矿井煤岩动力灾害声发射监测适用条件初探

基于应力波传播理论、品质因子Q理论,建立了煤岩体声发射传播理论模型,并结合大量现场试验,得出了声发射在不同普氏坚固性系数的煤岩介质中的传播规律;基于此规律及现场实际监测工艺,初步确定了声发射监测煤岩动力灾害的适用条件:当煤的普氏坚固性系数fp<0.2时,声发射传感器宜安装在顶板岩层内;当煤的普氏坚固性系数fp≥0.2时,声发射传感器可安装在岩体内,也可安装在煤体内。

深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统

深井煤炭资源的开采正日益成为行业的重点需求,然而高地应力、高瓦斯压力、高地温等深部环境下的煤岩瓦斯动力灾害的耦合伴生更加复杂,对这一科学问题的大尺度物理模拟分析研究是目前最适用的研究方法。因此,围绕高地应力、高瓦斯压力、高地温3个核心影响因素,理论分析了超千米深井环境对突出模拟系统加载能力、系统刚度、瓦斯压力和温度等的指标要求,提出了适用的临界指标。研究设计了由加载系统、密封系统为主体的超千米深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统,其垂直加载能力≥25 MPa、水平加载能力≥16 MPa、系统刚度30 GN/m、瓦斯压力6 MPa、地温控制60℃,可满足在相似比为0.6~1.0条件下,1000~1500 m深井煤层赋存环境模拟。应用该系统对淮南丁集煤矿4·19动力灾害事故的发生进行了模拟分析,得到:突出过程突出孔洞后方不同位置处的煤体应力-气压耦合演变规律不同,大致可划分为突出孔洞所在区域、前突出影响区、后突出影响区以及未受影响区域等4个区域;在突出激发形成最初的孔洞后,突出影响区域内瓦斯解吸渗流速度将影响突出的进一步发展,应力主导下的突出持续时间较短,抛出煤量较少;实验共抛出煤样15.86 kg,还原现场突出煤量34.8 t,突出煤样的分选性不显著,呈现出典型压出型突出表象特征,与实际情况相符合,证明了该套系统的适用性及功能性。

含瓦斯煤体声发射应力波传播规律理论研究

基于含瓦斯煤岩体属于固-气两相孔隙介质,运用经典的弹性动力学理论进行AE信号的传播分析不能准确反映含瓦斯煤层中的传播情况.提出了固-气耦合两相孔隙介质模型,进行了两相介质AE传播理论的初步研究,推导了固-气两相孔隙介质的本构关系和波动方程,对含瓦斯煤层中的AE应力波进行了理论分析.结果表明:含瓦斯煤体双相介质中的横波方程仍然保持单相介质中的传播形式;纵波方程发生明显改变.

对突出做功的瓦斯内能的研究

介绍了突出模拟实验室研究瓦斯内能对突出做功的研究成果。通过模拟突出过程中煤的破碎和抛出,并对瓦斯破碎煤样与机械功破碎煤样进行破碎程度及能量对比分析,得出了瓦斯内能对突出做功的定量关系式。

煤矿瓦斯防治技术的新进展

介绍了“九五”期间煤与瓦斯突出危险性预测技术、瓦斯灾害预防技术方面的新进展。

区域预测新技术在采面突出危险预测中的应用

介绍了基于电磁波透视技术和统计规律相结合的突出危险性区域预测技术 ,通过在采煤工作面的应用试验 ,证明该技术是可行的 ,预测方法简单 ,准确性高 ,为我国采煤工作面突出危险区域预测提供了一种新的方法和手段。

突出预测钻屑量指标的探讨

在综述目前钻屑量理论的基础上，利用有效应力原理，对钻孔周围煤体进行弹塑性力学分析，得出突出危险煤体钻屑量与钻孔直径、地应力、煤体强度以及瓦斯压力之间的关系，对突出预测预报有一定的指导意义。

