“深部岩体力学与开采理论”专题（煤炭学报）

随着浅部资源的开采殆尽，深部资源开采已逐渐成为常态。为提升我国深部资源获取能力，系统建立深部资源开采理论与技术体系，“十三五”以来国家启动了针对深部开采的系列科技研发计划，对深部开采基础理论、深部开采防灾减灾技术与智能化装备等方面进行了布局，对深部矿山岩体力学基础理论、绿色开采技术、智慧矿山及灾害防控等方面进行了攻关研究，大力推动了我国深部矿山资源安全高效开采及智能化程度，取得了丰硕的研究成果。

为了深入广泛交流和共享深部矿山岩体力学与开采技术方面取得的最新科研成果，进一步促进我国深地科学研究发展，《煤炭学报》编辑部特邀中国工程院谢和平院士担任客座主编，深圳大学高明忠教授担任客座编辑，在2021年第3期组织出版“深部岩体力学与开采理论”专题。

行业视野: 采矿
类别; 94个
关键词; 93位
专家; 19篇
论文; 38760IP
点击量; 47364次
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大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用

作者(Author)：于斌, 高瑞, 夏彬伟, 匡铁军

摘要：坚硬顶板强度高、破断步距大，矿压作用强烈，是煤矿顶板控制的一大难题，特别是特厚煤层开采条件时，因开采扰动范围广，大空间坚硬顶板破断失稳，造成采场矿压显现更加复杂、强烈。研究表明，坚硬顶板特厚煤层开采，高位厚硬岩层的破断失稳是造成采场强矿压的主要因素，但现有井下预裂技术无法控制。为此，首次提出了煤矿坚硬顶板地面压裂控制采场矿压的方法，开展了大型真三轴原位试件（2060×1200×1200 mm）水力压裂试验研究，揭示了水压裂缝扩展形态及压裂全过程试件应力应变演化规律；给出了地面压裂关键层位范围，综合工作面采位、压裂层位、覆岩应力及裂隙发育特征，建立了压裂位置确定的理论模型及选取准则；给出了压裂面积-流量-时间的关系模型，得到压裂面积随压裂时间、流量的变化关系；研发了水压裂缝井上下微震一体化联合监测技术，综合前述研究，形成了大空间坚硬顶板地面压裂控制技术体系，并进行了垂直井、水平井压裂工程实践。结果表明，地面压裂裂缝扩展范围大，垂直井分级压裂裂缝扩展长度达250m、218m，裂缝宽度30~120m，水平井分段压裂裂缝扩展长度196~216m，裂缝高度43~50m，裂缝扩展均覆盖了工作面范围，穿透了压裂目标层。井下采场矿压监测表明，工作面开采至压裂裂缝扩展区内，支架阻力降低21%，煤壁片帮率减少23%，超前单体无任何弯曲折损现象，巷道围岩稳定，压裂控制效果好。可见，坚硬顶板地面压裂技术，可从源头杜绝采场强矿压的发生，开辟了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径，对于解决类似由高位岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害控制具有重要意义。

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煤尘微细观润湿特性及抑尘剂研发初探———以平顶山矿区为例

