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煤炭科学技术
煤炭科学技术

王金华

月刊

0253-2336

cst410@china.com

010-84262920 84262926

100013

北京和平里青年沟路5号

煤炭科学技术/Journal Coal Science and TechnologyCSCD北大核心CSTPCD
查看更多>>该刊为实用性的技术类刊物。辟有技术经验、实验研究、问题探讨、专家论坛、新产品、科技信息等栏目。是全国优秀期刊之一，第二届全国科技期刊评比获二等奖。读者对象为有关专业的科研生产设计教学管理等单位的工作者。
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    近距离煤层下行采动应力场分布规律与巷道合理位置研究

    刘洪涛韩洲韩子俊郭晓菲...
    1-10页
    查看更多>>摘要：上层位近距离煤层开采后,形成的残留煤柱和采空区将会影响下层位的巷道布置.以新柳矿231101工作面为工程背景,采用理论分析和数值模拟的综合研究手段,研究和分析了上煤层开采后采动应力场的应力演化规律,对下层煤巷道非对称变形破坏机理进行深入探究,从而得出下层煤巷道合理布置位置.研究结果表明:①上覆煤层开采改变巷道所处位置的主应力大小、主应力比值以及应力偏转角、应力矢量的变化是导致巷道呈非对称破坏的主要原因.②巷道在距离煤柱中心 11m处,巷道围岩最大主应力达到 14.43 MPa,主应力比值为 2.74,应力偏转角为 52.33°,此时巷道处于较差的应力环境中,致使围岩产生蝶形破坏且蝶叶旋转至巷道顶板右侧,巷道顶板右侧易发生冒顶事故.③为使巷道处于相对稳定区域,依据 3个主要影响因素将工作区域划分为 4个分区,在考虑煤矿经济与安全因素后建议最佳布置区域为H-IV,主应力偏转角在 0°～38°或 45°～90°的范围内,通过综合分析对该巷道布置及支护提供合理建议,为类似工程条件提供了借鉴和参考.

    近距离煤层回采巷道布置蝶形破坏理论数值模拟塑性区

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    倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究

    史卫平李照迎柳昌涛吕艳伟...
    11-24页
    查看更多>>摘要：为解决回采巷道倾斜厚硬顶板应力集中问题,降低顶板覆岩突然垮落的冲击扰动风险及提高倾斜厚硬顶板切顶留巷围岩控制效果,以长城六矿 1301N运输巷切顶留巷为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟及现场监测的研究方法开展倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究.首先,基于岩石碎胀系数、砌体梁理论及现场地质资料,推导计算了 1301N运输巷切顶高度和切顶角度的理论最小值.其次,为进一步验证并优化理论推导结果,利用PFC2D数值软件建立了 1301N工作面切顶留巷模型,采用控制变量法分析了不同切顶高度和切顶角度下留巷顶板应力、位移及组构张量响应特征.分析结果表明:切顶高度与卸压效果之间存在底数大于 1的对数增长关系,即随着切顶高度增加,卸压效果逐渐增强但其增长幅度逐渐减小;切顶角度与卸压效果之间存在"S"型增长关系,即随着切顶高度增加,卸压效果先增强后减弱.卸压参数与卸压效果之间的变化规律揭示了切顶高度选择存在最适值,切顶角度选择存在最优解.综合理论分析、经济收益及数值模拟结果,确定长城六矿 1301N运输巷倾斜厚硬顶板切顶留巷过程中最适切顶高度为 13 m,最优切顶角度为 10°.现场监测获得该切顶参数下围岩控制效果较好,留巷围岩变形量较小,可有效满足下一工作面开采需求,验证了优化切顶参数的有效性,为类似地质条件切顶留巷参数的选取提供理论依据和实践参考.

