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2023年 第40卷 第1期    刊出日期：2023-01-15

上一期   

论文

千米深井超长工作面支架阻力分布特征及影响因素研究

王兆会, 唐岳松, 李辉, 杨印朝, 李家龙, 王志峰

2023, 40(1):  1-10.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0541

摘要 ( 845 )  

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为促进深部煤炭资源安全高效开采,以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景,研究千米深井超长工作面支架阻力分布特征及影响因素,指导深部围岩控制。结果表明:千米深井超长工作面超前采动应力呈三峰式分布,采空区压实特征呈三区式分布,造成工作面长度方向上支架阻力呈现“两端高、中部低”的分布特点;埋深增加,采动应力峰值接近基本顶单轴抗压强度,叠加侧向卸荷作用下,基本顶萌生超前采动应力驱动型破坏裂隙;采动应力峰值越大,局部裂隙发育程度越高,基本顶破碎块度减小,支架阻力降低,超前采动应力三峰式分布造成来压阶段支架阻力“两端高、中部低”分布类型;根据冒落矸石压实程度将采空区划分为充分压实区、非充分压实区和悬露顶板支撑区,构建了空区矸石支撑下基本顶悬臂梁力学模型,得到基本顶W型下沉曲线;将液压支架视为弹性体,得到作用于支架之上的顶板载荷M型分布曲线,解释了千米深井超长工作面正常推进阶段支架阻力呈现“两端高、中部低”分布类型的原因,最后提出了基于液压支架分区控制的差异化顶板管理方法。

矸石流态化充填冒落区四级分区模型研究

李亮, 黄庆享, 惠博, 张伟龙, 左小, 曹鑫, 蔚保宁

2023, 40(1):  11-16.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0024

摘要 ( 765 )  

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为了掌握长壁工作面采空区冒落区岩体稳定性变化规律和残余空间演化规律,论文基于砌体梁理论及采空区上覆岩层下沉曲线,对采空区冒落区关键块结构运动过程中块体受力特征、冒落岩块受力特征及冒落区稳定性进行了系统的研究,提出了冒落区稳定性系数,并给出了冒落区稳定性系数随时间变化的函数关系式,结合流态化料浆扩散规律建立了冒落区四级分区模型,揭示了冒落区充填空间演化规律,得出了冒落区流态化充填可充填空间理论计算方法。通过桑树坪二号井流态化充填工业性试验,验证了理论计算方法的准确性,研究成果为煤矿科学利用冒落区空间和精准高效矸石流态化充填提供了理论依据。

含隐伏断层煤层底板承压水采动导升机制研究

张玉军, 张志巍, 李友伟

2023, 40(1):  17-24.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0501

摘要 ( 839 )  

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根据裂隙岩体水力学分析了承压水导升运动过程中的水压变化与导升位置的变化规律,推导了二者之间的数学关系;通过分析底板采动应力场空间分布规律,构建含隐伏断层底板承压水导升力学模型,基于半无限体理论推导了采动影响在底板空间的应力传递规律表达式;结合断裂力学理论推导了矿山压力水压力联合作用下的裂隙扩展的临界水压及承压水导升高度计算公式;采用单因素分析法对其影响因素进行了分析,并通过FLAC3D重点模拟分析了隐伏断层倾角对承压水采动导升规律的影响。研究结果表明:承压水导升高度受初始水压力、隐伏断层倾角增大而增大,而随着动水流速、岩体断裂韧度增加而减小;采动承压水导升高度还与其导升过程中的能量损失系数结构岩体的力学性质、原始地应力等相关联;模拟结果也表明受隐伏断层倾角影响,采动渗流场表现出随着隐伏断层倾角增大而导升强度越剧烈和强渗流区范围更大的现象。

大倾角煤层综放开采顶煤破坏运移规律与支架稳定性分析

罗生虎, 田程阳, 伍永平, 郎丁, 王同, 皇甫靖宇, 赵华涛

2023, 40(1):  25-35.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0433

摘要 ( 713 )  

