当期目录

2021年 第38卷 第3期    刊出日期：2021-05-15

上一期   

论文

急斜采动夹持岩柱能量异化特征及其调控方法

来兴平, 许慧聪, 陈建强, 刘旭东, 王泽阳, 单鹏飞, 崔峰, 常博, 刘昆轮

2021, 38(3):  429-438.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0415

摘要 ( 1481 )  

相关文章 | 计量指标

近年来，随着采深的逐渐增加，新疆乌鲁木齐矿区急倾斜采场围岩能量异常积聚诱发冲击地压问题愈发严重。通过对历史冲击事件及现场微震事件“能量-频次”分布特征进行致灾因素分析，发现夹持岩柱是采动影响下弹性能“蓄积-释放”的主要优势区域，微震能量大于105 J的事件中夹持岩柱占比为47%，B3+6煤层及其顶底板中分布了87%的微震事件和74%的大能量。基于现场勘查及物理相似模拟实验揭示了急斜层间夹持岩柱能量场演化规律：进入深部后微震事件向夹持岩柱区域集中，弹性能多以低能量微震进行释放。结合三维数值计算发现即将开采的+425水平B3+6工作面回采时冲击风险较高，此水平夹持岩柱存在明显的能量异常蓄积区；综合分析将330 m(+500水平)界定为南采区深部开采临界深度，并提出夹持岩柱能量场调控措施。现场监测发现当爆破孔间排距为10 m时，采动影响区域能量指标发生明显变化：日均微震能量下降了78.1%，日均微震事件数下降了62.1%，调控后103~104 J能量事件数明显减少，且微震事件分布更加分散，说明对夹持岩柱所进行的调控方案可以明显降低大能量微震事件及高集中应力，有效缓解了乌东煤矿南采区急倾斜煤层的冲击地压显现问题。

基于覆岩损伤本构模型的高强度开采参数 确定及减损效果评价

何祥, 张村, 赵毅鑫, 李全生, 韩鹏华, 陈见行

2021, 38(3):  439-448.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0064

摘要 ( 1396 )  

相关文章 | 计量指标

西部矿区属于生态本底脆弱的干旱半干旱地区，煤炭资源的高强度开采加剧了矿区生态环境破坏。通过选择合理的开采参数(采高、面长、推进速度)既能保证工作面回采效率，又能减弱煤层开采引起的覆岩变形破坏。为此，本文基于损伤力学构建采动岩体损伤的本构模型，定义了覆岩损伤度指标定量表征开采扰动覆岩三维空间损伤程度。以西部矿区上湾煤矿地质条件为背景，将损伤本构方程嵌入至FLAC3D数值模型，对比分析覆岩损伤度和导水裂隙带的面长和推进速度效应，建立覆岩损伤度与开采参数的定量关系并给出了12401工作面的合理开采参数：采高8.8 m，工作面长度为300 m，推进速度为13.47~20.58 m/d。同时，分析得出了推进速度对顶板损伤特征的影响机制：推进速度增加促使顶板抗拉强度升高，降低覆岩损伤程度。最后，利用不同推进速度情况下的相似模拟以及现场周期来压步距和地表裂隙发育特征实测结果验证了基于覆岩损伤度设计高强度开采参数的合理性。

大采高综采采空区条件下上行开采关键问题研究

孙闯, 闫少宏, 徐乃忠, 刘义新

2021, 38(3):  449-457.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0086

摘要 ( 1239 )  

相关文章 | 计量指标

为了给大采高条件下上行开采提供依据，首先采用理论分析法，推导出大采高综采工作面“部分平衡结构形成层位”平衡结构形成层位”的判别公式。其次以此为标志层，将上部煤层分为3种类型：当上部煤层位于“部分平衡结构形成层位”以下，上部煤层受到较大破坏，不可上行开采；当上部煤层位于“部分平衡结构形成层位”以上、“平衡结构形成层位”以下，上部煤层在一定程度上受到破坏，当其台阶错动量满足要求时，可上行开采其部分厚度；当上部煤层位于“平衡结构形成层位”以上，上部煤层受到的破坏较小，可以上行开采。最后用实例进行了验证。结果表明，文中所提出的大采高综采采空区条件下的上行开采可行性判别方法具有一定的准确性。

