“冲击地压与岩石动力学前沿技术与实践”学术研讨会暨《煤炭学报》“冲击地压与岩石动力学”专题发布会
基本信息
2023-07-01
2023-07-01
中国煤炭学会;中国矿业大学;《煤炭学报》编辑部
会议文集
1. 不同冲击速度下含气砂岩损伤-渗流特性试验研究
摘要： 为探究不同冲击载荷作用下含气砂岩冲击损伤特征和渗透性规律,利用含瓦斯煤岩冲击损伤-渗流试验系统和工业显微CT 扫描系统,设计并开展了三轴预应力状态下不同冲击速度加载的动态压缩-原位渗流试验,重构了受冲击损伤砂岩的三维裂隙结构,对比分析了固-气耦合试样不同冲击速度加载下的动态应力-应变曲线特征、能量耗散规律、破坏损伤和渗透性演变特征.研究结果表明:含气砂岩的应变率随冲击速度的增加而增加,入射波能、反射波能、透射波能和吸收能也随之逐渐增大.含气砂岩的峰值应力和峰值应变也随冲击速度的提升而逐渐增大,且动态应力-应变曲线的压密阶段不断被压缩直至完全消失.三轴固-气耦合动态冲击条件下,含气砂岩的破坏形式以剪切破坏为主;随着冲击速度的递增,冲击载荷与气体压力联合作用下含气砂岩内部的张拉裂隙数量不断增加,新生裂隙相互连接促使了宏观贯通裂隙的形成;泊松比效应和偏心压缩作用使砂岩上分别形成了沿试样轴向方向延伸和垂直于轴向方向延伸2种张拉裂隙,2种裂隙在试样外沿相互连通,呈现出网格状.含气砂岩的吸收能量直接决定了其损伤程度,吸收能量的不断增加,不仅加大了含气砂岩破坏后的损伤程度,也大幅提高了含气砂岩的渗透性;冲击受损破坏之后的含气砂岩渗透率与其裂隙率遵循线性正相关关系.
提交时间：2023-07-01
2. 不同温度及冷却速率下花岗岩动态拉伸力学特性
摘要： 深部高温岩石往往会受不同冷媒介质作用,其力学特性的劣化极易诱发岩体工程灾害.考虑3种冷却方式(高温炉中冷却、空气自然冷却及水中快速冷却),首先研究高温(200～800 ℃)花岗岩圆盘试样热-冷处理后其内部微裂纹分布及纵波波速变化规律.然后基于改进的SHPB 试验系统,对不同热-冷处理后的花岗岩试样开展动态劈裂试验,研究不同加载速率下试样应力平衡状态、动态拉伸强度及变形破坏特性的演变规律.结果表明:① 岩石内部损伤程度随冷却速率增大而增大,水中冷却后试样波速下降率最大,内部产生的微裂纹数量最多.② 不同温度及冷却速率下试样动态拉伸强度与加载率呈指数正相关关系;200 ℃ 时,冷却方式对试样动态拉伸强度影响较小;而400～700 ℃ 时,温度及冷却方式对试样动态拉伸强度影响较大,拉伸强度随温度及冷却速率的增大而降低.③ 温度及冷却方式对试样最先起裂位置处拉伸应变、起裂时间影响较大,最先起裂位置处拉伸应变随温度及冷却速率的增加而增加,起裂时间随温度及冷却速率的增加而缩短.④ 试样主要存在2种破坏模式:Ⅰ 类为试样存在中心主裂纹及端部粉碎区;Ⅱ 类破坏模式复杂,除了存在中心主裂纹及端部粉碎区外,还存在其他方向贯通裂纹.研究结果可为深部高温岩石工程的稳定性控制提供理论参考.
