煤与瓦斯突出微震-瓦斯互动响应预警研究

为解决煤与瓦斯突出实时预警技术在现场应用误报率较高的问题,分析贵州省某矿掘进工作面煤与瓦斯突出主控因素和前兆特性,研究微震-瓦斯互动响应的实时预警机制,构建基于数据挖掘的煤与瓦斯突出智能预测模型,界定煤与瓦斯突出危险等级划分原则,建立煤与瓦斯突出危险性实时预警系统;并利用该矿掘进工作面实测数据预测煤与瓦斯突出危险性等级。研究结果表明:智能预测模型预测精度较高,预测结果与钻屑瓦斯解吸指标K1值及瓦斯压力值P的一致性较好,所建预警系统的预警等级与工作面实际煤与瓦斯突出危险情况基本相符。     

煤层小褶曲应力分布数值模拟

为研究煤层小构造对矿井安全生产的影响,在分析力学模型基础上,利用FLAC3D软件对煤层小型褶曲进行了应力分布数值模拟,并基于残余构造应力场反演分析,研究了煤巷掘进工作面靠近小型褶曲时工作面前方煤层应力变化情况。结果表明:发生小褶曲形变过程中,煤层内部不同部位的应力性质趋于稳定,应力集中程度发生明显变化;当变形停止后,褶曲不同部位的应力集中程度存在很大差异;对褶曲煤层进行巷道开挖,随着工作面向褶曲轴推进,工作面前方会出现应力异常变化。以上现象结合瓦斯运移规律,可以从地质力学的角度解释煤层小褶曲导致瓦斯异常涌出和瓦斯动力灾害的原因。矿井生产实例也证明了小型褶曲的重要影响。     

煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响研究

为研究煤层赋存条件对煤与瓦斯突出危险性的影响,模拟分析不同条件(埋藏深度、煤层厚度和煤体强度)下的应力、瓦斯压力和煤体塑性变形区的分布及变化。结果表明,随埋藏深度的增加,工作面前方应力峰值及应力梯度、瓦斯压力梯度、塑性变形区及塑性应变量等随之增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越高;随煤层厚度的增加,工作面应力峰值、应力梯度逐渐减小,出现应力峰值的位置越远离工作面,瓦斯卸压带、瓦斯排放带、塑性变形区越逐渐增大,煤与瓦斯突出的危险性越来越小;随煤体强度的升高,工作面前方应力梯度、瓦斯压力梯度随之增大,塑性变形区和塑性应变值随之减小,煤与瓦斯突出危险性越来越小。     

预置裂隙花岗岩受载破坏双差层析成像研究

为了更好地研究岩石破坏机理,开展了预置有剪切破坏裂缝形成预置破坏区的花岗岩受载破坏实验。利用微震监测系统采集岩样受载过程微震事件,采用双差定位算法对微震事件数据进行分析,计算了岩样受载过程各位置的岩石波速分布,并对应力分布进行了反演。结果表明,花岗岩岩样受载过程中沿预置的裂隙面失稳,利用双差算法对微震事件重新定位,多数微震事件数分布于预置断裂面或其周围。双差层析成像后的岩石波速等值线图显示,不同受载阶段预置破坏区波速结构与微震事件数量、强度分布及应力曲线特征有很好相关性,验证了该计算方法的可靠性。     

考虑有效应力的煤与瓦斯突出过程分析

为深入研究煤与瓦斯突出过程,通过分析揭煤工作面前方原始应力区、应力集中区及卸压区应力状态,推导出不同分区有效应力关系理论表达式;以PFC3D与FLAC3D程序为平台,用数值模拟方法验证揭煤工作面前方不同分区有效应力理论公式的正确性。结果表明:揭煤工作面前方不同分区有效应力理论值与模拟结果吻合较好,与至揭煤面距离成三次多项式关系;煤与瓦斯突出过程中,突出区域先急剧扩大后平稳增长,且突出区域呈"口小腔大"孔洞形态;煤岩裂隙扩展过程分为3个阶段,每阶段裂隙数量增长率均呈先增后减趋势。     

