静态膨胀开裂突出煤层后的瓦斯抽放效果研究

为了提高突出煤层瓦斯渗透率,解决我国低透气性突出煤层瓦斯抽放难题,理论研究静态膨胀剂-附加应力-瓦斯渗透率三者之间的相互关系;对比实测某矿1235运输巷右帮M3突出煤层膨胀开裂区和常规抽放区单孔瓦斯抽放参数。理论推导得出:突出煤层钻孔注入静态膨胀剂后有效应力减小和煤体瓦斯渗透率增加。对比表明:1235运输巷右帮膨胀开裂区单孔瓦斯抽放参数明显优于常规抽放区对应的瓦斯抽放孔;测试条件下,相同孔间距与钻孔直径比值不同钻孔直径测试方案中,膨胀开裂区随着钻孔直径增大,单孔瓦斯抽放参数值呈明显上升趋势,其中,膨胀开裂区1号Φ94 mm抽放孔瓦斯抽放流量均值高达0. 104 m3/min和瓦斯抽放体积分数均值高达63%,该孔膨胀开裂瓦斯抽放效果最佳;较常规抽放区同直径的6号Φ94 mm钻孔的瓦斯抽放流量均值和瓦斯抽放体积分数均值分别提高了39%和15%。     

煤岩层静态爆破释能增透机制探讨

针对高应力低透气煤层煤与瓦斯突出频发的问题,建立静态破岩致裂力学模型,数值模拟致裂过程,测试并分析影响致裂效果的致裂时效、膨胀压力、致裂孔布置工艺等相关参数,研究静态爆破释能防突及致裂增透机制。结果表明:配置膨胀剂、抑制剂、水分配比分别为100∶8∶30、100∶12∶30、100∶15∶30,起效时间分别为50、30、100 min的3种破碎剂;其中配比2膨胀效果最好,最大致裂压力为150.8 MPa。破碎剂膨胀稳态持续拉应力大于介质抗拉强度,实现静态爆破功能;控制孔起到裂隙扩展引导和尺寸放大作用。静态爆破降低煤体瓦斯及应力潜能积聚,增加煤体裂隙数量,达到静态爆破释能增透目的。     

远距离保护层开采煤层渗透特性及瓦斯抽采技术研究

依据平顶山矿区某矿的丁、戊组煤层(间距90m)的地质条件,采用实验室试验、数值模拟和现场试验相结合的方式,对远距离下保护层开采煤层渗透特征及瓦斯抽采技术展开探讨。运用自制的煤-气耦合系统进行了大尺寸煤样的加载试验,试验将煤样加载及裂隙发展分原生微孔隙压密阶段、煤样的弹性变形阶段、膨胀破坏阶段和峰后的破坏阶段四阶段,卸载后煤样孔隙不闭合,渗透系数仍能保持高位运行;并对现场丁组煤的卸压区域进行参数测试,卸压效果明显,煤层透气性系数增加720~1550倍,卸压范围内的煤层煤与瓦斯突出危险性消除;根据对被保护层裂隙场形成分析,提出了煤与瓦斯共采中卸压瓦斯抽采钻孔抽采最佳时机,实现了戊组煤开采与丁组煤瓦斯抽采在时间、空间上的有序配合。     

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。     

高压注水影响阳泉3号煤孔隙特性的试验研究

为深入探讨煤层注水的防突机理,采用压汞法测试阳泉3号煤干燥煤样和高压注水后煤样的孔隙特性,通过试验发现:注水后煤样孔容、平均孔径、孔隙率及渗透率比注水前分别增加45.17%,48.88%,46.26%和122.95%;而且试验煤样孔隙发育,裂隙和大孔占总孔容的90%以上,过渡孔和微孔占总比表面积的99%以上。试验结果表明,注水前后试验煤样孔隙特性的发生明显变化,说明高压注水对阳泉3号煤的孔隙特性影响显著。通过分析认为,阳泉3号煤具备注水防突的条件,在孔容方面,裂隙和大孔发育,有利于煤层注水水分充分运移;在比表面积方面,以微孔为主,有利于水分在大孔通道中封堵吸附瓦斯,在毛细管力作用下形成抑制解吸效应。     

