深部煤层原位保压取心技术原理与瓦斯参数测定研究进展

煤层原位瓦斯压力与瓦斯含量是深部煤矿安全生产与煤层气资源精准评估的关键参数。针对深部煤层原位瓦斯含量精准测定的技术难题,提出了原位保压取心与原位瓦斯含量和压力测试的全新原理,推导并建立了煤层原位瓦斯含量计算方法和考虑含水率及多气体组分影响的煤层原位瓦斯压力计算方法。根据矿井深部原位应力环境特点与多向取心工程需求,分别自主研发了重力式、弹力式和磁力式保压控制器,可实现任意角度保真取心。自主研制了集低扰动保压取心与样品含气量一体化测试技术与装备,可实现与保压取心器对接并解锁的原位样品转移、破碎与测试,解决了原位取心、样品转移过程中瓦斯量损失问题,大大提高了瓦斯含量测定的准确性,为精准测定深部煤层原位瓦斯压力及瓦斯含量提供了理论和技术支撑,以期降低瓦斯事故,提高高突矿井安全开采效率。

岩石张拉裂缝与充填胶结裂隙的相互作用

工程开挖扰动、卸荷和水力破岩产生的工程裂缝与先存裂隙的相互作用在岩石工程中十分普遍,建立适用于工程裂缝遇先存裂隙的扩展准则是解释工程裂缝扩展机制和研究岩体弱面剪切滑移的关键。采用两种不同强度的混凝土充填材料模拟强、弱胶结的先存裂隙,在只考虑准静态张拉应力作用下,依据半圆三点弯法测定了充填胶结型岩石的Ⅰ型静态断裂韧度;通过分析工程裂缝扩展轨迹,获得了临界启裂角与应力逼近角的关系;进一步探讨了工程裂缝与先存裂隙的相互作用扩展模式与判别准则。结果表明:张拉应力作用下工程裂缝与先存裂隙的相互作用受应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度的共同影响;充填胶结砂岩的静态断裂韧度随应力逼近角增大先增大后减小;启裂逼近距离较大时,断裂韧度随应力逼近角变化不大,而启裂逼近距离较小时,断裂韧度随应力逼近角增大呈现先增大后减小的规律;应力逼近角影响充填胶结岩石的断裂韧度,但影响程度不如启裂逼近距离和充填物胶结强度,且存在一个极限影响距离。即使在张拉应力作用下,岩石材料的裂隙前端同样存在剪切局部化,因此,工程裂缝是否穿过先存裂隙取决于应力逼近角、启裂逼近距离和充填物胶结强度共同作用下裂隙面的抗剪强度和先存裂隙面的摩擦学特性。

基于保压取心的深部煤层原位压力计算原理及方法初探

准确获取煤层原位瓦斯压力是防治瓦斯灾害的关键环节,现阶段仍需探寻测量准确、经济投入小、测定周期短的瓦斯压力测定手段。基于深部煤层原位保压取心原理技术,提出了深部煤层原位瓦斯压力计算方法并形成其测定流程,构建了保压空间内瓦斯压力演化数值模型,对比理论与数值模拟结果验证方法的可靠性,进一步探究煤层不同原位瓦斯压力下保压空间内瓦斯压力演化规律。结果表明:保压空间中瓦斯压力示数并非煤层原位瓦斯压力,当保压空间中压力示数为0.3 MPa时,煤层原位瓦斯压力约0.38 MPa;保压空间中瓦斯压力平衡值越大,原位状态游离瓦斯占比越大,平衡后游离瓦斯质量占比也越大;随着保压空间中瓦斯由原位状态向新平衡态转换,游离瓦斯质量占比逐渐增加,吸附态瓦斯质量占比则相应减小;保压空间内瓦斯压力演化规律分为3个阶段,自取心完成后分别经历瓦斯压力快速增加、缓慢增加以及最终平衡阶段;基质内吸附态瓦斯压力缓慢衰减,游离态瓦斯压力快速衰减,保压空间内瓦斯压力先快速增加后趋于稳定最终达到压力平衡;煤心渗透率越大,保压空间中瓦斯压力达到平衡所需时间越短,但其保压空间中瓦斯压力最终平衡压力与煤心渗透率无关。

