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2022年 第39卷 第6期    刊出日期：2022-11-15

上一期   

论文

废弃矿井遗留煤柱-人工坝黏结体失稳特征试验研究

杨科, 吕鑫, 刘钦节, 杨彦群, 池小楼, 方珏静, 付强, 王于, 张寨男

2022, 39(6):  1071-1083.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0564

摘要 ( 1169 )  

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人工坝构建对利用关闭／废弃矿井地下空间储水至关重要,保证煤柱-人工坝黏结体结构稳定性是保障关闭／废弃矿井地下空间储水安全有效的基础。基于煤柱-人工坝黏结体受力状态分析,考虑三因素三梯度的黏结变量,制备29组不同黏结结构煤柱-人工坝类煤岩试件,开展无侧压单轴压缩试验;并基于煤柱-人工坝黏结体强度、应变变化、能量演化规律与宏观破坏特征,分析煤柱-人工坝黏结体角度、宽度、深度参数对试件性能与失稳模式的影响。研究结果表明:煤柱-人工坝黏结体受力状态根据黏结紧密性可分为分体承载、分担承载和协同承载,且分别对应3种本构模型;煤柱-人工坝黏结体各组试件单轴压缩破坏过程中存在典型全应力-应变曲线各阶段特征,以角度参数划分的3条强度曲线均呈现出“VvV”型结构;将轴向应变以角度参数绘制曲线时,曲线趋势复杂,在30 mm宽度时呈现为先减小后增加的趋势,35 mm宽度时则表现为持续减小,而40 mm宽度时表现出持续上升的趋势;试件能量变化与应力应变曲线各阶段相对应,同时敏感性分析表明深度参数是试件强度的主控因素,而角度的改变引起的轴向应变变化最为明显,最优参数组合为70-30-7.5;根据黏结体试件破坏形态分析结果,煤柱-人工坝黏结体试件可分为分散双劈裂失稳、联合单劈裂失稳和承载双柱状失稳3种模式。

蓄水采空区区段煤柱采动水浸弱化机制与失稳特征

刘世奇, 张村, 曾一凡 王磊, 兰世勇, 孙伟

2022, 39(6):  1084-1094.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0682

摘要 ( 989 )  

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利用煤矿采空区作为临时水仓能够缓解富水顶板工作面开采排水压力,加快采掘衔接;但采空区残留煤柱在采动水浸影响下的失稳特征将影响工作面的安全回采。基于此,采用现场实测结合流固耦合数值模拟方法分析区段煤柱的采动水浸弱化机制与失稳特征。瞬变电磁法结合钻孔应力计与巷道表面位移监测结果表明：首采工作面(P122106)回采过程中,区段煤柱应力呈马鞍形分布,能够对巷道顶板形成有效支撑；但在邻近工作面(P122108)采动与采空区水浸耦合作用下,P122108巷道变形量大幅度增加,区段煤柱出现失稳。在此基础上,采用自行开发的流固耦合数值模拟结合损伤度量化指标分析获得煤柱采动水浸的渐进损伤特征,研究不同采空区水位对煤柱稳定性的影响。水浸弱化的存在使得宽度为35 m的煤柱不足以隔离采空区蓄水池,存在工作面突水危险。在首采工作面开采过程中,煤柱损伤度为53.4％;而在采空区蓄水及邻近工作面采动影响下煤柱观测区域煤柱损伤度达到84.1％,超过了煤柱失稳临界损伤度65.7％。在采空区水位降至2 m和4 m时,煤柱损伤度虽然出现降低,分别为70.5％和76.8％,但仍然超过了极限损伤度。综合考虑现场实际条件和数值模拟结果,提出疏放P122106采空区蓄水池内的水并辅以加强支护的方式来减小巷道围岩的破坏和变形的解决措施。在研究矿井采用上述手段后,煤柱帮和顶板变形量均降低了39.6％和30.8％,确保了工作面安全生产。

正断层区段异形煤柱护巷矿压显现特征及控制

姚强岭, 王夫榕, 马守龙, 郑闯凯, 李纪宝, 夏泽, 李英虎, 落弘业, 吴城乐

2022, 39(6):  1095-1107.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0700

摘要 ( 1046 )  

