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2023年 第40卷 第4期    刊出日期：2023-07-15

上一期   

论文

原位充填覆岩三场时空演化规律及力学机制研究

杨科, 赵新元, 何祥, 周光华, 魏祯, 张继强, 姬健帅

2023, 40(4):  643-655.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0698

摘要 ( 709 )  

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以宁夏某矿充填试验工作面为背景，采用相似材料模拟实验和理论分析方法，研究了充填开采覆岩应力场、位移场和裂隙场的时空演化规律和覆岩三场时空演化力学机制。结果表明：工作面和煤柱与采充区交界区域应力和位移增加变化大，岩层裂隙发育程度高，三场演化活跃；采充区中部区域，岩层应力和位移增加逐渐稳定，裂隙呈现闭合趋势，覆岩三场演化逐渐稳定。顶板应力和位移经历稳定—活跃—稳定的变化过程，覆岩裂隙则经历发育—离层—闭合的过程。随着工作面推进，三场演化区域由低位岩层向高位岩层扩展，并在厚硬岩层处暂时受到阻碍，采充区中部岩层三场演化稳定区域相应扩大。由力学模型分析覆岩应力、位移、裂隙的相互作用和影响，覆岩三场时空演化与工作面充填开采参数密切相关。最后不同矿井充填工作面的监测结果验证了充填开采覆岩三场时空演化规律，并针对不同采煤顶板条件的三下压煤区域提出原位采空区及时密实充填和中高位岩层空区注充方式的充填控顶对策和措施。研究结果为三下压煤充填开采工程实践提供参考。

综放开采冒落顶煤体堆积状态与放出率定量化研究

闫少宏, 申宇鹏

2023, 40(4):  656-667.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0455

摘要 ( 560 )  

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影响顶煤体冒落后堆积状态与放出率的主要因素有顶煤体厚度、采煤机割煤高度、顶煤体破断角、顶煤体滞后垮落距离、直接顶垮落与堆积特性。通过对比分析得出，顶煤、直接顶不同组合条件下,顶煤体冒落堆积状态的差异性是造成厚硬顶煤放出率低的根本原因。基于中硬、硬煤的顶煤破断角<90°条件下顶煤体的冒落特性,将其运动轨迹简化为圆周运动和自由落体运动,建立顶煤体冒落堆积计算模型,得出冒落顶煤在支架后方形成“四边形堆积”或“三角形堆积”状态。通过理论推导得出两种堆积状态的具体参数公式,并提出顶煤放出率的量化计算公式。研究表明:顶煤体冒落堆积轮廓由影响顶煤体冒落堆积的5个因素决定,顶煤放出率由其冒落堆积轮廓决定。由此可得,影响顶煤冒落堆积的5个因素与顶煤放出率定量关系为顶煤放出率与顶煤体破断角呈对数增大规律、与顶煤体滞后垮落距离呈指数减小规律、与顶煤厚度呈指数减小规律、与采煤机割煤高度呈指数增大规律、与矸石的充填角度呈指数增大规律、与自然安息角呈指数减小规律。这些研究成果不仅可以定量计算出工作面顶煤的放出率,为不同开采条件下厚硬顶煤的放出率研究提供预测模型,也可为厚硬顶煤弱化方案选取及效果评价提供理论指导。

基于捷联惯导的采煤机运行姿态感知与误差补偿实验研究

吴刚, 方新秋, 宋扬, 梁敏富, 陈宁宁

2023, 40(4):  668-678.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0385

摘要 ( 487 )  

