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冲击地压的煤岩动力学物理模拟相似原理
1
作者 窦林名 阚梓豪 +14 位作者 曹安业 鞠明和 王桂峰 何江 康建宏 黄传甫 马衍坤 王恩元 王汉鹏 张志镇 闫晨龙 李浩丙 南天琦 彭程阳 简磊磊 《煤炭学报》 北大核心 2026年第1期274-292,共19页
冲击地压是一种在动、静载荷叠加作用下发生的突发性动力灾害,具有破坏过程剧烈、能量释放集中、发生机制复杂等特点,对矿井安全生产构成严重威胁。为在实验室中真实再现冲击地压的破坏过程并揭示其动力学本质,仅依赖现有静力学相似原... 冲击地压是一种在动、静载荷叠加作用下发生的突发性动力灾害,具有破坏过程剧烈、能量释放集中、发生机制复杂等特点,对矿井安全生产构成严重威胁。为在实验室中真实再现冲击地压的破坏过程并揭示其动力学本质,仅依赖现有静力学相似原理的物理模拟方法难以全面揭示冲击地压的动力学特征。为此,以冲击地压的动力致灾机理为研究对象,提出了一种以加速度相似比为核心的煤岩动力学相似准则体系,旨在构建可真实反映冲击地压动力学响应特征的物理模拟理论框架。通过量纲分析的方法,对冲击地压过程中的关键指标进行了系统分析。以加速度相似比作为核心控制参数,推导建立了冲击地压动力学相似准则的理论方程组,构建了包含应力相似比、弹性模量相似比、时间相似比及应变率相似比在内的动力学相似准则系数体系。通过引入动力学相似准则系数,分析了其与各相似比之间的耦合关系与约束条件,形成了物理模型的冲击倾向性相似判据体系。结合相似理论推导结果,对不同几何相似比条件下的模型强度曲线演化规律进行了归纳分析,明确了动力学相似准则的适用范围与参数取值区间。研究表明:动力学相似准则系数是控制动力学相似关系的关键参数,其取值直接决定模型惯性响应与能量传递的相似性,确定了动力学相似准则适用的最优几何相似比与物理模型的波速相似比。提出的冲击地压煤岩动力学相似原理突破了传统静力学相似理论的局限,实现了对惯性效应和能量释放行为的量化描述,为冲击地压动力学物理模拟试验提供了理论依据。 展开更多
关键词 冲击地压 相似准则 物理模型 动力学 相似模拟
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深埋特厚煤层采动覆岩破断及裂隙场演化特征
2
作者 谭毅 张少普 +11 位作者 何满潮 李辉 郭文兵 王宇 白二虎 朱淳 杨军 程浩 郭纬宇 王燃烈 曹新发 李林猫 《煤炭学报》 北大核心 2026年第2期924-942,共19页
揭示深埋特厚煤层采动覆岩破断失稳致灾机理与裂隙场演化规律,是煤矿工作面突水溃沙等灾害防治的理论基础。以陕西某矿2301工作面采矿地质条件为工程背景,基于数值模拟、分形理论、裂隙熵理论、力学模型构建及现场实测相结合的方法对采... 揭示深埋特厚煤层采动覆岩破断失稳致灾机理与裂隙场演化规律,是煤矿工作面突水溃沙等灾害防治的理论基础。以陕西某矿2301工作面采矿地质条件为工程背景,基于数值模拟、分形理论、裂隙熵理论、力学模型构建及现场实测相结合的方法对采动覆岩破断运移和裂隙场动态分布特征展开研究。从采动裂隙场角度分析了覆岩裂隙率、分形维数、裂隙长度和裂隙熵动态演化规律,揭示了各子研究区域采动过程中覆岩裂隙张开闭合裂隙占比、裂隙长度及分形演化特征,量化了覆岩裂隙空间展布的各向异性,构建了覆岩应力拱平衡轨迹方程。结果表明:采动覆岩呈现显著成组破断运移规律和裂断拱周期性起拱特征,且裂断拱周期性起拱为裂隙场主控裂隙;裂隙带内裂隙呈现“弧形”破坏分布特征,平均裂隙率及分形维数分别为2.40%与0.81,采动裂隙场演化为大部对称“拱形”拓扑结构;采动裂隙场呈现“应力场重构—裂隙萌生扩展—结构失稳重组—自修复调控”演化特征,覆岩裂隙经历了“裂隙张裂—裂隙闭合”动态演化过程,优势裂隙群通过合并机制形成贯通型裂隙网络。采用裂隙熵理论量化了裂隙场不同区域裂隙空间展布的各向异性,并统计分析了采动覆岩不同区域内裂隙倾角演化规律及分布特征;基于三铰拱结构理论,构建了采动覆岩应力拱平衡轨迹方程;通过现场实测结果分析得出导水裂隙带高度为224 m,裂采比为24.9,现场实测结果与数值模拟结果基本一致,研究结果对类似地质条件工作面相关灾害防治具有一定的参考价值。 展开更多
关键词 采动覆岩 分形理论 裂隙率 应力拱 钻孔漏失量
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急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压发生机理
3
作者 何江 邵嗣华 +3 位作者 李小龙 苗伟东 陈龙 张迎港 《煤炭学报》 北大核心 2026年第2期1090-1101,共12页
