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。     

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。     

低渗煤层高压水射流割缝增透技术试验研究

霍尔辛赫煤矿为高瓦斯矿井,3号煤层为较难抽放煤层,如何有效增加3号煤层透气性、提高瓦斯抽采效果,成为矿方亟需解决的问题。为此,采用自主研发的瓦斯抽采孔水力作业机,开展了低渗煤层高压水射流割缝增透抽采瓦斯技术试验研究。研究表明:经高压水射流割缝后,瓦斯抽采钻孔的平均抽采浓度增加3.87~9.31倍,平均抽采纯量增加2.67~7.33倍,增透效果显著;割缝钻孔出煤量为2.3~3.4 t,使钻孔周围煤体地应力得以有效释放,这也正是瓦斯抽采效果显著提高的主要原因。     

高压水射流冲击煤体损伤的数值模拟研究

为研究高压水射流破煤过程中煤体的损伤状态及压力的分布状态,论文采用J-H-C含损伤本构模型,水射流采用Bridgman状态方程,通过拉格朗日-欧拉有限元法模拟计算高压水射流冲击煤体的损伤机制,得出了煤体在高压水射流冲击作用下不同时刻的损伤变化情况。结果表明,煤体在高压水射流作用下,在接触点两边形成"肺叶状"负压力区,煤体所受压力逐渐减小;冲击速度和产生的损伤随时间变化逐渐减小,损伤主要集中于坑洞底部。     

高压水射流在我国隧、桥维护中的应用

隧道、桥梁是交通建设中必不可少的重点工程项目。随着我国基础设施建设力度不断加大,各种结构新颖的桥梁、隧道将会逐步增多。这些隧道、桥梁在经过一段时间的使用后,维护问题也会日益显现,本文主要介绍了高压水射流在上海杨浦大桥、南浦大桥和打浦路隧道的排水管清堵、路面油污清除的实际应用情况以及高压水清拆、破碎在隧、桥修复工程中的应用。     

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。     

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。     

华丰矿冲击地压危险性预测及区域防治技术研究

针对华丰矿巨厚砾岩断裂会对采场造成冲击地压灾害且冲击地压主要发生在1411工作面回风巷的现象展开研究,并采用区域动力规划方法对巨厚砺岩断裂进行划分。通过分析围岩应变与应力的关系,提出工作面采用错层位内错式巷道布置形式的方案。同时,由于巷道布置形式的优化造成覆岩离层分区发生变化,为进一步通过控制砾岩的断裂运动降低发生冲击地压的危险性,提出覆岩离层注浆的新技术。工程实践表明:采用新方案后1411工作面回风巷上方为上区段采空区垮落的矸石,吸收了绝大部分砾岩断裂产生的能量,改变了1411工作面回风巷发生冲击地压的现象。从注浆效果来看,有效控制了砾岩运动及其引起的地表下沉,大幅度节省了注浆钻孔工程量。     

高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破增透技术研究及应用*

为解决高瓦斯矿井开采过程中煤体透气性差、瓦斯预抽周期长、抽采效果不佳的难题,提出利用深孔预裂爆破技术提高煤体裂隙发育度,增加煤体透气性,从而提高瓦斯抽采率的方法。通过现场调研、理论分析、数值模拟及工业性试验等方法,分析深孔预裂爆破卸压增透内在机理,确定爆破影响半径为4.5~5.3 m,并在A110605工作面进行现场应用,同时考察煤层增透效果。研究结果表明:煤层爆破致裂后,平均瓦斯抽采浓度提高了2.17倍,平均瓦斯抽采纯量提高了2.02倍,煤层透气性系数提高了近5.3倍,煤层卸压增透效果显著,很大程度上消除了煤与瓦斯突出危险性,为实现工作面的安全开采及正常接替提供了保障。     

水射流卸压增透钻孔布置优化分

水射流割缝卸压增透时存在淹没射流和非淹没射流两种情况,导致煤体上下割缝半径不同,若仅根据一种半径进行钻孔布置,则易出现抽采空白带或增大工程量等问题。为此,提出基于淹没射流和非淹没射流不同破碎半径的钻孔布置新工艺。在分析两种射流速度场分布的基础上,理论计算了两种射流破碎半径,对比分析得出非淹没射流与淹没射流的破碎半径之比是1.48∶1。运用comsol数值模拟软件,建立数值模型,分析了两种射流并存情况下的瓦斯压力变化,并与不考虑淹没射流时抽放数据进行对比分析,结果表明,两种射流并存时抽采范围为不考虑淹没射流的86.5%。根据分析结果,提出应采用交叉割缝的方式,同一行中相邻两割缝终孔间距为7.5 m,相邻两行中,垂直间距相隔5.8 m,且两端割缝中心相错3.75 m的布孔方案,并用comsol进行验证,结果表明,交叉割缝布孔具有较好的抽放效果。     

顶板水力挠动强制卸压煤层瓦斯抽采工程实践

对塑性松软煤体进行水力挠动较难取得理想的瓦斯增浓提效效果,为克服该措施的局限性,使松软煤层有效卸压增透,可将挠动对象转移至煤层顶板砂岩.基于对顶板砂岩水力挠动裂隙发育、延展及煤层卸压增透机理分析,在试验矿井的松软煤层及顶板砂岩中分别施工钻孔进行水力挠动试验,同时采用多级指标对措施后的瓦斯抽采效果进行考察.结果表明:水力...     