石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出及防治技术研究

在综述煤与瓦斯延时突出机理及其影响因素的基础上,详细地分析石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出时各种因素在延时突出中的作用,并从空间和时间的角度,对石门揭煤过程中巷道煤与瓦斯延时突出整个过程进行详细描述。根据掘进工作面附近暴露煤体的"三区"分布规律及其与延时突出的关系;提出先采用钻孔抽放石门突出煤层瓦斯等措施分阶段释放煤与瓦斯突出动力源;再用注液冻结技术增强揭开煤体的强度、增加集中应力区和卸压区的长度来防止被揭开煤体发生流变而导致延时突出的防突技术;以及在揭煤后采取迅速支护防止空顶和冒落等防治措施。研究成果为开发技术可行、经济合理的快速安全揭煤技术提供理论基础。     

基于热流固耦合工作面前方瓦斯渗流数值模拟

通过分析温度和地应力对深部煤体瓦斯运移规律的影响,建立了瓦斯渗流热流固耦合模型,以贵州省松和煤矿15#煤层12150采煤工作面为例,利用ComsolMultiphysics软件对深部煤层工作面前方瓦斯渗流进行数值模拟。研究结果表明:受采动影响,在工作面前方“三带”中,卸压区存在大量新裂隙和通道,瓦斯压力梯度最大;在应力集中区至卸压区过渡段瓦斯压力下降速度最快,解释了在该区容易导致瓦斯突出的原因;在应力集中区,瓦斯压力和有效应力较高,压缩煤体,导致煤颗粒排列紧密,渗透率降低;在卸压区,煤体体积形变逐渐变大,产生了很多新裂隙,发生扩容,渗流通道贯通,导致渗透率急剧增加,因此在应力最大处形成了煤层渗透率最低点,随着时间的推移,渗透率最低点逐步远离工作面;在采煤工作面前方,虽然温度升高后瓦斯热运动加剧,有促进瓦斯渗透率的趋势,但由于工作面前方有效应力较大,煤体受热膨胀应力小于有效应力,导致煤体内膨胀,渗流空间减小,造成渗透率降低。     

矿井围岩应力松弛区理论计算与试验研究

通过对掘进工作面前方煤体的受力特点进行分析,理论研究了掘进工作面应力分布特征,得出了掘进巷道前方卸压带宽度计算公式,分析了各因素对煤与瓦斯突出发生的影响,现场利用电磁辐射监测技术进行测试,与理论计算结果相吻合。结果表明,掘进工作面前方卸压带的宽度与巷道的高度、巷道煤岩与顶板的摩擦角等因素有重要关系,研究为掘进工作面煤与瓦斯突出预测及防治具有重要的指导意义。     

煤巷掘进跨步预抽煤层瓦斯技术研究与应用

在采取瓦斯抽采安全技术措施情况下,针对煤巷掘进难以实现煤层的边掘边抽问题,提出煤巷掘进跨步预抽煤层瓦斯的方法。该方法利用钻场抽采孔在始端汇集末端发散的分布特点,通过钻场沿煤巷掘进方向的前后错位及钻孔布置的优化设计,实现钻孔在工作面前方煤体密集段与分散段的交错重叠,保障煤巷掘进控制区煤体瓦斯的无死角连续抽采及煤巷的持续掘进。现场试验表明:该技术在掘进面前方煤体具有较好的抽采效果,成功实现了煤巷的连续不间断掘进,在煤巷掘进期间未发生工作面瓦斯涌出事故及煤与瓦斯突出征兆。该技术为高瓦斯矿井及按突出矿井管理的煤层实现煤巷的边掘边抽提供了借鉴。     

煤巷迎头深部瓦斯赋存规律的实验数据分析

根据近两年来对不同矿区、不同煤层的不同煤巷掘进工作面迎头深部瓦斯赋存量以及突出预测数据的现场及实验室测定结果,得出一个在动态应力场作用下的工作面(掘进、回采)迎头深部瓦斯赋存量随深度变化的一个驼峰曲线,即工作面迎头深部的瓦斯赋存量受采动的影响而在不太深的位置处(如5~10m)会产生一个赋存峰,随着深度的增加瓦斯赋存量并非随之一直增大,其分布特征也与现有认识不尽相同。该测定结果为解释和研究工作面迎头深部的瓦斯运移、应力场分布、突出预测等提供了一个现场数据结论,为煤岩体流变模型的建立提供了相应的参考,也提出针对测定结果的疑问。     

