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2023年 第40卷 第2期    刊出日期：2023-03-15

上一期   

论文

深井采场外错式顶板巷道围岩卸压控制技术研究

常聚才, 齐潮, 熊藤根

2023, 40(2):  215-223.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0343

摘要 ( 836 )  

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为了解决深井采场外错式顶板巷道围岩大变形破坏失稳问题,采用数值模拟、理论分析和现场试验等方法对淮南矿区潘三矿17191(1)工作面顶板瓦斯综治巷围岩变形失稳机理及其控制技术进行了研究。结果表明:工作面开采后形成的采动应力沿采空区侧向岩体向巷道围岩内部“转移”是导致巷道围岩变形失稳的主要诱因;结合应力“转移路径”和压力拱理论,推导出卸压“关键层位”高度计算公式,明确了影响顶板巷道矿压显现的“关键层位”为6.5 m厚的中细砂岩,并得到了切落“关键层位”的切顶高度(49.9 m)、角度(10°)和炮孔间距(10 m)。“关键层位”被切断后,巷道左右两帮应力峰值分别减小了42.1％,46.5％,顶底板移近量减小了44.9％,巷道高度由1.8 m增大至3.0 m,断面收缩率减小了34.3％。

综放工作面沿空留巷“错动”变形破坏机制及其控制

杨鸿智, 鞠文君, 王东攀, 苏超

2023, 40(2):  224-231.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0561

摘要 ( 604 )  

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为了解决厚煤层大断面沿空留巷矿压显现强烈、维护困难、复用前修巷工程量大等问题,以晋城矿区唐安煤矿沿空留巷为工程背景,通过井下观测、理论分析和工程试验,分析综放沿空留巷围岩变形破坏特征和整体变形模式,提出针对性的围岩变形控制对策并在现场实施和验证。研究表明:综放沿空留巷变形主要表现为顶煤切顶下沉、巷旁支护劈裂歪斜、煤帮挤出和底鼓,不同位置围岩变形破坏呈现整体关联性;围岩变形整体呈现“错动”模式,对沿空留巷整体结构变形起控制作用的主要是回采空间顶板回转和向外侧移,以及底板在水平应力作用下向巷内挠曲,在顶、底、煤帮、巷旁支护综合作用下,形成趋向采空区的“错动”变形形态。基于留巷“错动”变形特征,提出沿空留巷围岩变形控制对策:巷旁混凝土墙支护采用薄墙体、高强度、预设迎山角的形式,巷内顶、帮补强支护,留巷“切顶控制”补强支护,超前工作面顶板区域水力预裂卸压。新技术方案现场试验和监测表明，回采后采空区顶板及时断裂,留巷应力环境明显改善,巷旁支护墙体完整,留巷围岩变形控制效果显著。

切顶条件下综放沿空留巷充填体承载特征及合理宽度研究

冯超, 刘少伟, 张小东, 张英, 姜彦军, 李永恩

2023, 40(2):  232-242.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0099

摘要 ( 634 )  

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超前工作面致裂顶板卸压配合巷旁充填的留巷方式,是解决综放工作面留巷难的有效途径之一,而巷旁充填体参数合理化设计是该留巷方式成功的关键。构建切顶高度范围内采空区等效承载本构关系,推导切顶条件下综放沿空留巷充填体支护阻力表达式,结合赵家寨矿12209工作面沿空留巷的工程地质条件,计算充填体合理宽度和变形量范围。基于对切顶高度范围内采空区承载本构关系的数值反演,揭示充填体承载特征并确定充填体合理宽度值。研究结果表明:采空区断裂岩层与矸石经历由接触到逐渐压实的过程中,采空区压缩位移不断增大,充填体支护作用不断减小;理论计算得到充填体最小宽度为1.95 m;随着工作面推进,充填体承载力呈先急剧增长、再快速增长、最后稳定3个阶段变化,并与采空区矸石承载特征保持协调关系;确定赵家寨矿12209综放工作面充填体合理宽度为2.2 m,工程实践表明,巷道围岩稳定性较好,实现了对该类巷道围岩稳定性控制。

约束混凝土拱架力学特性与截面设计方法研究

王琦, 刘悦, 辛忠欣, 魏华勇, 江贝, 王鸣子, 李东浩, 冯耀霞, 赵梦薇

2023, 40(2):  243-250.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0004

摘要 ( 621 )  

