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2021年 第38卷 第6期    刊出日期：2021-11-15

上一期   

论文

浅埋近距煤层煤柱集中应力传递规律分析

曹健, 黄庆享

2021, 38(6):  1071-1080.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0540

摘要 ( 1670 )  

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为探究浅埋近距煤层开采上煤层区段煤柱底板集中应力传递规律，以及下煤层煤柱集中应力控制方法，以柠条塔煤矿1^-2煤层与2^-2煤层开采为背景，结合理论分析、数值模拟及工程实践，建立上煤柱底板集中应力计算模型，揭示上煤层煤柱底板集中应力分布规律，提出基于下煤柱集中应力控制的煤柱错距确定方法。研究表明，随着上煤柱底板深度增加，煤柱正下方的垂直应力呈降速减小，水平应力分布曲线由1个峰值演化为2个峰值，且峰值应力位置向煤柱两端扩散。建立下煤柱集中应力控制的煤柱错距模型，提出煤柱错距确定方法，为控制重复采动下煤柱的集中应力，下煤层巷道应布置在上煤柱向下传递的高应力区范围之外。合理的煤柱错距主要与基岩、土层性质及层间距等因素有关，其随基岩和土层厚度的变化呈正相关，基岩(土层)厚度每增加10 m，煤柱错距应增大1.123 m(0.987 m)；煤柱错距随层间距的变化曲线呈“抛物线”，层间距小于35 m时，煤柱错距随层间距增大呈降速增加趋势，层间距越小，其变化对合理错距的影响越显著，层间距35~45 m时，煤柱错距随层间距增大而减小。通过开采实例对煤柱错距模型进行验证，结合理论模型计算和数值模拟，柠条塔煤矿两煤层合理煤柱错距应大于20 m。研究结果可为浅埋近距煤层开采的煤柱减压提供新思路。

大跨度穿断层软岩巷道顶板非对称破裂机制与控制对策研究

李冲, 何思锋, 陈梁

2021, 38(6):  1081-1090.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0380

摘要 ( 1543 )  

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针对大跨度穿断层软岩巷道顶板非对称大变形失稳的工程难题，总结分析原支护条件下巷道变形破坏特征及其主控影响因素，给出基于MATLAB图像处理技术的钻孔裂隙发育程度定量表征方法，模拟研究巷道顶板位移场、主应力场及裂隙场演化规律，揭示巷道顶板渐进非对称破裂机制；根据不同区域巷道变形破坏情况与离散模拟结果，针对性地提出顶板“非对称分区强化控制、减跨控顶支护、破碎围岩分区深浅注浆、强化联合支护”的过断层支护对策，优化支护方案并进行现场应用。研究结果表明：1) 巷道顶板破坏深度、变形特点、破裂模式等均呈现明显的非对称变化特征，断层左侧(I区)及右侧(II区)顶板裂隙密度均随巷道表面至深部距离变化呈负对数衰减特点，后者数值较大且降速较快，表明II区顶板整体较为破碎且破坏深度较广，应为重点控制对象；2) 巷道开挖至稳定过程中，II区浅部围岩首先发生张拉破坏，并伴随大量裂隙的萌生与扩展，然后左帮顶角位置因应力集中也出现裂隙密集区且逐渐向顶板断层部位延伸，而后顶板表面裂隙均随开挖时间的增加向深部非对称渐进扩展，浅部离层发生并伴随局部块体脱落，顶板发生非对称冒落失稳；3) 采用优化支护方案后，顶板最大变形量低于91 mm，较原支护降低了63.89%；浆液与破碎岩体黏结形成复合结构，围岩完整性提高；锚杆受力最大值为81.76 kN，最小值为60.5 kN，分别为屈服载荷的43%和31.8%，基本满足工程需求。

三软煤层回采支承压力分布及支护构件受力规律研究

潘锐, 蔡毅, 黄厚旭, 王凤云, 许硕, 张朋, 王悦

2021, 38(6):  1091-1099.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0448

摘要 ( 1478 )  

