煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2019年第3期

• 保水采煤面临的科学问题

  范立民,

  保水采煤理念是基于榆神府矿区开发初期采煤引起的潜水位下降、植被退化而提出的。经过多年理论研究和工程实践，已初步建立了保水采煤技术体系，有效指导了生态脆弱矿区煤炭资源开采和生态环境保护。在国家关于生态文明建设标准日益提高的格局下，我国西部干旱半干旱地区煤水资源共生区生态环境保护面临历史考验。首先综述了保水采煤技术取得的成果，认为地质条件探查、岩层移动、保水采煤方法等方面的研究基本解决了单煤层开采中存在的突出问题，而生态脆弱矿区水与生态约束和生态修复与重构方面的稍显滞后。其次探讨了保水采煤领域中5个紧密相关的科学问题，包括矿区依赖地下水的植被对煤层开采的约束程度的识别、量化及监测，大采高和重复采动条件下导水裂隙带高度探测与预测方法，有效隔水层厚度的量化与评价，大采高和重复采动条件下采动岩层(覆岩)控制及矿山生态环境影响机制、矿山生态损害监测与评价、矿山土地复垦与生态重建技术、生态修复策略及效果评价等。在新形势下，矿区生态环境保护的责任和任务重大，有待于投入更多研究来支撑我国西部矿山保水采煤理论与技术的突破，促进绿色矿区建设。

• 面向生态的矿区地下水位阈限研究

  马雄德, 黄金廷, 李吉祥, 宁世雄,

  分布在干旱半干旱地区的植被，由于降水不足以维持长期生存，需要地下水提供部分或全部水源，因而对地下水有一定的依赖性。地下开采破坏含水层后地下水位会大幅降落，这在一定程度上会给依赖地下水植被造成水分胁迫，进而控制生态系统演化过程。针对榆神矿区煤层开采引起地下水位变化的基本特征，提出了生态安全约束下矿区地下水位控制阈值的确定方法。只要植物根系与地下水毛细上升带保持接触，就可以吸收利用地下水，因此本文将最大毛细上升高度和根系长度之和作为矿区植被能够利用地下水的最大临界埋深。在毛管流理论指导下，以颗粒排列方式与孔隙直径大小的关系建立了最大毛细上升高度计算公式，并给出了通过颗粒级配曲线确定最大毛细上升高度的方法。据此计算的毛乌素风积沙最大毛细上升高度的取值区间为0.7～2.0m，进一步确定了榆神矿区生态安全约束下的矿区水位控制下限为4.0m。在此基础上，以2016年地下水流场基准，以水位埋深4.0m为界将榆神矿区划分为生态约束区和无约束区。水位埋深小于4.0m的区域植被对地下水依赖程度高，属于生态约束区，煤层开采造成地下水位下降极易对植被产生水分胁迫，因而是矿区生态环境保护的重点。研究成果阐明了榆神矿区生态环境及地下水位对煤层开发的限制条件，为进一步推进保水采煤技术的发展奠定了理论基础。

• 浅埋近距煤层开采三场演化规律与合理煤柱错距研究

  黄庆享, 曹健, 杜君武, 李雄峰,

  为探索浅埋近距煤层开采基于三场(应力场、位移场和裂隙场)演化规律的合理煤柱错距，实现井下减压与地表减损开采，以陕北柠条塔煤矿北翼东区1-2与2-2煤层开采为背景，采用FLAC3D,UDEC数值计算、物理模拟及理论分析相结合的方法，揭示了近距煤层开采覆岩与地表应力场、位移场和裂隙场演化规律，掌握了不同区段煤柱错距对煤柱集中应力、覆岩与地表位移及裂隙演化的影响，提出了基于三场演化规律的区段煤柱错距确定方法。研究表明，近距煤层开采的裂缝集中发育和地层拉、压应力集中源于煤柱引起的非均匀沉降，上部单一煤层开采后，在底板形成煤柱高应力区、低应力区和采空区中部高应力区，为避开上、下煤柱垂直应力叠加，下煤层巷道应布置在低应力区范围内。近距煤层开采的地表拉应力场和位移场与煤柱错距存在密切联系，通过合理的煤柱错距布置，可以减缓地表下沉的“波状”幅度，减轻地表拉应力和水平变形。随两煤层煤柱错距增大，覆岩裂隙场由叠合逐渐分散，对应地裂缝逐渐减小，煤柱错距对其上部的覆岩裂隙与地裂缝起控制作用。建立了应力场-位移场-裂缝场耦合控制模型，提出了煤柱错距的计算方法，可实现减轻地应力集中和地裂缝发育的耦合控制。本研究得到实测验证，并在柠条塔煤矿后续开采布置中应用。

• 西部浅埋煤层开采顶板含水层水量损失动力学过程特征

  靳德武, 周振方, 赵春虎, 冯龙飞, 许峰,

  受保护含水层水量损失的定量计算是“保水采煤”理论发展目前面临的瓶颈问题。利用覆岩破坏数值模拟方法，将陕北榆神矿区典型覆岩结构下煤层开采顶板水量损失过程划分成单一风化基岩失水和萨拉乌苏组、风化基岩复合失水模式;基于系统动力学理论，构建了2种水量损失模式动力系统模型，建立了实际疏放与无疏放状态水量损失过程之间的数学关系，求解了水量损失动力系统模型参数，确定了水量损失峰值及发生位置、水量损失动态平衡值及发生位置;通过开采扰动区水流数值模拟，计算了2种模式单位走向长度水量损失强度。结果指示:覆岩组合特征控制着煤层采动含水层动、静储量叠加释放过程，决定了工作面采动顶板水量损失模式;2种水量损失模式相比，复合模式下水量损失峰值和动态平衡值均较大;钻孔疏放水显著削减了推采过程水量损失峰值强度，改变了水量损失方式和时机，但采动过程水量损失动态平衡值及顶板水资源损失总量并未发生变化;两种模式下工作面采动，水资源损失总量以及水资源损失强度中松散层和风化基岩水占比计算结果，揭示了古近系黏土隔水层对于萨拉乌苏组潜水保护的重要意义。研究结果为“保水采煤”理论在工作面尺度含水层水量损失及保护的定量计算提供了新思路。

• 煤炭开采对相邻区域生态潜水流场扰动特征

  代革联, 薛小渊, 牛超, 许珂, 蒋泽泉, 肖乐乐, 刘美乐,

  陕北煤炭能源基地高强度开采易影响生态潜水的自然径流条件，针对自然保护区周边煤炭资源开采对地下水流场的扰动问题，以榆神矿区某井田为例，通过构建研究区煤-水空间结构水文地质模型，系统分析研究区生态潜水的赋存特征及其规律;采用物理模拟、数值模拟、现场实测等手段，综合分析煤层覆岩岩性组合结构、煤层与关键层间距、煤层厚度、煤层埋深、工作面长度等因素，利用相关分析方法提出了适合于研究区导水裂隙带高度计算的裂采比公式;根据水文地质条件和煤层采动方式，采用地下水数值分析方法，模拟了煤炭开采后萨拉乌苏组生态潜水流场变化，分析了煤层采动后生态潜水受扰动的特征。研究结果表明:区内萨拉乌苏组生态潜水含水层全区发育，其赋存受基岩面形态控制，生态潜水水位受地形、含水层厚度、地下水分水岭和地表水等影响;下伏关键隔水层(保德组红土)受沉积影响在研究区东南局部缺失，形成“天窗”导水通道;区内覆岩结构以硬-软-硬、硬-硬-软2种组合类型为主，覆岩结构类型对导水裂隙带发育高度及形态有重要作用;统计分析多个导水裂隙带发育高度结果，提出榆神矿区导水裂隙带最大裂采比为28.1倍，该数值对榆神矿区保水采煤及水害防治具有重要指导意义;通过计算发现，研究区内东南部保德组红土缺失区覆岩采动裂隙将发育至生态潜水含水层，造成生态潜水漏失与水位下降。为保护生态潜水资源，建议开采研究区东南部“天窗”部位的煤层时，必须采取相应的保水采煤技术。