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随着地下工程逐渐向深部发展,传统支护体系难以满足复杂条件下的支护需求,约束混凝土拱架具有良好的承载特性,在地下工程中逐渐被广泛应用,但截面特性对约束混凝土拱架力学性能的影响机制尚未明确。对比分析常见的方钢约束混凝土(SQCC)、圆形约束混凝土(CCC)与U36全比尺拱架力学性能,研究各拱架的承载性能和变形破坏机制。对不同壁厚的SQCC,CCC和不同长宽比的矩形约束混凝土(RCC)拱架进行数值试验,研究截面形状、尺寸对约束混凝土拱架力学性能的影响机制。研究表明,在截面用钢量相同的情况下,拱架截面面积越大,承载能力越强,且SQCC,RCC拱架的力学性能优于CCC拱架。在此基础上,提出约束混凝土拱架截面设计方法。

大采高过联巷空顶-煤柱-支架耦合承载与控制分析

任晓鹏, 辛亚军, 杨俊鹏

2023, 40(2):  251-262.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0020

摘要 ( 1065 )  

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大采高工作面过空巷覆岩运动复杂,空巷极易变形失稳,严重影响工作面推进速度。通过对大采高工作面过空巷围岩变形破坏特征及失稳原因分析,探讨工作面过空巷顶板稳定性影响因素,建立大采高工作面过联巷空顶-煤柱-支架耦合承载力学模型,确定大采高工作面过联巷煤基充填体强度、变形与最佳水灰比,提出大采高工作面过联巷空巷围岩控制技术,并进行现场工业性试验。结果表明:工作面过空巷表现为顶板大面积下沉、两帮垂直劈裂脱落,采动应力、浅埋薄基岩切落、支护作用失效与棚架非均匀受力是空巷失稳的主要原因;工作面过空巷顶板稳定性与空巷支护阻力、煤柱承载载荷及支架载荷密切相关,煤柱承载能力与煤柱宽度呈线性关系,确定空巷顶板最小支护强度为3.346 9 MPa。随着膏浆体(15％水泥)水灰比增加,膏浆体流动度、析水率、初终凝时间呈增加的趋势;单轴抗压强度与峰值应变整体表现为减小的趋势,且线性特征明显。水灰比0.6(10 d)为最佳膏浆体,单轴抗压强度为1.10 MPa,峰值应变为1.088％。随着时间增加,膏浆体强度在30 d达到3.7 MPa,提前充填有利于空巷稳定。采用空巷挑顶扩巷-锚索补强与膏浆体柔性充填技术方案后,工作面过空巷支架工作面阻力均值为预警值的73.04％,顶板未出现大面积来压,促进了大采高工作面快速推进。

覆土偏载对浅埋主平硐衬砌支护结构影响研究

朱磊, 袁超峰, 吴玉意, 徐凯, 刘文涛, 古文哲, 黄剑斌

2023, 40(2):  263-273.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0042

摘要 ( 495 )  

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为研究载荷对主平硐支护结构稳定性的影响规律,以某矿浅埋料石衬砌支护的主平硐为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟和现场观测相结合的研究方法,分析支护结构稳定性影响因素,研究覆土静载作用下支护结构弯矩和轴力以及位移和最大主应力分布特征,并从料石衬砌结构中各砌块稳定性的角度分析支护结构的整体稳定性。研究结果表明:埋深和外部载荷扰动是影响支护结构稳定性的主要因素。覆土静载作用下支护结构弯矩和轴力呈非对称分布,其中弯矩最大值位于非填土侧,轴力最大值位于填土侧,且支护结构中部位置内表面将产生拉破坏,但该位置对应外表面的压应力远小于其抗压强度,使得内表面即使产生裂纹,也将因外表面砌块相互挤压而处于稳定状态,现场通过在裂隙表面涂抹素混凝土也验证了理论分析结果;并确定了随着埋深增大,支护结构受覆土静载的影响减小。数值模拟确定覆土静载使得支护结构最大位移和拉应力区域偏向填土侧,与理论分析结果吻合。同时以砌块结构竖直方向合力和砌块与砂浆间的相互作用力为指标,确定砌块结构处于稳定状态。该研究可为类似条件下料石衬砌支护结构的稳定性分析提供借鉴和参考。

高地温对锚固剂性能影响规律及配比优化研究

刘小虎, 姚直书, 程桦, 查文华

2023, 40(2):  274-283.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0629

摘要 ( 642 )  

