瓦斯隧道穿越构造煤层施工风险的模糊层次评价

为了科学评价瓦斯隧道穿越构造煤层施工的风险程度,从而为瓦斯隧道的施工安全与成本控制提供决策判据,以某在建公路瓦斯隧道为工程依托开展了风险评价研究。首先,根据隧道的地质特征与施工情况进行了风险因素辨识,构建了瓦斯隧道穿越构造煤层施工的安全评价体系;其次,采用层次分析法构造判断矩阵并通过专家打分的方法对安全评价体系中的各级指标进行权重赋值;最后,采用三级模糊综合评价法进行了风险定量计算。结果表明:瓦斯隧道穿越构造煤层施工过程中潜在9种固有风险因素和11种施工风险因素;施工因素对瓦斯隧道施工风险的影响权重为0.7632,而固有因素的影响权重为0.2368;三级模糊综合评价的计算结果显示该依托工程进行揭煤施工时发生事故的风险概率为61,对应为一般风险。评价结果成功应用于依托工程安全快速穿越构造煤层施工,表明所构建的安全评价体系与风险评价方法具有可靠性,可为同类型的瓦斯隧道施工风险评价提供佐证。

大断面隧道穿越小夹角煤层施工中的瓦斯运移规律研究

为探明大断面隧道在通过煤层夹角比较小施工过程中的瓦斯保护与运移扩散规律,以某在建瓦斯隧道为施工背景,构建了隧道通风的三维数值模拟,并借助流体计算软件Fluent进行模拟计算。深入研究了通风时间、瓦斯的涌出情况以及风速高低等多种因素,对瓦斯扩散的影响规律。研究结果表明,不同的通风时间,检查瓦斯在隧道内的总体分布规律,瓦斯呈现上部分瓦斯浓度大,下部分浓度较低,符合实际情况;瓦斯涌出位置不同,瓦斯在隧道内的分布不同,在持续通风的作用下,距释放源越远,瓦斯含量就越小,气体含量所达到的峰值也越慢;风速越高,瓦斯气体的排放隧道速度越快,气体含量峰值也越小。

掘进工作面瓦斯爆炸风门冲击载荷的数值模拟

为了研究不同体积瓦斯爆炸条件下风门的冲击载荷变化规律,运用流体力学软件Fluent,结合宁煤集团羊场湾煤矿实际情况,对掘进工作面瓦斯爆炸传播过程进行了数值模拟,得到了瓦斯积聚范围对风门冲击载荷的影响规律。结果表明:直巷风门和支路风门的冲击载荷在前驱压力波的作用下出现第一次峰值,在反射冲击波的作用下出现第二次峰值;直巷风门的载荷峰值与瓦斯积聚范围近似为二次函数关系,支路风门的载荷峰值与瓦斯积聚范围近似为线性函数关系;随瓦斯积聚范围增加,支路风门的二次载荷峰值逐渐逼近甚至超过一次载荷峰值;瓦斯积聚范围超过50 m时,依据超压破坏准则,支路风门和直巷风门的载荷峰值均超过破坏载荷,两风门先后发生破坏。

瓦斯氛围下煤水固液接触特征

为了探明瓦斯氛围下煤水固液接触机制,搭建了瓦斯氛围下煤水润湿角测试系统,测试了CZ(山西成庄矿无烟煤)及DW(陕西大湾矿烟煤)2种煤样在不同甲烷及氦气压力条件下的润湿角变化,结合煤表面形貌测试、低压CO_(2)吸附试验及XRD试验分析了瓦斯氛围下煤水接触角的变化规律。结果表明,随着气体压力的增加,煤润湿角逐渐增加,但在吸附性气体环境中,煤润湿角增加幅度更为明显,在0~2 MPa,CZ煤样的润湿角由72.99°增加到106.90°,从亲水性润湿过渡为中性润湿,最终转变为疏水性润湿,而DW煤样的润湿角由61.23°增加到85.14°,始终为亲水性润湿。分析认为,煤对甲烷的吸附能力是影响煤润湿角的主要原因。煤吸附甲烷后,在煤表面形成气膜,特别是在高压条件下,煤孔隙中的游离气体也会阻碍水对煤的润湿。而且吸附甲烷后,煤表面自由能降低,表面状态更加稳定,致使润湿性进一步减弱。气液竞争吸附也是影响煤水润湿性减弱的原因之一。进一步的,无烟煤的表面更加粗糙且具有更加发育的微孔结构,致使其具有较高的表面自由能,对甲烷的吸附能力更强,这是造成无烟煤在甲烷氛围下其润湿角变化更为明显的重要因素。此外,煤中矿物质可以影响煤的瓦斯吸附能力及表面润湿特性,也是影响含瓦斯煤润湿角的重要因素。

