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2022年 第39卷 第4期    刊出日期：2022-07-15

上一期   

论文

遗留煤柱群链式失稳评价新方法及其在上行开采中的应用

白锦文, 史旭东, 冯国瑞, 戚庭野, 李竹, 朱卫兵, 毋皓田, 王凯, 崔博强

2022, 39(4):  643-652.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0452

摘要 ( 1405 )  

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遗留煤柱群链式失稳的科学评价是保障柱式采空区长期稳定性的关键科学问题之一。 通过将采矿工程领域中“ 遗留煤柱群的链式失稳” 与土木工程领域中“ 建筑结构的连续倒塌” 交又、对比与分析，运用关键柱理论，提出一种评价遗留煤柱群链式失稳的新方法，并确定该方法的技术流程；结合元宝湾煤矿柱式采空区蹬空遗煤的赋存特征，采用上述方法模拟分析上行采动影响过程中遗留煤柱群链式失稳的响应特征，评估上行采动影响下遗留煤柱群链式失稳的风险。 结果表明，采矿工程领域中“ 遗留煤柱群的链式失稳” 与土木工程领域中“ 建筑结构的连续倒塌” 具有一定的相似性，借鉴土木工程领域中建筑结构抗连续倒塌设计的方法，提出基于拆除构件法评价遗留煤柱群链式失稳的新方法。 遗留煤柱群链式失稳评价新方法的技术流程为 首先，判别柱式采空区待研究范围内遗留煤柱群体系中的“ 关键柱”。 其次，将遗留煤柱群体系中的关键柱确定为拆除对象，分析关键柱拆除以后邻近剩余遗留煤柱的稳定性；如果拆除关键柱后邻近剩余遗留煤柱群的稳定性均良好，则可以判定遗留煤柱群不存在链式失稳的风险；如果关键柱拆除以后最邻近遗留煤柱发生失稳，则遗留煤柱群存在链式失稳的风险；将该邻近失稳煤柱也拆除，进一步分析剩余煤柱群的整体稳定性。 然后，按照同样的方法分析遗留煤柱群体系是否会发生链式失稳，并评价其发生链式失稳的风险。 基于拆除构件法的遗留煤柱群链式失稳评价新方法可以应用于蹬空煤层开采中，当上行采动影响下“ 关柱” 拆除以后，会产生显著的链动失稳效应，使得其右侧的遗留煤柱快速依次发生链式失稳，并影响蹬空遗煤的高效开采；因此，采取柱旁充填等技术措施来减小链式失稳的风险。 遗留煤柱链式失稳评价新方法的研究有助于为柱式采空区邻近煤层安全高效开采提供理论指导，并有望应用于充填群柱链式失稳评估、合理尺寸设计和长期稳定性评价等方面。



基于主关键层位置的近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性研究

赵兵朝, 郭亚欣, 孙浩, 杨啸, 王京滨, 赵阳

2022, 39(4):  653-662.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0084

摘要 ( 1246 )  

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 为了构建近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性评价模型，基于关键层和开采沉陷理论，采用理论分析、物理相似模拟试验和工程实例验证等研究手段，研究了主关键层分别位于“ 三带” 或“ 两带” 不同位置的近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性。 研究结果表明 以下沉系数作为判定参数，建立了主关键层分别位于采动覆岩“ 弯曲下沉带”、“ 裂缝带” 和“ 冒落带” 的判断准则。 以岩层极限曲率和地表水平变形作为关键参数，分别给出了近浅埋煤层采动上行导水裂缝发育高度和下行导水裂缝发育深度的表达式。 基于主关键层位置构建了近浅埋煤层采动覆岩隔水层稳定性评价模型。 模型理论计算结果与工程实测结果相差 4.1%和 1.9%， 与相似模拟试验结果相差 2.8%和 1.3%。



深部煤层超高水充填工作面充填体—支架—煤体协同承载机制

王方田, 高翔, 冯光明, 常庆粮, 郭广礼

2022, 39(4):  663-673.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0251

摘要 ( 1313 )  

