《煤炭学报》专题报道 |“深部灾害防控理论与技术”

深部煤炭资源开采过程中，将不可避免地产生大幅度采动响应，在矿井采掘作业空间一定范围内，煤岩层、地下含水层及隔水层变形、破断和运动，进而产生大量裂隙及地表沉降，应力应变场、地球物理场、裂隙场、渗流场、温度场、浓度场及其他复合场均发生变化。随着开采深度的日益增大，这种煤岩体多场响应变化特征与浅部相比差异更大。开采活动越来越受到煤与瓦斯突出、冲击地压、巷道围岩大变形、矿井水害、矿井热害等问题的困扰。为便于大家了解“深部灾害防控理论与技术”领域的最新科技成果，小编按照见刊时间，整理了该领域近3年在《煤炭学报》已刊发的论文，一起来看看吧！

行业视野: 安全
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深部高水平应力巷道倾斜锚杆破断机制及加强支护时机

作者(Author)：刘学生, 武允昊, 谭云亮, 杨茗杰, 李国庆, 解成成

摘要：针对深部高水平应力下巷道倾斜锚杆承受弯曲、拉伸为主的复合荷载作用,易发生破断失效导致巷道局部失稳问题,以山东能源集团孙村煤矿 2424 工作面下平巷为工程背景,调研得到了倾斜锚杆破断特征,推导了内力与内力矩分布、破断危险断面位置及相当应力表达式,建立了以危险断面最大相当应力为指标的破断力学判据,揭示了不同锚固参数与侧压系数对最大相当应力的影响规律,即最大相当应力随侧压系数、锚固长度和预紧扭矩增大而增大,而随锚杆安装角度增大呈现先减小后增大再减小的趋势。在此基础上,利用 FLAC 软件内置 Fish 语言实现了对锚杆危险断面最大相当应力的表征,定义了以危险断面最大相当应力与许用应力比值表示的危险系数指标 K,并以此为指标提出了加强支护时机确定方法,获得了不同加强支护时机下围岩变形破坏规律。随着加强支护时的危险系数 K 增大,锚杆危险断面最大相当应力、围岩整体变形量与集中应力先减小后增大,危险系数 K 较小时,浅部围岩弹性能积聚较大,自承载能力发挥不足;危险系数 K 过大时,围岩变形量大、破坏严重,整体稳定性差。确定了 2424 工作面下平巷合理加强支护时机为危险系数 K 取 0.8,现场加强支护实践表明,在危险系数为 0.8( 超前工作面 60 m) 时进行加强支护,锚杆破断率减小了 87.9%,围岩变形得到有效控制,稳定性明显提高。

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煤炭学报

2023年第02期

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深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式

作者(Author)：李春元, 雷国荣, 何团, 左建平, 于祥, 郑建伟, 齐庆新

摘要：受开采卸荷扰动影响,深部岩体互层及其组合结构系统的破裂失稳是诱发采场突水等灾害的主要原因之一。为研究深部开采围压卸荷对岩体组合结构破裂的影响,室内开展了原生煤岩组合体三轴加卸荷-渗流试验,获得了不同初始围压下原生煤岩组合体围压卸荷致裂的竖向、倾斜及环向裂隙分类特征,研究了其轴压卸荷起点、围压卸荷终点的强度特征及主导破裂模式的力学机制;结合 CT 扫描与三维重构技术,获取了原生煤岩组合体卸荷破裂的几何特征;建立了围压卸荷量与岩体卸荷致拉破裂、致剪破裂的关系,揭示了围压卸荷致裂模式与渗透率突变关系,验证并判定了不同初始围压下原生煤岩组合体的主导卸荷致裂模式。结果表明:在围压卸荷和轴压加载共同作用下,原生煤岩组合体卸荷破裂模式主要分为围压卸荷致拉破裂、致剪破裂及轴压协同卸荷致裂模式 3 类;随初始围压增加,原生煤岩组合体围压卸荷致拉破裂的围压卸荷终点临界值及致剪破裂的轴压卸荷起点临界值均线性增加;围压卸荷可致轴压协同卸荷突降并驱动煤岩分界面及层理等原生裂隙结构环向张拉破裂,且以沟通倾斜及竖向裂隙为主导;而围压卸荷致拉破裂与致剪破裂模式均可致原生煤岩组合体渗透率突变增高,突变点致裂模式与其围压卸荷终点的卸荷量临界值密切相关。

