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煤矸石综合利用现状及高值化利用途径探索——以中国中煤能源集团有限公司为例 被引量：1
1
作者 朱磊 古文哲 +9 位作者 何志伟 刘成勇 赵萌烨 宋天奇 张云 吴玉意 刘治成 张新福 张鹏 盛奉天 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第6期104-124,共21页
在“双碳”目标背景下,煤炭作为国家能源安全的基石,其绿色开发对我国经济建设和社会发展具有战略意义。中国中煤能源集团有限公司凭借丰富的煤炭资源储量,在保障国家能源供应中发挥重要作用。然而,煤炭资源高产高效回采的同时产生大量... 在“双碳”目标背景下,煤炭作为国家能源安全的基石,其绿色开发对我国经济建设和社会发展具有战略意义。中国中煤能源集团有限公司凭借丰富的煤炭资源储量,在保障国家能源供应中发挥重要作用。然而,煤炭资源高产高效回采的同时产生大量煤矸石,造成土壤、大气、水体等污染,煤矸石的不合理处置与非资源化利用问题已成为制约矿区绿色发展的主要瓶颈。调研了中国中煤煤矸石的分布特征、理化性质及利用方式,系统梳理了煤矸石综合利用政策,详细阐述了煤矸石在发电利用、生产建材、化工产品制备、有益矿产回收、农业应用、井下充填及土地复垦等方面的原理和技术路线,调研了中国中煤所属矿井矸石应用进展。结果表明:矿井位于8省20个矿区,受煤矿地质条件、开采技术条件和分选条件影响,矸石分布呈现范围广、结构复杂、类型多样等特征;安徽、江苏、河南和黑龙江煤矸石综合利用呈现“周边辐射型”特点,山西、陕西、内蒙古、新疆地区煤矸石综合利用呈现“自给自足型”应用特点。煤矸石以砂岩、黏土岩、铝质岩为主,其理化性质具备多元利用潜力,但是综合利用方式缺乏系统型、复合型、引领型的科学利用途径,对此提出了煤矸石梯级回收结合资源化利用、源头减量化开采及矿化CO_(2)负碳充填3项建议。研究成果对中国中煤优化煤炭产业布局、促进煤矸石高值化利用、保护矿区生态环境以及贯彻落实“双碳”目标具有重要的指导意义。 展开更多
关键词 煤矸石 分布特征 综合利用 高值利用 源头减排 负碳充填
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煤岩结构瞬变诱冲机理 被引量：3
2
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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陕北黄土覆盖区煤层上覆岩系层状结构对开采区土壤损伤效应研究 被引量：3
3
作者 王双明 宋世杰 +5 位作者 魏江波 刘浪 牛瑞琳 李源红 谈庆钰 田雨 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期23-42,共20页
煤炭开采区生态保护是黄河流域高质量发展亟需破解的重大难题。科学认识煤层上覆岩层对煤炭开采采动损害向地表传递的响应规律是实现煤矿区生态环境全生命周期保护的重大需求。以陕北黄土覆盖区煤炭开采区为研究对象,综合运用野外地质... 煤炭开采区生态保护是黄河流域高质量发展亟需破解的重大难题。科学认识煤层上覆岩层对煤炭开采采动损害向地表传递的响应规律是实现煤矿区生态环境全生命周期保护的重大需求。以陕北黄土覆盖区煤炭开采区为研究对象,综合运用野外地质调查、采样测试、数值模拟、室内实验和理论计算方法,针对覆岩层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置等层状结构对地下采煤的“响应-传递”特点,研究了相同采矿条件下煤层覆岩层状结构对采动覆岩应力场的影响规律,揭示了不同煤层覆岩层状结构下土壤物理、化学、微生物、侵蚀四大特性的损伤特征及煤炭开采区土壤物理、化学、微生物特性变化对侵蚀特性的作用机制。结果表明:①相同或相近的采矿条件下,采煤沉陷区地表生态损害结果的迥异主要取决于煤层上覆岩(土)层对地下采煤活动的应力应变响应、由下向上的传递及土壤损害特点。在覆岩层状结构与采动应力传递的耦合下,煤层覆岩自下而上形成了垂向强力链塑性变形区(VCP)、水平强力链弹塑性变形区(HCEP)、水平强力链弹性变形区(HCE)的采动损害特征。其中,煤层覆岩下部的互层结构及特征对塑性变形区界面高度具有重要影响。煤层上覆岩(土)层和地表土层(壤)均是地下采煤活动及其损害作用的响应载体。岩层层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置及地表变形等是影响土壤损害类型及特点的重要地质因素。