采矿与安全工程学报

吴爱祥, 孙伟, 韩斌, 王洪江, 王少勇, 李公成

2015, 32(5): 697-705.

摘要 ( 1830 )

PDF (557KB) ( 2703 )

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湿喷混凝土技术逐渐被应用于高寒矿区破碎岩体巷道支护中，而温度对湿喷混凝土强度发展起着关键作用。针对吉林金英金矿寒区湿喷混凝土支护中遇到的喷层强度低、易开裂等问题，综合研究了温度、水泥掺量、水灰比对喷层强度发展响应规律，采用SEM 对湿喷混凝土微观形貌进行观察。结果表明：温度低于10 ℃时，湿喷混凝土早期强度显著降低，温度高于16 ℃时，有利于后期强度增长；水泥掺量存在临界区间，掺量大于临界区间后，湿喷混凝土强度有显著增长；水灰比对不同龄期强度发展呈互补关系，低水灰比有利于早期强度提高，高水灰比更有利于后期强度的发展；温度是影响湿喷混凝土微观结构本质因素，内部初始孔隙率及骨料界面黏结强度裂化直接影响湿喷混凝土宏观力学性能；温度低于10 ℃时，骨料界面因热胀系数不同易产生微裂缝。通过优化配比、改进工艺，使金英金矿日喷射量达40 m3，湿喷支护返修率降低80%。

埋深 1300 m 大倾角复合岩层巷道围岩综合控制技术研究

范明建，康红普，林健，任勇杰，赵鹏，张辉，赵光雷

2015, 32(5): 706-713.

摘要 ( 2654 )

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针对矿井岩层倾角大、地应力水平高、巷道穿越不同岩层等围岩条件，以埋深 1 300 m 的深部矿区典型矿井延伸巷道为例，在原支护参数存在问题分析与支护效果评价的基础上，对支护参数选取原则和巷道围岩控制方法进行研究。通过井下地质力学测试、围岩变形破坏特征分析，提出深部大倾角复合岩层巷道全断面强力复合支护与巷道关键部位强化支护的设计理念。通过对高刚度强力护表构件、全长高预应力注浆锚索、锚杆高效减摩装置的开发与应用，满足了深部高应力复合岩层巷道围岩综合控制的需要。结果表明：“全断面强力锚网支护与注浆加固为一体” 的综合围岩控制技术，能够解决深井高应力巷道围岩变形量大、持续时间长、破坏严重的支护难题，实现了深井岩巷围岩的一次有效支护，避免了服务期间的二次支护和反复维修。

千米深井厚硬顶板直覆沿空留巷围岩结构优化

赵一鸣，张农，郑西贵，李宝玉

2015, 32(5): 714-720.

摘要 ( 2732 )

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针对深部沿空留巷厚硬顶板大面积悬露及采空侧顶板长悬臂劣化围岩应力环境难题，分析了千米深井厚硬顶板直覆沿空留巷矿压显现特征，提出了该条件下沿空留巷超前工作面采场顶板深孔预裂爆破放顶优化与采空侧顶板结构破断卸压相结合的围岩结构优化控制技术；同时基于理论模型与树脂模型结果，分析了厚硬顶板条件留巷充填墙体上方载荷与采空侧顶板悬臂长度的相互关系，指出利于留巷围岩长期稳定的采空侧顶板悬臂长度不大于12 m。相关研究成果成功应用于平煤集团12 矿己14-31010 工作面沿空留巷，为同等条件下的实施沿空留巷提供了借鉴。

深部高应力工程软岩巷道非连续 “双壳”围岩控制机理研究

杨本生，王仲永，贾永丰，孙利辉，高斌

2015, 32(5): 721-727.

摘要 ( 1937 )

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深部巷道围岩变形破坏严重，传统支护难以实现巷道围岩有效控制。本文以陶二煤矿新南总回风巷道全断面变形破坏为研究对象，通过现场调研和监测，分析其破坏状况和因素。研究认为巷道全断面变形破坏原因是巷道围岩在高地应力作用下首先发生剪切破坏，而后在高瓦斯压力及水理作用下进一步发生膨胀破碎和蠕变。应用非连续“双壳”围岩控制理论，分析了非连续“双壳”围岩控制机理，构建了“U 型钢(外部应力支护壳体)+柔性垫板(柔性层)+锚杆锚索注浆(内部应力加固壳体)”的非连续“双壳”围岩控制关键技术，取得良好支护效果。

爆破开挖中巷道围岩缺陷扩展的动焦散模型试验研究

郭东明，闫鹏洋，杨仁树，左建平，袁保森，赵伟

2015, 32(5): 728-734.

