沁水盆地南部无烟煤大分子结构模型及其含甲烷力学性质

受地质因素影响的煤体结构能够影响煤层气井的产气能力,且在实际地质条件下,煤储层往往含有甲烷,使得含甲烷煤体的力学性质与储层压裂改造的效果密切相关。通过工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(13 C-NMR)和X射线光电子能谱(XPS)等手段测试和分析了山西沁水盆地寺河矿无烟煤的元素组成、原子比和官能团类型与分布等分子结构特征,构建了其大分子结构模型,模型的碳含量和密度与实测值具有较好的一致性。采用蒙特卡洛法模拟计算了甲烷在无烟煤中的吸附量、吸附位和吸附热,得到了甲烷在无烟煤中的吸附构型。结果表明:甲烷在无烟煤中的饱和吸附量为22.4个/晶胞,Langmuir压力为1.12 MPa,无烟煤模型中的芳香碳、吡啶型氮和吡咯型氮以及羧基是甲烷分子主要吸附位,等温吸附热随吸附压力的升高呈对数下降,说明甲烷在低压力时率先占据无烟煤表面的高能吸附位;甲烷在无烟煤中的吸附热介于22.65~25.00 kJ/mol,远小于42 kJ/mol,属于物理吸附。采用分子动力学方法对无烟煤的含气力学性质进行了模拟,定量研究了含气量对无烟煤的体积模量、杨氏模量、剪切模量和泊松比的影响。结果表明,无烟煤的体积模量、杨氏模量和剪切模量等随着含气量的增大呈对数规律降低,而泊松比随吸附量的增大呈线性增大;与不含甲烷的无烟煤相比,体积模量、杨氏模量和剪切模量最高降低了38.5%,24.4%和27.1%,表明吸附甲烷能够显著降低无烟煤的力学强度,其机理为无烟煤的体积和膨胀率随吸附量的增加呈指数增大,使得无烟煤基质之间的相互作用力降低,进而导致无烟煤的强度降低,抵抗变形的能力减弱。无烟煤的范德华能在吸附甲烷的过程中降幅最大,说明范德华能是保持煤体结构和力学性质稳定的主导因素。

山西沉积环境对煤层气盖层叠置类型及分布的控制

基于山西125座煤矿的273个煤层气盖层地质数据,划分了盖层叠置类型,探讨了不同叠置类型的分布特征。考虑岩性组合及岩石致密性,将山西煤层气盖层按岩层结构分为4个叠置大类,按岩石致密程度分为11个叠置亚类。以古沉积环境为理论基础,分析不同叠置类型的分布特征:复合型盖层主要分布于大同煤田的西南部、宁武煤田中北部和沁水煤田东北部;厚层整体型盖层广泛分布于大同煤田东北部、宁武煤田北部、沁水煤田东缘;近距离煤层盖层主要分布于河东煤田中部、霍西煤田东部和西山煤田东北部;薄层状盖层仅在沁水煤田东缘部分出现。

综放工作面过空巷泵送支柱技术

针对现有工作面过空巷基于传统支护方法,不能较好地适应多变的地质条件的问题,以大同煤矿集团永定庄煤业有限责任公司8103综放工作面为研究背景,通过理论分析综放工作面过空巷基本顶变形特征,提出了综放工作面过空巷泵送支柱技术。数值模拟结果表明,随着工作面距空巷距离减小,利用泵送支柱支护的空巷围岩垂直应力呈“双峰”-“孤峰”-“双峰”变化,围岩移近量先增大、后趋于稳定,说明泵送支柱能够承受工作面超前支承应力,保证工作面安全通过空巷。该技术在现场得到成功应用,空巷顶底板最大移近量为282mm,两帮最大移近量为152mm,围岩稳定性较好。