②厚砂岩在覆岩中的位置是地下“VCP-HCEP”界面、“HCEP-HCE”界面发育高度和地表形变程度的第一主控因素,决定了“两界面”的发育位置和地表变形的程度,高位厚砂岩对“两界面”发育和地表形变具有较明显的抑制作用;砂层系数作为第二主控因素,在既定厚砂岩位置且砂层系数小于73%条件下与“两界面”发育和地表形变均呈正相关关系;③基于两大主控因素划分了4个覆岩层状结构基本类型,从“地下覆岩层状结构基本类型+地表形态变化程度+地表采动损害形式+土壤质量特性指标”耦合的角度,发现“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”类型对地表土壤损害效应最为显著,其中沉陷坡面土壤物理、化学、微生物特性指标的损伤均集中在坡顶、坡中部位,降幅介于11.81%~42.01%(p<0.05);采动地裂缝是沉陷坡面土壤损伤的主要原因;④“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”类型对坡面土壤可蚀性K值的放大效应最为明显,平均增幅为26.38%(p<0.05),其中坡顶部位土壤可蚀性K值平均增幅最大,为37.98%(p<0.05);沉陷坡面同一部位裂缝区土壤可蚀性K值平均增幅较非裂缝区高出92.28%(p<0.05);黄土沉陷坡面可蚀性K值与土壤孔隙度呈极显著正相关关系(p<0.01),与土壤含水率、黏粒质量分数、有机质质量分数、速效养分质量分数、土壤微生物数量及酶活性呈极显著负相关关系(p<0.01)。因此,“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”的覆岩层状结构类型区是陕北黄土沟壑煤炭开采区生态损害的关键区域,应采取充填减沉、土壤改良等人工措施进行保护与修复,对于“低位厚砂岩+砂层系数小于73%”和“高位厚砂岩+砂层系数大于73%”的覆岩层状结构类型区可采取人工辅助的生态修复方式,对于“高位厚砂岩+砂层系数小于73%”的覆岩层状结构类型区则可采取自然恢复方式进行生态修复。 展开更多
关键词 覆岩层状结构 响应传递 土壤 损伤效应 陕北矿区
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基于机器学习的煤系地层TBM掘进巷道围岩强度预测 被引量：2
4
作者 丁自伟 高成登 +6 位作者 景博宇 黄兴 刘滨 胡阳 桑昊旻 徐彬 秦立学 《西安科技大学学报》 北大核心 2025年第1期49-60,共12页
为研究全断面掘进机(TBM)掘进参数与煤系地层岩体力学参数之间的互馈关系,准确、实时预测巷道围岩强度特征,基于TBM掘进过程中的现场监测,通过岩-机互馈关系分析,确定模型的输入特征参数,并建立了对应的数据库;将梯度提升决策树(GBDT)... 为研究全断面掘进机(TBM)掘进参数与煤系地层岩体力学参数之间的互馈关系,准确、实时预测巷道围岩强度特征,基于TBM掘进过程中的现场监测,通过岩-机互馈关系分析,确定模型的输入特征参数,并建立了对应的数据库;将梯度提升决策树(GBDT)、随机森林(RF)、支持向量回归(SVR)3种机器学习算法作为基学习器,线性回归(LR)算法作为元学习器,提出了一种基于Stacking集成算法的预测模型,并对比分析了Stacking集成算法与单一机器学习算法模型的预测性能。结果表明:二值判别与箱线图可有效对原始数据进行预处理;模型的主要输入特征参数为刀盘推力F、刀盘扭矩T、贯入度FPI、刀盘转速RPM、刀盘振动加速度A;Stacking模型在测试集上的拟合优度可达0.976,而均方误差、平均绝对误差、平均绝对百分误差分别仅有0.031,0.148和0.092,与其他3种模型相比,其拟合优度最高,误差指标数值最小,集成模型具有更高的预测精度,能够有效地预测煤矿TBM掘进巷道围岩点荷载强度。研究验证了Stacking模型的准确性,可为煤矿TBM掘进参数控制和巷道支护参数调整提供科学的参考依据。 展开更多
关键词 煤矿全断面掘进机 TBM掘进参数 Stacking集成算法 数据预处理 围岩强度预测
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急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击危险时序及等级智能预测 被引量：3
5
作者 崔峰 宗程 +3 位作者 来兴平 何仕凤 张随林 贾冲 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期845-861,共17页
实现煤矿冲击地压智能预警对于保障矿井安全作业具有重要意义。以新疆某矿急倾斜巨厚煤层的掘进巷道冲击地压发生时序智能分级预测作为背景,分析了急倾斜巨厚煤层巷道掘进期间各微震信息指标的时空演化规律,利用遗传算法(Genetic Algori... 实现煤矿冲击地压智能预警对于保障矿井安全作业具有重要意义。以新疆某矿急倾斜巨厚煤层的掘进巷道冲击地压发生时序智能分级预测作为背景,分析了急倾斜巨厚煤层巷道掘进期间各微震信息指标的时空演化规律,利用遗传算法(Genetic Algorithm,GA)优化的随机森林(Random Forest,RF)对预测冲击发展趋势性能较高的多项指标进行了优选,基于相空间重构技术(Phase Space Reconstruction,PSR)将数据映射至高维空间进行重构,结合长短期记忆神经网络(Long Short-Term Memory,LSTM)训练学习高维度数据特征,构建了基于深度学习与多元混沌时序的急倾斜巨厚煤层冲击地压预测模型(PSR-LSTM),依据现场实际对模型的预测性能进行了评价。