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基于VRA-UNet网络的煤岩组合体裂隙识别与三维重构 被引量：3
1
作者 王登科 王龙航 +6 位作者 秦亚光 位乐 曹塘根 李文睿 李璐 陈旭 夏玉玲 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期96-108,共13页
在煤岩组合体裂隙三维重构中,针对传统阈值分割方法无法准确确定煤岩之间的阈值大小从而导致裂隙分割效果不佳的问题,基于深度学习理论提出了一种新型VRA-UNet煤岩组合体裂隙精确识别模型,为煤岩组合体裂隙精确识别提供了一种优化解决... 在煤岩组合体裂隙三维重构中,针对传统阈值分割方法无法准确确定煤岩之间的阈值大小从而导致裂隙分割效果不佳的问题,基于深度学习理论提出了一种新型VRA-UNet煤岩组合体裂隙精确识别模型,为煤岩组合体裂隙精确识别提供了一种优化解决方案。为了提升模型的泛化能力和防止初始化模型参数过于随机,使用VGG16模块作为骨干特征提取网络。针对煤岩组合体裂隙拓扑结构复杂,非均匀性强等问题,在上采样部分引入使用残差连接且具有空间维度和通道维度的注意力模块(ResCBAM)增强模型特征提取能力,缓解模型梯度消失的问题。在下采样的末端加入了利用不同尺度卷积核的非对称空洞金字塔模块(AC-ASPP),通过多尺度的特征提取,提高模型对不同大小裂隙的识别能力。同时,利用煤岩组合体CT扫描图像数据集验证了模型的有效性。研究结果表明:VRA-UNet模型在裂隙提取和识别方面性能良好,平均交并比、像素平均值及识别精度分别为85.22%、90.80%和91.95%;与主流的分割网络UNet、PSPNet、DeeplabV3+、FCN和SegNet相比,VRA-UNet模型的平均交并比分别提高了6.05%、16.7%、10.77%、6.87%和6.4%,像素平均值分别提高了7.13%、13.29%、12.84%、7.4%和7.53%,识别精度分别提高了3.82%、14.45%、7.4%、5.58%和4.31%;VRA-UNet识别出的裂隙结构分形维数与原始CT扫描裂隙结构分形维数保持了良好的一致性,真实还原了煤岩组合体内部裂隙结构的分布特征。 展开更多
关键词 煤岩组合体 裂隙识别 裂隙重构 卷积神经网络 分形维数
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基于低位覆岩结构力学解析的特厚煤层大采高综放工作面支架工作阻力计算方法 被引量：1
2
作者 郭军 王子 +9 位作者 冯国瑞 段宏飞 白锦文 李丽绒 文晓泽 皇文博 张洁 杨龙龙 刘全 张家豪 《煤炭学报》 北大核心 2025年第S1期98-111,共14页
为探究特厚煤层对超大采高综放工作面液压支架的压架机理和工作阻力计算方法,以大同矿区塔山井田为背景,通过相似模拟试验和理论分析研究了特厚煤层大采高综放采场上覆岩层结构特征及其演化规律,建立了上覆岩层“组合简支梁”和“砌体... 为探究特厚煤层对超大采高综放工作面液压支架的压架机理和工作阻力计算方法,以大同矿区塔山井田为背景,通过相似模拟试验和理论分析研究了特厚煤层大采高综放采场上覆岩层结构特征及其演化规律,建立了上覆岩层“组合简支梁”和“砌体梁”的结构模型,并对其进行了力学解析,研究结果表明:特厚煤层综放开采空间大,覆岩受影响范围广,上覆岩层存在多层厚硬岩层时,在高位易形成砌体梁结构,低位岩层形成“组合悬臂梁”结构,随着工作面推进,该结构先后经历了“回转—分离—反向回转—滑落”的运动过程。组合悬臂梁发生破断后向采空区一侧发生回转并对液压支架产生变形压力,随后“组合悬臂梁”结构发生滑动分离,形成“组合简支梁”结构,并将上覆岩层的荷载通过顶煤传递至工作面液压支架,当荷载大于支架工作阻力时易引发压架事故。通过力学分析,获得了“组合简支梁”结构任意层位岩层煤壁侧支撑力的表达式,并依次迭代获得该结构作用于支架上方顶煤处的压力,提出了低位“组合简支梁”结构作用下的特厚煤层超大采高综放工作面液压支架工作阻力的计算方法。其中“组合简支梁”结构作用于液压支架上的荷载由结构中各岩梁的厚度、长度、破断角和回转角决定。上述研究结果为进一步分析特厚煤层超大采高综放开采工作面支架围岩关系这一矿压控制的核心问题提供理论依据,对特厚煤层智能化超大采高开采设备的选型和自动控制有一定借鉴意义。 展开更多
关键词 特厚煤层 超大采高 覆岩结构 相似模拟 工作阻力
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流体注入诱发页岩断层失稳活化试验研究 被引量：3
3
作者 刘建锋 赵呈星 +2 位作者 代航宇 魏进兵 杨建雄 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期49-62,共14页
