论构造应力场及其演化对煤和瓦斯突出的主控作用

煤和瓦斯突出是地应力、煤的物理力学性质以及瓦斯压力三个因素综合影响的结果，而地应力中所包括的构造应力起主导控制作用。作者从多种角度、不同层次作了深入讨论。首先指出“残余构造应力”影响甚微；其次重点阐述了古构造应力场和现今构造应力场及其演化分别在控制谋和瓦斯突出中所起的重要作用，古构造应力促进瓦斯生成，改变瓦斯运移、赋存条件，破坏煤体结构等。现今构造应力构成了现今地应力的主体，直接参与突出过程。由此为有效防治煤和瓦斯突出提供了理论基础。     

开滦矿区煤岩动力灾害的构造应力环境

运用空心包体地应力测量方法进行了开滦矿区地应力测试,系统分析了开滦矿区地应力场的类型、作用特征及其与区域构造的关系,在此基础上分析了开滦矿区煤与瓦斯突出、冲击地压和底板突水等煤岩动力灾害与矿区地应力场之间的内在关系。研究表明开滦矿区地应力场属于大地动力场,地应力以水平构造应力为主导,且属于高应力区。矿区地应力场的量值和方位受开平向斜的控制,开平向斜轴部区域应力值最高,随着远离轴部,应力值逐渐降低;最大主应力方位与开平向斜轴部走向近似垂直。构造应力场对开滦矿区煤体结构、瓦斯参数、煤体渗透特性等具有控制作用,开滦矿区煤与瓦斯突出和冲击地压发生在地应力值最高的开平向斜轴部区域,底板突水发生在地应力最低的开平向斜翼部区域。开滦矿区煤岩动力灾害具有统一的构造应力环境。     

煤层褶皱构造形成演化应力场分布特征数值模拟

在古构造应力场的作用下,地质构造演化对煤层结构的变形破坏起到作用,它主要影响的是煤体的结构和力学性质,以及瓦斯的生成和保存。已存在的地质构造在现今构造应力场的作用下,对于煤与瓦斯突出有直接控制作用。采用有限元数值模拟软件ADINA,模拟了一次构造作用下,煤层褶皱构造的形成过程,分析了构造形成过程中的煤层破坏情况。同时模拟了在煤层褶皱形成后受现代构造应力场作用下煤层的破坏情况及地应力的分布规律。为有效的防治煤与瓦斯突出提供了参考依据。     

韩城矿区3#煤层突出灾害特点分析及其防治对策

针对矿区3#煤层厚度大,瓦斯压力、含量高,煤层松软、透气性差,煤与瓦斯动力灾害严重的现状,通对韩城矿区的瓦斯地质赋存规律及瓦斯动力灾害的特点进行梳理和深入剖析。研究结果表明:韩城矿区3#煤层瓦斯灾害主要是以高地应力为基础的构造应力、采动应力集中造成的瞬时突出,部分异常松软区域会发生以高地应力为基础的准静载作用下的蠕变延时突出,据此提出了加强地质探测工作,从煤层瓦斯抽采和应力卸除两方面防治煤与瓦斯突出灾害的技术思路,为矿区防治瓦斯动力灾害提供理论指导。     

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

由于煤矿深部煤岩体物性、应力、瓦斯等因素显著改变,出现了应力主导型突出、低瓦斯压力突出等新的灾害特征。为了更好地指导煤矿深部突出防治工作,基于煤与瓦斯突出关键结构体致灾理论,结合所建立的易突出构造煤体渗透率演化理论模型,揭示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。研究表明:煤与瓦斯突出灾害防控的核心是高效抽采瓦斯,其关键是设法降低地应力;降低易突出构造煤体所受地应力大小,可起到降低弹性潜能、提升煤层渗透率、促进瓦斯高效抽采、降低瓦斯内能等多重效应;煤矿深部开采煤与瓦斯突出灾害防控应因地施策,从卸荷消能和煤岩介质属性改造两方面着手,重点区域在采用卸压增透和瓦斯抽采措施后,还可采取一些提高煤体强度、抑制瓦斯解吸等改性措施,确保煤矿深部采掘作业的安全。     

梁北煤矿瓦斯地质特征分析

以瓦斯地质理论为基础,分析了梁北煤矿区域构造对煤田构造分布的控制,通过研究矿井构造分布与演化特征,得出了煤层瓦斯和构造煤的分布规律,含煤地层经历多期构造运动综合作用、互相叠加,加剧了煤层瓦斯积聚和集中涌出程度,滑动构造对煤层变形、破坏和构造煤的形成起控制作用。认为含高能瓦斯的构造煤发育区是煤与瓦斯突出发生的危险地带,为矿井瓦斯灾害治理提供了参考。     

石门揭煤煤与瓦斯延时突出过程及其动力源分析

基于煤与瓦斯突出机理,本文分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出全过程及其动力源,阐述了地应力和瓦斯压力在延时突出过程中的作用及其对含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系,并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程.结果表明,煤与瓦斯延时突出不但与卸压区、应力集中区的强度、长度有关,而且与作用在煤体上的应力峰值和瓦斯压力等因素有关;煤与瓦斯延时突出动力源大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯及瓦斯内能、煤体物理力学性质及外作用等,延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的,瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要能量,因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力,是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法.     

