A penetrative addictive for water infusion in coal seams

The manufacturing process, characteristics, and application results of arod-like penetrative additive (the penetrative rod) were discussed. The components and functions ofthe penetrative rod were studied carefully. A large number of orthogonal combined tests were carriedout and over 100 sample molds were made. Ultimately the components were decided after carefulselection among these molds, mainly including hygroscopic major components and auxiliary material.The results of on-site practical application show that such an addictive can increase the waterpenetrative ability effectively and has a remarkable effect on preventing dust production duringcoal seam excavation. The penetrating radius, the infusing velocity and the dust-preventive effectwere systematically studied.

煤体注水渗流模型构建及微观主控影响规律

煤层注水技术是目前矿井除尘的主要技术手段之一,起到润湿煤体、源头减尘的作用.但随着开采深度的增加,煤体孔隙率相对较低,极大影响煤层注水的润湿效果.因此,为了提高煤层注水的效果,结合煤体固有属性、孔隙尺度等影响因素,首先,引入连通孔隙率,建立了包含孔喉、等效孔径、有效孔隙率、毛细管束、迂曲度、流动路径在内的渗流模型;其次,采用高精度射线显微镜(μ-CT)对内蒙古煤矿、同富新煤矿、梅花井煤矿、大黄山煤矿以及磁窖沟煤矿5个煤矿的不同变质程度煤进行扫描,三维重建可视化煤体微观有效孔隙结构,运用分形理论,提取煤体有效连通孔隙结构参数进行计算;再次,通过实验对5个煤矿不同变质程度的煤进行渗透率实测;最后,引入“敏感度”来表征每种影响因素对渗流量的影响程度,运用Morris筛选法,将数值分析法与渗流模型相耦合,定量筛选了煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数、孔喉半径等主控因素,并分析了各主控因素对注水能力的影响规律.本研究建立了一个综合煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数和孔喉半径的渗流模型.分析表明,影响注水能力的主控因素依次为煤体坚固性系数、迂曲度分形维数、有效孔隙率、体积分形维数和孔喉半径.注水能力与煤体坚固性系数呈正弦函数关系,随着有效孔隙率的增加,迂曲度分形维数和体积分形维数的减小,注水能力增强.研究结果可为进一步完善煤层注水渗流理论、增强煤层注水润湿效果,防治矿井粉尘灾害提供理论依据.

特厚煤层底板断层破坏与顶板垮断联动效应的CFDEM模拟研究

特厚煤层采场空间大、覆岩扰动范围广,顶板垮断产生的强扰动加卸荷载易导致底板断层破坏加剧。通过数值模拟研究特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应机理规律是开展水害防治的基础,关键在于掌握加卸载下岩体渐进破坏与裂隙流耦合特征。构建加卸载下拉、剪损伤演化方程,结合有效偏/球应力为基本变量的屈服准则与塑性势函数,得到完整岩块的塑性损伤本构;建立拉/剪、混合型加卸载过程中塑性位移与强度劣化关系,以平方拉剪应力与B-K准则为初始、完全断裂准则,形成非贯通裂隙断裂本构;提出岩块分离、压缩、剪切判据,结合实验数据建立离散块体间挤压、剪切摩擦本构与剪胀方程。基于质量/动量守恒、状态方程,并结合流体体积与浸没边界方法,形成裂隙岩体气−水二相流模拟理论。由此形成CFDEM数值计算程序,并将加卸载下塑性损伤、断裂、挤压/摩擦、流体属性分别赋予实体单元(岩块)、黏聚力单元(非贯通裂隙)、接触对(贯通裂隙)、欧拉单元(水和气)。根据宁武煤田北部矿区工程地质条件,建立特厚煤层底板断层突水与顶板垮断联动效应数值计算模型。结果表明:①CFDEM耦合程序及相应的理论模型可数值实现特厚煤层覆岩及底板断层从(准)连续体到离散体转化,以及地下水在裂隙中运移;②模拟条件下特厚煤层含断层底板的采动裂隙包络线呈w形,最深处超过55 m位于断层及其上盘,最浅处23 m位于断层下盘,而无构造底板处的破坏深度为24~36 m,已导通奥灰含水层;③特厚煤层底板普遍出现二次破坏现象。表现为无构造底板在超前工作面处破坏深度为24.0~29.3 m,但在采空区内普遍增加至31.5~36.0 m;断层及其上盘在超前工作面处裂隙总开度为0.34~0.86 m,但在采空区内迅速增加至3.6 m,形成突水优势通道。④底板断层突水与顶板垮断联动效应的根源在于覆岩高位关键岩层垮断失稳、砌体梁下沉与二次断裂,并导致底板二次破坏,突水风险加剧。

