矿山工程技术

浙西荷塘组页岩孔隙结构及分形特征研究

付常青，朱炎铭，陈尚斌

摘要：目的：中国页岩气勘探开发进程近年来迅猛发展，针对海相页岩的研究集中在中上扬子区，且主要为下寒武统筇竹寺组（荷塘组）、下志留统龙马溪组以及上二叠统大隆组三套页岩。地处下扬子区的浙江西部下寒武统荷塘组页岩因具有厚度大、TOC含量高的优质静态指标，可以作为下一步重点调查勘探区。因孔隙大小、体积、比表面积、形状、空间分布以及连通性等孔隙结构要素影响着页岩气的赋存特征，对孔隙结构的清晰认识是明确页岩气富集规律的关键。鉴于此，本文对浙西荷塘组页岩孔隙结构及分形特征进行了研究并揭示了孔隙结构的影响因素，成果可为该区页岩气勘探与评价提供依据。方法：研究样品为江山、常山及安吉地区人工开挖新鲜荷塘组粉砂质泥岩及黑色泥页岩，属滞留盆地相沉积环境。页岩孔隙分类参考国际纯化学和应用化学联合会方案，即大孔孔径大于50 nm，介孔孔径2～50 nm，微孔孔径小于 2 nm。高压压汞实验应用Micrometrics AutoPore Ⅳ 9510；低温N2及CO2等温吸附实验采用Quantachrome Autosorb-1物理吸附仪；矿物成分测试运用Ultima Ⅳ并参照SY/T 5163-2010标准；FE-SEM观测运用氩离子剖光技术和场发射环境扫描电子显微镜（FEI Quanta 200F）并配合EDAX能谱仪，所拍摄得图片利用图像软件Image J进行处理。对孔径分布研究中数据处理方案为：大于 50 nm的大孔及 20～50 nm介孔运用高压压汞实验数据，2～25 nm介孔运用低温N2实验数据，小于2 nm的微孔运用低温CO2实验数据。结果：（1）FE-SEM 观测结果表明，页岩中岩石基质孔隙与裂缝均有发育，且以岩石基质孔隙占主导。引入以图片像素点灰度为识别基础的Image J软件对孔隙形态、规模及面孔率表征。荷塘组页岩矿物基质孔为微米至亚微米级，裂缝孔隙为微米级，有机质孔为亚微米至纳米级。荷塘组页岩各类孔隙形态均具备分形特征，有机质孔分维值最大，裂缝孔隙次之，矿物基质孔最小，分别为 1.4376，1.3794和 1.0810。（2）低温 N2与CO2吸附并结合高压压汞实验，三者配合共同对样品进行孔隙结构的综合表征。荷塘组页岩阶段孔容具有明显差异，孔隙结构大致可分为3类，除个别样品外，100～10000 nm孔隙均不发育，因此缺失此阶段孔隙。（3）针对页岩中不同大小孔隙，分别引入相应分形理论对孔隙结构进行研究。荷塘组页岩各阶段孔隙均具有分形规律。孔径大于25 nm孔隙平均分形维数为2.9860，孔径介于4～25 nm孔隙平均分形维数为2.6339，孔径介于2～4 nm孔隙平均分形维数为2.5854。（4）荷塘组页岩的TOC、黏土矿物及脆性矿物含量均对页岩孔隙结构产生影响。当孔径大于25 nm时，由于有机质孔在较大孔径阶段孔隙结构复杂，会造成随着TOC含量的增大，分维值增加，黏土矿物主要以矿物颗粒之间的粒间孔隙为主，随着黏土矿物含量的增大，孔隙的分维值将逐渐减小，脆性矿物中石英、长石以及黄铁矿等矿物因会形成多种孔隙类型，使得脆性矿物含量与分维值呈正相关关系；当孔径小于25 nm后，有机质孔形态逐渐从复杂网状过渡至蜂窝状、珠状等形态，且随着孔径的进一步减小，形态更为简单，黏土矿物以层间孔隙为主，形态相对固定，两者分形维数与含量均呈负相关关系，而脆性矿物仍然因多种孔隙类型和形态，造成分形维数与其含量呈正相关关系。结论：（1）浙西荷塘组页岩矿物基质孔及裂缝孔属渗流孔，有机质孔属吸附孔，因有机质孔面孔率高，而矿物基质孔及裂缝孔面孔率低，使其利于吸附气的富集而欠缺游离气存储空间以及气体的渗流通道；（2）由于与页岩气渗流密切相关的100～10000 nm孔隙基本不发育，造成荷塘组页岩运移连通性与渗流条件明显较差；（3）荷塘组页岩孔径大于25 nm的孔隙最具多样性，孔隙结构最复杂，4～25 nm次之，2～4 nm最简单；（4）当孔径大于25 nm时，孔隙结构复杂程度与TOC含量呈正相关关系，当孔径小于25 nm时，呈负相关关系，此外，孔隙结构复杂程度与黏土矿物含量均呈负相关关系，与脆性矿物含量均呈正相关关系。

