采矿与安全工程学报

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1. 超前预掘留巷开采与常规留巷开采巷道破坏特征对比及成因分析

王卫军, 范磊, 马谕杰, 袁超

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1129-1138. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0278

摘要（268）

PDF（pc）（10405KB）（221）

沿空留巷作为无煤柱开采技术的一种,在提高煤炭回收率、降低开拓掘进量的同时,也给后续留巷巷道的维护带来诸多挑战。以沿空留巷技术的应用为主线,选取Y型通风的后退式留巷工艺(常规留巷工艺)和超前预掘运输巷的前进式留巷工艺(超前预掘留巷工艺)为研究对象,研究2种不同留巷工艺下回采巷道的破坏特征,通过分析回采巷道三维应力场的演化规律,揭示不同留巷工艺下回采巷道差异破坏的力学机理。结果显示,围岩主应力方向的分布与开挖空间的形成密切相关,在开挖空间附近的“应力扰动区”内,岩体的最小主应力总是近似指向开挖空间的几何中心,最大主应力呈椭球形将开挖空间环向包裹;不同留巷工艺下回采巷道围岩应力场的分布规律也不尽相同,巷道主应力的大小和侧压系数的高低在一定程度上共同决定了巷道的破坏形态;采动应力对回采巷道的影响并不总是不利的。应力场是矢量场,具有大小和方向,回采巷道的破坏特征取决于采动应力和原岩应力矢量相加所形成的“复合应力场”,而不是两场的代数和。因此,开拓方式的选取和支护参数的确定不仅要考虑原岩应力场的分布规律,还需要考虑采动应力场的影响。在一定条件下,合理利用采动应力可以改善围岩的应力环境,降低回采巷道维护难度。

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2. 面向残煤复采的煤泥基注浆充填材料机械活化机理研究

沈玲玲, 丁鹿玮, 张羽者, 周楠, 黄鹏, 李猛, 侯世松, 侯玉亭, 暴晓庆

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1243-1252. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0137

摘要（141）

PDF（pc）（4601KB）（202）

为便于复采后煤炭资源的回收利用,设计充填材料时,需充分考虑充填材料的可洗选性和来源广泛性,减少洗选工序和运输成本。因此,本研究提出以机械力活化煤泥代替部分水泥作为胶结材料,煤粒作为骨料的注浆材料的研究思路,煤泥和煤粒材料来源广泛,且可以减少采用水泥胶结充填材料混入原煤后增加的洗选成本。基于此,开展活化煤泥注浆材料坍落扩展度、泌水率和抗压强度的研究,分析机械力活化参数对注浆材料性能影响规律,结果表明:采用活化煤泥作为注浆材料时,可使原煤泥料浆浓度由74％降低至65％,活化煤泥替换原煤泥质量对注浆材料的坍落扩展度和抗压强度的影响远远大于活化煤泥时间。活化煤泥料浆浓度65％,活化时间2 h,替代原煤泥80％时,注浆材料黏度最大增加约30倍,注浆材料的抗压强度由0.92 MPa提高到1.915 MPa。活化煤泥改性注浆材料力学特性和流动特性的原因为机械能输入增加煤泥内能,破坏煤泥中高岭土层间结构并生成胶凝材料,激发了煤泥潜在胶结性能,增强注浆材料力学性能。

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3. 平顶山矿区深部软岩巷道围岩蠕变破坏机制及控制

王旭锋, 陈旭阳, 王纪尧, 常泽超, 秦冬冬, 黄庆显

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1139-1150. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0294

摘要（214）

PDF（pc）（22911KB）（181）

平顶山矿区是我国典型的深部开采矿区之一,区内多数软岩巷道面临支护结构易失效、持续变形难控制的难题,给矿井安全生产带来严峻挑战。基于平煤一矿戊一采区回风上山的工程地质条件,明确三轴应力下围岩(砂质泥岩)蠕变特征,结合数值模拟,揭示软岩巷道蠕变破坏机制,针对性地提出深部软岩巷道蠕变控制对策并进行工业性试验。研究结果表明,围岩应力水平高、顶板及两底角应变大是巷道蠕变破坏的主要原因,同时围岩软弱破碎、受理化作用强，加剧了围岩破坏程度,致使部分支护结构无法发挥应有作用、巷道产生大变形,这又使锚杆等结构失效,巷道破坏更加剧烈。基于此提出分阶段、分层次深部软岩巷道蠕变控制对策及加固方案并进行工业性试验,围岩控制效果显著。

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4. 采场支承压力全程动态演化特征及机理分析

张震, 徐刚, 高晓进, 黄志增, 刘前进, 李正杰

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1219-1230. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0312

摘要（144）

PDF（pc）（2793KB）（171）

为促进工作面及巷道围岩稳定性控制,利用应力监测装置对不同矿区采场支承压力进行了连续监测,总结了采场支承压力全程动态演化特征,分析了不同演化特征的机理。结果表明:采场超前支承压力的传递呈现“工作面中部向两端头扩展”的动态迁移特性,在工作面中部区域,应力的传递沿倾向方向具有同步性及均衡性,沿走向具有差异性及不均衡性,应力增量呈“工作面中部区域>临空侧>实体煤侧”的区域差异性。采场不同区域覆岩破断的时序性是超前支承压力动态迁移特性的根本原因,中部区域破断岩块同步整体回转的特性决定了应力传递的同步性及均衡性,岩块破断步距、回转角度的差别决定了应力传递的差异性及不均衡性,覆岩破断块度、空间位置决定了应力增量的区域差异性。采场侧向支承压力演化存在“单峰起伏”和“双峰起伏”两种形式,单峰状态下采空区侧向顶板处于长期悬顶状态,双峰状态下侧向顶板依次经历了破断、回转失稳及再稳定过程。工作面煤柱较宽时,双巷掘进、单侧工作面采动下,侧向支承压力呈“双承载点同步传递”的状态,侧向顶板偏载应力、煤柱内刚度区域差异化是双承载点同步传递的原因。该研究结论对工作面回撤通道支护、煤柱宽度优化的确定具有重要参考意义。

