复合构造带力学特征及其对瓦斯突出的作用机制

为查明地质构造区域煤与瓦斯突出的致灾原因,利用自主研制的煤与瓦斯突出模拟试验装置,研究逆断层和褶曲复合构造带的应力分布,分析应力对复合构造带瓦斯赋存和聚集的影响,从地质角度阐述复合构造带煤与瓦斯突出发生的力学作用机制。试验发现:复合构造带应力分布较为复杂,沿逆断层的断面转折部位在其附近空间应力分布最为集中,构造集中应力可达原岩应力的1.3~1.7倍。复合构造形成的过程中煤体结构遭到严重破坏,构造煤非常发育,应力集中促使瓦斯向裂隙发育区运移和聚集,使其成为高压瓦斯的富集区;构造煤发育和大量承压状态的瓦斯为煤与瓦斯突出的发生提供了必要的条件。     

基于力能角度的鹤壁矿区煤与瓦斯突出主控因素分析

根据鹤壁矿区实测煤层瓦斯含量和瓦斯压力结果,从力能角度分析了地应力、瓦斯、煤体结构对煤与瓦斯突出的影响,确定了地应力为鹤壁矿区煤与瓦斯突出的主控因素。受区域地质构造的控制,南部矿井构造应力大,瓦斯含量高,煤岩体弹性潜能、瓦斯膨胀能大;且构造煤普遍发育,煤体破碎功小。基于力能角度分析,南部矿井在埋藏较浅处,突出动力能量即大于突出阻力能量,是其始突深度较浅的主要原因,鹤壁矿区始突深度呈现南浅北深的特点。在地应力控制作用的基础上,结合三矿实测瓦斯压力、瓦斯突出能量分析,确定三矿在煤层底板标高-510 m以深为突出危险区。     

煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用研究

为了研究煤与瓦斯突出过程中煤体瓦斯的作用,采用煤体中瓦斯总量守恒的原理研究瓦斯含量与瓦斯积聚内能的基本方程和影响因素;分析煤与瓦斯突出产生的力学条件和机理,建立了煤与瓦斯突出危险程度的矩阵图。结果表明:瓦斯含量是煤体瓦斯内能最直接的反应,其值大小决定瓦斯内能的大小;瓦斯压力梯度、煤体的断裂韧性及煤体内的裂隙发育程度决定着瓦斯突出的危险性,低渗透性构造煤对瓦斯运移阻力较大,容易形成较大的瓦斯压力梯度,从而更容易发生煤与瓦斯突出。煤层中的瓦斯含量、瓦斯压力、地应力越大,煤体的强度、渗透率越小,越容易发生突出。煤层瓦斯情况、力学性能、地质构造和煤层的应力状态是决定煤与瓦斯突出的主要因素。     

地质因素对煤层瓦斯赋存影响的研究

为研究地质因素对煤层瓦斯赋存的影响,针对淮北矿区石台煤矿3煤层,采用瓦斯地质块段划分的方法,以井田内主要断层和天然焦区为界,把3煤层划分为3个独立的地质块段,分区对不同地质块段内地质因素对煤层瓦斯赋存规律进行研究,分析褶皱构造、断裂构造及岩浆侵蚀等对煤层瓦斯压力和瓦斯涌出量的影响。结果表明:地质构造对瓦斯保存和运移起到重要作用,岩浆岩侵入对石台煤矿3煤层煤与瓦斯突出的控制作用最为明显,地质块段的划分(分区管理)对地质构造复杂的高瓦斯及煤与瓦斯突出矿井具有重要意义。     

云南省煤矿瓦斯赋存构造控制规律与瓦斯分带划分

瓦斯赋存规律认识不清,是导致煤矿瓦斯突出灾害频发的根本原因。应用瓦斯赋存地质构造逐级控制理论,结合云南省煤矿瓦斯地质图编制资料,探讨了云南省煤矿瓦斯赋存构造控制规律,进行了瓦斯分带划分及瓦斯带特征分析。研究结果表明:印支期,NW向构造发生右行活动,形成压扭性构造,破碎煤体、形成构造煤。燕山期,滇东和滇东北形成了一系列NE-NNE向平缓褶皱,煤系地层保存较完整;而滇东南断裂活动发育,煤系地层遭受了严重的破坏。喜山运动第Ⅰ幕,云贵高原抬升,侏罗纪、白垩纪地层风化剥蚀殆尽,瓦斯大量释放;喜山运动第Ⅱ幕,NE向构造带强烈挤压、冲断、推覆,破碎煤体、形成构造煤,有利于瓦斯保存。新构造运动时期,滇东NNE、NE向构造带应力集中,易引发瓦斯突出;滇中高瓦斯区NW、NNW向构造带应力集中,易引起瓦斯突出事故。将云南省煤矿瓦斯赋存分布划分了两个高突瓦斯带和两个瓦斯带,即滇东高突瓦斯带、华坪祥云一平浪高突瓦斯带、滇中瓦斯带和滇西滇南瓦斯带。     

