循环加卸载下含瓦斯煤能耗与渗流特性研究

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行不同围压下的采动轴向循环加卸载实验,研究煤体渗流特性及能耗损伤特征.结果表明:随着轴向应力的循环加卸载,σ1-ε1曲线呈现螺旋式上升,卸载曲线与下一次的加载曲线之间形成明显的滞回环,加卸载渗透率-应变曲线逐渐变为细长的\"条带状\"曲线,并在较低围压下出现交叉;随着加卸载次数的增加,渗透...     

不同循环加卸载路径含瓦斯煤体变形—渗流特征

为研究煤体在重复扰动作用下的变形规律及瓦斯渗流特征,设计了3种不同循环加卸载路径试验,通过理论分析和实验室试验,掌握了煤体内部渗流场演化规律。基于单元体建立流体运移方程和Kozeny-Carman模型,得到含瓦斯煤体渗透率演化方程。结果表明,煤样三轴压缩破坏强度可达45 MPa,煤岩循环加卸载破坏过程分为孔隙压密、弹性、屈服和破坏4个阶段。循环加卸载峰前阶段,应力加载使渗透通道收缩或封闭,渗透率降低;屈服阶段后,通道开启,渗透率及增长速率上升;峰后阶段,轴压与围压越大,渗透率越小。随循环次数增加,渗透率增幅扩大,呈周期性变化;当超过极限疲劳强度时,渗透率再次下降。该结果对沙曲矿区瓦斯治理有借鉴意义,可为工程设计提供理论支撑。     

垮落带直覆下采煤地面注浆加固顶板钻探技术研究

为解决垮落带直覆下采煤面临的破碎顶板问题,提出了地面注浆加固思路,重点对钻探技术进行了系统研究。根据实际地层分布以及钻孔穿过垮落带特点,为确保浆液顺利到达目标层位,设计出了二开结构钻孔并选用了优质低固相膨润土的冲洗液解决孔壁坍塌等事故,同时建立了孔内事故预防措施技术体系。在此基础上,以淮北矿业许疃煤矿7228工作面为工程实例对钻探效果进行了分析。研究结果表明设计的二开结构钻孔有效的保证了钻探的顺利施工,揭露的基岩位置与原有资料基本吻合|基本查明了71煤采空区影响地层范围及裂隙发育特征,同时通过简易水文观测也验证了采空区裂隙加固效果较好。研究成果为地面注浆改造破碎顶板的钻探工程提供了技术保障。     

垮落带直覆下采煤地面注浆加固顶板钻探技术研究

为解决垮落带直覆下采煤面临的破碎顶板问题,提出了地面注浆加固思路,重点对钻探技术进行了系统研究。根据实际地层分布以及钻孔穿过垮落带特点,为确保浆液顺利到达目标层位,设计出了二开结构钻孔并选用了优质低固相膨润土的冲洗液解决孔壁坍塌等事故,同时建立了孔内事故预防措施技术体系。在此基础上,以淮北矿业许疃煤矿7228工作面为工程实例对钻探效果进行了分析。研究结果表明设计的二开结构钻孔有效的保证了钻探的顺利施工,揭露的基岩位置与原有资料基本吻合|基本查明了71煤采空区影响地层范围及裂隙发育特征,同时通过简易水文观测也验证了采空区裂隙加固效果较好。研究成果为地面注浆改造破碎顶板的钻探工程提供了技术保障。     

加卸载煤体损伤-渗透特性影响因素实验研究

深部煤层开采过程中,多重因素影响着煤体损伤-渗透特性.为揭示采动煤体损伤-渗透特性演化规律,开展了不同工程条件代表的恒围压加轴压(路径1)、恒轴压卸围压(路径2)和同时加轴压卸围压(路径3)3种力学路径下煤体损伤-渗透实验,分析加卸载方式、轴压加载速率、围压卸荷速率以及围压等因素对型煤煤体损伤-渗透特性的影响规律.结果...     

