DETECTION OF IGNEOUS BODIES IN HUAIBEI COAL MINESBY HIGH RESOLUTION MAGNETIC SURVEY

The present paper investigates the application of high resolution magnetic survey to detecting igneous bodies. The slight difference in magnetism between igneous bodies and their surrounding rocks is measured first and then the magnetic survey data are processed to determine whether there exist igneous bodies by analog among several measuring lines, and finally the modified Marquart inversion was used to determine the occurrence and distribution of the igneous bodies.

基于正交设计的大比例模型采场煤体相似材料配比试验研究

针对传统模型材料难以满足大比例模型采场材料需求,结合大比例模型相似模拟试验特点及相似理论,以陶粒、河沙、粉煤、水泥和石膏为原料,设计正交试验,测试试件的物理力学等参数。结果表明:大比例模型采场材料基本特征为低容重、高强度。煤体材料密度随陶粒/骨料比值的增大而减小,抗压强度和抗拉强度随陶粒/骨料、水膏比的增大而减小,随水胶比的增大而增大,弹性模量、黏聚力和内摩擦角随陶粒/骨料和骨胶比的增大而减小。通过多元线性回归分析反算大比例模型采场煤体相似材料配比模型,并通过试验得到不同尺寸试件各试验指标误差在20%内波动,证实了该配比模型的可靠性。

建筑物下特厚煤层镁渣基全固废连采连充开采技术与实践

我国建筑物下压煤量巨大,同时煤矸石、粉煤灰等煤基工业固体废弃物排放量日益增加,严重制约地方经济社会发展。以榆林麻黄梁煤矿为试验矿井,针对其特厚煤层、建筑物下压煤、充填成本高等问题,提出了特厚煤层全固废连采连充开采技术。采用四阶段工序并将特厚煤层分为上、下2部分二次回采压覆煤炭,最大程度控制地面沉降。为降低充填原材料成本,采用化学优化剂对镁渣进行源头改性,抑制镁渣冷却粉化,稳定水化活性,协同粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废,研发了改性镁−煤渣基胶凝材料。采用改性镁−煤渣基胶凝材料胶结煤矸石、粉煤灰制备了全固废充填材料。针对麻黄梁煤矿四阶段强、弱充填强度要求,设计不同配比的改性镁渣基充填材料试验,优选配比并应用于井下充填。论述了膏体充填系统与充填接顶方法。麻黄梁煤矿全固废胶结充填工艺试验显示,井下28 d龄期充填体钻芯平均单轴抗压强度超设计强度27%,钻芯浸出毒性满足相关国家标准要求,成功回收了建筑物下压覆煤炭资源,社会经济效益显著。麻黄梁煤矿特厚煤层全固废胶结充填开采实践为国内类似矿井提供了有益借鉴,同时为我国大型煤炭基地的“煤−电−化−冶”固废大规模资源化利用提供了新的思路。

煤矿采动影响体微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同充填关键技术

煤矿采空区是我国实现“双碳”目标的重要突破口,煤炭开采形成的、能够富集煤层气、为后期微生物活动和矿化充填提供底物和空间的地质体定义为采动影响体。以采动影响体为研究对象,提出了采动影响体微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同矿化充填关键技术,并从必要性和可行性2个方面阐述了该技术在采动影响体资源二次开发、CO_(2)安全封存以及燃煤电厂粉煤灰固废高效处置等的广阔前景。其总体思路是将采动影响体作为一个厌氧发酵“工厂”,高产高效产甲烷菌群作为“劳动者”对“工厂”已有的原材料——残煤、薄煤层和分散有机质以及注入的CO_(2)进行加工,其“产品”是甲烷,进而实现微生物采残煤和CO_(2)资源化。同时,CO_(2)与碱性的粉煤灰结合,在实现了CO_(2)矿化封存的同时,也实现了采动影响体的充填。该技术涉及的关键科学问题包括采动影响体类型划分与有机质特征、采动影响体原位条件下厌氧发酵产甲烷机制、微生物-CO_(2)-粉煤灰协同矿化/固化机制以及微生物采残煤与充填关键技术示范工程建设。实验室物理模拟采动影响体原位条件实验表明其中残煤和富含有机质的泥页岩能够在微生物作用下生成生物甲烷,且添加少量的粉煤灰能够进一步强化甲烷的产出。物理模拟地下水补给的动态实验表明营养物质的补给对厌氧发酵系统的影响尤为重要,补给循环周期为14 d的厌氧发酵系统恰与产甲烷菌群繁殖的周期一致,能够保证厌氧发酵系统的持续高效运行。高钙粉煤灰-CO_(2)-矿井水协同胶结的试件经过28 d的养护后抗压强度为12.31 MPa,其矿化封存潜力约为21.99 m3 CO_(2)/t(粉煤灰),说明粉煤灰在实现采空区固化的同时能够实现CO_(2)减排。此外,基于微生物采残煤与粉煤灰充填目的对工程试验靶区进行优选,地下水滞留区是CO_(2)矿化和粉煤灰充填的最佳场所,因采掘活动自然形成的自然圈闭和人工充填形成的圈闭是较有利的工程试验靶区之一。针对这些靶区提出了微生物采残煤与CO_(2)-粉煤灰协同充填关键技术,旨在为中国碳减排和采空区生态环境治理提供一条新的技术路径。

