采矿与安全工程学报

张东升，范钢伟，梁帅帅，马立强，王旭锋，张炜，张世忠

2019, 36(6): 1071-1078.

摘要 ( 854 )

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针对以往三维固液耦合相似模拟试验中埋设传感器造成的破坏岩层原有应力状态和围岩完整性，甚至造成次生裂隙的问题，将并行电法、氡气探测、红外监测应用到三维固液耦合相似模拟实验当中。通过探测氡气浓度的变化推演裂隙发育特征，并行电法监测视电阻率异常系数分析水运移规律，红外系统探测模型正表面温度的变化实现突水预警。三者分工协作、互不干扰而又相互印证，实现了三维固液耦合条件下覆岩渗流场、裂隙场变化的实时、动态、无损监测。以伊犁四矿21103工作面为工程背景，监测工作面推进过程中氡气浓度变化、电阻率异常系数分布、正表面温度分布，检验了该系统的可靠性。

保水采煤方法及其适用性分区——以榆神矿区为例

马立强，余伊何，SPEARING A J S

2019, 36(6): 1079-1085.

摘要 ( 1025 )

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为解决我国西北地区脆弱的生态环境与高强度煤炭开采之间的矛盾，以陕北榆神矿区典型水资源保护性采煤条件为例，研究西北浅埋煤层保水开采技术及其适用性分区。针对榆神矿区地质条件，确定出浅埋煤层采动覆岩导水裂隙带发育高度与保护层有效厚度，得到保水采煤的临界采高，即最大理论允许采高分布状况。系统分析限高开采、（局部）充填开采、窄条带开采等保水采煤条件下的岩层控制理论，及其保水机理与适用条件。在此基础上，进行榆神矿区保水采煤技术的适用性分区。

短壁块段式充填采煤覆岩导水裂隙发育机理及控制研究

张云，曹胜根，来兴平，赵长政，都书禹

2019, 36(6): 1086-1092.

摘要 ( 830 )

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针对矿区开采遗留的“三下”压煤、边角煤柱、工广煤柱以及不规则块段等煤炭资源的回收问题，同时为解决矸石堆积危害和煤炭开采造成的水资源流失，提出采用短壁块段式充填采煤技术回收该资源。为了准确地计算短壁块段式充填开采造成的导水裂隙带发育高度，在分析块段式充填开采工艺特点和上覆岩层移动特征的基础上，采用弹性地基梁理论，建立了一种计算块段式充填采场覆岩导水裂隙带高度的力学分析模型。以现场实验区域为例，研究得到实验工作面导水裂隙带高度不发育至含水层的最小煤宽度柱和采空区充实率分别为5 m和65%；鉴于此，现场设计保护煤柱宽度为5 m，充实率为80%。

采动覆岩裂隙体系统耗散结构特征与突变失稳阈值效应

范钢伟，张东升，陈铭威，张世忠

2019, 36(6): 1093-1101.

摘要 ( 772 )

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将覆岩裂隙体作为系统来考虑，分析了采动覆岩裂隙体系统动态演化过程中的耗散结构特征，采用分形维数描述了采动裂隙发育过程及系统演化、涨落与跃迁；引入“孔隙压力熵”研究了采动覆岩裂隙体系统耗散结构演化中的熵变过程，并在近平衡态广义力与广义流的基础上明确了远离平衡态非线性区的超广义力及其驱动的广义流，依据超熵临界判据分析了以开采尺度为指标的动力失稳阈值。结果表明：可以通过耗散结构理论描述覆岩裂隙化程度与采空空间之间关系；孔隙压力熵可以描述采动覆岩裂隙体系统在由自然状态向采动状态逐步演化的“熵减”现象；孔隙压力熵的二次变分随开采尺度演化曲线的斜率为系统在远离平衡态非线性区的超熵产生，并以此为指标可判断系统在外界约束条件变化下的3种演化趋势，揭示了系统隔水性能在临界开采尺度下的失稳阈值效应。

新疆伊犁矿区采动覆岩活动规律氡气探测三维物理模拟试验研究

张炜，孙毓言，张东升，张磊，唐佳佳，范钢伟，梁帅帅

2019, 36(6): 1102-1108.

