专题-高瓦斯煤巷掘进围岩应力场与瓦斯场互馈机理及瓦斯综合治理研究.doc

1、专题部分高瓦斯煤巷掘进围岩应力场与瓦斯场互馈机理及 瓦斯综合治理研究摘要：本文在总结分析煤巷掘进应力场与瓦斯场耦合特性国内外研究现状的基础上，分析了高瓦斯煤层应力场和瓦斯场互馈机理。研究表明：工作而煤层的透气性、瓦斯压力与采动应力具有密切的相关性，且都受控于应力的分布与演化发展。结合前人研究成果，分析工作面前方煤体内存在峰前屈服扩容区及扩容区内瓦斯压力不稳定分布的特征；煤体扩容阶段瓦斯压力易发生突变，形成高瓦斯压力梯度，是防控煤岩瓦斯动力灾害的关键因素。本专题论文研究对实现高瓦斯煤层巷道安全高效掘进具有重要意义。关键词：高瓦斯煤巷；应力场；瓦斯场；互馈机理Research on the int

2、eraction mechanism of stress field and gas field and gas comprehensive treatment of the surrounding rock in high gas coal roadwayAbstract：Based on the analysis of the coupling characteristics of stress field and gas field in coal roadway tunneling, this paper analyzes the interaction mechanism betwe

3、en stress field and gas field in high gas coal seam. Research shows that:work coal seam permeability, gas pressure and mining stress is closely related, and are controlled force distribution and evolution of development, revealing the high gas coal seam stress field and gas field has typical couplin

4、g effect. Combined with previous research results,it is found that there is no stable gas pressure in the front of the working face in the presence of the peak before the peak yield and the gas pressure in the expansion area. The gas pressure in the expansion stage of coal body is prone to abrupt ch

5、ange, forming a high gas pressure gradient, controlling the influence of mining stress on the gas field, it is the key factor to control coal and gas dynamic disaster. The research of this thesis is of great significance to the realization of safe and high efficient tunneling in high gas coal seam.K

6、ey words： high gas coal roadway；stress field；gas field；interaction mechanism1绪论我国是以煤炭为主要能源的国家，在一次能源消费结构中煤炭占70%左右，且随着经济建设步伐的加快，全国能源消费对煤炭的需求也将持续迅速增加。全国煤矿也以每年约10-20m的速度向深部延深。随着矿井采深的增加，矿山开采灾害也成为制约煤矿安全高效开采函待解决的重大问题，而在众多矿山灾害中，瓦斯灾害尤为突出，其群死群伤恶劣的社会影响给和谐社会的科学发展带来了很大的负面效应。煤矿瓦斯灾害主要有煤岩瓦斯动力灾害（包括煤（岩）与瓦斯突出、诱发大量瓦斯涌出

7、的冲击地压）、瓦斯（煤尘）爆炸、瓦斯喷出、瓦斯窒息等几种表现形式。同时，由于需要解决瓦斯安全问题煤炭企业投入了大量的人力物力，这也严重制约了高产高效潜力的发挥。因此，一些高等院校、科研院所和生产单位专家、学者、科技工作者与工程技术人员围绕瓦斯灾害的防治开展了许多研究，取得了一系列成果，对瓦斯灾害防治理论与技术的发展起到积极重要作用。1.1国内外研究现状1.1.1采场矿压与采动应力场分布研究现状煤矿瓦斯灾害在煤矿开采过程中严重威胁了安全生产，也是过去几十年来国内外有关专家与学者共同关注的焦点。多年来，世界各采煤国家对瓦斯灾害发生的机理、预测及防治技术等方面开展了很多研究，取得了一些研究成果。国内

