彬长矿区位于陕西省黄陇煤田中段,是全国13个大型煤炭基地之一,矿井的开采处于深埋高应力、高瓦斯、高地温、高自然发火和厚硬洛河组含水层(“四高一硬”)的复杂环境,面临着冲击地压、水害、瓦斯、热害和自然发火等多元灾害问题。当前针对多元灾害多采取分别防控的方法,并没有考虑各灾害之间的互馈关系和灾害防控导致次生灾害的问题。围绕当前彬长矿区巨厚含水砂岩顶板煤层开采面临多元灾害并存的重大挑战,针对彬长矿区多元灾害链互馈机理和多元动力灾害协同防控方法这2个关键科学问题,详细介绍目前取得的最新研究进展,具体包括巨厚含水砂岩顶板煤层开采多元灾害致灾机理、巨厚含水砂岩顶板煤层开采多元灾害链互馈机制、多元灾害防治次生效应和多元灾害链协同防控方法等4个方面的内容。研发的巨厚含水砂岩顶板煤层多元灾害协同防控技术可为我国类似复杂条件煤矿多元灾害协同防控和安全高效生产提供技术借鉴和理论支撑。

错层位布置是实现厚煤层卸压开采的有效措施,错层位结构中直接顶垮落形成的矸石垫层对覆岩移动破断产生的载荷具有一定缓冲作用。采用实验室试验与数值模拟相结合的研究方法,表征矸石垫层承压和缓冲性能,揭示颗粒粒径、垫层厚度等因素影响下矸石垫层的缓冲作用机制。研究结果表明:动载与静载作用下，矸石垫层的承压性能随着颗粒粒径的减小而增强,而动载作用下，矸石垫层的缓冲性能随着颗粒粒径增大而增强;矸石垫层的承压性能和缓冲性能均随着垫层厚度增加而增强,但垫层厚度对矸石垫层承压性能和缓冲性能提升的敏感性随厚度增加而降低;通过调控矸石垫层的粒径及厚度,可以实现对下位巷道变形的有效控制,适当增大矸石垫层颗粒粒径和垫层厚度,能够减小下位巷道受到动静载作用后的顶板下沉量。研究成果可为厚煤层卸压开采中矸石垫层的结构调控提供一定的理论支撑。

相变充填体大体积和高蓄热密度特性为矿山低品位热能的高效开发提供了新思路,研究采热结构传热规律及其相变行为是实现矿山地热能高效开发的重要基础。采用自主研制的矿山相变蓄热功能充填采热结构传热试验系统,开展采热结构传热试验及数值模拟,揭示了矿山功能充填采热结构相变蓄热机理。研究表明:岩层初始温度、采热流速和采热周期的增加及采热温度的降低有助于提高采热量;岩层初始温度直接决定相变充填体是否发生相态变化,采热流速越大、采热周期越长、采热温度越低则有越多的相变充填体凝固放热;相变充填体的存在会维持传热通道路径及传热热量大小,而不同因素则会影响采热结构发生相态转变的时机、改变传热通道路径。研究成果丰富了矿山功能充填采热结构传热特性研究,为矿山低品位地热能的高效开发提供了试验基础。

为研究深部矿井巷道受强扰动及矿井水作用后围岩再承载能力与稳定性变化，对动载损伤后的砂岩试件开展试验研究，分析其再承载能力和抗冲击强度能力的变化，研究浸润条件下动载损伤砂岩体强度弱化机制。结果表明：随着动载损伤程度增加，砂岩内部结构劣化，与未破碎砂岩试样相比，重度破碎砂岩试样单轴抗压强度减小了36.20%；损伤岩体对动载的抵抗能力明显降低，与未破碎砂岩试样相比，重度破碎砂岩试样破碎耗能占比减小了58.51%；岩体对动载应力波传递的阻抗能力明显降低，透射应力由未破碎时的16.38 MPa上升至重度破碎时的37.31 MPa；浸润与动载损伤叠加将进一步弱化岩体结构，浸润条件下重度破碎岩样单轴抗压强度为21.24 MPa，降低了40.74%。

为研究采空区储水采热过程中煤岩损伤特性,采用实验室试验和理论分析等方法,探讨了不同水浴冷热循环时间对煤岩纵波波速、质量、导热性、力学强度和细观结构的影响。研究结果表明:随着水浴冷热循环次数的增加,煤岩纵波波速和质量呈先增加后降低的趋势;煤岩细观结构逐渐出现脱落层和张开裂隙现象;煤样矿物成分中蒙脱石等吸水矿物含量因发生水解而出现逐渐降低的趋势;煤岩导热性出现先升高后降低的变化规律。研究成果从宏细观方面揭示了水浴冷热循环对煤岩力学强度的损伤机制。

