煤与瓦斯突出地质控制机理探讨

在综合考察国内外煤与瓦斯突出研究基础上,从瓦斯地质角度深入分析构造煤体、高压瓦斯和构造作用等影响突出发生的关键因素,初步提出以瓦斯突出煤体为核心的煤与瓦斯突出地质控制机理。认为地质构造控制着煤层瓦斯的赋存和构造煤分层破坏程度以及厚度分布,控制着煤与瓦斯突出;煤与瓦斯突出动力现象是一定规模的瓦斯突出煤体在临近采掘工作面煤壁时,卸载引起煤体拉张向深部扩展破坏,煤层透气性高倍增加,同时煤体内大量瓦斯因降压而快速解吸,靠近煤壁的煤体内瞬间形成高动能的气、煤颗粒混合体,类似点爆炸药包,造成煤层严重崩塌破坏,发生煤与瓦斯突出。以郑煤集团大平煤矿“10·20”特大型煤与瓦斯突出为基础,进行地质控制煤与瓦斯突出实例分析,结合新疆自治区煤矿瓦斯地质特征揭示了瓦斯突出煤体发育和分布规律。     

突出煤-瓦斯在巷道内的运移规律

以煤与瓦斯突出过程中煤-瓦斯两相流为研究对象,利用自主研发的煤与瓦斯突出动力效应模拟试验装置进行了巷道中突出煤-瓦斯两相流试验研究,通过试验观察将煤颗粒的运动过程分为加速、平衡减速及沉降等运动阶段,并综合运用固体颗粒在气流中的悬浮运动机理和能量守恒定律,建立了一维情况下突出煤在巷道中的运移数学模型。通过模型计算分析得到,突出煤颗粒运移距离随初始气流速度的增大呈增大趋势,随颗粒粒径的分布规律由于其符合的流动状态不同而不同。     

基于气体驱动煤与瓦斯突出试验系统的研制与应用

为进一步研究气体驱动对构造带发生煤与瓦斯突出的影响规律及其孕灾机理,自主研发了“基于气体驱动的多场煤与瓦斯突出试验系统”,其主要由加载系统、三轴压力室、快速泄压系统、温控系统、数据采集系统、声发射监测系统、辅助系统等组成。该试验系统主要功能:① 可进行不同温度、不同瓦斯压力下标准型煤和原煤试样的煤与瓦斯突出试验;② 能进行不同尺寸煤样的突出试验,并能采用不同尺寸的突出口,控制突出强度;③ 将声发射探头安装在三轴室的压头内,使探头与试验系统一体化;④ 可通过次压力室的透明结构观察突出全过程;⑤ 试验系统含有多级压力室,改变突出口外部的气体压力,诱发延时突出。试验结果表明:气体压力对煤样有较明显的粉化作用,原煤煤样的突出现象更接近现场实际,突出后不仅存在粉化的煤粉,还有大量的大颗粒煤粉和小煤块,从而出现封堵突出口、抑制突出的现象。     

瓦斯压力对原煤渗透特性的影响

以松藻煤电公司渝阳煤矿8号突出煤层原煤试样为研究对象,利用实验室研制的三轴渗透仪,进行不同轴压围压条件下瓦斯压力对突出原煤渗流特性试验。试验结果表明,瓦斯渗流速度随着瓦斯压力的增加而增加,呈显著的二次多项式函数关系;随着瓦斯压力的增加,突出煤体的渗透率呈现出先减小后增大的趋势,具有明显的Klinkenberg效应;渗透率随瓦斯压力的增加呈“V”字形变化,具有明显的阶段性;随着瓦斯压力的增加,Klinkenberg系数b与绝对渗透率Kg之间呈显著的幂函数关系;瓦斯压力p与渗透率K之间呈显著的二次多项式函数关系。     