• 神府矿区大型水库旁烧变岩水保水开采技术研究

  董书宁, 杨志斌, 姬中奎, 王世东, 高小伟, 江球,

  神府矿区是我国重要的煤炭生产基地和典型的高强度开采矿区，同时也是我国典型的干旱半干旱生态环境脆弱区，烧变岩水是区内的主要地下水资源之一。为研究区内烧变岩水对采煤的影响和烧变岩水的保护问题，以张家峁井田首采区首采地段5-2煤开采为例，通过对水文地质结构系统和5-2煤顶板导水裂隙带的分析，查明了研究区的水资源类型和特征，确立了5-2煤保水开采对象，划分了5-2煤保水开采分区，提出了烧变岩注浆帷幕截流保水开采新技术。研究结果表明:研究区的水资源类型主要有6类，其中仅有4-2煤烧变岩水具有保水开采意义，5-2煤开采划分为4-2煤烧变岩水无水开采区和保水限采区。5-2煤保水限采区设计的帷幕墙空间形态、帷幕线位置及数量、注浆钻孔排间距及结构合理，制定的钻探和注浆施工工序和工艺科学，实施的双位双向引流注浆、烧变岩全断面分区注浆、防渗截流效果即时检验等注浆帷幕关键技术可行。保水限采区5-2煤采煤工作面采前上覆4-2煤烧变岩水预疏放和采后工作面涌水量实测结果表明，保水限采区内4-2煤烧变岩水静储量约20000m3，动态补给量不足5m3/h，注浆帷幕截流实现了帷幕内外4-2煤烧变岩水的有效隔离，大幅减少了4-2煤烧变岩水及与其有直接水力联系的常家沟水库水的排放，水资源保护性开采效果显著。

• 生态脆弱区保水采煤矿井(区)等级类型

  李文平, 王启庆, 刘士亮, 王苏健,

  水资源保护性采煤是生态脆弱矿区可持续发展的必然选择，如何深化保水采煤研究，使之更好的付诸工程实践，是西北煤炭开发规划和建设生产亟需解决的问题。以陕北榆神矿区为例，结合浅表层水资源(保水采煤目的层)量分布和煤矿开采对浅表层水资源的影响程度两方面，研究了保水采煤矿井(区)类型。首先，分析了研究区生态-水-煤系地层空间赋存结构特征，提出了以保水采煤为目的的生态地质环境类型，将其划分为潜水沙漠滩地绿洲型、地表水沟谷河流绿洲型、地表径流(黄土)沟壑型和区域性(深埋)地下水富集型;其次，计算确定了浅表层水资源单位面积总储存量分布;然后，基于煤层开采对生态层及浅表层水的影响程度，提出了4种保水采煤环境工程地质模式(环境友好型、环境渐变恢复型、环境渐变恶化型及环境灾变型)，在分析影响其分区的导水断裂带高度、残余隔水层釆动隔水性等关键指标的基础上，建立了不同环境工程地质模式分区阈值和确定方法;最后，基于浅表层水资源量和保水采煤环境工程地质模式分布特征，提出了保水采煤矿井等级类型划分方法，将其划分为:正常开采矿井、保水采煤一级矿井、保水采煤二级矿井和保水采煤三级矿井，总结了各级保水采煤矿井适用的开采方法与水资源保护、利用方法。

• 近距煤层高效保水开采理论与方法

  马立强, 张东升, 金志远, 王烁康, 余伊河,

  地下煤炭资源开采极易导致珍贵的浅表水资源流失，从而造成地表植被死亡和生态系统失衡。为保护维系西部矿区生态环境的浅表层水(河流湖泊水和第四系砂层潜水)，尤其是为保护地下潜水(生态)水位，基于前期已取得的浅埋单一煤层保水开采理论成果和岩层控制工程经验，提出保(生态)水位和突水防治一体化的近距煤层水资源保护性采煤构想。以“高效保水采煤”为目标，针对近距煤层与极近距浅表水下开采条件，研究解决反复开采扰动区区域覆岩导水裂隙协同控制、极薄阻隔层低损伤控制，以及采掘面涌(突)水灾害监测预警等技术难题。提出长壁保水采煤方法、壁式连采连充保水采煤方法和采掘面突水红外监测辐射预警方法，实现近距煤层安全高效保水采煤,具体包括近距煤层岩层控制、采动覆岩导水裂隙带高度计算、隔水层变形计算和承载煤岩红外辐射响应等理论和特征，以及反复开采扰动区域导水裂隙控制、充填体主动接顶和“采-支-运”快速作业等技术。最终确定了保水开采薄弱区，形成基于水资源保护的浅埋近距煤层工作面优化布置、采煤方法配置与水资源运移监测的高效采煤理论与方法体系。研究成果已在陕北与华北等矿区进行了保水采煤实践，为实现我国煤炭资源的绿色化开采提供支撑。

• 孟巴矿厚松散含水层下协调保水开采模式

  余学义, 毛旭魏, 郭文彬,

  孟巴矿的地质采矿条件具有近地表松散富含水层厚、煤层顶板厚、煤层厚的“三厚”特征，开采煤层覆岩中含有多个含水层组，矿井水害是威胁矿井安全生产的主要因素。在覆岩多水体条件下，为了有效防止近地表厚松散UDT含水层进入井下，导致淹井灾害发生，提出上保下疏的开采水害防治模式。一分层安全开采的关键技术是控制复合关键层的结构稳定，应用初始后屈曲理论解析其稳定性，得出结构关键层的极限破坏长度，通过线性回归给出分层开采覆岩导水裂缝带发育高度预计计算公式，分析确定了一分层开采工作面宽度不超过150m，限高开采3m;依据对UDT含水层防护的安全煤岩柱高度确定二分层开采高度，二分层开采后覆岩结构关键层发生破坏，既能够有效疏放LDT隔水层以下含水层水，又能够保证LDT隔水层的完整性，达到UDT水体不发生下泄的目的，保障了矿井安全开采;根据工作面协调减损开采原理，确定开采分层合理错距约为82m，下分层的巷道布置在上分层开采采空区下的厚煤层分层错距协调限高开采布置模式，实现有效降低了覆岩应力的叠加效应，减轻LDT隔水层的变形破坏程度。开采结果表明:厚煤层分层协调布置开采方法，有效减轻了UDT含水层下LDT隔水层应力叠加损伤程度，保护了隔水层的完整性;一分层限高综采，二分层限高综放开采分次疏放了煤层顶板至LDT底板2个含水层组，解决了矿井排水能力较小条件下的水害防治问题;分层工作面错距协调布置开采方法，有效降低了开采边界导水裂缝带发育高度，减小了LDT变形破坏程度，同时释放了一分层区段煤柱应力，实现了覆岩整体下沉，不但有效地降低了覆岩破坏高度，而且减小了冲击矿压冲击强度，开采期间UDT水位变化幅度稳定保持在一定范围内，实现了多水体条件下上保下疏的厚煤层分层安全开采模式。