为揭示四川盆地页岩气开采区地震事件频发诱因,采用MTS815岩石力学系统设计和开展了流体注入诱发龙马溪页岩断层失稳活化试验,分析了页岩断层失稳活化的过程与特征,探讨了不同临界应力状态下页岩断层对流体注入的敏感性及法向应力、注... 为揭示四川盆地页岩气开采区地震事件频发诱因,采用MTS815岩石力学系统设计和开展了流体注入诱发龙马溪页岩断层失稳活化试验,分析了页岩断层失稳活化的过程与特征,探讨了不同临界应力状态下页岩断层对流体注入的敏感性及法向应力、注水速率的影响,揭示了断层失稳活化前后的渗透率演变规律,讨论了流体注入激活断层机制及超压现象的触发成因。研究结果表明:临界应力状态、法向应力和注水速率变化会对断层的失稳活化产生影响。剪切应力越接近抗剪强度,断层对流体注入的敏感性越强,较低的流体压力即可诱发断层失稳活化;增大法向应力会降低断层对流体注入的敏感性,提高注水速率会增强其敏感性,两者的上升均会导致断层失稳活化更加剧烈。此外,断层失稳活化后的渗透率显著增加,这与瞬时剪切膨胀效应引起的有效水力孔径增大有关。流体超压现象主要源于断层面上流体压力的异质性分布,当沿断层长度方向已形成完整水力通道时,应优先考虑断层宽度方向上流体压力的异质性分布对流体超压现象的触发机制。本研究有助于揭示页岩气开采中流体注入诱发断层失稳活化机制,并为降低地震风险的工程措施设计提供理论参考和科学依据。 展开更多
关键词 地震诱发 水力压裂 流体注入 断层活化 龙马溪页岩
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基于Talbol理论的破碎岩石压缩变形及分形特征试验研究 被引量：2
4
作者 孙文斌 田殿金 +2 位作者 薛彦超 张志 陈其勇 《矿业安全与环保》 北大核心 2025年第1期61-69,共9页
为研究侧限条件下不同轴向荷载、饱水状态及粒径级配3种因素对断层破碎岩体的压缩变形及分形特征的影响,以山东星村煤矿非导水断层取出的断层岩石为试样,利用自主研制的破碎岩石变形—渗流试验系统,开展侧限条件下不同Talbol幂指数n的... 为研究侧限条件下不同轴向荷载、饱水状态及粒径级配3种因素对断层破碎岩体的压缩变形及分形特征的影响,以山东星村煤矿非导水断层取出的断层岩石为试样,利用自主研制的破碎岩石变形—渗流试验系统,开展侧限条件下不同Talbol幂指数n的级配破碎岩石压缩变形试验。研究结果表明:随着轴向载荷逐级增大,破碎岩石轴向位移量增大,压缩碎胀系数和压实度变小;相同侧限轴向荷载条件下,饱水状态试样的轴向位移量和加载终点位移累积变形量比干燥状态的更大;随着级配指数增大,加载终点位移累积变形量变大;破碎岩石的质量分布系数C随Talbol幂指数n增大而增大,且随轴向荷载的增大而减小;破碎岩石分形维数D随Talbol幂指数n增大而减小,试验后分形维数增量随Talbol幂指数n增大而增大,即岩石破碎程度愈加剧烈。根据破碎岩体力学特征与分形特征将其变形过程划分为松散堆积、错位挤压、变形开裂、研磨破碎4个阶段,在加载前期岩石变形以颗粒滑动位移为主,加载后期变形以颗粒研磨破碎为主。 展开更多
关键词 破碎岩石 轴向荷载 分形维数 Talbol指数 压缩变形
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弱胶结软岩巷道开挖扰动应力旋转特征及支护对策 被引量：1
5
作者 刘家顺 孙铠洋 +2 位作者 左建平 郑智勇 王来贵 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第2期194-206,共13页
针对西部矿区弱胶结软岩地层巷道围岩自稳能力差、变形大、支护易失效等问题,采用室内试验、数值模拟、现场监测和理论分析相结合的方法,分析了开挖过程中围岩主应力旋转特征,提出针对弱胶结软岩巷道的支护对策。研究结果表明:巷道开挖... 针对西部矿区弱胶结软岩地层巷道围岩自稳能力差、变形大、支护易失效等问题,采用室内试验、数值模拟、现场监测和理论分析相结合的方法,分析了开挖过程中围岩主应力旋转特征,提出针对弱胶结软岩巷道的支护对策。研究结果表明:巷道开挖过程中,巷道围岩主应力旋转幅度经历了平稳增长。剧烈扰动和恢复平稳3个阶段。在工作面推进至监测断面时围岩主应力调整最为剧烈,其中顶板和底板最大主应力增加至初始值的1.62倍,帮部增加至初始值的1.35倍;顶板和底板最大主应力倾角/方位角在岩壁处分别为30°/41°和23°/151°。随远离岩壁,最大主应力倾角/方位角呈先增大后减小的趋势,并且在距离巷道岩壁0.68R处倾角/方位角的变化达到峰值11°/5°、14°/176°;帮部最大主应力旋转角度随远离岩壁呈减小的趋势,倾角/方位角由56°/58°变化至初始状态,分别旋转了34°和32°;顶板围岩应力旋转幅度大于底板和帮部。基于巷道开挖扰动应力旋转特征,提出了考虑主应力旋转效应的弱胶结巷道锚杆(索)+金属网的非对称耦合支护技术,并进行了数值模拟分析和现场工业试验。现场结果表明:采用非对称耦合支护技术可以显著改善围岩应力状态,有效减小巷道围岩塑性范围,控制弱胶结软岩巷道变形。 展开更多
关键词 弱胶结软岩 巷道 主应力旋转 倾角/方位角 非对称耦合支护
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多层结构底板破坏深度精确预测与Matlab实现 被引量：1
6
作者 李昂 王伟东 +6 位作者 牟谦 王峰 马政和 赵磊 黄刚 周永根 田胜祺 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第S1期261-274,共14页