数字图像技术结合小岛法在煤分形特征中的应用*

为探究煤的孔裂隙结构分形特征,以贵州富煤区4个煤层的煤样为研究对象,基于扫描电镜和低温液氮实验综合表征煤样的孔裂隙发育程度及连通性,应用Photoshop,Image-Pro-Plus图像处理技术对煤的SEM图像进行二值化处理及主要参数提取;结合小岛法计算煤样的孔裂隙分形维数值,并与扫描电镜、低温液氮实验分析结果进行对比。结果表明:经扫描电镜和低温液氮实验发现,4个煤层的孔裂隙连通性优先顺序依次为六盘水煤田3#煤层＞黔北煤田9#煤层＞黔北煤田8#煤层＞织纳煤田8#煤层;借助图像处理技术并结合小岛法对实验煤样的孔裂隙分形维数进行计算,各实验煤层分形维数由小到大依次为六盘水煤田3#煤层<黔北煤田9#煤层<黔北煤田8#煤层<织纳煤田8#煤层,该分形维数排序所反馈的煤样孔裂隙发育程度及连通性信息与前述2个实验结果相互印证,表明数字图像技术与小岛法分形相结合能真实、准确地反映煤的分形特征。     

高阶煤孔隙特征的低场核磁共振实验研究

研究孔裂隙特征对煤层中甲烷的产出及运移具有重要的意义。为了得到高阶煤的孔裂隙特征信息,采用低场核磁共振仪对高阶煤样做低场核磁共振实验,测得煤样的T2图谱,进一步分析得到了煤样的核磁渗透率、核磁孔隙度、可动流体饱和度、束缚流体饱和度以及孔径分布等参数的实验结果,并测出煤样的工业分析参数。分析结果得出:原煤中孔隙体积与煤的挥发分含量呈正比的关系;高阶煤孔隙发育而裂隙不发育,并且在孔隙中微孔和小孔占有较大的比例而中孔和大孔占有较少的比例;煤样渗透率与煤样内小孔和大孔所占的比例成正比,与煤样内微孔所占的比例成反比等结论。     

径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术研究

通过分析钻孔周围煤体在地应力作用下的变形与裂隙发育规律,结合鹤煤三矿原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺,发现原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺存在影响抽采瓦斯体积分数与效果的因素。确定合适的封孔材料需要满足4个主要的性质特征,提出了径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术。使用RFPA3D数值模拟软件研究了孔壁周围煤体裂隙发育范围,据此确定了封孔深度工艺参数,并在鹤煤三矿进行了现场对比试验。结果表明,与原封孔技术相比,应用径向强力膨胀法封孔技术封孔成功率高,抽采瓦斯体积分数和抽采纯量均有大幅度提高。     

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.     

卸压煤层瓦斯抽采渗透率演化模型研究

为研究井下卸压抽采时瓦斯流动规律,建立煤层渗透率演化模型。为建该模型将煤体简化为有2组相互垂直节理发育的等效连续介质,假定瓦斯在煤体裂隙中的流动符合立方定律,考虑煤基质对吸附性气体的吸附膨胀作用和外荷载对煤的压缩变形作用,不考虑孔隙压力对裂隙张开的影响。从应力条件和孔隙压力2个方面,结合煤样渗透率试验,对该模型进行有效性验证。结果表明,渗透率模型能反映应力和低孔隙压力对煤样渗透率的影响,但不能体现高孔隙压力对煤样损伤导致的渗透率增大作用。     

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。     

煤层深孔控制爆破作用机制研究

为有效应用深孔控制爆破技术防治煤与瓦斯突出等事故,首先利用ANSYS/LS-DYNA软件建立有控制孔和无控制孔2种数值模型,进行煤层爆破数值模拟;其次在实验室建立有控制孔和无控制孔2种物理模型,开展爆破模拟试验;然后通过理论分析爆炸应力波入射控制孔的反射规律,揭示深孔控制爆破控制孔的作用机制。数值模拟、爆破模拟试验和理论分析等研究共同表明:增设的控制孔在煤层深孔控制爆破中将入射的压缩应力波反射为拉伸应力波而产生拉伸作用,有明显的控制导向作用和对其他方向裂隙发育的抑制作用。     

