不同变质程度煤体破碎度对瓦斯放散初速度的影响

为分析煤矿开采中煤体破碎度对瓦斯放散初速度的影响,以便从该角度研究煤与瓦斯突出的难易程度,研究了不同变质程度煤样粒径的改变对其瓦斯放散初速度的影响。结果表明,煤样的瓦斯放散初速度随粒径的增大呈幂函数关系减少,即煤体的破碎度越大,瓦斯放散初速度越大,同时这种增大的趋势随粒径的增大而变得越来越小;且煤样的变质程度越高,煤样粒径对瓦斯放散初速度影响就越大;普氏系数小的煤样瓦斯放散初速度受煤样粒径改变的影响较大。

受载煤体破碎块度分布的实验研究

实验研究支承压力 (采深 )、煤体强度和裂隙发育程度对煤体破碎块度分布的影响变化规律 .根据顶煤回收要求与可放块度原则得出预测临界采深的实用关系式 ,并以加权平均块度评价支承压力、煤体强度和裂隙发育程度三因素对顶煤可放性分类的影响 。

受载煤体破碎块度分布的实验研究

实验研究支承压力(采深)、煤体强度和裂隙发育程度对煤体破碎块度分布的影响变化规律,根据顶煤回收要求与可放块度原则得出预测临界采深的实用关系式,并以加权平均块度评价支承压力、煤体强度和裂隙发育程度三因素对顶煤可放性分类的影响,提出顶煤可放性的三因素评价准则。

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。

承压破碎煤体应变和孔渗演化机制与模型研究

采空区垮落带遗煤区域作为煤、氧低温反应的主要场所,其应变、孔隙率和渗透率演化模型的研究对深入认识煤自燃发展过程与规律有重要意义。基于团队自主研发的承压破碎煤体气体渗流实验装置,开展了单一粒径与混合粒径煤体承压渗流过程应变、孔隙率和渗透率演化规律研究。对不同粒径下的应变、孔隙率和渗透率随应力变化情况进行分析,结果显示:相关变化过程可以分为2个阶段,即轴向应力≤6MPa时的线性变化阶段与>6MPa时的指数函数变化阶段,初步表明破碎煤体的变形、孔隙率和渗透率的变化机制一致、同粒径无关,轴向应力=6MPa时的状态属于关键节点状态,其对应的应变、孔隙率和渗透率分别承接着各自上下2种不同的变化机制;轴向应力≤6MPa和>6MPa条件下三者变化的主要原因分别是颗粒的压缩作用和滑移填充作用;轴向应力=6MPa时不同粒径破碎煤体承压过程中的应变、孔隙率和渗透率分别同各自的应变、孔隙率、渗透率变化路径有一一映射关系,据此建立了相应的应力-应变、应力-孔隙率和应力-渗透率关系的模型;模型对比、验证结果表明,所建模型虽源于多种粒径破碎煤体实验,但摆脱了粒径因素的影响,同实验结果有着良好的匹配性,达到了较为理想的效果。相关研究成果可为采空区煤自燃早期预防与控制提供科学依据。

破碎松软复合煤体高效螺旋钻进技术试验研究

高速螺旋复合钻进技术是针对破碎松软复合煤体钻孔过程中出现的问题进行改进的一种方法。通过研究给进速度、压风风量以及钻具转速等关键参数,确定了合适的钻进参数;此外,设计了3种具有高强度、良好刚度和钻孔保直性较好的钻具组合,分别为?110/63.5 mm、?95/60.3 mm和?88/50 mm。通过优化钻杆材质,并选择了三角锥齿PDC钻头,提高了螺旋钻具的使用效果。同时,匹配了ZDY6000LR大功率钻机,增强了深孔成孔的能力和成孔率。在某煤矿4318工作面的现场工业性试验中,证明了高速螺旋复合钻进技术和配套的钻探装备与钻具组合可以有效解决施工过程中的排渣困难和喷孔顶钻等问题。钻孔成孔率得到了显著提高,百米以上的钻孔成孔率超过70%。

