含孔试样渐进性破坏的表面变形特征

瓦斯抽采钻孔孔周裂隙漏气是抽采失效的主要原因之一,孔周裂隙扩展在煤体破坏的过程中表现孕育、稳定扩展及迅速扩展3个阶段。为探究孔周裂纹在松软煤体不同破坏阶段的发展特征,开展含孔试样渐进性破坏过程中的孔周裂纹扩展规律研究。将石膏与水以质量比7∶3混合制成类软煤含孔方形试样,进行单轴压缩试验并采用数字散斑相关测量方法(DSCM)获取试样表面全场变形。基于此,提出了利用DSCM系统确定应力门槛值的方法,并将其用于含孔试样渐进性破坏过程的孔周变形精细化分析,利用该方法所确定的应力门槛值可将试样的破坏过程划分为5个阶段,通过提取与计算分析试样表面全场变形数据,得到在不同阶段内试样表面相对位移、以及孔周位移。结果表明:试样表面相对位移发展历经缓慢降低,加速降低以及迅速降低3个阶段,其中加速降低和迅速降低阶段与应力-应变曲线的裂纹稳定扩展和裂纹加速扩展对应;在压缩过程中,由于孔周对称移动造成孔周表面拉伸和压缩错动,最终在表面形成主拉伸裂纹和法向剪切裂纹。     

高瓦斯矿井穿层钻孔瓦斯流量衰减特征分析

为了研究高瓦斯矿井穿层钻孔单孔瓦斯极限抽采量及其流量衰减特征,利用自行研制的煤层钻孔瓦斯流量及浓度检测装置,对底抽巷穿层钻孔单孔瓦斯流量和浓度进行监测,并绘制单孔瓦斯流量和浓度衰减变化规律曲线,基于高负压抽采条件下的单孔瓦斯流量衰减理论、高等渗流力学及弹塑性力学等相关理论综合分析了钻孔瓦斯流量变化衰减规律。结果表明:(1)钻孔瓦斯流量衰减随时间呈现出3个阶段:线性衰减阶段、不稳定波动阶段、稳定平缓衰减阶段;(2)在测定钻孔瓦斯流量衰减系数时,只需进入相对稳定衰减阶段,即监测周期50 d;(3)基于钻孔周围应力与瓦斯抽采流量的相互关系,确定了瓦斯抽采流量与时间呈现负指数关系式。     

新型CF封孔材料膨胀及蠕变特性试验研究

为了寻找新型矿用CF材料适宜的膨胀性能,对材料的膨胀和蠕变特性进行研究,分别利用压汞仪和DNS-200电子万能试验机等系统,对不同膨胀剂占比量水平下新型CF材料的孔隙发育、膨胀-时间效应、膨胀机理及蠕变特性进行了测试分析,并且根据分级加载结果选择Kelvin-Volgt模型对其参数规律进行了分析。结果表明:CF材料膨胀剂占比量水平增加至2.0%时,孔径范围为0.1～1μm和200μm左右内的孔隙发育明显;材料最终膨胀率Pc加速增大至11.5%的同时,快速膨胀时间和膨胀准备时间快速减小至18 min和12 min;随着加载位移量和恒载位移量急剧增大,蠕变模型参数E0,E1,η1反映出的抗压抗变形能力逐渐减弱。通过对试验结果的进一步分析,优化了CF材料的膨胀剂占比量,满足了井下封孔过程中对材料良好流动性和较高抗压抗变形能力的要求。     

