倾斜煤层采空区煤柱失稳边坡稳定性研究

为了探究平庄西露天矿露井联采扰动下采空区煤柱失稳对边坡稳定性影响。采用相似模拟实验和数值模拟方法,研究平庄西露天矿不同开采阶段及采空区煤柱失稳边坡应力-位移-塑性区的演化规律及安全系数变化。研究结果表明:采空区煤柱失稳垮塌,对坡体的中上部影响较大,从而引起应力集中区域产生裂隙;在煤层采动期间边坡中部顶端达到剪切破坏的临界值,但随着采空区煤柱坍塌,坡体重心后移,剪应力减小,一定程度上抑制坡体向下滑移;采空区煤柱坍塌,边坡安全系数降低,边坡由稳定转为基本稳定状态,稳定性降低,滑坡的可能性增加。研究结果可为露天矿井工开采提供理论指导。

远距离斜交工作面上行开采上组煤垂直应力演化规律

为探究平煤八矿远距离煤层群斜交工作面上行开采过程中上组煤层垂直应力演化规律,采用数值模拟计算的方法展开研究。研究结果表明,己_(15)-21030工作面回采过程中与上覆戊_(9.10)-21070工作面依次形成相离、相交和重叠的空间关系,因此会使上组煤层应力增高或降低。相离区域为应力升高区,受下组煤采动影响应力整体呈升高趋势,应力集中系数最大为1.18;相交区域为卸压过渡区,戊_(9.10)-21070工作面应力由增压变为卸压,最大卸压值较原始应力降低了25%,倾向卸压影响范围为55 m;重叠区域为卸压区,受己_(15)-21030工作面采动影响卸压效果及卸压范围均进一步增大,最大卸压值较原始应力降低了40%,倾向卸压影响范围增大至180 m。将戊组煤层戊_(9.10)-21070工作面根据应力分布云图依次划分为增压区、应力过渡区、卸压区和稳定卸压区。通过现场瓦斯含量测试验证了卸压区残余瓦斯含量比原始区域残余瓦斯含量降低32.9%,远距离煤层群上行开采形成卸压区有利于瓦斯治理工作的开展。

反应位移法中剪切波速的确定研究

地下结构抗震专项论证是地下结构设计的一个重要组成部分,通常采用反应位移法进行抗震计算。反应位移法中与抗震设计有关的3个因素分别为剪切力、惯性力、相对位移。而剪切力是由剪切波速决定的,但剪切波速的确定未明确具体规定和方法,如何进行剪切波速的确定,对抗震设计有重要影响。通过场地土层等效剪切波速法、加权平均值法、单层岩土层法分别进行剪切波速的确定,采用反应位移法计算分析3组弯矩值、剪力值、轴力值,分析表明采用反应位移法进行抗震计算时,剪切波速通过场地土层等效剪切波速法确定更合理,研究成果为地下结构抗震设计中剪切波速的确定提供了依据。

超远距离下组煤层超前开采覆岩应力及裂隙演化规律研究

为探究平煤股份八矿超远距离下组煤层超前开采对上覆煤岩层的影响,采用相似材料模拟实验分析超远距离下组煤层超前开采上覆煤岩层裂隙及应力演化规律,并进行现场验证。研究结果表明:超远距离下组煤层超前开采条件下,随工作面推进,上覆煤岩层裂隙率呈先上升后平稳的趋势,当工作面从187 m推进至272 m,裂隙发育最快;超远距离下组煤层超前开采对上覆煤岩层有卸压效果,但与常规情况下相比卸压滞后距离较大;上覆岩层卸压比戊组煤层大;通过现场验证发现,随工作面推进,矿压呈先上升再下降后稳定的趋势,并将工作面区域分为未干扰区、应力集中区、卸压区和稳定区。研究结论可为平煤矿区远距离下组煤层超前开采、上组煤层工作面瓦斯防治和采区工作面采掘部署提供参考。

煤层注NaHCO3溶液防治H2S方法及效果研究

为防治矿井硫化氢（H2S）涌出危害,提出采用煤层注碳酸氢钠（Na HCO3）溶液的方法治理硫化氢。以某矿为例,采集硫化氢涌出煤层煤样,在实验室对其进行可注性和渗透性试验;到现场观测矿井硫化氢涌出特征,在E902和W910工作面实施煤层注碳酸氢钠溶液试验。研究表明：9号煤层为可注性煤层;支承应力区煤层渗透性差;硫化氢涌出量受回采强度影响较大,日割煤刀数越多,硫化氢涌出量越大,停采时涌出量较低;超前工作面25-50 m,煤层注碱流量较高,为0.2-0.5 m^3/h;注碱量越大,硫化氢涌出量降幅越大。

