构造煤化学结构演化与瓦斯特性耦合机理

煤是对应力和应变非常敏感的一种特殊岩石,在不同的应力-应变环境和构造应力作用下,煤的物理结构、化学结构及其光性特征等都将发生显著变化,从而形成具有不同结构特征的、不同类型的构造煤。构造煤在变形的过程中,镜质组反射率将发生规律性变化,并被较为广泛地应用于煤田构造的定量研究,高温高压变形实验也证实了这一现象。为了深入探讨煤镜质组光性组构变化的微观机理,将X-射线衍射、顺磁共振和核磁共振等技术应用于不同类型构造煤以及高温高压实验变形煤的化学结构研究。研究表明,构造煤化学结构演化与镜质组反射率的演化具有密切的内在联系,镜质组反射率的光性异常是构造煤化学结构演化在物理光学性质上的具体体现。不同类型的构造煤由于物理和化学结构上的不同,导致瓦斯含量和透气性等瓦斯特性上的重大差异,糜棱煤特殊的物理和化学结构决定了其高含气量和低透气性的特征,是矿井瓦斯突出的危险地带,因此,可以通过构造煤分布规律的研究,进行矿井瓦斯富集与突出危险性的评价与预测,为矿井瓦斯灾害的研究提供新的思路和方法。

构造煤结构及其对瓦斯特性的控制机理研究

以淮北地区为主要研究区域,系统采集不同变形类型和程度构造煤样。基于构造煤宏观、微观变形构造和镜质组反射率测试,结合研究区区域、矿区及矿井地质条件分析和前人构造煤分类的理论研究成果,正确确定样品构造煤类型,并筛选出低、中、高煤阶不同变形类型和变形程度的23个构造煤样品进行综合测试和研究,探讨了构造煤结构及其对瓦斯特性的控制机理。运用扫描电镜、X射线衍射、电子顺共振、核磁共振和傅立叶红外光谱等结构分析手段,压汞、低温液氮吸附、二氧化碳吸附和等温吸附/解吸等瓦斯特性实验测试技术,系统研究了不同煤阶、不同变形类型和程度构造煤超微和分子结构及瓦斯特性的演化特征,探讨不同煤阶构造煤结构演化机理及其对构造煤孔隙结构、吸附/解吸等瓦斯特性和瓦斯赋存与突出的控制机理;将煤中伴生元素分析和孔隙压缩系数计算方法应用于构造煤研究,系统分析了元素赋存的构造动力学效应和构造煤孔隙压缩系数演化特征及其对瓦斯抽采的控制作用。结果表明:不同煤阶、不同应力-应变环境构造煤结构演化机理存在较大差异,变形作用对低、中煤阶煤分子结构的影响主要表现在促使煤中大分子脂链断裂和官能团的脱落,强韧性和剪切变形还有助于煤中不成对电子键合,促进煤中分子结构的芳构化进程,变形对高煤阶煤分子结构的影响主要表现在不同程度上破坏了煤中芳香层片在垂向上和横向上的完整性;部分伴生元素或元素组合可以作为应力-应变环境的指示剂,可以根据这部分元素在构造煤中的富集程度判定该构造煤形成的应力-应变环境类型和作用强度;不同应力-应变环境、不同煤阶构造煤结构演化对不同孔径孔隙的控制机理存在显著差异,不同类型变形对大孔和中、微孔孔容和比表面积的作用机理,分别表现在控制煤中节理、裂隙发育程度和分子结构的有序及无序化程度等方面;不同应力-应变环境中,构造煤结构演化对大孔孔隙形态的控制作用迥异,弱脆性碎裂变形作用下煤层节理、裂隙发育稀疏,中等脆性碎裂变形、剪切变形和弱韧性变形有助于构造煤中开孔的明显增加,而强脆性碎裂变形和强及较强韧性变形则破坏煤中孔隙体系和连通性,并导致细颈瓶孔的发育;不同类型构造煤吸附性的差异取决于主控孔径范围的孔隙含量;不同类型构造煤瓦斯赋存特征和突出危险性存在较大差异,依据不同类型构造煤的瓦斯特性差异,将构造煤划分为非突出、弱突出、突出和强突出4类。

