钻孔密封材料的微观特性及其对密封性能的影响

研究了钻孔密封材料聚氨酯和膨胀水泥冻复合材料(PD复合材料)的微观特性,并考察了其对钻孔密封性能的影响作用.实验模拟了煤矿井下钻孔封孔过程,利用FEI QuantaTM 250环境扫描电子显微镜对聚氨酯、PD复合材料本身,以及两者与煤壁的结合、渗透和发展进行微观对比和分析.PD复合材料的渗透系数约为聚氨酯瓦斯渗透性系数的1/48.聚氨酯为蜂窝网状结构,内部孔隙较大,与孔壁结合处存在空白区域;PD复合材料结构严实,内部孔隙极小,在孔壁处与煤体结合密实.PD复合材料比聚氨酯更容易克服钻孔周围裂隙区内瓦斯压力、水锁效应等各种阻力的作用,在钻孔周围裂隙内逐渐渗透,且其自身可以继续在钻孔周围残余裂隙和孔洞内发展.     

钻孔CF新型密封材料的孔隙结构特性研究

为了改善瓦斯抽采钻孔的封孔效果,研究了瓦斯抽采钻孔普通水泥密封材料、CF新型密封材料的孔隙结构特性。实验模拟了煤矿井下钻孔封孔过程,综合采用压汞法和二氧化碳气体吸附法对普通水泥注浆后的煤样和CF新型密封材料注浆后的煤样孔隙结构进行对比分析。结果表明:CF新型密封材料相比普通水泥材料有着较好的渗透力,可以有效的消除钻孔封孔段周围微观裂隙和孔洞,提高封孔段的稳定性;经过注浆之后,普通水泥材料注浆的煤样和CF新型密封材料注浆的煤样平均孔径分别为9,8.6 nm,孔隙率分别为4.428 1%,3.775 6%.     

高温水冷后花岗岩微观孔径及渗透性分析

高温热处理后岩石的物理力学性质的变化与其内部孔隙结构的改变有关.以高温水冷处理后的两种花岗岩为研究对象,进行了气体渗透试验,研究了其渗透性随温度的演化规律及微观孔隙结构的变化,并利用比表面积及孔径分析测试从微观层面分析了高温水冷处理后花岗岩的损伤演化和裂隙发育机理,为宏观物理性质改变提供了理论依据.结果表明,两种不同的花岗岩在受到高温水冷后表现出相同的规律,随着温度的升高,岩石内部逐渐产生温度裂隙,比表面积增大、总孔体积增大.利用比表面积及孔径分析得到了岩石内部纳米级孔隙的分布情况,发现在温度的作用下岩石内部的介孔受温度的影响最大.可见,在高温热处理后花岗岩内部的温度裂隙是影响岩石物理性质的主要因素之一,同时利用比表面积及孔径分析测试可以得到花岗岩内部的纳米级孔隙分布情况,为花岗岩的微观孔隙结构研究提供了技术支持.     

超临界CO_2提高煤层渗透性的实验

利用自制的三轴渗透装置,在低渗透煤层中注入CO2,测定不同孔隙压力下非超临界和超临界CO2的流速,通过显微CT成像观察超临界CO2作用前后煤层微观截面孔隙裂隙的变化.结果表明:超临界CO2作用后,流速较非超临界CO2作用时明显提高;随着孔隙压力的增加,CO2的流速呈指数递增的关系;煤层微观截面CT图显示,超临界CO2作用后,孔隙、裂隙较非超临界CO2作用时明显发育、尺寸增大、密度增加、连通性提高,说明由于超临界CO2的作用进一步促进了煤层微观孔隙、裂隙的充分发育,增加了渗流通道,有效提高了煤层的渗透性.     

