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“冲击地压与岩石动力学”专题

来源：煤炭学报

专题来自于《煤炭学报》2023年05期，共29篇研究成果。

行业视野: 地质
类别; 135个
关键词; 175位
专家; 29篇
论文; 9661IP
点击量; 4558次
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考虑循环载荷初始损伤效应的煤样动态力学特性试验研究

作者(Author)：陈彦龙, 李明, 浦海, 巨峰, 张凯, 吴豪帅

摘要：近水平露天煤矿开采时在端帮边坡上通常布置运输平盘,大型重载卡车的往复运输作业会对边坡覆岩产生显著的循环加卸载效应,导致煤岩体产生一定的初始损伤。同时,露天开采时大规模爆破产生的强冲击动载荷使煤岩体的力学性能进一步劣化,极易诱发边坡大面积失稳。因此,开展循环加卸载损伤条件的煤岩动态力学特性试验研究,对露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用分离式霍普金森压杆试验系统及扫描电镜测试系统,对循环加卸载初始损伤状态下煤样的动态力学特性及其损伤断裂机理进行了系统分析。研究结果表明:① 随着加载应变率的增大,煤样动态抗压强度与弹性模量快速增加,应变率对试样动力学特性的强化效应显著;固定应变率条件下,随着初始损伤的增大,动态抗压强度与弹性模量则呈线性快速降低,表明初始损伤对煤样动力学性能具有弱化效应;② 煤样自然状态下存在尺度较小的原生裂纹及孔洞缺陷,损伤的产生导致其内部萌生出新的裂隙及孔洞,并且随着损伤程度的提高,缺陷尺度及数量逐渐增大并快速扩展,这是导致其力学性能弱化的根本原因;③ 随着初始损伤及应变率的增大,煤样破坏方式从张拉破坏向剪切破坏转变,同时其破坏程度、破坏过程中的耗散能及耗能能力呈快速增加的趋势;④ 损伤煤样动态破坏主要以脆性破坏为主,但在初始损伤较高的条件下,其局部能够观测到显著地滑移分离及韧性断口形貌,这也是初始损伤较大状态下煤样耗能较高的主要原因。

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煤炭学报

2023年第05期

515

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不同冲击速度下含气砂岩损伤−渗流特性试验研究

作者(Author)：王登科, 董博文, 魏建平, 张力元, 张宏图, 曹塘根, 夏玉玲

摘要：为探究不同冲击载荷作用下含气砂岩冲击损伤特征和渗透性规律,利用含瓦斯煤岩冲击损伤−渗流试验系统和工业显微 CT 扫描系统,设计并开展了三轴预应力状态下不同冲击速度加载的动态压缩−原位渗流试验,重构了受冲击损伤砂岩的三维裂隙结构,对比分析了固−气耦合试样不同冲击速度加载下的动态应力−应变曲线特征、能量耗散规律、破坏损伤和渗透性演变特征。研究结果表明:含气砂岩的应变率随冲击速度的增加而增加,入射波能、反射波能、透射波能和吸收能也随之逐渐增大。含气砂岩的峰值应力和峰值应变也随冲击速度的提升而逐渐增大,且动态应力−应变曲线的压密阶段不断被压缩直至完全消失。三轴固−气耦合动态冲击条件下,含气砂岩的破坏形式以剪切破坏为主;随着冲击速度的递增,冲击载荷与气体压力联合作用下含气砂岩内部的张拉裂隙数量不断增加,新生裂隙相互连接促使了宏观贯通裂隙的形成;泊松比效应和偏心压缩作用使砂岩上分别形成了沿试样轴向方向延伸和垂直于轴向方向延伸 2 种张拉裂隙,2 种裂隙在试样外沿相互连通,呈现出网格状。含气砂岩的吸收能量直接决定了其损伤程度,吸收能量的不断增加,不仅加大了含气砂岩破坏后的损伤程度,也大幅提高了含气砂岩的渗透性;冲击受损破坏之后的含气砂岩渗透率与其裂隙率遵循线性正相关关系。

