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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

mtxb@vip.163.com

010-84262930

100013

北京和平里青年沟东路5号煤科院内

煤炭学报/Journal Journal of China Coal SocietyCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>《煤炭学报》于1964年创刊，为季刊。1966年停刊，1979年复刊， 1993年改为双月刊，1995年改为大16开本，并申办创刊了《煤炭学报》英文版《Journal of Coal Science & Engineering(China) 》，半年刊。《煤炭学报》是中国煤炭学会主办的煤炭系统最高水平的综合性学术刊物，现为双月刊，112页。主要刊载与煤炭科学技术相关的基础理论和重大工程研究的理论成果，包括煤田地质学、矿山岩体力学、采矿工程、煤矿安全、环境保护、煤矿机电一体化、煤的加工与利用、煤炭经济研究等领域的学术论文。30多年来，为传播煤炭科学技术起到了重要的作用。 多年来，《煤炭学报》一直以“登一流文章，创一流期刊”为指导思想，培养了一支基础理论知识扎实、专业水平高的稳定的编辑队伍，使《煤炭学报》质量逐步提高。《煤炭学报》1992年荣获全国第一届优秀科技期刊评比二等奖，获中国科协优秀科技期刊二等奖；1997年获全国第二届优秀科技期刊评比一等奖，获中国科协优秀科技期刊一等奖；1999年荣获首届中国期刊奖；2001年入选“中国期刊方阵”,并被评为“双奖期刊”。《煤炭学报》在包括10名中国科学院、中国工程院院士的编委会领导下，每年都制定了明确的报道重点，使刊物能紧紧围绕煤炭重大科技攻关项目发表相关的基础理论论文。《煤炭学报》发表的论文反映了煤炭科学技术的最新研究成果，起到了促进煤炭科学技术交流和发展的龙头作用，为繁荣煤炭科学技术事业作出了重要贡献。《煤炭学报》被国内外近20家数据库和文摘期刊所收录，如IEA Coal Abstract CD-ROOM（美国）、 Ei Page One、美国的能源科学与技术数据库、美国地质文摘、中国科学技术期刊文摘数据库、中国科学引文数据库、日本科学技术文摘速报、РЖ、Coal Highlights（英国）、Geological Abstract（英国）、Geomechanics Abstracts（英国）、中国学术期刊文摘、中国力学文摘、矿业文摘等等。
正式出版
收录年代

    顶板不同区域压裂程度覆岩采动响应特征

    邬建宏潘俊锋冯美华陆闯...
    4351-4364页
    查看更多>>摘要：为了获得顶板不同区域压裂程度下覆岩活动规律及其响应特征，进而为区域压裂防治顶板主导型冲击地压提供借鉴。首先根据地面区域压裂施工期间的微震监测结果，刻画了微震缝网的平面扩展形态，并依据微震缝网对工作面的覆盖程度进行区域划分;然后基于理论分析揭示了区域压裂超前释放累积应力和能量、覆岩结构调控控制载荷源以及压裂层自身"缓冲吸能"作用机理;之后分析了不同回采区域的微震事件迁移特征、日总能量频次特征、能量频次核密度分布特征及工作面超前和倾向的采动影响范围;最后对比分析了不同回采区域的矿压显现宏观特征及支架工作阻力变化特征。研究结果表明:微震活动时空响应特征与区域压裂程度有着密切联系，压裂充分区、压裂不充分区和未压裂区 3个回采区域分别呈现"高频次、低能量""高频次、高能量"和"高频次、高能量"微震响应特征，微震能量频次核密度分布与其具有一致性，区域压裂后微震活动度和丛集效应降低，且微震事件分布呈现从工作面前方向工作面后方迁移和聚集的趋势;覆岩采动影响范围与区域压裂程度成反比，区域压裂能够缩小悬臂长度，切断载荷传递路径，从而减小超前和倾向采动影响范围，压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比，超前采动影响范围分别减小 20。6%、14。7%，倾向采动影响范围分别减小 21。5%、10。0%;区域压裂能够有效缓和矿压显现强度，区域压裂对厚硬岩层整体性及其强度进行弱化，使覆岩破断块体减小且能够有序及时垮落，压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比，周期来压规律不明显、来压强度低，持续来压时间缩短，来压时间间隔增大，来压次数减少;综合不同回采区域覆岩采动响应特征，在针对厚硬顶板开展水平井区域压裂施工时，应确保区域压裂缝网有效覆盖工作面及巷道两侧煤柱区域，且避免在工作面形成未压裂区。

