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《煤炭学报》2023年“新锐科学家”特刊

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2023年第2期组织策划了“新锐科学家”专题。

《煤炭学报》2022年“新锐科学家”专题：http://www.chinacaj.net/i,3,15239,0.html

《煤炭学报》2021年“新锐科学家”专题：http://www.chinacaj.net/i,3,12427,0.html

行业视野: 煤炭学报
类别; 225个
关键词; 275位
专家; 46篇
论文; 12819IP
点击量; 28557次
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深部高水平应力巷道倾斜锚杆破断机制及加强支护时机

作者(Author)：刘学生, 武允昊, 谭云亮, 杨茗杰, 李国庆, 解成成

摘要：针对深部高水平应力下巷道倾斜锚杆承受弯曲、拉伸为主的复合荷载作用,易发生破断失效导致巷道局部失稳问题,以山东能源集团孙村煤矿 2424 工作面下平巷为工程背景,调研得到了倾斜锚杆破断特征,推导了内力与内力矩分布、破断危险断面位置及相当应力表达式,建立了以危险断面最大相当应力为指标的破断力学判据,揭示了不同锚固参数与侧压系数对最大相当应力的影响规律,即最大相当应力随侧压系数、锚固长度和预紧扭矩增大而增大,而随锚杆安装角度增大呈现先减小后增大再减小的趋势。在此基础上,利用 FLAC 软件内置 Fish 语言实现了对锚杆危险断面最大相当应力的表征,定义了以危险断面最大相当应力与许用应力比值表示的危险系数指标 K,并以此为指标提出了加强支护时机确定方法,获得了不同加强支护时机下围岩变形破坏规律。随着加强支护时的危险系数 K 增大,锚杆危险断面最大相当应力、围岩整体变形量与集中应力先减小后增大,危险系数 K 较小时,浅部围岩弹性能积聚较大,自承载能力发挥不足;危险系数 K 过大时,围岩变形量大、破坏严重,整体稳定性差。确定了 2424 工作面下平巷合理加强支护时机为危险系数 K 取 0.8,现场加强支护实践表明,在危险系数为 0.8( 超前工作面 60 m) 时进行加强支护,锚杆破断率减小了 87.9%,围岩变形得到有效控制,稳定性明显提高。

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2023年第02期

260

807
30000J多功能落锤冲击试验机研制及应用

作者(Author)：吴拥政, 付玉凯, 周鹏赫, 山世昌

摘要：为深入研究冲击地压巷道锚杆支护材料的抗冲击力学性能,自主研制了 30 000 J 多功能落锤冲击试验机。该试验机由主机框架、抓脱锤装置、提升装置、锤体组件、液压缓冲装置、安全防护装置及电气装置等部分组成,可实现锚杆、锚索、托板及金属网等多种支护材料全尺寸动态力学性能测试和锚固岩体相似模型的冲击试验。选取了冲击地压煤矿常用的锚杆支护材料,初步开展了支护材料动态力学性能测试,测试结果表明:动载下锚杆颈缩不明显,表现出明显的脆性。随着冲击能量的增加,锚杆的冲击力峰值逐步增加,而延伸率大幅度降低;锚索受动载后钢丝易散开,外侧的钢丝更容易出现破断,破断位置通常位于夹具区域。动载作用下锚索的强度略有提高,而延伸率却大幅度降低,锚索的断后伸长率约为其静载的 1 / 2;动载下拱形托板冲击力曲线具有明显的平稳震荡阶段,托板的冲击力峰值要明显大于其静载,变形量与静载基本相同,拱部结构在动载下能平稳变形吸能;随着冲击能量的增加,菱形网的冲击力峰值逐步增加,而变形量先增加后减小,菱形网具有很好的缓冲性能。多功能落锤试验机的研制为冲击地压巷道支护材料的动态力学性能测试提供了手段,为不同冲击危险性巷道的锚杆支护材料选取和支护设计奠定了基础。

