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2022年 第39卷 第3期    刊出日期：2022-05-15

上一期   

论文

煤岩体流固耦合参变系统的构建与应用

姚强岭, 闫鸿远, 李学华, 姚文博, 王夫椿

2022, 39(3):  429-440.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0602

摘要 ( 1473 )  

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通过建立有效的评价模型预测煤矿地下水库煤柱坝体在服务期间的渗透特征。运用数值模拟技术重构了煤柱坝体采场应力环境，并基于不同尺度煤岩体渗透性质相关性的假设，搭建了力学-渗流模型耦合参变系统，预测并分析了相邻工作面采掘扰动条件下煤柱坝体的渗透特征。研究结果表明：(1)围压对煤样渗透能力的影响程度明显大于轴压，渗透介质的低渗特性是工程岩体渗透环境中主体隔水结构形成的基础；(2)煤柱坝体与采场围岩内部存在不规则隔水区域。高侧向支承压力分布范围越大，弹性核区的隔水范围越大；(3)煤柱坝体受采掘扰动较严重的位置易出现顶底板沟通型渗漏通道，停采线与人工坝体之间的空巷帮部存在低速渗透的威胁。

破碎煤样注浆体力学特性及主要参数试验研究

潘锐, 杨本水, 王雷, 宣以琼, 王凤云, 许硕, 王悦, 张朋

2022, 39(3):  441-448.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0090

摘要 ( 1351 )  

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为明确破碎煤体注浆加固后变形破坏特征以及主要力学参数关系，采用自主研发的破碎岩体注浆加固装置，筛选赵楼煤矿现场破碎煤样，制作不同粒径、不同水灰比条件下注浆加固试件，开展试件图像分析以及单轴压缩试验。研究结果表明：1）多数试件应力-应变曲线呈现“折线”式的升降现象，试件破坏以近似纵向曲折劈裂为主。不同粒径试件的总应变能、耗散能和弹性能大小交替变化，且各部分能量交替时对应的应变呈现不同步现象。2）相同水灰比条件下，随着岩体粒径的增加，注浆充填分形维数呈现下降趋势，粒径由5~10mm增加到15~20mm时，注浆充填分形维数D由1.74降低到1.51，最大降幅为13.2%。试件单轴抗压强度、储能极限、峰值应变随着岩体粒径的增加均呈现先降低后增加的特征。3）相同粒径条件下，不同水灰比试件注浆充填分形维数随水灰比的增大呈现先增大后减小的趋势，但是整体变化幅度较小，最大降幅为1.83%。试件单轴抗压强度、储能极限随着水灰比的增大均呈现先增加后降低的特征，试件峰值应变随着水灰比的增大而逐渐减小。

胶结充填体蠕变硬化-损伤特征及非线性本构模型

程爱平, 付子祥, 刘立顺, 戴顺意, 黄诗冰, 叶祖洋

2022, 39(3):  449-457.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0098

摘要 ( 1342 )  

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胶结充填体蠕变特征直接影响矿山安全生产，基于此，制备不同灰砂质量比的胶结充填体试样，结合超声波监测技术，开展了单轴压缩和分级蠕变试验，获取了不同应力水平下胶结充填体蠕变变形、超声波波速与损伤演化规律，探讨了胶结充填体蠕变硬化和损伤特征，引入硬化与损伤函数，构建了考虑硬化-损伤特征的胶结充填体非线性蠕变本构模型，并进行了验证。研究结果表明：1) 胶结充填体蠕变过程是其内部应力不断调整、硬化和损伤不断发展并共同作用的结果；2) 同一应力水平下，减速蠕变阶段，胶结充填体硬化作用占主导；稳定蠕变阶段，胶结充填体硬化作用与损伤作用相互抵消；加速蠕变阶段，胶结充填体损伤作用占主导；3) 不同应力水平下，胶结充填体硬化与损伤特征存在差异性：减速和等速应力水平，胶结充填体硬化特征显著；加速应力水平，胶结充填体损伤特征显著；4) 构建的胶结充填体非线性蠕变本构模型与各试验数据均有较高吻合度，较好的表征了胶结充填体蠕变硬化和损伤特征。研究成果可为胶结充填体稳定性和矿山安全生产提供理论依据。

