湖南利民煤矿煤与瓦斯突出量级程度划分及其应用研究

根据煤与瓦斯突出的地质条件,对煤岩体系中的弹性潜能、瓦斯内能、采场附加应力积聚的能量分别进行了定性的划分,并结合弹性潜能、瓦斯内能,对煤与瓦斯突出的量级程度也尝试性地首次做出分类,并提高了原来的下限指标。对典型突出模式进行了简要地分析,为今后开展防治利民矿井煤与瓦斯突出工作提供了新的思路与对策。     

煤与瓦斯突出能量条件及突出强度影响因素分析

针对煤与瓦斯突出机制尚不明确的问题,在前人研究的基础上对煤与瓦斯突出强度的影响因素做进一步分析。通过三维突出模型的构建和不规则突出孔洞体积的求解,得出了突出煤体释放的弹性势能,结合突出过程中瓦斯内能和突出后能量的分析,得到煤与瓦斯突出发生的能量条件模型与突出强度预测模型。在统计10次瓦斯突出事故的基础上,运用能量条件模型与强度预测模型进行计算分析,得出突出前、后能量基本相等,突出强度预测值与统计值相差无几的结论,从而验证了该模型的合理性,为从能量角度进行煤与瓦斯突出的研究提供了量化手段。利用该能量条件模型进行了中梁山煤矿和化处煤矿突出实例的突出强度影响因素分析,结果表明,煤层的地应力和瓦斯含量是突出强度的主要影响因素,坚固性系数和进尺对突出强度的影响程度相对较小;突出强度对瓦斯含量变化的敏感度大于对地应力变化的敏感度。     

基于力能分析的平煤五矿己四采区煤与瓦斯突出危险性预测

根据实测平煤五矿己₁₅煤层瓦斯含量和压力结果,从力能角度分析了地应力、瓦斯和煤强度对煤与瓦斯突出的影响,发现己四采区己₁₅煤层受地应力作用,煤体弹性潜能远大于瓦斯膨胀能,即以构造应力为主的地应力为其突出最主要的影响因素;结合己四采区地质因素和己₁₅煤层瓦斯可解吸量,确定该采区煤与瓦斯突出危险区的下限指标为原煤瓦斯含量达到5.4 m3/t,绝对瓦斯压力为0.79 MPa,该下限指标对应的煤层底板标高为–600 m。因此预测–600 m标高以浅为无突出危险区,–600 m以深为突出危险区。      

煤岩突出中单个煤壳失稳前兆阶段的能量分析

在不计突出前兆阶段煤壳动能的条件下,建立了地应力、瓦斯压力与渗流耦合作用下孔隙介质球对称力平衡方程;根据球对称性质使弹性与塑性阶段应变Lode参数相同,满足单一曲线的物理关系条件,将单轴本构模型推广,得到煤壳中应力强度 与应变强度 之间的物理关系式;求得煤壳弹、塑性区径向位移 的表达式,并发现其可分解为相应偏应变的位移 与平均应变的位移 。综合运用几何方程、力平衡方程、几何方程和应力强度与平均应力的关系,对突出前煤壳进行的能量分析表明：煤壳位移、形变时的外力功变化可分解为相应偏应力、平均应力和渗流力的外力功 , , ,它们分别与煤壳偏应力应变能、体积应变能和孔隙体积能的变化的 , , 相对应,得到三个功、能增量关系的研究结果。为建立单个煤壳失稳的突变模型,对地应力、瓦斯压力与煤介质三因素在煤壳解体、瓦斯膨胀内能释放及高压瓦斯流对碎煤喷射的突出过程进行研究提供了基础。     

