煤层注水过程分析和煤体润湿机理研究

分析了煤层注水过程中水在煤体中的运动动力和过程,用界面化学理论分析了煤体表面的润湿过程,得出了煤体能够自行润湿的条件,即润湿过程的润湿功必须为正,同时得出了各种润湿过程的判断依据.根据上述理论分析,阐明了煤层注水降尘的润湿机理,为煤层注水提供理论基础.     

压力渗流润湿煤体的实验研究

采用纯水和粘尘剂溶液,对不同煤质的压力渗流特性进行了研究。结果表明,煤体的层理方向和溶液的力学特性对压力渗流润湿煤体的效果影响很大,在中、低压力下,纯水的压力渗流湿润煤体的效果远不能满足煤层注水的要求,注水中添加粘尘剂等改变水的表面张力的物质,可大为提高相同压力注水润湿效果。     

掘进面“三压带”分段注水机理及应用研究

针对高瓦斯、大风量及突出掘进面的治尘难题,提出掘进面"三压带"分段注水新方法,采用理论分析法对"三压带"分段注水机理进行研究;根据钻煤屑全水分分析法、滤膜测尘法及钻屑量称重法,分别对"三压带"采用分段注水前后煤体湿润半径、降尘效率及应力分布规律进行测试。结果表明,掘进面"三压带"采用分段注水后,煤层湿润半径达2 m左右;司机处及其后10 m处降尘效率分别达到66.5%、67.6%;卸压带被延伸到9 m左右,9～12 m范围内的集中应力带峰值相比注水前明显降低,能取得较好的防尘及防突效果。     

煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展

为了深入研究煤层注水的防突机理,在对国内外煤层注水防治煤与瓦斯突出机理研究的基础上,综述煤层注水影响煤体力学性质、采场应力分布及煤体瓦斯解吸特性3方面的研究现状;进而分析我国在煤层注水防突机理研究方面存在的问题,提出当前应急需解决注水对煤体瓦斯的抑制解吸效应问题。笔者认为:确定抑制解吸效应考察、煤体孔隙特性变化及注水煤样吸附解吸甲烷特性等课题的研究是深入探讨的方向,研究成果为进一步认识煤层注水的防突机理提供理论依据。     

煤层水力压裂合理参数分析与工程实践

煤层水力压裂技术是近年来应用于高瓦斯低透气性突出煤层的一种卸压增透消突技术,人们对水力压裂的卸压增透消突机理有了较充分的认识,现场工程应用的效果也较好,但有关煤层水力压裂参数是如何确定的系统分析却是很少。笔者在阐述水力压裂机理及压裂过程的基础上,系统地阐述高瓦斯低透气性突出煤层水力压裂所需的注水压力、流量、注水时间、注水速度、孔间距、封孔长度等技术参数以及煤体内在因素的影响作用;最后在义安矿FD003工作面进行了水力压裂试验研究和效果考察,得出适合义安矿的水力压裂合理注水参数。通过水力压裂,煤层瓦斯抽放量和抽放浓度得到大幅度提高,达到了卸压增透防突效果,同时起到了润湿煤体和降尘效果。     

厚煤层高压脉冲式注水技术应用研究

针对东滩煤矿4312综放工作面所采煤层可注水孔隙率较低,导水性较差的情况,在煤层脉动注水机理分析的基础上,开展高压脉冲式煤层注水,根据工作面超前支承压力及极限平衡区宽度确定注水超前距离及终止注水超前距离,并设计了脉冲式高压注水系统。现场试验表明,4312综放工作面煤层水分平均增加量达到1.197%,有效湿润半径达到15 m,工作面各工序的平均降尘效率超过40%,注水效果明显优于同矿区同煤层静压注水和动压注水效果。     

非阳离子表面活性剂对煤润湿性能影响的研究

为改善煤层注水效果,有效防治矿井瓦斯灾害,研究非阳离子表面活性剂对煤体的润湿影响。选择JCY接触角测试仪和BZY表面张力测试仪测定十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十二烷基硫酸钠(SDS)、脂肪醇聚氧乙烯醚(AEO)和辛基苯基聚氧乙烯醚(TX-100)等4种非阳离子表面活性剂在不同质量浓度下的接触角和表面张力,并由此计算溶液的铺展系数、临界表面张力、黏附张力、黏附功和表面自由能等润湿性参数,分析4种表面活性剂对煤体润湿性能的影响。结果表明:4种非阳离子表面活性剂溶液的表面张力和接触角均与其溶液质量浓度成一阶指数衰减函数关系;铺展系数与表面活性剂溶液质量浓度成幂函数关系;黏附功和黏附张力与其溶液质量浓度均成负幂函数关系;表面自由能与其溶液质量浓度成负线性关系;SDBS和SDS溶液的临界表面张力、黏附张力、黏附功及表面自由能均小于AEO和TX-100,但铺展系数大于AEO和TX-100,说明SDBS和SDS对煤体的润湿性能优于AEO和TX-100,对煤层注水效果明显,进而抑制瓦斯浓度超限等灾害。     