摘要 ( 1592 )

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为了分析爆炸动荷载对巷道围岩不同位置处缺陷扰动的影响，采用爆炸加载透射式动焦散试验方法进行了相关试验研究。试验结果表明：在爆炸动荷载作用下，位于巷道顶端的竖直裂纹最易扩展，拱部和底角处倾斜裂纹较易发生扩展，巷帮处水平裂纹不易扩展，扩展位移分别为31， 17，20，6 mm；裂纹扩展位移的大小与应力强度因子值密切相关，巷道顶部裂纹KⅠ值最大，拱部和底角处倾斜裂纹的KⅠ值次之，巷帮处水平裂纹的KⅠ值最小。上述研究成果对减少爆破动载荷对围岩的扰动和损伤、节约围岩的支护成本、保证安全施工和快速施工有重要意义。

采动影响大断面巷硐群加固机理及对穿锚索控制技术

韦四江，宋常胜，杨玉顺，孙闯

2015, 32(5): 735-740.

摘要 ( 1672 )

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采动影响下的高支承压力，造成鹤煤九矿 31 巷硐群软弱围岩发生蠕变破坏乃至返修，提出了深浅交错全断面注浆和对穿锚索的硐室围岩加固方法。采用相似模拟试验研究了该巷硐群在强支承压力作用下的失稳机理，试验表明：随着顶压增加，硐室两侧岩柱变形持续增加，其承载能力持续降低；对穿锚索的载荷先增加，而后呈现波浪状调整状态；对穿锚索对于增加岩柱表层压应力及其承载能力非常重要；窄岩柱承受了更高的支承压力，破坏更为严重，两帮锚固体表现为整体移近。工业试验表明，对穿锚索能够有效控制硐室帮岩柱和硐室围岩的稳定。

新型加固结构对深部巷道动力扰动缓冲效应的数值模拟分析

魏明尧，王恩元，刘晓斐

2015, 32(5): 741-747.

摘要 ( 1740 )

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依据应力波理论分析了不同波阻抗介质分界面导致应力波衰减的特性，并建立了能量衰减率与波阻抗比之间的理论关系。基于应力波的这种衰减规律，提出一种新型加强支护结构——加固圈，即通过在巷道围岩内部的环形范围内加固岩体强度，在围绕巷道岩体内形成高强度的环形加固结构。此结构不仅增强了围岩整体强度，而且加固圈的存在能够明显衰减应力波能量，降低对巷道的破坏作用。为进一步验证本结构动力学特征，采用FLAC3D 软件建立了相应的数值模型，对比分析了巷道未设置和设置加固圈结构2 种情况下受动载扰动后的破坏情况，分别检测了应力波在围岩内的能量衰减特征。结果表明：应力波能量在经过加固圈后发生明显减弱，对巷道造成的破坏作用也降低。理论分析和数值模拟结果同时验证了加固圈结构具有加强支护和削弱动载扰动的双重效果，可以有效地提高围岩的稳定性，降低深部巷道破坏和变形，这为深部围岩控制技术提供了新思路。

预应力锚杆端部受激振动特性的理论与实验研究

李青锋，朱川曲

2015, 32(5): 748-752.

摘要 ( 1584 )

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为了提高预应力锚杆预应力的随机、无损动力检测精度，首先根据预应力锚杆对围岩的加载力学特点，提出了预应力锚杆的预应力无损动力检测力学模型；然后基于弹性动力学和结构动力学对预应力锚杆外端受激振动力学模型进行理论分析，得到了预应力锚杆的预应力计算式；最后以混凝土试块模拟围岩，并在混凝土试块预留孔中锚固了树脂锚杆，采用动力测试仪对无预应力和有预应力锚杆进行无损动力测试。结果表明，悬臂梁式动力学模型符合预应力锚杆外端受激振动力学特点，测试误差基本满足现场要求。

巷道底板预应力锚索注浆封孔机理及新型封孔装置设计

刘少伟，常建超，张辉，朱乾坤

2015, 32(5): 753-759.