    沿空留巷切顶卸压倾斜煤层厚硬顶板切顶高度切顶角度

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    裂隙发育过程对采动裂隙椭抛带压实区的影响研究

    刘奇笪雨欣曹广勇李青海...
    25-35页
    查看更多>>摘要：采空区瓦斯抽采的关键是了解工作面上覆岩层裂隙的演化过程.为了研究综采工作面覆岩采动压实区演化规律,高效进行煤矿采空区瓦斯抽采工作,以神东某矿区 2207工作面为原型,通过物理相似模拟实验,利用自主研发的覆岩裂隙监测系统将图像进行直方图均衡化增强和中值滤波去噪处理,获得二值化裂隙图像后利用分形理论定量描述裂隙率,对典型周期来压覆岩垮落裂隙率进行统计分析,建立了裂隙发育程度受工作面推进时间的时空函数和采动裂隙椭抛带压实区演变修正模型.结果表明:覆岩平均裂隙率变化符合DoseResp函数关系,裂隙的发育过程包括产生、扩展蔓延、压实闭合 3个阶段,裂隙在产生、闭合这 2个阶段发育速率较平缓,而在扩展阶段发育速率陡增.采空区上覆岩层裂隙场形成旧裂隙区、压实区和新裂隙区 3个区域,裂隙发育周期的不同导致旧裂隙区与新裂隙区在发育状态、压实程度和空间形态上有着明显差异,这些差异导致了采空区覆岩非对称性下沉现象的发生.通过分析覆岩应力恢复与覆岩内部裂隙演变关系,进一步验证了采用DoseResp时间函数曲线可以很好的表现采空区上覆岩层裂隙异速演变特征.最后建立了考虑覆岩裂隙异速演变效应的采动裂隙椭抛带压实区修正模型,并结合现场工程实践,有效提高瓦斯抽取高位钻孔布置的准确性,为工作面的安全开采提供理论指导.

    瓦斯抽采裂隙发育过程覆岩压实区物理相似模拟

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    水泥-粉煤灰基矸石胶结充填体破坏特征及强度形成机制

    李晓磊杜献杰冯国瑞巨峰...
    36-45页
    查看更多>>摘要：在煤矿结构充填开采中,不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同,拟通过改变粉煤灰在水泥-粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称"粉煤灰占比")调控矸石胶结充填体强度,对不同粉煤灰占比(0～90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,探明矸石胶结充填体的强度调控范围,结合数字图像相关技术对试样破坏形态进行分析,结合声发射事件对试样脆延性破坏模式进行分析.采用承压筒法和单轴压缩试验分别测定了煤矸石的强度和不同粉煤灰占比水泥-粉煤灰二元胶凝材料的强度,并根据煤矸石的强度与水泥-粉煤灰二元胶凝材料的强度关系揭示矸石胶结充填体的强度形成机制.研究结果表明:矸石胶结充填体强度随着粉煤灰占比的增加而减少,实现了较大的矸石胶结充填体强度调控范围:1.77～30.04 MPa.不同强度范围的矸石胶结充填体试样对应的破坏形态和脆延性破坏模式也不同,材料性质发生了质的变化.随着粉煤灰占比的增加,在破坏形态方面,矸石胶结充填体试样由剪切破坏(0～50%粉煤灰占比)向拉剪复合破坏(60%～80%粉煤灰占比)再向拉伸破坏(90%粉煤灰占比)转变,对应的强度范围分别为 20.8～30.04 MPa,5.63～12.35 MPa和1.77 MPa;在脆延性破坏模式方面,试样由脆-延性破坏(0～40%粉煤灰占比)转变为延性破坏(50%～90%粉煤灰占比),对应的强度范围分别为 24.64～30.04 MPa和 1.77～20.8 MPa.矸石胶结充填体的强度由水泥-粉煤灰二元胶凝材料的强度(1.43～55.5 MPa)和煤矸石的强度(平均强度为4.43 MPa)共同决定.水泥-粉煤灰二元胶凝材料对矸石胶结充填体的强度贡献较大,煤矸石使矸石胶结充填体的强度受限.所得试验结果为结构充填中充填材料的强度选择提供参考.

    粉煤灰占比矸石胶结充填体单轴压缩试验承载特征强度调控强度形成机制

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    泥石浆型复杂破碎岩体非线性渗流数学模型与实验研究

    刘伟韬赵吉园霍志超杨春辉...
    46-59页
    查看更多>>摘要：断层、陷落柱是影响承压水上煤层开采的主要隐患之一,由于其具有碎石块和泥质充填物(泥石浆)构成的复杂结构,其渗透性的确定通常以定性分析为主,缺少量化模型.为了研究泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的量化计算方法,开展了渗流实验研究破碎岩体非线性渗流规律,并基于多孔介质分形理论、非线性渗流理论,建立了考虑黏土成分及泥化充填作用的破碎岩体非线性渗流数学模型,最后与实验结果对比验证数学模型的准确性.结果表明:①陷落柱破碎带样品的粒度分布具有一定的分形规律,含有黏土颗粒的破碎带岩体遇水泥化后,分形维数增大,黏土充填封堵了大颗粒岩石碎块内部的大孔隙,降低了破碎岩体的渗透性;②随着破碎带岩体渗透率的降低,非线性开始发生时的临界压力梯度也增大,表明非线性临界压力梯度可以用来量化破碎岩体的阻隔水能力;③非线性开始发生时的临界压力梯度的实验结果与数学模型计算结果吻合,验证了模型的准确性.建立的破碎岩体非线性渗流数学模型首次尝试考虑了黏土成分及泥化充填作用对渗透性的影响,为泥石浆型复杂破碎岩体渗透性的定量计算及水体下、承压水上等特殊开采条件下地质构造的阻隔水性能研究提供了一种新的研究思路.

