高瓦斯低透气性煤层不同瓦斯抽采方式的研究

煤层的瓦斯抽采是避免煤矿瓦斯灾害发生的根本防治措施。根据瓦斯解吸理论,提出通过水力割缝及水力冲孔技术,在煤体中人为再造裂隙,增大煤体在空气中的暴露面积,同时形成瓦斯流动通道,达到加快瓦斯解吸,提高瓦斯抽放效果的目的。本文以水力割缝及水力冲孔进行机理分析为基础,根据在阳泉矿区某煤矿回风巷中进行现场实验,对普通钻孔抽放瓦斯、水力冲孔抽放瓦斯以及高压水力割缝抽放瓦斯三种方案进行比较。实验结果表明,相对于高瓦斯矿井中通常采用的普通钻孔抽放瓦斯,水力割缝技术瓦斯抽放量提高了4.11-4.34倍,水力冲孔技术瓦斯抽放量提高了0.46-0.56倍。水力冲孔对提高瓦斯抽放速度作用不明显。     

单轴应力–温度作用下煤中吸附瓦斯解吸特征

 利用自主研发的深部煤岩温度–压力耦合瓦斯解吸试验系统,对鹤岗南山矿煤样进行单轴应力–温度作用下吸附瓦斯运移过程。该试验系统通过对煤样施加不同应力和温度,促使煤中原生吸附瓦斯解吸,模拟煤体变形中吸附瓦斯解吸–释放过程。试验中分别在恒温和升温条件下对煤样依次进行单轴破坏和施加围压,实时监测逸出气体压力、流量,抽样检测气体成分和浓度。研究结果表明煤体在单轴压缩破坏过程中出现气体逸出压力降低导致气体回流现象;对破裂煤样施加围压后短时间内排出大量高浓度气体。试验结果证实温度升高是诱发煤样中吸附瓦斯大量解吸因素之一,而煤体内是否存在大量贯通裂隙是影响瓦斯运移的重要因素。     

不同性质煤的微观特性及渗透特性对比试验研究

 对从典型矿井取得的不同性质煤,分别进行微观特性和瓦斯渗透特性试验。结果表明：突出煤的比表面积和吸附/解吸能力明显高于延期突出煤和非突出煤,延期突出煤介于二者之间。突出煤吸附能力强,解吸速度相对也较快,可能形成较高的气体压力,对煤岩的破坏性增强。非突出煤的渗透率明显高于突出煤和延期突出煤的渗透率,相差最大处超过4倍以上,煤的渗透特性好,瓦斯就较易在煤层中运移,煤层的储气条件差,瓦斯更容易从煤层中脱离出来,反之则会增加突出危险性。说明渗透特性是考察煤层是否具有突出危险性的一个重要指标。总之,煤的渗透特性和微观特性是密切相关的,吸附/解吸特性能力强,煤的渗透特性相对较差,强度较低,较易发生破坏,突出危险性较大。     

吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响与能量分析

煤层中高压瓦斯主要以吸附态为主,为了研究吸附瓦斯含量对煤与瓦斯突出的影响,利用吸附性依次增强的氦气、氮气、甲烷和二氧化碳模拟相同气压下吸附瓦斯含量的不同。将0.75 MPa的上述4种气体充入物理力学性质相同的型煤并充分吸附,模拟游离瓦斯含量相同、吸附瓦斯含量不同的煤体,考虑4种不同强度型煤开展16次瞬间揭露试验。试验发生9次持续时间1 s左右的突出现象,对于低强度型煤试验不吸附的氦气也发生突出现象;试验结果表明随吸附气体含量增加,型煤发生突出的风险增大,吸附气体含量越大其突出强度越大。提出吸附气体膨胀能的测定方法,根据突出能量公式计算发生突出的煤体弹性能、吸附及游离气体膨胀能等突出潜能和煤体破碎功、抛出功等突出耗能,突出潜能与突出耗能基本相等验证吸附气体膨胀能测定方法的合理性。能量分析表明参与突出过程的吸附气体膨胀能占总气体膨胀能的7.9%~32.3%,占突出潜能的6.5%~25.6%,且其占比随吸附气体含量增大而增大。研究成果为揭示、量化吸附瓦斯含量在突出中的作用提供参考和依据。     

