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：4

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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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采煤工作面物的不安全状态界定体系构建与应用研究

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作者 秦汝祥 沈涛 +2 位作者 李世辉 操俊杰 叶峰 《安全与环境学报》 北大核心 2025年第6期2142-2152,共11页

物的不安全状态界定和消除是落实隐患排查工作的核心环节之一。为保障生产系统中物质的安全性,从种类多样的物质中提取物质共有属性进行归类,提炼基于物质属性的物质不安全特征空间。并建立依据衡量参数和评判规则的物质模式空间,实现... 物的不安全状态界定和消除是落实隐患排查工作的核心环节之一。为保障生产系统中物质的安全性,从种类多样的物质中提取物质共有属性进行归类,提炼基于物质属性的物质不安全特征空间。并建立依据衡量参数和评判规则的物质模式空间,实现对特征空间的抽象概括和定量表达,确保物质状态识别过程的客观、科学。再根据计算结果,将模式空间的抽象数据转化为包含物质状态的类型空间,进而建立四六结构模型(46Model)实现物的不安全状态界定,在此基础上提出三位一体化手段促进物的不安全状态的消除。某矿140个物质状态的验证结果表明:建立的物的不安全状态界定体系可实现物的不安全状态界定的定量化和精细化,可用率为86.43%,适用率为67.86%,准确率为78.51%;平均界定时长约为0.5 h。此外,还通过编码规律对界定与消除过程进行了标准化,研究结果对提升行业整体隐患排查治理水平具有现实意义。 展开更多

关键词 安全工程 物的不安全状态 界定体系 46Model 防护效能 采煤工作面

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煤矿开采多层位立体空间煤基固废充填方法及应用

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作者 杨科 于祥 +4 位作者 何祥 赵新元 方珏静 魏祯 何淑欣 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第6期46-64,共19页

矿山煤基固废资源化利用是破解“安全−技术−经济−环境”融合发展的主攻方向,也是煤炭行业高质量绿色发展的关键。煤基固废井下充填开采在实现减损开采、固废处置、资源置换和生态保护等方面具有显著的技术独创性优势,已成为资源化、规... 矿山煤基固废资源化利用是破解“安全−技术−经济−环境”融合发展的主攻方向,也是煤炭行业高质量绿色发展的关键。煤基固废井下充填开采在实现减损开采、固废处置、资源置换和生态保护等方面具有显著的技术独创性优势,已成为资源化、规模化和绿色化处置煤基固废的关键路径之一。但现有的充填开采技术存在对覆岩控制效果有限、缺乏多种充填方式间的联动效应和对煤基固废的综合利用率偏低等问题。因此,通过概述我国典型煤基固废的资源化利用现状和存在问题,从经济、技术、环境、政策和空间5个维度阐明了煤基固废充填开采的可行性。基于此,提出了煤矿开采多层位立体空间煤基固废充填方法,系统阐述了该方法的内涵和整体思路,主要包括高位充填、原位充填和低位充填。结合层次分析法初步建立了具有15项评价指标的多层位立体空间煤基固废充填方法评价体系。煤矿开采多层位立体空间煤基固废充填方法的规模化应用主要存在充填材料高效精准制备机理、充填料浆管道输送特性、充填空间结构演化规律和充填材料−充填空间交互作用不明等4项关键技术难题。围绕以上关键技术难题,主要开展煤基固废充填材料成浆机理、充填材料精准制备技术框架、充填料浆流场稳态控制、充填料浆管道输送关键参数、充填空间空隙结构演化、充填材料扩散/承载特性、充填材料−围岩系统协同作用机制和充填材料−环境多场耦合机制8项研究内容。根据宁夏煤业任家庄煤矿、山西省霍尔辛赫煤矿的开采技术、充填工艺及地质条件,分别针对性提出低位垮落带注浆充填和高位离层区注浆充填方法,实现了矿区煤基固废的安全绿色处置,有效控制了地表沉陷与变形,形成了良好的区域型示范效应。多层位立体空间煤基固废充填方法创新了煤矿井下煤基固废规模化处置的新模式,完善了绿色充填开采技术体系,实现了煤矿采动覆岩全空间协同控制与固废资源化技术跃升,可推动煤炭企业由“环境代价型”向“生态增值型”的根本转变。 展开更多

关键词 多层位立体空间 煤基固废 充填开采 固废处置 评价体系

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深部双关键层采动裂隙演化与分形渗流模型

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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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安徽省关闭/废弃矿井地下空间储能潜力及减碳效益

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作者 杨科 魏家乐 +1 位作者 付强 吕鑫 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第4期45-55,共11页

