2022封面文章（《煤炭学报》）_中国煤炭行业知识服务平台

2022封面文章（《煤炭学报》）

来源：《煤炭学报》

《煤炭学报》创刊于1964年，月刊，是由中国科学技术协会主管，中国煤炭学会主办，煤炭科学研究总院承办的面向国内外发行的煤炭科学技术方面的综合性学术刊物。目前被Ei、Scopus、CSCD、CSTPCD等国内外20多种重要数据库收录，核心总被引频次、核心影响因子、综合评价总分等期刊主要期刊引证指标稳居能源科学综合类学科第1位，多次荣获全国“百强报刊” 等国家期刊奖项，持续获得“中国科协精品科技期刊工程项目”资助，2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”。

2022年第1期封面为“中国煤炭学会成立60周年”特刊

2022年第2—3期为“新锐科学家”专题

2022年第4期为“碳中和”专栏

2022年第5期为“煤系战略性金属矿产成矿理论与分布规律”专题

2022年第6期为“我国关闭/废弃矿井资源精准开发利用研究”专题

行业视野: 封面文章
类别; 224个
关键词; 246位
专家; 63篇
论文; 66803IP
点击量; 92431次
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冲击地压应力流理论及其数值实现

作者(Author)：齐庆新, 王守光, 李海涛, 穆鹏宇, 杜伟升, 杨冠宇

摘要：冲击地压作为应力敏感型动力灾害，具象化地描述应力在煤岩介质中的空间流动特征，对于冲击地压科学评价与防控具有重要意义。为此，完善了冲击地压应力流理论，指出应力流在时间上表征了应力率，在空间上表征了应力梯度，提出了应力流张量与应力流矢量的概念及计算公式，指出应力流张量描述了不同位置、不同时刻应力的流动趋势，而应力流矢量总是与应力梯度增量方向相同。理论推导表明应力流越大的区域，应力强度因子变化越大，材料可能更易发生断裂破坏。在非线性有限元程序中开发了应力流矢量计算程序，实现了应力流的可视化，通过数值分析还原了单轴压缩试验、单煤层常规开采条件下的动态应力状态，计算结果表明：岩石单轴压缩过程中，应力流矢量呈近水平分布，向外发散；常规开采过程中，垂直方向应力流较大，由顶底板岩层指向中间煤层，水平方向应力流主要指向工作面前方，当开挖距离增大，采空区附近应力梯度明显增大，应力流矢量分布区随工作面前移。通过单轴压缩试验，发现应力流矢量方向与试样破坏变形方向较为吻合，初步验证了应力流与岩体开裂破坏的内在相关性。最后探讨了工程现场的应力流监测方法。研究成果有望为煤矿冲击危险性定量评价与差异化防治措施制定提供直观的认知形式和实用的理论工具。

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2022年第01期

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煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制研究进展

作者(Author)：谭云亮, 范德源, 刘学生, 张俊文, 宁建国, 姚强岭, 付小敏

摘要：煤矿深部超大断面硐室群因其围岩应力集中程度高、破坏影响范围大，特别是在复杂动载扰动下易发生连锁破坏失稳现象，其安全和稳定已成为制约深部煤炭资源开采的主要瓶颈之一。围绕煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制开展研究，针对现有煤矿硐室仅以断面尺寸划分的不足，综合硐室失稳临界埋深、断面面积、围岩综合抗压强度和围岩综合完整性系数等影响因素，提出了基于模糊综合聚类分析的煤矿硐室地质力学等效分类方法，实现了对煤矿深部超大断面硐室的有效判识；通过室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法，考虑密实性系数构建了适于动静组合加载条件的岩石蠕变损伤本构关系，建立了深部复杂应力环境下硐室群围岩连锁失稳机理与能量判据，揭示了深部动静组合载荷下超大断面硐室群围岩变形破坏演化规律；提出了深部硐室群围岩协同支护机理，研发了新型高强超塑吸能支护材料及新型高强拉压耦合锚索，基于长期安全稳定性，构建了深部硐室群围岩递进式加固技术及分步设计方法；研发了超大断面硐室群围岩长时变形失稳监测预警平台，给出了围岩综合预警方法及阈值。在新巨龙煤矿煤矸分选硐室群，硐室断面最大收缩率约6.2%，松动圈发育范围1.0～1.5 m，保证了井下煤矸分选系统的空间安全利用。

