混合煤样中软分层对煤与瓦斯突出的影响

在单一煤体吸附瓦斯的基础上,选用某煤矿硬煤和软煤,按照不同的厚度比进行分层混合,模拟煤层中软分层。运用Langmuir单分子层吸附理论,对混合煤样中软分层的吸附性质及其存在对煤与瓦斯突出的影响进行了研究。实验中利用自行研制的高压瓦斯吸附仪,对不同厚度比的混合煤样吸附瓦斯气体的等温吸附曲线、吸附常数a、b进行了实验分析,并得出了吸附量随压力的变化形态和吸附常数a、b随硬煤和软煤厚度比的变化形态。分析结果发现在软分层与其上覆硬煤层厚度近似相等时,发生突出的危险性最大,并通过理论分析说明了软分层的存在,煤层易发生煤与瓦斯突出的原因。可为煤与瓦斯突出机理的研究提供理论基础和思路。     

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。     

不同瓦斯压力条件下煤样的爆碎特征研究

为验证煤与瓦斯突出过程中产生大量碎煤与含高压瓦斯煤在突然卸载时所发生的"爆碎"现象有关,分析碎煤的粒径分布规律,自主设计煤的爆碎特征测试实验装置,通过在不同煤矿取原煤样在不同瓦斯压力下进行爆碎特征实验,研究煤爆碎的基本规律。研究结果表明:在瓦斯压力作用下且瓦斯压力足够高时,所有含高压瓦斯煤在气压突然卸载后都能发生爆碎;不同煤样发生爆碎的瓦斯压力临界值不同,坚固性系数越大,煤样发生爆碎的最小瓦斯压力值越大,其爆碎后的碎煤粒径服从威布尔分布;同一煤样,瓦斯压力越大,碎煤在累积筛下率为63. 2%时的特征粒径值越小,粉煤所占比重越大,爆碎越严重。     

不同煤粒粒级配比下的煤与瓦斯突出实验研究

根据煤与瓦斯突出"综合假说"理论,煤的物理力学性质在突出过程中扮演着重要的角色。利用大型煤与瓦斯突出模拟试验台为工具,选用粒径为5-10目、10-40目、40-80目,以及5-10目和10-40目不同粒级配比下的煤粒,在相同实验参数条件下制作成突出煤样,并分别进行煤与瓦斯突出模拟实验。结果表明:煤层吸附瓦斯是放热过程,煤体温度会不断增加,突出过程则正好相反。煤体的破碎程度越大(粒径越小),突出危险性程度就越高、发生突出的强度就越大;但突出强度大并不一定表现为粉碎率高,原因在于煤的破碎程度越高,进一步破碎的难度就越大,要达到相同破碎率所需的能量就越大。     

粒状煤和块状煤等温吸附CH4试验研

为探究不同尺寸煤样吸附瓦斯特性的差异,以漳村矿3#煤为研究对象,利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展粒状煤和块状煤的等温吸附试验,测定不同吸附压力下的吸附量和变形量。试验结果表明:在相同的吸附平衡压力下,吸附量随煤样粒径的增大而减小;粒状煤吸附瓦斯的能力大于块状煤,原因是粒状煤的有效比表面比块状煤大,增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。块状煤的变形量随吸附平衡压力而增大,但增加量逐渐减小。经讨论分析可知:煤体吸附膨胀变形是煤基质吸附膨胀和气体压力压缩共同作用的结果;粒状煤测定的吸附常数应用到煤层数值模拟中会引起一定的误差。     

水分润湿过程中煤中瓦斯解吸规律试验

为了深入探讨水分对煤中瓦斯解吸特性的影响,采用试验和理论分析相结合的方法,按照原煤的固有粒度配比加工制作型煤,充分干燥后使其吸附平衡以模拟原始煤体,然后利用自制的试验装置实现水分自然进入含瓦斯煤,再测试水分润湿含瓦斯煤过程中样品缸内的瓦斯压力变化情况。结果表明:水分润湿含瓦斯煤过程中样品缸内瓦斯压力不断升高,水分能置换出煤中吸附瓦斯;相同吸附平衡压力下,煤样含水率越高,水分占据的有效吸附位越多,累计瓦斯解吸量越大,当煤样含水率达到煤的极限吸水率时,累计瓦斯解吸量达到极限值;同一含水率条件下,随吸附平衡压力增长,煤样吸附饱和度逐渐增加,水分越难进入煤体内部细微孔隙,造成累计瓦斯解吸量逐渐增加,但增幅逐渐减小,随吸附平衡压力不断升高,极限瓦斯解吸量趋于一定值。     

