首山一矿深部地应力分布规律及影响因素

为探讨平顶山首山一矿深部地应力分布规律及其影响因素,基于矿井实测地应力数据,运用构造物理学、岩石力学和数值模拟方法,研究了测点地应力类型、大小和方向分布规律,反演了地应力场分布特征,分析了埋深、岩性和地质构造对地应力的影响,确定了影响地应力分布的主控因素。研究表明:多元回归反演分析法获得的地应力计算值与实测值吻合,相对误差小于20%,结果可靠。矿井煤岩体处于三维压应力状态,煤层主应力关系为S_(H)>S_(V)>S_(h),地应力由矿井北部向南部呈现先增大后减小再增大的变化趋势,地应力为28~44 MPa,属于高应力水平,地应力方向为NEE向。埋深影响地应力大小和类型,随埋深增加主应力增大,应力场类型向准静水压力场过渡;岩性与地应力密切相关,从泥岩到砂岩或灰岩,地应力增大,弹性模量越大地应力越大,地层岩性的差异造成地应力大小离散分布、应力方向偏转角不超过10°;矿井地应力与埋深、弹性模量的关系可表示为σ_(H)=0.0350H+0.4681E−8.5513。地质构造是影响首山一矿地应力分布的主控因素,褶皱形态控制地应力的水平应力分布,向斜内弧应力值大于背斜内弧,且褶皱弯曲程度越大,其内弧地应力越大,应力梯度越大;断层带内应力降低、断层尖灭端应力集中,地应力方向沿着断层走向偏转,与断层走向夹角越大,应力方向偏转角越大;断层切割复式褶皱时,断层与向斜构造组合区应力值大于断层与背斜构造组合区,且断褶构造组合造成地应力方向分布紊乱。

构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用

为探讨构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用,运用瓦斯地质学、构造物理学和岩石力学方法分析了构造应力场对煤体结构、地应力和煤层瓦斯的作用,结合煤与瓦斯突出实例研究了构造应力场对突出分布、类型和强度的作用,揭示了构造应力场控制煤与瓦斯突出机理和作用形式。研究表明:构造应力场控制煤体结构分布、类型及煤体强度特征,挤压构造应力场是形成构造煤的主要应力作用形式,并于褶皱层间滑动带和压扭性断裂带形成构造煤发育区;构造应力场强度越大,煤体破坏程度越高、煤体强度越低。构造应力场控制地应力类型、大小和方向,强构造应力场作用区域属于大地动力场型并处于高地应力环境,构造应力场方向即地应力的最大水平主应力方向。构造应力场影响煤层瓦斯富集程度,强构造应力场作用区域煤层渗透率低、瓦斯含量高、瓦斯压力大,并于压扭性构造带形成瓦斯富集区。多期构造应力场演化作用造成构造煤、地应力和煤层瓦斯呈区域性分布,进而控制突出的分区分带特征;构造应力场产生的水平挤压作用控制突出类型以压出为主;构造应力场的最大水平主应力方向与巷道轴向夹角越大,应力集中系数越大,突出强度越大;最大水平主应力越大,煤岩体弹性变形能和瓦斯膨胀内能越大,突出强度越大。

