煤层注水的水气驱替理论研究

煤层注水是世界上煤矿矿井防治冲击地压的首选措施。而注水时间、流量、压力等注水工艺参数选择是决定注水防治冲击地压效果的关键。煤层注水过程中水在煤层中渗流的规律是选择注水工艺参数的理论依据。由于煤层孔隙、裂隙中充满气体,煤层注水实际上是水替代气的水驱气的渗流过程。但迄今为止的研究均视为水在煤体中渗流的研究。与实际相距甚远。论文首先分析了煤层注水防治冲击地压的机理,注水使得煤层软化,达到峰值强度后煤体抵抗变形能力随应变降低的幅度减小,即强度后应力-应变曲线变缓。然后根据煤层注水是水驱气过程,将煤层注水视为水气驱替的有动界面的渗流问题研究。将煤层视为各向同性的孔隙介质,分别按照水驱气由钻孔径向周边流动的平面径向流和由钻孔沿煤层平行流动的平面平行流两种情况,建立了水驱气的微分方程,给出了定解条件,并进行求解,得到了不同时间水锋面到达的位置即水注满煤层孔隙的范围。从而可以根据需要注水的范围求出需要提前的注水时间和注水量。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支撑。     

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。     

注水煤体有效渗流通道结构分形特征核磁共振试验研究

为定量表征注水煤体有效渗流通道结构变化特征,基于核磁共振试验测试了注水过程中,不同围压及水压作用下煤体孔隙结构特征,并结合分形几何理论对煤体有效渗流通道结构分形特征进行了分析。结果表明:注水煤体内部孔径分布差异明显,在不同水压及围压影响下,各孔径孔隙体积占比变化明显,大孔体积变化幅度最大为13.72%,其次为过渡孔及中孔分别为8.12%和5.39%,最小的微孔为2.05%。结合T_2C测试结果,当孔隙半径大于270 nm时为有效渗流通道,则影响注水煤体渗流特性的孔隙结构主要集中于大孔及中孔尺度内;试验过程中,试验及理论分形维数变化较小,表明煤样在不同承压条件下,渗流通道结构均具有明显的分形特征,同时两者相反的变化趋势验证了各自表征意义的不同。     

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。     

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。     

水--煤层气两相流体在煤层中的渗流规律

采用煤体承受有效应力、水-气混合流动及固一流相互作用的基本原理，建立了煤层气开采过程中水-煤层气两相流渗的基本方程，通过自行设计的实验装置，测定了煤层中水-煤层气共同流动时的两相流体的流量，渗透率及随水的饱和度变化关系，并据此模拟出了反映水-煤层气渗透基本规律，从而为煤层气开采提供了理论基础。     

采动及渗流作用下隔水土层破坏规律研究

为了研究土层隔水层在采动及渗流作用下的破坏规律,采用了固-液耦合相似材料模拟试验研究和土层破坏理论分析。试验表明,在采用的长壁间隔式开采中,浅埋煤层中的组合关键层破断后进入裂隙带,隔水土层协调运动进入弯曲下沉带。该开采方法改变了岩层的运动破坏规律,抑制了采动裂隙在隔水土层中的发展,避免了导水裂隙与含水层贯通,达到了保护土层的采动隔水性目的。土层变形、破坏理论分析表明,组合关键层的破断距亦即对应土层的跨距,在弯曲下沉过程中没达到变形破坏极限跨距,不会产生导水裂隙,满足保持隔水性能的判据。现场开采实践证明,试验工作面开采后未出现潜水渗漏。该方法并已成功实现多个工作面的保水开采。     

煤层群内多重保护层开采的防突试验研究

基于煤与瓦斯突出的煤层群开采所遇到的瓦斯问题,针对煤层群开采的特点,通过多参数的考察,对多重上保护层开采进行了试验研究,完善了保护层开采的基本理论;对保护效果、保护范围和合理参数进行综合分析、确定,得出了煤层群开采保护层过程中多重保护的具体指标和效果,建立了多重保护层效果考察及评价方法,对淮南矿区煤层群开采消除突出危险效果显著。研究成果对于类似条件突出矿井的保护层开采具有一定的指导意义和应用价值。     

节理岩体单孔抽注水渗流研究

为了研究工程中在节理岩体内抽水和注水的渗流问题,通过应用UDEC建立单孔抽注水离散元模型进行数值模拟,对比分析不同水位边界条件、不同抽注水速率下的流体的流速和流向等流动状态及孔隙压力分布与变化曲线.表明流体的流动状态和孔隙压力分布受边界水位和抽注水速率直接影响,UDEC进行节理岩体抽注水渗流研究是可行的.     

孙疃煤矿含煤地层沉积环境对主采煤层的影响

孙疃煤矿正处于开发阶段,7z、8z和10煤层为孙疃煤矿的主采煤层,分析沉积环境对煤层的控制作用,研究主采煤层厚度的平面分布及变化规律,对煤矿今后的开发有重要的意义。     

超临界水条件下煤的脱硫实验研究

通过超临界水对贵州地区无烟煤及炼焦煤的脱硫实验研究,测定了在水的临界温度附近（350和400℃时）煤的脱硫率。研究表明,温度高（400℃）对煤的脱硫比较有利,而压力增大,脱硫率相对降低,同时需考虑水煤比的相反影响。最佳脱硫享受反应时间的制约,反应时间长,煤质下降显著。煤中有机流的含量可能对脱硫效果产生直接的影响。超临界碱液脱硫实验的初步研究表明,反应1d,无烟煤的脱硫率高于炼焦煤,并且随反应时间增长,炼焦煤的脱硫效果呈下降趋势,对最佳反应时间的不同要求或许是超临界碱液与超临界水脱硫的最大差别。     

煤储层中裂隙充填物的特征及其研究意义

煤储层中裂隙充填物主要是围岩裂隙中的水溶液与煤中有机显微组分热解产生的以气相为主的流体相互作用的产物,它们相互作用带的位置对煤层气藏封闭保存条件的影响至关重要。若无机充填物仅发育于封闭围岩之中,则其相应的煤层气藏的封闭条件好,含气饱和度高;反之,若在煤储层的裂隙中发育大量无机充填物,则煤层气藏的封闭条件差,含气饱和度低。此外,充填物还堵塞了煤储层中裂隙的通道,使渗透率降低。     

沿煤层定向钻进技术的研究

首次在煤矿井下使用组合钻具，螺杆钻具和绳钻钻具，调整钻进工艺参数，成功地解决了沿煤层定向钻进工艺的技术难题，在中厚缓倾斜煤层中沿煤层定向钻进，总进尺２２１３．５６ｍ，最大孔深达３０２ｍ，取得了明显的经济效益。     

峰局五矿下组煤带压开采的可行性与建议

峰局五矿是多年开采的老矿。近些年，随着开采深度的不断增加和开采层次的逐渐下移，来自底部岩溶高承压水的威胁日趋严重，实际生产能力逐年下降。下组煤能否开采是关系到矿井生存与发展的大问题。作者根据多年的研究成果和工作实践，就下组煤带压开采的可行性，谈一些看法和建议。     

邹庄井田72煤层岩浆岩侵入规律研究

邹庄井田正处于开发阶段,而岩浆岩侵入煤系地层对煤层煤质有很大的影响,7煤层为邹庄井田的主采煤层.分析了区域构造对岩浆岩的控制作用,研究了岩浆岩侵入72煤层的平面分布及变化规律,探讨了岩浆岩的岩性、侵入方式和成因,对今后邹庄井田的开发有着十分重大的意义.