瓦斯抽采PC-CAS基封孔材料优化及其膨胀作用分析*

为了研制以硅酸盐/铝酸盐水泥、生石灰、生石膏为主的PC-CAS基封孔材料,采用正交试验优化材料配比、开展膨胀力研究,并用扫描电镜观测料-煤胶结形貌。研究结果表明:材料的最优配比为A2B2C4,其具备优良的流动性、强度及致密性,造浆量达2 100 mL/kg;PC-CAS基材料具有显著的膨胀性,其膨胀力随时间先增大而后趋于稳定,并且该膨胀力随着径向约束的提高而增大;相比于FP材料,PC-CAS基材料产生的膨胀力能够显著降低材料-煤岩界面的空隙并在一定程度上压密煤体内部的裂隙;该材料产生的膨胀力可压密封孔段围岩、提高封孔质量,并为后期“二次注浆”提供保压条件。工业试验结果表明,采用PC-CAS基材料进行封孔可显著改善抽采效果,将原有平均浓度10.11%提升至20.08%。     

高流态封孔注浆材料力学性能及水化机制

为提高深部矿井煤层气抽采效率,针对目前常见的封孔注浆材料存在的高分子封孔材料价格昂贵易燃、普通水泥材料渗透性差、粉煤灰等膏体材料强度不足等问题,采用超细水泥为基料研发一种高流态封孔注浆材料。通过对高流态封孔注浆材料开展力学性能试验研究、结合扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)等一系列试验的结果,揭示新型高流态封孔注浆材料水化机制。结果表明：高流态封孔注浆材料在水化初期就生成大量的水化硅酸钙(C-S-H)凝胶和钙矾石(AFt)晶体;随着水化反应的持续,水化产物的凝胶粒子充填材料中的孔隙。与普通水泥封孔注浆材料相比,材料的水化反应更迅速、更充分、整体结构致密,比普通水泥封孔注浆材料抗压强度提高3.68%,更有利于保持瓦斯抽采钻孔的稳定性,提高瓦斯抽采效率。     

微胶囊包覆膨胀剂对煤矿封孔水泥膨胀性能的影响研究

针对当前矿用水泥封孔材料中膨胀剂的膨胀能效发挥不足,会导致瓦斯抽采过程中封孔材料干缩漏气的现象,基于微胶囊缓控释放原理和材料“膨胀-强度协调发展”机理,运用微胶囊复合技术制得微胶囊UEA膨胀剂。借助SEM、XRD等测试手段,详细研究了几组水泥浆的膨胀性能。结果表明,基准组发生体积收缩;膨胀剂未处理组膨胀率峰值和终值较低;潮湿环境处理组膨胀能损失较大;微胶囊处理组具有延迟膨胀现象,较未处理膨胀剂组延迟2.5h,膨胀率终值较膨胀剂未处理组和潮湿环境处理组分别提高3.33‰和11.06‰。     

复合膨胀材料研发及其在瓦斯抽采中应用的试验研究

为提高瓦斯抽采钻孔的密封效果,通过普通硅酸盐水泥、硫铝酸钙水泥、自制高倍率膨胀剂等材料的复配,研发出一种膨胀率高、速凝、高强度的钻孔密封材料。实验室测试材料的流动度、凝固时间、抗压强度等性能指标;在井下现场同常见的钻孔密封材料开展钻孔密封的对比试验。实验室测试结果表明:该材料适合瓦斯抽采钻孔的密封;在井下穿层钻孔密封试验中,该材料密封的钻孔比应用马丽散材料密封的钻孔瓦斯抽采体积分数可提高18%~24%,抽采速率可提高50%~80%。井下顺层钻孔密封试验结果表明:使用该材料,在2个月内平均瓦斯抽采体积分数达71.3%,比普通硅酸盐水泥密封的钻孔平均提高约17.4%。     

