构造煤瓦斯涌出特性研究

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煤矿开采中关注煤与瓦斯突出对于煤矿安全开采具有重要意义,而煤与瓦斯突出地点经常存在构造煤。在开采过程中钻孔瓦斯是相对容易测量的。因此分析构造煤钻孔瓦斯涌出量是非常有意义的。本文针对原生煤与构造煤自身性质与赋存条件差异,结合国内外对两种性质煤体瓦斯解吸特性推导构造煤钻孔瓦斯涌出特性,并进行数值模拟与现场试验。通过分析国内外对原生煤与构造煤瓦斯解吸规律,提出了钻孔过程瓦斯涌出量将存在较大差异。为更加深入了解两类煤体如何影响钻孔初始瓦斯涌出量,对煤样进行工业分析、X荧光分析、红外光谱分析、扫描电镜、压汞和低温液氮吸附实验。煤样灰分主要成分几乎没多大变化,主要以S、Al和Si元素为主,构造应力作用下煤体化学元素变化较少,其中原生煤中Ga元素远高于构造煤。煤受到构造应力,部分孔隙内部被碎粒堵塞,影响煤体内部瓦斯正常运移;构造煤临界孔径小于原生煤体。原生煤孔隙主要集中在微孔,中孔与大孔占比少。构造煤孔隙主要集中在小孔、中孔和大孔占比远大于原生煤。构造煤分形维数大于原生煤,孔结构复杂,孔隙表面更加粗糙。利用有限元软件,建立钻孔在单一煤性(只存在原生煤)与原生煤中包含构造煤模型,同时采用推导控制方程对模拟进行修正。通过模拟得到钻孔瓦斯与煤岩性质与钻进深度的规律:在一定范围里,钻孔初始瓦斯涌出量随钻进深度增加而增加,而瓦斯涌出量的增长率随时间而减小,当钻孔深度足够长时将趋近与某一定值,钻孔初始瓦斯涌出量也受到煤岩/瓦斯性质影响。在原生煤中包含构造煤模型中,钻孔瓦斯涌出量在构造煤区域存在异常区域,瞬时瓦斯涌出量高于正常水平2倍多,钻杆穿过构造煤回到原生煤曲线将回归正常水平,但相对于之前趋向整体有小幅度提高。采用连续流量法预测系统对河南某矿进行钻孔瓦斯涌出量测试,通过瓦斯曲线与后期开采验证表明了构造煤钻孔瓦斯涌出量规律的正确性。并且通过瓦斯曲线异常区域判断了构造煤范围,这为采用钻孔瓦斯涌出量预测构造煤,进行煤矿安全开采提出了依据。
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