高预应力锚杆支护对煤与瓦斯突出控制作用研究

采用FLAC3D和COMSOL Multiphysics多物理场数值模拟软件分别对不同支护条件下高瓦斯煤层掘进巷道周围煤岩体应力场、能量场分布特征和煤层瓦斯流动规律进行研究。研究结果表明：锚杆预应力在巷道断面上形成整体压应力结构,在掘进推进前方,后方支护区域的锚杆预应力形成连续分布的压应力带,使预应力扩散到空顶区。预应力越大扩散范围也越广,对抑制空顶区煤岩破碎、变形有重要作用;高预应力锚杆支护能减少煤岩体内能量集中,但不会产生瓦斯积聚;高预应力锚杆支护能在一定程度上降低煤与瓦斯突出的危险。     

基于能量源-能量耗散理论的突出煤层最优掘进速度判定

以南山矿某工作面为例,对不同工作面掘进速度下的前方煤体内应力状态、煤体的透气性及瓦斯压力(或梯度)分布的变化规律进行了分析,并给出了各参数与距工作面距离的函数关系。最后依据分析结果,利用能量源-能量耗散理论对南山矿某工作面不同掘进速度下的突出危险性进行了判定,给出了安全合理的掘进方案,并取得了成功。研究结果表明:随着工作面掘进速度的提高,前方煤体内的峰前区减小、应力集中系数增加、煤壁附近煤体透气性增强、高透气性区域减小、前方煤体内瓦斯压力梯度增加、低瓦斯压力(或低瓦斯含量)区域减小,煤层突出危险性增强。     

采场应力变化模拟分析

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,考虑到煤岩体介质的非均匀性等特点及煤岩体破裂过程中煤岩体变形和瓦斯压力之间的耦合作用,建立了煤岩破裂过程气固耦合作用的RFPA2D-GasFlow模型,对含瓦斯煤岩体和不含瓦斯煤岩体开采过程中应力场的变化进行了对比研究。结果表明,随着开采的进行,采场煤岩体中的应力场在不断发生变化,应力峰值随开采的进行不断向工作面前方转移,而且其值也在不断变大,峰值增加的幅度及工作面前方的应力梯度随开采的进行逐渐增大。     

深井采动巷道围岩应力分布及瓦斯流动规律研究

为了掌握深井掘进巷道围岩应力分布规律,结合现场监测、实验室测试和数值分析的研究方法,系统研究了低位巷与煤巷的时间、空间关系以及采动影响下煤岩体内裂隙发育特征,揭示了应力场、裂隙场演化规律与瓦斯流动规律。现场监测表明,随着工作面的推进,煤岩体裂隙网络的分布区域逐渐向开采方向和上覆岩层方向发展,应力扰动同时引起了瓦斯流量出现正弦曲线式的起伏波动,围岩支承压力逐渐增加,因此在离工作面25 m以内时要加密钻取瓦斯抽采钻孔形成瓦斯抽采钻孔群,对煤层瓦斯进行抽采,以降低瓦斯压力减小突出危险;在距离工作面60 m处,需要采用有效的支护结构对围岩进行支护,以保证围岩的稳定性。     

利用炮掘工作面瓦斯涌出量反演煤体瓦斯含量

为了研究工作面瓦斯涌出特征与工作面前方5～10 m内煤体可解吸瓦斯含量之间的关系,选用某矿炮掘工作面作为研究考察对象,根据该工作面巷道壁煤岩体与采落煤岩体瓦斯涌出的特点,将两者进行了有效的分离,从而比较准确地反演出掘进工作面煤体的瓦斯含量,较为有效地弥补了传统瓦斯含量测定技术的不足,并为利用瓦斯涌出动态连续预测煤与瓦斯突出危险性提供了新的思路。     

深部高瓦斯煤层大巷揭煤区域防突技术

针对顾北矿南翼轨道大巷揭煤问题进行了区域性防突技术与应用研究。首先由巷道掘进工作面向前方钻孔,探测工作面前方煤岩体赋存情况|其次通过监测瓦斯压力和瓦斯含量及煤体强度的方法对煤体的突出危险性进行了预测,确定了巷道工作面前方煤体为突出煤体|提出了地面与井下联合洗煤的区域防突技术,对顾北矿南翼轨道大巷进行了消突,并对区域消突效果进行了检验,最终顺利实施了大巷揭煤。研究结果表明,地面和井下联合洗煤区域防突技术,有效地防止了煤与瓦斯突出现象的发生,具有较高的社会效益和推广应用价值。     

