煤与瓦斯突出机理分类研究构想及其应用探讨

针对目前各种地质和采动条件下突出发生的机理没有完全掌握,突出事故仍时有发生的现实背景,提出了煤与瓦斯突出机理的分类研究构想,在此基础上构建了爆破扰动构造煤岩突出的物理模型,分析了爆破应力波在3种不同爆破介质中的传播规律及其对构造煤岩的损伤破坏和瓦斯赋存状态的影响,并利用自主研制的气固耦合爆破试验装置进行了模拟实验。研究发现,"地质弱面体"为突出的发生提供了松软煤体、瓦斯赋存空间、异常应力和突出启动的弱面环境;爆破应力波从岩层或者原生结构煤层入射到"地质弱面体"会发生波的透射和反射,反射的拉伸应力波产生的拉应力集中分布在波阻抗发生变化的区域;"地质弱面体"加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致煤岩体裂隙增加,为瓦斯的流动提供通道,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。     

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。     

松软低透煤层深孔微差聚能爆破致裂机理

针对松软低透煤层微差聚能爆破致裂增透问题,在分析微差聚能爆破作用过程及影响因素的基础上,利用流固耦合算法建立了微差聚能爆破数值模型,研究了煤体单元应力及裂隙发育特征,并通过煤层深孔微差聚能爆破现场试验探讨了微差聚能爆破致裂机理及对煤层增透的影响。结果表明:深孔微差聚能爆破的新自由面和应力波叠加效应是促进爆生裂隙扩展、衍生裂隙形成的关键因素,炮孔间煤体在短时间内经两次爆破作用使裂隙进一步发育和扩展。先爆炮孔为后爆炮孔提供了新的裂隙面,爆炸应力波经裂隙面绕射、反射并与入射波叠加,使裂隙面附近煤岩体处于拉伸应力状态并促进衍生裂隙的形成;后爆炮孔利用先爆炮孔形成的残余应力场使爆生裂隙密度增加,扩大了煤体致裂范围。微差时间与炮孔间距是影响爆生裂隙扩展特征的重要因素,在其他条件不变的情况下,两者共同作用决定了爆生裂隙的发育形态。当先爆炮孔产生的应力波在微差时间内传播距离小于炮孔间距时,爆炸应力波在两炮孔间煤体中相互叠加增强,随后在裂隙面之间发生反射形成拉伸应力波对煤岩体产生复杂的破坏作用,在原有爆生裂隙间形成新的裂隙。煤层实施深孔微差聚能爆破后增透效果显著,先爆炮孔附近煤体裂隙在后爆炮孔作用下进一步发育,炮孔间煤体裂隙随孔间距减小更易贯通。     

瓦斯突出作用下煤岩体中冲击波传播规律的研究

通过40余次的煤与瓦斯突出模拟实验,揭示了冲击波的形成原因,据此建立起冲击波在煤岩体中的一维传播模型。根据应力波理论,分析了其主要的传播规律：① 冲击波在煤体界面上传播时,折射进入煤体的冲击波应力值约为入射冲击波的两倍;② 冲击波在单个层状煤体中传播时,冲击波会在单个层状煤体两端自由界面上出现反射,产生巨大拉应力,拉应力又将其撕裂成若干个更薄的层状体;③ 冲击波传播到构造煤和岩石（硬煤）组合介质中分界面上时,在交界面处产生强烈的透射和反射,反射波反向加载,煤体受到强烈压缩作用,当其超过软煤强度时,软煤被压裂破坏。从整个突出过程来说,拉应力对煤体的破坏起到主要作用。     

冲击载荷作用下弹、塑性组合煤体动态损伤特性研究

以掘进巷道前方分布的弹、塑性组合煤体为研究对象,基于应力波的传播规律,研究冲击载荷作用下煤体中应力波的传播过程,加、卸载波相互作用下拉应力波的形成及作用机理。研究表明:弹、塑性组合煤体在冲击载荷作用前后,加、卸载波在波阻抗不同的分界面将发生反射与透射,形成多束卸载波;卸载波的作用能产生拉应力,易致使煤体发生破坏;冲击载荷作用下掘进工作面前方塑性煤体与弹性煤体的分界面附近煤体中易形成拉应力较大的区域,导致煤体发生急剧损伤、瓦斯解吸速度急剧增加、瓦斯压力急剧上升,从而导致煤与瓦斯突出事故的发生,是由内至外的发展过程;加、卸载应力波在孔洞周围的弹、塑性煤体传播过程中会发生多次反射与透射产生多束卸载波,卸载波之间相互作用产生的拉应力,可使煤与瓦斯突出过程中呈现层裂现象。     

