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2021年 第38卷 第2期    刊出日期：2021-03-15

上一期   

论文

沿空巷道非对称底鼓机理及防控研究

王志强, 王鹏, 吕文玉, 石磊, 苏泽华, 武超, 于峰

2021, 38(2):  215-226.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0331

摘要 ( 1039 )  

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沿空巷道常表现出非对称底鼓特征，根据沿空巷道围岩结构及应力作用模式，结合朗肯土 压力理论建立非对称底鼓力学模型， 推导出非对称底鼓力源的计算方程。 结果表明， 两帮垂直应 力是底鼓的主要因素，非对称分布的垂直应力是非对称底鼓的内在原因，底板岩体由垂直应力高 的巷帮一侧向垂直应力低的巷帮一侧运动，最大底鼓位置靠近垂直应力低的巷帮一侧。据此，提 出通过降低两帮垂直应力控制底鼓的错层位负煤柱沿空巷道布置技术，错层位开采实体煤侧垂直 应力较低，矸石堆与巷道上方自由空间能够使负煤柱沿空巷道免受关键块体运动影响，始终处于 低应力区；沿空巷道两帮低应力区宽度增大，远离应力峰值， 达到了降低两帮垂直应力传递至底 板的目的；数值模拟结果显示负煤柱沿空巷道两帮垂直应力降低后底鼓破坏深度明显减小。负煤 柱沿空巷道现场应用效果良好，未见明显底鼓， 从而为待掘沿空巷道区域性防控底鼓提供了依据。

深井沿空掘巷围岩变形破坏特征及控制技术研究

程利兴, 康红普, 姜鹏飞, 李文洲, 杨建威, 郑仰发, 伊康

2021, 38(2):  227-236.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0586

摘要 ( 1269 )  

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针对深井高应力软岩巷道变形量大、变形持续时间长、巷道难支护等问题，以口孜东矿沿 空巷道为工程背景，通过现场调研、地应力测试、矿物成分分析及巷道围岩力学性能测试等手段， 揭示高地压、强扰动是巷道产生大变形破坏的主要动力源，低抗载性围岩破裂加剧了巷道围岩的 结构风化和强度劣化，加剧了巷道扩容变形，构成巷道产生大变形的主要内因；巷道断面不合理， 支护强度低，加剧了巷道围岩扩容变形，构成巷道大变形的主要外因。 从巷道破坏模式方面分析 巷道 5 种典型变形破坏特征及发生机制；通过现场观测，揭示巷道表面变形的空间非对称性、 不 同深度围岩变形的跳跃性， 以及巷道围岩内部结构劣化的非均匀性和跳跃性；总结了巷道大变形 机理是高应力驱动下塑性区劣化后的围岩产生显著的流变与强烈的扩容变形，加速了巷道的变形 失稳。提出口孜东矿沿空掘巷以“高预应力主动支护、注浆改性加固、强帮护顶” 为核心的沿空 掘巷支护技术，现场监测表明，该支护方案可有效控制深部高应力软岩巷道变形。

复合软岩巷道长短锚索层次控制技术及实践

付玉凯, 王涛, 孙志勇, 郑建伟

2021, 38(2):  237-245.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0401

摘要 ( 1161 )  

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为解决复合软岩巷道变形难题，以成庄矿 53181 巷为工程背景，采用理论计算的方法确定 巷道围岩 4 个承载层的范围，并分析锚杆(索)锚固系统失效的本质原因。基于 4 个承载层的范围， 提出长、短锚索层次控制技术，建立长、短锚索层次控制力学模型，对比分析锚杆(索)和长、短 锚索层次控制下的围岩位移特征曲线，从理论角度揭示长、短锚索层次控制复合软岩顶板围岩变 形的机理： 短锚索预紧力、刚度高，对浅部离层敏感，可有效增强浅部破碎围岩的强度参数，控 制围岩浅部早期变形；长锚索锚固段位于岩层弹性范围内，安全性高，其可用变形较大，较好适 应复合软岩巷道释放的变形； 同时，长、短锚索锚固段分布位置不同，有利于分散围岩内部的受 力，从而提高预应力的扩散效果。长、短锚索层次支护技术在成庄 53181 巷进行工业性试验，试 验结果表明：锚索受力稳定，顶板下沉量仅为原支护参数下的 29.4%，浅部和深部离层均未超过 50 mm，长、短锚索支护系统与围岩耦合充分，有效控制了围岩流动层及塑性层的进一步扩展。

