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重复注气压降法煤层渗透率模型与原位测试研究

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煤炭科学技术 2024年第4期52卷 193-202页

作者：李伟杨世龙周红星刘金兆中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤层渗透率作为衡量瓦斯渗流与抽采难易程度的重要指标,对其进行准确测定具有重要意义。针对现有方法计算渗透率测试周期长、结果不稳定、模型不完善等问题,研究煤层渗透率的快速准确测定方法及相应的计算模型。基于煤层中气体径向不稳... 详细信息

煤层渗透率作为衡量瓦斯渗流与抽采难易程度的重要指标,对其进行准确测定具有重要意义。针对现有方法计算渗透率测试周期长、结果不稳定、模型不完善等问题,研究煤层渗透率的快速准确测定方法及相应的计算模型。基于煤层中气体径向不稳定流控制方程,结合不同压差下气体在煤层中的体积流量方程,建立可利用全区间压降数据测定煤层渗透率的注气压降计算模型。应用COMSOL数值模拟软件的达西渗流模块对模型进行求解,针对现场工程设计中可对压降曲线产生影响的测压气室长度进行单变量处理,根据模拟结果分析钻孔的测压气室长度可设计为2.0 m。根据数值模拟结果进行现场布置,搭建井下重复注气压降试验系统,结合煤层瓦斯赋存条件和巷道条件施工两组穿层钻孔,对2个测点分别注入两次高于煤层瓦斯压力的补偿气体进行渗透率原位测试,测试周期分别约为6 d和17 d,第2轮测试的注气压力高于第1轮。结合理论推导验证了注气压降过程中煤层瓦斯的雷诺数均处于线性达西渗流段,瓦斯在煤层中的渗流符合达西定律,满足计算模型的假设。与传统煤层渗透率计算方法进行了比较,结果表明:本方法和径向流量法的计算结果基本一致,可以满足实际工程需要。重复注气压降法的测试结果稳定可靠,具备快速测定的优点。

关键词：重复注气压降法煤层渗透率注气参数优化原位测试瓦斯抽采

基于纳米压痕的构造煤与原生煤结构面力学特性

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中国矿业大学学报 2024年第03期53卷 509-523页

作者：郭敬杰李伟韩祥凯花春雨邓东中国矿业大学煤矿灾害防控全国重点实验室中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心中国矿业大学安全工程学院

煤与瓦斯突出等矿井动力灾害严重威胁矿井安全高效生产，不同煤体的微观强度、变形和流变特性的研究对矿井高效生产和灾害防治具有重要意义.本文采用纳米压痕技术对典型的构造煤和原生煤试样的结构面进行了测试，研究了构造煤与原生煤... 详细信息

煤与瓦斯突出等矿井动力灾害严重威胁矿井安全高效生产，不同煤体的微观强度、变形和流变特性的研究对矿井高效生产和灾害防治具有重要意义.本文采用纳米压痕技术对典型的构造煤和原生煤试样的结构面进行了测试，研究了构造煤与原生煤的微观强度、变形、加卸载速率敏感性和蠕变特性.结果表明：相同载荷条件下构造煤变形能力比原生煤更强，弹性恢复能力更弱，构造煤的变形耗散能约为原生煤的2倍，二者结构面存在部分相似的特性.随加卸载速率降低弹性能占比升高，耗散能、弹性模量、刚度下降；载荷加卸载速率小于100μN/s时，强度特性存在较大的波动，载荷加卸载速率大于100μN/s时，强度特性随着速率变化波动变小，当载荷加载速率远大于卸载速率时会出现初始卸载时刻出现应力滞后现象.构造煤在不同载荷条件下蠕变变形能力均大于原生煤，伯格斯模型可以描述煤体纳米压痕条件下蠕变趋势，但不能很好地描述弹性恢复现象，分数阶麦克斯韦模型可以精确描述纳米压痕条件下煤体的蠕变过程.

