青年科学家特刊（2022）（Special Issue of Young “Tigers” ）

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青年科学家特刊（2022）（Special Issue of Young “Tigers” ）

来源：煤炭科学技术

行业视野: 煤炭科学技术
类别; 175个
关键词; 190位
专家; 37篇
论文; 13969IP
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小断层活化对采空区上覆岩层破坏及渗透性影响

作者(Author)：张学博, 王豪, 沈帅帅

摘要：小断层活化会加剧采空区上覆岩层破坏增强渗透性，导致采空区煤自燃，针对这一问题，以河南神火煤电股份有限公司薛湖煤矿25030工作面为工程背景，利用UDEC数值模拟断层不同倾角、不同水平断距条件下采空区上覆岩层移动破坏过程，分析了断层对采空区上覆岩层破坏及渗透性的影响。研究表明：①随着工作面逐渐接近断层，断层出现滑移现象，断面附近位移呈斜向下趋势，下盘沿断层滑移比较明显；受到断层下盘滑移错位形成的支撑力影响，下盘下沉量明显大于上盘，上盘覆岩“三带”高度有所上升。工作面推过断层10 m时，上方覆岩位移开始出现滞后现象，且上盘下沉量小于下盘；工作面过断层40 m后，覆岩受到断层的影响逐渐减弱，位移逐渐符合无断层开采覆岩移动规律，下盘主要以下沉为主，上盘受到断层影响，楔形头部受到断层滑移的支撑，岩层垮落不充分，下沉量小于下盘。②倾角越大，断层对上盘覆岩支撑作用的影响范围越小，断层滑移形成的错位越严重，对开采危险性越大，且断层影响开始出现的位置距离越近；水平断距越宽，上盘受到断层的支撑力越大，过断层后上盘覆岩的位移越小；断层水平断距越宽，断层下盘下沉量越大，工作面过断层时危险性越大。③断层导致附近岩层孔隙率呈现跳跃式增大，倾角越大，孔隙率上升幅度越小；随着倾角的增加，断层正上方垮落带孔隙率呈先上升后下降趋势，在倾角45 °达到最大，而断裂带孔隙率随着断层角度的增加呈逐渐上升趋势；随着断层水平断距的增加，垮落带覆岩孔隙率大体上呈先上升后下降趋势，而断裂带的孔隙率略微上升。总体而言，水平断距越宽，断层倾角越大，工作面过断层时覆岩垮落危险性更大。

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2022年第02期

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采动煤层底板层次性破坏特征全空间多参量协同监测

作者(Author)：张玉军, 张风达, 张志巍, 孙林, 李友伟

摘要：为全面获取采动煤层底板破坏演化及层次性特征，采用钻孔注水试验法（点）、钻孔窥视法（点）、钻孔分布式光纤监测法（线）、瞬变电磁法（面）4种方法，构建了煤层底板全空间点-线-面协同监测模式；根据煤层底板采动破坏程度，从裂隙导水性、拉伸剪切应变、采动岩层物性多参量角度，将将传统的“下三带”中的煤层底板采动导水破坏带划分为导水裂隙带、应力应变带、物性差异带；以平朔矿区9煤工作面为实测对象，监测获取了采动煤层底板全空间、动静态、多层次变形破坏特征。研究结果表明：点-线-面多参量协同监测方法在监测空间上可实现点线面动静结合监测，在监测内容上可满足直接或间接获取裂隙发育特征、导水性、应变变形以及物性等多参量的要求。钻孔注水试验法和钻孔窥视法为直接监测裂隙发育特征的方法，获取的导水破坏带高度为21.75 m；采用钻孔分布式光纤监测法可动态监测裂隙发育特征，分析得出在工作面推进至钻孔附近，底板局部岩体出现拉伸破坏，工作面推过钻孔一段距离，底板岩体拉伸程度继续增大、但破坏深度基本保持稳定，实测得出应力应变带高度为25.15 m；采用瞬变电磁法可对比获取采前、采后底板岩体物性变化特征，分析得出物性差异带高度为22～27 m，较好地验证了底板采动破坏层次性划分特征。