采空区上覆岩层垮落带和裂隙带发育高度分析

首先利用经验公式计算出某矿22310采空区上覆岩层垮落带和裂隙带发育高度为6.6~8.8 m和8.8~36.09 m。而后利用高位钻孔测定瓦斯浓度判定裂隙发育的机理,判定采空区上覆岩层垮落带和裂隙带发育高度分别为12.2 m和12.2~20.7 m,与计算值存在一定误差。因此,进行高位钻孔设计时,以理论计算值为依据,参照实际考察值,需将钻孔设计高度大于实际考察垮落带高度值,小于裂隙带理论计算值。在此范围内进行钻孔参数优化设计,可以提高钻孔瓦斯抽放效果。     

不同加卸载路径下煤岩渗透性变化特征分析

查明不同加卸载路径下煤岩渗透率变化特征是进行采、掘过程中煤岩裂隙变化规律研究的基础。利用RMT-150B型岩石力学伺服实验系统对不同煤样进行了不同应力、不同变形阶段的多次加-卸载下的渗透性测试试验,基于孔裂缝的演化机理对渗透性变化规律进行总结,并对变化机理进行了分析。结果表明:峰值前进行加卸载时,渗透性变化幅度较小;应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性不明显。其变化主要取决于弹性变形;峰值后进行加卸载时,渗透性发生质的变化,增加幅度较大,并且应变-渗透性曲线较应力-应变曲线滞后性明显,其变化主要取决于塑性变形。同时随着循环加卸载次数的增加,渗透性均是逐渐变大,尤其是同一加卸载过程中相同应变所对应的加载与卸载时渗透性的差值。     

围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透特性试验研究

煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。①对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。②原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率D_k均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数c_f整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样...     

全充填法通过垮落带的技术应用

巷道在掘进过程中,由于受断层等地质因素的影响,有时会出现冒顶现象,合理选择施工方案通过垮落带至关重要,重点介绍新河煤矿采用全充填法成功地通过了垮落带。     

弱胶结地层条件下垮落带岩层破碎冒落特征与压实变形规律试验研究

采空区顶板岩层的破碎、冒落、压实、类固结等性能是影响垮落带高度变化的重要因素。通过破碎岩石压缩实验和岩石崩解实验,研究了不同类型岩石的破碎、崩解性能,分析了岩石膨胀变形—破碎冒落—充填压实—蠕变固结的变形过程及特征,揭示了我国东部和西部矿区岩石变形破坏的差异性。研究结果表明:弱胶结岩石具有强碎胀、易崩解的特性,西部弱胶结岩石较中东部岩石更易破碎,耐崩解指数较中东部岩石偏小,岩石耐崩解指数随崩解循环次数增加呈线性递减关系;相同采高条件下,西部弱胶结地层工作面初始垮落带高度较中东部岩层工作面小,弱胶结地层工作面垮落带趋于稳定后垮落带高度的变化量大,弱胶结岩石的胶结性越差这种特性越强。相似模拟试验结果证明了理论分析的可靠性。     

哈拉沟煤矿垮落带破碎岩体溃砂的离散元数值模拟研究

采用离散元模拟了垮落带波及到松散砂层时导致的突水溃砂灾害。以神东矿区哈拉沟煤矿22402工作面为原型,采用分形理论分析了垮落带破碎岩体的块度分布特征,并利用离散元方法(DEM)根据破碎岩体的块度分布生成不规则碎石,建立了垮落带破碎岩体溃砂数值模型。模拟结果表明：垮落带破碎岩体间空隙较大且连通性好的通道会形成溃砂优势通道,垮落带残余的空洞空隙可以储存溃落的松散砂;大小不均、堆积混杂的垮落带破碎岩体对溃砂速度具有一定的阻挡作用,松散砂在溃砂通道内流动的速度分布呈纺锤形,通道中间的速度大于壁面的速度。     

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:① 3 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。     

双层采空区垮落带破碎岩注浆充填浆液扩散特性研究

为研究水泥粉煤灰浆液在双层采空区垮落带的扩散特性,以郑洛高速ZLGSTJ-2标段米河煤矿双层采空区治理为研究背景,基于宾汉姆流体的黏度时变性,将垮落带破碎岩视为含有裂隙的多孔介质,采用有限元软件COMSOL Multiphysics构建耦合地质信息的三维双层采空区多孔注浆模型,分别对帷幕孔与注浆孔的浆液扩散状态进行分析,并研究不同注浆时间、浆液密度和裂隙渗透率对浆液扩散距离的影响,以此对注浆工艺进行完善。结果表明:帷幕孔与注浆孔的浆液扩散分布均呈倒漏斗形状,主要有沿垮落带裂隙和地层孔隙的渗流扩散以及在空腔中的自由扩散,且注浆孔注浆相互影响较小;注浆扩散距离与注浆时间呈正相关,尤其前24 h较为显著;浆液密度则与扩散距离呈负相关,密度1 670 kg/m³较1 170 kg/m³时浆液扩散距离减少了8.95%;裂隙渗透率与浆液扩散距离呈正相关,当裂隙渗透率分别为3.50×10^-9 m²和3.50×10^-4 m²时,后者比前者的浆液扩散距离增大约49.72%,变化幅度较大;采用完善后的注浆充填工艺后,经检测得知注浆效果良好,为后续施工提供了安全保障。     