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为解决三软煤层采场侧向支承压力无法直接测量的问题，明确不同支护方案下采场超前压力分布有无差异等采动规律，以刀把式工作面——梁家煤矿4606工作面为依托，通过4606改造切眼位移变化间接获取工作面侧向支承压力分布规律，开展采动对4606材料巷不同支护方案下围岩控制效果对比，采用无损检测对锚杆(索)在回采期间受力情况进行分析。4606改造切眼距工作面110 m开始受到回采影响，距工作面68 m进入明显影响区，距工作面35 m进入剧烈影响区。距工作面侧向20 m以内为侧向支承压力影响峰值区，55 m以内为影响区。不同支护方案下，工作面超前支承压力分布范围区别较小，相差仅在5~10 m，超前支承压力影响剧烈范围为20~30 m；超前支承压力影响明显范围为30~60 m；超前支承压力影响范围平均为120 m左右，最大为160 m。巷道肩部锚杆受力超出屈服荷载，与拱架基本在拱肩处发生断裂吻合较好。巷道不同部位锚杆受力呈现出肩部＞帮部＞底角的特征。距工作面60 m以外，单体支架支护强度满足使用要求；距工作面30 m以内支架受力显著增加，出现挤压支架情况。研究成果补充了软弱煤层采动矿压显现规律。

综放大煤柱临空侧巷道密集区冲击地压机制研究

冯龙飞, 窦林名, 王皓, 王晓东, 许刚刚, 张权, 焦彪

2021, 38(6):  1100-1110.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0545

摘要 ( 1640 )  

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 冲击地压矿井临空侧采动巷道大多存在冲击危险，针对综放大煤柱临空侧巷道屡次冲击的工程难题，结合“两带”高度，建立考虑开采沉陷参数的临空侧向覆岩结构模型，理论估算侧向支承压力大小，明确临空巷静载力源及控制矿压的亚关键层；根据采动矿压监测的顶板破断动载特征，利用理论和数值模拟揭示破断动载叠加多因素静载后临空侧巷道应力和能量的激增机制，得出结论：侧向覆岩结构传递的增压载荷导致侧向煤柱区域应力、能量基础值大幅提升，多因素累积叠加后易诱发冲击；坚硬顶板破断动载与多因素静载叠加后，超前距20~40 m内回风巷帮部垂直应力峰值陡升至56~63 MPa，相比纯静载提高约23%，弹性能密度峰值激增至3.0~3.5 MJ/m³，相比纯静载提高约40%，动载对能量的增益作用大于应力；动静载叠加后超前距0~40 m范围内回风巷帮部冲击驱动区发生了卸荷释能，证明帮部煤岩体发生冲击破坏，与实际现场相符。基于冲击机制，提出并论证了针对动静载荷的优化防治措施，为相似工程防冲难题提供借鉴。

非等压应力场巷道围岩主应力差分布规律与稳定性分析

赵洪宝, 程辉, 刘绍强, 秦逢缘, 王伊阔

2021, 38(6):  1111-1121.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0548

摘要 ( 1634 )  

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采用理论分析、数值模拟方法对非等压应力场巷道围岩主应力差分布规律与稳定性进行研究，重点分析不同侧压系数下巷道顶底板与两帮的主应力差分布演化规律、塑性区形态和变形演化规律。研究结果表明：侧压系数λ<1时，巷道两帮破坏范围大于顶底板；λ>1时，顶底板破坏范围大于两帮。基于数学拟合得到巷道围岩最大主应力差轨迹线方程，该式可计算出围岩破坏最严重区域。巷道在围岩四周会形成主应力差承载壳，λ增大过程中，承载壳形态演化过程为：水平的类“8”字形→扁平椭圆形→圆形→瘦高椭圆形→类“8”字形。顶底板主应力差峰值随着λ的增大而增大，并向围岩深部转移，两帮峰值随着λ的增大而减小，向围岩浅部转移。巷道围岩塑性区总是分布在主应力差承载壳内，其形态演化过程与主应力差承载壳保持一致。λ增大过程中，巷道顶底板位移曲线离散程度不断增大，两帮位移曲线离散程度先减小后增大。λ<1时，两帮表面位移>顶底板表面位移；λ>1时，顶底板表面位移>两帮表面位移。λ越接近1，巷道围岩稳定性越好。以回坡底煤矿11-1021巷为工程背景，研究发现巷道围岩主应力差呈倾斜的类“8”字形分布，理论分析结果与巷道实际破坏情况吻合，验证了理论的正确性。

深井切顶留巷顶板错动判据与支护参数量化研究

刘啸, 华心祝, 杨朋, 杨森, 马言

2021, 38(6):  1122-1133.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0133

摘要 ( 1539 )  