为揭示急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压机理,建立了覆岩倾向悬臂梁结构力学模型,分析了覆岩倾向破断步距、移动规律、能量释放与煤层倾角的关系,采用UDEC数值模拟了覆岩结构破断运移规律和应力分布规律,理论分析了急倾斜煤层分段轻放开... 为揭示急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压机理,建立了覆岩倾向悬臂梁结构力学模型,分析了覆岩倾向破断步距、移动规律、能量释放与煤层倾角的关系,采用UDEC数值模拟了覆岩结构破断运移规律和应力分布规律,理论分析了急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压发生机理。结果表明:急倾斜分段轻放开采顶板倾向破断步距与煤层倾角呈正相关关系,随着倾角增大,岩层倾向破断步距呈现非线性增大趋势,倾角越大,倾向破断步距增大越明显;顶板倾向破断步距与岩层厚度、抗拉强度均呈幂函数关系,拟合相关系数均在0.99以上;破断块体下滑对采空区下部充实度较大,破断块体可出现旋转、俯冲2种运动失稳类型;采空区上方覆岩呈现出低位横跨、高位成拱的双结构特征;采空区周边垂直应力主要在顶板外侧产生集中,水平应力、剪切应力主要在采空区下部煤体产生集中;采空区下部沿倾斜方向78.36 m范围内水平应力大于垂直应力,下分段工作面底煤水平应力明显高于垂直应力,巷道底煤6.54 m处剪切应力出现最大值,易产生底煤冲击破坏;急倾斜分段轻放开采静载来源于上部采空区覆岩低、高位双结构产生的夹持作用,当矿震应力波动载与底煤水平应力静载叠加达到冲击地压临界条件时,诱发巷道底煤冲击破坏。王家山煤矿东一采区急倾斜煤层分段轻放开采冲击地压主要表现为底鼓性破坏特征,微震监测表明工作面回采期间主要为底煤及相近标高煤岩破裂释放弹性变形能,验证了急倾斜煤层分段轻放开采覆岩结构控制型底煤冲击破坏机理。 展开更多
关键词 急倾斜煤层 分段 轻放开采 冲击地压 结构控制 底煤
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实用矿山压力控制理论研究进展与突破的重点
4
作者 宋振骐 郝建 +2 位作者 蒋宇静 李恩来 边华 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2026年第1期1-26,共26页
与岩层运动有关的重大灾害在煤矿事故灾害中占主导地位,建立并完善矿山压力控制理论是控制相关灾害的基础。在回顾矿山压力理论发展历程的基础上,总结凝练了以上覆岩层运动为中心的“实用矿山压力控制理论”的内涵,从理论、技术、装备... 与岩层运动有关的重大灾害在煤矿事故灾害中占主导地位,建立并完善矿山压力控制理论是控制相关灾害的基础。在回顾矿山压力理论发展历程的基础上,总结凝练了以上覆岩层运动为中心的“实用矿山压力控制理论”的内涵,从理论、技术、装备方面总结了实用矿山压力控制理论的突破。在理论方面:构建了显示覆岩运动和支承压力分布发展变化规律的采场动态结构力学模型,确定不同采动条件下模型的动态发展规律;建立了两个应力场理论,揭示了内应力场实现的条件;构建了以位态方程为核心的工作面顶板控制力学模型,建立了工作面顶板控制(支架受力)与岩梁位态之间的关系。在装备方面:研发了三维相似材料模拟试验台、矿压机械模拟试验台等装备,实现了矿山岩层运动规律和支承压力分布规律反演模拟;研制了大量程(200~300 mm)、高精度(0.01 mm)顶板动态仪等监测仪器,形成了岩层动态成套监测装备和平台;搭建了覆岩运动仿真模拟系统,将力学模型以计算机的形式进行展示,实现了矿山压力的仿真与决策。在技术方面:提出了井下岩层动态观测技术,实现了基本顶来压预测预报;提出小煤柱沿空掘巷技术,将回采巷道布置在稳定的内应力场中,成功控制了传统大煤柱护巷诱发的冲击地压、瓦斯突出等动力灾害。最后,凝练了该理论的思维内核,兼具哲学战略性、功能导向性、效果实用性及风险回避性,并指出理论应重点突破的五大前沿方向为采动条件极端化、岩层运动调控化、采动应力调控化、矿山压力利用化与无为化。 展开更多
关键词 矿山压力 岩层运动 支承压力 顶板控制 位态
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采场应力演化特征的数字化和可视化研究及应用
5
作者 王宏伟 王泽亮 +3 位作者 朱战斌 祝捷 曾宪涛 姜耀东 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2026年第1期222-245,共24页
研究煤矿工作面采场应力的时空分布规律及演化特征,是建立灾害预警指标和实施有效防控的关键。笔者结合研究团队近年在煤矿数字化建模和智能化开采等方向的研究进展,开展了工作面采场应力数据库构筑及其演化特征可视化输出研究。以工作... 研究煤矿工作面采场应力的时空分布规律及演化特征,是建立灾害预警指标和实施有效防控的关键。笔者结合研究团队近年在煤矿数字化建模和智能化开采等方向的研究进展,开展了工作面采场应力数据库构筑及其演化特征可视化输出研究。以工作面应力多源数据为基础,通过数据采集、保真、传输与归一化处理,提出了采场应力数字化重构方法,构建了多源数据融合与高效存储数据库,开发了数据库智能检索、信息化输出和云平台查询等功能。