基于三维可视化的卸压区瓦斯穿层抽采仿真研究

钻井瓦斯抽采工艺现已成为强突出矿井治理煤与瓦斯突出的主要技术手段,然而受钻孔布置、抽采工艺等多因素限制,多存在瓦斯抽采量低、钻孔稳定性差等缺点。基于潘三矿17171(1)低透气强突出瓦斯治理的需要,通过开挖煤岩体的应力分布情况和数值模拟分析,确定了瓦斯高效抽采范围,提出了高效瓦斯抽采带概念;同时,利用3D MAX、Converse 3D对穿层瓦斯抽采工艺进行了三维可视化仿真。试验结果显示:穿层瓦斯抽采工艺在瓦斯抽采效果、工作面防突以及钻井稳定性上均优于其他抽采工艺,单钻井瓦斯抽采速率为13.4m~3/min,抽采总量达117.7万m~3;同时,平均节省工人培训时间达66.7%。     

基于采动覆岩三维裂隙场演化规律的地面L型钻井瓦斯抽采技术*

为了解决目前采用的直立型地面钻井抽采范围小、工作面所需钻井数量多及瓦斯流量和浓度偏低的问题,基于屯兰矿12507工作面Ⅱ段工程地质情况,提出地面“L”型钻井提高瓦斯抽采效率的理论和实践研究。通过PFC3D颗粒流离散元数值模拟软件对工作面覆岩采动影响进行模拟,得到采动影响下的覆岩结构、裂隙和孔隙率变化。研究结果表明:屯兰矿12507工作面Ⅱ段的垮落带高度为15.87 m,裂隙带高度为49.46 m,采空区上方15~50 m、沿倾向方向距离采空区边界20~100 m的范围内裂隙较发育,孔隙率高且稳定。在屯兰矿12507工作面Ⅱ段进行工程实践,得到地面“L”型钻井在抽采效率、工作面上隅角瓦斯治理及采空区瓦斯有效利用方面优于普通地面钻井抽采,抽采系统工作149 d瓦斯抽采浓度平均为52.52%,抽采纯量平均为9.48 m3/min,上隅角瓦斯浓度平均为0.21%,降低了矿井瓦斯灾害出现的风险并提高了煤层气的利用。     

构造应力作用下覆岩卸压演化规律试验研究

覆岩运移是一个伴随煤层开采的时空变化而不断演化的动态过程。通过对煤层开采与岩层卸压的动态演化进行关联分析发现,伴随着煤层的开采,上覆岩层的卸压范围处于不断变化中。为了掌握卸压范围变化的规律,采用相似材料模拟试验的方法,将覆岩按层位进行划分,在各层位布设应力监测点。通过对各应力监测点采集的数据进行分析发现,在开采过程中,其上位岩层卸压范围在宏观上呈现先增加后减小并最终恒定的过程,进而得出随开采其卸压范围变化的规律,以及最大卸压区间出现的位置。并且通过加载水平应力场发现,水平应力的作用加强了岩层自承能力,削弱了岩层自重引起的卸压,岩层初始卸压层位发生了变化,卸压呈现跳跃发展。关键层结构对于岩层卸压起到了一定的控制作用。对比支承压力峰值发现,支承压力在纵向分布以35~41 m为分界,分界线上受支承压力影响较小,无明显变化规律。     

水下开采覆岩破坏及导水特征研究

采用离散元程序对天祝煤矿多工作面水下开采后覆岩应力变化、地层移动破坏、导水裂隙带发育和演化随开采过程的规律进行研究,揭示了不同时期地表水系与地下开采间的相互影响。指出3229工作面开采时金沙河水沿裂隙道水带汇集与采区上方围岩,虽不会直接威胁采区生产安全,但随着采掘区向金沙河底靠近,潜在突水危险逐渐加剧,特别是对33201工作面的开采构成直接威胁,必须提前对金沙河水采取必要防渗措施以防止突水事故的发生。     

上覆岩层瓦斯卸压范围及流动规律的应用研究

为合理、高效地治理朱家店煤矿巷道掘进和煤层开采过程中瓦斯浓度多次超限的技术阻力,本文针对该煤矿不同煤层上覆岩层瓦斯卸压范围及流动规律进行了较为深入的研究,建立了其BP神经网络破坏高度的数学预测模型。通过合理地计算,本文确定了该矿开采煤层上覆岩层的走向及倾向卸压长度、卸压上限和卸压范围,最后提出了有效控制上覆岩层瓦斯大量流向工作面及采空区的技术策略,从而达到了遏制矿井瓦斯事故发生的目的。     

工作面推进过程中上覆岩层移动与瓦斯运移规律的研究

本文通过模拟分析上覆岩层移动与瓦斯含量变化的过程,结果显示,工作面推进影响覆岩的移动。临近煤层瓦斯含量影响工作面瓦斯的含量,并提出对开采临近层采取瓦斯抽放的措施降低开采层瓦斯含量。     

