深部矿井冲击地压防控理论与关键技术 专题_机理/机制

• 巨厚覆岩矿震孕育破裂特征与应力触发机制

  窦林名;曹安业;杨耀;贺虎;杨垚鑫;白贤栖;顾倩悦;李松徽;付相超;顾颖诗;吴震;张帝;

  【目的】深部开采巨厚覆岩破断导致引起地表震感的矿震频发，已成为制约矿区高效生产的最严峻难题，亟待改变矿区巨厚覆岩矿震频度高、防控难现状。【方法】以内蒙古自治区鄂尔多斯呼吉尔特矿区某邻空综采工作面频发巨厚覆岩矿震为研究对象，应用厚板理论分析巨厚覆岩结构破断演化规律，提取矿震波形主成分并采用矩张量反演方法定量研究矿震震源破裂机制，基于张拉、压缩及混合破裂震源主应力作用方式修正应力反演模型，改进应力反演算法，分析矿震震源孕育破裂特征及应力场演化规律，定量解析矿震应力触发机制。【结果和结论】结果表明，巨厚覆岩破断运移为矿震孕育触发的动力、能量源；主成分分析方法可快速提取因采矿环境干扰波形的主成分，为矩张量求解提供优质反演数据；修正后应力反演算法能够满足采动诱发非剪切破裂震源应力反演需求，实现对典型张拉、压缩等非剪切破裂矿震震源应力场反演；工作面邻空回采期间，顶板逐层向上与侧向采空区联动破断，采空区影响使得孕震期间顶板活动性增强，巨厚覆岩断裂特征整体呈显著张拉状态；矿震孕育过程中主应力作用方位基本一致，应力形因子分别为0.66、0.71和0.30，覆岩应力分布由单轴挤压转变为挤压张拉状态，最大主应力单轴挤压作用导致巨厚覆岩瞬时断裂释放大量弹性能是诱发“2·6”和“10·30”矿震的主要原因，工作面邻更大范围采空区开采，最大、最小主应力挤压张拉协同作用将可能诱发更大能级矿震。研究结论可为矿区及周边因矿震问题限制高效生产的矿井从源头调控降载减震提供理论支撑。

  2024年10期 v.52;No.322 1-13页 [查看摘要][在线阅读][下载 3089K]
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• 复合关键层厚硬顶板诱冲机制与防治技术模式

  郑凯歌;袁亮;张平松;王林涛;

  【目的】厚硬顶板是诱发煤矿冲击地压、矿震等灾害的关键因素，其中煤层顶板发育有复合关键层厚硬顶板条件下灾害更为严重，揭示复合关键层厚硬顶板诱冲机制，构建防治技术模式迫在眉睫。【方法】运用物理相似模拟和力学分析等方法，建立复合关键层硬顶板和其非协同破断判识方法，揭示复合关键层厚硬顶板诱冲机制，优选防冲技术模式。【结果和结论】结果表明：(1)复合关键层厚硬顶板呈现“大-小”周期来压规律，来压期间声发射频次和微震能量分别为非来压的5.3倍与7.3倍；上、下位关键层厚硬顶板同步破断扰动叠加，叠合“周期”和“见方”来压效应诱发大型冲击地压灾害。(2)建立了以中性轴线为基础的复合关键层判识模型，两层及以上关键层厚硬顶板形成复合关键层前提是梁模型横截面上剪切应力不超过对应的抗剪强度。(3)形成了“悬臂梁”和“砌体梁”两种模式下合理破断线距离定量判识方法，提出了复合关键层厚硬顶板上、下单层和双层协同3种水力压裂卸压技术模式。(4)分析显示下位关键层压裂主要改变了厚硬顶板关键层完整性和强度，缩短了来压步距，无法控制上位关键层“拱壳”结构大能量冲击地压；上位关键层压裂控制“大周期”破断扰动载荷，减弱了复合关键层耦合效应，大幅降低冲击地压危险性，是冲击地压主控层位，“上-下位”关键层协同压裂为最优卸压防冲模式。该研究成果将为复合厚硬顶板冲击地压地压、矿震灾害区域的精准防治提供重要依据。

  2024年10期 v.52;No.322 14-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 1838K]
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• 矿震诱发高应力巷道厚顶煤动力失稳机制

  周坤友;窦林名;曹安业;马衍坤;阚吉亮;李家卓;马小涛;

