【摘要】：煤巷工作面作為井下突出事故最易多發(fā)的地點(diǎn),開展煤巷工作面突出發(fā)動機(jī)制及突出預(yù)測體系完善工作對突出發(fā)生的防治極其重要。對一個實(shí)際的煤巷工作面開展突出預(yù)測工作時,預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性及可信性依賴于預(yù)測指標(biāo)選擇的合理性及其臨界值確定的可靠性、預(yù)測鉆孔布置的科學(xué)性以及預(yù)測鉆孔動力現(xiàn)象表征突出危險性辨識的準(zhǔn)確性。本文以巖石斷裂力學(xué)、瓦斯?jié)B流理論為理論基礎(chǔ),采用理論分析、數(shù)值模擬、實(shí)驗室試驗及工程應(yīng)用試驗相結(jié)合的研究方法,開展了煤巷工作面突出危險性影響因素影響成因的研究,并在分析不同應(yīng)力加載模式下煤體發(fā)生破壞所需應(yīng)力臨界條件的基礎(chǔ)上,提出了一個可表征煤巷工作面突出危險性水平最大情況時的突出預(yù)測理論模型;搭建了模擬煤巷工作面預(yù)測指標(biāo)測定平臺,并基于該平臺,開展了鉆屑量測定影響因素權(quán)重理論分析及實(shí)驗室測定試驗,檢驗了該平臺的可靠性,表明了突出預(yù)測模型的優(yōu)越性;揭示了噴孔、卡鉆等鉆孔動力現(xiàn)象間的聯(lián)動體系及其與突出危險間的直觀聯(lián)系;基于鉆孔初始瓦斯流量預(yù)測指標(biāo),建立了鉆孔初始瓦斯流量臨界值劃定體系;量化了煤巷工作面突出預(yù)測鉆孔布置模式;開發(fā)了鉆孔初始瓦斯流量現(xiàn)場測定系統(tǒng)并成功實(shí)施工程應(yīng)用試驗。主要取得以下研究結(jié)論:(1)煤巷工作面煤巖體隨應(yīng)力加載模式的不同而表現(xiàn)差異化的失穩(wěn)破壞形態(tài)及臨界受力條件。簡化其突然暴露時的受力狀態(tài)為圍壓加載,并考慮其內(nèi)瓦斯無泄漏,此時的煤巖體具有的突出危險性水平最高,以此模型搭建煤巷工作面突出預(yù)測指標(biāo)測定平臺,得到的預(yù)測指標(biāo)判別突出危險性臨界值可實(shí)現(xiàn)判別不突出危險準(zhǔn)確率為100%。(2)基于實(shí)驗室搭建的煤巷工作面突出預(yù)測指標(biāo)測定平臺開展了鉆屑量測定實(shí)驗,根據(jù)初始釋放瓦斯膨脹能判別突出危險性的臨界值得到的鉆屑量判別突出危險性的臨界值預(yù)測突出危險性準(zhǔn)確率為93.75%,遠(yuǎn)大于《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中鉆屑量提供的參考臨界值所回判的突出危險性準(zhǔn)確率。表明了本煤巷工作面突出預(yù)測試驗平臺的優(yōu)越性。(3)煤巷工作面的突出危險性水平越高,突出預(yù)測鉆孔發(fā)生瓦斯動力現(xiàn)象的頻率越大。發(fā)生噴孔現(xiàn)象表明預(yù)測區(qū)域內(nèi)的煤體具有突出危險性,頂鉆現(xiàn)象可以視為噴孔現(xiàn)象發(fā)生的預(yù)兆。而發(fā)生卡鉆現(xiàn)象的原因多樣化,表征煤體具有突出危險性的卡鉆現(xiàn)象一般和噴孔現(xiàn)象相伴而生,相繼觸發(fā),兩者構(gòu)成了聯(lián)動體系。(4)鉆孔初始瓦斯流量是能反應(yīng)地應(yīng)力、瓦斯壓力及煤體性質(zhì)的綜合突出危險性預(yù)測指標(biāo),在實(shí)驗室開展其應(yīng)用于現(xiàn)場指導(dǎo)的突出危險性預(yù)測臨界值判定實(shí)驗,最需調(diào)控的影響因素是模擬煤層的瓦斯壓力及打鉆的鉆進(jìn)速度。(5)預(yù)測鉆孔的開孔距離與巷幫控制范圍及預(yù)測超前距成正比,與預(yù)測深度成反比。選取預(yù)測鉆孔的開孔距離為0.5m時可以保證在不同預(yù)測條件下滿足工作面在經(jīng)過新一輪的突出預(yù)測后繼續(xù)推進(jìn),其推進(jìn)距離達(dá)到上一輪預(yù)測留下的預(yù)測超前距離時,能夠進(jìn)入新一輪預(yù)測形成的有效預(yù)測帶內(nèi)。(6)無明顯軟分層但存在硬煤體裹挾“煤包”式構(gòu)造軟煤體的煤巷工作面,突出預(yù)測鉆孔應(yīng)在控制煤體范圍內(nèi)均勻布置,預(yù)測鉆孔在終孔截面保持的鉆孔間寬度宜為4~6m,高度需根據(jù)已探構(gòu)造普遍范圍決定。根據(jù)預(yù)測鉆孔布置后的煤巷工作面可能的突出煤量可進(jìn)一步調(diào)整預(yù)測鉆孔的布置。該論文有圖93幅,表29個,參考文獻(xiàn)222篇。
【圖文】：