热力耦合作用下含瓦斯煤层渗透特性试验研究

为深入研究含瓦斯煤层渗透率与温度和应力的关系,利用自制三轴渗透仪,进行了不同轴压、围压、孔隙压、温度条件下的渗透率测定试验和煤层微观结构扫描试验,并对试验结果进行了分析.研究结果表明:在热和应力耦合作用下,煤层渗透率主要受煤基质膨胀、煤基质压缩、孔裂隙扩张、孔裂隙闭合、气体吸附、气体解吸等6个因素共同影响;孔隙压力不变,渗透率随有效应力的升高单调递减;轴围压不变,渗透率随孔隙压力的升高呈先减小后平缓再增大的近"U"型变化规律;温度升高,煤基质膨胀致使孔裂隙闭合,煤内气体膨胀致使孔裂隙扩张,两相共同作用,渗透率变化取决于哪一相占优.     

井孔岩体稳定分析的双孔隙弹塑性数值解

研究了倾斜油井井眼周围含天然裂纹的孔隙岩体的机械力学行为及其与流体流动耦合的力学问题。模型中将含天然裂纹的孔隙岩体看作双孔隙介质,即孔隙岩体和其中包含的裂隙系统。孔隙岩体和裂隙系统二者具有不同的孔隙率和不同的渗透特性。模型将孔隙岩体、裂隙系统、以及流体的流动三者耦合起来考虑,在分析中考虑了岩体和裂隙系统二者不同的孔隙率和不同的渗透率。并给出了任意倾角的孔隙裂隙岩体中井孔围岩的变形与岩体内部流体的流动的数值解。     

可吸收生物玻璃陶瓷/聚己内酯复合接骨板的制备工艺及力学性能

针对生物陶瓷存在脆性高、韧性差无法满足接骨板所需的力学性能的问题,提出采用光固化陶瓷成形技术结合聚合物渗透法,在多孔陶瓷中渗透聚己内酯,制备出集强度韧性和生物相容性于一体的可吸收陶瓷/聚己内酯复合结构。对不同烧结保温时间下多孔陶瓷的微观孔隙分布进行了研究,探讨了不同渗透时间对可吸收玻璃陶瓷/聚己内酯复合材料微观结构和力学性能的影响,分析了多孔陶瓷在渗透聚己内酯前后和不同渗透时长两种情况下的增强增韧机理,并利用所提出的方法制备玻璃陶瓷/聚己内酯复合接骨板。实验结果表明:当多孔陶瓷微观孔隙较多时,利于后期渗透工艺;渗透聚己内酯可大大改善复合材料的力学性能,在应力屏蔽和缺陷修复两种机制综合作用下复合材料的抗压强度和抗弯强度显著增加,其韧性也因聚己内酯固有韧性和裂纹桥接机制有所提升。根据该工艺研究,当烧结保温时间为120min、渗透时间为240min时,复合材料的力学性能最佳,强度和韧性达到最佳,为可吸收接骨板提供了一种可行性方案。     

基于钻孔电阻率法动态监测的煤层覆岩瓦斯抽采层位确定——以李雅庄煤矿为例

高位水平钻孔瓦斯抽采技术是解决矿井瓦斯危害问题十分有效的工程技术手段.瓦斯抽采水平钻孔施工层位需要布置在覆岩采动裂隙带发育范围内,而复合顶板的采动裂隙带发育范围往往难以确定,导致钻孔施工层位不准确严重影响瓦斯抽采效率.为研究覆岩采动裂隙发育范围,精准确定水平钻孔布置层位,依据煤层开采覆岩变形破坏一般特征,采用钻孔电阻率法对李雅庄煤矿2607工作面开采覆岩裂隙发育特征进行动态监测,分析了不同采动时段的视电阻率响应特征和变化规律,得到覆岩裂隙发育分布的主要层位.研究表明:裂隙带主要发育范围位于煤层顶板26～47.5 m高度内的砂岩层,确定为瓦斯抽采的最佳层位,现场瓦斯抽采试验验证了该层位的准确性.钻孔电阻率法在覆岩裂隙动态监测方面具有较高的精度,为提高瓦斯抽采效率和降低瓦斯抽采成本提供了较重要的技术保障.     

顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺优化选择

根据岩石力学、弹塑性力学理论建立了顺层钻孔周围煤体塑性区应力分布数学模型,分析了顺层抽采钻孔施工过程中周围煤体破坏规律及应力分布状态。数值模拟了采用水泥砂浆封孔、聚氨酯封孔、胶囊封堵-压力注浆封孔三种工艺下钻孔周围煤体应力分布规律,三种封孔工艺分别通过改变钻孔支护阻力、钻孔周围煤体物性参数等方式进行模拟。结果表明:胶囊封堵-压力注浆封孔工艺可有效封堵裂隙,加固钻孔周围破碎煤体,对钻孔周围煤体应力分布的控制效果优于现有的封孔工艺,对于顺层瓦斯抽采钻孔封孔工艺有一定的指导意义。     

水力割缝煤体多场耦合响应规律研究

针对水力割缝钻孔周围的扰动裂隙范围以及合理的布孔间距问题,文中建立了水力割缝煤体多场耦合模型。以杨柳矿特定的地质条件为基础,考虑应力场、裂隙场以及渗流场耦合效应,开展了水力割缝钻孔周围瓦斯流场演化数值模拟研究。结果表明:水力割缝钻孔周围存在半径约为2 m的扰动裂隙圈,割缝孔周围瓦斯压力变化曲线存在"陡坡"现象。水力割缝钻孔瓦斯抽采的有效影响半径约为4.6 m,最适布孔间距约为7 m,与现场测试结果相吻合。多孔协同抽采30 d后,钻场控制区域均已消突,抽采效果理想。     

影响采空区顶板抽放瓦斯效果的主要因素分析

对于低透气性高瓦斯煤层群开采的首采工作面，或厚煤层开采一分层的工作面回风流中的瓦斯浓度超限问题是一大难题，为解决此难题，通常采用顺层钻孔、穿层钻孔抽放瓦斯措施，收到了一定的效果，问题尚得到较好解决。开采煤层工作面的瓦斯主要来源于本煤层、采空区和邻近层的卸压解吸瓦斯，由于煤层松软，顺层钻孔施工难，不便进行顺层钻孔抽放瓦斯，若对采空区实施大面积抽放，工程难度大，而且抽不出高浓度瓦斯。煤层回采后，采空区顶底板岩层卸压，产生裂隙。由于瓦斯的升浮漂移和渗流特性，来自于开采煤层和卸压煤层内卸压瓦斯，沿裂隙通道汇集到裂隙区，形成瓦斯积存库。把抽放钻孔或巷道布置在顶板裂隙内，实施瓦斯抽放，该抽放瓦斯技术起到了对开采工作面上隅角瓦斯的截流作用，解决了松软低透气性高瓦斯煤层群开采瓦斯抽放困难的关键技术难题。     

粉砂土改良膨胀土渗透性与孔隙特性研究

通过变水头渗透实验、压汞实验,分别从宏观角度和微观角度研究掺砂比对改良土渗透性的影响规律,并从微观角度解释其内部孔隙特征的变化情况.结果表明:粉砂土的掺入增加了土体的渗透性,微观上表现为孔隙结构的改变,粉砂土与膨胀土中的矿物质发生胶结作用,使改良土中的团粒间孔隙与团粒子内孔隙增加,颗粒内孔隙减少;将渗透系数与孔隙特征参数进行拟合,得出大孔隙百分比与土体渗透系数拟合度最高,中孔隙百分比次之;大孔隙百分比,临界孔径对土体渗透系数影响较大,能够为该膨胀土地区实际工程施工建设提供重要理论参考.     

