改性赤泥粉体抑制瓦斯爆炸的实验研究

为了研制经济且高效的抑爆剂,以拜耳法赤泥为原料,经过脱碱、改性处理后得到具有较高比表面积(255 m2/g)的超细改性赤泥粉体材料。利用自制瓦斯抑爆实验系统,研究了改性赤泥粉体的抑爆性能。研究结果表明:经过改性的赤泥粉体在瓦斯抑爆实验中表现出良好的抑爆效果。其中,质量浓度为0.15 g/L的赤泥粉体可使甲烷体积分数为9.5%的甲烷-空气预混气体的爆炸最大压力降低30%,压力峰值出现时间延迟35.1%左右。结合热分析、氮气吸附-脱附等测试结果,对改性赤泥粉体的抑爆机理进行了讨论,分析表明改性赤泥具有较高的吸热性,同时具有较高的比表面积,能够有效吸附爆炸中产生的活性自基,从而达到抑爆的目的。

软硬煤瓦斯解吸规律及影响因素的实验研究

为了研究软硬煤瓦斯解吸规律,搭建了大质量瓦斯解吸实验系统,进行了不同变质程度软硬煤的瓦斯解吸实验,对比分析了软硬煤的孔隙结构特征,查明了软硬煤的瓦斯解吸规律及影响因素。研究结果表明:软煤相对于硬煤,具有更多的瓦斯解吸总量和更快的解吸速度,采用幂函数可以较好的描述软硬煤的解吸规律,煤的破坏类型和变质程度是影响瓦斯解吸量的主要因素;软硬煤瓦斯解吸规律的差异性主要受煤的孔隙结构影响,软煤总孔容是硬煤的1.18~2.14倍,且软煤中孔及大孔更为发育,这为瓦斯解吸提供了更优质的通道;软煤相对硬煤在同等条件下变质程度更高,煤吸附甲烷的能力更强,这有利于软煤瓦斯解吸量的增加及解吸速度的加快。研究成果为准确测试煤层瓦斯含量和钻屑解吸指标提供了理论依据。

不同煤阶区域预测瓦斯含量临界值的实验研究及应用——以安阳矿区龙山矿无烟煤和大众矿贫煤为例

为了提高对瓦斯突出区域预测的准确性,确定合理的瓦斯含量临界值,分析了不同煤阶煤的吸附特征,搭建了具有温控功能的大质量煤样瓦斯吸附解吸实验系统。实验分析了瓦斯含量、瓦斯压力和钻屑瓦斯解吸指标的相互关系,确定出了不同煤阶瓦斯含量临界值。结果表明:①煤的变质程度越高,煤吸附甲烷的能力越强,区域预测瓦斯含量临界值就越高;②龙山矿无烟煤吸附常数(a)值为43.224～45.013m3/t,瓦斯压力为0.74MPa时对应的瓦斯含量最低为10.9m3/t,Δh2为200Pa对应的瓦斯含量最低为10.8m3/t,确定其瓦斯含量临界值为10.0m3/t;③大众矿贫煤a值为30.813～33.85m3/t,瓦斯压力0.74MPa对应的瓦斯含量最低为9.04m3/t,Δh2为200Pa对应的瓦斯含量最低为9.3m3/t,考虑到该矿煤质松软,确定其临界值为8.0m3/t。现场跟踪考察结果表明,所确定的瓦斯含量临界值安全可靠,该研究成果可为其他类似矿区提供借鉴。

点火位置对独头巷道瓦斯爆炸火焰参数影响实验!