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5. 西部含水弱胶结围岩-充填层-钻井井壁流固耦合作用机理分析

姚直书, 李欣慰, 程桦, 黄献文, 方玉, 王晨

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1177-1190. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0646

摘要（131）

PDF（pc）（2428KB）（162）

钻井法凿井具有本质安全、机械化程度高和成井质量好等优点,是我国深立井施工自动化、智能化的发展方向。开展钻井井壁、充填层和含水弱胶结围岩共同作用机理研究,为钻井法凿井在西部深厚含水弱胶结岩层中应用提供基础。首先,针对钻井井壁在正常使用阶段的工作条件,构建含水弱胶结围岩-充填层-钻井井壁流固耦合作用模型,基于厚壁圆筒理论、广义有效应力原理和达西渗流理论推导渗流场、应力场解析解;然后,以即将建设的陶忽图煤矿北风井为工程背景,得到该井筒周围渗流场及应力场分布规律,并通过数值计算方法对解析解进行验证。在此基础上,研究充填层的作用机理,分析充填层对井壁长期外荷载的影响。结果表明:径向有效应力分布曲线与孔隙水压力分布曲线的变化规律相似,越靠近井筒中心,孔隙水压力及径向有效应力越小;环向应力总体表现为越靠近井筒中心越大,最大值出现在井筒内侧。降低充填层的渗透率和增加充填层的厚度,提高了充填层分配有效应力和孔隙水压力的能力,传递到井壁的有效应力和孔隙水压力均降低;增大弹性模量,提高了充填层分配有效应力的能力,传递到井壁的有效应力降低。在西部地区钻井法凿井中,不应采用碎石充填,应研制高性能水泥砂浆充填材料;在钻进过程中,应控制偏斜率,提高充填层有效厚度。研究结果揭示了西部含水弱胶结岩层钻井井壁在使用阶段的受力机理,为钻井井壁长期受力分析提供了基础。

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6. 深孔掏槽超深爆破破岩机制及最佳超深值研究

王雁冰, 孔维文, 王国豪, 谢平, 彭喆, 张文超

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1210-1218. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0122

摘要（147）

PDF（pc）（5480KB）（156）

岩巷掘进中“速度的关键在掏槽”。针对目前掏槽爆破中单循环进尺小、200 mm掏槽孔超深爆破技术已经较为落后等问题,研究深孔掏槽超深爆破破岩机制,并采用数学建模的方法,推导超深爆破中岩石破碎抛掷所受阻力和动力公式,分析不同超深值对掏槽体积的影响;利用AUTO-DYN模拟掏槽范围内岩石的抛掷速度变化规律,初步确定最优掏槽孔超深值为400 mm;在岩巷掘进现场应用深孔掏槽超深爆破技术,对比不同超深值爆破方案及传统楔形爆破方案的爆破效果评价指标。结果表明,适当增加超深值会使裂隙充分延伸,岩石破碎得更为彻底,形成体积更大的掏槽槽腔;但过度增加超深值会导致岩石抛掷阻力过大,裂缝延伸长度降低,不利于增大掏槽槽腔体积。工程实践表明,400 mm的掏槽孔超深值能够在取得理想爆破效果的同时提高工作效率,具有良好的经济社会效益。

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7. 我国煤系共伴生矿产赋存特征及分布规律

吴占伟, 黄炳香, 赵兴龙, 韩晓克, 陈大勇, 王长申, 张清秋

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 29-46. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0479

摘要（167）

PDF（pc）（7007KB）（156）

我国煤系共伴生矿产有85种,种类多、分布广、储量大,具有很高的经济价值和战略价值,按工业属性和用途可分为煤系能源矿产、煤系金属矿产和煤系非金属矿产。系统性分析煤系能源矿产(煤系气、富油煤、油页岩、铀矿)、煤系金属矿产(铝土矿、铁矿、镓、锗、锂、稀土元素)及煤系非金属矿产(硫铁矿、高岭土、耐火黏土、膨润土、隐晶质石墨)的赋存特征和分布规律,总结论述我国14大煤炭基地煤系共伴生矿产赋存分布及开发利用状况。结果表明:煤系共伴生矿产主要赋存于煤层、顶底板中或在煤层附近岩层中单独成矿,分布规律与我国煤炭分布具有一定的相似性,呈现明显的时期性与区域性。我国煤系共伴生矿产形成时期主要集中在石炭-二叠纪、早中侏罗世和晚侏罗世-早白垩世3个成煤期,分布区域主要集中于华北的鄂尔多斯盆地、沁水盆地、华北南部盆地,西北的准噶尔盆地、伊犁盆地、吐哈盆地,东北的松辽盆地、二连盆地,西南的川南黔北地区,以及四川盆地等各大含煤盆地。我国神东基地、晋北基地、晋中基地、晋东基地、云贵基地和新疆基地煤系共伴生矿产种类储量丰富,具有广阔的综合开发利用前景。

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8. 煤系共伴生矿产地质成因与成矿过程

韩晓克, 黄炳香, 王长申, 赵兴龙, 吴占伟, 陈大勇

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 15-28. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0480

