采矿与安全工程学报

程桦, 王晓云, 姚直书, 郭龙辉, 林键

2025, 42(6): 1229-1239. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0222

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针对西部地区侏罗系泥质胶结岩层钻井法凿井破岩效率低下问题,开展该类岩层可钻性分级方法研究。测试西部地区典型侏罗系不同岩性的完整性系数、贯入度、脆性指数、硬度和磨蚀性指数等可钻性特征参数;分析岩石的荷载贯入度曲线变化规律和破坏形态,以及贯入度与主要可钻性特征参数间的关系,给出破岩比能SE与地下工程岩体质量指标［BQ］的关系式;基于《标准》分级框架,提出以破岩比能SE和岩石可钻性特征参数作为分级指标的侏罗系岩石可钻性分级方法。研究表明,侏罗系岩石贯入曲线可分为非线性压密、密实核形成和发展、裂隙扩展及峰后破坏4个阶段,且具有显著的塑性破坏特征;破岩比能SE与岩石单轴抗压强度、岩体完整性系数、硬度、磨蚀性指数CAI呈正相关,与脆性指数呈负相关;基于西部矿区某中央回风立井钻井法凿井工程钻进数据,验证了提出的侏罗系岩石可钻性分级方法的有效性和准确性。研究结果可为西部矿区侏罗系岩层钻井法凿井可钻性评估预测,以及类似条件高效钻进技术研究提供有益参考。

基于 C-S 双液浆含水层注浆的井壁应力响应研究

赵光思, 王正宇, 杨欢, 史朝阳, 陈子轩,

2025, 42(6): 1240-1251. doi:10. 13545 / j. cnki. jmse. 2024. 0293

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含水层注浆加固是防治立井井壁因周围含水层疏水沉降而破裂的有效方法。采用水泥水玻璃(C-S)双液浆,依据浆液凝胶时间及其结实体抗压强度正交试验结果,确定C-S双液浆在含水层注浆加固中的最优配比;在此基础上,建立FLAC^3D数值模型,探究不同注浆时机下加固距、注浆压力参数和加固区作用对井壁应力状态的影响。研究结果表明:水玻璃浓度40°Bé、水灰比0.75、水泥水玻璃体积比1∶0.03的浆液配比,既能在含水层注浆加固中发挥水玻璃催化反应作用,又能保持结石体的一定强度;中部含水层(中含)疏水沉降造成的井壁竖向应力随深度增加呈非线性增大,且对井壁附加力的影响范围大于底部含水层(底含);中含注浆的最佳加固距为2～5倍井壁外径,此范围内注浆可有效降低井壁竖向应力;结合加固距和井壁竖向应力增长率的变化,中含压缩量达到井壁外径的7.5％时是进行注浆加固的最佳时机。研究可从浆液配比、加固范围和加固时机等方面，为特殊工况下围土注浆防治井壁破裂工程提供理论支撑。

特厚煤层综放窄煤柱沿空煤巷切顶护巷效应与围岩控制

翟文立, 何富连, 王振, 刘东明, 宋佳宇, 伍严灏, 许旭辉

2025, 42(6): 1252-1268. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0040

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针对大同矿区特厚煤层窄煤柱沿空煤巷受大采出空间、强采动等影响引发的大变形难题,以马道头矿为工程背景,综合运用现场实测、数值模拟和现场试验等方法,研究基本顶断裂线位置、预裂切顶对沿空煤巷围岩偏应力全周期演化规律的影响。研究揭示基本顶断裂线位于实体煤上方、采空区上方时不利于沿空巷道围岩稳定的原因。深入分析掘进、回采阶段预裂切顶效应可知,预裂切顶能够降低沿空巷道围岩畸变能,应力峰值向远离巷道的位置偏移,同时在一定程度上改善沿空巷道围岩应变环境。通过现场试验实施 “切-锚-支-注” 综合控制策略后,沿空煤巷在掘进、回采阶段的稳定性良好,巷道整体变形可控。

