井工煤矿全生命周期甲烷捕集核算及减排路径

甲烷减排是我国碳减排目标的重要组成部分,建立甲烷捕集核算体系是实现甲烷减排的前提。以甲烷近零排放为目标,结合《国家温室气体清单指南:IPCC—2019》和煤炭企业温室气体排放核算国家标准,提出了井工煤矿全生命周期中地质勘探、煤炭开采、矿后活动和煤矿废弃各阶段甲烷捕集的具体核算方法,构建了井工煤矿全生命周期甲烷捕集核算模型。在此基础上,提出了井工煤矿甲烷减排路径及其实施方案。研究结果可为井工煤矿甲烷治理与低碳发展提供指导。

瓦斯抽采孔离心式机械造穴增透机制及装备研发

目前瓦斯抽采中比较成熟的机械造穴增透装置大部分需要以高压水(气)、连杆或者液压油缸等作为驱动刀臂开合的动力,在井下长钻孔中对动力设备要求较高。研制了一款利用钻杆旋转带动产生的离心力作为打开动力的离心式机械刀,通过调节钻杆转速来控制刀臂打开角度;根据初步试验及力学数值模拟分析,针对刀具整体结构、内部齿条、轴销、刀臂等薄弱部位材质进行优化。在山西某矿N1100回风巷进行了工业性试验,对比机械造穴和水力造穴施工时间及抽采纯量,验证了离心式机械刀结构设计的合理性和可靠性。结果表明:机械造穴试验孔达到了良好的造穴及抽采效果,该装备能够降低瓦斯抽采孔造穴增透对高压设备的依赖,单穴作业时间较水力造穴缩短近1/2,瓦斯抽采量提高了1.67倍。

复合顶板高瓦斯厚煤层综放工作面覆岩“两带”动态发育特征

以余吾煤业为试验矿井,采用钻孔两端封堵分段注水装置和钻孔电视系统,探测综放开采上覆岩层"两带"高度,对采动前后裂隙倾角、数量与深度关系、数量与宽度关系进行数字化分析,并就采动过程裂隙演变情况进行相似模型与数值模拟试验。结果表明:余吾煤业综放开采冒落带高度为27～32 m,裂隙带高度为58～61 m,采动前裂隙以高角度、低宽度为主;随着采煤工作面的逐步推进裂隙数量呈直线上升,且增加的裂隙以小角度、中宽度为主;采动过程中裂隙的主要聚集区在煤壁前后,覆岩裂隙密度分布曲线呈两端和中间高,如"波浪"型。

单轴压缩下煤岩声发射及分形特征研究

为了研究煤岩在单轴压缩下的声发射及分形特征,利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪对砂岩、砂质泥岩和戊组煤试样进行了实验研究。对砂岩、砂质泥岩和戊组煤的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:煤岩全应力-应变过程可分为四个阶段:初始压密阶段、准弹性阶段、塑性变形破坏阶段和残余变形阶段。初始压密阶段,声发射计数都比较低,累计计数增加的趋势特别缓慢;准弹性阶段,声发射计数有所增加,累计计数变化趋势相对较快;塑性变形破坏阶段,声发射计数都出现了跳跃式上升,声发射累计计数都出现了激增现象,但是砂岩的特别明显;残余变形阶段,声发射计数水平比较低,累计计数基本不增加了。煤岩破坏过程中声发射序列都具有分形特征,分形维值在煤岩破坏前会出现突降现象,可以作为预测煤岩动力灾害的前兆。

综合物探技术在矿井工作面底板含水构造探测中的应用

为了查明汾源煤业文明矿5-101首采工作面底板岩层赋水情况和煤层地质异常体情况，并对其进行突水危险性区域划分及评价，采用瞬变电磁法、直流电法和无线电波透视法三种物探方法综合勘探，综合分析三种物探方法探查结果，并结合揭露情况和钻孔验证。结果表明：位于切眼往外（0-250）m范围内，工作面底板相对破碎、裂隙岩溶发育或富水性强，导高大，且煤层内部较不均匀，存在多条5m以上落差含水断裂破碎带，此区域突水危险性最大；切眼往外（300-380） m范围内存在局部富水区域，导高较小，但不存在构造破碎带，突水可能性较小；工作面其他区域都较安全。综合物探比单一物探更具有准确性和可靠性，更符合工程实际情况，为采取针对性的治理措施从而实现安全回采提供了参考依据。

