突出煤层CO_(2)气相压裂高效抽采防突掘进技术

我国煤矿煤与瓦斯突出灾害严重影响煤矿安全生产。尽管近10年来这一灾害事故大幅度减少,但恶性事故依然发生,给矿工生命和煤矿安全生产造成严重损失。国内外现阶段的防治瓦斯突出技术,如水力压裂、水力割缝、水力冲孔、深孔爆破、密集钻孔等,不同程度地解决了防突安全掘进,但对于一些高瓦斯低渗透突出煤层,上述技术还难以从根本上解决消突安全快速掘进。所以,防突技术仍然是我国煤炭领域亟待攻关的重大科技难题。选取山西寿阳县新元煤矿31002工作面为试验案例,介绍CO_(2)气相压裂技术方法,并探讨其防突掘进效果。新元煤矿开采的山西组3号煤层为低渗透突出煤层,前期主要采用密集钻孔预抽瓦斯防突措施,抽采达标时间长,掘进速度慢。高效抽采瓦斯,防止煤与瓦斯突出,保障煤巷安全快速掘进,是新元煤矿安全高效生产的重大技术难题。在新元矿采取的气相压裂措施概况如下:在掘进工作面前方实施双钻孔气相压裂;完成9个瓦斯抽采钻孔以覆盖巷道两侧各15 m安全范围;全部11个钻孔联网抽采3~5 d,防突参数K1值达标后恢复掘进。试验数据表明,气相压裂抽采防突技术措施的强化抽采效果显著,抽采效率大幅度提高,煤炮等动力现象减少,K1值降低,掘进割煤时巷道瓦斯浓度得以降低和均化,保障了连续安全掘进。实践证明,CO_(2)气相压裂技术能够实现连续安全快速掘进理技术,在全国类似瓦斯地质条件煤矿中具有推广应用意义。

玉溪煤矿CO2气相压裂煤巷防突快速掘进技术

玉溪煤矿首采工作面在煤巷掘进过程中,突出指标参数频繁超标,瓦斯异常涌出,瓦斯超限,导致被迫停产、掘进速度慢。为解决安全快速掘进的生产技术难题,玉溪煤矿开展CO2气相压裂消突快速掘进技术研究和试验。结果显示,采取气相压裂措施后,平均每百米巷道掘进K1值超标0.15次,较压裂前降低了11倍;掘进过程中瓦斯涌出趋于均匀化,瓦斯涌出浓度峰值相对降低,有效避免了瓦斯超限;巷道掘进日均进尺5.38m,较气相压裂前(日均进尺2.79m)巷道掘进速度提高了1.92倍。CO2气相压裂消突快速掘进技术有效保障了矿井安全和高效生产。

不同变质煤的瓦斯膨胀能演化特征及其突出预测启示

为了提高煤与瓦斯突出(突出)预测的准确性,选取6种不同变质程度的煤样,开展高压压汞实验、等温吸附实验,计算瓦斯膨胀能,分析不同变质程度煤的瓦斯膨胀能演化特征及其与突出预测指标间的关系。结果表明:不同变质程度煤的孔隙结构与吸附性的差异,导致煤体所含的瓦斯膨胀能存在差异。煤的总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能随瓦斯压力的升高而增大,增加趋势逐渐变缓;相同瓦斯压力下,煤的变质程度越高,总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能越大。煤的游离瓦斯膨胀能随瓦斯压力升高呈指数增大;相同瓦斯压力下,游离瓦斯膨胀能随单位质量煤体孔隙体积的增加而增大。当R_(max)>1.6%,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能与初始释放瓦斯膨胀能突出临界指标42.98 mJ/g基本相等,进一步验证了游离瓦斯在突出触发阶段起主要作用,也为突出预测临界压力值采用0.74 MPa的合理性提供了科学依据。当R_(max)为0.6%~1.6%时,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能小于42.98 mJ/g,夸大了煤体所具备的突出潜能,会加大防突工作量。当R_(max)<0.6%,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能大于42.98 mJ/g,这会导致低指标突出灾害的发生。因此,在进行煤与瓦斯突出预测和防治时,应充分考虑煤的变质程度对突出的影响,研究可为突出预测提供新的科学依据和方法借鉴。