近距离煤层开采遗留边界煤柱下 底板巷道采动附加应力计算

岳喜占, 涂敏, 李迎富, 张劲松, 高亮

2021, 38(2):  246-252.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0501

摘要 ( 897 )  

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上覆煤层开采后，在煤层底板形成原岩应力区、弹性应力增高区、塑性区、卸压区、应力 恢复区和压实区等 6 个区域，上覆煤层遗留边界煤柱附近围岩内形成“椭圆应力拱” 结构，前拱 脚位于应力恢复区，后拱脚位于弹性应力增高区，上覆岩层载荷通过前、后拱脚传入底板，并对 下伏煤层巷道产生附加应力，明显影响到下伏煤层巷道稳定性。基于此，构建上覆煤层“椭圆应 力拱” 结构力学模型，数值模拟计算“椭圆应力拱” 的圆心坐标、轴长和拱脚位置等形态参数， 确定上覆煤层底板各区域宽度及其等效载荷，并计算下伏煤层底板巷道附加应力。研究表明，底 板巷道附加应力与上覆煤层采高、煤层间距及巷道水平错距等密切相关。结合布尔台矿具体开采 条件，依据围岩稳定性判据，合理确定下伏 42 煤开切眼与上覆 22 煤遗留边界煤柱的水平错距。

基于裂缝效应的锚固体单轴抗压强度试验研究

张勇, 崔力, 胡江春, 孙晓明

2021, 38(2):  253-259.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0546

摘要 ( 968 )  

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节理岩体力学特性是锚固围岩稳定性控制的基本依据和研究热点。基于正交试验设计，采 用垂直布锚形式，选取裂缝数量、裂缝断续程度和裂缝倾角 3 种裂缝特性作为试验因素，并通过 极差分析和方差分析研究裂缝各因素对锚固体单轴抗压强度的影响。结果表明：裂缝平面与锚固 体受力方向交角小于 90°时，锚固体达到峰值强度后更易发生突发性破坏；同时，相较于完整锚 固体而言，不同裂缝状态下锚固体抗压强度的主控裂缝因素不同，在本文的因素增量环境下，对 抗压强度影响程度由大到小依次为裂缝倾角、裂缝数量和裂缝断续程度。此外，基于上述规律建 立有缝锚固体和无缝锚固体抗压强度线性关系式，数据证明该理论公式可以较好地预测含裂缝锚 固体的抗压强度。研究成果可为预测软岩巷道关键部位的产生与发展提供指导。

Hoek-Brown 破坏准则下深埋硐室围岩 抗震稳定性分析

崔建锋, 王卫军

2021, 38(2):  260-268.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0296

摘要 ( 829 )  

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考虑非线性 Hoek-Brown 破坏准则，对地震效应下深埋硐室围岩稳定性进行分析。基于深 埋硐室“楔形塌落体+圆弧转动体” 的破坏机制，采用“切线技术” 将 Hoek-Brown 破坏准则引入 极限分析上限法中，通过拟静力法将地震力作用到深埋硐室围岩上，推导了地震效应下深埋硐室 围岩支护力上限解，分析了地震力加速度系数、 Hoek-Brown 破坏准则参数以及硐室围岩有关参 数对深埋硐室围岩稳定性的影响规律。结果表明： 1) 随着地震效应的增强，维持深埋硐室稳定所 需支护力增加，硐室围岩垮落范围也在扩大； 2) Hoek-Brown 破坏准则参数中较大的 mi， GSI， σci 有利于深埋硐室围岩的稳定， D 的增加会减弱围岩稳定性； 3) 岩体重度 γ 和硐室尺寸 R 的增大会 使深埋硐室围岩垮落的风险加大， 侧压系数 K 的增加会造成深埋硐室顶板支护力降低。