  【目的】厚煤层沿底掘进煤巷普遍存在厚顶煤，工作面矿震对巷道厚顶煤产生动载作用，易诱发厚顶煤动力失稳和冒顶-冲击复合灾害，亟需探究矿震动载作用下巷道厚顶煤动力失稳机制。【方法】以陕西彬长矿区深部厚顶煤巷道为工程背景，调研分析深部高应力巷道厚顶煤动力失稳特征，数值模拟研究不同静动载作用下巷道厚顶煤多场演化规律，提出矿震诱发高应力巷道厚顶煤动力失稳机制。【结果和结论】结果表明，巷道厚顶煤冒顶区域距回采工作面较远，冒顶后裸露平整顶板，顶板锚索拉断，冒顶区域附近均发生大能量矿震，呈现冒顶-冲击复合灾害现象。随静载增加，巷道围岩裂隙发育深度及变形不断增加；随动载作用时间和动载强度增大，顶煤震动速度、加速度及裂隙发育程度不断增大，顶煤离层量显著增加；顶板锚杆索均位于顶煤裂隙发育区，支护性能大幅降低。静动载作用下巷道厚顶煤累积损伤及离层量不断增大，大能量矿震动载使浅部破碎顶煤震动速度及加速度显著增大，作用在锚索上载荷超过其承载能力，锚索被拉断，浅部破碎煤体以较高速度冒落，诱发厚顶煤动力失稳和冒顶-冲击复合灾害。在此基础上，提出了采用重建厚顶煤主被动支护和加强卸压的深部巷道厚顶煤动力失稳灾害的防治方法。

  2024年10期 v.52;No.322 25-35页 [查看摘要][在线阅读][下载 2037K]
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• 煤矿开采激发应力波扰动下逆冲断层失稳机理

  张宁博;许乾海;欧阳振华;李一哲;史庆稳;秦洪岩;易海洋;

  【目的】煤矿开采中，人工爆破、顶板垮断等震源激发应力波易诱发断层失稳并导致冲击地压等灾害。【方法】以河南义马矿区F16逆冲断层为研究对象，通过开展断层动光弹实验、数值模拟实验和理论分析，对应力波在断裂结构中的传播规律和应力波作用下断层摩擦能演化特征进行了研究，探讨了震源位置及能量对逆冲断层滑移的扰动规律，阐释了应力波扰动下逆冲断层失稳机理和失稳类型。【结果和结论】研究结果表明：(1)应力波传播会被断层阻隔，并造成断层活化加剧、摩擦能迅速增大。(2)震源应力波能量增大可加强断层自锁效应，当能量超过一定阈值时断层才会解锁。(3)应力波自上至下分区扰动断层并造成断层滑移，其滑移模式受初始应力状态和应力波扰动强度影响。(4)初始高水平静载和强应力波扰动是断层失稳的必要条件。研究成果对断层型灾害防控技术发展具有重要的指导意义。

  2024年10期 v.52;No.322 36-46页 [查看摘要][在线阅读][下载 2386K]
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• 强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化研究进展

  张良;王来贵;REN Ting;李祥春;高科;李海涛;赵善坤;

  【目的和方法】巷道围岩时效变形破坏、蠕变型冲击地压等灾害是深井面临的重大威胁，加之深部采动与结构变化的影响，亟需研究强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化规律，系统回顾煤岩体力学性质的尺度效应、非连续结构与多物理场效应，以及煤岩体长时稳定性、蠕变演化规律与力学模型。【结果和结论】强调不同尺度(细观-宏观-工程尺度)、不同尺寸(REV范围内)煤岩变形破裂过程中非连续结构(包括裂隙和矿物)与物理力学性质存在密切的关联特征。指出煤岩体跨尺度非连续结构导致应力场非均匀分布，造成力学各向异性、尺度效应及尺寸效应，进而出现非协调宏观破裂现象。透明解析与推演煤岩变形破裂过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化规律，是认识煤岩灾变内禀机制的关键。明确指出现有蠕变实验与蠕变模型在煤岩表面变形及破裂方面具有优势，但无法预测煤岩内部变形与非连续结构；为此提出了全尺寸CT扫描重构、数字体图像相关(DVC)、跨尺度等效岩体-等效晶质建模(SRM-GBM)相结合的破解方法。对扰动煤岩体蠕变前沿问题进行了讨论，阐明了非连续结构与应力引起内部变形损伤诱发蠕变这一新观点，指出非连续结构和应力是煤岩非协调蠕变的主控因素，最后建立了强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化的精细化建模及透明解析新方法。研究成果为相关矿山灾害的发生机理、预警与防控提供理论基础。