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对支架的稳定性控制是大倾角煤层长壁综放安全高效开采的关键。以长山子煤矿1123长壁综放工作面为工程背景,采用模拟实验、理论分析和现场监测相结合的方法,系统研究了非均衡受载与约束条件下顶煤的破坏运移规律及其对支架稳定性的影响。结果表明:在大倾角煤层长壁综放开采中,支架的稳定性随着顶煤法向载荷的增大、切向载荷和偏载程度的减小而增大。受煤层倾角影响,沿工作面倾向自下而上,顶煤的力学性质劣化程度、破碎区和塑性区范围等均逐渐增大,载荷传递能力逐渐减弱,支架工作阻力逐渐减小,支架沿走向和倾向的偏载程度逐渐增大。工作面倾向下部区域支架上方破碎顶煤受采空区矸石约束,运移空间有限,“顶煤支架底板”系统较稳定。工作面倾向中、上部区域支架上方破碎顶煤无矸石约束,破碎顶煤除了向支架尾梁方向移动外亦会沿侧向下滑,“顶煤支架底板”系统稳定性较差。且当工作面倾向中、上部区域破碎区顶煤移出后,该区域塑性区顶煤亦会破碎下滑,导致工作面倾向中上部区域的支承压力峰值区、顶煤塑性区和破碎区等均向深部延伸,顶煤沿工作面倾向的非对称破坏运移特征进一步增大,支架空载、低头和侧翻等现象频发,稳定性控制难度增大。

倾斜综放工作面双层叠加煤柱诱冲机理及安全开采技术

王高昂, 朱斯陶, 姜福兴, 张修峰, 王绪友, 舒凑先, 韩跃勇, 陈洋, 满超

2023, 40(1):  36-47.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0428

摘要 ( 701 )  

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以新疆硫磺沟煤矿上保护层遗留煤柱下综采工作面过联络巷为工程背景,通过现场调研、理论分析、数值模拟和微震监测等方法对倾斜综放工作面双层叠加煤柱诱冲机理及安全开采技术进行研究,结果表明:孤立煤体在自重应力、4-5煤层遗留煤柱集中应力和工作面超前支承应力综合作用下应力高度集中,当叠加总应力超过孤立煤体极限承载能力时,容易诱发冲击地压灾害;建立了双层叠加煤柱工作面煤体整体失稳诱冲力学估算模型,通过数值模拟计算研究了煤柱应力集中机制和双层叠加煤柱工作面回采应力演化规律;针对双层叠加煤柱诱冲机理制定了工作面过双层煤叠加影响区的安全回采技术方案,微震监测结果验证了技术方案的安全性和有效性。

冲击地压矿井科学产能确定初步构想

崔峰, 张廷辉, 来兴平, 陈建强, 杨彦斌

2023, 40(1):  48-59.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0528

摘要 ( 704 )  

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在分析冲击地压矿井设计现状和问题的基础上,围绕科学产能这一主题,综合考虑我国各个发展阶段的冲击地压矿井的差异性,以降低煤岩体中应力集中和能量积聚,科学确定采掘工作面生产能力为思路,提出了冲击地压矿井科学产能确定构想。3个关键科学问题包括:采煤方法的科学选择;工作面宽度的合理划分;安全推进速度的科学调控。在分析了不合理产能强采动诱冲原理基础上,提出了根据不同采煤方法的采动力学过程优选采煤方法的方法,厘清了工作面宽度对顶板垮落结构的影响,理论推导出了采掘工作面推进速度对顶板载荷的影响,并结合高速推进加剧形成了煤岩体应力集中和弹性能量积聚程度,以及与微震事件总能量、频次等监测指标存在正相关性的基础上,利用理论分析、数值仿真、相似模拟及现场监测等手段给出了互反馈和负反馈两种安全推进速度调控方法。构建了从煤岩属性层面、工程设计层面、采掘扰动层面3个维度的三维联动冲击地压动力灾害调控技术,一方面通过主动改性降低煤岩体的冲击危险性,另一方面通过科学确定冲击地压矿井的开采布局、采掘顺序、采动强度等进而确定冲击地压矿井的科学产能。