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断层区段煤柱宽度及采动下断层活化程度与被保护巷道围岩稳定性密切相关。以山东枣庄矿区某矿3＃煤层正断层区段异形煤柱为例,依据正断层区段异形煤柱护巷条件下采场覆岩结构特征,提出应力调整与支护相结合的围岩稳定性控制技术思路,并基于此将异形煤柱划分为2个区域。其中,区域Ⅰ为下盘回采巷道未卸压区及上盘邻近巷道“两帮+顶板”加强支护区(40～35 m宽煤柱);区域Ⅱ为下盘回采巷道切顶卸压区及上盘邻近巷道“煤柱+顶板”加强支护区(35～12 m宽煤柱),建立“分区卸压+分区支护”的技术体系;针对卸压区,提出一种通过布置顶板密集钻孔构造非连续人工弱化带以调整巷道围岩应力分布的方法,基于弹性理论与围岩结构“SR”原理,确定密集钻孔切顶参数,并据此构建正断层区段异形煤柱FLAC3D数值计算模型,以揭示切顶卸压前后侧向支承压力演化规律;此外,结合围岩赋存特征与应力演化特点,提出针对性的分区补强支护方案并成功应用于现场。现场应用结果显示:区域Ⅰ内邻近巷道两帮移近量达653 mm,顶底板移近量在643～690 mm之间,矿压显现较为剧烈,断层煤柱宽度与巷道围岩变形特征负相关;区域Ⅱ内邻近巷道前段两帮移近量较区域Ⅰ降低了38%～77%,中后段未见明显变形破坏,且断层煤柱宽度与巷道围岩变形特征正相关,卸压效果显著,表明该技术思路可有效控制断层区段异形煤柱巷道围岩变形;同时提出一种煤柱留设宽度优化思路,可为该矿类似条件下区段煤柱留设提供借鉴,且对解决采动强矿压巷道围岩控制具有重要的应用价值。

破碎围岩下注浆锚索锚固性能及参数试验研究

潘锐, 王雷, 王凤云, 黄厚旭, 蔡毅, 蒋振华, 张朋

2022, 39(6):  1108-1115.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0554

摘要 ( 1047 )  

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为明确破碎岩体注浆锚索锚固性能及参数选取,开展不同水灰比、岩体粒径等因素影响下对比试验,以及注浆锚索支护参数现场测试,提出拉压比、注浆锚固率等评价指标。注浆锚索最大拉拔力和对应的峰值位移以及拉压比均随浆液水灰比的增加逐渐降低。水灰比为0.7∶1,1∶1时拉拔力分别降低了17.04%,41.23%;位移分别减少了16.15%,69.03%;拉压比整体变化幅度较低,处于30%～40%。注浆锚索最大拉拔力和对应的峰值位移随岩体粒径增大呈现出不协调关系。拉拔力随岩体粒径增加呈现出一定的离散性,整体上处于95～115 kN;拉压比先减小后增大,整体处于35%～50%。注浆锚索以锚索锚注体接触面滑脱失效为主。位移随着受拉荷载的增大呈现出阶段性的变化,分为初始阶段、弹性阶段、滑移阶段、脱黏阶段和残余阶段。注浆锚索注浆10 d后拉拔力基本趋于稳定,注浆锚固率随着注浆时间增长差异率逐渐缩小,4.1 m注浆锚索最终注浆锚固率范围为65%～70%,6.1 m注浆锚索为75%～80%。4.1 m和6.1 m注浆锚索试验段顶板平均变形量差异率为12.9%,均处在允许变形范围内,推荐现场锚注支护参数为水灰比0.5∶1,长度4.1 m,间排距1 600 mm×1 600 mm。

短-长壁工作面充填无煤柱开采方法研究

朱梦博, 刘浪, 王双明, 叶根飞, 王正刚, 宋英明, 张波, 郇超

2022, 39(6):  1116-1124.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0580

摘要 ( 970 )  