针对采场应力数据库数据离散性等问题,提出了一种基于微元分段傅立叶变换的数据插值方法,开发了“点连成线、线连成面、面连成体”三维插值算法,实现了多源离散数据的连续性表达,构建了基于关键点和关键区域确定的线性、多项式和指数3种采场应力反演模型,开发了采动应力演化三维可视化输出反演算法。开展了煤矿采场应力演化特征的物理试验研究,在实验室尺度实施了采场应力多源数据库构筑及其演化特征的可视化输出。以北京昊华能源集团大安山煤矿典型构造和内蒙古鄂尔多斯马泰壕煤矿3105工作面为工程地质背景,开展了原位应力场精细化插值和基于微震定位和液压支架载荷的采动应力可视化反演,在现场尺度实现了采场应力的动态可视化输出。研究结果表明,通过多源数据缺失填补、重复消除、数据降噪和格式转换,实现了采场数据的采集保真、有效融合和分类入库,并依据检索条件对采场数据进行精确快速查询和定位;基于傅立叶变换的采场应力插值算法分别在一维、二维和三维应力连续性表达中,达到了88%、82%和74%的精度提升;通过对工作面支架压力和微震数据的获取与分析,在现场尺度再现了工作面采动应力的动态演化过程,多源监测数据与反演结果的分布吻合较好,验证了反演结果的准确性。 展开更多
关键词 工作面采场 多源数据 数字化 可视化 断层构造
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充填开采坚硬顶板工作面冲击地压动静载控制机制及防治技术研究
6
作者 李家卓 杨晓东 +6 位作者 谭文峰 佟朋 阚吉亮 任文涛 李增强 王剑 李崧岳 《煤炭工程》 北大核心 2026年第2期126-135,共10页
工作面回采过程中坚硬顶板破断产生的强动载和大埋深导致的高应力叠加是冲击地压的主要诱因,为探究充填开采对冲击地压动静载源头控制效应,通过理论计算和现场监测的方法,研究了工作面在不同充实率下顶板破断高度演化规律与支承压力分... 工作面回采过程中坚硬顶板破断产生的强动载和大埋深导致的高应力叠加是冲击地压的主要诱因,为探究充填开采对冲击地压动静载源头控制效应,通过理论计算和现场监测的方法,研究了工作面在不同充实率下顶板破断高度演化规律与支承压力分布特征,提出了针对充填开采的冲击地压分类防治技术,并在古城煤矿深部坚硬顶板工作面进行了应用,通过现场微震监测检验了防冲效果。研究结果表明:充填工作面存在最优充实率且达到最优充实率后,坚硬顶板运动模式由周期性破断转变为弯曲下沉使顶板破断动载大幅度减小,顶板破断高度降低使支承压力峰值减小。古城煤矿1123工作面未达到最优充实率,采取坚硬顶板预裂爆破、顶煤支护、厚顶煤高压注浆和大直径钻孔措施;1^(#)工作面达到最优充实率,取消爆破断顶卸压措施,仅采取煤体大直径钻孔及对特殊区域的卸压措施。两工作面采取卸压措施后,1123工作面充实率由70%逐渐提高至90%,工作面顶板微震事件由“低频次、高能量”转变为“高频次、低能量”;1^(#)工作面顶板微震事件呈“低频次、低能量”特征。 展开更多
关键词 冲击地压 坚硬顶板 充填开采 充实率 动静载源头 分类防治
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不同粒径煤岩块体超低摩擦滑动规律研究
7
作者 李利萍 宋旭冬 +2 位作者 潘一山 胡学锦 齐桐 《自然灾害学报》 北大核心 2026年第1期205-215,共11页
煤岩颗粒粒径影响界面粗糙度和微裂隙萌生与扩展是超低摩擦滑动重要影响因素。为探究不同粒径煤岩块体对超低摩擦滑动影响规律,利用颗粒流方法建立超低摩擦数值模型,在垂直扰动作用下对工作块体分别施加瞬时和持续水平冲击,以工作块体... 煤岩颗粒粒径影响界面粗糙度和微裂隙萌生与扩展是超低摩擦滑动重要影响因素。为探究不同粒径煤岩块体对超低摩擦滑动影响规律,利用颗粒流方法建立超低摩擦数值模型,在垂直扰动作用下对工作块体分别施加瞬时和持续水平冲击,以工作块体水平位移和煤岩界面摩擦力为超低摩擦效应强度表征参数,分析不同粒径煤岩块体接触力链、微裂隙分布以及宏观裂隙演化,得到了不同粒径煤岩块体超低摩擦滑动规律。研究结果表明,瞬时水平冲击作用下,工作块体水平位移最大值和稳定值随煤岩粒径比增大呈先增大后减小趋势。粒径比为1.0时界面粗糙度较小,超低摩擦效应强度较大。煤岩块体产生微裂隙主要分布在煤岩界面,颗粒粒径相差越大,产生微裂隙数目越多,工作块体损伤程度越高,煤岩界面细小颗粒对工作块体滑动有润滑作用,导致界面摩擦力由波峰值到波谷值的降幅近80%。持续水平冲击作用下,煤岩粒径比为0.6、0.8、1.0时,工作块体易产生由煤岩界面向内部延伸的贯穿型张拉裂隙,煤岩界面摩擦力显著降低,易发生超低摩擦滑移。煤岩粒径比为1.2、1.4时,煤岩界面易发生超低摩擦自锁现象。 展开更多
关键词 冲击地压 超低摩擦 粒径比 煤岩界面 裂隙演化 摩擦力
原文传递
循环冲击下锚固体结构动态响应与损伤破裂规律
8
作者 蔚立元 丁敏杰 +5 位作者 鞠明和 张庆贺 代连朋 张志镇 潘东江 程如意 《煤炭学报》 北大核心 2026年第2期1007-1020,共14页
