针对西部沟谷地形易发生动载矿压的问题,通过相似模拟、理论计算分析、现场实测,对复合关键层下工作面过沟谷区强矿压显现特征进行分析与对比,构建了复合关键层下沟谷区上坡段失稳结构模型,推导了上覆岩层移动过程中高位关键层回转变形与滑落失稳初次破断步距计算公式。研究表明:工作面过沟谷区域高位关键层缺失的上坡段时极易发生剧烈的切顶、压架、台阶下沉等动载现象。沟谷区上坡段先发生回转变形失稳,随后破断块体形成的链式结构发生滑落失稳冲击下部工作面造成强矿压显现。通过构建连续沟谷区高位关键层非均布载荷梁结构力学模型基本单元,计算得出初次回转变形与滑落失稳破断步距分别为27、142 m,与1305-2工作面过第一条沟谷距谷底145 m处发生压架的位置较为吻合。结合高位关键层破断动载机理提出了过沟谷地形动载矿压综合防治措施并应用到朱家峁煤矿开采中,计算得出1305-2工作面过第二条沟谷与1307-2工作面分别于147、126 m处发生剧烈来压,对计算的危险区域采取水力压裂等防治措施,防治效果良好,为过沟谷地形开采时动载矿压防治提供了理论依据。

为研究深井坚硬顶板综放开采覆岩裂隙演化规律,将布里渊散射的光频域散射技术(BOFDA)应用于物理相似模型试验。以千米深井信湖煤矿首采综放工作面地质条件为工程背景,在实验室构建采场覆岩模型,通过预先埋设的传感光纤,探究回采过程中覆岩变形与光纤应变的响应特征。设计了2个钻孔并将光纤植入工作面顶板,实现了采场顶板走向65 m、倾向24.5 m、垂高119 m空间范围内覆岩运移破断规律的监测，获得了工作面推进期间采场顶板光纤的应变数据。结果表明:光纤应变曲线与覆岩变形特征存在明显对应关系;覆岩离层、断裂、切落点光纤应变呈现凸峰状,可以表征采场覆岩“横三区,竖三带”边界特征演化过程;光纤应变曲线凸峰范围和峰值大小变化与采场覆岩运移强度发展趋势基本一致;基于光纤应变与覆岩结构演化的响应关系,结合818工作面覆岩岩性组合,分析现场光纤应变数据确定的工作面“三带”高度与模型试验、理论计算数值吻合,符合矿井实际情况,验证了分布式光纤监测技术在深井坚硬顶板覆岩结构演化监测中的可靠性与准确性。试验结果可为类似条件下采场覆岩变形移动规律的研究提供参考。

以某矿典型深部大倾角211112综采工作面为工程背景,系统阐述了大倾角采场空间围岩结构分布特征,据此建立了大倾角工作面上、下端空间围岩结构力学模型,得到了大倾角工作面的来压步距及支架阻力等技术参数的定性关系;构建了FLAC3D数值计算模型,揭示了深部大倾角采空区围岩应力场分布特征;通过定量分析深部大倾角工作面支架在各阶段、各工况的工作阻力,明确了深部大倾角综采工作面上、下端支架合理工作阻力的确定方法,合理选择了211112工作面的液压支架型号并成功应用于现场。

以陕西某千米深井巨厚关键层下采场冲击矿压显现为工程背景,分析了巨厚关键层矿震发育及采场冲击显现特征,采场第4、5工作面回采时巨厚关键层内矿震发育逐渐覆盖巨厚关键层全厚范围,且巨厚关键层下冲击显现主要发生在第4、5个工作面走向中部区域并监测到高能矿震。研究了巨厚关键层下采场覆岩结构及围岩应力演化特征并揭示了巨厚关键层对围岩动静载应力的作用机制。研究结果表明:巨厚关键层下采场第4、5工作面回采时,巨厚亚关键层和主关键层分别发生破断运动,顶板形成大尺度悬臂-铰接结构,其承担上覆载荷并转移至相邻实体煤区域,导致采场周围煤岩体静载应力显著升高;采动影响下大尺度悬臂-铰接结构发生多岩层协同破断,产生高能矿震动载扰动作用,导致高应力煤体动力失稳,冲击风险显著增加。提出了巨厚关键层下冲击矿压顶板深孔预裂爆破防治方案,实践结果表明该方案能够明显减小工作面顶板来压步距和矿震活动强度,显著降低冲击风险。