  2024年10期 v.52;No.322 47-59页 [查看摘要][在线阅读][下载 1857K]
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• 深部矿井覆岩沉积环境–力学特性及冲击地压风险判识

  乔伟;程香港;窦林名;贺虎;孟祥胜;任洋洋;肖冲;蔡进;

  【目的】灾害风险判识和预测是控制和治理灾害的前提，工程地质环境是冲击地压等矿井动力灾害最基本的孕灾条件，其沉积成因机制研究对冲击地压风险预测具有重要意义。【方法】以陕西彬长矿区高家堡煤矿为研究对象，分析不同沉积微相下岩体工程地质特性，探究不同沉积环境岩石变形破坏特征及岩体能量释放规律。【结果和结论】结果表明：沉积环境的差异导致岩石岩性和微观结构的差异，岩石加载破坏中能量演化过程大致分为3个阶段，分别为：能量耗散波动阶段、能量耗散平稳阶段、能量耗散阶段。沉积微相的差异导致岩石在能量耗散阶段能量占比变化具有显著差异，河道沉积的细砂岩、中砂岩以及心滩沉积的粗砂岩岩石破坏时能量占比变化较高，在27%以上，而泛滥平原沉积的泥岩岩石破坏时能量占比变化较小，为14%。在此基础上，以沉积微相、煤层厚度、煤层埋藏深度、顶板岩层厚度特征参数、顶板坚硬岩层厚度及其与煤层的间距、岩体质量评估参数、地质构造容量维、侧压系数和弹性能等工程地质环境因素，采用机器学习算法，构建冲击地压风险非线性判识模型。采用BP神经网络、支持向量机(SVM)、决策树(DT)和袋装树(Bagging)等4种机器学习算法进行了对比，各机器学习算法准确率，宏F1分数以及ROC曲线下面积AUC值均在0.7以上，表明各模型准确度高且稳定性较好。其中，Bagging模型性能最优，表明采用工程地质环境因素能够准确、有效地进行冲击地压风险判识和预测，能够为相似地质条件和开采条件的矿井冲击地压危险性评价提供借鉴，为煤矿防冲卸压设计提供指导和依据。

  2024年10期 v.52;No.322 60-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 4209K]
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深部矿井冲击地压防控理论与关键技术 专题_判识与监测

• 多次采掘扰动煤体力学特性演化规律试验研究

  欧阳振华;刘洋;李春雷;史庆稳;李文帅;易海洋;秦洪岩;张宁博;

  【目的】矿井开采过程中，多次采掘扰动所引发的循环加卸载效应对煤体力学性能的改变是导致冲击地压灾害发生的原因之一。揭示煤体在此过程中的关键力学参数响应特征及损伤机制可为冲击失稳状态判别提供依据，对提升灾害预测能力具有重要意义。【方法】采用大尺寸类煤体试样，将准静态单轴循环加卸载和冲击动载相结合，精确捕捉试验过程中试样应力、应变以及声发射等响应信息，全面揭示多次采掘扰动作用下试样力学参数变化规律及损伤演化过程。【结果和结论】结果表明：(1)最高加载载荷是影响多次循环加卸载作用下损伤煤体力学性能的最关键因素，随着循环次数的增加，对于加载至屈服阶段的试样，其残余应变呈现先增大后减小再增大的变化趋势，耗散能密度及加载至最高载荷时所对应的声发射特征值逐渐增大，试样损伤程度不断增加；对于加载至弹性阶段的试样，其上述力学特征参数均呈现先减小后增大的变化趋势；而对于试验过程始终处于压密阶段的试样，3组数据均呈现不断减小的变化趋势。(2)在施加冲击动载作用后，3组试样均发生冲击破坏，前期准静态循环加卸载试验中所受载荷越小的试样，其损伤程度越小，发生冲击破坏所需的诱发动载强度越大，峰值破坏弹性模量越大。(3)从应变与能量2个角度对试样损伤度进行表征，通过对比分析，发现能量损伤度对此试验过程中试样损伤程度判别更为敏感。(4)对试样孔洞内部冲击破裂特征观察发现，试样在发生冲击破坏过程中共经历平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期以及冲击破坏期4个阶段。(5)可将循环加卸载后期残余应变增大起始值以及冲击破坏过程中稳定破坏前期阶段作为损伤煤体冲击失稳前兆预警信息。研究获得了受多次采掘扰动煤体力学特性的演化规律，可为工程中损伤煤体冲击失稳状态判别提供理论依据，对于及时发现损伤煤体的潜在失稳风险，从而优化支护方案，确保矿井安全开采具有重要意义。