作者(Author)：张建国, 李红梅, 刘依婷, 李喜员, 谢晶, 代志旭, 叶思琪, 李露明, 周伟奇, 赵赟

摘要：煤矿开采逐渐向深部延伸，深部开采条件下煤尘灾害频发，防控难度高，除尘机理与技术仍然是深部开采科学高效除尘基础研究的难点与重点之一。以平顶山矿区丁、戊、己、庚4组煤层采集的原煤为研究对象，联合多种煤尘物理化学性质测试(工业分析,XRD,BET,SEM,FT-IR)、分子动力学模拟等手段，系统采用基础物性特征分析、润湿特性多因素影响探讨、分子层面润湿机理探索、抑尘剂改性讨论的研究思路，开展了基于煤尘微细观结构特征的除尘机理探索及新型抑尘剂研发初探。研究表明:平顶山矿区丁戊己庚4组煤层典型煤尘的润湿性大小顺序为戊>丁>庚>己，煤中有机质质量分数、水分质量分数、灰分质量分数、无机矿物成分质量分数、比表面积、含氧官能团等指标的显著差异将对煤尘润湿性能产生显著影响，比表面积、石英质量分数、羟基和醚键数量越多，润湿性越好，固定碳质量分数越高，润湿性越差。联合煤的红外光谱分析和分子动力学模拟，根据平顶山矿区煤尘亲水官能团特征，研究了水分子在不同数量羟基和醚键修饰的煤表面吸附过程，进一步揭示了煤尘润湿性能的强关联因素，表面羟基数量正相关于吸附水分子能力，而煤尘醚键数量对于吸附水分子能力存在极大值。基于煤尘微细观特征对其润湿性的影响机制，考察了3种非离子表面活性剂对4组煤尘的润湿除尘特性，基于表面活性剂分子结构对煤尘润湿的作用机理，针对平煤矿区煤尘提出了引入芳香环结构实现新型抑尘剂改性的解决思路。研究成果可为我国类似条件矿区深部开采科学高效防尘提供借鉴。

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深部矿产资源开采矿井建设模式及其关键技术

作者(Author)：刘志强, 宋朝阳, 纪洪广, 刘书杰, 谭杰, 程守业, 宁方波

摘要：深部矿产资源开采是我国资源持续供给和保障经济高速发展的重要物质支撑，井巷工程作为进入深部开采的安全通道是进入深部开采的咽喉，因此，深部矿井建设关键技术是实现深部矿产资源开采的重要技术支撑。基于深部矿产开采矿井工程设计与装备制造先行的理念，深部矿井建设模式、优化设计与理论、矿井建设技术与智能装备、智能监控技术体系、矿井建设与生态环境互馈等方面亟待取得突破。系统分析了矿井赋存地质条件探查、数据融合反演与透明化重构技术及其亟待攻克的科学问题；梳理了深部矿井井巷优化设计方法、建设模式、建井提运装备的发展现状和面临的难题；基于深部井巷围岩“应力调控-改性-支护”理念，提出了围岩应力调控技术，地面预注浆加固、抗渗、降-隔-保温技术等围岩改性技术，以及矿井工程支护结构等围岩控制理论与及其关键技术；提出了深井智能掘进装备与智能控制系统研发体系，梳理了机械破岩掘进装备制造与发展趋势，从高效破岩与排渣、装备构成与空间优化、精确智能钻井控制3个方面分析了上排渣竖井掘进机设计与制造亟需攻克的科学问题与技术难题；围绕破岩掘进复杂工序智能监控、围岩与井壁结构稳定智能监控、井筒内运行设备智能监控，提出了深部矿井全生命周期智能监控系统与关键技术体系。基于以上深部矿井开拓模式的优化设计、建井装备及其相应关键技术工艺的深入思考和分析，有望为深部矿井安全高效绿色建设提供解决思路。

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基于动静组合加载力学试验的深部开采岩石力学研究进展与展望

作者(Author)：李夕兵, 宫凤强

摘要：深部围岩开采前处于高静应力状态，开采(开挖)过程中不可避免承受机械或爆破开挖带来的开采扰动、卸载扰动以及应力调整扰动作用，属于典型的动静组合受力状态。用动静组合加载力学研究深部岩石力学问题更加符合深部围岩开采的实际情况。从深部围岩开采受力全过程出发，介绍了“岩石动静组合力学”概念和试验研究的提出过程，阐述了岩石动静组合力学试验研究从一维状态到二维状态再到三维状态的发展历程，并重点介绍了真三轴动静组合加载岩石力学试验系统的研制情况和取得的研究进展。根据对深部岩石力学科学认识的不断深入，结合动静组合加载岩石力学试验相关研究结果，揭示了深部岩石在各种动静组合受力状态下的力学响应、破坏特征以及能量规律，科学再现并解释了岩爆、板裂及冲击地压等非常规岩石破坏现象和机理。在此基础上，系统总结了真三轴动静组合加载岩石力学试验机的共同特点，并提出了未来研究的4个重点发展方向:① 发展能实现“三维高静应力+卸载+冲击扰动”功能的真三轴SHPB动静组合加载试验机;② 发展大尺寸岩石内部卸荷真三轴试验机;③ 基于三维动静组合加载岩石力学试验聚焦深部围岩发生岩爆灾害的能量机理;④ 开展深部原位保真取芯的三维动静组合加载岩石力学试验。