提交时间：2023-07-01
3. 采空区覆岩波速模型及微震源定位方法
摘要： 为构建煤矿小尺度区域微震波传播速度模型,提高矿井含采空区复杂地质结构内微震源定位精度.依据矿山采空区覆岩“三带”岩层变形、层面离层、层内断裂和裂隙发育以及岩体扩容等特征,构建圆弧层面波速模型,分区描述采空区覆岩波速结构.并提出采用考虑岩层变形特征的微震波绕射传播路径增量和基于时间平均方程的裂隙岩层波速折减进行波速模型修正.基于层状均匀介质假设和斯奈尔定律,推导微震波传播路径和走时计算公式,并计算各传播方向上的异向等效波速.基于到时理论定位原理,选择以实测到时差与理论走时差之差构建震源求解目标函数,采用模式搜索算法进行震源位置求解.形成了基于采空区覆岩异向波速模型的微震源定位方法.通过三维算例和煤矿地面微震监测定位应用,验证了所提方法的可行性与定位效果.研究表明:① 由于煤矿地质环境中采空区遍布和微震波经由采空区传播的必然性,针对煤矿含采空区复杂地层结构特征,建立相应的异向波速模型,是提高矿山环境下微震源定位精度的关键;② 采空区覆岩波速模型充分考虑了岩层形态、离层、断裂、裂隙发育和岩体扩容等对微震波传播路径和等效波速的影响,并通过定量确定微震波传播绕射路径增量和岩层波速折减,宏观表现出采空区地层结构的典型波速异向特征;③ 针对分层介质下的震源定位,在三维算例中选用异向等效波速模型的定位方法相较于全局平均波速模型,定位结果的平均误差由9.7558m 降至0.4186m,有效降低了定位误差;④ 以矿井大能量微震事件的井下微震定位结果为参照,在现场地面微震监测中应用采空区覆岩波速模型,得出该模型定位结果较待定波速而言更接近现场调查结果中确定的煤岩体破裂影响范围.综上,对于依赖波速模型的定位方法,根据地质结构特征建立相应的异向波速模型是高效开展微震监测,提高微震源定位精度的突破点之一.
提交时间：2023-07-01
4. 冲击地压矿井安全性研究
摘要： 针对当前冲击地压矿井缺少对防冲设计的可靠性和对自身防冲能力综合评判的环节,导致一些冲击地压矿井虽然采取了防冲措施,但依然发生冲击地压这一现状.参考了岩土工程中采用安全系数来评价安全程度这种办法,提出了冲击地压矿井安全性的基本理念.通过调研发现:冲击地压造成的破坏范围占所在工作面总的作业范围比例是有限的;矿井巷道围岩应力集中大小是有限的,应力集中系数基本介于1～6;冲击地压事故释放的能量都不大于109J 级,即冲击地压释放的能量是有限的;冲击地压矿井的安全性评价可以转化为巷道安全性评价,即保证了巷道安全就保证了整个矿井安全;冲击地压发生后控制巷道断面收缩率在20％以内基本可以避免人员伤亡.因此,指出冲击地压是可防可控的.进而提出冲击地压不发生的条件和发生不造成人员伤亡的条件,即分别为:巷道围岩变形系统的实际受载应力低于巷道失稳发生冲击地压的临界应力;围岩变形系统失稳释放能量低于围岩-支护系统可吸收能量.并提出矿井在进行冲击危险性评价、划分危险等级以及防冲设计后,还需要进行安全性评价,包括临界条件、安全系数的计算和划分安全等级.基于冲击地压扰动响应失稳理论,给出安全性评价需要考虑的2个方面:应力安全性和能量安全性.其中,应力安全性由围岩变形系统的实际受载应力与失稳临界应力的比值(即应力安全系数)来判断;能量安全性由围岩变形系统失稳释放能量与围岩-支护系统可吸收能量的比值(即能量安全系数)来判断.进而将矿井安全性划分为A、B、C 三级,分别对应:安全、基本安全和不安全.其中,应力安全系数大于1.5且能量安全系数大于1.0,为A 级安全矿井,矿井具备防冲能力,可以正常进行开采;应力安全系数大于1.0且能量安全系数大于1.5,为B 级基本安全矿井,矿井具备防冲能力,可以正常进行开采;安全系数非A 级和非B 级,则为C 级不安全矿井,矿井不具备防冲能力或应暂停开采活动.以某矿为例,给出了矿井安全性计算的完整流程和评价结果.最后给出了全国部分冲击地压矿井的应力安全系数和能量安全系数,并结合这些矿井的实际冲击地压发生情况,验证了安全系数计算结果的可参考性,从而说明安全性评价方法具备一定的可靠性和实用性.