摘要 ( 744 )

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以新疆伊犁四矿21103综放工作面采矿地质条件为工程背景，针对伊犁矿区弱胶结地层条件开展了采动覆岩活动规律氡气探测三维物理模拟试验。结果表明：伊犁矿区弱胶结地层中覆岩无明显的关键层结构，覆岩采动裂隙随工作面推进同步向上发育；21103综放工作面初次来压步距约40 m，周期来压步距约20 m；采动覆岩垮落带高度为31.7 m，裂隙带高度为29.8 m，弯曲下沉带高度为53.5 m。试验过程中氡气浓度最大值约5 300 Bq/m3，表明弱胶结地层内部原生裂隙较为发育，可以给氡气运移提供较好的优势通道，采动覆岩“裂隙发育-基本顶破断-裂隙闭合”过程与氡气浓度“增大-峰值-减少”过程二者之间具有明显的对应关系。

厚煤层综放沿空留巷巷旁充填体应力分布及变形特征研究

冯国瑞，任玉琦，王朋飞，郭军，钱瑞鹏，李松玉1，孙强1，郝晨良

2019, 36(6): 1109-1119.

摘要 ( 759 )

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基于现场3307厚煤层综放工作面沿空留巷的工程实际，运用理论分析和FLAC3D数值模拟的方法，对3307综放工作面回采期间沿空巷道巷旁充填体的应力分布和变形特征进行了研究，结果表明：1) 经叠加连续层板模型计算得到巷旁充填体的支护阻力P=11.23 MPa；2) 随综放工作面推进，巷旁充填体受到的垂直应力、水平应力和剪切应力均呈现先增大后稳定的规律，且在巷道侧到采空区侧的分布范围内，垂直应力、水平应力和剪切应力均呈现出非对称的分布特点；3) 随综放工作面推进，巷旁充填体垂直变形和水平变形也均呈现出先增大后稳定的规律，巷旁充填体垂直变形呈现出沿空巷道侧垂直变形小、采空区侧垂直变形大的非均匀下沉特点，而两侧的水平变形则均呈现出上部变形严重、下部变形缓和的非均匀变形特点；4) 巷旁充填体的应力分布、变形特征与厚煤层综放工作面顶板的初次破断和周期破断存在一定关系。本研究可为类似条件矿井的沿空留巷工程应用提供一定的借鉴意义。

倾斜厚煤层沿空掘巷煤柱力学特征的尺寸效应分析

赵鹏翔，李刚，李树刚，刘李东，王绪友，贾永勇，王红胜

2019, 36(6): 1120-1127.

摘要 ( 828 )

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为研究倾斜煤层沿空掘巷窄煤柱垂直及水平应力变化规律受煤柱宽度的影响，以兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿(4-5)06工作面沿空掘巷为原型，采用理论分析、数值模拟及现场监测相结合的研究方法，开展倾斜煤层沿空掘巷窄煤柱力学特征及尺寸效应分析。结果表明，随着煤柱宽度增加，垂直应力与水平应力的峰值呈现逐渐增大的趋势；建立峰值应力随煤柱宽度变化的拟合方程；得到掘进过程中不同宽度煤柱的破坏形式，即煤柱宽度较小时巷道靠近煤柱侧肩角位置与煤柱顶端呈斜切破坏；并针对倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱的斜切破坏特点，对窄煤柱侧巷道的肩角位置进行加强支护；最终综合分析确定窄煤柱的合理宽度为4 m，由现场工程实践表明4 m煤柱宽度满足巷道稳定性的要求，有效提升了新疆煤炭资源的利用率，对新疆经济发展及社会长治久安有十分重要的意义。

厚层软岩断顶充填沿空留巷关键参数研究

唐芙蓉，马占国，杨党委，戚福周，胡俊，陈永珩

2019, 36(6): 1128-1136.

