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2022年 第39卷 第5期    刊出日期：2022-09-15

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论文

浅埋近距离煤层开采顶板活化结构及支架动载研究

黄庆享, 王小军, 贺雁鹏, 李康华, 李军, 刘建浩, 王守印

2022, 39(5):  857-866.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2021.0358

摘要 ( 869 )  

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为了揭示上煤层垮落顶板” 活化” 结构对间隔岩层关键层结构的载荷传递和支架动压机理，以陕北某矿北翼东区 1^-2与 2^-2煤层开采为背景，采用物理相似模拟、UDEC数值计算、理论分析及工程实例验证相结合的方法，研究了上煤层垮落顶板” 活化” 结构及向下煤层工作面的载荷传递特征，建立了” 间隔关键层-上覆垮落顶板活化结构层” 双结构力学模型，揭示了浅埋近距离煤层采场支架动载主要由上煤层垮落顶板” 活化” 结构引起。 研究表明下煤层开采后上煤层垮落顶板” 活化” 结构层呈现” 砌体梁” 结构，间隔关键层周期破断后形成” 台阶岩梁” 结构；上煤层垮落顶板” 活化砌体梁” 结构与间隔岩层” 台阶岩梁” 结构同步运动呈现大周期来压，非同步运动呈现小周期来压。 通过建立顶板双结构力学模型，给出了支架动载计算公式，得出顶板双结构同步来压载荷作为工作面支架选型的依据，并通过实例分析验证了公式的可靠性。


采场厚硬顶板破断失稳与能量聚散演化研究

卜庆为, 涂敏, 张向阳, 袁本庆, 赵庆冲, 党嘉鑫

2022, 39(5):  867-878.  doi:10.13545 /j.cnki.jmse.2022.0198

摘要 ( 935 )  

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针对采场厚硬顶板强矿压问题，在采场厚硬顶板采动失稳影响特征分析基础上，运用力学理论构建采场厚硬顶板采动承载力学模型，分析采场厚硬顶板采动承载状态及能量积聚演化发布规律，从能量转化角度分析采场厚硬顶板破断致积聚能量释放与强动压显现关系，推导出工作面液压支架动载响应估算方程，揭示厚硬顶板破断失稳强矿压显现影响特征。 研究结果表明，1) 厚硬顶板在破断失稳前处于覆岩承载状态和自身弹性势能积聚，在破断瞬间显现略高于重力作用的加速运动失稳，加之悬伸跨度较大，导致厚硬顶板条件工作面动压显现尤为强烈；2) 悬伸跨度、上覆岩层荷载是厚硬顶板采动承载和能量聚散演化的关键影响因素，上覆岩层荷载、自身厚度和强度是厚硬顶板极限悬伸跨度的关键影响因素；3) 在工作面液压支架动态阻力响应的力源构成中，厚硬顶板破断积聚能量释放所形成的动态阻力占比最高，上覆岩层荷载做功转化所形成的动态阻力占比次之；4) 在工作面液压支架动态阻力响应的影响因素中，厚硬顶板的悬伸跨度、上覆岩层荷载起直接加剧影响，岩层厚度增加厚硬顶板极限悬伸跨度，进而间接加剧动态阻力响应，直接顶厚度可对动态阻力响应起缓冲降低作用，支架控顶距的加剧影响程度不明显。


顺煤层钻孔约束的采煤工作面煤层迭代高精度建模方法研究

朱梦博, 程建远, 刘浪, 屈慧升, 崔伟雄

2022, 39(5):  879-890.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0410

摘要 ( 851 )  