矿井煤岩层开采工作面底板扰动会诱发底板隔水岩层上部受到破坏,底板破坏深度计算是科学确定底板破坏深度的基本前提。以往采用单一岩层底板塑性滑移线场理论计算往往与实际偏差较大,原因在于底板破坏范围内其结构主要由多层结构组成。... 矿井煤岩层开采工作面底板扰动会诱发底板隔水岩层上部受到破坏,底板破坏深度计算是科学确定底板破坏深度的基本前提。以往采用单一岩层底板塑性滑移线场理论计算往往与实际偏差较大,原因在于底板破坏范围内其结构主要由多层结构组成。首先构建多层结构底板塑性滑移线场力学模型,推导出多工况下底板破坏深度解析解,并优化出5种计算多层结构底板破坏深度计算工况;其次分析多层结构底板破坏深度人工计算方法的不足及误差原因;提出了计算多层结构底板破坏深度逻辑流程,借助Matlab语言开发了多层结构底板破坏深度计算系统,并结合实际工况分析该系统的可靠性和稳定性。结果表明:①多层结构底板破坏深度计算过程中多数工况需多次利用泰勒展开式和一元四次方程求解,人工计算过程冗长繁杂,极易导致计算结果出现偏差;②通过手算和机算(Matlab内置函数)对比计算同一工况下相同参数时底板最大破坏深度,可知随底板层数增多,人工求解过程中因泰勒展开式的多次运用导致底板破坏深度计算结果累积误差增大,而Matlab编程求解过程中避免泰勒式应用,其结果更符合现场实际需求;③软件主界面包含层数、层厚、力学参数及输入框、计算按钮等功能,可快速智能判别工况,计算出底板最大破坏深度及开采面至底板最大破坏深度水平距离;④将平煤某矿相关岩性力学参数代入该软件求解,通过对比分析5层结构底板最大破坏深度理论值、拟合值、实测值及软件值可知,理论值与实测结果偏差0.57 m,软件值与实测值相差0.14 m,多层计算结果下软件计算更符合实际需求,可为底板水害防治及安全开采提供可靠的技术参数。 展开更多
关键词 多层结构底板 破坏深度 塑性滑移线场 Matlab内置函数 计算软件
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受加载速率影响花岗岩破坏试验及前兆研究
7
作者 殷志强 韩宁 +5 位作者 齐潮 张驰 张永坤 刘浩 章新生 曹坤 《中国矿业》 北大核心 2025年第3期194-204,共11页
为研究受加载速率效应影响深部硬岩巷道围岩失稳破坏过程中各阶段破裂响应机制,对花岗岩开展了五种不同加载速率的试验并配以声发射监测系统,分析了变加载速率下花岗岩试件各应力阶段的破裂演化特征、力学参数、声发射参数的变化规律,... 为研究受加载速率效应影响深部硬岩巷道围岩失稳破坏过程中各阶段破裂响应机制,对花岗岩开展了五种不同加载速率的试验并配以声发射监测系统,分析了变加载速率下花岗岩试件各应力阶段的破裂演化特征、力学参数、声发射参数的变化规律,并基于声发射振幅集中度曲线Γ的变化规律,获得花岗岩失稳破坏前兆的预警信息。结果表明:加载速率越大,试件破坏所需时间越短且破坏越烈;试件峰值强度,弹性模量与加载速率呈现出良好的正相关性,当加载速率超过0.1kN/s时二者增幅均减缓,峰值强度增幅由26.00%下降至6.50%,弹性模量增幅由35.60%下降至12.00%,峰值应变与加载速率呈现出良好的负相关性;声发射活动度呈现明显的阶段性增长,AE振铃计数呈现出指数增长,AE能量信号逐渐由“孤震型”向“群震型”转化;声发射b值随加载时间总体呈现出“W”型变化,试件破坏时声发射b值随加载速率的升高而降低,由0.47(0.02kN/s)降至0.30(0.50kN/s),该现象表明加载速率越大,试件的破裂尺度越大,试件破坏的越彻底;RA-AF散点数据在各应力阶段分布特征表明,加载速率越大,试件内部剪切裂纹随发育越好;振幅集中度曲线Γ在震荡上升阶段和骤然上升阶段之间的斜率突变点定义为变加载速率下花岗岩试件的临界损伤因子,该点可作为岩石失稳破坏前的预警信息。 展开更多
关键词 花岗岩 加载速率效应 破裂演化特征 声发射 破坏前兆
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基于结构动力学理论的矿震机理分析
8
作者 罗生虎 闫壮壮 +5 位作者 解盘石 伍永平 王红伟 朱广安 王同 田程阳 《煤炭学报》 北大核心 2025年第6期2881-2891,共11页
矿震是地下煤层开采中较常见的动力学现象,揭示矿震的力学原理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础,采用理论分析方法,探讨了矿震的力学原理与主控因子,研究了矿震中覆岩的下沉-振动响应特征,及其作用下覆岩应变能、重力势能和动能的... 矿震是地下煤层开采中较常见的动力学现象,揭示矿震的力学原理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础,采用理论分析方法,探讨了矿震的力学原理与主控因子,研究了矿震中覆岩的下沉-振动响应特征,及其作用下覆岩应变能、重力势能和动能的演变机理。结果显示:在结构动力学视角下,矿震是一类典型的自由振动,由坚硬岩层破断等采场煤岩结构子系统的瞬时失稳触发,由采场煤岩结构瞬变后的初始状态驱动,不需要外部能量的输入,耗散采场煤岩自身的势能(重力势能+应变能),受控于采场煤岩结构的力学性能与力学环境及其对应的瞬变特征。对于结构瞬变区域上方的覆岩,受坚硬岩层破断影响,覆岩载荷转递路径发生改变,采空区上方关键层上、下表面的承载量瞬时减小,采空区外侧关键层上表面的承载量瞬时增大。受此影响,关键层及其上覆岩层下沉-振动,其任意时刻的速度、位移和弯曲应变能线密度等响应特征均呈现出波动特性,且都以震源为中心迅速衰减。并且,在任意振动周期内,除了有能量的耗散外,亦存在不同能量间的相互转换;在第1个1/4周期内,重力势能向动能和应变能转换;在第2个1/4周期内,重力势能和动能向应变能转换;在第3个1/4周期内,应变能向重力势能和动能转换;在第4个1/4周期内,动能和应变能向重力势能转换。基于上述的理念,可以更直观地理解矿震中采场空间不同区域煤岩力学响应的发生机理及其内在关联等,为煤岩动力灾害的防控提供了新思路和新视角。 展开更多
