三轴压缩下含瓦斯煤体电阻率响应的实验研究

目的受载含瓦斯煤体变形破裂过程中电阻率的变化规律是电阻率法预测预报煤与瓦斯突出发生的理论基础。因此,研究三轴压缩条件下含瓦斯煤体破裂过程中电阻率的变化规律十分必要。方法自主研发一套测试低频条件下受载含瓦斯煤体变形破坏过程中电阻率的实验系统,测试三轴压缩条件下含瓦斯煤体电阻率的变化规律,对实验结果进行分析和解释。结果结果表明:(1)受载含瓦斯煤体的电阻率变化与所受应力存在显著的对应关系,型煤的电阻率变化规律与应力的对应关系要优于原煤的,对应力降低比较敏感;(2)受载型煤的电阻率变化规律为先上升后下降型和下降型,受载原煤的电阻率变化规律仅有下降型;(3)从原煤和型煤的物理力学以及受载过程中的变形破坏类型、受载含瓦斯煤体变形破坏过程中的煤体结构变化情况、煤的孔隙结构以及导电类型3方面分析解释受载含瓦斯煤体的电阻率变化情况;(4)对受载含瓦斯型煤电阻率变化曲线出现的2种类型进行科学合理的解释。结论研究成果可为电阻率法预测预报煤与瓦斯突出的发生提供技术支撑。

组合多孔介质与氮气幕协同抑制瓦斯爆炸实验研究

为探究组合多孔介质与氮气幕抑制瓦斯爆炸的协同作用,在自主设计的爆炸管道内开展了爆炸实验。氮气幕距离点火位置0.9 m。实验选择的组合多孔介质是由孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与20、30、40 ppi的泡沫铁镍形成的组合体,以及10 ppi的泡沫铁镍与20、40 ppi的泡沫铜组成的组合体。研究表明:合理改变多孔介质的组合能提升与氮气幕共同抑制瓦斯爆炸的效果;第一层使用泡沫铁镍和第二层使用泡沫铜的组合显著削减火焰到达多孔介质时的强度,降低超压峰值,同时能够防止刚度低的泡沫铜形变而造成淬熄失败;抑爆效果最佳的组合为孔隙密度为10 ppi的泡沫铁镍与40 ppi的泡沫铜形成的组合多孔介质。

含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备的研制与应用

为更深入地研究煤与瓦斯突出等动力灾害的机理,分析在瓦斯压力、应力及煤体强度3因素不同组合情况下含瓦斯煤的动态破坏规律,研制了含瓦斯煤动态破坏模拟实验设备。设备主要由高压密封缸体、充气机构、快速卸压机构、数据采集系统、加载控制系统等组成。由于采用了高强度缸体和先进的密封装置,能够给煤体施加较高的应力(40 MPa)和气体压力(4 MPa),可以模拟深部高瓦斯煤层的动态破坏。运用该设备进行了不同强度含瓦斯煤体的动态破坏模拟实验,得到了不同强度煤体在应力-瓦斯压力作用下的破坏条件和规律:软煤具有典型的突出特征,突出强度大,抛出距离远,型煤破坏成粉状,具有明显的分选现象;中硬煤(f>0.5)中也能够发生类似突出的动力现象,但需要较高的瓦斯压力和地应力,突出发生后煤体破坏成碎块状,抛出距离较近,分选现象不明显。所得结果与现场真实动力现象基本一致,模拟实验结果可重复性好,对研究煤岩瓦斯动力灾害的发生机理和规律具有重要的作用。

煤层瓦斯含量测定定点取样方法研究进展

基于文献调研及前期研究,分析了目前煤矿井下煤层瓦斯含量直接测定时所采用定点取样方法及其弊端,阐述了学者们提出的改进型定点取样方法,并对煤层瓦斯含量测定定点取样方法的研究进行了展望,指出:1取样过程瓦斯损失量小、取样时升温低、机械复杂度低是基于煤芯管法定点取样方法的发展方向;2开展煤储层条件下的瓦斯运移规律研究,建立并完善各种基于煤芯管法的定点取样方法的瓦斯损失量模型;3适用于松软煤层的定点取样方法的研发亟待开展;4基于负压气力输送理论的定点取样方法是定点取样方法研究的趋势,动态颗粒煤变负压瓦斯解吸规律是建立对应瓦斯损失量模型的基础研究。

