瓦斯学术：精选2024年9篇综述，洞见矿井瓦斯研究新进展

看点导读

随着2024下半年的到来，瓦斯研究领域也迎来了新的学术高峰与技术革新。在这个充满挑战与机遇的全新阶段，瓦斯学术板块精选了9篇2024年最新的研究综述，从动力灾害物理模拟相似材料研制、高瓦斯煤层爆破增透、瓦斯含量测定与智能预测、复合灾害与防控预警、瓦斯抽采与负压调控、瓦斯水合固化及其力学作用等几个角度梳理了前沿热点与未来趋势。在新起点上，愿这些研究为大家指引前行的方向，助力大家共同踏上瓦斯学术探索的新征程，开启一段充满深度与创新的研究之旅。

       物理模型试验在相似理论的指导下,在实验室能够重现动力灾害的灾变过程,利用实验室获得的数据来反演灾变过程多场演化规律,揭示煤岩动力灾害灾变机理,为探索精准防控和预警技术提供理论支撑,从而保证深地重大基础工程安全、高效地运行。而相似材料的合理选型及配比是相似试验有效性的重要前提。袁亮院士等围绕深地多相多场耦合孕灾环境下煤与瓦斯突出等典型煤岩动力灾害物理模型试验目标,从材料配比体系、性能评价方法、试验应用效果等方面系统梳理了国内外灾变地层模拟材料研制的历史脉络,提出材料研制存在的问题及面临的科技挑战,并进行了展望。

图1 模拟材料研制领域共现知识图谱

图2 灾变地层模拟材料研制的关键节点

图3 灾变层模拟材料的多相多场响应需求

图4 灾害地层模拟选取的典型材料

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袁亮,马衍坤,黄勤豪,陈佩圆,罗吉安,龚彦华,王庆平.煤岩动力灾害模型试验灾变地层模拟材料研制现状与展望[J/OL].中国矿业大学学报. 

https://doi.org/10.13247/j.cnki.jcumt.20240329m

       爆破增透技术是提高瓦斯抽采效率的重要手段，作为一种重要的卸压增透措施在高瓦斯矿井中被广泛应用。刘泽功等分析了煤层爆破增透的机理，建立了考虑动态抗压（拉）强度和理想爆轰条件下的爆破致裂煤岩体的数学模型，反演了不同地应力工况下爆破孔壁及其周围应力分布状态，阐述了我国煤层爆破增透技术的发展历程及研究进展，总结了近几十年来出现的煤层爆破增透技术类型，提出了煤层爆破增透技术未来的发展趋势与展望。

图5 爆破增透技术分类

图6 深孔预裂爆破物理试验典型试验流程

图7 不同本构模型爆破仿真效果图

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刘泽功，乔国栋，刘健，高魁．我国煤层爆破增透技术研究进展及展望[J/OL]．煤炭学报. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2024.0811

      二氧化碳相变爆破因其安全可控、能量易调节等优点成为煤岩体致裂的有效手段之一。袁永等深入分析了二氧化碳相变爆破致裂的机理、讨论了相变爆破致裂影响因素、列举了相变爆破致裂的工程应用，展示了这一新兴技术在改善复杂煤层瓦斯抽采效果方面的潜力。针对相变爆破致裂应从多速率冲击破碎、损伤破坏多尺度分析、致裂过程多物理场耦合及延时相变爆破技术等方向进一步扩展研究，拓宽二氧化碳相变爆破应用场景。

图8 二氧化碳相变爆破原理

图9 相变爆破装置

图10 不同冲击作用下致裂机理

图11 相变爆破应力气体协同致裂过程

图12 相变爆破致裂多场耦合特征

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袁　永，陈忠顺，梁小康，等. 二氧化碳相变爆破致裂机理与应用研究进展[J]. 煤炭科学技术，2024，52（2）

DOI：10.12438/cst.2023-1842

       准确测定瓦斯含量是瓦斯灾害预防的基础。孙四清等总结了瓦斯含量测定技术的发展，着重分析了如何通过新型测定设备提高测量精度，以应对复杂煤层条件下的瓦斯灾害防控。

图13 煤矿井下绳索取心结构

图14 正负压联合取样装置结构

图15 “三筒单动”密闭取样装置结构

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孙四清，杨　帆，郑玉岐，等. 煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展[J]. 煤炭科学技术，2024，52（4）：164−176.