关键词 矿震 结构动力学 结构瞬变 自由振动 力学原理
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深部双关键层采动裂隙演化与分形渗流模型
9
作者 杨科 郑诗章 +2 位作者 罗孝勇 刘文杰 许日杰 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第5期73-87,共15页
如何定量化描述双关键层下采动裂隙发育与渗透率演化规律是实现采空区及裂隙带瓦斯高效抽采的关键。以淮南矿区丁集煤矿作为工程背景,通过数值模拟研究深部双关键层工作面采动过程中覆岩裂隙的动态演化规律,利用图像化网格划分方法对裂... 如何定量化描述双关键层下采动裂隙发育与渗透率演化规律是实现采空区及裂隙带瓦斯高效抽采的关键。以淮南矿区丁集煤矿作为工程背景,通过数值模拟研究深部双关键层工作面采动过程中覆岩裂隙的动态演化规律,利用图像化网格划分方法对裂隙密度和裂隙率进行量化分析,引入分形理论描述采动裂隙扩展与闭合过程,进而基于裂隙平面板模型推导了覆岩裂隙的分形渗流模型,提出了高抽巷靶向层位的优选判据。研究结果表明:(1)深部双关键层煤层开采过程中,随工作面推进采动裂隙向上方和前方发育,水平方向采空区中部裂隙小而密,工作面及开切眼裂隙大而疏,垂直方向关键层2下方裂隙结构完整,存在期长,裂隙面积和分形维数均大于其他层位,表明关键层对裂隙分布发挥保护与协调作用;(2)根据采动裂隙分形渗流模型计算覆岩渗透率数量级为10^(-14)~10^(-11)m^(2),渗透率分布随工作面推进先后呈“单驼峰”—“梯台”—“马鞍”状演化规律,开采结束后关键层1上方形成狭长的低渗区,关键层2下方渗透率最大超过1×10^(-11)m^(2),显示出双关键层间接.控制着覆岩渗透率的分布;(3)影响高抽巷抽采效果的主要因素为瓦斯源、瓦斯通道和巷道稳定性,基于此从瓦斯积聚程度、高渗区存在期和高抽巷稳定性等3个方面量化定义高抽巷有效抽采系数概念,提出高抽巷靶向层位优选判据,并在试验工作面进行应用,取得了良好的瓦斯抽采效果。研究成果可为深部双关键层煤层采动裂隙渗流演化规律的研究提供参考,为矿井高抽巷层位布置提供技术参考。 展开更多
关键词 双关键层 采动裂隙 分形维数 渗透率模型 瓦斯抽采
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锚固角度对节理岩体动态压剪响应的影响研究
10
作者 殷志强 张驰 +3 位作者 张志雄 齐潮 章新生 曹坤 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第2期163-172,共10页
为探究锚固角度对贯通节理岩体动态力学特性和锚固体破坏行为的影响。利用分离式霍普金森压杆系统,对锚固角度为15°、30°、45°、60°和75°的全锚节理岩体进行动载冲击试验,分析不同锚固角度下锚固岩体动态应力... 为探究锚固角度对贯通节理岩体动态力学特性和锚固体破坏行为的影响。利用分离式霍普金森压杆系统,对锚固角度为15°、30°、45°、60°和75°的全锚节理岩体进行动载冲击试验,分析不同锚固角度下锚固岩体动态应力应变、锚固锚杆应变与锚固基体滑移压剪行为。结果表明:随锚固角度的增加,锚固体峰值应力呈先增大再减小的趋势,分别为15.8、18.1、20.9、24.7和23.3 MPa,在锚杆抵抗压剪作用下锚固体的动态应力应变曲线呈“双峰”形态;在岩体压剪行为下锚杆轴向应变呈降低趋势,冲击瞬间锚杆应变率随角度的增加出现下降,45°锚固角度下位于节理面左右侧的应变片所监测的应变幅值接近;锚固体受载端沿冲击方向位移呈现逐渐减小趋势,分别为4.84、1.71、1.40、1.01和0.84 mm,锚杆抵抗锚固基体沿节理面压剪滑移的能力逐渐增强。 展开更多
关键词 锚固角度 贯通节理 应力 锚杆应变 滑移压剪
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微震集聚度:微震时空演化五维指标的概念、算法和应用
11
作者 郝宪杰 杨怀翔 +4 位作者 潘鹏志 张洪岚 李航 王兆丰 潘光耀 《煤炭学报》 北大核心 2025年第S1期221-234,共14页
