瓦斯抽采二次膨胀封孔材料膨胀机理及应用研究

为降低瓦斯抽采漏气，开发了1种具备后期膨胀的二次膨胀材料（DE），以水泥基材料为对比样，利用自制的膨胀力测试装置，以XRD和SEM分别表征其膨胀力及微观结构。研究结果表明:相比水泥基材料，DE材料的膨胀力明显，并表现出显著的时间效应，且DE材料的膨胀力随约束刚度增大而增大；水化1 d时， DE材料较水泥基材料生成更多的钙矾石（AFt）晶体；随着DE材料水化，AFt晶体不断增多，且水化7 d后AFt晶体发生延迟膨胀，这是引起DE材料后期膨胀的主要因素；工程应用表明DE材料可提高瓦斯抽采浓度及纯量，有效改善抽采效果。     

延迟型膨胀剂对水泥基封孔材料性能的影响研究

为解决水泥基封孔材料在煤矿封孔应用中产生收缩变形问题,现以水泥浆材料为基料,利用微胶囊技术对铝粉膨胀剂进行改性处理,通过单因素试验确定环境温度,并在所确定环境温度下利用正交试验研究不同芯/壁质量比、水灰比,微胶囊掺量条件下延迟型膨胀剂对封孔材料膨胀、抗压性能的影响。结果表明:芯/壁质量比1.5:1,水灰比0.5,环境温度35℃,掺入4‰改性膨胀剂封孔材料膨胀性能最佳。较基准组延迟膨胀4h,膨胀率终值为15%,抗压强度在膨胀剂的影响下没有明显降低,并保持良好的强度性能。1d抗压强度2.3MPa,3d强度14.6MPa,7d强度21.2MPa,28d强度31.7MPa。     

基于瓦斯抽采关键封孔参数及新型封孔材料应用研究

针对煤层瓦斯抽采封孔参数选取不合理,传统封孔材料封堵钻孔周边裂隙效果差等主要问题,采用数值模拟、实验室试验及工程实践等多种手段,分析不同封孔方式的漏气效果,研究封孔时效性对瓦斯抽采的影响,完成最优实验配比及性能测试,验证了现场瓦斯抽采效果。结果表明:全封孔方式抽采效果优于半封孔,合理控制封孔时效性,钻孔周边围岩破坏减少,封孔效果提高;正交试验确定材料最优配比即复合早强剂0.3%、复合缓凝剂0.5%、膨胀剂0.03%、水灰比1.2;试样周围充斥着交叉、贯通的“网状结构”钙矾石,且呈现多而密的粗棒状结构;材料具备塑性变形特性,持续变形量大;与矿方原封孔材料相比,新型封孔材料封孔后瓦斯抽采浓度提高193.3%,抽采周期明显延长,抽采效果显著提高。     

一种早强型注浆封孔材料的制备与性能研究

针对矿井复杂环境对封孔材料使用性能提出的要求，通过引入２-丙烯酰胺基-２-甲基丙磺酸（AMPS）复合三乙醇胺（TEA）作为有机早强组分，氯化钠（NaCl）、硫酸钠（NaSO4）为无机早强组分，模拟井下高湿环境,,通过正交试验并利用热失重分析（TG）、X射线衍射分析（XRD）及扫描电子显微镜（SEM）等研究手段考察了早强剂的制备与性能。研究结果表明:当掺量为氯化钠0.5%，硫酸钠0.5%，三乙醇胺0.05%，AMPS1.0%时，早强效果最显著。封孔材料1 d抗压强度为5.5 MPa，3 d抗压强度为9.7 MPa，7 d抗压强度为13.9 MPa，分别比基准组强度提高了323%，137%和167%。     

囊袋式带压封孔工艺在顺层瓦斯抽采钻孔中的应用

配制了具有膨胀性、密实性更好的新型封孔材料,采用"两堵一注"原理,以贵州中岭煤矿11083工作面顺层瓦斯抽采钻孔为例,进行了新型封孔材料囊袋式带压封孔效果对比考察。结果表明,囊袋式带压封孔工艺简单、快捷,瓦斯抽采体积分数可维持在50%以上,瓦斯抽采纯流量基本稳定在0.024 2 m3/min左右,较矿井原有聚氨酯封堵注入水泥浆封孔工艺,其瓦斯抽采效果提高1倍左右,封孔效果显著提升,具有较强的推广价值。     

胶囊-聚氨酯联合封孔测压技术的研究与应用

基于现有封孔测压技术的分析,提出一种胶囊-聚氨酯联合封孔测压技术。该技术利用弹性封孔胶囊和聚氨酯材料形成两级封堵,强化封孔质量,减少钻孔暴露时间。通过现场对比试验,结果表明,该技术能够快速、有效完成钻孔的封堵,实现快速测压,相对于现有的水泥砂浆封孔测压法,其具有测压准确度高、耗时短、成本低等优点,可较好的满足煤层瓦斯压力测定的需求。     

