煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法.该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的.实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质-渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质-渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术.瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结.分析认为:①瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;②现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;③瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定 3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;④高瓦斯压力、高CH4 体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物分解,有助于水合物的稳定存在.需要注意的是,瓦斯水合固化技术防突的可靠度仍需大量重复试验验证,以建立普适化的数据库.综合现有研究结果,对水合固化防突研究目前仍存在的局限性与挑战进行了讨论,并且给出了进一步的研究方向.     

阻抗测试方法在瓦斯水合防突模拟实验中的应用

阻抗法可以监测各种固体、液体内部以及界面电荷的束缚和移动的变化特性。利用突出煤体中瓦斯水合固化过程阻抗特性监测实验装置,以不同质量分数NaCl溶液作为煤体孔隙液体,测试了相同孔隙度煤体中瓦斯水合固化过程阻抗变化特征。结果显示:实验釜中阻抗变化分为三个层位区域,分析瓦斯水合过程阻抗变化特征曲线,上层位阻抗逐渐增大瓦斯水合物形成量较大,下层位阻抗逐渐降低水合物未在此区域形成。通过NaCl质量分数曲线标定,获取了水合反应水的转化情况,基于PR状态方程结合瓦斯变化情况建立了瓦斯水合物生长计算模型,依据色谱分析结果计算了瓦斯水合物的含气率。     

改性干水体系中瓦斯水合分离动力学与回收研究

煤炭行业低碳化发展是实现碳中和目标的关键,降低碳排放强度是“双碳”目标的必然要求,因此在碳达峰背景下探寻快速高效分离回收低浓度煤矿瓦斯的方法十分必要。据此基于水合物技术,运用结冷胶、碳纳米管和铜粉对干水进行改性,并以干水作为试验液相,在3.0 MPa,275.2 K条件下静态体系中进行多轮次水合物形成循环试验,考察非改性干水、结冷胶-四氢呋喃（THF）、碳纳米管-THF、铜粉-THF改性干水对25%CH4/67%N2/8%O2混合气的分离动力学和CH4回收效果的影响,并对比了不同改性材料干水重复应用的性能稳定性。结果表明：改性材料中结冷胶体系分离效果最好,与非改性干水体系相比,结冷胶-THF改性干水体系气体消耗量显著增加9.36倍,水合物初始生长速率提高87.45%,CH4平均回收率最大为56.4%。4种结冷胶质量分数（3%、6%、9%、12%）优选结果显示含有9%结冷胶的改性干水体系（GDW）具有较好的动力学稳定性和回收效果。而碳纳米管-THF、铜粉-THF改性干水对瓦斯水合物形成具有轻微的抑制作用,在多轮次水合物形成过程中出现部分解离时,存在自由水和未解离干水的一个最优配比,从而达...     

煤体瓦斯愈渗机理与研究方法

以物理学单纯孔隙介质的愈渗概念与方法为基础,提出了孔隙、裂隙介质愈渗研究方法,针对煤体中瓦斯赋存与渗流问题,在二维情况下,通过数值试验研究揭示了连通团个数、最大连通团孔隙比随孔隙率和裂隙分形维数的变化规律.结果表明,在裂隙数量分布初值n0=1的标准情况下,随着裂隙数量、分形维数增加,连通团个数对应的孔隙率点由30%逐渐降低到20%左右;当孔隙率高于35%时,裂隙数量分形维数高于1 45以后,最大连通团孔隙比增加较快,低于此值时,所有连通团包含的孔隙数均极小,这就是煤体低渗透的本质.     

含瓦斯水合物煤体不同孔隙饱和度试验研究

煤层瓦斯固化防突技术利用含瓦斯水合物煤体储气量大且能改变煤体力学性质的特点,达到预防煤与瓦斯突出的目的。利用SHW-III型试验设备进行不同孔隙饱和度下含瓦斯水合物煤体的合成试验。结果表明:瓦斯水合物的声波波速可以表示合成情况,随着孔隙饱和度的增加而增大;预测的饱和度与试验方案最大相差4.18%,预测孔隙饱和度与计算孔隙饱和度最大相差4.92%;煤体胶结性随瓦斯水合物煤体孔隙饱和度增加而变强。     

瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学机理

对瓦斯气体在煤体中的吸附过程及其动力学机理进行分析研究表明，吸附过程除与输入压力、温度和吸附气体种类有关外，还受煤体的渗透率、外载荷、湿度等因素的影响。是吸附、扩散－渗透和解吸并存的动态过程，直到吸附平衡为止。     

