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《煤炭学报》2022年“新锐科学家”专题

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2022年第2、3期组织策划了“新锐科学家”专题。

行业视野: 煤炭学报
类别; 302个
关键词; 372位
专家; 66篇
论文; 55969IP
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锚杆托板与缓冲垫层组合结构静、动载力学性能试验研究

作者(Author)：吴拥政, 付玉凯, 褚晓威, 孙卓越

摘要：针对锚杆支护系统受到冲击载荷作用时，围岩与托板间作用力瞬间增加，造成托板过载弯折、撕裂及接触区域围岩破裂、塌落等问题，采用实验室试验的方法，搭建了托板与缓冲垫层组合试样静、动载测试试验台，分别测试了5种组合结构托板的静、动载力学性能，获取了组合结构的静载力-位移曲线、冲击力时程曲线及应变时程曲线；研究了不同冲击载荷下组合结构的力学响应规律，分析了缓冲垫层材质、厚度对组合结构抗冲击性能的影响。试验结果表明：静载作用下缓冲垫层对托板变形形态有一定影响，刚度高的缓冲垫层会增加托板的变形量，但也会降低组合结构的峰值载荷；垫层厚度主要影响组合结构的变形能力，对承载力影响不大。不同冲击能量下托板的冲击力峰值基本相同，托板在较低的冲击能量下已达到峰值承载力，动载峰值承载力与静载最大承载力基本相同。不同冲击能量下托板变形明显不同，托板对角线上部的变形相对较小，中线上部的变形相对较大；缓冲垫层能降低组合结构的冲击力峰值，与未使用缓冲垫层相比，采用松木、橡胶垫层、废旧皮带及泡沫铝缓冲垫层时，组合结构冲击力峰值分别降低21.45%、17.55%、25.40%和2.80%，冲击力作用时间分别增加了41.94%、24.52%、47.74%和65.16%，缓冲垫层可降低冲击力峰值，延长冲击作用时间，有效吸收冲击能量；垫层厚度对试样冲击力和应变影响较大，垫层厚度越大，吸收的冲击能量越多，冲击力峰值越小，冲击力作用时间越长，垫层缓冲性能越好，合适的垫层材料和厚度能有效降低冲击载荷对托板结构的破坏效应。总体来看，与单独使用托板相比，4种缓冲垫层均能实现吸能减冲，不同缓冲组合结构的垫层对抗冲击性能影响不同，缓冲垫层吸能效果从优到劣分别为泡沫铝、松木、废旧皮带及橡胶垫。

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基于有效锚固层厚度的煤系巷道顶板叠加梁支护理论及应用

作者(Author)：姚强岭, 李英虎, 夏泽, 李学华, 王烜辉, 晁宁

摘要：通过对巷道顶板岩梁的变形及破坏特征分析，确定了顶板失稳的宏观过程及力学现象；针对煤系巷道顶板沉积岩层的分层特征，建立了煤系巷道顶板叠加梁力学模型，基于其协调变形及共同承载特性，求解出叠加梁中各分层岩梁等效承载应力、层间作用力以及锚杆（索）支护强化参数，揭示了锚杆（索）对叠加梁结构的支护作用机理，即优化不同抗弯刚度的各层顶板的承载应力分配，充分发挥各岩层力学承载性能，控制顶板的整体下沉，同时提高叠加梁的内聚力及变形模量，间接强化整体锚固结构的力学承载强度。针对顶板叠加梁支护结构在巷道不同服务阶段失稳条件，提出了煤系巷道顶板支护的有效锚固状态以及有效锚固层厚度，用于评价巷道支护中锚杆（索）对顶板实际的锚固能力，从而形成了煤系巷道顶板叠加梁支护理论。基于该支护理论，以皖北煤电集团任楼煤矿Ⅱ7324S工作面风巷为工程背景，对其在近距离煤层、采空区下伏成巷条件下进行了顶板支护设计，根据层间距在大于6 m，4 m-6 m以及2 m-4 m的三种不同范围，将该巷道进行分区，通过对顶板叠加梁结构进行分析与有效锚固层厚度计算，分别确定了在不同巷道区域内使用锚杆与注浆锚索为主的支护方案对巷道顶板进行加固，并结合现场工业性试验验证了该支护方案的合理性与有效性。

