川达煤矿4号煤层＋1195m标高以上瓦斯突出危险性评价

通过测压孔现场实测4号煤层的原始瓦斯压力、钻孔瓦斯自然涌出量,并用刻槽法在测压点附近取样,实验室测定瓦斯吸附常数、煤的孔隙率及煤的坚固性系数f、瓦斯放散初速度ΔP等参数。依据煤层突出危险性单项指标和综合指标评价,认为川达煤矿4号煤层目前采区＋1 195m标高以上不具有煤与瓦斯突出危险性。     

不同变质煤的瓦斯膨胀能演化特征及其突出预测启示

为了提高煤与瓦斯突出(突出)预测的准确性,选取6种不同变质程度的煤样,开展高压压汞实验、等温吸附实验,计算瓦斯膨胀能,分析不同变质程度煤的瓦斯膨胀能演化特征及其与突出预测指标间的关系。结果表明：不同变质程度煤的孔隙结构与吸附性的差异,导致煤体所含的瓦斯膨胀能存在差异。煤的总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能随瓦斯压力的升高而增大,增加趋势逐渐变缓;相同瓦斯压力下,煤的变质程度越高,总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能越大。煤的游离瓦斯膨胀能随瓦斯压力升高呈指数增大;相同瓦斯压力下,游离瓦斯膨胀能随单位质量煤体孔隙体积的增加而增大。当R_max>1.6%,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能与初始释放瓦斯膨胀能突出临界指标42.98 mJ/g基本相等,进一步验证了游离瓦斯在突出触发阶段起主要作用,也为突出预测临界压力值采用0.74 MPa的合理性提供了科学依据。当R_max为0.6%～1.6%时,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能小于42.98 mJ/g,夸大了煤体所具备的突出潜能,会加大防突工作量。当R_max<0.6%,0.7...     

煤与瓦斯突出物理模拟试验中甲烷相似气体的探索

当前煤与瓦斯突出物理模拟试验多采用二氧化碳代替甲烷,导致试验结果偏差较大。为了保证模拟试验相似性并规避甲烷气体带来的安全风险,提出了甲烷相似气体的概念。基于瓦斯在突出过程中的作用机制和相似准则,结合煤与瓦斯突出防治规定,建立了以瓦斯含量、瓦斯放散初速度、初始瓦斯膨胀能和含瓦斯煤力学性质为参数的相似指标。初步采用二氧化碳体积分数为20%、40%、60%、80%的二氧化碳和氮气二元混合气体作为甲烷相似气体的筛选气体。按照相关规范,分别测定了甲烷和筛选气体的相似指标参数值,确定了与瓦斯含量、瓦斯放散初速度、初始瓦斯膨胀能和含瓦斯煤力学性质接近的混合气体组分分别是二氧化碳体积分数为60%、35%、45%和54%。相关性分析结果表明,上述4种配比气体与甲烷性质相关性高,可以作为相似气体的待定气体。采用待定气体和甲烷进行了模拟试验,结果表明,二氧化碳体积分数为45%的混合气体的突出现象和突出临界值与甲烷接近,与甲烷相似性高。     

煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力效应

为探讨煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力效应,利用自行研制的煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统和配比而成的中硬度的大型煤样,在煤样的含水率、配比方案、煤样成型压力等参数均恒定的条件下,恒定3种轴向载荷时,开展了5种不同瓦斯压力梯度的煤与瓦斯突出的相似模拟实验。实验表明,煤与瓦斯相对突出强度存在一个瓦斯压力阈值,超过此阈值时,随着瓦斯压力的增大则相对突出强度大大增强,且相对强度与瓦斯压力呈现正指数的关系;瓦斯压力作为突出发生的动力并对突出煤粉有一定的粉碎和搬运作用,可形成腹大口小的倒梨形突出孔洞;轴向应力对中硬度的含瓦斯煤岩体的突出具有正作用。      

