煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2020年第5期

• 附加气室空气弹簧隔振的振动筛动力学建模与分析

  刘德洋, 彭利平, 王浩宇, 陈云峰, 黄环, 韩帅,

  附加气室空气弹簧在两个气室之间设有节流元件，可吸收振动的能量，具有良好的阻尼特性。 作为一种新型隔振元件，附加气室空气弹簧能缩短振动筛过共振区时间，减小共振振幅及附加倾摆运动，提高振动筛运行的平稳性。分析振动筛二自由度动力学模型，并求解运动学微分方程，发现振动筛实际振动方向角不等于激振力作用方向角，振幅和抛掷指数也可用单自由度模型表征;利用热力学和流体力学理论建立附加气室空气弹簧的线性模型，得到其刚度阻尼的表达式，基于此，推导出附加气室空气弹簧的振动筛动力学模型，并建立运动学微分方程;搭建附加气室空气弹簧隔振系统和振动实验台，测试实验台的运动学参数;在MATLAB/Simulink环境下对所建动力学模型进行仿真研究，并与实验台测试结果进行了比较分析。 结果表明:模型仿真振幅为5.321 mm，实验测试的稳态振幅为5.372 mm，二者误差仅为1%，具有较高的准确性。模型仿真结果显示:电机转速对振幅影响较小，对抛掷指数影响较大，随着电机转速由840 r/min增加到990 r/min时，振幅由4.549 mm降为4.427 mm，抛掷指数由3.6上升到4.9;改变隔振系统的初始气压可以调节振幅，当初始气压由0.1 MPa增加到0.6 MPa时，振幅由4.446 mm增加到6.159 mm;节流孔直径对振幅的影响不明显，当节流孔直径由2 mm增加到20 mm时，振幅由4.443 mm变为4.467 mm;通过改变电机转速和隔振系统初始气压组合，可以使试验台振幅在4.45~6.16 mm、抛掷指数在3.46~6.16内变化，实现对振动筛的调节。

• 制备方法对粉煤灰合成沸石的种类及性能的影响

  任晓宇, 刘少俊, 曲瑞阳, 吴卫红, 吴学成, 郑成航, 高翔,

  针对如何将排放量巨大的固体废弃物粉煤灰合理资源化应用的问题，探索了不同合成方法对粉煤灰制备沸石的种类及性能的影响。考察了碱量、温度、时间等主要因素对合成沸石的种类及对氨氮吸附能力的影响。 研究表明，采用直接水热法在3.0 mol/L的NaOH溶液中100 ℃水热反应60 h可获得NaP型沸石;采用碱熔融水热法，在不添加任何结构导向剂，不外加硅、铝源，90 ℃水热反应12 h的最佳条件下获得了NaA-X沸石。合成的NaP型沸石为形貌不规则的颗粒聚集体，大小不一;合成的NaA-X沸石产物中同时含有典型的A型沸石立方体和X型沸石的八面体形貌，棱角分明，平均粒径约为3.5 μm。NaP型沸石和NaA-X沸石的比表面积为55.9和266.0 m2/g，分别是粉煤灰的21和100倍。NaP型沸石和NaA-X沸石的微孔比表面积为12.0和211.1 m2/g，分别是粉煤灰的17倍和301倍。两种合成沸石的孔容也远大于粉煤灰。氨氮吸附量为153.6 mmol/100 g和226.6 mmol/100 g，分别是粉煤灰的14和20倍。 2种合成沸石的热稳定性都符合工业要求，但直接水热法合成的NaP型沸石热稳定性要低于NaA-X沸石，且产物中含有不易反应的石英和莫来石，导致原料利用率较低。相反，碱熔融水热法合成的NaA-X沸石，有利于惰性晶相转化为活性组分，原料利用率高，产物纯度高，孔隙结构与氨氮吸附量均优于直接水热法的合成产物。

• 哈密煤液化残渣焦气化反应活性

  黄宇宸, 龚岩, 张志清, 卫俊涛, 郭庆华, 于广锁,

  液化残渣是煤炭液化过程的重要副产物，将其作为气化原料进行利用有助于提高煤炭综合利用效率。 基于高频炉开展不同温度条件下(1 000，1 300 ℃)快速热解实验制取哈密淖毛湖长焰煤焦及其液化残渣焦，采用热重分析仪考察不同气化温度(1 000，1 100，1 200，1 300 ℃)下煤焦和液化残渣焦的气化反应活性，并借助扫描电子显微镜、物理吸附仪和激光拉曼光谱仪对样品的理化特性(孔隙结构与碳结构)进行系统表征以关联解释焦样气化反应活性。 结果表明，哈密煤焦及其液化残渣焦的气化反应活性受气化温度、孔隙结构和碳结构的共同影响。相同热解和气化温度下煤焦气化反应活性高于液化残渣焦，主要由于煤焦和液化残渣焦孔隙结构和碳结构的差异:前者孔隙结构较后者更为发达，且碳结构有序度低于后者、无定形碳结构数量高于后者;气化温度从1 000 ℃升至1 300 ℃时，煤焦与液化残渣焦的反应性指数分别从0.43和0.38提高到0.81和0.79，反应指数比值从0.88提高到0.98，表明提高气化温度可以促进气化反应进行，但孔隙结构与碳结构对气化反应活性的影响减弱;气化温度为1 300 ℃时，温度成为影响气化反应活性的主要因素，液化残渣焦的气化反应活性接近煤焦，这表明从气化反应活性角度而言，液化残渣可以作为气流床气化原料加以利用。

• 截水帷幕在露天煤矿截渗减排中的应用

  张雁, 黄选明, 彭巍, 朱明诚, 曹海东, 刘玉柱, 田增林,

  为解决扎尼河露天矿矿坑疏排水量大、生产成本高、环保风险大等问题，采用地下混凝土防渗墙、防渗膜大深度垂向隐蔽铺设、高压旋喷注浆、钻孔咬合桩等4种帷幕技术，沿煤层北部隐伏露头建造一座平面长度近6 000 m、最大深度超过50 m、有效厚度＞0.6 m的弧线型沟槽灌入式+桩孔压入式落底截水帷幕。 项目实施过程中攻克了低强度(8~10 MPa)抗渗(P6级)混凝土配合比技术、超长槽段开挖与护壁技术、防渗膜叠覆铺设与连接技术、高掺量粉煤灰-水泥混合浆液注浆充填技术、砾石层中高压旋喷成桩技术等5项技术难题，在帷幕墙建造过程中和结束后，采用取芯验证法、抽水试验法、流场观测法和水量分析法等4种方法检验了帷幕墙的质量与截水效果。 结果表明混凝土浇筑连续均匀，粉煤灰-水泥混合浆液充填密实、胶结完好，高压旋喷桩和钻孔咬合桩桩径达标、桩体完整;墙体渗透系数为8.34×10-7 cm/s，渗透性达极微透水级;墙体内外两侧最大水位差已达10 m以上;矿坑疏排水量已减少60%，目前仍在减少中。帷幕墙截水效果明显，达到了设计要求。该项目是我国露天煤矿采用综合帷幕技术解决疏排水问题的成功示范。