采用分离式霍普金森压杆试验系统(SHPB),对层理间距6、8、10 mm的直切槽半圆砂岩试件(NSCB)进行动态冲击试验,利用高速相机记录其破坏形态,分析砂岩在不同层理间距条件下的应力、应变响应特征,能量演化特性以及各阶段的能量演化持续时间,并对其损伤特性进行分析。利用离散格子弹簧模型(DLSM)模拟不同层理间距条件下砂岩试件的动态断裂过程,分析其层理间岩石基质的应力、应变、能量演化及损伤特性,并根据动能演化曲线分析其总动能和损失动能耗散情况。结果表明:砂岩动态断裂形态和应力、应变特性受层理间距改变影响明显。当层理间距增大时次生裂纹减少,裂纹扩展速度增大,同时应力、应变峰值增大。能量演化各阶段持续时间均随裂纹扩展速度增大而缩短,可释放弹性应变能峰值随层理间距增大而减小,总吸收能和耗散能峰值则不断增大。层理间距较大时,损伤曲线增长速率在前期较大,后期衰减减小,层理间岩石基质越远离切缝中线,后期损伤累积速度衰减明显。层理间岩石基质的应力、应变及能量演化曲线峰值随层理间距增大而降低,其相关性随岩石基质远离切缝中线而减弱。

运用声发射系统采集不同中主应力条件下花岗岩岩爆试验过程中的声发射信号,分析岩爆破坏过程和岩爆时刻竖向应力及声发射振铃计数水平,运用多重分形理论分析竖向应力快速加载至岩爆结束过程中声发射振铃计数在时域上的分布特征。研究结果表明:中主应力水平越高,岩爆破坏越剧烈,岩爆时刻竖向应力水平趋于稳定,竖向应力快速加载阶段的累计声发射振铃计数有所提升;竖向应力不断提升,声发射振铃计数多重分形谱形态呈现宽—窄—宽的变化趋势,多重分形谱宽总体呈先降后增,提取谱宽平滑曲线中先降后增的转折点进行岩爆预警,发现中主应力越高,岩爆预警时间越长,岩爆突发性有所下降;越接近岩爆,广义分形谱的非线性逐渐减弱,在岩爆发生阶段又有所凸显,且中主应力越高,声发射振铃计数在时域上的分布越均匀。该研究表明高中主应力和竖向应力快速增加可提高岩爆过程中裂纹连续扩展行为的活跃度。

锚网索支护是煤巷有效的支护形式,在高应力作用下沿空巷道围岩变形量大、支护结构易失效,锚网索支护煤巷安全性问题较为突出。针对深井沿空巷道顶板离层与围岩大变形挤压破坏特点,将稳定性安全评价重点聚焦于巷道围岩变形与支护结构破坏两方面。基于模糊综合评价理论建立深井沿空巷道锚网索支护综合评价指标体系,采用层次分析法计算评价指标体系内各因素的权重。采用理论分析、数值模拟及工程类比等方法,得到沿空巷道顶板离层临界值的理论解,确定巷道锚杆、锚索的抗拉临界荷载值,定义深井沿空巷道围岩变形分级,建立沿空巷道围岩变形与支护结构受力分级评价标准。基于Visual Studio 2019开发环境与.NET Framework 4.0平台,采用C＃高级编程语言开发深井沿空巷道锚网索支护安全评价系统,设计煤柱宽度优化、锚网索支护参数设计、安全评价、规范查询、用户管理等5大功能模块,实现沿空巷道煤柱宽度优化及锚网索支护参数设计;基于矿压监测数据对巷道围岩与支护结构作出安全性评价,验证了该系统的实用性和准确性。