热-力作用原煤变形特征与力学性质演化试验研究

开展原煤在热-力作用下煤热膨胀与吸附瓦斯解吸研究对于深入理解深部煤岩失稳破坏机制有重要意义。通过对四川白皎矿和徐州张双楼矿的原煤施加不同温度-应力条件,获取煤的热变形、解吸气体运移以及煤的力学性质的热响应。试验结果表明:白皎煤在低于35℃条件下表现为膨胀变形;在高于35℃恒温环境下,煤体变形表现为先膨胀后收缩趋势。张双楼煤在低于60℃条件下表现为先膨胀后会出现收缩;在高于60℃恒温环境下,煤样趋向整体膨胀。其结果说明,煤岩在热环境中的变形行为取决于煤基质的热膨胀与解吸收缩之间的竞争结果。煤吸热升温后孔隙中解吸气体数量增多,煤样在受载压缩变形过程中显现出复杂解吸气体排放特征,包括煤中原生孔隙裂隙压缩闭合排出气体,煤体内不均匀变形导致气体流动,煤体开裂导致气体回流。力学测试结果表明,煤样的单轴抗压强度以及弹性模量随着环境温度上升均表现出下降趋势。其结果为深入理解深部煤层在热-力耦合下渗透率与强度变化机制提供试验依据。     

基于相似模拟和地质力学模型试验的突出装置研制及应用

国内外学者对煤与瓦斯突出过程及机制进行了大量的研究,但使用的均是型煤试验,很少涉及地质构造对突出的影响,而且数据监测均未深入到煤体内部。基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路,在实验室搭建了综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的大型石门揭煤的煤与瓦斯突出试验平台。该试验平台包括试验箱体和反力架、液压加载系统、密封系统、试验监测系统;设计了线充气和面充气系统,用来模拟煤层的瓦斯赋存差异。同时,利用该试验平台进行了石门揭构造软煤的相似模拟试验,研究了石门揭构造软煤过程中煤岩应力和位移的变化规律,以及突出过程中煤层内瓦斯压力和声发射的变化规律。结果表明,在巷道开挖过程中,掘进工作面前方存在明显的应力集中,且越靠近构造软煤应力集中现象越明显;突出发生的瞬间,在突出点附近的位移产生了突变;在突出发生前,声发射信号有一次降低;掘进工作面前方煤岩体应力释放,煤体裂隙增大,为瓦斯的快速放散提供了条件。     

煤与瓦斯突出预测的距离判别分析方法

以煤与瓦斯突出预测为研究对象,选取地质构造、采深、瓦斯放散初速度等10个因素作为预测指标,应用距离判别分析方法建立了煤与瓦斯突出预测模型;结合实际数据,对预测模型进行训练和检验;将该模型用于实际,预测结果符合实际情况。      

低温氮吸附法判识构造煤的实验研究

煤体结构是煤与瓦斯突出防治和煤与瓦斯共采的重要地质因素之一。为了区分煤体结构在地应力作用下的破坏程度,采集了淮北矿业股份有限公司桃园煤矿8283采煤工作面煤样,基于自相似原理和实验室内对煤样的加压模拟实验,通过煤基质纳米级孔隙在低温氮吸附-解吸曲线上的响应对比分析,建立了低温氮吸附法判识煤体结构的方法,并对淮北矿业股份有限公司桃园煤矿10号煤层内1026和1035工作面煤体宏观结构及微观孔隙发育特征进行了对比研究。结果表明,煤体微观孔隙结构变化与构造煤发育程度密切相关;随着煤体破坏程度的提高,在吸附-解吸曲线上表现为吸附量明显增大,纳米级孔隙的比表面积和比孔容明显增加,平均孔径略有增加;构造煤解吸曲线上有明显的陡降点,而原生结构煤的解吸曲线不具有这个特征。     