近直立特厚煤层分段综放夹持煤柱冲击机理

袁崇亮, 王永忠, 施现院, 常庆粮, 张彪

2023, 40(1):  60-68.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0124

摘要 ( 671 )  

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以窑街三矿近直立特厚煤层水平分段综放开采为背景,建立了倾向剖面“夹持岩梁”力学模型与走向剖面“U-λ”岩板力学模型,揭示了近直立煤层水平分段开采的顶底板夹持煤柱冲击地压机理,分析了应力分布与塑性区演化规律,对工作面微震事件进行定性监测与时空定量监测。研究表明:当顶板岩层形成的“悬臂”结构达到一定长度极限, “U-λ”岩板断裂,对下方煤体产生冲击载荷,造成强烈的矿压显现;随着工作面不断向深部开采,煤柱所受水平应力增加,积聚在煤体中的弹性变形能释放,工作面下方煤体形成一定深度的剪切挤压张裂带破坏区;工作面下部为巨厚的底煤积聚大量的弹性应变能,产生塑性变形释放弹性能,导致底板突然底鼓、支架工作阻力升高。随着工作面向前推进,顶煤与其上方松散破碎煤岩体发生垮落,岩块在滑落和回转失稳过程中释放大量能量,对工作面造成动载扰动。

“断层-褶皱”构造区巷道冲击地压机理及失稳规律

王联合, 曹安业, 郭文豪, 窦林名, 温颖远, 薛成春, 胡阳, 吕大钊

2023, 40(1):  69-81.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0626

摘要 ( 683 )  

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采用理论分析、数值模拟及数据分析等方法研究“断层-褶皱”构造区应力分布特征和巷道冲击机制,模拟地质因素对构造静载应力的影响特征,揭示了构造区巷道冲击失稳规律。研究结果表明:“断层-褶皱”构造区巷道受支承压力、构造应力及采掘动载扰动,围岩叠加载荷超过其临界应力而诱发冲击显现;“断层-褶皱”构造应力场呈非对称分布,断层上盘构造应力峰值、分布范围更高,分别为43.86 MPa和230 m;地质因素模拟显示“断层-褶皱”构造应力集中度最高,断层倾角65°时构造应力接近峰值,构造应力峰值与煤层弹性模量成正比,与煤层厚度成反比;冲击前巷道微震集中分布于断层下盘0～20 m和上盘0～40 m,与高静载应力区域重合。

深井直角梯形回采巷道变形破坏规律与控制技术

马杰阳, 张雷, 屠世浩, 屠洪盛, 刘迅, 苗凯军

2023, 40(1):  82-90.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0588

摘要 ( 696 )  

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深井倾斜煤层巷道沿顶板掘进形成的断面为直角梯形,针对该类巷道回采过程中的围岩非对称变形和控制问题,以74104工作面直角梯形巷道为工程背景,采用现场实测、理论分析和数值模拟的方法对深井采动影响下直角梯形巷道的变形破坏规律与控制技术进行研究。研究表明:非对称变形破坏主要表现在高低帮变形非对称、高低帮煤壁上下部变形破坏非对称和顶底板变形沿巷道中线非对称3方面,直角梯形巷道的典型破坏方式为高帮上部滑移;采动导致的非对称应力是巷道非对称变形的直接原因,A区(高帮侧采空+低帮侧采动)直角梯形巷道高低帮应力差异可达18.59 MPa,高低帮应力差异与巷道非对称变形呈正相关;直角梯形巷道顶板最大下沉位置向高帮侧偏移,底板最大底鼓位置向低帮侧偏移,高帮变形量显著大于低帮,变形控制重点为高帮侧煤柱;提出“联合支护+高帮补强+低帮卸压”的巷道围岩控制方法满足安全生产要求,现场应用效果较好。





切近位关键层卸压沿空掘巷关键参数与工程应用

许磊, 李明伟, 郭亮, 肖同强, 刘洪林, DAVIDE Elmo

2023, 40(1):  91-100.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0571

摘要 ( 696 )  

