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2021年 第38卷 第4期    刊出日期：2021-07-15

上一期   

论文

非等宽复合柱采区中部遗煤开采可行性分析

冯国瑞, 杨文博, 白锦文, 王凯, 崔博强, 毋皓田, 史旭东

2021, 38(4):  643-654.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0082

摘要 ( 1373 )  

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选取非等宽复合柱采区中部遗煤的开采为研究对象，采用数值模拟、相似模拟和理论分析相结合的方法，从遗留煤柱稳定性、围岩应力分布环境及岩体结构稳定性3个角度出发，系统分析了非等宽复合柱采区中部遗煤开采的可行性。结果表明：复合采动影响下残采区遗留宽煤柱的稳定性强于窄煤柱，中部遗煤开采过程中超前支承压力会与遗留煤柱内集中应力相互叠加，导致窄煤柱发生超前失稳，并强化宽煤柱的应力集中程度。复合柱式开采后采场会形成“遗留煤柱-上位控制层”倒置连续梁岩体结构和“下位承载层-遗留煤柱”连续梁岩体结构。中部遗煤开采过程中，上位层间岩层中的“控制层”结构会逐步发生破断失稳，尤其在通过宽煤柱时会发生切落式失稳，引发“遗留煤柱-上位控制层”倒置连续梁耦合承载结构的破坏，并导致强矿压显现；“下位承载层-遗留煤柱”连续梁耦合承载结构在中部遗煤开采过程中能够保持整体稳定。晋华宫煤矿非等宽复合柱采区中部遗煤开采可行性良好，当工作面通过复合柱采区重叠式遗留煤柱对应的高应力区域时，需要采取柱旁充填、煤柱预裂或切顶卸压等超前防控技术来削减采场强矿压。本研究可以为非等宽复合柱采区中部遗煤的安全高效开采提供良好的理论支持。

8.8 m支架超大采高工作面矿压规律及覆岩破断结构研究

杨俊哲, 刘前进, 徐刚, 张震

2021, 38(4):  655-665.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0083

摘要 ( 1437 )  

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针对8.8 m支架超大采高工作面矿压显现强烈而顶板活动规律不明的问题，以神东上湾煤矿12401工作面为研究对象，采用矿压大数据分析手段研究了8.8 m支架超大采高工作面矿压显现规律，采用微震监测、顶板深基点位移监测、数值模拟、理论分析等综合手段研究了工作面覆岩运移破断结构特征，并通过分析二者的时空关系，研究了覆岩破断对工作面矿压显现的作用机理。研究结果表明：12401超大采高工作面具有周期来压步距短、来压持续时间长、动载矿压强烈、来压急增阻、非来压恒阻或缓增阻等浅埋采场矿压显现的典型特征，工作面矿压显现与埋藏深度有显著的正相关性，在埋深180 m以浅，工作面存在大小周期来压的现象。工作面上覆岩层存在高位主控岩层和低位主控岩层(基本顶)2个主控岩层，高位主控岩层以下、直接顶以上顶板运动受低位主控岩层控制，呈整体性切落破断运动特征，在垂直方向形成“切落体”结构形式；切落破断后的块体依靠破断面之间的挤压力和滑动摩擦力作用，处于缓慢的滑落下沉状态，在水平方向形成“挤压平衡拱”结构，进而提出了8.8 m支架超大采高工作面“切落体+挤压平衡拱”结构模型。论文分析了“切落体+挤压平衡拱”结构的特征及形成条件，得出了8.8 m支架超大采高工作面近、远场顶板结构失稳与采场大小周期来压的内在联系及作用机制，给出了维持采场顶板稳定所需的支架工作阻力。

初撑阶段的支架位姿与驱动千斤顶一一映射及调整策略

胡相捧, 刘新华

2021, 38(4):  666-677.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0158

摘要 ( 1185 )  