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为提高树脂锚固剂在深部高地温、高地应力环境的适用性,增强软岩巷道围岩锚固结构稳定性，首先针对常用不饱和聚酯树脂锚固剂进行室内不同温度环境及不同配比试验。研究得出规律：锚固剂随温度上升胶凝时间减少,固化物抗压强度减弱;若配比中树脂占比增多,锚固剂稠度减小,固化物抗压强度减弱。然后,引入KH-570与FX-470对锚固剂的耐温性能和全长锚固工艺适应性进行优化。与常规A1型相比,高地温环境下C4型固化物抗压强度和锚固力大幅度提升,热稳定性良好,稠度适宜全长锚固工艺。从而得出优选配比为m(混合树脂)∶m(粗石粉)∶m(细石粉)∶m(促进剂)∶m(固化剂)∶m(KH-570)=100∶275∶275∶1∶32.5∶1。最后,通过电镜扫描分析揭示C4型锚固剂性能优越的内在原因。研究可为深部软岩巷道全长锚固支护工程的安全高效建设提供技术参考。

短壁块段式充填采煤矸石充填材料重金属离子“下行”迁移规律及控制技术#br#

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张云, 刘永孜, 曹胜根, 来兴平, 刘嘉, 张雷铭, 童亮, 何伟

2023, 40(2):  284-294.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0533

摘要 ( 600 )  

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现阶段煤炭开采产生的废弃矸石广泛利用于矿山充填领域,然而矸石内部重金属离子对矿区水资源产生的潜在污染风险愈发突出。结合短壁块段式充填采煤技术,综合分析重金属离子析出与迁移的敏感性因素,建立矸石充填材料重金属离子“下行”迁移模型,揭示矸石充填材料重金属离子“下行”迁移规律,提出重金属离子“下行”迁移控制技术。研究表明:矸石粒径、煤层埋深、底板岩性以及重金属离子析出浓度是关键性影响因素,且重金属离子迁移距离随底板岩层的渗透率及重金属离子析出浓度的增大而增大,随矸石粒径及煤层埋深的增大而减小,确定底板岩层的渗透率及重金属离子析出浓度为核心影响因素。提出了重金属离子“下行”迁移控制技术,包括顶板注浆封堵技术、底板铺设防渗层技术、pH值调控技术以及矸石粒径控制技术。

近距离煤层应力拱形态与支承压力分布演化研究

李亮, 何富连, 许旭辉, 秦宾宾, 吕凯, 翟文立, 宋佳宇

2023, 40(2):  295-303.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0146

摘要 ( 630 )  

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为了确定近距离煤层重复开采停采煤柱的合理宽度,以燕子山矿为工程背景,基于应力拱理论进行了研究。采用理论分析、数值模拟及现场实测研究了随重复开采应力拱形态和支承压力分布的演化规律及响应关系。结果表明:跨度、埋深与支承压力影响范围呈正相关,而拱高、集中应力系数与其呈负相关。重复开采引起应力拱左、右半拱的拱高和跨度按时空顺序分别增大至165 m和235 m，结合理论计算得超前支承压力影响范围由78 m增大至94 m。现场实测所得数据得到了相同的规律。应力拱的形态与支承压力分布的演化高度关联,随重复开采超前支承压力影响范围明显增大。研究成果可为近距离煤层停采煤柱宽度的留设提供科学依据。

基于铁木辛柯梁理论的端面冒顶机理及相似模拟试验研究

宋高峰, 魏臻, 杨胜利, 王兆会, 孔德中, 安栋

2023, 40(2):  304-312.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0680

摘要 ( 508 )  

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为研究端面冒顶机理及支架与围岩相互作用关系,采用铁木辛柯梁理论建立了工作面直接顶稳定性力学模型,并开发了新型分布式顶梁荷载监测系统和数字图像覆岩位移监测系统,开展了端面冒顶及覆岩切落大比例相似模拟试验,获得了不同因素影响下的工作面顶板变形变化规律,以及端面顶板冒落全过程、覆岩位移场演化规律和液压支架工作阻力曲线。研究结果表明:提高支架刚度或当直接顶弹性模量较大时,工作面顶板挠度和转角显著降低;随着煤层埋深的增大,工作面顶板挠度和转角变形参量也逐渐增大。直接顶岩层泊松比与直接顶的变形成正比,但对工作面顶板稳定性影响较为有限。根据模型试验中端面顶板(煤)的稳定性将相似模拟工作面的推进过程划分为端面稳定阶段、端面冒顶阶段和覆岩垮落阶段。在端面稳定阶段,顶板逐渐破碎且切顶线前移至支架上方,造成支架低头和接顶不实,支架最大工作阻力由2.5 kN逐渐降低至1.7 kN;在端面冒顶阶段,端面冒顶向上延展并发生3次冒落,冒落形态由“扁梯形”演化为“三角形”,工作阻力进一步降低为1.3 kN;在覆岩垮落阶段,支架上方岩层沿煤壁发生整体切落并向采空区倾倒垮落,模型支架模拟出现场完整的增阻过程,工作阻力增加至1.7 kN。

