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2020年 第37卷 第6期    刊出日期：2020-11-15

上一期   

论文

近距离煤层顶板煤柱集中应力影响机制

何富连, 康庆涛, 殷帅峰, 刘佳宇

2020, 37(6):  1077-1083.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.001

摘要 ( 1394 )  

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在房柱采空区下煤层顶板完整性受到破坏，煤房煤柱交替出现使下部近距离煤层顶板中应力分布和破断规律受到影响。为了得出房柱采空区下近距离煤层顶板受煤柱集中应力影响机制，采用数值模拟、理论分析和物理模拟相结合的方法对典型煤矿房柱采空区下近距离煤层开采进行研究，得出结论：房柱采空区下煤层直接顶板中应力均值较低，未直接受到集中应力影响，但开采过程中由于控顶区上方顶板背负具有支撑作用的煤柱，在工作面顶板中产生偏向后方的集中应力带；受偏向后方的集中应力影响，工作面出煤柱下方区域后顶板压力仍较大且顶板易发生超前破断，顶板裂隙沿煤房与煤柱边界产生并向工作面延伸，给工作面安全生产带来不利影响。

大跨度采场上部硐室条形矿柱尺寸优化研究

史秀志, 柯武阳, 苟永刚, 霍晓峰, 阚忠辉

2020, 37(6):  1084-1093.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.002

摘要 ( 1308 )  

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为了保证大跨度采场上部硐室稳定和作业安全，研究上部硐室条形矿柱最优宽度尺寸。首先分析条形矿柱的力学承载机理，运用突变理论推导条柱失稳的必要条件，并初步确定上部硐室条柱宽度。随后对大跨度采场开挖及上部硐室稳定性进行数值模拟，得到不同宽度条形矿柱下上部硐室顶板和条形矿柱的位移变化、最大应力变化和塑性区。最后通过对模拟结果的综合研究，确定对于30 m宽的大跨度采场，上部硐室条形矿柱最优宽度为5 m。现场开挖情况表明：研究结果与现场实际情况相吻合，5 m宽度条形矿柱对于上部硐室具有良好的支撑作用，条柱所受破坏较小，有效保证了上部硐室的稳定和作业现场的安全。

深部大断面硐室破坏机制与锚注控制方法研究

王琦, 张皓杰, 江贝, 黄玉兵, 张朋, 许硕, 刘博宏

2020, 37(6):  1094-1103.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.003

摘要 ( 1311 )  

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随着矿井开采深度增加，深部大断面硐室围岩出现大变形、底鼓、支护失效、非对称破坏甚至冒顶等控制难题。本文以厚冲积层万福煤矿永久泵房为背景，通过现场监测、钻孔探测对破碎围岩进行分区，分析原支护方案下围岩的变形破坏机制。系统研究硐室相对位置和开挖次序、锚注支护和关键部位补强支护等不同因素对围岩变形控制效果的影响机制，建立围岩控制率和变形协调率评价指标，提出深部大断面硐室优化设计方法，同时提出“一次钎杆注浆定孔，二次锚网喷浆支护，三次锚注一体加固，关键部位加密强化，完整砌碹强度储备”的大断面硐室非对称分阶段控制方法。现场应用表明，该方法有效控制了深部大断面硐室的非对称变形，为类似硐室设计与施工提供了参考。

深井临空高应力巷道切顶卸压机理研究

苏超, 弓培林, 康红普, 李超, 伊康, 刘畅, 李鹏

2020, 37(6):  1104-1113.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.004

摘要 ( 1371 )  