结果表明:急倾斜巨厚煤层巷道掘进下各微震信息指标对冲击预警的敏感性较强,彼此之间具有显著的相关性;优选出了预测冲击发展趋势性能较高的6项微震信息指标;多项指标的时间序列具有混沌特性,经过相空间重构后再进行LSTM学习训练,可有效增强模型的数据利用率与预测精度,所构建的PSR-LSTM模型在指定预测时长为1 d的情况下,预测准确率可达0.9135、F1值可达0.9116,均优于未经重构的LSTM模型。模型较好地预测了急倾斜巨厚煤层掘进巷道发生冲击危险的时序趋势及危险等级,研究方法可为急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击地压发生的智能预测预警提供借鉴与参考。 展开更多
关键词 急倾斜巨厚煤层 掘进巷道 冲击地压 多元混沌时序 相空间重构 深度学习
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岩层控制的全柱状学术思想与实践 被引量：3
6
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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采动影响下临空巷道小煤柱失稳特征与调控方法 被引量：1
7
作者 来兴平 徐李臻 +3 位作者 曹建涛 单鹏飞 张帅 许慧聪 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第1期39-53,共15页
西部煤炭基地是我国能源安全保障的核心“压舱石”,为提高资源采出率小煤柱临空巷道广泛应用,小煤柱临空巷道稳定性问题凸显。论文以国家能源集团麦垛山煤矿某工作面临空巷道为研究对象,构建小煤柱临空巷道力学模型,量化小煤柱临空侧顶... 西部煤炭基地是我国能源安全保障的核心“压舱石”,为提高资源采出率小煤柱临空巷道广泛应用,小煤柱临空巷道稳定性问题凸显。论文以国家能源集团麦垛山煤矿某工作面临空巷道为研究对象,构建小煤柱临空巷道力学模型,量化小煤柱临空侧顶板围岩下沉量与小煤柱支撑力关联性,探究围岩调控机制;采用朴素贝叶斯模型建立煤柱稳定性辨识模型,分别判断调控前后煤柱稳定性;通过精细化三维数值计算,研究临空巷道小煤柱围岩调控效果,并开展现场实施验证。结果表明:通过构建4种不同断裂线位置覆岩结构,推导得到了临空巷道直接顶最大下沉量与小煤柱支撑强度之间存在负相关。说明可通过提高小煤柱强度进而控制直接顶下沉,改善巷道围岩失稳问题;基于朴素贝叶斯及11项围岩参数建立煤柱稳定性辨识模型,准确率Ac达到0.9537,满足辨识要求。并对原煤柱和改性调控后煤柱进行辨识,从算法角度证明了调控方案的可行性;通过FLAC3D数值模拟围岩改性协同调控方案前后对比,煤柱应力提升了57.6%,变形量最低减少了22.8%;支护体应力降低,最大位移量减少了31.2%。两帮应力差值减小,巷道围岩应力分布更加平衡;方案现场实施得到煤柱应力最大提高至2.325倍,且应力波动较稳定,顶板、两帮变形量减少超80%。验证了围岩改性协同调控方案对小煤柱临空巷道变形破坏防治的可行性,保证了巷道围岩稳定性。研究结果为西部矿区临空巷道小煤柱科学设计提供基础支撑,为实现西部矿区强采动小煤柱临空巷道失稳防治提供借鉴。 展开更多
关键词 小煤柱 临空巷道 注浆加固 改性调控 数值模拟
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循环荷载尾砂胶结充填体声发射特征 被引量：1
8
作者 邱华富 李宇航 +1 位作者 刘浪 丁自伟 《西安科技大学学报》 北大核心 2025年第1期74-85,共12页
为了研究循环荷载作用下废石尾砂胶结充填体的力学特性与损伤规律,制备了4种不同废石含量的尾砂胶结充填体,开展了2种加载路径下单轴循环加卸载试验,并借助声发射监测系统,获取了不同加载路径下所释放的声信号,研究充填体损伤演化规律... 为了研究循环荷载作用下废石尾砂胶结充填体的力学特性与损伤规律,制备了4种不同废石含量的尾砂胶结充填体,开展了2种加载路径下单轴循环加卸载试验,并借助声发射监测系统,获取了不同加载路径下所释放的声信号,研究充填体损伤演化规律。结果表明:充填体力学强度随废石含量的增加呈现先增大后减小趋势,废石含量10%的充填体力学强度达到最大,在恒定下限循环加卸载和等幅循环加卸载路径下的强度分别为3.94 MPa和3.63 MPa,且充填体在等幅循环加卸载下的强度普遍高于恒定下限循环加卸载;恒定下限循环加卸载过程中,滞回环面积同循环次数呈二次函数关系,随循环次数的增多而增大,Felicity比值随循环次数增多而减小,充填体损伤程度不断加深;恒定下限循环加卸载和等幅循环加卸载过程中,充填体的声发射信号均呈“峰谷”现象,累计振铃计数和累计能量呈“阶梯式”上升趋势。研究可为矿山储库构建及稳定性无损检测分析提供理论基础。 展开更多
