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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

    弹-塑性基础边界两侧采空(留煤柱)基本顶板结构初次破断特征

    陈冬冬李子健谢生荣何富连...
    2195-2211页
    查看更多>>摘要：为了研究两侧采空留煤柱工程条件下基本顶板结构的断裂位态及工程指导意义，构建考虑实体煤弹塑性变形与两侧煤柱宽度及支撑能力弱化的基本顶板结构双塑化基础边界力学模型，基于有限差分算法与主弯矩破断准则系统计算了在非对称煤柱区和长边实体煤区的断裂线形态、区位属性及整体位态特征，并从 7个层面、横纵向 4对区域与传统模型对比，阐明新模型所得新结论及工程意义。结论如下:①两侧非对称煤柱参数对长边实体煤区域的基本顶主弯矩及破断位置影响小，但分别显著影响煤柱区的主弯矩大小、位置及断裂形态。两侧煤柱区(较强/宽煤柱区+较弱/窄煤柱区)基本顶断裂线形态有 3类演化模式，随基本顶厚度及弹模增大而煤柱宽度、支撑能力及悬顶跨度减小，其变化规律为:非对称的"连续单弧形+连续单弧形"→"连续单弧形+开口间断双短弧形"→非对称的"开口间断双短弧形+开口间断双短弧形"。②长边实体煤区基本顶的断裂线主要有 3类区位属性，随基本顶厚度及弹模增大而实体煤的塑性区宽度、塑化程度及悬顶跨度减小，其演变规律为:断裂线在塑性煤体区(C-S式)→弹塑性煤体分界区(C-TS式)→弹性煤体区(C-T式);③考虑断裂线区位属性，随基本顶厚度和弹模增大而煤柱宽度、支撑能力及悬顶跨度减小的基本顶全区域破断模式及演变规律为:C-S式的(□)→C-T式的(□)→C-T式的(□)→C-TS式的(□)→C-T式的(□)。针对研究两侧采空(煤柱)基本顶板结构破断的3类力学模型，从7个层面对比了3类模型的重要区别，从横向4个区域(开采区域的前方与后方、两侧煤柱区)与纵向4个区域(非对称遗留煤柱下伏、下伏开采空间出/进煤柱/体)阐明了其重要工程作用。

    遗留煤柱基本顶两侧采空弹-塑性基础板结构

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    采动岩体损伤与断层冲蚀协同致灾时空演化机制

    姚邦华李硕杜锋李振华...
    2212-2221页
    查看更多>>摘要：随着我国煤矿开采向深部延伸，断层突水成为威胁煤矿安全生产的重大灾害之一。基于采动诱发断层突水相关研究成果，笔者提出了采动岩体损伤破裂-破碎岩体(断层)冲蚀协同致灾的突水概念模型，推导了 2种介质的渗透性演化方程，系统性构建了工作面采动破坏与断层内部颗粒冲蚀协同致灾力学模型;数值模拟研究了采动岩体变形破坏、断层内颗粒运移以及渗流通道演化特征，系统性阐释了采动诱发断层突水的渗流灾变时空演化机制。研究结果表明:①随着工作面不断推进，底板采动岩体损伤场与断层冲蚀裂隙相连通，形成了含水层—断层—采动裂隙—工作面的渗流路径，并随着冲蚀时间增加，最终发展成为数条优势导水通道，造成工作面涌水量的急剧增大并发生滞后突水。②随着渗流时间增加，断层内部涌水量、裂隙开度均表现为缓变—突增—稳定 3个阶段，冲蚀颗粒体积分数则呈现先增大后减小的变化趋势。③在研究矿区地质条件下，为预防发生断层突水，可采取超前注浆或留设防水煤柱等方法，超前注浆时间应在底板裂隙带连通断层之前，若不采取注浆措施则合理防水煤柱的留设宽度不应低于20 m。

