考虑煤渗透性变化的抽采渗流耦合模型研究及应用

为揭示煤岩变形对煤层瓦斯抽采渗流特性的影响,开展了煤层瓦斯抽采气固耦合问题研究。首先,考虑煤吸附解吸变形、孔隙压力及渗透性变化对瓦斯抽采的影响|然后,根据达西定律,建立以有效应力及吸附应变为耦合媒介的煤层瓦斯渗流和煤岩变形气固耦合方程|最后,以沙曲矿24208工作面为工程背景进行抽采煤层位移、吸附应变和瓦斯渗流数值模拟,并对比分析煤层瓦斯压力、煤层渗透率和瓦斯抽采量的耦合效应。结果表明：抽采后钻孔周围煤体位移呈增大趋势,煤体因瓦斯解吸收缩变形,距抽采孔越近应变量越大|抽采初期煤层瓦斯压降梯度大|煤层渗透率随抽采时间呈增大趋势,距孔越近增幅越大|初期钻孔瓦斯抽采量较大但降幅较快,后趋于稳定,对比发现模型抽采量计算结果与实际抽采数据较为一致。     

煤层深孔注水技术在薛湖煤矿瓦斯抽采中的应用

结合煤层深孔高压注水技术对顺层钻孔的瓦斯抽采机理,对薛湖煤矿2107工作面进行煤层注水工业试验,分析了煤层高压注水后的抽采效果。结果表明,高压注水使煤层裂隙发育充分,煤层透气性及煤体塑性增加;瓦斯抽放日抽采纯量增加一倍,瓦斯抽采效率明显提高;注水后煤体残留的水分也对瓦斯解吸有抑制作用;最终达到防治煤与瓦斯突出的效果,缩短了工作面消突时间,提高了工作面生产效率。     

注水在煤层开采过程中的作用及影响

为研究注水在煤层开采过程中的作用及影响,以煤层注水对煤层力学特性的影响为基础,分析总结煤层注水在抑制瓦斯突出和瓦斯解吸、软化中硬顶煤、防治煤尘和减缓冲击倾向中的作用。结果表明:矿井注水后瓦斯的喷出频率比未注水时降低了56.4%;含瓦斯煤体在4MPa高压水的浸泡作用下,解吸率比未浸泡时降低了80%左右;注水使顶煤的采出率提高9%左右;长时(48h以上)注水可以使煤尘产出率降低20%;注水使矿井的冲击倾向降低一个等级。     

煤体裂隙发育促进瓦斯解吸的分形研究

基于煤体裂隙分形演化特征,研究了煤体裂隙发育对瓦斯解吸的影响。将煤体简化为裂纹-基质块结构,分析了煤体裂隙长度与基质块尺寸关系,由裂隙发育的分形特征得到了煤基质块尺度演化规律及煤中瓦斯解吸速度变化规律。解吸速度在裂隙演化初期随分维数近似于线性增长,而在后期,大量微裂纹的产生使得煤基质块尺寸迅速减小,解吸速度随分维数增加迅速提高。根据现场实测煤体裂隙分维数在采动前后的变化,发现基质块尺寸会减小为原尺寸的1/5,瓦斯解吸速度变为原来的21.6倍,采动引起的裂隙发育会对瓦斯扩散运动产生较大影响。     

深井、低透煤层爆注一体化技术研究与应用

〗随着采掘活动进入深部,伴随而来的高地应力、煤与瓦斯突出危险等复合动力灾害威胁也越来越严重,已成为制约矿井安全发展的重大瓶颈。为破解这一瓶颈,根据注水湿润煤体可有效降低突出危险性,以及对煤体进行松动爆破可提前释放煤层应力,创造性地将松动爆破和高压注水结合起来,对爆注一体化技术进行了积极探索和实施。松动爆破在释放地应力和瓦斯方面效果较佳,水力耦合爆破可提升爆破效果。爆破后裂隙发育,注水效果佳。该技术有效破解了深井、低透煤层重点回采工作面卸压、瓦斯防治、煤体固化、降尘等技术难题。在爆注一体化的实施过程中,不断改进煤层高压注水工艺,取得了明显效果,并逐步推广到矿井各重点采掘工作面。     

烷基糖苷活性剂对煤体结构改性及甲烷解吸特性的影响

煤层注水是减缓瓦斯解吸速率、降低煤体采动后瓦斯快速解吸涌出的有效方法之一,添加表面活性剂可改变煤体化学结构并增强瓦斯解吸抑制效应.选用典型高瓦斯矿井煤样,配制了不同质量分数烷基糖苷(APG0810)表面活性剂,利用红外光谱仪(FTIR)、顺磁共振波谱仪(EPR)及微电泳仪等,研究了烷基糖苷活性剂对煤体改性前后官能团、自...     