原位保压取心气体组分对煤层瓦斯压力测算的影响

基于保压取心工艺测定煤层瓦斯压力和含量,是实现瓦斯参数快速精准测定的有效方法。瓦斯是一种以甲烷为主的多组分混合气体,煤对于不同气体的吸附能力不同,混合气体中各组分气体分压也存在差异,不同气体组分占比将影响煤层瓦斯含量和压力的测算结果。为实现保压取心煤层原位瓦斯压力的精准测算,采用数值模拟和理论计算相结合,研究气体组分对瓦斯压力测算的影响。通过分析取心器内煤心瓦斯压力演化过程,将多组分气体吸附模型引入瓦斯运移理论,建立考虑多组分气体的双重介质瓦斯压力演化方程,并应用于数值仿真。模拟结果显示,煤心进入岩心筒后裂隙瓦斯压力初始先迅速下降而后逐渐上升,基质瓦斯压力一直缓慢下降,岩心筒内自由空间的瓦斯压力由初始0.1 MPa缓慢上升,数小时后3个压力平衡,平衡压力远小于煤心原始瓦斯压力;CO_(2)组分对平衡瓦斯压力值的影响最大,当气体为纯CH_(4)时平衡压力最小。同时,推导了考虑多组分气体的保压取心煤层原位瓦斯压力计算公式,根据设定的平衡压力反算煤层瓦斯压力,理论计算煤层瓦斯压力值与数值模拟数据的对比结果吻合较好,Pearson相关系数为99.89%;利用取心器平衡压力反算煤层瓦斯压力时,计算结果随CO_(2)、CH_(4)组分增加和N_(2)组分减少而减小,气体为纯CH_(4)时反算的煤层瓦斯压力值最小。利用保压取心测算煤层原位瓦斯压力时,若不考虑气体组分而以纯CH_(4)计算,可能会低估煤层瓦斯压力值,尤其是煤层瓦斯压力较大且CO_(2)气体组分占比高时,误差更大,为准确测算煤层瓦斯压力,应考虑瓦斯气体组分的影响。

峰后围压卸载对原煤变形和渗透特性的影响

运用自主研制的煤岩热-流-固耦合试验系统,以原煤为研究对象,进行峰后轴压保持在不同应力水平下围压的卸载试验,以分析围压卸载对原煤变形特性和渗透特性的影响。研究结果表明:通过径向应变ε_3、轴向应变ε_1和体应变ε_V的不可恢复变形量以及三者在力加载过程中的响应程度来定义损伤变量,满足损伤变量的变化区间[0,1],并以此计算煤样在卸载过程中的损伤量,得到在峰后轴压σ_1保持不变,对围压σ_3进行卸载时,损伤量D随着σ_3的减小而增大,煤样的损伤程度越来越大;当轴压卸荷到不同应力时,煤样的渗透率随围压卸载次数的增加而增大,表明当σ_1减小时,σ_3对渗透率的影响越来越重要,同时煤样内部的孔隙裂隙以发育、扩展、延伸为主。此外,渗透率k在σ_3卸载初期,几乎不增加;当σ_3继续卸载时,k开始增大,并且斜率越来越大,表明煤样的损伤加剧。当保持σ_1不变,对σ_3进行卸载时,相当于摩尔应力圆半径增大,煤样向破坏的趋势发展,发生二次破坏的可能性增大。随着σ_3的卸载,卸围压前σ_1越大,摩尔应力圆半径越大,煤样的承载能力就越弱,更易发生煤样的二次破坏,表现在煤样的轴向应变ε_1和径向应变ε_3发生突变。