吸附作用对原煤渗透特性的影响

为了解吸附作用对原煤渗透特性的影响,利用自制的煤岩三轴渗透仪,在不同轴压和围压组合条件下,对以打通一矿低渗透突出煤层的原煤试样,采用稳态渗流法进行CO2和N2渗流试验。从渗流力学的观点,分析不同吸附性气体对原煤渗透率的影响。试验结果表明:气体吸附作用越强,气体吸附量越多,则煤样渗透率越低;气体吸附性越强,煤样受围压影响越小,煤样对气体吸附量增加幅度越大;气体压力与原煤渗透率呈乘幂函数关系。同时,给出了吸附膨胀应力与渗透率的关系表达式。研究结果对探索煤层真实的瓦斯运移规律具有一定的参考价值。     

煤与瓦斯突出过程中能量耗散规律的研究

对煤与瓦斯突出过程中煤体质点内的能量耗散过程用热力学定律进行了分析；论证了由地应力引起的弹性潜能最先消耗在煤体的破碎上，为谋体内瓦斯能的释放创造了条件；在突出过程中起决定作用的是煤体本身释放的初始释放瓦斯膨胀能．通过突出模拟及测定表明，受地应力破坏后的含瓦斯煤体在卸压初始时刻确实有一个释放瓦斯膨胀能的能量峰，并且该能量峰的大小与揭煤时的动力现象显著与否密切相关．     

煤与瓦斯突出强度预测的BP神经网络模型

煤与瓦斯突出是危害煤矿安全生产的主要因素,因此做好煤与瓦斯突出特别是突出强度的预测,为针对性的采取防突措施,防止突出事故的发生,减小突出所造成的危害具有重要的指导作用。通过对新安煤田二1煤层突出特征的统计分析和瓦斯地质规律的研究,找出了煤与瓦斯突出强度预测的主要影响因素。应用人工神经网络的有关知识,结合其主要影响因素建立适合于新安煤田煤与瓦斯突出强度预测的BP人工神经网络预测模型。并通过误差分析验证了该模型的正确性。     

卸压边界区径向瓦斯渗流特性试验研究

以淮北青东煤矿8号突出煤层煤样为研究对象,利用自行研制的径向瓦斯渗流实验系统,结合保护层卸压边界区地应力及瓦斯压力分布特征,进行变轴压、变瓦斯压力、变钻孔孔径条件下突出煤样径向瓦斯渗流试验。试验结果表明：相同轴压下,径向瓦斯渗流量随瓦斯压力增加而增加,成二次多项式关系,渗透率随瓦斯压力增加,在0~0.6 MPa内迅速降低,随后缓慢下降,并趋于稳定;相同瓦斯压力下,渗透率随覆压增加呈线性递减趋势;受钻孔卸压影响,在低轴压阶段,大孔径松软低强度试样渗透率显著高于小孔径试样的渗透率,随轴压增加,两者渗透率逐渐趋于一致。     

突出危险煤层微震区域动态监测技术

为弥补煤与瓦斯突出区域预测方法抽检、定点式指标存在的弊端,实现煤层突出危险性的区域连续监测,提出了突出危险煤层微震区域动态监测新方法,研究了微震监测技术实现区域监测的理论基础,建立了相应指标评价体系,并在突出矿井进行了应用试验。结果表明:利用微震频次指标、能量指标监测煤层采掘扰动、地质异常具有良好效果,利用震动波CT探测得出的区域应力场分布特征与理论分布相一致。这验证了微震监测技术实现突出危险煤层区域监测的可行性,为煤与瓦斯突出区域监测方法研究提供了新思路,可突破传统区域预测手段在时、空维度上的局限性,实现突出危险煤层区域动态、连续监测。     