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为揭示深井临空高应力巷道切顶卸压机理，以口孜东煤矿121302工作面机巷为工程背景，采用物理相似模拟与理论分析，研究深井临空巷道覆岩结构及运移规律，建立临空巷道采空区侧关键块B＇的力学模型，得出关键块B＇的稳定性判据。研究表明：深井临空巷道覆岩会经历由长臂“F”型悬顶结构到短臂“F”型悬顶结构到最终形成双短臂“F”型悬顶结构的演化过程；采用人工切顶能够减弱双“F”结构的悬顶叠加效应并诱发顶板产生新的断裂线，沿断裂线的滑动变形释放较大的应力，且切落顶板能够更好地充填采空区，进而改善煤柱受力状态，减小巷道变形；经理论计算，口孜东煤矿121302工作面沿煤柱边缘切断关键块B＇，煤柱受力减小19.14%；井下试验监测表明，巷道变形量降低50%以上，切顶卸压应用良好。

侏罗系弱胶结软岩回采巷道变形失稳机理及围岩控制技术研究

蔡金龙, 涂敏, 张华磊

2020, 37(6):  1114-1122.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.005

摘要 ( 1378 )  

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针对弱胶结软岩回采巷道开挖后出现冒顶、片帮等巷道难以维护的问题，以泊江海子矿为研究背景，首先采用XRD矿物成分分析和电镜扫描等方法，研究弱胶结软岩的物理力学特性；其次采用现场调研、物理模拟实验等相结合的研究方法，对巷道破坏变形机理和控制技术进行研究。结果表明：弱胶结软岩呈现脆性变形特征，力学强度低，遇水易发生膨胀和泥化现象；在剧烈开挖和扰动下，巷道顶板下部产生较大拉应力，造成锚固拱整体失稳，形成锚固区外松脱型冒顶。基于此，提出高强度高预紧力“倒梯形”锚网索梁支护结构+直墙切拱形巷道断面+全断面喷浆耦合控制技术，当岩层破碎严重，注浆加固支护，现场应用效果良好。

深井高应力软弱围岩巷道变形机理及控制研究

杜贝举, 刘长友, 吴锋锋, 杨敬轩

2020, 37(6):  1123-1132.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.006

摘要 ( 1357 )  

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为解决深井高应力软弱围岩巷道大变形破坏的支护难题，以东部某矿3209工作面轨道巷为研究对象，采用现场调研实测、岩石力学实验和理论分析相结合的方法对巷道破坏特征与变形机理进行研究。结果表明：深井高应力软弱围岩巷道具有早期变形速度快、总体变形量大、变形持续时间长、围岩呈整体变形等显著特点；高地应力、围岩软弱强度低、大断面效应和支护不合理是巷道大变形破坏的主要原因，其背后的复杂变形力学机制为IIABDIIIBCE复合型。基于上述研究，提出“高预应力高强锚杆支护、关键部位强力支护、全断面协同支护、刚柔并济抗让结合”为核心的新技术方案，并对关键控制技术进行深入分析。现场试验应用结果显示：新方案段的围岩变形在22~26 d后趋于稳定，两帮和顶底板的平均移近变形分别为372 mm和344 mm，较原支护分别减少了75.2%和71.3%，支护效果显著，能够满足安全生产要求。

双翼采动大巷群围岩灾变机理与修复加固体系研究

于洋, 柏建彪, 张树娟, 郭永红, 张连英

2020, 37(6):  1133-1141.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.007

摘要 ( 1101 )  

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棋盘井煤矿大巷群受到邻近巷道和双翼工作面多次采动应力扰动影响，围岩应力环境恶劣，变形破坏严重，直接威胁矿井安全生产。采用现场调研、理论分析、数值模拟、现场监测和工业性试验等手段，总结了双翼采动条件下大巷群围岩变形破坏特征及影响因素，确定了采动应力反复扰动引起围岩条件持续恶化是导致大巷群围岩灾变的根本原因；提出了基于内外圈加固层协调变形和共同承载的大巷群围岩修复加固原则，揭示了注浆加固对于巷道围岩性能改善的作用机制，开发了以大巷群分类、“浅孔注浆+高强让压锚杆”和“深孔注浆+高延伸率让压锚索”形成的内外圈加固层为核心的大巷群围岩修复加固体系，并指导了工程实践。