极近距煤层(群)共采类型划分 及夹层稳定性分析

王志强, 石磊, 武超, 吕文玉, 孙中文, 罗健侨, 黄鑫, 苏泽华

2021, 38(3):  458-468.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0533

摘要 ( 1360 )  

相关文章 | 计量指标

本文以官地矿极近距离8#和9#煤层为研究对象，针对矿井单一分层开采难以达到矿井生产能力、前期8#煤开采未铺网引起9#煤生产出现的顶板破碎以及矿井生产效率低等问题，提出一种采煤方法“近距煤层一次全厚开采巷道布置系统”(错层位巷道布置系统)进行工作面回采。工作面两端巷道，一个沿顶板布置，一个沿底板布置，利用沿顶巷道对夹矸厚度进行探测判断是否能够煤层群联合开采。对8#煤(顶煤)冒放性进行模糊性评价的结论表明顶煤能较好地放出。建立夹层力学模型分析，得到夹层厚度不大于2.5 m时利于顶煤冒放。对常规综放开采和错层位开采进行数值分析对比，认为错层位巷道布置在起坡段对夹层和顶煤造成更大破坏，并且在现场支架升降架的过程中对顶板夹层和顶煤会有更大的扰动作用，加速顶煤的冒放。综上所述，认为错层位开采从根本上改变两层煤之间的夹层的受力情况，更加利于极近距离煤层顶煤的冒放。

柱式采空区蹬空复采充填体高-强协调机制 及其临界高度研究

李竹, 冯国瑞, 朱卫兵, 宁杉

2021, 38(3):  469-478.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0615

摘要 ( 1294 )  

相关文章 | 计量指标

柱式采空区上层遗煤蹬空安全复采的关键在于确保底板煤岩柱的采动稳定性。针对山西朔州中煤金海洋煤业公司6#煤层蹬空开采底板煤柱易失稳诱发上行工作面垮塌的现象，提出地面注浆充填加固底板煤柱工程技术，借助于注浆充填固结体对底板煤柱形成的夹持作用，抑制底板煤柱采动裂缝扩展并提升其承载能力。综合采用数值模拟、理论分析和现场实测，研究不同强度及高度充填固结体夹持作用下底板煤柱采动裂缝及极限承载能力演化规律，并以裂缝数量和峰值强度为指标，定量表征不同强度和高度充填体对底板煤柱采动裂隙扩展的抑制效应和承载能力的强化效应，研究揭示不同充填体高度和强度的“高-强”协同作用及其底板煤柱增稳机制，据此确定柱式采空区注浆充填材料合理强度的配比方案及注浆充填体临界高度，即粉煤灰水泥比为2∶1的混合浆液、固结强度为4 MPa和高度至少为6 m的充填体。论文研究阐明了充填体强度和高度对底板煤柱的耦合增稳机制，可为蹬空安全复采下伏采空区注浆加固提供有益指导，对优质遗煤资源安全复采具有重要意义。

深部不规则孤岛煤柱区冲击地压机理及防治

薛成春, 曹安业, 牛风卫, 王学渊, 沈志平, 唐坤

2021, 38(3):  479-486.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0057

摘要 ( 1238 )  

相关文章 | 计量指标

针对某矿中央采区深部不规则孤岛煤柱区冲击地压防治问题，基于理论分析、数值模拟、现场实践等方法对煤柱区冲击地压机理进行研究，制定煤柱区煤岩强度弱化减冲方案。基于煤柱区空间覆岩结构特征，辨识不同煤柱尺寸下煤体支承压力分布形态，揭示深部不规则孤岛煤柱区煤体失稳冲击机理。研究表明，孤岛煤柱区在竖向剖面上为非对称“T”型覆岩结构，煤体应力多呈不对称“马鞍形”分布，煤柱为“高应力不规则孤岛煤柱”；模拟结果显示孤岛煤柱区支承压力呈不对称分布，煤柱区垂直应力峰值随工作面采空持续升高且逐渐向采区深部转移；制定煤柱区顶板深孔爆破、煤体大直径钻孔卸压的动静载力源降载释能防冲方案，降低了不规则煤柱区煤岩体应力水平，有效避免了深部不规则煤柱区冲击地压的发生。