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深井超高水充填开采岩层控制效果受充填体力学特性、支架与推进速度等因素影响，其中充填体—支架—煤体承载结构起关键作用，充填体—支架—煤体协同承载机制是当前深部煤炭资源绿色开采亟待解决的科学难题。 为探究三者协同承载关系，以深部煤层超高水充填工作面为工程背景，分别进行了超高水固结体宏观力学与微观结构则试，得到充填体强度与时间变化的函数关系、宏观力学特性与细观渐进损伤关联机制；构建了充填体—支架—煤体协同承载力学模型，推导了超高水充填工作面顶板挠度微分方程，提出充填体—支架—煤体协同承载效果主要影响因素为工作面推进速度、支架支护强度和充填体水体积比，揭示了充填工作面充填体—支架—煤体协同承载机
制，确定了合理工作面推进速度及支架工作阻力；采用 FLAC3D软件建立充填体—支架—煤体协同承载数值模型，分别模拟在不同推进速度、支架支护强度、充填体水体积比条件下的承载特点，提出并应用了合理工作面参数。 研究结果表明 当工作面推进速度小于 1.8  m/d、支架支护强度高于 0.64 MPa、充填体水体积比低于 94.7%时，充填体达到了预期支撑强度，工作面覆岩应力降低、前方煤体应力集中系数减小、超前支护区巷道变形量小，充填体—支架—煤体协同承载有效提高了充填效果，为实现深部煤层安全高效绿色开采提供了科学依据。


单轴压缩下不同高宽比矸石胶结充填体损伤演化及破坏特征研究

赵永辉, 冉洪宇, 冯国瑞, 郭育霞, 樊一江

2022, 39(4):  674-682.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0197

摘要 ( 1266 )  

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为了研究高宽比对歼石胶结充填体抗压强度的影响，制备了高宽比分别为 0.5、1、2、3 和 4 的 5组棱柱体试件进行单轴压缩试验，同时对加载过程中试件的声发射及电阻率进行了监则，探讨了不同高宽比充填体的损伤演化规律及破坏特征。  研究表明：歼石胶结充填体的峰值应力及峰值应变均随着高宽比的增大而减小，并用指数型函数拟合了两者同充填体高宽比的关系；高宽比越小的充填体表现出更强的延性特征；随着高宽比的增大，破坏形式由劈裂破坏逐渐转化为剪切破坏；不同高宽比充填体在初始压密阶段和峰后破坏阶段的声发射振铃特征不同，在峰后破坏阶段的电阻率有差异；建立了不同高宽比充填体的损伤模型及本构方程，可以为结构充填中充填体的设计提供参考。


基于泰波理论的矸石级配系数对充填材料性能的影响

王树帅, 杨仁树, 李永亮, 王梓旭, 王宇轩

2022, 39(4):  683-692.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0157

摘要 ( 1363 )  

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砰石的粒径级配对充填材料的性能具有重要的影响。 基于 Talbol级配理论，分析了砰石级配系数 n 对胶结充填材料及固体充填材料性能的影响规律。 结果表明 随着级配系数n 的增大，胶结料浆泌水率不断增加，料浆流动性、充填体试块的强度和弹性模量先增大后减小，散体砰石侧限压缩应变先减小后增大；利用二次多项式，对 7 d 及 28 d 试块强度及弹性模量随n 的变化规律进行了拟合，强度及弹性模量与 n 均呈二次函数关系，由不同级配系数的结果及拟合曲线的最大值，得 ns=0.5 时强度与弹性模量最大；散体砰石侧限压缩过程分为快速变形、缓慢变形与稳定压固三阶段，最终应变与n 也呈二次函数关系，由不同级配系数的结果及应变拟合曲线的最小值，得ns=0.4时压缩应变最小；由于胶结充填材料有粉煤灰作细集料，因此 nc>ns。 在实际充填过程中，应充分考虑级配系数 n 的影响，进行合理的材料配比。



P波、S波扰动下逆冲断层卸载失稳实验研究

张宁博, 单仁亮, 赵善坤, 郭彦双, 王寅, 赵阳

2022, 39(4):  693-701.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0124

摘要 ( 1050 )  

