煤层瓦斯含量测定技术及装备研究进展

瓦斯含量是煤与瓦斯突出危险预测、煤层瓦斯资源量估算、矿井瓦斯治理工程设计的重要参数。围绕如何在大区域准确快速测定煤层瓦斯含量,依托国家科技重大专项、国家自然科学基金和煤炭企业联合基金等项目科技攻关,在取样、测试方面取得了一定进展。主要表现在如下4个方面:①煤层瓦斯含量测定取样经历了孔口接样、岩心管定点取样、压力引射定点取样和密闭取样4个阶段,密闭取样装备保压能力达到11.5 MPa,煤心直径达到38 mm;②针对不同煤层地质条件,发展形成了顺煤层定向长钻孔密闭取样、底板穿层钻孔密闭取样和顶(底)板梳状定向长钻孔密闭取样3种取样技术;③在河南焦作和山西晋城矿区硬煤层中,顺层定向长钻孔取样深度达到516 m,密闭取样法测得煤层瓦斯含量较常规取样法分别平均提高了0.44倍和1.04倍。在安徽淮南矿区碎软煤层中,穿层钻孔密闭取样深度达到209 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.26倍;在安徽淮北矿区碎软煤层中,顶(底)板梳状钻孔密闭取样深度达到484 m,测得煤层瓦斯含量较常规取样法平均提高了0.19倍,密闭取样法在煤层瓦斯含量测定精度、探测范围上优于常规取样法;④在瓦斯含量测试方面,除了传统解吸法测试,发展了系列煤矿井下瓦斯含量快速测试装备,可实现最快30 min内测得煤层瓦斯含量,一般用于百米孔内的瓦斯含量测试。提出了煤层瓦斯含量测定密闭取样装备需向小型化、轻量化的方向发展,并能实现随钻密闭取样。在测试上,应根据实际情况确定合理的解吸终止限,并将测试装备和密闭取样装备进一步结合,以实现深孔瓦斯含量快速准确测定。密闭取样技术已成为煤层瓦斯含量大区域精准勘查、预测的主要手段,是煤炭安全高效开采的重要技术保障。

低共熔溶剂抑制煤自燃的机理

化学阻化是防治煤自燃的重要手段之一,提出了一种基于低共熔溶剂(DES)的类离子液体阻化方法。首先,采用加热法制备并筛选了7种室温低共熔溶剂,分析了不同DES处理后煤样的官能团及热力学特性变化规律,在此基础上采用密度泛函理论分析了DES中氢键强度对煤理化性质的改性差异,推导了低共熔溶剂的阻化机制及其最佳氢键强度。研究结果表明:DES处理后煤中氢键网络被破坏重排,脂肪烃与芳香烃相对丰度增加了10%~37%,脂肪族支链结构参数降低了9.38%~20.65%,含氧官能团(C=O和C—O)相对丰度下降了22.88%~56.94%,游离的小分子化合物和矿物质被溶出。DES处理后煤的蒸发脱附阶段质量损失和吸氧增重阶段的吸氧量减小,低温氧化阶段和热分解阶段放热量降低,减小幅度分别为8.94%~77.51%和5.40%~26.20%。氢键受体(HBD)作用点位电负性越强,与氢键供体(HBA)形成的DES团簇氢键强度越大。DES中氢键强度与煤中氢键网络破坏程度呈正相关关系,与吸氧增重阶段的吸氧量和低温氧化放热量及矿物质脱除率呈局部相关性。DES通过溶解煤中活性成分削弱煤的低温氧化强度。并通过促进氢键重排,将低热稳定性氢键转换为热稳定性更高的环状氢键四聚体和OH—N氢键,以此提高煤的断键吸热量。但过高的氢键强度将会抑制活性侧链的脱除和溶解,因此抑制煤自燃的低共熔溶剂的最佳氢键强度应控制在69.45~160.00 kJ/mol。