受载含瓦斯煤体电性参数与渗透率关系的试验研究

建立一套在低频率(0.1～10 kHz)测试条件下受载含瓦斯煤岩电性参数变化的试验测试系统,研究含瓦斯煤体在变形破裂过程中电性参数与渗透率之间的变化规律.试验结果表明,受载含瓦斯煤体在三轴压缩过程中,张屯矿型煤的渗透率曲线总体上呈现不对称的"V"字形,赵固二矿原生结构煤样的渗透率曲线基本呈现由小变大的趋势;在三轴压缩过程中,无论对于型煤或是原生结构煤样,其电阻率和介电常数的变化规律是一致的.此外,从煤体孔隙结构的角度,分析了受载含瓦斯煤岩电性参数与渗透率变化曲线的形成原因,得到了受载含瓦斯煤体电性参数与渗透率两者具有重要的相关性.

焦作矿区含瓦斯煤体电阻率变化规律研究

在低频率(100～10 000 Hz)条件下测试了煤体在吸附瓦斯过程中和含瓦斯煤在三轴压缩条件下的电阻率变化规律.实验结果表明,煤体在吸附瓦斯过程中和含瓦斯煤三轴压缩条件下,电阻率值分别随着吸附时间和应力的增加,出现先大幅度减小后小幅度增大的变化规律.运用电介质物理学理论对含瓦斯煤体导电机理分析表明,电子和离子在煤孔隙表面上的迁移、游离瓦斯对煤颗粒的挤压作用和正负电荷在外电场作用下产生移动,三者共同造成煤体在吸附瓦斯过程和含瓦斯煤体受载过程中电阻率的降低.

废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性评价模型构建及应用

在碳达峰碳中和的政策背景下,开发废弃煤矿瓦斯资源可产生较高的资源、经济与环境三重效益。通过调研及文献查阅,从技术可行性和经济合理性2个角度建立废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性评价指标体系,将博弈论组合赋权方法与模糊综合评价法结合,构建了博弈论−模糊综合评价模型,以晋城矿区废弃矿井古书院矿为例进行瓦斯抽采可行性评价。结果表明:一级指标中瓦斯资源条件及瓦斯保存条件的权重较高,分别为0.4391和0.3836,说明煤矿瓦斯赋存量和煤矿密闭性是影响废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性的决定因素;二级指标中,地面钻孔甲烷浓度和矿井涌水量权重较高,分别为0.091、0.087,说明废弃煤矿采空区瓦斯富集区的甲烷纯度及煤矿水害严重程度是影响废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性的关键因素;建立的评价模型修正了单一赋权评价法导致的权重失真问题,兼容了主客观定权重方法的优点;验证了博弈论−模糊综合评价模型应用于废弃煤矿采空区瓦斯抽采可行性评价的合理性。

吴寨矿西翼采区煤与瓦斯突出危险性分析

吴寨矿己17煤层与具有突出危险性的矿井十矿、十二矿相邻,采掘延伸达到或超过垂深50m时必须确定煤层的突出危险性。根据地质资料和实测数据,结合邻近矿井瓦斯动力现象,应用单项指标对吴寨矿己17煤层进行了瓦斯突出危险性研究。结果表明,在标高-450m以浅,吴寨矿西翼采区己17煤层无煤与瓦斯突出危险性。

吴寨矿庚组煤层煤与瓦斯突出危险性预测

随着采深的延伸和采掘强度的增大,非突出煤层或矿井的突出危险性预测与评价为保证煤层的安全开采提供了重要保障。平煤股份二矿庚20煤层曾发生煤与瓦斯突出现象,作为相邻矿井的吴寨矿在开采庚20煤层前需要确定其煤与瓦斯突出危险性。应用单项指标法对吴寨矿西翼采区标高-400 m以浅庚20煤层进行了煤与瓦斯突出危险性预测。结果表明,在该区域内庚20煤层的煤体破坏类型、坚固性系数均达到了突出煤层的临界指标值,但是煤层瓦斯压力和瓦斯放散初速度未达到临界指标值,因此,在该区域范围内庚20煤层不具有煤与瓦斯突出危险性,该结论指导了矿井安全生产和高产高效。

