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陕西侏罗纪煤层瓦斯灾害特点及突出发生条件的探讨

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矿业安全与环保 2024年第3期51卷 1-7,15页

作者：孙东玲曹偈杨慧明唐强煤矿灾害防控全国重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037

随着我国煤炭生产向西部转移,西部尤其是西北地区大量开采低阶煤的矿井瓦斯灾害,成为必须认真面对的重要问题。以陕西黄陇侏罗纪煤田黄陵矿区、旬耀矿区、永陇矿区的6个典型矿井为研究对象,分析总结了矿井瓦斯赋存特征,并从煤层突出危... 详细信息

随着我国煤炭生产向西部转移,西部尤其是西北地区大量开采低阶煤的矿井瓦斯灾害,成为必须认真面对的重要问题。以陕西黄陇侏罗纪煤田黄陵矿区、旬耀矿区、永陇矿区的6个典型矿井为研究对象,分析总结了矿井瓦斯赋存特征,并从煤层突出危险性单指标、能量、突出动力效应等多个角度探讨了煤层突出危险性。研究表明:黄陇煤田以低变质烟煤为主,煤的破坏程度小、硬度较高,煤层瓦斯普遍呈现高压力、低含量(1.71~4.36 m^(3)/t)特征;较低的瓦斯含量使煤层中孕育的瓦斯内能连同弹性潜能低于煤体破碎并抛掷做功所需要的能量值,也不能产生足够多的气体裹挟煤炭在巷道空间运移形成典型的突出灾害;但发生片帮或冲击地压等动力现象时短时间内的大量瓦斯涌出将成为这些矿井主要的瓦斯事故风险。指出陕西侏罗纪煤田的矿井应在做好瓦斯抽采的同时,通过控制好煤壁顶板和冲击地压将能有效减少瓦斯事故的发生。

关键词：侏罗纪煤层瓦斯地质瓦斯参数煤与瓦斯突出发生条件

基于激波管理论的突出冲击波超压预测模型及实验验证

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煤炭学报 2024年

作者：杨雪林文光才孙海涛闫发志杨慧明曹偈程晓阳鲁俊李虎虎煤矿灾害防控全国重点实验室太原理工大学安全与应急管理工程学院深圳大学深地科学与绿色能源研究院中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院

突出过程中常伴随极强的动力效应，产生的突出冲击波会造成一定的人员伤亡，甚至破坏风门等通风设施，进而扩大事故灾害范围。为了更贴近现场实际，本文根据现场实际突出事故现象，建立了煤与瓦斯突出动力学模型；基于激波管理论，阐释... 详细信息

突出过程中常伴随极强的动力效应，产生的突出冲击波会造成一定的人员伤亡，甚至破坏风门等通风设施，进而扩大事故灾害范围。为了更贴近现场实际，本文根据现场实际突出事故现象，建立了煤与瓦斯突出动力学模型；基于激波管理论，阐释了巷道内突出冲击波形成机制，指出突出瞬间喷向巷道空间的高速瓦斯气流压缩空气形成突出冲击波，且突出瓦斯气流加速阶段释放的瓦斯膨胀能决定突出冲击波的强度；并建立了基于突出孔洞瓦斯压力、突出口直径的突出冲击波超压峰值预测模型。利用煤与瓦斯突出冲击动力效应及致灾特征模拟实验系统，开展了不同瓦斯压力、装煤量条件下的突出动力效应模拟实验。实验结果表明，突出模拟实验过程中冲击波超压的实测值与理论值一致，验证了理论模型的正确性。且装煤量相同时，突出冲击波超压随瓦斯压力的增大而增大；而当瓦斯压力相同时，随装煤量的增大，冲击波超压变化较小。相同瓦斯压力条件下，突出口径会影响冲击波超压的大小。突出口径较小时，突出瞬间释放的瓦斯膨胀能较小，导致冲击波超压值较小。突出冲击波强度(p2’)和冲击波超压(Δp’)与突出口和巷道直径之比(s1/s2)呈线性增加关系。因此，瓦斯压力和突出口径是影响突出冲击波强度的主要因素。此外，突出模拟实验过程中，突出冲击波超压在模拟巷道内随传播距离不断衰减。通过分析巷道内冲击波超压峰值数据，发现公式y=a*ΔPmax*x-1/2能够较好地描述巷道内冲击波超压衰减规律。突出冲击波传播至管道末端，由于障碍物反射作用形成二次冲击波。该研究可为突出矿井科学、合理地设计和布置安全防护措施提供指导。

