《煤炭学报》2021年“新锐科学家”特刊_中国煤炭行业知识服务平台

《煤炭学报》2021年“新锐科学家”特刊

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2021年第2期组织策划了“新锐科学家”特刊，专题稿件覆盖煤炭安全绿色开采、智能矿山建设、煤炭清洁高效利用等方向。

行业视野: 煤炭学报
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《煤炭学报》2021年第2期封面

作者(Author)：《煤炭学报》

摘要：本期封面为“新锐科学家”特刊

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煤炭学报

2021年第02期

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钱鸣高院士寄语《煤炭学报》“新锐科学家”特刊

作者(Author)：钱鸣高

摘要：　　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2021年第2期组织策划了“新锐科学家”特刊，专题稿件覆盖煤炭安全绿色开采、智能矿山建设、煤炭清洁高效利用等方向。值此特刊出版之际，中国工程院院士、采矿工程专家钱鸣高为《煤炭学报》第2期特刊撰写了寄语。　　　　中国是世界上煤炭资源最丰富的国家之一，也是世界上较早发现和利用煤炭的国家之一。几千年来，煤炭为我国的社会发展和国家能源安全稳定供应提供了有利保障。新中国成立70年来，一代代煤炭科技工作者为了煤炭的科学开采与清洁利用，不畏艰险，励精图治，开拓进取，薪火相传，攻克了一道道技术难关，取得了令世人瞩目的伟大成就，煤炭产量从2005年21.5亿ｔ增至2020年39亿ｔ，煤矿百万吨死亡率从2005年2.76降至2020年0.058。无数科技工作者用爱国、奋斗、奉献书写着煤炭事业蓬勃发展的宏伟诗篇。　　　　采矿是从环境中获取资源，由此带来开采与环境协调发展和保障开采的安全问题。显然，只有深入研究采矿的科学才能实现科学地采矿，这也是人类利用煤炭资源长期探索的问题。科学研究要有进入科学殿堂的虔诚精神，才能排除名利的干扰，才能逐步形成正确的思路；正确的思路源于实践，而研究的成果又必须回到实践中经受检验，因此科学研究中必须坚持“实践—理论—再实践”的完整过程；同时，在研究过程中要始终保持勤奋，要“勤于实践、勤于学习、勤于思考、勤于总结”，4方面缺一不可；在研究过程中还要不断注意“整体-局部”、“森林-树木”、“现象-本质”的关系，可以少走弯路，避免钻牛角尖；一个人的思维往往是不完整的，而集体的讨论能弥补不足，因此学术争鸣是形成完整学术观点的不可或缺的重要手段；做学问应该实事求是，谦虚谨慎。中国的煤炭行业在近几十年的高速发展中为了实现现代化，无论从科学技术、还是从经济和管理都经历了根本性的变化。近十几年我国煤炭产量世界第1，开采的地质条件极其复杂，仍然有不少煤炭开采中的理论和实践问题需要行业的科学工作者去提炼和总结，才能实现煤炭开采的科学技术世界第1。因此我期望能够后继有人，继续推进前人没有完成的研究工作，形成我们的体系，使煤炭工业的科学技术、经济和管理达到世界领先水平，实现真正意义上的科学采矿。　　　　青年科学家思维活跃，精力旺盛，作为科学研究领域的生力军，是实现我国煤炭工业科学发展的动力源泉。我们要不断营造有利于青年人才发展的制度环境。《煤炭学报》作为能源领域最具影响力的学术交流平台之一，创刊57年来，一直关注和支持青年科学家的成长，在各方面给予了青年人才更多机会。为响应习近平总书记“把论文写在祖国大地上”和“建设世界一流科技期刊”的号召，助力行业青年科学家成长成才，《煤炭学报》以“青年·创新”为主题，在2021年第2期特别组织策划了“新锐科学家”特刊。对促进青年科学家之间的交流，繁荣煤炭科技发展将起到积极的作用。　　　　煤炭资源是关系着一个国家能源安全和经济发展活力的重要战略资源，更是保障一个国家强盛发展的底气。党和国家领导人历来高度重视煤炭工业发展，指出在以煤为主体能源的大格局下，在发展新能源、可再生能源的同时，还要做好煤炭这篇大文章。探索一条煤炭行业安全、高效、绿色的发展之路，成为当下工作的重中之重。能源梦、强国梦的实现亟需我们科技工作者，尤其是青年科学家继续结合实际，扎根一线，以解决现场实际难题为导向，大力追求求真、独立、合作、质疑的科学精神，以一往无前的奋斗姿态和永不懈怠的精神状态，勇挑重担、潜心科研，在新时代新征程中留下自己的奋斗足迹，以优异的成绩向中国共产党百年华诞献礼。　　　　希望《煤炭学报》以此次特刊为契机，今后更加关注和支持青年人才的成长和进步，在营造有利人才成长氛围和搭建人才成长平台上狠下功夫，注重在期刊出版活动中发现人才、培育人才、凝聚人才，使学报成为科技创新人才的重要孵化基地，为我国煤炭工业高质量发展不断培养更多的领军人才。　　　　　　　　 2021年2月8日

