采矿与安全工程学报

张杰, 刘清洲, 孙遥, 蔡维山, 张建辰, 陈诚

2020, 37(4): 647-654. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.001

摘要 ( 1403 )

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为了分析浅埋薄基岩沿空掘巷围岩结构形成及失稳机理，根据浅埋薄基岩沿空掘巷覆岩破断特征，建立窄煤柱-实体煤-基本顶-覆岩共同作用的围岩结构受力模型，即“外伸梁”结构模型。通过对外伸梁结构的力学分析，揭示基本顶与窄煤柱对围岩稳定性的耦合作用机理，确定基本顶侧向极限悬跨度、窄煤柱压力及宽度等参数的计算公式。推导外伸梁结构系统平衡时需满足的解析条件以及稳定性判别条件，得到窄煤柱宽度与煤柱抗压强度成反比，且随基本顶抗剪强度增强而增大的强度关系。南梁煤矿30100工作面沿空掘巷窄煤柱宽度确定的实践表明，依据外伸梁结构模型确定的基本顶侧向极限悬跨度与其周期来压步距近似相等，窄煤柱宽度参数合理。

软岩巷道混凝土钢筋网壳支架结构试验研究

庞建勇, 黄金坤, 刘光程, 张金松

2020, 37(4): 655-664. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.002

摘要 ( 1281 )

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基于地面大跨度空间壳体结构具备质量轻、稳定性强和计算方法成熟等特点，设计出适用于软岩巷道支护的小跨度、薄壳状混凝土钢筋网壳支架。结合工程实际和相似定理，建立混凝土钢筋网壳支架的相似模型并对模型结构的布置形式进行正交试验优化设计；利用ABAQUS分析出结构的荷载-挠度特性和破坏模式，建立极限承载力、最大挠度和配筋率3个评价指标；随后采用灰色关联和组合权重的分析方法对上述3个评价指标进行分析，求得结构的最佳布置形式并进行室内模型试验，将模型试验结果与数值模拟计算结果进行对比验证；最后将该结构的最佳布置形式应用于软岩巷道工程支护。试验结果表明，设计出的混凝土钢筋网壳支架承载力高，内部构件短小，应力传递路径清晰，内力分布均匀，充分发挥了混凝土和钢筋的材料特性。工程应用中，该结构能有效控制软岩巷道的变形，保持巷道稳定。

单自由面锚固体单向加载破坏特征和锚杆荷载规律研究

王其洲, 李宁, 叶海旺, 池秀文, 雷涛, 陈东方

2020, 37(4): 665-673. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.003

摘要 ( 1319 )

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针对岩石与锚杆形成的锚固复合体，基于实验室单轴压缩实验结果，建立岩石试样单轴压缩数值模型，校验强度参数与塑性剪应变定量关系，确定应变软化力学参数；优化Flac3D中Pile结构单元预应力锚杆构建步骤，建立单自由面锚固体数值模型，剖析锚固体在单向加载条件下的内部破裂特征，揭示在加载全过程中的锚杆轴向荷载及弯矩变化规律。研究表明：由锚杆预应力产生的压应力区按椭球形分布，且压应力在锚固范围内具有双峰值特征；锚杆促使锚固体内部产生共轭剪切破坏带，且共轭剪切带与水平面夹角出现增大趋势，并在临空面浅部出现对称分布的次破裂面；杆体轴向荷载和弯矩分布均具有显著阶段特征；在峰前塑性应变阶段，杆体轴力和弯矩小幅增加，且均以靠近锚杆外锚固端的杆体为主；在峰后软化阶段，杆体轴力和弯矩显著增大，锚杆荷载特征由单纯轴向拉应变突变为拉、弯、剪综合受力状态，且靠近内锚固端杆体弯矩剧烈变化。

切缝药包岩石巷道光面爆破数值模拟与优化研究

申涛, 罗宁, 戚福州, 梁汉良, 杨维好, 马占国

2020, 37(4): 674-680. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.004

摘要 ( 1199 )