在实验室模拟独头巷道的小型方形管道内,采用微细热电偶、离子电流传感器和火焰光信号传感器,测试了闭口终端处和距离闭口终端200mm、400mm、600mm、800mm位置处五种点火情况下甲烷-空气预混火焰锋面传播过程中温度、离子电流强度及速度的变化情况。实验结果表明:闭口终端点火时,火焰锋面向开口端传播过程中各截面的温度先减小后增大;距离闭口终端200mm、400mm、600mm、800mm处点火时,火焰传播过程中点火处的温度均最高,火焰向闭口端传播过程中温度有逐渐降低的趋势。不同位置点火时,火焰向开口端传播速度是闭口端传播速度的20倍左右;闭口终端处、距离闭口终端200mm处点火火焰向开口方向传播过程中,火焰传播速度均呈现先增大后减小再增大的趋势;火焰向闭口方向传播过程中,火焰传播速度较小,但有逐渐增大的趋势;离子电流峰值的变化趋势与火焰传播的速度基本吻合,说明火焰向开口端传播比向闭口端传播更剧烈。

平顶山八矿突出煤层瓦斯地质控制特征

运用瓦斯地质理论,以平顶山矿区八矿为研究对象,基于地质构造对区域、矿区和井田瓦斯赋存的控制特征,研究了三级构造对平顶山八矿突出煤层瓦斯赋存的地质构造逐级控制特征。研究表明:区域构造奠定了平顶山矿区高瓦斯的基调;矿区构造将平顶山矿区划分为东西2个瓦斯赋存单元,瓦斯赋存以李口向斜呈轴对称分布;井田构造控制着矿井突出煤层的瓦斯赋存和构造煤分布,造成煤层瓦斯突出危险呈条带分布,合理划分出煤与瓦斯突出发生有利地带。

基于瓦斯抽采钻孔的煤矿瓦斯地质精细勘查

通过实例表明了详细查明地质构造是确保煤层瓦斯抽采均衡、避免瓦斯灾害的重要基础工作。提出了综合利用瓦斯抽采钻孔开展煤矿瓦斯地质精细勘查的主要任务、施工要求,以及采掘工作面前方隐伏断层探测和瓦斯抽采方案。隐伏断层探测方案的可行性得到了煤矿生产实践的验证。研究结果表明,综合利用瓦斯抽采钻孔对煤层顶(底)板实施连续探测,能够及时发现隐伏构造,是提高瓦斯地质勘查精度,防治瓦斯灾害的一种实用、经济和有效的技术途径。

低位富集区瓦斯治理方法研究

为了有效治理低位富集区瓦斯诱导的上隅角瓦斯超限,提出了走向低位钻孔治理的手段,结合试验矿井的开采状况,设计了走向低位钻孔抽采终孔位置、钻孔间距、钻孔长度等参数,根据现场考察确定了合理的抽采负压。应用fluent数值模拟软件,对给定低位钻孔布置效果进行模拟,结果表明低位走向钻孔显著降低了15煤层上方15m区域的瓦斯浓度;同时也有效降低了上隅角及采空区内的瓦斯浓度;对走向低位钻孔抽采瓦斯效果进行了考察,结果表明实施低位钻孔抽采后,工作面、上隅角以及轨道巷的瓦斯浓度都降到了0.4%以下,工作面的瓦斯超限问题得到了有效解决。

南太行山东麓煤田瓦斯突出主控地质因素分析

根据南太行东麓二1煤层煤与瓦斯突出特征,应用煤与瓦斯突出综合假说,从煤层瓦斯生成、运移、储存的角度,分析研究了岩浆热液作用、地质构造、煤层埋深等因素对煤层煤质、煤层生烃能力、瓦斯含量和压力等煤层瓦斯参数及瓦斯突出因素的影响,确定岩浆热作用对瓦斯突出具有严重影响作用,地质构造、煤层埋深等因素对瓦斯突出具有中等影响作用和一般影响作用,该结论为地质勘探、矿井设计与生产规划、矿井瓦斯防治提供了理论依据。

