近距离薄煤层群首采层卸压瓦斯协同抽采技术研究

为有效解决近距离薄煤层群开采首采层上、下邻近层大量卸压瓦斯涌入的治理问题,以某煤矿为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,研究近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯运移规律,并根据富集特征确定卸压瓦斯抽采钻孔的空间位置。研究结果表明:首采层开采覆岩导气裂隙带最大发育高为10.3~23.2 m。设计超大直径顺层预抽钻孔高0.8 m,宽2.08 m;顶板定向长钻孔终孔最优抽采位置为垂直距离开采层顶板15.0~23.0 m,水平距离回风侧20.5~27.5 m;2条埋管抽采最佳错距为距底板高1.1,1.7 m,深入采空区11.3,20.8 m。优化后的布置参数应用于现场实践,试验工作面回采期间上隅角瓦斯体积分数保持在0.7%以下。研究结果能够实现近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯高效抽采,保证矿井安全高效生产。

不同煤阶煤样孔隙结构表征及其对瓦斯解吸扩散的影响

基于气体吸附理论,采用低温液氮吸附法(LT-N 2 GA),CO 2吸附法和扫描电镜法(SEM),从孔容、比表面积、孔径分布和孔隙形状4个方面,研究分析了8种不同变质程度煤样的孔隙结构。并结合煤粒瓦斯扩散实验,计算出煤样的迂曲度和瓦斯扩散通道长度,分析讨论了不同煤阶煤体孔隙结构对瓦斯解吸扩散规律的影响及机理。结果表明:不同煤阶煤样的吸附能力存在显著的差异。随变质程度的加深,吸附能力呈先降低后升高的U形规律;SEM观察结果与低温液氮吸附等温线分析的孔隙形态整体上较为一致,不同煤阶煤样的孔隙形态有很大差异,表明煤体表面的异质性;吸附分析显示中孔孔径呈多峰分布,孔容主要由2~15 nm的中孔贡献;煤体微孔段的吸附能力取决于0.6~0.9 nm和1.5~2.0 nm孔径段。煤质对瓦斯解吸扩散的影响主要与孔隙结构的差异有关。不同煤阶煤体孔隙率和迂曲度不同,瓦斯扩散通道长度不同,随着扩散通道长度的增加,瓦斯初始解吸速率呈指数形式减小;瓦斯在煤体孔隙中的扩散以微孔内的表面扩散为主,孔比表面积越大,表面扩散越显著;瓦斯解吸量和初始扩散系数与煤阶之间呈现不对称U形关系,在高阶煤阶段(V daf<15%),随着挥发分的增加,瓦斯解吸量和初始扩散系数显著减小。在中、低阶煤阶段(V daf>15%),随着挥发分的增加,二者缓慢增加。

不同瓦斯压力下煤岩三轴加载时蠕变规律及模型

岩石蠕变模型众多,其适用性及优缺点亟待总结,而且低瓦斯压力与煤岩蠕变间的关系尚不确定,为此,进行了低瓦斯压力下分级加载轴压时型煤蠕变实验。结果发现,随着瓦斯压力增大,型煤轴向应变增大,说明煤岩蠕变与瓦斯压力呈正相关。利用实验数据检验常见蠕变模型时发现经验函数(幂函数、指数函数、多项式等)均存在缺陷,只能拟合衰减蠕变或非衰减蠕变中的一种;Burgers模型及其改进模型均存在不足,西原模型不适用于非衰减蠕变,西原加速模型适用于砂岩,用于拟合煤岩非衰减蠕变时存在滞后性。经过优化后得到改进的西原加速模型,经证明其可靠性强。另外,提出了蠕变拐点的观点,岩石发生非衰减蠕变是蠕变曲线上至少存在1个蠕变拐点的充要条件。这不仅完善了蠕变的数学理论,而且能为预防岩石失稳破坏等工程实践提供借鉴。

