Mechanism and control of water seepage of vertical feeding borehole for solid materials in backflling coal mining

To solve the problem of water seepage of vertical feeding borehole for solid materials,we established the fluid-solid coupling dynamic model of groundwater flowing in rock mass adjacent to the vertical feeding borehole.Combining with the engineering geological conditions,we built a numeral model to study the influence rule of the aquifer hydraulic pressure and seepage location of feeding borehole on the amount of seepage with fnite element numerical method.The results show that the nonlinear relationship is presented among the amount of seepage,the seepage location and aquifer hydraulic pressure.The higher the aquifer hydraulic pressure is,the closer the distance between seepage location and aquifer is,and the faster the harmful levels of aquifer will grow.In practice,we calculated the allowable seepage of feeding borehole by the optimum moisture content and natural moisture content of backflling materials,and then determined the protection zone of feeding borehole,so the moisture content of backflling materials can be controlled within the scope of optimum moisture content.

SCCO_(2)作用下不同含水性煤孔裂隙结构变化机制

深部煤层封存CO_(2)增产CH_(4)产出过程中,处于超临界状态的CO_(2)(SCCO_(2))与煤中矿物质发生反应,改变煤的孔隙性,进而影响煤层封存CO_(2)的效果和甲烷增产效果。为发现SCCO_(2)–H_(2)O–煤岩作用对煤中孔隙的影响特征,以焦煤为研究对象,开展了不同含水条件下的超临界CO_(2)改造煤实验,基于矿物组成和孔隙性测定结果,对比煤中主要矿物质和不同尺度的孔裂隙变化的差异,探讨了不同含水状态下SCCO_(2)流体对孔裂隙性的作用机制。研究表明:①SCCO_(2)作用后,煤体表面粗糙、疏松,且由于矿物溶蚀使得一些裂隙得到贯通,微裂隙连通性增强。②SCCO_(2)流体对煤具有“扩孔”作用,表现为微、小孔含量下降,中、大孔占比升高,也即微、小孔隙向大孔隙的转化,且孔隙连通性改善;进一步发现,萃余煤吸附孔的分形维数稍微增加,粗糙度增大,而渗流孔的分形维数显著降低,复杂性和非均质性降低。③SCCO_(2)对煤中碳酸盐类矿物的溶解性最好,其次是黏土矿物,且随着含水率增加,萃余煤中的碳酸盐矿物占比先增加后减小。SCCO_(2)使干燥基态、饱和水态煤样中碳酸盐矿物显著溶解,有效改善了孔隙结构,且对饱和水态煤样作用效果更好。空气干燥基态煤样经SCCO_(2)作用后,新生成的白云石矿物聚集在孔喉中造成堵孔效应,缩小原有大孔隙尺寸,是引起不同含水性煤孔隙差异性变化的主要原因。

水分对CH_(4)和CO_(2)在煤中竞争吸附特性影响研究

为研究水分对CH_(4)和CO_(2)及混合气体在煤中竞争吸附的影响,通过自主研发的含瓦斯煤多元气体竞争吸附试验系统进行不同含水率煤对CH_(4)和CO_(2)单组分吸附研究,试验结果表明:水分并没有改变CH_(4)和CO_(2)等温吸附曲线的基本规律,在相同条件下,水分也未影响煤对单组分气体吸附能力的排序,始终是煤对CO_(2)的吸附能力大于对CH_(4)的吸附能力。相同条件下,水分对CH_(4)的抑制率大于CO_(2)吸附量抑制率,说明水分对煤吸附弱吸附性气体的抑制程度更大。在进行水对混合气体的竞争吸附影响研究试验,发现:当注入煤体的气体比例保持不变时,在同一吸附平衡压力下,混合气体的吸附总量随着水分含量的升高而降低,并且吸附平衡后的CH_(4)吸附量和CO_(2)吸附量都随着煤体中水分含量的增大而减小;而当含水率不变时,同一注气比例下的气体吸附平衡压力越大,吸附平衡后的CH_(4)吸附量和CO_(2)吸附量越大。游离相中的CO_(2)的体积分数始终低于气源,而CH_(4)体积分数始终高于气源。不同条件下CO_(2)/CH_(4)选择系数的数值均大于1,范围处在4.8~5.4,煤对CO_(2)的吸附亲和能力大于CH_(4)。相同组分混合气体吸附条件下,CO_(2)/CH_(4)选择系数均随着试验煤样含水率变大而降低。该研究进一步完善影响煤对气体吸附的因素的理论分析,以及为工程实践为井下注气促抽瓦斯技术提供理论依据。