垮落带矸石浆体充填模拟试验研究

针对大海则千万吨矿井的绿色化低干扰排矸需求,提出了垮落带矸石浆体充填技术,以期在不影响矿井正常生产的前提下,实现煤矸石的安全、高效、绿色化处置。 为确保该技术的可行及 充填参数的有据可依,遂在大海则煤矿地面矸石山建立垮落带矸石堆积模型,研究 2 种质量分数矸 石浆体在采空区垮落岩块间空隙内的流动扩散规律。研究结果表明:1 矸石浆体在采空区垮落岩 块空隙内的流动共分为 3 个时期,分别为淌流期、涌流期和渗流期,且 3 个时期相互关联,密不可分。 2 随着矸石浆体充填量的增加,动流坡度呈先减小而后增大的趋势,最终呈阶梯型分布,当浆体充填量达到 176 m3 时,71.8%的矸石浆体第 1 阶梯动流坡度为7.5%,第 2 阶梯动流坡度为 1.8%,75.3%的矸石浆体第 1 阶梯动流坡度为 7.8%,第 2 阶梯动流坡度为 2.1%。 3 矸石浆体在垮落带 内流动具有阶段选择性,涌出点涌出的浆体先以淌流方式沿动流坡度在第 1 阶梯内流动,而后第 1 阶梯内的浆体再以渗流方式沿倾向方向向第 2 阶梯内流动,当浆体质量分数为 75.3%时,浆体进入 岩块间空隙的最小宽度约为10 mm,当浆体质量分数为 71.8%时,浆体进入岩块间空隙的最小宽度约为7 mm,在第 2 阶梯内浆体如树枝分叉状依次充填岩块间的空腔及空隙,并在倾向边界和走向 边界处形成浆体堆积点,其第 1 阶梯向第 2 阶梯渗流的浆体可达浆体总量的 37.8%以上。 4 模型1和模型 2 内的浆体垂高分布特征基本一致,浆体垂高随着远离低位灌浆管出口整体上呈下降的趋势,浆体最大垂高 2.11 m(1.77 m),位于倾向断面 6.5 m(6.3 m)的第 1 阶梯内,与低位灌浆管出口的水平距离为 0.5 m(0.3 m);浆体最小垂高 0.797 m(0.669 m),位于倾向断面 29.2 m(29.0 m)的第2阶梯中部,与低位灌浆管出口的水平距离为25.595 m(25.364 m)。 5 沿着矸石浆体的流动方 向,矸石浆体中粗颗粒的占比呈降低的趋势,细颗粒的占比呈上升的趋势,矸石浆体的质量分数呈 下降的趋势。 模拟试验表明,采用矸石浆体低位灌浆充填,可以实现煤矸石的采空区排放,其充填 规模与垮落岩块块度、矸石浆体浓度和矸石粒度组成有关。     

综放工作面垮落带高度测定方法研究

为解决高瓦斯矿井综放工作面垮落带高度难以精确测定,造成工作面两端头难维护、预抽钻孔终孔位置难以确定等问题,依据工作面采动后顶板岩层破断垮落、弯曲下沉对采空区煤层底板施加压力的情况,结合采空区上覆各岩层的厚度和密度,提出了垮落带发育高度的测定方法。以大平矿N1S2综放工作面为例,现场测试结果表明：利用该测定方法测得的垮落带高度为88.65 m,钻孔冲洗液法测得的垮落带高度为88.20 m,二者绝对误差仅为0.45 m。     