为探究锚固体结构在循环冲击荷载作用下的动态响应与损伤破裂机制,采用理论分析、室内试验与数值模拟相结合的方法,开展了端锚锚固体在“多次低能冲击+少数高能冲击”荷载路径下的动态力学行为研究。基于一维应力波理论和Kelvin弹性解,... 为探究锚固体结构在循环冲击荷载作用下的动态响应与损伤破裂机制,采用理论分析、室内试验与数值模拟相结合的方法,开展了端锚锚固体在“多次低能冲击+少数高能冲击”荷载路径下的动态力学行为研究。基于一维应力波理论和Kelvin弹性解,建立了锚杆中应力波传播与叠加的解析模型,并依托自主研发的锚固体结构冲击试验系统,定量研究并分析了不同能级动载循环冲击下锚固系统的动态力学行为与损伤破裂过程。结果表明:锚杆自由段存在明显的应力波叠加效应,应力峰值呈现分段式分布特征;锚固段内应力波随传播距离呈指数衰减,并测得锚固-自由界面的反射系数为0.332,反映了波阻抗不匹配导致的应力波显著反射特性。在循环冲击过程中,锚固界面呈现明显的渐进失效特征,破裂由锚固-自由界面处萌生并逐渐向深部扩展,形成“复合破坏区-损伤前沿区-无损区”的三段式破坏形态;锚固体结构累积位移随冲击次数呈阶段性非线性增长,尤其在超能量阈值后,高能冲击诱发的单次最大位移跃升至5 mm,界面已由微损伤累积进入宏观塑性破坏状态。数值模拟结果进一步揭示了损伤累积与应力波传播的相互作用机制,即锚固体结构的界面损伤从锚固-自由界面附近萌生并向内扩展,导致能量耗散机制从黏结滑移主导(衰减系数α=0.35)转变为接触摩擦主导(α降至0.12),从而引发应力波衰减特性突变。研究结果不仅再现了循环冲击载荷下锚固体结构的性能劣化过程,也为深部高应力冲击危险巷道的支护参数优化设计与稳定性动态评估提供了重要的理论参考与数据支撑。 展开更多
关键词 锚杆支护 循环冲击 动载响应 累积损伤 应力波传播
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高应变率下预制钻孔煤体动力学特性与防冲机制
9
作者 王爱文 杨凯磊 +5 位作者 朱斯陶 范德威 辛壮壮 张巍 刘兴发 刘瀚琦 《煤炭学报》 北大核心 2026年第2期1068-1089,共22页
煤层钻孔卸压是煤矿冲击地压防治中常用方法,其防冲效果与煤体力学性能相关。为深入探究不同冲击倾向性钻孔煤体动力特性及其防冲机制,采用霍普金森压杆对预制钻孔煤样进行高应变率冲击试验。结果表明:高应变率加载时,煤层钻孔在弱化煤... 煤层钻孔卸压是煤矿冲击地压防治中常用方法,其防冲效果与煤体力学性能相关。为深入探究不同冲击倾向性钻孔煤体动力特性及其防冲机制,采用霍普金森压杆对预制钻孔煤样进行高应变率冲击试验。结果表明:高应变率加载时,煤层钻孔在弱化煤体冲击倾向,减小透射能量比,降低煤样动态峰值强度、动态峰值弹性模量和能时密度等方面具有显著作用,且对强冲击倾向性煤样的弱化作用强于弱冲击倾向性煤样;钻孔改变了强冲击煤样能量耗散的途径和速率,使其破坏模式变为多裂纹的萌生、扩展和汇合,且能量释放时间被大大延长,从而显著降低其能量释放速率;钻孔会显著提升煤体中应力波反射能力以及波阻隔效应,冲击动载下,强冲击倾向性煤样反射能量比从19%增至33%,透射能量比从38%衰减至20%;弱冲击倾向性煤样反射能量比从43%增至60%,透射能量比从13%衰减至5%;随着钻孔孔径增大,强冲击煤样由单一主裂纹扩展成沿平行于加载方向的多条撕裂型主裂纹,且裂纹扩展速度明显快于弱冲击煤样;弱冲击煤样则是裂纹数量更多,沿加载方向45°角形成剪切型主裂纹,且在水平位移云图中观察到类似“W”形的不连续线,这是多条裂纹同时萌生、并行扩展并最终相互连接的结果。在能量耗散与裂纹扩展2个方面,发现了卸压钻孔对强、弱冲击倾向性煤体的防冲机制存在本质差异:强冲击煤体的卸压核心在于通过破坏模式转变以降低能时密度,而弱冲击煤体则在于结构强度的渐进弱化。 展开更多
关键词 冲击地压 煤层钻孔 冲击倾向性 防冲机制 高应变率
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自燃性煤体承压致裂产生CO的电磁场激发效应探讨
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作者 魏引尚 梁玮 +3 位作者 包若羽 董丁稳 李安全 李义 《中国煤炭》 北大核心 2026年第1期1-8,共8页
基于煤岩在裂变过程中所形成的电磁现象,结合冲击地压防治领域的现场监测与实验研究成果,提出裂缝电磁场激发煤表面活性基团并促使O_(2)分子在磁场反应释放CO的假设,为此探讨了承压煤体破裂过程中电磁场的形成机制及其对煤表面活性基团... 基于煤岩在裂变过程中所形成的电磁现象,结合冲击地压防治领域的现场监测与实验研究成果,提出裂缝电磁场激发煤表面活性基团并促使O_(2)分子在磁场反应释放CO的假设,为此探讨了承压煤体破裂过程中电磁场的形成机制及其对煤表面活性基团的激发效应。首先分析了煤岩表面裂隙扩展、电荷迁移等关键物理过程及其对煤表面电磁场产生的影响,煤体在受载破裂过程中形成的动态电磁场与裂纹扩展密切相关;其次,根据煤岩电磁辐射有关实验文献成果,估算出在微米尺度的煤体裂缝磁场能级大小,其场强概率意义上普遍大于煤分子表面基团氧化活化能,足以激发暴露煤表面活性基团,使其发生极化呈荷电性,与距离最近的O_(2)分子发生反应,从而促成CO产生;最后,探讨了上述电磁场的短时性及其对CO生成率的影响,裂隙空间加大使电磁效应难以维持,导致局部CO无法持续生成。揭示了承压煤体在破裂过程中诱发电磁场促进CO生成的场致激活机制,为煤低温氧化CO释放提供新的解释路径。 展开更多
