顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法

顶板瓦斯抽采巷因具有大流量和连续抽采的优点,被广泛用于高瓦斯或突出矿井回采工作面瓦斯治理。如何确定合理的顶板巷布置位置,以高效抽采采空区卸压瓦斯,是保障工作面瓦斯治理效果的关键。为此,在深入分析顶板瓦斯抽采巷布置原则及其布置位置影响因素的基础上,提出了一种基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测方法;采用灰色关联分析法确定了GA–BP神经网络模型的预测指标,并设计开发了顶板瓦斯抽采巷布置位置智能预测系统。研究结果表明:①工作面的采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度等5个物理指标是顶板瓦斯抽采巷布置位置的主控因素,且其权重值排序由大到小依次为采厚、埋深、覆岩结构、煤层倾角、倾向长度。②随着遗传代数的增加,GA–BP神经网络适应度不断减小,且当遗传代数为60时其适应度变化基本稳定,表明GA–BP神经网络初始权重和偏置效果较好。③在当前训练样本数据集的前提下,基于GA–BP神经网络模型的顶板瓦斯抽采巷布置位置的预测结果与实际工况值的相对误差仅为0.43%~11.27%,在可接受的范围内。该研究可为顶板瓦斯抽采巷精准设计提供一定的参考。

煤层层理对微波破煤增透效果的影响

层理作为一种典型的结构弱面普遍存在于煤层之中,煤层层理与煤基质之间的相对力学性能是决定层理发育煤层微波增透效果的关键。为此,采用自主研制的微波辐射试验装置,对层理面与加载方向之间夹角为0°、30°、45°、60°和90°的煤样开展了微波破煤试验,探究了不同层理方向煤样微观孔隙结构与细观裂隙的演化特征,揭示了微波辐射下层理对煤体孔裂隙结构的数量、尺度与连通性的影响规律;对比分析了微波辐射前、后不同层理方向煤体的气体渗透特性,阐明了煤体在煤层层理与微波破煤叠加影响下的渗透率变化规律,揭示了煤层层理对微波破煤增透的影响机制。结果表明:①煤层层理对微波破煤增透效果的影响显著,层理面与加载方向之间夹角越大,微波辐射下煤体的束缚孔减少幅度与连通性裂隙增长幅度也更大;与原煤样相比,微波辐射后不同层理方向煤样渗透率之间的数量级差异有效减小,渗透率各向异性弱化明显。②微波辐射下煤体中细观裂隙发育具有显著的层理效应,具体演化过程为:沿层理面原生裂隙扩展→新的沿层理面裂隙萌生→与层理面相交的裂隙扩展。③煤基质与层理面的介电损耗和传热性质差异,使得微波对煤体的热应力分布受制于层理面。当层理面与加载方向垂直或平行时,煤体以张拉破坏为主;当层理面与加载方向斜交时,煤体以剪切滑移破坏为主。

覆岩采动裂隙空间形态反演方法及在瓦斯抽采中的应用

如何实现工作面采空区瓦斯的高效抽采一直是煤矿安全领域亟待解决的重要难题。覆岩采动裂隙作为采空区瓦斯储运的主要空间,其演化过程与覆岩运动密切相关。通过掌握采动覆岩运动演化特征,反演出覆岩采动裂隙空间形态,从而提出精准的瓦斯抽采技术方案,是解决上述难题的根本途径。为此,结合山西某矿深部高强度开采条件,采用地面钻孔全柱状原位监测方法,研究了工作面开采过程中覆岩运动的演化过程,揭示了覆岩关键层运动的分段特征;在此基础上,反演得到了覆岩采动裂隙空间形态发育特征,即采动覆岩瓦斯卸压运移“三带”、“O”形圈裂隙区、覆岩移动“横三区”的具体范围,提出了包括钻孔布置层位、伸入工作面水平距离和抽采最优时段的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术方案。试验结果表明,深部开采条件下覆岩运动经历了煤壁支撑影响阶段、低位岩层破断运动阶段、破断覆岩快速回转阶段、上部覆岩向下重新压实阶段、采动影响衰减的整体运动平稳阶段等变化过程,其中,在低位岩层破断运动阶段和破断覆岩快速回转阶段内,覆岩的离层空间与破断裂隙快速发育并相互贯通而形成导气裂隙带,为采空区瓦斯的聚集与运移提供了空间,是抽采采空区瓦斯的有利时机;基于采动裂隙空间形态反演的顶板定向长钻孔抽采瓦斯技术,使工作面采空区瓦斯抽采率平均提高了57.5%,有效保障了工作面的安全开采。

