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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; 55463IP
点击量; 66341次
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矸石集料承载力学特性模拟研究

作者(Author)：杨科, 魏祯, 何祥, 周光华, 陈登红, 张继强

摘要：为探究矸石集料的承载特性与破裂演化规律，采用液压伺服岩石力学试验系统与破碎矸石压实装置，开展了不同矸石粒径（0~5 mm、5~10 mm、10~15 mm、15~20 mm、20~25 mm、25~30mm）、轴向应力（2.5MPa、5MPa、7.5MPa、10MPa）、加载速率（0.05mm/s、0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s）影响下破碎矸石集料压实实验，研究各因素对矸石集料压缩变形与分形特征的影响；基于PFC3D数值软件建立考虑矸石形状与粒径分布的颗粒流模型，探讨了矸石集料承载过程中能量耗散、力链演化等规律，揭示颗粒形状与粒径级配对矸石集料压实力学特性的影响机制。试验结果表明：矸石集料压缩变形分为孔隙压密、结构调整和弹塑性变形3个阶段，随着轴向应力的逐渐增大，矸石集料的大颗粒骨架破坏、中等颗粒滑动移位、小颗粒填充孔隙，颗粒间的接触方式由锐角接触转变为钝角或球面接触；不同加载速率下，矸石集料轴向应力与应变呈幂函数分布，轴向应力和加载速率与破碎矸石分形维数呈对数函数关系；相同载荷下大粒径矸石易发生挤压破碎，矸石颗粒克服变形消耗摩擦能，有利于强化整体的摩擦效应；矸石集料的力链长度随载荷的增大逐渐增长，覆盖范围逐渐增大，高应力范围自上而下逐渐扩展，随外载荷的增大矸石颗粒网状结构断裂失效，岩块发生滑动、移位、重组，小粒径矸石颗粒具有弱化断裂失效的作用。研究结果为采空区安全治理、地表沉陷控制、充填工艺优化提供有力的理论指导。

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煤炭学报

2022年第03期

791

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煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律

作者(Author)：戚绪尧, 王涛, 陈良舟

摘要：大规模高强度回采和深部开采常导致顶部裂隙煤岩体失稳、漏风及其次生灾害。钻孔注浆是封堵裂隙和加固煤岩体的主要手段之一。由于煤岩裂隙高位注浆研究相对滞后，井下高位注浆施工设计缺少足够的依据。为探究煤岩裂隙高位注浆浆液扩散规律，以任意倾斜有限边界的光滑平板裂隙和宾汉流体为研究对象，建立裂隙高位注浆扩散数学模型并进行数值模拟求解，分析不同裂隙倾角和注浆速率下浆液在裂隙流动过程中的扩散锋面、流量分配及压力场变化规律；在此基础上，建立浆液高位流动数学模型，并推导恒定注浆速率工况下的解析解。研究结果表明：根据扩散锋面的演变规律，浆液流动过程可分为自由扩散阶段、过渡阶段和受限堆积阶段3个阶段。裂隙倾角对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐减小，注浆流速对高位扩散距离的影响程度随着流动阶段的演化逐渐增大。过大的裂隙倾角加大了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变，而过大的注浆速率减缓了高位流量的损耗并加快了流动阶段的转变。注浆速率和裂隙倾角的增大均会导致注浆压力增加，且在浆液进入受限堆积阶段后注浆压力发生突变。以高位流动扩散形态的等效圆半径临界状态为界，高位流动可划分为扩散阶段与堆积阶段，不同阶段内反演得出的等效圆心角与注浆速率、裂隙倾角和注浆时间具有较好的相关性。根据对比分析结果，浆液高位流动数学模型中相对误差低于20％的样本占97％，相对误差低于10％的样本占78.4％，表明浆液高位流动数学模型具有一定的合理性。浆液在不同时间段内向高位裂隙深部扩散的范围受到裂隙边界影响，只有当底部裂隙空间被填充完毕后浆液才会在裂隙边界的支撑下向深部堆积，因此在现场高位注浆设计时应先探明裂隙区域的边界范围。针对上覆煤岩表层区域范围的裂隙封堵时可采用较低的注浆速率以延长自由扩散阶段时长，实现底部裂隙空间的快速封堵。对煤岩裂隙深部区域进行注浆充填时可先使用较高的注浆速率进行注浆，当压力表发生突变后表明浆液已进入受限堆积阶段，此时可降低注浆速率，使注浆压力控制在安全可控范围内。

