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。

基于CNN的煤岩瓦斯复合动力灾害预测

随着我国煤矿开采逐渐进入深部区域,煤岩瓦斯复合动力灾害日益严重,对煤矿的安全生产造成极大威胁。基于某矿现场数据,采用智能预测手段对煤岩瓦斯复合动力灾害进行研究。首先,依据大数据处理流程,应用箱型图分析法(Box-plot)与多重插补法(MI)进行数据清洗,结合灰色关联度分析法(GRA)建立煤岩瓦斯复合动力灾害指标体系;然后应用主成分分析法(PCA)进行数据降维,结合深度学习中的卷积神经网络(CNN)建立基于BMGP-CNN的煤岩瓦斯复合动力灾害预测模型;运用现场案例数据将此模型与BP模型、随机森林(RF)模型、支持向量机(SVM)模型及人工神经网络(ANN)模型进行对比验证,发现BMGP-CNN模型预测结果的准确率最高,且该模型的收敛速度较快,能够在数秒内完成预测。研究结果对于煤岩瓦斯复合动力灾害的预测和防控具有重要意义。

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。

深部开采煤岩瓦斯动力灾害统一发生机制及监测技术

为研究深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合动力灾害的发生机制,并对其进行有效监测预警,运用事故调研、理论分析、工程实践等方法,分析了我国煤岩瓦斯动力灾害的影响因素,研究了其发生的统一机制和监测技术。结果表明:煤岩瓦斯动力灾害是冲击、突出共性因素和个性因素共同影响下的结果;根据灾害发生过程中能量释放的主体和形式,将煤岩瓦斯动力灾害分为冲击地压、煤与瓦斯突出、冲击-突出型复合动力灾害、突出-冲击型复合动力灾害4种类型;采用多层次统一监测模式,可对深井煤岩瓦斯动力灾害进行全方位连续的统一监测。最后将研究成果应用于煤矿现场实例,效果良好。

深井煤岩瓦斯动力灾害防治研究

针对深井煤岩瓦斯动力灾害防治难题,综合事故调研、理论分析和现场实测方法,研究深井煤岩瓦斯动力灾害的发生机制、防治技术及其危险性的分区分级评价方法。研究结果表明:煤岩瓦斯动力灾害诱发因素主要有煤岩固有的突出和冲击属性、地应力、开采深度、活动地质构造、外界动力、开采技术条件以及这些因素的叠加;煤岩瓦斯动力灾害的发生机制是煤岩体在弹性能和瓦斯内能共同作用下破碎并抛出;煤岩瓦斯动力灾害的防治方法为开采前进行评价,预处理危险区,开采过程中实施动力灾害危险性监测,采用超前钻孔卸压、强化局部瓦斯抽采、煤层注水、卸压爆破、改善支护等措施降低危险性。研究结果在某矿17200工作面进行应用,取得了良好效果,可有效防治煤岩瓦斯动力灾害。

煤岩瓦斯动力灾害主控地质体理论及地质作用机理

为研究煤岩瓦斯动力灾害地质作用机理,初次提出了控制煤岩瓦斯动力灾害的"主控地质体"的概念,并进行了定义及分类,采用理论分析、实验室实验、现场实测及现场考察等手段进行了相关研究。研究认为:煤系地层区域沉积体系、地层层序位置决定着煤层厚度、顶底板岩性及粒度、煤层赋存状况等,越靠近海(湖)侵体系域最大海(湖)泛面位置,煤层瓦斯赋存量越大(顶底板石灰岩煤层除外)、煤层煤岩瓦斯动力灾害危险性越大,解释了煤层群中不同煤层煤岩瓦斯动力灾害程度差异;煤岩瓦斯动力灾害地质作用机理为地层沉积埋藏作用、地质构造作用、热作用、生烃作用等时空配置控制着煤层的改造程度、瓦斯的生成、保存及逸散程度,以及自重应力、构造应力的分布情况,进而控制煤岩瓦斯动力灾害区域分布及灾害程度;初步建立了主控地质体理论、分析方法及判识依据。研究成果在水城矿区进行了应用,验证了该方法的合理性和适用性。

