国家自然科学基金重点项目

1 研究背景和意义 随着我国许多煤矿相继进入深部开采,深部高瓦斯压力、高地应力、低渗透性煤层及其围岩之间的耦合作用不断增强,煤岩瓦斯复合动力灾害日益加剧.迄今国内外学者对煤与瓦斯突出以及冲击地压机理的认识仍然处于半定量阶段,对于发生机理较为复杂的煤岩瓦斯复合动力灾害的认识更处于初步探讨阶段.这使得对煤岩瓦斯复合动力灾害的预测防控难度更大,而且,复合动力灾害一旦发生,其冲击动力会破坏井下设施,产生瓦斯逆流,甚至出现风流紊乱,如果对灾变控制不当,将会造成瓦斯爆炸等二次灾害的发生,对煤矿安全生产构成极大威胁.因此,研究煤岩瓦斯复合动力灾害的孕灾机制及灾变演化规律,构建科学防灾、控灾的理论基础,成为新灾害形式下煤矿安全领域的重大科学问题.基于此,本项目开展"深部煤岩瓦斯复合动力灾害孕灾机制—演化规律及防控基础研究",旨在对煤岩瓦斯复合动力灾害的孕灾机制、灾变演化规律、科学防灾和灾变控制基础理论开展科研攻关,保障深部煤炭安全高效开采.     

国家自然科学基金重点项目 “深部煤岩瓦斯复合动力灾害孕灾机制--演化规律及防控基础研究”(52130409)项目介绍

1研究背景和意义随着我国许多煤矿相继进入深部开采,深部高瓦斯压力、高地应力、低渗透性煤层及其围岩之间的耦合作用不断增强,煤岩瓦斯复合动力灾害日益加剧。迄今国内外学者对煤与瓦斯突出以及冲击地压机理的认识仍然处于半定量阶段,对于发生机理较为复杂的煤岩瓦斯复合动力灾害的认识更处于初步探讨阶段。     

深部开采煤岩瓦斯动力灾害统一发生机制及监测技术

为研究深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合动力灾害的发生机制,并对其进行有效监测预警,运用事故调研、理论分析、工程实践等方法,分析了我国煤岩瓦斯动力灾害的影响因素,研究了其发生的统一机制和监测技术。结果表明:煤岩瓦斯动力灾害是冲击、突出共性因素和个性因素共同影响下的结果;根据灾害发生过程中能量释放的主体和形式,将煤岩瓦斯动力灾害分为冲击地压、煤与瓦斯突出、冲击-突出型复合动力灾害、突出-冲击型复合动力灾害4种类型;采用多层次统一监测模式,可对深井煤岩瓦斯动力灾害进行全方位连续的统一监测。最后将研究成果应用于煤矿现场实例,效果良好。     

煤岩动力灾害的氡监测技术初探

矿井开采深度和强度的逐年增加,致使深部煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害变得更为严重,迫切需要有既行之有效又安全可靠的方法来对其进行预测预报.煤岩体的破裂过程伴随能量耗散及放射性核素氡析出,因此,检测氡的变化可以作为一种对煤岩动力灾害的预测方法.先介绍了我国煤矿井下氡的水平,分析了破裂煤岩氡析出异常机理,研究了煤岩放射性核素赋存的影响因素,再利用自主设计的循环式破裂煤岩氡析出测定试验系统,初步研究了煤岩块试样破坏前后的氡析出变化.结果表明,煤岩块试样在破坏前后,氡浓度出现异常变化,破坏后较完整的煤样氡气放射增加50％以上,破坏后较完整的岩样氡气放射增加1倍以上.这表明氡检测技术在煤矿动力灾害探测中具有较好的应用前景.     

瓦斯吸附作用下煤岩力学行为及声-电荷反演

为深入探究不同瓦斯吸附压作用下的煤岩力学行为及声-电荷反演规律,完善冲击-突出复合灾害的预测预警方法,以阜新孙家湾矿168工作面煤样为研究对象,利用载荷-声-电-应变复合监测系统对不同瓦斯吸附压力作用下的试样的力学特性、破坏特征、冲击-突出特征及声-电信号反演进行试验研究。结果表明:随瓦斯吸附压力增大,瓦斯煤岩冲击倾向指标均降低,应力峰前调整逐渐增多,煤岩峰值破坏时间延长,煤体内部损伤、软化程度及破碎程度升高,煤体动力灾害存在冲击向突出转化的可能;监测获得的声-电荷高幅值信号在时间序列上与煤体应力状态呈现较好对应关系,能够反演瓦斯煤岩的力学特征。     