不同变质煤的瓦斯膨胀能演化特征及其突出预测启示

为了提高煤与瓦斯突出(突出)预测的准确性,选取6种不同变质程度的煤样,开展高压压汞实验、等温吸附实验,计算瓦斯膨胀能,分析不同变质程度煤的瓦斯膨胀能演化特征及其与突出预测指标间的关系。结果表明：不同变质程度煤的孔隙结构与吸附性的差异,导致煤体所含的瓦斯膨胀能存在差异。煤的总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能随瓦斯压力的升高而增大,增加趋势逐渐变缓;相同瓦斯压力下,煤的变质程度越高,总瓦斯膨胀能与吸附瓦斯膨胀能越大。煤的游离瓦斯膨胀能随瓦斯压力升高呈指数增大;相同瓦斯压力下,游离瓦斯膨胀能随单位质量煤体孔隙体积的增加而增大。当R_max>1.6%,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能与初始释放瓦斯膨胀能突出临界指标42.98 mJ/g基本相等,进一步验证了游离瓦斯在突出触发阶段起主要作用,也为突出预测临界压力值采用0.74 MPa的合理性提供了科学依据。当R_max为0.6%～1.6%时,0.74 MPa对应的游离瓦斯膨胀能小于42.98 mJ/g,夸大了煤体所具备的突出潜能,会加大防突工作量。当R_max<0.6%,0.7...     

正村井田二1煤层瓦斯地质特征及防治瓦斯对策

通过对正村井田煤系地层及构造特征、煤层特征进行分析归纳,对煤与瓦斯突出矿井近年来发生的瓦斯动力现象及涌出量资料的统计和计算,认为正村煤田煤与瓦斯突出具有以小型突出为主、突出前有预兆并受作业方式诱导、突出点附近瓦斯质量体积和瓦斯压力高、易发生在掘进工作面和煤层变化带等特征,根据这些特征提出了相应的瓦斯防突措施,为该煤田防治煤与瓦斯突出提供了理论指导。     

煤与瓦斯突出的激发和发生条件

从影响煤与瓦斯突出的地应力、瓦斯、煤岩物理力学性质和地质构造因素出发,提出把煤与瓦斯突出的过程划分为突出源的形成发展、突出的激发和发生三个阶段。以南桐煤矿典型突出事故为例,用演绎法探讨了突出激发与发生的条件。结果表明,一切由振动产生的岩体裂隙和冲击载荷是导致煤与瓦斯突出的激发条件,并根据充瓦斯煤的损伤蠕变方程,得到了预测延期突出的时间。根据突出过程中的能量转换关系,得到了突出的起动速度和瓦斯临界压力表达式,对煤与瓦斯突出发生涉及的几个难点问题进行了讨论。揭示了煤与瓦斯突出的主要能量是瓦斯膨胀能,突出时喷出的瓦斯由多个来源的瓦斯组成,且地质构造区在采矿过程中容易形成有利于突出的源。     

瓦斯在煤基多孔介质中运移及煤与瓦斯突出机理

分析了瓦斯在煤基多孔介质中的运移条件;推导和讨论了瓦斯在煤基多孔介质中运移扩散的基本方程和影响因素;分析了煤与瓦斯突出产生的机理和渗透力学条件。提出瓦斯在煤基多孔介质中的运动是孕育煤与瓦斯突出的前提,而瓦斯压力梯度与浓度梯度的存在是驱动瓦斯在多孔介质中运动的内动力;煤与瓦斯突出的危险性主要取决于瓦斯压力梯度及其变化量的大小,而和瓦斯的绝对压力大小没有直接关系。煤与瓦斯突出的条件是由煤基多孔介质中瓦斯压力梯度的大小和煤体固体骨架的抗剪强度大小所决定。低渗透性的构造煤因对瓦斯运移阻力较大而容易形成瓦斯压力梯度的增加,从而更易于发生煤与瓦斯突出。      

煤与瓦斯突出机理研究现状及分析

对现有的煤与瓦斯突出机理研究成果进行了评述;阐述了煤与瓦斯突出机理的研究思路与方法及其历史发展过程和研究现状;分析了这些研究成果的不足之处,提出了煤与瓦斯突出机理的研究方向。研究表明,煤与瓦斯突出机理已经从单因素向多因素发展,综合作用假说得到了普遍认可,这为防突工作提供了理论依据。认为,煤与瓦斯突出准备机理、失稳与平衡机理、发展机理、传播机理和煤与瓦斯突出带分布规律研究是煤与瓦斯突出机理需要深入研究的方向。      

煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力效应

为探讨煤与瓦斯突出过程中的瓦斯压力效应,利用自行研制的煤岩瓦斯动力灾害模拟试验系统和配比而成的中硬度的大型煤样,在煤样的含水率、配比方案、煤样成型压力等参数均恒定的条件下,恒定3种轴向载荷时,开展了5种不同瓦斯压力梯度的煤与瓦斯突出的相似模拟实验。实验表明,煤与瓦斯相对突出强度存在一个瓦斯压力阈值,超过此阈值时,随着瓦斯压力的增大则相对突出强度大大增强,且相对强度与瓦斯压力呈现正指数的关系;瓦斯压力作为突出发生的动力并对突出煤粉有一定的粉碎和搬运作用,可形成腹大口小的倒梨形突出孔洞;轴向应力对中硬度的含瓦斯煤岩体的突出具有正作用。      

煤和瓦斯突出发生过程中的温度作用机理研究

通过温度对含瓦斯煤的强度、吸附特性的影响，研究了温度在煤和瓦斯突出发生过程中的作用机理。并根据煤和瓦斯突出发生的能量失稳判据，提出了以采区工作面的温度变化预测煤和瓦斯突出。     

阳泉矿区煤与瓦斯突出的地质因素与预测方法

本文介绍了阳泉矿区煤与瓦斯突出的基本特征，重点分析了煤与瓦斯突出与地质构造发衣、冲蚀作用和构造软煤煤层与围岩的组合、上覆盖层厚度和煤层自身结构的关系，阐述了煤与瓦斯突出的预测方法及其效果。     

地应力和瓦斯压力作用下深部煤与瓦斯突出试验

基于目前煤与瓦斯突出模拟试验均为人为控制突出口打开的实际情况,自主研制了可改变轴压、围压和孔隙压,实现突出口自行打开的煤与瓦斯突出模拟仪。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾矿为例,试验模拟了煤层开采深度分别为900、 1 100、1 300 m时,突出煤层临近工作面区域在地应力和瓦斯压力共同作用下诱导发生煤与瓦斯突出全过程。试验利用轴压、围压模拟地应力作用,孔隙压模拟瓦斯压力作用。经相似理论计算确定了3种开采深度下轴压和围压值、孔隙压逐级增加得到了突出时瓦斯压力,并拟合了关系曲线。研究结果表明：开采深度、轴压、围压、瓦斯压力与突出距离、突出强度间均呈幂指数增加规律。随深度增加,地应力与瓦斯压力对突出影响增量逐渐减小。瓦斯压力对突出影响作用存在3阶段特征,分别为急剧影响增加阶段、稳定影响增加阶段和缓慢影响增加阶段,确定了瓦斯压力对突出影响变化率最大值,即瓦斯压力变化异常区与稳定区分界点为0.75 MPa,对应开采深度为350 m,与前人理论分析结果基本吻合。由此可以推断,随深部开采,地应力与瓦斯压力共同作用下煤与瓦斯突出频度将增加,但强度和破坏程度增加率将趋于平缓。所得结论对该矿深部煤与瓦斯突出机制认识和预测防治具有参考意义。     

断裂构造对利民矿井煤与瓦斯突出的控制

阐述了断裂构造对煤与瓦斯突出的控制和不同构造部位瓦斯突出的差异性。因煤层围岩性质的不同，地质构造的差异，瓦斯突出的地段和危险性也不一样。主控断裂的作用形成了不同的构造应力分区，从而导致瓦斯不同程度地聚积与泄散，决定着煤与瓦斯突出的强度、密度的分区分带性。这些研究成果对利民矿井各采区瓦斯突出危险性的预测，具有现实意义。     

矿区地质构造对煤与瓦斯突出地段的控制

矿区地质构造对煤与瓦斯突出的控制通过对地应力的分布、瓦斯的保存以及软分层的发育而表现出来。压性构造有利于高地应力的生成、瓦斯的保存以及软分层的发育,从而有利于煤与瓦斯突出的发生;而张性构造则不利于煤与瓦斯突出的发生。此外,煤层围岩性质、煤层厚度和倾角对煤与瓦斯突出的发生也起了一定的控制作用。     

