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2022年 第39卷 第2期    刊出日期：2021-03-15

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论文

厚硬顶板覆岩冲击矿震影响的远近场效应研究

高明仕, 徐东, 贺永亮, 张治高, 俞鑫

2022, 39(2):  215-226.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0117

摘要 ( 1591 )  

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针对厚硬顶板覆岩破断释放冲击能量影响采场安全性等问题，基于材料力学及冲击动力学，建立了冲击震源层破断力学模型，研究了覆岩冲击震源层初次破断和周期破断产生的冲击能量大小以及冲击震动波在传播过程中的能量耗散机理，分析了厚硬顶板覆岩冲击震源层位能级对下伙采掘空间冲击矿震影响的远近场效应。 研究发现 冲击震源层破裂释放能量与采高、冲击震源层破裂尺度、冲击震源层初次破断步距以及周期破断步距呈正比，与冲击震源层的层位高度成反比。 冲击震动波能量随传播距离增大呈幕指数降低，且不同岩性对冲击能量的耗散能力不同。动载冲击波的作用时间分为冲击压缩区、动荡反射区及能量衰减区，下伙采掘空间围岩质点震动速度随冲击震源层位距离增大呈指数型衰减，随冲击震动能量的增大呈指数型增大，采掘空间上方厚硬顶板，均存在一临界冲击能量和临界冲击距离，近场的小能量不一定发生弱冲击，远场的大能量也不一定发生强冲击，冲击灾害程度主要取决于能量与距离的比值。 采用能距比 § 来近似描述这种影响效应，通过典型冲击事件统计分析发现 当能距比 § e( 0 -10² ) 无冲击， § e( 10² - 10³ ) 弱冲击， § e(10³ -10⁴ ) 中等冲击， § e(10⁴ 及以上) 强冲击。 厚硬顶板覆岩层位对矿井冲击矿震影响具有显著的远近场效应，分别会带来采面、采区、矿井、矿区不同区域不同程度的冲击地压显现甚至矿震等灾害，厚硬顶板覆岩层位的存在也为冲击矿震防治提供了靶点部位，可采取地面－井下高低位立体协同对向压裂破岩释能从源头防冲。




深部矸石充填采场顶板下沉控制因素及影响规律研究

李猛, 张吉雄, 黄鹏, 王佳奇, 王昱尧

2022, 39(2):  227-238.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0066

摘要 ( 1881 )  

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在分析深部砰石充填采场顶板下沉控制因素的基础上，首先确定了深部砰石充填采场煤体非弹性区范围，并基于深部充填采场充填采煤液压支架－煤体－充填体的耦合作用关系，引入非线性 Winkler地基模型，构建了砰石材料控制深部充填采场顶板力学模型，求解得到了深部砰石充填采场顶板挠度方程，然后结合深部充填开采具体工程算例，计算得到了深部充填采场顶板下沉情况，研究了砰石充填材料岩性、粒径级配及夺实系统夺实力、夺实次数 4 个控制因素影响深部充填采场顶板下沉的规律，揭示了控制因素对深部砰石充填采场顶板下沉的影响机制。  取得的研究成果可为深部充填采场顶板下沉预计及提出有效的控制方法提供理论依据。

矸石充填开采协同承载机制及充填效果评价研究

武鹏飞, 梁冰, 杨逾, 金佳旭, 李刚, 汪北方, 郭斌

2022, 39(2):  239-247.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0089

摘要 ( 1436 )  

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为研究砰石充填体充入井下采空区后与围岩及煤柱的相互作用力学机理，基于砰石三向压实试验对砰石充填体与围岩协同承载效应开展研究工作，并对砰石充填开采条件下的充填效果进行评价研究。  研究分析了砰石体积压缩率与各试验参数存在的定量函数关系；构建“ 充填体－围岩－煤柱＂ 协同承载模型，阐明了充填体、围岩、煤柱三者共同对上覆岩层的承载控制作用机理，并给出协同承载系统的稳定判别条件；基于层次可拓模糊评价方法建立充填效果分析模型，构建了充填效果评价的 4 个主控因素，综合评估砰石充填开采地表和覆岩稳定性；以新巨龙煤矿现场实际为例对其进行充填效果的层次可拓评价分析，综合评价判定其充填效果良好。




急倾斜煤层走向长壁工作面底板破坏机理及稳定控制

屠洪盛, 刘送永, 黄昌文, 张晓波, 游祖峰

2022, 39(2):  248-254.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0490

摘要 ( 1446 )  

