冲击倾向性煤体失稳破坏电荷感应问题试验研究

为了探究煤样冲击倾向性与煤样破裂电荷感应关系,利用自主研发的多通道电荷感应监测系统,开展单轴压缩条件下不同冲击倾向性煤样电荷信号规律的试验研究,对不同冲击倾向性煤样破坏全程电荷信号分布趋势以及电荷相关参量分别进行定性和定量分析。结果表明:煤样破裂过程的应力-电荷变化具有一致性,加载初始阶段电荷信号稳定,应力突降阶段电荷信号变化显著;不同冲击倾向性煤样,电荷信号变化规律有所不同;强冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰前的临近峰值应力阶段,弱冲击倾向煤样电荷信号在应力峰前和峰后均有,无冲击倾向煤样电荷信号主要集中在应力峰后的软化阶段;煤体冲击倾向性越强,应力峰后累积电荷量越小,单位时间电荷量越大;因此,可以通过电荷信号的分布以及电荷相关参量的量化分析,初步判断煤体冲击倾向,为冲击地压动力灾害的预测提供理论依据。     

煤与瓦斯突出热动力学过程试验研究

为进一步加强煤与瓦斯(甲烷)突出等矿山重大灾害预测预报的工作,开展煤与瓦斯突出全过程热动力现象研究。将煤样破碎后在煤与瓦斯突出相似模拟试验台内加压成型,开展不同粒径煤样的吸附、解吸及突出试验,获取试验过程中的煤体温度变化数据。结果表明:煤与瓦斯突出过程中煤体温度随时间的演化关系近似符合自然对数函数;煤样粒径对煤体温度变化有显著影响,煤样粒径越小,在吸附解吸瓦斯时温度变化量就越大、变化速度也更迅速。通过分析煤与瓦斯突出试验结果及能量关系得出,煤的粒径很大程度上决定了瓦斯吸附能力及瓦斯内能,瓦斯内能又很大程度上决定了煤与瓦斯突出强度。     

煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响研究

为研究煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响,模拟分析不同条件(埋藏深度、煤层厚度和煤体强度)下的应力、瓦斯压力和煤体塑性变形区的分布及变化。结果表明,随埋藏深度的增加,工作面前方应力峰值及应力梯度、瓦斯压力梯度、塑性变形区及塑性应变量等随之增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越高;随煤层厚度的增加,工作面应力峰值、应力梯度逐渐减小,出现应力峰值的位置越远离工作面,瓦斯卸压带、瓦斯排放带、塑性变形区越逐渐增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越小;随煤体强度的升高,工作面前方应力梯度、瓦斯压力梯度随之增大,塑性变形区和塑性应变值随之减小,煤与瓦斯突出危险性越来越小。     

考虑煤体粒度的落煤瓦斯涌出预测模型研究*

为了探究不同煤体粒度对于工作面瓦斯涌出的影响规律,以王家岭煤矿为研究对象,通过现场测试分析采落煤与放落煤的粒度分布,采用数值模拟计算不同粒度煤体的瓦斯涌出特征;并推导采落煤和放落煤的瓦斯涌出预测模型,对模型进行现场应用。研究结果表明:王家岭煤矿采落煤粒度分布范围更广,存在较高比例的微小粒度和大粒度煤体;煤体粒度越小,则瓦斯涌出速度越快。采落煤和放落煤的综合涌出强度均可以用指数函数来描述,模型计算结果与现场实际数据误差在合理范围内。     

基于钻杆推力法结合钻杆位移预测围岩应力的研究

为准确预测矿井冲击地压的发生规律,基于钻杆推力法结合钻杆位移理论,建立钻杆力学模型,利用新型钻削设备,结合钻削采集测试试验。根据试验数据绘出在不同围压轴压下推力、位移随时间的变化曲线,对应力变化进行预测。根据建立动力学模型及公式推导进而得出预测冲击地压的规律,通过测试钻杆推力估算煤体应力的大小,进而预测冲击地压的危险性。研究结果为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。     

水分对不同变质程度煤瓦斯放散初速度的影响研究

为研究不同质量分数水分对煤体瓦斯放散特征的影响规律,选取3种不同变质程度的典型煤样,测试了水分作用下的煤体瓦斯放散初速度,并结合扫描电镜和压汞法研究了煤体孔裂隙分布特征,阐明了水分对煤体瓦斯放散初速度的微观影响机理.结果表明:水分对煤体瓦斯放散初速度起到了明显的抑制作用,煤阶越高,水分的影响程度越大;水分对褐煤、烟煤和无烟煤瓦斯放散初速度影响规律的差异性与煤体孔隙分布有关;随水分质量分数增加,褐煤瓦斯放散初速度表现为先快速降低后缓慢减小,烟煤△p呈线性衰减,无烟煤则表现为先小幅降低后急剧下降.     

