坚硬砂岩顶板失稳摩擦效应与采空区瓦斯爆燃机理研究

Gas and hard sandstone roof are prevalent in our country coal mine. Recent years, several gob gas explosion and combustion accidents occurred caused by rock stratum instability and movement, and its mechanism has not comprehensive and systematic studied. The hard sandstone will be choose as the study object, mechanism of gob gas explosion and combustion ignited by friction effects of hard sandstone roof instability will be thorough studied by integrated study means of site investigation, theoretical analysis, laboratory tests and numerical simulation. The main contents are: Determine the coupling dynamic effect relationship between gob stratum instability and gas migration. Analyze the energy conversion feature and thermal radiation feature during sandstone frictional movement. The main factors and secondary and inhibit factors of gas ignition by sandstone friction effects. Achieve quantitative evaluation of relevant hazard and hazardous areas partition，forming hierarchical prevention and control technology system. Through these studies, determine the mechanism of gob gas explosion and combustion ignitied by sandstone friction effects, improving gas hazards prevention and control technology, improve coal mine safety mining technology system, which have important theoretical value and applied value.

坚硬砂岩顶板与瓦斯在我国煤矿中普遍存在。近年来，我国煤矿发生过多起因岩层失稳运动引发采空区瓦斯爆炸和燃烧事故，尚未对其机理开展全面、系统研究。本项目以坚硬砂岩为研究对象，采用现场调研、理论分析、室内试验和数值模拟综合研究手段，研究采空区坚硬砂岩顶板失稳摩擦效应及其引燃引爆瓦斯机理。主要内容有：采空区岩层失稳特征及瓦斯运移动态响应；砂岩失稳摩擦运动过程中能量转化与热辐射特征；砂岩摩擦效应引燃引爆瓦斯的主要因素、次要因素和抑制因素；危险性量化评价及危险区域划分；解危技术措施与分级防治技术体系。通过上述研究，明确砂岩摩擦效应引发采空区瓦斯爆燃机理，完善瓦斯灾害防治技术措施，健全矿井安全开采技术体系，具有重要的理论价值和应用价值。

坚硬砂岩顶板与瓦斯在我国煤矿中普遍存在，对于坚硬砂岩失稳垮冒摩擦效应及其引发采空区瓦斯爆炸燃烧，机理尚未完全明确，往往在发生相关事故后才意识到此类事故隐患的存在，因而易成为瓦斯防治工作的死角。因此研究坚硬砂岩失稳摩擦效应及其引发瓦斯爆燃的影响因素，明确事故发生机理，对保障煤矿的安全生产具有重要意义。. 项目通过现场调研、理论分析、室内试验和数值模拟综合研究手段，分析了采空区岩层失稳及瓦斯运移动态响应特征，研究了坚硬砂岩摩擦效应与瓦斯反应特征及影响因素，明确了砂岩摩擦效应引燃瓦斯机理，划分了事故发生的高危区域，提出了该类事故的综合防治技术措施。研究表明，坚硬砂岩摩擦过程产生的热量能够引燃瓦斯，与摩擦过程产生的火花束和高温岩粉流相比，高温热摩擦面更易引燃瓦斯，是主要点火源。长壁开采条件下，顶板岩层初次破断后，岩层侧向破断尺寸与岩层厚度比值常大于2.6；顶板周期性破断时，岩层侧向破断尺寸与岩层厚度比值常小于2，顶板岩层周期性破断期间更易发生滑落失稳。边界支承条件对岩层滑落失稳发生影响较大，岩层破断时简支边界较固支边界更易发生滑落失稳，厚度大于11m的岩层初次破断时、厚度大于4m的岩层周期破断时，在简支边界处即可满足滑落失稳发生条件。坚硬砂岩间相对摩擦速度v<6.0m/s时，岩石内石英含量的高低对最高摩擦闪温影响不大；相对摩擦速度v>6.0 m/s时，最高摩擦闪温与砂岩内石英含量呈正相关。摩擦速度越大，摩擦面热量密度越高，点火能量越大，瓦斯越易被引燃。当工作面上部为已采空区域，采场上部破断三角岩块是硬砂岩顶板垮落引燃采空区瓦斯的危险区域，可从顶板弱化、瓦斯治理、通风系统优化等几个方面开展防治工作。. 项目的研究成果丰富了岩层运动于控制相关理论，完善了矿井瓦斯灾害防治技术措施，健全了矿井安全生产技术体系，具有重要的理论价值和应用价值。