顶板锚杆离散工作阻力影响巷道抗冲能力分析

成云海, 马梦想, 胡兆峰, 姚金鹏, 张修峰, 任文涛, 逄焕东, 万晓

2025, 42(6): 1269-1277. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0080

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实测发现新巨龙煤矿6305运输巷顶板锚杆工作阻力呈现显著离散性,这与当前巷道抗冲能力评价中采用的均匀假定相悖,且离散工作阻力对巷道抗冲能力的影响尚未得到研究。基于此,依据动静载叠加诱冲理论与Griffith能量理论,构建锚杆轴向工作阻力和地应力共同作用下的单裂纹损伤扩展模型,推导出裂纹扩展时临界应力与锚杆工作阻力的函数关系,阐明离散锚杆工作阻力促使局部裂纹率先扩展、贯通进而诱发整体失稳的规律;同时分别计算均匀和离散锚杆工作阻力下巷道的抗冲击能力,为分析离散锚杆工作阻力对巷道抗冲能力的影响提供直观依据。研究得出以下主要结论:冲击地压发生时围岩临界应力与锚杆工作阻力大小呈正相关关系,与锚杆和裂纹夹角呈负相关关系;在离散锚杆工作阻力作用下,顶板不同区域临界应力存在差异,6305运输巷顶板可承受的最大、最小动载分别为3.4 MPa和0.9 MPa;以均匀和离散锚杆工作阻力计算巷道抗冲击能力,结果分别为M_L1=4.9和M_L2=3.1,表明常规验算方法得出的安全值偏高。

侧向循环冲击下锚固结构损伤累积突变效应试验研究

王朋, 张农, 阚甲广, 韩昌良, 谢正正, 魏群, 项哲,

2025, 42(6): 1278-1291. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2025.0174

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侧向循环冲击引起的锚固结构疲劳损伤及性能劣化是深部地下空间失稳破坏的重要诱因。以锚固结构承载性能衰减与裂隙演化的内在关系为主线,揭示侧向循环冲击下锚固结构的累积损伤及突变失稳效应。首先,开发出一套预应力实体锚杆锚固结构冲击试验装置与方法,能较好还原现场侧向循环冲击应力路径;其次,开展锚固结构侧向循环冲击试验,阐明其动力学响应特性,发现预紧力损失可分为震荡下降、拉伸增长、缓慢下降和破坏下降阶段,抗冲击能力与能量水平成反比,以250 J为基准,150 J及350 J能量下抗冲击次数变化幅度分别为1 455.6％和55.6％,且与锚固长度成正比,以端头锚固为基准,加长锚固及全长锚固抗冲击次数变化幅度分别为144.4％和233.3％;然后,构建侧向冲击下锚固结构三介质两界面力学模型,明确剪切压缩应力、拉伸应力与压拉快速转换形成的震荡效应是导致锚固结构承载性能衰减的主要内在因素,而预紧力阶段性降低及轴力波动变化则是震荡效应与拉伸效应相互抵抗的外在表现;最后,揭示侧向循环冲击下锚固结构的累积突变失稳效应,即介质破裂-界面脱黏-承载力衰减互馈叠加引发整体突变失效,失效过程依次为震荡主导阶段、震荡／拉伸／剪切主导阶段及剪切主导阶段,压缩效应贯穿始终,整体从震荡效应向拉伸效应再向剪切破坏效应逐渐演化,进一步提出针对性控制策略,为深部冲击动载巷道长期稳定性维控提供借鉴。

锚杆(索)预紧力转化与损失规律研究及工程应用

徐强, 夏泽, 姚强岭, 李学华, 都书禹,

2025, 42(6): 1292-1301. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2025.0235

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锚杆(索)预紧力是影响巷道围岩稳定性的关键参数,其转化效率与损失规律直接关系到支护系统的性能与工程安全。针对现阶段预紧力转化效率低、损失显著等问题,基于大型类岩物理模型,系统开展不同锚固长度(35,49,70 cm)与偏转角度(0°,15°)条件下的锚杆预紧力加载试验。结果表明:适中的锚固长度(49 cm)转化效率最佳,过短或过长均不利于预紧力有效转化;偏转角度对短锚固锚杆有积极作用,但对长锚固锚杆可能产生不利影响。锚索方面,通过对加载、卸载和围岩变形3个阶段的预紧力演化过程分析,识别出摩阻衰减、弹性回缩及围岩适应性变形为主要损失机制,其中张拉过程中的界面摩擦、张拉泵卸载过程中的弹性回缩导致的预紧力损失可达50％。现场工程试验表明,采用高预紧力加载能有效提升支护系统稳定性,保障工作面安全高效回采。研究成果为高预紧力支护技术的优化设计与工程应用提供了理论支撑和数据参考。

