孔隙压力梯度对煤的渗透性影响实验

为了研究煤体渗透率与压力梯度之间的关系,在考虑煤体吸附变形的基础上建立了煤体渗透率与瓦斯压力梯度的数学模型,并在恒温条件下进行同一压力梯度不同吸附平衡压力的条件下和同一吸附平衡压力不同压力梯度条件下的渗流实验。研究结果表明:在较低的孔隙压力条件下,煤体渗透率随着吸附平衡压力和压力梯度的增加而减小;建立的渗透率动态演化模型能够较好地描述煤层瓦斯抽采过程中瓦斯的流动规律。研究结果可以为我国煤矿瓦斯治理和抽采工作提供一定的理论支撑,具有一定的指导和实践意义。      

潘一矿煤体结构特征及其在煤和瓦斯突出预测中的应用

煤体结构是煤与瓦斯突出的主要因素之一。利用钻孔测井曲线特征并结合矿井地质构造成果,对淮南潘一矿8煤层煤体结构特征及其构造煤发育规律进行了研究。研究表明该矿区8煤层构造煤发育,其厚度大于该煤层厚度20％的点数占一半以上,因其顶、底板围岩封闭性良好,有利于瓦斯聚集,易在采动条件下发生煤与瓦斯突出,确认为该区煤与瓦斯突出的重点煤层。依据瓦斯始突深度、构造煤分层厚度大于0．5m的分布范围、大中型断层位置及矿井突出资料,在F4断层组的两侧分别圈出了煤与瓦斯突出的危险区和威胁区。     

瓦斯突出煤层的无线电波响应特征

在瓦斯突出煤体和非突出煤体的电学性质研究基础上,研究了瓦斯突出煤层的无线电波响应特征,为利用无线电波透视技术探测瓦斯突出煤体和进行瓦斯突出带的非接触式预测提供了理论基础。     

瓦斯突出煤体的介电性质研究

研究了瓦斯突出煤体和非突出煤体的介电性质，对于探讨电磁波在瓦斯突出煤层中的传播规律和利用电磁方法探测瓦斯突出煤体的分布具有参考价值。     

瓦斯在煤基多孔介质中运移及煤与瓦斯突出机理

分析了瓦斯在煤基多孔介质中的运移条件;推导和讨论了瓦斯在煤基多孔介质中运移扩散的基本方程和影响因素;分析了煤与瓦斯突出产生的机理和渗透力学条件。提出瓦斯在煤基多孔介质中的运动是孕育煤与瓦斯突出的前提,而瓦斯压力梯度与浓度梯度的存在是驱动瓦斯在多孔介质中运动的内动力;煤与瓦斯突出的危险性主要取决于瓦斯压力梯度及其变化量的大小,而和瓦斯的绝对压力大小没有直接关系。煤与瓦斯突出的条件是由煤基多孔介质中瓦斯压力梯度的大小和煤体固体骨架的抗剪强度大小所决定。低渗透性的构造煤因对瓦斯运移阻力较大而容易形成瓦斯压力梯度的增加,从而更易于发生煤与瓦斯突出。      

瓦斯突出煤层的无线电波响应特征

在瓦斯突出煤体和非突出煤体的电学性质研究基础上 ,研究了瓦斯突出煤层的无线电波响应特征 ,为利用无线电波透视技术探测瓦斯突出煤体和进行瓦斯突出带的非接触式预测提供了理论基础     

煤与瓦斯突出过程中气压时空演化规律

煤与瓦斯突出是严重威胁煤矿安全生产的地质灾害之一。近年来,随着采掘深度不断增加,地应力与瓦斯压力不断加大,突出次数也日益频繁,同时由于煤矿井下开采活动,使煤岩体中地应力场发生变化,在掘进工作面或回采工作面前方形成由卸压区、应力集中区和原始应力区组成的三带,给煤与瓦斯突出的预防与治理带来更大的困难。以天府三汇一矿为工程背景,基于相似理论试验模拟了采动条件下的煤与瓦斯突出过程,并分析了突出过程中气压的时空演化规律。研究结果表明:突出的发展是煤体由突出启动点向周围逐渐破坏并抛出的过程,相对突出强度为8.79%,且突出过程具有阵发性,表现为煤体的间歇式多次抛出和气压的反复升降,其中突出口附近气压的升幅较大,达到69.2%,而远离突出口处气压表现为短时间内急剧下降,之后缓慢下降并逐渐趋于大气压;突出过程中气压等压面近似以突出口为中心呈球面分布,且气体解吸区域近似呈球壳状逐渐向外扩展,球壳的扩展速度约为130 mm/s,球壳附近气压梯度较大。     