    地面区域压裂厚硬顶板区域压裂程度采动影响范围覆岩响应特征

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    薄表土层覆盖区双层介质地基附加应力传递模型

    高超田国灿徐乃忠张玉军...
    4365-4376页
    查看更多>>摘要：在采空区对应地表兴建建筑物，地基附加应力的作用可能引起采空区已稳定结构的活化并产生地表残余移动变形，影响建筑物的安全使用;针对薄表土层地区的地基附加应力、荷载影响深度计算模型较少且不完善的特点，需从计算过程简单、参数较少且易获得等角度出发，进一步探索双层弹性介质地基附加应力传递模型。首先将薄表土层地区的地基简化为上部厚度较薄、力学强度较弱的表土层，下部为厚度较大、力学强度较大的岩石层地基模型;其次基于Boussinesp弹性解，假定双层地基的各分层分别为横观各向同性弹性体且地基附加应力传播过程中无动能的变化;再次基于岩土层分界面表土与基岩微单元层的弹性应变能守恒和竖向附加应力平衡条件，建立平衡方程，并借助Matlab对方程中的各分项式进行积分求解与化简，推导出适用于薄表土层地区矩形与圆形均布荷载作用下的基础中心点正下方地基附加应力求解方程;然后根据建筑物地基附加应力影响下的采空区稳定性分析方法，基于C#语言编写出薄表土层地区拟建工程对采空区场地稳定性影响分析软件，实现了地基附加应力计算与采空区稳定性评价的科学与高效化，同时对双层介质地基附加应力求解模型进行了验证并与广泛应用的均一介质模型计算结果进行了对比;最后对双层介质参数E1、μ1 与E2、μ2 对地基附加应力及影响深度规律进行了分析。结果表明:薄表土层地区双层介质地基附加应力传递模型求解简单、结果科学准确;薄表土层双层弹性地基内竖向附加应力在表土层中传播过程中存在一定程度衰减;相对于均一介质体，双层介质地基附加应力影响深度减少 5。3%～10。3%;基岩与表土层的弹性模量E2/E1 越大，基岩内部沿深度方向的地基附加应力衰减越明显、传递深度越小;地基附加应力对于表土与基岩的泊松比敏感性较差，但仍表现出μ1/μ2 越小，基岩内部沿深度方向的地基附加应力越小、传递深度越小的特点。

    薄表土层双层介质Boussinesp弹性解微单元层弹性应变能守恒附加应力影响规律

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    高应力巷道切缝补偿卸压技术方法及应用

    张星宇杨军高玉兵薛浩杰...
    4377-4389页
    查看更多>>摘要：随着煤矿地下开采深度及强度的增大，巷道矿压问题已然制约煤矿的安全高效发展。针对目前高应力巷道失稳难题，提出了巷道切缝补偿卸压技术方法。综合运用理论分析、数值模拟和现场试验手段，阐明了巷道切缝补偿卸压机制，解释了技术方法的关键技术参数及其应用。结果表明，面对矿井开采形成的动静荷载，巷道切缝补偿卸压技术方法并不强调对煤岩体的破碎以释放集中应力，而是综合利用顶板切缝和岩体碎胀作用，同时减小目标保护巷道的开采动静荷载，实现巷道主动卸压。在减弱开采动荷载方面，巷道切缝补偿卸压技术方法利用顶板切缝和岩体碎胀特性实现开采补偿，及时有效支撑上位顶板，弱化上位顶板动态加载效应，另结合切缝对动载应力传递的抑制作用，综合减弱开采动荷载;在降低开采静荷载方面，巷道切缝补偿卸压技术方法利用顶板切缝作用保护煤柱完整性，使其整体有效承载，并通过抑制采空区应力传递，综合降低开采静荷载。切缝角度和切缝长度是巷道切缝补偿卸压技术方法的关键技术参数，现场应用中可按所提理论要求设计切缝角度以保护切缝巷道顶板稳定，切缝长度设计则应使垮落碎胀岩体充满采空区。通过在典型高应力巷道的现场应用显示，巷道切缝补偿卸压技术方法有效降低了目标保护巷道所受的开采动静荷载，巷道稳定性明显改善。巷道切缝补偿卸压技术方法的提出与应用可为高应力巷道矿压防治提供切实可行的新方法及思路，助力现代化矿井安全高效开采。

