气体性质和孔隙压力对煤体微裂隙扩展的影响

利用工业CT扫描系统,观测不同气体压力条件下煤体内部微裂隙萌生扩展特点,为揭示煤层瓦斯流动产出控制因素提供新的依据。结果表明:非吸附性气体作用下,随孔隙压力的升高,煤体内部微裂隙的萌生和扩展愈加明显,裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐减小,符合气体压力影响下的裂隙扩展方程,微裂隙扩展主要受控于应力集中效应和煤基质收缩效应。吸附性气体作用下,随吸附时间的延长,煤体内部微裂隙的萌生和扩展则越来越显著,直至扩展平衡;裂隙体积和裂隙面积百分比增长率随之逐渐变小,符合吸附时间影响下的裂隙扩展方程;裂隙扩展主要受应力集中效应、煤基质收缩效应、蚀损作用和劣化机制影响;吸附压力越大,煤体所需的吸附平衡时间愈长;微裂隙扩展平衡时间长于气体吸附平衡时间,裂隙扩展具有明显的滞后性。

煤层瓦斯多机制流固耦合模型与瓦斯抽采数值模拟分析

为了更好地揭示瓦斯抽采过程中松软低透气性煤层瓦斯运移的本质和规律,基于孔隙-裂隙双重介质的假设,建立了全面考虑有效应力、煤层瓦斯多机制流动、真实气体效应和迂曲度影响的煤层瓦斯多机制流固耦合模型。基于所建理论模型,以郑煤集团(河南)白坪煤业有限公司13181工作面为工程背景,利用COMSOL软件开展煤层瓦斯抽采数值模拟,全面分析了瓦斯压力随抽采时间的动态分布规律,结合现场实测结果验证了数值模拟有效抽采半径的准确性。系统开展了不考虑Klinkenberg效应、不考虑基质瓦斯扩散和不考虑煤层瓦斯多机制流动影响的瓦斯抽采数值模拟,对比分析了不同控制因素对煤层瓦斯运移的影响。研究结果表明:抽采结束后,煤层瓦斯压力以抽采钻孔为中心呈椭圆分布;煤层瓦斯压力和有效抽采半径的变化幅度随抽采时间逐渐减小,并趋于稳定;煤层瓦斯有效抽采半径的数值模拟结果与现场实测结果之间的平均误差为3.65%,验证了所建煤层瓦斯多机制流固耦合模型的有效性与合理性;与考虑煤层瓦斯多机制流动影响的模拟结果相比,不考虑Klinkenberg效应的有效抽采半径和渗透率偏小,而不考虑基质瓦斯扩散和瓦斯多机制流动的有效抽采半径和渗透率则明显偏大,表明Klinkenberg效应和基质瓦斯扩散对煤层瓦斯流动分别起促进和抑制之作用。

含水率对含瓦斯煤的渗流特性影响试验研究

利用自主研发的三轴煤岩瓦斯渗流试验系统,测定煤样在含水率、围压和瓦斯压力的不同组合情况下的渗流量,得到含水率与含瓦斯煤渗透特性之间的关系表达式,揭示了受水分影响的含瓦斯煤渗透特性的一些新的认识:①不同含水率煤样,固定瓦斯压力条件下,含瓦斯煤渗透率随围压的增大而减小,且呈指数函数关系;②不同含水率条件下的含瓦斯煤,随着瓦斯压力的增大,含瓦斯煤渗透率的先减小后增大,呈现出"V"字型变化趋势,具有明显的Klinkenberg效应;③瓦斯压力对含瓦斯煤渗透性的影响大于围压的影响;④恒定温度环境条件下,含水率对含瓦斯煤的渗透性有很明显的影响,随着煤样中含水率的增加,含瓦斯煤的渗透率逐渐减小,整体呈负指数关系。

两种典型受载含瓦斯煤样渗透特性的对比

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩实验系统,进行了受载含瓦斯煤的渗透特性实验,对比分析了受载含瓦斯型煤与原煤两种典型煤样的渗透特性之间的异同。研究结果表明,控制煤体渗透率大小的直接原因是有效孔隙度而非总孔隙度,有效孔隙度大,则渗透率大。在恒定瓦斯压力条件下,型煤与原煤的渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;相同实验条件下,型煤渗透率普遍远大于原煤渗透率,且型煤渗透率随围压下降的速度比原煤的快。在恒定围压条件下,型煤与原煤的渗透率呈现先减小后增加的趋势,在瓦斯压力p<1.0 MPa范围内均具有明显的Klinkenberg效应。全应力-应变条件下,瓦斯渗流规律与煤样的破坏形式相关,煤样渗透率都表现出先减小后增大的现象,并且具有一般的"V"字型变化规律。