提交时间：2023-07-01
5. 大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系
摘要： 坚硬顶板特厚煤层开采采场空间大,矿压作用复杂,致使采场强矿压作用机理不清,并缺乏针对不同层位坚硬顶板的多点控制技术体系,必须在更大采场空间范围内研究坚硬顶板控制的新理论和新技术体系.笔者团队经过近15a 的产学研攻关,形成了大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系:针对岩层控制研究涉及空间不足,提出了大空间采场概念;基于顶板破断特征及矿压作用规律,定义了远场和近场坚硬顶板;兼顾采空区矸石压缩及覆岩块体的协调运动,建立了大空间采场远场坚硬顶板破断结构力学模型,揭示了远场坚硬顶板破断失稳的强矿压控制机理;基于弹性薄板理论,构建不同切顶工艺、9种组合边界条件下的近场坚硬顶板初次和周期破断力学模型,揭示了近场坚硬顶板定向造缝采场卸压机理;综合工作面参数、近场矿压作用等基础指标,以及临空开采、双系影响等强化条件,建立了强矿压分级预测评价体系,给出了4个不同级别矿压显现程度的量化指标及对应的控制技术;研发了坚硬顶板地面水平井体积压裂技术、地面垂直井分级压裂技术,发明了远场坚硬顶板裂缝扩展监测技术,有效解决了远场坚硬顶板强矿压难题;首创了坚硬顶板复合爆破定向精准造缝技术,开发了坚硬顶板液体炸药深孔爆破技术,发明了坚硬顶板链臂锯连续精准切割技术,实现了对近场坚硬顶板垮落形态及破断特征的精准控制;提出了坚硬顶板地面压裂+X 的协同控制技术,实现了对远近场坚硬顶板的多点协同调控.基于以上研究成果,在塔山煤矿8204特厚煤层综放面开展了地面水平体积压裂+液体炸药深孔爆破协同控制现场试验,结果表明,在进入压裂爆破协同控制区域后,临空回采巷道顶底板及两帮移近量均小于388mm;工作面中部支架最大阻力达到13295kN,小于支架额定工作阻力15000kN,工作面及回采巷道强矿压得到了有效控制.
提交时间：2023-07-01
6. 单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究
摘要： 新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点,而更易失稳、诱发冲击地压事故,深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础.运用物理实验方法,基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统,开展垂向加荷–径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验,并监测全历程出现的声发射信号,分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律,引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计,结果表明:单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力–应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型3阶段特征,高卸荷速率和瓦斯压力,降低了煤岩强度、峰值应变量,但使峰后阶段应力降模量增大,而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化.试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的“洋葱皮”式破坏形式,且卸荷速率越高,形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大,相应的统计分形维数越低,而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高.三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续,单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现,次高值信号产生于应力峰值,随卸荷速率、瓦斯压力升高,两高值信号幅值增加且最值信号出现提前,声发射能量累计量“阶梯”增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低.高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能,在实际工程中,高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构,易受高静载或冲击扰动致整体结构失效,且该部分“富能”围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害.
提交时间：2023-07-01
7. 动载作用下全锚锚固体应力波传播及破坏特征
摘要： 深井巷道受动载扰动变形严重,明晰动载作用下锚固支护体的应力波传播及破坏特征具有重要意义.基于霍普金森杆(SHPB)试验系统,研究了不同冲击气压下锚固体试件的应力波传播规律,基于一维应力波理论计算了锚固体的层裂强度;利用ABAQUS 数值模拟软件还原了动载冲击试验,再现了锚固体试件的应力波传播全过程,分析了锚固体轴向不同位置处的应变–时序特征.研究结果表明:① 随冲击气压增大,应力波衰减速度越快,空间响应幅值及衰减系数逐渐增大,锚固体试件层裂强度与冲击气压呈正相关关系,0.6MPa 冲击气压下的层裂强度相较于0.4MPa 冲击气压下增加了41％,呈现出明显的应变强化效应;② 锚固尾部及中部锚固剂的应力波峰值应变略大于围岩峰值应变,而锚固端部由于净拉应力作用导致围岩峰值应变骤增;③ 锚杆、锚固剂及围岩3者动力响应具有时序性,锚固围岩与锚固剂率先受到压缩应力波作用,锚杆产生滞后于锚固剂与围岩的拉伸应力波,阻止锚固体试件发生协同破坏;④ 锚固尾部锚杆、锚固剂及围岩应变起跳时间间隔为0,随着应力波向锚固中部及端部传递,3者应变起跳间隔时间逐渐增加,锚杆峰值应变随之增加,锚固端部锚杆破坏最严重,随冲击气压的增大,3者不协同作用逐渐加剧,锚固体试件加速劣化.