下保护层开采保护效果与瓦斯运移规律

为研究中远距离下保护层回采后的保护效果和瓦斯运移规律,运用达西定律和Brinkman方程建立了回采工作面、采空区与被保护层的二维模型,结合郭庄矿与寺河2#井的实际地质条件,运用COMSOL多物理场数值模拟软件对其进行了数值模拟研究;对郭庄矿和寺河2#井的试验工作面进行了现场试验.数值模拟结果表明:保护层开采过后对被保护层具有卸压作用;同时得到了保护层、采空区与被保护层的瓦斯运移规律.现场结果表明:中远距离下保护层开采过后,瓦斯压力降低了0.5 MPa;瓦斯含量降低了5.25 m3/t;透气性系数增加到了原来的600多倍.

不同破坏类型岩石的声发射及分形特征研究

为了研究在单轴压缩下不同破坏类型岩石的声发射及分形特征,利用声发射监测仪和岩石力学伺服试验系统对砂岩和泥岩试样进行了实验研究。并且对砂岩、泥岩的力学特性、声发射计数和累计计数以及声发射序列的分形特征进行了对比研究。研究结果表明:砂岩发生的是脆性破坏,泥岩发生的是塑性破坏。脆性破坏岩石的应力-应变过程可分为三个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段,塑性破坏岩石可分为四个阶段:初始压密阶段、线弹性阶段、塑性破坏阶段和残余应力阶段。在初始压密阶段、线弹性阶段和塑性破坏阶段中脆性破坏岩石的声发射累计计数平均增长率要比塑性破坏的高。脆性破坏和塑性破坏岩石的声发射序列都具有分形特征,分形维值在岩石破坏前会出现突降现象,但是塑性破坏岩石出现突降现象的时间要比脆性破坏的长很多。

UDEC下保护层开采裂隙演化及瓦斯渗流规律

为了研究中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律,运用UDEC 4.0离散元数值模拟软件,以郭庄矿为研究对象对中远距离下保护层开采后的裂隙演化与瓦斯渗流规律进行了数值模拟研究,并进行了现场验证.模拟结果较好地再现了中远距离下保护层开采过程中上覆岩层裂隙的发育情况和发育程度,揭示了被保护层瓦斯压力和瓦斯流量的变化规律.现场结果表明,中远距离下保护层开采过后,瓦斯压力降低了0.5 MPa;瓦斯含量降低了5.25m3/t;透气性系数增加到了原来的600多倍.

下保护层开采上覆煤岩卸压增透机理研究与应用

为了掌握下保护层开采后被保护层透气性系数及煤层瓦斯含量变化情况,依据郭庄煤矿与寺河矿二号井煤层的相对位置关系,采用相似材料模拟试验和现场实践相结合的方法,对保护层开采后上覆煤岩透气性系数变化情况进行测定。在模拟采动过程中,上覆煤岩透气性系数的时空变化规律为:由原始的4.40 m2/(MPa2.d)左右,先增至约4.89 m2/(MPa2.d),然后减小至3.91m2/(MPa2.d),接着急剧增大至85.00 m2/(MPa2.d)左右,最后下降并稳定在约28.00m2/(MPa2.d)。现场测试结果表明,透气性系数在开采过程中是一个动态发展的过程,即:原始值—增大—减小—急剧增大—减小—稳定(大于原始值)。

灰色线性回归组合模型在瓦斯涌出量预测中的应用

矿井瓦斯涌出量预测是新建矿井、新水平和新采区设计的主要依据。针对目前灰色理论预测模型和线性回归预测模型的缺点和不足,系统地推导了灰色线性回归组合预测模型。结合现场实测数据,并对比线性回归模型和灰色理论模型预测结果,发现该模型的预测精度分别提高了2.46%和1.35%,数据拟合的相关系数也有一定程度的提高。实证结果表明,灰色线性回归组合模型可以更好地预测矿井瓦斯涌出量。