煤岩瓦斯动力灾害发生规律及致因分析

统计分析近12年煤矿煤岩瓦斯动力灾害事故数据，揭示了煤矿事故起数与死亡人数波动下降、较大以上事故起数比重与死亡人数比例上升、单起事故死亡人数增加的特征及规律。基于2010～2012年较大以上煤岩瓦斯动力灾害事故调查报告，案例分析事故直接致因，得到瓦斯爆炸事故点火源直接致因中机电类诱因占57．14％。控制机电类点火源诱因，是遏制煤岩瓦斯动力灾害事故发生及阻断事故扩大的有效途径。

深部矿井应力主导型煤岩瓦斯动力灾害声发射监测预警方法

矿井深部开采条件下,传统预测方法难以准确预测应力主导型煤岩瓦斯动力灾害的发生。为提高动力灾害预测的准确性和可靠性,以平煤十矿己15-24080采面为研究对象,采用声发射监测预警技术对工作面回采进行实时监测。研究发现,应力主导型煤岩瓦斯动力灾害发生前,声发射指标整体上呈现逐渐升高的趋势,且动力灾害发生在声发射指标演化曲线的下降段;声发射前兆模式呈现为指标“先上升后下降”的模式。基于此提出了“静态临界值与动态趋势预警”相结合的煤岩瓦斯动力灾害声发射判识预警方法,并建立了工作面应力主导型煤岩瓦斯动力灾害声发射判识预警准则,实现了对深部矿井应力为主导型煤岩瓦斯动力灾害的超前监测预警,确保了工作面安全高效开采,完善了声发射监测预警技术体系。

煤岩瓦斯动力灾害新分类及诱发转化条件分析

主要分析了我国煤岩瓦斯动力灾害的新分类以及其诱发转化的条件,重点介绍了我国煤岩瓦斯动力灾害的新型分类方法方式以及其诱发转化条件。这些新型的分类方式不仅能够对现有煤岩瓦斯动力灾害分类进行了优化和改进,而且具有能够帮助我国解决瓦斯动力灾害的问题的优点。通过对我国煤岩瓦斯动力灾害的分类情况以及其诱发转化条件进行分析研究,以期为矿山内煤炭的的安全生产开采提供可靠的保障,创造出最大化的经济与社会效益。

煤矿勘查中煤岩瓦斯解吸过程模拟实验装置

为了深入研究地勘环境下的煤岩瓦斯的解吸过程,有效的计算瓦斯损失量,准确测试煤岩瓦斯含量,设计制作了地勘环境煤岩瓦斯解吸过程模拟实验装置,该装置具备真空脱气、恒温控制、吸附测试、地勘环境解吸模拟等功能,可有效的开展地勘环境水、泥浆、空气等复杂介质条件下的瓦斯解吸过程模拟,对于探究瓦斯损失的补偿机制,准确测试瓦斯含量大有裨益。

煤岩瓦斯物理特性实验研究

本文以山西某煤矿1206采煤工作面为背景,对煤岩瓦斯物理特性进行物理实验。通过实验得到1206采煤工作面瓦斯吸附常数、煤体孔隙率、渗透率等多种参数及煤岩体煤体钻孔瓦斯涌出参数。

基于卷积神经网络的煤岩瓦斯动力灾害预警研究

为探究深度学习在煤岩瓦斯动力灾害预警方面的应用前景,将深度学习运用到煤矿现场监测的数据中,基于卷积神经网络构建煤岩瓦斯动力灾害预警模型。充分利用卷积神经网络对时序数据有较强特征提取能力的优势,以微震数据及其特征参数作为输入,以综合评判值作为标签,借助深度学习框架实现煤岩瓦斯动力灾害预警模型的构建和训练。