• 西南岩溶山区保水采煤地质模式

  李涛, 高颖, 艾德春, 杨军伟,

  我国西南地区煤炭储量丰富，但岩溶山区条件下石漠化十分严重，特别是煤炭开采进一步促进了石漠化进程。为协调我国西南地区煤炭开采与生态环境保护的矛盾，开展西南岩溶山区保水采煤地质模式研究。以六盘水煤田，特别是发耳矿区米箩煤矿为研究背景，基于地质调查、采掘揭露、矿井水文观测、地下水钻孔显微高速摄像观测等手段的成果，剖析了研究区生态、采煤、构造及水文条件，研究了西南岩溶山区的煤-水组合关系特征，阐释了岩溶山区煤炭开采驱动石漠化的过程;进而采用统计分析、三轴卸载实验、水-电相似模拟研究了西南地区导水裂隙带发育高度、整体下沉带内相对隔水岩体采动渗透性变化及采煤侧向渗流下生态水位响应规律。研究结果表明:西南岩溶山区煤炭开采导致生态潜水位下降促使水土流失增加，进而驱动西南岩溶山区石漠化进展，是该区保水采煤的关键。研究区煤炭开采厚度小(1~3m)，上覆基岩厚度大(800~1 000m)，导水裂隙带发育有限，导水裂隙带以上相对隔水岩层卸载后仍能有效隔水，采煤后垂向渗流微弱。但采煤沟通的基岩含水层与生态潜水存在侧向补给渗流，煤-水关系为侧向渗流型。研究区典型采矿地质条件下，煤柱留设80m可实现保水采煤，而超前注浆可减少保水煤柱留设。本研究可以为西南岩溶山区采煤规划提供借鉴。

• 覆岩破坏充分采动程度定义及判别方法

  郭文兵, 娄高中,

  随着煤层开采深度的逐年增加，非充分采动工作面越来越多。导水裂缝带高度是实现保水开采的关键参数，但非充分采动工作面开采条件下导水裂缝带高度小于充分采动工作面。为进一步研究其原因，采用理论分析、相似模拟、数值模拟等方法研究了导水裂缝带高度影响因素的敏感性及其与工作面尺寸的关系，提出了覆岩破坏充分采动程度的定义及判别方法。结果表明:工作面尺寸对导水裂缝带高度的影响仅次于开采厚度。当工作面尺寸较小时，覆岩破坏不发育;当工作面尺寸增加到一定值时，覆岩破坏仅形成垮落带;当工作面尺寸继续增加时，覆岩破坏形成裂缝带且导水裂缝带高度随着工作面尺寸的增加而增加;当导水裂缝带高度发育至最大值后，导水裂缝带高度不再随工作面尺寸的增加而增加。覆岩破坏过程中仅形成垮落带的阶段定义为覆岩破坏的极不充分采动(即覆岩极不充分破坏);覆岩破坏过程中形成裂缝带且导水裂缝带高度随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的非充分采动(即覆岩非充分破坏);导水裂缝带高度达到最大值且不再随工作面尺寸增加而增加的阶段定义为覆岩破坏的充分采动(即覆岩充分破坏)。导水裂缝带高度刚达到最大值时的工作面尺寸为工作面临界尺寸。当工作面尺寸小于工作面临界尺寸时，覆岩破坏为非充分采动;当工作面尺寸大于工作面临界尺寸时，覆岩破坏为充分采动。覆岩破坏充分采动程度的主要影响因素有工作面尺寸、开采厚度、开采深度、覆岩力学性质、覆岩结构特征和覆岩破断角。

• 干旱矿区采动顶板导水裂隙的演化规律及保水采煤意义

  徐智敏, 孙亚军, 高尚, 张成行, 毕煜, 陈忠胜, 吴江峰,

  随着我国煤炭资源开发重心的逐步西移，西部地区目前已成为我国煤炭的主产区。总体上，我国西部矿区降雨稀少、蒸发强烈，形成了该区极度干旱缺水、生态环境脆弱的基本特征。以新疆哈密煤田大南湖矿区为例，针对该区侏罗系含煤地层具有成岩时间晚、物理力学强度低、遇水易泥化崩解等特征，采用相似材料模拟、数值模拟等手段，结合邻矿现场实测对比，全面研究了该区顶板采动导水裂隙的发育与演化过程、发育高度与形态特征、渗透性演化规律以及在该区进行水资源保护性开采(保水采煤)的可行性。研究结果表明:研究区侏罗系含煤地层采动导水裂隙的发育裂采比一般在13.09~15.67，整体形态呈“梯台型”特征;采动影响范围内裂隙发育、演化以及渗透系数的演化均呈现“稳定增加-波动变化-恢复稳定”变化特征，导高影响范围内含水层的渗透系数明显增大，一般达到3~5倍;研究区主采煤层顶板具有“多含水结构下的高位隔水层”结构特征，具备了保水的基本水文地质前提条件;结合保护层的稳定性、III-1上段含水层的静储量、开发潜力以及在研究区进行保水采煤可行性的综合评价，探讨了在干旱矿区水资源保护性开采的重要意义。

• 复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响

  冯国瑞, 白锦文, 杨文博, 王善勇, 康立勋,

  近距离煤层群复合采动影响下，层间岩层中隔水层的稳定性至关重要。若层间岩层中隔水层的稳定性遭受破坏，则上覆采空区中的积水会向下方渗流扩逸，甚至瞬间涌出，威胁下部煤层的安全开采。提出了复合采动影响下层间隔水控制层的基本概念，运用损伤力学的基础理论构建了复合采动影响下层间岩体损伤参量D的计算模型，分别研究了损伤参量D与层间岩体抗压强度及破坏范围之间的关系，分析了不同条件下复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响。研究结果表明:① 层间隔水控制层是指复合采动影响下层间岩体中不发生破断失稳且能起到阻隔上方采空区积水向下渗流扩逸的控制岩层。② 损伤参量D可以用来衡量复合采动影响下层间岩体的损伤破坏程度。③ 层间岩体抗压强度RD与损伤参量D的关系为:随着损伤参量D的增大，层间岩体的抗压强度RD表现出线性递减的变化趋势，其折减系数为1-D。④ 层间岩体破坏范围与损伤参量D的关系为:层间岩体的最大破坏深度/高度Hmax及其距工作面端部的距离Lmax均随着损伤参量D的增大而增加;D越大，Hmax和Lmax的增幅也越大。⑤ 层间隔水控制层的稳定性与复合采动产生的叠加损伤密切相关;通过综合考量上下煤层多重开采后层间岩体的损伤破坏范围与隔水控制层的层位关系，全面分析了6种不同条件下层间隔水控制层的稳定性，并给出了合理有效的控制措施，来减轻上覆采空区积水对下部煤层开采的威胁，并保障安全生产。复合采动损伤对层间隔水控制层稳定性的影响研究可以为积水采空区下伏煤层的安全开采提供理论指导。