为研究循环扰动荷载下蠕变损伤煤岩宏细观破裂演化规律及劣化失效机制,制备了4种不同饱和度的常规煤样和蠕变损伤煤样,利用MTS系列岩石力学伺服试验机开展了单轴循环荷载试验,并结合扫描电子显微镜(SEM)和XTDIC三维全场应变测量系统,对比分析了两种煤样的应力-应变演化规律和宏-细观破坏模式,揭示了蠕变损伤煤样的劣化失稳机制。研究结果表明:蠕变损伤煤样与常规煤样在力学参数演化规律上具有很好的一致性,峰值应变与饱和度增大趋势呈正相关关系,峰值应力与饱和度增大趋势呈负相关关系,相同饱和度下蠕变损伤煤样的力学参数劣化较为明显;煤样加载过程中,随着饱和度增大，蠕变损伤煤样表面裂纹发育愈加丰富,最大主应变相对常规煤样持续升高,加载破坏后,破碎块体增多,分形维数趋近于2,破碎颗粒由大块向中、细块颗粒转化;初始蠕变损伤促进了煤样内部结构破裂,煤样产生大量孔洞和微裂纹,使煤样内部由致密向疏松多孔转变;宏观角度上,初始蠕变损伤导致宏观裂纹继续发育扩展,加剧了煤样内部破裂损伤,削弱了煤样实体承载结构,造成煤样有效承载面积减小,承载能力降低,加速了煤样失稳破坏。

针对彬长矿区巨厚含水层的复杂地质环境,为揭示涌水量与开采参数之间的关联性并提高预测的可靠性,分别从静态和动态角度分析了工作面顶板涌水量与推采长度、工作面斜长、采高、回采面积之间的关联性。基于灰色关联度理论和SPSS多元回归分析模型,探究了各主控因素的影响权重,构建了回采过程中稳定涌水量的预测模型,并将其分别与数值模拟预测值和现场实测值进行了对比分析。研究结果表明:从动态角度,涌水量与推采长度之间具有显著的时变关联性,工作面斜长与涌水量首次突增位置具有联动性,采高影响显示出明显的时空滞后特性,涌水量与回采面积呈幂函数关系,关键因素在不同开采过程及参数下呈现动态变化;从静态角度,斜高比与稳定推采比的整体分布规律相似,各主控因素对稳定涌水量的影响存在耦合关系。推采长度影响权重最大,同时各预测值的检验结果表明所建立的预测模型准确性高,研究成果可为彬长矿区水害预防提供一定的参考。

随着煤矿开采深度的增加，厚顶煤巷道在强矿震作用下出现了不同于常规冒顶的灾害，即矿震诱发冒顶复合灾害。以陕西某矿301工作面回风巷为研究对象，采用理论分析、数值模拟和现场调研等方法，结合实际地质条件，探究矿震诱发冒顶复合灾害的破坏特征与主控因素，建立此类灾害的机理，并提出合理的控制对策。研究结果表明：矿震诱发冒顶复合灾害发生过程伴随强矿震，但巷道无明显动力显现特征；数值模拟表明动载强度显著影响巷道围岩的应力分布；厚顶煤巷道在强动载作用下，相较于薄顶煤、无顶煤巷道顶板下沉量更大，且受动载影响更为显著；锚杆索+钢带主被动组合支护能够有效提高巷道围岩稳定性，显著增强巷道抗动载能力；基于矿震诱发冒顶复合灾害机理提出“深部断顶-浅部卸压-强化支护”的防治对策。研究成果可为深部厚顶煤巷道矿震诱发冒顶复合灾害的防治提供一定的科学依据。

彬长矿区受高构造应力环境和上覆坚硬岩层影响,冲击风险显著,深孔预裂爆破是降低该区域冲击地压风险的有效手段。在高构造应力区开展深孔预裂爆破,其裂纹扩展形式尚不完全清楚。因此,采用LS-DYNA数值软件模拟分析了高构造应力环境、倾向与走向爆破孔倾角对爆破裂纹扩展的影响,基于模拟结果优化了现场爆破设计。结果表明:在最大水平主应力为主导的高构造应力条件下,裂纹扩展优势面总是沿着垂直于最小水平主应力方向的平面。水平应力差对爆破裂纹的扩展起到主导作用。增大水平应力差,爆破裂纹扩展的程度越高,且越利于爆破裂纹沿着炮孔所在平面扩展。不同的倾向爆破倾角下爆破裂纹扩展的差异性显著,而不同走向爆破倾角下裂纹扩展基本无变化。倾向爆破孔倾角大于75°时,爆破裂纹扩展程度高且裂纹扩展优势面沿着炮孔倾角所在平面。优化了现场爆破设计,现场试验后工作面大能量微震发生的次数与层位显著降低,波速异常系数峰值明显降低,爆破优化有效。