关键词：纳米压痕构造煤结构面率相关蠕变煤与瓦斯突出

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构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

煤炭学报 2024年第2期49卷 645-663页

作者：程远平王成浩煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学人工智能研究院江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(... 详细信息

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明:与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1~1.3,原生煤的幂指数主要为1.7~1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声发射信号。构造煤变形能的对外释放能量增加了煤体孔隙率,对内耗散能量为瓦斯快速解吸提供条件,2者综合控制了瓦斯膨胀能的释放。瓦斯膨胀能的研究对象应为参与突出做功的瓦斯,即突出煤体在短时间内的释放瓦斯,进一步的实验与数值分析结果表明,参与突出做功的瓦斯膨胀能与构造煤体变形能数量级相近,为10^(2)~10^(3)kJ/t。煤体变形能与瓦斯膨胀能的释放存在时序性与因果性,在突出孕育–激发阶段,煤体变形能的预先释放是瓦斯膨胀能聚集的必要条件。突出由煤体变形能与瓦斯膨胀能共同控制,煤体变形能与瓦斯膨胀能在突出中具有同等重要的地位。

关键词：煤与瓦斯突出构造煤煤体变形能瓦斯膨胀能释放机制

煤中吸附态与游离态甲烷的串联扩散特征及理论表征

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煤炭学报 2024年

作者：程远平易明浩王亮煤矿瓦斯治理国家工程研究中心湖南科技大学资源环境与安全工程学院煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室中国矿业大学安全工程学院

厘清煤中孔隙结构对甲烷吸附以及扩散的内在联系是定量评价甲烷解吸量和解吸速度的基础。本文运用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对煤中多尺度孔隙进行了定量表征，获得吸附态和游离态甲烷的赋存场所和运移通道分别为0.38～1.5 nm的填充... 详细信息

厘清煤中孔隙结构对甲烷吸附以及扩散的内在联系是定量评价甲烷解吸量和解吸速度的基础。本文运用低压氮气和低压二氧化碳吸附法对煤中多尺度孔隙进行了定量表征，获得吸附态和游离态甲烷的赋存场所和运移通道分别为0.38～1.5 nm的填充孔和1.5～100 nm的扩散孔，在此基础上建立了填充孔吸附态扩散和扩散孔游离态扩散的双孔串联扩散模型，并通过对甲烷解吸实验数据的拟合获得了甲烷扩散参数和孔隙结构参数。结果表明：基于多尺度孔隙甲烷吸附模型计算的甲烷极限吸附量与实测值匹配程度较好，其中90 %以上的吸附态甲烷以微孔填充形式赋存于填充孔内，表明煤对甲烷的吸附能力取决于填充孔结构；解吸过程中填充孔内发生吸附态甲烷扩散，并不断流入扩散孔中以游离态扩散的形式流出，其中吸附态和游离态甲烷扩散系数分别处于10-13m2/s和10-6m2/s量级，而填充孔和扩散孔当量孔长分别为0.109～2.855 μm和0.525～3.106 mm，对应的当量孔数分别为1016～1017个/g和1010～1012个/g；由于填充孔数量更多、孔长更短，吸附态甲烷浓度更高，煤中吸附态甲烷的质量传输速度要远大于扩散孔内的游离态甲烷，煤中甲烷的解吸主要受到扩散孔中游离态甲烷扩散过程的控制。

关键词：孔隙结构微孔填充扩散模型甲烷赋存煤粒解吸

急速卸压条件下构造煤体应力释放规律试验研究

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采矿与安全工程学报 2024年第3期41卷 634-644页

作者：蒋静宇史孝宁程远平沈润生马建军王成浩中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学煤矿瓦斯与火灾防治教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 河南神火煤电股份有限公司薛湖煤矿河南永城476600 中山大学土木工程学院广东广州510275

为研究构造煤在急速卸压条件下的应力释放规律,开展了不同卸围压速度条件下的型煤试样三轴试验,对比分析了构造煤在不同应力路径下的应力⁃应变曲线和力学特性演化特征,并通过数据拟合分析了急速卸压条件下的应力释放规律。结果表明:卸... 详细信息

为研究构造煤在急速卸压条件下的应力释放规律,开展了不同卸围压速度条件下的型煤试样三轴试验,对比分析了构造煤在不同应力路径下的应力⁃应变曲线和力学特性演化特征,并通过数据拟合分析了急速卸压条件下的应力释放规律。结果表明:卸围压速度越快,构造煤破坏时的变形程度和峰值应力越小。卸围压降低了煤体的内聚力,劣化程度为14.02%~21.95%,卸围压速度越快,劣化作用越强。卸围压降低了煤体变形模量和泊松比,表明卸围压加剧了煤体损伤,降低了煤体抵抗变形的能力。当卸围压速度趋近于急速时,峰值应力的劣化程度为17.84%,内聚力的劣化程度为21.95%,表明急速卸压条件下构造煤更易失稳破坏,应力释放控制瓦斯膨胀能的非稳态释放,从而导致构造煤突出的连续发展。

