基于应力松弛效应的黏弹性煤层地应力分布模型及在突出煤层中的应用

地应力是控制煤矿瓦斯动力灾害的核心因素,现有地应力模型主要基于弹性煤岩体属性而建立,而对于黏弹性煤层介质不适用,需要建立适合煤层属性的地应力分布模型。煤层尤其是构造煤呈现显著的蠕变和应力松弛特性,基于此,构建了黏弹性煤层分数阶麦克斯韦应力松弛数学模型,对扩展伊顿模型中构造应力项改进为黏弹性煤层的应力松弛项,建立了黏弹性煤层地应力分布模型。结果表明,在地质时间尺度内,煤层黏弹性对差应力有显著影响,煤体蠕变和应力松弛程度随黏性系数和分数阶因子的增加而增加;并随弹性模量下降,泊松比、构造比及瓦斯压力增加,煤层应力特征表现为静水压力状态分布趋势,其中弹性模量和泊松比对垂直主应力与水平应力之间差异贡献较大,构造比对水平应力之间差异贡献较大,瓦斯压力对3个主应力贡献相等,应力松弛效应可改变最大、最小水平主应力相对大小及降低应力各向异性。基于临界应力模型,在不同地应力状态下同样获得了摩擦因数降低及瓦斯压力升高的煤层趋近静水压力分布。构造煤力学属性更有利于在地质时间尺度中趋向于静水压力状态。运用地应力模型验证了现场实测结果,并对构造煤瓦斯富集和渗透率降低提出了新的认识。

突出煤层掘进工作面瓦斯涌出相关性及通风安全分析与应用

掌握掘进工作面瓦斯涌出的动态规律对于工作面通风安全和煤与瓦斯突出防治具有重要意义。为此,选取大平煤矿21下部煤柱面的3条煤巷掘进工作面为研究对象,采用ANSYS模拟分析了工作面风流和瓦斯分布规律,在距离掘进面1、3 m断面上瓦斯浓度分布较为紊乱;在距离掘进面10 m的位置瓦斯和空气是混合后均匀流动的,即为加设瓦斯传感器采集掘进动态瓦斯涌出量的最佳位置。研究了工作面瓦斯涌出与掘进作业工序、作业班次、巷道长度和煤壁暴露时间因素的关联特征,掘进工作面瓦斯涌出主要来源于煤壁,且出现2个瓦斯涌出量峰值时间点:在落煤替顶作业工序时和二次波峰为中间落煤清煤工序时。通过建模模拟和主控因素分析,准确掌握了瓦斯动态涌出的具体地点和时间,从通风监控、掘进工序和抽采部署方面,提出了针对性的优化方案,对于工作面煤与瓦斯突出危险性预测、瓦斯抽采达标评判和瓦斯事故风险感知等安全管理工作具有重要的参考价值。

煤与瓦斯突出煤层切顶卸压瓦斯治理技术研究

在矿区开采中,切顶卸压后仍遗留问题,比较明显的为瓦斯浓度超标,采空区漏风量呈现骤然上升趋势,遗煤自燃现象也造成不良影响。本文除进行理论分析外,也考虑了煤与瓦斯突出煤层切顶卸压的特征、实际情况等模拟数值。

定向束状钻孔掩护突出煤层工作面巷道掘进研究

针对上社二景煤矿突出煤层顺槽掘进期间瓦斯浓度较高、采掘接替紧张,严重制约煤矿的安全高效生产等问题,提出跨工作面施工定向束状钻孔掩护顺槽掘进模型,分析多个钻孔在该煤层中的应力叠加和瓦斯运移规律,归纳精准定位不留空白带、定向钻孔长度较深控制范围大、定向钻机扩孔联合钻进钻孔直径更大、“两堵一注”封孔效果好增大抽采负压和精准确定煤层顶底板位置5个束状定向钻孔工艺,得到钻孔设计、扩孔和封孔联合抽采工艺,达到了预抽煤层瓦斯、消突和精准确定煤层顶底板位置等多种目标。上社二景煤矿15203工作面进行了工程试验,工作面最大残余瓦斯含量为7.39 m3/t,判定该区域已抽采达标,定向束状钻孔掩护突出煤层工作面巷道掘进是可行的。

