综放沿空留巷顶板下沉规律与控制

针对综放沿空留巷顶板下沉控制困难问题,揭示了综放沿空留巷顶板下沉规律,建立了顶板下沉力学模型,结合损伤力学和能量守恒理论,推导出了顶板下沉量的理论公式,在此基础上对其影响因素进行了分析,提出了综放沿空留巷顶板下沉控制对策,并进行了工程应用。结果表明:顶板下沉量理论计算公式与现场实测值基本一致;各因素对顶板下沉影响程度依次为:巷旁支护体宽度、直接顶有效弹性模量、基本顶给定载荷、关键块破断位置、巷旁支护体有效弹性模量、巷内支护阻力、巷道宽度、顶煤有效弹性模量。顶板下沉控制对策应围绕关键性影响因素进行,据此提出"锚网索+高强度墩柱+木垛"耦合支护方式,即采用锚杆+锚索+高强度钢筋网进行巷内耦合支护,巷旁采用高强度墩柱支护,并用木垛进行巷旁加强支护。工程应用表明,综放沿空留巷围岩变形稳定,顶板下沉得到了有效控制。     

CH4与N2，CO2间竞争吸附关系的核磁共振实验研究

利用核磁共振(NMR)技术测试了CH4与CO2,N2在煤样中相互作用过程的NMR信号,并通过T2谱形态和谱面积对各气体间相互作用的整个过程进行了描述和分析。测试结果表明:CH4在煤中吸附过程的T2谱呈双峰结构,弛豫时间较小的为吸附峰,另一个为游离峰。随着吸附时间和注入压力的增加,吸附总量逐渐增加,但吸附速率逐渐降低。强吸附性气体能置换煤中已吸附的弱吸附性气体,反之效果不明显;置换过程中,大孔隙内的气体比小孔隙内的更容易置换。将弱吸附性气体注入已吸附强吸附性气体的煤中,一定程度上能促使原气体由吸附态向游离态转化;同时,少量的弱吸附性气体也能被吸附,气压越大越明显。NMR测试结果直观反映了CH4与各气体间的相互作用关系。     

基于流-固-热耦合的深部煤层气抽采数值模拟

为了提高深部煤储层产气规律预测准确性、减小气井设计误差,分析了深部煤储层特征参数随埋深的变化规律,针对目前煤层气研究忽略了温度、地下水等因素问题,基于已建立的深部煤层气抽采流-固-热耦合模型,进行深部煤层气抽采数值模拟,分析不同地应力、初始渗透率、储层压力和温度等深部特征参数以及不同埋深条件下煤层气抽采的储层参数和产气演化规律。结果表明:渗透率变化为地应力增加、温度降低和煤层气解吸引起的煤基质收缩效应与储层压力降低引起的煤基质膨胀效应的综合竞争结果;随着煤层气和水被采出,储层温度降低和煤层气解吸占主导,储层渗透率升高;地应力对深部储层渗透率比例的变化起着主要作用,初始渗透率对产气速率起着控制作用;当煤层埋深小于临界埋深时,产气量随埋深逐渐增加,达到临界埋深后,产气量随埋深逐渐降低;低渗透率是制约埋深超千米的气井高产的关键。     

煤与瓦斯突出的地质动力系统失稳判据研究

为了进一步弄清煤与瓦斯突出发生的原因及演化规律,在分析突出现象和已有研究成果的基础上,明确了突出的地质动力系统构成,分析了地质动力系统的演化过程,并构建了地质动力系统的失稳判据.研究结果表明:含瓦斯煤体是突出的物质基础,地质动力环境为突出营造了高构造应力、低强度煤岩体、高瓦斯赋存环境,而采掘扰动为突出提供了激发动力和空间条件;突出的发生需经历地质动力系统的孕育、形成、发展和终止等演化过程;突出的发生需满足地质动力系统形成的力学判据C_1;失稳力学判据C_2和能量判据C_3;利用地质动力系统判据能够揭示典型煤与瓦斯突出事故的发生机理,为掘进工作面突出的预测和防治提供了依据.     