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基于张集矿-745 m水平进风大巷煤矿井下岩石巷道光面爆破试验，引入JH-II岩石动态损伤本构模型，通过建立巷道周边眼爆破数值计算模型，采用数值计算方法对比分析传统爆破方法与切缝药包爆破方法在光面爆破中周边眼爆破成形效果和围岩爆破损伤情况，进一步针对爆破成形中存在的问题对切缝药包结构进行优化并验证。结果表明：在成形效果上，传统爆破方法次于切缝药包法；峰值振动速度损伤判据分析证明，切缝药包爆破所造成的围岩损伤较小；切缝药包结构优化证明，通过改变切缝药包切缝数目与方向的方法可获得预定方向与数量的爆破裂隙。

多煤层重复采动穿层大巷围岩变形特征及修复加固技术研究

孙守义, 赵长政, 张云, 都书禹, 辛冰, 肖国强, 武瑞龙, 周杰

2020, 37(4): 681-688. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.005

摘要 ( 1403 )

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为探讨多煤层重复采动穿层巷道围岩变形破碎严重、锚固结构易失效等难题，以发耳煤矿+980 m轨道大巷为研究背景，通过围岩组分分析、现场电视探测和数值计算确定了影响+980 m轨道大巷围岩变形严重的主要因素。基于此提出了“支护弱结构部位加强支护”的不均匀加固技术，通过Phase软件模拟合理的大巷修复加固方案并提出“锚杆+锚索+钢筋梯+金属网+注浆”联合支护技术控制巷道围岩变形。现场监测结果表明：与未修复加固段巷道相比，修复加固段巷道在40 d监测期间顶板、底板及两帮变形量仅为22，21，17 mm，巷道围岩裂隙基本被浆液充填，巷道围岩变形基本得到控制。

采动巷道煤帮变形破坏规律与控制技术

贾后省, 潘坤, 刘少伟, 彭博, 范凯, 卓军, 王强

2020, 37(4): 689-697. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.006

摘要 ( 1286 )

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针对采动巷道帮部围岩变形破坏剧烈、支护维护困难、扩帮施工工艺复杂等问题，以刘家梁矿复合顶板采动巷道为工程背景，采用理论分析、数值模拟和现场试验等综合研究方法，监测获取采动巷帮变形破坏规律，分析采动巷道围岩周边应力环境特征及其作用下的变形破坏形态。研究结果表明：工作面回采过程中，采动巷道区域出现支承压力集中程度增大的同时，围岩周边主应力的方向也随之偏转，导致巷帮出现较大的塑性破坏深度且最大巷帮破坏深度偏向于巷帮中部，引发普通支护强度无法有效控制的巷帮围岩大变形，造成支护体损坏；采用高延伸性、可持续提供支护力、围岩变形过程中不破断的支护材料是此类围岩控制的有效途径。据此研发适用于大变形巷帮围岩控制的高延伸性组合锚杆，该锚杆杆体延伸率超过20%，具有较高的尾部抗剪能力，并可在扩帮施工后继续使用，现场应用效果良好。

基于弹性薄板理论的矿壁稳定性分析模型及应用

谢学斌, 李德玄, 孔令燕

2020, 37(4): 698-706. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.007

摘要 ( 1245 )

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为了研究矿壁在复杂荷载作用下的稳定性，根据矿壁-充填体的联合承载机理，并基于受纵横荷载共同作用的弹性薄板小挠度弯曲理论，建立矿壁稳定性分析模型。将模型运用于冬瓜山铜矿54线隔离矿柱采场矿壁稳定性分析，分析结果与实际工程探测情况一致，验证了模型在工程中的实用性和可靠性；研究充填体弹性模量E2、黏聚力c和矿壁结构参数对矿壁内部极限应力的影响，以及矿壁临界宽度随壁面尺寸和充填体力学参数的变化规律。研究表明：随着E2增大，σmax与σmin均逐渐增大，随着c增大，σmax减小，σmin增大；随着长高比值由小增大，矿壁从趋向于受拉破坏转变为趋向于受压破坏，临界宽度由主要受长度控制过渡为主要受高度控制；临界宽度随c增大而迅速减小，随E2增大而缓慢增大。研究结论为冬瓜山铜矿及类似开采条件的矿山提供了隔离矿柱开采设计优化的新方法、新思路。

