下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣解堵技术

为了解决下行定向钻孔煤屑堵塞、瓦斯抽采有浓度无流量技术瓶颈难题,提出下行定向钻孔氮气泡沫幂律多相流携渣、解堵技术,采用理论分析、数值模拟、现场工业试验等方法,对煤矿井下下行定向钻孔瓦斯抽采引起煤屑堵塞的原因、下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣理论及实践应用进行了研究。通过含壁函数的湍流模型数值模拟耦合瓦斯流动和煤体变形,钻孔抽采后流体压力变化引起的孔壁弹性位移。通过三维库仑失效准则模型数值模拟求解抽采引起的压力变化以及压力变化引发的应力、应变、位移变化及下行定向钻孔塌孔风险。通过幂律多相流理论分析氮气泡沫的稳定性、泡沫在钻杆内、钻头处、环空间隙的流动性、泡沫中煤粉悬浮性能、环空间隙泡沫排渣的压力损失、泡沫向上排渣受力情况。在下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣理论分析的基础上,设计了稳定氮气泡沫发生器、泡沫发生灌注系统、下行定向钻孔氮气泡沫钻进工艺、瓦斯抽采钻孔氮气泡沫二次解堵工艺,并进行下行定向钻孔氮气泡沫排渣现场工业试验。研究结果表明:钻孔壁摩擦曳力和弯曲处的离心力会造成煤屑颗粒聚集及孔壁坍塌风险增大,瓦斯携带的煤粉颗粒会撞击孔壁使孔壁变形或剥离,进而导致抽采钻孔塌孔堵塞;建立的涵括氮气泡沫稳定性、流动性、煤粉悬浮性能、环空间隙泡沫压力损失、排渣受力分析的下行定向钻孔环空氮气泡沫幂律多相流携渣、解堵技术理论体系能很好的为下行定向钻孔氮气泡沫排渣提供理论支撑;现场工业试验中氮气泡沫排渣钻孔相比水排钻孔,初始混合量和纯量分别提高了6.5倍和6.4倍,40 d混合量和纯量分别提高了10倍左右,说明氮气泡沫携渣、解赌技术可显著提高下行定向钻孔的瓦斯抽采效率。

煤层脉动式酸化压裂增透技术及其应用

为解决富含矿物质煤层透气性问题,基于煤层水压致裂理论和酸液溶蚀煤体矿物质的增透机制,提出脉动式酸化压裂增透技术,采用实验室渗透率测试方法,确定适合中能煤矿的酸液配比并开展现场试验。研究结果表明:采用脉动式酸化压裂后,压裂孔抽采瓦斯平均混合流量和体积分数为普通抽采钻孔的3.10和3.39倍,为脉动式水力压裂钻孔的1.23和1.28倍,为普通水力压裂钻孔的2.02和2.04倍;脉动式酸化压裂可融合脉动应力波致裂煤体的物理增透和酸液溶蚀煤体的化学增透,提高裂隙-孔隙空间结构的发育,增加煤体中瓦斯扩散、渗流通道,酸化反应生成的二氧化碳对瓦斯有驱替作用,利于瓦斯的高效持续抽采。

低透气性煤层多组分酸化压裂增透技术研究

为了解决富含碳酸盐类矿物煤层透气性差的问题,提出多组分酸化压裂增透技术。通过实验室测试煤样酸化前后渗透率的变化,确定了适用于三元煤矿的压裂酸液配比:w(HCl)为9%+w(CH 3COOH)为3%+ρ(KCl)为20 g/L。现场工业试验结果表明,三元煤矿采用多组分酸化压裂后,抽采瓦斯混合流量和瓦斯浓度比普通抽采钻孔平均提高了1.34倍和1.70倍。对比传统水力压裂增透技术,多组分酸化压裂通过物理增透和化学增透的联合作用,更有利于煤体孔隙裂隙网络结构的发育,且反应生成的二氧化碳对瓦斯产生了驱替作用,有利于瓦斯抽采;同时扩大钻孔孔径可以有效提高压裂接触面和抽采自由面面积,进一步提高增透抽采效果。

