近10年我国煤与瓦斯突出事故统计规律与动力效应特征分析

挖掘历史事故案例特征可为准确认识煤与瓦斯突出机理及灾害防控预警提供更多支撑。分析近10年发生的煤与瓦斯突出事故统计数据尤其是较大及以上事故案例,探究突出发生规律及动力效应特征。结果表明:近年来重大以上突出事故基本杜绝,但事故死亡人数占煤矿事故总死亡人数的比例仍较高,其平均死亡人数为煤矿事故的2.9倍;事故发生地点以煤层平巷为主,占比为43.2%;综掘机割煤作业时诱导突出事故比例显著上升,近5年占比为57.0%;与其他地质构造相比,断层、煤层厚度变化易导致突出发生,褶曲构造附近的平均突出强度最大,其中38起事故平均突出强度与瓦斯涌出量分别为521.34 t、3.55万m^(3),重大及以上事故突出强度与吨煤瓦斯涌出量均呈波动减小趋势;钻孔喷孔是最为常见的突出预兆,合理利用钻孔信息进行灾害探测及预警是重要的发展方向。证实了突出动力效应在巷道空间发展演化的3个阶段,瓦斯逆流不仅会通过防突风门进入进风巷,也可能会沿回风路线进入其他采掘作业面。

千米深井煤层水力压裂作用下裂隙应力场演化规律的数值模拟研究

为了掌握千米深井煤层水力压裂作用下煤体内部裂隙应力场演化规律,更科学地开展超千米矿井煤层水力压裂增透瓦斯综合治理工作,以平煤股份一矿超千米埋深的戊8-31240工作面为建模背景,采用RFPA-2D数值模拟软件,建立了煤体内部裂隙发育—应力场扰动数值模型,模拟得到了水力压裂作用下深部煤体内部裂隙应力场演化过程。研究结果表明,深部煤体内部在水力压裂作用下,首先由水流浸润煤体,微裂隙在压裂孔四周区域萌生,在孔左上、右上两侧区域形成“V”形主级宏观裂隙呈扇形继续扩展发育,然后在孔左下、右下两侧区域微裂隙贯通形成“Λ”形次级宏观裂隙,最后孔两侧主、次级宏观裂隙贯通,呈现“X”形裂隙扩展主导压裂,并产生更多微裂隙,使深部煤体受水力压裂的影响范围不断扩大;深部煤体水力压裂开始阶段,内部破坏向压裂孔四周随机发生,随着压裂压力升高,煤体破坏开始向压裂孔上下区域延伸,但远小于向压裂孔两侧破坏速度,煤体破坏更多集中在煤层上部,表明水力压裂将会对煤层顶板造成较大冲击;深部煤体受水力压裂作用,条带状剪应力、块状拉应力主要集中在裂隙的尖端附近区域,剪应力从13.5 MPa卸压到1.1 MPa,卸压降幅91%,而拉应力从11.0 MPa卸压到2.2 MPa,卸压降幅80.0%,其拉应力卸压效果要小于剪应力的卸压效果,随着压裂的裂隙向煤体深部延伸转移,最终在单个压裂孔前后25 m范围区域形成剪—拉双重作用卸压区,使地应力得到释放,大大提高了深部煤体的透气性。数值模拟研究可为千米矿井深部煤层水力压裂技术工艺参数优化实施提供一定参考。

黄沙矿区复杂生产环境下的多通道微震信号辨识分析

文章介绍了铁山垅钨业有限公司黄沙矿区井下的各种震源,在广泛现场监测的基础上通过震相分析对地下各种信号如爆破、机械作业设备、人员作业、岩体破裂等产生的震源信号进行了辨识,给出了各种震源波形的基本特点;同时,在理论上采用傅里叶变换辨识方法进一步对受干扰信号的波形进行了分析,说明了采用该方法可以更好地排除噪音信号的干扰,提取有用信号、正确选取信号初到时刻。本文介绍的信号辨识方法简便易行,而且基本可以满足矿山日常监测中对岩体破裂微震信号的提取需要。