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2022年第02期

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综放采动应力路径下单裂隙砂岩力学特性试验研究

作者(Author)：夏彬伟, 刘仕威, 欧昌楠, 高玉刚

摘要：综放开采会形成有别于常规三轴压缩的应力路径，为研究综放采动状态下顶板岩体的力学特性，针对特定长度和角度的单裂隙砂岩，进行恒定卸围压同时变速率加轴压的加卸载三轴试验，以模拟综放开采过程中的应力路径，分析单裂隙砂岩的破坏形式，并用超声波实时测试，探究超声波特性和应力应变的关系以及裂纹演化规律。试验结果表明：①常规三轴应力路径下，不同长度单裂隙砂岩试件的破坏形式基本为拉-剪复合型破坏，不同角度单裂隙砂岩试件破坏形式包含纯剪切破坏、拉伸破坏、拉-剪复合破坏和X型共轭剪切破坏。加卸载三轴应力路径下，随着裂隙长度增加，破坏形式表现为拉-剪复合型破坏—“X”型非共面剪切破坏—“X”型共面剪切破坏，拉伸裂纹会被次生共面裂纹所替代；裂隙角度是裂隙起裂的诱因，不同角度裂隙砂岩试件破坏形式包含拉-剪复合型破坏、单剪切破坏、“X”型非共面剪切破坏；②P波波速能有效反映试件应力水平和细观结构。相较于常规三轴应力路径下整体上P波速度随轴向应变的增大先增大后减少，在加卸载三轴应力路径下，整体上P波速度随轴向应变的增大而增大，但增速随着应力水平的增加而减小；在试件达到屈服点时，试件密度达到最大值，表现为P波波速达到最大值；在试件达到峰值强度附近时，试件内部裂纹交叉和相互联合的现象加剧，表现为P波波速出现明显波动；裂隙长度增大，波速稳定段逐渐减小，裂隙角度增大，波速稳定段先增大后减小；③根据波速反映的裂纹宽度变化，常规三轴应力路径下裂纹演化阶段可分为裂纹压密阶段、裂纹发展阶段、裂纹稳定阶段和破坏后失稳阶段4个阶段，加卸载三轴应力路径下则分为裂纹压密阶段、裂纹稳定阶段和裂纹扩展阶段3个阶段，裂纹稳定阶段随裂隙长度增加整体上呈现减小趋势，裂隙角度对裂纹稳定阶段基本没有影响。

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2022年第02期

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受载岩体破坏全过程声波响应特征及工程意义

作者(Author)：李江华, 廉玉广, 马志超

摘要：矿井灾害的孕育和发展过程中，常伴随着岩体应力的变化，岩体应力的变化引起岩体发生变形、破坏，从而改变围岩的声学特征，其中岩体的波速变化特征可对煤矿某些地质灾害起到预测预报的作用。通过晋城矿区现场取样，采用岩石力学加载系统和声波测试系统对岩石单轴加载破坏全过程的声波脉冲信号进行实时采集，利用自主开发的脉冲信号初至时间智能处理Pickup程序模块，对测试数据进行处理。研究结果表明：晋城西区和北区煤系地层岩石力学特征和波速变化特征差异较大，西区岩石加载破坏全过程中波速变化经历“上凹-线性增大-突降上升-台阶波动-台阶突降”5个阶段，而北区岩样呈脆性破坏，岩石波速变化缺少台阶波动阶段；岩石受载应力为65.67%σmax～86.75%σmax时，波速出现震荡式降低点，为岩体变形破坏过程中的扩容点；不同区域岩石加载过程中波速增大幅度差异大，岩石加载破坏不同阶段的波速响应机制具有不同的工程意义，可为矿井地质灾害的防治提供参考。

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高地应力条件煤与瓦斯突出模拟试验研究

作者(Author)：唐巨鹏, 任凌冉, 潘一山, 张昕

摘要：深部煤与瓦斯突出发生机理必然与浅部存在显著差异，将辽宁某矿12煤层型煤作为研究对象，采用自主研发的可同时施加轴压、围压、孔隙压的煤与瓦斯突出全过程模拟装置，以轴压模拟上覆岩层应力作用，围压模拟围岩应力作用，孔隙压模拟气体压力，进行了埋深分别为1 100、1 300、1 500、1 700、1 900、2 100、2 300和2 500 m的高地应力条件煤与瓦斯突出模拟试验并验证了其可靠性，定义单位气体压力突出煤粉质量为相对突出强度，得到相对突出强度、临界气体压力与埋深关系规律。结果发现：① 深部煤与瓦斯突出特征与浅部存在明显差异，突出煤粉分布呈喇叭形，主要集中在15～25 m内，突出煤粉质量占比达52%～63%；② 深部煤与瓦斯突出相对突出强度和临界气体压力变化趋势具有2阶段特征，存在分界深度为1 700 m，埋深1 100～1 700 m为剧烈变化阶段，埋深1 700～2 500 m为缓慢变化阶段；③ 深部煤与瓦斯突出瞬时气体压力具有“台阶效应”，台阶效应持续时间随埋深增大而减小，在埋深2 500 m时台阶效应消失，说明此时煤与瓦斯突出具有更大的突出危险性。