摘要 ( 1527 )

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随着煤矿开采深度的增加，巷道底鼓成为影响煤矿安全生产和经济效益的主要因素，巷道底板预应力锚索注浆是治理底鼓的有效措施。巷道底板预应力锚索注浆技术由于缺乏专用、行之有效的注浆封孔装置，导致施工工艺复杂、效率低、封孔效果差等问题。本文通过分析预应力锚索注浆封孔机理，采用K-ε二维湍流模型，得出了不同封孔长度及封孔缝隙宽度时浆液的流场分布规律，分析了浆液在缝隙中的流速与压力变化特征，确定了较合理的封孔长度与缝隙宽度参数值。利用流体理论计算得出了浆液在缝隙中的损失，得出了封孔长度与缝隙宽度的最优组合，为封孔装置结构尺寸设计及囊袋内封孔材料的配比要求提供了理论依据。结合研究成果，设计得出了新型预应力锚索注浆封孔装置。

考虑围岩离层影响的端部锚固锚杆荷载分析及其支护设计

谷拴成，丁潇

2015, 32(5): 760-764.

摘要 ( 1550 )

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在煤矿巷道开挖过程中，巷道围岩变形不协调常常会产生顶板离层，围岩离层对锚杆加固影响程度的分析直接影响支护工程的安全性。基于拉拔荷载作用下锚杆锚固段的受力分布规律，综合考虑端部锚固锚杆预紧力作用及离层产生的附加荷载，得出含有离层的系统锚杆受力分布形式。结果表明：离层影响下，锚固体的轴力和界面剪应力均会增大，离层值过大时锚杆很容易失效，产生安全隐患。最后将离层影响考虑到煤矿锚固设计中，提出了新的巷道支护设计思路，通过分析发现考虑离层后的承载力设计方法更安全合理。

巷道底板锚索孔钻进粉渣运移特征及现场试验

张辉，程利兴，常建超

2015, 32(5): 765-770.

摘要 ( 1583 )

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针对煤矿巷道底板锚索孔钻进困难的问题，分析了正反循环钻进过程中粉渣运移特征，得出“钻渣三区”的相互作用是制约底板锚索孔快速钻进的根本原因，并提出了泵吸反循环钻进可以有效防止“钻渣三区”的形成。利用固液流体力学原理，推导了冲洗液沿程水力损失及钻渣液上返流速的力学公式。根据现场实际，得出底板锚索孔泵吸反循环钻进时钻孔深度、泵的真空度及钻渣液的上返速度与钻渣体积含量之间的关系，结果表明泵吸反循环对底板锚索孔的快速钻进是可行的。研制了一套泵吸反循环钻进系统，实现了底板锚索孔钻进与排渣同时作业。现场试验表明，钻进深度5.6 m 的底板锚索孔有效钻进时间可以控制在30 min 内，解决了底板锚索孔深孔钻进的难题，净化了作业环境。

半煤岩巷道快速综掘截割顺序优化研究

王渭明，吕显州，秦文露

2015, 32(5): 771-777.

摘要 ( 1882 )

PDF (614KB) ( 2084 )

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为了解决薄煤层条件下半煤岩巷道快速综掘的煤矿工程问题，针对半煤岩巷道快速综掘截割顺序设计与优化，采用三维快速拉格朗日法建立了数值计算模型，分析了不同截割顺序下分步开挖的围岩应力演化特征、剪切应变增量和剪切应变率的分布形态。基于灰色关联理论，建立了不同开挖方案的围岩位移与破裂范围分析模型，计算得到各参评方案的关联度分别为0.63，0.76， 0.81 和0.73，综合数值模拟与理论计算确定了最优综掘截割方案，最后结合具体工程对方案进行了验证。实践表明，先下后上、自右而左的倒“S”形综掘截割顺序可实现半煤岩巷道的最优化综掘，监测结果也表明了其合理性与可行性。

基于广义 Hoek-Brown 准则的深埋硐室围岩塑性区位移分析

蔡海兵，程桦，荣传新

2015, 32(5): 778-785.

