煤与瓦斯突出过程中地应力、瓦斯压力作用机理探讨

基于煤岩破裂损伤理论和气固耦合方法,针对不同地应力和不同瓦斯压力条件,采用RFPA2D-Flow数值计算软件对煤与瓦斯突出发生、发展过程进行数值研究,获得了煤体裂纹孕育、扩展演化规律及突出孔洞变化特征,并结合红阳二矿、西马煤矿突出实例进行验证分析。研究表明:地应力与煤与瓦斯突出发生所需的最小瓦斯压力呈线性反比关系,地应力越高突出所需的瓦斯压力越小;高地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在剪-拉应力作用下,形成以"–"型和"I"型裂纹组成的网格型裂纹,宏观破坏呈楔形分布,而较低地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在拉应力作用下,形成"I"型裂纹,宏观破坏呈环状分布;突出过程中地应力的作用使煤体破坏以楔形方式发展,瓦斯的作用使煤体破坏以弧形方式发展,突出孔洞的最终形状由地应力和瓦斯共同决定。     

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。     

石门揭煤煤与瓦斯延时突出过程及其动力源分析

基于煤与瓦斯突出机理,本文分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出全过程及其动力源,阐述了地应力和瓦斯压力在延时突出过程中的作用及其对含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系,并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程.结果表明,煤与瓦斯延时突出不但与卸压区、应力集中区的强度、长度有关,而且与作用在煤体上的应力峰值和瓦斯压力等因素有关;煤与瓦斯延时突出动力源大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯及瓦斯内能、煤体物理力学性质及外作用等,延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的,瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要能量,因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力,是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.     

高应力松软突出煤层定向长钻孔水力冲孔技术研究

为解决松软突出煤层高应力区瓦斯动力灾害问题,以象山矿5#煤21511工作面为研究对象,采用数值模拟、现场考察方法分析了定向长钻孔水力冲孔前后及不同冲孔出煤量的煤体应力变化规律、塑性损伤发育特征和现场实际瓦斯抽采效果。结果表明：冲孔技术显著影响了周围煤体地应力分布,煤体卸压范围和塑性破坏范围大幅提升;冲孔出煤量与钻孔卸压区域半径、塑性破坏区域直径呈正相关关系;冲孔长钻孔单孔抽采量较普通长钻孔提升了23.5%,有效抽采半径平均提高了近12.3%。定向长钻孔水力冲孔技术不仅可远距离治理瓦斯,而且显著提升了钻孔抽采效果,具有技术可行性。     

隐伏断层对采空区悬顶诱发突出的影响研究

为了揭示采空区顶板诱发煤与瓦斯突出机理,进行了相关数值模拟研究。研究结果表明:采空区悬顶导致上覆岩层的重力传导至工作面附近煤体中,诱使煤体内部应力集中现象严重,塑性区范围增大。同时使得煤体内部的裂隙较为发育,裂隙范围也相对较大,为瓦斯的运移和储存提供了良好的地质条件;煤体内部的压力增大有利于瓦斯的吸附解吸活动;采空区悬顶使得工作面附近煤体产生应力集中且有利于裂隙发育而提高了瓦斯的运移和储存;隐伏断层的存在加剧了上述情况,使得煤与瓦斯突出的危险性进一步提升;通过3DEC模拟出了隐伏断层失稳时的泄压现象。     

非均布荷载条件下煤与瓦斯突出模拟实验

使用大型煤与瓦斯突出模拟实验装置,模拟不同集中应力区应力水平条件下的型煤试件的煤与瓦斯突出,探索集中应力区应力水平对煤与瓦斯突出特性的影响规律.通过对实验结果的分析,认为应力集中区应力水平的变化对煤与瓦斯突出有着重要的影响作用,具体表现在：随着集中应力区应力值的增加,煤与瓦斯突出的强度增加,抛出的煤体被破碎的效果也更为明显,而且突出后煤体的温度降低量也越大;另外,集中应力区应力水平对突出孔洞与煤层的夹角也有一定的影响作用。     

受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性

受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出(简称“突出”),为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理,本研究基于大型突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性,研究结果表明：突出初期,高瓦斯压力梯度和应力共同作用下低强度煤体发生破坏,瓦斯压力和应力同时跌落;突出中期,煤体将再次表现出一定承载能力,应力和瓦斯压力将因此升高,而当其达到煤体的极限承载能力时,煤体会被再次破坏,应力和瓦斯压力将再次下降;突出后期,煤体的内外荷载无法达到其破坏强度,导致其所承受的应力荷载会产生大幅回升,瓦斯压力下降速率减缓。突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用,温度变化则可等效为对煤体的压缩作用。突出过程中有效应力集中区会反复地向煤体深部转移,并在突出终止时逐渐恢复至原始位置,有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。随着突出的持续发展,卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向剪应力-正应力图的原点处靠近,但每个周期移动的距离逐渐缩短。此外,卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变,且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程,而集中区的主应力...     

