注液冻结法在石门揭煤中防突作用的可行性研究

根据人工冻结工程实践和注液冻结法的防突原理,通过冻结成型煤样力学实验,获取冻结煤层抗压强度等力学参数,定量分析了突出煤层注液冻结后力学性能和卸压区安全宽度的变化。根据煤层瓦斯含量公式,计算出不同冻结温度下煤层瓦斯压力。从降低煤层瓦斯压力、提高煤层力学性能、增大卸压区强度及减小瓦斯突出危险系数等方面论证了注液冻结法作为石门揭煤防突方法的可行性。     

石门揭露冻结煤层瓦斯突出过程的数值模拟

针对新提出的石门揭煤注液冻结防突方法,根据煤与瓦斯突出与煤层力学性能、煤层冻结温度之间的关系,结合人工冻结工程实践,采用岩石破裂过程分析RFPA2D系统,确定模型尺寸和边界条件,建立了石门揭露冻结煤层过程气固耦合数学模型。设定冻结温度下煤层的单轴抗压强度、弹性模量及瓦斯压力等相关参数,数值模拟了不同冻结温度下龙家山煤矿-400 m水平2#石门揭露6#煤层过程。数值模拟表明:当6#煤层温度降为-10～-20℃时,该石门揭煤工作面突出危险性将大为降低。综合冻结时间、能源消耗和防突效果,选定-10℃作为该石门揭露冻结煤层控制温度,可以提高突出矿井石门揭煤工程的经济效益。     

石门揭露突出煤层冻结温度场数值模拟研究

针对新提出的石门揭煤注液冻结防突方法，根据龙家山煤矿-400 m水平2号石门揭煤工作面施工参数，应用ANSYS数值模拟软件，建立了石门揭煤冻结温度场数值模拟计算模型，分析了不同时期冻结区温度扩展云图，得出不同冻结时间冻结区有效范围、平均温度、交圈时间及温度扩展速度。数值模拟表明：距离中心越近，冻结区煤层温度下降越快；相同冻结时间，竖向中排冻结管断面和横向中排冻结管断面处煤层温度最低。该石门揭煤工作面需要35~40 d冻结时间来满足-15 ℃煤层控制温度的防突工程要求。证明石门揭煤注液冻结防突技术是可行性的。     

IMA 系列煤炭冻结调节剂

IMA系列煤炭冻结调节剂的研制是采用国际最新的冻结调节理论,它是降低冻煤机械强度、防止湿煤深度冻结的化学剂。从实验室及工业性试验结果来看,达到了改善冻煤的装卸条件,促进露天矿生产。IMA系列的各项性能达到了国内外同类产品的水平。     

冻结法施工联络通道临时停冻对冻结施工的影响

目前在地铁联络通道冻结法施工中,对于因短暂时间停电、设备故障等原因造成的停冻影响,按有关规定,需延长2倍积极冻结时间,易于造成工程延期1~2d。北京地铁6号线玉带河大街站—郝家府站区间2号联络通道冻结过程中,因更换供液管而导致停冻。通过对停冻时的实测数据分析,结合数值模拟计算,得出了小于8h的短时间停冻对冻结施工基本无影响的结论,从而减少了非必要冻结时间,降低了人工和时间的不必要消耗。     

铁路隧道断层带复杂地层冻结工程中注浆对冻结的影响

程儿山隧道F2断层破碎带冻结工程采用地面垂直群孔方式冻结,冻结段水平长度56.44m,冻结深度234m,布置5排共128个冻结孔。其中有29个冻结孔施工中进行了注浆,主要注入水泥-水玻璃双液浆,以确保顺利成孔。由于水泥-水玻璃双液浆结石体凝固过程中,释放出大量的热量;加之水玻璃属弱酸盐类,冰点较低,不易结冰,冻结时温度降到0℃后,需持续很长时间,最长达37d,才能降到-0.5℃以下。受注浆影响的区域,温度降到-0.5℃以下后,迅速下降,不再受注浆影响。表明冻结受注浆影响只是暂时性的,可用延长冻结时间的方法来加以解决。     

冻、注平行作业对冻结施工的影响

邢东矿主井采取冻结与地面预注浆平行的作业方式,可以显著缩短井筒施工工期。但在具体实施时,应考虑注浆对冻结施工的影响问题,选择比较稳定的地层作为冻结与注浆的交接段,并宜采用完成冻、注交接段地层注浆后再进行冻结孔钻进的施工顺序。     

用缓凝水泥浆置换冻结孔内粘土浆的研究与应用

采用冻结法施工的立井井筒,有少数根据具体情况,需要一次冻全深。过去有个别一次冻全深的井筒在开凿马头门时,大量涌水和泥砂通过冻结管与围岩间的环形空间涌入井底,造成了淹井事故。为防止类似事故发生,提出了用缓凝水泥浆置换冻结孔内粘土浆的研究课题。在试验室试验取得初步成果后,首先在河南永城煤电（集团）公司新桥煤矿主井冻结工程施工中试用,之后又在黑龙江双鸭山矿区东荣一矿主、副井冻结工程施工中推广应用,均取得了很好的效果,保证了马头门等硐室的施工安全。该项技术具有推广应用价值。     