微震数据监测已成为矿井安全判识、预警的重要手段,但是基于微震的时空演化机制及其与岩层活动的相关性仍然亟待解决。当前微震分析多采用多个指标分别或者综合评价,但是不同指标间的联系较弱,多个指标可能存在冗余,单个指标则可能存在... 微震数据监测已成为矿井安全判识、预警的重要手段,但是基于微震的时空演化机制及其与岩层活动的相关性仍然亟待解决。当前微震分析多采用多个指标分别或者综合评价,但是不同指标间的联系较弱,多个指标可能存在冗余,单个指标则可能存在不足,导致判识结果关联性较弱甚至相悖。工作面海量的、能量各异的微震事件都是由岩层破裂和回转运动引起,许多微小事件是由同一个岩层破坏衍生的,故而微震事件之间存在一定的关联性。因此,基于内涵丰富的指标来研究微震时空演化有着至关重要的意义。基于此提出了一个包含空间3个维度、能量1个维度以及时间1个维度,共5个维度的微震时空演化指标:微震集聚度,该指标表明岩层破断回转时往往伴随着较大的微震能量或者是空间聚集程度和时序集中度。推导了包含能量、空间、时序3个因素下的微震集聚度计算公式,并进行了推广性验证。进一步采用该公式计算了亭南307工作面初次来压和周期来压期间的微震事件的微震集聚度,并分析了较大微震集聚度的事件所在层位的分布规律。研究结果表明直接顶的微震事件频次较大,但其大部分事件的微震集聚度大小不如基本顶,较大微震集聚度的事件更能反应矿山压力变化规律。初次来压和周期来压前后基本顶微震集聚度均呈现先上升后下降的规律。该指标突破了能量频次、空间频次等单一性分析,可以在一定程度上降低直接顶和基本顶中微小微震影响,更加直观地揭示了矿压显现的整体规律。微震集聚度具有一个指标多个维度的特征,不仅可以在矿山进行应用,还可以推广到隧道、水电站、金属矿等所有应用微震的岩土领域,具有重要的现场意义。 展开更多
关键词 矿山压力 微震判识 微震时空演化 微震集聚度
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近距离分岔煤层底板破坏深度及规律研究
12
作者 梁冰 陈昕涛 《工矿自动化》 北大核心 2025年第6期34-43,104,共11页
目前的底板破坏深度计算公式多针对特定底板结构。由于分岔煤层的地质特征复杂,上下煤层间的相对倾角及煤层间距的变化特性导致其底板结构与已有研究情形存在显著差异,难以直接套用现有公式进行底板破坏深度计算。针对上述问题,以霍洛... 目前的底板破坏深度计算公式多针对特定底板结构。由于分岔煤层的地质特征复杂,上下煤层间的相对倾角及煤层间距的变化特性导致其底板结构与已有研究情形存在显著差异,难以直接套用现有公式进行底板破坏深度计算。针对上述问题,以霍洛湾煤矿3−1分岔煤层为工程背景,基于单一岩层塑性滑移线场理论,得到近距离分岔煤层3种破坏情况下的最大破坏深度理论解,采用数值模拟得到开采过程中底板塑性区演化规律及破坏深度,采用压水试验实测工作面底板破坏深度。理论分析结果表明:塑性滑移线旋转中心位置因底板岩性差异而变化,致使底板破坏深度先陡增后渐降,计算得到底板破坏深度为13.30~17.62 m。数值模拟结果表明:底板以剪切破坏形式为主,破坏范围由泥岩层逐渐向3−1下煤层及砂质泥岩层发育,底板煤岩结构变动导致破坏深度在12.36~16.53 m间变化,与理论分析呈现同样趋势。现场实测结果表明:工作面回采前后底板钻孔的注水漏失量出现显著变化,底板岩层裂隙发育充分,破坏深度为13.52~17.20 m。根据3−1上煤层底板破坏情况对3−1下煤层顶板进行分类并提出顶板预控对策,以保证煤层安全开采。现场实测结果验证了分岔煤层底板塑性滑移线场的实用性。 展开更多
关键词 近距离分岔煤层 底板破坏深度 单一岩层塑性滑移线场 压水试验 顶板稳定性 钻孔注水漏失量
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巨厚煤层煤巷超前定向长钻孔高压注水卸压研究
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作者 崔峰 高远江 +4 位作者 李宜霏 谭立 彭宝山 师为战 胡艳波 《西安科技大学学报》 北大核心 2025年第1期35-48,共14页
针对巨厚煤层煤巷掘进期间的卸压防冲合理调控问题,以准东二矿1101工作面巨厚煤层巷道掘进为背景,采用理论分析与数值模拟方法,开展超前定向长钻孔高压注水卸压研究,通过揭示巷道掘进期间冲击地压发生机制,提出定向长钻孔高压注水超前... 针对巨厚煤层煤巷掘进期间的卸压防冲合理调控问题,以准东二矿1101工作面巨厚煤层巷道掘进为背景,采用理论分析与数值模拟方法,开展超前定向长钻孔高压注水卸压研究,通过揭示巷道掘进期间冲击地压发生机制,提出定向长钻孔高压注水超前卸压调控模式,基于煤体裂缝扩展规律数值分析和湿润半径的计算,确定了巨厚煤层巷道围岩定向长钻孔卸压参数,掌握了不同卸压参数下围岩能量及塑性区演化规律,并优化钻孔合理布置参数。结果表明:围岩随着距巷帮深度增加,受力状态逐渐由一维向三维受力状态转变,局部形成高能量差造成冲击显现;当钻孔距巷帮宽7 m时,巷帮能量峰值为17.31×10^(4) J·m^(-3),相比未卸压状态超前区域,能量峰值下降幅度达10.03%;钻孔距底板6 m时,单位能量峰值梯度为1.17×10^(4) J·m^(-3),比未卸压状态超前区域能量峰值下降幅度达11.95%;不同卸压参数下,能量转移深度和梯度均呈现负相关关系,塑性区延伸深度和面积呈现正相关关系,钻孔距巷帮宽7 m,距底板深6 m时,塑性区深度和面积达到峰值,围岩的卸压效果较优;注水区域视电阻率降低幅度达到42%,注水后应力降低幅度约为12.73%,注水后围岩整体的卸压效果较好。研究结果为巨厚煤层巷道掘进期间卸压防冲提供了科学指导。 展开更多
关键词 巨厚煤层 超前卸压 定向长钻孔 注水卸压 参数确定