超大采高综采工作面煤壁片帮机理及 多维防护措施研究

张金虎, 李明忠, 杨正凯, 李提建, 许永祥, 曾明胜, 辛家祥

2021, 38(3):  487-495.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0140

摘要 ( 1147 )  

相关文章 | 计量指标

针对超大采高综采工作面煤壁稳定性差、易片帮的问题，以榆林地区超大采高综采实践为基础对超大采高综采矿压显现规律和煤壁片帮特征进行了分析，建立了煤壁稳定性“π”形力学模型，分析了煤壁稳定性的影响因素，并结合金鸡滩煤矿8 m超大采高综采提出了煤壁稳定性多维防控措施。研究结果表明：超大采高综采来压强度高、持续时间长，支架载荷与采高呈正相关；基于液压支架、顶板和煤壁“π”形力学模型提出了垂向、走向和倾向多个维度提高煤壁稳定性的针对性防护措施，即通过增强支架工作能力、增大护帮防护面积和护帮力、提升供液速度的多维防护措施。通过建立8 m超大采高液压支架四连杆机构模型，完成了ZY21000/38/82D型超大采高强力液压支架骨架关键参数优化设计，实现了8 m超大采高工作面煤壁稳定可控，安全性大幅提高，在金鸡滩煤矿108工作面进行了工业性实验，工作面达到了日产6.16万t、月产153万t的生产水平。

深井软岩巷道群掘进扰动效应与控制技术研究

孟庆彬, 孙稳, 韩立军, 聂军伟, 张健, 王杰

2021, 38(3):  496-506.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0046

摘要 ( 1113 )  

相关文章 | 计量指标

在高应力作用下，巷道掘进时会对邻近既有巷道产生较大的扰动影响，引起先掘巷道围岩产生大变形而失稳破坏，且在反复扰动影响下深部软岩巷道群围岩稳定控制较为困难。以淮南矿区千米深井朱集西煤矿巷道群为研究背景，理论分析双圆孔及多圆孔周边的应力分布特征，计算得出巷道群间的理论间距。采用FLAC3D建立大型三维数值计算模型，揭示深部软岩巷道群布置方式(水平布设、斜交布设、交错布设)和开挖顺序(先中间后两边开挖、先两边后中间开挖、中间间隔开挖、从左到右开挖)等条件下围岩应力场、变形场及塑性区的分布规律，确定巷道群合理的布置与开挖方式。针对朱集西煤矿西翼11煤开拓巷道群围岩受扰动变形破坏特点，提出采用“锚网喷初次支护+预应力锚索加强支护+注浆加固”的锚网索喷注分步联合支护技术，保证软岩巷道群的长期稳定及使用安全，取得良好的围岩控制效果。

掘进巷道空顶板壳理论分析与 超越函数的数值解算及其验证

丁自伟, 李小菲, 张杰, 赵志强, 薛斌, 邸广强, 沈少康

2021, 38(3):  507-517.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0584

摘要 ( 943 )  