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 随着倾角的增加，急倾斜煤层工作面底板也将发生破坏失稳，针对这一现状，在分析急倾斜煤层底板上端和下端受力特征的基础上，建立了急倾斜工作面底板下端为固支边界条件和上端为简支可滑动约束条件的力学模型，结合底板不同分段微元体受力状态，研究了底板朵柱模型的二元四阶受力变形微分方程，利用基于能量原理的瑞利－里兹法解析了底板朵柱的挠度变形方程，给出了依据最大拉破坏准则的底板最大破坏深度的表达公式，得到了工作面长度与煤层倾角呈非线性反比关系，底板破坏深度与工作面长度呈线性正比关系、与煤层倾角呈非线性正比关系，分析了底板破断结构两种旋转方式和挤压抬高咬合结构的平衡方程及稳定条件，提出了通过缩短工作面长度、伪斜布置方式降低工作面视倾角来提高底板的稳定性。  最后，以逢春煤矿 N2821 急倾斜工作面实际赋存和开采参数为例，确定其最大的破坏深度在 1.5 m左右，工作面开采过程中底板不会发生破断。

近距离煤层重复采动覆岩裂隙时空演化特征研究

杨滨滨, 袁世冲, 郑德志, 刘佳维, 亢嘉延, 马路兴, 周永杰

2022, 39(2):  255-263.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0613

摘要 ( 1411 )  

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采用相似材料模型试验，在上行和下行开采方式下，对近距离煤层重复采动覆岩裂隙的时空演化特征进行了研究。  采用数字图像处理技术对覆岩裂隙进行了量化分析，并基于分形理论与信息墒，提出了采用裂隙分形维数、裂隙墒和裂隙率 3 个特征参数来反映裂隙状态。  研究结果表明：随着煤层开采的不断推进，上行开采重复采动覆岩裂隙的裂隙墒和裂隙率具有相同的变化趋势，下行开采重复采动覆岩裂隙的分形维数、裂隙率具有相同的递增趋势，但是裂隙墒在不同开采条件下的变化有较大的差异。  在重复采动条件下，上、下行开采覆岩裂隙分形维数在沿开采方向上的变化分别呈“ 马鞍形” 和“ 梯形”，裂隙率和裂隙墒呈相似的周期性振动变化，但裂隙率的振幅小于裂隙墒。  相比于上行重复开采，下行重复开采的覆岩裂隙的产生与扩张作用较强。  上行开采重复采动距离煤层底板越远，裂隙墒越小；下行开采重复采动距离煤层底板较远的地方裂隙墒较大，当夫歼岩层全部垮落后，上、下煤层的破坏带连通，导水裂隙带高度持续发育。


厚土层下浅埋煤层开采覆岩倾向结构分区与下沉预计模型

曹健, 黄庆享

2022, 39(2):  264-272.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0436

摘要 ( 1275 )  

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为探究厚土层下浅埋煤层开采的覆岩与地表下沉预计方法，以拧条塔煤矿 1-2 煤层开采为背景，结合理论分析与物理模拟的方法，揭示了厚土层下浅埋薄基岩煤层采场覆岩倾向结构分区及其特征，建立了分区下沉力学模型，提出了覆岩与地表下沉预计方法。  研究表明：厚土层薄基岩浅埋煤层长壁开采后，沿覆岩倾向方向的垮落和移动可以分为边界煤柱顶板 F形岩柱区、采空区顶板梯形垮落区和区段煤柱顶板倒梯形岩柱区，采空区顶板梯形垮落区上部基岩与土层下沉量最大，边界煤柱顶板 F形岩柱区的下沉量和区段煤柱顶板倒梯形岩柱区下沉量较小。  基岩关键层对上覆岩层及表土层的下沉起控制作用，土层下沉取决于基岩与土层交界面处下沉盆地的形态；通过建立分区下沉力学模型，得到了覆岩与地表下沉量曲线方程。  分析得出：采空区顶板梯形垮落区上部基岩下沉量主要与采高和垮落顶板碎胀系数有关，边界煤柱顶板 F形岩柱区和区段煤柱顶板倒梯形岩柱区上部的基岩下沉量主要与采高及岩柱结构分布载荷有关。  物理模拟实验与理论计算得到 1-2 煤层开采地表最大下沉量分别为 1.1 m和 1.07 m，与实测最大下沉量基本相符，验证了下沉预计理论模型准确性，为厚土层下浅埋煤层采场覆岩与地表下沉预计提供了新方法。


充填开采隔水关键层渗流稳定性力学模型及分析#br#

孙强, 刘恒凤, 张吉雄, 周楠, 马丹

2022, 39(2):  273-281. 