基于负压测试的新田煤矿瓦斯抽采技术优化研究

瓦斯抽采作为我国治理煤矿瓦斯灾害的根本措施一直受到广泛应用,提高瓦斯的抽采效率可以有效预防瓦斯事故,其中抽采负压对抽采效果有着重要作用。本文利用COMSOL软件建立抽采钻孔模型模拟瓦斯抽采,改变不同参数,观察不同条件下瓦斯压力云图以及等值线图,得出抽采效果具有时效性,抽采负压分布受多种因素影响,包括孔口负压、钻孔直径、抽采时间、封孔深度等因素。在新田煤矿进行现场试验,对不同条件下孔内负压分布进行对比测试,得出不同条件下抽采负压分布规律,形成以新田煤矿抽采负压为基础的瓦斯抽采技术优化体系,确定了合理的瓦斯抽采参数,有效提高了煤层抽采效果。

极近距离煤层大采高工作面上隅角瓦斯治理

为了解决三交河煤矿2-512大采高工作面上隅角瓦斯经常超限的难题,运用理论和现场实践进行了分析,分析得出工作面上隅角瓦斯超限的主要原因有:①上隅角是风流汇合处；②顶板跨落；③2#下煤层瓦斯涌入采空区；④地质构造.针对上隅角瓦斯超限问题,提出了高位钻孔抽放裂隙带瓦斯和低位钻孔抽放采空区和冒落带瓦斯的防治措施.现场实践表明,在实施上述措施之后,2-512工作面回风流中瓦斯浓度控制在0.02％ ～0.06％,上隅瓦斯浓度由原来的0.8％～3.0％下降到0.8％以下,有效地解决了上隅角瓦斯超限问题,保证了矿井的安全高效生产.

水溶液对光催化煤脱硫实验的影响

为提高燃煤中硫的脱除率,采用光催化氧化法脱硫,利用30%过氧化氢(H_(2)O_(2))作为氧化剂、SiO_(2)作为光催化剂,加入1 g水溶液,使其在紫外灯照射下反应,或者在紫外光照射后加入1 g水溶液,观察煤中硫含量的变化。结果表明:水溶液可以增加氧化物质,提高溶剂的氧化性,H_(2)O_(2)-SiO_(2)-H_(2)O光催化处理后煤样的无机硫脱除率达到40%左右,有机硫脱除率最大可以达到9.69%。加入过氧化氢会优先去除无机硫,但是过量的过氧化氢反而会捕获羟基自由基导致体系的氧化性减弱,脱硫率降低;光照结束后加入水溶液时煤的有机硫脱除率提高,说明水溶液在一定程度上可以促进光催化煤脱硫。FTIR和XPS分析表明光催化对噻吩、砜和亚砜的脱除效果好;模拟分析表明水溶液可以在紫外光辐射下产生羟基自由基;而噻吩内部为负电性区域,外部区域呈正电性,羟基自由基的氧原子附近所在区域呈负电性,所以高电负性羟基自由基容易攻击噻吩等高电子云密度点,使其氧化成极性更大的物质,最后通过萃取将其与煤分离。

平顶山东部矿区地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

为了研究平顶山东部矿区地应力场特征,以及地应力对煤与瓦斯突出的影响,利用地应力实测资料,运用理论分析和数理统计计算相结合的方法,系统研究了东部矿区地应力的分布规律;并且进行了地应力区块划分,揭示了东部矿区地应力在突出中的作用。结果表明:1)东部矿区地应力场以水平构造应力为主,最大主应力方向为NEE-SWW向,最大水平主应力百米梯度为5.4 MPa左右,该区域内集聚了较高的水平构造应力,应力场类型为大地动力场;2)依据最大水平主应力随埋深增加而增大的应力梯度线,将东部矿区划分为应力升高区和应力梯度区;3)应力升高区由于地应力集中,提供了突出的动力,构造煤的发育则减少了突出阻力,造成了该区域频繁发生突出事故,突出的主导因素为地应力。

