液态CO2溶浸煤体孔裂隙演化特征的实验研究

为研究煤层在液态CO2溶浸作用下煤体孔裂隙的演化特征,设计液态CO2溶浸实验系统,选取3种不同煤质的煤样,干燥后对其进行液态CO2溶浸实验,在一定压力温度下溶浸30 min,通过扫描电镜和核磁共振测试方法对溶浸前后的煤样进行观测,基于分形理论和T2谱分布方法定量地对煤体孔裂隙进行分析,分形理论分析得出:3种煤样分形维数均为增大趋势,且直线拟合系数均大于0.967;T2谱分布分析得出经液态CO2溶浸后,吸附孔T2谱面积增长率分别为15.9%,38.1%,29.1%;渗流孔增长率分别为11.9%,55.7%,61.1%;全孔T2谱面积分别增加24.7%,54.6%,56.1%.结合渗透率理论模型计算1/3焦煤、气煤和褐煤渗透率分别提高了5.56%,13.79%和14.80%.液态CO2溶浸可有效促进煤体裂隙发育,有利于提高煤体的渗透性。

超长综采工作面撤架期间煤自燃预测及防控技术研究

为治理济宁二号井9303超长综采工作面撤架周期长、采空区遗煤量大、存在漏风等问题导致的采空区煤自燃,基于数学建模、程序升温试验、现场原位监测相结合的方式,研究了适合超长工作面撤架期间煤自燃预测与防控一体的综合防治技术。根据已有的对推采期间上隅角CO预测研究与现场条件推演停采撤架期间上隅角CO浓度数学模型;通过程序升温-色谱分析试验获得采空区遗煤氧化升温过程中CO与C2H4的生成规律;依据煤自燃危险区域判定理论对采空区自燃"三带"分布进行现场观测,通过上隅角CO浓度预测数学模型、采空区束管监测数据以及工作面参数计算得到上隅角CO预测浓度,判断采空区遗煤自然发火危险性;最后结合预测结果、工作面发火特点以及煤自燃防治工作经验,提出封堵减漏、惰化降温等防控措施。结果表明:遗煤氧化升温的临界温度为60~80℃、干裂温度为110~130℃、采空区遗煤氧化升温标志气体随温度变化呈类指数增长;常温、临界温度、干裂温度三个特征温度对应的上隅角CO体积分数预测范围分别为:≤36.30×10-6、(410.02~1 758.05)×10-6、(12 264.33~38 197.95)×10-6;通过上隅角CO浓度预测与现场监测值对比分析,成功预测了停采撤架期间采空区煤自燃程度,所提出的针对性防控措施成功消除了煤自燃隐患,保证了撤架工作的顺利进行。

不同抽采条件对采空区煤自燃“三带”的影响研究

为研究建北矿4204工作面高瓦斯煤层不同抽采条件对采空区煤自燃“三带”分布及危险区域的影响,采用理论分析、数值模拟、现场原位观测等方法,利用CFD模拟软件,通过建立钻孔抽采、上隅角埋管抽采方式下的采空区渗流模型,模拟不同抽采条件下采空区氧浓度场分布规律。采用预埋束管监测系统对采空区氧浓度场分布规律进行现场观测,确定了采空区现场煤自燃“三带”的分布情况,并与模拟结果进行了对比分析,结果较为一致。根据工作面实际情况确定了最小安全推进速度,并提出减少遗煤、两隅角封堵、进风侧注氮与回风侧注浆等针对性的防灭火技术措施,可为瓦斯抽采与采空区遗煤自燃耦合治理方案一体化提供指导。

松散煤体自然发火过程氡析出及运移规律

火源精准探测一直是煤火灾害防治方向的世界性难题,而同位素测氡是火源精准探测的主要研究方法。为了解采空区火源位置分布及发火情况,基于煤自然发火实验台研究松散煤体发火过程中氡析出及运移规律。为减小测氡过程对自然发火实验影响,设计局部气体循环系统,控制实验取气量,获得松散煤体自然发火过程中氡活度浓度沿轴线分布规律;通过数据筛选及统计分析,获得同一温度条件下氡活度浓度沿轴线分布规律;根据氡活度浓度分布理论,推导实验台轴线方向氡分布方程;基于同一温度条件下氡活度浓度沿轴线分布规律及氡分布方程,获得松散煤体自然发火过程中氡的运移规律,确定真实反映氡析出与煤温关系的节点位置;通过松散煤体单元划分及氡析出理论分析,推导松散煤体氡析出随发火时间的对应关系;基于实验分析和理论推导,获得氡析出与发火时间的变化规律。结果表明:松散煤堆自然发火过程中,沿轴线方向松散煤体内氡运移主要以渗流为主,当Tmax<50℃时,渗流影响范围为0<L<175cm,其中L为与进风口的距离;当Tmax≥50℃时,渗流影响范围减小为0<L<125cm,多种运移方式耦合作用范围为125<L<175cm,可为采空区发火位置判断提供依据;在一定温度范围内,氡析出随煤温升高呈指数增长,且存在临界温度值,可为松散煤体发火程度判断提供依据。