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基于 P波、S波扰动条件下逆冲断层卸载实验，研究了逆冲断层滑移过程中差应力、位移场、变形场和声信号的演化特征，提出了断层滑移的截齿｀ 爬坡“ 模型，分析了 P波、S波的扰动机制。研究结果表明：P波、S波对断层滑移的扰动效应不同。  应力波扰动引起断层滑移时的差应力｀ 突变“ 次数增加，且 P波引起｀ 突变“ 次数大于 S波；P波扰动时断层各则点位移｀ 突变“ 现象明显，而S波则引起则点位移的震荡；S波扰动引起剪切应变｀ 突变“ 量略大于 P波，S波对法向应变扰动影响大于剪切应变；主滑移声信号包含启滑、主震、尾波 3 个部分；断层面可视为上下盘无数微小截齿的相互咬合，断层滑移是微截齿从一个齿缝爬到邻近齿缝的过程；P波主要对法向应力和摩擦系数产生影响，而 S波主要对剪切应力形成扰动。


深部煤层分叉合并区采动应力演化机理及控制技术

张雷, 李研, 屠世浩, 屠洪盛, 李文龙

2022, 39(4):  702-710.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0640

摘要 ( 1125 )  

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针对深部煤层分又合并区工作面前方煤体中应力集中程度增大对煤矿安全开采的威胁，以张双楼煤矿 74104 工作面为工程背景，综合采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法，对工作面进、出合并区域时的采动应力演化机理进行了研究，结果表明：7# 、9# 煤层间距小于等于 15 m时，工作面前方煤体应力集中程度明显降低；推入合并区域时，超前支承压力峰值呈先稳定后减小、再小幅增大后保持稳定的趋势；推出合并区域时，超前支承压力峰值呈先稳定后小幅减小、再增大后保持稳定的趋势；模拟分析了在峰值升高区域实施煤层注水软化措施，进、出合并区域时最大峰值分别由 56.85、58.41 MPa减小至48.11、48.46  MPa，可有效降低工作面前方煤体中应力集中程度。最终对峰值升高区域采取了煤层注水软化措施，显著降低了垂直应力集中程度，解决了自正常区域向合并区域回采时煤壁片帮等问题，有效保障了 74104 工作面煤层分又合并区安全高效生产。





急倾斜特厚煤层“错动-夹持”型冲击地压机理

王崧玮, 曹安业, 王华, 何江, 王正义, 薛成春, 郭文豪, 刘耀琪, 马立强

2022, 39(4):  711-719.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0303

摘要 ( 1086 )  

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 为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采工作面冲击地压机理，以窑街三矿五采区为工程背景，建立力学模型，推导了急倾斜煤层倾向应力表达式，运用数值模拟，分析了开采过程中的应力场、能量场演化规律，通过对现场监则数据的剖析，得到了支架压力及矿震分布特征。  研究结果表明：急倾斜特厚煤层受到顶、底板共同作用于煤体，变化趋势相同的＂ 夹持“ 作用，使垂直于顶、底板及顶、底板附近煤体处于强剪应力区，积聚了较高的能量，且随着开采深度的增加，煤体受剪切作用愈加剧烈，有发生＂ 剪切错动“ 的趋势。  当顶板悬臂达到极限跨距发生破断时，在叠加载荷作用下，易诱发＂ 错动—夹持“ 型冲击地压。  工作面顶板侧至中部附近区域受叠加载荷作用大，冲击地压显现剧烈，底板侧由于周围塑性区的卸压作用，冲击地压显现较弱。  监则结果表明：工作面顶板侧及中部附近区域支架压力大，矿震能级高，底板侧支架压力小，附近煤体矿震活动较弱，验证了理论研究结果。


基于巷道支承应力转移的自发型冲击失稳与防控研究

张明, 涂敏, 姜福兴, 胡学龙, 张向阳, 岳勇, 韩向云, 朱斯陶, 卜庆为

2022, 39(4):  720-730.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0615

摘要 ( 1530 )  