含水率影响下煤样拉伸与压缩力学特性试验

为揭示含水率对煤样拉伸与压缩力学特性的影响,选取韩家洼煤业公司22号煤层煤样,开展不同含水率和围压下煤样的巴西圆盘劈裂试验、单轴压缩试验以及三轴压缩试验,探究含水煤样的力学变化特征。结果表明:煤样的强度、弹性模量随含水率增加呈指数函数降低,煤样达到饱和状态时,其强度下降了48.3%,弹性模量下降了37.6%;随着含水率的增加,煤样的塑性增强,试样容易破碎;三轴压缩下,围压升高煤样破坏的峰值有所提升,煤样的强度提高,但不同围压状况下含水煤样的强度明显低于干燥试样;含水率对于煤样的内摩擦角影响较小,但对煤样的黏结力有显著影响。

煤仓散煤流动特征离散元仿真及实验研究

大型煤仓的堵塞具有普遍性。虽然目前提出了多种煤仓堵塞防治方法,但这些方法的技术实现尚缺少理论和数据支持,煤仓防治堵塞设备的安装及使用仍具有盲目性。基于煤仓中的散煤颗粒相互作用的力学特征,采用离散元方法建立了煤仓中散煤流动特征的仿真模型,模拟研究了散煤在煤仓中的流动特征。基于相似理论,搭建了煤仓实验系统,实验研究了煤仓中的散煤流动特征。结果表明,干燥散煤具有较好的流动性,煤流呈现出漏斗流特征。随着散煤含水量的增大,其流动性逐渐变差。当含水量为3%时,煤仓中散煤的块体流体特征十分明显,卸料口上方形成了拱形,煤仓内散煤丧失了流动性。煤粒的尺寸越大,在煤仓中的流动性越差。因此,必须从煤粒尺寸、含水量和仓筒结构等多个方面共同探究煤仓内散煤的堵塞机制,才能从根本上解决煤仓堵塞问题。

不同含水状态下煤样蠕变实验研究

通过保持结构完整性浸水装置、X射线衍射仪及电液伺服加载煤岩体三轴蠕变渗流实验平台,实验得到上湾煤矿煤样的饱水曲线、不同含水状态下微观组分变化及蠕变特征。实验结果表明:煤样含水率与浸水时间呈负指数函数关系,含水率变化可分为加速增长、减速增长及稳定3个阶段;1次饱和过程中,随着含水率增加,煤样石英含量几乎保持不变,而高岭石等黏土矿物含量在这一过程中减少较多;干湿循环过程中,煤样石英含量衰减与循环次数成正比;随着含水率及干湿循环次数增加,煤样进入稳态蠕变及加速蠕变所需轴向荷载降低。

矿山煤岩层含水率探测方案在巷道掘进中的应用

针对传统矿山煤岩层含水率探测技术在隐伏水源空间位置探测方面精度较低,易使煤矿发生水害事故,严重影响煤矿企业安全高效生产的问题,采用并行电法+双巷三维电阻率反演技术对煤矿水文地质与工程地质进行探测研究分析。通过电法探测基础原理分析、煤岩层含水率探测方案整体设计、双巷三维电阻率反演数据处理研究及矿山煤岩层含水率探测方案应用分析,完成了煤矿煤岩层含水率探测方案研究,通过对比A煤矿探测结果与后续生产数据与记录,发现矿山煤岩层含水率探测数据准确率达到98%,符合相关矿山煤岩层含水率探测要求。

