酸性水环境下煤样的损伤演化特性研究

煤在酸性、碱性或者中性水环境下的结构特征和力学性质不同。为了研究煤在酸性环境下的强度损伤特征及煤的化学腐蚀问题,对经过不同pH的溶液处理后的圆柱体试件进行声发射和单轴压缩试验。试验结果表明：煤体经化学腐蚀后,其孔隙度增大,单轴抗压强度和弹性模量均减小,但峰值应变增大。酸性溶液增强了煤体的损伤,煤体的结构在破坏过程中仍然释放较多的能量。试样被pH为2, 4, 6, 7的溶液浸泡后,其平均强度分别为7.92, 10.85, 12.95, 12.90 MPa,说明了溶液的酸性越强,煤体试件的损伤越严重。煤体试件被不同pH的溶液浸泡后,其应变能和耗散能量随着应变的增加有相似的变化。连续加载下煤体试件的总能量不断增加,增加的速度变化从慢到快,然后再减慢,弹性应变能在峰值应力前逐渐增大,峰值应力后逐渐减小。     

瓦斯吸附作用下煤体爆破裂隙扩展规律研究

为了探究不同瓦斯压力作用下煤体爆破裂隙扩展规律,基于含瓦斯煤体力学性质异于普通煤体的研究成果,利用LS-DYNA有限元软件,在普通煤体物理力学参数的基础上进行强度修正以确定含瓦斯煤体力学参数,对不同瓦斯压力作用下的煤体爆破裂隙扩展进行模拟,并对应力场在普通及含瓦斯煤中传播、衰减规律进行分析。结果表明:煤体粉碎区、裂隙区半径随瓦斯压力增大而增大,裂隙分布更加密集;在爆破近区,含瓦斯煤体单元峰值压力随瓦斯压力增大略微降低,在爆破中远区,单元峰值压力升高,且含瓦斯煤体中应力场衰减速度低于普通煤体,应力作用时间增长,促使煤体破碎。     

软化剂注水软化对煤体强度的影响研究

对煤层进行注水软化,既能解决硬煤开采的问题,又能解决降低粉尘浓度的问题。同时对煤层中瓦斯赋存,也达到了稀释作用,能取得一举三得的收获。为了使煤层达到预期的软化效果,必须研制煤体软化剂来降低煤的普氏系数。本文通过实验来研究在不同软化剂溶液浸泡下煤体的强度变化。     

降温促进煤体对瓦斯吸附效应的试验研究

为了减少煤样取心过程瓦斯漏失量和准确测定煤层瓦斯含量,提出了煤样冷冻取心技术,并开展了环境温度对煤体瓦斯吸附特性的影响研究。采用自制温控吸附装置,在20、-10、-20、-30℃条件下,对不同变质程度的无烟煤、贫煤、气肥煤的瓦斯等温吸附特性进行测试,分析环境温度对煤体瓦斯吸附特性影响,研究煤体降温对促进瓦斯吸附的影响规律。研究结果表明:煤体瓦斯饱和吸附量随温度降低线性增大,且随单位温度降低,气肥煤、贫煤和无烟煤饱和吸附量分别增大0.130、0.148、0.189 cm3/g。同时环境温度降低,随之瓦斯吸附平衡压力增大,煤体瓦斯吸附增量百分比先速减,而后缓减直至趋于稳定。降温促进了煤体对瓦斯的吸附,且环境温度越低,煤体对瓦斯的促吸效果越明显。同一吸附平衡压力下,降低单位温度瓦斯吸附增量百分比仅与煤的性质有关,与其温度环境无关。     