全尺寸预应力锚索应力腐蚀开裂实验研究

吴赛赛, 牟子辰, 任建举, 汪朝, 顾清华,

2025, 42(6): 1302-1312. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0341

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在国内外深部资源开发过程中,复杂工程地质条件和腐蚀环境导致的锚索应力腐蚀开裂已成为威胁矿山安全与正常生产的关键技术难题。尽管当前针对锚固材料应力腐蚀的研究取得一定成果,但深部腐蚀环境下巷道锚固结构失稳破坏问题仍未从根源上解决。为深入探究深部腐蚀环境中锚索应力腐蚀开裂的损伤失效现象,创新性地设计并构建全尺寸锚索拉伸实验装置,该装置运用周期性增加应变法,通过“腐蚀细胞”模式模拟锚固材料使用环境,开展全尺寸锚索试样的应力腐蚀开裂实验,测试并探讨不同种类锚索(包括锚索钢绞线数量、缠绕方式及表面粗糙程度)对应力腐蚀开裂的敏感度,同时通过检测锚索断裂的微观特征及裂隙传播方式,研究应力腐蚀开裂过程(裂纹萌生、扩展和最终断裂)的失效机制。研究结果表明:锚索钢绞线表面粗糙程度一致时,所含钢绞线数量越多,对应力腐蚀开裂的敏感度越低;钢绞线数量相同时,表面越粗糙,对应力腐蚀开裂的敏感度越高;表面为锯齿状的锚索虽能提升与水泥浆的黏结强度、增强荷载传递能力,但锯齿状外观致使钢丝横截面减小及高应力集中,反而增加应力腐蚀失效率。设计构建的全尺寸锚索拉伸实验装置及周期性增加应变实验方法,不仅可用于本研究模拟实验,还能广泛应用于其他工程领域锚固材料应力腐蚀开裂的实验室研究,实验结果可为不同地质与环境条件下锚索的设计选用、加固及使用维护提供坚实的理论基础与技术支撑,有助于提升矿山安全与生产效率。

近松散承压含水层下俯伪斜工作面安全控水技术研究

张炜, 曹林超, 张东升, 朱乐章, 李红光, 郭佳炜

2025, 42(6): 1313-1323. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0260

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有效实现顶板水安全防控是众多矿井亟待解决的技术难题之一。以淮北煤田祁南煤矿312工作面为工程背景,简要介绍了研究区水文地质条件,明确了“四含水”和砂岩裂隙水为工作面的主要充水水源。基于经验公式、数值模拟及现场观测方法,综合对比确定了研究区采动覆岩冒落带和导水裂隙带发育高度分别为15.80、49.96 m,冒采比和裂采比分别为6.22、19.67。在此基础上,确定了留设安全防砂煤岩柱的合理性,校验了原始设计的安全防砂煤岩柱留设高度(43.9～45.7 m)能够满足规范所要求的临界值(29.24 m),并基于采动顶板渗透性进一步评价了防砂煤岩柱的安全性。根据工作面采动条件下动态水和静态水的预测结果,设计了顶板水疏放技术方案并成功应用于现场。应用结果表明,工作面涌水量变化呈现出“整体增高—局部降低—最后稳定”的趋势,实测最大涌水量为预测最大值的68.3％,可有效防止顶板水灾事故的发生。研究成果可为其他类似条件工作面安全控水提供参考和示范。

采煤工作面双层坚硬悬顶水力压裂可控竖向切顶方法

刘江伟, 刘耀友, 刘长友, 余鑫

2025, 42(6): 1324-1335. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0292

摘要 ( 28 )

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首次提出一种水力压裂沿煤壁竖向断裂方法,可利用顶板岩层的弯曲变形产生的水平附加张拉应力,通过合理布置压裂点以促进水压裂缝的竖向起裂和扩展,从而达到竖向切断顶板的目的。研究揭示了最大水平拉应力的水力裂缝竖向起裂、扩展的力学机理;分析出高位石灰岩层的合理断顶位置距离煤壁更远,且随着悬顶长度、厚度、弹性模量及煤层弹性垫层系数的变化,断顶位置深入煤壁的距离逐渐增加,随着埋深的增加,合理断顶位置深入煤壁的距离略有增加。在西山煤电集团有限公司东曲煤矿18311工作面的工程应用中,该方法有效形成了竖向水压裂缝,成功切断了石灰岩层并促使灰岩顶板及时垮落。该方法具有可靠性和实用性,为现场施工提供了有效的指导。

大倾角煤层长壁采场顶板岩体结构演化机理倾角效应

王同, 杨科, 池小楼, 刘文杰

2025, 42(6): 1336-1347. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0437

摘要 ( 31 )