提交时间：2023-07-01
8. 防冲支架立柱多胞薄壁吸能构件能量吸收性能
摘要： 为提高防冲支架能量吸收性能以应对煤炭资源深部开采趋势下的冲击地压频发问题,提出了一种具有圆形与多边形混合截面的多胞薄壁吸能构件应用于防冲支架立柱.基于简化超折叠单元(Simplified Super Folding Element,SSFE)理论剖析了不同截面形状和肋板布局的多胞薄壁吸能构件能量耗散途径,构建了轴向压溃条件下吸能构件的能量吸收平衡方程,并推导出了等厚度和非等厚度2种吸能构件平均支反力预测公式;通过轴向压溃仿真获得了各类型多胞薄壁吸能构件吸能量曲线、支反力曲线以及屈曲变形形态,发现圆形与八边形混合截面、边延伸肋板布局的多胞薄壁吸能构件(P8-2类型)具备相对吸能优势,深入考察了内嵌管截面尺寸、薄壁管壁厚和肋板厚度对其吸能效果的影响规律,即:3种结构参数对弯曲褶皱形态和塑性铰数量影响显著,对吸能特性参数有着不同且非简单单向变化的影响趋势,同时验证了基于SSFE 理论的平均支反力理论模型具有较高预测精度;依托均匀试验数据,拟合出了吸能特性参数关于构件结构参数的回归方程,并利用NSGA-II 遗传算法进行优化求解,最终确定多胞薄壁吸能构件内嵌管截面尺寸为122mm,薄壁管壁厚度为2.6mm,肋板厚度为2.7mm;进一步通过轴向压溃仿真验证与对比分析,结果表明:经结构参数优化后的多胞薄壁吸能构件具备更好的能量吸收效果且支反力波动较小,可使让位防冲过程更加可靠,能够为防冲吸能构件设计提供有益参考.
提交时间：2023-07-01
9. 基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置研制及应用
摘要： 煤层加载刚度及峰后承载刚度是影响冲击地压发生的重要因素,为了系统研究基于局部矿井刚度理论的冲击地压发生机理及煤柱冲击破坏规律,开发了冲击地压实验室试验装置.试验装置主要由静力加载系统、储能系统、变刚度加载系统、开挖系统和多源信息监测系统5部分组成.该试验系统的主要创新如下:① 加载系统中增加开挖装置,可在保压状态下通过开挖诱发试样产生应力集中及局部矿井刚度的降低,当试样受力达到其承载强度、局部系统刚度低于试样峰后刚度时将发生冲击破坏;② 加载系统中设置了气囊式蓄能器-油缸的复合液压弹簧储能装置,可在静力加载过程中完成能量的储存;③ 设置了一种变刚度加载装置,系统可通过蓄能器初始气囊压力的调整实现不同加载刚度的设置;④ 试验装置可对试样从加载—稳压—开挖—冲击全过程进行实验室再现,使得冲击地压发生全过程煤柱应变监测以及冲击过程观测成为可能.通过对高强度混凝土试块和强冲击倾向性煤样进行初步实验室试验,验证了该模拟设备的准确性和可靠性,初步试验结果表明:低刚度加载条件下通过开挖底部试样可有效诱发煤柱发生冲击破坏,煤柱破坏由低刚度侧向高刚度侧扩展贯通,破坏后的残留煤柱呈现出“两侧宽中心窄”的哑铃状态.冲击破坏后的煤柱中心被一条横向锯齿裂纹贯穿,致使煤柱承载能力大幅度降低.该试验系统从加载储能及刚度角度出发,可实验室再现煤体在加载—稳压—开挖—冲击破坏的冲击地压发生全过程,为煤矿冲击地压发生机理研究提供试验平台.
提交时间：2023-07-01
10. 基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法
摘要： 针对目前冲击地压和煤与瓦斯突出致灾机理尚未完全明确,仍偶有发生,严重威胁着中国煤矿的安全生产,结合灾害发生时大量抛出煤岩有着不同于采掘工作面和巷道空间正常工况下的温度与速度特征,提出了一种基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:在煤矿井下巷道顶部、巷帮以及采掘工作面液压支架等位置多点布置红外热像仪,实时采集采掘工作面和巷道空间热红外视频图像;监测识别监视区域内物体温度是否处于设定的温度范围(30 ℃≤T≤150 ℃);当掘进工作面、掘进巷道入口、掘进巷道中间、回采工作面、进风巷入口、进风巷中间、回风巷入口、回风巷中间、主运输大巷、辅助运输大巷等位置红外热像仪监测到物体温度处于设定温度范围时,监测识别处于设定温度范围物体的移动速度是否处于设定的速度范围(v＞13m/s);当处于设定速度范围时,利用多点布置的甲烷传感器监测监视区域内环境甲烷体积分数是否迅速升高;当工作面、回风巷、进风巷、总回风巷等多个不同地点甲烷体积分数均大幅升高,则进行煤与瓦斯突出报警,反之,则进行冲击地压报警.提出了基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警中,红外热像仪的最佳倾角确定方法,以及红外热像仪有前倾角度情况下监测温度异常物体移动速度的方法.根据宁夏双马煤矿实际掘进巷道情况,结合红外热像仪帧率25FPS,焦距13mm,并且沿巷道轴向方向的视场角为21°,相对于竖直向下进行图像监视,该方法在保证测速效果的前提下得到的红外热像仪最佳倾角约为58°,进行图像监视时监视范围增大了约292％,在密集监视区域红外热像仪成本减少近75％.为了更逼真的迎合灾害特征,简化实验复杂度与确保安全性,设计了一套灾害温度、速度特征模拟实验装置:采用直径315mm PVC 管模拟圆形巷道;采用颜色、密度相近的10mm 橡胶球替代破碎煤岩作为主要实验材料与主要识别目标;采用物理加热法(热水浴)使橡胶球温度达到灾害发生时的温度异常范围;采用高压鼓风机提供动力源,使橡胶球速度能够达到灾害发生时的速度异常范围.并利用红外热像仪来完成对整个模拟灾害过程的监视与热红外视频图像采集.对所提出的灾害感知报警方法进行了代码实现.模拟实验与结果分析表明,该方法识别效果良好,验证了基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法的可行性与有效性.