海砂型氯离子与水泥胶体的结合和机理

为了研究海砂中氯离子对钢筋混凝土结构耐久性影响,分析氯离子对结构中钢筋的腐蚀作用,将海砂引入氯离子的形式从传统的内掺型中剥离出来,采用NaCl溶液浸泡河砂模拟海砂,研究氯离子与水泥胶体的结合机理,并结合SEM微观实验和EDS的元素扫描结果,对氯离子在砂子周围的发布、结合规律作了描述.实验表明:水泥稳定后与氯离子的结合率在60%左右,海砂型与内掺型氯离子结合、传播方式有所不同,海砂型引入的氯离子存在一个从海砂表面到水泥凝胶内部的渗透过程,在此基础上提出海砂型氯盐侵蚀的概念,基于微观试验结果讨论了其结合和传播机理.     

采空区高位钻孔瓦斯抽放的数值模拟

依据Darcy定律,在Navier-Stocks方程的基础上,对祁南煤矿综采工作面采空区瓦斯抽放问题作了计算分析,并进行了CFD数值模拟.从理论上模拟采空区瓦斯聚集过程,直观展示了瓦斯抽采时采空区流态、瓦斯分布变化.把抽放钻孔布置在顶板裂隙内,结合上隅角埋管实施瓦斯抽放,该抽放瓦斯技术起到了对开采工作面上隅角瓦斯的截流作用,现场管路测量显示,可抽出高浓度瓦斯达30%～80%(体积分数),工作面回风瓦斯的体积分数基本控制在0.3%以下.     

高位钻场瓦斯抽采技术在高瓦斯复杂煤层回采中的应用研究

通过对李雅庄矿多个回采工作面瓦斯来源的现场测试及理论分析,得出采场围岩瓦斯涌出是导致该矿回采工作面高瓦斯的主要来源,其涌出量占到总涌出量的60%以上。针对该矿煤层顶、底板多为沙质泥岩,其孔隙、裂隙相当发育的特点。提出了高瓦斯复杂煤层回采工作面瓦斯治理新思路。即:采取了在本煤层和邻近层瓦斯抽采技术与顶板钻孔和高位钻场底板高位裂隙钻孔的瓦斯联合抽采方式,并确定了瓦斯抽采的基本参数。从该矿2-602工作面采用高位钻场14个月的瓦斯抽采效果来看,抽采率达到了60.87%,有效地降低了工作面的瓦斯涌出量,为安全高效开采高瓦斯复杂煤层提供了技术保障。     

新景矿9#煤顺层钻孔瓦斯抽采固-气耦合模型数值模拟

为了探讨顺层瓦斯抽采时的瓦斯渗流运移规律,提高低渗透煤层的抽采效率,运用弹塑力学理论,基于煤体骨架有效应力的变形特性,利用Kozeny-Carman方程进行理论推导,建立了钻孔周围煤体弹性形变与塑性形变的渗透率与孔隙率动态变化模型.结合多孔介质渗流力学理论,建立了钻孔抽采瓦斯渗流固-气耦合模型.针对新景矿9#煤的地质条件,运用COMSOL计算软件,对其耦合模型进行数值计算,得出了布孔间距与单钻孔有效抽采半径之间的关系.模拟结果表明：随着钻孔不断抽采,钻孔瓦斯抽采量初期比较大并能维持一段时间,随后将逐渐减小,最后接近稳定值,同时钻孔有效抽采半径也逐渐变大,但变化的程度越来越小.通过现场实际运用,验证了该模型与关系式的有效性与正确性.     