基于静力水准的采空区地表变形监测及误差分析

目前,采空区上方的地表沉降变形监测主要采用人工水准仪测量,该方法效率低、成本高、周期长,且无法实现自动化实时监测。为解决上述问题,引入静力水准自动化监测技术,在分析静力水准自动化监测工作原理及监测系统构成的基础上,对其可靠性、误差来源及消除方法进行了深入探讨,最后结合条带采空区上方地表监测实例从监测方案、测点布置、数据分析等多个角度进行了系统研究。研究结果表明:该技术能够满足条带采空区上方地表沉降变形自动化监测的要求,可为相关监测工作提供技术支撑。

煤系水平井定向射孔压裂裂缝扩展机制

复杂含煤地层顶板水平井射孔压裂是增加煤层透气性、提升瓦斯抽采效率的关键,而地层结构和射孔位置影响裂缝扩展形态。考虑地层结构特征及射孔位置,建立压裂工程地质模型;基于有限元方法构建数值模型,研究射孔位置、地层条件、垂向应力与水平应力差对裂缝扩展的影响,并进行工程验证,提出施工建议。结果表明:射孔孔眼位置存在全部位于煤层中、全部位于顶板岩层中和部分位于顶板部分位于煤层3种情况。孔眼位于煤层中,裂缝受到界面的“阻隔”作用,对煤层改造有利;孔眼位于顶板,当顶板层理发育,垂向应力与最小水平主应力差大于2MPa时裂缝能够穿越层理和界面进入煤层,而顶板完整时,应力差大于-2MPa裂缝即可在孔眼诱导作用下进入煤层,顶板层理和界面对裂缝垂向扩展具有“阻挡”作用,结构完整地层有利于裂缝的垂向穿层扩展;孔眼部分进入煤层,对裂缝起裂、扩展产生明显诱导作用,形成沿界面的水平缝和进入煤层的垂直缝,无论顶板是否完整,都能形成有效改造裂缝。当射孔孔眼距煤层较远、孔眼与煤层间弱面发育、水平应力大于垂向应力或压裂施工规模不足时,建议采用深穿透射孔、分支孔等能够沟通煤层的工程措施,以保证压裂效果。研究结果在陕西韩城某煤矿的井下分段压裂施工中进行了应用,试验孔瓦斯抽采效果良好,可为类似地质、工程条件下的压裂施工提供借鉴。

松软薄煤层条带消突下斜定向钻孔成孔护孔技术研究与应用

针对松软薄煤层煤巷条带消突长距离下斜钻孔,存在成孔难、易钻遇煤层顶底板、积水堵塞瓦斯抽采通道的难题,提出了氮气排渣下斜定向钻进成孔与护孔技术,采用高压氮气排渣、大功率气动螺杆钻具定向、“波浪式”轨迹控制和三层管护孔排水技术,在河南省平煤股份一矿开展现场试验,完成8个孔深超300 m下斜定向长钻孔,煤层钻遇率90%以上,全孔段下三层护排水管,平均下入深度302 m,支管平均抽采纯量1.66 m^(3)/min,平均瓦斯浓度17.5%。试验结果表明:该技术可有效解决松软薄煤层下斜钻孔长距离定向成孔、全孔段筛管护孔和排水的技术难题,提高了钻孔成孔深度和煤层钻遇率,实现了下斜孔全孔段护孔和排水,保障了瓦斯抽采效果,为松软薄煤层煤巷条带长距离消突提供技术保障,在类似地层条件具有广泛的应用推广价值。

无人机倾斜摄影测量在采空塌陷区生态综合治理中的应用

针对郭家湾煤矿51101工作面采空塌陷区生态综合治理问题,利用无人机搭载五镜头倾斜相机获取航摄影像,经过内业处理、三维建模获得实景三维模型。通过对像控点和三维模型精度分析,证明无人机倾斜摄影测量完全满足煤矿治理大比例尺地形图测图要求。依托实景三维模型和生成的高精度DLG数据成果,可帮助设计人员准确高效地提出相应采空塌陷区生态治理方式,大大提高了塌陷治理以及土地复垦工作的针对性和工作效率,为后期项目验收提供了准确可信的技术支撑和成果验证,最终有效解决了治理区地表变形和生态破坏问题。

