重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用

在大量瓦斯基础参数测试和瓦斯地质资料分析的基础上,从将军岭重力滑动构造的基本特征入手,分析了重力滑动构造的形成机制,研究了重力滑动构造对煤层厚度、煤体结构、应力状态、煤的变质程度、瓦斯赋存等的影响,阐明了重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用.研究结果表明,滑动过程造成了煤体原生结构遭到破坏,煤层厚度变化较大,煤的变质程度相对较高,吸附能力相对较强,瓦斯生成量相对较大.重力滑动构造后缘主要受到拉张应力作用,煤层顶板裂隙较为发育,且形成一系列高角度正断层,有利于瓦斯的逸散,不利于突出的发生;滑动构造前缘主要受到挤压应力的作用,易形成逆冲断层组合,并在煤层顶板形成一致密的隔水隔气层,阻碍瓦斯的逸散,使连接点以深瓦斯含量急剧增加,容易发生煤与瓦斯突出事故。     

Nappe structure＇s kinetic features and mechanisms of action to coal and gas outburst

逆冲推覆和重力滑覆的共性特征是存在一个以相对低的强度和高的剪切应变为特征的滑脱面或拆离层,分隔着其上下力学性质和应变特征不同的两盘。推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制主要表现为2个方面：①推覆构造形成过程中低角度滑动对煤体产生广泛的压剪作用,使得煤层作为相对软弱层面结构发生广泛的层域破坏和面域破坏,构造煤非常发育;②推覆构造的挤压应力环境以及地层增厚效应为瓦斯赋存提供了有利条件,低角度的主滑断裂面（大多为逆断层或逆掩断层）往往构成较好的瓦斯封闭系统,对瓦斯的赋存起一定的控制作用;推覆构造派生的具有压性特征的结构面形成了对煤层瓦斯系统的封闭作用。总体上推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制体现在其为煤与瓦斯突出创造了物质基础——高含量的瓦斯和低强度的煤体。     

地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制作用研究

为考察地应力对瓦斯压力与突出灾害的控制作用,通过理论分析和现场实例验证相结合的方法,分析了地应力的演化特征及构造应力对煤体结构、瓦斯压力和突出灾害的控制作用规律。研究结果表明：构造应力的演化对煤层瓦斯赋存及运移起主导控制作用,含煤地层在高构造应力作用下其煤层瓦斯压力梯度可能远超过静水压力梯度,形成高的瓦斯压力;在强烈构造运动作用下形成的构造煤具有煤体强度低、瓦斯吸附和放散能力强等特点。由于地应力对煤体结构和瓦斯压力均起到控制作用,可以认为地应力在突出灾害中起主导控制作用,是煤体破坏的主要动力,也是高压瓦斯存在的前提。最后文中以祁南煤矿72煤层的瓦斯突出灾害特征验证了构造应力对突出灾害的主导控制作用。     

突出孔洞构造煤与原生结构煤瓦斯吸附特性对比研究

为研究突出孔洞构造煤与原生结构煤孔隙特征对瓦斯吸附特性的影响,以三甲煤矿突出孔洞构造煤和原生结构煤为研究对象,运用压汞和液氮吸附实验相结合的方法对不同结构煤体孔隙结构进行研究;结合Menger几何模型分析不同结构煤体孔隙分形特征,进一步阐述孔隙结构分形特征对瓦斯吸附特征的影响。结果表明:原生结构煤与突出孔洞构造煤均存在滞后环,且突出孔洞构造煤的滞后环明显大于原生结构煤的滞后环;突出孔洞构造煤分形维数大于原生结构煤,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度比原生结构煤高,突出孔洞构造煤孔隙复杂程度为瓦斯的吸附准备了良好条件;突出孔洞构造煤整体孔隙发育情况比原生结构煤要好,微孔、小孔阶段孔隙发育情况远大于原生结构煤。     

平顶山矿区构造煤傅里叶红外光谱和~(13)C核磁共振研究

利用傅里叶红外光谱(FTIR)和核磁共振(13C NMR)技术对平顶山矿区不同变形程度构造煤和原生结构煤的分子结构差异进行了分析。红外光谱分析表明,构造煤的生烃潜能('A')和脂肪链长及支链化程度(B)均小于原生结构煤,芳脂比(I)大于原生结构煤,缩合度(DOC)变化不明显;随变形程度的增加,构造煤生烃潜能('A')逐渐减小,缩合度(DOC)逐渐增加。核磁共振分析结果显示,官能团对煤中芳碳率和脂碳率的变化有一定贡献,芳碳区存在显著差异的主控因素为带质子芳碳和桥接芳碳(fH,Ba),脂碳区中的主要影响因素是亚甲基碳(fb2);随变形程度的增加,构造煤中亚甲基碳(fb2)逐渐减小,带质子芳碳和桥接芳碳(fH,Ba)逐渐增加。通过对构造煤化学结构的傅里叶红外光谱和核磁共振分析,进一步揭示了构造煤在煤与瓦斯突出中的作用。     