厚硬基本顶综放沿空巷道覆岩应力分布特征及合理煤柱宽度确定

蒋威, 鞠文君, 汪占领, 张镇, 石蒙

2020, 37(6):  1142-1151.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.008

摘要 ( 1076 )  

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合理选择护巷煤柱宽度是综放沿空掘巷技术成功应用的关键。以柳巷煤矿工程地质条件为背景，基于弹性地基梁理论、内外应力场理论计算分析沿空巷道覆岩结构特征及其内应力场分布，使用离散元模拟软件建立多组数值模型，分析不同煤柱宽度与应力集中系数下巷道围岩变形特征，系统研究掘采过程中覆岩结构与煤柱宽度对巷道受载变形机制的影响。定义煤柱护巷系数 ψi，以此对数值模拟结果进行综合评价，确定合理煤柱宽度。研究结果表明：1) 随着悬顶长度增加，基本顶岩梁最大弯矩增大，岩梁破断位置与采空区煤壁间距减小。2) 厚硬基本顶综放工作面因基本顶厚度大、来压步距大及开采强度高等因素致使其内应力场范围较常规工作面更大。结合现场工程地质数据，确定内应力场范围14.67~17.33 m。3) 基于覆岩结构分析确定试验工作面合理煤柱宽度范围为5~10 m，采用数值模拟进一步研究表明，以7 m为分界，随着煤柱宽度增加，煤柱稳定性与覆岩结构先后主导巷道受载变形机制。4) 通过综合评价确定合理煤柱宽度为7 m，应用效果通过现场监测得到验证。

区段间相邻巷道锚杆-锚索联合支护协调作用机理研究

王志强, 苏越, 苏泽华, 黄玄皓, 韩燕波, 李飞, 张为

2020, 37(6):  1152-1161.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.009

摘要 ( 942 )  

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基于错层位区段间相邻巷道联合支护技术对锚杆-锚索作用机理展开研究。以新巨龙煤矿一采区煤岩体为研究对象，采用FLAC3D数值模拟软件研究分析上区段沿顶巷道侧帮锚索参数对侧向煤体应力分布和力学性质的影响；确定合理的侧帮锚索和沿底巷道顶板支护参数；并对采动影响下沿底巷道支护效果进行验证。结果表明：侧帮锚索与锚杆支护参数“配合”效果明显，锚固体形成受力均匀的似“梁”结构体；锚固体力学性质得到提高，为沿底巷道顶板支护提供了理论基础；上区段沿顶巷道侧帮锚杆-锚索的联合支护作用可以为下区段沿底巷道顶板支护构件提供较强的锚固力和较为稳定的围岩环境，更有利于发挥下区段沿底巷道顶板锚杆的悬吊机制，使厚煤层沿底巷道的顶板维护更为有利。

复合顶板锚杆受力特征及临界长度研究

陈虎, 叶义成, 胡南燕, 陈团团, 刘伟, 胡火明

2020, 37(6):  1162-1170.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.010

摘要 ( 909 )  

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为探究锚杆在复合顶板岩层中的受力分布特征，以2种岩层形成的复合顶板为例，考虑复合顶板力学性质和岩层厚度对锚固体受力分布的影响，构建复合顶板锚杆受力分布模型，分析复合顶板锚杆在受拉作用下的剪切位移、轴力和剪应力分布特征，揭示锚固体受力变形特征受岩层力学性质和厚度影响的变化规律。结果显示：锚固体在岩层之间的接触面处存在剪切位移和剪应力的突变，从而造成复合顶板易沿接触面区域产生拉伸破坏；此外，上位岩层与直接顶部岩层之间弹性模量比值越大，锚固体受力变形越集中，且越靠近接触面；直接顶板岩层厚度越大，复合顶板的剪应力和剪切位移最大值越靠近直接顶板岩层。基于复合顶板锚杆的受力分布，定义剪应力残余系数，建立复合顶板锚杆临界锚固长度计算模型。当剪应力残余系数一定时，计算得到的临界锚固长度随顶板厚度增加而增长。最后通过复合岩层锚杆受拉数值模拟对比分析，锚杆的受力变形特征及求取的临界锚固长度与理论计算结果具有一致性，检验了理论计算结果的合理性。