不同加载条件下含瓦斯煤岩强度极限邻域范围研究

煤与瓦斯突出灾害的发生机理尚不清楚,据流变假说,含瓦斯煤岩在长期载荷下可能进入“强度极限邻域”,此时受外部冲击扰动更易破坏。为研究不同加载条件下含瓦斯煤岩的“强度极限邻域”,以找到进入该状态的影响规律,并建立相应的微观判别标准,利用自主研发的岩石流变扰动效应三轴试验系统和煤岩流变扰动效应渗流实验装置,开展不同围压、不同瓦斯压力、轴压下的含瓦斯煤岩流变扰动实验,通过核磁共振手段对流变扰动前后煤岩进行分析对比,得到不同加载条件下的孔隙率、孔径分布、T_(2)谱曲线。试验结果表明:①不同加载条件下的煤岩流变过程中,存在一个应力阈值,可以使得煤岩在受到外部冲击扰动后阈值左右邻域有不同力学性质的表现;当施加力小于此阈值时,冲击扰动后,煤岩的孔隙度减小,煤样随之被压缩紧密,T_(2)谱曲线中代表大孔径的谱峰降低,谱峰曲线左移;当施加力大于此阈值时,冲击扰动后,煤岩大孔径孔隙增多,T_(2)谱曲线出现右移,所有谱峰高度增大,说明该应力阈值是用来判断煤岩是否进入“强度极限邻域”关键。②围压和瓦斯压力对煤岩的影响具有相反的力学作用性质,在抗压能力、损伤程度、长期强度、“强度极限邻域”中有所表现,其中,围压越大,煤岩越晚进入“强度极限邻域”,瓦斯压力越大,煤岩则越早进入该邻域。③煤岩的孔径分布、T_(2)谱曲线能直观反映了煤岩“强度极限邻域”内、外微观变化特征。④通过煤岩孔隙率所确定的进入“强度极限邻域”时的轴压与围压、瓦斯压力构建函数方程可判断不同加载条件煤岩进入“强度极限邻域”的时机,作为进入“强度极限邻域”范围时的判别标准,其中围压越大,此时进入“强度极限邻域”范围时的应力阈值越大;瓦斯压力越大,进入“强度极限邻域”时的应力阈值越小。

单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究

新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点,而更易失稳、诱发冲击地压事故,深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础。运用物理实验方法,基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统,开展垂向加荷–径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验,并监测全历程出现的声发射信号,分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律,引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计,结果表明:单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力–应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型3阶段特征,高卸荷速率和瓦斯压力,降低了煤岩强度、峰值应变量,但使峰后阶段应力降模量增大,而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化。试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的“洋葱皮”式破坏形式,且卸荷速率越高,形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大,相应的统计分形维数越低,而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高。三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续,单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现,次高值信号产生于应力峰值,随卸荷速率、瓦斯压力升高,两高值信号幅值增加且最值信号出现提前,声发射能量累计量“阶梯”增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低。高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能,在实际工程中,高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构,易受高静载或冲击扰动致整体结构失效,且该部分“富能”围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害。

动静载叠加诱发煤岩瓦斯动力灾害原理及防治技术

基于煤岩瓦斯动力灾害严重影响到煤矿安全生产,提出了动静载叠加诱发高静载、强动载和低临界应力3种类型动力灾害原理;建立煤矿开采静载、矿震动载和瓦斯压力的表达式.总结了含瓦斯煤岩动力灾害监测预警及防治理论与技术,包括冲击矿压监测方面的分区分级监测预警、微震监测法、电磁辐射、弹性波CT和震动波CT等,煤与瓦斯突出监测方面的钻孔瓦斯涌出初速度法、R指标法和电磁辐射法等,以及灾害治理方面的强度弱化减冲原理及手段、巷道围岩控制的强弱强结构效应及围岩动静载的支护体系、区域及局部防突技术.煤岩瓦斯动力灾害未来研究方向主要是:1)将动静载叠加原理进一步定量化表示;2)构建适用于煤岩瓦斯复合型灾害的监测预警指标体系;3)将冲击矿压和煤与瓦斯突出的防治措施有机的结合起来.