岩浆侵入对煤与瓦斯突出的控制作用研究

从祁东矿岩浆侵入的形成机制入手,分析了岩浆侵入分布特征,岩浆岩侵入对煤体结构、构造煤的成因及分布、瓦斯异常赋存的影响,阐明了岩浆侵入对煤与瓦斯突出的控制作用。研究结果表明:岩浆以顺煤层上部侵入为主,改变局部煤层的顶板岩性,形成致密的隔气层;导致煤层、煤质在垂向上煤级分带异常显著,二次生烃含气量增加显著,二者控制着瓦斯异常富集赋存;构造运动伴随岩浆活动,形成构造煤和局部应力集中区,应力分析得出,中央回风下山巷道走向为近SN向,与最大主应力方向夹角大,巷道在掘进过程中煤体承受应力较大,产生构造煤,同时,构造煤特性决定其抵抗外来破坏的能力小,造成了该区域频繁发生动力现象。     

不同煤体结构特征对比研究

为研究构造煤的化学结构和组成特征,以沁水盆地寺河矿为例,采集井下原生结构煤及构造煤(碎裂煤、碎粒煤、糜棱煤)煤样,对4类煤样进行有机溶剂萃取后,借助核磁共振(NMR)、X射线衍射(XRD)及傅里叶红外光谱(FTIR)等测试技术对煤样的微晶结构参数进行分析测试。结果表明:构造煤在微观化学结构特征、大分子结构排列及主要官能团组成方面与原生结构煤相比,表现出了构造煤的专属性;宏观上揭示了糜棱煤的有序化程度最高,演化程度超前于原生结构煤,并在此过程中,碳氢键脱落,产生甲烷气体,脂肪烃的含量也有所减少,芳核缩聚程度增加;微观角度上揭示了构造煤糜棱煤发育区域容易发生煤与瓦斯突出。     

推覆构造的动力学特征及其对瓦斯突出的作用机制

逆冲推覆和重力滑覆的共性特征是存在一个以相对低的强度和高的剪切应变为特征的滑脱面或拆离层,分隔着其上下力学性质和应变特征不同的两盘。推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制主要表现为2个方面：① 推覆构造形成过程中低角度滑动对煤体产生广泛的压剪作用,使得煤层作为相对软弱层面结构发生广泛的层域破坏和面域破坏,构造煤非常发育;② 推覆构造的挤压应力环境以及地层增厚效应为瓦斯赋存提供了有利条件,低角度的主滑断裂面(大多为逆断层或逆掩断层)往往构成较好的瓦斯封闭系统,对瓦斯的赋存起一定的控制作用;推覆构造派生的具有压性特征的结构面形成了对煤层瓦斯系统的封闭作用。总体上推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制体现在其为煤与瓦斯突出创造了物质基础--高含量的瓦斯和低强度的煤体。     

论构造应力场及其演化对煤和瓦斯突出的主控作用

煤和瓦斯突出是地应力、煤的物理力学性质以及瓦斯压力三个因素综合影响的结果，而地应力中所包括的构造应力起主导控制作用。作者从多种角度、不同层次作了深入讨论。首先指出“残余构造应力”影响甚微；其次重点阐述了古构造应力场和现今构造应力场及其演化分别在控制谋和瓦斯突出中所起的重要作用，古构造应力促进瓦斯生成，改变瓦斯运移、赋存条件，破坏煤体结构等。现今构造应力构成了现今地应力的主体，直接参与突出过程。由此为有效防治煤和瓦斯突出提供了理论基础。     

高阶原生煤和构造煤等量吸附热分析

对比研究了高阶原生煤和构造煤等量吸附热,进一步阐述了构造煤易于瓦斯突出的原因。主要结果如下:随着吸附量的增加,高阶原生煤和构造煤等量吸附热均呈现先缓慢增加,再快速增加的趋势;而随着瓦斯压力的增加,原生煤和构造煤等量吸附热呈现匀速增加的趋势;在不同吸附量和不同压力下,原生煤的等量吸附热均大于构造煤;说明原生煤表面与甲烷的作用力大于构造煤的,在相同压力下瓦斯分子更容易从构造煤表面脱离下来;构造煤中瓦斯运移主要受控于裂隙瓦斯渗流,在构造煤瓦斯治理时尽量采取增透措施。     

大平煤矿特大型煤与瓦斯突出瓦斯地质分析

以瓦斯地质理论为基础，运用区域构造演化理论，分析了矿区、矿井瓦斯地质规律，调研了大平煤矿“10·20”矿难发生特大型煤与瓦斯突出的地质原因，即新密矿区中三叠世受构造强烈挤压作用，晚侏罗世至早白垩世、晚白垩世至第三纪受构造拉张和重力滑动作用.大平煤矿垂深450 m以浅，以低瓦斯为主；深部瓦斯地质条件复杂，存在着煤与瓦斯突出危险的分区、分带特征，并受地质构造的控制.“10·20”煤与瓦斯突出发生在构造复合部位，应力集中、构造煤发育，是岩石掘进工作面遇一逆断层而引起的.     