卸压区不同钻孔长度抽采条件下瓦斯运移特性试验

研究抽采过程中瓦斯运移特性有助于了解抽采气体来源、不同位置对抽采效果的贡献及抽采降压规律,为合理确定抽采时间、设计抽采位置和钻孔长度等提供依据。利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展了卸压区不同钻孔长度条件下瓦斯抽采的物理模拟试验,分析了抽采过程中煤层瓦斯运移相对速度和方向特征。研究结果表明：抽采前期和钻孔周围区域分别是抽采量主要贡献时期和区域,瓦斯压力梯度大,流动快。卸压区瓦斯流动相对速度最快,应力集中区使得瓦斯相对流动速度衰减加速,且对原始区的瓦斯流动形成一道屏障,使其相对流动速度趋于0。随着抽采时间的增加,瓦斯相对流动速度逐渐衰减,对于瓦斯运移方向而言,抽采一旦开始便在煤层中形成了较为固定的运移通道,但在抽采后期和钻孔深部区域,由于瓦斯压力梯度小,流动缓慢,运移方向的不稳定性增强。而随着钻孔长度增加,卸压区内瓦斯相对流动速度表现出增大的趋势,因此,适当增大卸压区钻孔长度将有利于现场瓦斯开采。     

含瓦斯煤体一维渗透失稳模拟试验

为了研究煤层瓦斯渗透作用对煤与瓦斯突出的影响,研制了一维渗透失稳试验装置并进行了试验。试验装置包括煤样室、模拟巷道、煤样压实装置、注气系统以及气压测量系统。煤样室采用多节拼装的形式,以方便煤样室气压梯度的观测以及保证每节煤样室的煤样有相同的压实度。煤样的粒径小于4.75 mm,经15 MPa的压力压实,煤样室的内径为199 mm,煤样室总长度为1 000 mm,采用球阀作为揭煤装置,球阀孔径为40 mm,揭煤时未对煤样施加轴向压力。试验结果表明:煤层发生渗透失稳时的临界气压梯度为3.12 MPa/m。基于渗透失稳的观点,分析了"口小腹大"突出空洞形状的成因及各种控突措施的作用机制。      

掘进工作面瓦斯流动规律数值模拟分析

研究煤层巷道掘进过程瓦斯流动规律对认识掘进巷道瓦斯涌出规律和瓦斯治理具有重要的理论意义和现实意义。本文通过建立流固耦合模型,考虑煤与瓦斯流固耦合作用,进行了不同掘进长度,掘进工作面瓦斯压力分布规律,瓦斯压力梯度改变以及瓦斯流动规律的数值模拟研究。研究表明,掘进巷道周边煤层瓦斯压力随煤壁暴露时间的增长逐渐降低,采掘活动对工作面前方煤体的影响范围达30m。并且越靠近煤壁瓦斯压力梯度越大,在距离巷帮5m范围内,瓦斯压力变化幅度最大。煤壁瓦斯流速随巷道掘进长度的增加先增加后减小,最后瓦斯流速趋于稳定。掘进工作面瓦斯流动规律的研究为矿井瓦斯治理提供安全可靠的依据,保证矿井安全生产。     

贵州省岔河勘探区主采煤层瓦斯压力分析

分析岔河勘探区龙潭组主要煤层6号煤瓦斯压力的实测结果,及部分钻孔依据煤层瓦斯含量计算的瓦斯压力,得出该主采煤层瓦斯压力均大于煤层突出危险性指标的临界值0.74MPa,说明该区主煤层存在突出危险性。比较实测瓦斯压力与计算结果,认为计算结果偏小的原因与煤层瓦斯含量有关：一是在钻具提升过程中部分瓦斯逃逸,造成煤样解吸测定过程中累计解吸的气体量变小;二是气体损失存在误差;三是解吸化验时间过长,产生泄出现象,导致实测瓦斯含量偏小。     

