石门揭煤局部防突措施研究进展及展望

随着矿井开采深度的增加,瓦斯突出问题日益凸显,如何快速安全地进行石门揭煤,是保障煤矿安全生产的重要目标。选取中国知网数据库中近30年相关文献为样本,基于图谱分析法,分析了石门揭煤局部防突领域中的研究热点;对防突措施的研究进展和不足之处进行了系统探析,分析发现低温冷冻技术从降低煤层储能及提高煤体强度2个角度实现防突。煤与瓦斯突出事故的发生是煤层储能失稳后突破了煤体抵抗能力导致的,基于目前局部防突领域存在的技术难题以及人工冻结存在的不足,结合智能化技术,提出智能“钻-抽-注”一体化措施,通过信号基站及局域网络进行实时监控及预警,实现精准防突;通过建立多物理场耦合模型、理论分析及工程实践验证3方面相结合,掌握冷冻条件下煤岩体瓦斯赋存状态及运移规律,为低温冷冻技术在石门揭煤局部防突中的应用提供理论依据;借助智能液氮冻结系统,实现“一孔多功能”,为石门揭煤局部防突工作提供新的选择和支持,从而快速、安全揭开突出危险性煤层。

石门揭煤作业中定向长钻孔瓦斯抽采防突技术的应用

研究专注于煤矿工作面瓦斯防突技术的应用,特别是定向长钻孔瓦斯抽采防突技术在石门揭煤作业中应用。旨在评估这一技术在防止瓦斯突出方面的有效性,以确保煤矿安全和生产符合相关法规。为确保工作面的安全推进,在工作面前方的煤层区域设置检验钻孔,用于测定残余瓦斯压力和含量,并确保其符合标准。研究结果显示,实际操作中的残余瓦斯含量和压力均满足相关标准,5个检测钻孔的瓦斯压力平均值为0.522 MPa,瓦斯含量为4.5 m3/t,满足瓦斯含量小于8 m3/t、瓦斯压力小于0.74 MPa的要求。表明该技术可以有效防止瓦斯突出。另外,采用钻屑瓦斯解吸指标法进行突出危险性评估,结果显示在揭煤阶段的工作面不再有突出危险,可以继续进行揭煤工作。

石门揭煤突出模拟实验台的设计与应用

基于石门揭煤过程中采掘应力场与瓦斯突出关系研究的需要,针对目前石门揭煤突出模型还处在实验室研究的阶段,而大部分都未能综合考虑瓦斯压力、地应力、煤的物理力学性质等对突出的影响,研制出一套能够综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的石门揭煤突出模拟试验系统。为取得准确、客观的试验效果,进行了密封、快速开启装置及氮气平衡系统等关键技术的设计,介绍了试验系统的主要组成结构、功能。利用该实验台进行石门揭煤突出试验,试验结果反映出在突出过程中地应力和瓦斯压力的变化情况,可为研究和揭示煤与瓦斯突出机制、突出过程中地应力和瓦斯压力的变化规律提供新的技术手段。

石门揭煤钻孔布置优化分析及应用

为优化突出煤层石门揭煤钻孔布置,在理论分析射流割缝影响半径的基础上,提出基于高压脉冲水射流割缝技术的钻孔布置的新工艺。在理论分析圆形紊动射流结构的基础上,研究了射流冲击破碎煤体时射流速度分布,基于动量守恒定律得出射流作用于煤体的应力分布。并选取重庆某煤矿K1煤层煤体制作原煤煤样进行孔隙率测试和单轴压缩实验,得出煤体的初始损伤和煤体力学参数,基于损伤力学对煤体发生损伤破坏的门槛值进行了计算,得出射流冲击煤体的最大深度和钻孔切缝后影响半径,并应用于重庆某煤矿+175N2号石门揭煤工程。应用结果:钻孔数量减少32个,减少钻尺718.4 m,钻进工程量减少35.7%。

注液冻结法在石门揭煤中防突作用的可行性研究

根据人工冻结工程实践和注液冻结法的防突原理,通过冻结成型煤样力学实验,获取冻结煤层抗压强度等力学参数,定量分析了突出煤层注液冻结后力学性能和卸压区安全宽度的变化。根据煤层瓦斯含量公式,计算出不同冻结温度下煤层瓦斯压力。从降低煤层瓦斯压力、提高煤层力学性能、增大卸压区强度及减小瓦斯突出危险系数等方面论证了注液冻结法作为石门揭煤防突方法的可行性。