煤体孔隙结构综合表征及全孔径分形特征

刘怀谦, 王磊, 谢广祥, 袁秋鹏, 朱传奇, 焦振华

2022, 39(3):  458-469.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0630

摘要 ( 1433 )  

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为探究煤体孔隙结构及全孔径分形特征，借助压汞和低温液氮吸附试验，结合微焦点CT扫描系统，分别表征了取自海湾煤矿5-2煤（#1）和顾北煤矿中央1煤（#2）煤样的孔隙结构，并基于分形理论对比分析了煤样全孔径分布的复杂程度。结果表明：1）#1煤体孔隙结构发育，微孔至大孔都具有开放性，裂隙由上端面倾斜蜿蜒延伸至下端面，两者在空间上形成网状拓扑结构，而#2煤体存在大量孤立孔隙，微孔多属于封闭孔或半开放孔，裂隙结构数量较少，两者难以形成孔裂隙拓扑结构，不利于瓦斯渗流；2）#1、#2煤体孔隙比表面积大部分由微孔和过渡孔贡献，但两者孔容占比差异明显，#1煤体大孔、中孔孔容占比较高，而#2煤体孔容主要由微孔和过渡孔贡献；3）综合比较三种表征手段存在的缺陷，提出了可表征全孔径分形维数的新方法，得出低温液氮吸附法所表征的孔径优势区间内，#1煤体孔径分布较#2煤体的非均质性更强，即孔隙结构更为复杂，高压压汞法所表征的孔径优势区间内，#2煤体孔隙结构较#1煤体更复杂，但两者在中孔范围孔隙结构的差异最为显著，微焦点CT扫描所表征的孔径优势区间内，孔隙结构非均质性大体相同，差异在于孔隙数量；4）多手段联合表征煤体孔隙结构特征，可校正高压阶段煤基质的“压缩效应”和孔裂隙压缩破坏以及微孔、过渡孔测定时的“屏蔽效应”或因样品尺寸导致大孔及可见孔被忽略而导致分形维数产生的误差，是研究及评价气固耦合和瓦斯赋存、扩散及渗流的基础。

深部采动应力条件下砂岩破裂的声发射和能量演化规律研究

刘 超, 尹思禹, 张 锦, 张东明, 王亮, 赵宏刚

2022, 39(3):  470-479.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0643

摘要 ( 1415 )  

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深部采动应力（采深和采动应力路径分别用静水应力和Lode角表示）对岩石材料变形损伤过程的声发射特征和能量演化规律有着重要影响，本文以砂岩为研究对象，进行了不同静水应力和不同Lode角(-30°~30°)条件下的真三轴加卸载试验。研究结果表明：静水应力和Lode角对岩石变形及强度有较大的影响。静水应力相同时，Lode角的增加（即最小主应力卸载速率增加）会促进微裂隙的扩展和贯通，从而降低砂岩试样的承载能力，使其破坏更加迅速且剧烈；Lode角相同时，三个方向的应变均随静水应力的升高而增大，且静水应力升高可以增加砂岩试样的延性，使其在较大变形时才发生失稳破坏。声发射参数特征与岩石各阶段变形保持良好的对应关系，不同阶段所对应的AF值（平均频率）和RA值（上升时间与幅值的比值）存在较大差异，表明各阶段的损伤类型不同，且越接近峰值破坏点，剪切作用越明显。此外，岩石在峰值破坏点前的能量转化特征较好地体现了损伤演化规律，能耗比m(耗散能U^d与总能量U之比)大体呈现先减小后稳定再增加的趋势，且应变硬化阶段的能耗比增量基本相同，说明加载时间越长，岩石的峰值强度越大，吸收的总能量也越多，破坏时需要的耗散能也会随之增加。

不同真三轴路径下岩石卸荷特性与破裂特征研究

李兆霖, 周伟, 王连国, 李文帅, 田涯, 张传伟

2022, 39(3):  480-488.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0020

摘要 ( 1351 )  