摘要 ( 794 )

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针对厚层软岩顶板沿空留巷的技术难题，提出厚层软岩顶板断顶充填沿空留巷技术，创建“断顶卸压+巷旁垮落充填”沿空留巷围岩协调控制方法，构建厚层软岩断顶充填沿空留巷数值模型，研究断顶角度和预制裂缝间距对实体煤壁支承应力、巷旁垮落充填体稳定性对覆岩变形规律的影响。研究结果表明：断顶角度为5°时，减小了充填体上方岩层回转变形的空间，减小了剪切破坏区，缓解了采空侧顶板下沉剧烈程度；预制裂缝间隔为1 m时，在工作面后方，顶板岩层预制裂缝能及时扩展贯通，在巷旁形成垮落充填结构，采空侧垮落岩体抑制上覆岩层的弯曲下沉，减弱应力集中，压力变化幅度较小。研究成果在常兴煤业取得成功应用，监测结果显示在工作面后方70~80 m处，围岩变形趋于稳定，顶板没有明显离层、错位现象，巷旁垮落充填体结构稳定。

切顶卸压无煤柱自成巷顶板断裂特征研究

杨军，王宏宇，王亚军，高玉兵，王建文，刘辉

2019, 36(6): 1137-1144.

摘要 ( 830 )

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为研究无煤柱自成巷开采条件下基本顶不同断裂位置对巷道变形的影响，分析顶板岩层运动特征，建立基本顶不同断裂位态力学模型，分别推导出基本顶在不同断裂位置时的巷内临时支护强度计算公式，得出巷内临时支护强度临界值。采用离散元数值软件UDEC对基本顶不同断裂位态下的岩层运动进行模拟分析。结果表明：基本顶在实体煤侧及采空区侧发生断裂，巷道变形较小，而在巷道上方发生断裂时变形破坏严重；通过调整切顶护帮支架对巷道顶板支撑力控制下位顶板的变形，使基本顶在较为有利的位置发生断裂；通过切顶护帮支架、恒阻大变形锚索支护等技术可以有效控制巷道变形，并在柠条塔煤矿S1201-Ⅱ工作面成功应用。

复杂应力环境煤柱坝体损伤破坏规律研究

王方田，梁宁宁，李岗，赵宾

2019, 36(6): 1145-1152.

摘要 ( 875 )

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煤矿地下水库是实现水资源保护与利用的有效技术途径，其中煤柱坝体稳定性对保障地下水库系统安全具有重要影响。针对地下水库煤柱坝体处于动静载叠加的复杂应力环境，结合补连塔煤矿地下水库工程背景，采用FLAC3D程序构建复杂应力场下煤柱坝体动态损伤数值计算模型，研究多工作面开采侧向支承压力分布及动载荷作用下煤柱坝体动力响应规律，并采用声波探测巷道围岩松动圈范围。研究结果表明：受邻近工作面采动影响，煤柱处于较高的侧向支承压力影响区，塑性区发育范围较大；受矿震等动载荷影响，煤柱围岩塑性区发育面积及发育深度显著增加，竖向应力极值点向纵深方向发展；巷道围岩松动圈发育深度煤柱侧大于工作面侧，在重复采动残余支承压力和动载叠加作用下煤柱损伤破坏程度更严重。研究结果为地下水库建设与长期安全运行提供了科学依据。

软弱煤岩体扩孔锚固力学特性与试验研究

程利兴，张辉，姜鹏飞，蔡瑞春，李冰冰

2019, 36(6): 1153-1160.

摘要 ( 1341 )

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针对软弱煤岩体锚固性能差、锚固力低的技术难题，提出锚固孔孔底扩孔锚固提高锚固力的方法，并对扩孔锚固锚杆荷载传递过程和钻孔围岩应力分布特征等进行理论分析、实验室试验和数值模拟研究。研究结果表明：扩孔锚固增强了锚固体与钻孔围岩的相互作用，提高了锚杆锚固力，在拉拔荷载作用下扩孔锚固所能提供的锚固力显著高于正常锚固，锚固失效后扩孔段钻孔围岩经历“压密—破坏—再压密”循环变化过程，锚固力衰减较缓慢，且保持较高水平的残余锚固力；在动压荷载作用下，扩孔锚固状态下锚固力衰减少，具有较好的抵抗动压扰动破坏的特性，对解决动压软弱煤岩体巷道锚杆支护具有重要指导意义。

非饱和浅埋隧道稳定性的上限分析

王成洋，傅鹤林，张佳华

2019, 36(6): 1161-1167.

