煤与瓦斯突出敏感指标及临界值研究

为了更好地提高生产安全性与突出预测的准确性,本文着重论述了突出预测敏感指标及其临界值的概念、判断原则和确定方法。根据矿区煤的破坏类型、钻屑瓦斯解吸指标△h2、煤的坚固性系数f值、瓦斯压力P,对南山煤矿进行了区域划分,并通过现场实测和实验室考察研究相结合,利用灰色关联分析方法,分析确定了南山煤矿15#层的突出预测敏感指标及临界值,得出适合该区域的钻屑解吸指标的实验临界值为360Pa。根据现场检验结果表明采用此种方法确定的临界值能有效地判断突出危险性。     

煤的原位瓦斯放散初速度测定装置及方法研究

瓦斯放散初速度是鉴定煤与瓦斯突出危险性的重要指标之一。现有研究未将煤的瓦斯放散初速度指标测试与突出鉴定的其他3个指标（煤层瓦斯压力、煤的破坏类型、煤的坚固性系数）的测试有机结合。现行瓦斯放散初速度测定方法基于AQ 1080—2009《煤的瓦斯放散初速度指标（?p）测定方法》,测定结果仅反映标准实验条件下瓦斯通过煤粒子向外释放的难易程度,未考虑煤层瓦斯赋存的原位环境,无法准确反映现场煤岩体内部瓦斯向外释放的灾害严重程度。针对上述问题,提出了一种原位瓦斯放散初速度测定装置及方法：采用原始煤块代替煤颗粒,用原始瓦斯成分代替甲烷,增加煤体所处瓦斯压力、应力、温度环境,还原测定的原位环境。对某煤矿煤与瓦斯突出煤层进行原位瓦斯放散初速度测定试验,得出结论：(1)随着模拟瓦斯放散过程的进行,瓦斯放散流量逐渐减小,随时间大致呈负指数变化规律。用瓦斯流量表征原位瓦斯放散初速度,则Δp QA=7.1 mmHg,Δp QI=2.9 mmHg。(2)随着模拟放散过程的进行,放散空间内的瓦斯压力逐渐增大,放散瓦斯压力增大速度逐渐减小,瓦斯压力随时间变化大致呈对数函数关系。用放散瓦斯压力表征原位瓦斯放散初速度,则...     

煤中水含量对瓦斯吸附与解吸特性影响规律研究

为了验证煤中水含量对瓦斯的吸附与解吸特性的影响,分别对煤样在不同平衡压力条件、不同水含量状态下的瓦斯吸附与解吸进行了实验。实验结果表明,煤对瓦斯的吸附能力随着煤中水含量的增加而减小,实际应用中可近似用水含量对煤吸附瓦斯影响系数进行修正;煤中水含量越大,瓦斯的解吸就越慢,残存瓦斯量越大,水充填在煤样空隙中后对瓦斯的吸附和解吸均有一定抑制作用。     

多粒度煤样瓦斯等温吸附解吸特征试验分析:以寺河煤矿3号煤为例

为研究吸附压力和粒度对煤样瓦斯解吸的影响,选取寺河煤矿3号煤为考察样本,采用瓦斯等温吸附解吸试验系统,考察了0.17~0.25,0.25~0.50,1~3mm 3个粒度煤样在1,1.5,3MPa吸附压力下的瓦斯解吸量和解吸速度变化特征。试验结果表明,在各吸附压力下,煤样瓦斯解吸量、初始解吸速度总体上均随吸附压力增大而增大,但0.25~0.50mm粒度煤样瓦斯解吸量和解吸速度受吸附压力的影响程度较其他2个粒度煤样小;各粒度煤样在不同吸附压力作用下,较小粒度煤样的初始瓦斯解吸量和初始解吸速度总体上大于较大粒度煤样,但在解吸12h后,1~3mm粒度煤样在1.5,3 MP吸附压力下的瓦斯解吸量较其他2组煤样大。根据试验结果可得,增加煤样的吸附压力或降低煤样粒度,均会引起瓦斯解吸量和解吸速度的增加。     

超前瓦斯排放钻孔有效排放半径的测定

介绍了煤层超前钻孔的防突机理,比较和分析了超前瓦斯排放钻孔有效排放半径的3种测定方法,选择钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标法进行了现场应用。应用结果表明,使用钻屑量与钻屑瓦斯解吸指标法测定排放钻孔的有效排放半径简便易行,准确可靠。     

