基于瓦斯防治工程的隐伏构造勘查与瓦斯异常区域预测

隐伏构造勘查与瓦斯异常区域预测研究是瓦斯灾害防治工程的基础。根据中国煤矿生产法律规章,开采具有瓦斯灾害危险的煤层前,必须实施瓦斯抽放工程。通常,地质异常区域即是瓦斯灾害危险区,构造应力场和采动应力场的叠加会扰动煤体并加压瓦斯。为精准定位地质异常区,评价其瓦斯致灾潜能,提出了一种基于瓦斯抽采工程进行瓦斯异常区域勘测的研究方法。该方法利用抽采钻孔参数和施工记录,采集钻孔数据并计算煤层顶底板控制点坐标,进而利用二维投影图件及三维应力场模型对隐伏地质构造（如小的断层、褶曲、局部煤厚异常变化等）进行勘查和预测;通过分析小型地质构造周围的附加应力场,并对瓦斯致灾潜能进行动态预测。应用该方法,可以对地质异常区进行精细调查,揭示采煤工作面瓦斯地质演化的一般规律。其研究结果为高瓦斯或突出煤层瓦斯灾害防治措施优化设计及有效实施提供科学依据。     

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。     

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。      

低瓦斯矿井瓦斯异常带地质特征识别

低瓦斯矿井的瓦斯异常带是发生煤矿事故的隐患。通过井田地质构造、煤层厚度及其结构、煤体结构、水文地质条件等瓦斯异常带地质特征分析表明,瓦斯异常带与地质异常带关系密切。对潘西矿后五块段瓦斯异常带进行了分析,发现F7-1下盘断块的煤层,除煤层瓦斯保存条件较好外,其上部受阻于F7-1断层,下部又有深部本煤层瓦斯补给,异常涌出的次数也最多。     

煤矿采空区瓦斯流动分布规律分析

近年来，由于煤矿开采深度的增加、煤与瓦斯突出事故的增多，使人们更加重视对瓦斯运动规律的研究。上隅角瓦斯超限现象在我国煤矿众多高瓦斯矿井中普遍存在，是影响矿井持续、稳定和安全生产的重要原因和事故隐患。为了探讨上隅角瓦斯聚积的根本原因，文章依据渗流理论，在分析采空区内瓦斯流态的前提下，通过建立采空区瓦斯渗流和分布的数学模型，定出边界条件，对采空区瓦斯流动分布规律进行了研究，为分析上隅角瓦斯浓度分布和预测上隅角瓦斯浓度提供了理论依据，对上隅角瓦斯的防治和煤与瓦斯突出预测具有实际意义。     

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、瓦斯、水合物

人们在采煤过程中,积累了丰富的与瓦斯斗争的经验。其基本观点是建立在瓦斯的两种状态上,即游离瓦斯和吸附瓦斯。瓦斯突出的三个因素是地应力、瓦斯、煤层结构,这是指导我们同瓦斯突出（以下简称“突出”）作斗争的基本理论。这无疑是正确的,但是,忽略了水合物的存在。     

瓦斯突出地球物理场的响应特征

研究了瓦斯突出地球物理场的电磁波和弹性波响应特征,其响应是构成瓦斯突出地球物理场的介质条件所表现出来的。关键层应力墙瓦斯突出机理认为,瓦斯突出煤层由关键层和伴随层构成。关键层和伴随层在空间的分布规律和相互作用体现在物理场的差异上,把关键层（或瓦斯突出煤体）作为地球物理场中的异常体进行研究是可以利用地球物理方法识别的。突出地球物理场响应特征的研究为从地球物理研究瓦斯突出预测理论和方法提供了科学思路。     

魏家地矿瓦斯地质特征

介绍了区域地质、矿井构造、地层、煤质、煤化学性质以及瓦斯地质参数,总结了瓦斯赋存规律,分析了控制瓦斯赋存的地质因素,预测了瓦斯突出危险区。      

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。     

煤与瓦斯突出数学地质模型研究

在焦作中马村矿应用研究结果表明:由于煤与瓦斯突出的分区分带主要受地质条件控制,运用数量化理论Ⅱ,可以借助已知瓦斯突出类型的若干地质变量,建立该矿井煤与瓦斯突出的数学地质模型,并预测未知区的瓦斯突出,这可提高瓦斯突出预测的准确性和可靠性。      

重庆煤矿区瓦斯赋存特征及地质控制因素

突出了大区域构造背景下的瓦斯赋存分布特征及其控制因素研究。重庆煤矿区古今构造应力场具有继承性,煤系应力长期得不到松弛,形成含煤岩系的长期应力集中,十分利于瓦斯富集,致使煤与瓦斯突出主要发生在地质构造变动比较剧烈的应力集中区。含煤岩系沉积环境及构造应力场是控制重庆煤矿区瓦斯赋存的两大地质因素。龙潭组海湾-潮坪-沼泽/泥炭相沉积环境具有良好的封盖能力,瓦斯含量普遍较高;须家河组河流冲积平原、湖滨-三角洲沉积体系对瓦斯的封盖能力较弱,瓦斯含量普遍较低。厘定出南桐高突瓦斯带、华蓥山高突瓦斯带、永荣高瓦斯带、渝东南瓦斯带、渝东瓦斯带和大巴山高瓦斯带6个区域性瓦斯地质带。      

A numerical simulation of gas flow during coal/gas outbursts

Summary A model of the gas flow in airways during an instantaneous outburst of coal and gas is formulated and solved numerically using MacCormack's explicit finite-difference scheme. This model is based on the assumption that geological structures, in-situ stresses and high-gas-pressure gradients play important roles in initiating an outburst, with the gas content and gas-pressure gradients being the most dominant factors. The fluid-dynamic processes that occur after an outburst are computed by the numerical integration of the complete time-dependent Navier-Stokes equations. The mixture velocity, the density and the gas-concentration profiles in both time and space domains (immediately after an outburst) are presented. The global results are useful in gaining an improved understanding of gas-flow patterns during coal/gas outbursts and in determining the range of the disturbance so that effective methods of control can be developed.Nomenclature a speed of sound - C gas concentration (mass) - C _v specific heat at constant volume - C _p specific heat at constant pressure - CFL Courant-Friedrichs-Lewy number - E total energy of the mixture - F the vector defined in Equation 27 - G the vector defined in Equation 28 - h entropy - h _i entropy at inlet - J _xi diffusion flux in the i-direction - k thermal conductivity of a gas - M Mach number - P pressure of a mixture (the partial pressure of gas) - P gas pressure - P _a atmospheric pressure     

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。     

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。      

构造应力场与煤及瓦斯突出的关系

地质构造对煤与瓦斯突出具有明显的控制作用,以往多是定性的分析和统计研究。通过构造应力场理论及相似模拟实验,分析了构造应力场与煤及瓦斯突出的关系。对相似实验结果进行对比分析,结合煤及瓦斯突出与褶曲构造展布关系实例,研究了褶曲构造不同部位应力分布特征及其对瓦斯突出的控制作用。结果显示:背斜翼部挤压区和转折区是煤及瓦斯突出的最危险地带;背斜轴部区一般不会出现严重的煤及瓦斯突出。