煤层注水中的水渗流规律研究

煤层注水是煤矿矿井预防冲击地压的首选措施。本文将煤层注水中水渗流问题视为有动界面运动的渗流力学问题,针对厚煤层,薄煤层两种情况,分别用径向流．平面平行流导出了提前注水时间和流量的计算公式,为煤层注水预防冲击地压的工艺参数选择提供了科学依据和理论指导。     

基于遗传算法的煤层注水渗透特征参数反演

煤层注水是防治矿井冲击地压灾害发生的最有效的方法。确定煤层渗透特征参数，是合理确定注水工艺参数、有效控制防灾效果的关键，有很强的现实意义。遗传算法是全局收敛的方法，用该算法对煤体导水、贮水等渗透特征参数反演，方法稳定可靠。以观测水分增值与计算结果的相对偏差作为最优搜索目标函数，建立GA反演适应度函数及迭代收敛准则；GA操作采用无条件保护最优个体、种群个体无死亡及每个体只有1次参与交换机会等规则。提出通过对已知参数正向问题结果(水分增值)的反演计算，验证遗传算法精度。算例结果表明，繁衍迭代至第41代时，反演参数结果与理论参数几乎完全拟合。达到最优解，精度符合工程要求。     

注水煤体应力能 V-f 转化与释放机理研究

文章分析了在煤层注水湿润后煤体弹性能的转化与消耗过程，给出在湿润状态下能量由体变弹性能向形变弹性能转化进而自耗释放的理论模型。指出在坚硬干燥煤体中，注水后在水压力和毛细力的切割作用下，裂隙大量扩展，丰富了自由裂隙，产生更多的裂隙启发(裂隙切口)，使原来近似的刚性煤体变成由裂隙分割的块体组成的组合体或半组合体。裂隙中水的粘滞作用及水分子吸附力使块体问粘性结合、刚度降低、形变增大。煤体形变弹性能自身消耗释放的形式有3种：产生剪应力导致自由裂隙问错动摩擦；强度降低，使裂隙启发被劈裂成自由裂隙；湿润煤体蠕变性增强，产生整体性移动作功。初步给出能量消耗的量化表达式。通过这一理论，能建立煤层注水湿润度与冲击地压灾害发生的更直接的关系，使进一步量化该关系成为可能。从更深层次解释煤层注水防治冲击地压的机理。     

冲击倾向性煤层注水对钻进中吸钻卡钻的影响及试验

应用螺旋钻杆局部预测和评价冲击地压等动力灾害时易发生吸钻、卡钻等钻孔动力现象。为研究具有冲击倾向性煤层注水对吸钻、卡钻的影响规律,通过建立钻杆力学模型分析吸钻、卡钻动力现象产生机理,探明煤体应力和钻屑量是影响吸钻、卡钻发生的重要影响因素,推导了注水煤体的钻杆推力、钻杆扭矩等钻削力学参数计算公式,分析煤层注水后煤体应力重分布规律与钻屑量变化规律,并利用钻孔多参量测试系统,在井下对不同含水率煤体进行钻孔试验,从而研究钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量随煤体含水率的变化规律,并结合现场观测到的吸钻、卡钻动力现象,深入研究冲击倾向性煤层注水对煤体力学性质及吸钻、卡钻力学特性的影响。研究结果表明：吸钻时,钻杆推力值明显降低,卡钻时,钻杆扭矩值急剧升高;钻杆推力、钻杆扭矩均值增大幅度和钻屑量均值减小幅度随煤体含水率增大呈现先增大后减小的变化趋势;吸钻、卡钻点随煤体含水率的增大逐渐向煤壁深部转移;井下钻杆推力、钻杆扭矩及钻屑量的数据变化特征与煤体应力分布具有较好的对应关系。研究结果可为冲击地压预测和井下钻孔安全作业提供一定理论借鉴和工程指导。     

基于物化特性的煤层注水难易程度模型

增强煤层注水能力是目前需要亟待解决的问题,而煤层注水难易程度缺乏准确的判别标准。通过考虑煤体孔裂隙渗流分形结构特征和毛细作用下化学润湿特性,建立了煤层注水渗流量模型;基于概率论与数理统计方法基础,构建了集对联系度区间评价体系,划分了煤层注水的难易程度。结果显示：（1）注水效果受孔隙率、孔隙半径、接触角、液体的密度、表面张力、黏滞性系数、重力加速度等渗流结构参数和化学润湿特性等最简参数的影响,体系模型表征了煤体渗流结构和化学润湿特性与渗流量的关系。（2）在组合赋权下,孔隙率权重为0.32,对注水效果贡献较大,最大孔喉半径和接触角的贡献度次之;最小孔喉半径权重为0.17,对注水效果影响最小。（3）煤样X1、X2、X5评价指标值介于（0,0.25）,属于难注水煤层;煤样X3、X4评价指标值介于（0.25,0.50）,属于较难注水煤层。     

