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2020年 第37卷 第3期    刊出日期：2020-05-15

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论文

深部巷道围岩松动圈稳定控制理论与技术进展

靖洪文，孟庆彬，朱俊福，孟波，蔚立元

2020, 37(3):  429-442. 

摘要 ( 932 )  

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围岩松动圈支护理论是在研究巷道围岩物理和力学状态的过程中发展起来的一种实用性岩层控制理论，近30年来在围岩松动圈支护对象与围岩分类、大松动圈围岩控制理论与技术、松动圈测试技术等方面取得长足的进步，深部巷道围岩控制的核心是确定支护对象并形成支护-围岩稳定结构，围岩的破裂膨胀及破裂后块体非连续变形构成的形变压力是巷道支护的对象。巷道围岩松动圈分类是建立围岩稳定性评价方法的核心内容，旨在正确评价围岩的支护难易程度、确定主要支护对象、优化支护参数和提出合理的施工工艺，为此形成深部大松动圈围岩综合指标分类法。深部巷道松动圈支护技术开发出被动支护、主动支护、改性加固技术、应力转移技术、联合支护等5大类围岩控制技术；形成以锚杆(索)为主体支护的多种支护方式并存的巷道支护体系，解决了大量巷道支护难题。巷道围岩松动圈厚度值可通过理论分析、相似材料模型试验、数值模拟、现场实测及智能预测方法获得；开展深部巷道围岩松动圈现场实测，可在理论与试验方面不作任何假设，能得到准确可靠的数据。探讨分析围岩松动圈测试与深部巷道大松动圈围岩支护中存在的技术难题及应对措施，可为深部巷道支护设计研究提供借鉴思路。

弱胶结软岩巷道层状底板底鼓机理及控制对策

杨仁树，朱晔，李永亮，李炜煜

2020, 37(3):  443-450. 

摘要 ( 862 )  

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为研究弱胶结软岩巷道底板层状特性对底鼓的影响，采用数值模拟与力学分析相结合的方法，对层状底板失稳机理及控制技术展开研究。结果表明：1) 层状底板压曲失稳后形成非稳定区、亚稳定区和稳定区，非稳定区是底板变形活跃区域，是支护和加固的主要对象，亚稳定区对底板变形具有宏观调控作用，稳定区是底板主要承载结构；2) 随着分层厚度增加，各分层承载能力提高，底板具备更强的抗变形能力；3) 巷道最大底鼓量随岩梁刚度增加呈负指数式减小，随侧压和底板载荷增加呈线性增加，随巷道跨度增加呈指数式增长。提出以“高强锚网梁索+喷浆密闭+底板锚注”为核心的支护系统，现场试验表明该技术有效控制了弱胶结软岩巷道层状底板的变形。

基于塑性区分布形态的软弱破碎巷道围岩控制原理研究

袁超，张建国，王卫军，吕有厂，郭建伟，曹其俭，李文超

2020, 37(3):  451-460. 

摘要 ( 919 )  

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以平煤股份六矿北二进风石门软弱破碎巷道围岩为研究对象，采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法，分析巷道围岩塑性区分布形态特征，研究侧压系数、内聚力与内摩擦角对塑性区的影响程度。研究结果表明：巷道围岩塑性区主要存在圆形、椭圆形、圆角矩形和蝶形4种分布形态，侧压系数、内聚力与内摩擦角共同影响塑性区的分布形态及其范围；内聚力与内摩擦角对圆形和椭圆形塑性区的影响较小，而蝶形塑性区对内聚力与内摩擦角非常敏感，主要表现为4个蝶叶随内聚力与内摩擦角的增大而快速退化，蝶叶尺寸越大，蝶叶的退化速度越快；提高内聚力与内摩擦角在减小巷道围岩塑性区范围的同时，可促使蝶形塑性区向圆角矩形转化。工程实践结果表明，以中空注浆锚索为核心的“锚网喷+全断面中空注浆锚索”分步联合巷道修复支护技术能够保持软弱破碎巷道围岩的稳定性，保障巷道的长期使用。

深部巷道锚注支护效果及组合式高强锚注控制技术研究

潘锐，程桦，王雷，黄厚旭，蔡毅，许硕，张皓杰，张朋

2020, 37(3):  461-472. 