吸附和长时间荷载作用煤渗透规律试验

以阜新矿业集团恒大煤业有限责任公司阜新组煤样为研究对象,通过自制的多功能三轴渗透仪,进行了原煤在吸附瓦斯过程和长时间三轴加载过程渗透规律的试验研究。试验结果表明:煤吸附瓦斯后渗透率比不吸附瓦斯测得的渗透率要小,降低48.94%～82.18%,煤吸附瓦斯后的瓦斯渗流过程存在滑脱效应;经过78d总应力为18MPa的外力对煤样持续加载作用,煤渗透率降低了82.05%～92.65%,煤渗透率可用以时间为变量的负幂指数函数表示;应力荷载释放后二次加载,煤渗透率较卸载前增加,但远低于不考虑长时间荷载作用的渗透率;采用目前实验方法测得的煤岩渗透率要高于原始地层环境下的渗透率。

煤吸附硫化氢混合气体的试验研究

为研究煤层硫化氢(H_(2)S)吸附特性,厘清煤层H_(2)S赋存规律及改善H_(2)S防治效果,采用分压测试法研究煤对H_(2)S的吸附规律。以山西保利铁新煤业有限公司9#煤为研究对象,分别使用N_(2),He/H_(2)S,N_(2)/H_(2)S为吸附介质开展等温吸附试验,分析煤对H_(2)S及含H_(2)S混合气体的吸附特性及影响因素。结果表明:煤对H_(2)S的吸附量随压力升高而增加,随温度升高而降低,且温度对煤吸附H_(2)S吸附量影响较大;H_(2)S及N_(2)/H_(2)S混合气体的吸附曲线均符合Langmuir吸附模型,煤吸附N_(2)/H_(2)S混合气体时,H_(2)S和N_(2)存在竞争吸附,且N_(2)吸附能力优于H_(2)S;等温条件下,N_(2)竞争吸附量随吸附压力的增加而增大,等压条件下,N_(2)的竞争吸附量受温度影响较小。

智能加权灰靶决策模型在煤与瓦斯突出危险评价中的应用

为了提高煤与瓦斯突出预测的准确性,并将突出强度与可能突出的危险程度进行量化,更有针对性地指导现场防突工作,基于灰色系统理论,提出煤与瓦斯突出危险性评价的智能加权灰靶决策模型的新方法。模型中将4个突出单项指标临界值作为灰靶临界值,并作为一致效果测度函数的正负分界点(即零点),充分考虑目标效果值中靶和脱靶两种不同情形,对应突出强度和可能突出的危险程度,将突出危险性进行量化,实现了定性与定量相结合的预测,并分别划分突出强度等级及突出可能性程度等级,使预测结果更直观、更准确。评价结果表明,该方法对矿井进行煤与瓦斯突出危险程度的评价是可行的。

中国煤系“三气”成藏特征及共采可能性

煤系地层中的非常规天然气资源是非常规天然气的主要组成部分。目前,对煤系地层煤层气、页岩气、致密砂岩气等非常规天然气资源的认识还较薄弱,资源勘探开发程度也都比较低。根据气藏合层开采经验,把煤系地层视作一个整体,综合勘探开发煤系煤层气、页岩气、致密砂岩气不仅可以减少勘探开发成本,增大非常规天然气总储量和技术可采资源量,还可以提高气井使用效率和单井利润。将煤系地层中的煤层气、页岩气、致密砂岩气称为"煤系三气",从煤系地层岩性分布特征、煤系气体成藏机理、不同类型含气储层特征和开采特征等方面分析煤系"三气"共采可能性及共采急需解决的难点。

基于主成分回归分析法的回采工作面瓦斯涌出量预测

以预测回采工作面瓦斯涌出量为目的,通过主成分分析方法得到了影响回采工作面瓦斯涌出量的主成分,并采用主成分分量进行多步线性回归来预测回采工作面瓦斯涌出量。结果表明,采用的主成分回归分析方法减少了回归分析需要考虑的变量个数,结果具有较好的精确度。

