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。     

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。     

煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究进展与展望

随着我国煤矿快速进入深部开采,煤岩瓦斯复合动力灾害日渐成为威胁深部煤炭安全高效开采的重大灾害,研究其发生机理成为煤矿安全领域新的重大科学问题。本文首先在调研统计的基础上,阐述我国煤岩瓦斯复合动力灾害的发生规律和主要破坏特征,从定性和初步定量研究角度对煤岩瓦斯复合动力灾害机理的研究现状进行综述分析,然后介绍笔者近年来在受载含瓦斯煤岩组合体耦合失稳诱发复合动力灾害机制方面的研究进展,最后展望煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究中亟待解决的问题及未来研究方向。     

基于AHP-TOPSIS的冲击型煤与瓦斯突出倾向性预测

为了更加合理地评价冲击型煤与瓦斯突出,采用指标临界值及分级数方式,从地应力、煤层瓦斯、煤岩物理力学性能3方面,研究冲击型煤与瓦斯突出指标等级判据;建立基于层次分析法(AHP)和逼近理想解排序法(TOPSIS)冲击型煤与瓦斯突出倾向性等级评判模型,并用实际工程案例验证模型的合理性。研究表明:基于AHP-TOPSIS的冲击型煤与瓦斯突出预测结果为中等危险性,与实际案例评价相符;地应力条件为冲击型突出发生的主要原因,瓦斯因素次之,煤岩物理力学性能影响最小;煤岩结构、瓦斯压力、瓦斯动力现象、煤岩破坏类型及煤体坚固性系数对冲击型煤与瓦斯突出影响较大。     

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。     

有效围压对煤体破裂声发射信号影响研究

含瓦斯煤体受载破裂声发射信号监测对煤与瓦斯突出等动力灾害预测研究具有重要意义。为了提高井下动力灾害预测准确性和及时性,在不同围压、不同孔隙压力条件,进行了煤体受载破裂声发射信号监测试验。结果表明:围压作用使声发射信号滞后且峰值增大,瓦斯压力使声发射信号首次高振铃计数提前;用围压和孔隙压力差值表示有效围压,通过引用有效围压,可以综合讨论围压和孔隙压力对声发射信号的影响,并且通过最小二乘法拟合发现有效围压与煤体破裂声发射信号峰值具有线性关系。利用有效围压与声发射信号的线性关系可以推导信号峰值,将信号峰值的30%设置为信号阀值,为煤与瓦斯突出等动力灾害预测提供一种新的方法。     

三轴应力下煤岩损伤-能量演化特征研究

为有效预防煤岩动力灾害,利用含瓦斯煤热-流-固耦合三轴伺服渗流试验装置对煤岩进行三轴压缩试验,研究三轴应力下煤岩的变形破坏特征及损伤过程中的能量演化机制;建立煤岩损伤本构模型;构建损伤-能量耦合数学表达式。结果表明:不同围压下煤岩偏应力-应变曲线的变化趋势基本一致;煤岩在变形破坏过程中,能量转换形式随变形破坏规律呈现阶段性变化;围压对煤岩的能耗特征有较大的影响,煤岩吸收的总能量、弹性能、耗散能的增长速率均随围压的增大而增大,且在峰值偏应力点处,随着围压的增大,临界破坏点总能量、储能极限、临界破坏点耗散能线性增大;能量耗散是造成煤岩内部结构产生损伤的主要原因,耗散能随损伤变量的增大总体上呈S型变化。     

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.     

煤岩“震-冲”动力系统冲击失稳致灾机制研究

为有效防治"震-冲"型冲击地压,根据矿震与冲击地压的关系建立煤岩"震-冲"动力系统模型。以此作为研究的基本模型,探讨"震-冲"型冲击地压的发生机制和判据。采用数值模拟方法研究强矿震在工作面附近产生的动力效应。提出"震-冲"型冲击地压的防治对策。结果表明,"震-冲"型冲击地压的发生机制是在矿震扰动下,煤岩应力瞬间进入塑性软化阶段,煤岩体积聚能量与破坏消耗能量的差能增大,在满足冲击破坏的刚度条件时,发生强烈的冲击地压事故。分别控制矿震震动源区、矿震震能传播路径和冲击源区,能大大减弱或消除发生"震-冲"型冲击地压的危险性。     