Stress distribution characteristic analysis and control of coal and gas outburst disaster in a pressure-relief boundary area in protective layer mining

Coal and gas outburst disasters in coal seams are becoming more serious as coal mines extend deeper underground in China. Furthermore, the protective coal seam mining technology featured by economic efficiency has been proven to be the most effective and widely applied method for the prevention of coal and gas outburst disasters. However, the determinations of the protective area coal and gas outburst prevention in a pressure-relief boundary area are fundamental issues that research should be focused on. The technical method for determining stress distribution in pressure-relief boundary area during protective coal seam mining is put forward in this paper. The method is based on a stress-seepage coupled relationship within a gas-containing coal seam. The method includes complex lab experiments and on-site measurements at the Qingdong Coal Mine. The final data illustrate that the permeability and vertical stress in the pressure-relief boundary area of the coal sample form a negative exponential function relationship. Additionally, the permeability of the coal sample within the abovementioned area is significantly different compared with that located at the center of the pressure-relief area. In the pressure-relief boundary area, the gas pressure distribution gradient is 0.0375 MPa/m, while the vertical stress distribution gradient registers 0.56 MPa/m. Under this condition, coal and gas outburst disasters are prone to be triggered. Therefore, effective precautions against coal and gas outburst disasters can be put forward in accordance with stress distribution characteristics within the abovementioned “boundary area.”     

淮南潘一煤矿未开拓区煤与瓦斯突出预测

淮南矿区是瓦斯事故重灾区,潘一矿进入-400m水平开采以来,共发生25次煤与瓦斯突出,严重制约了该矿的生产安全。利用已采区瓦斯地质实测成果,结合未开拓区煤田地质勘查资料,对该矿13-1煤层瓦斯压力和含量、煤的力学性质、煤层受力状态进行了分析,提出了13-1煤层未开拓区煤与瓦斯突出预测指标,并对未开拓区煤与瓦斯突出危险区进行了预测。结果表明煤与瓦斯突出危险区主要分布在位于F34断层附近、F38断层-钻孔V-3一带、F125-Fs107-Fs106附近、Fe7-Fe1之间的部分区域及F4断层西南端部分区域。     

基于力能分析的平煤五矿己四采区煤与瓦斯突出危险性预测

根据实测平煤五矿己₁₅煤层瓦斯含量和压力结果,从力能角度分析了地应力、瓦斯和煤强度对煤与瓦斯突出的影响,发现己四采区己₁₅煤层受地应力作用,煤体弹性潜能远大于瓦斯膨胀能,即以构造应力为主的地应力为其突出最主要的影响因素;结合己四采区地质因素和己₁₅煤层瓦斯可解吸量,确定该采区煤与瓦斯突出危险区的下限指标为原煤瓦斯含量达到5.4 m3/t,绝对瓦斯压力为0.79 MPa,该下限指标对应的煤层底板标高为–600 m。因此预测–600 m标高以浅为无突出危险区,–600 m以深为突出危险区。      

红山煤矿石门揭突出煤层综合防突技术

煤矿井下石门揭煤诱发的煤与瓦斯突出是一种十分复杂的矿井地质动力灾害,严重威胁着煤矿安全高效生产。选取辽宁红山煤矿为工程背景,运用FLAC3D模拟分析矿井南翼瓦斯突出危险区石门揭12煤过程中围岩力学响应特征,揭示石门揭煤突出机理,提出瓦斯预抽措施配以改进金属骨架的综合防突技术方案。研究结果表明:石门揭12煤期间,工作面超前支承压力随石门掘进动态前移,距煤层6 m范围内,工作面前方围岩掘进扰动强烈,煤体出现明显应力集中现象,垂直应力为15~19 MPa,已超过煤体强度。同时,石门工作面围岩变形量急剧增大,顶板下沉位移为15~92.22 cm,煤体弹性变形能积聚;工作面围岩塑性区范围也迅速扩展,在石门中线垂直剖面上的面积为10~50 m2,裂纹贯通形成碎煤射流通道。综合模拟结果可知,石门揭12煤过程中煤体承载较高集中应力和瓦斯压力,且储存大量弹性变形能,极易诱发突出。基于此,在传统瓦斯预抽防突措施的基础上,对现有金属骨架防突技术进行改进,使其同时具备瓦斯预抽、煤体固化和超前支护的综合防突作用,并通过现场应用取得了良好效果,为类似条件石门揭煤防突研究提供重要借鉴和参考。      

