“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
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深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究

作者(Author)：李文洲, 康红普, 姜志云, 司林坡, 蔡瑞春, 郭罡业

摘要：为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究，首先采用小孔径水压致裂法对埋深500 m左右和1 000 m左右的地应力分布特征进行现场实测研究，以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征，拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系，探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型，采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。基于现场实测及数值模拟研究结果，通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析，结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求，提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。基于上述研究成果，在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析，最大注浆改性强化压力为30 MPa，一般为15~20 MPa，与提出的改性原则相符。通过现场取样表征分析、实验室扫描电镜对尺度2~20 μm浆液固结体特征进行对比分析，采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进行了分析，从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好。

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基于实时CT扫描的岩石真三轴条件下三维破裂演化规律

作者(Author)：李兆霖, 王连国, 姜崇扬, 陆银龙, 李文帅

摘要：实时准确掌握岩石破坏全过程中内部裂隙扩展演化规律，对于科学指导地下岩体工程稳定性控制，推动矿山资源安全开采具有重要的工程意义。研制了一套能够与CT扫描系统配套的真三轴加载试验设备，位于CT扫描区域的设备部件均采用了新型碳纤维材料的设计，包含了竖向加载系统、横向加载系统、真三轴压力室等核心部件，使得X射线能够有效通过装置中预先设计的CT扫描区域，实现了真三轴应力环境下实时CT扫描的功能。利用该设备开展了三轴不同应力条件下完整岩石和含裂隙岩石加载实时CT扫描试验，获得了整个加载过程中岩石应力-应变曲线。获取了不同工况下岩石内部裂纹形态的空间三维CT特征，结果发现：与CTT条件下岩石内部裂纹复杂的空间扩展形态相比，TTT条件下岩石内部裂纹空间形态简单，为一沿方向的平面裂纹。说明了真三轴条件下岩石内部裂隙具有明确的扩展方向(沿方向扩展)。TTT-c2(含裂隙且沿方向)和TTT-c3(裂隙沿方向)两种工况下岩石内部均出现了4条萌生裂纹，但前者萌生裂纹均与预制裂纹前缘线共面，而且预制裂纹面仍然基本保持较为完整；后者均与预制裂纹前缘线垂直，呈现横切预制裂隙的趋势，最终形成了复杂的裂隙网络，导致预制裂隙多处出现挤压破坏。真三轴三种工况下所有的裂纹倾角分布极为集中，均与方向大致平行，表明了中间主应力对岩石内部萌生裂纹扩展方向起到决定性的作用，岩石内部裂隙扩展发育过程强烈依赖中间主应力方向。试验研究为地下工程岩体破裂演化规律研究提供了重要的依据。

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碎软煤层韧性破坏-渗流耦合本构关系及其间接压裂工程验证

作者(Author)：李浩, 梁卫国, 武建军, 李峰, 王建美, 武鹏飞

摘要：间接压裂是提高碎软低渗煤层地面井煤层气产量的新技术之一，其成功与否的关键在于顶板水力裂缝能否有效穿透煤岩界面并进入煤层，核心要素是碎软低渗煤层的韧性破坏与渗流耦合响应特征。将二维问题的Park-Paulino-Roesler势能函数扩展到三维应力空间，结合立方定律，得到煤结构面的韧性断裂-裂缝切向渗流关系;构建煤基质塑性变形与拉、压损伤的Helmholtz 自由能表达式，结合达西定律，导出煤基质在塑性变形、张拉损伤变量影响下的渗透系数(或滤失系数)表达式。在数值计算中，将煤基质与结构面的力学属性分别赋予实体单元和零厚度的黏聚力单元，通过共享节点的方式连接并由此实现2者间的应力-渗流耦合。采用断裂力学实验识别材料参数，结合水力压裂实验验证碎软煤层的韧性破坏－渗流(DF-S)耦合本构方程组的合理性。在此基础上，模拟研究了多因素影响下水力裂缝从顶板向煤层延伸的过程，包括水平井和界面的间距D，竖向与最小水平地应力之差Δσ，煤岩界面摩擦因数fc,r。结果表明:① DF-S本构方程组可以较好地反映间接压裂过程中碎软煤层的韧性破坏－渗流耦合响应特征;② 煤岩界面会在很大程度上阻碍水力裂缝扩展，其机理在于水力压裂引起煤岩界面处煤结构面的韧性断裂、煤基质的塑性损伤、压裂液滤失引发的水力能量耗散，导致实际用于水力裂缝扩展的弹性能(或裂缝表面能)最低只占到水力能量的2%;③ 数值模拟条件下，水力裂缝穿透煤岩界面的临界fc,r与D呈正相关，与Δσ呈负相关关系。D对临界fc,r的影响更大，将D控制在1 m之内有望使18%~30%的水力能量用于水力裂缝扩展，提高间接压裂煤层技术的成功率。水力裂缝穿透碎软煤层与顶板界面的临界条件成果在山西晋城矿区赵庄矿得到应用，实现碎软煤层地面井煤层气增产，为煤层间接压裂方程设计提供了理论支撑。

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