深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论_中国煤炭行业知识服务平台

深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论

来源：《煤炭学报》2015年第4期

　　深部煤与瓦斯共采是提升我国煤矿安全高效洁净生产水平的重要途径,对优化我国能源结构、减少温室气体排放具有十分重要的意义。目前,我国煤与瓦斯共采的工程实践规模日趋扩大,构建煤与瓦斯共采基础理论体系可以为我国煤与瓦斯共采工程实践提供有力的理论支撑。以谢和平院士为首席科学家的国家973 计划项目“深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论”,自2011 年立项以来,围绕深部开采条件下煤与瓦斯共采核心科学问题开展了研究,取得了显著的研究进展和丰富的研究成果。本期前25篇论文是从该项目2014年研究进展中,遴选出的部分有代表性的研究成果。研究成果涉及了不同瓦斯压力原煤全应力应变过程中渗透特性,煤粒瓦斯放散的数学模型、实验和数值模拟研究结果,采动过程中煤层支承应力与瓦斯抽采流量及瓦斯流动的耦合效应,深部煤与瓦斯共采中的优质瓦斯通道及其构建方法,单一低透气性煤层卸压增透技术作用下煤体裂纹扩展,煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的建立等重要研究进展。希望本期“深部煤炭开发中煤与瓦斯共采理论”专题学术论文能够为从事同类研究的学者提供帮助和借鉴。

行业视野: 安全
类别; 94个
关键词; 97位
专家; 25篇
论文; 29765IP
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瓦斯对冲击性煤样能量耗散的影响

作者(Author)：宋真龙, 韩佩博, 李文璞, 尹光志, 李铭辉, 康向涛

摘要：基于煤的冲击倾向性分类及指数测定方法,进行了不同瓦斯压力下煤样冲击倾向性测定,应用能量积聚与耗散的方法,分析了不同瓦斯压力环境中煤样单轴压缩与循环加卸载过程中能量积聚与耗散关系。研究表明:随着瓦斯压力的增大,煤样的冲击倾向性指数减小,冲击倾向性降低;煤样破坏前储存的弹性能降低,破坏时耗散能增率呈非线性快速降低趋势;在循环载荷作用下,煤样在相同循环中耗散能随着瓦斯压力的增加而增加。在不考虑瓦斯膨胀能的情况下,瓦斯压力的增加降低了煤层冲击地压的破坏性。因此,高瓦斯矿井在深部开采中进行冲击倾向性评价时应考虑瓦斯因素。

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综放工作面煤柱尺寸对顶板破断结构及裂隙发育的影响规律

作者(Author)：许兴亮, 魏灏, 田素川, 张蓓

摘要：煤层开采后基本顶破断结构直接影响上覆岩层裂隙区的范围和发育程度,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,对不同煤柱条件下基本顶破断结构以及由此带来的顶板裂隙发育区演化规律进行了研究。上工作面侧向破断"三铰拱"结构使下工作面基本顶破断由固支悬臂梁结构变为铰支结构,煤柱两侧形成不对称裂隙发育区。研究结果表明:中小煤柱时,岩块铰接回转,岩块长度大于基本顶悬臂极限断裂长度且随煤柱尺寸增加逐渐增加,裂隙发育区范围随之增加;大煤柱时,下工作面基本顶破断超出上工作面侧向结构影响范围外,岩块长度不变。回转角度由岩块长度和下沉量共同决定,并通过理论分析得到了相应的计算公式。

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煤的溶剂萃取物成分及对煤吸附甲烷特性影响

作者(Author)：季淮君, 李增华, 彭英健, 杨永良, 周银波

摘要：煤中有机小分子相是煤的重要组成部分,为分析其对煤吸附甲烷的影响,在常压下(50℃),采用正己烷对张集和大柳塔煤样分别进行微波辅助萃取,得到萃取后煤样(残煤)和萃取物。采用GC/MS分析萃取物成分,并依此选取柴油作为正己烷萃取物的模型物,配置含柴油煤样(简称含油煤),开展了原煤、残煤和含油煤的甲烷等温吸附实验。研究结果表明:原煤和残煤吸附瓦斯在低压阶段差异不大,随着压力的增大,原煤吸附甲烷量逐渐高于残煤;含油煤则不同,压力较大时,同一压力段的瓦斯吸附增量高于原煤和残煤,低压时吸附甲烷量虽小于原煤和残煤,但随着压力的增大,最终吸附甲烷量略高于原煤。用Langmuir和Langmuir-Henry二元吸附模型对等温吸附数据进行拟合,得出煤吸附甲烷可分为2个过程,低压阶段主要为符合Langmuir模型的煤基质表面吸附,高压阶段主要为符合Henry模型的渗入煤基质的内部(孔隙、内表面)吸附;且煤中有机小分子有助于提高煤高压阶段的甲烷吸附量。

