采矿与安全工程学报

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1. 背斜构造区特厚煤层开采覆岩破断失稳规律及突水压架机理

刘长友, 刘怀东, 陈毅琪, 杨培举, 王晨鸿, 杨敬轩

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 239-251. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0465

摘要（465）

PDF（pc）（7799KB）（218）

针对我国西部矿区背斜构造带突水压架事故频发问题,以郭家河煤矿1309工作面为工程背景,采用现场调研、物理实验与理论分析等方法深入研究了背斜构造区特厚煤层开采覆岩破断失稳规律与突水压架机理。研究表明:1) 1309工作面突水压架主要发生在起坡角较大、起坡点与轴部落差较大的背斜构造区。顶板宜君组岩层是导致工作面突水事故的关键含水层,煤层之上102.5 m处厚度28.53 m的中粒砂岩为隔水关键层。2) 工作面垮落带高度为65 m,垮落带内破断岩块分布杂乱无章;裂隙带岩层的位移曲线呈单峰状,最大位移点位于背斜构造中下部。隔水关键层断裂后,其上部100.51 m的岩层同步断裂并产生活化,导水裂隙导通宜君组含水层。3) 过背斜阶段隔水关键层断裂步距为32.27 m,断裂角为2.15°。断裂后的隔水关键层与采空区已破断岩块铰接形成砌体梁结构,当承压水压力超过1.02 MPa时,砌体梁结构中的断裂岩梁反向回转继而产生滑落失稳。4) 隔水关键层滑落失稳后,控制顶板所需要的支架阻力达到31 015 kN,超过了支架额定阻力,进而会造成工作面支架压架。避免工作面发生压架事故的关键是保证隔水关键层不产生滑落失稳。

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2. 特厚坚硬煤层两柱掩护式超大采高综放液压支架适应性研究

许永祥, 曾明胜, 蔡逢华, 丁维波, 刘俊峰, 韩会军,

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 252-263. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0111

摘要（382）

PDF（pc）（3595KB）（101）

针对未充分考虑顶板约束反力而造成对两柱掩护式综放液压支架承载特性认识不充分的情况,基于榆神矿区特厚坚硬煤层综放开采实践,提出并采用修正的液压支架承载能力曲线,合理解释了两柱掩护式综放液压支架在特厚坚硬煤层综放开采中承载特性和适应性的优越性。将液压支架顶梁失稳分为承载失稳(滑移失稳)、力矩失稳(旋转失稳)和结构件失效失稳,并用于不同架型结构液压支架承载特性对比分析。对比结果表明:顶板约束反力可有效改善液压支架的稳定状态,将力矩失稳(旋转失稳)向承载失稳(滑移失稳)转变,充分发挥液压支架立柱的额定工作阻力;顶板约束反力对两柱掩护式综放液压支架承载特性的影响远大于对四柱支撑掩护式综放液压支架的影响;考虑顶板约束反力情况下,工作阻力21 MN的ZFY21000／35.5／70D型两柱掩护式综放液压支架承载特性优于26 MN的ZF26000／36／70D型四柱支撑掩护式综放液压支架。顶板约束反力的发挥取决于液压支架顶梁与顶板(顶煤)结构耦合状态及其刚度特征,坚硬完整顶板(顶煤)条件更有利于充分发挥顶板(顶煤)约束反力对液压支架承载性能的提升作用。

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3. 复合基本顶沿空留巷顶板结构稳定性分析

勾攀峰, 张书军, 范杰, 穆朝元, 赵康, 陈祖国

采矿与安全工程学报 2025, 42 (4): 735-746. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0568

摘要（351）

PDF（pc）（3964KB）（140）

沿空留巷作为回采巷道的布置方式之一,已得到较为广泛的应用,然而,针对具体的煤层赋存条件,特别是在工作面出现大、小周期来压的工况下,沿空留巷巷旁支护阻力的确定并无充足的理论依据。基于切顶技术的应用,将引发工作面大、小周期来压的基本顶定义为复合基本顶,并细分为上位基本顶和下位基本顶,回采巷道沿空留巷布置时预切下位基本顶。据此,构建基于复合基本顶条件下沿空留巷预切顶顶板稳定性力学模型,分析上位基本顶和下位基本顶的结构特征。同时,借助“内外应力场”理论,确定上位基本顶断裂、下沉过程中形成的内应力场大小。研究提出,下位基本顶稳定性是留巷围岩控制的关键。通过分析下位基本顶从工作面前方预切顶形成的悬臂梁结构到留巷采后剧烈影响区简支梁结构的演化过程,建立沿空留巷采后剧烈影响区下位基本顶稳定性判据,并推导出保障下位基本顶稳定的巷旁支护阻力计算公式,为沿空留巷巷旁支护设计提供依据。结合具体工程条件,计算得出沿空留巷巷旁阻力为17.61 MN／m,据此优化确定泵送混凝土巷旁支护参数。现场应用表明,巷道断面收缩率控制在10％以内,围岩控制效果显著。