    断层突水采动岩体冲蚀作用突水通道

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    锚网-围岩接触面注浆充填预应力施加技术

    原贵阳高富强王涛李建忠...
    2222-2230页
    查看更多>>摘要：针对松软煤体巷道护表构件主动支护效应差、局部裸露围岩破碎范围持续扩大导致的锚杆、锚索失效问题，开发了网后注浆面型预应力施加技术并进行了实验室试验及现场验证。首先分析了锚网支护围岩变形破坏方式及控制方法，阐述了网后注浆技术原理;其次开展了不同规格型号金属网的网后注浆实验室试验，分别得到了主动面型预应力施加过程中锚杆受力、注浆压力、护表构件变形量及面应力演化规律;最后开展了现场工况下的顶板及两帮网后注浆试验，得到了护表构件在一定变形量前提下的面型预应力施加值，验证了网后注浆技术的适用性。研究结果表明:①金属网与煤壁之间存在间隙是导致支护系统主动支护能力差和锚杆、锚索支护失效的主控因素，围绕金属网与煤壁接触面凹凸不平的结构间隙进行注浆填充、全面封闭围岩是完善锚网支护系统的技术手段;②在金属网与围岩之间进行注浆充填可实现面型主动预应力的施加，面应力变化趋势主要分为:初始面应力恒定阶段、面应力上升阶段、面应力降低至稳定阶段;③网后注浆过程中，面应力变化趋势与注浆压力、金属网变形量紧密相关，面应力上升过程中，注浆压力、金属网变形量也随之升高;④网后注浆可缓解锚杆托盘应力集中程度，面应力上升过程中可使得应力集中的锚杆预紧力呈现出小幅度降低趋势，受力较为均匀的锚杆预紧力呈现出同步上升趋势。所得研究成果有望成为锚杆支护配套技术，为复杂困难巷道治理提供技术储备与理论参考。

    锚杆支护金属网网后注浆面型预应力围岩控制

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    基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律

    冯国瑞樊一江王朋飞郭军...
    2231-2246页
    查看更多>>摘要：水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段，更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律，针对实验室常用的类岩石试件，利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM，建立了二维水力压裂数值模型，开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响，揭示了模型起裂机理，从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律，并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。结果表明:①注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大，其增长趋势不断变缓，并逐渐趋近于5。6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小，其减小趋势同样逐渐减缓。②累计裂隙数目随时间呈指数型增长，将水力压裂过程分为 4个阶段(Ⅰ～Ⅳ):无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段，分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大，第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小，第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多，第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。③随注液压力增量变大，次级裂缝数目由8条增至16条，裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢，进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由 0。03 MPa增大至 0。70 MPa，裂缝最终长度增大 1。79倍。④模型内部能量随注液压力增量的变大而增加，且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后，高压水在裂缝尖端形成应力集中，促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下，裂缝扩展速度变快，颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近，对主裂缝的形成及扩展起抑制作用，而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用，裂隙类型均为张拉裂隙。

    水力压裂MatDEM模型起裂裂隙演化裂缝扩展细观

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    基于深度学习的轻量化炮孔智能检测方法

    岳中文金庆雨潘杉颜文婧...
    2247-2256页
    查看更多>>摘要：在隧道(巷道)钻爆法施工过程中，智能装药可以取代人工作业，减少装药作业中危险事故的发生。然而，隧道中光线条件差、炮孔目标小和掌子面裂隙等因素会造成智能装药时炮孔的错检和漏检，同时车载计算机有限的算力也是制约炮孔识别大模型使用的难点。MCIW-2深度学习模型，可以解决在隧道掘进作业环境中的高精度炮孔检测和实时性部署问题。模型根据采集到的炮孔图像尺寸特征采取自适应锚框聚类算法优化检测框的长宽比尺寸参数;采用了具有动态非单调聚焦机制的损失函数WIoU(Wise Intersection over Union)，通过优化边框回归的损失应对低质量炮孔图片的挑战实现了高精度检测;采用了MobileNetv3-Small网络与CBAM(Convolutional Block Attention Module)注意力机制构建了主干网络结构，减少了模型参数保证了检测准确率，满足车载设备的轻量化部署需求。经实验证明，MCIW-2模型在炮孔识别精确率方面达到了 96。18%，检测速度达到了 59 fps。与基准YOLO(You Only Look Once)系列目标检测模型文件最小的模型相比，所构建的轻量化炮孔智能检测模型减小了 75。86%，模型文件仅为 2。80 Mb，优于YOLO系列的基准目标检测模型。使用MCIW-2深度学习模型对工作面现场视频进行测试，实现了快速、精确地检测炮孔，测试结果表明，该模型适用于智能装药工程的轻量化部署需求，具有良好的适应性，在综合性能方面具有显著优势。