关键词：煤与瓦斯突出冲击波超压超压预测模型瓦斯压力衰减规律

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软煤水力压裂孔周应力的时空演化研究

矿业安全与环保 2024年

作者：张跃兵胡千庭李全贵宋明洋武文宾曹偈重庆大学资源与安全学院重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室中煤科工集团重庆研究院有限公司成都大学应急管理学院

应力演化是研究水力压裂行为特征的基础。为揭示软煤压裂孔周致裂行为特征，依据时步均等划分方法将压裂过程分为6个阶段，对孔周应力的空间分布、随时间变化规律、水平应力差异系数的演化进行了PFC2D离散元模拟研究。结果表明：水力压... 详细信息

应力演化是研究水力压裂行为特征的基础。为揭示软煤压裂孔周致裂行为特征，依据时步均等划分方法将压裂过程分为6个阶段，对孔周应力的空间分布、随时间变化规律、水平应力差异系数的演化进行了PFC2D离散元模拟研究。结果表明：水力压裂过程的1～4阶段最大主应力方向孔周应力增幅较大；而5、6阶段是最小主应力方向的应力增幅迅速增大。孔周应力集中明显，接近孔周位置应力水平高。在应力集中影响范围内，X方向和Y方向孔周应力路径趋势一致，水平应力差异系数相差较小，而应力集中影响范围以外则恰恰相反。应力差异系数可反映裂隙发育的均匀程度，而应力集中程度影响着裂隙的发育和扩展范围，揭示了软煤水力压裂孔周扩孔致裂-应力外移的行为特征。

关键词：水力压裂软煤离散元模拟应力集中裂隙发育

水敏性损害对煤层水力压裂增透效果影响的实验研究

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矿业安全与环保 2022年第4期49卷 65-71页

作者：文光才杨硕曹偈瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司重庆400037 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044

采用热力学平衡水法、低温氮吸附实验、压汞实验、扫描电子显微镜(SEM),研究了煤样吸水膨胀变形的宏观、微观特征;提出了井下煤层穿层钻孔水力压裂相似模拟实验方法,研究了水敏性损害对煤层透气性的影响。研究结果表明:浸水煤样膨胀率... 详细信息

采用热力学平衡水法、低温氮吸附实验、压汞实验、扫描电子显微镜(SEM),研究了煤样吸水膨胀变形的宏观、微观特征;提出了井下煤层穿层钻孔水力压裂相似模拟实验方法,研究了水敏性损害对煤层透气性的影响。研究结果表明:浸水煤样膨胀率受水敏膨胀黏土含量的影响最为显著;饱水处理后水的介入降低了煤体全尺度孔隙体积,进而降低了煤样瓦斯扩散与渗流能力;水力压裂有效范围内煤样透气性系数增大,压裂增透占主导地位,而在压裂远端或末端位置透气性系数下降,水敏性损害占主导地位;煤中水敏黏土含量越高,水敏性损害越严重。研究成果对减弱煤层水力压裂水敏性损害程度,提高煤层瓦斯抽采效率具有重要意义。

关键词：煤层透气性水力压裂水敏性损害吸水膨胀黏土相似模拟实验

煤与瓦斯突出冲击动力效应及致灾特征模拟实验系统研制与应用

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煤炭学报 2023年第10期48卷 3731-3749页

作者：杨雪林文光才孙海涛曹偈王波戴林超鲁俊太原理工大学安全与应急管理工程学院山西太原030024 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司瓦斯研究分院重庆400037 深圳大学深地科学与绿色能源研究院广东深圳518000

由于对煤与瓦斯突出激发后致灾特征及其诱导矿井风流灾变机制不清,现场常根据经验布设风门、布置自救系统等设施,尚不能有效地布置安全防护措施和制定科学合理的应急预案。为了准确掌握突出冲击动力效应及致灾特征,基于相似理论,研发了... 详细信息