煤体瓦斯吸附与放散过程中的应力分析

为研究煤体在吸附和放散瓦斯过程中的力学特征,使用煤层瓦斯动力作用模拟系统试验平台,建立了煤体瓦斯吸附与放散物理试验模型,对煤体在瓦斯吸附和放散过程的煤体总应力、瓦斯压力和瓦斯放散速度等参数进行了监测。模拟试验结果表明：对于刚性围岩中的煤体,当煤体瓦斯从游离态向吸附态转化过程中,煤体总应力略微降低,孔隙压力和有效应力随时间分别按照对数规律减小和增大;煤体瓦斯向煤体外放散阶段,瓦斯压力和煤体总应力随时间按照负指数规律降低,有效应力随时间略有降低,瓦斯放散速度随时间按照对数规律降低。此研究成果可对矿井瓦斯动力灾害防治和煤层气开采技术理论研究提供参考价值。     

浅谈煤体温度变化对煤与瓦斯突出的影响

文章论述了煤体温度变化对煤与瓦斯突出的影响。经考察分析认为,煤体瓦斯解吸 导致煤体温度下降,此时瓦斯涌出量不变或者减小,则突出危险性增大;反之突出危险性不变或减少。因此煤体温度降低值可做为一项预测煤与瓦斯突出的危险性指标。由于煤体测温工作简便易行,因此可在较大的范围内应用。     

表面活性剂影响煤体瓦斯吸附解吸性能的实验研究

在新鲜煤壁瓦斯涌出强度大的问题上,根据表面活性剂的润湿性、分散性、稳定性以及考察目的,选择十二烷基苯磺酸钠与洗涤灵按2∶1的比例配制了实验试剂,提出了利用表面活性剂降低瓦斯涌出强度的技术方案,并在实验室做了颗粒煤对瓦斯的吸附与解吸实验。实验结果表明:颗粒煤经过喷洒十二烷基苯磺酸钠和洗涤灵配制的表面活性剂溶液后,表面活性剂溶液能够很好地渗透煤体,使煤样润湿程度增加,堵塞了瓦斯的运移通道;活性剂溶液渗透到煤体孔隙内部,对煤体起到了降温的作用,低温有利于瓦斯吸附,抑制吸附瓦斯转化为游离瓦斯,瓦斯涌出强度会降低10%~40%左右,从这两方面达到降低瓦斯涌出强度、避免瓦斯超限的目的。     

不同煤阶煤体吸附储存CO_2膨胀变形特性试验研究

利用自主研发的气体等温吸附装置并辅以TST3827动静态应变测试系统,针对4种不同煤阶的煤样试件,在恒定温度(50℃)不同吸附压力条件下,研究了不同煤阶煤样CO_2吸附特性及煤样的吸附变形规律。结果表明:煤体CO_2吸附量与煤阶密切相关,在相同的吸附压力条件下,CO_2吸附量随着煤阶的增大而增大;不同煤阶煤样的等温吸附曲线类似,煤样的CO_2过剩吸附量随吸附压力变化曲线呈现出先升高后降低的特点,在8 MPa左右达到最大值;不同煤阶煤体吸附CO_2后引起的变形也具有类似的变化趋势,即随着CO_2压力的增大,体积应变先增大后趋于稳定,体积应变可以用引入CO_2密度的DR模型进行描述,且随着煤阶的增大,体积应变逐渐减小;由于煤体层理结构特征,煤体在垂直于层理方向的应变约为平行于层理方向应变的1.8~2.3倍;煤体体积应变与绝对吸附量在气态CO_2中呈线性增长关系,当CO_2达到超临界状态以后随着绝对吸附量增加体积应变趋于稳定,且煤体吸附相同量CO_2产生的体积应变随煤阶的增大而减小。     

煤自然发火过程的模拟实验研究

分析了煤体自然发火的原因和特点,进行了煤自然发火的模拟实验,通过对实验测试数据的分析,讨论了煤体自燃发生过程中温度的变化规律,所得结果对于分析和预测煤自燃的进程、防治煤体的自燃火灾具有重要的指导意义.     

