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2020年 第37卷 第5期    刊出日期：2020-09-15

上一期   

论文

坚硬顶板条件下裸顶巷道煤帮稳定性分析及控制对策

杨仁树, 朱晔, 李永亮, 李炜煜

2020, 37(5):  861-870.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.001

摘要 ( 1407 )  

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为研究坚硬顶板条件下裸顶巷帮的支护问题，综合采用现场调研、力学分析、数值计算和工业性试验等方法，对巷帮稳定性进行分析，并提出针对性的控制对策。根据弹塑性理论，构建巷帮卸荷力学模型，推导出巷帮任一点应力的解析表达式。基于巷帮的应力状态获得巷帮张拉损伤判据，采用控制变量法，通过Matlab计算得出卸荷系数和裂隙面倾角对巷帮损伤的影响。针对巷帮的变形破坏特征，提出基于“强帮护顶，强角控跨”的围岩控制原理，现场试验表明，支护方案可保证巷帮基础的强支承，实现顶板岩梁的微扰动，保障巷道服务期间的安全有效使用。

塔山煤矿复合坚硬顶板切顶留巷围岩变形机理及控制技术研究

王炯, 李文飞, 刘雨兴, 马新根, 孙晗, 马磊, 孙政

2020, 37(5):  871-880.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.002

摘要 ( 1366 )  

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以大同矿区塔山煤矿8304工作面切顶留巷为工程背景，综合采用理论计算、数值模拟及现场监测等方法对切顶留巷围岩的变形机理进行了分析，并提出了相应的控制技术。沿空顺槽实施切顶后，留巷顶板形成短臂梁结构，巷道整体处于卸压状态。切顶形成的切缝结构面阻断了采空区顶板压力传递到实体煤帮的路径，降低了煤帮应力集中程度，从而较大幅度减弱了实体煤帮及底板的变形；顶板最大变形集中在切缝侧，但下沉量有所减小；矸石帮变形分为垮落阶段的冲击变形和稳定阶段的缓慢变形，变形先急剧增大，后缓慢增加至稳定。基于对留巷围岩的变形分析，提出了对留巷顶板实施恒阻大变形锚索加强支护以控制顶板下沉，垮落矸石帮侧布置单体支柱配合11^#工字钢与钢筋网片防冲护巷，煤帮采取左旋无纵筋螺纹钢锚杆加固处理及底板采用C20混凝土硬化的综合控制技术。现场监测留巷断面尺寸约为2 834 mm×4 615 mm，较原巷道断面最大收缩率为15.6%。监测结果表明：该控制技术能够有效控制围岩变形，所留巷道完全满足复用生产需求。

深部煤柱留巷“卸-支-注”协同控制原理及实践

付玉凯, 张镇, 王涛

2020, 37(5):  881-889.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.003

摘要 ( 1302 )  

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针对深部煤柱留巷围岩控制难题，在分析煤柱留巷围岩破坏机制的基础上，建立煤柱留巷力学模型，分析支护力、采动应力、煤岩体力学属性与莫尔圆间的相互关系，提出深部煤柱留巷“卸-支-注”协同控制原理。通过对煤柱上方支承压力进行人工调控，降低支承压力峰值和转移应力峰值位置，使其远离煤柱留巷，降低煤柱留巷的采动应力；对破碎围岩进行强力支护，增加巷道围岩的支护力，提高煤柱留巷围岩自承载能力；对煤柱留巷破碎围岩进行注浆改性，提高煤柱留巷围岩内聚力和内摩擦角等力学参数，有效改善煤岩体力学属性，使煤岩体由极限平衡状态过渡至弹性安全状态。通过协调“卸压-支护-注浆”三者的时空关系，使留巷结构体形成合理的能量耗散机制，使留巷结构体由不稳定状态转变为稳定状态。现场应用结果表明：采用“卸压-支护-注浆”协同控制技术后，煤岩体强度提高34.45%，锚索受力降低50%以上，煤柱留巷两帮移近量降低40.79%，顶底板移近量降低69.80%。“卸压-支护-注浆”协同控制技术有效改善了煤柱留巷的围岩力学属性和应力状态，实现了对王坡矿深部煤柱留巷围岩稳定的有效控制。