• 深部底板奥灰薄灰突水机理及全时空防治技术

  尹尚先, 王屹, 尹慧超, 徐斌, 王铁记, 杨俊文, 田午子, 徐维, 曹敏,

  奥陶系灰岩+厚隔水层夹薄层灰岩+煤层的地层结构模式是我国石炭二叠系煤田带压开采的典型存在形式。尽管隔水层巨厚,由于其中夹有薄层灰岩含水层,导致深部开采时突水灾害仍然频发。由于突水系数的局限性,依据隔水层厚度、底板破坏带高度与奥灰导升带高度之和、突水系数将底板隔水层类型综合划分为极薄、薄、中、厚及巨厚5种类型,淡化突水系数在极薄、厚及巨厚隔水层中的应用。 阐述了薄层灰岩在串连奥灰与煤层形成水害的独特作用,定义了深部底板奥灰及薄灰水害概念及突水模式,总结了其五维度特征,概括为充水水源的总源递进、充水通道的面状分散、充水强度的台阶增长、充水时间的滞后出水、充水水源水质的交换吸附,阐明了奥灰水渗透、扩容、压裂、导升经薄灰中转储运形成面状散流的突水机理,提出了相应的突水危险性评价公式P0>3σ3-σ1-Pp+Rm。 针对巨厚隔水层且传统井下底板加固甚至区域治理仍无法完全控制深部突水的现状,创新了全时域与全空域四维度奥灰及薄灰水害的“全时空”综合防治理念,空域上井上下相结合、奥灰及薄灰多层次区域治理与井下薄灰钻孔探治验相结合的全空间多层次立体网状防控布局,创建了全空域立体交叉网络探查、治理、验证、补充的“全空域”立体防治模式,形成了条件评估、探治验补、检验评价、监测保障的全时域“四位一体”技术质量控制流程,创立了“四位一体”立体网状全时空深部底板奥灰及薄灰水害防治方法。 以邯邢矿区梧桐庄井田2603工作面为工程案例,确定奥灰顶面以下40~60 m和20~30 m、薄灰大青和山伏青灰岩为目标实施多层段地面超前区域治理及补充治理,配合野青和山伏青为目标井下补充治理和验证,形成立体网络治理;采用奥灰薄灰水文地质条件评估确定治理目标,用地面区域探查治理、补充探查治理以及传统井下查缺补漏验证前期治理效果,以治理效果检验、底板完整性评价、突水危险性评价、涌水量预测、排水能力评价等全面评估能否回采工作面,回采过程中采取水文监测、微震系统、矿压系统等综合监测手段紧盯薄层灰岩关键层,实现了工作面安全回采。

• 孔隙-孔喉分形多孔介质复杂类型组构模式表征

  金毅, 权伟哲, 秦建辉, 刘仙鹤, 郑军领, 宋慧波,

  自然储层孔隙结构复杂，孔隙和孔喉共存且往往会表现出分形特征。 经典的数量-尺度关系Rns及其衍生模型虽然能有效获取分形维数D，然而它们之间多对一的关系无法保证反演建模的惟一性。与此同时，分形对象中复杂类型的种类及其组构模式尚不明了，这导致储层复杂孔隙结构等效表征的困难。因此，厘清孔隙和孔喉多类型共存、多尺度分布的孔隙结构中的复杂类型，进而定量表征其组构模式对评估油气的赋存和运移规律至关重要。新近出现的分形拓扑理论表明分形对象是耦合原始复杂性与行为复杂性的双复杂系统。这两类复杂类型表现出相互独立的组构模式，其中原始复杂性确定单尺度与多尺度、单相与多相、单类型与多类型等缩放类型，而行为复杂性则决定自相似、自仿射、多重分形等尺度不变特征。 基于此，本文有效标定了孔隙-孔喉耦合分形结构中的复杂类型种类，查明了孔隙、孔喉以及其连通性的原始复杂性归属，利用泰森多边形算法实现了孔隙-孔喉耦合行为的定量描述，依据分形拓扑理论给出了行为复杂性的尺度不变定义，结合原始复杂性与行为复杂性组构模式发展了一种精细表征孔隙-孔喉耦合分形孔隙结构的算法。基于新算法，模拟了不同复杂组构模式下的分形多孔介质，分析了原始复杂性与行为复杂性对孔隙结构的影响，推演了孔隙度及比表面积计算公式并验证了其有效性。

• 液氮溶浸作用对不同煤阶煤样渗流特性的影响

  卢硕, 张磊, 薛俊华, 张村, 陈帅,

  中国低透气性煤层广泛赋存且煤阶跨度较大。针对不同煤阶、性质煤层如何确定有效的液氮致裂方式是一个亟待解决的难题。 为此，分别选择褐煤、烟煤和无烟煤3种煤阶的煤样进行不同条件下的液氮溶浸，并使用摄像机定点拍摄、观察煤样表面宏观裂隙的演化规律，使用受载煤体注气驱替瓦斯测试实验系统与纯度为99.999%的氮气测试得出煤样渗透率的变化规律。对实验得到的煤样渗流曲线趋势进行简要讨论，对比分析了液氮处理不同阶段煤样的渗透率数值。 实验结果表明:① 相同围压条件下，煤样的渗透率随着气体压力的增加呈“U”型变化趋势，使用二次函数公式拟合效果良好;② 单次液氮处理即可对褐煤煤样产生显著增透效果;③ 通过增加液氮循环处理次数可有效提升液氮对烟煤的增透效果，一次液氮溶浸处理后的烟煤渗透率增幅最大达到514.89%，两次处理后最大可达到1 129.79%;④ 多次液氮处理对无烟煤透气性的改善不甚明显，只会逐渐降低其抗拉强度，通过增大热冷冲击温度梯度的液氮处理方式可以有效改善无烟煤透气性，在围压-气压为2.00~1.25 MPa时，初始温度50 ℃的无烟煤液氮处理后的渗透率增幅仅为2.44%，而初始温度100 ℃的无烟煤处理后的渗透率增幅达到125.43%;⑤ 基于实验结果讨论、提出适宜于不同煤阶煤层的液氮致裂增透方法。

• 空腔长宽比对瓦斯爆炸冲击波传播规律的影响

  严灼, 穆朝民, 袁树杰, 李重情, 齐娟,

  近年国内外学者对瓦斯爆炸抑爆隔爆技术的研究主要围绕抑爆剂、吸能材料和空腔等开展。文献指出空腔具有抑制瓦斯爆炸传播的功能，且抑爆性能受空腔体积大小影响。 为探索体积不变条件下空腔尺寸特征对瓦斯爆炸传播抑制性能的影响，设计了体积为0.08 m3长宽比分别为5/8,8/5的矩形钢质空腔，壁厚10 mm，并将其铺设在36 m长的大型瓦斯爆炸管道系统中开展实验研究，考察瓦斯爆炸火焰和冲击波超压经过空腔后的变化规律。 结果表明:长宽比5/8空腔对爆炸火焰、冲击波传播均有抑制作用，长宽比8/5空腔对爆炸火焰有抑制作用，但对冲击波传播有增强作用。在此基础上建立数值模型，将体积为0.08 m3长宽比分别为1/10,2/5,5/8,1，8/5,5/2的空腔铺设在管道系统中开展数值模拟研究，研究发现:空腔对瓦斯爆炸冲击波传播抑制作用取决于空腔长宽比，长宽比越小，空腔对冲击波传播抑制作用越强;且存在临界长宽比，当长宽比小于1时，空腔对冲击波超压传播具有抑制作用，当长宽比大于1时，空腔对冲击波传播具有增强作用，长宽比为5/2时，增强现象最明显。 最后，分析了空腔长宽比影响瓦斯爆炸冲击波传播规律作用机理，空腔长宽比越大，在出口和入口能接收到的反射波就越多，反射波在出口和入口叠加后产生的冲击波超压也就越大，反之越小;空腔长宽比越大，在空腔内参与爆炸的预混气体越多，腔内爆炸越剧烈，产生的增量冲击波就越强，反之越弱;因此，长宽比越大，空腔对瓦斯爆炸冲击波传播抑制作用越差，反之抑制作用越好，当长宽比大于临界长宽比时，空腔会增强瓦斯爆炸冲击波传播。