关键词 尾砂胶结充填体 循环加卸载 力学特性 声发射 损伤特性
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基于煤样主控裂隙尺度筛选的等效DFN模型构建 被引量：1
9
作者 郎丁 张子鑫 +4 位作者 伍永平 余洋 余建东 武小博 张耀 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第3期435-449,共15页
煤岩体中不同尺度层级的节理交错,分布规律迥异,对其变形破坏特征有重要影响。筛选对煤岩力学行为起主控作用的裂隙尺度层级并在该尺度基础上进行随机节理网络模型(Discrete Fracture Network,DFN)构建,在保证数值计算准确性的同时降低... 煤岩体中不同尺度层级的节理交错,分布规律迥异,对其变形破坏特征有重要影响。筛选对煤岩力学行为起主控作用的裂隙尺度层级并在该尺度基础上进行随机节理网络模型(Discrete Fracture Network,DFN)构建,在保证数值计算准确性的同时降低冗余裂隙尺度对模型构建及计算机算力的影响,可为提升岩石力学数值计算效能提供新的途径。基于CT扫描与图像处理技术,提取煤样三维裂隙结构及其几何特征参数,嵌入RFPA^(3D)-CT进行单轴加载数值分析并与试件的单轴压缩试验结果进行比对,确定了煤样数值模型的细观力学参数,进一步逐级筛选出对煤样力学行为起主要控制作用的裂隙尺度层级。在此基础上,运用Baecher模型和Monte-Carlo随机模拟理论,依据主控裂隙的几何分布特征构建等效DFN模型,并通过数值模拟计算对模型的有效性进行验证。研究结果表明:研究煤体试件样本的主控裂隙尺度(迹长)不小于14 mm,对该尺度以上的裂隙与对该尺度及以上裂隙进行删减的模型相较,破坏形态由“2”型转为斜“1”型,破坏峰值强度升高了61.79%,该尺度以上裂隙的存在与否对试件模型的数值计算结果起到决定性的控制作用。基于试件的主控裂隙尺度构建了等效DFN模型,其节理几何特征与基于CT扫描的真实裂隙各项几何特征参数基本一致,其平均误差为5.16%,等效DFN模型在单轴加载作用下表现出的力学性质与CT扫描后6组全裂隙模型相对吻合,两者峰值强度平均误差为13.41%,破坏计算时步的计算效率提升了14.59%。 展开更多
关键词 CT扫描 阈值分割 裂隙几何统计 主控裂隙尺度 随机节理网络模型
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大倾角工作面覆岩三维破断运移演化规律 被引量：1
10
作者 解盘石 黄宝发 +5 位作者 伍永平 罗生虎 朱明建 易磊磊 徐辉 陈建杰 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期12-26,共15页
大倾角煤层安全高效开采的关键是对采场围岩与装备的多维耦合控制,定量化表征大倾角采场覆岩空间结构破断特征、采动裂隙发育和空隙分布特征是实现该类煤层精准岩层控制的前提。以大倾角长壁大采高工作面为工程背景,采用数值计算、现场... 大倾角煤层安全高效开采的关键是对采场围岩与装备的多维耦合控制,定量化表征大倾角采场覆岩空间结构破断特征、采动裂隙发育和空隙分布特征是实现该类煤层精准岩层控制的前提。以大倾角长壁大采高工作面为工程背景,采用数值计算、现场实测与理论分析相结合的研究方法,在厘定覆岩空间移动变形规律的基础上,引入三维曲率、岩体空隙率及分形几何理论定量描述了采场不同区域破断岩块的运移–堆砌–铰接特征及岩体裂隙分布规律,实现了大倾角大采高工作面开采过程中三维结构组成及采动裂隙场空间占位的动态精细定量表征。研究表明,大倾角大采高破断顶板在采场空间发生了多维度耦合的非均衡运动,中、上部顶板以垂直岩层运动为主,下部顶板演变为倾向下滑。顶板破坏形式沿倾向、走向、垂向呈现三维区域异化,上部破断岩块错层、跨层迁移形成倾斜砌体结构,采空区后方存在“非均匀矸石–弯曲悬臂梁–破断岩块”承载结构形成非均匀空顶区域,承载结构相互约束,随倾向位置、覆岩层位不同发生动态演化。支架阻力分区波动性分布,中部阻力>上、下部,走向非同步来压。曲率分布呈“横、竖O–X”形态,“O”型内部垮落岩块非平行同步下沉,倾向、反倾向堆砌结构并存,正负曲率不一,岩块间形成弱铰接结构。随覆岩层位升高,离层破坏区域向中下部和采空区中部偏移,岩体空隙率和分形维数呈现先增大后减小的现象。研究结果揭示了采空区内部覆岩三维破断运移规律,丰富了大倾角煤层岩层控制理论,也为顶板岩层运移规律的精细定量分析提供了新方法。 展开更多
关键词 大倾角煤层 大采高 覆岩破断运移 三维曲率 空隙率 分形特征
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时间卷积长短时记忆网络煤矿平硐变形多步预测 被引量：1
11