不同加卸载条件下含瓦斯煤力学特性试验研究

 利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,以平煤十矿原煤样为研究对象,进行不同加卸载条件下(即增加轴压的同时卸载围压)含瓦斯煤力学特性的试验研究。研究结果表明,不同加卸载条件下含瓦斯煤的力学特性表现各异,主要表现为：加卸载煤样的承载强度比常规加载煤样的峰值强度低;加卸载煤样的承载强度随初始轴力的升高呈指数关系降低、随轴力加载速度的增加呈幂函数关系降低、随初始围压的升高呈指数关系降低、随瓦斯压力的升高呈线性关系降低;随着轴向应变的增加,各条件下变形模量呈现先迅速减小然后缓慢减小直至破坏后保持基本稳定的趋势,泊松比表现出先逐渐减小后增加最后基本保持稳定的趋势。该研究对巷道支护和瓦斯抽采具有重要的指导意义。     

温度对含瓦斯煤力学性质影响的试验研究

 利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置,以型煤试样为研究对象,在不同温度条件下对含瓦斯煤进行三轴压缩试验,研究温度对含瓦斯煤的变形及力学特性的影响规律。研究结果表明：在相同应力条件下,含瓦斯煤的变形量随着温度的升高逐渐增大,轴向、径向与体积应变在不同的温度区间内分别有不同的变化趋势,温度超过60 ℃后,径向应变的变化速度超过轴向应变的变化速度;破坏角随着温度的升高略有增加;三轴抗压强度、残余强度、弹性模量等随着温度的升高逐渐降低,但在不同的温度区间内,其变化趋势有所差异;而泊松比则随着温度的升高呈现先降低后升高的趋势。总体看来,温度对含瓦斯煤的变形特性及力学特性有着一定的影响,温度的升高总体上可降低煤体的强度,但在不同的温度范围内,含瓦斯煤的变形特性及力学特性的变化趋势有所不同。研究结果对深部煤炭开采及巷道支护等有一定的理论指导价值。     

含吸附煤层气煤的有效应力分析

煤层中的气体(煤层气)主要呈吸附状态,固体煤和吸附气体之间的相互作用关系是目前人们关心的问题,它与煤矿瓦斯防治和煤层气开采有关。根据表面物理化学和弹性力学原理,推导了煤吸附膨胀变形、吸附膨胀应力及有效应力计算公式,理论计算结果和试验结果基本一致。分析表明,裂隙中自由气体的压力对煤层中的应力状态影响很小,在煤层内部吸附膨胀应力和吸附膨胀变形规律服从虎克定律。     

煤体吸附瓦斯膨胀变形效应的试验研究

为了探讨煤体吸附瓦斯产生膨胀变形效应这一特有的力学行为,利用自行研发的含瓦斯煤岩细观力学试验系统,进行不同瓦斯压力下的吸附膨胀变形试验。试验结果表明:(1)同一煤样在不同瓦斯压力下随时间的变形曲线具有相同的变化规律,煤样的应变变化率随时间逐渐减小,直至一个相对稳定值;(2)煤样的吸附膨胀变形呈各向异性,垂直于层理方向和平行于层理方向的应变整体变化趋势呈现一致性,但由于煤体内部裂隙分布差异,垂直层理方向的变形值明显大于平行层理方向;(3)煤体瓦斯吸附量与体应变量呈现较好的线性关系,以此建立考虑温度、水分、灰分和各向异性等因素的吸附膨胀变形计算方程;(4)利用吸附变形应力与制约吸附变形量的线性关系,以及吸附变形量与瓦斯压力的关系得出吸附膨胀应力计算方法;(5)煤体的吸附膨胀变形具有不可逆性,且吸附气体压力越大,其残余变形值也越大。煤体的膨胀变形效应具有重要的工程应用价值,可作为煤层突出危险性测定的辅助指标,以及应用于煤层透气性的研究。     

煤岩多孔介质及其充瓦斯后的电特性研究

电性质是煤岩的重要物理性质。开展煤岩多孔介质及其充瓦斯后电性质的研究，对煤与瓦斯动力灾害的有效预防及煤层气的勘探开发具有重要的意义。研究了煤岩多孔介质及其充瓦斯后的交流导电性。研究表明：煤岩多孔介质电导率随瓦斯压力的增大而增大，不含瓦斯时的电导率明显低于含瓦斯时的电导率：无论是否含瓦斯，电导率都随温度的升高而增大，并且相同条件下，含瓦斯比不含瓦斯的电导率要大；电导率与外加电压无关：随着频率的增大，电导率也相应增大，煤的交变电导率与频率问存在分形关系。     