巷道围岩二次应力状态弹性阶段的试验研究

李小瑞, 侯公羽, 吕文涛, 李巧燕

2021, 38(2):  269-275.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0061

摘要 ( 1068 )  

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为了实现对巷道开挖卸荷过程中真实加、卸载过程的模拟，掌握巷道(隧道)围岩在开挖卸 荷条件下的变形规律及破坏机制，采用具有自主知识产权的巷道围岩开挖卸荷模型试验系统，对 有机玻璃围岩试件进行开挖卸荷条件下巷道围岩二次应力状态弹性阶段的模拟试验，并与已成熟 的巷道围岩二次应力状态弹性阶段的理论解析进行对比分析。试验过程中监测到围岩试件的变形 朝向洞内，试件内侧的变形要大于外侧，即离洞壁越近，围岩变形越大，且整个变形过程呈现弹 性特征。对比围岩试件的卸荷应变试验值与所求得的理论值，分析结果表明，试验结果可以与理 论值很好地对应，且变化趋势相同，理论值稍大于试验值，从而验证了所构建试验系统的性能稳 定性及试验模拟方法的可行性。目前的巷道围岩弹性理论的求解是可以验证的。

剧烈采动影响煤巷围岩偏应力分布规律与控制

王恩, 谢生荣, 陈冬冬, 陈平, 祁鹏宇, 任宇新

2021, 38(2):  276-285.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0445

摘要 ( 1219 )  

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针对多重剧烈采动影响煤巷围岩控制难题，以某矿轨道平巷为研究对象，采用 FLAC3D 模 拟上煤层遗留煤柱集中应力、本煤层邻近工作面及本工作面采动对煤巷稳定性的影响。结果表明： 上部煤层遗留区段煤柱底板存在沿煤柱边缘向底板深部呈“八” 字形非对称分布的高剪应力区； 随着煤柱底板深度增加，偏应力第二不变量 J2值分布由陡峭双峰形向马鞍形转变，并将底板分为 显著影响区（ 0~16 m）、一般影响区（ 16~30 m）和弱影响区（ 30 m 以上）；相邻工作面回采过程 中，超前监测面 20 m 时顶板和两帮 J2 值开始增大，当滞后监测面 10~20 m 巷道围岩进入相邻工 作面采动影响期；在本工作面超前采动影响过程中，巷道深部高 J2 值非均布环形分布带应力值进 一步增加，范围变大，环形向逆时针旋转转移，并呈向深部转移的趋势。基于此提出高预应力锚 杆（索）与桁架锚索组合非对称控制技术且煤巷控制效果良好。

浅埋煤层“主控层-软弱层” 组合结构的 形成机理及应用

宋桂军, 张彬, 付兴玉, 杜锋, 毕忠伟, 王寅, 杨永亮

2021, 38(2):  286-294.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0428

摘要 ( 1140 )  

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通过分析组合承载结构的形成条件、冲击载荷作用下组合承载结构破坏情况判定方法，对 浅埋煤层覆岩主控岩层及其所控软弱岩层协调运动过程进行了深入研究。结果表明：在一定的条 件下，主控岩层及其所控软弱岩层断裂岩块将形成协同承载的“主控层-软弱层” 组合结构，上覆 冲击载荷将影响“主控层-软弱层” 组合结构的稳定性；基于此，提出了神东矿区浅埋采空区下回 采时煤层间 3 种结构形态，基于“主控层-软弱层” 组合结构定量化地分析了煤层群开采期间层间 结构的破坏过程。

基于应力释放率与微震监测的高强度开采 工作面推进速度效应分析

李杨, 杨天鸿, 郝耐, 宋卫东, 付建新, 于玲

2021, 38(2):  295-303.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0318

摘要 ( 1243 )  