平煤十二矿瓦斯地质特征分析

以瓦斯地质理论为基础,分析了平顶山十二矿区域构造对煤田构造分布的控制,通过研究矿井构造分布与演化特征,得出了煤层瓦斯和构造煤的分布规律,含煤地层经历多期构造运动综合作用、互相叠加,加剧了煤层瓦斯积聚和集中涌出程度,滑动构造对煤层变形、破坏和构造煤的形成起控制作用。认为含高能瓦斯的构造煤发育区是煤与瓦斯突出发生的危险地带,为矿井瓦斯灾害治理提供了参考。     

煤与瓦斯突出过程中地应力、瓦斯压力作用机理探讨

基于煤岩破裂损伤理论和气固耦合方法,针对不同地应力和不同瓦斯压力条件,采用RFPA2D-Flow数值计算软件对煤与瓦斯突出发生、发展过程进行数值研究,获得了煤体裂纹孕育、扩展演化规律及突出孔洞变化特征,并结合红阳二矿、西马煤矿突出实例进行验证分析。研究表明:地应力与煤与瓦斯突出发生所需的最小瓦斯压力呈线性反比关系,地应力越高突出所需的瓦斯压力越小;高地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在剪-拉应力作用下,形成以"–"型和"I"型裂纹组成的网格型裂纹,宏观破坏呈楔形分布,而较低地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在拉应力作用下,形成"I"型裂纹,宏观破坏呈环状分布;突出过程中地应力的作用使煤体破坏以楔形方式发展,瓦斯的作用使煤体破坏以弧形方式发展,突出孔洞的最终形状由地应力和瓦斯共同决定。     

岩浆岩环境煤层瓦斯异常赋存特征与动力灾害防控关键技术

为研究岩浆岩赋存环境对煤层瓦斯动力灾害的影响,综合理论分析、实验室试验、多手段数值模拟、工程实践等方法,对岩浆岩侵入煤系地层后的热变质作用特征、煤体化学结构和物理规律变化特性等进行了系统研究与对比分析,并探讨了岩浆岩赋存环境下煤岩瓦斯动力灾害发生机制及防控关键技术。结果表明：(1)岩浆冷却-向围岩传热的散热方式为热传导,其热演化和接触变质作用不仅提升了煤体的变质程度并使其呈现自然分区特征,还导致煤体内部脱氧、去氢、富碳的趋势逐渐明显;(2)岩浆岩侵入煤系地层后,构造应力叠加热演化作用易造成影响区内煤体发生构造煤化,导致煤中孔容和比表面积增大,对瓦斯的吸附解吸能力亦增强;(3)岩浆岩赋存环境中煤体发生“二次生烃”,而致密低渗岩床的圈闭作用进一步提高了异常应力环境下伏煤层的瓦斯含量和瓦斯压力,增大了其煤与瓦斯突出危险性;(4)煤炭开采导致厚硬岩浆岩床失稳破断产生的冲击载荷作用于下伏含瓦斯煤层后,应力叠加等同于加大了煤层埋深并使煤体产生塑性破坏,能量叠加使得煤体灾变潜能提高,是导致煤层瓦斯动力灾害发生的主要因素。在上述研究基础上,结合岩浆岩赋存环境中煤层及其瓦斯赋存特征,建立了煤岩动力灾害预...     

向斜构造煤与瓦斯突出机理探讨

为了确定向斜构造煤与瓦斯突出机理,从应力、煤体结构特征和瓦斯压力及含量等方面对向斜构造进行了分析.利用弹性梁的应力、应变理论,分析了煤层与围岩组成的软硬互层系统的层间滑动特征和应力-应变特征、煤体宏观与微观结构特征、瓦斯压力与瓦斯含量分布特征.研究表明,向斜构造的两翼与轴部中性层以上为高压区,中性层以下为相对低压区,距离向斜轴部越近,主应力及其梯度越大.向斜构造形成过程中的层间滑动造成煤体原生结构遭到破坏,煤体强度降低,煤层增厚.向斜构造部位瓦斯生成量亦相对较高,同时中性层以上煤(岩)体中的裂隙和孔隙被压密、压实而闭合,阻止了下部瓦斯的向上逸散,中性层以下的张性作用下的断裂或折裂面、煤体中的割理、节理等降低了解吸压力,形成良好的瓦斯聚集空间,也有助于煤层中吸附瓦斯的解吸,使得向斜轴部瓦斯含量较高.向斜构造同时具备的高地应力、高瓦斯压力(含量)和构造煤发育等3个因素是其发生煤与瓦斯突出的主要原因.     