平煤十三矿突出煤层群保护层选择论证

在突出矿井开采煤层群时,为了有效防治煤与瓦斯突出的风险,确保平煤十三矿己_(16-17)-14060工作面煤层群开采时的安全,必须采用开采保护层防治突出措施,选择合理可行的首采保护层。依据保护层选择和开采的基本原则,从己_(16-17)煤层、己_(15)煤层的矿井煤层赋存情况,煤与瓦斯突出危险程度,保护层开采效果,是否破坏被保护层开采条件和经济效益五个方面论述比较。结果表明,选择己_(16-17)煤层作为矿井首采保护层较合理,运用AHP法(层次分析法)构建了一个保护层选择模型,该模型进一步论证了将己_(16-17)煤层作为首选保护层开采的可行性和合理性,对平煤十三矿工作面的安全生产发挥了重要作用,为矿井的安全开采提供了可靠的依据。

瓦斯突出煤和非突出煤AVO响应的比较

基于Zoeppritz方程,对煤层进行AVO正演模拟,得到煤层的AVO响应曲线。瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应对比表明,无论是瓦斯突出煤还是非突出煤,其顶界面AVO响应在总体上表现为地震振幅绝对值随偏移距增加而减小的特点,但是瓦斯突出煤的截距绝对值要大于非突出煤的截距绝对值,瓦斯突出煤的斜率要大于非突出煤的斜率。煤层厚度变化会对AVO响应产生影响,当瓦斯突出煤和非突出煤的厚度相同时,瓦斯突出煤的截距绝对值大于非突出煤;当厚度不同时,瓦斯突出煤的斜率大于非突出煤的斜率。瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应差异,可为地球物理参数进行煤与瓦斯突出危险性预测以提供技术参考。

瓦斯压力对突出煤瓦斯渗流影响试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制的三轴渗透仪,进行固定轴压和围压情况下的变瓦斯压力突出煤瓦斯渗透试验。试验结果表明:在轴压和围压固定的情况下,突出煤样的瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增大而增大。突出煤样瓦斯渗透速度随着瓦斯压力的增加,呈幂函数规律变化。随着瓦斯压力的增加,突出煤样两端的瓦斯压力梯度增大率会逐渐减小,最终趋近于零。而突出煤样的瓦斯渗透速度增加率则随着瓦斯压力的增大而减小,最终趋近于一恒定值附近。研究成果对提高突出矿井瓦斯抽采率有重要意义。

含瓦斯突出煤三轴压缩下力学性质试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井松藻煤电集团打通一矿7#突出煤层制备的型煤试件为研究对象,利用岛津AG-250伺服材料试验机和自行研制的三轴渗透仪,对不同外界应力条件下含瓦斯突出煤的力学特性进行试验研究。结果表明:瓦斯压力固定的情况下,围压对含瓦斯煤的力学特性起到强化和改善的作用。随着围压的增加,突出煤样的三轴抗压强度、弹性模量和峰值应变均呈线性单调增加;围压大小一定情况下,瓦斯压力对含瓦斯煤的力学特性起到弱化的作用。随着瓦斯压力的增加,突出煤样的三轴抗压强度和弹性模量分别呈线性和对函数形式单调递减,而峰值应变则呈线性单调增加;有效应力对含瓦斯突出煤的力学性质具有强化和改善的作用,随着有效应力的增加,含瓦斯突出煤的弹性模量、三轴抗压强度和峰值应变均单调增加。研究成果对采动影响下煤层瓦斯抽放和煤与瓦斯突出防治及预测具有重要意义。

煤与瓦斯突出煤层切顶卸压瓦斯治理技术研究

新景矿为解决3216工作面切顶卸压后瓦斯浓度高、采空区漏风量增加和遗煤自燃的问题,采取理论分析和数值模拟及现场实践相结合的方法,设计了瓦斯综合治理措施,留巷段喷涂高分子堵漏材料切断采空区瓦斯流通;优化顶板瓦斯抽采钻孔及采空区埋管参数可实现高效抽采;向采空区内喷洒雾化阻化剂后,其内未检测出自然发火标志性气体,建立了煤与瓦斯协同治理技术。