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针对地表勘探钻孔水平间距大、采煤工作面中部缺乏地面钻孔控制、煤层建模精度低等问题 , 提出了一种顺煤层钻孔约束下的采煤工作面煤层迭代高精度建模方法 ,并开展了现场实证实验。该 方法采用"测斜.自然伽马.钻孔电视" 一体化测井仪测量顺煤层钻孔轨迹、探测煤层顶底板点;基于巷 道测量、煤层厚度反演成果及地面钻孔等数据插值构建初始煤层顶底板模型 ,检测顺煤层钻孔煤、岩 孔段与顶底板模型之间的"非逻辑交点" ,并据此动态引入"虚拟顶底板点" ,迭代更新顶底板模型。 当顺煤层钻孔与迭代模型之间不存在"非逻辑交点"时 ,所构建的煤层模型严格满足各类地质数据的 空间约束。模拟实验结果表明:参数:坐标调整量取平均煤层厚度的 1/3 -2/3 时 ,顶底板建模精度 最高;随着顺煤层钻孔密度的降低 ,建模精度降低 ,且下降速率逐渐减小。黄陵某煤矿 810 工作面现 场实验表明:相较于以巷道测量为主要数据所构建的工作面模型 ,迭代构建的煤层模型实现了煤层厚 度、顺煤层钻孔轨迹、地面钻孔和巷道测量等数据的深度融合 ,模型精度大幅度提升。迭代建模方法 充分利用工作面数量众多的顺层瓦斯抽采钻孔 ,对工作面中部煤层起伏形态进行约束 ,提升了工作面 煤层建模精度 ,是一种构建高精度采煤工作面煤层模型的潜在方法。

大倾角煤层分层综采再生顶板应力分布规律研究

池小楼, 杨科, 付强, 魏祯, 张寨男

2022, 39(5):  891-900.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0412

摘要 ( 807 )  

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为研究下分层回采诱导再生顶板二次破断及应力重分布特点 , 结合潘北矿 1212(3) 工作面 地质与工程条件 ,采用基于煤系地层赋存禀赋精细化建模技术的数值模拟 , 并结合物理模拟与现 场实测 ,分析了大倾角煤层分层综采再生顶板应力集中、释放与转移演化特征 ,揭示了再生顶板破 断应力驱动机制 。研究结果表明:随下分层回采 ,采空区再生顶板破断岩块逐渐压实 ,应力恢复 , 再生顶板竖向应力释放拱高度降低;下分层倾向与走向再生顶板与煤柱形成高应力束组成的应力 拱 ,应力拱内外岩体主应力低于应力拱中岩体主应力;应力拱在再生顶板中的岩层层位距采空区 高度为 30 m;结合相似物理模拟 , 悬臂梁与较接岩梁破断主要发生在应力拱内;应力拱随下分层回 采自工作面倾向上部向其下部发育 ,具体为倾向两侧上部最大主应力集中范围广、岩层层位高 , 中 部次之 ,下部最小 。现场矿压实测较好的验证了数值模拟结果。

隧道下穿采空区初期支护围岩变形及受力研究

潘锐, 杜文正, 程桦, 蔡毅, 叶中豹, 陈平, 安刚建

2022, 39(5):  901-910.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0624

摘要 ( 794 )  

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为研究隧道下穿煤层采空区影响下围岩变形和支护构件受力规律 , 以郑( 州) -太(原)高速 铁路太(原) -焦(作)段控制性工程—皇后岭隧道为工程背景 ,开展数值分析以及现场监测 ,对比 隧道常规段、下穿采空区段围岩位移、拱架受力以及围岩接触压力 。结果表明:采空区对隧道围岩 位移存在一个高度影响范围 ,约 1.81 -2.29 倍的隧道洞径;上、中、下台阶开挖引起的拱顶位移比 重为6 :2:2,上台阶开挖属于重点监控时期;围岩变形的稳定时间为 35 -40 d 。拱架整体受压 ,下穿 采空区段拱架轴力均值约为常规段拱架的2 倍 ,轴力分布离散率约为常规段拱架的 5 倍 。下穿采 空区段拱架轴力分布非对称显著 ,拱顶为承担围岩压力的关键部位;常规段拱架轴力整体分布均 匀性良好 。下穿采空区段围岩接触压力非对称现象显著 , 常规段围岩接触压力近似对称分布 。  围 岩接触压力均值变化规律不同 ,稳定后大小基本相同 。下穿采空区段围岩接触压力分布离散率约 为常规段的 1.5 倍 。常规段围岩接触压力分布形态先于拱架轴力保持稳定 , 隧道下穿采空区段的 情况则相反 。研究结果为隧道穿越采空区围岩稳定性分析提供了参考。

大采高工作面采场围岩结构力学分析及其工程应用

倪先杰 , 李迎富

2022, 39(5):  911-920.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0233

摘要 ( 765 )  

