爆破应力波在构造带煤岩的传播规律及破坏特征

针对煤矿井下爆破作业扰动到构造带煤岩体容易诱发煤与瓦斯突出事故的现实背景,根据爆破应力波在构造带煤岩的传播规律结合相似模拟实验和数值分析,研究应力波对构造带煤岩的损伤破坏特征及其对煤与瓦斯突出的影响作用机理。研究发现,爆破应力波从岩体传播到构造松软煤层时,在煤岩交界面发生了波的透射和反射;透射的压缩应力波作用于煤体,使煤层裂隙增加;反射的拉伸应力波反作用于岩体,使位于岩体内相应测点的应力值增大约1.1倍,在靠近松软煤体一侧的岩体内形成交叉网状裂纹,加大了岩体的破坏程度和破坏范围。构造松软煤体加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致构造带煤岩交界面的煤岩体损伤严重,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。     

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。     

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。     

含自由面岩体预裂爆破控制技术

运用波的传播规律及力学知识,分析了应力波在自由面附近的传播形式,得出了采用反射系数表示岩体自由面反射前与反射后的应力关系式,认为反射应力随应力波入射自由面角度增大而减小。根据柱状爆破岩体破坏特征将含自由面岩体分为:爆破空腔、裂隙发育区、弹性区和反射应力拉伸破坏区,并针对煤层预裂爆破提出了保护自由面完整性的方法。运用LS-DYNA程序模拟了爆破应力波在自由面及无反射边界面的传播形式,认为应力波在自由面处发生反射,在距自由面0.5~0.8 m范围内形成反射应力波作用区。     

干旱区露天煤矿复杂岩体爆破技术方案设计研究

为了减小干旱区深凹露天煤矿在非均质复杂岩体赋存条件下深孔爆破所产生的岩体大块和爆堆不规整给采装、运输安全作业带来的影响及爆破飞石对采掘场内安全设施和设备带来的危害,提出了干旱区非均质复杂岩体爆破关键技术,即:针对不同复杂岩体破裂面构成形态,优选具有实现多段位逐孔毫秒微差、多种起爆单元形式组合和炮孔连接线可变的V型斜线毫秒微差起爆网路;优选确定爆破参数和毫秒微差间隔时间,根据复杂岩体赋存状况,采用三角形布孔、小药包不耦合装药的大区多排孔深孔爆破和逐孔毫秒微差起爆;增加岩体内爆破侧向自由面,增强反射拉伸波在爆破侧向自由面处对后爆孔岩体的径向拉应力作用,从岩体构造与爆破作用之间的关系揭示干旱区非均质复杂岩体破岩机理;选用低爆力工业炸药孔内多点瞬发起爆,减少爆炸应力波对岩壁的过度破碎而增加爆生气体的爆破作用时间使爆破效能持续有效.爆破实验结果表明,采用优化的爆破设计方案和关键技术,能较好解决非均质复杂岩体爆破难题,使爆破作用更加有效,爆破能量分配更加均匀,爆堆更加规整便于采装和运输.     

韩城矿区3#煤层突出灾害特点分析及其防治对策

针对矿区3#煤层厚度大,瓦斯压力、含量高,煤层松软、透气性差,煤与瓦斯动力灾害严重的现状,通对韩城矿区的瓦斯地质赋存规律及瓦斯动力灾害的特点进行梳理和深入剖析。研究结果表明:韩城矿区3#煤层瓦斯灾害主要是以高地应力为基础的构造应力、采动应力集中造成的瞬时突出,部分异常松软区域会发生以高地应力为基础的准静载作用下的蠕变延时突出,据此提出了加强地质探测工作,从煤层瓦斯抽采和应力卸除两方面防治煤与瓦斯突出灾害的技术思路,为矿区防治瓦斯动力灾害提供理论指导。     

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。     

监测监控系统在瓦斯突出矿井掘进工作面中的应用

1 产生煤与瓦斯突出的原因 煤与瓦斯突出是从煤(岩)壁向采掘工作面突然喷出大量煤与瓦斯的现象,其突出的机理非常复杂,一般认为主要来源于两方面:①煤体上部直到地表这个空间上方的岩体向未被采掘煤体上方转移,就是说煤体内部存在有岩体自重应力、地质构造应力和采场支撑应力;②随着煤矿开采深度的增加、煤体中赋存的瓦斯含量的增加,在煤层中的地应力和瓦斯压力逐步增大,瞬间释放出大量的瓦斯和煤.     

红菱煤矿石门揭煤突出过程模拟研究

运用Ansys、Flac3D有限元分析软件,在实测地应力、煤岩体力学性质和瓦斯压力的基础上,以红菱煤矿‘6.20'特大煤与瓦斯突出事故为背景,对煤与瓦斯突出中地应力、瓦斯压力、煤岩体力学性质等综合作用下的复杂力学过程进行了数值模拟;并对揭煤前的应力集中、揭煤后应力诱发煤岩破裂和瓦斯压力驱动下的煤体抛出三个阶段进行了阐述.模拟结果,较好地再现了含瓦斯煤岩由萌生裂隙、发生破坏、大量突出直至突出孔洞达到稳定、突出停止的过程,并与事故现场调查结果进行了对比,两者具有较好的一致性.红菱煤矿石门揭煤突出过程的机理研究,对该矿后期的深部开采具有一定意义.     