套筒刚度对左旋锚杆锚固力的影响研究

韩军, 张明, CAO Chen, 毕作庆, CAI Ming, 马双文

2020, 37(5):  890-897.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.004

摘要 ( 1070 )  

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实验室短拉拔试验是锚固力学机理分析与锚杆支护技术研究的重要试验手段之一。为了研究套筒径向刚度与锚杆锚固力的关系，分别使用内径皆为30 mm、壁厚31 mm的PVC套筒、壁厚5.8 mm的铝套筒、壁厚5.5 mm和7.0 mm的钢套筒，对肋间距12 mm和48 mm的矿用左旋螺纹钢锚杆进行实验室套筒拉拔试验，得到肋间距12 mm和48 mm的左旋锚杆在不同套筒(围岩)径向刚度下的拉拔曲线与锚固力数据。研究表明：1) 通过厚壁理论计算，建立了实验室内PVC、6061铝和20钢共3种不同材料及适当壁厚的套筒与现场不同围岩刚度对应的仿真方法；2) 通过对锚固力与套筒(围岩)径向刚度数据拟合，得到锚固力与不同巷道围岩刚度的类比关系公式，并采用此公式对其他围岩性质下的锚固力进行了计算；3) 对于同一肋间距的锚杆，随着套筒径向刚度增加，锚固力不断增大至理论最大值，且套筒(围岩)径向刚度为0时的锚固力值与锚固剂力学参数有关，与围岩性质等因素无关；4) 在弹性阶段内，对于锚固于同一刚度套筒的试件，其肋间距越大，锚固力越大。本次试验结果为现场不同煤矿条件的应用提供了理论依据，对现场锚固力的测试具有借鉴意义。

爆破动载下全长锚固玻璃钢锚杆动力响应特征研究

王文杰, 王照刚, 郑际镜, 史志杰

2020, 37(5):  898-907.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.005

摘要 ( 1153 )  

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针对爆破动载下全长砂浆锚固玻璃钢锚杆损伤破坏问题，基于结构动力学，依据爆炸球面波理论建立全长砂浆锚固玻璃钢锚杆动力响应模型。根据金山店铁矿全长砂浆锚固玻璃钢锚杆支护参数和爆破振动监测数据，计算并分析爆破动载下锚杆轴向应力、剪切应力随时间的变化特征和分布规律；研究爆心距、单次最大起爆药量和围岩弹性模量对锚杆动力响应的影响。结果表明：爆破动载下锚杆轴向应力和剪切应力最大值随单次起爆药量的增加快速增大且随时间呈正弦式变化和衰减，但随爆心距的增加而快速降低；应力作用范围主要集中在锚杆孔口附近的锚固段内且随应力峰值的增大而增长，但随着围岩弹性模量的减小逐渐增大且剪切应力最大值逐渐向锚固段深处移动，表明全长锚固玻璃钢锚杆在爆破动载下发生杆体尾部的断裂破坏或锚杆与砂浆接触面的剪切破坏与围岩性质相关。

掘进迎头顶板变形特征及合理空顶距确定方法

褚晓威, 吴拥政, 吴志刚, 郝登云, 冯友良, 李文洲, 孟宪志

2020, 37(5):  908-917.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.006

摘要 ( 1177 )  

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针对掘进迎头附近顶板稳定性影响因素多、空顶距离取值不合理导致掘进速度慢的难题，建立梁结构模型，分析空顶区直接顶下沉规律，并采用数值模拟和响应面法分析影响迎头顶板变形的关键因素及其交互作用关系。结果表明：地质力学环境不变条件下，影响顶板变形破坏的因素中空顶距离最关键，其次是软岩厚度，最后是支护强度。提出通过采用响应面法分析空顶距离、支护强度和岩层结构等关键因素的交互作用来确定最大空顶距离的方法；根据霍尔辛赫矿井条件，空顶距离超过2 m且软岩厚度超过2 m条件下顶板的下沉较难控制。在霍尔辛赫3603运输巷进行现场应用，将空顶距离定为2 m左右，并提高支护强度至0.1~0.15 MPa后，掘进速度提高约36%，而且巷道整体稳定可控，验证了研究结论的合理性。