煤矿井下疏水钻孔涌水时空效应与顶板水害控制疏水模式

赵春虎, 王世东

2023, 40(2):  313-321.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0601

摘要 ( 498 )  

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针对粗放式疏水治理煤矿顶板水害科学依据不足等问题,一是通过分析井下疏水钻孔的涌水组成及时变效应,提出以钻孔涌水似稳定周期为依据的优化“时间”控制疏水原理。二是根据工作面回采过程中煤层顶板充水含水层为静储水量与动态补给量的叠加涌水特征,提出最大程度地预先疏降(干)导水裂隙影响区内地下水静储量,是降低回采过程中顶板集中涌水的合理手段。三是以采动导水裂隙空间发育规律为依据,以采动导水裂隙带上限为疏水钻孔的终孔层位,以预测的采动裂隙带形成的裂缝角为疏水钻孔仰角,合理施工疏水钻孔。四是综合钻探工程经济性和疏水效率,分析得出单钻场内布置≤3个钻孔、夹角为60°的为优化的布孔施工模式,并根据不同接续回采工作面煤层顶板涌水特征,确定首采型两巷疏水、邻采型单巷疏水的钻孔施工模式。最后,根据煤矿井下疏水钻孔涌水时空效应,从疏水钻孔空间布置和疏水周期识别两个角度提出了采煤工作面顶板水害控制疏水模式,研究成果对我国西部矿区顶板水害科学钻探疏放治理具有指导意义。

基于分区弱化的复合坚硬顶板冲击地压分段压裂区域防治研究

郑凯歌, 袁亮, 杨森, 张平松, 李延军, 戴楠, 王泽阳

2023, 40(2):  322-333.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0064

摘要 ( 597 )  

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针对复合坚硬顶板联动效应引发的冲击地压灾害,基于复合坚硬顶板的赋存特征,结合弹性力学理论,分析了高-低位坚硬顶板矿压显现特征,建立复合坚硬顶板破断形态和断块铰接形态判识的力学模型,分析了复合坚硬顶板岩层破断形态,研究了复合坚硬顶板协同破断机制,揭示了协同破断易释放巨大的冲击动能,形成冲击灾害的原理。依托坚硬顶板分区降能的弱化防治理念,提出了煤矿井下定向长钻孔裸眼分段水力压裂“高-低”位协同超前区域防治冲击地压灾害技术模式,并设计了错步式分段压裂段工程布置。工程试验得出:复合坚硬顶板高、低位定向钻裸眼分段压裂协同弱化后,顶板微震事件频次、总能量、顶板来压步距及来压范围分别降低42.17％、31.07％、 33.69％、57.14％,合理有效防治了复合坚硬顶板冲击地压灾害。通过顶板分段水力压裂实施,顶板岩体被压裂成若干小块时,大幅降低了蓄积能量,并伴随压裂成缝过程的能量损耗,实现了复合坚硬顶板的分区分段可控破断距的垮落,实现顶板应力的转移、消散及动力灾害有效控制,为同类地质条件下冲击地压灾害区域弱化治理提供技术借鉴。

急倾斜特厚煤层工作面非对称冲击矿压机理

曹晋荣, 窦林名, 何江, 王永忠, 周坤友, 王正义, 王崧玮, 韩泽鹏

2023, 40(2):  334-345.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0231

摘要 ( 547 )  