煤与瓦斯突出能量的研究

利用研制的煤与瓦斯突出模拟实验装置,对芙蓉、丰城、乐平、涟邵、白沙、梅田、六枝等煤与瓦斯突出重点局矿的19个煤样进行了98次机械功破碎实验、123次瓦斯内能破碎实验,并对19个煤样进行了工业分析、坚固性系数测定、放散初速度测定等实验,在此基础上,建立了以地应力、瓦斯压力、煤的坚固性系数及放散初速度表述的发生煤与瓦斯突出的能量关系式,并对六枝矿务局化处矿一次突出进行了具体分析。

水敏性损害对煤层水力压裂增透效果影响的实验研究

采用热力学平衡水法、低温氮吸附实验、压汞实验、扫描电子显微镜(SEM),研究了煤样吸水膨胀变形的宏观、微观特征;提出了井下煤层穿层钻孔水力压裂相似模拟实验方法,研究了水敏性损害对煤层透气性的影响。研究结果表明:浸水煤样膨胀率受水敏膨胀黏土含量的影响最为显著;饱水处理后水的介入降低了煤体全尺度孔隙体积,进而降低了煤样瓦斯扩散与渗流能力;水力压裂有效范围内煤样透气性系数增大,压裂增透占主导地位,而在压裂远端或末端位置透气性系数下降,水敏性损害占主导地位;煤中水敏黏土含量越高,水敏性损害越严重。研究成果对减弱煤层水力压裂水敏性损害程度,提高煤层瓦斯抽采效率具有重要意义。

煤的冲击破碎

通过煤样的冲击破碎实验，分析了煤的破碎程度与被碎功及其它影响因素之间的关系。对突出机理的研究及突出预测指标临界值的确定有一定的指导意义。

煤矿采动稳定区煤层气资源评估方法及其应用

受多煤层赋存条件和煤矿井下回采工艺影响,采空区内的大量遗煤导致废弃矿井或老采空区内赋存丰富煤层气资源,对这一资源的准确评估、合理开发和高效利用是我国进行非常规油气资源开发的重大需求,如何准确评估废弃矿井或老采空区的可抽采煤层气资源量是进行高效开发的关键问题。因此,通过分析煤层气的来源、赋存空间和关键影响因素,建立了基于"间接减法"理念的采动稳定区(废弃矿井或老采空区)煤层气资源评估模型,提出了进行采动稳定区煤层气资源评估的方法。运用建立的评估模型和方法,在晋城矿区成庄矿5310工作面区域进行了采动稳定区煤层气资源的地面井抽采试验,单井连续抽采433 d,抽采煤层气资源243.27万m^3,抽采量核算与评估结果基本一致,初步证明了评估方法的适用性。

瓦斯含量法预测突出危险新技术

介绍了瓦斯含量直接快速测定工艺装备和基于瓦斯含量指标突出危险性深孔预测等方面研究所取得的新成果.利用新开发的取芯装备直接在井下取芯测定煤层瓦斯含量,取样深度超过了50 m,瓦斯含量测定时间一般不超过8 h.经过理论分析、数值模拟和现场考察对比试验结果表明:采用瓦斯含量指标预测突出危险性具有良好的敏感性,瓦斯含量指标预测突出危险在技术上是可行的.

岩体声发射传播衰减理论分析与试验研究

介绍了岩体介质中的应力波,根据弹性力学相关理论推导了岩体声发射传播的波动方程,分析了影响声发射波在岩体介质中传播时的衰减因素,实验验证了相关理论.现场试验表明,井下声发射具有突发性、随机性、波形变异性,煤体中声发射频率较低,有效接收范围为20～30m.