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煤层倾角使顶板变形破坏运动特征和所形成岩体结构的力学行为等区域性特征明显,导致在大倾角煤层开采中对围岩的稳定性控制异常复杂。论文采用物理模拟实验、理论分析相结合的研究手段,研究了煤层倾角对顶板破坏包络面展布的影响机理,揭示了覆岩破坏包络面内、外岩体结构演变与耦合作用机理。结果表明:随煤层倾角增大,破坏包络面内部破断块体铰接现象明显,反堆砌块体角度增大;破坏包络面外部围岩承载拱高度减小,承载拱围岩水平位移、垂直位移、合位移峰值均呈现出减小的演化趋势。倾斜砌体结构重力沿工作面垂直方向分力减小,砌体结构沿走向维度的回转主要受采空区低层位块体的区域性充填特征影响;沿走向平衡主要受块体物理力学性质与走向回转角控制。在水平载荷作用下,倾向下区域存在下凹段即近直线段;随煤层倾角增大,耦合承载拱高度减小,拱顶位置向倾向上部偏移,偏移幅度增大。研究揭示了大倾角长壁采场顶板岩体结构演化倾角效应,为大倾角走向长壁工作面开采顶板稳定性控制提供科学指导,具有重要的理论和实践意义。

下位采动诱发煤柱群-覆岩互馈失稳特征研究

李浩男, 白锦文, 冯国瑞, 史旭东, 马俊彪

2025, 42(6): 1348-1359. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2025.0110

摘要 ( 29 )

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以元宝湾煤矿6107工作面为工程背景,采用相似模拟、数值模拟及理论分析相结合的方法,划分了下位采动诱发煤柱群-覆岩的链动破坏过程,揭示了下位采动过程中煤柱群的应力演化规律,分析了下位采动诱发煤柱群-覆岩互馈失稳特征,解析了覆岩载荷及采动支承压力叠加影响下煤柱群的载荷响应特征,揭示了采动影响下煤柱群-覆岩互馈失稳的关键柱诱灾机理。结果表明:下位采动诱发煤柱群-覆岩的链动失稳过程可以划分为4大阶段,即煤柱群链动失稳孕育阶段、煤柱群链动失稳启动阶段、煤柱群链动失稳扩展阶段、煤柱群-覆岩互馈作用失稳阶段。柱式采空区下位煤层开采过程中,关键柱对煤柱群应力演化具有主控作用。煤柱群-覆岩互馈失稳特征体现在:随着关键柱的率先失稳,煤柱群链动失稳启动,触发级联效应,载荷极速传递与扩展,进而使得邻近煤柱群呈现出链动失稳特征;与此同时,覆岩失去支撑,大范围沉降,造成强大的冲击载荷,将覆岩自重传递至煤柱群,进一步带动更大规模煤柱群的链动失稳,引发下位工作面的强矿压显现,甚至造成压架事故。构建了覆岩均布载荷和采动支承压力叠加影响下煤柱群-覆岩承载体系的多跨连续梁力学模型,发现了煤柱群的非均衡承载特性,且关键柱承受的载荷最大,极易发生早期失稳破坏,进而诱发覆岩载荷和采动支承压力向相邻煤柱中转移和扩散,并带动整个煤柱群-覆岩体系的链动失稳。该研究有望为柱式采空区下位煤层安全绿色高回收率开采提供理论支撑与科学依据。

覆岩垮落冲击下采场底板动载响应特征研究

刘一洪, 王爱文, 赵洪宝, 于健洋, 代连朋, 施天威, 王伟男

2025, 42(6): 1360-1371. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0460

摘要 ( 26 )

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为了揭示顶板垮落冲击动载对采场底板稳定性的影响机制,基于采掘扰动对覆岩强度的劣化作用,提出了一种预测覆岩垮落特征的新方法。采用该模型计算了不同开采阶段顶板垮落岩块重量、作用面积及冲击应力时程曲线,并结合数值模拟分析了底板在7类典型冲击荷载下的动载响应特征。结果表明:采空区“见方”后,单次垮落岩块重量和作用面积趋于稳定,冲击荷载持时和波形差异减小;底板垂直应力经历快速加载、卸载和恢复3阶段;剪切应力则呈现正向—负向—正向加载及卸载4阶段,浅部应力响应显著强于深部;动载导致底板经历压缩-膨胀变形,底鼓量显著增加,并加剧破坏,底板最大张拉破坏深度增幅显著,而最大剪切破坏深度增幅有限。