瓦斯压力对煤与瓦斯射流突出能量的影响

瓦斯压力是煤与瓦斯突出的主要动力源,其与突出能量的关系尚不明确。将煤与瓦斯突出视为煤-瓦斯气固两相射流突出,在分析煤与瓦斯射流突出过程的基础上,建立了煤与瓦斯射流突出数值模型,给出了突出能量表达式。通过理论分析、数值模拟相结合,得到了瓦斯压力对煤与瓦斯突出能量、突出强度、瓦斯涌出量等参数的影响规律。结果表明,突出发生时,突出能量具有波动性,即以突出口为界存在能量集聚骤升区和能量释放衰减区。能量集聚骤升发生在突出孔洞至突出口段,瓦斯-煤两相流突出速度成倍增大;能量释放主要发生在突出口附近和巷道中,瓦斯-煤两相流突出速度逐渐减小。煤与瓦斯射流突出产生强烈涡旋,在顶板、底板处尤为显著,与现场观察到的突出后顶板有摩擦和划痕、底板突出煤粉有分选现象一致。瓦斯压力与突出能量间呈线性增加关系,与突出强度和瓦斯涌出量均呈幂指数增加关系。计算得到的煤与瓦斯射流突出能量量级与前人结论基本吻合,结果可为煤与瓦斯突出能量预测提供参考。     

水分自然侵入促进含瓦斯煤解吸效应实验研究

为定量研究水分自然侵入对含瓦斯煤解吸促进影响效果,利用自制的“高压吸附-水分自然侵入-数据自动采集”实验系统,对不同水分含量自然侵入含瓦斯煤后的瓦斯压力变化进行了连续监测。结果表明:水分侵入后依靠竞争吸附能置换出吸附瓦斯,从而促进含瓦斯煤瓦斯解吸,其促进效果与煤样含水率相关;当煤样含水率由2%增至12%时,瓦斯置换量由2.18ml/g增至4.48ml/g,瓦斯置换率由11.48%增至23.83%,煤样吸水饱和前,含水率Mad与瓦斯置换量Q和置换率η之间满足Q=1.695Mad/(1+0.3Mad)和η=8.85Mad/(1+0.29Mad)关系模型,煤样吸水饱和时,水分对瓦斯解吸的促进效果达到极限值;工程应用中可利用水分对瓦斯解吸的促进影响效应进一步提高瓦斯抽采率。     

初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯含量关系研究

基于初始释放瓦斯膨胀能理论,根据突出模拟实验中发生突出时初始释放瓦斯膨胀能的临界值以及初始释放瓦斯膨胀能与瓦斯压力的关系,结合朗格缪尔方程,得出初始释放瓦斯膨胀能与煤层瓦斯含量的关系.该方法只需通过少量实验,就可以快速、准确得出煤样的初始释放瓦斯膨胀能,解决了通过瓦斯压力实验得出煤样初始释放瓦斯膨胀能测压周期长,特别是在地质破碎,裂隙发育的矿区很难准确测出瓦斯压力的难题.这一研究成果对石门揭煤和煤巷掘进中的突出预测具有重大意义.     

煤粒瓦斯解吸温度变化影响因素及与突出的关系研究

基于扩散理论和热力学基本原理建立了瓦斯解吸过程温度变化公式,以及温度变化与瓦斯膨胀能、瓦斯解吸量的关系式,在此基础上研究了煤粒粒度、瓦斯压力、吸附常数a、扩散系数对解吸过程温度变化的影响及温度变化与煤与瓦斯突出的关系.结果表明:随煤粒粒度减小,瓦斯压力、瓦斯含量增大,扩散能力增强,瓦斯解吸引起的温度下降幅度增大.随解吸过程中温度降低,瓦斯解吸量、瓦斯膨胀能呈明显增大趋势,由此可见,解吸过程中温度下降幅度越大,煤层煤与瓦斯突出危险性越大.     

人工神经网络在煤与瓦斯突出预测中的应用

由于煤与瓦斯突出发生机理的复杂性,传统预测方法的应用受到很大的限制,而人工神经网络理论以其高度非线性映射的特性为解决这一问题提供了新的途径。以突出预测指标为基础,利用多层反向传播神经网络(BP网络)模型实现对突出危险性的预测。实例分析表明,模型精度很高,可用于工作面煤与瓦斯突出危险性的预测。     

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。     

石门揭煤工作面煤与瓦斯突出预测的理论分析

目前,我国石门揭煤工作面突出事故仍时有发生。为了研究石门揭煤工作面煤与瓦斯突出(以下简称"突出")预测问题,首先,根据工作经验指出我国《防治煤与瓦斯突出规定》中2种预测方法(综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法)存在的不足,即预测指标缺乏理论依据、临界值往往难以通过试验考察确定;其次,建立了石门揭煤工作面突出预测的物理模型,认为突出主要是爆破卸压增渗与瓦斯渗流产生的剪应力达到了煤体的剪切强度所致(突出的必要条件而非充要条件);第三,采用变分法求解强非线性一维平面瓦斯渗流偏微分方程,获得包括非线性特性的自模拟解(近似解析解);最后,利用自模拟解等建立了石门揭煤工作面突出预测的临界条件,得到了瓦斯压力的临界值p0max与煤的坚固性系数f的平方成正比的结论。介绍了俄罗斯现行防突指南中的临界条件(p0max1.4f2)及有关情况,建议作为综合指标法等的辅助指标用于石门揭煤工作面突出预测,也可供斜井、立井揭煤工作面突出预测参考。     