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4. 远场弱动载触发深部高应力煤层大巷冲击地压发生机制及防控机理

李家卓, 彭瑞, 窦林名, 杨科, 解文豪

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 371-381. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2024.0309

摘要（350）

PDF（pc）（42267KB）（127）

以陕西某矿一盘区煤层大巷为工程背景,综合采用现场监测、实验室试验和理论分析方法,研究了远场弱动载触发深部高应力盘区大巷围岩的失稳特征及诱冲机理。研究结果表明:大巷围岩力学环境受两盘区工作面回采影响,首先一盘区侧覆岩空间结构呈“F”形,二盘区首采工作面回采后,大巷覆岩空间结构转化为双“F”形,随着两盘区其他工作面回采,大巷覆岩空间结构最终呈“T”形,在此过程中大巷围岩静应力水平持续增加,长期高静应力导致煤体损伤不断累积、强度持续劣化。在此期间,对处于等速蠕变阶段的煤样施加持续扰动,其声发射活动相比无扰动作用的煤样更为活跃,并将提前进入加速蠕变阶段,发生失稳破坏时煤样声发射的幅值、计数、能量相比无扰动作用下更加剧烈,且煤样承受的静应力水平越高,动载扰动对煤样损伤越显著,该损伤煤样再受弱动载扰动后发生非稳态破坏。现场表现为近场长期高静应力和频繁矿震联合作用导致煤岩体发生冲击地压的最小载荷降低,远场矿震衰减后的弱动载与高静载叠加超过了降低后的发生冲击地压时的最小载荷,此时煤岩体内剩余的能量超过发生冲击地压所需的最小能量,引起了大巷发生冲击地压。研究成果可为深部开拓和准备巷道(煤巷)冲击地压监测预警及防控提供理论基础。

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5. 深井煤巷围岩采掘活动响应机制及控制技术

王方田, 郝文华, 汤天阔, 何东升, 向永恒

采矿与安全工程学报 2025, 42 (3): 567-578. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0333

摘要（328）

PDF（pc）（31861KB）（73）

相较于浅埋煤巷，深井煤巷面临高地应力与强采掘扰动等高风险因素,巷道维护难度明显增大。为探究深井煤巷围岩在不同采掘扰动影响下的变形响应机制及其控制技术,以城郊煤矿二水平西翼回风大巷为研究背景,通过现场实测分析巷道在实体煤侧单向掘进、采空区侧单向掘进、采空区侧对掘贯通的变形特征,建立巷道围岩结构力学模型,揭示采掘扰动下巷道围岩响应机制。运用FLAC^3D模拟不同采掘扰动形式下巷道围岩应力集中程度、塑性区发育范围、能量集聚程度,并量化表征采掘活动响应强度。结果表明:在上述3种采掘扰动下,巷道煤帮移近量分别为46.24,120.10,147.36 mm,比值为1∶2.60∶3.19;巷道断面收缩比例分别为2.4％,12.1％,23.0％,比值为1∶5.04∶9.58;最大应力集中系数分别为1.31,3.10,3.59,比值为1∶2.37∶2.74；煤帮塑性区深度分别为2 215.2,3 564.4,5 105.3 mm,比值为1∶1.61∶2.30；最大弹性变形能分别为159.4,355.1,458.2 kJ。在时间上，对掘工作面推进增大了工作面前方掘进稳定巷道的收缩比(最大增加10.8％),煤帮塑性区发育(最大增加712.3 mm),巷道周边围岩的应力、弹性应变能向深部转移(最远分别转移1 062.8,1 627.5 mm)且增大(最大分别增加3.44 MPa,70.1 kJ);在空间上,对掘贯通不同程度增大了巷道前后(120 m左右)围岩变形量、塑性区发育深度、应力和围岩能量,并使高应力和能量向深部转移。在实体煤处掘进后，巷道围岩应力和能量向两帮深部转移,巷道收缩,塑性区发展。在采空区处掘进后，护巷煤柱处应力、能量释放并向实体煤侧转移,巷道煤帮塑性区发育较深。基于对掘巷道变形特征，提出对掘贯通处支护优化方案:顶板采用锚网带支护,配合高预紧力高强锚杆、锚索及钢筋网护顶护帮强化支护,有效控制了顶板离层，并抑制了围岩变形,实现了深井煤巷围岩稳定性控制。