关键词 煤低温氧化 煤岩电磁辐射 煤体承压致裂 裂缝电磁场 激发效应
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中等冲击动载下蠕变煤体加速失稳破坏试验研究
11
作者 王俊 胡亚波 +2 位作者 宁建国 党延龙 张朝辉 《岩土力学》 北大核心 2026年第3期816-827,838,共13页
深部煤岩体蠕变特征明显,在中等冲击动载(冲击能量等级介于10^(3)~10^(4) J)作用下,蠕变煤岩体会发生时滞型失稳破坏,这给工程灾害的评估与预警带来了一定的困难。针对这一问题,利用自行研制的蠕变-冲击试验系统,开展了中等冲击动载下... 深部煤岩体蠕变特征明显,在中等冲击动载(冲击能量等级介于10^(3)~10^(4) J)作用下,蠕变煤岩体会发生时滞型失稳破坏,这给工程灾害的评估与预警带来了一定的困难。针对这一问题,利用自行研制的蠕变-冲击试验系统,开展了中等冲击动载下蠕变煤体力学响应特征研究,分析了中等冲击动载对煤体蠕变破坏的影响,讨论了中等冲击动载加速蠕变煤体破坏的机制。试验结果表明:(1)提高中等冲击动载强度与次数,可促使煤体由等速蠕变变形提前进入加速蠕变变形阶段,同时降低煤体进入加速蠕变阶段的时间与应力阈值;(2)在低应力水平下蠕变煤体仅具有硬化效应,但中等冲击动载下煤体呈现出硬化-损伤效应,最终诱发煤体产生以张拉破裂为主导的宏观破坏模式;(3)提出了蠕变煤体“冲击损伤应力”概念,即当应力水平最低为0.4σ_(c)时中等冲击动载加速蠕变煤体损伤破坏,此应力状态可认为是蠕变煤体的“抗冲击损伤强度”。研究结果可为深部矿井冲击地压灾害预警与防控提供一定的理论支撑。 展开更多
关键词 蠕变 冲击动载 加速失稳 硬化效应 损伤效应
原文传递
复杂地质条件下连采连充式采煤防冲理论分析
12
作者 王雁冰 王健龙 +5 位作者 任文涛 李国营 李增强 周均忠 梅洪嘉 陈忠凯 《工程科学学报》 北大核心 2026年第3期477-491,共15页
为探究厚煤层、断层构造下综采与连采连充工艺的差异化力学响应机制,厘清扰动效应下连采连充式采煤防冲机理,本文以古城煤矿1301工作面为工程背景,运用理论推导研究扰动作用下两工艺底煤稳定性和断层滑移特性,分别建立了底煤、断层两类... 为探究厚煤层、断层构造下综采与连采连充工艺的差异化力学响应机制,厘清扰动效应下连采连充式采煤防冲机理,本文以古城煤矿1301工作面为工程背景,运用理论推导研究扰动作用下两工艺底煤稳定性和断层滑移特性,分别建立了底煤、断层两类力学模型并揭示了各自致灾机理,提出了底煤冲击危险系数η、断层失稳评价指标I,对比其在两工艺下的变化特征并揭示了内在差异本质,最后通过微震实测结果进行验证.研究表明:冲击危险系数η与底煤厚度呈负相关性,厚底煤条件下两工艺冲击危险性差异不显著,风险差值随底煤厚度减小及回采长度增加呈指数级飙升;失稳评价指标I随断层倾角增大而显著增强,两工艺风险差值在高倾角断层邻近区域急剧增加;回采初期各支巷单次微震平均能量仅小幅上涨,断层近场阶段微震频次较远场明显升高,但未呈现高能级事件阶跃式增长,微震事件以“高频低能”形式渐进释放,体现了复杂地质条件下连采连充工艺对动载传递与能量聚集的抑制作用. 展开更多
关键词 连采连充 综采技术 冲击地压 底煤失稳 断层构造
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变宽度煤柱影响下孤岛面沿空巷道矿压显现规律与稳定性控制
13
作者 陈登红 陆昊中 +3 位作者 马力 杨理想 张志义 鲁德沛 《中国矿业》 北大核心 2026年第3期56-67,1,共13页
煤柱宽度对巷道围岩稳定性及支护效果具有重要影响。为研究煤柱宽度变化对巷道围岩的应力分布、塑性区演化及支护的影响,本文结合数值模拟、理论分析和现场实测等方法,对变宽度煤柱下综采面掘采全过程中的巷道围岩应力、塑性区及支护受... 煤柱宽度对巷道围岩稳定性及支护效果具有重要影响。为研究煤柱宽度变化对巷道围岩的应力分布、塑性区演化及支护的影响,本文结合数值模拟、理论分析和现场实测等方法,对变宽度煤柱下综采面掘采全过程中的巷道围岩应力、塑性区及支护受力进行研究。本文建立了煤柱宽度变化条件下的巷道围岩力学模型,模拟了不同煤柱宽度下的应力分布、塑性区发展和围岩变形过程,分析了煤柱宽度变化对应力集中、裂隙扩展及塑性区演化的影响;现场实测方面,通过在不同宽度的煤柱工作面设置监测点,采集了受力、位移等数据,用于验证数值模拟的结果。研究结果表明,随着煤柱宽度的增加,煤柱的应力从巷道侧到采空区侧呈现出“先升高-后降低-再升高-再降低”的双峰现象,且巷道侧的应力集中程度较采空区侧小;在掘进期间,煤柱宽度为27.0 m时,应力集中系数最小(2.37),而回采期间,煤柱宽度为17.4 m时,应力集中系数最大(5.16);围岩变形方面,煤柱宽度为17.4 m的工作面变形量最大,初采阶段两帮移近量为282.40 mm,顶底板移近量为374.30 mm。研究证明,煤柱宽度的增加有助于减缓塑性区的发展并抑制裂隙扩展,数值模拟与现场实测结果一致,验证了数值模型的有效性和可靠性。研究揭示了煤柱宽度变化对巷道围岩应力与变形的影响规律,提出了煤柱宽度优化的理论与模拟依据,为孤岛面回采矿压显现提供了理论预判依据,研究成果为类似条件沿空掘巷提供重要借鉴与参考。 展开更多