• 高强度开采覆岩岩性及其裂隙特征

  杨达明, 郭文兵, 谭毅, 王玉喜, 马晓川, 李壮,

  为分析高强度开采工作面覆岩岩性及其裂隙特征，以高家梁煤矿20313工作面为研究对象，分析了工作面顶板含水层赋存情况，通过试验获取了砂质泥岩顶板细观结构和矿物组分及物理力学性质，采用相似模拟试验、理论分析、CAN-II大地电磁探测仪和现场调查综合分析了工作面开采后的覆岩破坏情况。结果表明:工作面顶板砂质泥岩随着与煤层距离的增大，颗粒间接触逐渐由点-点、点-面接触转变为线-面、面-面接触，且颗粒体积有增大趋势;由煤层至地表，抗拉(压)强度减小，断裂后接触面积更大，且遇水后颗粒体积膨胀，挤压颗粒间的孔隙，孔隙通道减小，降低宏观通水性;覆岩及地表裂缝以张开、闭合、压实的过程重复向前发展，虽然覆岩含水层及隔水层产生了破坏，但裂隙宽度较小，地表没有出现明显的塌陷裂隙;工作面开采后覆岩内会形成稳定的压力拱结构，覆岩破坏不会与地表裂隙贯通，地表潜水不会直接与井下工作面贯通。采动后工作面断层上盘侧岩层整体上破坏更严重;在断层下盘侧，虽然采动后CAN型综合值云图内出现了较多环状闭合曲线，但仍有平滑层状曲线包裹，说明采动覆岩的连续性分布较好，岩层内裂隙发育程度低;20313工作面开采后地表多以细小拉伸或挤压裂缝为主，裂缝数量较少，基本上所有裂缝经历了“张开-扩展-闭合”完整发育过程，裂缝发育周期最长的为15d，最短为7d;裂缝宽度最大为6.3cm，台阶落差最大为8.7cm，地表植被生长及分布情况与开采前基本一样，说明工作面开采的安全性及地表生态基本不受影响。高强度开采覆岩裂隙发育特征得到了大量理论与试验研究，物探法是开展覆岩裂隙现场探测最方便、快捷的手段，提高物探仪器对覆岩裂隙探测的敏感度及物探结果解释的准确度是物探法探测覆岩破坏得以推广的技术前提。

• 毛乌素沙漠区广域适应型保水安全厚度计算及开采影响分区评价

  贺晓浪, 夏玉成, 丁湘, 孙学阳,

  毛乌素沙漠区多个近地表含水层支撑着区域生态环境、生产和生活，开展保水采煤研究势在必行。而“保水安全厚度”计算作为保水采煤研究的核心内容，由于各近地含水层的性质以及所处垂向位置的差异，导致了针对毛乌素沙漠区的保水安全厚度计算方法适用范围有限、缺乏统一性。通过分析毛乌素沙漠区内含隔水层在垂向和平面上的展布特征、水文地质性质，结合不同区域内的工程地质条件和开采方法，探讨了保水安全厚度的定义。将煤层之上地层划分为目标保护层、预测导水段(导水裂隙带发育段)和等效保水段(由有效黏土隔水层和基岩层组成的保水段)。利用水均衡法分析了黏土隔水层与基岩层间的保水性能关系，通过“保水比例系数”形成了黏土隔水层与基岩层间统一的等效保水段计算方法。建立了具有能够适用毛乌素沙漠区内“沙-基(岩)型开采区”、“沙-土-基(岩)型开采区”、“沙-土-洛(洛河组含水层)-基型开采区”、“烧变岩型开采区”等主要不同地质条件的保水安全厚度计算模型。根据导水裂隙带的发育高度与黏土隔水层、基岩层间的导通特征以及煤水间距与保水安全厚度的大小关系，制定了煤层开采影响的自然保水区、一般失水区和严重失水区的分区标准。并以榆神矿区小保当煤矿为例，应用建立的统一模型确定了小保当井田内砂-基型和砂-土-基型开采区内的保水安全厚度，并据此评价了煤层开采对潜水含水层的影响。所建立的保水安全开采厚度计算模型以及开采分区评价标准具有良好的适应性，也为保水采煤研究中有关保水安全厚度的计算和煤层开采对上覆含水层的影响评价提供了新思路。

• 深埋煤层开采顶板基岩含水层渗流规律及保水技术

  郭小铭, 董书宁,

  我国西部黄陇煤田降雨量少、蒸发强烈，属于干旱半干旱地区，做好煤炭开采过程中对含水层的保护工作极为重要。为研究适用于黄陇煤田深埋煤层开采顶板洛河组砂岩含水层的保水技术，以彬长矿区为研究区，采用砂岩孔隙度测试，结合非线性回归分析方法，研究洛河组地层不同深度砂岩渗透性变化;开展水化学测试，分析非均质洛河组含水层垂向水化学场特征;结合地面和井下水文地质探查，进一步定量化研究洛河组含水介质的非均质性。在查明洛河组含水地层非均质性的基础上，建立含水层下段受裂隙带波及条件下地下水渗流数值模型，研究基岩含水层局部受裂隙带影响条件下的渗流规律。根据渗流规律研究深埋煤层开采顶板基岩含水层保水开采技术，结合彬长矿区工作面开采实际揭露水位变化情况对其进行验证。研究表明，洛河组含水层渗透性随地层深度的增加而呈负指数降低，随着埋深增大含水层水化学类型由HCO3-Ca型转化为SO4-Na型，同时上段的单位涌水量约为下段的7倍，可知洛河组含水层上、下段地下水渗流条件不同，垂向非均质性较强。工作面开采裂隙带仅波及含水层下部时，含水层仅受波及层和相邻层的水位下降明显，上部未受到波及段水位降深有限，整个含水层不会出现水位统一下降的现象，而是呈现出不同层位水位降深差不同的差异性渗流规律。鉴于此，提出利用含水层非均质性特征，以控制含水层上段水位降深为核心，允许导高适当波及含水层下段的“控水开采”技术，有助于缓解深埋煤层采煤与保水的矛盾。通过彬长矿区胡家河煤矿现场应用表明，洛河组含水层实际渗流特征符合本次研究成果，控水开采技术可实现洛河组砂岩含水层保水开采的目的。

• 榆神府矿区含水层富水特征及保水采煤途径

  侯恩科, 车晓阳, 冯洁, 段中会, 高利军, 李军,

  榆神府矿区地处毛乌素沙漠与黄土高原的接壤地带，生态环境脆弱，水资源匮乏，区内各主要含水层分布与富水性不均，含水层富水性及矿井涌水对煤矿生产影响差异较大，因此矿井水资源的综合利用与含水层的有效保护对煤矿生产与地区生态建设意义重大。通过分析萨拉乌苏组、烧变岩、风化基岩层等各主要含水层的形成、分布及富水特征，结合矿井首采煤层上覆基岩厚度与矿井目前涌水量情况，将区内生产矿井及待规划区域从“水资源保护与矿井水利用”角度划分为水量贫乏型、水量较丰富型、水量丰富型及地表水体型4种类型，并根据不同类型的分布特征进行了分区。在此基础上，针对不同的水资源保护与矿井水利用类型，分别提出了采空区存储净化、工业利用、农业灌溉、湿地建设和人工湖泊等具体的水资源保护与矿井水利用途径和措施。讨论了“保水采煤”的科学内涵，认为“保水采煤”的基本措施应当包括保护浅部主要含水层和矿井水资源利用两部分，即将“保水”与“用水”相结合，拓展了“保水采煤”的科学含义;建议在矿井规划时，应综合考虑开采损害影响与环境自身修复能力，在满足能源开采经济利益的同时，保证生态环境不发生质的破坏;提出了利用经济效益“反哺”当地生态和“绿色经济”建设的一点猜想，为矿区未来的规划建设提供了一定的参考意义。