随着“双碳”目标的持续推进,构建以可再生能源为主体的新型电力系统已成为我国能源转型的核心任务。大规模、高灵活性的储能技术需求与日俱增,这为关闭/废弃矿井抽水蓄能电站的开发提供了重要发展机遇。对安徽省关闭/废弃矿井地下空间... 随着“双碳”目标的持续推进,构建以可再生能源为主体的新型电力系统已成为我国能源转型的核心任务。大规模、高灵活性的储能技术需求与日俱增,这为关闭/废弃矿井抽水蓄能电站的开发提供了重要发展机遇。对安徽省关闭/废弃矿井地下空间抽水蓄能建设潜力进行评估,以期解决选址等因素对传统抽水蓄能电站建设的制约,探索矿区绿色转型与新型电力系统协同发展的创新路径,推进安徽省抽水蓄能高质量发展。通过文献计量与政策分析详细总结了近年抽水蓄能电站发展规划,分析了当前关闭/废弃矿井抽水蓄能电站建设的发展趋势,并结合安徽省关闭煤矿位置、地下空间规模和水资源分布等抽水蓄能资源禀赋,将近年全省60处关闭/废弃矿井按距主要水系距离划分为3个梯度:50 km内高潜力区、50~100 km中潜力区以及100 km外低潜力区,并分别选取典型矿井开展精细化评估,探讨抽水蓄能电站建设规模。以两淮矿区朱庄煤矿为例,从地下可利用空间、地下储水库有效库容等方面详细分析了朱庄煤矿建造抽水蓄能电站的可行性并设计朱庄煤矿拟建抽水蓄能电站装机容量达17.87 MW。采用关闭/废弃矿井抽水蓄能电站碳排放量计算模型,计算其相较传统火力发电碳减排量约为1.13万t/d。结果表明:利用关闭/废弃矿井建造抽水蓄能电站可以成为安徽省新型储能建设发展的有效支撑,为安徽省能源结构调整和碳中和目标作出积极贡献。 展开更多

关键词 关闭/废弃矿井 抽水蓄能 可行性 碳排放计算

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新集一矿无煤柱开采采空区群漏风检测及防治技术 被引量：1

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作者 吴祖玉 唐明云 +2 位作者 高世强 骆鑫 方领 《工矿自动化》 北大核心 2025年第4期160-168,共9页

针对无煤柱开采Y型通风工作面采空区与相邻采空区漏风自燃问题,采用能位测定和示踪技术相结合的方法,对新集一矿360606工作面采空区群各密闭墙漏风进行检测。结果表明:3608(06)采区进风系统的能位高于回风系统,360606工作面采空区与上... 针对无煤柱开采Y型通风工作面采空区与相邻采空区漏风自燃问题,采用能位测定和示踪技术相结合的方法,对新集一矿360606工作面采空区群各密闭墙漏风进行检测。结果表明:3608(06)采区进风系统的能位高于回风系统,360606工作面采空区与上覆采空区和其相邻采空区均存在漏风通道,-550 m西翼胶带石门(北)密闭墙是主要漏风源,-415 m西大巷密闭墙、-415 m辅助回风上山密闭墙、-415 m井底车场绕道密闭墙、360608运输巷密闭墙、360606回风隅角和360606工作面柔模墙取气孔为漏风汇。根据360606工作面及其与相邻采空区漏风通道的特点,提出注氮灌浆堵漏、设置风帘等防治措施。应用结果表明:针对360606工作面采空区漏风进行综合防治后,沿空留巷与回风侧采空区CO及O_(2)浓度均处于正常范围,有效控制了360606工作面采空区漏风,保障了360606工作面的安全生产。 展开更多

关键词 煤自燃 采空区漏风 漏风防治 能位测定 示踪技术 漏风源 漏风汇

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深部沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏特征及控制研究 被引量：6

7

作者 常聚才 郭钇君 +3 位作者 吴博文 史文豹 齐潮 王宏达 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第9期88-102,共15页

含软弱夹层顶板对深部沿空掘巷稳定性具有重要影响,为有效控制深部高偏应力沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏,基于含软弱夹层组合体试件力学试验及受采动影响下沿空掘巷数值模拟试验,获得了软弱夹层层厚、层数和层位对顶板的影响以及偏... 含软弱夹层顶板对深部沿空掘巷稳定性具有重要影响,为有效控制深部高偏应力沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏,基于含软弱夹层组合体试件力学试验及受采动影响下沿空掘巷数值模拟试验,获得了软弱夹层层厚、层数和层位对顶板的影响以及偏应力条件下含软弱夹层顶板离层演化规律,阐释了含软弱夹层顶板沿空掘巷失稳主要原因,结合顶板支护载荷和煤柱支撑载荷下的悬臂梁力学模型,对含软弱夹层顶板控制要点进行分析,进而提出离层控制方法。结果表明:随着软弱夹层厚度和层数增加,对组合体力学特性劣化影响逐渐变大,软弱夹层位于低位时对组合体试件的劣化影响强于高位,组合体试件破裂均由软弱夹层产生,并随着层厚、层数和层位的不同呈现差异化破裂发育特征。沿空掘巷后主剪切破裂带由顶板左肩角产生并与软弱夹层邻近岩层破裂区相互连接,导致软弱夹层离层严重,主剪切破裂带发育形态和顶板非协调变形程度随主应力偏转角度以及软弱夹层层厚、层数和层位变化,揭示了含软弱夹层顶板沿空掘巷失稳机理。推导了顶板支护载荷和煤柱支撑载荷下的巷道顶板离层解析式,发现软弱夹层在锚固区内的离层量比在锚固区外减少79%,离层大小各主控因素影响程度及其控制优化顺序依次为煤柱支撑载荷—顶板支护载荷—顶板弹性模量。针对深部沿空掘巷含软弱夹层顶板的离层规律和控制要点,提出了“提高煤柱承载能力、减少顶板裂隙发育、增加软弱夹层顶板变形协调性”的离层联合控制方法。现场离层监测显示顶板最大离层量为10 mm,表明该方法能有效控制含软弱夹层顶板离层。 展开更多