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2022年第01期

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浅埋深蹬空底板煤柱群动态失稳机理及防治

作者(Author)：冯国瑞, 朱卫兵, 李竹, 白锦文, 罗泽强

摘要：针对山西元宝湾煤矿浅埋深上覆和下伏柱式采空区中部煤层的安全复采难题，综合采用理论分析、实验室实验、物理模拟、数值模拟和现场实测方法，探究了柱采区蹬空开采底板煤柱垂直荷载及内应力分布形态，并基于Mises等效应力探讨了柱采区蹬空煤柱潜在破坏形式；揭示了柱采区蹬空开采底板关键柱破坏形式及破坏剥落体运动特征；阐明了底板煤柱破坏次序及柱群动态失稳演化规律。提出通过柱采区注浆充填强化底板煤柱承载能力的方法来进行中层遗煤资源的回收，并据此给出了确保元宝湾煤矿6107工作面中部遗煤蹬空安全复采的底板柱采区临界充填高度。结果表明：若底板9号煤层柱式采空区不充填，层间岩层的非均匀下沉将使柱采区煤柱产生偏心压缩，导致关键柱及其剥落体出现旋转下沉的现象；当柱采区关键柱破坏失稳后，覆岩载荷呈现出双向传递的特点，整个煤柱群表现为以关键柱为中心，双向多米诺骨牌式的链式失稳特征，而三维空间中则呈现出以关键柱为圆心的外向辐射波状失稳扩展特征，柱采区关键柱的破坏失稳将诱发底板煤柱群整体失稳，导致6107工作面蹬空开采区域采掘设备及工作人员、超前煤岩体大面积塌陷等动力灾害。数值模拟及物理相似模拟结果表明，确定6107工作面蹬空段安全复采的底板柱采区临界充填高度为6 m，即充填不接顶高度为2 m，这一结论亦得到了实测结果的证实。在此基础上，针对充填效果较差且充填高度未达6 m的局部区域，进一步提出了底板空洞二次充填和加固处理方法，确保了蹬空段中层遗煤资源的安全复采。

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2022年第01期

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岩石灾变非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演

作者(Author)：鞠杨, 任张瑜, 郑江韬, 毛灵涛, 王凯, 周宏伟, 谢和平

摘要：煤炭对于我国经济发展与能源安全起到压舱石和兜底保障的作用，在“碳达峰、碳中和”国家重大战略决策背景下，研究如何充分发挥煤炭的保障能源与战略资源的作用、实现煤炭绿色智能低碳开发利用迫在眉睫。煤炭生产开发活动打破了地层初始应力平衡，引起围岩应力场重分布，诱发工程灾害。岩石是煤炭生产开发与工程建设的主要对象，研究和解决煤炭绿色智能安全开采问题的基础理论之一是岩石力学。然而，传统的岩石力学理论在定量分析和描述煤炭生产开发活动引发的岩石灾变行为及内禀机理时存在诸多困难，人们对岩石不连续结构演化引起的应力场、变形场和渗流场的变化认识不足，缺乏定量解析内部应力、变形与渗流等多物理场的方法、理论和模型，难以对不同开采模式可能引发的工程灾害进行超前研判、预警和科学防控。解决这些基础科学与技术难题，迫切需要建立和发展颠覆性理论与变革性技术，这已成为创新发展煤炭资源绿色智能安全开发理论与技术的基础性前沿课题。围绕岩石灾变的非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演，概述了岩石的三维数字重构、3D打印模型材料、透明物理模型、尺度效应、应力场、变形场和渗流场演化以及灾变机理的透明定量解析等方面的最新成果，分析了未来发展目标与面临的挑战,以求为发展非连续岩石力学与灾变分析理论，实现煤炭绿色智能开采及灾害超前预警防控提供研究基础与参考。