煤层注水难易程度的BP神经网络评价法

科学评价煤层注水难易程度,既是判定煤层是否可注及可注效果,也是确定煤层注水方式和工艺参数的重要依据。但是,由于煤层注水难易性受多种因素影响,属于极为复杂的非线性问题,很难用传统的数学方法进行定量评价。文献[1]用模糊聚类方法进行定量评价,在实际应用中,由于精度不够,出现过误判。为此,针对影响评价煤层注水难易程度的多种因素,如煤层孔隙率、煤的坚固系数、湿润边角、饱和水份增值等所构成的复杂系统,采用具有非线性映射功能的神经网络评价煤层注水难易程度,将煤层注水难易程度分为4级。并将该方法的评价结果同模糊聚类进行了对比,通过比较和实例验证,其误差为5.6%,提高了10个百分点。此方法评价精度较高,可用于指导实际煤层注水工程。     

混合气体驱替煤层气技术的可行性研究

气体驱替煤层气技术是近年来发展起来的具有温室气体减排和提高煤层气采收率双赢效果的新兴技术,相关研究受到世界主要发达国家的广泛重视。对于温室气体减排的压力,发达国家的研究主要着眼于该技术在高渗透、不可采煤层中的应用,注入气体主要为CO2,目的是尽可能多地封存CO2,同时提高煤层气采收率。目前,国内在这方面的研究刚刚起步。国内煤层具有渗透率普遍较低、不开采煤层与要开采煤层难以界定的特点,注CO2气体驱替煤层气在这种煤层中的可行性值得商榷。针对国内煤层特点和煤矿瓦斯抽采率低的现状,建议采用富N2混合气体驱替煤层气技术,以提高煤层气产采收率。通过理论分析、数值模拟和现场试验研究分析了实施混合气体驱替煤层气技术的可行性。研究结果表明,混合气体驱替煤层气技术适用于国内低渗透、可开采煤层,可以提高煤层气采收率和单产量。     

煤层定点水力压裂防冲的机制研究

为实现在掘进或回采前对冲击危险煤层的一次性卸压,达到区域防冲的目的,提出了煤层定点水力压裂技术。为了从理论上说明煤层定点水力压裂技术防治冲击地压的可行性和有效性,首先,通过建立煤层压裂力学模型,从定性和定量两方面分析煤层定点水力压裂防冲的机制,认为煤层压裂通过增阻和降能2方面实现冲击地压的防治;提出了基于压裂效能指数In的压裂防冲效果评价方法以及关键冲击块临界体积的估算公式,为煤层压裂施工参数的选择提供参考;最后,在华丰煤矿1412工作面成功应用该项技术,从现场观测、管路压力、微震事件和应力变化4方面验证了煤层定点水力压裂技术防治冲击地压的效果。     

基于CT三维重建的注水煤岩体裂隙扩展规律研究

针对煤层注水防尘过程中注水压力设置不合理、注水渗流效果差等问题,采用CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法,构建了可以表征注水煤岩体内部孔裂隙结构的三维细观非均匀渗流损伤数值模型。通过对经过CT三维重构的煤岩模型进行不同注水压力的渗流损伤模拟,研究了煤层注水压力对煤样的渗流破坏、渗透率演化及声发射特性变化的影响;并通过对重构的煤岩模型进行缩放处理,研究了煤岩尺寸对煤样的渗流破坏和声发射变化的影响。研究结果表明：在煤样微观裂隙扩展过程中,随着注水压力的递增,煤样损伤单元数、渗流运动的渗流场分布范围、渗透率、声发射数目和能量总体呈上升趋势,局部范围内有波动发生,发生波动的原因是由于渗流运动的渗流场与煤样裂隙内部应力场发生临界反应,致使煤样破坏单元位置发生改变;煤样渗透率由3.82×10−5 μm2上升至0.314 μm2,孔隙率由5.45%上升至48.45%,揭示了煤岩体裂隙总体上随注水压力增大而不断扩展贯通,局部上随注水压力增大而扩展趋势有所下降的影响规律;随着煤样尺寸的增加,注水破坏后煤样的孔隙率呈现先下降后逐渐平稳的趋势,声发射特性变化趋势正好与之相反,表明煤样的尺寸对注水煤岩渗流破坏有显著影响,但当煤样尺寸超过40 mm时,煤样尺寸对注水煤岩渗流破坏的影响趋于稳定。CT扫描技术与RFPA软件相结合的方法能够有效模拟注水煤岩的裂隙渗流扩展行为。     