基于模型试验的NPR锚索支护巷道变形及能量方程验证

宫伟力, 朱道勇, 王炯, 何满潮, 王德路

2020, 37(5):  918-927.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.007

摘要 ( 1083 )  

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为研究恒阻大变形锚索支护岩体能量转换规律，以淮南口孜矿301工作面运输巷为研究背景，基于相似理论，设计并进行NPR锚索支护圆形巷道物理模拟试验，并进行巷道变形及锚索受力规律的分析。试验结果表明，巷道变形与模型最大受力方向有关。加载前期，最大应力为垂向应力，变形以竖向变形为主，最大变形量为13 mm；中期水平应力最大，水平变形为主，最大水平位移量为47.6 mm；后期为等压阶段，巷道变形最为剧烈，巷道最终收敛为一不规则圆形；设计试验用微型恒阻锚索，并进行该锚索的拉伸实验，得到其关于受力及位移变形量的理论能量方程，并结合试验数据进行拟合对比，其能量曲线能够较好地吻合。从能量转化角度研究NPR锚索的工作原理，对于其现场工程应用有一定的指导意义。

考虑采空区矸石压缩效应的沿空掘巷时机确定方法

王猛, 夏恩乐, 神文龙, 刘小星, 郑冬杰, 刘鑫

2020, 37(5):  928-935.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.008

摘要 ( 1215 )  

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合理沿空掘巷时机可有效缓解采掘接续压力、减小巷道变形。采用理论分析方法，建立考虑矸石压缩效应的沿空掘巷覆岩结构力学模型，分析“煤壁(柱)-矸石”承载体系对覆岩稳定的协同控制效应。关键块触矸后下位岩层反向力矩无法协调其稳定时，关键块持续回转下沉产生对矸石的压缩，矸石承载力、下位岩层支撑力和岩块间水平推力随矸石压缩量增加近似呈负指数关系递增，共同协调关键块稳定，据此提出掘巷时机计算方法。在基本顶断裂线内掘巷会对覆岩结构稳定产生扰动，掘巷产生的关键块附加力矩将由矸石持续压缩恢复的应力协调承担，掘巷扰动时间、顶板下沉量与煤柱宽度负相关，适当增加煤柱宽度有利于缩短掘巷扰动时间，减小顶板下沉。研究成果对确定沿空掘巷时机和设计煤柱宽度具有借鉴意义。

浅埋间隔采空区隔离煤柱稳定性及覆岩失稳特征研究

张杰, 王斌

2020, 37(5):  936-942.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.009

摘要 ( 1295 )  

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为了研究浅埋间隔式采空区隔离煤柱稳定性及覆岩失稳特征，防止下煤层开采过程中发生动压致灾事故，采用相似模拟实验、理论分析和数值模拟等研究手段对南梁煤矿20109工作面间隔采空区覆岩结构及失稳特征进行研究。结果表明：采空区临时煤柱蠕变失稳诱发基本顶产生回转断裂；采空区上方应力拱相互叠加，采动裂隙并未随着基本顶的破断同步发育至地表，采空区上覆岩层形成“梯形-半圆拱”状垮落带；基本顶断裂形成“W型砌体梁”铰接结构。隔离煤柱两侧断裂岩块形成“双拱桥”式承载结构，煤柱上方形成倒梯形载荷体，论文划分了间隔式采空区覆岩低应力降低区及高应力集中区，建立了间隔式采空区“W型砌体梁+双拱桥”式承载结构模型，并得到数值模拟的验证。

特厚煤层大空间综放采场覆岩运动及其来压规律研究

孔令海

2020, 37(5):  943-950.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.010

摘要 ( 1311 )  

