三维预设原生裂隙下的煤层低压注水数值模拟研究

为研究煤层注水过程中,煤体内大量原生裂隙对水分运移过程及润湿效果的影响,采用COMSOL Multiphysics软件模拟注水过程中的渗流压力场、速度场与水分增量,并通过MATLAB编程建立煤体内大量三维原生裂隙的随机分布模型。研究结果表明:注水工作进行约60h后,煤体内各处水分渗流速度趋向一致且保持相对稳定;水分增量场与渗流压力场、渗流速度场在注水前期的分布基本一致;随着大量原生裂隙被水分浸润,裂隙在起到储水作用的同时,也加速了附近煤体的润湿速度;但可见若原生裂隙未与注水孔相交连通,其加快煤体润湿速度的效果有限。     

煤体渗流特性的模糊数学分类方法及其应用

本文在文献［１］、［２］研究的基础上．提出了进行煤体渗流特性分类的四个主要指标，即煤体裂隙分布的分形维数Ｄ、特征尺度Ｌ＝１ｍ的裂隙条数Ｎ、煤样导水系数Ｔ和煤的孔隙率η等；建立了煤体渗流特性模糊数学综合评价的数学模型；根据煤层注水工程应用的实际情况．将煤层分为五类．每类又分为三级．这一分类结果对煤体注水效果评价和注水参数的选择具有重要的指导意义。     

含瓦斯煤体内多场耦合及损伤断裂机理

为了揭示含瓦斯煤体内应力场-瓦斯场-裂隙场三场之间的耦合关系及其损伤断裂机理.运用弹性力学、损伤力学及瓦斯渗流理论,通过建立损伤变量,描述煤体在有效应力作用下裂隙场的变化,同时给出损伤变量对煤体内孔隙率的影响以及煤体受损伤后有效应力的变化方程;根据所建耦合方程,考虑煤体在应力场-瓦斯场-裂隙场耦合作用下煤体内的微小变形对煤体宏观性能的影响,给出了不同损伤情况下煤体内瓦斯压力的分布规律.揭示了多场耦合作用下煤体内大量微损伤积累通过跨尺度的非线性串级发展而诱发煤体的宏观灾变,并从能量角度给出了含瓦斯煤体的损伤断裂准则.     

坚硬煤层爆破致裂增注技术研究及应用

为解决坚硬煤层注水难度大的问题,对煤层采取爆破致裂的技术,增加煤体裂隙,以平顶山矿区某煤矿为研究对象,验证了爆破致裂增注技术在坚硬煤层中的应用效果。结果表明:单孔爆破后裂隙扩展范围达到2~3 m,注水流量及总注水量比普通钻孔显著增大。双孔同时爆破时,由于应力波的相互叠加,使煤体应力重新分布,在两孔之间形成相互贯通的径向裂隙和环向裂隙,裂隙扩展范围可达6 m,爆破效果优于单孔爆破。     

磁化水的理化特性及其煤层注水增注机制

为了提高煤层注水的效果,采用理论分析的方法,研究了磁化水的理化特性和进行煤层注水时的增注机制.结果表明,磁化水的水分子链(团)中的氢键会发生弯曲和局部断裂,水分子间的引力常数变小,水分子得到活化,导致水的表面张力降低,加大了煤体对水分子的吸附能力,提高了煤体的润湿效果;水的粘度系数的降低,加快了水在煤体中的渗流速度,提高了水在煤体中的渗透率.分析表明,磁化水在煤层注水方面的应用具有良好的应用前景.     