复杂地质构造综放工作面停采撤架期间防火技术

针对济宁二号井10301综放工作面复杂地质情况,从煤自然发火条件出发,分析了10301综放工作面末采撤架期间采空区、两巷发生遗煤自燃的原因。根据该工作面的实际情况和防火技术特点,提出了'深部控氧,浅部控温,减氧抑温'的防火总思路,制定了轨、运两端头铺设风筒布、注水玻璃胶体材料、注氮、注液态二氧化碳等防火技术。实践证明,该套技术措施有效保障了10301工作面支架的安全回收。

特厚煤层综放工作面不同漏风源位置对自燃带分布的影响

为更好地掌握相邻煤层开采过程中特厚煤层综放工作面不同漏风源位置对自燃"三带"分布的影响。根据工作面实际情况,建立了不同漏风源位置的采场物理模型,并且利用UDF编译了采空区O_2衰减源项及遗煤区、垮落带和断裂带的孔隙率和渗透率。以此为基础,借助数值模拟方法对漏风源位于(30,-80,47)、(30、0、47)、(30、80、47)3处的自燃"三带"分布进行了分析。结果表明:漏风源位于进风侧采空区时,窒息带面积最小;漏风源位于采空区中部时,散热带面积最小;实际应预防浮煤层自燃带范围为进风侧24.1~127.2 m,回风侧18.5~84.3 m,采空区中部18.5~84.3 m。

易自燃厚煤层工作面自然发火CO预测及防治

为了有效预防遗煤自燃,深入研究自然发火初期的CO预测技术。基于回风隅角CO源的理论模型,以Gambit建立相似二维采场模型,数值模拟了采空区自燃"三带"范围,并采用现场束管监测手段对结果进行了验证。利用程序升温实验获得了不同温度段回风隅角CO的极限指标,并与现场实测值对比分析,进而预判采空区遗煤发火程度,为制定有针对性的防治措施提供理论指导。研究结果表明:CO作为低温氧化阶段预测指标对预防遗煤自燃具有重要作用。

抽放条件下采空区煤自燃危险区域判定

瓦斯抽放不仅会增大采空区漏风,引起"三带"迁移,加大采空区煤自燃危险性;而且会造成采空区的紊乱及瓦斯积聚,致使采空区遗煤自燃危险区域更加复杂。针对建北矿4204工作面高瓦斯赋存实际情况,通过现场观测,得出采空区浮煤厚度、氧浓度和漏风强度的分布规律,并结合煤自然发火特性参数对采空区进行危险性分析,划分了抽采条件下采空区"三带"范围,确定了采空区自燃危险区域及预防采空区遗煤自燃的工作面安全推进速度。

井下高压液态CO2压裂增透煤岩成套装备研制与应用

我国煤层渗透率低、瓦斯压力高、含量大,原始煤层瓦斯抽采困难。为提高煤层瓦斯抽采率、缩短预抽时间,必须实施人工增透。而众多压裂增透技术中,液态CO2压裂兼具压裂增透和驱替置换的双重瓦斯强化抽采作用,是当前低渗透煤层压裂改造方法的一个研究热点。为探索液态CO2(L-CO2)压裂增透技术在高瓦斯低透气性煤层中的应用及效果,类比水力压裂施工工艺,提出了井下高压(30 MPa)液态CO2压裂增透煤岩成套装备系统架构,确定了决定装备性能的5个关键参数。基于弹性力学理论、相似模拟实验和装备自身结构特点,综合考虑L-CO2低黏强渗透性和其相变特征,建立了L-CO2压裂煤岩起裂压力计算模型,推导了水和L-CO2压裂注液量的量化表征关系,得到了关键参数的科学确定方法。采用该方法,针对淮南潘三矿C13-1煤层地质赋存条件,研发了国内首套井下高压(30 MPa)L-CO2压裂增透煤岩成套装备,进行了井下上向穿层钻孔的L-CO2压裂增透煤层现场试验。结果表明:L-CO2压裂增透影响半径约25 m,此范围内单孔瓦斯抽采体积分数提高约1.47倍,抽采纯量提高1.75~3.30倍;抽采钻孔出现明显的压裂增流效应,且随抽采孔与压注孔间距离的增加,增流效应逐渐减弱。