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以马家岩煤矿40103回风巷(沿空掘巷)为背景,采用理论分析、数值模拟和工程实践等方法研究切顶卸压沿空掘巷关键参数等问题。结果表明:关键层位于4～8倍采高范围时为近位关键层,位于4～8倍采高范围外时为远位关键层;掘进期间在块体A(悬臂结构)下完成;切角垂直于顶板时卸压效果最好,有利于岩块Ci的滑落,但倒梯形切顶结构更有利于超前巷道顶板稳定,选取75°为切顶角度;切顶长度越深卸压效果越好,超过关键层后,再增加切长,支承压力继续降低但降低幅度逐渐减小。通过对比切顶(切长20 m,角度75°)与不切顶条件下不同煤柱宽度支承压力,可发现:实体煤侧支承压力依然呈“单峰”状分布,大煤柱(>10 m)上支承压力呈非对称“马鞍”状分布,小煤柱(<10 m)支承压力呈“钟形”分布,切顶可降低支承压力峰值,但不改变其位置。炮孔间距不大于爆破裂隙损伤半径的2倍,可根据现场及时调整。最终确定护巷煤柱宽度8 m,切顶长度20 m,角度75°,炮孔间距1.0 m,支护方案为锚杆+金属网+钢带+锚索补强联合支护。掘进期间两帮相对位移量156 mm,顶板下沉量186 mm,底鼓量101 mm;10 d左右实现自稳;回采期间两帮相对最大移近速度42 mm／d,顶板最大下沉速度47 mm／d,底鼓最大速度63 mm／d。

深部切顶沿空留巷高强锚注控制技术研究

王雷, 陈馈, 宋克志, 潘锐, 陈冬梅, 鹿伟, 孙会彬, 张晓莉

2023, 40(1):  101-111.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0614

摘要 ( 754 )  

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为研究不同因素下切顶沿空留巷高强锚注控制效果,开展不同切顶角度、切顶高度、注浆加固范围和注浆加固参数等影响因素下切顶沿空留巷围岩控制数值对比试验。研究结果表明:在一定范围内,随着切顶高度和切顶角度的增加,巷道不同部位最大位移和峰值应力呈减小趋势,巷道围岩应力随距巷道表面距离的增加呈先增大后减小的变化规律;随着注浆范围的增加,巷道最大位移和峰值应力呈减小趋势,巷道顶板位移变化率大于帮部;随着注浆加固参数等级的增加,巷道最大位移和位移变化率、围岩峰值应力和峰值应力变化率均呈减小趋势,工作面超前0～10 m范围,巷道帮部位移增幅较大,工作面影响范围为超前工作面30 m和滞后工作面60 m。

考虑井帮收敛的深冻结壁弹塑性设计方法

张博, 杨维好, 蒋成

2023, 40(1):  112-119.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0685

摘要 ( 574 )  

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为研究井帮位移收敛对冻结壁厚度的影响,获得满足施工要求的开挖净空间,基于小孔扩张理论,建立井帮变形与冻结壁厚度的计算公式,验证已建公式的正确性,探讨已建公式对井帮变形的计算误差。结果表明0.15的有限变形问题,亦可有效预测千米冲积层立井井帮位移收敛值;冻土的黏聚力和内摩擦角对冻结壁厚度影响显著,弹性模量和黏聚力是井帮变形的重要影响因素。研究成果对深厚冲积层冻结法凿井具有重要的理论意义和实用价值。

基于压渗的下组煤巷道揭露某典型断层阻渗性试验研究

曹思文, 胡东祥, 张民, 孟凡贞, 朱术云

2023, 40(1):  120-127.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0670

摘要 ( 527 )  