摘要（166）

PDF（pc）（4121KB）（154）

目前,关于煤系共伴生矿产地质成因与成矿过程的研究多分散针对单一矿产,系统化研究仍较为缺乏。文章系统性地总结论述煤系共伴生矿产的成矿有利条件、地质成因及成矿过程等。按照主控成矿作用,煤系共伴生矿产地质成因可以分为变质作用成矿、沉积作用成矿和后生作用成矿三大类。以聚煤盆地形成演化为主线,煤系形成前期,铝、铁率先在盆地基底沉积成矿。随后煤系油页岩、高岭土等沉积型矿床多因成煤环境改变而与煤层交替沉积成矿,镓、锗等金属元素多由含矿流体携带富集于成煤沼泽之内,煤成气、富油煤及煤系石墨则是煤系有机质在各种条件下的变质分化产物。在煤系演化后期,砂岩型铀矿和各种稀有金属元素则会后生成矿于煤系内。煤系共伴生矿产成矿的主控因素主要包括适当的地质构造活动、充足的物质来源、湿热的古地理气候以及煤系内丰富的有机质等,受这些因素影响,各大聚煤期内煤系矿产资源的成矿特征存在明显差异。

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9. 巷道开挖过程中围岩能量耗散特征

孟庆彬, 辛学奎, 宋子鸣, 宋洋, 程争民, 王昌

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 142-150. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0475

摘要（163）

PDF（pc）（7312KB）（153）

巷道围岩的变形破坏本质上是能量积聚、耗散及释放综合作用的结果,是能量驱动下的一种状态失稳现象,揭示巷道围岩能量分布规律有利于岩石工程的安全评价和稳定性分析。基于经典弹塑性理论及能量守恒定律,分析了巷道围岩弹性变形能、耗散能和外力功之间的关系,揭示了外力功与能量的演化规律。采用FLAC^3D内嵌的Fish语言编程及二次开发,完成FLAC^3D能量计算的功能拓展,并通过算例验证了所开发的能量模块的准确性和合理性;将此能量模块应用于巷道工程,实现了对巷道围岩弹性能量场、耗散能量场的可视化分析,探究了不同断面形状、尺寸对巷道围岩能量场分布及演化规律的影响,且巷道围岩耗散能集中区与主破坏位置基本吻合。从能量角度分析巷道围岩的稳定性,对巷道吸能支护设计具有重要理论意义和应用价值。

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10. 芦子沟矿厚煤层沿空掘巷窄煤柱宽度优化及应用

孙利辉, 丁斌, 李旺军, 陈振, 商德勇, 张永健, 宋家乐

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1151-1160. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0251

摘要（164）

PDF（pc）（3044KB）（153）

护巷煤柱宽度是沿空掘巷技术成功与否的关键。以芦子沟矿8103工作面沿空掘巷工程为背景,采用理论分析、数值模拟和现场试验等方法,研究沿空掘巷内外应力场传递演化规律,确定沿空掘巷内应力场分布范围,对比分析不同宽度护巷煤柱下巷道围岩的形变特征,得到最优护巷煤柱宽度为8 m。结果表明:内外应力场呈“双驼峰”状分布,内应力场范围为12.2～13.8 m,巷道布置在内应力场范围内不会引起支承压力的明显变化,能够保持巷道相对稳定;煤柱宽度由3 m增加至35 m时,煤柱内垂直应力增长率出现先增大后减小的趋势;煤柱宽度为3～8 m时,煤柱内垂直应力分布近似为“单驼峰”,煤柱宽度为10～35 m时,煤柱内垂直应力分布近似为“双驼峰”。随着煤柱宽度的增大,煤柱内部弹性核区不断增加,煤柱塑性区形状由“贯穿”状向“H”形过渡,直至发展为“X”形;煤柱内部破坏方式由“拉、剪复合破坏”向“剪切破坏为主”发展,最终破坏形式为“全剪破坏”。现场试验表明:宽度为8 m的护巷煤柱可以有效地控制巷道围岩变形量,能够维持巷道整体稳定;与原护巷煤柱相比,煤炭损失率降低了77.15％,提高了煤炭资源采出率。

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11. 基于离散元法的岩石时效性流变模型研究

吴博文, 常聚才, 柏建彪, 王襄禹, 王拓, 史文豹

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1273-1280. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0302

摘要（122）

PDF（pc）（3603KB）（150）

为建立一种基于离散元方法的岩石时效变形模型,采用MTS Criterion 64.206试验系统和PCI-2声发射系统开展砂质泥岩单轴流变试验,分析砂质泥岩时效变形和声发射特征,基于等效变换的摩尔库伦准则、岩石长短期强度关系和裂纹静态疲劳失效机制,在UDEC中建立岩石时效变形模型。研究结果表明:岩石流变期间内部裂纹不断孕育扩展,加速流变破坏前,岩石发出大量声发射信号;岩石时效强度主要受内聚力控制,建立内聚力与时间的函数关系可实现块体强度衰减;以接触面两侧块体内屈服变形体数量比例关系作为转换系数,可将块体强度衰减机制运用于接触面;屈服变形体个数与岩石流变失稳密切相关,屈服变形体的增加导致接触面强度下降;模拟与试验的应变及损伤特征匹配度较好,验证了模型的合理性。以淮北某矿轨道上山为工程背景,运用开发的模型进行数值模拟,模型较好地反映了巷道围岩破坏特征,揭示了巷道围岩阶段变形特征及巷道大变形机制。

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12. 冲击载荷下含瓦斯煤力学特性与破坏特征

王磊, 张帅, 刘怀谦, 陈礼鹏

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1323-1334. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0062