提交时间：2023-07-01
11. 基于相空间重构与深度学习的冲击地压矿井时间序列b值趋势
摘要： 冲击地压是制约煤炭安全高效开采的重大灾害之一,实现冲击地压的智能化预警是保障煤矿智能安全开采的关键路径.b 值作为监测冲击地压的有效指标,掌握矿井开采过程中b 值演化趋势对冲击地压的及时预警具有重要意义.为此基于相空间重构(PSR)与深度学习提出了对矿井开采中时间序列b 值的短期预测方法,运用相空间重构技术将卷积神经网络识别及降噪后的b 值映射到高维空间,混合遗传算法(GA)优化的长短期记忆网络(LSTM)学习高维数据特征构成b 值预测模型(PSR–GA–LSTM).实例结合冲击地压矿井宽沟煤矿W1123综采工作面,计算了降噪后b值的重构参数且实现了数据的重构.评价了不同模型的预测性能并对最优预测模型进行了实例分析.研究结果表明:时间序列b 值经过降噪技术处理后,能增强模型对于b 值趋势特征的学习能力和降低噪点对于冲击前兆信息的干扰;时间序列b 值经过相空间重构及长短期记忆网络的超参数得到优化后,模型的预测精度能得到明显提升;较其他模型相比PSR–GA–LSTM 的残差波动范围最小稳定在0.005以内,其误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.00151、0.00133、0.29％都低于其他模型;PSR–GA–LSTM 模型经过时间序列b 值训练后,所预测的b 值趋势蕴含着冲击前兆信息,能预先对冲击事件的发生提供b 值预警指标.该模型对于匀速推进的冲击地压矿井b 值趋势发展有着较好的预测能力,所用方法可为在冲击地压时间上演化发展的预测预警研究提供借鉴与参考.
提交时间：2023-07-01
12. 基于震源机制与定位误差校准的冲击地压危险预测方法
摘要： 冲击地压智能监测技术迅速发展大背景下,如何利用海量微震监测信息挖掘震源破裂性状并将其应用于冲击地压的预测预警或防控是未来研究的重点与难点.为解决目前微震群破裂机制聚合规律挖掘不充分、震源机制反演技术难以直接应用于冲击地压的预测预警难题,采用理论分析、数值仿真等手段研究建立基于震源机制与定位误差校准的冲击地压危险预测方法.以内蒙古某冲击地压矿井大能量矿震事件频发2215工作面为研究背景,总结了煤矿微震波形数量有限、噪声影响大、反演效率要求高的特点,比较分析了不同矩张量方法反演震源机制的特点及优缺点,确立了混合矩张量反演法更适用于煤矿应用场景;2215工作面顶板破断诱发事件以拉剪以及压剪破坏为主;大能量事件发生前微震事件剪切成分占比不超过40％,顶板破断主导的微震事件走向角主要分布于3°～80°以及150°～270°,倾角主要分布于70°～90°,存在明显的集聚特征;基于煤矿常见的震源破裂机制及定位误差分析了微震事件聚合的可能性并建立了微震聚合准则,构建了基于震源破裂机制及定位误差校准的危险预测方法及指标;预测实例结果表明考虑震源破裂机制及定位误差后可显著增强微震异常聚合区的识别;微震数据较为完整情况下,基于震源破裂机制及定位误差校准的危险预测指标IP 阈值设置为0.7时可实现对不同破裂类型大能量事件的准确预测.