一种早强膨胀延迟封孔材料制备及性能研究

针对矿井水泥封孔材料硬化过程体积收缩及加入膨胀剂导致强度下降的问题,基于硅酸盐水泥,以聚丙烯酰胺为囊壁,包覆铝粉形成膨胀剂微胶囊,与铝酸钠、氯化钠、硫酸钠、三乙醇胺、2-丙烯酰胺基-2-甲基丙磺酸(AMPS)为主要成分的复合早强剂联合使用,制备一种可达到早期强度与膨胀要求的矿用封孔材料;通过膨胀性能、抗压强度等测试,利用X射线衍射(XRD)分析法与扫描电子显微镜(SEM)等手段,研究外加剂对水泥封孔材料性能的影响。研究表明:当氯化钠掺量(占水泥质量的百分比)为0.5%、硫酸钠0.5%、三乙醇胺0.05%、AMPS1%、铝酸钠1%、铝粉微胶囊0.1%,1天抗压强度达到4.2 MPa,3天抗压强度达到6.7 MPa,膨胀时间延迟4 h,膨胀率达到19.32%,可实现强度与膨胀协调发展。     

新型硫酸锂复合早强剂对煤矿封孔水泥早强效果的影响研究

为缩短煤矿封孔注浆材料的候凝时间,以煤矿注浆封孔硅酸盐水泥为研究对象,在Li2SO4单掺早强效果研究的基础上,将锂盐与有机物进行复配。通过正交实验考察了高湿环境中不同组成和配比下,Li2SO4复合早强剂对于封孔水泥早强效果的影响。结果表明,Li2SO4与聚羧酸和三乙醇胺复配新拌混凝土后流动性良好,当该复配早强剂的组成为硫酸锂1.0%,聚羧酸0.03%,三乙醇胺0.3%,掺量为胶体总质量的1.3%时,可使注浆封孔水泥早期强度提高最为显著,1d抗压强度提高到556%,3d抗压强度提高到157%。     

不同冲击速度下硬煤的力学特性试验研究

为了研究硬煤破坏过程中的动态力学特性，采用Φ50 mm变截面分离式霍普金森压杆（SHPB）试验系统，对45#钢制薄壁套筒施加环向约束的硬煤试件进行不同加载速率的冲击压缩试验，得到被动围压下轴向应力-应变曲线、径向应力-应变曲线及最大被动围压和冲击速度的关系。研究结果表明:峰值应力、峰值应变随着冲击速度的增大而增大，最大被动围压值与冲击速度呈幂次增长的关系；被动围压下的硬煤试件变形受到限制，试件延性、抗压能力显著提高；随着冲击速度的增大，薄壁套筒对试件的约束也逐渐增大，达到峰值后，冲击速度对被动围压的影响减小，筒壁厚度影响着被动围压效果。     

热电厂炉渣作为煤矿膏体充填材料的配比试验研究

为了寻求既满足充填工艺要求又能够降低成本的新型充填材料，通过一系列试验，研究了热电厂粉煤灰/炉渣比例、膏体质量浓度和水泥含量等因素对膏体充填材料性能的影响规律，据此确定了材料最优配比。结果表明:随着粉煤灰/炉渣比例的增加，坍落度、扩展度和充填体强度均呈现先较大幅度增加然后又缓慢减小的变化趋势，料浆泌水率呈近似负指数规律降低；随着质量浓度的增加，坍落度、扩展度及泌水率均随之显著变小，充填体强度近线性增大；随着水泥含量的增加充填体强度随之显著增大，坍落度、扩展度和泌水率均呈现缓慢减小的变化趋势；材料的最优配比为粉煤灰、炉渣和水泥的质量比为 20∶48∶6，质量浓度为 74%，此时料浆流动性和充填体强度完全符合充填开采基本要求。     

松散煤岩体钻封注耦合注浆锚固机理与试验研究

针对松散煤岩体巷道钻孔成孔困难、锚固力低的问题，提出了钻封注分次注浆时空耦合加固方法，实现了钻孔内“全长封孔+带压注浆”，分析了钻封注分次注浆加固技术原理，研发了自钻锚杆、封孔及加固注浆材料，其封孔材料具有膨胀性大、强度大和凝固时间快等特点，注浆加固材料具有速凝早强、流动性好、固结效果好及强度较高等优点。研究结果表明:全长封孔后带压注浆，浆液扩散半径大，钻封注锚杆锚固力相对于数脂锚固提高1倍以上，表明钻封注分次注浆加固技术具有较高的应用价值。     

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。     

高位钻孔不同封孔方法质量检测及其优选

为优选出高位钻孔最佳的封孔方式，通过理论分析给出钻孔漏气6种表现形式，并推导出钻孔漏气量及漏风率的计算公式，进而基于不同钻孔深度瓦斯浓度及抽采负压的变化率确立钻孔漏气位置、漏气量、漏气率等封孔质量定量判定指标体系。结合封孔质量探测结果、操作难易程度及经济成本建立封孔方法优劣的多因素评价方法，并对聚氨酯式常压封孔（方法1）、囊袋式注浆带压封孔（方法2）、钻屑回填式注浆带压封孔（方法3）3种方法进行综合评价分析。研究结果表明:方法1～3的封孔段平均瓦斯浓度分别为5.6%，3.2%及8%，方法1对应的瓦斯浓度与抽采负压均出现突降，方法2对应的抽采负压在8～14 m出现突降，方法3则较稳定。故判定三者封孔质量为钻屑回填式＞囊袋式＞聚氨酯式，结合成本分析和操作难易综合分析确定高位钻孔的最优封孔方式为钻屑回填式注浆带压封孔。     

