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煤炭学报
煤炭学报

刘峰

月刊

0253-9993

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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

    降雨条件下含近水平弱层边坡的破坏机理物理模型试验研究

    陶志刚许闯刘凇源李勇...
    4671-4686页
    查看更多>>摘要:近年来,随着我国露天煤矿开采规模的不断扩大,露天矿区边坡的稳定性与安全性愈发受到关注。位于陈旗煤田的宝日希勒露天煤矿边坡具有岩石强度低、地层倾角小且含有软弱夹层等特点,在降雨条件下易发生严重的滑移破坏。为探究此类边坡在降雨条件下的破坏机理及NPR锚索支护体系对此类边坡的控制效果,利用模型试验与数值模拟进行研究。结果表明:①由现场破坏特征与模型试验结果可知,边坡破坏模式为降雨作用下弱层带发生破坏而造成边坡发生剪切—滑移,降雨入渗是诱发边坡发生破坏的主要因素,破坏分为初始变形、弱层破坏与整体破坏 3个阶段,且由位移监测结果可知坡体裂缝最宽可达 35 mm,说明边坡滑移破坏明显;②由数值模拟分析可知,在降雨条件下边坡变形量显著增加,在无锚固措施下其最大变形量可达 40 cm。同时,在越靠近煤层位置,边坡剪切破坏塑性区的面积越大,在岩体沿软弱层滑移后,滑坡体出现大面积剪切破坏,这验证了边坡剪出滑移破坏的变形形式;③对比分析NPR锚索加固方案与PR锚索加固方案可知,NPR锚索的支护效果远优于PR锚索,NPR锚索支护下边坡最大位移减少17。6 cm,而PR锚索支护下边坡最大位移仅减少 10。3 cm,且NPR锚索加固下边坡塑性破坏区基本消失,而PR锚索加固下边坡塑性破坏区仍存在且向坡体深处扩展,边坡存在滑坡隐患。研究探明了降雨条件下近水平弱层边坡的破坏机理,提出NPR锚索加固方案并验证其可行性,为相关边坡工程提供一定参考依据。

    近水平边坡软弱夹层降雨入渗NPR锚索物理模型试验破坏机理

    寒区露天矿岩质边坡裂隙岩体冻融损伤特征及力学特性试验研究

    田森赵映司鹄朱淳...
    4687-4700页
    查看更多>>摘要:我国露天矿岩质边坡规模大、数量多,易受到复杂地质地形、自然及工程扰动等多因素影响而导致滑坡灾害频发,特别是我国西北地区,复杂地形与地质构造、恶劣的气候及环境、长期的工程扰动等,致使滑坡灾害频发,给人民生命与财产安全带来严重威胁。针对以上问题,从露天矿岩质边坡特征岩体宏细观损伤演化视角出发,采用工程现场调研、理论分析、室内试验研究等多方位研究手段,综合了岩石力学、土力学等理论和方法,以新疆寒区某露天矿高陡岩质边坡为研究对象,根据实际工程地质环境特征,开展潜滑区岩体冻融损伤试验、裂隙岩体冻胀力演化试验、单轴压缩试验研究,探析不同倾角(0°、25°、50°、75°)裂隙岩体在不同冻融循环条件下的质量损失、波速衰减以及冻胀力演化特征,揭示裂隙岩体在不同载荷条件下的强度时效特征,以及冻融循环条件下力学特性演化规律。在此基础上,结合声发射裂隙场监测试验研究,阐明边坡岩体最终破裂模式以及在变形及破坏过程中的裂纹形态与扩展宏细观机理。结果表明:在冻融循环作用下(0、10、20、30次),岩体饱和质量呈先增后减、纵波波速呈减速衰减趋势;冻胀力演化分为孕育段、起胀段、稳定段、二次起胀段、消融段 5个阶段,且冻胀力产生、达到峰值所需时间以及峰值大小与裂隙倾角均呈正相关,裂隙倾角0°、25°、50°、75°岩样峰值冻胀力分别为3。68、3。88、4。04、4。13 MPa。冻胀作用使岩体承受反复张拉作用而强度下降,是该寒区边坡失稳的重要诱因;岩体单轴压缩应力-应变关系、裂纹体积应变趋势大致相同,分为微裂隙闭合、弹性变形、屈服、裂隙加速扩展以及峰后 5个典型阶段。岩体抗压强度与弹性模量随冻融次数增加呈线性下降趋势,随裂隙倾角增大而线性上升。由岩样最终破裂形态及基于混合高斯模型的细观裂纹分类可知,岩样细观破裂以张拉为主,最多达到 54。2%,其次为混合裂纹,最多达到 42。3%。随着冻融次数的增加(20~30次),细观混合裂纹比例增加,剪切裂纹减少,宏观破坏模式表现为张拉与剪切的混合破坏。