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为减少传统煤层开采中隔离煤柱损失,同时提高无煤柱开采沿空巷道的稳定性,提出短长壁工作面充填无煤柱开采方法。首先,沿运输大巷间隔布置短壁工作面和长壁工作面,短壁工作面等效于传统长壁工作面间的隔离煤柱;然后,采用条带充填开采的方式先回采短壁工作面,根据短壁工作面宽度不同,回采条带可以平行或垂直于短壁工作面长度方向布置,充填条带渐次置换短壁工作面实体煤,并形成宽充填柱,隔离相邻长壁工作面,同时支撑顶板岩层;最后,短壁工作面回采完毕后,开切眼,形成长壁工作面,长壁工作面布置形式同常规综采一致。此项技术的关键是条带煤柱／充填柱稳定性,按梁式和板式断裂2种情况推导开采条带宽度理论计算式,由Wilson理论推导煤柱／充填带宽度理论计算式。可行性分析表明:优化采煤与充填工序组织,可以实现割煤与充填工序分离,保障安全生产与提高采充效率;相比于原位沿空充填留巷、巷帮预置充填带等无煤柱开采方法,短壁工作面采空条带两侧有实体煤或充填体,采空条带充填无须大规模架设挡板(墙),接顶质量高,施工安全风险小、效率高;短长壁工作面间断充填无煤柱开采技术经济效益明显;同时采用充填法回采长壁工作面,可同步构建储库,储存天然气、封存CO₂、压缩空气储能、抽水蓄能等,增加煤炭开采的附加社会经济效益。

破碎岩体锚固及承载失稳机制研究

李建忠 , 高富强 , 娄金福 , 原贵阳

2022, 39(6):  1125-1134.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0583

摘要 ( 1083 )  

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破碎岩体锚杆支护加固作用已被普遍证明,但对荷载作用下破碎岩体锚固及承载失稳机制仍不清晰。基于此,开展系列破碎岩体锚固试验,揭示破碎岩体锚固及承载失稳机制,得出不同条件下破碎岩体稳定承载支护条件,提出破碎岩体锚固支护建议。与常规岩体锚杆支护受力特征截然相反的是,破碎岩体在荷载作用下产生变形破坏特征响应时,锚杆受力呈现逐渐衰减演化特征,锚杆支护对破碎岩体支护作用仅体现为施加预紧力产生的主动支护效应。锚固破碎岩体间呈力链结构铰接,以压力拱结构承载,拱下岩体起着支撑压力拱及将锚杆支护作用传递至压力拱的力学媒介作用,是压力拱能否稳定承载的关键。破碎岩体产生变形破坏响应特征时,岩体间力链结构稳定性降低,拱下岩体对压力拱支撑及将锚杆支护作用传递至压力拱的力学媒介作用减弱。破碎岩体锚固失稳机制表现为拱下岩体支撑作用弱化及锚杆支护作用衰减双重因素叠加诱导的结构性失稳。不同物理力学及支护参数条件,改变的是压力拱拱下岩体稳定性及其力学媒介作用,影响破碎岩体压力拱结构稳定性及锚杆支护作用。获得了不同物理力学参数条件下破碎岩体锚固稳定承载条件,提出了破碎岩体锚固支护合理建议:统计破碎岩体平均粒径,确定合理锚杆支护密度;提高锚杆预紧力及护表支护强度。

煤矿顶板超深孔爆破对巷道围岩稳定性影响研究

陈大勇, 黄炳香, 吴占伟, 江续飞, 王茗可, 郭英, 邵鲁英, 焦雪杰

2022, 39(6):  1135-1142.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0352

摘要 ( 1037 )  

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超深孔爆破在预防煤矿厚硬顶板致灾方面发挥重要作用,然其附带产生的爆破动载对巷道围岩的作用大小及机制不明。为研究煤矿顶板超深孔爆破对巷道围岩稳定性的影响,采用理论分析、数值模拟和现场工程实测等综合手段,研究煤矿顶板超深孔爆破时产生的爆炸应力波对巷道围岩整体结构的影响。基于爆破载荷诱发围岩失稳机理,推导出爆炸应力波影响范围理论公式。结果表明:在爆炸载荷作用下,岩体爆破裂隙区范围远小于爆点至巷道之间的距离,离爆点距离较远的范围内的岩石未发生结构性破坏,且处于爆点15～20 m外的岩石虽受到爆炸应力波的影响,但未发生结构性破坏。现场工程实测数据显示:爆破后4个月内巷道两帮变形量均在3.0 cm以内,顶腰变形量在8.0 cm以内,且均在测量误差和可控范围内,说明此次顶板超深孔爆破并未对巷道围岩稳定性和支护体系造成影响。