含瓦斯煤岩三维蠕变特性及蠕变模型研究

研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性是理解煤与瓦斯突出孕育过程中瓦斯和煤岩相互作用关系的重要方面,而目前含瓦斯煤岩三维蠕变特性的研究很少,因此需要进一步深入研究含瓦斯煤岩的三维蠕变特性。基于这一认识,采用自行研制的含瓦斯煤岩蠕变实验装置,对取自重庆松藻煤矿的煤样进行含瓦斯煤岩三轴蠕变试验。研究结果表明,含瓦斯煤岩的三轴蠕变特性具有明显的蠕变规律。在含瓦斯煤岩三维蠕变特性的基础上,通过改进西原模型的参数,建立改进的西原模型,由此推导出含瓦斯煤岩三维应力状态下的蠕变方程,并通过拟合得到蠕变方程中的各个参数。利用含瓦斯煤岩的蠕变试验结果,对三维蠕变方程进行验证,发现理论结果与试验数据有着很好的一致性。研究结果表明,由改进的西原模型推导出的含瓦斯煤岩三维蠕变方程能真实反映含瓦斯煤岩的蠕变特性。

含瓦斯煤岩细观剪切试验装置的研制及应用

介绍自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,该装置主要由主体结构、加载系统、瓦斯充气系统、裂纹观测系统和声发射系统5个部分组成。该装置具有如下特点:(1)可进行流固耦合作用下煤岩剪切力学特性试验,为从细观角度研究煤与瓦斯突出机制提供可靠的试验手段;(2)具有良好的气密性,能保证煤样达到充分吸附瓦斯状态;(3)设计侧向加载系统,能实现限制性及非限制性剪切试验功能;(4)试验数据测试手段多样化,实现剪切力–剪切位移、裂纹细观图像及声发射信号的同步采集;(5)整体设计上具有结构简单,加工成本低,可靠性好,操作方便等特点。采用该装置进行瓦斯压力分别为0.5,1.0,2.0 MPa下型煤试样的非限制性直剪试验,获得剪切力–剪切位移曲线及剪切面裂纹的细观演化过程,并依此分析直剪过程中煤样微裂纹的形成、扩展、贯通进而诱导失稳破坏的力学过程。试验结果表明,该装置具有较好的实用性和可靠性,为进一步研究煤岩剪切细观力学特性提供新的测试手段。

含瓦斯煤岩固气耦合动态模型与数值模拟研究

首先在多孔介质的有效应力原理中引入瓦斯吸附的膨胀应力,推导出了适用于含瓦斯煤岩的有效应力计算公式。通过分析含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率在不同变形阶段的变化特点,在前人的研究成果基础上,建立了含瓦斯煤岩的孔隙度和渗透率的动态模型。假设含瓦斯煤岩是一种各向同性的弹塑性材料,同时考虑瓦斯吸附的影响,得出了含瓦斯煤岩的应力场方程和渗流场方程,建立了能描述固气耦合情况下煤岩骨架可变形性和瓦斯气体可压缩性的含瓦斯煤岩的固气耦合模型。最后通过给定模型的定解条件和相关参数,利用有限元方法建立了相关的数值计算模型,并得出了含瓦斯煤岩固气耦合模型的数值解。研究成果对进一步充实和完善含瓦斯煤岩固气耦合理论有一定意义。

瓦斯煤岩变形破裂过程声发射预警信号变化规律研究

为提高矿井瓦斯突出灾害预测准确率,基于力学、声学理论,采用实验室试验方法,以标准煤试样为研究对象,对含瓦斯煤岩变形破裂过程声发射(AE)预警声信号变化规律进行研究。试验结果表明:围岩应力增大,煤岩破裂由低围岩应力的脆性破坏逐渐过渡到高围岩应力状态的塑性破坏,可根据声发射高幅信号提前预测煤岩破裂时刻。瓦斯的力学和非力学作用对煤岩体力学性质和变形特性的影响均随瓦斯压力的增加而变大。瓦斯压力越大,则煤岩破裂进程加快,积累的声发射能量迅速释放,高值振铃计数声发射信号覆盖时间区段变长,声发射信号能及时反映含瓦斯煤岩的不稳定性。