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。     

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。     

长广—矿煤与瓦斯突出的地质因素

本文根据长广一矿的实际资料总结了影响煤与瓦斯突出的地质因素，认为地质构造是控制瓦斯涌出量和突出的主导因素，水文地质条件等也有一定影响。     

人工神经网络在煤与瓦斯突出强度预测中的应用

介绍了人工神经网络的原理及算法,并从地质角度出发,建立了突出强度预测的BP网络模型,通过实例应用结果表明,人工神经网络用于煤与瓦斯突出强度预测是可行的,操作较为简便、准确性高。     

六枝煤矿区煤与瓦斯突出的影响因素分析

煤与瓦斯突出是一种复杂的动力现象,影响因素很多,根据六枝煤矿区煤与瓦斯突出的实际分析,影响煤与瓦斯突出的主要因素有:采掘深度、瓦斯应力、采掘集中应力、地质构造、顶底板围岩性质、煤的变质程度及煤层结构等。六枝煤矿区因地质构造而发生煤与瓦斯突出的次数最多、强度较大,因此,地质构造的影响因素最大。在今后加强地质工作尤为重要。     

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。     

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。     

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。     

煤与瓦斯突出敏感地质指标研究

以数量化理论Ⅲ为运算工具,介绍了煤与瓦斯突出敏感地质指标研究的方法原理,实现了瓦斯突出地质指标研究由定性向定量的转化,为煤与瓦斯突出的预测、预报及其防治提供了便利。以焦作中马村矿为例,对瓦斯突出敏感地质指标进行了筛选。结果表明,封闭性李庄断层、煤层分岔、砂岩顶板是该矿瓦斯突出的敏感地质指标。     

巷道掘进揭煤诱导煤与瓦斯突出模拟试验系统

突出煤层瓦斯水合固化是一项新型降低瓦斯压力增强煤体强度的防突技术,不同围压、饱和度下含瓦斯水合物煤体破坏特性及能量耗散规律尚不明确,无法为现场深部煤与瓦斯突出等动力灾害预防提供理论依据。基于三轴压缩试验获取的偏应力−应变曲线,计算并分析不同围压(12、16、20 MPa)、饱和度(20%、50%、80%)下含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中能量变化规律。研究表明：(1) 含瓦斯水合物煤体三轴压缩过程中总能量、弹性能及耗散能均随着轴向应变增加而增大,外界做功在弹性阶段和屈服阶段前期主要转化为弹性能,在屈服阶段后期和强化阶段主要转化为耗散能。(2) 当围压从12 MPa增加到20 MPa、饱和度从20%增加到80%,其临界破坏点总能量不断增大,增幅分别为120.30%和81.60%,储能极限与临界破坏点耗散能也随围压增加而增大,增幅分别为174.89%和110.73%,含瓦斯水合物煤体在高围压和高饱和度下吸收能量的能力、抵抗变形破坏的能力及损伤所消耗的能量的量均高于低围压,越不容易破坏。(3) 能耗比随着轴向应变增加匀速增大,饱和度50%和80%时,临界轴向应变随围压的增加而增大,但随着饱和度增大临界轴向应变对围压的敏感性降低。(4) 围压16、20 MPa下,储能极限随着储能系数的增加而增大,储能系数与储能极限同等具有表征含瓦斯水合物煤体储存弹性能的能力。(5) 煤体中水合物生成能够有效降低瓦斯压力,提高煤体峰值强度、临界破坏点总能量、储能极限及临界破坏点耗散能,整体提升幅度21.11%~42.11%,有利于提升煤体抵抗外力破坏的能力。研究成果揭示了含瓦斯水合物煤体受载损伤能量变化规律,可为深部煤与瓦斯突出等动力灾害的防治提供一定的理论指导。

     

顺煤层剪切带煤与瓦斯突出机理分析

为了确定顺煤层剪切带的煤与瓦斯突出机理,在对顺煤层剪切带的受力状态进行分析的基础上,应用Mohr-Coulomb理论研究了顺煤层剪切带的形成机制,并探讨了顺煤层剪切带内的煤层变化特征、瓦斯含量和瓦斯压力特征及地应力对煤与瓦斯突出的影响。结果表明：当煤层倾角接近剪切滑动的临界角时,易产生薄煤区,而远离临界角时,煤层厚度增加,煤层厚度剧烈变化部位为应力集中区并具有较高的应力梯度;顺煤层剪切带内的压应力、煤层的面理化结构和煤层厚度的剧烈变化使其在宏观上形成了高瓦斯含量和高瓦斯压力特征,微观上糜棱煤细颈瓶型的孔隙形态为发生煤与瓦斯突出提供了必要的介质条件;在紧闭褶皱区,煤与瓦斯突出类型以突出为主,在宽缓褶皱区和伸展型顺煤层剪切带内,煤与瓦斯突出类型以压出和倾出为主。顺煤层剪切带内的高地应力、高瓦斯压力和发育的构造煤等3个因素是煤与瓦斯突出发生的主要原因。     

煤中气孔的发育特征与影响因素浅析

以煤田地质学和煤岩学研究为基础,以场发射扫描电镜为主要观测手段,对不同地区、不同地质时代、不同变质程度的煤进行纳米级气孔研究。结果表明,煤中气孔是煤变质过程中煤层气（瓦斯）生成、聚集与气体逸散后留下的孔隙,属次生孔隙,孔径以纳米级为主,形状多为圆形,密疏不等,分布很不均匀,多个气孔密集,常组成气孔群、气孔带、气孔窝。气孔发育受多个因素影响,显微组分是主要内在因素,变质速率是重要外在因素,变质程度也是影响因素之一。根据镜下可见度,将气孔发育程度描述为发育和不发育,前者密集状气孔多见,后者偶见或仅见稀疏状气孔。根据气孔的发育程度,可以评价煤储层的生气方式和潜力,气孔发育程度越高,指示生气潜力越大。     

韩城矿区煤与瓦斯突出主控因素及突出区预测

通过大量地质调查与瓦斯地质特征的研究表明,影响韩城矿区煤与瓦斯突出的主控地质因素为煤层瓦斯含量、煤体结构类型及地质构造应力。文章确定了瓦斯突出预测的定量指标及临界值;提出了等性块段叠加法的概念。通过划分瓦斯等性块段、煤体结构等性块段与构造应力等性块段,建立块段突出危险类型评定原则与方案。运用等性块段叠加法,圈定并预测了3号煤层突出危险区,为矿井合理开展突出防治工作提供了科学依据。     

基于瓦斯涌出异常的煤与瓦斯突出预报软件开发

介绍了瓦斯突出孕育过程中瓦斯涌出异常特征,结合计算机软件进行瓦斯突出预报。利用软件实现了对瓦斯浓度数据中异常信息的提取,并通过图形形式实时显示突出前夕瓦斯浓度变化趋势、幅度等异常征兆,可直观、明了地反映突出早期信号,对防治突出,减少事故,确保煤矿安全生产有重要的指导意义。     

煤与瓦斯突出的构造分区特征——以平顶山天安煤业股份有限公司十矿为例

针对平顶山天安煤业股份有限公司十矿(平煤十矿)煤与瓦斯突出的分区(带)性特点,采取地质单元划分的方法,反映其范围内的构造特征及瓦斯赋存情况。研究了地质单元范围内地应力分布、构造煤发育及分布特征的地质因素和瓦斯参数特征,结合平煤十矿煤与瓦斯突出特点,将瓦斯压力、构造煤厚度、瓦斯含量作为预测煤与瓦斯突出危险性的敏感指标,并据此预测具有突出危险性的范围,为煤与瓦斯突出预测和防治提供依据。