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; 30748IP
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近距离煤层群开采底板不同分区采动裂隙动态演化规律

作者(Author)：张勇, 张春雷, 赵甫

摘要：为了研究采动影响下底板不同应力分区裂隙动态分布及其演化规律,运用弹塑性力学和卸荷条件下断裂力学等相关力学理论分析了不同分区裂隙张开、扩展力学机理,提出不同分区裂纹扩展的应力、位移条件,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件分别研究了底板三维应力状态、位移变化和裂隙演化规律,对底板应力分区做出量化,同时得到采动影响下底板裂隙发育"O"形圈及其动态变化。通对底板不同分区内裂隙的发育倾角统计结果分析,得到了底板不同分区裂隙发育特点:压缩区裂隙多为弯折拉伸裂纹,方位角大致为垂直方向;过渡区裂纹多为反向滑移和弯折扩展裂纹,裂纹倾角多为45°以上;膨胀区多为Ⅱ型剪切裂纹,倾角大部分在45°以下;裂隙发育特征与力学分析相吻合。

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煤岩特性对超声波速影响的试验研究

作者(Author)：徐晓炼, 张茹, 戴峰, 于斌, 高明忠, 张艳飞

摘要：超声波测试技术广泛应用材料内部缺陷与表面裂缝检测和描述,然而其声学参数同煤岩物理特性与结构特征的关系,成为该技术在地下采矿工程中应用的瓶颈问题之一。在大同煤矿集团塔山矿8212工作面采集煤块及顶板岩芯,采用美国Tektronix公司生产的超声波仪,开展不同层理方向煤岩及不同岩性岩石的超声波室内测试试验,并结合CT扫描、磨片分析等微观测试手段和覆压渗透试验获得煤岩内部物质含量组成形态及渗透特性,系统研究密度、层理方向、孔隙度、渗透率、矿物颗粒成分及大小等因素对超声波传播速度的影响。试验表明:纵波与横波波速均表现出随密度增大而增大的趋势;煤岩的超声波速有明显的层理效应,试验发现轴向与层理的夹角由小变大,其纵波和横波波速呈减小趋势,轴向平行层理煤岩的纵波、横波波速分别约为轴向垂直层理的1.22,1.23倍;纵波波速随孔隙率与渗透率的增大而减小,且煤的渗透率亦呈现明显的层理效应,轴向平行层理煤岩的渗透率约为轴向垂直层理的57.1倍;岩石矿物颗粒越细纵波波速越大,岩样纵波波速依次以细砂岩、中粗粒砂岩、含粗砂细砾岩和粗粒砂岩由大到小排列。

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含瓦斯煤岩剪切破断过程中裂纹演化及其分形特征

作者(Author)：彭守建, 许江, 张超林, 冯丹, 聂闻

摘要：利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,开展了含瓦斯煤岩细观剪切试验,研究了煤岩剪切破断面裂纹的开裂扩展演化规律,并基于分形理论,分析了剪切破断面裂纹分布的分形特征。研究结果表明:含瓦斯煤岩剪切破断面裂纹的演化过程经历了5个阶段,即裂纹起裂、裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展、剪切破断及裂纹摩擦阶段;含瓦斯煤岩剪切破断不同阶段的裂纹分布符合分形特征,且随着剪切应力水平的提高,含瓦斯煤岩剪切面裂纹分布的分形维数呈现上升趋势,通过剪切面裂纹的分形维数可定量描述含瓦斯煤岩随剪切应力状态变化的裂纹演化特征。

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综采长壁工作面推进速度对优势瓦斯通道的诱导与控制作用

作者(Author)：刘洪永, 程远平, 周红星, 王伟, 张浩

摘要：基于采动裂隙椭抛带理论,确定了采动优势瓦斯通道带的上、下边界,构建了采动优势瓦斯通道带的时空形态理论模型。以淮北祁南矿34下采区为原型,开展了上覆岩采动瓦斯通道扩展数值仿真研究,发现优势瓦斯通道在上覆岩的空间位置随推进速度的增加而降低,发育高度、宽度和范围随推进速度的增加而减小等特征。以此为依据,对综采工作面推进速度加快后的高位钻孔参数进行了相应调整,并在祁南矿34下2工作面开展了卸压瓦斯抽采人工导流试验,现场试验结果验证了高位钻孔参数依据推进速度而进行的优化是合理的,从而也验证了本文提出的推进速度对优势瓦斯通道的诱导与控制规律是正确的。