多煤层时空协调开采模式与岩层控制机理

阎跃观, 朱元昊, 戴华阳, 张琰君, 代安进, 李明

2022, 39(6):  1143-1153.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0425

摘要 ( 1038 )  

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针对黄河流域中下游矿井多煤层的赋存特点,基于资源与生态、人居环境绿色发展的理念,提出了基于煤柱法向错距变化和煤柱空间形态变化的多煤层时空协调开采模式。以山东某矿的地质采矿条件为研究背景,通过数值模拟计算和岩体力学结构分析,研究多煤层时空协调开采地表移动规律和岩层控制机理。主要结论如下:随煤柱错距系数和开采层数的增加,地表下沉加大,当错距系数大于0.75时,地表下沉和水平移动受煤柱错距变化影响较小,各布局模式中,“正梯形煤柱”布局总采出率减小,柱充联合体的稳定性和垮落区的隔离效果增加,对地表移动的控制效果较好;多煤层时空协调开采地表下沉率与煤柱错距系数及煤柱宽度均呈乘幂函数关系,并建立了本区基于采深、煤柱法向错距和煤柱宽度的多煤层时空协调开采地表下沉率的拟合经验公式;揭示了多煤层时空协调开采岩层控制机理。通过多组开采单元协同作用,形成柱充联合体的有效承载结构以减小主关键层的移动空间,保证主关键层不破断,控制地表沉降;多煤层时空协调开采地表下沉率介于0.20～0.32之间,水平移动系数约为0.09,总采出率可达70%左右,相比多煤层条带开采,采出率提升约30%～40%。多煤层时空协调开采模式,既保证了资源采出率,又能有效地控制岩层和地表移动,为黄河流域多煤层矿区滞压煤炭资源的绿色开采提供了一项经济可靠、资源损失率小的技术选择。

弱胶结覆岩导水裂隙带高度预测及三维空间发育特征

石守桥, 吴复柱, 边凯

2022, 39(6):  1154-1160.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0259

摘要 ( 1004 )  

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针对西部侏罗系煤田弱胶结覆岩导水裂隙带发育高度预测及三维空间特征问题,首先以西部18个大采高(>5 m)侏罗系煤田实测导水裂隙带高度为基础,基于回归分析的方法推导了弱胶结覆岩导水裂隙带高度计算公式。对比结果表明:回归公式较经验公式平均误差降低了34.85%,提高了导水裂隙带高度预测精度。其次以营盘壕煤矿2201工作面为例,通过数值模拟得到了空间不同位置的导水裂隙带发育切片,并提取主要空间位置信息,以此绘制了导水裂隙带空间三维形态图,结果显示导水裂隙带三维空间发育形态整体上呈略倾斜的“拱背形”。最后采用井下钻孔分段注水观测方法,对导水裂隙带高度和形态进行实测,结果对比验证了回归公式及数值模拟结果的准确性。

煤矿采空区储能式充填技术及储能增效机制

李百宜 , 张吉雄 , 刘恒凤 周楠 , 闫浩 , 李猛

2022, 39(6):  1161-1168.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0557

摘要 ( 1136 )  

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为了解决传统垮落法开采形成的采空区空间结构极不稳定所导致的井下空间开发利用率低的难题,基于充填维护地下空间稳定性特征,构建了充填开采协同地下空间利用的井下采空区储能式充填模式,提出了煤矿储能式充填空间热能储存与提取的系统构成与布局方式,阐释了煤矿储能式充填的技术原理与技术关键,给出了储能式充填空间热能储存与提取效果主控因素,通过数值与理论分析得到了充填材料热物性能、管路布置及载热流体对储能效果的影响规律,揭示了煤矿采空区储能式充填储能增效机制,为实现热能地下高效储存与煤矿井下空间高效利用奠定了基础。

煤炭地下气化过程产气特征数值模拟研究

张源 , 顾斌 , 周长冰 , 万志军

2022, 39(6):  1169-1176.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0091

摘要 ( 966 )  