矿山井巷模型快速构建与突水避灾三维动态仿真

为准确规划人员最优避灾路径,以矿井现场实测数据为基础,联合Python与Blender快速生成矿山三维井巷模型,建立基于时空动态性的突水漫延仿真平台;综合考虑不同因素对巷道通行状况的影响,建立一种支持从源节点至多目标节点的前N条最优避灾路径搜索方法;调用Blender时间线功能,建立人员避灾逃生演示模型;以山东某矿为工...     

综合物探技术在老空区水害防治中的应用

老空区水害是影响我国矿山安全生产的重大灾害之一,通过应用综合物探技术查清老空区的开采规模、开采位置、空间形态及冒落、积水等情况,结合钻探揭露的空区和矿体赋存情况进行对比验证,表明高密度电阻率法和瞬变电磁法对采空区的探测具有较好的探测效果,能有效地对采空区的含水性进行探测与评价,防止重大突水事故的发生,为后期进行的开拓工程提供可靠的依据。     

某铅锌矿采空区处理与卸压开采方案研究

900m水平似上采空区回收矿柱及900 m水平以下的巷道掘进或矿房开采时经常发生岩爆.为了安全、经济地回收矿柱并实施深部开采,在数值分析的基础上,提出了一种急倾斜矿体的采空区处理与卸压开采方法,并用ANSYS数值模拟确定了采空区处理及卸压开采的施工参数.结果表明,在下盘脉外巷道离采空区边缘的水平距离为10 m时,上盘脉外巷道离采空区边缘的水平距离取20m;在巷道底板隔断开采的深度不超过20m;必须从上、下盘脉外巷道同时向采空区围岩实施V型松动爆破;可只在上盘巷道底板进行隔断开采.该采空区处理与卸压开采方法技术可行、经济合理、简便适用.当地表允许岩体移动时这种新方法适合急倾斜、厚度大矿体的采空区处理与卸压开采;如果地表不许可岩体移动,使用这种新方法是不合适的.该采空区处理与卸压开采方法是一种采空区处理的联合法.它能够用工程爆破这一种手段实现采空区处理、应力向有利于安全生产的方向转移等多种目的.     

深部低渗透强突出煤层群首采下保护层确定和效果考察

软岩保护层在深部低渗透强突出煤层群首采保护层选择中具有潜在的应用前景。在阐述下保护层开采覆岩移动与采场裂隙演化及瓦斯运移关系的基础上,以芦岭矿为工程背景,通过FLAC3D数值试验,研究软岩保护层开采后的卸压效果,并和不同层位的薄煤层开采卸压效果对比分析。结果表明,在采厚相同的情况下,开采10煤保护层相对于软岩保护层,卸压程度弱,保护范围小,保护效果差。软岩保护层开采后,被保护层处于弯曲下沉带的下限范围。受采动影响,有大量的离层裂隙生成。考察期范围内上覆被保护层(8、9煤层)瓦斯抽采率达62.9%,表明软岩保护层开采能够对上覆被保护层(8、9煤层)起到显著的卸压效果。研究结果可为其他矿区保护层开采选择提供参考,丰富国内保护层开采实践。     

瓦斯压力对煤与瓦斯射流突出能量的影响

瓦斯压力是煤与瓦斯突出的主要动力源,其与突出能量的关系尚不明确。将煤与瓦斯突出视为煤-瓦斯气固两相射流突出,在分析煤与瓦斯射流突出过程的基础上,建立了煤与瓦斯射流突出数值模型,给出了突出能量表达式。通过理论分析、数值模拟相结合,得到了瓦斯压力对煤与瓦斯突出能量、突出强度、瓦斯涌出量等参数的影响规律。结果表明,突出发生时,突出能量具有波动性,即以突出口为界存在能量集聚骤升区和能量释放衰减区。能量集聚骤升发生在突出孔洞至突出口段,瓦斯-煤两相流突出速度成倍增大;能量释放主要发生在突出口附近和巷道中,瓦斯-煤两相流突出速度逐渐减小。煤与瓦斯射流突出产生强烈涡旋,在顶板、底板处尤为显著,与现场观察到的突出后顶板有摩擦和划痕、底板突出煤粉有分选现象一致。瓦斯压力与突出能量间呈线性增加关系,与突出强度和瓦斯涌出量均呈幂指数增加关系。计算得到的煤与瓦斯射流突出能量量级与前人结论基本吻合,结果可为煤与瓦斯突出能量预测提供参考。     

掘进面多级气相压裂卸压抽采防突研究

为解决煤层赋存条件复杂、煤体渗透率低、部分区域突出易发性高等问题,提出运用多级气相压裂的方案在阳泉矿区新元矿31004工作面辅助回风巷与进风巷进行压裂试验,以考察其卸压增透效果;在试验巷道的不同区段实施单孔压裂和双孔压裂,并采用"压裂抽采"和"压后即掘"2种工作循环方式进行试验;基于对多项抽采参数的实测结果,从多角度评...