基于卸压效果的煤层群开采首采层合理确定研究

为科学确定石壕煤矿的首采层,通过建立相应的数值模型,揭示了不同首采层开采其邻近层应力、位移及裂隙的演化规律,确定了邻近层的卸压范围,结合煤层瓦斯参数与生产系统复杂性来综合选取首采层。最终确定6~#煤层为最佳的首采保护层。研究结果对煤层群开采首采层的合理确定具有一定指导意义。     

割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化特征

为了研究割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化特征,以杨柳煤矿10煤层7个煤样为研究对象,采用甲烷等温吸附实验测定煤样的Langmuir方程吸附常数a和b,通过压汞实验和低温液氮吸附实验的有机结合,表征煤样孔径分布和比表面积的变化.结果表明:(1)随着煤样与割缝孔距离的增大,吸附常数α呈逐渐增大的趋势,而吸附常数b的变化趋势则相反,但与甲烷等温吸附曲线的曲率变化趋势一致.(2)随着煤样与割缝孔距离的增大,煤样孔径分布发生显著的变化,吸附孔孔容比从33.27％增大到55.38％,比表面积从7.254 m2/g增大到9.856 m2/g.(3)割缝预抽后,煤样参数曲线(Langmuir方程吸附常数、吸附孔孔容比和比表面积)的变化幅度均呈现出平缓→急剧→平缓的趋势,具有有界性和非线性的特征,符合Boltzmann方程.割缝预抽后煤瓦斯吸附特性的变化存在明显的分区特征:变化显著区(小于1.8 m)、变化过渡区(1.8～4.5 m)和变化不显著区(大于4.5 m).(4)割缝预抽后煤体瓦斯压力下降,有效应力增大,进而控制煤体的吸附特性.研究结果可以为煤层水力割缝增透实践提供可靠的基础理论支撑.     

循环加卸载路径下不同含瓦斯煤渗流及损伤演化特征

循环载荷广泛存在于采矿活动中并对煤岩的强度、损伤及渗透性质产生较大影响,例如煤层群开采多重保护工程中,被保护层煤岩就受到循环加卸载作用,并显著改变了煤岩的力学及渗流特性;瓦斯对煤的力学性质及能量耗散特征也具有显著的影响,不同加卸载路径下煤岩力学及渗流特性与常规加载下的性质存在显著差异,因而有必要研究循环加卸载条件下不同含瓦斯煤的渗流及损伤演化特征。根据煤层群开采条件下被保护层应力状态实时监测的相似模拟实验结果,设计了3种简化的循环加卸载应力路径,即阶梯循环加卸载、逐级增大循环加卸载和交叉循环加卸载,采用重庆大学自主研发的含瓦斯煤流固耦合三轴渗流实验装置对取自平顶山十矿和袁庄煤矿的煤样进行了瓦斯渗流试验。结果表明:在3种循环加卸路径中,2种煤样的渗透率变化与轴向应力应变曲线具有显著的一致性,循环加卸载作用下,煤样渗透率随着应力的增大和循环次数的增加呈减小趋势;应力卸载和加载对渗透率的影响不同;渗透率受到应力和损伤累积的双重影响。相同应力水平下,煤样经过卸载-加载过程后的渗透率有降低趋势,相对恢复率随着循环次数的增加而先降低后增大,只有应力超过煤样的屈服阶段后才能使渗透率增大。主要结论为:①3种循环加卸载路径下煤样在加载阶段的增透率随应力增大和循环次数的增加都可以分为3个阶段且呈增长趋势,单位体积变化引起的渗透率增加在变大,循环荷载的增透效果随着循环次数的增加而增强。②随着峰值应力的增大和煤样中损伤的累积,渗透率对应力的敏感性逐渐降低。随着荷载的施加,应力卸载对渗透率的影响先增强后减弱。③通过计算各循环阶段的加卸载响应比得到了煤样损伤变量的演化规律,通过回归分析可知损伤变量与轴向应力之间的关系可以用Boltzmann函数表征,该函数可以作为损伤的经验公式对实验中煤样的损伤进行预测计算。④循环加卸载对煤样渗透率及损伤的作用受煤种不同的影响不明显。研究结果为深入揭示多重保护下煤层增透机制和基于循环荷载致裂(重复水力压裂等)的煤层强化增透机制及瓦斯抽采工程设计提供理论支撑。     

水汽对多孔介质中低浓度瓦斯燃烧特性的影响

为研究含水汽低浓度瓦斯气体在多孔介质燃烧器中的燃烧特性,采用计算流体力学方法对其进行数值分析,研究了瓦斯含不同水汽量燃烧时燃烧器中温度分布规律和污染物排放情况.随着瓦斯中水汽含量的增大,燃烧器轴向温度及燃烧热效率下降.由温度二维等值线图可以直观看到不同工况下燃烧器中各个地点的温度分布,为燃烧器设计提供指导.在确保一定热效率时,适当增加水汽含量,可降低燃烧器中NO_x排放量,不但可以保护环境,而且有助于CO转化为CO₂以控制有毒气体排放量.      