煤层注碱治理矿井硫化氢涌出危害研究

为治理煤矿井下硫化氢涌出危害,根据矿井硫化氢动态涌出规律,提出采用煤层注碱治理硫化氢的方法。根据煤炭回采速度和硫化氢涌出浓度,推导注碱参数关系式。以山西某矿E902工作面为典型案例进行现场注碱试验,研究硫化氢涌出规律及煤层注小苏打（Na HCO3）溶液治理硫化氢的效果。监测发现注碱57 h后,注碱孔6 m范围内硫化氢体积分数降低0.001%~0.003%;钻孔注碱时,距工作面26~58 m注入流量较稳定。结果表明：煤层注Na HCO3碱溶液能有效降低硫化氢涌出浓度。

卸压煤层瓦斯抽采渗透率演化模型研究

为研究井下卸压抽采时瓦斯流动规律,建立煤层渗透率演化模型。为建该模型将煤体简化为有2组相互垂直节理发育的等效连续介质,假定瓦斯在煤体裂隙中的流动符合立方定律,考虑煤基质对吸附性气体的吸附膨胀作用和外荷载对煤的压缩变形作用,不考虑孔隙压力对裂隙张开的影响。从应力条件和孔隙压力2个方面,结合煤样渗透率试验,对该模型进行有效性验证。结果表明,渗透率模型能反映应力和低孔隙压力对煤样渗透率的影响,但不能体现高孔隙压力对煤样损伤导致的渗透率增大作用。

复杂地质条件页岩气勘探开发区块灰关联度优选

以南襄盆地、湘鄂西、渝东等地区的5个页岩气试验区块为研究对象,系统分析了不同地质参数对页岩气富集程度的影响,建立了页岩气勘探开发评价优选指标体系。运用层次分析法和熵权法确定了各指标的组合权重,在页岩气勘探开发指标体系中,各地质参数的重要性依次为有效厚度、热成熟度、脆性矿物含量、含气量、孔隙度、有机质丰度、埋深。针对页岩气藏储层地质参数存在的不确定性和复杂性,基于灰色系统理论,建立了多指标灰关联度优选模型,对评价指标值为区间范围的复杂地质参数特征的研究区的勘探开发潜力进行了优选排序。评价结果与实际勘探开发信息吻合较好,说明基于组合权重的复杂地质参数特征的页岩气勘探开发区块灰关联度优选评价模型对页岩气目标区块的可采性评价是可行的。

钻屑法测定煤层H_2S含量

为了测定煤层硫化氢（H2S）含量，防治矿井H2S涌出，提出一种通过钻屑法测定煤层H2S含量的方法。在未受采动影响的新鲜煤壁，采用钻屑法取样，通过测定煤样H2S解吸量、取样过程损失量和H2S残存量确定煤层H2S含量。根据溶于水中H2S的pH值和色谱分析解吸气体中H2S体积分数，确定H2S解吸量；根据煤样解吸规律和气样H2S体积分数，确定H2S损失量；根据色谱分析残存气体中H2S体积分数，确定其残存量。用此方法，对山西某矿H2S涌出煤层进行现场和实验室测定。研究表明，该矿H2S含量为（4．465—6．701）×10^-3m^3／t。钻屑法测定煤层H2S含量是可行的，可以为矿井H2S治理提供基础数据。

煤低压吸附瓦斯变形试验

在瓦斯抽采和煤炭开采过程中,始终伴随着煤对瓦斯的吸附和解吸,煤吸附瓦斯发生膨胀变形,解吸瓦斯发生收缩变形。利用自制的吸附解吸试验装置,测试了煤在低压吸附瓦斯过程中煤体变形规律。试验结果表明:煤样在同一瓦斯压力下的吸附变形分为快速增长、缓慢增长、平衡3个阶段;煤体吸附瓦斯膨胀变形呈各向异性,垂直层理方向和平行层理方向的变形整体变化趋势呈现一致性;在等梯度加压吸附过程中,随着吸附瓦斯压力的不断增大,煤样吸附膨胀变形梯度值逐渐呈增大趋势;一次加压吸附煤膨胀变形量小于等梯度加压吸附至相同吸附压力值时的累积变形量。