采动影响下突出煤层地质异常区域的微震特征规律研究

煤与瓦斯突出灾害是当前威胁矿井安全生产最为严重的动力灾害之一,断层等地质异常区域极易诱发该类事故的发生。通过分析采动影响下突出煤层的断层活化力学机制,以贵州某突出矿井掘进巷道为例,利用高精度微震监测系统对掘进过程中的微震时空分布与演化规律进行了研究,分析并获得了采动范围内地质异常区域的微震响应规律。结果表明,工作面掘进期间微震事件群普遍分布于巷道周围,最远可达前方112.8 m、后方91.0 m;采动引起断层上下盘错动导致岩体内部能量的释放,是断层活化型微震活动的主要原因。通过对采动过程中影响范围内断层的实时监测发现,在与断层区域相距15 m时,该区域微震事件增加,初期以大能量震动信号为主;随着与断层距离的缩小(5m),微震事件数逐步增加到峰值,并主要聚集于断裂面周围;随着断层形成新的稳定结构,微震活动减弱并逐渐恢复平稳,这时微震事件逐渐减少直至平静。由此可以看出,采动影响下的地质异常区域存在明显的微震响应特征,这为深入分析断层控制型瓦斯突出事故发生机理,实现煤与瓦斯突出的准确预警提供了一种新的思路。     

基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

针对华南地区突出矿区分布广泛、煤与瓦斯突出事故严重的现状,结合该地区地质构造复杂构造煤广泛分布和大部分矿井采用炮采炮掘工艺的特点,提出一种基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,并对该模型进行了理论分析。研究表明:爆炸应力波在传播过程中形成的稀疏波会引起该波经过的区域密度减小、体积增大,煤层瓦斯压力降低,进而破坏煤体瓦斯原有吸附平衡状态,大量吸附瓦斯解吸导致煤层瓦斯压力上升;当掘进工作面前方煤体一定深度存在构造煤带时,爆炸应力波从掘进工作面爆源传至未破坏煤体与构造煤带交界面,由于爆炸应力波的反射加强作用使构造煤迎波一侧未破坏煤体产生拉伸破坏,而掘进工作面前方存在的应力集中带不会引起爆炸应力波对煤体产生反射拉伸加强破坏作用;掘进工作面向构造煤带推进需要周期性的爆破作业,爆炸应力波的强度随着距爆源的距离增加而衰减,产生的爆炸应力波对煤体的瓦斯解吸作用和破坏作用不断增强,产生爆炸应力波的累加效应。     

工作面打钻诱导突出机理分析及其预防措施

为分析煤矿井下工作面打抽放钻孔和防突钻孔过程产生的煤与瓦斯突出机理,分析了打钻时的突出过程,并从工作面煤岩体强度硬度、工作面三区分布规律、煤体的应力应变全过程、钻孔能释放地应力、钻孔周围煤岩塑性区半径、煤岩体流变机理等方面对该类突出进行了理论分析。研究结果和工程实践表明：工作面钻孔能有效排放工作面煤体中的瓦斯和降低瓦斯压力、增大工作面卸压区长度、增大工作面防突屏障厚度,起到防突效果;但在工作面打密集钻孔会破坏煤岩体原有结构、降低煤岩体原有的硬度和强度、降低工作面防突屏障的强度,同时在打钻孔过程会产生扰动,以致增大突出的危险性。所以工作面打钻孔具有防突和诱导突出双重作用。     

掘进工作面煤岩失稳的动态分析及能量判据

煤岩的失稳是煤与瓦斯突出发生的先决条件。以理论分析和数值模拟为主要手段,分析了石门和煤巷掘进工作面煤岩体失稳前后应力和瓦斯的动态变化,研究了应力和瓦斯对煤岩体失稳的作用和影响,建立了煤岩体卸围压破坏过程中应力变化的动态分析模型,分析了破坏过程中升压和降压2个不同的阶段,解释了动态扰动下煤岩易于发生失稳的原因和机制,并提出了掘进工作面煤岩失稳的能量判据。以上研究对进一步揭示煤与瓦斯突出的发生机理和突出的探测预防具有一定的指导作用。     