煤层注氮模拟实验中的置换-驱替效应及其转化机制分析

为了研究注N_2促排煤层瓦斯过程中驱替和置换效应及其主导作用,利用自研的煤层注气实验装置,进行了单轴应力、分层预压成型条件下煤层注N_2促排瓦斯的模拟实验。实验结果表明:驱替和置换效应始终贯穿整个注气过程,共同作用将煤体中瓦斯排出。在注气初期14 min内,置换解吸效应起主导作用,注入的N_2由于被吸附或充填于煤层孔裂隙等自由空间而被全部滞留煤中,表现为出口并无N_2排出,而煤体中的CH_4则大量解吸排出。在14~200 min注气实验时间内,置换作用的主导地位将逐渐丧失,开始进入置换作用减弱和驱替作用增强的转换阶段;在注气时间大于400 min的后期,处于置换和驱替相互作用、彼此平衡的时期,但置驱总效率处于较低水平。根据注气400 min(6.67 h)后注气促排效率较低的实验结果,建议井下煤层注气时间控制在8 h工作制的一个小班以内为宜。     

突出煤体的瓦斯解吸特征及其影响因素分析

在适宜的外界条件下,煤体中的吸附瓦斯迅速解吸为游离瓦斯后可释放出巨大的能量,从而产生强烈的气体动力效应。通过理论分析得出影响瓦斯解吸速度的重要因素——瓦斯的浓度梯度和孔壁产生的能垒。在一定的煤层条件下,吸附瓦斯浓度梯度取决于外部裂隙中高压瓦斯的释放速度,而孔壁的能垒与煤体的粒度关系密切。研究分析了不同吸附压力和煤样颗粒对瓦斯解吸特征的影响,得出瓦斯解吸速度和解吸量随孔隙压力和煤体破坏程度变化的规律。     

寺河矿煤层脉动注水降尘技术研究

为改善井下高浓度粉尘的作业环境,本文基于尘源抑尘降尘理念、结合实验室测定、现场试验等手段、以寺河矿3#煤层为研究对象对煤层注水性、结构特征、注水孔围岩裂隙分布、脉动注水流动规律、层理与裂隙、孔隙以及注水降尘效果等方面进行了系统研究,认为该煤层注水性良好,煤体内孔隙和裂隙对注水导流有利,由于煤体内部原生裂隙和脉动注水特点,压裂液浸入到煤体裂隙具有一定的先后顺序。现场注水试验证明,脉动注水效果明显优于静压注水,脉动注水能充分湿润煤体,降尘效果较好。     

结合孔隙结构分析热蒸汽对煤体瓦斯解吸的影响

为了探究热蒸汽对煤体瓦斯解吸能力的影响,以阳泉新元煤矿贫煤为研究对象,采用压汞法分析了热蒸汽处理前后煤体的孔隙结构演化,结合吸附—解吸试验,用解吸率和解吸时间临界值表征热蒸汽和水分对煤体瓦斯解吸的影响。结果表明:(1)热蒸汽处理后煤体的总孔容、滞后环面积、孔隙率、渗透率及平均孔径均有增大,煤体小孔向大孔发育,闭合孔隙向开放孔隙转变,孔隙结构的连通性明显提升;(2)煤体瓦斯解吸率随着平衡压力增大而增大;热蒸汽的使用有效促进煤体残余吸附瓦斯的解吸,消除了煤体中水分抑制瓦斯解吸的影响,瓦斯解吸率明显增大;(3)热蒸汽作用下煤体瓦斯解吸时间效应临界值明显降低,解吸达到平衡所需的时间缩短,解吸效率显著提升。该研究为煤层注热强化煤层气开采提供了一定的理论依据。     