• 结构充填“保水-储水”采煤顶板稳定性分析

  杜献杰, 冯国瑞, 戚庭野, 郭育霞, 王泽华, 张玉江, 李振, 白锦文,

  在结构充填开采基本思想的指导下，根据我国西北干旱半干旱地区保水采煤与矿区水资源安全高效存储的实际需求，充分发挥条带式结构充填保护含水层结构与煤矿地下空间再利用的优势，提出条带式结构充填“保水-储水”采煤构想。在分析了条带式结构充填覆岩结构特征基础上，采用弹性地基上的有限长梁模型对“充填条带-直接顶”整体结构进行了力学分析，并结合初始参数法分段解析了直接顶变形方程。同时根据“保水-储水”的功能要求，提出了条带式结构充填“保水-储水”采煤的直接顶控制原则。根据新阳矿区工程地质条件和充填材料性能，通过理论计算得到条带式结构充填的临界充填率为51%，最大充填间距为11.46m。通过FLAC3D数值模拟对新阳矿区条带式结构充填“保水-储水”方案进行了优化设计，结果表明:在保持充填率基本不变的情况下，随着充填间距的减小，直接顶自承载能力逐渐增强，可形成“充填条带-直接顶”结构控制体系，对上覆岩层的控制作用明显提升;充填间距的减小缓解了充填体和直接顶内的应力集中现象，显著减小了充填条带和直接顶内的塑性区范围，有利于充填条带和直接顶的长期稳定，进而实现条带式结构充填“保水-储水”的目的;综合分析得到了新阳矿区条带式结构充填“保水-储水”采煤的最佳充填方案为间隔2m充填2m。

• 基于保水采煤理念的地质环境承载力研究

  孙魁, 范立民, 夏玉成, 李成, 陈建平, 仵拨云, 彭捷,

  我国西部生态脆弱区采煤引起的水资源破坏和地质环境变化，已经严重制约了矿区经济、社会、环境的可持续发展。通过梳理保水采煤、煤矿区地质环境承载力的研究进展，结合目前西部富煤缺水地区的地质环境现状，提出了基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路和框架。分析认为:基于保水采煤理念的地质环境承载力研究，应将保水采煤理念与地质环境承载力理论有机融合，系统分析“采煤活动—水资源破坏—地质环境效应”作用机理，从寻求煤炭开采、水资源保护、地表生态环境保护3者之间的最优解中阐述内涵。地质环境承载力评价方法研究，可采用属性分析、生态需求分析、数值分析、突变理论等方法，重点研究评价指标的量化方法、综合评价方法、承载能力及承载状态等级划分方法。对于承载能力的计算，可采用模拟实验，取得典型煤矿区承载能力下地质环境与开采强度临界值的关系数据，进而提取出控制和减轻煤矿区地质环境问题的保水采煤技术方法，确定合理的开采强度和规模。在承载力评价和计算的基础上，提出地质环境承载力影响因素的协同监测技术方法，并给出了承载力预警等级判定标准。所提出的基于保水采煤理念的地质环境承载力内涵及基本研究思路，以期丰富和发展保水采煤及地质环境承载力的科学内涵，为西部生态环境脆弱区煤炭资源开发与水资源保护协调发展提供理论与技术支持。

• 榆神矿区地下水和干旱指数对植被耗水的联合影响

  王强民, 靳德武, 王文科, 刘基, 杨建, 赵春虎, 董兴玲, 尚宏波,

  为研究干旱矿区地下水位下降和气侯变化对典型植被耗水的联合，选择榆神矿区优势植被沙柳为研究对象，以干旱指数表征气候变化，在野外调查、室内测试及原位试验的基础上，采用有限元算法分析不同地下水位埋深和干旱指数组合条件下的植被耗水特征。研究结果表明:植被生长受干旱指数和地下水位埋深的双重影响，当地下水埋深为1.0~2.0 m处，植被耗水主要受地下水控制;地下位水埋深为2.0~2.5 m时，植被耗水受地下水和干旱指数的双重影响;地下水位埋深大于2.5 m时，植被耗水主要受干旱指数影响;单指数模型可以很好的拟合地下水埋深和植被实际蒸腾量(Ta)与潜在蒸腾量(Tp)比值(Ta/Tp)的关系曲线，其相关系数高达0.99，利用单指数模型和Ta/Tp的比值可以反求出枯水年、平水年和丰水年条件下的植被生态临界地下水位，不同水文年的植被生态临界水位有差异性，认为当地下水位埋深大于1.24 m(平均)，植被生长受到水分胁迫，当地下水位埋深大于2.06 m(平均)，植被出现退化现象;同时，采煤引起地下水位下降对植被生态的影响是有限的，只有当采前地下水位埋深为1.0~2.5 m时，地下水位下降才会引发植被生态退化;当采前地下水位埋深大于2.5 m时，采煤引起地下水位下降基本对沙柳的生长不产生影响，此时植被生态退化主要受气候变化影响。目前，榆神矿区采前地下水位埋深普遍大于2.5 m，影响矿区生态环境的主要控制因素是气候变化(降水量)，考虑到近年来榆神矿区降水量有增大趋势，因此出现“虽然地下水位明显下降，但是生态环境局部转好”的现象。

• 洛河组含水层垂向差异性研究及其保水采煤意义

  李超峰, 虎维岳, 刘英锋,

  为查明彬长矿区白垩系洛河组地层的水文地质条件，从保水采煤角度提出了洛河组精细化勘探概念，给出了可用于承压含水层垂向富水性评价的综合富水性指数法，依据垂向富水性变化规律对洛河组进行分层，并研究洛河组垂向水文地质条件与特征、自然状态和采煤扰动时洛河组垂向各含水层段之间的水力联系、以及洛河组下段存在的保水采煤意义等。给出了富水性指数计算方法:对地层岩性、厚度、孔隙度3个指标分别赋值、分别赋权重为0.3，0.4，0.3，之后将赋值与权重累积得到单个含水层段的富水性指数(fi)，利用Fi=0.5fi+0.15fi－1+0.1fi－2+0.15fi+1+0.1fi+2计算各地层的综合富水性指数。给出了洛河组含水层垂向富水性分级标准:F<0.003 289为隔水层，0.003 289≤F<0.012 339为弱富水，0.012 339≤F<0.015 504为中等富水，F≥0.015 504为强富水。依据综合富水性指数将高家堡井田T1，T2钻孔洛河组垂向上划分为上、中、下3段。研究结果表明:① 采用综合富水性指数法可以对承压含水层垂向富水性进行精细化评价，可操作性强;② 局部地区洛河组内部发育有泥岩地层，但尚未构成区域上的隔水层;③ 洛河组下段地层既可以减缓和阻止煤层顶板导水裂隙带继续向上发育防止对具有供水意义的中上段地层结构的破坏，又可以阻隔中上段含水层水进入矿井，对保水采煤有利;④ 高家堡矿井首采面回采期间洛河组中上段地下水位下降26.71~43.06 m。通过含水层水量、水位、水质等指标分析，采用控制煤层采高等技术实现了对洛河组含水层结构保护条件下的深埋煤层开采。

• 侏罗系弱胶结砂岩孔隙介质特征及其保水采煤意义

  刘钦, 孙亚军, 徐智敏, 等,

  我国新疆哈密矿区降雨量少、蒸发强烈，属于严重干旱地区，研究区高强度的煤炭资源开采对主要储水含水层的保护极为重要。由于特殊的成岩环境及地下水赋存运移条件，侏罗系弱胶结砂岩为复杂的非常规含水岩系，给研究区煤矿防治水带来了诸多水文地质问题。本文以新疆哈密矿区侏罗系弱胶结砂岩为研究对象，通过渗流实验、实验室测试、理论分析研究弱胶结砂岩微观孔隙结构演变规律。研究表明，弱胶结砂岩属高孔隙度岩石，具有大孔孔喉及中孔孔喉分布频率高的结构特征和强富水性，渗流实验过程中有大量乳白色悬浮物渗出。水相渗流作用下的弱胶结砂岩样出现渗透性突变增大的现象，其孔隙度有明显增大的趋势。通过水质分析及岩矿鉴定分析手段得出可溶盐溶出对渗流实验前后的孔隙度增加贡献率为45.80%～82.28%，悬浮物渗出量计算对孔隙度增大贡献率为14.78%～54.20%，可溶盐及高岭石的溶(渗)出是砂岩渗透性增强的主要因素。鉴于此，提出了有关孔隙结构储水空间变异性以及渗透突变性的保水采煤理念，弱胶结砂岩含水层水体下保水采煤应当遵循“保护性开采、避免大规模扰动”的思路。研究成果对西部地区弱胶结砂岩含水层的开发利用与保护有重要意义，同时可为西部地区受侏罗系弱胶结砂岩水害影响的矿井保水采煤技术的研究提供借鉴。