煤系灰岩物化结构对瓦斯吸附特性的影响机制

为阐明分子结构和微观孔隙对煤系灰岩瓦斯吸附的影响机制,综合采用元素分析、化学检测、孔径分析、CT测试、瓦斯吸附实验和量子化学计算等方法表征灰岩物化特性,构建并优化分子结构,研究瓦斯吸附性能。研究结果表明:煤系灰岩含有较多C元素、有机官能团和有序芳香层,有机物石墨化程度高、晶体大、缺陷少,是其吸附瓦斯的化学基础;降低环境温度、增加吸附压力或减少含水率均能削弱灰岩吸附瓦斯的CH_4/CO_(2)竞争态势;灰岩含大量连通性好、结构复杂的吸附孔,孔隙系统更紧凑且各向异性更弱,是其吸附瓦斯的物理基础。研究结果可为煤岩体系瓦斯防治提供理论依据。

高强度开采覆岩离层瓦斯通道特征及瓦斯渗流特性研究

根据上覆煤岩层的破断和裂隙发育情况,将穿层裂隙通道直径大于10-1mm的区域定为采动瓦斯通道发育区。基于砌体梁理论,研究了关键层控制下的离层断裂带瓦斯通道的发育特征,并基于Kozeny-Carman准则建立了瓦斯通道流态的判定方法,依据其内瓦斯的流动状态将上覆岩瓦斯通道的发育沿纵向由下到上分为瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,并根据离层断裂带瓦斯通道的发育规律,构建了以高位瓦抽采巷为主要手段的瓦斯过渡流通道区人工导流方法。最后通过以阳泉新景煤矿80201工作面卸压瓦斯抽采现场试验,反演得到了工作面上覆岩采动瓦斯通道的演化规律及其对瓦斯导向流动规律的影响,并对瓦斯过渡流通道区内瓦斯的流态进行了判定,验证了本文提出的理论计算方法和采动瓦斯通道分区的正确性和可行性。

低阶煤孔隙结构定量表征及瓦斯吸附放散特性

低阶煤广泛分布于我国西北、华北和东北地区且储量较大,但近年来部分低阶煤矿区瓦斯突出灾害严重。为研究低阶煤孔隙结构、瓦斯吸附放散特性及其对瓦斯灾害的影响,采用N2/CO2吸附法和小角X射线散射(SAXS)表征手段,开展瓦斯吸附/解吸试验,运用分形理论,对6组煤样开展系统研究。根据煤样孔隙结构参数和瓦斯吸附/解吸特性参数的关系,获得低阶煤微观孔隙结构与宏观瓦斯吸附放散特性的相关性。结果表明:试验低阶煤煤样≤2 nm的微孔孔容为0.055~0.064 cm^(3)/g,总体上高于试验中阶煤样微孔孔容(0.026~0.060 cm^(3)/g);低阶煤介孔主要分布在2~8 nm,而中阶煤最发育孔径为2~4 nm。低阶煤介孔孔容和比表面积总体大于中阶煤;SAXS结果表明:低阶煤最发育孔径为10 nm左右,而中阶煤孔径在35 nm附近最发育。这与N2吸附法测得煤样最发育孔径约为3 nm存在较大差异,可能煤中存在闭孔或气体吸附法无法测到的孔。分形维数结果表明:低阶煤孔隙较中阶煤孔隙更为复杂。结合傅里叶变换红外光谱表明,低阶煤分子结构松散,含有较多长侧链的官能团,导致其微孔和介孔较为发育。微孔孔容与朗格缪尔体积(VL)存在正相关关系,介孔孔容与瓦斯扩散系数(D)亦存在正相关关系,而VL和D反映着煤体的吸附和放散特性。因此低阶煤具有相对较强的瓦斯吸附和放散能力,易于发生瓦斯异常涌出和瓦斯突出。

2种典型煤样承压过程瓦斯渗透特性试验

为探索同一应力加卸载路径下2种典型煤样(原生结构煤及构造煤)的瓦斯渗透规律,用3轴应力瓦斯渗流模拟装置,对2种原煤试件不同瓦斯压力承压时的瓦斯渗透特性进行试验研究。结果表明,加载阶段,随着加载应力的增大,2种煤样的渗透率均呈下降趋势,且初期降幅最急剧,当围压从0升到3 MPa时,2种煤样的渗透率分别下降64%和70%;卸载阶段,渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后,2种煤体的渗透率分别恢复到初始值的25%和50%;在同样的应力条件下,有效应力的增加对原生结构煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着瓦斯压力的增加而增大,而对构造煤则相反,渗透率随着瓦斯压力的降低而增大。

