深部复合动力灾害危险性预测研究

深部煤与瓦斯突出矿井,由于地应力高具有突出、冲击地压单一灾害或突出与冲击地压复合动力灾害特点。采用实测瓦斯压力、瓦斯含量等参数进行突出危险性预测;采用实验室测试及理论计算的方法,研究坚硬岩层的冲击倾向性。通过对复合灾害的危险性预测,为灾害防治提供了重要依据。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究"这一科学命题,基于冲击地压"三因素"机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义"三因素"("物性因素"、"应力因素"及"结构因素")理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道"三级"吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流"横切纵断"防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。     

煤岩动力灾害能量机理的数值模拟

根据煤岩固体变形能和瓦斯气体膨胀能,建立了煤岩动力灾害统一能量方程,在数值模拟软件FLAC3D中编写了能量计算模块,并考虑采动应力波动载和流固耦合的条件分析了不同瓦斯初始压力作用下巷道围岩的能量分布状态,解释了深部开采条件下在一些含瓦斯煤层中出现的兼具冲击地压和煤与瓦斯突出2种灾害特征的动力灾害现象。认为瓦斯的不同参与程度导致了不同的动力灾害显现特征,瓦斯参与动力灾害的程度可由瓦斯压力或瓦斯含量来表征;煤体中瓦斯压力存在一个临界范围,当瓦斯含量高于此临界值范围时,动力灾害以煤与瓦斯突出的特征为主,反之则以冲击地压的特征为主;在低瓦斯压力下,瓦斯膨胀能量也具有与煤岩体变形能相当的数量级,对含瓦斯煤层的冲击地压研究不可忽视瓦斯的作用。     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

“煤与瓦斯突出矿井深部动力灾害一体化预测与防治关键技术”荣获国家科学技术进步二等奖

正1月10日,2013年度国家科学技术奖励大会在京举行。中国平煤神马集团"煤与瓦斯突出矿井深部动力灾害一体化预测与防治关键技术"荣获国家科学技术进步二等奖。该项目由中国平煤神马集团与辽宁工程技术大学等共同完成,主要针对瓦斯与冲击地压两种灾害在矿井深部开采中互为诱因、相互耦合,造成防治难度增大的问题进行研究,对矿井防治瓦斯突出、冲击地压灾害     

深部开采动力灾害综合防治技术研究

该文通过分析口孜东矿111303工作面动力灾害情况,针对高地应力低瓦斯工作面提出采用"采前瓦斯预抽达标、注水降低煤层冲击倾向性有效"的复合区域措施,证明了"预抽瓦斯+深孔注水"是防治煤岩瓦斯动力灾害最有效的方法。对矿井深部开采动力灾害(主要包括煤与瓦斯突出、冲击地压)治理有参考作用。     

“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”专题编者按

随着我国浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭,地下开采深度的逐渐延伸,越来越多的矿井将面临严峻的深部开采煤岩动力灾害问题。如何有针对性地开展防控深部开采过程中遇到的冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故,是摆在科研和生产工作者面前的难题。鉴于此,国家在“十三五”期间,将“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目,重点对煤矿深部开采条件下的冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害的危险性探测、防控机理和防控技术开展研究,本期第1~11篇论文基于该项目两年来的主要研究成果,从材料失稳角度研究了冲击地压的触发判据和从结构失稳角度研究了冲击地压的孕灾机制;系统研究了采掘巷道冲击危险性的探测与支护技术;从理论和数值模拟上研究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和深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理等。本期“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控”专题是上述成果的集中展示,希望有益于促进我国煤矿深部开采煤岩动力灾害的防控。     

深部开采复合型煤与瓦斯动力灾害的认识

煤与瓦斯突出和冲击地压灾害并存的煤矿进入深部开采后,灾害问的相互作用和诱导比较明显.通过分析平煤十矿"11.12"煤与瓦斯动力灾害的成因,阐述了平煤十矿存在的煤与瓦斯突出、矿震、冲击地压和岩爆4种单一煤岩动力灾害类型,对单一型灾害在深部演化为复合型煤与瓦斯动力灾害的基本条件和成灾模式进行了探讨,总结出发生复合型灾害的物质条件、动力条件和构造条件,认识到3种成灾模式.     

煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出转化机制

采用理论分析和案例分析等方法对煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出两类灾害在诱导瓦斯异常涌出方面的关系进行研究。通过分析得出冲击地压和煤与瓦斯突出诱发转化机制,为今后判断煤岩动力灾害的类型提供理论依据。     

深井煤岩动力灾害的连续卸压开采防治机理

深井煤岩动力灾害的防治理论与技术一直是煤矿安全开采领域的重要研究方向之一,但一直没有取得重大突破。基于目前我国煤矿深部开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压、巷道围岩大变形、承压水开采等重大灾害现状,聚焦煤与瓦斯突出以及冲击地压,借鉴煤与瓦斯共采的卸压开采机理,提出了卸压开采防治煤与瓦斯突出以及冲击地压的机制。展望了深部动力灾害控制的研究方向,认为现场试验、物理模拟、数值模拟和虚拟现实相结合的系统研究是研究深部动力灾害控制的有效手段和途径。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。     

煤与瓦斯突出综合预警系统在严重突出矿井的建设

为了提升煤与瓦斯突出矿井防突水平和抗灾能力,以事故预警理论为指导,从瓦斯灾害防治实验室和预警平台2方面为示范矿井建设了煤与瓦斯综合预警系统。通过预警系统建设,形成了适合矿井实际特征的煤与瓦斯突出综合预警指标体系和规则库模型,从煤层及瓦斯赋存特征分析、采掘空间安全情况分析、钻孔施工效果分析、日常预测指标发展趋势、瓦斯涌出特征实时跟踪、超掘(采)动态监控等方面实现了煤与瓦斯突出灾害的在线监测、超前预警和过程化控制。现场应用表明,预警系统具有较高准确性,能捕捉分析矿井瓦斯突出灾害的潜在隐患和预兆,能为矿井防突提供决策依据和技术保障,并促进矿井的精细化、规范化管理和信息化交流。     

煤与瓦斯突出矿井通风系统灾害演变仿真研究

为解决矿井煤与瓦斯突出导致瓦斯超限或引发瓦斯爆炸的重大次生灾害问题,建立瞬变流、对流扩散和有源风网方程,研究瓦斯突出在矿井通风系统中的动力影响和瓦斯运移传播过程。通过简单通风管网系统突出动力实验,研究在瓦斯突出源流动力与风机通风共同作用下矿井风流的非稳态运动特征。开发了矿井煤与瓦斯突出仿真软件NC2.0,模拟再现了焦作九里山矿"10·27"煤与瓦斯突出事故,在给定突出源模型(流量变化曲线)下对突出后瓦斯在矿井内非稳态流动及瓦斯分布进行仿真模拟。结果表明,突出后突出瓦斯源压力是导致风流发生变化的主要因素,并以波的形式辐射传播;瓦斯突出源高强度气流改变了矿井系统的风流运动,使回风侧巷道风量产生"过流"现象,同时抑制了进风侧巷道风量,严重时甚至出现逆流的现象。研究可为突出矿井抗灾救护预案制定、降低灾害损失以及防止二次灾害事故发生提供借鉴。     

深部开采动静载荷作用下复合动力灾害致灾机理研究

为研究深部开采动静载荷条件下冲击地压、突出两种灾害相互作用形成的复合动力灾害的发生条件与显现特征,利用重庆大学自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",以层状复合煤岩体为研究对象,进行了改变静应力组合、交变载荷频率和幅值、应变率及气体压力等试验条件的系列真三轴试验。试验结果表明:中间主应力、气体压力、交变频率和幅值、应变率等对复合动力灾害的显现特征均有较大的影响;真三轴试验条件下,层状复合煤岩体在临空面一侧多以劈裂成板、板曲折断的层裂形式破坏;基于荷载类型,可将复合动力灾害分为高静载型、扰动型、冲击型复合动力灾害3种类型,且在各类复合型动力灾害中,高压气体对复合动力灾害的孕育和发生具有积极的作用。     

煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展

新一轮能源变革正在孕育,互联网+及智能化发展势头强劲,在总结我国煤矿典型动力灾害预防存在主要问题及思考煤矿监控预警如何面对新一轮科技创新的基础上,提出了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警新理念与关键技术。煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警是在煤炭精准开采的理念指导下,基于多相多场耦合灾变孕育演化机理,利用灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术、多源海量前兆信息提取挖掘方法,能够实现煤矿典型动力灾害前兆信息深度感知、风险精准判识及监控预警的新模式新方法。该模式能够实现煤矿监控预警由传统的经验型、定性型向精准型、定量型转变,全面提升我国煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警能力。凝练了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的4个关键科学问题和8个主要研究方向,围绕基础理论研究、关键技术开发和预警平台搭建,重点阐述了12个方面的研究进展,为实现冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时精准预警提供了技术路径。     