地应力分布对动力灾害的影响规律分析

为研究地应力分布特征对煤与瓦斯突出的影响规律,采用理论分析和现场实例验证相结合的方法,即通过数值模拟方法分析原岩应力的分布对采动应力场、煤岩体的物理力学性质等要素的影响,探究应力方向对采面回采突出危险性影响规律,并结合桑树坪煤矿南一采区实测数据加以验证。研究结果表明,当最大应力方向垂直于巷道掘进或采面回采方向时,工作面前方应力集中现象更明显、卸压破坏区范围更大、煤体孔隙率更低,工作面发生突出危险率也更强。并结合桑树坪煤矿南一采区煤与瓦斯突出现象与地应力实测数据,验证了当最大主应力方向垂直于推进方向时突出危险性更大。     

含断层煤层群开采围岩应力演化规律研究

采用FLAC3D数值模拟分析煤层开采过程中邻近煤岩体及断层应力分布特点、裂隙发育演化规律、及煤岩层卸压范围。结果表明:切眼、工作面前方、断层面和断层端部均出现不同程度的应力集中现象。当工作面推进距断层一定距离时,采空区上下方邻近煤层卸压瓦斯大量运移并集中在开采空间。断层面应力与工作面应力区叠加贯通,达到应力最大值,此时应对该范围内的瓦斯进行合理的抽采,避免裂隙带形成的瓦斯积聚造成瓦斯突出。     

玉溪煤矿1301运输巷煤与瓦斯突出演化分析及监测技术试验

为对玉溪煤矿1301运输巷掘进过程中煤与瓦斯突出事故进行有效预测,结合巷道地质及瓦斯赋存情况,提出采用声发射瓦斯监测技术,通过数值模拟方法确定了掘进工作面声发射信号监测的主要区域为掘进工作面前方0~10 m,并通过试验确定了声发射强度的预警系数,现场应用结果表明:声发射监测监控期间,掘进工作面出现9次煤与瓦斯突出事故,声发射监测系统均有较好的响应。     

大断面掘进煤巷中间充填实现全负压通风试验研究

介绍了在淮南矿业集团新庄孜煤矿进行大断面掘进煤巷中间充填,形成一进一回的双巷,实现全负压通风系统的试验研究方案和研究过程。根据通风网络与瓦斯防治理论分析探讨应用大断面独头煤巷掘进工作面全负压风排瓦斯技术的可行性,以减少掘进头瓦斯积聚,降低瓦斯爆炸事故发生率;分析讨论大断面独头煤巷的支护———压力体系、巷道周围瓦斯煤体内的应力场与防治煤与瓦斯突出的影响因素,改变大断面独头煤巷支护形式,缩小煤体的应力集中区域,以降低煤与瓦斯突出事故发生率,保证掘进工作面安全、高效施工。     

爆破地震效应激发煤与瓦斯突出的监测分析

以某突出矿井1261采煤工作面爆破为例,测试了该工作面前方卸压区和应力集中区的爆破振动速度和爆破振动频率;通过对现场测试数据的回归分析,得出了振动速度、爆破药量及地震波传播距离三者间的关系;采用“db7”小波法分析了爆破振动频谱、能量分布及爆破地震效应对煤与瓦斯突出的激发影响。监测表明：工作面前方卸压区和应力集中区爆破地震效应较小,不能直接破坏该区煤体,但该区煤体获取爆破振动能量后,工作面瓦斯突出危险性将增大。根据煤与瓦斯突出能量方程和工作面条件,调整爆破方案,可以降低爆破地震效应对采掘工作面煤与瓦斯突出的激发程度。     

掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理猜想

借鉴巷道蝶型冲击地压理论及非线性动力系统理论,提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理的猜想,认为掘进巷道煤与瓦斯突出的力学本质是巷道掘进工作面前方极短时间内出现一定程度的蝶形塑性区增量,引发围岩内弹性能与瓦斯能的叠加并迅速释放,进而发生煤与瓦斯突出。从蝶型冲击地压与蝶型煤与瓦斯突出在塑性区变化规律上的一致性及突出能量源的大小等方面对猜想的合理性进行了论证,构建了煤与瓦斯突出危险性的评估指标体系,提出了发生煤与瓦斯突出的强度、应力、角度和触发事件等4个必要条件,确定了发生煤与瓦斯突出的充分条件;首次对煤与瓦斯突出现象、发生条件与过程进行了定量分析与定量(非定性)解释。研究成果为煤层巷道煤与瓦斯突出的预测、预报和防治提供了全新的思路。     