煤矿全生命周期绿色开采研究展望

煤矿绿色开采理念提出20 a来,理论研究与技术实践取得了重大创新进展,但在精确量化预测、提效降本控制等方面与生产实际需求仍然存在差距。阐述了煤矿全生命周期绿色开采技术框架,提出了煤矿绿色开采需要深入研究的若干方向和建议。在基础理论方面,应遵循关键层理论的“全地层”学术思想,深入研究采动覆岩卸荷膨胀累积效应及其对岩层移动的影响,建立自下而上涵盖煤层直至地表的全地层移动时空动态模型,实现采动应力、裂隙与沉陷的定量预测,最终形成不同地质开采条件下岩层移动的数字孪生模型。在技术方面,需充分利用岩层移动规律,研究发展适应煤矿高效生产的低成本绿色开采技术,具体而言,重点攻关方向之一是“一注五减”绿色开采解决方案,针对绿色开采中采动损害控制领域面临的煤矿充填材料不足问题与“双碳”目标,研发“煤矸石+粉煤灰+CO_(2)”覆岩隔离注浆充填绿色开采技术,实现减沉(减少地表沉陷)、减漏(减少地下水漏失)、减震(减少应力集中与矿震)、减排(减少固废排放)、减碳(减少CO_(2)排放)等“五减”绿色开采效果。另一个需要重点攻关的方向是采动破坏含水层的修复技术,特别是在西部生态脆弱矿区(尤其是浅埋煤层),需给予充分重视,建议借鉴采后土地复垦,通过相关技术与标准研究将含水层修复列为必备环节,进一步落实全生命周期绿色开采。

深部动压巷道围岩变形破坏机理与控制技术研究

针对采动影响下深部煤层巷道变形破坏严重难以控制的难题,以景福煤矿15108工作面进风顺槽为背景,采用理论分析和数值模拟等研究方法并与现场实测相结合,分析了采动影响下邻近工作面回采巷道的围岩变形规律,揭示了动压巷道围岩变形破坏机理,提出了巷道长锚索支护+短锚索补强+钢带联合差异化控制的分断面锚索加固技术,并采用现场实测方法验证了措施的可行性。结果表明:15108进风顺槽邻近工作面超前支承压力影响范围约90 m,工作面推过120~160 m后,侧向支承压力影响程度开始降低,观测期间顶底板移近量达1 270 mm;15108进风顺槽围岩变形特征与工作面周期来压步距息息相关;应力环境复杂、巷道围岩强度偏低和巷道支护强度不足是影响深部动压巷道围岩稳定的主要因素;巷道长短锚索联合加强支护较原支护提升了围岩支护强度与稳定性,满足巷道运输及工作面回采要求。

