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《煤炭学报》“卓越科学家”特刊

来源：煤炭学报

“卓越科学家”特刊为《煤炭学报》2023年第1期。

行业视野: 高端智库
类别; 185个
关键词; 211位
专家; 37篇
论文; 13394IP
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大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

作者(Author)：伍永平, 解盘石, 贠东风 , 王红伟 , 罗生虎, 高喜才, 郎丁, 胡博胜, 闫壮壮, 王同

摘要：大倾角煤层开采过程中，重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递，介观层状采动模型优势破裂面方向偏移，宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明，在倾角 35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显:1 煤岩组合界面倾角 35° ~ 60°时，非均衡传力特性逐渐凸显，界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转，且偏转量随倾角增加逐渐增大;煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏，煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。 2 改变了采场围岩采动应力路径演变规律，在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。 3 诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏，以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性，特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变，形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明，重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点，突破传统开采方法与技术瓶颈，研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。

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煤炭学报

2023年第01期

226

793
浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳机制

作者(Author)：冯国瑞, 朱卫兵, 白锦文, 余丹, 谢建林, 李竹

摘要：工作面前方遗留煤柱群( 后文简称“ 超前煤柱群” ) 在采动影响下会发生链式冲击失稳，诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式采空区下伏 6107 工作面开采的覆岩移动规律，发现了超前煤柱群的回弹变形现象，开展了房式采空区下伏煤层开采的物理模拟实验，研究了房采煤柱群-覆岩的变形破坏特征，分析了采动影响下超前煤柱群回弹冲击失稳的动态过程，揭示了浅埋近距离煤层开采超前煤柱群的冲击失稳机制。结果表明:1 浅埋柱采区近距离下伏煤层开采过程中工作面前方覆岩呈现出“ 先短暂回弹后剧烈下沉” 的运动特征，即首先存在极短时间的覆岩回弹变形现象，之后出现了部分覆岩的整体破断与垮塌。由此，反推出采动影响下超前煤柱群也发生了回弹变形。 2 柱式采空区下伏煤层开采过程中关键柱在覆岩沉降和超前支承压力的作用下最早出现斜切破坏，引起载荷的转移，加剧邻近部分房采煤柱群的应力集中程度，进而发生链式斜切破坏。在此过程中，覆岩持续沉降，裂隙也不断发育，形成剪切贯通断裂面，发生破断回转，促使超前煤柱群回弹变形与冲击失稳，引发层间岩层的全厚切落，带动更大规模房采煤柱群的链式失稳，并造成下伏工作面动压灾害的发生。 3 浅埋近距离下伏煤层开采“煤柱群-覆岩” 的失稳垮塌过程可以细分为:关键柱斜切破坏阶段、关键柱邻近部分煤柱群破坏阶段、超前煤柱群回弹冲击失稳阶段、覆岩垮塌与层间岩层切落致灾阶段。 4 浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳是“煤柱群回弹变形”与“覆岩联动垮塌”共同作用且互馈影响的动态过程。该研究可以解释柱式采空区下伏近距离煤层开采超前动载矿压的显现原因，有望为超前动载矿压的预测和控制提供理论指导，并进一步保障近距离煤层群的安全绿色高回收率开采。

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煤炭学报

2023年第01期

238

555
坚硬顶板复合爆破定向造缝技术及工程应用

作者(Author)：于斌, 邰阳, 李勇, 匡铁军, 张文阳, 孟祥斌

摘要：造缝切顶是改变坚硬岩层破断运移规律，进而控制采场强矿压的有效手段。为了实现定向、弱扰动、大间距的造缝切顶，开发了一种坚硬顶板复合爆破定向造缝技术。在系统性的介绍该技术关键设备 ——— 高能射孔枪的结构组成的基础上，分析了复合爆破定向造缝切顶的工艺流程; 基于 AUTODYN 数值计算软件，阐明了基于聚能射流和高压劈裂的复合爆破定向成缝机制;采用 LS-DYNA 软件构建了聚能射流及高压劈裂数值模型，优化了射孔弹尺寸及助推剂用量;开展了坚硬顶板复合爆破定向造缝地面实验，揭示了相邻孔间裂缝扩展延伸特征，验证了射孔弹尺寸和助推剂用量的合理性;在塔山煤矿 8311 工作面进行了坚硬顶板复合爆破造缝切顶工业实验，监测了 8311 工作面推进过程中 2312 临空巷道煤柱不同深度的垂直应力峰值，得出如下结论:1 复合爆破技术定向造缝机制是聚能射流冲击岩石侵彻面上形成的压力远大于岩石的强度，造成岩石发生破碎，形成定向孔道;二次爆燃产生的高压气体进入射孔孔道内，在“ 气楔” 作用下沿着孔道形成连续平整的裂隙面。 2 在射孔弹口径为 40 mm、助推剂为 4 片时，复合爆破定向造缝技术可以实现 1.5 m钻孔间距下中粒砂岩层劈裂。 3 现场实测表明，在采用复合爆破定向造缝技术后临空巷道煤柱的垂直应力峰值平均降低 31%，有效的控制了巷道矿压。

