煤-热共采模式下地热水非常规开采数值模拟研究

在我国“碳达峰、碳中和”时代背景下,开展矿井地热水资源开发利用实现煤-热共采的研究具有重要战略意义。然而,目前煤-热共采技术尚不成熟,针对矿井地热水抽采的研究还需进一步补充。因此,基于煤-热共采理论及技术框架,提出了一种地热水井下非常规开采方法。分析了矿区热储形成机制,采用热储体积法对矿区地热水资源量进行了估算,评价了矿井地热水开发潜力。同时,数值模拟了地热水非常规开采模式下的热储温度场及生产井水温变化。分析了生产井群参数对热储层温度场及生产井水温的影响,并与常规地热水生产方法进行了对比。最后,讨论了矿井地热水开采利用所产生的社会、经济效益。结果显示:①矿区地热水静态可采量为1.14×10^(17)J,折合标煤3.9 Mt。动态可采量为2.95×10^(16)J/a,折合标煤1.01 Mt/a。②生产井水温受回灌水温的影响较大,与回灌方式的关系不大,且回灌水温对生产井水温的影响主要体现在生产后期。③随着生产速率的增加,生产井群热突破时间提前,且在热突破点之后的温降速率加快。④均衡生产对生产井的服务年限具有有益作用。⑤通过调整非常规开采模式的生产策略可实现生产井群的协调开采,延长生产井群的开采期限,使其平均温降速率小于常规开采模式下的生产井温降速率。⑥矿井地热开发系统建成后,可实现煤矿17万m^(2)的供暖及全矿职工的洗浴,每年减少燃煤10327 t,减少CO_(2)排放量26900 t,为企业创造693.8万元的经济效益。因此,针对水热型高温矿井,实施井下地热水非常规开采具有一定的可行性。通过合理布置生产井群分布,科学制定生产策略,可实现矿井地热水的高效开采。

HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

超千米深埋沿空巷道围岩破坏特征及控制技术研究

为解决超千米深埋沿空巷道围岩失稳难题,以平煤股份十一矿具体工程为背景,通过表面位移监测、钻孔窥视、围岩钻孔取芯及拉压剪常规力学试验,分析了典型超千米深埋沿空巷道的围岩损伤破坏规律,提出了以高性能中空钢绞线锚索为基础的厚层预应力全长锚固理论与技术,并通过现场试验对维控效果进行了验证。结果表明:该类巷道围岩属于高应力—节理化复合型软岩,长期维控具有较大挑战。采用厚层预应力全长锚固技术后,巷道顶板及两帮的变形量相比原支护方案降低58.64%、61.65%,巷道掘巷稳定期明显减短,围岩完整性、稳定性及巷道稳定性显著加强,能够满足巷道长期维控的要求。

深部破碎围岩高预紧力加长锚固支护技术研究

针对深部受采动影响巷道围岩松散破碎难以支护的工程问题,考虑巷道围岩裂隙的存在,采用3DEC中DFN技术预制初始损伤围岩模型进行模拟拉拔试验,研究结果得出:破碎岩体中,端锚锚杆最易发生脱黏失效,且无法通过黏锚力控制浅部围岩,易出现片帮。锚固长度为700 mm时,拉拔载荷为130 kN即发生锚固失效;当锚固长度增加到1400 mm时,锚固性能显著增强,且锚杆抗拔力提高了20.7%。当增加锚杆预紧力时,对巷道周边破碎围岩的控制效果显著增强。基于上述研究,提出深部破碎围岩锚杆高预紧力加长锚固支护技术,经工业性试验,高预紧力加长锚固技术使巷道变形得到有效控制,锚杆预紧力可达到60 kN以上,回采期间巷道帮部相对移近量减小了44.7%,显著减小了超前支护难度,提高了施工效率。