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为了提高煤炭地下气化产气效率,采用数值模拟方法,建立了煤炭地下气化通道数值模型,研究了气化通道内产气组分的时空分布和可燃气体的热值特征。结果表明:气化产气过程可分为初始产气、中期产气和稳定产气三阶段,CO₂浓度在气化初期快速达到峰值,CO和H2浓度则在气化中期快速增加,气化20 d后通道内气体组分浓度分布和热值均趋于稳定;气化剂中氧含量对通道内CO₂和CO的浓度分布影响明显,对H₂影响相对较小;C的氧化反应、CO₂和水蒸气的还原反应同时存在于氧化区和还原区,随着气化剂中氧含量的提高,还原区范围逐渐扩大,CO和H₂的浓度逐渐升高;氧含量每增加20%,通道出口可燃气体热值增加约10%。模拟结果与工业性试验结果具有较好的一致性。

煤岩体变形破坏的能量演化模型及冲击危险性评价

吴宇 , 郝阳 , 浦海 , 沈玲玲 , 张彦 , 耿浩哲

2022, 39(6):  1177-1186.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0621

摘要 ( 993 )  

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建立了煤岩体单元变形破坏过程中能量输入、积聚、耗散、释放的理论计算模型,基于冲击启动理论和围岩变形破坏后的结构防冲能力,提出冲击失稳判据及危险性判断流程。以孟村4号煤层掘进巷道冲击显现事故为工程案例,分析了巷道掘进后围岩变形破坏、能量演化特征,判别了冲击危险性,验证了冲击危险性评估流程的正确性。分析了地应力对冲击危险性的影响。结果表明:水平偏应力越大,冲击危险性越高;掘进方向与最大水平应力垂直时,冲击危险性最高,与最大水平主应力平行时,冲击危险性最低。以冲击变形能非线性增大速率为判别准则,计算出临界采深。本文案例中,采深超过500 m后,冲击变形能变化速率较浅部变化速率增大了10倍。造成冲击危险性非线性增大的原因是煤岩体能量积聚和释放增长速率在500 m后显著增大:能量积聚增长速率为埋深小于500 m时的5.3倍,能量耗散基本不变,能量释放增长速率为1.8倍。

生物炭吸附煤矿酸性矿井水中污染物技术展望

刘晓蕊, 李栋, 王高峰

2022, 39(6):  1187-1197.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0197

摘要 ( 809 )  

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煤矿酸性矿井水(AMD)是煤炭生产与利用过程中产生的一种工业废水,pH值往往分布在2～4之间。吸附法是处理酸性矿井水中污染物离子的有效方法;绿色无污染、经济有效的吸附剂是该技术规模化应用的关键。无机材料包括沸石、贝壳等天然矿物材料,粉煤灰、冶金残渣等工业固废,人工合成材料,以及有机材料如生物炭等都可以用于吸附酸性矿井水中的污染物。其中,生物炭材料由可再生生物质(如秸杆、木屑、污泥等)制取,具有发达的孔隙结构以及丰富的表面化学官能团,且绝大多数的生物炭都呈碱性,能在去除酸性矿井水中污染物离子的同时提高其pH,是一种非常有前景的绿色吸附剂。本文综述了酸性矿井水的形成机制和危害,简要介绍了酸性矿井水的预防和处理技术,重点论述了生物炭材料在吸附酸性矿井水中污染物离子方面的研究现状,探讨了该技术存在的问题,认为吸附法与其他技术相结合是其规模化应用的主要趋势,并提出生物炭吸附与中和沉淀法协同处理煤矿酸性矿井水的工艺路线。

含煤线夹矸岩体力学特性及变形破坏特征的数值实验

伍永平, 汤业鹏, 解盘石, 胡博胜, 刘宝恒

2022, 39(6):  1198-1209.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0274

摘要 ( 1048 )  

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为探究含不同煤线夹矸岩体的力学特性及变形破坏特征,基于颗粒流PFC2D数值模拟软件,分别建立了不同煤线层数、厚度、倾角的夹矸岩体单轴加载数值实验模型,研究了煤线层数、煤线厚度、煤线倾角对夹矸岩体力学特性及变形破坏的影响机制,以及不同煤线倾角夹矸岩体变形破坏过程中的能量演化特征。研究结果表明:相同含煤比重下,煤线厚度对夹矸岩体的影响要显著于煤线层数,煤线层数的改变对夹矸的弹性模量和抗压强度的影响较大,对夹矸破坏形式影响较小,而煤线厚度的改变则易引起破坏形式的改变;夹矸岩体的弹性模量和单轴抗压强度相对于煤线倾角的关系曲线均近似呈“U”形,即随煤线倾角的增大,均表现为先减小后增大的变化规律,但二者近似取得最小值的角度不同,弹性模量在45°左右达到最小值,而单轴抗压强度最小值则出现在倾角约为60°;随煤线倾角增大,夹矸的破坏模式将呈现岩石主控压裂破坏煤线主控滑移破坏煤线主控劈裂破坏的演变特征;夹矸岩体变形破坏过程中的能量演化亦表现出一定的倾角效应,各加载阶段,夹矸内应变能、黏结能、摩擦能、动能相对于边界能占比随煤线倾角的变化曲线,也近似呈现出以45°为对称轴而两侧较为平缓的“U”形。

