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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。
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    采动岩层整体移动"类双曲线"理论模型及验证——从二维"类双曲线"到三维"类双曲面"模型

    左建平徐丞谊孙运江李颖...
    1731-1751页
    查看更多>>摘要：煤炭开采会引起上覆岩层自下而上变形、破断及移动，并导致地表沉陷等问题，其本质是一个力学过程，故亟需发展基于岩层破断力学机理的移动理论模型。首先简要回顾了国内外岩层移动理论模型，然后重点介绍了本团队近年来在岩层整体移动理论模型方面的研究进展。基于不同层位岩层的破断形态的力学分析和相似模拟试验结果，提出了采动覆岩整体移动"类双曲线"模型，其顶点大约位于上覆岩层主关键层的层位。进而建立了岩层移动内外"类双曲线"整体模型，给出了采动覆岩内外整体移动表达式及物理意义参数体系。针对不同覆岩和煤层赋存条件，分析了岩层整体移动"类双曲线"模型的演化规律。在此基础上，进一步将二维"类双曲线"拓展到三维"类双曲面"模型，建立了采动覆岩全空间"类双曲面"立体移动模型，该模型包含"类单叶"和"类双叶"双曲面。该理论模型是在我国很多前辈及学者的研究基础上，从系统科学的角度考虑岩层的整体移动规律，初步形成了采动覆岩整体移动"类双曲线(面)"理论模型框架，希望能为我国煤炭科学开采提供理论指导。

    岩层移动"类双曲线"模型"类双曲面"模型关键层理论

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    托顶煤巷道锚固"梁-拱"结构分类及顶板冲击失稳机制

    曹安业郭文豪温颖远王崧玮...
    1752-1770页
    查看更多>>摘要：我国煤矿托顶煤巷道冲击地压频发，且冲击动载下顶板灾害尤为严重。为探究托顶煤巷道顶板锚固结构类型和冲击失稳机制，以陕西某矿301工作面回风巷道大面积冲击垮顶为工程背景，运用相似实验、理论分析及数据统计等方法，分析了托顶煤巷道围岩应力、位移和巷表加速度的动载响应特征，研究了顶煤厚度与支护构件影响下顶板锚固结构的分类特征，探究了弹性波下托顶煤巷道的应力响应机制，提出顶板锚固"梁-拱"结构的冲击失稳机制，评估了 301工作面回风巷道的抗冲能力，并提出了相应的抗冲支护优化方案。结果表明:①冲击动载下托顶煤围岩应力和位移等监测数据验证了顶板存在内、外层的梁或拱形锚固结构，因顶煤厚度增加，顶板内层锚固结构存在由"梁"向"拱"的转换;②基于顶煤厚度与支护构件相对关系，将顶板锚固结构划分为薄顶煤的"叠加梁-拱"、厚顶煤的"组合梁-拱"和特厚顶煤的"组合拱"，建立了厚煤梁由"梁"向"拱"转化的临界厚度指标;③顶板锚固梁结构和锚固拱结构的冲击失稳机制为动静载荷下分别达到其拉伸、剪切强度极限后破坏，锚固"梁-拱"结构对冲击载荷的放大效应受其尺寸影响明显;④特厚顶煤的"组合拱"结构中内层拱承载强度较低，可增加锚杆长度提升内层拱厚，对应的"组合拱"结构的承载能力上升明显，与抗冲能力评估结果相符。

    锚固"梁-拱"结构顶煤厚度载荷放大效应弹性波支护优化

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    动载扰动诱发巷道冲击的风险性研究

    刘洪涛陈子晗韩洲刘勤裕...
    1771-1785页
    查看更多>>摘要：巷道冲击地压发生机理与风险性评估问题，对不同区域应力场中的巷道围岩分区能量释放规律进行分析，考虑动载事件扰动，建立了始态应力场、动载事件产生的瞬态应力场与巷道围岩破坏之间的力学联系，提出了动载事件扰动下的终态巷道围岩塑性区边界计算方程，阐述了动载事件与始态应力场共同作用诱发冲击地压的机理，并对不同因素变化下的巷道冲击风险性进行了分析，以震动事件发生角为指标对动载事件发生的不同区域进行了风险强度的划分。研究结果表明:区域应力场不均匀程度的增大使得巷道围岩系统在扰动平衡后的能量释放量增大，且能量释放的主要区域为区域应力场的最大围压方向;巷道冲击地压是巷道围岩受始态应力场与动载事件的瞬态应力场2者共同作用的结果，动载事件的影响会使得巷道围岩系统的终态应力场产生偏转，而围岩协调所释放的能量是冲击产生的主要原因;当始态应力场处于蝶形风险区时，受动载事件影响后的巷道冲击风险性更大，且动载事件的有效释放能量的增大、震源距离的减小与横波能量占比的增大会使得巷道冲击风险性随之增大;震动事件发生角影响着巷道冲击风险性，当动载事件发生在强风险区与次强风险区时，微小的动载事件也极易诱发冲击地压，巷道冲击风险性较高;当动载事件发生在弱风险区时，较大的动载事件也不易引起冲击地压，巷道的冲击风险性较低。