张拉高预紧式锚固体强度强化机制研究及工程应用

针对平煤四矿己_(15)-23090运输巷扩帮后锚杆无法重复预紧、锚固体强度减弱等问题,提出了新型张拉预紧式锚杆配套设备,研究预紧力对锚杆锚固性能的影响。通过数值模拟、单轴压缩试验,分析不同预紧力下,岩体强度及内部裂隙发育特征得出:(1)张拉高预紧式锚固体可有效提高岩体的峰值强度和残余强度,增强其极限承载能力;(2)高预紧力能约束内部张拉和剪切裂隙的发育,提高了岩体的整体性。巷道试验后,张拉锁具使锚杆预紧力普遍达到60kN以上,使用锁具紧固锚杆后,巷道帮部位移量比原支护方式减少了44.3%,解决了扩帮后锚杆因尾部螺纹长度不足而无法重复预紧的问题,降低了施工强度及支护成本。

基于弱光纤光栅传感技术的围岩变形监测研究

煤矿深部地层高地应力与围岩低强度间的突出矛盾导致巷道开挖后极易发生大变形失稳灾害。为及时掌握巷道开挖支护前后围岩内部的变形情况,研究基于弱光纤光栅传感技术,研制了一种准分布式大量程应变传感器光缆,实现了围岩内部变形测点的1 m级间距布置。通过室内标定试验掌握了传感器光缆的测试性能,测试结果表明:研制的应变传感光缆应变量程不低于0.04,灵敏度为1.23 pm/με,精度等级为0.5,属于高精度传感器并具有良好的重复性和线性度。依托平煤股份四矿深部岩石巷道开展了现场工业性试验,试验结果表明:巷道围岩应变随孔深增加而减小,4 m范围内围岩应变数值较大,7 m外应变数值较小且渐趋稳定;巷道围岩应变激增主要发生在前30 d内,随后巷道围岩应变增加量逐渐减小并趋于稳定;取应变速率迅速向0收敛位置作为围岩松动区边界,确定巷道帮部和顶部松动区边界为5 m,肩部松动区边界为4 m。该应变光缆通过弱光纤光栅技术与时分复用技术的综合应用,极大地提高了光纤传感网络的复用容量,满足了煤矿深部巷道围岩变形监测的大量程、精细化在线监测需求。通过技术应用,可及时掌握煤矿深部巷道围岩内部变形特征及松动圈时空演化规律,为深部巷道围岩稳定控制决策提供科学基础数据。

软弱厚煤层“三沿”布置技术应用研究

软弱厚煤层工作面掘进回采巷道,通常采用沿底掘进,存在冒顶风险,且不易推广无煤柱开采。针对煤层厚度变化和煤层软弱的特点,提出一种“三沿”技术,即利用煤层顶板较为坚硬的特点,采用主动锚网索支护的方式进行回采巷道的“沿顶掘进”,使用定向预裂爆破技术实现切顶卸压“沿空留巷”,以及采用“主动锚网索+木垛+U型钢支架”的支护方式进行超前卧底形成超高巷道来实现煤炭最大程度的“沿底回采”。根据工作面开采动压影响和切顶卸压原理,在距离工作面不同距离范围内分别设计了6个阶段的动态支护参数。工程实践表明,沿顶掘进有利于巷道稳定和沿空留巷技术的应用,同时能够最大程度地回收煤炭资源。该技术解决了软弱厚煤层沿底掘进巷道支护困难、留设煤柱浪费资源等问题。

复杂地质条件下预应力注浆锚索全长锚固技术研究与应用

随着煤矿开采深度的不断加大,深部支护的矛盾逐渐突出。针对平煤矿区某矿-700 m高位瓦斯巷掘进支护过程中随着地应力的不断增大、施工中支护难度加大的实际问题,采用不同的注浆材料可以改变岩土结构及力学性质的理论方法,进行了注浆锚索锚注支护机理及施工工艺的研究,并通过采取“注浆+中空注浆锚索联合支护”施工技术,解决了深部软岩掘进巷道缩帮、缩顶、蠕动变形的技术难题,有效提高了深部围岩的抗压强度和自承能力,从而改善巷道的区域稳定特性。实践证明,采用锚注支护,可以有效控制软岩巷道深部围岩的变形与破坏,增强巷道的稳定性,取得了良好的支护效果,改善了现场支护环境,为同类工程施工提供了技术借鉴。