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煤炭学报

2023年第02期

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深部软岩巷道围岩扩容与流变特性模拟研究及应用

作者(Author)：康红普, 伊康

摘要：深部软岩回采巷道围岩劣化、扩容和流变效应显著。基于增量塑性流动理论和流变理论，将改进伯格斯体、改进黏塑性体和应变软化塑性体串联建立了 BVS 模型，可描述围岩应变软化、塑性扩容、蠕变三阶段、稳定与非稳定蠕变、流变损伤和流变扩容 6 个力学特性。推导了该模型的三维增量本构方程，并开发出可供FLAC3D调用的数值形式。结合三维增量本构方程导出的参数辨识公式和中煤能源新集口孜东煤矿岩样试验数据，辨识了 BVS 模型的 19 个输入参数，并采用试验数据、理论解和数值计算结果相互印证的方式，对多种加载条件下单元件应力-应变响应、力学特性和模型整体进行严格校核。将 BVS 模型用于口孜东煤矿 121302 运输巷进行数值模拟计算，结果表明:掘进扰动较弱;流变期间围岩大范围持续劣化，呈顶板下沉量较小、巷帮锚固体整体内移和剧烈底臌的特点;回采影响强烈，使围岩大范围劣化，巷道断面强烈变形。底板泥岩持续臌起驱动不断扩容的底煤挤入巷道空间是发生剧烈底臌的主要原因;底板深度 1.5 m 处流变直接导致的软化参量全程仅占比0~16%，但流变损伤引起应力调整，间接导致软化参量增大。将数值模拟计算结果与井下实测数据进行了对比分析，表明 BVS 模型基本能反映深部软岩回采巷道围岩变形与破坏规律，但是 2 者还存在较大差异，仍需进一步完善 BVS 模型。

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煤炭学报

2023年第01期

547

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基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理

作者(Author)：靖洪文 , 赵振龙 , 吴疆宇

摘要：深部煤炭资源开采的强度和深度不断增加，深部巷道围岩的结构性失稳灾变问题日趋严峻、复杂，严重制约深部煤炭安全高效开采。鉴于深部巷道围岩结构变形失稳的渐进演化过程中释放多物理场响应信息，采用自主研制的深部地下工程结构变形失稳全过程模拟试验系统，配合声发射、并行电法、电磁辐射等监测系统，研究基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理。开展了完整、层状和块状 3 种结构围岩的破坏性物理模型试验，利用声、电、磁多源信息演化规律对不同结构围岩的荷载-位移全过程进行了定量化评价和多源信息表征，从荷载-位移全程曲线、多源信息响应规律、围岩峰后损伤特性 3 个角度综合揭示了不同结构围岩的灾变演化及变形失稳机制。研究结果表明:1 随着围岩完整性的降低，围岩由塑性破坏向脆性破坏转变，其变形破坏过程的波动性和渐进式破坏特征更加显著，层状和块状结构围岩的物理模型峰值承载能力相比于完整结构分别降低 4.73%和 20.73%;2 与完整结构围岩的声、电、磁多源信息的连续性响应过程不同，层状和块状结构围岩呈现出阶段式响应规律且特征值更突出，尤其块状结构围岩的阶段跳跃性现象显著;3 完整、层状和块状结构围岩的裂隙发育区面积依次为 448.84、651.76 和 824.49 cm2 ，即随着围岩结构完整性的降低，裂隙发育区面积不断增大，在本研究中增大范围在 1.5 ~ 1.9 倍;4 围岩的破坏失稳由完整结构的强度控制型向块状结构的结构控制型转变，而层状结构表现出强度- 结构联合控制特征，围岩破坏失稳的结构效应越来越显著。