割缝扰动区裂纹扩展模式及能量演化规律

基于颗粒流基本原理,采用PFC2D软件建立数值模型,模拟了割缝钻孔周围裂纹在不同侧压系数λ下的扩展模式。结果表明：当λ<1时,裂纹主要分布在水平方向上;λ=1时,裂纹沿钻孔均匀分布;λ>1时,裂纹集中于垂直方向上。此外,随着λ的增大,裂纹数总体呈增长趋势。通过记录钻孔破坏过程中动能变化发现：不同侧压系数下动能演化呈现出明显的分区特征,可分为动能快速释放区、动能快速衰减区、动能剧烈波动区和平衡区,动能峰值随λ的增大线性增加。当λ较小时,声发射事件分布较为离散;当λ=1时,声发射事件在整个时程中均匀分布;当λ>1时,声发射事件数在经历急速升高后开始下降。     

穿层钻孔割缝混合强化预抽煤巷条带消突机制研究及应用

针对普通钻孔网格式布置掩护煤巷掘进增透效果差、卸压不充分的问题,提出了穿层钻孔割缝混合强化预抽煤巷条带消突技术,研究了其增透卸压消突机制,并进行了现场应用.研究结果表明,高压水射流冲击应力波反射形成的径向拉力对裂缝系统的生成起着关键作用,可以预置弱面增强其反射作用.普通孔对割缝孔卸压带的延伸起到了导向作用,而割缝孔对普通孔卸压带的扩展起到了激励作用,割缝孔和普通孔的卸压带相互连接形成整体卸压.现场试验结果表明,煤层透气性及钻场抽采平均纯流量大幅度提升,措施后掘进工作面防突预测指标未出现超标现象,消突效果明显.     

双动力协同钻进高效卸压特性研究及应用

基于煤岩卸压效应,对双动力协同钻进高效卸压特性进行了研究;分析了双动力协同钻进的实现条件及螺旋式切煤卸压增透原理;采用FLAC 3D 软件,模拟分析了卸压槽周围煤体应力场演化规律;并进行了现场试验验证与应用。研究表明：超前自由面能够卸除围压,降低机械齿的钻进阻力,显著提高钻进速度;卸压槽促使煤体流变,集中应力向深部转移,瓦斯潜能释放,煤体卸压增透,促进了瓦斯的解吸和流动,有利于瓦斯抽采,消除了煤层瓦斯突出危险性。现场试验结果表明：采用此措施后,煤体扰动范围增大近40倍,卸压半径提高4倍,瓦斯抽采效率显著提高,消除了控制区域煤层瓦斯突出危险性,煤层巷道掘进月进尺提高了2倍。     

起泡剂浓度对不同粒度瘦煤浮选效果的影响

为定量分析起泡剂用量对不同粒度分布瘦煤的浮选效果影响规律,选择MIBC为起泡剂,利用XDF-1L实验室浮选机,揭示了不同粒度分布瘦煤在不同起泡剂浓度条件下浮选效果的变化规律。结果得出不同粒度煤样的浮选效果随起泡剂浓度增加的变化规律,研究结果为煤炭浮选控制脉石矿物的泡沫夹带和提高煤浮选效果提供理论参考。     

大采高综采采场关键层运动型式及对工作面矿压的影响

掌握大采高综采采场关键层结构形态及运动型式是分析工作面矿压显现规律的基础。采用理论分析方法,得出了大采高综采采场关键层存在2种结构形态和6种运动型式,并给出了各结构形态和运动型式的形成条件,2种结构形态为垮落带关键层"悬臂梁"结构形态和断裂带关键层稳定"铰接"结构形态,6种运动型式为"悬臂梁"直接垮落式、"悬臂梁"双向回转垮落式、"悬臂梁"二次回转垮落式、"悬臂梁-铰接"结构交替式、"砌体梁"结构运动型式和"短砌体梁"结构运动型式。采用UDEC数值模拟方法验证了各形成条件下的关键层的运动型式,揭示了6种关键层运动型式对采场矿压的影响规律,最后得到了现场实测数据的验证。     

基于响应面法的钻割一体化喷嘴稳健性优化

针对现有钻割一体化喷嘴可靠性及破岩能力较差的问题,在泵压(30 MPa)一定的条件下,基于Hashish切割理论,以喷嘴出口直径、收缩角、出口圆柱段长度以及锥形直线段长度为设计变量,以喷嘴出口轴心速度为响应变量,结合喷嘴特征参数与钻割一体化钻头的匹配及加工精度问题,选择适当的约束条件,以喷嘴出口轴心速度最大为优化目标,采用响应面法(RSM)结合物理试验验证,在单因素筛选实验的基础上,建立了响应变量与其主控因素之间的响应面模型,分析了各主控因素之间交互作用对响应变量的影响规律,对适合松软煤层的大直径喷嘴进行稳健性优化.试验验证表明:相同条件下,喷嘴流量系数提高了1.26%,冲蚀体积明显增加,破岩能力及效果增强.