采矿与安全工程学报

李全生, 张村

2021, 38(1): 1-8. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0494

摘要 ( 1455 )

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从采矿源头出发，研究掌握高强度开采损伤传导机理，进而研发采动损伤控制与修复技术，是解决我国西部矿区生态损伤程度高与修复难等问题的关键。基于此，提出采动损伤能量指标及采动损伤场量化采动损伤程度和范围，给出了采动损伤场临界能量值的计算模型。结合采动覆岩“三带”分区特征，基于空间守恒建立了采动损伤分区耗散传导模型，研究得出了开采源头损伤在垮落带、裂隙带、弯曲下沉带传递过程中的耗散系数，提出了地表采动损伤量计算方法。依据采动损伤分区耗散模型提出了高强度开采覆岩“两带”结构转化为“三带”结构的垮落带与离层裂隙带注浆技术及注浆量的计算方法。最后通过上湾矿12401大采高工作面的应用与实测结果证实了本文模型的可靠性。

浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律研究

赵毅鑫, 令春伟, 刘斌, 何祥

2021, 38(1): 9-18. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0212

摘要 ( 1651 )

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为研究浅埋超大采高工作面覆岩裂隙演化及能量耗散规律，以上湾煤矿为研究背景，基于相似模拟实验，数字图像处理、分形理论和数值模拟，分析了8.8 m超大采高工作面采动覆岩裂隙演化及能量耗散规律。研究表明：伪顶垮落到亚关键层阶段、亚关键层破断到主关键层阶段和主关键层破断到完全垮落阶段，关键层破断前后覆岩裂隙分形维数呈上升-稳定-下降趋势；依次可划分为3个阶段；依据充分采动后裂隙发育形态可将采场覆岩划分为6个区域：垮落裂隙区、离层压实区、离层裂隙区、竖向破断裂隙I区(垮落区后方)、竖向破断裂隙II区(工作面后方)、II区离层裂隙区，其中竖向破断裂隙I、II区是张剪混合型发育，裂隙角度范围0°~90°，离层裂隙区覆岩层裂隙发生张拉型扩展发育，张拉型裂隙，裂隙倾角角度范围300°~360°，垮落区裂隙发育形态复杂，裂隙角度范围值大，贯通性好；建立了覆岩裂隙分形维数与耗散能量的关系；数值模拟得出裂隙发育高度与采高和工作面推进距离拟合公式。研究成果可为神东矿区超大采高开采覆岩裂隙发育规律研究提供参考。

超大采高综放开采煤壁板裂化片帮机理研究

许永祥, 王国法, 李明忠, 徐亚军, 周昌台, 张金虎

2021, 38(1): 19-30. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0416

摘要 ( 1576 )

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基于榆神矿区埋深较浅、特厚坚硬煤层开采技术条件，采用现场观测、岩石力学试验和理论分析相结合的方法对特厚坚硬煤层超大采高综放工作面煤壁破坏形式和机理进行研究。现场观测发现煤壁破坏形式以纵向板裂化片帮为主，板裂化片帮破坏特征可分为板状板裂、“洋葱皮状”剥落、弹射型板裂和液压支架护帮板扰动下煤壁板裂化破坏。岩石力学试验表明试样在低围压和卸荷条件下更倾向于发生纵向劈裂破坏。煤壁板裂化片帮是工作面采动高应力卸荷环境下的结构主导型破坏，不同形式的板裂化破坏主要与煤体细观结构和应力环境差异相关。结合煤壁应力环境，从微观和宏观角度对板裂化片帮机理进行分析，采用损伤断裂力学和板结构力学分析并揭示了煤壁板裂化片帮发育过程力学机理，即不连续纵向割理在动、静载荷作用下扩展、贯通而形成板结构，板结构在不同应力环境下发生相应形式的破坏。本研究可丰富板裂化破坏案例及理论，为超大采高工作面煤壁板裂化片帮控制和防治提供理论基础。

特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理研究

朱斯陶, 马玉镇, 姜福兴, 刘金海, 朱海洲, 孟祥军, 孙希奎, 姜亦武, 宁廷洲

2021, 38(1): 31-40. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0399

摘要 ( 1359 )