• 西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征

  孙利辉, 纪洪广, 杨本生,

  西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法，研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律，选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据，分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区，岩石成岩不充分，岩石强度普遍偏低，具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩，胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关，随埋深增加呈线性递增，岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性，循环次数越多，崩解后的粒径越小越均匀，弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。

• 水沙混合物裂隙渗流特性分析

  刘玉, 韩雨, 张强, 李猛, 王志飞,

  水沙在裂隙或破碎岩石中的渗透特性具有复杂性，研究水沙裂隙渗流特性对于揭示突水溃沙机理具有重要意义。利用自制的水沙裂隙渗流试验仪器，通过改变沙粒径、浓度等因素进行水沙渗透试验，获得水沙在裂隙中流动的滞后性特征。通过水沙裂隙渗流试验，得到了岩石裂隙中水沙渗流速度-压力梯度滞环曲线，分析了滞环曲线的特征，简单解释了滞后现象的原因。得到其渗透压力梯度与渗流速度在一个循环周期内形成了一条封闭滞后曲线，根据曲线的是否有交叉和往返曲线的距离分为4种变化类型;随沙粒径和沙浓度增大，曲线由I型向IV型转化。滞后性指标用最大滞后量Gp和滞环面积S描述，随沙粒径和浓度增大，这两者均呈增大趋势，但增幅并不同步。进一步，利用ANSYS Fluent软件进行水沙裂隙渗流场的数值模拟，获得了在不同因素影响下渗流场的变化规律。数值模拟结果表明，粗糙裂隙流场物理量随时间波动;粗糙裂隙中水沙流动受壁面约束作用，表现出流场物理量空间分布的随机性。模拟结果显示裂隙中水沙渗流场不稳定，渗流场的压力损失与沙粒径呈反向变化。裂隙横截面上水沙流体时均速度和湍动能分布受沙粒径和沙体积浓度影响很大，表现为极值点的位置偏移。此研究可以为进一步研究浅埋煤层突水提供参考。

• 干燥-饱和循环作用下砂质泥岩抗剪性能劣化试验研究

  汤传金, 姚强岭, 王伟男, 王烜辉,

  西部生态脆弱矿区煤炭开采过程中的地下水资源保护与利用是实现该区域煤炭绿色开采的前提和必要条件。其中，保水开采与地下水库技术的广泛应用为解决煤水共采问题提供可能。本文以煤矿地下水库煤岩边界在水反复浸入条件下稳定性变化为研究背景，以神东矿区乌兰木伦矿3-1号煤层顶板砂质泥岩为研究对象，通过无损浸水试验获得试样的自然吸水性规律，获得试样含水率到达饱和状态的浸水时间。根据浸水时间，对试样进行干燥-饱和反复浸水，得到不同循环浸水试样含水率随浸水次数呈指数增加关系，而试样抗剪强度和浸水次数呈指数降低关系。黏聚力随浸水次数的增加呈下降趋势，而内摩擦角先增加后减小，表明材料的均一性以及破裂面的形态及裂隙发育的形态、尺寸、方向变化造成了内摩擦角增加,而后期循环浸水占主导因素，表现为内摩擦角减小。根据黏聚力、内摩擦角与干燥-饱和循环次数的关系，建立了基于干燥-饱和循环次数的Mohr-Coulomb准则。声发射计数曲线与剪应力曲线有较强的对应性，在试样破坏时刻声发射事件明显增加，对应声发射累计计数曲线的明显上升阶段。试样在破坏过程中以低RA值为主，破坏时刻对应高RA值，即试样破坏过程中的基础裂隙类型是张拉裂隙，破坏时刻对应明显的剪切裂隙。研究结果表明，地下水库边界煤岩柱在地下水库蓄水-抽水过程中，在浸水-失水作用下其强度发生显著变化，建议在构建地下水库时应考虑水作用引起的边界煤岩柱强度弱化作用。

• 煤矿地下水库煤柱坝体宽度设计

  姚强岭, 郝琪, 陈翔宇, 周保精, 方杰,

  地下水库储水技术已成为西部矿区实现煤炭高效开采与水资源保护并重的重要途径之一，而煤柱坝体的稳定性是地下水库设计中极其重要的部分，对地下水库稳定性起决定性作用。煤柱坝体既要保证煤炭安全开采，也要保障地下水库安全运行。地下水库煤柱坝体的稳定不仅与埋深、采动应力、地质构造等工程地质条件有关，也与水作用下的弱化作用密切相关。为研究煤矿地下水库煤柱坝体在水作用下强度弱化规律，选取西部矿区麻地梁矿5煤为研究对象，开展煤样无损浸水试验和不同含水率及反复浸水条件下单轴压缩试验。研究得到:不同含水率的煤样在0~20 h内，含水率快速增长;20 h之后，含水率增长变缓，在20~70 h，含水率慢速增长;在70~140 h，煤样含水率增长接近稳定;煤样含水率随着浸水时间的增加而增加，但增幅逐渐减少，最终趋于稳定;随着含水率(浸水次数)的增多，煤样单轴抗压强度逐渐降低，峰值应变逐渐增大，弹性模量逐渐降低。相较于干燥煤样，初次饱水煤样、浸水3次煤样单轴抗压强度分别降低了27.1%，50.0%，弹性模量分别降低34.6%，58.5%。结合实验室试验结果，运用弹塑性力学理论探讨了煤柱坝体在不同含水率下破坏区、塑性区宽度，开展了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度设计研究，并结合麻地梁矿的工程地质条件，对其地下水库坝体的宽度进行了设计。同时，进一步分析了煤柱坝体宽度的影响因素，得到含水率、埋深、煤层采厚均对煤柱坝体宽度有很大影响。

• 有机氮和“三氮”在西部煤矿区地下水库迁移转化的实验研究

  张庆, 罗绍河, 赵丽, 王世东, 田云飞, 张垒, 孟嘉馨, 张智吉,

  基于浅埋深、薄基岩、厚煤层的赋存条件，在我国西部煤矿区往往排出富含有机氮和无机氮(硝酸盐氮、亚硝酸盐氮或氨氮)的矿井水，如果不经过处理就直接排放，会给生态环境带来严重危害。作为实现保水采煤、生态保护的措施之一，地下水库技术已在我国多个西部生态脆弱煤矿区得到了实施，然而有关水质保障及安全运行的研究报道甚少。研究通过矸石柱模拟补连塔矿地下水库的水文地质环境，结合水中TN、“三氮”等理化指标的测试，开展了矿井水中有机氮和“三氮”的迁移转化规律研究。研究结果表明:渗流流量均值0.51 mL/min、1 016 h(12.54个孔隙体积数PV)内，在模拟的水-岩间的缺氧环境中，同时存在有机氮的矿化作用、亚硝酸盐及硝酸盐的反硝化作用。在实验初期的1.19～2.47 PV，有机氮浓度快速下降，而氨氮浓度快速上升，这说明试验初期有机氮的氨化作用较强。之后有机氮的矿化作用逐渐减弱，导致水中氨氮含量逐渐减小并趋于稳定。在矿井水C/N为2.32～3.08的条件下，较强的还原作用导致亚硝酸盐的去除率在99.9%以上、硝酸盐的去除效率在74%～90%。矿井水TN的去除效率在57%～71%，由于淋滤用液硝酸盐含量较低，因此TN的去除主要与亚硝酸盐的减少有关。有机物降解过程低分子量有机酸的生成使得水中H+含量升高、淋出液pH值始终低于淋滤用液。研究结果可为地下水库技术的有效实施提供水质保障和安全运行方面的借鉴。