陕西省煤矿典型水灾隐患特征及治理技术

陕西省煤炭资源丰富,2022年煤炭产量达7.46亿t,是我国主要产煤省份之一。由于全省煤矿区地质及水文地质条件差异明显,煤矿水灾类型多样,随着近年煤炭开采强度的增大,水灾事故时有发生,防治水形势较为严峻。以煤炭赋存条件为基础,系统总结区域水文地质结构特征,界定典型水灾类型及各类水灾影响区域分布,论述典型水灾的形成机理及特征,并提出了相应的防控技术。研究表明:(1)陕西省主要煤炭产区分为陕北、黄陇、渭北三大区,陕北侏罗纪煤田主要有顶板松散沙层水灾隐患、厚层砂岩水灾隐患、溃水溃沙灾害,局部区域分布有烧变岩对煤矿造成水灾隐患;黄陇煤田主要受顶板巨厚砂岩水灾隐患、离层溃水隐患、泥砂溃涌灾害隐患威胁;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,主要受到煤层底板奥陶系灰岩水灾隐患威胁。(2)陕北侏罗系煤田顶板水灾隐患主要为顶板含水层受开采导水裂隙带扰动形成,导水裂隙波及砂岩含水层或松散沙层可形成持续大流量涌水,部分区域充水强度较大,在短时间水量较大超过排水系统能力时造成顶板水灾,在薄基岩区域垮落带直接导通松散沙层时可转变为溃水溃沙灾害,导水裂隙带影响到烧变岩富水区域时可形成瞬时水量大且持续的烧变岩水灾;黄陇煤田顶板巨厚砂岩含水层受采动导水裂隙带波及形成高强度持续涌水并可能形成顶板水灾,当含水层下部隔水层厚度较大时,可能形成离层溃水灾害,当近煤层顶板岩层松软遇水易崩解时可转变为泥砂溃涌灾害;陕北石炭—二叠纪煤田和渭北煤田,煤层开采底板扰动破坏带或断层等构造导通奥陶系灰岩含水层时,会引发极为严重的底板突水灾害,该类灾害具突发性强、瞬时水量大的特征。(3)各区域的顶板水灾隐患治理技术主要包括钻孔疏泄、注浆治理、开采参数控制等,底板水灾隐患治理技术主要包括区域注浆加固及封堵等;烧变岩水灾隐患主要采取帷幕注浆与钻孔探放有机结合的防治技术。

倾斜碎软煤层群煤层气协调开发关键技术-以艾维尔沟矿区为例

为了明确与倾斜碎软煤层开采条件相适配的煤与煤层气协调开发关键技术,基于倾斜碎软煤层群瓦斯难抽采与煤层群非对称采动特征,形成了与之匹配的非对称卸压时空协同“三孔四区五量”煤与煤层气协调开发模式,明确了非对称采动下煤与煤层气协调开发策略,阐明了井上下联合煤与煤层气协调开发时空协同机制。针对倾斜碎软突出首采煤层消突困难的问题,优化了倾斜碎软煤层下向长钻孔施工工艺,研制了钻头电磁波无线随钻测量系统,实现了更高精度的钻孔轨迹防偏。针对非对称采动区地面井防护缺乏针对性的难题,阐明了非对称采动覆岩卸压破坏时空演化特征,获得了非对称采动下覆岩采动裂隙演化特征,确定了倾斜煤层地面井井位安全位置,研发了能够兼顾地面井稳定性和抽采效率双因素的采动区地面三开套管结构。应用结果表明:时空协同的“三孔四区五量”模式能够实现煤层气高效抽采,保障倾斜煤层群的抽掘采接替平衡;倾斜煤层下向钻孔递进式抽采方式拓展了递进式抽采的应用范围,破解了倾斜煤层煤层气抽采过程中的时间不协调问题;优化后的采动地面井维稳结构能够适应非对称采动作用,实现了采动区地面井煤层气高效抽采。上述成果在新疆焦煤集团艾维尔沟矿区得到推广应用,初步形成符合艾维尔沟矿区主要高瓦斯矿区倾斜煤层特点的煤层气抽采关键技术和典型模式。