近距离高瓦斯突出煤层群首采工作面区域防突技术应用与分析

为了解决近距离高瓦斯突出煤层首采工作面煤与瓦斯突出的问题,在对目前松河矿井首采工作面煤层及瓦斯赋存分析的基础上,确定对首采工作面采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯的区域防突措施,并采用残余瓦斯压力法和钻屑指标法分别对预抽效果进行了检验和验证,结果表明预抽效果检验消突率为100%,区域验证消突率在98.7%以上,区域防突技术应用效果较好,保证了松河矿井首采工作面的安全快速的掘进和矿井的提前达产。     

突出煤层掘进防突技术研究

针对焦作矿区单一煤层开采特点,分析煤巷掘进突出和瓦斯涌出规律,探讨防突措施的适应性,研究出严重突出危险掘进工作面中高压注水综合措施,即在巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯,向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯,增大煤体透水性,有利于煤层注水和较高的压力水压裂破坏煤体,增加煤体透气性,提高瓦斯抽放效果。通过在严重突出矿井试验,3115m巷道未发生一次突出,巷道掘进速度平均提高一倍以上,有效解除了突出危险,大幅度提高了掘进速度。研究与实践证明,中高压注水综合防突措施具有广泛的适用性、有效性和安全性特征。     

基于截流“钻墙”的厚煤层煤巷掘进地质探测技术及工程应用

为提前探测厚煤层掘进工作面前方煤厚变化和隐伏构造等地质异常,基于截流"钻墙"治理瓦斯的技术优越性,提出利用截流"钻墙"抽采工程超前探测掘进工作面前方煤厚变化和隐伏构造的技术。首先通过设计"立体式"连续控制煤层顶(底)板的瓦斯抽采钻孔,分析施工过程中钻孔长度的异常变化,对隐伏构造初步探测;然后利用"挂耳式"抽采钻孔,进行地质异常的补充探测;结合工作面瓦斯监测监控数据,运用地质分析法,综合预测掘进工作面前方可能出现的煤厚变化和隐伏构造。结果表明,应用该技术能够探明工作面前方落差0.8 m的断层,指导掘进工作面瓦斯均衡抽采,提高工作面的掘进速度。矿井在应用截流"钻墙"抽采煤层瓦斯的过程中,为了避免因煤层隐伏构造引起的瓦斯抽采不均衡问题,可以通过对截流"钻墙"抽采钻孔资料的搜集分析,预测出工作面前方存在的隐伏构造,及时优化抽采钻孔布置方式,保障瓦斯均衡高效抽采。     

超长回采工作面微震特征的影响因素研究*

为探讨超长工作面微震特征影响因素,采用微震监测技术研究42108工作面微震事件的空间分布特征及冲刷构造、推进速度、矿压对煤岩体微震事件特征的影响机制。研究结果表明:微震事件集中发生于工作面辅运巷侧,微震事件的空间分布受临近采空区、上覆煤层煤柱影响较大;微震事件能量和空间分布特征与推进速度相关性较差,当推进速度超过5.5 m/d后,微震事件频次、总能量与推进速度呈正相关;过冲刷构造时工作面推进速度降低,微震能量、频次的稳定性较差,易造成大能量积聚,使工作面危险性增大;微震事件集中发生位置与矿压值较大区域相吻合。     

基于力学分析的深井煤与瓦斯突出临界值研究

为研究应力对深井煤与瓦斯突出工作面的影响,采用力学模型分析了平行六面微元体各个面的受力情况,结合煤体强度理论和矿山压力理论,从煤体所受瓦斯压力、地应力和煤体破坏条件等方面入手,研究了三轴应力态下煤体力平衡问题.探讨了瓦斯压力、地应力、煤壁支撑力等参数和煤与瓦斯突出之间的关系.结果表明,煤与瓦斯突出的瓦斯压力临界值由采场内的应力、煤壁支撑力和煤的力学参数等确定,综合考虑上述因素后,对煤与瓦斯突出预测时瓦斯压力临界值进行了理论推导和关键参数修正,建立了包含应力、采场条件和煤的力学参数的推算瓦斯压力临界值的理论模型,并对理论模型的可靠性进行了分析.突出实例的反演表明在深部开采时,如果不考虑应力对煤与瓦斯突出的影响,会出现预测结果偏差而影响安全生产.建立的理论模型可对这种偏差进行分析和校正.     

