震属性进行分类,优选出4种对煤层含气量变化反应最敏感且相互独立的地震属性;再利用人工蜂群算法(ABC)寻找BP神经网络的输入层与隐含层的最优连接权值和隐含层的最优阈值,构建具有鲁棒性的ABC-BP神经网络预测模型,并以井位置优选地震属性和含气量数据为样本训练该模型;最后,以整个工区目标储层的优选地震属性为输入,进行工区内煤层含气量的预测。预测结果与各井含气量的变化趋势基本吻合,其中,训练井处的平均误差率为0.23%,验证井处的误差率低于15%,预测精度较高,因此,该预测方法可靠性高,适用性强,可有效用于煤层含气量预测。      

Mechanical properties and permeability evolution of gas-bearing coal under phased variable speed loading and unloading

It is of great significance for the analysis and prediction of coal-gas outburst disasters to understand the mechanical properties and permeability evolution of coal and rock under conditions of stope stress evolution. In this study, mechanical tests were conducted on gas-bearing coal under four stress paths, including conventional triaxial compression (CTC), phased variable speed triaxial compression (PVSTC), unloading confining pressure (UCP), and phased variable speed unloading confining pressure (PVSUCP), simultaneously measuring the permeability in mechanical tests. The mechanical properties and permeability evolutions in gas-bearing coal under four different stress paths were compared. The obtained results show that the deviatoric stress-strain curves of gas-bearing coal under four stress paths could be divided into five stages: compaction, linear elasticity, plastic deformation, stress drop, and residual stress stage. The permeability-strain curves under four stress paths could also be divided into five stages: fast drop, slow decrease, slow increase, sharp increase, and slowed growth. Compared to the CTC conditions, the peak strain and strength of coal under PVSTC conditions increased. Furthermore, the stress drop and energy release under PVSTC were more intense at the moment of instability failure. Compared to both loading paths, the coal was damaged more rapidly under unloading paths and the damage was stronger. Additionally, among both unloading paths, the time required for the failure of coal under PVSUCP was shorter than that under UCP, while the damage under PVSUCP was stronger. The strength characteristics of the gas-bearing coal under PVSTC and PVSUCP still met the Mohr–Coulomb criterion. This preliminary study has guiding significance for the understanding of the co-occurrence mechanisms of coal-gas outburst disasters.     

矿井瓦斯评价与预测的构造动力学方法

通过对矿井瓦斯赋存的构造控制、构造应力场演化及构造煤结构演化与瓦斯特性耦合机理的综合分析,认为当前在矿井瓦斯赋存、分布规律及突出危险区带的有效预测方面的研究还有待深入。在汲取前人研究成果的基础上,提出矿井瓦斯突出的构造动力学评价与预测的思路及方法,即以区域构造-矿井构造-煤层变形-构造煤结构-瓦斯特性及其相互作用机理分析为总体思路．将现代构造地质学理论和方法引入矿井构造研究,并与模糊综合评判、灰色系统、分形理论、数值模拟和计算机技术相结合,以揭示构造煤发育、分布规律及其构造动力学控制机理,系统进行不同类型构造煤瓦斯特性研究,探讨不同结构构造煤的含气性、透气性和气体赋存状态,以构造煤分布特征作为瓦斯突出危险性评价与预测的基础,建立矿井瓦斯突出预测预报的构造动力学评价方法体系。     

不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化特征

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性及其劣化规律,利用自主研发的含瓦斯煤岩动静组合加载试验系统对含瓦斯煤开展冲击压缩试验,结合CT扫描系统分析了含瓦斯煤内部裂隙的扩展演化规律,并基于不同初始瓦斯压力下冲击煤样内部裂隙率增量定量表征了其细观损伤程度,探讨了冲击荷载作用下含瓦斯煤宏观力学参量劣化规律。研究结果表明：（1）冲击荷载作用下含瓦斯煤动态应力-应变曲线无明显压密阶段,分为线弹性阶段、塑性硬化阶段和破坏阶段,并发现随初始瓦斯压力升高,冲击煤样峰值强度、峰值应变和弹性模量均出现弱化现象;（2）瓦斯加剧了煤体内部裂隙的扩展和贯通,并根据CT扫描结果发现,含瓦斯煤冲击破坏模式主要以劈裂和层裂破坏为主,随初始瓦斯压力升高,两种破坏模式越显著,煤体内部裂隙数量及其损伤程度逐渐增大,空间裂隙网络更为复杂;（3）基于细观层面定义了损伤变量,得其值随初始瓦斯压力升高呈现二次函数上升,对比冲击载荷作用下煤体动态强度与以裂隙率增量定义损伤程度所得理论强度,验证了细观层面煤体裂隙率增量定义损伤变量的合理性,建立了含瓦斯煤细观劣化与宏观参量损失的内在联系。研究成果丰富了含瓦斯煤动力学基础理论,为矿井煤岩瓦...     