由于对煤与瓦斯突出激发后致灾特征及其诱导矿井风流灾变机制不清,现场常根据经验布设风门、布置自救系统等设施,尚不能有效地布置安全防护措施和制定科学合理的应急预案。为了准确掌握突出冲击动力效应及致灾特征,基于相似理论,研发了一套考虑突出孔洞周围卸压区煤体瓦斯补给作用的突出模拟实验系统,并基于突出模型和瓦斯渗流理论通过严格计算确定了补气装置的关键参数。该实验系统主要包括:突出孔洞动力系统、突出激发装置、巷道模拟系统和数据采集与控制中心4个模块,能够模拟巷道内突出冲击波形成和传播、突出煤-瓦斯两相流运移及瓦斯逆流等突出动力现象。开展了瓦斯压力为0.8 MPa的突出灾变模拟实验,利用高速摄像机直接观测到突出冲击波形成过程。结果表明:突出发生瞬间,在管道内瞬间形成空气冲击波,后面依次出现的是冲击气流、突出瓦斯气流和煤-瓦斯两相流。且空气冲击波速度>冲击气流速度>突出瓦斯气流速度>突出煤-瓦斯两相流阵面速度,4者最大速度分别为546.5、496.7、112.6、51.5 m/s,并沿管道逐渐衰减。突出过程中高压瓦斯从突出孔洞涌入巷道空间,造成瓦斯逆流现象。突出过程中突出孔洞内瓦斯压力呈指数下降。突出发生后巷道内瓦斯体积分数随时间变化存在“骤升期”和“缓慢下降期”,突出瓦斯在巷道内运移方式主要包括“驱替”和“扩散”。突出煤沿主巷堆积高度与堆积质量呈现出一致性。突出煤与原煤粒径分布差异主要集中于0~500μm,而粒径分布最大差异主要集中于150~200μm。此外,粒径分布于150~200μm的煤粉占比随距突出口距离的增加而增加,表现出较强的分选性。

关键词：煤与瓦斯突出煤-瓦斯两相流突出冲击波瓦斯涌出突出强度

加卸载条件下煤岩变形特性与渗透特征的试验研究

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煤炭学报 2012年第9期37卷 1493-1498页

作者：许江李波波周婷刘东程立朝曹偈重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

以原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验,分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明:①加卸载试验峰值强度明显低于常规... 详细信息

以原煤为研究对象,利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流试验系统,采用加轴压、卸围压的应力控制方式开展煤岩加卸载试验,分析加卸载条件下煤岩变形特性和渗透特征的演化规律。研究结果表明:①加卸载试验峰值强度明显低于常规三轴压缩试验峰值强度,在加卸载过程中,主应力差有一个明显增加趋势,卸载第2阶段速率越大,其曲线斜率也越大,但峰值强度越小,对应的径向应变ε3、体积应变εV增加速率也越快,而到峰值后破坏阶段,均呈下降趋势。②加卸载过程中,煤岩渗透率、应力差与应变关系可以分为3个阶段,初始压密和屈服阶段、屈服后阶段、破坏失稳阶段。试件达到峰值后瓦斯渗透率出现突然小幅度上升,持续一段时间后,渗透率出现急剧陡增趋势。③煤岩渗透率的变化与煤岩的变形损伤演化过程密切相关,渗透率随变形的增大均呈二次多项式函数递增。

关键词：加卸载变形特性全应力应变渗透率

不同黏结剂配比条件下型煤力学及渗透特性试验研究

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岩土力学 2015年第1期36卷 104-110页

作者：许江叶桂兵李波波曹偈张敏重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400044

利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为使得型煤力学及渗透特性更接近原煤,选取水泥作为黏结剂,进行了不同黏结剂配比条件下的型煤和原煤三轴压缩试验对比研究。基于欧式距离的相似性度量方法对能反映型煤的力学及渗透特性的特... 详细信息

