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.     

对突出做功的瓦斯内能的研究

介绍了突出模拟实验室研究瓦斯内能对突出做功的研究成果。通过模拟突出过程中煤的破碎和抛出,并对瓦斯破碎煤样与机械功破碎煤样进行破碎程度及能量对比分析,得出了瓦斯内能对突出做功的定量关系式。     

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.     

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．     

煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理的试验研究

利用自主研制的含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流装置及煤与瓦斯突出模拟试验台,对煤岩破断与瓦斯运移耦合作用机理进行了试验分析。研究结果表明：瓦斯运移改变了煤体的力学性质,即降低了含瓦斯煤的强度,加速了其破断进程;在相同围压条件下,瓦斯压力越大,则含瓦斯煤三轴压缩破断程度越高,瓦斯运移通道越多,瓦斯渗流流量则越大;垂直地应力越大,即瓦斯运移越困难的条件下,煤与瓦斯突出强度越大,突出过程中温度下降幅度越大,表明垂直应力越大,煤体破断程度越高,其内部瓦斯解吸量越大,释放出来的能量越多。     

地应力对羊东井田煤与瓦斯突出影响的研究

羊东矿为煤与瓦斯突出矿井,目前主采煤层大煤(2号煤)为突出煤层,在开采-400m水平时曾发生过2次突出动力现象,均表现为压出特征,分析认为地应力是羊东矿突出发生的主要条件。利用自行研制的煤与瓦斯突出装置,以羊东矿2号煤的原煤样为研究对象,开展了在较低瓦斯压力条件下地应力对羊东原煤突出影响的试验研究。结果表明同样瓦斯压力下,导致羊东原煤压出发生的应力具有临界条件;且应力越大,压出的煤量越多,煤体破碎程度越高,在煤体内残留的孔洞越大,压出特征表现越明显。     

逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性

煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程,瓦斯膨胀能是由煤层游离瓦斯与解吸瓦斯膨胀做功产生的能量,是煤与瓦斯突出的主要能量来源.发生煤与瓦斯突出时,煤层内部瓦斯在降压环境下进行解吸,为探讨逐级降压解吸下瓦斯膨胀能的变化特性,以晋城矿区无烟煤为研究对象,利用瓦斯吸附-解吸试验装置,进行逐级降压解吸和常压解吸2种解吸试验,分析了逐...     

煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响

研究了白坪井田构造煤厚度与煤与瓦斯突出的关系,发现了煤厚及其变化是控制煤与瓦斯突出危险性的主要因素,其关系如下:煤厚大,煤层瓦斯含量大,则煤层稳定性差;煤厚变化大,煤层瓦斯含量梯度和水平地应力梯度也大,煤厚及其变化可以控制瓦斯含量、地应力和煤层稳定性,进而起到控制煤与瓦斯突出的作用.     

煤厚变化对煤与瓦斯区域突出危险性的控制研究

根据新安煤田煤厚变化的规律及曾发生过的煤与瓦斯突出特征,从煤厚变化对瓦斯含量的影响、煤厚变化对地应力的控制这两个方面研究,得出区域上埋深控制了煤层瓦斯含量和地应力,瓦斯含量和地应力又进一步控制了煤与瓦斯突出危险性;煤厚控制了煤层瓦斯含量的变化和地应力变化,煤厚大、且变化大的区域,煤层瓦斯含量和地应力变化也大,突出危险性更大,是实际发生突出危险的区域。     

煤样粒径对初始释放瓦斯膨胀能影响的试验研究

为研究煤样粒径对初始释放瓦斯膨胀能的影响,对薛湖煤矿二2煤层不同粒径(0.5~1、1~2、2~5、5~10、10~15 mm)的煤样在同一温度条件下测定它们的初始释放瓦斯膨胀能。结果表明,任一粒径的煤样均随瓦斯压力的增大,具有的初始释放瓦斯膨胀能增大;在相同的瓦斯压力条件下,煤样的初始释放瓦斯膨胀能与平均粒径大致成负指数下降的关系,煤样粒径越大,初始释放瓦斯膨胀能越小,反之亦然。所以,煤体在地应力作用下破坏后平均粒径越小,发生突出的危险性越大。研究结果证实了降低煤层瓦斯压力和通过煤体固化提高煤体强度均可降低煤层突出危险性。     