基于水分影响的加-卸载围压条件下含瓦斯煤渗流特性研究

利用自行研制的"受载含瓦斯煤温控三轴加载渗流实验装置",以河南方山煤矿煤样为研究对象,进行了不同含水率条件下2次加-卸载围压的三轴渗流实验,系统研究了水分和加-卸载围压对含瓦斯煤渗透特性的影响规律。研究结果表明:1)围压及煤样的含水率对型煤煤样渗透率控制性较强,型煤渗透率与水分及围压大小都呈负相关关系;2)2次加载过程相比,第2次加载过程中渗透率变化明显较第1次平缓,且两者渗透率与围压的关系曲线路径不同;3)2次卸载过程中,渗透率都有一定程度升高,但均恢复不到初始值,且随着煤样含水率越高其恢复程度越小;4)同一次加载或卸载过程中,含水率越高的煤样渗透率变化曲线越平缓。第1次加载后,进行第1次卸载及2次加卸载过程中,水分对煤体渗透率的控制性要显著高于围压对其控制性。实验结论对处于反复加-卸载情况下,煤层瓦斯渗透率主要控制因素选择有一定意义。     

循环加卸载下煤岩变形特征试验研究

岩石变形特征与所受的应力状态以及加载历史密切相关。不同围压下控制轴向应变和控制环向应变的煤岩循环加卸载压缩试验表明:煤岩在循环加卸载过程中应力与应变不再是一一对应的关系,加载曲线与卸载曲线形成封闭的塑性滞回环;在变围压加卸载循环过程中,随着围压的增大,煤岩逐渐表现为线弹性性质;煤岩在反复加卸载过程中,其弹性模量几乎保持不变,而塑性应变却发生较大的变化;且随着循环次数增加,残余变形逐渐变小,泊松比逐渐变大。     

基于Flac3D的极近距离采空区覆岩垮落规律数值模拟研究

矿井覆岩垮落高度带和裂隙带的发育往往是水和瓦斯涌入矿井的通道。为了研究山西省某大型煤矿极近距离煤层组覆岩垮落高度发育情况,以该煤矿3-5#煤层中30515工作面和上覆极近距离2#煤层为研究对象,结合现场各岩层实测力学参数,采用Flac3D软件分别对单独开采和依次连续开采2#煤层和3-5#煤层时顶板竖直位移距离和应力变化情况进行模拟,分析了两种开采情况下上覆岩层竖直位移情况和主应力变化对岩层垮落带发育的影响。研究表明：（1）两种开采方式顶板最大位移量集中在采空区中部范围,而上覆岩层最大应力集中在煤柱两侧。（2）受关键层断裂的影响,单独开采2#煤层、3-5#煤层时顶板垮落带竖直最大位移合计量较大于依次连续开采时顶板竖直最大位移达量。结果表明：极近距离煤层组连续开采相较于单煤层开采,上覆岩层受新应力分配扰动更加剧烈,加速了关键层的破断。垮落带内岩体存在着较大可被压缩消除的残余应变,上覆岩层的下降,垮落带岩体不断被压实,垮落带高度降低。     

垮落带直覆下采煤地面注浆加固顶板技术

为解决垮落带直覆下煤层破碎顶板加固问题,以许疃煤矿7228工作面为工程背景,提出地面注浆加固方案,从浆液选择、地面钻探技术、注浆工艺和注浆效果评价4个方面研究其施工工艺.通过设计浆液静置试验、浆液析水试验和浆液配比试验确定了水灰比1:1、固相比2:8的水泥-粉煤灰浆液配比方案;在钻探技术上设计了二开结构钻孔和二次掘进方...     

急倾斜煤层开采垮落带破坏特征与法向高度研究

为研究急倾斜煤层开采覆岩垮落带破坏特征,以大台煤矿急倾斜煤层为研究对象,基于2台相似材料模型试验,分别研究了急倾斜煤层深部局部开采和浅部-深部全部开采垮落带的破坏特征和法向高度,并利用高分辨率地球物理勘探技术实测了大台煤矿深部开采垮落带的破坏形态和法向高度.结果表明,该矿急倾斜煤层深部局部开采垮落带易形成梯形拱形结构,法向高度约为煤厚的2.5倍,急倾斜煤层浅部-深部全部开采,垮落带呈带状分布,法向高度增大并趋于稳定,约为煤厚的5.0～6.0倍,物探成果表明煤层顶板垮落区与煤层近似平行,呈带状分布,顶板垮落带法向高度约为煤厚的5.6倍,与相似材料模型试验结果基本吻合.