• 网孔尺寸对格栅-尾矿界面特性的影响

  易富, 杜常博, 王政宇, 于犇,

  目前加筋尾矿结构中土工格栅的选用未考虑网孔尺寸的影响，仅考虑格栅的极限抗拉强度，致使格栅网孔尺寸的选用还存在较大的主观性。 为了研究土工格栅加筋尾矿的网孔尺寸，也就是格栅-尾矿界面与剪切面面积比对格栅-尾矿界面强度参数的影响规律。选用5种网孔尺寸(12.7 mm×12.7 mm，25.4 mm×25.4 mm，38.1 mm×38.1 mm，50.8 mm×50.8 mm，63.5 mm×63.5 mm)相同规格的土工格栅，分别通过直剪试验和拉拔试验对格栅-尾矿的界面特性进行分析，探求土工格栅加筋尾矿的合理网孔尺寸。 试验结果表明:两种试验条件下，随着土工格栅网孔尺寸增大，格栅-尾矿界面强度指标似黏聚力减小，似摩擦角增大;格栅网孔尺寸的变化对似黏聚力的影响显著，对似摩擦角的影响较小;随着格栅网孔尺寸的增大，界面似摩擦因数逐渐降低，降低幅度越来越慢，且法向应力越大，界面似摩擦因数变化范围越小;相同条件下，拉拔界面似黏聚力约为直剪界面似黏聚力的0.7倍，拉拔界面似摩擦角约为直剪界面似摩擦角的045倍。 为了更准确分析土工格栅加筋尾矿的效果，应该将格栅-尾矿界面摩擦作用从界面综合摩擦作用中分离出来，得到格栅-尾矿界面摩擦因数比;随着格栅-尾矿界面与剪切面面积比的减小，格栅-尾矿界面摩擦因数比先轻微上升，后发生陡降，格栅加筋作用迅速消失。土工格栅加筋尾矿的合理网孔尺寸应控制在格栅-尾矿界面与剪切面面积比为0.4左右，即所用格栅网孔尺寸为38.1 mm×38.1 mm时，此时土工格栅加筋尾矿的效果最佳。

• 单轴荷载下类煤岩组合体变形规律及破坏机理

  李成杰, 徐颖, 冯明明, 潘斌,

  煤岩组合体由于组成结构不同，其变形破坏过程表现出与单体不同的特性。为探究煤岩组合体整体破坏过程中的变形与破坏规律，特别是组合体不同位置处的径向变形与扩容特征，以加工制作的类煤岩组合体为研究对象，采用静态应变测试系统与RMT岩石力学试验系统开展单轴压缩试验。 利用沿轴向不同位置处粘贴的径向应变片与煤、岩体中部的轴向应变片获得了试件峰前段的应变特征，并分析了组合体试件煤体部分的扩容特性。通过对破坏后的试件进行剥离分解，阐述了组合体试件整体失稳过程中的裂纹扩展与破坏机理。 研究表明:组合体不同位置径向应变不同，靠近煤体端部处应变最大，煤体中部次之，结合面处大于岩体部分，岩体中部最小，说明组合体煤体与岩体两部分变形受到彼此影响。应力峰前段组合体煤体部分径向变形受到岩体部分限制作用较显著，峰后段岩体部分破坏则明显受到煤体部分劈裂拉伸作用。在岩体部分限制作用下，相对煤单体，组合体中煤体部分扩容段变化较为平缓，在进入扩容阶段后可承受更久的荷载作用，且扩容点体积应变偏小，破坏机制的不同使得组合体整体冲击倾向性有所减弱。在对煤岩复合岩体开挖时，应加强距结合面相对较远处煤体的支护，同时应避免煤体部分破坏后裂隙扩展贯穿结合面所导致的岩体破坏情况，以保证围岩整体的稳定。

• 复合煤岩变形破裂温度-应力-电磁多场耦合机制

  李鑫, 李昊, 杨桢, 苏小平, 马子莹,

  煤岩动力灾害中各个物理场演化非常复杂，结合损伤力学、电磁场理论等交叉学科理论，推导了复合煤岩变形破裂温度场、应力场、电磁场多物理场耦合数学模型，建立了多场仿真模型，对煤岩受载变形破坏过程中这三个物理场的变化规律进行数值模拟，并进行实验验证研究。 仿真结果表明:复合煤岩内部应力突变，微观角度而言，旧分子链断裂形成新的分子链，释放热量，同时，带电粒子在区域电场的作用下变速运动产生电磁辐射。宏观而言，煤体的抗压强度弱于岩体，煤岩体内出现裂隙，煤体应力、温度和电磁场能量明显高于岩体，在裂隙尖端应力和温度最大，磁场能量跟随仿真加载时长增加不断增强，磁感应强度沿逆时针旋转，由内向外不断衰减。 在相同条件下的实验结果表明:复合煤岩内部红外辐射温度随应力的增长呈现阶梯型上升趋势，在应力峰值附近温度达到最高。电磁辐射在加载初期缓慢增长，在应力峰值附近，电磁辐射突增至峰值，继续加载至煤岩破裂，电磁辐射急剧衰减直至消失。 实验与仿真结果一致，利用力电热耦合模型可以研究复杂条件下煤岩受载的特性，为深部煤岩开采动力灾害预测预报提供理论基础和新方法。

• 典型深厚表土煤层冲击地压模式研究

  刘金海, 姜福兴, 朱斯陶, 李昊, 朱权洁,

  煤矿冲击地压发生过程可描述为外部力源驱动围岩结构失稳或系统平衡状态突变。冲击地压发生过程中，应力起着重要作用。 根据主控性应力来源或类型可得到我国煤矿冲击地压的区域性特点。其中，深厚表土地层控制型冲击地压属于巨野矿区特有的冲击地压类型，其显现特征与地层结构具有密切的关联性。 针对此类冲击地压，通过案例与现场监测数据分析，探讨了典型深厚表土煤层冲击地压特征，结合煤层应力演化分析，表征了深厚表土煤层瞬时冲击和延时冲击过程，最后通过相似材料模拟试验揭示了煤层应力演化与覆岩运动、地层变形之间的关系，并对典型深厚表土煤层冲击地压模式进行了验证。 研究表明:覆岩整体失稳促使煤层应力快速达到冲击地压临界应力，发生大能量冲击地压，表土层持续变形和移动促使煤层应力缓慢达到冲击地压临界应力，再次发生冲击地压;离层发育高度与回采距离有关，但具有明显的“平台效应”，煤层应力演化与离层发育有关，但相对于回采距离具有明显的滞后性;瞬时冲击地压加载机理为“覆岩结构运动→煤层应力演化→冲击地压”，延时冲击地压加载机理为“地层变形→煤层应力增长→冲击地压”;最后，提出了深厚表土煤层冲击地压监测对策。