中低煤阶煤孔隙特征及对瓦斯放散特性的影响

为了研究中低煤阶煤孔隙特征及其对瓦斯放散特性的影响,对采集的中低煤阶长焰煤、气煤、焦煤和1/3焦煤4个煤类共计14组样品进行了煤工业分析、煤岩分析、液氮吸附和瓦斯放散初速度测试,结合分形理论研究了中低煤阶煤比表面积、孔容和孔隙分布特征及其瓦斯放散特性。结果表明:中低煤阶煤孔比表面积孔径分布主要以小孔和微孔为主,孔隙形态为以一端开口的孔为主,含有少量两端开口的孔,部分样品含有少量墨水瓶形孔。中低煤阶煤孔隙具有较好的分形特征,孔比表面积、孔容与分形维数具有明显的对数关系。中低阶煤瓦斯放散初速度较小,瓦斯放散初速度随着分形维数增大而减小,随着平均孔径的增大而增大。随着各孔径段孔容积、孔比表面积含量增加瓦斯放散初速度均呈负对数减小趋势,各孔径段比例和煤孔隙形态类型的细微变化对瓦斯放散初速度的影响不大。

构造煤承压过程瓦斯渗透特性实验研究

构造煤具有瓦斯含量高、渗透率低等特征,是瓦斯抽采和灾害预防的难点。在采用"二次成型"法制取原煤样试件的基础上使用自行设计的"三轴应力瓦斯渗透性模拟实验装置"通过"应力-渗透性"实验,针对构造煤原煤试件不同瓦斯压力条件下的应力加、卸载过程的瓦斯渗透规律进行了研究。实验结果表明:加载阶段,随着加载应力的增大渗透率降低,初期阶段降幅最为急剧,围压升到3 MPa时,渗透率均下降近65%;卸载阶段渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后渗透率只恢复到初始值的25%;同样的应力条件下,煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力的增加,渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而增大。实验结果可为构造煤"卸压增透"效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。

软煤体孔隙结构影响瓦斯吸附特性的试验研究

为了掌握软煤体孔隙结构对瓦斯吸附特性的影响作用,基于分形几何理论,采用低温氮吸附和恒温吸附试验方法,对软煤体孔隙结构特征及其对瓦斯吸附特性的影响进行研究,并与硬煤相关特性进行对比分析。研究结果表明:软煤初始氮吸附量大于硬煤,软煤呈现的吸附滞后环比硬煤更为明显,且吸附曲线在高相对压力段上升速率更快,软煤比表面积和孔容均大于硬煤,孔隙数量远大于硬煤,尤其是微孔内吸附力场的叠加作用和中孔内的扩散作用使得软煤吸附势能增强,引入吸附停留时间概念,得出软煤表面较多的吸附位使得瓦斯在软煤体表面吸附停留时间更长,软煤表面分形特征更为明显,软煤表面分维数平均是硬煤的1.47倍,软煤的饱和吸附量及达到饱和吸附的速率均大于硬煤。

圆柱体障碍物对密闭管道内瓦斯爆炸特性影响的数值模拟

针对障碍物对密闭管道内瓦斯爆炸特性的影响问题,基于FLACS模拟软件建立了有、无障碍物时3种阻塞比情况下的数值模型,对比分析了圆柱体障碍物对密闭管道内瓦斯爆炸压力、最大爆炸压力、爆炸温度、最大压力上升和下降速率、流场正反向最大速度5个瓦斯爆炸特性参数的影响。结果表明:障碍物的存在会加剧密闭管道内瓦斯的爆炸反应程度,缩短爆炸反应时间,且阻塞比为0.3较0.5情况下的促进作用略大;障碍物的存在会造成障碍物结尾附近和管道末端较其他位置出现更加显著的瓦斯爆炸压力变化,同时障碍物会引起瓦斯流场在反向传播时较早出现流场反向最大速度下降趋势。