抛掷爆破对内排土场边坡稳定性影响的试验研究

针对黑岱沟露天煤矿抛掷爆破作用下内排土场高台阶边坡稳定性问题,利用相似模拟试验和数字散斑观测方法,研究动载作用下边坡的变形规律。试验结果表明:抛掷爆破可将煤层上覆大量岩石破碎抛掷到采空区,形成沉降漏斗,沉降约17cm,块度较为均匀;抛掷爆破产生的应力波具有很强的方向性,引起内排坡体与煤层底板原岩在交界处发生微小错动,边坡体整体向临空面发生水平位移,且发生沉降,坡体内部沉降位移最大。爆破引起内排土场边坡发生微小的位移,不会引起内排土场发生破坏性的滑移,坡体结构是稳定的。因此,应用相似模拟试验的方法研究动静载荷作用下坡体变形是可行的。

顺层钻孔瓦斯抽采半径及布孔间距试验研究

为准确测定瓦斯有效抽采半径,确定合理的顺层钻孔布置间距,提出采用测定钻孔周围煤体特定时刻的瓦斯含量的方法。对蒋家河煤矿4号煤层有效抽采半径及钻孔间距进行试验研究。通过监测钻孔抽采流量,并根据采掘计划、钻孔施工情况,来预算工作面钻孔的最短抽采时间和平均抽采时间。试验结果表明,当抽采流量衰减到稳定值及钻孔抽采时间达到预先算得的最短抽采时间、平均抽采时间时,单孔有效抽采半径分别为3.5,4和4.5 m;通过对比3个时刻2钻孔中心位置与钻孔另一侧等距离位置的瓦斯含量,确定3个时刻的钻孔间距比2倍的单孔有效抽采半径分别增加了1.1-2.2,0.8-1.6和0.6-1.2 m,并且相邻2钻孔叠加的效果取决于抽采时间和钻孔间取样点距两侧抽采孔的距离是否小于钻孔的有效抽采半径。

核素渗漏对地下水污染的数值仿真研究

研究放射性核素在地下水环境中传输的动力学行为是评价核废料处置库安全性能的一个关键性问题。以双重介质理论为基础,充分考虑了地下水变密度对核素浓度分布的影响,建立了孔隙-裂隙介质中核素随地下水迁移的耦合数值模型,其中相对密度项使地下水流控制方程具有非线性性,为此将Galerkin有限元法和Picard迭代法相结合对耦合模型进行了离散,并模拟了核素泄漏对地下水污染的动态过程。数值仿真的结果表明:污染面积随时间推移不断扩大,且纵向扩散显著;数值仿真结果没有出现弥散现象,验证了数值算法的可靠性;核素浓度的分布对水密度变化表现较为敏感,且不同核素(226Ra、210Pb和90Sr)由于各自放射性衰变特征的巨大差异,受到水密度影响的程度也有很大差别。因此,在对裂隙介质核素迁移的数值仿真分析过程中,不能忽略地下水密度的变化对其造成的影响。

粒状煤和块状煤等温吸附CH_4试验研究

为探究不同尺寸煤样吸附瓦斯特性的差异,以漳村矿3#煤为研究对象,利用自主研制的多功能煤吸附/解吸瓦斯参数测定试验装置,开展粒状煤和块状煤的等温吸附试验,测定不同吸附压力下的吸附量和变形量。试验结果表明:在相同的吸附平衡压力下,吸附量随煤样粒径的增大而减小;粒状煤吸附瓦斯的能力大于块状煤,原因是粒状煤的有效比表面比块状煤大,增加的微孔吸附瓦斯使得煤吸附瓦斯量增加。块状煤的变形量随吸附平衡压力而增大,但增加量逐渐减小。经讨论分析可知:煤体吸附膨胀变形是煤基质吸附膨胀和气体压力压缩共同作用的结果;粒状煤测定的吸附常数应用到煤层数值模拟中会引起一定的误差。

基于灰靶决策模型的煤与瓦斯突出可能性评价

基于灰色系统理论,建立多指标加权灰靶突出可能性决策模型,对矿井煤与瓦斯突出的可能性进行量化评价。根据10组煤与瓦斯突出危险区域测点数据与预测煤层突出危险性单项指标临界值的靶心距的大小,对矿井突出可能性大小进行评价,并进行了突出可能性等级划分。应用该模型对花宝沟煤矿煤与瓦斯突出的可能性进行评价,评价结果是靶心距距离较大,可能性小,不易发生突出,评价结果与实际情况一致。说明应用多指标加权灰靶突出可能性决策模型对矿井进行煤与瓦斯突出危险性评价是可行的。