作者 冀汶莉 淡新 +6 位作者 马晨阳 柴敬 吴玉意 秋风岐 刘文涛 雷武林 刘永亮 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第4期176-190,共15页
煤矿主平硐易受到外界因素的干扰,对其变形进行监测和预测十分重要。在光纤光栅监测平硐变形工程应用的基础上,提出了集成经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)的时间卷积网络(Temporal Convolutional Network,TCN... 煤矿主平硐易受到外界因素的干扰,对其变形进行监测和预测十分重要。在光纤光栅监测平硐变形工程应用的基础上,提出了集成经验模态分解(Ensemble Empirical Mode Decomposition,EEMD)的时间卷积网络(Temporal Convolutional Network,TCN)结合长短时记忆神经网络(Long Short-Term-Memory Network,LSTM)的EEMD-TCN-LSTM平硐变形多步预测模型。首先,通过集成经验模态分解方法将包含有噪声的监测数据分解成若干本征模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)分量。然后,计算IMF分量的模糊熵并选择有效IMF分量。最后,对不同有效分量序列利用TCN网络提取长时间维度特征,利用LSTM网络捕获非线性特征,叠加各分量预测结果。在预测模型的训练过程中采用多输出策略的多步预测方法,输出为未来多个时刻的光纤监测值。在不同光纤光栅传感器的监测数据上进行试验。结果表明:通过EEMD分解结合模糊熵法处理光纤监测数据,能在保留平硐变形信息的同时,过滤掉更多的噪声。与已有方法相比,预测方法在单步预测时,其评价指标决定系数(Coefficient of Determination,R^(2))可达到0.99,平方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)和平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)分别降低3.0%~10.0%和5.0%~20.0%,预测结果更准确。多输出策略下预测方法超前3步预测的R2平均为0.95,应变计的RMSE和MAE值至少降低了75.0%和31.5%,位移计的RMSE和MAE值至少降低了50.0%和66.7%,压力计的RMSE和MAE值至少降低了85.7%和62.3%,误差积累最低。集成经验模态分解的TCN-LSTM平硐变形多步预测方法,能够为巷道围岩变形预测提供技术基础。 展开更多
关键词 平硐变形 多步预测 TCN-LSTM预测模型 集成经验模态分解 煤矿智能化
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浅埋煤层开采地表裂缝发育规律及形成演化机理 被引量：3
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作者 侯恩科 慕佳欣 +6 位作者 谢晓深 冯栋 杨磊 李研 何涛 包康光 陈小绳 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第2期107-117,共11页
【目的】地表裂缝是陕北煤矿区最常见的一种地质灾害,不仅损伤地表生态环境,与覆岩裂隙贯通的地表裂缝还是地表水溃入井下的主要通道,威胁井下安全生产。【方法】为进一步揭示浅埋煤层开采地表裂缝发育规律,并阐明其形成及演化机理,以... 【目的】地表裂缝是陕北煤矿区最常见的一种地质灾害,不仅损伤地表生态环境,与覆岩裂隙贯通的地表裂缝还是地表水溃入井下的主要通道,威胁井下安全生产。【方法】为进一步揭示浅埋煤层开采地表裂缝发育规律,并阐明其形成及演化机理,以陕北红柳林煤矿15218工作面和25213工作面为研究对象,采用地表裂缝填图、裂缝动态监测和数值模拟等方法,对地表裂缝进行深入研究。【结果和结论】研究表明:(1)浅埋煤层开采地表裂缝整体呈“C”形展布,其发育特征与发育位置和地貌类型密切相关。相同开采条件下黄土沟壑区>5 cm宽度的裂缝数量占比是风沙滩地区的2.15倍,发育程度明显大于风沙滩地区;工作面边界裂缝发育程度明显大于面内裂缝。(2)浅埋煤层开采地表裂缝具有超前和滞后2种动态发育特征,其中,25213工作面开采诱发的地表裂缝滞后回采位置发育,滞后距6.49 m;15218工作面开采诱发的地表裂缝超前回采位置发育,超前距20.07 m;面内裂缝具有4种活动特征,边界裂缝宽度仅呈现“开裂-增大-稳定”的活动特征,地表裂缝整体活动时间4~14 d。(3)采空区地表附近形成压缩区、拉压转换区和拉伸区,随着工作面推进,采空区顶板岩层和地表移动变形破坏区不断向前扩展。地表下沉盆地范围略大于采空区,最大下沉系数0.82。(4)非贯通裂缝主要由地表移动盆地边缘土体拉伸变形超过其极限值所引起,贯通裂缝是覆岩内部上行裂缝与地表裂缝相接或直接导通地表的结果。随着工作面推采,基本顶周期破断引起地表裂缝向前不断扩展。地表裂缝宽度变化特征与裂缝两侧块体的复杂运动密切相关。研究成果对浅埋煤层开采区地表裂缝防治具有重要参考价值。 展开更多