突出煤型煤全应力–应变全程瓦斯渗流试验研究

以典型煤与瓦斯突出矿井重庆天府矿业有限责任公司的三汇一矿K1煤层的突出煤型煤试件为研究对象,利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,进行突出煤型煤在连续加载作用下,全应力–应变过程的瓦斯渗流规律的试验研究。研究结果表明:突出煤型煤在整个全应力–应变过程中,瓦斯流量与煤样的损伤变形的进程密切相关;瓦斯流量先随着轴向应变的增大而逐渐减小,在煤样达到屈服点后,瓦斯流量发展方向发生转变,开始慢慢增大,并在峰后瓦斯流量增速加大;另一方面,瓦斯流量先随着煤样的体积压缩而变小,在煤样开始扩容后,瓦斯流量转为增大,在破裂后阶段瓦斯流量增幅变大;瓦斯流量与轴向应变的关系可用二次函数表示;瓦斯流量随围压的增大而减小。

含瓦斯突出煤声发射特性及其围压效应分析

以突出煤制备的型煤试件为研究对象,利用自行研制开发的装置配合岛津伺服试验机及PC-I型声发射监测系统,对含瓦斯突出煤三轴压缩过程中的声发射特性及其围压效应进行试验,并对AE事件各参数规律进行了分析。结果表明:三轴压缩过程中,含瓦斯突出煤AE事件没有特别稠密或稀疏的事件区域出现,仅在压密阶段、线弹性阶段中间点附近、临近峰值阶段3处出现相对稠密区而呈"三峰"分布特点,但多数AE事件振幅较小,且AE事件能量变化与振幅变化趋势具有较好的一致性;外加应力场变化导致微结构变化、煤样内颗粒断裂、煤样内颗粒碎裂、煤样内颗粒相对错动和瓦斯气体逸散导致的微结构变化为AE事件的主要"源";随着围压的增加,AE事件数呈减小趋势,而围压对AE事件总数的影响呈非线性,可用二次曲线表示;随着围压的增加,AE大振幅事件数呈减小趋势,大于某一设定值的AE事件数与围压的关系可用二次曲线表示。

超大间距煤与瓦斯突出煤层群开采时保护层选择分析

开采保护层是煤与瓦斯突出煤层区域防突的主要措施之一,阳泉矿区七元矿井开采煤层群,其中主采15号煤层与上部82号煤层平均间距80 m,为合理选择超大间距煤与瓦斯突出煤层群的保护层,从保护层的突出危险性大小、保护层的保护效果及下保护层开采对上部煤层的安全开采影响程度等进行分析论证,确定15号煤层为相对理想的保护层,预计15号煤层开采后,对其上部的81、82号煤层均具有较好的保护效果。

三轴压缩下突出煤粘弹塑性蠕变模型

煤与瓦斯突出是煤矿井下最严重的灾害之一,研究突出煤的蠕变特性是认识煤与瓦斯延迟突出机理的重要方向。采用自行研制的突出煤蠕变渗流试验装置,对取自松藻煤矿的煤样进行了突出煤三轴蠕变试验。蠕变试验数据分析表明,突出煤在低于其长期强度载荷条件下表现出一种衰减蠕变特性,在高于其长期强度载荷条件下则表现出非衰减蠕变特性。通过引入能描述非牛顿流体变形特性的粘弹塑性体,结合鲍埃丁-汤姆逊体建立了突出煤粘弹塑性蠕变模型。利用Matlab编程拟合出了模型的相关参数,并根据突出煤的三维蠕变试验结果对蠕变模型进行了验证。试验结果与理论结果对比表明,所提出的突出煤的蠕变模型能有效地反映突出煤各种蠕变阶段的变形特性,尤其是加速蠕变阶段,充分体现了所建立的突出煤粘弹塑性蠕变模型的正确性与合理性。

突出煤三轴蠕变特性及本构方程

以松藻矿务局打通一矿原煤制备的型煤为研究对象,研究了该煤样在围压作用下的蠕变特性规律,分析了产生此蠕变规律的原因,回归得到该煤样蠕变的经验公式,运用广义西原蠕变模型描述了型煤蠕变的三阶段,并确定了相关参数。结果表明:在围压作用下,蠕变载荷满足σ≥sσ时,型煤蠕变曲线具有完整的三阶段;拟合曲线可以数学表达实际型煤蠕变的前2个阶段;广义西原模型是可以表征围压作用下型煤蠕变三阶段的本构模型。