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综合考虑顶底板岩层破断以及硬岩层与软岩层的耦合作用 "构建采场围岩" 椭圆应力拱" 结 构力学模型 "研究"椭圆应力拱"周边切向应力与轴长、轴比、极角等参数之间的关系 "分析" 椭圆应 力拱" 、悬臂梁、较接岩梁三者之间相互作用机制。研究认为:" 椭圆应力拱" 承载了采场围岩大部 分载荷 "前、后拱脚随工作面开采向前移动:采场围岩重新分布应力 "在拱顶和拱底附近区域 "形成 拉应力 "使岩层产生"主动破断" "并挤压其运动方向上的岩层:在远离拱顶和拱底区域 "形成压应 力 " 夹持尚未破断的岩层 。在岩层自重载荷、"主动破断"岩层的挤压载荷 " 以及应力拱周边压应力 的夹持作用下 "岩层沿拱迹线"被动破断":" 椭圆应力拱" 内尚未破断的硬岩层形成" 悬臂梁" "硬 岩层破断后形成"较接岩梁" "软岩层破断后以载荷的形式作用于其下部的岩层上 " 工作面支架和 煤壁承受了顶、底板"悬臂梁" 或" 较接岩梁" 传递来的岩层载荷 "" 悬臂梁" 的被动破断及" 较接岩 梁"失稳直接影响到工作面支架及煤壁的稳定性。 基于此 "编程计算工作面开采过程中" 椭圆应力 拱"的轴长、圆心 坐标、拱脚位置等位置参数 "确定大采高工作面顶、底板岩层裂隙发育深度 " 为 大 采高工作面防突水提供一些理论参考。

固体智能充填机械自主夯实过程机构干涉判别与调控研究

杨印朝, 王云搏, 张强, 张建中, 杨军辉, 宗庭成, 张昊, 王宏奇

2022, 39(5):  921-929.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0389

摘要 ( 770 )  

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智能充填是充填技术升级、行业发展及矿山智能建设 3 类需求必然趋势。 固体充填开采方法以机械自主夯实工艺保障充填效果 ,其实现智能化的前提是机构干涉的 自主判别与调控。 给出了机构干涉的定义与产生原因 ,分析了机构干涉对实现智能充填工艺的影响 ,基于机械 自主夯实工艺特点与固体充填液压支架的结构特征 ,建立了固体智能充填机械关键机构的骨架模型及静态特征与动态轨迹方程 ,给出了干涉位态判别准则 ,界定了 4 类典型干涉位态 ,分别建立了各干涉位态调控路径。工程实践表明 :通过运用判别准则与调控路径 ,成功调控了多种工况的干涉位态 ,促进了智能自动充填工艺的实施。

基于能量释放特征的强动压巷道高强柔性支护机理研究

李冲, 台连海

2022, 39(5):  930-939.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0130

摘要 ( 833 )  

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针对强动压巷道锚索易过载拉断的问题 , 结合弹性力学与广义胡克定律 ,通过理论分析与 数值模拟 ,探究柔性支护系统围岩变形和能量变化的内在联系 ,揭示强动压巷道高强柔性支护系 统能量释放机制 。结果表明:顶板弹性应变能释放速率呈现" 先增后减" 的变化趋势 ,顶板弹性应 变能密度与下沉量呈非线性降低趋势;由巷道近场围岩至远场围岩 , 弹性能均呈现出"先快速增长 后缓慢降低 ,最终趋于平稳"的变化趋势;围岩支护系统实现动态平衡的同时 , 处于深部的弹性区 煤岩体持续释放能量 ,近场围岩不断积聚能量 ,直至超过岩层储能极限 ,一部分能量通过巷道变形 与吸能装置等途径实现释放 , 另一部分能量储存在远场煤层中 。结合工程实例验证 ,认为运用高 强柔性让压支护系统 ,可有效控制强动压巷道的有害变形 , 支护效果良好。

抗大变形麻花锚杆力学特性试验及数值模拟研究

查文华, 王荣荣 , 王京九 , 梁译文 , 杨国威, 刘小虎

2022, 39(5):  940-950.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0461

摘要 ( 931 )  