煤岩损伤研究的CT扫描技术发展现状及展望

CT扫描技术因其无损伤、高分辨率、数字化等优点被广泛应用于煤岩损伤研究领域,为促进煤岩损伤理论研究的深入,从CT扫描技术着眼,基于前期文献调研,总结归纳了煤岩损伤领域该技术及装备的发展历程,回顾了利用CT扫描试验进行煤岩损伤表征的研究进展,主要包括:煤岩损伤程度的CT图像和CT数表征,损伤变量的CT数定义,以及满足工程实践的煤岩损伤本构方程的构建。在此基础上,分析了当前技术条件下利用CT扫描技术进行煤岩损伤研究所遇到的问题,指出提高CT图像时空分辨率、改进图像处理软件、开发新型图像重构算法、研发与CT系统相适应的复杂应力加载系统,将会对煤岩损伤研究的发展起到更大的作用。

煤层群上保护层开采保护效果现场考察

针对新庄孜矿B组煤多层突出煤层开采过程中,大剥皮式的保护层开采方式造成保护范围逐层减小、可采出量严重损失等问题,根据巷道实际布置情况分别选择3个合适位置施工考察钻孔,对B8煤66208工作面开采过程中,B6煤层倾向和走向方向上的瓦斯压力、瓦斯含量和煤层变形进行现场考察。确定B8煤倾向上部、下部卸压角分别为79°和86°,走向方向卸压角75°,实际卸压角均比理论值大,保护范围也发生了扩界。B8煤层开采后B6煤的透气性系数相比原始煤层透气性系数增加了902倍,瓦斯压力和瓦斯含量分别降至0.22 MPa和2.43 m^3/t,B6煤层消突效果显著。

建北煤矿高瓦斯煤层自燃早期预报指标优选研究

为解决建北煤矿高瓦斯煤层自然发火早期精准预测预报的难题,以该矿4204工作面煤层为研究对象,利用程序升温实验重点分析不同粒径煤样在升温氧化过程中CO、CO_(2)、C_(2)H_(6)、C_(2)H_(4)等气体体积分数的变化规律,通过格氏火灾系数等方法进行处理分析。结果表明,建北煤矿煤样出现CO的临界温度为60~80℃,且整体变化趋势呈指数增长,CO气体产生量与粒径呈反比关系;C_(2)H_(4)出现的温度约为120℃,且煤样粒径越小其体积分数增长越快。依照指标气体优选原则,确定建北煤矿4204工作面高瓦斯煤层煤自燃的优选指标:主要气体指标为CO、第二类火灾系数;辅助气体指标为C_(2)H_(4)、烯烷比φ(C_(2)H_(4))/φ(CH_(4))和φ(C_(2)H_(4))/φ(C_(2)H_(6))、第三类火灾系数。应用指标气体CO和煤温进行函数曲线拟合,进一步验证煤自燃程度。研究结果为建北煤矿高瓦斯煤层自燃预报提供了理论依据,对我国同类工况条件的高瓦斯煤层煤自燃早期预测预报与超前防控具有重要的指导意义。

矿山生命信息探测仪在事故救援中的应用

针对矿山垂直救援过程中,信息采集单一、可视化程度低等问题和技术难点,采用多媒体采集、多元信息融合、有线兼无线传输、通信电路本安型控制等技术方法,研发了一套可深入长距离钻孔的生命信息探测系统,并在山东省临沂市平邑县万庄石膏矿坍塌事故及山东省栖霞市笏山金矿爆炸事故中成功应用。现场救援应用效果表明:生命信息探测仪可靠性强,信息传输稳定,具备视/音频及井下环境参数采集与同步传输功能,实时将探测到的多媒体信息反馈至地面救援指挥部,并将信息自动保存到终端设备,为制定科学的救援方案和后期事故总结提供参考资料。

穿层钻孔液态CO_(2)压裂煤层起裂压力模型探究和工程验证

针对液态CO2(L-CO_(2))压裂增透煤层技术中起裂压力的确定这一基础科学问题,依据应力叠加原理和最大拉应力准则,结合L-CO_(2)低黏强渗透性对煤岩体抗拉强度的弱化效应,将水平主应力、压裂流体压力及其渗滤效应引起的周向应力三项叠加,建立考虑增压速率的起裂压力模型,并且确定起裂压力模型的上下限。研发国内首套井下高压(30MPa)L-CO_(2)压裂增透成套装备,确定"预冷–注液–保压"三阶段压注工艺,在淮南潘三煤矿首次开展井下上向穿层钻孔L-CO_(2)压裂增透煤层现场试验。由起裂压力模型计算得到的理论值范围15.4~21.4 MPa,不仅与试验中两压裂孔四次压裂实测起裂压力值22.9,16.2和21.3,20.1 MPa在一定误差范围内实现了较好的吻合,而且与水力压裂起裂压力值的65%~70%(15.6~23.2 MPa)相接近,验证了起裂压力模型的正确性。研究成果对L-CO2压裂技术在煤层增透方面的应用具有一定的指导意义。