矿物对无烟煤力学非均质性影响的分子动力学研究——以沁水盆地南部主要黏土矿物高岭石为例

煤是由有机显微组分和矿物组成的混合物,矿物的存在会导致煤的大分子结构存在差异,使得煤的力学性质具有明显的非均质性,进而影响区块内整体的煤层气产量、压裂改造效果和成熟技术的规模化应用。以沁水盆地典型的无烟煤和高岭石矿物作为研究对象,通过分子动力学的方法定量研究高岭石及其含量对无烟煤力学性质的影响规律,分析不同矿物含量下无烟煤的分子结构和孔隙特征,从能量和有序化的角度揭示其微观机理。结果表明:①煤有机质与高岭石相互结合过程中同时存在范德华力和氢键作用,且氢键作用强度要高于范德华力,煤有机质周围出现高岭石分子的概率、相互作用强度和有序性均随着矿物质量分数的增加而增大。②无烟煤的孔隙率φ随高岭石质量分数a的增大呈线性规律(φ=−0.2293a+9.6295)降低,而无烟煤的体积模量、弹性模量和剪切模量均随高岭石质量分数的增大呈线性规律增强,泊松比随高岭石质量分数的增大呈二次多项式规律降低。③无烟煤的力学非均质程度整体上随着高岭石质量分数增加而增大,其中不同高岭石质量分数下体积模量、弹性模量和剪切模量的变异性可分为很低、低、中等、高和很高5个部分,而泊松比的变异系数均小于0.1,变异性很低。④随着高岭石质量分数的增加,煤有机质与高岭石的相互作用能呈线性规律(Einteraction=4.5585a+443.929)增大,与纯有机质相比,当高岭石质量分数达到20%时,无烟煤的键能和范德华能分别增加了63.86%和48.06%。⑤高岭石增强煤力学性质的内在原因是高岭石进入煤有机质后占据一定的孔隙空间,且与煤有机质的芳香碳骨架和不同官能团进行相互作用,高岭石质量分数越大充填煤大分子结构孔隙的程度越高,煤大分子结构的能量越大,导致煤大分子结构的孔隙率降低,有序性增大,使得力学强度和抵抗变形的能力增强。

坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究

基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长,对采场安全危害严重的特点,系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型,分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明,就爆破工程量而言,端部拉槽最小,中部拉槽次之,循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析,基于工作面支架的设计工作阻力,推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力,以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用,可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。

顺槽煤柱合理尺寸的三维数值模拟

根据上榆泉煤矿的开采条件,采用三维有限差分法模拟分析了采煤工作面推进150 m时,工作面前后方不同距离处受采动影响侧向围岩破坏特征和应力分布,据此,确定上榆泉煤矿10#煤层综放开采的顺槽煤柱尺寸应取16～20 m.

综放煤巷合理煤柱尺寸的物理模拟研究

本文是依据上榆泉煤柱逐渐缩小时,巷道围岩破坏特征及顶帮变形量进行了研究.结论是当煤柱尺寸为16 m时,煤巷围岩稳定性有明显变化;12.5～9 m时,煤柱开始出现屈服;9～5.5 m时煤柱发生明显破坏,煤巷围岩出现严重破裂,顶帮的破坏深均在3 m左右;2.0 m时直接顶和基本顶同时垮落.据此确定该矿10#煤层煤巷煤柱尺寸取为16 m .

基于混合算法人工神经网络的回采巷道锚杆支护参数预测

回采巷道锚杆支护参数的确定， 一直是煤巷支护设计的重点和难点． 本文尝试应用误差逆传播和模拟退火混合算法人工神经网络预测锚杆支护参数， 结果表明这一方法具有快速、简便、实用和智能化特点， 可大大提高锚杆支护参数选择的科学性、合理性和有效性．

