高瓦斯煤层冲击地压发生理论研究及应用

目前对通常的冲击地压的发生机理已经有些基本认识,对其预测与防治已形成一些基本方法和技术。但迄今为止很少见到对高瓦斯煤层冲击地压的发生机理、预测、防治进行系统专门的研究。本文选择阜新矿区五龙等矿为试验矿井,采用理论分析、实验室试验和现场实验相结合的研究方法,对高瓦斯煤层冲击地压发生机理及预防技术进行研究。主要内容如下。 1.现场调研与实验研究 通过现场调研,对试验矿井地质情况、瓦斯赋存与抽放情况和冲击地压发生情况进行了统计分析。 通过实验室试验测定了试验矿井煤样的视密度、抗压强度、弹性模量等物理力学参数,测定瓦斯渗透率、水渗透率、峰值强度与瓦斯含量的关系、弹性模量与瓦斯含量的关系、湿润接触角、浸水过程中力学性质随含水率的变化规律。 2.高瓦斯煤层冲击地压发生理论研究 揭示了高瓦斯煤层冲击地压发生机理、冲击地压发生后的瓦斯涌出机理、瓦斯煤层冲击地压与煤和瓦斯突出的区别与联系。建立了高瓦斯煤层冲击地压发生理论及其数学模型,对煤巷和采煤工作面冲击地压进行了解析分析。 瓦斯压力存在一个临界值,当瓦斯压力大于临界值时,Klinbenberg效应消失,煤对瓦斯的吸附达到饱和,有效应力系数随瓦斯压力增大而减小,渗透系数随瓦斯压力增大而增大,表现为高瓦斯特性。 含瓦斯煤体孔隙中的瓦斯对煤体通过孔隙压力以有效应力的方式施加于煤体,煤体的变形破坏过程受有效应力控制,在有效应力作用下,煤体中的裂纹发生发展,当局部的有效应力超过峰值强度时,此局部区域的煤体成为应变软化的非稳定介质,形成了由此局部区域的非稳定介质与外部区域的稳定介质组成的变形系统。采掘过程中,在瓦斯吸附、解吸、渗流与煤层变形耦合作用下,系统处于非稳定平衡状态,遇外部扰动时,系统将会失稳而形成冲击地压灾害。 高瓦斯煤体发生冲击地压时,在冲击点形成了瓦斯卸压带,在瓦斯压力差和浓度差作用下,煤体内瓦斯的解吸、扩散和渗流同时进行,因此会有大量瓦斯涌出,并会持续一段时间。 瓦斯煤层冲击地压与煤和瓦斯突出的孕育过程是完全相似的,但发生过程和能量来源有很大区别。瓦斯煤层冲击地压是煤层变形系统整体受压失稳而发生的,而煤和瓦斯突出是拉性有效应力超过煤抗拉强度发生的拉伸失稳破坏。 高瓦斯煤层冲击地压的发生条件与瓦斯压力和煤的力学性质有关。煤巷冲击地压的临界载荷随瓦斯压力增大而增加。采煤工作面冲击地压的临界载荷随有效应力系数和瓦斯压力增大而增加。 3.高瓦斯煤层冲击地压预测技术研究 考虑瓦斯的作用与影响,确定了瓦斯煤层钻屑量指标,讨论相关参数对钻屑量指标的影响规律,并与不考虑瓦斯情况的钻屑量指标进行了对比分析。确定了钻屑法检测冲击地压危险的工艺参数,通过现场实施验证了其正确性和可行性。 考虑瓦斯的作用与影响时,钻屑指标低于不考虑瓦斯影响时的理论值,随瓦斯压力增大而减小,随有效应力系数增大而减小 4.高瓦斯煤层冲击地压防治技术研究 分别应用单孔介质和双孔介质模型,建立瓦斯煤层注水过程水气驱替理论。通过求解平面径向流水气驱替基本方程,得到计算注水时间的解析式。对阜新矿区煤层注水防治瓦斯煤层冲击地压的可行性进行了研究,确定了瓦斯煤层注水防治冲击地压的工艺参数和过程,并通过现场实施进行了验证。提出了阜新矿区高瓦斯煤层冲击地压总体防治方案、具体解危措施和冲击地压后瓦斯涌出防治措施。 煤被水湿润后物理力学性质发生改变,凡是注水充分的工作面,冲击地压发生的频度和强度均大大降低。瓦斯煤层注水过程是水驱替瓦斯的过程。煤体孔隙率、瓦斯压力和注水半径越大注水时间越长,渗透率和注水压力越大注水时间越短。注水工艺参数主要有注水半径、注水量、注水时间、注水孔封孔长度、注水压力等。