煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究-973标书

项目名称： 煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治

基础研究

首席科学家： 姜耀东 中国矿业大学（北京） 起止年限： 2010年1月-2014年8月

依托部门： 教育部 国家安全生产监督管理总局

一、研究内容

（一）关键的科学问题

随着矿井深度和开采强度的不断增加，与浅部开采相比，深部采区的地质构造、应力场特征、煤岩体的破碎性质与动力响应特征、岩层移动以及能量的积聚释放规律均发生了显著变化，深部矿井动力灾害的致灾机理、触发条件、演化规律以及显现特征不同于浅部煤矿工程。目前，我国煤炭资源已转入深部开采，但相关的基础研究还不够系统深入，缺乏对深部开采条件下动力灾害的孕育-发生-演化机理、基础科学问题以及预警防治对策的系统研究，亟待在相关的基础理论方面取得突破，建立煤矿深部动力灾害综合防治的理论与技术体系。

针对国家能源的重大需求以及煤炭深部开采中存在的重大问题，本项目拟解决以下四个关键科学问题：

1、地质赋存条件对深部煤矿动力灾害的作用机制及量化分析方法

在长期的地质演变过程中深部煤岩体内蕴藏着巨大的变形能，其储能程度和原岩应力分布既取决于煤岩体的硬度、致密性和矿物成分，也取决于地质构造、断层、褶曲的程度。同时深部煤层开采时坚硬顶板(特别是厚层砂岩顶板)的运动失稳也是导致矿柱和采场巷道工作面发生瞬时冲击动力灾害的诱因。因此深部煤岩动力灾害与煤岩组分、断层、褶曲、原始应力场和构造应力异常密切相关，如何科学定量描述地质赋存条件的作用机制及其与煤矿动力灾害的相关性是一个共性科学问题。通过研究这一科学问题，揭示煤岩体的冲击倾向性、地质构造和原岩应力条件对煤矿深井动力灾害成灾的作用机制。

2、深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征

深部煤岩体通常为含有节理裂隙的层状结构。深部煤炭的集中开采强烈扰动使得采场和巷道周围的煤岩体不可避免地发生变形和破坏从而形成断续结构。在多次开采扰动和长期的流变过程中，这种断续结构煤岩体会出现新的破裂和强度不断衰减的循环过程，从而导致大变形、强流变和超低摩擦效应，在一定条件下将会引起冲击地压、顶板大面积来压、矿震等煤矿动力灾害。在深部煤炭开采工程中，巷道围岩的破坏并不意味着巷道的失效，围岩的突发性动力破坏是由于断续煤岩体结构特征、外载荷作用、岩石卸压与能量释放的共同作用结果。因此通过探索深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征这一科学问题，研究断续煤岩体结构特征及破裂后的变形破坏特征，研究允许围岩破坏但限制其变形发展的稳定条件，从而搞清楚巷道围岩破裂后（峰后）的力学响应、围岩失稳特性及其演化规律和动力失稳控制对策。

3、采动应力分布、能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理

开采前煤岩体处于深部三维应力平衡状态下，开采活动打破了原有的应力平衡，导致采场三维空间中的宏观应力场与能量场的重新分布，这种应力场与能量场的动态演化与发展必然为动力灾害的孕育、发生和发展创造条件。因此采动应力分布和能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理是本项目的重要科学问题。通过回答这一科学问题，揭示深部裂隙煤岩体在开采过程中的能量积聚与释放机制、能量场的时空演化规律以及动力灾变的能量触发条件，提出基于能量突变的深部煤岩体动力失稳的模型与判别准则和能量分析体系。

4、深部煤矿动力灾害的多参量监测预警与防治的理论与方法

在深部煤矿动力灾害孕育发展过程中，煤岩体中的应力状态将发生变化并同时伴随能量的释放，其中，微震、声发射、电磁辐射就是这种释放过程的物理效应之一。研究煤岩体在变形破坏过程中的应力、微震、声发射、电磁辐射等前兆信息规律，通过监测、分析井巷和采场附近煤岩体的应力变化及微震、声发射和电磁辐射活动等前兆信息的多参量动态变化趋势，就可以建立煤岩动力灾害监测预警系统进行预警预报和有效的防治。因此，研究深部煤矿动力灾害的前兆信息、多参数识别理论与预警模型，是进行灾害准确预测和有效防治的前提，是急需解决的科学问题。同时从冲击地压等动力灾害发生的条件入手，研究如何实现对煤岩体弹性能积聚与释放进行有效控制的开采方法与防治技术(如深孔断顶爆破、定向水力致裂等)，从而实现对深部煤矿动力灾害的有效预防。

（二）主要研究内容

围绕上述关键科学问题，具体研究内容如下：

1. 深部煤矿动力灾害的地质构造条件、原岩应力特征及相互作用机制

研究我国深部煤层地质构造特征，探索煤层、顶底岩层空间结构、宏观力学性质与动力突出之间的关系，从本质上把握煤、岩石的宏观力学特性及其冲击倾向性的内在属性；研究煤层断层褶曲构造特征与构造应力分布规律，建立地球物理信号精细探测响应特征和反演解释理论和综合探测方法；研究煤岩石矿物成分和细观结构与冲击倾向性的耦合关系和模型描述，构建煤、岩石组分和细观结构冲击倾向性的判别准则。

2．深部断续煤岩体的变形破坏规律及其动力响应特征

研究深部煤岩石在载荷作用下(包括加载和卸荷)破裂后演化（后破裂）规律及其力学特性，探索煤、岩石微结构、裂隙分布特性对岩石破裂及其演化的影响规律，获取岩石破裂后继续破碎过程中强度衰减的真实演化特征；研究断续煤岩体的结构变形破坏规律，探讨不同尺寸结构煤岩体的变形机制、结构面效应和破坏准则；研究断续煤岩体的结构面变形和断层错动过程中超低摩擦效应和动力响应特征，揭示深部煤矿动力灾害的致灾机理。

3．深部采动应力场时空分布规律及对动力灾害孕灾过程的控制机理

研究深部高地应力与强开采条件下覆岩破断方式、覆岩空间结构形式和运动规律，建立覆岩空间结构模式与动力灾害的关系模型；研究“覆岩空间结构-空间应力场-区域性冲击”与“局部应力异常-局部微震”的多尺度深部动力灾害的触发机制、孕灾过程及判别准则，建立覆岩空间结构运动与采动应力场耦合过程中的应力突变、能量激增的非线性动力学模型；揭示深部开采诱致覆岩运动与采动应力场时空分布对动力灾害孕灾过程的控制机理。

4．深部开采过程中能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理

研究深部原岩应力场与动态开挖耦合条件下的煤岩体动力失稳破坏的机理及触发条件，揭示开挖过程中原岩应力场与能量场的变化规律、能量积聚与演化的时空规律以及多因素耦合灾变机理；从能量角度研究深部岩体动力失稳的力学机理、触发条件；提出基于能量突变的深部岩体失稳破坏的能量准则；建立开采扰动下深部岩体动力灾害的能量分析体系。

5．深部煤矿动力灾害的监测预警理论与综合防治方法