• 底板硬岩多轴条件下的力学特性和冲击倾向性

  韩强, 张希巍, 潘鹏志, 赵善坤,

  为研究深部煤矿顶底板围岩在高应力下的冲击危险性,以跃进煤矿为工程背景,取自23092工作面的底板硬岩作为试验对象,应用真三轴试验机进行了一系列多轴(常规三轴和真三轴)条件下的压缩力学特性试验,部分试验还同步了破坏过程声发射信号测量。借助光学显微镜和场发射扫描电镜辅助分析试样微观特性表征。多轴压缩力学试验表明23092工作面底板硬岩具有明显弹脆性变形破坏行为,底板硬岩在单轴压缩情况下的脆性程度最高,中间主应力与脆性破坏指数负相关。最小主应力恒定时,中间主应力增加情况下的岩样的全应力-应变曲线、宏观破坏模式、岩样破裂角、脆性指数以及破坏岩样的SEM图像的变化特征均表明底板硬岩的脆性破坏特征与应力状态有关,即中间主应力增加促进其脆性破坏行为。底板硬岩在多轴应力状态下表现出峰值强度较大离散性,这与成岩过程中软弱矿物夹杂汇聚造成的岩石均质性差异有关。底板硬岩的冲击倾向性受真三向应力状态影响,最小主应力接近零的巷道底板表层附近硬岩表现为无或弱冲击危险性,但在中间主应力较高的深层硬岩则表现强冲击危险性,且随中间主应力增加而增强。多轴条件下压缩破坏的声发射信号具有前兆释放性,声发射信号伴随峰后多阶段破裂显著增强。

• 磨料空气射流破煤冲蚀模型研究

  刘勇, 李志飞, 魏建平, 张慧栋,

  进行预抽煤矿瓦斯时，采用水力化增透措施容易出现抱钻、塌孔等现象，降低瓦斯抽采率。为此，提出磨料空气射流破煤增透措施，提高钻孔利用率。 为明确磨料空气射流破煤参数，采用ANSYS Fluent软件中的离散相模型对磨料粒子在喷嘴中的加速效果进行了计算，分析了空气压力、磨料密度和磨料粒径对磨料加速的影响，考虑了反弹磨料二次冲蚀作用，建立了磨料空气射流冲蚀能量方程;基于有限元和光滑粒子模型，采用LS-DYNA对磨料空气射流冲蚀煤岩体进行数值模拟，分析了射流扩散角和磨料的形状特性对煤岩体冲蚀的影响规律，建立了磨料空气射流冲蚀能量转化率方程;采用高压磨料空气射流实验系统，使用(Laval)喷嘴，在不同气体压力条件选用标准的180 μm石榴石磨料对煤体、砂岩、灰岩和花岗岩进行磨料空气射流冲蚀实验，获取了单位能量破碎体积参数，建立了磨料空气射流冲蚀模型;采用控制变量法，进行磨料空气射流冲蚀灰岩的实验，利用不同影响因素对冲蚀效果的影响实验数据对冲蚀模型进行了修正;进行磨料空气射流冲击煤体实验，验证了冲蚀模型的准确性。 对磨料空气射流冲蚀煤体体积模型进行了分析，结果表明影响冲蚀效果的因素权重依次为:气体压力>扩散角>磨料密度>磨料粒径>磨料形状;磨料空气射流破煤的最优射流参数为180 μm石榴石、气体压力15 MPa、扩散角10.52°。在进行模型建立过程中，未将受压条件放入模型中，今后将会进行相关实验，把受压条件作为修正系数，进一步完善该冲蚀模型。

• 不同节理夹角煤单轴压缩力学和声发射响应及影响机制

  牟宏伟, 何学秋, 宋大钊, 李振雷, 邱黎明, 苏东方, 殷山,

  煤岩的力学特性和声发射响应规律对冲击地压监测预警至关重要，为研究加载方向与节理面夹角(α)对煤样力学特性、裂纹扩展方式及声发射响应的影响，对不同加载方向与节理面夹角的煤样进行单轴压缩试验，并分析了力学和声发射信号响应规律。 结果表明:加载方向与节理面夹角对煤样力学特性和声发射响应规律有显著影响。随α增大，峰值载荷和破坏时间均呈先微降后增大的趋势，峰后破坏时间从0°到30°出现陡降趋势。α≤45°煤样的应力-应变在峰值或峰值后出现震荡起伏现象，单轴抗压强度和应变量均小于α＞45°的煤样。α＞45°煤样的应力-应变曲线在峰值或峰值后无震荡起伏现象;α≤45°的煤样受力以平行节理面应力分量为主，更容易产生沿节理面的滑移破坏，振铃累计值陡增和大能量声发射信号主要集中在峰后阶段，声发射信号与应力降具有很高的相关性。α＞45°的煤样受力以垂直节理面应力分量为主，更容易产生挤压摩擦破坏，在应力稳定上升阶段就伴随着大量的声发射信号，大能量声发射信号主要集中在峰前阶段;随α增大，煤样表现出的冲击倾向性越强，声发射信号以45°为界表现出不同的峰前峰后特征。 因此，鉴定煤冲击倾向性和利用声发射进行冲击地压监测预警时，需充分考虑煤层节理面与现场受力情况。

• 煤与瓦斯复合体受载变形破坏特征及微震-电荷感应规律

  朱小景, 潘一山, 王爱文, 李祁, 王凯兴, 罗浩,

  针对冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害预测手段欠缺、前兆信息监测方法不完善这一工程现状，利用自主研发的高频微震全波形实时监测系统和电荷感应监测系统开展了煤与瓦斯复合体受载变形破坏试验，分析了不同瓦斯压力下煤与瓦斯复合体变形破坏特征及微震信号和电荷感应信号显现规律的关系，以及瓦斯压力对3者的影响。 结果表明:煤与瓦斯复合体变形破坏可分为3个阶段，即弹性阶段、屈服强化阶段和破坏阶段，随着瓦斯压力的增大，煤与瓦斯复合体的抗压强度、弹性模量和软化模量减小，冲击倾向性降低，弹性和屈服强化阶段持续时间缩短;煤与瓦斯复合体变形破坏过程中有微震信号和电荷感应信号产生，且两种信号的峰值振幅均出现在煤与瓦斯复合体的破坏阶段;随着瓦斯压力的增大，微震信号和电荷感应信号数量增加且越来越分散，振幅增大，峰值振幅对应的应力降速率增大，同时，微震信号峰值振幅所在波形的起始振幅增大，峰值振幅前移，且越来越接近起始振幅。 煤与瓦斯复合体中瓦斯压力越大，越容易发生冲击地压-煤与瓦斯突出复合动力灾害，通过微震信号和电荷感应信号的监测能够在一定程度上判断复合体所处的变形破坏阶段，结合瓦斯压力大小可预判复合动力灾害的类型和危险性。

