基于水力割缝卸压的煤岩与瓦斯动力灾害防控技术

随着煤矿开采逐渐向深部延深,高强度开采瓦斯涌出量大,煤岩体高应力与瓦斯灾害呈相互耦合态势。针对深部矿井高强度开采面临的煤岩与瓦斯动力灾害治理难题,基于高压水射流割缝卸压原理,提出应力、瓦斯双重卸压的煤岩与瓦斯动力灾害水力化防治技术。通过理论分析与数值模拟方法,分析了超高压水射流割缝破煤机制,研究了煤层割缝卸压措施对区域内煤体应力及瓦斯的双重影响。研究结果表明:高压射流在煤层内部切割破坏了煤体完整性,减弱了煤体对上覆岩层支承能力,能有效地缓解割缝区域内应力集中;钻孔内部切割形成的缝槽改变钻孔瓦斯抽采模式,由径向流动改变为径向、轴向复合流动,使煤层瓦斯含量、压力迅速降低,超高压水力割缝技术通过应力卸压及瓦斯抽采2个方面解除了煤岩与瓦斯动力灾害发生危险。经在胡家河矿现场试验,割缝区域内平均微震事件能量下降18%、单位进尺微震能量降低37%,采用地音趋势法评估的矿压显现强烈次数下降17%,瓦斯抽采量提高4.1倍,表明超高压水力割缝技术能实现地应力及瓦斯压力双重卸压,有效解除煤岩与瓦斯动力灾害发生危险,为深部煤矿高强度安全开采提供技术保障。     

“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”专题编者按

随着我国浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭,地下开采深度的逐渐延伸,越来越多的矿井将面临严峻的深部开采煤岩动力灾害问题。如何有针对性地开展防控深部开采过程中遇到的冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故,是摆在科研和生产工作者面前的难题。鉴于此,国家在“十三五”期间,将“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目,重点对煤矿深部开采条件下的冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害的危险性探测、防控机理和防控技术开展研究,本期第1~11篇论文基于该项目两年来的主要研究成果,从材料失稳角度研究了冲击地压的触发判据和从结构失稳角度研究了冲击地压的孕灾机制;系统研究了采掘巷道冲击危险性的探测与支护技术;从理论和数值模拟上研究了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理和深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理等。本期“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控”专题是上述成果的集中展示,希望有益于促进我国煤矿深部开采煤岩动力灾害的防控。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。     

深部含瓦斯煤体渗透率演化及卸荷增透理论模型

利用渗透率理论模型对深部煤层渗透率的变化进行了探讨,认为深部煤层地应力主导有效应力的变化,直接或间接的控制着渗透率。要有效增加煤层的渗透率,只能降低地应力。据此开展了煤体卸荷渗透率试验研究,获得煤体卸荷过程中既存在原始裂隙的扩展,也有新生裂隙的产生,两者的综合作用是导致卸荷煤体渗透率骤增的原因。在实验和理论分析的基础上提出了煤体卸荷渗透率演化概念模型,建立了考虑有效应力和瓦斯吸附/解吸变形等因素的、以应变为变量的煤体卸荷损伤增透理论模型。该模型搭建了煤体卸荷与增透的桥梁,可采用岩石力学软件获得的采场围岩应力场和应变场计算得到卸荷后煤岩的渗透率演化规律。最后在窑街煤田海石湾煤矿进行了应用,理论模型的应用使瓦斯抽采设计更科学和有效。     

四川矿区典型煤层地应力场瓦斯渗透性规律实验研究

在深部开采或复杂地质条件下,地应力对煤岩渗透率的影响明显,进而影响煤矿瓦斯抽采的效果。对四川矿区不同典型煤层条件下的原煤进行了实验研究,分析矿区典型地应力特征条件下煤岩渗透率的变化规律,拟合了煤岩渗透率与有效应力的函数关系模型。研究发现:煤岩的渗透率与有效应力呈规律性的反比例关系,并存在拐点。这一发现为该矿区根据地应力条件进行煤层强化增透措施选取提供了依据,该研究成果在四川矿区白皎煤矿的保护层开采应用中取得了较好的效果,瓦斯抽采效果良好。     