摘要（167）

PDF（pc）（6902KB）（144）

为探究不同初始瓦斯压力下煤体动力学特性和破坏特征,利用含瓦斯煤SHPB试验系统,开展不同瓦斯压力下煤体动态冲击试验,分析含瓦斯煤宏观力学参量随瓦斯压力的变化规律。此外,通过数字图像相关法(DIC)实时观测煤体动态破坏过程,并剖析瓦斯气体对煤体破坏模式的影响。研究结果表明:含瓦斯煤动态冲击应力-应变曲线可分为3个阶段,且其峰值强度、峰值应变和动态弹性模量均随初始瓦斯压力增加呈劣化趋势;基于数字图像相关法,发现低瓦斯压力时，应变集中区首先在试样中部出现并沿轴向往两端扩展,逐渐演化为横向主应变集中带,随着初始瓦斯压力的增加,试样应变集中区呈多块区分布,多个应变集中区相互贯通,形成无规则演化趋势的主应变集中带;不同初始瓦斯压力下,煤体均先在中部出现横向层裂裂隙,随后萌生多条次生劈裂裂隙,但随着初始瓦斯压力的增加,次生裂隙数量快速增长,煤体破坏形式由横向层裂破坏转变为横向层裂、纵向劈裂共存的复合型破坏;基于游离态瓦斯和吸附态瓦斯,构建瓦斯压力下煤体裂隙尖端应力强度因子K_I(p),并揭示煤层瓦斯压力对煤体力学特性劣化和破坏特征变化的内在机理。

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13. 三轴应力条件下凝灰岩广义应力松弛流变模型的构建

许江, 饶豪魁, 彭守建, 陈奕安, 陈灿灿, 马天宇

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1264-1272. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0298

摘要（145）

PDF（pc）（2291KB）（143）

岩石的长期稳定性是影响岩土工程设计和施工的重要因素。在由弹性元件和Abel黏壶元件串联组合得到Abel黏壶蠕变模型的基础上，进一步提出适用于描述流变各个方向应变随时间演化的流变模型——广义Abel黏壶模型。根据不同围压条件下凝灰岩广义应力松弛特性试验结果,对凝灰岩流变特性进行分析计算，并将适用于蠕变方向的广义Abel黏壶模型与Kelvin蠕变模型进行对比。结果表明：构建的广义Abel黏壶模型能很好地描述凝灰岩广义应力松弛流变减速阶段和稳定阶段中的应变变化规律，对凝灰岩广义应力松弛特性的分析具有更好的拟合优度。

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14. 煤系共伴生矿产协同开发

黄炳香, 赵兴龙, 韩晓克, 吴占伟, 袁国栋, 张青林

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 1-14. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0482

摘要（225）

PDF（pc）（11556KB）（140）

煤系共伴生矿产的矿种多,量大面广,与煤层叠置;煤系矿产协同开发是国家的重大战略需求。采动岩层活动叠加与流体迁移规律是煤系共伴生矿产协调开采的核心共性科学问题。采动应力、岩层变形、断裂与运动等叠加是影响煤系共伴生矿产协调开采的关键因素,层间岩层稳定性、层间岩层裂隙贯通度、层间岩层渗流失稳和矿层(体)破断台阶错动量是评价能否协调开采的关键指标。煤系共伴生矿产通过分区错时开采方法、污染物源头阻隔等协调开采技术,实现环境影响的协同控制效应。由于煤系共伴生矿产赋存位置与赋存状态的差异性,其协同开发产业链中所涉及的核心产业环节也有所不同,考虑不同矿种开采工艺与设备的兼容性,相应形成了不同的协同开发模式。目前初步形成了煤-铝-铁-镓综合开发(兴县模式)、煤-铀协调开采(伊犁盆地)、水-煤-气协调开发(鄂尔多斯)等模式或场景,提出了煤矿井下钻井采铀、油气等共采工艺技术。协同开发技术可行,安全与环境有保障。叠置矿产分矿权开发,易导致相互影响,彼此不能正常开采,安全风险及环境影响增大。煤系共伴生矿产的矿权配置是产业发展核心问题,亟需产业政策支持,促进行业高质量发展。提出了矿权改革、综合勘探、协同开发等政策建议,煤系共伴生矿产协同开发企业可有各矿种企业签订互不影响协议、以主矿体为主的联合相关矿种开发企业共同开发、成立叠置资源综合开发公司进行协同开发等3种企业模式。

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15. 不规则煤柱变形破坏机理矩张量反演研究

刘洋, 陆菜平, 王华, 郭英肖, 自义, 夏磊, 王超

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1201-1209. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0276

摘要（159）

PDF（pc）（4475KB）（139）

为探究不规则煤柱变形破坏机理,为采场煤柱失稳型动力灾害防治提供理论参考,基于不规则煤柱区微震监测数据,利用矩张量反演、应力场反演及波速层析等方法,研究不规则煤柱破裂类型、震源机制、主控因素、应力分布及变形破坏特征,并由此提出不规则煤柱变形破坏机理。结果表明:不规则停采煤柱胶带巷侧发生压缩破坏,辅运巷侧主要表现为拉伸破坏;区域震源机制为左旋斜滑正断层,推断真实断层面为走向214°、倾角55°、滑动角-145°;煤柱变形破坏主要受最大主应力σ₁控制,相邻矿井采空区侧向压力是煤柱破坏的主导因素;在最大主应力σ₁主控作用下,煤柱发生压缩破坏,并造成应力集中及煤岩体变形破坏向煤柱内部转移。

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16. 阳泉矿区主采煤层地应力分布规律实测研究

何杰, 吴拥政, 程蓬, 范军平, 吴乐, 武龙云

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1191-1200. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0327