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基于初撑阶段液压支架对围岩控制的重要性，提出了依据立柱的伸长量由谁主导承担和支架阻力变化将初撑阶段划分为3种情形和3个细分阶段，理论分析了支架位姿与推移机构之间的约束关系以及与驱动千斤顶的映射关系，通过坐标变换构建了三机设备位置关系的数学描述，并采用数值计算和试验方法研究了支架位姿的调整策略。结果表明：推移机构不会约束底座向采空区方向的运动；支架位姿与驱动千斤顶的一一映射必须在同一底座偏转角下才能成立；支架在初撑阶段主要发生顶梁偏转、底座偏转及水平运动，顶梁偏转可通过平衡千斤顶调节，底座偏转可通过立柱调节；底座下陷、支架整体向煤壁倾斜、采煤机仰采是造成三机配套关系失稳的关键因素。研究结果为实现支架位姿的自动控制提供了理论基础，对于坚硬顶板和松软底板的地质条件，适当加大梁端距能够有效避免采煤机与支架的干涉。

采场覆岩破断与应力演化的梁拱二元结构及岩层特性影响机制

娄金福

2021, 38(4):  678-686.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0456

摘要 ( 1546 )  

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长壁采煤方法在我国井工煤矿得到了广泛应用，其回采过程伴随着覆岩运移破断与采动应力演化的耦合作用过程。针对这一伴生性科学问题，以典型地层的采场覆岩为例，揭示了采动应力场宏观形态的演化特征及产生机理，阐释了厚硬岩层对于宏观应力场演化的影响机制。研究结果表明，覆岩破断表现为梁拱二元结构，即：上覆岩层破断后块体堆积形态外表似梁，而以裂隙带为代表的覆岩呈应力拱式传力机制，无论是破断前还是破断后，以关键层为代表的厚硬岩层都是采动应力场内重要的承载骨架。究其原因，一是岩层内部主应力迹线呈拱形分布特征；二是同步弯曲的岩层组内各岩层的弯矩、最大弯曲正应力均与岩层自身的厚度、刚度呈正比关系，故此关键层等厚硬岩层的受力明显高于厚度小、刚度低的邻近岩层，致使其破断前后形成拱形、反拱形等主体承载结构，对覆岩运移破断及采场矿压显现有显著影响。

煤矿井下仰斜群孔疏水数值模型构建与涌水分析

赵春虎, 王皓, 王世东

2021, 38(4):  687-694.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0262

摘要 ( 1431 )  

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为构建煤矿井下仰斜群孔疏水数值模型，提出了疏水含水层与仰斜疏水钻孔的水文地质模型的概化方法，建立达西非稳定流数学模型和定解条件以刻画仰斜疏水钻孔涌水时变衰减过程，采用COMSOL有限元三角四面体单元剖分方法构建出含水层与钻孔复合刻画的仰斜群孔涌水数值模型。并模拟分析了彬长矿区某采煤工作面在不同仰斜钻孔数和钻场间距条件下群孔涌水规律，模拟结果显示，随着钻孔数目和钻孔覆盖范围的增加，疏降水头高度影响范围增加明显，钻场和单孔稳定涌水能力减少明显，涌水量衰减速度相对增大，其似稳定周期变化不明显；随着钻场间距的增加，疏降水头高度影响范围增加明显，钻场和单孔的稳定涌水能力增大，涌水量衰减速度相对减小，似稳定周期似稳定周期变化不明显。论文研究成果为顶板水害科学钻探疏放治理实践具有指导意义。

采动覆岩裂隙场三维形态特征及其渗透特性研究

张礼, 齐庆新, 张勇, 赵晶, 王栓林, 刘桂凤

2021, 38(4):  695-705.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0201

摘要 ( 1414 )  

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采动覆岩裂隙场形态及其渗透特性的研究是防治矿井顶板水害和抽采卸压瓦斯的基础。本文综合3DEC模拟结果和前人研究成果，初步构建了“采动裂隙环形体”三维模型及其边界判别方法；结合水力学中裂隙岩体渗透率的求解方法构建了裂隙场渗透率计算模型，并通过现场实测对回风环体的渗透率进行了间接求解。研究结果表明：“采动裂隙环形体”以离层率3 mm/m为内边界，以水平变形指标5 mm/m为外边界，以断裂带最大高度为上边界；环体-垮落带的渗透率应使用Blake-Kozeny公式求解，环体-断裂带的渗透率应使用立方定律求解。实测结果表明：回风环体-垮落带的渗透率为4.43×10-5~2.77×10-4 m2；回风环体-断裂带的渗透率为3.81×10-8~3.01×10-5 m2；回风环体-断裂带渗透主方向与回风巷走向近似一致。

