碳中和目标下煤炭行业发展机遇

高钙粉煤灰浆pH较高,直接用于煤矿井下防灭火易污染地下水。为研究CO₂矿化利用粉煤灰制井下防灭火材料固碳降碱反应特性,选取陕北某煤电一体化企业粉煤灰为样品,通过XRF、XRD分析了粉煤灰组分及物相结构,利用N₂和CO₂的混合气模拟电厂烟气,开展了CO₂矿化利用粉煤灰实验室小试及扩试试验,研究了粉煤灰固碳降碱反应过程中浆液pH变化规律及模拟烟气CO₂体积分数、烟气流量、固液比、温度、搅拌方式等关键参数对矿化反应过程的影响,并从粉煤灰固碳降碱浆液特性、矿化反应装置研制等方面提出了井下规模化应用有待攻克的关键技术,研究结果表明：① 粉煤灰原样中富含Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Al³⁺等碱金属元素,其中CaO质量分数高达17.8%;② CO₂与粉煤灰中含Ca²⁺、Mg²⁺等碱性矿物产生矿化反应,反应后CO₂以方解石型碳酸钙附着在粉煤灰球形颗粒表面,表明了高钙粉煤灰固碳降碱具有可行性;③ 矿化反应过程中,浆液pH下降呈“慢—快—慢”3个阶段,当粉煤灰浆液pH降至7.0～7.5后,浆液返碱pH不会超过9,满足煤矿井下粉煤灰防灭火材料要求;④ 确定了最优矿化反应参数为CO₂体积分数10%～15%、固液比300 g/L、每升浆液的烟气流量1.0 L/min、温度不高于55 ℃;⑤ 综合考虑固碳量、降碱返碱速度以及反应规模等因素,提出了涡流式反应器与旋桨式反应器串并联两级耦合反应系统。

     

坚硬顶板厚隔水层条件下底板突水致灾机理及全周期治理技术

峰峰矿区九龙矿4号煤层顶板为厚3.5 m的坚硬野青灰岩,煤层底板岩层组合为“厚隔水层夹薄层灰岩+奥陶系灰岩”,九龙矿开采4号野青煤以来,发生多起底板奥灰突水事故。针对煤层底板存在厚隔水层且传统井下底板加固甚至区域治理仍无法完全消除奥灰突水的现状,笔者基于零位破坏理论,建立了考虑顶板压力传递的煤层底板采动破坏力学模型,分析了顶板压力传递和承压导升作用下的底板突水致灾机理,提出底板水害“采前-采中-采后”全周期治理技术并通过井下底板验证孔-工作面涌水量-奥灰水位动态变化“三位一体”立体化监测对治理效果进行评价。研究结果表明：(1)坚硬顶板条件下,采空区悬露面积大,周期来压强烈,导致底板破坏深度增加,在煤层底板导水构造阶梯式导升作用下容易发生滞后突水;(2)通过采前区域治理对煤层底板进行全面加固消除致灾因素,采中对煤层底板微震事件多发、构造发育区域进行重点加固达到减水开采,采后补强加固实现保水开采,创建了工作面底板奥灰水害全周期治理模式;(3)治理后,工作面底板薄层灰岩与奥灰无水力联系,奥灰水位与工作面底板涌水量随工作面来压发生变化,但变化幅度较小,工作面涌水量仅为0.46～1.12 m3/...     

陕北风积沙区超长工作面地表移动变形特征研究

为研究风沙地貌超长工作面开采地表移动变形影响,对陕北柠条塔矿S12002工作面进行长期、系统的地表变形监测,研究结果表明：陕北风积沙区超长工作面地表变形具有下沉响应快、边界下沉收敛迅速、地表下沉呈非连续性震荡波动、地表开切眼处损伤严重等特点,其中最大下沉系数0.59,最大下沉量2442.4 mm,最大水平移动值832.3 mm,最大下沉速度354 mm/d,活跃期下沉量占总下沉量96%,该地区具有明显的高强度开采损害特征;下沉系数与工作面地质采矿条件参数存在一定相关性,研究成果丰富了西部风积沙区超长工作面地表变形特征研究数据。     