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为探究杨村煤矿下组煤带压开采底板断层阻渗性,选择10603工作面运输平巷掘进中揭露的一条典型断层为对象,采用现场压渗试验方法进行研究。通过对断层带初次压渗和2次重复压渗条件下注水水压、流量和监测水压随时间变化特征分析,获得不同压渗条件下起始导渗水压和稳态渗流水压的量化参数,发现现场压渗试验过程可分为未导渗、裂隙渗流扩展和稳态渗流3个阶段。在此基础上,概化计算该断层测试段岩体在3次压渗过程中的渗透系数,通过对比分析发现3种压渗条件下的渗透系数变化规律基本一致,多次重复压渗后平均渗透系数相对于初次压渗的增加不太明显,揭示了重复压渗导致的测试段可能没有发生明显的结构性渗透破坏。研究结果对杨村煤矿下组煤底板断层突水危险性评价具有重要参考价值。

竖井掘进机不同工作状态下装备与围岩振动响应特征分析

陈拓, 李亭, 王建州, 肖威, 陈康

2023, 40(1):  128-134.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0691

摘要 ( 474 )  

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随着地下空间开发利用朝机械化、自动化和智能化方向发展,竖井掘进机为千米级竖井全断面掘进无人化(少人化)技术难题提供解决思路。针对竖井掘进过程中振动影响问题,以采用全断面竖井掘进机进行开挖的宁海抽水蓄能电站风井工程为依托,应用强震动测试的手段,对竖井掘进过程中的振动响应进行了测量和分析。测试结果表明:在竖井掘进振动影响下,围岩空帮段的振动明显,在实际工程中应考虑对软弱风化空帮段围岩体进行支护。随着振动向上传递,振动加速度幅值出现明显的非线性衰减特征,在上撑靴位置径向振动最大为150 cm／s2,振动衰减率为87％左右。





不同主应力方向下隧洞围岩应力分布及塑性区特征分析#br#

赵宏刚, 尹光志, 黄滚, 蒋长宝

2023, 40(1):  135-144.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0619

摘要 ( 637 )  

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隧洞开挖过程中主应力方向发生改变,造成围岩应力分布与塑性区随之产生变化,显著影响着隧洞围岩的稳定及支护。以椭圆形隧洞为例,模拟不同主应力方向下隧洞围岩的破坏,基于复变函数和强度准则建立不同主应力方向下不同深度的围岩应力解析解和塑性区模型,结果显示:主应力方向与椭圆形隧洞非共面时,围岩应力呈“斜哑铃状”分布,最大切向应力处于顶底部与侧帮之间的位置,且随着距临空面深度的增大,最大切向应力逐渐靠近水平主应力方向;随着主应力方向与隧洞夹角的增大,洞壁处的最大切向应力集中点由隧洞侧帮逐渐靠近隧洞顶底部,且洞壁破坏范围逐渐减小;随着主应力方向与隧洞夹角的增大,椭圆形隧洞围岩塑性区逐渐远离侧帮中心处,塑性区范围和最大深度逐渐减小。不同主应力方向下围岩塑性区最大深度所处位置平行或近似平行于水平主应力方向。

加锚巴西圆盘煤样抗拉力学响应特征试验研究

韦四江, 翟黎伟, 王猛, 神文龙, 王生柱, 李鑫鹏

2023, 40(1):  145-154.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0638

摘要 ( 784 )  

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动载条件下锚固煤体的变形破坏特征是煤层巷道冲击矿压防控的基础。本文采用巴西圆盘煤样,通过RMT-150C试验机和SHPB试验系统研究了静载和冲击载荷条件下无锚和加锚煤样的抗拉强度、变形和能量演化特征。结论如下:静载条件下,加锚煤样与无锚煤样相比,峰值抗拉强度及其所对应的应变和到达时间的平均值分别提升了35％，15.4％和20％;加载过程中,煤样表面应变随加载时间线性增加至煤样开裂,加锚煤样破坏形式为块状破裂,块度较大。冲击载荷下,与无锚组动态抗拉强度相比,加锚煤样抗拉强度提升了24％~40％;破坏形式相较于静载更为破碎;2种煤样耗散能所占比例随应变率提高呈对数趋势增加,相同应变率时,加锚煤样耗散能占比大于无锚煤样。加锚煤样变形破坏分为共同承载和锚杆承载2个阶段,共同承载由于煤样相对完整,煤样和锚杆共同承载;锚杆承载阶段时,锚固剂作为煤体和锚杆的传力媒介,锚杆承受大部分的载荷。