摘要 ( 1544 )

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将广义的 Hoek-Brown 准则采用无量纲量形式进行表示，在此基础上，建立了均匀应力场圆形硐室的弹塑性解析方法。并针对不同性质岩体，分为不考虑岩体剪胀和塑性区内的弹性变形、考虑岩体剪胀且塑性区内的弹性变形为常量、考虑岩体剪胀且塑性区内的弹性变形为变量这3 种情况，对深埋硐室围岩的塑性区位移进行了对比分析。分析结果表明：在考虑岩体剪胀且塑性区内的弹性变形为变量情况下，硐室围岩塑性区位移的计算结果最大。对于岩体质量差和一般的软岩硐室，应考虑岩体的剪胀特性和塑性区内的弹性变形，且塑性区内的弹性变形应为变量；而对于岩体质量好的硐室或者是硬岩硐室，则不必考虑岩体的剪胀特性和塑性区内的弹性变形。

巷道岩爆红外辐射前兆特征实验研究

张艳博，李健，刘祥鑫，田宝柱

2015, 32(5): 786-792.

摘要 ( 1859 )

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以美国 Therma CAM SC3000 红外热像仪为观测手段，选取含孔花岗岩进行不同水平应力下巷道岩爆模拟实验，并结合数值模拟，对岩爆过程中应力分布和红外辐射温度变化特征进行了实验研究。结果表明：1) 轴向应力与水平应力比值随着水平应力的增大而减小，水平应力越高，岩爆发生的最大主应力值也相应提高。2) 岩爆发生的红外前兆时空演化特征：主破裂前，孔洞左右两侧平均红外辐射温度表现为突然升温型或略降转升型，对应的破裂机制分别为压剪破裂和先张拉后压剪的复合破裂形式；主破裂沿孔洞左右两侧高温异常条带扩展。3) 岩爆过程中，孔洞上、下区域增温幅度比左右两侧低，增温较为稳定，孔洞上边区域AIRT 均比孔洞下边区域高。4) 水平应力越大，孔洞周围平均红外辐射温度越高。

复杂地质条件下煤层顶板“O-X”型破断及矿压显现规律

刘洪磊，杨天鸿，张鹏海，李杨，秦涛，于庆磊

2015, 32(5): 793-800.

摘要 ( 1913 )

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以北京大安山煤矿为研究背景，采用现场监测、理论分析、数值模拟等方法，对大安山煤矿煤层矿压显现及顶板“O-X”型破坏规律进行研究。通过地压监测系统研究了大安山煤矿轴13 槽顶板垮落及矿压显现规律；根据现场实测数据建立数值模型，研究开采过程中顶板塑性区形成、演化及破断规律。结果表明，工作面中部支架阻力要明显大于上部和下部。来压时刻，回风巷、运输巷工作面前方压力增高的范围平均值分别为12.17 m 和9.46 m，压力平均峰值分别为24 MPa 和23.57 MPa，且通过模拟分析得到了采空区顶板“O-X”型破断规律。模拟结果所得的初次来压、周期来压步距与现场监测结果基本一致。

坚硬顶板上提工作面临界支护阻力计算与压架预防

李迎富，华心祝，杨科，李志华

2015, 32(5): 801-807.

摘要 ( 1505 )

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为了防止淮南潘一矿 1602(3)坚硬顶板上提工作面再次发生压架事故，基于相似模拟实验结果，研究了工作面覆岩破断特征，建立了覆岩结构力学模型，推导出压架临界支护阻力计算式，确定了压架失稳判据，分析了影响压架临界支护阻力的因素。研究认为：采取减小面长、降低采高、保持工作面直接顶完整性、防止采空区顶板悬顶、加固工作面煤壁、采前疏水降压等措施有利于坚硬顶板上提工作面支架的稳定。在此研究基础上，提出了“强制放顶、高档普采、合理的设备选型”等防压架对策，并成功地应用于1602(3)改造面，获得了良好的经济效益。

风氧化带内综放开采覆岩变异特征与矿压显现规律研究

田多，赵启峰，邵国安，师皓宇，刘刚，石来阳

2015, 32(5): 808-813.