基于D-P准则的煤层钻孔封孔深度分析

为了确定合理的煤层钻孔封孔深度,提高瓦斯抽采效果,基于D-P屈服准则,提出关于中间主应力、煤岩剪膨胀的巷道开挖模型,推出钻孔周围煤体应力应变及钻孔封孔深度表达式。结合工程实例,以煤巷掘进工作面平均瓦斯抽采浓度和钻屑量为基础进行封孔深度的验证。研究结果表明:中间主应力、残余黏聚力、内摩擦角和剪胀角对于封孔深度有重要影响;在一定区间内,钻孔封孔深度随中间主应力的增大而增加,超过某个值后会随着中间主应力的增加而减小;剪胀角越大,扩容系数越大,钻孔封孔深度越大;平均瓦斯抽采浓度和钻屑量测试结果验证了封孔深度的准确性。     

钻屑暴露时间误差对解吸指标△h2误差的影响

钻屑瓦斯解吸指标△h2是预测煤与瓦斯突出的重要方法之一.通过分析钻屑瓦斯扩散的过程,建立了钻屑瓦斯扩散的数学物理模型,推导出了钻屑解吸指标△h2的解析解.对钻屑瓦斯放散量随时间的变化规律,△h2的绝对误差和相对误差随钻屑暴露时间误差的变化规律进行了研究.结果表明:钻屑瓦斯放散量随放散时间的增长而增加,且增加幅度随时间逐渐减小；△h2的绝对误差和相对误差都随钻屑暴露时间误差的增大而增加.因此,暴露时间的准确性对获得真实的△h2至关霞要.     

钻屑瓦斯解吸指标K_1影响因素理论分析

工作面突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出的一个重要环节,提高预测指标测定的准确性对于减少"低指标突出"现象,保证安全生产有重要意义。钻屑解吸指标K1是工作面煤与瓦斯突出预测的重要指标之一。基于扩散理论和钻屑瓦斯解吸指标K1物理意义建立了K1的数学表达式,根据该式研究了瓦斯压力、损失时间、煤粒粒度、扩散系数对K1的影响。结果表明:钻屑解吸指标K1与瓦斯压力呈幂指数关系;相同条件下,损失时间越长测得的K1越小,并且钻屑的粒度越小表现越明显;扩散系数表征瓦斯绕过微孔和煤基质的能力,相同条件下扩散系数越大测得的K1越大;煤粒粒度对K1的影响较大,现场测定过程中煤粒粒度组成对获得真实的K1和准确的临界值至关重要。     

取芯管取芯过程管壁温度变化特性试验*

为给冷冻取芯过程中瓦斯解吸模拟试验提供依据，依托自主研制的取芯管管壁温度自动采集装置，研究不同取芯深度及煤体破坏类型下取芯过程管壁温度变化特性。结果表明:在原生结构煤中取芯时，取芯过程管壁温度变化主要分为3个阶段，即稳定不变阶段、快速上升阶段与缓慢下降阶段，分别对应进钻、取芯与退钻过程；在构造煤中取芯时，管壁温度变化可分为缓慢上升阶段、快速上升阶段与缓慢下降阶段，分别对应进钻、取芯与退钻过程。在构造煤中，取芯深度越大，取芯管管壁升温幅度越大，取样过程中管壁温度峰值越大，且在取芯过程中，取芯管管壁温度传感器B1，B2，B3存在温升滞后现象；同一取芯深度，煤体破碎程度越大，取芯管管壁升温幅度越小，取芯结束时取芯管管壁温度越低。     