低渗透突出煤的瓦斯渗流规律研究

为了解低渗透突出煤体的瓦斯渗流规律,利用自行研制的煤岩体三轴渗透仪,在不同轴压和围压条件下,对以南桐矿区矿井低渗透突出煤层的原煤而制备的试样采用稳态渗流法进行瓦斯渗流试验;比较传统的渗透率计算方法与考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法在低渗透煤体渗流试验数据处理中的差异。研究结果表明:(1)低渗透煤体中的瓦斯渗流具有显著的Klinkenberg效应;(2)对于低渗透煤体,Klinkenberg系数b值与煤体的绝对渗透率呈显著的幂函数关系,而煤体的绝对渗透率与体积应力呈显著的二次多项式函数关系;(3)Klinkenberg系数b值随着煤体绝对渗透率的降低而逐渐增大,煤体的绝对渗透率随着煤体体积应力的增大而逐渐降低;(4)采用考虑瓦斯渗流的Klinkenberg效应的渗透率拟合方法处理试验数据所得到的结果更为合理;(5)试验得到的煤体渗透率表达式反映了瓦斯压力和应力对瓦斯渗流的共同作用,能很好地模拟低渗透煤层的瓦斯渗流。

岩石的动静弹性模量的关系

以川东北飞仙关组的储层和致密层岩石为研究对象,采用弹性波试验和单轴压缩试验相结合的方法,取得相应岩石的各种物理力学参数和声学参数;在此基础上,采用非线性拟合,建立了不同岩性的岩石的动弹性模量与静弹性模量的相关关系,为石油开采中钻孔测井研究提供了基础。研究表明,由于受岩体的完整性和风化破坏程度等影响,岩石试件用动力法求得的动弹性模量和用静力法求得的静弹性模量均存在较大差异,且岩石动静弹性模量的关系呈二次多项式函数关系。

俯伪斜上保护层保护范围的瓦斯压力研究

为划定急倾斜俯伪斜上保护层开采的保护范围，对东林煤矿急倾斜俯伪斜上保护层开采的被保护层瓦斯压力进行了现场考察试验．根据急倾斜俯伪斜采煤法的特点，对被保护层瓦斯压力考察方案进行了设计；研究了被保护层的原始瓦斯压力赋存规律，瓦斯压力随保护层工作面推进的变化规律和“四带”范围；在此基础上，划定了考察区域保护层沿倾斜下山方向和走向的保护范围．结果表明：该矿考察区域急倾斜俯伪斜保护层沿倾斜下山方向的卸压角为78．7^o；保护层伪斜工作面倾向各处的走向卸压角呈非均匀分布，其大小为43．5^o～53．6^o．考虑到煤层采掘过程中的不可预测因素的影响，东林煤矿急倾斜俯伪斜上保护层的保护范围沿走向和倾斜下山方向分别按40^o和78^o的卸压角划定是安全可靠的．

急倾斜俯伪斜上保护层保护范围的三维数值模拟

针对急倾斜俯伪斜采煤法上保护层保护范围的划定难题,基于有限元法,结合保护层顶底板煤岩层的物理力学参数和地质特征,采用3D-σ软件模拟急倾斜俯伪斜上保护层开采中被保护层的应力场及变形场的变化过程,得出保护层的保护效果,分析被保护层的最大主应力和变形随上保护层采煤工作面推进的变化规律;并根据保护层开采的应力卸压保护准则和变形保护准则,确定保护层沿倾向和走向的保护范围。结果表明,急倾斜俯伪斜采煤法上保护层沿倾向上、下边界的卸压角分别为84.9°和68.0°;沿走向的卸压角在倾向上呈非均匀分布,大小为38.3°～51.0°;同时,由现场考察方法与数值模拟方法所确定的急倾斜俯伪斜上保护层保护范围基本一致。因此,采用数值模拟方法来研究急倾斜俯伪斜上保护层的保护范围是可行的,且结果偏于安全。

可控微波场对煤体的孔隙结构及瓦斯吸附特性的影响

采用容量法、低温氮吸附法和压汞法,分别开展了无可控微波场作用和可控微波场作用后的煤样的甲烷等温吸附实验与孔隙结构特性测定实验,分析了可控微波场作用后煤体的甲烷吸附量、比表面积与孔径分布的变化规律。结果表明,可控微波场作用后的煤样的甲烷吸附曲线仍很好地遵守Langmuir方程,且可控微波场作用后煤样的甲烷吸附量小于无微波场作用的煤样;微波场作用对煤的孔隙结构与甲烷吸附特性的影响不随微波场的消失而消失,且随着微波场作用时间与功率的增加呈非线性变化;微波场的电磁辐射热效应与微波场的选择性作用特性引起的煤体损伤效应的综合作用改变了煤体的孔隙结构,影响了煤体的瓦斯吸附能力。