摘要 ( 755 )

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考虑土体的非饱和性质，采用极限分析上限法研究非饱和浅埋隧道环形开挖面的稳定性。基于已有的研究成果，构建非饱和浅埋隧道环形开挖面的破坏模式及相容速度场。根据外力功率等于内能耗散率建立功率方程，推导拱顶和边墙围岩压力的解析解，并通过序列二次规划算法得到围岩压力的最优上限解。将饱和与非饱和2种情况下浅埋隧道的围岩压力进行对比，相对差值非常显著，体现了在工程中考虑土体非饱和特性的必要性。此外，分析了非饱和土体参数对浅埋隧道围岩压力和破裂面的影响。

冲击地压巷道周边动力放大效应及支护参数调控策略

吕可，王金安，李鹏波

2019, 36(6): 1168-1177.

摘要 ( 834 )

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针对冲击地压作用下巷道周边的力学特征，运用应力波传递理论进行推导，并根据现场实测数据，采用数值模拟方法进行研究。根据应力波在巷道周边的传递与反射效应推导巷道围岩的动力响应机理。利用LS-DYNA软件，模拟不同方位冲击源影响下的动力响应。研究发现冲击地压下巷道边界的动力放大效应。在巷道周边的松动圈范围内，动力放大程度与其至边界的距离呈负相关，即动力放大程度从松动圈边界向巷道边界方向逐步增大，并在巷道表面处达到最大。在巷道及其周边的支护设计中，应考虑到不同位置动力响应的差异。经过对比研究，增加锚杆长度、减小锚索长度的参数调控策略相较依据静载条件设置的初步方案，在承受动力冲击时对巷道及其周边可以起到更为明显的控制作用。

大断面矩形巷道过陷落柱构造带支护技术

宋卫华，邸春雷，闫万俊，邓兆睿

2019, 36(6): 1178-1185.

摘要 ( 771 )

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为使巷道安全、稳定地直接穿越陷落柱，以长平矿五盘区第二回风巷的大型陷落柱为例，基于断裂力学对椭圆体陷落柱构造带进行力学分析，运用极限平衡法得出当陷落柱周边上的抗剪力大于周边界面上的极限抗剪力时，陷落柱构造带围岩将被破坏。由此确定巷道过陷落柱必须改变围岩岩性，在此基础上提出巷道过陷落柱构造带采用“超前浅部钻孔注浆+深部柔性管注浆+锚索网”联合支护方案，同时给出注浆参数和支护参数并运用FLAC3D对支护效果进行数值模拟。结果表明，巷道开挖后围岩塑性区面积大幅度减少，应力释放速率减缓，顶板最大位移量减小了460 mm，两帮最大位移量减小了550 mm。工程应用表明，巷道围岩变形在24 d后基本趋于稳定，且顶板位移量及两帮位移量均控制在200 mm左右，与FLAC3D数值模拟结果基本吻合，五盘区第二回风巷支护效果能满足工程需求。

动静载作用下逆冲断层力学失稳机制研究

张宁博，赵善坤，邓志刚，李海涛，王寅，秦凯

2019, 36(6): 1186-1192.

摘要 ( 814 )

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冲击地压往往发生在逆冲断层等地质构造附近，并且煤矿井下集中静载荷、顶板断裂等动载荷均对逆冲断层失稳具有重要的影响。基于典型逆冲断层工程实例的冲击显现特征分析，研究了静载荷作用下逆冲断层的活化过程以及采动应力场、位移场动态演化规律，通过施加动载应力波分析了逆冲断层的动力学响应特征，结合动静载作用下逆冲断层的力学特点，建立了断层失稳的多滑块-弹簧力学模型，并提出了逆冲断层冲击地压防治技术。研究结果表明：开采引起覆岩裂隙扩展并与断层带贯通是断层活化的直接原因；开采活动对断层的扰动呈现明显的分区性，扰动顺序是先上部、再中部、最后下部，且应力要先于位移受影响；动载对断层的扰动也是分区域的，将导致上部先失稳；采动并不是直接导致整个断层的滑移，而是优先引起某个或连续几个子系统的“局部失稳”；基于动静载失稳理论的逆冲断层冲击地压防治技术主要包括深孔断顶爆破、煤层卸压技术、断底爆破等。

煤层采掘活动引起断层活化的力学机制及其诱冲机理

蔡武，窦林名，王桂峰，胡亚伟

2019, 36(6): 1193-1202.

