煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究"这一科学命题,基于冲击地压"三因素"机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义"三因素"("物性因素"、"应力因素"及"结构因素")理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道"三级"吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流"横切纵断"防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依...     

深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理研究

针对深部高瓦斯煤层的冲击地压灾害,从瓦斯对煤体强度影响、瓦斯煤体在卸载下的层裂现象及瓦斯煤体积聚静态能量3方面入手,探讨瓦斯煤层冲击地压的发生机理。通过理论推导得出:瓦斯降低了煤体强度,减小了煤体破坏时所需要的能量;含瓦斯煤体突然卸载后,受地应力和瓦斯共同作用会产生层裂现象,削弱了冲击显现区煤体抵抗变形的能力;最终在集中动载荷和耦合静态能量的共同作用下,建立了瓦斯煤层发生冲击地压的能量判据,指出了瓦斯煤体更容易发生冲击地压。此外,在冲击地压发生后往往出现瓦斯异常涌出的现象,瓦斯积聚对安全生产带来隐患,甚至引起煤与瓦斯突出等动力灾害。     

加卸载条件下煤样应变与渗透性的演化特征

随着开采深度的增大,高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井,相继发生冲击地压或兼具冲击地压和煤与瓦斯突出特征的煤岩瓦斯复合动力灾害。在煤层开采过程中,采煤工作面前方煤体垂直应力陡增、水平应力卸除。煤层高瓦斯内能与煤岩系统地应力、支承压力的叠加为煤岩复合动力灾害的发生提供了力学条件。因此,为了研究气体压力和采动应力对煤岩变形和瓦斯流动状态的影响机制,利用煤岩变形-渗透率同步测试系统,采用轴向加载、径向卸载的加卸载实验方案模拟开采过程中支承压力和水平应力的变化特征,观测了煤样在不同气体压力下加卸载过程中的应变和气体流量。实验结果表明:加卸载初期差应力较低,煤样以压缩变形为主,其内部裂隙闭合,透气性降低;当差应力达到某一值时,相继出现气体流量由降低转为升高的拐点和扩容现象;扩容之后煤样产生塑性变形,其透气性进一步增大,更多气体从煤样中析出。大部分实验煤样发生扩容之前出现气体流量拐点,可见扩容之前,煤样内部的微裂缝已经开始延伸或者扩展。随着气体压力的升高,扩容起始点和气体流量拐点对应的差应力降低,因此高瓦斯压力会导致采动影响下煤体内部微裂缝扩展的应力门槛降低。气体压力较高(2.0 MPa)时,煤样扩容起...     

下峪口煤矿2~#煤层煤与瓦斯动力灾害机理及防治

针对下峪口煤矿2#煤层出现的煤与瓦斯动力灾害问题,结合2#煤层区域瓦斯分布规律和煤与瓦斯动力灾害特征,按照煤与瓦斯复合能量系统理论,探索煤岩系统失稳过程中的能量来源及其耗散传递过程;提出应力主导型煤与瓦斯动力灾害预测方法,形成了一套"区域-局部"煤与瓦斯动力灾害综合防治技术体系和突出危险性预测敏感指标体系。     

《煤炭科学技术》安全技术及工程栏目征稿启事

＂安全技术及工程栏目＂主要刊登以下内容：①煤矿瓦斯灾害防治技术。主要报道瓦斯地质和赋存规律、瓦斯爆炸机理及防治技术、煤（岩）与瓦斯突出机理、突出和冲击地压耦合的动力灾害、煤岩动力灾害预测指标及技术、煤层瓦斯渗透率的提高方法、煤层瓦斯抽放技术、     

高瓦斯煤层冲击地压与突出的诱发转化条件研究

随着采深的增加,高瓦斯煤层往往冲击地压和煤与瓦斯突出两种灾害并存,并相互诱发转化,以此为出发点,从灾害的发生条件、能量来源和破坏形式等方面分析了高瓦斯煤层冲击地压和突出的异同点;从瓦斯、应力和煤岩的物理力学性质等方面讨论了两种灾害的诱发转化机制;以实验研究和理论分析为基础,提出了两种灾害在孕育发生和发展等不同阶段的诱发转化条件.     