煤层注射成胶型抑尘剂影响因素及抑尘效果研究

为解决煤层注水降抑尘技术中水分易流失,开采时注水抑尘效果较差等问题,提出一种既能增加煤层保水率又能改善煤层脆性的抑尘方法:研制出以海藻酸钠(SA)为基质的成胶型抑尘剂,并开展比表面积试验、氮气吸附试验、扫描电镜试验和产尘率试验,研究表面活性剂、黏度及注射压力对成胶型抑尘剂的影响。结果表明:表面活性剂有利于煤层润湿,但对抑尘效果影响较小;抑尘剂黏度增大有利于保水,可使保水时间由10 h提升至30 h,但会导致材料难以进入煤层内部;注射压力对于抑尘剂的抑尘效果具有较大影响,当煤层注射压力较小时,抑尘剂难以快速渗入煤的内部孔隙中,随着压力的增大,抑尘剂逐渐渗入煤孔隙中。当注射压力升至3 MPa后,抑尘效果不再随压力的增加而增加,产尘率由4%降低至2.3%,相对降幅达50%,有效降低了产尘。

两性离子表面活性剂对煤层注水渗流润湿协同效应的研究

煤层注水技术是防治冲击地压、粉尘以及火灾等众多矿井灾害的重要手段之一,煤层注水过程可以概括成渗流阶段、渗流与润湿协同阶段以及润湿阶段。针对煤层注水渗流阶段,利用三轴渗流实验装置,以达西定律为理论基础,研究了不同表面活性剂溶液(十二烷基硫酸钠和复合型表面活性剂)表面张力及其对裂隙煤体渗流特性的变化规律,对比分析了不同表面活性剂溶液在煤体中渗透系数的变化特征,探讨了复合型表面活性剂对破裂煤体注水的影响规律以及不同表面活性剂对裂隙煤体的润湿协同效应。实验结果表明:十二烷基硫酸钠能够降低液体表面张力,将渗流系数从3.73×10^(-4)提高到5.6×10^(-4),能够有效地促进煤层注水润湿效果;十二烷基硫酸钠与煤体之间的吸附性,增大了渗流溶液在煤体裂隙表面的张力,降低了煤体的注水润湿效果,最终阻碍了渗流润湿过程;通过加入其他原料配置的非离子-阴离子复合表面活性剂能够有效减小吸附性,并有效增强渗流效果,明显提高注水渗流润湿效率,验证了两性离子表面活性剂对煤层注水具有显著的协同效应。

张家峁矿近水体煤层群隔水煤柱合理宽度确定

针对张家峁常家沟水库近水体煤层开采后覆岩裂隙扩展诱发透水的潜在风险,对煤层开采过程中的覆岩破坏特征及裂隙扩展规律进行了模型试验及数值模拟研究。为合理确定4^(-2)煤层的隔水煤柱宽度,基于矿山支承压力和静水压力对隔水煤柱的不同作用机理,将4^(-2)煤层隔水煤柱划分为矿压影响区和有效隔水区,分别构建了矿压影响区和有效隔水区的煤柱受力分析计算模型,推导了4^(-2)煤层矿压影响区和有效隔水区的理论宽度计算公式。在此基础上,考虑煤层开采边界角与水体下伏不同煤层矿压影响区宽度的关系,提出了“上覆煤柱宽度+矿压影响区”的水体下伏煤层群隔水煤柱宽度确定方法。结果表明:4^(-2)煤层工作面初次来压步距为45~56 m,周期来压步距为13.8~14.9 m,上覆岩层冒落带高度为12~13 m;地表最大下沉量为2.0~2.2 m,下沉系数为0.571~0.629,4^(-2)、4^(-3)、4^(-4)和5^(-2)煤层隔水煤柱的合理宽度分别为25,39,51和87 m。现场实测隔水效果验证了近水体煤柱理论留设宽度的合理性及其工程适用性,为张家峁近水体煤层群安全高效开采提供了技术保障。

