朱集西矿深部高地应力瓦斯及煤岩层动力灾害研究

发布时间：2018-12-29 12:09

【摘要】：在煤矿生产过程中,随着开采强度的增大,开采深度的增加,我国赋存优越的煤层大幅度减少,煤矿开采环境也越来越复杂,高地应力及复杂瓦斯赋存条件下所引发的煤岩瓦斯动力灾害给煤矿安全带来了更大的威胁,煤岩瓦斯动力灾害来势突然猛烈,造成较为严重的人员伤亡事故,导致巨大的经济损失,成为煤矿生产过程中最为严重的一种灾害,至今未得到根本性的控制。本文以皖北煤电集团朱集西煤矿11-2煤层典型的煤岩瓦斯动力灾害工作面为研究对象,通过实验室测试、理论分析、数值模拟以及现场工业性试验等综合研究手段,进行煤岩瓦斯力学特征参数测试、致灾机理分析、煤岩瓦斯动力灾害分类属性鉴定、采煤工作面煤与瓦斯动力危险区域划分,有针对性地制定综采工作面回采过程中煤岩瓦斯动力灾害的综合防治体系,为其灾害治理提供依据与支撑,以期对其他相似条件的矿井开展煤岩瓦斯动力灾害防治工作提供重要参考和理论指导,本文取得的主要研究成果和相关结论如下:(1)矿井11-2煤层瓦斯压力较小,沿倾斜方向不明显,局部瓦斯压力较大,瓦斯含量较小,瓦斯解吸特性差,瓦斯参与煤岩动力能力较弱;煤层处于N2-CH4与CH4带的过渡复杂瓦斯地带;瓦斯压力、含量赋存规律性差。11-2煤层距地表垂深1000m左右,处于高地应力及超高应力危害区域,根据实验室煤、岩样冲击倾向性测试结果,煤层硬煤样具有弱冲击倾向性;煤层顶板砂岩岩层具有强冲击倾向性。(2)指出在含瓦斯矿井进行深部开采时,煤与瓦斯突出和冲击地压具有关联性,冲击地压的发生会诱发瓦斯涌出,进而产生突出事故;煤与瓦斯突出也是冲击地压发生的助推力。因此,在对煤岩动力灾害进行监测时,冲击地压应与瓦斯联合监测,互为预警。(3)根据煤与瓦斯突出和冲击地压发生的能量本质,分析其能量来源,建立了煤岩动力灾害发生的能量方程:E_e+E_f+E_d=E_e+E_r,即在煤矿生产过程中煤岩体中积聚的弹性应变能和煤体中的瓦斯膨胀能导致了煤岩体发生破坏并被抛出,瓦斯参与程度的不同决定了煤岩瓦斯动力灾害的发生形式。从能量角度分析了煤岩系统发生失稳破坏的能量传递过程,并提出了动力灾害发生的判断准则。(4)运用数值模拟研究了朱集西矿11-2煤层工作面回采过程中不同地质条件下工作面应力、瓦斯压力和煤体塑性变形区的变化规律,并分析了突出发生的危险性,论证了煤体发生突出的危险性与埋深、瓦斯压力的大小成正比,与煤厚的大小成反比。基于11-2煤层的具体工程地质条件,指出在此三种影响因素的综合作用下,离工作面较近范围内易形成高应力区,较易发生突出现象,应做好预防预警工作。(5)在工作面范围内划分出高地应力动力危险区域,并划分出四块区域为煤与瓦斯突出危险区域,运用冲击地压危险综合指数法和多因素耦合法对整个工作面地应力动力危险进行预测及划分,判定工作面见方区域,断层、褶曲区两侧,停采线区分别为强、中等危险区,工作面其它正常回采区域为弱危险区。在工作面重点防患区应进行连续性的煤与瓦斯危险性钻孔工作面指标区域验证,而在一般防患区可以间隔30~50m进行煤与瓦斯危险性钻孔工作面指标区域验证。(6)在地应力动力危险综合指数法及多因素叠加法综合区域预测基础上,结合煤与瓦斯突出瓦斯地质法区域预测,采用区域瓦斯预抽达标、卸压、注水降低煤层冲击倾向性的复合区域措施,以及强化支护、优化采掘工艺与速度、区域防突(冲)措施效果检验、工作面超前支承压力及支架工作阻力在线监测、钻屑指标等动力危险预测、浅孔动压注水和钻孔卸压的局部措施补充的“先区域、后局部”综合防治体系,以达到全方位、立体化防治矿井煤岩瓦斯动力灾害的目的。(7)在掌握工作面煤系地层瓦斯赋存及灾害特点基础上,及时优化瓦斯治理措施工程,实现安全技术经济一体化目标。
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【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD712;TD32

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