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岩石钻粉制备注浆材料特性研究

作者(Author)：高亚斌, 杨威, 李贺, 郝志勇, 李子文

摘要：针对煤矿井下岩石钻粉处理难和注浆加固材料使用成本高的现状,以穿层钻孔施工时产生的岩石钻粉为主要原料,配以普通硅酸盐水泥和少量添加剂,制备出具有良好性能的新型注浆加固复合材料。研究了不同龄期、不同岩石钻粉掺量对复合材料的力学强度和孔隙结构的影响,通过红外光谱(IR)和扫描电镜(SEM)对硬化过程的水化产物进行了分析。研究结果表明:复合材料的微观结构密实,水化产物与岩石钻粉结合紧密;岩石钻粉的掺入改善了复合材料的孔隙结构,使得孔隙率降低,骨架密度增大,结石率提高。

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割缝与压裂协同增透技术参数数值模拟与试验

作者(Author)：闫发志, 朱传杰, 郭畅, 邹全乐, 乔时和

摘要：针对古汉山矿低透气性煤层穿层抽采钻孔卸压不充分的问题,提出了割缝与压裂协同增透技术,基于弹性断裂力学和Biot经典渗流力学理论,采用数值模拟的方法,分析了割缝钻孔与压裂钻孔协同布置时不同条件下压裂裂缝扩展规律,确定割缝钻孔与压裂钻孔水平距离为4 m时压裂效果较好,缝槽相对于水平方向的倾角应避免为45°,割缝钻孔形成的缝槽可以控制压裂裂缝的扩展方向,裂缝影响范围内应力由约8 MPa下降至4 MPa以内。现场试验表明,距割缝钻孔2 m以内的煤体发生了位移,协同割缝钻孔的瓦斯抽采纯量是割缝钻孔的2.3倍,是普通钻孔的7.8倍,协同压裂钻孔的瓦斯抽采纯量是压裂钻孔的2.1倍,普通钻孔的5倍,瓦斯抽采效率显著提高。

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近距离被保护卸压煤体透气性变化规律实测研究

作者(Author)：季文博, 齐庆新, 李宏艳, 刘兆元, 张浪, 程志恒, 刘晓刚

摘要：为了在井下条件实测采动卸压煤体变化的渗透率,从瓦斯抽采的难易程度出发,通过六氟化硫示踪气体现场参数测试和抽采数据统计对被保护层卸压煤体渗透率进行了实测研究。通过对实测结果的分析,认为被保护层卸压煤体渗透率的变化与煤体应力状态有一定相关性,在保护层开采过程中,距离不同的被保护层卸压煤体都经历了渗透率小幅升高—小幅下降—急剧升高3个过程,距离越远的卸压煤层渗透率变化幅度越小,其变化趋势相对保护层工作面距离也越滞后。

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煤炭学报

2015年第04期

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不同瓦斯压力原煤全应力应变过程中渗透特性研究

作者(Author)：张朝鹏, 高明忠, 张泽天, 张茹, 李果

摘要：煤炭地下开采过程中,常会遇到不同瓦斯赋存压力和三维受力状态等复杂条件下的煤岩体瓦斯渗透问题,为系统探究其瓦斯渗透规律,利用改进的MTS815 Flex Test GT岩石力学试验系统,开展了原煤三轴压缩全过程渗透试验,对不同瓦斯压力原煤三轴压缩全过程中渗透特性进行了探讨,分析了煤岩变形破坏过程中其瓦斯渗透特性,以及不同瓦斯压力下煤岩的瓦斯渗透特性。结果表明:煤岩瓦斯渗透率-应变曲线与煤岩三轴压缩全应力-应变曲线具有很好的对应关系,其瓦斯渗透率随加载变形破坏呈先减小后增大趋势,在峰前70%~85%应力水平时达到最小值,煤岩瓦斯渗透率在应力峰值附近时均有不同程度的急剧上升;另一方面,煤岩瓦斯渗透率和瓦斯流量随瓦斯压力的升高呈先增加后减小的趋势,瓦斯压力为1 MPa时达到最大值,在1~3 MPa时,煤岩具有较好的渗透能力,针对现场实际情况,通过类似分析,设定合理的抽采负压区间,从而保证煤与瓦斯共采安全高效进行。

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