    煤矿巷道高应力主动卸压动静荷载技术应用

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    煤矿地面水力压裂防冲机理及效果评价方法

    马玉镇高永涛朱斯陶潘俊锋...
    4390-4405页
    查看更多>>摘要：针对煤矿地面水力压裂防冲机理不明、防冲效果评价方法缺失问题，以孟村煤矿 401102工作面水力压裂施工为研究背景，采用理论分析、现场监测、颗粒流数值模拟等方法，研究了地面水力压裂后采场覆岩结构与厚硬关键层运动形式及过程调控机制，分析了实施地面水力压裂后厚硬关键层运动形式及过程变化诱发动载荷扰动影响特征与覆岩结构变化对采掘空间静载积聚程度影响特征，揭示了煤矿地面水力压裂防冲机理，提出了煤矿地面水力压裂防冲效果评价方法并进行了应用，结论如下:地面水力压裂施工将完整的厚硬岩层沿主压裂缝破断为多个压裂岩段，厚硬岩层运动形式及过程被调控为回转或滑移运动，其运动产生的矿震能量及采场等效附加扰动应力降低，此外采场覆岩结构的调控导致采场静载积聚程度发生变化，超前支承压力水平降低，冲击危险区范围减小;与采场静载相比，地面水力压裂措施调控动载效果更为显著，通过理论计算，401102工作面压裂后覆岩运动附加等效采场扰动应力为 1。72 MPa，走向支承压力峰值为42。26 MPa，冲击危险区影响范围为 12 m，比未采取压裂措施相比分别降低了 76。0%、8。5%、47。8%;压裂颗粒流数值模型中，压裂主裂隙为上覆岩层结构发育提供了路径，加速了压裂层位附近裂隙发育延展，促使压裂岩段发生回转或滑移运动，采场最终覆岩裂隙发育高度增加 30 m，各测点走向支承压力峰值平均降低 5。16 MPa;计算 401102工作面防冲效果评价参数W=0。62，综合评定压裂防冲效果为优秀。

    地面水力压裂冲击地压颗粒流模拟坚硬顶板

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    基于Adaboost_LSTM预测的矿山微震信号降噪方法及应用

    尚雪义陈勇陈结陈林林...
    4406-4416页
    查看更多>>摘要：微震监测预警对保障矿井安全具有重要意义，微震信号降噪和P波初至的准确拾取是微震监测结果可靠性的基础。通过观察海量微震信号，发现单个微震信号的噪声段具有良好的重复性，由此创新性提出基于预测数据的信号降噪思路。具体地，构建了基于自适应增强(Adaptive Boost-ing，Adaboost)策略提升长短期记忆网络(Long Short-Term Memory，LSTM)的微震信号预测模型，提出了基于模型预测数据与观测数据之差的微震信号降噪方法，研发了长短时窗均值比(Short-Time Average/Long-Time Average，STA/LTA)与赤池信息准则(Akaike Information Criterion，AIC)联合的P波初至拾取方法(S/L-AIC法)，并使用P波初至拾取误差评估和方法比较不同降噪信号和拾取效果。含噪Ricker子波理论测试和耿村煤矿微震数据应用均表明，Adaboost_LSTM模型对于噪声具有很好的拟合性，而对于未进行神经网络训练的微震有用信号拟合性较差，且Adaboost_LTSM模型的信号预测和降噪效果均优于LSTM模型的结果。基于Adaboost_LTSM模型的预测数据几乎能全部去掉微震信号噪声，其降噪效果显著优于小波低频系数重构结果，对非平稳信号的适应性明显增强。小波和Adaboost_LSTM降噪信号能明显提升微震信号P波初至拾取效果，且Adaboost_LSTM降噪信号的P波初至拾取效果更优。S/L-AIC法的P波初至拾取效果优于STA/LTA法和AIC法，兼具了STA/LTA法的稳定性和AIC法的准确性特点，降噪信号S/L-AIC法P波初至拾取误差整体在 10 ms以内。综上，矿山微震信号降噪和P波初至拾取方法能为矿山微震监测预警提供重要保障，可尝试推广至天然地震信号降噪和P波初至拾取。

    矿山微震P波初至拾取长短期记忆网络信号降噪

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    深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统研制与应用