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切顶留巷顶板支护方式主要为主动支护与临时支护。研究留巷期间顶板主动支护与临时支护之间的量化关系，确定切顶留巷顶板支护参数量化关系，可为支护参数设计及稳定性控制提供理论依据。以祁东煤矿7135工作面为工程背景，研究切顶巷道走向及倾向不同层位顶板变形规律，获得直接顶与基本顶的协调变形特征。分析直接顶与基本顶协调变形力学特征，建立切顶留巷直接顶与基本顶组合力学模型，以锚杆发生剪切破坏为临界指标，获得层间错动判据，并以此分析临时支护刚度、锚杆预紧力及锚杆支护间排距之间的量化关系。通过引入埋深因素，分析不同埋深临时支护与主动支护的量化关系。提出工程实践中：为提高留巷期间巷道顶板稳定性、控制顶板下沉变形量，可通过增加巷内临时支护体数量、提高支护刚度、减小锚杆支护间排距及提高锚杆预紧力等方法实现。结合祁东煤矿7135工作面回风巷留巷期间顶板控制效果，验证了支护设计的合理性。

过水巷道动水快速截流机理研究

杨志斌, 董书宁

2021, 38(6):  1134-1143.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0169

摘要 ( 1431 )  

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保浆袋囊钻孔控制注浆可以解决传统过水巷道动水截流工程量大、工期长且易发生次生灾害等技术难题，实现快速抢险救援和恢复生产的目的。为了进一步研究阻水墙快速建造机制，采用典型工程案例分析和基于过水巷道动水快速截流大型模拟试验平台的物理模拟试验，对保浆袋囊钻孔控制注浆快速截流机理进行研究。结果表明：保浆袋囊钻孔控制注浆动水快速截流的主控因素为动水压力、动水流量和巷道围岩力学强度，其中单纯的投放保浆袋囊+补充注浆的动水截流模式，仅适用于动水压力低、动水流量小和巷道围岩力学强度高的突水截流环境，其快速截流机理是保浆袋囊能够使得袋囊之间的水流流速较小，水泥-水玻璃双液浆在扩散凝结过程中不易被动水袭夺，致使双液浆凝胶体可以在袋囊之间控制运移扩散，并快速与巷道顶板堆积接顶，有利于截流巷道中阻水墙的快速建造。而投放保浆袋囊+灌注骨料+补充注浆的动水截流模式，可适用于动水压力高、动水流量大和巷道围岩力学强度低的突水截流环境，其快速截流机理是保浆袋囊首先能够提前完成部分骨料铺底和充填阶段；其次是保浆袋囊残余过水断面处的高速水流环境能够使得骨料灌注过程中携带进入巷内的空气快速排出巷外，减少骨料灌注过程中的堵孔次数，同时加快骨料灌注速率；最后是由保浆袋囊和骨料组成的骨料接顶阻水体具有高阻弱渗的阻水性能，其中，高阻特点可使阻水体抵抗更高的动水压力，减少骨料灌注期间堵孔阻水段快速升压导致发生阻水体频繁突破再造的次数，低渗特点可为阻水段后期补充注浆浆液快速凝结创造有利的条件。

坚硬顶板遗留煤层下综放工作面冲击地压发生机理

杜涛涛, 鞠文君, 陈建强, 张传玖, 李红平, 孙如达

2021, 38(6):  1144-1151.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0076

摘要 ( 1589 )  

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为研究坚硬顶板遗留煤层条件下综放工作面冲击地压发生机理，以宽沟煤矿坚硬顶板遗留煤层下I010203工作面易发生高能量事件的临空巷道为工程背景，通过理论分析、现场监测、数值模拟和工程验证相结合的方法，分析了B₄、B₂煤层开采过程中覆岩结构特征及演化过程，模拟了不同结构形态下煤岩体应力分布规律，并通过钻孔实测、微震监测和PASAT M探测多种方法进行了验证。研究表明：B₄与B₂煤层开采后，低位覆岩结构I以侧向悬臂的形式加载临空巷道，悬顶长度为18.5~37.5 m，造成临空巷道煤岩体形成应力升高区；随着开采范围增大，覆岩活动空间向上发展，微震事件向上聚集，采空空间逐渐增大，当B₄与B₂煤层采空区导通后，波及高位覆岩结构II，r₂岩层运动下沉造成实体侧煤体应力升高区范围扩大、转移，应力集中系数再增大，最终r₂岩层破断失稳，结构I与结构II积聚的弹性能瞬间释放，动静载共同作用达到冲击地压发生的临界条件，造成临空巷道冲击显现。