关键词 孤岛面 变宽度煤柱 围岩稳定性 数值模拟 矿压实测
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多重条件下钻孔围岩应力及损伤演化规律
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作者 刘军 邹思聪 +1 位作者 刘志宽 杨兴龙 《煤炭技术》 2026年第1期31-37,共7页
针对多次扩孔施工引发的钻孔围岩多重损伤问题,通过理论分析与COMSOL数值模拟,分析了不同直径钻孔煤体应力分布和损伤演化规律。基于Mohr-Coulomb强度准则和弹塑性力学方程,推导破碎区与塑性区半径的理论解。结合寺家庄煤矿15115工作面... 针对多次扩孔施工引发的钻孔围岩多重损伤问题,通过理论分析与COMSOL数值模拟,分析了不同直径钻孔煤体应力分布和损伤演化规律。基于Mohr-Coulomb强度准则和弹塑性力学方程,推导破碎区与塑性区半径的理论解。结合寺家庄煤矿15115工作面地质参数,构建单次成孔与多级扩孔条件下钻孔开挖模型。研究表明:单次成孔直径由113 mm增至400 mm,塑性区面积扩大6.6倍,径向应力峰值点外移。多级扩孔施工中,前期钻孔扰动导致后续扩孔应力集中区显著扩展,终孔直径400 mm时,应力集中区范围增大7.31%,塑性区面积扩大10.8倍,应力峰值由11.68 MPa升至11.91 MPa。研究成果为钻孔设计提供理论依据。 展开更多
关键词 瓦斯抽采 多重损伤 COMSOL 裂隙演化 应力集中
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内蒙古矿区矿震发生特点及防控对策与实践
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作者 曹安业 杨耀 +6 位作者 陈凡 王常彬 白贤栖 顾颖诗 马祥 秦续峰 丁国利 《煤炭科学技术》 北大核心 2026年第1期130-149,共20页
我国煤炭资源开发重心已向西部矿区优势资源快速转移,期间大规模、高强度开采诱使2.0级及以上矿震活动频发。2024年内蒙古原煤产量跃居全国第一,但矿震灾害尤为突出。为有效遏制内蒙古矿区矿震突增势头,统计了内蒙古矿震频发矿井地质沉... 我国煤炭资源开发重心已向西部矿区优势资源快速转移,期间大规模、高强度开采诱使2.0级及以上矿震活动频发。2024年内蒙古原煤产量跃居全国第一,但矿震灾害尤为突出。为有效遏制内蒙古矿区矿震突增势头,统计了内蒙古矿震频发矿井地质沉积特征,梳理了自2020年以来发生的26起2.0级及以上矿震案例,总结了矿震发生特点及发展趋势,结合地表岩移监测与覆岩离层观测结果,初步揭示了复杂沉积地层破断活动特征对频发矿震活动影响的特殊性,明确了矿震发生原因,提出了以主动卸压、减沉降载和生产布局优化为指导的矿震防控思路,并在受矿震严重制约生产的矿井开展了防控工业性试验。结果表明:内蒙古频发矿震矿区白垩系地层经历河流与风化沉积且发生大规模碳酸胶结作用,与下伏侏罗系地层形成重大不整合面,整体赋存形态和力学属性均表现出“骤变型”空间展布特征,造成了内蒙古煤矿矿震发生规律与机理的独特性;矿震多发生在邻空开采期间,震源位于采空区,对井上下几乎没有影响,发生过矿震的工作面复产期间降速开采甚至停产仍会再次发生矿震,凸显了矿区内覆岩断裂诱发矿震的复杂性;对矿震起控制作用的岩层动态变化,矿震发生后,地表快速下沉呈“阶梯式”,引起矿震的岩层及其上覆岩层内部裂隙快速扩展,裂隙扩展范围的所有岩层错动失稳均可能诱发矿震,这是内蒙古煤矿矿震难以有效防控的主要原因;矿震防控工程实施后,白垩系地层积聚能量稳步释放,地表沉降得到有效控制,减震效果显著;通过优化开采布局,降低了高强度开采带来的不利影响,实现源头防控矿震的同时,也促进了内蒙古煤矿矿震与冲击地压协同主动调控技术升级,对于后续矿井产能稳步释放具有重要意义。研究成果可促进对内蒙古矿区矿震的理性认识,并可为矿震有效防控提供宝贵思路。 展开更多
关键词 内蒙古矿区 矿震 沉积环境 巨厚覆岩 矿震防控 覆岩隔离注浆 开采布局优化
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基于能量准则的超低摩擦型冲击地压发生机制研究
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作者 胡学锦 李利萍 +1 位作者 陈帅 潘一山 《岩土力学》 北大核心 2026年第2期647-658,673,共13页