综放工作面注水降尘技术

赵庄二号井开采的3#煤层为厚煤层,选用的是综采放顶煤采煤方法,生产过程中粉尘浓度较大,传统的喷雾降尘方法不能够满足现场降尘的需要.为了进一步降低工作面粉尘浓度,改善工作面劳动环境,为创建安全、高效型矿井提供良好的生产条件,文中针对3#煤层孔隙率小、渗透性低、润湿性差等特征,采用混合注水方式进行煤层注水降尘技术分析研究及现场试验.分别从钻孔布置方式、注水封孔工艺、注水工艺及参数和降尘效果等方面进行了阐述,分析了煤层注水对工作面超前支承压力的影响变化,并提出了添加烷基酚聚氧乙烯醚TX-10表面活性剂改善煤体润湿性,增强了煤层注水润湿效果.结果表明,实施注水工艺技术后,煤层水分平均增量为1.61％,全尘平均降尘率达58.71％,呼尘平均降尘率为57.34％,大幅度降低了工作面粉尘浓度;添加润湿剂后,增加了钻孔注水量,缩短了注水时间,扩大了润湿范围,改善了注水效果.实践证明,该套注水降尘工艺用于综放工作面降尘是切实可行的.     

负压瓦斯抽采对煤体水分影响的实验研究

针对瓦斯抽采可能引起的煤体的"负压失水"现象,实验室模拟定量研究了特定的负压、温度条件下的煤体水分含量及失水率与时间的关系,分析了煤体的负压失水机理。研究结果表明:随着负压作用时间的延长,不同变质程度煤样(原始水分含量不同)的水分含量均降低,初期水分含量(1 h以内)下降较快,之后趋于平缓,最终趋向于一定值。实验条件下各煤样的失水率均为70%左右,煤体的失水量较大,失水率与煤的初始水分含量无关。抽采负压降低了煤体内部孔隙气体压力,水的沸点和饱和蒸气压均降低,增大了煤中自由水和游离水的蒸发(非沸腾)气化速度,煤中的吸附水和液态水(游离水)转变为气态水被抽出。煤体水分含量对采掘时的粉尘产生量影响较大,长时间连续的煤层瓦斯抽采将导致煤体水分流失,对矿井的防尘工作不利,因此对抽采后煤体进行煤层注水或采取强化的防尘措施非常有必要。     

东荣二矿煤层注水工艺优化及应用

为明确煤层注水过程中水分增值的变化规律,确定合理工艺参数,提高煤层注水效果,使用COMSOL4.3b2D开展煤层定压注水数值模拟,并使用SPSS软件对数值模拟结果进行逐步回归,建立了湿润范围关于注水压力、时间和水分增值的综合计算方程.研究结果表明:提高注水压力和时间能够扩大湿润范围,能使煤体的水分含量分布更加均匀;依据建立的综合结算方程和现场实际,并结合经验方法确定的综采工作面注水方案,实施之后粉尘浓度降低72%以上,吨煤瓦斯涌出量降低为原来的1/3左右,日均产量增加1倍左右.     

煤层定向水压致裂机理研究

随着中国煤矿开采规模、深度及强度的逐年加大,为进一步保障安全生产环境、降低安全事故发生的频度和烈度、提高资源回收率,煤层水压致裂的可控性是目前亟待研究的重要问题之一。煤层定向水压致裂技术利用钻孔煤层中的裂隙作为导向裂隙,在围岩应力与注水压力共同作用下,引导岩层破坏方向。基于水压致裂单裂隙压剪模型及断裂力学理论推导出定向水压致裂临界水压力,对煤层定向水压致裂机理进行研究。研究结果表明,定向裂隙的存在使得煤层水压致裂位置发生偏移,定向裂隙的角度和长度是影响煤层水压致裂破坏方向和临界注水压力的主要因素,这为煤层水压致裂可控性提供理论基础。     