相关文章 | 计量指标

合理空顶距的确定对巷道安全高效掘进意义重大。采用理论推导计算与数值模拟相结合的方法，对不同空顶距离的掘进巷道围岩应力分布及塑性区演化特征进行分析，并提出安全合理空顶距离及支护优化设计。结果表明：掘进工作面超前煤体内部塑性区宽度与超越函数特征值呈负相关自然对数关系，当特征值为0时，塑性区最大宽度为2.02 m；推导所得公式中煤层埋深、巷道断面尺寸及煤岩物理力学参数是影响塑性区数值大小的主要因素；受载矩形薄板最大跨度取决于薄板中心处拉应力大小，拉应力与直接顶抗拉强度比值大于1，顶板发生力学破断；掘进工作面超前煤体应力场遵循非均匀连续性且在模型固支边逐渐增大的特征规律，模拟结果印证了4.71 m计算结果为极限空顶距离，此时顶板未发生破断；在保证井下作业安全的前提条件下，确定4.0 m为空顶距离，提高综掘效率，加快成巷速度，缓解采掘接替紧张。

采动巷道复合顶板离层破坏机理与预测方法

贾后省, 潘坤, 刘少伟, 张立文, 范凯, 牛宗涛, 卓军, 王强

2021, 38(3):  518-527.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0369

摘要 ( 1049 )  

相关文章 | 计量指标

复合顶板产生的离层破坏对巷道顶板整体稳定性起着较大的控制作用，针对巷道离层破坏机理不明、难以预测等问题，以赵固一矿复合顶板回采巷道为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场探测和现场工程试验等综合研究方法，揭示巷道复合顶板离层破坏机理，获取不同软弱岩层位置和不同应力环境条件下的顶板离层区分布特征。结果表明：采动巷道塑性区最大深度通常朝向顶板，形成深度较大的塑性破坏影响区，当塑性破坏影响区内含有软弱薄层，顶板深部软弱薄层即出现塑性压剪破坏，工程上表现为顶板离层现象。据此，提出巷道复合顶板离层破坏预测方法并开发配套系统软件，可为巷道复合顶板整体稳定性控制与冒顶预警提供基础依据。

基于超声波实测的巷道围岩裂缝扩展和 强度演变规律研究

杨旭旭, 吴岳, 靖洪文

2021, 38(3):  528-537.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0150

摘要 ( 1264 )  

相关文章 | 计量指标

基于对山东郓城煤矿巷道围岩体超声波波速的现场持续测试，研究巷道围岩体在开挖过程中裂缝扩展形式及其对围岩强度演变的影响。研究成果表明，巷道围岩体在开挖卸荷和应力分布不断调整的过程中，根据破裂区形成的时空效应，可将巷道围岩体由浅至深分为快速破裂区、渐进破裂区和稳定区。渐进破裂区的动态变化反映了巷道围岩体裂缝扩展的过程，即围岩体的破坏主要以裂缝扩展的单源破裂形式和双源破裂形式进行，且双源破裂是2个或多个破裂源共同作用的结果。围岩的双源破裂增大了围岩体强度衰减的程度，其强度演变曲线与传统研究成果存在一定差异，通过采用FLAC3D软件对强度衰减与不衰减模型进行对比，发现衰减模型后期应力环境更差，围岩承载力弱，对于认识巷道围岩强度分布规律和巷道围岩稳定性控制具有指导意义。

考虑岩石流变及应变软化的 深部巷道围岩变形理论分析

经纬, 郭瑞, 杨仁树, 经来旺, 薛维培

2021, 38(3):  538-546.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0463

摘要 ( 1306 )  

相关文章 | 计量指标

为深入探究岩石流变作用下巷道围岩变形分区机理及弹塑性理论解，基于巷道围岩在流变作用下所能承受的最大应力值应为岩石的长期强度这一重要特性，结合岩体峰后应变软化及扩容特性，推导出巷道围岩四分区应力、位移及半径解析解，并揭示黏聚力软化模量与内摩擦角及初始黏聚力之间的量化关系。通过算例验证该理论的可行性，并分析流变作用下不同围岩力学性质对巷道围岩各分区范围及变形的影响规律。研究表明：围岩流变特性对初始黏聚力的确定有重要影响，考虑流变影响时选取的初始黏聚力与不考虑流变时相比明显偏小；围岩各分区半径随初始黏聚力、内摩擦角增大而减小，因此考虑流变作用时围岩承载能力将明显降低；内摩擦角对围岩各分区范围的影响随着初始黏聚力增大而不断减弱；流变特性对巷道围岩变形的影响随着内摩擦角减小而不断增强。研究成果可为巷道围岩稳定性控制及支护参数量化设计提供理论借鉴。