为揭示超低摩擦型冲击地压发生机制,以深部煤岩体为研究对象,首先采用自主研制的超低摩擦试验装置在实验室模拟了超低摩擦型冲击地压灾害,并利用高速相机、声发射等设备记录了煤层断裂及超低摩擦滑移失稳挤压巷道动态变化过程。结合试... 为揭示超低摩擦型冲击地压发生机制,以深部煤岩体为研究对象,首先采用自主研制的超低摩擦试验装置在实验室模拟了超低摩擦型冲击地压灾害,并利用高速相机、声发射等设备记录了煤层断裂及超低摩擦滑移失稳挤压巷道动态变化过程。结合试验结果和工程实例建立了超低摩擦型冲击地压力学模型,并基于能量准则给出了超低摩擦型冲击地压能量判据。以煤岩界面摩擦力、竖向位移差、断裂煤层长度为指标,对刚度、阻尼、扰动振幅、频率、模量比等参数进行了分析。研究结果表明:增大结构面刚度系数或阻尼系数,可减少超低摩擦型冲击地压发生的可能性,或降低其强度;扰动幅值越大,煤层越容易发生超低摩擦滑动;相比于其他扰动频率,当频率为14~16 Hz时煤层更易发生超低摩擦滑动;煤岩界面摩擦特性较为相近的情况下,模量比越大,煤层断裂位置越靠近巷道,断裂煤层越容易发生超低摩擦滑动。该研究结果对冲击地压的预测和防治具有重要意义。 展开更多
关键词 煤岩界面 超低摩擦效应 煤层断裂 冲击地压 能量判据 摩擦力
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大采高临空面“L”型顶板结构形成机制及断裂失效与能量演化特征
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作者 王博 王超 +7 位作者 冯国瑞 李竹 邹俊鹏 余卓成 高伟明 王保齐 李占成 张慧田 《煤炭科学技术》 北大核心 2026年第3期13-29,共17页
大采高工作面坚硬顶板破断运动与结构失稳是诱发采场冲击地压显现的根源,揭示顶板岩层断裂运动与矿震事件的关联效应,对科学防治冲击地压具有重要意义。以兖矿能源权属公司鄂尔多斯营盘壕煤矿高能矿震及冲击地压显现为案例,针对2215临... 大采高工作面坚硬顶板破断运动与结构失稳是诱发采场冲击地压显现的根源,揭示顶板岩层断裂运动与矿震事件的关联效应,对科学防治冲击地压具有重要意义。以兖矿能源权属公司鄂尔多斯营盘壕煤矿高能矿震及冲击地压显现为案例,针对2215临空工作面大能量事件集中发生于工作面前方与临空侧的现象,综合理论分析、数值模拟与现场实测,基于弹塑性力学板结构极限载荷分析方法,获得了大采高临空工作面开采条件下顶板岩层破裂特征及塑性铰接块体几何尺寸大小;开发了采动岩层断裂耗散能演化Fish程序,获得了工作面推进过程中顶板岩层耗散能分布特征及其动态演化规律,查明了大采高工作面顶板岩层主断裂迹线分布特征及断块结构形态,并据此揭示了工作面顶板岩层断裂结构形态及工作面超前煤岩体与临空侧大能量事件集聚机制。结果表明:工作面顶板岩层随着推进距离的增大,其极限承载能力呈指数型快速衰减,直至达到工作面顶板岩层初次及周期破断步距,且大采高临空工作面顶板呈现偏心断裂特征,主断裂位置向临空侧与采空区后方偏移。大采高工作面顶板岩层于超前煤岩体及临空侧形成悬露结构,前后两次断裂迹线合围形成近似“L”型顶板结构,该“L”型顶板岩层的破裂运动是造成大采高工作面临空侧及超前大能量微震事件的根源。针对厚硬岩层群,于两巷道开采周期内布置高密度超前致裂卸压钻孔,破坏多层“L”型顶板结构组合效应与整体运动特征,有效减少了营盘壕煤矿大采高坚硬顶板工作面大能量微震事件的发生。可为类似条件下优质煤炭资源安全开采提供有益借鉴。 展开更多
关键词 大采高 临空工作面 “L”型顶板结构 塑性铰线 耗散能演化
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深部充填开采厚硬顶板运移特征及减灾防冲机理
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作者 白二虎 王燃烈 +4 位作者 郭文兵 谭毅 李辉 李学燚 程苏林 《煤炭科学技术》 北大核心 2026年第2期195-206,共12页
为解决厚硬顶板破断诱发冲击地压灾害的问题,以深部厚硬顶板为研究对象,综合运用理论分析、工程试验及现场监测等手段研究了充填开采下厚硬顶板破断特征,建立了基于厚板理论的厚硬顶板沉降力学模型,推导了采动厚硬顶板挠度曲线方程,量... 为解决厚硬顶板破断诱发冲击地压灾害的问题,以深部厚硬顶板为研究对象,综合运用理论分析、工程试验及现场监测等手段研究了充填开采下厚硬顶板破断特征,建立了基于厚板理论的厚硬顶板沉降力学模型,推导了采动厚硬顶板挠度曲线方程,量化了充填体有效边界尺寸与充填率对顶板变形的影响特征,并厘清了厚硬顶板与有效充填参数的关系。在此基础上,提出了基于等价采高模型的覆岩破坏高度控制方法,阐明了充填条件下厚硬顶板的空间演化特征,揭示了深部充填开采厚硬顶板减灾防冲机理,并以“二元协同”充填率提升技术进行了实践验证。结果表明:采用“二元协同”提升技术后,充填率从75%提升至90%,4种充填率下厚硬顶板总沉降量中欠接顶量的占比分别为86%、80%、72%和55%,有效边界范围显著扩大,有效充填空间从2.63 m增至3.25 m,增加了充填体与厚硬顶板的接触面积,使充填体承载能力提升约55%;同时,随着充填率的增加,有效边界区域顶板沉降量明显减小,厚硬顶板沉降曲线整体呈现下降趋势,顶板沉降量由800 mm降至62 mm,微震事件能量均值和频次显著降低,表明“二元协同”充填率提升技术在深部厚硬顶板工作面实现了减灾防冲目的,显著弱化了冲击地压风险,保障了深部厚硬顶板条件下的安全开采。 展开更多