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针对传统锚杆支护出现剪切断裂或无法适应围岩大变形 ,发明一种新型抗大变形麻花锚 杆 ,并通过室内和数值模拟锚杆拉伸试验 ,研究螺旋圈数、缠绕间距等结构参数对麻花锚杆力学特 性的影响。研究结果表明 :相比传统的荷载集中型锚杆 ,麻花锚杆屈服强度随圈数的增加而出现 一定程度的降低 ,但在屈服之前麻花锚杆产生显著的结构变形,此阶段锚杆拉伸位移较大 ;螺旋圈 数对锚杆拉伸伸长率影响较大 ,螺旋圈数越多 ,锚杆破坏时伸长量越大 ,对于单根麻花锚杆 ,单根 锚杆延伸率从 8.325%增大为 39.9%,双根锚杆延伸率从 26%增大为 51%,螺旋圈数与锚杆拉伸位 移呈指数关系 ;锚杆位移随锚杆缠绕间距增大呈线性增加 ,且随着螺旋圈数的增大,双根麻花锚杆 位移增大趋势越明显。  工程应用中保证麻花锚杆破断载荷大于锚固力条件下 ,增大麻花锚杆螺旋 圈数和缠绕间距,可有效提高麻花锚杆抗围岩大变形能力 ,确保巷道支护效果。  研究成果可为麻 花锚杆的应用和参数设计提供理论基础。

大断面六角形进路围岩应力解析与数值验证

吴浩, 马丹 , 左宇军 , 赵国彦

2022, 39(5):  951-960.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0526

摘要 ( 835 )  

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为研究龙首矿大断面六角形进路采场围岩的应力分布特征 ,通过保角变换方法将六角形进 路围岩映射到像平面单位圆外域 ,采用改进的复变函数理论对进路围岩应力进行解析 , 并与数值 结果进行对比。研究结果表明 ,提出的多面体收缩逼近算法能够准确求解复杂形状孔洞的映射函 数 ,大断面六角形进路映射函数项数取 6 时具有较高的精度。当侧压系数 λ <0.39 时 ,顶底板出 现拉应力集中 , 两侧壁产生压应力集中。随着 λ的增大 ,顶底板拉应力逐渐减小并变为压应力 , 两 侧壁应力情况则相反。进路围岩中切向应力随着距进路边界距离的增大逐渐减小 , 随着侧压系数 的增大而增大 ; 当距进路边界的距离渐增时 ,进路顶底板中的径向应力值逐渐接近施加的竖向应力 ,进路两帮中的径向应力值逐渐接近施加的水平应力。另外 ,进路周边 22 个监测点应力的数值 模拟结果充分证实了解析解的可靠性 ,大断面六角形进路同比小断面进路在深部开采中具有较高 的稳定性。研究结果可为采场结构参数优化及进路支护设计提供参考。

缓冲垫层对锚杆托板动静载力学特性的影响研究

付玉凯, 吴拥, 褚晓威, 孙卓越

2022, 39(5):  961-970.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0005

摘要 ( 807 )  

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为揭示缓冲垫层对锚杆托板动、静载力学特性的影响,从而为冲击地压巷道支护中缓冲垫 层的选取提供理论依据 ,在实验室专门搭建缓冲垫层与托板组合结构冲击实验台 ,测试 5 种组合结 构的静、动载力学性能 ,利用高速摄像仪捕捉组合结构的变形破坏过程 ,分析冲击能量、缓冲垫层 材质、厚度等参数对托板结构力学响应的影响规律。研究结果表明: 缓冲垫层会显著影响托板结 构的静、动载变形破坏形态 ,具有一 定延性和变形能力的缓冲垫层能提高托板结构的静载承载能力。缓冲垫层材质和厚度对冲击载荷的缓冲吸能效果影响显著 ,延性、变形能力大的缓冲垫层吸 收冲击能量更多 ,能降低托板结构变形程度 ,反之亦然。刚度越低、变形量越大及厚度越厚 ,组合 结构的冲击力峰值越小 ,托板变形量越小 ;而刚度大、脆性强的缓冲垫层对组合结构的冲击力峰值 影响不大 ,但会显著增加托板的变形量。从托板变形量来看 ,5 种组合结构吸能效果优劣依次为泡 沫金属＋托板、木材＋托板、橡胶＋托板、混凝土＋托板和托板。

大倾角煤层断层带回采巷道动载失稳机理

王红伟, 宋远洋, 焦建强, 负东风, 李浩男, 王同, 徐辉, 柏仁宣

2022, 39(5):  971-980.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0498

摘要 ( 793 )  