高瓦斯低透气性煤层聚能爆破增透机制

为解决常规爆破增透煤层过程中煤体粉碎严重而裂隙发育不佳的难题,进行了聚能爆破煤层增透技术研究。开展了聚能爆破与常规爆破的混凝土致裂实验,对比分析了爆破后混凝土裂隙开裂程度,同时利用超动态应变仪采集了应变砖应变随时间变化的数据。利用ANSYS/LS-DYNA数值模拟再现了聚能罩压垮运移、聚能射流侵彻混凝土的过程,对比分析了聚能爆破与常规爆破应力波传播特征及内部裂隙扩展过程。最后在平煤十矿进行了聚能爆破与常规爆破的煤层增透试验,对比了爆破后抽采孔瓦斯的体积分数。研究结果表明:聚能爆破后,聚能方向上混凝土的裂纹宽度为1.1 cm,垂直聚能方向上混凝土的裂纹宽度为0.4 cm,而常规爆破后混凝土形成的4条主裂纹的宽度均为约0.3 cm。数值模拟结果显示:聚能爆破混凝土的粉碎区呈“哑铃型”,常规爆破混凝土的粉碎区呈圆形,且聚能爆破混凝土的粉碎区面积小于常规爆破的;而裂隙区呈“纺锤型”,且聚能爆破混凝土的裂隙区面积大于常规爆破的,说明聚能爆破技术可有效解决爆破增透过程中煤体粉碎区严重而裂隙区发育不佳的难题,更有利于致裂增透高瓦斯低透气性煤层。现场试验结果同样显示聚能爆破后瓦斯抽采浓度明显高于常规爆破。可见,聚能爆破将更多的能量用在了煤层致裂过程,减小了煤体粉碎区,可有效解决常规爆破致裂煤层时遇到的煤体粉碎严重而裂隙扩展不足的难题。

深孔聚能爆破坚硬顶板弱化试验研究

针对坚硬难垮落顶板控制问题,以通化矿业(集团)有限责任公司松树镇煤矿为例,根据聚能流侵彻、应力波拉伸和爆生气体气楔作用定向切割使顶板弱化的原理,在分析聚能爆破裂隙起裂扩展条件基础上,设计了深孔聚能爆破顶板弱化方案,并结合现场条件对爆破孔参数进行优化。试验结果表明,聚能爆破弱化了坚硬顶板,缩小了回采工作面初次来压步距,使顶板冒落面积减少近30%,为解决采空区顶板大面积悬顶提供了技术途径。

煤层深孔聚能爆破致裂增透机理研究

针对高瓦斯低透气性煤层钻孔瓦斯抽放效率低的问题，以郑州煤炭工业（集团）有限责任公司大平煤矿为例，提出了煤层深孔聚能爆破致裂增透方法．利用爆破特殊装药结构积聚爆炸能量，驱使聚能罩侵彻煤体形成初始裂隙，并在爆生气体的二次驱动下扩大煤体断裂带范围．现场爆破试验及瓦斯抽放效果证明，煤层深孔聚能爆破裂隙有效影响半径为5～6m，钻孔瓦斯抽放浓度平均提高200％～300％．

煤与瓦斯突出预测灰色理论-神经网络方法

将灰色理论-神经网络方法应用于煤与瓦斯突出预测中,利用灰色系统理论的灰色关联法确定了控制矿井煤与瓦斯突出的主控因素,并对煤与瓦斯突出主控因素进行筛选.建立了煤与瓦斯突出危险性预测人工神经网络的数学模型和系统结构.在平顶山八矿突出区进行了煤与瓦斯突出危险性预测应用,预测效果表明:利用灰色系统理论-神经网络方法对预测矿井煤与瓦斯突出是可行的.

煤与瓦斯突出预测可拓聚类方法及应用

在综合分析煤与瓦斯突出多种影响因素基础上,提出预测敏感指标并建立煤与瓦斯突出危险性等级,应用物元和可拓集合理论建立了煤与瓦斯突出危险性预测的物元可拓模型,提出了煤与瓦斯突出危险性预测的可拓聚类方法.以平顶山煤业集团公司天安十三矿为例对煤与瓦斯突出危险性预测可拓聚类方法的可行性进行了验证.

煤层深孔聚能爆破裂隙扩展数值模拟

在煤层深孔聚能爆破现场试验的基础上,应用非线性动力分析有限元软件ANSYS/LS-DY-NA对煤体致裂过程进行了模拟,探讨聚能爆破作用下煤体力学行为及裂隙扩展机理。研究表明,爆破改变了煤体应力状态,聚能效应导致煤体力学性质在聚能方向发生显著变化。此外在聚能方向上煤体粉碎区范围相对较小,而裂隙扩张半径明显大于非聚能方向。

煤层深孔聚能爆破致裂增透工艺研究

针对低透气性煤层瓦斯抽放率低问题,将聚能爆破技术应用于煤层增透中,制定了聚能爆破增透工艺,并将增透工艺分为选址、打钻、装药、封孔、引爆5个步骤.在深孔聚能爆破致裂机理研究的基础上,进一步分析了煤层深孔爆破影响半径及其与装药不耦合系数的关系.以郑州大平煤矿13091工作面为例,对煤层深孔聚能爆破增透瓦斯抽放工艺技术可行性进行了验证.

