矿山压力对煤矿瓦斯涌出影响实验分析及其控制

为了在室内再现工作面煤岩瓦斯涌出量随开采过程矿山压力变化的响应过程,利用自主研发的温度-压力耦合气体运移实验系统,进行了应力状态改变下的气体解吸-运移室内模拟实验。实验中在恒温条件下对煤样进行单轴压缩破坏和施加围压两个应力变化过程,实验全过程实时监测逸出气体压力、流量,并抽样检测气体浓度和成分。实验结果表明逸出气体压力和流量随应力状态变化相应明显:气体在样品破坏和围压降低瞬间出现了负压现象;逸出气体流量与应力状态变化呈近似正相关规律且流量变化略滞后于应力状态改变。结合现场经验提出了以"短壁梁理论"为基础的110工法的矿山压力控制对策,以唐山沟8820工作面液压支架压力监测情况为例展示了其对周期来压的控制效果。

应力-渗流耦合作用下不同卸荷路径对砂岩损伤特性及能量演化规律的影响研究

岩体灾害发生的本质是能量驱动下的一种失稳现象,受开挖卸荷扰动影响导致的岩体结构破裂失稳是诱发采场突水等动力灾害的主要原因之一。为探究开挖卸荷过程对岩体结构破裂的影响,明晰围岩劣化损伤规律及突水等动力灾害孕育机制,针对应力-渗流耦合因素影响下岩石损伤特性及能量演化规律研究较少的特点,采用Rock Top多场耦合试验仪,在应力-渗流耦合作用下对砂岩开展了常规三轴(C组)、不同初始损伤程度常规卸围压(W组)及循环加卸围压(X组)3种应力路径下的岩石损伤特性及能量演化规律试验研究。试验结果表明:岩石能量演化规律与应力-应变曲线具有明显相关性,基于岩石弹性应变能演化特征,将常规三轴压缩(C组)下岩石应力-应变曲线分为5个阶段,并对每个阶段U_(1)、U_(3)、U_(e)、U_(d)及渗透率变化特点进行了详细阐释(U_(e)为弹性应变能,U_(d)为耗散能,U_(1)为轴向应力对岩石做正功转化的岩石应变能,U_(3)为做负功所释放的应变能);常规卸围压过程中,U_(1)、U_(3)演化规律与C组岩石基本一致,但U_(3)负增长更为显著,岩石输入能逐渐从以U_(e)为主导转变为以U_(d)为主导,初始损伤程度对该规律无明显影响,卸围压过程中渗透率呈波动上升趋势,围压与渗透率呈负相关;循环加卸围压过程中,各能量演化规律与W组岩石基本一致,仅因时间效应而导致能量积累量存有差异。整体来看,无论何种应力路径,峰前阶段岩石均以U_(e)为主导,以能量存储为主,峰后阶段则以能量释放及耗散为主,轴向应力加载是U_(e)得以快速积累的主要影响因素,围压改变不足以引起U_(e)发生较大变化,轴向载荷作用为工程致灾的主要影响因素。此外,岩石损伤变量与围压存在明显负相关,围压越大,岩石U_(e)释放比例越小,岩石损伤越小,围压束缚作用可有效提高岩石储能能力并抑制岩石能量的耗散与释放。