基于RSM-BBD的煤巷开挖帮部失稳关键因素与控制技术离散元分析

冯友良, 鞠文君

2020, 37(4): 707-714. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.008

摘要 ( 1313 )

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煤巷围岩是由顶板、两帮及底板组成的整体，帮部强度普遍低于顶底板，是整个巷道围岩的薄弱体，其变形破坏会带来巷道整体失稳。以往大量研究表明，煤巷开挖帮部稳定性主要受煤层埋深、巷道高度、地应力状况、煤体内摩擦角、内聚力及支护强度等设计、地质条件及力学参数类因素影响。本文基于RSM-BBD试验设计与离散元法研究巷帮失稳关键因素及其控制技术。研究结果表明：巷高、侧压系数、埋深可调整余地小，内摩擦角、内聚力、支护强度相对可控，控制巷帮稳定关键在于一定程度上提高煤体内摩擦角、内聚力及支护强度；单一因素及其各自之间交互作用都会影响巷帮稳定性；改善巷帮煤体受力状况，降低主应力差值，提高煤体力学性质，优化掘进工艺水平可有效控制巷帮稳定性;“分次开挖、柔性护表、一次强力支护”理念在现场应用效果良好，显著改善巷帮煤体失稳问题。

特厚坚硬煤层超大采高综放开采合理采高研究与实践

许永祥, 王国法, 张传昌, 李明忠, 张金虎

2020, 37(4): 715-722. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.09

摘要 ( 1462 )

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以榆神府矿区金鸡滩煤矿一盘区东翼8~14 m特厚坚硬煤层综放开采为背景，采用理论分析、工程类比、工业性生产试验方法，研究采高(机采高度)对采场围岩稳定性和顶煤冒放性影响关系，确定榆神府矿区特厚坚硬煤层综放工作面合理采高。通过理论分析，探讨了增大采高对综放开采资源采出率、矿压显现程度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、配套设备结构和性能、采放协调等因素影响。通过工程类比，对比分析相邻矿井综放开采和本矿井西翼超大采高一次采全厚工作面围岩稳定性和顶煤冒放性特征，给出了榆神府矿区综放开采合理采高的判断依据，得出超大采高综放开采技术上可行，安全上可靠。现场工业性生产试验表明：采高控制在6.3~6.5 m时，围岩稳定性好，开采效率最高；工作面中部来压强度大，煤壁局部片帮深度一般为0.1~0.5 m，最大深度小于0.8 m；100 m试验段整体回收率约为87%，放煤段顶煤回收率约83%；工作面中部顶煤冒落块度小、冒放性好；端头顶煤冒落块度大、冒放性差；周期来压期间顶煤冒放性优于非来压期间。研究结果可为相似条件特厚坚硬煤层综放开采提供借鉴。

应力传递对垮落岩体空隙率空间分布的影响

胡胜勇, 韩丹丹, 冯国瑞, 郭军, 张奡, 郝国才

2020, 37(4): 723-730. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.10

摘要 ( 1107 )