厚煤层破碎煤体水力压裂切顶卸压护巷关键技术研究

针对厚煤层破碎煤体生产过程中顺槽动压显现和大变形、支护困难等问题,采用理论分析、数值模拟、现场工程实践相结合的方法,对开滦矿区某矿5.9 m厚煤层破碎煤体巷道大变形大结构顶板弱化卸压转移围岩应力研究,提出厚煤层破碎煤体水力压裂切顶卸压护巷关键技术,研究表明:厚煤层最大垂直应力及塑性区分布与切顶措施有着直接的联系,切顶后并未形成明显的应力集中区,最大垂直应力由最大时32 MPa降为最低时17.5 MPa,平均切顶后相对未切顶卸压了20%,切顶后巷道两帮位移量变化不显著,但顶底板位移量降幅达到60%。

破碎煤体渗透特性的试验研究

破碎煤体的渗透特性是影响煤矿瓦斯抽放和地下采空区突水灾害预防的重要因素之一。利用一种专用的破碎岩体压实渗透试验装置,在MTS815.02岩石力学伺服试验系统上完成了破碎煤体压实过程中的渗透特性测定,得到了破碎煤体轴向应力、渗透压差、水头梯度与渗流速度的关系,并分析了各种粒径破碎煤体在不同渗透速度下轴向应力对渗透系数的影响。研究表明,(1)不同粒径破碎煤体的渗透特性与其压实状态密切相关,轴压从5～15MPa变化时,渗透压差的最大值增加了3.28～166.47倍,渗透系数都相应降低了1个量级以上;(2)在恒定的渗流速度下渗透压差随轴压变化的规律近似呈指数函数关系;(3)渗透系数随轴压变化的规律近似呈对数函数关系;(4)恒定的轴压下水头梯度随渗流速度变化的规律近似呈指数函数关系。

承压破碎煤体碎胀系数演变特征与机制

利用自制的承压破碎煤体渗流及自燃测试装置,实验测试及分析了破碎煤体在应力、应力-温度、应力-水分不同条件下的碎胀系数的演变特征与机制。研究结果表明:(1)煤样随着应力增加,碎胀系数变化具有明显的阶段性,且随应力变化服从负指数变化规律;(2)在相同的轴压下,碎胀系数随温度升高而增加,热膨胀效应明显,说明采空区煤自燃的热效应将造成破碎煤体的碎胀系数增大,堆积更为松散;(3)当破碎煤体外在水分含量增加,在相同的轴压情况下,碎胀系数随外在水分增加而增加。说明随着采空区破碎煤体外在水分的增加,破碎煤体的碎胀系数将增大;(4)破碎煤体在应力、热膨胀及湿膨胀作用下,堆积体内部颗粒发生相对移动、二次破碎、颗粒自组织再堆积,致使应力-应变曲线发生变化,进而影响其碎胀系数。

采场破碎煤体注浆加固渗流规律研究

为了解决日益增多的煤矿中煤壁片帮事故,用化学树脂浆进行注浆煤体加固.在采场煤体破碎机理研究基础上以支承压力峰值点为分界点将采场注浆区分为塑性区和弹性区两个渗透物理模型来对煤体注浆加固渗流规律进行研究.把塑性区破碎煤体作为各向同性介质来建立注浆物理模型,基于塑性区渗透物理模型、质量守恒和达西定律建立了塑性区注浆渗流数学模型,通过插值方法对模型进行了解算,得到了塑性区浆液渗流规律,并在现场进行了破碎煤壁注浆加固试验和注浆渗流规律解算,结果表明通过化学树脂浆进行塑性区煤体注浆加固是可行的.

