螯合型湿润剂煤层注水防治深部冲击—发火复合灾害研究

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煤层冲击地压与自然发火是威胁煤矿安全生产的两大灾害,随着煤矿不断向深部高强度开采,冲击地压矿井的自然发火期变短,两种灾害明显具有复合发生的趋势,如何实现两种灾害的一体化防治是实现煤炭安全开采的重要保障。但是现行灾害防治技术的研究多是针对冲击地压或者自然发火单个灾害,而对于复合灾害一体化防治的研究未涉及。其中煤层注水是煤矿常用的一种防灾措施,既能降低冲击倾向性,又能防治自然发火,但对于深部矿井,单纯的注水已不能满足防治效果。本文分析冲击地压和自然发火防治理论,首次研发防治冲击地压-自然发火的螯合型湿润剂,研究了螯合型湿润剂对煤体的阻燃作用规律和降倾作用规律,揭示了螯合型湿润剂对煤体的阻燃-降倾减灾机理,并通过现场注水实验得到螯合型湿润剂对注水效果的影响,主要研究内容如下:(1)依据扰动响应失稳理论和自由基作用理论,得到防治冲击地压理论和自然发火理论,并通过大量冲击-发火复合灾害事件的发生特征,得到复合灾害的致灾因素,最终揭示了防治冲击-发火复合灾害的发生理论。(2)通过热重实验,原煤重量、Fe SO4溶液浸泡煤重量和螯合型湿润剂浸泡煤重量在氧化过程分别降低了30.01%、34.62%和19.00%,其中螯合型湿润剂浸泡煤在相同过程中重量下降最少,说明螯合型湿润剂能够延长煤体自然发火周期;利用XPS实验分析了煤体在加热氧化过程中含碳官能团的变化情况,螯合型湿润剂浸泡煤的C-C、C-H和C=C下降量最低,氧化态碳上升量最低,表明螯合型湿润剂能够降低煤中自由基含量,抑制煤体的氧化进程。(3)通过单轴压缩实验比较了原煤、水浸泡煤和螯合型湿润剂浸泡煤的力学性质变化规律,其中螯合型湿润剂浸泡煤在压缩过程中试样破碎程度小,同时也未发生强烈的破碎现象,并且螯合型湿润剂浸泡煤的力学参数也得到显著变化,与原煤相比,单轴抗压强度降低了60.00%、弹性模量降低了24.66%,研究表明螯合型湿润剂能够影响煤体的力学性质,有效降低煤体冲击倾向性。(4)通过低温氮吸附分析了原煤和螯合型湿润剂浸泡煤的孔隙结构变化特征,与原煤相比,螯合型湿润剂浸泡煤的表面分形维数值得到增加,平均孔径得到增大,比表面积得到减少,中孔孔隙数量也有所增加,研究表明螯合型湿润剂能够溶解煤中的部分坚硬矿物质,改变煤体的骨架结构,从孔隙结构变化的角度说明了螯合型湿润剂对煤体的阻燃-降倾减灾机理。(5)依据某矿工作面的具体情况,设计了螯合型湿润剂煤层注水方案,并进行现场实验,结果表明不添加螯合型湿润剂的注水条件下,在10MPa注水压力下注水速率为0.1m~3/h—0.4m~3/h,在20MPa下大部分注水孔也呈现出难以注进水的现象,最佳注水速率仅为1 m~3/h左右。当在添加螯合型湿润剂的注水条件下,在7MPa下注水速率能达到1.5 m~3/h,注水结束后煤样的含水率得到提高,有利于冲击地压-自然发火复合灾害防治。
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