深部巷道煤与瓦斯突出及冲击演化特征试验研究

为进一步揭示煤与瓦斯突出两相流冲击破坏机制,利用自主研制的真三轴煤与瓦斯突出巷道模拟试验系统,以阜新孙家湾突出煤层为研究对象,制作型煤试件,开展不同埋深(1 000,1 200,1 400,1 600,1 800,2 000 m)下深部巷道煤与瓦斯突出模拟试验,定义试验突出临界瓦斯压力状态下的相对突出强度为单位突出强度,分析临界瓦斯压力、单位突出强度与埋深之间的关系,得到临界瓦斯压力、有效应力与冲击参数(冲击力峰值、到达峰值时间、突出持续时间)之间的变化规律,基于突出冲击波阵面速度公式,反演冲击气流在模拟巷道内的传播速度。研究结果表明：(1)突出启动时,高压瓦斯裹挟煤粉剧烈喷出,不同埋深下突出煤粉均在距突出口0～6.45m区间聚集,随埋深增大,煤粉集中区质量占比增大,随突出距离增加,煤粉质量占比逐渐减小,表明突出能量随突出距离逐渐衰减,且突出后煤粉沉降具有分选特征;(2)随埋深增大,临界瓦斯压力减小,单位突出强度逐渐增大,且埋深越大,变化幅度越大,表明深部煤与瓦斯突出阈值低,易诱发和强度大的特性;(3)冲击力在巷道内演化经历了“上升→峰值→降低”过程,呈现“波峰效应”,冲击气流传播速度...     

考虑吸附作用的煤层瓦斯非线性渗流数学模型

 基于以往试验成果,得到煤体渗透率与其吸附气含量之间的函数关系,建立考虑吸附作用影响的煤层瓦斯非线性渗流数学模型,该模型表征的渗流阻力更清晰,物理意义更明确。达西定律是该模型的特例。在此基础上,采用数学物理方法推导考虑吸附作用的煤层瓦斯渗流方程分析解,更真实地反映了瓦斯在煤层中的运移特征。考虑吸附作用的数学模型的计算结果与试验结果吻合很好,应用该模型可为矿井瓦斯灾害的治理和煤层气资源的开发提供基础理论和依据。     

煤与瓦斯突出模拟试验研究

 以自行研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段,对其可靠性进行试验验证,并对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究。结果表明：研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统的模拟试验结果与煤与瓦斯突出事故实际较吻合,且系统可靠性较好;随着含水率的升高,煤体发生煤与瓦斯突出的可能性减小,煤与瓦斯突出强度也呈减小趋势;在试验煤体含水率情况下,含水率与煤与瓦斯突出强度呈二次曲线关系。     

钻孔煤粉量变化规律在区段煤柱合理参数确定中的应用

通过对钻孔煤粉量变化规律与支承压力分布关系的研究，论证了可以利用钻孔煤粉量变化来推测回采工作面超前支承和侧向支承压力分布规律。据此原理，实测得到了平煤集团十三矿12010大倾角综放开采工作面走向支承压力和区段煤柱侧向支承压力分布。为合理区段煤柱留设尺寸确定提供了基础数据。     

块煤含水率对其吸附性影响的试验研究

 为研究地下水对煤吸附性影响,针对潞安屯留煤矿3#煤层,进行大块煤样在干燥及含水状态下的吸附特性研究,试验发现：(1) 采用定容吸附时,瓦斯压力随时间衰减具有对数关系,衰减系数随含水率增大而降低;(2) 瓦斯吸附量与吸附时间之间为幂指关系;(3) 煤的瓦斯吸附量与含水率之间具有线性关系,二者之间关系与粉煤的研究结果不同。     

煤与瓦斯突出过程中温度变化的实验研究

从理论上分析了煤与瓦斯突出过程中温度的变化趋势,并在实验室对其进行了实验验证,认为在煤与瓦斯突出过程中,煤体温度的升高是由地应力破碎煤体使弹性能释放造成的,而温度降低则是由于瓦斯气体解吸和膨胀造成的。其变化是先升高后降低并连续变化的,根据煤体温度变化梯度可以进行瓦斯突出的预测预报。     