深埋突出煤层深孔控制爆破致裂机理和防突效果研究

基于理论分析和数值模拟,探究深孔控制爆破技术在深埋低透高瓦斯煤层防突方面的适用性。考虑爆炸波、爆生气体、煤层原始瓦斯压力、煤层地应力对裂隙的作用。研究深埋低透高瓦斯煤层深孔控制爆破裂隙的扩展的过程、机理及防突效果。对比了理论分析结果和典型的现场试验结果。得出的结论是,煤层深孔控制爆破致裂,是在爆炸波的动态冲击震裂和爆生气体及煤层瓦斯压力的尖劈压裂作用下共同完成的;深埋高应力煤层深孔控制爆破机理与常规浅孔采掘爆破机理不同;控制孔在高应力煤层中的导裂作用并不显著,其主要起到卸压孔和抽放孔的作用。几个典型的高应力低透突出煤层的工程实践表明,采用深孔控制爆破技术后,均获得良好的增透效果,且均未发生煤与瓦斯突出事故。     

低透煤层保护层开采卸压效果试验

目前保护层开采卸压效果考察多以现场打钻测试被保护层瓦斯参数变化为主,为了更加系统、方便地掌握保护层开采过程中上覆被保护层裂隙发育、应力状态、膨胀变形及渗透特性变化情况,可综合运用试验手段对保护层开采卸压效果进行多指标评判。因此,基于常规相似材料模拟平台,应用渗流力学理论,开发出被保护层渗透特性测试系统,并以长平煤矿保护层开采为工程对象进行研究。结果表明:长平矿主采3#煤层作为被保护煤层,处于下保护层8#煤层开采所产生的裂隙带顶部,具备卸压增透的初始条件;伴随着8#煤层工作面的开采,上覆岩层次生裂隙经历了起裂、发育、张开、闭合等过程,3#煤层均经过增压区、卸压膨胀区、恢复区的转变,其膨胀变形量曲线大体呈"M"型分布,最大膨胀变形率约为0.774%,平均膨胀变形率约0.60%,大于0.30%;3#煤层渗透率同样经历动态发展过程,其原始渗透率为0.034×10~(-14)m~2,卸压区内最大渗透率1.125×10~(-14)m~2,为原始状态的33倍,增压区内渗透率有所下降,但仍远大于原始渗透率。因此,长平矿保护层开采使被保护煤层具备良好的卸压增透效果,进而为3#煤层卸压瓦斯渗流-运移规律及卸压瓦斯抽采钻孔设计提供了依据。     

煤层双重介质模型及瓦斯抽采合理布孔间距研究

为使瓦斯抽采效果在技术、经济方面达到最佳,研究了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯的运移规律和钻孔的合理布孔间距。将煤层视为双孔隙双渗透率弹性介质,推导了煤基质、裂隙渗透率演化方程,综合考虑了瓦斯吸附/解吸特性、煤岩变形等因素的影响,建立了煤层双重介质流固耦合模型,并进行了钻孔瓦斯抽采模拟,分析了钻孔间距对瓦斯抽采的影响。结果表明:不同钻孔间距的瓦斯压力随抽采时间的增加先快速下降再趋于平缓,且钻孔间距越小,瓦斯压力下降越快;随着钻孔间距的增大,O点消突时间逐渐增加,与钻孔间距呈二次方关系;现场试验与模拟结果基本吻合,钻孔间距5 m时瓦斯抽采效果最佳。     

液态CO2相变爆破孔网参数优化研究

为优化液态CO₂相变爆破钻孔布置参数，研究双孔同时起爆应力波的传播特征、控制孔对煤体裂隙扩展规律的影响，基于LS-DYNA有限元软件模拟分析单孔爆破、双孔不同孔间距爆破及添加控制孔爆破的裂隙扩展特征，并在山西某矿15号煤层进行液态CO₂相变致裂现场试验。结果表明：液态CO₂单孔爆破的有效致裂半径为2.16 m;双孔爆破有效致裂半径为2.54 m,较单孔有效致裂半径提高了17.59%。随着炮孔间距的增大，两炮孔中间连线贯通区由完全贯通演化至非连续贯通，当孔间距为5 m时，致裂效果最好。含控制孔爆破较双孔爆破有效致裂半径提高了8.27%,控制孔主导了爆生主裂隙的定向扩展及孔壁环向裂隙的生成，裂隙扩展速度和影响范围均有显著增加。液态CO₂相变致裂后，平均瓦斯抽采体积分数提高了2.68倍，平均瓦斯抽采流量提高了6.09倍。     