摘要 ( 863 )

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通过调研总结煤层采掘活动与断层赋存状态之间的概念模型，提出了采动应力主导和矿震动载主导两种断层活化类型的力学机制及其动静载叠加诱冲机理，并结合数值模拟、相似材料模型实验以及微震监测给予了验证，同时针对性探讨了断层冲击矿压的监测与防治方法及策略。结果表明，断层冲击矿压的发生机理是由断层与顶板结构双重作用形成的断层煤柱高静载与采动应力主导型或矿震动载主导型断层活化动载叠加诱发；其中，断层活化主要与断层面黏结力、断层摩擦角、断层倾角、最小主应力、孔隙压力有关，且开采扰动引起的水平采空侧卸载和竖直方向加载，即侧压系数降低，是采动应力主导型断层活化的力学本质；动载扰动作用产生的断层超低摩擦效应是矿震动载主导型断层活化的力学本质。研究结果对断层冲击矿压的监测与防治具有重要指导意义。

浅埋煤层采空区岩体应力空间分布特征研究

汪北方，梁冰，张晶，迟海波，蒋嘉祺

2019, 36(6): 1203-1212.

摘要 ( 824 )

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基于浅埋煤层采空区岩体应力空间分布特征严重影响煤矿地下水库的稳定运营，选取神东矿区拟建地下水库22615面为研究背景，采用相似材料模型实验模拟浅埋煤层采空区覆岩运动规律；根据薄板挠度弯曲理论和Winkler弹性地基板原理，推导关键层下沉轨迹函数微分方程；结合岩石压实变形特性，进一步建立浅埋煤层采空区岩体应力空间分布数学模型，并开展实例应用和现场验证。研究结果表明：浅埋煤层采空区岩体应力分布与覆岩运动密切相关，裂隙带岩层以走向中心线为对称轴呈“∪”形沉降，对应垮落带岩体应力则表现为“∩”形变化；运用模型计算22615面采空区低应力区、应力恢复区和应力平稳区的走向长度为12.02，60.13，856.64 m，倾向长度为4.21，21.08，300.37 m，岩体应力为0，0~1.41，1.41 MPa，与现场实测数据最大偏差为20%，较好地验证模型的准确性，为煤矿地下水库矿压控制及库容设计提供理论依据。

基于远场周期来压的地表动态下沉预计

樊克松，申宝宏，黄志增，潘黎明，薛吉胜，赵铁林

2019, 36(6): 1213-1221.

摘要 ( 831 )

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针对以往时间函数模型在预测特厚煤层综放开采深厚比较小时地表动态下沉偏差较大的问题，论文以大同矿区芦子沟煤矿3108综放工作面为工程背景，采用现场实测与理论分析的方法将工作面矿压显现与地表变形两者结合起来研究，提出了依据远场周期来压预测地表下沉的动态过程。研究表明：特厚煤层综放采场会有规律地发生大步距周期性强矿压显现，地表点的下沉速度曲线随工作面周期性强矿压发生有规律性的波动，高位主关键层失稳使得工作面周期强矿压与地表动态下沉之间密切相关，工作面的周期强矿压会在地表变形中显现出来。据此基于远场周期来压建立了修正的分段建模的Weibull时间函数模型，该模型对于工作面各个位置地表点的动态下沉均具有较好的适应性，实例计算结果表明修正的分段Weibull时间函数模型具有较高的精度，能够更好地用于描述地表点动态沉降变形过程。

浅埋煤层沟谷下开采动载机理研究

张杰，龙晶晶，杨涛，王斌，周府伟

2019, 36(6): 1222-1227.

摘要 ( 829 )

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为了分析南梁煤矿工作面过沟谷底部时发生动载问题的原因，通过相似模拟研究、理论计算分析，对工作面过沟谷矿压显现的机理进行了研究。研究表明：工作面过沟谷底部时易发生切顶、煤壁片帮、台阶下沉等动载现象。在实验和理论分析的基础上，提出了工作面在推进过程中形成关键层“非均布载荷梁”结构，建立了关键层非均布载荷梁结构力学模型，得到了上覆岩层运动过程中相邻关键块失稳形成“滑移回转载荷”的计算公式，揭示了非均布载荷梁的破断以及瞬间滑移回转载荷的形成是导致动载发生的机理，为预防工作面过沟谷底部时发生动载提供了理论依据。

大范围顶板岩体垮落冲击动载对采场底板破坏的影响研究

黄琪嵩，程久龙，丁厚成，冯俊军，胡新成

2019, 36(6): 1228-1233.