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岩石真三轴卸载应力路径试验能全面准确反映真实应力环境下岩石实际力学特性与破裂演化规律，对揭示巷道开挖等引起的围岩破坏本质原因具有重要的工程意义。通过真三轴伺服试验系统开展了一系列真三轴卸载应力路径试验，结合CT扫描技术，研究了不同应力路径下岩石强度、变形及破裂特征。研究发现：同时卸载σ2和σ3路径下岩石峰前持续时间最短，只卸载σ2路径下岩石峰前持续时间最长，变形特征类似；真三轴卸载条件下岩石内部破裂特征较加载路径更加复杂，破裂面表面积更大；不同卸载路径下沿方向岩石内部主破裂面均呈“V”形且贯穿整个试样，但围压σ2和σ3发生转换后(σ2<σ3)岩石沿初始围压方向(新σ2的方向)上产生了较为密集的破裂网络，说明岩石内部裂隙强烈依赖中间主应力方向，在巷道等地下工程开挖中顶板表面围岩由于卸载等作用引发裂隙发育向水平方向旋转，逐渐产生水平方向破裂面，易产生顶板岩层水平错动与冒落等问题，也为工程中研究岩体破裂演化规律提供了重要的依据。

特厚煤层综放末采基本顶梯形块结构稳定性研究

秦宾宾, 何富连, 吕凯, 李亮, 王蔚, 许旭辉

2022, 39(3):  489-498.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0168

摘要 ( 1315 )  

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为研究特厚煤层综放工作面末采阶段停放顶煤对基本顶梯形块体结构稳定性的影响，以同忻煤矿为研究背景，构建特厚煤层工作面基本顶梯形块体结构力学模型，提出判别梯形块体滑落失稳的组合系数{k₁,k₂,k₃}和回转变形失稳系数k₄并确定失稳准则，分析各系数随采高、工作面前方梯形块体下实体煤宽度、液压支架工作阻力的变化规律。结果表明：工作面采高从15m降至4m，{k₁,k₂,k₃}和k₄随实体煤宽度变化最危险值分别由{9.43，1.49，4.05}和0.14变为{2.74，18.10，1.16}和0.008，梯形块体结构仍处于稳定状态；工作面由正常回采阶段进入末采停放阶段，液压支架动载系数降低，工作面矿压显现明显减弱，末采停放可有效提高工作面围岩稳定性，保障工作面设备安全顺利回撤。

急倾斜特厚煤层开采覆岩结构演化特征及支架工作阻力计算

吴锋锋, 岳鑫, 刘长友, 余昌辉, 柳启文, 李超, 杜贝举, 杨培举, 陈毅琪

2022, 39(3):  499-506.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0386

摘要 ( 1250 )  

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针对急倾针特厚煤层水平分段综放开采中顶板失稳过程复杂及支架选型问题，采用物理模拟、理论计算以及现场实测的方法，研究了急倾针特厚煤层水平分段开采覆岩活动结构演化特征，构建了该开采条件下支架与围岩相互作用关系力学模型，推导得出支架工作阻力计算公式，指导了该开采条件下支架的合理选型。 研究表明开采过程中覆岩活动分为两个时期，开采初期采空区的上端顶板大面积悬空，覆岩垮落形成不对称的拱形结构，而在后期阶段顶板破断岩块在倾针方向上相互较接，形成较接岩块结构；开采初期支架所受载荷来自顶煤、垮落煤矸石，顶板侧还受顶板悬臂梁作用，在后期较接岩块结构失稳状态下，支架还要承受垮落覆岩压力；满足整个开采过程控顶要求的合理支架工作阻力为开采后期较接岩块结构失稳状态时的支架工作阻力。 基于理论计算，益门煤矿 1212 工作面选用 ZF2600 /16 /26 型液压支架，支架工作阻力实测结果与理论计算相吻合，所选支架满足现场顶板控制要求，验证了所提出的支架工作阻力计算方法的准确性。



山区多煤层重复采动下地表变形特征

刘一龙, 杨天鸿, 叶强, 侯宪港, 赵永, 魏恋欢, 靳月灿

2022, 39(3):  507-516.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0384

摘要 ( 1236 )  

