松软破碎煤体取制样与剪切试验系统研制及应用

研究松软破碎煤体力学性质对巷道支护和煤与瓦斯突出预测等工作具有重要意义,但当前缺乏有效的松软破碎煤体取样、制样及力学特性分析装置。为此,研发了一套松软破碎煤体取制样与剪切试验系统,主要由取样装置、制样装置和力学特性参数测试系统组成,各部分具有以下主要功能与特点:①取样装置中的单动三管取芯器包含脑袋总成、外管总成及内管总成3部分,内外管间设置稳定环,保证内外管同心,内管总成腔体内部设置衬管用于储存煤心,取芯钻进时内管不随外管旋转;当钻取的煤心充满衬管后,退出取芯器,拆卸取出衬管,将煤心连同衬管一并取出并进行封装。取样装置灵活、轻便、易拆装携带。②制样装置包含脱模仪、切割机、冰箱、热风枪4部分,脱膜仪用于脱去煤心外层衬管,切割机、冰箱和热风枪用于对煤心进行切割、冷冻和热缩;制作标准煤心试件分为打孔润湿、冷冻切割和热缩脱模3个步骤,采用端头局部冷冻切割、脱模与热缩均匀同步等技术,实现多种标准尺寸试件制备,制样方法完善、成功率高。③力学特性参数测试系统包含主体结构、伺服油源控制装置和软件系统3部分,能实现限制性及非限制性直剪试验功能,主要用于开展松软破碎煤体标准试件不同法向应力下直剪试验、不同围压下三轴压缩试验。整体设计结构简单、操作方便。研究利用单动三管取芯器获取松软破碎煤体,利用脱模仪等制样装置将其制备成标准试件,进而在力学特性参数测试系统上分别开展松软破碎煤体标准试件在0.04、0.05、0.06、0.07、0.08、0.09 MPa法向应力下的直剪试验和0.2、0.3、0.4 MPa围压下的三轴压缩试验,并求得两种试验条件下松软破碎煤体的黏聚力和内摩擦角等抗剪强度参数,其中直剪试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.125 kPa和37.2°,三轴压缩试验求得的黏聚力和内摩擦角为0.121 kPa和36.4°。结果表明,该套系统具有较好的实用性和可靠性,为研究松软破碎煤体力学特性提供了较好的试验平台和方法。

瓦斯异常涌出预警系统架构设计与平台开发

为了解决煤矿瓦斯异常涌出预警难题,基于瓦斯涌出数据动态波动特征确定异常指标,通过神经网络数据挖掘建立瓦斯异常涌出预警模型,以“感知-物联-支撑-应用”为研究架构,以“数据采集-动态分析-实时预警-统计分析”为研究思路,构建了一套瓦斯异常涌出预警平台,实现了瓦斯浓度变化监测点异常回溯分析与异常涌出预警报警等功能。系统在陕煤集团神木红柳林矿业有限公司得以应用,满足了《国家智能化煤矿验收办法》中关于瓦斯灾害智能化建设要求,缩短了红柳林煤矿瓦斯防治关键信息响应时间,提升了部门瓦斯防治工作效率与管理水平。

不同应力路径下含瓦斯煤的声发射特性与能量演化规律

为了研究含瓦斯煤在不同扰动作用下的声发射特性和能量演化规律,利用多场煤与瓦斯突出过程宏细观试验系统,开展6种应力路径下的含瓦斯煤轴向加卸载试验,分析应力路径对含瓦斯煤声发射特性和变形特性的影响,并得到含瓦斯煤在循环加卸载过程中的能量演化特征及储能规律。研究结果表明:含瓦斯煤在吸附过程中的振铃计数随吸附时间增长而减少,根据出气口压力变化趋势将吸附过程分为3个阶段,分别为外扩散阶段、内扩散阶段和吸附饱和阶段;含瓦斯煤在加卸载过程中的振铃计数主要分布在应力上升区段,出现了明显的Kaiser效应,累计振铃计数在循环加卸载路径下呈“阶梯”形增长,且随着循环次数增加和应力路径延长而增大;含瓦斯煤在不同循环加卸载路径下的能量演化规律具有一致性,各能量密度均随着轴向应力增加而呈现二次函数型增长,并经历了减速增长、线性增长和加速增长的3个阶段;同时,弹性能密度和总输入能密度之间存在线性关系,储能系数为定值且均在50%以上。

