综放开采预注水弱化顶煤的理论研究及其工程应用

提高顶煤放出率是综放开采的一个重大课题,预注水弱化顶煤是解决这一问题的有效方法之一。从理论上研究了超前开采工作面注入煤体的水在裂隙和孔隙中的渗透运动和水对煤体的弱化机理;从试验上得出了注水压力对煤体变形模量的弱化规律和注水含水率对煤的抗压强度的弱化规律;提出了预注水超前工作面的位置、时间、注水含水率、注水量、注水润湿半径、注水孔间距、注水持续时间、注水压力和注水孔布置等工程参数的确定方法。将理论研究结果应用于潞安王庄矿4309综放开采工作面,取得了显著的技术经济效益和社会效益。

原位溶浸采矿理论研究

在对钙芒硝盐矿溶解渗透试验、油页岩及不同煤种热解试验研究基础上,发现矿体溶解或热解过程中,矿体中固体骨架、孔隙结构以及渗透性随溶解时间或热解温度不断衍化的规律特征。根据试验结果,结合理论分析,初步建立了原位溶浸采矿的理论架构、本构规律及耦合数学模型,为不同矿床原位溶浸开采理论建立及工程模拟,提供了重要理论指导。

“两硬”条件下综放工艺参数数值模拟优化研究

以坚硬顶板、坚硬煤层条件下综放开采的工业试验和矿压观测为基础 ,通过数值模拟正交试验 ,进行了顶板预处理步距优化和合理的综放工艺参数匹配 ,既消除了坚硬顶板冲击载荷 ,又充分利用了顶板来压对顶煤的压裂作用 ,改善了顶煤冒放性 。

浅埋综放采场合理工艺参数的数值试验研究

针对公乌素地区16号煤层具体条件,采用正交实验方法,运用FLAC2D数值试验系统,研究浅埋深综放采场工艺参数,得出最优化的工作面开采工艺参数。研究结果表明:开采工艺参数对顶煤破坏性影响程度主次排序为:控顶距>采高>放煤步距>支架支护阻力>支架合力作用点位置。确定的合理工艺参数为:底层采高2.75m,控顶距4.75m,支架工作阻力5500kN/架,放煤步距0.8m,支架合力作用点距煤壁2.0m。

屯留矿区太原组与奥陶系含水层独立性验证与突水监测研究

通过屯留矿井下现场水文钻孔实测研究,证明该矿区太原组灰岩含水层与奥陶系灰岩含水层是两个完全独立的含水体系。现场实测太原组灰岩含水层分布均匀、范围广、渗透性好,可以作为奥灰水突水监测层。根据太原理工大学奥灰水突水监测理论与技术和屯留矿区现有的矿井开拓开采系统,设计了突水监控网,以对全矿区实时监测,保障安全开采。

特厚煤层综放开采放煤工艺优化研究

针对提高特厚煤层综放工作面顶煤回收率、降低含矸率这一具体问题,以斜沟煤矿23103综放工作面为背景,采用数值模拟和现场实测相结合的方法,对其合理放煤步距和放煤方式进行了优化研究。模拟结果表明:23103工作面采用两采一放(放煤步距1.2m)顶煤回收率比采用一采一放(放煤步距0.6m)与三采一放(放煤步距1.8m)分别提高1.9%与6.2%,一采一放容易混矸,三采一放容易丢煤;采用单轮间隔放煤,顶煤回收率为75.2%,放煤含矸率为12.6%;采用双轮顺序放煤和双轮间隔放煤,顶煤回收率分别为80.6%和79.4%,放煤含矸率分别为9.1%和9.6%。现场实测结果表明:23103工作面采用两采一放双轮顺序放煤有利于减小含矸率,提高顶煤回收率,验证了数值模拟结果的正确性。

综放工作面小煤柱动压巷道切顶卸压-锚注加固协同控制技术研究

针对多层坚硬顶板综放工作面留小煤柱巷道围岩变形破坏严重的问题,提出了动压巷道切顶卸压-锚注加固协同控制技术。以付家焉煤业10103运输巷为工程背景,通过矿压监测分析了多层坚硬顶板留小煤柱巷道的围岩变形规律,围岩变形经历3个阶段:微变形阶段(超前50 m)、缓慢变形阶段(+50~-125 m)、快速变形阶段(-125 m之后)。结合地质力学测试,揭示了小煤柱巷道的大变形机理主要有3个:留小煤柱巷道围岩力学强度较低、多层坚硬顶板结构失稳产生的大动载、巷道原有支护参数不合理等。基于此提出了切顶卸压-锚注加固协同控制技术,给出了关键参数,并进行了工业性试验,采用该技术后的顶底与两帮变形量分别减小了71.9%与72.4%。

超长工作面高强度开采矿压显现规律实测研究

通过观测研究,揭示了近浅埋煤层360m工作面的矿压显现特征和顶板活动规律,对比300m工作面,总结了工作面长度对矿压显现的影响规律,对研究浅埋煤层顶板结构理论和指导生产实践具有重要的理论和实践意义。

