构造煤变形能及在煤与瓦斯突出中的作用

煤与瓦斯突出是一种以煤体变形能与瓦斯膨胀能共同驱动的煤岩动力灾害,尽管突出的综合作用假说已被广泛认可,相比于瓦斯膨胀能,煤体变形能在突出中的作用总被忽视。为了确定煤体变形能在突出中是否可以被忽略,对霍多特和郑哲敏的研究(突出能量领域的代表性成果)开展了系统回顾与讨论,认为霍多特提出的突出激发能量判据以煤体变形能为核心,而郑哲敏的数量级对比结果不能作为变形能可以被忽视的证据。大部分煤与瓦斯突出事故发生在构造煤层中,为揭示构造煤变形能在突出中的贡献,开展了煤体循环载荷实验与三轴破坏同步声发射监测实验,实验结果表明：与原生煤的线性、小变形特征不同,构造煤的加卸载曲线具有非线性、大变形的特征,构造煤的变形能与应力不再符合平方关系。基于土力学临界状态模型,构建了适用于构造煤非线性特征的变形能理论计算模型,该模型反映了煤体变形能与应力间的幂函数关系,确定了构造煤的幂指数主要为1.1～1.3,原生煤的幂指数主要为1.7～1.9,进一步表明构造煤的性质与土体更相似,而原生煤的性质更接近理想弹性体。尽管在相同应力水平下,构造煤的变形能更大,但构造煤在失稳后的对外释放能量很低,表现为损伤破碎时几乎不产生声...     

基于能量理论的含瓦斯煤体突出失稳倾向分析

为了分析构造煤的非稳态扩散特性对构造煤体能量失稳评判的影响,利用稳态和非稳态瓦斯扩散模型,建立了原生煤和构造煤的初始瓦斯扩散系数与压力的函数关系式;基于现有的能量公式,构建了煤体的吸附和游离瓦斯膨胀能的计算模型;分析了埋深与突出能量的关系,探讨了不同埋深条件煤体的突出能量失稳倾向性,获得了构造煤层突出临界埋深为190 m;最后通过现场瓦斯动力现象对结论的准确性进行了验证。     

中高煤阶煤储层水力压裂消突能量耗散特性

煤储层是一种三元孔隙结构和三相介质系统组成的弹性体,煤储层相比其他常规储层对应力的响应更加敏感。水力压裂前后煤储层弹性能发生聚集与耗散,能量耗散特性决定了消突能量失控方式及机制。本文根据煤岩表面学、热力学定律及中高煤阶煤全应力-应变物理模拟实验,提出了不同相态弹性能计算模型,探讨了压裂前后煤储层弹性能聚集与耗散特性,建立了中高煤阶煤储层水力压裂单位体积煤体消突能量计算模型,并界定压裂消突能量指标临界值。研究表明:煤基块弹性能是煤储层弹性能的主要组成部分,是破碎煤体的主要能量,煤基块弹性余能(Ec)是发动突出动力,煤体破碎后剩余弹能(?W)是抛出煤体的动力;压裂后区内煤储层弹性能减小,单位体积煤体弹性能和瓦斯膨胀能消突临界值为21.22,0.79 MJ,对应的瓦斯含量和瓦斯压力临界值为7.54 m3/t和0.77 MPa。     

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.     

斜井揭煤预抽瓦斯注浆防突技术实践

通过对煤与瓦斯突出过程和防突机理的分析,提出降低瓦斯压力和增加煤体极限破坏强度,使煤岩体不满足破坏失稳和抛出条件的揭煤防突思路。以新疆某矿地质条件为基础,在斜井揭煤过程中,采用预抽瓦斯和煤体注浆相结合的综合防突技术,较好地解决了该矿斜井揭煤防突技术难题。     

不同煤体结构组合的煤与瓦斯突出临界瓦斯压力

基于能量理论,分析了瓦斯突出瞬间能量的变化,构建了包括煤岩弹性能、瓦斯膨胀能在内的煤与瓦斯突出的正效应数理模型及煤岩抵抗瓦斯突出能量的负效应模型。根据煤岩应力应变试验,拟合得出了煤岩不同变形阶段力与变形量之间的关系,结合正、负效应耦合模型,计算出了寺河矿不同煤体结构组合下煤与瓦斯突出发生的临界瓦斯压力值。结果表明：在其他条件相似的情况下,随着软煤比例的增加,临界瓦斯压力值呈指数减小,煤与瓦斯突出的可能性大幅增加。利用该方法可以对煤与瓦斯突出临界值进行快速判断,从而采取有效措施。     