基于智能反演的等效型煤构建方法、原理与技术

孙元田, 李桂臣, 常庆粮, 李菁华, 杨森

2022, 39(6):  1210-1217.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0043

摘要 ( 939 )  

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基于典型的松散煤体实际赋存状态,提出以原煤的坚固性系数为纽带,建立成型煤体的强度与原煤强度相似的关系,同时利用制备的型煤的孔隙率与原煤孔隙率相似的关系,综合构建室内成型煤体等效于现场松散煤体的方法。试验在测定原煤参数如成分、含水率、粒径级配基础上,选取了型煤的关键“构建参数”即成型压力、成型时间和成型水分,形成了系列成型工艺与方案,分析了松散软煤实验室制备型煤成型的机理。建立了基于人工智能算法的天牛须进化支持向量机(BAS-ESVM)型煤参数智能反演模型,通过型煤数据库和模型反演结果表明,在给定现场软煤强度和孔隙率情况下,该智能模型能够精确反演室内型煤的成型压力、成型时间和成型水分。在该参数下制备的型煤强度和孔隙率与现场煤体参数高度吻合,验证了该模型的正确和可靠性。

基于3D扫描的深部砂岩动态破碎块体尺度特征与能量耗散规律试验研究

张庆贺, 牛龙华, 袁亮, 郑天乐, 王晓蕊, 李翎

2022, 39(6):  1218-1226.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0398

摘要 ( 904 )  

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在不同的冲击荷载下,岩石会破碎成不同尺寸的块体或颗粒。为了对动态荷载下岩石的吸能特性和动态破碎块体的尺度特征进行定量研究,采用分离式霍普金森压杆系统(SHPB)对煤矿深部砂岩进行了动态压缩试验。得到了不同冲击荷载下岩石试件的动态压缩强度规律,分析了入射能对试件吸收能的影响和应变率效应。在此基础上,利用3D扫描技术、数字图像处理技术得到破碎块体的三维扫描模型,探讨了砂岩试件破碎块体尺度特征与吸收能量的关系。研究表明:砂岩试件的动态抗压强度和吸收能都具有明显的应变率效应,动态抗压强度和动态应变率近似呈线性关系,而吸收能则呈指数型关系;在不同的入射能量下,试件吸收的能量有所不同,吸收能随入射能呈线性增长;在应变率为54～221.9 s^-1范围内,3D扫描技术能对砂岩破裂块体进行高精度数字重构;随着冲击荷载和输入能量的增大,试件破碎块体的形状逐渐丰富,破碎块体的粒径逐渐减小,比表面积逐渐增大,试件的破碎形态由大块体破断向小块体破碎转变。砂岩材料的破碎成形和能量耗散是材料的率效应机制。

单轴压缩下尾砂胶结充填体细观能量耗散与损伤表征研究

程爱平, 舒鹏飞, 邓代强, 周成颂, 黄诗冰, 叶祖洋

2022, 39(6):  1227-1234.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0306

摘要 ( 964 )  