煤的瓦斯放散特性多因素影响试验

通过单因素试验研究变质程度、含水量和粒径对煤样瓦斯放散速率的影响,然后进一步通过正交试验结合方差分析研究3种因素对煤样瓦斯放散速率影响的显著性。试验结果表明,煤的瓦斯放散速率随着煤样的变质程度的增加而增大,随着煤样含水量的增加而降低,随着粒径的减小而增大;通过曲线拟合得出瓦斯放散速率与煤样变质程度近似呈对数函数关系,与浸泡时间近似呈二次函数关系,与粒径近似呈幂函数关系;正交试验数据经方差分析得出3种因素对煤样瓦斯放散速率的影响程度由大到小依次是:变质程度、含水量、粒径。

基于瓦斯放散特性单因素的煤与瓦斯突出模拟实验研究

使用三维煤与瓦斯突出模拟装置进行不同瓦斯放散特性煤样的煤与瓦斯突出模拟实验,分析单因素条件下煤样瓦斯放散特性对煤与瓦斯突出的影响。模拟实验进一步验证了煤体吸附瓦斯会在一定程度上降低煤体强度。实验结果表明,煤样瓦斯放散初速度与突出发生后残留煤体的坚固性系数呈负相关,瓦斯对煤样的粉碎作用会随瓦斯放散初速度增大而增强。提出突出强度系数综合表示突出发生的强度,数据显示:突出强度与煤样瓦斯放散初速度呈正相关,对于具有煤与瓦斯突出危险的煤层存在1个突出强度会急剧增加的阈值,当煤层的瓦斯放散初速度高于该数值时突出强度将明显增强。对于五轮山煤矿的5-3号煤层,该值介于13.9~16.8之间。

含重烃煤层瓦斯解吸特性实验研究

对牛马司水井头煤矿煤样中含不同浓度重烃的瓦斯进行等温解吸,得到了煤样在不同吸附平衡压力、不同重烃浓度的瓦斯解吸量随时间变化的实测数据。分析了在一定吸附平衡压力条件下,煤样中不同重烃浓度的瓦斯解吸特性。建立了新的瓦斯解吸经验公式,结果表明新建经验公式能够描述含不同重烃浓度的瓦斯解吸规律,为瓦斯含量测定过程中损失量的推算提供了依据,进而指导煤层瓦斯含量的测定。

不同因素对煤瓦斯放散特性的影响程度分析

煤的瓦斯放散特性是预测煤矿井下煤与瓦斯突出的关键,而瓦斯放散特性受不同因素的影响程度有所不同。利用单因素影响试验来研究煤的变质程度、含水率及粒径对煤样瓦斯放散初速度的不同影响,在不考虑因素间交互作用的情况下,通过正交试验和方差分析等方法对3种因素进行研究,同时研究其对煤样瓦斯放散初速度的影响程度。结果表明,煤的瓦斯放散速率随着煤样变质程度的增大而呈正相关关系,随着粒径的增大和含水率的增大呈负相关关系;对试验数据进行拟合,可得瓦斯放散速率与煤样变质程度呈对数函数关系,与粒径呈指数函数关系,与含水率呈二次函数关系;三因素指标同时存在时,含水率对煤样瓦斯放散初速度的影响程度最大,煤的变质程度次之,粒径最小。

基于GCN-GRU的瓦斯浓度时空分布预测

在煤矿井下复杂环境下,传统瓦斯浓度预测模型的预测精度较低,虽然通过引入各种优化算法对传统瓦斯浓度预测模型进行优化,提高了瓦斯浓度预测精度,但仅从时间维度进行建模,忽略了瓦斯浓度的空间特性,易导致重要先验知识丢失,影响预测效果。针对上述问题,提出一种基于图卷积神经网络(GCN)和门控循环单元(GRU)的瓦斯浓度时空分布预测模型。首先,对瓦斯浓度历史数据进行预处理,根据各采集节点间的空间距离,构建瓦斯浓度空间节点图,用于对节点间复杂的依赖关系进行建模。然后,在每个采样时间点,将瓦斯浓度和节点间的距离权重参数作为输入,获得瓦斯的空间节点图结构后,通过GCN进行空间特征自适应学习和图卷积运算,得到瓦斯浓度的空间特征,再将瓦斯浓度的空间特征信息转化为序列数据,输入到GRU。最后,GRU对时间序列下各时刻组成的瓦斯空间特征信息进行处理,通过基于序列到序列模型和自动编码器,生成模型预测结果。试验结果表明:(1) GCN-GRU模型能够较为准确地预测瓦斯浓度的总体变化趋势,预测结果与实际数据的拟合度优于历史平均(HA)模型和支持向量回归(SVR)模型。(2) GCN-GRU模型的均方根误差较HA模型、SVR模型、移动平均自回归(ARIMA)模型分别降低了0.5%,71.4%,37.9%,平均绝对误差分别降低了10.5%,82.4%,82.4%,准确率分别提高了0.06%,17.7%,13.8%,表明GCN-GRU模型具有较强的鲁棒性,且泛化性能较好。(3) GCN-GRU模型较HA模型、SVR模型、ARIMA模型更能关注到前序重要特征的影响。这主要是由于GRU的2个门关注了数据的时间特征,GRU在保留门控功能的基础上,减少训练参数,在一定程度上提高了模型训练效率,降低了训练时长。