    破碎岩体特殊开采非线性渗流多孔介质渗流实验

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    基于PFC3D的花岗岩剪切破裂细观裂隙与能量演化规律探究

    郭纪哲冯增朝李学成
    60-70页
    查看更多>>摘要：为了探究法向应力对岩石剪切过程中细观损伤演化的影响,开展了不同法向应力作用下的花岗岩直剪试验与PFC3D数值模拟试验,结合声发射信号监测及声发射信息特征值RA(上升时间与振幅的比值)与AF(声发射振铃计数与持续时间的比值)的分析,对花岗岩在不同法向应力作用下剪切变形过程中细观微裂纹及能量演化特征进行了研究,研究结果表明:基于平行黏结接触模型建立的PFC3D模型,不仅在宏观力学参数与破坏模式上与岩石物理试验相近,而且在岩石细观裂纹与能量演化规律上也与岩石物理试验基本一致;花岗岩剪切破坏过程中主要产生张拉裂纹,峰值应力点前产生的微裂纹只占裂纹总数的 10%～30%,且法向应力越大,峰值应力点前岩石内部产生的微裂纹数量越少;花岗岩剪切变形过程中,声发射信号可以分为平静期、稳定期和加速期,法向应力越大,平静期越明显,即法向应力对岩石内部微裂纹的生成起抑制作用;随着法向应力的增大,花岗岩剪切破坏过程中,声发射累计振铃计数与岩石内部微裂纹总数均逐渐增大;随着法向应力的增大,花岗岩剪切破坏过程中产生的剪切裂纹数量及其占微裂纹总数的比例均逐渐增加;花岗岩剪切变形过程中外力做功转化为弹性能与耗散能,随着法向应力增大,岩石剪切破坏所需总能量逐渐增大,弹性能与耗散能近似线性增大,且其中耗散能所占的比例逐渐增大.

    岩石力学细观裂隙花岗岩直剪试验PFC3D模拟

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    煤张开型裂隙三维宏细观演化特征及扰动因素探究

    王磊刘化强陈礼鹏刘怀谦...
    71-83页
    查看更多>>摘要：裂隙演化方式受控于诸如矿物特征及围压条件等内外环境,为探究含裂隙煤体裂隙宏细观演化特征及影响因素的围压效应,基于工业CT扫描系统及其搭载的三轴加载系统对含裂隙煤体开展三轴静载试验,以多角度联合表征,对原生裂隙、矿物及围压的内外条件相互作用机制做出合理解释.结果表明:①围压会改变煤体初始损伤显著区位置,使其随围压升高由裂隙尖端过渡至煤体上、下端,且微孔隙和大尺寸裂隙之间比微孔隙和微孔隙之间更易相互贯通,并产生新的宏观裂纹.②围压升高使得三维动态分形维数由缓慢增加、快速增加和平稳增加转变为平稳增加、快速增加和缓慢增加的发展阶段,可表征裂隙的时间演化规律.③含裂隙煤体在单轴或低围压下呈纵向拉伸破坏,高围压会使其破坏方式趋于剪切,并通过 2种途径提升煤体强度.④起裂角理论值偏离试验值程度随围压增加而增加,与煤体由矿物分布引起的离散度数值关系一致.⑤根据裂隙的受力成分及矿物分布特征将裂隙扩展行为分为直驱、绕核和错核 3种类型,该扩展行为受围压对裂隙的作用力成分影响,由相对纯粹拉应力、拉伸-剪切复合应力和相对纯粹剪应力作用的裂纹分别对应以上 3种扩展行为,即对裂隙的扩展影响形式表现为以围压为主,矿物赋存形态为辅.

    张开型裂隙CT实时扫描孔隙分布分形维数矿物分布特征

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    冻融受荷砂岩力学性能劣化与统计损伤模型研究

    张二锋刘慧康跃明杨金虎...
    84-91页
    查看更多>>摘要：在西部地区矿产资源开发和工程建设中,砂岩作为主要的工程地质含水层之一,冻融环境影响砂岩的力学及变形特性.为研究受冻融环境影响下受荷岩力学性能的劣化和损伤特性,以陕西地区红色细砂岩为研究对象,开展 0、5、10、20和 30次冻融循环试验和单轴压缩试验,获得冻融后砂岩的单轴压缩全过程应力-应变曲线和力学特征参数,对冻融岩石进行力学特征参数分析,建立冻融环境下岩石力学性能的劣化模型;基于冻融环境对岩石损伤的影响,考虑岩石在变形阶段中压密阶段的特点,建立考虑压密阶段修正统计损伤本构模型.结果表明:随着冻融循环次数的增加,岩石压密阶段的占比越来越大,峰值应也变逐渐增大,冻融循环前 30次岩石发生脆性破坏,冻融循环30次后岩石脆性明显减弱,应变软化阶段明显;冻融循环前 10次,力学特征参数损失率增长较快,之后明显减缓;冻融循环 30次之后,峰值强度损失率为 47.27%,弹性模量损失率为 60.35%;其中力学特征参数损失率与冻融循环次数成一次线性增长,在建立的力学性能劣化模型中,冻融后岩石力学性能占比成指数递减,利用冻融环境下岩石的孔隙特征,可准确预测岩石在冻融环境作用下的峰值强度和弹性模量;考虑压密阶段的修正统计损伤本构模型与试验曲线拟合度更高,修正理论模型可对冻融受荷岩石力学性能劣化和损伤预测提供借鉴.