煤体水力化措施综合消突作用研究

为了研究水力化措施的综合消突作用,在综合分析水力化措施作用效应的基础上,将水力化措施归结为致裂类和掏槽类,结合煤与瓦斯突出综合作用假说,分别从水力化措施对煤体卸压效应、瓦斯内能以及煤的物理力学性质3个方面的影响进行了分析。结果表明:水力化措施能够降低一定范围内煤体的载荷应力;煤体吸附瓦斯受到环境气体压力的变化和水分的竞争吸附影响,发生了降压解吸和置换解吸,水分置换了59.14%的吸附瓦斯,降低了瓦斯内能;采取水力措施后煤体水分增加,弹性模量能够降低58.69%,塑性指数增大4.3倍以上,降低了煤体弹性能。水力化措施能够降低煤体承载应力、瓦斯内能和煤体弹性能,对煤层消突具有综合作用。为进一步提高水力化措施综合消突效果,提出执行水力化措施时,应考虑在注入的水中加入活性剂,增强煤体的湿润效果,致裂类措施还应采取卸压孔来消除裂缝尖端应力集中效应。     

煤岩破坏过程弹性能与瓦斯膨胀能演化特性试验研究

煤与瓦斯突出灾害的本质是能量演化至灾变的过程,为了揭示突出过程的能量演化机制,以煤岩试件为对象,试验测定了不同破坏程度煤岩试件的弹性能和瓦斯膨胀能,结果表明:对试件加载时,输入的总能量一部分转换为弹性能,一部分转换为耗散能,峰值强度处弹性能占比约为70%,峰值强度后能量释放,弹性能急剧减小;0.8 MPa气体压力下,瓦斯膨胀能比煤体弹性能高1个数量级以上;峰值强度是弹性能和瓦斯膨胀能突变点。峰值强度处弹性能急剧降低,而瓦斯膨胀能却突增25%以上。由于瓦斯膨胀能是主要能量,这种能量的突变对煤与瓦斯突出的影响是巨大的。     

厚煤层浅孔低压注水防突技术

应力增高区是煤与瓦斯突出事故的多发区,采取有效防突措施消除突出危险,对煤巷安全掘进很有必要。浅孔低压注水使煤的含水量增加,使煤的力学性质发生变化,塑性增强,减少了煤体内部的应力集中,降低了瓦斯放散的速度,从而使煤层透气性增大、瓦斯充分释放、煤体瓦斯潜能降低,达到消突的作用。鹤壁中泰煤业公司在掘进工作面采取了浅孔低压注水防突措施,研究总结了浅孔低压注水消突技术参数和施工工艺,消除了掘进工作面突出危险,提高了掘进进尺。     

煤岩固化防突技术在松河矿石门揭煤中的应用

针对常规防突措施的不足,采用煤体注浆固化的方法来提高石门揭煤处煤体强度和增强围岩的稳定性,从而降低煤层中初始释放瓦斯膨胀能来防止煤与瓦斯突出.煤岩固化方法的防突机理主要是改变了煤岩体物理结构性质,尤其是在石门揭煤过程中,为石门揭煤过程整个工序提供了可靠的安全保障,可以实现安全快速揭煤.     

