[00139020]深部开采复合型动力灾害防治关键技术及装备研究

深部矿井冲击地压和煤与瓦斯突出两种动力灾害同时发生复合型动力灾害是影响煤矿安全生产的又一新的难题。本项目利用理论分析、数值模拟、相似模拟及现场试验的方法,针对深部开采条件下复合型动力灾害的机理和防治关键技术进行了研究,利用动态加载实验机对煤样的静+动组合作用下的力学性能进行了实验;利用煤岩瓦斯流-固耦合渗流实验平台,对受载含瓦斯煤体中的瓦斯运移规律以及含水率的影响进行了实验;利用大自主研发了煤岩瓦斯复合动力灾害模拟实验装备,进行了一系列动力灾害模拟实验,得出了复合型动力灾害发生的关键影响因素及影响程度的重要性排序;建立了含瓦斯煤岩的冲击失稳判据与发生条件,提出了深部开采复合型动力灾害危险性区域划分的方法与防治技术措施。具体如下： （1）通过对不同饱水状态煤样进行动静组合加载试验,依据能量守恒定律,推算动静组合加载下能量传递特征,得到了饱水煤样能耗特征和煤样强度随饱水时间的变化规律：随着饱水时间的增加煤样静态强度,静弹性模量,动态强度都呈现降低趋势,但动弹性模量升高。 （2）得到了含瓦斯煤岩的孔隙率及有效应力的动态演化方程,提出了含瓦斯煤岩的变形受到地应力、孔隙压力和吸附膨胀应力变形机制的综合作用关系,分析了不同受载阶段含瓦斯煤的有效应力方程。通过含水煤样渗透率实验,得出了煤岩瓦斯渗透率与瓦斯压力呈二次函数关系,表现出明显的“V”字型,也即存在一个瓦斯压力拐点,大于此拐点值时渗透率随瓦斯压力升高而增加,小于该拐点值时渗透率随瓦斯压力的升高而降低。 （3）运用自行研制的煤岩瓦斯动力灾害模拟实验系统进行了含瓦斯煤的动态破坏实验,所得结果与真实现场动力现象基本一致。通过一系列的含瓦斯煤动态破坏模拟实验,认为各因素对突出强度影响程度的重要性排序为：瓦斯压力对突出强度的影响最为显著,煤体强度的影响次之,地应力的贡献最小。 （4）利用RFPA2D-Flow分别对典型软煤突出及硬质煤复合型动力灾害的发生过程进行了数值模拟。软煤的突出过程中瓦斯压力起主导作用,发生突出的门槛低,突出强度大,持续性强。硬煤“突出”破坏过程中应力的作用更为显著,尤其是在启动阶段,集中应力破坏瓦斯卸压带煤柱是发生突出的必要条件。硬煤的“突出”门槛较高,突出持续性不强。 （5）提出了煤层“理想条件”下突出的定义,认为“理想条件”下能否发生突出是判断煤层潜在突出危险的依据,以煤体强度为指标分组,对“理想条件”下突出发生的应力、瓦斯压力关系进行了详细研究,得到了不同强度煤体突出的应力-瓦斯压力关系拟合曲线。结果表明,应力-瓦斯压力曲线有两个拐点,应力水平与“突出”并不一直成正比关系,在低水平应力范围,应力增长对“突出”危险性起到了负作用,即应力阻碍突出,曲线峰值后（首个拐点）,应力增长对“突出”起到了正作用,即应力加剧突出;随着应力继续增加,曲线的出现第二个拐点,此后“突出”发生的瓦斯压力基本固定在某一水平,不在随应力增加而变化。 （6）将工程地质条件（含瓦斯条件）指标的变化用连续函数表示,提出了一种改进的综合指数法对冲击-突出复合动力灾害进行危险性区域划分,确定复合动力灾害危险状态等级评定的指数Wr,将Wr分为5个等级,分别对应不同的危险程度,对各等级的防治技术提出了原则性建议。 （7）提出并论证了冲击地压和煤与瓦斯突出复合型灾害发生的三个基本条件：发生冲击地压和煤与瓦斯突出复合型灾害,需要具备煤层的物质条件、环境应力强度与触发动力条件和地下开采扰动与岩体结构构造条件的适宜组合,这种组合是发生复合型灾害的必要条件。 （8）对比分析了煤与瓦斯突出、冲击地压灾害防治措施,两种动力灾害具有类似的防治措施,均可作为综合防冲和防突措施,提出以保护层开采、区域预抽瓦斯和卸压增透为主的复合动力防治措施,制定了预测复合型动力灾害的钻屑量、钻孔瓦斯涌出速度、瓦斯解吸等预测指标。