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以峻德煤矿三水平北17层三四采区一段工作面冲击地压事故为工程背景，采用理论分析、微震监测和现场调研等方法，对特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理进行研究。得到主要结论为：17层上分层事故工作面采动支承压力与上覆9层煤采空区遗留煤柱形成的集中应力叠加，叠加应力远大于底煤发生冲击和滑移的应力条件，进而导致17层上分层事故工作面底煤发生整体滑移失稳型冲击地压。建立了特厚煤层分层工作面开采底煤滑移极限承载力估算模型和事故工作面超前支承压力估算模型，底煤整体滑移失稳型冲击危险破坏范围为工作面超前110.5 m，与事故工作面两侧巷道超前破坏范围103 m和115 m接近。根据特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理，制定了针对性的安全复产措施，保障了事故工作面的安全回采。研究结果对特厚煤层分层开采工作面冲击地压防治具有一定的借鉴意义。

上下盘开采断层滑移失稳诱发地表异常沉陷机理研究

于秋鸽

2021, 38(1): 41-50. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0537

摘要 ( 1193 )

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当工作面上覆岩层中含有断层，开采造成断层带岩体滑移失稳时，断层露头处地表移动变形值往往异常增大。含有断层时的地表移动变形规律与不含断层时具有显著差别。为研究上下盘开采断层滑移失稳诱发地表异常沉陷机理，通过理论推导建立上下盘开采断层滑移失稳力学模型和土体近似悬臂断裂模型，并结合数值模拟和相似模拟实验对比分析上下盘开采断层滑移失稳机理及其难易程度。研究结果表明：断层露头处地表异常沉陷是断层滑移失稳后土体在断层露头处受悬臂作用而发生断裂的结果，上盘开采断层露头附近地表裂隙或台阶偏向采空区外侧，下盘开采断层露头附近地表裂隙或台阶偏向采空区；上盘开采断层可稳定区域比下盘开采大，上盘开采断层更容易维持稳定，下盘开采断层露头处地表更容易产生台阶下沉；上盘开采随断层倾角增大，断层稳定性变差，下盘开采当断层倾角小于断层带岩体内摩擦角时，断层一定会滑移失稳，而下盘开采随断层倾角增大，断层稳定性增强；下盘开采断层露头处剪应力与正应力的比值为上盘开采的5倍左右，下盘开采断层带岩体更容易滑移失稳；断层作为岩体中天然弱面存在，对采动应力的传递具有阻断效应。研究结果对分析断层影响下的地表沉陷规律及断层露头处建、构筑物的保护具有一定意义。

双煤层错距开采优选及对隔水关键层影响研究

孙学阳, 卢明皎, 李成, 苗霖田

2021, 38(1): 51-57. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0506

摘要 ( 1321 )

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为探索双煤层开采错距最优方案和对覆岩隔水关键层的影响，以榆神矿区某矿地质条件为背景，采用FLAC3D数值模拟手段，从开采错距分别为0，20，40，60，80 m这5种模拟方案中比选出最优方案，并基于Mohr-Coulomb强度准则与数值模拟结果，结合相似材料模拟实验，讨论了不同开采错距对覆岩隔水关键层的影响。研究表明，双煤层错距开采，致使工作面覆岩拉应力呈现“W”形分布。以错距煤柱顶板为中心，左右两侧30 m范围内最大主应力呈“几”字形分布，该范围下沉值呈现峰状分布。最优错距为40 m，最不利错距为0 m。当双煤层开采错距20，40，60 m时隔水关键层塑性和断裂变形区范围小于55%，尤其是错距是40 m时，隔水关键层最为完整。错距0，80 m时塑性和破坏区范围超过72%，隔水关键层较破碎，基本丧失隔水性。通过优化开采错距方案，可以有效减小隔水关键层塑性和断裂变形区范围，有利于保持隔水性能。

外错式区段间相邻巷道锚杆联合支护作用机理研究

王志强, 苏越, 苏泽华, 吕文玉

2021, 38(1): 58-67. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0475

摘要 ( 1175 )

