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。     

煤与瓦斯突出热动力学过程试验研究

为进一步加强煤与瓦斯(甲烷)突出等矿山重大灾害预测预报的工作,开展煤与瓦斯突出全过程热动力现象研究。将煤样破碎后在煤与瓦斯突出相似模拟试验台内加压成型,开展不同粒径煤样的吸附、解吸及突出试验,获取试验过程中的煤体温度变化数据。结果表明:煤与瓦斯突出过程中煤体温度随时间的演化关系近似符合自然对数函数;煤样粒径对煤体温度变化有显著影响,煤样粒径越小,在吸附解吸瓦斯时温度变化量就越大、变化速度也更迅速。通过分析煤与瓦斯突出试验结果及能量关系得出,煤的粒径很大程度上决定了瓦斯吸附能力及瓦斯内能,瓦斯内能又很大程度上决定了煤与瓦斯突出强度。     

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。     

煤和瓦斯突出过程中瓦斯作用机理的研究

阐述了瓦斯在煤和瓦斯突出过程中所起的作用 ;指出煤层中瓦斯的存在改变了煤岩体的物理力学性质及响应特性 ,使之成为非稳定介质 ;特别强调在瓦斯突出发生时 ,瓦斯膨胀能起了至关重要的作用 ;由于瓦斯的存在 ,加剧了煤体失稳破坏的过程。     

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。     

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。     

不同煤粒粒级配比下的煤与瓦斯突出实验研究

根据煤与瓦斯突出"综合假说"理论,煤的物理力学性质在突出过程中扮演着重要的角色。利用大型煤与瓦斯突出模拟试验台为工具,选用粒径为5-10目、10-40目、40-80目,以及5-10目和10-40目不同粒级配比下的煤粒,在相同实验参数条件下制作成突出煤样,并分别进行煤与瓦斯突出模拟实验。结果表明:煤层吸附瓦斯是放热过程,煤体温度会不断增加,突出过程则正好相反。煤体的破碎程度越大(粒径越小),突出危险性程度就越高、发生突出的强度就越大;但突出强度大并不一定表现为粉碎率高,原因在于煤的破碎程度越高,进一步破碎的难度就越大,要达到相同破碎率所需的能量就越大。     

GRNN模型在煤与瓦斯突出及瓦斯含量预测中的应用

煤与瓦斯突出的作用机理非常复杂,是诸多因素如地应力、煤层瓦斯、煤体物理力学性质等共同作用的结果。在分析广义回归神经网络(GRNN)的基本原理和算法的基础上,建立煤与瓦斯突出等级以及基于构造复杂程度定量评价的瓦斯含量GRNN模型。然后用收集到的工程实例样本训练和检验该模型。结果表明,GRNN模型具有很好的预测能力和泛化能力,能较好揭示瓦斯含量和诸影响因素间的关系,可用于煤与瓦斯突出判别以及瓦斯含量预测。同时可以看出,光滑因子的合理选取对于提高GRNN模型的预测精度非常重要,因此,在以后的实际应用中需要不断尝试,找出最合理的光滑因子。     

淮北金石矿岩浆顺层侵入煤层对瓦斯赋存规律的影响

以淮北金石矿132采区3煤层为对象,通过实验室试验、现场观察、理论分析研究岩浆顺层侵入煤层对瓦斯赋存规律的影响。通过淮北金石矿地勘数据分析岩浆侵入范围及特征,结合煤体瓦斯基本参数,查明影响瓦斯分布规律的主要因素。结果表明:测定范围内大部分瓦斯含量较小,在0.19~6.69 m3/t,部分点存在以游离状态为主的瓦斯积聚现象;煤层瓦斯压力在0.11~0.25 MPa,没有明显规律,瓦斯仍处于瓦斯风化带或向甲烷带的过渡带;f在0.3~2.04,煤体普遍较硬,Δp在133.3~999.8 Pa,瓦斯放散初速度较慢;灰分、挥发分较大,随埋深有上升趋势,二者是影响该区域瓦斯分布规律的主要因素,煤的变质程度变化较大,部分变为天然焦,但大部分区域为煤焦互层。     