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煤炭学报

2023年第05期

476

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基于相空间重构与深度学习的冲击地压矿井时间序列b值趋势

作者(Author)：崔峰, 何仕凤, 来兴平, 陈建强, 孙秉成, 贾冲, 高远江

摘要：冲击地压是制约煤炭安全高效开采的重大灾害之一,实现冲击地压的智能化预警是保障煤矿智能安全开采的关键路径。b 值作为监测冲击地压的有效指标,掌握矿井开采过程中 b 值演化趋势对冲击地压的及时预警具有重要意义。为此基于相空间重构 (PSR) 与深度学习提出了对矿井开采中时间序列 b 值的短期预测方法,运用相空间重构技术将卷积神经网络识别及降噪后的 b 值映射到高维空间,混合遗传算法 (GA) 优化的长短期记忆网络 (LSTM) 学习高维数据特征构成 b 值预测模型 (PSR–GA–LSTM)。实例结合冲击地压矿井宽沟煤矿 W1123 综采工作面,计算了降噪后 b值的重构参数且实现了数据的重构。评价了不同模型的预测性能并对最优预测模型进行了实例分析。研究结果表明:时间序列 b 值经过降噪技术处理后,能增强模型对于 b 值趋势特征的学习能力和降低噪点对于冲击前兆信息的干扰;时间序列 b 值经过相空间重构及长短期记忆网络的超参数得到优化后,模型的预测精度能得到明显提升;较其他模型相比 PSR–GA–LSTM 的残差波动范围最小稳定在 0.005 以内,其误差 (RMSE)、平均绝对误差 (MAE) 和平均绝对百分比误差 (MAPE)分别为 0.001 51、0.001 33、0.29% 都低于其他模型;PSR–GA–LSTM 模型经过时间序列 b 值训练后,所预测的 b 值趋势蕴含着冲击前兆信息,能预先对冲击事件的发生提供 b 值预警指标。该模型对于匀速推进的冲击地压矿井 b 值趋势发展有着较好的预测能力,所用方法可为在冲击地压时间上演化发展的预测预警研究提供借鉴与参考。

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煤炭学报

2023年第05期

303

104
局部震动诱发煤体非稳态裂纹扩展及其冲击显现特征

作者(Author)：鞠明和, 朱涵, 窦林名, 胡李华, 韩泽鹏, 马小涛

摘要：为探明脆性煤体受静载作用下细观裂纹演化规律及宏观冲击显现特征,通过实验和模拟相结合的方法开展了煤样受压脆性破断的声发射信号演化及应力降过程研究。结果表明,煤体瞬时应力降过程裂纹演化规律与常规准静态受载过程在裂纹扩展诱发机制和裂纹扩展模式及范围方面均有显著差异:瞬时应力降中局部裂纹剪切滑移引发的大能量震动事件诱发其临自由面细观拉伸裂纹快速扩展贯通,进而形成碎屑并弹射飞出,其过程以拉伸裂纹动态扩展为主,而剪切裂纹在形成贯通面过程中产生;煤体受载大能量震动事件呈局部积聚并向周边扩展的规律,其形成的扰动诱发煤体局部细观裂纹快速扩展贯通及结构动态失稳,引发煤体宏观应力降及冲击显现现象;另外,震动事件、应力降及冲击显现存在时序性。煤体冲击显现烈度与应力降前后刚度比及释放能量正相关,所测试煤样临界刚度比约为 18.2,小于此值时无明显冲击显现现象,反之,随着刚度比和释放能量增大相继呈现少量碎屑弹射、大量碎屑弹射、碎块弹射和剧烈煤爆 4 种冲击显现现象;冲击显现中碎屑弹射速度及动能随刚度比增大有一定的上升趋势,同时碎屑极限速度也相应增大。静载作用下煤体动态失稳过程的研究及结论对理解煤矿冲击矿压孕育演化过程及致灾机理有一定的借鉴作用。

