高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生理論研究及應(yīng)用.pdf

1、目前對通常的沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理已經(jīng)有些基本認(rèn)識，對其預(yù)測與防治已形成一些基本方法和技術(shù)。但迄今為止很少見到對高瓦斯煤層沖擊地壓的發(fā)生機(jī)理、預(yù)測、防治進(jìn)行系統(tǒng)專門的研究。選擇阜新礦區(qū)五龍等礦為試驗礦井，采用理論分析、實驗室試驗和現(xiàn)場實驗相結(jié)合的研究方法，對高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生機(jī)理及預(yù)防技術(shù)進(jìn)行研究。主要內(nèi)容如下： 1．現(xiàn)場調(diào)研與實驗研究。通過現(xiàn)場調(diào)研，對試驗礦井地質(zhì)情況、瓦斯賦存與抽放情況和沖擊地壓發(fā)生情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析。

2、 通過實驗室試驗測定了試驗礦井煤樣的視密度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量等物理力學(xué)參數(shù)，測定瓦斯?jié)B透率、水滲透率、峰值強(qiáng)度與瓦斯含量的關(guān)系、彈性模量與瓦斯含量的關(guān)系、濕潤接觸角、浸水過程中力學(xué)性質(zhì)隨含水率的變化規(guī)律。 2．高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生理論研究。揭示了高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生機(jī)理、沖擊地壓發(fā)生后的瓦斯涌出機(jī)理、瓦斯煤層沖擊地壓與煤和瓦斯突出的區(qū)別與聯(lián)系。建立了高瓦斯煤層沖擊地壓發(fā)生理論及其數(shù)學(xué)模型，對煤巷和采煤工作面沖擊地壓進(jìn)行了

3、解析分析。 瓦斯壓力存在一個臨界值，當(dāng)瓦斯壓力大于臨界值時，Klinbenberg效應(yīng)消失，煤對瓦斯的吸附達(dá)到飽和，有效應(yīng)力系數(shù)隨瓦斯壓力增大而減小，滲透系數(shù)隨瓦斯壓力增大而增大，表現(xiàn)為高瓦斯特性。 含瓦斯煤體孔隙中的瓦斯對煤體通過孔隙壓力以有效應(yīng)力的方式施加于煤體，煤體的變形破壞過程受有效應(yīng)力控制，在有效應(yīng)力作用下，煤體中的裂紋發(fā)生發(fā)展，當(dāng)局部的有效應(yīng)力超過峰值強(qiáng)度時，此局部區(qū)域的煤體成為應(yīng)變軟化的非穩(wěn)定介質(zhì)，形成了由

4、此局部區(qū)域的非穩(wěn)定介質(zhì)與外部區(qū)域的穩(wěn)定介質(zhì)組成的變形系統(tǒng)。采掘過程中，在瓦斯吸附、解吸、滲流與煤層變形耦合作用下，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定平衡狀態(tài)，遇外部擾動時，系統(tǒng)將會失穩(wěn)而形成沖擊地壓災(zāi)害。 高瓦斯煤體發(fā)生沖擊地壓時，在沖擊點形成了瓦斯卸壓帶，在瓦斯壓力差和濃度差作用下，煤體內(nèi)瓦斯的解吸、擴(kuò)散和滲流同時進(jìn)行，因此會有大量瓦斯涌出，并會持續(xù)一段時間。 瓦斯煤層沖擊地壓與煤和瓦斯突出的孕育過程是完全相似的，但發(fā)生過程和能量來源有很

5、大區(qū)別。瓦斯煤層沖擊地壓是煤層變形系統(tǒng)整體受壓失穩(wěn)而發(fā)生的，而煤和瓦斯突出是拉性有效應(yīng)力超過煤抗拉強(qiáng)度發(fā)生的拉伸失穩(wěn)破壞。高瓦斯煤層沖擊地壓的發(fā)生條件與瓦斯壓力和煤的力學(xué)性質(zhì)有關(guān)。煤巷沖擊地壓的臨界載荷隨瓦斯壓力增大而增加。采煤工作面沖擊地壓的臨界載荷隨有效應(yīng)力系數(shù)和瓦斯壓力增大而增加。 3．高瓦斯煤層沖擊地壓預(yù)測技術(shù)研究?？紤]瓦斯的作用與影響，確定了瓦斯煤層鉆屑量指標(biāo)，討論相關(guān)參數(shù)對鉆屑量指標(biāo)的影響規(guī)律，并與不考慮瓦斯情況的鉆

6、屑量指標(biāo)進(jìn)行了對比分析。確定了鉆屑法檢測沖擊地壓危險的工藝參數(shù)，通過現(xiàn)場實施驗證了其正確性和可行性。 考慮瓦斯的作用與影響時，鉆屑指標(biāo)低于不考慮瓦斯影響時的理論值，隨瓦斯壓力增大而減小，隨有效應(yīng)力系數(shù)增大而減小 4．高瓦斯煤層沖擊地壓防治技術(shù)研究分別應(yīng)用單孔介質(zhì)和雙孔介質(zhì)模型，建立瓦斯煤層注水過程水氣驅(qū)替理論。通過求解平面徑向流水氣驅(qū)替基本方程，得到計算注水時間的解析式。對阜新礦區(qū)煤層注水防治瓦斯煤層沖擊地壓的可行性進(jìn)行

7、了研究，確定了瓦斯煤層注水防治沖擊地壓的工藝參數(shù)和過程，并通過現(xiàn)場實施進(jìn)行了驗證。提出了阜新礦區(qū)高瓦斯煤層沖擊地壓總體防治方案、具體解危措施和沖擊地壓后瓦斯涌出防治措施。 煤被水濕潤后物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，凡是注水充分的工作面，沖擊地壓發(fā)生的頻度和強(qiáng)度均大大降低。瓦斯煤層注水過程是水驅(qū)替瓦斯的過程。煤體孔隙率、瓦斯壓力和注水半徑越大注水時間越長，滲透率和注水壓力越大注水時間越短。注水工藝參數(shù)主要有注水半徑、注水量、注水時間、注水