压力水影响煤层瓦斯解吸的试验研究及机理分析

为进一步认清压力水影响煤层瓦斯解吸的作用机理,采用实验室试验和理论分析相结合的方法,研究压力水对山西阳泉新景煤矿3号煤层瓦斯解吸特性的影响。在实验室,按照压力水与瓦斯进入煤体的先后顺序,设计出煤样吸附瓦斯前注水和吸附瓦斯后注水2种试验。吸附前注水试验结果表明,注水煤样的瓦斯解吸等温线与吸附等温线之间分叉明显,吸附量最大相差约4 m3/t;而吸附后注水试验结果表明,注水煤样的解吸等温线明显处于干燥煤样解吸等温线上方,吸附量相差最大约5 m3/t,该结果直观表明压力水对瓦斯解吸有抑制效应。经理论分析提出抑制解吸效应的机理,认为煤体孔隙发育是先天条件,压力水的浸入是后天条件,而毛管力和贾敏效应是抑制解吸效应的根本原因。     

煤层注水中水分蒸发现象的研究

对煤层注水的水分蒸发现象进行了研究 ;提出了注入水分蒸发的力学平衡公式 ;研究了影响水分蒸发的各项因素。在此基础上 ,提出了在注水钻孔中添加粘尘棒 ,阻止注入水分过早蒸发的新方法 ,并进行了纯水和粘尘棒溶液在煤体中蒸发的试验。     

突出煤层掘进防突技术研究

针对焦作矿区单一煤层开采特点,分析煤巷掘进突出和瓦斯涌出规律,探讨防突措施的适应性,研究出严重突出危险掘进工作面中高压注水综合措施,即在巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯,向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯,增大煤体透水性,有利于煤层注水和较高的压力水压裂破坏煤体,增加煤体透气性,提高瓦斯抽放效果。通过在严重突出矿井试验,3115m巷道未发生一次突出,巷道掘进速度平均提高一倍以上,有效解除了突出危险,大幅度提高了掘进速度。研究与实践证明,中高压注水综合防突措施具有广泛的适用性、有效性和安全性特征。     

低压注水对煤体孔隙特征及渗透率的影响

煤体的孔隙特征及渗透率是影响注水减尘防突效果的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对煤体渗透率的影响。选取首山矿己15-12061工作面进行低压煤层注水现场实验,采用氮吸附法和压汞法分析各煤样微观及宏观孔隙特征,通过渗透率实验测得各煤样渗透参数。研究结果表明:煤的孔隙构成复杂,随着孔径增大,累计孔体积呈线性增大,累计孔面积呈对数型增大;压裂及延展微小裂隙效应使得低压注水能够增大煤体各孔径段孔隙量,但增幅不同;注水压力与各孔径段孔体积、比表面积呈正相关关系,各孔径段孔隙与渗透率呈线性正相关关系;注水对宏观孔隙影响更强烈,宏观孔隙对渗透率贡献相对较大。注水后的煤体孔隙系统连通性更好,渗透性能更强。     

煤层注水降低综采工作面煤尘浓度的研究

在深入研究官地矿９＃ 煤渗透特性的基础上,提出动压预注水的煤层注水方案与参数,并在官地矿进行了工业性试验,取得了降低综采工作面煤尘浓度６０％ 以上的明显效果。它对我国煤矿有效实施煤层注水、降低工作面粉尘浓度具有实际指导意义     

煤层注水抑制瓦斯解吸效应试验研究

煤层注水宏观上具有疏松煤体、卸压排放瓦斯的效应,这是人们对煤层防突机理的初步认识。为进一步认清煤层防突机理,采用实验室试验和现场测试相结合的方法,在实验室中使干燥煤样在煤样罐中预先吸附瓦斯来模拟原始煤层,然后向试验煤样高压注入水分,注水后再测试瓦斯解吸等温特性曲线、瓦斯解吸速度及残存瓦斯含量。测验结果表明,注水后瓦斯解吸等温特性曲线上移,初始瓦斯解吸速度变小且衰减速度变慢,残存瓦斯含量增加,现场测试钻屑瓦斯解吸指标值降低。通过分析测试结果认为,注水后,水分进入并留存在煤体的微孔隙中,对煤层瓦斯具有抑制解吸效应,而抑制解吸效应可以降低瓦斯初始解吸速度,使瓦斯解吸过程变缓,避免瓦斯突然快速解吸。这是煤层注水防治煤与瓦斯突出的一项重要机理。     