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西部大规模高强度开采已经带来了严重的地质灾害和环境损伤问题，而工作面的推进速度 是高强度开采的重要特征之一，故开展在高强度开采条件下推进速度对关键层破坏及失稳机制的 影响规律研究具有重要的指导意义。推进速度的影响实际上是一个时间效应问题，本文针对以往 研究成果在计算推进速度影响规律时所忽略的时间效应问题，利用岩土有限元分析软件 Midas/GTS 的 LDF 功能，开展基于应力释放率的推进速度效应分析。并依托高强度开采矿山现场， 通过微震事件的定位结果，分析验证推进速度的影响规律。结果表明，当工作面推进速度较慢时， 应力调整范围较大，形成“马鞍形”的应力调整区；而当工作面以较快速度推进时，应力调整范 围较小，且形成“子弹形”应力调整区。随着工作面推进速度的增加，每天产生的微震事件分布 范围(即开采引起的破坏区)明显减小，工作面后方的微震事件分布范围明显增加，微震事件在煤 层顶板的发展高度也变低，从而减小了对岩层的破坏。可以看出工作面推进速度增加的实质是， 围岩变形破坏特征时间效应的体现，围岩岩体的变形时间缩短，影响了围岩应力调整的完整程度， 形成了不同的围岩应力调整范围。

深部采场覆岩断裂失稳过程及支架载荷预测分析

庞义辉, 巩师鑫, 刘庆波, 王泓博, 娄金福

2021, 38(2):  304-316.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0585

摘要 ( 1068 )  

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针对深部采场不同区域上覆岩层采动应力演化规律及液压支架载荷预测难题，采用模拟分 析、现场实测与模型预测相结合的方法，揭示了深部采场三向采动应力与覆岩断裂失稳过程之间 的关系，建立了基于液压支架压力监测数据驱动的支架载荷预测模型，进行了深部采场覆岩断裂 失稳过程的支架载荷预测分析与验证，为深部采场顶板来压及灾害预测提供基础。采用数值模拟 方法分析了采场中部、端头区域上覆岩层三向采动应力的大小、方向变化规律，以及采动应力与 上覆岩层断裂失稳过程之间的关系，对比分析了采场中部、端头区域上覆岩层三向采动应力演化 过程的差异，揭示了深部采场上覆岩层采动应力的演化规律。对比分析了 AR 模型、 SVR 模型和 LSTM 模型对支架载荷的预测效果，提出了基于聚类算法的支架载荷预测分类建模方法，对工作 面中部支架、端头支架的载荷进行了预测分析。对口孜东煤矿深部采场支架载荷进行了现场实测， 基于采动应力演化及覆岩断裂失稳过程研究结果，分析解释了口孜东煤矿工作面矿山压力显现频 繁、来压持续时间长的现象，对比分析了支架载荷预测模型对工作面不同区域支架载荷的预测效 果，验证了预测模型的可靠性。

隔水土层孔隙水压畸变与顶板突水灾变的 时空响应特征模拟研究

杨涛, 张杰, 林海飞, 吴宝杨, 张建辰, 陈诚

2021, 38(2):  317-325.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0450

摘要 ( 1011 )  

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随着采煤工作面的推进，上覆隔水土层将受到周期性动载荷作用，引起的孔隙水压畸变在 覆岩中产生的力学响应对于浅埋煤层顶板突水灾变有着重要的前兆预警意义。为了分析隔水土层 孔隙水压与顶板突水之间的时空响应规律，将隔水土层简化为饱和多孔固液混合介质并构建了隔 水土层黏弹性动力学模型，求得孔隙水压分布解析解；应用模拟软件构建了相应的流固耦合模型， 分析了在不同开采强度条件下隔水土层孔隙水压变化与覆岩破坏演变规律；基于固液耦合试验平 台，进行孔隙水压监测试验，进一步揭示并验证了开采扰动及渗流作用下隔水土层孔隙水压与突 水灾变之间的对应关系。研究表明：隔水土层孔隙水压与开采扰动存在紧密联系，当隔水土层孔 隙水压因开采扰动而积聚至峰值后，会发生急速消散，土层隔水性消失，工作面顶板则对应发生 突水灾变，之后孔隙水压在相对较低的水平短幅波动，其时空响应特征的研究对于富水区下顶板 突水预警系统的建立奠定了基础。

注浆岩体强度随钻评价试验研究

高红科, 王琦, 李术才, 王悦, 蒋振华, 江贝

2021, 38(2):  326-333.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0450

摘要 ( 983 )  