煤与瓦斯突出能量条件及突出强度影响因素分析

针对煤与瓦斯突出机制尚不明确的问题,在前人研究的基础上对煤与瓦斯突出强度的影响因素做进一步分析。通过三维突出模型的构建和不规则突出孔洞体积的求解,得出了突出煤体释放的弹性势能,结合突出过程中瓦斯内能和突出后能量的分析,得到煤与瓦斯突出发生的能量条件模型与突出强度预测模型。在统计10次瓦斯突出事故的基础上,运用能量条件模型与强度预测模型进行计算分析,得出突出前、后能量基本相等,突出强度预测值与统计值相差无几的结论,从而验证了该模型的合理性,为从能量角度进行煤与瓦斯突出的研究提供了量化手段。利用该能量条件模型进行了中梁山煤矿和化处煤矿突出实例的突出强度影响因素分析,结果表明,煤层的地应力和瓦斯含量是突出强度的主要影响因素,坚固性系数和进尺对突出强度的影响程度相对较小;突出强度对瓦斯含量变化的敏感度大于对地应力变化的敏感度。     

深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出机制探讨

为深入探讨硬煤的煤与瓦斯突出机制,对深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出的相关理论和模型试验进行研究。根据断裂力学、岩石力学及煤与瓦斯突出有关理论,提出深部开采过程中硬煤掘进工作面薄板理论假设,并将该理论应用于深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出模拟试验研究。对硬煤掘进工作面薄板理论分析,认为工作面尺寸、煤的弹性模量、围岩侧压系数、瓦斯压力等因素对硬煤掘进工作面突出具有较大影响。试验结果表明,在围岩应力、煤的坚固性系数较大的情况下,硬煤突出临界条件主要受围岩应力、煤的弹性模量、围岩侧压系数及工作面尺寸等因素影响,而受瓦斯压力影响相对较小;在围岩应力、试样的坚固性系数较大且煤的弹性模量和侧压系数稳定不变的情况下,发生突出的临界轴向应力随模拟工作面尺寸增大而近似呈线性减小。试验结论基本符合本硬煤突出薄板模型理论公式,在一定程度上验证了硬煤掘进工作面煤薄板模型理论及硬煤掘进工作面突出机制假设。     

石门揭煤突出模拟实验台的设计与应用

基于石门揭煤过程中采掘应力场与瓦斯突出关系研究的需要,针对目前石门揭煤突出模型还处在实验室研究的阶段,而大部分都未能综合考虑瓦斯压力、地应力、煤的物理力学性质等对突出的影响,研制出一套能够综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的石门揭煤突出模拟试验系统。为取得准确、客观的试验效果,进行了密封、快速开启装置及氮气平衡系统等关键技术的设计,介绍了试验系统的主要组成结构、功能。利用该实验台进行石门揭煤突出试验,试验结果反映出在突出过程中地应力和瓦斯压力的变化情况,可为研究和揭示煤与瓦斯突出机制、突出过程中地应力和瓦斯压力的变化规律提供新的技术手段。     

超临界CO2温变对低渗透煤层孔渗变化的实验研究

为解决我国高瓦斯煤层渗透性差导致瓦斯抽采率低的难题,利用超临界二氧化碳强扩散和溶解增透等独特优点,采用自制三轴渗透实验装置,开展不同温度下超临界二氧化碳作用后煤的宏观增透实验,在宏观增透实验基础上进行煤微观扫描成像实验。结果表明:恒定体积应力和孔隙压力条件下,不同温度超临界二氧化碳作用后,煤的渗透率较增透前提高一个数量级,但在二氧化碳的超临界温度范围内,煤的渗透率随温度增加呈负指数变化规律。超临界二氧化碳作用后,煤微观孔隙率较增透前提高两个数量级,随着温度增加,煤微观孔裂隙的演化速率减慢,孔隙率随温度增加呈负指数变化规律。宏微观实验数据同时表明,煤宏观渗透率随微观孔隙率增加而增大。超临界二氧化碳增透过程中,孔隙压力对低渗透煤层的增透效果起主控作用。      