关键词 浅埋煤层 开采损害 地表裂缝 数值模拟 红柳林煤矿
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冲击地压矿井科学产能确定及科学提升产能研究 被引量：1
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作者 崔峰 罗钟 +4 位作者 来兴平 陈建强 彭宝山 邹磊 刘旭东 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期81-95,共15页
我国埋深1 000 m以上的煤炭资源储量占总储量的50%以上,未来将是煤炭资源供应的主要部分,开展冲击地压矿井科学产能确定研究并科学提升冲击地压矿井产能,对于保障我国深部煤炭资源的安全高效开采有重要意义。针对冲击地压矿井产能确定... 我国埋深1 000 m以上的煤炭资源储量占总储量的50%以上,未来将是煤炭资源供应的主要部分,开展冲击地压矿井科学产能确定研究并科学提升冲击地压矿井产能,对于保障我国深部煤炭资源的安全高效开采有重要意义。针对冲击地压矿井产能确定与产能提升问题,利用理论分析、现场监测等研究方法,完成了含有冲击地压煤层的矿井井田范围科学划分,分析了冲击地压矿井不同的采煤方法、开采顺序、开采布局下采煤面扰动响应特征,建立了冲击地压矿井科学产能的确定方法,提出了冲击地压矿井产能科学提升的顶层设计与实践方法。研究结果表明:明确了冲击地压矿井冲击倾向性鉴定与冲击危险性确定的必要性,实现含有冲击地压煤层的矿井井田范围科学规划;研究了采煤方法、开采顺序与布局以及开采参数对采煤面扰动响应特征,得出了冲击地压矿井采煤面科学设计的系统性方法,为冲击地压矿井产能提升创造条件;提出了冲击地压矿井产能确定的技术路径,基于采动力学构建了“分阶段、分区域、分时期、看卸压力度、看历史防控水平”的冲击地压矿井采煤面推进速度确定方法;构建了冲击地压矿井产能提升的顶层设计,明确指出了控制产能的关键是产能提升所带来的冲击危险性,实现采动强度与卸压力度平衡,降低冲击危险性,从而有效的进行产能提升。构建了冲击地压矿井从井田范围科学规划、采煤面科学设计到产能科学确定及科学提升产能的一体化技术路径,为冲击地压矿井科学产能确定及科学提升产能提供了科学指导。 展开更多
关键词 冲击地压矿井 科学产能 科学提升产能 采动强度 卸压力度
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基于倾角效应的“支架-围岩”数字孪生模拟试验平台研制与测试 被引量：1
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作者 解盘石 张颖异 +7 位作者 伍永平 杜玉乾 杨航 黄宝发 林伟典 易磊磊 徐辉 冯春 《煤炭学报》 北大核心 2025年第6期2837-2852,共16页
液压支架与围岩两者间的稳定性关系是长壁工作面开采及其智能化研究的重难点内容之一。大倾角、急倾斜煤层赋存条件复杂,“支架-围岩”稳定性控制难度大,严重制约了该类复杂难采煤层矿井的安全智能开采。为此,在实验室环境下研制了三维... 液压支架与围岩两者间的稳定性关系是长壁工作面开采及其智能化研究的重难点内容之一。大倾角、急倾斜煤层赋存条件复杂,“支架-围岩”稳定性控制难度大,严重制约了该类复杂难采煤层矿井的安全智能开采。为此,在实验室环境下研制了三维大比例模拟试验平台与配套试验液压支架,可最大程度模拟复杂难采煤层工作面的开采环境,工作面“支架-围岩”系统耦合控制、顶板周期来压及冲击来压效果。基于数字孪生技术,构建了“支架-围岩”试验平台孪生系统,可实现对物理空间模拟试验工作面“支架-围岩”系统的精确感知与高效仿真。开展了试验平台性能、异型液压支架研发支撑、“支架-围岩”试验平台孪生系统优化等一系列测试试验,确定了试验平台整体结构的稳定性和性能的可靠性、孪生系统的实用性和准确性,体现了试验平台的多功能性。基于测试试验,发现工作面顶板来压期间,支架在倾角效应下易发生侧向偏转失稳,支架间侧向挤压加剧;工作面顶板、支架、煤壁及底板组成的“支架-围岩”系统是协同承载体,四者任何环节变化都会影响整体的稳定性,也会加剧另外环节的破坏。针对性提出采取液压支架防倒滑装置、加强围岩控制和实时监测预警3项改进措施,来提升复杂煤层工作面“支架-围岩”系统的整体稳定性。 展开更多
关键词 数字孪生 支架-围岩 倾角效应 大比例模拟试验平台 智能化 大倾角煤层
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房柱式采空区矸石似膏体充填料浆流动沉降规律