• 急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

  何江, 窦林名, 曹晋荣, 吴江湖, 曹立,

  我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显，且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理，建立覆岩力学模型，分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据，分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布，分析了岩层运动和能量释放规律。 研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采，顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系，当煤层倾角大于60°时，破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构，随着下位分段开采和放煤，平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程，对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下，工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布，靠近顶板侧为封闭夹持状态，应力集中程度高，靠近底板侧为开放夹持状态，煤体易破坏卸压而处于塑性状态，在非对称支承压力作用下，工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用，且处于底板弹塑性交界区，易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采，覆岩破断步距大，顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强，扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现，揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。 工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25，表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能，底板侧容易释放能量，顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。

• 煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

  杨科, 刘文杰, 窦礼同, 池小楼, 魏祯, 付强,

  煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳，为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响，制作了3种高比的“岩-煤-岩”(RCR)组合试件，开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC2D数值模拟试验，并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析，获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。 研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征，损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展，煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔，受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚，裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大，组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。 由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性，导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同，进而组合体呈现出不同的破坏形态，但组合体破坏形式具有相似性，其中煤体以剪切破坏为主，顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏，而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度和瞬时破坏时动力显现强度，形成了煤体砂岩破坏互馈机制。 RCR组合体受载时声发射信号有明显的时段性特征，当RCR组合体发生整体失稳时，声发射信号频率较低，声发射能量值达到历史最大，根据煤岩组合体声发射前兆信息的时频、时空规律性特征可对煤岩动力灾害孕育与发生进行实时监测，实现煤岩动力灾害的精准感知与超前预警。

• 井间高位岩层联动诱冲机制及防冲方法初探

  李一哲, 齐庆新, 赵善坤, 王寅, 李海涛, 魏向志, 潘鹏志,

  相邻矿井开采过程中相互扰动明显，冲击地压灾害频发。为研究巨厚砾岩和逆冲断层控制作用下，相邻矿井之间的相邻工作面开采互扰诱发冲击机理以及两工作面冲击地压协同防控方法，以义马矿区耿村煤矿13230工作面和千秋煤矿21121工作面为实际工程背景，对13230工作面回采期间地表沉降变化、冲击显现特征和支架压力特征、21121东部缆车下山钻孔应力特征以及井间区域微震事件高度变化特征和地应力特征展开现场实测分析。 研究表明，井间相邻工作面非同时期开采形成非对称“T”形覆岩空间结构，井间宽煤柱留设和高位巨厚砾岩条件下，该空间结构发生类似杠杆运动的“撬动”现象，即井间率先采空侧高位岩层下沉运动诱发滞后回采工作面高位岩层整体抬升运动;联动效应对滞后回采工作面垂直应力环境产生扰动且扰动范围有限，13230工作面回采初期垂直应力相对较低，断层活化的高水平应力导致煤体发生典型水平滑移式冲击事故，随13230工作面推进距离增大，水平方向冲击的强度与频度明显降低而垂直方向的冲击占比增加;基于工程实测和室内试验结果，提出井间以阻断高位砂砾互层为核心的弱链增耗防冲方法和采空区高强度充填为核心的吸能稳构防冲方法，实现井间工作面冲击地压的协同防控。 随着我国煤矿逐渐转入高强度集约型开采和深部开采，由高位覆岩联动造成的多工作面之间的应力互扰现象将长期存在，旨在弱化覆岩结构体联动效应的防冲方法与技术是未来单一矿井乃至大型矿区大范围多工作面联合防冲的发展趋势。

• 逆冲断层卸载失稳机理研究

  张宁博, 赵善坤, 赵阳, 王寅, 秦凯, 李云鹏, 姜黎明,

  逆冲断层失稳诱发的冲击地压严重威胁着煤矿的安全，但目前采动条件下逆冲断层的失稳机理仍不清楚，使得断层冲击地压防治工作缺乏科学指导。 为探索逆冲断层卸载失稳机理，基于典型逆冲断层控制型矿区的工程地质概况，分析了逆冲断层冲击地压的显现特征;采用相似模拟和数值模拟手段，研究了开采扰动引起的逆冲断层卸荷效应，阐明了义马矿区逆冲断层卸载失稳的模式及过程;通过实验室实验方法，揭示了单侧卸载过程中逆冲断层失稳瞬态的位移场时空演化规律，建立了断层卸载失稳的力学模型，阐释了断层失稳瞬间的黏滑过程。 研究结果表明:随着开采范围与F16断层距离的减小，断层冲击地压危险性显著增大，冲击地压所释放能量急剧增高;采动引起逆冲断层产生卸荷效应，即开采扰动使得断层带新裂纹萌生并局部离层，断层带上交错出现应力集中区和应力减弱区，断层上段出现逆时针滑移，而下段顺时针滑移;卸荷效应导致断层失稳的过程可分为线性稳态(I)、非线性稳态(II)、亚失稳(III)和失稳(IV)4个阶段;断层卸载失稳瞬间正应变和剪应变总体上呈突降-突增-降低至稳定的变化趋势，且相对于中部和下部，断层上部滑移位移受卸载扰动影响较大;断层卸载失稳瞬间的能量传递过程为:震源单元-围岩杆单元-相邻围岩杆单元-相邻断层带单元等，其黏滑失稳是一系列单元连锁失稳构成的综合结果。 通过本文研究，对逆冲断层卸载失稳的机理形成了新的认识，包括卸载失稳模式、失稳过程、失稳瞬态的能量传递等。

• 复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术

  朱斯陶, 姜福兴, 王高昂, 王绪友, 姜亦武, 刘金海, 曲效成, 徐怀阁, 宁廷洲,

  针对我国西部矿区复合厚煤层工作面掘进期间煤粒弹射现象频繁、震动持续时间长、冲击破坏范围集中在掘进工作面附近的特点，以新疆硫磺沟煤矿复合厚煤层巷道掘进为工程背景，采用现场调研、理论分析和现场监测等方法，对复合厚煤层掘进工作面煤粒弹射和冲击地压发生机制及监测预警技术进行了研究。 复合厚煤层掘进工作面频繁发生煤粒弹射和冲击地压的主要原因是巷道开挖后围岩中软煤部分会快速卸荷破坏产生煤粒弹射现象，软煤破坏后导致硬煤局部产生剪应力集中，当应力集中程度超过硬煤极限强度时，硬煤发生剪切失稳破坏，进而诱发掘进掘进工作面冲击地压。现场监测结果表明，复合厚煤层掘进工作面冲击前后煤体应力及锚杆索压力监测无明显征兆，地音监测能够捕捉到冲击地压信息，但复合厚煤层工作面掘进期间频繁煤粒弹射产生的众多小能量震动事件严重影响了地音监测预警结果的准确性。 据此提出了基于“地音大事件”概念的监测预警方法，即只监测对掘进工作面冲击地压有明显影响的大能量地音事件，这些地音事件具有的明显特征为发生的总频次相对较低，但总能量较高，根据统计分析，将(4-5)04胶带巷掘进工作面能量大于1 000 mV的地音称之为地音大事件。通过与原预警方法进行对比，基于“地音大事件”概念的预警方法预警准确率更高，也更符合现场实际情况。

