基于扩容和软化的围岩-支护体耦合作用机理

基于巷道开挖面的空间效应、岩体的扩容和塑性软化特性,建立围岩-支护结构耦合作用的稳态模型,分析支护位置与巷道位移和支护反力之间的关系。结果显示,岩体的软化和膨胀对支护反力和巷道位移等都有一定的影响,并且这一影响随着支护位置与开挖面距离的增大而减小。     

密集钻孔周围塑性区随煤体强度变化的数值模拟

密集钻孔抽采瓦斯是低透气性煤层防止煤与瓦斯突出的一种区域性和局部性措施,瓦斯抽采率与钻孔间距密切相关。用ANSYS有限元软件对不同的煤体强度下的钻孔周围塑性区和应变变化进行数值模拟,得出塑性区的变化规律,对钻孔的合理布置具有指导意义。     

瓦斯对冲击煤岩强度影响的数值模拟研究

针对高瓦斯冲击矿井生产过程中瓦斯与冲击地压的相互影响,通过RFPA2D瓦斯版数值模拟软件对不同孔隙瓦斯压力煤岩破裂的数值模拟,得出结论:瓦斯压力对煤岩强度具有一定的影响,随着试样吸附瓦斯压力的逐渐增高煤岩试样的起裂时间缩短,煤岩裂隙长度增大,数目增多。     

考虑应变软化和扩容的圆形巷道围岩强度准则效应

为了研究强度准则效应对圆形巷道围岩稳定性的影响,首先对Mohr-Coulomb(MC)准则、Drucker-Prager(DP)准则、统一强度理论和Mogi-Coulomb(MO)准则等4种岩石材料常用的强度准则进行归纳总结,得到了平面应变条件下统一形式的屈服方程;然后将巷道围岩划分为破碎区、塑性软化区和弹性区,同时引入强度参数软化模量和扩容系数,考虑中间主应力效应、岩石峰后应变软化和扩容特性,推导了巷道围岩应力、位移和塑性区半径统一解,并对新解的各影响因素进行了对比分析。分析结果表明:本文所提出的新解不仅形式简洁,而且可以灵活匹配不同的岩石强度准则;不考虑中间主应力效应的强度准则相对偏于保守,考虑中间主应力效应时,MO准则和权系数<0.5的统一强度理论计算得到的塑性区半径和位移处于中间水平,而外接圆DP准则和权系数>0.5的统一强度理论对中间主应力效应考虑较多,选用时需谨慎;应变软化会使塑性区内围岩的性质得到进一步劣化,出现更大范围的破碎区,提高破碎区残余强度是一种有效的支护方法;巷道围岩的扩容特性不仅与剪胀角有关,而且还与塑性势函数有关,不考虑扩容将会低估围岩的真实变形。研究结果可为巷道围岩稳定性评价和支护设计提供重要理论参考依据。     

基于应变软化模型的抽采钻孔封孔段稳定性研究

为了解决软弱煤层中瓦斯抽采钻孔漏气严重的问题,基于煤岩体黏聚力沿塑性区线性弱化的应变软化模型,采用理论推导的方法得出了应变软化效应下抽采钻孔封孔段围岩的应力、位移及塑性范围的求解公式,利用数值模拟的方法对抽采钻孔封孔段围岩稳定性进行了数值模拟研究。研究表明:基于煤岩体应变软化模型钻孔围岩的塑性区范围及孔壁位移显著大于未考虑煤岩体应变软化效应的结果;随着孔内压力的增大,钻孔塑性区缩小,孔壁位移降低,钻孔的变形破坏受到抑制,且服从应变软化模型的围岩变形更易受到孔内压力的抑制。研究成果应用于河南某煤矿软弱煤层的瓦斯抽采封孔实践,表明在该矿软弱煤层瓦斯抽采中采用具有主动支护作用的囊袋式封孔法较聚氨酯封孔法瓦斯抽采浓度提高约18.1%,取得了良好的抽采效果。     

考虑流变特性的抽放钻孔应力分布和移动变形规律研究

为了研究抽放钻孔周围煤体的应力分布及移动变形规律，分析了钻孔周围煤体的力学特性，建立了考虑煤的塑性软化和扩容特性的黏弹塑性模型，得到了煤体应力、位移、孔径变化和卸压范围的表达式，对比分析了软硬煤层钻孔的应力分布及卸压效果，研究了抽放钻孔孔径变化规律，解释了软煤层钻孔抽放体积分数快速衰减的原因。研究结果表明：钻孔周围煤体具有塑性软化、扩容和流变特性，软煤层钻孔具有更好的卸压效果，蠕变变形更为剧烈，在短时间内就可能发生失稳破坏，阻塞瓦斯抽放的通道，致使瓦斯抽采体积分数迅速下降；硬煤层钻孔直径虽有缩小但仍处于稳定状态，并不发生堵孔现象，但是到井田深部由于应力增大，蠕变变形加剧，就有可能发生失稳破坏。研究成果与生产实践具有较好的一致性，可以为瓦斯抽采参数的确定提供理论指导。     