深孔顶板预裂爆破与定向水压致裂防冲适用性对比分析

赵善坤

2021, 38(4):  706-719.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0119

摘要 ( 1452 )  

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针对厚硬顶板条件下冲击地压防治技术选择的难题，围绕深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂防冲原理、现场应用类型及主要影响因素进行了系统分析，并对二者在同一工况条件下的防冲效果和工程施工效率进行了对比。研究表明：深孔顶板预裂爆破和顶板定向水压致裂都是以破坏顶板完整性，使其不具备积聚弹性变形能为目的，实现冲击地压的防控。在相同布孔方式下，爆孔间距越小，爆破应力波产生的mises有效应力作用范围越集中，能量衰减速度越慢，岩石破碎塑性区以及裂隙区扩展范围越大，爆破预裂效果越好。在等围压条件下，随着预制裂缝角度的增加，压裂孔裂纹失稳扩展压力表现为先增大后减小的趋势；随着预制裂缝长度的增加，压裂孔起裂压力和裂纹失稳扩展压力均逐渐减小；随着天然裂隙夹角的增大，爆孔预制裂缝起裂压力变化不大，裂纹失稳扩展压力呈现先降低后升高变化趋势。当工作面在顶板定向水压治理区域推采期间，微震事件明显减弱，回风平巷围岩应力显著降低，巷道变形量也明显减小。同时，深孔顶板定向水压致裂在顶板控制效果、现场施工效率、工程量、限制条件以及施工安全性等方面，均优于深孔顶板预裂爆破技术，但深孔顶板预裂爆破技术具有组织时间短、防冲效果见效快的特点，适用于冲击危险区域的应急解危。

鄂尔多斯矿区典型厚顶宽煤柱采场冲击地压机理

郭文豪, 曹安业, 温颖远, 薛成春, 吕国伟, 赵乾

2021, 38(4):  720-729.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0460

摘要 ( 1311 )  

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以门克庆煤矿3102工作面为背景，对多层厚顶板宽煤柱采场冲击地压诱发机理、冲击显现规律展开研究。研究结果表明：多层厚顶板具有近场关键层竖“O-X”、远场关键层横“O-X”破断特征及“分步异化”的周期来压规律；宽煤柱应力随3102工作面推进由非对称马鞍形逐步演化为单峰形；工作面超前区域及宽煤柱受支承压力叠加影响静载应力很高，为冲击高危险区域；当关键层破断释放能量与宽煤柱煤体积聚的弹性能叠加超过其承载极限，将诱发临空巷道冲击显现；现场多层厚顶板大周期、中周期及小周期来压步距分别为141.6 m，43.2~49.6 m，17.6~27.2 m，大周期来压期间微震能量、频次及支架工阻增量最高，微震空间分布与高静载应力区域重合，理论分析与现场实际相符。

沿空巷道动力显现影响机制与防治技术研究

韩刚, 窦林名, 张寅, 李旭东, 王黔, 吕玉磊

2021, 38(4):  730-738.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0181

摘要 ( 1301 )  

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围绕鄂尔多斯深部矿井沿空巷道动力显现特点，结合现场实测数据分析沿空巷道覆岩空间破裂与采动应力场关联性及其对动力显现的影响，明确诱冲主因，制定针对性防治措施并进行实践验证。研究结果表明：回风巷近距离沿空侧覆岩破裂产生的动载为沿空巷道动力显现诱冲主因；沿空巷道顶板以上2~6.9 m厚度为4.9 m的粉砂岩层, 顶板以上7.7~12.1 m厚度为4.4 m的砂质泥岩层，顶板以上29.2~34.5 m的粉砂岩、细砂岩组，顶板以上45.4 m厚度为8.8 m的细砂岩层为沿空巷道动力显现影响层位。通过基于沿空侧覆岩爆破区域微震分布特征的顶板预裂爆破效果分析，揭示顶板预裂爆破减冲作用机制。顶板预裂爆破实践应用效果证明了致灾因素分析及针对性防治措施的有效性。