CO_(2)相变致裂煤的显微构造特征与成因机制

CO_(2)相变致裂是一种高效增渗、增抽和消突的新型煤矿瓦斯治理技术,应用效果显著。该技术的核心是高压动力载荷作用于煤层的强化造缝及其卸压增渗效应。然而,新生裂缝的形貌特征以及破坏成因机制研究薄弱。目前井下厘米—米级尺度裂缝的观察和描述,主要用于揭示煤层的造缝增透机理。更小尺度的微米级显微裂隙研究,可更系统和全面描述裂缝的形貌和发育规律,揭示CO_(2)相变致裂作用下煤的破坏机理。应用自行研制的高压CO_(2)冲击大型物模试验装置系统,对无烟煤试件进行了120 MPa高压CO_(2)冲击,基于场发射扫描电镜(FESEM)的观察,研究了微米级裂隙特征、发育规律及其形成机理。结果表明:(1)致裂后煤样的割理系统充分沟通,形成多尺度的复杂微裂隙网络。(2)煤基质破碎并发育大量微米尺度的新生显微构造,发现了3种典型显微构造是“损伤坑”“三翼型”裂隙和“页理状构造”。(3)CO_(2)的超临界相、气相、或者二者的混合相态冲击破碎近喷孔端煤样,冲击波可能是试件远端破坏造缝的主要力学机制。(4)显微构造的形成和损伤演化机制为:在煤基质表面形成损伤坑,并以损伤坑为中心形成“三翼型”张性锯齿状分支裂隙,多个“三翼型”裂隙组合形成复杂的微裂隙网络系统。强化造缝形成的复杂网状裂隙系统,是煤层卸压、增渗、增抽和高效消突的内在原因。

冲击荷载下煤的塑性硬化-软化过程动态损伤本构模型

CO_(2)气相压裂已经成为我国高瓦斯突出煤矿一种有效的瓦斯综合治理技术,是低频、低速、长波非炸药爆破技术,破坏煤体的机理和过程与炸药爆破高应变率冲击作用不同,可能更接近于中应变率冲击条件下的破坏机制。为研究CO_(2)气相压裂冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对阳泉矿区新元矿的煤样进行10~100 s^(-1)中应变率条件下的动态冲击试验,分析煤在冲击荷载下脆性破坏向延性破坏转化的特性和应力-应变曲线峰值前硬化、峰值后软化机制。引入受应变率控制的动态弹性模量E_(D),建立煤的塑性硬化-软化过程动态损伤本构模型,并给出模型参数的物理意义及拟合方法,验证模型的正确性。结果表明:(1)冲击荷载下煤的动态应力-应变曲线近似为理想弹塑性变形过程,表现为应力峰值前的应变硬化与峰值后的应变软化特性。其内部裂隙损伤演化破坏过程呈现Ⅰ-无损伤、Ⅱ-微裂隙演化、Ⅲ-宏观裂纹成核、Ⅳ-宏观裂纹扩展及崩塌破坏4个阶段。(2)构建的方程描述了煤塑性硬化-软化全过程,发展了应力-应变曲线BC段应变软化过程的精确描述方法。(3)新模型仅含有5个动力参数,具有力学意义明确、参数少和拟合计算方便的优点。其中动态弹性模量E_(D)、极限应变ε_(s)、峰后应变ε^(B)_(I)随应变率ε的增大而增大,脆性指数n随应变率ε的增大而整体减小;同时ε_(s),ε^(B)_(I)控制损伤累积和宏观裂纹成核过程。(4)与前人研究成果对比分析表明,新模型精度高、普适性更强,同时适用于表征中、高应变率冲击条件下煤的塑性软化损伤破坏特征。

CO_(2)相变致裂煤的纳米孔隙尺度改造效应

为探讨不同CO_(2)相变致裂压力对纳米孔隙的尺度改造效应及其对瓦斯(煤层气)运移的影响,开展120,150,185 MPa作用下的CO_(2)相变致裂煤体实验,综合采用高压压汞、低温液氮吸附、低温CO_(2)吸附孔隙结构参数测试方法,分析CO_(2)相变致裂后煤的大孔(>50 nm)-介孔(2~50 nm)-微孔(<2 nm)结构演化特征。结果表明:CO_(2)相变致裂对大孔和介孔具有扩孔效应;致裂后,大孔平均孔径与孔容大幅度增大,孔表面积降低;介孔平均孔径增大,孔表面积明显降低;孔隙连通性明显增强。CO_(2)相变致裂过程时间极短,高压气体优先选择裂隙和大尺度孔隙进行扩展,延伸至微孔时,衰减的压力不足以改造具有化学性质的微孔。CO_(2)相变致裂在大孔-介孔尺度的扩孔效应,随致裂压力的增大而增强;不同变质、变形程度煤的大孔-介孔-微孔发育存在差异;因此,研发“高致裂压力-长作用时效-大能量”的CO_(2)相变致裂器,有助于进一步增强CO_(2)相变致裂的扩孔效应、改善纳米尺度瓦斯运移通道、提高瓦斯抽采效率。研究成果为CO_(2)相变致裂技术优化和改进提供了科学依据。