煤岩瓦斯复合动力灾害监测预警与防控技术研究进展

煤岩瓦斯复合动力灾害是深部煤炭开采的重大安全隐患,探明其致灾机理、发展监测预警及防控技术是防治关键。提出了煤岩瓦斯复合动力灾害防治“四面体”理论,即分别从灾害分类、灾害机理、灾害预警、灾害防控4个层面概述煤岩瓦斯复合动力灾害研究进展。总结了以能量释放主体、初始瓦斯压力、载荷条件为主的复合动力灾害类型划分依据;梳理了理论分析尺度和实验室尺度下的复合动力灾害机理研究进展,发现应力路径、微裂纹动态演化和煤岩赋存地质因素临界指标是致灾机理研究的关键;概述了以前期灾害前兆信息判识、中期灾害前兆信息采集、后期灾害一体化监测预警为主线的复合动力灾害监测预警技术研究进展;揭示了复合动力灾害消能减灾一体化防控技术和多尺度分源防控关键技术科学内涵。在此基础上针对两淮矿区灾害特点,提出了深部强动载条件下复合动力灾害智能判识与预警方法和分区协同防控方法。基于当前研究进展,提出了煤岩瓦斯复合动力灾害研究亟待解决的问题,助力实现深部煤炭安全、精准、高效开采。

煤矿热动力灾害防控研究现状及趋势综述

为分析煤矿热动力灾害防治理论及技术相关研究现状,提高对煤自燃、瓦斯爆炸及诱发耦合灾害等方面的认识,系统总结了当前煤矿热动力灾害研究的成果,分析研究领域国内外进展及不足。研究结果表明:当前热动力灾害基础理论方面需深入多灾种耦合复杂致灾机理及影响机制的研究,防治技术方面需着力发展精细化、低碳化、智能化防治技术及装备,管理方面需以科学理论为基础,制定合理可行的监管监察防灾治灾临界指标。研究结论为煤矿热动力灾害防治理论及技术进一步发展提供参考。

2011—2022年煤矿热动力灾害事故特征及发生规律分析

基于2011—2022年全国煤矿热动力灾害事故的统计结果,采用数据统计法,按照煤矿企业性质、事故类型、事故等级和发生地区等4个方面进行综合分析,通过趋势图、柱状图及百分比图对煤矿热动力灾害事故的规律和特点进行总结,并对煤矿热动力灾害发生的原因进行深入分析。分析结果表明:近12年我国煤矿热动力灾害事故逐渐减少,以瓦斯爆炸类型为主,多以较大事故和重大事故的形式发生;乡镇煤矿企业和国有煤矿企业伤亡损失严重,情况严峻;西南地区和东北地区为事故多发地区。根据分析结果,从政策、经济、监管、企业及技术层面提出了相应的预防措施。

基于综合能量指数的煤岩复合动力灾害预警新方法

高效快捷利用煤矿监测技术是预防煤岩复合动力灾害的首选方法,实时反馈煤岩体自身能量变化是监测灾害的关键。从煤岩统一能量方程可综合分析复合动力灾害发生及判别类型,且具有间接预警的作用。结合煤矿现场常用的地球物理监测方法,对比得出微震技术可实时动态监测矿井内能量变化,提高微震监测灾害显现的准确度是保障井下安全生产的关键。据微震能量与5个震源力学参量相关性强弱分为两类,优先选取危险性较高的一组作为预警标准,修订优化了综合能量指数法。以山西某矿8003巷道工作面为例,选取5个动力灾害发生预测点,改进后的预测结果与人工实地监测的符合率接近80%。该研究为煤岩体的稳定性评估和复合动力灾害预测提供了重要的技术指导。

煤岩瓦斯动力灾害风险智能判识与融合预测

煤岩瓦斯动力灾害对矿井安全生产造成了极大威胁,由于诱发因素众多,其内在的致灾机理难以被有效探明。为实现煤岩瓦斯动力灾害风险的智能识别与预测,建立了基于CNN的煤岩瓦斯动力灾害风险智能判识与融合预测模型。模型中采用Box-plot与MI方法进行数据清洗,并利用GRA方法建立包含10个风险因素在内的煤岩瓦斯动力灾害的指标体系,通过PCA方法对数据进行降维处理后,输入至CNN模型中进行融合与预测。通过与ANN、BP、RF、SVM模型的对比分析表明,基于CNN的煤岩瓦斯动力灾害风险智能判识与融合预测模型具有更高的准确性,同时此模型的收敛速度更快,验证了此模型在实际工程中具有更可靠的工程价值。

矿井煤岩动力灾害电磁辐射预警技术

利用煤岩破坏力电耦合模型、煤与瓦斯突出和冲击矿压发生的不同特点及现场测试的大量数据,得到了两种灾害的电磁辐射预警临界值系数和动态变化趋势系数的确定方法.研究表明:煤岩动力灾害电磁辐射预警可以采用脉冲数和强度两个指标同静态临界值和动态趋势相结合的方法进行预警,电磁辐射可以将动力灾害危险分为无危险、弱危险和强危险的3级预警方案,对不同的预警级别可以采用对应的防治措施.