超长工作面过大断面平行空巷充填支柱支护技术研究

王成, 王䶮, 熊祖强, 王春

2021, 38(4):  739-748.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0407

摘要 ( 1151 )  

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针对厚煤层强矿压超长工作面过大断面空巷问题，通过力学模型分析和室内试验，综合开展充填支柱支护技术研究。根据工作面过大断面空巷顶板的活动规律，建立充填支柱支护空巷基本顶超前破断模型，分析得充填支柱的合理支护强度为4 380 kN/m；不同让-承结构比例充填支柱承载性能试验表明，让-承比例对充填支柱承载性能影响显著，高阻让抗特征随着让-承比例增大明显减弱，充填支柱合理的让-承比例应不超过1∶14。最后设计并实施大断面平行空巷的充填支柱支护方案，保障超长工作面安全快速地通过空巷，为相似地质条件的空巷治理提供较强的经验借鉴。

考虑支护作用的巷道围岩塑性区边界方程及应用

王卫军, 韩森, 董恩远

2021, 38(4):  749-755.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0488

摘要 ( 1333 )  

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结合Mohr-Coulomb强度准则，推导考虑支护力作用下的非等压圆形巷道围岩塑性区边界方程的近似解，通过理论分析和数值模拟，得出支护阻力对巷道围岩塑性区范围和形态的影响作用。研究表明：在现有支护条件下，支护阻力能够使浅部低应力巷道围岩塑性区范围有一定程度的减小，特别是对于双向主应力比值较大情况下浅部巷道围岩塑性区呈现的蝶形扩展，支护阻力能起到较好的抑制作用；而对于深部巷道，现有支护阻力对减小其塑性区半径的作用不大，难以阻止深部巷道的大变形，支护对于深部巷道的作用在于阻止巷道围岩的破裂。深部巷道围岩控制，应由“变形控制” 向“结构稳定控制”理念转变，以改善巷道围岩应力环境和围岩力学性能为主要途径，以预留变形和控制非连续变形为主要方法，尽量保证巷道围岩结构稳定、完整，满足使用要求。

深部巷道平顶稳定性分析及返修控制研究

潘锐, 王雷, 蔡毅, 王凤云, 黄厚旭, 许硕, 张皓杰, 张朋

2021, 38(4):  756-765.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0356

摘要 ( 1092 )  

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针对圆弧平顶这类极少出现的特殊巷道断面力学特性不明，原支护方案及一般返修方案无法满足围岩稳定控制要求等问题，基于极限分析理论建立相应的巷道顶板力学模型，算例分析不同参数对顶板稳定性的影响规律；根据巷道不同地段现场变形破坏情况，针对性地提出“不同地段分区控制，关键部位加强支护，破碎围岩注浆加固，极端条件联合支护”的返修控制对策，设计相应的返修方案并进行现场应用。研究结果表明：采用注浆加固等措施提高岩体力学参数，改进主动支护构件强度或者采用高强高刚的被动支护构件提高支护阻力，均能有效提高巷道圆弧平顶的稳定性。基于现场巷道变形破坏情况，将返修地段划分为严重破坏区、一般破坏区、局部破坏区和潜在破坏区，对严重破坏区设计联合支护返修方案，巷道控制效果显著，最大变形量没有超过40 mm；其他返修区段采用注浆加固后，除个别地段变形稍大外，基本控制在50 mm以内，总体上满足使用要求。研究成果可为类似巷道支护设计及返修提供指导与参考。

坚硬顶板切顶成巷结构演化与稳定控制机理

杨红运, 李勇, 刘延保, 曹树刚, 潘瑞凯, 王辉, 王波, 陈相, 赵小龙

2021, 38(4):  766-773.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0344

摘要 ( 1361 )  

