1、煤與瓦斯突出是指在壓力作用下，煤礦井下采掘過程中破碎的煤和瓦斯由煤體內(nèi)突然向采掘空間大量噴出的一種動力現(xiàn)象。它是煤礦生產(chǎn)中所面臨的一種主要的瓦斯災害。
　　 石門揭煤過程煤與瓦斯突出危險程度高、強度大。隨著煤礦往深部開采，我國現(xiàn)有石門揭煤防突措施較難通過超前抽排放瓦斯達到減少煤層瓦斯含量和降低煤層瓦斯壓力而有效防突。本論文針對我國現(xiàn)有防突技術(shù)的優(yōu)缺點，根據(jù)石門揭煤過程煤與瓦斯突出機理、煤層注水工藝過程和人工土凍結(jié)技術(shù)應(yīng)用實踐，提

2、出了石門揭煤注液凍結(jié)防突方法，在理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，對該方法的理論基礎(chǔ)和技術(shù)的可行性進行了深入研究，其主要研究內(nèi)容和成果如下：
　　 (1)石門揭煤過程煤與瓦斯突出的動力能量主要由彈性應(yīng)變能和瓦斯膨脹能組成。瓦斯突出的主要能源來自于瓦斯的膨脹能。根據(jù)煤與瓦斯突出能量平衡式，石門揭煤過程瓦斯突出發(fā)生與否主要取決于瓦斯突出動力源與突出消耗能在動態(tài)醞釀過程中能否保持平衡。瓦斯突出能量量變或者突變到某臨界能量值，其大于

3、瓦斯流突破裂隙角聯(lián)通道所需的消耗能量，瓦斯突出就能瞬時或者延時發(fā)生；
　　 (2)石門揭煤工作面待揭的突出煤層注水凍結(jié)后，將從增加突出煤層瓦斯吸附量V、降低突出煤層瓦斯壓力P、降低突出煤層瓦斯放散初速度△p、提高突出煤層力學性能、降低卸壓區(qū)瓦斯突出危險性等方面有效防突；
　　 (3)用改造后的WY-98A吸附常數(shù)測定儀，首次獲取了低溫條件下(T≤0℃)煤的CH4吸附常數(shù)a、b值。通過數(shù)據(jù)擬合，當溫度T≤0℃時，煤對CH4

4、等溫吸附曲線仍屬于第Ⅰ類吸附等溫線，可以用Langmuir方程來表征煤對CH4的低溫吸附模型。由實驗結(jié)果可知：不同溫度時，同一煤樣在相同壓力下，吸附量與溫度呈近似線性負相關(guān)關(guān)系，隨溫度降低，煤吸附甲烷能力提高；
　　 (4)通過注水凍結(jié)成型煤樣的單軸抗壓強度實驗，發(fā)現(xiàn)其受壓后變形分為四個階段：壓密階段、彈性階段、塑性屈服階段和破壞階段。隨著凍結(jié)溫度的降低，成型煤樣的單軸抗壓強度和彈性模量都明顯增大；泊松比的變化不明顯，但整體成減

5、小趨勢。凍結(jié)溫度低于-20℃時，成型煤樣的單軸抗壓強度和彈性模量增加不明顯；
　　 (5)通過水泥槽模型煤體凍結(jié)實驗表明：凍結(jié)區(qū)形成以凍結(jié)管中心為圓心、半徑為R沿徑向隨時間擴展的凍煤圓柱。隨著凍結(jié)管不斷的供冷，凍煤圓柱直徑不斷增加，凍煤圓柱內(nèi)的溫度逐步下降，槽中煤、瓦斯和水三相體最終變成堅硬凍結(jié)體，極大地提高了其抗壓強度和彈性模量等力學性能。同一凍結(jié)時間，距離凍結(jié)管越近，煤體獲得冷量越多，煤體溫度越低；
　　 (6)應(yīng)用

6、東北大學氣固耦合巖石破裂過程RFPA2D分析軟件，建立了石門揭煤瓦斯突出過程氣固耦合作用的數(shù)學模型，根據(jù)凍結(jié)區(qū)突出煤層物理力學性能參數(shù)，數(shù)值模擬了注液凍結(jié)后龍家山煤礦-400水平2號石門揭露不同溫度的6凍結(jié)煤層過程。數(shù)值模擬表明：注液凍結(jié)后煤層溫度下降到-15℃以下時，該石門揭煤工作面將不會發(fā)生煤與瓦斯突出；
　　 (7)應(yīng)用ANSYS有限元程序，根據(jù)龍家山煤礦-400水平2號石門揭煤工作面施工參數(shù)，建立了凍結(jié)區(qū)溫度場數(shù)值模擬計

7、算模型，分析了不同時期凍結(jié)區(qū)溫度擴展云圖，得出不同凍結(jié)時間凍結(jié)區(qū)有效范圍、平均溫度、交圈時間及擴展速度。數(shù)值模擬表明：距離中心越近，凍結(jié)區(qū)煤層溫度下降越快。把-15℃作為石門揭煤注液凍結(jié)防突工程煤層控制溫度，該石門揭煤工作面大概需要35-40天凍結(jié)時間才能滿足防突要求；
　　 (8)石門揭煤工作面待揭的突出煤層注水凍結(jié)后，將減少煤與瓦斯突出的瓦斯動力源，增加煤層抵抗瓦斯突出的阻力，從而有效防治石門揭煤過程煤與瓦斯突出。因此，結(jié)合