2012—2021年我国煤矿安全事故统计与规律分析

基于煤矿安全网公布的2012—2021年间我国煤矿事故数据,从事故等级和类型、事故发生时间和地区4个方面进行统计并综合分析,揭示我国煤矿事故的规律,为煤矿的安全生产提供参考。分析结果表明：2012—2021年我国煤矿安全态势持续向好发展,较大及以上事故的防治成效显著,但一般事故多发且数量呈现波动上升趋势,因此煤矿事故总数量呈现波浪式上升趋势;煤矿事故造成的死亡人数呈现波浪式下降趋势。事故数量和死亡人数均表现出季节性和时间性差异。各省份煤矿安全生产情况也存在明显区域性差异。一般事故大部分为顶板、机电、运输和其他事故;较大和重大事故中瓦斯事故占比接近一半,其次是顶板和水害事故;特大事故全是瓦斯事故。瓦斯和顶板事故是煤矿安全防治的重点。研究结果可为煤矿事故防范提供一定的参考。     

煤岩致裂中的静态破碎剂组分及其性能

针对煤矿开采中许多高瓦斯区域很难使用炸药实施爆破的情况,提出一种由静态破碎剂使煤岩胀裂破碎的方法。为了确定静态破碎剂合理的参数配比,达到煤岩破碎的理想效果,通过膨胀压正交实验确定破碎剂的最佳配比,利用水化反应测温实验确定合适的水灰比,运用混凝土试件和煤样试件胀裂破碎实验研究了静态破碎剂性能。结果表明:CaO 70%、石膏5%、水泥12%、膨润土3%、减水剂0.5%、粉煤灰9.5%为静态破碎剂最佳配比;最佳水灰比为0.35;CaO对破碎剂膨胀压的影响最大,胀裂裂缝沿试件的弱面发育,破碎效果良好。     

基于核磁共振和低温氮吸附的煤层酸化增透效果定量表征

针对某些煤储层中的孔隙和裂隙被方解石、白云石等矿物或杂质堵塞致使煤层渗透率降低的问题,提出一种煤层酸化增透方法。利用核磁共振(NMR)和低温氮吸附实验表征了煤样酸化前后的比表面积、孔隙体积、孔隙度、渗透率、孔径分布及核磁成像等特性参数,分析了酸化作用下煤的细观结构变化规律。测试结果表明,煤样经酸化处理后,饱和水状态的NMR信号量增加,残余水状态的NMR信号量降低,T_2谱的中大孔峰(T_220 ms)的变化较大,NMR所表征的总孔隙度、有效孔隙度、渗透率均增加,残余孔隙度、T_2截止值降低;低温氮吸附所表征的比表面积和总孔隙体积均增加,且主要集中增加在10 nm左右的孔隙,但高煤阶煤增加不明显。NMR图像直观地反映了煤样酸化前后内部孔隙结构的变化特征,为揭示酸化增透的微观演变过程提供了新的手段。煤样初始孔隙越发育或孔隙裂隙中可溶性矿物质越多,所表征的特征参数变化越大,酸化增透效果越好。     

矸石-粉煤灰充填采煤覆岩结构与变形规律

矸石-粉煤灰充填采煤可解决“三下”压煤和固体废弃物排放造成的环境污染问题。根据充填采煤工作面覆岩移动规律,提出矸石-粉煤灰充填采煤覆岩存在3类结构;在弹性地基薄板理论基础上,建立了基本顶力学模型,推导出了基本顶弯曲下沉的理论公式,给出了基本顶破断的临界条件;据此,分析了基本顶变形影响因素,并进行了工程实践。结果表明,基本顶最大下沉量理论计算值与实测值基本一致,各因素对基本顶弯曲下沉影响大小依次为:基本顶弹性模量、覆岩载荷、直接顶弹性模量、充填体弹性模量。邢台矿7606工作面采空区基本顶的最大下沉量为234 mm,沿专用铁路线地表最大下沉量为16 mm,仅直接顶产生了局部裂隙和离层,基本顶完整性较好,覆岩属于第II类结构,地表变形得到了有效控制。     

低透气性煤层水力冲孔和抽采钻孔瓦斯治理模拟研究

为消除平煤十矿己15-16-24100工作面在准备和回采过程中的突出危险,精细化模拟研究了水力冲孔结合抽采钻孔的瓦斯治理过程。分析了瓦斯解吸、渗流及煤岩变形的相互作用,构建了煤层瓦斯运移应力-渗流耦合数学方程,采用有限元软件对其求解,通过数值模拟己15-16-24100工作面顺层钻孔、底板巷穿层钻孔、水力冲孔掩护风巷、机巷和开切眼掘进及本煤层回采全过程,研究瓦斯抽采对降低工作面突出危险性的影响,并结合现场监测结果对抽采效果进行验证。研究结果表明:对己15-16煤层进行“穿层钻孔+顺层钻孔+穿层水力冲孔”综合抽采瓦斯可有效降低己15-16-24100工作面在准备和回采过程中的突出危险。在该设计方案下,己15-16煤层中残存瓦斯压力值降为0.25~0.45 MPa,相应的煤层残存瓦斯含量降为2.8~4.5 m^3/t,均满足平煤十矿煤与瓦斯突出防治规定要求。