穿层瓦斯抽采钻孔有效性评价与二次堵漏技术研究

为解决底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采浓度衰减快、浓度低的问题,以河南平顶山十矿己15-17-33190工作面为研究对象,研发了定点漏气检测装置,并采用了绝对漏风率指标,提出了一套钻孔瓦斯漏气的定量评价标准,以判定钻孔密封质量,从而确定“有效孔”。针对失效钻孔,提出并应用了破孔堵漏修复技术。对注浆修复后的瓦斯抽采钻孔进行检测与分析,结果表明:在距离孔口19.5 m以外的测点,平均瓦斯浓度达到70%以上,在距离孔口15 m到19.5 m的区间范围内,瓦斯浓度随着与孔口距离的减少而显著降低。15 m以内漏气位置不明显,二次修复区段可确定为15~19.5 m。修复后钻孔瓦斯浓度提升1~3倍,孔口瓦斯浓度达到52%~72%。瓦斯纯量提升超过1倍。提出的钻孔瓦斯漏气评价方法与修复技术为瓦斯治理提供了参考依据。

基于传感器网络的煤矿瓦斯预警系统设计与应用

针对瓦斯监测效果差、预警困难等特点,基于传感器网络技术,设计了一套煤矿瓦斯监测与预警系统。该系统采用分布式部署的瓦斯传感器节点实时采集矿井内部的瓦斯浓度数据,并通过ZigBee无线通信网络将数据传输到地面监控中心。经实验测试,传感器节点的采样精度优于±0.5%LEL,重复性误差小于1%。系统设计了基于动态阈值的瓦斯报警算法,可根据瓦斯浓度变化趋势自适应调整报警阈值,在保证报警及时性的同时,将误报率降低了60%以上。当瓦斯浓度超限时,系统能够在1 s内发出报警,且准确率达到98%以上。通过在开滦(集团)钱家营煤矿的试点应用,证实该系统能够对矿井瓦斯进行全方位的实时监测,瓦斯事故预警的平均提前量提高到30 min以上,有效提升了煤矿安全生产水平。

陕西侏罗纪煤层瓦斯灾害特点及突出发生条件的探讨

随着我国煤炭生产向西部转移,西部尤其是西北地区大量开采低阶煤的矿井瓦斯灾害,成为必须认真面对的重要问题。以陕西黄陇侏罗纪煤田黄陵矿区、旬耀矿区、永陇矿区的6个典型矿井为研究对象,分析总结了矿井瓦斯赋存特征,并从煤层突出危险性单指标、能量、突出动力效应等多个角度探讨了煤层突出危险性。研究表明:黄陇煤田以低变质烟煤为主,煤的破坏程度小、硬度较高,煤层瓦斯普遍呈现高压力、低含量(1.71~4.36 m^(3)/t)特征;较低的瓦斯含量使煤层中孕育的瓦斯内能连同弹性潜能低于煤体破碎并抛掷做功所需要的能量值,也不能产生足够多的气体裹挟煤炭在巷道空间运移形成典型的突出灾害;但发生片帮或冲击地压等动力现象时短时间内的大量瓦斯涌出将成为这些矿井主要的瓦斯事故风险。指出陕西侏罗纪煤田的矿井应在做好瓦斯抽采的同时,通过控制好煤壁顶板和冲击地压将能有效减少瓦斯事故的发生。

煤矿瓦斯治理及防突对策分析

瓦斯问题长期以来一直是威胁煤矿工人生命安全和煤矿稳定运营的主要隐患之一。瓦斯超限不仅会引发突出和爆炸等事故,还可能导致重大的人员伤亡和财产损失。综合分析了引发煤矿瓦斯问题的原因,评估了当前瓦斯治理技术的效果,并提出具有创新性的优化措施,以期为煤矿瓦斯治理提供更加全面和实用的解决方案。