DOI:10.12438/cst.2024-0170

       与此同时，薛生等从智能化角度出发，探讨了基于机器学习的煤与瓦斯突出预测方法，指出通过引入人工智能技术，能够显著提升预测模型的精确度和实时性，进一步推动瓦斯灾害防控的智能化进程。这些研究共同表明，智能化与精准测定技术的结合将成为瓦斯灾害防控中的重要趋势。

图16 算法中的指标分布

图17  预测中算法使用频次及指标分布

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薛生，郑晓亮，袁亮，等. 基于机器学习的煤与瓦斯突出预测研究进展及展望[J]. 煤炭学报，2024，49(2)：664−694..

DOI：10.13225/j.cnki.jccs.ST23.1693

       瓦斯灾害往往伴随复合性问题，如煤自燃耦合突出、冲击地压耦合突出等。张志刚等系统总结了煤与瓦斯突出的复合动力灾害预警系统，并指出现有系统在多灾害耦合情况下的不足，未来发展应加强基于大数据和智能算法的预警技术。

图18 复合灾害集成监测多参量框架

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张志刚，张庆华，刘军．我国煤与瓦斯突出及复合动力灾害预警系统研究进展及展望[J/OL]．煤炭学报. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.2023.1079

       秦波涛等聚焦采空区瓦斯与煤自燃复合灾害的防控技术，阐述了多种灾害防控技术的集成应用，并指出当前在应对多灾害叠加时，复合防控技术还需进一步完善。这类复合灾害的研究为提高预警和防控技术的精准性和可靠性提供了方向。

图19 瓦斯与煤自燃之间的共生模型

图20 煤自燃与瓦斯复合灾变实验系统

图21 多元信息融合复合灾害的监测预警技术架构

图22 采空区惰化抑爆技术

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秦波涛，马东．采空区煤自燃与瓦斯复合灾害防控研究进展及挑战[J/OL]．煤炭学报. https://doi.org/10.13225/j.cnki.jccs.ST23.1624

       瓦斯抽采技术是瓦斯灾害防控的核心部分，而定向长钻孔技术在其中占据重要地位。李泉新等系统地探讨了定向长钻孔瓦斯抽采中的负压变化规律，详细分析了负压对瓦斯抽采效果的影响及其衰减机制。并指出负压的智能调控与多参数监测是未来提升瓦斯抽采效率的关键。随着煤矿深部开采需求增加，优化抽采负压和实施智能调控系统能有效提高瓦斯抽采的安全性和效率。

图23 抽采参数动态调控方法

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李泉新，程卓尔，方俊，等. 定向长钻孔瓦斯抽采负压变化规律及监测控制技术研究进展[J]. 煤田地质与勘探，2024，52(8)：1−12. doi: 10.12363/issn.1001-1986.24.05.0284

       瓦斯水合固化技术提供了新的瓦斯灾害治理方法，吴强等系统探讨了煤体中瓦斯水合固化的力学作用，揭示了固化过程中如何提升煤层稳定性，减少瓦斯泄漏的风险。该研究方向将力学与化学结合，进一步探索了通过改变煤体结构来控制瓦斯逸出的可能性，为未来的瓦斯防控手段提供了新思路。

图24 瓦斯水合固化防突技术思路示意

图25 应力−渗流−化学耦合作用含瓦斯水合物煤体三轴试验系统

图26 含瓦斯水合物煤体三轴压缩试验模拟

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吴强，张保勇. 煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展[J]. 煤炭学报，2024，49(2)：720−738.WU Qiang

DOI：10.13225/j.cnki.jccs.ST23.1482

结语

上述9篇综述论文从动力灾害物理模拟相似材料研制、高瓦斯煤层爆破增透、瓦斯含量测定与智能预测、复合灾害与防控预警、瓦斯抽采与负压调控、瓦斯水合固化及其力学作用等几个角度展示了2024年瓦斯研究的新方向和技术进展。这些研究显示，瓦斯灾害防控正在向着更精准、智能化、多维度发展的趋势迈进。期望这些内容能为读者提供启示，助力瓦斯领域在学术研究与工程实践中的进一步探索和创新。

“瓦斯10点”瓦斯学术板块将持续关注瓦斯学术研究进展，为各位读者带来业内研究最新进展。