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西山煤田开采逐步向深部延深，重复采动下应力对围岩的切割作用不断加重，在山区采动滑坡作用下地表变形加剧、产生大量地裂缝且存在形成地表水下渗通道的可能。以西曲矿18401工作面为研究对象，综合应用集InSAR动态观测、地表勘察、微震监测和数值模拟为一体的地表变形监测与分析体系，探讨山区多煤层下行开采地表变形特征。研究结果表明：18401工作面推进80 ~90 m过程中关键层发生破断，致使地表开始发生明显的沉降，煤层重复采动引起的地表移动活跃期为2~3个月，长于单煤层开采地表移动活跃期，终采后地表达到充分沉降的滞后周期为6~9个月；采场上覆陡坡处的地表沉降和地裂缝发育程度皆大于平缓处，陡坡处附近地表发生大范围拉伸破坏，形成台阶裂缝，采动滑坡作用下台阶裂缝高度增加了10.67%，但相比于地形作用，煤层重复采动对地表变形仍占据着主导作用；形成了山区地形与煤层重复采动作用下的地表塌陷分区。研究结果可为西山矿区类似矿井地表塌陷预防及生态环境治理工作提供科学指导与借鉴经验。

单轴压缩条件下不同冲击倾向性煤岩损伤与破碎能演化规律研究

丁鑫, 肖晓春, 潘一山, 吴迪

2022, 39(3):  517-526.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0193

摘要 ( 1277 )  

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研究围绕“同一矿井煤岩试样会出现强度相近但峰后应力降模量明显差异，进而引起多种冲击倾向性判定结果和能量演变特征”的现象，以物理实验为基础，分析考虑了孔、裂隙对有效承载面积的削减作用，建立了基于孔隙率的初始损伤表达式，结合非均匀性统计理论构建了煤岩本构关系及损伤演化方程。基于煤岩破碎后块体分布的自相似性，理论推导获得了以分形维数表征的破碎块体新增表面积及耗散能密度计算公式并实验验证。研究表明：随所受载荷增加，煤岩损伤演化曲线呈现为“受载初期平直、临近峰值陡增”的典型“S”型变化，且损伤在峰值点均低于0.5并集中于峰后阶段发展，冲击倾向性增强其初始和应力峰值损伤越低，损伤越集中于峰后发展；煤岩产生损伤演化特点随冲击倾向性变化的主要原因是孔裂隙发育及不同物质组成所致，孔隙率逐渐增加使试样更易在缺陷部分发生微裂隙扩展并与相邻的缺陷部分汇聚而形成宏观破裂；弱冲击倾向试样宏观煤岩成分具有更多暗煤，反之冲击倾向性增强煤岩中镜煤、亮煤占比增加，两种宏观煤岩组分虽均使煤岩展现出较高的抗压强度，但暗煤韧性大与之相对应的亮煤、镜煤脆性特征更为显著，表现出峰后软化及损伤差异；冲击倾向性增强，煤岩破碎程度增加即分形维数升高、碎块分布向更小尺寸集中；随碎块分形维数增加，破碎耗散能理论曲线呈斜率升高的“下凹”型增长，更为直观的反映了煤岩冲击倾向性与破碎度、盈余能间的正相关关系。

基于共振效应的冲击地压机理研究

李学龙 , 陈绍杰 , 李忠辉 , 王恩元 , 翟明华

2022, 39(3):  527-535.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0038

摘要 ( 1348 )  

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为探究远场低频地震波对冲击地压的作用机理，本文采用结构动力学理论，从共振角度研究了地震波对煤岩体稳定性的影响，解释了远场震源导致冲击地压的原因。研究表明：受采动影响，远场低频地震波也会对煤岩体造成累积损伤破坏，降低其强度；越靠近巷道表面，煤岩越破碎，其固有频率越低，越易与地震波发生共振效应，造成煤岩体进一步破坏；建立了地震波对煤岩体冲击扰动失稳破坏的响应机制模型，发现扰动能量越大，参与冲击地压的煤岩体越多，释放能量越大，破坏范围也较大；扰动能量越小，参与冲击地压的煤岩体较少，释放能量越小，破坏范围也较小；冲击地压演化过程中微震波形的主频降低，幅值呈线性递增；临近冲击失稳时，煤岩破裂从小尺寸串级过渡到大尺寸串级，波形的相似度及关联性也越来越大，Hilbert瞬时能量能够更明确体现地震波的累积损伤作用，研究成果有助于深刻认识远场地震波扰动诱冲机理。