    冲击风险性蝶形塑性区动载事件区域应力场

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    急倾斜巨厚煤层复杂空间结构区微震时空演化规律及诱冲机理

    崔峰张随林刘旭东来兴平...
    1786-1803页
    查看更多>>摘要：煤矿冲击地压灾害的发生与空间结构密切相关，尤其在复杂空间结构区灾害发生更频繁。掌握煤层开采复杂空间结构区煤岩灾变规律并揭示其发生机制对于冲击地压防控具有重要意义。以乌东煤矿为研究背景，采用数值模拟、微震监测、理论分析等方法，研究了岩柱应力异常尺寸效应，分析了复杂空间结构区微震时空演化规律，揭示了复杂空间结构下冲击地压发生机理，评估了煤层开采不同区域的冲击危险性。研究结果表明:①急倾斜岩柱厚度更窄、出露高度更大其撬动效应更强，岩厚变异应力异常形成5个分区。②岩柱厚度更窄区域微震频次更多，能量更高，时空活动度更强，离散性更高。高应力区、应力梯度区、应力平稳区依次呈现"低频次-高能量"、"高频次-高能量"、"低频次-低能量"的微震响应特征。③特殊空间结构区域微震事件簇集且能级增大，时空活动度及离散性陡增，尤其在结构边缘该特征更明显，能量积聚及释放速率增大，冲击地压发生的概率及强度更高。位于岩柱更窄区域的特殊空间结构内微震活动更剧烈。④岩柱厚度越窄(煤柱高度越大)则岩柱向深的弯矩及能量增长速率越快，冲击危险性更高。依据结构面强度效应推断出断裂带发生滑移错动，是能量积聚与释放的优势区域。揭示冲击地压发生机理为高静载及低临界载荷共同作用，基于应力集中特征评估煤层开采不同区域的冲击危险性。

    急倾斜巨厚煤层复杂空间结构微震时空演化规律冲击地压

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    冲击地压矿井充填工作面超前采动应力对充填体充实率的反馈机制

    王兆会陈明振李强王伟...
    1804-1818页
    查看更多>>摘要：高应力是深部矿井冲击地压灾变频率走高的主要原因，充填开采则是控制岩层运动，缓解采动应力集中程度，降低围岩破坏和冲击风险的有效手段。为研究采空区充填体对超前采动应力的控制能力，以山东古城煤矿1123充填工作面为工程背景，采用理论分析、室内试验、现场实测手段探究充填开采工作面采动应力分布规律，揭示超前采动应力对充填体充实率的反馈机制，指导冲击地压矿井充实率确定。结果表明:工作面开采初期充填体充实率低于80％，坚硬顶板下沉量大，超前采动影响范围大于30 m，应力集中系数达到1。5，断层影响区采动应力影响范围和集中系数分别增至60m和1。65，片帮冒顶等围岩失稳现象增多;实测了采空区充填体承载应力全程动态演化特征，承载应力分布曲线划分为"快速降低—短暂稳定—快速升高—缓慢降低—二次稳定"5个阶段，低充实率条件下采空区上、中、下3个区域承载应力稳定值分别为1。9、5。2、2。8 MPa;将采空区充填体划分为非充分压实区和充分压实区，构建了充填体支撑作用下坚硬顶板连续沉降模型，得到了坚硬顶板"(z)"型沉降曲线，非充分压实区范围随充实率近似呈线性减小;试验得到充填体弹性模量和单轴抗压强度随凝固时间的演化曲线，结合顶板沉降曲线和推进速度得到工作面前后采动应力全区域分布曲线;建立了超前采动应力集中程度与充填体承载能力的负指数函数关系，揭示了超前采动应力对充填体充实率的负向反馈机制，实现充填开采降载防冲效果的定量评价;提出了充填体充实率"三位一体"协同提升措施，将1123工作面充实率升高至90％，增强了充填体承载能力，超前采动应力集中系数降至1。3，厚顶煤膨胀变形量减少至50mm，坚硬顶板破断致冲风险显著降低。