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尾砂胶结充填体在两步骤回采中充当人工矿柱支撑采场顶板，其稳定性对矿柱的安全回采至关重要。基于室内试验进行尾砂胶结充填体细观参数标定，建立了尾砂胶结充填体颗粒流模型，开展了单轴压缩下尾砂胶结充填体细观力学特性研究，构建了尾砂胶结充填体细观能量指标体系，探讨了尾砂胶结充填体细观能量演化及耗散特征，揭示了尾砂胶结充填体破坏形式；结合能量耗散理论，考虑残余应变能影响，引入修正系数λ，提出了改进的损伤变量D，较好地表征了尾砂胶结充填体损伤演化过程。研究结果表明：尾砂胶结充填体细观能量主要由边界能输入，一部分通过能量积聚转化为平行黏结应变能和线性应变能，另一部分通过能量耗散转化为黏结阻尼能、摩擦能、介质阻尼能和动能；尾砂胶结充填体细观能量演化过程具有阶段性特征，包括能量积聚和能量释放两个阶段，在能量耗散阶段体现明显的延性破坏特征；尾砂胶结充填体细观损伤表象为颗粒错动和黏结破坏，考虑残余应变能的改进损伤变量更准确，能较好地反映尾砂胶结充填体延性特征。研究成果可为尾砂胶结充填体稳定性控制提供理论指导。

脉冲超声对煤的孔隙结构及瓦斯解吸特性影响的实验研究

林海飞, 韩双泽 , 杨二豪 , 李树刚 , 王瑞哲 , 郝荷杰 , 双海清 , 严敏

2022, 39(6):  1235-1245.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0378

摘要 ( 907 )  

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为探究脉冲超声对煤体孔隙结构及瓦斯解吸特性的影响,利用全自动压汞仪和自主研发的脉冲超声激励煤吸附解吸瓦斯实验系统,分析不同脉冲次数超声激励前后煤体孔容、比表面积及瓦斯解吸量变化,研究脉冲超声激励对煤体孔隙结构特征及瓦斯解吸的影响。实验结果表明:随着脉冲超声次数增加,中大孔孔隙连通程度明显增大,微小孔孔隙连通程度无显著变化,仍以半封闭孔和封闭孔为主;各孔径段孔容和比表面积均有所增加,其中中大孔孔容与微小孔比表面积增加最为显著;脉冲超声激励后的煤体具有明显分形特征,且分形维数随脉冲次数的增加呈下降趋势;脉冲次数增加,煤体瓦斯解吸量增多,解吸速率加快,且最大解吸量、最大解吸速率与脉冲次数均呈线性正相关关系。实验表明脉冲超声使煤体原生孔隙得到有效改善,孔隙之间相互连通,促进了瓦斯解吸。

分层充填沿空留巷瓦斯治理技术研究

张栋, 张帅, 王霞, 巩思宇, 左然芳, 孙垒, 卢爱红, 董阳

2022, 39(6):  1246-1255.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0061

摘要 ( 889 )  

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为有效解决高瓦斯矿井瓦斯治理难的问题，以漳村矿26采区2605工作面为研究背景，通过分析已回采工作面安全开采影响因素，提出“分层充填沿空留巷+高抽巷”瓦斯治理方式，即在2605工作面运输巷实施分层填充沿空留巷，封堵采空区涌出瓦斯，避免向留巷内泄漏，通过高抽巷对涌出瓦斯进行抽采。根据载荷适应性原理和变形适应性原理，建立分层充填沿空留巷围岩力学模型，给出充填墙失稳的判别临界值，研究分层充填墙力学性能和留巷期间围岩及充填墙稳定性和高抽巷的瓦斯抽采效果。研究表明：分层充填墙的稳定性受分层厚度比和充填墙宽度影响，存在最优参数组合。而高抽巷瓦斯抽采效果随着远离沿空留巷呈现先增后减的变化规律。现场观测数据表明：采用上述瓦斯治理方式后，2605工作面上隅角瓦斯体积分数小于0.55%，分层充填沿空留巷内瓦斯体积分数低于0.5%，该方式能有效地进行瓦斯治理，实现高瓦斯矿井的安全开采。

煤层纳米孔隙结构对瓦斯运移特性的影响研究

赵洪宝 , 秦逢缘 , 李作泉 , 程辉 , 王伊阔

2022, 39(6):  1256-1264.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0221

摘要 ( 1165 )  