矿井通风安全评价及管理系统设计研究

确定了矿井通风安全评价及管理系统设计原则,将矿井通风系统划分为通风系统环境、通风设备安全性、通风系统安全管理和易发事故情况4个安全评价子系统,建立了不同子系统的评价指标;重点分析了矿井通风系统的两类易发事故,指出在进行易发事故安全评价时应着重考虑的评价因素,建立了矿井通风安全评价及管理系统,并介绍了系统各模块的基本功能。

穿倾斜岩层巷道非对称变形数值模拟研究

当巷道布置在倾斜错动的岩层中时,巷道掘进方向与岩层斜交,使巷道周围出现沿岩层节理面为主的破坏、非对称变形等现象。本文首先分析了某矿采区泵房联络巷变形破坏特点,采用FLAC3D数值模拟方法研究了穿倾斜岩层巷道非对称变形破坏的规律。结果表明:在倾斜岩层中掘进巷道时,不同类型穿层段巷道应力和变形破坏呈现非对称特征;砂质泥岩层在巷道中所处位置极大概率会成为直接导致巷道发生破坏的关键部位。巷道所处围岩砂质泥岩层含量越大,巷道应力集中程度越大,非对称变形越大。研究结果将为相似条件穿倾斜岩层软岩巷道非对称变形及支护控制提供依据。

矿井岩溶热储三维地质建模及地热资源潜力评价

传统热储体积法适用于大尺度区域的地热资源量评价,用于矿井地热资源量评价时误差较大。在分析平顶山矿区“源、通、储、盖、流体”地热系统特征的基础上,建立了矿区地热成因概念模型。以平煤十矿井田为主要研究区,基于区内地热地质条件和地面、井下钻孔资料,采用地下水模型系统(Groundwater Modeling System,GMS)软件建立了研究区内地层的三维地质模型,呈现了寒武系碳酸盐岩地层及覆岩的展布情况,并对寒武系碳酸盐岩地层空间进行了数字化。提出了用于矿井地热资源评价的积分式热储体积法,采用该方法对研究区内寒武系岩溶热储静态资源量进行了估算,并评价了热储的动态资源量,得出了热储层地热资源量与地热水位标高的关系曲线。对研究区内寒武系岩溶地热水进行了水质全分析,评价了地热水的腐蚀性和结垢性。结果显示,研究区内寒武系碳酸盐岩(灰岩)层为岩溶热储层,热量主要来自寒武系朱砂洞组以深的高温岩体;地表大气降水经寒武系灰岩露头和矿区周缘深大断裂进入深部岩体,沿途被加热后储存于寒武系灰岩地层中,并持续接受深部基岩热量传输,形成水热型岩溶热储;寒武系岩溶热水静态资源量为76.8亿m3,蕴含热量1.19×10^(18) J;岩石中蕴含热量为3.25×10^(18) J;地热资源总量为4.44×10^(18) J;地热可采资源量为6.66×10^(17) J,折合标煤22.7 Mt;寒武系岩溶热水具有轻微腐蚀性,结垢性为轻微—中等,流经金属管道和容器需要做防腐和防垢处理。

浅析平宝公司开展地面钻井抽采技术应用

平顶山矿区瓦斯伴生资源丰富,煤层具有瓦斯含量高、透气性低、突出危险性大的特点。集团针对此地质条件,成立了专业的区域瓦斯治理队伍,但其只局限于井下打钻,采取先抽后采的方法进行日常生产作业。本次将地面钻井抽采瓦斯技术,应用于平宝公司首山一矿己15-17-12100工作面,完工后采动区直井最高日产气量达到每天2.3万m 3,取得了良好的经济效益。