不同形式正断层采动应力及瓦斯赋存规律研究

为了探究不同形式正断层的采动应力及瓦斯赋存规律,以界沟煤矿为工程背景,采用FLAC3D数值模拟研究了工作面过断层时的采动应力演化规律,通过在界沟煤矿西一采区进行现场测试,得出了不同类型正断层附近的瓦斯赋存规律。研究表明:正断层随着断裂带宽度的增大,断层带的影响范围也越大;断层带的卸压程度随断层倾角的增大,而逐渐变小,随断层落差的增大,而逐渐增大;阶梯式、地堑式、地垒式断层组合中间区域呈两边低中间高的应力分布规律,并且卸压程度要强于断层组合外侧区域;当煤厚突增发生在正断层上盘应力增高区附近时应力相对于非构造区域会增大约1.22倍,受叠加应力影响会出现应力集中现象;瓦斯含量与煤层厚度呈正相关关系,正断层附近煤层厚度与瓦斯含量总体呈现逐渐减小的趋势,并且断层落差越大断层附近的瓦斯含量和K1值就越小。当工作面推进到断层附近时应注意煤层厚度变化,加强瓦斯相关参数测试,提前预测风险,有针对性地做好防治措施。

保护层开采条件下煤层力学扰动规律及抽采半径考察

为分析新集一矿6-1煤在上保护层开采条件下煤层力学扰动特征及煤层抽采半径,根据采场分布及力学参数建立了几何模型,进行360804工作面的开挖模拟计算,结果表明,6-1煤体经历应力升高—峰值状态—降低—趋于初始状态恢复的过程,6-1煤经历透气性降低—急剧增长—逐渐降低的过程,工作面累积推进198 m时,采空区形成“见方”状态,下方煤体透气性系数急速增长,推进360 m时,采空区中部地应力恢复,透气性系数减小,形成一个“O”形高透气性区域;结合现场实际情况,建立了4种网格式钻孔布置方式,通过数值模拟及现场测试方法考察了被保护层抽采半径,结果表明4种布置方式12个月抽采条件下,瓦斯压力有显著降低,20 m网格间距效果最佳。当采用20 m×20 m网格式抽采下伏6-1煤层瓦斯,历经12个月抽采量达到134.94万m^(3),划定保护范围内6-1煤层平均瓦斯含量由3.62 m^(3)/t降低至2 m^(3)/t,煤层瓦斯预抽率达到了39.8%,煤体瓦斯可解吸量1.5 m^(3)/t。

多压力系统气藏合采物理模拟研究进展评述

多压力系统气藏合采是提高叠置含气系统开发效率的重要举措之一,但特殊成藏背景导致合采效果并不理想,多压力系统气藏合采与高效开发机理是制约叠置含气系统高效勘探开发的关键科学问题。本文聚焦于多压力系统气藏合采,将合采物理模拟类型详细划分为煤层气和非煤层气两个领域进行单独阐述,从试验装置功能与特色、合采认识、存在问题等方面明确了多压力系统气藏合采物理模拟研究现状。首先,分析了现有物理模拟试验装置功能与特色,发现大尺度物理模拟试验装置可以很好的消除或弱化由并联岩心夹持器方式构建合采模型所带来的储层试样单一,监测数据手段和应力加载形式单一等问题,多压力系统合采物理模拟试验装置的发展方向应为真三维非均布复杂地应力状态下大尺度非均质多类型储层试样,相邻储层之间流体压力的传递特性、层间窜流行为以及多相态天然气共生等特性应该被考虑;在此基础上,深入总结了多压力系统合采效果对储层物性的敏感性,层间压差、渗透性、有效应力、含水饱和度等因素差异均有可能诱发合采流体干扰和储层产气伤害,优化合采制度可能是降低合采流体干扰和储层产气伤害的途径。综上分析认为,下一步研究应重点关注为探究低孔低渗、气水两相渗流、多相态天然气共生和多类型储层共存等诸多特性耦合对合采流体干扰诱导储层-井筒合采流场动态演化规律的影响,明确不同相态流体侵入对合采储层的储层伤害及其作用机理,揭示考虑合采流体干扰效应的层间窜流与井筒管流耦合流动特征。