深部煤岩工程多功能物理模拟实验系统——煤与瓦斯突出模拟实验

深部煤岩工程多功能物理模拟实验系统可开展煤与瓦斯突出、水力化煤层增透、地下工程围岩变形破坏、超临界二氧化碳压裂等煤岩体工程问题的物理模型实验。从煤与瓦斯突出角度,基于地应力、瓦斯压力、煤体性质、地质构造及开采扰动等突出影响因素,分析对比总结了系统在煤与瓦斯突出实验方面的功能与特色。该系统由主体装置、模型成型及就位系统、液压伺服加载控制系统、抽气注气系统、模拟开挖系统和数据采集及监测系统6部分构成,具有以下特色:(1)主体装置采用"外圆内方"的钢筒式结构,有效增大了承载系统的刚度和承载能力,荷载不外传,避免了局部应力集中的产生;(2)装置内部可容纳模型尺寸大(2060 mm×1200 mm×1200 mm),能模拟地质构造,相似程度高,边界效应小;(3)模型腔内储气空间大,气源的连续供给能力强,还原真实条件下卸压带瓦斯向突出区域运移过程;(4)环向布置20根液压拉拔器密封,确保主体装置拉杆受力均匀,装置最大密封气压高达5 MPa;(5)采用432个小油缸加载,实现了三向独立均布或非均布加载,最大加载应力10 MPa,加载过程中气压和固压互不干扰;(6)自动控制模拟开挖,还原井下掘进扰动行为,保证煤与瓦斯突出前兆信息的获取。利用该实验系统成功开展了石门揭煤诱发煤与瓦斯突出模拟实验,监测了实验过程中温度、气体压力、煤岩体应力和声发射数据的实时变化情况,为研究煤与瓦斯突出发生机理、预测方法、控制技术等方面问题提供科学的实验数据。

石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出及防治技术研究

在综述煤与瓦斯延时突出机理及其影响因素的基础上,详细地分析石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出时各种因素在延时突出中的作用,并从空间和时间的角度,对石门揭煤过程中巷道煤与瓦斯延时突出整个过程进行详细描述。根据掘进工作面附近暴露煤体的"三区"分布规律及其与延时突出的关系;提出先采用钻孔抽放石门突出煤层瓦斯等措施分阶段释放煤与瓦斯突出动力源;再用注液冻结技术增强揭开煤体的强度、增加集中应力区和卸压区的长度来防止被揭开煤体发生流变而导致延时突出的防突技术;以及在揭煤后采取迅速支护防止空顶和冒落等防治措施。研究成果为开发技术可行、经济合理的快速安全揭煤技术提供理论基础。

基于相似模拟和地质力学模型试验的突出装置研制及应用

国内外学者对煤与瓦斯突出过程及机制进行了大量的研究,但使用的均是型煤试验,很少涉及地质构造对突出的影响,而且数据监测均未深入到煤体内部。基于相似模拟试验思想和地质力学模型试验新思路,在实验室搭建了综合考虑地应力、瓦斯压力及煤体结构的大型石门揭煤的煤与瓦斯突出试验平台。该试验平台包括试验箱体和反力架、液压加载系统、密封系统、试验监测系统;设计了线充气和面充气系统,用来模拟煤层的瓦斯赋存差异。同时,利用该试验平台进行了石门揭构造软煤的相似模拟试验,研究了石门揭构造软煤过程中煤岩应力和位移的变化规律,以及突出过程中煤层内瓦斯压力和声发射的变化规律。结果表明,在巷道开挖过程中,掘进工作面前方存在明显的应力集中,且越靠近构造软煤应力集中现象越明显;突出发生的瞬间,在突出点附近的位移产生了突变;在突出发生前,声发射信号有一次降低;掘进工作面前方煤岩体应力释放,煤体裂隙增大,为瓦斯的快速放散提供了条件。

石门短导硐快速揭煤防突技术研究及应用

突出煤层石门揭煤是煤矿采掘生产中的复杂作业过程,其突出威胁大、破坏强度高,研究安全有效的揭煤技术对矿井的安全生产和采掘接替意义重大.针对石门揭煤发生突出的特点,以"流变假说"为理论基础,分析了石门揭煤防突的机理;通过对石门揭煤方式、导硐布置形式、瓦斯抽放方法和预留岩柱抵抗突出作用等的深入研究,确定了石门短导硐快速揭煤方案,并在演马庄矿2个揭煤地点实施了该方案.实践表明,该揭煤方案防突效果显著,施工安全、快速,并具有明显的经济效益.