基于瓦斯抽采钻孔的石门揭煤区域煤层地质精查方法

及时准确地探明石门揭煤区域煤层地质条件,对防治煤与瓦斯突出、保障煤矿安全生产具有重要意义。以石门揭煤区域煤层瓦斯抽采常规方案为模型,提出了利用瓦斯抽采钻孔探查目标煤层地质条件的基本原理和具体步骤:采用解析几何方法计算钻孔控制煤层底板(顶板)点三维坐标、煤层厚度和掘进工作面距煤层任意垂距时巷道掘进量,运用Matlab软件绘制煤层底板(顶板)等高线图、煤层等厚线图和石门揭煤三维地质模型,进而直观且定量地预测煤层产状、地质构造、煤层厚度等地质条件。阐述了基于瓦斯抽采钻孔的石门揭煤区域地质精查的基本流程:根据已知矿井地质资料对煤层地质条件做出预判,边探边掘,利用瓦斯抽采钻孔数据和Matlab绘图软件实现目标煤层地质条件的定量预测。实践证明该方法具有可行性和有效性。

2001—2012年我国煤与瓦斯突出事故基本特征及发生规律研究

通过对2001—2012年我国煤矿所发生的417起煤与瓦斯突出事故的统计分析,总结出该阶段我国煤矿煤与瓦斯突出事故的两个基本特征,并依据这两个基本特征对突出事故发生的原因进行了分类。突出事故起数和死亡人数统计表明,我国煤与瓦斯突出事故发生频率呈南高北低的特点,导致的死亡人数也是南多北少。其中较大事故多发,造成的死亡总人数最多,占事故总起数的62.11%,占总死亡人数的46.0%;特别重大事故较少发生,仅占事故总起数的2.39%,但造成的死亡人数较多,占总死亡人数的19.9%。根据事故发生原因及特点,瓦斯矿井所发生的突出事故原因符合第一类基本特征;突出矿井所发生的突出事故原因符合第二类基本特征;高瓦斯矿井除了符合第一类基本特征外,在管理方面和勘探方面也基本符合第二类基本特征。

复合顶板高瓦斯厚煤层综放工作面覆岩“两带”动态发育特征

以余吾煤业为试验矿井,采用钻孔两端封堵分段注水装置和钻孔电视系统,探测综放开采上覆岩层"两带"高度,对采动前后裂隙倾角、数量与深度关系、数量与宽度关系进行数字化分析,并就采动过程裂隙演变情况进行相似模型与数值模拟试验。结果表明:余吾煤业综放开采冒落带高度为27～32 m,裂隙带高度为58～61 m,采动前裂隙以高角度、低宽度为主;随着采煤工作面的逐步推进裂隙数量呈直线上升,且增加的裂隙以小角度、中宽度为主;采动过程中裂隙的主要聚集区在煤壁前后,覆岩裂隙密度分布曲线呈两端和中间高,如"波浪"型。

温度对煤粒瓦斯扩散动态过程的影响规律与机理

根据气体在多孔介质的运移理论,推导出了含瓦斯煤粒的扩散通量、扩散系数与温度分别呈指数函数、幂函数关系。运用自制设备,实验研究了吸附平衡压力为(0.74±0.01)MPa,吸附温度为303 K,解吸环境温度为283～313 K条件下,不同煤阶含瓦斯煤粒的扩散通量与温度的量化关系,确定了3种煤阶煤粒瓦斯放散量随温度变化的修正方法和回归系数,查明了不同煤阶煤粒的瓦斯扩散系数随温度升高的量化变化规律。实验结果表明,前60 min的温度影响回归系数a可在0.011 0～0.012 0之间取值,无烟煤取0.011 0,高变质烟煤可取0.011 5,低变质烟煤可取0.012 0。揭示了温度对含瓦斯煤粒扩散动态过程的影响机理,温度升高增强了甲烷分子的活性、促使孔隙扩张,特别是小孔隙的扩张,大大提高了瓦斯在煤粒中的扩散能力。