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在采煤机运动特征的基础上,建立了基于捷联惯导的采煤机运行姿态感知系统,实时监测采煤机的运行姿态参数,分析了采煤机运行姿态感知系统的误差效应,建立了误差补偿模型。利用高精度陀螺仪、加速度计等惯性导航仪表,进行了采煤机运行姿态感知实验,在惯性仪表零偏补偿、卡尔曼滤波等误差补偿基础之上,对实验结果进行了深入研究。结果表明:与传统采煤机运行姿态监测技术相比,基于捷联惯导的采煤机运行姿态感知技术能够准确描述采煤机在工作面的运动特征与进刀特征,还可以实现对采煤机更高精度的运行姿态感知。研究成果满足了矿井采煤机运行姿态感知的实时性、精确性和可靠性要求,为我国煤矿智能化建设提供研究基础与技术补充。

岩溶区顶板沉降特点及覆岩裂隙分形维数变化研究

王羽扬, 李剑, 李元林, 张勇, 刘勇, 张毅, 韩连昌

2023, 40(4):  679-690.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0247

摘要 ( 511 )  

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以贵州某矿为工程背景,通过物理试验、理论推导、数值模拟等研究手段,对其岩层运移演化规律进行研究。建立了基于灰岩顶参数的岩梁力学分析模型,推导了其应力分量表达式,运用MATLAB绘制得到应力云图,计算了灰岩顶的初次及周期来压破断步距,并总结了抗拉强度参数对灰岩顶初次及周期破断步距的影响规律。通过构建灰岩地层数值模型,对上覆岩层的垂直应力分布特征、顶板沉降位移特征进行了分析。通过分形维数表征采动覆岩裂隙场空间占位,给出了一种计盒维数程序设计及计算方法,在豪斯多夫空间中,揭示了覆岩裂隙扩展演化规律。分形迭代结果表明:覆岩裂隙分形维数随推进长度的变化可分为4个阶段,研究结论可为进一步明确这种关系提供研究借鉴。

基于主应力状态转换的采场底板突水机理分析#br#

董书宁, 柳昭星, 王皓

2023, 40(4):  691-703.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0524

摘要 ( 455 )  

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为揭示采场底板突水过程中主应力状态转换与水压共同作用机理,笔者采用理论分析、室内试验和数值计算等手段,研究了煤层底板采动应力扰动突水判据、饱和岩层损伤试验特征、主应力转换特征。结果表明:基于采动底板岩层扰动程度判别指标、底板起裂压力阈值判别指标和底板含水层失稳判别指标得到的采动底板突水判据阈值为1;底板灰岩试样损伤在卸压后存在明显的延迟效应,而在失稳时产生应力跌落现象;采空区前后底板最大主应力由水平应力转换为垂直应力。底板卸荷后,最大主应力又从垂直应力转换为水平应力。采动底板最大与最小主应力差值在不同深度呈现不同分布特征,但总体均增大,且集中在采空区前后煤壁附近。

复杂坚硬岩层井上下联合水力压裂控制技术研究

李云鹏, 张宏伟, 苏怀瑞, 赵善坤, 马富武, 李海涛, 李杨, 孙德全, 黄春慧

2023, 40(4):  704-713.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0254

摘要 ( 433 )  

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本文开展复杂坚硬岩层井上下联合水力压裂控制技术研究,基于板壳力学理论,揭示了坚硬岩层失稳临界弯曲应变能特征,提出了基于弯曲应变能指标的压裂目标层确定方法,建立了井上下联合水力压裂控制技术体系。以大同矿区石炭系特厚煤层综放开采矿井为工程背景,确定了井上下联合水力压裂技术方案,并进行了现场工业性试验。通过分析微震、液压支架工作阻力、巷道变形量监测数据和回采巷道超前支护形式等方面,验证了井上下联合控制技术的适用性和有效性。结果表明:井上下联合水力压裂控制技术可在坚硬岩层中形成明显裂缝,破坏了复杂坚硬岩层的整体性及其强度,平均来压步距减小了34.6％,平均液压支架工作阻力降低了约15.1％,平均超前巷道变形量减小了约35.0％。研究成果为复杂坚硬岩层控制开辟了新路径,可为复杂坚硬岩层的精准控制提供技术支撑。

