文摘

岩爆是一种典型的动态在煤矿灾害。为了揭示岩爆机制从能源角度之间的关系最大,最小,中间主应力和应力集中系数的重力k1,k2,k3确定地应力测量与工程实践相结合的煤矿。煤和岩石系统模型基础上建立了构造应力。能源和规模半径之间的关系确定了煤和岩石系统,揭示了法律的能量积累,煤和岩石系统的释放和转移。针对煤层的多孔介质的特点,提出了注水措施来缓解压力在煤层中,和法律的水渗漏在煤层注水过程中基于渗流力学的研究。结果表明,释放的能量破坏煤的趋势与渗透率的变化,具有良好的一致性和注水可以减少应力集中和能量集中的岩爆系统。岩爆防治的工程实践是在跃进煤矿。的能量特征分析了工作面煤岩系统,和注水的措施和相应的参数确定。

1。介绍

煤炭是主要能源和重要的化工原料在中国。根据中国可持续发展战略报告,据估计,煤炭消耗量仍将占总能源消耗的50%以上(2050年1]。2017年,在中国生产原煤35.2亿吨,由国家统计局公布的数据。然而,地下采矿是一种主要的煤炭资源开采在中国,这通常是与动态灾难现象(2- - - - - -4]。岩爆是一个典型的煤炭开采过程中动态的灾难。在岩爆、煤和岩石突然将碎和驱逐到工作空间5,6)当煤和岩石力学系统达到极限强度,伴随着尖锐和暴力冲击和炸弹,这将导致设备损坏和人员伤亡7,8]。随着开采深度、动态灾害,如岩爆、会更严重,成为一个伟大的威胁煤矿安全生产(图1)。到目前为止,大约有210个煤矿岩爆发生在中国,数字,强度和频率的这场灾难仍在增加。

岩爆机制一直是长期存在的和尚未解决的科学问题领域的采矿工程和岩石力学。提出了一些理论,如不稳定理论、强度理论、刚度理论,影响取向理论、能量理论(9- - - - - -13]。最近,跨学科和非线性科学中的应用,以及计算机仿真技术研究岩石破裂,CT扫描的研究方法,3 d印刷,和3 d数值模拟被用来研究接种的条件和发生动态和静态复合应力下岩石突出的中尺度的实验规模,工程规模(14- - - - - -17]。它已成为一个研究热点,揭示了不稳定下的岩石和煤结构演化过程岩石突出,探索有效的预防和控制措施岩爆(18- - - - - -20.]。由于岩爆的复杂性,最上面的机理研究和实验分析,这是很难有效地验证。统一的理解岩石突出尚未形成,这个伟大的限制是面对。

岩爆的孕育是应力集中的影响和区域煤和岩石的应变能系统,应该有一定的标度范围。岩爆的能量特征,建立了煤岩系统模型的基础上,构造应力场,能量集中,释放和转移煤和岩石的法律制度进行了分析。注水措施对缓解压力之间的关系提出了确定的趋势发布能源和破坏了岩体的渗透率变异,揭示煤和岩石的水迁移的法律系统。

2。煤矿的地应力场分布特征与岩石破裂的风险

2.1。测量在煤矿地应力与岩石破裂的风险

国际地质科学联合会、国际大地测量学和地球物理学联合会地应力研究列为国际固体地球科学研究计划的主要内容,并指出“地应力研究独特的重要性在学习作文活动过程和地应力的方向和年级是一个必要的学习地质构造上的所有问题。“研究表明,灾害像世界上地震发生在地壳移动区域水平或近水平应力活动是有利的,而不会发生强烈地震的地区水平应力等于垂直应力或垂直应力大于水平应力(21]。基于上述意见地应力场和工程实践在中国矿山岩爆,采用广泛应用空心包含应力法的矿山地应力测量平顶山我12号布五龙矿,Daitaijing。中间主应力,最大主应力和最小主应力的显示σ₁,σ₂,σ₃。表1列出了地应力的测量结果和测量压力点在煤矿区(矿)。

2.2。地应力场的测量结果

2.2.1。最大主应力的分布规律σ₁

根据实测资料,最大主应力的变化曲线随深度变化可以获得(图2)和回归系数 : 在哪里是大导热(N / m³),是埋深( )。

2.2.2。垂直应力的分布规律σ₂

根据实测资料,可以获得的垂直压力和深度的关系(图3)和回归系数 :

2.2.3。最小水平应力的分布规律σ₃

根据实测资料,可以获得的垂直压力和深度的关系(图4)和回归系数 :

从公式(1)- (3), ,和显示了线性分布和特征 , ,和 。

中国的构造应力场是影响周边板块的碰撞和挤压,以及应力场的空间分布特征是同质性的大型地区和当地的不均匀性,并在时间分布是相对稳定的。根据许多煤矿地应力的测量结果与岩爆风险在中国,岩石破裂主要发生条件下的水平挤压的构造应力场和主要类型的最大主应力和区域构造应力场方向相同。

