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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

2022年“新锐科学家”专题

来源:煤炭学报

为全面展示我国煤炭行业青年学者的最新原创科技成果,鼓励我国煤炭行业青年科学家把更多的代表性科研成果发表在祖国大地上,助力青年科学家成长成才,《煤炭学报》编辑部于2022年第2、3期组织策划了“新锐科学家”专题。

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煤炭学报

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  • 作者(Author): 《煤炭学报》

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  • 作者(Author): 鞠金峰, 许家林, 刘阳军, 马 祥, 王晓振, 王业征, 刘 乐, 谢建林, 赵富强

    摘要:煤炭开采引起的岩移规律一直是采矿领域难解的“黑箱”问题,研究揭示其内部作用机制与演变过程是科学解决采矿工程系列问题的理论基础。基于岩层控制的关键层理论,采用地面钻孔原位监测方法,开展了红庆河煤矿深井特大采高开采条件下覆岩内部移动规律的实测与反演研究。结果表明,覆岩由下向上逐步运移发展的过程呈现5阶段典型分区特征,分别为覆岩超前受压变形阶段、逐层向上断裂运移阶段、覆岩整体快速沉降阶段、上位岩层向下压实阶段、以及覆岩整体稳沉阶段。依据5阶段岩移特征,拟合形成了覆岩超前运移的“类指数”岩移边界线,对应井上下超前影响范围分别为地表的340m以及煤层的99m;推演得到了关键层逐层向上断裂发展的83°断裂延伸角,对应320m埋深以下关键层发生超前断裂、以上为滞后断裂。同时,对覆岩“横三区”的具体分布进行了划分;沿走向推进剖面,“类指数”岩移边界线与关键层断裂线之间的区域为超前变形区(煤壁支撑区),对应于岩移阶段1;关键层断裂线之后、直至井上下分别滞后工作面煤壁410m和190m的区域为离层区,对应于岩移阶段2~阶段4;再后方的采空区为重新压实区,对应于岩移阶段5。覆岩关键层运动表现出对地表沉陷的显著控制作用,随着其逐层向上断裂运移,地表沉陷活跃度不断攀升,在主关键层结束其正向回转并开始反向回转时,地表沉陷开始进入峰值状态,且这种峰值的持续对应于覆岩整体的快速沉降;当上位岩层逐步压实下位岩层时,地表沉陷活跃度开始降低;直至主关键层运移稳定,地表沉陷活跃期结束、开始进入衰退期;表明地表沉陷盆地的最终形态直接受控于主关键层的运移状态。研究结果可为红庆河及其周边类似条件矿井的岩层控制、灾害防治等科学采煤实践与研究提供参考。
  • 作者(Author): 罗生虎, 王同, 田程阳, 高喜才, 郎丁, 王红伟

    摘要:大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而发现并揭示围岩采动应力的时空演化特征及其倾角效应是围岩稳定性控制的基础。以新疆某矿25221工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析与数值计算相结合的研究方法,在综合厘定与分析工作面矿压显现一般规律及其成因的基础之上,研究顶板采动应力传递路径的时空演化特征及其倾角效应。结果显示:在大倾角煤层开采中,顶板采动应力随工作面推进的动态演化过程先后经历了增长期和稳定期,其对应支承压力峰值的演化呈现为先增大后趋于稳定的特征。受煤层倾角影响,顶板采动应力的三维传递演化沿走向对称、沿倾向非对称。在倾向剖面内,顶板应力的传递路径呈非对称拱形形态,且沿顶板自上而下,应力偏转位置由工作面倾向中轴线左侧逐渐向其右侧迁移,上覆岩层载荷以应力偏转界线为界,分别向倾向上、下侧煤体传递,造成倾向上侧支承压力集中系数大于下侧。在工作面走向剖面内,围岩应力的传递路径呈扁平拱形态,扁平拱两侧半拱形区域上覆岩层载荷除了向工作面走向两侧煤体传递外,亦向工作面倾向上、下侧煤体传递,而扁平拱中间直线段区域上覆岩层载荷主要向倾向上、下侧煤体传递。随着煤层倾角的增大,围岩应力传递演化的非对称特性显著增大,应力偏转界线与工作面倾向中轴线间的距离逐渐增大,二者交点的高度呈现为增-减-增的演化趋势;受此影响,工作面走向和倾向上侧支承压力集中系数亦呈现出增-减-增的演化趋势。顶板应力的非对称时空演化特征,造成采场空间不同区域顶板的力学性状与行为存在显著差异,这种差异性导致倾向不同区域支架的受载与失稳特征亦存在显著差异,且这一现象会随着煤层倾角的增大而愈发明显。
  • 作者(Author): 王兆会, 孙文超, 水艳婷, 刘鹏举