关键词 沿空掘巷 深部开采 软弱夹层 剪切破裂带 顶板离层 变形协调

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深部直墙半圆拱巷道围岩时效损伤劣化特征与动态补强技术 被引量：11

8

作者 赵光明 刘之喜 +1 位作者 孟祥瑞 秦志宏 《采矿与岩层控制工程学报》 EI 北大核心 2024年第1期61-75,共15页

随着煤矿开采向深部逐渐延伸,巷道的大变形和长时间持续流变特性已成为支护中极具挑战的课题之一。为了探究深部巷道围岩损伤劣化的时效特征及动态补强技术,基于实验室试验,并结合理论分析、数值模拟及现场工业试验进行了研究。研究结... 随着煤矿开采向深部逐渐延伸,巷道的大变形和长时间持续流变特性已成为支护中极具挑战的课题之一。为了探究深部巷道围岩损伤劣化的时效特征及动态补强技术,基于实验室试验,并结合理论分析、数值模拟及现场工业试验进行了研究。研究结果表明:(1)基于Laplace逆变换推导出圆形轴对称巷道的变形规律解析解,结合理论分析、非圆形巷道等效变换和现场试验确定塑性区半径为1.5~2.1m,进一步得到直墙半圆拱巷道时效变形解析解;(2)基于弹性与弹塑性巷道模型,采用能量耗散表征了围岩损伤劣化的时效特征与塑性区演化趋势,并提出了一次支护的时机;(3)阐明了围岩在一次支护后的时效性损伤劣化的演化趋势,基于垂直应力峰值比率,提出了二次支护方案与时机,进一步分析围岩剪应力与垂直应力,确定了二次支护锚杆的长度为3.0 m,支护时机为40~70 d。研究结果可为深部煤矿巷道的设计与维护提供理论依据和实践指导。 展开更多

关键词 深部巷道 损伤劣化 时效特征 动态补强

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煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术研究进展、关键科学问题与展望 被引量：3

9

作者 杨科 张寨男 +5 位作者 华心祝 刘文杰 吕鑫 池小楼 王长城 李彩青 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期944-964,共21页

煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术是指导深部高瓦斯松软低渗煤层瓦斯高效抽采的关键手段。据此提出煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采工程全生命周期开发思路,包括前期科学规划、中期工程施工和后期安全管理3个阶段。梳理了煤... 煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术是指导深部高瓦斯松软低渗煤层瓦斯高效抽采的关键手段。据此提出煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采工程全生命周期开发思路,包括前期科学规划、中期工程施工和后期安全管理3个阶段。梳理了煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采全生命周期开发研究进展,构建了煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采关键科学问题的总体研究框架,并概述了其未来发展方向。结果表明:煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展受地质因素、施工参数和物性参数等影响变得极其复杂,综合评价裂缝扩展多因素影响下的主次关系,揭示多因素影响下的煤层顶板压裂裂缝扩展机理是亟待解决的问题。探寻应力、水、温度与煤体因素耦合对煤层瓦斯吸附、解吸与运移的促进与抑制作用的临界关系,建立多因素临界指标下的煤层瓦斯吸附与解吸最优模型,是实现煤层瓦斯高效排采的关键。目前,煤层顶板压裂遗留水在污染水源、抑制瓦斯排采和危险性聚集方面的研究不足,且缺乏“中国化”的管理经验和技术支撑。以煤层顶板压裂工程全生命周期开发思路为导向,分析了其高耗水性、压裂液选择及潜在污染、支撑剂合理选择、空气污染和地震风险等人文环境问题,提出了与之相对应的政策法规制定思路。实现复杂环境中多裂缝竞争扩展实时精准监测,揭示多因素影响下煤层顶板分段压裂与跨界面裂缝扩展机理,构建煤层顶板水平井分段压裂裂缝扩展有效影响半径评价模型,探究三向应力与煤体结构双重异性条件下水气运移规律,实现煤层顶板水平井压裂水气聚合潜在危险区超前探测,建立煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采效果的精细化评价模型是目前亟待解决的关键科学问题。最后对煤层顶板水平井分段压裂卸压瓦斯排采技术的精准化、协调化、智能化、综合化和示范化发展方向进行了展望。 展开更多

关键词 顶板水平井 全生命周期 卸压效果 水气运移 潜在危险区 排采效果

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我国废弃/关闭煤矿瓦斯抽采现状及发展趋势 被引量：2

10

作者 华心祝 秦浩 +4 位作者 郝定溢 石必明 林柏泉 赵志根 张苗 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第4期15-28,共14页