    彭守建许庆峰许江程亮...
    4417-4428页
    查看更多>>摘要：为了深入研究深部地层煤岩体冲击地压及岩爆灾害致灾规律，自主研制了深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统。该系统主要由真三轴荷载加载系统、剪切加载扰动系统、油源与增压器系统、试件制作与输运系统、试验控制与数据采集系统构成。基于该系统开展了300 mm×300 mm×600 mm的粉砂岩及相似材料试验研究。试验结果表明:测试及功能试验证明系统具有良好的准确性和稳定性，能够较高质量的完成真三轴荷载试验，位移及力传感器测试精度良好，同时该系统能完成临空面冲击破坏试验和剪切扰动试验，破坏效果直观显著;巷道破坏现象与红外热成像云图呈现了较为一致的规律，破碎区域能量释放，温度云图颜色加深。整个应力加载阶段整体平均红外辐射温度逐渐增加，进入扰动加载期温度急剧增加;在临近全面破坏时巷道内部裂纹贯通，大量围岩从巷道壁面抛出，声发射计数和能量突增，并且保持在较高水平，声发射累计能量呈指数型增长。电磁辐射能量主要发生在扰动加载阶段的破裂期与全面破坏期，在全面破坏期呈现了明显的能量幅值急剧增加的现象，与声发射能量增幅较为相似，证明了冲击失稳破坏能量的剧烈释放。

    冲击地压物理模拟试验系统剪切扰动圆形巷道声发射红外热成像

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    低压磨料空气射流切槽辅助TBM滚刀破岩规律

    张宏图杨耀浦刘勇魏建平...
    4429-4440页
    查看更多>>摘要：全断面隧道掘进机(TBM)在矿井开采中应用逐渐推广，坚硬围岩巷道与隧道施工过程中存在掘进困难、刀具损耗严重的问题，如何实现高强度高磨蚀性地层安全掘进对于指导地下工程建设和能源开发等具有重要意义。为此，提出低压磨料空射流切槽辅助滚刀破硬岩技术思路。基于低压磨料空气射流辅助滚刀破岩综合实验平台，研究不同切槽深度对滚刀破岩刀具受力和岩石破碎的影响。采用PFC数值分析不同切槽深度下刀具垂直载荷、裂纹扩展、比能耗和岩石应力场等变化规律，进一步解释切槽辅助滚刀破岩过程中刀具受力减小原因。形成以下主要结论:切槽底端是滚刀破岩过程应力集中区域，主裂纹从滚刀与岩石作用位置到切槽底端扩展贯通，当切槽深度大于 8mm后形成滚刀压痕处高、切槽底端低的"岩脊"状岩石破坏特征，随着切槽深度增加，岩脊高度逐渐变大。切槽后主裂纹与切槽边缘和岩石断面贯通，呈现三角状岩石破碎体，切槽深度越大，岩石块状破碎体的体积越大，同时滚刀最大垂直载荷越小，数值模拟结果与相关实验结果具有一致性。低压磨料空气射流切槽为 20 mm时，滚刀最大垂直载荷为不切槽时的 68%。切槽过后滚刀破岩过程中刀具两侧岩石应力减小，进一步使滚刀破岩过程刀具传递力的大小降低并朝着切槽底端传递，切槽起到移除侧向约束的作用，降低了刀具贯入的垂直载荷，形成大块状的岩石破碎体，从而减小破岩比能耗。

    滚刀破岩低压磨料空气射流辅助切槽破岩效率岩石应力场

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    水压力和轴向静应力对红砂岩冲击能量演化及破坏特性的影响

    金解放王宇方立兴熊慧颖...
    4441-4455页
    查看更多>>摘要：深部岩体工程多处于高水压高地应力环境中，在爆破等动态扰动作用下易引起涌突水和围岩体失稳等灾害事故，研究水压力与地应力共同作用下岩石能量演化及破坏特性具有重要的理论和工程实践意义。利用自主研制的高水压高应力岩石动力学试验系统，对具有不同水压力和轴向静应力红砂岩试件进行相同冲击荷载下的冲击试验。分析岩石动态应力-应变曲线、能量反射率、能量透射率和能量耗散率随水压力和轴向静应力的演化规律，表征岩石能量耗散率的应变率效应;对冲击作用后的岩石进行筛分与纵波波速测定，计算其分形维数与损伤变量，探究不同水压力与轴向静应力对岩石(体)损伤、破碎特性的影响规律。结果表明:随着水压力的增加，反射波幅值越来越小，透射波幅值越来越大;岩石动态应力-应变曲线由Ⅰ型向Ⅱ型转变。红砂岩能量反射率随水压力的增加先快速减小后缓慢变化;能量透射率随水压力的增加呈指数函数关系递增，且轴向静应力影响二者之间的变化趋势;随着水压力由零逐渐增大，能量耗散率呈先短暂增加后持续减小的趋势，二者之间服从良好的高斯函数关系;轴向静应力影响岩石能量耗散率与水压力之间的演化路径，轴向静应力越大，能量耗散率增加，能量耗散率增加趋势随水压力增大呈先增后减变化。红砂岩能量耗散率具有明显的应变率效应，随着应变率的增加，红砂岩能量耗散率整体上先增加后减小。随着水压力的增加，红砂岩动态损伤变量逐渐减小，破碎分形维数呈"缓慢减小—短暂增加—急剧降低至零"的变化趋势;破碎分形维数短暂增加时的水压力随轴向静应力的增大呈一次函数增加。