煤孔裂隙多尺度表征及其对渗透率的影响分析——以中国14个大型煤炭基地为例

为探究煤体不同尺度孔裂隙特征及其对渗透率的影响,从我国14个大型煤炭基地分别取样,进行氮气吸附、压汞和CT实验,并将CT扫描后的煤样进行渗流实验。结果表明,各煤样中微孔和过渡孔多为封闭孔,连通性差,不利于渗流的进行。r=10 nm和r=100μm的孔裂隙体积占比相对较大,贡献了煤体大部分孔隙率,S2和S3中的大尺度平行板孔隙为渗流提供了充足的空间。通过划分3种实验表征的优势孔径段,提出了综合表征孔隙率和分形维数的方法,得到各煤样的孔隙率范围为1.62%~11.60%,分形维数范围为2.29~2.78。煤样渗透率在0.0002×10^(-15)~0.6525×10^(-15)m^(2)之间,以中低渗为主。r<50 nm、50 nm≤r≤8.5μm和r>8.5μm的孔隙率分量与渗透率的关系分别为y=0.2741x-0.0781、y=0.0674x+0.0237和y=0.0039x^(2.5986),其中r>8.5μm的孔隙率分量与渗透率的相关性最强。相对于氮气吸附和压汞实验,CT实验更适用于分析孔裂隙结构对水渗的影响。

采场上覆关键层破断角的力学推导和实验模拟

为研究采场上覆关键层破断角,基于弹性力学和岩体力学,建立采场上覆关键层破断的梁力学模型,推导得出关键层破断角的计算公式,并通过物理模拟实验进行公式合理性和可靠性的验证。结果表明:(1)理论计算关键层破断角的变化范围为57.5°~71.0°,实验模拟破断角为50°~70°,理论计算结果与实验模拟结果吻合较好,说明理论推导关键层破断角的计算公式具有较高合理性和可靠性;(2)关键层破断角公式说明,关键层破断角与关键层的内摩擦角、抗拉强度、容重、弹性模量、关键层厚度和上覆载荷层的弹性模量、容重和厚度有关。对某一采场覆岩,关键层破断角的变化主要受关键层自身厚度和载荷层厚度的影响;(3)关键层厚度与载荷层厚度比值h/h'<1.5时,关键层破断角随h/h'的增大而减小,载荷层厚度变化对破断角的影响程度大于岩层厚度变化的影响;(4)当h/h'>1.5时,载荷层厚度增大引起关键层破断角减小,关键层厚度增大引起关键层破断角减小,两者对关键层破断角的影响作用相同,关键层厚度变化对关键层破断角的影响程度大于载荷层厚度变化的影响;(5)当h/h'=4时,关键层厚度变化与载荷层厚度变化对破断角的影响程度相同。

青岛地铁太延区间爆破振动控制及影响评价

城市浅埋隧道下穿建筑物的爆破施工应加强爆破振动控制。针对青岛地铁3号线太延区间段隧道下穿青岛疗养区供应公司,埋深为7.4 m、围岩IV^V级、地下水丰富等特点,结合先前其他区间段隧道施工经验,对该区段隧道施工进行专项爆破振动控制设计。通过采用大直径中空直眼掏槽和减小单段最大起爆药量,合理布置炮孔间排距、优化爆破网路,对爆破振动速度进行控制。对地上建筑物振动实时监测,爆破振速满足2 cm/s的爆破振速控制标准,振动峰值速度在砖混结构建筑物顶层存在放大效应。此爆破振动控制方案取得了良好的爆破振速控制效果和工程、社会效益,可为类似城市浅埋隧道施工提供参照意义。

建筑垃圾再生微粉胶凝性的实验研究

根据建筑垃圾再生微粉的物理、化学性质,对再生微粉的胶凝性进行研究,针对再生微粉掺量不同的情况进行胶砂实验,比较掺再生微粉的胶砂试件与水泥试件的强度;研究石灰或石膏作为激发剂对再生微粉活性的影响。结果表明:再生微粉具有水化活性,可部分替代水泥作为胶凝材料;再生微粉质量分数为10%的胶砂试件强度与纯水泥的试件强度非常接近;当再生微粉质量分数为30%时,添加质量分数为10%的生石灰或1%的石膏作为激发剂,可有效激发再生微粉的活性。