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复杂条件地下硐室安全控制的难点在于破碎围岩的有效支护，锚注支护是破碎围岩有效控 制的主要手段，注浆后的岩体强度是锚注支护参数合理设计优化的重要依据。目前对于注浆岩体 强度的定量测试评价方法研究较少，数字钻进测试技术为实现注浆岩体强度的定量获取提供了新 思路， 其关键在于建立数字钻进参数与注浆岩体强度参数的定量关系。基于此， 本文以厚冲积层 高应力矿井——万福煤矿为工程背景，利用研发的岩体数字钻进试验系统，开展注浆岩体数字钻 进试验，讨论分析不同水灰比及不同岩体粒径因素对钻进参数、切削能量和抗压强度的响应规律。 在此基础上，结合回归分析方法， 得到数字钻进 PDC 钻头条件下的钻进能耗系数和钻进能耗常 数，以及钻进岩体破碎系数，建立基于能量分析的注浆岩体钻进参数与等效强度定量关系模型 (EDP-ECS 模型)，提出注浆岩体等效强度随钻评价方法。本文研究为基于数字钻进测试实现地下 工程注浆围岩强度的定量评价提供了理论与方法基础。

露天矿边坡岩石剪切力学特性与破裂特征研究

时旭阳, 才庆祥, 李兆霖, 周伟, 李明

2021, 38(2):  334-342.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0217

摘要 ( 1008 )  

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通过对新疆地区某露天矿不同岩石开展一系列不同法向应力条件下的直剪试验，结合数字 照相监测与电镜扫描技术对不同岩石不同法向应力条件下剪切力学特性与宏细观破裂特征展开 深入研究。结果表明： Group 1， 3 两组岩石应力-应变曲线变化平缓，在低法向应力条件下(1， 2 MPa) 裂隙倾角分布较广，产生了较为复杂的裂隙面，且细观形貌以微孔、微坑等特征为主，韧窝分布 均匀，表现出明显的塑性破坏特征。 Group 2， 4 岩石剪切应力-位移曲线到达峰值之后迅速跌落， 且峰后黏聚力变化较大，在低法向应力条件下裂隙特征极为简单，断面平整度相对较好，纹理均 匀、界面光滑，说明法向应力未对岩石产生诱导破裂作用， 反而起到围压约束裂纹扩展的作用， 具有明显的脆性特征，增加法向应力(3 MPa)，岩石表面出现了高倾角裂隙，岩石逐渐由脆性特征 转为延性特征。此外岩石表面裂隙倾角 30°是一个重要的分界，当倾角集中在 30°以下，岩石表现 出脆性特征，当倾角集中在 30°及以上，岩石延性特征显现。

邯邢矿区中奥灰顶部空隙特征显微CT分析

柳昭星, 董书宁, 南生辉, 张党育, 刘冬

2021, 38(2):  343-352.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0297

摘要 ( 932 )  

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利用X射线三维显微镜(显微CT)技术对邯邢矿区底板区域改造地层中奥陶系灰岩顶部岩样进行扫描分析，得到岩样的三维数据体，直观反映了岩样内部真实的空隙结构，并基于三维可视化处理软件AVIZO对数据进行了处理和分析，定量分析了空隙发育特征和几何参数。研究结果表明：邯邢矿区中奥灰顶部岩芯空隙发育特征垂向差异明显，局部较为发育部分表现出良好的垂向连通性，且面空隙率集中在0.40%~5.12%和6.8%~15.28%，不发育部分稳定在0.10%以下；不同煤矿中奥灰顶部岩芯空隙的峰值宽度差异明显，但稳定范围差异较小；孔隙数量以等效直径在200 μm以下的为主，体积占比以等效直径在2 000 μm以上的为主；裂隙中闭合裂隙和微张裂隙数量占比最大，宽度均值分别稳定在120 μm和420 μm，且中张裂隙和宽张裂隙数量占比相对较少，但在岩样具有较好延展性。研究结果有利于中奥灰顶部超前区域注浆改造参数和工艺优化。