潘一矿煤体结构特征及其在煤和瓦斯突出预测中的应用

煤体结构是煤与瓦斯突出的主要因素之一。利用钻孔测井曲线特征并结合矿井地质构造成果,对淮南潘一矿8煤层煤体结构特征及其构造煤发育规律进行了研究。研究表明该矿区8煤层构造煤发育,其厚度大于该煤层厚度20％的点数占一半以上,因其顶、底板围岩封闭性良好,有利于瓦斯聚集,易在采动条件下发生煤与瓦斯突出,确认为该区煤与瓦斯突出的重点煤层。依据瓦斯始突深度、构造煤分层厚度大于0．5m的分布范围、大中型断层位置及矿井突出资料,在F4断层组的两侧分别圈出了煤与瓦斯突出的危险区和威胁区。     

基于专家系统的煤与瓦斯突出预测知识库研究

煤与瓦斯突出预测理论的不完善性以及影响因素之间的复杂关系,用经典的数学理论难以建立精确的预测模型。本文借助专家系统,详细研究了煤与瓦斯突出区域预测知识库的建立方法,并对知识库结构作了概括描述。这为建立煤与瓦斯突出预测专家系统奠定了基础,进一步拓宽了煤与瓦斯突出预测领域的研究。      

汪家寨煤矿煤与瓦斯突出规律及其主控因素分析

汪家寨煤矿是严重的煤与瓦斯突出矿井,依据矿区实际瓦斯地质资料,运用瓦斯地质理论和构造演化理论,研究了区域和井田构造控制特征。分析认为该矿主要以中小型突出、倾出为主,压出为辅;随煤层埋深的增加突出强度增大;C409煤突出最为严重;突出多发生在煤巷掘进面及断层影响带。分析了埋藏深度、顶底板岩性、煤厚及其变化、软分层、地质构造等因素对煤矿煤与瓦斯突出的影响,认为断层及其影响带、厚煤尤其是其增厚部位是煤与瓦斯突出的易发区域,因此断层构造和煤层厚度及其变化控制着该矿突出的发生和分布规律,为煤与瓦斯突出的主控因素。研究成果为矿井突出防治工作提供了理论指导。     

构造煤的成因属性分类

前人研究认为构造煤是煤与瓦斯突出的必要条件,构造煤的分类对煤与瓦斯突出的预测和防治有重要意义。(1)根据构造煤参与煤与瓦斯突出过程的突出属性对构造煤重新进行了定义,认为构造煤是构造作用下强度降低、瓦斯异常的煤气双重介质,据此将构造煤划分为01类瓦斯构造煤和01类强度构造煤以及强度和瓦斯都变异的02类构造煤。(2)参考地质构造成因环境下岩石破坏的脆韧性划分方式,将突出属性分类与脆韧性的构造成因特性结合起来,划分出3类脆性构造煤和3类韧性构造煤,分别命名为01类脆性瓦斯构造煤、02类脆性构造煤等。(3)分析了构造煤在煤与瓦斯突出中的作用,低强度构造煤在其周围形成应力集中,瓦斯通过孔隙压力和吸附作用降低煤体强度,而高压瓦斯则是突出发展过程中煤体破坏和抛掷的重要动力源之一。(4)结合成因属性构造煤分类对各种地质因素对构造煤空间分布、构造煤瓦斯的生成和保存条件进行了分析。     

瓦斯突出煤和非突出煤AVO响应的比较

基于Zoeppritz方程,对煤层进行AVO正演模拟,得到煤层的AVO响应曲线。瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应对比表明,无论是瓦斯突出煤还是非突出煤,其顶界面AVO响应在总体上表现为地震振幅绝对值随偏移距增加而减小的特点,但是瓦斯突出煤的截距绝对值要大于非突出煤的截距绝对值,瓦斯突出煤的斜率要大于非突出煤的斜率。煤层厚度变化会对AVO响应产生影响,当瓦斯突出煤和非突出煤的厚度相同时,瓦斯突出煤的截距绝对值大于非突出煤;当厚度不同时,瓦斯突出煤的斜率大于非突出煤的斜率。瓦斯突出煤与非突出煤的AVO响应差异,可为地球物理参数进行煤与瓦斯突出危险性预测以提供技术参考。