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地下工程微观NPR锚杆钢静力拉伸及锚固抗剪力学特性

作者(Author)：陶志刚, 任树林, 何满潮, 夏敏

摘要：资源开采和地下空间建设逐渐向深部发展，给深部围岩支护体系带来了新的挑战，研发具有高强高韧、超强吸能、可施加高预紧力的围岩支护材料势在必行。基于此，自主研发了一种高强度、高延性，具有微观负泊松比效应的锚杆钢新材料，又称微观NPR（Negative Poisson’s Ratio）材料，这种材料可以被用于加工成锚杆、钢筋、锚索、钢带等多种类型的工程应用材料。本文重点针对微观NPR锚杆钢的锚固剪切力学特性进行实验研究，首先介绍了PR（Poisson’s Ratio）材料、宏观NPR结构和微观NPR材料的基本概念及研发历史；然后开展微观NPR锚杆钢和普通PR锚杆钢的静力拉伸及锚固剪切实验；最后对比分析微观NPR锚杆钢的破坏形态、拉伸力学性能以及锚固抗剪力学特性。实验结果表明，在静力拉伸条件下，相较于普通锚杆钢，微观NPR钢拉伸曲线无屈服平台，具有恒阻大变形的准理想弹塑性特征，大大提高了锚杆材料的强度和变形性能，且其拉伸过程中均匀变形，破断后基本无颈缩；在锚固剪切实验条件下，加锚节理岩体在剪切荷载作用下具有显著的延性破坏特征，有效改善了无锚固节理岩体脆性破坏现象，微观NPR锚杆钢所能提供的抗剪强度远高于普通锚杆钢，并且其承受横向剪切变形能力是普通锚杆钢的2.5倍以上。实验证明微观NPR锚杆钢能够很好的平衡金属材料高强度和高延性的矛盾，极大提升了锚杆钢抗拉、抗剪能力，从材料本质上实现了锚杆的大变形超强吸能特性，在深部地下空间大变形控制等方面具有良好的应用前景。

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扩胀-摩擦式吸能防冲锚索及其力学特性

作者(Author)：王爱文, 范德威, 潘一山, 赵宝友, 代连朋

摘要：冲击危险巷道围岩冲击大变形造成锚固支护材料过载失效已成为深部煤矿巷道支护技术中亟待解决的工程难题。针对传统钢绞线锚索难以适应围岩冲击作用而出现的过载拉断问题，基于金属圆管扩胀塑性变形及摩擦耗能原理，研发了一种扩胀-摩擦式吸能防冲锚索。采用塑性力学理论开展了吸能防冲锚索吸能原理解析分析，并结合正交模拟试验讨论了吸能装置结构尺寸及材料属性对吸能阻力的影响规律及敏感性，得到了影响吸能防冲锚索吸能阻力的主控因素。研究结果表明：吸能防冲锚索的吸能装置在让位吸能过程中，吸能装置吸能总阻力可分为扩胀变形阻力和滑动摩擦阻力两部分。吸能套管壁厚、膨胀比、屈强比、摩擦系数以及扩径台锥角对扩胀变形阻力、滑动摩擦阻力的影响规律存在显著差异，吸能套管屈强比增加会导致吸能总阻力降低，扩径台锥角越大，降低速度越快；滑动摩擦阻力对吸能套管膨胀比变化较为敏感，而扩胀变形阻力对扩径台锥角变化极为敏感，增大扩径台锥角可迅速降低滑动摩擦阻力，增大扩胀变形阻力，从而改变二者在吸能总阻力中的占比；扩径台锥角相同时滑动摩擦阻力对吸能套管膨胀比的敏感性显著大于扩胀变形阻力；摩擦系数直接影响滑动摩擦阻力，而对扩胀变形阻力没有影响。6因素5水平正交模拟试验结果表明：影响吸能总阻力的因素主次顺序为吸能套管壁厚、扩径台锥角、吸能套管屈强比、挤压圆台高度、吸能套管膨胀比以及摩擦系数，吸能总阻力数值模拟与理论计算结果的相对误差在10%以下，吸能套管壁厚、膨胀比、屈强比、摩擦系数以及扩径台锥角，对吸能总阻力的影响趋势与理论分析基本一致。理论解析、数值模拟与实验结果具有较高的吻合程度，证实了吸能防冲锚索解析模型、数值模型的正确性，可作为吸能防冲锚索结构设计的理论依据。通过调整吸能装置的材料及结构参数，可以实现吸能阻力在300~500kN之间的调整，以匹配不同型号钢绞线。