摘要 ( 795 )

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为研究大范围顶板岩体垮落产生的冲击载荷对采场底板的破坏作用及其对底板突水的影响，本文基于动力基础半空间理论，将底板岩层等效为半空间无限体，建立顶板岩体垮落冲击采场底板的理论分析模型，推导出最大冲击动载应力的计算公式；并利用FLAC3D模拟分析了顶板垮落产生的冲击动载在底板中的传递规律以及底板岩层的动力响应特征。研究结果表明：顶板岩体垮落撞击采场底板，会产生远大于垮落岩体静态自重的冲击动载应力作用在底板上；冲击动载荷以应力波的形式在底板中传播，与采动应力叠加产生动态应力集中现象，会导致采场底板发生二次破坏，造成底板破坏深度显著增大，有效隔水层厚度减小，从而增加底板突水的危险性。

长壁充填开采充填体稳定性研究

贾林刚，张华兴

2019, 36(6): 1234-1239.

摘要 ( 746 )

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为了研究长壁充填开采初凝充填体在采空区中的稳定性，按照初凝充填体呈现塑性区和弹性区共同承载的受力特性，采用威尔逊约束理论和SMP应力屈服准则，推导得出了充填体保持稳定所需的最小柱体宽度的理论计算公式，分析了充填体稳定宽度的影响因素。通过榆阳煤矿充填开采实例，实验测得充填体凝固试块的力学强度及其与时间之间的数学关系式，采用理论推导公式计算得到了充填体稳定最小宽度为3.5 m。在理论计算值的基础上适当增加充填体宽度，既可增加充填体的整体稳定性，保证充填开采控制覆岩破坏的效果，又能有效减少充填体多次充填的凝固等待时间，提高开采充填效率。

星村矿深部采区地应力分布特征及与地质构造关系研究

王炯，姜健，张正俊，高韧，刘帅

2019, 36(6): 1240-1246.

摘要 ( 730 )

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深部采区地质应力环境复杂，对巷道围岩大变形破坏影响突出，因此，对深部采区进行地应力测量，分析地应力场分布特征对巷道设计与维护具有重要意义。星村矿最大开采深度已超过1 300 m，西翼深部采区轨道及回风大巷均发生非对称大变形破坏问题。为了研究其破坏机理并针对性治理，现场采用空芯包体应力解除法对矿区2条大巷的4个测点进行了地应力原位测量。结果表明：1) 每个测点均有2个主应力方向接近水平，另一主应力方向接近于垂直；2) 实测最大水平主应力是自重应力的1.60~1.67倍，表明应力场是以水平构造应力为主导，且均为压应力；3) 各测点垂向应力基本等于或大于上覆岩层重量；4) 实测最大主应力平均方位角为129.8°，方向呈NW-SE向。同时结合地应力场与地质构造关系分析认为，该地区郯庐断裂对矿区的构造有控制作用，区域构造应力场的方向与实测最大主应力方向结果相一致。

深孔顶板定向水压致裂防冲机理及多参量效果检验

赵善坤，张广辉，柴海涛，苏振国，刘毅涛，张修峰

2019, 36(6): 1247-1255.

摘要 ( 655 )

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针对深孔顶板水压致裂防冲施工技术参数选择及效果检验的难题，通过理论分析和现场测试探讨了3种不同顶板定向水压致裂防治冲击地压的类型及机理，采用钻孔窥视、应力监测、微震监测等多种检测手段对比分析了压裂前后的防冲效果。研究得出根据深孔顶板水压预裂施工位置及工作面的对应关系，可将顶板水压致裂防冲分为防治煤柱冲击、防治工作面冲击和防治初末采期间工作面冲击3种类型，现场对比分析得出巷道双侧压裂卸压效果优于单侧压裂，顶板压裂促使微震事件向工作面中部转移，工作面周期来压步距和来压期间的动载系数降低，巷道变形量和锚杆(索)应力增量随工作面推进波动上升，但变化幅值和增长趋势明显小于未压裂段。此外，间隙性顶板水压致裂人为在高位顶板制造了空白卸压区，破坏了顶板连续变形和能量传递，工作面进出该区域往往易造成动压显现的发生，为此类工程条件下顶板定向水压致裂参数选取和防冲效果验证提供理论依据和工程指导。