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。     

SDS对瓦斯预抽孔封孔材料性能的影响

为提高煤矿瓦斯预抽孔的封孔质量,以无水硫铝酸钙、石灰、石膏为主要原料开发新型瓦斯预抽孔封孔材料;测定十二烷基硫酸钠(SDS)对封孔材料的凝结时间、强度等特性的影响;用扫描电镜(SEM)观察SDS对水化反应产物微观形貌的影响;根据料浆滤液中离子浓度的变化,探讨SDS影响封孔材料性能的化学机制。结果表明:加入SDS导致封孔材料浆液的表面张力降低、凝结时间缩短;硬化过程中膨胀应力增加;6和24 h单轴抗压强度略有增加而3天后单轴抗压强度显著降低;水化反应早期速率加快;水化产物的晶体尺寸更小;SDS通过引入气泡的物理作用和增加料浆液相中氢氧根和铝含量影响封孔材料性能。     

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%。     

煤岩渗透率各向异性模型及瓦斯抽采模拟研究

为进一步明晰煤岩渗透率演化特征和基质瓦斯渗流对瓦斯抽采的影响,基于已有的基质瓦斯渗流流固耦合模型,考虑煤岩渗透率的各向异性特征,建立煤岩渗透率各向异性耦合模型;运用COMSOL Multiphysics软件,分析煤岩渗透率各向异性特征和基质瓦斯渗流对瓦斯抽采的影响。研究结果表明:随着渗透率各向异性系数的增大,基质与裂隙渗透率比例系数降低,瓦斯抽采效果明显降低;基质瓦斯渗流量比重最大值随各向异性系数的增大而增大,但在抽采中后期渗流量比重逐渐趋于稳定,且稳定在0. 1%左右;基质瓦斯渗流项在瓦斯抽采中某一特定阶段有促进作用。     

氢氧化钠对瓦斯抽采钻孔新型封孔材料性能的影响

为了提高煤矿瓦斯抽采钻孔的封孔质量,采用硫铝酸盐水泥、石灰、石膏等原料研制出新型钻孔封孔材料,并进行性能测试试验。测定不同氢氧化钠含量下封孔材料的凝结时间、膨胀率和强度等宏观性能;通过测量料浆的温度和pH值,分析氢氧化钠对封孔材料早期水化反应速度的影响,用扫描电镜(SEM)观察不同氢氧化钠含量时反应产物的微观形貌。结果表明:随着氢氧化钠含量的增加,封孔材料的凝结时间缩短,膨胀率和强度增加;氢氧化钠导致水化反应早期速度加快和封孔材料水化产物的晶体尺寸更小,说明适量加入氢氧化钠可改善封孔材料的性能。     

煤壁应力峰值动态移动诱发封孔漏气机理研究

基于有效应力原理分析了煤体吸附瓦斯对煤体强度的影响,提出应用煤体单轴抗压强度衰减比k_σ表征瓦斯压力变化对煤体强度的影响;应用数值分析方法研究了煤体瓦斯抽采前后煤壁前方煤体应力、屈服破坏范围的变化。结果表明,抽采期间,煤壁前方煤体应力峰值处于"动态移动"状态,致使煤壁前方的屈服破坏区间同时发生移动,水泥封孔段由受压转为应力卸载状态而发生膨胀破坏,在封孔段水泥与煤壁之间形成松动漏气通道,孔外空气将沿该漏气通道进入孔内,使抽采浓度降低。为提高带压封孔方法的封孔效果,应科学判定抽采前期煤体应力峰值区间,并考虑抽采期间煤体"应力峰值移动"的影响,在应力峰值区间适当向两侧延伸封孔段长度,注重封孔器材和封孔材料的研制和选择。     

基于物理降温静态爆破防喷孔实验研究

为了解决静态爆破水化过程中因周围介质散热太慢导致的喷孔问题,基于物理降温原理,利用水比热容大、吸热能力强和钢质材料导热性能好的特点,吸收水化产生大量的热,研制一种静态爆破防喷孔装置,对静态爆破过程中破碎剂的温度和膨胀力进行测试。研究表明:未加防喷孔装置,破碎剂反应迅速,破碎剂的温度和膨胀力剧增,能量集聚,容易发生喷孔;加防喷孔装置,破碎剂水合温度增加缓慢,膨胀力增加稳定,且不影响最终膨胀力值,达到防喷孔的目的。     

高速铁路地基膨胀泥岩变形试验及计算研究

为研究某高铁地基膨胀泥岩在含水率和上覆荷载共同作用下的膨胀变形规律,通过室内试验和理论推导,分析地基膨胀泥岩的膨胀量随时间增长及含水率增加的变化规律.结果表明:无荷载地基膨胀泥岩的膨胀量随时间增加呈阶梯式持续增长趋势;有荷载地基膨胀泥岩的膨胀量在上覆荷载作用初期减小,然后随时间增加呈阶梯式增长趋势,膨胀变形结束时间约为...     