摘要 ( 916 )  

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分析充填体与隔水关键层耦合作用关系，建立了充填开采隔水关键层非线性渗流稳定性力学分析模型，给出了充填开采隔水关键层非线性渗流失稳判据，研究了隔水关键层非线性渗流失稳与临界充实率的定量关系。研究结果表明：充填采空区垮裂带岩体渗透性具有明显的横向分区与垂直分带特征，其渗透性沿横向由煤壁侧向采空区中部逐渐减小，并趋于定值，沿纵向由下至上呈对数型逐渐衰减变化规律。 现场实则结果表明：充填开采后裂隙损伤发育至复合隔水关键层下部岩层，电阻率监则值为 40 -50 D·m左右，工作面未发生水渗流涌水现象，隔水关键层的控制效果较好，实现了含水层下煤炭资源的安全开采。




分层开采采空区下大跨度开切眼顶煤稳定性研究

柴敬, 韩志成, 乔钰, 高登彦, 陈苏社, 杨玉玉, 杜文刚, 张丁丁, 杨健锋, 陈建华, 吴帅

2022, 39(2):  282-291.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0315

摘要 ( 2012 )  

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为解决厚煤层分层开采采空区下大跨度开切眼顶煤支护难题，通过理论分析、数值模拟和现场监则的方法，分析大跨度顶煤承载变形破坏特征，推导失稳极值条件。 提出采取以棚子支护为基础、｀短密集描索加固＋描杆悬吊" 为主的描护方式以提高顶煤自身承载能力的支护方法，并在现场进行监则。
监则结果表明：在此支护条件下开切眼顶煤最大下沉值为 12 mm，描索最大轴力为 16 kN，描杆最大轴力为 8 kN，顶煤保持较好的稳定性，取得较好的支护效果。 对影响顶煤稳定性因素进行分析，结果表明顶煤跨度较其厚度对顶煤稳定性的影响更大。




上行采动影响下遗留群柱的动态稳定性研究

冯国瑞, 毋皓田, 白锦文, 朱卫兵, 李竹, 王凯, 宋诚, 史旭东

2022, 39(2):  292-304.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0088

摘要 ( 1323 )  

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揭示上行开采对柱式采空区遗留群柱体系稳定性的动态扰动特征是保障蹬空遗煤安全开采的关键科学问题之一。 选取元宝湾煤业 9#煤层柱式采空区上覆 6# 蹬空遗煤开采为研究对象，通过数值模拟研究蹬空遗煤上行复采过程中遗留群柱的应力演化规律，评价遗留群柱的动态稳定性；在此基础上，运用结构力学基础理论，建立上行扰动载荷与遗留群柱载荷之间的关系，并揭示上行扰动载荷对遗留群柱稳定性的影响。 结果表明 蹬空遗煤推进距离较小时，传递至遗留煤柱的支承压力不足以破坏其整体稳定性，使得应力分布形态保持“ 马鞍” 形；随着蹬空遗煤推进距离增大，传递至遗留煤柱的支承压力与原有集中应力发生叠加，促进关键柱最早发生失稳，并使得其应力分布形态由“ 马鞍” 形演变为“ 下开口抛物线” 形；关键柱发生失稳后，覆岩载荷会发生转移，随着蹬空遗煤持续推进，邻近遗留煤柱在原有集中应力、转移应力和支承压力的叠加影响下，依次经历“ 增压－卸压” 的演变路径，并按从左往右的次序发生失稳破坏；上行扰动影响下“ 遗留群柱－覆岩” 耦合承载结构可以简化为均布载荷 q 和移动集中载荷 F1 叠加影响下的多跨连续梁力学模型；运用“ 遗留群柱－覆岩” 耦合承载结构的力学模型，结合上行扰动载荷与遗留群柱载荷之间的关系，可以发现上行扰动荷载的位置和大小变化均会引起柱式采空区遗留群柱荷载的传递与转移，并影响遗留群柱体系稳定性的动态演变。 本研究可为柱式采空区蹬空遗煤开采遗留群柱的失稳防控提供良好的理论支持。