深部矿井高温采煤工作面热源及温度场演化规律分析

深部矿井开采面临严重的热害问题,其成因复杂且防治难度大。研究高温采煤工作面热源及温度场演化规律对深部矿井热害防治具有重要意义。以平煤股份十矿为工程背景,对己_(17)-24090采煤工作面风流热力参数进行现场调研,分析了工作面热源及其对井下温升的贡献度,并进一步建立采煤工作面温度场数值模型,明确了采煤工作面温度场演化规律。研究结果显示,引起井下温升的主要热源是围岩散热和机电设备散热,散热量分别占总热源散热量的28.2%和20.6%;地表大气对己_(17)-24090采煤工作面的温度场影响不大,风流在到达工作面之前已经趋于热力学稳定状态;在同一通风时间下,距离机巷口越远,温度越高;在距离相同时,随着通风时间的增加,温度上升幅度有所减缓。研究成果可为深部矿井热害治理工作及降温工程设计提供参考和理论依据。

极松软厚煤层超高巷道顶部高泡材料充填体强度确定

极松软厚煤层超高巷道采用顶部充填方式控制围岩稳定已取得了显著的技术效果,已有实践表明,顶部充填体强度对支护效果影响重大。为进一步提升该技术的综合经济效益,增加矿井焦煤产出率,提出采用高泡材料进行顶部充填,以减少材料用量和优化支护效果。通过建立超高巷道顶部充填体受力模型,得到了巷道顶部充填体水平及垂直方向的受载强度,确定了顶部充填体所需的强度及变形能;根据不同水灰比、发泡剂含量条件下高泡材料的力学特性,采用数值模拟方法确定了高泡材料的最佳配比,通过工业试验验证了支护效果。研究结果表明,巷道高度为3~6 m时,顶部充填体水平及垂直方向最大受力载荷分别为0.48 MPa和1.37 MPa;巷道高度为6 m时,顶部充填体所需变形能应大于1.17 MPa;将水灰比为3∶1、发泡剂含量为0.03%的充填体充填至巷道顶部,数值模拟及现场的巷道两帮最大位移分别为220 mm和163 mm,满足工作面安全开采要求。研究结果可为类似条件的巷道围岩控制提供借鉴。

基于蒙特卡洛算法的裂隙岩体注浆扩散模拟

裂隙岩体注浆扩散过程关系到注浆加固效果以及岩体稳定性评价,研究旨在提出一个反映裂隙场对注浆扩散影响规律的数值模型。基于平煤股份八矿钻孔窥视和工程地质资料,分析裂隙场统计分布规律。采用有限元计算软件COMSOL对不同裂隙长度、裂隙间距和裂隙开度情况下的注浆进行建模计算分析,通过蒙特卡洛随机算法重构二维随机裂隙场,建立随机裂隙岩体注浆数值分析模型,对巷道裂隙围岩注浆迁移扩散过程以及胶结加固进行模拟分析。模拟结果表明,浆液的扩散距离随时间的增大而增大。但裂隙网络的非均质性对浆液的扩散速率和范围变化有决定性影响,并使得浆液在5~8 m范围内形成注浆加固区域,有效改善了围岩稳定性,这与深部破碎围岩注浆加固实际情况基本一致。因此,新模型不仅可以很好的重构围岩裂隙分布特征,还可以更真实的反映裂隙场对注浆加固影响。

基于分子模拟的表面活性剂对煤体的润湿机制探讨

随着煤矿开采深度和机械化程度的逐渐提高,瓦斯煤尘二次爆炸愈加严重,采用表面活性剂等化学抑尘剂可以有效抑制煤尘的产生及扩散,减少瓦斯煤尘爆炸。为探明非离子表面活性剂对疏水性煤尘的抑制机理,以典型深部(1 050 m)疏水性煤尘为研究对象,利用FT-IR、XRF、XRD等手段分析其基础物化特性,联合EA、XPS、^(13)C NMR等测试技术分析并建立煤尘分子结构模型,通过建立分子模型考察水-表面活性剂-煤润湿吸附体系的平衡吸附构型、分子空间分布特征,设计实验测定表面活性剂吸附前后煤尘的表面自由能组成变化,验证并讨论表面活性剂在煤尘界面的润湿吸附机制。结果表明:表面活性剂可在疏水性煤尘表面形成有效定向吸附层(吸附层较紧密,对煤表面覆盖程度高),通过表面活性剂疏水尾链覆盖煤尘表面疏水结构,亲水头基朝向水相,使得煤尘表面自由能极性分量增大,煤尘表面因此由疏水性向亲水性发生转变。研究结果可为煤矿开采中的高效抑尘处理提供理论指导和借鉴。