细渣残碳的复合改性及其在矿山储能领域的应用研究

孙志辉, 王云搏, 马书轩, 李猛, 沈玲玲

2025, 42(6): 1372-1381. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2025.0140

摘要 ( 25 )

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创新性地以煤气化渣为原料,与钛铌二维碳材料深度融合,成功制备出具备优异电催化活性的纳米改性细渣复合材料,并在高比能锂-氧气电池领域实现了其有效应用。通过精准可控的物理活化与水热化学改性技术,细渣纳米非晶残炭被原位嵌入钛铌层状晶体的孔隙结构中,同时巧妙引入了高电化学活性的氧空位和C-N配位键合。这些创新设计显著降低了电池电极的极化效应,有效调控了电极反应途径和效率。改性细渣复合材料在锂-氧气电池中展现出卓越的性能:较低的充放电过电势、极高的放电比容量以及超长的续航稳定性。研究揭示了煤气化细渣在储能领域的潜在特性,与国家绿色低碳发展策略高度契合,为资源综合利用和环境保护的科学研究提供了创新成果。同时,为煤气化细渣的大规模高值化利用开辟了新方向,并为电化学储能领域低成本、高性能电极的选用提供了全新研究思路。

酸碱度对石英砂岩微波辐射升温损伤规律研究

陈登红, 汪朝家, 卢春生, 施伟, 王智鹏

2025, 42(6): 1382-1394. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0539

摘要 ( 22 )

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鉴于井下酸碱度差异与硬岩截割存在技术瓶颈的工程实际,研究酸碱度对微波辅助破岩技术的影响规律具有重要的理论价值与实践意义。对坚硬石英砂岩开展不同酸碱度(pH=3～11)在恒定功率(1.4 kW)、恒定时间(300 s)下的升温损伤试验,实时监测表面温升过程,运用对比方法分析辐射前后纵波波速、抗拉强度及细微观裂纹变化情况。结果表明:微波辐射导致含水石英砂岩表面出现局部高温区域,随着辐射时间的增加,高温区域逐渐向边缘扩散,最终呈现相对均匀的空间分布;偏酸性和偏碱性溶液预处理后均会降低石英岩石的抗拉强度,且在pH值为4和11时呈现最大弱化率,在酸性条件下,弱化效果随酸性增强而先增强后减弱,在pH=4时表现最佳,在碱性条件下,弱化效果随碱性增强而增强;纵波波速表征的损伤因子呈“W”形变化趋势,随着溶液酸性的增加,砂岩损伤因子呈先迅速上升后缓慢下降趋势,在pH=4时达到峰值,碱性状态下,损伤因子随碱性增强而增加,在pH=10时出现峰值,然后下降;通过细微观检测发现,随着溶液酸、碱性增强,石英砂岩表面裂纹扩展、内部孔隙增大,微波辐射后,石英砂岩在整个劈裂过程中,有多数能量在0.25σt～0.55σt阶段被释放,这是决定酸碱度对石英砂岩微波辐射后强度弱化的主要因素。研究成果为硬岩微波辅助破岩提供了新思路。

加卸载条件下不同影响因素对破碎煤岩体压实破碎特性研究

李波, 袁永, 梁运培, 王敬阳, 秦正寒, 刘宏宇, 李勇, 陈思卫

2025, 42(6): 1395-1408. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2025.0241

摘要 ( 29 )

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采空区破碎煤岩体的压实特性与颗粒破碎规律对覆岩运动控制具有重要影响。基于自主开发的试验装置,系统研究了加卸载条件下不同强度、粒径、煤岩混合比、加卸载次数对破碎煤岩体压实破碎特征及能量演化规律的影响。结果表明:破碎试样加卸载阶段,应变随应力的增加逐渐增加,但应变速率逐渐减小;破碎试样加卸载过程中应变的应力敏感性随试样强度增大而减小,随试样粒径增大而增大,随破碎煤岩试样中岩体所占比例和加卸载次数增加而减小;破碎试样相同应力加卸载试验后,混合体中初始粒径颗粒占比最大,破碎率随试样强度、粒径、破碎煤岩试样中岩体所占比例和加卸载次数的增加而减小;破碎试样加卸载过程中破碎能占比最大,摩擦能次之,弹性能最小,其中,弹性能占比随试样强度、粒径及试样中岩体所占比例的增大而减小,随加卸载次数的增大而增大。研究结果对分析上覆岩层移动规律、地表沉陷预测、充填开采材料配比等具有重要指导意义。