外错型走向高抽巷瓦斯抽采技术应用研究

为探究外错型高抽巷在实际应用中的适用性、可行性以及多功能性,以李雅庄矿2-603工作面外错型高抽巷为研究对象,在考察矿井实际情况的基础上采用理论分析和数值模拟对外错型高抽巷的治理效果进行分析。得出:外错型高抽巷相较于内错型高抽巷巷道位移量小,便于管理;外错型高抽巷不但能作为下一工作面采空区的内错型高抽巷,并且从其内部向下打穿层钻孔能保证下一工作面掘进工作的安全进行。根据现场实测数据分析,外错型高抽巷钻孔抽采的平均抽采浓度在27.38%左右,平均抽采纯量在22.45m3/min左右,上隅角瓦斯基本保持在0.3%左右。外错型高抽巷"一巷多用"的特点,既能满足矿井安全生产的要求,也可以提高经济效益。

灰色马尔可夫模型在瓦斯涌出量预测中的应用

瓦斯涌出量预测是采区延伸、开拓新水平和矿井生产必不可少的依据。通过对原始数据累加后,建立灰色预测模型,再根据实测值与灰色模型预测值的相对变化率划分状态建立转移矩阵,进行马尔可夫预测。通过现场实测值和预测值的对比分析,发现灰色马尔可夫预测模型比灰色预测模型最大相对误差可以减少14.23%,平均相对误差可以减少5.78%。实证结果表明,笔者提出的灰色马尔可夫预测模型能够能更好的预测矿井瓦斯涌出量。

基于小波包变换的不同强度煤样的声发射特性

为了研究在单轴压缩下不同强度煤样的声发射特征,利用RMT-150C型岩石力学伺服试验系统和CDAE-1型声发射检测仪,对硬煤、中硬煤和软煤煤样进行实验研究。为了解决煤样在声发射实验中存在的各种信号干扰和信号处理方面的问题,运用小波包变换对煤样的声发射信号进行了分解、去噪和重构。研究结果表明:经过处理之后的声发射信号能够更清晰地反映硬煤、中硬煤和软煤煤样在单轴压缩下失稳破坏的变化特征。软煤、中硬煤和硬煤的声发射信号特征各不相同,随着煤样强度的增加,煤样失稳破坏时声发射累计能量和累计计数逐渐减小,煤样在受力过程中声发射能量和计数的峰值也逐渐减小,并且在峰值处释放的能量也逐渐减小。

面向可持续发展的采煤沉陷区调研及治理对策研究——以河南省永城市为例

采煤沉陷严重破坏了矿区生态和地质环境,制约了矿区经济、生态和社会的可持续发展。河南省永城市是典型的煤炭资源型城市,经济结构单一,生态问题严峻,2012年因地下采煤沉陷土地,271个自然村沉陷,涉及37 000余户、12万余人,人地关系十分紧张。永城市政府应以矿区生态保护和改善民生为核心,从管理政策和配套制度建设出发,以生态恢复技术、绿色采煤技术为重点,开展采煤沉陷区的综合治理,推进矿山地质环境恢复治理和矿区土地复垦工作。

基于声发射参量的煤样损伤模型研究

在单轴压缩下煤样损伤模型基本原理的基础上,推导出了基于声发射参量的煤样损伤模型。以原煤为研究对象,在单轴压缩下,对煤样进行声发射实验,验证了基于声发射参量的煤样损伤模型在煤样破坏前是可行的;分析了在单轴压缩下的声发射特性,并提出了基于"归一化"声发射累计计数的损伤变量,得到了在单轴压缩下煤样的应变—损伤方程和煤样的一维损伤本构方程。研究结果表明:声发射参量能够反映煤样内部原生裂隙的压密及新裂隙的产生、扩展、贯通等演化过程;基于声发射参量的煤样损伤模型是合理的,反映了声发射事件数和煤样损伤之间的对应关系;单轴压缩下的煤样损伤演化过程,可分为初始损伤阶段、损伤稳定演化和发展阶段、损伤加速发展阶段和残余损伤阶段4个阶段。