构造煤和煤与瓦斯突出关系的研究

构造煤是原生煤经过长期的强烈挤压,剪切变形后形成的,其具有黏聚力低、强度低和渗透率低等特点。长期以来,中国乃至全球的大部分煤与瓦斯突出事故都发生在构造煤层中,但是其根本原因尚未明确。为了揭示构造煤与突出的内在关系,对构造煤与原生煤的孔隙结构、甲烷吸附、解吸、扩散、渗流和力学性质进行了系统性的回顾与对比,并结合突出能量进行了定量分析。结果表明,由于构造作用,构造煤比原生煤具有更大的总孔隙体积和比表面积,其中大孔受到的影响最为显著。此外,构造煤的吸附/解吸能力和扩散系数普遍较高,而抗压强度和弹性模量则普遍较小。在突出激发阶段,煤体破碎依赖于应力能的释放,此时破碎煤体释放的大量解吸瓦斯是突出后续发展的重要能量来源,特别是小于临界粒径的突出煤体,起到了决定性作用。然而,能量分析表明,若要满足临界粒径的要求,原生煤所需应力条件远高于构造煤,甚至会远超过目前采掘深度的应力水平。因此,原生煤难以提供足够的能量支撑突出的发展。在实际情况中,即使首先发生破碎的是原生煤或者岩石,突出的持续发展也强烈依赖于破碎比功更低和解吸能力更强的构造煤,表明构造煤不仅仅是更易于突出,更是突出发展的一个必要条件。此外,就构造煤的储层特性而言,在实验室中获得的构造煤渗透性能显著高于现场获得的结果(差异可达2个数量级),其主要原因可归结为实验室中重构的构造煤样品无法还原构造煤的原始物理性质。因此在未来的研究中,除了仍需要对构造煤体的孔隙结构进行系统性的研究外,还需要探究构造煤样品重构的新方法。     

工作面打钻诱导突出机理分析及其预防措施

为分析煤矿井下工作面打抽放钻孔和防突钻孔过程产生的煤与瓦斯突出机理,分析了打钻时的突出过程,并从工作面煤岩体强度硬度、工作面三区分布规律、煤体的应力应变全过程、钻孔能释放地应力、钻孔周围煤岩塑性区半径、煤岩体流变机理等方面对该类突出进行了理论分析。研究结果和工程实践表明：工作面钻孔能有效排放工作面煤体中的瓦斯和降低瓦斯压力、增大工作面卸压区长度、增大工作面防突屏障厚度,起到防突效果;但在工作面打密集钻孔会破坏煤岩体原有结构、降低煤岩体原有的硬度和强度、降低工作面防突屏障的强度,同时在打钻孔过程会产生扰动,以致增大突出的危险性。所以工作面打钻孔具有防突和诱导突出双重作用。     

新型高压旋转水射流扩孔钻具的研制及应用

为了有效预防煤与瓦斯突出,根据掘进工作面主要防突措施的优缺点、防治煤与瓦斯突出的技术原理及水力化局部防突措施的机理,研制了回转式高压旋转接头及扩孔喷头,利用钻机带动钻杆进行高压水扩孔。结果表明:新型高压旋转水射流扩孔钻具可以有效提高煤体的力学强度,降低煤体应力集中,提高低透气性煤层的瓦斯抽放效果,促进瓦斯的释放,增强防止煤和瓦斯突出的能力。     

水力挤出技术在中厚低透气性突出煤层中的应用

在中厚低透气性突出煤层巷道掘进过程中,为了解决煤与瓦斯突出预测指标经常超限,掘进速度缓慢等问题,提出了水力挤出措施和巷帮钻场边抽边掘相结合的综合防突技术.阐述了水力挤出措施的工艺流程和巷帮钻场的布置参数.研究表明:在中厚低透气性突出煤层中采用水力挤出措施和巷帮钻场边抽边掘相结合的防突措施,可有效消除激发突出应力和煤体结构的不均匀性,提高煤体强度和煤层透气性,使巷帮钻孔瓦斯抽放量大幅度提高,增大了煤体抑制突出的阻力,能有效地预防和消除在掘进过程中煤与瓦斯突出的危险性,且能使巷道掘进速度提高1～2倍.     

松软高突煤巷快速掘进综合防突技术

为了改变新义矿12041工作面运输巷道掘进时突出危险性高、巷道掘进困难、掘进速度缓慢的现状,根据工作面地质条件,结合矿井瓦斯防治理论,提出工作面区域防突及局部防突相结合的综合防突技术,并进行了现场试验.试验结果表明:综合防突技术能使运输巷道掘进面及两帮煤体的集中应力向深部转移,煤体裂隙增多,煤体内的瓦斯能量得到有效释放,消除或降低巷道掘进时煤体突出的危险性,有效降低了瓦斯超限几率,提高了巷道掘进速度.     

防突栅栏的防突机理及应用

在分析煤与瓦斯突出能量来源的基础上，利用冲击动力学理论，建立煤与瓦斯突出的强度、能量与防突结构的变形能之间的关系，根据型钢的极限抗弯强度，并结合剪应力和整体稳定性验算，计算防突栅栏处于极限状态时可以承担的最大煤与瓦斯突出强度，从而形成防突栅栏的极限设计方法.现场试验证明：防突栅栏是一种有效防止煤与瓦斯突出事故扩大的技术措施.     