缓凝水泥浆置换冻结孔泥浆封水技术

鄂尔多斯等西部地区的含水地层,以富含孔隙水的白垩系砂岩层为主,且岩石强度低,立井井筒多采用全深冻结法施工,冻结壁解冻后,冻结孔与冻结管外的环形空间极易成为导水通道,严重威胁着矿井安全。门克庆煤矿副立井采用全深冻结法施工,施工单位中煤五公司第三工程处与中国矿业大学合作,开展了冻结孔缓凝水泥浆液固管技术研究和应用工作。该井筒冻结孔施工完毕,在下冻结管之前,采用缓凝水泥浆液置换冻结孔造孔泥浆,取得了圆满成功,收到了预期效果。     

冻结器内纵向测温判定冻结壁出水位置技术

为了准确判断伊犁一矿副井冻结工程冻结壁出水位置,对主冻结孔的冻结器内纵向进行测温,根据冻结孔停冻后单根冻土柱导热规律,建立了瞬时停冻后冻土圆柱内冻结温度场分布的数学计算模型;通过冻结器内纵向测温数据,获得了新疆伊犁一矿副井主冻结孔各冻结器内纵向温度分布规律,借助Maple数学计算软件对伊犁一矿副井主冻结孔各冻结器内纵向温度数据进行了分析,从而准确判定了冻结壁出水位置,为冻结壁出水事故处理提供了科学依据。     

煤矸石骨料混凝土的耐久性试验研究

为探讨煤矸石骨料混凝土的耐久性,对其两个指标--干燥收缩性能和抗冻性能进行试验研究,重点对煤矸石和普通碎石作为骨料分别制备混凝土试件进行对比分析。干燥收缩性能实验表明：不同水灰比的情况下,煤矸石骨料混凝土的干燥收缩率、质量减少率都比普通碎石混凝土大,这主要由煤矸石骨料的吸水率较大所造成的;无论水灰比多大,两种骨料混凝土的早期干燥收缩率都较大,50 d时的干燥收缩率占整个龄期的85%左右,超过120 d后逐渐趋于稳定。抗冻性能实验表明：在常用水灰比情况下,煤矸石骨料混凝土的抗冻性能指标能够满足要求;在不同水灰比的情况下,煤矸石骨料混凝土的耐久性指数比普通碎石混凝土低,质量损失率增大,这主要由煤矸石骨料中的孔隙水产生较大的冻胀应力所造成的。试验结果表明,采用煤矸石骨料制备混凝土是可行的,其干燥收缩性能和抗冻性能能够满足规范要求。     

冻融交替作用下煤矸石混凝土性能裂化的研究

为探究冻融交替作用下煤矸石混凝土性能裂化规律,采用快冻法,分析不同水灰比和含气量对其质量、动弹性模量及强度等方面损失特性影响。结果表明：质量损失率与循环数呈正相关,其显著性为水灰比0.75>水灰比0.65>水灰比0.55;水灰比为0.65和0.75时,其相对动弹性模量显著降低,降低变化率分别为9.56%、11.2%;不同含气量条件下强度损失率与循环数呈正相关,显著性为含气量1.8%＞含气量3.5%＞含气量4.4%。     

含水率对煤冻黏强度的影响

煤炭是我国重要的基础能源,而由于滚筒冻黏引起的胶带撕裂、矿车冻黏引起的煤炭回运等问题严重制约了冬季煤矿的安全和高效生产。水作为煤冻结条件的必要因素,对煤的冻黏强度具有重要影响。通过自行设计的冻黏强度测试装置,在温度为-30 ℃和冷冻时间为3 h的条件下,分别测试了6种不同材料与干基含水率10%~60%煤泥的冻黏特性。实验研究表明,煤的含水率控制在10%以下为宜,此时冻黏强度几乎为0,随着含水率的逐渐升高煤的冻黏强度逐渐增大,当含水率为40%左右时,达到最大值,随着含水率继续增加,煤的冻黏强度反而出现下降。实验结果还表明,普板(Q235)等亲水性金属材料的冻黏强度对煤的含水率比较敏感,而PTFE等疏水性材料的冻黏强度几乎不受含水率影响。PTFE这类材料这种优良特性在高寒地区煤炭运输领域表现了广泛的应用前景,值得进一步深入研究。     