  2024年10期 v.52;No.322 72-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 2848K]
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• 基于高斯混合模型的采煤工作面冲击危险性评价

  崔峰;李宜霏;贾冲;陆长亮;何仕凤;张随林;田梦琪;

  【目的】深入了解声发射或微震能量分布所蕴含的概率学信息，对于工作面回采过程中的冲击危险性评价具有重要意义。【方法】以陕西大佛寺煤矿4号煤层40111工作面作为工程背景，运用物理相似模拟实验、理论分析、现场监测等相关方法进行分析，研究了声发射监测数据在回采过程中的演化规律，阐明了声发射能量概率分布呈现波动性的物理意义，提出了基于高斯混合模型(Gaussian minture model,GMM)及置信区间的冲击危险性评价指标模型，并由现场微震数据进行验证。【结果和结论】结果表明：回采过程中上覆岩层周期性垮落并伴随声发射能量的集中释放。总能量的概率密度函数呈现多自由度的非对称分布，通过对比残差平方和等多项拟合效果指标，确定高斯混合模型为最佳拟合模型。基于EM(expectation maximization)算法的GMM聚类分析，将声发射事件总能量分布划分为两类：高频低能型和低频高能型，其中低频高能型与冲击事件的突发性和高能量破坏特征一致。依据概率-能量梯度变化特征，对工作面开采过程中冲击危险性进行了评估。研究成果为采煤工作面冲击危险性评价提供了概率学上的创新思路，具有在冲击地压监测预警及后续防治中的潜在应用价值。

  2024年10期 v.52;No.322 85-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 1872K]
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• 层面位置对煤岩组合体动态破坏特性影响规律研究

  郑建伟;张修峰;鞠文君;王存文;韩跃勇;李国营;陈洋;李海涛;郝晋伟;刘彪;

  【目的】层面位置对煤岩组合体动态破坏过程及力学特性具有重要影响作用，但影响规律尚不清晰。【方法】通过对含有3种层面位置的煤岩组合体(层面分别位于岩石部分上位、中位和下位)开展霍普金森冲击(split Hopkinson pressure bar,SHPB)实验，分析了冲击载荷条件下煤岩组合体动态应力-应变、破坏过程、能量结构、碎块特征的演变规律。【结果和结论】结果表明：(1)煤岩组合体动态应力-应变过程可以分为近似线性阶段、非线性的动态应力-应变阶段、弹性模量降低阶段、宏观破裂阶段、应力波卸载阶段5个阶段。(2)随着层面由上向下布置，岩石部分的破坏程度逐渐增强，破坏过程逐渐剧烈，破坏后的碎块的均匀程度降低，而煤体部分的破坏程度则逐步降低，破碎后的块度逐渐增加。(3)层面的存在会降低煤岩组合体动态抗压强度，与无层面煤岩组合体(平均强度为79.487 MPa)相比，当层面位于上方时，组合体动态抗压强度(平均强度为73.724 MPa)降低7.25%；当层面位于中位时，组合体动态抗压强度(平均强度为61.798 MPa)降低22.26%；当层面位于下位时，组合体的动态抗压强度(平均强度为64.991 MPa)降低18.24%。(4)随着层面位置由上向下布置，能量结构发生变化，反射能占比降低，吸收能占比增加，透射能占比减小。本研究可以为超长孔水力压裂技术或地面压裂技术在大范围处理坚硬顶板工程开展过程中压裂位置的选择提供一定指导。

  2024年10期 v.52;No.322 97-105页 [查看摘要][在线阅读][下载 1903K]
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• 覆岩承压含水层疏水应力场演化规律电荷监测研究

  王岗;于晓杰;王爱文;肖晓春;王永;丁鑫;王维斌;徐赠俊;杜璐璐;