关键词：构造煤急速卸压卸围压速度应力释放煤与瓦斯突出

考虑孔弹性效应的煤岩微纳米孔隙瓦斯表观渗透率模型及其在瓦斯抽采中的应用

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岩石力学与工程学报 2024年第3期43卷 587-599页

作者：李伟杨康邓东王海锋中国矿业大学煤矿瓦斯治理国家工程研究中心江苏徐州221116 中国矿业大学安全工程学院江苏徐州221116 重庆大学煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室重庆400044 重庆大学资源与安全学院重庆400044

煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对其产气量具有重要影响,而目前微纳米孔隙中渗透率模型很少考虑此因素。为了探究煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对气体流动机制的影响,基于微纳米孔隙中孔弹性效应与多种机制流动模型,构建一种考虑孔径动态变... 详细信息

煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对其产气量具有重要影响,而目前微纳米孔隙中渗透率模型很少考虑此因素。为了探究煤岩微纳米孔隙中孔弹性效应对气体流动机制的影响,基于微纳米孔隙中孔弹性效应与多种机制流动模型,构建一种考虑孔径动态变化的瓦斯表观渗透率模型,并分析动态表观渗透率模型的主控流动机制与微纳米孔隙中滑脱效应对瓦斯开采产量的贡献程度。研究结果表明:孔弹性效应通过影响孔径演化,改变滑脱效应、表面扩散效应对表观渗透率的贡献程度。随着孔隙压力增大,动态表观渗透率比值依次受到气体滑脱效应、孔弹性效应主控,滑脱效应对表观渗透率比值(孔弹性效应影响的表观渗透率与初始表观渗透率的比值)的贡献程度在低压时随着孔隙压力增大迅速下降,在高压时缓慢下降。深部低渗透率煤层瓦斯开采过程中,滑脱效应对瓦斯开采产量的贡献程度分别呈现初期时快速增大,中期时缓慢下降及后期时缓慢增加的趋势。微纳米孔隙平均孔径越低时,滑脱效应对瓦斯开采产量贡献程度越大。

关键词：采矿工程瓦斯表观渗透率孔弹性效应滑脱效应微纳米孔隙瓦斯抽采

强突煤层地面丛式井造穴卸压辅助石门揭煤技术研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：刘厅翟成童校长徐鹤翔邹全乐林柏泉徐吉钊中国矿业大学安全工程学院煤矿灾害防控全国重点实验室煤炭开采国家工程技术研究院煤矿瓦斯治理国家工程研究中心重庆大学资源与安全学院

针对深部强突煤层石门揭煤危险性高，打钻过程易喷孔、效率低的难题，基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统；其次揭示... 详细信息

针对深部强突煤层石门揭煤危险性高，打钻过程易喷孔、效率低的难题，基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统；其次揭示了丛式井造穴卸压煤体物理场演化规律，提出了造穴关键技术参数优化方法；最后成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验，验证了技术的有效性。结果表明：① 提出了多场协同调控防突方法，揭示了地面丛式井区域全覆盖造穴强化卸压增透，辅助石门揭煤消突机理，开发了“机械扩孔-水力喷射-排水释压”多级造穴技术，并配套研发了“造穴-排渣-水渣分离”一体化系统；② 煤体塑性区体积与等效直径平方呈线性关系，本文条件下的比值为81.90；洞穴附近低渗透区瓦斯压力随着洞穴直径的增大先降低后升高，对应的最优洞穴直径为2.0 m；揭煤巷道沿着垂直于最大主应力方向布置时，造穴后巷道两侧煤体更容易消突；③ 成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验，技术实施后，煤层透气性系数提高约10倍，残余瓦斯压力和残余瓦斯含量显著降低，试验地点井下揭煤措施孔数量减少了24%、钻孔工程量降低了21%。本文的开发的技术可进一步拓展形成“地面井煤气共采”方法，有望实现难采-难抽煤层煤与瓦斯的协同高效共采。