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6. 露天煤矿端帮压覆资源回收方法研究现状与展望

周伟, 田涯, 王知乐, 才庆祥, 涂立啸, 李蕊,

采矿与安全工程学报 2025, 42 (3): 497-509. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0432

摘要（322）

PDF（pc）（33090KB）（151）

我国露天煤矿产量现已突破10亿t,约占全国产煤总量的23％,已步入世界露天采煤大国行列。多数露天煤矿开采程序为分区开采,并在采场内进行排土回填，开采方向两侧的端帮边坡随工作帮与内排土场推进而呈现出“形成—掩埋—消亡”的周期性演化规律。端帮下压覆的煤层在被内排土场掩埋后难以二次开采,导致该部分资源永久浪费,国内外学者已就回收端帮压煤做出了积极探索与实践。对靠帮开采、端帮采煤、相邻采区(采场)协调开采这3类主要方法展开综述,介绍了方法形成的背景与发展历程,归纳了方法应用场景,回顾了方法研究成果,讨论了方法所面临的技术难点,提出了靠帮开采与端帮采煤技术的研究方向,并结合国内露天开采行业发展方向,提出了5种端帮压煤回收构想,为资源进一步回收利用提供了研究思路。

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7. 基于数字钻进的层状岩体界面及岩石强度识别试验研究

岳小磊, 岳中文, 马文彪, 李杨, 闫逸飞

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 440-451. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0416

摘要（316）

PDF（pc）（23885KB）（77）

准确预测岩石性质是保证巷道施工安全的重要影响因素之一。近年来,快速发展的数字钻探技术为预测岩体力学特性提供了更多的便捷方法。为揭示层状岩体旋切钻孔过程中机岩相互作用关系,提出一种基于机器学习和数字钻探技术的岩体强度及界面预测方法,开展不同强度等级岩石组合层状岩体数字钻孔试验,分别采用BP神经网络、SVM和CatBoost三种机器学习算法进行岩石地层界面识别和强度预测。结果表明:机器学习方法可以实现层状岩体界面位置、岩层厚度及岩石强度的准确识别,界面识别均衡准确率和F1-Score均超过95％,预测误差在5％以内,预测精度较高;预测的岩石强度参数与实测结果总体误差在10％以内,其中BP神经网络对每种岩石强度的识别精度都较高,模型预测效果最佳。研究结果为实现煤矿巷道岩体动态原位探测提供了借鉴。

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8. 矩形巷道围岩应力分布及塑性区演化规律分析

刘洪涛, 程文聪, 韩子俊, 刘勤裕, 吴双, 张荣光, 乔钟槿, 张熙莹

采矿与安全工程学报 2025, 42 (5): 998-1007. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0497

摘要（287）

PDF（pc）（12161KB）（150）

巷道围岩应力分布与塑性区范围是巷道支护参数设计时的重要参考指标,基于复变理论获得矩形巷道围岩应力解析解和塑性区隐性方程,运用控制变量法研究不同应力场下巷道围岩应力分布特征及塑性区演化规律,通过与等效圆法思想对比分析巷道局部不规则位置对塑性区分布的影响,并借助数值模拟验证理论分析的可靠性。研究结果表明:矩形巷道周边应力分布存在显著差异,应力环境的改变会导致巷道顶底板与两帮应力呈负相关变化,垂直于巷道轴向的围岩切向应力与径向应力均呈梯度变化,且在巷道围岩浅部区域两者变化幅度较大,随着远离巷道中心距离的增加,变化幅度逐渐放缓并最终恢复至原岩应力状态;巷道围岩塑性区扩展形态的不规则性随侧压系数的减小而逐渐增强,其形态由类椭圆形向类蝶形过渡再向蝶形演化,且理论分析与数值计算得到的围岩塑性区形态具有较高吻合度;复变理论分析与等效圆法分析所得塑性区尺寸及形态存在一定偏差,其中复变理论分析所得塑性区扩展形态与数值模拟更为吻合,这是由于等效圆法在理论分析时对断面形状进行了简化,难以准确反映巷道局部不规则位置的真实应力环境,表明局部不规则位置对围岩塑性区扩展具有显著影响。