    高水压力高地应力冲击荷载能量耗散平均应变率破坏特性

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    富水环境对水泥基抗分散注浆材料水化产物黏附体系的影响

    孟祥喜岳兵卢润时孙易达...
    4456-4472页
    查看更多>>摘要：在煤炭开采过程中，矿井巷道在穿过富水且构造发育的地层时，容易揭露导水通道进而引发突水事故。为提升水泥基注浆材料在富水环境中的工作性能，使用聚丙烯酰胺(PAM)与水玻璃作为外加剂对普通硅酸盐水泥进行改性。并采用分子动力学模拟的方法，构建水泥与外加剂混合产物的界面模型，通过调整层间水分子数量用以模拟水化产物所处的不同含水量环境。进一步地，采用多种微观表征实验对模拟结果进行了论证。结果表明:PAM-水玻璃结构展现出良好的亲水性，较强的亲水性使其与C-S-H的结合具有较强的黏附性，能够更好的适应富水环境;水泥-水-PAM-水玻璃界面脱黏功的变化具有无规律性，在含水量为 6%时，水泥-水-PAM-水玻璃界面脱黏功达到最大临界点为 37 465。715 mJ/m2，在更高含水量下，水分子透过孔隙结构与材料内部发生更深层次的水合反应，增强了界面稳定性;XRD图谱中的衍射峰与计算模拟中预测的C-S-H和PAM-水玻璃的存在形式相吻合，证实了聚丙烯酰胺和水玻璃会与水泥水化过程中产生的Ca2+和Si4+发生反应;SEM图像显示，水泥-聚丙烯酰胺和水玻璃界面上存在大量水化颗粒和微孔隙，包括针状和球状结晶，这些水化颗粒可能是聚丙烯酰胺和水玻璃参与水泥水化过程形成的增强界面黏附性的水化产物，而微孔隙的存在是导致模拟中出现相互作用能和脱黏功的变化主要原因。通过分子动力学模拟与实验结果的可以证明PAM与水玻璃形成的絮体结构具有良好的亲水性。相较于传统水泥注浆材料，PAM-水玻璃改性水泥浆液中絮体结构与水泥水化产物C-S-H的黏附性能更强，这有效锁住了水化产物层间水分，从而提高了富水环境中浆液的稳定性。

    分子动力学C-S-HPAM水玻璃水分吸附机制界面特性

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    卸压速度对构造煤突出过程中瓦斯膨胀能的控制作用

    蒋静宇史孝宁王成浩程远平...
    4473-4485页
    查看更多>>摘要：煤与瓦斯突出(简称"突出")多发生在构造煤层。瓦斯膨胀能是参与突出的重要能量之一。构造煤体在突出连续发展阶段中将经历连续复杂的卸压过程，为了明确卸压速度在突出连续发展过程中对瓦斯膨胀能的控制作用机理，选取地质构造复杂、突出灾害治理难度较大的平煤十三矿突出煤层煤样为研究对象，开展了不同卸压速度条件下的构造煤型煤三轴加载试验、筛分试验和煤粒瓦斯解吸扩散动力学试验。基于试验结果揭示了不同卸压速度条件下构造煤体的粉化特征和瓦斯解吸规律，反算了不同卸压速度条件下破碎煤体的瓦斯解吸量和瓦斯膨胀能，提出了一种突出连续发展过程中的正反馈模型。结果表明:卸压对煤样强度和抵抗变形的能力具有一定的弱化作用，卸压速度越大，弱化作用越强，越容易发生破坏。随着卸压速度的提高，煤样破碎后的粉化程度增强，瓦斯解吸量亦随之增高，导致瓦斯膨胀能增大。卸压速度从 0。01 MPa/s增大至0。1 MPa/s时，破碎煤样的瓦斯膨胀能增加了 21。05%～40。00%。卸压速度的增大，使得构造煤样的破碎程度、气体流动通道和煤体内能增加，初始瓦斯解吸量也随之增加，最终导致瓦斯膨胀能的增加。研究表明卸压速度对诱导突出连续发展有着关键作用，其控制瓦斯膨胀能的正反馈过程不断循环是影响构造煤层突出连续发展的重要因素。

    煤与瓦斯突出卸压速度粉化作用瓦斯膨胀能正反馈循环

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