鄂尔多斯盆地北部直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式

近十几年来,鄂尔多斯盆地北部煤矿开采频频受到了直罗组地下水的威胁,甚至出现了突水事故。区内以直罗组地下水为充水水源的大水矿井连片分布,且与直罗组古河道砂体关系密切。为阐释神府南区直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式,在直罗组古河道砂体空间分布及其对地下水赋存控制作用研究的基础上,从研究区尺度、井田尺度和工作面尺度,分析了直罗组古河道砂体与矿井涌水的关系,提出了直罗组古河道砂体下矿井涌水模式。结果表明:神府南区直罗组古河道冲刷带沿红碱淖—尔林兔—锦界一线发育,冲刷带内延安组第5段几乎被冲刷剥蚀殆尽,在局部地区延安组第4段也遭受了冲刷。根据砂分散体系分析和隔水岩组发育特征,将冲刷带内充填沉积的古河道砂体分为3级。直罗组古河道砂体富水性的强弱主要受控于砂体规模、物性特征和风化作用,一级砂体(主河道)区域富水性强于二级砂体(分支河道)及三级砂体(三角洲间湾、分流间湾)区域,当砂体遭受风化后,其富水性将进一步增强。基于不同尺度下砂体分级、风化砂体厚度与矿井涌水关系的分析,提出了研究区东部现阶段古河道砂体下生产矿井的3种涌水模式。强涌水模式,主要位于一级砂体分布区,风化砂体厚度一般≥30 m。中等涌水模式,主要位于一级砂体的边缘或二级砂体区域,风化砂体厚度一般10~30 m。弱涌水模式,主要位于三级砂体区域,风化砂体厚度一般<10 m。

单轴冲击荷载下煤体损伤及破坏特征分析

为探究单轴冲击荷载下煤体损伤破坏特性及演化规律,采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)装置,通过调节储气室气压值,获得煤样在5 m/s冲击速度下的动力学响应结果,并以此为主要参考依据,确定模型细观物理力学参数;利用PFC3D软件,进行了在单轴冲击荷载作用下,含不同角度的闭合和非闭合直裂隙(0°、30°、60°、90°)的煤体在5 m/s冲击速度下,以及不含裂隙煤体在不同冲击速度下损伤破坏过程的数值模拟试验;探究了单轴冲击荷载下,冲击速度、裂隙分布角度等因素对煤体损伤破坏特征的影响。试验结果表明:冲击速度较低的时候,煤样主要遵循变形破坏准则,当冲击速度增长到一定程度时,则主要遵循强度破坏准则;裂隙通常由4个角和裂隙的尖端等介质突变处产生,呈现“V”形或“X”形扩展趋势,最终呈现出X形破坏带;煤样内外层呈现出不同的破坏形式,内层较于外层更接近三向应力状态,因此更容易发生剪切破坏,而外层就更容易发生拉伸破坏;总的来说,在单轴冲击荷载作用下,煤样主要破坏形式为拉伸破坏。