应用渗透棒提高煤层注水综合效果的试验研究

为降低综采工作面空气粉尘浓度,减小粉尘对矿工及设备的危害,在阳泉二矿81201工作面开展渗透棒注水试验。通过渗透棒性能测试实验和渗透棒注水试验研究,分析渗透棒的性能及其注水效果。结果表明:渗透棒具有较强的抗蒸发能力、润湿保湿能力;渗透棒注水后,工作面主要生产工序处的降尘效率均在80%以上,较普通注水提高30%以上;煤体润湿半径达20 m以上,是普通注水的2～3倍,可减少注水钻孔数50%以上;渗透棒注水后,煤体失水率降低2～5倍,注水速度可提高50%以上,说明添加渗透棒能提高水的润湿能力,拓展注水润湿范围,改善注水效果,为类似条件下煤层注水提高降尘效果提供参考。     

艾维尔沟矿区碎软难解吸煤层瓦斯运移规律

为了掌握艾维尔沟矿区主采煤层的瓦斯运移规律、指导瓦斯抽采工作,实测了煤层多元物性参数、建立了含瓦斯煤体多场耦合模型,通过数值模拟分析了瓦斯运移特性。研究表明：矿区主采的4号、5号和6号煤层存在煤层碎软、瓦斯含量高、透气性差等不利因素,抽采难度大。随着抽采时间增加,钻孔周围基质瓦斯压力和裂隙瓦斯压力均按照一元二次函数关系规律性减小。基质瓦斯压力与裂隙瓦斯压力在抽采初期降低速度基本一致,但随抽采时间增加,裂隙瓦斯压力下降速度明显快于基质瓦斯压力,二者之间的压力差也越来越大。5号煤层裂隙瓦斯压力和基质瓦斯压力的降低速度、裂隙中渗流速度及基质中瓦斯解吸扩散速度较4号和6号煤层慢。为提高矿区抽采效果,应采取强化瓦斯抽采措施改善煤层透气性等物理性质,以提高煤层裂隙瓦斯渗流速度,促进基质瓦斯解吸扩散,5号煤层应采取相对更加有效的增透措施。     

岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合模型及应用

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采用间接耦方法构建岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合数值模型。将模型应用于山西省长治市潞安王庄矿3号煤4309工作面高压注水软化顶煤工程,对高压注水下煤岩体的渗流-劈裂-损伤耦合响应规律进行研究。研究结果表明:所建模型反映了渗透压对岩体柔度张量的贡献和翼形裂纹扩展对裂隙岩体渗透张量演化的贡献;在高渗透压条件下,煤岩的应力场会发生很大变化,甚至可能改变煤岩应力拉压状态;高渗透压改变了煤岩裂纹结构,导致煤岩破裂是高压注水软化顶煤的基本原因;潞安王庄矿3号煤4309工作面的合理注水压力为7 MPa左右,这在现场注水现场试验中得到证实。     

三交河煤矿煤体注水及自动加液装置应用研究

通过煤体注水数值模拟表明,当在一定压力作用下钻孔注水时,其渗透范围随着孔径、注水时间的增大而增大,埋深对其影响不大;但对水流渗透影响最大的为岩层中节理、裂隙的发育程度,当节理裂隙较为发育时,水流可渗透到整个煤层.通过现场注水试验,三交河煤矿504工作面进行煤体注水完全达到了煤层内含水率增加1％的要求,总尘浓度降低了65...     

具突出危险原煤瓦斯渗流特性试验

采用自主研制的三轴瓦斯渗透仪进行了原煤试件在固定瓦斯压力下,不同围压和轴向压力的瓦斯渗流实验。实验结果表明,随着围压的增加,原煤煤样的渗流速度呈下降趋势,这种影响对原始损伤严重的煤体更加明显,并建立了渗流速度围压二次函数关系的一般表达式。原煤煤样的渗流速度应变关系类似于应力应变关系,因此,可以利用原煤渗流速度的变化间接反映煤体的受力损伤演化过程,有效应力对原煤煤样的渗流速度影响总体上可以分为敏感阶段和平缓阶段,在敏感阶段,煤样的渗流速度变化大,而在平缓阶段,煤样的渗流速度变化小。在不同的应力条件下,煤体中孔隙裂隙发育程度和开闭程度不同,影响煤体内的瓦斯内能和弹性变形能,也影响煤体的破坏形式。     