大采高工作面煤柱扰动下 巷道冲击机理及优化设计

许旭辉, 何富连, 李晓斌, 吕凯, 何常西, 李亮

2021, 38(3):  547-555.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0320

摘要 ( 1213 )  

相关文章 | 计量指标

以所研究矿井1-2，2-2煤层大采高开采工程地质条件为背景，以遗留煤柱下2-2煤层22306平巷大变形破坏为主线，通过理论分析和数值计算研究大采高工作面煤柱扰动下底板巷道冲击机理。结果表明：煤柱底板应力与煤柱所承受载荷有关，而采高是影响煤柱支承压力的主导因素，煤柱支承压力随采高的增大而增大，导致底板固定点的应力升高，对底板的影响范围和程度增加；构建煤柱效应下底板冲击理论模型，并对冲击过程进行分区，得出底板最大影响深度达到46.6 m，对2-2煤层的开采有显著影响；数值计算工作面不同采高条件下煤柱支承压力变化及其对底板的效应，并验证了数值计算与理论计算是相吻合的；综合确定了巷道的合理位置与上层煤柱错动30 m布置，得出巷道布置不仅与高、低应力区的分界线有关，还与主应力比值造成的围岩应力环境是否平衡有关。

冲击载荷下锚杆护表构件力学响应规律研究

何杰, 吴拥政, 付玉凯

2021, 38(3):  556-564.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0538

摘要 ( 1322 )  

相关文章 | 计量指标

为了揭示锚杆护表构件的抗冲击力学性能，从而为冲击地压巷道锚杆支护中护表构件的选择提供设计依据，采用落锤冲击试验装置开展煤矿常用托盘及其组合构件力学响应试验研究，分析护表构件的冲击力及变形特征。托盘冲击力时程曲线呈现急剧震荡加载、震荡稳载和迅速卸载3个阶段，冲击力以波动的形式围绕冲击力均值上下浮动；冲击力峰值随托盘面积增大而降低、随高度增加而增大。随着冲击能量增加，托盘冲击力峰值和均值均呈增大趋势，明显高于静载下托盘承载力，而锚索和锚杆托盘作用时长变化呈相反趋势，单次落锤冲击下托盘作用时长均不超过8 ms。低能量循环冲击下，托盘承载力趋于稳定，最终承载力随单次循环能量增加而增大，拱位移随循环次数呈线性增加。总冲击能量恒定时，低能量循环冲击下托盘最终承载力低，总变形量小。锚杆托盘与W钢护板组合构件冲击力时程曲线对称性好、作用时程长、震荡幅度弱，且总变形量小，抗冲性能优于单一托盘，表明W钢护板能够起到降低冲击震荡幅度、改善组合构件承载特性的作用。试验获得煤矿常用托盘抗冲能量值，抗冲能量高低与托盘拱部结构有关，由其拱厚度、拱高和面积决定。

基于DSCM的深埋软岩隧道围岩变形与 松动圈演变规律试验研究

李元海, 刘德柱, 孟庆彬, 刘金杉, 杨硕

2021, 38(3):  565-574.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0031

摘要 ( 1276 )  

相关文章 | 计量指标

针对深埋软岩隧道围岩变形破裂过程再现与松动圈识别的难题，采用作者独立开发的基于DSCM(数字散斑相关方法)的变形量测软件系统PhotoInfor，利用自主研制的基于电机双轴加载的中小型隧道物理模拟试验系统，对深埋软岩隧道的变形与破裂规律进行试验研究。结果表明：在高围压(0.432~0.848 MPa)条件下，隧道破坏面呈以隧道为对称中心的“X”型破裂分布，拱腰围岩出现“V”型剪切楔和剥落现象，拱顶出现类似塌落拱的结构形式；隧道围岩变形速率在不同围压条件下表现出明显差异性，与低围压(0.224~0.432 MPa)条件相比，在高围压(0.432~0.848 MPa)条件下围岩变形速率明显加快，变形量占比大；提出的基于DSCM的松动圈识别方法，揭示了围岩松动圈发展的时空演化规律。