基于响应面法的煤矿钻孔随钻超声成像仪器受力部件优化设计*

摘要:为研制适用于煤矿瓦斯抽采钻孔、满足施工强度要求的小尺寸随钻超声成像仪器，对随钻超声成像仪器的关键受力部位——超声探头安装孔进行优化设计，分析煤矿瓦斯抽采钻孔的一般规格，建立超声探头安装孔的三维模型，确定关键参数类型及其取值范围，采用极差分析法找到对受力部件强度影响较大的参数，基于响应面法开展有限元数值模拟，运用Box-Behnken设计方法得到超声探头安装孔关键参数与仪器受力部件性能指标的关系，优化受力部件关键参数的数值。结果表明:优化前最大的等效应力为138.6 MPa，优化后受力部件最大等效应力较优化前降低9.05%。结论验证了设计方法的有效性，为煤矿抽采钻孔随钻测井仪器的研制提供思路。     

自进式高压水射流超短半径水平钻进技术研究

高压水射流径向水平孔钻进技术是水平孔施工技术之一,它是在垂直瓦斯抽放或煤层气勘探钻孔布置机械或水力扩孔装置,对准选定的煤层部位进行扩孔.扩孔后下入特制的转向工具在300mm的曲率半径内实现由垂直转向水平.自进式钻头由旋转喷嘴、钻屑整和装置、推力提供装置等组成.自进式钻头带动为其提供高压水动力供应的特制胶管向前连续钻进.高压水通过高压胶管为自进式钻头提供动力进行钻进、推力及排渣.该技术可以使用同一垂直钻孔,在不同煤层内完成多个水平钻孔.这些径向水平钻孔的形成沟通了新的瓦斯流动通道,从而大幅度提高瓦斯抽放效率.     

深部开采钻孔校验中钻进速度对钻杆转速影响的试验研究

通过对钻孔过程中的钻头破煤机理及影响钻杆转速变化的因素进行理论分析，提出了钻进速度与钻杆转速的对应变化关系，并利用钻进装置、加载装置及自主研制的钻孔多参量测试装置进行试验分析，验证了利用钻杆转速法测定煤体应力大小的可行性，同时对不同钻进速度下钻杆转速的变化规律进行研究。结果表明:在钻头、钻杆、煤岩体参数及钻孔前钻杆空转转速一定时，钻杆转速与钻进速度大致呈现负指数的函数关系，钻进速度越小，钻杆转速越大，反之，钻杆转速越小。研究钻进速度对钻杆转速的影响，可以减少利用转速指标对冲击地压等动力灾害的预测误差，实现高效预警。     

特厚煤层综放工作面多参量监测预警分析

根据某矿12220工作面特厚煤层综放开采,穿越F16逆冲断层的特殊情况,为保证安全生产及时提供预警信息,采用微震、钻屑量、支架阻力、地表变形多种监测手段综合分析回采过程中的参量变化规律。结果表明:微震活动的峰值能量周期约为3 d,回采间距约为4.5 m,且断层下盘较上盘的微震事件能量更集中;钻屑量的统计分析发现最大值出现在上巷下帮7～11 m和下巷上帮9～11 m范围内,划定该区域为巷帮高应力集中区,并将平均钻屑量3 kg/m作为黄色预警临界值,3.5 kg/m作为红色预警临界值;另外,根据支架前、后柱阻力变化情况,划定了2个连续变化的高压力区,发现在初撑力偏低,甚至不接顶、虚顶情况下,支架梁顶部煤体受自重和构造应力作用易发生准脆性受拉断裂破坏,且在穿越逆冲断层的回采过程中,支架阻力峰值呈现由中下部向上部转移的变化规律;最后,通过对地表走向、倾向测点的变形量数据进行统计分析发现,走向面后84.9～284.8 m范围内下沉量较大,下沉速率增幅明显;而工作面倾向中部下沉量最大,整体下沉变形呈二次抛物型,其中下部下沉速率增幅明显。     