水力压裂对末采矿压显现规律的影响研究

林志斌, 李亚超, 吴疆宇, 杨永

2023, 40(4):  714-721.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0281

摘要 ( 424 )  

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为研究水力压裂对工作面末采矿压显现规律的影响，以隆德煤矿213综采工作面为背景，采用FLAC3D建立其末采数值模型，考虑水力压裂前后岩体的力学变化特征，对比分析了有无水力压裂对末采悬顶长度以及矿压的影响，在此基础上设计了213综采工作面水力压裂方案，实测了工作面矿压以及回撤巷道变形。数值计算结果表明，无水力压裂条件下，213综采工作面顶板岩体在末采贯通阶段周期来压步距约为10~15 m，采空区上方岩体悬顶长度约为13 m；而水力压裂条件下周期来压步距则减小为5~10 m，悬顶长度减少为5 m。现场开展末采水力压裂施工后，工作面剩余可采长度为4~6 m发生周期来压，卸压区平均支架工作阻力减小9.7%；回撤巷道顶底板移近速度在工作面剩余可采长度低于26 m时由缓慢变形阶段的2.5~5.7 mm/d增加至快速变形阶段的13.0~66.9 mm/d。水力压裂在末采阶段的实施，有效控制了工作面的悬顶长度，成功实现了工作面的安全开采，切实保证了末采撤架工作的顺利完成。


基于顶板水力压裂卸压的应力场响应机制研究及应用#br#

程利兴, 张镇, 姜鹏飞, 杨建威

2023, 40(4):  722-729.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0562

摘要 ( 447 )  

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针对深井高应力强采动巷道的支护难题,分析顶板水力压裂技术原理,建立巷道围岩水力压裂数值计算模型,开展水力压裂切顶卸压应力转移研究,分析巷道围岩应力场响应机制,并开展现场工程应用。结果表明:水力压裂后煤柱应力集中区应力降低率为7.73%,平均降幅为13.9 MPa,最大降幅为24.9 MPa,采空区应力增长率为3.75%,在采空区应力增长区内,顶板压裂后底板应力较无压裂时平均高出约6.4 MPa,有效弱化了坚硬悬顶,阻断了顶板岩层的应力传递,促使煤柱侧悬顶应力向采空区内转移;水力压裂后工作面周期来压步距和液压支架动载系数显著降低,煤柱应力趋于均匀化,且平均应力显著低于无压裂时的煤柱应力,超前采动影响时矿压显现强度得到有效降低;压裂段滞后工作面30 m范围内采空区顶板及时垮落,应力增长较快,滞后工作面距离大于30 m时,压裂段采空区应力基本呈缓慢增长,最大应力值为1.35 MPa,无压裂段采空区应力且仍呈快速增长趋势,最大应力值为1.64 MPa。这表明水力压裂可有效弱化坚硬顶板完整性,改善采空区覆岩结构运动状态,降低巷道围岩应力状态,提高巷道围岩的稳定性。

深部厚煤层沿底巷道两帮变形破坏机理研究

单仁亮, 彭杨皓, 张炜卓, 单忠豪, 王志恩

2023, 40(4):  730-742.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0384

摘要 ( 404 )  

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为解决深部厚煤层沿底巷道变形大、围岩维护难题,以营盘壕煤矿2201工作面运输巷为工程背景,分析巷帮变形破坏特征及关键影响因素,基于巷帮应力状态分析,探讨巷帮围岩变形破坏机制,引入梁柱力学模型和剪切滑移破坏模型,确定巷帮综合破坏深度和锚杆长度,并运用数值计算方法对其进行系统模拟研究和论证。结果表明:两帮上部片状破裂,中上部层状开裂,中部块状剥落碎胀鼓起明显;支护系统欠合理、巷帮煤体性质变化、断面大、地应力高是造成巷帮变形破坏的主要原因;巷帮围岩变形破坏表现为浅部动态卸荷劈裂破坏、中深部(单侧无侧限)单轴压缩劈裂破坏(合称为“H”型破坏)和深部不完全共轭剪切破坏(“Y”型破坏)的“H+Y”型破坏机制,能够解释现场调研发现的煤巷变形破坏特征和现象;梁柱力学模型和剪切滑移破坏模型能够反映巷帮围岩的稳定性,综合破坏深度等于拉伸(劈裂)破坏深度与剪切(压剪)破坏深度之和;数值模拟与理论分析结果较为一致。