煤层注水对原煤孔隙及甲烷吸脱附性能的影响

煤层注水对防突具有显著效果,而煤层孔隙特性是影响瓦斯吸脱附及渗流的重要因素,为了从孔隙角度揭示不同注水压力对原煤体甲烷吸脱附性能的影响。选取首山矿己15-12070工作面进行煤层注水现场实验,使用氮吸附法得出各煤样孔隙特性并用分形理论计算孔隙粗糙度,使用静态容量法测出各煤样吸脱附参数。结果表明:注水后各孔径段孔隙量均有所增加,注水压力与比表面积、孔容及分形维数呈线性正相关关系;孔隙特征参数与甲烷吸脱附性能呈线性正相关关系;各煤样均出现甲烷吸脱附迟滞现象,且注水压力越高,甲烷吸附能力越强,脱附迟滞程度越大。煤层注水压力越大,煤的孔裂隙数量会增多且粗糙度增大,煤体倾向于保留更多的瓦斯。     

瓦斯压力在线监测预警机制应用研究

为了能准确、有效、及时的预测预报井下煤矿瓦斯突出,根据高瓦斯煤层应力场与瓦斯场具有典型的耦合效应,且瓦斯压力场与地应力场的关系主要表现在瓦斯压力的变化上这一原理,并在平煤股份十矿己15-16煤层和己17煤层安装一套煤矿瓦斯突出灾害实时监测预警系统,利用该系统中的煤层瓦斯压力实时监测功能实时在线监测揭煤区域煤层瓦斯压力变化情况,结果表明：煤层瓦斯压力变化随着瓦斯抽放时间而降低,而随着瓦斯解吸量的增加升高；监控到的瓦斯突出煤层瓦斯压力的变化符合正常规律,开发的煤矿瓦斯突出灾害监测预警系统能够连续监测煤层瓦斯压力及其变化动态,为煤矿瓦斯突出灾害监测预警提供了技术基础和有效手段。     

注水压力对低透气性煤层水力压裂增透效果影响研究

对于低透气性煤层瓦斯瓦斯抽采难度加大问题，采用了水力压裂对煤层进行增透，与之同时，水力压裂中注水压力是一个控制压裂效果的关键参数之一。采用数值模拟方研究平煤十二矿己15-31040工作面煤巷条带区域注水压力煤层水力压裂效果的影响。从模拟结果可以看出，随着注水压力的增加，压裂影响半径亦随之增大。当注水压力增大到一定范围，注水压力的增大对压裂增透效果的影响意义不大。将数值模拟结果应用于现场实际工程中，在压裂施工中，未发生压裂事故，而且巷道顶板保持完好。压裂后本煤层瓦斯衰减系数原始区域减小了13.3倍，透气性系数比原始区域增大了21.2倍，而且与之同时，煤层进行水力压裂后，瓦斯抽采浓度和纯量大幅度提升，单孔抽采浓度和纯量为未压裂区域的2.94倍及13.5倍，压裂增透效果明显。     

煤层注水治理瓦斯灾害流固耦合关系研究

为消除瓦斯突出危险及工作面煤尘污染,基于平煤股份十矿己_15-16-24130工作面煤层地质赋存条件,建立了注水情形下煤层破坏的瓦斯抽采模型。提出了注水消除煤层瓦斯突出危险、降低煤尘排放的应用方案,分析了裂隙自由水运移影响下注水钻孔塑性破坏过程。模拟结果表明:随着自由水的注入,扩大了钻孔塑性破坏区范围,降低了自由水润湿区域内煤层物理特性。伴随自由水压力的升高,自由水逐渐进入煤层深部,提高了裂隙空间内自由水饱和度,抑制了煤层内瓦斯解吸、扩散过程,减少了瓦斯的释放。结合现场工业性试验可知,外界自由水的注入对煤层软化、破坏效果显著,对减少煤矿井下煤尘灾害、消除工作面瓦斯突出风险具有重要意义。     

Field investigation of using water injection through inseam gas drainage boreholes to control coal dust from the longwall face during the influence of abutment pressure