Mechanical properties and permeability evolution in gas-bearing coal–rock combination body under triaxial conditions

With the development of deep mining in recent years, coal and gas compound dynamic disasters become increasingly serious. In this study, uniaxial and triaxial compression tests were conducted on gas-bearing coals, coal–sandstone combined bodies and coal–mudstone combined bodies and the permeabilities in the triaxial tests were measured simultaneously. The mechanical behavior and seepage characteristics of coals and coal–rock combination bodies under triaxial conditions were compared in details. The results show that the peak strength among three samples is: coal–sandstone combined body > coal–mudstone combined body > coal. If other conditions were held constant, the strength and the elastic modulus of all specimens show that tendency increases with the increment of the confining pressure or with the decrease in the gas pressure. The strength characteristics of all three specimens met the Mohr–Coulomb criterion, and the residual strength has an increasing trend with the increase in confining pressure. The permeability evolutions of gas-bearing coals and coal–rock combination bodies which are determined by the crack propagation in the coals and rocks are not exactly the same. This preliminary study is intended to deepen our understandings of the mechanisms of coal–gas compound dynamic disasters and provide theoretical bases for their predictions.     

沁水盆地煤样静水压力下渗透率实验及模型分析

为研究沁水盆地煤样渗透率演化规律,构建了煤样渗透率测定的瞬态压力脉冲法实验装置,使用N2和CO2在实验室开展了3种试验条件的渗透率测定,应用Connell模型对实验结果进行分析,并讨论了模型预测值和实验值之间差别的原因。结果表明,（1）在恒定孔压变围压条件下渗透率随有效应力增大而减小;在等有效应力条件下,渗透率随孔压增大而减少;在恒定围压变孔压条件下,随孔压增大,渗透率呈先减小后变大的趋势。（2）运用Connell模型预测的恒定围压变孔压条件的渗透率值大于实验值,原因可能是由于裂隙压缩性系数和吸附应变系数存在估计误差。通过开展实验室渗透率实验和模型分析,对指导实验室内二氧化碳封存和气体驱替实验及其模拟研究具有借鉴意义。     

沁水盆地寺家庄区块煤储层含气性及产能控制因素

为研究沁水盆地东北部煤层气成藏特征与产出控制因素,基于寺家庄区块煤层气勘探和生产资料,从地质构造、煤厚与煤层结构、埋深和水文地质特征等方面研究了煤层含气性影响因素,并结合压裂排采工艺和煤体结构等因素探讨了煤层气井产能控制因素。结果表明:(1) 研究区煤储层含气性受构造影响较大,在褶皱的轴部及旁侧构造挤压带,多呈现出高含气量,尤其是向斜轴部。在陷落柱和水文地质条件叠加作用下,15号煤层含气量整体较8、9号煤层低,且8、9号煤层含气饱和度也整体高于15号煤层。(2) 8、9和15号煤层含气性均表现出随煤层埋深增加而增大的趋势,但随埋深增加,构造应力和地温场的作用逐渐增强,存在含气量随埋深变化的“临界深度”(700 m左右)。煤层含气性也表现出随煤层厚度增加而增大的趋势,煤层结构越简单,煤层含气性越好。(3) 研究区中部的NNE?NE向褶皱与EW向构造叠加地区,因较大的构造曲率和相对松弛的区域地应力,具备较好渗透率条件和含气性,故成为煤层气高产区。(4) 发育多煤层地区采用分压合采技术可以有效增加产气量,多煤层可以提供煤层气井高产能的充足气源,且多个层位的同时排水降压可使不同煤储层气体产出达到产能叠加,实现长期稳产,含气性较好及游离气可能存在的区域可出现长期持续高产井。