平顶山东部矿区深井动力灾害多因素耦合统一灾变机理

冲击地压、煤与瓦斯突出两者的强度理论本质上是类似的,两者的孕育过程也是相似的,但发生的能量来源和过程有较大区别。平顶山东部矿区深井动力灾害受区内褶曲、断层、构造煤及煤层瓦斯等多因素控制,在采掘过程中,构造应力、瓦斯压力与采动应力相互耦合,煤岩固体骨架有效应力的改变导致了孔隙率变化,结果使瓦斯压力改变,进而影响到煤层瓦斯运动。瓦斯在煤层中迁移时,孔隙压力变化引起固体骨架变形,反映了煤体变形与孔隙压力变化的相互关系。围绕平顶山东部矿区深部开采矿井动力灾害问题开展研究工作,分析各类矿井动力灾害发生的机理和动力源,确定了平顶山东部矿区煤样冲击倾向性等级,揭示出深井动力灾害的多因素耦合统一灾变机理,建立了统一的数学模型。     

深井煤岩动力灾害的连续卸压开采防治机理

深井煤岩动力灾害的防治理论与技术一直是煤矿安全开采领域的重要研究方向之一,但一直没有取得重大突破。基于目前我国煤矿深部开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压、巷道围岩大变形、承压水开采等重大灾害现状,聚焦煤与瓦斯突出以及冲击地压,借鉴煤与瓦斯共采的卸压开采机理,提出了卸压开采防治煤与瓦斯突出以及冲击地压的机制。展望了深部动力灾害控制的研究方向,认为现场试验、物理模拟、数值模拟和虚拟现实相结合的系统研究是研究深部动力灾害控制的有效手段和途径。     

基于能量方程的含瓦斯煤岩动力灾害分类

为了有效辨识深部含瓦斯煤岩动力灾害,基于能量方程,依据发生动力灾害的能量源将含瓦斯煤岩动力灾害分为三大类:瓦斯主导型、地应力主导型和冲击诱导型。又进一步将瓦斯主导型分为瓦斯突出型、冲击-突出型;地应力主导型分为压出型和冲击-压出型;冲击诱导型分为冲击诱导突出和冲击诱导压出型。对含瓦斯煤岩进行科学分类不仅有利于深入理解动力灾害发生、发展过程,而且对深部煤岩动力灾害的有效防治有指导性。     

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。     

冲击地压耦合的煤与瓦斯突出防治技术

基于对冲击地压耦合的煤与瓦斯突出发生机理的认识,通过逆向改善发生煤岩瓦斯耦合型动力灾害的材料属性条件、环境应力强度条件、触发动力条件及瓦斯地质条件和开采扰动条件,实现冲击地压耦合的煤与瓦斯突出的防治。     

煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究

随着煤矿向深部开采,一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征,又有冲击地压的部分特征,2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合,难以界定为单一灾害类型,为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾害一体化理论研究,揭示了复合动力灾害发生的统一机理,据此建立了统一失稳判别准则;基于现有动力灾害分类所存在问题,将动力灾害划分为4种类型,在此基础上,针对矿井复合动力灾害类型创新研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、煤体电荷实时连续监测设备,形成了复合动力灾害一体化分类分级预测技术;同时,提出了瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等消减瓦斯内能、释放煤岩弹性能的复合动力灾害一体化防治技术。     

煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出转化机制

采用理论分析和案例分析等方法对煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出两类灾害在诱导瓦斯异常涌出方面的关系进行研究。通过分析得出冲击地压和煤与瓦斯突出诱发转化机制,为今后判断煤岩动力灾害的类型提供理论依据。     