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据。     

地应力对瓦斯压力及突出灾害的控制作用研究

为考察地应力对瓦斯压力与突出灾害的控制作用,通过理论分析和现场实例验证相结合的方法,分析了地应力的演化特征及构造应力对煤体结构、瓦斯压力和突出灾害的控制作用规律。研究结果表明：构造应力的演化对煤层瓦斯赋存及运移起主导控制作用,含煤地层在高构造应力作用下其煤层瓦斯压力梯度可能远超过静水压力梯度,形成高的瓦斯压力;在强烈构造运动作用下形成的构造煤具有煤体强度低、瓦斯吸附和放散能力强等特点。由于地应力对煤体结构和瓦斯压力均起到控制作用,可以认为地应力在突出灾害中起主导控制作用,是煤体破坏的主要动力,也是高压瓦斯存在的前提。最后文中以祁南煤矿72煤层的瓦斯突出灾害特征验证了构造应力对突出灾害的主导控制作用。     

抽采过程中含瓦斯煤渗透率动态变化特征

基于孔隙率的定义,建立了考虑孔隙瓦斯压力、瓦斯吸附膨胀和地应力作用的含瓦斯煤渗透率模型,并研究了抽采过程中含瓦斯煤渗透率的动态变化特征。结果表明:含瓦斯煤的渗透率随地应力的增加呈指数形式降低,随瓦斯压力的减少呈现出先减小后增大的变化特征;瓦斯抽采过程中煤体弹性模量越小和吸附常数越大越有利于煤体渗透率的改善,而泊松比的变化对煤体渗透率的影响较小,对于合理地选择瓦斯抽采区域、布置瓦斯抽采工程和采取瓦斯抽采措施具有一定的指导意义。     

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。     

平煤十矿"11·12"煤与瓦斯突出事故原因分析

通过对平煤集团十矿2007年11月12日发生煤与瓦斯突出事故现场勘查,认为事故主要原因是:在地质构造复杂区和构造煤层发育区,地应力和采动应力、扰动力平衡被打破所引发的地应力为主导作用的煤与瓦斯突出事故;间接原因是:在大采长和深部开采条件下,对地应力诱发煤与瓦斯突出的危险性认识不足,抽放钻孔和底板巷抽放钻孔不能控制全部采长.分析认为该矿在深井、高地应力、突出煤层开采过程中,应把防治地应力措施与防突措施相结合.     

隐伏性突出煤层群保护层开采卸压瓦斯抽采技术研究

保护层开采是对于煤与瓦斯突出矿井开采煤层群时首选的经济有效的区域防治突出措施,但开采保护层时既要治理本煤层涌出的瓦斯,还面临着被保护层卸压瓦斯涌入保护层工作面。为有效抽采上保护层开采后的卸压瓦斯,利用保护层开采“卸压增透效应”,结合新田煤矿井下生产实际情况,以新田煤矿1402保护层工作面为例,介绍保护层工作面开采期间的瓦斯治理技术。     

永盛煤矿南井主采煤层煤与瓦斯突出危险性评估

选用永盛煤矿南井主采2#和9#煤层作为研究对象,根据该煤层最大瓦斯压力和煤样瓦斯基本参数测试结果,评估其突出危险性。测试结果表明:永盛煤矿南井2#和9#煤层突出危险性单项指标和综合指标均超过了《防治煤与瓦斯突出规定》规定的临界值;该井田范围内无明显直达地面的断裂构造,瓦斯难以从构造带释放;煤层埋藏较深且上覆岩层大多为透气性差的岩层,瓦斯保存条件较好。分析确定永盛煤矿南井2#、9#煤层为具有煤与瓦斯突出危险性煤层。     

煤与瓦斯突出地质控制机理探讨

在综合考察国内外煤与瓦斯突出研究基础上,从瓦斯地质角度深入分析构造煤体、高压瓦斯和构造作用等影响突出发生的关键因素,初步提出以瓦斯突出煤体为核心的煤与瓦斯突出地质控制机理。认为地质构造控制着煤层瓦斯的赋存和构造煤分层破坏程度以及厚度分布,控制着煤与瓦斯突出;煤与瓦斯突出动力现象是一定规模的瓦斯突出煤体在临近采掘工作面煤壁时,卸载引起煤体拉张向深部扩展破坏,煤层透气性高倍增加,同时煤体内大量瓦斯因降压而快速解吸,靠近煤壁的煤体内瞬间形成高动能的气、煤颗粒混合体,类似点爆炸药包,造成煤层严重崩塌破坏,发生煤与瓦斯突出。以郑煤集团大平煤矿“10·20”特大型煤与瓦斯突出为基础,进行地质控制煤与瓦斯突出实例分析,结合新疆自治区煤矿瓦斯地质特征揭示了瓦斯突出煤体发育和分布规律。     