临近断层特厚煤层分层开采冲击地压发生机制

为了研究临近断层分层开采的冲击地压发生机制,以老虎台矿特厚煤层开采为研究背景,采用地质动力区划方法、数值模拟和现场监测方法对井田的地质动力环境、临近断层开采的围岩应力分布规律和断层滑移特征及其与冲击地压的关系进行了研究。采用地质动力区划方法,将老虎台井田断裂构造划分为5级,通过地震和矿震分布情况,确定老虎台矿地质构造活跃,处于较高的应力环境;采用FLAC3D数值模拟和锚索应力监测方法,分析断层围岩应力演化规律和断层滑移规律,在断层和开采共同作用下工作面断层侧超前支承压力急剧升高。结果表明,地质动力环境为冲击地压的发生创造了外界环境条件,断层和采动的耦合作用是冲击地压诱发的主要原因。     

露天矿采空区爆破合理孔底填塞长度与起爆位置确定

为研究孔底填塞长度与起爆位置对露天矿采空区上覆岩石台阶爆破的影响,进行了数值模拟和工业试验。运用ANSYS/LS-DYNA软件构建了爆破模型,分析了存在采空区时台阶的爆破机理,通过对比分析不同孔底填塞长度、不同起爆位置下爆破时岩石拉应力及动能变化,揭示其对采空区爆破效果的影响,确定了采空区上覆岩石台阶的合理爆破方法,并通过工业试验进行了验证。结果表明:采空区的存在导致爆破能量的利用效率降低;中间起爆技术适合采空区上覆岩石爆破;孔底填塞长度在一定临界范围内时,爆破能量的利用效率是最佳的;确定了武家塔露天煤矿采空区上覆岩石台阶爆破采用中间起爆技术且孔底填塞长度为2 m。     

煤层小褶曲附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小褶曲构造附近瓦斯突出灾害防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过FLAC3D数值模拟方法开展了小褶曲附近采动应力场演化特征及对瓦斯灾害的影响规律研究。结果表明:工作面从背斜端或从向斜端揭露小褶曲过程中,小褶曲附近应力场大小呈现逐渐增大的变化特征,在揭露褶曲前应力增大至峰值状态;在揭露褶曲时刻,处于峰值状态的应力迅速降低,释放出大量的弹性能,迫使煤体产生剧烈位移,容易诱发瓦斯突出动力灾害。小褶曲附近高应力积累部位对现场瓦斯突出防治工作至关重要,可以在加强小褶曲探测的基础上,结合区域地应力场方向、构造产状特征、开采条件对煤层瓦斯突出的危险部位及发生时刻做出预测,从而制定出针对性的瓦斯突出防治措施。     

石门揭煤工作面煤与瓦斯突出预测的理论分析

目前,我国石门揭煤工作面突出事故仍时有发生。为了研究石门揭煤工作面煤与瓦斯突出(以下简称"突出")预测问题,首先,根据工作经验指出我国《防治煤与瓦斯突出规定》中2种预测方法(综合指标法、钻屑瓦斯解吸指标法)存在的不足,即预测指标缺乏理论依据、临界值往往难以通过试验考察确定;其次,建立了石门揭煤工作面突出预测的物理模型,认为突出主要是爆破卸压增渗与瓦斯渗流产生的剪应力达到了煤体的剪切强度所致(突出的必要条件而非充要条件);第三,采用变分法求解强非线性一维平面瓦斯渗流偏微分方程,获得包括非线性特性的自模拟解(近似解析解);最后,利用自模拟解等建立了石门揭煤工作面突出预测的临界条件,得到了瓦斯压力的临界值p0max与煤的坚固性系数f的平方成正比的结论。介绍了俄罗斯现行防突指南中的临界条件(p0max1.4f2)及有关情况,建议作为综合指标法等的辅助指标用于石门揭煤工作面突出预测,也可供斜井、立井揭煤工作面突出预测参考。     

Rockburst hazard determination by using computed tomography technology in deep workface

The rockburst in mines results from the dynamic load coupled with static one in coal seams around workface zones, so it is essential to learn the stress distribution of the coal and surrounding rock for determination of rockburst risk areas. The relationship between the elastic wave velocity and stress applied on coal sample was investigated systematically by laboratory testing, theoretically analysis, as well as on-site observation, and a positive correlation between them under uniaxial compression was put forward. Furthermore, it is drawn that the anomaly of elastic wave velocity reflects the stress changes: the positive anomaly ascertains the stress concentration while the negative anomaly estimates the mining destress and weaken degree, and corresponding assessment criterions and parameters were established respectively. The hazard areas and degree of an island longwall face 16302C were forecasted before coal winning based on the elastic wave anomaly distribution rules using active tremor velocity inversion, monitoring results of mining shocks during exploitation indicate that the consistency between locations of big tremors and where forecasted by computed tomography (CT) exceed 80%. The successful application of this technology achieved remarkable economic and social benefits for disaster control in rockburst mines.     