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 以兖州矿区深部开采集中掘进巷道围岩自发型冲击失稳与防控为背景，采用理论分析结合现场实践的方法，探究巷道支承应力转移规律和围岩冲击失稳的“应力－能量＂条件，并提出“先让压一后支护＂巷道冲击地压防控方法。  巷道围岩支承应力变化与巷道开挖载荷转移有关，构建巷道支承应力转移的力学模型，推导巷道承载区支承应力的近似表达式；巷道冲击是“顶板－煤－底板＂ 围岩结构支承应力与其承载强度（ 能力） 两者共同作用的结果，将巷道受力特征划分为成浅埋／硬煤（ 岩） 巷道、深埋／软煤（岩）巷道和中－深／中－硬煤（岩）3 类模型，并据此得到巷道自发型煤岩冲击失稳的“ 应力－能量＂判据；在阐释“快掘快支＋强支护＂ 对高应力集中巷道冲击地压防治不利因素的基础上，提出以增加塑性、弹性范围和促进应力向深部转移以及减小应力集中为主要核心，防控自发型巷道冲击地压的“先让压一后支护＂的方法。  运用研究成果对深部采区冲击事故巷道进行验证，理论分析结果与实际自发冲击特征相吻合，同时指导了巷道复掘冲击地压预测防控和安全掘进。

动态拉应力波作用下锚固体力学响应试验研究

宁建国, 李壮, 王俊, 邢闯闯, 沈圳

2022, 39(4):  731-740.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0478

摘要 ( 941 )  

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巷道围岩支护结构在冲击动载作用下的破坏是深部煤炭开采面临的突出问题，研究动态拉应力作用下描固围岩的力学响应对揭示描固结构破坏机制具有一定指导意义。 采用分离式霍普全森压杆研究预紧力、描固方式对描固岩体抗拉性能的影响规律，分析描固岩体动态破坏过程及加载过程中描杆、岩石基体的应变时程。 研究结果表明 高预紧力、全长描固均可提高描固岩体的抗拉强度与弹性模量；描固岩体失效经历初期加载阶段、主裂纹形成阶段和宏观破坏形成阶段，高预紧力、全长描固延缓了主裂纹形成时间，让压描杆可以承担岩石基体较大的变形使其不丧失描固能力；端描试件主裂纹形成之前描杆与岩石基体共同承载拉应力波，主裂纹形成后外力仅由描杆承担，直至脱描；全长描固时描杆与岩体共同承载，抵御外部动态拉应力；让压结构改变了描杆的刚度与变形能力，使其适应岩石基体变形而避免脱描。 研究成果对受动载荷扰动巷道描杆支护参数设计具有一定的理论指导意义。

深部巷道围岩能量耗散与支护调控效应

王猛, 李志学, 夏恩乐, 李振华, 邹永德, 韦四江, 王襄禹, 杨达明

2022, 39(4):  741-749.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0479

摘要 ( 1106 )  

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煤岩破坏是能量驱动下的一种状态失稳现象，从能量角度描述围岩破坏特征是评价巷道稳定的有效方法之一。  基于双向等压圆形巷道弹塑性解析，以时间为轴线，提出利用弹性和弹塑性变形时的应变能差量表征围岩耗散能，研究初始应力、开挖半径和围岩强度等因素对耗散能演化的影响规律，耗散能随围岩强度增加呈负指数衰减，高强度围岩耗散能小，大量弹性能积聚不利于动力灾害防控；相反，耗散能随初始应力和开挖半径增加呈近似指数关系增长，超过临界值后围岩耗散能急剧增加，从能量角度解释了煤矿巷道临界深度和断面尺寸的物理惫义。  依据锡杆支护预应力扩散原则，研究支护对围岩能量耗散的调控效应，得到耗散能随支护强度加大呈近似负指数关系衰减，其中，大部分耗散能由围岩破坏分担；在“ 支护－围岩＂ 协同变形条件下，给出锡杆支护结构吸能和极限储能的表达式，建立支护调控围岩稳定的能量判据，反演巷道支护参数，成功应用于现场工程实践，取得良好控制效果。  研究成果从调控围岩能量耗散角度给出巷道支护设计的一条新途径，具有较强的工程应用价值。

回采巷道交替循环超前支护技术研究与应用

王琦, 王步康, 郑毅

2022, 39(4):  750-760.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0585

摘要 ( 1068 )  