基于加权的综采导水裂隙带高度多元非线性回归预测方法研究

李博, 吴煌, 李腾

2022, 39(3):  536-545.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0010

摘要 ( 1899 )  

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导水裂隙带发育高度的确定对于煤层顶板水害防治工作具有重要意义，本文在广泛收集我国华北地区不同煤矿区的综采导水裂隙带发育高度实测数据的基础上，通过邓氏灰色关联分析理论和主成分分析理论，分析了开采厚度、开采深度、工作面斜长、硬岩岩性比例系数与导水裂隙带高度之间的关联度，并确定了各影响因素的组合权重值。采用SPSS散点分析及Matlab函数编程拟合了导水裂隙带高度与各影响因素相关关系曲线，得到了导水裂隙带发育高度对各影响因素的最佳一元非线性回归模型，在此基础上，结合各影响因素权重，构建了基于加权的综采导水裂隙带高度多元非线性回归预测修正模型，并将其与多元线性回归模型、“三下”规范经验公式的预测结果进行了对比分析，结果表明本文所建立的导水裂隙带高度预测公式准确性更高，具有较好的实际应用价值，可以为导水裂隙带高度的研究提供一定的依据和参考。

陕北侏罗系砂岩沉积控水规律研究

冯洁, 侯恩科, 王苏健, 丁湘, 段会军

2022, 39(3):  546-556.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0034

摘要 ( 1282 )  

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陕北侏罗系砂岩含水层富水性不均一，富水规律难掌握，为了科学高效地指导矿井防治水工作，保障煤炭资源安全开采，分别采用地学信息统计联合灰色关联理论、微观孔隙结构测试、沉积微相划分等手段从砂岩岩性及其组合、微观孔隙结构、沉积相三个方面研究了榆神府矿区中部侏罗系直罗组、延安组、风化基岩含水层的沉积控水规律。侏罗系砂岩含水层中粗砂岩、中砂岩等粗碎屑岩厚度越大，富水性越强，泥岩与砂质泥岩等细碎屑岩厚度越大，富水性越弱。依据含水层岩性、孔隙大小、分布、连通性等将侏罗系砂岩微观孔隙结构划分为大孔粗喉型（Ⅰ类）、中孔-中-细喉型（Ⅱ类）、小孔细喉型（Ⅲ类）、小-微孔-微细喉型（Ⅳ类）等四种类型，认为风化程度相同时，砂岩微观孔隙结构分类级别越低，粒度越粗，含水层富水性越强，风化程度不同时，同时代地层风化程度越强，砂岩微观孔隙结构分类级别越低，粒度越粗，含水层富水性越强。侏罗系直罗组含水层主要为河流沉积体系，曲流河、辫状河沉积相，河道、河漫滩沉积微相，相同沉积相条件下河道较河漫滩沉积微相富水性强，河道岩性以砾岩、粗砂岩、中砂岩为主；延安组上部地层以三角洲沉积体系为主，三角洲平原沉积相，分流河道与分流间湾沉积微相，分流河道较分流间湾沉积微相富水性强，分流河道岩性以中砂岩为主，偶见粉砂岩。研究成果可为含水层富水性预测与矿井水害防治提供科学依据。

双通道沿空留巷围岩偏应力分布及控制技术研究

王恩, 陈冬冬, 谢生荣, 郭方方, 武毅艺, 杨洪增

2022, 39(3):  557-566.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0575

摘要 ( 1283 )  

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为解决高水材料巷旁充填沿空留巷围岩控制难题，以左则沟矿缓斜煤层1.8 m高水材料巷旁充填原位上巷沿空留巷为研究对象，提出可防止上侧采空区矸石挤压巷旁充填体的双通道沿空留巷技术。外侧通道采用单体支柱护网且裱褙半圆木形成一道矸石阻隔墙，可防止矸石窜入、为矸石挤压巷旁充填体提供缓冲空间及分担顶板载荷以减小上覆岩层对巷旁充填墙体的挤压力。通过理论分析、数值模拟、现场工程试验等方法研究双通道留巷围岩偏应力分布规律及其失稳破坏机制，明晰留巷围岩偏应力峰值带主要呈“月牙状”分布于实体煤帮4.15 m及其顶板深处，得出留巷实体煤帮及其顶板、充填体底板不稳定泥岩为重点控制区域。基于此提出“一墙一挡三分区”控制思想，设计围岩分区域非对称组合控制技术，形成双通道留巷围岩“一穿过、四协同、五位一体”协同控制原理与方法。