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为深入了解坚硬顶板切顶成巷结构演化过程及稳定控制机理，采用物理试验、连续-非连续介质模拟试验、力学分析开展研究。结果表明：切割顶板在采空区侧形成长悬臂梁结构，切割端首先旋转下沉，未切割端首先破断，当切割端顶板触底后，切割顶板沿中部断裂；切顶扰动对采空区顶板结构的影响主要集中在切割顶板岩层，对上覆岩层结构影响较小；切割顶板在巷道上方形成短悬臂梁结构，进一步变形后在煤体深部产生垂直张拉裂缝，然后向采空区旋转变形，并与采空区垮落切割顶板接触，形成平衡结构；切顶高度及切顶角参数对平衡结构的力学作用有较大影响，当切顶角增加到一定值时，平衡结构关键点之间的作用力比较接近，可满足不同部位的顶板岩体协调变形。

基于预应力锚和自应力注的破碎围岩锚注加固应用研究

张进鹏, 刘立民, 刘传孝, 孙东玲, 邵军

2021, 38(4):  774-783.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0207

摘要 ( 1316 )  

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针对高应力巷道围岩锚注中注浆锚杆锚固力低和水泥基注浆材料自收缩造成控制效果不佳的问题，提出基于预应力锚和自应力注的破碎围岩锚注加固方法。以平煤十矿变电所巷道为工程背景，基于原支护方式失稳机理分析，探究裂隙岩体自应力浆液加固原理，研发新型高强预应力注浆锚杆系统，形成基于预应力锚和自应力注的破碎围岩锚注支护方案。通过浆岩界面SEM扫描、围岩钻孔窥视、锚杆索受力和围岩变形监测等方法综合评价该新型预应力锚注的工程应用效果。结果表明：通过高强预应力注浆锚杆的轴向约束应力与自应力浆液的膨胀应力使加固围岩处于准三维受力状态，实现了破碎围岩的强化与损伤修复；新型高强预应力注浆锚杆具有预应力大、预应力施加标准、锚固力高、杆体强度高等优点，能够对围岩提供高轴向约束；新型锚注加固后，注浆浆脉充填围岩裂隙，浆液结石体与岩体结合致密；注浆锚杆索受力稳定，巷道表面围岩最大位移为83 mm，说明通过新型预应力锚注加固方案实现了变电所巷道围岩稳定性控制。

深厚松散层薄基岩采动沉陷致裂井壁机理

韩继欢, 杨权威, 杨维好

2021, 38(4):  784-790.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0027

摘要 ( 1128 )  

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针对深厚松散层在不发生固结和冻融沉降的条件下井壁仍出现破裂的问题，结合概率积分法和Knothe时间函数，建立可计算多工作面开采引起井筒位移的动态移动模型，分析采动对井壁受力的影响规律，并结合工程案例，揭示深厚松散层薄基岩采动沉陷致使井壁破裂的机理。结果表明：采动沉陷引起井壁产生向下的附加应力是造成井壁破裂的主要原因；井壁竖向附加应力随深度的增加先增大后减小；利用井筒动态移动模型可近似求解不同时刻、不同深度处的井壁应力，且对井壁破裂的时间和位置具有很好的预测效果。研究成果对保障深厚松散层薄基岩中井壁安全和井壁设计具有重要意义。

柠条塔矿不同深度覆岩波速特性及其物理参数相关性研究

左建平, 左书豪, 孙运江, 史月, 米长宁, 李政岱

2021, 38(4):  791-799.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0347

摘要 ( 1095 )  

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为了分析陕北矿区岩层内天然孔隙-裂隙及其对地下水流场分布的影响，本文采用超声波无损检测技术对陕北柠条塔矿2-2煤覆岩进行波速测试，以反映陕北矿区覆岩天然孔隙-裂隙发育情况，得出岩层垂直方向(轴向)纵波波速VPA和水平方向(环向)纵波波速VPC随埋深H和密度ρ的变化规律，发现岩层埋深H与轴向纵波波速VPA呈近似线性正相关，密度ρ与环向纵波波速VPC呈非线性正相关，纵波波速VP的变化能反映密度ρ的波动情况。利用系统聚类法分析纵波波速VP、埋深H和密度ρ的相关性，得出了覆岩聚类系谱图和覆岩参数间的经验公式。通过岩层细观试验发现岩石颗粒属性对覆岩参数间关联性具有重要影响。