摘要 ( 878 )  

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为明确不同因素影响下锚注控制效果，解决普通注浆锚杆强度低等问题，开展不同支护方案下围岩控制效果数值对比试验，研发一种组合式高强注浆锚杆并进行力学性能测试及现场应用。结果表明：1) 当岩体参数强度等级小于1.0或地应力大于25 MPa时，锚网喷支护难以满足围岩稳定性控制要求，锚注支护可以有效控制围岩变形破坏。2) 随着注浆加固范围增加，锚注支护各部位最大位移量、塑性区呈降低趋势，注浆范围为4~5 m时，位移、塑性区趋于稳定；随着围岩注浆加固强度等级提高，各部位最大位移、塑性区呈显著降低趋势，应力峰值距离巷道周边整体呈缩短趋势，控制效果显著。围岩注浆加固强度等级为围岩参数的1.6~1.7倍时，位移、塑性区和应力峰值位置趋于稳定。3) 组合式高强注浆锚杆承载力平均为264 kN，约为常规注浆锚杆的5倍，具有“一次施打、控注协同”的支护效果，现场应用表明位移比原方案降低了81%~83%。

深部软岩巷道方钢约束混凝土拱架基本构件力学特性及参数影响机制研究

鹿伟，江贝，王琦，孙会彬，黄玉兵，张朋

2020, 37(3):  473-480. 

摘要 ( 977 )  

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方钢约束混凝土支护体系以其强度高、施工方便的优点，在深部软岩巷道中的应用日益增多。节点作为拱架连接的关键构件，是进行支护结构合理设计的前提，对拱架内力分布及承载力发挥具有重要影响。但目前约束混凝土拱架节点设计大多基于工程类比，针对其力学特性的深入研究较少。本文以典型深部软岩矿井——巨野矿区万福煤矿为工程背景，对约束混凝土拱架常用的法兰节点及套管节点进行对比分析。开展方钢约束混凝土无节点构件、法兰节点构件及套管节点构件的纯弯室内试验和数值试验，对比各构件的变形过程及破坏形态；基于M-θ曲线，综合分析各参数对无节点构件、法兰节点及套管节点力学性能影响规律，提出依托工程方钢约束混凝土拱架节点设计建议。基于上述研究结果，进行方钢约束混凝土拱架的现场应用。试验结果表明，依托工程现场采用方钢约束混凝土支护体系，围岩变形得到很好控制。套管节点传力明确、承载力高，极大地缩短了施工难度，降低了经济成本，应作为方钢约束混凝土拱架优选的节点形式。

圆形断面波形钢腹板支架结构稳定承载性能研究

吴丽丽，于雅倩，胡存川

2020, 37(3):  481-489. 

摘要 ( 806 )  

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为研究一种新型波形钢腹板支架结构的承载性能，开展2榀圆形波形钢腹板支架的模型试验和1榀与波形钢腹板用钢量相同的矿用工字钢支架的模型试验，分析支架的稳定承载力、刚度和变形发展情况。试验结果表明：圆形支架试验模型的最终破坏形式为整体失稳破坏，腹板高度增加时对其承载力有明显提高；波形钢腹板支架的单位质量承载能力是用钢量基本相等的矿用工字钢支架的1.49倍，同时变形仅为后者的5/7，波形钢腹板支架的承载力更高、支护效果更好。基于有限元模型，分析截面参数变化对波形钢腹板支架的弹塑性整体稳定性的影响，结果表明翼缘宽度和翼缘厚度是其稳定承载力的敏感参数。

抗弯强化型钢管混凝土支架支护技术研究

夏方迁，王军

2020, 37(3):  490-497. 

摘要 ( 846 )  

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千米深井巷道支护中钢管混凝土支架的各种破坏形式中，拱结构的压弯破坏是主要破坏形式。为解决钢管混凝土支架压弯破坏问题，采用理论分析和室内试验研究抗弯强化的作用机理。理论分析证明，增加强化圆钢直径可有效提高钢管混凝土结构的抗压刚度和抗弯刚度。室内试验表明，抗弯强化措施使中性层向圆钢侧移动，增大压应力分布面积，充分发挥出约束混凝土抗压性能和高强圆钢抗拉性能，提高复合结构整体承载力。抗弯强化型钢管混凝土支架在现场的应用也证明了支架能够有效支撑来自围岩的载荷，支架整体变形量较小，巷道支护稳定。

基于可拓学倾斜软岩巷道支护效果评价方法

范磊，王卫军，袁超

2020, 37(3):  498-504. 