突出口径对煤与瓦斯突出强度影响研究

改进大型煤与瓦斯突出模拟试验装置,增加两个气体压力传感器和两个温度传感器,进行突出口径分别为10mm,30mm,50mm的煤与瓦斯突出模拟试验。试验结果表明:在0.75 MPa瓦斯压力条件下,突出口径为10mm时没有发生煤与瓦斯突出,突出口径为50mm和30mm时发生煤与瓦斯突出,突出煤体质量分别为25.40kg和15.05kg。随着突出口径的减小煤与瓦斯突出的煤量减少,突出强度降低。突出口径的大小影响煤体突出的状态,突出口径越大,煤体突出的距离越远,破坏性也越高。突出后煤样中粒径在1.6~5.0mm范围内的煤颗粒比例减小,而粒径小于0.75mm的煤颗粒比例增加,体现了突出过程中的破碎功,具有较强的粉碎性。突出口径越大,煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出,煤体中瓦斯的放散受突出口径的影响,使煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同。突出口径越大,瓦斯压力降低越快,瓦斯对煤体的粉碎性越明显,突出强度也越大,突出过程中煤体温度也发生变化,说明突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和突出特性。     

基于层次分析法的煤与瓦斯突出预测研究

为了对煤与瓦斯突出进行预测,采用层次分析法研究了煤与瓦斯突出预测方法,分析了煤与瓦斯突出因素,对煤与瓦斯突出瓦斯压力和瓦斯含量临界值进行了确定。建立了煤与瓦斯突出的相关指标的层次分析模型。研究得出,某矿5号煤层的煤层瓦斯压力指标临界值为0.68 MPa,5号煤层瓦斯含量指标临界值为10.8 m³/t;影响煤与瓦斯突出的指标依次为煤的破坏类型和坚固性系数、顶板强度和厚度、煤层厚度、瓦斯压力、地质构造、瓦斯含量和埋深。研究为类似条件下煤与瓦斯突出预测提供了技术支持。     

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。     

基于灰色关联分析的突出预测指标敏感性研究

煤与瓦斯突出的影响因素众多,选取合适的突出预测敏感指标是突出危险准确预测的关键。本文利用灰色理论对煤与瓦斯突出预测指标的敏感性进行了分析,并运用灰色关联优选了九里山矿煤与瓦斯突出预测的敏感性指标。研究结果对煤与瓦斯突出预测具有重要的实际意义。     

工作面突出危险性预测敏感指标确定

为了确定突出煤层工作面突出危险性预测敏感指标,确保工作面突出危险性的精准预测,以四季春煤矿6号煤层为例,通过总结分析邻近区域及矿井6号煤层煤与瓦斯突出特征,构建了6号煤层工作面突出危险性预测指标敏感性分析标准。依据构建的工作面突出危险性预测指标敏感性分析标准,结合矿井工作面预测条件和《防治煤与瓦斯突出细则》相关规定,综合考察了6号煤层工作面突出危险性预测指标钻孔瓦斯涌出初速度(q)、钻屑瓦斯解析指标(K_1)、钻屑量(S)的敏感性,结果表明:6号煤层工作面预测指标钻屑瓦斯解析指标(K_1)敏感性较好,能够响应煤层全部煤与瓦斯突出特征;钻屑量(S)敏感性一般,响应煤层部分煤与瓦斯突出特征;钻孔瓦斯涌出初速度(q)敏感性较差,不响应煤层煤与瓦斯突出特征。最终确定钻屑瓦斯解析指标(K_1)为四季春煤矿6号煤层工作面突出危险性预测敏感指标,为突出煤层工作面突出危险性预测敏感指标的确定提供了参考。     

煤与瓦斯突出强度能量评价模型

从煤与瓦斯突出过程中能量耗散类型与岩石爆破机理的相似性出发,利用新表面学说和热力学定律分别计算了突出煤体的破碎功和突出瓦斯的膨胀内能,建立了煤与瓦斯突出强度能量评价模型。利用该模型对1960-2010年间38起煤与瓦斯突出强度评价分析表明,一半左右突出的瓦斯膨胀能比破碎功大1~2个数量级,仅用抛出煤体的质量来评价煤与瓦斯突出的强度是不合理的;煤与瓦斯突出强度能量评价模型综合考虑了突出过程中煤体的破碎功与瓦斯膨胀能,将煤与瓦斯突出释放的总能量折合成TNT当量,依据不同数量级TNT当量标准,将煤与瓦斯突出强度类型划分为C类突出（小于1 t的TNT当量值）,B类突出（1~10 t的TNT当量值）和A类突出（大于10 t 的TNT当量值）3类更具合理性。     