综放工作面煤壁瓦斯动态涌出计算方法研究

论述了综采放顶煤工作面瓦斯涌出来源及涌出形式,分析了煤壁瓦斯涌出特性,依据煤层瓦斯单向非稳态流动理论建立了煤壁瓦斯涌出数学模型,得出了采煤工作面煤壁瓦斯涌出量计算公式。将计算结果应用于孔庄矿7354采煤工作面,提出了采用采煤循环煤壁平均瓦斯涌出量、割煤动态瓦斯涌出量和割煤最大瓦斯涌出量来预测煤壁瓦斯涌出危险性的分析方法,为矿井生产布置、通风安全管理及瓦斯防治提供了理论依据。

用解析法测定煤层瓦斯含量时应注意的问题

介绍测定煤层瓦斯含量的基本方法——解析法和测定瓦斯含量的基本程序。根据实验室测定结合实践经验，指出采用解析法测定煤层瓦斯含量过程中应注意的一些问题及解决办法。对准确测定煤层瓦斯含量有一定的指导意义。

高瓦斯煤层采区巷道布置

论文通过介绍瓦斯特性、瓦斯的赋存状态,分析了采场、采空区瓦斯的运动规律。列举了厚煤层分层开采和厚煤层一次采全高两种采煤方法的采区巷道布置及有关注意事项。

SDBS与CaCl2复配液对煤体瓦斯解吸抑制效应研究

为研究表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(SDBS)与CaCl2复配液对煤体瓦斯解吸的抑制效应,选用新疆硫磺沟4—5号煤层煤样,采用HCA高压吸附解吸装置,测定干燥煤样、纯水、质量浓度2.5×10^-2 g/mLSDBS及SDBS与CaCl2复配液浸泡后煤样瓦斯解吸参数。研究表明:SDBS与CaCl2复配液有效降低纯水的表面张力、煤样接触角,当质量浓度为2.5×10^-2g/mL的SDBS溶液与质量浓度为2.5×10^-2 g/mL的CaCl2溶液体积比为1∶3时,溶液表面张力降低至24.22 mN/m,煤样接触角降低至15.175°;随解吸时间增加,煤体瓦斯解吸量呈Langmuir关系逐渐增大后趋于稳定,瓦斯解吸速率迅速减小,当CaCl2质量浓度为1.875×10^-2 g/mL时,最大瓦斯解吸量为0.24 mL/g,最大解吸速率为0.8×10^-2 mL/(g·s),对瓦斯解吸量及解吸速率的抑制效率最高。

应力加卸载作用下软硬原煤瓦斯渗透规律

使用自行改装的"瓦斯渗透模拟实验系统",在不同瓦斯压力条件下,对同一矿井的软硬原煤试件的瓦斯渗透特性进行研究。结果表明:应力加载阶段,随着应力的增加2种煤样试件的渗透率均呈减小趋势,且加载初期渗透率的降幅最大,当加载围压从0升到4 MPa时,硬煤与软煤的渗透率平均下降69.7%,73.3%;应力卸载阶段煤样渗透率随着应力的减小而增加,围压完全卸载后2种煤体的渗透率分别恢复到其初始值的22.6%,47.8%;同样的应力条件下,有效应力的增加对硬煤的影响作用大于煤基质收缩,渗透率随着其内部瓦斯压力的增大而增大,而对软煤则相反。实验结果可为煤体"卸压增透"效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。