低渗煤层液态CO_2相变定向射孔致裂增透技术及应用

如何实现深部煤层瓦斯的高效抽采是保障我国煤炭企业安全生产的重要问题,而低透气性煤层瓦斯储层增产改造则是其中的核心技术和热点问题。为解决低透气性煤层瓦斯高效抽采技术难题,研究提出了地应力条件下优势射孔致裂方向的确定方法及低渗煤层液态CO_2相变定向射孔致裂增透技术,现场试验及应用研究形成了液态CO_2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法。研究表明:孔壁破裂压力受钻孔方位角、倾角影响具有明显的方向性,并确定了试验区液态CO_2相变定向射孔优势致裂方向;该技术可有效增加煤样孔隙度、孔径、比表面积、可见孔比例等,改善煤岩体内孔隙结构及渗流能力,提高瓦斯抽采纯流量9~12倍,降低煤层瓦斯抽采流量衰减系数92%;现场试验及PFC2D数值模拟研究确定了该技术的影响半径为9~13 m;应用表明液态CO_2相变定向射孔致裂增透网格式瓦斯抽采方法,可有效预防低透气高突煤层巷道掘进期间的瓦斯超限问题,提高巷道掘进速度4~5倍。     

尾矿坝内透镜体对浸润线影响的数值模拟

应用数值模拟方法,研究泥夹层透镜体对尾矿坝浸润线的影响。结果显示:透镜体位于浸润线及其以下附近区域才会对浸润线的埋深和形状产生影响,分布在浸润线以上或远离浸润线均不会对浸润线产生影响,但会改变透镜体及其周边局部范围的渗流场。透镜体的尺度沿水平方向增大时,对坝体的稳定性影响极大。透镜体的尺度沿垂直方向增大时,浸润线的形状逐渐变成"S"型。这些研究发现,对尾矿库的安全生产会有一定指导意义。     

瓦斯对冲击性煤样能量耗散的影响

基于煤的冲击倾向性分类及指数测定方法,进行了不同瓦斯压力下煤样冲击倾向性测定,应用能量积聚与耗散的方法,分析了不同瓦斯压力环境中煤样单轴压缩与循环加卸载过程中能量积聚与耗散关系。研究表明：随着瓦斯压力的增大,煤样的冲击倾向性指数减小,冲击倾向性降低;煤样破坏前储存的弹性能降低,破坏时耗散能增率呈非线性快速降低趋势;在循环载荷作用下,煤样在相同循环中耗散能随着瓦斯压力的增加而增加。在不考虑瓦斯膨胀能的情况下,瓦斯压力的增加降低了煤层冲击地压的破坏性。因此,高瓦斯矿井在深部开采中进行冲击倾向性评价时应考虑瓦斯因素。     

卸围压作用下煤岩破断及渗透特性

利用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,进行了不同气体压力作用下煤岩卸围压作用的瓦斯渗流实验。实验结果显示,渗透率变化呈现阶段性特点,全过程可以分为3个阶段：阶段I,渗流减小阶段;阶段II,稳定渗流阶段;阶段III,加速渗流阶段。采用Kozeny-Carman方程描述渗透性与孔隙度的关系,研究煤岩变形与瓦斯渗流的关系,建立了卸围压煤岩变形与渗透率的相关性模型。理论分析表明：在阶段I,外部压力和孔隙压力的变化是引起煤样渗透率发生变化的主要原因,在阶段II和阶段III,外部压力成为主导;在破坏后阶段,渗透率增长1个数量级,变化十分明显。由于理论计算结果与实验曲线较为接近,模型反映了不同瓦斯压力下加载煤岩变形与渗透率变化的基本特征。     

真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现先增大后减小的趋势;裂纹主要在垂直孔轴线方向发育并首先在较小的主应力方向发生破坏。几种条件下试样的强度均随中主应力系数的增大而先增大后减小。其中,最大主应力平行于孔轴线时强度最高,稳定性最好;在中主应力系数b较小时,中间主应力平行于孔轴线时强度最低,而b较大时孔轴线沿最小主应力时强度最低。基于广义平面应变理论,分析了中间主应力对孔周围塑性区的影响。     