在“双碳”目标的驱动下,我国能源结构迎来高质量发展。截至目前,已累计淘汰落后煤炭产能10亿t,废弃/关闭煤矿数量快速增加,据研究预计到2030年,我国废弃/关闭矿井将达到1.5万处,其中赋存非常规天然气近5000亿m3。为构建清洁低碳、安全... 在“双碳”目标的驱动下,我国能源结构迎来高质量发展。截至目前,已累计淘汰落后煤炭产能10亿t,废弃/关闭煤矿数量快速增加,据研究预计到2030年,我国废弃/关闭矿井将达到1.5万处,其中赋存非常规天然气近5000亿m3。为构建清洁低碳、安全高效的能源体系,加快发展新质生产力,亟需加大我国对废弃/关闭煤矿遗留瓦斯的抽采与开发力度。系统性地总结分析了我国现阶段废弃煤矿瓦斯地面抽采理论、技术及工艺设备的研究进展与存在问题,提出了未来研究的关键方向与潜在热点。首先,总结了废弃/关闭煤矿瓦斯赋存规律,归纳对比了遗留瓦斯资源量评估方法,分析了废弃煤矿地面抽采过程中瓦斯渗流及运移规律。其次,总结了2种常见的废弃/关闭煤矿瓦斯地面抽采技术,以及采用的钻井抽采工艺设备,对比分析了与生产矿井地面钻井瓦斯抽采工艺的异同。然后,从废弃/关闭煤矿瓦斯抽采理论、技术和工艺设备等方面分析了研究中存在的不足:①瓦斯资源赋存空间和机理不明;②瓦斯资源量评估不精准;③瓦斯次生运移及动态积聚规律不清;④瓦斯抽采渗流及运移规律研究不充分;⑤瓦斯抽采关键技术不成熟;⑥地面钻井工艺设备不全面;⑦瓦斯抽采系统不完善。最后,凝练提出了未来的研究方向:揭示不同影响因素下的遗留瓦斯资源赋存特征与运移机理,构建废弃煤矿瓦斯储量与资源精准预测理论模型,阐明遗留瓦斯次生运移聚集范围分布特征及演化过程,丰富完善地面抽采过程中遗留瓦斯渗流及运移规律研究理论,逐步优化废弃煤矿地面瓦斯抽采技术体系,系统升级废弃煤矿瓦斯地面钻井工艺设备,逐步实现废弃煤矿地面钻井工艺智能化,深入改进废弃煤矿地面瓦斯抽采工艺设备。废弃/关闭煤矿瓦斯资源的精准与安全开发研究,对于提升废弃/关闭煤矿安全水平、促进能源结构调整、保障国家能源安全和推动经济持续健康发展具有重大意义。 展开更多

关键词 废弃/关闭煤矿 遗留瓦斯 赋存特征 瓦斯抽采 工艺设备

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半干旱矿区植物根系对采动应力响应数值模拟 被引量：1

11

作者 刘英 裴为豪 +6 位作者 郭勇 陈孝杨 雷少刚 潘东江 宫传刚 陶慧玲 陈航 《煤炭学报》 北大核心 2025年第3期1717-1731,共15页

根系损伤是半干旱井工开采煤矿区植物损伤的关键生态问题,采动岩层破断运动诱发的根土层应力变化对植物根系的损伤机理及影响因素仍需深入探究。依据准黏聚力理论和锚固理论构建基于FLAC^(3D)的植物主根应力损伤数值模型,通过控制变量,... 根系损伤是半干旱井工开采煤矿区植物损伤的关键生态问题,采动岩层破断运动诱发的根土层应力变化对植物根系的损伤机理及影响因素仍需深入探究。依据准黏聚力理论和锚固理论构建基于FLAC^(3D)的植物主根应力损伤数值模型,通过控制变量,分别模拟不同开采条件、不同根土层力学性质和不同根系密度和直径下植物根土复合单元与根系的宏观力学扰动特征,构建植物根系应力对不同开采深度、推进速度、煤层埋深、煤层厚度的状态响应函数。结果得到:开采基岩破断产生的顶板应力会传递到根土层,根土层塑性区破坏范围随工作面不断推进递增,扰动区根系上下部受到的最大剪应力增加,根系上下部所受应力的非一致性是诱发采空区边界附近根系损伤的重要原因。控制单一变量的情况下,扰动区根系受到的最大剪应力随着采厚的增加递增,随采深的增加递减,但采速的变化仅影响覆岩应力传递到根土层的时间,对根土层塑性区破坏范围基本无影响;随内摩擦角和黏聚力增加,土体的抗剪性能越强,根土层发生剪切破坏的区域递减,利于植物根系保护;随根径的增大,根系单位面积上的应力递减,而根系密度的变化对根系应力及根土层塑性区破坏程度影响较小。根系上下部应力差与采厚、采深、采速之间的响应函数类型均为连续渐变函数,与推进距离之间的响应函数为阶跃变化函数。植被保护或源头减损时须调控开采沉陷位态,或采用充填、部分充填等静态开采技术,尽可能降低开采扰动对植物根系的应力损伤。研究结果可丰富半干旱矿区煤炭井工开采诱发植物损伤机理。 展开更多