煤的孔隙结构分形特征研究

为精确描述煤的微观孔隙结构特征,系统开展低温液氮吸附实验和压汞实验,将低温液氮吸附实验和压汞实验数据在孔径100 nm处进行拼接,结合分形理论,提出描述煤层孔隙结构非均匀特征的综合分形维数。研究结果表明,孔径大于2 nm范围内,煤的总孔比表面积随煤的孔隙综合分形维数的增大而增大,较好地反映煤体孔隙结构的分形特征。

吸附气体对受载含瓦斯煤渗流特性影响的试验研究

利用自主研发的含瓦斯煤岩三轴压缩试验系统,进行了大量受载瓦斯煤的渗透特性室内试验,对比分析了CO2,CH4和N2的渗透率之间的异同.研究结果表明,在恒定瓦斯压力条件下,煤样渗透率随围压的增大而减小,均服从负指数函数变化规律;在恒定围压条件下,煤样渗透率随瓦斯压力的增加而减小,并且表现出幂函数变化规律;吸附性强弱不同的气体所表现出来的渗透性也不一样,气体吸附性越强,渗透性越弱;在轴向加载情况下,不同气体的渗透率都表现出先减小后增大的现象,并且具有一般的"V"字型变化规律.研究结果对深入认识煤层瓦斯运移规律具有一定的理论价值.

饱和水含瓦斯煤气水两相渗流特性试验研究

通过恒温条件下饱和水煤样气水两相渗透率的测定试验,研究了含瓦斯煤样气水两相渗透特性规律。利用自主研发的三轴瓦斯渗流试验系统,测定随着含水饱和度变化,煤样在围压和瓦斯压力的不同组合情况下的渗流量,得到气水两相渗透率与含瓦斯煤含水饱和度之间的关系,揭示了饱和水含瓦斯煤气水两相渗透特性的一些新的认识:1随着含水饱和度的减小,水的渗透率不是一直减小的,而是整体呈现出随着煤样含水饱和度的减小而减小的趋势,但在开始阶段有一段比较大的波动,渗透率先减小后增大,出现一个波峰,然后再逐渐减小,且很快减到极小的程度;2水对瓦斯的渗透性有较大的抑制作用,在饱和水状态下瓦斯气体几乎不能通过煤样,但在高含水饱和度条件下,瓦斯的渗透率不一定接近于0;3随着瓦斯压力的增大,气水等渗点右移。

煤的瓦斯吸附动力学机制及温度效应

基于煤对瓦斯的多层吸附假设,推导了煤中瓦斯的多层吸附理论,并采用此理论对煤的瓦斯吸附试验规律进行拟合分析。结果表明:煤对瓦斯的多层吸附理论很好地拟合瓦斯等温吸附,拟合相关性均达到0.99以上;煤体表面单层吸附瓦斯体积V_m随温度降低而线性增大;煤的吸附热Q和瓦斯凝聚热QL差值(Q-Q_L)与温度T线性相关;瓦斯在煤表面吸附层数n随温度降低线性增大。

煤中瓦斯运移的非达西渗流机理研究

通过煤体中瓦斯渗透性能测试,采用渗流理论分析瓦斯在煤体中的渗流机制,结果表明:在高压阶段,瓦斯渗透流量Q与压力项△~2p/L线性相关,在低压时,渗流曲线Q-△~2p/L表现为对Darcy定律线性关系的偏离;瓦斯在煤体中的渗流由非线性转变为线性,即瓦斯在煤体中的渗流由非达西渗流转变为达西渗流,存在转变的临界点。瓦斯在煤体中的渗流与雷诺数相关,雷诺数大时渗流属达西渗流,雷诺数小时渗流为非达西渗流。理论计算分析揭示了瓦斯分子自由程和煤体孔隙结构共同作用导致了非达西渗流现象。

高突低渗透煤层超高压水力割缝卸压增透研究

为了解决五轮山煤矿8号高突低渗透煤层1809工作面瓦斯治理难题,提出了超高水力割缝煤层卸压增透技术,以有效改造强化瓦斯抽采。采用理论分析、FLAC^(3D)数值模拟方法研究了不同缝槽间距条件下缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律,然后基于含瓦斯煤体渗透率与三向应力和瓦斯压力之间的关系,分析了不同缝槽间距时周围煤体的渗透率分布规律。研究结果表明:缝槽自由面能够卸除围压,集中应力向缝槽外侧和缝槽间煤体转移;煤体渗透率明显提高,促进瓦斯解吸和流动。经现场实践验证,超高压水力割缝增大了煤层暴露面积、煤体扰动体积,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度明显提升,瓦斯抽采纯量在0.7～1.1 m^3/min内波动,瓦斯体积分数在50%以上,对本矿其他工作面瓦斯治理具有一定借鉴意义。