厚硬石灰岩顶板工作面顺槽支护优化研究

为解决厚硬石灰岩顶板回采巷道原支护方案存在支护不当、成本过高且受采动影响时两帮围岩变形量大的问题,以山西灵石华苑煤业9103轨道顺槽为研究对象,通过现场监测并结合回采巷道煤与岩石的物理力学参数,采用工程类比法对原支护方案进行优化。运用FLAC3D数值模拟软件对优化前后巷道在掘巷期间及在受相邻工作面和本工作面采动影响后的支护效果进行对比分析,证明其优化方案的可行性。研究结果表明:优化方案在巷道掘巷完成后的顶板变形量较原方案增大2.6%,两帮变形量减小13.1%;优化支护方案在相邻工作面和本工作面采动应力作用下,顶板变形量较原方案均无明显增大,两帮移近量较原支护方案分别减小26.2%和32.8%。

温度冲击作用参数对泥岩甲烷吸附解吸特性的影响正交试验研究

为研究温度冲击作用参数对泥岩甲烷吸附解吸特性的影响,采用正交试验的方法,对寺河煤矿15号煤层15303工作面上顶板粉砂质泥岩进行温度冲击改性试验;正交试验中的3因素4水平分别为热冲击温度50、100、150、200℃,冷冲击温度-10、-30、-50、-70℃,冲击循环次数1、3、5、7次;采用容量法测定泥岩的吸附解吸特征参数,并从孔隙结构、表面性质等方面去探究其影响机理。研究结果表明:在不同作用参数改性后泥岩甲烷吸附与解吸能力提高,对泥岩饱和吸附量、Langmuir压力、比表面积与最可几孔径影响效果顺序为热冲击温度>循环次数>冷冲击温度;对解吸率、扩散系数与孔容的影响效果顺序为:循环次数>冷冲击温度>热冲击温度;饱和吸附量分别在热冲击温度200℃、冷冲击温度-50℃、冲击循环次数3次时提高最多,分别为23.29%,15.60%、19.15%;最终解吸率分别在热冲击温度150℃、冷冲击温度-70℃、冲击循环次数5次时提高最多,分别为7.15%、11.54%、11.14%;在孔隙结构方面,泥岩的饱和吸附量与比表面积、最可几孔径有较好的线性关系,解吸率与孔容有较好的线性关系,而改性后泥岩的比表面积与孔容提高、最可几孔径降低导致泥岩的甲烷吸附与解吸能力提高;在表面性质方面,改性后泥岩的表面粗糙度降低,泥岩-水接触角增大,表面能减小。

浅埋综放采场合理工艺参数的数值试验研究

针对公乌素地区16号煤层具体条件,采用正交实验方法,运用FLAC2D数值试验系统,研究浅埋深综放采场工艺参数,得出最优化的工作面开采工艺参数。研究结果表明:开采工艺参数对顶煤破坏性影响程度主次排序为:控顶距>采高>放煤步距>支架支护阻力>支架合力作用点位置。确定的合理工艺参数为:底层采高2.75m,控顶距4.75m,支架工作阻力5500kN/架,放煤步距0.8m,支架合力作用点距煤壁2.0m。

公乌素地区16号煤注水渗透性综合评价研究

基于影响煤层渗透性的四个主要指标测定的基础上,运用模糊数学理论对公乌素地区16号煤层煤样的注水渗透性进行了综合评价。评价结果表明,在主要开采深度150-350 m的条件下,煤体渗透性均在3类范围内,属于渗透性中等的煤层。研究结果对该地区16号煤层的注水提供了理论依据。

不同加载速率无烟煤蠕变特性及能量演化规律

动压影响下蠕变煤体的力学特性对复采区遗留煤柱的稳定性及其控制具有重要的工程意义。通过开展不同加载速率条件下无烟煤的分级加载蠕变和加卸载试验,对无烟煤蠕变过程的应变特征、弹性模量及蠕变速率演化特征进行研究,并基于无烟煤的线型储能规律表征了蠕变过程的能量耗散规律,进一步阐释了无烟煤蠕变“硬化-损伤”机制。结果表明:加载速率小于0.04 mm/s时,无烟煤试件的轴向应变表现出明显的瞬时特性,但径向应变表现出明显的滞后性和蠕变性;随着加载速率的增加,试样在加载阶段的轴向硬化及径向扩容现象显著增强,蠕变速率衰减特征越显著。试样的实际屈服应力与加载速率满足线性下降关系,其储能系数、蠕变极限弹性能随加载速率增加均呈现先增加后趋于稳定的趋势;各应力水平的能量耗散率演化呈现“降低—稳定—增加”的趋势,分别对应试件的压密、弹性和屈服破坏阶段。从能量耗散角度分析无烟煤试样的“硬化-损伤”机制:硬化及损伤效应作用于蠕变全过程,试样在弹性阶段硬化及损伤作用效果相当导致试样的能量耗散率稳定,试样进入屈服破坏阶段后损伤效应占主导地位导致能量耗散率快速增加;试样硬化及损伤效应均随加载速率的增大逐渐显著,加载速率小于0.04 mm/s时,试样硬化效应强于损伤效应导致试样极限弹性能快速增加;加载速率增大导致的屈服应力降低会加速试样的损伤演化,当加载速率大于0.04 mm/s后,试样的损伤效应显著增强,硬化及损伤相互制约导致试样极限弹性能趋于稳定。