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作者 邵小平 田创 +4 位作者 刘浪 唐仁龙 李龙清 段明岸 王磊 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第4期202-219,共18页
榆神府矿区开发过程形成了大范围的房柱式采空区,产生了大面积悬顶区域。悬顶区域煤柱经过长时间的自然风化、蠕变等作用,支撑强度弱化,存在失稳破坏的危险,甚至引发矿震灾害。以榆神府矿区某矿房柱式采空区悬顶区域治理为背景,通过搭... 榆神府矿区开发过程形成了大范围的房柱式采空区,产生了大面积悬顶区域。悬顶区域煤柱经过长时间的自然风化、蠕变等作用,支撑强度弱化,存在失稳破坏的危险,甚至引发矿震灾害。以榆神府矿区某矿房柱式采空区悬顶区域治理为背景,通过搭建基于相似理论的房柱式采空区模拟试验平台,对矸石似膏体料浆在房柱式采空区中的流动及沉降规律进行研究。结果表明:充填结束后在充填体表面形成了自进料口至排气孔方向5°左右的自然坡面;靠近进料口处的充实率最高,充实率随流动距离的增加呈降低趋势;料浆中部和下部超声波波速随时间变化呈上升趋势,上部则先减小后缓慢上升;料浆整体具有较优的静态抗离析性能;沿流动方向粗(细)粒径占比逐渐降低(增加),相邻煤柱之间靠近排气孔侧的粒径占比略高;沿竖直方向下部粗(细)粒径占比相对较大(小),上部粗(细)粒径占比相对较小(大);充填试样强度沿流动方向表现出波浪型变化规律,在靠近排气孔侧的强度较高,竖直方向上充填试样强度随深度增加呈上升趋势;充填试样产生宏观缺陷与料浆内部产生的气泡无法顺利排出有关。研究揭示了充填料浆在房柱式采空区中的流动及沉降规律,可为榆神府矿区类似矿井的采空区治理、大面积悬顶隐患消除等提供参考。 展开更多
关键词 房柱式采空区 充填料浆 流动沉降 非均质充填体 强度分布
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单轴压缩下充填体−围岩组合体力学特性与能量演化规律
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作者 邱华富 李宇航 +2 位作者 刘浪 梁超 丁自伟 《中南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第2期688-701,共14页
为研究矸石胶结充填体-围岩组合体力学特性和能量演化规律,对不同接触面倾角的组合体试件进行单轴压缩试验,对破坏过程的力学特性、声发射特征和能量演化规律进行分析。研究结果表明:接触面倾角0°、15°和30°的组合体试... 为研究矸石胶结充填体-围岩组合体力学特性和能量演化规律,对不同接触面倾角的组合体试件进行单轴压缩试验,对破坏过程的力学特性、声发射特征和能量演化规律进行分析。研究结果表明:接触面倾角0°、15°和30°的组合体试件发生延性破坏,接触面倾角45°、60°、75°、90°的组合体试件发生脆性破坏。随着荷载的持续增大,组合体试件在峰值应力处都产生大量声发射信号;随接触面倾角的增大,拉伸破坏占比呈先增加后减小趋势,在接触面倾角为45°时达到最大。不同接触面倾角组合体试件在峰值应力前弹性应变能呈非线性增加,耗散能曲线斜率随着接触面倾角增加逐渐减小;峰后破坏阶段曲线演化规律与组合体试件的破坏类型有关。延性破坏时,弹性能耗比曲线整体先下降,后在峰值应力处转为呈上升趋势;脆性破坏时,弹性能耗比曲线整体呈下降趋势,在峰值应力处达到最小值。声发射特征和能量演化规律与组合体试件破坏过程相关性较好,可为组合体破坏预测提供有效前兆信息。 展开更多
关键词 充填体-围岩组合体 矸石胶结充填体 声发射 能量演化 弹性能耗比
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井下专用乳化基质黏弹性分析
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作者 孙伟博 杨健 +2 位作者 翟小鹏 简国祚 王燕 《工程爆破》 北大核心 2025年第1期95-101,共7页
井下上向中深孔爆破用乳化炸药黏度高,其流变特性大小对井下乳化炸药的输送至关重要,而不同的输送效率对应了不同的剪切速率。对温度分别为25℃和50℃的乳化基质进行了大振幅振荡剪切等流变实验,实验结果表明:振荡频率为0.1 Hz和1 Hz时... 井下上向中深孔爆破用乳化炸药黏度高,其流变特性大小对井下乳化炸药的输送至关重要,而不同的输送效率对应了不同的剪切速率。对温度分别为25℃和50℃的乳化基质进行了大振幅振荡剪切等流变实验,实验结果表明:振荡频率为0.1 Hz和1 Hz时,乳化基质储能模量与耗能模量相对大小转换的临界剪切应变值分别为10%和40%。对测量结果进行傅里叶变换,结合切比雪夫理论分析发现,振荡频率0.1 Hz和1 Hz下,乳化基质表现出应变变硬特性的临界剪切应变值分别为10%和25%,剪切增稠比率由非稳态过渡到剪切增稠的剪切应变值分别为1%和5%。研究表明:乳化基质在高剪切应变值下的黏弹性以非线性为主,根据25℃和50℃下应变硬化比率和剪切增稠比率的过渡值相同可以看出乳化基质的黏弹性对温度不敏感,主要与振荡频率有关。随着剪切强度增强,乳化基质表现出应变变硬和剪切增稠的特性。 展开更多