构造煤层位对煤与瓦斯突出的影响数值分析

构造煤是煤与瓦斯突出的必备条件。根据构造煤在煤层中的不同位置,建立了煤与瓦斯突出的构造煤层位数值实验模型。利用RFPA2D对数值模型进行了数值试验,从应力应变、破坏分布、瓦斯压力和瓦斯梯度变化等方面分析了顺煤层发育的构造煤分层在工作面掘进过程中诱发煤与瓦斯突出的作用。数值试验结果表明煤层中的构造煤层位影响着煤与瓦斯突出的始发条件,是煤与瓦斯突出的关键层。研究分析认为构造煤层位并不影响原始煤层瓦斯赋存分布规律,但是决定了诱发煤与瓦斯突出的主体和始突强度,诱发煤与瓦斯突出关键在于构造煤层内的高瓦斯压力梯度。     

煤与瓦斯突出过程中煤－瓦斯两相流的运动状态

运用经典气体动力学理论,对突出孔洞内煤－瓦斯两相流的运动参数进行了一维讨论,推导了压力、密度、速度及流量等参数之间的数学函数关系,分析了突出过程中煤－瓦斯两相流流动的临界状态以及与其相关的两相流声速理论,并通过数值模拟和现场实例对临界流动理论进行了直观描述。在煤与瓦斯突出过程中,煤－瓦斯两相流的出口流动状态与孔洞形态、瓦斯压力、煤体破坏速度、瓦斯含量等因素密切相关。当两相流在孔口达到并超过临界状态时,由于突出孔洞口小腔大的形状限制了瓦斯流的完全膨胀,此时喷出的瓦斯流处于未完全膨胀状态。大量未完全膨胀状态的瓦斯流在巷道空间的瞬间膨胀可产生巨大的动力效应,从而严重破坏矿井生产设备和通风设施。临界运动状态是影响煤与瓦斯突出动力效应的关键因素之一,它对煤与瓦斯突出灾害的预警和防护都有重要意义。     

淮南煤田逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出的影响分析

为了提高淮南煤田在地质构造带条件下煤与瓦斯突出防治的针对性,采用理论分析的方法研究了淮南煤田逆冲推覆构造和煤与瓦斯突出的关系,对淮南煤田逆冲推覆构造的几何学、动力学特征,以及该构造控制下的煤体结构、瓦斯赋存、构造应力分别进行了分析。研究结果表明,淮南煤田的逆冲推覆构造主要分布在煤田南北两缘,由华北克拉通与扬子克拉通于印支-燕山期相互碰撞挤压形成。煤田南缘逆冲推覆构造由南向北推覆,北缘逆冲推覆构造由北向南推覆,形成了反向相背倾斜的构造系统。淮南煤田逆冲推覆构造带内构造煤发育、瓦斯含量高为煤与瓦斯突出提供了物质基础条件,而较高的构造应力及瓦斯压力为煤与瓦斯突出提供了动力条件。从逆冲推覆构造对煤与瓦斯突出影响的角度分析了望峰岗矿"1.5"煤与瓦斯突出事故原因,分析表明:发生事故的C13煤层内构造煤发育,瓦斯含量高,构造应力集中,当主井施工揭开C13煤层时,原应力平衡状态被打破,煤与瓦斯大量喷出,导致事故发生。     

煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理

由于煤矿深部煤岩体物性、应力、瓦斯等因素显著改变,出现了应力主导型突出、低瓦斯压力突出等新的灾害特征。为了更好地指导煤矿深部突出防治工作,基于煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论,结合所建立的易突出构造煤体渗透率演化理论模型,揭示了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理。研究表明:煤与瓦斯突出灾害防控的核心是高效抽采瓦斯,其关键是设法降低地应力;降低易突出构造煤体所受地应力大小,可起到降低弹性潜能、提升煤层渗透率、促进瓦斯高效抽采、降低瓦斯内能等多重效应;煤矿深部开采煤与瓦斯突出灾害防控应因地施策,从卸荷消能和煤岩介质属性改造两方面着手,重点区域在采用卸压增透和瓦斯抽采措施后,还可采取一些提高煤体强度、抑制瓦斯解吸等改性措施,确保煤矿深部采掘作业的安全。     