煤与瓦斯突出预测层次分析-模糊综合评判方法

将层次分析和模糊综合评判方法结合起来应用于煤与瓦斯突出预测研究中.运用层次分析法确定了煤与瓦斯突出各影响因素权重系数,采用隶属函数构造了单因素判别矩阵,并运用模糊综合评判法建立了煤与瓦斯突出预测模型.对平顶山研究区典型工作面进行了瓦斯突出危险性的定量预测和突出等级划分.结果表明,应用层次分析-模糊综合评判方法预测煤与瓦斯突出强度是可行的.

煤与瓦斯突出的构造物理环境及其应用

将构造物理学的理论和方法应用于煤与瓦斯突出预测中,对地质构造控制煤与瓦斯突出机理及分布规律进行了研究,指出煤与瓦斯突出构造物理环境由构造组合特征、构造应力场、构造煤和煤层瓦斯四因素组成,探讨了煤与瓦斯突出构造物理环境各种因素控制突出的机理,提出了煤与瓦斯突出构造物理环境多种因素的综合作用控制地质构造带煤与瓦斯突出,为地质构造突出危险性判定提供了理论依据.工程实践证明,利用煤与瓦斯突出构造物理环境可以对煤与瓦斯突出进行准确地预测.

煤与瓦斯突出层次-可拓预警技术及应用

为实现煤与瓦斯突出的智能化预警,基于层次分析法(AHP)与可拓理论,利用Visual Basic(VB)和ArcEngine组件,设计以数据采集模块、查询模块和预警模块组成的突出预警系统结构,并开发客户端软件系统,结合矿井基础参数及生产工作面煤与瓦斯突出预测指标,构建煤与瓦斯突出预警技术体系。将预警技术体系应用于山西潞安集团余吾煤业S2206回采工作面。结果表明,预警结果与工作面实际相符。

平顶山矿区构造煤傅里叶红外光谱和^(13)C核磁共振研究

利用傅里叶红外光谱(FTIR)和核磁共振(13C NMR)技术对平顶山矿区不同变形程度构造煤和原生结构煤的分子结构差异进行了分析。红外光谱分析表明,构造煤的生烃潜能('A')和脂肪链长及支链化程度(B)均小于原生结构煤,芳脂比(I)大于原生结构煤,缩合度(DOC)变化不明显;随变形程度的增加,构造煤生烃潜能('A')逐渐减小,缩合度(DOC)逐渐增加。核磁共振分析结果显示,官能团对煤中芳碳率和脂碳率的变化有一定贡献,芳碳区存在显著差异的主控因素为带质子芳碳和桥接芳碳(fH,Ba),脂碳区中的主要影响因素是亚甲基碳(fb2);随变形程度的增加,构造煤中亚甲基碳(fb2)逐渐减小,带质子芳碳和桥接芳碳(fH,Ba)逐渐增加。通过对构造煤化学结构的傅里叶红外光谱和核磁共振分析,进一步揭示了构造煤在煤与瓦斯突出中的作用。

平顶山矿区构造煤分布规律及成因研究

通过对平顶山矿区内丁、戊、己 3个主要煤组中的构造煤研究 ,发现矿区内构造煤分布具有分区性、多层性和多期性的规律 ,结合矿区煤系地层组合特征及岩石力学性质分析和构造演化史及矿区构造发育规律研究 ,提出地质构造多期性造成构造煤多期性 ,顺煤层滑动造成构造煤呈层分布 ,断层选层发育控制构造煤选层分布的观点 .