双向约束条件下冲击荷载 对煤样结构影响与机理研究

赵洪宝, 吉东亮, 王涛, 程辉, 刘瑞, 文志杰

2021, 38(2):  353-360.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0025

摘要 ( 955 )  

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利用自行研制开发的双向约束摆锤式冲击动力加载试验装置并配合超声波检测设备，从煤岩材料的细观力学特性入手，对型煤与原煤在不同约束条件下、不同冲击荷载作用方式对其内部结构发展演化规律进行了系统研究，并对影响机理进行了理论探讨。结果表明：煤样损伤量随着冲击次数的增大而增大并具有非线性累计效应；在固定其双向约束条件下，初次冲击能量较低时煤样后期存在损伤增量变大的趋势；随着初次冲击能量的增加，煤样在试验初期就会出现损伤加剧的情况，后期煤样损伤增量反而缓慢降低；当轴向应力提高时，在相同能量冲击下煤样损伤增量变大，累计损伤效应被放大，煤样更容易达到破坏极限。

酸性环境中矸石胶结充填体强度及徐变特征

郭育霞, 冉洪宇, 冯国瑞, 王鹏, 王泽华

2021, 38(2):  361-369.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0379

摘要 ( 966 )  

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为了研究酸性矿井水中矸石胶结充填体强度及长期变形特征，采用实验室加速腐蚀方法，测试不同质量分数和不同pH值硫酸溶液中充填体的抗压强度、质量、超声波波速、徐变变形随时间变化规律，建立了强度-时间、波速-强度及徐变模型，通过SEM和XRD分析腐蚀后充填体微观结构及化学成分。研究表明：随腐蚀龄期的增加，试件抗压强度和波速先增加后减小，质量先减小后增加再减小，90 d后强度损伤度逐渐增大；pH值越小、充填材料质量分数越小，试件各宏观性能随龄期增长所受影响越大；充填体徐变应变随时间增长而增加，随pH值、质量分数的降低而增加；腐蚀前期，硅酸钙凝胶和钙矾石填充内部孔隙，试件承载能力增加；腐蚀后期，钙矾石分解生成二水石膏后吸水膨胀，破坏材料内部晶体结构，试件承载能力降低。

应力波扰动作用下断层滑移失稳的数值反演

朱广安, 蒋启鹏, 伍永平, 窦林名, 林志强, 刘海洋

2021, 38(2):  370-379.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0059

摘要 ( 1195 )  

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断层滑移失稳是诱发煤矿冲击地压的主要因素之一。为探究应力波扰动作用下断层围岩系统的受力状态和动力学响应，利用数值模拟计算比较了应力波扰动作用下的断层面位移场、应力场和速度场的动力学响应规律。结果表明：应力波扰动作用下断层滑移的动力学响应对不同的开采影响因素具有不同的敏感性，断层带上的正应力和剪应力分布受采深、应力波强度和工作面回采进度等影响较大。受断层倾角影响，断层带上垂直应力和垂直速度峰值变化较大，断层隔震效应显著。结合数值模拟结果，从降低高静载应力集中和弱化高动载两方面提出针对断层冲击地压的治理措施，现场实践表明，断层附近实施顶板预裂爆破卸压措施可有效降低断层冲击地压灾害。研究结果为类似条件下的断层冲击地压治理提供借鉴和理论指导。

级配破碎煤岩体压实过程中再破碎特征研究

张天军, 刘楠, 庞明坤, 张秀锋, 郭毅, 张硕

2021, 38(2):  380-387.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0435

摘要 ( 1032 )  

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为研究承压破碎煤岩体压实与再破碎特征，根据破碎煤岩体的力学特征与孔隙结构的稳定性将破碎煤岩体的压实变形过程分为塑性失稳、应力恢复与类原岩应力3个阶段，再通过获有专利权带侧限的破碎煤岩体压缩实验系统以分级加载的方式对不同Talbol指数n的破碎煤样进行压实试验。研究表明：在整个压实过程中，由煤样颗粒位移重组引起的变形大于由破碎填充引起的变形；随着应力的增大，各组试样中小粒径的颗粒不断大幅增加，其中M-4组试样增幅最大，增加了389.4 g，其余大粒径的颗粒不同程度的减少，4组试样承载后的粒度分布均趋近于同一种稳定的级配结构；分形维数轴向应力间符合幂函数关系，且应力一样时，n越大，混合破碎煤样的分形维数变化率越大；给出破碎煤岩体承压过程中压缩模量的计算公式，并发现相同应力条件下n越大，破碎率变化率越大，混合破碎煤岩体的稳定性越差，为采空区安全治理与预防地表沉降提供了有力的理论指导。