8、外许多专家学者从采动引起的岩层移动这个角度入手进行了大量研究，提出了多种假说与理论。上世纪四五十年代，国外在采场矿压的研究上先后出现了预生裂隙假说和铰接岩块假说。比利时的A.拉巴斯提出了预生裂隙假说，这种假说认为，由于工作面前方支承压力的作用，使顶板岩体中形成裂隙，上覆岩层连续性遭到破坏，从而形成非连续体，这种介质将类似塑性体那样发生很大变形，因此可将其视作“假塑性体”，并且认为在回采工作面周围存在着应力降低区、应力升高区和采动影响区，且随着工作面的推进，三个区相应向前移动。前苏联学者库兹涅夫提出铰接岩块假说，该假说认为，在采空区的不规则冒落带上形成规则冒落带，规则冒落带岩块排列比较整齐，但相

9、互之间缺少足够的水平力而无法连为一个整体。在规则冒落带之上的断裂岩层间隙较小，达到一定条件后，此区域内的岩块由于相互咬合铰接，在运动过程中彼此受到牵制，铰接岩块间形成三角拱式平衡关系。我国专家学者对采场上覆岩层结构的研究也做出了重要的贡献。中国工程院院士钱鸣高教授70年代末80年代初创立“砌体梁结构”理论，该理论认为采场上覆岩层的岩体结构主要是由各个坚硬岩层组成，每个分组中的软岩层则可视为坚硬岩层上的载荷，在水平推力作用下，断裂后且排列整齐的坚硬岩块可形成铰接关系。此结构具有滑落和回转变形两种失稳形式。“砌体梁结构”理论给出了采场上覆坚硬岩层周期断裂后形成平衡结构条件，并阐述了采场来压、支架围

10、岩关系等系列问题。钱鸣高教授、朱德仁教授、贾喜荣教授、刘双跃博士等把基本顶岩层视为板结构，对该种结构及其稳定性进行了研究，建立了采场上覆岩层的不同支撑条件下的Kirchhoff板结构理论。钱鸣高院士又提出上覆岩层活动的“关键层”理论，该理论认为在采场上覆岩层中存在许多坚硬岩层，对岩体活动全部或局部起决定作用的岩层称为关键层。关键层具有几何特性、岩性特性和破断特征外，还有承载特性，即关键层破断前以板（或简化为梁）的结构形式作为全部或局部岩层的承载主体，破断后形成的砌体梁结构继续成为承载主体。关键层的破断将导致全部或局部上部岩层的同步断裂，引起较大范围岩层移动。中国科学院宋振骥院士在20世纪80年

11、代初提出“传递岩梁”理论，该理论认为，基本顶岩梁对支架的作用取决于支架对岩梁运动的抵抗程度，可能存在给定变形和限定变形两种工作方式。该理论给出了支架围岩关系的表达式，即位态方程。工作面煤壁前方的内、外应力场理论也是该理论的重要组成部分，即认为以基本顶断裂线为界分为内、外两个应力场。此观点对确定合理巷道的位置及采场顶板控制设计起到了积极作用。根据覆岩运动和破坏特性，刘天泉院士提出了覆岩破坏学说，按照长壁开采后，覆岩变形破坏特性及其导水性能，将上覆岩层分为“三带”，即冒落带、裂隙带和整体弯曲下沉带，并对离采场较近的裂隙带形态及力学特性进行了描述。山东科技大学吴士良教授在研究了开采过程中对采场有明显

12、影响的大范围覆岩破坏结构的运动演化规律，提出采场覆岩破坏“四带”的划分，即整体下沉带、离层带、裂隙贯穿带、垮落带，随采场推进，前方煤体上支承压力分布峰值位于煤壁较近的位置，向远处呈下降分布趋势，剧烈影响范围较大，总体影响范围较远，超前支承压力分布变化随覆岩破坏的演化而呈现明显的规律性变化。缪协兴、钱鸣高研究认为：高强度综放工作面采场覆岩关键层破碎块度较小，使得采场来压强度降低，来压均匀。郝海金、张勇、袁宗本研究认为：大采高综采工作面上覆岩层存在着比分层开采层位更高但和放顶煤开采相似的平衡结构，且结构的活动是逐渐变化的过程，在变化过程中，平衡结构与其下的直接顶相互作用，进而确定直接顶的损伤程度是