    冲击地压充填开采坚硬顶板采动应力反馈机制

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    深部沿空巷道锚固围岩破坏失稳能量驱动机理

    刘学生王新谭云亮李学斌...
    1819-1833页
    查看更多>>摘要：深部沿空巷道受侧向顶板断裂所产生的动载影响，锚固围岩易产生大变形，甚至破坏失稳。以山东省孙村煤矿31120工作面上平巷为工程背景，首先采用YTJ20型岩层探测记录仪获得了锚固顶板裂隙发育规律及以脆性张裂破坏为主的破坏方式。然后，通过相似材料模拟试验方法获得了深部沿空巷道侧向顶板前期、过渡期和后期3个运动阶段典型特征，并分析了不同阶段锚固围岩破裂演化及能量释放规律;其中过渡期运动阶段锚固围岩内部应力、变形量急剧增大，裂隙发育明显，能量释放显著，对沿空巷道锚固围岩稳定性影响最大。最后，构建了侧向顶板断裂运动下沿空巷道结构力学模型，给出了锚固围岩输入能量与可抵抗能量定量计算方法，揭示了侧向顶板断裂诱发锚固围岩破坏失稳能量驱动机理，并定义了失稳能量判据，即当作用在沿空巷道锚固围岩上的能量大于锚固围岩可抵抗能量时，将发生破坏失稳。进一步地，提出了锚固围岩失稳风险等级划分方法和相应地控制技术，计算结果表明，31120工作面沿空巷道锚固围岩失稳风险等级为中风险。采取加强支护措施后，沿空巷道顶底板及两帮移近量分别减小35。47％和35。71％，锚索受力减小23。43％，变形速度明显降低，锚固围岩能量积聚程度减小。

    沿空巷道侧向顶板锚固围岩能量驱动机理

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    分区内排露天煤矿压帮留沟模式及参数优化

    马力王恒荣罗科李瑞行...
    1834-1844页
    查看更多>>摘要：大型露天煤田安全高效集约化开发是露天煤炭开发的发展趋势，以分区开采为主要开发模式的大型露天煤田具有安全高效、回采率高、投资回收期短的显著优势，同时可以利用开采形成的采空区回填剥离物料形成内排土场，并降低剥离物料对土地的压占及破坏。针对大型露天煤矿分区开采衍生出相邻采区间二次剥离量大的问题，在考虑压帮内排留沟模式影响基础上，结合外排空间受限条件，以内排加高分析不同压帮留沟模式对剥采与运输系统的影响，建立全压帮及半压帮内排总费用模型，并对半压帮倒三角和倒梯形留沟模式进行对比分析。基于费用补偿法，以全压帮内排为参照，在剥离物料不外排的条件下，综合考虑内排容量，构建压帮内排倒三角留沟模式与倒梯形留沟模式的留沟高度优化模型以及内排搭桥移设步距优化模型。对山西河曲露天煤矿首采区与二采区间留沟高度及运输系统进行综合优化。结果表明:半压帮内排经济效益显著，压帮内排倒三角留沟总费用随着留沟高度的增加先增大后减小，总经济效益先减小后增大，最佳留沟高度为110m，内排搭桥最佳移设步距为104m，相对全压帮内排节约10080万元;压帮内排倒梯形留沟总费用随着留沟深度的增加先减小后增大，总收益先增大后减小，最佳留沟高度为67m，内排搭桥最佳移设步距为264m，相对全压帮内排节约24540万元。留沟面积相等的条件下，倒三角留沟模式留沟深度较大，对单侧剥离物料运输系统影响较大，内排土场工作线长度较长，一般适用于内排空间紧张的露天煤矿;倒梯形留沟模式留沟深度较小，内排容量受到一定限制，一般适用于内排空间较大的露天煤矿。

    全留沟内排全压帮内排倒三角留沟倒梯形留沟内排搭桥

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    深部原位应力环境下岩心饼化响应特征及反馈机制初探

    高明忠何坤宸叶思琪谢晶...
    1845-1859页
    查看更多>>摘要：地应力数据是一切深部工程的基础，传统测量方法获取的深部地应力信息效率低且未形成统一的规程规范，理论多是建立在诸多假设基础上，准确性难以评估。深部高地应力区通常有比较明显的岩心饼化特征，且不同应力环境产生的饼化形貌各异，通过岩心饼化反演地应力有望作为一种科学经济、方便快捷的地应力推算方法。试图通过探究深部原位应力条件下岩心饼化行为的力学机制，定义二维条件下的饼化烈度系数，以期实现基于岩心饼化特征计算原位地应力。以松辽盆地松科二井不同深度饼化岩心为研究对象，利用三维数据形貌采集系统获得了饼化岩心的宏观形貌，采用X射线衍射和岩相薄片等测试手段，分析得到了饼化岩心的矿物成分和微观结构;同时，基于离散元分析了不同应力条件下岩心的饼化行为力学机制。结果表明:松科二井饼化岩心形貌特征可分为破碎状、薄饼状、厚饼状、不规则状、半饼化状5类，端面断口形态包括错台状、平面状、灯盏状和花瓣状;岩饼的形貌特征与其埋藏深度、硬质矿物含量和破坏模式有较强的关联性;岩心饼化行为主要受到张拉应力控制，其裂隙起裂一般起始于岩心根部，由外向内向下呈凹陷状或平面状贯通岩心。水平主应力是影响岩心饼化行为的第一要素，高水平主应力能够诱发剧凹状的岩心断口和较宽的带状拉裂纹，垂直主应力是影响岩心饼化的次要因素，一般会抑制饼化行为的发生;钻进过程中岩心饼化行为的发生伴随着能量的规律性变化，其中总应变能呈阶梯状下降，耗散能呈对应的阶梯状上升，且总应变能的瞬时释放是造成岩心饼化的主要原因。研究成果有望为岩心饼化反演地应力提供新思路和有益借鉴。