提交时间：2023-07-01
13. 基于GDEM的结构面型岩爆孕育演化机制
摘要： 深部硬岩工程开挖过程中,洞壁围岩常常因结构面的存在发生岩爆地质灾害,造成人员伤亡和设备损毁等事故.通过采用有限元、离散元相耦合的GDEM 数值仿真技术研究了边墙含竖向结构面的数目和尺度对深部硬岩直墙拱形隧道在开挖卸荷作用下,围岩裂化扩展行为、应力、位移、片状块体速度等力学运动特征的影响,以此揭示围岩板裂化、结构面型岩爆之间的演化机制.结果表明:开挖卸荷后,含多结构面数目隧道的破坏模式及强度与结构面控制效应有关(洞壁径向距离1.5m 范围内结构面的作用影响大),且结构面具有主导控制岩爆爆坑边界的作用,而多节理岩板裂化的演化机制为切应力不均匀分布,致使岩板实际承载偏心受压,产生二阶弯矩效应,诱发强烈的张拉板裂型岩爆,呈现出“平底锅状”C 字型的爆坑;围岩破坏强度与岩板的尺度效应有关且结构面具有削弱应力向径向深部围岩转移的阻碍作用,从而不断加剧结构面围岩之间卸荷应力波的相互反射,增大了岩板内的应力积聚与能量积累.且尺度不同,其切应力调整分布演化差异大,大尺度高柔度的三节理岩板,其端部载荷强度高、岩板的屈曲效应较明显,导致径向内部岩板易屈曲失稳而引发边墙围岩板端部的剪断失稳破坏,诱发强烈岩爆.而中小尺度的三节理岩板,柔度小不易失稳,且载荷作用小,裂纹易沿结构面尖端扩展贯通破坏,呈现为脱落型静态脆性破坏,形成小V 型破坏断口.
提交时间：2023-07-01
14. 静水压下原生组合煤岩动力学破坏特征
摘要： 深部巷道围岩软弱、裂隙发育,开采扰动影响下易导致动力灾害,其中煤岩组合体整体失稳破坏是诱发灾害的关键因素之一.为探究冲击载荷下原生组合煤岩体的动力学破坏特征,借助分离式霍普金森杆系统及高速摄像机,以原煤、原生组合、人工组合煤岩为研究对象,探究不同静水压、应变率下煤岩动态应力应变、裂纹演化、破碎特征,并采用宏观破碎分形及细观电镜扫描研究煤岩变形破坏特征.研究表明:① 原煤、原生组合、人工组合煤岩的动态应力-应变呈显著非线性,原生煤岩的塑性阶段近似“塑性平台”.② 冲击载荷下,煤岩动抗压强度的应变率效应显著;原煤、原生组合煤岩的动抗压强度与静水压呈先增后减趋势,静水压作用(低压强化、高压弱化)的临界值分别为8、10MPa,人工组合煤岩与静水压呈正相关趋势.③ 冲击荷载下,原生及人工组合煤岩的裂隙起裂均发生于远离煤岩交界面的煤组分区域;组合煤岩交界面显著影响试样变形破坏行为,当冲击速度≥10m/s,原生组合煤岩均可发生煤岩组分的整体失稳破坏,而相同扰动下人工组合煤岩仅发生煤组分破坏,仅当冲击速度≥14m/s,裂纹的尖端应力大于煤岩强度,可贯通人工交界面,导致整体破碎;原生交界面对试样裂纹贯通具有“导向作用”,易诱发裂纹扩展形成宏观破裂面.④ 原煤、原生及人工组合煤岩破碎程度随冲击速度的增大而增大,破碎粒径趋于粒状、粉末状;相同扰动下,3类煤岩中煤组分的破碎程度:原生-煤组分 > 人工-煤组分 > 原煤.