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坚硬顶板回采巷道冲击地压的卸载滑脱机制

作者(Author)：韩军, 崔露郁, 贾冬旭, 惠乾嘉, 朱志洁, CAO Chen

摘要：冲击地压严重威胁煤炭安全高效开采,研究冲击地压发生机制具有重要意义｡首先对矿井回采巷道冲击地压显现特征进行了归纳和总结,认为坚硬顶板和坚硬煤体是回采巷道发生冲击地压的关键地质特征,水平应力是冲击地压力源,巷帮煤体滑脱是回采巷道冲击的破坏特征｡基于弹性地基理论,分析了坚硬顶板条件下回采工作面前方和临空侧顶板向上挠曲､导致煤层竖直压力卸载的特性,并与现场监测工程实践进行对比验证｡在此基础上,以巷帮煤体为研究对象,建立了顶板-煤层-底板复合结构体的卸载滑移力学模型,通过分析煤块所受水平应力､煤体拉力及煤-顶板和煤-底板结构面摩擦力之间的力学平衡关系,建立了巷帮煤体冲击启动的临界方程,并对各变量的取值进行了讨论｡结果显示,开采过程中,悬顶使坚硬顶板向下弯沉,坚硬煤体导致工作面前方和侧方顶板向上挠曲,从而使工作面前方或者侧向煤层垂直压力降低,使得顶底板对煤层夹持作用减弱,巷帮煤体在水平应力作用下,克服顶､底板摩擦力及煤体抗拉力后冲入巷道,形成冲击地压｡基于建立的模型,分析了开采深度､顶板强度､弹模和厚度､煤层强度和弹模等控制要素的影响和作用｡最后,以唐山矿“8·2”冲击地压和红阳三矿“11·11” 冲击地压为例,应用提出的模型解释了坚硬顶板挠曲､巷帮煤体卸载滑脱的冲击地压发生机制,对提出的模型进行了验证｡

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冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量响应规律

作者(Author)：曹安业, 陈凡, 刘耀琪, 窦林名, 王常彬, 杨旭, 白贤栖, 宋士康

摘要：矿震是冲击地压孕育及诱发的重要影响因素，研究矿震震源破裂机制对完善冲击地压致灾机理至关重要。为有效分析矿震震源破裂机制与震源参量响应特征，基于相对矩张量反演原理提出以震源群为单位反演矿震震源机制，并针对煤矿应用背景构建了反演矩阵，推导了反演所需最低射线数与震源数条件，优化了矿震震源破裂类型判识方法，提高了反演精度与效率，统计分析了褶皱构造区、深埋断层构造区以及高应力大巷煤柱区等3个冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量的响应规律。结果表明：矿震震源参量与破裂机制与其地质构造情况、震源层位以及应力环境等相关。褶皱构造区顶板型强矿震以拉张破裂占主导，煤体中强矿震以剪切破裂占主导，拉张型与剪切型矿震的震源破裂强度与应力调整程度差异较小，而拉张型矿震的扰动规模更大；深埋断层构造区拉张型矿震具有更强的破裂强度，剪切型矿震具有更大的扰动规模；高应力大巷煤柱区矿震震源类型以剪切破裂为主导，煤柱（体）极易在顶底板的夹持下沿应力优势方向发生连续性剪切破坏，剪切型矿震震源参量平均值（除视应力）明显高于拉张型矿震，表明剪切型矿震时冲击危险性显著高于拉张型矿震。不同条件下震源参量与破裂机制响应特征可为强矿震的精准判识和力学机制研究提供参考。