• 特厚煤层卸压综放开采技术原理的实验研究

  王家臣, 吕华永, 王兆会, 张锦旺,

  我国西部地区发现存有大量20 m以上特厚煤层，大部分无法实现露天开采，国内外均没有成熟的理论与技术可以借鉴，为了实现20 m以上特厚煤层的安全高效开采，创造性地提出了特厚煤层卸压综放开采技术。采用60∶1的大比例相似模拟试验方法，研究20 m以上特厚煤层卸压综放开采顶煤垮落破碎的块体分布特征、顶煤位移场分布特征、支架阻力及其对顶煤垮落破碎的影响等。结果表明:当卸压工作面推进75 cm时，500 cm3以内的顶煤块体较密集，块体比例约为94%，块体数量约为860个;当卸压工作面推进135 cm时，体积为500 cm3以内的顶煤块体所占累计比例约为96%，块体数量约为1 700个，与卸压工作面推进75 cm时相比，块体比例增加了2%，块体数量增加了840个;当综放工作面推进17 cm时，累计体积达到500 cm3时几乎包含全部顶煤块体，块体比例约为99.9%，块体数量约为4 810个，与卸压工作面推进135 cm时相比，块体比例增加了3.9%，块体数量增加了3 110个，二次破碎效果显著，能保证顶煤的顺利放出。卸压开采阶段上位顶煤位移>中位顶煤位移>下位顶煤位移。二次综放阶段下位顶煤位移最大，垮落破碎程度最好。由于支架的支撑作用，下位顶煤中产生多条明显的竖直裂隙，受支架影响的顶煤厚度约为10 cm，支架的反复支撑作用明显促进了顶煤的破碎效果。

• 基于数字钻探的岩石c-φ参数测试方法

  王琦, 秦乾, 许硕, 江贝, 许硕,

  岩石黏聚力c和内摩擦角φ(以下简称c-φ参数)的准确测试是进行地下工程支护设计优化及信息化施工的基础。传统的岩石室内试验方法测试步骤繁琐，周期长、成本高，无法进行原位测定。数字钻探技术为现场准确测定岩石力学参数提供了新的途径，实现该技术的关键在于建立随钻参数与岩石c-φ参数间的定量关系。基于此，本文根据岩石切削破碎特征，建立了一种不预设破坏面的岩石切削力学模型，弥补了现有岩石切削力学模型将破坏面假设为平面，从而与岩石受切削时实际的破坏面特征存在差异的不足。基于滑移线理论推导了岩石极限切削力，得到了随钻参数DP(Drilling Parameters)与岩石c-φ参数关系式(DP-cφ关系式)。将利用自主研发的岩体数字钻探测试系统开展室内试验所得到的随钻参数与理论计算得到的结果进行对比分析，两者平均差异率为8.44%，验证了所建立的岩石切削力学模型和DP-cφ关系式的合理性和正确性。在此基础上，提出了岩石c-φ参数数字钻探测定方法，并通过室内试验进行了该方法与传统三轴试验方法测定结果的对比分析，结果表明:两种方法得到的岩石黏聚力和内摩擦角平均差异率均小于10%，证明了本文所提出的数字钻探测定方法的有效性和可行性。该方法实施方便、快捷，可实现现场工程岩体c-φ参数的原位测定。

• 不同围压下花岗岩破裂机制及形状效应的离散元研究

  黄锋, 李天勇, 高啸也, 杨翔, 林志,

  在花岗岩地层中开挖隧道时会引起围岩的变形破坏，多表现为岩爆、板裂、塌方等形式，通过室内单轴和三轴压缩试验能得到花岗岩的宏观力学参数及其渐进破坏机制。室内岩石试验可以从宏观角度分析花岗岩的破坏本质，而通过PFC2D离散元软件模拟室内单轴及三轴试验，则可以从微观方向研究分析花岗岩的破坏过程。本文以港珠澳大桥连接线南湾隧道工程为背景，综合采用室内岩石力学试验和离散元数值模拟方法，从宏观、微观两种角度对不同围压条件下花岗岩的宏细观力学参数、破裂机制及其形状效应进行了对比分析，全面的研究分析了花岗岩的变形破坏本质。研究结果表明：① 数值模拟与室内试验所得的结果，无论是宏观力学参数还是最终破坏形态均较为接近；随着围压的增大，岩石的峰值强度增加、弹性模量基本不变；随着试件长径比L/D增大，岩石峰值强度减小、弹性模量增大。② 采用基于相对轴向应变和单位面积裂隙数量的统计方法，能更加合理分析岩石微观渐进破裂机制；随着试件长径比L/D增大，岩石最终破坏形态逐渐从张拉破坏转变为剪切破坏；当L/D=1.0时单位面积内最终裂纹数量最大，当L/D=2.0时剪切裂纹所占比例最大。③ 随着岩石试件长径比L/D的增大，其峰值强度有所减小且受围压影响明显，弹性模量也明显的增大但与围压的关系不显著。④ 通过分析裂隙数量与应变关系可知，在不同围压条件下，岩石内部裂隙数量随着轴向变形的增加呈现“S”型曲线增长，当轴向变形接近峰值应变时裂隙出现突变增长，且仅当围压较小时最终裂隙数量趋于收敛。⑤ 随着试件长径比L/D的增大，岩石破坏时单位面积内裂隙数量逐渐减少，且减小速度增快。总的来说，岩石试样的形状改变对花岗岩的整体峰值强度和弹性模量有着明显的影响，因此，室内试验中应合理设计岩石试样的形状，以获取准确的岩石强度和力学参数。

• 软弱基底内排土场支挡煤柱的力学效应

  王东, 李广贺, 曹兰柱, 白润才, 宋子岭,

  留设支档煤柱是提高软弱基底内排土场稳定性的重要手段之一。为了解决软弱基底内排土场支挡煤柱形态参数设计难题，实现矿山安全生产和经济效益兼顾，本文对软弱基底内排土场支挡煤柱的力学效应及形态设计方法进行研究。在构建软弱基底内排土场支挡煤柱力学模型的基础上，进行三维受力状态分析，将支挡煤柱视为在内排土场静止土压力及底界面剪切力双重作用下的固定梁，以摩尔库伦准则作为失稳判据，推导获得了煤柱三维支挡效应的表达式；基于对煤柱三维支挡效应的力学成因类型及影响因素的认识，提出了煤柱支挡效应的二维等效方法，推导了底界面等效粘聚力cd与等效内摩擦角φd的表达式，从理论上揭示了支挡煤柱形态参数对支挡效应的影响。将该方法在胜利东二露天煤矿内排土场支档煤柱设计中进行了应用，并采用数值模拟方法进行验证。研究结果表明: 煤柱底界面的等效粘聚力cd及等效内摩擦系数tanφd与其顶宽a、下底角β,ω均呈正相关反比例函数关系，与高度H呈正相关倒差函数关系，与长度d呈负相关反比例函数关系；胜利东二露天煤矿内排土场边坡稳定系数Fs随支档煤柱顶宽a增加而增加，与煤柱高度H呈线性递增关系；煤柱的最佳尺寸为高度H=28m，顶宽a=43m，与传统的二维分析结果相比，可多才出原煤75 600m3，经济效益显著。成果可用于优化设计软弱基底内排土场支挡煤柱形态参数，弥补采用传统方法设计造成的煤炭损失过大的不足，实现经济效益最大化。