基于支护干涉的巷道围岩蝶形塑性区控制方法研究

韩森, 王卫军, 董恩远, 彭刚

2023, 40(4):  743-753.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0669

摘要 ( 427 )  

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为控制巷道围岩塑性区的蝶形扩展,通过理论分析、数值模拟,对巷道埋深及围岩强度对塑性区形态和范围的影响进行分析,并研究巷道支护方式和支护时机对巷道围岩蝶形塑性区的影响。研究表明,巷道埋深及围岩本身的强度对塑性区的形态和范围有显著的影响。随着巷道埋深的增加和围岩强度的减小,巷道围岩塑性区半径相应增大,蝶形塑性区蝶叶扩展越加明显。巷道围岩蝶形塑性区是可以通过现有支护手段进行控制的,巷道开掘后,选择合适的支护时机,通过支护、注浆等方式提高巷道浅层围岩强度,对巷道施加较大支护阻力,并对可能出现蝶叶扩展的巷道部位进行加强支护,可有效抑制塑性区蝶形扩展。研究为深部巷道围岩大变形和重大动力灾害防治提供了新的思路。

煤矿高水充填材料物理力学特性研究及工程应用

吴少康, 张俊文, 徐佑林, 宋治祥, 范文兵, 张杨, 董续凯, 陈志松, 肖兵, 张际涛

2023, 40(4):  754-763.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0017

摘要 ( 464 )  

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为解决沿空留巷传统膏体、充填材料的充填开采成本高、施工工艺复杂、充填体支护强度达不到现场要求等问题,通过实验室试验对材料各方面物理力学性能进行研究,并应用于煤矿现场。研究表明，自主研发的高水材料具有流动性能好、增阻快、早期强度高及适应于煤矿现场环境等优点。主材料比例和初始水温对材料性能的影响大:当pH=11.8时,强度最大,超过或低于这一pH值时强度均减小;当初始水温达到18 ℃临界值时,试件反应后可达到的峰值温度为48 ℃,且材料强度在初期和后期的残余强度均可达到最佳,而当峰值温度高于或低于48 ℃时,材料性能呈下降趋势。材料强度受是否养护影响较大,试件长时间暴露在空气中会发生放碱现象,整体强度下降,养护与未养护下的材料强度相差2 MPa左右。研究得出高水材料巷旁充填的一整套体系,应用于煤矿现场,取得良好效果。

矸石充填工作面沿空留巷围岩结构演化机理

龚鹏, 马占国, 和泽欣, 徐敏, 陈韬

2023, 40(4):  764-773.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0053

摘要 ( 414 )  

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针对综采矸石充填工作面沿空留巷围岩控制难题,采用数值模拟、理论分析、现场实测等手段,研究矸石充填沿空留巷岩层结构演化特征和载荷传递机制。分析巷旁支护体宽度、柔性层厚度等关键结构参数对巷旁支护水平变形、工作阻力和能量演化的影响规律。结果表明:顶板“大结构”的回转变形特征主要由充填区压实力学特性决定。基本顶结构性回转造成的岩层下沉以“给定变形”的方式施加于留巷“小结构”。巷旁支护体上部设置柔性层可达到适应基本顶“给定变形”的目的;合理的巷旁工作阻力能够限制直接顶离层、剪胀等附加变形,同时避免充填区破碎矸石在顶板高应力作用下的侧向流动。巷旁支护体弹性应变能密度与柔性层厚度呈负相关关系,弹性应变能在充填区侧的积聚反映了该区域的主要承载作用,弹性应变能的积聚程度为巷旁支护状态评价和参数优化提供必要依据。

