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期刊信息/Journal information
煤田地质与勘探
中煤科工集团西安研究院
煤田地质与勘探

中煤科工集团西安研究院

王丽

双月刊

1001-1986

ccrimtdzykt@vip.163.com

029-81778075 81778078

710077

陕西省西安市高新区锦业一路82号

煤田地质与勘探/Journal Coal Geology & ExplorationCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>本刊是中文核心期刊，被美国EI PAGE ONE数据库、美国能源研究院《煤文摘》（COAL ABSTRACT）和国际能源机械《煤文摘》（COAL HIGHLIGHTS）等12种数据库和文摘期刊收录。主要刊载煤田地质、矿井地质、煤层气、水文地质工程地质、环境地质、煤田物探、矿井物探、探矿工程等方面的新发现、学术论文、先进经验和技术革新成果。
正式出版
收录年代

    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...
    1-13页
    查看更多>>摘要：[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.

    巨厚覆岩矿震孕育破裂机制应力反演触发机制

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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...
    14-24页
    查看更多>>摘要：[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.

    厚硬岩层冲击地压复合关键层协同作用分段水力压裂

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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...
    25-35页
    查看更多>>摘要：[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.

    深部开采巷道厚顶煤矿震多场演化支护结构动力失稳

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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...
    36-46页
    查看更多>>摘要：[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.

    应力波逆冲断层动光弹实验力学模型冲击地压煤矿开采

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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...
    47-59页
    查看更多>>摘要：[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.

    强扰煤岩体蠕变本质跨尺度非连续结构内部应变场损伤演化透明解析CT扫描与数字重构精细化建模

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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...
    60-71页
    查看更多>>摘要：[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(Bag-ging)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.

    沉积环境能量演化冲击地压机器学习风险判识

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    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...
    72-84页
    查看更多>>摘要：[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.

    煤矿安全采掘扰动冲击动载声发射力学特性损伤机制损伤度预警信息

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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...
    85-96页
    查看更多>>摘要：[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.

    高斯混合模型概率密度分布法聚类分析冲击危险性评价动力灾害预警

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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...
    97-105页
    查看更多>>摘要：[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.

    层面位置煤岩组合体动态抗压强度SHPB能量结构水力压裂

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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...
    106-118页
    查看更多>>摘要：[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.

    承压含水层疏水应力转移冲击地压电荷监测钻孔卸压

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