稳压条件下煤体稳定特性 钻孔倾角效应的试验研究

林海飞, 刘思博, 李树刚, 双海清, 孔祥国, 陈晨, 肖鹏, 徐培耘

2021, 38(3):  575-583.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0443

摘要 ( 1422 )  

相关文章 | 计量指标

为研究不同钻孔倾角对煤体稳定特性的影响，应用三维全场应变测量分析系统(XTDIC)和声发射监测系统，开展稳压条件下无钻孔及钻孔倾角为0°，10°，20°，30°的型煤单轴压缩试验，分析了不同钻孔倾角试件强度特征、变形破裂特征及其对煤体稳定性的影响机理。结果表明：增大钻孔倾角对试件抗压强度、弹性模量有不同程度劣化作用，与无钻孔试件相比，劣化率最大达33.92%；根据试件加载过程中的声发射特征参数与加载时间的关系，将其划分为初始加载、稳压、峰前弹塑性和峰后应变软化4个阶段，随着钻孔倾角的增大，声发射计数与能量的增长速率逐渐减小；试件钻孔周围破坏形态呈偏“Y”状，30°倾角钻孔试件的损伤变量曲线出现明显台阶式递增现象；试件变形破坏过程是能量积聚与耗散的过程，随钻孔倾角增大，弹性应变能、耗散能、总能量、能量耗散率均减小；该研究指导了贵州某矿本煤层预抽钻孔布置，利用定向钻机尽可能保证钻孔轨迹为水平，钻孔稳定性较高，瓦斯抽采效果良好。

ANN-PSO-GA模型在湿喷混凝土强度预测及 配合比优化中的应用

韩斌, 吉坤, 胡亚飞, 姚松

2021, 38(3):  584-591.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2019.0424

摘要 ( 1190 )  

相关文章 | 计量指标

为了实现对湿喷混凝土强度的高精度预测及其配合比的智能精细化选择，本文建立了一种新型的ANN-PSO-GA模型。首先采用粒子群算法(PSO)对人工神经网络(ANN)进行优化，实现其对湿喷混凝土强度的高精度预测。然后将训练好的ANN-PSO模块联合给定工程条件作为目标函数，利用遗传算法(GA)进行寻优，即可得到满足该目标下的最优配合比。研究结果表明：以金川二矿区支护为例，该模型对该矿湿喷混凝土强度预测的平均相对误差MRE为2.755%，可决系数R2为0.980。通过联合矿山精准支护需求，仅用时约4分11秒就寻优得到符合C15，C20，C25，C30强度标准的湿喷混凝土最佳配合比，并且经过强度实验与流动性实验检验，均符合该矿标准。本模型的成功应用不仅极大地提高了该矿湿喷混凝土强度确定的效率，还使之前依靠实验摸索的配合比寻优工作变得更加智能化、精准化。

颗粒尺寸及倾角对渗流水压力分布的影响研究

韩流, 舒继森, 尚涛, 杨国宇, 陈涛, 李胤达, GERSON S V Tovele

2021, 38(3):  592-601.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0563

摘要 ( 1156 )  