绿色矿山建设实践中磷矿资源税费改革的思考

通过分析我国磷矿资源的赋存及分布特征,针对当前技术经济条件下中低品位磷矿难以进行广泛产业化开发利用的困境,加强采选技术研发和建立适应我国磷矿资源科学合理开发利用的税收制度体系尤为重要。通过对比分析各类资源税计征方式的优缺点,初步建立了一套与储量消耗、采掘参数相关的磷矿资源税费征收方案,企业应税总额由固定税额、调节税额和浮动税额构成。磷矿资源税改革、征收与绿色矿山建设和评价工作挂钩,为建立绿色磷矿山激励、退出机制提供了新的思路。该征收方案引入矿山开采参数,从而可调整磷矿企业的开采行为,从制度层面推动中低品位磷矿资源节约开发和综合利用,加快产业结构调整,推动磷矿采选行业持续健康发展,对于提高矿山企业建设绿色矿山的积极性有一定的促进作用。

科学构架建筑垃圾全链条闭合管理体系——北京市建筑垃圾治理经验介绍

北京市非常注重建筑垃圾管理体系建设,从规范建筑垃圾运输管理入手,科学构架源头、运输、处理和循环利用全链条闭合管理体系,实施建筑垃圾综合治理,深入推进资源化处置,取得了一定成效.

基于机器学习的含充填裂隙岩样断裂行为预测方法

含不连续面的岩样断裂行为难以量化表征和有效精准预测。采用机器学习方法建立预测含胶结充填裂隙岩样I型断裂韧度和裂纹扩展模式的数据驱动模型。首先,通过含充填裂隙半圆盘直切口试件的三点弯试验和离散元数值模拟结果,对比验证批量模拟的可行性,再进行批量随机数值模拟,构建数据集并过滤异常算例。对数据集进行归一化、随机打乱、随机欠采样等预处理,建立4个经典机器学习模型,采用网格搜索与五折交叉验证算法搜索最优超参数,并采用多个建立在总体上的评估指标和反映误差分布的数据图对模型性能进行综合评估,得出多层感知机模型为预测精度最高的机器学习模型;对模型进行敏感性分析,并应用于试验数据的预测,结果表明多层感知机模型的稳定性和预测效果较好。此外,该研究还开发了用户界面程序用于含充填裂隙岩样断裂行为的批量预测,避免传统试验和数值模拟高昂的时间成本,为解决传统岩石力学问题提供新的方法和思路。

低透气性原煤瓦斯渗流各向异性试验研究

为研究低透气性煤层中瓦斯渗流的各向异性,以同一煤岩平行层理方向和垂直层理方向制取煤样,利用自主研制的试验装置进行含瓦斯煤三轴伺服渗流试验.结果发现平行层理煤样的渗透率远大于垂直层理煤样.在峰值破坏前,平行层理煤样随着轴压增加,渗透率在应力屈服点达到最小值,垂直层理煤样在弹性阶段初始时达到最小值;峰值破坏后,两个方向煤样的渗透率均呈非线性增长.

水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究

基于三维数字图像相关技术,采用可视化三轴压缩伺服控制试验系统,开展孔隙水压–应力耦合作用下砂岩应力松弛特性试验研究。结果表明:(1)径向应变场中局部微裂纹损伤发育并相互贯通是引起脆性岩石应力松弛时效失稳破坏的主控因素。(2)松弛应力水平位于岩石微裂纹稳定发育和微裂纹不稳定发育阶段时,孔隙水压的增加,能显著提高岩石的应力松弛量和径向应变变化量,缩短岩石时效破坏寿命。(3)松弛破坏试样应力–时间曲线和径向应变–时间曲线呈“阶梯式”变化趋势,及两者的速率–时间曲线呈现“漏斗形”演化趋势,其实质均反映了岩石应力松弛过程中微裂纹损伤发育扩展和相互贯通。(4)松弛破坏试样破裂面裂纹发育以沿晶裂纹为主,且相互之间汇集、贯通,胶结基质破碎严重,胶结结构丧失,脆性岩石应力松弛时效破坏实质是受裂纹发育扩展所控制。