桑树坪煤矿3号煤层煤与瓦斯动力灾害治理实践

桑树坪煤矿面临2号煤层局部薄化不可采、11号煤层含硫高且底板奥灰水害威胁情况,严重突出厚煤层3号煤层无保护层开采。针对矿井煤层赋存及瓦斯灾害特点,在进行矿井概况分析和煤层开采程序论证后,提出采用底板岩巷穿层钻孔水力扩孔强化卸压预抽煤巷条带煤层瓦斯,结合密集顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯进行区域防突;针对应力主导型动力灾害,在工作面回采前采用顶板预裂爆破卸压降冲等技术防治。实践表明,结合上述措施,同时采用顶板控制预裂爆破弱化降冲工艺技术,是治理桑树坪煤矿3号煤层地应力主导灾害的可行方法。通过矿井南一采区、北一采区和北二采区采掘部署调整和优化,为矿井区域防突措施执行及瓦斯抽采提供了时间和空间。     

近距离突出煤层群瓦斯综合治理技术研究

近距离突出煤层群条件下,进行有效的区域瓦斯治理措施,包括必要的瓦斯抽采和煤层消突措施,能够保障开采过程中的安全。本文针对原相矿近距离突出煤层群区域瓦斯治理中存在的问题,分析目标煤层瓦斯赋存及运移规律,提出适合原相矿采掘抽衔接的区域防突措施,优化原始煤层瓦斯预抽参数和被保护煤层卸压瓦斯抽采参数,最终形成原相煤矿区域瓦斯综合治理技术。该技术的使用有效的降低了突出煤层的瓦斯含量,消除了突出煤层的突出危险性,缓解了原相煤矿采掘抽接替紧张的矛盾,为矿井的安全高效开采提供了技术保障。     

深孔松动爆破技术在“两高一低”突出煤层工作面中的应用

为了解决“两高一低”（高瓦斯含量、高瓦斯压力、低透气性）突出煤层综采工作面的防突和瓦斯超限问题，新田煤矿在1402工作面下部硬煤进行深孔松动爆破抽放技术试验。该技术的应用增大了煤体裂隙和煤层透气性，扩大了抽放钻孔的影响范围，提高了工作面瓦斯抽采量，减少了钻孔的施工时间和瓦斯抽放时间，钻孔工程量减少了一半，瓦斯治理效果明显，经济技术效果显著。     

华晋焦煤沙曲矿综掘面瓦斯抽采防突参数的优化

运用ANSYS10.0对巷道掘进工作面两帮以及工作面深部应力进行了数值模拟及解算,得出了巷道两帮的应力分布状况,在此基础上优化了瓦斯抽采钻孔的布置方式及合理参数,对于有效防治煤与瓦斯突出,实现快速掘进具有重要的意义.     

深孔爆破卸压抽采煤巷消突技术在宣东二矿的应用

针对冀中能源张家口矿业集团宣东二矿煤与瓦斯突出危险性大,煤巷掘进慢,采掘接替紧张的状况,在该矿209区域采用了深孔爆破卸压抽采煤巷消突技术。结果表明:该技术对于宣东二矿防治煤与瓦斯突出、提高煤巷掘进速度(月进尺由34 m提高到70 m以上)、缓解采掘接替紧张、构建安全矿井等方面发挥了重要作用。     

中岭井田煤与瓦斯突出规律特征

煤与瓦斯突出是煤矿自然灾害中最为严重的自然灾害之一,它是煤体在地应力和瓦斯的共同作用下发生的一种异常动力现象,轻者摧毁设施,重者会使风流转向、人员窒息、引发瓦斯爆炸等事故。为了进一步掌握中岭煤矿煤与瓦斯突出的规律特征,根据建井至今(2008年10月)收集的相关数据资料,笔者仅从地质构造、开采深度、作业方式、巷道类型等粗浅分析了突出的规律特征,根据其规律特征采取了相应的防治突出措施,并取得了明显的效果。