回撤通道围岩稳定与主被动联控技术研究

闫帅, 张栋, 柏建彪, 郭永红

2023, 40(4):  774-785.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2023.0077

摘要 ( 427 )  

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为解决综采工作面预掘回撤通道贯通及设备回撤期间大变形失稳问题,建立渐变煤柱承载力模型,引入Weibull分布函数对煤柱上方增量载荷进行高度拟合,并基于修正的SMP准则理论计算得出渐变煤柱临界失稳宽度为10.5 m。基于基本顶断裂位置与回撤通道围岩稳定相互关系,确定基本顶合理跨度,分析揭示回撤通道围岩的失稳机理,并利用UDEC数值计算模型对回撤通道围岩响应特征进行模拟验证,结果具有一致性。提出“水力压裂主控切顶+高水材料墩柱让压支护”主被动联控技术成功应用于棋盘井矿I030901工作面回撤通道围岩控制。监测结果表明:工作面贯通时,墩柱最大工作阻力为9 382 kN,巷道顶板最大下沉量为198 mm,支架工作阻力整面最大平均值为4 278 kN,保证了综采设备安全高效回撤。

不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征研究

王磊, 刘化强, 李少波, 陈礼鹏, 刘怀谦

2023, 40(4):  786-797.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0695

摘要 ( 418 )  

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为探究不同围压下含预制裂隙煤体裂隙演化特征,基于受载煤岩工业CT扫描系统开展不同围压下三轴压缩试验,通过受载煤体内部裂隙三维可视化分析,研究不同围压下煤体裂隙演化规律,借助PFC模拟软件，以裂纹数量为量化指标表征围压对裂纹发育程度的影响。此外,推导出考虑裂隙宽度的应力强度因子表达式,并以最大周向应力准则计算裂隙的理论起裂角度。结果表明:随着围压的增大,裂隙起裂角度减小,3,5,7 MPa围压下,翼裂纹在预制裂隙端部沿着最大主应力方向扩展,最终呈现为“X”或“Y”型拉剪复合型破坏,9 MPa围压下,煤体翼裂纹发育受阻,次生裂纹充分扩展,呈现出次生裂纹沿共面扩展的剪切破坏形式;围压效应和剪切裂纹的互锁效应均对裂隙发育模式产生影响,但二者作用机制不同,前者为全局作用,后者必须在原生裂隙压密到一定程度时才发挥作用;矿物颗粒赋存状态影响裂隙的发育形态,由纯粹拉应力导致的翼裂纹较为完整,而次生裂纹则呈“残缺”状态,该残缺状态随围压增加而增加;峰值应力前,各裂纹数量呈先减少后增加的规律,拉伸裂纹占比不断减少;经典欧文Ⅰ型应力强度因子适用于张开型裂隙,采用考虑裂隙宽度的应力强度因子计算的起裂角度更接近实验室试验结果。

考虑初始损伤差异性的煤样声发射率响应研究

单鹏飞, 高健铭, 来兴平, 孙浩强, 杨攀, 代晶晶

2023, 40(4):  798-808.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0295

摘要 ( 408 )  