来源出版物：中国矿业大学学报, 2016, 45(1): 77-86

入选年份：2016

煤矿高压喷雾雾化粒度的降尘性能研究

程卫民，聂文，周刚，等

摘要：目的：在国内煤矿现有的防尘措施中，喷雾降尘具有经济、简便、实用和效果好等优点，已得到广泛应用。对于矿井喷雾降尘，它不仅要涉及喷嘴雾化的性能，还要研究雾滴与尘粒的相互作用。因此，为了提高煤矿喷雾降尘效果，从理论、实验和现场试验3个方面研究了喷雾雾化粒度的分布、雾化粒度与粉尘作用的机理、喷雾压力与雾化粒径之间的关系等。方法：对高压喷雾降尘机理进行了理论分析，采用测试范围为5～2000 μm的Winner313激光粒度测定仪对雾化粒度进行测定，该仪器是根据颗粒能使激光产生散射这一物理现象测试粒度分布的。实验以矿井水为工质，加压设备将水加压到设定的压力后输送到喷嘴形成喷雾，选用矿井常用的2.0，1.8，1.5，1.3，1.0 mm共5类直径的压力喷嘴；实验压力为4，6，8，10 MPa，在不同喷雾压力下对5类喷雾雾场的雾滴粒径分散度进行测定。喷嘴1为2.0 mm、喷嘴2为1.8 mm、喷嘴3为1.0 mm、喷嘴4为1.3 mm、喷嘴5为1.5 mm。由于喷嘴是雾化锥形体，为能描述喷嘴不同喷出断面的粒径，本次实验根据采煤面喷嘴实际应用的位置情况共选取了15个测量断面，得到了喷嘴雾场不同位置的D10，D50，D90，D[3，2]，D[4，3]，Dav平均粒径分布和680 μm以下的粒径分布。最后通过现场实测，验证研究结果的准确性，并指导矿井综放、综采面支架和煤机外喷雾压力的优选。结果：提出并验证了雾化粒度D50的计算式和雾化粒度捕捉最小粉尘粒度的相互关系式，分析了5种喷嘴4～10 MPa压力下的雾化粒径变化情况。实验结果表明：（1）5种喷嘴所成雾场雾化粒度的D10，D50，D90，D[3，2]，D[4，3]和Dav值均随压力增加而减小，压力非常显著地影响雾化粒度，要想获得较好的雾化效果，须提高雾化压力，实现高压喷雾；这也就是对煤机、支架和综掘喷雾必须加大雾化压力的原因。（2）在相同压力下，喷嘴孔径越小，所形成雾场的雾化粒度越小；喷雾压力在8和10 MPa压力时，喷嘴3、喷嘴4和喷嘴5的粒径分布曲线明显小于喷嘴1和喷嘴2；喷嘴3、喷嘴4和喷嘴5的D50均已接近50 μm，并与理论分析得出的数学关系式较为一致。根据理论、实验数据和综放工作面煤尘实际测定的粒径分布，确定了该面的喷雾降尘压力和喷嘴型号，通过现场应用，煤机外喷雾和支架喷雾压力从2 MPa提高到8 MPa后，移架工序的全尘由 536.2 mg/m3降到 97 mg/m3。结论：（1）从理论、实验和现场试验 3个方面给出高压喷雾雾化粒度能有效降尘，提出了雾化粒度D50的计算式和雾化粒度捕捉最小粉尘粒度的相互关系式，指出喷雾雾化粒度随压力增加而变小的规律。（2）对于矿井喷雾降尘，它不仅要涉及到喷嘴雾化的性能，还要研究雾化液滴与尘粒的相互作用，比单纯雾化更复杂。雾化粒度直接影响了喷雾降尘性能，因此，雾化粒度可作为喷雾降尘用喷嘴与压力优选的重要指标，本文的研究结论可为该指标的如何使用提供了依据。（3）根据现场实际情况，确定了8 MPa为较优的高压喷雾压力，提高了喷雾降尘效果，降低了粉尘浓度。

