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。     

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。     

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。     

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。     

利用瓦斯抽采穿层钻孔预测煤层小断层工程实践

小构造附近是瓦斯灾害容易发生的危险地带,探明煤层小构造对煤矿的安全生产至关重要。基于古汉山矿二1煤层瓦斯抽采工程特点,分析利用瓦斯抽采穿层钻孔进行地质构造探测的可行性,根据试验工作面、底抽巷、瓦斯抽采穿层钻孔空间关系,建立煤层小构造预测数学模型及预测方法。结合试验工作面瓦斯抽采穿层钻孔现场施工数据特点,分析钻孔误差及校正方法,绘制煤层底板三维曲面图、煤层底板等高线图、煤层底板趋势面残差图及煤层厚度等值线图。根据煤层底板预测图件,对小构造分布做出了综合判断:在工作面走向通尺360～390 m、倾向上距离运输巷35 m处,可能存在落差1. 5 m、走向N45°W、延伸长度20 m左右的小断层。现场实际揭露地质情况与理论预测结果基本吻合,工作面推进与小构造距离小于20 m时,瓦斯突出危险程度明显增大。     

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.     

构造复杂矿区煤与瓦斯突出瓦斯地质分析

为深入认识地质构造带煤与瓦斯突出事故的发生机制,以芦岭矿为例,运用瓦斯地质理论,论述矿区的构造特征和瓦斯地质特征,分析压扭性断层形成过程中构造运动对煤体结构和瓦斯赋存的影响。研究发现,芦岭矿位于逆冲断裂地质构造带上盘,构造松软煤层发育,压扭性断层和层滑构造对矿区影响明显;在挤压应力作用下,压扭性封闭性逆断层区域煤体裂隙发育,应力控制着瓦斯向裂隙发育区运移和聚集,使其成为高压瓦斯富集区;受采掘等作业影响,在煤层暴露的瞬间,压扭性逆断层构造带附近区域煤体内储存的大量承压状态瓦斯和构造松软煤岩混合物被疾速抛出,从而形成煤与瓦斯突出。     

构造煤承压过程瓦斯渗透特性实验研究

构造煤具有瓦斯含量高、渗透率低等特征,是瓦斯抽采和灾害预防的难点。在采用“二次成型”法制取原煤样试件的基础上使用自行设计的“三轴应力瓦斯渗透性模拟实验装置”通过“应力-渗透性”实验,针对构造煤原煤试件不同瓦斯压力条件下的应力加、卸载过程的瓦斯渗透规律进行了研究。实验结果表明:加载阶段,随着加载应力的增大渗透率降低,初期阶段降幅最为急剧,围压升到3 MPa时,渗透率均下降近65%;卸载阶段渗透率随着应力的减小而增大,围压完全卸载后渗透率只恢复到初始值的25%;同样的应力条件下,煤基质收缩对构造煤的影响作用大于有效应力的增加,渗透率随着其内部瓦斯压力的降低而增大。实验结果可为构造煤“卸压增透”效果最佳化提供参考,进一步完善低渗透率煤层的瓦斯抽采理论及方法体系。     

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。     

水力割缝增透抽采煤层瓦斯原理及应用

煤层瓦斯抽采是避免煤矿瓦斯灾害发生的根本防治措施,水力割缝技术使煤体在割缝后应力松弛、卸压、破坏、破裂,以成倍或者十几倍地提高煤层的渗透性,继而对煤层瓦斯进行抽采,使瓦斯煤层变为低瓦斯或无瓦斯煤层,从根本上避免瓦斯灾害发生。从水力割缝技术切割煤层致煤层应力变化角度,将理论分析和数值模拟方法相结合,根据渗流力学平面径向流理论,分析给出水力割缝技术增透抽采瓦斯原理。以兖州东滩矿3号煤层为例,分析采用水力割缝技术前后煤层应力变化、渗透率变化规律。结果表明:大面积割缝后,应力重新分布,由均匀状态转变为非均匀状态分布,水平缝使煤层卸压,煤层应力普遍降低,在缝上部煤层局部形成拉应力区。割缝后渗透率是割缝前的4.34倍,渗透率大幅度增加,从而提高瓦斯抽采速度和最终抽采率。     

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。     

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。     

近距离薄煤层群上保护层开采邻近层卸压瓦斯抽采模式探究*

为研究近距离薄煤层群上保护层开采期间邻近层卸压瓦斯对回采工作面瓦斯涌出的影响,进而有效杜绝保护层开采过程中工作面瓦斯积聚或超限等事故,结合煤岩体破碎前“应力-裂隙-渗透率”间关系,建立卸压瓦斯三维渗流模型。采用Flac3D软件,以新维煤矿煤层条件为工程背景,研究保护层开采过程采场渗透率沿纵向分布规律,确立下保护层C3煤层处于三维增渗区、C7与C8号煤层处于水平增渗区。基于此,提出“近场定向钻孔全覆盖抽采与远场穿层钻孔层间卸压抽采结合”的瓦斯治理技术模式,并开展现场试验,结果表明:试验工作面回风瓦斯浓度降低44.4%,绝对瓦斯涌出量降低52.3%,该模式可显著提高卸压瓦斯的治理效果,为类似工况下的保护层开采提出1种新的瓦斯抽采模式,具有一定的指导及借鉴意义。     

