煤体瓦斯吸附解吸与压裂渗流全过程真三轴试验系统研发与应用

我国大部分矿区煤层渗透率较低,压裂是目前煤层增透的有效方法之一,可强化煤层瓦斯解吸渗流效应。为进一步研究煤体瓦斯吸附解吸与压裂前后渗流特性,自主研发煤体瓦斯吸附解吸与压裂渗流全过程真三轴试验系统,开展真三轴应力条件下煤体瓦斯吸附、解吸、渗流及水力压裂试验。该试验系统主要由高压腔体、应力加载及控制系统、注气-吸附-解吸系统、压裂系统、测试系统和数据采集及控制系统等组成,试件尺寸300 mm×300 mm×300 mm,最大加载应力30 MPa,最大注气压力20 MPa,水力压裂系统承压能力≤80 MPa,密封高压腔主体材质为42CrMo锻钢,具有良好安全性及密封性能。结果表明:瓦斯在三轴应力煤体(σ_(1)=10 MPa,σ_(2)=8 MPa和σ_(3)=6 MPa)中最大吸附量约6.50 cm^(3)/g,最大主应力(σ_(1))方向煤体最大应变量4.48×10^(-3),中间主应力(σ_(2))方向最大应变量4.90×10^(-3),吸附特征及形变特征均符合Langmuir型变化规律;解吸过程中,煤体瓦斯累计解吸量随解吸时间变化呈指数型增长,解吸速率随时间呈指数型衰减趋势,且煤体最大主应力方向残余形变量小于中间应力方向;水力压裂作用下煤体沿着最大主应力方向破裂,最大起裂压力为15.31 MPa,煤体压裂前渗透率为(0.005~0.023)×10^(-15)m^(2),压裂后为(0.028~0.163)×10^(-15)m^(2),增加4.34~6.06倍,煤体渗透率与有效应力呈负指数关系。该系统可为煤层瓦斯抽采及压裂增透技术提供一定试验基础。

采动力学与岩层控制关键理论及工程应用

研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采、保障能源稳定供给具有重要意义,是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害(围岩变形、冲击地压等)频发,其形成-演化-发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰动和能量演化密切相关。基于实用矿山压力控制理论,提出并阐述了采场岩层控制进展与控制准则,建立了定量分析的力学模型和设计方法,发展了针对性的岩体灾害控制技术,并创新研制了配套试验研究装备。采动力学与岩层控制理论将岩层控制分为采场岩层控制和巷道围岩控制;提出控制或利用采动岩层运动改变致灾条件,给出“给定变形”和“限定变形”准则;调控“3S”因素准则(围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构)改变围岩自稳能力。以岩体灾害控制为目标,提出了以“应力主控”为核心的释能主控技术;建立了岩体灾害控制大小原理和弱面判据(安全系数K、冲击危险性系数U);研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统,实现了实验室尺度还原采动力作用下岩体变形-破裂-运动过程,为研究采动力作用下岩体力学响应提供了试验装备;分别从采场岩层控制、地质软岩巷道控制、工程软岩巷道控制及冲击地压控制4个方向进行了工程案例研究,相关研究成果在工程应用中得到了验证。

无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统研制与工程应用

切顶卸压无煤柱自成巷技术是一种新型煤炭开采方法,利用矿山压力做功与岩体碎胀特性自动形成巷道,实现了煤炭开采无巷道掘进、无煤柱留设。为深入研究无煤柱自成巷开采全过程的覆岩运动机制、矿压显现规律与自成巷变形破坏机制,自主研发了切顶卸压无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统,由反力液压加载系统、自动采煤成巷系统和高精实时监测系统组成。试验系统配备无煤柱自成巷推采、切缝、成巷等核心工艺的成套模拟试验装置,实现无煤柱自成巷采掘留一体化开采全过程的真实模拟与完整工作面矿压规律的监测分析,通过组合式反力装置,可开展5.5 m×2.4 m×3.0 m(长×高×宽)以内不同尺寸模型体的地质力学模型试验。以我国首个N00工法工作面——柠条塔煤矿S1201–II工作面为工程背景,利用该试验系统开展了无煤柱自成巷工艺中最复杂的N00工法的三维地质力学模型试验,揭示了N00工法开采的矿压显现规律,得到了自成巷围岩变形控制机制,明确了自成巷关键破坏部位,提出了相应的工程建议,指导了现场设计与应用。现场试验与模型试验结果相一致,验证了模型试验系统研发与应用的合理性与有效性。