钻孔密封段异质结构变形损伤及影响因素分析

基于钻孔密封段典型层状异质结构模型,利用弹性力学及厚壁圆筒理论对钻孔密封段层状异质结构间不协调变形特性进行研究,并对其影响因素及影响尺度进行数值分析。分析结果表明,钻孔密封段异质结构间漏气裂隙主要由界面处径向和切向不协调变形损伤所致,且煤岩自身物理力学性质弹性模量E、泊松比v,围岩应力p,应力传递系数k、接触面摩擦阻力系数f及材料厚度(内外径比τ)等是造成钻孔密封段异质结构间不协调变形的主要因素。     

高位钻孔终孔间距与钻孔个数对抽采量的影响分析

利用Fluent数值模拟软件对王庄矿8101工作面高位钻孔抽采时的不同终孔间距与钻孔个数时的抽采纯量、上隅角瓦斯浓度进行数值模拟,并对不同终孔间距与不同钻孔个数时的抽采纯量、上隅角瓦斯浓度进行分析。分析结果表明:随着终孔间距的增加,抽采纯量呈现先增加后减小的趋势,并确定2个钻孔时终孔间距为6 m时的抽采纯量最大,上隅角瓦斯浓度呈现先减小后增加的趋势;随着钻孔个数的增加,抽采纯量逐渐增加,但抽采纯量的增加量逐渐减小,上隅角瓦斯浓度逐渐减小,但上隅角瓦斯浓度的减少量逐渐减小。     

导气管阻力特性对钻孔瓦斯涌出初速度的影响

建立了瓦斯在煤层运移、向测量室涌出、测量室瓦斯压力变化、瓦斯沿导气管流出的数学模型。利用有限差分法解算了测量室动态压力边界条件下钻孔周围煤层瓦斯流动、得到测量室瓦斯压力变化及钻孔瓦斯流量随时间的变化规律。分析了导管阻力对钻孔瓦斯流量的影响。结果表明：导气管的长度、材质和管径不同时,测定的钻孔瓦斯流量最大值出现的时间、大...     

新型瓦斯抽采钻孔注浆封孔方法及封堵机理

为研究封孔支护力对钻孔漏气量的影响,提出主动支护式注浆封孔原理并进行理论分析,得出了漏气圈截面积与漏气量的求解方程,并对影响漏气量的因素进行了分析。结果表明,漏气量随着封孔支护力和封孔段长度的增加而减小。提高钻孔的主动支护力并选择合适的封孔段长度可以减少钻孔漏气,提高抽采钻孔瓦斯体积分数和抽采纯量。据此设计了新型的注浆封孔装置,封孔初期,利用复合囊袋和注浆压力给钻孔壁施加1 MPa左右的支护力,水泥浆液可以充分填充钻孔周围的裂隙,有效阻止裂隙漏气。后期注浆材料凝固膨胀,再次对钻孔壁形成较大的支护力,又可有效预防封孔段收缩变形形成新的漏气通道,起到减小钻孔漏气量的作用。工程实践表明,与聚氨酯封孔方法相比,同等条件下,新型注浆封孔方法钻孔瓦斯体积分数提高162.2%,钻孔的瓦斯抽采纯量提高33.83%。     

坦家冲矿瓦斯抽放钻孔封孔工艺技术研究

针对传统的聚氨酯封孔工艺存在的缺陷,在实践的基础上,总结出了采用聚氨酯-膨胀水泥砂浆封孔技术,实践表明,该技术的应用提高了矿井的瓦斯抽采率,解决了抽放过程中抽放钻孔漏气及抽放率低等问题。     

钻孔质量及粘液性质对主动式封孔测压效果的影响

针对主动式测定煤层瓦斯压力,从钻孔的成孔效果和粘液的黏性两个方面对封孔效果的影响进行分析。提出在黏液渗流扩散距离超过胶囊长度之前必须保证黏液的黏度达到相应临界值,才能保证测压效果;并将问题转化为在裂隙大小一定条件下配制合适黏度的黏液问题。此项研究为实验室配置合适黏度的粘液提供一定的理论支持。     