不同粒度煤的瓦斯解吸扩散规律实验研究

为了证实和完善极限粒度理论,制备了煤粒度毫米级至厘米级(>10 mm)的5种粒度煤样,利用H-Sorb 2600T高温高压气体吸附分析仪对不同粒度的煤样进行等温吸附-解吸实验,并采用动扩散系数模型计算了煤粒瓦斯解吸扩散系数,分析不同粒度煤的扩散系数变化特征。研究结果表明:粒度毫米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大呈现逐渐减小的趋势;粒度厘米级煤样单位瓦斯解吸量和瓦斯解吸率随粒度的增大降幅较小;煤粒度在毫米级范围内,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大快速下降;煤粒度为厘米级时,初始有效扩散系数D0e和平均有效扩散系数Dae随粒度的增大基本保持不变;极限粒度理论正确可靠,煤的极限粒度小于10 mm。     

平煤十矿底板巷穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为了降低平煤十矿己15-16-24130工作面运输巷掘进中的突出危险性，基于实际工程背景，考虑瓦斯抽采中的瓦斯运移及煤岩变形等因素，建立了瓦斯抽采气固耦合模型，并利用COMSOL Multiphysics软件对平煤十矿己15-16煤层的底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案进行数值模拟，研究了瓦斯抽采对于降低掘进过程中突出危险性的影响。研究结果表明:在己18煤层开挖底板巷对己15-16煤层进行穿层钻孔瓦斯抽采，瓦斯抽采180 d后，己15-16-24130工作面运输巷附近煤层残余瓦斯压力及瓦斯含量分别降至0.315 MPa和3.84 m3/t；将底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案进行工程应用，实测抽采后的残余瓦斯压力及瓦斯含量在0.32 MPa和3.17 m3/t，均小于平煤十矿煤与瓦斯突出防治规定的“双6”指标（残余瓦斯压力小于0.6 MPa，残余瓦斯含量小于6 m3/t），可有效降低运输巷掘进过程中的突出危险性。     

棱状钻杆应用于松软突出煤层钻进强度匹配研究

为解决棱状钻具的强度匹配问题,应用实体设计和数值分析软件,建立不同结构棱状钻具力学分析模型,对其进行强度分析,优化棱状钻具结构。分析结果表明,常规棱状类钻具整体强度匹配不合理,丝扣位置存在受力薄弱点,安全系数较低且整体分布不均衡。可采取加大接头直径、优化接头及棱边结构、应用摩擦焊接工艺等技术手段提高棱状钻具整体强度;改进后的棱状钻杆,整体安全系数分布均衡、波动小,钻杆整体力学性能得到了有效的提高。通过工程应用,解决了煤矿复杂条件煤层钻孔施工丢钻、断钻频繁的被动局面,平均深度超过了设计深度,钻进效率提高20     

特殊地质条件下深钻孔排渣技术及应用

针对特殊地质结构及远距离下行钻孔孔内残留钻屑量大,排渣困难,钻孔有效利用率低,抽采效果不理想等不利影响,结合现有悬浮剂资料,配置一定密度的悬浮液并进行排渣技术试验。试验结果表明,悬浮液排渣能够排出钻孔中残留的钻屑,清洗钻孔,避免钻屑填埋煤层段,延长钻孔有效深度,提高瓦斯抽采效果,浅钻孔瓦斯抽采纯量提高27%,抽采浓度提高8%,深钻孔瓦斯抽采纯量提高110%,抽采浓度提高340%。为特殊地质结构下深钻孔排渣工作提供一定的参考依据。     

煤与瓦斯突出两相流传播特性实验研究*

为了探究煤与瓦斯突出后煤粉-瓦斯两相流传播规律,利用自主搭建的煤与瓦斯突出管网实验系统,研究突出后冲击气流压力衰减规律、煤粉运移分布特征。结果表明:在初始压力为0.4 MPa时共突出煤粉3.12 kg,管道内煤粉质量呈正态分布,管道前部煤粉分布较少,占突出煤粉质量33.7%,多为小粒径煤粉;管道中部煤粉分布最多,占突出煤粉质量61%,粒径分布范围广;后部煤粉分布质量最小,仅占突出煤粉质量的5.3%,但多为大颗粒粒径煤粉。煤粉在管道内测点处依次为分层流、均匀流、大颗粒流3种流态,每种流动形态所对应的运移速度与煤粉打击压力均呈现逐渐衰减的规律。突出后冲击气流压力沿管道呈现衰减趋势,冲击气流对管道内所造成的压力扰动可持续 4 s左右。