关键词 深部开采 厚硬顶板 充填开采 厚板理论 减灾防冲
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浸水深度对煤岩力学损伤行为的影响及多尺度失稳机制研究
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作者 陈光波 郑绍黄 +8 位作者 张俊文 李谭 王二雨 王创业 刘业娇 曹健 张国华 唐薇 高宁 《采矿与岩层控制工程学报》 北大核心 2026年第1期121-143,共23页
大水矿山或富水开采条件下,不同浸水深度环境中煤岩体力学性质严重劣化,影响着煤岩系统的安全稳定。为探讨在不同浸水深度下煤岩力学性质及损伤特征,以典型的煤、砂岩和页岩为研究对象,开展0、20、40、60、80、100 mm等6种不同浸水深度... 大水矿山或富水开采条件下,不同浸水深度环境中煤岩体力学性质严重劣化,影响着煤岩系统的安全稳定。为探讨在不同浸水深度下煤岩力学性质及损伤特征,以典型的煤、砂岩和页岩为研究对象,开展0、20、40、60、80、100 mm等6种不同浸水深度下的轴向压缩和声发射试验,分析其力学损伤及失稳机制。研究结果表明:①随浸水深度的增加,煤岩弹性模量、损伤应力和抗压强度逐渐降低,煤岩弹性模量、抗压强度劣化度显著增加,在浸水0~20 mm阶段劣化效应最大。②随浸水深度的增加,声发射累计振铃计数和峰值振铃计数逐渐减少;累计能量受浸水深度影响逐渐降低。③基于声发射RA-AF,不同浸水深度砂岩试样张拉裂纹与剪切裂纹共存,随浸水深度的增加,张拉裂纹占比逐渐增大,剪切裂纹占比逐渐减小。④基于声发射构建煤岩损伤演化模型,从应力–应变曲线、损伤效应、抗压强度三方面进行损伤模型合理性验证。煤岩损伤演化过程可划分为损伤初始阶段、损伤发展阶段和损伤加速阶段,随浸水深度的增加,煤岩损伤变量增加。⑤从“微观–细观–宏观”阐明浸水煤岩多尺度失稳破坏机制:浸水作用下煤岩内部矿物颗粒被溶蚀,矿物颗粒体积减小,载荷作用下矿物颗粒发生微断裂、大断裂、全断裂,煤岩内部萌生新的裂纹并扩展、贯通,宏观上出现裂纹,煤岩失稳破坏。该研究可为浸水深度影响下工程煤岩体的安全稳定、防治及评价提供有益参考。 展开更多
关键词 浸水深度 力学行为 声发射 损伤模型 失稳机制
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NPR锚固砂岩冲击动力学特性试验
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作者 王炯 姜健 +5 位作者 王思语 涂婕 常译文 马磊 王旭 罗爱忠 《煤炭科学技术》 北大核心 2026年第2期207-219,共13页
以砂岩为研究对象,设计制备了具有恒阻特性的模型NPR锚索,通过霍普金森杆(Split Hopkinson Pressure Bar)冲击试验探究锚固岩体冲击动力学特性。基于SHPB试验系统,分别对无锚砂岩、PR锚固砂岩及NPR锚固砂岩试件,在0.26、0.28、0.30 MPa... 以砂岩为研究对象,设计制备了具有恒阻特性的模型NPR锚索,通过霍普金森杆(Split Hopkinson Pressure Bar)冲击试验探究锚固岩体冲击动力学特性。基于SHPB试验系统,分别对无锚砂岩、PR锚固砂岩及NPR锚固砂岩试件,在0.26、0.28、0.30 MPa三种冲击气压下开展动态加载试验,系统对比不同试件的动态力学响应特征、能量传递规律、锚索受力过程及变形破坏特征。结果表明:3类试件的动态抗压强度与峰值应变均呈现显著应变率效应,其中NPR锚固砂岩的动态抗压强度始终高于PR锚索锚固砂岩与无锚砂岩,且峰值应变保持最低水平,表明NPR锚索可通过实时调节支护阻力优化岩体强度;能量分布方面,NPR锚固砂岩的透射能、破碎耗散能及耗散能密度均为最低,其滑移变形机制有效延缓了冲击载荷引发的岩体破裂进程;对比锚索受力过程发现,NPR锚索在冲击载荷下呈现锯齿状波动调节特性,全程未发生断裂失效,相较于PR锚索的脆性破裂具有显著优势;破坏形态对比表明,NPR锚固砂岩仅出现边缘局部崩落,少量大片状岩块剥脱,主体保持长圆柱状结构,破坏形式以张拉破坏为主,而无锚砂岩和PR锚固砂岩均存在较大范围的剪切破坏,破碎程度更重,证实了NPR锚索对张性裂纹扩展的抑制作用。综合试验数据可见,NPR锚索通过增强岩体强度储备、调控能量耗散路径与抑制裂纹扩展速率的三重协同机制,显著提升岩体动态抗冲击性能,为冲击地压防治提供了新的技术路径。 展开更多
关键词 锚固砂岩 NPR锚索 SHPB冲击 动态抗压强度 能量传递
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