尾矿细微观力学与形变观测试验装置的研制与应用

 为深入探索筑坝尾矿力学行为与细微观结构的内在联系,自主研发尾矿细微观力学与形变观测试验装置。该试验装置主要由加载试验设备、压力室及附属部件、局部应力监测系统、细微观观测系统4个部分组成。该装置具有如下特点：(1) 所进行的试验能反映尾矿坝体内局部应力、孔隙水与孔隙水压力、排水条件等对其细微观结构及颗粒运动的综合影响;(2) 试验加载条件实现多样化,包括静态加载、静态加卸载、动态加载、动态循环加载等加载形式;(3) 压力仓采用不锈钢筒内嵌玻璃钢筒结构,最大承载压力可达2.5 MPa;(4) 可进行孔隙水流动过程中的孔隙水与颗粒运移形态、细微观结构及其受载形变的观测试验,并能监测孔隙水压力;(5) 可埋设多个土压力传感器于试验尾矿内,实时监控尾矿内局部应力;(6) 细微观观测系统采用自行研制的动态细微观观测装置,调节过程简便且能跟踪点的运动。采用该装置进行荷载为0.3,0.6及0.9 MPa下的尾矿细观观测试验,结果显示：随着荷载的增加与作用时间的增长,尾矿孔隙数量与尺寸减小,颗粒间强结合水受挤压而迁移,形成水膜并逐渐增厚,转化为弱结合水,将颗粒连接成大的块体结构;尾矿沉降位移较大且呈非线性增加,其增量随荷载增加逐次减小;局部应力及细观结构变形表现为下部分滞后且低于上部分,局部应力呈起伏状逐级增长,峰值附近波动很大,沉降位移呈阶梯状增加,稳定后趋于平缓。     

含瓦斯煤热流固耦合渗流实验研究

以晋城煤业集团赵庄矿3号煤层的无烟煤为研究对象,运用自主研发的“含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置”,进行了恒定瓦斯压力和围压条件下含瓦斯煤热流固耦合全应力-应变瓦斯渗流实验。研究结果表明：随着煤样温度的升高,煤样的三轴抗压强度降低,承受变形的能力减小,弹性模量增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的渗透率总体呈下降趋势;煤样渗透率小不利于采煤之前的瓦斯抽放,导致煤层深处与工作面之间的瓦斯压力梯度较大,并且高温煤样在屈服阶段的渗透率增长更快,使煤与瓦斯突出的危险性增大。煤体渗透率与应力之间的关系不是单调的随应力的增大而减小,而是要看煤体处于何种应力-应变状态。     

含瓦斯煤岩卸围压变形特征及瓦斯渗流试验

运用自制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,进行了含瓦斯煤岩卸围压瓦斯渗流试验,研究其卸围压过程中的变形和瓦斯渗流特性。研究结果表明,卸围压试验煤样破坏形式是以剪切破坏为主的张剪复合破坏。卸围压过程中,含瓦斯煤岩围压-应变曲线可以分为3个阶段：屈服前阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。渗透率-应变曲线与围压-应变曲线呈现出明显的对应关系,表明围压对煤岩的变形和渗透率有重大影响,煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关。卸围压后,含瓦斯煤岩的泊松比立即转为向变大的方向发展,变形模量立即转为向变小的方向发展,并在卸围压过程中发展的趋势保持不变。     

高瓦斯煤层冲击地压与突出的诱发转化条件研究

随着采深的增加,高瓦斯煤层往往冲击地压和煤与瓦斯突出两种灾害并存,并相互诱发转化,以此为出发点,从灾害的发生条件、能量来源和破坏形式等方面分析了高瓦斯煤层冲击地压和突出的异同点;从瓦斯、应力和煤岩的物理力学性质等方面讨论了两种灾害的诱发转化机制;以实验研究和理论分析为基础,提出了两种灾害在孕育发生和发展等不同阶段的诱发转化条件.     

非均布荷载条件下煤与瓦斯突出模拟实验

使用大型煤与瓦斯突出模拟实验装置，模拟不同集中应力区应力水平条件下的型煤试件的煤与瓦斯突出，探索集中应力区应力水平对煤与瓦斯突出特性的影响规律.通过对实验结果的分析，认为应力集中区应力水平的变化对煤与瓦斯突出有着重要的影响作用，具体表现在：随着集中应力区应力值的增加，煤与瓦斯突出的强度增加，抛出的煤体被破碎的效果也更为明显，而且突出后煤体的温度降低量也越大；另外，集中应力区应力水平对突出孔洞与煤层的夹角也有一定的影响作用。