不同水压加载下煤体裂隙渗流数值模拟

为研究煤体在不同水压加载下内部裂隙的渗流运动和孔隙变形规律,应用纽迈核磁共振(nuclear magnetic resonance,NMR)扫描与图像重构技术建立煤岩微孔隙渗流模型,而后借助COMSOL软件,在煤体两侧为固定边界,其上部边界分别进行1～10 MPa水压逐级加载的条件下,对煤体的微观裂隙通道进行渗流运动的数值模拟分析.模拟结果表明:煤体中只有贯通裂隙参与渗流运动,非贯通孔裂隙不参与渗流运动;渗流过程最大流速先是呈现较大速率的正比例增长,在水压达到4 MPa时会突然保持稳定,在水压超过5 MPa后又呈现出较小速率的正比例增长.裂隙介质最大变形会在水压接近4 MPa时到达一个峰值然后突然反弹减小,又逐渐缓慢增大直至最后趋于稳定.应力云图特征表明,渗流过程中应力场变化趋势与裂隙位移变形趋势一致,渗流过程中的水力耦合作用是水压在4 MPa时渗流规律发生改变的主要原因.     

高应力低渗透煤层预裂爆破过程中控制孔作用

在深孔控制预裂爆破增加煤体透气性过程中,控制孔所起的导向致裂作用受地应力的影响程度通过理论分析相对复杂。针对这一情况,采用数值计算方法模拟爆炸波与爆生气体在煤体内的传播致裂过程和控制孔临空面的反射叠加导向致裂过程,研究高、低地应力情况下控制孔的导向致裂增透作用。结果表明:高地应力煤层深孔预裂控制爆破时,控制孔主要起到卸压孔和抽放孔的作用,其导向致裂效应不如低地应力情况下的显著;控制孔尺寸越大,煤体爆破后控制孔周围煤体裂隙区范围越大;深孔爆破增透技术在高应力低透煤层的增透防突中仍可获得较好的增透效果。     

煤层注水研究现状及影响因素分析

首先对煤矿粉尘的危害进行了详细的阐述,其次结合煤的大分子结构对煤层注水的过程和方法的研究现状进行了分析,并总结了影响煤层注水效果的影响因素为：煤层裂隙、孔隙的发育程度,上覆岩层压力及支撑压力,煤的坚固性,煤的润湿性,煤层内的瓦斯压力。并对各影响因素进行了详细的分析,为煤层注水增注方法的研究提供了理论基础。     

应用渗透棒提高煤层注水效果研究

从煤化学角度对煤层注水机理进行基础研究与实验,对影响注水因素进行了综合分析,提出了煤层注水机理的理论模型和完善的煤体孔隙表面润湿机理。通过大量的正交复配试验研制出了具有使用方便、性能良好的注水用渗透棒,并提出了简单易行的渗透棒生产工艺。淮北矿业集团现场实践证明,采用在煤层注水中添加渗透棒较好解决了煤层注水工艺中注水量少,降尘率低等问题,具有良好的推广应用前景。     

水力压裂技术在矿井突出治理中的应用

随着开采深度的不断的延伸,煤层瓦斯含量、瓦斯压力在不断的增大,为防止在生产过程中突出事故的发生,实现安全生产,对高压注水压裂消突技术进行了研究。测取压裂参数,利用压裂设备,对有突出危险性的实体煤进行压裂。经实践表明,水力压裂技术可将煤(岩)体内部微裂隙扩展使其连同,将煤体内的瓦斯潜能及弹性能得到一定量的释放,是煤层的透气性增加,结合瓦斯抽防技术使被压裂的实体煤内的瓦斯压力和瓦斯含量降低,削减和消除煤体突出的危险性。这项技术的实施有效的保证了突出煤层区域消突,为在突出危险区的煤层开采提供了一项可行的新措施。     

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.