    岩质边坡裂隙岩体冻胀力冻融循环破裂模式

    基于Gauss分布的抛掷爆破爆堆形态HHO-LSSVM预测模型

    马宁马力李胤达李天翔...
    4701-4712页
    查看更多>>摘要:露天煤矿抛掷爆破爆堆形态是影响抛掷爆破-拉斗铲倒堆工艺系统作业效率和生产成本的重要因素。为了提高露天煤矿抛掷爆破爆堆形态预测的精确度,进一步优化抛掷爆破设计并降低矿山抛掷爆破剥离成本,依据黑岱沟露天煤矿抛掷爆破实测数据进行实例分析,采用熵值法-灰色关联度方法研究抛掷爆破效果影响指标与最远抛掷距离、松散系数和有效抛掷率的权重及关联度,孔距和剖面宽与抛掷爆破效果评价指标的关联程度较低,选取最小抵抗线、排距、炸药单耗、台阶高度、采空区下口宽、坡面角、采空区上口宽作为预测模型输入参数。引入高斯(Guass)分布模型模拟爆堆剖面曲线,通过 1~8阶高斯分布模型对爆堆剖面曲线模拟分析,确定阶数为 5时模拟精度与效率达到最优,利用训练完成的HHO-LSSVM预测 5阶Guass分布模型 15个参数作为预测输出的爆堆形态的控制参数,并采用Gauss分布模型结合HHO-LSSVM算法预测爆堆形态,与LSSVM、粒子群算法(PSO)优化最小二乘支持向量机和遗传算法(GA)优化BP神经网络模型进行精度对比,同时将本文所建立模型的预测爆堆形态与真实爆堆形态进行对比。结果表明:利用 5阶高斯分布模拟的爆堆曲线误差平方和(S)参数趋于稳定为 25。69,决定系数(R2)与调整后的决定系数(R2A)分别为0。999 2和0。999 0,均方根误差(R)为0。514 6;HHO-LSSVM对于5阶Gauss分布控制参数的预测误差大部分在 1%左右,且误差没有超过 5%,与LSSVM、PSO、GA-BP算法模型相比精度较高;以E5-8、E5-9及E5-10剖面为例,预测爆堆形态与真实爆堆形态误差R2 和均方根误差R分别为 0。998 7和 0。614 2、0。999 2和 0。493 1、0。999 2和 0。505 2,预测爆堆形态接近真实爆堆形态。

    露天煤矿抛掷爆破Gauss分布HHO-LSSVM预测模型

    壳聚糖联合EICP对露天矿排土场边坡抗侵蚀性影响机制

    王知乐田雨周伟王轶...
    4713-4727页
    查看更多>>摘要:我国露天煤矿多处于季节性降雨明显和土层瘠薄的北方生态脆弱区,生态本底脆弱且土壤侵蚀严重。为了改善区内大型露天矿规模化开发引起土壤侵蚀和水土流失加剧的突出问题,提出采用壳聚糖联合脲酶诱导碳酸钙沉淀技术(EICP)对露天矿排土场边坡进行抗侵蚀改性。本研究通过不同温度与掺量下的EICP溶液试验,确定最优矿化反应参数,制备对照组、EICP和壳聚糖靶向诱导EICP三组边坡试样,通过边坡抗侵蚀相似模型装置分析边坡侵蚀状况、冲蚀量和表面强度变化规律,探究其对边坡抗侵蚀特性的影响规律。并对各组试样进行微观形貌、物相组成及热稳定性分析试验,探究壳聚糖联合EICP提高边坡抗侵蚀性的作用机理。结果表明:排土场边坡EICP抗侵蚀最优反应参数为尿素与氯化钙浓度 1 mol/L、壳聚糖掺量 5 g/L、温度不高于 60℃;降雨侵蚀后,对照组分布不均匀表面凹坑,改性组则无明显变化,EICP和壳聚糖联合EICP组的最终土体冲蚀量分别降低了 85。4%和 91。6%,表面强度分别提高了 9。8%、14。2%,EICP处理导致土体pH有所降低,而添加壳聚糖能够稳固脲酶活性进而保证尿素水解;壳聚糖分别通过静电作用和酸碱作用吸附脲酶与Ca2+为EICP提供成核位点,促进EICP稳态矿化产物(方解石)的生成并分散分布于土体颗粒间,且壳聚糖水凝胶与矿化产物都具有黏附、桥接和充填土体颗粒的固化作用,同时Ca2+可驱离强结合水降低颗粒间双电层厚度从而增强土体结构。结合室内试验与微观测试结果阐述了壳聚糖联合EICP技术提高边坡抗侵蚀性的有效性,揭示了其提高土体颗粒间联结力和减小坡面侵蚀力从而提高排土场边坡的抗侵蚀性的改性机制,研究成果有望对露天矿排土场边坡侵蚀防治技术的发展与工程应用提供有益借鉴。