急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采优化设计

为有效抽采东林煤矿急倾斜俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯，对该矿俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采优化设计进行了研究，采用俯伪斜上保护层开采的数值模拟与现场考察试验相结合的方法，研究了东林煤矿俯伪斜上保护层开采后被保护层的卸压规律；利用保护层开采的“卸压增透效应”，结合该矿实际条件，优化设计了俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采参数．研究结果表明：东林煤矿俯伪斜上保护层开采的卸压瓦斯抽采参数按照抽采钻场间距30～40m、钻孔的有效抽采半径9m、抽采钻孔的终孔间距15～20m、抽采钻孔仰角10～62°和抽采时间为从保护层工作面前方40m到后方135m等进行设计是合理的，且使卸压瓦斯平均抽采率达到50％．

高瓦斯综放工作面的均衡开采技术研究

针对综放工作面正常开采期内经常发生瓦斯超限的问题,提出了"均衡开采"的概念。根据综放工作面的瓦斯涌出特征,采用分源法建立了综放工作面瓦斯涌出量的预测模型,并给出了回风巷及尾巷的瓦斯浓度方程和工作面产量方程;根据均衡开采的概念内涵,提出了综放工作面均衡开采的目标函数及其约束条件,从而建立了综放工作面均衡开采的理论模型。结合阳泉矿区某矿9804综放工作面的开采技术条件,开展了该工作面均衡开采的理论分析与实测研究,并对其应用效果进行了监测。结果表明:9804综放工作面采煤机的均衡割煤速度的理论计算结果和实测结果分别为1.9和1.7m/min,两者基本一致;在9804综放工作面的后续开采中应用均衡开采技术后,回风巷和尾巷均未出现瓦斯超限而断电停产,且工作面日产量比原生产能力增加了18%。

保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则

针对传统的保护层开采保护范围的残余瓦斯压力判别准则在实际应用中的局限性,结合某煤矿上保护层开采工程,提出了一种新的保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则。根据煤与瓦斯突出的固气耦合失稳理论,通过引入煤体孔隙率与渗透率的动态变化模型,建立了有限变形下煤与瓦斯突出的固气动态耦合失稳模型;针对该工程实例,得到了被保护层发生煤与瓦斯突出的极限瓦斯压力值,从而建立了以极限瓦斯压力值为判定值的保护层开采保护范围的判别准则。研究结果表明,该工程的保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则的判定值为0.25 MPa,该准则反映了地应力、瓦斯压力与煤的结构对煤与瓦斯突出的综合作用。

基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计方法

瓦斯抽采巷(孔)的合理布置是实现邻近层卸压瓦斯精准抽采的基本前提。在深入分析覆岩关键层运动对邻近层瓦斯卸压运移控制机制的基础上,提出了基于关键层运动的邻近层卸压瓦斯抽采优化设计新方法。研究结果表明:邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的合理布置层位为垮落带边界至导气裂隙带最大发育高度之间的空间范围,导气裂隙带最大发育高度可按基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法来确定;邻近层卸压瓦斯抽采巷(孔)的合理层面位置为导气裂隙带内的“O”形圈裂隙区中部,“O”形圈裂隙区宽度可按其与煤层采高、覆岩关键层结构及采深的函数关系式进行预计。该方法在阳泉矿区邻近层卸压瓦斯实践中得到了应用和验证,邻近层卸压瓦斯抽采率稳定在92%,能较好地指导煤层群开采条件下煤与瓦斯共采实践。