基于非定常分数阶的岩石时效性蠕变模型

刘文博, 张树光, 陈雷

2021, 38(2):  388-395.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0563

摘要 ( 836 )  

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为了研究砂岩在不同围压作用下的蠕变特性，采用MTS 815.02试验机对砂岩进行三轴蠕变试验，进而分析了砂岩在不同围压作用下的蠕变变形规律。将黏壶黏滞系数非定常化来构建非定常Abel黏壶，在此基础上对分数阶阶数进行非定常化，进而建立一种基于非定常分数阶的砂岩时效性蠕变本构模型，使得该模型可以更好地描述岩石的加速蠕变变形规律；通过Levenberg- Marquardt 算法对三轴蠕变模型参数进行识别，来验证构建蠕变模型的正确性。结果表明：在时间和应力双重作用影响下，将分数阶阶数γ当做是一个关于应力和时间的函数，构建的非定常分数阶砂岩三维时效性蠕变本构模型可以很好地描述岩石的加速蠕变变形规律；模型曲线和试验曲线拟合均在0.95以上，侧面证明了将分数阶阶数非定常化是可行的。同时，采用单轴蠕变曲线和蠕变模型曲线进行对比，得出试验数据与一维时效性蠕变模型的吻合度也较高，这进一步说明了采用非定常化分数阶阶数建立的一维时效性蠕变模型是可靠的。

饱水白砂岩折线与三维强度特征

王云飞, 李洪军, 焦华喆, 李震, 宿辉

2021, 38(2):  396-403.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0164

摘要 ( 1082 )  

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为了研究干燥和饱水状态下白砂岩力学特性的差异及饱水对白砂岩力学行为的影响程度，采用RMT岩石力学试验系统进行了白砂岩干燥和饱水状态的单轴和三轴试验，研究结果表明：饱水使得白砂岩的线弹性变形特性减弱，而非线性屈服特性增强，且随着围压的增大，这一特性更加明显；围压大于20 MPa时白砂岩应力应变曲线不出现压密阶段；饱水对白砂岩单轴时的强度劣化影响显著，软化效应明显即软化系数小，围压大于20 MPa时，强度劣化影响和软化效应趋于一定值，单轴强度劣化率是高围压三轴强度劣化率定值的2.62倍，高围压时的软化系数定值是单轴时软化系数的1.387倍；围压小于20 MPa时弹性模量和变形模量劣化率随着围压的增大而近似线性减小，围压大于20 MPa时劣化率基本趋于一定值；饱水对白砂岩黏聚力劣化效应显著而对内摩擦角劣化效应较小；根据完全拟合与屏蔽拟合效果，以30 MPa为转折，建立了折线强度准则，根据白砂岩在子午面内的变化规律和William-Warnke偏平面函数确定了具体的白砂岩偏平面曲线，构建了干燥和饱水状态下白砂岩的三维强度经验准则，白砂岩单轴破坏内部损伤严重，分布区域广，微裂纹多处集聚并沿多个方向发展，形成多条主控破裂面，三轴时内部损伤发展集中，分布区域窄，微裂纹集聚和发展方向单一，形成单一主控破裂面。所得成果对受地下水影响的岩体工程设计中岩体参数的合理选择具有实际指导意义。

压裂煤岩分区破坏能量耗散机理与应用

徐东, 邓广哲, 刘华, 郑锐, 肖乔

2021, 38(2):  404-410.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0005

摘要 ( 1234 )  

