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“矿井水害防治”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“矿井水害防治”主题论文。

行业视野: 安全
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基于塑性损伤的黏土岩本构模型及其数值实现

作者(Author)：李翻翻, 陈卫忠, 于洪丹, 马永尚, 雷江

摘要：黏土岩是深部地下工程中常见的岩土介质，在施工过程中为确保巷道安全开挖，急需开展与其力学特性相关的研究。已有试验研究结果表明黏土岩在三轴压缩试验过程中表现出明显的塑性硬化、软化以及流动特性，同时发现试样在加载过程中内部会产生明显的缺陷，这些缺陷的存在会在一定程度上削弱其力学性能。为建立能描述黏土岩力学现象的模型，以微裂纹作为损伤基元，构建了合理的塑性损伤变量并将其与塑性硬化变量一同引入至修正Drucker-Prager帽盖模型中，建立了新的本构模型。通过ABAQUS平台及其UMAT子程序对该模型进行数值实现，子程序在向后欧拉本构积分算法的基础上引入塑性硬化和损伤变量参与迭代计算，使得屈服面在迭代过程中与应力一同更新(屈服面的大小会随着塑性损伤与硬化变量的更新而变化)，直至应力回到屈服面上。采用该模型对常温条件下的黏土岩三轴压缩试验进行数值模拟，并将新模型的计算结果与试验结果进行对比，对比结果显示模拟结果与试验结果大致吻合，说明本文所建立的本构模型可以较好的反映黏土岩的力学特性。最后建立黏土岩隧洞开挖平面模型，采用新模型对开挖过程进行模拟，并对整个模拟过程中损伤变量、应力以及孔隙水压力的演化规律进行分析，模拟结果验证了新模型在地下洞室开挖数值模拟上的适用性。

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煤炭学报

2020年第02期

1294

569
高强度开采覆岩地表破坏及防控技术现状与进展

作者(Author)：郭文兵, 白二虎, 赵高博

摘要：随着我国煤矿开采技术与装备水平的提升，煤矿生产集约化、智能化程度越来越高，以综采放顶煤、大采高支架为代表的高强度开采工作面日趋增多，研究高强度开采覆岩与地表破坏等负外部影响及其防控技术对于实现矿区资源开发与生态环境协调发展具有重要意义。在分析了煤矿高强度开采定义及其主要技术特征的基础上，阐述了长壁高强度开采引起的覆岩破坏规律研究现状及其进展，包括覆岩破坏高度理论分析、覆岩破坏充分采动及其判据、覆岩破坏高度计算方法以及覆岩“两带”破坏模式及其形成机理等，主要研究了覆岩破坏传递过程，提出了基于覆岩破坏传递过程的覆岩破坏充分采动程度判据及其高度计算方法，揭示了高强度开采覆岩“两带”破坏模式的形成机制。其次，基于大量高强度开采工作面地表岩移实测资料，从高强度开采地表裂缝特征及地表移动变形特征等方面总结了我国煤矿高强度开采引起的地表变形破坏规律及其研究进展，阐述了高强度开采对覆岩与地表水资源、土地资源、地表生态环境、建(构)筑物等方面的负外部影响;基于高强度开采诱发的负外部影响，分析了我国高强度开采覆岩与地表破坏预防和控制技术及其进展，提出了煤矿高强度开采采动损坏的防控思路。研究认为我国煤炭高强度开采矿区将以开采的负外部影响一体化规律与防治、生态环

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煤炭学报

2020年第02期

1601

1016
基于LBA-BP的矿井瞬变电磁法岩层富水性的定量预测

作者(Author)：程久龙, 赵家宏, 董毅, 董倩芸

摘要：作为巷道超前探测主要方法的矿井瞬变电磁法，目前仅能通过视电阻率来定性评价掘进工作面前方岩层富水性相对强弱。为了实现岩层富水性的定量预测，依据阿尔奇公式建立掘进工作面前方岩层富水性不均匀的数学模型，通过全空间三维时域有限差分(FDTD)数值模拟结果提取预测所用特征，根据所选特征与岩层富水性相关的地质参数确定富水性预测神经网络的结构。采用具有Lévy飞行特征的蝙蝠算法优化BP神经网络(LBA-BP)进行了富水性预测的仿真测试和现场试验。在仿真测试中，为接近实际情况，在数值模拟结果中加入了不同程度的噪声，对比测试结果发现尽管预测误差随噪声的增大而明显波动，但岩层孔隙度和含水饱和度预测的均方误差均不超过1%，预测准确度处在一个较高的水平。在现场试验中，根据现场地质资料划分富水性评价分级标准，由预测结果和视电阻率解释结果可以看出，LBA-BP预测方法对巷道前方岩层富水性的预测准确度要明显优于常规视电阻率解释方法。研究结果表明:感应电动势、采样时间、视电阻率、探测距离和对数坐标下的感应电动势衰减速率可作为岩层富水性预测所用特征，LBA-BP方法结合相应特征可以实现岩层富水性定量预测，提高了矿井瞬变电磁法对岩层富水性的解释精度。