    岩心饼化松科二井颗粒离散元宏细观特征破坏模式

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    循环冲击下预加静载岩石损伤破坏机制

    王汉鹏王伟张冰邱廷麟...
    1860-1872页
    查看更多>>摘要：为研究深部地下工程高地应力静载与采掘爆破施工等循环扰动耦合作用下岩石的损伤破坏机制，利用自主研发的多应变率动静叠加岩石力学试验系统，开展了不同预加静载(0。45σc、0。65σc、0。85σc)叠加循环冲击荷载以及相同预加静载叠加不同频率(0。5、1。0、2。0 Hz)循环冲击荷载的砂岩动静叠加试验。试验结果表明:动静叠加试验中岩石峰值强度小于静载试验，最大变形量大于静载试验，表明动静叠加荷载对岩石损伤具有显著促进作用，且不同动静荷载叠加下岩石强度、变形、破坏等演化规律具有一致性，其中峰值强度、破碎持续时间与预加静载呈线性负相关，与循环冲击频率呈对数正相关;最大应变、裂隙分形维数、碎块分形维数与预加静载呈线性正相关，与循环冲击频率呈对数负相关;不同动静叠加下岩石表面裂隙与碎块粒径分形维数演化趋势基本一致，且前者略大于后者，表明岩石表面及内部裂隙发育的同步性，相比岩石内部三维应力状态，表面更利用裂隙萌生与扩展;不同动静叠加条件下岩样破坏模式发生转变，随着预加静载的增大或冲击频率的减小，破坏模式经历"斜面剪切破坏—竖向拉伸破坏—整体爆裂破坏"的转变，且爆裂破坏位置由底部向整体扩展。为定量表征循环冲击下预加静载岩石损伤机制，结合理论分析与试验数据，建立了综合考虑静载损伤与不同峰值、频率、次数循环冲击损伤以及应变率强化效应的动静叠加损伤因子，进而开展了4组不同参数下的动静叠加试验，理论计算与试验结果对照误差率分别为0。5％、1。8％、0。6％、1。7％，误差均较小;但基于动静叠加损伤因子的理论计算强度均小于试验强度，初步分析这是由于高频循环冲击下损伤发育存在细观滞后性，循环冲击实际产生的累积损伤小于单次冲击损伤的循环次数倍，后期可开展细观测试，探索循环冲击下岩石细观损伤演化规律，进一步完善理论模型。

    岩石力学损伤机制破坏模式循环冲击预加静载

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    应力波作用下水平倾向液体充填岩石节理动态响应规律试验

    朱建波孔骥黄震天孙家鑫...
    1873-1881页
    查看更多>>摘要：地下岩体工程中，液体充填岩石节理不可避免会受到地震、爆破等动力扰动。由于液体具有流动性，不同倾向节理中的液体呈现不同空间分布状态，受应力波扰动后液体的运动状态也相异。为阐明应力波作用下水平倾向液体充填岩石节理动态响应规律，利用辉长岩切槽试样、有机玻璃管与丙三醇制备了液体充填岩石节理试样，采用类霍普金森杆试验测试系统，开展了液体充填岩石节理试样的竖向冲击加载试验，考虑了节理匹配系数(JMC)、液体体积分数与黏度3个影响因素，并从应力波透射能量与液体运动2个方面分析了液体充填岩石节理动态响应规律。试验结果表明:液体充填岩石节理JMC增大，应力波透射能量增大;随着液体体积分数增大，高幅低频应力波的透射能量单调增大，低幅高频应力波的透射能量先不变后增大;当液体体积分数为50％时，应力波透射能量随着液体黏度增大而减小，而当液体体积分数为100％时，应力波透射能量随着液体黏度增大呈现先减小后增大的趋势;节理边界处，液体运动方向垂直于水平节理面向上，节理排液能力和液体运动剧烈程度随液体黏度增大而减弱。

    应力波液体充填岩石节理动态响应透射能量液体运动

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