受载原煤中瓦斯的扩散规律

为研究受载原煤中瓦斯的扩散规律,以原煤煤样为实验对象,利用自主研发的含瓦斯煤热流固耦合实验系统,在恒温的三轴加载条件下,进行了加载-吸附-解吸-再加载直至煤样破坏过程中的瓦斯解吸实验。研究结果表明,受载原煤的解吸量随时间变化规律符合颗粒煤瓦斯解吸的数学模型;在恒温恒围压下,随轴压的增大,受载原煤瓦斯的解吸量呈下降趋势;当轴压大于峰值强度后,瓦斯解吸量随轴压迅速增大;受载原煤煤样压密、线弹性阶段瓦斯解吸-运移速度随应力增大而线性减小;当煤样处于屈服阶段和峰值破坏阶段瓦斯解吸-运移速度随应力增大呈指数式增长。研究成果对瓦斯抽采,瓦斯突出机理研究有一定的理论价值。      

Mining thin sub-layer as self-protective coal seam to reduce the danger of coal and gas outburst

In response to the severe situation of coal mine gas disaster in China, a new method of reducing the danger of coal and gas outbursts and improving gas drainage and utilization in coal mines was introduced in this paper. The main idea of this method is to mining thin sub-layer as self-protective coal seam to eliminate or reduce the danger of coal and gas outburst. This method can be implemented by drills along seam and hydraulic jet when the mined seam with a relatively weak risk of coal and gas outbursts is soft or has a soft layer. This method was first applied in the Yian mine to verify its effectiveness. The results of application showed that mining thin sub-layer as self-protective coal seam can effectively eliminate the danger of coal and gas outburst and improve gas drainage and utilization. As this method needs less time and lower cost than conventional protective layer mining, it is of great significance for mining coal seam with the danger of coal and gas outburst.     

基于塑性变形的煤体损伤本构关系及渗透率模型研究

开采扰动诱发的煤与瓦斯突出是煤矿生产过程中的主要瓦斯动力灾害之一。为系统探索开采扰动下煤体损伤演化特征和瓦斯渗流规律,拟开展不同瓦斯压力下全应力应变–渗流实验。通过考虑气体吸附和热膨胀效应修正广义胡克定律,建立基于塑性变形的煤体损伤本构关系,进一步构建考虑损伤的分段渗透率模型。结果表明:以渗透率突变点为界,可将煤体渗透率分为峰前和峰后2个变化阶段。其中,峰前呈指数型降低,而峰后急剧增加,峰值抗压强度和弹性模量均随着瓦斯压力升高而降低;煤体轴向塑性应变和损伤演化规律具有良好的一致性,二者均呈现出峰前变化不大,峰后激增的变化趋势;利用不同瓦斯压力和50℃实验数据对所建的损伤模型及渗透率模型进行验证,得到理论曲线和实验数据具有较好的吻合度,表明新建模型可较好地反映不同条件下煤体破坏失稳过程中的损伤演化规律和瓦斯渗流特征。      

低成熟油页岩的生排烃作用实验模拟

烃源岩的成熟演化特征对评价一个区域的油气产出背景意义重大。笔者选择准噶尔南部低熟油页岩作为试验样品,分别进行无水变温、等温变水及等水变温条件下的烃源岩热模拟实验,并依据油、气、固体残渣的定性定量检测,分析烃类相态与组成变化。得到以下结果:无水变温及等水变温实验中油产率均在300 ℃时出现最高值,而且在等水变温情况下,200 ℃时的产油率比不加水情况下明显增大;在等温变水情况下,生油量在加10 mL水时最大;干气生成阶段,气态烃主要来自重烃裂解而不是高度演化的干酪根本身,400 ℃热解之后,剩余生烃率大约为5％左右;饱和烃在低温和极端高温时相对比例高,以正构烷烃为绝对优势组分;芳烃比例变化波动较大,以三环、四环芳烃为主,在400 ℃时达到最大值,在500 ℃时跌至最低值;非烃、沥青质相对比例变化与芳烃正好相反。     

Coal pore characteristics at different freezing temperatures under conditions of freezing–thawing cycles

Most coal reservoirs in China have low permeability, which causes gas drainage to be inefficient. The method of cyclic cryogenic fracturing basing on freezing–thawing (F–T) fracturing effects is proposed to break coal to increase its permeability. An F–T experiment was carried out at different freezing temperatures using a nuclear magnetic resonance (NMR) test and an ultrasonic test. We investigated the evolution of coal pore structure under different freezing temperature F–T cycles and the mechanism of F–T fracturing. The results indicate that the frost force and the thermal stress in the cyclical process of F–T work together to cause fracture formation and fatigue damage. When the freezing temperature decreases, the network of pores and fissures becomes more developed and the number of mesopores, macropores and micro-fractures increases. This suggests that the network of pore-fractures in coal will be more interconnected and the space available for gas seepage will be larger. Ultimately, this significantly increases the efficiency of gas drainage.     