含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统的研发及应用

为了改进含瓦斯煤多场耦合条件下的基础实验研究,自主研发了含瓦斯煤多场耦合渗流解吸实验系统,主要由恒压自动充气吸附单元、煤样瓦斯“面扩散”渗流解吸装置、瓦斯抽采单元、应力加卸载单元、非接触式应变测量单元、声发射监测单元、多参监测单元和实验系统管理软件组成;并应用该系统进行了煤体甲烷吸附解吸实验和含瓦斯煤受载过程中应力-应变-渗透规律研究。研究表明：煤体的吸附和解吸均符合指数函数,解吸率先快速增大后缓慢增加最终达到了平衡状态;同一时刻,随着粒径的减小,煤体吸附平衡时间越短、解吸率和解吸总量越大;含瓦斯煤应力-应变-渗透过程呈阶段特性,煤体渗透率在压密阶段快速降低;弹性变形阶段应变快速增大,渗透率缓慢降低并达到最小值;屈服阶段渗透率缓慢增加,峰后软化阶段渗透率快速增大。     

不同煤体结构煤的吸附性能及其孔隙结构特征

煤的吸附能力是决定煤层含气量的重要参数。采用沁水盆地东南部赵庄井田二叠系山西组3号煤4个不同煤体结构的高煤阶煤样,通过等温吸附试验分析了不同煤体结构煤样在不同温度和压力下的吸附性能;同时对不同煤体结构煤样进行了低温液氮吸附实验,分析了不同煤体结构煤的孔隙结构特征,从煤体孔隙结构层面分析了不同煤体结构煤的吸附控制机理。结果表明：煤样升压吸附符合Langmuir等温吸附方程,饱和吸附量随煤体破坏程度的增加而增高,随着温度的增高而降低。随着煤体破坏程度的增高,孔容和比表面积也相应增大,孔容主要由中孔贡献,比表面积主要由微孔贡献,糜棱煤的孔容和比表面积在不同孔径阶段均最大,其次为碎粒煤、碎裂煤和原生结构煤;低温液氮吸附实验结果与等温吸附试验反映一致规律,这些说明,在同一地质条件下,煤体结构破坏越严重的地区煤层含气量越高。     

用物理化学法予先湿润煤层对煤质影响的研究

目前,卡拉干达煤田广泛采用的予先湿润煤层是提高采矿工作安全措施的方法之一。该煤田的180个回采工作面就有125个采用了予先湿润法。向煤层注水能降低空气中的煤尘、煤的硬度、掌子面和采落煤的瓦斯涌出量,降低煤对氧的吸附速度。为提高予先湿润的效果,选择了能在煤体中存在时间比较长的溶液、为了控制瓦斯涌出,选择了加入ДБ湿润剂(或者不加)的 NaCl、CaCl_2的电解质溶液和水玻璃     

煤临界表面张力测定及分析

临界表面张力是反映固体表面润湿性能的一个重要常数。利用自制的成型模具压制煤样试片,配制不同浓度(不同表面张力)的JFC溶液,利用FTA200表面张力仪及接触角仪测定了煤水接触角,获得了4组煤样的临界表面张力。结果表明:煤的临界表面张力为20.94～28.59mN.m-1,属于低能固体表面;在实际煤层注水过程中,普通矿井水表面张力大于煤的临界表面张力,煤体润湿效果差;在注入水中添加表面活性剂,将水的表面张力降低至煤的临界表面张力以下,煤体能够被充分润湿,取得良好的降尘效果。     

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。     

掘进工作面卸压区宽度及其主控因素研究

针对煤巷掘进过程中易发生煤与瓦斯突出的问题,对煤巷掘进工作面煤体的卸压区宽度范围进行了理论分析,得出了卸压区宽度受煤层界面摩擦因数、煤体抗拉强度、煤层厚度、煤岩容重、侧压系数及煤层开采深度等多种因素的影响,采用灰色关联分析法确定了煤体的侧压系数为卸压区宽度的主控影响因素,并采用现场实测的方法验证了卸压区宽度数值分析的正确性。提出了煤巷掘进工作面进行煤与瓦斯突出防治措施应用时,应主要以施加外部荷载的防突措施为主,提高煤体的侧压系数以破坏煤体完整性并增大卸压区宽度,使卸压煤体厚度增大从而抵御煤与瓦斯突出。研究结论可以为煤巷掘进面煤与瓦斯突出的研究提供理论指导。     