Investigation into the nonlinear damage model of coal containing gas

By taking the nonlinear deformation properties of coal into consideration, the nonlinear constitutive equation was founded. And in view of the compressible property of gas, the idea of compressive energy of gas was introduced. According to the continuous damage theory and mesoscopic damage theory, it is assumed that the damage variable has a power function relation with the porosity. By applying the thermodynamics energy conservation laws, a new nonlinear damage constitutive model of coal containing gas was deduced, and the correctness of the new model was verified by comparing with the former experimental results. This model can provide theoretical reference for understanding and solving these dynamic gas disasters such as coal and rock outburst. Moreover, based on this theory, prevention and control measures will be adopted to deal with the dynamic gas disasters according to ever-changing mining conditions.     

老虎台矿55002#掘进面通过F7-1断层前后微震事件的时空特征分析

冲击地压作为一种特殊的矿压显现形式,对抚顺矿业集团老虎台矿深部开采的安全生产造成了严重的影响,在该矿的实际生产中,地质条件是引发冲击地压发生的重要因素。鉴于微震监测系统是目前在煤矿井下监测冲击地压应用较为广泛的手段之一,本文利用波兰ARAM IS/MA微震监测系统对老虎台矿55002掘进工作面通过F7-1断层前后的微震特征信号进行连续观测,分别从时间和空间上研究此掘进面通过断层前后的微震特征,验证了一种典型的冲击地压发生时间前后的微震活动规律,并结合实际地质条件从位置上分析了微震事件与断层等地质构造之间的关系,进而根据空间分析结果圈定了重点防治冲击地压区域,使老虎台矿在该工作面掘进生产中提前采取相应的防范措施,顺利通过断层等地质构造异常区域,确保了安全生产。     

地质动力区划预测煤与瓦斯突出

为了确定煤与瓦斯突出矿井的突出危险区域,威胁区域和安全区域,提出基于地质动力区划的多因素模式识别概率预测方法预测煤与瓦斯突出的新思路。以鸡西滴道矿立井为研究对象,利用地质动力区划方法确定不同尺度和级别构造运动的特征,建立板块构造学说与矿井工程实际的联系,将对矿井煤与瓦斯突出产生影响的因素为参数,采用多因素模式识别概率预测方法划分研究区域内的危险区域。研究表明该方法对煤与瓦斯突出区域预测的合理性与有效性,可以在实际工程中应用推广。     

基于改进的未确知聚类模型的岩爆倾向性预测

在采用未确知聚类评价模型进行多指标分级评价时,常采用置信度识别准则作为待测对象的属性识别,该准则中置信度的取值由人为取定,当置信度取值不同时,得到的分级判定结果往往出现差异,甚至产生完全不同的判定结果。通过距离判别的思想将未确知聚类理论中的置信度识别准则进行改进,并运用到岩爆烈度的分级预测中。根据岩爆发生的主要影响因素,选取岩石单轴抗压强度σ_c、单轴抗拉强度σ_t、最大切应力σ_θ及岩石的弹性变形能指标W_(et)为岩爆主要影响因子。并以σ_c/σ_1、σ_θ/σ_c、W_(ey)为岩爆烈度等级评价因子,建立未确知测度模型,以距离判别改进后的属性识别方法进行分级预测,并与原置信度识别准则得到的判别结果进行分析和比较。为验证改进模型的实用性,以贵州开磷集团马路坪矿区为例,采用改进的未确知聚类模型对其岩爆烈度等级进行预测分析。结果表明,预测结果与实际情况基本吻合,证明采用改进后的未确知测度模型的判别结果不仅消除了由于置信度取值不同造成的判别结果误差,降低了人为主观因素的影响,而且具有较高的判别准确性和可行性。