平顶山矿区构造煤的分布规律及其对煤与瓦斯突出的影响

通过对平顶山矿区主要煤组中构造煤的研究、分析,发现矿区内构造煤分布具有分区性、多层性和多期性的规律,阐述了构造煤对煤与瓦斯突出的影响.根据构造煤的分布规律及厚度变化,可以对煤矿煤与瓦斯突出危险区进行预测,防止事故发生.     

构造煤分布规律及对煤与瓦斯突出的影响

通过对四川省主要矿区内晚二叠世和晚三叠世2个含煤地层中的构造煤进行研究,认为构造煤在不同构造位置、不同时代及不同煤层的分布有很大差别,构造煤的分布总体表现出分区性和选层发育的特点:盆地内部受构造应力作用较弱,是煤体结构破坏程度较弱的区域,挤压构造带内最厚的煤层构造煤最为发育.分析四川省煤与瓦斯突出资料,得出构造煤最发育的区域和层位,也是煤与瓦斯突出最严重的区域和层位.煤体结构及构造煤的发育程度对煤与瓦斯突出起着重要的控制作用.     

重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用

在大量瓦斯基础参数测试和瓦斯地质资料分析的基础上,从将军岭重力滑动构造的基本特征入手,分析了重力滑动构造的形成机制,研究了重力滑动构造对煤层厚度、煤体结构、应力状态、煤的变质程度、瓦斯赋存等的影响,阐明了重力滑动构造对煤与瓦斯突出的控制作用.研究结果表明,滑动过程造成了煤体原生结构遭到破坏,煤层厚度变化较大,煤的变质程度相对较高,吸附能力相对较强,瓦斯生成量相对较大.重力滑动构造后缘主要受到拉张应力作用,煤层顶板裂隙较为发育,且形成一系列高角度正断层,有利于瓦斯的逸散,不利于突出的发生;滑动构造前缘主要受到挤压应力的作用,易形成逆冲断层组合,并在煤层顶板形成一致密的隔水隔气层,阻碍瓦斯的逸散,使连接点以深瓦斯含量急剧增加,容易发生煤与瓦斯突出事故。     

鹤壁矿区煤与瓦斯突出规律及其控制因素分析

鹤壁矿区是煤与瓦斯突出相当严重的矿区,其中六矿、八矿和十矿为突出矿井,通过对这3个矿井先后发生的44次煤与瓦斯突出事故统计分析,进而指出了该矿区煤与瓦斯突出规律及其控制因素。研究表明,煤层埋藏深度、地质构造、构造软煤、瓦斯等是控制鹤壁矿区煤与瓦斯突出的主要因素。这为该矿区今后防治煤与瓦斯突出提供了理论指导,更好地保证煤矿安全生产的顺利进行。     

构造煤与应力场耦合作用对煤与瓦斯突出的控制

以贵州省青龙矿为研究实例,重点探讨构造煤与构造应力场的耦合作用及其对煤与瓦斯突出的影响。分析了青龙井田地质构造演化,模拟和计算了现今构造应力场,总结了构造煤的类型及其分布特征。发现该矿煤与瓦斯突出位置是构造应力场中主应力差较低的区域,压性断层附近的构造煤具有分带现象,自断层面远离断层构造煤从韧性系列向脆性系列过渡。认为构造煤结构与构造应力场在时间上的耦合形成脆性-韧性变形的构造煤系列,在空间上的耦合导致构造煤在断层两侧的发育具有明显的分带性。构造煤与构造应力场的耦合控制了煤层瓦斯的产生、运移和聚集,并导致了在脆性-韧性构造煤条带状分布的压性断层附近易于发生煤与瓦斯突出。     

构造煤结构与瓦斯突出

采用有机溶剂萃取和煤成烃热模拟实验，对煤层受构造应力作用时的煤结构变化及构造煤的生烃特征进行研究.结果表明：构造煤的正己烷、苯萃取率与原生结构煤基本相近，而氯仿萃取率是原生结构煤的2倍多，构造煤含有很高的氯仿可溶低分子化合物；构造煤分子间的作用力小，决定了构造煤强度低和吸附性能高，从而控制了煤与瓦斯突出灾害的发生；煤的氯仿萃取率可以作为预测煤与瓦斯突出的指标.构造煤生烃潜力小，反映在构造应力作用下，曾经生过烃（瓦斯）.在构造应力作用下，煤中的有机质超前向两个方向演化，一方面聚合形成更大的高芳构化的大分子结构，另一方面则形成低分子化合物和气态烃（瓦斯）.     