关键词 半干旱矿区 采动应力 植被退化 力学机制 根系扰动

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动载循环作用下砂岩的动态力学响应及破坏特征 被引量：2

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作者 赵光明 秦志宏 孟祥瑞 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第1期18-33,共16页

针对深部矿井开采过程中岩体自稳能力差、动力灾害频发等问题,采用自主研发的ZST-1500微机控制电液伺服煤岩动静组合自适应耦合试验系统,开展了不同幅值与频率的砂岩单轴动载扰动试验,分析了动载作用下砂岩动态力学响应规律与破坏特征... 针对深部矿井开采过程中岩体自稳能力差、动力灾害频发等问题,采用自主研发的ZST-1500微机控制电液伺服煤岩动静组合自适应耦合试验系统,开展了不同幅值与频率的砂岩单轴动载扰动试验,分析了动载作用下砂岩动态力学响应规律与破坏特征。研究结果表明:(1)随动载幅值增加,砂岩滞回环由“疏-密”向“疏-密-疏”变化,依据动载循环期间试样塑性变形量,将动载周期划分为对数上升阶段Ⅰ、匀速损伤阶段Ⅱ和指数加速阶段Ⅲ。(2)动载对试样强度的弱化作用存在阈值,当动载水平为70%σ_(c)时,诱发砂岩发生破坏的幅值阈值在17.5%~22.5%σ_(c)范围内,低于阈值的动载作用不会造成砂岩失稳,越过阈值后砂岩强度、破坏前动载持续时间与动载幅值及频率均成负相关。(3)动载幅值与频率对砂岩弱化作用机制存在差异,动载幅值、频率均与动载单次循环平均塑性变形Δε_((i))^(-)成正相关,但Δε_((i))^(-)对动载幅值更为敏感,在阶段Ⅰ、Ⅱ内随幅值增大呈指数型增长。动载幅值主要通过提升塑性变形量来实现对砂岩的弱化作用;而动载频率提升降低了动载循环间隔,在砂岩内部形成小增量、短时、连续的损伤,从而实现对砂岩的弱化作用。(4)砂岩AE信号累计能量与振铃计数率随动载幅值的增大呈指数型变化,也随动载频率的增加同步增长。随着动载幅值增加,砂岩微观裂隙起裂、扩展程度递增,剪切裂纹占比增大;随着动载频率增大,砂岩拉伸裂纹占比增大。 展开更多

关键词 岩石力学 砂岩 循环动载 动态力学响应 渐进损伤

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基于Boltzmann时间函数的地表任意点沉陷动态预计 被引量：2

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作者 徐良骥 孙志豪 +2 位作者 刘潇鹏 张坤 曹宗友 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期715-731,共17页

煤炭资源的地下开采会造成地表沉陷,对地表生态环境及建(构)筑物的安全使用造成一定威胁,在采前获知开采过程中的地表沉陷动态预计值,是进行开采沉陷区生态环境动态修复设计的重要基础,是该领域亟待解决的问题之一。为实现煤炭地下开采... 煤炭资源的地下开采会造成地表沉陷,对地表生态环境及建(构)筑物的安全使用造成一定威胁,在采前获知开采过程中的地表沉陷动态预计值,是进行开采沉陷区生态环境动态修复设计的重要基础,是该领域亟待解决的问题之一。为实现煤炭地下开采导致地表沉陷动态过程的准确预计,根据地表沉陷动态规律总结出理想时间函数模型的形态,据此引入Boltzmann时间函数模型,从下沉量、下沉速度、下沉加速度3个方面对该模型进行分析,发现其能够满足地表沉陷动态趋势;探究该时间函数模型各参数对模型图像的影响,确定其物理意义并分别定义为最终下沉量A、最大下沉速度出现时间t0、下沉急缓程度系数B,从而构建基于Boltzmann时间函数的动态预计模型参数体系;通过对单点实测下沉量进行拟合发现该模型拟合精度较传统动态预计模型更高,拟合优度R^(2)达到0.9988;对矿区地表监测点实测下沉量进行参数反演,根据反演结果建立了沉陷盆地内任意点动态预计参数与地表最大下沉量、回采速度及覆岩岩性系数的相关关系,给出了该模型各动态预计参数在地表任意点的计算方法,并利用收集的6个工作面数据验证其精度可靠;构建了融合Boltzmann时间函数与概率积分法的地表沉陷动态预计模型,可实现对沉陷盆地内任意点任意时间的地表沉陷预计;运用该预计模型求得多时期下沉量并对其进行精度验证,结果显示开采过程中的动态预计相对误差保持在6.0%以内,相对误差最小值为2.7%。 展开更多

关键词 开采沉陷 动态预计 Boltzmann时间函数 概率积分模型 下沉速度

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深井切顶留巷底鼓机制及其防控 被引量：1

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作者 华心祝 李琛 +3 位作者 刘啸 杨朋 陈登红 祁亚宝 《岩土力学》 北大核心 2025年第3期955-968,共14页