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垮落岩体空隙率空间分布特征将直接影响采空区瓦斯涌入工作面。本文基于离散单元法，通过自主编程模拟了垮落岩体的压实过程，研究了岩块间应力的传递和演化对垮落岩体空隙率分布的影响。结果表明：垮落岩体内应力主要通过强力链向下传递，压缩量较小时，强力链主要集中在垮落岩体上部，使上部岩块受力大于下部，随压缩量增大，强力链向垮落岩体下部延伸，使上部的高应力区不断向下扩展。由于垮落岩体下部岩块受外力扰动较小，导致垮落岩体下部空隙率高于其他层位，其中下部空隙率为上部的1.1~1.4倍。垮落岩体空隙与力链空隙均呈现双峰分布，随压缩量增大，力链出现断裂，力链空隙进行重组，使岩块出现滑移，导致垮落岩体内部分大空隙分裂为小空隙。

浅埋煤层隔水关键层失稳光纤传感检测试验研究

柴敬, 杜文刚, 雷武林, 彭玉博

2020, 37(4): 731-740. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.11

摘要 ( 1066 )

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隔水关键层破断失稳是矿井水害及开采引起的生态脆弱区水资源破坏的根本原因，准确有效地对隔水关键层稳定性进行科学监测，是实现保水开采及岩层控制的重要基础。隔水层稳定性尚无有效直接监测手段，常采用钻孔探测、理论分析及数值模拟等计算导水裂隙带高度间接评判隔水层导通性。随着光纤传感技术的发展，将光纤布拉格光栅(FBG)、分布式光纤(BOTDA)等技术用于采动覆岩隔水关键层稳定性监测，为光纤传感技术在相似模型试验中的推广提供依据。研究表明：浅埋煤层当基岩厚度仅为60~67 m时，开采厚度为2 m的煤层时导水裂隙带将直接发育至地表，势必造成基岩含水层水体破坏，结构关键层裂隙被其上软弱岩层充填弥合具有一定隔水性，两侧断裂线及其附近发育的纵向裂隙成为主要渗流通道；分布式光纤检测应变因岩层断裂位置应力集中而呈现“双峰”特征，峰值位置与断裂线基本对应，可通过传感光纤预测采动覆岩破断线位置分布；给出基于光纤传感检测的隔水关键层破断极限应变阈值为2 000 με；光纤光栅可对特定位置岩体变形进行精准监测，检测隔水关键层破断失稳位置与实际观测及分布式光纤检测结果基本一致。

基于时滞非线性MGM模型的崩落法开采冒落高度预测研究

付建新, 朱鹏瑞, 宋卫东, 谭玉叶

2020, 37(4): 741-749. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.12

摘要 ( 957 )

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崩落法开采引起的围岩冒落是一个复杂的过程，具有明显的时空属性。以夏甸金矿崩落法开采为工程背景首先基于时滞非线性MGM模型理论，建立了夏甸金矿崩落法开采围岩冒落高度预测模型，并确定了相关参数，计算结果显示，2015年崩落法开采结束后，围岩冒落带最高点为-241 m，距离地表约364 m。然后采用相似材料模拟的方法，对开采过程中围岩冒落演变过程进行了模拟，结果表明，围岩冒落呈现拱形上向冒落，随着覆盖层的不断增加流动，上盘断层大规模垮落后成为下分段矿体回采的覆盖层，反过来抑制了两侧围岩的冒落，冒落带最终形态呈现“头大尾小”的形态，冒落最高点为-246 m，最高点距地表372 m，与时滞非线性MGM模型计算结果基本相同，验证了该方法的可行性。本文为崩落法开采围岩冒落高度的预测提供了一种新的手段，对崩落法开采的围岩冒落规律研究及地表稳定性控制具有一定的理论和应用价值。

厚煤层综放开采覆岩动力灾害原理及防治技术

杨俊哲, 郑凯歌

2020, 37(4): 750-758. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.13

摘要 ( 1283 )