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针对陕北侏罗纪煤层非典型顶板冲击灾害和硬煤压裂软化等问题，基于断裂力学与损伤力学理论，建立了压裂煤层能量耗散力学模型，研究了压裂煤岩破坏过程中能量演化机理，分析了煤层顶板压裂对大采高工作面煤层分区破坏规律的影响。研究发现：压裂裂隙扩展耗散能与水压及煤层损伤程度成正比。煤层压裂能形成压裂裂隙区-塑性软化区-弹性区。煤层中压裂裂隙区、塑性软化区的形成增加了耗散能释放强度，而煤层弹性区是顶板弹性能蓄积的关键区域。进一步分析表明，切割工作面架后顶板弧三角区，可减缓大采高工作面端面顶板破坏释放的能量；有利于优化压裂煤体中压裂裂隙区、塑性软化区和弹性区的能量转化关系。基于水压致裂可增大煤体压裂裂隙区、塑性软化区的耗散能，降低弹性区的可释放弹性能，推导了压裂煤层钻孔间距弹性能判别式。最后，通过典型综采工作面的试验表明：压裂顶板悬顶长度减小11.6 m，煤层压裂弹性能释放6.63×104 J，煤岩软化系数降低24.5%~28.9%，块煤率提高18.4%，煤岩压裂实现了煤层的清洁高效无害化开采。

割煤截齿摩擦石英砂岩引燃(爆)煤壁短钻孔 涌出瓦斯的危险性研究

宋万新, 杨胜强, 张少华, 周全超, 蒋孝元, 桑乃文

2021, 38(2):  411-418.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0611

摘要 ( 1171 )  

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本文针对夹矸(石英砂岩)煤层的综采工作面，存在割煤截齿摩擦石英砂岩引燃(爆)浅孔抽放短钻孔涌出瓦斯的风险，以试验工作面为研究背景，通过Fluent数值模拟和MATLAB数据处理分析，研究了对采煤机滚筒后方浅孔抽放钻孔口周围瓦斯引燃危险区的分布规律，并在现场释放CO2模拟了钻孔瓦斯涌出的情况，测得的CO2体积分数分布与数值模拟结果基本一致。研究结果表明：当钻孔口处于采煤机滚筒后方不同位置时，其周围瓦斯引燃(爆)危险区的形状、大小及在钻孔口的分布方位都发生变化。随着钻孔瓦斯流量的增大，瓦斯引燃(爆)危险区的形状基本相同，面积增大，竖直长度随之线性增加；但在采煤机滚筒后方1 m这个最易引起爆炸的范围内，瓦斯引燃(爆)危险区的面积并不大，最大竖直长度为196 mm，如果在竖直方向将钻孔距石英砂岩的安全距离控制在392 mm以上，可以避免浅孔抽放短钻孔涌出瓦斯被引燃(爆)的风险。

瓦斯抽采长钻孔负压沿孔长衰减机制及 影响因素模拟研究

徐超, 王建文, 杜昌昂, 周爱桃, 王凯

2021, 38(2):  419-428.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0426

摘要 ( 1267 )  

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长钻孔具有抽采流量大、抽放时间长的优点，但是由于钻孔长度过长，在瓦斯流动过程中会有负压衰减，负压衰减对抽采效果有着重要影响。通过对瓦斯赋存和瓦斯运移的研究，结合对煤体进行受力分析，根据有效应力原理和吸附膨胀内向应变推导孔隙率和渗透率的演化方程，建立了煤层瓦斯扩散-渗流的模型，得到了计算钻孔内各区段沿程阻力损失的公式。采用COMSOL Multiphysics有限元分析软件针对影响抽采钻孔内负压衰减的因素进行了数值模拟，结果表明：初始瓦斯压力、初始渗透率、初始扩散系数、煤层厚度、钻孔间距与钻孔内的负压损失呈正相关；初始瓦斯压力、初始渗透率、初始扩散系数越大，孔口负压降低速度越快；随着煤层厚度、钻孔间距的增加，孔口负压降低的速度放缓；随着钻孔直径的增加，钻孔内的负压损失呈现出减小的趋势，且孔口负压随时间的降低速度也随钻孔直径的增加减慢。研究结果对于提高瓦斯抽采率以及煤矿安全生产具有一定的指导意义。