大断面公路隧道穿越构造煤层瓦斯抽放技术研究

为有效降低隧道煤层的瓦斯含量,消除隧道揭煤施工的突出危险,以兰海国家高速公路重庆至遵义段某公路隧道为工程依托,采用超前钻探的方法准确探测煤层的赋存情况与隧道揭煤掌子面前方的局部地质构造特征;在此基础上确定钻孔的有效抽放半径与瓦斯抽放控制范围,并对局部构造煤层抽放钻孔进行加密布置;最后采用顶板穿层钻孔预抽煤层瓦斯技术进行瓦斯抽放,并对抽放效果和区域防突措施进行检验。结果表明:该隧道瓦斯抽放效果良好,区域防突措施效果显著。

瓦斯爆炸冲击波在角、并联巷道内传播规律对比研究

瓦斯爆炸冲击波在传播过程中的传播特性不仅与瓦斯体积分数、温度等条件有关,还与网络结构有关。为探究冲击波超压在对称角联网络结构内的变化特征、角联分支对主巷道内冲击波传播的影响等问题,结合实际巷道尺寸,对对称角、并联网络巷道进行了瓦斯爆炸过程的数值模拟。结果表明:受角联分支影响,分支后的巷道内冲击波衰减幅度大于并联网络中对应各点,且与角联分支距离越近,影响越大;角联分支对角联分叉前、后巷道内冲击波二次超压产生一定影响;与并联网络相比,角联网络中冲击波到达角联分叉后的超压峰值出现时间更晚;角联网络中角联分叉后各点冲击波超压峰值均低于并联网络中对应各点。

施工车辆荷载对隧道内煤系地层的影响规律研究

为了研究在建隧道内的煤系地层在施工车辆振动荷载下的变形规律,以某公路隧道为工程背景,构建了施工车辆荷载作用于隧道煤系地层的数值模型,并采用多物理场仿真软件COMSOL进行了求解计算,分析了施工车辆载重、行车速度、行车次数、煤岩位置与不同深度5个因素对隧道煤系地层变形的影响规律。研究结果表明,随着施工车辆载重的增加,隧道内煤系地层的位移响应与塑性应变量呈现先急剧增大、后增加趋势减缓的变化规律;施工车辆行车速度对煤系地层位移与损伤影响较弱;煤系地层位移量随车辆往返次数依次经历剧增加、缓慢增加、降低与稳定4个阶段,塑性应变呈4个阶梯增加;隧道底部越浅处的煤层受车辆振动荷载影响越大,导致其变形程度越大。研究结果可为瓦斯隧道安全施工提供一定的理论佐证。

不同类型构造煤Cole-Cole模型反演及其激电机理

构造煤结构复杂且不同类型构造煤显现出不同特征,为研究构造煤复电阻特征,采取同一矿区不同类型构造煤(碎裂煤、碎粒煤、碎粉煤、碎斑煤、鳞片煤、糜棱煤)以及原生结构煤,在不破坏其结构的情况下,常温常压状态下使用IM3533-01型LCR阻抗测量仪设备测量0.1~105 Hz内煤样的复电阻,在频率域内基于Cole-Ccole模型将反演参数与构造煤结构建立联系,主要研究单个样品各向异性对比与不同类型样品之间特征对比。研究表明:无论原生结构煤还是构造煤都发生由激发极化引起的强烈频散现象以及由结构引起的复电阻差异;并且在复电阻各向异性对比中发现原生结构煤、碎裂煤具有各向异性,其余各向异性不明显,但也有构造煤样品存在单方向优势裂隙从而导致各向异性特征显现。在不同类型样品间对照试验发现,原生结构煤和构造煤各类型在复电阻虚部与实部以及零频电阻Z(0)、时间常数τ值表现出明显差异,原生结构煤Z(0)几乎为构造煤平均值的1400倍,原生结构煤τ几乎为构造煤平均值的320倍;在构造煤序列中Z(0)与τ表现为(糜棱煤>碎斑煤>碎裂煤>碎粒煤>碎粉煤>鳞片煤),其中鳞片煤电阻极低;分析得出是由于层理性、致密程度、裂隙、煤结构演化、粒度大小等因素共同作用的结果,影响因素的权重在特定情况下不同,并提出煤结构复电阻导电性以及频散模型解释这一现象的机理。从而为煤层气勘探和瓦斯突出预测与评价这类学科领域亟待解决的关键科学问题及技术提供借鉴。

