煤矿采煤工作面顶板事故原因及防治措施

通过分析煤层顶板的不稳定性和工作面开采过程中的突出地应力,揭示了顶板事故原因,讨论了顶板事故对矿工生命安全和矿山生产经济的影响,强调了问题的紧迫性。在防治措施方面,提出了改进矿山设计、加强采煤工艺管理以及优化支护技术等策略。采取这些措施能够有效减少顶板事故的发生。最后,总结了研究结果,强调了防治措施的重要性。

深埋岩溶隧道掌子面突水灾害可靠性上限分析

旨在研究高地应力、高压富水条件下深埋岩溶隧道掌子面突水灾害的可靠性问题。基于已有研究成果,考虑高地应力以及高压富水地质条件,采用极限分析上限法构建了以剪切破坏为主的深埋岩溶隧道掌子面三维防突机制。根据虚功率原理建立突水破坏过程中的能量方程,利用Hoek-Brown强度准则求解了高地应力以及高压富水条件下防止掌子面突水所需要的支护力上限解。在极限破坏状态下,根据掌子面上施加的支护力与突水破坏时的围岩压力构建极限状态方程,建立了深埋岩溶隧道掌子面防突可靠度模型,并采用响应面法计算了掌子面发生突水灾害的失效概率。分析了水平地应力、溶腔水压力、岩体强度参数以及隧道洞径对支护力、潜在破坏长度的影响规律,给出了满足不同容许失效概率下深埋岩溶隧道预防突水灾害所需要的最小支护力以及在有限支护效应下能抵抗的最大破坏长度。将研究成果应用于实际工程案例中,与已有研究、现场结果相比较,验证了本文计算结果的有效性,可为今后类似深埋岩溶隧道的防突问题提供理论指导和参考。

高地应力条件煤与瓦斯突出冲击力演化规律研究

随着开采深度和强度增加,煤与瓦斯突出动力灾害频发,冲击力致灾机制成为目前研究的主要方向。为进一步揭示高地应力条件煤与瓦斯突出冲击力演化规律及破坏机制,采用自主研发的煤与瓦斯突出全过程模拟巷道系统,引入冲击力和声发射监测技术,以45%CO_(2)和55%N2混合气体压力模拟煤层瓦斯压力,以轴压模拟上覆岩层应力作用,围压模拟围岩应力作用,以平煤十一矿突出煤层为研究对象,考虑埋深为600、800、1000、1200、1400和1600 m的地应力条件,进行了煤与瓦斯突出模拟试验,分析了煤-瓦斯两相流运移过程、煤粉分布及冲击力演化特征,得到了瓦斯压力、临界瓦斯压力、试验有效应力、声发射信号与冲击力之间的影响关系规律,从煤与瓦斯突出能量转化角度分析了瓦斯内能向冲击动能,即瓦斯压力向冲击力转化特征。研究结果表明:①突出孕育阶段受力情况及破坏程度影响突出发生后冲击力在巷道内传播特性,随模拟埋深增加,冲击力演化特征愈发复杂,具有明显脉冲特征,且随脉冲特征出现冲击力升高。②脉冲特征划分为高频阶段和低频阶段,高频阶段煤-瓦斯两相流速度快、强度高、突出危险性强;低频阶段危险性随突出发展进程逐渐减弱。③突出两相流动能主要由瓦斯内能提供,部分瓦斯压力转化成冲击力,冲击力强弱主要由瓦斯压力决定,在高地应力作用下,深部煤体相对浅部更易发生煤与瓦斯突出。④突出开始时,声发射振铃计数峰值点早于冲击力峰值点,声发射信号更早监测到突出危险性,但冲击力更能具象反映煤体破裂情况,声发射振铃计数出现陡增时,伴随脉冲特征出现,但脉冲特征出现不一定对应声发射振铃计数陡增。

地应力分布对动力灾害的影响规律分析

为研究地应力分布特征对煤与瓦斯突出的影响规律,采用理论分析和现场实例验证相结合的方法,即通过数值模拟方法分析原岩应力的分布对采动应力场、煤岩体的物理力学性质等要素的影响,探究应力方向对采面回采突出危险性影响规律,并结合桑树坪煤矿南一采区实测数据加以验证。研究结果表明,当最大应力方向垂直于巷道掘进或采面回采方向时,工作面前方应力集中现象更明显、卸压破坏区范围更大、煤体孔隙率更低,工作面发生突出危险率也更强。并结合桑树坪煤矿南一采区煤与瓦斯突出现象与地应力实测数据,验证了当最大主应力方向垂直于推进方向时突出危险性更大。

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。

煤和瓦斯突出过程中地应力作用机理

基于岩石破裂损伤理论和气固耦合方法,利用RFPA2D-GasFlow数值模拟系统,结合煤体中应力分布情况和瓦斯突出破坏过程及结果,分析了煤与瓦斯突出三要素(地应力、瓦斯和煤体物理力学性质)中的地应力在瓦斯突出过程中的作用.研究结果表明,在地应力小于1 MPa时,地应力对瓦斯突出具有阻碍作用;当地应力大于1 MPa时,地应力对瓦斯突出具有双重作用:一方面其产生的水平压应力增强了煤体抵抗破坏的能力;另一方面其产生的剪切应力促进煤体发生破坏.同时应用研究结果对浅埋煤层瓦斯突出问题进行了分析,认为浅埋煤层承受的地应力较小,煤层中存在着水平拉应力和垂直拉应力且是大范围存在的,故导致浅埋煤层发生瓦斯突出且多发生特大型瓦斯突出.