关键词：强突煤层石门揭煤地面井造穴应力-渗流耦合煤气共采

煤液化固渣萃余物的组成结构及铁催化剂活性相回收

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煤炭学报 2024年第4期49卷 2115-2123页

作者：李导高山松王洪学谢晶程时富王乾浩中国神华煤制油化工有限公司上海研究院煤炭直接液化国家工程研究中心上海201108

为解决大规模煤直接液化催化剂铁源供应问题,同时实现煤液化固渣萃余物的无害化分质利用,从固渣萃余物中回收铁催化剂的角度进行研究,探索采用物理磁选法进行铁催化剂富集回收的可行性。首先采用粒度分析、XRF、XRD、SEM、TG、SEM-EDX... 详细信息

为解决大规模煤直接液化催化剂铁源供应问题,同时实现煤液化固渣萃余物的无害化分质利用,从固渣萃余物中回收铁催化剂的角度进行研究,探索采用物理磁选法进行铁催化剂富集回收的可行性。首先采用粒度分析、XRF、XRD、SEM、TG、SEM-EDX等表征手段对固渣萃余物进行全面的物化性质表征,确定铁催化剂的质量分数和存在形态。由分析可知,工业装置固渣萃余物主要由未反应煤中的炭及残炭、挥发分及灰分组成,其粒度均匀且没有团聚,其中铁元素质量分数为5.96%,铁物种仍以具有顺磁性的Fe1-xS活性相存在,被未反应煤、残余沥青掺杂、包裹,与各种元素Ca、Si、Al、O等均匀混杂分布在萃余物中。在此基础上,选用4种型式的磁选设备在不同磁场强度下进行磁选富集,并将富集后的样品作为催化剂用于煤直接液化反应,考察其直接液化反应性能。试验结果表明,湿式立环脉动高梯度磁选机一方面将所产生的高梯度磁场力作用于磁性催化剂细粉,同时脉动流体力在一定程度上消除了非磁性颗粒的机械夹杂。在清水作为分散介质及洗涤介质下,更有效地实现了固渣萃余物中铁催化剂细粉的精细分离。在640000 A/m外加磁场强度下,含铁催化剂物料富集率为10.48%,铁元素质量分数可达11.37%,高压釜萃取油产率为41.96%,与无催化剂时相比高7.17%,比固渣萃余物提高8.99%,可掺混至新鲜催化剂中实现有效回用,部分解决催化剂铁源短缺的问题。

关键词：煤直接液化固渣萃余物铁催化剂回收液化性能

长区间隧道冻结法施工冷却水二次降温系统设计

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隧道建设（中英文） 2024年第1期44卷 109-115页

作者：周可发黄宝龙北京中煤矿山工程有限公司北京100013 矿山深井建设技术国家工程研究中心北京100013

为解决冻结法施工采用常规冷却水降温方式时冷却水温度高的难题,设计一种长区间隧道冻结法施工冷却水二次降温系统。该系统主要由冷却水二次降温冷冻机、中温清水泵、高温清水泵组成,利用中温清水泵将一次冷却水送入冷却水二次降温冷冻... 详细信息

为解决冻结法施工采用常规冷却水降温方式时冷却水温度高的难题,设计一种长区间隧道冻结法施工冷却水二次降温系统。该系统主要由冷却水二次降温冷冻机、中温清水泵、高温清水泵组成,利用中温清水泵将一次冷却水送入冷却水二次降温冷冻机蒸发器后变成二次冷却水,在冷却水二次冷却过程中,高压液态制冷剂受到再冷却。由于高压液态制冷剂的再冷却,在制冷过程中,制冷剂熵值与单位质量制冷量均得到增加,而压缩功不变。工程实际应用结果表明,与常规冷却水降温方式相比,该系统具有以下降温效果:1)盐水降温速率较快,可有效缩短冻结壁交圈时间;2)盐水温度低,冻结帷幕强度高;3)不仅可获得更低的盐水温度进而能更早地达到设计冻结制冷效果,而且制出同等冷量的综合能耗更少。

关键词：长区间隧道冻结法冷却水二次降温系统冷冻机