沿空切顶巷道所处应力环境复杂、留巷服务期长,一次采动及留巷期间底鼓问题突出。以淮南丁集煤矿1462(1)轨顺切顶留巷条件为工程研究背景,建立离散元数值计算模型,分析得到一次采动至留巷稳定阶段底板非对称变形特征及其受力状态。构建... 沿空切顶巷道所处应力环境复杂、留巷服务期长,一次采动及留巷期间底鼓问题突出。以淮南丁集煤矿1462(1)轨顺切顶留巷条件为工程研究背景,建立离散元数值计算模型,分析得到一次采动至留巷稳定阶段底板非对称变形特征及其受力状态。构建一次采动至留巷稳定阶段两端固支二次超静定底板梁力学模型,并引入等效载荷概念求解得到了各分布力作用下底板挠度数学表达式,运用叠加原理推导出切顶留巷底板变形表达式。结合留巷条件,求得该巷道平均底鼓量为0.74 m,最大底鼓量为0.77 m,最大鼓起位置偏向采空区侧,距巷中1.15 m,计算结果与现场实测和数值计算结果较为吻合。依据所求得的底板变形表达式,分析了留巷底鼓影响因素,底鼓量与底板刚度的增加呈负指数减小,底板刚度在5~13 MN·m^(2)之间内变化时,巷道底鼓对其变化较为敏感;与底板载荷、支架载荷、煤帮载荷及应力集中系数λ均呈线性正相关,增长率分别为0.0826、0.0349、0.0272 m/MPa和0.007 m。基于对留巷底板受力变形及其影响因素的分析,提出了“顶底互控、帮角加固、底板强化”的防控对策。工程实践表明,相较于留巷初期底板变形得以有效控制,底鼓降幅明显,所留巷道能够满足复用要求。 展开更多

关键词 底鼓机制 沿空留巷 切顶卸压 底鼓防控

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煤系典型岩石受载全过程光−电−声波多参数响应特征 被引量：1

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作者 张平松 刘畅 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第1期204-214,共11页

【目的】岩石在载荷作用下的变形与断裂会引起潜在参数信息的变化,通过参数的动态捕捉可表征裂隙生成、扩展、闭合过程,是一种岩石健康评价的重要方法。【方法】基于搭建的多参数测试系统,开展单轴加载条件下岩石试件的分布式光纤应变... 【目的】岩石在载荷作用下的变形与断裂会引起潜在参数信息的变化,通过参数的动态捕捉可表征裂隙生成、扩展、闭合过程,是一种岩石健康评价的重要方法。【方法】基于搭建的多参数测试系统,开展单轴加载条件下岩石试件的分布式光纤应变、电极电流、纵波波速的同步采集,进一步构建强度−参数特征关系图谱以及参数层析成像结果,精细描述了砂岩、灰岩、泥岩3类典型岩石受载全过程多参数的时空演化特征。【结果和结论】试验结果表明:时间−压力曲线和多参数响应曲线具有较好的一致性,螺旋布设的分布式光纤应变在试件的原生孔隙压缩和线弹性阶段表现为缓慢、稳定的增长,在裂隙生成、扩展阶段表现为突然、快速的增长。试验中,砂岩、灰岩、泥岩的临破裂分布式光纤应变值分别为933×10−6,401×10−6和3790×10−6;电极电流在原生孔隙压缩和线弹性阶段变化微小,在裂隙生成、扩展阶段明显地降低、裂隙闭合时有一定回升;在原生孔隙压缩、线弹性、破裂阶段,砂岩的纵波波速分别为4.31、4.39、1.26 km/s,灰岩的纵波波速分别为4.80、4.93、3.10 km/s,泥岩的纵波波速分别为3.65、3.57、1.71 km/s。通过获得的岩石受载全过程能量值,构建了损伤变量D来评价岩石试件的损伤演化程度,砂岩的D值经历了缓增−降低−突增3个阶段,灰岩的D值经历了缓慢增大−快增−停滞−突增4个阶段,泥岩的D值经历了缓慢增大−快增−突增3个阶段。基于分布式光纤应变测试结果,探究了不同岩性岩石试件的破裂模式,为载荷下次生裂隙生成、扩展以及潜在破裂面位置预测提供支持。 展开更多

关键词 岩石受载 响应特征 分布式光纤 并行电法 数字超声波 含煤地层

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交变荷载下围岩-衬砌组合结构界面强度特性研究

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作者 付强 杨科 +3 位作者 刘钦节 宋涛涛 吴犇牛 于鹏 《岩土力学》 北大核心 2025年第S1期40-52,共13页