    炮孔检测轻量化模型目标检测深度学习

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    钻孔剪切力学参数表征修正方法及其实验研究

    张玉江郝武帅冯国瑞崔炳渊...
    2257-2269页
    查看更多>>摘要：钻孔剪切法是现场快速实测岩石抗剪强度的重要方法，但因测量误差较大导致其应用受限。通过对钻孔剪切原理及研究成果分析，发现了不完全剪切是岩石钻孔剪切试验误差大的原因，提出了基于压、剪不等面积的钻孔剪切法修正方法。设计实验装置开展钻孔剪切模拟试验，研究了不同剪切板参数下砂岩剪切力学参数表征规律，证明了所提方法的有效性和修正效果，最后通过文献数据验证了该方法的适用性。具体结果如下:①岩石钻孔剪切试验误差大的根本原因是受压面积和剪切面积选取失真且不相等，实际剪切破坏面积小于剪切齿齿间面积，且不同剪切齿长度情况下修正受压面积和剪切面积均随法向力的增大线性增大。基于剪切齿参数、受压面积和剪切面积的关系式，提出了钻孔剪切法修正方法。②岩石钻孔剪切的剪应力-剪切位移曲线可分为压密阶段、似弹性变形阶段、塑性变形阶段和峰后阶段。随法向力增大，不同剪切板参数下正应力、剪应力和剪切刚度均增大，达到剪应力峰值时的位移减小。钻孔剪切参数与剪切力学参数表征值之间存在明显规律。随剪切齿齿长的增加，黏聚力线性增大，内摩擦角呈二次函数增大。随剪切板面积的增加，黏聚力线性增大，内摩擦角呈二次函数减小。③剪切齿齿长和剪切板面积增大可在一定程度上减少测量偏差。剪切齿齿长从 1。0 mm增大到 2。5 mm，黏聚力和内摩擦角测量值的总偏差从 62。96%降低到 19。91%，总修正提升值从 30。8%提高到 74。1%;剪切板面积从 400 mm2增大到 520 mm2，黏聚力和内摩擦角测量值的总偏差从 64。07%降低到 37。69%，总修正提升值从39。56%提高到 56。05%。实验和文献数据验证均表明，本修正方法可以使钻孔剪切法测得的黏聚力和内摩擦角准确度分别提升约50%和6%。

    原位测试修正方法钻孔剪切试验剪切强度力学参数

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    基于液电效应的高压电脉冲岩体致裂特征及机理

    郭军米鑫程冯国瑞白锦文...
    2270-2282页
    查看更多>>摘要：基于液电效应的高压电脉冲致裂技术是一种新型的岩体致裂技术，具有安全高效、绿色环保、能量可控等特点，在煤矿井下围岩应力调控方面拥有广阔的应用前景。由于井下岩体往往处在较为复杂的应力环境，为深入研究该技术在井下不同围岩应力环境下对坚硬岩体的致裂效果，通过LS-DYNA软件对基于RHT损伤本构模型建立的岩石试样进行高压电脉冲岩体致裂数值模拟试验，对岩体内部的损伤和有效应力演化过程进行采集，分析岩体的致裂特征及其裂缝扩展机理，通过数值模拟弥补在室内试验中因放电过程快、电磁干扰大而导致的致裂过程中岩体内部难以有效监测的问题。利用自主研发的高压电脉冲岩体致裂试验平台，开展了不同围岩应力条件下的高压电脉冲岩体致裂试验，通过获得的岩体表面破裂特征验证数值模拟结果的可靠性。获得以下结论:①基于RHT本构模型建立了LS-DYNA高压电脉冲岩体致裂数值模型，根据炸药爆破与高压电脉冲的能量等效关系，构建了高压电脉冲数值模拟等效参数。通过实验室试验与数值模拟结果进行对比，验证了数值模型与等效参数的可靠性;②对试样上表面裂纹扩展情况进行分析，发现裂纹会向最大压初始应力方向偏转。在此过程中，裂纹总长度先是逐渐减小。当所有裂纹与最大初始压应力夹角均小于 45°时，裂纹总长度开始逐渐增大;③通过数值模拟，发现在致裂初期，高压电脉冲放电产生的动态应力远大于围岩应力，对试样的破坏起主导作用。随着动态应力在传播过程中的快速衰减，初始围岩应力与动态应力的大小逐渐接近，并最终由初始围岩应力主导裂纹的萌生与扩展。研究结果表明，围岩应力是决定岩体裂缝发育和扩展特征的重要因素，特别是对裂缝的扩展方向有显著影响，在采用高压电脉冲致裂技术对深部岩体进行致裂时，应考虑岩体所处应力状态，科学制定致裂方案，以实现对岩体的高效致裂。

    岩体致裂液电效应高压电脉冲围岩应力LS-DYNA

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    冲击荷载下加卸载效应对冲击性岩石力学特性的影响

    陈见行曾班全张俊文
    2283-2297页
    查看更多>>摘要：为研究矿井基本顶周期来压对冲击性矿柱动力学特性的影响，采用一维动静组合加载SHPB实验装置对循环加卸载预处理过的冲击性砂岩开展动态冲击实验，实验中预先设置3种不同的轴向循环阈值:6、12、18 MPa，然后进行不同冲击气压条件下的动态压缩实验。探讨了不同循环阈值和冲击气压下冲击性砂岩动态力学响应特性、能量演化规律及碎块分布特征。研究结果表明:岩样动态应力-应变曲线整体划分为弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段。动态应力-应变曲线起始阶段近似直线，不存在静态单轴压缩中的裂隙压密阶段。平均动态抗压强度、平均动态弹性模量和平均动态变形模量随循环阈值增大先增大后减小;而平均动态峰值应变随循环阈值增大先减小后增大。临界阈值处岩样平均动态抗压强度、平均动态弹性模量和平均动态变形模量最大，平均动态峰值应变最小。反射能和耗散能密度随循环阈值增大先减小后增大;而透射能随循环阈值增大先增大后减小。临界阈值处岩样反射能和耗散能密度最小，透射能最大。冲击荷载下岩样呈4种破坏形态:粉碎破坏、岩块碎裂、岩块侧面剥落脱离、岩块劈裂。各冲击气压下岩样分形维数随循环阈值增大先减小后增大，随耗散能密度增加呈非线性增长。冲击性岩石致密性越好，冲击破坏时剧烈程度越弱，碎块块度越大，耗散能密度越小，分形维数越小。研究结果表明矿井基本顶周期来压小于冲击性矿柱损伤门槛值时，周期来压可提高岩层密实性，进而影响动态冲击时的破坏程度。