含自由面岩体预裂爆破控制技术

运用波的传播规律及力学知识,分析了应力波在自由面附近的传播形式,得出了采用反射系数表示岩体自由面反射前与反射后的应力关系式,认为反射应力随应力波入射自由面角度增大而减小。根据柱状爆破岩体破坏特征将含自由面岩体分为:爆破空腔、裂隙发育区、弹性区和反射应力拉伸破坏区,并针对煤层预裂爆破提出了保护自由面完整性的方法。运用LS-DYNA程序模拟了爆破应力波在自由面及无反射边界面的传播形式,认为应力波在自由面处发生反射,在距自由面0.5~0.8 m范围内形成反射应力波作用区。     

深孔松动爆破技术在防治瓦斯煤层突出中的应用

淮南矿区6煤层部分井田瓦斯含量大且煤层松软、煤体结构局部呈致密泥状,煤层顶底板坚硬,多次发生瓦斯煤层突出的动力现象,严重影响了矿井生产和安全。经采取深孔松动爆破技术后,对消除和减少瓦斯煤层突出的动力现象起到了很好的效果。     

构造煤槽波地震探测可行性分析

煤与瓦斯突出灾害是影响煤矿安全生产的重大危害之一,构造煤是瓦斯突出的物质基础,如能够通过地球物理手段预测出构造煤分布区域,对减少煤矿瓦斯突出灾害将起到积极作用。槽波地震技术在煤层厚度及小构造探测方面取得较好的应用成果,但对于构造煤探测尚未成熟。利用槽波正演模拟技术,分析槽波在不同煤体结构煤层中的传播规律,发现槽波在构造煤和原生结构煤中速度频散和能量衰减差异明显。建立构造煤和原生结构煤中勒夫型槽波速度频散和能量衰减曲线,认为低频段槽波受煤层厚度和煤体结构两者共同影响,而高频段槽波受煤层厚度影响小,与煤体结构类型关系更密切;槽波在煤层中随传播距离增加,能量逐渐减弱,影响因素除波前扩散和介质吸收作用外,还受透射能量损失等因素影响。当煤层较厚时,透射能量损失占主导地位,原生结构煤透射区域大于构造煤,使得构造煤中槽波能量高于原生结构煤;当煤层较薄时,介质吸收作用占主导地位,原生结构煤介质吸收作用弱于构造煤,使得构造煤中槽波能量低于原生结构煤。构造煤中槽波在不同频率下吸收衰减系数随煤层厚度变化大,而原生结构煤中槽波吸收衰减系数变化小。槽波在构造煤和原生结构煤中的传播特征差异,有望为构造煤预测提供依据。     

水压爆破应力波传播及破煤岩机理实验研究

开展了水压爆破爆炸应力波传播及破煤机理实验研究,采用超动态应变测试系统对模拟煤体中产生的爆炸应变进行了采集分析,研究了水压爆破爆炸应力波在煤体中的传播,根据损伤破坏区域、裂纹形态等爆破效果,研究了水压爆破破煤机理,通过分析水、空气2种炮孔不耦合介质对煤体爆破作用的影响,对比证明了水压爆破煤体致裂效果明显。研究结果表明:煤体首先呈现塑性压缩破坏,在炮孔周围形成粉碎区,粉碎区半径约为炮孔半径的1.5倍;然后呈现脆性拉伸破裂,形成大范围裂隙区,裂隙区半径约为炮孔半径的13倍;最后应力波衰减为地震波,引起煤体质点产生弹性震动,形成爆破松动区。     

穿层控制爆破的卸压、增透作用分析及数值模拟

运用岩石断裂力学和爆炸力学理论,分析了在高瓦斯低透气性有突出危险的煤层中进行穿层深孔预裂控制松动爆破的机理,得出穿层爆破过程中在煤岩体结合处进行卸压增透是提高煤层透气性的关键;运用数值模拟的手段对穿层控制爆破在煤岩中的爆破效果进行了分析对比。综合分析结果并结合现场测试的数据,得出穿层深孔控制爆破在一定范围使原岩高地应力场发生改变,并沿巷道掘进方向向前方煤体和巷道两帮深部转移,同时提高煤层透气性,使高压瓦斯加速排放,减少了突出势能,有效防治了煤与瓦斯突出和冲击地压,具有重要的理论和实用价值。     