围压下构造煤的孔隙度和渗透率特征实验研究

利用岩石孔隙度和渗透率测量系统，对不同煤质及不同类型构造煤的孔隙度和渗透率进行测试，结果表明，随围压增加构造煤的孔隙度和渗透率降低；不同煤质和不同类型构造煤有不同的变化规律。并进一步探讨了煤的结构、气体压力、气体成分等因素的作用机理。

地质构造控制煤和瓦斯突出作用类型研究

对河南平顶山、安阳和四川南桐、天府矿区地质构造与煤和瓦斯突出的关系研究表明，地质构造控制突出的分布主要有四种作用类型，不同构造具有不同的突出倾向性．提出将地质构造分为突出构造和非突出构造及突出构造的突出段和非突出段，利用地质构造指标预测突出的技术关键是区分突出构造的突出段．

围压下构造煤的波速特征实验研究

利用弹性波参数测量系统，对不同岩石及不同类型的构造煤在高压下的波速变化进行了测试，结果表明，随着围压增加构造煤的波速增加，随煤结构破坏程度增加构造煤的波速降低，并对围压、煤中水分和煤结构类型等因素影响波速的机理进行了探讨。

煤与瓦斯突出事故应急预案研究与应用

根据煤与瓦斯突出事故及事故救援过程的特征,将瓦斯突出事故应急预案划分为灾害评估、应急响应组织管理、应急响应程序和应急救援技术支撑系统4个环节,指出应急预案是救援工作的前提,灾害评估是应急预案编制的基础,应急响应组织管理是应急预案编制工作的重点,应急响应程序是应急预案编制工作的关键,应急救援技术支撑系统则是应急预案编制工作的核心.以平禹四矿"8.1"煤与瓦斯突出事故为例,进一步分析了应急预案在救援过程中的作用.

深孔聚能爆破起爆位置对煤层致裂增透的影响

针对深孔聚能爆破起爆位置对煤层致裂增透的作用,在分析了不同起爆位置的爆轰波传播、爆炸应力场分布特征的基础上,采用数值模拟的方法探讨了不同起爆位置对聚能流形成和煤体裂隙发育特征的影响,并基于平煤股份十矿己组煤层瓦斯地质条件,进行了煤层深孔聚能爆破现场试验研究。结果表明:起爆位置通过控制聚能药包中爆轰波及应力波传播方式,对煤岩爆生裂隙发育产生影响。爆轰波碰撞以及应力波叠加效应是导致爆生裂隙沿药包轴线分布不均的重要原因。在不同位置起爆的深孔聚能爆破作用使裂隙发育表现出不同的特征:在一端起爆条件下,爆破孔周围产生的应力场沿爆轰波传播方向逐渐增强,爆生裂隙范围由起爆端至药包另一端呈逐渐增大的趋势;在两端齐爆条件下,爆轰波碰撞形成的爆轰超压驱动聚能槽相互碰撞产生动能更大的聚能流,与爆炸应力波的叠加共同作用,扩大了局部裂隙范围;在三点齐爆条件下,爆轰波在药包三等分点处发生碰撞产生超压以及各起爆点产生的锥面应力波互相叠加,导致在药包三等分点附近形成更大范围裂隙。随着起爆点增加,在起爆点之间的装药长度相应缩短,减弱了锥面应力波之间的叠加效应,缩小了爆轰波碰撞点处爆生裂隙发育范围与其他位置爆生裂隙范围的差距,使爆生裂隙沿药包轴线分布更均匀。

煤矿瓦斯爆炸事故应急救援响应机制

以郑州大平煤矿瓦斯爆炸事故应急救援为例,根据煤矿瓦斯爆炸事故应急救援的特点和要求,将瓦斯爆炸事故应急救援响应机制划分为事故报警、事故应急响应级别、应急避灾和应急决策4个部分,将矿山事故应急救援分为4级响应机制,进一步分析了建立事故信息管理及应急辅助决策系统的作用,提出快速报警为事故救援的关键.