平顶山矿区深部高应力矿井动力现象的初步认识.ppt

10/19/2020,对平顶山矿区深部高应力条件下矿井动力现象的初步认识,河南理工大学李化敏教授电话0391-39883830391398792113707688873邮编454000E-maillihm,,10/19/2020,发言提纲,背景对矿井动力现象的初步认识对今后深部高应力条件下矿井动力灾害机理及控制技术研究的初步思考,10/19/2020,一、背景,我省矿井动力现象发生的历史及现状矿井动力现象的界定；冲击地压发生的历史及现状；冲击地压、冲击地压和煤与瓦斯共同作用。,10/19/2020,平顶山矿区煤层开采地质及技术条件复杂矿井采掘深度大，围岩应力高（最大采掘深度1150m）;瓦斯含量高、瓦斯压力大5MPa、瓦斯涌出量大（628m3/min），煤层透气性差，难以抽采（煤层透气性系数0.0001-0.0061毫达西），煤与瓦斯突出严重；矿井地温高（煤层处于较高的温度环境下，更易引起煤层的自燃发火、触发矿井火灾、诱发瓦斯爆炸事故的发生）;煤尘有爆炸危险性（爆炸危险性指数18.8-44.14）；丁、戊、己、庚多煤组同采，开采系统复杂；矿井动力现象频发（8、10、11、12矿不同程度的出现矿井动力现象）。,一、背景,10/19/2020,1采掘深度大、地质构造等所引起的高应力是导致矿井动力现象发生的主要动力。,二、对矿井动力现象的初步认识,10/19/2020,原岩应力,开采深度,垂直应力岩层因自重引起的垂直应力随深度增加呈线性增大。,水平应力与垂直应力之比,图4世界各国平均水平应力与垂直应力的比值随深度变化规律,埋深≤1000m，水平应力与垂直应力的比值大约为1.5-5.0,随深度增加，原岩应力（一次应力）增高,10/19/2020,图3-3平顶山矿区构造和井田分布图,10/19/2020,12矿三水平埋深800m，原岩应力25-30MPa，且剪应力高，埋深1000m，原岩应力可35MPa以上。,应力解除曲线,12矿三水平原岩应力大小及方向,10/19/2020,采煤工作面顶板结构演化过程示意图,2、瓦斯涌出与采动过程中的周期性矿压显现有明确关系,10/19/2020,10/19/2020,工作面支承压力增大，瓦斯涌出量增大,10/19/2020,平煤13矿12071工作面，周期来压期间液压支架载荷与瓦斯涌出关系曲线。,工作面周期来压期间，支架平均压力增高，瓦斯浓度较平时明显增大。,10/19/2020,3、采动过程中的周期性矿压显现进一步增加了瓦斯突出的危险性,工作面煤与瓦斯突出是在顶板加载系统作用下，煤岩体的结构非线性失稳的动力学显现。煤岩结构的失稳首先是由煤岩体物理力学性质发生变化引起的物理失稳，而后引发组合体的整体结构失稳。,P破碎区C承载区J聚能区Y原岩应力区煤与瓦斯突出结构示意图,煤岩组合体模型的受力条件和变形示意图,10/19/2020,对于煤体来说，从原岩应力状态过渡到周期来压状态的过程，是个应力逐渐增加的过程。随着工作面推进，顶板周期性悬露、断裂，支承压力经历由较小值不断增加至最大、然后减小的周期性变化，煤体也将经历周期性应力加载过程。在非断裂时刻，它是随开采缓慢变化的，因此，称为缓慢加载，周期来压时，会发生突然变化；顶板对煤体的夹持作用→顶板断裂→岩体振动→煤体瞬间加（卸）载。,10/19/2020,断裂振动的能量释放,煤体的应力应变曲线,10/19/2020,a反弹区域,b压缩区域,顶板断裂的弹性振动力学模型,,10/19/2020,（1）随着采煤工作面推进和老顶运动的发展，内外应力场的范围、应力分布特征及大小始终处在不断的、有规律的变化之中。（2）采动应力引起能量的积聚和释放，是岩层运动和岩梁结构的形成与失稳的结果，这一结果控制着煤岩（围岩）的破坏过程和煤与瓦斯突出危险性孕育和发生发展的过程，同时也间接的控制着瓦斯解析速度变化的过程。3力学系统平衡被破坏时，释放的能量大于所消耗的能量，剩余的能量转化为使煤岩抛出、围岩震动的动能。