新型无机缓凝封孔浆液注浆扩散形态研究

为解决已有瓦斯钻孔封堵技术中固态封堵材料无法封堵次生裂隙、导致瓦斯抽采后期抽采效果急剧下降的难题,提出了一种操作简单、成本低廉、提高钻孔密封效果的瓦斯抽采钻孔密封方法,即通过注浆泵带压注浆的方法将新型无机缓凝封孔材料注入2段膨胀封堵材料形成的密闭空间内对煤岩裂隙进行封堵。文中采用FLUENT数值模拟软件首先研究了煤矿井下工作面顺层钻孔封孔段在不同注浆压力和水灰比条件下的浆液扩散形态和钻孔封孔段周围浆液压力变化情况,然后对不同注浆时刻各种注浆压力条件下钻孔周边煤体内浆液压力的分布情况进行了分析,得到了注浆时间与浆液有效扩散距离的关系,为现场注浆工艺参数的确定提供指导。最后在河南能源城郊煤矿进行了现场应用,在为期2个月瓦斯抽采的观测期内,使用新型无机缓凝封孔材料进行封孔作业的抽采钻孔瓦斯浓度始终大于30%,瓦斯抽采纯量变化很小,始终维持在0.12 m~3/min之上,瓦斯抽采效果提升明显。新的封孔材料为瓦斯封孔提供了新思路,对提高钻孔抽采效率、提高资源利用率、杜绝瓦斯事故具有一定的意义。     

高压水射流自旋式割缝技术在柿花田煤矿的应用

瓦斯治理的根本措施是抽放,然而应用单一钻孔预抽瓦斯,钻孔直径是决定抽放效果的关键因素.孔径小,其自由面小,瓦斯的排放速度低,等待开采的时间较长,影响了矿井的生产效率,而孔径又不能太大,否则在煤层综合应力下,孔的形成和孔的稳定性会受到破坏,而且孔径大的钻孔钻进速度较慢,效率较低,而且钻孔的有效煤孔段往往只占整个钻孔的一小部分,完全没有必要施工孔径较大的钻孔.介绍了一种新型高压水射流自旋式割缝技术,该技术可以有效解决上述问题.高压水射流自旋式割缝设备主要由高压水泵、水箱、高压胶管、高压密封钻杆、旋转接头、力矩喷头和喷嘴组成,该技术是在瓦斯抽采钻孔完成后,利用钻机将切割钻具输送至孔内,采取后退切割的方式,对钻孔内煤体进行切割,形成若干个垂直于钻孔方向的圆盘状缝隙,使孔内煤体暴露面积增加,同时由于高压注水作用,缝隙周围裂隙增加使煤体的透气性增强,从而有效提高抽采效率.试验发现：该技术的割缝半径为0.6～0.7m,使用该技术切割后,瓦斯涌出量大幅增加,百米瓦斯自排量和瓦斯抽放量分别是非切割钻孔的5.6和4.5倍,且衰减系数有所增加.     

基于ANSYS温度场的煤层瓦斯压力模拟可行性

煤矿采掘施工会破坏瓦斯在煤层中的平衡状态。为研究瓦斯在煤层中的流动规律，采用ANSYS有限元软件对煤层钻孔抽采瓦斯进行数值模拟，研究一定时间内钻孔周围的瓦斯压力分布，以及测点随时间变化的压力变化趋势。结合桃山煤矿42035工作面的实测数据与模拟结果进行对比。结果表明：钻孔周围测点的实测数值与模拟结果基本吻合，说明利用ANSYS温度场进行瓦斯渗流模拟可行。     

低透气煤层预裂瓦斯运移数值模拟及抽采试验

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采难问题,利用数值模拟软件RFPA2D-Flow再现了采取煤层深孔爆破预裂后,瓦斯在煤层及爆生裂隙中的流动规律.研究结果表明,预裂圈内煤和岩石的孔隙率大大提高,煤层透气性显著增加,但当裂隙圈之间不相交时,瓦斯同样很难在完整的低透气性煤体中运移,因此只有当抽采瓦斯钻孔处在裂隙圈中才能高效抽采瓦斯.现场试验证实,低透气性煤层预裂后,有效导通裂隙增加,布置在裂隙圈内抽采瓦斯钻孔可以获得高效抽采瓦斯效果,从而降低煤与瓦斯突出危险性.