  【目的】针对我国内蒙古、陕西、山东和甘肃等深部煤炭开采矿区面临水文地质条件复杂，导致顶板疏水量大，覆岩承压含水层疏水诱发的冲击地压灾害日益凸显的问题，开展了覆岩承压含水层疏水过程中煤层应力场演化规律研究。【方法】通过实验室分级加载条件下的煤体电荷感应试验与煤矿现场顶板疏水前后的电荷参数监测相结合的方法，系统研究了不同应力水平下煤体感应电荷的变化特征，以及顶板疏水过程中应力场的动态转移规律。【结果和结论】实验室研究表明，随着加载应力的逐级增大，煤样感应电荷量呈现非线性增长趋势，有效反映了煤体所受的应力水平。现场监测则揭示了顶板疏水过程中，富水区内电荷量均值和变异系数减小，而富水区外一定范围内电荷量先增后减，出现峰值点，表明应力从富水区边缘向外动态转移，并存在转移范围阈值；此外，基于富水区外各测点电荷量峰值的出现时间，得出了不同疏水量下的应力转移特征，即缓慢转移–快速转移–缓慢转移三个阶段。最后，通过大直径钻孔卸压试验，验证了该技术在降低顶板疏水条件下应力集中、防治冲击地压方面的有效性。研究成果可为顶板富水矿井冲击地压的预测与防治提供了理论依据和技术支持。

  2024年10期 v.52;No.322 106-118页 [查看摘要][在线阅读][下载 2782K]
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• 基于动态损伤速率的岩石损伤本构模型

  孟祥振;张慧梅;李玉根;袁超;陈世官;

  【目的】本构模型是描述岩体变形破坏特性、表征其力学行为最有效的方法，针对岩石受荷过程中损伤速率变化建立动态损伤演化方程及本构模型成为岩体力学重要内容。【方法】为进一步深入研究荷载作用下岩石变形破坏全过程，将受荷岩石抽象为损伤和未损伤2部分，且未损伤部分承担有效应力，损伤部分承担残余应力，基于动态损伤速率的演化特征，建立动态损伤演化方程及本构模型，通过红砂岩常规三轴压缩试验结果验证模型的合理性。【结果和结论】结果表明：模型理论曲线可较好地反映岩石受荷损伤破坏的力学行为，其动态损伤演化依次经过损伤不变、损伤加快扩展、损伤缓慢增加和完全损伤4个阶段，分别对应理论曲线的压密-弹性变形、塑性变形、峰后软化和残余变形阶段；随着围压的增加，岩石动态损伤累积速率减缓，说明围压可抑制损伤扩展，表现为岩石抗压强度的增加和塑性特性的渐次增强；最大损伤速率较为接近峰值点，并在其右侧应力下降阶段，且对应的损伤变量在不同围压下基本一致；模型参数f增加，岩石强度及塑性变形增加；模型参数m减小，岩石强度增加，但对岩石损伤变形影响较小。通过建立的演化方程及本构模型，探讨了最大损伤速率点的特征及模型参数对岩石强度和损伤变形的影响，对岩石力学的发展有重要的参考价值。

  2024年10期 v.52;No.322 119-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 2114K]
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• 大倾角煤层覆岩应力非对称传递时空演化特征

  朱开鹏;李志林;罗生虎;解盘石;樊娟;王同;田程阳;闫壮壮;

  【目的】大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制，而发现并揭示覆岩应力传递路径的时空演化特征是围岩稳定性控制的基础。【方法】以新疆某矿25221工作面为例，采用现场实测、物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究方法，在综合厘定工作面矿压显现特征、覆岩变形破坏规律基础之上，构建以切应力与正应力为主的应力特征量，研究覆岩应力传递路径时空演化特征。【结果和结论】结果显示：工作面回采过程中，顶板倾向围岩结构呈中上部垮落高度较大、下部垮落高度较小的非对称分布特征，顶板走向围岩结构则随工作面推进呈周期性演化规律。受此影响，顶板采动应力随工作面推进呈现倾向非对称、走向对称的传递演化特征。在工作面倾向与走向剖面内，顶板应力特征量以切应力分界线为界沿采空区四周煤体传递，其传递路径呈现出“m”形分布特征。随着工作面推进距离的增加，应力传递路径由“m”形向中部相连的双“n”形转变，采空区两侧煤体支承压力峰值呈现增大→稳定的演化趋势。在平行煤层剖面内，顶板应力分界线为“w”形分布特征，应力分界线至采空区中心处，顶板应力呈单向传递特征，分界线至煤壁处，顶板应力呈双向传递特征。且随着顶板层位的增加，应力分界线演化至“v”形，研究结果揭示了大倾角煤层顶板应力非对称传递时空演化特征，对丰富大倾角煤层岩层控制理论具有重要意义。