    酶诱导碳酸钙沉淀壳聚糖成核位点抗侵蚀性能排土场边坡

    高强度开采煤壁稳定性关键因素量化与危险性分级

    闫少宏薛博
    4728-4738页
    查看更多>>摘要:针对高强度开采工作面易发生片帮从而制约工作面正常回采和智能化工艺预测与控制的难题,在已提出的高强度开采采场顶板岩层形成"组合短悬臂梁-铰接岩梁结构"基础之上,提出了影响煤壁稳定性的地质开采因素和 4个开采技术因素,采用理论分析、数值模拟、物理相似试验相结合的方法,分析了高强度开采煤壁稳定性关键因素的影响。构建了煤体塑性屈服区短梁模型体,使用切比雪夫多项式对模型求解得到了复杂载荷作用下的挠曲线表达式,对表达式分析认为煤壁片帮受地质开采因素及开采技术因素影响较大。以曹家滩大采高工作面开采为工程背景,构建了开采技术因素正交试验,运用数值模拟和物理相似试验研究了各类开采技术因素对于煤壁稳定性影响的敏感度,提出以煤壁内塑性区面积与考察区域面积的塑性区占比η来衡量稳定性程度的指标,得出了各类因素与煤壁塑性区占比系数η的回归方程,据此定量得到了曹家滩煤矿大采高综放工作面煤壁稳定性与技术因素间关系式并给出了片帮风险预测危险性分级,结合物理相似试验验证了调整开采技术因素可在一定程度上控制煤壁发生片帮的范围和深度,为该矿大采高综放工作面煤壁稳定性智能化决策提供了理论依据,同时该研究手段也可用于其他工作面。

    高强度开采组合短悬臂梁-铰接岩梁结构煤壁片帮危险性分级正交试验

    临空巷道坚硬顶板水力割缝-压裂联合控顶卸压技术

    张永将季飞赵同彬杨科...
    4739-4751页
    查看更多>>摘要:煤矿坚硬顶板工作面回采后易形成侧向悬臂梁结构,导致回采动压和侧向悬顶岩层引起的高静压叠加并通过关键层传递至采动大巷,造成邻近工作面回采巷道围岩结构失稳大变形。为改造顶板岩体结构、调整坚硬岩层破断运移规律,进而控制临空巷道强矿压显现,笔者在分析采动巷道矿压分布规律的基础上,采用数值模拟手段研究了坚硬顶板下临空巷道支承压力分布情况,探究了不同切顶参数条件下围岩结构传递载荷机理,提出了磨料射流水力割缝-压裂联合切顶卸压方法。研究结果表明,临空巷道矿压显现是动静载共同作用的结果,主要表现为回采引起的高采动压力及临空巷道侧向悬顶静载压力叠加作用下,经巷道两侧极限平衡区内围岩传递至底板,进而在底板产生大范围塑性变形。通过磨料射流水力割缝技术在坚硬顶板内预置缝槽,可为水力压裂裂纹扩展起导向作用,并导通岩体内原有裂隙增加水力压裂裂纹影响范围,在坚硬顶板中形成连续弱面达到削弱顶板应力传递目的,割缝深度与割缝压力和混砂比呈正相关。顶板岩层在垮落过程中会相互作用,破断角度及高度改变会导致破断岩体的下滑速度改变并对高位岩层的支撑力产生显著差别,破断角度在 66°~86°,破断处岩层所受到的拉应力随破断角度减小呈升高趋势,且随着破断高度的增加拉应力升高速率越快;破断高度范围为 26~56 m时,破断处岩层拉应力高于极限抗拉强度所允许的破断角度随着破断高度的增加而升高;依据上述研究在华阳一矿 81403工作面开展了工业性试验,以支护结构载荷和围岩变形量为指标的现场监测结果表明,通过水力割缝-压裂联合控顶卸压后巷道顶板锚索受力降低 35%,巷帮应力降低 44%,巷道顶底板移近量减小 57%,巷道两帮移近量减小 42%,卸压效果良好,研究成果可为坚硬顶板条件下临空巷道矿压治理提供一种新技术手段。