摘要 ( 875 )  

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基于可拓学理论，以数值模拟和数学建模等为研究手段，建立倾斜软岩巷道支护效果评价指标体系，对该类巷道支护效果进行科学系统评价，研究不同支护条件下倾斜软岩巷道支护效果。结果表明：1) 针对倾斜软岩巷道在4个正方位且为坚硬岩层与软弱岩层交界区域出现较强应力集中的现象，在支护成本可接受的前提下选择高强度支护和锚固材料，保证支护结构在不被损坏的条件下持续提供高阻；2) 倾斜软岩巷道围岩变形的非对称性要求在确定支护效果评价指标权重时，应根据实际工程状况合理确定，且根据实际巷道变形特征采取非对称式支护，以更加有效地管理巷道；3) 倾斜软岩巷道围岩塑性区具有范围较大、形态不规则和扩展速度快的特点，锚固基础始终牢固稳定是确保支护结构不发生失效的重要因素之一。

陕蒙接壤深部矿区区段煤柱诱冲机理及其防治

王博，姜福兴，朱斯陶，曲效成，张修峰，魏全德，吴震，谢华东

2020, 37(3):  505-513. 

摘要 ( 808 )  

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针对陕蒙接壤深部矿区照搬浅部双巷掘进布置宽区段煤柱导致部分矿井已有冲击地压显现现象，以陕蒙接壤深部矿区B矿为例，采用数值模拟和理论分析的方法，研究区段煤柱的应力演化规律，揭示区段煤柱诱发冲击地压的机理：由于该矿区煤层的强冲击倾向性和高单轴抗压强度，其弹性核积聚弹性能的能力更高，当弹性核区破坏时，能量释放产生的冲击力易超出巷道阻力及支护阻力，致使煤柱侧发生冲击。鉴于此提出降低煤柱上方应力、减弱煤柱弹性核区蓄能能力和增大巷帮阻抗力等防治对策。研究成果应用于B矿31102沿空工作面，解决了区段煤柱造成的沿空巷道频繁强动力显现，实现了工作面的安全回采，对陕蒙接壤深部矿区区段煤柱冲击地压防治具有借鉴意义。

缓倾斜冲击倾向性顶板特厚煤层重复采动下覆岩两带发育规律研究

崔峰，贾冲，来兴平，曹建涛，单鹏飞

2020, 37(3):  514-524. 

摘要 ( 730 )  

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针对缓倾斜冲击倾向性顶板特厚煤层重复采动影响下覆岩裂隙发育规律，采用物理相似材料模拟实验，运用钻孔电视、微震监测系统与离散元软件相结合的分析方法，研究了该条件下覆岩裂隙的分布特征与两带发育规律。结果表明：钻孔电视所测覆岩裂隙数量基本随深度呈递增趋势，在宽沟煤矿冲击倾向性顶板特厚煤层重复采动后，物理模型覆岩主要受到北偏西23°方向的采动应力场作用，使裂隙主要集中在292°~22°与112°~220°区域内；钻孔监测B4-1煤层回采后，垮落带、裂隙带高度约为煤厚的3.7倍、16倍，冲击倾向性顶板B2特厚煤层重复采动后，垮落带、裂隙带高度约为已采煤层累积厚度的4.7倍、10.2倍；微震监测结果验证了钻孔监测与离散元分析结果的准确性，3种分析方法表明裂隙带经验公式之二的计算结果基本符合冲击倾向性顶板在重复采动下的高度，因冲击倾向性顶板裂隙扩展明显，在运用此公式估计冲击倾向性顶板重复采动下的裂隙带高度时应将计算值提高8.6%以保证保水开采的顺利进行，该研究结果为冲击倾向性顶板重复采动下保水开采问题的解决提供了科学指导。

不同冲击倾向性煤体声发射能量特征与时空演化规律研究

杨磊

2020, 37(3):  525-532. 