相关文章 | 计量指标

随着我国煤炭开采深度的不断增加，冲击地压等煤岩动力灾害日益加剧，严重影响到煤矿安全生产。综合采用理论分析、装备研发，技术开发、工程实践等方法，研究了厚煤层综放开采的覆岩运动特征、动静叠加载荷作用下冲击动力灾害发生原理，提出了坚硬顶板多点拖动式分段水力压裂冲击防治方法，并在神东布尔台煤矿开展了工程应用。结果表明：综放开采中-低位关键层破断方式逐渐由悬臂梁式过渡为砌体梁式，控制采掘扰动形成的动载荷，改造覆岩破断形式是解决冲击动力灾害的关键。通过顶板分段水力压裂弱化技术实施，压裂最高压力30.7 MPa，破裂压降最大达10.0 MPa，出现3.0 MPa以上压力降200余次。单个压裂钻场弱化影响范围达走向300 m，倾向230 m；压裂后顶板来压步距、动载系数、最高压力较未压裂段分别降低了20.00%～69.70%、5.79%～7.90%、13.44%～18.37%，验证了顶板弱化的有效性。

弹性波CT反演识别煤岩体空区实验研究

巩思园, 田鑫元, 郑有雷, 白金正, 李勋达, 赵猛

2020, 37(4): 759-766. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.14

摘要 ( 1180 )

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通过利用多通道超声测试系统和弹性波CT反演方法对内含空区的混凝土试样开展试验研究，试验证明了弹性波CT反演探测空区的可行性，且通过几种不同激发行列间距的排布方式，得到了该试样反演网格长度的最优值。依据反演得到的波速分布，建立了空区识别的相关系数指标及偏差指标，通过8种不同测试方案得出超声波激发传感器在体分布下空区识别效果优于面分布。基于数理统计方法，建立了空区判识数学模型和评价指标，整体空区位置识别准确，空区识别率在30%~40%之间，误识别率在3%以下，判识结果可靠。

基于动静载冲击地压危险叠加的综合预警方法

丛利, 曹安业, 周远宏, 王常彬, 陈凡, 董敬源, 谷雨

2020, 37(4): 767-776. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.15

摘要 ( 1275 )

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冲击地压是在煤岩体内动静载叠加下超过其极限应力条件下诱发产生的，因此综合评价研究区域内动静载水平可高效评估其冲击危险程度。本文研究了矿震震动波传播过程中能量衰减特性，特别讨论了由大尺度破断引起的强矿震衰减特征，提出了以实时微震监测数据为基础的震动效应指数(SEI)，用于定量评价矿震事件群对工作面附近煤岩体引起的动载扰动程度；将震动效应指数与震动波波速层析成像技术结合，基于动静载叠加原理建立了冲击危险性的综合预警方法及指标。徐庄煤矿7197工作面工程应用表明：1) 震动波波速层析成像结果可较准确评价由构造应力异常和工作面结构引起的静载应力集中，难以有效评估由动载引起的冲击危险性升高；2) 震动效应指数描述了工作面回风巷侧和断层区域动载扰动引起冲击危险上升；3) 综合预警指数所反映的较高冲击危险性区域与强矿震分布及矿震活动集聚区域有较高程度吻合，验证了评价指标的可靠性。论文研究可为冲击地压灾害监测预警提供依据及参考。

采动影响下天然气管道变形演化模拟试验研究

王文, 任建东, 董淼, 张世威, 孙浩

2020, 37(4): 777-787. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.016

摘要 ( 1398 )

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研究煤与天然气共采区域内天然气管道变形、破坏及失效模式，可准确地预测和修正采动影响下管道变形位置、确保油气工程的安全稳定。结合某煤矿21102工作面沉陷区参数，设计塌陷土体中管-沙相互作用试验装置，模拟管道在采动影响下应变演化规律，运用ABAQUS软件对管道受力特征进行分析。结果表明：塌陷区边缘管道主要发生斜向拉伸变形、中部管道主要发生弯曲变形，二者是管道发生破坏的主要原因；塌陷区内管道的受力状态以塌陷中心为原点呈现对称性；塌陷区边界至塌陷区中心内的管道受力状态以管道下沉曲线的拐点为原点呈现反向对称性，拐点所在垂线为塌陷区中部和边缘的分界线；管道底部和顶部的应变分布大致呈现镜面对称性。