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顶板“ 人造解放层” 防治冲击地压方法、机理及应用

作者(Author)：潘俊锋, 康红普, 闫耀东, 马小辉, 马文涛, 陆闯, 吕大钊, 徐刚, 冯美华, 夏永学, 王冰, 高家明, 杜涛涛, 邬建宏

摘要：冲击地压矿井开展解放层( 保护层) 开采,能够根本性的改造采掘工作面应力集中程度,从而大范围降低采掘活动空间冲击危险性。针对无解放层可采的单一煤层矿井,为了实现冲击地压煤层区域性卸压目标,提出了煤层上覆主导致灾层位厚硬顶板区域水力压裂“ 人造解放层” 卸压防治冲击地压方法,并建立了工程力学模型,综合采用理论分析、工程验证等方法进行区域性卸压机理及工程试验研究。结果表明,在冲击地压发生载荷供给历程中,通过区域性改造煤层上覆岩层结构与载荷,可以改变冲击地压发生必须的基础静载荷集聚;针对顶板控制型冲击地压矿井,在开拓、准备、回采不同阶段,针对影响冲击地压发生的厚硬顶板开展区域性水力压裂改造覆岩结构与载荷分布,使得巷道掘进及工作面回采期间均处于压裂覆盖范围下的低应力区,实现冲击地压单一煤层顶板产生“人造解放层”效应;顶板区域水力压裂人造解放层卸压防治冲击地压机理为:与压裂前相比,煤层上覆厚硬顶板人为区域性致裂,在走向上使其长梁变短梁,大块变小块,从而不具备大面积悬臂功能,降低由悬空面积增大的顶板断裂带来的动载荷;在倾向方向上也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;在陕西孟村煤矿 401102 综放工作面首次进行地面区域压裂“人造解放层”技术试验后,工作面回采期间微震事件呈现高频低能分布, 顶板岩层断裂块度减小,顶板水均匀降落在采空区,工作面涌水量降低,采场及两巷压力及变形量降低显著,实现了解放层卸压效果。

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2023年第02期

256

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巨厚强冲击倾向性煤层高强度开采特征与高强度开采定义

作者(Author)：崔峰, 冯港归, 来兴平, 贾冲, 谭立, 金波, 刘生优, 李雨航

摘要：工作面开采强度过高易诱发冲击地压等动力灾害,探讨工作面合理的开采强度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键。以准东二矿巨厚强冲击倾向性煤层首分层 1101 综放工作面为背景,采用理论分析及物理相似模拟实验相结合的综合分析方法,对不同开采强度下覆岩采动应力、能量演化规律展开分析,并评估了不同开采强度下煤岩体冲击危险性,确定了工作面合理的开采强度,得到冲击地压矿井高强度开采特征并对其进行定义,同时提出冲击地压矿井高强度开采调控模式。研究结果表明:1 随工作面开采强度的提高,采动应力、应力集中系数、周期来压步距均随之稳步提升;微震能量随之逐渐增大,大能量积聚范围也随之逐渐增大;工作面冲击危险性也随推进速度逐渐增大,其冲击危险性指数 Im ,微震能量 Er 均与开采强度呈正相关性,微震 b 值则表现出负相关性,综合分析认为 1101 工作面推进速度不应大于 8 m / d;2 冲击地压矿井高强度开采不是一种外在的开采强度,而是综合反应应力、能量、冲击危险性的一种力学状态,并由其特征参数决定,并将推进速度大于 8 m / d、来压步距与推进速度的比值小于 1、冲击危险性指数 Im >3,微震单次能量大于 214.38 J、微震 b 值小于 0.7 定义为准东巨厚煤层高强度开采特征指标;3 提出防控冲击地压矿井高强度开采的关键在于调控工作面的开采强度,对未达到高强度开采矿井,在保证安全高效开采前提下,通过调节推进速度增产增效,释放优质产能;对已达高强度开采矿井,通过改变工作面推进速度,进而改变采场围岩应力、能量分布特征,改善工作面煤岩体冲击危险性,保证矿井安全高效开采。