含瓦斯煤岩突出过程数值模拟

含瓦斯煤岩突出是煤炭开采过程中一种复杂的工程诱发灾害。根据煤岩体变形与瓦斯渗流的基本理论 ,考虑煤岩介质材料力学性质的非均匀性特点以及煤岩介质变形破裂过程中透气性的非线性变化特性 ,建立了含瓦斯煤岩突出过程固气耦合作用的RFPA2D Flow模型。利用该模型对石门掘进诱发的含瓦斯煤岩突出进行了初步的数值模拟 ,模拟结果再现了煤岩介质在瓦斯压力、地应力和煤岩力学性质等因素综合作用下由裂纹萌生、扩展、相互作用、贯通直至失稳抛出的突出全过程 ,揭示了采动影响下煤岩介质渐进破坏诱致突变的非线性本质 ,包括含瓦斯煤岩破裂过程中应力场的演化 ,为含瓦斯煤岩突出机理研究提供一套全新的数值试验分析工具。     

瓦斯和水砂涌出动力灾害的治理技术

针对小龙煤矿发生的采面瓦斯和水砂涌出动力灾害事故的特点，采取在工作面中新掘通风巷道，实行全负压通风，加快工作面涌水和高浓度瓦斯的排放工作，缩短了动力灾害对生产的影响时间，应用深孔排水释放瓦斯提前预防该动力灾害的发生，效果较明显。     

复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究

孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,受开采和地质等因素的影响在开采过程中面临冲击地压、煤与瓦斯突出、自燃发火以及采空区突水等复合动力灾害。留设合理宽度的区段煤柱是确保工作面安全开采的关键,以陕西某矿特厚煤层孤岛工作面开采为工程案例,通过分析工作面覆岩空间结构,理论计算了工作面应力分布;采用应力动态监测等方法确定了该工作采空区侧向覆岩运动,并综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素,确定了该工作面区段煤柱的合理宽度为5~7 m。     

瓦斯灾害治理新技术

在分析煤矿安全科技工作现状和趋势基础上 ,介绍了近年来我国瓦斯灾害防治技术研究取得的进展和新成果。通过“十五”科技攻关项目的研究 ,提出了瓦斯煤尘爆炸危险性评价方法 ,研究出了基于瓦斯地质、地质动力区划、电磁波探测方法的煤与瓦斯突出区域预测技术和基于AE声发射、电磁辐射和瓦斯涌出等原理的煤与瓦斯突出非接触连续预测技术 ,实验成功了高瓦斯煤层群开采保护层瓦斯灾害综合防治及顺煤层强化抽放等技术 ,开发了矿井通风系统监测、可靠性评价分析及决策控制技术。另外还分析了我国煤矿安全所面临的挑战和急需开展的科技研究工作。     

煤矿瓦斯灾害事故频发的原因及其对策分析

1 煤矿安全生产形势与现状 我国是世界上灾害最严重的国家之一,近十年,每年平均灾害损失近1600亿元,相当于国民生产总值的3.8%,这一比例是发达国家的10倍以上.在众多的灾害中,伴随矿业生产的动力现象(冲击地压、煤与瓦斯突出)、瓦斯、粉尘、水灾和火灾等灾害事故,不仅造成人民生命财产的巨大损失和环境问题,而且还制约着矿业生产的发展,乃至整个国民经济和社会的可持续发展.中国的矿业事故是所有工伤事故中最为严重,造成的死亡人数仅次于公路交通,在各种人为显性事故灾害中居第二位,矿业灾害中尤以瓦斯灾害最为突出,是我国矿业发展中亟待解决的重大问题.     

循环减灾理论及其煤矿循环减灾模式

煤矿循环减灾是在矿业开发中,针对我国煤矿自然条件复杂、灾害多的实际,尽可能少采或不采目前条件不允许的煤炭资源,如必须开采则应减少危险源,综合利用、综合开发,把对煤炭开采有害的资源利用起来,化害为益,变废为宝,把目前认为无用的东西利用起来治理灾害,以废治害,从而实现资源开采最少化,环境影响最小化,资源利用充分化,煤矿生产灾害发生最少化。煤矿循环减灾的典型模式有化害为益模式和以废治害模式两种类型。化害为益模式中包括把煤矿瓦斯作为资源的先抽后采、边抽边采模式和充分利用地热,变热害为热能模式。以废治害模式中包括煤矸石井下直接用于采空区充填模式和粉煤灰回收利用模式。循环减灾是一种从根本上防止和减轻灾害的措施,在全国煤矿企业实施循环减灾对于遏止目前煤矿事故多发势头,实现煤矿企业可持续发展具有重要意义。     

煤矿企业重大灾害预防与安全保障体系构建与运行评价

为提高煤矿企业重大灾害预防与安全保障能力,以典型煤矿企业为例,深入分析企业重大灾害的孕灾环境与类型,确定诱发煤矿重大灾害事故发生的关键因素,并提出构建以“安全文化理念”为1个核心,涵盖“组织”“制度”“人员”“技术”“信息”“装备”“资金”7个要素以及“危险源预控”和“灾害应急救援”2个关键环节的整体安全保障体系;最后,利用事故树模型和层次分析法评价某典型煤矿企业历年来的灾害事故实际情况,提出相关保障体系的持续优化方案,研究结果可为煤炭行业企业开展重大灾害预防与安全保障体系的设计与构建提供参考和借鉴。     