轴流式通风机噪声控制技术研究

文章结合数值模拟、工业测试等,对以新型材料为主材料的轴流式通风机消声器的空气动力性、适用性进行了研究。研究结果表明:①以改良型类似于玻璃钢新型材料为主材料的消声器具有防腐、质量轻的特点,同时吸音效果较好;②通过ANSYS软件对能量转换型消声器内部流场的流体流动进行数值模拟,得出气流通过消声器时,动压会减少,静压会增加,但动压减少量不等于静压增加量,在消声器几何尺寸不变情况下,速度越大,消声器压力损失量越大,消声器的阻力损失随着穿孔率的增大而增加;③该种消声器的安装对于风机正常运转影响极小,但降噪效果显著。

“实用矿山压力控制”的理论和模型

当前发展和完善"实用矿山压力控制"理论和相关决策模型的建设,以此为基础充分利用现代化信息技术发展的成就,实现煤矿安全高效生产、控制相关环境灾害的决策和实施监控的信息化、智能化和可视化。把主要依靠统计经验决策条例监控的传统管理模式,推进到针对具体煤层条件科学定量即智能化管理的发展阶段意义重大。论文介绍了我国采矿科技工作者和生产现场同志,在近十年来研究实践基础上发展和不断完善的"实用矿山压力控制"理论要点和相应决策模型,包括描述采场推进覆岩运动和围岩应力分布的时空状态的"动态结构力学模型"和以此为基础的重大事故灾害控制决策的"物理力学模型"建设的成就以及当前在"使用矿山压力控制"理论发展的应用成就基础上推动的"无煤柱开采技术"突破的要点。

工程爆破振动有害效应控制的研究

依据精细爆破中定量化设计、精细化施工和精细化管理的理念,结合某地铁车站爆破施工,对爆破振动从爆源、传播路径和保护对象3个方面进行了分析,提出了城市地铁爆破振动有害效应的控制措施,对类似工程爆破具有一定的参考价值。

大采高综放动压巷道窄煤柱沿空掘巷围岩控制

为研究大采高综放工作面窄煤柱沿空掘巷动压巷道矿压控制问题,以宁煤集团羊场湾煤矿2-2特厚煤层130205大采高综放工作面回风巷为工程背景,在原巷道留设35 m护巷煤柱全断面锚索支护已无法维护采掘巷道断面条件下进行窄煤柱研究。采用现场实测、数值模拟和理论预测3者相结合的研究方法,建立了巷道围岩内、外应力场力学结构模型,运用FLAC3D模拟回风巷道5、6、8、10、15 m不同宽度煤柱围岩应力分布规律。理论计算内应力场为9.5~10.3 m,窄煤柱合理宽度为5.14~5.56 m;数值模拟显示0~10 m为低应力区,10~14 m为应力峰值区,14~45 m为应力高值区、缓降区,超过45 m后逐渐趋于原岩应力,煤柱内的支承压力呈单峰分布,通过研究确定护巷煤柱尺寸为6 m。经现场应用得出,6 m窄煤柱回风巷道回采期间两帮最大变形量为241 mm,顶底板最大变形量为92 mm,巷道支护设计合理,窄煤柱注浆效果显著,窄煤柱巷道回采期间整体满足生产要求。

浅埋隧道下穿高压给水管道微振动控制研究

为减小区间隧道爆破作业对地下高压给水管道的扰动,需对其进行微振动控制。针对青岛地铁某区间隧道下穿DN1200高压给水管道,最近距离仅为8.9m、围岩Ⅳ~Ⅴ级的特点,结合爆破施工经验,进行了微振动爆破控制专项设计。通过选用大直径中空孔直眼掏槽、合理选择爆破参数,对爆破振动进行有效控制。同时,对爆破振动进行动态监测,分析爆破振动影响。结果表明：在进尺为750mm时,选用150mm直径中空孔,环形布置掏槽眼,分炮次起爆的情况下,可将振速控制在1cm/s以下,达到良好的减振效果,为类似工程提供了参考。