高抽巷治理采空区瓦斯层位研究

为了进一步探究高抽巷抽采瓦斯效果,对高抽巷的最佳抽采层位进行分析。以常村矿为例,基于紧贴实际采空区碎胀系数分布的“O”型圈理论,依据采空区瓦斯的运移规律,运用FLUENT软件加载自定义UDF对采空区瓦斯分布进行数值模拟,从上隅角瓦斯浓度与抽采浓度2方面,对不同层位高抽巷的抽采效果进行分析,确定高抽巷的最佳层位,并用现场测试数据对数值模拟结果进行验证。研究结果表明:模拟计算结果与现场实测数据基本吻合,所提出的高抽巷最佳抽采层位的确定方法可有效应用于实际;合理的抽采层位不仅能够有效地降低上隅角瓦斯的浓度,而且能够提高抽采的效率。     

基于Adam优化深度神经网络快速确定瓦斯抽采半径*

为解决煤矿瓦斯有效抽采半径难以快速准确确定的问题,采用基于Adam算法优化DNN（深度神经网络）方法来预测瓦斯抽采半径。查阅文献共收集已得到验证的970组数据集,每组数据选取煤层瓦斯初始渗透率、钻孔直径、抽采时间、地应力、煤层初始瓦斯压力作为预测模型的5个特征量,有效抽采半径作为目标输出值。接着预测模型进行不断学习和训练,最终训练得到1个最优的瓦斯有效抽采半径预测模型。利用训练好的最优预测模型结合Python语言开发出计算有效抽采半径的软件,并使用该软件在四季春煤矿和鹤煤六矿进行有效抽采半径预测的工程实例研究,验证该软件预测抽采半径的实用性和准确性。研究结果表明:通过使用开发的软件,可快速且较准确地计算出矿井瓦斯有效抽采半径,可为暂不具备现场测试条件的矿井抽采设计提供一定的参考依据。     

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。     

时空效应下不同孔径超前钻孔有效排放半径研究*

为解决煤矿在施工过程中局部防突问题,进行现场实测并结合数值模拟计算,研究瓦斯排放钻孔影响半径在不同排放时间和不同超前钻孔直径影响下的变化规律。研究结果表明:对于同一孔径的钻孔,在一定时间内影响半径随着时间的增加而增加,不同直径的钻孔呈不同的函数关系;对于不同的孔径,影响半径随着钻孔直径的增加而增加,研究结果可为矿井作业中治理煤与瓦斯局部突出提供重要参考。     

综放采空区瓦斯与煤自燃多场耦合模拟研究

为了分析瓦斯与煤自燃多场耦合致灾特性,结合瓦斯抽采引起的采空区混合气体流动、气体组分渗流与采空区渗透率变化、固气两相热量传输等多物理过程,建立了基于综放采空区高位钻孔瓦斯抽采的热-流-化多场耦合数学模型,采用COMSOL软件模拟了综放采空区高位钻孔抽采瓦斯诱导煤自燃过程,阐明了瓦斯与煤自燃多场耦合致灾机理,得到了寸草塔二矿31102综放采空区氧化带范围与高温范围,并探讨了抽采强度对综放采空区氧浓度场与温度场的影响。研究结果表明:高位钻孔抽采瓦斯有效地降低了回风巷瓦斯浓度,保证了31102综放工作面安全高效回采。增大综放采空区高位钻孔抽采瓦斯强度不能保证煤自燃安全性,二者存在矛盾,在得到高效抽采瓦斯的同时,会造成进风侧氧化带宽度增加,采空区氧化带边界向深处蔓延,扩大煤自燃高温区域,漏风携氧充分的参与煤氧复合反应,采空区最高温度逐渐上升,煤自燃风险增大。     

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。