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厚煤层一次采全高低位厚硬岩层垮落致冲机理与防治

作者(Author)：张俊文, 董续凯, 柴海涛, 宋治祥, 范文兵, 王黔, 吕玉磊, 郑波, 白俊杰, 刘志高, 贾乐乐

摘要：基于某矿31103工作面煤层及顶板的基本参数，结合该工作面已发生冲击事件，发现低位厚硬岩层垮落是该矿发生冲击地压的主要原因。为此，以防治低位厚硬岩层垮落诱发冲击地压为目的，选取该矿31103回采工作面顶板垮落控制为工程背景，采用现场调研、理论分析等方法，研究了厚煤层一次采全高低位顶板支托层与随动层的运动规律，建立了采空区侧向支承压力力学计算模型，揭示了低位厚硬岩层垮落诱冲机理。所获主要结论如下：1)确定了工作面低位顶板岩层的基本参数，并计算得出了工作面低位岩层中较厚的协同垮落岩层。在工作面开采过程中，随动层随支托层运动发生同步变形，当工作面顶板发生大面积悬顶垮落时容易造成大能量动力现象；2)建立了采空区侧向支承压力力学计算模型，得到了采空区侧向支承压力峰值位置距采空区边缘约为45m，影响范围约为90m，支承压力峰值约为55MPa，31103工作面回风顺槽处于采空区侧向高支承压力影响范围。在工作面开采过程中，回风顺槽围岩应力已达到发生冲击地压的应力水平；3)揭示了低位厚硬岩层垮落致冲机理：采空区侧向支承压力形成的高应力静载是主要冲击力源，回采工作面厚硬支托层与其随动层同时垮落造成的扰动动载是主要诱发力源，两者叠加作用导致冲击地压事故；4)提出了针对性的防治措施：在本工作面同时采用水力压裂技术与爆破切顶技术；在下一临侧工作面则采取小煤柱护巷布置方式，并在采空区侧进行爆破断顶；基于上述卸压措施，在工作面继续推采过程中微震事件总体呈现为频次降低、单次能量减小、总能量减小的特征。

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基于加卸载响应比的冲击地压矿井急倾斜巨厚煤层推进速度研究

作者(Author)：崔峰, 贾冲, 来兴平, 陈建强, 张随林, 何仕凤

摘要：工作面推进速度过快易诱发冲击地压等动力灾害，探讨合理的工作面推进速度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键。采用数值模拟、岩石力学试验和现场微震监测等方法，通过研究急倾斜巨厚煤层推进速度影响下工作面前方煤体经历的采动应力路径，分析推进速度采动应力路径下的煤样力学行为特征。完成了采动应力路径下煤样加卸载响应比的变化规律研究与急倾斜巨厚煤层工作面推进速度的合理确定，开展了现场工程实践验证。研究结果表明：急倾斜巨厚煤层随工作面推进速度增加使得采动应力峰值增大，同时其采动应力路径的循环加卸载幅度增加，循环次数减小，主要影响区域范围增加，而作用时间减小。不同推进速度应力路径下的煤样强度呈非线性递增趋势，且采动应力路径下的煤样强度普遍大于的常规路径，煤样破坏程度、声发射累计计数及能量均随应力路径所处推进速度的增加而增大。类比冲击矿压评价指标得到6.4m/d应力路径下的煤样可视为冲击煤样，同时引入加卸载响应比，提出了基于采动加卸载响应比的冲击地压矿井工作面推进速度合理确定方法，形成了不同推进速度采动应力路径影响的加卸载响应比评价指标，确定了满足+425水平工作面的安全高效开采推进速度。现场微震实测结果验证了基于采动加卸载响应比确定工作面推进速度的有效性。研究结果为冲击地压矿井工作面的安全高效开采提供了科学指导。

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