温度影响下胶结充填体三轴压缩能量与损伤演化规律研究

秦广鹏, 刘炜震, 杜兆文, 李宁, 葛政辰, 张中腾, 沈远东, 王磊

2025, 42(6): 1409-1422. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0349

摘要 ( 25 )

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煤矿深部高地温环境已成为影响胶结充填体性能的关键因素之一,胶结充填体的稳定性对支撑上覆岩层和控制地表沉降至关重要,而胶结充填体的损伤失稳必然伴随着能量耗散。为研究高地温环境下胶结充填体能量与损伤演化特征,采用岩石动态三轴仪对不同温度(20,35和50 ℃)养护后的胶结充填体开展常规三轴压缩力学试验,结合能量守恒原理,分析三轴压缩条件下胶结充填体弹性能、耗散能和总能量演化特征,并基于耗散能探讨胶结充填体损伤演化规律。结果表明:随着养护温度的升高,在相同围压条件下,三轴压缩结束时,胶结充填体耗散能、总能量和弹性能耗比均先减小后增大。弹性能占比曲线和耗散能占比曲线近似呈“X”形交叉,弹性能耗比曲线由趋于零的平稳转变为持续上升的现象,可作为胶结充填体三轴压缩失稳破坏的前兆特征。基于耗散能建立的胶结充填体三轴压缩损伤本构模型,将胶结充填体损伤演化过程分为初始损伤、损伤发展和损伤加速增长3个阶段,与试验数据进行对比从而验证了模型的合理性,模型能够较好地描述不同温度养护后的胶结充填体在三轴压缩下的损伤演化特性;通过胶结充填体在三轴压缩结束时的损伤值,证实了养护温度升高使胶结充填体在养护过程中产生不同程度的热损伤。研究结果为评价深部高地温环境下胶结充填体损伤失稳提供了依据。

超声振动参数变化对砂岩损伤破裂效果影响研究

张磊, 张东升, 王旭锋, 张君华, 牛志军, 钱辰龙, 骆韬

2025, 42(6): 1423-1433. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2025.0153

摘要 ( 31 )

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为探究振动参数变化对红砂岩试样损伤破裂效果的影响,综合采用超声振动破岩试验、理论模型构建与PFC数值模拟相结合的方法,系统研究超声振动激励岩石过程中不同静载、频率、振幅、围压等参数下岩石力学响应、宏-细观损伤破坏以及能量耗散规律。结果表明:静载提升了岩体的整体变形位移量,其作用效果在侵入深度与破坏深度上呈现出明确的正相关性。振动频率的升高,加速了摩擦能与塑性变形能的累积过程,提高了载荷面附近裂纹发育密度;振幅增大显著提高了岩石颗粒间的拉伸应力水平并加剧了载荷面区域碎屑剥离速率,导致岩石侵入深度与裂纹分布范围明显扩展;围压增加显著提高裂纹扩展所需克服的能量阈值,有效抑制裂纹沿振动主导方向的扩展行为。研究结果揭示了各振动参数对岩石破裂机制的差异性影响,为超声振动破岩工艺参数的优化提供了理论依据与实践参考。

工程用水泥基复合材料抗拉及抗弯性能研究与评估

巩妮娜, 柳文淑, 蔡小宁, 范向前, 章鹏, 耿方方

2025, 42(6): 1434-1442. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0020

摘要 ( 26 )

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为了研究工程用水泥基复合材料(ECC)的抗拉及抗弯性能,开展了9组ECC的抗拉、抗弯试验,探讨了水胶比、粉煤灰掺量对ECC力学性能的定量影响规律,分析抗拉强度、极限拉应变、弹性模量、抗弯强度、弯曲韧性等参数的变化规律,并进行综合性能评估。结果表明:随着水胶比的增大,ECC的初裂抗拉强度和极限抗拉强度均呈现下降趋势,当水胶比大于0.35时,极限抗拉强度随粉煤灰掺量的增大逐渐减小;E5,E8试件极限拉应变超过4.5％,极限拉应变的变化规律与试件开裂模式相关性强。随着水胶比的增大,ECC的初裂抗弯强度和极限抗弯强度减小,极限挠度显著增大,涨幅最大可达229％;粉煤灰掺量取60％时,试件初始弯曲韧度比较高,峰前增韧效果较好;水胶比取0.35时,残余弯曲韧度比略高,峰后韧性较好。9组试件均满足多裂缝开裂机制的应力准则。基于雷达图评估,推荐E5(m水泥∶m粉煤灰∶m水∶m石英砂=0.40∶0.60∶0.35∶0.36,PVA纤维体积分数2％)为综合性能表现优异的组别。