饱和度对含瓦斯水合物煤体渗透率影响试验研究

瓦斯水合固化防突方法能高倍固化瓦斯,降低瓦斯压力,并且前期研究表明,水合物的生成填充煤体孔隙,能够提高煤体强度,改善煤体力学性质,有望减弱煤与瓦斯突出危险性。渗透率是检验瓦斯水合物-煤体体系水合固化效果的关键参数,因此利用应力-渗流-固化一体化三轴试验机,开展了3种目数和3种饱和度条件下含瓦斯煤、含瓦斯水合物煤体渗透实验,测定了瓦斯水合物生成前后煤体渗透率;基于含水合物多孔介质渗透率模型,探讨了煤体中瓦斯水合物的分布模式。结果表明:水合物生成后煤体的渗透率降幅为19.9%~93.0%,其中40~60目(0.250~0.425 mm)60%饱和度煤样渗透率降低幅度最大;随着饱和度增加,20~40目(0.425~0.850 mm)及40~60目(0.250~0.425 mm)含瓦斯水合物煤体渗透率均先减小后增大,60~80目(0.18~0.25 mm)煤样始终呈增大趋势;将试验结果与渗透率理论模型对比发现,本试验煤体中瓦斯水合物分布模式以表面胶结型为主,水合物生成对煤体内瓦斯渗流通道的阻塞效果显著。     

基于不同加载速率的含瓦斯煤体裂隙演化规律研究

为研究不同加载速率对含瓦斯煤体试件破坏过程中损伤单元数分布情况及瓦斯渗流情况的影响,采用数值模拟方法,得出五条结论。     

煤体裂隙发育促进瓦斯解吸的分形研究

基于煤体裂隙分形演化特征,研究了煤体裂隙发育对瓦斯解吸的影响。将煤体简化为裂纹-基质块结构,分析了煤体裂隙长度与基质块尺寸关系,由裂隙发育的分形特征得到了煤基质块尺度演化规律及煤中瓦斯解吸速度变化规律。解吸速度在裂隙演化初期随分维数近似于线性增长,而在后期,大量微裂纹的产生使得煤基质块尺寸迅速减小,解吸速度随分维数增加迅速提高。根据现场实测煤体裂隙分维数在采动前后的变化,发现基质块尺寸会减小为原尺寸的1/5,瓦斯解吸速度变为原来的21.6倍,采动引起的裂隙发育会对瓦斯扩散运动产生较大影响。     

煤体变形与瓦斯解吸/吸附关系的研究实验

专门针对瓦斯解吸及吸附作用与煤岩形变的相关性做出实验认证,条件是恒压恒温,利用物理上的排水法间接获得瓦斯体积,又由于解吸量与吸附量是一对互逆过程,那么即可利用回归分析便能够算出朗格缪尔体积常数a以及压力常数b,进而把所获得数据进行拟合分析,得到了体积变化与解吸量的关系式,最终分析出瓦斯解吸及吸附作用和煤岩体积形变的定量关系。     

利用水合原理分离矿井瓦斯实验

提出了利用水合原理分离矿井瓦斯的新方法,利用自制高压可视化实验装置研究了4种瓦斯气样、3种试剂构成的12个反应体系中瓦斯水合化分离热力学参数变化规律及其CH₄分离提纯浓度.获得了4种配比瓦斯气样水合化分离热力学参数和3个反应体系中水合化分离前后水合分离器中气相组分色谱分析结果.研究发现：57.899%浓度的Ⅰ型气样和34.130%浓度的Ⅳ型气样经过一级水合化分离后CH₄提纯浓度可以分别达到77.217%~88.133%,66.385%;添加剂THF对水合化分离热力学条件改善和分离效果提高作用明显.     

十二烷基硫酸钠对瓦斯水合物生长速率的影响

运用可视化瓦斯水合物实验装置,研究了4种浓度（0.4、0.5、0.6和0.7 mol/L）十二烷基硫酸钠溶液对瓦斯体系水合物生长速率的促进效果,实验获取了瓦斯水合物生成过程的压力-时间曲线,利用水合物生长速率模型对水合物生长速率进行了计算。结果分析表明：十二烷基硫酸钠提高了水合物生长速率,促进了瓦斯水合物生成;十二烷基硫酸钠促进作用存在一个最佳浓度,在所研究的各个体系中,0.6 mol/L SDS溶液中瓦斯水合物生长速率最大,9.0 MPa压力条件下生长速率可达3.35×10^-5 m³/h。     

基于灾区环境的矿井瓦斯爆炸事故应急救援方法研究

为了提高煤矿应急救援决策与指挥及现场处置的科学性,避免矿山救援队伤亡事故的发生,基于爆炸力学和流体力学,结合对矿山救援队的调研,对矿井瓦斯爆炸灾区环境的形成机制进行了研究,并针对矿井典型地点的瓦斯爆炸事故,分析了灾区环境的变化规律,探讨了应急救援方法。研究结果表明:瓦斯爆炸灾区环境与爆炸强度、空间尺寸、瓦斯涌出量、井巷设施及救援措施等有重要关系,其形成过程可划分为3个阶段:爆炸冲击破坏和火焰毁坏作用阶段、热量及有毒有害气体的再分布阶段、施救措施对灾区环境的干扰阶段。根据典型地点灾区环境变化规律,提出充分评估瓦斯爆炸事故灾区环境,采取有针对性的救援措施逐步改善灾区环境以实现安全施救的应急救援方法,应重点预防施救措施对灾区环境的干扰诱发矿山救援伤亡事故。     