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煤炭学报

2023年第05期

285

139
采空区覆岩波速模型及微震源定位方法

作者(Author)：周琳力, 贾宝新, 潘一山, 包鑫阳

摘要：为构建煤矿小尺度区域微震波传播速度模型,提高矿井含采空区复杂地质结构内微震源定位精度。依据矿山采空区覆岩“三带”岩层变形、层面离层、层内断裂和裂隙发育以及岩体扩容等特征,构建圆弧层面波速模型,分区描述采空区覆岩波速结构。并提出采用考虑岩层变形特征的微震波绕射传播路径增量和基于时间平均方程的裂隙岩层波速折减进行波速模型修正。基于层状均匀介质假设和斯奈尔定律,推导微震波传播路径和走时计算公式,并计算各传播方向上的异向等效波速。基于到时理论定位原理,选择以实测到时差与理论走时差之差构建震源求解目标函数,采用模式搜索算法进行震源位置求解。形成了基于采空区覆岩异向波速模型的微震源定位方法。通过三维算例和煤矿地面微震监测定位应用,验证了所提方法的可行性与定位效果。研究表明:① 由于煤矿地质环境中采空区遍布和微震波经由采空区传播的必然性,针对煤矿含采空区复杂地层结构特征,建立相应的异向波速模型,是提高矿山环境下微震源定位精度的关键;② 采空区覆岩波速模型充分考虑了岩层形态、离层、断裂、裂隙发育和岩体扩容等对微震波传播路径和等效波速的影响,并通过定量确定微震波传播绕射路径增量和岩层波速折减,宏观表现出采空区地层结构的典型波速异向特征;③ 针对分层介质下的震源定位,在三维算例中选用异向等效波速模型的定位方法相较于全局平均波速模型,定位结果的平均误差由 9.755 8 m 降至 0.418 6 m,有效降低了定位误差;④ 以矿井大能量微震事件的井下微震定位结果为参照,在现场地面微震监测中应用采空区覆岩波速模型,得出该模型定位结果较待定波速而言更接近现场调查结果中确定的煤岩体破裂影响范围。综上,对于依赖波速模型的定位方法,根据地质结构特征建立相应的异向波速模型是高效开展微震监测,提高微震源定位精度的突破点之一。

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煤炭学报

2023年第05期

233

138
基于震源机制与定位误差校准的冲击地压危险预测方法

作者(Author)：刘耀琪, 曹安业, 王常彬, 杨旭, 王强, 白贤栖, 刘涛

摘要：冲击地压智能监测技术迅速发展大背景下,如何利用海量微震监测信息挖掘震源破裂性状并将其应用于冲击地压的预测预警或防控是未来研究的重点与难点。为解决目前微震群破裂机制聚合规律挖掘不充分、震源机制反演技术难以直接应用于冲击地压的预测预警难题,采用理论分析、数值仿真等手段研究建立基于震源机制与定位误差校准的冲击地压危险预测方法。以内蒙古某冲击地压矿井大能量矿震事件频发 2215 工作面为研究背景,总结了煤矿微震波形数量有限、噪声影响大、反演效率要求高的特点,比较分析了不同矩张量方法反演震源机制的特点及优缺点,确立了混合矩张量反演法更适用于煤矿应用场景;2215 工作面顶板破断诱发事件以拉剪以及压剪破坏为主;大能量事件发生前微震事件剪切成分占比不超过 40%,顶板破断主导的微震事件走向角主要分布于 3°~80°以及 150°~270°,倾角主要分布于 70°~90°,存在明显的集聚特征;基于煤矿常见的震源破裂机制及定位误差分析了微震事件聚合的可能性并建立了微震聚合准则,构建了基于震源破裂机制及定位误差校准的危险预测方法及指标;预测实例结果表明考虑震源破裂机制及定位误差后可显著增强微震异常聚合区的识别;微震数据较为完整情况下,基于震源破裂机制及定位误差校准的危险预测指标 IP 阈值设置为 0.7 时可实现对不同破裂类型大能量事件的准确预测。