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根据错层位外错式相邻巷道“一高、一低、水平错距”的空间结构特点，提出联合支护技术，并对侧帮锚杆作用机理展开研究。采用FLAC3D数值模拟软件研究分析沿顶巷道侧帮锚杆参数对锚固体力学性质的影响，并确定侧帮锚杆支护参数合理取值；对不同布置情况下巷道支护效果进行对比分析。结果表明：通过向沿顶巷道实体煤侧帮安设锚杆可以提高锚固体力学性能，对下区段沿底巷道顶板和采空区侧帮的煤体起到良好的保护作用，有利于沿底巷道侧帮煤体的稳定以及顶板锚杆锚索悬吊作用的实现，使厚煤层沿底巷道的围岩维护更为有利。

高应力巷道锚固复合承载体及其承载效应研究

赵光明, 刘崇岩, 孟祥瑞, 王超

2021, 38(1): 68-75. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0562

摘要 ( 1220 )

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采用锚杆支护的巷道，锚杆和其巷道锚固范围内的浅层破碎围岩共同作用形成的具有一定承载能力的结构称为锚固复合承载体，锚杆支护主要改善了承载体内围岩应力分布状态。采用理论分析对锚固复合承载体进行研究，建立围岩-支护相互作用机制的基础。考虑高应力岩体不可压缩性，采用Levy-Mises增量型本构关系对围岩塑性进行表述，并考虑中间主应力的影响，利用修正Mohr-Coulomb强度准则进行高应力锚固巷道围岩力学分析，给出出现塑性变形时的原岩应力阈值。算例与分析的对比结果表明，基于锚固复合承载体承载效应，利用Levy-Mises本构关系修正的Mohr-Coulomb强度准则更适用于高应力场巷道围岩分析。

高强度开采双巷布置巷道围岩差异化控制研究

杨凯, 勾攀峰

2021, 38(1): 76-83. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0431

摘要 ( 1171 )

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相邻工作面2条相邻的回采平巷留设一定煤柱同时掘进（双巷布置）是高强度开采发展趋势之一，两巷围岩的长期稳定性至关重要。本文结合现场钻孔成像研究巷道围岩变形破坏特征；采用数值模拟研究双巷布置时2条巷道围岩受采动影响的应力、变形破坏的分区差异化特征；提出以帮锚索+底角锚杆为基础的双巷差异化控制技术，选取湾图沟煤矿13406工作面作为试验地点，进行现场工业性试验，验证了所提出的巷道控制技术及参数设计合理性。

基于正交矩阵分析的巷道锚杆支护优化

刘海雁, 左建平, 刘德军, 李春元, 徐飞, 雷博

2021, 38(1): 84-93. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0420

摘要 ( 1325 )

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目前经验类比法是巷道支护设计的主要方法，精细定量的设计方法和合理有效的优化方法一直是巷道支护的研究热点。本文以某煤矿风巷为背景，采用正交数值模拟方法，系统研究不同锚杆长度、预紧力及顶角锚杆安装角度下的塑性区体积、顶底板移近量和两帮收敛量的变化规律。在此基础上，提出多指标的巷道锚杆支护正交设计矩阵分析方法，优化依托工程支护方案并开展现场工业试验。研究结果表明：就锚杆支护而言，对巷道稳定性的影响大小依次为锚杆长度、顶角锚杆安装角度和预紧力，其影响权重分别为51.7%，45.8%和2.5%；顶角锚杆安装角度建议为15°，顶板锚杆长度尚应满足进入顶板岩层内的要求；采用所提方法得到的优化支护方案应用效果良好，能保证工作面回采期间巷道的稳定性，证实了该方法的有效性。研究为巷道锚杆支护设计和优化提供了新的视觉。

强帮强角应用于沿空留巷支护的相似模型试验研究

郑赟, 单仁亮, 黄博, 冯吉成, 彭瑞

2021, 38(1): 94-102. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0491

摘要 ( 1185 )