邻近层瓦斯越流规律及其卸压保护范围

以某煤矿上保护层开采为工程实例,基于保护层开采的煤层瓦斯越流理论,通过引入低渗透煤体渗透率与孔隙率的动态变化模型,建立了低渗透煤岩与瓦斯固-气动态耦合的瓦斯越流模型;针对上保护层开采的定解问题,进行了上保护层开采煤层瓦斯越流模型的数值计算,获取了保护层开采后邻近被保护层瓦斯压力分布规律;结合保护层开采保护范围的极限瓦斯压力判别准则,划定了上保护层开采的卸压保护范围。研究结果表明,该方法所划定的理论保护范围与现场考察结果基本一致,且理论结果相对于现场考察结果偏于安全。

微波辐射降低硬煤冲击倾向性试验研究

如何有效地改变煤岩体物理力学性质是冲击地压防治领域亟待解决的关键难题,而微波致裂弱化法是解决这一难题的新途径。为探究微波致裂弱化法降低硬煤冲击倾向性的实效性,采用自主研制的微波辐射试验装置与C46.106型MTS电液伺服试验机,开展了煤体微波致裂弱化试验,研究了微波辐射对煤体的动态破坏时间、冲击能量指数、弹性能指数、单轴抗压强度和纵波波速的影响规律,确定了降低煤体冲击倾向性的最优微波参量范围;在此基础上,研究了微波辐射下冲击倾向煤体的损伤致裂效应,分析了微波对煤体的热效应、煤体损伤因子与微波参量之间的变化关系,揭示了煤层巷道微波致裂弱化防冲机理。结果表明:①微波致裂弱化法能有效降低或消除煤体冲击倾向性。煤体微波致裂后,煤样峰值强度大幅下降,应力-应变曲线峰后段应力降增多,使峰前积聚的总能量降低且分级释放,煤体由脆性向塑性转变;同时,煤样载荷-时间曲线峰后段表现出多台阶、分级跌落的特征,煤体积蓄的弹性能减少,从而导致煤体各项冲击倾向指标均有不同程度降低。②微波辐射对煤体的减冲效果表现为能量阈值现象,而在微波能量恒定条件下高功率-短时间的能量组合更有利于煤体减冲。③微波对煤体内各矿物的选择性热效应使煤体产生热破裂,表现为煤样表面出现多条纵向裂缝以及与之垂直的分支裂隙。④煤样冲击倾向性与煤样纵波速度存在显著相关性。微波能量及其辐射强度越大,煤体纵波波速降幅越大,则煤体冲击倾向性越小。⑤煤巷微波致裂弱化防冲机理在于,通过增大冲击地压发生的临界塑性软化区半径,引起巷道围岩高应力区向深部转移,提高巷道围岩塑性软化区对弹性区释放能量的耗散能力;同时,煤体峰后软化模量显著降低,导致冲击地压发生的临界载荷增大,从而降低巷道发生冲击地压的可能性。

高耸建筑物拆除爆破的安全分析及控制研究

以高耸建筑物拆除爆破的原理为基础,对建筑物拆除爆破中产生的爆破振动、塌落振动、爆破飞石、爆破空气冲击波和爆破噪音等爆破危害的发生机理和影响因素及影响范围进行了分析;并从建筑物拆除爆破中“人”的不安全行为、“物”的不安全状态和“环境”的不安全因素等方面探讨了建筑物拆除爆破中所存在的安全问题;结合一工程实例,分析了工程实例的安全爆破难度,并在此基础上,提出了相应有效的安全防护措施、安全控制措施和安全管理方法。该研究为类似高耸建筑物拆除爆破的安全施工和控制提供了有益的借鉴。