底板突水危险性评价FCE优化模型及工程应用

为解决我国矿井普遍存在的煤层底板突水评价难题,分析地质构造、承压含水层、底板隔水层3个总指标中的8类影响因素,确定因素的等级临界值。采用层次分析法(AHP)确定各影响因素的权重及总指标权重,将因素权重引入经加权欧氏距离公式改进的模糊综合评价法(FCE)中,建立底板突水危险性评价FCE优化模型。将模型运用到山西临汾某矿,模型评价结果经Surfer软件处理,绘制成煤层底板突水评价分区图,并以一次突水实例验证模型。结果表明,用该模型评价的突水危险区域与实际突水区域相吻合。

偏最小二乘法的煤层瓦斯含量预测模型研究

煤层瓦斯含量预测对矿井安全生产至关重要。根据煤层瓦斯含量受多种因素影响,运用偏最小二乘多元线性回归,通过交叉有效性分析,确定提取主成分个数,建立数学模型,得到最佳多元线性回归方程。研究证明:该方法配合SIMCA-P软件处理不仅可以最终以图表形式直观地反映各种因素对煤层瓦斯含量的影响程度,而且能够有效解决各种因素之间存在的严重线性相关问题,预测值比较精确,为煤层瓦斯含量预测提供了一种新途径。

李雅庄煤矿采空区瓦斯治理方法及效果分析

以李雅庄煤矿采空区瓦斯治理效果为研究目的,对2#煤层224、601、603工作面分别采用了瓦斯尾巷、高位钻场、高位抽放巷三种方法进行实测与分析,通过现场实践对抽采参数以及施工、管理进行分析。结果表明:通过抽采参数的对比分析,从抽采浓度平均值上,高抽巷为24.5%,明显高于高位钻场的15%,瓦斯尾巷为6.3%;从抽采纯流量平均值上,高抽巷为2.03m^3/min,高于高位钻场的1.95 m^3/min,瓦斯尾巷的1.66 m^3/min;从抽采率平均值上,高抽巷为57.2%,高位钻场为45.6%,明显高于瓦斯尾巷的23.1%。通过施工、管理的对比分析,布置瓦斯尾巷,必须多掘一条巷道,投资大,增加管理难度、安全隐患等;高位钻场坡度大,人员、设备上下困难,回采过程中钻孔易被压实;高抽巷便于管理、观测,易于控制瓦斯抽出量。在李雅庄煤矿现有的综合条件下,高抽巷能起到最好的瓦斯治理效果。

水体下综放开采可行性分析

余吾煤业现有630万吨煤炭资源处在绛河水体下,煤层厚度在4.0～6.2 m之间,现导水裂隙带经验公式不能够满足其水体下安全开采,存在开采后突水隐患,为了确定开采后上覆岩层导水裂隙带极限高度是否波及地表,研究区在9个井下钻孔进行了井下仰孔双栓塞分段注水测试和仰孔直观法电视成像仪探测,对涌水量进行了监测、水质进行了对比研究,并通过模拟实验进一步研究不同采厚条件下发育高度。观测、监测及模拟结果表明:采动后导水裂隙带发育高度取决于采厚,为水体下采煤水的防治提供了可靠数据,三个工作面的试采成功,为水体下采煤提供了应用范例。

定向断裂爆破技术在软岩巷道中的应用

针对目前软岩巷道爆破掘进过程中出现的超挖、欠挖等问题,吸收国内外施工经验,分析得出在外界干扰条件下,爆破能量未能均匀向周围释放进行扩张做功的结论。通过实验分析和现场调研,得出合理确定爆破技术参数,实现爆破能量的有效分配,是实现定向断裂爆破的关键。因此决定采用定向断裂爆破技术,设置单孔、双孔和三孔3种爆破模型,4种不同介质耦合条件下的装药结构,进行分析对比,最终采用水耦合方式的三孔模型定向断裂爆破技术进行现场爆破实验,从而达到爆破能量的有效分配,提高软岩巷道的爆破质量,实现安全快速掘进。