Disaster prediction of coal mine gas based on data mining

The technique of data mining was provided to predict gas disaster in view of the characteristics of coal mine gas disaster and feature knowledge based on gas disaster. The rough set theory was used to establish data mining model of gas disaster prediction, and rough set attributes relations was discussed in prediction model of gas disaster to supplement the shortages of rough intensive reduction method by using information entropy criteria. The effectiveness and practicality of data mining technology in the prediction of gas disaster is confirmed through practical application. Supported by the National Natural Science Foundation of China(70572070); the Liaoning Province Talents Fund Projects(2005219005); the Technology Key Project of Liaoning Province(2006220019)     

基于化学反应动力学的瓦斯爆炸对冲火焰叠加特征的研究

为了研究煤矿瓦斯爆炸过程中火焰相向叠加后,火焰反应区内的化学反应进程,利用化学反应动力学的基本原理和58步甲烷反应机理,分析了火焰区内化学动力学参数的变化规律。认为煤矿瓦斯爆炸对冲火焰两侧反应区内的化学反应进程具有明显的对称特征。汇聚点处的产物浓度最高,H2O的最大摩尔浓度为0.185 382,CO2为0.082 896 4,最高温度为2 246.43 K。爆炸反应区内的CO、H2离子的最大摩尔浓度分别为5.442 28%和2.430 82%,明显高于其他离子浓度,对最终爆炸产物的生成起关键作用。另外,对H2O的生成速率起关键作用的反应步为OH+H2YKNH2O+H,其生成速率为0.010 593 7 mol/(cm3·s);对CO2起关键作用的反应步为CO+OHFYKNCO2+H,生成速率为0.003 769 56 mol/(cm3·s)。     

宋楼矿煤与瓦斯突出危险性评价

以宋楼矿为例,分析了宋楼矿的地质构造特征,研究了该矿动力现象发生情况,找出了邻近矿井发生突出的控制因素,现场实测了大量的瓦斯基础参数,查明了该矿的瓦斯赋存规律,在此基础上评价了宋楼矿的突出危险性,该成果对于提高防突措施的有效性和针对性具有一定的参考价值和指导意义.     

晋华宫矿极近距离煤层开采瓦斯防治技术研究

针对大同煤矿集团公司晋华宫矿大井河南301盘区12-1#煤层、12-2#煤层等极近距离且上覆高浓度瓦斯采空区严重影响综采煤层安全生产的难题,运用瓦斯防治技术与理论分析、现场试验和系统优化等方法,分析得出了极近距离上下煤层同时生产时极易发生因采动压力场垂直方向冒落带、裂隙带、弯曲下沉带以及水平方向煤壁影响支撑区、离层区和重新压实区等切割产生大量裂隙连通采空区泄出瓦斯等特点,提出了瓦斯治理思路和"下挤上拉、上下协同"原则、方法以及一系列相应瓦斯防治措施与对策。实践表明,在8114-1和8114-2工作面采取上述措施后,上隅角瓦斯浓度由治理前的3%～5%降到0.4%～0.5%,有效解决了晋华宫矿大井河南301盘区12-1#煤层和12-2#煤层极近距离煤层工作面开采过程中瓦斯浓度超限问题。     

露天煤矿温室气体排放计算方法

在对露天煤矿的温室气体排放源构成进行全面分析的基础上,建立了相应的碳排放计量模型。研究表明,露天煤矿的温室气体源包括电耗带来的间接排放、燃料燃烧与爆破的直接排放、开采过程中的CH4溢散、煤炭与煤矸石氧化产生的温室气体溢散和矿山开采扰动导致的矿区碳固定能力的变化。在此基础上,参考IPCC温室气体计算指南给出了各排放源的碳排放的计量方法,建立了露天矿碳排放的计量模型。以小龙潭矿务局布沼坝露天煤矿生产条件为基础进行实例研究,计算得该露天矿2008年温室气体排放量为122 351.19 t。     

基于灰色理论的小波神经网络对瓦斯涌出量的预测

将灰色理论引入到收敛速度快、预测精度高的小波神经网络，使灰色理论和小波神经网络有机地结合起来，建立了瓦斯涌出量的预测新模型，经训练和实验结果表明，该方法对所预测的结果比较理想，能够达到准确指导实践的要求.     

基于粗糙集理论的煤矿瓦斯预测技术

针对煤矿瓦斯灾害的特点,提出了用粗糙集理论对瓦斯灾害进行预测.分析了瓦斯灾害特征,并建立了瓦斯灾害特征知识库,应用粗糙集理论建立了煤矿瓦斯灾害预测的数据挖掘模型,讨论了瓦斯灾害预测模型中的粗糙集属性关系,采用信息熵准则对粗糙集约简方法在预测中存在的不足进行了弥补.通过实际应用,证实了粗糙集理论在瓦斯灾害预测中的有效性和实用性.