  2024年10期 v.52;No.322 129-140页 [查看摘要][在线阅读][下载 2349K]
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深部矿井冲击地压防控理论与关键技术 专题_防控技术

• 大巷煤柱工作面过空巷矿压规律及控制技术

  李振华;任梓源;杜锋;任浩;王文强;

  【目的】由于矿井工作面布置方式的调整，煤柱工作面经常会面临通过废弃巷道时覆岩顶板难以控制的情况。【方法】为解决这一问题，以河南赵固二矿二盘区外侧煤柱工作面过空巷为工程背景，采用理论分析、数值模拟和现场试验等方法，研究工作面与空巷覆岩破断组合结构，模拟不同支护强度下顶板应力-位移全周期演化规律，分析工作面矿压显现特征，提出相应的控制技术。【结果和结论】结果表明，基本顶不同破断形式对矿压显现特征影响显著，关键块断裂位置可分为煤柱上方、空巷上方和实体煤上方3种类型。通过建立工作面过空巷力学模型，研究基本顶超前破断力学机理，基本顶受到空巷-煤柱-工作面支护系统支撑作用，形成“砌体梁”稳定承载结构，判定基本顶滑落失稳时空巷支护强度的临界值为4.6 MPa。数值模拟显示，工作面超前支承压力与空巷应力集中产生的叠加效应对煤柱影响显著，当工作面推进至距空巷5 m时，煤柱失稳破坏，基本顶易发生超前破断。在工作面过空巷过程中，煤柱超前支承压力分布特征由“双峰型”转变为“孤峰型”。不同支护强度下的顶板应力分布特征存在明显差异，确定空巷支护强度为4.5 MPa能够防止基本顶超前破断。最后，在研究区二盘区外侧煤柱工作面采用“锚网索”支护方式对空巷顶板进行补强支护，过空巷期间液压支架工作阻力在研究区域处于安全范围内，未发生顶板垮落和压架等事故，解决了二盘区外侧煤柱工作面过空巷技术难题，可为类似工作面提供参考依据。

  2024年10期 v.52;No.322 141-152页 [查看摘要][在线阅读][下载 2206K]
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• 新街矿区厚硬顶板条件邻空巷道冲击地压机理与控制

  刘文超;赵毅鑫;郭继鸿;

  【目的和方法】针对厚硬顶板条件下深部矿井回采巷道冲击地压严重威胁工作面安全生产的问题，以内蒙古新街矿区典型深采矿井3~(-1)103工作面辅运巷为工程研究背景，分析邻空巷道冲击地压频发区域外在主控因素和内在驱动力源；构建基于软化地基与弹性地基假定“岩梁-地基”系统力学特性的顶板断裂前受载力学模型，解析采场覆岩结构演化过程厚硬顶板岩梁能量演化规律及其主控因素；运用FLAC~(3D)模拟并探查邻空巷道冲击失稳高风险区域位置与特征；研究采场覆岩结构优化与围岩应力能量控制方案，制定厚硬顶板破断诱发邻空巷道冲击地压控制方法。【结果和结论】结果表明：(1)邻空巷道冲击地压频发区域易发生以高静载或高静载叠加动载为主导灾变力源的失稳破坏，影响因素主要为顶板厚硬岩层、邻近采空区、区段煤柱。(2)顶板储能总量与覆岩载荷、软化地基系数、顶板岩梁弹性模量及惯性矩、采空区顶板极限跨距、工作面支架参数等有关。其中，覆岩载荷、软化地基系数和采空区顶板极限跨距与岩梁应变能密度呈正相关，顶板岩梁弹性模量及惯性矩、工作面支护参数与岩梁应变能密度呈负相关。(3)回采期间3-1103工作面超前支承压力区及其影响区域内区段煤柱和回采巷道煤体呈现多因素叠加影响，发生应力集中和能量积聚，是冲击失稳高风险区域；该区域较3-1101综采面其围岩应力与能量集中度进一步加剧增大。其中，工作面前方应力和应变能密度峰值增幅最大分别为6.61%、12.04%，区段煤柱应力和应变能密度峰值增幅最大分别为29.06%、65.14%。(4)提出了“卸压爆破预处理高静载区域+深孔爆破或水力致裂预裂厚硬顶板+强化巷道吸能防冲支护”的解决方案，现场应用效果明显。

  2024年10期 v.52;No.322 153-165页 [查看摘要][在线阅读][下载 2775K]
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• 弱动力扰动作用下岩石微裂隙演化特征及灾害防控