基于微震与电磁辐射耦合的主关键层破断及断裂跨距差异性分析

崔栋歌, 朱川曲, 李青锋, 吴昊

2021, 38(6):  1152-1257.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0275

摘要 ( 1459 )  

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针对22116工作面弱冲击倾向性的特点，采用液压支架监测，揭示主关键层破断对工作面周期来压的影响，并结合微震与电磁辐射耦合监测，研究回采工作面微震与电磁辐射耦合事件的分布特征和分析主关键层断裂跨距差异性的成因。结果表明：主关键层在破断失稳过程中，弹性能突然释放，形成强烈的震动并释放大量的震动冲击波，震动波传播到采场周围的煤岩体区域引发扰动，从而导致了矿震活动的产生。在结构差异性与载荷和工作面推进速度共同作用下，周期来压步距表现出非均值性。当工作面发生来压时，其能量释放急剧增加，并逐渐趋于平缓，但是能量释放的周期性变化和周期来压又不是完全一致的，存在相对滞后，微震事件数和能量释放量成正比且同样具有滞后现象。主关键层的断裂跨距与上覆岩层性质和厚度有关，软弱层越厚，断裂跨距越小，故在非平原均值的山区，主关键层断裂跨距同样表现出非均值性。

膏体充填料浆管输摩阻损失计算及应用研究

吴凡, 韩斌, 胡亚飞, 曹士凯, 武彩雄

2021, 38(6):  1158-1166.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0541

摘要 ( 1152 )  

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为系统地计算与应用摩阻损失，利用流态性质对膏体充填料浆流态进行了分析判断，基于摩阻损失计算方法与结果研究了料浆质量分数、流量及管径对摩阻损失的影响规律，计算分析了料浆的沿程损失与设计泵压并对工业应用提出建议，并对Z3DEEP区进行工业充填输送。研究结果表明：膏体充填料浆在管道输送中的流态为均质流、柱塞流，属于宾汉姆塑性体；相同条件下，摩阻损失随质量分数或流量的增加均增大，质量分数对摩阻损失的影响程度远大于流量的影响，而摩阻损失随管径的增大显著减小；相同充填区域的沿程损失随质量分数提高显著增加；相同质量分数下的沿程损失从大到小排序与料浆输送区域难易程度一致，均为Z3TOP区、Z3DEEP区、Z2TOP区。建议矿山最大设计泵压取10 MPa，在管道输送中选用D150管及将流量控制在100 m³/h以内，输送至Z3TOP区、Z3DEEP区和Z2TOP区的最大质量分数分别为73.1%、74.1%和74.4%。设计泵压与允许充填料浆质量分数满足工业应用要求。

基于应力增速与应力梯度的水压致裂应力扰动评价研究

赵兴龙, 黄炳香

2021, 38(6):  1167-1177.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0544

摘要 ( 1142 )  

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水压致裂的应力扰动评价是动力灾害煤岩层水压致裂的关键科学问题。提出了基于应力增速、应力梯度的水压致裂应力扰动评价方法。采用大尺寸真三轴水压致裂应力扰动物理模型实验，分析了水压致裂应力扰动的大小、特征及其影响因素。水压致裂过程中当泵注排量相同时，同一时间内距离水压裂缝越近，平均孔隙压力增速及孔隙压力梯度越大，孔隙压力增速和孔隙压力梯度按指数规律衰减。相同位置处，泵注排量越大，平均孔隙压力增速和孔隙压力梯度越大。开泵瞬间会产生很高的骨架应力增速，同时在致裂过程中，水压力的大幅度波动也会产生较大的骨架应力增速，且波动幅度越大，产生的骨架应力增速也越大。随着泵注排量的增大，开泵瞬间水压裂缝两侧骨架应力增速峰值也相应增加。泵注排量相同时，越靠近水压裂缝，骨架应力梯度越大，随着距离水压裂缝越远，应力梯度逐渐变小。初步给出了不同工程背景下水压致裂应力扰动效应的控制原则，在工程施工中，应根据具体的工程背景，基于应力扰动的评价，采取相应的针对措施，做到趋利避害。

中埋深煤层综采地表裂缝发育规律研究

侯恩科, 谢晓深, 王双明, 从通, 冯栋, 陈真

2021, 38(6):  1178-1188.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0293

摘要 ( 1402 )  