松软煤层瓦斯抽采钻孔“同心环”加固密封技术研究与应用

松软煤层瓦斯抽采钻孔易失稳、密封难的问题直接影响着松软煤层瓦斯高效抽采,在松软煤层施工钻孔成孔退钻后孔内塌孔导致无法及时密封,除此之外孔口煤体破碎区也形成大量漏气通道致使密封失效,由此对矿井生产带来安全隐患且造成了时间和经济上的浪费。从理论分析钻孔密封段受力情况入手,在利用黏弹性力学模型求解孔口破碎区煤体受力的基础上,结合影响松软煤层孔口塌孔外界条件理论研究松软煤层钻孔孔口易塌孔原因并提出合理解决办法,据此提出“同心环”加固密封技术,并从物理模型、技术原理与流程等方面进行详细阐述,最后在山西某矿区N2106松软煤层工作面开展现场应用试验。结果表明：松软煤层孔口破碎区在时间效应下易进入快速变形阶段,由于其吸附性强、易膨胀性等特点加之打钻偏移后钻杆对孔口的剧烈扰动,最终致使孔口退钻后易变形坍塌;采用“同心环”加固密封的试验钻孔均未出现退钻后塌孔的问题,瓦斯浓度在前30天均保持在30%以上,抽采第30天时钻孔最大瓦斯纯流量达到0.053 m³/min,与传统密封钻孔比较后发现“同心环”加固密封钻孔密封技术密封效果优于传统密封技术。     

分级加载下破碎砂岩渗透特性试验及其稳定性分析

煤岩体的渗透特性与孔压梯度满足渗流失稳条件时,易引发突水和瓦斯突出灾害。破碎岩体长时间缓慢变形过程中,其渗透特性将随孔隙率的变化而发生改变,且破碎岩体不同粒径的配比会影响其渗透特性。采用Talbol级配理论,利用DDL600电子万能试验机、渗透仪等试验设备,设置五级轴向恒载加压,每级恒载加压下对应4种不同渗透压进行试验,探究不同粒径配比下的破碎砂岩渗透特性。试验结果表明：① 轴向荷载从第1级加载至第5级,随着缸筒内破碎砂岩有效应力的增大,描述渗流速度变化的参数Dv均呈减小趋势;② 恒载变形后期,破碎砂岩随孔隙率减小,其渗透率总体呈减小趋势,而非Darcy流β因子的绝对值增加;③ 不同Talbol幂指数的破碎砂岩,渗透率与非Darcy流β因子的大小存在差异,n=0.5时,破碎砂岩渗透率最小,非Darcy流β因子最大,n=1.0时,破碎砂岩渗透率最大,非Darcy流β因子整体较小。研究可见,破碎砂岩颗粒粒径很小或颗粒破碎细化非常严重时,非Darcy流β因子较容易出现负值,破碎砂岩发生渗流失稳。     

基于S-E-M系统的煤矿瓦斯爆炸FTA研究

运用事故树(FTA)方法对瓦斯爆炸事故进行系统分析,并采用基于布尔代数法的Matlab编程求解最小割集。通过对2004~2013年全国煤矿发生瓦斯爆炸的事故基本事件归类进行统计,邀请专家对基本事件发生概率进行经验打分,再求两者数值的中值,最终建立S-E-M系统,同时把结果应用到事故树中求解顶事件概率和临界重要度。研究结果表明:通过S-E-M系统分析避免了由于专家经验等方法造成客观性的缺失,能够具体分析产生事故的各种因素,并能提取出事故关键因素,切断事故发生链。该理论的建立能够给煤炭企业安全管理提供有力的决策支持,从而实现企业的安全发展。     

不同浸水时间级配破碎煤样的粒度分布分形特征

含水条件下破碎岩体的变形及压实是引发采空区地表沉降的因素之一。为探究浸水时间、级配、轴向压缩位移3种因素对承载破碎岩体粒度分布分形特征及压实特性的影响规律,采用轴向压缩位移控制的方法,进行了小位移情况下5组不同配比破碎煤样的侧限压实试验。结果表明:1)在轴向压缩位移较小的情况下,随着浸水时间的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数呈减小趋势;2)浸水时间与粒径分布分形维数曲线可用指数函数拟合;3)随着配比指数n的增大,粒度分布分形维数逐渐减小;4)随着轴向压缩位移的增加,同级配破碎煤样粒度分布分形维数与轴向应力都呈增加趋势,可以分为0~15 mm的缓慢增加阶段和15 mm后的快速增加阶段。基于破碎煤样在不同浸水时间条件下承载能力与粒度分布特征的变化规律,得出其承载能力随浸水时间增加而降低,而粒度分布分形维数呈减小趋势,从而为进一步研究破碎岩体承载条件下的强度、变形及粒度分布特征提供依据。