煤岩三向应力监测系统研发及在冲击矿井中的应用

沈荣喜, 袁子晨, 王恩元, 陈同庆

2023, 40(1):  155-163.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0084

摘要 ( 818 )  

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为了及时准确获取煤岩体应力参数,研究工作面地应力分布规律及三向采动应力演化特征,对自主研发的基于静压传递原理的三向应力监测系统进行应力传感性能测试,并将该系统应用于徐庄煤矿7335工作面。测试结果表明:三向应力监测系统传感器工作性能良好,可满足实际工程需求;徐庄煤矿7335工作面的最大主应力σ1为14.36 MPa,倾角为76.44°,以垂直应力为主;工作面三向采动应力超前影响范围约为125 m,应力峰值区约为5～46 m,可将应力突增作为冲击地压危险前兆特征。三向应力监测系统可实现应力感应弹片与煤岩体的主动耦合,能够实时、连续、定向监测煤岩体三向应力的动态变化,为煤岩动力灾害监测预警提供有效手段及方法。

不同节理模型在层状复合岩石离散元模拟中的应用

殷鹏飞, 杨圣奇, 高峰, 田文岭

2023, 40(1):  164-173.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0706

摘要 ( 795 )  

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煤矿巷道围岩中广泛存在由不同岩性岩石组成的层状复合岩体,其变形破坏具有强烈的各向异性特征,对巷道的稳定安全会产生特殊的影响。目前,除了物理力学试验手段以外,离散元模拟被越来越广泛地应用到数值模拟研究中。本文以物理模拟试验为基础,在颗粒流模拟程序PFC^2D平台中分别采用删除颗粒黏结(bond removal method, BRM)和光滑节理模型(smooth joint model, SJM)2种节理面处理方式建立了层状复合岩石的模拟模型。模拟研究结果表明:SJM模拟模型可以更好地反映物理试验的应力—应变曲线形态,而BRM模型会在岩层倾角较大时产生较大的塑性变形,无法反映室内试验试样的脆性破坏特征。2种节理模型均可整体反映物理模拟试样的强度变形各向异性规律以及破坏模式,但SJM模型能更好地反映物理试样单轴压缩强度和弹性模量的各向异性特征,而BRM模型试样的宏观破裂面比SJM模型试样更加显著,与物理试样的破裂面更接近。另一方面,SJM节理模型能单独统计出SJM拉伸裂纹和剪切裂纹,通过分析这些裂纹的数目和分布区域可以更好地分析层状复合岩石试样破坏的细观机理。研究结论为后续离散元方法模拟层状复合岩体或节理岩体研究提供了积极的参考和指导。

干燥和饱水状态下砂质泥岩拉压变形破坏过程能量演化对比研究#br#

滕腾, 王玉明, 李召龙, 高亚楠, 朱笑颜

2023, 40(1):  174-183.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0633

摘要 ( 993 )  

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岩石的损伤与破裂是能量释放的物理过程,研究岩石变形破坏过程中的能量演化规律对分析岩石破坏机理和预测岩土工程灾害具有重要意义。本文针对岩石的拉伸和压缩2种典型破坏形式,设计开展了巴西劈裂和单轴压缩试验,基于声发射能和变形归一化处理,量化了岩石拉／压变形损伤破坏过程,对比研究了砂质泥岩拉伸与压缩变形破坏过程中的能量演化规律,并分析了干燥和饱水状态对岩石拉／压破坏过程中能量演化的影响。结果表明:砂质泥岩压缩变形破坏过程中释放的声发射能总量大于拉伸变形破坏过程,干燥和饱水状态下压／拉声发射能总量的比值分别为1.6和8.6。砂质泥岩的拉伸与压缩变形破坏过程可分为初始损伤、损伤发育和损伤平寂3个阶段,但拉伸破坏的初始损伤阶段比压缩破坏增长30％,损伤发育阶段缩短50％,损伤量明显增大,损伤激增对应的变形增大。干燥砂质泥岩压缩变形破坏所需的输入能密度和所释放的耗散能密度均大于饱水岩样,耗散能所占总输入能的百分比不变。研究结果能够发展和完善岩体力学基础,并为矿山工程灾害防控提供参考。