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煤炭学报

2022年第03期

612

965
高径比对砂岩能量积聚与耗散试验及分析方法

作者(Author)：赵光明, 刘之喜, 孟祥瑞, 张若飞, 考四明, 戚敏杰

摘要：为了探究高径比对岩石能量积聚与耗散的影响，利用RMT-150B岩石力学测试系统对同直径不同长度的砂岩试件进行了单轴压缩试验、单轴循环加卸载试验以及单轴分级加卸载试验。对比砂岩单轴压缩与单轴循环加卸载曲线发现，单轴压缩曲线近似为单轴分级加卸在曲线的外包络线，并且由于“硬化”作用单轴分级加卸载强度略高于单轴压缩。通过砂岩单轴循环加卸载下力学特性分析发现随着循环次数增多，残余变形逐渐减小，直至某次循环无残余变形产生砂岩出现非线性伪弹性体特征，继续承受加卸载作用非线性伪弹性体特性消失，残余变形再次出现，因此可以将残余变形演化规律归纳为：存在较大残余变形-残余变形逐渐减小-无残余变形-再次出现残余变形。基于砂岩弹性能的演化分析发现循环次数对弹性能的影响较小，即疲劳损伤对砂岩的弹性能影响较小，则可以假定单轴分级加卸载各卸载点的荷载与单轴压缩试验的荷载相等时，两者的弹性能也相等。利用单轴分级加卸载试验各卸载点的弹性能与单轴循环加卸载首次加卸载弹性能进行比较，验证了假设的正确性。进一步对不同高径比下砂岩的单轴压缩试验进行能量分析，发现砂岩的弹性能演化服从线性储能规律。基于砂岩的单轴分级加卸载试验结合线性储能规律对同尺寸的单轴压缩试验进行能量演化分析，为砂岩单轴压缩的能量分析提供了新思路。研究表明：当荷载相等时砂岩储存弹性能与高径比成正比，与储能极限成反比。将文中提出的试验法与传统能量分析方法(利用公式计算得到弹性能)进行比较，发现本文提出的方法精确度高。基于耗散能演化规律进一步对不同高径比下砂岩的损伤进行了分析，发现砂岩损伤曲线呈非线性演化，并且荷载相等时高径比越大砂岩损伤程度越高。破裂时砂岩内部积聚的弹性能转化成破裂面表面能和碎块动能，储能极限与高径比大小成反比，因此当L/D≥2时主要呈单方向的剪切破坏，L/D<2时岩石主要为相对复杂的双剪切或圆锥形破坏，并且进一步从能量角度对钻孔卸压进行了讨论。

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煤炭学报

2022年第03期

637

514
场微波作用下岩石体破裂特征及其机制探索

作者(Author)：高明忠, 谢晶, 杨本高, 唐瑞烽, 邓虎超, 刘依婷, 叶思琪, 周雪敏, 王绍兰

摘要：硬岩高效破裂是深部地下空间､深部资源勘探开发的重要前提,寻求和发展高效破岩技术成为大势所趋｡微波具有加热效率高､无二次污染等优点,被认为是一种极具发展潜力的高效辅助破岩技术｡微波场内岩石体破裂差异性行为解译是实践微波辅助破岩技术的重要基础｡从宏-细-微观不同尺度对微波场内砂岩､花岗岩和辉长岩开展了跨尺度破裂行为机理研究｡结果表明:在岩石宏观膨胀破裂层面,砂岩表现为低温崩裂破坏,实测最高温度为194 ℃,辉长岩和花岗岩则为高温熔融破坏,实测最高温度分别可达367 ℃和492 ℃;岩石脱离本身基质约束产生裂纹或宏观破裂面时体积变化明显,高温熔融破坏时岩石体积膨胀率最大,花岗岩和辉长岩破裂时体积膨胀率为2.1%和1.8%｡在岩石细观破裂面特征层面,微波场内高温熔融作用所产生的破裂面比低温崩裂面分维高2.0%,其中花岗岩､辉长岩和砂岩的破裂面分维分别为2.109 2,2.070 4 和2.066 0｡在岩石微观损伤差异性机制层面,岩石破裂特征与主要成岩矿物的组分､含量和含水率密切相关｡一方面,由于石英和其他矿物介电特性差异较大,当岩石内部石英含量较高时,热应力迅速增长;另一方面,水在微波作用下迅速汽化,在岩石内部产生高孔隙压力,试样易低温崩裂破坏,微观断口不会出现显著的损伤结构;而当岩石内部主要矿物组分介电特性差异较小及含水率较低时,试样内温度增长缓慢,矿物温度梯度相对较低,后期岩石整体呈现高温熔融破坏;岩石晶体化学分子结构分析结果发现,试样内部Si—O 键含量波动幅度较大,石英和硅酸盐矿物XRD 衍射峰和对应衍射角发生偏移,晶体主要受到微观压应力作用,表现为花岗岩的石英和斜长石矿物内部和交界处出现大量的显微裂纹和孔洞,辉长岩的损伤结构主要集中于辉石矿物内部,据此可推断适合微波辅助破岩的地质岩性工况,以期提高深部硬岩破岩效率｡