来源出版物：中国矿业大学学报, 2011, 40(2): 185-189

入选年份：2016

掘进面喷雾雾化粒度受风流扰动影响实验研究

聂文，程卫民，周刚，等

摘要：目的：喷雾雾化粒度的大小对捕集、沉降粉尘起着至关重要的作用。喷雾雾化粒度的大小受多种因素的影响，其中，风流直接影响了喷嘴的雾化、降尘效果，掘进面均为有风作业，为此进行模拟实验，以确定掘进面风流扰动前后喷雾雾化粒度的变化规律。方法：设计了可仿真煤矿掘进面风流、喷雾等状况的喷雾雾化粒度测量实验系统。该系统由基于Mie散射理论以及汇聚光傅立叶变换技术的Winner312工业喷雾激光粒度分析仪、实验箱、风机、喷雾增压泵等构成。选用目前煤矿掘进面常用、雾化效果较好的2种含X形导流芯混合压力式喷嘴作为实验喷嘴，1#喷嘴为广角旋口，孔径1.6 mm，雾流形状为实心圆锥；2#喷嘴为平口，孔径1.5 mm，雾流形状为实心圆锥。通过调节风机和喷雾泵，设定实验箱平稳段内的风速分别为0和掘进面的一般风速0.4 m/s，喷雾压力为2～8 MPa。在实验箱内部空间共设置了6个测点，以测得雾场的粒径分布情况。结果：实验结果表明，（1）风速为0时，随着水压的增加，1#和2#喷嘴在6个位置处的雾滴粒径均不断减小，说明水压增大致使喷嘴喷射液滴的破碎程度增大，雾滴粒度随压力的增大而减小。在4种压力下，2种喷嘴所成雾场的雾滴粒度随与喷嘴轴向距离的减小而减小。在喷嘴所成圆锥型雾场的轴向横截面上，雾滴粒度由中心向两侧不断减小。随着距喷嘴轴向距离、轴向横截面中心的增大和喷雾压力的减小，相对尺寸范围△s呈现减小的趋势，这说明雾滴体积分布易在较大颗粒的范围内趋于均匀。（2）受速度为0.4 m/s的风流扰动影响后，雾滴粒度总体有所增大，雾滴的体积更加趋于均匀，雾滴粒度总体有所增大，相对尺寸范围△s平均值减小了 0.06，但是，D10平均值减小了1.12%，粒径在23 μm以下的雾滴有所增加，雾场轴向横截面中心处的雾滴粒度减小了 6.38%～8.51%。产生以上现象的主要原因是风流扰动增大了雾滴发生第2次雾化的强度，雾滴破碎程度增大，致使雾滴粒度相对于风速为0时有所减小，但是，风流扰动又增加了雾滴之间相互碰撞的概率，使雾滴相互碰撞、凝结成更大雾滴的可能性增大，这又导致雾滴粒度总体有所增大。利用实验结论对掘进机外喷雾系统进行了改进，改进措施Ⅰ：采用增压泵将水压由2 MPa增至8 MPa，16个1#喷嘴距截割头的距离由1.55 m移至1 m；改进措施Ⅱ：在改进措施Ⅰ的基础上调整喷嘴的角度，使雾场轴向横截面中心正对着截割头与煤的结合部。现场试验结果显示，采用以上2种措施后，相对于改进前，全尘、呼尘的平均降尘率分别为49.4%，47.2%和60.5%，62.8%。结论：（1）风流影响了掘进面喷嘴的雾化、降尘效果，依据可仿真煤矿掘进面的喷雾雾化粒度测量实验系统，确定了掘进面风流扰动前后喷雾雾化粒度的变化规律。（2）揭示了受掘进面风流扰动后喷雾雾场不同压力、位置处的雾滴粒度变化状况，在掘进面喷雾降尘采取对掘进机外喷雾喷嘴参数进行优化后，喷雾降尘效率相对于改进前提高了60%以上。