磨料质量分数对预混合磨料水射流破岩效果的影响

预混合磨料水射流是突破煤矿深长钻孔内高效破煤岩技术瓶颈的有效技术,在坚硬顶板治理、沿空留巷和硬煤增透具有广泛应用前景。磨料质量分数是影响其破煤岩效果的重要因素。为明确磨料质量分数对磨料加速、分布以及冲击动能的影响,基于离散元的耦合模型(CFD-DEM模型),考虑颗粒间的摩擦、碰撞,添加颗粒相体积分数和动量源相,修正VOF多相流模型,开发用户自定义函数(UDF)通信接口,精确计算了磨料质量分数对磨料颗粒加速运动与分布的影响,准确描述了磨料粒子对水射流流场的影响。结合预混合磨料水射流破岩实验,得到了以下结论:在固定压力下,不同磨料质量分数的射流液固能量转化效率不同,导致磨料冲击动能不同。提高磨料质量分数,能够提高破煤岩效果,但存在最优值。每一压力条件下都有与之相适配的最优质量分数,此质量分数下能量转化效率最高,磨料冲击动能最大。如射流压力5 MPa时,80目(0.178 mm)石榴石最优质量分数为11%。同一质量分数下,提高射流压力可提高磨料冲击动能,但是能量转化率和利用率降低。提高压力使射流速度增加,曳力增大,但射流与磨料接触时间缩短,导致射流能量未能及时转化为磨料动能。相较于提高射流压力,适当增加磨料质量分数以提高能量转化效率和能量利用率,是达到最佳破煤岩效果的更经济低能耗的方式。

煤与瓦斯突出过程中地应力作用机理研究

为了进一步探究地应力在不同工况下对突出发生的参与控制机理,本文开展了变应力因素下的诱突实验研究,并基于含瓦斯煤流-固耦合数学模型对受载含瓦斯煤体卸压后的应力分布与演化规律进行了数值模拟研究.研究结果表明:内部应力状态的分布及演化行为受到瓦斯流场状态、地应力以及卸压情况等因素的共同控制;吸附瓦斯压力与卸压口径的增大都会对突出发生及强度有直接贡献作用;轴向载荷对突出发生及强度的作用效果,很大程度上受到煤岩介质赋存条件及卸压情况的控制.卸压充分时,轴向载荷施加及增大能够在卸压面附近正向叠加流场拉应力效果,促进突出的发生,当卸压不充分时,轴向载荷通过改变煤体性质与抵消流场拉应力的形式阻碍突出的发生.

埋管抽采位置及负压变化对采空区煤自燃危险区域的影响

瓦斯抽采是治理矿井灾害常用方式之一,但在抽采过程中会增加采空区漏风量,进而增加遗煤自燃风险,直接影响采空区煤自燃危险区域分布。以中煤大同能源有限责任公司塔山煤矿30503工作面为研究对象,根据采空区实际情况建立几何模型,采用数值模拟方法分析了不同埋管抽采位置和抽采负压对采空区煤自燃危险区域的影响。结果表明:①随着进风侧埋管抽采位置的深入,回风侧氧气体积分数呈增大趋势,而氧化带宽度变化不大;进风侧氧气体积分数整体呈减小趋势,氧化带宽度先减小后增大;采空区氧化带面积先减小后增大。②在进风侧固定埋管抽采位置,抽采负压的变化对采空区进风侧氧气分布的影响更大,而对回风侧几乎没有影响。③随着抽采负压增大,进风侧氧化带宽度先减小后增大,而回风侧氧化带宽度几乎不变;采空区氧化带面积先减小后增大,氧化带面积与抽采负压呈二次函数关系。④最佳埋管抽采位置为采空区进风侧距离工作面20m处,最佳抽采负压为5000Pa,此时采空区氧化带面积最小,即煤自燃危险区域最小。