随掘地震超前探测掘进机震源信号的复合干涉处理研究

李圣林, 张平松, 姬广忠, 郭立全

2022, 39(2):  305-316.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0164

摘要 ( 1173 )  

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基于掘进机震源的随掘地震超前探测技术是实现巷道智能化掘进的关键地质保障技术之一，为了解决掘进机震源信号脉冲化处理的难题，提出一种基于复合干涉处理的脉冲化新算法。利用基于最佳维纳滤波约束的脉冲反褶积对掘进机震源信号进行压缩，去除多峰值脉冲干扰，解决相关分析无法有效进行脉冲化处理的问题。  研究结果表明：复合干涉算法更适用于掘进机震源信号的脉冲化处理，算法鲁棒性更高；经过复合干涉算法处理下的随掘地震超前探测能够有效指导掘进生产，可为巷道掘进智能化发展提供支撑。


巷道防冲支架吸能构件屈曲吸能可靠性研究

肖永惠, 潘一山, 陈建强, 刘昆轮, 王爱文, 代连朋

2022, 39(2):  317-327.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0495

摘要 ( 1338 )  

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簿壁预折纹方筒是目前矿井下使用的吸能防冲液压支架的核心吸能构件，其屈曲让位吸能的可靠性对支架的防冲功能具有决定性作用。  为探究预折纹方筒实际应用时的可靠性，提出 4 个指标作为其评价依据，即屈曲临界力、让位阻力降、比吸能和菱形折纹变形数量，并通过室内试验和现场监测研究 1 :1 的预折纹方筒吸能构件的这 4 个指标。  室内试验得到：预折纹方筒轴向压缩下屈曲临界力达 2 617 kN，让位阻力降是峰值的 47%，比吸能达 26.1  kJ/kg，8 个菱形预折纹都能够正常折叠变形，4 个指标与数值模拟计算结果都非常相近；预折纹方筒受偏心压缩时屈曲临界力达 2 658 kN，未受偏心压缩影响，但局部的菱形预折纹出现失效和异常变形的情况，让位阻力降达到峰值的 60%，比吸能减少为 23.6 kJ/kg。  从 2 种试验结果的对比可见，偏心压缩对预折纹方筒屈曲让位吸能产生了明显影响，使其可靠性降低，因此提出设计一套刚性导向装置配合预折纹方筒的使用，以避免偏心压缩的情况出现。  现场试验阶段，将预折纹方筒与刚性导向装置组合安装于巷道防冲支架中，在发生的几次大能量巷道冲击事件中，预折纹方筒发挥了快速屈曲让位吸能的作用，累计吸能量达 136 kJ，证实了预折纹方筒可以达到较高的可靠性。  综上，预折纹方筒在保证轴向压缩下能够实现预期的屈曲让位吸能作用，具有良好的可靠性，可以满足巷道防冲支架的使用需求。




锚杆支护回采巷道安全监测用FBG锚杆研究

董建军, 郑高阳, 杨嫡

2022, 39(2):  328-334.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0224

摘要 ( 1724 )  

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为实时监则煤矿回采巷道中描杆的安全状态，评估描杆支护结构的安全稳定性。  基于现场实际使用的常规支护描杆，设计选取 FBG传感器和介质材朴，通过描杆拉伸和 FBG温度试验，研究 FBG描杆的应变传递机理，分析 FBG传感器在不同基体材朴下的应力 应变曲线和温度 波长变化曲线，表明所研制的FBG描杆通过 FBG传感器中心波长的变化真实地反映出描杆应力状态。现场试验中将 FBG描杆布置在回采巷道正负巷帮，结果表明 FBG描杆准确记录了轴力变化，展现了正、负巷帮描杆各个位置的轴力变化规律，为回采巷道描杆支护进行实时监则并评估描杆安全状态提供了技术支持。


砌块充填沿空留巷底鼓大变形机理及综合控制技术

于光远, 王炯, 孙晗, 马新根, 潘志福

2022, 39(2):  335-346.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0147

摘要 ( 1338 )  