矿山救援钻孔中井涌井漏事故预警预测

为解决矿山应急救援钻孔作业过程中井涌井漏事故预警预测困难等问题,建立了基于机器学习的钻进过程井涌井漏事故预警预测模型。首先对井涌井漏事故发生初期时的钻进参数进行事故表征参数分析;其次对事故表征参数进行数据清洗处理,在此基础上,通过XGBoost事故诊断预警模型对井涌井漏事故进行早期诊断识别;随后建立PSO-LSTM事故发展预测模型,对事故发生后的孔底压力参数发展趋势进行预测,提前掌握钻进事故发展状态;最后通过实际钻进数据对预警预测模型的有效性进行验证。结果表明:XGBoost事故诊断预警模型能根据总池体积、立管压力、出入口流量差和动力头负荷这4种钻进参数的异常变化,快速准确诊断钻进过程中的井涌井漏事故;PSO-LSTM事故发展状态预测模型能充分学习孔底压力参数发展规律,综合EMAP、EMA、ERMS、R2这4项误差评价指标,PSO-LSTM模型相较于BP、RNN、SVM模型的预测性能最佳,能准确预测事故发生之后的孔底压力发展趋势,提前掌握井涌井漏事故的严重程度和发展态势。研究结果丰富了钻进过程井涌井漏事故预警预测方法,提高了矿山事故地面救援的可靠性,对矿山应急救援钻孔作业过程中事故控制有着借鉴与指导作用。

燃气管道泄漏爆炸应急救援物资需求及救援点优化选址研究

为研究燃气管道泄漏爆炸后的应急救援物资需求量和最佳救援点选址,采用案例推理方法,建立了燃气管道泄漏爆炸事故应急资源需求模型。以某化工园区发生燃气管道泄漏爆炸为案例,运用MATLAB编程对应急资源需求进行数值计算;利用ArcGIS可视化、地图数据分析功能,建立网络空间数据集,获得该案例工业园区6个应急救援点。结果表明,可通过化工园区应急救援历史数据获得事故应急资源需求量,利用ArcGIS建立位置分配点和确定救援点数量,可获得优化的应急救援选址。

低透气煤层无泵式钻扩一体化增透技术与钻具研究

针对在低透气煤层常规机械掏穴、水力冲孔等增透施工中存在的施工效率低、掏穴装置稳定性差以及需要配备高压泵等问题,提出了无泵式钻扩一体化增透施工技术,研制了配套的双通道送水器、双通道钻杆和造穴装置,并进行了现场工业性试验。结果表明:钻扩一体化增透施工技术在煤矿井下静压水条件下,可实现一趟下钻完成先导孔和机械掏穴的同时作业,解决了常规掏穴装置刀翼开合不稳定、必须配套高压泵的问题,降低了该技术的使用成本;研发的双通道送水器、双通道钻杆和造穴装置工作灵活稳定且可靠性高,造穴段单孔直接扩大至原常规钻孔孔径的4.4倍,显著提升了瓦斯抽采效果,该技术的成功应用为煤矿井下低透气煤层瓦斯抽采钻孔施工提供了技术支撑。

温度效应对浮选起泡剂汽化成泡特征影响

起泡剂汽化成泡法可以解决传统起泡剂添加方式存在的无选择性吸附等弊端,利用高速运动采集系统分析了仲辛醇、甲基异丁基甲醇(MIBC)和空气分别在不同汽化温度下成泡的热/动力学特征。研究表明,随汽化温度升高,气泡宽纵比逐渐增大,气泡的体积逐渐减小,不同药剂汽化成泡体积由大到小为空气>仲辛醇>MIBC,气泡表面张力和附加压力随汽化温度升高而降低是气泡宽纵比和体积变化的主因。气泡上浮末速随汽化温度升高而减小,且到达稳定末速的时间缩短。气泡动能随温度升高而降低,相同汽化温度下,仲辛醇汽化成泡的动能大于MIBC,气泡的表面能、动能与势能之和随汽化温度升高而减小。