基于失稳爆析的瓦斯突出机理研究

煤与瓦斯突出事故属于我国煤矿生产中的多发事故,但目前国内外对煤与瓦斯突出机理的认识尚不统一,通过对煤与瓦斯突出事故发生时现象及原因的统计分析,提出了“煤层失稳—瓦斯爆析”的煤与瓦斯突出机理,认为“外力扰动引起煤层单元体平衡应力骤增,突破煤层自身抵抗能力发生失稳而产生脆性变形,造成煤层单元体吸附瓦斯爆炸式解吸,爆析后有限空间产生的瓦斯压力导致煤储层压力（平衡应力）剧增,再次突破煤层本身抵抗能力发生失稳”,这一现象循环往复,最终导致煤与瓦斯突出。煤与瓦斯突出是在失稳指数、瓦斯爆析含量临界值“双指标”超标时,在外力诱导下而产生的瓦斯动力现象。煤与瓦斯突出防治应从降低煤层瓦斯爆析含量、增大煤层失稳指数和合理规避外力作用这3个方面进行,并提出了具体实施方法。     

Numerical analysis of coal-gas flow and pressure relief on the mining method of extreme short-range protective strata

The coal-gas existing condition was ameliorated in the coal seams prone to coal-gas outburst adopting the mining method of protective strata. The gas volume and the gas pressure were reduced synchronously in the protected coal seam, and the coal seam of high permeability prone to the coal-gas outburst was changed into that of low permeability with no proneness to the coal-gas outburst. The D₁₅ coal seam was treated as the protective strata, and the D_16–17 coal seam was treated as the protected strata in the Fifth coal mine in the Pingdingshan Coal Mining Group. The distance between the two coal seams was 5 m averagely, clarified into the extreme short-range protective strata. The numerical analysis was based on the theory of the porous media flow with the finite element method. The gas flow process and the change mechanism of the coal-gas pressure were analyzed in the process of mining the protective strata. Supported by the Grants of National Scientific Funds of Control Mechanism of Geologic Hazards Induced by Coal-gas(50534070)     

Study on the formation mechanism of shock wave in process of coal and gas outburst

According to the research results of motion parameters of coal-gas flow, analyzed the formation mechanism of shock waves at different states of coal-gas flow in the process of coal and gas outburst, and briefly described the two possible cases of outburst shock wave formation and their formation conditions in the process of coal and gas outburst, and then pointed out that a high degree of under-expanded coal-gas flow was the main reason for the formation of a highly destructive shock wave. The research results improved the shock wave theory in coal and gas outburst. Supported by the Key Program of National Basic Research Program of China (973) (2005CB221504); the Key Program of National Natural Science Foundation of China (50534080)     

阜新盆地构造应力场演化对煤与瓦斯突出的控制

阜新盆地是中燕山期(J₃-K₁)断陷盆地.盆地内断裂构造主要有北北东、北东、北西西、北北西和近南北向.盆地内主要褶皱构造呈北东向雁列式排列.位于盆地内的阜新矿区煤与瓦斯突出灾害频繁发生.研究认为，构造应力场多期演化使得大多数断裂历经了多期活动，对应不同的力学性质和位移方式.构造应力场的多期演化对局部构造应力、构造煤和瓦斯赋存的分布具有重要影响.在现今北西西向构造应力场作用下，盆地内北北东向、南北向和近南北向构造由于受垂直走向的挤压应力作用，形成应力集中带，渗透率降低，瓦斯保存较好，成为动力灾害多发地带；而北西西向构造相对受拉张应力作用，瓦斯易于逸散，动力灾害程度相对较低.北东向、北西向构造发生动力灾害的危险程度介于二者之间.     

构造凹地煤与瓦斯突出发生机制及其危险性评估

针对煤与瓦斯突出矿区的地形地貌特征，提出了构造凹地的概念，即矿区两侧或四周为隆起区，中间为低凹区，二者具有一定的高程差。基于理论分析和现场测量对构造凹地的地质动力状态的研究表明，构造凹地具有较高的水平构造应力，且水平差应力显著。构造凹地的高构造应力为煤与瓦斯突出提供了动力基础，同时使得瓦斯的运移和逸散受到了限制，因而具有较高的瓦斯含量和瓦斯压力，形成了煤与瓦斯突出的物质条件。最后提出了构造凹地的定量评价指标--构造反差强度及其计算方法，对部分构造凹地进行了计算，结果表明构造反差强度与煤与瓦斯突出灾害程度具有正相关关系。在此基础上提出了从宏观层次评估矿区煤与瓦斯突出危险性的方法。