  姜明伟;梁运涛;冯文彬;李海涛;周睿;郭宝龙;刘洋;马举;

  【目的】高应力叠加弱动力扰动是诱发冲击地压的关键因素，但不同扰动幅值、频率、卸载范围下的岩石微裂纹扩展特征和能量耗散规律尚不明确，无法为冲击地压防治提供技术支撑。【方法】基于真三轴卸载动力扰动试验，分析了不同扰动幅值(5、10 MPa)、频率(4、10 Hz)、三向应力卸载(0、12 MPa)下深部围岩失稳破坏规律，并结合SEM扫描分析了岩石微裂隙特征。通过锚杆拉拔试验，优化了锚杆肋间距和肋高，提高了其吸能支护作用，提出了“吸能锚杆-低阻抗混凝土注浆-喷浆-挂网”组合支护技术。利用传感器对巷道进行长期监测，得到治理前后压力与振动数据。【结果和结论】研究表明：(1)随着扰动幅值和频率的增加，裂纹增加显著且不规则，岩石断口的方向分形维数降低。当扰动为10 MPa、10 Hz时，分形维数降至最低值0.62，孔隙方向角80°～120°孔隙定向频率达到最大值的52%，约为原始岩石的1.68倍。说明岩石受扰动后颗粒的应力不均匀，导致应力集中，断裂方向明显。(2)随着扰动幅值和频率的增加，SEM图像的微孔隙面积先快速增加，后缓慢增加且增加趋势越来越小。扰动频率每增加2 Hz，岩石微裂隙面积增加约24.13%。(3)现场测试表明随着锚杆肋间距和肋高增加，拉拔曲线形态由“弹塑性阶段-破坏失效阶段-残余阶段”逐渐过渡为“弹塑性阶段-微量屈服阶段-大量强化阶段-破坏失效阶段-残余阶段”，肋间距48 mm、肋高2 mm的螺纹钢锚杆吸能效果最好。经现场监测可将巷道压力稳定在36 N左右，峰值加速度控制在8 000 mm/s~2以内。研究揭示了卸载动力扰动作用下围岩破坏及能量释放规律，提出的“吸能锚杆-低阻抗混凝土注浆-喷浆-挂网”支护技术，可为类似深部工程提供理论指导。

  2024年10期 v.52;No.322 166-176页 [查看摘要][在线阅读][下载 2457K]
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钻掘工程

• 无镉钎料对PDC切削齿力学性能和微观形貌的影响

  张素慧;姚宁平;刘庆修;刘欢;王德川;

  【目的】PDC钻头不仅是地质保障装备的重要组成部分，更是推动煤炭行业技术进步和效率提升的关键工具。针对目前PDC钻头采用含镉银钎料进行钎焊，而镉是污染性毒性元素，提出采用无镉环保钎料钎焊PDC钻头的新思路。【方法】从钎料与母材的润湿机制出发，采用高银含Sn、含Mn、Ni和只含Ni的Ag-Cu-Zn系钎料对PDC切削齿和钢进行火焰钎焊。分析了不同钎料的剪切强度和PDC切削齿的焊后性能。对熔化温度最高的钎料焊前和焊后PDC切削齿进行微观形貌、元素含量和拉曼光谱分析，探究钎焊温度是否会对PDC切削齿造成热损伤。在此基础上，分析了钎缝界面组织形貌、元素扩散情况、焊后断面特征和物相组成，阐述了无镉Ag-Cu-Zn系钎料钎缝形成机理。同时测量并计算了钎料与两侧界面的润湿角和化学亲和力参数，综合评价钎缝性能。【结果和结论】研究表明：(1) 4种无镉Ag-Cu-Zn系钎料均能满足PDC切削齿钎焊强度要求，其中含Mn、Ni的Ag-Cu-Zn系钎料可获得322.989 MPa的强度值。(2)含Sn的Ag-Cu-Zn钎料钎缝形成机理是界面处元素的微扩散；而含Mn、Ni或只含Ni的Ag-Cu-Zn钎料钎缝形成机理是在界面处形成扩散层，增加了界面处的键合力。(3)含3%Sn、含Mn、Ni和只含Ni的Ag-Cu-Zn系钎料为延性断口；含5%Sn的Ag-Cu-Zn系钎料为脆-韧混合断口。(4) Mn能降低两侧界面处富Cu相与母材的张力，而Ni只能降低钢界面处富Cu相的张力。因此，含Mn、Ni的无镉Ag-Cu-Zn系钎料强度最高。研究结果为环保型无镉钎料在PDC钻头钎焊方面的工程应用提供了理论和试验支撑，有力推动了PDC钻头的钎焊技术向更加环保、新型的方向转型升级。