近距离煤层群水射流割缝卸压石门快速揭煤技术分析

针对西南地区高瓦斯近距离突出煤层群层间距小于7m时,石门揭煤工作面前方多层煤层需统一消突管理,常规超前钻孔工程量大,严重制约了煤矿安全生产和采掘工作面接替等问题,提出采用穿层钻孔水射流割缝防突技术,一次性对石门工作面前方煤层群统一卸压增透,快速安全揭煤的思路。以贵州雷公山煤矿为例,采用FLAC3D模拟了不同缝槽布置方式以及缝槽间距对煤层群卸压效果的影响。研究表明:多煤层煤孔中部均布置一个缝槽,同一煤层内缝槽间距为4m,可使石门揭煤工作面前方控制范围内煤体整体卸压。现场应用证明:采用水射流割缝技术,预抽达标时间缩短约39d,钻孔工程量减少610m,钻孔数量减少30个,可实现快速安全揭煤。

构造带石门揭煤诱导突出的力学特性模拟及声发射响应

为揭示地质构造区域石门揭煤诱导突出的机理,运用自行研发的大型三维煤与瓦斯突出模拟试验系统,对石门揭露断层构造带煤层的过程进行了相似模拟,同步采集分析了突出全过程的应力变化规律及揭煤过程的声发射响应规律,并对构造带揭煤突出过程的能量耦合跃迁失稳过程进行了理论分析。结果表明:在构造带掘进巷道的推进过程中,巷道上方的岩层和煤层均会经历应力增大和减小的过程,但构造区域煤层的应力集中系数大于岩层区域,呈现较强的应力敏感性;在开挖时和突出的过程中,声发射信号能较好地反映煤岩动态变化;在巷道掘进过程中,构造区域煤层不断积聚弹性能和瓦斯内能,并相互耦合逐步达到能量的极限平衡状态,一旦揭煤扰动到该系统,就会引起能量的耦合跃迁失稳,从而诱发突出。

石门揭煤煤与瓦斯延时突出过程及其动力源分析

基于煤与瓦斯突出机理,本文分析了石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出全过程及其动力源,阐述了地应力和瓦斯压力在延时突出过程中的作用及其对含瓦斯煤体流变失稳及能量变化关系,并分析了延时突出动力源形成的能量聚集过程。结果表明,煤与瓦斯延时突出不但与卸压区、应力集中区的强度、长度有关,而且与作用在煤体上的应力峰值和瓦斯压力等因素有关;煤与瓦斯延时突出动力源大致有煤层地应力、煤体中的瓦斯及瓦斯内能、煤体物理力学性质及外作用等,延时突出动力源形成过程是复杂而又多变的,瓦斯、地应力是煤与瓦斯延时突出中的主要能量,因此降低瓦斯压力、瓦斯内能和地应力,是减少煤与瓦斯延时突出的根本办法。

石门揭煤过程煤与瓦斯延时突出机理及其影响因素分析

本文在综述煤与瓦斯突出机理的基础上,分析了石门揭煤过程中,巷道煤与瓦斯延时突出机理及其影响因素,并阐述了各种因素在延时突出中的作用。从煤岩体流变方面,阐述了延时突出的产生和停止的原因,并从空间和时间的角度,对石门揭煤过程中巷道煤与瓦斯延时突出整个过程进行了详细的描述。煤与瓦斯突出事故原因及理论分析结果表明,石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出存在两种现象,并且都是地质因素和非地质因素综合作用的结果。研究结果为石门快速揭煤技术的研究,提供理论基础和技术支持。

基于定向水力压裂增透的大断面瓦斯隧道快速揭煤技术

分析了瓦斯隧道揭煤特点,提出多孔割缝定向水力压裂增透方法,研发出射流割缝导向系统装置,在此基础上形成大断面瓦斯隧道揭煤综合防突技术体系,并应用于渝贵高铁特大断面瓦斯隧道揭煤工程。结果表明:(1)水力压裂裂缝的起裂受割缝缝槽导向明显,并始终沿定向孔割缝和水力压裂孔裂缝在煤层中共同形成的连贯塑性区持续扩展;(2)压裂后煤层透气性系数提高了35～187倍,平均瓦斯抽采纯量较本隧道邻近煤层普通压裂和邻近隧道同一煤层普通抽采工艺分别提高了4.28倍和12.73倍,揭煤时间比预期缩短了50%;(3)定向水力压裂有效弱化了高压水对围岩的损伤破坏,隧道拱顶沉降和水平收敛较常规压裂分别减少了18.3%和16.4%。