13、影响支架受力的主要影响因素。陶连金、王泳嘉研究认为：大倾角煤层开采后围岩产生的运动、变形及破坏均呈现出明显的不对称性，支承压力的分布也是如此，且沿倾斜方向采场上覆岩层形成非对称的传力拱，工作面上下两侧的煤体是结构的支点，传力拱的主应力分布呈拱形，它具有传力承载功能，同时具有动态平衡与空间特征在上覆岩层中普遍存在。叶明亮研究认为：采场及采空区部分顶板处于受拉应力状态，在采场前15-20m处煤体出现峰值应力，对落煤和瓦斯释放有利。杜计平、张先尘、贾维勇、孙春江研究认为：长壁垮落工作面支架承受的垮落带岩层重力和裂隙带老顶在触研处的下沉量与开采深度无关，采深对采场矿压显现的影响在支护方面不明显。由于煤

14、壁前方移动支承压力随采深增加而增加，煤壁片帮现象加剧。且随采深增加，上覆岩层的裂隙较为发育。李新元、陈培华在大量实测和相似试验的基础上研究认为：采场松软顶板的松散块体相互挤压、相互作用，形成“压力拱”结构，并随着推采，“压力拱”范围不断增大。当工作面推进到一定距离时，“压力拱”失稳破坏，产生初次来压，当拱顶高度接近地表时，压力拱内主结构岩层失稳破坏，造成工作面更剧烈的来压，随之拱外次结构内岩体破坏，造成地表下沉；压力拱结构周期性失稳并前移，引起工作面周期来压。谢广祥教授在大量现场实测的基础上，对长壁工作面及其巷道围岩的三维力学特征进行了全面、系统、深入的研究，提出了长壁工作面围岩中存在着由“高

15、应力束”组成的应力壳理论。认为大部分长壁采煤工作面前方、后方、周边和邻近巷道的矿压显现都受控于“应力壳”的存在和由其演化发展带来的影响，应力壳的失衡会造成剧烈的矿山压力现象，合理的调整开采厚度等采场结构参数可改善采场围岩应力的动态平衡，对保护工作面、减小矿山压力影响和显现有积极作用。在“应力壳”理论的研究基础上科学论证了在高瓦斯厚煤层开采中，放顶煤开采能缓和工作面前方和采空区侧煤巷掘进时出现的煤与瓦斯突出危险，对高瓦斯厚煤层高强度、高效率开采技术奠定了理论基础。1.1.2煤层瓦斯压力的研究现状煤层瓦斯压力是指煤孔隙中所含游离瓦斯的气体压力，即气体作用于孔隙壁的压力。在众多瓦斯灾害的发生、发展过

16、程中，瓦斯压力都起着重要的作用。瓦斯压力作为瓦斯参数中一个最为重要的参数，为了求解瓦斯压力许多国内外学者做了大量的研究工作。在地质条件不变的情况下，煤层瓦斯压力随深度增加而成正比例增加，通常用下式描述：式中：P在深度H处的瓦斯压力，Mpa； P0瓦斯风化带H深度的瓦斯压力，取为0.150.2Mpa； H距地表垂深，m； H0瓦斯风化带深度，m； m瓦斯压力梯度，Mpa/m。根据我国各煤矿瓦斯压力随深度的实测数据，瓦斯压力梯度一般在0.0070.012 Mpa/m变化，而瓦斯风化带深度则在几米至数百米间变化。O.N.契尔诺夫通过对普罗柯比夫斯基矿区的研究，提出了在煤层各种排放条件下瓦斯压力随深度变化的关系，这种关系用如下方程表示：式中：H0瓦斯风化带深度，m，H0=80m；Kg取决于排放条件系数。德国在煤与瓦