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9. 基于PCA-SSA-BPNN模型的矿井突水水源识别方法

马莲净, 王颂, 赵宝峰, 吕玉广, 张阳, 卢才武,

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 273-281. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0679

摘要（284）

PDF（pc）（1437KB）（122）

为精准识别矿井突水水源,弥补传统水化学特征相似性识别方法在某些复杂条件下识别精度低的不足,利用主成分分析法(PCA)对水化学样本数据进行降维,引入麻雀搜索算法(SSA)优化BP神经网络(BPNN)权重参数,构建了基于PCA-SSA-BPNN的矿井突水水源识别模型,以实现矿井突水水源的精准识别。在此基础上,将本模型与水化学特征相似性识别方法应用于新上海一号井田111084工作面的突水水源识别工程实例中。结果表明,PCA可以有效减少原始数据中的信息冗余,消除不同水化学类型间的相关性;SSA明显提高了BPNN的全局寻优能力和预测精度,PCA-SSA-BPNN模型对突水水源识别准确率达到96.7％,高出BPNN13.4％。新上海一号井田111084工作面水文地质条件复杂,水化学特征相似性识别方法不能精准识别,采用PCA-SSA-BPNN模型预测突水水源为直罗组含水层,预测结果与实际情况一致,可为矿井突水水源的研究提供依据和参考。

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10. 基于塑性区恶性扩展规律的底板巷围岩变形机理分析及控制技术研究

王卫军, 马谕杰, 苏小伟, 范磊, 袁超, 吴海, 田芯宇, 袁越, 舒仕海

采矿与安全工程学报 2025, 42 (5): 983-997. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2024.0151

摘要（282）

PDF（pc）（42973KB）（218）

为解决采动影响下底板巷围岩大变形控制难题,以某煤矿-150 m南大巷为工程背景,综合运用现场调研、数值模拟、理论计算与工程试验等方法,对采动影响下底板巷围岩塑性区恶性扩展机制及控制技术展开研究。结果显示:采动影响下巷道围岩拱顶部位塑性区呈蝶形恶性扩展,这是造成原支护方案失效及巷道产生大变形的主因;通过监测南大巷开挖至上方煤层开采结束全服务周期内围岩各部位最大／最小主应力,明确其演化规律;基于摩尔-库仑强度理论建立的塑性区恶性扩展力学模型,经验证能在一定程度上反映采动影响下底板巷围岩塑性区恶性扩展的力学机制。依据上述研究并结合采动过程中围岩塑性区分布的时空特性,提出以“帮部及底板高预应力锚杆支护+拱顶左肩部位高预应力短锚索支护+拱顶右肩部位高预应力长锚索支护+全断面注浆”为核心的差异化支护方案,现场实测表明该方案可有效保障上方煤层开采期间巷道围岩的稳定性。

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11. 深井厚煤层多分层充填体-围岩协同承载机理

常庆粮, 高乐, 范建国, 张彪, 孙聪, 胡盼

采矿与安全工程学报 2025, 42 (3): 510-520. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2024.0343

摘要（271）

PDF（pc）（6342KB）（99）

针对千米深井“三下”特厚煤层安全开采问题,采用理论分析、模拟分析和工程实测相结合的方法,构建了顶板动态非均匀组合弹性地基梁力学模型,探究了各分层开采顶板覆岩及充填体移动变形特征与围岩应力演化规律,揭示了深井厚煤层多分层充填体围岩协同承载机理。结果表明:膏体充填开采各分层顶板挠度呈对称分布,挠曲线中部出现明显的“平底”形态,顶板峰值正弯矩在支架后方待充区,峰值负弯矩在前方煤体,两者随上向分层开采逐渐增加;上向分层充填开采顶板重复扰动,下分层充填后顶板下沉量稳定值为上分层开采的起始值;下分层、中分层、上分层充填体压缩量分别为100,340,250 mm;下分层充填后边界煤柱的超前支承压力峰值与中分层、上分层的峰值叠加,使其超前支承压力峰值出现温和异常值;充填面推进距离相同,下分层工作面前方出现了明显的应力集中现象,应力逐渐转移至下分层工作面边界煤柱,且工作面应力增高区和降低区的范围逐渐增大;下分层充填工作面支架工作阻力未出现周期性的波动,支架后方7.0 m的顶板下沉趋于稳定,最大下沉为280 mm,充填体压缩率为2.3％左右,充填体支撑效果良好。