以黄陇煤田彬长矿区高家堡煤矿为工程背景,建立了含水层大流量疏降覆岩应力扰动力学模型,得到了水位下降与下部煤岩体应力增量之间的关系,给出了疏水应力扰动计算方法。建立了高家堡煤矿采区三维数值模型,研究了疏水降压过程中区域应力演化规律。结果表明:疏水过程中,降落漏斗边缘出现应力集中,且距离漏斗边缘越近,应力集中越明显;单位体积的岩体水头下降1 m,洛河组底界弹性释水应力约为0.01 MPa;大流量疏降水状态下,大巷区域由于弹性释水引起的垂向应力增量可达2.7 MPa。现场监测揭示了高能量震动事件发生前,观测孔水位突然下降,验证了大流量疏降对于冲击地压发生具有显著的促进作用。研究结果对于揭示巨厚含水层条件冲击地压发生机制提供了新思路,可为类似条件下煤层开采冲击地压危险预测与防控提供借鉴作用。

从高家堡煤矿盘区开采期间微震活动、地表岩移规律、CT反演采动应力等角度,研究巨厚覆岩关键层下的采动效应,分析巨厚关键层采动诱冲的动静载力源。结合数值模拟,分析采动应力和构造对巷道冲击临近条件的影响,研究巨厚覆岩关键层下冲击地压发生机制。研究表明:巨厚坚硬岩层长期悬跨是导致工作面冲击地压灾害发生的主导因素;随着开采区域面积的逐渐增大,各个顺序回采工作面的煤体应力逐渐升高,尤其是褶曲附近煤体应力增大更为突出;在高静载应力作用下,回采过程中的矿震对围岩应力环境产生较小动载扰动时,就会存在动静载叠加诱发冲击的可能性;细观模拟发现越高的静载应力水平,巷道发生破坏的动载临界条件越低;垂直应力和构造水平应力增大时,较小的动载强度即可诱发巷道瞬间发生冲击破坏,且冲击破坏程度随着动载强度升高而增大。研究成果对指导类似条件下的冲击地压防治和矿井安全生产具有重要意义。

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了含层理烟煤煤样震动载荷多次冲击试验,借助低场核磁共振分析仪测试每次冲击后煤样的T2谱,并进行核磁共振成像(MRI),研究层理对煤样损伤演化的影响规律。结果表明:层理的存在会劣化煤样承载能力,60°层理煤样能量透射效应最差,吸收的能量主要用于煤样的损伤破坏,此时劣化作用最强;震动载荷多次冲击作用下,煤样微观结构损伤整体呈现出“初始跃进—低速增长—加速上升”3个演化阶段;随着层理角度增大,层理对煤样损伤过程的影响愈发明显,对于0°层理煤样,损伤破坏区沿层理面呈弧形贯通发展趋势,对于30°和60°层理煤样,损伤破坏区沿层理面向煤样两端扩展,对于90°层理煤样,在沿层理面发育的孔裂隙作用下，最终出现复杂交织的损伤破坏区,4种含层理煤样呈现拉伸破坏(0°)—剪切破坏(30°、60°)—混合破坏(90°)的演化趋势。研究成果为揭示震动载荷作用下煤岩动力灾害机制提供了参考。

开拓巷道、上下山及其联络巷和巷道内硐室因其服务年限长,长期受到高静载和采掘活动产生的频繁动载影响,常出现远距离采掘引起的冲击地压现象,难以针对性进行防控。以上述巷道为背景,综合采用案例分析、现场监测、实验室试验和理论分析方法,划分诱发开拓巷道冲击地压远-中-近场采掘活动范围,解释远距离采掘活动诱发开拓巷道冲击地压原因,得出考虑损伤效应的开拓巷道冲击地压发生机理及其防控技术体系。研究表明:在工作面采掘活动影响下开拓巷道微震事件频率及震级在增加,根据微震能量密度与开拓巷道和工作面距离定义采动响应指标φ,由采掘活动引起的开拓巷道区域φ值定量阐述煤体损伤与冲击地压危险程度的联系。中-近场采掘活动带来的循环动载使煤体产生不可逆损伤并不断累积,φ值超过冲击临界值，从而中场动载也会成为冲击地压的诱因。结合考虑损伤效应的开拓巷道冲击地压发生机理，提出冲击源头优化-局部精准防控的开拓巷道全生命周期冲击地压防控技术体系。研究结果可为此类开拓巷道冲击地压防控提供理论依据与技术支持。