全固废基固化剂对高含水率淤泥土性能的影响研究

为实现对地下工程及海洋工程中的高含水淤泥土的资源化利用,并协同利用大宗固体废弃物,本研究采用活化煤矸石、粉煤灰、矿粉和激发剂等大宗固废制备固化剂,研究了固化剂组成及比例对固化剂工作性和力学性能的影响规律,确定了最优配比为30%活化煤矸石、20%粉煤灰、50%矿粉与激发剂。采用最优配比制备的固化剂可有效固化高含水率(100%)的淤泥,当固化剂掺量从10%提升至15%时,固化土的强度提升幅度最大(28d无侧限抗压强度达1.58MPa),固化后淤泥具有良好的工作性、力学性能和抗渗透性能。

不同含水率下煤岩组合体力学特性损伤规律研究

浅埋富水煤层长期受覆岩导水裂隙中地下水渗流侵蚀影响,矿井留设隔水煤岩柱及阶段间柱在水岩作用下产生力学损伤劣化。开采活动进一步加快损伤进程,并直接关系到工作面的稳定及安全生产。以陕西榆林锦界煤矿煤岩体为研究对象,制成砂岩-煤-砂岩(S-M-S)组合体,开展不同含水率条件下单轴压缩试验,揭示水岩作用下煤岩组合体的含水率变化规律、力学行为演化特征和声发射损伤规律,基于电镜微观扫描图像,分析水岩作用下组合体内部结构损伤劣化机理。研究结果表明:煤岩组合体吸水速率随着浸水时间的增加不断降低;水岩作用对煤岩组合体抗压强度和弹性模量有明显的劣化效应,组合体弱余强度随含水率增加不断降低,强度损伤速率随着含水率的提高不断加快;组合体的声发射计数和累计计数在水岩作用下衰减明显,并伴随组合体损伤破坏整个过程;水岩作用致使组合体内部结构原生链钝化,裂隙扩展,破裂形式发生明显改变。研究结果可为采动影响下煤岩矿柱水害预测评价提供指导。

薄煤层高水充填沿空留巷围岩控制技术应用

为安全高效回收煤柱资源,以中兴煤业3207保护层工作面地质条件为背景,采用现场试验方法,确定了沿空留巷高水充填方案,对充填体大小、充填系统以及流程进行了设计,同时制定了3207运输巷支护设计方案,采用锚杆+锚索+W钢带+单体柱棚联合支护技术保证留巷稳定性。根据留巷内矿压监测结果,顶底板移近量最大为86 mm,变形以底鼓为主,巷帮变形量最大为58 mm,围岩变形均在可控范围内。

考虑含水率影响的煤岩变形及渗透率模型

煤矿开采深度不断增加,煤层瓦斯含量升高导致动力灾害逐渐增多,给煤矿安全开采带来严峻考验。对于瓦斯在煤层中流动的研究一直以来都备受关注,其中渗透率正是影响煤层中瓦斯流动的关键参数之一。因此,为准确模拟开采环境变化导致的煤岩变形及渗透特性变化,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,开展不同含水条件下孔隙压力升高过程中煤岩渗透特性的试验研究,建立考虑含水率的吸附方程和吸附-渗透率模型,探讨含水率和孔隙压力共同作用对煤岩变形及渗透特性的影响。研究结果表明:①孔隙压力升高过程中,径向应变及轴向应变随孔隙压力的升高均呈降低趋势,瓦斯流量的变化呈上升趋势,煤基质由于吸附瓦斯产生膨胀变形,体积应变逐渐减小。②当含水率恒定时,随着孔隙压力的升高,瓦斯吸附量随孔隙压力增大先增大而后趋于平缓,产生的吸附变形的变化趋势与其相同;当孔隙压力恒定时,煤岩的吸附量和吸附变形均随着含水率的增大而减小。③在恒定含水率条件下,煤岩渗透率曲线随孔隙压力的升高先减小后趋于平缓;而在相同的孔隙压力条件下,随含水率的增加,煤岩渗透率整体逐渐减小,而且含水率越大孔隙压力对渗透率的影响越弱,水分子对渗透率的影响越强。④构建了考虑含水率的吸附量计算方程,并在此基础上进一步构建考虑含水率煤岩吸附-渗透率模型,其中所计算的渗透率值与试验所测结果基本一致,反映了煤岩渗透率变化规律。