煤与瓦斯突出对矿井通风系统的影响研究现状及展望

为研究煤与瓦斯突出灾变时期矿井通风系统灾变机理以及瓦斯爆炸二次灾害的防控机制,从冲击波对通风系统的影响、突出瓦斯对通风系统的影响以及突出煤体对通风系统的影响3个方面综述了煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究现状:首先,分析了冲击波破坏通风设备设施的影响因素以及冲击波在巷道中的传播规律;其次,分析了突出瓦斯在巷道中的运移过程及其诱导井下风流灾变规律;最后,分析了突出煤体在巷道堆积的影响因素。结果表明:冲击波的破坏效应与冲击波超压等因素有关,冲击波在巷道中的传播受巷道截面面积等的影响;突出瓦斯在巷道运移过程中产生的瓦斯风压能导致井下风流灾变;突出煤体在巷道的堆积主要与煤层深度和煤与瓦斯突出强度有关。根据煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究现状,结合当前煤与瓦斯突出模拟试验条件,分析了煤与瓦斯突出对通风系统的影响研究成果存在的不足及其原因,并针对当前研究成果存在的不足提出了改进煤与瓦斯突出对通风系统影响规律研究的方向。煤与瓦斯突出对通风系统的影响规律研究成果可以应用于煤与瓦斯突出影响范围的快速研判,以提高煤与瓦斯突出灾变时期的辅助应急决策能力。     

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。     

煤与瓦斯突出塑性区宽度的计算与分析

煤与瓦斯突出不仅与地应力、瓦斯压力、煤岩体强度有关,而且还和卸压区范围有关。卸压区越薄,集中应力区越接近工作面,卸压区煤体被冲破造成突出的可能性就越大。根据煤岩与其顶底板岩层接触类型不同,把煤岩体塑性区的求解分为柔弱端约束和固端约束两类,并运用不同的煤岩体破坏准则对这两种类型煤岩体卸压区宽度与塑性区宽度进行理论计算,得到相应的理论计算公式。煤矿企业可以根据实际情况,理论计算煤岩体塑性区宽度,从而确定安全宽度,以预防煤与瓦斯突出事故的发生。     

煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律研究

为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律,利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统,开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验,并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度.研究表明:在突出发生之前,煤层在吸附瓦斯过程中煤体温度随着瓦斯压力的增大而逐渐升高,煤层在达到吸附平衡后,煤体温度上升了2.6℃,位于煤层中心位置处的煤体温度明显高于边缘位置处;突出发生后,距离突出口较近的断面内煤体温度会出现突降现象,断面中心位置处温度下降量明显较大,而在距离突出口较远的断面,温度变化趋势与之相反;突出过程为热力学多变过程,煤体温度降低是由游离瓦斯膨胀做功和吸附瓦斯解吸造成的,煤体温度下降量和瓦斯膨胀能随着瓦斯解吸量的增加而增大.     

突出煤层回风巷合理位置确定

突出危险煤层采空区侧煤体内存在着瓦斯自然排放的"自消除突出危险区",其范围应与矿山压力在煤体内形成的塑性区范围相当。在对突出煤层采空区侧煤体瓦斯排放进行分析的基础上,结合保护层开采、封闭采空区、巷道支护和煤炭采出率等因素,提出了突出危险煤层采空区侧巷道留设3～5 m的小煤柱比较合理。最后通过713工作面回风巷掘进的现场试验验证了巷道位置选择的合理性。     

突出煤层放顶煤开采的危险性分析

在煤层开采过程中,工作面前方煤体将出现反弹区和压缩区,在反弹区内的部分吸附瓦斯解吸为游离瓦斯而导致瓦斯内能增加,在压缩区内煤体受压破碎,抵抗突出的能力降低。采用放顶煤开采时,反弹区范围扩大,煤体卸压程度增加导致更多的吸附瓦斯解吸为游离瓦斯。采用能量的观点,分析了反弹区范围扩大对突出的影响,得出了放顶煤开采导致突出危险性增大的结论。     

不同突出口径下冲击波穿越反向风门孔洞传播规律试验研究

为了研究突出口径对冲击波穿越反向风门孔洞(以风门底坎为例)传播规律的影响,搭建了煤与瓦斯突出模拟试验装置。基于物理试验,研究了不同突出压力、不同突出口径条件下冲击波在巷道内穿越反向风门孔洞的传播规律。结果表明：突出发生后冲击波以极快的速度在巷道内传播,且主要沿直巷道传播;冲击波超压变化并非一次完成,完成时间在0.6 s内;受反向风门阻滞作用,少部分冲击波穿越风门孔洞继续向前传播,其余部分与风门碰撞后发生反射,风门底坎尺寸越小,阻滞作用越显著,合理制定风门底坎尺寸能够遏止突出次生事故的发生;不同突出压力、突出口径下,冲击波超压变化趋势相似,冲击波超压峰值随突出压力、突出口径的增大而增大;突出口径越小,冲击波衰减速度越慢,超压曲线越平缓,超压变化持续时间越长。     