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为揭示陕北侏罗纪煤田中埋深工作面高强度开采诱发的地表裂缝发育规律、空间形态及深度特征，以小保当煤矿首采工作面为研究区，采用地表裂缝填图、裂缝宽度变化动态观测和裂缝示踪开挖观测等方法开展了风沙滩地区中埋深煤层高强度开采地表裂缝静态、动态演化规律及空间形态的研究。研究表明：112201工作面地表裂缝主要有边界裂缝和面内裂缝两类，前者沿平巷、切眼发育，后者于面内平行切眼发育。边界裂缝和面内裂缝宽度小于1.0 cm占73%，宽度大于5.0 cm仅占3%；裂缝整体发育程度较弱；面内裂缝宽度一般小于2.0 cm，两侧无落差，滞后回采位置发育，平均滞后距30.14 m，滞后角84.1°；面内裂缝宽度随时间呈单峰型变化即表现为先开裂、后闭合(半闭合)型动态变化特征，平均活动时间约为7.8 d且缝宽增大和减小的时间基本相等，结合地表移动观测资料给出了裂缝活动时间T的计算公式；平行平巷边界裂缝呈“带状”分布在工作面平巷内侧56 m、外侧18 m的范围内，裂缝宽度则呈现开裂-增大直至稳定的变化特征；工作面地表裂缝空间形态分为楔形，梭形和分叉形3类，沙土层内发育深度不超过2.5 m。宽度小于5 cm的裂缝在采后2个月内被风积沙自然掩埋而难觅踪迹，宽度大于5 cm的裂缝在采后6个月内大多被风积沙自然掩埋。这一研究结果对风沙滩地区生态环境治理和水资源保护具有重要参考价值。

不同含水状态凝灰岩损伤演化试验研究

许江, 王晓震, 张倩文, 陈灿灿, 陈奕安

2021, 38(6):  1189-1197.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0396

摘要 ( 1297 )  

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为探究矿井巷道、隧道开挖过程中岩石含水状态对围岩变形稳定的影响，开展干燥、自然及饱水状态下凝灰岩三轴压缩试验。基于三维数字图像相关技术研究了含水状态与岩石全应力-应变曲线、表面变形场、变形局部化及损伤演化特征的对应关系。结果表明：从干燥到饱水状态试件各特征应力阈值显著降低，弹性模量与泊松比显著降低；破坏阶段全应力-应变曲线跌落趋势趋于平缓，软化特征明显。从干燥到饱水状态试件表面变形非均匀程度增加，变形局部化现象提前启动，变形局部化带宽度明显增加。从干燥到饱水状态试件局部化轴向、径向启动应力水平显著降低，且与含水率保持良好的线性关系。基于变形场数据统计分析提出表征岩石表面损伤大小的损伤因子，干燥及自然状态损伤因子呈突发式增长现象，而饱水状态下呈缓慢增长趋势；不同含水状态损伤因子演化曲线均存在“突变点”，统计结果表明随着含水率增加，损伤突变点对应应力水平值显著降低。

水溶开采盐矿大面积突然沉陷模型与致灾机理

张桂民, 刘俣轩, 王康东, 王贞硕

2021, 38(6):  1198-1209.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0257

摘要 ( 1391 )  

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近年来，水溶开采盐矿地表大面积突然沉陷事故屡有发生，引起社会广泛关注。资料表明，上覆岩层在短时间内大面积突然垮塌、塌陷坑轮廓近似为圆形、地表冲出数米高水柱等是事故共同特征。为此，本文构建了2种沉陷模型，分别为上覆岩层整体沉陷的陷落柱模型和松散沉积物沿着通道流入溶腔的漏斗模型。模型参数分析和典型案例表明：1) 溶腔内卤水对覆岩底部的浮托力、陷落柱的高度和半径大小、覆岩的岩性和结构等是陷落柱型沉陷发生与否的主要因素；2) 联通通道尺寸和地表含水沙土层厚度对漏斗型沉陷的速度和规模具有重要影响；3) 卤水顶蚀作用下覆岩的逐层垮塌、关键层的阻隔和卤水压力的突然丢失是沉陷发生的另外几个重要因素。最后，制定了溶腔上部预留盐岩保留层、保持井管密闭性以及严格控制顶板尺寸等预防措施，并给出了预警地表沉陷的几个关键时刻点。

椭球体放矿规律中的矿石接触力特性研究

陈庆发, 刘恩江, 王少平

2021, 38(6):  1210-1219.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0216