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底鼓是沿空留巷常见的问题之一，为解决填沿空留巷底鼓问题，以发耳煤矿砌块充填沿空留巷为工程背景，采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法研究沿空巷道底鼓的变形特征、力学机理并提出综合控制技术。 研究结果表明 沿空巷道的底鼓主要发生在一次采动期间，底板变形随着工作面的推进呈现变加速度加速变形、变加速度减速变形和恒加速度减速变形 3 个阶段演化过程；留巷过程中，实体煤帮及砌块墙体部位的垂直应力导致其下方岩层发生塑性滑动而产生水平应力，水平应力推动巷道底板岩层产生三角滑移区，继而发生底鼓；巷道底板的最大破坏深度及塑性滑移有效推动力均与实体煤帮、砌块墙体部位的垂直应力大小成正比，因此采动引起的留巷两帮垂直应力是导致底鼓的根本原因；基于这一底鼓特性，提出“ 切顶卸压＋柔性让压＋补强描索控顶＋双控描杆控帮” 一体化底鼓大变形综合控制技术并进行工程试验，现场监剧结果表明，该技术底鼓控制效果良好。

煤矿井下巷道注浆智能数字化在线监测系统研发与应用

陆银龙, 冯旭阳, 吴开智, 吴秉臻, 冯国海

2022, 39(2):  347-358.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0246

摘要 ( 1364 )  

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注浆技术是维护煤矿软弱破碎巷道围岩稳定的一种有效方式，但是目前对于煤矿井下巷道注浆过程监则和注浆质量评价缺少一种科学、有效的方法。 
为突破相关技术难题，提出一种煤矿井下巷道注浆智能数字化在线监则系统总体架构，确定适用于水泥基浆液物理力学特性的浆液流量、注浆压力和浆液密度／水灰比等监则传感器类型及其技术指标参数，自主研制井下注浆数据采集单片机芯片和基于矿用本安智能手机的注浆描杆数字化配置及注浆信息显示与预警 App 系统，建立矿井地面巷道注浆信息数据库，开发地面注浆数据管理与注浆质量智慧分析评价软件辅助分析系统，实现了巷道注浆信息实时查询、注浆信息一张图分析、异常注浆精准诊断、注浆数据报表统计等功能。  系统成功应用于淮北矿区桃园煤矿II2 回凤上山，精准获得注浆区域中每一根注浆描杆的注浆量、注浆压力、浆液密度／水灰比等信息，为实现巷道注浆工程的数字化、精准化与智能化施工与管理提供了新的技术支撑。

煤岩体裂化的弱结构体应力转移原理及应用

刘长友, 刘江伟

2022, 39(2):  359-369.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0298

摘要 ( 1261 )  

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人工裂化煤岩体是主动改造煤岩体结构的有效手段，但人工致裂产生的人工裂缝的形态及参数等对于煤岩体结构的改造程度、对应力场的改善程度等，将影响到高应力的转移卸压程度。采用物理实验、数值模拟、理论分析和现场应用等方法，开展了人工裂化煤岩体的力学特性、应力场改变机制及控制方面的研究，得出含人工裂缝煤岩体在不同裂缝类型及参数条件下的力学特性和破坏失稳规律不同，随着裂缝长度、密度的增加或者裂缝角度在 30°-45°，试块的弹性模量、强度、能量释放程度均逐渐降低；阐释了人工裂化煤岩体的弱结构体特征，分析了煤岩裂化弱结构体随裂缝长度、角度、间距及组数变化对宏观应力的改变规律，进而提出了基于煤岩裂化弱结构体的应力转移理论框架，建立了煤岩裂化弱结构体应力转移控制流程，给出了基于水力压裂的煤岩裂化控制参数的确定方法；针对淮北矿业祁南煤矿 313 工作面跨底板大巷回采的动压影响问题，现场实施了水力压裂大巷顶板岩层形弱结构体卸压的巷道围岩控制方法，水力压裂后孔壁出现了明

显的裂缝，跨采期间底板大巷的变形量显著减小，巷道得到了有效控制。




考虑蒸汽相变煤层气注热开采数值模拟研究

唐明云, 张亮伟, 郑春山, 郝定溢, 张羽中, 张海路

2022, 39(2):  370-379.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0475

摘要 ( 1259 )  