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12. 盾构刮刀旋转破岩力学特性试验研究

李娟娟, 邓龙传, 张弛, 许文涛, 付天池, 李晓昭,

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 452-462. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2024.0504

摘要（261）

PDF（pc）（138715KB）（98）

厘清盾构掘进机械地质相互作用对于提升刀具使用寿命和掘进效率至关重要。当前研究主要关注滚刀贯入破岩作用,关于刮刀切削破岩作用知之甚少。从室内试验尺度出发,聚焦盾构刮刀机械地质切削作用,基于大直径旋转切削试验平台开展2种贝壳刀和1种元宝刀的切削性能研究,从盾构切刀设计理念分析3种刮刀的结构特征及作用,并进一步对比分析刮刀切削特征。试验研究发现:元宝刀切削法向力、切向力和侧向力随切削深度增加而增大,侧向力随切削半径增加而减小,而法向力和切向力不受切削半径变化影响;切削顺序影响刀具受力,偶数槽下Ⅰ型贝壳刀法向力、切向力和侧向力随切削深度增加而增大,奇数槽下先增大后减小,且随切削半径增加Ⅰ型贝壳刀受力呈现锯齿状周期变化规律,Ⅱ型贝壳刀切削受力特征与Ⅰ型贝壳刀相似;元宝刀前刃相比后刃磨损较为明显,Ⅰ型贝壳刀刀刃磨损并不突出,Ⅱ型贝壳刀磨损最小;盾构刀具切削受力表现为Ⅰ型贝壳刀>Ⅱ型贝壳刀>元宝刀。试验表明,盾构掘进采用元宝刀切削砂浆更为容易,对盾构机性能要求更低。该研究工作对于优化盾构掘进参数和提高刀具使用寿命具有重要的工程参考价值。

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13. 液氧瞬态相变爆破流场温度及压力变化规律研究

王雁冰, 赵小艳, 马丹, 王滔, 彭会椿, 刘超, 彭驭涛, 雷振

采矿与安全工程学报 2025, 42 (4): 949-959. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2025.0053

摘要（260）

PDF（pc）（7501KB）（54）

传统炸药爆破存在环境污染和效率低下等问题,而液氧储能破岩作为一种低振、环境友好的气体膨胀致裂技术,具有良好的应用前景。通过高速红外热成像系统和超压监测系统,探究不同液氧量下温度场演变规律及压力场超压衰减特性。研究结果表明:液氧相变膨胀过程中,温度场呈现双峰特征,吸、放热反应交互进行,流场处于动态非平衡状态;液氧量显著影响物相转化效率,且内部能量传递存在平衡点,流场温度并不会持续升高;不同液氧量导致云图中超温发展阶段存在明显差异,进而影响峰值温度的大小;随着液氧量增加,温度曲线的振荡频率和幅度均增强,双峰温度呈现出截然不同的变化趋势;不同测点处的超压峰值及其变化趋势各异,且随着传播距离增加而衰减;温度场和压力场的动态关系决定了爆破流场中的物质转化和能量流动。研究成果为液氧膨胀破岩技术的应用奠定了基础。

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14. 岩石多级特征应力循环加卸载损伤特性研究

肖福坤, 莫嵘桓, 单磊, 侯志远, FEDOTOVA Iuliia, 秦龙飞

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 430-439. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2024.0267

摘要（258）

PDF（pc）（3742KB）（84）

为研究细砂岩在不同特征应力阶段循环载荷作用下的损伤特性,基于声发射能量特征、弹性能和耗散能指数确定了岩样特征应力阈值,并以该阈值为循环加卸载限值开展三轴试验,从耗能和损伤量角度阐明细砂岩在不同应力阶段的损伤特性。结果表明:不同特征应力阶段,第一次加载时弹性模量最小,应变率最大,弹性模量随循环次数的增加逐渐趋于稳定,耗能率和塑性应变率逐渐降低,储能限值保持不变,说明所受载荷达到损伤应力前,细砂岩处于稳定损伤阶段,且细砂岩在循环载荷作用下存在损伤记忆性。随着围压的增加,同一特征应力阶段应变率逐渐减小;第一和第二特征应力阶段,耗能率和塑性应变率略微下降,损伤占比保持不变;第三特征应力阶段,耗能率、塑性应变率和损伤占比明显增加，即随着围压的增加,其对第一及第二特征应力阶段损伤具有抑制作用,对第三特征应力阶段损伤具有促进作用。