基于三场演化规律的浅埋近距煤层减损开采研究

黄庆享, 曹健, 高彬, 李军, 刘建浩

2020, 37(6):  1171-1179.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.011

摘要 ( 1126 )  

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为探索基于三场(应力场、位移场和裂隙场)演化机理的浅埋近距煤层减损开采方法，实现陕北侏罗纪煤田的安全绿色开采，以柠条塔煤矿北翼东区1-2与2-2煤层开采为背景，结合物理模拟、理论分析和工程实践的方法，揭示了浅埋近距煤层开采的三场演化机理，分析了区段煤柱错距对集中应力、覆岩与地表移动及裂缝发育的影响，得到了基于三场耦合控制的合理煤柱错距。研究表明，下煤层煤柱的布置，应同时避开上煤层煤柱集中应力影响区和采空区中部压实区。合理的区段煤柱错距可以减缓重复采动后地表的不均匀沉降程度，同时，能够减轻地裂缝的发育。避开集中应力、减缓地表不均匀沉降、减轻地裂缝发育的合理煤柱错距存在耦合交集，得到柠条塔煤矿1-2与2-2煤层开采的煤柱错距为40~50 m，研究可为浅埋近距煤层减损开采提供新方法。

极近距离厚煤层房式采空区下综放开采覆岩破断失稳规律研究

汪北方, 刘春保, 梁冰, 张鑫磊, 张晶

2020, 37(6):  1180-1187.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.012

摘要 ( 1288 )  

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论文选取北祖煤矿9205工作面为研究对象，采用相似实验与理论分析相结合的研究方法构建极近距离厚煤层综放工作面开采房式采空区顶板结构模型，揭示极近距离厚煤层综放工作面开采房式采空区顶板破断失稳规律，并给出有效防控措施。研究结果表明：9205工作面开采房式采空区顶板临时挤压铰接拱形断裂岩块发生逆向回转，工作面侧断裂岩块沿断裂面滑落，滑动摩擦力及覆岩重量快速转移至工作面前方房式采空区煤柱与超前支承压力叠加，煤柱突然破坏诱发顶板沿其边缘大面积切落，矿压显现剧烈。其间，工作面开采房式采空区顶板周期垮落步距较实体煤顶板略小；顶板房式采空区分布越密集，底板卸压状态越明显；顶板房式采空区煤柱群比单一煤柱底板应力集中现象显著。由此，从加强支架初撑力、提高推进速度、控制放顶强度和改变开采高度等方面提出极近距离厚煤层房式采空区下综放工作面开采顶板破断失稳来压防控措施，较好地保障了工作面安全、高效回采，为我国煤炭资源整合矿井类似条件顶板控制提供了宝贵的参考依据。

基于开采损害预计的大倾角多区段采场顶板运移规律实验研究

解盘石, 张颖异, LUO Yi, 伍永平

2020, 37(6):  1188-1195.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.013

摘要 ( 1178 )  

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为了研究大倾角煤层多区段开采顶板变形破坏特征及区段间相互作用规律，首次采用物理相似材料模拟实验、PAPMMSP程序与开采损害预计等研究手段，对大倾角煤层多区段开采顶板及区段煤柱变形、破坏和运动规律等进行了定量分析。结果表明，大倾角多区段采场顶板沿垂直岩层方向和平行岩层方向的运动明显不同，下区段开采时更明显，其垂直岩层方向的位移是平行岩层方向的2倍。采场倾斜中上部破坏顶板以倾斜堆砌为主，倾斜中、下部破坏岩层则以反倾斜堆砌为主，倾向范围大但斜率小，其中下区段采场顶板倾斜堆砌高度达45 m，最大斜率为0.65，较上区段开采均明显增加。下区段开采顶板孔隙比云图呈非对称拱形，其最大孔隙比位于采场倾斜上部顶板，与上区段不同。下区段开采时，区段煤柱发生压缩、滑动，加剧了区段间的相互作用，导致上区段顶板发生大范围二次运移，使上区段采场低位破坏顶板二次压缩、高位顶板离层。较大倾角煤层单区段长壁开采，再次印证了多区段开采是导致采场围岩运动更为复杂且岩层控制难度大幅增加的关键。同时，上述方法为定量分析顶板运移规律提供了新手段。