不同加载速率下含瓦斯突出煤体受载破坏损伤特征研究

为研究加载速率对含瓦斯突出煤体受载损伤特征的影响规律,开展了0.001、0.005、0.01、0.05、0.1 mm/s等5种加载速率下含瓦斯突出煤单轴压缩实验,从声发射累计损伤和煤体表面裂隙分形数2个方面分析了煤体的损伤特征。结果表明:随着加载速率增大,含瓦斯突出煤体的单轴抗压强度均逐渐减小,并呈现出对数函数关系;随着应力不断增大,煤体损伤曲线呈现出平静期、提速运动期和加速运动期,煤体最大损伤值均出现在峰后破坏阶段;随着加载速率增大,煤体的最大损伤值呈现出先增加后降低的规律,加载速率0.05 mm/s为曲线的拐点;煤体破坏后表面裂隙的分维数也随着加载速率增加呈现出先增加后降低的规律,拐点出现在加载速率为0.05 mm/s时,2种方法所得结论一致。     

工作面打钻诱导突出机理分析及其预防措施

为分析煤矿井下工作面打抽放钻孔和防突钻孔过程产生的煤与瓦斯突出机理,分析了打钻时的突出过程,并从工作面煤岩体强度硬度、工作面三区分布规律、煤体的应力应变全过程、钻孔能释放地应力、钻孔周围煤岩塑性区半径、煤岩体流变机理等方面对该类突出进行了理论分析。研究结果和工程实践表明：工作面钻孔能有效排放工作面煤体中的瓦斯和降低瓦斯压力、增大工作面卸压区长度、增大工作面防突屏障厚度,起到防突效果;但在工作面打密集钻孔会破坏煤岩体原有结构、降低煤岩体原有的硬度和强度、降低工作面防突屏障的强度,同时在打钻孔过程会产生扰动,以致增大突出的危险性。所以工作面打钻孔具有防突和诱导突出双重作用。     

关于予先湿润煤体的应用范围

众所周知,为防止冲击地压和煤与瓦斯突出进行煤体注水时,在许多情况下没有获得应有的效果。由此可以推断,予先湿润煤体的应用范围是有局限性的,它取决于煤的附加充水能力的某些性质。我们试图确定煤体注水防止冲击地压的适用范围。同时,其中一些认识在评价湿润煤体对予防煤与瓦斯突出、煤尘和内因火灾的有效性时,同样可能是有益的。煤的附加充水能力,首先取决于在自然条件下煤层沿裂隙的透水性、煤的总孔     

掘进工作面煤层注水工艺及效果分析

根据煤层注水原理,以现场实测数据为基础,通过在掘进工作面迎头打浅孔向煤层注水,使煤的含水量增加,增加了分子间粘着力,增加了巷道的防尘效果,同时使煤的力学性质发生变化,塑性增强,硬度和强度降低,减少了煤体内部的应力集中和瓦斯放散的速度,从而造成煤层透气性增大、瓦斯充分释放、煤体瓦斯潜能降低,达到消突的作用。     

低温对不同水分条件下煤的坚固性系数影响研究

煤体力学性质是煤与瓦斯突出的一个必要条件,提高煤体的力学性质对抑制煤与瓦斯突出的发生具有重要的意义。为探析低温环境及水分对煤体坚固性系数的影响,通过煤样加湿处理装置及低温环境坚固性系数测试装置,对不同温度及不同水分条件下煤体的坚固性系数进行测试。研究结果表明:随着温度的升高以及煤样水分的降低,煤的坚固性系数呈减小趋势;随着温度的降低以及煤样水分的升高,煤的坚固性系数呈增大趋势。研究为通过煤层注水加冷冻的措施治理煤与瓦斯突出奠定了理论基础。