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上覆巨厚火成岩下煤与瓦斯突出灾害危险性评估与防治对策研究

罗文柯

  上覆火成岩,尤其是在巨厚火成岩(厚度h≥100m)下开采煤层,因巨厚火成岩而诱发的煤岩冲击、煤与瓦斯突出、巨厚火成岩断裂产生矿震等灾害日趋增多。随着开采深度不断向下延伸,埋藏在地层深部的火成岩对煤层开采影响越来越严重,安全威胁越来越大。在对典型巨厚火成岩突出灾害的研究中发现,突出灾害已经发生在传统理论下的非突出煤层和非突出危险区域。事实说明巨厚火成岩下突出矿井,已经表现出与无巨厚火成岩下突出矿井的异样性特点。因此,针对上覆巨厚火成岩条件的突出矿井,系统研究其突出灾害的一般规律、影响因素及其组合权重排序、突出风险性评价,提出科学合理预测预报体系及防治对策,已经成为当前煤矿安全、高效开采中急需完成的新课题。 在广泛查阅国内外相关文献和系统总结前人研究成果的基础上,采用理论研究、实验室试验、数值模拟分析和现场实验相结合的研究方法,针对巨厚火成岩下突出矿井,基于其突出的力学机理、主要影响因素、危险性评价、多元指标预测及综合防突对策,展开了系统深入的研究,为巨厚火成岩下突出矿井煤炭资源的高效开采提供安全保障。 (1)以材料力学和结构力学理论分析为基础,对巨厚火成岩下采掘扰动影响的覆岩移动规律进行了受力分析,提出了在巨厚火成岩下煤层开采后,在采场内巨厚火成岩将形成“两端固支梁”假说,并建立了巨厚火成岩下采动力学模型和变形本构方程。 (2)以断裂力学理论为基础,视巨厚火成岩为“近似四边固支薄板”,利用仿纳维叶解法步骤,求得了在下覆煤层被采出后,巨厚火成岩中心点处最大挠度解析式Wmax和垂直方向最大正应力σxmax,为确保在煤层开采期间巨厚火成岩不破断的采区极限跨度确定提供了理论依据。 (3)突出是煤体结构损伤失稳后的破坏现象,则以损伤力学理论为基础,对巨厚火成岩下煤层在三维应力作用下的损伤变量(D)进行分析,通过数学推导,求得在巨厚火成岩作用下煤层损伤变量D。的本构方程,以此通过反演法求得煤层的极限(最大允许)应力。 (4)以典型矿井煤样和围岩及火成岩岩样为试件,在实验室对煤层瓦斯基本参数进行了测试,测试结果发现7、8、9煤为突出煤层;对7、8煤顶板岩样和火成岩岩样的冲击倾向性试验结果表明,8煤顶板具有强冲击性,火成岩的冲击倾向性评价为中强—强烈。 (5)以典型巨厚火成岩突出矿井—海孜煤矿煤层赋存条件为背景,利用专门模拟地下岩体开挖工程的应力及应变的二维有限元软件Phase2,对典型巨厚火成岩下煤层群的采动情况进行了有和无巨厚火成岩两种情况的对比分析,通过模拟结果分析发现,在上覆巨厚火成岩条件下的垂直位移比无巨厚火成岩条件下要大;最大主应力比同等条件下无巨厚火成岩情况的最大主应力要小。 (6)根据对典型巨厚火成岩突出矿井现场考察,建立了评价典型巨厚火成岩突出危险性指标体系,利用层次分析法原理对其影响因素进行了组合权重的排序和一致性检验发现,管理层面上的预测准确度和技术层面上的防突措施合理性为其主要影响因素,分别位居第1、2位。同时,以海孜煤矿为突出危险性评价对象,利用可拓法原理对其突出危险等级进行评估发现,上覆巨厚火成岩典型矿井属于突出等级(j0=4.54)。说明其突出危险性比无巨厚火成岩条件下要高出54%的概率。 (7)在对巨厚火成岩下采掘扰动力学分析、突出灾害影响因素排序和危险等级评价的基础上,以灰色预测理论为指导,提出了在巨厚火成岩下突出灾害多元突出指标的综合预测体系,即对煤层敏感性指标Smax、K1、Δh2采用新陈代谢动态预测进行预测;对瓦斯涌出特征指标采用灰色—马尔柯夫组合模型进行预测;对巨厚火成岩在垂直方向的位移变形特征指标(高程损失量),采用LogisticⅠ/Ⅱ预测模型预测。并对典型突出案例“4·25 事故中前测试的实际数据进行预测应用研究发现,在无突出发生时,其预测值与实测值的相对误差α均在好的精度等级范围,而在突出灾害发生前,则相对误差超出精度α≥0.20。 (8)以典型巨厚火成岩突出矿井—海孜煤矿为背景,在对巨厚火成岩利弊分析和影响因素极为复杂的基础上,提出了地面采动井抽采卸压瓦斯、网格穿层钻孔抽采卸压瓦斯、本煤层顺层钻孔抽采卸压瓦斯和高位巷(钻场)抽放卸压瓦斯的综合防治对策。在对Ⅱ1023工作面综合防突技术效果考察看,防突技术比较科学合理和实用,为海孜煤矿巨厚火成岩下煤炭资源开采提供了安全保障。……   
[关键词]:煤与瓦斯突出;巨厚火成岩;断裂力学;危险性评估;抽采卸压瓦斯
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:中南大学2010年