构造演化对煤与瓦斯突出的控制作用

在分析中国煤与瓦斯突出空间分布特征的基础上,以区域构造演化为主线,从动态的、历史的角度分析了东北、华北和华南聚煤区构造演化过程以及构造发育、瓦斯赋存、煤体结构、应力状态的演化特征,阐明了构造演化对煤与瓦斯突出的控制作用,最后探讨了东北聚煤区、华北聚煤区和华南聚煤区的煤与瓦斯突出的一般模式,指出东北聚煤区煤与瓦斯突出与活动断裂密切相关,华北和华南聚煤区煤与瓦斯突出与煤体结构具有密切的关系。     

毛郢孜煤矿煤与瓦斯突出的构造控制分析

运用构造逐级控制理论,分析了矿区、矿井瓦斯地质规律,调研了毛郢孜煤矿低瓦斯涌出量背景下煤与瓦斯突出的构造控制因素。其所在的濉肖矿区受徐淮前陆褶皱冲断带的控制,地层隆起抬升,缺失三叠系地层,瓦斯遭到风化剥蚀,以低瓦斯矿井为主。而其受构造挤压作用强烈,存在着煤与瓦斯突出危险性;火成岩以岩床形式侵入煤层顶板,热变质作用使煤层进一步生成瓦斯,并封闭在煤层中;火成岩对煤层挤压揉皱形成构造煤,同时构造尖灭端应力集中,提供了足够的瓦斯热力学能。     

淮南矿区煤与瓦斯突出规律及控制因素浅析

全矿区所发生的129次瓦斯突出中,压出57次,占44.19%,倾出48次,占37.21%,两者之和高达81.4%,突出24次,仅占18.6%,由此可知,淮南矿区的主要瓦斯突出类型是压出和倾出。     

构造对利民矿井煤与瓦斯突出的控制

在收集和分析利民矿井详实地质资料的基础上,着重阐述构造地质因素对煤与瓦斯突出的控制性,不同构造部位突出危险的差异性。同时煤层围岩性质不同,地质构造发育不一样,瓦斯突出的危险性大小、地段也各异。地质构造的主要作用是形成了不同的构造应力分区,从而导致瓦斯不同程度地聚积与泄散,决定着煤与瓦斯突出的强度、密度的分区分带性。     

构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用

应用流体势的理论解释了瓦斯运移的动力机制,通过对青龙矿22煤层瓦斯突出的数值模拟和流体势的计算,揭示了构造应力场对瓦斯运移和聚集的控制作用,指出构造应力决定了瓦斯流体势的大小,并决定了瓦斯运移和聚集的方向、轨迹:瓦斯运移的方向从高应力差区到低应力差区,瓦斯位移场与构造应力的应力差梯度场相一致.     

阜新盆地构造应力场演化对煤与瓦斯突出的控制

阜新盆地是中燕山期(J₃-K₁)断陷盆地.盆地内断裂构造主要有北北东、北东、北西西、北北西和近南北向.盆地内主要褶皱构造呈北东向雁列式排列.位于盆地内的阜新矿区煤与瓦斯突出灾害频繁发生.研究认为,构造应力场多期演化使得大多数断裂历经了多期活动,对应不同的力学性质和位移方式.构造应力场的多期演化对局部构造应力、构造煤和瓦斯赋存的分布具有重要影响.在现今北西西向构造应力场作用下,盆地内北北东向、南北向和近南北向构造由于受垂直走向的挤压应力作用,形成应力集中带,渗透率降低,瓦斯保存较好,成为动力灾害多发地带;而北西西向构造相对受拉张应力作用,瓦斯易于逸散,动力灾害程度相对较低.北东向、北西向构造发生动力灾害的危险程度介于二者之间.     