生态脆弱矿区风化基岩含水层显微高速摄像研究

李涛, 高颖, 艾德春, 杨军伟

2020, 37(4): 788-793. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.017

摘要 ( 1127 )

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以陕北侏罗纪煤田红柳林煤矿风化基岩含水层为研究对象，采用钻孔显微高速摄像技术，对不同深度、平面位置的地下水渗流进行显微观测。结合钻探、测井及水文实验成果，揭示生态脆弱矿区风化基岩含水层渗流规律，分析传统采煤工作面涌水量预测方法的误差，并研究基于钻孔显微高速摄像的采煤工作面涌水量预测方法。研究结果表明：钻孔显微高速摄像技术是简单易实施的技术，可以低成本获取大量有效水文地质参数。研究区风化基岩含水层垂向上表现出强非均质性，其中岩性对非均质性影响最大，其次是风化程度，即含水层强径流段多集中在同一岩性的上段。在平面上，钻孔等水位线推演出的区域流场与实测局部流场基本一致，但局部受地形、水文等因素影响出现差异。由于研究区风化基岩含水层垂向不均质性和平面复杂特性，传统采煤工作面涌水量预测方法存在误差，提出了基于显微高速摄像探测的采煤工作面涌水量预测方法。显微高速摄像技术突破在线监测后，可实现矿区流场实时监测，对水害进行实时预警，对水资源影响有定量评价结果。

基于区间值灰色关联度的煤层气区块生产潜力评价模型及应用

赵国飞, 康天合, 郭俊庆, 张润旭, 李立功

2020, 37(4): 794-803. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.018

摘要 ( 998 )

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针对煤层气储层参数存在较大差异，精确值无法代表整个区块资源及生产特征的问题，构建了煤层气区块生产潜力评价指标体系，确定了评价参数权重，建立了区间值灰色关联度煤层气区块优选模型。以樊庄-郑庄区块、三交区块、古交区块等5个煤层气目标区块为研究对象，对煤层气区块的开发潜力进行优选排序。结果表明：7个资源及生产特征参数重要度从高到底排序依次为渗透率、储层压力梯度、含气量、煤层厚度、煤层埋深、临界解吸压力与储层压力比、煤层温度。目标区块生产潜力从优到劣排序依次为三交区块、樊庄-郑庄区块、大宁-吉县区块、古交区块、丰润区块，优属度依次为0.889 9，0.732 5，0.554 1，0.310 5，0.109 9。评价结果与实际情况基本相符，证明基于区间值灰色关联度优选模型对煤层气区块开发潜力评价是可行的，可为类似条件煤层气选区评价提供参考依据。

液氮冷加载对围压煤体结构损伤的影响规律研究

李和万, 左建平, 王来贵, 苏荣华, 周浩

2020, 37(4): 804-811. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.19

摘要 ( 1053 )

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采用损伤孔隙裂隙结构的方法可以提高煤体的渗透性。利用液氮冷加载实验，研究煤样孔隙裂隙结构损伤后的物理力学性质变化规律。通过卸载后煤样表面裂隙宽度、整体孔隙量的变化值，研究煤样结构损伤的物理性质，运用单轴抗压强度研究煤样结构损伤的力学性质，进而揭示液氮冷加载对煤样结构损伤的作用机理。结果表明：1) 随着煤样围压的增加，煤样结构损伤程度逐渐加剧，12~13 MPa围压使煤样发生破碎；2) 在注液氮条件下，冷加载加速了围压煤样结构的损伤，10~11 MPa围压下煤样发生破碎；3) 煤样裂隙结构开裂方向与层理方向垂直，随着围压的增加，煤样单轴抗压强度逐渐降低，力学性能劣化。注液氮引起的温度应力可以加速煤体结构损伤，对煤体改性增透和预防冲击地压灾害提供了新的方法。