    坚硬顶板临空巷道磨料射流水力割缝-水力压裂联合切顶卸压

    采空区场地高速铁路路基动力加载系统研发与模型试验

    任连伟李梁王自强邹友峰...
    4752-4767页
    查看更多>>摘要:随着高速铁路网的快速推进,一些关键线路不可避免地穿越采空区场地,对高速铁路的建设和安全运维提出了更高的要求,研发相关试验系统是研究此类科学问题的重要手段。针对国内外缺乏相关试验系统的问题,研发了一套采空区场地高速铁路路基动力加载模型试验系统。建立了几何相似比为 1∶100的二维采空区场地高速铁路路基模型,利用三级傅里叶级数拟合得到相似常数为 100时,时速 360 km/h对应的 40 Hz高速铁路M波。同时实现了误差 10%以内高铁荷载M波输出,验证了采空区场地高速铁路路基模型动力加载试验的可行性,并进行了 100万次不间断的高速铁路M波循环加载。依据模型试验结果,阐述了主关键层下三角形离层空间的成因,讨论了不同加载阶段动荷载在采空区覆岩中的传递路径,分析了垮落断裂带与弯曲变形带在动荷载作用下的相互作用,揭示了高铁荷载下采空区地基活化机理。研究表明:覆岩活化空间具有从移动边界到垮落覆岩中心逐渐减少的分布规律,其中覆岩横向离层则具有从顶板至关键层逐渐增大的分布特征,以此揭示了主关键层下三角形离层空间的成因。因主关键层下三角形离层空间的隔离作用,加载初期动荷载传递需通过覆岩移动边界的拉伸区向下传递至垮落断裂带,并最先影响移动边界的砌体梁结构使其失稳活化。随着动荷载的施加,主关键层下离层空间逐渐闭合,动荷载传递路径逐渐向采空区中心移动,剩余活化沉降量持续向上传递,整体沉降趋于平缓。由于荷载传递路径的变化,垮落断裂带活化具有先快后慢,由终采线向采空区中部发展的特征。垮落断裂带活化进一步影响了主关键层以上覆岩受力形式和模型表面不均匀沉降,使弯曲变形带具有横向、竖向、倾斜3种裂隙形式及沿路基两侧的分布特征。

    采空区场地高速铁路动力加载系统活化机理模型试验荷载影响深度

    低应变率动载下含水泥岩力学响应特性与损伤机制

    李桂臣杨森孙元田李菁华...
    4768-4784页
    查看更多>>摘要:动载作用下富水泥质巷道围岩加速失稳破坏,已成为深部煤炭资源开采工程的突出问题,深入研究扰动荷载下含水泥质岩体的损伤机制具有重要意义。开展了泥岩低应变率动载扰动试验,分析了不同含水率、动载速率、动载强度等因素对泥岩力学响应特性的影响,阐明了动载扰动阶段的弹塑性变形行为特性,明确了泥岩不同加载阶段拉伸、剪切破坏分布特征,揭示了水岩及动载作用下泥岩细观结构演化机制。结果表明:①低应变率动载对泥岩强度仍有弱化作用,泥岩抵抗动载扰动能力随含水率、动载速率、强度增大而降低,强度损伤最大分别达到28。47%、59。76%、31。56%。②声发射特性参数规律表明加载过程中泥岩经历了初期损伤、损伤加剧、损伤平寂(加剧)、损伤发育 4个裂隙演化阶段,动载扰动阶段各因素较低水平时Kaiser效应更明显,各因素较高水平时Felicity效应越显著。③初次动载扰动下泥岩的加载应变、塑性应变均最大,各因素较高水平时泥岩二次显著损伤时间提前;较高动载速率、强度试验中,扰动过程中加载应变与塑性应变关联性较高,且塑性应变始终大于弹性应变。④泥岩加载全过程中剪切破坏占比随着含水率的增大均有提升,其中动载阶段由干燥时 6。94%显著增加至饱和时 33。95%,宏观剪切破坏特征逐渐明显。⑤饱和泥岩中水的溶蚀及潜蚀作用、较高速率动载作用下胶结断裂、较高强度动载作用下颗粒胶结大范围位移是泥岩力学性能劣化的根本原因。⑥构建了考虑侧向应力与循环动载作用的泥岩损伤模型并利用不同含水率试样循环动载阶段加卸载应力-应变关系进行了验证,模型参数F0 与参数m(m,F0 分别为关于Weibull分布的形状参数和比例参数)相比对泥岩试样强度的影响更显著。研究成果为揭示低应变率动载作用下含水泥质软岩的损伤机制提供了科学依据,有助于深入理解动载扰动下富水泥质巷道围岩加速失稳问题。

