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冲击地压与瓦斯突出互为诱因矿井灾害机理及对策
[ 时间:2013-03-07 11:42:13 访问量:3945 打印 收藏 ]

针对煤矿深部开采高地应力、高瓦斯、低渗透性和低煤体强度,煤与瓦斯突出和冲击地压两种灾害并存,复合动力灾害严重,开采安全保障难度大大增加的重大技术难题,运用构造地质学理论和方法,分析了平顶山矿区区域构造演化过程、构造形态、特征以及对矿区构造应力场的影响;对平顶山矿区主采煤层及顶板的冲击倾向性、瓦斯参数等进行了大量的现场和实验室研究,获得了煤岩冲击和瓦斯赋存的自然属性和基本特征;研究得到了动力灾害的时、空、强规律;研究了高应力、高瓦斯条件下围岩发生复合型动力灾害的制,初步揭示了其孕育、演化、发生、发展的基本规律和条件,以此为基础,对平顶山矿区复合型动力灾害的危险区域进行了划分,制定了复合型动力灾害的工作面预测指标体系,开发形成了复合动力灾害综合防治技术。取得了重大突破和技术创新。

1)研制了含瓦斯煤动态破坏模拟实验系统,实验研究了煤与瓦斯突出的受控因素

自行研制了煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统,根据煤岩瓦斯动力灾害发生的物理过程,提出了模拟试验系统的设计方案、工作原理、主要配件组成、主要功能。以瓦斯压力、垂直应力、煤体强度为三个主要影响因素,采用正交设计方法制定了模拟实验方案,进行了的含瓦斯煤动态破坏模拟实验。

运用煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统进行了含瓦斯煤的动态破坏实验,所得结果与现场真实动力现象基本一致。实验得到了不同强度煤体在应力-瓦斯压力作用下的破坏形式和规律。

a)突出强度与不同因素关系    b)不同煤体强度下瓦斯压力与突出强度关系

通过一系列的含瓦斯煤动态破坏模拟实验,认为各受控因素对突出强度影响程度的重要性排序为:瓦斯压力对突出强度的影响最为显著,煤体强度的影响次之,地应力的贡献最小。模拟实验中发生突出的最低瓦斯压力值为0.2 MPa,明显要低于现行突出煤层的鉴定指标。

2)首次提出了“煤与瓦斯突出和冲击地压”复合动力灾害的概念,建立了复合动力灾害的物理力学模型,初步揭示了高应力、高瓦斯条件下复合型动力灾害发生的机理

实验研究了复合动力灾害的物理过程,进行了应力-瓦斯压力-煤体强度三因素不同组合条件下含瓦斯煤动态破坏的模拟实验研究,提出了煤岩-瓦斯动态失稳理论判据,揭示了冲击-突出复合型动力灾害致灾全过程中的应力、瓦斯、破坏强度等的规律。

分析了不同类型复合动力灾害发生的基本特征,建立了不同条件下复合动力灾害发生的必要条件,按照成因,将平顶山矿区煤岩瓦斯动力灾害分为:连续分布软弱层流变型、特殊地质构造助力型和内能充沛型;单一型冲击分为顶板断裂冲击型和煤体压缩冲击型,为灾害预防提供技术路径。

将现场试验、实验室试验与理论分析相结合,研究高应力、高瓦斯条件下围岩发生复合型动力灾害的机制,揭示了复合动力灾害孕育、演化、发生、发展的基本规律和条件,为动力灾害防治提供了理论基础。

3)揭示了动力灾害的时、空、强规律

以平顶山十矿为例,煤岩瓦斯动力灾害在时间、空间和强度上呈现三个明显的阶段,不同阶段瓦斯动力灾害发生的条件及主导因素不同。

第Ⅰ阶段单一煤与瓦斯突出阶段。埋藏深度420m550m,表现为低煤、低瓦斯和低吨煤瓦斯的三低特征,较典型的煤与瓦斯突出。

第Ⅱ阶段复合动力灾害过渡阶段。埋藏深度550m750m,表现为低煤、高瓦斯和高吨煤瓦斯的一低两高特征。

第Ⅲ阶段--地应力主导的复合动力灾害阶段。埋藏深度大于750m,表现为高煤、高瓦斯和低吨煤瓦斯的两高一低特征,地应力的作用显著,瓦斯的作用居于次要地位。此后,地应力作用更为显著,冲击特征更明显。

4)开发形成了煤岩瓦斯复合型动力灾害防治技术

分析了典型矿区发生复合动力灾害区域的煤体结构、围岩条件及开采技术条件,在综合指标法的基础上,根据瓦斯参数及煤岩冲击倾向参数,建立了冲击主导型复合型动力灾害区域划分指标体系及划分方法,并以此对典型复合动力灾害矿井进行了危险区域划分,为动力灾害预防提供了科学依据。

提出了以保护层开采、区域预抽瓦斯和卸压增透为主的复合动力防治方法,研发了水力压裂和水力冲孔配套的卸压增透技术工艺及装备,卸压增透效果显著。

项目研究成果已先后在平煤矿区的6个矿井应用,获得经济效益7.88亿元,取得了巨大的社会和经济效益。河南省科技厅组织召开了科技成果鉴定会,主任委员中国科学院院士宋振骐教授,副主任委员中国工程院院士武汉大学校长李晓红教授鉴定认为:该项目针对平顶山矿区的地质条件,采用理论分析、实验室实验与现场试验相结合的方法,系统地研究了高应力、高瓦斯煤层条件下围岩应力特征及发生复合型动力灾害的机理,揭示了其孕育、演化、发生、发展的基本规律,研发了相应的防治技术,取得了多项创新性成果,研究成果达到国际领先水平。该成果获得2012年度河南省科技进步一等奖。
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