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为实现复杂条件下特厚煤层综放工作面安全高效开采，采用理论分析、相似模拟试验和微震监测等多种方法，对极近距采空区下特厚煤层综放采场大空间覆岩结构形式及其运动规律和覆岩来压机理进行研究。结果表明：1) 上部2#煤层的开采，从下向上的上覆岩层依次发生垮落、断裂和弯曲下沉运动，上覆岩层完整性得到破坏，且不易积聚弹性能，降低了下部极近距离特厚煤层综放工作面顶板动压系数和来压强度；2) 考虑上部煤层的采动影响，在特厚煤层综放采场，上覆岩层下沉运动空间大，采动围岩超前破坏范围大，基本顶岩梁岩块数量多于一般综放采场，且其下沉运动主要为回转失稳或剪切滑落失稳，采场覆岩动压发生的可能性降低；3) 相似模拟试验、微震监测和现场实测等结果与理论分析基本吻合，特厚煤层综放采场覆岩超前远距离破坏范围达400 m；4) 支架工作阻力和现场矿压实测结果表明，支架工作状态较稳定，来压动载系数平均1.19~1.22，支架来压步距离散性较大、规律性不强，工作面整体来压强度较小。结果可为类似条件下特厚煤层综放工作面支架选型、顶板控制、高效生产等提供参考。

坚硬顶板破断冲击机理及支架与围岩“收敛-约束”耦合机制研究

宋高峰, 王振伟, 钟晓勇

2020, 37(5):  951-959.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.011

摘要 ( 1281 )  

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为研究坚硬顶板动力破断下支架与围岩的冲击响应，建立了基本顶架前破断动载冲击力学模型，开展了顶板冲击效应及煤壁稳定性三维相似模拟试验。研究结果表明：1) 支架初始增阻期间，顶板平缓下沉，下沉量为5.5 mm；煤壁变形不明显。2) 支架“横阻”期间，顶板阶梯式下沉，下沉梯度达3.9 mm；煤壁裂隙发育且屈曲明显。3) 随着支架阻力的增阻和屈服，顶板对应地平稳变形和剧烈下沉，支架和围岩“收敛-约束”耦合特性明显。4) 试验结束时，顶板最大下沉量为42.7 mm；煤壁发生大面积片帮，煤壁上部和中部水平位移分别为0.60和0.35 mm。5) 当煤壁刚度较大或直接顶较软弱时，有助于缓解支架阻力；支架刚度与支架阻力呈正相关，提高支架刚度有利于降低煤壁压力和控制基本顶回转。

煤岩灾变破坏过程的声震前兆识别与综合预警模型研究

窦林名, 冯龙飞, 蔡武, 王华, 贺海鸿, 焦彪, 张敏

2020, 37(5):  960-968.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.012

摘要 ( 1347 )  

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针对冲击矿压的有效监测预警难题，利用实验室声发射和采场微震监测手段，开展了煤岩灾变破坏过程的声震前兆识别研究，提出了一种基于微震前兆指标体系的冲击矿压综合预警模型。以陕西彬长胡家河煤矿为例，首先通过现场取样开展了煤样单轴加载的声发射试验，识别选取了b值、缺震、A(b)值、断层总面积、活动度S和等效能级参数6个煤岩灾变破坏的前兆敏感指标；其次，结合401102工作面的历史冲击案例及其全过程的微震监测数据，采用统计学方法进行标准化计算确定各指标异常系数，并以此作为模型输入，发展了以混淆矩阵与高斯隶属判别函数联合的模糊综合评判模型作为智能融合运算的分级预警模型，实现了以客观数据驱动为主的指标权重自适应智能调整，以及以无、弱、中、强4个危险等级标识的概率及综合智能预警模式；最后，根据接续402103工作面回采过程中的两次冲击实例验证了综合预警模型的有效性，为现场冲击矿压的有效综合预警提供了一种思路和方法。

深井特厚煤层充填开采防冲机理研究

陈洋, 李东, 姜福兴, 王存文, 盖德成, 张丽丽, 殷海晨, 朱斯陶

2020, 37(5):  969-976.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.013

摘要 ( 1254 )  