厚黏土层软弱覆岩采动破坏的泥盖效应

樊振丽, 刘治国

2020, 37(6):  1196-1204.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.014

摘要 ( 1000 )  

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以榆神矿区某矿2301工作面为例，采用钻孔注水、孔内视频采集和相似材料模拟试验3种研究方法，对厚泥盖层下覆岩破坏规律进行了综合研究。通过井下钻孔冲洗液漏失量和孔壁裂隙发育特征的观测，确定了垮落带、导水裂缝带的发育高度，相似材料模拟试验揭示了采动裂隙“发生-发展-弥合”的动态演化特征，指出厚泥盖层下采动破坏显现出“泥盖效应”。同时，运用XRD、SEM和膨胀性测试等实验方法，分析了泥盖效应产生的矿物学原因。研究表明：薄基岩厚泥盖条件下，采高为7 m时，覆岩破坏高度为45.7~49.3 m，裂采比6.53~7.04，较类似开采条件中硬类型覆岩破坏高度降低了15%~53%；基岩厚度变化时，覆岩破坏形态呈现非对称特点，沿工作面推进方向呈现弥合分区特征，泥盖层在裂隙演变过程中易出现整体下沉，且对采动裂隙的上向发育起主导作用；黏土矿物具有的强塑性、亲水性、膨胀性等是泥盖效应产生的本质原因，当导水裂缝带上部的微小裂隙进入到黏土层，由于黏土矿物良好的膨胀性，使裂隙会在采动影响的发生和发展过程中自行闭合，同时泥盖层受载后亦易于密实，从而抑制导水裂缝带的发育，显现出“泥盖效应”相关特征。

不同冲击倾向性煤能量响应初始损伤效应分析

莫云龙, 李宏艳, 邓志刚, 齐庆新, 李海涛, 张广辉

2020, 37(6):  1205-1212.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.015

摘要 ( 1122 )  

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为解释不同冲击倾向性煤能量响应特征的差异，研究煤内部初始损伤对能量演化行为的影响。基于统计损伤力学建立了考虑煤初始损伤和细观单元峰后应变的损伤本构模型。开展加载条件下煤样CT扫描实验，获取不同冲击倾向性煤损伤结构演化情况，计算损伤本构模型中的m值。在此基础上，对不同冲击倾向性煤能量响应特征进行分析。研究发现：考虑煤初始损伤和细观单元峰后应变的损伤本构模型可准确描述煤的能量响应特征；强冲击倾向性煤初始损伤发育程度更低，损伤结构受载演化特征更显著；受初始损伤影响，强冲击倾向性煤m值为6或7，无冲击倾向性煤m值为3；不同冲击倾向性煤能量响应特征的差异取决于煤内部初始损伤，初始损伤削弱了煤储存弹性应变能并发生冲击破坏的能力。

一侧采空间隔煤柱采场回采时冲击地压发生机理研究

李东, 史先锋, 赵丞, 盖德成, 陈洋, 董春雨, 姜福兴, 文志杰

2020, 37(6):  1213-1221.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.016

摘要 ( 1034 )  