微波辐射下含水分煤体孔渗特性及表面裂隙演化特征实验研究

可控源微波辐射法因其选择性加热、热效率高、环保等特点,被认为是一种极具发展前景的煤层增透新方法。煤体中的水分作为一种良好的吸波介质,将对煤体的吸收微波能力产生重要影响。为了探索煤体中的水分对微波致裂煤体效果的影响,采用自主研制的微波辐射实验装置和基于核磁共振(NMR)测试的煤体孔隙结构定量表征方法,研究了微波辐射前后煤体的NMR弛豫时间T2图谱的变化规律和煤体表面裂隙分布特征,揭示了微波辐射下不同含水饱和度煤体孔隙的数量、尺度、连通性以及煤体的核磁渗透率和表面裂隙的演化规律。研究表明:无论煤体含水饱和度的高低,微波辐射后煤体微孔的数量与体积减少、煤体中孔和大孔及微裂隙的数量与体积均增加,各类尺寸孔隙之间的连通性得到改善,从而表现为煤体核磁渗透率增大且煤体表面出现原生裂隙扩展、新孔洞裂隙发育、煤体剥离和脱落和新的裂隙网络形成等现象;随着煤体含水饱和度的增加,微波辐射后煤体孔隙的数量、尺度与连通性以及渗透性的变化幅度呈现出"小幅减小—急剧减小—轻微增加"的趋势;微波对煤体的选择性热效应所产生的热应力引起煤体热破裂是煤体渗透性提高的主要原因,而微波辐射下煤体中水分蒸发所产生的蒸气压的劈裂作用对煤体孔隙结构的改造较为有限。

微波辐射下页岩微结构的损伤特性与致裂效应

微波增产技术以其特有的加热特性、能源转换效率高和环保性,被认为是一种极具发展前景的页岩气开发新方法。为探索页岩气储层微波致裂改造的可行性与实效性,利用自主研制的微波辐射实验装置,开展了不同微波参量条件下页岩微波致裂实验;采用超声波法测定了微波辐射前、后页岩样的P波速度,研究了微波辐射下页岩微结构的损伤特性与破裂特征,初步探索了页岩微波致裂机制。结果表明:①微波辐射下页岩温度快速升高且呈非均匀性分布,微波功率越大,非均匀性越强。②微波辐射下页岩微结构损伤程度与微波功率、辐射次数、能量施加顺序以及页岩含水情况等因素相关。③相同微波能量作用下,完全饱水页岩的微结构数量增幅比干燥页岩要大。④页岩微结构演化存在微波能量阈值现象;相同微波能量作用下,随着辐射次数的增加,页岩微结构数量呈现“大幅增加→轻微增加→小幅增加”的趋势;相同辐射时间条件下,页岩微结构数量随着微波功率的递增总体上呈“轻微增加→大幅增加→小幅增加”的趋势,而其随着微波功率的递减则呈线性函数增加。⑤微波总能量小于120 kJ时,从小到大的能量施加顺序更有利于页岩微结构发育;微波总能量达到180 kJ时,页岩微结构发育对能量施加顺序不敏感。研究表明,微波辐射下页岩内所产生的热应力与蒸气压的共同作用,能使页岩内矿物晶体断裂、刚性矿物颗粒及颗粒界面产生微裂缝,引起页岩表面宏观裂缝发育,呈现显著的致裂效应,从而有利于提高页岩气储层渗透性。

烟囱定向爆破触地冲击力估算

以烟囱定向爆破的机理为基础,结合工程实践,研究了烟囱爆破触地的过程,建立了烟囱定向爆破拆除的物理模型。确定了烟囱倾倒过程中断面的内力分析、折断位置和烟囱倾倒触地时的速度,提出了均布质量体系构成的烟囱在定向倒塌过程中的触地冲击力估算方法。结果表明,烟囱在定向爆破倾倒时在距其底部约1/3处发生折断,然后各个部分相继触地、产生振动;利用烟囱触地冲击动量来估算其冲击力所得的结果较实际偏于安全保守;触地冲击力计算与地面土层介质的力学参数、切口尺寸、烟囱的断面尺寸和材料的密度有关。该估算方法可以为实际工程中冲击力的计算和冲击防护以及定向爆破安全性评价提供理论依据。