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针对大倾角煤层断层带回采巷道受动载影响易出现冒顶、片 帮等支护难题 , 以太平煤矿 3115^-1 4 工作面回风巷道为工程背景 ,采用物理相似模拟实验的研究方法 ,揭示巷道未支护、锚网支 护、锚网喷支护等 3 种条件下受动载影响的变形破坏规律及支护失效机理 。实验结果表明:回风巷道未支护条件下 ,顶板在倾斜层面和断层面交汇处出现" 三棱柱" 冒落体 ,近断层巷帮中上部出现 煤壁片帮 。锚网支护巷道在动载作用下靠近断层带处顶板下沉剧烈、出现金属网破裂并伴随漏沙 等现象 。锚网喷支护巷道在动载作用下呈现顶板和左帮表面破坏严重、锚杆受力明显 , 呈现非对 称变形破坏特征 。根据巷道顶板的载荷.变形曲线梯度变化特征 ,顶板动载变形划分为线弹性变形 阶段、黏弹性变形阶段及塑性变形破坏阶段 ,巷道支护与非对称变形的不协调导致支护失效 。据此 ,提出"锚网喷＋刚柔支架" 的组合支护技术 ,采用圆弧拱刚柔支架提高了巷道围岩整体支护强 度 ,控制顶板的塑性变形和巷帮的黏弹性变形 ,顶板、左帮、右帮、底板的变形量较锚网喷支护降低 了 39%,91%,38%,64%, 支护效果良好 ,为类似条件巷道支护提供技术指导。

基于 MLR-RBF的岩石强度智能随钻识别实验研究

孙鑫, 张少华, 程敬义, 王东, 葛颂, 李想, 万志军

2022, 39(5):  981-991.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0690

摘要 ( 855 )  

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提高巷道掘进效率、减少冒顶事故是实现煤矿安全高效和智能化开采的重要内容 ,其关键  是对巷道围岩的合理支护设计 , 而煤矿顶板岩层强度的实时智能感知对巷道支护设计至关重要。 利用自主搭建的微型钻进实验平台和制作的砂浆试样 , 开展钻进实验以获取随钻参数 , 并测定砂  浆试样的单轴抗压强度 。采用小波网值法对随钻参数去噪后 ,分析钻速、转速和砂浆试样强度对  推力和扭矩的影响 。基于随钻参数构建预测岩石强度的多元线性回归(MLR) 模型 ,利用径向基函  数(RBF) 神经网络对 MLR模型得到的强度预测残差修正 ,建立 MLR-RBF岩石强度组合预测模型 ,对 MLR和 MLR-RBF模型进行验证 ,并利用 MLR-RBF模型对粉砂岩、细粒砂岩和粗粒砂岩 3  种岩石强度进行预测 。研究表明:钻速和转速均与钻进推力呈负相关 ,但随转速增加旋转扭矩也  增加 , 且扭矩值随钻进深度增加而缓慢线性增加; 构建的 MLR模型的预测相对误差均值为  8.58%,MLR-RBF模型的预测相对误差均值为 1.75%,证明了 MLR-RBF模型的有效性; MLR- RBF模型对岩石强度的预测误差均值为 6.67%,该模型对岩石强度的预测效果较砂浆试样差 ,主要是因为岩石与砂浆的均质性不同。

采动影响下断层渐进破坏过程及能量释放规律研究

王同旭 , 曹明辉

2022, 39(5):  992-1001.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0531

摘要 ( 888 )  

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为研究工作面开采遇断层时断层渐进破坏过程及能量释放规律 ,基于数值模拟手段 ,分析 逆断层下盘开采时断层周围应力环境变化特征及断层活化能量释放规律 , 并开展双轴加卸载试 验 ,分析不同应力状态下断层单元试件破坏过程、剪应力变化规律及能量释放大小。结果表明 :采动影响下,距煤层较远的高位顶板处断层水平应力降低,距煤层较近的顶底板处断层垂直应力增大 ,导致侧压系数减小 ,诱发断层活化失稳 ;断层破坏时发生黏滑失稳 , 出现多次剪应力突降 ,并伴 随有能量的释放 ,其中第 1 次剪应力突降数值最大 ,且随着加卸载速率增大 ,剪应力突降数值增大 ; 工作面向断层方向推进过程中 , 高位顶板处断层最先活化失稳释放能量 , 剪应力降及能量释放相 对较小 ,煤层附近顶底板处断层活化失稳时间较晚 ,但剪应力降及能量释放数值较大 , 易造成大的 矿震甚至诱发冲击事故。