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深部开采煤矿典型动力灾害孕灾主控因素与机制研究进展 被引量：6
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作者 杨科 郭鹏慧 +4 位作者 袁亮 曹安业 张永将 马衍坤 李家卓 《煤炭学报》 北大核心 2025年第7期3466-3487,共22页
煤炭资源的开采逐渐进入深部开采阶段,煤岩的非线性行为、大范围高能级灾害、多物理场耦合等现象加剧,冲击地压和煤与瓦斯突出二者相互诱导、相互激励,煤矿典型动力灾害危险性和危害性渐趋严重,已成为制约我国深部煤炭资源安全高效生产... 煤炭资源的开采逐渐进入深部开采阶段,煤岩的非线性行为、大范围高能级灾害、多物理场耦合等现象加剧,冲击地压和煤与瓦斯突出二者相互诱导、相互激励,煤矿典型动力灾害危险性和危害性渐趋严重,已成为制约我国深部煤炭资源安全高效生产的绊脚石,防治煤矿典型动力灾害的前提和基础是深入研究其发生机理。因此,需要掌握我国煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究领域的整体进展以及孕灾主控因素与机制。文中总结了前人及研究团队已有研究成果,利用CiteSpace软件梳理文献,并通过关键词共现和突现知识图谱分析,阐述了煤矿典型动力灾害领域发展历程中每个阶段的研究热点以及未来的发展态势;厘清了不同孕灾条件对煤与瓦斯突出和冲击地压影响的差异性;探讨了煤矿典型动力灾害孕育的“五效应”机制。分析认为,围绕煤矿典型动力灾害领域的研究均以其发生机理及孕灾因素为基点,其中孕灾因素以天然地质条件为主、开采技术条件为辅,不同的孕灾环境形成的典型动力灾害表现形式不同,典型动力灾害孕育机制包括物质内在效应、应力超载效应、能量驱动效应、结构异变效应和煤岩体时变效应,五者相互作用、相互影响。根据当前深部开采面临的问题和亟需攻克的关键难题提出了研究展望,亟待深入研究煤矿典型动力灾害全生命周期孕育特征、演化特征、致灾机理,深部强扰动作用下煤矿典型动力灾害前兆信息智能辨识、预警指标融合,以及多灾种链生灾害联防联控体系,从而有效保障深部煤炭资源安全高效开采。 展开更多
关键词 深部开采 煤与瓦斯突出 冲击地压 煤岩瓦斯复合动力灾害 孕灾机制
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岩层控制的全柱状学术思想与实践 被引量：4
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作者 许家林 朱卫兵 +11 位作者 轩大洋 王晓振 秦伟 金洪伟 鞠金峰 胡国忠 谢建林 屈庆栋 吴仁伦 汪锋 何昌春 李竹 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期166-179,共14页
岩层控制是通过控制采动岩层破断运动来减轻或消除采动损害的一门科学,目的是为了保障煤炭安全、高效、绿色开采。传统岩层控制研究思想与方法存在2方面局限:对覆岩进行均化而不能抓住主要矛盾,仅关注局部岩层运动而缺乏对全地层覆岩运... 岩层控制是通过控制采动岩层破断运动来减轻或消除采动损害的一门科学,目的是为了保障煤炭安全、高效、绿色开采。传统岩层控制研究思想与方法存在2方面局限:对覆岩进行均化而不能抓住主要矛盾,仅关注局部岩层运动而缺乏对全地层覆岩运动的研究。针对这些问题,在关键层理论应用研究过程中,形成了岩层控制的“全柱状”学术思想,其内涵包括2方面:一是“抓主要矛盾”,找到对岩层运动起主要控制作用的关键层(即主要矛盾),避免对覆岩均化处理。二是“关注全局”,将采动覆岩作为整体研究,充分考虑关键层所处的复杂地层场景条件可能对关键层破断的影响,从整个岩层移动角度研究矿压显现、水与瓦斯运移、开采沉陷等。按照全柱状学术思想研究岩层控制时,首先需要获取研究区域内不同开采尺度(矿井、采区、工作面及块段)地层的钻孔“全柱状”,即包含从开采煤层直到地表所有岩层信息的全取心完整柱状,根据研究区域内多个钻孔柱状的关键层判别,形成研究区域内岩层赋存特征的整体画像,避免仅采用局部柱状或综合柱状,也不能对全柱状进行均化处理。充分考虑原岩应力、地质构造、地形地貌、水体载荷、开采部署等多种具体场景因素可能导致的关键层受载差异与破断异常,以及不同区域柱状关键层位置的变化可能对岩层运动产生的影响。在此基础上,建立关键层运动与各种采动损害的联系,据此分析问题发生机理并提出针对性的岩层控制方法。全柱状学术思想推进了岩层控制理论发展与实践创新,解决了压架、突水、沉陷等灾害防控的系列工程难题,取得了显著成效。利用全柱状学术思想取得的岩层控制理论创新主要包括:揭示了采动覆岩卸荷膨胀累积效应,建立了采动覆岩“关键层-松散层拱”结构模型,提出了基于关键层位置的导水裂隙带高度预计方法,建立了基于关键层结构的地表沉陷预计方法,为工程应用奠定了基础。全柱状学术思想在工程应用方面的典型实例包括:找出了浅埋煤层沟谷上坡段、松散承压含水层下等特定条件下开采压架的根本原因,彻底解决了压架防治工程难题;量化关键层位置对“导高”的影响,解决了顶板异常突水防治难题;提出了煤层群卸压瓦斯的“三带”分布,指导了卸压瓦斯抽采实践;研发了覆岩隔离注浆充填技术,创建了地面钻孔一注式高效充填绿色开采新模式,解决了地表沉陷控制等难题,已得到全面推广应用。 展开更多