随着全断面硬岩掘进机(TBM)在煤矿巷道掘进施工中的广泛应用,地层信息的准确、实时识别已成为保证掘进效率的关键因素。为了研究掘进参数与地层岩性的相互作用关系,以西北矿业高家堡煤矿西区开拓大巷为工程背景,通过对稳定阶段掘进参数的深入分析,建立地层岩性与关键掘进参数之间的“机-岩”感知关系,提出基于数据驱动的TBM掘进地层岩性识别的Stacking集成预测算法,确定与地层岩性预测相关的主要输入特征参数,包括推进速度v、刀盘转速n、刀盘推力F、刀盘扭矩T和贯入度P。训练结果表明,Stacking预测模型在5个输入参数的平衡精度和训练时间下均获得了最佳性能;预测模型多元评价结果显示,Stacking模型的AUC曲线面积指数为0.97,比单一的XGBoost,ANN和SVM模型(0.94,0.94,0.95)预测精度更高,且在处理不均衡数据预测表现出明显的优势。因此,基于本研究的预测模型可以很好地指导现场TBM掘进参数的调整,可有效减少TBM故障停机和刀头的磨损,提高掘进效率。

针对亭南煤业某沿空巷道变形严重、支护困难等问题,采用理论分析、数值模拟及现场试验等方法,确定沿空巷道覆岩关键块断裂位置及内应力场分布范围,分析不同支护方案下巷道围岩变形特征,提出合理巷道支护优化措施。研究结果表明:沿空巷道布置于距采空侧煤壁16.12 m的内应力场范围内;关键块B在距采空侧煤壁14.07 m处断裂,断裂线位于实体煤上方;侧向支承压力在距采空侧煤壁0～17 m内为应力降低区,并在14 m处达到峰值。在原支护方案下,巷道受关键块B回转下沉影响,顶板以拉伸破坏为主,最大下沉量为311 mm;两帮以剪切破坏为主,煤柱帮塑性区范围大于实体煤帮;煤柱帮中上区域破坏最为严重,水平位移最大为386 mm,实体煤帮水平位移最大为332 mm,巷道变形呈两侧非对称形态。基于沿空巷道破坏特征提出“高强锚杆索配合锚网、钢带”联合支护优化措施,现场监测结果表明,该方案可有效控制围岩变形,满足安全生产需求。

矿井排风、矿井涌水余热常年具有稳定的温度,不受环境和季节影响等特征,因此将该部分低品位热能转化高品位热资源具有显著的环保和经济效益。高温热泵系统可有效地将其提升至高温以满足工业多场景用能需求。为探究高温热泵系统在变工况下的动态性能,以搭建的高温热泵系统实验台为研究对象,对其在不同内、外部条件变化下系统的动态特性进行实验研究。实验结果表明,高温热泵系统在不同条件变化下,其对系统内部参数稳定性影响的因素依次排序为:内部中间压力>热源温度>负荷侧制热温度>热源侧水质量流量。同时结果还表明中间压力对高温热泵机组的能耗和制热能力有较大影响,这为高温热泵系统的下一步动态优化工作提供了指导。

FLAC^3D内嵌的Cable原始单元不具有拉伸或剪切破断失效属性,高估了锚杆(索)的支护能力及对巷道围岩的控制效果,存在巷道支护失效的安全隐患。为解决Cable原始单元无法实现锚杆(索)破断失效的问题,提出了锚杆(索)拉伸、剪切、拉剪破断判据;基于Fish语言构建了考虑拉伸、剪切及拉剪作用的修正Cable破断单元模型及数值分析流程,完成了FLAC^3D中锚杆(索)3种破断行为数值模拟的二次开发;开展了锚杆(索)破断模拟试验和锚喷支护巷道应用分析,修正的Cable拉伸-剪切破断单元模型的数值模拟试验结果符合预期,所开发的Cable破断单元模型兼有锚杆(索)拉伸和剪切破断的属性,较好地实现了拉剪荷载作用下锚杆(索)破断失效行为的模拟,数值模拟的锚杆(索)力学行为与工程实际更为相符。随着巷道埋深(应力水平)的增加,当锚杆(索)的变形量或受力状态达到其拉伸-剪切破断条件时,锚杆(索)则破断失效而无法再继续控制巷道围岩变形,锚杆(索)均有自身的支护适用性。