不同粒径混合煤样瓦斯解吸动力特性研究

目前关于瓦斯解吸动力特性的研究主要集中在单一粒径煤样,而对于不同粒径混合煤样瓦斯解吸动力特性的研究较少。针对该问题,利用含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统,将（0,0.25）mm、[0.25,0.5)mm、[0.5,1] mm 3种粒径煤样按照不同比例混合,开展了不同粒径混合煤样瓦斯解吸实验,分析了不同粒径煤样占比条件下的瓦斯解吸量、扩散系数及解吸衰减系数等瓦斯解吸动力学参数变化特征。结果表明：(1)不同粒径混合煤样瓦斯解吸过程中,前期影响瓦斯解吸量的主要因素是粒径大小,后期影响瓦斯解吸量的主要因素是煤样中不同粒径煤样占比大小;小粒径煤颗粒占比越大,煤样瓦斯解吸量越大。(2)不同粒径混合煤样瓦斯扩散系数具有时变性,随着瓦斯解吸时间增加,瓦斯扩散系数呈衰减态,最终趋近0;初始瓦斯扩散系数随小粒径颗粒煤占比的增加而减小;(3)小粒径颗粒煤占比越大,瓦斯解吸衰减系数越大。因此,在井下瓦斯含量测定过程中,获取的煤样中应尽可能提高大粒径颗粒煤的占比,以降低取样过程中瓦斯损失量,提高瓦斯含量测定的准确度。     

活性水降低工作面瓦斯涌出强度试验研究

为了解决采掘工作面瓦斯超限问题,根据采掘工作面落煤中的瓦斯压力和暴露时间关系,在实验室采用甲烷吸附-解吸装置进行了颗粒煤的前置浸入与后置浸入活性水与纯水2种状态下的瓦斯吸附-解吸对比试验,并在某煤矿井下3个掘进工作面落煤中进行了喷洒活性水与纯水的瓦斯解吸对比试验。结果表明,活性水对颗粒煤前置浸入与后置浸入均具有相同的抑制瓦斯解吸作用;在掘进工作面落煤中喷洒活性水,其瓦斯解吸量相比纯水可降低53.56%~54.76%,初期最大瓦斯涌出速度可降低54.42%~71.29%;在低水压、大流量条件下注入或喷洒活性水比纯水更有利于延缓和降低瓦斯涌出。     

压力和温度对瓦斯扩散规律的影响研究

针对瓦斯吸附解吸法测定瓦斯扩散系数时局限于颗粒煤、无法施加围压且气体压力不能任意设定等问题,采用规则块煤结合气相色谱分析法测定瓦斯在块煤中的扩散系数,分析了不同气体压力、温度下块煤瓦斯扩散规律。实验结果表明,随着气体压力的增大,煤基质吸附气体增加且发生膨胀变形,从而孔隙减小,扩散阻力增大,扩散系数减小;随着温度的升高,气体分子运动速度增大,扩散动力增强,扩散系数变大。     

含瓦斯煤循环加载破坏表面电位实验研究

为了研究循环加载条件下瓦斯对煤体破坏表面电位的影响,搭建了含瓦斯煤受载破坏表面电位实验系统,测试并分析了不同瓦斯压力条件下,煤体循环加载破坏产生表面电位信号的特征规律,探讨了有瓦斯参与情况下煤体受载破坏的机理。实验结果表明,煤体在有瓦斯的条件下受载破坏能够产生表面电位信号,且电位信号与应力和瓦斯的变化趋势具有一定的关联性;对于同一类型煤样,随着充入瓦斯压力的增加,电位信号最大时的应力水平逐渐减小;在循环加载过程中,当应力超过前一次加载应力最大值时,电位信号明显增大。     

煤孔隙结构对瓦斯解吸-扩散-渗流过程的影响

充分认识煤层瓦斯运移机制是提升抽采效率的根本前提。而目前针对煤体瓦斯微观运移特性的研究探讨的多是煤微观孔隙瓦斯运移特性,忽略了瓦斯解吸-扩散过程。以焦煤为例,采用压汞测试、纳米级工业CT扫描和数值仿真,精准重构并定量表征了煤孔隙空间结构,从微观角度分析了瓦斯解吸-扩散-渗流的演化过程,初步探讨了煤孔隙空间结构对瓦斯运移的影响。结果表明：(1)在孔隙中心位置的瓦斯压力相对较高,解吸-扩散由孔隙中心向边缘进行,不同时间及位置上瓦斯压力分布规律差异明显,造成瓦斯压力分布差异性的原因在于各代表性体积（REV）单元中孔隙与喉道的半径、长度、形状、连通性能不同。(2)孔隙结构和拓扑优势拓展了瓦斯解吸-扩散-渗流范围,大尺寸孔隙结构能为气体分子提供多元化运动空间,削弱尺寸效应对扩散广度的影响,促进瓦斯解吸-扩散速率。(3)强非均质连通孔隙结构中,瓦斯渗流分散而高效,能通过广泛沟通煤基质完成气体由扩散到渗流的转变,提升瓦斯传质效率;弱非均质连通孔隙结构中,气体渗流路径单一、流线集中,渗流传质阻力较大,气体分子由扩散到渗流的转变效率低,不利于瓦斯高效运移。研究结果从微观角度丰富了煤体瓦斯运移理论,为瓦斯...     