关键词 全柱状 关键层 卸荷膨胀累积效应 岩层控制 绿色开采
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煤矿深部巷道大变形分步联合控制研究 被引量：4
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作者 李培涛 刘泉声 +2 位作者 朱元广 高峰 范利丹 《岩土力学》 北大核心 2025年第2期591-612,共22页
深部巷道大变形已成为深部煤炭安全高效开采的关键制约因素。为实现深部软弱围岩稳定性控制,提出了基于深部巷道大变形演化过程的分步联合支护方案及其理论分析模型。结果表明,深部软弱围岩呈破裂碎胀变形-损伤扩容变形-连续变形的分布... 深部巷道大变形已成为深部煤炭安全高效开采的关键制约因素。为实现深部软弱围岩稳定性控制,提出了基于深部巷道大变形演化过程的分步联合支护方案及其理论分析模型。结果表明,深部软弱围岩呈破裂碎胀变形-损伤扩容变形-连续变形的分布特征。分步联合支护后,围岩极限承载力随锚杆和锚索等效支护力增大呈线性增大趋势,但随注浆修复系数呈指数增大趋势。锚杆和锚索支护设计时应以极限承载力所需的注浆修复系数等于1.0时的等效支护力临界条件为基准。深浅孔注浆支护时须同时考虑注浆修复系数和围岩破裂区半径。不同支护措施的协同支护参数可由破裂修复区围岩极限承载平衡条件确定。数值模拟和工程应用分析表明,分步联合支护可实现深部软弱围岩碎胀大变形控制,具有较高的工程推广应用价值。 展开更多
关键词 深部软弱围岩 大变形 分步联合支护 承载平衡 协同控制
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煤岩结构瞬变诱冲机理 被引量：3
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作者 伍永平 罗生虎 +6 位作者 闫壮壮 解盘石 田程阳 王同 高喜才 王红伟 郎丁 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期193-208,共16页
冲击地压是深部煤矿开采面临的主要灾害之一,揭示冲击地压的发生机理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础。采用理论分析、数值计算、模拟实验和现场实测互馈综合研究方法,在综合厘定覆岩空间结构与其力学响应内在联系的基础上,系统... 冲击地压是深部煤矿开采面临的主要灾害之一,揭示冲击地压的发生机理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础。采用理论分析、数值计算、模拟实验和现场实测互馈综合研究方法,在综合厘定覆岩空间结构与其力学响应内在联系的基础上,系统研究了结构瞬变激励下采场煤岩的力学响应和冲击地压的发生机理。结果显示:覆岩空间结构的力学性能和力学环境是其范围内的采场煤岩产生不同力学响应的内、外因,坚硬岩层破断等子系统的瞬时失稳,会导致覆岩空间结构大系统的瞬变,进而造成采场煤岩动态力学响应(矿震)的发生和静态力学响应的阶变。结构瞬变后,除了震源处的应变能会发生瞬变外,更大范围的煤岩应力场、位移场、应变能场和重力势能场等力学响应也会发生瞬变。结构瞬变区域上方覆岩瞬时下沉、应力骤减、应变能和重力势能的释放特征明显,结构瞬变区域外侧深部区域煤岩略有下沉、应力骤增、应变能聚集特征明显、重力势能略有释放;采场煤岩的总势能瞬时减小,这其中,总应变能瞬时增大,而总重力势能瞬时减小。同时,受坚硬岩层破断形成的卸载、回弹和下沉影响,矿震发生时,并非所有区域的煤岩都会被瞬时加载,临近结构瞬变区域的煤体会被瞬时卸载。工作面后方坚硬岩层的瞬时破断,会使走向支承压力“瞬时前移”,导致工作面前方煤体的高静载区域出现“高静载+负动载”的应力状态,而回采巷道煤体的高静载区域出现“高静载+正动载”的应力状态,造成回采巷道发生冲击地压的概率远大于工作面。在实际工程中,应基于煤岩结构与其动、静力学响应的内在关联,基于“调结构、控响应”的理念,建立针对性的防控措施。 展开更多
关键词 煤岩结构 瞬变 力学响应 矿震 冲击地压
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煤矿覆岩矿震关键层及其破断释能机制 被引量：2
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作者 窦林名 曹晋荣 +5 位作者 曹安业 蔡武 巩思园 鞠明和 周坤友 阚吉亮 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期180-192,共13页