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2021年第02期

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岩层移动内外“类双曲线”整体模型研究

作者(Author)：左建平, 吴根水, 孙运江, 于美鲁

摘要：岩层移动主要关注工作面上覆部分岩层移动规律，开采地表沉降则关注地面的沉降问题，这2个研究方向都涉及到开采后上覆岩层到地表土层的整体移动行为，可以建立一种能够描述覆岩移动到地表沉降的岩层整体移动模型。通过理论与试验分析得到了岩梁梯形块体结构的初次破断与周期破断形态，建立了岩层梯形“倒漏斗式”冒落拱与裂隙拱的冒落条件与判定方法。基于岩层破断移动边界“类双曲线”模型，提出了采用内、外“类双曲线”模型来描述岩层移动与地表沉降规律。内“类双曲线”模型指的是覆岩冒落拱与地表沉降移动拱“类双曲线”模型，在关键层近似“上下”对称;外“类双曲线”模型指的是岩层破断移动边界“类双曲线”模型，在工作面的中垂线附近近似“左右”对称。内“类双曲线”隐含在覆岩内部，可通过地球物理探测方法近似获得;外“内双曲线”体现在地表沉陷、岩层冒落等外部形态。通过理论分析、实例验证以及UDEC数值计算方法验证了厚松散层水平煤层开采条件下岩层移动与地表沉降内、外“类双曲线”模型。此外，还分析了内、外“类双曲线”共轭形成条件、影响因素与整体运移规律。结果表明:在厚松散层水平煤层开采条件下，建立岩层移动与地表沉降内、外“类双曲线”模型理论预测值与实际值误差较小，表明岩层整体移动存在“类双曲线”特征。

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2021年第02期

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大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响

作者(Author)：解盘石, 张颖异, 张艳丽, 陈建杰, 张晓波, 段建杰

摘要：为了研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响，以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象，采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC3D相结合的数值模拟及现场实测的方法，深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶板-支架相互作用特征。结果表明，煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局部压剪破坏，随之向附近软煤夹层、夹矸扩展，导致顶板非均衡破坏，诱发架前冒顶、煤壁片帮等现象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非对称性，且随着夹矸层数增加，支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、架间相互作用等三种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面，煤矸互层顶板对支架作用力明显减小，支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于后柱，但随夹矸厚度的增加，顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果，提出了缩短空顶时间、分区域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施，其中，重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定，来保证工作面的安全高效生产。

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超大采高综放工作面板裂化片帮特征及合理护帮控制

作者(Author)：许永祥, 王国法, 李明忠, 徐亚军, 韩会军, 张金虎

摘要：针对榆神矿区超大采高综采工作面煤壁板裂化片帮问题，基于金鸡滩煤矿超大采高综放工作面开采技术条件，采用理论分析与工程实践相结合的方法，分析了超大采高工作面煤壁板裂化片帮特征，研究了适宜的护帮板结构形式和合理护帮控制措施。发现板裂化片帮具有多种特征:板状板裂化、“洋葱皮状”板裂化、弹射型板裂化(俗称“炸帮”)和护帮板动载扰动下板裂化片帮，提出并求解了整体式和分体式护帮板承载能力曲线，将护帮板承载能力曲线作为护帮板承载性能评价指标，分别分析和对比了2种结构形式护帮板运动特性及其与煤壁结构耦合关系，从力学特性和运动学特性角度得出整体式护帮板具有承载性能优、灵活性好和结构耦合适应性强等优点，建议在满足护帮高度要求的前提下，优先选用整体式二级护帮板结构。结合工业性生产实践，对煤壁板裂化片帮特征及危害进行分析，提出并讨论了相应的煤壁板裂化片帮防治措施。分析和借鉴同一盘区相邻8.2 m超大采高一次采全厚工作面分体式三级护帮板应用情况及其对煤壁维护效果，结合7.0 m超大采高综放工作面支架-围岩结构耦合关系，认为7.0 m超大采高综放工作面宜采用整体式二级护帮板。生产实践表明:整体式二级护帮板能有效维护超大采高综放工作面煤壁稳定，便于自动化控制和工作面高效开采。