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煤炭学报

2023年第05期

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邻空巷坚硬顶板预裂爆破防冲机理及效果检验

作者(Author)：解嘉豪, 韩刚, 孙凯, 丁自伟, 郝晓琦

摘要：顶板预裂爆破技术是防治冲击矿压的重要手段。以鄂尔多斯地区坚硬顶板邻空侧巷道频繁发生冲击矿压为背景,建立了邻空巷侧向覆岩结构的力学模型及 UDEC 数值模型,对比了顶板预裂爆破前后邻空侧向覆岩结构及应力演化特征,揭示了顶板预裂爆破防冲机理,开展了预裂爆破防冲实践,并通过现场钻孔探查、窥视、应力监测、微震等多种手段对爆破前后邻空侧向覆岩结构、煤体应力进行了实测,得出结论:① 顶板预裂爆破能促使邻空侧向覆岩发生长臂“F”型→长臂“L”型→短臂“L”型结构转换,缩短了关键层悬臂长度,降低了邻空侧煤体的静载应力,促使煤体应力峰值向深部转移,同时削弱了侧向覆岩破断动载,降低冲击危险;② 爆破前后实测低位岩层破断角由 57°增大到 72°,悬臂长度降低了 8.7 m,中高位关键层悬臂长度至少降低了 6.8 m,低位岩层预裂爆破诱发中高位关键层破断,证实了邻空侧向覆岩结构发生转换;③ 爆破前后模拟计算邻空侧煤体应力峰值降幅为 5.36 MPa,实测煤体应力最大降幅为 5.4 MPa,微震事件能量、频次均明显降低,实测与理论数值结果相一致;④ 形成了钻孔探查、窥视、应力与微震监测等多手段结合的爆破防冲效果检验方法。研究成果可为邻空巷坚硬顶板预裂爆破防冲设计及卸压效果检验提供理论依据和方法。

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煤炭学报

2023年第05期

209

138
深厚表土综放采场应力加载型冲击地压机理

作者(Author)：张翔, 朱斯陶, 姜福兴, 张修峰, 李士栋, 王超, 刘金海, 陈洋, 周涛, 李佳洁, 朱淳

摘要：应力加载型冲击地压是深厚表土综放采场特有的冲击地压类型,其发生机理尚不清晰,导致煤矿面临此类型冲击地压时无法有效防治甚至发生严重事故。以巨野煤田赵楼煤矿 3304(超前100 m) 长时间 (持续 38 d) 冲击预警为工程背景,采用相似材料试验、理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究了深厚表土综放采场应力加载型冲击地压的发生机理,得出了以下结论:由模拟试验和理论分析提出了深厚表土综放采场的覆岩空间运动特征,基于承载基岩初次破断时厚表土的成拱性和延时加载性,推导了厚表土垮落拱和压力拱的轮廓表达式,建立了深厚表土综放采场走向覆岩传递应力估算模型。揭示了深厚表土综放采场应力加载型冲击地压机理:当承载基岩达到悬露极限发生断裂回转时,厚表土层运动下沉形成土压力拱结构,其上覆巨厚表土层自重通过拱脚传递至煤层中,导致煤壁前方大范围煤层应力在短时间内大幅度持续升高,容易诱发应力加载型冲击地压。数值模拟结果表明深厚表土综放采场承载基岩断裂后,厚表土呈现由下至上渐进式破碎、垮落的运动特征,采场以岩、土接触面为界形成 2 个压力拱,表土压力拱传递的表土自重导致煤壁前方大范围煤层应力高度集中。现场实测表明应力加载效应发生后采场动载释放水平较低且呈现固定位置的微震集中带,土压力拱的形成将限制表土层快速下沉,工作面位于土压力拱的支点区域进行回采工作,当工作面推过该支点加载区域后,土压力拱破坏导致采场地表整体大幅度下沉。设计并实施了深厚表土综放采场应力加载型冲击地压的防治方案,包括井下地面联合监测预警、围岩高强度钻孔弱化、显现区域支护体系补强、“监测−卸压”临界推速控制。

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