圖 2-4 煤體突出危險性與瓦斯壓力及煤體強(qiáng)度之間的關(guān)系[90]re 2-4 The relationship between outburst risk and gas pressure, coal s吸能力斯的解吸能力實(shí)質(zhì)上決定了煤體在地應(yīng)力下發(fā)生初始破生失穩(wěn)形成層裂煤體。由于突出過程一般僅數(shù)秒，瓦斯初的發(fā)動密切相關(guān)。研究表明構(gòu)造煤的瓦斯吸附總量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大煤相比，構(gòu)造煤瓦斯解吸初期速度更大，可達(dá)數(shù)倍于非構(gòu)同時解吸速率隨粒徑的增大而減小，但在極限粒徑以上的吸速度影響較小[49]。研究也表明前 60s 瓦斯解吸速率規(guī)律。煤體解吸能力越大，裂紋中積聚的瓦斯壓力越大，式于裂紋的擴(kuò)展及進(jìn)一步撕裂煤體，使層裂煤體發(fā)生失穩(wěn)般僅持續(xù)數(shù)十秒，且突出過程所需的能量主要為瓦斯能煤及構(gòu)造變形煤的最初十幾秒瓦斯解吸規(guī)律及瓦斯能量結(jié)果表明在瓦斯解吸過程中，構(gòu)造煤的瓦斯壓力降低速率瓦斯解吸速率比非構(gòu)造煤大，在最初的幾秒兩種煤樣中絕

圖 2-10 應(yīng)力監(jiān)測面和監(jiān)測線Figure 2-10 The surface and line monitoring stress擬過程中，模型試件#1、#2 以步進(jìn) 0.1MPa 加載圍壓，每次果，以抗壓強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的 10 倍時的模擬結(jié)果為例進(jìn)行分析過自制的真三軸應(yīng)力加載裝置實(shí)施了砂巖在三向不等應(yīng)力模式果表明隨著最小主應(yīng)力的減小，砂巖會從產(chǎn)生壓應(yīng)變逐漸變?yōu)閼?yīng)力大小越接近最大主應(yīng)力，砂巖發(fā)生拉應(yīng)變的量越大。在井的工作面，會發(fā)現(xiàn)工作面前方產(chǎn)生了平行于工作面的橫向張裂，在給煤巖柱施加圍壓時，煤巖柱內(nèi)部所承受的應(yīng)力應(yīng)該是平選取代表性的 3 組圍壓模擬后的應(yīng)力分布結(jié)果，分析試件內(nèi)部的變化規(guī)律，如圖 2-11 所示。從圖 2-11 可以看出，在圍壓加現(xiàn)的應(yīng)力類型為拉應(yīng)力，隨著圍壓的增大，兩種煤巖柱的軸向圍壓達(dá)到 2.7MPa 時，在煤巖柱的中部位置軸向拉應(yīng)力峰值達(dá)強(qiáng)度，1.17MPa；圍壓達(dá)到 1.9MPa 時，在煤巖柱的中部位置到#2 巖柱的抗拉強(qiáng)度，0.457MPa。模擬得到的抗拉強(qiáng)度比表抗拉強(qiáng)度略小 3.8%。當(dāng)圍壓值已使煤巖柱受的拉應(yīng)力達(dá)到抗拉
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TD713

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2596286