正断层附近煤的物理力学性质变化及其对矿压分布的影响

通过对正断层附近煤层显微裂隙、孔隙观测,力学性质实验和数值模拟分析,系统地揭示了正断层对煤的物理力学性质和矿压分布的影响。研究表明,正断层带附近煤岩体破碎,煤（岩）体中裂隙的发育程度随距断层面距离的变小而增强,煤岩力学强度越靠近断层越低;且裂隙的力学性质向断层面方向由张性向张扭、压扭性再到张性转化;断层导致初始应力场的挠动,局部产生附加应力。在采动影响下断层“活化”,随着距断层面距离的减小,工作面前方煤（岩）体中支承压力均明显增大,支承压力峰值位置向前方煤岩体中转移,在回采工作面煤壁和其前方断层之间煤柱之上压力分布类似于小的残留煤柱的情况,煤柱愈窄,压力峰值愈高,煤的抗压强度是残留煤柱承压作用的极限。     

煤巷掘进面应力场演化特征及突出危险性评价模型

针对掘进工作面煤与瓦斯突出灾害多发的现状,分析突出矿区原岩地应力场特征,利用FLAC3D计算分析多种条件下煤巷掘进面的采动应力和破坏区分布特征,建立煤巷掘进面突出危险性评价模型,研究煤巷掘进面突出危险性的主控因素及影响机制。结果表明:我国突出矿区浅部最大水平应力较高,深部逐渐过渡为准静水压力场;煤巷掘进面前方存在明显的采动应力分区和渗透性分区现象,最大主应力方向控制着卸压区和塑性变形区的发育特征,三向应力不均时掘进面突出危险性加大;在卸压区和塑性变形区内,煤体内垂直于巷道轴向的应力与距迎头煤壁水平距离近似呈线性关系;掘进面过软硬煤变化带时,前方煤体采动应力出现明显异常,当煤巷由硬煤区进入软煤区时极易发生煤与瓦斯突出灾害;掘进面巷道断面尺寸、沿巷道轴向的水平应力及瓦斯压力梯度越大,卸压区越短,煤体强度越低,则煤巷掘进面突出危险性越高;垂直于巷道轴向的应力通过控制煤体剪应力大小、煤的破坏程度和强度、煤体渗透率和瓦斯压力梯度等影响着掘进面突出危险性大小。     

汪家寨煤矿P41104掘进工作面实时跟踪预警突出危险性分析

为了解决汪家寨煤矿煤与瓦斯突出预测难题,应用煤与瓦斯突出实时跟踪预警系统,分析了P41104掘进工作面过断层、煤柱区、保护层范围期间同一时空上微震信号(大事件、小事件、能量)与瓦斯参数的相互变化趋势,得出了突出危险性等级。根据预警结果采用相应的防突措施和掘进工艺,大大提高了矿井的安全和生产效益。     

深部矿井掘进工作面煤体突出危险电位反演精细判识

深部煤炭开采条件下,煤与瓦斯等动力灾害更加严峻及复杂,对突出危险潜在区域进行精细判识,是监测预警深部煤与瓦斯突出灾害的基础和前提.常规预测手段无法在空间分布上对突出危险区域进行连续、精细监测.基于此,现场测试研究煤体掘进过程电位响应特征,根据双边电位反演模型提出掘进工作面前方煤体突出危险精细判识方法,并进行应用与验证.煤体掘进过程中电位信号与采动应力的变化基本一致,符合经典应力分布规律.电位信号在工作面发生大能量煤炮时处于高值水平且波动剧烈,表明电位响应能够反映煤体采动过程的受载破坏状态.构建双边电位反演成像模型,提出掘进工作面前方煤体(10 m内)突出危险判识方法.基于模糊数学统计结果确定电位反演临界值,对反演区域内的突出危险区域及危险程度进行区域划分与定量识别.结合钻孔瓦斯参数等常规指标对电位判识结果进行验证,统计表明电位反演云图中黄色危险区域对突出危险点的判识成功率为100％,红色危险区域的判识准确率为62.5％.电位反演方法能够精细判识掘进工作面前方煤体突出危险区域及危险程度,为深部煤岩动力灾害的监测与防控提供了新的研究思路和应用手段.