高低温循环冲击作用下砂岩孔裂隙结构的演化特征

我国煤系气储量丰富,但煤系气藏复杂的地质条件使得对单一含气系统的开采成本高、效率低,对多种含气系统难以合层共采。如何提高煤系储层的渗透性与兼容性是开发煤系气的关键问题。为探讨改善煤系储层结构的有效方法,研究了在高温200℃、低温-196℃循环冲击作用下煤层顶板砂岩孔裂隙的演化特征,使用工业显微CT对高低温冲击作用前后砂岩试样孔裂隙的发育过程进行了表征。利用数字图像和三维重构技术,对冲击前后试样的CT数据进行了滤波和均值化等处理,定性和定量分析了0、1、5、10、15次高低温度冲击后砂岩孔裂隙体积、表面积、孔隙率和孔裂隙分布复杂度分形维数的变化。研究结果表明:(1)高低温循环冲击促使砂岩试样孔裂隙发育、扩展、连通和次生裂隙的萌生,冲击作用有助于微小孔裂隙扩展形成较大的宏观裂隙。(2)砂岩孔裂隙体积、表面积、孔隙率和孔裂隙分布复杂度分形维数随温度冲击次数的增加呈对数规律变化,其增长幅度呈先增大后减小的趋势,在第5次冲击作用后其面积和孔隙率增幅达到最大,分别为15.48%,20.98%。(3)高低温循环冲击作用减弱了砂岩基体间的束缚力,打破了其原有的静态平衡,试样孔隙率随扫描层数的变化曲线演变为类“C”状,表明砂岩两端的束缚力衰减幅度更大。

底层大采高综放全厚开采20m特厚中硬煤层的物理模拟研究

根据酸刺沟煤矿6–1#煤层的赋存条件,运用1∶30的大比例物理模拟试验,研究底层4.5m大采高综放全厚开采20m特厚煤层顶煤和顶板垮落特征、采空区垮落矸石的碎胀特性和堆积角、支架的工作阻力、煤炭回收率以及煤壁前方支承压力作用特征等。研究结果表明:(1)底层大采高综放全厚开采20m特厚中硬煤层,在技术上是可行的。(2)根据顶煤、顶板垮落特征,工作面的开采过程可分为初采阶段、过渡阶段和正常放煤阶段。在初采与过渡阶段,煤炭回收率n随工作面推进距离L的增加呈对数规律提高。(3)进入正常放煤后,顶煤放出率可以达到70%,工作面采出率可以达到75%。顶煤放出率随顶板岩梁的垮落呈周期性变化。(4)在支架后方会出现大厚度顶煤悬伸,顶板周期性垮落时会发生大高度切顶现象,要求支架有足够的抵抗顶煤、顶板断裂产生的向后旋转作用力。(5)为确保安全和顶煤及时垮落,应实施预爆破或预注水弱化顶煤措施。

综放开采预注水弱化顶煤的理论研究及其工程应用

提高顶煤放出率是综放开采的一个重大课题,预注水弱化顶煤是解决这一问题的有效方法之一。从理论上研究了超前开采工作面注入煤体的水在裂隙和孔隙中的渗透运动和水对煤体的弱化机理;从试验上得出了注水压力对煤体变形模量的弱化规律和注水含水率对煤的抗压强度的弱化规律;提出了预注水超前工作面的位置、时间、注水含水率、注水量、注水润湿半径、注水孔间距、注水持续时间、注水压力和注水孔布置等工程参数的确定方法。将理论研究结果应用于潞安王庄矿4309综放开采工作面,取得了显著的技术经济效益和社会效益。