瓦斯压力在线监测预警机制应用研究

为了能准确、有效、及时的预测预报井下煤矿瓦斯突出,根据高瓦斯煤层应力场与瓦斯场具有典型的耦合效应,且瓦斯压力场与地应力场的关系主要表现在瓦斯压力的变化上这一原理,并在平煤股份十矿己15-16煤层和己17煤层安装一套煤矿瓦斯突出灾害实时监测预警系统,利用该系统中的煤层瓦斯压力实时监测功能实时在线监测揭煤区域煤层瓦斯压力变化情况,结果表明：煤层瓦斯压力变化随着瓦斯抽放时间而降低,而随着瓦斯解吸量的增加升高；监控到的瓦斯突出煤层瓦斯压力的变化符合正常规律,开发的煤矿瓦斯突出灾害监测预警系统能够连续监测煤层瓦斯压力及其变化动态,为煤矿瓦斯突出灾害监测预警提供了技术基础和有效手段。     

煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术“十三五”研究进展

冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿典型动力灾害的风险判识和监控预警是煤矿安全生产的重点和难点。在“十三五”期间,针对该问题重点开展了煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警关键技术研究及装备研发工作,建立了开采扰动和多场耦合叠加效应下煤矿动力灾害孕育演化机理和发生发展的新理论,提出了煤矿典型动力灾害多参量前兆信息智能判识理论及预警模型;开发了具有故障自诊断、高灵敏、标校周期长的前兆信息采集传感技术与装备;通过对异构数据融合、自组网、抗干扰等技术研究,提出了矿井关键区域人机环参数全面采集、多元信息共网传输新方法,为煤矿典型动力灾害监控预警系统安全无故障运行提供了技术保障;构建了自动化、信息化、智能化预警平台,平台具备故障自诊断、高灵敏、响应时间短、标校周期长、抗干扰等功能,预警准确率提升到90 % 以上。通过煤矿典型动力灾害监测预警基础研究-关键技术开发-应用示范的有机融合,实现了煤矿重大灾害灾变隐患在线监测、智能判识和实时准确预警。     

平顶山矿区深部复合型动力灾害特征及防治对策研究

分析了平顶山矿区煤与瓦斯突出灾害发展过程及特征。随着开采深度的增加,该矿区出现了具有矿山冲击和煤与瓦斯突出双重危险的复合型动力灾害;平顶山矿区动力灾害分布受区域构造的控制,分为弱突出区和严重突出区;在分析复合型动力灾害特征和发生条件的基础上,提出了复合型动力灾害防治对策,对平顶山矿区深部安全开采具有重要指导作用。     

平顶山矿区深部矿井动力灾害预测方法与应用

煤与瓦斯突出、冲击地压等矿井动力灾害严重威胁着我国深部矿井安全高效生产,当前总体缺乏准确的预测理论与方法。为了提高平顶山矿区深部开采阶段动力灾害发生的预防与治理水平,在分析矿区自然地质动力条件的前提下,以平顶山东部矿区为研究目标,基于最大主应力、应力梯度等因素对矿区动力灾害发生的潜在危险进行了预测分区,发现地形曲率对平顶山东部矿区的煤与瓦斯突出概率产生较大影响。平顶山东部矿区的正曲率半径范围内煤与瓦斯突出比率占总突出次数的80. 21%。同时,基于煤与瓦斯突出系统的能量特征,确定了平顶山东部矿区煤与瓦斯突出的临界能量为106J。在前期利用地质动力区划方法划分Ⅰ～Ⅴ级活动构造的研究基础上,进一步考虑开采活动作用的影响,明确目标煤层、目标采区动力灾害发生的模式,进行动力灾害二级预测。对八矿、十矿和十二矿规划区域划分Ⅵ级和Ⅴ级断裂构造,确定该区域断裂构造的分布特征和相互作用关系,建立相应的空间信息分析系统,分析活动构造的活动规律,发现平顶山东部矿区的煤体瓦斯主要受控于褶曲构造、断裂构造和构造之间的复合、联合、组合等地质构造。煤与瓦斯突出事故发生在地质构造带的次数占总次数的69. 6%。同时,确定了平顶山东部矿区的区域断裂构造的分布方式,Ⅵ级和Ⅴ级活动断裂区煤与瓦斯突出的局部分布特征。