• 深部煤体采动应力下双曲函数型渗透率模型

  王路军, 周宏伟, 荣腾龙, 任伟光,

  深部资源开采中，采动应力下煤体渗透率演化规律成为煤炭开采理论研究的热点之一。通过对煤体常规三轴渗流实验和采动应力路径下渗流实验对比分析，发现深部含瓦斯煤体在采动应力路径下其渗透率-体积应变异于常规三轴渗透实验。煤体常规三轴实验主要以三向应力加载为路径，而煤体在不断采出过程中其应力路径主要表现为特定方向加载其他方向卸荷的过程，可凝练为加轴压卸围压的应力路径，而应力-应变分析的起始点为静水压力状态，这必然引起煤体力学物理性质异于三向加载条件的行为。在采动应力条件下的渗透率-体应变空间内，以煤体体应变扩容点为界，当体应变达到扩容点后，随着体应变从压缩变形转换为膨胀变形，渗透率呈现出降低、稳态、增加的过程。为了定量地描述深部煤体渗透率在采动破坏或流变失稳过程中先减小后增大的行为，基于在体积应变空间内真实渗透网络是所有可能渗透网络中最优演化形式的假设，建立以渗透率、体积应变为变量的泛函关系，从而得出由体积应变表示的渗透率表达式。考虑深部煤体流变过程，将分数阶微积分理论推导的煤体体积蠕变方程代入渗透率函数中，得出以轴向应变为自变量的渗透率表达式。根据已有的实验数据对渗透率模型进行验证，结果表明:基于最优渗透网络得出的渗透率模型能很好地描述煤体渗透率在破坏过程中的演化规律，同时也可拟合流变过程中渗透率的变化趋势。

• 孔隙结构对褐煤干燥动力学的影响

  曲啸洋, 李鹏, 周国莉, 张磊, 刘盼, 张婕,

  研究了胜利和昭通褐煤在低温（60～140 ℃）干燥过程中孔隙结构的演变，计算了2种不同结构褐煤脱水过程的有效水分扩散系数（Deff），讨论了褐煤孔隙结构参数和水分扩散特性参数的关系。结果表明，胜利褐煤的孔隙结构以开放的圆柱形孔隙、平行壁状狭缝孔和尖劈型毛细孔为主；而昭通褐煤以一端封闭的不透气性孔为主。随着干燥时间增加，2种褐煤比表面积均减小，平均孔径变化趋势与孔容变化相反。随着干燥温度升高，2种褐煤比表面积、孔容、平均孔径均增大，平均孔径变化趋势与孔容变化相同。关联动力学参数表明，煤样的孔容比及比表面积都与Deff有较好关联度，2种褐煤的孔容比与比表面积呈正相关；水分扩散系数更是与比表面积呈线性关系。胜利褐煤在孔径小于7 nm时孔容比随温度的升高而增大；而孔径区间介于7~10nm的孔容比随温度的升高而减小。昭通褐煤在孔径小于10nm的孔容比随温度的升高而增大；而孔径区间介于10~20 nm的孔容比随温度的升高而减小。2种褐煤的Deff均受微孔及较小孔径的中孔控制。同时，计算得出低温干燥过程胜利褐煤的活化能（16.95 kJ/mol）低于昭通褐煤（21.84 kJ/mol），这说明相同条件下胜利褐煤脱水所克服的能垒更低。这项研究对干燥装置的开发设计和工艺参数的优化具有重要的参考价值。

• 中低温煤焦油化学组成及结构的分子水平表征

  毛学锋, 李军芳, 钟金龙, 史权, 颜丙峰, 刘敏,

  以内蒙褐煤提质装置生产的中低温煤焦油为原料，研究建立了中低温煤焦油自身结构-组成-性质的分子水平表征方法，从宏观水平描述了中低温煤焦油的物理化学性质，在分子层次上详细研究了中低温煤焦油及其不同馏程、不同性质亚组分的化学组成。首先将中低温煤焦油全馏分进行实沸点蒸馏分离为16个窄馏分并进行性质分析，其次对＞180 ℃重质馏分通过酸碱萃取分离出酸性组分、碱性组分和中性组分，并且中性组分在萃取色谱装置上分离获取6个特征亚组分;利用GC/MS分析了其全馏分、窄馏分及各亚组分的分子结构特征。结果表明，该煤焦油全馏分的水含量为28%，20 ℃时密度1 003.7 kg/m3，氧含量为7.4%，＜180 ℃馏分含量为14.24%，＜360 ℃馏分含量为63.4%，属一种典型的中低温煤焦油。中低温煤焦油的<180 ℃轻质馏分的分子组成以苯、甲苯和二甲苯为主，含有部分小分子烷烃和烯烃。在＞180 ℃重质馏分中，其酸性组分占27.6%，碱性组分占2.46%，中性组分占69.94%。中性组分中饱和分为33.60%，芳香分为38.70%，胶质占为25.10%，沥青质为2.60%。且中间馏分和重质馏分中含有大量酚类化合物，其分子结构类型以芳烃为主，同时存在长链正构烷烃。中低温煤焦油中含有大量含氧化合物，主要是酚类化合物，以烷基苯酚类为主，在160~280 ℃相对丰度较高，少部分以酮类化合物存在。

• 基于应力-强度干涉理论的采煤机截割部关键零件可靠性分析

  刘旭南, 赵丽娟, 黄凯, 罗贵恒,

  随着中厚煤层不断开采完毕，薄煤层开采比重将不断加大，其安全、高效开采日显重要，但由于开采空间有限、条件恶劣，采煤机易出现设计结构不合理、工作状态不稳定、可靠性差等问题。以MG2*100/455-BWD新型薄煤层采煤机截割部为工程对象，采用Pro/E，ANSYS，ADAMS建立了该采煤机的刚柔耦合虚拟样机模型，基于破煤理论建立了采煤机螺旋滚筒的力学模型，通过MATLAB编制了相关程序解决了刚柔耦合虚拟样机模型载荷添加的问题;通过虚拟仿真获取了关键零件输出轴、壳体、行星架的Von Mises应力分布及最大应力节点应力值的时域信息，以30组不同牵引速度仿真模型的仿真结果建立了各关键零件的最大应力分布函数;以应力-强度干涉可靠性理论为基础，结合各关键零件的最大应力分布函数及所用材料强度分布函数，在考虑载荷作用次数情况下，建立各关键零件在随机载荷多次作用下的可靠度计算模型。经分析计算得到输出轴、行星架、壳体的可靠度分别为0.978，0.536及0.614，研究发现:行星架与壳体存在应力集中现象，应力最大位置分别位于行星架腹板与花键轴相交处及壳体惰轮轴孔后侧与行星减速器承载部分相交处。在对薄弱零件改进后，行星架、壳体的可靠度分别达到0.9690和0.9974，满足使用要求。该方法可有效缩短产品设计周期，提高采煤机关键零件的设计质量及可靠性。