物化型软岩块体崩解特性差异的试验研究

通过对以高岭石和蒙脱石含量为主的2种软岩崩解特性的对比试验,运用分形几何理论分析了不同初始块度和循环崩解次数的2种软岩崩解颗粒的粒径分布特性,并就2种软岩的崩解特性差异进行了探讨.研究结果表明：随初始块度S和循环崩解次数n的增加,软岩的崩解性增强,崩解颗粒小粒径化.以高岭石含量为主软岩崩解主要是由结构缺陷中空气被水挤压产生超张应力,使原结构缺陷扩容引起,崩解后以大粒径颗粒为主,其粒径分布的分维数D为0.8731-1.7642;而以蒙脱石含量为主软岩崩解则主要是由蒙脱石遇水膨胀造成岩体差异膨胀引起,崩解后以小粒径颗粒为主,其粒径分布的分维数D为2.2231-2.7162.

煤层条件对顶煤可放性的影响研究

根据现场观测、相似材料模型试验和数值分析结果，研究了影响放顶煤开采顶煤可放性的煤层条件，提出了各种条件的临界值、影响规律和次序，得出了预测各种煤层顶煤可放性的综合表达式和分类方案。

煤体裂隙尺度分布的分形研究

根据分形理论，提出了煤体表面裂隙迹线长度—条数分维Ｄ和网格尺度—裂隙视条数分维ｄ的测量方法及两种分维的线性相关性和互通性．通过对１１个不同变质煤层微观与宏观裂隙分维ｄ的测量，证明了煤体内裂隙尺度的分布具有自相似性，并且分维值随煤变质程度不同呈有规律性地变化。用实例说明了裂隙分布分形研究在定量表示煤岩体工程特性方面具有重要意义。

循环荷载作用下层状节理岩体锚固效果的物理模拟研究

运用物理模拟方法,研究了在循环荷载作用下层状节理岩体非锚固与锚固模型的弹性模量E随岩体分层厚度h和块度a(岩块体积的立方根)的变化规律。试验的16个模型是层状和层状节理岩体非锚固与锚固模型各4个。得出的结论是:层状与层状节理岩体非锚固模型的E随h或 a 呈指数规律变化。层状与层状节理岩体,在第1加载循环时E随h或a呈对数规律变化;在循环加载时E随h或 a 呈线性规律变化。在非锚固条件下,岩体发生由表及里的层裂破坏,而锚固使层裂破坏得到了有效控制,模型破裂后仍具有良好的整体承载性能。岩体的h和a越小,锚固效果越好。高应力条件下对层状与层状节理岩体的锚固必须强调各锚固件的强度和锚杆的预紧力。

煤体导水系数及其变化规律的实验研究

介绍了三轴应力状态下测定大煤样导水系数的实验装置与实验方法。对全国18个主采煤层煤样的导水系数测定结果表明,煤体的导水系数随体积应力的增加呈负指数规律衰减,随孔隙水压力的增加呈正指数规律增加;在统计意义上,煤体的导水系数与煤的变质程度相关,但也受煤层的赋存条件与结构特征的影响,应在实验的基础上评价煤层的渗透性能。研究结果对煤层注水、瓦斯抽放和煤层气开发等工程实践具有一定的意义。

基于围岩条件与动载作用的回采巷道锚杆支护设计原则

围岩松软、呈层性显著以及受爆破震动和开采动载的反复作用是回采巷道的基本特征。在对这些基本特征分析的基础上，提出了回采巷道锚杆支护设计的一些基本原则。

工艺参数对顶煤冒放性影响的数值分析与硬顶煤的预处理

运用相似材料模型试验,得出了顶煤冒放的桥拱式、半拱式和柱式等3种结构。在煤层条件对顶煤冒放性影响研究的基础上,用有限元正交数值试验,进一步研究了开采工艺参数对顶煤冒放性的影响规律。介绍分析了硬顶煤的预注水软化和预爆破弱化处理方法及应用效果。