    冻融受荷岩石力学统计损伤本构模型

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    天然裂缝对水力压裂煤的起裂及扩展试验研究

    蒋长宝杨毅毫刘辉辉郭建泉...
    92-101页
    查看更多>>摘要：水力压裂是提高低渗透高瓦斯煤层抽采效率和瓦斯产量的有效方法之一.由于煤层中存在丰富的天然裂缝,天然裂缝与水力裂缝相互作用会使水力裂缝的起裂和扩展形式呈现出复杂多样性,从而影响煤层的增透效果.为研究水力压裂煤在天然裂缝作用下的起裂和扩展规律,利用自主研发的多功能真三轴流固耦合试验系统开展了煤的水力压裂试验.基于"孔壁应力集中诱发拉伸破裂"理论研究了水力压裂煤的裂缝起裂规律,并结合断裂力学从细观角度揭示了水力压裂煤的裂缝扩展机制.研究结果表明:天然裂缝的存在会诱导水力裂缝沿着天然裂缝方向扩展,极大降低了煤岩的起裂压力.不含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力与根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力结果相近,符合"孔壁应力集中诱发拉伸破裂"准则;含明显天然裂缝煤岩压裂所需的起裂压力均小于根据拉伸破坏起裂准则计算的理论起裂压力,且当天然裂缝方向垂直于最小主应力方向时,所需的起裂压力较小,为 3.355 MPa;当天然裂缝平行于最小主应力时,所需的起裂压力仅大于最小主应力,为 7.902 MPa.水力裂缝类型为I型时,不含明显天然裂缝煤岩的实测最小和最大扩展压力值均大于理论计算最小和最大扩展压力值,差值范围分别为 2.043～6.845 MPa和 3.951～8.576 MPa;当煤岩含明显天然裂缝且天然裂缝方向平行于X方向时,水平应力差的存在将引起煤岩的实测扩展压力值小于理论计算的扩展压力值.水力裂缝类型为Ⅱ型或Ⅰ-Ⅱ型时,随着水力裂缝长度的增加,裂缝扩展所需压力逐渐减小.

    天然裂缝地应力水力压裂裂缝扩展纳米压痕

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    基于关键层理论的切顶留巷下覆岩裂隙分布特征研究

    双海清辛越强李树刚林海飞...
    102-113页
    查看更多>>摘要：针对切顶留巷工艺使得切顶侧采空区覆岩裂隙分布改变的问题,采用物理相似模拟与数值模拟相结合的手段分析了切顶留巷工艺下采空区应力分布、覆岩运移和采动裂隙分布规律.在此基础上,基于关键层理论与采动覆岩卸荷膨胀累积效应,探讨了切顶与未切顶侧覆岩裂隙发育高度和离层裂隙区宽度的变化,分析了不同层位定向卸压瓦斯抽采钻孔抽采效果,验证和反演了切顶留巷工艺下覆岩裂隙分布规律.研究结果表明:切顶留巷工艺能有效降低切顶侧顶底板的应力集中,但应力仍会向煤岩深部传递;切顶使得垮落岩层厚度与顶板破断形式发生改变,导致裂隙带发育高度、亚关键层控制范围内离层裂隙区宽度产生变化;切顶侧端头垮落带高度为未切顶侧的 2倍,裂隙带高度为未切顶侧的 0.87倍,在裂隙带中下部,切顶侧的离层量和穿层裂隙数量均大于未切顶侧;切顶侧在煤层顶板 8～30 m范围内裂隙发育量随距离增大而增大,在 30～48 m范围内随距离增大而减小,裂隙主要分布于裂隙带中下部;不同层位抽采钻孔瓦斯浓度和流量的"错峰"验证了上述研究结论.研究结果对高瓦斯矿井切顶留巷工艺下卸压瓦斯治理具有一定参考价值.

    瓦斯抽采卸压瓦斯切顶留巷覆岩裂隙覆岩累计膨胀

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