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。     

地质构造物理环境对煤与瓦斯突出的影响综合分析

通过对构造煤特征、构造应力场特征、地质构造带煤层瓦斯赋存规律和构造组合特征的综合论述,分析了地质构造物理环境对煤与瓦斯突出的影响。分析表明:构造煤分层的存在为煤与瓦斯突出的初始激发和持续发展创造了有利条件,地质构造破坏复杂程度、构造带煤层瓦斯赋存状态、构造应力场叠加和构造煤发育是影响突出发生的关键因素,增加了突出发生的危险性。提出了构造物理环境和采掘活动等扰动因素的综合作用控制地质构造带的煤与瓦斯突出。     

煤巷底板岩石爆破提高瓦斯抽放率的应用与数值模拟

在松软煤层相邻的岩石进行深孔控制爆破时,相邻煤层也产生裂隙和振动并可提高瓦斯流量。为研究此方法与煤体爆破的差异,利用三维数值模拟结合煤矿现场爆破实验,探讨了不同爆破介质的动应力分布及抽放效果。分析了底板岩石布孔和单煤体爆破布孔的特点;建立了不同条件下的爆破模型;研究了单煤体和煤岩介质中爆破孔与控制孔连心线距离与有效应力的关系。复合介质从岩石变为煤体后,有效应力极值减小57%,相同位置单一煤体只减小27%;瓦斯抽放效果很大程度上与爆破后控制孔轴线方向有效应力分布有关,爆破孔与控制孔间距为2.0 m时,轴线方向平均有效应力与全煤层爆破3.0 m间距时基本相当。通过对重庆渝阳矿进行底板岩石深孔爆破实践,证实了以上研究结论的正确性。     

构造煤瓦斯解吸规律研究

通过建立实验系统,并模拟测试构造煤的瓦斯解吸过程,研究不同破坏程度构造软煤的瓦斯解吸规律,确定构造软煤在不同压力条件下的瓦斯解吸特性,为煤与瓦斯突出预测、煤层瓦斯压力和含量的预测以及估算采动落煤的瓦斯涌出提供了一定的理论依据。     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

岩浆侵入破坏区煤层瓦斯地质规律

当岩浆侵入破坏煤系时,煤层瓦斯赋存规律会变得异常复杂。利用瓦斯地质学和煤层气地质学的方法,对岩浆侵入破坏区煤层瓦斯地质规律进行了研究,结果表明:岩浆侵入煤层与煤发生接触热变质作用,使生成的瓦斯量发生变化;使瓦斯的赋存状态发生变化,同时有可能导致瓦斯成分的改变;还会使其影响带的煤体结构遭到破坏,局部形成构造软煤分层,在岩浆岩体尖灭处及岩浆岩体与断层的组合部位是煤与瓦斯突出的有利地带。     

非均布荷载条件下煤与瓦斯突出模拟实验

使用大型煤与瓦斯突出模拟实验装置,模拟不同集中应力区应力水平条件下的型煤试件的煤与瓦斯突出,探索集中应力区应力水平对煤与瓦斯突出特性的影响规律.通过对实验结果的分析,认为应力集中区应力水平的变化对煤与瓦斯突出有着重要的影响作用,具体表现在：随着集中应力区应力值的增加,煤与瓦斯突出的强度增加,抛出的煤体被破碎的效果也更为明显,而且突出后煤体的温度降低量也越大;另外,集中应力区应力水平对突出孔洞与煤层的夹角也有一定的影响作用。     

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。     

地应力主导型突出危险煤巷水力扩孔卸压防突技术研究

为了防治桑树坪煤矿松软3#煤层地应力主导型突出灾害,提出了采用水力扩孔卸压增透技术进行煤巷条带区域防突的防治措施。采用理论分析、FLAC3D数值模拟软件获得了扩孔后煤体破坏形态、塑性区范围及应力分布规律,据此确定水力扩孔合理布孔参数。并提出以残余瓦斯含量、扩出煤屑率作为防突效果的双重评价指标,从而提出穿层钻孔水力扩孔卸压防突技术,并进行了现场应用。应用表明:扩孔后煤层卸压增透及防突效果显著,瓦斯流量衰减系数降低65%~74%,自然瓦斯涌出量提高2~3倍。残余瓦斯含量的临界值为8m3/t,煤层正常、异常区域扩出煤屑率的临界值分别为3%、5%,可实现煤巷安全高效掘进。