提交时间：2023-07-01
15. 局部震动诱发煤体非稳态裂纹扩展及其冲击显现特征
摘要： 为探明脆性煤体受静载作用下细观裂纹演化规律及宏观冲击显现特征,通过实验和模拟相结合的方法开展了煤样受压脆性破断的声发射信号演化及应力降过程研究.结果表明,煤体瞬时应力降过程裂纹演化规律与常规准静态受载过程在裂纹扩展诱发机制和裂纹扩展模式及范围方面均有显著差异:瞬时应力降中局部裂纹剪切滑移引发的大能量震动事件诱发其临自由面细观拉伸裂纹快速扩展贯通,进而形成碎屑并弹射飞出,其过程以拉伸裂纹动态扩展为主,而剪切裂纹在形成贯通面过程中产生;煤体受载大能量震动事件呈局部积聚并向周边扩展的规律,其形成的扰动诱发煤体局部细观裂纹快速扩展贯通及结构动态失稳,引发煤体宏观应力降及冲击显现现象;另外,震动事件、应力降及冲击显现存在时序性.煤体冲击显现烈度与应力降前后刚度比及释放能量正相关,所测试煤样临界刚度比约为18.2,小于此值时无明显冲击显现现象,反之,随着刚度比和释放能量增大相继呈现少量碎屑弹射、大量碎屑弹射、碎块弹射和剧烈煤爆4种冲击显现现象;冲击显现中碎屑弹射速度及动能随刚度比增大有一定的上升趋势,同时碎屑极限速度也相应增大.静载作用下煤体动态失稳过程的研究及结论对理解煤矿冲击矿压孕育演化过程及致灾机理有一定的借鉴作用.
提交时间：2023-07-01
16. 考虑循环载荷初始损伤效应的煤样动态力学特性试验研究
摘要： 近水平露天煤矿开采时在端帮边坡上通常布置运输平盘,大型重载卡车的往复运输作业会对边坡覆岩产生显著的循环加卸载效应,导致煤岩体产生一定的初始损伤.同时,露天开采时大规模爆破产生的强冲击动载荷使煤岩体的力学性能进一步劣化,极易诱发边坡大面积失稳.因此,开展循环加卸载损伤条件的煤岩动态力学特性试验研究,对露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义.利用分离式霍普金森压杆试验系统及扫描电镜测试系统,对循环加卸载初始损伤状态下煤样的动态力学特性及其损伤断裂机理进行了系统分析.研究结果表明:① 随着加载应变率的增大,煤样动态抗压强度与弹性模量快速增加,应变率对试样动力学特性的强化效应显著;固定应变率条件下,随着初始损伤的增大,动态抗压强度与弹性模量则呈线性快速降低,表明初始损伤对煤样动力学性能具有弱化效应;② 煤样自然状态下存在尺度较小的原生裂纹及孔洞缺陷,损伤的产生导致其内部萌生出新的裂隙及孔洞,并且随着损伤程度的提高,缺陷尺度及数量逐渐增大并快速扩展,这是导致其力学性能弱化的根本原因;③ 随着初始损伤及应变率的增大,煤样破坏方式从张拉破坏向剪切破坏转变,同时其破坏程度、破坏过程中的耗散能及耗能能力呈快速增加的趋势;④ 损伤煤样动态破坏主要以脆性破坏为主,但在初始损伤较高的条件下,其局部能够观测到显著地滑移分离及韧性断口形貌,这也是初始损伤较大状态下煤样耗能较高的主要原因.
提交时间：2023-07-01
17. 邻空巷坚硬顶板预裂爆破防冲机理及效果检验
摘要： 顶板预裂爆破技术是防治冲击矿压的重要手段.以鄂尔多斯地区坚硬顶板邻空侧巷道频繁发生冲击矿压为背景,建立了邻空巷侧向覆岩结构的力学模型及UDEC 数值模型,对比了顶板预裂爆破前后邻空侧向覆岩结构及应力演化特征,揭示了顶板预裂爆破防冲机理,开展了预裂爆破防冲实践,并通过现场钻孔探查、窥视、应力监测、微震等多种手段对爆破前后邻空侧向覆岩结构、煤体应力进行了实测,得出:① 顶板预裂爆破能促使邻空侧向覆岩发生长臂“F”型→长臂“L”型→短臂“L”型结构转换,缩短了关键层悬臂长度,降低了邻空侧煤体的静载应力,促使煤体应力峰值向深部转移,同时削弱了侧向覆岩破断动载,降低冲击危险;② 爆破前后实测低位岩层破断角由57°增大到72°,悬臂长度降低了8.7m,中高位关键层悬臂长度至少降低了6.8m,低位岩层预裂爆破诱发中高位关键层破断,证实了邻空侧向覆岩结构发生转换;③ 爆破前后模拟计算邻空侧煤体应力峰值降幅为5.36MPa,实测煤体应力最大降幅为5.4MPa,微震事件能量、频次均明显降低,实测与理论数值结果相一致;④ 形成了钻孔探查、窥视、应力与微震监测等多手段结合的爆破防冲效果检验方法.