    冲击性矿柱SHPB循环加卸载动力学响应特性能量演化规律碎块分布特征

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    煤中原生活性位点的水-气掩蔽效应及脱附后煤体的常温氧化

    李金虎徐天硕陆伟赵兴国...
    2298-2314页
    查看更多>>摘要：煤的常温氧化为煤炭自燃提供初始热量来源，探究煤中可与氧气常温条件下发生氧化反应的原生活性物质是煤自燃理论研究的难题。此前进行的受热分解实验发现，热解煤中含有能在惰性气体中稳定存在并与氧气发生常温氧化的活性位点，因此推测煤中同样可能存在惰性介质下被迫封存的原生活性位点。为进行煤中原生活性位点的探寻，运用真空干燥技术，使原煤中能够在高负压的低温环境下完成水分的蒸发和气体的脱除。同时借助循环氧化在线监测技术，设计实施不同因素(煤种、脱附温度、氧化温度、粒径)条件下脱附后煤样的常温氧化实验，并结合相应的低温氮吸附、XPS、ESR实验分析反应机理。循环条件下的常温氧化实验表明，真空脱附后的煤体在常温氧化过程中会形成大量的CO和CO2 等气体氧化产物，且气体在通入氧气后很快出现并不断积累，证明煤在常温下即可发生氧化反应。原生煤体脱附后的常温氧化实验说明原始煤体中存在大量受水-气掩蔽影响的活性位点，而负压脱附水分和气体后会导致活性位点的大量暴露并形成有利于氧气输运和反应的通道，从而迅速发生氧化反应。因此实验找到了导致原生煤体自发氧化的活性结构，实验将活性位点的常温氧化观点从受热分解的特殊状态扩展到一般状态。由气体产物生成规律对比可知，不易被孔隙吸附的CO会在原生活性位点与氧气接触瞬间迅速产生，据此得到CO相较于CO2 而言更适合作为活性位点浓度的直观气体评价指标。煤体原生活性位点的常温氧化有助于煤炭自燃机理的揭示，为高瓦斯矿井瓦斯抽采自燃及低阶煤井下CO超限问题提供解决思路。

    煤炭自燃常温氧化水-气掩蔽负压脱附原生活性位点

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    矿井通风参数缺失数据插补方法

    倪景峰刘雪峰邓立军
    2315-2323页
    查看更多>>摘要：矿井智能通风系统对矿山智能化建设至关重要。为解决矿井通风参数在实际测量时，因为巷道不具备测试条件、仪器信号受到干扰、巷道断面风速不均一、人工操作不当等制约性因素，造成的矿井通风参数数据缺失问题，提出了 1种基于随机森林-链式方程多重插补法的矿井通风参数缺失数据插补方法。采用链式方程多重插补法，通过迭代对每个缺失的属性值产生n个插补值，从而产生n个完整数据集，对n个完整数据集进行分析优化得到 1个最终的完整数据集。为了提高缺失值插补精度，合理考虑了矿井通风参数缺失数据的不确定性对分析过程的影响，在随机森林的预测任务中，结合预测均值匹配模型对缺失数据进行插补。以潞新二矿为实验对象，利用智能矿井通风仿真系统IMVS对潞新二矿矿井通风参数原始数据集进行数据预处理，得到完整、准确的矿井通风参数完整数据集，对完整数据集分别进行了不同缺失属性、不同数据缺失率、不同迭代次数的对比试验。以多种模型评价指标对模型有效性进行评估。结果表明:基于随机森林的链式方程多重插补模型插补形成的完整数据集与原始数据集具有很好的相似性;对不同缺失列进行插补实验的结果显示插补模型可以轻松处理混合类型的数据，自主学习参数之间的相关性从而降低了插补复杂性;迭代后形成的n个数据集通过分析合并成一个最终数据集，提高了插补准确率;对初始插补后的完整数据集进行不同迭代次数的试验，发现迭代超过一定次数后，数据相关性一定会收敛。

    矿井通风随机森林链式方程多重插补缺失数据数据插补

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