考虑岩石应变软化的厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究

为了分析裴沟矿31采区的煤炭开采对上部魔洞王水库的影响,以及评价水体下开采的安全性,首先分析了岩土体材料在三轴压缩试验中表现出来的应变软化现象,认为岩石峰后的软化能够说明覆岩破坏后的力学特性;然后介绍了FLAC3D中应变软化模型;最后分别建立Mohr—Coulomb理想弹性模型和应变软化模型的数值模型,针对工作面推进过程中覆岩移动破坏的特征以及顶板导水裂隙带发育规律,分析了两者计算结果的差别,计算结果表明:应变软化模型对覆岩移动破坏特征的计算更加准确,能够说明工作面推进过程中覆岩移动规律,通过其计算得到的导水裂隙带高度的预计对水体下采煤的安全性评价有一定的参考价值。     

基于覆岩裂隙带发育高度的走向高抽巷合理位置确定

为确定大采高综采面高抽巷的合理位置,以李村煤矿1303工作面为研究背景,采用理论分析、数值模拟及现场监测等研究方法,对1303工作面覆岩裂隙发育特征、高抽巷空间位置对其围岩稳定性与抽采效果的影响规律进行系统研究。研究结果表明:高抽巷宜布置在覆岩裂隙发育区,远离回风巷道采动应力影响的位置;1303工作面覆岩破坏范围随推进距离增加,呈现先急剧增大后趋于稳定的趋势,工作面推进距离为300 m时,裂隙带高度稳定在50 m左右,形成瓦斯抽采的优势通道;高抽巷距离煤层顶板、回风巷越近,越易失稳,不利于长期抽采,综合考虑高抽巷不同位置时的瓦斯抽采效率及围岩稳定性,确定其合理位置分别是距离回风巷平距为35 m,垂距为45 m;结合现场瓦斯浓度监测结果,得出上隅角、工作面、回风巷瓦斯浓度最大值分别为0.42%,0.24%,0.33%,远低于瓦斯超限标准1%,进一步证明高抽巷层位的合理布置,可以提高瓦斯抽采效果。     

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律.试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进...     

浅埋房式采空区覆岩结构及对下位煤层开采的影响

房式采空区留设大量不同尺寸煤柱,采场覆岩结构复杂。为了研究霍洛湾矿浅埋2-2煤层房式采空区覆岩结构特征及其对下位3~(-1)煤层开采的影响,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,确定了2-2煤层房式采空区覆岩结构类型,揭示了不同类型覆岩结构应力场分布特征及其对3~(-1)煤层矿压显现的影响特征。结果表明:2-2煤层房式采空区覆岩结构分为房柱稳定覆岩结构、房柱失稳覆岩结构、20 m煤柱覆岩结构、50 m煤柱覆岩结构4类;在房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层处于卸压状态,垂直应力降低8%~14.3%,在20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下3~(-1)煤层处于应力集中状态,垂直应力增加5%~32%;揭示了3~(-1)煤层开采时不同覆岩结构下工作面超前支承力分布特征,在20 m煤柱、50 m煤柱、房柱稳定及房柱失稳4类覆岩结构下超前支承应力集中系数分别为4.10、3.85、2.76、3.62;不同类型覆岩结构下3~(-1)煤采场覆岩运动特征稍有差异,房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层工作面来压步距为12~14m,20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下来压步距为10~11 m;相似模拟表明,3~(-1)煤层过20 m和50 m大煤柱时,煤体发生弹射现象,预计实际开采时工作面可能发生动载矿压等动力灾害。     

覆压及水分对含瓦斯煤体渗吸特性的影响研究

为研究外加水分条件下受载含瓦斯煤体的渗吸特性,利用自主设计的含瓦斯煤体等压渗吸实验装置对煤体中水分及瓦斯的运移进行连续监测,并在瓦斯压力恒定不变的条件下研究覆压及外加水分对煤体渗吸距离、渗吸速度以及瓦斯置换量的影响。结果表明:水分在煤体中的渗吸距离随时间增长先是快速增加,而后缓慢增大。在相同外加水分条件下,相同时刻水分的渗吸速度随覆压增大而增大;在相同覆压条件下的煤体,相同时刻水分的渗吸速度随外加水分的增大而增大;渗吸过程中水分置换出来的瓦斯量随时间变化分为3个阶段,在第1个阶段覆压和外加水分的变化对瓦斯置换量影响不大,之后的2个阶段瓦斯置换量随着外加水分和覆压的增大而增大,并逐渐达到1个极限值。     

基于T-S模糊故障树的输气站场设备失效可能性研究

针对目前国内缺乏输气站场设备失效数据库的特点,同时考虑到设备具有不同的故障程度,提出将指标评价引入至T-S模糊故障树分析中,对设备进行失效可能性分析。首先构建设备的T-S模糊故障树;其次对故障树底事件进行指标评价,转化成当前工况下的故障程度;再次对设备的故障可能性值进行计算;最后,利用模糊数学的方法将故障可能性值转化为失效概率,并参考API 581中的失效概率等级对设备进行失效可能性等级划分。实例分析表明,该方法不仅比传统故障树分析更切合实际,又能够避免指标评价法淡化关键指标的不足,且兼具定量评价与半定量评价的优点。     