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 为解决回采巷道超前支护效率低、支护强度不均、支护装置 围岩适应性差等问题，以塔山矿5222 回凤巷为研究背景，通过理论分析、数值模拟、工程类比和现场实剧等方法对超前支护问题进行系统的研究，提出一种新型超前无反复协同支护技术。  
在分析支护装置与巷道围岩相互作用的基础上，提出采动影响区全覆盖主动支护、无反复快速支护和协同支护的超前支护理念，研制由单跨门式支护装置与多功能运载装备组成的超前支护运载成套装备，研究长距离间隔布置、由后向前交替循环移架的超前支护方式，提出由锅网索支护系统主动支护＋顶板全覆盖、高工阻、可让压加强支护的协同支护原理，实现不同支护的协同互补，在超前支护区域内形成一种由锅网索主动支护系统为主、以长距离超前加强支护系统为辅的协同支护系统。  建立基于支护装置 锅杆（ 索）协同作用的超前支护力学模型，理论分析确定初始协同支护强度为 225.00 kPa，采用数值模拟和工程类比综合分析确定超前超前支护距离不低于 45 m，通过理论计算和对比分析确定超前支护排距为 1 800 mm，设计ZLQ2826 /24.5 /41.5 型临时支护装置，确定交替循环协同支护方案。  实践表明，在超前协同支护作用下巷道围岩变形合理，顶板离层得到有效控制，锅杆（ 索） 支护系统得到有效维护，巷道整体支护效果良好，实现了回采巷道长距离安全、高效超前支护。  最后，根据超前支护中存在的问题，提出相应改进措施。

煤层分段水力压裂渗流诱导应力场的数值模拟

胡千庭, 刘继川, 李全贵, 张跃兵, 胡良平, 宋明洋, 石佳林, 邓羿泽

2022, 39(4):  761-769.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0419

摘要 ( 1076 )  

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水力压裂是煤层增透和煤层气增产的关键技术。  压裂过程中的渗流诱导应力对煤层分段压裂效果具有重要影响。  建立分段压裂渗流诱导应力的理论模型，采用有限差分法进行煤层分段水力压裂数值模拟，探究压裂过程中应力场演化规律及渗流诱导应力的作用机制。  设计正交试验，以水平主应力差作为指标进行方差分析，探究初始水平主应力差、泵注排量、分段间距对渗流诱导应力的影响程度和作用机制，并提出压裂优化方案。  研究结果表明：注水初期会产生较大的渗流诱导应力，导致有效应力峰值下降，使后续起裂位置起裂压力增大，增加起裂难度；压裂过程中与压裂后的渗流诱导应力影响机制不同，压裂过程中泵注流量的影响滞后于分段间距滞后于原始水平主应力差，压裂后 3 个因素影响程度排序为：分段间距＞泵注流量＞原始水平主应力差。  根据原始地应力差异，提出压裂优化措施：当原始主应力差较大时，可以适当降低分段间距，并增大泵注流量；当原始主应力差较小时，可以适当增大分段间距，并减小泵注流量，据此在保证无卸压盲区的同时可以达到较大的压裂范围。  以上分析可以为压裂施工参数优化设计提供参考。


鄂尔多斯盆地采动离层扩容白垩系含水层扰动分析

陈维池, 李文平, 乔伟, 范开放, 王启庆, 徐建国, 张广学

2022, 39(4):  770-778.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0456

摘要 ( 957 )  

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分析离层扩容对白垄系含水层的扰动关系到采矿安全、植被生长、能源基地供水等问题。以营盘壕煤矿为例，采用“ 修正“ 关键层理论、分层水压现场监测、离层扩容吸水数学模型概化等方法对离层发育位置、含水层水压变化、白垄系水资源恢复进行研究。  结果表明：导水裂缝带上部覆岩存在 6 层关键层，但根据修正判别准则只有 4 层关键层下部可能发育离层，另外 2 层关键层无法支撑覆岩载荷，下部离层空间将闭合；白垄系底部及内部的离层空间扩容吸水会造成含水层水压变化，水压变化可以被分为 4 个阶段，分别为缓慢下降阶段、快速下降阶段、突然下降阶段、缓慢上升阶段；概化模型预测白垄系含水层水位埋深在一个水文年内可恢复到 3.7 m，水资源完全恢复大约需要 1 025 d，相邻工作面的开采可能会导致水资源不能按预计恢复，届时煤矿开采或许会对植被生长产生影响。