煤矿锚杆轴力检测时锚固系统振动特性参数分析

郝阳, 吴宇, 张凯, 李盼, 孟庆彬

2022, 39(3):  567-575.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0249

摘要 ( 1099 )  

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基于锚固系统振动特性的锚杆轴力动力无损检测技术在理论、试验及应用取得一定进展，然而，现场应用中存在频谱曲线不够平整光滑、特征点难以识别的问题，给轴力分析造成困难，其关键原因在于影响锚固系统振动特性的参数尚不明确。鉴于此，首先分析轴力、锚固段黏结刚度、托盘和围岩接触刚度与锚固系统一阶固有振动频率的关系，得到以上参数对频谱曲线的影响；然后分析不同激振方式下锚杆的振动特性，得到最优激振方式，提出现场锚杆轴力无损检测流程；最后在现场进行工业性试验，验证参数分析后的轴力与一阶固有频率的关系。研究结果表明：锚固系统一阶固有频率随轴力增大变化最敏感，无损检测轴力分析中应当建立其与一阶固有频率之间的关系，一阶固有频率取值范围在0~2 000 Hz，树脂黏结等效刚度、托盘等效弹簧刚度与一阶固有频率表现为非线性正相关，随着树脂黏结等效刚度、托盘等效弹簧刚度的大小不断增大，系统的一阶固有频率逐渐表现为对数关系；振动最优激振选取为2 000 g带硬塑料头的刚性小锤进行激振，能够激发出法向激振力为20～25 N的振动，此时频谱曲线较为光滑平整，易于识别；现场锚杆轴力动力无损检测结果表明，锚杆实时轴力与一阶固有频率可以用对数关系来表达。

新型重力式竖井连续掘进机滚动截齿破岩机理

陈新明, 张将令 , 焦华桔 , 李振华 , 杜锋 , 杨柳华, 张勃阳

2022, 39(3):  576-583.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0300

摘要 ( 1017 )  

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为改变竖井掘进方式，提高破岩效率，研发一种新型重力式竖井连续掘进机。采用SolidWorks软件建模，利用HyperMesh和LS-DYNA软件开展有限元分析，模拟不同速度下截齿的滚动、扭转嵌入岩石的动态破岩过程；通过现场重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验，进行动态下截齿破岩试验研究，以探究截齿破岩机理。结果表明：截齿在最优滚筒转动速度为30 r/m下破岩比能较低，可加大岩石内部应力变化；削弱岩石内部结构承载力；增加岩石裂缝产生和扩张范围，最终岩石发生凹陷性破坏。再结合重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验，分析在相同时间内混凝土破坏程度，证明最优滚筒转动速度为30 r/m，可验证数值模拟的准确性。新型重力式竖井连续掘进机的研发可革新现有竖井掘进方式，尤其对卵砾石、冻土、中低强度岩石等地层具有良好的适应性。

煤矿巷道底板锚固孔钻渣导升运移规律及影响因素研究

付孟雄, 刘少伟, 贾后省, 姜彦军, 卢运海

2022, 39(3):  584-597.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0252

摘要 ( 1159 )  