对于关闭煤矿硬岩巷道衬砌硐室储气空间而言,衬砌混凝土与围岩之间的良好黏结是保证储气空间承载层稳定与气密性的前提,但硐室内气压周期性的升高与下降会导致混凝土与围岩之间界面黏结力下降。为深入探究循环高内压交变荷载下围岩-衬... 对于关闭煤矿硬岩巷道衬砌硐室储气空间而言,衬砌混凝土与围岩之间的良好黏结是保证储气空间承载层稳定与气密性的前提,但硐室内气压周期性的升高与下降会导致混凝土与围岩之间界面黏结力下降。为深入探究循环高内压交变荷载下围岩-衬砌组合结构界面强度疲劳劣化特性,开展了不同界面粗糙度岩石-混凝土组合体试样不同法向荷载的先疲劳后剪切试验,从岩石部分试验前后界面特征变化、应力-位移曲线、峰值强度和界面破坏模式等方面分析其强度特性。试验结果表明:变荷载作用后岩石-混凝土组合体试样在剪切过程中应力-应变曲线可分为裂缝闭合阶段(塑性-弹性变形阶段)、裂缝扩展阶段(弹性变形阶段)和脆性断裂阶段(破坏阶段)3个阶段,粗糙度越高,法向应力越大,各阶段发展越充分;界面刻槽处嵌入混凝土与砂岩岩柱相互挤压和交错,水平应变与主应变均呈现出明显的分区错动分布特征;在交变荷载作用下,颗粒之间发生断裂,并伴随着微裂纹延伸发展,岩屑与裂纹数量随上限应力增大而增多;组合结构强度特性与疲劳程度、界面粗糙程度、内压大小等密切相关。该研究可为压气储能条件下关闭煤矿硬岩巷道衬砌硐室稳定研究提供试验参考。 展开更多

关键词 关闭煤矿 压气储能 交变荷载 强度特性 岩石-混凝土组合体

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侧向约束下加载系统刚度对砂岩非稳定破坏模式与能量演化的影响

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作者 赵光明 吴旭坤 +4 位作者 许文松 刘之喜 刘崇岩 张启航 周俊 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期877-889,共13页

为探究加载系统刚度对岩石破坏模式及能量演化规律的影响,利用自主研发的刚性与变刚度试验系统开展双轴压缩试验,分析侧向约束作用下加载系统刚度对岩石峰后非稳态破坏及能量释放规律的作用机制。结果表明:从能量耗散与释放角度来分析... 为探究加载系统刚度对岩石破坏模式及能量演化规律的影响,利用自主研发的刚性与变刚度试验系统开展双轴压缩试验,分析侧向约束作用下加载系统刚度对岩石峰后非稳态破坏及能量释放规律的作用机制。结果表明:从能量耗散与释放角度来分析岩样与试验机系统之间的相互作用,揭示了加载系统刚度下岩石破坏过程中能量耗散与释放的关系,并将其划分为稳定破坏(W_(d)>W_(u)+W_(e))、临界状态(W_(d)=W_(u)+W_(e))及不稳定破裂(W_(d)<W_(u)+W_(e))3种模式;在低刚度条件下,岩样的应力应变曲线表现出显著的应力跌落与起伏,呈现局部非稳态破坏,而在高刚度条件下,岩样的峰后应力缓慢下降,曲线呈台阶状并存在残余阶段;随着加载系统刚度的增大,岩样的最大应变能释放量和最大耗散能均呈非线性减少,而侧向约束力的增加则导致最大应变能释放量和最大耗散能的非线性增加;侧向约束的施加增强了刚度回弹效应,改变了岩石破裂时的能量释放模式,在峰后前期(ΔW_(pe)>ΔW_(pd)),能量释放较为迅速,峰后中期(ΔW_(pe)<ΔW_(pd)),能量主要以耗散为主,峰后后期(ΔW_(pe)≈ΔW_(pd)),能量释放和耗散进入稳定阶段。研究结果为理解加载系统刚度对岩石峰后破坏机制及动力灾害防治提供了理论基础,并提出通过侧向约束力、分阶段能量控制和降低岩体储能能力等措施,以改善能量释放模式,增强能量耗散,提升巷道围岩稳定性。 展开更多

关键词 加载系统刚度 侧向约束力 能量释放与耗散 峰后应力 非稳态破坏模式

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双关键层协同破断作用下采场覆岩力链传递规律与强矿压防控研究

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作者 杨科 吴向辉 +1 位作者 刘文杰 郭鹏慧 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2025年第4期229-242,共14页

针对双关键层条件下厚煤层开采中强矿压显现规律不清、来压步距预测困难及防控效果不佳等问题,以淮南矿区某矿11223工作面为工程背景,采用离散元数值模拟、理论分析和现场实践相结合的方法,系统研究了双关键层协同破断的覆岩运移规律与... 针对双关键层条件下厚煤层开采中强矿压显现规律不清、来压步距预测困难及防控效果不佳等问题,以淮南矿区某矿11223工作面为工程背景,采用离散元数值模拟、理论分析和现场实践相结合的方法,系统研究了双关键层协同破断的覆岩运移规律与力链动态传递机制,建立了双关键层破断支架–围岩采动承载模型。研究结果表明:①低位关键层Ⅰ受采动扰动直接作用,周期性破断步距平均25 m,形成“悬臂梁–台阶岩梁”复合结构,诱发小周期来压;高位关键层Ⅱ因应力传递滞后效应,破断步距达40 m,破断角73°,其失稳引发动能跃迁幅度达初始值的4.2倍,导致超前支承应力峰值突增至48 MPa,超出支架额定工作阻力28%,为大周期强矿压主要原因。②双关键层破断通过力链网络重构主导应力场演化,关键层Ⅰ破断形成局部“压力拱”结构,关键层Ⅱ破断则引发非对称拉压交替模式,促使应力场经历“局部卸载—区域转移—整体重构”三阶段演化。③基于动态载荷叠加机制,提出顶板深孔预裂爆破弱化方案,现场应用后周期来压步距由25 m降至16 m,支架动载系数由1.5降至1.3,顶板载荷峰值降低46.7%。研究结果为深部多关键层矿井强矿压防控提供了理论支撑与工程实践参考。 展开更多