阜生煤业上保护层开采可行性研究分析

阜生煤业15^(#)煤层透气性低,瓦斯含量大,煤巷掘进瓦斯治理难度大,现有的瓦斯治理手段难以满足安全生产需求。为探索新的煤与瓦斯防治技术手段,从根本上解决瓦斯问题,阜生煤业决定开展15^(#)煤层保护层开采试验。通过分析15^(#)煤层各上覆煤层的地层结构、垂距、被保护层的顶板支护、突出危险性、自然发火危险性等因素,最终提出若阜生煤业采用上保护层开采方法,那么选择13^(#)煤层作为保护层最为合理。

低透气性煤层点式酸化压裂增透技术研究与应用

为解决富含矿物质煤层透气性问题,基于点式压裂和酸液增透煤体机制,提出了点式酸化压裂增透技术,且通过扫描电镜试验确定了适合三元煤矿的酸液配比。现场试验结果表明,点式酸化压裂钻孔组的平均瓦斯抽采流量和浓度是普通钻孔组的3.65倍和1.72倍,是点式水力压裂钻孔组的1.32倍和1.06倍,点式酸化压裂增透效果明显优于点式水力压裂,且其增透煤体的起裂压力和同等条件下的注液量均低于点式水力压裂。点式酸化压裂实现了煤体定点、低流量、大范围、快速增透,其对物理增透与化学增透方式的融合大大提高了煤体孔隙-裂隙结构的发育程度和其整体连通性,有助于煤体中瓦斯的运移及高效抽采。

石门揭煤作业中定向长钻孔瓦斯抽采防突技术的应用

研究专注于煤矿工作面瓦斯防突技术的应用,特别是定向长钻孔瓦斯抽采防突技术在石门揭煤作业中应用。旨在评估这一技术在防止瓦斯突出方面的有效性,以确保煤矿安全和生产符合相关法规。为确保工作面的安全推进,在工作面前方的煤层区域设置检验钻孔,用于测定残余瓦斯压力和含量,并确保其符合标准。研究结果显示,实际操作中的残余瓦斯含量和压力均满足相关标准,5个检测钻孔的瓦斯压力平均值为0.522 MPa,瓦斯含量为4.5 m3/t,满足瓦斯含量小于8 m3/t、瓦斯压力小于0.74 MPa的要求。表明该技术可以有效防止瓦斯突出。另外,采用钻屑瓦斯解吸指标法进行突出危险性评估,结果显示在揭煤阶段的工作面不再有突出危险,可以继续进行揭煤工作。

几种常用的深部煤层气水平井压裂方式

煤层气资源是一种重要的非常规天然气资源,在中国具有广阔的开发前景。然而,由于深部煤层气井固有的低渗透性和低孔隙度等特点,其产能较低,因此如何提高煤层气产能一直是一个重要的研究方向。煤层气井压裂技术作为一种提高煤层气产能的重要手段,得到了广泛的应用。结合煤层气开采特点,重点介绍了几种深部煤层气水平井水力压裂技术方式及其扩展应用,以期为煤层气资源的高效开发和利用提供有益的参考。

圆形喷嘴射流冲击平面特性研究

为了探究圆形喷嘴射流冲击平面的特性,旨在通过提高微孔隙、低渗透率煤层的渗透性,优化水力冲孔效果,通过数值仿真软件COMSOL Multiphysics,建立圆形喷嘴冲击平面的三维模型进行仿真,聚焦于喷嘴射流在不同倾斜角度、射流速度和喷嘴直径条件下对平面的冲击效果。结果显示,无论倾斜角度如何变化,射流到达平面的速度表现为先增后减再增最后减的变化趋势,压力值则随倾斜角度增大而先增后减。在不同射流速度下,冲击平面的速度分布相似,以最小速度点为圆心,沿半径方向速度快速增至峰值后逐渐减小。喷嘴直径的增大导致到达平面的最大压力值增大,而射流速度呈现复杂变化趋势。