摘要 ( 955 )  

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为了弄清声发射与冲击倾向性的关联性，对具有强、弱和无冲击倾向性的煤体开展单轴压缩下的声发射试验，分析了煤体的声发射能量特征与定位事件的时空演化规律。结果表明：强冲击倾向性煤体在受载前期和中期，声发射能率与总能量数均很低，临近峰值强度时开始急剧增长；弱、无冲击倾向性煤体声发射能量在整个阶段表现较活跃，尤其在受载的中后期，呈阶梯式逐步增长趋势；不同冲击倾向性煤体均在临近破坏时出现大量高能量声发射信号。声发射能率和总能量数趋于活跃可作为煤体破坏的前兆信息，随着冲击倾向性的增强，声发射能量趋于活跃越滞后。声发射空间定位演化结果直观反映了煤体内部声发射源位置与破裂发展状况，其空间分布与聚集位置可对应于煤体内部应力集中与宏观破坏区域；随着煤体冲击倾向性的增强、受载应力水平的增大，声发射定位事件数量逐步增加，临近峰值强度时，声发射定位事件急剧增长。声发射总能量数、定位事件数与冲击倾向性呈正相关关系，从一定程度上揭示了煤体积聚和释放弹性能的能力。

软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化及卸压瓦斯抽采研究

程详，赵光明，李英明，孟祥瑞，刘增辉，马海峰，袁本庆

2020, 37(3):  533-542. 

摘要 ( 777 )  

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针对软岩保护层开采后上覆被保护煤层卸压瓦斯治理问题，以淮北芦岭煤矿首例软岩保护层开采试验为工程背景，采用综合研究方法研究软岩保护层开采覆岩采动裂隙带演化特征。结果表明：Ⅲ11软岩保护层开采后覆岩冒落带和裂隙带最大发育高度分别为10.1~12.4，52.7~59.95 m，采空区侧及上覆被保护层煤层下部存在竖向裂隙发育区和远程离层裂隙发育区；设计地面采动井和拦截钻孔抽采覆岩8、9煤层卸压瓦斯，优化地面采动井终孔位置垂直方向距顶板法距20 m，倾斜方向距风巷或机巷平距35 m，拦截钻孔终孔位置距9煤底板5 m。考察期卸压瓦斯抽采实践表明，软岩保护层开采后覆岩“两带”发育高度的判断和卸压瓦斯富集区域的辨识是合理正确的。

薄基岩近距离煤层开采“水-岩”致灾演变模型及规律研究

潘卫东，姜鹏，许延春，李江华

2020, 37(3):  543-552. 

摘要 ( 759 )  

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为研究薄基岩近距离煤层开采的“水-岩”致灾演变规律，建立了薄基岩覆岩裂隙扩展渐变破坏模型并分析了岩石的3种破坏模式，从平面及空间角度揭示采动覆岩岩体裂隙扩展过程中的渐变失稳破坏发育特征；构建覆岩岩体破坏致灾演变力学模型，从力学角度上解释覆岩破断致含水层突水致灾过程。结合工程实例，采用UDEC及FEFLOW数值模拟软件分别建立数值模型，模拟分析近距离煤层回采覆岩失稳破坏特征及地下水体运移渗流特征，揭示采动条件下地下水体运移致灾演变规律。研究结果表明：开采活动破坏了地下水体原有的渗流规律，近距离煤层的重复采动极大地增加了覆岩岩体内裂隙密度及宽度，裂隙带内的渗透性增加，覆岩裂隙是水的渗流、运移的主要通道，导水通道的拓宽从而导致突水致灾危险性增加。

深部近距离煤层开采底板破坏规律实测对比研究

王厚柱，鞠远江，秦坤坤，胡友彪

2020, 37(3):  553-561. 

摘要 ( 802 )  

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基于大屯矿区地质和水文地质条件的分析与研究，奥灰水是深部7、8煤层开采底板突水的最主要威胁源，8煤底板破坏特征影响奥灰水防治设计。以矿区徐庄矿8199工作面为例，建立物理模拟模型，对单采8煤层及先采7煤后采8煤两种开采条件下底板破坏特征进行了模拟。并利用直流电法对该工作面开采过程的底板破坏规律进行了实测。发现压煤开采规范中经验公式预估和塑性力学理论预估获得的底板破坏深度值比直流电法实测值偏大，与单采8煤的物理模拟结果较为接近；物理模拟先采7煤后采8煤的底板破坏深度与直流电法实测值较为接近。基于以上分析对矿区新设计深部开采近距离煤层工作面底板破坏深度预估方法提出了建议。

深井矸石充填综采工作面覆岩活动规律研究

孙广京，王平，冯涛，余伟健，刘金海

2020, 37(3):  562-570. 