• 近距离煤层群井上下联合防突模式及其效果动态评价

  程志恒, 陈亮, 苏士龙, 邹银辉, 张永将, 邹全乐, 姜黎明, 闫大鹤, 杜志峰, 王向东,

  针对近距离煤层群缺乏系统有效井上下联合防突模式及动态评价方法的问题，以华晋焦煤沙曲一矿为工程背景，通过类似矿区突出信息统计分析得出其地应力-瓦斯潜能大、突出源分散、煤体强度及渗透性低的特点，采用理论分析，从多次采动应力叠加及高能卸压瓦斯运移两方面，揭示了煤层群叠加开采突出力能转移及启动机制，进而启发多煤层协同疏解突出潜能、“多煤层-区域-局部”逐级强化抽采的防突思路。 采用系统分析及归纳演绎法优选集成了多煤层全时段的井上、下联合防突技术体系，即规划区采用常规井、防突压裂井与多分支水平井联合抽采降突;准备区采用地面井+被保护层定向长钻孔群或多分支水平井井孔对接抽采立体区域化抽采防突;生产区采用本煤层定向长钻孔群条带预抽+递进式大孔径钻孔抽采消突，松软低透煤层需增加可控冲击波、低压脉动水力致裂等疲劳损伤增透方法以强化消突效果，并通过现场试验确立其关键技术参数。 同时，建立了该模式应用过程阶段递进式动态评价函数，给出三阶段中2级指标四参数随时间变化表达式，并确定各指标临界值。现场工程实践表明:① 沙曲一矿井上下联合消突模式在规划时间内基本实现上部2号,3+4号煤层协同消突;② 资源开采3阶段的煤炭转化率依次为95%,85%,90%，整体动态转化率为70.5%，说明抽掘采衔接相对紧张，主要是准备区抽采防突效率低;③ 矿井优质煤炭产能释放量增加约80万t和煤层气产能提升420万m3。

• 基于临界应力指数法巷道冲击地压危险性评价

  王爱文, 潘一山, 王岗, 代连朋, 陈建强, 施天威, 吕祥锋, 蔡荣宦,

  冲击危险性评价的目的是确定待采掘区域的冲击地压危险等级及范围，是冲击地压防治工作的基础。 建立了“应力-围岩-支护”巷道冲击地压力学模型，发现了巷道冲击地压发生的临界应力、临界阻力区深度与煤体单轴抗压强度、巷道支护强度、巷道几何参数以及冲击能指数4者之间的内在关系。冲击能指数直接影响巷道围岩系统结构失稳的临界应力与临界阻力区的大小，阻力区深度增加导致冲击地压发生的临界载荷增加，实际阻力区深度与应力环境是影响冲击地压发生的重要因素。给出了考虑了煤体的实际应力环境、煤体冲击倾向性、巷道结构属性及实际围岩状态4个因素的临界应力指数计算方法。提出采用临界应力指数评价巷道冲击地压危险性的方法，将相似条件下已经发生过冲击地压区域的临界应力指数，作为待评价区域的冲击地压发生指标Kfcr，把临界应力指数在0,Kfcr区间以0.25Kfcr为间隔，划分为4个数值区间，由低到高分别对应无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险4个危险等级，依据临界应力指数在4个区间的分布情况判定待评价区域的危险等级。 以某矿303工作面实际工程为案例，介绍了包含10个步骤的冲击危险性评价流程，评价结果表明:该工作面存在中等冲击危险区域5个，强冲击危险区域7个。钻屑法监测数据表明评价结果与现场实际相符。与综合指数法评价结果相比，临界应力指数法的评价结果更趋于量化。

• 煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索

  舒龙勇, 朱南南, 陈结, 安赛, 张慧杰,

  针对我国煤与瓦斯突出频发、突出事故呈现新特征、突出预测方法和指标体系有待完善等现实问题，为了更好地指导突出预测与防治工作，以煤与瓦斯突出关键结构体致灾机理为指导，基于突出发生位置必须具备特殊的地质结构环境这一基本认识，提出了煤与瓦斯突出危险“层层递进-精准辨识”的理论方法，具体包括3个层次:采用物探和钻探相结合的手段，超前探测采掘工作面周围存在的异常地质结构;采用微震和瓦斯涌出实时监测相结合的方法，动态分析采掘扰动条件下采掘工作面前方煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征;采用随钻测定相关特征参数和预测指标的方法，进一步验证超前探测和实时监测的辨识结果。 探索性工程试验表明:“超前探测地质结构异常-实时监测煤体突出危险性-随钻测定煤层瓦斯大小”相结合的突出危险辨识技术能够综合反映采掘工作面周围地质结构、煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征，促进了突出预测工作由点预测向面预测、由间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合的转变。 通过进一步发展物探和钻探相结合的精细探测技术，引入大数据分析和机器学习算法等训练综合判识模型，开发以“超前探测异常地质结构，实时监测采掘工作面微震信号和瓦斯涌出时序变化特征，随钻测定各种特征参数和预测指标”为核心的综合预警系统，实现突出灾害多元信息综合监测与智能预警，更好地服务于煤与瓦斯突出防治工作。

• 深部巷道冲击地压动静载分源防治理论与技术

  潘俊锋, 刘少虹, 高家明, 孙希奎, 夏永学, 王琦,

  将深部开采覆岩结构特征研究向冲击地压防治技术延伸，研究了深部矿井巷道冲击地压动静载分源防治理论与技术。 结果表明，诱发深部冲击地压启动具有2种载荷途径，一种是动、静载荷叠加途径;另一种是纯静载荷叠加途径，因此深部冲击地压发生条件研究应该重点研究诱发冲击启动的动、静载荷来源。 研究认为深部工作面L型区域频繁发生冲击的原理，是在工作面距离较远时，临空巷道两帮仅受侧向F型悬臂结构影响，当工作面临近时，由于本面与相邻工作面采空区导通，上覆厚硬顶板悬空区域也导通，因此发生下沉—弯曲—回转幅度更大，悬而不垮造成加大弯曲弹性能储存在L区域，垮断时又造成较大动载荷作用在L区域煤岩体。 提出了深部工作面临空巷道、采场“双F大L”力源结构模型，并给出了临空巷道、采场大L型力源区域冲击地压启动判据算法。采动覆岩“双F、大L”力源结构分析表明，诱发临空巷道冲击启动的载荷来源是空间确定的，提出了深部巷道冲击地压动、静载荷源分源防治方法。即针对F型顶板悬臂断裂造成的动载荷源进行爆破预裂;针对巷道两帮煤体中垂直应力集中进行煤层爆破卸压;针对巷道底板高水平应力进行底板爆破，阻断其推动底板作用。工程实践证明，该方法能够实现深部强冲危险工作面安全回采。