煤体非稳定破裂-峰后破坏过程感应电荷信号演变特征

刘光伟, 吕进国, 武金磊, 丁鑫

2020, 37(4): 812-818. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.20

摘要 ( 1034 )

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本文开展了煤体单轴压缩感应电荷演变规律实验研究，基于傅里叶变换对电荷噪声信号进行了频域分析，采用低通滤波器去除了高频噪声信号，在此基础上重点研究了煤体非稳定破裂与峰后破坏阶段的感应电荷有效信号时域演变特征。研究表明：降噪后的感应电荷信号与应力-应变曲线呈现出更高的相关性；加载速度越低，试件破裂就越充分，高幅值感应电荷信号在各个力学阶段分布越均匀；加载速度越大，高幅值感应电荷信号越集中在峰后；稳定破裂阶段的感应电荷突变信号丛集程度较低，在非稳定破裂阶段感应电荷幅值起伏突变程度与次数增高，丛集程度也相应增高；峰后破坏阶段高幅值突变信号连续出现，丛集程度出现了质的变化，高幅值信号突变程度最为剧烈，该阶段的感应电荷变异系数甚至超过了非稳定破裂阶段的一个量级。高幅值感应电荷信号的变化特征可有效评价煤岩体的稳定性。

黄陇侏罗纪煤田地应力特征及其地质意义

蔺亚兵, 申小龙, 刘军, 马东民, 陈龙

2020, 37(4): 819-827. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.21

摘要 ( 1173 )

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采用水压致裂测量地应力方法取得了黄陇侏罗纪煤田37个煤层地应力数据，通过数据统计和相关模型分析，研究了黄陇侏罗纪煤田现代应力场特征，地应力与煤储层压力耦合关系及其对煤层气开发和煤矿安全生产的意义。研究结果表明：1) 研究区最大、最小主应力和剪切应力随着埋深增大而增大，最大主应力转换深度大约为800 m。侧压系数具有浅部分散，深部聚拢的特征。从600 m开始应力场类型从拉伸状态的正断层应力组合机制向挤压状态的走滑断层应力组合机制转化，至1 200 m基本趋于静压力场。2) 研究区有效应力偏低，煤储层以欠压储层为主，不利于煤层气富集，含气饱和度为6.52%~30.6%，临储比较低，不利于煤层气排采。随着最小水平主应力增大煤储层渗透率呈负指数减小，同时应力的垂向转换影响了压裂过程中裂缝的发育形态。3) 依据煤矿冲击地压实例，600 m以深地应力作用下的挤压应力场是研究区煤矿冲击地压灾害的根本控因，但对煤与瓦斯突出影响不明显。煤田地质勘探过程中应补充对煤岩层冲击性和地应力评价内容，从而避免在矿井建设过程中遇到冲击地压灾害而修改设计造成损失。

基于CT扫描的煤岩非均质特征及其重建模型数值分析

付裕, 冯中亮, 李佩禅

2020, 37(4): 828-835. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.022

摘要 ( 1163 )

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为研究矿物结构在空间内的几何形态、尺寸和分布对煤岩的宏观力学行为及变形破坏特征的影响，利用CT扫描和三维重建技术建立煤岩矿物结构的三维可视化模型，统计分析不同等效直径范围内矿物结构特征，在此基础上构建包含4种不同等效直径矿物结构的非均质数值模型，并对其进行单轴压缩模拟分析。研究结果表明：粒径较小的矿物结构数量多，在空间分布均匀，复杂程度低；而粒径较大的矿物结构数量少，空间分布集中，复杂程度高。模拟结果显示矿物含量越多，空间分布越复杂，煤岩峰值强度越大；当矿物含量接近时，矿物结构空间分布对峰后软化段的影响更大；位于矿物所在的区域出现明显应力集中，且应力集中区域与矿物的分布区域大小相关；对于塑性区域分布的影响，粒径大的矿物结构相比粒径小的更加明显。