来源出版物：中国矿业大学学报, 2012, 41(3): 378-383

入选年份：2016

松软突出煤层新型钻进技术研究

王永龙，孙玉宁，翟新献，等

摘要：目的：瓦斯抽采是防治瓦斯灾害、保证煤矿安全开采的根本举措。松软突出煤层瓦斯治理主要依靠井下抽采，井下抽采以钻孔施工最为关键。松突出煤层深孔钻进是井下瓦斯抽采公认难题，松软煤层钻进存在着“钻孔浅、效率低、事故多”的技术难题，严重影响瓦斯抽采效率，制约煤矿安全高效开采。本文提出具有双动力排渣特性的低螺旋钻杆，并应用数值模拟的方法对钻杆表面凸棱结构及钻杆强度进行优化分析，以期获得排渣效率高、强度可靠的钻杆结构参数，从而有效提高软煤层钻进深度和钻进效率，保障松软突出煤层安全高效开采。方法：针对钻杆具体应用情况，建立低螺旋钻杆排渣模型，分析了低螺旋钻杆螺旋凸棱的宽度和螺距的变化对排渣效果的影响情况；结合钻杆在实际应用中配套钻机的动力参数，对低螺旋钻杆进行强度分析。结果：建立螺距为s＝75，80，85，90，95，100 mm 6种钻杆排渣型，通过对比不同螺距钻杆排渣速度云图，当螺距s＝80 mm时，核心速度值达到0.41 m/s，排渣速度最高，螺距s＝80 mm为最优参数；建立螺旋凸棱宽度为l＝10，12，14，16 mm钻杆排渣模型，通过对比不同螺旋凸棱宽度观测线长度-速度关系图，当螺旋凸棱宽度l＝14 mm时，排渣速度值的整体分布较高，螺旋凸棱宽度l＝14 mm为最优参数；考虑钻杆承受拉力和扭力两种交变应力作用，建立钻杆强度分析模型，基于钻杆接触面螺旋线最大主应力分布图，螺旋线上最大主应力在1.6 e8 N/m2与2.6 e8 N/m2之间波动，未超出材料的屈服强度值，基于钻杆接触面螺旋线安全系数分布图，钻杆强度的最小安全系数为1.87，钻杆加工参数设计合理。结论：研究表明，低螺旋钻杆表面螺旋凸棱的宽度和螺距的变化对排渣效果具有一定的影响，建立不同螺旋凸棱参数钻杆排模型，采用数值分析的方法，获得螺旋凸棱的最优结构参数，有利于充分发挥低螺旋钻杆流体与机械排渣的最佳性能。结合河南大峪沟煤业集团华泰煤矿掘进工作面钻孔施工困难问题，提出应用低螺旋钻杆、提高钻机动力相结合的技术方案，工业性试验结果表明，掘进工作面钻进深度、钻进效率有了大幅度的提高。