采动影响下断层面应力与滑移特征研究

为了研究工作面开采结束后断层面的应力与滑移特征,以峰峰矿区某矿实际地质条件为背景,通过理论计算和数值模拟的方法,建立了断层面应力和滑移力学模型,得到了采动影响下的断层滑移力学判据及断层滑移的主要影响因素,研究了工作面推进结束后的断层面应力特征和断层滑移情况并进行了实例验证。研究结果表明:开采造成断层面正应力和剪应力的变化是断层滑移的主要影响因素;断层面岩性参数相近时,断层面正应力和剪应力与至断层露头的垂直距离近似呈线性关系,并且正应力变化幅度远大于剪应力变化幅度,正应力增加速率为剪应力增加速率的19倍左右;煤层开采后,距离断层露头较近的断层面岩体有向下滑移趋势,距离断层露头较远的断层面岩体有向上滑移趋势。     

浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构特性及演化机制分析

通过分析浅埋近水平煤层开采覆岩结构及破坏的特点,在压力拱和关键层理论的基础上建立了浅埋近水平煤层采场覆岩压力拱结构模型;认为该压力拱结构在工作面长度和推进方向上具有左右对称特征,压力拱发育至关键层后若关键层破断则基于破断位置重新起拱,若不破断则拱顶位于关键层附近,该压力拱结构模型能较好描述浅埋近水平煤层开采覆岩破坏形态。基于上述模型,分析了压力拱结构层和覆岩破坏区演化的突发性和阶段性特点,推导出了结构层压力拱轴线方程和覆岩破坏范围计算判据,分析了压力拱的极限变形量,给出关键层破断对压力拱发育影响的分析计算方法;通过对大柳塔矿52505工作面采场覆岩数值及理论分析,关键层破断后没有形成完整压力拱结构,导致地表出现塌陷。     

单水源分级多压式井下导高探测系统的研发与应用

传统井下导高探测仪普遍使用两条独立管路进行胶囊封胀和探测段充水工作,实际应用中钻杆与充气管极易缠绕或挤堵,而且现有观测设备只能实现单项压力状态下钻孔漏失量的观测,数据单一且无对比性,为解决上述问题,研究一种单水源分级多压式井下导高探测系统,观测系统包括Ⅰ级高压注推一体化系统、Ⅱ级高压胶囊胀封系统、Ⅲ级低多压递进探测系统...     

基于关键层理论的地表偏态下沉影响因素分析

将工作面上覆岩层分为关键层下部软弱岩层、关键层、松散层3部分,根据关键层理论建立了地表偏态下沉模型。通过引入地表下沉偏态程度分析了各种因素对地表偏态下沉的影响并利用数值模拟分析了松散层厚度对地表偏态下沉的作用。研究结果表明:(1)关键层下部岩层碎胀系数越小,偏态程度越明显;关键层距煤层顶板高度越小,偏态程度越明显;煤层厚度越大,偏态程度越明显;当采空区长度达到一定值后,偏态程度不随采空区长度的增加发生改变;关键块平均长度越大,偏态程度越明显;松散层厚度越大,偏态程度越明显。(2)松散层厚度的增加只可以使地表下沉具有连续性,但不会抵消地表下沉的偏态程度。     

基于应力波理论的断层对覆岩移动变形和应力传递阻隔效应研究

为了研究断层对开采沉陷影响机制,将工作面开采对覆岩的扰动视为应力波在岩层介质中的传递,建立了应力波在软弱岩层和坚硬岩层间双向传递的应力表达式。采用理论和数值计算分析了软弱岩层介质对应力波传递的影响,揭示了断层对覆岩移动变形和应力传递阻隔机制并通过相似模拟进行验证,最后利用数值计算分析了不同断层特征参数对覆岩移动变形阻隔作用的影响程度。结果表明：工作面开采产生的应力波波速越大,采动对覆岩的扰动越大|断层带岩体作为破碎带存在,应力波在断层带岩体多重反射作用下穿过断层带后波速下降明显,开采盘与非开采盘应力波最大波速之比为4.68～35.61,断层对采动应力传递具有阻隔效应,覆岩移动变形主要发生在开采盘|由于应力波穿越断层后在浅部波速衰减小于深部,浅部断层带岩体先于深部断层带岩体发生非连续变形|断层特征参数对覆岩移动变形传递阻隔作用排序为断层带宽度＞断层落差＞断层倾角＞断层带岩体内摩擦角＞断层带岩体黏聚力。