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煤炭学报

2020年第01期

1350

695
分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究

作者(Author)：柴敬, 雷武林, 杜文刚, 张丁丁, 马哲, 袁强

摘要：为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律，以义马矿区的地质条件为背景，利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系，结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型(3.6 m×2.0 m×2.0 m)进行物理模拟试验，采用压力传感器测试采场支承压力，分布式光纤传感技术(BOTDA)监测覆岩动态变形过程，多点位移计测试岩层内部位移，并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致，传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时，40 m厚亚关键层一细砂岩(煤层上方112 m位置)中的传感光纤V11出现了4次频移峰值，分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz，发生了4次破断，初次破断距为368 m，周期破断距为186 m，处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩(煤层上方225 m位置)中的传感光纤V12出现了1次频移峰值，为165.94 MHz，仅发生1次破断，初次破断距为736 m，但结构未失稳，处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩(煤层上方386 m位置)中的传感光纤V13最大频移峰值为38.61 MHz，远远小于光纤V11和V12的频移峰值，仅发生微小弯曲变形，处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致，但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大，巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断，会出现同步和非同步破断现象，增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度，易诱发矿井动力灾害。

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煤炭学报

2020年第01期

1085

584
顶板导水裂隙高度随采厚的台阶式发育特征

作者(Author)：王晓振, 许家林, 韩红凯, 鞠金峰, 李全生, 邢延团, 曹志国

摘要：传统导水裂隙发育高度预计方法对顶板岩性进行均化，忽略了具体条件关键层结构差异所造成的影响，认为导水裂隙的发育高度随采厚是呈线性增大的，有时会导致较大的判别误差。针对该问题，采用理论分析、现场探测等方法，研究了关键层结构影响下顶板导水裂隙发育高度随采厚的变化特征。结果表明，导水裂隙的发育高度同时受到采厚和覆岩关键层结构的影响。在覆岩关键层结构的控制作用下，导水裂隙的发育高度随采厚呈现台阶式突变而非连续的近线性变化。关键层厚度及其所控制的岩层厚度越大，导水裂隙高度随采厚变化时的台阶落差越大，突变越明显。一定关键层结构条件下，如果采高变化范围没有超出导水裂隙高度产生台阶的范围，则采高变化并不导致导水裂隙高度的变化，也就是说此时降低采高并不能减少导水裂隙高度，增加采高也并不会增大导水裂隙高度。研究结果得到了亭南煤矿导水裂隙高度实际探测结果的验证，在二盘区206工作面开采条件下，采厚7.5和9.0 m时对应的导水裂隙高度分别为140.2和148.3 m，均发育至宜君组底界，采厚在一定范围增加并未引起导水裂隙高度的明显变化，该工作面在保证导水裂隙高度不明显增大的前提下，最大采厚理论上可以达到14 m。基于研究成果形成了考虑关键层结构的洛河组砂岩含水层下合理采厚确定方法，指导了亭南煤矿二盘区综放工作面洛河组砂岩水防治实践。根据亭南煤矿207工作面附近钻孔柱状的关键层结构，以导水裂隙高度不直接沟通洛河组为限，提出207工作面在设计采厚7.5 m基础上，可以将顶煤全部放出的方案。工作面实际总采厚平均达9.0 m，多放顶煤1.5 m，顺利多回收煤炭资源约71万t，有效提高了采出率。