    摘要:随着浅部煤炭资源开采殆尽,深部煤炭资源开发成为我国东部矿区面临的一大难题。深部矿井具有高应力、强扰动、节理裂隙发育等特点,导致煤壁高程度片帮、顶板大范围漏冒、巷道大变形破坏等围岩失稳现象频发,威胁安全生产。为提高深部开采围岩控制效果,本文以口孜东矿千米深井超长工作面为工程背景,采用现场实测、室内实验、数值计算和理论分析等手段研究超前采动应力旋转轨迹及其推进方向效应。结果表明:千米深井超长工作面支承压力呈现以峰值影响区为边界的空间分区特征,超前影响范围和煤壁破坏宽度分别达到150 m、8~12 m,采动应力发生大幅度旋转现象,高应力和应力旋转共同驱动工作面围岩破坏失稳。强采动影响下超前采动应力向采空区倾斜,走向影响范围达到200 m;两侧采动应力向巷道倾斜,倾向影响范围达到15 m。以平行于工作面推进方向的竖直平面为基准,采动应力旋转轨迹经历面外慢速偏离、面外快速靠近和面内协同旋转三个阶段。工作面推进方向对采动应力旋转轨迹具有强烈控制作用,当其与最小地应力方向平行或垂直时,采动应力旋转轨迹呈对称分布形态,两者处于其他空间位置关系时,采动应力旋转轨迹呈非对称分布形态。推进方向与最小地应力方向之间的夹角增大,采动应力面外慢速旋转阶段缩短,快速回旋阶段增长,但面内协同旋转阶段始终落在平行于工作面推进方向的竖直平面。基于围岩裂隙分布特征,实现围岩稳定性的应力方向敏感区识别,裂隙赋存稳定,应力方向敏感区为局部覆盖型;裂隙随机分布,应力方向敏感区转为全区覆盖型。根据应力方向敏感区形态提出了优势采动应力旋转轨迹确定原则,指导推进方向选择与优化,为深部开采围岩控制提供新思路。
  • 作者(Author): 白锦文, 宋诚, 王红伟, 戚庭野, 冯国瑞, 王凯, 郭军, 史旭东, 崔博强

    摘要:关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。本文首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了四种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的方法,优化了遗留煤柱自身强度的计算方法;其次,引入应力扩散的最大距离L,改进了遗留煤柱承担载荷的计算公式;然后,分别确定了待研究区域内各个遗留煤柱的安全系数,并将安全系数最小的遗留煤柱判别为关键柱;最后,形成了遗留群柱中关键柱判别的技术方法,并运用Python语言开发了关键柱智能判别的KPDS软件。结果表明:①最小等效宽度为不同形态遗留煤柱的最小实用承载宽度;内切圆法、最短边法、辅助线法和短轴线法可以用于确定采空区规则/不规则形态遗留煤柱的最小等效宽度。②内切圆法适用于确定横截面为三角形和正多边形遗留煤柱的最小等效宽度;最短边法适用于确定“横截剖面存在最短边且其邻近两边相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;辅助线法适用于确定“横截剖面存在最短边且其两条邻边不相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;短轴线法适用于确定半圆形遗留煤柱、圆形遗留煤柱和椭圆形遗留煤柱的最小等效宽度。③遗留煤柱承担的载荷不只是从属面积上覆岩的载荷,还包括邻近范围覆岩所传递扩散过来的载荷;考虑应力扩散最大距离可以更加准确计算遗留煤柱承担的载荷。④基于最小等效宽度和载荷扩散最大距离,能够确定待研究采空区内安全系数最小的遗留煤柱,可以进一步判别出关键柱,并形成关键柱判别的技术流程。⑤关键柱判别KPDS软件是Key Pillar Determination Software的简称,主要包括:登录界面、参数导入界面、强度计算界面、承载与安全系数计算界面和关键柱判别界面;该软件可以快速智能地判别出遗留群柱体系中关键柱。该研究可以实现遗留群柱体系中关键柱位置的预先超前识别,有望指导遗留群柱链式失稳和围岩联动破坏的科学防控,并进一步促进煤矿岩层控制理论与技术的发展。
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