由于冲击地压机理复杂、影响因素众多,到目前为止还未真正完全掌握其发生规律和发生机理。通过定量表征巷道围岩震动速度、应力状态和冲击破坏形态,系统研究了矿震动载作用下的巷道围岩动力响应特征和冲击破坏规律,建立了动静载瞬态触发-连锁破坏冲击模型,提出了基于机器学习模型的巷道抗冲能力智能评估技术。研究表明:矿震动载强度、其与巷道的距离、围岩自身静载应力、卸压工程及支护条件等均是影响巷道围岩发生冲击破坏的重要因素。动载强度较小时,巷道震动速度和底板位移小,未发生冲击破坏;动载强度增大到一定值后,巷道瞬间发生冲击破坏,且冲击破坏程度随动载强度增大而升高。采动、构造、煤柱等引发的巷道自身静载应力集中会减小其抗动载能力,相同动载作用下的巷道更容易发生冲击,且水平构造应力的影响更大。当构造导致的水平应力增大至1.5倍时,相同动载作用下的巷道由稳定转变为冲击破坏。围岩支护与卸压均会提高巷道冲击破坏的临界条件,避免巷道在同样动载荷作用下发生冲击。基于机器学习巷道抗冲能力评估模型的样本误差满足正态分布规律,表明模型评价指标选取合理,能够较好地反映巷道动力响应特征,对巷道震动速度和冲击情况预测的准确性高。研究成果在一定程度上促进了冲击地压机理研究,并为冲击地压防控提供了理论基础。

采用理论分析及数值模拟方法,提出了基于能量耗散的采动损伤量化表征指标,将煤层直至地表的整个覆岩结构视为一个系统,不再考虑覆岩裂断损伤的内部运动及破坏过程,只分析能量耗散区的空间形态及破坏最终状态。首先基于能量守恒定律构建二维平面的能量耗散理论模型,建立覆岩裂断损伤的评价指标体系;其次根据有限差分理论推导了工程岩体开挖的能量耗散的有限差分方程式,采用FISH语言将其应用于FLAC^3D应变软化本构模型;最后将二次开发的能量耗散数值模块应用于布尔台42107工作面,结合损伤度指标量化分析回采工作面开采参数的尺度效应,实现开采工艺参数优化对减损效果的评价。结果表明:覆岩损伤度随工作面长度、采高、埋深及推进速度的增加均呈“S”形发育。最终确定了工作面合理开采参数及推进速度,并通过实测矿压数据进行了验证。研究结果不仅可量化评估工程岩体区域稳定状态及精准判断损伤范围,同时弥补了FLAC^3D软件采用塑性区定性判断地下工程围岩破坏时的不足。

考虑拱效应和开采边界影响,结合薄板理论,构建高阶段充填体下采空区顶板力学模型,提出考虑拱效应的高阶段充填体下采空区顶板跨度和厚度计算模型;将该模型应用于大冶铁矿狮子山采区-180 m水平矿体开采,并利用FLAC^3D数值模拟软件进行验证。研究结果表明:不同开采边界可以将高阶段充填体下采空区顶板力学模型简化为3类薄板模型,不同薄板模型下采空区顶板应力分布差异明显,固支边对应力分布影响更显著;结合大冶铁矿工程实例,采用本文模型计算确定的采空区顶板跨度为7.5 m,厚度为2 m,与K.B.鲁别涅依他公式法得到的参数相比更小;基于FLAC^3D数值模拟结果验证了其采空区顶板稳定性,验证结果表明将本文模型运用于高阶段充填体下采空区顶板参数设计中是合理可行的。

为探究上向远距离被保护煤层横向离层裂隙时空演化规律,以平煤六矿采区开采戊₈煤层向上保护丁_5.6煤层为工程背景,采用相似物理模拟实验和PFC(Particle Flow Code)数值模拟相结合的方法,系统研究保护层开采过程中上覆煤岩体移动变形、被保护煤层采动裂隙发育及分布特征、被保护煤层应力时空演化规律,同时采用RFPA(Realistic Failure Process Analysis)数值模拟软件对被保护煤层的透气性进行分析。结果表明:卸压开采后,远距离上被保护煤层产生拉伸型横向裂隙,形成卸压瓦斯横向渗流通道。采动影响下,覆岩裂隙延伸出现分层现象,裂隙发育呈“梯形”,被保护煤层应力变化曲线从“V”形向“U”形转变,被保护煤层保护边界向保护层采空区方向内错约10～20 m,进入稳定卸压膨胀区域,煤层透气性显著提高,产生较强的“卸压增透”效应,此时为卸压瓦斯抽采最佳“时间窗口期”。