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为研究蒸汽相变对煤层气注热开采的影响，首先，基于传热、传质和应力守恒原理，建立考虑蒸汽相变影响的煤层气注热开采热－流－固耦合三相二组分模型；其次，采用有限容积法离散和牛顿－拉夫逊迭代对耦合模型进行求解；最后，利用二维五井注采物理模型，分别对注 250 °c蒸汽、250°c热水和直接抽采 3 种方案进行数值模拟研究。 结果表明 在设定相同注采压力和注采时间下，注蒸汽质量低于注热水质量，但由于蒸汽相变潜热影响，注蒸汽后煤层井底附近温度高于注热水；注蒸汽后煤层气累计抽采量得到明显提高，统计得到抽采 100 d 时，注蒸汽后煤层气累计抽采量比直接抽采提高 17.5%，而注热水后累计抽采量比直接抽采降低 9.8%， 说明注蒸汽比注热水更有利于煤层气开采。

高压电脉冲对烟煤微观孔隙结构的影响作用

林柏泉, 钟璐斌, 张祥良, 倪祯

2022, 39(2):  380-386.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0011

摘要 ( 1360 )  

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煤体微观孔隙结构特征对瓦斯解吸流动至关重要，本文利用高压脉冲放电碎煤实验系统，对山西红柳煤矿的烟煤进行高压电脉冲击穿实验，结合扫描电镜和液氮吸附法分析煤样击穿前后的孔裂隙的表面形态特征和孔结构的分布特征。同时在分形理论的基础上，应用盒子覆盖法分析了扫描电镜图像的分形特征，结合FHH方程计算了击穿前后煤样孔隙的液氮吸附分形维数值。研究表明：经过高压电脉冲的击穿，煤样表面形成新生裂隙并构成裂隙网络，表面粗糙度提高；与电脉冲击穿前相比，击穿后煤样的吸附滞后现象更明显，孔容和孔面积有一定程度的增加，孔隙结构特别是微孔区域的孔结构得到较大改善；击穿前后的煤样都具有分形特征，煤样低压段的分形维数值在电脉冲击穿后降低，击穿后煤样的表面变得更加光滑，煤样高压段的分形维数值在电脉冲击穿后升高，说明部分封闭孔在电脉冲击穿下发展成半封闭孔，促进煤体瓦斯解吸流动。

基于工业CT扫描和LBM方法的含瓦斯煤裂隙演化与渗流特性

王登科, 田晓瑞, 魏建平, 张宏图, 姚邦华, 付建华, 尚政杰, 吴岩

2022, 39(2):  387-395.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0651

摘要 ( 1301 )  

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煤层裂隙系统的扩展和发育是控制煤层渗透率的主要因素，分析加载条件下煤层渗透率的变化对研究煤层气的运移特性及其开发具有重要意义。开展了基于工业CT扫描条件下的含瓦斯煤三轴渗流实验，测试结果表明：含瓦斯煤在加载条件下的变形过程大致分为初始裂隙压密阶段、弹性变形阶段、屈服变形阶段、破坏阶段和残余变形阶段；基于CT扫描技术的裂隙重构真实客观反映了含瓦斯煤三维裂隙场的演化过程；含瓦斯煤渗透率大小与其内部裂隙发育和扩展密切相关，并随变形表现出了先减小后增加，再减小再增加的变化特征。采用格子Boltzmann方法模拟重现了含瓦斯煤全应力-应变过程中内部渗流场的演化规律，并预测了含瓦斯煤的渗透率，预测渗透率平均误差为11.11%。与含瓦斯煤内部裂隙发育程度及演化过程高度吻合，有效揭示了裂隙控制下的含瓦斯煤渗透性演化过程和特征。研究结果可为裂隙煤体瓦斯抽采和煤矿安全生产提供理论支撑。

超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性影响实验研究

李树刚, 王瑞哲, 林海飞, 秦雷, 赵泓超, 宋超, 郭超奇

2022, 39(2):  396-404.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0285

摘要 ( 1248 )  

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为探究超声波功率对煤体孔隙结构损伤及渗流特性的影响，利用超声波NM-4B波速检测仪、蔡司Stemi508显微镜和煤岩芯渗透率测试仪，测试超声波不同功率激励前后煤样的表面裂隙宽度、微细观损伤和渗透特性的变化。实验结果表明：随着超声波激励功率增大，表面裂隙宽度增大，煤体表面裂隙宽度扩展率随功率呈正指数相关；超声波激励功率越大，激励后煤体内部声波波速下降越明显，声波波速降幅、孔隙度变化率与功率呈指数增长；煤体渗透率也随之增大，其渗透率增长率与功率呈线性正相关。探究了在超声波不同功率激励煤体下孔隙度变化率-渗透率变化率相互关系，其两者相关关系符合Kozeny-Carman方程得出的孔隙度-渗透率模型；分析了煤体渗透率变化率与超声波波速变化率、表面裂隙宽度变化率之间相互关系，其与波速变化率呈线性正相关，与表面裂隙宽度变化率呈正指数增长。以上结果表明，煤体表面原生裂隙扩展，新孔裂隙发育，裂隙之间相互连通，使煤体内部劣化，提高煤体渗透率。