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针对山东某矿两工作面之间间隔大煤柱先后回采时发生的重大冲击地压事故，本文采用理论分析、现场监测等方法研究了煤柱一侧工作面回采完毕，煤柱另一侧工作面回采时，诱发冲击地压的机理，得到以下主要结论：揭示了采场及煤柱区域急剧变化的褶曲构造在形成的过程中，受到来自水平方向的挤压作用，在水平方向上积聚了大量的弹性应变能；由于采场受到间隔80 m煤柱的采空区影响，采场“见方效应”提前显现，采场周边出现应力异常现象；工作面、两平巷和断层将工作面前方煤体切割为孤立煤体，定性分析了孤立煤体随工作面的不断推进应力逐渐增大，“孤岛”效应显现强烈；建立了煤柱两侧采空区上覆岩层对煤柱加载的理论计算模型，并对煤柱整体冲击危险性进行了判定。

鄂尔多斯盆地侏罗系煤田导水裂隙带高度预测及顶板充水模式

薛建坤, 王皓, 赵春虎, 杨建, 周振方, 李德彬

2020, 37(6):  1222-1230.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.017

摘要 ( 1194 )  

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确定顶板含水层充水模式是顶板水害科学防治及保水采煤的基础，而导水裂隙带高度预测是关键，提高预测精度是研究的难点。以鄂尔多斯盆地侏罗系煤田为研究区域，以33个实测导水裂隙带高度样本为依据，基于粒子群(PSO)-支持向量机回归(SVR)的研究方法，构建了区域导水裂隙带高度预测模型。选择拟合优度R2、均方根误差RMSE为误差分析指标，通过对比PSO-SVR导高模型预测值与经验公式预测值，定量评价了PSO-SVR导高模型的预测精度，利用该模型预测了3个矿的导水裂隙带高度。研究结果表明：PSO-SVR导高模型预测值比经验公式预测值拟合优度提高0.10，均方根误差降低41.93，预测值与实测值较接近，与经验公式相比，提高了导水裂隙带高度预测精度。最后统计分析了研究区典型水文地质结构特征，按煤层埋深及含(隔)水层结构，划分了研究区3种水文地质结构类型：浅埋薄基岩厚松散含水层结构、中埋深厚基岩含水层结构、深埋巨厚复合基岩含水层结构。依据导水裂隙带预测结果及顶板水文地质结构类型，建立了研究区3种顶板含水层充水模式：浅埋松散含水层充水、中埋深厚砂岩含水层充水、深埋巨厚砂砾岩含水层充水。研究成果对于鄂尔多斯盆地侏罗系煤田顶板水害防治及保水采煤具有重要的实用价值。

超声波法评价矸石膏体的静态抗离析性能

冯国瑞, 李庆东, 戚庭野, 郭育霞, 冉洪宇, 郝晨良

2020, 37(6):  1231-1237.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.018

摘要 ( 981 )  

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为了快速评价矸石膏体充填材料的静态抗离析性能，使用康科瑞NM-4B非金属超声波检测仪研究了超声波在充填料浆和硬化充填体中的传播特征。试验结果表明：静置10 min以后，超声波在充填料浆中的传播速度趋于稳定，超声波在试模顶部料浆中的传播速度明显小于试模底部料浆中的传播速度；依据超声波在试模顶部料浆中的传播速度和试模底部料浆中的传播速度计算得到静态离析率，与静态离析指数之间的相关系数为0.995；随养护龄期增长，超声波在硬化充填体中的传播速度逐渐增大，超声波在硬化充填体顶部、中部和底部的传播速度存在显著差异，定义超声波在充填体高度方向不同位置处传播速度的标准差为硬化静态离析率，硬化静态离析率与静态离析率之间的相关系数为0.941，与静态离析指数之间的相关系数为0.955。因此，静态离析率和硬化静态离析率可以用来表征矸石膏体的静态抗离析性能。

充填体-围岩组合体声发射特征与损伤本构研究

程爱平, 舒鹏飞, 张玉山, 王平, 王明旭

2020, 37(6):  1238-1245.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.019

摘要 ( 1240 )  