改性细水雾灭油池火有效性研究

纯水细水雾熄灭油类火灾初期出现的短暂温度陡升情况,可能会造成油池火灾喷溅进而影响其灭火安全性的问题,遴选了一种烷基酚与环氧乙烷缩合物的非离子液作为细水雾添加剂对其进行改性。通过分析改性细水雾特征参数,利用仿真灭火试验平台对不同质量分数的改性细水雾熄灭煤油火进行了试验研究。结果表明,改性后细水雾表面张力降低,比表面积增大。随细水雾中非离子液质量分数增大,灭火时间缩短,火焰温度急剧下降,其灭火效率优于纯水细水雾,当非离子液质量分数为5%时,其灭火效率是纯水细水雾的12.16倍,并且温降速率较纯水细水雾的温降速率提高了2.67倍。改性细水雾熄灭煤油火时没有出现类似纯水细水雾作用下的温度陡升及火焰团现象。原因是:改性后细水雾的雾动量减小,对火焰和周围空气的扰动作用减弱,其穿透火焰区到达燃料表面;由于非离子液的增溶和乳化作用,水分子包裹着油料分子,从而衰减了燃料喷溅现象和表面温度。

多组分酸酸化对中马村矿高阶煤增透效果的影响

为了研究酸化对中马村矿煤储层渗透性的影响,用同一体系酸液的不同配方对中马村矿粉状煤样进行了溶蚀试验,并开展了饱水煤样酸化前后的核磁共振试验研究。结果表明:1)针对中马村矿高阶煤优选出的多组分酸最佳配方为质量分数6%HCl+质量分数3%CH_(3)COOH,质量分数2%KCl作为防膨剂,添加适量SDS协同酸化,酸液浸泡煤样最佳时间为24 h;2)经优选出的最佳酸液浸泡的6组煤样的t_(2)谱谱面积皆大于酸化前,酸化时间24 h时的煤样t_(2)谱谱面积约为酸化前谱面积的1.83倍;3)酸化前后煤样中水在各孔径上的比率表明,优选多组分酸溶蚀掉的矿物质主要存在于中马村矿煤样的小孔中。研究成果能为多组分酸对中马村矿低渗煤层酸化增透提供一定的理论基础。

构造煤原生结构煤微孔特征的多重统计对比及其差异成因机制

孔径小于2 nm的微孔孔隙控制着煤的吸附能力,开展构造煤与原生结构煤微孔特征的对比研究有助于厘清构造煤是否具有超强瓦斯吸附能力。为统计确证构造煤与原生结构煤孔径小于2 nm的微孔孔隙是否存在显著差异,判断造成微孔孔隙特征变化的主控因素并探讨其原因,对鹤壁六矿、平顶山八矿和淮南谢桥矿3组采自同一煤层共生的构造煤与原生结构煤煤样,采用CO2吸附法测定了孔径小于2 nm的微孔孔隙特征参数,并基于CART递归分割、LSD多重比较及多元方差分析等统计分析方法对构造煤与原生结构煤的微孔孔容进行了多重统计对比研究。结果表明：1）构造煤与原生结构煤孔径小于2 nm的微孔孔容没有显著差异;2）构造变形作用对孔径小于2nm微孔孔隙变化的影响远小于变质作用;3）构造煤的吸附能力不是构造煤发育煤层易突出的主要原因;4）煤类微晶结构参数的变化是煤微孔形成的主控因素。

基于Matlab的隧道煤层超前探测技术研究

为精确预测隧道掌子面前方的煤层赋存情况,实现煤层的三维可视化显示与动态测量,以兰海高速扩容工程黄家沟高瓦斯隧道为工程背景展开研究。首先,在瓦斯抽放掌子面进行超前钻孔施工并详细记录钻孔参数;然后,采用Matlab软件编制程序对所获钻孔参数进行数据处理,获取煤层顶板与底板的空间三维坐标;最后,在此基础上,构建三维可视化煤层赋存模型并进行煤层产状分析。研究结果表明:黄家沟隧道所穿越煤层的平均真厚度约为3.35 m,煤层的倾角约为33°,煤层走向与隧道轴向的夹角约为64°。研究结果与工程实际探测出的煤层产状几近一致,表明了所建模型的正确性,同时为瓦斯隧道超前探测煤层提供了一种合适的手段。

热-应力耦合作用下不同粒径煤自燃氧化升温特性

现有研究未考虑采空区中不同粒径煤会受到垮落煤岩和遗留煤柱产生的轴向应力的作用,致使煤的渗透率、裂隙结构等参数发生较大改变,进而影响煤自燃氧化升温进程。为研究热-应力耦合作用下不同粒径煤自燃氧化升温特性,利用荷载加压煤自燃特性参数测定装置和气相色谱仪,测定不同粒径煤的升温速率、耗氧速率和产热速率变化规律。实验结果表明:①不同粒径煤样在不同单轴应力下的升温速率随温度升高变化趋势具有一致性,整体上均呈先增高后降低趋势。当单轴应力为2,4,6,8 MPa时,随着煤样粒径增大,最大升温速率呈先增高后降低趋势;当单轴应力为10 MPa时,煤样最大升温速率随粒径增大而增高。②不同粒径煤样在升温过程中耗氧速率呈先快速增大后缓慢增大趋势;不同粒径煤样耗氧速率总体上均随单轴应力升高呈增大趋势。③不同粒径煤样在升温过程中产热速率整体呈先基本保持平稳再增大后减小趋势;随着煤样粒径增大,在适当的单轴应力作用下煤样最大产热速率会大于未施加单轴应力时。