相关文章 | 计量指标

为了研究颗粒尺寸及渗流倾角对水压力分布的影响规律，基于水力学基本原理，推导出了结构面渐进贯通过程中的静水压力以及多孔介质连续渗流过程中的渗透力计算方法，揭示了颗粒结构、倾角与水压力的函数关系。设计单因素渗流试验方案，分别以颗粒尺寸和渗流倾角为自变量，以压力水头为因变量，进行了9组循环渗流试验，测定了沿程压力水头。结果表明：渗透力未改变石子、中沙的颗粒排布结构，造成了细沙渗流路径上13#水头管位置出现流沙沉降。沿程压力水头在石子、中沙内部分别呈“直角三角形”和“等腰三角形”分布，在细沙内部则呈现连续增长+骤降+水平波动+连续下降的分布规律。峰值压力水头分别出现在石子渗流路径的终点、中沙渗流路径的中点，以及细沙压力水头骤降区的起点。石子、中沙渗流的峰值压力水头∆hmax与β，sin β均符合良好的线性关系，细沙渗流的峰值压力水头与倾角符合二次函数关系。散体介质过流断面与底板出水孔透水能力的相对大小是决定压力水头峰值和分布规律的关键因素。

多煤层联合水压裂缝扩展规律应用研究

康向涛, 江明泉, 黄滚, 吴佳楠, 唐猛, 王子一

2021, 38(3):  602-608.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0586

摘要 ( 1259 )  

相关文章 | 计量指标

为进一步研究多煤层联合水压裂缝扩展规律，采用物理相似模拟实验和工程试验相结合的方法，进行地应力作用下2个煤层联合压裂的试验研究。结果表明：1) 模拟煤层与煤岩体水力压裂具有相似的特性，水压裂缝为垂直缝，裂缝沿垂直于最小水平主应力方向扩展，沿平行于最大主应力方向延伸；2) 在2个煤层的联合压裂过程中，水压裂缝可以在2个煤层中扩展延伸；3) 多煤层的石门揭煤实施联合水力压裂后，相比未进行水力压裂的石门揭煤，其平均瓦斯抽采体积分数提高了83%，平均瓦斯抽采纯量提高1.4倍，瓦斯平均单孔抽采纯量提高约1倍，压裂后的石门揭煤时间比未压裂的揭煤时间缩短了43 d，实现了石门的快速揭煤。

基于LS-DYNA与PFC联合的岩体爆破 数值模拟方法分析

吴再海, 安龙, 齐兆军, 寇云鹏, 李宝石

2021, 38(3):  609-614.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0133

摘要 ( 1488 )  

相关文章 | 计量指标

岩体爆破过程中，爆炸应力波的加载率大，而爆生气体的加载率小，导致在炸药爆炸过程中爆炸应力波和爆生气体的作用时间存在明显不同。依据这一认识将岩体爆破过程分为2个阶段，即“动压作用”阶段和“准静压作用”阶段。基于LS-DYNA和PFC程序，建立了改进的岩体爆破离散元模拟方法。采用PFC程序建立岩体模型，实现岩体破裂、抛掷的模拟；采用LS-DYNA动力有限元程序获得炸药爆炸所产生的爆炸应力波，实现动压作用过程的模拟；采用Weibull分布函数建立爆生气体压力加载曲线，实现准静压过程的模拟。以山东黄金某金矿为依托，采用该方法开展单自由面球状药包爆破模拟，分析了爆破过程中的裂纹产生、发展过程以及速度场的演化规律，并开展了现场爆破漏斗试验，试验结果表明采用该方法所得到的数值计算结果与现场爆破试验结果相吻合，验证了本文所提出的岩体爆破模拟方法的可行性与合理性。

CNL和CNS边界条件下砂岩宏细观剪切力学特性

尹乾, 靖洪文, 孟波, 刘日成, 吴疆宇, 吴应杰

2021, 38(3):  615-624.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0203

摘要 ( 1549 )  

