基于液氮冻结的石门揭煤防突方法实验研究

发布时间：2020-04-26 04:55

【摘要】：根据煤与瓦斯突出发生的统计规律,突出多出现在掘进工作面和地质构造带,而石门揭煤常常涉及到这两个地点,所以在石门揭煤过程中,煤岩体极易发生失稳突出,具有极高的危险性。研究表明,煤体强度决定了它在地应力和瓦斯压力的作用下能否被破坏,能否抵挡能量的冲击,所以煤体的强度是其能否抵挡突出的关键因素。现有的煤体强度加固技术对石门揭煤防突取得了一定的成效,但是也存在一定的局限性。液氮冻结是一种已经比较成熟的施工技术,可实现对岩、土体的快速冻结,显著提高了岩、土层的强度,有效保证了施工作业的安全性,因此液氮冻结技术已广泛应用于矿井建设、建筑施工、隧道掘进等工程领域。根据上述背景,可将液氮冻结技术应用于井下石门揭煤作业中,揭煤前对待揭煤体迅速进行冻结,提高待揭煤岩强度和围岩整体性,从而增强煤体抵御突出能量冲击的能力,降低突出危险性。目前国内外液氮冻结的研究对象主要是岩石和土壤,而对煤层的研究较少。针对上述问题,本文采用理论分析和实验相结合的方法,探究液氮冻结对煤体的影响规律,为基于液氮的石门揭煤防突提供理论支撑和技术参数。首先分析了石门揭煤时煤与瓦斯突出的特点及影响因素,结合液氮冻结技术,阐述了基于液氮冻结的石门揭煤防突机理,使用模拟软件进行验证,并分析了影响液氮冻结效果的因素;分析了未冻水这一影响煤体冻结效果的关键因素,借助核磁共振技术测量并总结了煤体内未冻水含量在冻融过程中的动态变化特征,结合T_2分布曲线分析了冻融过程中不同类型煤样内孔隙水的分布和变化;开展了液氮冻结状态下煤体超声波检测实验研究,根据超声波的波速变化分析煤体内部的结构变化,并结合弹性力学知识,探讨液氮冻结对煤体动力学参数的影响规律。实验结果表明,煤体在液氮冻结状态下的超声波波速显著提高,说明液氮冻结对煤体的整体性有显著改善,煤体更加稳固。同时,煤体的动弹性模量、动体积模量和动剪切模量也均有明显的提高;开展了液氮冻结状态下煤体力学特性实验研究,采用单轴压缩试验和巴西劈裂实验测量了液氮冻结状态下煤体的抗压强度、弹性模量和抗拉强度。实验结果表明,液氮冻结对煤体的力学性质有显著的提升作用,煤体的弹性模量、抗压强度和抗拉强度得到提高,说明煤体的刚度和强度增加,抵御挤压、拉伸破坏的能力也有所增强,这些变化均说明液氮冻结可有效降低石门揭煤发生突出的危险性。
【图文】：

示意图,石门揭煤,液氮,示意图

推动了该技术的进一步发展。因此，根据上述背景，可将液氮冻结技术应用于井下石门揭煤作业中，如图1-1 所示。揭煤前利用液氮的低温对待揭煤体迅速进行冻结，一方面提高待揭煤岩强度，增强煤体抵御突出能量冲击的能力，使煤体不容易发生较大变形乃至被破坏；另一方面，提升煤层及附近围岩的整体性，减少揭煤巷道周围的应力突变和不连续，从而降低突出危险性。此外，液氮冻结法还有诸多优点，例如液氮汽化变为的氮气为无毒无害的惰性气体，不会污染井下空气；液氮的冷量对改善井下作业环境也有帮助等。

流程图,实验设备,流程图

无烟煤A1 24.79×51.11 4.11A2 25.06×51.28 4.14A3 24.89×49.67 4.213.2 实验设备本实验所采用的设备主要包括核磁共振仪和全自动低温冻融机等。其中共振仪为苏州纽迈公司生产的型号为 MesoMR23-060H 核磁共振分析仪，主永磁体、试样管、射频系统和数据采集分析系统组成。进行实验时，盛放试载具用隔温材料包裹，，并且单次测试时间不超过 1min，尽可能减小因温度的测量误差。全自动低温冻融机采用天津市港源试验仪器厂生产的 CLD 型动低温冻融试验机。该冻融试验机由制冷系统、控制系统及注水系统三大部成，采用空气冷冻的冻结方式，工作温度范围为-30℃~50℃，测温度精度 0备的启动、延时保持、停止都由仪表自动控制，无需人为调整和监视。该冻验机从环境温度降到-20℃只需 1.5~2 小时，降温速度快，所有标准均满足煤结实验的要求；；真空加压饱水装置为 ZN-BSJ 型智能真空饱水机，装置腔大负压可达-1MPa，实验设备及流程如图 3-1 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD713

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