煤岩破坏是能量驱动下的状态失稳现象,从能量角度描述煤岩破坏是评价工程稳定的有效方法之一。基于能量耗散有限差分算法,提出采用耗散能集中区定位煤岩破坏位置,采用耗散能密度评估煤岩破坏程度,描述煤岩峰后软化和变形破坏行为。将动压煤柱简化为平面应变模型,研究覆岩给定变形作用下煤柱耗散能演化规律,从能量角度揭示煤柱的变形失稳路径:煤柱能量耗散主要发生在峰后和残余阶段,峰后剪切面与角部能量耗散区贯通,并随加载程度增加发生内移,一旦弹性区消失,煤柱存在失稳风险。煤柱能量耗散及稳定状态与煤柱宽度、加载程度和加载方式有关。建立煤柱主动支护模型,研究锚杆(索)对能量耗散的调控效应,发现锚杆(索)可有效改善耗散能的传递和分布状态,支护强度增加有利于提高煤柱延性和抗变形能力,不同支护方式对耗散能的调控效果不同,锚索优于锚杆,对穿锚索优于常规锚索。以榆树岭矿小煤柱留巷为例,介绍小煤柱“锚杆+对穿锚索”支护的现场应用,取得良好的控制效果。

针对构造应力影响下软岩巷道持续变形难控制的问题,以发耳煤矿50104运输巷为研究对象,采用现场实测、理论分析和数值模拟等方法,从巷道围岩岩性和应力环境的角度,探究其破坏机理及控制对策。结果表明:低强度软岩加剧了岩体损伤,构造应力孕育了蝶形塑性区,软岩诱发了蝶形塑性区恶性扩展,支护设计缺乏针对蝶叶区域的控制。提出了基于蝶形破坏特征的软岩巷道围岩控制对策—蝶形塑性区靶向加固。其基本科学内涵为支护手段精准介入蝶叶区域,各支护构件协同作用控制蝶形塑性区扩展,提高围岩承载能力;技术关键为锚索与JSMZ20-22新型锚注装置配合使用,实现全长锚固。构建了以“锚网喷+锚注式锚索全长锚固”为核心的蝶形塑性区靶向加固巷道围岩修复方案。现场监测结果表明:顶底板最大移近量为158 mm,两帮最大移近量为121 mm,蝶叶塑性区未出现进一步扩展,巷道围岩变形破坏得到了有效控制。

针对深部巷道原支护方案难以维护巷道稳定、矿方返修方案无法有效遏制顶板破碎下沉等问题,分析注浆锚索主要参数对岩体复合力学参数的影响规律,推导注浆锚索锚注体承载能力计算公式,算例分析承载能力变化规律,在此基础上,对比分析锚注返修方案和矿方返修方案控制效果。结果表明:注浆加固对复合内摩擦角提高的贡献远大于注浆锚索间排距,内摩擦角提高值由0°增加到20°时,复合内摩擦角提高率达到98.8％;注浆加固中黏聚力提高对复合黏聚力的影响远高于内摩擦角,黏聚力提高值由0 MPa增加到0.8 MPa时,提高率达到131.1％;复合黏聚力对锚注体承载能力影响显著,由0.61 MPa增加到1.41 MPa时,承载能力提高率增加到60.2％;锚注体承载能力随注浆锚索间排距的增加而降低,间排距由0.8 m增加到2 m时,承载能力降低率为25.5％。锚注返修段比矿方返修段顶板位移控制率提高了27.8％,控制效果显著,可以在巷道返修特别是顶板破碎地段推广锚注返修方案。