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煤的分形维数及其对瓦斯吸附的影响

作者(Author)：李子文, 郝志勇, 庞源, 高亚斌

摘要：为了从分形的角度研究煤体性质对瓦斯吸附的影响,采用高压容量法测试了8种煤样的瓦斯吸附能力,并根据Langmuir方程拟合得到了表征煤样吸附能力的参数Langmuir体积和Langmuir压力。同时,根据液氮吸附实验,利用分形理论计算得到了煤样的分形维数,并研究了分形维数对瓦斯吸附的影响。研究结果表明:煤样在不同压力段时具有不同的吸附特性,因此具有不同的分形维数D1和D2。D1和D2对瓦斯吸附的影响作用不同,随着D1的增大,煤体吸附瓦斯的能力增强,而随着D2的增大,煤体吸附瓦斯的能力减弱,而且,D1对吸附能力的影响作用比D2强。随着D1的增大,Langmuir压力逐渐减小,煤样在低压段的吸附能力增强,煤体更容易吸附瓦斯,而D2对Langmuir压力无显著影响。

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不同岩性巴西劈裂试验的声发射特征

作者(Author)：李果, 艾婷, 于斌, 张茹, 高明忠, 徐晓炼

摘要：应用声发射及其定位技术,系统研究了10种不同岩石的巴西劈裂失稳过程,分析了随应力时间变化其声发射活动规律,并从内部细观结构对其破坏机制进行了分析,得到了顶板岩层不同高度不同岩性的微观破裂机理。结果表明:由于不同岩性岩石内部微观组成存在差异,砂性岩石劈裂抗拉强度和竖直方向的压缩极限应变约为泥性岩石的1.60倍。峰值强度时,砂性岩石的振铃计数和能量远大于泥性岩石,且其振铃计数和能量时间曲线比较均匀,而泥性岩石曲线"阶跃"现象明显;岩性不同,内部初始裂纹的位置也不同,裂纹初始及其扩展方向是诱发岩样裂纹贯通的主要原因。砂性岩石破坏前兆点早于泥性岩石出现,且大部分处于不稳定裂纹扩展阶段(含粗砂细砾岩和砂岩除外);顶板岩石在受拉变形过程中,泥性岩石失稳破坏时更加剧烈和突然,预警时间较短,可能带来安全隐坏,因此必须做好相应的支护措施。

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移动坐标下掘进工作面瓦斯涌出的无因次分析

作者(Author)：刘伟, 宋怀涛, 李晓飞

摘要：为研究厚煤层中巷道掘进时的瓦斯涌出规律,建立了移动坐标下的掘进工作面瓦斯涌出数学模型,通过引入巷道半径与长度准数、压力准数、掘进速度准数等无因次参数,将模型无因化,利用有限体积法对无因次方程进行离散,然后采用迭代法求解,并编制解算程序。解算结果表明,巷道周围煤体中的无因次瓦斯等压线呈子"弹头"状分布;随着速度准数的增大,无因次瓦斯压力及含量的分布等值线都向煤壁收拢,煤壁附近的无因次瓦斯比流量显著增大,从而导致无因次瓦斯涌出量急剧上升,且掘进工作面处的无因次涌出量增速更大。

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不同层理方向对原煤变形及渗流特性的影响

作者(Author)：邓博知, 康向涛, 李星, 尹光志, 李铭辉, 李文璞

摘要：利用自行研制的含瓦斯煤热流固耦合伺服渗流试验装置,以平行和垂直层理2种不同的原煤试样为研究对象,进行相同有效应力、瓦斯压力条件下,不同轴压、围压组合;相同瓦斯压力、静水压力条件下,不同有效应力的渗流试验,探究其变形及渗透率的差异。研究结果表明:平行层理试样沿z方向的裂隙度φz大于垂直层理试样,垂直层理试样的总裂隙度φ大于平行层理试样;煤体中平行层理方向的裂隙度大于垂直层理方向;在静水压力下,平行层理试样渗透率大于垂直层理试样,煤体平行层理方向渗透性高于垂直层理方向;基于平板流体理论,得出了渗透率与径向应变呈二次函数关系,在煤体中平行层理方向的初始裂隙度系数β是垂直层理方向的1.5~2.0倍;当考虑渗流通道为贯通裂隙时,平行层理方向的初始裂隙度φ0与初始裂隙开度平方d20的乘积是垂直层理方向的1.5~2.0倍。

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采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

作者(Author)：张东明, 齐消寒, 宋润权, 尹光志

摘要：采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明:采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。

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