• 煤矿冲击地压巷道三级支护理论与技术

  潘一山, 齐庆新, 王爱文, 肖永惠, 陈建强, 吕祥锋, 徐连满, 代连朋,

  建立了冲击地压巷道“应力-围岩-支护”力学模型，得到了考虑巷道支护作用下冲击地压启动应力条件为远场应力大于临界应力，停止的能量条件为近场围岩吸收能量和支护吸收能量大于远场释放能量。 基于巷道围岩与支护体动力响应分析发现，冲击地压发生过程中围岩阻尼特性、锚固岩体的抗冲击吸能特性及巷内支护体的阻尼及刚度对冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性具有重要影响。 提出巷道冲击地压防冲支护应从静-动力学两个角度，同时考虑“启动—破坏—停止”全过程。① 在冲击启动前，依据冲击启动的应力条件降低煤体应力，减少弹性能积聚，提高支护阻力，增加启动难度;② 依据冲击停止的能量条件，在冲击过程中，通过改变煤岩体结构与介质属性，吸收或消耗冲击能;③ 在冲击应力波传播的末端，通过提高巷内支护结构阻尼吸收剩余冲击能，减弱冲击应力波对巷道支护结构的破坏。提出冲击地压巷道支护结构应具有让压可缩与吸能特性，防冲支护应根据冲击地压能量特性进行分级设计。 研发了吸能锚杆索、吸能O型棚、吸能液压支架等吸能支护装备，利用吸能构件的结合及功能互补特性建立了三级吸能支护体系，三级吸能支护系统具有径向让位、环向可缩以及轴向稳定特性，实现了冲击地压巷道三维立体吸能支护。

• 煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究进展

  袁亮,

  围绕拟解决的重大科学问题“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”，以煤与瓦斯突出、冲击地压等典型煤矿动力灾害为研究对象，鉴于煤矿典型动力灾害诱发机理不清、风险判识不明、监控预警技术不足等现状。 通过研究：① 冲击地压孕育机理与风险判识及监测预警;② 煤与瓦斯突出灾变机理及监测预警;③ 煤矿典型动力灾害信号采集传输和智能化分析;④ 煤矿典型动力灾害监控预警系统平台等4项内容，开发了大尺度、真三维、全封闭自动开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置，研制了包括光纤光栅微震传感、三轴应力传感、分布式多点激光甲烷检测等在内的动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输传感装置，建立了井下传感器数据的多元海量动态信息的聚合理论与方法，构建了基于漂移特征的潜在煤矿典型动力灾害预测方法与多粒度知识挖掘方法，形成了基于大数据分析和数据挖掘的煤矿动力灾害风险判识和监控预警模型。 通过现场实践，表明能实现全面采集人机环参数，且采集传感器具有故障自诊断、响应时间短、标校周期长等优点。监控预警系统稳定运行无故障率达到了99%，抗干扰等级不低于3级，系统监控预警准确率大于90%，实现了煤矿典型动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时预警。

• 煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

  齐庆新, 潘一山, 李海涛, 姜德义, 舒龙勇, 赵善坤, 张永将, 潘俊锋, 李宏艳, 潘鹏志,

  煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大，如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题，直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。 针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题，基于冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说，从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面，梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念，建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”(“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”)理论，确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型)，分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素，从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术，提出了深部开采冲击地压巷道“3级”吸能支护思想与成套技术，开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术，并在现场开展了应用试验。 煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善，为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。

• 新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳规律分析

  赵毅鑫, 周金龙, 刘文岗,

  随着我国煤炭资源开采战略西移，西部部分矿井已进入深部开采阶段，邻空巷道冲击失稳频繁发生，严重威胁煤矿安全生产。 以新街矿区红庆河煤矿为工程背景，综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等方法对新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳机制进行研究。建立了初次来压、充分采动阶段工作面前方邻空巷道动静载叠加力学模型;通过精细描述不同阶段静载及扰动动载，提出了基于采空区侧向静载、超前静载及扰动动载的邻空巷道“三载荷”动静叠加原理，并给出了发生冲击失稳的应力判据;揭示了邻空巷道围岩受“三载荷”叠加诱冲机制，即高应力、能量经巷道“顶—帮—底”传递，巷道围岩形成应力集中，能量积聚，达到煤岩体冲击失稳临界值时，诱发邻空巷道冲击失稳。 针对工作面上覆厚硬岩层的邻空巷道冲击地压灾害，提出了“切断动载源、降低集中静载应力和恒阻大变形吸能锚杆锚固”的防治措施。 研究结果表明:邻空工作面初次来压阶段相邻双工作面采空区顶板形成非对称“T”型结构，亚关键层Ⅰ破断，亚关键层Ⅱ未破断，工作面来压较缓和，邻空巷道围岩所受静载较大，扰动动载较小;周期来压(充分采动)阶段相邻双工作面采空区顶板形成对称“T”型结构，两组亚关键层均破断，邻空巷道围岩所受静载及扰动动载均较大，此时易诱发邻空巷道冲击失稳。

• 6500kN静-动复合加载液压冲击试验机研究

  王洁, 潘一山, 齐庆新, 王爱文, 王洪英,

  针对现有设备无法实现对冲击地压矿井防冲支架进行静-动复合动力冲击加载实验的问题，提出一种基于液压蓄能及快放原理实现大吨位快速静-动复合加载的动力冲击试验机设计方法。 提出了加载试验机的结构组成及工作原理，设计了液压加载系统，并给出液压加载系统的工作原理。 该试验机能够实现被压试件的准静态加载、动态加载和静-动复合加载。运用AMESim软件建立了液压加载系统的仿真模型，对其加载特性进行了仿真分析;提出了一种实现高压超大流量开关阀的新型结构，运用FULUNET软件对超大流量开关阀进行了结构优化与流场研究，确定了额定压力31.5 MPa,流量达到120 000 L/min的超大流量阀的结构参数;推导了防冲液压立柱的冲击波动方程及其定解条件;建立了液压动力加载系统的AMESim仿真模型，并进行了动力冲击仿真分析。根据理论分析结果完成了6 500 kN高速液压冲击实验机样机的研制，并对样机进行了实验测试。 实验结果表明，该试验机最大冲击力为6 500 kN，最大冲击速度8.2 m/s，从静止到最大速度加速时间小于25 ms,超大流量开关阀的额定流量达到了121 179.8 L/min，开启时间小于15 ms。通过对实验样机的实验，验证了设计方案的正确性。

• 围压循环加卸载作用下含瓦斯煤样渗透性试验研究

  贾恒义, 王凯, 王益博, 孙绪坤,

  煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征，对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。 以原煤煤样和型煤煤样为研究对象，采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统，进行围压等幅循环加卸载渗流试验，研究渗透率对应力的响应特征。 结果表明，两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似，但存在细节差异。① 对于2种煤样，渗透率随围压的增大而减小，随围压的减小而增大，且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。② 原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大，在高围压阶段变化程度小，而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③ 原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率Dk均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④ 原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数cf整体上随加卸载次数的增加而减小，随瓦斯压力的增加而增大。⑤ 原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大，型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。 用型煤煤样来代替原煤煤样研究含瓦斯煤的渗流特征是可行的，而且在某些特定场合还具有一定的优越性，但同时也应该注意两种煤样渗透率对应力响应特征的细节差异，以及这些细节差异给试验结果的可靠性所带来的影响。