摘要 ( 1263 )  

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为了解传统单漏斗放矿过程中散体介质体系内部微细观特性的变化、强化对传统单漏斗放矿过程中散体介质体系宏观流动特性的认识，基于颗粒离散元方法，构建传统单漏斗放矿试验模型，并结合接触力学及统计力学相关知识，对传统单漏斗放矿过程中由矿石颗粒组成的散体介质体系内部接触力概率分布密度、配位数、接触力分量比等参数进行量化研究。研究发现：随着放矿的进行，散体介质体系内部接触力集度变化规律不尽相同；放矿过程中不同类型接触力强度概率分布呈现出相似的变化规律，均呈指数形式衰减，且不同放矿节点条件下接触力强度分布规律也高度相似；散体介质体系内部总接触力分量比与强接触分量比均小于0，表明放矿过程中散体介质体系内部接触力网络的方向始终偏向铅锤方向；放矿前中期，法向接触力主要集中在铅锤方向，随着放矿的不断进行，与水平方向夹角为45°的法向接触力逐渐增加，接触力分布的主方向由一个变为多个，各向异性程度a_n的值也逐渐增大。研究成果强化了对单漏斗放矿过程中散体介质体系宏观流动规律的认识。

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

张超, 宋卫东, 李腾, 付建新, 李杨

2021, 38(6):  1220-1230.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0267

摘要 ( 1622 )  

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为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题，设计破碎岩体应力-渗流耦合试验，分析岩体破坏特征及渗透率变化特征，并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律；结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型，从力学角度解释岩体破坏过程；推导应力-渗流耦合模型在FLAC^3D中的有限差分程序，实现耦合模型的二次开发应用。研究表明：岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段)，其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长；增大孔隙水压，岩体泊松比上升，弹性模量下降，破坏角减小，岩体弱化效果明显，破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡；增大孔隙水压，模型参数F₀和m分别以指数形式减小和增大，岩体峰值强度降低，高压水的存在使得岩体劣化程度增加，增大了裂隙发育程度，从而导致突水致灾危险性增加。

液氮溶浸时间对烟煤渗流特性的影响及传热过程模拟

张磊, 卢硕, 唐俊, 李明雪, 张村

2021, 38(6):  1231-1239.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0226

摘要 ( 1626 )  

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低透气性一直限制着我国煤层气的高效抽采，近年来，液氮致裂技术因其绿色环保、增透效果显著等优势成为研究热点。低温液氮在冷冲击致裂煤层的同时，热量也在发生迁移，液氮对煤层的致裂效果是随时间逐渐发生衰减的。为了保证液氮致裂全程的高效性、节约工艺时间，有必要对液氮致裂过程进行细化研究，精确评价其时间效益。为此，选择安徽省淮北煤矿中阶烟煤分别进行了1，5，10，30 min的液氮溶浸处理实验，并对传热过程进行数值模拟。结果表明：1) 液氮溶浸处理可显著提升煤体的渗透率，处理后的煤样较初始状态渗透率增幅可达208.82%~ 432.50%。2) 液氮溶浸处理后，拟合参数“a”值明显增大，即煤体渗透率对孔隙压力的敏感性增大；随着围压的上升，拟合参数“a”值呈减小趋势，即煤体渗透率对孔隙压力的敏感性逐渐减小。3) 实验结果表明随着溶浸时间的增长，液氮的致裂增透效果是在逐渐衰减的；根据数值模拟结果，将液氮溶浸致裂煤体分为3个阶段：0~158 s为高效致裂阶段，158~450 s为正常致裂阶段，450 s后为低效致裂阶段。

突出冲击波对风门和风筒防逆流装置的破坏研究

李希建, 徐畀泽, 沈仲辉, 郭隆鑫, 刘柱

2021, 38(6):  1240-1249.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0485

摘要 ( 1608 )  