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为研究沿空留巷变形破坏机制并验证强帮强角支护技术在沿空留巷中应用的有效性，以中兴矿沿空留巷为原型进行相似模拟和工业试验。依据相似理论确定模型试验的相似比，分别采用常规支护和强帮强角支护建立巷道模型，设计合理的测试系统、加载路径，对比2种方案的巷道破坏形态、围岩应力及位移，研究沿空留巷变形破坏机制；并将相似模拟试验结果应用于工程实践，验证强帮强角支护技术在沿空留巷的有效性。研究结果表明：二次回采超前期间的高应力是引起巷道变形破坏的主要原因，沿空留巷帮部与角部支护强度不足，导致帮部围岩首先发生破坏变形，进而引起帮部承载能力降低，顶板整体下沉；强帮强角支护通过增强帮部与角部支护强度，充分调动深部围岩的承载能力，改善帮部围岩应力状态，在沿空留巷的应用取得良好效果。

深部回采巷道超前压力区锚索梁协同锚固试验研究

龙景奎, 杨风才, 何敏, 马文超, 李爱军, 郭厚亮肖国强, 冯会杰

2021, 38(1): 103-109. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0569

摘要 ( 1049 )

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针对深部回采巷道采用液压支架进行超前支护所产生的生产工序多、人员多、作业空间小且存在安全隐患等问题，基于协同锚固机理及技术，提出以锚索梁锚固来取代液压支架支护方式。在分析回采巷道变形破坏特点的基础上，用自然平衡拱理论计算锚索长度和布置密度，并对锚索锚固力、布置方式、钻装角度等主要变量及参数进行协同设计，然后进行工程试验。试验结果表明，在深部回采巷道或其它巷道采用锚索梁锚固取代棚式超前支护方式，不但满足了巷道作业环境改善和安全使用的相关要求，而且更好地实现减员增效的生产目标。

树脂锚固剂搅拌参数与锚固效果试验研究

刘少伟, 王伟, 任耀飞, 王强, 蒋金华

2021, 38(1): 110-120. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0548

摘要 ( 1243 )

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论文对树脂锚固剂搅拌进行理论分析得出，转速、搅拌时间和推进速度对树脂锚固剂混合体的黏度、均匀度存在影响。基于正交试验原理，确定3项主控因素，分别对超快速、快速、中速树脂锚固剂进行试验设计，通过实验室锚杆拉拔试验结果分析因素敏感性，获得不同类型树脂锚固剂对应的最佳搅拌动力参数搭配与影响因素的显著性顺序。结果表明：针对长度分别为350，350，600 mm的CK，K，Z型树脂锚固剂来说，搅拌超快速、快速、中速树脂锚固剂时的最佳动力参数为：搅拌速率分别为500，500，600 r/min，搅拌时间分别为15，25，30 s，推进速度分别为23，14，21 mm/s。影响树脂锚固剂锚固力的搅拌参数显著性顺序依次为CK型：推进速度＞搅拌速率＞搅拌时间；K型：搅拌速率＞搅拌时间＞推进速度；Z型：搅拌时间＞搅拌速率＞推进速度。结合煤矿现场巷道支护时锚固剂使用现状，得出了锚固剂单一类型和组合使用时的搅拌参数建议。

城郊矿深部工作面切顶留巷工程试验研究

陈上元, 赵波, 袁越, 何满潮, 郭志飚, 赵菲

2021, 38(1): 121-129. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0067

摘要 ( 1326 )

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针对深部沿空留巷围岩变形剧烈、难支护的问题，基于切顶留巷技术原理，采用理论分析、数值模拟和工程试验相结合的方法，对深部切顶留巷可行性进行系统研究。通过聚能爆破切顶，可使基本顶关键块触矸点前移、触矸面积增大，提高采空区矸石支撑系统的刚度，从而缓解实体煤帮和巷旁支护体所受压力。根据深部切顶留巷围岩变形及应力分布特征，将沿空巷道划分为超前影响区、留巷变形区和留巷稳定区3个维控区域，基于区域特点，对各个区域进行详细的方案及关键参数设计。研究成果在城郊煤矿21304工作面进行现场试验，深部围岩变形得到有效控制，留巷各项指标良好，从而验证了深部切顶留巷的可行性及所设计方案的正确性。

双向静载约束条件下动力冲击对煤岩的损伤影响

赵洪宝, 刘一洪, 张向阳, 李金雨, 王涛, 程辉, 刘瑞

2021, 38(1): 130-137. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0505

摘要 ( 1276 )