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为进一步揭示复杂应力环境中承载煤岩损伤演化机理,保障地下工程安全,开展考虑初始损伤和加载速率效应对煤体力学行为及声发射响应特征试验,通过引入耗散能累积程度定量评估并指导循环加卸载试验，获得不同初始损伤程度(D0=0,0.15,0.2，0.3)的煤样,借助波速差异性指标剔除离散程度较大的试样,开展单轴压缩声发射监测试验。结果表明:高初始损伤煤体促进裂隙扩展并劣化其承载力;初始损伤增加过程中,峰值应力呈二次函数关系下降,降幅为16.91％,26.81％和22.35％;声发射具有阶段性分期间对应特征,随着初始损伤的增大,活跃期占比增加且期间裂纹中心偏转加剧。高加载速率可抑制裂隙扩展,缩短压密及塑性变形阶段并强化微结构承载力,加载速率由0.002 mm／s至0.01 mm／s再增至0.1 mm／s,峰值应力均值呈“突增—缓增”分区上升趋势,该效应在低加载速率阶段更明显。累计振铃计数与加载速率呈幂函数降低关系,较高加载速率可使声发射活跃期和剧烈期向前推进,宏观断裂形态由剪切转为垂直劈裂,并产生更大占比声发射信号;但高加载速率下限制受载时间,利用声发射事件定位较难实现微裂纹空间展布,同时讨论了考虑初始损伤和时间效应的损伤方程。研究成果可为煤炭地下工程灾害监测预报提供参考。

基于粉煤灰-矿渣地聚合物的露天矿筑路材料疲劳性能研究

丁小华, 杨雨清, 朱晓寒, 张兆亮, 周伟, 敖忠晨

2023, 40(4):  809-817.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0428

摘要 ( 357 )  

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粉煤灰-矿渣地聚合物材料作为硬化露天矿山运输道路的黏结剂具有强度高、通车速度快的特点,并且可以消耗矿山工业圈内产生的固废,是未来有望规模性应用的矿山环保、高效、经济的筑路材料。为研究粉煤灰-矿渣基地聚合物疲劳强度,设计了粉煤灰与矿渣的质量比与碱激发剂含量2个变量的对照试验,测试了试样动载荷下的疲劳寿命。试验结果表明,疲劳载荷下地聚合物材料的破坏过程分为3个阶段,分别为压密阶段、弹塑性变形阶段和裂纹扩展阶段。疲劳试验的统计分析结果表明粉煤灰-矿渣地聚合物疲劳破坏概率密度函数服从Weibull分布,粉煤灰的加入增强了材料的疲劳强度,而碱激发剂的掺量对材料疲劳寿命的影响不具备统计意义,可认为对疲劳强度没有影响。最后给出了可供参考的粉煤灰-矿渣地聚合物疲劳寿命方程。

煤体渗透率对多重应力敏感性研究#br#

刘辉辉, 林柏泉, 蒋长宝, 王至吉, 李庭芳

2023, 40(4):  818-825.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0664

摘要 ( 466 )  

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为揭示煤体渗透率对多重应力的敏感性,本文在不同应力场及边界条件下开展煤体渗透特性试验,探讨煤体渗透率对地应力、孔隙压力、吸附应力的敏感性，及敏感性间的内在关联性。结果表明:煤体渗透率与竖直地应力未见明显相关性,其对竖直地应力的敏感性较差;而对水平地应力则呈现明显的衰减趋势,具有较强的敏感性,但其敏感性随水平地应力的增大而变弱。孔隙压力作用下原位条件煤体渗透率仅缓慢升高,而静水压条件下则呈现出明显的升高趋势,煤体渗透率对孔隙压力的敏感性与边界条件具有明显相关性,静水压条件下敏感性较强,而原位条件下则较差。吸附应力作用下煤体渗透率呈现出先快速后缓慢下降的变化趋势,吸附应力对煤体渗透率的演化起主导作用,为敏感应力,但其敏感性与地应力相关,地应力较大时,敏感性较差,地应力减小敏感性增强。研究成果对煤层高效增透具有重要指导意义。

煤矿热动力重大灾害的不确定性风险特性研究

王德明, 张伟, 王和堂, 仲晓星, 邵振鲁, 王晨光

2023, 40(4):  826-837.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0701

摘要 ( 400 )  