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针对急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面冲击矿压灾害,以窑街三矿为工程背景,采用离散元数值模拟(UDEC),研究了急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板破断及结构演化规律,再现了矿震作用下工作面非对称冲击矿压孕育和发生过程;理论分析了工作面底煤应力非对称分布特征;基于动静载叠加原理揭示了工作面非对称冲击矿压发生机理;最后提出了防治对策。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面在顶底板非对称错峰支承压力作用下,煤体受载特征沿倾向呈现分区差异性:顶板侧挤压、中部剪切、底板侧拉-剪。工作面底煤中形成浅部汤匙状卸压区和深部非对称应力集中区,顶板侧煤体垂直应力峰值和剪切应力峰值均为底板侧的5倍。进入深部开采后,工作面悬顶长度增大,同时采空区内关键岩块发生回转、滑移和倾倒的可能性增加,导致矿震强度增大。当动载应力与工作面底煤应力集中区中的静载应力叠加大于“煤体+液压支架”系统的极限应力时,发生急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面非对称冲击矿压。研究结果与现场实测相吻合。

深部煤层底板岩体能量演化特征及卸荷劣化破坏机制研究

张风达

2023, 40(2):  346-353.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0404

摘要 ( 577 )  

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为研究深部煤炭回采过程中底板岩体能量变化特征及卸荷劣化机制,开展了不同围压卸载速率下岩石力学试验,综合理论分析和实验室试验分析了不同卸载阶段的岩石损伤断裂能量、弹性模量的变化特征。研究表明:卸围压过程中的岩石变形破坏可划分为围压卸载起始点至失稳破坏、失稳破坏到加速破坏、进入加速破坏3个阶段。在围压卸载起始点至失稳破坏阶段和失稳破坏到加速破坏阶段,相同轴压下,不同围压卸载速率对岩石弹性模量劣化程度产生的影响较小;在围压卸载起始点至失稳破坏阶段,损伤断裂能量消耗较少,但岩石弹性模量劣化程度较为明显;在失稳破坏到加速破坏阶段,弹性模量的劣化程度相比于围压卸载起始点至失稳破坏阶段趋缓,但损伤断裂能量消耗呈现增长变化趋势。在岩石进入加速破坏阶段,卸载速率越快,岩石卸围压过程中释放的损伤断裂能量越大,越易形成宏观贯穿式裂纹,煤层底板突水危险性随之增大。

底板承压水作用下断层破碎带岩体冲蚀-渗流灾变规律研究

安泰龙, 姚邦华, 李硕, 杜锋, 李振华, 王戈

2023, 40(2):  354-360.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0586

摘要 ( 565 )  

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针对断层突水问题,将研究对象细分为固体、充填物颗粒以及流体3部分,建立了考虑冲蚀作用的断层突水的流固耦合数学模型。以此为基础,利用COMSOL Multiphysics软件将理论模型数值化,数值模拟研究了断层充填物颗粒运移流失及渗透性演化规律。研究结果表明:底板承压水作用下断层冲蚀突水过程可以划分为两个主要阶段,在缓慢渗流阶段,断层的裂隙开度和涌水量缓慢增加;在渗流突变阶段,裂隙开度和涌水量急剧增加。在冲蚀作用下,随着断层内部可冲蚀颗粒的液化、迁移和流失,流体中充填物颗粒体积分数呈现先增大后减小的趋势。在承压水冲蚀作用下,部分裂隙不断扩张和贯通并发展成为数条优势导水通道,最终造成了断层涌水量的急剧增大和突水事故的发生。研究结果对于揭示断层渗流灾变机理并指导其突水防治具有重要理论意义。

基于特征选择与机器学习的煤与瓦斯突出危险等级协同预测方法

林海飞, 周捷, 金洪伟, 李树刚, 赵鹏翔, 刘时豪

2023, 40(2):  361-370.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0010

摘要 ( 534 )  

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煤与瓦斯突出危险性预测可有效防止煤矿井下突出灾害事故。为进一步提高煤与瓦斯突出危险等级预测的科学性及准确性,构建了基于多算法和多元分析的煤与瓦斯突出动态预测模型。选择51组煤与瓦斯突出工程案例数据作为样本集,对样本数据进行空值填补、数据标准化等预处理,通过引入6种特征选择方法及6种有监督机器学习算法构建了42种煤与瓦斯突出危险等级预测模型。采用准确率、混淆矩阵、Kappa系数及F1值等指标对预测模型的性能进行验证与评估,筛选出精度及稳定度高的4种机器学习算法和3种特征参数组合,确定了8种最优分类模型,并对8组典型的煤与瓦斯突出事故案例进行等级预测。结果表明:8种最优分类预测模型准确率为0.667～0.961,Kappa系数为0.625～0.920,F1值为0.615～1;实际案例煤与瓦斯突出预测准确率为100％,突出等级预测准确率为87.5％。所构建的多参数、多算法、多组合、多判定指标的煤与瓦斯突出等级协同预测模型精度较高,且具有一定的普适性,可为煤与瓦斯突出危险等级预测提供一种新思路。