煤与瓦斯突出动能临界值研究

煤与瓦斯突出是煤矿行业的重大灾害之一,煤与瓦斯突出中突出动能的研究有助于揭示煤与瓦斯突出的机理。利用传染病动力学中“仓室”的概念,针对煤与瓦斯突出事故中的突出孔洞建立仓室模型。在任一仓室的任一环流上选定任意一点,对其速度在水平和垂直方向上进行分解,2个分速度引起仓室内部煤体在水平和垂直方向上的离层倾向,揭示了突出过程中突出孔洞的成形机理;对该点的动能E_K进行分析,发现动能E_K随时间t呈现“W”形、周期性变化,E_K在周期性变化中存在最小动能E_KF(即仓室环流的动能阈值,该点在仓室环流上动能最小、内能最大),因此,E_KF既是仓室环流上最小的动能,也是仓室环流发生突出的动能临界值条件(即能量条件),即煤与瓦斯突出的动能临界值。同时,对突出事故中的孔洞突出口尺寸(高度或宽度)与动能的相关性研究发现,不同的突出口尺寸与该处煤体的动能负相关,而与该处煤体的内能正相关,从本质上揭示了不同突出口尺寸是突出过程中煤体内能作用的结果。     

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。     

平煤十矿底板巷穿层钻孔瓦斯抽采模拟研究

为了降低平煤十矿己15-16-24130工作面运输巷掘进中的突出危险性,基于实际工程背景,考虑瓦斯抽采中的瓦斯运移及煤岩变形等因素,建立了瓦斯抽采气固耦合模型,并利用COMSOL Multiphysics软件对平煤十矿己15-16煤层的底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案进行数值模拟,研究了瓦斯抽采对于降低掘进过程中突出危险性的影响。研究结果表明:在己18煤层开挖底板巷对己15-16煤层进行穿层钻孔瓦斯抽采,瓦斯抽采180 d后,己15-16-24130工作面运输巷附近煤层残余瓦斯压力及瓦斯含量分别降至0.315 MPa和3.84 m3/t;将底板巷穿层钻孔瓦斯抽采方案进行工程应用,实测抽采后的残余瓦斯压力及瓦斯含量在0.32 MPa和3.17 m3/t,均小于平煤十矿煤与瓦斯突出防治规定的“双6”指标（残余瓦斯压力小于0.6 MPa,残余瓦斯含量小于6 m3/t）,可有效降低运输巷掘进过程中的突出危险性。     

软、硬煤层残余瓦斯含量区域效果检验临界值研究

针对软、硬煤层瓦斯含量区域突出危险性效检指标临界值存在较大差异这一工程实际。建立软、硬煤样相关参数关系模型,对基于残余瓦斯含量的区域防突措施效果检验指标临界值进行研究。结果表明:同一煤质软煤和硬煤瓦斯吸附量差别不大,但随着煤的变质程度降低,软、硬煤瓦斯吸附量差值先减小后增大。对存在软、硬分层的煤层,建议采用0.74MPa时软、硬煤瓦斯含量测值的小值（取整）作为煤层残余瓦斯量指标的临界值。此研究因地制宜地确定符合矿井实际的突出预测指标临界值和区域措施效果检验指标临界值,对降低防突成本具有重要意义。     

预抽煤层瓦斯区域防突效果检验指标临界值研究

瓦斯突出危险性预测是防治煤与瓦斯突出的关键环节,瓦斯突出预测指标的临界值是决定区域防突是否达标的重要参数。为了确定寺河矿西井区3号煤层的区域预抽后煤层瓦斯防突效果评价指标体系,以瓦斯突出综合作用假说为基础,通过现场采取原始煤样,并在密封煤样罐内达到吸附平衡,测定残余瓦斯含量和残余瓦斯压力的关系,研究了原煤瓦斯含量与瓦斯压力的关系及原煤中水分的对其影响规律,提出始突瓦斯压力对应的瓦斯含量作为评价指标的临界值为10 m3/t,并通过现场跟踪考察对得出的瓦斯含量临界值的可靠性进行了现场验证,结果表明,10 m3/t作为区域防突效果评价的临界指标是可靠的。     