渗流裂隙岩体冻结温度场模型试验研究

宋雷，王国柱，杨成立，韩立尚，李海鹏，杨维好

2019, 36(6): 1256-1263.

摘要 ( 798 )

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我国西部地区有丰富的煤炭资源埋藏在富水岩层下，普遍采用冻结法凿井实现井工开采。与我国中东部地区表土冻结不同的是，西部地区人工冻结的目标为富水岩层，其为孔隙储水、裂隙导水，易在裂隙处形成优势流。当出现裂隙优势流时，将不可避免地对岩体的冻结温度场产生控制性影响，裂隙面处往往会成为冻结壁的薄弱部位，这与表土冻结温度场研究中所考虑的孔隙渗流影响迥异。为此，本文在人工冻结温度场模型中引入裂隙参数和渗流参数，推导渗流裂隙岩体人工冻结水热耦合温度场的相似准则，并在此基础上开展裂隙岩体双管冻结温度场的模型试验和数值模拟研究。研究结果表明：裂隙渗流显著延缓了冻结壁交圈时间，裂隙面冻结壁交圈时间远大于岩块，且其冻结壁厚度也显著降低。在富水裂隙岩体人工冻结中，在冻结管与裂隙垂直，裂隙开度为20 mm，管间距为1.736 m时，冻结壁能够交圈的极限渗流速度为(17±1) m/d研究结果对西部地区富水岩层的冻结法凿井具有重要参考价值。

软煤吸附解吸变形差异性试验研究

张遵国，赵丹，曹树刚，陈毅

2019, 36(6): 1264-1272.

摘要 ( 698 )

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为深入了解煤层吸附变形和解吸变形的差异性，开展了软煤在不同含水率和不同气氛条件下的等温吸附/解吸变形试验，同步测试了气体吸附量。结果表明：升压吸附和降压解吸过程中，软煤具有典型的解吸滞后特征，但解吸应变并非滞后于吸附应变，而是表现为解吸应变超前特征；气体完全解吸后，煤样体积较吸附前减小，与通常意义上的残余变形相反，存在一定的富余变形。煤吸附过程产生的塑性变形是导致解吸应变超前和产生富余变形的根本原因。随着煤样含水率增大和气体吸附性增强，煤的塑性变形能力增强，导致解吸应变超前特征显著，富余变形增大。完全解吸气体后，煤样变形客观存在残余变形、宏观可逆、富余变形3种可能情况。

基于雷诺数的级配结构破碎煤样渗流失稳特征研究

张天军，彭文清，庞明坤，张卫东，孙海涛，吴教锟

2019, 36(6): 1273-1280.

摘要 ( 706 )

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为获得不同级配结构下破碎煤岩体渗流失稳特征，本文采用自主研发的破碎样渗流试验系统，研究了位移与渗透压改变时不同级配结构下破碎煤样的渗流参量及雷诺数变化规律，通过两者变化规律分析得出渗流失稳临界特征值。结果表明：1) 试验过程中4组破碎煤样的渗流速度与压力梯度关系均呈现非线性特征，骨架密实结构破碎煤样渗透率最大，非达西因子最小，悬浮密实结构破碎煤样渗透率最小，非达西因子最大，骨架空隙结构破碎煤样渗透参量受孔隙率影响变化较大；2) 各组破碎煤样的雷诺数最小为0.1，最大为12.66，其中以悬浮密实结构破碎煤样雷诺数最大，骨架密实结构破碎煤样雷诺数最小，骨架空隙结构破碎煤样雷诺数变化小。研究可见，破碎煤样发生渗流失稳时存在临界特征值，悬浮密实结构以及骨架孔隙结构破碎煤样渗流失稳临界雷诺数为3，骨架密实结构破碎煤样临界雷诺数为5。

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