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煤炭学报

2022年第03期

542

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泥岩多尺度模型与水岩作用特性研究进展

作者(Author)：李桂臣, 李菁华, 孙元田, 孙长伦, 许嘉徽, 荣浩宇, 杨森, 沃小芳, 卢忠诚

摘要：泥岩遇水软化特性制约着岩土工程与地下工程的发展，特别是在煤矿工程实践中，泥岩遇水泥化膨胀、承载性能劣化，往往诱发巷道围岩的失稳破坏。黏土矿物的遇水膨胀特性，与泥质胶结的强度低、塑性强特性，是富黏土矿物（> 50%）泥岩遇水大变形与承载失效的内在本质。工程实践研究中承载持续大变形与泥岩遇水渐进劣化是关键防控和调控过程。针对泥岩研究尺度广、大变形力学机制与水岩作用机理复杂的特点，首先基于工程防控/调控技术研究焦点界定了多尺度研究范畴，划分出宏观岩体（mm）、细观矿物（μm）、微观晶胞（nm）三个研究尺度；其次阐明了不同尺度下的泥岩物理、力学、化学研究模型，讨论了不同尺度泥岩物力化性质分析方法与手段，厘清了泥岩物理力学和物理化学性质的多尺度特性，系统研究了不同尺度下的水岩作用机制，构建了考虑不同尺度相互作用关系的泥岩水岩作用多尺度关联体系；最后展望了泥岩多尺度研究中细观尺度研究的发展方向；指出多尺度水岩作用在多物理场耦合中的研究前景，提出基于多尺度分析的泥岩灾变防治技术研发体系，凝练人工智能方法辅助研究泥岩多尺度的关键科学问题。同时，开展多尺度研究有助于掌握与控制泥岩的物理、化学、力学响应特性，为解决泥岩灾变防治和核废料封存工程难题，奠定下科学的理论基础。

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煤炭学报

2022年第03期

674

836
岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律

作者(Author)：余伟健, 潘豹, 李可, 沈文兵

摘要：基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点，着重探究煤岩体变形规律，根据不同岩层组合的力学性质，系统地分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。首先，通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验，分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律，结果表明：组合体强度受中间煤体高度影响，试件单轴抗压强度随煤体高度的增加而减小，而且，试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏最终表现为煤体挤出破坏。组合体试件破坏受煤体部分主导，两端砂岩对中间煤体起约束作用从而提高煤体强度，煤体中部受到其约束最小且随着煤体高度的增加中间部分所受到的影响迅速衰减。然后，通过室内单轴加载与颗粒流等方式分析组合体裂隙发育全过程，结果表明，组合体裂隙发育的过程可分为四个阶段：1.裂隙孔隙压密阶段、2.裂隙产生并稳定发育阶段、3.裂隙加速发育并贯通阶段和4.破坏后的阶段。煤体内部缺陷的存在与其自身较低的强度导致了组合体微裂隙最初于煤体内部生成（在煤体高度非常小的条件下才会有裂隙自砂岩内部产生）；随着试件荷载的增大，随机分布在煤体的裂隙相互贯通并向砂岩部分延伸最终造成破坏；且最初的裂隙主要是轴压与端面效应产生的剪切裂纹，在加载至试件单轴抗压强度的0.8左右时，试件内部张拉裂隙开始快速发育，并且组合体开始丧失强度。