矿用干式变压器故障诊断和寿命预测技术现状及展望

干式变压器故障诊断技术通过对监测数据进行分析,能够实现信号特征提取、故障诊断、状态评估和寿命预测,提高干式变压器在井下运行的安全性,降低由于故障带来的损失。文章介绍了信号特征提取方法(频率响应法、小波变换法、堆叠自编码器)、故障诊断方法(贝叶斯网络、支持向量机、BP神经网络)、状态评估和寿命预测方法(交叉熵组合预测法、灰色理论、层次分析法)的研究现状,将几种方法进行对比,并对干式变压器故障诊断技术进行展望。

深埋厚顶板工作面采场应力演化规律及区域水力压裂卸压技术研究

针对深埋厚砂岩顶板赋存条件下工作面回采过程中采场应力高、两巷变形量大、顶板断裂能量大等强矿压显现问题,采用FLAC数值模拟了130207深埋高应力采场应力演化规律和采场位移演化规律,结果表明,工作面推进至一次见方和二次见方时,会出现高应力集中,集中系数最高可达2.5~4.0;二次见方期间回风巷帮部水平位移可达390 mm,底鼓量可达413 mm。为确保工作面安全回采,制定了区域水力压裂卸压方案,依据关键层理论和组合梁理论计算得出130207工作面关键致灾层位为22.83 m厚粗粒砂岩层和40.23 m厚粗粒砂岩层,依据Hubbert-Willsi非渗透性地层破裂压力计算公式得出起裂压力为13.06 MPa。区域水力压裂后,工作面周期来压步距、来压持续距离明显减小,超前支承压力影响范围及应力集中系数明显降低,工作面日最大能量和日平均能量明显减小,这说明定向区域水力压裂技术效果良好。

能量输入对捕收剂-煤泥颗粒吸附率的影响研究

捕收剂油滴与煤泥颗粒的有效碰撞粘附是提高浮选效率的重要前提。为了研究能量输入对油滴-煤泥颗粒吸附率的影响,采用改进式浮选机及单煤油液滴-煤泥颗粒碰撞试验系统,分析了不同能量输入因素下捕收剂动能的改变及其对药剂-煤泥吸附率的作用。结果表明:随着搅拌时间的增加,能量输入持续增多,捕收剂-煤泥吸附率随之增大,达到临界值后逐渐减小,这是由于煤油与颗粒之间的吸附作用属于物理吸附,当二者的吸附逐渐达到饱和状态后,能量持续输入打破了吸附平衡,使吸附的油滴发生脱附,最大吸附率为79.82%,对应搅拌时间为40 s。改变叶轮转速,捕收剂动能也随之改变,随着颗粒和药剂分散度逐渐增大,碰撞概率随之增大,吸附率逐渐提高,当叶轮转速由500 r/min增大至700 r/min时,捕收剂-煤泥吸附率由78.11%增大至79.82%。研究结果从多个可变因素角度出发探究了能量输入对捕收剂油滴-煤泥吸附率的影响,为揭示煤泥调浆机制与开发调控技术提供理论参考。

新疆露天煤矿开发对戈壁的影响及生态恢复对策

为破解新疆露天煤矿开发与生态保护的矛盾,实现资源开发与生态保护的协同,围绕该区域干旱少雨、水资源短缺、生态系统极度脆弱的特征,分析了露天煤矿开发对戈壁脆弱荒漠生态系统的主要影响,提出新疆戈壁矿区露天矿恢复应以原生态功能重建为目标,并构建了排土场恢复的四大模式,分别是利用采掘场剥离物中的砾石重构地表、排土场剥离物直接碾压或洒水碾压、构建戈壁沙障、开发性恢复。

煤化工厂煤炭洗选机械设备运行状态监测方法

提出基于多传感器的煤炭洗选机械设备运行状态监测方法。基于多传感器的组成结构及自身优势,将其安装到洗选机械设备中,通过多传感器获取不同环境下的设备运行信号,再将信号输送到建立的设备信号采集模型中,完成对煤炭洗选机械设备运行状态变化的记录及分析,实现设备运行信号采集;构建特征分析模型提取设备运行状态特征,再通过增量式学习机制对设备运行特征数据集开展动态聚类,以此实现对设备运行状态的自动辨识。实验结果表明:采用笔者所提方法进行设备运行状态监测,其结果假阳率低、真阳率高,可实现准确可靠的煤炭洗选机械设备运行状态监测。