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2023年第02期

272

803
断层破碎带岩体孔隙结构表征与非线性渗流特性

作者(Author)：马丹, 李樯, 张吉雄, 刘勇, 侯文涛

摘要：为揭示煤矿开采断层破碎带突水灾害发生机理,有必要深入研究断层破碎带岩体的孔隙结构和渗透特性。研制了破碎岩体渗流-应力耦合试验装置,提出了应力作用下级配破碎岩体孔隙结构测试和渗流试验方法,研究了应力和级配对破碎岩体孔径分布特征、孔隙分形特征和非线性渗流行为的影响规律,构建了基于核磁共振的承压破碎岩体渗透率预测模型。试验结果表明:1 颗粒分形维数为 2.6 的连续级配和间断级配破碎岩体的孔径分布均为三峰结构,级配破碎岩体中小颗粒的缺失会导致孔隙率和最大孔径增大,降低破碎岩体的压缩性,增大应力可促使渗流孔向束缚孔转变,降低破碎岩体的压缩性。 2 渗流孔隙率对级配破碎岩体渗透率起主导作用,束缚孔隙率对渗透率的影响较小,增大应力会降低破碎岩体渗透性,大颗粒的缺失会导致级配破碎岩体渗透率减小。 3 连续级配和间断级配破碎岩体的非线性渗流特性均可用 Forchheimer 方程描述,应力影响下破碎岩体的渗透率和非 Darcy 流 β 因子变化趋势相反,小颗粒的缺失会导致级配破碎岩体非 Darcy 流 β 因子减小。 4 构建了基于核磁共振的级配破碎岩体渗透率预测模型,通过剔除束缚孔的影响并引入渗流孔的加权贡献,可显著提高级配破碎岩体渗透率预测效果的准确性。研究结果为发展煤矿采动突水灾害理论和防控技术提供了科学依据。

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2023年第02期

305

804
深部开采原生煤岩组合体围压卸荷致裂特征及破裂模式

作者(Author)：李春元, 雷国荣, 何团, 左建平, 于祥, 郑建伟, 齐庆新

摘要：受开采卸荷扰动影响,深部岩体互层及其组合结构系统的破裂失稳是诱发采场突水等灾害的主要原因之一。为研究深部开采围压卸荷对岩体组合结构破裂的影响,室内开展了原生煤岩组合体三轴加卸荷-渗流试验,获得了不同初始围压下原生煤岩组合体围压卸荷致裂的竖向、倾斜及环向裂隙分类特征,研究了其轴压卸荷起点、围压卸荷终点的强度特征及主导破裂模式的力学机制;结合 CT 扫描与三维重构技术,获取了原生煤岩组合体卸荷破裂的几何特征;建立了围压卸荷量与岩体卸荷致拉破裂、致剪破裂的关系,揭示了围压卸荷致裂模式与渗透率突变关系,验证并判定了不同初始围压下原生煤岩组合体的主导卸荷致裂模式。结果表明:在围压卸荷和轴压加载共同作用下,原生煤岩组合体卸荷破裂模式主要分为围压卸荷致拉破裂、致剪破裂及轴压协同卸荷致裂模式 3 类;随初始围压增加,原生煤岩组合体围压卸荷致拉破裂的围压卸荷终点临界值及致剪破裂的轴压卸荷起点临界值均线性增加;围压卸荷可致轴压协同卸荷突降并驱动煤岩分界面及层理等原生裂隙结构环向张拉破裂,且以沟通倾斜及竖向裂隙为主导;而围压卸荷致拉破裂与致剪破裂模式均可致原生煤岩组合体渗透率突变增高,突变点致裂模式与其围压卸荷终点的卸荷量临界值密切相关。