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煤炭学报

2019年第12期

1052

429
采动裂隙扩展规律及渗透特性分形研究

作者(Author)：梁涛, 刘晓丽, 王思敬

摘要：采用水岩相似材料模拟试验研究了不同荷载、岩层性质及开采速度等因素影响下煤层开采后覆岩垮落及裂隙演化特征。基于分形理论，得到了采动裂隙随开采进程在采煤工作面不同分区内的分形演化规律，并根据采动裂隙分布推导了裂隙岩体分形渗流公式，得到了渗透系数随开采进程及裂隙扩展的关联性演化规律及其相应的理论公式。在此基础上，利用大型相似材料物理模型试验，通过对采动影响下上覆岩层垮落后的裂隙网络物理模型进行钻孔电视成像，得到采动裂隙分布，并应用推导的渗透系数关联演化理论公式计算出含裂隙网络的模型试验介质的渗透系数，同时，利用钻孔注水试验验证了渗透系数理论模型的正确性。研究表明，采动裂隙在水平方向分布类似“W”形;而在垂直方向，总体上分形维数随高度增加而减小，减小幅度为4.32%~11.40%。然而在裂隙带与弯曲带交接部位，由于离层裂隙的存在，使分形维数较垮落带增大约3.47%。采动裂隙渗透系数与采动裂隙分布相关，在水平向上大体呈“V”形分布，总体上中间分区渗透系数相对较低，两端分区渗透系数相对较高。随着竖向分区增高，渗透系数逐渐减小，在裂隙带和弯曲带交接部位离层裂隙发育，使该区域渗透系数显著增大。本文推导的采动裂隙渗透系数关联演化理论公式，是定量研究采动影响下上覆岩层的渗透特性变化有益尝试。

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煤炭学报

2019年第12期

926

550
厚松散层软弱覆岩下综放开采导水裂隙带发育高度

作者(Author)：杨达明, 郭文兵, 赵高博, 谭毅, 杨伟强

摘要：导水裂隙带高度是实施保水采煤技术措施的一个重要参数，为获取厚松散层软弱覆岩下综放开采工作面导水裂隙带高度，以某矿11915工作面为例，综合运用井下钻孔注水漏失量观测、钻孔电视和数值模拟3种技术手段，对采空区上覆岩层导水裂隙带高度进行了探测。通过对井下施工的3个钻孔进行注水漏失量观测确定了开采前后的钻孔漏失量变化规律，结合钻孔电视观测的孔壁裂隙特征最终确定了导水裂隙带高度，并采用数值模拟分析了导水裂隙带发育规律。结果表明:厚煤层(6.65 m)，软弱覆岩、厚松散层(102 m)条件下综放开采的导水裂隙带高度为45.7~46.7 m，垮落带高度为16.1 m;裂采比为6.87~7.02，垮采比为2.42;数值模拟得到的导水裂隙带发育高度与现场实测结果一致，导水裂隙带发育经历发育、缓增、突增及稳定4个阶段，覆岩裂隙带以离层的形式向上发育，以铰接形式存在。钻孔电视能直接清晰的获取覆岩裂隙发育特征，是钻孔法探测导水裂隙带高度的最佳方法;井下钻孔漏失量法用于导水裂隙带高度观测是可靠的，但需要观测设备需要满足一定的封孔压力，封孔胶囊具有足够长度，并且需要改善胶囊与孔壁之间的接触状态。总体来讲，钻孔法观测导水裂隙带高度是目前最可靠的方法，但施工量大，成本较高;目前物探法应提高对覆岩完整性变化的探测敏感度，并多配合钻孔法的使用进行结果对照分析，获得物探结果最佳解释方法后再进行推广应用，降低导水裂隙带高度的探测成本。

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煤炭学报

2019年第11期

1266

646
基于改进AHP和熵权法耦合的风化基岩富水性预测方法

作者(Author)：侯恩科, 纪卓辰, 车晓阳, 王建文, 高利军, 田世雄, 杨帆

摘要：我国西北地区侏罗系风化基岩含水层是矿井充水的主要含水层，多次煤矿顶板突水事件均与该含水层有关。侏罗系风化基岩具有结构疏松、孔隙度大、岩层渗透性强和裂隙发育的特点，导致了其富水性在空间上极不均一，如何科学的评价预测侏罗系风化基岩富水性成为矿井防治水工作中急需解决的难题。以柠条塔井田南翼为例，分析了风化基岩富水性的控制因素，选取风化基岩顶面标高级别指数、岩性组合指数、风化指数和岩芯采取率指数4个指标作为风化基岩富水性预测的主要指标。针对AHP在确定权重时重专家经验而对指标实测数据特征考虑不够和熵权法在确定权重时重客观数据而未顾及专家经验的不足，提出了将改进AHP和熵权法通过最小二乘法耦合起来计算富水性预测指标权重的方法。利用柠条塔井田南翼172个钻孔地质资料和其中41个风化基岩抽水试验资料，进行了基于改进AHP、熵权法和改进AHP与熵权法耦合的柠条塔井田南翼富水性分区预测及结果比较分析。结果表明，基于改进AHP权重确定方法、熵权法权重确定方法和耦合两者的权重确定方法预测的富水性类别和41个抽水钻孔的富水性吻合度分别为68.29%,70.73%和92.68%，即就是基于改进AHP和熵权法耦合确定预测指标权重的风化基岩富水性预测方法效果最好。该研究成果为含水层富水性评价预测提供了一种新方法。

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煤炭学报

2019年第10期

1082

420