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为保障深井特厚煤层工作面的安全回采，基于载荷三带理论，以山东某矿为工程背景，提出了采用充填法开采以降低工作面整体冲击风险的方案，采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法研究了充填采空区对工作面煤体支承压力分布的影响机制，得到以下结论：1) 充填体充填采空区减小了顶板自由下沉运动的空间，有效降低了顶板岩层裂隙的发育高度；2) 充填体抗压变形能力决定了对煤体施加动载影响的岩层运动范围，充填体抗压变形能力越大，作用在煤体上的动载效应越不明显；3) 提出了控制充实率、加强监测和确定合理推采速度等充填工作面防冲技术措施。现场实践表明，充填法开采减小了工作面煤体的应力集中程度，有效降低了发生冲击地压的风险。该研究成果为类似条件下工作面的安全开采提供指导和借鉴。

不同加载方式下强冲击倾向性煤声发射特征研究

张广辉, 邓志刚, 蒋军军, 李少刚, 莫云龙, 王健达, 马斌文

2020, 37(5):  977-982.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.014

摘要 ( 1244 )  

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为探究强冲击倾向性煤在多级循环加载下能量积聚与耗散形态、损伤演化过程，以充分辨识冲击倾向性煤破坏前兆，利用TAW-2000型电液私服试验机对强冲击倾向性煤样进行了多级应变循环加载和多级应力循环加载试验。试验表明：在多级应变和应力加载条件下，振铃计数率均呈现加载初期振铃计数较高，临近破坏时振铃计数急剧增加趋势；每级加卸载产生的能量耗散与损伤变量均呈现出先降低后增加的趋势；受加载方式的影响，应力加载条件下振铃计数更高，且在载荷转换阶段，煤样有明显声发射现象，煤样内部结构劣化较快，单循环损伤程度严重，煤样累计损伤增长更快；伴随循环级数的增加FR值逐渐降低，且呈现加速下降趋势；循环加载初期煤样变形处于压密和弹性变形阶段，损伤程度低，Kaiser效应显著，上一级循环载荷超过煤样峰值强度的60%后，煤样损伤加剧，在次级加载时Felicity效应显著。

水力割缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律

刘生龙, 朱传杰, 林柏泉, 刘厅

2020, 37(5):  983-990.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.015

摘要 ( 1212 )  

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水力割缝技术是实现煤层卸压增透的有效手段，目前由水力割缝技术形成的致裂裂缝空间分布模式对煤层卸压增透的作用规律尚不明确。本文采用颗粒流模拟方法(PFC2D)对内含不同角度单缝及不同空间排布方式多缝的煤体开展了单轴压缩数值模拟试验，针对水力割缝周围微裂缝大量发育与连通促使煤层卸压增透的物理机制，提出了评价煤层割缝卸压增透效果的2个指标：加载过程中微裂缝显著产生时的单轴应力门限(σγ)与多条割缝的连通性。其中，σγ越低、多条割缝的连通性越强，割缝间的微裂缝越容易在低应力条件下形成并相互连通，割缝的卸压增透效果越好。模拟结果表明，单条割缝与煤体边界最大主应力方向夹角(α)呈90°时σ_"γ" 最小(3.2 MPa)；2条割缝(α为90°)排布方向与煤体边界最大主应力方向(割缝排布角β)呈45°时，水力割缝间具有最高的连通性与较低的应力门限(σγ为2.4 MPa)；3条割缝(α为90°且β为45°)呈折线型交错排布模式时，割缝间的连通程度最高，且σγ较双割缝进一步降低了16.7%。通过上述模拟结果，确定了有利于煤层卸压增透的割缝最优空间分布模式，即α为90°的多条割缝以45°的排布角(β)交错分布。

深部远距离下保护层开采多关键层运移—裂隙演化—瓦斯涌出动态规律研究

杨科, 刘帅

2020, 37(5):  991-1000.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.016

摘要 ( 1178 )  