为了解决矿井通风系统巷道重要度不能客观确定、重点巷道不能准确定位的问题,基于通风网络复杂特征、图论理论并引入供水管网中节点和管段级联失效重要度确定方法,从井巷结构与功能两方面对巷道重要度进行双重分析。选取节点的度中心性、介数中心性和紧密中心性3个参数,计算巷道节点与风路分支的结构重要度；通过矿井通风仿真模型中某条巷道密闭级联失效对其余巷道风量影响程度确定密闭巷道的功能重要度。综合巷道的结构与功能重要度,建立矿井通风系统巷道重要度评估模型。以余吾煤矿北翼通风系统为例,使用Ucinet软件计算出北翼各节点的中心度指标值和风路结构重要度,在北翼矿井Ventsim通风模型中进行巷道级联失效影响性评估,确定巷道的功能重要度。综合通风网络中巷道的拓扑结构和级联失效影响对其重要度进行评估,得出北翼通风系统中各条巷道的综合重要度大小。依据巷道风流类型对巷道的综合重要度进行排序,在余吾煤矿北翼矿井通风系统中,进、回风立井综合重要度>回风巷综合重要度>工作面综合重要度>进风巷综合重要度。以北翼巷道综合重要度为权重,对通风模型准确性进行评估,对比分析其与传统评估模型的区别。研究成果可为矿井通风系统中重点巷道识别、矿井通风模型准确性评估、矿井风量监测和通风系统优化设计提供可靠依据。

为研究深部煤层综采工作面采动卸压覆岩裂隙演化规律,以芦岭煤矿Ⅲ1022综采工作面为工程背景,采用光频域反射技术(OFDR)分析相似模拟试验采动覆岩裂隙演化全过程,结合现场瓦斯抽采情况及光纤监测结果,对采场裂隙时空演化规律进行研究。研究结果表明:工作面回采过程中,采空区覆岩水平方向光纤拉应变曲线呈左、右两峰,两峰间距表征覆岩实际垮落宽度,两峰峰值处为工作面两侧采动破断线。垂直方向受超前支承压力影响,工作面前方出现压应力集中区域,光纤压应变曲线呈台阶递减状态,采空区顶底板皆出现拉应变凸峰。工作面上隅角风排瓦斯浓度、1＃定向钻场拦截孔、5＃地面井的卸压瓦斯抽采情况,反演了工作面采动裂隙的演化特征,结合现场光纤监测试验,判断采场覆岩裂隙带发育高度为77.5 m,覆岩裂隙发育层位已至8、9煤层。研究结果为工作面开采工艺设计、邻近层瓦斯运移、抽采的钻孔设计、瓦斯治理等提供理论基础,对矿井安全高效生产起明显促进作用。

为研究冲击倾向性煤层巷道底板煤岩体的动态力学特性,利用分离式霍普基森压杆(SHPB)试验系统,采用耿村煤矿综放开采回采巷道的煤样和底板岩样,进行圆柱形组合煤岩样动静载荷冲击压缩试验,研究煤岩组合比、冲击速度和围压对组合煤岩样动态力学性能的影响。试验结果表明:依据动态应力-应变曲线,将煤岩样冲击压缩变形过程划分为4个阶段,在屈服阶段煤岩样变形出现数次应力屈服平台;试件动态抗压强度、屈服强度均与煤岩组合比负相关,煤岩样动态峰值强度、变形模量、极限应变等均与冲击速度呈线性正相关,动态峰值应变、极限应变和残余应变均与围压负相关。基于统计损伤理论,建立三维中应变率组合煤岩样黏弹性时效损伤本构关系。理论曲线与室内试验曲线拟合度较高,可用来表示三轴动静载作用下组合煤岩样动态应力应变关系。研究结论为冲击地压矿井深部开采时煤岩样变形失稳机理研究提供理论支撑。