煤与瓦斯突出机理研究进展

随着煤矿开采深度的加大,煤与瓦斯突出这一灾害日益严重,因此需对突出机理作深入研究。本文综述了瓦斯作用说,化学本质说,地应力作用说和综合假说。指出进一步的研究应把瓦斯因素、煤的物理力学性质和结构特性的影响结合起来,从时间和空间上分析含瓦斯煤岩的强度、形变、流变、集气性和物理化学性等变化规律,最终解决煤与瓦斯突出机理问题,尤其是煤与瓦斯延迟突出机理问题。     

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。     

煤与瓦斯突出矿区地应力场类型及特征分析

从产生地应力的机制出发,剖析地应力的主要影响因素,根据地应力测量结果对分布于我国东北、华北、华中的淮南等典型煤与瓦斯突出矿区的地应力分布规律和地应力场进行了分析。     

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。     

Theoretical Estimate of Influence Exerted by Borehole on the Permeability of Gas-Saturated Seam

The mechanism is considered for developing the induced gas-permeability region in the initially impermeable coal seam. Coal shrinkage and rock pressure are the determining factors of the mechanism in question. It is shown that, depending on the geomechanical conditions, both stable development of gas-permeability region and cessation of this process are possible.     

含瓦斯煤渗透率各向异性研究

为研究含瓦斯煤各向异性渗流特征,以原煤煤样为研究对象,以含瓦斯煤三轴渗流实验系统为实验平台,开展了含瓦斯煤的各向异性渗流规律的研究,确定了含瓦斯煤各向异性渗透率主值及其方位的计算方法,定义了含瓦斯煤渗透率各向异性率,重点分析了含瓦斯煤渗透率各向异性动态变化规律和瓦斯优势流动方向的转变现象。研究结果表明:煤体瓦斯流动具有非常明显的各向异性特征,本文所提出的含瓦斯煤各向异性渗透率计算方法简单有效;含瓦斯煤具有较强的应力敏感性,其渗透率与有效应力之间符合负指数函数变化规律;含瓦斯煤渗透率的各向异性随有效应力的变化表现出了明显的动态变化发展规律,优势流动方向存在转变现象。     

含气体突出煤岩纵波波速与应力耦合关系研究

为了更好地将震动波CT技术运用于煤与瓦斯突出灾害监测中,搭建了含气体突出煤岩三轴压缩波速测试系统,实验室研究了含气体煤岩所受轴压、围压和所通入的气压大小与波速之间的耦合关系,并建立了波速与各应力的数学模型。研究表明:当试样载荷不变时,随着通入气压的增大,纵波波速在开始会剧烈下降,随后趋于稳定,呈线性负相关;当围压和气压条件不变时,试样在开始受到轴压后,波速迅速增大,随后波速变化趋于平缓,接近线性增长,呈指数函数关系;当气压和围压条件不变时,试样的纵波波速会随着围压的增加而均匀增加,呈线性正相关;3种试验结果所拟合出来的数学模型均具有较高的相关性。     

承压煤体瓦斯解吸-扩散特性实验研究

为了研究承压条件下含瓦斯煤的解吸-扩散特性,建立了受载煤体瓦斯扩散系数的动态演化模型,并采用单孔模型和双孔模型计算了粒度0.25~0.5,0.5~1和1~2 mm煤样在0~12 MPa轴向压力条件下的瓦斯扩散系数。实验结果表明:双孔模型计算结果与实验数据相关性系数均稳定在99.5%以上,拟合效果优于单孔模型,其中,宏观有效扩散系数在10~(-4)s~(-1)数量级上,高出微观有效扩散系数1~2个数量级;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随轴压升高呈先下降后波动上升的趋势,与受载煤体扩散动态理论模型相符;煤样粒度越大,宏观/微观有效扩散系数对应力越敏感,并且宏观有效扩散系数对应力的敏感性高于微观有效扩散系数;瓦斯解吸量、宏观/微观有效扩散系数随煤样粒度减小而增大。研究结果能为井下构造煤瓦斯扩散规律提供借鉴。