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煤矿巷道底板锚固孔钻进是利用锚杆（索）控制底鼓关键环节，成孔质量与锚固效果成正比。长期以来，底板小孔径下向孔钻进排渣困难是高质量快速成孔的瓶颈问题。因此，明晰钻渣在狭小空间内的运移规律对提高排渣效率至关重要。利用理论分析及多相流数值仿真方法研究底板小孔径锚固孔钻渣运移特征及影响因素。结果表明：配合泵送条件下的正循环排渣较泵吸反循环具有更高的排渣效率；正循环排渣过程中，钻头中心孔附近钻渣会进行上下螺旋往复运动，中心孔外围钻渣在绕流阻力、浮力及自重作用下先进行减速运动，进入钻杆与孔壁的环形通路后又呈现出类匀速向上的运动状态；现有两翼式钻头结构均存在一定钻渣集中区域，这些区域的存在会对钻渣造成能量损失；钻杆截面形状对排渣效果具有显著影响，四棱钻杆在排渣过程中表现出较好的工作性能，钻孔深度及钻渣粒径与排渣效率呈负相关；在钻孔存在倾角时，钻渣会在下半侧孔壁处集聚，提高钻杆转速能够提高钻渣聚集区域偏转速度，避免钻渣沿下部孔壁形成带状聚集。研究成果可为巷道底板小孔径锚固孔排渣方式选择、排渣动力参数设定、钻具结构优化提供理论依据，对于实现底板小孔径锚固孔快速高质量形成具有一定理论价值。

中小型煤矿巷道围岩稳定性定量化评价及分级支护技术

焦建康, 张镇, 颜立新, 周逸群, 李建波, 崔千里

2022, 39(3):  598-606.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0377

摘要 ( 1386 )  

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中小型煤矿地质力学参数普遍匮乏，巷道围岩稳定性评价缺乏定量化方法和指标，巷道支护设计以经验为主。在系统测试分析巷道围岩工程地质条件的基础上，确定巷道围岩强度、顶板裂隙岩层发育厚度、地应力量值及采动影响是晋阳煤炭事业部中小型煤矿巷道围岩稳定性关键影响因素。基于巷道围岩强度、围岩结构和 地应力现场原位测定结果，提出顶板应力强度因子、煤体应力强度因子和顶板松散性系数3个综合指标，将各综合指标进行交叉组合，结合巷道矿压显现程度，对巷道围岩稳定性进行定量化评价。根据分级结果，结合采动影响、巷道服务年限和巷道跨度等条件，提出以预应力锚杆支护为基础的巷道围岩分级支护形式和支护参数，并成功进行工业性应用，保证了巷道掘进和回采期间的稳定。研究成果对提升中小型煤矿巷道支护技术水平具有一定的理论意义和实用价值。

裂隙水作用下近水平边坡渗流滑动分析及稳定性研究

闫杰, 霍中刚, 李宏艳, 周游, 刘玉凤

2022, 39(3):  607-614.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0342

摘要 ( 1152 )  

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针对近水平地层边坡滑动问题，根据近水平滑动模型，构建了渗流作用下裂隙水压力、渗流动水压力、扬压力及岩体遇水弱化等4维度的滑动模型和稳定性计算公式，分析近水平滑动渗流边坡稳定变化规律。以安家岭露天矿滑坡为例，将滑体坡脚渗水为分界点，研究了后缘裂隙水渗流至坡脚、坡脚泄排及坡面出水点位升高等三种工况下边坡稳定变化规律。结果表明：近水平滑动力由后缘裂隙水压力与渗流动水压力提供，其大小与裂隙水位和岩石给水度有相关；扬压力降低了滑体重度，渗流水弱化了滑动面的抗剪强度，扬压力和岩体弱化共同影响抗滑力的大小。在裂隙水渗流阶段，滑动力大小保持不变，随着渗流长度增加，扬压力增大，滑动面上总抗剪强度减低，总抗滑力减小，则滑体稳定性降低；后缘裂隙水位高度和渗流长度决定了滑体的稳定性。在坡脚泄排阶段，后缘水位下降造成滑动力和扬压力降低，岩体抗剪强度不变时扬压力降低则总抗滑力增大，滑体稳定性升高。坡面出水点位升高阶段，扬压力和滑体前缘动水压力而增大，而滑体下滑力恒定时，随扬压力增大滑体稳定性降低，前缘动水压力增大形成滑体前缘局部滑动。通过对近水平滑动渗流机制和渗流计算公式的修正，完善了近水平渗流全过程稳定性分析，使计算结果更为准确的反映实际变形行为。

表面活性剂-纳米颗粒复合体系对煤体润湿性影响研究

石钰, 阳梦, 薛俊华, 李树刚, 刘洋

2022, 39(3):  615-623.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0556

摘要 ( 1218 )  