含瓦斯煤层的真实突出危险性及其判别试验

由于含瓦斯煤层突出危险性的判别是预防煤与瓦斯突出的关键,因此通过分析煤层开挖现场的应力和瓦斯条件,提出了煤层"真实突出危险性"的定义,认为含瓦斯煤层如不存在瓦斯卸压带,在应力、煤层原始瓦斯压力作用下的稳定性代表了真实的突出危险性。利用RFPA2D-Flow软件和相似模拟试验方法,以煤体强度为分组指标,研究了各组煤体在应力、瓦斯压力作用下的真实突出危险条件。煤层突出的瓦斯压力-应力临界条件可分为3个阶段:1在低水平应力范围内,应力阻碍突出,此阶段发生的突出主要以瓦斯压力作用为主,应力的增加对煤体起加固作用;2随着应力的增加,应力的作用由加固煤体转变为破坏煤体,应力加剧突出;3随着应力继续增加,突出发生的瓦斯压力降低并基本固定在某一水平,不再随应力增加而变化,此时煤体在高应力作用下发生宏观破坏,煤体状态处于峰后阶段,瓦斯压力的作用主要是破坏具有残余强度的煤体并抛出。最后,根据煤体破坏瓦斯压力-应力临界关系方程,得到了利用煤体强度参数确定煤体真实突出危险性的方法。

华北煤系变形特征与煤矿瓦斯赋存规律

瓦斯既是煤矿灾害的致灾因素之一,又是重要的清洁能源,厘清煤系变形瓦斯赋存规律是煤矿瓦斯灾害预防和煤层气高效开发的基础。以华北煤系为研究对象,以构造演化及控制为主线,运用板块构造、构造演化和瓦斯赋存构造逐级控制等理论,系统研究华北煤系变形特征与煤矿瓦斯赋存规律。结果表明,华北板块处于三大构造域相互作用交接的中心,控制着华北板块的形成与演化,华北板块与周缘板块之间的相互作用制约煤系的形成、赋存和变形,控制构造煤的形成与分布,同时控制着煤矿瓦斯的生成、运移和保存;华北煤系变形强度具有由板缘向板内、由挤压型造山带向远离造山带减弱的趋势;构造煤的形成与分布和构造演化过程中煤系变形有较好的一致性,构造煤的发育程度也具有由板缘向板内以及由靠近挤压型造山带向远离造山带减弱的趋势,伸展构造带构造煤不发育,但伸展背景下形成的大型滑脱构造容易形成成层发育的构造煤;华北煤矿瓦斯分布具有明显的区带特征,可划分为7个高突瓦斯区和6个低瓦斯区,进一步划分为15个高(突)瓦斯带和13个低瓦斯带。研究成果对国家有的放矢的瓦斯治理和煤层气开发具有重要的指导意义。

废弃煤矿瓦斯资源估算与评价方法构建及应用

基于我国废弃煤矿瓦斯资源勘探开发现状,为合理评估我国废弃煤矿瓦斯资源,提出“资源估算+初步评价”的思路,建立废弃煤矿瓦斯资源估算和评价方法,该方法具有所需参数少和实用性强等优点;依据废弃煤矿瓦斯涌出特点及废弃时间,划分废弃煤矿类型,将其分为稳定型和非稳定型两大类,非稳定型进一步划分为初期、中期和后期3个阶段;根据废弃煤矿类型及瓦斯赋存特征,构建废弃煤矿瓦斯资源评价模型,将废弃煤矿瓦斯资源划分为16个类型,分析认为废弃煤矿中瓦斯资源主要以保有煤炭资源中赋存的瓦斯资源为主,动用煤炭遗煤中瓦斯资源及可解吸量相对较少;基于各类型的特点,从瓦斯资源和赋存角度,将其开发价值划分为相对较好、相对中等、相对较差和相对最差四级。最后以焦作矿区为例,统计主要煤矿关闭时间,划分废弃煤矿类型,重点评价2006年以来关闭的非稳定型废弃煤矿。估算焦作矿区近15年来,开采层废弃煤矿瓦斯资源量约为26.06×10^(8) m^(3),其中,保有煤炭资源中瓦斯资源量约为20.75×10^(8) m^(3),动用煤炭遗煤中瓦斯资源量约为5.31×10^(8) m^(3),开发价值相对较好。