3所示。煤和岩石系统的能量分布特征

3.1。分析弹性能量积累我的卷

岩石破裂动态系统在原岩应力场主要受coeffect自重应力场和构造应力场。energy-bursting地应力动态系统主要是由自重应力场和构造应力场。当工程活动的影响困扰原岩平衡,能量释放和转移。换句话说,高容量的弹性能量积累矿山岩爆的先决条件。弹性力学认为,任何单位的地壳的岩石受应力影响在三个方向,和单位弹性地层条件下。单位体积的累积弹性可变形性如图5,原岩应力场下的弹性可变形性的能量可以表示为 在哪里是单位体积的弹性能量积累(J / m³),是三个方向的主应力(MPa),是弹性模块(GPa),泊松比。

3.2。分析煤和岩石的能量系统

岩爆产生的coeffect自重应力场和构造应力场。通过分析岩爆条件破裂地面压力我在中国一般发生在构造应力场。它可以采取构造应力场的主要因素导致岩石破裂。构造应力场,当岩石破裂动态系统的存储能量达到临界值导致岩石破裂,如果会发生岩爆诱发由外部采矿项目活动。为了更好地理解之间的关系的能量岩爆动态系统和岩石破裂,本文建立了一个“球”岩爆动态系统的模型(图6),岩爆的能量动态系统在构造应力场条件下可以获得: 在哪里岩爆的体积动态系统(m³),R岩爆的半径维动态系统(m)。

公式(1)- (5)被用来获取岩爆的能量动态系统在构造应力场条件下:

3.3。能源和煤炭的大小规模之间的关系和岩石系统

煤和岩石的储能系统处于一个相对稳定的状态时,它不受开挖影响。在基坑工程扰动的影响下,煤和岩石系统可以进入substable状态,和整个系统的能量将达到其临界状态之后,瞬时释放的能量形成岩爆灾害。然后,煤和岩石系统将形成一个新的平衡状态,并开始再次transfer-aggregate-get储存的能量。当存储能量达到临界值时,接下来的岩爆将再次出现在采矿扰动。可以看出,岩爆的孕育和发生是一个非线性动态过程的能量积累在稳定状态和能量释放不稳定状态的煤和岩石系统(22]。

能源ΔU岩爆释放的能量是由岩石破裂的动态系统。能源主要来自于能源U_G构造应力场下产生。在岩石破裂后,仍然有一些精力,等于能量U_Z产生自重应力场。当煤和岩石积累的能量系统足以支持岩爆的发生,会发生岩爆的影响下外部的采矿活动。岩爆释放出来的能量是由岩石破裂的动态系统。因此,它与系统的维数。释放的能量岩爆及其相应的系统半径R可以获得“球体”破灭假定地面压力动态系统:

4所示。分析水的注入煤层煤岩系统中防止岩爆

4.1。机制的水注入煤层,防止岩爆

岩爆的发生不仅与采矿扰动也与煤和岩石系统的特点。煤和岩石的物理力学性质可以改变,以防止岩爆的发生。因为结构表面和内部裂缝的煤岩体在煤岩系统中,岩石破裂的地方通常是位于弱者的结表面或裂纹扩展。累积释放弹性能量形成岩爆应力状态时,会变得不稳定。内部裂缝收敛,成核,扩大在系统不稳定。因此,煤层的应力状态可以改变通过增加骨折和孔隙水饱和度(23通过注水。因此,煤和岩石的应力和能量集中系统将减少,这可以避免岩爆的发生。在煤层注水预防岩爆的过程实际上是一个水驱动气体(24,25]。煤层中的水迁移在注射可以被视为移动界面的渗流力学问题(26]。

4.2。分析水的迁移在煤层注入

在煤层注水钻孔通常平行钻孔。水注入煤层的力学模型如图7。假设R的润湿半径在煤层注水,R_W注水钻孔的半径,r_c水前表面的半径,这是水界面时漏到煤层钻孔过程中随时间变化的水注入。水前表面的位移F(R t)是一个时间的函数t,它可以表示为

移动界面的速度是位移随时间的变化速率: 在哪里u流体粒子的速度。从方程(10),我们可以得出以下几点:

方程(12)代入方程(11),水边界面,也就是说,水从钻孔中前进的速度(流体粒子的径向速度):

为了获得流体粒子的径向速度和注射时间计算,渗流方程两边的气体和水的界面必须解决。

考虑到循环形成,外半径 。压力与原始压力保持不变 ,和注水压力Pw也是常数外边界 。假定地层渗透率是均匀和各向同性 。水的粘度 ,和气体的粘度 。由于内部和外部边界压力保持不变,注入体积通常保持稳定。所以,它可以被认为是两相流的水和气体稳定渗流。的水接口上可以得到如下:

根据达西定律,水和气体渗流速度方程,分别为:

基于Dupuit-Forchheimer方程、水的运动规律和气体接口可以通过渗流速度V:

的积分方程(17)可以得到:

喷水孔的半径与外半径相比非常小吗注水的区域。方程(18)可以简化如下:

通过方程(19),所需的时间在煤层注水半径可以计算。与此同时,我们可以计算注水半径根据一定的注射时间,这可以作为一个重要依据确定钻孔的布局。也表明,注水对同一区域的长度取决于压力梯度。和压力梯度越大,时间越少。煤层注水压力增加时,很容易失败,渗透率增加,从而缩短注射时间和提高注水效率。注水时间可以通过实验确定注水测试。

4.3。岩石突出系统和水注入煤层跃进我的

10点:09:59,2011年3月1日的下巷25110跃进煤矿的工作接口有一个岩石破裂与2.071级。岩爆发生时,210∼410远离车道的影响较低。总的来说,长度为200米的车道是受到影响,和3人轻伤。发病率有广泛影响力的23130年工作界面和地面震动。岩爆发生的位置离地面1014米和268米的工作界面。根据方程(8)和(9Δ),能量U和系统尺寸半径跃进煤矿“3.1”岩爆的动态系统。

根据U= 10^{1.695毫升+ 3.18},能量ΔU= 4.9×10⁶J岩爆释放的动态系统。维岩石破裂半径动态系统是312.84米。

在图8,可以看出“3.1”爆炸地面岩石的破裂压力动态系统半径为312.84米,从12月14日,2006年,当25090年工作界面低时岩爆巷开采采用159 3月1日,2011年的下巷25111工作接口有14个岩石破裂,其中有8岩石破裂的下巷25090工作界面内的岩石破裂动态系统和岩石破裂在25111的工作界面。岩石破裂的发生影响和控制系统能量。岩石破裂后,系统能量可以交流,补充,并存储在一定时期。当能量到达临界点的岩石破裂,又会发生岩爆。因此,它可以表明,岩爆的预防措施的实施的及时性。我是安全实施期间内的预防措施。当时间走了,安全生产将受到威胁时系统能量补充到一定程度可能发生岩爆。

我们收集了25110年的煤炭样本表面工作,减少他们的标准煤炭在实验室标本。煤的抗压强度测试标本后3、7、14、21天注水。如图9没有水,煤试样注入了突然的脆性破坏特征,而煤炭标本与注水显然是增塑的快速变形增加。与含水率上升,标本的强度降低,尽管一段时间的浸泡时间的增加。它可以确定,当注入和软化周期是14天,抗压强度是最低的,样品不会导致不稳定故障软化率为65%。

根据25110年的采矿实践小组在跃进煤矿,并行注水钻孔排列在巷道煤壁,即煤岩系统,以减轻地应力,防止岩爆。注水钻孔的半径是90毫米,水井之间的距离是5米,注水压力是20 MPa,注水时间14天。采用测量煤层注水后,岩爆灾害已经有效地避免,和煤矿的安全、高效生产已经实现。

5。结论

(1)通过测量和分析地应力的岩石破裂在中国,可以证实的应力集中系数σ₁,σ₂,σ₃在构造应力场k₁= 2,k₂= 1,k₃分别为= 0.7。(2)煤和岩石系统的模型基础上建立了构造应力。煤和岩石的能量之间的关系系统和半径决定,规模和法律的能量积累、释放和转移。岩爆是一种非线性动态积累能量的过程处于稳定状态,并释放能量的不稳定状态。(3)基于流体力学和多孔介质的特点,煤层的注水来缓解地应力的测量提出了煤层和移动界面理论是使用。通过改变煤和岩石的应力状态,应力和能源煤和岩石系统的浓度降低。注水时间和流量之间的关系和压力决定。(4)通过分析煤岩系统中发生的岩爆的面板25110跃进我3月1日,2011年,它可以证实,煤岩系统中释放的能量是4.9×10⁶J和空间半径是312.84米。并行注水钻孔排列在巷道煤壁,即煤岩系统,以减轻地应力,防止岩爆。注水钻孔的半径是90毫米,水井之间的距离是5米,注水压力是20 MPa,注水时间14天。

数据可用性

使用的实验数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金资助(批准号51604139),中国国家重点研究发展计划(批准号2017 yfc0804209),辽宁省教育部资助项目(批准号LJYL037),研究中心的研究基金安全的煤炭资源开发和清洁利用工程(辽宁科技大学)(批准号LNTURCCRSMCU)和国家重点实验室培育基地的研究基金会的天然气地质和气体控制(河南理工大学)(批准号WS2018B05)。