分阶段卸载条件下突出煤变形特征与渗流特性

为研究下保护层开采过程中采动应力作用下含瓦斯突出煤的渗流特性,利用自制的三轴渗流试验机,进行了恒定轴压卸围压、增大轴压卸围压、轴压围压同时卸载等3种不同加卸载条件下的分阶段卸围压煤样瓦斯渗流试验。试验结果表明:试验中煤样的变形具有明显的阶梯状特性,煤样未破坏时,应变增量随着围压卸载速率的增大而增大。随着围压的卸载,恒定轴压卸围压组和增大轴压卸围压组煤样的偏应力不断增大,其渗透率则呈现出先减小后增大的趋势,而轴压和围压同时卸载组煤样的渗透率则随着围压的卸载,呈现出不断增大的趋势。煤样体积应变变化量较大时,渗透率变化量也大。从能量的角度分析渗透率的变化,发现煤样渗透率均随能量耗散率的增大而呈指数增大。

模拟储层条件下突出煤的导电性质研究

研究了模拟储层条件瓦斯突出煤的导电性质 ,得到了瓦斯突出煤在不同储层条件下的电阻率变化特征 ,为研究瓦斯突出地球物理场的电磁波响应特征提供了基础。

有机粘土复合膜——地勘中突出煤的一种超微结构判别标志

发现在扫描电镜下突出煤有明显的超微结构特征——有机粘土复合膜,它是外部力和内部结构共同作用的产物。煤的机械降解作用有利于其成烃和富烃。

大直径钻孔在突出煤层大采长工作面的应用

寺家庄公司是典型的煤与瓦斯突出矿井,主采的15号煤层透气性系数偏低,针对综采工作面回采期间瓦斯涌出量大、瓦斯治理难度大等问题,对15号煤层大直径钻孔模型、抽采效果进行研究分析,改进钻机抽采设备,提出大直径钻孔瓦斯抽采技术治理工作面瓦斯,取得了明显的瓦斯治理效果。

延迟突出煤吸附甲烷特性的研究

采用容量法对延迟突出煤吸附甲烷的特性进行了研究，结果表明：吸附常数ａ较大且ｂ较小时，易发生延迟突出；延迟突出煤的吸附／解吸动力学过程遵从吸附／解吸－扩散控制模型等，延迟突出煤样的放散能力较弱，导致了煤瓦斯突出的延迟。

煤与瓦斯突出煤层群安全高效开采技术体系与展望

为了解决淮南矿区煤与瓦斯突出煤层群条件下复杂煤层赋存、多源瓦斯涌出、重复开采扰动、多头面生产准备等制约安全高效开采难题,通过分析煤与瓦斯共采技术原理,结合不同的煤与瓦斯赋存特点,对常规的开采上、下保护层瓦斯治理模式进行优化,提出重复开采下保护层远程泄压、开采近距离上保护层抽采瓦斯和顺序向上(下)开采依次保护3种煤与瓦斯共采改进模式,形成"采前、采中、采后"、"本煤层、邻近层、采空区"、"井下、井上"立体抽采瓦斯技术,以及无煤柱开采、突出危险保护层消突、岩巷快速施工、钻孔防喷及增透抽采、地面钻井施工、薄煤层开采装备等配套关键技术。统筹掘进、打钻、抽采、开采等安全生产工作,总结出准备区、治理区、开采区"三区"生产组织方式,从时间、空间上部署多煤层多头面多工序合理有序施工。应用结果表明:突出煤层群可以在低瓦斯状态下安全高效开采,能够建成特大型煤与瓦斯突出井工矿井。最后,针对深部开采面临的灾害治理工程量大、周期长、用工多、成本高等问题,给出了地面钻井治理瓦斯与水害技术思路、高瓦斯自燃煤层无煤柱无巷采煤攻关方向和智能矿山建设设想,并指出探索地面钻井治理灾害新技术、推广无煤柱无巷采煤新工法、研发智能化无人开采新装备是未来的创新方向。