基于熵权灰色关联法的煤与瓦斯突出主控因素分析

煤与瓦斯突出主控因素的科学确定是突出预测及防治的重要前提条件。根据突出综合作用假说及瓦斯地质理论确定了平顶山东部矿区的突出影响因素为开采深度、瓦斯、煤的物理力学性质、地质构造、煤层和构造煤厚度及煤层透气性系数。建立了熵权灰色关联分析模型,分析得出平顶山东部矿区突出影响因素的熵权灰色关联序为开采深度、瓦斯压力、断层特征系数、煤厚特征系数、f、Δp、煤体破碎程度、透气性系数。结合平顶山东部矿区的实际情况分析突出影响因素的重要性,验证了熵权灰色关联法计算得到的关联序结果是正确的。结果表明,熵权灰色关联方法具有模糊、随机、灰色等特征,对数据要求较低且计算量小,应用该方法分析突出主控因素是可行和有效的。     

集贤煤矿瓦斯地质规律主控因素分析

为获得集贤煤矿的矿井瓦斯地质规律,对2007-2009年集贤煤矿的地质资料和瓦斯涌出量数据进行收集整理.在此基础上运用区域构造演化和瓦斯地质理论,分析集贤矿区地质构造演化及分布特征对瓦斯的控制影响.结果表明,集贤煤矿煤层的裂隙发育、高渗透性的顶底板砂岩岩性对瓦斯赋存的控制影响较小,不考虑为集贤煤矿瓦斯地质规律主控因素;而矿井构造、煤层埋深、岩浆岩侵入等因素对瓦斯赋存的控制影响较大,基本上为集贤煤矿瓦斯地质规律的主控因素.     

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。     

瓦斯突出煤体形成的物理条件和过程

煤与瓦斯突出灾害严重威胁着煤矿安全生产,但目前对煤与瓦斯突出的物质载体形成机理研究鲜有报道。瓦斯突出煤体系指含有高能瓦斯且以强烈韧性破坏为主的构造煤体,具备发生煤与瓦斯突出的固体和气体介质条件。以煤体变形变质为主线,综述相关文献并结合研究积累,分析揭示了瓦斯突出煤体形成的物理条件和过程:煤体结构严重破坏的构造煤、积聚于此的大量瓦斯,是瓦斯突出煤体形成的物质基础;构造应力与重力、吸附/解吸作用、气体增滑与气楔作用,是瓦斯突出煤体形成的动力基础;煤体破坏、瓦斯积聚、封闭压实,是瓦斯突出煤体形成过程的主要特征。本研究对复杂地质条件下区域瓦斯预测防治具有重要指导作用。     

辽宁省煤矿瓦斯赋存构造控制规律与瓦斯分带划分

瓦斯赋存规律认识不清,是导致煤矿瓦斯突出灾害频发的根本原因。应用瓦斯赋存地质构造逐级控制理论,结合辽宁省煤矿瓦斯地质图编制资料,分析了全省瓦斯赋存构造控制规律,进行了瓦斯分带划分。研究结果表明:印支运动(主幕),在形成一系列EW向、NE向和NW向断裂褶皱带过程中,煤体破坏,形成构造煤。燕山运动,形成了一系列NNE向、NE向的褶皱和逆冲推覆构造,与EW向构造相叠加,构造应力集中,有利于瓦斯突出;同时,岩浆侵入煤系地层使煤变质程度增高,生烃能力增强。喜马拉雅运动时期,挤压作用逐步被拉张取代,拉张裂隙作用有利于瓦斯部分释放。将辽宁省煤矿瓦斯赋存分布划分4个高突瓦斯带,即阜新-铁岭高突瓦斯带、抚顺-沈北高突瓦斯带、北票-南票高突瓦斯带和红阳-本溪高突瓦斯带。     

煤和瓦斯突出预测煤体结构指标计算方法的探讨

煤体结构类型是煤和瓦斯突出预测的重要地质指标,笔者在对煤体结构类型与瓦斯参数关系研究的基础上,提出突出煤层煤体结构有效厚度的概念和计算方法,并以河南平顶山矿区为例,进一步探讨了突出煤层煤体结构指标临界值的计算方法,为煤体结构指标定量计算提供了新的研究方法。     

