煤矿瓦斯抽采顺层钻孔偏斜规律试验研究

针对煤矿瓦斯抽采顺层钻孔偏斜问题,通过现场试验,利用测斜仪器对钻孔轨迹基本参数进行测量,采用均角全距法对钻孔偏移量进行计算,研究了顺层钻孔偏斜的一般规律,结合现场施工情况,分析了钻孔偏斜原因。结果表明:顺层钻孔轨迹普遍呈现上偏的趋势;以20 m为一个考察区间,钻孔倾角最大变化率位于>40~60 m区间内;技术因素、地质因素和人为因素是导致钻孔偏斜的主要因素。研究结果为预防钻孔偏斜以及进一步研究顺层钻孔保直防斜技术提供科学依据。

水分对CH_(4)和CO_(2)在煤中竞争吸附特性影响研究

为研究水分对CH_(4)和CO_(2)及混合气体在煤中竞争吸附的影响,通过自主研发的含瓦斯煤多元气体竞争吸附试验系统进行不同含水率煤对CH_(4)和CO_(2)单组分吸附研究,试验结果表明:水分并没有改变CH_(4)和CO_(2)等温吸附曲线的基本规律,在相同条件下,水分也未影响煤对单组分气体吸附能力的排序,始终是煤对CO_(2)的吸附能力大于对CH_(4)的吸附能力。相同条件下,水分对CH_(4)的抑制率大于CO_(2)吸附量抑制率,说明水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大。在进行水对混合气体的竞争吸附影响研究试验,发现:当注入煤体的气体比例保持不变时,在同一吸附平衡压力下,混合气体的吸附总量随着水分含量的升高而降低,并且吸附平衡后的CH_(4)吸附量和CO_(2)吸附量都随着煤体中水分含量的增大而减小;而当含水率不变时,同一注气比例下的气体吸附平衡压力越大,吸附平衡后的CH_(4)吸附量和CO_(2)吸附量越大。游离相中的CO_(2)的体积分数始终低于气源,而CH_(4)体积分数始终高于气源。不同条件下CO_(2)/CH_(4)选择系数的数值均大于1,范围处在4.8~5.4,煤对CO_(2)的吸附亲和能力大于CH_(4)。相同组分混合气体吸附条件下,CO_(2)/CH_(4)选择系数均随着试验煤样含水率变大而降低。该研究进一步完善影响煤对气体吸附的因素的理论分析,以及为工程实践为井下注气促抽瓦斯技术提供理论依据。

含添加剂双流体细水雾抑制瓦斯爆炸实验研究

针对主要威胁我国煤矿安全生产的瓦斯爆炸和燃烧事故等问题,尤其是在单一煤层综放工作面低位高抽巷内易形成瓦斯积聚,在开采过程中,又会出现顶板矸石垮落、矸石和支护金属材料撞击,很容易导致瓦斯爆炸。本文探究含添加剂双流体细水雾在瓦斯爆炸抑制方面的应用效果。基于搭建的含添加剂双流体细水雾抑制管道瓦斯爆炸实验平台,对比分析了不同惰性气体与细水雾相互作用对瓦斯爆炸的抑制规律和效果,含添加剂的瓦斯抑制机理,并研究了不同添加剂浓度、不同添加剂种类对瓦斯爆炸抑制效果的影响。探究发现细水雾分别与CO_(2)、N_(2)、He和Ar四种惰性气体作用,均对瓦斯爆炸有着协同增益的效果。对比分析了有无添加剂的细水雾对瓦斯爆炸的抑制效果,添加剂的加入明显能够提升抑制效果;添加剂的浓度及添加剂的种类对抑制瓦斯爆炸有一定影响,很大程度地减少了瓦斯爆炸的危害。本文研究为防治煤矿瓦斯爆炸提供了一项具有重要意义的主动抑爆新技术。

含瓦斯煤等压渗吸实验研究及工程应用

针对低渗煤层增透措施后仍存在采掘紧张的情况,启发于油气藏开采领域渗吸驱油机理,通过搭建实验平台,在实验系统压力恒定条件下研究了外加水分对煤中瓦斯的渗吸效应。实验结果表明:水分进入煤体后,能够置换出煤中吸附瓦斯,促进吸附瓦斯解吸;最大渗吸量和渗吸率与含水率正相关,但相邻点的差值随着含水率的增加逐渐减少;渗吸初始阶段,渗吸速度增长快。为改善上述情况,结合实验研究,提出1种在瓦斯抽采后期利用渗吸作用作为补充措施的促抽方式。