摘要 ( 1038 )  

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以山东新巨龙煤矿1302N-1矸石充填综采工作面为工程背景，结合现场监测和数值模拟分析等手段对深井矸石充填综采工作面覆岩活动规律进行深入研究。结果表明：相比全部垮落法，深井矸石充填综采工作面采空区矸石能够有效支撑顶板，矸石支撑强度可达2.1 MPa。工作面覆岩压力较小，最大为27.61 MPa。矸石充填后，前方煤体和上覆岩层所受的采动影响减小，最大支承压力为3.42 MPa，地表下沉系数为0.06。1302N-1综采工作面矸石充填高度为2.8 m，上覆岩层断裂与来压特征不明显，仅监测到6次微震事件，能量都小于1 000 J，且多来自高位岩层。数值模拟表明：充填高度越高，覆岩塑性区范围越小，裂隙发育程度越低，覆岩下沉变形量越小。

基于微震与矿山压力监测的工作面周期来压步距与机理分析

李青锋，彭跃金，吴昊，崔栋歌

2020, 37(3):  571-577. 

摘要 ( 883 )  

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为研究22116综采工作面周期来压对正常回采的影响，采用微震和支架在线监测系统对22116工作面进行现场实测，并结合理论分析对工作面周期来压步距及关键层进行了确定。结果表明：大同组23.0 m细粒砂岩为基本顶，其所控制的上覆岩层平均厚度70 m，下伏煤层以上岩层为直接顶；工作面推进速度越快，微震活动越强烈，动力扰动下“三铰拱”结构易失稳形成悬臂梁结构，且推进速度较快时周期来压步距较短；工作面推进速度不同，基本顶弯曲断裂的微震强烈程度不同，同时微震事件时域分布显示出明显的周期来压特点，与矿山压力监测结果一致。

基于不同强度煤体的合理卸压钻孔间距研究

盖德成，李东，姜福兴，王存文，陈洋，董春雨，孙邵华，杨光鹆

2020, 37(3):  578-585. 

摘要 ( 801 )  

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为了避免软煤卸压密度过大造成巷道大变形和硬煤卸压密度小导致卸压不充分的问题，采用案例分析、理论研究及数值模拟等方法，建立了钻孔卸压原理的能量耗散分析模型，研究了高应力条件下钻孔卸压煤体的位移场、应力场、塑性区、弹性能密度及局部能量释放率分布规律，得到了卸压钻孔间距与煤体强度的关系。结果表明：1) 钻孔间距减小，相邻钻孔的耦合作用加强，卸压作用范围和效率增大；2) 卸压钻孔间距的主要判据为钻孔塑性区扩展闭合，以位移场、应力场和弹性能密度分布等作为辅助判据；3) 单轴抗压强度为12.04~35.35 MPa的煤体合理卸压钻孔间距为1.4~0.65 m；4) 合理卸压钻孔间距与煤体强度线性拟合度R2为0.986 61。研究成果可为不同强度煤体选择合理卸压钻孔间距提供参考。

静态压剪载荷下岩石力学特征研究

何青源，李迎春，周保精，吴保杨，张晓悟，张帅

2020, 37(3):  586-593. 

摘要 ( 905 )  

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缓倾斜或倾斜矿体条件下，矿柱通常受压剪外载共同作用。本文使用一套新颖的岩石力学属性测试系统，结合声发射技术，得出花岗岩试样在静态压剪外载条件下力学属性的变化。花岗岩试样的微裂隙起裂应力和微裂隙损伤应力均随着试样倾角的增加呈线性下降趋势。微裂隙起裂应力与峰值强度的比值，在0°~10°倾角范围内基本不变，微裂隙损伤应力与峰值强度的比值当试样倾角增加至10°时逐渐降低。相较于单轴压缩状态，花岗岩试样的峰值强度在试样倾角为5°和10°时，分别下降了13.7%和29.8%，试样的破坏形式逐渐由轴向分离式断裂转变为剪切破坏。建议在矿柱强度经验公式中加入压剪外载下岩石强度这一新的参数，以考虑倾角对矿柱强度的影响。

考虑裂隙的含孔洞软岩体力学特性模拟分析

李元海，刘金杉，唐晓杰，杨硕，刘德柱

2020, 37(3):  594-603. 