含水率对煤与瓦斯突出强度影响的试验研究

为了获得含水率对煤与瓦斯突出强度的影响规律,利用自主研发的大型煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统,在恒定瓦斯压力、轴向应力及煤样成型压力等条件下,进行了不同含水率煤体的煤与瓦斯突出模拟试验;同时提出了包含突出煤量和最远突出距离二元信息的数学方程,用于表示煤与瓦斯突出的相对突出强度。试验结果表明:自主研发的大型煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统的试验结果和现场煤与瓦斯突出实际状况相吻合;在轴压8 MPa、瓦斯压力0.8 MPa试验条件下,得出了含水率和相对突出强度呈二次曲线关系;煤体的含水率愈大,则相对突出强度愈小,发生煤与瓦斯突出的可能性也越小。

考虑水分影响的煤层气吸附及渗透机理

为定量分析水分含量和孔隙压力变化对煤层气渗流特征的影响,采用ASAP2020型比表面微孔分析仪进行低温液氮吸附试验,并通过等温吸附装置和三轴伺服渗流装置进行不同含水率条件下的煤岩吸附和渗流试验。在此基础上,建立考虑煤岩水分含量影响的吸附模型和煤层气渗透率模型,采用试验数据验证其合理性。结果表明:在液氮吸附试验中,当相对压力较小时,煤岩吸附作用主要依靠范德华力;当相对压力较大时,其吸附作用则主要为毛细凝聚。在相对压力变化过程中,氮吸附量随相对压力的增大呈增大趋势,同时在相对压力较小时液氮脱附曲线与吸附曲线重合,且存在显著的吸附滞后现象。当煤岩中水分含量相同时,煤层气吸附量随孔隙压力的增大先增大后趋向于平缓,而当孔隙压力恒定时,煤层气吸附量随水分含量的增大呈减小趋势。在吸附作用的影响下,煤岩表面吸附变形量与煤层气吸附量的变化趋势一致。在水分与吸附作用综合作用下,煤岩渗透率随孔隙压力的增大呈先减小后趋于平缓的趋势。当孔隙压力恒定时,煤岩渗透率随水分含量的增大显著减小。基于吸附理论,建立考虑水分影响的煤岩吸附模型及吸附变形表达式。综合考虑水膜及其分离压的影响,进一步构建考虑煤层气吸附-水分耦合作用的煤岩渗透率模型。模型计算值与试验数据具有一致性,可较好地表征煤岩在不同含水量条件下的渗流规律。

煤与瓦斯突出模拟试验研究

以自行研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统为手段,对其可靠性进行试验验证,并对不同含水率煤体发生煤与瓦斯突出时突出强度变化规律进行模拟试验研究。结果表明:研制开发的大型煤与瓦斯突出模拟试验系统的模拟试验结果与煤与瓦斯突出事故实际较吻合,且系统可靠性较好;随着含水率的升高,煤体发生煤与瓦斯突出的可能性减小,煤与瓦斯突出强度也呈减小趋势;在试验煤体含水率情况下,含水率与煤与瓦斯突出强度呈二次曲线关系。

太赫兹波穿透煤层的衰减特性

研究了煤层对太赫兹前端频率附近的电磁波(75~750 GHz)的衰减特性,经过测量太赫兹前端频率附近的电磁波垂直入射煤层前后的能量,并通过理论公式计算得到同一煤层对75~750 GHz频率范围的电磁波衰减值以及不同湿度、不同地区煤层对W频段(75~110 GHz)电磁波的衰减值。研究结果表明,同一煤层对不同频率的电磁波的衰减为5.02~43.49 d B/cm;不同湿度情况下煤层对110 GHz电磁波(W频段内)的衰减为5.88~47.65 d B/cm。频率越高或者是煤含水量越大,煤层对电磁波的衰减值就越大;同时也得知了不同地区煤层的衰减也存在着差异。