近距离高应力强突煤层群工作面区域瓦斯联合高效治理技术研究与应用

近距离高应力强突煤层群主要受地应力主导的复合动力灾害影响,另加上层理紊乱、煤质极其松软的软分层,极大增加了深部强突煤层诱导煤与瓦斯突出的风险。现如水力冲孔、机械造穴等常规的增透技术,存在着影响范围小、衰减速度快、工作量繁重等缺陷,这导致瓦斯治理工程量大、瓦斯治理成本高且整体瓦斯治理效果较差,严重制约着矿井的生产接替。为解决深部强突煤层群瓦斯治理难题,该文以平衡或消除地应力为切入点,在平煤股份一矿回采区域引入高压注水增透技术。通过工程实践发现,高压注水增透后有效影响半径为26 m以上;平均单孔抽采纯量提高了12.6倍。该工程实践可为近距离高应力强突煤层群瓦斯高效治理技术提供参考。

煤矿极软煤层注水防尘技术应用实践研究

以A煤矿为例,介绍一种极软煤层注水防尘技术。通过该技术进行注水防尘时,需要根据煤矿极软煤层特点选择最佳的注水工艺,合理设置注水,并设计最佳的注水参数。通过该注水防尘技术的应用,可大大降低极软煤层空气中的粉尘率,提高降尘效果,有利于构建更加安全的井下作业环境,确认该注水防尘技术的应用价值。

注浆封孔材料的研究进展

瓦斯抽采和煤层注水在煤矿安全生产中有着重要的意义,钻孔封孔是瓦斯抽采和煤层注水的关键环节,封孔材料的性能对封孔效果有极大影响。介绍了粘土材料、水泥基材料、高水材料、高分子材料等常用封孔材料的性质及特点,并指出了各类封孔材料存在的不足,重点综述了各封孔材料的应用及研究现状,最后提出了封孔材料目前存在的主要问题并对其发展方向做了展望。

注水煤体有效渗流通道结构分形特征核磁共振试验研究

为定量表征注水煤体有效渗流通道结构变化特征,基于核磁共振试验测试了注水过程中,不同围压及水压作用下煤体孔隙结构特征,并结合分形几何理论对煤体有效渗流通道结构分形特征进行了分析。结果表明:注水煤体内部孔径分布差异明显,在不同水压及围压影响下,各孔径孔隙体积占比变化明显,大孔体积变化幅度最大为13.72%,其次为过渡孔及中孔分别为8.12%和5.39%,最小的微孔为2.05%。结合T2C测试结果,当孔隙半径大于270 nm时为有效渗流通道,则影响注水煤体渗流特性的孔隙结构主要集中于大孔及中孔尺度内;试验过程中,试验及理论分形维数变化较小,表明煤样在不同承压条件下,渗流通道结构均具有明显的分形特征,同时两者相反的变化趋势验证了各自表征意义的不同。

煤层注水难易程度的Fisher判别分析模型及应用

基于Fisher判别法理论和影响煤层注水难易程度的重要因素,选用煤层的埋藏深度、裂隙的发育程度、孔隙率、湿润边角、饱和水分增值、坚固性系数6项指标作为判别因子,以15组煤层注水的实测数据作为学习样本进行训练,建立相应的Fisher判别函数对15组实测数据用回代估计方法逐一进行检验,正确率为93.3%。将建立的模型应用于3个工程实例,与实际情况吻合良好,计算结果与传统的模糊聚类分析法、神经网络法所得到的结果一致或更好。

磁化水在煤层注水中的应用

为了防止煤与瓦斯突出、冲击矿压等灾害,预防自然发火等,探讨了磁化水的性质、磁场作用机理及磁技术在煤层注水方面的应用前景。研究结果表明,必须在合适的磁场作用下水的表面张力才能降低到最小;磁处理后,可以明显减少水中某些元素,这对于减少矿井水对管道的腐蚀具有重要意义;磁化水能够增加煤岩体的饱和吸水量,增加水在煤岩介质中的渗透性。磁场作用机理主要表现在可以使水分子缔合体分解成为单分子水或较小的缔合水分子,使水分子键长、键角加大,使水的活性增加、黏性降低。磁化水在煤层注水方面具有良好的应用前景。

煤层注水降低综采工作面煤尘浓度的研究

在深入研究官地矿９＃ 煤渗透特性的基础上，提出动压预注水的煤层注水方案与参数，并在官地矿进行了工业性试验，取得了降低综采工作面煤尘浓度６０％ 以上的明显效果。它对我国煤矿有效实施煤层注水。

煤层注水过程分析和煤体润湿机理研究

分析了煤层注水过程中水在煤体中的运动动力和过程 ,用界面化学理论分析了煤体表面的润湿过程 ,得出了煤体能够自行润湿的条件 ,即润湿过程的润湿功必须为正 ,同时得出了各种润湿过程的判断依据。根据上述理论分析 ,阐明了煤层注水降尘的润湿机理 。

岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合模型及应用

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采用间接耦方法构建岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合数值模型。将模型应用于山西省长治市潞安王庄矿3号煤4309工作面高压注水软化顶煤工程,对高压注水下煤岩体的渗流-劈裂-损伤耦合响应规律进行研究。研究结果表明:所建模型反映了渗透压对岩体柔度张量的贡献和翼形裂纹扩展对裂隙岩体渗透张量演化的贡献;在高渗透压条件下,煤岩的应力场会发生很大变化,甚至可能改变煤岩应力拉压状态;高渗透压改变了煤岩裂纹结构,导致煤岩破裂是高压注水软化顶煤的基本原因;潞安王庄矿3号煤4309工作面的合理注水压力为7 MPa左右,这在现场注水现场试验中得到证实。

煤层注水中添加湿润剂的研究

煤层注水预湿是采煤工作面防尘的治本措施，添加湿润剂是改善煤层注水效果的重要途径。本文对煤层注水添加湿润剂的作用、效果、最佳浓度、对浮选的影响及湿润剂选择等问题进行了探讨，得出了相应的结论。

综采工作面煤层注水降尘试验研究

为降低综采工作面空气粉尘浓度,减小粉尘对矿工及设备的危害,在西山煤田3号煤层开展煤层注水试验。通过测量固定测点粉尘的质量浓度及分散度,分析煤层注水的效果及其对综采工作面粉尘浓度和粒径分布的影响。结果表明:试验煤层单孔设计注水量440 m^3条件下,煤层内在水含量平均增加1.02%,外在水含量平均增加了2.21%;注水后煤尘粒径分布范围变窄,平均粒径减小,整个工作面空气中全尘浓度平均降低28%,呼尘浓度平均降低32%。

深部煤体注水过程中渗流通道演化特征

在煤炭开采中,煤层注水可有效防突降尘和防治冲击地压。为了研究深部煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道的演化过程,以平煤十二矿己15-31030工作面的深部煤体为研究对象,通过低场核磁共振成像设备在线测试了3个原煤试样在不同注水压力下的T_(2)谱和含水量分布情况。通过对不同注水压力下的T_(2)谱进行分析,获得了煤样注水过程中的孔径分布和孔隙结构的演化过程。通过核磁共振成像技术,初步实现了煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道演化的可视化,可更直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程,更深入地理解不同煤样T_(2)谱演化过程异同的内在原因。进一步提出了一种根据T_(2)谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法,定量分析了煤样注水过程中不同孔径的孔对水渗过程的贡献度。并对T_(2)谱进行了孔裂隙的分形维数计算,定量分析煤样孔裂隙的渗流空间含量和异质性。研究发现:平煤十二矿深部煤样注水过程中T_(2)谱表现出三峰特点,中孔、大孔和微裂隙的含量与连通性都大于微孔和小孔,注水过程中渗流通道主要由连通性较好的中孔、大孔和微裂隙构建。煤样注水过程中大孔和微裂隙贡献了99%以上的渗透率;微孔、小孔和连通性较差的孔主要参与储水而不参与运水。注水过程中当煤样孔隙连通性较差,不存在明显的优势渗流通道时,提高注水压力可以使更多的孔隙参与到渗流的过程中;但当煤样中部分孔隙连通性较好形成优势渗流通道时,提高注水压力也很难使更多的孔隙参与到渗流的过程中。在设计煤层注水参数时应特别关注这一现象。

煤层长孔注水在长沟峪煤矿的试验研究

为了解决长沟峪煤矿工作面粉尘质量浓度大的问题,采用煤层注水这一从源头上控制煤尘产生的方法,针对长沟峪煤矿-140m水平北一以北15槽煤层的地质特征,设计了其煤层长孔注水系统及注水参数,并应用于现场。通过现场测试注水前后煤样含水率及粉尘浓度的变化的数据表明:煤层注水能有效降低采煤时各道工序产生的粉尘量,使工作面及顺槽的劳动环境条件大为改善。证实长孔煤层注水技术是一项行之有效的防治粉尘的技术措施。

煤层注水湿润分布状态的数值模拟

建立了非饱和－饱和二维非稳定渗流的煤层长孔注水湿润问题的动态数学模型，用有限元数值解法求解．用非饱和吸附理论构造了湿润过程中煤体贮水系数、导水系数与湿润压力的关系，其中参数识别用最优化算法与现场注水试验结果进行反求拟合获得．实例计算表明，模拟湿润状态符合注水煤层的湿润情况．