煤岩冲击动力灾害连续监测预警理论与技术

为提高煤岩冲击动力灾害的监测预警效果,采用系统的理论研究和集成创新,完善了弹塑脆性突变模型,揭示了煤岩体损伤及冲击动力破坏特征与声发射、微震、电磁辐射等前兆信息的耦合关系,提出了煤岩体冲击破坏前兆信息辨识准则与监测原理,建立了煤岩冲击动力灾害的连续监测预警技术体系,即煤岩冲击动力灾害时间上从早期综合分析预测到实时监测预警,空间上从区域监测预警到局部监测预警、点验证的时空连续监测预警,并按无、弱、中、强4级对煤岩冲击危险进行分级预测预报。应用结果表明:该技术体系可较为有效地判别和预警煤岩冲击动力灾害危险,应用矿井降低煤岩冲击动力灾害显现71%。

煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警关键技术研究进展

新一轮能源变革正在孕育,互联网+及智能化发展势头强劲,在总结我国煤矿典型动力灾害预防存在主要问题及思考煤矿监控预警如何面对新一轮科技创新的基础上,提出了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警新理念与关键技术。煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警是在煤炭精准开采的理念指导下,基于多相多场耦合灾变孕育演化机理,利用灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术、多源海量前兆信息提取挖掘方法,能够实现煤矿典型动力灾害前兆信息深度感知、风险精准判识及监控预警的新模式新方法。该模式能够实现煤矿监控预警由传统的经验型、定性型向精准型、定量型转变,全面提升我国煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警能力。凝练了煤矿典型动力灾害风险精准判识及监控预警的4个关键科学问题和8个主要研究方向,围绕基础理论研究、关键技术开发和预警平台搭建,重点阐述了12个方面的研究进展,为实现冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时精准预警提供了技术路径。

多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统研制与应用

自主研制了多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统,其结构主要包括主体承载支架、试件箱体、快速推拉密封门、伺服加载系统、数据采集系统和其它附属设备等。该系统主要功能包括煤与瓦斯突出灾害模拟和煤矿开采过程中煤岩层应力变化动态模拟,其主要优势体现在:(1)箱体尺寸大,模拟相似度高,且密封能力强,可完成6.0 MPa气体压力密封;(2)地应力加载方式复杂,可实现"三向四级"加载,更加接近地下采动影响下的应力分布状态;(3)最高64路传感器同时监测煤岩体内部参数,可同时采集煤岩体内不同空间位置的温度、应力和气体压力,实现对煤矿动力灾害过程中参数时空变化规律的研究。利用该装置进行一次成功的煤与瓦斯突出模拟试验,分析结果发现突出过程中煤层中温度和瓦斯压力变化都存在时间和空间上的差异性,具体表现为动力效应明显区域瓦斯压力降低快、温度降低量大,所以通过对物理场变化规律的分析可以了解突出时煤层动力效应的时空变化状态,成果对进一步认识煤与瓦斯突出发生的机制有着十分重要的意义。

坚硬顶板动力灾害超前弱化治理技术

随着我国煤炭开采深度的不断增加,坚硬顶板开采条件引发的强矿压动力灾害日益加剧,严重威胁矿井的安全生产。针对神东矿区坚硬顶板发育典型灾害发生区域,综合采用物理模拟、数值分析,工程应用等手段,研究了厚硬顶板覆岩破断特征,提出了低位关键层“悬臂梁”回转破断促使动静叠加载荷过灾害阈值引发的矿压动力灾害发生的机理,揭示了顶板弱化治理强矿压动力灾害的有效性。据此研发了坚硬顶板分段水力压裂超前弱化治理技术,开发了基于孔内瞬变电磁的定向长钻孔(>400 m)的压裂影响范围的探测技术,并在神东布尔台煤矿典型的工作面开展了工程应用。单个钻场布置钻孔3个,钻孔长度330~600 m,钻孔孔径为96 mm,实现了单孔超过600 m分12段以上压裂的310 m工作面的全区域有效弱化,累计注水量达2957.25 m^3。应用结果表明,顶板分段水力压裂最高压力30.5 MPa,破裂压降最大达12.90 MPa,3.0 MPa以上压力降365次,形成了有效的压裂裂缝;探测压裂影响低阻异常区11个,判识压裂影响范围达35 m;与未压裂区域相比,压裂后工作面顶板来压步距、动载系数、支架峰值阻力分别降低18.90%~70.60%,5.79%~7.90%,13.65%~19.40%。工程实践表明坚硬顶板超前分段水力压裂,有效减弱了矿压显现强度,实现了坚硬顶板动力灾害的弱化解危。