Coal dust is a primary contributor to underground coal-mining disasters and is also a major factor in adversely affecting the occupational health of mine workers. Pre-wetting the coal seam with water injection is widely considered as one of the effective means of mitigating coal dust generation during mining. Injecting water through inseam long boreholes parallel to the working face is a commonly used technique. However, for most fully-mechanised top-coal caving working faces, inseam gas drainage boreholes are drilled to extract gas from the gassy seam prior to mining. Therefore, there is neither enough time nor space at the working site for an elaborated water injection process. Based on the mining conditions at Panel 9801 of the Yangquan coalfield, this study designed a water injection system through the inseam gas drainage boreholes to control dust arising from the longwall face. Under the influence of abutment pressure, water injection through a set of inseam gas drainage boreholes was experimentally investigated to offset the conflict between water injection and gas drainage in terms of the time and space availability. The relations between the amount of injected water, the injection rate, the seam moisture content and the coal dust level at the working space were investigated. The effect of water injection for dust control at different distances ahead of working face was assessed. With the change of abutment pressure, the effect of water injection to inseam gas drainage and gas emission at working face was revealed and a space-time balance between gas drainage and dust control by water injection was established. The results indicate that under the influence of abutment pressure, water injection through inseam gas drainage boreholes wetted the seam and decreased the dust level at the working face. Water injection only has marginal influence on inseam borehole drainage and has a negligible impact on the gas level produced at the working face. Under the influence of abutment pressure, the optimum area for water injection through the inseam boreholes was the primary fracture opening zone and the secondary fracture development zone.     

煤层注水在瓦斯灾害治理中的研究与应用

为消除鹤煤三矿采煤工作面瓦斯突出危险,在已有相关理论研究的基础上,建立了注水情形下煤层破坏的流固耦合瓦斯抽采模型,详细阐述了煤层破坏、自由水运移、瓦斯压力变化三者耦合作用关系,分析了裂隙自由水运移影响下注水钻孔塑性区变化过程。模拟结果表明:外界自由水的注入对煤层破坏效果显著。首先随着自由水的注入,扩大了钻孔塑性破坏区范围,降低了自由水润湿区域内煤层弹性模量等参数,促进了自由水在裂隙内的运移。其次,伴随自由水压力的升高,自由水逐渐进入煤层深部,提高了裂隙空间内自由水饱和度,抑制了煤层内瓦斯解吸、扩散过程,减少了瓦斯的释放。通过现场实践表明,两者变化趋势一致,因此该模型可用于瓦斯灾害治理。     

瓦斯抽放对煤层注水效果的影响初探

就瓦斯抽放对煤层注水效果的影响进行了探讨,从瓦斯抽放可增加煤层渗透性和减小水驱瓦斯阻力的角度,分析了瓦斯抽放对煤层注水的增注机理。相关实验结果表明,瓦斯抽放之后,再用瓦斯抽放孔进行煤层注水,可较大幅度的提高注水效果,而且还能减少打孔工作量,是一种高效的注水方法。     

低渗透煤层注水驱替促抽治理瓦斯技术

为解决单一低渗透煤层存在瓦斯抽采技术难度大、抽采成本高等问题,以夏店煤矿3116工作面低渗透3^#煤层瓦斯抽采为工程背景,研究提出了高压注水驱替促抽治理瓦斯技术。钻孔采用注-抽钻孔间隔布置,利用高压水对煤层瓦斯的驱替作用和水对瓦斯的置换解吸作用,达到提高相邻抽采孔的瓦斯浓度和瓦斯流量的目的。     

水锁对含瓦斯煤体的瓦斯解吸的影响

受石油与天然气开采界水锁损害研究的启示,利用自主研发的外液侵入条件下瓦斯解吸实验装置,实验获得了0.025%渗透剂溶液侵入条件下对瓦斯自然解吸的影响。结果表明：外液的侵入能够降低瓦斯的解吸量,对于2.0,1.5,1.0和0.5 MPa四个含瓦斯压力水平而言,在1 h以内能够将瓦斯解吸量降低7%~26%,在12 h时能降低26%~41%,说明利用水锁防止工作面瓦斯超限具有可行性。