煤与瓦斯突出模拟试验台的研制与应用

 为更深层次地探索煤与瓦斯突出机制,在同类突出装置的基础上自主研发了“大型煤与瓦斯突出模拟试验台”,其主要由煤与瓦斯突出模具、快速释放机构、承载框架、电流伺服加载系统、翻转机构、主机支架及附属装置组成。分析后认为该试验台具有如下功能：(1) 利用电流伺服加载系统可对突出煤样施加均布荷载和阶梯形荷载,模拟工作面前方造成突出的局部应力集中现象。(2) 可实现5种不同倾角煤层在不同地应力、不同瓦斯压力下的煤与瓦斯突出模拟试验。(3) 利用泡沫不锈钢隔离煤样与进气孔,实现了对突出煤样的“面充气”功能。(4) 通过快速释放机构,可瞬间打开突出口使突出端突然卸压。(5) 实现了煤与瓦斯突出试验的全过程回放。试验结果表明：有典型的梨形突出孔洞出现,突出的粉煤有明显分选性,且瓦斯压力越大其突出强度越大。所得试验结果与现场突出特征吻合,说明该试验台具有良好的煤与瓦斯突出试验模拟功能。     

煤与瓦斯突出模拟试验台的改进及应用

 为确保更好的煤与瓦斯突出模拟试验效果,针对原研制的模拟试验台存在的不足,对其突出模具及其配套的煤试件成型装置进行改进和重新研制。利用环向和面密封等全方位密封技术可使突出模具在2 MPa瓦斯压力下达到较长时间的良好密封效果;依靠3组直径不同的圆形突出口装配,可在不更换突出模具的条件下进行不同突出口径的煤与瓦斯突出模拟试验,经济实用;凭借布置的温度和瓦斯压力传感器与配套的试验控制软件连接,可较方便地实时监测突出过程中煤体内温度及其瓦斯压力的变化规律;研制的独立煤试件成型装置可准确实施预定的成型压力,且操作过程较为灵活、方便。利用改进后的煤与瓦斯突出模拟试验台开展的模拟试验表明,在瓦斯压力、突出口径方面均存在一个使煤与瓦斯突出发生与否的阈值,高于此阈值时,瓦斯压力或突出口径愈大则突出强度亦愈大,且瓦斯压力作为突出发生的动力同时也对突出煤粉有一定的粉碎作用。此外,煤与瓦斯突出过程中煤体的温度变化也印证了煤吸附瓦斯放热和解吸瓦斯吸热这一物理现象。     

煤与瓦斯突出危险性的模式识别和概率预测

煤与瓦斯突出危险性的多因素模式识别概率预测研究涉及到采矿工程、安全工程、地质工程、地理信息系统(GIS)、概率论、信息科学和人工智能(AI)。在理论分析和查明多个突出影响因素与突出危险性之间的内在联系的基础上,确定模式识别准则、建立识别模型,完成模式识别系统设计、模式识别算法研究、概率预测准则确定和煤与瓦斯突出预测危险性预测系统的开发。以活动构造、最大主应力、瓦斯压力和瓦斯含量等8个因素作为煤与瓦斯突出发生的主要判据,用模式识别方法实现了煤层突出危险性的分单元概率预测,可方便地划分煤与瓦斯突出的危险区、威胁区和安全区,对煤与瓦斯突出危险性做出评估和预测,提高瓦斯灾害预测的准确性。建立了一个比较科学的煤与瓦斯突出区域预测方法,使煤矿安全工作者准确判断和预防煤与瓦斯突出成为可能。     

考虑吸附作用的含气煤本构关系

 利用混合物理论本构建模的方法,给出含气煤饱和混合物的本构方程,方程中混合物组分体积分数反映煤体内部结构的变化,并建立组分应力与真实应力之间的联系。考虑含气煤为各向同性弹性体,根据弹性能与表面能的变化相等条件下吸附作用引起的煤体体积变形,得出含气煤饱和混合物中各组分体积分数,进而由本构方程推导三轴应力条件下含气煤的应力–应变关系。通过考察不同吸附性气体的煤样应力–应变曲线,分析吸附作用对含气煤本构关系的影响,并将试验曲线与理论预测进行比较。研究结果表明,含气煤试验曲线与理论值吻合良好,理论公式可用于描述与气体吸附性有关的煤体变形差异。即使煤的骨架结构满足虎克弹性体本构关系假定,在孔隙率和孔隙压力相同条件下,气体吸附性的差异仍将改变含气煤的应力–应变关系。