煤研石充填材料在循环载荷作用下的细观变形特征分析

何泽全, 巨峰, 肖猛, 宁湃, 周成, 张雅珍, 王栋

2022, 39(5):  1002-1010.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0156

摘要 ( 812 )  

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通过夯实机构循环夯实可提高煤矿固体充填体的密实度 ,从而改善其承载能力 , 即煤矿玕 石充填体的抗变形能力与循环载荷下的细观变形特征具有密切关联 。基于此 ,本文采用颗粒流数 值模拟软件 PFC^3D重构不规则煤矿玕石柔性簇(Cluster)颗粒数值模型 。研究模型在循环载荷作用 下的宏细观力学特性 ,分析累积变形、颗粒破碎指标等对模型细观特征的影响 。结果表明:在加载 过程中 ,模型的累积变形和裂陂发育总数等参数随加载次数的增加分为快速增长和逐步稳定两个 阶段;分析了模型在循环载荷作用下的内部力链分布 。加载前期 , 力链多集中在加载板附近 ,并向 中部延生;随循环次数增加 ,整个模型的力链贯通 。研究成果可为煤矿固体充填液压支架的结构 选型提供依据。

加卸载路径下含水泥岩力学行为和破坏形态研究

刘跃东, 康红普

2022, 39(5):  1011-1020.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0015

摘要 ( 848 )  

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泥岩巷道在开挖遇水后极易发生变形、垮落 ,严重影响巷道安全掘进 。为揭示含水状态和 开挖效应对泥岩巷道影响机理 ,采用 x射线衍射(XRD) 和扫描电镜(SEM) 对泥岩遇水前后细观 结构变化进行定性表征 ,并采用三轴试验机对 5 种含水率下的泥岩进行三轴加载和加卸载试验。 结果表明:1) 富含高岭石的泥岩遇水后 , 片状结构的高岭石会变为卷曲状的埃洛石 ,层间间距变 大 ,孔隙率增大 ,分子作用力减弱 ,物性劣化造成强度衰减 。2) 与加载作用相比 , 同等含水状态卸 载作用下泥岩的强度较低 ,卸载作用导致偏应力的激增 ,泥岩提前进入屈服段 ,承载强度较低 。3) 卸载路径峰后曲线陡峭 ,泥岩脆性更强 ,扩容明显 ,破坏更为剧烈 。随着含水率增加 , 泥岩由脆性 向塑性转化 ,含水状态和应力路径均会影响岩石力学特性 。4) 对比原始、遇水加卸载破坏形态 ,泥 岩遇水后产生的微裂隙会影响最终破裂形态 ,在卸载路径中更为明显 , 张拉破坏所占比例更高。 针对卸载路径下含水泥岩破坏时机提前 , 现场应及时加强支护以恢复围压 , 减少含水巷道破坏 风险。

较低功率微波辐射坚硬石灰岩损伤路径优化研究

陈登红, 王智鹏, 袁永强, 汤允迎, 陈冉

2022, 39(5):  1021-1032.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0387

摘要 ( 817 )  

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坚硬的石灰岩吸波能力较弱 ,在较低功率下开展微波辐射损伤路径优化及致裂效果分析对 低能耗高效率破岩具有重要的意义 。采用较低功率(P=1.4 kw)微波辐射石灰岩表面最高温度至 100、200、250 和 300 ℃ ,分析其峰值强度、弹性模量、应变等力学参数以及质量、P波波速及微观结 构随升温的变化规律 。结果表明:平均单轴抗压强度为 129 MPa的石灰岩试样辐射不同温度后弹 性模量、变形模量随作用温度升高而下降 ,应变随作用温度升高先增加后减小最后再增加 ,质量损 失和强度折损由快趋缓的"拐点”分别为 200 和 250 ℃ 。宏观和微观观测表明试件表面裂纹与内 部熔融区域都在表面温度为 200 ℃时出现 ,进一步设定表面温度200 ℃为关键温度节点 ,开展恒定 功率辐射至不同温度(路径 1) 、差异功率辐射到相同温度(路径 2) 、恒定功率辐射不同温度后水冷 处理(路径 3)3 种损伤路径的微波辐射实验 ,得到损伤效果依次为:路径 3+路径 1+路径 2 ,最后通 过数值模拟和切片观察验证表面温度 200 ℃后的破坏类型为熔融破裂且有双点沟通型破坏 ,研究 成果为较弱吸波能力坚硬岩石的损伤路径优化及低能耗高效率破岩提供了借鉴与参考。