小保当一号煤矿特大型智能主运输系统设计

针对小保当煤矿主运输系统大运量、高带速、高带强的特点,进行了技术方案的分析研究并对各部带式输送机均采用了最佳配置设计。文章介绍了采用多项国内外先进技术对主运输系统的各个具体环节进行的优化设计,包括:采用智能化设计技术,实现主运输系统的远程集中控制、协同运行和无人值守;采用特大型装备设计技术,对系统关键位置及重要部件进行分析研究,确保安全;采用井下煤水分离技术,对原煤进行脱水处理,避免“水煤”隐患;采用动力学分析技术,对多种不利工况下的输送带张力特性进行模拟,优化设备布置。最终实现了国内井下总运输距离最长、装机总容量最大的煤炭主运输系统的智能化、无人化长期连续平稳运行,为国内特大型矿井的煤炭主运输系统设计起到了引领示范作用。

综采工作面分布式蓄能供液系统研究及应用

为解决综采工作面跟机移架速度慢的问题,提出了基于蓄能器的分布式供液系统,并在柠条塔S1204工作面开展了试验应用。根据工作面的采煤工艺和产能要求确定了跟机移架速度,建立了全工作面供液系统仿真模型,对液压支架单架、双架和三架同时移架的动作过程进行模拟并分析影响移架时间的因素,结果表明:为使工作面生产能力提升到1000万t/a,中部液压支架跟机速度要达到12 m/min以上,需采用双架或三架成组移架来满足其移架时间的要求。为解决该工况压力波动大且易产生丢架的现象,提出在液压支架上设置“蓄能器+单向阀”的分布式蓄能稳压方案,以平衡工作面液压系统瞬时大流量供给不足与平均供液能力过剩的矛盾,并给出了基于流量补偿的蓄能器选型方法。仿真分析表明在安装分布式稳压供液系统后,双架和三架成组移架时间分别减少6.2%和11.5%,尤其在受到其他系统用液扰动条件下,双架成组移架时间可缩短15%以上。井下应用结果表明,安装的分布式蓄能供液系统显著降低了成组拉架中的丢架现象,保证了采煤机运行速度达12 m/min以上;对工作面平均日进尺由16.7刀提高到19.8刀起到重要支撑作用,实现了常态化日进尺22刀,达到了年产1000万t的生产能力,研究工作为综采工作面快速成组跟机移架提供了有效解决方案。

强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化研究进展

【目的和方法】巷道围岩时效变形破坏、蠕变型冲击地压等灾害是深井面临的重大威胁,加之深部采动与结构变化的影响,亟需研究强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化规律,系统回顾煤岩体力学性质的尺度效应、非连续结构与多物理场效应,以及煤岩体长时稳定性、蠕变演化规律与力学模型。【结果和结论】强调不同尺度(细观-宏观-工程尺度)、不同尺寸(REV范围内)煤岩变形破裂过程中非连续结构(包括裂隙和矿物)与物理力学性质存在密切的关联特征。指出煤岩体跨尺度非连续结构导致应力场非均匀分布,造成力学各向异性、尺度效应及尺寸效应,进而出现非协调宏观破裂现象。透明解析与推演煤岩变形破裂过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化规律,是认识煤岩灾变内禀机制的关键。明确指出现有蠕变实验与蠕变模型在煤岩表面变形及破裂方面具有优势,但无法预测煤岩内部变形与非连续结构;为此提出了全尺寸CT扫描重构、数字体图像相关(DVC)、跨尺度等效岩体-等效晶质建模(SRM-GBM)相结合的破解方法。对扰动煤岩体蠕变前沿问题进行了讨论,阐明了非连续结构与应力引起内部变形损伤诱发蠕变这一新观点,指出非连续结构和应力是煤岩非协调蠕变的主控因素,最后建立了强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化的精细化建模及透明解析新方法。研究成果为相关矿山灾害的发生机理、预警与防控提供理论基础。