摘要 ( 777 )  

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天然岩体常含有节理裂隙与孔洞等缺陷，为研究含4条均布不同倾角裂隙、中心孔洞软岩体在单、双轴作用下的力学特性与破裂模式，基于自行配制的石膏试样的基本物理力学参数，采用FLAC3D对加载情况进行模拟。结果表明：1) 单轴压缩条件下，根据裂纹分布规律的不同，提出了3种破裂形态，分别为“X破裂形态”(α=90°)即裂隙的存在与否对试样破裂模式几乎无影响、“完全破裂形态”(α=0°)即围绕中心圆孔试样出现贯通破碎带、“中间形态”(α=45°)即剪切裂纹呈近似45°扩展至试样边界；2) 试样单轴、双轴峰值强度和脆性指标与裂隙倾角密切相关，随倾角增加呈现先减后增的“对勾”形趋势；3) 侧压力增加，试样峰值强度呈对数形式增长，45°倾角裂隙试样峰值强度对侧压力敏感度最高；4) 双轴压缩对比单轴压缩，新生裂纹数量显著减少，细长裂纹转变成片状破碎区域。

基于巴西劈裂实验的层状页岩断裂特征试验研究

王辉，李勇，曹树刚，潘瑞凯，朱健尚，杨红运

2020, 37(3):  604-612. 

摘要 ( 893 )  

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为揭示层状页岩巴西圆盘试件破坏强度与裂纹特征关系的机理，对圆盘试件进行劈裂试验。利用高速照相机和声发射监测装置分析了试件的破断特征及声发射特征，探讨了试件的破断机理以及破断强度的影响因素。研究表明：1) 圆盘试件的裂纹起裂点通常位于试件的中部或加载端处，当层理角度较小时，试件裂纹垂直于或斜交于层理面扩展，随层理角度逐渐增大，裂纹逐渐沿层理方向扩展；2) 层理方向会影响试件应力场的分布，当层理角度为0°和90°时，试件中部会产生较大的水平拉应力，试件容易产生拉伸破坏，当层理角度为45°时，试件中部会产生较大的剪应力，试件容易产生剪切破坏；3) 由于裂纹表面能密度的差异性，试件的破坏强度分别与总裂纹长度和相对层理裂纹长度成正相关和负相关关系；4) 试件的声发射特征与其破断模式密切相关，当试件产生张拉破断时，声发射计数表现为单峰陡增特征，当试件产生剪切+张拉复合破断时，声发射计数表现为多段增长特征。

单轴压缩及劈裂试验下煤的声发射特征研究

刘斌，赵毅鑫，张汉，袁耀

2020, 37(3):  613-621. 

摘要 ( 899 )  

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为研究准静态加载下强冲击倾向性煤的抗拉及抗压性能，利用万能试验机系统和声发射监测系统分别对煤样进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验，并监测加载过程中的声发射参数，对比分析煤样在2种加载方式(拉、压)下的变形破坏特征、煤样声发射时空演化规律及微观破坏机制。研究表明：拉、压载荷下煤样的变形特征基本一致，但也存在一定差异，压缩下较劈裂下压密阶段历时长且变形大，峰后阶段历时短，破坏剧烈；拉、压载荷下声发射幅值分布基本一致，低幅值(40~60 dB)较多，高幅值较少，且比例随着幅值的增大而减小，二者呈幂函数关系，以高幅值声发射信号的出现可将加载过程划分为5个阶段；拉、压载荷下声发射空间定位演化特征基本一致，裂隙压密和裂纹萌生阶段缓慢产生声发射事件，裂纹稳定扩展阶段较快产生声发射事件，非稳定扩展阶段快速产生声发射事件，出现声发射丛聚现象；峰后阶段存在一定差异，压缩下较劈裂下产生速度快；拉、压载荷下煤样微观破坏机制均为以拉伸破坏为主导的拉剪混合破坏，但剪切破坏出现时间不同，压缩下主要发生在裂纹非稳定扩展阶段，而劈裂下则出现在裂纹萌生、裂纹非稳定扩展和峰后破坏阶段。

水力割缝辅助定向压裂煤体的割缝间距模型研究

王刚，范酒源，汪文瑞，徐浩

2020, 37(3):  622-631. 