气体吸附过程中煤比表面Gibbs函数变化规律

煤体瓦斯吸附为放热过程,解吸为吸热过程,其温度能量变化的幅度与煤的变质程度、瓦斯吸附平衡压力等有关。以往的研究都采用等温吸附实验得出气体相关吸附数据,并通过其孔隙结构、相互作用力等来分析煤吸附气体的影响因素,但是鲜有学者从比表面Gibbs函数变化角度来探讨煤吸附气体机理。为此,研究了气体吸附过程中煤比表面Gibbs函数变化的相关特征参数计算公式,利用凤凰山矿和裴沟矿两种煤样进行等温吸附实验,得到了在4个不同温度(20,30,40,50℃)以及6个压力(0. 2,1. 2,1. 5,2. 5,3. 0,4. 0 MPa)下的等温吸附实验数据,利用单层吸附和多层吸附模型分别计算出不同煤样吸附气体过程中的比表面Gibbs函数变化。研究表明:采用两种不同方式计算煤样吸附甲烷的比表面Gibbs函数,随着温度的升高比表面Gibbs函数变化量减少,随着压力的升高比表面Gibbs函数变化增加。而应用单层吸附和多层吸附计算的能量相差较大,对这种现象分析了原因;计算了气体吸附解吸过程的热量,对比分析可知采用多层BET吸附模型得出的比表面Gibbs函数变化更接近实际;探讨了气体吸附能量变化的机理,表明气体吸附能量变化影响着吸附量的变化,而能量变化又同样受到煤样微观结构以及内部化学结构的影响。因此,煤样吸附解吸是一个复杂多变的过程,可以从改变能量的角度去探讨如何影响瓦斯解吸,达到提高瓦斯抽采效果的目的。

瓦斯气体吸附解吸过程煤变形响应特征

本文采用实验分析和数值计算相结合的方法,研究吸附解吸过程中煤的轴向应变和环向应变的特征以及体应变-时间模型。结果表明:轴向应变和环向应变呈现各向异性的特征,轴向应变较环向应变快;型煤的轴向应变和环向应变存在吸附膨胀应变增大、吸附平衡、卸压解吸应变下降、解吸平衡几个阶段,而原煤的环向应变存在充气压缩应变下降、吸附膨胀应变增大、吸附平衡、卸压解吸应变下降、解吸平衡几个阶段;在相同压力条件下,型煤比原煤先达到吸附平衡的状态,且型煤和原煤的解吸速率明显比吸附速率大。为了得到更优的体应变-时间模型,对原Langmuir模型进行了改进并利用MATLAB进行拟合。对比其他模型,发现改进的Langmuir模型拟合情况最优。

基于液氮吸附的煤体孔隙结构测试研究

为研究煤体孔隙结构特征,实验室采用液氮静态吸附法对马兰8#煤、振兴二矿2#煤、润宏矿3#煤的3种煤样的孔隙结构特征开展了煤样颗粒比表面积、孔径、孔容等研究。结果显示,孔隙发育程度大小顺序依次为:振兴2#煤>润宏3#煤>马兰8#煤,且孔隙以微孔和中孔为主。该研究可为研究煤层瓦斯赋存及流动规律提供参考依据。

高压CO_2煤体预裂及置换解吸应用研究

为了解决低透高突煤层瓦斯抽采效果差的技术难题,摸索新的更高效的瓦斯抽采措施,进行了气态物质置换解吸煤层瓦斯和液态物质抑制煤层瓦斯解吸防治与利用瓦斯试验研究。出于验证高压CO_2煤体预裂及置换解吸技术在瓦斯动力现象明显的煤层应用的安全性和高效性,选择在官地矿22610工作面进行相关实验研究。结果表明:高压CO_2煤体预裂及置换解吸技术在实施中效果明显,其中瓦斯抽采量增加4倍以上,瓦斯抽放浓度增加200%以上,抽采1个月后浓度仍在40%以上,能够提高现有井下瓦斯抽采系统的瓦斯抽采效率和所抽采的瓦斯浓度,对于缩短吸附性瓦斯抽采周期起到了革命性的效果。