含裂隙煤样受载破坏过程视电阻分布特征

为探究煤体破坏过程视电阻率变化规律,建立了煤岩视电阻率加载测试系统,测试了煤样在分级加载破坏过程的视电阻率变化规律,分析了视电阻率与应力之间的对应关系,揭示了煤体损伤破坏视电阻率响应机理。结果表明:煤体内部不同区域视电阻率分布不均匀,视电阻率阻值高低与煤体孔隙分布联系紧密;煤样加载过程中高阻值区域阻值变化与电阻仪测量结果一致,呈现先减后增变化趋势,低阻值区域视电阻率变化较小;煤体内部裂隙在载荷作用下的不规则扩展是煤体电阻率变化的主要原因;高阻值区域为裂隙较多区域,在应力作用下更容易发生裂隙扩展,视电阻率变化明显,最终发生拉伸破坏;低阻值区域为低阻值区域对应裂隙较少区域,在相同载荷作用下裂隙扩展较少,视电阻率变化不明显,最终发生剪切破坏。

构造煤微观孔隙结构形态学特征及定量分析

研究构造煤结构有助于深入理解煤与瓦斯突出易发区储层瓦斯赋存及运移规律,而从微观形态学结构角度精细定量化表征的研究相对较少。本文通过原子力显微镜、压汞法和物理吸附法开展构造煤和原生煤的三维表观形貌、孔隙发育程度、孔径分布、形态特征参数及连通特性等,旨在从本质上揭示两者微观多尺度结构差异性及对瓦斯运移的影响。结果表明:构造作用促使极限吸附量增大,煤结构整体强度降低,且气体瞬间解吸能力增强;构造煤结构表面形态特性由规则纳米孔向凹凸不平条带状微裂隙转变,脆性构造变形也导致孔隙整体呈现高粗糙度且不圆润形状;不论是原生煤还是构造煤,微孔对整体孔容和比表面积均具有重要贡献,但其对构造应力敏感程度低于介孔和大孔,其中构造煤的介孔孔容和比表面积相比原生煤增幅分别约4倍和10倍,大孔也分别提升了0.0088 cc/g和1.459 m^(2)/g;通过压汞法进退汞曲线及滞后环可知,构造煤中有效孔比例从76.95%降低至74.21%,导致气体自由运移空间降低,主要归因于由交联孔和半开放孔构成的限制型孔喉配置结构的大量存在;构造作用促使孔喉比和曲折度分别降低了约10%和0.5%,运移路径缩短且孔隙形态结构更加简单化;通过液氮吸附脱附曲线及滞后环可知,构造作用可能从本质上改变了孔隙形态结构特征,促使产生更多限制型孔隙配置关系,抑制了气体有效运移属性。

三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型研究

为研究低渗煤岩在应力加卸载作用下损伤破坏过程渗透性变化规律,基于“立方体”结构模型,综合考虑三轴应力加卸载煤岩损伤、有效应力及吸附/解吸作用引起的煤岩割理与基质变形,建立三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率模型,并基于试验结果对渗透率模型进行验证。研究结果表明:(1)所构建的渗透率模型,不仅可以较好地反映三轴应力加卸载作用下损伤煤岩渗透率变化规律,而且也可以反映有效应力对损伤煤岩渗透率的影响远大于吸附解吸作用的规律。(2)当煤岩应力水平低于峰值强度时,在恒定围压、持续加轴压应力作用下煤体处于压缩状态,瓦斯渗透率降低;在卸围压、持续加轴压应力作用下,煤体内部开始产生损伤破坏,瓦斯渗透率缓慢上升;使得煤岩在加卸载失稳破坏前,瓦斯渗透率整体呈“V”字型发展趋势。(3)不同初始围压条件下,煤岩加卸载破坏失稳后渗透率增大程度随着初始围压的增大而增大;不同瓦斯压力条件下,煤岩的初始渗透率随着瓦斯压力的增大而增大。研究结果可以为我国采煤工作面瓦斯高效抽采提供理论支撑,具有指导性意义。