摘要 ( 924 )  

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为研究定向水力压裂的割缝间距，引入弹塑性力学理论与分形维数理论，分别建立缝槽力学模型与煤层注水渗透范围模型，分析缝槽的塑性区宽度及煤层注水的渗透范围。结合2个模型推导出定向水力压裂的割缝间距。以高家堡煤矿为例，检验割缝间距的合理性。同时，分析侧压系数、分形维数、迂曲度对割缝间距的影响效果。采用修正的Morris筛选法对影响定向水力压裂割缝间距的各因素进行灵敏度分析。研究结果表明：1) 定向水力压裂割缝间距的理论值与现场实测值最大相对误差为8.643%，最大绝对误差为0.817 m，偏差较小，可为现场设计定向水力压裂的割缝间距提供理论参考。2) 煤层注水渗透范围对定向水力压裂割缝间距的影响明显强于缝槽塑性区宽度。3) 侧压系数对割缝间距影响较小，迂曲度与割缝间距呈现负相关性，分形维数与割缝间距呈现正相关性。4) 煤层孔隙最大直径的灵敏度最大，迂曲度的灵敏度最小。

承压饱和破碎岩石颗粒破碎及渗透率演化特征研究

郁邦永，潘书才，魏建军，岳翎，郭静那

2020, 37(3):  632-638. 

摘要 ( 783 )  

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为探求破碎岩体颗粒破碎及渗透率演化规律，对饱和破碎岩石进行侧向受限下的压缩和渗透试验，利用显微CT观察试样内部的孔隙结构形态，引入相对破碎率定量研究岩石颗粒的破碎规律，并分析其与孔隙度和渗透率之间的关系。试验结果表明，颗粒破碎在压实过程中普遍存在并持续改变试样的粒度分布，在轴向应力达到2 MPa时，细小颗粒(0~2.5 mm)大量出现，占最终增加量的44.6%，同时大颗粒(12~15 mm)明显减少，占最终减小量的45.1%；而应力升至12 MPa后，小颗粒(0~2.5 mm和2.5~5 mm)小幅变化，其余各粒径区间内岩石颗粒的质量变化微弱。相对破碎率和渗透率的变化范围分别为0~0.369 3和3.48×10-14~67.16×10-14 m2，且两者的变化过程均可分为2个阶段，即当轴向应力小于4 MPa时，相对破碎率快速增大，占总增幅的65.6%~74.1%，渗透率快速减小，占总降幅的84.4%~91.1%；而当轴向应力大于4 MPa时，相对破碎率缓慢增大并趋于稳定，渗透率缓慢减小并趋于稳定。渗透率与相对破碎率之间关系可用二次多项式函数拟合，相对破碎率可作为评估渗透率的有效参量。初始粒径配比对渗透率有明显影响，在相同轴向应力下，Talbot指数越大，渗透率越小；而初始粒径配比对相对破碎率几乎无影响。

酸化学腐蚀下灰岩剪切强度特性试验研究

廖健，赵延林，刘强，唐利明

2020, 37(3):  639-646. 

摘要 ( 836 )  

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本文以取自安徽太平前常铜铁矿的灰岩为研究对象，用不同pH的弱酸溶液对其进行浸泡，研究该岩石试件在弱酸腐蚀作用下的剪切强度特性，揭示了灰岩在直剪破坏过程中剪应力-位移曲线各个阶段的特征与不同应力条件下岩石剪切强度特性的差异。研究表明：相同pH溶液中浸泡相同时长的灰岩试件，随着法向应力σ的增加，其抗剪强度τ也随之增加；灰岩试件的抗剪强度随试件浸泡时间的增加、pH的减小，总体上呈现出衰减的趋势；因化学腐蚀引起灰岩的矿物成分甚至是岩石的内部结构的改变，是灰岩力学性质改变的根本原因，且浸泡溶液对试件的腐蚀作用具有时间效应，浸泡0~3 d时灰岩试件抗剪强度、内聚力C和内摩擦角φ值的衰减速率比浸泡3~6 d时灰岩试件抗剪强度、内聚力C和内摩擦角φ值的衰减速率大。