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2022年第01期

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剪切载荷作用下岩体结构面动态接触特征数值模拟

作者(Author)：蒋宇静, 张孙豪, 栾恒杰, 王长盛, 王冬, 韩伟

摘要：准确认识岩体结构面的动态接触特征是评价和预测结构面剪切行为的基础。首先，通过FISH语言修正了FLAC3D软件自带的INTERFACE本构模型，使其能够准确表达粗糙结构面在剪切过程中的力学行为；然后，采用数值模拟和室内试验相结合的方法对剪切过程中结构面接触和受力的分布及其演化规律进行了研究，分析了法向应力和结构面粗糙度系数（JRC）对接触特征的影响规律；最后，研究了结构面表面形貌-接触特征-剪切应力3者间的关系，揭示了结构面剪切应力演化机理。结果表明：FLAC3D自带INTERFACE模型无法很好地模拟结构面峰后剪切行为，是由于结构面凸起未啃断导致黏聚力和法向应力偏大，通过对INTERFACE破坏单元的黏聚力和法向刚度进行修正可很好地模拟结构面的损伤破坏行为。随着剪切位移增大，结构面的接触面积逐渐减小，但最大渗透深度却不断增加；随着法向应力的增大，结构面的接触面积和渗透深度都增大；随着JRC的增大，结构面的接触面积减小，最大渗透深度增大。剪切过程中结构面接触面积逐渐减小，结构面剪切应力集中现象越来越显著，当INTERFACE单元达到最大剪切应力后，最大剪应力分布范围增大；随着法向应力增大，结构面剪切应力分布范围和高剪切应力的分布范围都增大；随着JRC增大，结构面接触面积减小，但高剪切应力的分布范围显著增大。临界视倾角是判断结构面接触面积的重要参数，其随着结构面剪切位移的增大而增大，但增加速度逐渐变缓，呈幂函数关系；临界视倾角随着法向应力的增大而减小，随着JRC的增大而增大。结构面的剪切应力与接触面积有较强的相关性，不同剪切位移阶段的结构面接触面积比下降速率不同，弹性阶段下降最快，位移-软化阶段次之，残余阶段下降最慢。

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原位应力下裂缝性致密砂岩各向异性地震波速及其渗透率关联特征

作者(Author)： XIA Kaiwen, 李星, 齐春艳, 姚伟, 肖香姣, 张杰, NASSERI M H B

摘要：超深层裂缝性非常规天然气藏的开发在能源领域所占比重越来越大，但目前关于该类型储层在原位应力下各向异性地震波速及渗透率的基础研究仍鲜有报道，一定程度上制约了其高效开发策略的制定进程。以塔里木油田克深2号裂缝性致密砂岩天然气储层为工程背景，利用先进的地球物理成像真三轴测试系统，开展了储层衰竭期间原位应力下完整砂岩与不同倾角裂缝岩样的各向异性地震波速以及各向异性渗透率演化规律实验研究，探讨了压缩波、剪切波、纵横波速比、3个主应力方向渗透率各向异性特性与内在机制，研究了地震波速与渗透率的内在关联特征。研究结果表明:首先，裂缝引起的结构非均质性以及三向不等应力作用下岩石各主应力方向微观结构的变形差异导致了地震波速的各向异性;储层衰竭期间地震波速度均随有效应力的增大近似线性增加，压缩波速度明显大于剪切波速度；纵横波速比随有效应力增大而单调减小，表明剪切波对外部荷载敏感性更强;通过压缩波速和纵横波波速比数据对比，发现剪切波S2速度对裂缝倾角更为敏感。其次，原位应力下各主方向渗透率均表现出显著的应力敏感性和结构（裂缝）敏感性，早期应力大小对储层衰竭中后期渗透率变化具有重要影响，渗透率各向异性随裂缝倾角减小而更加显著；与裂缝平面正（斜）交方向的渗透率相对比较平滑，而沿裂缝平面方向渗透率呈现出一定的波动特性，这主要是由于在压力流体冲刷和岩石骨架进一步受压变形双重作用下，破碎的微颗粒会在孔隙/裂隙中不断运移，造成岩石内部孔隙/裂隙周期性堵塞和疏通引起的。此外，在实验应力条件下（走滑应力状态），裂缝倾角越小，水平主应力方向上的地震波速度-渗透率相关性越不明显；最大与最小水平主应力方向上的地震波速度-渗透率关系应区分对待，最大水平主应力方向地震波速与渗透率的相关性明显优于最小水平主应力方向。