关键词 强矿压防控 双关键层 力链传递 液压支架 预裂爆破

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多源煤基固废胶结充填体卸围压变形与损伤破坏试验

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作者 何祥 魏龙强 +4 位作者 杨科 张通 张村 张子龙 陈焱军 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第5期163-175,共13页

【目的】将多源煤基固废制备成充填材料进行间隔条带充填开采是绿色采煤的重要手段之一,条带煤柱回采时多源煤基固废胶结充填体(下称“充填体”)的变形破坏规律直接影响采场的稳定性。【方法】选用5种典型固废与水泥混合制备成胶结充填... 【目的】将多源煤基固废制备成充填材料进行间隔条带充填开采是绿色采煤的重要手段之一,条带煤柱回采时多源煤基固废胶结充填体(下称“充填体”)的变形破坏规律直接影响采场的稳定性。【方法】选用5种典型固废与水泥混合制备成胶结充填体,开展充填体试件常规三轴及恒轴压卸围压应力试验,分析2种应力加载路径下充填体应力-应变曲线和破坏特征,探究卸围压过程中变形参数随围压的演变规律,揭示充填体卸荷损伤机制和强度准则。【结果和结论】(1)充填体试件在常规三轴试验中表现为脆性破坏特征,裂隙逐渐发育并在破坏时迅速扩展贯通,在卸围压试验中的脆性破坏特征有所增强,试件破坏之前应变变化值不及破坏时的6.5%。(2)在卸围压过程中充填体试件体积变形由压缩过渡为扩容,变形模量降低量达破坏阶段的10%,泊松比在试件破坏时突破弹塑性材料极限0.5。(3)围压差比随初始围压线性减小,表明高围压环境下充填体更易破坏,损伤因子D演化与泊松比高度同步。(4)Mogi-Coulomb强度准则适用于充填体试件恒轴压卸围压三轴试验,卸荷行为对充填体的黏聚力有弱化效应,而对内摩擦角有强化效应。研究结果为间隔条带充填开采采场稳定性控制提供参考。 展开更多

关键词 三轴卸围压 多源煤基固废 胶结充填体 损伤演化 Mogi-Coulomb强度准则

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巷道形变轻量化点云扫描装备研制与应用分析

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作者 陈登红 庞宁 +4 位作者 邱宇 马言 封居强 何阳 聂闻 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第8期141-155,共15页

针对地下工程三维形变监测领域的双重技术瓶颈,围绕轻量化扫描装备高效采集,低重叠点云配准算法优化展开研究。设计一种集成式矿用头盔智能扫描装备,采用多传感器融合技术,实现井下环境的精准定位与快速建模;采用一种分块导向的低重叠... 针对地下工程三维形变监测领域的双重技术瓶颈,围绕轻量化扫描装备高效采集,低重叠点云配准算法优化展开研究。设计一种集成式矿用头盔智能扫描装备,采用多传感器融合技术,实现井下环境的精准定位与快速建模;采用一种分块导向的低重叠点云配准算法,经匹配金字塔网络(Matching Pyramid Network,MPN)提升点对精度,并融合一致性判断模块,维持各层点对关联稳定性,获取高质量的点对集合。以山西省恒昇煤业9303孤岛工作面回风巷为应用场景,开展多维空间的数据采集、配准与形变监测研究。结果表明:160 m复杂巷道环境实践中,装备完成全域数据采集共耗时10.8 min,最大高度和宽度测量误差分别为6、5 mm,数据模型与平面场景的重叠率介于98.1%~99.6%,展现出较强的工况适应性与实时建图性能,可较高精度复现巷道表面形貌特征。含噪声对齐任务中,配准网络有效滤除了非重叠区域的伪匹配点对,均方根误差和运行时长仅分别增加8.09%和0.26 s,可高效处理因点云残缺与动态形变导致的位姿估计漂移问题,在非结构化巷道场景中实现鲁棒匹配。监测技术可快速构建巷道全空间形变量场,且精准识别断面局部位移,全域测量最大标准差和平均相对差分别为1.43、0.42 mm,能够为矿山数字化转型升级与智能化精准开采提供有效的监测数据支撑。 展开更多

关键词 智能化矿山 三维扫描装备 点云 巷道形变监测 空间测量

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