高地压严重突出区域下向穿层钻孔预抽消突技术

利用工作面高抽巷施工掩护顺槽掘进工作面下向穿层条带预抽钻孔,通过对钻场底板深、浅孔注浆封堵围岩裂隙解决了孔内返水不畅难题;采取了"两堵一注"封孔方式确保封孔严密不漏气;孔内全程下吹水管,实现了单孔、分组、定时吹水工作目标,提高了下向消突钻孔抽采效果,形成了一套高效、快速的下向穿层钻孔消突管理模式,实现了高地压严重突出区域煤层高效消突以及技术经济一体化目标,安全经济效益显著。

断层应力状态对煤与瓦斯突出的控制

在建立断层面受力模型的基础上,通过断层面正应力和孔隙压力关系分析影响断面附近煤与瓦斯突出的关键参数,重新定义封闭系数并引入剪切指数概念,以此判断断层的封闭性及结构稳定性。研究发现,正应力大小与断层走向锐夹角正相关,而切应力与走向锐夹角关系取决于最大、最小水平应力和与正应力比值;在断层附近发生煤与瓦斯突出,依据断层结构参数和应力场差异,瓦斯压力存在极值条件,结合构造煤分布及瓦斯压力与正应力关系将其分为两大模式:流压控制型(FPC)和流–固耦合型(FSC),并通过一个具体案例证实断层应力状态对煤与瓦斯突出的控制。

构造突出煤层地应力与瓦斯压力梯度关系模拟研究

构造突出煤层中瓦斯压力梯度变化规律与水平地应力分布规律是影响煤与瓦斯突出的主要因素,建立了煤层瓦斯压力梯度与水平地应力定量计算模型;以坦家冲矿236-80北石门附近区域构造突出煤层为研究对象,由FLAC模拟可知,水平地应力趋近于0的区域煤体破坏最为严重;由计算可知,当水平地应力约为3 MPa时,构造突出煤层中瓦斯压力梯度会出现突变;当水平地应力大于3MPa时,沿煤层物理模型走向0~5与42~62 m两个区域瓦斯压力梯度急剧增加。

煤与瓦斯突出机理研究进展

随着煤矿开采深度的加大,煤与瓦斯突出这一灾害日益严重,因此需对突出机理作深入研究。本文综述了瓦斯作用说,化学本质说,地应力作用说和综合假说。指出进一步的研究应把瓦斯因素、煤的物理力学性质和结构特性的影响结合起来,从时间和空间上分析含瓦斯煤岩的强度、形变、流变、集气性和物理化学性等变化规律,最终解决煤与瓦斯突出机理问题,尤其是煤与瓦斯延迟突出机理问题。

地震活动与煤矿瓦斯溢出事故之间的影响关系

从地震前后发生的应力集中、应力释放、地震活动(冲击地压)3个角度,分析了开采空间瓦斯涌出量变化的情况,从引发机理角度进行了详细分析,得出了地震活动可能引起煤矿瓦斯事故的结论.地震活动与煤矿瓦斯事故之间的关系,对煤矿生产基础理论和地震中短期预报可能产生深远影响.

深部高地应力突出煤层瓦斯喷孔防治技术

针对深部高应力煤与瓦斯突出区域进行钻孔施工时易发生钻孔喷孔现象,导致瓦斯超限和水煤粉伤人等问题,分析了打钻喷孔发生机理,提出了改进钻进工艺、增加巷道供风量、优化瓦斯喷出缓冲装置、提高钻孔抽采负压等综合防喷孔措施,结果表明:喷孔程度从初始的一次性最大5t煤水混合物,控制到间歇性的60kg煤渣;回风流瓦斯浓度从原来的1.5%,控制在0.7%以下,杜绝了瓦斯超限事故。

煤层高压注水防治煤与瓦斯突出效果考察及机理分析

为了深入探讨煤层高压注水的防突出机理,采用地应力分布、瓦斯解吸速度和钻屑瓦斯解吸指标K1值作为研究指标,考察了阳泉煤业集团新景矿煤层高压注水后的防突效果,结合实测数据对煤层高压注水的防突机理进行了分析.研究表明,煤层高压注水具有如下2种效应:一是高压水破裂煤体,使煤体塑性增加,导致集中应力带前移;二是注水后残留的水分对煤体瓦斯解吸有抑制效应,可避免煤体瓦斯快速解吸.2种效应同生共存,共同对煤与瓦斯突出产生防治作用.