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。     

地面水力压裂对井下煤层瓦斯抽采影响分析

为了研究高河煤矿地面压裂钻井作业对井下煤层瓦斯抽采效果的影响,以3#煤层E2307工作面为主要考察对象,对水力压裂前后煤层渗透率、抽采瓦斯浓度和纯量进行统计分析。研究结果表明:地面压裂钻井水力压裂后煤层反演渗透率提高了13倍以上;压裂后瓦斯浓度最大增幅为122%,最小增幅为34%,平均增幅为71%,同样,瓦斯纯量也有大幅度的提高。研究认为高河煤矿地面水力压裂作业对其高瓦斯含量、低渗透性煤层具有良好的应用前景,对同类煤矿及煤层提高瓦斯抽采效率,预防井下瓦斯动力灾害具有积极的借鉴意义。     

分层充填开采煤层瓦斯运移方式及涌出规律研究*

为了探究使用分层充填法采煤过程中煤层瓦斯的运移方式及涌出规律,以高河煤矿E1302工作面为研究对象,采用实验室试验、理论分析、数值模拟相结合的方法建立数学模型,利用数值模拟软件对煤层瓦斯的运移方式及涌出规律进行求解。研究结果表明:使用分层充填法采煤时,充填体渗透率远大于煤体,下分层煤体中的瓦斯会以充填体为媒介向工作面涌入;开采过程中,工作面瓦斯压力随开采时间逐渐降低,开采30 d后,煤层最大瓦斯压力下降18.75％,最大瓦斯渗流速度始终位于充填体、工作面、下分层煤体交界处;工作面绝对瓦斯涌出量随着开采时间的推移呈波动式下降。     

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。     

深部近距离煤层上行开采覆岩运动及应力分布试验研究

为深入研究深部近距离煤层上行开采过程中岩层应力分布、断裂破坏及下沉变形特征,根据深部煤层开采的具体工程地质条件,建立了深部近距离煤层上行开采相似材料试验模型,对上行开采中围岩应力变化、覆岩运动及裂隙演化过程进行了模拟分析。获得了下煤层和上煤层开采过程中,围岩应力分布变化特点及分区特征、岩层裂隙富集区主要分布区域及其演化规律,煤层开采过程中切眼和煤壁附近岩层断裂角的变化特征,并得到了两煤层工作面相对位置不同情况下,岩层裂隙富集区演化特点、断裂角变化及下沉变形规律。研究成果为类似条件下煤层上行开采、瓦斯抽采提供参考。     

近距离煤层群叠加开采采动应力与覆岩位移场演化特征

为获得近距离煤层群叠加开采条件下采动应力与覆岩位移场的演化特征,以潘二矿近距离煤层6,7煤层地质条件为背景,采用相似模拟与工程实践相结合的方法进行了研究。结果表明:近距离煤层群叠加开采形成的覆岩宏观运移形态和特征与单一煤层开采相似,叠加开采时,覆岩呈多岩层整体协调运移的规律,具有位移叠加增长效应;7煤层的开采使覆岩起到一定的垫层作用,缓和了矿山压力,使近距离煤层叠加开采时具有应力减弱效应;与开采7煤层相比,6煤层开采过程中,周期来压步距减小,来压时支架载荷减弱,动压系数相应减小,但周期来压时,存在部分岩层发生台阶式下沉的现象。基于近距离煤层群叠加开采研究结果,在近距离煤层群开采的设备选型时,选用了高额定工作阻力的液压支架,在周期来压期间,采取了一定的辅助措施,同时加强了组织管理,生产中没有发生冲击液压支架及其他动力灾害的现象。     

煤矿瓦斯突出事故不安全动作原因统计分析

为了从行为控制角度预防煤与瓦斯突出事故,在对88起重特大瓦斯突出事故资料统计的基础上,分析了煤矿瓦斯突出事故的基本特征、事故直接原因不安全动作及其相关法规特征,结果表明,非瓦斯突出矿井也可能发生瓦斯突出,突出事故在小型、乡镇矿井仍占主要地位;不安全动作原因可归为突出危险工作面作业、未及时支护、突出后未强化实施综合防突措施等3类;突出危险工作面作业严重程度最高的3种动作为采煤机割煤、放炮、风镐落煤;不安全动作原因共违反了3种法律法规的14个条款。