煤与瓦斯突出冲击波及瓦斯气流所致伤害研究

为揭示煤与瓦斯突出过程中冲击波及瓦斯气流传播特性,针对这种突出做功随瓦斯压力、煤的普氏系数和煤的放散初速度变化的特征,运用气体动力学理论,建立冲击波超压、冲击瓦斯流速度与传播距离以及煤层瓦斯压力等参数的关系,计算不同超压下瓦斯气流传播伤害的范围。理论计算与现场测试结果表明,突出冲击波属惰性弱冲击波;波阵面上的超压传播伤害距离与突出时瓦斯膨胀的强度、巷道断面及巷道壁面的摩擦力和局部阻力等因素有关;冲击产生的高压瓦斯气流是造成巷道内大量人员窒息伤亡的主要诱因;突出能量瞬间释放没有补给,冲击波及瓦斯气流会在巷道阻力等因素作用下迅速衰减。     

煤体初始瓦斯涌出规律预测煤巷突出危险性研究

为提高煤巷突出危险性预测的准确性,基于摩尔库伦准则,建立煤巷突出平衡方程,探究煤巷突出发生条件;通过COM-SOL Multiphysics模拟软件探究钻孔瓦斯涌出量和瓦斯压力的关系;利用ZTL20/1000-Z型矿用隔爆型连续流量法煤层巷道突出预测装置,以薛湖煤矿二煤层为试验对象,进行煤巷突出危险性预测试验研究.结果...     

模糊集重心理论在隧道瓦斯突出评价中的应用

以隧道瓦斯突出评价为研究对象。选取地质构造、煤层厚度、隧道埋深、瓦斯含量、瓦斯压力、瓦斯放散初速度和煤的坚固性系数作为指标,建立隧道瓦斯突出评价标准;用关联函数确定指标权重;结合模糊集重心理论与最短距离识别准则,构建属性识别模型,对隧道瓦斯突出进行评价。评价结果与可拓评价结果一致,从而验证了该方法的实用性。研究表明,基于模糊集重心理论的属性识别模型用于隧道瓦斯突出评价是可行的,为隧道瓦斯突出评价提供了一种新方法。     

煤巷水力压挤防治瓦斯煤尘技术试验研究

为解决掘进煤巷瓦斯突出、积聚和粉尘污染等问题,结合祁东煤矿的煤层开采条件,研究水力压挤技术,探讨水力压挤防治瓦斯煤尘机理,试验确定钻孔布置、封孔深度、注水压力、注水量与注水时间等工艺参数。研究结果表明:水力压挤可使试验工作面卸压带增宽0.7m左右,挤出近20%的煤层原始瓦斯,最高降尘率达78.7%;该技术对防治瓦斯突出、超限和煤尘污染有显著效果。试验研究取得的相关水力压挤工艺技术参数,为类似煤层条件技术实施提供了工作基础。     

预抽煤层瓦斯消突效果评价FTA及综合指标优选

针对预抽煤层瓦斯这一区域性防治煤与瓦斯突出措施的消突效果评价,应用事故树分析法(FTA),可根据导致预抽煤层瓦斯后发生煤与瓦斯突出事故的各种可能途径,以及各个诱导因素对事故发生的影响程度,找到可用于消突效果评价的关键因子,进一步分析出评价指标和评价方案.本文构造出了预抽煤层瓦斯后发生煤与瓦斯突出的事故树模型,通过FTA定性分析,得出了预抽煤层瓦斯消突效果评价因子的客观排序,为区域防突措施消突效果评价提供了一种新的理论方法.