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15. 深井软岩顶板返修锚索支护设计及控制研究

潘锐, 龚伟, 任明洋, 程桦, 孙茂如, 张旬, 施宗申, 凡元丰

采矿与安全工程学报 2025, 42 (4): 759-767. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2024.0356

摘要（257）

PDF（pc）（7856KB）（62）

针对深井巷道原支护方案返修后顶板稳定性难以维持的工程难题,通过围岩破坏分区探测、理论分析顶板围岩破坏规律及推导考虑锚索长度的支护承载计算公式,提出“注浆加固浅层破碎围岩+加长锚索深部控顶”的返修支护方案并开展现场工业性试验。研究表明:围岩严重破坏区距硐壁平均3.44 m,锚杆全部处于该区域内;中等破坏区距硐壁平均6.04 m,接近锚索长度;轻微破坏区距硐壁平均7.56 m,超出锚索长度。数据表明原方案支护参数不合理。注浆工艺可有效提升岩体力学参数、增加支护阻力,配合合理的锚索长度与间排距设计能充分发挥锚索支护承载能力,提高顶板稳定性。优化确定的9 200 mm长度、160 kN预紧力、800 mm×800 mm间排距锚索支护参数,较矿方原返修方案实现锚索受力均值提升至210 kN以上,支护潜力得到有效发挥,顶板总离层量降低80％以上,平均沉降量减少75％以上,顶板返修控制效果显著。

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16. 沟谷地形极近距离煤层群采动规律研究

柴敬, 高靖博, 张丁丁, 马哲, 赵文华, 杨小宁, 张军颖, 姜龙

采矿与安全工程学报 2025, 42 (3): 487-496. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0378

摘要（247）

PDF（pc）（2274KB）（187）

为探究沟谷区域极近距离煤层群采空区下下层煤采动规律,以宁夏白芨沟煤矿0102104工作面为背景,采用理论分析、数值模拟及现场原位测试相结合的方法,对工作面前方应力演化规律、巷道变形特征及山体裂隙演化规律等进行研究。研究表明:极近距采空区导致的层间顶板损伤破坏是造成该范围内采动应力、围岩变形及超前影响区显著较小的直接原因。山体裂隙发育受工作面上覆采空区赋存条件和山体产状共同影响,其发育特征较两者独立作用均有所不同;巷道围岩变形可分为“围岩稳定区—线性上升区”两部分;工作面前方采动应力在采空区影响范围呈“原岩应力—近线性增长”两阶段演化,在单一煤层采动时呈“原岩应力—近线性增长—阶跃式下跌”3阶段演化。研究成果可为类似地质条件下煤炭安全开采提供理论参考。

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17. “蝶形托板-锚索”匹配性及锚索防剪保护机理研究

涂敏, 郭福鑫

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 306-316. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2024.0120

摘要（247）

PDF（pc）（18856KB）（123）

煤矿巷道顶板锚索容易发生拉剪破断事故,除了顶板岩层错动外,还要考虑“蝶形托板-锚索”构件间内在联系。针对此类问题,采用理论分析、数值模拟与实验室试验相结合的研究方法,提出了托板斜面挠曲变形解析式与锚索受剪力学解析式,分析了传统蝶形托板与防剪蝶形托板受压变形规律、“托板-锚索”构件间应力分布特征以及锚索防剪保护机理。结果表明:传统蝶形托板在锚具压力作用下发生弹塑性变形,托板顶部锚索孔壁沿锚索与孔壁接触面法向变形剪切锚索,在剪切力作用下,锚索外丝产生剪切损伤,直至拉剪破断。防剪托板受压变形剪切托板孔铝管,避免托板与锚索直接接触。采用增加铝制缓冲管的防剪蝶形托板,锚索破断极限由596 kN提升至616 kN,锚索最大拉伸量由50.1 mm提升至88.6 mm。

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18. 振动冲击复合加载下青砂岩破裂特征及断裂能利用效率研究

赵环帅, 潘永泰, 毕研琨, 张钏, 乔鑫, 赵英嘉, 张志镇, 卢美全, 叶黔玉, 王田,

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 463-471. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2024.0052