以分形理论与幂律流体在多孔介质中的渗流运动方程为基础,推导出不同粒径分布因素的多孔介质幂律流体渗透注浆理论模型,通过室内试验与COMSOL Multiphysics软件对理论模型进行验证,同时使用并行电法仪对浆液扩散范围进行监测,开展不同注浆压力与多孔介质孔隙率条件下的模型试验与数值仿真分析。结果表明:激励电流可以较好地指示浆液的渗流路径,视电阻成像分析可对浆液扩散范围进行宏观监测,幂律流体在考虑不同粒径组成多孔介质中的渗透扩散半径小于不考虑不同粒径组成多孔介质中的扩散半径,二者相差的均值为11.77％,且考虑不同粒径组成多孔介质模型得到的扩散半径更接近实测值,且注浆压力与多孔介质孔隙率越大,越不能忽略不同粒径分布因素对浆液扩散的影响,采用该理论模型更能反映幂律流体在不同粒径组成多孔介质中的渗透扩散规律。将该理论模型成功应用于顾北矿南二采区1512(3)工作面预注浆加固,取得了良好的工程实践效果。

煤体裂隙分布特性对气体聚集、运移及产出具有至关重要的影响。基于多孔介质分形理论,构建了一种新的跨学科分析模型,定量表征了煤岩裂隙粗糙程度,并将煤岩渗透率定义为它的函数,进而与煤体变形、吸附效应及气体压力耦合,实现了多物理场耦合作用下裂隙粗糙程度及分形行为对气体渗流、煤岩应力和渗透率影响的定量分析。研究表明:提出的4个分形参数能够很好地表征粗糙裂隙数目、长度、迂曲度及粗糙程度;当煤岩物性参数保持不变时,渗透率与裂隙迂曲度分形维数成反比,与裂隙分形维数成正比;相较于其他微观参数,迂曲度分形维数的改变对煤岩渗透率及气体压力的影响最大。研究结果可为相关工程项目提供一种全新的评估抽采率及开采安全性的跨学科方法。

超声波辅助压裂增透技术具有水力压裂大范围增透、压裂液改造微孔隙、超声波促进瓦斯解吸抽采等优点,可有效改善瓦斯抽采效率,具有广阔的应用前景。为研究超声波作用时间对清洁压裂液改造煤岩效果的影响,对沈阳某矿煤样开展了不同超声波作用时间下清洁压裂液浸泡试验,并通过扫描电镜结合能谱(SEM-EDS)和压汞法(MIP)联合表征煤样孔隙结构,利用傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析煤的化学结构。结果表明:超声波作用下压裂液与矿物杂质产生化学反应，改善了孔隙结构特征和孔隙连通性,且增长趋势先急后缓,拐点约为5 h,此时煤岩总孔容、孔隙分形维数和渗透率相较原煤分别增加了22.60％,5.25％和73.95％,迂曲度降低了17.93％;超声波和压裂液共同作用可增加煤的芳香度,有利于瓦斯解吸,且增加趋势为先缓后急再缓,拐点分别约为3 h和8 h,芳香度分别增加了0.98％和16.23％;受能垒及分子结构等影响,煤分子结构改造难度大于矿物质化学反应,芳香结构参数的变化较孔隙结构滞后约3 h;煤样孔隙结构和芳香度的变化表明该技术可有效改善煤孔隙结构、促进瓦斯解吸,且该条件下的有效作用时间为8 h。研究结果丰富了瓦斯抽采理论体系,可为该技术的现场实践提供理论指导。

为揭示煤尘润湿机理和改进抑尘效果,研究了粒径影响下煤颗粒的动态润湿行为。将煤样破碎筛分为5种不同粒径的煤颗粒,通过低温液氮法和压汞法联合表征煤颗粒孔隙特征,分析不同粒径煤颗粒孔隙分形特征,借助低场核磁共振(LF-NMR)技术从时间和空间尺度分别描述水在润湿煤颗粒过程中的状态变化及动态润湿过程。结果表明:粒径减小,过渡孔、微孔孔径占比增多;粒径过大或过小时,过渡孔、微孔的分形特征不明显;低场核磁共振T2谱图反映了润湿过程中煤颗粒孔隙吸附的水、煤颗粒表面吸附的水和流动的自由水3种状态,定量分析水的时空演变特征,将润湿煤颗粒过程分为煤表面扩散、润湿表面孔隙及持续扩散3个阶段。润湿阶段的明确为提高煤尘润湿效率提供了参考。