黄岩汇煤矿综采工作面上隅角瓦斯治理技术研究

黄岩汇煤矿煤层透气性系数差,原始瓦斯含量低,在回采期间工作面绝对瓦斯涌出量较大,上隅角瓦斯浓度容易超限。现场跟踪考察分析了15108综采工作面上隅角瓦斯来源,找到了采放煤和采空区瓦斯涌出的主要原因,并提出了以高抽巷和顶板低位斜向钻孔相结合的卸压瓦斯治理模式,对卸压瓦斯抽采效果进行评价。研究表明:高抽巷平均抽采纯量69.5 m^3/min,最大90.0 m^3/min,可达全部抽采量的92%;低位钻孔抽采措施起到较好的辅助作用,最大抽采纯量为12.4 m^3/min,平均为5.8 m^3/min。回采期间上隅角瓦斯浓度维持在0.08%~0.40%。

水分对CO_(2)置换煤中甲烷的影响效应研究

为了研究水分对CO_(2)置换煤中甲烷的影响效应,选择无烟煤作为试验煤样,采用水蒸气吸附法分别配制不同含水率的煤样,通过优化的BET模型计算出煤对水的吸附势能,并展开CO_(2),CH_(4)及混合气体等温吸附试验。结果表明:优化的BET模型可以很好地拟合煤对水蒸气的吸附量;无烟煤对水的一级吸附势能E1与二级吸附势能E2分别为44.20 kJ/mol和42.27kJ/mol,大于煤对CH_(4)与CO_(2)的吸附势能,说明水分对煤中气体具有置换作用;相同条件下,CO_(2)的吸附能力大于CH_(4);随着含水率提高,煤吸附CO_(2)与CH_(4)的能力逐渐减弱;水分对煤中甲烷的置换效果显著增强;CO_(2)对煤中甲烷置换量随含水率提高而降低,置换率基本不变,水分对CO_(2)置换起到抑制作用。

高抽巷预抽采工作面爆炸危险性研究

高抽巷预抽采工作面对煤矿生产的稳定性和经济效益至关重要。然而,由于其存在爆炸危险性,研究工作面的爆炸危险性具有重要意义。瓦斯爆炸需要满足3个条件:瓦斯爆炸界限、引火温度和氧气浓度。为了研究工作面的爆炸危险性,对余吾煤业采用了高抽巷抽采的工作面进行了气体监测实验,并测量了瓦斯回采期间工作面和高抽巷的瓦斯涌出规律。实验结果显示,余吾煤业工作面氧气浓度和瓦斯浓度均符合爆炸条件。通过探究工作面瓦斯涌出规律,发现可以通过调整工作面推进度来改变高抽巷的瓦斯浓度。因此,高抽巷预抽采的工作面在氧气和瓦斯方面均能满足爆炸要求,并可通过调整推进度来降低瓦斯浓度,减少瓦斯爆炸的可能性,为煤矿生产安全提供了参考。

含瓦斯型煤多级降压解吸规律研究

外部环境压力变化是影响煤样瓦斯解吸规律的主要因素之一。为研究煤体在常压与多级降压环境下瓦斯解吸规律的差异,以型煤为研究对象,通过自主研发的含瓦斯煤体带压解吸系统,对不同吸附平衡压力下的型煤试样分别进行常压解吸和多级降压解吸实验,对比分析其解吸特性,并总结不同经验公式对解吸数据的适用性。结果表明:2种解吸环境下的瓦斯解吸量随时间的变化均呈现“快速上升-逐渐变缓-趋于稳定”;在多级降压解吸过程中,相同解吸时间内的瓦斯解吸量随解吸压力的降低而增大,解吸达到平衡状态所需时间变长,不同吸附平衡压力下的累计瓦斯解吸量与解吸压力呈负相关;乌斯基诺夫式和文特式对常压及各解吸压力下的多级降压过程都具有较高的拟合度,而巴雷尔式只能描述降为常压后的瓦斯解吸过程。