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利用自行研制的约束式摆锤冲击动力加载装置，对煤样进行双向静载约束条件下动力冲击试验，在不同静载约束条件下，研究了恒定冲量循环冲击与递增冲量循环冲击对煤样损伤演化的影响规律。基于超声波检测对不同静载约束条件下试样受冲击作用的损伤程度定量化表征，并对不同静载约束条件下煤岩表面的裂纹扩展规律进行了分析。研究发现在不同静载约束条件下煤岩产生损伤的冲量阈值不同，并且煤岩在不同冲击方式作用下的损伤量均随累计冲量的增加而增大，当累计冲量相同并且每次冲击产生的冲量均大于煤岩产生损伤的冲量阈值时，恒定冲量冲击对煤岩的破坏效率更高。在静载约束条件下，裂纹尺度和数量以及分岔频率均随静载约束比的增加而增加，即随着静载约束比的增加，煤岩的破坏形式趋于复杂化发展。

干热岩高温力学特性及热冲击效应分析

张洪伟, 万志军, 周长冰, 赵毅鑫, 王伟, 杨玉亮, 滕腾

2021, 38(1): 138-145. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0001

摘要 ( 1410 )

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在地热开发进程中，岩石所处温度的改变会导致其力学性质发生变化。通过开展实时高温下花岗岩试样的压缩实验，研究了温度对花岗岩力学强度的影响规律；分析了实时高温和热冲击条件下花岗岩物理力学性质的差异，并提出了热冲击损伤系数的概念，揭示了热冲击损伤破岩机理。结果表明：高温会弱化岩石抗压强度和弹性模量，在25~200 ℃之间，岩石抗压强度随温度增加逐渐降低，在200~300 ℃之间，抗压强度降低幅度较大，超过300 ℃以后，抗压强度平稳中略有降低，总体而言，随着温度的增加岩石弹性模量逐渐减小。热冲击弱化岩石力学强度比加热更剧烈，在200~400 ℃之间，由热冲击引起的损伤能使岩石抗压强度降低9.4%~15.0%，在500 ℃时的降幅可高达21.1%，因此，热冲击破坏力比一般的热应力要剧烈。通过引入热冲击系数，可在传统的统计损伤本构模型基础上建立热冲击损伤本构模型，揭示了岩石热冲击损伤破岩机理，热冲击对岩石裂纹的扩展、贯通和萌生具有明显促进作用，在实际工程中可通过该方法对干热岩储层进行改造，提高储层渗透性和取热效率。

循环荷载条件下充填厚度对结构面剪切力学特性影响试验研究

许江, 陈奕安, 焦峰, 彭守建, 瞿佳美, 刘义鑫

2021, 38(1): 146-156. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0466

摘要 ( 1259 )

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利用相似材料制作砂岩剪切破坏结构面并进行循环剪切试验，研究无充填及3种不同充填石膏厚度条件下结构面的力学性质和三维形貌演化规律。试验结果表明：无充填结构面的峰值剪切强度最大，随着充填厚度的增加，结构面的峰值剪切强度先下降后上升，表明充填物的厚度对结构面的剪切强度有较大影响。结构面的法向变形量随充填厚度的增加而不断增大，其中无充填结构面和充填物厚度为1 mm的结构面剪胀现象明显，随着充填厚度的增加结构面剪缩现象逐渐显著。在循环剪切作用下，无充填结构面在初次循环中以啃断破坏为主，后4次循环剪切中以磨损破坏为主，充填1 mm的结构面主要为磨损破坏，但当充填厚度大于1 mm时结构面在循环剪切过程中还存在滑移破坏，说明充填厚度通过影响结构面的破坏模式来影响其力学性质。本文研究可为工程岩体稳定性分析提供参考。

基于透明土技术的土石混合体压缩变形试验研究

丁小华, 周伟, 罗怀廷, 栾博钰, 葛汝豪, 高岩

2021, 38(1): 157-164. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0096

摘要 ( 1283 )