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煤炭井工开采面临着地质构造和作业环境多变、灾害类型多样等复杂问题,导致以热动力灾害为主的煤矿重特大事故时有发生,已有研究和防控体系主要针对热动力灾害的确定性问题,对不确定性风险则认识不足。为此,本文统计分析了2000年以来发生的煤矿重特大事故特点,重点研究热动力重大灾害的不确定性风险类型和特性。分析认为,煤矿热动力灾害不确定性风险涵盖已知和未知两种。通过对国内外煤矿热动力重大事故的系统总结，并依据火灾(爆炸)三要素,将热动力重大灾害的不确定性分为3类:一是可燃物的来源与变化,如瓦斯来源异常和涌出量变化,瓦斯与煤(含煤尘)复合可燃物的相互作用,违规使用的矿用自燃材料等;二是未知的点火源特性与类型,如采掘装备与岩石间的摩擦撞击和各类电器、机械、带静电材料的放电点火特性不明,采掘过程中顶板压力变化造成引燃含瓦斯空气的点火源类型未知等;三是不合理的通风与控风,如通风不合理造成瓦斯超限或灾变时期的风流紊乱,控风不当造成二次爆炸等。剖析近年来我国八宝煤业、美国UBB煤矿、土耳其索玛煤矿发生的国内外最严重的热动力灾害事故,阐明这些事故的不确定性风险特性,并提出防控不确定性风险的相关对策。

基于微细观分析的煤体瓦斯吸附规律及反常点原因探究

郭立稳, 杨子恩, 张嘉勇, 陈建

2023, 40(4):  838-846.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0267

摘要 ( 427 )  

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针对煤体微观结构对瓦斯吸附性能的作用规律尚未完善这一问题,采用煤体瓦斯吸附规律微细观综合表征试验方法,探究煤体微观表面官能团、微细观角度煤体孔结构对瓦斯吸附的影响规律,并阐释反常点的产生原因。研究结果表明:随着变质程度增加,瓦斯吸附量整体呈上升趋势,芳香烃相对含量不断升高,脂肪烃相对含量不断减少,含氧官能团相对含量不断下降。挥发分由24.33％降至14.56％,吸附常数a由12.97 cm3／g增长至23.90 cm3／g,芳香烃相对含量由3.80％升至9.03％,脂肪烃相对含量由12.06％降至3.90％,含氧官能团相对含量由81.73％降至49.07％;极性含氧官能团可削弱瓦斯的吸附能力,官能团结构参数C*(羰基比羰基与芳香环之和)的增大阻碍瓦斯吸附过程。随着脂肪链长度的增加,煤体瓦斯吸附能力不断提高;在研究微观孔隙结构对瓦斯吸附量的影响过程中,发现孔隙结构与吸附常数a之间存在反常变化趋势,进一步分析表明表面官能团与孔隙结构存在内在关联,含氧官能团阻碍煤体大孔发育、烃类结构促进大孔发育,煤体吸附性能受多重因素影响。

低瓦斯赋存高强度开采煤层驱替促抽技术研究#br#

宋鑫, 舒龙勇, 王斌, 凡永鹏, 龚浩然, 崔聪, 安丰存

2023, 40(4):  847-856.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0673

摘要 ( 438 )  

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针对低瓦斯煤层高产高效矿井瓦斯高强度涌出,常规抽采和煤层改性技术瓦斯抽采效果较差的问题,基于煤层瓦斯赋存特性及流动机理研究,提出煤层井下注气驱替促抽技术,并开展现场试验与应用。结果表明:低瓦斯赋存煤层常规抽采条件下,瓦斯抽采纯量低、流量衰减快,注气驱替促抽可快速、高效提升抽采效果;持续性注气促抽较间歇性驱替效果更佳;注气压力越大、注产间距有效影响范围越大,驱替促抽效果越好;试验条件范围内,实际驱替促抽瓦斯量相较于常规抽采预测瓦斯量增幅可达367.5%～487.6%；注气驱替促抽可实现煤层瓦斯含量的快速降低,保障上隅角瓦斯浓度维持低位水平,应用区段内煤层瓦斯含量月平均降低0.402～0.565 m3／t,上隅角瓦斯浓度最大为0.31%。