循环水岩作用下煤岩组合体力学响应及劣化机制

煤矿地下水库的建立解决了我国西部干旱-半干旱生态脆弱区的缺水问题。地下水库不断进行着蓄水-抽水,地下水库水位的反复升降对水库坝体产生反复损伤作用,而半煤岩坝体、煤岩夹矸坝体为地下水库常见的坝体。基于此,设计进行了不同“干燥-饱和”循环次数的砂岩-煤组合体不同围压下的轴向压缩试验,分析循环浸水作用下煤岩组合体力学特性劣化规律和劣化机制。结果表明:(1)随着循环次数的增加,组合体的饱和含水率逐渐增大。饱和含水率与循环次数呈对数关系。(2)随着循环次数的增加,应力-应变曲线压密阶段增长,弹性阶段斜率减小,峰值应力降低,峰值应变增大,屈服阶段愈加明显,应力跌落变缓。(3)随着循环次数的增加,组合体抗压强度逐渐降低,循环1~3次,抗压强度劣化幅度较为明显。抗压强度阶段劣化度具有非均匀性。(4)循环1~5次,黏聚力下降了70.87%,内摩擦角下降了60.65%。(5)循环1~3次,组合体弹性模量下降了53.06%,变形模量下降了61.10%。(6)循环浸水作用下,试样微观裂纹逐渐发育,矿物颗粒由原来的棱角分明的多边形向浑圆形逐渐发展,大的矿物颗粒逐渐崩解为小颗粒,颗粒间胶结作用逐渐弱化,由紧凑致密结构向松散软弱结构转变。(7)循环浸水作用下,水岩发生反复的物理、化学、力学作用,对煤岩产生反复损伤,最终导致宏观力学特性的劣化。

不同功率微波预处理煤样增透效果及能量变化研究

为探究不同功率微波下受载煤体渗透率及破坏变形能量演化特征,采用高压三维可视力学实验设备,开展不同功率微波预处理后煤样的三轴压缩渗流实验。结果表明:不同功率微波处理后煤样弹性模量呈现先降后升趋势,峰值应力与泊松比均呈现下降趋势;随微波功率增加,煤样更容易被压密,径向及体应力-应变曲线整体应变值变大,扩容膨胀现象更加显著;煤样渗透率随功率增加呈现上升趋势,符合对数函数关系;不同预处理煤样峰值应力处的总能量U与弹性能Ue总体呈下降趋势,煤样在弹性阶段积聚弹性能Ue的能力减弱;相同照射时间下相比200 W和600 W微波预处理,400 W微波预处理时各能量变化量明显变大,煤样耗散能Ud占总能量U比值最小,为24%。研究成果可为微波致裂煤层促进瓦斯抽采研究提供参考。

不同温度-围压-气体压力下煤体蠕变-渗流演化规律

为实现深部煤层气的高效开采,通过研究不同温度、围压和气体压力下煤体蠕变变形和渗透率演化规律,得到多因素作用下煤体蠕变-渗流耦合关系;采用自行设计的岩石三轴蠕变-渗流装置,对焦煤进行多因素变量下的压缩蠕变-渗流试验。结果表明:温度与煤样的蠕变呈正相关性,随温度的增加焦煤煤样径向和轴向应变变化速率增大且高温(110℃)下这种变化会一直持续直至煤样破裂;围压强度3 MPa与4 MPa的焦煤煤样在温度30、70、110℃下其气体渗透率降低率最大和最小差值分别为7.8%、5.2%、6.5%和4.2%、2.1%、1.9%;焦煤煤样的渗透率最大降低率随着温度水平升高而增大,试验温度110、70、30℃下的焦煤煤样的气体渗透率最大降低率均值依次为91%、84.6%、73.25%。

微动探测方法在煤矿废渣调查中的应用研究

在废弃煤矿环境问题日益凸显的形势下,堆弃矿渣及煤矸石引起的各种环境问题急需解决。针对煤矸石堆积体调查中遇到的基岩埋深问题,首次提出利用微动探测方法进行探查,并在中国东南部某矿区进行了场地实验,实验中将微动探测方法与钻探相结合,采用标定-推断-验证的工作流程,进行煤矸石-基岩分界面探查工作。研究发现微动探测方法能够较为精确地探测煤矸石堆积体与基岩分界面位置,相较于钻探方法,微动探测方法具有灵活、经济、高效等优点。

A组煤底板灰岩地质异常体地震响应特征研究

淮南矿区A组煤的安全高效开采是保证华东地区能源供应的重要前提,准确掌握地下煤层的构造形态、发育情况是安全生产和减少事故发生的必要条件。以张集矿1613A工作面为工程背景,采用被动成像和噪声成像技术,对工作面顶底板的微地震监测资料进行分析,工作面已注浆治理的断层破碎带附近微地震事件较多,最深达到工作面下方约80 m的位置,有效验证了该断层破碎带的存在。通过反演的方法分析检波器中接收到的波形信号,获取工作面附近的波速场信息;利用西二、西三_(1)煤采区三维偏移数据体,计算了多种属性,研究了已揭示地质异常体的地震响应特征和属性特征,发现本区构造与地质异常体的研究需要特别注意蚂蚁体、最大曲率、最小曲率、局部异常、落差5个属性的指示作用。研究表明,以三维偏移数据体为基础,提取的各个属性对大断层均有显示,能够进行有效解释;对落差较小断层显示较好的属性是蚂蚁体属性和最大曲率、最小曲率、局部异常、落差属性。