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煤炭学报

2023年第01期

313

1045
基于不平衡力的坚硬顶板破断数值分析

作者(Author)：杨强, 王昀, 段宏飞, 朱卫兵

摘要：掌握煤矿采场坚硬顶板破断规律对揭示煤矿开采过程中的来压规律等方面具有重要作用。坚硬顶板破坏实质上是结构变形不协调的体现，有必要对结构可能存在的变形不协调区域开展数值方法研究。提出一种有限元数值模拟思路，计算常规弹塑性有限元方法无解时屈服面外应力场的等效节点力并称为不平衡力，阐明不平衡力的物理意义及以不平衡力分布指示变形不协调区域的理论依据，并以重设网格体现层间变形不协调对结构的影响，形成一套以不平衡力指示变形不协调区域的煤炭开采过程弹塑性有限元数值方法。以同忻煤矿 8102 工作面为研究对象，采用以上方法对该工作面随开采过程的顶板破断情况进行模拟，并得到了模型试验、现场实测资料的对比验证。研究表明:1 连续介质边值问题解不存在意味着平衡条件、变形协调条件及本构关系无法同时满足，将出现变形不协调情况，并出现不平衡力。 2 不平衡力是结构应力状态偏离平衡位置的度量，其分布可用于指示煤炭开采过程中的变形不协调区域，进而判断顶板破断过程。 3 不平衡力分布主要受开采距离及厚硬层位的影响，8102 工作面存在 2 个厚硬层位对不平衡力发展起阶段性控制作用。 4 在开采至 110 m 及 270 m 时，不平衡力分布区突破厚硬层位并向上发展，意味着厚硬顶板断裂、地应力得到释放，可能是导致剧烈来压的重要原因。

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煤炭学报

2023年第01期

305

1012
煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法

作者(Author)：张吉雄, 周楠, 高峰, 闫浩

摘要：矿山固废处置与利用是我国煤矿开采中面临的主要问题之一，严重制约着煤炭资源开发与环境保护协调发展。井下充填是矿山固废绿色高效处置的重要技术途径之一，但现有充填技术增加了工作面生产工序，降低了 15% ~ 20%采煤效率，亟需解决矿山固废充填与煤炭开采之间时空干涉难题，突破矿山固废井下充填处置的技术瓶颈。为此，综述了矸石处置利用现状与存在问题，提出了煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法，系统阐述了嗣后空间矸石注浆充填方法内涵及关键科学与技术问题，给出了嗣后空间矸石注浆充填系统空间布局方式，探讨了非均质矸石料浆流动性稳态控制机理、嗣后空间空隙结构特征及时空演化规律、嗣后空间矸石料浆迁移扩散规律、嗣后空间矸石注浆充填岩层控制机理等理论的研究重点，分析了毫米级矸石注浆充填材料研发、矸石料浆高效制备与输送、注浆钻孔布局及时效控制、矸石注浆充填效果智能监控等技术的研究难点。煤矿开采嗣后空间矸石注浆充填方法创新了矸石井下高效处置新模式，完善了矸石综合处置与利用技术体系，引领了我国煤炭资源绿色安全高效开发新方向，在矿山固废高效处置及生态环境保护等方面具有广阔应用前景，可促进矿山矸石固废的源头减排、就地处置、循环利用绿色发展模式的建设。