煤体初始瓦斯涌出规律预测煤巷突出危险性研究*

为提高煤巷突出危险性预测的准确性,基于摩尔库伦准则,建立煤巷突出平衡方程,探究煤巷突出发生条件;通过COMSOL Multiphysics模拟软件探究钻孔瓦斯涌出量和瓦斯压力的关系;利用ZTL20/1000-Z型矿用隔爆型连续流量法煤层巷道突出预测装置,以薛湖煤矿二煤层为试验对象,进行煤巷突出危险性预测试验研究。结果表明:钻孔瓦斯涌出量与瓦斯压力呈线性关系,钻孔初始瓦斯流量可以作为预测煤巷突出危险性的敏感指标;最大流量峰面积、钻屑量和钻孔瓦斯涌出初速度变化趋势基本相同,且最大流量峰面积取值范围较广;最大流量峰面积突出临界值取值为59.30 (L·m2)/min。     

易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术数值模拟研究

针对松软煤层瓦斯抽采钻孔稳定性差、钻孔形变较大、钻孔及周围煤体漏风严重等造成钻孔密封难的技术难题,提出了预先采用加固技术来提高松软煤层瓦斯抽采钻孔的稳定性,合理的解决钻孔高效密封的现实难题。首先,阐述了易失稳瓦斯抽采钻孔加固技术的基本原理。其次,利用FLAC3D模拟软件对比分析了松软煤层、硬质煤层在不同固孔材料固化后钻孔周围位移场变化。研究表明:采取固孔措施后的钻孔相比措施前等值线分布稀疏,梯度较小,不同位置处的煤体的位移量差别较小。钻孔形成后,顶部位移量均大于底部位移量,左右两帮的位移量基本相同,有效的降低钻孔周边煤体的位移变化量,增强钻孔稳定性,为钻孔的高效密封提供了保障。     

考虑水渗流作用的顺层抽采模拟及参数优化研究

为研究水渗流作用对顺层钻孔抽采的影响，为抽采工艺参数优化提供理论依据，建立了考虑水渗流场的气水两相流固耦合方程，并利用COMSOL Multiphysics软件对赵庄矿1309工作面顺层钻孔的抽采负压与钻孔间距进行参数优化。研究结果表明:随着抽采时间增加，煤层水压与水相相对渗透率均快速下降后趋于稳定不变，气相相对渗透率先升高后不变，煤层瓦斯压力在抽采过程中逐步降低；抽采负压改变对煤层相对渗透率几乎无影响；在相同预抽时间里，抽采影响半径与抽采负压呈指数函数关系，抽采负压由15 kPa提高到27 kPa，可降低煤层瓦斯压力，有效影响半径扩散明显，超过27 kPa变化不再明显；钻孔间距设置为4.5 m可在预抽期内满足抽采要求且节约施工成本。     

煤岩体巷道壁面钻孔减震吸能性能研究

为了掌握瓦斯爆炸冲击载荷在煤岩巷道壁面钻孔下的传播衰减规律,揭示煤岩巷道壁面钻孔减震吸能机理,提高巷道系统的安全稳定性能,基于一维平面应力波理论和节理刚度模型分析了煤矿井下巷道围岩钻孔的减震吸能机理,解释了煤岩壁面钻孔的存在对应力波传递的减弱和阻隔作用。为了深入研究巷道壁面钻孔的减震吸能性能,利用ANSYS/LS- DYNA建立方形巷道模型,模型壁面设置有钻孔,针对巷道右壁面和顶板布置相应监测点,对瓦斯爆炸冲击载荷作用下巷道壁面钻孔的减震吸能性能进行了数值模拟。结果表明:由于介质的非连续性和不同介质之间特性存在差异,煤岩体巷道壁面钻孔有效消减了钻孔后煤岩体质点中波的强度及速度,具有一定的减震吸能作用。研究煤岩巷道壁面钻孔在冲击载荷作用下的减震吸能性能,为研究瓦斯爆炸冲击载荷对巷道系统安全性和稳定性提供依据。     

基于面积法优化缓倾斜煤层揭煤钻孔布置方式

为解决缓倾斜煤层石门揭煤过程中钻孔施工工程量大、抽采周期长、抽采效果不佳等问题,在对比分析前人提出的钻孔优化理念基础上,提出面积法优化缓倾斜煤层揭煤钻孔布置方式,并利用层次分析法,分别从安全可靠性、施工工程量、钻孔均匀性、工程投资、建设工期等5个指标对3种方案进行考察,优选出最佳揭煤实施方案.同时,通过COMSOL软件...