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为了防止煤与瓦斯突出后发生瓦斯逆流，结合流体动力学研究突出冲击波对防突风门和风筒防逆流装置的破坏失效机制。基于理论推导，得到了煤与瓦斯突出条件下的冲击波传播模型，给出作用在风门和风筒防逆流装置处的反射超压。利用突出能量传播模拟系统，模拟井下发生突出事故后冲击波在巷道中的传播，并将试验结果与理论计算和数值模拟结果进行对比。在此基础上利用Fluent对4种不同突出条件下冲击波在巷道内的传播进行模拟研究，并且将风门和风筒防逆流装置处的超压随时间变化数据输入LS-DYNA进行数值模拟。研究结果表明：实际的冲击波衰减比数值模拟和理论计算更加快，试验和模拟误差不大且总的变化规律是一致的，利用数值模拟手段研究冲击波传播规律是可行的；风筒防逆流装置处的冲击波超压峰值大于风门位置的超压峰值，且冲击波超压在第1个波峰出现后震荡下降；由于风筒中反射出的冲击波叠加，风门位置的超压峰值是在第2个波峰出现，突出压力和突出孔径越大，相应的冲击波超压峰值就越大。研究成果对防突风门和防逆流装置设计具有指导意义。

煤层注水渗透率模型及水力耦合影响因素数值模拟研究

刘震, 王文迪, 许文彪, 杨赫, 董博文

2021, 38(6):  1250-1258.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0279

摘要 ( 1662 )  

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为有效防治矿山动力灾害，优选煤层注水技术合理参数，以东于煤矿03303工作面为实验背景，基于多孔介质渗流理论，通过高压水侵渗流实验系统获取不同覆压条件下渗透率演化拟合曲线。结合流固耦合渗流模型、渗透率拟合曲线和比奥模量等多种参数，构建动态渗透率计算模型，对煤层注水卸压增透过程及其影响因素进行数值模拟，根据模拟结果优选注水工艺参数开展现场实验，对比分析数值模拟结果和现场实测数据。研究结果表明：煤层注水可有效卸载地应力，提高低渗煤层渗透性，随着注水时间的增加，增透区域以注水钻孔为中心向径向方向均匀扩展，注水钻孔间会产生水力复合影响区域，降低注水增透效果，注水压力、钻孔孔径和钻孔间距均不同程度影响水力耦合区域；在相同注水时间下，选用0.2 m孔径及5 m钻孔间距，在8 MPa水压下煤层注水卸压增透效果较好。

钻孔瓦斯流动模型及其应用的误差分析

秦跃平, 刘佳, 高宇, 段文鹏

2021, 38(6):  1259-1268.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0503

摘要 ( 1393 )  

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为了明确煤层透气性系数计算式的误差，采用朗格缪尔式瓦斯含量和抛物线式瓦斯含量建立3种钻孔径向瓦斯流动数学模型(常系数式、抛物线式和朗格缪尔式)，通过数值模拟定量计算模型简化后钻孔周围瓦斯压力分布、含量分布以及钻孔瓦斯涌出速度和累积涌出量的差异。结果表明：对于煤层瓦斯含量计算式，将朗格缪尔式简化为抛物线式并没有使计算得到实质性简化，煤层瓦斯含量应选用朗格缪尔式；常系数模型与朗格缪尔式模型存在本质上的差异，对钻孔瓦斯涌出特性及煤层透气性系数的计算造成不可估量的误差；通过解算朗格缪尔式模型，提出新的煤层透气性系数计算式，为钻孔瓦斯涌出数值计算及其工程应用提供一定的参考。

煤巷掘进工作面强弱耦合能量控制防治煤与瓦斯突出理论与方法

郑仰峰, 翟成, 辛海会, 唐伟, 孙勇, 徐吉钊

2021, 38(6):  1269-1280.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2020.0518

摘要 ( 1451 )  

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针对突出煤层煤巷掘进突出危险性大、不易控制的难题，基于强化煤体结构及卸压增透瓦斯抽采时空协同机制，提出了穿层注浆加固与水力冲孔强弱耦合防突方法。从能量的角度分析了强弱耦合结构防治煤与瓦斯突出机理。借助数值模拟方法研究煤巷掘进时强弱耦合结构煤巷围岩应力响应及变形演化规律，得出强弱耦合措施能够实现应力集中纵深运移及减小煤巷变形的双重目的。进行现场试验发现，对比水力冲孔段，强弱耦合段煤巷围岩两帮变形量和顶板下沉量分别减小58.51%和61.42%；水力冲孔段煤巷两帮破碎程度大于强弱耦合段，且水力冲孔段和强弱耦合段煤巷两帮应力集中区分别在4 m和5 m左右；采取强弱耦合方案后，煤巷掘进速度提升了15.34%。穿层注浆加固与水力冲孔强弱耦合防突措施可以降低煤层瓦斯含量和压力，增强煤体强度，减少巷道变形，保障煤矿安全生产。