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煤炭学报

2023年第01期

474

1245
基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理

作者(Author)：靖洪文 , 赵振龙 , 吴疆宇

摘要：深部煤炭资源开采的强度和深度不断增加，深部巷道围岩的结构性失稳灾变问题日趋严峻、复杂，严重制约深部煤炭安全高效开采。鉴于深部巷道围岩结构变形失稳的渐进演化过程中释放多物理场响应信息，采用自主研制的深部地下工程结构变形失稳全过程模拟试验系统，配合声发射、并行电法、电磁辐射等监测系统，研究基于多源信息表征的深部巷道围岩结构灾变演化机理。开展了完整、层状和块状 3 种结构围岩的破坏性物理模型试验，利用声、电、磁多源信息演化规律对不同结构围岩的荷载-位移全过程进行了定量化评价和多源信息表征，从荷载-位移全程曲线、多源信息响应规律、围岩峰后损伤特性 3 个角度综合揭示了不同结构围岩的灾变演化及变形失稳机制。研究结果表明:1 随着围岩完整性的降低，围岩由塑性破坏向脆性破坏转变，其变形破坏过程的波动性和渐进式破坏特征更加显著，层状和块状结构围岩的物理模型峰值承载能力相比于完整结构分别降低 4.73%和 20.73%;2 与完整结构围岩的声、电、磁多源信息的连续性响应过程不同，层状和块状结构围岩呈现出阶段式响应规律且特征值更突出，尤其块状结构围岩的阶段跳跃性现象显著;3 完整、层状和块状结构围岩的裂隙发育区面积依次为 448.84、651.76 和 824.49 cm2 ，即随着围岩结构完整性的降低，裂隙发育区面积不断增大，在本研究中增大范围在 1.5 ~ 1.9 倍;4 围岩的破坏失稳由完整结构的强度控制型向块状结构的结构控制型转变，而层状结构表现出强度- 结构联合控制特征，围岩破坏失稳的结构效应越来越显著。

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煤炭学报

2023年第01期

308

1242
岩块锚固机理的模拟试验研究

作者(Author)：王卫军, 韩森, 董恩远, 彭刚

摘要：为研究锚杆对深部巷道围岩的作用机理，利用自制三轴加载物理相似模拟试验系统，进行了加锚与不加锚完整和预裂岩石试件(400 mm×400 mm×400 mm)的加载对比试验，比较了锚杆预紧力和支护密度对完整和预裂岩石试件的锚固效果，分析了锚杆对完整和预裂岩石试件的作用时机。研究结果表明：无论完整试件或预裂试件，锚杆支护均可提高其峰值强度，尤其预紧力对提高峰值强度的作用明显，对预裂试件峰值强度的提高幅度比完整试件更大。加锚预裂试件相对于无锚预裂试件其应力应变曲线从竖向加载一开始就相对滞后；而加锚完整试件相对于无锚完整试件，从竖向加载开始到试件峰前连续变形阶段，应力应变曲线差别不大，无锚完整试件在达到其峰值强度后，承载力开始下降，而此时加锚完整试件承载力继续增大，只是增速有所减缓。对于预裂试件，锚杆承载具有即时性，即与试件基本同时承载；而对于完整试件，锚杆承载则体现出延时性，即锚杆在岩体发生破坏、产生较大变形后才开始承载。因此，锚杆支护难以阻止巷道围岩的塑性变形和塑性区的形成，深部巷道的围岩控制理念应由变形控制向稳定控制转变。深部巷道锚杆的主要作用一是提高破碎岩体的残余强度，二是阻止破碎岩体裂隙的后续扩张，从而提高围岩的整体性和完整性，达到维护巷道稳定的目的。

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煤炭学报

2023年第01期

242

856
冲击地压预测的煤岩变形局部化方法

作者(Author)：潘一山, 宋义敏, 朱晨利, 任何, 许海亮

摘要：冲击地压预测是冲击地压防治的前提和基础，是冲击地压研究中的一个重要内容，针对目前冲击地压前兆和冲击地压孕育过程之间内在的本质联系不清问题，从煤岩变形破坏的固有特征及冲击地压的失稳问题本质出发，借鉴经典力学中的能量原理，提出了以煤岩变形局部化为前兆的冲击地压预测方法。根据虚位移原理和稳定性理论，推导并得到了冲击地压发生临界条件和煤岩变形局部化发生条件，分析煤岩变形局部化与冲击地压内在联系。采用梯度塑性理论，通过引入内部长度参数，构建煤岩变形局部化模型，分析了变形局部化带宽带的影响因素。给出了测量内部长度参数的实验方法，对变形破坏向某一区域集中，且集中区具有一定尺度的现象进行理论解析。根据变形局部化的时空演化特点，引入描述变形局部化的空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标，从 “时间演化”属性和“结构演化”属性对变形局部化状态进行识别。对变形局部化预测方法进行初步的应用研究，分别采用实验的声发射数据和现场的微震数据，预测煤岩试件破坏区域和煤矿冲击地压危险区域。研究表明:煤岩变形局部化开始条件和冲击地压发生的临界条件相同，即冲击地压孕育演化过程和煤岩变形局部化的过程具有一致性;煤岩变形局部化带宽度与材料内部长度参数和煤岩冲击能指数有关，随着材料内部长度增大，变形局部化带宽度线性增大，随着煤岩冲击能指数增大，变形局部化带宽度非线性减小;根据实验和现场初步应用结果，表明空间聚集性、梯度显著性和曲率显著性指标能够描述和追踪变形局部化时空演化特征，变形局部化预测冲击地压危险区域方法具有可行性。

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煤炭学报

2023年第01期

377

688