煤自燃气体特征及其对瓦斯爆炸下限影响实验研究

现有研究大多从煤自燃单组分气体或部分组分混合气体角度对瓦斯爆炸极限进行分析,而对煤自燃过程中不同阶段产生的混合气体对瓦斯爆炸极限的影响分析不足,对煤自燃与瓦斯爆炸的耦合致灾开展的实验研究较少。针对上述问题,通过模拟煤自燃实验装置研究了煤自燃过程中气体生成特征规律;采用20L球形爆炸装置对瓦斯混合煤自燃各个阶段生成气体进行实验,研究了煤自燃气体对瓦斯爆炸下限的影响。实验结果表明,实验煤样自燃过程中产生的可燃性气体主要为CH_4,CO,C_2H_4,C_2H_6,C_2H_2等,其中CH_4和CO体积分数最高,最高体积分数分别为0.75%和0.37%;煤自燃不同阶段产生的可燃性气体含量随自燃时间的增加和温度的升高均呈现增大趋势,煤自燃加热初期,温度小于80℃主要产生了CH_4,CO可燃性气体,CO可以作为煤自燃缓慢氧化阶段的标志气体;随着自燃时间的持续,温度超过80℃后,开始产生C_2H_4和C_2H_6,随后逐渐产生C_3H_8气体,C_2H_4的出现表明煤氧化进入了加速阶段;煤氧化自燃后期,大约到220℃时出现C_2H_2,此时煤进入激烈氧化阶段;低体积分数的CO能抑制瓦斯爆炸,高体积分数CO能促进瓦斯爆炸,导致爆炸压力变大,爆炸下限降低;煤自燃过程中产生的混合气体增大了瓦斯爆炸压力,爆炸下限最大降低了0.55%,瓦斯爆炸的危险性变大。     

基于瓦斯浓度变化的煤与瓦斯突出预警技术

为实现掘进工作面煤与瓦斯突出的实时、准确和超前预测,提出了一种基于瓦斯浓度变化的煤与瓦斯突出预警方法,通过掘进工作面煤体瓦斯压力反演技术,确定了煤与瓦斯突出临界条件,构建了煤与瓦斯突出预警模型,在此基础上研制了基于瓦斯浓度变化的非接触式煤与瓦斯突出预警系统。应用结果表明,该系统能够实时监测掘进工作面瓦斯浓度变化和风量信息,并提前一个工作班次对煤与瓦斯突出区域进行非接触实时灾害预警。     

基于DSP和单片机的煤与瓦斯突出监测系统设计

针对目前常用的接触式煤与瓦斯突出预报方式需要专门施工作业且操作复杂、可靠性差等问题,根据煤与瓦斯突出伴随产生电磁辐射信号的基本原理,提出了一种基于DSP和单片机的煤与瓦斯突出监测系统的设计方案,给出了该系统的结构、功能及软硬件实现方法。该系统采用TMS320C5409 DSP和AT89S5单片机的双CPU工作模式,分别完成数据采集和处理任务、整个系统的协调和人机交互任务,大大提高了系统运行效率,实现了实时、非接触式的煤与瓦斯突出预测。     

瓦斯地质动态分析及瓦斯涌出实时预警系统

为了防止煤与瓦斯突出事故,提高矿井的安全保障能力,结合新元公司实际情况,建立了瓦斯地质动态分析及瓦斯涌出实时预警系统。在统计和分析该公司矿井瓦斯地质相关资料的基础上,创建了瓦斯地质空间数据库,采用动态分析技术筛选出了影响瓦斯赋存的主控因素,自动绘制了瓦斯参数等值线并划分出突出危险区。对突出危险区内的工作面进行重点关注,考察其瓦斯涌出特征及预警指标,并与瓦斯监测系统无缝连接,实现了非接触式连续预警。     

煤与瓦斯突出预测的随机森林模型

煤与瓦斯突出是煤矿开采过程中主要的动力灾害之一,针对煤与瓦斯突出等级预测问题,提高突出预测的准确率,选取最大主应力、瓦斯压力、瓦斯含量、顶板岩性、距断裂距离、煤层厚度、开采垂深、绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量9个影响因素作为煤与瓦斯突出等级预测的评价指标,同时对相关程度较高的评价指标进行因子分析,提取公共因子,用随机森林算法进行训练预测,建立了基于因子分析的煤与瓦斯突出预测的随机森林模型。通过煤矿实测19组煤与瓦斯突出的数据作为训练样本数据集进行模型的训练,5组数据作为该预测模型的测试数据,进行煤与瓦斯突出预测,同时通过其他预测模型预测结果的对比,验证了随机森林算法在煤与瓦斯突出预测中具有较高的准确度。     