提交时间：2023-07-01
18. 煤冲击倾向性的针贯入法测定
摘要： 冲击倾向性是煤的固有力学属性,也是评价煤矿冲击地压风险的重要依据.提出了一种基于针贯入法快速测定煤冲击倾向性的实验方法;结合纵波波速测试和单轴压缩实验,探究了具有不同贯入度指数的煤样对应的物理力学性质差异及在受压破坏过程中能量演化规律,采用剩余弹性应变能释放率指数KRE,定量表征了弹性应变能累积释放特性并进行冲击倾向性评价.通过数据拟合与回归分析,获得了测试煤样贯入度指数与纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学参数的对应关系,并建立了贯入度指数和冲击能量指数、弹性能量指数、动态破坏时间、剩余弹性应变能释放率指数等冲击倾向性指标的关联表达式;构建了基于贯入度指数的煤冲击倾向性分级评价方法,采用对应煤样冲击倾向性测试时煤屑弹射质量比F 对基于贯入度指数的煤冲击倾向性分级评价方法进行了验证.结果表明:煤的贯入度指数与纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学参数及冲击能量指数、弹性能量指数、剩余弹性应变能释放率指数等冲击倾向性指标呈幂函数正相关关系,与动态破坏时间呈负相关的指数关系;贯入度指数越大,煤的弹性变形和储能性能越强;贯入度指数为85N/mm 时是煤单轴抗压强度突变临界值;利用针贯入法测定煤的物理力学性质、弹性应变能储存释放特性及冲击倾向性具有良好的可行性与可靠性.
提交时间：2023-07-01
19. 煤矿冲击地压发生风险判别公式及应用
摘要： 针对传统冲击地压发生判别方法缺乏灾害全过程考虑的问题,以煤矿冲击地压发生物理过程分解为切入点,采用理论分析、数值模拟、力学推导、工程验证等方法,开展基于物理过程分解的煤矿冲击地压发生风险判别指数计算公式及其应用研究.结果表明,冲击地压发生物理过程中存在的空间序列为采动围岩极限平衡区—采动围岩近场弹、塑性区—采掘活动空间;依次对应的时间序列为冲击启动阶段—冲击能量传递阶段—冲击地压显现阶段.冲击地压完成物理过程必须同时满足冲击启动和克服阻抗2个力学条件;分别建立了动、静载荷加载型以及高静载荷叠加型冲击地压启动力学模型、冲击地压克服阻抗显现力学模型;得到了冲击地压启动能量判据公式、冲击地压显现能量判据公式;基于上述2项公式建立了既考虑动载荷源、又考虑静载荷源,兼顾冲击启动力学条件满足、冲击地压显现力学条件满足的冲击地压发生风险判别指数计算公式;依据判别指数计算公式,得到冲击地压发生风险性与煤岩体静、动载能之和成正比,与支护及围岩阻抗能成反比的关系;建立了基于冲击地压发生风险判别指数的巷道降载荷-增阻抗耦合防冲工程结构力学模型,并进行了工程应用,实践表明达到了防治冲击地压目的.
提交时间：2023-07-01
20. 煤矿冲击地压源头防治理论与技术架构
摘要： 中国煤矿安全状况虽持续好转,但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重,仅近5a 就发生了8起冲击地压事故,累计死亡48人.中国煤矿冲击地压防治多为“头痛医头、脚疼医脚”,冲击地压发生源头、孕灾机理不清.同时,以山东巨野、兖州等煤田为代表的东部充分采动矿井,具有开采深度大、采动影响因素复杂等特征;以内蒙古鄂尔多斯和陕西彬长矿区为代表的西部非充分采动矿井,则具有高强度开采、厚硬岩层等特征,均给冲击地压防治带来了新的挑战.因此,煤矿冲击地压源头防治已成为当前亟待解决的重大工程科学问题.针对这一难题,从冲击地压基础理论与模拟技术、监测及危险区判识技术、区域与局部防控技术装备等3方面系统的分析了当前冲击地压研究取得的成果与不足,结合前期研究基础与现场实践,提出了煤矿冲击地压源头防治思想.进而将其梳理为煤矿冲击地压源头属性与特性、煤矿冲击地压全过程孕灾与源头防治原理等2个科学问题,冲击地压全过程精细模拟技术、矿井全生命周期煤岩体应力与全尺度覆岩结构监测技术、冲击危险精准甄别与智能识别技术、煤矿冲击地压井上下协同防控技术等4个技术问题.根据生产矿井和新建矿井的特点,分别制定了相应的防治思路与技术框架.研究成果为中国煤矿冲击地压防治提供了一种新的思路,为煤矿“零冲击”目标提供理论依据与技术支撑.
提交时间：2023-07-01
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