松软低透煤层高压水射流破煤增透技术研究

为了研究高压水射流对破煤机制以及对该技术的推广应用,文中以斜沟煤矿为工程背景,通过理论计算、数值模拟和现场试验手段研究高压水射流破煤原理。模拟结果表明:随着高压水射流和煤体相互作用时间的延长,高压水射流在煤体形成的坑底尺寸逐渐变大,随着后续水流的不断增加,能量不断升高,会继续对煤体进行损伤破坏。现场试验表明:钻孔累计抽采瓦斯纯量约为42 598.13 m^3。与之前未进行高压水射流冲孔造穴比,平均瓦斯抽采浓度提高3.2倍,平均抽采纯量提高7.3倍。

连续流量法预测煤巷突出的临界值研究

针对传统的煤巷突出预测指标关于测定距离的判定、测定时间的选择、预测指标的操作复杂性等方面存在的问题,提出了通过连续流量法预测煤巷突出的危险性,并分析了连续流量法的理论依据与临界值确立的重要意义。介绍了连续流量突出预测装置的组成部分与运行机理,分析了位移传感器与流量传感器的标定过程。通过现场应用为连续流量法在日常工作中的应用打下了基础。

西山矿区不同煤种低温氧化时热动力学参数研究

针对数值模拟过程中因煤自然发火导致瓦斯爆炸所需的重要基础数据不足,在试验室借助热重试验研究不同煤种质量和放热量的变化规律,得到不同煤样发生低温氧化时的温度区域。通过管式炉程序升温和色谱仪开展不同煤样产生气体分析试验,确定在不同温度时管式炉出口不同气体的含量,得到耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度与温度变化规律。试验结果证明:着火温度与煤的变质程度成正比关系,煤的变质程度越高,发生低温氧化时温度区域越宽;温度相同时,煤的耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度与变质程度成反比,变质程度较差的煤,更加容易发生自燃;CO产生速度高于CO2产生速度;随着温度的升高,耗氧速率、CO与CO2生成速率、放热强度指数关系升高;放热强度与耗氧速率成线性关系。试验结果可用于煤发生自燃时的数值模拟和预测火区发生瓦斯爆炸危险性。

阳泉五矿15^(#)煤层自燃过程中氧气浓度变化规律研究

为研究阳泉五矿15^(#)煤层煤自燃过程中氧气浓度变化规律,取5组煤样做程序温升氧化试验,得到了氧气浓度的温升变化规律。研究结果表明:阳泉五矿15^(#)煤层所取煤样自燃氧化的临界温度在80℃,干裂温度在100~130℃;当温度升高至220℃时,氧气浓度进一步下降到3%。

阳泉五矿15^(#)煤层自燃过程中一氧化碳浓度变化规律研究

为确定15^(#)煤自然发火指标气体,进而实现煤自然发火动态监控,采用程序升温试验的方法,研究阳泉五矿15^(#)煤层煤自燃过程中一氧化碳浓度变化规律。取5组煤样做程序升温氧化试验,得到了一氧化碳浓度的温升变化规律。研究结果表明:阳泉五矿15^(#)煤层所取煤样自燃氧化的临界温度在90℃,干裂温度在110~130℃;当温度升高至220℃时,一氧化碳浓度进一步升高到13.2‰。

基于着火活化能指标的综放面阻化剂优选研究

为了更加准确地测算煤炭的自然发火期,防治煤层自燃,基于活化能原理,结合斜沟煤矿13号煤层的实际情况选取煤样,利用热重-红外光谱联用仪,进行煤层自然发火热重试验,得到TG和DSC曲线,根据热分析法对曲线进行分析。基于速率常数与温度的关系式推算出煤样在低温氧化自燃反应时的动力学参数——活化能E和指前因子A,得到煤在不同反应阶段下的反应速度,进而确定煤的自然发火期。将不同阻化剂添加到试验煤样中,测试出煤样的活化能变化规律,从而选择阻化效果最好的阻化剂。

“三个压力”对工作面采空区瓦斯涌出影响试验研究

采用试验模拟研究方法对大气压力、抽放负压以及通风负压3种影响因素对采空区瓦斯涌出的耦合作用机制进行了深入研究,探讨了"三个压力"影响下采空区瓦斯赋存及涌出瞬时影响特点及其规律。结果表明:采空区瓦斯涌出浓度对比地面大气压变化有一定的滞后效应,滞后时间平均为1 h左右,工作面通风量从990 m3/min上升到1 071 m3/min时,瓦斯涌出浓度较初值上升4%,随后下降至初值以下。