深部开采动静载荷作用下复合动力灾害致灾机理研究

为研究深部开采动静载荷条件下冲击地压、突出两种灾害相互作用形成的复合动力灾害的发生条件与显现特征,利用重庆大学自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",以层状复合煤岩体为研究对象,进行了改变静应力组合、交变载荷频率和幅值、应变率及气体压力等试验条件的系列真三轴试验。试验结果表明:中间主应力、气体压力、交变频率和幅值、应变率等对复合动力灾害的显现特征均有较大的影响;真三轴试验条件下,层状复合煤岩体在临空面一侧多以劈裂成板、板曲折断的层裂形式破坏;基于荷载类型,可将复合动力灾害分为高静载型、扰动型、冲击型复合动力灾害3种类型,且在各类复合型动力灾害中,高压气体对复合动力灾害的孕育和发生具有积极的作用。

综放采场围岩支承压力分布及动力灾害的层厚效应

以谢桥矿1151(3)综放工作面地质及开采技术条件为背景,采用大型非线性三维计算机数值模拟,对不同开采高度(3.0,5.4,8.0,12.0 m)进行模拟研究.研究表明:不同采高工作面围岩支承压力分布规律存在明显差异,随着煤层一次采高的增加,工作面煤体内和采空侧煤柱内支承压力峰值呈下降趋势,峰值位置超前工作面距离增大,煤体抵抗损伤应变能的区域变大;工作面侧向实体煤支承压力峰值沿走向在工作面前方与煤层厚度无明显关系,而在工作面后方随采高逐渐降低,峰值位置离煤壁也越远.应用损伤力学和能量法分析了支承压力分布对煤与瓦斯突出层厚效应影响规律,表明综放开采随一次开采高度的增加,采场周围煤岩体内积聚的弹性能降低且抵抗损伤变形的能力增强,有利于减缓动力灾害.

采动应力场分布特征及其对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用分析

以实际发生动力灾害的采掘工作面为模拟原型,在模拟分析采场和巷道应力分布特征的基础上,分析了不同应力分布对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用,得出了采场易于发生应力主导型的动力灾害而巷道更易于发生瓦斯作用为主导的、高强度的煤岩瓦斯动力灾害的规律特征,并举例对上述分析做了论证。

采场空间结构模型及相关动力灾害控制研究

基于社会对煤炭行业安全生产的重视,煤矿灾害事故控制研究显得愈发重要,尤其现阶段煤矿灾害事故多发,安全形势愈发严峻。为了有效控制预防煤矿动力灾害事故,提出了采场空间结构模型;探讨了采场空间结构模型中应力分布和结构发育的力学特征,以及采动时上覆岩层的运动变化规律和矿压显现特征;以采场空间结构模型和采动应力孕育力学特征为基础,提出了采场顶板、巷道顶板控制、冲击地压、顶板水害,以及地表沉陷等煤矿灾害事故致灾条件及其控制措施,构建了相关采场灾害控制结构力学模型。建立的采场空间模型解释了"裂断拱"和"应力拱"结构演化规律以及采动应力与覆岩空间结构演化的相关性;指出了导水裂隙带高度与"裂断拱"高度范围基本一致,是顶板水害治理依据;建立了基于"应力拱"拱外岩梁下沉预测地表沉陷的方法;提出了对直接顶采取"给定载荷"控制方式,对基本顶采取"给定变形"和"限定变形"控制方式的支护方案;预测了冲击地压可能发生位置并提出了控制措施;提出了透水判据和不发生透水事故的合理工作面长度和开切眼位置的计算方法;建立了以开采工作面长度和覆岩裂断步距相关性为核心的采动沉陷模型,从力学的角度解释并计算分析了地表沉陷范围。实践证明,正确建立决策模型是实现煤矿灾害事故控制的基础,模型的建设有效实现了煤矿灾害事故控制从定性到定量的发展,可为煤矿灾害事故的有效预测和科学控制提供指导。

矿井煤岩动力灾害声发射监测适用条件初探

基于应力波传播理论、品质因子Q理论,建立了煤岩体声发射传播理论模型,并结合大量现场试验,得出了声发射在不同普氏坚固性系数的煤岩介质中的传播规律;基于此规律及现场实际监测工艺,初步确定了声发射监测煤岩动力灾害的适用条件:当煤的普氏坚固性系数fp<0.2时,声发射传感器宜安装在顶板岩层内;当煤的普氏坚固性系数fp≥0.2时,声发射传感器可安装在岩体内,也可安装在煤体内。