白羊岭煤矿底抽巷穿层水力冲孔技术研究与应用

为了解决白羊岭煤矿阳坡庄向斜影响区域内的瓦斯赋存异常进而影响巷道掘进的问题,提出利用多种水力冲孔措施钻孔布置方式与普通穿层钻孔联合抽采的方法实施瓦斯治理并考察抽采效果。研究结果表明,相比于普通钻孔,水力冲孔措施孔不仅能够显著地破碎煤体从而制造出一个更庞大的卸压区域,而且能够将瓦斯抽采浓度提高4倍,瓦斯抽采纯量提高7.3倍。根据瓦斯抽采纯量的时间衰减函数模型,推断出造穴孔累计瓦斯抽采量为普通钻孔的8.1倍,表明水力冲孔技术不仅能够提升瓦斯抽采的速度,也能更大程度地释放煤层中赋存的瓦斯,对区域瓦斯治理有明显的积极影响。

相邻煤层联合远距离爆破揭煤技术研究

潞安集团左权五里堠煤矿共含煤11层,精查可采煤层瓦斯测试含量较高,为有煤尘爆炸危险煤层的井田。通过对进风井14#、15-1#煤层揭煤施工情况、揭穿煤层赋存状况以及煤体中瓦斯基本参数进行分析,提出了相邻煤层联合远距离爆破揭煤的技术方法,既能保证施工安全、提高揭煤速度,又能减少措施工程、缩短工期,从而降低成本,为类似矿井揭煤施工提供了借鉴经验。

煤层瓦斯微纳米串联多尺度动态扩散渗透率实验-模型-机理及意义

多尺度科学问题作为当前世界科学前沿的热点问题之一,已拓展到自然科学与工程技术的众多领域,作为多尺度科学的一个分支,煤岩渗流力学亦存在自身的多尺度科学问题。煤体中存在从毫米到微纳米的多尺度孔裂隙,孔径量级可达百万倍之巨,这使得煤体渗透率也呈现出百万量级的空间与时间多尺度特征。因而,煤体多尺度渗透率研究既是煤岩渗流力学的学科内涵问题,亦是瓦斯抽采亟需的工程外延问题。采用柱状原煤煤心开展了无应力和三轴应力下CH4/He的非稳态扩散-渗流实验和三轴应力下稳态渗流实验。实验结果表明:柱状煤心的表观扩散系数随时间延长而动态衰减,并呈现出2类时间多尺度特征,一种为连续光滑的动态衰减特征,一种为两阶段阶跃式动态衰减特征。导出了动态表观扩散数学模型,该模型能较准确描述柱状煤心中气体(CH4/He)非稳态流动全过程。提出了多管串联多尺度孔隙结构物理模型和数学模型,采用压汞孔径数据验证了串联多尺度孔径模型,并据此给出了串联多尺度渗透率的数学证明。以努森数(Kn)为标准,划分了连续流-滑移流-过渡流-自由分子流等流域,以串联多尺度孔径为关联纽带,建立了考虑有效应力和流态的多尺度渗透率模型。研究结果揭示了煤层瓦斯串联多尺度渗流机理,即煤体微纳米孔径及其串联级数是影响多尺度渗透率的决定性因素,可测孔径范围内多尺度效应影响程度可达数万量级。流动初期,气体首先从外层大孔裂隙中流出,流动后期,逐渐从微小孔隙中流出,直至深达纳米级孔隙。随着时间延长,串联孔隙级数逐渐增长,等效孔径逐渐减小,其量级接近于最小孔径,进而使得等效渗透率随时间延长而急速衰减,渗透率的时间多尺度动态衰减特征是空间多尺度的外在反映。气体流动后期,努森数增大,滑移-过渡流态效应超过有效应力效应,并占据主导作用。瓦斯串联多尺度渗透率的实验发现和模型构建,解决了当前多尺度渗流缺乏实验的问题,弥补了单管理论的缺陷,表观意义上实现了扩散与渗流的统一,实现了多尺度渗透率的微观区分与宏观联合。