沁水盆地柿庄北区块水平井开发方式地质适应性分析

针对柿庄北区块直井表现出达产率低、产量下降快、产能差异大的生产特征,通过对柿庄北区块43口探井、397口开发井进行详细剖析,并与潘河、柿庄南区块地质条件进行了对比分析。结果表明,埋深大、低渗透、煤体结构分布复杂是制约柿庄北区块开发关键地质问题。为了进一步明确柿庄北储层渗透低原因,对柿庄北、潘河、杨家坡区块煤心进行数字岩心扫描,发现柿庄北区块相对潘河、杨家坡区块储层孔裂隙数量都发育最少且孔裂隙连通性最差,并明确煤层演化过程是形成孔裂隙差异的关键因素。此外,结合地质剖析,开展了地质—工程一体化分析,明确直井压裂这种点状开发方式的不适应性,提出水平井开发方式适应埋深增大、煤体结构分布复杂、微观孔裂隙连通性较差的储层特征,并在柿庄北一体化二期显示出较好产气潜力。

余吾矿煤/岩层组合类型划分及压裂措施

为了划分煤/岩层水力压裂组合类型,以潞安矿区余吾矿3#煤层为研究对象,通过测井解释及力学测试得出顶板岩性及力学特征;采用取心井与测井相结合识别出煤层段的煤体结构;根据水力压裂计算地应力方法结合密度测井得出了地应力状态;由此划分出水力压裂煤/岩层组合类型,并提出了不同组合类型下的水力压裂措施建议。结果表明:研究区水力压裂煤/岩层组合类型可以划分为硬岩硬煤、软岩硬煤、硬岩软煤、软岩软煤组合的过渡型和拉张型等7种类型;硬岩硬煤组合类型时,采用大排量、多液量、低/中砂比、逐级加砂方式能营造出较长裂缝并能有效支撑;软岩硬煤组合时,应避射部分煤层,防止水力压裂裂缝进入煤层与软岩交界面,影响压裂效果;硬岩软煤拉张组合时,建议采用顶板水力压裂;进行硬岩软煤过渡型水力压裂时,根据水平应力与垂直应力的差值优化压裂参数;软岩软煤组合时,不建议采用水力压裂方式进行改造。

丰阳煤矿沿空掘巷煤帮瓦斯卸压范围研究

沿空掘巷技术可以提高煤炭资源利用率,降低巷道维修成本,减少掘进工作面局部防突工程量,促进矿井安全生产。为保证矿井煤与瓦斯突出防治做到科学合理,以丰阳煤矿11104回风巷煤层为研究对象,探讨了非稳定流场内掘进巷道煤壁内煤体瓦斯含量的变化趋势,计算了卸压带宽度。研究结果表明,经过排放瓦斯后的瓦斯含量降低区宽度可以用巷道宽度的3~4倍进行估算,11104回风巷沿空条带煤柱卸压带宽度至少13~16 m;沿空条带煤体有效卸压范围只包括破裂区和大部分塑性区,计算出丰阳煤矿11104回风巷沿空条带煤体的理论卸压宽度达20 m;确定11104回风巷沿空掘巷条带煤体有效卸压宽度达30 m, 11104回风巷下帮20 m范围内已消除煤与瓦斯突出危险性。

新型极性-非极性复合捕收剂对氧化煤泥的浮选试验研究

采用元素分析、工业分析、煤泥粒度分析等分析测试手段,分析了乌海能源公司骆驼山选煤厂难浮氧化煤泥的表面物理化学性质。氧化煤泥浮选试验表明,使用柴油作为捕收剂,对于氧化煤即使在柴油浓度达到1 200 g/t的情况下,也很难获得较高的精煤产率和可燃体回收率。而使用柴油分别与5种表面活性剂(KD、SDS、DTAC、OP-4、OP-13)进行复配作为捕收剂,对氧化煤泥进行浮选,发现其精煤产率和可燃体回收率均有显著提升。对比浮选试验结果,发现最佳的药剂制度为:柴油+KD总用量为800 g/t、比例为4∶1、起泡剂用量为100 g/t、浮选时间为3 min。对于单个煤种,按照上述药剂制度,精煤产率为20.33%、精煤灰分为11.20%,可燃体回收率为24.69%,对比单加柴油,提升精煤产率提高13.74个百分点,精煤灰分降低7.35个百分点,可燃体回收率提高17.28个百分点;对于配合煤样,当未氧化煤和氧化煤比例为4∶1时,精煤产率为58.99%,精煤灰分为5.93%,可燃体回收率为66.74%,对比单加柴油,精煤产率提高19.44个百分点,精煤灰分升高0.35个百分点,可燃体回收率提高22个百分点。研究发现柴油+KD复配作为捕收剂,在氧化煤泥浮选中具有提高精煤产率和可燃体回收率的显著效果。