水岩相互作用对煤矿地下水库水质影响机理研究

智国军, 鞠金峰, 刘 润, 杨瑞刚, 方志远, 张成璞

2022, 39(4):  779-785.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0464

摘要 ( 1011 )  

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为了掌握煤矿地下水库储水过程中的水质演变机制，基于万利一矿地下水库工程实践，通过室内水岩相互作用实验，开展了采空区垮落煤岩对储水水质净／劣化机理与规律研究，据此提出了优化地下水库选址与调水复用的合理对策。  结果表明：地下水库储水过程中，水体与采空区垮裂煤岩会发生长期水岩相互作用，得益于吸附、溶滤、离子交换、以及氧化还原等物理、化学过程，大部分水质指标得到明显改善；相比泥质或砂质类岩石，煤对水体的净化效果最好；实验 80 d，煤对水体浊度、BOD5、余氯、石油类等指标的削减率可达 85%以上， 对总碱度、总硬度的降低率超过30%。  然而，受水岩相互作用持续时间的影响，COD等关键指标值会出现先降后升的现象，表现出水库储水时间过长而导致的水质劣化效应。  实验表明：万利一矿井下污水与煤、砂岩作用后，COD在实验 4 -5 周时达标、而后又出现超标；而与铝质泥岩作用后，COD在实验 4 -23 周内达标、而后超标。  充分考虑井下分质用水需求以及岩石岩性对水质的影响规律，对万利一矿分别进行了“ 消防用水” 和“ 采掘生产用水” 地下水库的构建选址与储水时间优化确定。

基于CT和超声波技术联合分析的注水煤岩监测参数规律研究

陈建, 程卫民, 郭立稳 , 朱令起 , 齐艺裴 , 刘震 , 黄启铭

2022, 39(4):  786-796.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0240

摘要 ( 961 )  

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 为揭示实验室煤岩注水过程中监则的主导低压注水的结构参数与水体运移距离、超声波监则参数之间的关系，提出一种基于 CT重构联合超声波换能器阵列监则的研究方法。 通过 CT扫描重构得到煤岩孔裂隙结构和矿物分布特征参数，采用超声波换能器阵列监则水体运移范围提取监则路径超声波参数，并构建主导低压注水的煤岩结构参数－水体运移距离－超声波参数之间的关系方程，为矿井声法探则煤层注水范围奠定基础。 研究结果表明 主导低压注水的煤岩孔隙比、矿物比均与波速呈线性负相关；煤岩内部裂隙界面声阻抗不匹配消耗的超声波能量值比裂隙内介质转换（ 由空气转为水） 而增加的超声波能量消耗值大，且注水前后孔隙比对超声波参数的影响程度比矿物比大，注水后超声波参数变化主要是孔裂隙内介质变化和声学阻抗匹配程度变化共同作用的结果；并非连通孔隙含量越高监则结果受到的干扰越大，而是监则路径内连通裂隙面截断监则路径时监则结果受到的干扰较大，当监则路径连通孔隙含量低时，所含的唯一连通裂隙面截断了超声波传播路径，也会造成监则数据离群；孔隙比、矿物比的大小对于水体运移距离计算结果精度影响较大，当孔隙比、矿物比较小时，计算结果与实验结果差值增大，最大误差为 0.94 Cm。

基于多元监测信息融合的含裂隙类岩石材料破坏规律和预警方法

张庆贺, 袁亮, 方致远, 马衍坤, 杨洋, 李翎

2022, 39(4):  797-807.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0065

摘要 ( 978 )  