不同力学特性煤体突出临界瓦斯压力研究

为研究煤与瓦斯突出瓦斯压力临界值,构建了力学特性主导下突出临界瓦斯压力理论模型,揭示了突出发生实质是推动力和阻碍力之间的博弈。通过自主研发的煤与瓦斯突出模拟实验装置开展了不同力学特性条件下煤与瓦斯突出模拟实验,并通过煤与瓦斯突出事故数据分析验证了突出临界瓦斯压力理论模型的合理性。煤体的弹性模量、泊松比、内摩擦角及残余应力对煤与瓦斯突出起到主导作用,其中煤体自身的残余应力越大、弹性模量越大,泊松比越小,临界瓦斯压力越大,即煤体较硬时,越不容易发生突出;煤体自身的内摩擦角越大,临界瓦斯压力越大,即煤岩之间的摩擦阻力越大,越不容易发生突出。该研究可快速判断不同力学特性煤层发生突出瓦斯压力临界值,对于保证煤矿的安全生产具有重要的理论指导意义。

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题,基于冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”(“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”)理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。

煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨

目前煤矿动力灾害的机理类研究多基于单一要素开展,由此获得的结论具有相对独立性,进而使得动力灾害研究呈现出复杂化的趋势。为回归其弹性能大量积聚和剧烈释放的本质,增强相关研究的关联性,以弹性能积聚为线索,通过常识推理提出了煤矿动力灾害形成的基本逻辑,包括:持续的能量补给;保证能量形式为弹性能的介质属性;能够使弹性能积聚至致灾量级且可以失效的制约机制,并指出,"能量源"包括稳定和偶发2种形式,前者来自开采卸荷后的等效加载作用,后者来自动载扰动;"介质属性"狭义上指物质种类,但对于冲击倾向性、渗透性等受限于细观结构的属性同样纳入本概念中;制约机制则是弹性能积聚至致灾量级并产生剧烈释放的关键,以结构面和块体组合为具体形式,是实现人为干预防灾的切入点。并将其分别概括为"力源因素"、"物性因素"和"结构因素",其中,物性因素是一切行为的基础,力源因素与结构因素具有密切的互馈作用,据此提出了广义"三因素"机理,给出了其潜在应用场景及未来研究方向。

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。

煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索

针对我国煤与瓦斯突出频发、突出事故呈现新特征、突出预测方法和指标体系有待完善等现实问题,为了更好地指导突出预测与防治工作,以煤与瓦斯突出关键结构体致灾机理为指导,基于突出发生位置必须具备特殊的地质结构环境这一基本认识,提出了煤与瓦斯突出危险“层层递进-精准辨识”的理论方法,具体包括3个层次:采用物探和钻探相结合的手段,超前探测采掘工作面周围存在的异常地质结构;采用微震和瓦斯涌出实时监测相结合的方法,动态分析采掘扰动条件下采掘工作面前方煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征;采用随钻测定相关特征参数和预测指标的方法,进一步验证超前探测和实时监测的辨识结果。探索性工程试验表明:“超前探测地质结构异常-实时监测煤体突出危险性-随钻测定煤层瓦斯大小”相结合的突出危险辨识技术能够综合反映采掘工作面周围地质结构、煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征,促进了突出预测工作由点预测向面预测、由间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合的转变。通过进一步发展物探和钻探相结合的精细探测技术,引入大数据分析和机器学习算法等训练综合判识模型,开发以“超前探测异常地质结构,实时监测采掘工作面微震信号和瓦斯涌出时序变化特征,随钻测定各种特征参数和预测指标”为核心的综合预警系统,实现突出灾害多元信息综合监测与智能预警,更好地服务于煤与瓦斯突出防治工作。

煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理

由于煤矿深部煤岩体物性、应力、瓦斯等因素显著改变,出现了应力主导型突出、低瓦斯压力突出等新的灾害特征。为了更好地指导煤矿深部突出防治工作,基于煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论,结合所建立的易突出构造煤体渗透率演化理论模型,揭示了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理。研究表明:煤与瓦斯突出灾害防控的核心是高效抽采瓦斯,其关键是设法降低地应力;降低易突出构造煤体所受地应力大小,可起到降低弹性潜能、提升煤层渗透率、促进瓦斯高效抽采、降低瓦斯内能等多重效应;煤矿深部开采煤与瓦斯突出灾害防控应因地施策,从卸荷消能和煤岩介质属性改造两方面着手,重点区域在采用卸压增透和瓦斯抽采措施后,还可采取一些提高煤体强度、抑制瓦斯解吸等改性措施,确保煤矿深部采掘作业的安全。

煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的影响

钻孔密封性是钻孔瓦斯抽采的关键基础之一,而煤岩力学特性对钻孔密封参数的选择及密封效果具有重要影响作用。因此,为准确认识钻孔围岩密封环境并深入分析煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的控制作用,进而为钻孔密封参数的合理选择提供可靠的依据。基于煤岩全应力应变曲线及煤层力学参数,通过引入煤层软化系数k及扩容系数η1和η2,在构建煤岩线弹塑性力学软化“三折线”模型的基础上,依据线性Mohr-Coulomb屈服准则,对钻孔围岩弹性区、塑性软化区及塑性流动区半径、钻孔围岩径向位移以及钻孔围岩理论密封半径等参数进行理论数值解析计算,并对相应解析结果进行对比分析。同时结合钻孔成像技术及钻孔瓦斯抽采浓度数据监测等手段,综合分析塑性软化及扩容特性对煤层钻孔密封性的影响作用。研究结果表明,与理想弹塑性模型(Kastner)解相比,受塑性软化及扩容特性共同作用下的煤层钻孔围岩径向位移及理论密封半径分别增加12.93倍和2.60倍,且在构造煤层区域内钻孔缩径现象明显。在钻孔密封参数及密封材料相同的条件下,缩径现象明显的钻孔内初始平均抽采瓦斯体积分数较相邻完整钻孔降低59%,在29d考察期内平均抽采体积分数同比降低64.92%,瓦斯体积分数衰减率同比增加3倍。因此,塑性软化及扩容效应是造成钻孔初始密封性降低及后期抽采瓦斯衰减的主要原因之一,而采用Kastner方程求解获得的煤层钻孔围岩理论渗透半径及注浆压力等参数并不合理;同时,钻孔密封参数需应根据钻孔围岩特性进行区别选择。

瓦斯抽采达标智能决策平台的研发与应用

为了解决瓦斯抽采治理智能化程度低、瓦斯防治信息不完善、抽采模型忽视数据分析与态势预测等缺陷,构建了1套以物联网“1张图”为基础,以智能调优算法与“大数据”挖掘为核心的瓦斯抽采达标智能决策平台。开发了数据关联融合功能实现抽采达标实时评判;集成实时抽采数据与历史抽采数据,采用神经网络预测方法对瓦斯治理数据进行有指导的数据挖掘,实现瓦斯抽采模型智能预测;应用API方式进行GIS功能的定制,实现瓦斯防治井下应用场景可视化、井上瓦斯治理工作流程化。平台在冀中能源股份有限公司东庞矿得以应用,现场试验结果表明:该平台可有效减少煤矿技术人员的工作量及人工处理、人工预测可能带来的误差,实现瓦斯抽采防治工作透明,推动了瓦斯治理智能化发展。

钻孔密封段异质结构变形损伤及影响因素分析

基于钻孔密封段典型层状异质结构模型,利用弹性力学及厚壁圆筒理论对钻孔密封段层状异质结构间不协调变形特性进行研究,并对其影响因素及影响尺度进行数值分析。分析结果表明,钻孔密封段异质结构间漏气裂隙主要由界面处径向和切向不协调变形损伤所致,且煤岩自身物理力学性质弹性模量E、泊松比v,围岩应力p,应力传递系数k、接触面摩擦阻力系数f及材料厚度(内外径比τ)等是造成钻孔密封段异质结构间不协调变形的主要因素。

煤矿井下煤层瓦斯抽采半径直接测定方法——瓦斯储量法的建立与应用

针对我国煤矿井下煤层瓦斯抽采半径测定方法缺少统一标准的问题,对现有确定抽采半径的相关研究成果进行了总结与评述,就抽采半径定义、界定指标和测定方法进行了分析与讨论,对煤层瓦斯抽采半径的直接测定方法进行了分类和比较,建立了煤矿井下抽采半径直接测定的瓦斯储量法,并进行了现场应用实践。研究结果表明:抽采半径的界定指标应根据具体矿井的抽采目的进行科学确定;现有抽采半径的直接测定方法分为瓦斯压力降低法、瓦斯含量降低法、瓦斯抽采流量法、气体示踪法等4类,基于瓦斯抽采流量法改进提出的瓦斯储量法能真实反映矿井瓦斯抽采状况,对现场测试条件要求简单,适用性强,测定结果可靠,可作为可靠的抽采半径井下直接测定方法进行推广应用。