多孔介质中Bingham型浆液柱状渗透规律研究

陈鑫, 袁昌

2021, 38(4):  800-809.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0303

摘要 ( 1117 )  

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为考虑多孔介质微观结构对浆液扩散规律的影响，在假定Bingham型浆液黏度随时间呈指数函数变化且浆液呈柱状渗透扩散的前提下，基于分形理论及毛细管模型，建立了考虑黏度时变性的Bingham型浆液在多孔介质中柱状渗透扩散的分形解析表达式。分析了注浆压力差、迂曲度、黏度时变系数、注浆时间对浆液扩散距离的影响。结果表明：注浆压力差、注浆时间相同时，迂曲度对浆液扩散距离影响显著，迂曲度较大的多孔介质中浆液扩散距离较小；注浆压力差、注浆时间相同时，黏度时变系数越大浆液扩散距离越小；不同迂曲度的多孔介质中，要在特定的注浆时间达到设计的扩散距离，注浆压力差随黏度时变系数增大呈非线性增大的趋势。在渗透注浆设计时应充分考虑多孔介质中孔隙大小的分形分布和实际流动路径的弯曲特性。

煤矿地下水库煤岩变形特性的尺寸效应试验

汪北方, 武力, 张晶, 梁冰, 刘春保

2021, 38(4):  810-818.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0357

摘要 ( 1194 )  

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煤矿地下水库煤岩变形不仅直接影响水库的储水能力，而且还严重威胁水库的稳定性。论文以神东矿区大柳塔煤矿地下水库为工程背景，选取拟建水库工作面采空区砂岩、泥岩和煤开展不同粒径煤岩碎胀与压实变形试验，揭示煤岩粒径对变形特性的影响规律。研究表明：自然或饱水条件下松散砂岩、泥岩和煤块试样的碎胀系数分别为1.587~1.828，1.591~1.787和1.435~1.753，且碎胀系数均随粒径增加呈对数曲线形式增大；混合粒径煤岩块试样碎胀系数介于各单一粒径之间，相同粒径煤块试样碎胀系数最小，泥岩块试样居中，砂岩块试样最大。加载煤岩块试样的应变和碎胀系数也均与粒径满足对数函数关系变化，相比自然煤岩块试样，饱水煤岩块试样碎胀系数变化幅度更为显著，饱水砂岩块碎胀系数变化为0.382~0.530，平均增幅9.45%，饱水泥岩块碎胀系数变化为0.410~0.627，平均增幅16.67%，饱水煤块碎胀系数变化为0.506~0.807，平均增幅13.34%。通过X射线衍射和扫描电子显微镜观测煤岩块试样矿物成分及细观结构，分析煤岩块内部组构特征与宏观力学性质关系，阐释应力-水岩作用下煤岩变形的尺寸效应，为煤矿地下水库储水量预测和稳定性控制提供理论依据。

冻融循环下泥岩力学特性及细观破裂机理研究

陆翔, 周伟, 才庆祥, 李明, 栾博钰, 刘福明

2021, 38(4):  819-829.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0633

摘要 ( 1384 )  

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冻融循环影响是寒区露天煤矿边坡稳定的重要原因。通过室内试验分析新疆准东地区露天煤矿边坡泥岩在不同温度范围(-5~25，-10~25，-15~25，-20~25，-30~25 ℃)及冻融循环次数(1，10，20，30，40，50，60)下的物理力学参数变化规律，并采用扫描电镜SEM对试样断口细观形貌特征进行观测，阐明了冻融循环作用下泥岩细观损伤破裂机理。结果表明：质量密度、纵波波速变化率、孔隙率和峰值应变与冻融循环次数呈正比，抗压强度和弹性模量与冻融循环次数呈反比。较低冻融循环次数下，泥岩应力应变曲线峰后表现出典型的脆性破坏特征，但在较高循环次数下，峰后表现出显著的脆性软化特性。随着冻融循环次数的增加，泥岩单轴压缩试验表现出单一剪切向多截面张拉破坏变化特征。较低冻融循环次数下泥岩细观断裂为脆性断裂，但在较高冻融循环次数下，泥岩局部表现出显著的韧性破坏特征。