构造演化对鸡西煤田瓦斯赋存的控制

为认清鸡西煤田瓦斯赋存规律,根除导致煤矿瓦斯突出灾害频发的根本原因,运用瓦斯赋存地质构造逐级控制理论,在研究鸡西煤田构造演化的基础上,结合鸡西煤田瓦斯地质图编制资料,分析了煤田地质构造、构造煤形成过程和岩浆作用及其对瓦斯赋存的影响,并结合典型矿井探讨了现代应力场对瓦斯突出危险的控制作用.结果表明,鸡西盆地地质构造复杂,主要表现为规模不等的褶皱、断裂.盆地东南缘受控于敦密断裂,盆地中部的基底突出向东倾伏,发育了平-麻逆冲断裂及一个向东倾伏的基底隆起(恒山隆起),使煤田从东至西成斜卧的"人"字形展部,划分煤田为南北两含煤带,岩浆岩作用的程度控制着煤层的煤化程度,也控制着煤层瓦斯赋存;近EW向、NE向、NNE向构造,尤其是NNE向构造受到强烈挤压、压扭作用,致使煤层受到强烈挤压剪切破坏而发育构造煤,有利于瓦斯赋存;现代构造应力场主应力为NEE向,NNW-NW向构造表现为挤压和压扭作用,成为动力灾害多发地带;NE、NNE向构造的拉张有利于瓦斯释放,动力灾害程度相对较低;NNW-NW向和NE、NNE向复合部位应力集中,动力灾害更容易发生.     

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。     

远距离保护层开采煤层渗透特性及瓦斯抽采技术研究

依据平顶山矿区某矿的丁、戊组煤层(间距90m)的地质条件,采用实验室试验、数值模拟和现场试验相结合的方式,对远距离下保护层开采煤层渗透特征及瓦斯抽采技术展开探讨。运用自制的煤-气耦合系统进行了大尺寸煤样的加载试验,试验将煤样加载及裂隙发展分原生微孔隙压密阶段、煤样的弹性变形阶段、膨胀破坏阶段和峰后的破坏阶段四阶段,卸载后煤样孔隙不闭合,渗透系数仍能保持高位运行;并对现场丁组煤的卸压区域进行参数测试,卸压效果明显,煤层透气性系数增加720~1550倍,卸压范围内的煤层煤与瓦斯突出危险性消除;根据对被保护层裂隙场形成分析,提出了煤与瓦斯共采中卸压瓦斯抽采钻孔抽采最佳时机,实现了戊组煤开采与丁组煤瓦斯抽采在时间、空间上的有序配合。     

寺河矿构造应力研究及其对煤与瓦斯突出的影响分析

根据构造形迹理论,利用断层展布推断矿区最大主应力方向,结合现场实测的应力大小及方向,确定矿区最大主应力方向;对比矿区非突出的东区和煤与瓦斯突出的西区应力及其他突出矿井的应力,以及应力对矿区突出的影响程度.     

软分层对煤层厚度及煤与瓦斯突出影响的研究

煤与瓦斯突出是影响煤矿安全生产的主要因素之一,具有软分层特征的构造煤其突出的可能性更大,在防治煤与瓦斯突出时应尤为重视。根据现场的勘探资料及揭煤时的煤层情况,结合对个别案例的研究,分析了主要地质构造与沉积环境对煤层厚度的影响,并初步建立了煤层厚度预测的理论模型,同时简要分析了软分层的发育对煤与瓦斯突出的影响,对煤层厚度的预测和防突工作具有一定的指导意义。     

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。     

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:水力挠动作用下砂岩体内部形成有利于下部煤层瓦斯流动的裂隙网络,抽采流量、浓度及累计抽采纯量大幅提高;但由于高压水作用下松软煤体内部发生塑性变形、裂隙堵塞、瓦斯流动性弱化,导致抽采流量、浓度及累计抽采纯量不升反降。研究结果可为松软煤层实施水力挠动提供参考,以期实现较理想的瓦斯治理效果。     

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.     

攻克“三软”防治瓦斯关

河南省郑州煤炭工业（集团）有限责任公司（以下简称“郑煤集团”）所采煤层为豫西“三软”不稳定煤层。“三软”得名于其煤软、顶板软、底板软。“三软”煤层的煤呈粉末状,煤层硬度系数小于0．2,属极软煤层。煤层顶板为泥岩、炭质泥岩、页岩,松软易碎;煤层底板为泥岩、炭质泥岩,遇水膨胀;受滑动构造影响,煤层为全层构造煤（糜棱煤）,煤层致密,透气性极差。国家发展改革委员会制定的瓦斯抽采利用方案,曾将郑煤矿区所属三大煤田（荥巩、登封、新密）列为我国34个单一煤层严重突出矿区之首,称其为“国内煤与瓦斯突出最危险的矿区”。