基于六向压应力传感器流变应力恢复法的地应力测量

流变应力恢复法是针对深部具有流变性的软弱围岩提出的一种地应力测量方法。该方法采用在巷道围岩中钻孔埋设压应力传感器的方式来实现围岩原岩应力和扰动应力的测量。基于最新研发的光纤光栅式六向压应力传感器以及本安型光纤光栅解调仪,开展了传感器的室内标定试验。依托平煤股份八矿深部软岩巷道,开展了流变应力恢复法现场地应力测量,并与传统套芯应力解除法地应力测试结果进行对比分析,验证了利用六向压应力传感器流变应力恢复法对地应力测试的准确性和可靠性。

基于TBM掘进性能和适应性分析的围岩分级方法及应用

煤矿巷道变化的围岩地质条件影响着全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)的推广应用,准确评估煤矿岩体可掘性和岩层TBM适应性对TBM高效施工至关重要。基于对岩体参数和岩体可掘性指标的评价,采用优劣解距离法(TOPSIS)建立了岩体可掘性分级模型,并结合不同地质条件的[BQ]值和TBM利用率的相关性分析,提出了岩层适应性分级模型。以日掘进速度为判断指标,进行岩体可掘性和岩层适应性评估,建立了一套基于TBM施工性能的围岩综合分级方法,采用河南平顶山首山一矿底板瓦斯抽采巷道TBM掘进过程中的工程数据,对TBM围岩综合分级方法进行了现场应用。结果表明:在岩体可掘性等级为Ⅰ级,地层TBM适应性等级为3级的条件下,TBM施工巷道平均月进尺可达到400 m;当TBM利用率不足20%时,极有可能会出现卡机、出渣困难等现场问题。围岩综合分级方法通过利用自动采集的TBM掘进数据和围岩性质的综合分析,能够动态评估TBM在不同围岩地质条件下的施工性能,并为TBM掘进控制参数设计提供了理论依据。

低位掩护巷卸压效果评价及其位置优化

为了检验平煤股份八矿己15-22060下覆低位巷道对上覆煤层松动卸压效果,通过现场测试及数值验证,建立了4种典型低位巷道设置工况。研究结果显示:己15-22060工作面低位巷道的设置对解除上覆煤层突出倾向性的影响有限:煤层卸压效果对两巷间距较敏感,当低位巷道位于煤巷下方且两者之间距离较小时煤层松动卸压效果明显:当两巷道距离设置很近时,受巷道相互扰动影响,虽低位巷道对上覆煤层松动卸压效果明显,但低位巷道维护支护问题尤为突出。

流变岩体中六向压应力传感器的应力恢复规律

流变应力恢复法是针对煤矿深部流变岩体而提出的1种地应力测量方法,该方法采用在巷道围岩中钻孔埋设压应力传感器的方式来实现对围岩原岩应力和扰动应力的测量,掌握流变岩体中传感器实测应力的恢复规律是流变应力恢复法地应力测量的关键问题之一。基于流变应力恢复法测量原理和研发的六向压应力传感器,采用数值方法模拟了基于六向压应力传感器的流变应力恢复法地应力测量过程,研究了不同岩石类型、围岩等级、流变模型以及地应力下六向压应力传感器实测应力的恢复规律。模拟结果表明:围岩流变性越强,传感器应力恢复至最终稳定值所需时间越短,且传感器应力恢复程度越高。