充填厚度对岩石节理剪切强度影响的剪切试验研究

焦峰, 许江, 郭保华, 彭守建, 闫发志, 陈奕安

2022, 39(2):  405-412.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0458

摘要 ( 1311 )  

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为研究充填砂土厚度对节理抗剪强度的影响，采用 GCTS( RDS－200 型) 岩石剪切系统，进行充填节理的剪切试验，结果表明：未充填节理剪切应力－位移全程曲线存在明显峰值，按照曲线变化趋势可将其划分为 5 个阶段。 随着充填厚度的增加，节理剪切应力－位移曲线峰值点逐渐趋于不明显，曲线逐渐向屈服型过渡，充填节理的峰值强度介于未充填节理的峰值强度和残余强度之间。将充填节理的破坏模式划分为节理面接触破坏、节理面接触和砂－岩接触破坏、砂－岩接触破坏和砂粒摩擦破坏，说明充填物通过控制节理的破坏模式来影响剪切力学特性。 充填节理的内摩擦角稍高于未充填节理的内摩擦角，但充填节理的黏聚力均有一定程度的降低。

液氮冷加载对不同含水饱和度节理煤样损伤的影响

李和万, 刘戬, 高熹才, 王来贵, 孙思洋, 朱志洁

2022, 39(2):  413-420.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0561

摘要 ( 1336 )  

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为了研究煤层物理性质（节理角度、含水饱和度）在液氮制冷过程中对煤样原有节理结构的影响利用物理实验及ABAQUS软件数值模拟的方法建立贯穿型节理模型，以节理角度与不同饱和度作为主要参数：节理角度按照与层理夹角分为15°、45°。60°；含水饱和度分别为0%、50%和100%，对煤样进行循环冷加载交叉实验与模拟。结果表明：1）随着加载周期的增加，45º夹角煤样节理结构损伤扩展最明显，60º夹角煤样节理结构损伤效果最弱。2）随着含水饱和度的提高，致煤样破碎的冷加载周期减少，单轴抗压强度降低；3）通过ABAQUS软件建立的煤样损伤物理力学模型，与实验结果吻合度较高，含水饱和度100%、45°节理角度煤样经过4T发生破裂。

加载速率和饱水对砂岩力学行为和微观损伤特征的影响

王云飞, 刘晓, 王立平, 李志超, 陈岩, 荣腾龙

2022, 39(2):  421-428.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0596

摘要 ( 1243 )  

相关文章 | 计量指标

为了明确加载速率和饱水对砂岩力学特性和微观损伤机制的综合影响，在岩石力学试验系统进行了加载速率在0.001mm/s - 0.1mm/s范围内的9级速率下干燥和饱水砂岩试验，详细分析了强度、应变能、微观损伤和宏观破裂特征在不同加载速率下的变化规律。结果表明：随着加载速率的增大，在0.001mm/s - 0.01mm/s 加载速率区间，砂岩单轴抗压强度增速较大，强度劣化显著，弹性模量和变形模量线性增大，弹性应变能极限基本保持常值；在0.01mm/s - 0.1mm/s 加载速率区间，砂岩单轴抗压强度增速变缓，强度劣化减弱，弹性模量和变形模量整体呈线性减小，弹性应变能极限线性增加。在0.001mm/s - 0.01mm/s区间，干燥状态弹性应变能是饱水状态弹性应变能的1.28倍，在0.01mm/s - 0.1mm/s 区间，干燥状态弹性应变能的增速是饱水状态的2.59倍。对比干燥和饱水砂岩相应规律可知，饱水弱化了加载速率对砂岩强度和弹性应变能极限的提高效应。随着加载速率的增加，微观损伤拉伸裂隙所占百分比增加，宏观破坏劈裂块体增多体积变小，破坏严重；表明饱水弱化了加载速率对微观拉伸裂隙发育的增加效应，弱化了砂岩由于加载速率增大岩体脆性提高的效应。