摘要（152）

PDF（pc）（2162KB）（133）

阳泉矿区地质构造形态属于大型不规则单斜构造,以叠加褶皱为主。采用小孔径水压致裂地应力测量装置,开展8对煤矿4层煤层巷道36 处测点原位测试及分布规律研究。研究结果表明:阳泉矿区原岩应力总体以水平应力为主,属于构造应力场类型(σ_H>σ_v>σ_h),埋深较大的9^＃煤和8^＃煤局部所在区域属于自重应力场类型(σ_v>σ_H>σ_h)。矿区主采3^＃煤、8^＃煤和9^＃煤所处区域地应力值属于中等应力值水平,15^＃煤所处区域属于中等偏高应力值水平,最大水平主应力值为25.12 MPa。基于实测数据,绘制了阳泉矿区地应力分布图,最大水平主应力具有明显的方向性和区域性,66.67％的测点最大水平主应力集中在NNE方向且分布在矿区中西部,而矿区南部最大水平主应力集中在NNW方向,水平地应力方向在桃河向斜附近发生偏转,这由该区域强烈叠加褶皱发育及桃河弧形向斜造成。水平主应力差值随着埋深增加而增大,但相同埋深下不同煤层所处区域水平主应力差值差别大、离散性强,这与不同煤层区域受褶皱运动影响差异大有关;矿区水平主应力差比集中在0.5附近,水平主应力差值大导致井下煤体受较大剪应力,稳定性差。获得了平均水平主应力与垂直主应力的比值k随深度变化关系式,且k值落在霍克-布朗内外包络线之内。研究成果对于阳泉矿区煤矿巷道围岩控制具有重要的参考价值。

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17. 动静载作用下区段煤柱能量响应特征及动力失稳机制

王方田, 王文林, 牛滕冲, 魏学谦

采矿与安全工程学报 2024, 41 (2): 221-231. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0316

摘要（120）

PDF（pc）（12265KB）（116）

针对综放工作面回采过程中高静载及强动载扰动下区段煤柱动力失稳问题，以陕西蒋家河煤矿为工程背景，采用理论分析、数值模拟、实验测试及现场实测等方法研究区段煤柱失稳能量判据、极限能量解析解、静载作用下区段煤柱应力、极限能量演化规律及动力能量响应特征，从能量角度阐明区段煤柱动力失稳机制，并对煤柱动力失稳危险区进行精准预测。结果表明：煤柱动力失稳应满足煤体单位时间内释放能量＞煤体耗散能量，静态失稳则满足煤体单位时间内释放能量≤煤体耗散能量。区段煤柱极限能量与最小主应力呈二次正相关关系，煤体损伤的加深会降低煤体极限能量。动静载组合影响下区段煤柱应力、弹性能均增大，超前采动应力影响范围约为工作面前方80 m，塑性区范围内区段煤柱弹性能＞极限能量，验证了理论分析的正确性。以弹性能与极限能量负向差值表征煤柱动力失稳危险性，负差值越大，动力失稳危险性越高。动载荷作用下，区段煤柱竖向应力峰值由41.87 MPa增至43.02 MPa、弹性能峰值由0.22 MJ/m3增至0.24 MJ/m3、塑性区逐渐延伸以至贯通，最大负能量差约为0.02 MJ/m3，其所在区域主要位于煤柱顶端及两帮，其中超前段区段煤柱采动侧距离巷道帮部约3.0 m处达到负能量差峰值，是煤柱动力失稳的高危区域，通过对照工作面月度微震能量事件，验证了煤柱动力失稳机制研究的合理性。

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18. 地下矿山采场充填柔性封闭方法与应用

李宗楠, 郭利杰, 彭啸鹏, 赵越, 余斌

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 86-94. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0485

摘要（161）

PDF（pc）（3910KB）（111）

地下矿山采用充填法进行开采需要在采空区充填之前构筑封闭挡墙,高质量安全封闭技术是充填采空区的重要环节。研制了装配式柔性脱水充填挡墙,墙体骨架呈弧形网格状曲面结构,采用装配式建构方式,能够适应巷道规格变化,密封层使用透水织物,具有全断面脱水特征。设计了3.5 m×4.0 m规格试验挡墙,并在阶段空场充填采矿法和进路式充填采矿法充填采场开展了工业试验。结果表明:试验挡墙在过墙期间具有较好的脱水效果,高浓度料浆多次充填试验测得的墙体变形量未超过10 mm,膏体料浆一次充全高,最大变形量为34 mm,均在允许变形范围内。扩大试验安装成本分析表明,挡墙的综合换算成本约为435元／m³,验证了装配式柔性脱水充填挡墙的技术经济综合优势。

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19. 基于千斤顶行程驱动的液压支架支护姿态与高度解析方法

庞义辉, 刘新华, 王泓博, 姜志刚, 关书方, 张自发, 王伟

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1231-1242. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0395

摘要（122）

PDF（pc）（2860KB）（111）

针对传统采用倾角传感器与测高传感器对液压支架支护姿态、支护高度进行解算存在的诸多问题，提出了基于立柱千斤顶行程、平衡千斤顶行程驱动的液压支架支护姿态与高度解析方法。基于液压支架的骨架结构参数模型，构建了液压支架主体结构件各铰接点的位置关系方程，通过分析液压支架各部件的运动参数关联关系，得出了液压支架支护姿态与支护高度的数学表达。分别采用牛顿-拉夫逊方法、弦割法、布罗伊登法对液压支架支护姿态与高度进行数值求解，开发了基于3种方法的液压支架支护姿态与高度解析算法。通过对比分析发现，牛顿-拉夫逊方法、弦割法的求解精度不受迭代初始参数影响，而布罗伊登法的求解精度则受初始参数影响较大，且牛顿-拉夫逊方法、弦割法的解算精度、解算效率、稳定性均明显高于布罗伊登法。牛顿-拉夫逊方法、弦割法的求解精度基本相同，均能达到角度误差小于1°、高度误差小于0.1 m，但牛顿-拉夫逊方法的求解效率显著高于弦割法。通过对40组骨架模型进行求解对比分析，以及多组液压支架现场实测求解对比分析，验证了基于立柱千斤顶行程、平衡千斤顶行程驱动的液压支架支护姿态与高度解析方法的可行性、稳定性与实用性，确定牛顿-拉夫逊方法作为液压支架支护姿态与高度的解析方法。

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20. 煤系共伴生矿产协调开采完全成本内涵、构成要素和挑战