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煤炭学报

2023年第01期

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深部开采岩体围压卸荷-渗流致拉破裂机制

作者(Author)：李春元, 崔春阳, 雷国荣, 左建平, 于祥, 何团, 李向上, 杜伟升

摘要：受开采卸荷扰动影响，深部岩体裂隙内的高压力承压水极易渗透进入采场或采空区而诱发突水灾害。为研究深部开采高应力岩体围压的卸荷-渗流致裂力学机制，基于岩体裂隙的应力集中演化方程及有效应力原理，计算并获得了围压卸荷-渗流过程中裂隙岩体内拉应力的演化规律，确立了岩体裂隙产生卸荷-渗流致拉破裂的条件及力学机制;结合应力卸荷量定义及 Bandis 双曲线裂隙变形公式，计算获得了不同采深岩体围压卸荷-渗流致拉破裂的卸荷量临界值变化规律，发现了裂隙岩体的渗透率突变点即为其卸荷-渗流致拉破裂的卸荷量临界值，对比分析了岩体围压卸荷-渗流过程中拉破裂与剪切破裂的关系，并进行了试验验证。结果表明:受围压卸荷及承压水渗流影响，深部裂隙岩体内部产生了与卸荷方向平行的附加拉应力 ΔσT ;且岩体内裂隙尺寸越大， ΔσT峰值越高;ΔσT随采深及承压水压力增加而增大。当ΔσT大于等于岩体围压及裂隙结构抗拉强度之和时，岩体内产生拉破裂，并将导致岩体渗透率非线性突增，突变点恰为岩体拉破裂的卸荷量临界值;且采深及承压水压力越大，岩体渗透率突变点的围压卸荷量越小。而受裂隙岩体结构及属性参数影响，岩体拉破裂的卸荷量临界值可高于或低于剪切破裂;随采深增加，岩体可由剪切破裂向拉破裂转变。

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煤炭学报

2022年第08期

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深部强采动大断面煤巷围岩外锚-内卸协同控制技术

作者(Author)：谢生荣, 王恩, 陈冬冬, 蒋再胜, 李辉, 刘瑞鹏

摘要：针对深部剧烈动压扰动影响下软碎煤体巷道围岩持续大变形破坏的控制难题，以东庞矿深部强采动影响区典型大断面软碎煤体巷道为研究对象，分析了深部煤巷经历强采动影响下的矿压显现规律，阐明了引起围岩大变形破坏的主要原因，得出了煤巷围岩的主要控制难点。基于此提出了深部强采动大断面煤巷围岩外锚-内卸协同控制技术，煤巷浅部围岩锚索注强化锚固技术提高了主体承载结构的围岩强度，为内部造穴卸压创造了良好的施工环境；两帮煤体深部应力高峰区采取大直径孔洞造穴卸压，阐明了在不破坏浅部锚固围岩稳定性基础上使煤巷两帮高支承压力峰值转移至造穴孔洞实体煤侧的卸压机制。内部大直径造穴孔的布置使深部煤岩体的变形向卸压孔洞群转移，为深部煤岩体持续向外运移提供较大的补偿空间，浅部强化锚固能有效阻断深部煤岩体向煤巷空间运移，减少煤巷两帮围岩变形量；提出大断面煤巷围岩外锚-内卸的“固结修复、桁索强锚、内卸转移、内外协同”控制机理，并通过相似模拟及数值模拟的方法验证了煤巷围岩外锚-内卸协同控制技术的可行性。现场工程实践表明：煤巷采取外锚-内卸协同控制技术，有效抵御了大断面软碎煤体巷道在强采动影响下的两帮围岩大变形，显著改善了煤巷围岩应力状态，研究成果为深部巷道围岩稳定性控制提供关键理论和技术支撑。

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煤炭学报

2022年第05期

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千米深井超长工作面采动应力旋转轨迹及其推进方向效应

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。

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煤炭学报

2022年第02期

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煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制研究进展

作者(Author)：谭云亮, 范德源, 刘学生, 张俊文, 宁建国, 姚强岭, 付小敏

摘要：煤矿深部超大断面硐室群因其围岩应力集中程度高、破坏影响范围大，特别是在复杂动载扰动下易发生连锁破坏失稳现象，其安全和稳定已成为制约深部煤炭资源开采的主要瓶颈之一。围绕煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制开展研究，针对现有煤矿硐室仅以断面尺寸划分的不足，综合硐室失稳临界埋深、断面面积、围岩综合抗压强度和围岩综合完整性系数等影响因素，提出了基于模糊综合聚类分析的煤矿硐室地质力学等效分类方法，实现了对煤矿深部超大断面硐室的有效判识；通过室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，考虑密实性系数构建了适于动静组合加载条件的岩石蠕变损伤本构关系，建立了深部复杂应力环境下硐室群围岩连锁失稳机理与能量判据，揭示了深部动静组合载荷下超大断面硐室群围岩变形破坏演化规律；提出了深部硐室群围岩协同支护机理，研发了新型高强超塑吸能支护材料及新型高强拉压耦合锚索，基于长期安全稳定性，构建了深部硐室群围岩递进式加固技术及分步设计方法；研发了超大断面硐室群围岩长时变形失稳监测预警平台，给出了围岩综合预警方法及阈值。在新巨龙煤矿煤矸分选硐室群，硐室断面最大收缩率约6.2%，松动圈发育范围1.0～1.5 m，保证了井下煤矸分选系统的空间安全利用。

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煤炭学报

2022年第01期

1308

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