多源煤基固废制备保水采煤充填材料流变及力学特性研究

于坤鹏, 马立强, NGO Ichhuy

2025, 42(6): 1443-1454. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2025.0285

摘要 ( 25 )

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以脱硫石膏、气化渣和炉底渣等多源固废为原料,制备并分析不同配比充填材料性能。在多源煤基固废(Multi-Source Coal-Based Solid Waste,MCSW)反应过程中,原材料首先发生水化反应生成C-A-S-H和AFt凝胶,碱性激发剂加速C-A-S-H和AFt凝胶的生成,使MCSW具有快速早强特征。随着MCSW进一步水化反应,碱性激发剂会促进火山灰反应的发生,进而促使更多水化产物的生成,有利于MCSW强度的提高。在采用泌水率、结石率实验,黏度、凝结时间、无侧限抗压强度(UCS)测试,X射线荧光光谱(XRF)、X射线衍射(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)-X射线能谱仪(EDS)分析的基础上,研究了MCSW的力学性能和微观组织,揭示了MCSW材料性能演化规律和增强机制。充填材料MCSW掺量超过90％,28 d强度超过2 MPa,初凝时间在240~480 min之间,终凝时间在300~600 min之间。

渗流作用下高陡边坡时效变形特性及演化规律研究

孙闯, 樊佳康, 金淳哲, 陶泽

2025, 42(6): 1455-1466. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0111

摘要 ( 26 )

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我国露天煤矿在开采过程中受岩体结构、岩体蠕变和地下水渗流等多种因素影响,边坡经常发生局部变形、垮塌及滑坡,露天矿高陡边坡稳定性问题一直是岩土工程的重难点。为分析渗流作用下露天矿高陡边坡时效变形特性与演化规律、预测边坡稳定性,以抚顺西露天矿北帮边坡为研究对象,通过室内试验揭示北帮弱层泥岩试样力学特性与蠕变特性。以伯格斯模型为基础,引入基于Mohr-Coulomb的应变软化非线性塑性元件,将二者串联构建了NBSS泥岩蠕变损伤模型,并采用离散元方法验证了模型的适用性。基于离散元UDEC数值模拟软件，建立北帮边坡精细化数值模型,考虑岩体蠕变和裂隙渗流,模拟北帮边坡在渗流作用影响下的时效变形及演化规律。研究表明:NBSS蠕变损伤模型与室内试验曲线基本吻合,可以较好地反映泥岩蠕变特性;渗流作用与时间效应影响下,边坡逐步向非稳定状态发展,边坡滑移面基本形成,坡体后缘产生张拉裂隙,坡体整体遭受倾覆力矩作用,表现为压缩-倾倒变形机制;渗流作用下边坡时效变形的最大位移在坡脚处,由于下方土体滑移与断层影响,坡顶处也出现不同程度的沉降。模拟结果与现场地质雷达监测结果相符,验证了模拟结论的正确性。

电化学改性泥岩抗剪强度及加固边坡效果研究

缪海宾, 韩流, 刘鹏, 骆大军, 陈祥宸

2025, 42(6): 1467-1478. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0300

摘要 ( 25 )

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为研究电化学对泥岩弱层的改性效果,针对含顺倾弱层边坡研发电化学改性加固方案。综合采用理论分析、试验研究与数值模拟等方法,分析了电化学技术对泥岩的改性机理、含顺倾弱层边坡滑移模型与破坏机制,建立了电化学加固泥岩弱层力学平衡方程,设计了分段改性加固方案并模拟分析边坡应力、位移和稳定性。结果表明:电化学改性之后的泥岩抗剪强度有明显提升,相较于15％含水率的原状泥岩,其黏聚力提高了近2倍,内摩擦角提高了2.8°;较25％含水率的原状泥岩,黏聚力提高了4.3倍,内摩擦角提高了11.8°。加固段长度由100 m增加到200 m时,边坡表面监测点的最大位移值迅速下降,减少了12 cm。边坡稳定系数增加到1.18,剪应变大于0.001的区段长度缩短了92.2 m。边坡表面最大位移值随加固段长度增大呈指数规律下降,稳定系数随加固段长度增大呈先加速增长后减速增长的变化规律,剪应变区段长度随加固段增长呈阶梯式下降规律,分析确定泥岩弱层经济合理且满足设计规范要求的加固段长度为220 m。