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为了探索淮南矿区深部A组煤开采远距离上行卸压B组煤的可行性，以潘二矿A3煤11223工作面及B4煤为工程背景，采用理论分析、实验室测试、相似模拟试验以及现场观测的手段，研究了覆岩不同关键层结构远距离下保护层开采采动裂隙动态演化规律和卸压特征，以及多关键层运移对被保护层卸压瓦斯涌出动态的影响。研究表明：1) 沿工作面走向采动裂隙随关键层破断“跳跃式”向上扩展，岩层稳定后采空区中部裂隙被重新压实，切眼、工作面侧裂隙由于煤柱作用长期存在，共同构成“梯形裂隙区”。关键层竖向破断裂隙未贯通时，其随动岩层不会形成离层裂隙，同时对穿层裂隙的扩展也起到阻隔作用，致使保护层卸压角减小；2) 沿工作面倾向裂隙分布为整体偏向上山方向的“斜梯形”，倾向上部裂隙较发育。控制被保护层运移的关键层破断裂隙未贯通时，被保护层卸压系数和卸压范围均有所减小；3) 由于11223工作面东一段和西二段覆岩关键层结构不同，导水裂隙发育高度存在显著差异，被保护层B4煤东、西两段煤层透气性系数分别扩大了592倍和105倍，从增透倍数和瓦斯抽采量来看，潘二矿下保护层A3煤11223工作面开采卸压B4煤是可行的，且东一段卸压效果明显优于西二段；4) 由瓦斯抽采数据反演获得的各关键层破断步距与相似模拟试验结果有较好一致性，关键层的运移对被保护层瓦斯涌出动态起控制作用。

倾斜煤层卸压瓦斯导流抽采技术研究与工程实践

李树刚, 徐培耘, 林海飞, 赵鹏翔, 肖鹏, 丁洋, 双海清

2020, 37(5):  1001-1008.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.017

摘要 ( 1098 )  

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为了研究倾斜煤层条件下，采动覆岩裂隙分布规律与卸压瓦斯抽采技术，采用理论分析和数值模拟的方法，对采场覆岩应力、位移以及裂隙分布情况进行了分析，并依据研究结果，对试验工作面高位导流钻孔布置参数进行了优化设计。结果表明：工作面上端头顶板卸压区域范围大于下端头区域，关键层的卸压段靠近工作面上部，覆岩垮落破断后，工作面上部垮落岩体位移明显大于下部；裂隙网络中，下部冒落岩体裂隙处于相对闭合状态，沿工作面向上，裂隙开度逐渐增大；卸压瓦斯运移通道在倾斜方向上具有不对称性；沿工作面回风巷侧冒落带轮廓线布置高位导流钻孔，并配合相邻钻场之间的有效搭接抽采可使抽采效果保持稳定；单一钻孔全生命周期可分为远距离、有效和近距离抽采3个阶段，随着钻孔层位的增加，抽采效果逐渐变优，远距离抽采阶段长度减小，有效抽采阶段长度增加。实践结果表明，瓦斯抽采效果良好，验证了依据此方法布置高位导流钻孔的合理性。

山西省老空水害类型及主要特征分析

侯宪港, 杨天鸿, 李振拴, 孙亚军, 靳月灿

2020, 37(5):  1009-1018.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.018

摘要 ( 1150 )  

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针对山西省煤矿老空层数多、面积广、积水量大，老空水害事故易发多发的现实背景，在总结45起典型老空水害案例的基础上，系统研究了山西省老空水害空间分布、事故特点、老空水害类型与防治对策。结果表明：超层越界与盲目采掘是老空水害事故的重要诱因，其透水地点、老空相对位置和老空类型分别以掘进工作面、同层、老巷为主，空间分布上“大分散、小集中”；以采掘区域与老空相对位置关系为依据可将老空水害划分为同层老空积水型、顶板老空积水型、底板老空积水型和防水隔离设施型等4大类，基于积水老空类型和导水通道形成机理可进一步划分为12个亚类，提出了各类老空水害的水文地质结构模式，并给出了相应的防治对策。在查明积水老空的前提下，浸水和重复采动下煤柱流变损伤及失稳、底板变形破坏、防水隔离设施与围岩稳定性、层间主关键层稳定性等是老空水害防治的关键问题。

顺层采动边坡滑动面形成机制与演化模式研究

丁鑫品, 李凤明, 李宏艳, 刘博文

2020, 37(5):  1019-1026.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.019

摘要 ( 1040 )  