初始温度和压力对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性影响的模拟研究

市政排污空间作为城市公共基础设施的重要组成部分，易积聚可燃气体形成爆炸性环境。结合排污空间的特殊环境条件，采用Fluidyn-MP多物理场数值模拟软件，建立了20 L球形爆炸罐分析模型，通过改变初始温度和初始压力，对排污空间甲烷-空气混合物爆燃特性及其变化规律进行模拟研究。结果表明:初始温度升高导致甲烷-空气混合物最大爆炸压力降低，缩短了到达最大爆炸压力的时间；初始压力增加导致最大爆炸压力急剧升高，并延长了到达最大爆炸压力的时间；最大爆炸压力对初始压力的敏感程度远大于初始温度的影响。此外，随着初始温度和初始压力的升高，爆炸火焰平均传播速度增加，而火焰传播速度对初始温度较敏感。     

不同孔径排放钻孔有效影响半径的时空响应

针对矿井在施工排放钻孔局部防突措施时,已知排放时间,如何确定排放钻孔孔径和钻孔间距这一难题,提出一种钻屑量和钻屑瓦斯解吸指标现场测试法,结合数值模拟计算,确定不同孔径排放钻孔有效排放半径随时间的变化规律。研究结果表明:同一孔径排放钻孔,随着排放时间的增加,有效排放半径呈幂指数增大;不同孔径排放钻孔,随着排放钻孔直径的增加,有效排放半径呈幂指数增大。研究结论对矿井选取合适的排放钻孔孔径及布置参数具有指导意义。     

竖直分支管道泄爆开启压力对甲烷爆燃压力的影响研究

针对市政排污管网等典型受限空间内可燃气体爆燃风险,建立由水平管道和竖直分支管道构成的数值模型,研究竖直分支管道不同泄爆开启压力对甲烷爆燃压力的影响.研究结果表明:不同泄爆开启压力条件下,管道内存在爆燃压力积聚和泄放的双重效应;水平管道内各测点压力时程曲线均表现为先增大后减小而后出现亥姆霍兹振荡,随着与爆源距离的增加,初...     

孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理研究

为了探讨孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理,通过采用理论分析,建立薄板力学模型,对孤岛工作面顶板弯矩分布规律进行分析,并结合实验室数值模拟手段对工作面顶板支承压力集中系数及顶板围岩塑性区演变规律进行研究。研究结果表明:在支承压力作用下,随着推进距离的增大,顶板支承压力集中系数呈现增大的趋势;工作面顶板煤壁中部弯矩显著大于煤壁两侧弯矩,该结果合理解释了工作面方向上支架工作阻力不相等的规律;顶板断裂的塑性区演变特征存在时空效应及力学特征,顶板四周所形成的横向“O”型破断与横向“X”型破断,共同构成了顶板破断的横“O-X”破断形式。     

呼吸效应对矿井封闭火区氧浓度的影响分析

为避免因火区封闭导致重大安全事故发生,通过采集某矿井1 d内3个不同监测点的大气压力变化情况,建立大气压力波动模型并分析计算,同时建立火区内外压差100,750 Pa情形下的氧浓度模型进而获得火区内侧氧气浓度因呼吸效应,在不同压差、体积大小火区、风阻、瓦斯涌出量、封闭时刻等多因素耦合影响下随时间的变化规律,以评估火区危险性。研究结果表明:井下大气随地面大气周期波动,封闭火区内、外侧之间的气压差因外界大气波动呈现16 h的余弦波动和8 h的线性波动周期变化;密闭质量好的火区具有更好地抗干扰性,内侧氧浓度的降低主要依靠瓦斯稀释;密闭质量差的火区,内侧氧浓度易受到火区涌出瓦斯、外界涌入大气双重影响;火区氧浓度在2%~12%之间波动,以至火区存在发生瓦斯爆炸的可能性;火区内外压差较大时,氧浓度波动变化幅度更大,危险作用持续时间更长。结合火区氧浓度波动模型,可有效地对矿井火区采取安全的防范措施,避免瓦斯爆炸事故发生。     

基于压力与温度对损失瓦斯量影响试验研究

为研究取芯管取芯过程中压力与温度对损失瓦斯量的影响,以及t法的偏差,利用自主研发的取芯管取芯过程模拟测试装置,基于模拟试验的相似性,开展不同加热功率下取芯过程模拟试验与室温(30℃)对比,以及变温条件下不同吸附压力取芯过程模拟试验.结果表明:前30 min煤芯瓦斯解吸曲线符合Qt=a+b/[1+(t/t0)c].吸附压...