关键词 乳化基质 非线性黏弹性 大振幅振荡剪切 傅里叶变换 切比雪夫定理
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基于结构动力学理论的矿震机理分析
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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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基于割煤循环智能检测的工作面来压判识方法
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作者 罗香玉 康林星 +2 位作者 南添松 解盘石 伍永平 《工矿自动化》 北大核心 2025年第3期16-21,共6页
基于液压支架工作阻力数据进行工作面来压判识需解决2个问题:一是如何从海量的工作阻力数据中提取循环末阻力数据,二是如何有效利用提取出的循环末阻力数据对工作面是否来压实现有效判断。现有的循环末阻力提取方法大多依赖固定规则和... 基于液压支架工作阻力数据进行工作面来压判识需解决2个问题:一是如何从海量的工作阻力数据中提取循环末阻力数据,二是如何有效利用提取出的循环末阻力数据对工作面是否来压实现有效判断。现有的循环末阻力提取方法大多依赖固定规则和经验值参数,在复杂工作面环境下准确性低且适应性差。针对该问题,提出一种基于割煤循环智能检测的工作面来压判识方法。将割煤循环检测转化为二分类问题,使用支持向量机分类器对割煤循环结束时刻进行智能检测,以自动判别割煤循环的结束时刻;在获取所有割煤循环结束时刻的基础上,提取各支架循环末阻力数据;通过数据融合生成能够反映工作面整体压力状态的单序列数据,并基于来压判定公式进行工作面来压判识。基于不连沟煤矿某工作面的液压支架工作阻力数据进行实验,结果表明,该方法割煤循环检测的精确率、召回率、F_(1)分数分别为85.91%,81.84%,83.83%,来压判识的精确率、召回率、F_(1)分数分别为79.43%,78.76%,79.09%,均优于滑动窗口极值法和阈值法,在识别循环末阻力和工作面来压判识方面具有显著优势。 展开更多
关键词 顶板灾害防控 来压判识 割煤循环智能检测 支持向量机 循环末阻力
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结构瞬变激励下覆岩应变能场和重力势能场的演变机理
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作者 罗生虎 高佳波 +7 位作者 闫壮壮 伍永平 解盘石 韩刚 王红伟 田程阳 王同 孙明明 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期768-780,共13页
揭示覆岩能量场的聚集与释放机理,是煤岩动力灾害防治的理论基础。采用模拟试验、数值计算和理论分析相结合的方法,通过构建坚硬岩层破断前、后2个稳态时的力学模型,对比分析了结构瞬变前、后采场煤岩受载的阶变特征,研究了结构瞬变激... 揭示覆岩能量场的聚集与释放机理,是煤岩动力灾害防治的理论基础。采用模拟试验、数值计算和理论分析相结合的方法,通过构建坚硬岩层破断前、后2个稳态时的力学模型,对比分析了结构瞬变前、后采场煤岩受载的阶变特征,研究了结构瞬变激励下覆岩应变能和重力势能聚集与释放的演变机理。结果表明:受自重应力场和采动卸荷效应影响,采动影响范围内的各岩层相互作用、相互制约,存在紧密且复杂的力学联系。坚硬岩层破断诱发的结构瞬变,打破了岩层间原有旧秩序的平衡,导致岩层间的力学联系发生瞬变,覆岩载荷传递路径亦发生瞬变,覆岩的应变能场和重力势能场随之改变。并且覆岩载荷传递路径的瞬变,会对采场空间不同区域的煤岩形成不同的瞬时加、卸载,造成不同区域覆岩能量的演变特征存在差异。这其中,下位坚硬岩层破断后,破裂面内力的瞬时卸载和覆岩载荷传递路径瞬变形成的瞬时加载,使其邻近采空区的部分区域瞬时向上回弹、释放应变能,回弹区以里的部分区域瞬时下沉、释放重力势能。与此同时,结构瞬变区域支撑载荷的瞬时卸载,使上位坚硬岩层瞬时下沉、变形量骤增,重力势能释放而应变能聚集。本质上,结构瞬变激励下采场煤岩的动力学响应过程,是采场煤岩原有时空结构被打破后向新时空结构演化的动力学过程,存在应变能、重力势能和动能的相互转换,并伴随有应变能和重力势能的聚集与释放。且整体而言,覆岩应变能的释放区域较小,主要集中在瞬时卸载区,其余区域瞬时增大;而重力势能的释放范围较大,仅在下位坚硬岩层的回弹区域略有增大。 展开更多
关键词 结构瞬变 应变能 重力势能 聚集与释放 煤岩动力灾害
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