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为了明晰阳离子表面活性剂（十六烷基三甲基溴化铵，CTAB）中添加二氧化硅（SiO2）纳米颗粒对煤体润湿性的影响，分别构建了水-表面活性剂-煤、水-纳米颗粒改性表面活性剂-煤以及纳米颗粒-表面活性剂在水中运移的分子动力学模型，详细探究了纳米颗粒改性表面活性剂前后，复合体系吸附构型、界面相互作用能、物质相对浓度分布和水分子均方位移等的变化规律。结果表明：在静电作用下，阳离子表面活性剂与煤表面发生吸附，表面活性剂与煤的吸附稳定性高于水与煤的吸附稳定性。阳离子表面活性剂通过削弱水与煤的相互作用使煤表面润湿性发生反转，导致煤表面由亲水向疏水转变。增加表面活性剂浓度可提高煤体疏水性。纳米颗粒枝接表面活性剂后，随着表面活性剂浓度增大，纳米颗粒表面由强亲水性向疏水性再向亲水性转变，强烈的分子间作用力导致水分子被束缚而无法向煤表面运移，水分子的扩散系数由6.357×10-9m2/s 下降至4.648×10-9m2/s 。相同表面活性剂浓度条件下，经纳米颗粒改性后的表面活性剂更为显著的增强了煤体疏水性。本文从微观角度阐明了表面活性剂-纳米颗粒复合体系对煤体润湿性影响的作用机制，为通过调控煤体润湿性提高煤层气采收率提供了理论依据。

切顶沿空留巷采空区自燃带分布特征及喷涂堵漏防灭火技术

刘红威, 刘树锋, 陈黎明, 贾国平, 王飞, 李治刚, 闫晶晶

2022, 39(3):  624-633.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0392

摘要 ( 1270 )  

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切顶沿空留巷敞开式采空区自然发火严重，目前尚不明晰该条件下的自然发火特征，故难以采取有效的防治措施。为解决上述难题，构建切顶沿空留巷采空区三维流场PFC-FLUENT耦合计算模型，分析切顶沿空留巷工作面不同通风方式下采空区自燃带分布特征，在此基础上提出切顶沿空留巷阶段性喷涂堵漏技术。研究结果表明：切顶后形成的敞开式采空区与沿空留巷直接贯通，采空区内的气体成分与气体分布发生明显变化。“Y”型通风条件下，切顶沿空留巷采空区自燃带宽度和深度明显增大，且在沿空留巷侧出现了条带状自燃带。“W”型通风有利于降低工作面向采空区的漏风，但在切顶沿空留巷尾段开切眼附近出现了明显的自燃带，且该自燃带不会随着工作面的推进进入窒息带。对沿空留巷成巷稳定区进行喷涂堵漏能够显著降低采空区的漏风量，改变采空区内部的压力场，减小上隅角一侧采空区内部的自燃带深度和宽度，降低采空区自然发火的危险性。

煤层瓦斯压力对瓦斯抽采效果的影响

张超林, 王恩元, 许 江, 彭守建

2022, 39(3):  634-642.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0189

摘要 ( 1355 )  

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近年来，煤炭资源开采逐渐走向深部，煤层瓦斯压力不断加大。为研究煤层瓦斯压力对瓦斯抽采效果的影响，开展了不同吸附瓦斯压力条件下煤层瓦斯抽采试验，分析了瓦斯抽采过程中煤层瓦斯压力、渗透率、温度、流量等参数动态演化规律。研究结果表明：瓦斯抽采过程中，解吸瓦斯通过煤层孔裂隙运移至抽采钻孔并排出，其运移路径基本保持不变，但随着煤层瓦斯压力的降低，其运移速度逐渐下降；煤层渗透率受控于有效应力效应和基质收缩效应，当吸附瓦斯压力小于1.0 MPa时，煤层渗透率整体持续上升，最终大于初始渗透率。当吸附瓦斯压力大于或等于1.0 MPa时，煤层渗透率先下降后上升，最终小于初始渗透率；随着瓦斯压力的增加，瓦斯抽采过程中煤层渗透率恢复速度减缓，瓦斯抽采结束后煤层温度下降量呈对数式增长同时累积抽采量呈Langmuir式增加，即累积抽采量增加速度逐渐降低。研究成果可指导深部高瓦斯煤层瓦斯抽采及突出防控。