电荷感应法检测煤层注水防冲效果研究

为了探究电荷感应法检测煤层注水防冲效果,采用试验方法开展了不同含水率煤样单轴压缩破坏电荷规律的研究。理论分析了水对煤样物理力学性质和煤样产生电荷信号特征影响的规律,并对现场煤层注水过程进行了电荷感应现场监测,分析了注水前、中、后电荷信号变化规律以及产生原理。研究结果表明:水的存在减弱了煤样内部颗粒之间的摩擦作用,促进了微孔裂隙的增长与发育,导致水对电荷信号的产生起到弱化作用,出现有应力降而无电荷信号产生以及电荷信号滞后的现象;随含水率增高,煤样电荷均幅呈指数函数递减趋势;得到了煤样电荷均值与含水率的关系式,进而得到耿村煤矿符合煤层注水防冲要求的含水率增量对应的电荷降幅理论百分比为50.13%。由此可根据现场煤层注水前、后电荷降幅实际百分比与理论百分比相比较,就可对煤层注水防冲效果进行初步评价;现场监测结果表明煤层注水前和注水过程中,监测的电荷幅值较大,注水后电荷幅值与注水前相比降幅为52.65%,大于试验室理论结果,符合煤层注水要求。因此,电荷感应方法可以用来检测煤层注水防冲效果,但还需要大量的试验室以及现场试验进行不断的修正和完善。

煤中水分在特定环境下析出特性试验研究

在试验室条件下设计出一套简易模拟装置,通过改变环境参数(温度、气压)考察煤水分析出速率受环境变化的影响。研究结果表明,在环境温度恒定条件下,降低环境空气压力(提高环境真空度)至该温度下水分饱和压力以下时,随着两者差值的加大,水分析出速率增大;在环境气压恒定条件下,提高环境温度至该气压下水分饱和温度以上时,随着两者差值的加大,水分析出速率增大;煤中水分的析出速率受环境中水蒸气浓度的影响,在常压状态下,保持环境中空气的流动能及时携带走煤表面的水蒸气,有利于煤中水分的析出。

煤层原始含水率对煤与瓦斯突出危险程度的影响

运用自主研发的"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",进行了恒定瓦斯压力和围压条件下,不同原始含水率含瓦斯煤样全应力-应变瓦斯渗流试验,结合现场实测煤层注水前后瓦斯涌出量的变化规律。研究结果表明:随着煤样原始含水率的增加,煤样的三轴抗压强度减小,弹性模量减小,三轴抗压强度处轴向应变增大、横向应变和体积应变的绝对值增大;在全应力-应变整个过程中,煤样的甲烷有效渗透率都减小。从煤的力学特性和瓦斯在煤层中流动两个方面分析了煤层注水的防突作用。煤层原始含水率越高,发生煤与瓦斯突出的危险性越小。可将煤层的原始含水率作为判断煤与瓦斯突出危险程度的一个重要指标。

自动卸煤车卸料时间的离散元分析

为提高自动卸煤车的卸煤效率,需要对煤粉在车内的流动特性及相应的卸煤时间进行深入研究.采用离散元方法对自动卸煤车的卸煤过程进行了数值模拟,确定了不同含水量下的卸煤时间.为确定离散元模型在煤粉流动分析中的有效性,采用煤粉在筒仓内的流动试验进行了模型检验和计算参数的确定.在此基础上对自动卸煤车内煤粉的流动过程进行了离散元分析,讨论了含水量对卸煤时间的影响.计算结果表明:当含水量相对较低时,受颗粒间液桥力的影响,卸煤时间随含水量的增加而增加;当含水量超过临界值后,颗粒间液桥断裂,颗粒间水分润滑减小了摩擦力,卸煤时间随含水量的增加而减小.

煤矿开采对矿坑周边植被覆盖度、生物量、土壤水分和地下水位的影响

为研究内蒙古锡林郭勒草原胜利煤矿开采对矿坑周边草地的植被覆盖度、地上生物量、土壤水分和地下水位的影响,采用野外定位监测,调查了植物覆盖度、地上生物量、土壤水分和地下水位的变化情况。结果表明:以露天煤矿开采坑和排土场为中心,随着远离煤矿开采坑距离的增加植被覆盖度逐渐增高,煤矿开采对于植被覆盖度的影响范围在4.0km以内,植物生物量也同时出现增加现象,煤矿周边受影响草地的生物量比对照区(未受煤矿影响)生物量减少13%~36%。煤矿开采对周边草地水平方向的土壤含水量的影响无显著性差异,土壤含水量在垂直方向上差异显著。受煤矿开采抽排疏干水的影响,矿区周边地下水位整体呈下降趋势。