煤与瓦斯突出损伤动力演化机理

煤与瓦斯突出中力学性质表现得相当复杂。目前研究很少考虑瓦斯压力梯度对煤的流变破坏作用。本文中基于对煤岩力学性质新的认识,从煤岩损伤破坏的角度出发,综合考虑煤岩的物理力学性质,包括流变性质、地应力和瓦斯压力等因素。根据煤的力学试验结果所表现的非线性弹性性质,在分析瓦斯压力、地应力分别在突出过程中所起的作用基础上,将煤与瓦斯突出具有强烈时间效应的动态力学过程分为准备、发动、发展和终止4个阶段。对瓦斯压力、地应力和重力作用下煤的加速损伤演化所引起的煤与瓦斯突出进行了发生机理的阐述,从而得出煤壁内部瓦斯压力梯度是突出的主要动力源,地应力只是对突出起到辅助作用。对煤岩灾变的延期性、孔洞形状、声发射特征、相对瓦斯涌出量大大超过煤层瓦斯含量、突出煤的分选性、突出的终止过程等现象作新的解释和定性分析。

近距离上保护层工作面瓦斯涌出治理实践

为实现近距离上保护层5121(5)工作面安全高效回采,基于其薄煤层地应力主导型突出危险的特点,分析了工作面本煤层及邻近层瓦斯涌出情况,设计了5121(5)工作面沿空留巷Y型下行通风方式,研究了该条件下近距离上保护层工作面回采瓦斯运移规律,提出了顶(底)板穿层钻孔抽采、地面钻孔抽采、尾抽巷抽采等多种瓦斯抽采方式,考察了5121(5)工作面回采瓦斯抽排效果及瓦斯涌出积聚状况。结果表明:保护层工作面回采过程瓦斯体积分数低于0.6%,被保护层卸压瓦斯预抽率达70.1%,针对薄煤层地应力主导型突出危险采煤工作面应用下行通风技术是可行的,结合合理的卸压瓦斯抽排方法能够满足近距离上保护层工作面回采要求。

煤厚变化对煤与瓦斯突出危险性的影响

研究了白坪井田构造煤厚度与煤与瓦斯突出的关系,发现了煤厚及其变化是控制煤与瓦斯突出危险性的主要因素,其关系如下:煤厚大,煤层瓦斯含量大,则煤层稳定性差;煤厚变化大,煤层瓦斯含量梯度和水平地应力梯度也大,煤厚及其变化可以控制瓦斯含量、地应力和煤层稳定性,进而起到控制煤与瓦斯突出的作用。

煤的电导率随地应力变化关系的研究

从理论上对煤的导电性及其影响因素进行分析,研究得出了煤的电导率随地应力变化的函数关系;在实验室利用专门研制的实验装置通过测定不同煤在承受不同的应力时的电导率值,得出了煤的电导率与地应力之间的变化关系.实验与理论研究的结果相吻合,从而为利用电磁波透视法预测煤层突出危险性技术的研究奠定了基础.

祁东井田地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

地应力是煤与瓦斯突出的重要动力,区域应力场是不同期次构造运动在该区域综合作用的具体体现。结合区域应力场和区域构造断块划分,研究了祁东井田应力场及其对煤与瓦斯突出的影响。结果表明:祁东井田最大、中间、最小主应力与煤层埋深呈正相关关系,且其最大主应力明显比位于华北地区的焦作中马村矿,平顶山一矿、六矿、八矿,以及华东地区的淮南潘一矿、谢一矿都大得多;祁东井田处在高应力区,地应力是9号煤层25次煤与瓦斯突出的主导因素;该井田东部地应力较集中,瓦斯含量大,煤与瓦斯突出危险性较大。

沈阳红菱煤矿地应力测量

为了了解红菱煤矿地应力状态和分布特征，采用空芯包体应力解除法进行了地应力实测工作，获得了该矿区3个水平3个测点的三维地应力状态。实测表明：该区地应力以水平构造压应力为主导，三个测点的最大主应力均为NNE向，最大主应力在18．32—21．5MPa之间，最大主应力的大小是随深度的增加而增加的。中间主应力为铅直应力，在13．1～14．79MPa之间。最小主应力在9．54～13．08MPa之间。测量结果可用于本矿区的生产设计，并作为煤与瓦斯突出等矿山灾害评价的参考资料。

石门揭煤突出机理及控制技术应用

从地应力和瓦斯等方面系统分析了石门揭煤突出规模最大和危险度最大的根本原因:瓦斯来源最广而且地应力储集最大。介绍了近年来开发研究的两大卸压增透利器:水力割缝,水力压裂。通过对几个矿的实践,发现卸压增透措施相比常规措施效果显著,为有效防止煤与瓦斯突出、特别是防止石门揭煤突出发挥了重要作用,同时,采掘速度大大加快,提高了经济效益。