松软破碎煤体小煤柱护巷高预紧力强力锚杆锚索支护研究与应用

小煤柱护巷是工作面上风巷普遍采用的一种布置方式。但随着煤矿地质条件的不断恶化,采用小煤柱护巷技术的巷道变形量明显加大,难以满足生产要求。介绍了常村煤矿在该类巷道中采用最新开发的高预紧力强力锚杆锚索支护系统,有效地控制了巷道的强烈变形,为类似巷道推广该项技术提供了有益的参考。

煤巷周围破碎煤体自燃特征及防火方案研究

针对综放工作面煤巷周围破碎煤体潜在的自燃问题,以南山矿18-5综放工作面回风煤巷为研究对象,对仅存在巷道漏风源条件的煤巷周围破碎煤体氧气与温度分布特征进行了数值模拟,并对注氮和封堵防火的效果进行理论预测。结果表明:氧气从煤巷新风入口向周边破碎煤体发生渗流,渗流范围沿走向随漏风风压损失呈缩减趋势;高温区位于距漏风边界一定距离的煤柱中部,并逐渐上移至顶煤附近;封堵和注氮对自燃具有不同的抑制作用,二者配合使用在局部可获得较好的防火效果。数值模拟结果与现场监测结果相符。

破碎煤体内的巷道支护与加固技术

通过对晋城区煤体破碎机理的分析，总结了破碎煤体对井下生产造成的不利影响，提出了破碎煤体内巷道支护与加固技术。

特厚煤层回采工作面前方煤体破碎规律

以义煤千秋矿21121工作面为工程背景,通过相似模拟比较和现场测试的方法对特厚煤层回采工作面前方煤体破碎规律进行综合研究。结果表明:特厚煤层距离回采工作面前方同一位置,层位由低到高破碎程度依次增加;同一层位,距离工作面愈近破坏愈严重,距离增加破坏减弱;同一地质条件下,随着煤体厚度的增加,工作面前方的煤体可以形成倒三角充分破碎层、正三角不充分破碎层;特厚煤层开采下部煤体超前支承压力极值点距工作面相对较近,且支承压力极值小于上部煤体;煤体厚度增加,距离底板同一高度,超前支承压力极值逐渐减小;同时,超前支承压力对工作面前方煤体的整体破煤率减小。

淹没射流冲击煤体应力模型及破煤临界条件研究

为探究煤矿水力化卸压增透瓦斯治理作业中淹没射流破煤的临界条件,首先,基于紊动射流、接触力学及动量定理等理论,建立淹没射流冲击煤体应力模型,并对其进行离散数值求解;然后,分析淹没射流冲击煤体表面应力的分布特征,进而根据最大正应力准则确定淹没射流破煤临界条件;最终,以贵州金佳矿为例,开展淹没射流破煤现场验证试验。研究表明:射流冲击区内煤体的最大主应力为轴向压应力,冲击区外煤体的最大主应力为径向拉应力;冲击区内和冲击区外煤体表面的最大主应力均呈中心对称分布,而且随径向距离的增大而降低;淹没射流破煤的临界压力和临界喷嘴直径均随煤体强度和冲击靶距的增加而增大,而且靶距越大,煤体强度对临界条件的影响越大;淹没射流能够高效破碎现场松软煤层,而硬煤需要通过非淹没射流或伴随射流条件完成破碎。

松软破碎煤体瓦斯抽采钻场预加固技术研究与应用

针对松软破碎煤体施工大直径长距离瓦斯抽采钻孔容易出现塌孔、卡钻导致钻孔失效的难题,采用理论分析、现场测试和井下试验的方法,通过煤岩体强度和结构探测,得出了煤岩体的结构完整性和强度,并根据围岩特点确定了注浆机理以粘结松软煤体、增强松软煤体整体性为主,适当增加煤体强度,达到防止钻孔塌孔的目的,在此基础上设计了注浆加固参数和单孔全长分段注浆工艺,该工艺施工工程量小,工艺简单,加固速度快。井下试验表明,煤岩体注浆加固后围岩强度增加57%,完整性提高58.8%,钻孔无塌孔出现,有效保证了长钻孔的顺利实施。