煤柱-顶板结构能量演化特征及稳定性研究

煤矿事故的发生大多是由煤柱及其上覆顶板岩层失稳破坏引起的。为了研究不同煤-岩高度比对煤柱-顶板结构变形破坏及能量演化机制的影响,对煤-岩高度比分别为1∶3、1∶2、1∶1、2∶1及3∶1的煤-岩组合体进行了单轴加载及循环加卸载试验,研究了煤-岩结构体变形与能量演化之间的变化关系,利用加卸载响应比对煤-岩组合体的稳定性进行分析,对煤-岩组合体稳定性进行定量评价。结果表明:煤-岩组合体在单轴加载及循环加卸载作用下的峰值强度均随着煤-岩高度比的增加而逐渐降低,煤-岩组合体在循环加卸载作用下的峰值强度均低于单轴加载试验中的峰值强度,煤-岩高度比越大,循环载荷作用下组合体峰值强度降低率越小;组合体输入能、弹性能和耗散能随应力增加呈非线性增加,煤-岩高度比与组合体循环载荷过程中产生的平均弹性应变、平均弹性能、平均残余应变、平均耗散能、总残余应变和加卸载响应呈正比关系,与总弹性应变、总弹性能和总耗散能呈反比关系。

连采连充膏体充填工艺系统设计与应用

针对查庄煤矿工业广场下压煤开采问题,设计了连采连充膏体充填工艺系统,给出了参与灰浆制作与矸石破碎处理设备的各项参数,在保证膏体质量的基础上实现了绿色充填。采用充填工业泵对膏体进行泵送,充填巷道上端口采用喷射机进行上三角密封,从而保证了接顶率。在进行采动影响分析时发现,膏体充填后顶板最大离层量为20.5 mm,地表最大下沉量为27 mm,地表建筑在I级建筑物损坏等级之内,证明了方案的可行性,有效解决了该矿“三下”压煤开采问题。

中厚煤层沿空留巷工作面煤柱注浆补强加固技术

新景矿3109工作面采用沿空留巷回采工艺,由于巷道处于大埋深、中厚煤层条件,且巷道服务周期长,待相邻采面回采复用巷道时,常出现变形量大、失修率高等现象。通过在第一辅助进风巷和回风巷采取打设单体柱抬棚、浇筑柔模墙体、打设绞架木垛和圆木点柱等加固方法,有效控制巷道变形速率。同时,采取对巷旁煤柱实施注浆加固措施,留巷巷道顶板下沉量减少45%,煤柱憋帮量减少51%,降低了沿空留巷巷道的失修率。

厚煤层沿空留巷“煤-支护体”组合承载结构力学特性分析

针对厚煤层沿空留巷围岩控制难题,以王庄煤矿为工程背景,通过理论分析、数值模拟的研究手段,阐述了厚煤层沿空留巷巷旁支护体的失稳机理,提出了“切顶卸压改善留巷围岩应力环境+调节巷旁支护体高度以协调组合承载结构承压—让压能力”的围岩控制对策。研究表明,“煤—支护体”组合承载结构中,随支护体占比的减少,组合体抗压强度呈现出“急降—缓降—急降”的趋势,峰值应变呈现出“平稳—线性增长—平稳”的趋势。结合王庄煤矿数值模拟结果可得,支护体占比为80%时,“煤—支护体”组合承载结构兼具有较好的承压能力与让压能力,避免了基本顶沿留巷煤帮切顶下沉,优化了留巷围岩的应力环境。研究成果可为厚煤层沿空留巷技术提供理论参考。

余吾 - 古城区块基于测井参数的煤体结构预测

基于余吾-古城区块3号煤层测井资料与现场取芯结果,在GSI值表征的基础上,通过GSI表征值与测井参数的相关性分析,建立煤体结构GSI表征值的测井解释模型,从而实现通过测井参数对煤体结构的连续精确化表示。结果表明:通过余吾区块测井资料计算的煤体结构GSI值与现场取芯结果相符,说明此预测方法适用于该区块煤体结构判别。