取芯过程中煤芯温度分布特征模拟研究*

针对取芯过程瓦斯解吸受煤芯的温度影响不明,造成煤层瓦斯含量测不准的问题,开展对取芯过程煤芯温度分布特征研究。采用自主研制的取芯管自动测温装置在赵固二矿原生结构煤层（f=1.71）进行深度20 m的取芯试验,获得取芯管管壁温升变化规律,变化曲线分为4个阶段:缓慢上升、加速上升、减速上升、缓慢下降阶段;应用COMSOL建立含瓦斯煤传热模型,将管壁的温度变化设置为边界条件,模拟取芯过程煤芯与管壁之间的热交换。结果表明:在取芯时间30 min内,煤芯平均温度快速上升,之后上升速度趋于平稳;在煤芯内,相同时刻,等间距的轴向与径向距离,径向较轴向的温度梯度较大,径向传导快于轴向传导;取芯过程煤芯径向温度Ta与径向距离d、时间t满足指数函数关系。研究结果可为测定取芯过程煤芯的瓦斯损失量提供参考依据。     

密闭液封堵条件下的瓦斯解吸规律实验研究

瓦斯严重威胁着煤矿的安全生产,煤层瓦斯解吸规律与矿井瓦斯灾害关系非常密切。本文首先提出了密闭液封堵条件下的瓦斯解吸实验原理,制定了相应的实验方案;然后,开展了密闭液封堵条件下的煤芯瓦斯解吸规律实验;最后,进行了密闭液封堵煤芯瓦斯的现场取芯试验。研究结果显示,与自由状态下解吸相比,密闭条件下的瓦斯解吸量呈现不同程度的降低,效果显著;在取芯过程中,密闭液能够包裹煤芯,该测定技术所获得的煤芯瓦斯解吸量与残存量之和,比普通煤芯取样法平均提高了9%。因此,利用该技术所测得的煤层瓦斯含量,其可靠性与准确率更高。     

深孔定点快速取样技术在瓦斯含量测定中的应用效果考察

煤层瓦斯含量是煤与瓦斯突出矿井区域措施效果检验的重要参数之一,而目前我国大多数突出矿井采掘工作面经预抽煤层瓦斯后进行瓦斯含量测定时,采用孔口接粉的方式采集煤样,往往导致采样时间不满足相关标准要求,测定结果的准确性和可靠程度偏低。基于此现状,开发研制了深孔定点快速取样装置,通过在河南某矿己15煤层24080回采工作面区域措施效果检验中的考察试验,与孔口接粉的取样方法进行了对比,考察结果表明,深孔定点快速取样时间小于5 min ,上向孔最大取样深度达93 m、下向孔最大取样深度达75 m ,实现了回采工作面大孔深快速取样,基于深孔定点快速取样的瓦斯含量测定结果的准确性和可靠性更高。     

含瓦斯煤低温取芯过程煤芯温度变化规律实验研究

为避免现有的煤层瓦斯含量井下测定方法在取样过程中出现瓦斯损失量较多的情况,提出了低温(0℃及以下)取芯的方法。煤芯温度是影响取芯过程瓦斯损失量的主要因素,使用自制模拟装置,对含瓦斯煤低温环境取芯过程温度变化规律进行了实验研究。研究结果表明:在定量冷冻剂的条件下,保持初始吸附平衡压力不变,随着外加热源热量输出强度的增加,煤芯在低温环境(0℃及以下)持续时间和升温时间均减小,降到所需低温环境的速度很快,均在8 min以内;保持外加热源热量输出强度不变,改变初始吸附平衡压力,煤芯温度降至所需低温环境时间在8 min以内,且低温环境持续时间都能稳定在130 min以上。在实验过程中,煤芯温度呈"U"形变化,经历快速下降、低温维持、温度回升3个阶段。     

不同取样方式对煤层瓦斯含量测定的研究分析

快速实现原位取样是准确测定煤层瓦斯含量的基础,为研究不同取样方式对瓦斯含量测定的影响,以淮南潘二煤矿11223工作面为例,对比深孔定点取样与孔口接粉取样方式下取样效果,并对采取的煤样利用直接法进行瓦斯含量测定对比分析。结果表明:深孔定点取样装置满足现场取样要求,且采用深孔定点方式取样可提高瓦斯含量测定准确性。     