顺煤层剪切带煤与瓦斯突出机理分析

为了确定顺煤层剪切带的煤与瓦斯突出机理,在对顺煤层剪切带的受力状态进行分析的基础上,应用Mohr-Coulomb理论研究了顺煤层剪切带的形成机制,并探讨了顺煤层剪切带内的煤层变化特征、瓦斯含量和瓦斯压力特征及地应力对煤与瓦斯突出的影响。结果表明:当煤层倾角接近剪切滑动的临界角时,易产生薄煤区,而远离临界角时,煤层厚度增加,煤层厚度剧烈变化部位为应力集中区并具有较高的应力梯度;顺煤层剪切带内的压应力、煤层的面理化结构和煤层厚度的剧烈变化使其在宏观上形成了高瓦斯含量和高瓦斯压力特征,微观上糜棱煤细颈瓶型的孔隙形态为发生煤与瓦斯突出提供了必要的介质条件;在紧闭褶皱区,煤与瓦斯突出类型以突出为主,在宽缓褶皱区和伸展型顺煤层剪切带内,煤与瓦斯突出类型以压出和倾出为主。顺煤层剪切带内的高地应力、高瓦斯压力和发育的构造煤等3个因素是煤与瓦斯突出发生的主要原因。      

瓦斯突出煤和非突出煤AVO响应的比较

基于Zoeppritz方程,对煤层进行AVO正演模拟,得到煤层的AVO响应曲线。瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应对比表明,无论是瓦斯突出煤还是非突出煤,其顶界面AVO响应在总体上表现为地震振幅绝对值随偏移距增加而减小的特点,但是瓦斯突出煤的截距绝对值要大于非突出煤的截距绝对值,瓦斯突出煤的斜率要大于非突出煤的斜率。煤层厚度变化会对AVO响应产生影响,当瓦斯突出煤和非突出煤的厚度相同时,瓦斯突出煤的截距绝对值大于非突出煤;当厚度不同时,瓦斯突出煤的斜率大于非突出煤的斜率。瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应差异,可为地球物理参数进行煤与瓦斯突出危险性预测以提供技术参考。     

地质勘查阶段查明瓦斯突出三要素的途径与方法

矿井瓦斯突出的三要素是煤体结构、瓦斯含量和瓦斯压力。煤及煤层气地面勘查阶段可以获取煤体结构描述、煤层（总）气含量、甲烷含量、煤层气自然解吸速率和衰减系数、煤层压力、地应力、煤层渗透率等参数。地面钻孔与煤矿井下测取这些参数的方法和原理虽然存在差异,但这些参数都是煤层原地物性特征的反映,故应该利用地面钻孔的实测数据和资料,广泛收录、整理对预测瓦斯突出有益的信息。建议在地质勘查阶段查明瓦斯突出三要素,将预防瓦斯灾害工作从地质勘查的源头做起。     

深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出机制探讨

为深入探讨硬煤的煤与瓦斯突出机制,对深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出的相关理论和模型试验进行研究。根据断裂力学、岩石力学及煤与瓦斯突出有关理论,提出深部开采过程中硬煤掘进工作面薄板理论假设,并将该理论应用于深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出模拟试验研究。对硬煤掘进工作面薄板理论分析,认为工作面尺寸、煤的弹性模量、围岩侧压系数、瓦斯压力等因素对硬煤掘进工作面突出具有较大影响。试验结果表明,在围岩应力、煤的坚固性系数较大的情况下,硬煤突出临界条件主要受围岩应力、煤的弹性模量、围岩侧压系数及工作面尺寸等因素影响,而受瓦斯压力影响相对较小;在围岩应力、试样的坚固性系数较大且煤的弹性模量和侧压系数稳定不变的情况下,发生突出的临界轴向应力随模拟工作面尺寸增大而近似呈线性减小。试验结论基本符合本硬煤突出薄板模型理论公式,在一定程度上验证了硬煤掘进工作面煤薄板模型理论及硬煤掘进工作面突出机制假设。