无烟煤对超临界态CH4-CO2气体吸附特性研究*

为探究无烟煤对超临界态CH4-CO2混合气体的吸附特性,采用重量法开展无烟煤对纯CH4与纯CO2气体、3种体积浓度CH4-CO2混合气样的超临界等温吸附实验,应用过剩吸附理论和Langmuir单层吸附理论,通过校正绝对吸附量、计算吸附相密度、煤的比表面积以及测定吸附平衡后游离态气体组分,探究由亚临界状态到超临界状态下无烟煤吸附纯CH4、纯CO2以及混合气体的吸附相密度变化特征、混合气吸附特征以及吸附分子层数。研究结果表明:煤对纯CH4与纯CO2、混合气体过剩吸附量随着压力增大呈现出先增大后减小的峰值型曲线;CH4绝对吸附量随吸附压力增大不断增大,接近CH4临界压力时,绝对吸附量缓慢增加并趋于稳定。低压下CH4在煤颗粒中以单层吸附为主;超过临界压力后出现表面局部2层吸附的现象;1~3 MPa 时,CO2在煤颗粒中即表现出2层吸附为主的现象,随压力增大甚至出现局部4层吸附的现象,煤颗粒对CO2有更大的吸附能力。     

注气条件对CO2置换驱替CH4影响的实验研究*

为研究不同注气压力与注气温度对CO2置换驱替煤层CH4的影响规律,利用Materials Studio分子动力学模拟软件,通过煤体在2元组分混合气体间的竞争吸附量、竞争吸附热及能量分布等变化规律,从微观研究煤吸附CH4与CO2之间的机理,并利用物理实验平台,选用3种高变质程度煤进行注CO2置换驱替CH4实验。结果表明:同一种变质程度煤,随着注气压力或注气温度的增大,置换率呈增长趋势、驱替比呈下降趋势、CO2突破时间变短;相同注气压力与注气温度时煤的变质程度越高,置换效率越大、驱替比越小、CO2突破时间越长。并且注气压力对于CO2置换驱替CH4的效果要优于注气温度。     

煤吸附硫化氢混合气体的试验研究*

为研究煤层硫化氢（H2S）吸附特性,厘清煤层H2S赋存规律及改善H2S防治效果,采用分压测试法研究煤对H2S的吸附规律。以山西保利铁新煤业有限公司9#煤为研究对象,分别使用N2,He/H2S,N2/H2S为吸附介质开展等温吸附试验,分析煤对H2S及含H2S混合气体的吸附特性及影响因素。结果表明:煤对H2S的吸附量随压力升高而增加,随温度升高而降低,且温度对煤吸附H2S吸附量影响较大;H2S及N2/H2S混合气体的吸附曲线均符合Langmuir吸附模型,煤吸附N2/H2S混合气体时,H2S和N2存在竞争吸附,且N2吸附能力优于H2S;等温条件下,N2竞争吸附量随吸附压力的增加而增大,等压条件下,N2的竞争吸附量受温度影响较小。     

复合惰气在采空区遗煤中竞争吸附的分子动力学模拟研究*

为明确作用于采空区的复合惰气的竞争吸附,进行不同温度、压力及组分下烟煤对N2、O2、CO2多元气体竞争吸附分子的模拟研究。研究结果表明:当注入压力达到3 MPa后,竞争吸附效果不再明显,为高压注入提供一定的理论基础;随着CO2分压的增大,O2吸附量降低速度逐渐平缓,初步确定最佳注入配比范围为2∶1至3∶1,为进一步结合实际工程中成本等因素确定最佳注入配比提供参考;等量吸附热受吸附条件的影响较小,仅与吸附质本身有关;随着CO2分压的增大,范德华能升高56.9%,分子内能升高78.7%,静电能升高67.2%,CO2对整个系统内的吸附作用强度及吸附量有着较大的影响;随着CO2分压增大,N2竞争吸附能力逐渐弱于O2,竞争吸附能力大小顺序为CO2>O2>N2。     

不同温度下煤粒瓦斯扩散特性试验研究与数值模拟

为探索温度对煤粒瓦斯扩散特性的影响,利用瓦斯吸附/扩散仪分别对不同温度下的等温吸附,同温同压初始条件下的煤粒升温瓦斯扩散,同压不同温初始条件下的恒温煤粒瓦斯扩散进行试验研究。试验结果表明:同温同压初始条件下的等效扩散系数随温度升高呈指数关系增大。同压不同温初始条件下的恒温综合扩散系数随温度升高呈先增大后降低的变化趋势。温度升高时,温度与初始吸附量对综合扩散系数具有相反的影响作用趋势。不同温度下,相同时间内的扩散量取决于二者的配比关系。建立温度影响下的理论扩散方程,数值模拟不同温度下的全过程扩散特征。计算结果表明:随着时间延长,各温度下的恒温扩散曲线呈多点交叉状态,符合试验关系。