构造煤瓦斯解吸初期特征实验研究

利用自制的煤样瓦斯解吸试验装置,在恒温30 ℃、不同压力、不同粒度条件下,研究平顶山和鹤壁的原生结构煤和构造煤的瓦斯解吸初期速度和解吸量,分析构造煤瓦斯解吸初期的影响因素,建立构造煤瓦斯初期解吸数学模型。实验结果表明：与原生结构煤相比,构造煤瓦斯解吸初期速度更大,其初始解吸速度为1.23~4.20 mL/(g·min),是相同实验条件下原生结构煤的1.36~2.84倍,尤其在前1 min内差别较大;构造煤瓦斯解吸量是一条单调递增的幂函数曲线,0~10 min的瓦斯解吸规律具有分段性,可分为快速解吸段、缓慢解吸段和平稳解吸段,构造煤前10 min瓦斯解吸量可达1 h内解吸总量的60%。分析认为构造煤中大孔和过渡孔的发育程度决定了构造煤瓦斯初期特征;构造煤瓦斯解吸初速度随粒度的减小而增加,但是在极限粒度以下煤粒度对瓦斯初期解吸速度影响较小;瓦斯解吸初速度与吸附平衡压力呈幂指数关系;构造煤瓦斯解吸初期曲线符合文特式。     

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.     

推覆构造的动力学特征及其对瓦斯突出的作用机制

逆冲推覆和重力滑覆的共性特征是存在一个以相对低的强度和高的剪切应变为特征的滑脱面或拆离层,分隔着其上下力学性质和应变特征不同的两盘。推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制主要表现为2个方面：① 推覆构造形成过程中低角度滑动对煤体产生广泛的压剪作用,使得煤层作为相对软弱层面结构发生广泛的层域破坏和面域破坏,构造煤非常发育;② 推覆构造的挤压应力环境以及地层增厚效应为瓦斯赋存提供了有利条件,低角度的主滑断裂面(大多为逆断层或逆掩断层)往往构成较好的瓦斯封闭系统,对瓦斯的赋存起一定的控制作用;推覆构造派生的具有压性特征的结构面形成了对煤层瓦斯系统的封闭作用。总体上推覆构造对煤与瓦斯突出的作用机制体现在其为煤与瓦斯突出创造了物质基础--高含量的瓦斯和低强度的煤体。     

构造凹地煤与瓦斯突出发生机制及其危险性评估

针对煤与瓦斯突出矿区的地形地貌特征，提出了构造凹地的概念，即矿区两侧或四周为隆起区，中间为低凹区，二者具有一定的高程差。基于理论分析和现场测量对构造凹地的地质动力状态的研究表明，构造凹地具有较高的水平构造应力，且水平差应力显著。构造凹地的高构造应力为煤与瓦斯突出提供了动力基础，同时使得瓦斯的运移和逸散受到了限制，因而具有较高的瓦斯含量和瓦斯压力，形成了煤与瓦斯突出的物质条件。最后提出了构造凹地的定量评价指标--构造反差强度及其计算方法，对部分构造凹地进行了计算，结果表明构造反差强度与煤与瓦斯突出灾害程度具有正相关关系。在此基础上提出了从宏观层次评估矿区煤与瓦斯突出危险性的方法。     

煤与瓦斯突出后灾害气体影响范围试验研究

为确定煤与瓦斯突出事故发生后处于爆炸极限内的瓦斯分布区域,避免在此区域布置机电设备,降低突出后发生瓦斯爆炸的危险性,根据矿井的实际参数,设计相似模拟试验,建立在巷道风流作用下的突出气体运移扩散模型,并结合实际煤与瓦斯突出强度和通风条件,分析了突出后高浓度瓦斯的时空分布规律。研究结果表明:各测点监测的气体量与监测距离呈负指数关系,紊流扩散系数与实测值基本一致,灾害气体到达各测点的初至时间和监测距离均呈现良好的线性关系;风量为648 m3/min,断面面积为9 m2条件下,突出10 000 m3瓦斯后,距离突出源563 m以内的巷道区域为瓦斯爆炸危险区域,0~290 s内发生瓦斯爆炸危险性最大,而在距离突出源563 m以外的区域布置机电设备,巷道发生瓦斯爆炸的危险性较小。     

瓦斯涌出异常预报煤与瓦斯突出

通过对掘进工作面突出前夕煤壁瓦斯浓度变化规律的研究,提出了利用瓦斯浓度变化预报煤与瓦斯突出的方法,并建立了突出预报数学模型.研究表明：对瓦斯浓度序列的移动平均线、振幅、频次和方差等几个方面的综合评判,可预报掘进工作面突出的发生,并以潘一矿突出实例进行验证,表明在突出前2.5 h瓦斯浓度变化出现异常,根据这一异常可实现突出预报.     

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。