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图1 不同模型对损失瓦斯量的估算结果
图2 超前损失瓦斯量随钻进深度的变化规律
在国家自然科学基金项目（批准号：51325403、11402293、51974304、52274240）等资助下，中国矿业大学周福宝教授团队解决了煤矿井下钻孔取芯瓦斯损失量估算不准确的理论难题，研发出煤层瓦斯含量快速精准测定仪，为煤矿监管监察和现场瓦斯防治提供了一种核心技术装备。研究成果形成1项国家能源行业标准NB/T 11328-2023《煤层瓦斯含量井下一站式自动化测定方法》（国家能源局公告〔2023年第5号〕）。
瓦斯是我国煤矿的主要灾害之一。煤层瓦斯含量测定结果失真可能导致瓦斯危险性误评价从而引发灾害事故。瓦斯含量测定的准确性很大程度上取决于钻孔取芯损失瓦斯量的估算是否合理。然而，煤基质孔隙结构具有高度非均质性、煤矿井下取芯工艺复杂多样、不同矿区煤样差异较大，这导致传统损失瓦斯量估算主要依靠半经验公式拟合，误差可达30%以上，且测定耗时长。亟需更为科学地构建煤层瓦斯运移动力学模型，快速精准预测煤矿井下钻孔取芯瓦斯损失量。
该研究团队首次基于分数阶微积分理论建立了煤基质瓦斯解吸的反常扩散动力学模型，揭示了瓦斯在微孔隙内的缓慢扩散过程遵循时间和空间的亚扩散机制，突破了传统均匀孔隙模型只能预测煤样暴露初期瓦斯快速扩散过程的理论难题（图1）。此外，研究团队考虑煤体卸压裂隙通道造成瓦斯渗漏这一现象，首次提出瓦斯“超前损失量”概念，构建了煤层赋存条件下钻进过程温度-应力-瓦斯渗流多场耦合模型，定量阐明了钻进摩擦热效应对煤层瓦斯解吸特性的影响机制以及钻进过程中瓦斯超前损失量的动态演化规律（图2），为更加准确测定煤层瓦斯含量提供了新的理论基础。研究成果发表在《煤炭学报》《Journal of Natural Gas Science and Engineering》《International Journal of Heat and Mass Transfer》等国内外期刊上。
在解决上述核心科学问题的基础上，研究团队提出了煤层瓦斯含量井下一站式自动化精准测定方法，研发了具有自主知识产权的CHW12型煤层瓦斯含量测定仪，将瓦斯含量测定时间由十余个小时缩短至30min以内，误差降低至5%以内，实现了基础研究的应用转化。近年来，作为国家矿山安全监察局监管执法关键设备，成功应用于山西全省高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井的瓦斯参数普查工程。据悉，该技术装备已在100余座煤矿推广应用，覆盖全国17个省（市）、自治区，产生了显著的经济效益和广泛的社会影响力。