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深部煤体注水过程中渗流通道演化特征

作者(Author)：周宏伟, 刘泽霖, 孙晓彤, 任伟光, 钟江城, 赵家巍, 薛东杰

摘要：在煤炭开采中，煤层注水可有效防突降尘和防治冲击地压。为了研究深部煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道的演化过程，以平煤十二矿己15-31030工作面的深部煤体为研究对象，通过低场核磁共振成像设备在线测试了三个原煤试样在不同注水压力下的T2谱和含水量分布情况。通过对不同注水压力下的T2谱进行分析，获得了煤样注水过程中的孔径分布和孔隙结构的演化过程。通过核磁共振成像技术，初步实现了煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道演化的可视化，可更直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程，更深入地理解不同煤样T2谱演化过程异同的内在原因。进一步提出了一种根据T2谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法，定量分析了煤样注水过程中不同孔径的孔对水渗过程的贡献度。并对T2谱进行了孔裂隙的分形维数计算，定量分析煤样孔裂隙的渗流空间含量和异质性。研究发现：平煤十二矿深部煤样注水过程中T2谱表现出三峰特点，中孔、大孔和微裂隙的含量与连通性都大于微孔和小孔，注水过程中渗流通道主要由连通性较好的中孔、大孔和微裂隙构建。煤样注水过程中大孔和微裂隙贡献了99%以上的渗透率;微孔、小孔和连通性较差的孔主要参与储水而不参与运水。注水过程中当煤样孔隙连通性较差，不存在明显的优势渗流通道时，提高注水压力可以使更多的孔隙参与到渗流的过程中;但当煤样中部分孔隙连通性较好形成优势渗流通道时，提高注水压力也很难使更多的孔隙参与到渗流的过程中。在设计煤层注水参数时应特别关注这一现象。

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地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气探讨

作者(Author)：卢义玉, 李瑞, 鲜学福, 葛兆龙, 夏彬伟

摘要：为了提高深部煤层气储层压降效果，针对深部煤层储层压力大，地应力高，渗透率低等特点，基于切割卸压提高储层渗透率原理，综合矿井下瓦斯抽采实践及地面开发非常规天然气技术方式，提出了地面定向井+水力割缝卸压方法高效开发深部煤层气的方法。地面定向井+水力割缝卸压方法主要包括地面定向钻井和分段水力割缝两个过程。该方法增渗增产原理为：1）定向井眼和水力缝槽沟通天然裂缝系统，高压水力切割过程中诱导煤层产生裂隙，增加导流通道数量与连通性；2）水力切割产生的多组缝槽形成卸压空间，利用地应力变化增加裂隙张开度，促进储层压力释放。相比常规水力压裂而言，该方法更有利于形成网格化流体运移通道，扩大煤层卸压范围和卸压程度,强化煤层气解吸扩散。而且，能够避免水力压裂过程中地应力向煤层深部传递以及压裂液注入造成的储层伤害，因而适用深部煤层气储层复杂地质条件下的增产改造。鉴于地面工况条件与矿井下工况条件的差异，提出了地面定向井+水力割缝卸压方法开发深部煤层气需要解决的关键技术问题，包括水力缝槽参数控制，固相颗粒的返排，定向井完井与水力割缝匹配性，以及高压流体传输动力损失。地面定向井+水力割缝卸压方法在非常规天然气开发以及深部煤炭强矿压与瓦斯灾害防治等方面具有应用前景。