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煤炭学报

2022年第03期

1394

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实时低温条件下露天矿饱和损伤煤系砂岩动态力学特性及其破坏机制

作者(Author)：陈彦龙, 崔慧栋, 李明, 浦海, 刘福明, 张连英

摘要：我国许多大型露天煤矿都地处新疆等西部高寒地区，低温环境下边坡岩体中的自由水发生冻结，对损伤岩体的宏微观结构将产生显著影响，使岩体的力学性能进一步劣化，进而诱发大规模滑坡等地质灾害。因此，开展含有初始损伤的饱和煤系岩石在低温条件下的动态力学特性及破坏机制研究，对寒区露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用实时低温分离式霍普金森压杆（LT-SHPB）试验系统，对含初始损伤的含水饱和露天煤系砂岩开展了低温冲击加载试验，并结合扫描电镜观测，对其动态力学特性及细观断裂机制进行了系统研究。研究结果表明：① 随着冲击速度(强度)的提高，砂岩动态抗压强度、弹性模量及峰值应变均快速增大，表现出显著的冲击强化效应；同时，在固定冲击强度下，抗压强度与弹性模量随初始损伤呈逐渐减小的趋势，的损伤弱化特性显著，而峰值应变则表现出损伤强化特征；② 冲击载荷作用下砂岩破坏程度随着初始损伤及冲击速度的增大逐渐提高，破坏形式呈现出由张拉破坏向粉碎性复合破坏的转化特征；③ 较常温环境，低温环境下含水饱和损伤砂岩发生显著的冻胀作用，细观上表现为砂岩内部缺陷尺度与缺陷数量增多，这是砂岩动态力学特性产生劣化的根本原因；④ 砂岩动态破坏形式主要表现为脆性破坏，而在较高初始损伤下，砂岩内部出现了细观韧性断裂形貌，局部韧性断裂显著，当砂岩损伤值由0%增加到50.26%，砂岩脆延性系数均呈现出快速增大的变化特征，表明其动态断裂模式呈现出从脆性破坏向韧性破坏的发展趋势。

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煤炭学报

2022年第03期

631

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空心岩样径向渗流-轴向应力特征与巷道围岩渗透突变机理

作者(Author)：马丹, 侯文涛, 张吉雄, 王佳军, 李振华, 杜锋

摘要：为了探究承压水下巷道围岩的渗透突变机理，针对空心岩样的渗流-应力特征开展了一系列室内试验和渗透突变表征模型研究。自主研制了一套空心岩样径向渗流-轴向应力试验系统，突破了仅开展轴向渗流的传统试验条件限制，实现了径向渗流及轴向应力同步进行。采用该新型试验系统，以孔径(5-20mm)和水压(0.5-2.5MPa)为变量开展多组空心红砂岩渗流-应力试验，得到空心岩样径向渗流-轴向应力特征。试验结果表明径向渗流的蚀损作用引起岩样内聚力、内摩擦角等力学参数衰减，增大水压，渗流的蚀损作用变强，岩样内部裂隙贯通通道形成时间缩短，渗透突变现象提前发生。大孔径岩样对轴向应力敏感度更高，内部结构受径向渗流蚀损作用易破坏，渗透突变发生时间缩短。岩样渗透率在试验过程中存在三种状态：(1)以孔隙结构为主要渗流介质的孔隙渗流状态，(2)以局部裂隙结构为主要渗流介质的非稳定渗流状态，(3)以贯通裂隙结构为主要渗流介质的渗透突变状态。渗透率达到峰值的试样渗流介质为受水压影响产生的贯通裂隙结构，峰值渗透率随水压增大呈线性增长，与孔径没有明显关系。以裂隙体积变化为纽带建立空心岩样渗透突变表征模型，模型计算值与实验结果吻合良好。以屈服应力/应变、峰值应力/应变为临界条件将渗透率演化曲线分为三个阶段：(1)渗透率微增演化阶段、(2)渗透率突增演化阶段、(3)峰后渗透率演化阶段。其中，渗透率突增演化阶段是突水灾害发生的控制环节，需在此之前采取注浆封堵、输水降压等措施预防事故发生。

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煤炭学报

2022年第03期

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