利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流装置,为使得型煤力学及渗透特性更接近原煤,选取水泥作为黏结剂,进行了不同黏结剂配比条件下的型煤和原煤三轴压缩试验对比研究。基于欧式距离的相似性度量方法对能反映型煤的力学及渗透特性的特征值指标进行定量评价。结果表明:随黏结剂含量的增加,型煤的峰值主应力差、弹性模量近乎呈正指数函数递增趋势,泊松比呈负指数函数递减趋势;随着黏结剂含量的增加,型煤的初始渗透率、最小渗透率基本呈负指数函数递减趋势,且其渗透率变化率随黏结剂含量的增加越来越小,表现为渗透率-轴向应变曲线越来越平缓;基于欧式距离的相似性度量方法得出水泥黏结剂配比为IV型的型煤在力学及渗透特性方面与原煤最为接近,可以作为模拟原煤的相似材料。

关键词：黏结剂力学特性渗透率特征值相似材料

基于改进BP神经网络的煤体瓦斯渗透率预测模型

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煤炭学报 2013年第7期38卷 1179-1184页

作者：尹光志李铭辉李文璞曹偈李星重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400030 重庆大学资源及环境科学学院重庆400030 重庆大学复杂煤气层瓦斯抽采国家地方联合工程实验室重庆400030

分析总结了煤体渗透率的3个主要影响因素——有效应力、温度和瓦斯压力,并结合煤体的力学特性建立了一个预测煤层瓦斯渗透率的BP神经网络模型。根据不同有效应力、不同温度和不同瓦斯压力条件下大量具有代表性的煤样渗透率数据来建立学... 详细信息

分析总结了煤体渗透率的3个主要影响因素——有效应力、温度和瓦斯压力,并结合煤体的力学特性建立了一个预测煤层瓦斯渗透率的BP神经网络模型。根据不同有效应力、不同温度和不同瓦斯压力条件下大量具有代表性的煤样渗透率数据来建立学习样本,并对该模型的精度进行了检验。该BP神经网络经过11 986次学习后精度满足要求,训练后BP神经网络模型所得预测结果的最大绝对误差为0.049×10-15m2,最大相对误差为4.298%。根据所建立的BP神经网络模型得到的预测值与实测值吻合较好。

关键词：煤体瓦斯 BP神经网络渗透率

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煤矿区煤层气开发利用新技术现状及发展趋势

煤炭学报 2020年第1期45卷 258-267页

作者：刘见中孙海涛雷毅曹偈中国煤炭科工集团有限公司科技发展部北京100013 瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室重庆400037 中煤科工集团重庆研究院有限公司科技发展部重庆400037 煤炭科学研究总院北京100013

“十二五”以来,我国煤矿区煤层气开发利用技术取得了巨大的进步,虽然我国煤矿数量由近20000对直线下降到了不足5800对,但煤层气产量仍由2010年的88亿m 3提高到了2018年的184亿m 3,利用率亦提升了10%,科技对产业的贡献巨大;但是也出现... 详细信息

“十二五”以来,我国煤矿区煤层气开发利用技术取得了巨大的进步,虽然我国煤矿数量由近20000对直线下降到了不足5800对,但煤层气产量仍由2010年的88亿m 3提高到了2018年的184亿m 3,利用率亦提升了10%,科技对产业的贡献巨大;但是也出现了单井排采产量低、气源分散性高等新的问题。因此,全面梳理了近10 a煤矿区地面抽采技术装备、井下抽采技术装备和煤矿区高、低浓度煤层气利用技术装备的科技创新及应用效果等,阐述了煤矿区煤层气开发利用在三级瓦斯地质分析技术、碎软低渗煤层地面井分段压裂顶板技术、煤层群分层控压联合排采技术、采动区地面L型顶板水平井技术、井下千米定向长钻孔技术、碎软煤层井下护孔钻进技术、智能化钻机远控钻孔技术、井下水力化压裂/割缝增渗技术等煤层气抽采技术及其配套装备最新进展和中高浓度煤层气深冷液化、低浓度煤层气分级压缩提浓、超低浓度煤层气蓄热氧化利用等煤层气利用装备的最新进展及技术指标。在此基础上,针对我国目前面临的深部开采、西部煤炭资源开发及高强度集约化开采等新特点,分类整理了束缚煤层气产业发展的技术瓶颈和发展趋势,提出了煤炭开采与煤层气开发协同规划和联合开发的技术思路等。

关键词：煤矿区煤层气开发利用发展趋势