王茗可, 黄炳香, 陈大勇

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 200-211. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0483

摘要（123）

PDF（pc）（1812KB）（100）

煤系共伴生矿产协调开采是国家的重大战略需求,实行采矿完全成本有利于矿产资源的合理开发利用,促进矿产企业安全高质量生产和可持续发展。目前,完全成本主要基于煤矿进行研究,在其他矿产开采方面的研究相对较少;对单一矿产开采的完全成本问题研究较多,而对多矿产协调开采的完全成本问题研究则较少,煤系共伴生矿产协调开采缺少完全成本方面的理论指导。对比分析各矿产独立开采完全成本构成及协调开采特点,提出协调开采运行成本的概念,分析得出协调开采完全成本由传统的5类成本和协调开采运行成本共同构成,即协调开采完全成本不但包含各矿产独立开采的完全成本,还应该考虑因建立和维护协调开采系统以及应对协调开采对外部产生的效应采取应对措施所产生的费用。结合煤系共伴生铝土矿、铀矿、煤层气的协调开采具体案例,获得不同情况下协调开采运行成本产生的原因及构成要素,并指出系统内部不同矿产开采活动的相互影响是导致协调开采运行成本产生的关键因素。基于协调开采相关技术进展,分析协调开采完全成本在成本量化、协调开采关键理论技术、实施难度和人才需求等方面所面临的挑战。

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21. 高温热处理砂岩Ⅰ-Ⅲ混合断裂特性试验研究

李卫, 苏海健, 蔚立元, 刘日成, 陈广印

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1281-1289. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0071

摘要（143）

PDF（pc）（2873KB）（93）

煤炭地下气化等工程均涉及显著的高温热效应,导致地下煤岩体的强度、变形和断裂特性变得异常复杂。采用预制裂隙圆盘三点弯曲加载方法,对25～800 ℃高温热处理砂岩试样的Ⅰ-Ⅲ混合断裂特性进行了试验研究,探讨了温度对有效断裂韧度、断裂能以及微观结构的影响。研究结果表明:砂岩的有效断裂韧度随断裂混合系数M^e₁₃的增大而线性增大,相同条件下Ⅰ型断裂韧度最大,而Ⅲ型断裂韧度最小;随着温度的逐渐升高(25～800 ℃范围内),有效断裂韧度和断裂能均呈现先缓慢增大,400 ℃以后急剧减小的趋势,这主要与石英的相变有关;400 ℃热处理后砂岩微观形态以沿晶裂纹为主,而800 ℃时由于矿物相变和分解,形成了较多的穿晶裂纹;砂岩的Ⅲ型和Ⅰ型断裂韧度总体服从线性规律,即K_ⅢC=0.65K_ⅠC,同时,Ⅲ型和Ⅰ型断裂韧度与抗拉强度均呈现较好的正相关性。

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22. 煤铝共采岩层运动与裂隙发育规律的颗粒离散元研究

杨玉贵, 尚润芃, 黄炳香, 赵兴龙, 刘旺, 娄坤

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 58-66. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0472

摘要（133）

PDF（pc）（8009KB）（85）

通过建立“上煤下铝”资源共采颗粒离散元力学模型,研究了煤层长壁式与铝土矿房柱式共采下覆岩应力叠加规律,揭示了煤层顶板压力拱、煤铝层间压力拱及底板压力拱的成拱机制及叠加传递特征,提出了铝土矿柱稳定、部分矿柱失稳及整体性失稳下对应的覆岩运动模式,得到了煤铝共采叠加扰动下岩层运移破坏规律。结果表明：采空区两端铝土矿柱受组合应力拱叠加影响易承压过大而发生失效破坏,继而引发邻近矿柱的联动效应,导致铝土矿上覆岩层大范围切落滑移,覆岩矿压显现剧烈。通过分形几何方法对煤铝共采下覆岩裂隙发育规律进行定量表征,发现当铝土矿柱尺寸较小时,铝土矿房覆岩在采空区两端分形盒维数明显大于岩层未受扰动区,表明铝土矿房覆岩裂隙具有向煤层采空区发育贯通演化的特征。

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23. 真三轴应力下铝土矿力学特性及变形破坏特征

杜凯, 陈天宇, 杨成祥, 徐允哲, 张洪铭, 刘华, 崔光磊, 刘立民, 王守国

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 67-73. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0478

摘要（157）

PDF（pc）（4398KB）（84）

铝土矿地下工程开采过程中岩体处于复杂的三向不等应力状态,中主应力对岩体力学强度特性、变形破坏特征具有重要影响。为研究真三轴应力状态下铝土矿岩石的力学特性及变形破坏特征,基于真三轴试验机对铝土矿岩石开展了不同应力条件下的真三轴压缩试验,分析了不同应力条件对岩石裂纹萌生扩展和破裂模式的影响。研究表明:随着中主应力的提高,岩石峰值强度得到显著强化,脆性特征更加明显,破坏模式随中主应力的提高发生转变,剪切破坏裂隙从沉积层理面扩展至中主应力面,同时岩石原生裂隙对破坏模式存在诱导作用,裂隙多沿着原生裂隙扩展贯通。研究成果增强了对铝土矿岩石力学特性的认识,为煤-铝共采工程中岩石的稳定性控制提供理论依据。

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24. 浅埋近距离煤层工作面过三角形斜交煤柱开采应力演化规律研究

王庆雄, 黄庆享, 范东林, 贺雁鹏, 陈苏社, 王伦言, 黄涛

采矿与安全工程学报 2024, 41 (2): 285-294. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0501

