煤与瓦斯突出的渗透失稳机理分析

为探索煤与瓦斯突出机理,基于流固耦合理论,对地面煤田钻井、实验室巷道增压试验及金属栅栏的抑突效应进行了分析,提出了煤与瓦斯突出属渗透性失稳的观点,其主要内容是:煤层瓦斯压力梯度是反映地应力、瓦斯压力和煤层渗透性相互影响的一种综合性指标。突出分为2个阶段:第1阶段是煤体失稳阶段,产生失稳的动力是瓦斯的渗透力;第2阶段是煤与瓦斯突出的运移阶段,其主要动力是瓦斯的膨胀压力。瓦斯的渗透力取决于瓦斯压力梯度,而瓦斯膨胀压力取决于瓦斯绝对压力。降低煤层瓦斯压力、增加巷道气压背景值及延长渗流途径是降低煤层瓦斯压力梯度的3种途径。     

平禹四矿特大型煤与瓦斯突出事故地质条件分析

以瓦斯地质学理论为依据,分析平禹四矿12190工作面运输巷掘进过程和工作面切眼发生的2次特大型煤与瓦斯突出事故,结合平禹四矿所处区域地质构造,分析工作面突出区域的煤层埋深、瓦斯含量、压力、煤的物理力学性质,对煤与瓦斯突出发生的原因进行分析认为:煤层埋深是影响煤层的主控因素,突出区域存在瓦斯包为连锁反应提供膨胀能。综合分析得出,平禹四矿12190工作面发生的2次特大型煤与瓦斯突出事故是地应力、瓦斯压力与构造煤综合作用的结果。     

崔庄矿煤与瓦斯突出成因分析及防治对策研究

针对崔庄煤矿8#煤层发生的煤与瓦斯突出现象,分析了煤层的赋存特征和地质状况,指出了该处瓦斯突出发生的根本原因在于:一是火成岩侵入产生的封闭结构,很好地保存了该区域内煤层生成的瓦斯,从而造成了该区域内的瓦斯含量高、压力大;二是断层、褶曲等地质构造既造成了应力集中,同时也破坏了煤层的结构,降低了煤层本身的抵抗能力.针对崔庄矿8#煤层突出的原因,提出了相应的对策措施.     

煤与瓦斯突出预测的一个新指标

煤与瓦斯突出是煤矿主要瓦斯灾害事故类型之一。目前,国内煤与瓦斯突出预测主要是根据瓦斯动力现象特征和基于煤层瓦斯压力、煤的破坏类型、坚固性系数与瓦斯放散初速度的四参数法。四参数法规定,4个参数均超过各自的临界值才能定为突出煤层;瓦斯压力的临界值为0.74 MPa。但实践表明,瓦斯压力小于0.74 MPa 也曾多次发生突出。本文用可压缩流体力学的观点分析了突出机理;采用多相连续介质力学中的应力分析法建立了煤与瓦斯突出预测的一个新指标 F,并给出了有关参数的计算方法;案例分析表明,所得结果符合实际。     

监测监控系统在瓦斯突出矿井掘进工作面中的应用

1 产生煤与瓦斯突出的原因 煤与瓦斯突出是从煤(岩)壁向采掘工作面突然喷出大量煤与瓦斯的现象,其突出的机理非常复杂,一般认为主要来源于两方面:①煤体上部直到地表这个空间上方的岩体向未被采掘煤体上方转移,就是说煤体内部存在有岩体自重应力、地质构造应力和采场支撑应力;②随着煤矿开采深度的增加、煤体中赋存的瓦斯含量的增加,在煤层中的地应力和瓦斯压力逐步增大,瞬间释放出大量的瓦斯和煤.     

对我国煤矿瓦斯事故的思考

采用力学-数学方法（数值模拟），从相关关键参数（如煤层瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯放散初速度、煤的坚固性系数等）相互关系的数值分析入手，阐述了覆岩应力不同分布状态下煤岩体本构关系和固-流-应力的耦合作用，确定了采掘工作面推进与瓦斯事故源（高应力区和高煤层瓦斯压力区）的时空关系，从而定量地揭示瓦斯事故发生发展的过程机理，达到煤矿瓦斯事故有效预测控制的目的.     