石禄铁矿扇形中深孔爆破块度分布特征研究

骆浩浩, 杨仁树, 马鑫民, 杨国梁, 朱培枭, 冯文宇

2023, 40(2):  371-378.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0159

摘要 ( 544 )  

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为优化扇形中深孔爆破块度分布,进行9次扇形孔爆破现场试验,采用数字图像处理软件Split-Desk 4.0对爆堆进行图像处理,通过线性拟合得到爆破块度分布预测模型,并计算对应爆堆的分形维数。试验结果表明:微差爆破有利于控制大块率,对扇形孔孔口进行间隔装药,有利于降低中深孔爆破粉矿率。数值模拟结果显示,孔底有效峰值应力<中间有效峰值应力<孔口有效峰值应力,容易在孔底产生大块,孔口产生粉矿。通过调整中深孔爆破合理孔间延期时间、扇形孔孔口装药结构,对中深孔爆破块度分布进行有效控制,有利于提高石禄铁矿的生产效率,间接提高石禄井下铁矿经济效益。

高径比差异条件下花岗岩动态冲击能量耗散及破碎特征#br#

周俊, 赵光明, 孟祥瑞, 吴旭坤, 张启航, 戚敏杰

2023, 40(2):  379-386.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0060

摘要 ( 510 )  

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为研究不同高径比岩石在动态冲击中的能量特性和破碎特征,采用SHPB在冲击速度18.01 m／s条件下对不同高径比花岗岩进行动态压缩试验,结合岩样破坏形态,从破坏过程中的能量角度出发,分析高径比对透射能、反射能及岩样破碎块度的影响。结果表明:高径比为0.5～1的应力-变曲线出现“双峰”,次峰表现出明显的塑性特征,高径比越小越明显;透射能随高径比增大而减小,反射能随岩样高径比增大而增大；高径比为0.5～0.9的岩样反射能大小基本一致。不同高径比岩样能量耗散率在44.9％～56.1％,能量耗散严重。单位体积岩石破碎耗能随高径比增大而减小,且单位体积岩石破碎耗能大小与分形维数呈正相关,不同高径比花岗岩分形维数在1.94～2.536。在强冲击载荷下花岗岩呈劈裂破坏,岩样破碎块度尺寸随高径比增大而增大。

不同界面角度煤充结构体劈裂破坏特性与机理

史旭东, 王凯, 白锦文, 曹光明, 冯国瑞, 王泽华, 崔博强, 宋诚

2023, 40(2):  387-398.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0101

摘要 ( 525 )  

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柱旁充填中煤柱与充填体之间的界面为煤充结构体的薄弱环节,对煤充结构体的劈裂特性具有重要影响。本文开展了不同界面角度情形下煤充结构体试样破坏的巴西劈裂试验,分析了煤充结构体试样的劈裂特性、破坏模式与受力状态,并揭示了其劈裂破坏机理。结果表明:煤充结构体可简化为由煤体元件和充填体元件共同组成的复合承载体,其劈裂力学特性与界面角度密切相关。煤充结构体试样整体抗拉强度随界面角度增加呈先增大后减小的变化趋势,表现出明显的各向异性。煤充结构体试样的破坏模式表现为:类型Ⅰ:裂纹主要沿煤充结构体试样界面扩展;类型Ⅱ:裂纹主要沿煤充结构体试样加载方向扩展;类型Ⅲ:裂纹沿煤充结构体试样界面方向和加载方向扩展。煤充结构体劈裂破坏机理体现在:界面上所受载荷达到界面抗压、抗拉或抗剪强度,使试样内部产生沿界面贯通的裂纹,发生Ⅰ类破坏。煤体元件所受载荷先达到其抗拉强度,最早产生拉伸裂纹;随着载荷持续增大,充填体元件所受载荷也达到自身抗拉强度,最终沿加载方向在试样内产生贯通型拉伸裂纹,发生Ⅱ类破坏。煤体元件所受载荷先达到其抗拉强度,产生拉伸裂纹;随着载荷不断增大,先后或同时达到界面强度和充填体元件抗拉强度,使试样内形成由拉伸裂纹和界面裂纹共同组成的贯通型裂纹,发生Ⅲ类破坏。本研究可为柱旁充填中煤充结构体劈裂失稳防控提供理论依据。