摘要（246）

PDF（pc）（17144KB）（61）

为研究振动冲击复合加载下岩石破裂特征及断裂能利用效率,结合物理试验与细观参数标定等方法,建立了青砂岩宏观-细观力学响应关系,分析了青砂岩在振动冲击复合加载下的破裂特征及裂纹分布特点,并研究了断裂能及其利用效率。研究结果表明:青砂岩在振动冲击复合加载下增加振幅与频率,青砂岩破裂均加剧且破裂特征及裂纹分布相似;剪切裂纹是导致裂纹扩展与延伸的主要原因,而最终断裂是拉伸和剪切裂纹相互作用的结果;改变冲击速度,断裂能与断裂能利用效率均显著提高,而改变振幅及振动频率，总体上均能小幅增加断裂能并提高断裂能利用效率。研究结果不仅对振动冲击复合加载下青砂岩破裂特征及断裂能利用效率进行了初步探索,也为岩石破碎工艺参数的合理选择提供了参考。

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19. 深-浅孔协同爆破高-低位顶板互馈破断护巷消冲技术研究

张广辉,

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 345-355. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0186

摘要（245）

PDF（pc）（14322KB）（71）

针对某矿在高埋深复合坚硬顶板双巷掘进留小煤柱护巷下,临空巷道受高地应力、工作面侧向悬顶和双重采动影响易发生蠕变变形及冲击地压灾害,以该矿地质条件和采掘部署为工程背景,提出深-浅孔协同爆破促使高-低位顶板互馈破断护巷消冲技术。通过开展复合坚硬顶板赋存特征下相似模拟、数值模拟和小煤柱护巷顶板结构理论分析,揭示临空巷道大变形和冲击灾害与侧向悬顶长度的关联性,基于2类钻孔起爆顺序和导向孔作用原理构建深-浅孔协同爆破机制,在分析高-低位顶板间相互作用载荷对应力强度因子K_Ⅰσ1和K_ⅢT的影响作用的基础上,研究高-低位顶板互馈破断原理,并通过理论推演和现场试验确定组合爆破参数。工程实践表明:浅孔爆破低位岩层产生轴向贯通性裂隙和深孔爆破高位岩层预制径向非贯通性裂隙,达到了协同爆破的目的和互馈垮断的基本条件;13163巷围岩变形量和顶板离层的最大值分别为440 mm和32 mm,表明协同爆破促进了低位顶板破断、充填,减缓了蠕变变形，起到护巷作用;13132巷微震事件频次降低34％,微震事件集中能量区间向左偏移7.5 kJ左右,表明深-浅孔协同爆破降低了高位复合坚硬顶板剧烈破断诱发动载冲击的概率,具有临空巷道消冲功能。

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20. 采空区底板煤岩体时空演化特征及卸压效果研究

党嘉鑫, 涂敏, 张向阳, 赵庆冲

采矿与安全工程学报 2025, 42 (2): 356-370. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0304

摘要（245）

PDF（pc）（24025KB）（105）

为准确快捷了解底板煤岩体卸压时空演化特征,保证下伏煤层瓦斯安全高效抽采,须对多因素影响下的底板膨胀变形规律进行分析。通过数值模拟分析不同推进距离底板下方应力场和破坏区的时空演化特征,进一步建立采动力学模型,分析应力集中系数k、弹性模量E、底板深度H和煤层厚度h对底板膨胀变形特征的影响,并确定主控影响因素。结果表明:采空区下方煤岩体经历了初期变形、加速变形、稳定变形和终期变形4个阶段,底板随工作面周期推进呈倒三角形破坏。在靠近煤壁和切眼处形成充分卸压区,工作面附近的卸压程度和广度较为明显,以采空区中部为中心向四周逐渐呈环形压实区;底板下方煤岩体膨胀变形呈现两端高中间低的“M”形变化规律,随着远离采空区膨胀变形减缓,煤层自身物理特性是周围地质环境共同作用的结果,层间距H是影响煤岩体膨胀变形的主要因素之一;现场对下伏两层煤的瓦斯压力进行监测,工作面靠近和远离钻孔位置时,沿走向和倾向瓦斯压力整体呈现先增大后减小的趋势,最终趋于平稳完成卸压;随着底板深度的增加,瓦斯压力峰值逐渐增加至0.4～0.5 MPa,其卸压效果也有所减弱。研究成果可为下伏煤层卸压瓦斯抽采的布置方案提供参考。

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