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深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理与技术探索

作者(Author)：高明忠, 陈领, 凡东, 杨明庆, 刘程, 李佳南, 赵乐, 田东庄, 李聪, 王瑞泽

摘要：煤矿瓦斯灾害防治是矿井安全生产的重点和难点，其核心是煤层瓦斯含量与压力的精准测定。目前含瓦斯煤样取样普遍采用开放式或球阀密闭式取芯技术，取芯效率低，且瓦斯容易损失、测量时效性差，难以保证瓦斯含量与压力数据的准确性与有效性，不能有效评估煤层风险特征指标以指导工程实践。首先深入剖析了深部煤层原位压力内涵，阐明了原位保压保瓦斯取芯的基本目标，建议了原位瓦斯压力及含量的测定与计算方法。其次，基于牟合方盖几何原理，提出了保压保瓦斯取芯工具构想，采用多重防转的取芯结构设计和连续导管作业工艺，能够实现煤样低扰动取芯，确保所取样品煤层瓦斯含量与原位一致;设计了5种构型的自触发式保压控制器，基于自主研发的实验室保压特性试验平台开展了保压能力相关参数测试，结果表明随着保压控制器锥形角度的增加，边缘的有效支撑面增大，极限强度增加。同时，开展了连续导管抗扭特性实验，在扭矩、管长、外径一定时，连续导管扭转角随壁厚的增加逐渐变小、抗扭性能增强，岩芯受到的扰动降低。最后，研制了深部煤矿原位保压保瓦斯取芯原理样机，由煤矿坑道钻机、连续导管装备、保压保瓦斯取芯器等组成，基于仿真模拟和室内试验数据，选定了马鞍形保压控制器(保压能力最高可达100.9 MPa)，CT90钢的连续导管(直径38.1 mm、壁厚3.18 mm)。基于此，形成了原位保压保瓦斯取芯作业工艺，在现场测试过程中系统整体运行平稳并取得保压样品，初步验证了原理样机设计合理、装配精密可靠。该取芯系统具备保压能力强、取芯扰动小、取芯效率高、随钻随测等作业优势，有望突破测定煤层原位瓦斯含量与压力的技术瓶颈。

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温度-围压-瓦斯压力作用下煤岩力学性质及有限变形行为

作者(Author)：高亚楠, 高峰, 谢晶, 滕腾, 闫伟城, 高琳

摘要：随着浅部煤炭资源逐渐枯竭，深部开采已然成为常态。开采环境下，地温、地应力以及瓦斯压力是影响煤岩力学性质的重要因素，这些因素影响下的煤岩非线性力学行为也是深部开采过程中的关键基础问题。因此，本文从试验出发，基于正交试验原理，设计并开展了温度–围压–瓦斯压力作用下的煤岩力学试验。基于统计学原理，研究分析了温度、围压、瓦斯压力对煤岩力学性质的影响，结果表明：温度和围压对弹性模量、峰值应力和泊松比影响的显著性水平均为95%，瓦斯压力对弹性模量、峰值应力影响的显著性水平为95%，对泊松比影响的显著性水平为90%；同时发现，煤岩强度、弹性模量、泊松比随温度、围压和瓦斯压力的变化符合线性规律。进而，以有限变形理论为基础，结合试验条件，建立了煤岩非线性变形描述指标—平均整旋角，计算分析了其在煤岩变形破坏过程中的演化规律：平均整旋角随应力应变的变化基本可以划分为快速增长区、平缓增长区和加速增长区，这三区的出现也是煤岩压密、弹性、屈服破坏三阶段内在力学过程体现；切线模量随平均整旋角可以分为增长阶段和跌落阶段，反映了煤岩从压密、硬化到脆塑性转化的过程。最后将平均整旋角作为内变量，同时考虑温度、围压以及瓦斯压力的作用，建立了有限变形框架下煤岩大变形本构方程，通过与试验数据对比可知，本文提出的模型可以较好地描述煤岩变形破坏的全过程。

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