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为探究含裂隙岩石试件的变形破裂特征和前兆规律，进行了含裂隙类岩石材朴的破坏试验，采用数字图像相关技术( DIC) 、红外辐射测温技术( IRT) 和声发射技术( AE) 实时无损地探测了试件在损伤破坏过程中应变场、红外辐射温度场及声发射振铃的响应规律、前兆性和敏感性，并引入样本标准差指标对应变场和温度场矩阵数据进行了数据降维和定量分析。 基于上述物理量监测信息，建立了考虑多元监测信息及其权重的数据融合函数。 在此基础上，对试件破坏过程进行了阶段划分和综合预警。 结果表明 试件在裂隙起裂、扩展和贯通过程中表现出显著的应变局部化特征。 试件破坏过程中，应变局部化带逐渐扩大，应变场标准差曲线呈非线性变化。 试件破坏过程中产生的多物理量响应规律和前兆性具有一定区别。 红外辐射温度场和声发射振铃次数在宏观裂隙生成前变化平稳，在宏观裂隙生成时发生突变。 而应变场在裂隙起裂前就展现出应变离异特征，前兆性更显著。 多元监测信息反应试件破坏的显著性也不相同，强弱顺序为水平应变场标准差、剪切应变场标准差、垂直应变场标准差、温度场标准差、声发射振铃次数。 综合考虑各指标特点，建立了基于多元信息共生和各监测信息权重的综合评判方法，并从能量积累的角度对试件的破坏过程进行量化分析，确定了任恋时刻试件宏观破坏发生的累积概率，实现了分级预警和概率预警。

不同低温下页岩渗透特征及孔隙结构试验研究

尚晓吉, 杨维好, 王建国, 翟成, 张志镇

2022, 39(4):  808-816.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0695

摘要 ( 1072 )  

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为研究低温对页岩孔隙结构损伤的影响，对页岩试样进行-196，-38，-19，-7 °c条件下的不同低温处理。 针对低温处理后的页岩试样进行渗透实验，得到渗透率随温度的演化规律。 分别应用 X射线衍射、电镜扫描及高压压求手段，对冻结前后的岩样进行矿物成分与孔裂隙结构特征测试。 试验结果表明 在温度从 20 °c降低至-196 °c过程中，页岩渗透率呈现先增大后减小而后剧烈增大的趋势；页岩的主要成分石英、白云母、长石及绿泥石等随温度降低均发生相对含量的改变，其中长石及绿泥石的含量变化与页岩渗透率行为表现一致；-38 °c前页岩内部孔隙总体积变小，而后随温度降低，中大孔逐渐发育联通，产生微裂隙的扩展。


基于采动裂隙区域分布特征的定向钻孔空间位置研究

郭明杰, 郭文兵, 袁瑞甫, 赵高博, 白二虎, 李国富

2022, 39(4):  817-826.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2020.0614

摘要 ( 1060 )  

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采用定向钻孔抽采采空区卸压瓦斯是矿井工作面瓦斯治理的一种重要方法，其在覆岩布置层位区域的准确确定是实现稳定高效抽采的关键。  以焦煤古汉山矿 16031 工作面为工程背景，采用物理相似模拟、理论分析和现场试验的方法分析了覆岩采动裂隙分区演化特征及不同层位定向钻孔的稳定性，在对覆岩裂隙分布进行区域划分的基础上，确定了结构裂隙区（ 上山侧） 为布置瓦斯抽采定向钻孔的最佳区域，进而给出了区域内的核心布置范围，并推导了结构裂隙区空间位置边界理论计算公式。通过现场工程试验测试，结果表明：从各定向钻孔抽采数据判定的相应区域边界与理论计算公式相符，布置于结构裂隙区核心位置范围内的定向钻孔对采空区卸压瓦斯进行了有效抽采，其单孔瓦斯抽采纯量最高可达 5.5 m3 /min，验证了理论界定结构裂隙区空间位置边界及确定定向钻孔布置核心范围的实用性与合理性。  研究成果对矿井预防瓦斯灾害事故、实现瓦斯高效抽采具有重要实际恋义。

回采期间下邻近层向工作面涌出瓦斯数值模拟分析

刘彦青, 李国富, 张宏杰, 赵灿, 张浪, 金兵

2022, 39(4):  827-836.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0101

摘要 ( 963 )  