T型巷道中突出煤−瓦斯两相流动力学试验研究

为了进一步探究突出煤−瓦斯两相流在不同巷道布置方式下的动力学行为,利用多场耦合煤矿动力灾害大型物理模拟试验系统,开展了T型巷道布置方式下的煤与瓦斯突出试验,得出了两相流运移过程中冲击力与静压的演化特征。结果表明：直线主巷内冲击力随时间呈多峰值震荡衰减趋势,体现了突出过程的脉冲特性,且距突出口越近,冲击力震荡次数越多;分岔两侧支巷内冲击力突出前期呈现两种演化趋势,其一是迅速增大至峰值后缓慢下降,其二是缓慢增大后缓慢下降;距分岔结构中心左侧1 500 mm处出现了较大冲击力值,出现重度危险区域,而右侧则在距500 mm和1 900 mm处。利用突出运移动态图像将整个过程分为单相气流和两相流两个阶段,单相气流阶段中分岔后支巷的冲击力就迅速上升至峰值,而在两相流阶段分岔前主巷的冲击力上升至最高值,存在分岔后冲击力峰值高于分岔前的现象。突出过程中,巷道壁面上静压值总体偏低;静压随时间呈间歇式波动发展,且其峰值点自煤层由近及远呈先增大后减小的趋势;距突出口越远,直线主巷内静压出现峰值的时刻越滞后;分岔支巷内静压左右两侧的演化近似,随着时间推进,分岔结构前后静压衰减逐渐增大。     

Current Research Status and Prospect of Tectonically Deformed Coal

A number of studies have shown that development areas of weak deformation brittle series of tectonically deformed coal are often the favorable areas for coalbed methane development, and the distribution area of the mylonitic coal of ductile deformation is a danger zone of mine gas outburst. Therefore, faced with solving the key scientific issues and technical problems of the coal bed methane exploration and development and gas outburst prediction and evaluation, more and more attention has been paid to the research on tectonically deformed coal. This paper first systematically elaborated the main research progress on the concept and classification of tectonically deformed coals, their deformation characteristics, and the pore fissure structure and chemical structure. Then, it pointed out that there was a lack of research on the ductile deformation mechanism of coal, and this key scientific problem needs further research in the future. It seemed that the structural and geochemical process of chemical elements migration and accumulation during coal deformation was a new field which is worth exploring. Through refining stress sensitive elements, their distribution and evolution patterns in different stress-strain environments and different types of tectonically deformed coals might be revealed, and then they could become a predictive index which indicates the significance of distribution of tectonically deformed coals and gas outburst prediction. It was thought that geophysical response characteristics and research of detection theory and interpretation method of different types of tectonically deformed coal and gas enrichment area should be an important development direction in the future.     

泥炭的热模拟研究──过渡带气形成机理探讨

本文对现代泥炭进行了低温长时间模拟实验研究,并探讨了过渡带气的形成机理。甘南泥炭气、液态烃产率高。液态烃由热解油和残余气仿沥青“Ａ”两部分组成,热解油中以Ｃ_５─Ｃ_１４较轻馏分为主,残余氯仿沥青“Ａ”则以非烃、沥青质为主。随热演化程度增高,烃类增加,非烃和沥青质急剧减少。模拟气体组成以非烃气体（ＣＯ_２等）为主,随温度升高,气态烃产率升高,烃类气体中以甲烷为主。２００℃～４００℃温度下产生的甲烷碳同位素δ１３Ｃ为－５３.８２～－３３.６６‰。研究表明低热演化阶段伴随腐殖物质的降解和干酪根的分子重排作用能产生甲烷同位素较轻的生物－热催化过渡带气。