橡胶-粉煤灰基矿井底板裂隙注浆材料性能的试验研究

目前针对千米深井高水压、易突水等难题,提出了“疏水降压、注浆加固”矿井防治水技术,这要求注浆材料具有“高强度、强稳定、易流动、低成本”等性能。“高强度”可以通过添加纳米增强材料来达到;“强稳定”可以通过优选易固结、难分散原材料,调整拌和条件来实现;“稳流动”可以通过调整添加原料粒径,增加界面摩擦性来实现;“低成本”可以选用现存亟待处理的大规模工矿固废产物,辅以少量添加剂来实现。针对存在的上述问题,以注浆加固煤层底板为目标,以大规模利用工矿废弃物为方向,通过利用废弃轮胎橡胶颗粒、粉煤灰与黏土为主体材料,辅以少量外加剂,采用正交试验方法,对固废注浆充填材料的基础性能开展试验研究。分析了不同橡胶颗粒掺量与外加剂的影响,得出了其对注浆结石体的流动度、力学性能、矿井水环境下稳定性、抗渗性能与微观结构性能的影响。研究结果表明:当橡胶颗粒掺量为20%、粉煤灰掺量65%、黏土掺量15%,纳米二氧化硅掺量为固体粉料掺量的1%时,注浆浆体的流动度为293 mm,注浆结石体的28 d抗压强度为11.7 MPa,结石体的抗渗压力为0.8 MPa,所得试验结果能够满足现场注浆加固需求,对大规模底板裂隙注浆加固具有科学的参考价值,也对规模化利用固废产物提供了参考。

不同围压下峰后循环载荷对砂岩力学及渗流特性的影响研究

开采扰动导致煤层底板一定范围内岩体处于峰后状态,受相邻巷道开挖及煤层开采作用促使峰后岩体经历循环加−卸载过程,为探究不同地应力环境下峰后循环载荷作用对岩体结构的影响,明晰煤层底板突水等灾害的孕育过程,基于Rock Top多场耦合试验仪对砂岩开展了5、10、15、20、25 MPa围压峰后循环载荷试验研究。研究结果表明:①峰后循环载荷作用之前,岩石单位渗透率均呈快速下降—趋于平稳—突然上升—突然下降—趋于平稳的变化规律,峰后循环阶段,岩石单位渗透率则与轴向载荷近乎呈倒置关系;②岩石弹性模量、裂隙闭合应力、起裂应力、损伤应力、峰值应力、残余应力均与围压呈正相关,泊松比则随围压增大呈先增大后减小的变化特点;③5、10 MPa围压下,岩石出现间歇性破坏,脆性破坏特征有所减弱,15、20、25 MPa围压下,岩石脆性破坏特征明显,岩石破坏特征由岩石本身性质所决定;④峰后轴向载荷主要对岩石渗透率增大起促进作用,但该促进作用较围压对岩石渗透率的抑制作用弱,围压为影响岩石峰后渗透率变化的主导因素;⑤不同围压下,岩石均产生了一条贯穿剪切裂纹,但随围压增大,岩石破坏程度逐渐减弱,破坏模式趋于简单。