复杂地质条件下工作面瓦斯综合治理技术实践

中马村矿二1煤属于严重煤与瓦斯突出煤层,27011工作面原煤瓦斯含量高,煤层赋存不稳定,煤层分叉且煤质酥软。根据不同区段的瓦斯地质特征,通过顺层交叉钻孔、"穿层"钻孔及利用"穿层"钻孔进行水力冲孔等区域措施,结合松动爆破、浅孔抽放等局部措施,消除了回采工作面的突出危险,杜绝了瓦斯超限,实现了工作面的安全快速回采。     

冲击地压耦合的煤与瓦斯突出防治技术

基于对冲击地压耦合的煤与瓦斯突出发生机理的认识,通过逆向改善发生煤岩瓦斯耦合型动力灾害的材料属性条件、环境应力强度条件、触发动力条件及瓦斯地质条件和开采扰动条件,实现冲击地压耦合的煤与瓦斯突出的防治。     

穿层控制爆破的卸压、增透作用分析及数值模拟

运用岩石断裂力学和爆炸力学理论,分析了在高瓦斯低透气性有突出危险的煤层中进行穿层深孔预裂控制松动爆破的机理,得出穿层爆破过程中在煤岩体结合处进行卸压增透是提高煤层透气性的关键;运用数值模拟的手段对穿层控制爆破在煤岩中的爆破效果进行了分析对比。综合分析结果并结合现场测试的数据,得出穿层深孔控制爆破在一定范围使原岩高地应力场发生改变,并沿巷道掘进方向向前方煤体和巷道两帮深部转移,同时提高煤层透气性,使高压瓦斯加速排放,减少了突出势能,有效防治了煤与瓦斯突出和冲击地压,具有重要的理论和实用价值。     

爆破扰动诱发煤与瓦斯突出机理研究

炮采依然是一些高瓦斯矿区的主要开采方式,研究爆破扰动诱发突出的机理具有重要的理论与实际意义。通过理论计算和数值模拟分析了爆破扰动诱发煤与瓦斯突出的机理。研究表明,炮采工作面煤体及围岩裂隙发育,瓦斯运移通道较多,有利于瓦斯的运移和集聚;爆破扰动减弱了瓦斯的吸附能力,增加了瓦斯的游离量;爆破使巷道潜能瞬间释放,造成煤岩体的应力状态发生突变,而应力的急剧变化在一定的条件下极易导致煤体的瞬间失稳而诱发煤与瓦斯突出。     

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。     

关于煤与瓦斯突出的数值模拟

根据煤岩体介质变形与瓦斯渗流的基本理论,建立了煤岩破裂过程气固耦合作用的RF-PA2D-GasFlow模型,应用该模型对煤与瓦斯突出进行数值模拟,再现含瓦斯煤岩在瓦斯压力、地应力及煤岩力学性质共同作用下煤岩损伤破裂并诱致突出的全过程,这为进一步深入理解煤与瓦斯突出机理及瓦斯抽放防治突出等提供理论基础和科学依据。     

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。     

岩浆侵入破坏区煤层瓦斯地质规律

当岩浆侵入破坏煤系时,煤层瓦斯赋存规律会变得异常复杂。利用瓦斯地质学和煤层气地质学的方法,对岩浆侵入破坏区煤层瓦斯地质规律进行了研究,结果表明:岩浆侵入煤层与煤发生接触热变质作用,使生成的瓦斯量发生变化;使瓦斯的赋存状态发生变化,同时有可能导致瓦斯成分的改变;还会使其影响带的煤体结构遭到破坏,局部形成构造软煤分层,在岩浆岩体尖灭处及岩浆岩体与断层的组合部位是煤与瓦斯突出的有利地带。     

“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”专辑特邀主编致读者

正近年来我国煤矿安全状况持续好转,煤矿百万吨死亡率已从2005年的2. 711下降到2019年的0. 083,但煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合灾害仍时有发生。冲击地压、煤与瓦斯突出发生机理复杂,通常没有明显宏观前兆,难以准确预警。同时,深部开采地应力明显增高,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著变化,煤岩变形破坏呈现出典型的脆延转化、大变形和冲击性,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。     

基于多重分形奇异性理论的瓦斯地质规律预测方法——以淮南矿区潘一矿为例

煤层瓦斯赋存受多期、多种地质因素制约,具有区域分区分带、局部强烈非均衡性叠加特征,其中局部奇异性是造成瓦斯富集异常及煤与瓦斯突出致灾的主要原因。通过借鉴和利用多重分形奇异性理论建立了瓦斯地质规律预测新方法,并以淮南矿区潘一矿13-1煤层瓦斯地质研究为例,探讨了煤层瓦斯的奇异性特征及地质控制机理。研究发现:煤层瓦斯的非线性分布及局部富集特征与地质过程中的奇异性现象具有本质上的一致性,多重分形奇异性方法能够准确描述瓦斯地质规律的奇异性和突变性。通过潘一矿实例研究,揭示了煤层瓦斯赋存的奇异性特征,并将矿井瓦斯赋存分为正常区、逸散区和富集区,发现正常区与高富集区之间突变区易发生煤与瓦斯突出灾害;构造煤局部异常发育及高构造曲率反映出的强挤压应力环境是造成煤层瓦斯奇异性富集的主要控制性因素。     

瓦斯气体在煤体爆破损伤断裂过程中的作用机理研究

利用试验结果、数值计算结果和理论分析结果综合分析了瓦斯气体在煤体爆破损伤断裂过程中的作用机理。煤体爆破损伤断裂过程包括爆炸应力波作用的初始阶段和爆生气体与瓦斯气体共同作用的后期阶段,瓦斯气体在整个过程中具有积极作用,它能增大爆破损伤程度和爆破裂纹扩展速度。在爆炸应力波作用阶段,瓦斯气体的存在能增大应力波峰值和作用时间,降低拉伸相内应力波衰减速度;在爆生气体作用阶段,瓦斯气体参与爆生气体驱动裂纹扩展,随后瓦斯压力场与爆生气体准静态应力场叠加促进爆生气体驱动裂纹的进一步扩展。