下向低浓钻孔“抽-注”排水排渣抽采一体化技术研究

为了防止永夏矿区陈四楼煤矿煤与瓦斯突出事故的发生,在采用水力排渣钻孔进行抽采瓦斯时,发现在钻孔内存在着大量的水和煤渣,堵塞了煤体内部的孔隙通道,对煤层瓦斯运移和钻孔孔壁的稳定性产生不利影响,从而严重影响了瓦斯抽采的效果。针对煤矿急需解决的俯孔排水排渣问题,提出采用压风吹孔技术,将孔内水和煤渣带出孔外,疏通钻孔堵塞通道。该技术在陈四楼煤矿井下现场应用效果良好,吹孔后钻孔平均在抽浓度由11.86%提升到了18.73%~56.38%,低浓钻孔提升效果明显;代替了以往水力排渣钻进技术,达到高效抽采瓦斯、保证煤矿安全生产的目的,对钻孔抽采瓦斯过程中能够及时排出水和煤渣有一定指导意义。在此基础上,形成的一套下向低浓钻孔“抽—注”排水排渣一体化技术及工艺,为下向低浓钻孔排水排渣工作提供参考借鉴。

基于Apriori算法的盘江矿区煤与瓦斯突出特征研究

为揭示盘江矿区煤与瓦斯突出灾害发生规律,提高瓦斯防治工作的针对性,根据Apriori算法规则的原理和方法,对盘江矿区37起煤与瓦斯突出事故点的瓦斯地质参数进行了统计分析,以最小支持度为40%、最小置信度为75%的二项关联规则基准开展了数据挖掘试验。结果表明:煤层瓦斯压力1~2 MPa与埋深200~400 m、煤厚2~4 m与煤的瓦斯放散初速度≥15mmHg、煤厚2~4 m与煤厚变异系数≤0.2、泥岩厚度≤5 m与围岩强度系数≥2,是具有强关联特征的参数组合类型,盘江矿区发生煤与瓦斯突出地点都呈现浅埋深、高瓦斯压力、厚煤层和围岩强度大的典型特征;在特殊的山地浅埋深条件下(200~400 m),煤层原始地应力往往不大,高瓦斯压力是煤与瓦斯突出的主要影响因素,煤层瓦斯压力普遍达到1~2 MPa;煤厚增大、瓦斯放散初速度高反映出煤体结构受到过强烈破坏,局部发育具有煤与瓦斯突出倾向的构造煤,煤厚变异系数小预示煤层遭受的破坏形式不以煤层局部变异为特征,可能存在以分层构造煤特征的煤体结构破坏的形式;在煤层的顶底板砂岩等强岩层普遍较厚的情况下,煤层高强度砂岩顶板在开采扰动下产生的动载荷条件,叠加形成了煤与瓦斯突出发生强应力场条件;高瓦斯压力、构造煤与顶板围岩特性是影响盘江矿区煤与瓦斯突出的主要因素,在煤矿开采过程中,应以瓦斯压力作为主导参数指标,并重视结合构造煤、顶板岩性的特征来开展煤层突出预测与治理工作。

煤矿瓦斯抽采钻孔主要封孔方式剖析

通过对我国煤矿瓦斯抽采主要封孔方式的分析,认为钻孔周边裂隙发育范围研究不透彻,始封深度、封孔长度选择不合理,注浆压力偏低,聚氨酯和水泥砂浆等封孔材料不能有效封堵钻孔周边煤岩层裂隙,是造成目前我国煤矿瓦斯抽采封孔效果不理想的主要原因。论文指出,研究多重损伤条件下的抽采钻孔周边裂隙发育时效特性,确定抽采钻孔的合理始封深度和两端封堵段长度,采用合适的注浆材料,提高注浆压力,是提高"两堵一注"带压封孔方法封孔效果的技术途径。

柠条塔煤矿110工法采空区漏风规律及防治对策

长壁开采110工法是基于"切顶短臂梁理论"提出的无煤柱自成巷开采技术。以柠条塔煤矿S1201工作面为工程背景,通过对110工法工作面漏风情况的现场监测,研究了110工法采空区的漏风特性及其规律,并分析了采空区产生漏风的原因。结果表明:工作面后方的采空区存在漏风通道、采空区与工作面存在风压差是产生漏风的2个基本条件,而留巷区碎石帮矸石间的空隙、留巷内与工作面回风口间的压力差分别为采空区漏风提供了漏风通道和动力源。在此基础上,提出了"降风压、堵通道"的防漏风措施,以控制110工法采空区的漏风现象,为110工法工作面的安全生产提供保障。