特厚煤层综放工作面顶煤变形力学分析及试验研究

根据斜沟煤矿23103大采高综放工作面特厚煤层赋存条件,运用力学分析、PFC数值模拟和1∶40的大比例物理模拟试验,研究了大采高综放工作面顶煤的变形规律。结果表明:①随着顶煤厚度的增加,支承压力的峰值强度降低,峰值点距煤壁距离增加,支承压力影响范围加大;②顶煤在支承压力峰值区主要为剪切破坏;邻近工作面的煤壁,支承压力降低,顶煤的破坏主要为拉伸破坏;③煤壁前方顶煤运移以水平方向的变形为主;控顶距上方顶煤运移以垂直位移为主;④顶煤是以受拉破坏为主造成冒落;采高4 m时,顶煤垮落角平均值为67.36°,顶板断裂期间,顶煤垮落角的平均值为76.54°。给出顶煤滞后垮落的处理措施,对斜沟及具有相似赋存条件的煤层,具有一定的指导意义。

电位梯度对电化学改变贫煤瓦斯吸附解吸特性的影响实验研究

选用3种电位梯度分别对东曲矿贫煤进行电化学改性实验,对改性前后的煤样进行瓦斯吸附解吸测试,并通过低温液氮吸附测试和红外光谱测试分析改性前后煤样孔隙结构和表面基团的变化。结果表明:未改性贫煤煤样的饱和吸附量为30.030 mL/g,煤样的Langmuir压力为0.876 MPa,最终解吸率为83.204%,经1、2、4 V/cm 3种电位梯度电化学改性后,煤样的饱和吸附量分别降低为29.239、28.329、26.667 mL/g;Langmuir压力分别升高为0.932、1.042、1.048 MPa;最终解吸率分别提高84.235%、85.541%和87.840%;电位梯度越大,改性后煤样的比表面积越小,平均孔径越大,含氧官能团数量越多,故抑制瓦斯吸附、强化瓦斯解吸的效果越好。

采空区下极近距离煤层回采巷道合理位置的研究

采用数值模拟和场论分析的方法研究了嘉乐泉8#煤采空区下极近距离9#煤层回采巷道合理位置的选择问题,结果表明:8#煤残留煤柱支承压力使底板岩层中应力非均匀分布,其垂直应力σz的非均匀分布是巷道围岩的稳定性的主要影响因素;回采巷道应布置在采空区下垂直应力σz的应力降低区,以及巷道受力均衡区;嘉乐泉9#煤回采巷道布置在距8#煤残留煤柱边缘水平距离15 m的采空区下,经嘉乐泉煤矿9101工作面的回采实践证明了巷道布置的合理性。

近距离煤层同采工作面顺槽合理位置的模拟研究

通过数值模拟对华苑煤业9#、10#近距离煤层上部煤层回采形成的侧向支承应力在底板煤岩层中的传递与分布规律及其对下部煤层应力分布的影响进行了研究。研究结果表明,下部煤层工作面顺槽为内错布置时,应布置在距上部煤层侧向煤壁水平距离25 m以外;下部煤层工作面顺槽为外错布置时,应布置在距上部煤层侧向煤壁水平距离15 m以外。

基于IGSA-ELM模型的回采工作面瓦斯涌出量预测

针对现有煤矿回采工作面瓦斯涌出量预测方法存在的预测时间较长,预测精度不高的问题,提出了用IGSA优化ELM神经网络的瓦斯涌出量预测模型。将优选策略和粒子的记忆、信息交换功能引入万有引力搜索方法,利用IGSA对ELM神经网络的网络隐含层节点数进行寻优,利用自相关系数法筛选出回采工作面瓦斯涌出量的8个主要影响因素,建立基于IGSA-ELM算法的瓦斯涌出量预测模型,并结合矿井监测到的历史数据进行实例分析。试验结果表明:经IGSA优化后的ELM神经网络瓦斯涌出量预测模型与PSO-ELM神经网络、ACC-ENN和GSA-ELM神经网络预测模型相比,预测精度分别提高310%、60%、31%,为回采工作面瓦斯涌出量的预测提供了一种新的快速预测方法。