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非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律

作者(Author)：赵洪宝, 程辉, 王磊, 刘一洪, 吉东亮, 张一潇

摘要：通过理论分析对受三向应力非静水压力条件下的巷道围岩偏应力场与应变能密度分布规律进行了深入研究，以此来探究巷道围岩破坏规律，巷道塑性区数值模拟结果与现场工程实例验证了理论结果的正确性。研究结果表明：(1)非静水压力条件下，不同的主导型应力场中，巷道围岩偏应力场分布规律差异较为明显。主导型应力场中，巷道顶底板偏应力大于两帮；主导型应力场中，巷道顶底板与两帮偏应力大小差别不大；主导型应力场中，巷道两帮处的偏应力大于顶底板。主导应力值的变化会引起巷道围岩偏应力分布数值上的变化，不引起偏应力分布形态的改变。(2)等p等q时，在与主导型应力场中，巷道顶底板应变能密度大于两帮，而在主导型应力场中，巷道两帮应变能密度大于顶底板。等p不等q情况下，三种主导型应力场中，巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的增大而增大；等q不等p情况下，巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的减小而增大。(3)三向应力状态下，巷道围岩应变能密度分布规律可以反映塑性区形态。M<1时，任意主导型应力场中，巷道围岩应变能密度呈椭圆形分布，M>1时，巷道围岩应变能密度呈“8”字形或“X”形分布。处于主导型应力场中的巷道需注重巷道顶底板的支护；对于主导型应力场，巷道在围岩条件较差时，应注重全断面支护；对于主导型应力场，需注意围岩塑性区出现“X”形扩展。(4)回坡底1021巷围岩偏应力场与应变能密度均呈倾斜的“8”字形分布，工程现场与巷道围岩偏应力场及应变能密度分布规律相互验证。基于理论分析结果，对回坡底1021巷提出非对称性支护技术，现场应用效果良好。深入探究三向应力非静水压力条件下的巷道围岩偏应力场与应变能密度分布规律，对分析巷道围岩破坏与支护设计具有一定的理论价值与指导作用。

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深部高强锚注切顶自成巷方法与验证

作者(Author)：王琦, 张朋, 蒋振华, 何满潮, 李术才, 王悦, 江贝

摘要：针对深部高应力回采巷道围岩控制难题，以我国最大采深矿井——山东泰安孙村煤矿为工程背景，对传统沿空掘巷、锚杆(索)支护巷道进行监测分析，结果表明:巷道围岩变形量大，破坏范围广，锚杆大部分处于强度劣化区内，难以发挥支护作用，锚索受力大，接近极限破断力。为解决上述问题，系统开展了不同煤柱宽度、地应力大小、顶板围岩强度、切顶高度等影响因素下的数值试验研究，建立了顶板应力释放率、侧向支承压力提升率与围岩变形控制率等定量评价指标，对比分析了多种因素下切顶自成巷与沿空掘巷矿压变化规律与围岩控制机制。基于此，提出了深部高强锚注切顶自成巷方法，利用高强锚注提高巷道顶板完整性，利用顶板预裂切缝切断采空区与巷道顶板之间的应力传递，使巷道处于应力降低区。为进一步验证该方法的合理性，利用自主研发的地质力学模型试验系统，开展了模型试验对比研究，高强锚注切顶自成巷围岩应力比沿空掘巷平均降低20.8%，围岩变形量为后者的45.1%，应力释放与围岩控制效果明显。结合上述研究，提出了相应的工程建议，并在孙村煤矿2215工作面进行了现场应用，监测表明该方法有效控制了巷道围岩变形，实现了无煤柱开采。

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含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

作者(Author)：杨科, 魏祯, 窦礼同, 池小楼, 刘文杰, 张继强

摘要：为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律，利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统，对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验，并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析，获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律，分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明，冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素，煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程，随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大，但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加，且增加速率有减小趋势，同种加载气压下，饱和煤样的分形维数最大，干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主，破坏裂纹沿加载方向发育，率先在圆盘中部起裂，随后萌生多条次生裂纹，次生裂纹随加载气压的增大而增多，低加载气压下，劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长，扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域，且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。

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2021年第02期

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