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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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、
6、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
7、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
8、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
9、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研究煤岩动力灾害发生的不同信息前兆特征及其耦合特征、变化规律和演变机理；探索煤岩动力破坏全过程的可测信息特征及变化规律；建立深部煤岩动力灾害的多参量前兆信息识别理论；研究优化开采设计防治煤矿深部动
10、力灾害的理论和动力灾害解危技术方法，建立适合我国煤矿深部动力灾害综合防治的理论与技术体系。二、预期目标揭示深部煤矿动力灾害的发生机理，发展和完善深部煤矿动力灾害相关的矿山压力理论，探讨深部煤矿动力灾害的地球物理探测方法，建立深部煤矿动力灾害防治的理论体系和技术方法，为深部煤炭资源的安全、高效开发和我国深部煤炭工业基地的可持续发展提供科学依据和理论基础，促进相关学科基础理论的发展。在国内外核心学术期刊发表论文150篇以上，其中SCI、EI收录论文100篇以上，有重要国际影响的论文20篇以上，出版著作3-5部。申请专利6-8项。在深部煤矿动力灾害预测与防治研究领域，取得一批具有国际影响的研究成果。
11、培养博士后、博士生和硕士生70-80名，凝聚和培育国内一批高水平研究队伍，培养本领域的优秀科学家及创新团队。建立国内一流深部煤矿动力灾害研究平台，完成1-2个深部煤矿动力灾害监测与防治的示范工程，为我国煤炭工业的可持续发展奠定理论与技术基础。三、研究方案（一）学术思路本项目以国家重大需求和学科前沿为导向，针对动力灾害多学科交叉的特点，以冲击地压、顶板大面积来压、矿震为重点研究对象，探讨深部动力灾害威胁煤层安全开采的重大科学问题。以岩层运动、矿山压力和地质力学思想为指导，以地球物理、数学、力学和灾变学为主要手段和方法，重点研究深部煤矿动力灾害的地质力学基础、采动环境下力学条件变化以及由此引发的煤
12、岩体在“时间-空间-强度”方面的动力响应规律；在此基础上，研究这种动力响应规律在物理场、能量场以及相互作用效应的监测原理，为建立监测预警和控制技术体系奠定理论基础，总体学术思路见图2。分析模型1. 地质赋存条件与深部动力灾害相关性的分析模型2.岩层运动诱发动力灾害模型3. 动力灾害激增互馈作用与多尺度非线性动力学模型致灾机制1.地质异常诱发动力灾害机制2.采动应力环境下的致灾机制3.深部动力灾害的时空演化规律与多因素耦合致灾机理理论与技术体系1.地质异常带精细探测理论2.动力灾害的多参量预警理论3.高应力环境下动力灾害的防治理论与技术体系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深
13、部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征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深部煤矿动力灾害的多参量监测预警与防治的理论与关键技术煤炭深部开采中的动力灾害机理与防治基础研究四个关键科学问题研究对象：深部煤矿动力灾害研究方法工程调研 室内测试理论研究 数值仿真现场监控 综合防治研究基础采矿科学 煤田地质学岩体力学 非平衡态热力学地球物理学 非线性动力学结构非稳定理论 灾变学综合研究方法多学科交叉与集成图2 总体学术思路以深部煤岩结构在应力场、构造场以及震动波作用下的动力响应为基础，研究微震、声发射以及电磁辐射的前兆信息特征参数及其临界值，揭示前兆信息多参量与应力、煤岩结构的
14、物理力学参数、能量耗散以及震动波强度之间的关系，形成煤岩动力灾害的多参量监测理论与预警技术。（二）技术路线本项目将采用现场调查、室内试验、理论分析、数值仿真和现场试验相结合的研究方法对深部煤矿动力灾害的灾变机制及其防护措施开展深入细致的研究工作。应用地震勘探和测井理论与技术，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，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; 采用扫描电镜、工业CT、核磁共振、数字散斑等先进的观测手段, 考察深部煤岩体的微结构特征、裂隙特征和块系结构特征, 从本质上把握煤、岩石宏观力学特性及其冲击倾向性的内在属性；研究煤岩石矿物成分和细观
15、结构与冲击倾向性的耦合关系和模型描述，构建煤、岩石冲击倾向性判别准则。改变传统的以纯煤、顶底板岩石试样的物理力学性质为基础的研究方式，针对深部煤炭的集中开采强烈扰动下煤岩体断续节理结构的特点，研究岩石破裂后继续破碎过程中强度衰减的真实演化规律，考察断续煤岩体结构特征及破裂后的变形破坏特征，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，揭示深部煤岩峰后力学响应、失稳特性及其演化规律和动力失稳控制对策。深部煤矿动力灾害的孕育、发生和发展创造条件与采动应力分布和能量场的时空演化关系密切。冲击地压、顶板大面积来压、矿震发生的本质就是承受高地应力的采场巷道周围煤岩体内，积聚大量弹性能
16、量突然释放的过程。从能量角度研究深部岩体动力失稳的力学机理，建立覆岩空间结构运动与采动应力场耦合过程中的应力与能量突变的非线性动力学模型，进而提出深部动力灾害的多尺度触发条件、失稳判别准则和能量分析体系。以新汶矿业集团、开滦矿业集团和鸡西矿业集团等动力灾害矿井为对象，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，研究煤岩体在变形破坏过程中的各种前兆信息及其耦合特征、变化规律和演变机理，建立深部煤岩动力灾害的多参量前兆信息识别理论与预警模型，研究优化开采设计防治煤矿深部动力灾害的理论和动力灾害解危技术方法，建立适合我国煤矿深部动力灾害综合防治的理论与技术体系。总体技术路线框图