平顶山矿区突出能量分布规律及其控制因素

根据平顶山矿区内部分矿井实测三向应力、瓦斯含量、压力值计算了各矿区煤层弹性能及瓦斯膨胀能,并分析了其分布规律及特点,结合平煤矿区3次地质运动及矿区内地质构造特性,得到了突出潜能的主要控制因素并进行突出危险性划区。结果显示:弹性能及瓦斯膨胀能随埋深增加而增加,受地质构造控制作用显著;自重应力场控制区域煤层弹性与瓦斯膨胀能远小于构造应力场控制区域;构造应力控制区域随埋深增加构造控制作用逐渐减弱,转变为自重应力控制作用;自重控制区域煤层单位体积煤体瓦斯膨胀能与弹性近似相等,而构造应力控制区域膨胀能远大于弹性形;地质构造控制着矿区突出潜能的分布,是矿区突出主要控制因素;锅底山与九里山断层间区域危险性最小,锅底山与李口向斜之间突出危险性偏高,而李口向斜东南部区域突出危险性最高。通过对矿区突出点分布情况分析证明了突出危险性划区的正确性。     

高瓦斯低透气性煤层石门揭煤卸压爆破试验

针对高瓦斯低透气性突出煤层石门揭煤过程中,采用传统的密集排放钻孔防突措施的消突效果较差,钻孔工程量大等问题,提出了用深孔控制爆破以释放煤体所积聚的弹性能,从而达到增透卸压强化抽放的目的.从断裂力学和爆炸力学的角度,分析了深孔控制爆破的防突作用机理,论述了控制爆破的施工工艺与技术参数的确定原则和方法.试验结果表明,在低透气性高瓦斯煤层中采用深孔控制爆破局部措施,能够提高煤层透气性,大幅度改善预抽瓦斯效果,对应力集中的煤体起到卸压作用,从而有效避免煤与瓦斯突出或降低煤层突出危险性,达到安全、高效揭煤的效果和缩短揭煤工期的目的.     

煤与瓦斯突出机理的煤体流变假说特征验证及应用

通过对云盖山井田范围内二1煤层瓦斯地质特征、瓦斯动力现象、煤与瓦斯突出事故实例特征及理论类比分析,验证研究煤与瓦斯突出的煤体流变假说机理,应用假说原理,从采掘设计优化、区域及局部防突措施优化上探索区域内二1煤层的实用防突技术措施,有的放矢,增强防突技术措施的针对性。     

煤体中瓦斯水合固化的力学作用研究进展

为更好地完善我国煤与瓦斯突出预测与防治方法,基于煤与瓦斯突出综合作用假说,提出了瓦斯水合固化防治煤与瓦斯突出的方法。该方法核心是将煤层中瓦斯固化生成瓦斯水合物,不仅能降低瓦斯压力,而且能够提高煤体强度,以达到减弱或消除煤与瓦斯突出危险性的目的。实现了煤体中瓦斯水合物的生成以及含瓦斯水合物煤体力学性质-渗透率原位测试,提出了煤体中瓦斯水合物生成及力学性质-渗透率测试技术及含瓦斯水合物煤体三轴压缩数值建模技术。瓦斯水合固化热力学和动力学条件是防突的理论基础,煤层瓦斯水合物稳定储存是技术前提,瓦斯压力降低及煤体力学性质改善是防突关键,重点围绕水合固化煤体交叉力学问题进行总结。分析认为：(1)瓦斯水合固化防突技术理论框架已经初步形成,并利用数值模拟手段初步探究了瓦斯水合固化对煤体力学特征改善的细观机理;(2)现阶段已证实煤体中水合物生成不仅能降低瓦斯压力,而且能改善其力学性质,高饱和度对提高煤体峰值强度明显;(3)瓦斯水合物生成经历快速、缓慢和稳定3个阶段,且水合物的生成会造成煤体中瓦斯渗流通道阻塞,导致其渗透率降低;(4)高瓦斯压力、高CH4体积分数不仅有助于提高水合物饱和度而且会延缓水合物...