覆岩型矿震已成为部分煤矿面临的主要动力现象之一,理论判识矿震发生的主控岩层是实现矿震精准防治的基础。采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究方法,梳理了煤矿震动事件和煤矿矿震的内涵及类型,厘清了煤矿震动事件与煤矿矿震... 覆岩型矿震已成为部分煤矿面临的主要动力现象之一,理论判识矿震发生的主控岩层是实现矿震精准防治的基础。采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究方法,梳理了煤矿震动事件和煤矿矿震的内涵及类型,厘清了煤矿震动事件与煤矿矿震之间的关系。提出了覆岩矿震关键层概念,总结了覆岩矿震关键层特征及其与关键层之间的区别联系,給出了覆岩矿震关键层判识方法。通过分析覆岩矿震关键层破断过程中的裂隙发育和能量演化规律,揭示了覆岩矿震关键层破断释能机制。结果表明:①煤矿震动事件包括微型震动、高能震动和矿震,煤矿矿震可划分为覆岩型、断层型、煤柱型、底板型、褶曲型和复合型;②覆岩矿震关键层是指顶板中一层或数层对覆岩型矿震的发生和分布具有控制作用的关键岩层(组),根据空间赋存位置,可将其分为高位和低位2种类型;③考虑厚硬岩层破断条件和能量条件,提出了覆岩矿震关键层判别方法,案例分析表明该方法具有一定的正确性和适用性;④除采空区两侧的裂隙带外,覆岩矿震关键层与低位顶板之间出现水平剪切裂隙,层间节理应变能和剪切耗散能集中,岩层间发生剪切–错动。此外,覆岩矿震关键层内部还出现了水平向的层内裂隙,层内存在节理应变能和剪切耗散能聚集区,覆岩矿震关键层具有分层破坏特征;⑤当岩体所承受的实际最大应力超过岩层或结构接触面强度极限时,覆岩矿震关键层出现破断或结构失稳,形成覆岩型矿震,该过程中部分弹性应变能和重力势能转化为矿震能量以及各类耗散能等。研究结果可为覆岩型矿震防控提供理论指导。 展开更多
关键词 覆岩型矿震 矿震关键层 裂隙演化 释能机制 离散元模拟
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基于煤体卸压钻孔钻屑的冲击危险性检测方法及应用 被引量：3
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作者 赵同彬 尹延春 +3 位作者 任文涛 张庆志 高久国 赵志刚 《煤炭学报》 北大核心 2025年第5期2384-2393,共10页
钻屑法是煤矿常用的冲击地压危险性检测方法,而大直径卸压钻孔的施工方法与钻屑法类似,但由于缺少相应的大直径卸压钻孔的钻粉率指数以及高效便捷的称重方法,大直径卸压钻孔钻屑法未能得到广泛应用。文中基于标准孔径钻屑法的钻粉率指数... 钻屑法是煤矿常用的冲击地压危险性检测方法,而大直径卸压钻孔的施工方法与钻屑法类似,但由于缺少相应的大直径卸压钻孔的钻粉率指数以及高效便捷的称重方法,大直径卸压钻孔钻屑法未能得到广泛应用。文中基于标准孔径钻屑法的钻粉率指数,提出考虑卸压扰动的大直径卸压钻孔钻粉率指数及临界煤粉量确定方法;通过开展室内煤样钻孔卸压-煤粉测量试验,探究钻孔孔径、煤粉量、煤样初始应力及卸压后应力间的函数关系,进而给出孔距为1、2和3 m条件下孔径为150 mm的卸压钻孔钻粉率指数及临界煤粉量的建议值;并结合研发的煤粉自动测量装置,在井下冲击危险巷道开展大直径卸压钻孔钻屑检测应用。结果表明:煤样钻孔煤粉量与钻孔孔径、煤样应力呈正相关关系,钻孔卸压后煤样应力降低率与钻孔孔径-孔距比呈正相关性;孔径为150 mm的卸压钻孔的钻粉率指数大于孔径为44 mm的钻孔的钻粉率指数,且随着钻孔间距的减小而逐渐增大;山东唐口矿6310工作面孔径为150 mm的卸压钻孔的煤粉量为25~93 kg/m,在巷帮12~14和18~20 m深处存在高应力区,沿空巷道煤粉量明显大于实体煤巷道。通过大直径卸压钻孔钻粉率指数确定方法和煤粉自动测量装置相结合,形成了基于煤体卸压钻孔钻屑的冲击危险性检测方法,为巷道高应力危险区“卸压-检测”同步作业提供了一种实用技术途径。 展开更多
关键词 冲击地压 卸压钻孔 钻屑法 钻粉率指数 临界煤粉量
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巨厚砂岩下采动覆岩裂隙场及微震时空演化规律研究 被引量：3
20
作者 谭毅 张少普 +5 位作者 何满潮 郭文兵 丁国利 王宇 程浩 李辉 《矿业科学学报》 北大核心 2025年第1期70-85,共16页
采动覆岩裂隙演化高度及分布形态是顶板水害防治重要参数之一。以内蒙古某矿3105工作面为工程背景,基于数值模拟、分形几何理论及微震事件三维空间分析明晰采动覆岩裂隙场及微震时空演化规律。结果如下:(1)采动覆岩裂隙场呈现“裂隙产生... 采动覆岩裂隙演化高度及分布形态是顶板水害防治重要参数之一。以内蒙古某矿3105工作面为工程背景,基于数值模拟、分形几何理论及微震事件三维空间分析明晰采动覆岩裂隙场及微震时空演化规律。结果如下:(1)采动覆岩裂隙场呈现“裂隙产生-发育演化-局部压实-周期扩展-大部压实”动态演化规律,采动裂隙网络场发育、扩展、穿透演化分形特征;(2)阐明了采动覆岩失稳破断、运移与微震事件局部“高频次-大能量”集中区时空演化规律,“高频次-大能量”与“低频次-小能量”集中区呈现周期分布,同工作面周期来压特征相吻合,微震事件集中区发生位置普遍超前工作面80~120 m;(3)数值模拟采动覆岩裂隙演化高度与微震监测所得结果基本一致;(4)倾向高位岩层微震事件“高频次-大能量”与“低频次-小能量”集中区呈现两端高、中间低“类马鞍形”分布,走向高位岩层微震事件能量集中区呈现“椭球状”分布,数量集中区呈现“条带状”分布。 展开更多
关键词 微震监测 数值模拟 采动覆岩 裂隙场演化 分形特征
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