相关文章 | 计量指标

为了保证露天矿边帮压煤的最大限度安全开采，以典型顺层采动边坡为例，采用模型实验、数值分析和室内测试相结合的方法研究了端帮煤开采边坡变形破坏过程和滑动面岩土体性质演化规律。基于滑动面形成机制与发育特征，结合边坡变形破坏累计位移曲线将滑动面形成演化过程划分为3个阶段：水平应力传递及剪应力积聚阶段(原生弱层)、滑裂面形成及发生小变形阶段(层间剪切带)、发生大变形或最终失稳阶段(滑裂面)，通过对各阶段滑动面岩土体性质进行测试分析发现，从原生弱层到层间剪切带发展过程中，滑动面岩土体结构变坏、性质变差，从层间剪切带到滑裂面发展过程中，滑动面岩土体反而强度再生、性质转好，在此基础上归纳得出顺层采动边坡滑动面形成演化模式。

西部典型弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的类相变特征研究

宋朝阳, 纪洪广, 曾鹏, 孙利辉, 谭杰

2020, 37(5):  1027-1036.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.020

摘要 ( 1130 )  

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以西部弱胶结粗粒砂岩为研究对象，采用细观测试、力学测试、声发射监测和理论分析等研究方法，获得了弱胶结粗粒砂岩细观结构形态和矿物成分，分析了弱胶结粗粒砂岩单轴压缩破坏的声发射信号频率组合模式。研究表明：弱胶结粗粒砂岩在细观结构上是以颗粒物质、胶结物质及孔隙胶结而成的颗粒胶结体系，颗粒接触特性和矿物成分是其物理现象与力学机制发生的内因；在应力峰值前，声发射信号的峰频频段3(31.25~46.875 kHz)占比先迅速减小，后趋于平稳，而频段10(140.625~156.25 kHz)占比先增加，后趋于稳定，存在低频信号向高频转化的现象；弱胶结粗粒砂岩在单轴压缩破坏过程中存在“类相变”临界状态，即弱胶结粗粒砂岩细观结构上的颗粒接触状态由连续接触状态转变为离散状态的类相变过程；且弱胶结粗粒砂岩达到某一应变状态时，试件对振动或者扰动异常敏感，微小的应变Δɛ极易导致弱胶结粗粒砂岩达到类相变状态。

不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征研究

张天军, 郭毅, 庞明坤, 彭文清, 李洋, 张硕

2020, 37(5):  1037-1044.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.021

摘要 ( 1162 )  

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承压破碎煤岩在不同环境湿度下的变形及破碎量不同，为探究不同环境湿度下承压破碎煤岩变形与破坏过程中的分形特征，利用自制破碎岩石压实装置，结合DDL600电子万能试验机和计算机采集系统，对不同环境湿度下的破碎煤岩进行侧限压实试验，分析不同环境湿度下承压破碎煤岩蠕变分形特征。结果表明：1) 随着轴向应力的增大，破碎煤岩的分形维数从2.38增加到2.64，逐渐接近分形破碎极限，其变化过程可分为6 MPa以前的迅速增加阶段和6 MPa以后的缓慢增加阶段；2) 分形维数随环境湿度的增加而增大，且在高应力下增幅较大，但增速逐渐减缓；3) 蠕变时间从30 min增加到160 min，分形维数仅增加了0.06，说明时间效应对分形维数影响较小；4) 相对破碎率Bg随轴向应力变化呈对数增长，与分形维数之间具有线性关系。可见，随着环境湿度的增长，破碎煤岩的承载能力有所下降，该结论为进一步研究巷道围岩稳定性和地表沉陷提供依据。

侧限条件下陷落柱破碎岩体的渗流特性研究

张勃阳, 林志斌, 吴疆宇, 侯明姣

2020, 37(5):  1045-1053.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.022

摘要 ( 1029 )  