  2024年10期 v.52;No.322 177-185页 [查看摘要][在线阅读][下载 2209K]
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• 煤矿巷道空间毫米波雷达测量特性与重建方法

  薛旭升;杨星云;岳佳宁;王川伟;毛清华;马宏伟;王荣泉;

  【目的】煤矿井下空间测量是煤矿透明地质建模的重要组成，然而煤矿巷道环境复杂、信息获取不全、感知数据精度不足等难题亟待解决。【方法】首先，深入研究粉尘、水雾、围岩结构等复杂环境因素下毫米波雷达信号特性，建立煤矿巷道围岩毫米波信号衰减模型，对比分析复杂环境因素毫米波雷达的影响机理。其次，针对煤矿复杂环境下毫米波雷达的巷道数字建模问题，提出巷道空间毫米波雷达点云泊松表面重建方法。通过实验测试与模拟巷道环境验证，在揭示煤矿复杂环境条件下的毫米波雷达感知机理基础上，实现了煤矿巷道空间测量与数字建模重构。【结果和结论】结果表明：(1)毫米波雷达能够适应煤矿井下多粉尘、多水雾、围岩粗糙的巷道环境，为煤矿巷道空间重建提供有效数据。(2)泊松表面重建方法能够充分展示真实巷道围岩信息，重建巷道整体宽度的平均绝对误差百分比为0.59%，巷道整体高度的平均绝对误差百分比为0.78%。煤矿复杂环境下毫米波雷达空间测量特性与重建方法的研究，为煤矿井下透明地质建模提供巷道空间测量数据，对推动煤矿智能开采具有重要意义。

  2024年10期 v.52;No.322 186-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 1584K]
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• 深部地质钻进过程地层特征参数建模与安全预警研究进展

  杨豫龙;曹卫华;甘超;黎育朋;吴敏;

  【意义】新一轮找矿突破战略行动持续开展，资源勘探向地球深部进军。深部地层的岩石种类多样，岩石力学参数复杂难测，存在高温、高压、高地应力的复杂环境，易发生钻具失效、井壁坍塌、井漏、井涌等井下事故，给地质钻探带来了挑战。【进展】针对复杂地质环境的感知与建模问题，从地层可钻性、地层压力建模两方面梳理地层特征参数建模的研究现状，依据可钻性和压力两个关键地层特征参数，为地质钻进过程的工艺调整和效率优化提供指导；围绕地质钻进过程安全、高效的需求，从井壁稳定评估、井下故障监测两方面讨论地质钻进过程安全预警的研究进展，通过钻进过程的安全预警技术，帮助司钻人员及时发现并辨别已发生的井下事故，提前辨别并消除潜在的安全隐患。【展望】面对深部地层更加复杂、严苛的地质条件，地层特征参数模型将在地质钻探各个环节发挥更加重要的作用，钻进过程安全预警将成为新一代智能化地质钻进装备的核心技术。在未来，需要构建以地质勘探数据中台为核心的智能地质勘探系统，发挥数据在地质勘探和矿产开发全流程中的关键作用，推动人工智能技术在地质钻进过程优化、地层环境感知与找矿预测领域的落地应用，为地质钻探的安全和高效开展提供保障。

  2024年10期 v.52;No.322 195-206页 [查看摘要][在线阅读][下载 1504K]
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• 《煤田地质与勘探》征稿简则

  <正>《煤田地质与勘探》于1973年创刊,月刊(2022年1月起变更),中煤科工西安研究院(集团)有限公司主办,是煤炭地质行业学术与实用技术并重的综合性期刊。主要刊载煤炭地质,矿井地质,煤系气,煤伴生矿产,水文地质,工程地质,环境地质,煤田物探,矿井物探,钻掘工程等方面,具有较高学术、技术水平和实用价值的基础理论、先进技术与方法、先进经验等科研或工程实践成果。本刊发表的文章在国内外具有较广泛的影响,欢迎煤炭地质及相关领域的广大科技工作者踊跃投稿。

  2024年10期 v.52;No.322 207页 [查看摘要][在线阅读][下载 355K]
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