,周期性矿压显现与瓦斯突出危险性关系的基本认识,10/19/2020,4无论是静水压力状态还是在构造应力条件下，采动均可诱发煤与瓦斯突出灾害，这也是近年来不少矿井发生低指标煤与瓦斯突出的主要原因，也就是说工作面煤与瓦斯突出的防治和研究应以采场岩层的活动规律为中心。预报工作面煤与瓦斯突出，应结合现场观测和理论分析，研究开采步距和周期来压等综合因素。5当周期来压即将来临时，工作面应力达到较高水平，顶板活动加剧时，高应力弹性冲击的扰动，是煤与瓦斯突出的诱因。顶板断裂的岩体振动与对煤体的瞬间加（卸）载，顶板断裂岩体将释放能量，引起位移变化，形成“反弹”、“压缩”的过程对突出具有较高诱发潜能。期来压阶段，煤壁裂隙增大，甚至片帮，导致沿垂直煤壁方向急剧卸载，使应力梯度增大，而冲击性荷载则更加速了煤壁系统失稳的过程，而最后必然使突出可能性增大。,10/19/2020,4、提高工作面液压支架的初撑力和工作阻力对减缓来压过程的影响有一定的作用,随着开采深度的增大，工作面变得越来越“脆弱”冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等可能达到发生灾害的的临界状态。提高工作面液压支架的初撑力和工作阻力可提高工作面系统刚度，降低工作面来压时系统的加卸载程度，对减缓灾害的发生有一定的作用（工作面初撑力和工作阻力提高可有效的防止工作面煤壁片帮等即说明了该作用）。,10/19/2020,5、适当降低工作面推进速度有利于采动过程中的能量释放，对深部高应力条件下工作面的防灾减灾有积极意义,研究表明，工作面推进速度，降低20，工作面煤炮发生次数和强度会明显降低。,10/19/2020,6、瓦斯抽采是防治煤与瓦斯突出的最重要手段，但应充分考虑工作面开采过程中煤岩应力场、裂隙场、瓦斯场之间的偶合关系。,10/19/2020,,10/19/2020,10/19/2020,7反程序开采可有效卸压，有条件的矿井可开展反程序开采，进行区域卸压.,10/19/2020,8、沿空掘巷侧工作面应力值得关注。该区域系统刚度低，应力梯度大，仍有发生动力现象的可能。,10/19/2020,三、对今后深部高应力条件下矿井动力灾害机理及控制技术研究的初步思考,1）以冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等剧烈矿山压力显现为特征的深部开采诱发的灾害事故更具突发性，表现出明显的动态特征，因此，深部冲击地压、煤与瓦斯突出、突水等矿井灾害事故与采动过程密切相关，且随深度增加，受采动影响则更为敏感，应关注和加强采动过程与上述动力现象之间关系的研究。,10/19/2020,2）冲击地压和煤与瓦斯突出等矿井动力现象都是极其复杂的矿井动力现象；深部开采条件下，冲击地压和煤与瓦斯突出难以区分；冲击地压和煤与瓦斯突出两者的综合用机理更为复杂，在其孕育、发生、发展过程中可能互为诱因，并在灾害发生时产生“共振”效应，使灾害的预测及防治变更为复杂和困难。随着开采深度的增加，我省有冲击地压和煤与瓦斯突出两种灾害并存的矿井会逐渐增加，应在作用机理、预测指标、检验方法、技术措施及其有效性等方面开展深入系统的联合攻关。,10/19/2020,3）深入研究矿区高地应力场特征，研究高地应力条件下巷道和采场应力场分布特征、演化规律及围岩变形破坏机理，探讨高应力场条件下采掘围岩运动耦合作用机理。,10/19/2020,4）瓦斯抽采不仅是治理矿井瓦斯灾害的根本措施,也是利用这种清洁能源的重要途径。但是，由于我省煤层透气性较低，在深部煤层在高应力作用下，瓦斯抽采更为困难。因此，可考虑研究和利用采煤过程中压力释放、采动裂隙发育，煤层气解吸的特点，研究煤岩体采动应力场和裂隙场的动态变化规律、煤层气解吸运移规律，以及煤与煤层气共同开采回收的基础理论与技术问题等，建立煤与煤层气双能源开采的理论与技术。,10/19/2020,谢谢,