上覆巨厚火成巖下煤與瓦斯突出災害危險性評估與防治對策研究.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、巨厚火成巖斷裂產生礦震等災害日趨增多。隨著開采深度不斷向下延伸，埋藏在地層深部的火成巖對煤層開采影響越來越嚴重，安全威脅越來越大。在對典型巨厚火成巖突出災害的研究中發(fā)現，突出災害已經發(fā)生在傳統(tǒng)理論下的非突出煤層和非突出危險區(qū)域。事實說明巨厚火成巖下突出礦井，已經表現出與無巨厚火成巖下突出礦井的異樣性特點。因此，針對上覆巨厚火成巖條件

2、的突出礦井，系統(tǒng)研究其突出災害的一般規(guī)律、影響因素及其組合權重排序、突出風險性評價，提出科學合理預測預報體系及防治對策，已經成為當前煤礦安全、高效開采中急需完成的新課題。
　　 在廣泛查閱國內外相關文獻和系統(tǒng)總結前人研究成果的基礎上，采用理論研究、實驗室試驗、數值模擬分析和現場實驗相結合的研究方法，針對巨厚火成巖下突出礦井，基于其突出的力學機理、主要影響因素、危險性評價、多元指標預測及綜合防突對策，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)以材料力學和結構力學理論分析為基礎，對巨厚火成巖下采掘擾動影響的覆巖移動規(guī)律進行了受力分析，提出了在巨厚火成巖下煤層開采后，在采場內巨厚火成巖將形成“兩端固支梁”假說，并建立了巨厚火成巖下采動力學模型和變形本構方程。
　　 (2)以斷裂力學理論為基礎，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，巨厚火成巖中心點處最大撓度解

4、析式Wmax和垂直方向最大正應力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。
　　 (3)突出是煤體結構損傷失穩(wěn)后的破壞現象，則以損傷力學理論為基礎，對巨厚火成巖下煤層在三維應力作用下的損傷變量(D)進行分析，通過數學推導，求得在巨厚火成巖作用下煤層損傷變量D總的本構方程，以此通過反演法求得煤層的極限(最大允許)應力。
　　 (4)以典型礦井煤樣和圍巖及火成巖巖樣為試件，在實驗室對煤

5、層瓦斯基本參數進行了測試，測試結果發(fā)現7、8、9煤為突出煤層；對7、8煤項板巖樣和火成巖巖樣的沖擊傾向性試驗結果表明，8煤頂板具有強沖擊性，火成巖的沖擊傾向性評價為中強-強烈。
　　 (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力及應變的二維有限元軟件Phase2，對典型巨厚火成巖下煤層群的采動情況進行了有和無巨厚火成巖兩種情況的對比分析，通過模擬結果分析發(fā)現，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；最大主應力比同等條件下無巨厚火成巖情況的最大主應力要小。
　　 (6)根據對典型巨厚火成巖突出礦井現場考察，建立了評價典型巨厚火成巖突出危險性指標體系，利用層次分析法原理對其影響因素進行了組合權重的排序和一致性檢驗發(fā)現，管理層面上的預測準確度和技術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，以海孜煤礦為突出危險性評價對象，利用可拓法原理對其突出危險等級進行評估發(fā)現，上覆

7、巨厚火成巖典型礦井屬于突出等級(j0=4.54)。說明其突出危險性比無巨厚火成巖條件下要高出54％的概率。
　　 (7)在對巨厚火成巖下采掘擾動力學分析、突出災害影響因素排序和危險等級評價的基礎上，以灰色預測理論為指導，提出了在巨厚火成巖下突出災害多元突出指標的綜合預測體系，即對煤層敏感性指標Smax、K1、△h2采用新陳代謝動態(tài)預測進行預測；對瓦斯涌出特征指標采用灰色-馬爾柯夫組合模型進行預測；對巨厚火成巖在垂直方向的位移變形

8、特征指標(高程損失量)，采用LogisticⅠ/Ⅱ預測模型預測。并對典型突出案例“4·25”事故中前測試的實際數據進行預測應用研究發(fā)現，在無突出發(fā)生時，其預測值與實測值的相對誤差α均在好的精度等級范圍，而在突出災害發(fā)生前，則相對誤差超出精度α≥0.20。
　　 (8)以典型巨厚火成巖突出礦井-海孜煤礦為背景，在對巨厚火成巖利弊分析和影響因素極為復雜的基礎上，提出了地面采動井抽采卸壓瓦斯、網格穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯、本煤層順層鉆孔抽