煤与高岭石表面性质对凝聚过程的影响机制

煤泥水中含大量高岭石等黏土矿物，为其絮凝沉降带来较大的困难。为明确矿物性质对凝聚过程的影响机制，在应用扩展的DLVO理论计算煤和高岭石颗粒间作用力的基础上，采用聚焦光束反射测量仪监测了CaCl2用量为4.50 mmol/L时20 g/L的煤和高岭石的悬浮液在60, 100和150 r/min的搅拌转速下的凝聚过程。结果表明，颗粒间的静电作用力在颗粒表面间距2?200 nm范围内起主导作用，高岭石的电负性较大，在凝聚过程中更难发生靠近和碰撞；较高的转速可为颗粒提供较大的动量，有利于提高碰撞频率，缩短完成凝聚所需时间，实验条件下，煤和高岭石的凝聚时间分别由74和123 s缩短至47和89 s。疏水性作用力在颗粒表面间距小于2 nm的范围内起主导作用，决定了颗粒的黏附效率；煤因强疏水性，在碰撞后更易黏附，且能抵抗更高的流体剪切作用，可由19.32 μm凝聚形成100 μm的大凝聚体，而高岭石则因其亲水性难以得到较大粒度的凝聚体，均小于30 μm。     

厚层坚硬顶板定向水力压裂强制放顶技术研究*

针对厚层坚硬顶板工作面初采期间顶板大面积悬空，初次来压步距大，矿压显现强烈，易诱发冲击地压等动力灾害的问题，依据定向水力压裂技术原理，研发了定向水力压裂成套装备，制定了顶板定向压裂施工工艺；结合西部矿区厚层坚硬顶板条件，分析注水压力、压裂层位、钻孔间距等关键参数，开展了3104工作面初采期间定向水力压裂工程实践，并通过实测顶板垮落情况和分析支架阻力，检测了实施效果。结果表明，直接顶初次垮落步距约11 m，初次来压步距平均值为31.8 m，与未处理顶板相比，初次来压步距减少了62.6%，初次来压时，矿压显现较类似工作面大幅减弱，避免了厚层坚硬顶板的大面积悬空，保证了工作面安全回采。     

倾斜分叉煤层连续推进瓦斯运移规律研究

随着我国煤炭开采的重心向西部转移,浅埋深地质条件简单的煤炭资源已经开采殆尽,煤炭资源的开采由易采的近水平煤层转向赋存条件恶劣的倾斜厚煤层,有的倾斜厚煤层存在夹矸分叉现象,针对分叉煤层的连续推进难题,设计了分叉煤层综放转极近距离分煤层综采工艺;利用COMSOL建立了多物理场模型,分析了不同开采阶段瓦斯压力、瓦斯放散速度以及煤岩体受开采扰动的范围,研究了分叉煤层连续推进过程中不同开采阶段瓦斯运移规律;监测了分叉煤层连续推进过程中上煤层采空区对下煤层采掘工作面瓦斯浓度变化,有效验证了分叉煤层连续推进的安全高效性。     

深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论

与浅部相比,深部巷道特别是千米深井采动巷道,地应力高、采动影响强烈,导致巷道围岩变形大、持续时间长、破坏严重,目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。为此,采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法,从应力强度比出发,并考虑偏应力和梯度应力,提出了采动系数的概念;从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大变形的概念,探讨了其科学内涵,并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法;在此基础上,基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征,初步提出了深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容;基本问题包括深井采动巷道围岩应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载区围岩剪切滑动,且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力,扩容与推力导致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发,揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与破坏机理。     

围压下煤储层应力-应变、渗透性与声发射试验分析

煤储层应力-应变、渗透性与声发射特征是煤储层压裂改造和产能评价研究的基础,声发射技术作为研究煤、岩石类材料失稳、破裂及其演化过程有效方法,已被广泛应用。采用沁水盆地西山矿区石炭系太原组8号煤层样品开展了不同围压下煤样应力-应变、渗透性与声发射试验研究,揭示了围压对煤的应力-应变、渗透性和声发射的影响及其控制机理。研究结果表明,基于煤样全应力-应变-渗透性-声发射特征,将煤的变形破坏过程划分为孔隙压缩与弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏失稳阶段3个阶段。在孔隙压缩与弹性变形阶段,荷载作用初期煤中孔隙-裂隙逐渐被压密,煤样渗透率下降,进入弹性变形阶段,煤样渗透率较低,声发射活动不明显。在塑性变形阶段,随着轴向应力的增大煤中裂隙扩展,煤样渗透率增大,声发射活动强度明显增高并达到峰值。破坏失稳阶段,煤的轴向应力随应变的增加而降低,煤样渗透率开始下降,声发射强度也逐渐降低。煤的轴向破坏荷载和有效弹性模量以及残余强度均随围压的增高而增大,煤样的初始渗透率、峰值渗透率和残余渗透率以及累计声发射振铃计数均随着围压的增加而降低。不同围压下煤样应力-应变、渗透率和声发射特征是不同围压下煤的破坏机制所致。