煤巷掘进过程中煤与瓦斯突出危险性研究

通过分析含瓦斯煤体的力学性质及其破坏类型,说明了突出的发生是由于含瓦斯煤体的Ⅱ类破坏和瓦斯高速渗流耦合作用的结果,为掘进工作面前方煤体的应力分布特点及防止突出的发生提供了理论依据。分析了煤巷掘进过程中卸压区宽度与突出危险性的关系,推导出煤巷巷帮在支护条件下的卸压区安全宽度公式,并针对淮南矿区的实际情况进行了验证。

煤矿掘进巷道断面尺寸变化对噪声传播的影响

为研究煤矿掘进巷道长空间内断面尺寸变化对噪声传播的影响,采用仿真模拟方法研究巷道内噪声传播,分析煤矿掘进巷道断面积大小、断面形状及断面面积突变率的变化对巷道内噪声传播影响。结果表明:煤矿掘进巷道内断面面积大小、断面形状及断面面积突变率均会影响巷道内噪声的传播,当噪声源功率、频率相同时,声压级衰减随巷道截面积增大而增大;对于给定的断面面积(18 m2),当断面形状不同时,声压级衰减也不同,且断面形状为拱形时会产生明显的声聚焦效应,不利于噪声衰减;当断面面积发生突变时,巷道内的声压级分布会有所变化,其中断面面积由大变小时不利于噪声的衰减,断面面积由小变大时仅影响突变后的声场,而对巷道内整体声压级影响并不明显;巷道内噪声衰减现场测试与数值模拟结果基本一致,验证了搭建的模型及模拟结果的可靠性。

受载煤体变形破裂微波辐射前兆规律的实验研究

对煤体在单轴压缩条件下的微波辐射效应和规律进行了实验研究.实验结果表明,受载煤体具有微波辐射效应,在煤体的变形破裂过程中伴随有6.6 GHz微波辐射信号产生,其前兆规律具有3种类型.基于电介质物理学对实验现象进行了解释.在单轴压缩实验中,煤体的亮温最大变化值为1.9～2.7 K,这表明煤体的微波辐射特性明显优于红外辐射特性.运用微波遥感基本原理的理论知识,分析了受载煤体变形破裂过程中微波辐射特性的影响因素.利用受载煤体变形破坏过程中的微波辐射前兆特性预报煤岩动力灾害具有广泛的应用前景.

自然对流下通风面积对阴燃向明火转化影响的实验研究

聚氨酯泡沫材料是阴燃火灾中的典型可燃物之一.在实验台上进行了自然对流条件下通风面积变化的阴燃实验,利用热电偶测量材料内部温度变化,用气体分析仪测量所产生的CO浓度.结果显示,对于横截面积为408×10-4 m2的泡沫材料,当通风面积与材料横截面积之比r小于1/260时阴燃会熄灭,r>1/260时阴燃会最终转化为明火.由此确定该数值是阴燃维持的临界通风面积.通过不同通风面积情况下生成的CO量的对比,发现在r=1/260时生成的CO明显增多,说明在形成明火后,由于空气供应受限,会大量产生CO.

深部矿井冲击-突出复合动力灾害的特点及防治技术

针对深部开采矿井受冲击地压和煤与瓦斯突出复合动力灾害威胁的问题,通过平煤十矿典型冲击地压诱导煤与瓦斯突出动力灾害案例,分析了复合动力灾害发生的特点和条件,认为煤岩体性质及瓦斯条件、应力条件、开采扰动条件等是发生复合动力灾害的必备要素。根据平顶山矿区现场试验结果,提出了预测复合动力灾害的3个敏感指标:钻屑量、钻孔瓦斯涌出初速度和瓦斯解吸量,给出了具体的测试和计算方法;并提出了治理复合动力灾害的区域和局部措施,主要包括开采保护层、瓦斯抽采、钻孔卸压等。