瓦斯含量快速测定技术应用研究

煤层瓦斯含量是煤与瓦斯突出矿井区域措施效果检验的重要参数之一,目前我国测定煤层瓦斯含量的周期较长、测定步骤复杂,基于煤的瓦斯解吸扩散数学物理模型得到瓦斯含量快速测定模型并将模型内置于CWY50煤中瓦斯含量测定仪中。研究表明,煤层瓦斯含量与瓦斯解吸动力学特征参数有较好的线性相关关系,采用瓦斯含量直接测定与快速测定相结合的方法确定出线性回归系数,并在贵州大湾煤矿X11101工作面进行应用。实践表明:与DGC型井下直接测定结果相比,煤层瓦斯含量快速测定仪最大误差为5.84%,能够满足高瓦斯突出煤层瓦斯含量测定需求。     

损失瓦斯量与煤的破坏类型关系研究

损失瓦斯量是准确获取煤层瓦斯含量的基础数据。通过实验室测定和不同损失量计算模型的对比分析,表明采用 传统的t法和幂函数法获取损失瓦斯量时,Ⅱ类、Ⅲ类和Ⅳ类煤符合性较好,误差小于20%,I类煤和Ⅴ类煤的损失瓦斯 量误差为25%~31%;煤中孔隙结构的差异是误差产生的原因,I类煤中原生孔隙占多数,Ⅴ类煤的孔隙受构造影响最大, 其它类型煤的孔隙结构介于I类煤和Ⅴ类煤之间;对于I类煤和Ⅴ类煤,采用表征原生孔隙和构造孔隙双孔隙特征的模型 获得的损失瓦斯量误差低于10%。研究结论对煤层瓦斯含量测定具有重要意义。     

煤层瓦斯含量测定过程气成分差异研究

煤层瓦斯成分是煤矿瓦斯灾害防治和煤层气资源开发利用的基础参数。不同测试方法或不同测试阶段煤层瓦斯成分的较大差异给生产实践带来较大困扰和使用上的不便。通过对以往地面和井下瓦斯(煤层气)含量测试结果中气成分的数据分析,研究了气成分在瓦斯含量测定不同测试阶段的差异及其影响因素。结果表明,瓦斯含量脱气法测定过程中开罐分选和破碎煤样对气成分测定结果的差异有显著影响,当经过加温脱气后的瓦斯罐进行开罐分选、破碎煤样时,空气中N_2、CO_2和O_2等迅速占用煤样空闲吸附位,而扣除空气过程只能扣除球磨罐内游离的空气以及被吸附的少部分,导致粉碎后气体成分中N_2和CO_2体积分数增加。为消除上述影响,提出了煤芯全程密闭式瓦斯含量测定方法,并研制了现场取样和实验室球磨粉碎煤芯两用的全程密闭式瓦斯解吸罐,该技术方法实现了煤芯在现场装罐后直至脱气结束的全程密闭测定,可有效避免因测定过程中开罐、倒罐引起前后的气成分差异。现场应用表明,该方法可大幅缩小煤芯粉碎前后气成分中甲烷体积分数的差异,提高瓦斯含量测定结果的准确度。     

基于探采对比的煤层瓦斯含量分析及预测

针对新建矿井地勘瓦斯含量测值偏低和井下实测瓦斯含量较少的特点,结合工程和科研实践,提出了利用大量的工作面瓦斯涌出量反演煤层原始瓦斯含量技术和基于探采对比的煤层瓦斯含量预测方法。以邹庄井田32煤层为研究对象,在考虑瓦斯抽采情况下计算3204工作面瓦斯涌出量,并反演该工作面煤层原始瓦斯含量。通过对比采掘过程中获得的瓦斯含量和地勘瓦斯含量,得到不同钻孔深度时的地勘瓦斯含量修正系数,并采用瓦斯地质研究方法对32煤层分3个单元进行瓦斯含量预测。结果表明:32煤层瓦斯含量整体呈现"东部大于西部,北部大于南部"的规律,与临近矿井具有相似的瓦斯赋存规律。这表明利用探采对比的方法预测煤层瓦斯含量是可靠的。     

冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究*

为探究冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性,基于模拟试验的相似性,依托自主研发的含瓦斯煤冷冻取芯响应特性测试平台,开展不同变质程度煤样（长焰煤、贫瘦煤、无烟煤）及不同吸附平衡压力（1.0,2.0,3.0,4.0 MPa）下冷冻取芯过程煤芯瓦斯解吸特性试验研究。研究结果表明:冷冻取芯过程中,煤芯瓦斯解吸量与吸附平衡压力及煤变质程度呈正相关关系;在煤芯瓦斯解吸过程中存在倒吸现象,煤与瓦斯初始吸附平衡压力越大,煤的变质程度越高,倒吸开始时间越迟;冷冻取芯过程中,瓦斯解吸速度与吸附平衡压力及煤变质程度呈正相关关系,且瓦斯解吸速度随吸附平衡压力及煤变质程度变化曲线符合幂函数关系。     

煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用研究

为了研究煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用,采用煤体中瓦斯总量守恒的原理研究瓦斯含量与瓦斯积聚内能的基本方程和影响因素;分析煤与瓦斯突出产生的力学条件和机理,建立了煤与瓦斯突出危险程度的矩阵图。结果表明:瓦斯含量是煤体瓦斯内能最直接的反应,其值大小决定瓦斯内能的大小;瓦斯压力梯度、煤体的断裂韧性及煤体内的裂隙发育程度决定着瓦斯突出的危险性,低渗透性构造煤对瓦斯运移阻力较大,容易形成较大的瓦斯压力梯度,从而更容易发生煤与瓦斯突出。煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力、地应力越大,煤体的强度、渗透率越小,越容易发生突出。煤层瓦斯情况、力学性能、地质构造和煤层的应力状态是决定煤与瓦斯突出的主要因素。     

下向测压钻孔封孔技术研究

目前复杂煤层赋存条件下下向钻孔测定煤层瓦斯压力普遍面临钻孔封孔效果不理想、煤层瓦斯压力测定失败、钻孔进水损坏压力表等问题。针对此,提出了一种新的测压封孔技术即联合持续增压二级封孔测压技术,阐述了该工艺的基本原理,配制了新型发泡水泥和封孔粘液,并进行了工业性试验。试验结果表明,应用该项技术能够有效地动态封堵发育中的裂隙从而实现准确快速测压。     

瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑数值模拟

反循环气力排屑是顺层钻孔的新技术，可以提高瓦斯抽采钻孔的成孔深度与成孔率，采用CFD-DEM耦合方法对瓦斯抽采钻孔反循环气力排屑过程进行数值模拟，研究了排屑气速、煤屑生成量对气力排屑性能和气力排屑系统压降的影响。研究结果表明:排屑气速较低时，煤屑在重力的作用下在钻杆内堆积，易导致钻杆堵塞，为保证顺利排屑，需要较大的排屑气速；随着煤屑生成量的增大，对气力排屑性能影响不大，但钻杆内煤屑的体积分数增大，煤屑-煤屑，煤屑-钻杆之间的碰撞加剧；气力排屑系统的压降与排屑气速、煤屑生成量均呈正相关，综合考虑能耗因素，在保证顺利排屑的前提下，应选择合适的排屑气速。     

构造煤承压过程瓦斯渗透特性实验研究

构造煤具有瓦斯含量高、渗透率低等特征,是瓦斯抽采和灾害预防的难点。在采用“二次成型”法制取原煤样试件的基础上使用自行设计的“三轴应力瓦斯渗透性模拟实验装置”通过“应力-渗透性”实验,针对构造煤原煤试件不同瓦斯压力条件下的应力加、卸载过程的瓦斯渗透规律进行了研究。实验结果表明:加载阶段,随着加载应力的增大渗透率降低,初期阶段降幅最为急剧,围压升到3 MPa时,渗透率均下降近65%;卸载阶段渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后渗透率只恢复到初始值的25%;同样的应力条件下,煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力的增加,渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而增大。实验结果可为构造煤“卸压增透”效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

Safety line method for the prediction of deep coal-seam gas pressure and its application in coal mines