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以哈尔乌素露天煤矿排土场土石混合体为研究对象，利用自主研发的透明土土石混合体模型试验系统和PhotoInfor图像分析软件和PostViewer后处理软件开展土石混合体压缩变形试验，研究土石混合体运移现象，总结不同颗粒粒径、不同石块分布密度、不同加载速率下土石混合体运移规律。研究结果表明：土石混合体受压后，整体分为加压板影响区域和扩展影响区域，在加压板影响区域内，土体颗粒的逐步移动，沿垂直向下的方向呈现级配特征；在扩展影响区域，土体颗粒的运移分为两部分，一种是加压板下方的土体颗粒两侧被集聚土体颗粒的推挤作用，使土体颗粒沿着与垂直方向小于90°运移，且随着与加压板距离的增加，角度减小；另一种是加压板边缘两侧扩展影响区域的土体颗粒的水平移动，随着压力的增大，土体颗粒逐渐向上移动，移动角度逐渐增大。而不同土体颗粒粒径和不同的石块分布密度对土体颗粒位移的影响较大，而加载速率对土体颗粒位移的影响较小。

生物转化对煤层孔隙渗透性质的影响

卢义玉, 柴成娟, 周哲, 葛兆龙, 杨萌萌

2021, 38(1): 165-172. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0552

摘要 ( 1295 )

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为了研究煤的微生物增透效果及其机理，采用压汞仪和孔渗仪研究了清水营养液和生物营养液处理前后塔山和咸阳煤矿煤样孔隙结构和孔隙度渗透率变化，研究了生物转化后有效应力对渗透率的影响规律。结果表明：不同营养液下，生物转化使塔山煤样的孔隙度分别提高了42.02%和47.18%，渗透率则提高了496.78%和651.12%，高于清水营养液下对孔隙度和渗透率的改变。生物转化后分形维数增大，煤表面的粗糙程度增加，煤基质中大孔的分布和总孔容增加。且富含Mo，Se，Ni，Co和W等微量元素的生物营养液更有利于孔隙渗透性质的改变。生物转化后煤样渗透率对孔隙度的敏感性增大。生物转化后煤样应力敏感性降低，但在较高的原始应力下，生物转化后煤样仍然保持较高的渗透率。

软硬交错层理状岩石变角度劈裂的变形场及声发射频率特征

苏晓波, 纪洪广, 权道路, 耿景明, 陈东升, 张改改

2021, 38(1): 173-180. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0574

摘要 ( 1464 )

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为了了解宏观裂纹以不同角度穿越软硬交互层时岩石的变形场及声发射特征，以天然软硬交互层理状岩石为研究对象，分别开展劈裂方向与层理方向呈0°，30°，60°，90°的劈裂试验。试验过程中辅以数字散斑技术记录变形场，PCI-2型声发射采集仪记录声发射信号。绘制横向受拉区域变形时程图与声发射峰频分布时程图，对比研究发现：劈裂方向与层理方向夹角为0°时，横向受拉区域分布集中，声发射信号峰频点集中在40 kHz附近；夹角为30°和60°时，受拉区域杂乱分散，受载过程中新出现峰频段集中在100，150 kHz附近的声发射信号；夹角为90°时，受拉区域分布较为集中，受载过程中新增加峰频在260 kHz附近的信号。随着岩石层理夹角由低至高的变化，受拉变形区分布形态经历了集中分布—无规则分布—较为集中分布的趋势，而声发射信号峰频带分布则愈加复杂。基于试验结果，讨论了岩石内部破裂源模式与声发射峰频间的关系。

深部高应力回采上覆岩层应力区带空间演化规律及对瓦斯抽采巷影响分析

李文洲

2021, 38(1): 181-190. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0522

摘要 ( 1318 )