冻融循环作用下砂岩受拉损伤特性的声发射试验

刘慧, 蔺江昊, 杨更社, 贠烨辉, 张慧梅, 梁博, 张尧

2021, 38(4):  830-839.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0192

摘要 ( 1450 )  

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在煤矿井巷冻结法施工工程中，地下工程结构的破坏常始于受拉区域，因此开展冻融岩石的抗拉强度劣化机理研究有一定意义。对不同冻融循环作用下的砂岩进行巴西劈裂实时声发射监测，从细观层次探讨了冻融作用对砂岩劈裂损伤过程的影响。结果表明：冻融作用引起砂岩物理性质改变，抗拉强度降低；冻融砂岩劈裂损伤在时间域具有连续演进的特征，损伤发育速度在关键时刻有突变，可通过振铃计数峰值进行定性评判；在冻融循环5次前后，损伤发育速度突变，表现为声发射事件频率与能量值突增；随着冻融循环次数的增加，声发射累计能量出现时间提前，持续时长缩短，岩样提前进入弹性变形阶段，呈现由脆性破坏向延性破坏转换的趋势；高能声发射事件多发于损伤快速扩展期，可作为损伤传导和加剧的重要参照；振铃计数和累计能量同步大幅度激增至更高数量级是冻融砂岩破坏失稳时间域的前兆信息；声发射b值先降后升，表明砂岩破坏模式由内部大裂隙破坏转变为持续小裂隙破坏。依据损伤力学理论，基于累计振铃计数所建立的损伤变量能较好反映冻融砂岩抗拉损伤演化过程各阶段及损伤特征。

基于3D打印的内置粗糙节理岩体力学特性研究

苏海健, 郭庆振, 靖洪文, 胡成果

2021, 38(4):  840-846.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0317

摘要 ( 1285 )  

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为了研究地下工程隐伏粗糙节理围岩的稳定性特征，基于三维扫描获得了岩石的卸荷破裂面真实形态，进而分别通过3D打印技术和类岩石材料制备了充填型粗糙节理面和岩石基质，从而来浇筑含内置粗糙节理的岩体试样。通过常规三轴压缩试验，研究了粗糙度和围压对节理岩体强度、变形和破坏形态的影响规律。试验结果表明：随着节理面粗糙度的增大，岩体试样的三轴强度、弹性模量和割线模量总体均呈现逐渐增大的趋势，大粗糙度可以有效地减缓节理面两侧岩体的剪切滑移破坏；节理岩体的力学参数与围压整体呈正线性关系，且基本服从摩尔-库仑准则；低围压时粗糙度对节理岩体破坏形态的影响较为显著，随着围压的增大，岩体的主破裂形态逐渐由围压起控制作用。

不同加载速率对含孔试样变形特性影响研究

张天军, 景晨, 王喜娜, 郭海龙, 张磊, 潘红宇

2021, 38(4):  847-856.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0254

摘要 ( 1394 )  

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为研究瓦斯抽采钻孔的静态加载速率效应，以含预制贯穿孔试样为实验对象，开展不同加载速率的单轴压缩试验并采用数字图像技术分析了试样的力学特性和破坏演化规律。结果表明：加载速率的变化对含孔试样力学特性有较大影响：随加载速率增大，抗压强度、起裂应力水平和变形能密度均逐渐增加但增幅放缓，弹性模量呈现出先增大后减小的趋势。加载过程中拉伸裂纹尖端的几何形状不断改变，拉应力强度因子K_Ι减小，拉伸裂纹经历“扩展-闭合-扩展”，拉伸裂纹长度与加载速率呈现较强的指数函数关系，加载速率为0.5 mm/min时，拉伸长度达到最大为43.16 mm。含孔试样的破坏模式单一，呈中心对称；加载速率较小时，远场裂纹起裂位置距边缘较近，宏观裂纹以剪切破坏为主；加载速率较大时，宏观裂纹以拉伸破坏占主导地位，远场裂纹起裂位置距边缘较远。研究结果为揭示瓦斯抽采钻孔失稳的力学响应规律并阐述其演化过程提供一定的理论指导。