厚硬火成岩下突出煤层动力灾害致因研究

针对海孜煤矿主采煤层顶板上部厚层坚硬火成岩造成的突水、瓦斯突出、冲击地压和地表沉陷等煤岩动力灾害,采用煤样SEM（扫描电镜）分析、组分和反射率测定等方法,研究了厚硬火成岩下突出煤层物性参数特征,采用板应力拱平衡理论研究了采动离层裂隙发育规律,采用梁结构破断弹性理论研究了厚硬火成岩对冲击地压和突水的影响,以揭示厚硬火成岩下突出煤层动力灾害的致因。研究结果表明,巨厚火成岩的热演化和圈闭作用,导致下伏各煤层孔隙发育,吸附瓦斯能力增强,各煤层突出危险性增加;厚硬火成岩为矿井主关键层,受采动影响能长期保持不断裂,其下伏煤岩层的裂隙与离层能长期不闭合,能为卸压瓦斯抽采创造条件;但随着煤层的持续和大面积开采,厚硬火成岩突然破断滑落,破断过程中释放出大量能量并向周围传播,容易引起冲击地压、矿井水灾、瓦斯突出及地表沉陷等复合型动力灾害。     

煤岩动力灾害电磁辐射监测仪及其应用

基于受载煤岩体的电磁辐射特性及规律,研制了具有电磁信号接收、数据处理、数据存储、通讯和灾害预报等功能的煤岩动力灾害电磁辐射监测仪,开发了基于Windows系统的具有数据通讯、参数设置、数据处理及分析和动态预报等功能的软件．该仪器在预测煤与瓦斯突出时,有突出危险煤层的电磁辐射水平远高于无突出危险煤层;在预测冲击地压时,矿压大的地方,电磁辐射较强,有冲击危险的区域,电磁辐射异常,表现为电磁辐射水平明显增强或变化剧烈．表明电磁辐射法预测煤与瓦斯突出和冲击地压等煤岩动力灾害危险性是可行的,研制的电磁辐射监测仪实现了非接触预测,省时省力,对生产影响较小,稳定性好,准确率较高．     

煤岩动力灾害的机理分析及防治

煤岩动力灾害发生的前提条件是煤岩体发生变形破坏。根据大量低围压压缩实验总结出煤岩的2种破坏形式,并分析了煤岩动力灾害的发生机理。应用能量极小原理和变分原理研究了煤岩动力灾害的能量失稳判据。以冲击地压为例,分析了其发生的机理;根据能量失稳判据,研究了煤体发生冲击地压的条件。最后,分析了防治煤岩动力灾害的理论依据。     

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...     

深部开采动力灾害综合防治技术研究

该文通过分析口孜东矿111303工作面动力灾害情况,针对高地应力低瓦斯工作面提出采用"采前瓦斯预抽达标、注水降低煤层冲击倾向性有效"的复合区域措施,证明了"预抽瓦斯+深孔注水"是防治煤岩瓦斯动力灾害最有效的方法。对矿井深部开采动力灾害(主要包括煤与瓦斯突出、冲击地压)治理有参考作用。     

深部开采复合型煤与瓦斯动力灾害的认识

煤与瓦斯突出和冲击地压灾害并存的煤矿进入深部开采后,灾害问的相互作用和诱导比较明显.通过分析平煤十矿"11.12"煤与瓦斯动力灾害的成因,阐述了平煤十矿存在的煤与瓦斯突出、矿震、冲击地压和岩爆4种单一煤岩动力灾害类型,对单一型灾害在深部演化为复合型煤与瓦斯动力灾害的基本条件和成灾模式进行了探讨,总结出发生复合型灾害的物质条件、动力条件和构造条件,认识到3种成灾模式.     

高瓦斯煤层冲击地压防治技术探讨

冲击地压发生的实践表明,在高瓦斯煤层中,高瓦斯压力极有可能促进了冲击地压发生。因此在高瓦斯煤层中,防治冲击地压必须考虑瓦斯对冲击地压的作用。在防治冲击地压的防治过程同时,要有针对性的进行瓦斯的防治。为了减少高地应力下动力灾害的发生,某矿采取了水力压裂、煤层注水、松动爆破等防治措施,取得良好效果,有效降低了煤与瓦斯突出及冲击地压发生的危险性。文章针对高瓦斯煤层冲击地压防治技术进行了探讨,并在某矿取得了良好效果。