来源出版物：采矿与安全工程学报, 2012, 29(2): 289-294

入选年份：2016

矿用U型约束混凝土拱架轴压短柱试验研究及应用

李为腾，王琦，王德超，等

摘要：目的：矿用 U型钢支架在深部/软岩巷道支护中得到大量应用，然而特殊的截面形式决定了U型钢与围岩近似线接触而造成显著应力集中，截面极易因宽张变形导致抗弯刚度衰减，进而使拱架整体丧失承载作用。受钢管混凝土结构“力的共生”效应启发，将矿用U型钢的开口侧进行封闭并充填混凝土，形成U型约束混凝土（简称 UCC）拱架支护结构，为难支护巷道提供了一种新型可选支护形式。本文旨在通过开展U型约束混凝土短柱轴压试验，掌握新型支护结构的基本力学特性，并基于现场试验论证新型支护结构的有效性。方法：（1）设计了2大类轴压短柱试验方案：U型钢（U25，U29和 U36）短柱轴压试验和 U型钢约束混凝土（UCC25、UCC29和UCC36）短柱轴压试验。UCC短柱试件封板厚度为10 mm，充填混凝土标号为C40。试验在1000 t压力机上进行，采用分级加载制，至试件最终破坏；试验过程中，除了监测试件的受力、轴向变形、钢管局部应变外，还通过声发射系统监控内部混凝土的破裂演化情况。基于试验数据，从变形破坏形态、N-ε（荷载—应变）曲线、极限承载力及声发射响应特征等方面，对比分析U型钢约束混凝土短柱的轴压力学特性。（2）选取赵楼煤矿第二集中轨道下山（埋深1000 m）大断面巷道开展U型约束混凝土拱架的现场对比试验，与常规U型钢支护段巷道围岩变形数据进行对比分析，论证新型支护方案围岩控制效果。结果：（1）试件变形破坏形态：U型钢短柱在轴向荷载作用下整体出现明显的弯曲失稳，且截面耳部变形最为严重；UCC短柱呈现出剪切滑移和多折腰鼓形的破坏形态，均为整体的塑性失稳破坏。（2）试件轴向荷载—应变曲线：U型钢短柱的N-ε曲线呈由上升到最终平缓下降的3阶段形式，有下降段；UCC短柱的N-ε曲线呈由上升到最终平缓上升的4阶段形式，无下降段。（3）试件承载力：3种UCC短柱的极限承载力相对 U型钢短柱提高值分别达到127%，196%和142%，UCC25截面用钢量与U36基本相同，但轴压承载力是U36短柱的1.6倍。（4）核心混凝土声发射响应规律：声发射活动先后经历了孕育期→活跃期→趋稳期→消寂期4个阶段，极限荷载的68%～79%阶段为声发射活动的活跃期。（5）现场对比试验：40 d时UCC拱架支护巷道顶板沉降量仅为U型钢拱架支护巷道的 21.8%，两帮收敛量为后者的 18.9%，且 U型钢拱架支护巷道仍未稳定，变形还在持续；此时已有部分U型钢拱架出现局部屈曲状态，而UCC拱架尚未见到上述现象和迹象。结论：（1）试验现象和N-ε曲线表明，UCC短柱呈现整体的塑性失稳，避免了常规 U型钢短柱的弯曲失稳破坏，具有较好的延性和后期承载能力。（2）UCC短柱轴压承载能力是对应 U型钢短柱的 2～3倍，承载力和经济性均得到显著提高。（3）声发射活动与 4阶段变形破坏过程（N-ε曲线）表现出一致的对应关系，可以将N-ε曲线B点作为判断核心混凝土整体破坏的标志点，为核心混凝土破裂机理及其与约束钢管的耦合性能优化等研究提供有效手段。（4）现场试验结果直观表明，UCC拱架对围岩变形的控制效果明显优于常规U型钢拱架，为深部、软岩等难支护巷道提供了一种新型有效的支护形式。亮点：（1）针对常规U型钢拱架的不足，借鉴约束混凝土原理，提出了U型约束混凝土拱架支护结构。（2）开展了短柱轴压对比试验，掌握了U型约束混凝土结构的基本力学特性，其承载力是常规U型钢试件的2～3倍。（3）在千米深井巷道进行了现场支护对比试验，U型约束混凝土拱架支护的有效性得到证实。