祁东煤矿构造控水特征和地下水运移规律

以祁东煤矿为例,通过研究矿井地下水运移规律及其所在区域的构造控水特征,以期为煤矿水害的超前精准治理和区域防治提供借鉴参考。利用构造控水理论结合祁东煤矿及其所在矿区、煤田的地质构造背景,对构造控水的逐级控制作用和构造控水作用方式进行研究,结果如下:祁东煤矿基岩地层形态整体受宿南向斜控制,局部受魏庙断层等构造控制,新生界地层形态亦受到构造的间接控制;在宿南向斜控制下,矿井内或矿井外南部风化后的二叠系煤系砂岩裂隙含水层、太灰、奥灰与四含角度不整合接触;在魏庙断层控制下,在矿井南部采区部分二叠系煤系砂岩裂隙含水层含水层再次露头,与四含角度不整合接触,不整合接触使得含水层间可产生水力联系。总结分析结果,认为:(1)地质构造通过对地层形态的控制,对地下含水层水起到控制作用;(2)地质构造通过控制含水层间的接触,对含水层间的水力联系起到控制作用。为进一步验证含水层间的水力联系,利用水位变化的对比分析和皮尔逊(Person)相关系数,对放水试验期间南部采区四含、太灰和正常水位观测期间四含、太灰、奥灰的钻孔水位观测结果进行分析,得出:(1)南部采区放水试验期间,四含(SQ10-14)与太灰(ST4)水位变化基本同步,相关性极强;(2)正常水位观测期间,四含(SQ10)、太灰(ST4)、奥灰(SO_(2))两两之间水位变化具有极强的相关性,同一含水层内不同观测孔间水位变化的相关性差异较大。证实:受构造控制,在矿井局部,四含与基岩含水层角度不整合接触区域,存在水力联系。利用地下水数值模拟软件Groundwater Model System(GMS)结合参数反演Parameter Estimation(PEST),对四含水位分布和径流规律进行研究,得出:四含水位在-7~-57 m,南部水位比北部水位高,在魏庙断层处,水力梯度较大;四含水径流集中在矿井西南部和中部,西南部整体向北径流,中部以东西向径流为主,四含径流有绕过魏庙断层。

天然气水合物降压开采沉积物压缩效应数值模拟研究

深海天然气水合物降压开采过程中,沉积物的压缩会改变储层的物理力学特性,进而对天然气的开采效果产生显著影响.为揭示沉积物压缩效应下井周围储层物理力学特性演化规律,本文建立了考虑沉积物压缩效应的理论模型,通过COMSOL模拟研究了不同初始固有渗透率、初始水合物饱和度和井底压力条件下的降压开采中生产井周围储层的物理力学特性演化规律以及开采效果.结果表明:受沉积物压缩的影响,水合物分解区的渗透率随着与井筒距离的增加先增加后减少;产气与产水速率由零立即上升至峰值,然后迅速下降,并且考虑沉积物压缩时的产气与产水速率比不考虑时低;在水合物完全分解区,渗透率的大小与有效应力成负相关关系,未分解区渗透率的大小与水合物饱和度成负相关关系;井底压力越小,有效应力越大,生产井周围储层的渗透率下降越明显;初始水合物饱和度对产气与产水的影响存在拐点,饱和度拐点位于0.25与0.35之间,高水合物饱和度并不代表储层开采效果好,产气速率的高低还与储层的渗透率有关,高水合物饱和度储层的渗透率较低,产气速率较低;储层初始固有渗透率较高时显著促进了开采效果,但储层变形量较大增加了储层的不稳定性.

不同温度作用下砂岩微观结构变化与演化规律实验研究

深部煤层的高地应力以及地下气化过程中产生的高温热应力的共同作用会对岩石造成损伤,破坏煤层围岩的稳定性。采用扫描电子显微镜、X射线衍射、CT扫描等实验手段对砂岩试样不同温度(25℃,200℃,400℃,600℃,800℃,1000℃)下微观结构及矿物成分变化情况进行研究。结果表明:温度变化对砂岩的微细观结构具有重要影响。砂岩的孔隙率整体上随温度的升高而增大,1000℃的砂岩孔隙率最大,25℃的砂岩孔隙率最小。砂岩不同孔径的孔隙数量总体上随温度的升高而减少,但1000℃砂岩的微孔数量最多,25℃砂岩其他孔径的孔隙数量最多。加热后砂岩开始产生微裂纹,当温度超过600℃时,试件产生的微裂纹的数量明显增加,微裂纹长度、宽度及密度随着温度的升高进一步扩展。试件的矿物成分衍射强度及矿物的含量随温度的变化各不相同,超过600℃时各类矿物成分衍射强度变化发生转折,超过400℃时,砂岩内部矿物成分发生物理化学反应,晶体之间发生转化,随温度的升高,石英矿物含量逐渐增加,长石矿物逐渐减少;试件表观形态变化的临界温度为400℃。