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。     

煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值研究进展

煤与瓦斯突出预测是突出煤层2个"四位一体"综合防突措施的关键环节,对确定突出预测敏感指标及其临界值具有重要意义。以往突出预测敏感指标及临界值的确定,包括地应力指标和瓦斯指标,是通过现场反复测试、试验确定的;而现今的突出防治管理模式不支持这种方法,故只能采取实验室试验研究,主要是针对瓦斯相关指标的研究,结合部分现场验证来确定。选取大隆矿12煤、芦岭矿8煤、祁南矿3煤、朱仙庄矿10煤、童亭矿7煤和新景3煤等6个煤样,煤种涉及中等变质程度的气肥煤到高等变质程度的无烟煤,试验研究了各煤样瓦斯压力P与瓦斯含量W,瓦斯压力P与钻屑瓦斯解吸指标K_1和Δh_2,以及钻屑瓦斯解吸指标K_1与Δh_2之间的关系规律。结果表明:突出预测的瓦斯指标之间具有单值对应关系,但各煤样的这种对应关系是变化的,国家相关标准给出的突出预测指标建议临界值之间并不对应,也不能完全反映煤层的实际突出危险性与突出严重程度,不同变质程度煤层很难存在统一的临界值;应用煤层瓦斯相关指标之间的对应关系,结合突出煤层的实际,如始突深度、突出动力现象、钻孔动力现象等,可间接确定突出预测敏感指标的临界值。同时,未来精细化的突出防治对突出预测敏感指标有更高的要求,进一步研究的方向应包含反映地应力状况、小构造影响下煤层赋存、预测煤层潜在突出强度的指标,以及适应突出灾害差异性的新突出预测方法及措施效果检验方法。     

水力掏槽防突措施的机理研究

工业试验证实水力掏槽防突措施能有效地保证掘进中的施工安全,掏槽后快速消除突出危险,提高突出地段煤巷掘进速度。对水力掏槽措施中的高压水射流、地应力、瓦斯内力等参数进行了分析研究,研究了水力掏槽防突的机理。     

构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应

为揭示地质构造区域石门揭煤诱导突出的机理,运用自行研发的大型三维煤与瓦斯突出模拟试验系统,对石门揭露断层构造带煤层的过程进行了相似模拟,同步采集分析了突出全过程的应力变化规律及揭煤过程的声发射响应规律,并对构造带揭煤突出过程的能量耦合跃迁失稳过程进行了理论分析。结果表明:在构造带掘进巷道的推进过程中,巷道上方的岩层和煤层均会经历应力增大和减小的过程,但构造区域煤层的应力集中系数大于岩层区域,呈现较强的应力敏感性;在开挖时和突出的过程中,声发射信号能较好地反映煤岩动态变化;在巷道掘进过程中,构造区域煤层不断积聚弹性能和瓦斯内能,并相互耦合逐步达到能量的极限平衡状态,一旦揭煤扰动到该系统,就会引起能量的耦合跃迁失稳,从而诱发突出。     

寺家庄矿下向穿层钻孔煤巷条带预抽技术的应用

 寺家庄矿煤与瓦斯突出灾害严重,突出事故时有发生,严重制约着该矿的安全生产,防突工作任务十分艰巨。寺家庄虽然为煤层群开采,但没有保护层开采的条件,为了实现“不掘突出头,不采突出面”的目标,掘进巷道区域防突采用顶板巷道下向穿层钻孔煤巷条带消突措施,由于这种措施是此煤层条件下的首次应用,需要对其基本工艺参数进行系统的考察。本文采用现场考察的方式,针对下向穿层钻孔煤巷条带预抽区域消突技术展开研究,探讨下向穿层钻孔的合理布孔间距。结果表明,预抽钻孔终孔间距小于2.0m时,预抽20d后残存瓦斯含量可降到7.86m3/t,达到了区域消突的标准。     

煤与瓦斯突出过程中瓦斯作用的研究

为了对煤与瓦斯突出事故进行有效的预防与控制，分别从孕育和突出两个阶段阐述了瓦斯在煤与瓦斯突出中所起的作用，指出了煤层吸附瓦斯和裂隙瓦斯对煤的物理力学性质的影响；由于空隙瓦斯的存在, 加剧了煤体失稳破坏的过程；特别指出突出的主要能源来自于瓦斯的膨胀能；并根据这一结论提出了相应的防突措施.     

煤与瓦斯突出过程中能量动态平衡

通过建立突出煤层裂隙角联通道,分析了裂隙扩展条件和规律,建立了瓦斯流伯努利能量方程,分析了瓦斯突出过程中的能量消耗规模和类型。研究表明：瓦斯突出主要取决于瓦斯突出动力能量与消耗能量在动态酝酿过程中能否保持平衡。当瓦斯突出动力能量量变或者突变到某临界值,其值大于瓦斯流突破裂隙角联通道所需的消耗能量时,瓦斯突出就能瞬时或者延时发生。     

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。     

掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理猜想

借鉴巷道蝶型冲击地压理论及非线性动力系统理论,提出了掘进巷道蝶型煤与瓦斯突出机理的猜想,认为掘进巷道煤与瓦斯突出的力学本质是巷道掘进工作面前方极短时间内出现一定程度的蝶形塑性区增量,引发围岩内弹性能与瓦斯能的叠加并迅速释放,进而发生煤与瓦斯突出。从蝶型冲击地压与蝶型煤与瓦斯突出在塑性区变化规律上的一致性及突出能量源的大小等方面对猜想的合理性进行了论证,构建了煤与瓦斯突出危险性的评估指标体系,提出了发生煤与瓦斯突出的强度、应力、角度和触发事件等4个必要条件,确定了发生煤与瓦斯突出的充分条件;首次对煤与瓦斯突出现象、发生条件与过程进行了定量分析与定量(非定性)解释。研究成果为煤层巷道煤与瓦斯突出的预测、预报和防治提供了全新的思路。