近距离煤层群走向高抽巷层位布置研究

深部近距离煤层群煤炭开采面临瓦斯治理难题,走向高抽巷是解决邻近层瓦斯的重要技术之一,高抽巷层位是影响抽采效果的关键。基于采动裂隙“O”形圈理论阐述了走向高抽巷抽采邻近层瓦斯作用原理,采用裂缝带高度经验公式及关键层理论,提出了走向高抽巷层位的理论计算方法。阳泉矿区应用实践表明,高抽巷与15号煤层的层间距在由30 m增加至80 m时,瓦斯浓度呈降低趋势且变化趋缓,抽采瓦斯混合量与瓦斯纯量呈增大趋势,变化趋势的拐点为层间距70 m或者层间距与煤厚比值为9.5左右,与理论计算结果一致。

煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制模式及发展趋势

煤层气与煤炭协调开发的关键在于协调煤炭开采与煤层气开发的时空关系。“十一五”至“十三五”期间,依托国家科技重大专项“大型油气田及煤层气开发”项目的总体实施,煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制取得巨大进展。煤矿区煤层气开发由最初为保障煤矿安全生产的“瓦斯抽排”“煤层气抽采”“地面开发和井下抽采相结合”等形成“煤矿区煤层气与煤炭协调开发”的技术开发新机制。通过界定煤层气与煤炭协调开发范围、建立煤层气与煤炭协调开发评价方法、形成煤层气与煤协调开发优化决策平台,提出基于“协调开发、提质增效、技术支撑、平台决策、集成示范”的煤矿区煤层气与煤炭协调开发理念,依托煤层气与煤炭协调开发技术体系等成套技术系列,形成山西矿区煤层气“四区联动”全域协调开发模式、两淮矿区煤层群煤层气立体联合开发模式、松藻矿区复杂松软煤层超前增透协调开发模式、新疆矿区大倾角多煤组”三位一体”协调开发模式,进而带动全国煤矿区煤层气开发实践。煤矿区煤层气与煤炭协调开发机制、模式与应用引领了我国煤矿区煤层气行业科技创新,显著提升煤矿区煤层气开发利用水平。随着国家能源战略的调整,“双碳”战略的实施和生态文明建设等新形势新要求,煤矿区煤层气发展面临新需求新挑战,指出需重点推进煤矿区煤层气地质精细探查、井下煤层气高效开发、废弃矿井煤层气抽采、煤系气协同共采等技术研发,构建煤矿区煤层气与煤炭清洁高效开发的新技术体系。

构造煤发育区K1值低指标煤与瓦斯突出原因分析

工作面突出危险性预测及效果检验是煤与瓦斯突出防治的最后一道"关卡",预测及效检结果的准确性是突出防治成功与否的关键。针对构造煤发育区"低指标突出"现象频发问题,现场跟踪测试掘进工作面钻屑瓦斯解吸指标K1并采集构造煤及原生煤煤样进行K1指标实验室测试,分析发现相同吸附平衡压力条件下构造煤的K1值明显高于原生煤,K1值与构造煤发育程度关系密切,构造煤越发育,K1值越大。为研究"低指标突出"问题的内在原因,采用恒温瓦斯放散试验对构造煤的瓦斯放散初期特征进行研究,基于试验结果对K1测定结果偏离真实值的技术原因进行分析,结果表明:采用巴雷尔公式计算K1的理论存在局限性;不同钻孔深度及不同结构类型煤体的钻屑混合是K1值测试结果偏离真实值的原因之一;煤样暴露时间越长,K1值测试结果与实际偏离越大。研究成果揭示了构造煤发育区"低指标突出"现象的技术原因,可为煤与瓦斯突出预测技术的改进提供技术支撑。

瓦斯抽采钻孔封孔段注浆密封全过程分析

为了分析瓦斯抽采钻孔封孔段注浆密封过程中封孔材料对钻孔密封性的影响,采集不同矿区水泥基封孔材料,在实验室测试其黏度、膨胀率、析水率、凝结时间及凝固后的强度参数指标,从前期封孔材料注浆到后期固结密封全过程分析各指标对钻孔密封的影响。结果表明:封孔材料前期注浆时浆液黏度是衡量其流动性的关键指标,浆液黏度上升越快,流动性降低越快,封堵钻孔围岩裂隙的难度越大;中期注浆完成后,不同材料表现出膨胀性和析水性,材料的膨胀特性可为钻孔围岩提供支护作用,提高钻孔封孔段异质结构的稳定性和完整性,材料的析水性会造成钻孔壁面与封孔材料分离,漏气通道增加,密封性降低;封孔材料后期凝固后的强度与煤体差异较大形成不稳定异质结构,在应力作用下,不稳定异质结构裂隙发育,密封性降低。