不同浸润时间和应力水平下煤(岩)蠕变损伤模型研究

张慧梅, 王赋宇, 李焕容, 杨更社, 申艳军, 刘慧, 路亚妮

2023, 40(2):  399-407.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0095

摘要 ( 497 )  

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以煤(岩)为研究对象,开展水体浸润试验、电镜扫描试验、含水率试验、单轴压缩试验及分别加载蠕变试验,系统研究了应力水平和浸润时间对煤(岩)蠕变特性的影响;定义了基于宏观基准量的浸润损伤变量、基于蠕变时效性的应力损伤变量及耦合作用下的总损伤变量,表述了浸润-应力耦合效应对总损伤变量的影响规律;将总损伤变量引入流变基本元件中,将虎克体、凯尔文体、牛顿体及带有开关元件的损伤体串联描述煤(岩)蠕变全过程,建立了考虑浸润-应力耦合作用下煤(岩)非线性蠕变损伤本构模型,分析了浸润时间和应力水平对煤(岩)蠕变参数的影响规律。结果表明:煤(岩)总损伤演化途径反映了细观力学响应与宏观变形破坏特征的一致性,刻画出浸润与应力2种作用因素对煤(岩)总损伤扩展的非线性影响特征,为揭示浸水煤柱失稳破坏机制提供理论依据。

冻融作用下裂隙岩石损伤破坏声发射特性研究

宋勇军, 程柯岩, 孟凡栋

2023, 40(2):  408-419.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2022.0139

摘要 ( 850 )  

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为探究冻融环境对露天煤矿边坡稳定的影响,本文以饱和裂隙红砂岩为对象,开展冻融后单轴压缩声发射特性试验,分析不同冻融次数和裂隙倾角对岩石宏观力学特性和声发射参数特征的影响,研究损伤过程中b值和损伤变量演化规律。结果表明:冻融循环和裂隙倾角的变化对岩样应力-应变曲线有较大影响。岩样峰值强度与冻融次数呈负相关性,与双裂隙倾角呈正相关性。轴向应力突降点与声发射振铃计数峰值相互吻合。冻融循环次数的变化引起加载初期振铃计数增大。声发射三维事件点的数量和分布与裂隙倾角密切相关。声发射b值整体保持上下波动状态,冻融循环使b值初期波动减缓。裂隙倾角的增大引起b值在应力最高处更加密集。裂隙岩石的损伤过程分为3个阶段:初始损伤累积阶段、损伤加速阶段和最终破坏阶段,冻融循环加速了岩样的初始损伤累积。裂隙倾角越大,损伤加速阶段的斜率越大。该研究可为寒区露天煤矿边坡稳定提供理论基础。

碎软煤层顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律及敏感因素分析

许耀波, 张培河, 范宗洋, 徐建军, 朱文侠, 王晶

2023, 40(2):  420-428.  doi:10.13545/j.cnki.jmse.2021.0643

摘要 ( 538 )  

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顶板水平井是实现碎软煤层煤层气高效抽采的有效技术途径,穿层压裂是决定顶板水平井成败的关键工程手段,对顶板水平井穿层压裂裂缝扩展行为的深刻理解是穿层压裂方案优化设计的基础。通过交叉偶极子声波测井解释得到碎软煤层及其顶板岩石力学组合特征,建立基于岩石力学强度的“顶板-煤层”胶结物理模型,开展顶板水平井穿层压裂物理模拟试验,研究顶板水平井穿层压裂裂缝扩展规律及穿层压裂效果的敏感性因素。结果表明:水平井位置、注入排量、射孔方式及垂向与水平应力差是影响顶板水平井穿层压裂裂缝扩展形态的4个重要因素。穿层压裂效果随水平井与煤层间距和注入排量的增加而减弱,随垂直与水平应力差的增大而增强,定向射孔具有诱导裂缝向煤层扩展延伸、提高穿层压裂效果的作用。穿层压裂效果对垂向与水平应力差因素最敏感,定向射孔和注入排量影响因素次之,对水平井与煤层距离的敏感性最低。研究结果可为碎软煤层顶板水平井穿层压裂参数优化设计及效果评价提供依据。