摘要（41）

PDF（pc）（8137KB）（84）

针对浅埋近距离煤层工作面过上覆三角形遗留煤柱开采,存在顶板局部来压强烈和区段煤柱应力集中导致的巷道大变形等问题,以寸草塔二矿31109工作面为研究背景,采用现场实测、数值计算和理论分析相结合的方法,研究过三角形煤柱两次采动叠加应力的大小和范围的演化规律,揭示两次采动区段煤柱压力变化规律和相邻巷道破坏机理,明确巷道加强支护的范围和重点支护范围与时机。研究结果表明:上覆三角形斜交煤柱对其下方工作面煤层形成应力集中,最大应力位置位于斜交区段煤柱之下;当下煤层31206工作面开采后,31109区段煤柱应力上升为最大应力,应力峰值区位于与上覆斜交区段煤柱叠合区附近,峰值区宽度为240 m,对应该区域巷道变形破坏较明显。31109工作面开采过程中,在工作面煤壁与上覆斜交煤柱叠加区和工作面区段煤柱与上覆斜交煤柱叠加区存在应力峰值区,形成应力双峰;随着工作面推进,双峰应力不断升高,且煤壁应力峰值区逐步向区段煤柱方向移动,当工作面推进到区段煤柱叠加区时,双峰合并为更高的单峰应力;在工作面出斜交煤柱时区段煤柱应力达到最大,出煤柱叠加区后应力迅速减小;总体上,31109工作面开采后区段煤柱应力峰值区最大应力高56%,峰值区范围扩大50%。区段煤柱应力升高的机理是随着工作面的推进,上覆三角形斜交煤柱尺寸不断减小,应力集中程度不断提高;当工作面推进到三角形煤柱端区时,斜交煤柱应力、工作面超前支承压力、区段煤柱应力相互叠合,形成区段煤柱应力峰值区,在工作面出煤柱时(三角形煤柱尖端)形成应力核区,引起该区段煤柱变形和巷道破坏。据此,提出在31109工作面开采前,对应力峰值区和核区巷道进行锚索和注浆补强支护,现场工业性试验取得良好效果,保障了31109工作面过三角形斜交煤柱区安全回采。

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25. 近距离煤层开采风化岩体载荷传递效应及失稳特征研究

李江华

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1253-1263. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0279

摘要（169）

PDF（pc）（10042KB）（84）

以库拜煤田近距离煤层开采突水工作面为例,通过岩石力学声发射测试,获得了风化岩石加载变形破坏过程中裂隙扩展演化和声发射特征。建立力学模型分析了近距离煤层开采岩体破断特征及风化岩体的载荷传递效应,并通过数值模拟验证了风化岩体对下部岩层破坏的影响。采用三轴加卸载声发射实验模拟研究重复采动条件下岩石裂隙扩展演化特征,并结合现场观测统计分析了采动裂隙发育特征及风化岩体对采动裂隙发育规律的影响。基于三轴渗流特性测试,研究了水压作用下风化岩石裂隙渗流规律。研究结果表明:风化岩石声发射特征累计统计值呈连续光滑增大,但声发射能量、事件均较弱,受埋深浅、围岩应力小的影响,采动易引起裂隙扩展形成导水通道。风化带使上部岩体载荷传递增大,促进下部岩层的损伤及主关键层的破坏,近距离煤层开采顶板硬岩发生复合破断后,应力-渗流耦合作用岩体裂隙进一步扩展,产生发育的地表地裂缝。近距离煤层开采岩体发生重复扰动破坏,采动裂隙产生叠加破坏,风化带成为上下部裂隙的连接纽带,使导水裂隙带高度增大。风化岩石原始渗透率较大,发生塑性变形至裂隙贯通破坏后渗透率增大2～3倍,水压作用促进风化岩石裂隙扩展,发生强度劣化效应,成为良好的导水通道,导致松散层水和地表水涌入工作面,发生突水事故。

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26. 不同pH浸润煤样三维分形力学特征与失稳机制

姬红英, 褚尉荃, 张东营, 辛亚军, 高忠国

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1301-1314. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0631

摘要（125）

PDF（pc）（4277KB）（83）

水环境是影响煤体强度和孔隙发展的重要因素。基于不同pH浸润条件对煤样内部孔隙的影响,分析了不同浸润煤样三维分形与含水率关系,建立了浸润煤样三维分形与强度、弹性模量数学模型,开展了不同pH浸润条件下4组共12个煤样动态浸润试验,研究了不同pH浸润煤样含水率、分形维数、孔洞分数与抗拉强度、峰值应变、弹性模量的关系,探讨了不同pH浸润煤样细观裂隙扩展规律与宏观失稳破裂机制。结果表明:水-煤作用下,煤样孔隙结构增大主要由矿物成分膨胀消蚀和圆润颗粒带走所致,酸性浸润对孔隙影响最大,碱性次之,中性最小;浸润煤样分形维数可通过含水率进行表征,分形维数与煤样抗拉强度、弹性模量呈近似反向线性关系;浸润煤样含水率、分形维数与时间呈幂函数关系,且前期含水率、分形维数增加较快,后期趋势相对稳定,相同浸润时间、3种pH浸润下,煤样分形维数及增幅均为pH=5>pH=9>pH=7,浸润12 d煤样分形维数为2.041～2.163;孔洞分数增量与分形维数呈正线性关系,随着分形维数(孔洞分数增量)的增加,不同pH浸润煤样的抗拉强度、峰值应变和弹性模量均呈降低趋势;浸润煤样较未浸润煤样的峰值抗拉强度降低超过28.37％,所对应的峰值应变降低超过16.55％,弹性模量降低超过14.21％;酸性浸润易导致多含量CaMg(CO₃)₂快速溶蚀搬运,碱性浸润易导致少含量NaAlSi₃O₈溶蚀搬运,不同pH环境对浸润煤样微裂隙扩展和劣化度表现为pH=5>pH=9>pH=7,不同pH浸润煤样破坏形态可分为中轴拉伸破坏(pH=7)、多裂隙拉剪破坏(pH=5)、偏中轴拉伸-拉剪破坏(pH=9);分形维数-抗拉强度、弹性模量关系试验结果与理论曲线较为吻合,相关系数分别为0.950和0.997。