摘要 ( 1433 )

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以平朔集团井工三矿风氧化带内综放开采实测矿压资料为依据，分析得出风氧化带内顶煤及覆岩强度低、结构疏松、塑性大、亲水性强、泥化程度高、自稳性能与承载能力显著降低等变异特征。风氧化带内开采，周期来压步距缩短，来压期间支架最大工作阻力、非来压期间平均工作阻力均增大，但支架动载系数减小。其地质力学诱因是风氧化围岩裂隙发育，松软破碎，煤岩体泥化，加之底板浮煤辅助压缩，形成的“软弱垫层”效应，导致支架增阻现象不明显。并分析了工作面支架运转特性，评价了支架对风氧化围岩的适应性。

浅埋砂质泥岩顶板煤层保水开采评价方法研究

宁建国，刘学生，谭云亮，王俊，张明，张立生

2015, 32(5): 814-820.

摘要 ( 1616 )

PDF (449KB) ( 2078 )

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以鄂尔多斯高家梁煤矿浅埋2-2 上煤层上覆广泛分布的砂质泥岩为研究对象，试验测试不同沉积建造砂质泥岩细观结构及矿物成分，并对地层赋存条件不同的采煤工作面裂隙带发育高度进行探测。结果表明：浅埋侏罗系直罗组、安定组砂质泥岩颗粒体积小，颗粒之间点点接触、孔隙小，蒙脱石含量较高，遇水体积膨胀；胶结性差，易断裂且岩层破断后具有一定的阻水能力。构建了浅埋砂质泥岩顶板煤层保水开采评价模型，获得浅埋煤层保水开采的2 个基本条件，并提出保水开采评价方法，该方法评价结果与现场实践相一致。

厚松散承压含水层失水沉降模拟实验研究

徐良骥，朱楠，马荣振，刘潇鹏

2015, 32(5): 821-826.

摘要 ( 1423 )

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为了揭示煤矿开采引起的厚松散层承压含水层失水增大地表移动变形量的机理，采用专门设计的模拟实验装置，开展松散层承压水失水沉降模拟实验，结合理论分析了松散层承压水失水对地表下沉的影响机理。实验结果表明：土体在未加压与加压的情况下，都会因为失水产生固结沉降，造成含水层的固结压缩变形；在相同条件下，细粒径土质比粗粒径土质产生的变形量更大。

综放仰斜开采煤壁稳定性及注浆加固技术

杨胜利，孔德中，杨敬虎，孟浩

2015, 32(5): 827-833.

摘要 ( 1588 )

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探讨了厚煤层煤壁破坏的机理，结合瑞隆矿 8101 综放工作面煤壁的主要破坏形式，建立了综放仰采工作面煤壁破坏的力学模型，并对影响煤壁稳定性的因素进行了敏感性分析。研究结果表明：采高、埋深、仰采角度、煤体强度、支架支护强度等对煤壁稳定性影响较大，其中降低采高和提高支护强度、煤壁注浆加固是防治煤壁片帮的有效措施。采用UDEC 数值模拟研究了注浆加固煤壁的合理注浆孔径，得出该矿开采条件下棕绳直径为15 mm 时注浆效果最佳。

冲击载荷下岩石裂纹动态断裂参数研究

宋义敏，杨小彬，杨晟萱，王乾

2015, 32(5): 834-839.

摘要 ( 1498 )

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开展含 I 型预制裂纹的花岗岩矩形试件在冲击载荷作用下的动态断裂参数的试验研究。以自行研制的能实现中低冲击加载速度的可调速落锤冲击试验机进行加载，通过高速相机搭建数据采集系统进行数据采集，采用数字散斑相关方法对试验图像数据进行分析。对岩石I 型裂纹在冲击载荷作用下的位移场演化特征、裂纹动态断裂的裂尖张开位移、裂纹扩展速度、动态断裂全过程中的裂尖应力强度因子等进行了定量研究。试验结果表明：落锤与岩石试件接触后，裂尖的应力强度因子呈增加趋势，当达到某一量值时，预制裂纹开裂，后续裂纹扩展的应力强度因子大于预制裂纹初始扩展的应力强度因子。

充填开采中渗流对覆岩蠕变影响规律的研究

浦海，曹丽丽，邱艳勇，仇培涛

2015, 32(5): 846-852.