薄基岩煤层上覆松散含水层注浆效果评价

为保证近含水层薄基岩煤层安全高效开采,以五沟煤矿一采区1010-1工作面为试验对象,采用劈裂注浆法,连续与间歇注浆相结合的注浆工艺对薄基岩煤层上覆松散含水层进行注浆改造试验。结果表明:(1)治理区“四含”富水性弱,岩性复杂,可注性强,注浆压力2.5~3.5 MPa,可注性因不同片区不同岩性组合而存在明显差异;(2)钻孔返水、压水试验、抽水试验及水位观测结果显示,松散含水层注浆后富水性极弱,砂层失去了流动性,实现了注浆段“四含”水挤出、固结砂层的目的;(3)治理孔受注段注浆历时长、注浆压力低、起压慢,检查孔注浆历时短,注浆压力高,且检查孔单位注浆量明显小于治理孔,注浆效果显著;(4)依据注浆改造效果,创新设计了上行式控水开采巷道布置方式,煤炭资源回收率显著提高,具有良好的社会经济效益。依据研究及工程实践的成功实施,以期为今后类似工程提供工程经验和参考依据。

工作面上覆松散含水层注浆改造及其效果检验

为解放浅部“四含”煤柱资源,以五沟煤矿一采区1010-1工作面为试验对象,采用劈裂注浆法,连续与间歇注浆相结合的注浆工艺对“四含”及其底部基岩风化带进行注浆加固试验。结果表明:“四含”治理区岩性复杂,富水性弱,主要接受侧向区域径流补给,注浆改造工程将采用地面直孔结合定向斜孔逐排施工驱水固沙方案;混合浆液强度受制于粉煤灰掺比比例,且混合浆液强度、结石率均高于水泥净浆,粉煤灰掺量为20%时,结石率最高;浆液在“四含”中扩散极不均一,注浆过程需通过控制注浆量控制浆液扩散范围,注浆对地表影响体现在浆液扩散和压力传导,并以压力传导为主;注后取心孔样品真密度略有增大,含水率略有减小,抗压强度、抗拉强度、抗剪强度略有增大;基岩风氧化带注浆后岩层抗压强度随采样深度增加呈现先增大后减小再增大的趋势,其抗压强度增强约2~5倍。

弱胶结软岩巷道快速掘进及支护工艺优化

随着机械化开采技术的不断发展,采掘失衡问题已成为影响煤矿高效生产的重要原因。以红庆梁矿12308胶带顺槽为工程背景,通过理论分析、数值模拟等方法优化掘进支护工艺,采用层次分析法对比分析了快速掘进的影响因素,并得出支护工艺为优化的重点;利用FLAC3D模拟软件,对循环进尺、截割顺序进行模拟,得出最优进尺为4m,最优顺序为先掘进小断面效果最好。经现场对巷道支护顺序进行调整后,整体支护效率提升约44%。

条带煤柱膏体充填开采覆岩结构模型及运动规律

以岱庄煤矿2351膏体充填工作面为例,研究了条带煤柱膏体充填开采覆岩时空结构模型及运动规律。结果表明:随着工作面的推进,覆岩由"C"型空间结构逐渐转化成不等高支撑的铰接岩梁;工作面的直接顶板即为基本顶,初次来压步距33.6 m,前4次周期来压步距分别为18.3、8.8、13.7、9.0 m;覆岩重力主要作用在工作面前方煤壁和充填膏体上,顶板超前应力和影响范围较小,主要影响范围小于15 m;2351工作面在现行工艺技术条件下,最大合理控顶距为8.8 m,充填支架合理工作阻力为27 MPa、合理初撑力为21 MPa。