瓦斯抽采钻孔封孔水泥浆液水灰比优化研究

为进一步提高本煤层瓦斯抽采钻孔封孔模拟的准确性,考虑水泥浆液扩散过程中黏度时变性及应力对浆液扩散造成的影响,对不同水灰比条件下的水泥浆液基本性能进行实验室测定,分析了不同水灰比的水泥浆液性能及变化特点。采用理论推导、数值模拟的方法,对不同水灰比条件下的水泥浆液扩散范围开展研究计算,对煤矿井下注浆封孔水泥浆液的水灰比进行了优化。在贵州小屯煤矿对模拟结果进行实测验证,现场封孔效果较好,进一步结合井下实际情况对水泥浆液的水灰比进行优化。研究结果表明:水泥浆液初始动力黏度随水灰比增大而减小,水泥浆液黏度随时间基本呈指数增长;根据井下实际封孔情况并结合模拟结果,确定水泥浆液的最佳水灰比为0.9。

基于CFD-DEM的旋风除尘器内气固流动特性研究

为了研究旋风除尘器内气固流动特性,采用CFD-DEM耦合算法研究不同入口气体速度下旋风除尘器内颗粒流态、静压、径向速度及轴向速度分布特征。结果表明:煤屑颗粒在离心力和径向曳力的作用下以螺旋颗粒条带靠近除尘器的壁面稳定向下移动,随着入口风速的增加煤屑颗粒条带变宽,条带与除尘器的第1次接触的拐点上移,螺距减小;除尘器内部压力轴向变化较小,径向变化较大,随着入口气体速度增加,除尘器壁面附近高压区范围和压力也随之增加,除尘器上方和下方的负压区变宽并朝轴向方向延伸;随入口气体速度增加,除尘器内径向速度和轴向速度逐渐增加,煤屑颗粒在除尘器中部聚集较多,煤屑停留时间变长,入口气体速度为15 m/s时,煤屑颗粒在除尘器内停留时间最长。

煤的厚度对煤岩组合体物理力学特征的影响规律分析

为了研究煤岩组合体中煤的厚度对其物理力学特征的影响规律,以布尔台煤矿粗粒砂岩、煤和煤岩组合体试样为研究对象,利用RMT-150C力学试验机对各试样的单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变进行研究。研究结果表明,煤岩组合体中煤的厚度对其密度和波速有显著的影响,煤岩组合体的波速和密度随着煤的厚度增大而逐渐减小;煤的厚度对煤岩组合体的单轴抗压强度影响较小,但对其峰值应变和弹性模量有显著的影响。与粗粒砂岩相比,在煤岩组合体中的煤厚为5、10、15、20 mm时,峰值应变分别增大了2.2%、20.7%、25.3%、38.3%,峰值应变随着煤岩组合体中煤的厚度的增大而逐渐增大;弹性模量分别降低了30.5%、41.5%、48.2%、51.8%,弹性模量随着煤岩组合体中煤的厚度的增大而逐渐减小。研究成果有助于进一步揭示巷道支护困难、矿压显现剧烈,以及地表台阶下沉等现象的内在原因。

煤层群联合抽采瓦斯混源比例的对比试验

针对煤层群联合抽采时各煤层瓦斯无法准确计量的难题,根据瓦斯组分中的CH 4体积分数和碳同位素分布规律,基于化学组成质量守恒定律,建立煤层群联合抽采瓦斯气体混源比例计算模型,并在小屯煤矿开展对比试验。研究结果表明:小屯煤矿各煤层瓦斯中CH 4体积分数由大到小排序为6下煤层>6中煤层>6上煤层,CH 4碳同位素值分布在-3.6%~-3.2%内,由重到轻排序为6下煤层>6中煤层>6上煤层。联合抽采6上煤层+6中煤层+6下煤层时,基于碳同位素原理计算得到的6上煤层混合比例为10.82%~24.54%,6中煤层混合比例为57.81%~69.58%,6下煤层混合比例为5.88%~31.37%,与分层计量考察结果基本一致。说明基于碳同位素进行煤层群联合抽采瓦斯混源比例的计算是科学准确的,研究结果可为煤层群瓦斯联合抽采达标评判提供新的研究思路。

煤岩超声波传播特性研究综述

煤岩体是矿井煤岩灾害事故发生的主要地质载体,超声波测试技术为了解煤岩体特性提供了一种间接方法。超声波在煤岩体中的传播特性可为了解煤岩性质、预测煤岩动力灾害事故提供理论依据。本文在收集整理国内外有关资料的基础上,论述目前煤岩中超声波传播特性的研究现状及进展,并对今后的研究工作提出看法。

煤矿安全学科研究方法探析

安全学科是一门边缘、交叉学科。多学科交叉性决定了其科研领域研究方法的多样性。煤矿安全问题作为其中一部分,是影响与制约我国煤炭行业安全高效发展的重大课题。有效掌握煤矿安全学科的研究方法,是积极进行科研,加深理论认识、提升行业技术装备水平的必要条件。以河南理工大学安全学科(矿业工程)发展成就为主线,结合行业生产实际背景,探析煤矿安全学科研究方法。