基于Klinkenberg效应影响的煤体瓦斯渗流规律及其渗透率计算方法

针对气体渗流存在的Klinkenberg效应,利用自主研发的三轴瓦斯渗流实验系统,对煤层瓦斯的渗流特性进行了研究。通过实验数据分析和理论推导,提出了一种综合气体动力黏度和压缩因子影响及克氏效应的煤层瓦斯渗透率计算方法。通过比较传统的拟压力法计算结果,考虑克氏效应方法在理论上和数据处理结果上更合理、更准确。研究结果表明:1克氏效应对煤层瓦斯渗流影响明显,利用考虑克氏效应方法评估的渗透率结果正确,能充分反映出气体渗流的真实状态。2吸附解吸作用对煤层瓦斯渗透性有一定的影响,其影响结果是导致煤层绝对渗透率的降低。3处于标准状况附近的气体,可以忽略动力黏度和压缩因子对其渗透性的影响,离开标准状况较远的气体,需要考虑动力黏度和压缩因子对其渗透性的影响。研究结果对正确认识克氏效应和选择更精确的含瓦斯煤渗透率计算方法具有一定的指导价值。

干燥及饱和含水煤样超声波特征的实验研究

采用超声波透射法对无烟煤、焦煤和肥煤煤样在干燥及自然饱和吸水状态进行超声波测试实验,利用快速傅里叶变换对超声波信号进行了频谱分析,研究干燥及自然饱和吸水状态下煤样超声波特征。研究结果表明:在干燥或自然饱和吸水状态下,同种煤样的纵波波速相差较小;在干燥和自然饱和吸水两种状态下,无烟煤煤样纵波速度最大,肥煤纵波速度最小,焦煤介于两者之间,煤样纵波速度与其密度呈正相关、与孔隙率和变质程度呈负相关关系。焦煤和肥煤煤样在自然饱和吸水状态下纵波波速高于其在干燥状态下的纵波波速,无烟煤则相反;焦煤和肥煤煤样的纵波波速对水的敏感性大于无烟煤纵波波速对水的敏感性,这是由水分子在煤样孔隙中的运动形式决定的。煤样自然饱和吸水后,其主频率值有所下降,出现"频率漂移"的现象,使其能量多集中在低频部分;在煤样中传播的超声波信号的波速和主频率值能够反映煤样内部的孔隙、微裂隙等结构情况及其含水情况。

多组分酸对不同煤阶煤储层化学增透实验研究

查明酸液对不同煤阶煤的酸化效果,能够为提高煤储层导流能力提供一种化学方法。通过对不同煤阶煤样酸化前后煤表面观察、矿物质含量和渗透率测试,得出不同煤阶煤酸化后表面变化特征、矿物质含量变化及渗透率变化规律。结果表明:多组分酸能与煤中的矿物质发生反应,提高煤储层的导流能力。煤中原始裂隙发育程度及矿物质的含量共同影响着增透效果;酸化使煤中的碳酸盐矿物和硫化物减少最多,其次是蒙脱石、绿泥石和伊利石,石英和高岭石减少最少;煤体裂隙越发育,与酸液反应的碳酸盐和硫化物含量越高,酸化增透效果越好。研究结果为多组分酸在煤储层水力压裂中的应用提供了实验支撑。

基于多物理场耦合的瓦斯抽放半径确定方法

为确定合理的瓦斯抽放半径,建立了考虑煤的流变特性、渗透率动态变化和吸附特征的渗流-应力耦合模型,对比分析了软硬煤层钻孔孔径的变化规律,研究了抽放过程的渗透率的动态演化规律,确定了软硬煤层的有效抽放半径,找出了瓦斯抽放半径的影响因素。研究结果表明:由于含瓦斯煤的流变特性,软硬煤层钻孔均会随时间发生缩孔现象,软煤层钻孔在短时间内就可能被堵塞,硬煤层钻孔直径虽有缩小但仍处于稳定状态,并不堵塞瓦斯抽放通道,在确定抽放半径时,应首先分析钻孔的孔径变化规律以确定有效抽放时间;瓦斯抽放过程中煤的渗透率会随时间的推移逐渐增大;煤体硬度、埋藏深度、初始瓦斯压力、初始渗透率和钻孔孔径等是影响瓦斯抽放半径的主要因素。