由于冲击地压灾害的复杂性、突发性及形式多样性等特点,灾源准确感知与预警、应力场精准调控等问题迫切需要解决,数字钻探
被认为是定量测量岩体力学信息的原位测试新方法。通过自主研制的三轴高应力加载钻进全过程模拟实验系统,开展不同应力、钻进工况条件下钻进敏感性试验,研究不同应力、钻进工况对随钻扭矩、推力、排屑量等信息的影响规律,建立煤体应力随钻感知力学模型,揭示煤体应力与随钻响应信息关联机制,提出基于BP神经网络的煤体应力多参量融合智能识别方法,并开展了工程应用。研究表明:随钻响应信息(扭矩、推力等)与加载应力呈正相关关系,其增长趋势与钻进排屑量随应力增加的趋势相同,而钻进速度、转速是影响随钻响应信息的重要因素;基于BP神经网络的随钻应力识别模型拟合程度好,模型预测准确率达到95％;井下工程验证发现主动CT反演的应力异常区和随钻反演应力具有较好的一致性,验证了随钻感知煤体应力的准确性。研究为实现煤体应力原位数字钻探技术提供了科学依据,有利于破解冲击地压危险源智能感知与预警行业性难题,促进防冲技术向高效、智能化方向发展。

为研究地应力影响下聚能爆破对煤层的损伤情况及裂纹扩展规律,以聚能爆破作用机理和地应力下爆破孔环向应力分布规律为理论基础,通过相似模拟试验和数值模拟与分形维数相结合的方法,探讨了地应力作用下聚能爆破煤体裂纹扩展规律。试验结果表明:相对于无地应力条件,3组对照试验1^＃测点的应力大小和动载作用时间均减少,证明地应力对聚能爆破存在抑制作用。聚能爆破受地应力的影响会减少裂纹发育的长度,但依然能够保证裂纹的定向发育。当聚能方向平行于最大主应力方向时,聚能方向裂纹会得到延长;反之,裂纹长度将会减少。通过ANSYS／LS-DYNA对不同侧压系数(k)下煤体聚能爆破进行模拟,结果表明:k越大对聚能方向裂纹发育抑制越明显;k越小则对聚能方向裂纹发育起促进作用。同时,通过线性拟合得到损伤量w和分形维数D之间的函数关系,建立了煤体损伤预测模型。

坚硬顶板特厚煤层采场瓦斯涌出及运移特征具有特殊性,研究其特征是确定瓦斯治理方案、解决工作面瓦斯超限的基础。以大同矿区石炭系坚硬顶板特厚煤层开采为工程背景,运用理论分析、数值模拟及现场实测等方法研究采场瓦斯运移规律、抽采治理技术与参数。研究表明:坚硬顶板采动影响范围广、悬顶面积大,导致瓦斯异常涌出且积聚于顶板悬顶下的无风区域,工作面来压时瓦斯随悬顶垮落挤压进入工作面易引起瓦斯超限;工作面仅通过U型通风方式不能解决上隅角瓦斯超限问题,故提出采用高抽巷作为工作面瓦斯防治技术;首次定义了抽采权重概念,并基于抽采权重的动态调整,确定了高抽巷竖布置层位及抽采参数,高抽巷竖直距离工作面18 m、水平距回风巷15 m,最佳抽采负压为7 kPa,最佳抽采权重范围为0.25～0.5,实现了上隅角瓦斯最高浓度仅为0.63％、瓦斯抽采浓度3.92％、工作面来压期间平均瓦斯抽采率可达80.8％的抽采效果。研究结果对坚硬顶板特厚煤层综放工作面瓦斯灾害治理具有重要的借鉴意义。