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金属矿山深部开采时，地压发育显著，充填体-围岩组合体对深部采场稳定性至关重要。本文通过DS2系列全信息声发射系统对充填体-围岩组合体进行单轴压缩下的声发射试验，从声发射事件、振铃计数2个方面分析了充填体-围岩组合体在荷载作用下的损伤演化特征；并以时间为中间变量，构建了累积声发射振铃计数与充填体-围岩组合体损伤本构方程之间的耦合关系。研究表明：1) 应力水平为(60%~100%)Ps时，声发射事件增加速度激增，局部区域密集化，且密集区域主要出现在充填体和围岩接触带处；2) 充填体-围岩组合体声发射振铃计数在加载过程中先激增后出现“平静期”，结合声发射参数与应力之间存在的“不对应点”，可为充填体-围岩组合体破坏征兆信息提供依据；3) 声发射振铃累计计数随着时间的增加呈“S”形增长，充填体-围岩组合体的破坏模式为延性破坏；4) 构建了累积声发射振铃计数与损伤本构方程之间的耦合关系，更能精确地反映充填体-围岩组合体在荷载作用下的损伤演化特征。研究结果为充填体-围岩组合体共同承载稳定性控制提供理论指导。

复合岩层强度特性及破坏机理三轴加载试验研究

程建龙, 罗松, 李佳宝, 李劲锋, 刘浩, 杨圣奇, 赵维生

2020, 37(6):  1246-1254.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.020

摘要 ( 1155 )  

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对不同倾角复合岩层试样进行了常规三轴抗压试验，研究了层理倾角和围压对复合岩层试样峰值强度的影响规律，探讨了复合岩层试样强度的各向异性特征，深入分析了不同围压下试样的破坏模式，揭示了软硬岩层基质和层理面活化裂纹方向及数量统计特征，明确了复合岩层在三轴加载过程中的破坏机理。得出在θ从0°增加至90°过程中，黏聚力先降低后升高并在θ=60°取得最小值，其变化规律与峰值强度的变化规律基本一致，而内摩擦角总体呈现降低趋势。θ=0°~90°试样的峰值强度随围压升高强度各向异性比降低，且θ=0°和θ=90°试样的峰值强度随围压升高逐渐趋于相等。低围压下θ=0°~30°试样在加载过程中软岩发生剪切破坏，裂纹方向多与加载方向有一夹角，而硬岩发生张拉劈裂破坏，裂纹方向大多平行于加载方向且大致呈正态分布。硬岩基质中的间断裂纹数量随围压升高逐渐减少。

层状片麻岩力学性质与变形场演化特征研究

王晓雷, 蒋鹏程, 闫顺玺, 詹思博, 皇甫润

2020, 37(6):  1255-1262.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.021

摘要 ( 949 )  

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为探究不同层理倾角片麻岩的破裂失稳与变形场演化特征，采用TAW-3000型刚性伺服试验机和VIC-3D全场应变数字散斑测量系统，通过对0°，30°，45°，60°，90°5种层理倾角片麻岩进行单轴压缩试验，揭示不同层理倾角片麻岩力学性质和应变场演化特征。研究表明：随着层理倾角的增加，片麻岩的破坏模式由贯穿层理的张拉和沿层理面的剪切混合破坏向沿层理面的剪切滑移破坏转变，倾角为90°时为沿层理面的张拉劈裂破坏，并且一般有多个破裂面；单轴抗压强度和弹性模量随倾角的增加表现出先降后升趋势，大致呈“V”形，60°时最低，90°时最高；60°时片麻岩单轴抗压强度的层理结构效应最明显；相同倾角时，随着荷载的增加，应变场由均匀分布向着应变集中带分布转变。相同荷载时，倾角越大的试件能越早观测到应变集中带；应变均方差曲线在试件微裂纹压密及弹性阶段较小且变化平缓，在塑性和破坏阶段陡升。不同倾角试件在不同荷载阶段的应变均方差上升幅度不同，峰前荷载75%σ至峰后荷载50%σ是岩石变形显著阶段；分别定义应变均方差曲线第一次出现转折点和斜率陡增点为一、二级预警信号，其中时间预警整体优于应力预警。研究结果可为实际工程岩体的稳定性控制及防治提供理论依据。