    低应变率动载扰动含水泥岩力学响应损伤机制

    动态荷载作用后尾砂胶结充填体再承载力学特性

    宋学朋樊博文王石张洪伟...
    4785-4797页
    查看更多>>摘要:爆破回采与采空区充填是地下金属矿充填开采的核心手段,作为采空区核心承载单元的充填体势必遭受临近矿体爆破动载扰动,进而诱导基体内部结构改变影响其再承载能力和稳定性,关乎矿山安全生产。基于分离式霍普金森压杆系统(SHPB)制备了考虑冲击幅值大小的动态损伤充填体,实现了充填体爆破扰动模拟,探明了充填体在动态荷载下的细观结构响应特征,揭示了动态损伤充填体的力学行为和裂纹扩展机制,实现了动态损伤充填体的失稳超前预警。结果表明:动态损伤充填体的细观结构劣化程度随冲击幅值增加而提高,与此对应的孔隙率增加 34。48%,波速减小 44。48%,初始损伤程度加剧;随着冲击幅值增加,动态损伤充填体的单轴抗压强度和弹性模量呈先缓慢减小再快速减小然后再缓慢减小的 3阶段变化趋势,最大减小率分别为 54。15%、69。02%。同时,动态损伤充填体的应力应变曲线的压密阶段随损伤程度增加而显著延长,峰值应变提高 78。35%,充填体由脆延性向延性转变;声发射特征参数与充填体的破裂行为密切相关,由于初始损伤程度差异,动态损伤充填体基体内部裂纹萌生、扩展、传播的速率、数量、尺度显著不同,体现在声发射信号上为活跃程度和疏密性随冲击幅值增加先减小再增加再减小;声发射ib值呈"波动上升—剧烈下降—大幅波动"的变化规律。随冲击幅值增加,ib值剧烈下降区增多且向峰前阶段转移。将ib值剧烈下降区判定为失稳前兆信息,动态损伤充填体在较小应力下即达到失稳临界值。增加冲击幅值对动态损伤充填体破坏模式影响不显著,但表面塌落区面积提高破坏程度明显增强。

    动态荷载充填体力学行为动态损伤失稳前兆信息

    深部巷帮钻孔煤体损伤演化特征及钻孔围岩强度弱化机理

    丁可张华磊王连国郭嘉兴...
    4798-4821页
    查看更多>>摘要:煤层钻孔卸压技术是防治冲击地压灾害的重要手段。利用自行研制的实时CT扫描真三轴加载试验系统,研究了不同孔径下的巷帮深部钻孔煤体(三向加载状态)和巷帮浅部钻孔煤体(双向加载状态)2种不同应力类型模型的力-应变规律、内部裂纹扩展演化特征,建立了巷帮深、浅部钻孔煤体的峰前裂纹损伤关系,揭示了深部巷道卸压钻孔围岩强度弱化机理。结果表明:相比于未钻孔试样,不同应力类型的煤体试样受应力环境及钻孔孔径影响,随着钻孔的打设和孔径的增大,巷帮深部钻孔煤体试样在峰值应力后,应力跌落现象消失,有利于降低试样能量的突然释放,而巷帮浅部钻孔煤体试样则无法消除应力跌落现象;在内部裂纹扩展上,巷帮深部钻孔煤体试样裂纹发育较少,裂纹呈一定角度发育,而巷帮浅部钻孔煤体试样裂纹均近乎垂直发育,随着钻孔孔径的增加,巷帮深、浅部钻孔煤体试样裂纹数量都有一定程度的增加,但巷帮浅部钻孔煤体试样裂纹产生数量更多,钻孔煤粉封堵情况更明显,钻孔及孔径变化对巷帮浅部钻孔煤体试样影响程度更大。同孔径条件下巷帮浅部钻孔煤体更容易破坏且无法起到卸压减灾效果,进而基于巷帮深、浅部钻孔煤体的差异性,建立了不同孔径下巷帮深、浅部钻孔煤体裂纹损伤变量的函数表达式,揭示了深部巷道卸压钻孔围岩强度弱化机理,提出了深部巷道扩孔卸压理念及方法。

    真三轴实时CT冲击地压巷帮钻孔煤体裂纹损伤扩孔卸压