极近距离煤层下煤层开采矿压特征研究

以南阳坡矿极近距离煤层下煤层开采为工程背景,针对下层煤开采过程中工作面围岩破碎剧烈、顶板冒落严重、煤壁片帮多发、巷道稳定性差等问题,利用理论分析和数值计算的方法,分析上层煤开采对下层煤工作面覆岩的稳定性特征的影响,对其矿压特征、工作面围岩稳定性状况进行了研究,获得了下煤层工作面覆岩破坏的规律和下煤层工作面顺槽稳定性特征。

显微CT试验技术与花岗岩热破裂特征的细观研究

详细介绍太原理工大学与中国工程物理研究院应用电子学研究所共同研制的μCT225kVFCB型高精度显微CT试验系统的结构与工作原理,该试验机的最大功率为320 W,放大倍数为1～400倍,可分辨1～2μm大小的孔隙及裂隙,为金属及非金属材料的细观试验分析提供了更高精度的试验设备。采用该系统进行花岗岩在常温到500℃高温下的三维细观破裂显微观测,揭示出花岗岩晶体颗粒尺寸为100～300μm的不规则空间结构体。热作用下,随温度升高,花岗岩的热破裂逐渐演化与发展,200℃时,已可见到极少数很小的微裂纹出现。300℃时,部分裂纹搭接形成较大裂纹,裂纹长度增加10倍左右。500℃时,包围花岗岩晶体颗粒的封闭多边形裂纹几乎全部形成,使花岗岩呈现糜棱状的晶体颗粒结构体,90%以上是沿岩石颗粒周边弱的胶结界面上发生的。仅有极少数热破裂裂纹是穿越岩石颗粒的,其概率在10%以下。

多孔介质多场耦合作用理论及其在资源与能源工程中的应用

详细介绍土木工程领域、环境工程领域、资源与能源开发工程领域中的多孔介质多场耦合作用的科学与技术问题,进而论述多孔介质多场耦合作用的科学内涵,其耦合作用理论包含固体应力场、渗流场、温度场和浓度场4个场的耦合作用,以及溶解的化学反应。介绍耦合作用的本构规律的研究重点与数学模型的组成,并深入讨论国内外关于固液、固气耦合作用下,孔隙与单一裂隙的渗流本构方程及其存在的问题。较详细介绍煤层气开采的裂隙介质固气耦合模型与应用、盐矿开采的固流热传质耦合模型与应用、高温岩体地热开采的固流热耦合模型及油页岩原位开采的相关技术与理论问题,讨论该类问题的数值模拟求解策略以及该类工程面临的深刻的理论与技术难题。

油页岩热破裂规律显微CT实验研究

利用太原理工大学和中国工程物理研究院应用电子学研究所最新共同研制的μCT225kVFCB 型高精度(μm级)CT 试验分析系统,对油页岩从常温到600℃高温下的热破裂过程进行了显微观测和分析,揭示了抚顺油页岩的热破裂阈值温度为300℃附近.当温度低于300℃时.已可见到极少数较小的微裂隙出现.裂隙多发育于原生层理面以及硬质矿物颗粒的周围,形成的破裂面基本上都与层理面互相平行.当温度超过300℃,由于受到热分解化学反应的控制,裂隙的数量、长度和宽度剧烈增加.呈现广泛发育、集中爆发的特点,并使原有裂隙迅速延展和贯通,且裂隙面仍具有与层理面平行的特点,这是油页岩热破裂的典型特征;同时,也形成了许许多多垂直于层理方向的微小裂隙.小裂隙与大裂隙的搭接连通.形成了一个庞大的连通网络结构,从根本上提高了油页岩的渗流能力.

低渗透煤储层煤层气开采有效技术途径的研究

概括地介绍了通过实验揭示的三维应力作用下 ,煤体基质岩块与裂缝的渗流物性规律 ,据此提出三维地层压力是导致煤层渗透性降低的主要因素 .基于实验、理论与数值分析 ,论述了水力压裂技术在改造低渗透煤层中的局限性 ,其机理是水力压裂技术仅能在煤层中产生极少量的裂缝 ,而且在压裂裂缝周围还会产生应力集中区 ,该区事实上成为煤层气开采的屏障区 ;本煤储层割缝 ,使煤层卸压的同时 ,还产生大量裂缝 ,是改造低渗透煤储层的最有利的技术方向 。

应用CT技术研究瘦煤在不同温度下孔隙变化特征

应用μCT225kvFCB型高精度(μm级)CT试验分析系统,对直径1mm的瘦煤从18℃到600℃高温下的热破裂过程进行了显微CT观测和分析.发现了瘦煤的热破裂规律:300℃煤样中大量小的孔隙贯通成大的孔隙团,因此瘦煤的热破裂阈值在300℃附近,从常温到300℃煤样的孔隙率增加了0.5倍左右.研究了煤样在100～600℃范围内热破裂孔隙分布的分形规律,研究发现:从100℃到600℃,煤样的分形维数D随温度升高呈现先减小、后增加的趋势.孔隙的演化规律:由初始较规则的小孔隙变形,过渡到大量较规则、小孔隙贯通成不规则的大的孔隙团,之后孔隙团缩合减小趋于规则.分布初值的对数随温度升高呈现先降低后增加的趋势;从18℃到600℃孔隙数量的演化规律为先减小后增加.

坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究

基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长,对采场安全危害严重的特点,系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型,分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明,就爆破工程量而言,端部拉槽最小,中部拉槽次之,循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析,基于工作面支架的设计工作阻力,推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力,以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用,可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。

带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论,研制了部分典型材料的固–流耦合相似配比,研制了三维固–流耦合相似模拟试验台,完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固–流耦合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟,得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律;得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程,分析了其变化的频度与幅度及其原因,为带压开采突水防治提供理论依据。

盐水浸泡作用下石膏岩力学特性试验研究

为研究盐岩溶腔油气储库建造过程中,盐溶液对石膏夹层的侵蚀效应,在实验室对自然状态(干试件)、饱和与半饱和盐溶液中浸泡20d的石膏(湿试件)进行单调单轴压缩与小幅反复加卸载作用方式下的单轴压缩试验,初步揭示石膏在这一特殊条件下的力学特性。研究结果表明:反复加卸载使石膏单轴抗压强度由单调加载条件下的14.6MPa降至12.3MPa,降幅15.8%,而峰值强度所对应轴向应变也从0.39%降为0.19%,反复加卸载使得石膏的强度与变形均有所降低,但弹性模量基本不变。在反复加卸载作用方式下,与干试件强度相比,在饱和与半饱和盐水中浸泡20d之后的石膏强度并未降低,说明盐水对石膏侵蚀作用不明显。在盐溶液中浸泡之后试件变形能力增强,与干试件情形相比,增幅高达73%～147%,相应弹性模量也从干试件的6.6GPa分别降为4.5和2.8GPa。由于结构致密、孔隙率低,加之化学成分为难溶物质,在常温及酸性化学溶液作用下,石膏晶体在细观结构上未受到盐溶液的侵蚀损伤,强度并不随溶液浸泡作用而降低。但是,20d浸泡作用下有少量溶液由表及里的浸入,从而使石膏变形呈软化趋势,且随溶液浓度不同而不同。在层状盐岩矿床油气储库建造及运营过程中,对石膏夹层的这一力学特性变化应予以考虑。所获得的结果对揭示石膏力学特性及指导层状盐岩溶腔油气储库建造具有重要意义与价值。

三维应力下吸附作用对煤岩体气体渗流规律影响的实验研究

介绍了三维应力作用下煤岩体孔隙裂隙中瓦斯气体渗流规律的实验方法和实验结论。主要揭示： 气体吸附作用和变形作用对渗流有重要影响， 吸附作用表现为渗透系数随孔隙压呈负幂函数规律变化， 变形作用表现为渗透系数随有效体积应力呈负指数规律变化， 吸附与变形共同作用的结果， 使渗透系数随孔隙压变化表现为存在一临界值ｐｃ， 当ｐ ＜ ｐｃ 时， 渗透系数衰减， 当ｐ ＞ ｐｃ 时，渗透系数增加。

盐岩力学特性应变率效应的试验研究

以层状盐岩体矿床中的NaCl岩盐与无水芒硝盐岩为研究对象,在实验室内进行10-5～10-3s-1范围内单轴压缩强度与变形特性的应变率效应研究。研究结果表明:在上述应变率范围内,NaCl岩盐与无水芒硝盐岩的单轴抗压强度与弹性模量基本不随加载应变速率而变化;同一应变速率条件下,无水芒硝盐岩强度略高于NaCl岩盐;两类盐岩的泊松比均随加载应变速率的增大而减小;随加载应变速率的增大,试件在峰值应力点处的应变减小,其变形模量与加载应变速率呈对数关系;试件破裂方式不随加载应变速率而变,NaCl岩盐试件破裂为柱状劈裂或楔型剪切,而无水芒硝盐岩则表现为单斜剪切。对扩容应力与极限强度之比统计结果表明,盐岩扩容应力与极限强度之比(平均值)为87.3%～91.0%,表明盐岩在扩容之前均具有很强的变形能力。由试验结果可知,在其他安全稳定条件满足的前提下,盐岩溶腔储气库运营中、腔壁应变率在10-5～10-3s-1范围之内,可以保证储气库腔体的安全稳定运营。

焦煤孔隙结构形态的实验研究

利用微焦点显微CT技术和压汞法分别对东曲2号焦煤的孔隙结构进行测试,综合分析两种方法所测结果,从孔隙连通性和尺度两个方面,全面研究了2号焦煤的孔隙结构和形态特征。研究表明:2号焦煤的孔隙率为17.2%,连通的开放孔隙占27.04%,封闭孔隙占72.96%;孔径大于0.64μm的孔占67.74%,孔径介于0.64μm和7.50 nm的孔占32.26%,但比表面积占总比表面积的93.4%,煤中微孔径的孔数量很大;大量微孔径孔和封闭孔的存在导致煤体渗透性、连通性很差。东曲2号煤的封闭孔多呈圆形、葫芦形和不规则形,孔隙壁厚,连通团呈镂空的雪片状,相互连通的吼道小且少。