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近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律

作者(Author)：赵毅鑫, 刘文超, 张村, 刘焕海, 魏勇, 王朋朋, 师洋洋, 翟江澎, 高森

摘要：针对蹬空状态下煤层底板岩层完整性与承载力影响制约工作面安全高效开采的问题。以草垛沟矿8201综采工作面为研究背景，通过对8-2煤层下伏11煤巷柱式采空区顶板岩层结构与受载进行分析，建立基于弹性地基假定的顶板-煤柱系统力学模型，推导并解析了顶板岩梁弯曲下沉挠度函数；将工作面底板视为半无限平面体，建立工作面走向不同区段静载荷对底板采动附加应力模型，得到底板不同深度处应力分布规律及其岩层损伤破坏深度解析解；运用数值模拟软件对8-2与11煤层回采过程采场围岩应力、覆岩裂隙分布特征及其时空演化规律进行模拟研究，确定8-2与11煤层层间稳定岩层最小厚度；通过制定现场专项钻孔探测方案对下伏11煤巷柱式采空区覆岩裂隙带发育形态展开探测研究。研究结果表明：① 顶板岩梁在相邻介质交界面的弯曲下沉挠度具有连续性且在巷柱式采空区交汇处弯曲下沉最大为2 cm；② 8201综采工作面回采期间受采动应力影响下巷柱式采空区顶板-煤柱系统形成的稳定平衡结构仍具有稳定性，综合理论计算、数值模拟结果可确定8-2与11煤层层间存在稳定岩层且最小厚度D min1为14 m；③ 专项钻孔探测显示了8-2与11煤层层间稳定岩层最小厚度D min2为12.2 m。因此，近距离煤层间重复采动影响下8201综采工作面底板存在稳定岩层且岩层较完整具有一定的承载能力，排除蹬空开采期间下伏11煤层潜在安全隐患。

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厚基岩采场弱胶结岩层动力溃砂机制研究现状与展望

作者(Author)：董书宁, 柳昭星, 王皓

摘要：我国西部矿区黄陇、宁东两大煤炭基地发生的采场顶板溃水溃砂与强矿压显现叠加灾害是一种厚基岩采场顶板弱胶结岩层动力溃砂灾害。该灾害类型在表象、物源和动力源上均不同于以往浅埋、近松散层采场的非动力溃水溃砂灾害，是一种新型的采场顶板灾害。由于该类型灾害突发性强、破坏性大、冲击力大，对安全生产带来严重威胁，致使如何有效防控灾害的再次发生成为许多矿区亟待解决的难题。目前揭示灾害形成的内在机制、探明其中蕴藏的科学问题是建立灾害防控技术体系的基础和关键。通过挖掘灾害形成的表象、物源和动力源特征，分析事故矿区覆岩结构、地层条件及相关研究现状，研究得到硬岩下方支承压力和基本顶载荷分布对弱胶结地层劣化的响应规律、硬岩破断作用下劣化弱胶结地层溃涌的动力形成机制和通道演化规律等2个关键科学问题是揭示灾害形成机制的瓶颈。因此，关于灾害形成机制研究形成了弱胶结地层遇水劣化对影响因素的反馈特征及响应关系、上硬岩层和基本顶受力条件随弱胶结地层劣化的变化规律、劣化弱胶结地层溃涌动力机制和增量载荷作用下通道演化规律等3个主要研究内容，并且提出了从根本上改变灾害发生客观条件的硬岩超前预裂和弱胶结地层注浆改性的综合主动防控技术思路。研究成果将为采场顶板溃水溃砂和强矿压显现并发灾害构建防控技术体系提供借鉴，保障西部煤田大规模安全开发。

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