上覆巨厚火成巖下煤與瓦斯突出災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)估與防治對(duì)策研究.pdf

1、上覆火成巖，尤其是在巨厚火成巖(厚度h≥100m)下開采煤層，因巨厚火成巖而誘發(fā)的煤巖沖擊、煤與瓦斯突出、巨厚火成巖斷裂產(chǎn)生礦震等災(zāi)害日趨增多。隨著開采深度不斷向下延伸，埋藏在地層深部的火成巖對(duì)煤層開采影響越來越嚴(yán)重，安全威脅越來越大。在對(duì)典型巨厚火成巖突出災(zāi)害的研究中發(fā)現(xiàn)，突出災(zāi)害已經(jīng)發(fā)生在傳統(tǒng)理論下的非突出煤層和非突出危險(xiǎn)區(qū)域。事實(shí)說明巨厚火成巖下突出礦井，已經(jīng)表現(xiàn)出與無巨厚火成巖下突出礦井的異樣性特點(diǎn)。因此，針對(duì)上覆巨厚火成巖條件

2、的突出礦井，系統(tǒng)研究其突出災(zāi)害的一般規(guī)律、影響因素及其組合權(quán)重排序、突出風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，提出科學(xué)合理預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)體系及防治對(duì)策，已經(jīng)成為當(dāng)前煤礦安全、高效開采中急需完成的新課題。
　　 在廣泛查閱國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和系統(tǒng)總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，采用理論研究、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值模擬分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，針對(duì)巨厚火成巖下突出礦井，基于其突出的力學(xué)機(jī)理、主要影響因素、危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)、多元指標(biāo)預(yù)測(cè)及綜合防突對(duì)策，展開了系統(tǒng)深入的研究，為巨厚火

3、成巖下突出礦井煤炭資源的高效開采提供安全保障。
　　 (1)以材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)理論分析為基礎(chǔ)，對(duì)巨厚火成巖下采掘擾動(dòng)影響的覆巖移動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了受力分析，提出了在巨厚火成巖下煤層開采后，在采場(chǎng)內(nèi)巨厚火成巖將形成“兩端固支梁”假說，并建立了巨厚火成巖下采動(dòng)力學(xué)模型和變形本構(gòu)方程。
　　 (2)以斷裂力學(xué)理論為基礎(chǔ)，視巨厚火成巖為“近似四邊固支薄板”，利用仿納維葉解法步驟，求得了在下覆煤層被采出后，巨厚火成巖中心點(diǎn)處最大撓度解

4、析式Wmax和垂直方向最大正應(yīng)力σxmax，為確保在煤層開采期間巨厚火成巖不破斷的采區(qū)極限跨度確定提供了理論依據(jù)。
　　 (3)突出是煤體結(jié)構(gòu)損傷失穩(wěn)后的破壞現(xiàn)象，則以損傷力學(xué)理論為基礎(chǔ)，對(duì)巨厚火成巖下煤層在三維應(yīng)力作用下的損傷變量(D)進(jìn)行分析，通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)，求得在巨厚火成巖作用下煤層損傷變量D總的本構(gòu)方程，以此通過反演法求得煤層的極限(最大允許)應(yīng)力。
　　 (4)以典型礦井煤樣和圍巖及火成巖巖樣為試件，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)煤

5、層瓦斯基本參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)7、8、9煤為突出煤層；對(duì)7、8煤項(xiàng)板巖樣和火成巖巖樣的沖擊傾向性試驗(yàn)結(jié)果表明，8煤頂板具有強(qiáng)沖擊性，火成巖的沖擊傾向性評(píng)價(jià)為中強(qiáng)-強(qiáng)烈。
　　 (5)以典型巨厚火成巖突出礦井-海孜煤礦煤層賦存條件為背景，利用專門模擬地下巖體開挖工程的應(yīng)力及應(yīng)變的二維有限元軟件Phase2，對(duì)典型巨厚火成巖下煤層群的采動(dòng)情況進(jìn)行了有和無巨厚火成巖兩種情況的對(duì)比分析，通過模擬結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，在上覆巨厚火成巖條件

6、下的垂直位移比無巨厚火成巖條件下要大；最大主應(yīng)力比同等條件下無巨厚火成巖情況的最大主應(yīng)力要小。
　　 (6)根據(jù)對(duì)典型巨厚火成巖突出礦井現(xiàn)場(chǎng)考察，建立了評(píng)價(jià)典型巨厚火成巖突出危險(xiǎn)性指標(biāo)體系，利用層次分析法原理對(duì)其影響因素進(jìn)行了組合權(quán)重的排序和一致性檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，管理層面上的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度和技術(shù)層面上的防突措施合理性為其主要影響因素，分別位居第1、2位。同時(shí)，以海孜煤礦為突出危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)對(duì)象，利用可拓法原理對(duì)其突出危險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行評(píng)估發(fā)現(xiàn)，上覆

7、巨厚火成巖典型礦井屬于突出等級(jí)(j0=4.54)。說明其突出危險(xiǎn)性比無巨厚火成巖條件下要高出54％的概率。
　　 (7)在對(duì)巨厚火成巖下采掘擾動(dòng)力學(xué)分析、突出災(zāi)害影響因素排序和危險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，以灰色預(yù)測(cè)理論為指導(dǎo)，提出了在巨厚火成巖下突出災(zāi)害多元突出指標(biāo)的綜合預(yù)測(cè)體系，即對(duì)煤層敏感性指標(biāo)Smax、K1、△h2采用新陳代謝動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)進(jìn)行預(yù)測(cè)；對(duì)瓦斯涌出特征指標(biāo)采用灰色-馬爾柯夫組合模型進(jìn)行預(yù)測(cè)；對(duì)巨厚火成巖在垂直方向的位移變形

8、特征指標(biāo)(高程損失量)，采用LogisticⅠ/Ⅱ預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)。并對(duì)典型突出案例“4·25”事故中前測(cè)試的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)應(yīng)用研究發(fā)現(xiàn)，在無突出發(fā)生時(shí)，其預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差α均在好的精度等級(jí)范圍，而在突出災(zāi)害發(fā)生前，則相對(duì)誤差超出精度α≥0.20。
　　 (8)以典型巨厚火成巖突出礦井-海孜煤礦為背景，在對(duì)巨厚火成巖利弊分析和影響因素極為復(fù)雜的基礎(chǔ)上，提出了地面采動(dòng)井抽采卸壓瓦斯、網(wǎng)格穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯、本煤層順層鉆孔抽