相关文章 | 计量指标

岩体的剪切力学特性和变形破裂机制对围岩稳定性控制意义重大。本文首先通过恒定法向荷载(CNL)和恒定法向刚度(CNS)边界条件下砂岩的宏观剪切试验，揭示了初始法向应力对砂岩峰值剪切强度、法向应力、剪胀变形及声发射响应特征的影响；然后基于PFC2D颗粒流数值模拟研究了不同边界条件下砂岩剪切过程中细观裂纹扩展、颗粒位移场演化、变形破裂过程及剪切速率效应。结果表明：随着初始法向应力的增加，砂岩峰值剪切强度及残余剪切强度均线性增大，且与CNL相比，CNS边界条件下峰值剪切强度增加了46.57%~307.84%、黏聚力增加了85.09%而内摩擦角减小了10.38%；法向位移整体上经历了剪缩、快速剪胀和缓慢剪胀过程，且随着裂纹扩展贯通形成剪切滑移面，声发射活动异常激烈；不同边界条件下砂岩细观裂纹演化过程和破裂机制存在显著差异，剪切过程中裂纹总数呈现“平静-快速增加-增幅降低-趋于稳定”的变化特征，且与CNL相比，CNS边界条件下裂纹总数增加了19.66%~89.20%；随着剪切速率的增加，砂岩峰值剪切强度呈现指数型减小趋势，且CNS边界条件下剪切速率效应更加显著。

切顶卸压沿空留巷回采工作面Y型通风 漏风规律研究

王炯, 刘鹏, 姜健, 孙政

2021, 38(3):  625-633.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0565

摘要 ( 1219 )  

相关文章 | 计量指标

为研究切顶卸压沿空留巷下Y型通风漏风规律，以发耳矿31004工作面为工程背景，提出标定界限法测量采空区碎胀系数，推导出采空区多孔介质模型孔隙率及渗透率分布规律；结合FLUNET数值模拟软件，对不同Y型通风模式、不同风量及不同留巷长度下Y型通风风流场分布规律及漏风情况进行分析。相同配风量下，“两进一回式”Y型通风模式下的采空区“三带”范围比“一进两回式”Y型通风模式小，后者自燃带范围大。不同风量下，“两进一回式”Y型通风工作面端部10 m范围、留巷侧30~100 m范围漏风严重，且留巷侧、机巷侧“三带”范围(除窒息带外)随总配风量的增大而增大，但沿空留巷侧散热带、自燃带范围均比不留巷侧要大，其窒息带比不留巷侧更靠近采空区深部，要重点加强留巷侧“三带”范围控制。留巷长度小于等于100 m时，由于采空区内部冒落矸石未压实，工作面及留巷侧漏风严重，反之，漏风量很小或基本不漏风。

近距离突出煤层群水力冲孔卸压瓦斯抽采 及效果评价研究

曹佐勇, 王恩元, 何学秋, 汪皓, 刘泉霖, 张光辉, 罗飞, 王聪, 徐佑林

2021, 38(3):  634-642.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0206

摘要 ( 1227 )  

相关文章 | 计量指标

为高效评价近距离突出煤层群水力冲孔卸压瓦斯抽采效果，基于弹性力学、渗流力学和Klinkenberg效应等理论，建立了包含煤岩变形、瓦斯运移、孔隙率和渗透率演化数学方程的低透气性含瓦斯煤气固耦合模型，采用COMSOL Multiphysics数值模拟软件模拟分析了近距离突出煤层群水力冲孔钻孔周围煤体瓦斯压力与孔径之间的时空演化规律；基于质量守恒定律建立了近距离突出煤层群瓦斯抽采有效影响半径理论计算公式，并在贵州盘江煤电集团公司松河煤矿进行了工程试验及应用。得到以下结论：1) 水力冲孔后，近距离煤层群各煤层的瓦斯抽采变化规律基本同步，水力冲孔的孔洞半径越大，影响半径越大，瓦斯抽采效果越好；2) 现场试验结果显示，水力冲孔显著地改善了煤层瓦斯卸压抽采效果，且距离水力冲孔的孔洞越近，增透与卸压效果越好，瓦斯抽采体积分数和流量越大，考察孔对比结果确定了松河煤矿水力冲孔卸压抽采70 d的有效影响半径为4~5 m；3) 将现场数据代入近距离突出煤层群瓦斯抽采有效影响半径理论公式中，得到的结果与数值模拟结果近似表明该理论公式的可行性。研究结果对近距离低渗透煤层群的瓦斯治理及效果评价具有良好的指导意义。