硬质体构造对煤巷掘进工作面瓦斯压力分布的影响

为分析硬质体构造对煤巷掘进工作面瓦斯压力分布的影响,运用含气-固耦合分析模块的岩石破裂过程分析有限元软件建立正常煤层掘进和含硬质体构造煤层掘进两种物理力学模型,对两种煤巷掘进工作面前方煤体应力和瓦斯压力分布规律进行数值模拟.结果表明,硬质体构造的存在增加了掘进工作面前方煤体的应力集中范围和应力梯度,进一步降低了煤层的透气性,阻碍了工作面深部煤体瓦斯向自由面的正常运移,进而形成了高瓦斯压力梯度.高瓦斯煤层掘进工作面硬质体地质构造直接影响煤巷掘进工作面地应力的分布,间接地影响瓦斯压力的分布.     

深井综放工作面回采速度对矿震致灾的影响性研究

以从波兰引进的SOS微震监测系统为依托,对兖矿集团东滩煤矿深井大采高特殊开采条件下的1305综放工作面在回采期间的微震活动进行全时连续监测,并统计分析了1305综放工作面开采期间的微震活动发生次数和能量释放变化规律。结果表明:东滩煤矿深部1305综放工作面微震事件以低能量的释放为主,低能量微震活动有为强震积蓄能量的趋势;低能量矿震的次数、能量与开采速度呈近似线性正相关,而高能量矿震与开采速度呈非线性关系;开采速度的增大会增加矿震的次数和能量,致使震动总能量由低能量向高能量移动,动力灾害危险性增加;开采速度的稳定性对工作面围岩的应力分布有很大影响,同样开采强度下,匀速开采较非匀速开采的应力集中系数小,煤岩体储存的弹性能小,表现为微震的次数和能量都较低。研究表明,控制开采速度可以控制低能量矿震的发生次数和释放能量,慢速均匀开采能有效减少矿震发生次数。     

煤层小断层附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小断层附近瓦斯突出防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过数值模拟研究了与工作面开采方向0°夹角、45°夹角、90°夹角小断层附近采动应力演化特征。结果表明,当工作面沿地应力场最大主应力方向开采时,小断层附近构造应力逐渐得到释放,与工作面0°夹角断层和与工作面45°夹角断层附近的采动应力场分布均匀,工作面瓦斯突出的危险性小,而与工作面90°夹角断层因断层应力阻隔效应,工作面的采动应力分布呈现差异,瓦斯突出危险部位沿断层走向分布;当沿工作面垂直最大主应力方向开采时,断层附近的构造应力叠加与断层应力阻隔效应一起导致采动应力逐渐增大,工作面采动应力分布呈现显著差异,在小断层附近存在瓦斯突出危险部位。煤矿现场瓦斯突出防治应在加强小断层探测的基础上,结合区域地应力场方向、开采条件、断层走向,对断层附近瓦斯突出危险部位做出预测,从而提高小断层附近瓦斯突出防治工作的针对性。     

平顶山东部矿区地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

为了研究平顶山东部矿区地应力场特征,以及地应力对煤与瓦斯突出的影响,利用地应力实测资料,运用理论分析和数理统计计算相结合的方法,系统研究了东部矿区地应力的分布规律;并且进行了地应力区块划分,揭示了东部矿区地应力在突出中的作用。结果表明:1)东部矿区地应力场以水平构造应力为主,最大主应力方向为NEE-SWW向,最大水平主应力百米梯度为5.4 MPa左右,该区域内集聚了较高的水平构造应力,应力场类型为大地动力场;2)依据最大水平主应力随埋深增加而增大的应力梯度线,将东部矿区划分为应力升高区和应力梯度区;3)应力升高区由于地应力集中,提供了突出的动力,构造煤的发育则减少了突出阻力,造成了该区域频繁发生突出事故,突出的主导因素为地应力。     

煤与瓦斯突出层次-可拓预警技术及应用

为实现煤与瓦斯突出的智能化预警,基于层次分析法(AHP)与可拓理论,利用Visual Basic(VB)和ArcEngine组件,设计以数据采集模块、查询模块和预警模块组成的突出预警系统结构,并开发客户端软件系统,结合矿井基础参数及生产工作面煤与瓦斯突出预测指标,构建煤与瓦斯突出预警技术体系。将预警技术体系应用于山西潞安集团余吾煤业S2206回采工作面。结果表明,预警结果与工作面实际相符。