煤岩渗透率对酸化作用响应规律的试验研究

酸化手段是油气井提高产能的重要手段,较小的酸化规模有可能极大地提高油气井产量,这对具有低渗透性特点的煤层气井开发具有重要启示。通过室内试验测定了酸液作用前后煤粉的矿物成分极限反应率和煤岩芯的渗透率,分析了酸化作用后煤粉极限反应率和煤岩芯渗透率的变化规律。结果表明:煤层中原始的孔裂隙发育和矿物成分组成对渗透率的大小具有重要影响;酸化手段可有效提高煤层渗透率,对于试验煤样,渗透率最大提高了18.42倍,盐酸质量分数在12%~15%为最佳。酸化时间过长会造成渗透率小幅度降低,应控制反应时间在12 h左右。

采动应力场分布特征及其对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用分析

以实际发生动力灾害的采掘工作面为模拟原型,在模拟分析采场和巷道应力分布特征的基础上,分析了不同应力分布对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用,得出了采场易于发生应力主导型的动力灾害而巷道更易于发生瓦斯作用为主导的、高强度的煤岩瓦斯动力灾害的规律特征,并举例对上述分析做了论证。

瓦斯涌出预警指标及其临界值优选方法

为了提高瓦斯涌出预警技术的准确性,阐述了瓦斯涌出特征预警效果辨识方法,基于最优化理论建立了预警指标及其临界值的优选方法,并利用计算机选取流程,实现预警指标及其临界值的自动确定。该方法大幅缩短了预警指标及其临界值的考察时间,规范了预警指标确定方法,提高了瓦斯涌出预警技术的普适性。该方法在平舒煤业公司81111尾巷掘进工作面进行应用,实践效果较好。

顺煤层平行钻孔抽采瓦斯合理布孔参数的确定方法

通过对煤层内瓦斯渗流过程的理论分析,建立了瓦斯抽采的流动模型,并进行了解算。利用所编制的煤矿井下瓦斯抽采数值模拟分析软件,提出了煤矿井下瓦斯抽采合理布孔参数的确定方法,并进行了实例计算。结果表明,该方法可以确定顺煤层平行钻孔抽采瓦斯合理布孔参数,用于指导生产。

顶板岩层“三带”划分的综合分析法

对顶板岩层“三带”进行定量划分 ,在生产实践中具有重要的意义。通过综合运用组合岩梁理论、顶板岩层破断裂隙计算以及有限元数值分析 ,对顶板岩层“三带”

突出煤层相似材料配比模型构建的正交试验研究

突出煤相似材料是进行煤与瓦斯突出模拟试验的基础,突出煤相似材料需综合考虑力学特性、吸附解吸特性和孔隙特性等方面与原煤的相似性。为解决目前煤与瓦斯突出相似材料与原煤相似度不高的问题,选取水泥比例、沙子比例和成型压力为3个主要影响因素,通过正交试验和单因素试验方法研究各因素对相似材料单轴抗压强度、弹性模量、吸附CO2和CH4时的放散初速度以及孔隙率的影响。试验结果表明,相似材料单轴抗压强度和弹性模量随水泥比例和成型压力的增大而增大,放散初速度随水泥比例和沙子比例增大而减小,孔隙率随成型压力增大而减小。通过方差分析及多元线性回归分析,获得相似材料3个影响因素与试验指标之间的量化关系,构建了突出煤相似材料多因素配比模型,依据该模型可获得目标相似材料的配比数据,通过试验验证得到该配比模型在力学指标方面的误差在20%以内,放散初速度及孔隙率方面的误差在10%以内。最后,采用构建的相似材料配比模型制作突出型煤,利用自主研制的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统成功开展了高应力作用下的煤与瓦斯突出模拟试验,进一步证实了配比模型的可靠性。

利用炮掘工作面瓦斯涌出时间序列预测工作面突出危险性

炮掘工作面瓦斯涌出是一个极为复杂的非线性时间序列,其中隐含了大量的突出危险信息。将这些隐含信息显现化,并建立其与炮掘工作面突出危险性之间的联系是研究炮掘工作面瓦斯涌出时间序列特性的主要目的。通过对松藻渝阳煤矿一典型炮掘工作面瓦斯涌出数据的观测,首次利用时间序列方法分离了炮掘工作面瓦斯涌出数据的趋势项、周期项以及噪声项,实现了对炮掘工作面瓦斯涌出的辨识和重构原复杂系统。发现不同突出危险区域,掘进工作面瓦斯涌出时间序列趋势项、周期项以及噪声项之间存在显著的差异,并利用这些差异成功地对考察巷道突出危险性进行了准确的预测。