变温变压下煤样瓦斯吸附解吸特性实验研究

为研究温度、压力对煤样瓦斯吸附解吸特性的影响,利用瓦斯吸附解吸实验装置,分析了不同温度(20,25,30,35,40,45,50℃)、压力(0～5MPa)下的吸附量、等量吸附热、Langmuir吸附常数、初始有效扩散系数及扩散动力学参数变化特征。结果表明:煤样瓦斯吸附量随温度升高而减小,随压力增大而增大;吸附量恒定时,温度越高,瓦斯吸附压力越大,且等量吸附热随吸附量增大而增大;Langmuir吸附常数a随温度升高先减小后增大再减小,且在45℃时达到峰值,Langmuir吸附常数b随温度升高而减小;初始有效扩散系数和扩散动力学参数随温度升高而增大,且在35～40℃时增大幅度最明显。     

煤与瓦斯突出危险性预测的SaS-PNN模型及应用

煤与瓦斯突出是一种复杂的非线性动力学过程,其机理复杂、影响因素众多。单一的评价指标无法准确描述煤与瓦斯突出危险性。为了探讨煤矿开采过程中煤与瓦斯突出危险性具体等级情况,综合考虑煤与瓦斯突出发生的地应力、瓦斯和煤的物理力学性质等条件。选取开采深度、瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数以及地质破坏程度作为煤与瓦斯突出危险性预测的评价指标。但煤与瓦斯突出评价指标之间或多或少存在一定的相关性,其评价指标中存在一些服从非高斯分布的指标。很难满足概率神经网络（PNN）样本层中采用高斯分布作径向基函数的要求。鉴于此,提出一种对称Alpha稳定分布（SaS）。SaS有更广泛的数学表达,其径向对称特性可充当PNN样本层中的高斯分布。在SaS的基础上,建立煤与瓦斯突出危险性预测的SaS-PNN模型。将SaS-PNN模型应用于国内26个典型矿井的煤与瓦斯突出危险性等级预测,预测结果表明：SaS-PNN模型具有良好的预测效果,其误判率为7.69%。为煤矿开采中煤与瓦斯突出危险性预测提供了一种新思路。     

煤粒瓦斯解吸时变规律实验研究

针对目前瓦斯解吸研究采样范围小、解吸模型计算结果与实测数据之间存在误差等问题,采集多个煤矿的煤样进行解吸实验,扩大煤样采集范围;基于搭建的煤粒瓦斯解吸实验平台,采用控制变量法,分析煤粒在不同吸附平衡压力、不同温度、不同粒度下的瓦斯解吸时变规律。得出以下结论:吸附平衡压力越大,瓦斯解吸量越大;粒度越大,解吸量和解吸速度越小,到达阈值粒度后,粒度对解吸量和解吸速度的影响较小;温度越高,解吸量越大;随着时间的增加,瓦斯解吸量逐渐增加,瓦斯解吸速度逐渐减小。对不同地质条件下的煤样进行解吸实验研究,提高了瓦斯解吸模型的适用性,进一步验证了温度、粒度等主控因素对瓦斯解吸规律的影响。     

煤与瓦斯突出联网系统的应用研究

介绍了煤与瓦斯突出联网系统的总体结构和联网数据的形成。该系统通过分析和计算各矿井的煤质结构、地压活动范围和瓦斯倍率的密切关系,得出判断煤与瓦斯突出事故的综合分析指标,以预测与防治事故的发生。实际应用表明,该系统实现了对煤与瓦斯突出的预测功能。     

长钻孔远距离定点瓦斯含量测定研究

针对定向长钻孔定点取样测定瓦斯含量存在取样时间长,因现场无解吸量而无法准确测定煤层瓦斯含量的问题,提出采用类比法推算取样过程瓦斯损失量和常压瓦斯解吸量的方法。在相同地质条件和瓦斯地质单元内,将普通回转钻机浅孔风排粉取样瓦斯含量测定结果中的损失量和现场瓦斯解吸量占总瓦斯含量的比例作为标准,类比为千米定向钻孔深孔定点取样损失量和现场解吸量占总瓦斯含量的比例,将类比的损失量和现场解吸量所占的比例加入最终所测定的残余瓦斯含量中,得到千米定向钻机深孔定点取样总瓦斯含量。将该方法用于平煤十一矿己16-17-24070工作面长钻孔瓦斯含量测定,对千米定向钻孔取样瓦斯含量测值进行修正。测试结果表明,运用类比法修正过的长钻孔瓦斯含量测值与短钻孔直接法测定的瓦斯含量测值对比,平均误差由12.07%降至0.19%;运用类比法修正过的长钻孔瓦斯含量测值与瓦斯含量预测值对比,平均误差由12.90%降至4.71%。