天然裂隙储层水力裂缝扩展及渗流形态研究

种照辉, 闫仑, 高喜才, 李学华, 姚强岭, 郑闯凯

2020, 37(6):  1263-1273.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.022

摘要 ( 1119 )  

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本文分析了水力裂缝起裂扩展、与天然裂隙互馈产生的应力场，建立了天然裂隙储层流固耦合离散元模型，对水力裂缝与天然裂隙产生的互馈模式进行了分类，揭示了3种因素对离散裂缝网络形成和渗流形态的影响规律。结果表明：在注射孔极距角变化时，径向应力波动性较小，环向应力和剪切应力呈周期性变化；水力裂缝的扩展和渗流形态最终都会出现4种互馈模式(一种或几种的组合)，分支型和横穿型互馈模式最容易形成裂缝网络，渗流区域也分布较广，但分支型互馈模式容易使天然裂隙活化；围压差增加导致水力裂缝总量上升，砂岩基质内拉伸裂缝一直占主导地位；侵入角增加时，天然裂隙内剪切裂缝成为主要种类。

围压对高阶煤瓦斯吸附规律影响的LNMR实验研究

杨明, 柳磊, 刘佳佳, 洪林, 毛俊睿, 柴沛

2020, 37(6):  1274-1281.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.023

摘要 ( 1119 )  

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为了深入了解围压对高阶煤瓦斯吸附规律的影响，以焦作赵固矿高阶煤为研究对象，利用低场核磁共振(LNMR)系统与围压加载系统，开展了高阶煤在不同围压下的瓦斯吸附实验。结果表明：高阶煤瓦斯吸附过程中，T2谱出现3个特征峰(吸附峰、游离峰、自由峰)，其微小孔发育、中大孔不发育、渗透性差。同一围压下，随着吸附时间增加，吸附量呈现先增大后保持不变的趋势，吸附增量逐渐降低，能在7 h内达到吸附平衡。随着围压增大，吸附饱和量、吸附初速度均逐渐降低，达到吸附平衡所需要的时间增加；围压增大对中大孔孔隙结构具有明显的收缩作用，而对微小孔孔隙结构影响并不明显。

考虑吸附/解吸热效应的含瓦斯煤热-流-固耦合模型及数值模拟

郝建峰, 梁冰, 孙维吉, 李桥桥, 董鹏程

2020, 37(6):  1282-1290.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.06.024

摘要 ( 1101 )  

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为了研究煤吸附/解吸瓦斯热效应对煤与瓦斯突出前兆信息演化规律及互耦关系的影响，开展了煤吸附/解吸瓦斯热效应实验，建立了不同压力梯度下的煤体温度变化方程，进而构建了反映采场孔隙率与渗透率动态演化、瓦斯吸附-解吸-扩散以及能量积聚与耗散等过程的热-流-固耦合模型。以耦合模型为基础，进行了煤与瓦斯相互作用机理数值模拟。结果表明：相同压力梯度时，煤体温度和瓦斯压力自煤壁向煤层内部逐渐升高，渗透率在工作面推进方向上呈现为先减小后增大；应力集中区内，地应力主导煤体渗透率的变化，应力集中区外，煤吸附/解吸瓦斯热效应引起的热膨胀应变、游离瓦斯产生的压缩应变和吸附膨胀应变起主导作用；随瓦斯压力梯度增大，煤体温度升高，瓦斯压力增大，煤体变形增大、变形量较小，渗透率逐渐减小，渗透率的降低量随瓦斯压力梯度增大而减小，吸附/解吸热效应对煤与瓦斯相互作用关系的影响逐渐减弱。