工作面破碎煤体化学注浆加固技术试验研究

煤矿井下断层或构造变动部位的煤层一般比较松散,综采过松散煤层时,顶板维护十分困难,已成为众多煤矿普遍存在的技术难题。通过采用新型改性脲醛树脂注浆材料分别在山东枣庄新安煤矿和淮北朱庄煤矿进行了破碎煤体的注浆加固,采用的工作面两侧预注浆和迎头注浆两种工艺的试验均取得了成功。

破碎煤体点载荷强度测试及单轴抗压强度预测分析

针对破碎煤体获取标准煤样困难,无法直接获得其单轴抗压强度,采用点载荷仪对现场取得圆柱体和不规则2种形式的破碎煤块进行实验室点载荷强度测试,通过数理统计方法对30组测试数据拟合分析,得出煤块点载荷强度指数分布规律以及与等效直径的关系,同时结合以往单轴抗压强度与点载荷强度指数公式及适用范围,获得新元煤矿破碎煤体单轴抗压强度。研究结果表明:煤块点载荷强度指数遵循Weibull分布,随着块体大小变化其分布形式无显著差别。对点载荷测试数据聚类分析,点载荷强度指数与等效直径成反比。通过分析单轴抗压强度与点载荷强度指数关系,得出新元煤矿巷帮破碎区煤体单轴抗压强度处于0.7～4.9 MPa。研究破碎煤体点载荷强度测试以及定量估计其单轴抗压强度,对破碎煤体巷道围岩支护提供依据具有重要意义。

承压破碎煤体低温氧化试验系统研制及应用

为研究应力、温度、水分对采空区煤自燃的综合影响,结合多场耦合理论与现有测试技术,开发一套煤低温氧化试验系统。该试验系统可模拟应力、温度、水分及渗流环境,可测试采空区破碎煤体在不同应力、温度、水分条件下的渗透参数,改变了目前煤低温氧化测试不能加载应力的现状,改进了煤自燃的试验研究方法,为后续研究承压破碎煤体多场耦合氧化机制及氧化动力行为差异性提供了途径。应用该系统测试了承压破碎煤体的低温氧化特征,识别了应力、温度、水分对煤体堆积状态和低温氧化过程的影响。

新元煤矿破碎煤体单轴抗压强度快速测定方法研究及应用

单轴抗压强度(UCS)是衡量煤岩体力学性能的基本参数之一,破碎煤体UCS一直是煤矿工程师面临的一个难题。以新元煤矿为工程背景,提出了一种基于原位钻孔触探法快速测定破碎煤体UCS的方法,为构建破碎煤体单轴抗压强度现场测定方法提供了一个新的思路。首先通过优化探针直径和改进动力源,现场对破碎煤体进行原位钻孔触探强度测定,然后采集破碎煤样进行实验室点载荷强度测定,同时根据钻孔触探法和点载荷法2种测试方法将测试数据分为两组,得到对应测试结果威布尔分布相关参数,其次运用数理统计软件SPSS分别对回归方程和回归系数进行显著性检验,建立临界载荷(Pc)与点载荷强度指数(Is50)的关系,在此基础上借助Is50与UCS的经验关系,建立破碎煤体UCS与Pc的关系,实现破碎煤体UCS的原位快速测定。研究结果表明:钻孔触探法与点载荷法测试数据对应的威布尔分布形状参数分别为:4.02,4.12,即2种测试方法的测试结果分布函数形状基本一致;新元煤矿破碎煤体钻孔触探临界载荷与点载荷强度指数的关系为:Is50=0.066Pc-0.002;新元煤矿破碎煤体UCS与钻孔触探临界载荷的关系为:UCS=0.807Pc+1.726;新元煤矿破碎煤体钻孔触探临界载荷为1.55~3.48 MPa,UCS为2.97~4.53 MPa;新元煤矿破碎煤体UCS测定结果与现场估算较为接近,表明所提出的破碎煤体单轴抗压强度测定方法切实可行。