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题,基于冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”(“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”)理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。

煤矿复合动力灾害危险性实时预警平台研究与展望

为解决复合动力灾害危险性实时预警的难题,通过研究煤矿复合动力灾害发生机理和发生前兆的关联性,将复合动力灾害发生前兆分为共性和个性两类,并与监测参数类型相对应,提出了针对复合动力灾害危险性的临场预警、中期预警以及远期预警的关键监测参数。复合动力灾害危险性实时预警平台的构成主要包含监测硬件、分析软件及预警方法 3个部分,硬件主要指动力灾害监测系统及平台监控室硬件;软件主要指平台采集及分析软件;预警方法指标包括复合动力灾害危险性联合预警方法和单参数与多参数联合预警方法。在河南、山东等存在复合动力灾害的矿井进行了预警试验和基础研究,预警了矿井的复合动力灾害。同时,展望了复合动力灾害危险性实时预警平台的发展趋势。

我国煤岩动力灾害研究进展及面临的科技难题

随着我国浅部煤炭资源日益枯竭,煤矿开采转向深部将成为保障我国能源需求的新常态。针对深部煤炭资源开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压及其复合动力灾害等问题,分析了我国煤岩动力灾害机理研究进展,阐述了煤岩动力灾害评价和监测预警关键技术,总结了煤岩动力灾害防治和风险管控措施及技术手段,提出了煤岩动力灾害预防及研究面临的科技难题和科学研究展望:在研究手段方面,研发能真实反映现场复杂地质条件、工程条件及其多场耦合作用过程的科研仪器,发展矿山动力灾害演化模拟与再现技术,揭示煤岩动力灾害的耦合演化机制;在危险区探测方面,进一步发展基于地球物理手段的工作面动力灾害危险区超前精细探测理论与技术,研发原位条件及采掘影响下煤岩层多参量时空分布钻测与反演技术;在风险评价方面,开展深部复杂地层和采掘工程耦合条件下灾害危险性评价关键指标及智能评价方法研究;在监测预警方面,建立煤矿多灾害融合监控预警平台,实现煤矿多灾害融合监控、智能预警和安全态势的准确分析;发展煤岩动力灾害的远程精准区域防治技术,实现煤岩动力灾害的超前区域防控;研究煤岩动力灾害事故数字化应急决策理论与关键技术,实现煤岩动力灾害智能应急决策。通过理论、技术及设备等系统研究,为实现动力灾害有效防控、保障煤炭资源安全高效开采提供保障。

深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统

深井煤炭资源的开采正日益成为行业的重点需求,然而高地应力、高瓦斯压力、高地温等深部环境下的煤岩瓦斯动力灾害的耦合伴生更加复杂,对这一科学问题的大尺度物理模拟分析研究是目前最适用的研究方法。因此,围绕高地应力、高瓦斯压力、高地温3个核心影响因素,理论分析了超千米深井环境对突出模拟系统加载能力、系统刚度、瓦斯压力和温度等的指标要求,提出了适用的临界指标。研究设计了由加载系统、密封系统为主体的超千米深井煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统,其垂直加载能力≥25 MPa、水平加载能力≥16 MPa、系统刚度30 GN/m、瓦斯压力6 MPa、地温控制60℃,可满足在相似比为0.6~1.0条件下,1000~1500 m深井煤层赋存环境模拟。应用该系统对淮南丁集煤矿4·19动力灾害事故的发生进行了模拟分析,得到:突出过程突出孔洞后方不同位置处的煤体应力-气压耦合演变规律不同,大致可划分为突出孔洞所在区域、前突出影响区、后突出影响区以及未受影响区域等4个区域;在突出激发形成最初的孔洞后,突出影响区域内瓦斯解吸渗流速度将影响突出的进一步发展,应力主导下的突出持续时间较短,抛出煤量较少;实验共抛出煤样15.86 kg,还原现场突出煤量34.8 t,突出煤样的分选性不显著,呈现出典型压出型突出表象特征,与实际情况相符合,证明了该套系统的适用性及功能性。

电磁辐射技术在煤岩动力灾害监测预警中的应用

为了有效准确预测煤岩动力灾害,基于煤岩电磁辐射产生机理、特征和规律的深入研究,提出了煤岩动力灾害电磁辐射监测及预警方法,研制了KBD5型和KBD7型电磁辐射监测仪,并将电磁辐射技术广泛应用于煤岩动力灾害监测及预报,包括煤与瓦斯突出和冲击地压灾害的预测、采空区顶板稳定性监测、围岩应力分布及矿压观测、卸压带宽度确定等.