基于氮气吸附法和压汞法低温液氮冻结煤体分形特征研究#br#

秦雷, 王平, 翟成, 李树刚, 林海飞, 龙航

2023, 40(1):  184-193.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0623

摘要 ( 677 )  

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液氮冻结是实现煤体孔隙贯通,提高煤层气抽采效率的有效方法。为定量化研究低温液氮冻结煤体孔隙结构特征,通过自主搭建液氮冻结煤体试验平台,分别对褐煤进行单次冻结和循环冻结,利用高压吸附仪和压汞仪测试液氮冻结过程中的煤体孔隙改造规律,分析液氮冻结煤体孔隙分形维数。试验结果表明:经过液氮冻结,煤体氮气吸附量和进汞量均增加,循环冻结煤体氮气吸附量与进汞量增加率分别是单次冻结煤体氮气吸附量和进汞量增加率的1.08倍和1.62倍。D1(渗流孔分形维数)和D2(吸附孔分形维数)均在2～3,孔隙分形特征显著。D1、D2随绝对冻结时间增加而减小,表明孔隙贯通性增强,内部结构复杂性降低。循环冻结煤体孔隙分形维数减小量大于单次冻结煤体孔隙分形维数减小量。D1／D2与绝对液氮冻结时间正相关,循环冻结过程D1／D2增长速率是单次冻结过程D1／D2增长速率的2.06倍。

基于实时核磁共振的煤岩气驱水流动特性试验研究

葛兆龙, 王浩明, 周哲, 卢义玉, 高飞飞

2023, 40(1):  194-203.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0103

摘要 ( 612 )  

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煤层气排采过程中,气水两相流阶段极易产生储层伤害,正确认识气水产出机理对高效开发煤层气具有重要意义。本文利用核磁共振技术,基于CPMG回波序列法,实时测试煤岩不同围压条件下饱水及氮气驱水过程中的横向弛豫时间,结合分形理论分析煤岩气驱水过程中围压及驱替压力对气水运移路径的影响,研究煤岩气液两相微观流动特征。结果表明: 在饱水条件下, 随着围压的增加,煤基质在围压与孔隙水压的共同作用下发生摩擦挤压作用,导致大孔明显减少,而微孔及中孔增加;气驱水过程中,气体会优先占据大孔中央,高围压会对煤岩产生不可逆的损伤,含水饱和度的降低主要发生在运移孔中,残余水主要分布在煤岩狭小喉道和孔隙盲端及被狭小喉道连通的大孔中。该研究对加深煤层气水产出机理的认识及煤层气开发排采技术选择具有重要意义。

奥陶系灰岩顶部劈裂注浆裂隙起裂机制试验研究

柳昭星

2023, 40(1):  204-214.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0628

摘要 ( 618 )  

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劈裂注浆是底板水害超前区域注浆治理的最后阶段,是决定工程效果的关键环节,但由于对裂隙起裂机制认识不清,导致对该阶段浆液水灰比、注浆压力等参数选择和控制缺乏理论依据。针对上述问题,基于真三轴压裂试验平台,考虑浆液水灰比、地应力水平、裂隙与最大主应力夹角等因素,开展了劈裂注浆物理相似材料模拟试验研究,其中相似材料配比通过标定试验获得。试验结果表明:试样起裂压力随着水灰比增大而降低;在相同地应力水平和浆液水灰比条件下,试样起裂压力随着裂隙与最大主应力夹角的增加而增大;在固定最大主应力和中间主应力、浆液水灰比和裂隙与最大主应力夹角的情况下,起裂压力和二次劈裂压力均随着最小主应力的降低而降低,但二次劈裂压力降低幅度要高于起裂压力降低幅度;在相同工况下,二次劈裂压力大于起裂压力,并且二者的差值随着最小主应力的降低而降低。研究结果有助于底板水害超前区域治理劈裂注浆阶段参数选取和控制。