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瓦斯抽采巷已成为煤矿瓦斯抽放的主要手段，其采动破坏机理及优化布置还需进一步研究。以山西潞安常村煤矿2302工作面为工程背景，通过现场原位地应力测试及顶板40 m范围内围岩结构调查，揭示了23采区主要应力场类型为σH>σV>σh。采用UDEC软件分析了深部高应力高瓦斯工作面回采覆岩运移应力分布规律及顶板结构特征，提出了高瓦斯工作面“三带二区”的概念及确定方法。通过考虑顶板间黏聚力，建立工作面回采上覆岩层顶板结构模型，对顶板结构挠度进行了分析，揭示了岩层转动角度直接影响顶板挠度大小，瓦斯抽采巷支护应尽量减小顶板转动幅度，结合不同方案瓦斯抽采巷变形破坏情况，最终确定瓦斯抽采巷应布置在“三带二区”中的瓦斯聚集带和应力稳定区，即距离煤层顶板不小于29 m，水平方向不少于30 m。现场实践表明：瓦斯抽采巷平均瓦斯抽采量为67.92 m3/min，抽采率大于30%，瓦斯抽采效果较好，瓦斯抽采巷位置合理。

采空区高抽巷及埋管抽采下瓦斯分布规律研究

康建宏, 邬锦华, 李绪明, 李卫彬, 朱继鹏, 张欣雨

2021, 38(1): 191-198. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0090

摘要 ( 1218 )

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针对高瓦斯矿井采空区遗煤多、瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯体积分数超限等威胁煤矿生产安全的问题，以余吾煤业3#煤层N1101工作面为研究对象，首先数值模拟未抽采时在工作面漏风影响下采空区瓦斯的分布特征。在此基础上，进一步研究高抽巷和预埋立管抽采采空区瓦斯的情况，分析不同抽采方式和抽采位置对采空区瓦斯流场和体积分数的影响规律，以此确定高抽巷的最优空间布置以及预埋立管的最佳埋管间距。最后，通过煤矿现场实测的瓦斯体积分数和抽采流量数据，验证了采空区高抽巷及埋管抽采方式的有效性和合理性，为优化采空区瓦斯抽采方案提供了借鉴。

瓦斯抽采钻孔密封段防塌支护材料试验研究及现场应用

张超, 杨朴超, 李树刚, 刘超, 程仁辉, 常杰

2021, 38(1): 199-205. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0029

摘要 ( 1220 )

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为有效解决高瓦斯松软煤层瓦斯抽采钻孔密封段易塌孔问题，研制了一种以普通硅酸盐水泥为基料，掺入膨胀剂、早强剂等辅料的钻孔防塌支护材料。首先采用单因素试验法考察防塌支护材料中铝粉及CaO掺量、硫酸钠掺量、水料比对材料抗压强度的影响，再以此为基础，根据中心组合(Box-Benhnken)试验设计法，选取铝粉及CaO掺量、硫酸钠掺量、水料比三因素，以抗压强度为响应值设计三因素三水平试验方案进行响应曲面法分析，利用Design-Expert软件优化得到各添加剂掺量间的最优组合，最终确定铝粉及CaO掺量0.54%、硫酸钠掺量4%、水料比0.70为最佳配比参数。同时在潞安集团余吾煤业3#煤层N1103工作面进行现场验证，解决了钻孔密封段易塌孔问题，经测试单孔瓦斯初始体积分数约为80.705%，较普通钻孔提高约30%，历时60 d单孔瓦斯体积分数仍保持在43.89%，较普通钻孔提高约25%，钻孔密封性能得到显著提升。

煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律研究

杨孝波, 许江, 周斌, 彭守建, 程亮, 杨文健

2021, 38(1): 206-214. doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0056

摘要 ( 1368 )

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为研究煤与瓦斯突出发生前后煤层温度演化规律，利用多场耦合煤矿动力灾害物理模拟试验系统，开展了气-固耦合条件下的煤与瓦斯突出物理模拟试验，并监测了突出发生前后的煤层瓦斯压力与温度。研究表明：在突出发生之前，煤层在吸附瓦斯过程中煤体温度随着瓦斯压力的增大而逐渐升高，煤层在达到吸附平衡后，煤体温度上升了2.6 ℃，位于煤层中心位置处的煤体温度明显高于边缘位置处；突出发生后，距离突出口较近的断面内煤体温度会出现突降现象，断面中心位置处温度下降量明显较大，而在距离突出口较远的断面，温度变化趋势与之相反；突出过程为热力学多变过程，煤体温度降低是由游离瓦斯膨胀做功和吸附瓦斯解吸造成的，煤体温度下降量和瓦斯膨胀能随着瓦斯解吸量的增加而增大。

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