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为定量预测回采期间下邻近层向工作面的瓦斯涌出量，以寺河二号井 9# 煤层的 94313 综采工作面为研究对象，构建了工作面回采期间下邻近 13# 煤层瓦斯向工作面涌出物理模型，引入移动坐标系建立工作面动态回采期间采空区底板岩层瓦斯渗流数学模型，编写有限体积法解算程序模拟求解下邻近层向采空区放散瓦斯过程。  研究表明下邻近层向采空区内放散瓦斯速率沿工作面回采反方向呈现先增大后减小的变化趋势；拟合得到以下邻近层瓦斯压力、回采速度为自变量的下邻近层向采空区放散瓦斯量函数关系式；作为采空区瓦斯涌出源，建立采空区瓦斯涌出 CFD模型；模拟求解采空区向工作面涌出瓦斯过程，拟合得到下邻近层向工作面涌出瓦斯量的函数关系式，并构建了下邻近层向工作面涌出瓦斯量与下邻近层向采空区涌出瓦斯量比值的函数关系式。  研究表明下邻近层向工作面涌出瓦斯量占下邻近层向采空区涌出瓦斯量的 30%以内，涌出的绝大部分瓦斯被封存在采空区内，通过改变工作面回采速度和预抽下邻近层瓦斯能够有效控制下邻近层瓦斯涌出量。


CO2注入下煤层气产出及储层渗透率演化规律

倪冠华, 李钊, 温永瓒, 姜禾禾, 刘义鑫, 黄启铭

2022, 39(4):  837-846.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0256

摘要 ( 984 )  

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为研究 C02 注入对煤层气( CBM) 抽采及储层渗透率演变的影响，建立了考虑气体流动、竞争吸附、温度变化以及煤体变形的热－流－固耦合模型，通过对 CBM 和 C02  注入强化煤层气开采 ( C02 －ECBM) 过程的模拟，分析了煤层气产出及储层渗透卒演变规律，提出了定量表征各参数影响程度的评价方法。 结果表明 C0 注入 3 600 d 后煤层气累积产量( 4.6x104 m3 ) 约为 CBM 抽采的 5.75 倍。 CBM 抽采过程中储层渗透率呈“ 降低－增加“ 趋势，其变化主要因 CH4 解吸影响，相对影响系数约为 0.57。 其次因体积应变和孔隙压力影响， 相对影响系数分别为 0.2 和 0.23;C02 － ECBM 过程中储层渗透率呈“ 轻微增加－降低－显著增加－降低“ 趋势，其变化主要因 C02 吸附影响，相对影响系数为 0.4，孔隙压力对渗透率的影响极小，其相对影响系数仅为 0.02。


瓦斯压力对煤体应力及失稳破坏特性影响分析

张士岭, 和树栋

2022, 39(4):  847-856.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0021

摘要 ( 963 )  

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 为探索渗流场下煤体应力分布及失稳破坏机制，借鉴土力学流土、管涌理论，基于达西定律与煤体渗流试验，对渗流场中瓦斯压力的作用形式、性质、大小进行了研究，进而建立了煤体一维渗透破坏机制。  通过渗流 固体耦合作用下工作面煤体应力场分析，得出煤体失稳破坏时地应力、瓦斯压力和煤体力学性质共同作用的力学模型，并进行了数值模拟验证。  结果表明：渗透力是瓦斯压力作用在煤体的重要形式，是一种体积力，反映的是单位体积煤体所受到瓦斯流的推动和拖拽力，作用方向及量纲与瓦斯压力梯度一致。  工作面煤壁是最易发生渗透破坏的位置，其渗透破坏所需瓦斯压力与采掘空间气压、降压区长度、煤体黏聚力乘积的 0.5 次方成正比，与煤厚和孔隙率乘积的 0.5 次方成反比。  由于渗透力的作用，工作面煤壁产生拉应力，瓦斯压力为 3 MPa时，拉应力超过 0.4 MPa。  煤体失稳破坏时瓦斯压力、地应力发挥作用大小随空间变化，越靠近煤壁，瓦斯压力作用越大，瓦斯压力梯度达到一定值后甚至占据主导作用；远离煤壁，瓦斯压力作用减小，地应力占据主导作用。