预脉冲组合水力压裂下水力裂缝扩展机理研究

魏超, 蔚立元, 张波, 林春金, 王有石, 耿莘涛

2025, 42(6): 1479-1491. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2025.0058

摘要 ( 35 )

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为提升深部低渗岩层压裂改造效果并降低破裂压力，基于脉冲与静压水力压裂技术特点，建立了预脉冲组合压裂岩石破裂模型及相应工艺方法。通过试验与数值模拟相结合的方式，研究了预脉冲组合压裂作用下水力裂缝扩展机理，对比分析了静压、脉冲及预脉冲组合3种压裂模式下水力裂缝与天然裂缝的相互作用规律，揭示了预脉冲组合压裂过程中压裂缝网的形成机制。研究结果表明：预脉冲组合压裂的预脉冲加载阶段使试样产生疲劳损伤，降低了组合压裂静压加载阶段的试样破裂压力，静压加载阶段的高水压促进了水力裂缝沿损伤区域深入扩展；预脉冲组合压裂方法增强了水力裂缝与天然裂缝的相互作用，水力裂缝比静压和脉冲压裂能更好地沟通天然裂缝，多条水力裂缝扩展到天然裂缝，并沿天然裂缝和穿透天然裂缝扩展，有利于形成复杂压裂缝网；预脉冲组合压裂下压裂液沿水力裂缝和天然裂缝面的扩散范围比静压压裂和脉冲压裂更大，提高了缝网压裂效果。

全尾砂浓密过程中流变-导水特性微观可视化研究

马建宏, 王琪, 焦华喆, 杨涵, 刘晓辉, 李公成, 徐平

2025, 42(6): 1492-1503. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0393

摘要 ( 23 )

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针对全尾砂浓密与输送过程中存在的细颗粒沉降慢、底流浓度不足等技术难题,采用流变测试、渗流试验与CT扫描相结合的方法,系统研究了压缩床层料浆的逆向渗流特性及其流变行为与导水机制。研究结果表明:沿床层深度方向,料浆浓度由59.4%增加至62.1%,呈现明显的剪切稀化特性与黏度递减规律。在0～100 s^-1剪切速率范围内,料浆黏度演化可分为3个阶段:快速下降期、平缓下降期和稳定期。其中,L2层(12～16 cm)的触变滞回环面积最大,达645.85 Pa·s。随着床层深度增加,料浆流速由1.63×10^-5 cm／s降至0.8×10^-5 cm／s(降幅50.92%),渗透系数从1.01减小到0.71(降幅29.7%),床层压缩导致导水通道数量减少且孔径缩小。剪切应力不仅破坏絮团结构,同时打破固液静力平衡,促使水分排出、颗粒迁移和料浆浓度升高。

单一低透厚煤层水力造穴增透机制及技术参数优化研究

贾策, 范超军, 李胜, 杨雷, 王学增, 罗明坤, 杨振华, 刘全

2025, 42(6): 1504-1518. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2024.0372

摘要 ( 28 )

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为研究单一低透厚煤层水力造穴卸压增透机制,提出了基于FLAC^3D耦合COMSOL的水力造穴强化瓦斯抽采数值模拟方法,构建了损伤-塑性应变-渗透率方程,并采用FISH语言对FLAC^3D进行二次开发实现渗透率演化计算。基于Langmuir方程、Darcy渗流定律和Fick扩散定律,结合煤层气-水运移规律,推导建立了气-水两相流数学模型。研究结果表明:水力造穴作用使洞室周边煤体最大主应力显著增大而最小主应力明显降低,进而引发煤体损伤破坏。水力造穴形成的损伤区范围可达常规抽采钻孔的7.6倍。造穴过程产生的煤体损伤有效提升了煤层渗透率,其中渗透率增幅主要集中在卸压影响区内。从瓦斯含量和瓦斯压力变化规律来看,当钻孔间距设置为3 m、造穴间距为9 m时,可确保120 d抽采期内达标。现场应用表明,实施水力造穴后钻孔应力计监测到的应力值降幅达45%，水力造穴工艺的初始瓦斯抽采浓度达到常规钻孔的2.2倍。实测结果证实水力造穴技术具有显著的卸压增透效应,能够有效提升瓦斯抽采效率。该研究成果为煤矿瓦斯灾害防治提供了重要的理论依据和实践指导。

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