来源出版物：采矿与安全工程学报, 2014, 31(1): 1-9

入选年份：2016

充填回收房式煤柱采场煤柱稳定性分析

安百富，张吉雄，李猛，等

摘要：受制于该地区落后的地区经济发展及技术装备水平，神东矿区过去长期采用房式采煤法开采，遗留了大量煤柱于井下，形成呆滞煤量。这不仅造成了国家煤炭资源巨大的资源浪费，而且容易引发矿井火灾、矿震等灾害。如何安全高效回收房式煤柱已成亟待解决的重大科学与工程技术难题。日趋成熟、可有效控制岩层移动、减少地表沉陷的机械化固体充填采煤技术为该目标的实现提供了一条安全有效的技术途径。充填回收房式煤柱，充填体作为主要支撑体参与了覆岩移动控制过程，承载和分担部分覆岩压力，从而减少回采过程中煤柱失稳的可能性。采用充填物料置换房式遗留煤柱时采场前方为不连续煤柱、采空区内为充填体，其围岩应力分布规律将不同于现有的垮落法或长壁充填开采，已有理论无法直接采用，其采场围岩应力分布及煤柱变形特征亟待研究。为了提供充填回收房式煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据，在系统分析固体充填回收房式煤柱的技术原理和整体系统设计的基础上，本文采用理论分析和数学推导的综合研究方法对采空区充填体—房式煤柱共同支撑下的顶板力学结构进行了研究。研究中取工作面推进方向中部位置的充填体、煤柱及顶板作为研究对象，通过将覆岩作用简化为均布载荷，房式煤柱和充填体简化为弹性地基，顶板视为两端固支梁，从而建立起了充填体-煤柱-顶板相互作用的弹性地梁模型，并推导出了顶板变形和采场应力分布的通解，给出任意位置煤柱受力的计算公式。在分析工作面前方煤柱和煤房区域应力分布特征的基础上，确立了该区域的弹性地基系数的计算方法；根据顶板下沉与充填体之间的耦合关系，得到了充填体弹性地基系数与采空区充实率的关系式，进而建立了充实率、煤房支护强度与煤柱稳定性之间的关系式。研究发现：煤柱区域弹性地基系数、采空区充实率、顶板抗弯刚度、覆岩载荷是影响煤柱稳定性的主要因素。其中煤柱和煤房区域弹性地基系数、充实率为可控制因素，且二者与煤柱的稳定性成正相关，可通过注浆加固煤柱、增加煤房支护强度、提高充实率的方法确保煤柱稳定。结合工程实际，应用本文的力学模型绘制了榆林板定梁煤矿CT305风积沙充填回收房式煤柱工作面回采全过程的采场支撑应力演化图，发现：最大支承应力随工作面推进呈先升高后降低的趋势，并校验了选取的风积沙充填物料和工作面前方煤房支护的设计强度条件下采场煤柱的稳定性，给出了固体充填回收房式煤柱采场煤柱的稳定性计算方程组和工程设计指标的校验方法，该研究成果不仅有助于保证回收房式煤柱期间的作业安全，同时总结出了充填回收非连续分布的煤体这一新情况下围岩应力分布特征的体系方法，对充填采煤技术围岩控制技术发展及其理论体系的完善具有一定的理论和现实意义。

来源出版物：采矿与安全工程学报, 2016, 33(2): 238-243

入选年份：2016