装药位置对深孔聚能爆破数值模拟与应用研究

为研究不同装药位置对深部聚能爆破增透的效果,构建了不同装药位置的数值模型,运用理论分析、数值模拟和现场应用相结合的方法,分析了深孔聚能爆破不同装药位置周围的应力分布和裂隙发育状态,开展工程试验考察了周围抽采钻孔瓦斯浓度和瓦斯纯量的变化。研究结果表明:不同装药位置相比,中端装药时爆破有效影响范围较大、应力作用时间较长,里端装药时较小,外端装药时最小;聚能爆破中端装药,其爆轰波和应力波作用于煤体的时间较长且应力值更大,爆破产生的裂隙深度主要在轴向上加深,轴向裂隙和径向裂隙比其他装药方式均有增加;爆炸产生的爆生气体与空气波二次作用产生反射波,延长了作用时间,有助于裂隙扩展,加速了赋存瓦斯解吸和流动,爆破效果更好;深部聚能爆破中部装药能够有效地提高煤层的透气性和瓦斯抽采率。     

近距离煤层群倾向穿层钻孔合理布孔参数研究

为了解决新源煤矿在近距离煤层群赋存条件下采用倾向穿层钻孔抽采邻近煤(岩)层卸压瓦斯,抽采瓦斯浓度低,抽采率不达标,回采工作面上隅角瓦斯超限严重等问题。通过采用UDEC软件模拟采动覆岩移动破坏规律,获得开采2号煤层时上覆岩层裂隙带范围9~16m,确定倾向穿层钻孔合理布孔参数,钻孔倾角:21°~26°,孔深:44~47m。经在2219工作面试验考察,与原始参数钻孔抽采效果相比,钻孔平均瓦斯抽采浓度增加6倍多,抽采纯量增加15倍多,有效抽采距离增加3倍多,倾向穿层钻孔抽采率从20%提高到56.8%,回采期间上隅角瓦斯浓度能够控制在0.5%以下,保障了矿井安全生产。     

煤层复合射孔增透技术研究

为增加低渗透高瓦斯煤层的透气性,提高瓦斯利用率和抽采效率,提出复合射孔爆破增透技术。基于弹性力学和断裂力学理论,分别建立复合射孔爆燃气体压裂裂纹的起裂强度因子和裂纹二次扩展半径方程,研究复合射孔爆破增透技术的煤岩裂隙增扩机制;采用FLAC3D有限差分模拟软件分析煤层爆破钻孔内不同长度的裂缝对爆破致裂增透效果的影响,并开展工业试验对比井下复合射孔爆破和常规深孔预裂爆破效果,运用SF6示踪气体研究煤层透气性的变化特征,确定预裂后煤层瓦斯抽采半径。结果表明:复合射孔爆破后煤层透气性与常规深孔预裂爆破相比有显著提高,有效半径可达5m;数值模拟和现场试验结果均证明,采用复合射孔爆破增透煤层能够有效增加煤层透气性,提高抽采率。     

冷加载循环作用下煤样强度特性研究

为研究煤样强度与冷加载周期、表面裂隙宽度和裂隙体积变化量之间的关系,实验采用液氮作为制冷剂,对水饱和煤样进行1~5周期循环浸泡冷加载,使煤样原生裂隙结构发生损伤,通过拟合多项式揭示周期、表面裂隙宽度和裂隙体积变化量作为损伤因子对裂隙结构的损伤规律,构建损伤判据。结果表明:煤样随着循环冷加载周期的增加,表面裂隙宽度由微观向细观和宏观演化;循环冷加载4个周期为煤样冻裂和抗压的强度极限,2个周期为煤样裂隙饱和水吸附能力极限;冷加载对煤样的原生裂隙结构作用显著,使裂隙在膨胀拉应力作用下发生扩展,同时水结冰体积膨胀,对裂隙结构损伤产生了重要作用。