金源煤矿掘进中“闷炮声”原因及对策分析

针对巷道掘进迎头出现“闷炮声”现象,通过测量钻孔钻屑和瓦斯压力,排除了冲击地压和煤与瓦斯突出的可能性,分析判定“闷炮声”的原因是高应力为释放,导致顶板及煤层破裂,制定了加强巷道支护措施,防止发生冒顶事故。     

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。     

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。     

瑞利波探测在防突预报中的应用

煤层中的瓦斯含量与瓦斯压力一方面与煤层的埋藏深度有重要的关系,另一方面与煤层的赋存条件和地质构造有关,在断层、褶曲、煤层厚度变化区、火成岩侵入区等地质构造附近,瓦斯含量异常活跃,往往易发生煤与瓦斯突出现象。超前预测预报地质构造体附近的瓦斯聚集区,应用有效的防突手段,提前抽排出瓦斯,防止煤与瓦斯突出事故的发生,对于高沼矿井的安全有效开采极其重要。介绍了利用瑞利波探测在防突预报中的应用研究。     

Numerical analysis of coal-gas flow and pressure relief on the mining method of extreme short-range protective strata

The coal-gas existing condition was ameliorated in the coal seams prone to coal-gas outburst adopting the mining method of protective strata. The gas volume and the gas pressure were reduced synchronously in the protected coal seam, and the coal seam of high permeability prone to the coal-gas outburst was changed into that of low permeability with no proneness to the coal-gas outburst. The D₁₅ coal seam was treated as the protective strata, and the D_16–17 coal seam was treated as the protected strata in the Fifth coal mine in the Pingdingshan Coal Mining Group. The distance between the two coal seams was 5 m averagely, clarified into the extreme short-range protective strata. The numerical analysis was based on the theory of the porous media flow with the finite element method. The gas flow process and the change mechanism of the coal-gas pressure were analyzed in the process of mining the protective strata. Supported by the Grants of National Scientific Funds of Control Mechanism of Geologic Hazards Induced by Coal-gas(50534070)     

构造煤层位对煤与瓦斯突出的影响数值分析

构造煤是煤与瓦斯突出的必备条件。根据构造煤在煤层中的不同位置,建立了煤与瓦斯突出的构造煤层位数值实验模型。利用RFPA2D对数值模型进行了数值试验,从应力应变、破坏分布、瓦斯压力和瓦斯梯度变化等方面分析了顺煤层发育的构造煤分层在工作面掘进过程中诱发煤与瓦斯突出的作用。数值试验结果表明煤层中的构造煤层位影响着煤与瓦斯突出的始发条件,是煤与瓦斯突出的关键层。研究分析认为构造煤层位并不影响原始煤层瓦斯赋存分布规律,但是决定了诱发煤与瓦斯突出的主体和始突强度,诱发煤与瓦斯突出关键在于构造煤层内的高瓦斯压力梯度。     

掘进工作面卸压区宽度及其主控因素研究

针对煤巷掘进过程中易发生煤与瓦斯突出的问题,对煤巷掘进工作面煤体的卸压区宽度范围进行了理论分析,得出了卸压区宽度受煤层界面摩擦因数、煤体抗拉强度、煤层厚度、煤岩容重、侧压系数及煤层开采深度等多种因素的影响,采用灰色关联分析法确定了煤体的侧压系数为卸压区宽度的主控影响因素,并采用现场实测的方法验证了卸压区宽度数值分析的正确性。提出了煤巷掘进工作面进行煤与瓦斯突出防治措施应用时,应主要以施加外部荷载的防突措施为主,提高煤体的侧压系数以破坏煤体完整性并增大卸压区宽度,使卸压煤体厚度增大从而抵御煤与瓦斯突出。研究结论可以为煤巷掘进面煤与瓦斯突出的研究提供理论指导。     

煤与瓦斯突出冲击气流形成及传播规律

为充分认识煤与瓦斯突出冲击气流的形成机理及其传播特征,基于气-固耦合作用下的煤与瓦斯突出物理模拟试验结果,结合气体动力学理论,建立冲击气流的形成及其运移模型,并应用于煤与瓦斯突出冲击气流数值模拟分析.结果 表明:煤层瓦斯压力和应力下降过程中皆存在阶段性平稳或回升现象,说明能量的释放是分阶段完成的;煤层应力的变化主要集中...     