Gas pressure is an important index for evaluating the outburst risk and determining the gas content in coal seams. It is recommended to predict coal-seam gas pressure of the workface at deep levels before extending mining activities to deeper levels. According to the prediction results, measurements are taken for gas outburst prevention and control and for workload estimation. At present, regression methods are always used to process the numerous gas pressure data for prediction. Because there are many factors that influence the gas pressure which could lead to a deviation from actual values, the measured data do not possess basic conditions for regression methods; this can cause unexpected dangers if the methods are adopted.Based on a statistical analysis of actual measured results of coal-seam gas pressure in a same geological section in certain coal mine, two symbol measured points are selected to make a line for prediction, i.e. safety line, and the other measured points should be below the line except the abnormal points due to the confined water. It has been successfully applied in numerous coal mines in China. Particularly, this method is analyzed in this paper for the case of the No. 8₂ coal seam in the Taoyuan coal mine in Huaibei coalfield, China. By comparatively analyzing the relationship between gas pressure and depth from surface using regression methods, it is found that the safety line method could lead to a better prediction for deep coal-seam gas pressure, and therefore promote early warning ability and mining safety.     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题，提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度，增加煤体透气性，从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法，分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理，确定爆破影响半径为4.5~5.3 m，并在A110605工作面进行现场应用，同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后，平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍，平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍，煤层透气性系数提高了近5.3倍，煤层卸压增透效果显著，很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性，为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

立井揭煤前测定煤层瓦斯压力的方法与实践

为了解决复杂环境下立井揭煤前煤层瓦斯压力的可靠测定,基于揭煤井筒瓦斯地质特征、煤岩体物理力学性质,应用COMSOL软件模拟揭煤工作面在接近目标煤层时,井筒周围煤岩的地应力分布特征,直观展现了目标煤层中的应力分布结果。模拟结果表明,立井工作面距煤层的垂直距离为7 m时,煤层中会形成一个近似于环形的卸压圈,卸压半径为16 m,因此煤层瓦斯压力测试孔的终孔位置应布置在井筒中心线16 m以外的原始地应力区,以保证测压点瓦斯压力不受揭煤井筒卸压区的影响,令测压结果准确可靠,从而更好地预测煤与瓦斯突出区域的危险性。同时,结合立井揭煤工作面的水文地质特征和井筒严重淋水情况,自主研发并应用了瓦斯测压孔"两堵一注"封孔材料及特定的封孔工艺,进一步保障了封孔质量和瓦斯压力测试结果的可靠性。最后,依据测压结束时测压管内的实际水压情况,对测压结果进行修正,并依据实测瓦斯含量,采用间接法对所测得的瓦斯压力进行验证,实测值在反算得到的瓦斯压力值域内,表明此方法有效可行。     

综采面高压注水联合高压喷雾二级防尘技术研究

综采工作面的粉尘防治一直是煤矿安全工作的重点和难题之一。结合双鸭山矿区新安矿综采工作面的实际状况,采用现场煤层高压注水实验方法,研究了高压注水条件下煤体增湿的规律;运用注水实验数据进行反演数值试验,优化煤层高压注水数学模型内部参数,利用注水数值模拟试验确定了综采工作面煤层高压注水减尘技术的最优参数;运用了高压喷雾降尘效率模型数值模拟方法,分析确定了综采工作面采煤机外置高压喷雾降尘的最优参数,研发了孔径为1.2 mm的7孔高压集成喷嘴。新安二矿、三矿煤层高压注水联合高压喷雾二级防尘技术应用效果表明:通过二级联合防尘措施,工作面全尘去除率高达96%,呼吸性粉尘去除率高达94%。     

综采面高压注水联合高压喷雾二级防尘技术研究

综采工作面的粉尘防治一直是煤矿安全工作的重点和难题之一。结合双鸭山矿区新安矿综采工作面的实际状况,采用现场煤层高压注水实验方法,研究了高压注水条件下煤体增湿的规律;运用注水实验数据进行反演数值试验,优化煤层高压注水数学模型内部参数,利用注水数值模拟试验确定了综采工作面煤层高压注水减尘技术的最优参数;运用了高压喷雾降尘效率模型数值模拟方法,分析确定了综采工作面采煤机外置高压喷雾降尘的最优参数,研发了孔径为1.2 mm的7孔高压集成喷嘴。新安二矿、三矿煤层高压注水联合高压喷雾二级防尘技术应用效果表明:通过二级联合防尘措施,工作面全尘去除率高达96%,呼吸性粉尘去除率高达94%。