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煤炭学报

2023年第02期

438

775
基于连续-离散方法的微波照射下花岗岩力学行为与破裂特征

作者(Author)：高亚楠, 王云龙, 张垚, 蔚立元, 邵晓爽, 张广凯

摘要：微波辅助破岩具有绿色、低能耗等优点,是有望实现深部煤炭资源开发中硬岩地层高效掘进的技术手段,其机理引发了工程与学术界的关注。基于花岗岩组分矿物微波吸收升温差异,借助连续介质微波电磁分析及离散元力学模型,实现了微观矿物温度离散赋值,提出了微波照射下花岗岩力学性质的计算分析方法,从温度场分布、力学性质和破坏形态验证了方法的可靠性,揭示了微波照射下花岗岩破裂规律、单 / 三轴加载条件下的力学行为及破裂机制。计算结果表明:1 微波照射下,试样出现 2 个相对低温区域和 1 个热点区域。在低照射功率( ≤2 kW) 情况下,试样内部裂纹数量极少;高照射功率(≥3 kW)下,试样内部裂纹以晶粒边界拉伸破坏为主导逐渐发育,并以热点区域为中心向四周延拓形成裂纹网络。 2 对于单轴压缩,试样峰值应力、弹性模量和损伤阈值均随照射功率增加而降低,在高照射功率(≥3 kW)下,力学参数跌落更加明显;当照射功率较高(≥3 kW)时,微波照射后初始裂纹主导了受载试样的裂纹演化,试样呈现沿初始裂纹扩展趋势并出现显著的局部破坏。 3 对于三轴压缩,随照射功率增加,初始围压对试样强度提升效果越发强烈;低照射功率(≤2 kW)下,弹性模量随围压变化不明显,高照射功率(≥3 kW)下,初始围压对弹性模量的提升格外显著;随照射功率增加,围压促进了破碎颗粒的继续承载及应力传递,试样破坏由晶间破坏主导向晶内破坏主导转变,进而引发裂纹网络充分发育,抑制了高功率(≥3 kW)照射产生的局部结构集中破坏。研究成果可为硬岩微波辅助破岩的科学设计和工程应用提供理论基础和技术支撑。

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187

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声发射梅尔倒谱系数在砂岩破裂分析的应用

作者(Author)：李振雷, 李娜, 杨菲, 宋大钊, 何学秋, 薛雅荣, 王洪磊, 殷山

摘要：声发射技术在煤岩破裂分析领域进行了大量应用,取得了诸多有益成果,对煤岩动力灾害监测预警提供了重要指导,然而煤岩声发射分析仍存在进一步研究和完善的空间,亟待提出新的声发射分析方法。为此,开展了预制裂纹砂岩试样单轴加载破坏实验,同步采集了加载全程的应力应变数据和全波形声发射数据,并对试样进行全程高清摄像;利用声波分析手段提取了砂岩的声发射梅尔倒谱系数,探讨了该系数在砂岩破裂分析的优势及其原因,分析了该系数对砂岩破坏过程的响应,由此进一步研究揭示了预制裂纹砂岩试样的破裂破坏演化特征及声发射梅尔倒谱系数前兆信息。结果表明:对同种砂岩的不同试样,由不同通道采集的声发射信号提取的同号梅尔倒谱系数的变化特征相似、变化量相近、偏差程度小(5%~15%),并且在砂岩加载全程具有阶段性和敏感性的变化特征,说明声发射梅尔倒谱系数具有稳定性优势,可作为反映砂岩破裂状态的特征参数;梅尔倒谱系数可对声发射波形进行很好表征,系数提取过程不对波形设置门槛值,系数值由一段时间内声发射波形幅度和密集程度等整体形态决定,而不同通道采集的声发射波形整体形态在一段时间内趋向于相似,是该系数具有稳定性优势的原因;在砂岩破坏阶段,梅尔倒谱系数呈现周期性升降波动,对应应力曲线的周期性降升和高幅度声发射波形的间断性产生,3 者的变化量之间具有显著的正相关关系,说明该系数的波动性及其强弱可反映砂岩的破裂过程及破裂的剧烈程度,是砂岩破裂的响应,由此揭示了砂岩的间歇性破裂破坏演化特征,该特征随着临近砂岩失稳破坏而变得愈发剧烈;以此为指导,利用梅尔倒谱系数周期性波动的波峰与波谷之差( 即波动差) 来表征系数的波动性强弱并描述砂岩间歇性破裂的剧烈程度,得到了梅尔倒谱系数周期性波动差逐渐增大且突增的砂岩破坏前兆。

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