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27. 基于高能自由基化学活化的煤孔隙演化规律及增透机制研究

辛海会, 卢梁, 杨永良, 唐佐, 吴津峰, 徐泽怡, 张鹏程, 田文江

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1335-1346. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0097

摘要（139）

PDF（pc）（3445KB）（78）

提高煤层渗透率是实现煤层瓦斯高效抽采、防治矿井瓦斯灾害的重要途径。针对瓦斯在煤结构微孔堆积、孔隙渗透率低的问题,提出孔壁反应性消解的煤结构扩孔增容思路,采用活化过硫酸盐生成羟基和过硫酸根等高能自由基活化消解煤有机结构,分析了作用煤体的孔隙分布、孔容、比表面积及孔隙分形特征的演变规律,阐明了煤活性官能团及结构特征参数的变化规律,揭示了煤孔壁芳香结构反应性溶蚀的扩孔增容机制。结果表明,羟基和过硫酸根高能自由基活化作用煤体后,煤样的微孔增加主要集中在0.7 nm以下的超微孔,且微孔扩孔作用显著,生成了大量的介孔和大孔,含瓦斯高阶烟煤介孔体积增长了50％以上,大孔体积增长了40％以上。随着煤阶增加,扩孔增容率显著提升,无烟煤介孔体积增长达到了578.91％,大孔体积增长达到了331.37％。煤的比表面积增大均在50％以上,同时处置后煤体分形维数D₁增大,孔隙粗糙度增大,增加了孔隙宽度和孔隙连通性。煤侧链的甲基亚甲基含量降低,芳香环含量和芳香度显著增大,阐明了煤孔壁中侧链脂肪烃和低聚合度芳香环反应消解的扩孔增容机制。研究结果为活化过硫酸盐在煤层瓦斯增透抽采中的现场应用提供了理论基础。

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28. 矸石流态化充填冒落区四级分区模型研究

李亮, 黄庆享, 惠博, 张伟龙, 左小, 曹鑫, 蔚保宁

采矿与安全工程学报 2023, 40 (1): 11-16. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0024

摘要（760）

为了掌握长壁工作面采空区冒落区岩体稳定性变化规律和残余空间演化规律,论文基于砌体梁理论及采空区上覆岩层下沉曲线,对采空区冒落区关键块结构运动过程中块体受力特征、冒落岩块受力特征及冒落区稳定性进行了系统的研究,提出了冒落区稳定性系数,并给出了冒落区稳定性系数随时间变化的函数关系式,结合流态化料浆扩散规律建立了冒落区四级分区模型,揭示了冒落区充填空间演化规律,得出了冒落区流态化充填可充填空间理论计算方法。通过桑树坪二号井流态化充填工业性试验,验证了理论计算方法的准确性,研究成果为煤矿科学利用冒落区空间和精准高效矸石流态化充填提供了理论依据。

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29. 考虑锚-岩界面相对滑移的圆形巷道全长锚固锚杆力学性能研究

李阿康, 岳中文, 王鹏, 任猛, 姚达

采矿与安全工程学报 2024, 41 (1): 123-133. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2023.0477

摘要（138）

PDF（pc）（3821KB）（75）

为了更好地揭示全长锚固锚杆与围岩的相互作用机制,基于圆形巷道弹塑性变形理论,通过考虑锚杆与围岩之间的相对运动,建立了全长锚固锚杆与围岩耦合作用的弹塑性力学模型。基于有限差分法(FDM)提出了一种求解耦合力学模型的简化数值程序,利用MATLAB软件编程得出了所提出模型的数值解。通过与现场监测数据的比较,验证了所提出模型的正确性。随后基于该模型分析了岩体的弹性模量、剪胀角以及托盘刚度对锚杆支护性能的影响。最后,为探究锚杆的最佳安装时间分析了不同应力释放率下锚杆的支护性能。结果表明,当应力释放率未超过60％之前,锚杆的支护效果随应力释放速率的增加而线性下降;之后,锚杆的支护效果迅速下降。因此,采用全长锚固锚杆支护时最好在巷道开挖后应力释放率未超过60％之前进行。

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30. 裂隙砂岩非均匀变形特征及损伤不稳定发展状态判识模型

程虹铭, 杨小彬, 张成, 宁掌玄, 李永明

采矿与安全工程学报 2023, 40 (6): 1290-1300. DOI: 10.13545/j.cnki.jmse.2022.0530

摘要（114）

PDF（pc）（5734KB）（73）

为探究裂隙岩体表观变形场非均匀变形特征并判识其损伤不稳定发展状态,预制含不同角度裂隙的砂岩试件并开展单轴压缩试验,联合AE和DIC方法,获取试件应力-应变曲线和表观变形场演化过程,并训练基于AdaBoost、RF和LightGBM算法的状态判识模型。结果表明:各裂隙砂岩试件应力-应变曲线均经历压密阶段、弹性变形阶段、新生裂纹稳定发展阶段、新生裂纹不稳定发展阶段和峰后破裂阶段,其表观剪应变场γ_xy呈非均匀演化特征,促使试件表观应变分区异化,表现出数值差异和空间汇聚两个特征;γ_xy应变场非均匀变形空间指标和程度指标均呈现三阶段演化特征,并在第一次演化阶段转变中蕴含着损伤破裂的开始。四特征参数组合训练的判识模型具有较高的泛化能力和较强的判识能力,其次是双特征参数组合,单一特征参数训练的判识模型效果最差;多特征参数组合下训练的LightGBM模型中各单一特征参数的贡献率更为平均,即LightGBM模型对裂隙砂岩状态的判识能力最强、鲁棒性好。

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