不同分级循环加卸载模式下岩石能量演化规律研究

吴再海, 宋朝阳, 谭杰, 张月征, 齐兆军

2020, 37(4): 836-844. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.23

摘要 ( 1084 )

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为了深入分析循环加卸载过程中岩样能量演化规律，设计了3种不同的单轴循环加卸载试验，详细分析了不同分级循环加卸载模式下的总吸收能、弹性应变能、耗散能、塑性变形能等参数的演化特征及其相互关系，建立了耗散能与循环应力等级、循环加卸载次数变化的演化方程。结果表明：1) 随着循环加卸载应力等级的提高，耗散能Use和塑性变形能Ue呈现非线性增加的趋势；2) 岩样在第3种循环加卸载模式下，整体上耗散能Use和塑性变形能Ue表现出“U”形变化的规律，在第Ⅰ级和第Ⅱ级循环荷载下强化效应突出，而在第Ⅲ级和第Ⅳ级循环荷载下扰动效应突出；3) 循环加卸载上限应力不变，下限应力减小时，循环荷载对岩样的损伤效应比其强化效应明显；4) 循环加卸载作用下岩样的耗散能Use与循环荷载应力等级、循环次数相关，可以采用非线性曲面较好的拟合，这为采用耗散能Use来定量分析循环加卸载过程中岩样的损伤奠定了较好的基础。

同源抽采与混源抽采工况特性量化表征

陈勇

2020, 37(4): 845-851. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.24

摘要 ( 933 )

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为研究矿井瓦斯同源抽采与混源抽采工况参数差异特性，以底板岩层钻孔、采空区为研究对象，开展不同抽采状态下各主要节点(地面泵站、采区石门、支管孔板、钻孔孔口)抽采负压、体积分数、流量参数获取的现场试验，量化分析并表征同源抽采与混源抽采状态的工况特性。研究表明：管路敷设沿程抽采负压逐级降低，呈指数函数关系，抽采体积分数逐级增大且突增区间一致，抽采流量符合高负压低流量、低负压高流量的抽采特性；同源抽采瓦斯来源单一，抽采负压优势明显，单点敞开式的瓦斯来源是沿程压降的主要致因，当抽采负压提高至有富余能力使外界空气漏入时出现高负压低体积分数抽采，抽采混量近水平线性降低；混源抽采瓦斯来源复杂，多点敞开式瓦斯来源使系统抽采负压、体积分数整体较低，但抽采量补给作用明显，抽采混量逐级降低。同源抽采与混源抽采工况特性量化表征可为煤层瓦斯抽采参数的量化把控和动态调控提供较好支撑。

不透气夹矸层对煤层瓦斯运移特性影响研究

赵洪宝, 李金雨, 刘一洪, 王伊阔, 王宏冰, 任朝鹏

2020, 37(4): 852-860. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.04.25

摘要 ( 1052 )

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为探究不透气夹矸层对煤层瓦斯运移特性的影响，利用自主研发的“一种恒压式煤岩体瓦斯渗流装置”对不同大小和位置形态的不透气夹矸层对煤层瓦斯运移特性的影响进行了系统研究，并对其影响机理进行了深入分析，最后提出了含夹矸煤层瓦斯运移的等效表征。研究表明：全煤试样、含夹矸试样的渗透因子随瓦斯吸附平衡压力的增加呈现“V”字形变化规律，存在一个渗透因子最低时的临界瓦斯压力点；随夹矸层面积的增加，煤层内有效渗流面积不断减小，导致其渗透系数呈负函数降低；夹矸层的位置直接影响着煤层内瓦斯压力分布规律，根据瓦斯压力分布特征可大致分为膨胀影响区、稳定渗流区和上下有效渗流区4个影响区域，且夹矸层越靠近瓦斯源位置，膨胀影响区越小，对瓦斯运移的抑制作用越大。

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