基于Ventsim的平煤九矿通风系统优化研究

针对平煤九矿双风机联合运转通风系统存在的矿井通风总阻力偏大,己组回风段通风阻力所占比例偏高的现状,在对矿井通风阻力测量的基础上,构建平煤九矿的通风Ventsim三维可视化模型,采用数值模拟的方法,研究不同优化方案下矿井通风系统风流、风速等参数的动态演化规律,并对不同方案从通风效果和技术经济等方面进行比对分析。研究结果表明,通过扩修己二西翼回风下山、己组总回风和丁二回风下山等巷道断面,结合附近巷道断面确定巷道断面积为16 m2,有效降低了矿井的通风阻力。

浸润环境下煤体多态水分布及运移规律

掌握煤水两相体系中多态水分布及动态运移特征对评价煤层注水效果和煤层气开发利用有重要意义。利用低场核磁共振实验系统,在标定多孔介质中不同状态水分弛豫时间的基础上,对试验煤样进行了浸润实验和核磁共振CPMG序列测试,基于煤体多态水分布结果建立了煤体自由态水弛豫特征与润湿性的定量关系,依托动力学理论研究了煤体吸附态水峰面积随时间变化的规律,揭示了煤储层与水分子间微观作用机制。研究结果表明:吸附态水峰对应的弛豫时间在0.1~10 ms,纯自由态水峰对应的弛豫时间在800~10000 ms,多孔介质中自由态水的弛豫速率会加快,束缚态水峰位于吸附态水和自由态水峰中间;不同煤样的自由态水弛豫特征与其自身润湿性有紧密联系,润湿能力越强的煤样自由态水弛豫速率越快,弛豫时间越短,对应峰的左移能力越强;接触角θ与煤样的自由态水峰闭合所需浸润时间t及对应时刻自由态水峰值对应的弛豫时间T_(2)存在定量关系,符合θ=51lg T_(2)+2.4t^(0.3)-87;煤体吸附态水峰面积可以用来评估煤层注水降尘效果,其随浸润时间的变化规律符合一级动力学模型,煤粉表面仅存在一种吸附位点;煤体中发生的水分子吸附过程由2部分组成:主吸附过程受扩散作用控制,发生在煤体表面极性官能团上;次吸附发生在煤体外层吸附态水分子形成的吸附位点上,该过程形成的水分凝聚是水锁效应的成因。水锁效应能否产生与煤样自身润湿性强弱有较大关系。

基于LNMR的表面活性剂对高阶煤孔隙润湿效果研究

高阶煤微小孔发育但具有弱吸水性的特征。从微小孔隙角度出发研究不同类型表面活性剂对高阶煤润湿性的改善效果,对高阶煤防尘降尘具有重要意义。以山西赵庄矿、贵州糯东矿高阶煤为研究对象,利用低场核磁共振测定系统(LNMR),开展煤样沉降试验、煤样-溶液渗吸孔隙水分布测定试验,分析表面活性剂溶液在不同复配比例条件下对高阶煤样的微小孔隙润湿性改善规律。结果表明:8种表面活性剂单体溶液沉降中,煤样在表面活性剂溶液中的沉降速率随着质量分数的增加逐步增加,在质量分数0.5%时各溶液的煤样沉降速率趋于平衡,其中曲拉通X-100(X-100)、脂肪醇聚氧乙烯醚(JFC-U)和十二烷基苯磺酸钠(SDBS)的沉降效果较其他表面活性剂溶液要快。基于低场核磁共振试验T^(2)谱煤样润湿双定量评价方法,研究发现3种优选的表面活性剂溶液在质量分数均为0.5%的条件下,采取体积比为1∶1、1∶2、2∶1的复配方式时,复配溶液对高阶煤微小孔隙润湿性均起到了协同增效作用,且复配表面活性剂溶液的润湿改善效果均高于表面活性剂单体溶液;非离子表面活性剂JFC-U溶液与阴离子表面活性剂SDBS溶液进行体积比为2∶1复配时对于改善高阶煤润湿的效果较为明显;非离子型与非离子型表面活性剂的复配溶液中,复配表面活性剂溶液对煤样的润湿改善效果与JFC-U的含量呈正相关。研究结果可为煤矿湿式防尘时表面活性剂类型的选取以及煤样润湿性的研究方法提供参考。