煤与瓦斯突出预测敏感指标及其临界值研究进展

煤与瓦斯突出预测是突出煤层2个"四位一体"综合防突措施的关键环节,对确定突出预测敏感指标及其临界值具有重要意义。以往突出预测敏感指标及临界值的确定,包括地应力指标和瓦斯指标,是通过现场反复测试、试验确定的;而现今的突出防治管理模式不支持这种方法,故只能采取实验室试验研究,主要是针对瓦斯相关指标的研究,结合部分现场验证来确定。选取大隆矿12煤、芦岭矿8煤、祁南矿3煤、朱仙庄矿10煤、童亭矿7煤和新景3煤等6个煤样,煤种涉及中等变质程度的气肥煤到高等变质程度的无烟煤,试验研究了各煤样瓦斯压力P与瓦斯含量W,瓦斯压力P与钻屑瓦斯解吸指标K_1和Δh_2,以及钻屑瓦斯解吸指标K_1与Δh_2之间的关系规律。结果表明:突出预测的瓦斯指标之间具有单值对应关系,但各煤样的这种对应关系是变化的,国家相关标准给出的突出预测指标建议临界值之间并不对应,也不能完全反映煤层的实际突出危险性与突出严重程度,不同变质程度煤层很难存在统一的临界值;应用煤层瓦斯相关指标之间的对应关系,结合突出煤层的实际,如始突深度、突出动力现象、钻孔动力现象等,可间接确定突出预测敏感指标的临界值。同时,未来精细化的突出防治对突出预测敏感指标有更高的要求,进一步研究的方向应包含反映地应力状况、小构造影响下煤层赋存、预测煤层潜在突出强度的指标,以及适应突出灾害差异性的新突出预测方法及措施效果检验方法。     

煤与瓦斯突出危险应用灰色关联度的研究

以评估煤与瓦斯突出的危险程度为目的,以突出宏观显现对煤与瓦斯突出危险数据库进行分类,以三维立体图展现突出危险与瓦斯压力、放散初速度、坚固性系数和破坏类型。建立了突出危险灰色关联度模型,结果表明:煤体破坏类型与坚固性系数是作用煤与瓦斯突出的关键指标,主要导致在巷道或采面发生的突出;瓦斯压力与放散初速度是影响煤与瓦斯突出的控制指标,钻孔突出多数由瓦斯参数主导突出过程。     

煤层注水治理瓦斯灾害流固耦合关系研究

为消除瓦斯突出危险及工作面煤尘污染,基于平煤股份十矿己_15-16-24130工作面煤层地质赋存条件,建立了注水情形下煤层破坏的瓦斯抽采模型。提出了注水消除煤层瓦斯突出危险、降低煤尘排放的应用方案,分析了裂隙自由水运移影响下注水钻孔塑性破坏过程。模拟结果表明:随着自由水的注入,扩大了钻孔塑性破坏区范围,降低了自由水润湿区域内煤层物理特性。伴随自由水压力的升高,自由水逐渐进入煤层深部,提高了裂隙空间内自由水饱和度,抑制了煤层内瓦斯解吸、扩散过程,减少了瓦斯的释放。结合现场工业性试验可知,外界自由水的注入对煤层软化、破坏效果显著,对减少煤矿井下煤尘灾害、消除工作面瓦斯突出风险具有重要意义。     

煤中可溶有机质对瓦斯吸附与解吸特性的影响

为了研究煤中可溶有机质对瓦斯吸附与解吸特性的影响,在常温、常压下,用四氢呋喃抽提了淮北矿区的青东8煤、许疃3煤和孙疃8煤中的有机质,对比分析了原煤和残煤的瓦斯吸附量,常压真空解吸量和放散初速度Δp的变化规律。结果表明：抽提后,青东8煤和许疃3煤瓦斯吸附量减少,抽提前后瓦斯吸附增量随压力增加先增大后减小,Δp减小;孙疃8煤瓦斯吸附量无明显变化,Δp增大;3种煤样的常压真空瓦斯解吸量均增大。分析认为：突出煤层中,瓦斯溶解于煤中可溶有机质,形成固溶体,增加了煤层瓦斯含量,提高了瓦斯放散速度,煤层突出危险性增大;非突出煤层中可溶有机质占据了部分孔隙,可减缓瓦斯释放,降低瓦斯释放速度。     

防治冲击地压技术在高瓦斯矿井的应用

在深部开采条件下,一些高瓦斯矿井出现了煤与瓦斯突出和冲击地压并存的现象。通过对平煤十矿动力现象资料进行初步分析,提出用煤层注水、深孔卸压爆破和水力压裂技术来防治冲击地压和消除突出危险。结果表明:煤层注水不仅达到了防冲和消突的效果,还有效地降低了粉尘;深孔卸压爆破有效地消除了冲击地压的威胁,水力压裂在消除突出危险方面效果明显。