摘要 ( 1479 )

PDF (479KB) ( 1764 )

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由于地下水渗流的作用，充填开采中采场覆岩的蠕变性质会受到影响，从而影响上覆岩层及地表的长期稳定性。从流变力学的一般解法出发，以经典流变力学中的Burgers 模型为基础，根据静力平衡方程、有效应力原理、几何方程推导岩石在应力和水压力作用下的应力平衡方程；根据达西定律、渗流场连续性方程以及渗流定解边界条件推导了渗流场控制方程，建立了多孔介质的渗流-蠕变耦合数学模型。以某矿实际地质条件为背景，根据推导建立的渗流-蠕变耦合数学模型，运用多物理场耦合软件Comsol Multiphysics 分析计算平台，不同开采方式、不同孔隙水压作用下覆岩蠕变的规律进行了系统的研究。

胶结破碎泥岩渗透性试验研究

郁邦永，陈占清，吴宇，张少波，郁林利

2015, 32(5): 853-858.

摘要 ( 1615 )

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在水流的溶蚀、磨蚀和冲蚀作用下，陷落柱内部胶结结构发生破坏并伴有质量流失，当水流作用持续到一定时间，渗流将发生失稳。为了揭示陷落柱的突水机理，利用自主研制的渗透试样压制装置和破碎岩石渗透试验系统进行了胶结破碎泥岩渗透试验，分析了胶结物质、渗透压力、破碎泥岩粒径分布和初始孔隙度对胶结破碎泥岩渗透性的影响。研究表明：1) 随着胶结强度的增大，渗流失稳历时变长；采用水泥做胶结剂时，试样中渗透流量趋于稳定，不发生失稳。2) 失稳历时随渗透压力按指数函数减小。3) 随着Talbol 幂指数的增大，试样中大颗粒增多，阻隔水能力增强。4) 随着初始孔隙度的增大，试样渗透性增强，渗流失稳历时随初始孔隙度按指数函数减小。

煤矸石充填体在不同参数条件下的瓦斯透气性实验研究

朱川曲，康付如，谢东海，欧懿，杨党委

2015, 32(5): 859-863.

摘要 ( 1570 )

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为研究煤矸石充填体的瓦斯透气性，根据压差法和达西定律构建了一种煤矸石充填体瓦斯透气性实验系统，并利用该系统完成了煤矸石不同级配、不同围岩压力和不同瓦斯体积分数下的透气性实验。实验结果表明：实验测定的煤矸石充填体瓦斯透气系数在区间[0.649，3.206] m2/(MPa2·d)内，属于可以抽放范围，透气性较好。在实验基础上提出了通过适当增加煤矸石充填体的粒径和工作面风量、降低煤矸石充填体承载力和充填区域瓦斯含量的方法来增大煤矸石充填体的瓦斯透气系数，从而为安全高效的保护层开采煤矸石充填应用技术提供理论指导。

引流器与尾巷治理上隅角瓦斯的数值模拟及应用实践

王凯，蒋曙光，马小平，吴征艳，邵昊，张卫清，裴晓东

2015, 32(5): 864-870.

摘要 ( 1406 )

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为了解决 S5-2 工作面上隅角瓦斯波动超限的问题，分析了回采工艺、周期来压等因素对其产生的影响，提出了优化尾巷配置及采用引流器综合改变上隅角瓦斯涡流场，高效控制瓦斯波动超限的方法。运用Fluent 数值模拟研究了采用引流器不同引流量改变上隅角风流-瓦斯涡流场的效果，局部风流的风速、风压分布特征；对不同尾巷的步距及配风量的风排瓦斯效果进行了数值模拟，分析了配置尾巷的工作面及采空区风流-瓦斯流场中，不同区域风速、风压及瓦斯含量的分布特征。结合模拟结果，确定了S5-2 工作面尾巷最佳配风量与步距，引流器的最佳配置方法。跟踪监测结果表明控制上隅角瓦斯波动超限效果显著。

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