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为探讨煤层纳米级孔隙结构对瓦斯运移特性影响机理,选取霍尔辛赫煤矿3号煤层煤样进行小角X射线散射试验,得出该煤层煤体纳米范围内孔隙结构参数及分布特征。基于试验所取得参数,并结合实际地温和储层压力条件进行数值模拟,引入运移通道可达性系数和运移时间定量表征瓦斯输运效率。结果表明:煤样纳米孔隙中瓦斯的主要运移方式为过渡流。孔隙通道内各初始条件对瓦斯运移特性影响不同,孔隙通道可达性系数随孔隙直径的增加而增加。受气体滑脱效应影响,15 nm以下通道运移时间随尺度增大急剧衰减。通道内瓦斯运移受启动压力和浓度梯度共同作用,启动压力克服阻力,浓度梯度决定后续运移,运移时间受浓度增益和碰撞阻力效果共同作用。微孔内,运移通道变窄时,可达性系数及运移时间均与窄通道直径正相关；运移通道变宽时,可达性系数受窄通道长度与宽通道直径共同作用,运移时间与可达性系数存在最大差值区域。微孔内,可达性系数与通道几何参数有关,通过数据拟合,并引入太沙基有效应力得出煤层受应力作用下微孔通道瓦斯输运效率的表征公式,拟合效果良好。

液态CO₂驱替煤体CH₄的渗流特性及机制分析

李珍宝 , 王凤双 , 梁瑞 , 赵海章 , 马吉昊 , 魏高明

2022, 39(6):  1265-1271.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0332

摘要 ( 818 )  

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煤层瓦斯抽采效率低是造成高瓦斯及突出矿井采掘接续困难和瓦斯事故频发的重要原因。液态CO₂具有低温致裂增透和相变置换驱替促抽瓦斯效应,可有效提高煤层渗透性。采用自主研发的三轴多相CO₂促抽煤层CH₄平台,分析了不同温度下的煤体抽真空-CH₄吸附-CO₂驱替全过程应变、驱替浓度、流量及渗透率的变化,揭示了液态CO₂驱替煤层CH₄过程机制。结果表明:在吸附CH₄及CO₂驱替阶段,煤体均表现为膨胀应变,各阶段应变分为快速膨胀和缓慢膨胀变形阶段，CO₂驱替阶段的应变量显著大于CH₄饱和吸附阶段的应变量,温度越低,应变差异性越大；驱替过程不同驱替阶段的主导控制效应分别为裂隙游离CH₄驱赶、CH₄自解吸及CO₂-CH₄竞争吸附，驱替流量先快速增加,后缓慢降低并趋于稳定；温度越低,煤体稳态渗透率越大,低温下煤基质收缩裂隙扩容和热应力损伤增透效应远大于煤体吸附膨胀作用；液态CO₂驱替CH₄过程的低温裂隙扩容与孔裂隙损伤发育效应,大于CO₂-CH₄竞争吸附膨胀作用,是改善煤层渗透性的关键。为提高注CO₂的经济性,在技术应用过程不同驱替阶段应优化设计注入流量参数。

用于动静载下含瓦斯煤损伤机制研究的三轴固气耦合试验仪

刘众众, 王汉鹏, 袁亮, 张冰

2022, 39(6):  1272-1280.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0214

摘要 ( 929 )  

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煤与瓦斯突出是动静荷载叠加作用下含瓦斯煤的损伤破裂动力效应,研究含瓦斯煤的损伤破坏机制对于深化突出机理、破解突出防治难题意义重大。然而,现有仪器只能对含瓦斯煤进行静力加载,与突出煤层的应力场有很大区别。基于此,自主研发了可用于循环动静组合荷载下含瓦斯煤损伤破坏机制研究的三轴固气耦合试验仪。该仪器由动静加载单元、三轴围压单元、流体注入单元和信息采集单元4个关键单元构成,实现了固气耦合环境下煤样动静组合循环加载和损伤破坏过程中声发射参数的精确测试。利用该仪器开展了不同频率循环动载下煤样损伤劣化试验,试验结果表明:循环动载会对含瓦斯煤的宏观力学参数造成损伤劣化,随着循环动载频率的增大,煤样强度和弹性模量的损伤越大,最大损伤劣化率可达30％~40％;煤样三轴压缩过程中声发射与应力应变曲线呈明显的耦合效应,对应应力应变曲线,声发射活动可分为平静期、缓增期、动载稳增期和突增期4个阶段;在不同频率的循环动载下,声发射事件峰值的演化规律与累计事件峰值的演化规律不同,随着动载频率的增加,事件峰值减小,累计事件峰值却增大。该仪器采集的声发射参数可以很准确地表征煤样在动载作用下的损伤演化,并和弹性模量损伤量对比,进一步证明了该仪器用于研究含瓦斯煤损伤破坏机制的可靠性。