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逐级降压解吸过程中解吸瓦斯膨胀能变化特性

作者(Author)：陈向军, 时豪阳, 李新建, 冯帅龙

摘要：煤与瓦斯突出是一个能量释放的过程，瓦斯膨胀能是由煤层游离瓦斯与解吸瓦斯膨胀做功产生的能量，是煤与瓦斯突出的主要能量来源。发生煤与瓦斯突出时，煤层内部瓦斯在降压环境下进行解吸，为探讨逐级降压解吸下瓦斯膨胀能的变化特性，以晋城矿区无烟煤为研究对象，利用瓦斯吸附-解吸试验装置，进行逐级降压解吸和常压解吸2种解吸试验，分析了逐级降压解吸下解吸瓦斯膨胀能变化特性。研究结果表明：吸附平衡压力越大，煤中吸附瓦斯内能越大，体系稳定性越差，在外界扰动下易于发生煤与瓦斯突出事故；吸附平衡压力相同时，常压环境下解吸瓦斯膨胀能高于降压解吸下解吸瓦斯膨胀能，且随着吸附平衡压力升高，二者的差值逐渐增大，2.5 MPa吸附平衡压力时常压环境下解吸瓦斯膨胀能比降压环境下解吸瓦斯膨胀能高28.6%；降压环境下环境压力对解吸瓦斯膨胀能起到一定程度的抑制作用，且环境气体压力越高，抑制效果越明显；降低解吸瓦斯膨胀能可作为一种防治煤与瓦斯突出技术途径。

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固结软煤层瓦斯抽采钻孔周围裂隙的弹性胶结材料研制

作者(Author)：鲁义, 谷旺鑫, 丁仰卫, 李修磊, 李亮

摘要：为了固结煤层中钻孔周围的裂隙，以聚二甲基硅氧烷、含氢硅油、聚丙烯纤维和秸秆纤维为原料，制备一种用于煤岩裂隙固结的弹性胶结材料，通过扫描电子显微镜和颗粒分析仪观察聚丙烯纤维和秸秆纤维在弹性胶结材料中的微观形貌，通过万能试验机研究不同掺量的聚丙烯纤维和秸秆纤维对弹性胶结材料力学性能的影响。研究结果表明：掺入一定量的聚丙烯纤维和秸秆纤维可以增强弹性胶结材料力学性能，随着聚丙烯纤维和秸秆纤维掺量的增加，弹性胶结材料的力学性能变差，聚丙烯纤维-秸秆纤维的最优掺量为0.6%～1%；聚丙烯纤维可以作为连接材料桥接弹性胶结材料内部不连续的区域，同时，聚丙烯纤维表面粗糙，可以黏结更多的胶体，增大聚丙烯纤维脱胶的阻力；当秸秆纤维掺量为0.5%和1%时，秸秆纤维在材料中的分散情况较好，而当掺量为1.5%时，材料中的秸秆纤维开始出现团聚现象，当掺量为2%时，团聚现象严重；弹性胶结材料与煤体有良好的粘结性，能够将松散的煤体黏结在一起，构成一个整体，具有一定的力学强度；加固煤体模块在力的加载过程中，逐渐变形，但加固后的煤体并未被压溃，依然保持良好的完整性；现场试验表明，随着抽采时间的增加，瓦斯混合流量缓慢下降，并未出现瓦斯混合流量剧烈波动或下降的现象，证明在抽采过程中，钻孔未发生失稳问题，钻孔孔壁保持完整。

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2022年第02期

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卸压瓦斯运移区“孔-巷”协同抽采布置参数优化及高效抽采

作者(Author)：赵鹏翔, 康新朋, 李树刚, 林海飞, 甘路军, 安星虣

摘要：高突矿井瓦斯抽采是治理工作面隅角瓦斯超限的重要手段，各抽采方式布置层位不同，其抽采效果存在明显差异，研究协同抽采各抽采方式的最优布置层位具有重要意义。为提高高抽巷抽采效率实现瓦斯精准抽采，基于“椭抛带”理论，运用Fluent数值模拟软件对协同抽采各抽采方式的布置层位进行模拟研究，分析各布置条件下工作面隅角瓦斯浓度，确定最优布置层位。模拟结果表明协同抽采中各抽采方式布置层位为：高抽巷最优平距25 m，最优垂距30 m，定向长钻孔最优平距在10～20 m，最优垂距在11～21 m。通过对单一抽采与协同抽采进行对比分析，协同抽采中回风侧快速提升区跨度明显增大，使得回风侧经上隅角涌入工作面的瓦斯强度降低，隅角瓦斯得到进一步控制。协同抽采较好解决了工作面回风侧风流引起的相对负压造成上隅角瓦斯大量聚集的问题，隅角涡流所引起的瓦斯聚集现象在长钻孔抽采下逐步消失。优化后的布置参数进行现场应用后，试验工作面在生产期间高抽巷平均抽采纯量为64.79 m3/min，占瓦斯涌出量的79.91%，定向长钻孔平均抽采纯量为9.68 m3/min，减小了风排瓦斯的压力，上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内，试验工作面瓦斯超限问题得到有效治理，保证了生产工作安全高效进行。

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2022年第02期

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