复合湿润剂对煤体渗透性及冲击倾向性影响的试验研究

我国煤矿逐步进入深部开采阶段,利用注水技术防治冲击地压等煤矿动力灾害时,单纯湿润剂的湿润能力已无法满足深部开采防冲需求。因此为了提高深部开采煤层防治动力灾害的效果,选用一种注水增强剂来增加注水效果,增强剂主要成分包括螯合剂和湿润剂,即亚氨基二琥珀酸四钠(IDS)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)。在实验室对煤样进行了XRD试验,分析了煤中矿物质,利用ICP分析了浸泡后溶液中的矿物质离子变化,通过单轴抗压试验测试了组合剂作用后煤样的冲击倾向性变化等。结果表明:在IDS+SDBS浸泡煤样后,由于螯合剂可以将金属离子螯合形成稳定的物质,从而致使溶液中Ca~(2+)、Mg~(2+)、Fe~(2+/3+)等离子大量浸出,煤体中的黄铁矿、方解石等物质部分被解络,打开了煤体中的次生孔隙,增加了水在煤层中的流动性;组合剂还增加了煤表面的亲水性基团的数量,降低了疏水基团的数量,从而使煤体具有了很好的湿润性;组合剂作用后煤样的冲击倾向性也大幅度降低。研究表明,以IDS+SDBS作为煤层注水添加剂用来防治"高应力、低渗透"煤层的冲击地压复合动力灾害是可行的。     

水力压裂有效压裂半径的影响因素研究*

为改善水力压裂增透效果,提高煤层瓦斯抽采效率,减少矿井瓦斯灾害,明确不同因素对水力压裂有效压裂半径的影响,基于Mohr-Coulomb准则建立水力压裂渗流—损伤耦合方程,并且求得水力压裂破裂区半径运算公式;运用ABAQUS软件模拟并分析地应力σ、注水水压P、压裂孔径d及弹性模量E对水力压裂有效压裂半径L的影响;并通过灰色关联分析方法确定水力压裂有效压裂半径的主控因素。研究结果表明:水力压裂有效压裂半径与注水水压、压裂孔径及弹性模量呈递增关系,与煤层地应力呈递减关系;水力压裂有效压裂半径受煤层地应力的影响最大,注水水压次之,受压裂孔径和弹性模量的影响相对较弱。     

煤矿防尘基本知识(续)

(二)回采的五项措施 1.煤壁注水 煤壁注水可以把粉尘在煤体中固结起来,不仅能消除回采工作中的粉尘飞扬,而且能防止运煤和选煤时产生粉尘,是煤矿防尘的一项重要措施。 煤壁注水是将水在相当大的压力下通过钻孔压入煤体,这时,水就沿煤体的微隙散布,润湿煤层。 根据钻孔的深度,煤壁注水分为浅孔注水(孔深5米以下)和深孔注水(孔深10米以上)两种,现将城子煤矿11组使用煤壁注水的情况介绍如下, 11组采用的是浅孔注水,即先用电钻打眼,然后,将水枪插入眼内,压力水经水枪注入煤体。注水眼布置在略高于煤层厚度一半的地方,方向与煤层顶底板平行,垂直…     

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。     

高阶煤润湿过程中水分运移的低场核磁共振试验

为深入了解煤层注水过程中水分在高阶煤煤体中的运移特征，以焦作中马村矿高阶煤为研究对象，利用低场核磁共振(LNMR)设备，测试煤样在负压浸水试验、等温浸润试验过程中不同浸水时间时的核磁谱图，结合煤样负压浸水过程的质量变化，获得制备饱水煤样所需的试验条件；结合煤样等温浸润过程质量变化，从微观层面定量分析煤样润湿过程中水分进入煤体的分布特征、煤样含水率和含水饱和度的变化规律。结果表明：水分在毛细管力作用下，可以浸润到煤体的最小孔径对应的核磁弛豫时间为0.014 ms;水分按照较大孔→小孔→微孔的路径依次进入到煤体中，按照微孔→小孔→较大孔的路径依次达到饱和状态，试验煤样在相同的润湿时间时，虽然含水率不同，但整体含水饱和度几乎一致，且煤样整体含水饱和度与润湿时间的0.5次方之间存在定量关系。     

综采工作面煤层注水降尘试验研究

为降低综采工作面空气粉尘浓度,减小粉尘对矿工及设备的危害,在西山煤田3号煤层开展煤层注水试验。通过测量固定测点粉尘的质量浓度及分散度,分析煤层注水的效果及其对综采工作面粉尘浓度和粒径分布的影响。结果表明:试验煤层单孔设计注水量440 m~3条件下,煤层内在水含量平均增加1.02%,外在水含量平均增加了2.21%;注水后煤尘粒径分布范围变窄,平均粒径减小,整个工作面空气中全尘浓度平均降低28%,呼尘浓度平均降低32%。     

不同因素对水力压裂促抽煤层瓦斯的影响

为揭示不同因素对水力压裂促进煤层瓦斯抽采的影响,保障煤矿安全开采,基于多物理场耦合理论,建立包含损伤场、应力场和渗流场的煤层压裂和抽采统一数学模型,运用Comsol联合Matlab软件求解,结合现场试验,验证统一数学模型的有效性,并模拟分析钻孔间距、注水压力、煤体弹性模量和地应力等因素对水力压裂及瓦斯抽采过程的影响。结果表明:现场试验与模拟得出的压裂贯通时间较吻合;压裂损伤区在抽采孔处贯通是有效抽采煤层瓦斯的关键;压裂贯通时间与煤层弹性模量成线性增加关系,与垂直地应力、钻孔间距成指数增加关系,与注水压力成指数降低关系。