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采动影响下陷落柱内部破碎岩体极易发生二次破坏，造成孔隙度和分形维数同时改变，致使其渗透率突变而引发突水灾害。基于此，现场开展陷落柱取样，按相同质量比配制陷落柱和石灰岩试样，测试并分析其孔隙度、分形维度以及渗透率在有侧限单轴压缩条件下的变化影响规律。研究表明：1) 陷落柱和石灰岩试样的孔隙度均随轴压的增大呈指数衰减式减小，但陷落柱试样孔隙度的减小幅度比略大于石灰岩；2) 当轴压小于6 MPa时，破碎岩体分形维数随轴压变化明显，尤其是陷落柱试样，其分形维数变化率可达18.5%，而石灰岩仅为9.3%；3) 引入分形维度对破碎岩体渗透率与孔隙度的表达式进行修正，较好地描述了陷落柱在不同轴压下渗透行为的演化特征。

浸水次数影响下裂隙砂岩强度损伤及声发射特征

吴宝杨, 王伟男, 郭东明

2020, 37(5):  1054-1060. 

摘要 ( 704 )  

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循环浸水能够造成工程岩体结构及其力学性质的弱化，对工程岩体的稳定性产生一定影响。为探讨在反复浸水影响下裂隙砂岩强度损伤特征，采用无损浸水试验装置制取浸水0，1，2和3次的标准砂岩岩样和预制裂隙砂岩岩样，研究了其强度损伤及声发射特征。研究结果表明：随着浸水次数增加，砂岩单轴抗压强度和弹性模量减小，而对其破坏形式无显著影响；不同浸水次数影响下的裂隙砂岩全应力-应变曲线均呈现裂隙压密、弹性变形、塑性变形和峰后4个阶段；声发射计数频率和范围随浸水次数增加而减小；标准砂岩起裂位置在试样中部，裂隙砂岩起裂位置在预制裂隙上下端附近；浸水次数越多，声发射定位数量越少，预制裂隙附近损伤越大，在荷载作用下周围产生次生裂隙。研究成果对岩土工程中涉及的反复浸水问题的研究提供了有益参考。

双断层构造段围岩体的力学行为研究

宋彦琦, 李向上, 郝亮钧, 马宏发, 李小龙

2020, 37(5):  1061-1066.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.05.024

摘要 ( 805 )  

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为了研究巷道断层处围岩体的力学行为，基于岩石力学的弹塑黏性理论，建立了过断层围岩体的物理模型，分析了不同物理参数对围岩体力学行为的影响；同时通过有限元模拟了围岩体周围应力场的分布。结果表明：断层段围岩体起始应变、起始应变率和稳定应变率均随围岩体应力增大而增加；当断层处围岩体应力小于断层滑移的极限应力时，岩体应变呈线性增长，应变率保持恒定，当其应力大于断层滑移极限应力时，应变率在起始阶段逐渐减小随后保持恒定，且完整岩体弹模的增加使得岩体初始应变减小，断层岩体弹模的增大减少了岩体达到稳定应变率的时间；此外发现围岩体第一和第二主应力的应力集中发生在断层两端，方向集中指向断层，而围岩体第三主应力的应力集中发生在断层和巷道的交叉处，方向集中指向巷道。

类煤岩材料煤岩组合体力学及能量特征的煤厚效应分析

赵鹏翔, 何永琛, 李树刚, 林海飞, 贾永勇, 杨二豪

2020, 37(5):  1067-1076. 

摘要 ( 716 )  

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采用DYD-10电子万能试验机和PCI-8型声发射信号采集系统，对不同煤厚(11.11%，20.00%，33.33%，50.00%，62.50%)的试件开展了单轴载荷作用下变形破坏全过程的力学及能量特性实验。结果表明：随煤厚占比增加，试件压裂形态从拉伸破坏，经过拉伸剪切复合型破坏，逐步变为剪切破坏；试件抗压强度逐渐减小，压密阶段占比逐渐延长、弹性阶段占比逐渐缩短；随着载荷不断增大，声发射能量和振铃计数均出现与应力应变曲线相匹配的阶段性变化，单轴压缩破裂时AE峰值能量随煤厚占比增大而减小，平均减小率为13.32%；根据能量理论，试件全应力应变过程中弹性能、耗散能分别在弹、塑性阶段有明显增加，随煤厚占比增加，试件储能极限和耗散能转化率逐渐降低，能够有效表征煤层采动覆岩裂隙演化及煤层受载破坏时的剧烈程度。