煤矿井下整体式多通道自动化封孔装置研究

为了实现煤矿井下钻孔自动化封孔,根据十三五重点研发计划课题瓦斯防治钻孔及封孔机器人要求,提出了整体式多通道自动封孔装置整体方案;设计了自动封孔控制方法,对封孔器注浆通道和封孔通道参数进行了研究和设计;采用有限元方法,进行了封孔装置坐封动力学分析,并对封孔装置样机进行了钻孔坐封、注浆模拟试验。研究表明:研制的封孔装置整体式结构可以配套钻孔机器人抓取、安装、通道自动切换完成两堵一注自动化封孔;满足不同封孔长度、不同倾角钻孔的封孔要求;3通道结构满足坐封、排气、注浆、瓦斯抽采等工艺过程对压力和压力损失的要求;从动力学分析坐封胶桶与孔壁接触应力、与孔壁的轴向摩阻力以及封孔模拟实验结果看,该装置抽采通道负压损失小于2 kPa,坐封压力6 MPa时,封孔注浆压力可承受3 MPa以上,完全满足目前煤矿井下两堵一注封孔技术要求;通过对坐封压力、封孔注浆压力、抽采流量、抽采压力等参数的监测实现自动化封孔的可靠坐封。     

煤层瓦斯抽采钻孔的封孔方法现状及前景探讨

瓦斯抽采对缓解煤矿瓦斯事故有重大意义,封孔质量直接影响瓦斯抽采效果。不同的瓦斯抽放环境,可选择的封孔方法也多种多样,针对不同条件选择适宜的封孔工艺和封孔材料,是保证瓦斯有效抽采的关键。根据钻孔在抽采过程中的变形破坏规律,结合目前煤矿瓦斯抽采封孔方法和材料的应用现状,将现有封孔方法按具体操作方式分为充填式、注浆式、带压式和混合式,详细介绍了不同方法用到的材料和涉及的工艺原理,并对其优缺点和适用条件进行了客观评述,最后展望了封孔材料和方法的未来发展趋势。     

无收缩灌浆料在煤层注水封孔工艺中的应用研究

将具有微膨胀性能的无收缩灌浆料应用于煤层注水封孔工艺中,通过对相关技术参数的调整确保了封孔效果,提高了注水对煤体的湿润程度。现场应用结果表明,使用无收缩灌浆料封孔后采煤工作面总粉尘降尘效率由25.0%提高至40.0%,呼吸性粉尘降尘效率由33.2%提高至47.9%。     

深部低透煤层瓦斯抽采钻孔封孔方式研究

针对深部低透煤层瓦斯抽采钻孔封孔质量差的问题,分析了我国煤矿瓦斯抽采主要封孔方式技术特点以及存在的问题,认为巷帮及钻孔周围煤体应力“三带”分布、贯通裂隙发育情况及合理封孔深度的研究不够透彻,注浆压力和时间不足,钻孔应力失稳流动通道闭合、塌孔、淤塞等情况无法有效防治,是造成瓦斯抽采封孔效果不理想的主要原因。提出了研究扰动影响下钻孔周围煤体贯通裂隙发育情况,合理封孔深度,提高“两堵一注”囊袋堵头强度、注浆压力和时间,实施二次封孔以及孔壁支护等方面的改进对策,对深部矿井提高瓦斯抽采效率和安全生产具有重要的理论和现实意义。     

封闭不良钻孔导水危险性定量评价研究

为评价封闭不良钻孔导水的危险性,以兖州矿区东滩煤矿封闭不良钻孔为研究对象,系统分析了封闭不良钻孔导水危险性主要影响因素,提出了包括充水水源、地质构造以及采掘活动影响等指标的二级评价指标体系,构建了评价指标定量计算方法以及封闭不良钻孔导水危险性定量评价模型,实现了东滩煤矿多个封闭不良钻孔的导水性评价,部分评价结果的准确性得到了生产实践的验证。     

本煤层带压封孔技术装备研究及其应用

瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯问题的根本手段。在分析煤层钻孔应力分布的基础上,研究了带压封孔技术封堵钻孔裂隙的基本原理,并结合"两堵一注"工艺,研制了新型带压封孔装置,并对装置进行实验,结果表明该设备能够满足注浆压力0.5 MPa要求。通过理论分析确定了大佛寺煤矿40118工作面最佳注浆压力为0.4 MPa和最佳封孔长度为12m,经现场验证带压封孔技术抽采瓦斯浓度较常规封孔工艺提高50%以上,有效地保障了工作面的安全开采。