瓦斯抽采钻孔动态密封黏液型材料实验研究

张超, 延婧, 树刚, 江丙友, 翟成, 倪冠华, 包若羽

2022, 39(5):  1033-1040.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0149

摘要 ( 710 )  

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为解决动态密封方法中现有黏液材料无法有效封堵煤岩漏气通道的问题 ,本文对纳基膨润 土进行了改性研究 。以纳基膨润土为基料 ,选取黏合剂竣甲基纤维素纳(CMC) 、保水剂聚丙烯酰 胺(PAM)和表面活性剂脂肪酸甲酯磺酸纳(MES) 作为添加剂 ,研制出一种能与煤壁紧密结合的动态密封黏液型材料 。通过单因素实验分别考察了表面活性剂掺量、保水剂掺量及水料比的变化 对材料黏度及流动性的影响 , 掌握了各因变量随自变量的变化趋势 。在此实验基础上 ,根据正交 实验原理设计了三因素三水平 17 组配比实验 ,对 17 组实验所得黏液的黏度进行了统计 ,根据 30 min内所得材料黏度值进行拟合与回归性分析 ,得到了拟合二次回归方程 。其次 ,通过方差分析、 等高线分析及响应曲面分析判断出各因素交互性对实验结果的显著性 ,分析表明 3 因素显著性排 序为:保水剂+水料比+表面活性剂 。最后 ,利用 Design-Expert软件得出黏液材料的最佳配比为:表 面活性剂 4%,保水剂 0.8%,水料比 10 :1 。为验证动态密封黏液型材料的高效性 ,选取漳村煤矿 进行现场实验 ,并对 30 天内瓦斯抽采数据进行统计分析 。实验表明:试验孔瓦斯抽采浓度比传统 黏液材料封孔提高了 24.57%, 瓦斯抽采时间延长了 1.5 倍 , 瓦斯抽采流量得到显著提升 ,达到了煤矿瓦斯高效抽采的目的。

基于直裂纹半圆三点弯曲试验的煤样断裂特性研究

杨磊, 李建忠, 娄金福, 王晓卿

2022, 39(5):  1041-1050.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0265

摘要 ( 700 )  

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为研究煤的变形断裂特性 ,采用三点弯曲测试法对 3 组预裂半圆盘煤样开展 I型断裂试验 , 探讨了 I型断裂韧度与单轴抗压强度、单轴抗拉强度以及弹性模量的相关性 ,得到了煤样三点弯 曲试验中的载荷位移特征 ,利用非接触全场应变测量系统监测分析了煤样变形破坏过程中的应变 场演化规律与断裂过程。  试验结果表明:3 组煤样的 I 型断裂韧度分布在 0.14 -0.29 MPa·m^1/2 , 煤样断裂裂纹均从预制裂纹顶端起裂 ,扩展路径近似为直线 , 呈典型的张拉破坏形式。煤样的 I 型断裂韧度与其弹性模量和单轴抗拉强度正相关 , 线性关系式分别为 : E =10.47K_Ic 和 rt = 5.48K_Ic,相关性系数 R²  分别达到 0.99 和 0.97 。煤样的变形破坏过程可分为压密阶段、弹性变形 阶段、弯曲变形阶段、抵抗裂纹产生阶段和破坏后阶段。弯曲变形与抵抗裂纹产生阶段是能够表 征煤样断裂特性的重要阶段 ,抵抗裂纹产生阶段载荷的差值直观反映了煤样 I 型断裂韧度的大小 。弯曲变形阶段前 ,水平应力主要集中在直裂纹两侧 ;进入弯曲变形阶段后 ,直裂纹顶端出现应 力集中并逐步向上发展 ;进入抵抗裂纹产生阶段后 ,应力集中程度与范围快速增大 ,逐步形成张拉 裂纹的潜在轮廓与路径 ,煤样断裂瞬间应变率呈显著的非线性增长特征。