高岭石与碱性驱替剂间作用的实验研究

用Ｔｅｆｌｏｎ惰性反应器在２５℃、５０℃、和７５℃的条件下,以１ｇ／２０ｍｌ的固／液比,研究了高岭石与各三个浓度的两种碱性驱替剂间（Ｎａ２ＣＯ３和ＮａＯＨ）的作用,反应时间为０～６００ｈ,对反应后液相中的硅、铝元素浓度参数和固相物质分别进行了分光光度法和Ｘ－射线衍射（ＸＲＤ）检测,弄清了实验研究参数与液相参数和高岭石相变的关系,得出了高岭石在ＮａＯＨ溶液中存在非一致性的溶蚀趋势。高岭石在碱液中会发生溶蚀,进而可生成方钠石。此研究增加了对碱驱的认识,对提高原油采收率是一项有意义的研究工作。     

Numerical simulations for coupled rock deformation and gas leak flow in parallel coal seams

Based on the new viewpoint of interaction mechanics for solid and gas, gas leakage in parallel deformable coal seams can be understood. That is, under the action of varied geophysical fields, the methane gas flow in a double deformable coal seam can be essentially considered to be compressible with time-dependent and mixed permeation and diffusion through a pore-cleat deformable, heterogeneous and anisotropic medium. From this new viewpoint, coupled mathematical models for coal seam deformation and gas leak flow in parallel coal seams were formulated and the numerical simulations for slow gas emission from the parallel coal seams are presented. It is found that coupled models might be close to reality. Meanwhile, a coupled model for solid deformation and gas leak flow can be applied to the problems of gas leak flow including mining engineering, gas drainage engineering and mining safety engineering in particular the prediction of the safe range using protective layer mining where coal and gas outbursts can efficiently be prevented. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

铁法矿区煤层冲刷带研究

论述了铁法矿区冲刷带发育的地质背景;指出比较常见和对煤层破坏程度较严重的冲刷带成因类型是同沉积河道冲刷带、沉积后河道冲刷带和继承性河道冲刷带,并阐明了它们的识别特征。在对铁法矿区煤系沉积相分析的基础上,利用煤层顶板砂体等厚图对大隆井田4#煤层中的冲刷带进行了预测;揭示了铁法矿区煤层冲刷带的总体分布规律。      

河南焦作煤田程村井田岩、煤层对比方法

岩、煤层对比是煤田地质勘探工程中的重要工作之一。综合运用岩性段旋回法、测井曲线法、层间距法、标志层法、煤层特征法等对程村井田岩、煤层进行了对比,探讨了针对不同层段采用不同方法组合能取得较好效果,对指导豫北地区岩、煤层对比具有借鉴和指导作用。     

彬长矿区复合煤层联合开采区涌水特征

针对陕西彬长矿区复合煤层联合开采工作面的涌水异常,通过总结涌水特征,找出了涌水与地层、地质构造、地层压力等之间的联系,并从涌水水源、导水通道、涌水机理3个方面分析了涌水异常的原因。分析认为,受开采强度和安定组地层因素影响,洛河组已成为煤层开采的直接或间接充水含水层;褶曲构造产生的大倾角地层利于导水裂隙带发育,是形成密集出水区段条带特征的直接原因;区域地层具备产生离层水的条件,而特殊的煤层组合关系及开采顺序是造成工作面涌水峰值巨大的主要原因。     

地应力测量在煤与瓦斯突出灾害研究中的应用

为减轻和防治煤与瓦斯突出灾害,对红菱煤矿进行了地应力测量、岩石力学参数测试和瓦斯气体压力量测,以及地质构造分析。在此基础上,应用突出破坏判断准则,提出了煤层稳定性评价的定量指标,从区域上预测了煤与瓦斯突出的潜在危险区,与现场实际情况吻合较好。提出了区域性与局部相结合的防突措施,取得了良好效果,表明区域煤与瓦斯突出潜在危险区预测对区域性防突措施的选择具有一定指导意义。     

煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力效应

为探讨煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力效应,利用自行研制的煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统和配比而成的中硬度的大型煤样,在煤样的含水率、配比方案、煤样成型压力等参数均恒定的条件下,恒定3种轴向载荷时,开展了5种不同瓦斯压力梯度的煤与瓦斯突出的相似模拟实验。实验表明,煤与瓦斯相对突出强度存在一个瓦斯压力阈值,超过此阈值时,随着瓦斯压力的增大则相对突出强度大大增强,且相对强度与瓦斯压力呈现正指数的关系;瓦斯压力作为突出发生的动力并对突出煤粉有一定的粉碎和搬运作用,可形成腹大口小的倒梨形突出孔洞;轴向应力对中硬度的含瓦斯煤岩体的突出具有正作用。