冷冻取芯过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究

冷冻取芯技术是一种能显著提高井下煤层瓦斯含量测定精度的取样技术,煤芯温度的高低直接影响着取芯过程瓦斯损失量的大小。为了研究冷冻取芯过程煤芯温度场的演化规律,依托自主研发的含瓦斯煤冷冻响应特性模拟平台,开展了不同管壁温度条件下的冷冻取芯煤芯降温物理模拟试验;并通过建立含瓦斯煤芯气固耦合传热模型,借助COMSOL数值模拟软件对现场取样过程中的煤芯温度场时空分布进行了预测。结果表明:常规取芯时,煤芯内部轴向温度Th随着轴向高度h及时间t的增加而升高,可采用Poly2D函数拟合;径向温度Td也随径向距离d,t呈Poly2D函数升高;当取芯管外壁温度为90~150℃,取芯时长30 min时的煤芯中心温度分别高达46.3~62.0℃,取芯时长60 min时,煤芯中心温度接近管壁的温度。冷冻取芯时,取芯管内的制冷剂能有效隔绝外壁的切削摩擦热量,并使煤芯迅速降温,前60 min内为快速降温阶段,随后降温速度减慢;煤芯内部沿轴向温度基本没有变化,而径向上存在明显的温度梯度,径向温度Td随径向距离d,t的增加呈负指数下降。当冷源强度一定时,随着取芯管外壁温度降低,煤芯所能达到的极限低温就越低,降温速度也越快;管壁温度分别为90,110,130和150℃时,取芯时长30 min时煤芯中心温度降至-27.30,-13.20,2.05和16.80℃,取芯60 min时煤芯内部各点基本降至同一低温,煤芯导热系数随环境温度降低呈线性减小。     

煤中黏土矿物对煤炭运输设备冻黏强度的影响

为分析煤中黏土矿物对煤炭运输设备冻黏强度的影响,选取不同矿的3种煤,通过XRD检测3种煤所含的主要黏土矿物分别为蒙脱石、绿脱石和伊利石,配制3种煤的精煤和在其基础上添加各自不同含量黏土矿物的煤样,以及同一种煤的精煤和在其基础上添加3种不同种类黏土矿物的煤样,应用研制的冻黏强度测试装置测试各煤样在常见基体Q235材料上的冻黏强度,结果表明:相比3种煤的精煤煤样,添加10%黏土矿物的3种煤煤样冻黏强度分别增加25.0%、22.1%、11.0%,添加20%黏土矿物的3种煤煤样冻黏强度分别增加47.4%、36.2%、24.4%,当添加黏土含量大于20%~30%时,3种煤的冻黏强度基本都不再增加;对于同一种煤,在其冻黏强度随黏土含量增加阶段,添加等量蒙脱石、绿脱石,煤样的冻黏强度增幅程度高于添加伊利石的煤样。煤中黏土矿物可增强煤的亲水性,使煤冻黏强度在一定范围内随黏土含量增高而增加;蒙脱石、绿脱石的亲水性高于伊利石,对煤冻黏强度影响更大。     

煤矿废弃冻结管作为地源热泵换热器的研究

我国是世界上用冻结法凿井穿过深厚表土层的国家之一,基于某煤矿实例,通过数值模拟分析研究利用冻结管作为地源热泵换热器地埋管的可行性,并提出以冻结管作为地源热泵换热器可实现深部地层冷量和热量的利用,实现冻结孔废物利用,开辟了煤矿热泵技术中一种新的取热途径。     

单轴压缩下低温冷冻原煤的变形及声发射特征试验研究

分别对自然和自然饱水状态下冷冻处理后及未经冷冻处理的煤样开展单轴压缩声发射试验,分析了煤样的强度及变形特征,并对加载过程中的声发射特征与损伤演化规律展开分析。研究表明:低温冷冻后自然和饱水煤样的抗压强度会降低,分别降低13.93%和25.02%;其变形特征和撞击率演化规律基本不变,但压密阶段应力-应变曲线斜率会降低,且最大撞击率会出现增高,分别增加10.20%和22.45%;3种状态下煤样损伤演化规律依次可分为初始损伤阶段、损伤缓慢阶段、快速损伤阶段和峰后损伤阶段,但低温冷冻处理后峰后损伤阶段明显缩短;低温冷冻处理后煤样在峰值载荷处损伤演化明显不同,自然状态下呈多级台阶上升;而冷冻处理后呈单级台阶上升,损伤增长较快,对应破坏越剧烈,煤样破碎程度越高。     

蒙西陇东地区富水软岩地层冻结造孔施工技术研究

结合在蒙西陇东地区施工经验,选取地层代表性较强的当前世界立井净径最大的泊江海子煤矿副立井,当前世界冻结深度最深的核桃峪煤矿副立井冻结工程,对冻结造孔及相关工序进行分析,提出蒙西陇东地区冻结造孔中纠斜、取煤芯、冻结管下放及穿越砾岩等关键工序技术要点,为该区域冻结造孔施工提供参考。