深部煤层低瓦斯耦合灾变机制

李铁^1,2，皮希宇^1,2,3

1. 北京科技大学金属矿山高效开采与安全教育部重点实验室2. 北京科技大学土木与资源工程学院3. 中国煤炭科工集团有限公司

摘 要：为探索深部开采中消突并达到安全开采条件煤层发生瓦斯异常涌出或煤与瓦斯突出的成因,通过文献调研和现场调查,确认含瓦斯煤层低压灾变的存在;通过现场瓦斯监测、微震观测、实证分析,认识消突煤层低瓦斯灾变的过程与成因;通过含低气压大煤样气-固耦合物理试验和理论分析,研究承压煤样低气压应力-应变-渗流场演化路径和气-固耦合物理灾变机制。结果显示,进入深部开采后陆续有消突达到安全开采条件煤层发生低瓦斯灾变现象的报道;现场观测和分析揭示出顶板来压、顶板来压破断冲击和底板来压起臌冲击作用下煤层低瓦斯灾变的模式;模拟采、掘工作面边界条件,0.4 MPa气压条件下的气-固耦合物理试验观察到了低气压灾变过程的3个阶段:弹性压密——气体常速与减速稳态渗流、塑性扩容——气体增速非稳态渗流、破裂失稳——气体非稳态渗流灾变。得到:在防突措施扰动下,稳压区煤层已不再是原生状态裂隙,而有大量新生裂隙产生,为瓦斯解吸游离创造条件,可形成局部富集区,是瓦斯低压灾变的发动区;分析得出采动超前区段瓦斯赋存状态"三带"动态演化规律,根据峰值应力,定量划分出40%极限弹性、极限弹性和极限破坏载荷所对应的"三带"动态演化特征;采动瓦斯赋存"三带"动态演化是导致低压瓦斯灾变的主要原因;提出了瓦斯普通涌出-低值异常涌出-高值异常涌出的灾变过程和条件;顶、底板破断冲击动压叠加作用下,可导致含瓦斯煤层低压灾变提前发动。

关键词：瓦斯三带;冲击地压;矿震;低瓦斯灾变;煤与瓦斯突出;瓦斯异常涌出;