基于面波的巷道揭煤超前探测试验研究

为实现对揭煤巷道前方煤层界面的探测,研究面波在巷道中的速度变化,以潘二煤矿为例,利用面波具有能量强,S波遇不连续界面反射的特点,开展了地震波超前探测的试验研究。通过分析巷道面波在巷道中的传播特征和对激发震源的要求,使用可控震源激发巷道面波、微震监测系统连续记录;利用面波在巷道中的走时,应用直达波和反射波的时间差计算巷道面波和S波速度,实现掘进工作面与煤层距离的计算。试验结果表明:地震波超前探测法可以准确探测巷道掘进工作面与煤层界面的距离,与钻探距离相比,测量误差不超过0.5 m,可为石门揭煤前地质构造探测提供一种新途径。

石门揭煤发生突出的危险性研究

应用初始释放瓦斯膨胀能指标法和综合指标法,对石门揭煤的突出进行了危险性分析。经计算证明,与常用的预测方法相比,该方法跳出了只依靠单一指标进行预测的圈子,而是将影响突出的多个因素综合考虑,提高了预测的准确性。研究结果表明,马家沟煤矿10水平在石门揭煤条件下具有发生煤与瓦斯突出的危险性。

石门揭露突出煤层冻结温度场数值模拟研究

针对新提出的石门揭煤注液冻结防突方法,根据龙家山煤矿-400 m水平2号石门揭煤工作面施工参数,应用ANSYS数值模拟软件,建立了石门揭煤冻结温度场数值模拟计算模型,分析了不同时期冻结区温度扩展云图,得出不同冻结时间冻结区有效范围、平均温度、交圈时间及温度扩展速度。数值模拟表明:距离中心越近,冻结区煤层温度下降越快;相同冻结时间,竖向中排冻结管断面和横向中排冻结管断面处煤层温度最低。该石门揭煤工作面需要35～40 d冻结时间来满足-15℃煤层控制温度的防突工程要求。证明石门揭煤注液冻结防突技术是可行性的。

圭嘎拉隧道石门揭煤岩柱安全厚度及动力特性

为解决煤系地层公路隧道施工中瓦斯气体泄漏、爆炸及煤层突出、挤出、压出等地质灾害问题,以西藏拉泽高速公路圭嘎拉隧道为研究对象,采用结构力学理论,结合岩柱爆破损伤范围大小和地应力与煤层瓦斯压力作用下岩柱安全厚度,得出不同煤层倾角隧道石门揭煤的岩柱安全厚度计算式,得到圭嘎拉隧道石门揭煤岩柱安全厚度;运用数值模拟法建立煤系地层公路隧道石门揭煤动力学模型,研究石门揭煤掏槽爆破微差间隔时间对煤层及其顶底板的动力特性,获得煤层与顶底板动力响应特征。结果表明:圭嘎啦隧道石门揭煤安全厚度2.8 m是合理的;随着微差间隔时间增加,动力响应强度降低,石门揭煤爆破最佳微差间隔时间为50 ms;随着煤层倾角增大,动力响应强度增强,应适当减小急倾斜和倾斜煤层揭煤深度,可适当增大缓倾斜煤层揭煤深度。

石门揭煤高角度断层围岩注浆加固理论研究与应用

石门揭煤时,断层的存在会增大发生灾害的危险性,尤其是高角度断层对煤层和瓦斯赋存特征影响较大。做好石门揭煤过程中高角度断层加固工作可以有效防范灾害的发生。从理论上分析了注浆加固对高角度断层围岩力学性能的影响,视浆液为宾汉流体,基于平板渗流模型,考虑浆液自重,建立了高角度断层内浆射流模型,推导出浆液的扩散半径表达式。将该理论应用于鹤煤八矿-655 m水平轨道石门揭煤点处30F4高角度断层注浆加固。结果表明,通过注浆加固提高了断层围岩的整体性和稳定性,有效预防了断层可能引发的灾害事故,实现了石门安全揭煤。

石门揭露突出煤层冻结温度场的实验研究

针对新提出的石门揭煤注液冻结防突方法,设计了室内水泥槽模型煤体冻结实验,分析了注液冻结后水泥槽中煤体温度、物理力学性能与冻结时间的关系。实验表明:槽中煤体形成以冻结管中心为圆心、半径为R沿径向随时间扩展的冻煤圆柱。槽中煤、瓦斯和水三相体最终变成坚硬冻结体,极大提高了其抗压强度和弹性模量等力学性能。实验论证了注液冻结石门揭煤工作面冻结区的形成,距离冻结管越近,煤体温度越低,最终能降到石门揭煤防突工程所需的-15℃煤层控制温度。