煤与瓦斯的热流固耦合关系研究现状及展望

郝建峰, 梁冰, 孙维吉, 石占山, 施永威, 赵航

2022, 39(5):  1051-1060.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0186

摘要 ( 706 )  

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为揭示煤与瓦斯的热流固交叉耦合关系 ,采用文献调研和理论分析的方法 ,探讨了含瓦斯  煤应力场、渗流场和温度场的相互作用关系 , 阐明了各耦合项中蕴含的耦合关系 ,建立了煤层变形-瓦斯渗流-温度变化耦合作用模式 ,分析了煤与瓦斯热流固耦合作用的研究进展、存在的问题及后  续研究方向 ,在现有耦合关系基础上增加了应力作用下的瓦斯吸附/解吸特征以及不同地质条件  和开采条件下的解吸热效应特征 , 完善了煤与瓦斯热流固耦合关系。 研究结果表明 : 已有的一 些 耦合关系存在方程形式不统一、普适性较弱等特点 ,且尚有一 些耦合关系没有建立合适的方程 ,应力场和渗流场的耦合作用中缺少应力作用下的瓦斯吸附/解吸特征 ; 解吸热源方程和吸附瓦斯量  方程的适用条件、准确性及各种形式的方程存在的差异有待进一 步研究 ; 温度作用下的煤体物理  力学参数变化方程普适性较弱 ,只能说明特定条件下温度场和应力场的耦合作用 ; 已建立的热流  固耦合模型中忽略了表示热能与应变能之间相互转化的耦合关系。对后续研究提出了几点建议 :  耦合机理研究方面 ,建议对应力作用下煤层瓦斯的吸附/解吸特征进行研究 ;建议对特殊的地质构  造和开采条件下煤层中不同位置处的解吸热效应、变形能和摩擦热的演化特征等开展现场监测、 实验室实验和数值模拟研究工作 ; 建议对温度场、渗流场、应力场之间耦合影响的大小进行研究 ;  在解耦计算方面 ,应开发大型的国产计算软件。研究成果对于完善煤与瓦斯热流固耦合理论和预  防煤与瓦斯突出具有重要的理论和实际意义。

基于CEEMD分量样本熵与SVM分类的煤矿瓦斯和煤尘爆炸声音识别方法

孙继平 , 余星辰

2022, 39(5):  1061-1070.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0073

摘要 ( 699 )  

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为及时自动发现煤矿瓦斯和煤尘爆炸并报警 , 为事故应急救援赢得宝贵时间 ,提出了一种 基于互补集合经验模态分解(CEEMD)分量样本嫡与支持向量机(SVM)分类的煤矿瓦斯和煤尘爆 炸声音识别方法:1) 在重点监测区域设置矿用拾音器 , 实时采集环境与设备工作声音;2) 使用 CEEMD对采集到的声音进行分解 ,对每个分量求样本嫡 ,构成该声音的特征量 ,输入到 SVM 中建立煤矿瓦斯和煤尘爆炸识别模型;3) 通过 CEEMD对待测声音分解提取特征量 ,输入训练好的模型中进行识别分类;4)  实验验证 。首先 ,通过信号分解实验得到:与自适应噪声完全集合经验模态分解(CEEMDAN)及集合经验模态分解( EEMD)相比 ,CEEMD算法更适合本方法要求 。其次 ,通 过相似性和相关系数实验得到:CEEMD算法分解模态分量与原信号的相似性和相关性 ,确定选择前9 阶模态分量 (IMF) 作为声音信号提取特征量的对象;通过分析 IMF₁₀ 和残余分量 IMF₁₁ 的频 谱图 ,取前 9 阶模态分量 ,可去除低频本征干扰 。最后 ,将声音信号特征量输入 SVM、BP神经网络 和相似性测度中做比对研究 , 实验结果表明:SVM 识别分类器的准确率为 85%, 比 BP神经网络和 相似性测度分别高 13%和 22%,整体识别性能高于 BP神经网络和相似性测度。