大直径定向钻孔抽采技术在150317工作面的应用

针对150317综采工作面回采期间回风隅角瓦斯超限问题,设计了大直径定向钻孔群精准抽采钻孔参数,现场应用结果表明,工作面推进期间,钻孔瓦斯抽采流量达峰时平均为9.8 m3/min,工作面回风隅角瓦斯浓度明显降低,最大浓度为0.49%,瓦斯抽采效果较好。

采煤沉陷区动态预复垦理论分析及工程实践

在我国东部高潜水位矿区,由于单一厚煤层和多煤层的长时间无序开采,形成了大面积的非稳沉区及积水区,致使耕地面积急剧减少,若不及时治理则会导致治理成本增加、复垦效率降低等一系列问题。本着从“末端治理”向“源头控制”、“过程管理”与“防治结合”的理念,在现有研究成果的基础上,对动态预复垦从原理、优势、关键技术等多个方面进行综合分析,并结合工程实例对动态预复垦的整体技术体系与实施方法进行深入剖析。结果表明:动态预复垦能够将采矿与复垦有效结合,通过合理分区、科学确定标高、表土有效剥覆等手段,可有效保护和利用浅部耕作土层的土地资源,缩短土地恢复治理时间,效益显著。

软硬复合煤层厚度比对卸荷破坏的控制作用

在煤炭开采和煤层气抽采相关工程中,软硬复合煤层的卸荷破坏问题是围岩支护和煤层增透改造所面临的共性问题。为了探求复合煤层卸荷过程中的力学特性及破坏过程中的能量演化规律,基于能量耗散方程及煤岩损伤模型,采用PFC数值模拟和室内试验相结合的方法,研究了新田煤矿4^(#)煤层复合煤层在不同软分层厚度比下的煤体变形破坏方式、力学特性及能量耗散和声发射规律,最终得到新田煤矿4^(#)软硬复合煤层厚度比对卸荷破坏控制规律;并在现场利用水力冲孔加以验证。结果表明:在三轴压缩下,不同厚度比对复合煤体变形破坏方式的作用表现在主裂纹的转移、剪切拉伸裂纹数量变化、剪切面卸荷破裂带变化上;复合煤体的应力-应变曲线以厚度比0.45(软分层厚度/复合煤层厚度)为分界点,产生“阶梯式”的平缓与剧烈变化,并与围压大小相关联;复合煤体卸荷破坏的本质是颗粒间黏结键的断裂,厚度比对耗散能的大小以及煤体颗粒间黏结键的断裂产生积极作用;且现场水力冲孔的结果与模拟结论呼应。

顺煤层钻孔水力造穴塑性影响半径的数值模拟

为确定顺层水力造穴钻孔的有效抽采半径,以黄岩汇煤矿为工程背景,基于瓦斯抽采气-固耦合模型,采用Comsol Multiphysics数值模拟方法,模拟分析不同造穴半径下钻孔周围塑性损伤情况,并以此确定了有效抽采半径与造穴半径之间的对数函数关系,综合考虑安全因素和现场施工条件,得出最优造穴半径为0.4 m时有效抽采半径为3.4 m;成果用于黄岩汇煤矿15117轨道顺槽单孔瓦斯抽采试验,为现场瓦斯抽采提供理论依据和数据支持。

煤巷掘进工作面声发射监测传感器超前布设工艺研究

为实现对煤巷掘进工作面掘进过程声发射监测信号的有效采集,确保监测效果真实可靠,对煤巷掘进过程声发射监测传感器超前布设工艺进行了研究。在掘进工作面本煤层顺层钻孔与底板巷穿层钻孔安装传感器,考察监测工艺可行性以及监测信号的有效性与真实性。研究结果表明:可伸缩式弹性倒爪机构可实现传感器在顺层与穿层钻孔内的有效安装,但基于工程现实客观条件,底板巷穿层钻孔安装传感器更具可行性;同时通过该传感器所采集的监测信号更接近煤岩体内产生的真实信号,从而确立了煤巷掘进工作面声发射监测传感器宜采用底板巷穿层钻孔布设的安装工艺,该工艺可有效提升监测信号真实性与可靠性,并进一步完善了煤巷掘进工作面声发射监测技术体系。