特厚煤层回采巷道塑性区形态特征及演化规律研究

针对特厚煤层回采巷道围岩破坏严重的问题,以义马煤田千秋矿21141工作面运输巷为工程背景,采用理论分析和数值模拟的方法,研究了回采巷道塑性区形态特征及其在采动应力作用下的演化规律。结果表明：(1)塑性区形态特征取决于双向载荷比值,不同的应力条件下,圆形巷道围岩塑性区呈圆形、椭圆形或蝶形分布。(2)受工作面回采的影响,特厚煤层回采巷道区域主应力场的大小和方向将发生改变。随着到工作面距离的增大,最大主应力沿回采巷道轴向先急剧增大后逐渐减小,在距离工作面处15 m达到峰值,最大主应力与x轴夹角则逐渐增大并接近于竖直方向,最小主应力也呈先增大后缓慢减小,峰值位置在距离工作面约25 m处。(3)在采动应力作用下,工作面前方回采巷道塑性区形态特征会发生变化。随着到工作面距离的减小,回采巷道两肩角处塑性区不断向深部扩展,其形态由不规则逐渐演化成蝶形,塑性区蝶叶方向会随着最大主应力的变化而发生偏转。研究成果可为特厚煤层开采方案设计、回采巷道支护参数确定等提供理论依据。     

高压小射流破煤力学分析及防突机理研究

运用ANSYS/LS-DYNA模拟分析高压小射流冲击破碎煤体的力学过程,并研究其防治突出机理,验证了高压小射流在工作面煤体中形成超前槽洞,促使煤体暴露面积增大,煤层内部卸压,为瓦斯释放和瓦斯流动创造了条件。此外,在地应力的作用下,槽孔周围的煤体会向槽孔空间移动,进一步扩大槽孔卸压与瓦斯排放的范围,从而消除控制范围内煤体的突出潜能。     

高瓦斯煤巷掘进全负压通风技术探讨

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 ,以减少掘进头的瓦斯积聚 ,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以及防治煤与瓦斯突出的影响因素 ;通过改变大断面独头煤巷支护形式 ,缩小煤体的应力集中区域 ,可以降低煤与瓦斯突出事故。     

地应力与煤体强度综合指标的确定方法探讨

本文通过对掘进头前方的动态应力场的分析，结合现代岩石力学方面的结论，探讨了地应力在煤与瓦斯突出过程中的作用。然后通过将钻孔取样过程与巷道推进过程的比拟，提出了在突出预报中采用煤样的破碎度指标代替在突出过程中起重要作用的地应力与煤体强度的依据和设想以及测定方法。     

开滦矿区煤岩动力灾害的构造应力环境

运用空心包体地应力测量方法进行了开滦矿区地应力测试,系统分析了开滦矿区地应力场的类型、作用特征及其与区域构造的关系,在此基础上分析了开滦矿区煤与瓦斯突出、冲击地压和底板突水等煤岩动力灾害与矿区地应力场之间的内在关系。研究表明开滦矿区地应力场属于大地动力场,地应力以水平构造应力为主导,且属于高应力区。矿区地应力场的量值和方位受开平向斜的控制,开平向斜轴部区域应力值最高,随着远离轴部,应力值逐渐降低;最大主应力方位与开平向斜轴部走向近似垂直。构造应力场对开滦矿区煤体结构、瓦斯参数、煤体渗透特性等具有控制作用,开滦矿区煤与瓦斯突出和冲击地压发生在地应力值最高的开平向斜轴部区域,底板突水发生在地应力最低的开平向斜翼部区域。开滦矿区煤岩动力灾害具有统一的构造应力环境。     

石门揭煤煤与瓦斯延时突出动力源分析及其控制准则

基于煤与瓦斯延时突出机理,分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出动力源,阐述了地应力、瓦斯压力和煤岩体物理力学性质在延时突出过程中的作用及地应力、瓦斯压力时含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系、并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程.分析结果表明,煤与瓦斯延时突出动力源包括作用力和作用能量,作用力大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯压力、外作用等;作用能量大致有瓦斯内能、煤岩体弹性潜能、煤体物理力学性质等,延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的,瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要作用力,瓦斯内能、地应力积聚的潜能是主要能量.因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.在此基础上,提出了防治煤与瓦斯延时突出的三个准则,即分阶段释放动力源原则、应力转移原则和安全防护原则.