不同类型表面活性剂对煤体的润湿性研究

为了提高现场煤层注水效果,针对润湿性较差煤体,提出采用添加表面活性剂的方法以提高煤体润湿性。以贵州百色集团六龙煤矿煤样为例,根据表面活性剂种类选出4种有代表性且廉价易得的表面活性剂,通过测定纯水和添加表面活性剂的溶液的表面张力及其与煤体的接触角,优选出磺化玻拍酸二辛酷钠盐(快速渗透剂T)作为最佳表面活性剂,最佳浓度为0.4%。

本煤层抽采非等间距布孔及抽采效果评价方法研究

为了研究非等间距布孔及抽采效果的评价方法,以钻孔抽采半径时效特性为基础,提出了非等间距布孔原则和方法。基于概率论与数理统计中"3σ"准则,提出了依据瓦斯含量、抽采时间和钻孔间距划分评价单元的"3σ"阈值,并在寺河煤矿X1301工作面进行了应用。该方法的建立,为非等间距布孔及抽采效果评价建立了1种可操作性的方法。

水分自然侵入促进含瓦斯煤解吸效应实验研究

为定量研究水分自然侵入对含瓦斯煤解吸促进影响效果,利用自制的"高压吸附-水分自然侵入-数据自动采集"实验系统,对不同水分含量自然侵入含瓦斯煤后的瓦斯压力变化进行了连续监测。结果表明:水分侵入后依靠竞争吸附能置换出吸附瓦斯,从而促进含瓦斯煤瓦斯解吸,其促进效果与煤样含水率相关;当煤样含水率由2%增至12%时,瓦斯置换量由2.18ml/g增至4.48ml/g,瓦斯置换率由11.48%增至23.83%,煤样吸水饱和前,含水率Mad与瓦斯置换量Q和置换率η之间满足Q=1.695Mad/(1+0.3Mad)和η=8.85Mad/(1+0.29Mad)关系模型,煤样吸水饱和时,水分对瓦斯解吸的促进效果达到极限值;工程应用中可利用水分对瓦斯解吸的促进影响效应进一步提高瓦斯抽采率。

基于低温氮吸附和压汞法的焦煤孔隙结构研究

为了明确平顶山十二矿深部焦煤孔隙结构特征,采用低温氮吸附法和压汞法相结合对其软硬煤进行实验研究,并利用Menger海绵模型对压汞法所测参数进行孔隙结构分形。结果表明:软硬煤低温氮吸附等温线均接近IV型等温线,软硬煤发育较为一致,有较小的滞后回环,微孔、小孔孔隙类型主要是一端封闭的不透气性孔及封闭孔,中孔以上孔隙以开放性透气性孔为主,软煤中还有部分墨水瓶型孔;压汞法测得软煤孔面积为5.058 m^(2)/g,孔体积为0.0375 cm^(3)/g,硬煤孔面积为4.641 m^(2)/g,孔体积为0.0368 cm^(3)/g;软硬煤孔径分布较为一致,吸附空间集中在微孔、小孔,较高的微孔比例有利于瓦斯的储存;焦煤煤样孔隙特征呈“两极化”分布,大孔、可见孔和裂隙比较发育,构成煤的渗透容积,有利于平顶山十二矿煤层瓦斯的流动与抽采,但是较少的中孔孔隙比例可能会造成瓦斯产出运移通道不畅;软硬煤渗流孔具有明显的分形特征,吸附孔分形维数普遍高于渗流孔分形维数,说明微小孔孔隙结构更为复杂,不规则性较强。