下峪口井田煤与瓦斯突出瓦斯地质分析

根据以往资料和实验测试结果,研究了下峪口井田煤与瓦斯突出的分布特征,采用定量的方法对煤与瓦斯突出的控制因素进行了分析,并确定了突出危险性预测指标及临界值。研究认为:本区突出点分布有明显的分区分带特点,影响煤与瓦斯突出的主要因素为褶皱构造、煤层埋深、煤体结构类型、瓦斯含量与瓦斯压力。瓦斯含量与瓦斯压力是突出产生的基础,褶皱构造、煤体结构类型与埋深是产生突出区域分布的主控因素。     

不同突出口径条件下煤与瓦斯突出模拟试验研究

使用自主研发的煤与瓦斯突出模拟试验装置开展了不同突出口径条件下煤与瓦斯突出模拟试验,以分析石门揭煤时含瓦斯煤体暴露面面积对煤与瓦斯突出发生发展的影响。分析结果表明：突出口径越大,煤体越易于破裂失稳并发生煤与瓦斯突出,所以,石门揭煤时煤体暴露面面积对煤与瓦斯突出有着一定的控制作用,合理设计揭煤工艺控制煤层新暴露面面积可有效防治煤与瓦斯突出;突出口径影响破断煤体中瓦斯的放散,使得煤体中瓦斯压力梯度变化趋势不同;突出口径越小,煤与瓦斯突出持续时间越长,瓦斯压力降低越慢,瓦斯对煤体的粉碎性越不明显,突出强度也越小,也因此改变了突出时温度变化量,结果在某种程度上说明了突出口径影响含瓦斯煤的破断失稳和抛出特性。     

基于ASP技术的煤与瓦斯突出危险性预测系统

结合煤与瓦斯突出预测的现状,提出了一种基于ASP技术的煤与瓦斯突出危险性预测系统。该系统把KBD 7瓦斯预报仪器和ASP技术结合起来运用到突出预测中,把计算机系统和网络平台结合起来,创建了煤与瓦斯突出预测的新方法、新途径,不仅提高了煤与瓦斯突出预测的可靠性和准确性,而且实现了煤与瓦斯突出预测的动态连续性。     

煤与瓦斯突出BP神经网络预测系统研究

煤与瓦斯突出是严重危害煤矿安全生产的一种非线性瓦斯动力灾害。文章将BP神经网络运用于煤与瓦斯突出预测模型,从煤与瓦斯突出的原因、BP神经网络用于煤与瓦斯突出预测的原理、运用实例三方面,对利用BP神经网络预测煤与瓦斯突出的研究加以阐释,证明了BP神经网路预测系统的精度高于传统系统。     

煤与瓦斯突出危险性综合判识方法研究

针对我国现采用的煤与瓦斯突出鉴定方法不能准确判定煤层是否具有煤与瓦斯突出危险性的问题,基于煤与瓦斯突出的演化过程,建立了煤与瓦斯突出激发过程的极限平衡方程,推导出了激发突出的判据关系式,表明突出发生与否直接与煤体强度、瓦斯压力、煤层方向应力和顶板支承压力相关,并与采高、支护作用等因素间接关联。结合典型的煤层物理力学和瓦斯参数,采用现有突出危险性鉴定方法和所建立的综合判识方法分别进行计算,并利用数值模拟方法进行验证,得出的综合判识方法对煤与瓦斯突出危险性的评价更为准确。