基于多因素模式识别的煤与瓦斯突出预测研究

采煤工作面煤与瓦斯突出是由煤层自然条件和工程扰动共同作用决定的,充分考虑煤层原始赋存条件和人类工程活动对煤与瓦斯突出的影响,建立多因素模式识别准则和方法,应用VBA技术完成了工作面煤与瓦斯突出危险性动态预测系统开发。以平顶山十矿己15-24080工作面为研究对象,将瓦斯含量、瓦斯压力、采动应力等因素作为工作面煤与瓦斯突出的主要影响因素,运用多因素模式识别方法实现了对工作面煤与瓦斯突出危险性分单元概率预测,且能够随着工作面不断推进进行动态预测和分级管理。研究结果表明:突出危险性预测结果与现场实况有较好的一致性,对煤矿安全开采具有良好的指导作用。     

城市燃气管线泄漏致灾灾害链研究

为了研究城市燃气管线泄漏致灾灾害链,对灾害链的形成机理进行分析,建立灾害链模型,并通过计算灾害链发生概率对灾害链断链减灾方法进行研究。结果表明,城市燃气管线泄漏致灾灾害链可分为致灾环、激发环、损害环三部分;灾害链中因管道裂纹导致的中毒窒息灾害事故、管道穿孔导致的中毒窒息灾害事故及火灾等链条的发生概率较高;致灾环是灾害链断链减灾的关键环节,在城市安全管理中应落实应急预案制度并加强对城市居民的防灾减灾安全教育力度。     

Simulation and application of a disaster spread model in Chemical Disaster Network

In the research field of chemical safety, the computer-aided simulation for occurrence and process of disasters has become a major trend in current research, in which the establishment of evolution system for chemical multi disasters is the key point. In the paper, the study lays emphasis on the simulation and application of a spread model for chemical multi disasters. After establishing a disaster network, we defined microcosmic elements of spread model specifically. Combined with guideline of chemical disaster (e.g. guideline of heat flux for damages or injure, guideline of evaluation for buildings based explosion and overpressure, and guideline of evaluation for human exposure to toxic gases), the weight of impact can be computed using new comprehensive algorithms. Simultaneously, the paper also uses an approach on simulating multiple failure events to describe random factors of triggering disasters. At last, the experimental case of alkyl aluminum leakage in a polypropylene plant shows the result of simulation with table of 5 major series of disasters and distribution diagram of nodes (disasters) in disaster network. This proves the validity and practicability of the simulation system in the establishment and feedback of contingency plan of large-scale petrochemical enterprises.     

煤矿安全生产面临的问题及对策

我国是煤矿生产大国,煤炭资源在我国一次能源中占有重大比例。由于工作环境的复杂性以及多变性,煤矿生产一直是一个高危行业。随着煤矿科技水平的提高,煤矿事故得到了一定程度的遏制,但在煤矿开采和生产过程中,各种事故仍有发生,造成了重大的人员伤亡和经济损失,严重阻碍了煤矿的安全、高效生产,并对社会造成了不良影响,这使得煤矿安全问题尤为突出。文章针对近年来发生的几起大型矿难,从自然条件、生产条件、科技投入、管理水平、安全培训五方面分析了我国煤矿生产面临的问题,指出了当前煤矿生产存在的安全隐患,并提出了预防和减少煤矿事故的具体措施,为今后煤矿的生产管理提供技术参考及依据。     

煤层钻孔失稳机理研究进展

高瓦斯松软煤层、软硬复合煤层和突出煤层深孔钻进是公认的世界性难题,已成为制约部分高瓦斯和突出矿井瓦斯治理效果的瓶颈。尽管众多研究者在钻孔施工装备及工艺的改进方面开展了大量卓有成效的工作,但因煤层钻孔失稳机理尚未完全揭示,钻孔成孔工艺缺乏理论支撑,上述难题至今仍未破解。从煤体结构判识及分类、含流体煤力学特性、失稳机理三方面入手,系统介绍了煤层钻孔失稳机理的研究进展,探讨了该领域亟待解决的问题;最后指出,含流体煤卸载过程中,煤层钻孔在流-固-应力耦合作用下的失稳破坏机制研究,是破解煤层深孔钻进难题的重点方向之一。     

岩溶地貌矿山地质灾害的特征及防治对策

灾害是危及人身、财产、工程或环境安全的事件,地质灾害是自然灾害的大家族.分析我国常见地质灾害的种类及特征,探讨岩溶地貌矿山地质灾害的类型及特点,指出我国目前矿山地质灾害具有种类多,分布广,影响大;潜在灾害隐患突出,且煤炭矿山重于非煤矿山,金属矿山重于非金属矿山;灾害类型与矿山规模、开采方式、矿产类型及所处地域相关等特点,以及矿山地质灾害研究中存在的问题,提出加强工程灾害监测是实现可持续发展战略的保障的观点.