底板岩巷穿层钻孔一孔多用瓦斯抽采时效性研究

为了提高穿层钻孔的利用率,基于煤岩动力学行为下的采动裂隙场和应力场演化规律,提出全生命周期的底板岩巷穿层钻孔一孔多用瓦斯抽采技术,即按先后顺序实现采前预抽、边采边抽以及采空区瓦斯抽采功能。以古汉山矿1604综采工作面为例,进行现场试验。结果表明:一孔多用试验钻孔的抽采效果具有明显的时变特性,为定性定量分析试验钻孔的抽采时效性规律,根据抽采纯量变化将抽采全生命周期划分为初始预抽增流期、高效预抽期、预抽快速衰减期、高效卸压增流期、低流枯竭期、采后纯量回升期和采后衰减低流期7个阶段;高效预抽期是全生命抽采周期中最关键的阶段,其次为高效卸压增流阶段,平均瓦斯抽采纯量可达到在预抽高效期钻孔平均瓦斯抽采纯量的61.4%;确定前方距离工作面70 m至后方距离工作面40 m范围内为穿层钻孔受采动卸压影响区,工作面超前35~40 m,抽采浓度和纯量最大;在边采边抽阶段,距离采面前方20~70 m的试验钻孔平均抽采纯量比卸压前提高5倍;古汉山矿底板岩巷穿层钻孔采前预抽合理抽采天数为260 d,边采边抽有效抽采期为46 d,采空区瓦斯抽采有效抽采期为26 d。通过一孔多用的底板岩巷穿层钻孔瓦斯抽采实现了预抽达标和降低工作面瓦斯涌出的目标,具有良好的推广应用价值。

注水对煤层吸附瓦斯解吸影响的试验研究

水力化措施在煤矿开采中广泛应用,为了研究注水对煤层瓦斯解吸的影响,采用高压吸附-注水-解吸测试装置对不同吸附平衡压力和水分条件下煤对瓦斯的置换解吸量、卸压解吸量及总瓦斯解吸量进行了测试计算。结果表明:注水过程中及注水一段时间内煤样罐瓦斯压力呈现出继续增高的趋势,说明注入的水置换出了煤体吸附的瓦斯,且水分越高,置换解吸量越大,测试的最大置换量可达11.88 mL/g;卸压后,注水煤样的瓦斯解吸量减小,且水分越大,瓦斯解吸量降幅越大,降幅最大值可达68.29%;注水后煤的总解吸量增大,说明注水对试验煤样的瓦斯解吸起促进作用。

冷冻取芯过程含瓦斯煤样温度场演化规律模拟研究

冷冻取芯技术是一种能显著提高井下煤层瓦斯含量测定精度的取样技术,煤芯温度的高低直接影响着取芯过程瓦斯损失量的大小。为了研究冷冻取芯过程煤芯温度场的演化规律,依托自主研发的含瓦斯煤冷冻响应特性模拟平台,开展了不同管壁温度条件下的冷冻取芯煤芯降温物理模拟试验;并通过建立含瓦斯煤芯气固耦合传热模型,借助COMSOL数值模拟软件对现场取样过程中的煤芯温度场时空分布进行了预测。结果表明:常规取芯时,煤芯内部轴向温度Th随着轴向高度h及时间t的增加而升高,可采用Poly2D函数拟合;径向温度Td也随径向距离d,t呈Poly2D函数升高;当取芯管外壁温度为90~150℃,取芯时长30 min时的煤芯中心温度分别高达46.3~62.0℃,取芯时长60 min时,煤芯中心温度接近管壁的温度。冷冻取芯时,取芯管内的制冷剂能有效隔绝外壁的切削摩擦热量,并使煤芯迅速降温,前60 min内为快速降温阶段,随后降温速度减慢;煤芯内部沿轴向温度基本没有变化,而径向上存在明显的温度梯度,径向温度Td随径向距离d,t的增加呈负指数下降。当冷源强度一定时,随着取芯管外壁温度降低,煤芯所能达到的极限低温就越低,降温速度也越快;管壁温度分别为90,110,130和150℃时,取芯时长30 min时煤芯中心温度降至-27.30,-13.20,2.05和16.80℃,取芯60 min时煤芯内部各点基本降至同一低温,煤芯导热系数随环境温度降低呈线性减小。

水力冲孔空气炮爆破强化抽采合理爆破次数研究

针对水力冲孔空气炮爆破综合强化增透促抽技术的合理爆破次数问题,在探析促抽机制的基础上,首次采用LS-DYNA软件,模拟分析试验地点0~50次不同爆破次数条件下,空气炮爆破能量作用于水力冲孔孔洞周围煤体的变形过程,考察了水力冲孔空气炮爆破造成煤体裂隙发育的变化特征,通过回归分析得到了最大裂隙半径和空气炮爆破次数之间非线性渐变规律的函数表达式。通过数值模拟并结合现场试验,确定水力冲孔之后空气炮爆破40次为合理爆破次数,这对于推广应用该技术具有理论指导意义。