• 基于系统聚类-加权马尔科夫耦合模型滑坡预警方法研究与应用

  王东, 杜涵, 王前领,

  滑坡的非线性运动规律及演化过程中表现出的随机性态一直是滑坡灾害预测研究的难点之一。 针对现有滑坡预警理论与方法仍存在的可信度较低、错误率高及预警不及时等问题，基于马尔科夫链理论和系统聚类基本思想，视滑坡过程中的位移速度演变为马尔科夫过程，运用聚类分析将GPS速度观测信号转换为状态信号，从随机过程角度对滑坡位移加速度a>0这一滑坡判据进行了新的描述。 认为当监测获得的前日、当日位移速度以及预测获得的次日位移速度状态均为“异常”，且动态样本的位移速度均值和标准差持续增大时，预示着滑坡即将发生;在兼顾应规避滑坡预警滞后性的同时，还考虑了预警模型的降噪能力及可信度等3方面需求，提出了以预警区域敏感度、预警正确率与预测共识率为评估函数来检验滑坡预警模型的正确性和有效性，进而提出了系统聚类-加权马尔科夫链耦合滑坡预警方法;结合平庄西露天煤矿顶帮“4·17”滑坡工程实例，以GPS表面位移监测数据为训练集和测试集，对该滑坡预警方法的合理性进行了验证。 研究表明:采用该滑坡预警方法，不仅可及时、准确的确定滑坡预警时刻，还可体现滑坡启动、发生、发展在区域上的动态演变过程;对于平庄西露天煤矿的“4·17”滑坡，最佳样本容量为20，此时的平均7 d预警敏感度为84%，对全部监测点的期望预警正确率为93%，平均预测共识率为76%，能够满足工程需要。

• 真三轴加载条件下含瓦斯煤体复合动力灾害及钻孔卸压试验研究

  鲁俊, 尹光志, 高恒, 李铭辉, 邓博知,

  煤与瓦斯突出、冲击地压等动力灾害严重威胁矿山安全高效生产。煤矿进入深部开采后，受原岩应力升高及地质赋存条件变化的影响，冲击与突出复合型动力灾害呈逐渐增多趋势，其发生原因、机理较单一动力灾害更为复杂。因此研究深部煤矿复合动力灾害致灾机理对于动力灾害的有效防治至关重要。 本文基于自主研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”，进行了考虑气体影响的完整煤样和卸压孔煤样的5面加载、单面临空试验。 结果表明，复合动力灾害是煤岩在应变能和气体内能作用下非线性瞬发性破坏的动态过程。其发生过程具有明显的阶段性，主要经历颗粒弹射、碎片弹射、局部煤体破坏、煤体抛出失稳和重新平衡状态，煤样破坏后形成明显弧形阶梯状煤体抛出坑。中间主应力在一定范围内有增强煤样强度的特性，试样强度随中间主应力的增加而逐渐增加，试样破坏后形成平行于中间主应力方向的主断裂面。 钻孔卸压措施可在一定程度上改善煤岩力学性质，软化煤岩结构，降低煤岩强度，增强其塑性变形特性，使集聚的弹性能量缓慢释放，降低动力灾害发生的可能性。 对比试验结果表明，卸压孔平行于中间主应力时煤样产生的塑性区范围更大，塑性程度更强，钻孔后的试样破坏后形成明显的阶梯式层裂结构，与未钻孔和其他钻孔布置方式相比，致灾程度弱化，无明显动力显现特征，卸压效果更好。 卸压钻孔主要通过优化能量释放结构，促进煤岩渐进式损伤，最终煤岩趋于静态缓慢式破坏。针对现场具体工程条件，提出了根据实际地应力、地质条件等布置卸压钻孔方位的技术方案和可行的治理措施。

• 煤储层测井分析和精细地质建模技术

  吕杰堂, 张铭, 淮银超, 谭成仟, 陈雄涛, 王点奥,

  煤层气储层测井地质分析的深入和建立合理的煤层气精细地质模型对于提高煤层气开发效果影响巨大。澳大利亚东部Surat盆地煤层气区开发的目的层系是低煤阶的煤系地层，钻井井数多、测井时间跨度长，准确的单煤层精细识别和岩相定量解释技术需要测井标准化研究，同时，已钻井井距差别大，产量高低变化大，储层认识仅仅限于煤组和煤组模型，不利于细化开发和进一步提高单井产量。因此根据现场实际，建立一套煤储层测井地质分析和精细地质模型分析技术，首先以层序旋回识别为基础，进行多级层序高分辨率的煤小层层序划分和对比，解决单煤层空间分布和单井泄流面积的认识，同时，建立一套适用于全区的煤储层测井曲线标准化流程，解决煤储层厚度解释不准确的问题，在此基础上，建立单煤层PLY-BASE为基础的煤层气田精细地质模型，获得煤储层分布和地质储量基础。该研究建立的煤层序多级高分辨率层序格架，刻画了单煤层储层的尖灭合并分布特征和单井泄流面积范围。以测井标准化为基础的煤层精细解释和多岩性定量分析确保了煤层解释的准确性，并确定了包括5种微相类型的河流相概念模式。建立了气田范围内ply-based 煤层气精细地质模型，为确定未来在全区进行河流相控煤沼随机模拟的研究重点和开发方案优化以及优选开发有利区提供依据。

• 基于交叠协同逻辑的液压支架运行自适应稳压供液控制方法

  付翔, 王然风, 赵阳升, 杨永康,

  液压支架智能的自动跟机运行是煤矿智能化工作面建设的一项重要目标，针对目前液压支架跟机运行时供液流量适配不合理导致的动作执行速度和精度不足等问题，以液压支架群组跟机适应采煤机速度稳定地运行为液压动力适配目标，提出协同液压支架控制策略的自适应稳压供液控制方法。基于根据支架动作特征提前适配合理供液流量的稳压供液原理，结合多泵+变频供液方式特点，提出供液与支架交叠协同控制逻辑;依据液压传动原理，推导上述逻辑下的液压支架跟机速度、液压系统压力变化率的求解方程，揭示供液流量调控策略与液压支架动作策略对上述两者的耦合作用机理;依据多响应优化问题求解理论，以液压支架跟机适速及其各动作压力平稳为多个目标，构建液压支架运行满意度函数并采用双层规划方法求解，智能决策自适应液压支架运行的供液流量调控策略;利用MATLAB与AMESim联合仿真，模拟相同液压支架运行动作过程的多泵联动、变频恒压、自适应稳压等不同供液控制方法，通过综合对比各方法在液压系统压力均值、压力方差、供液卸载次数、液压支架动作行程平均相对误差、供液作用效率等评价指标，验证了本文提出方法的优势。最后，通过工业级试验验证本文方法，得出自适应稳压供液控制方法具有较好的稳压效果，可行性较高。

• “煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”专辑特邀主编致读者

  袁亮, 齐庆新,

  我国近年来煤矿安全状况持续好转，煤矿百万吨死亡率已从2005年的2.711下降到2019年的0.083，但煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合灾害仍时有发生。冲击地压、煤与瓦斯突出发生机理复杂，通常没有明显宏观前兆，难以准确预警。同时，深部开采地应力明显增高，煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著变化，煤岩变形破坏呈现出典型的脆延转化、大变形和冲击性，开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大，矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现，冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化。为解决我国煤矿深部开采中的煤岩动力灾害问题，弄清冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合灾害的发生机理和深部煤岩动力灾害孕灾条件与灾害转化机制，提升煤矿煤岩动力灾害风险监测、判识及预警能力，开发有效的深部煤岩动力灾害卸压防突解危技术与装备，实现煤矿煤岩动力灾害在线监测、智能判识和实时预警，控制煤矿深部开采煤岩动力灾害的发生，国家在“十三五”期间，分别于2016年和2017年将“煤岩典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”和“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目。其中，项目“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”由中国矿业大学(北京)牵头，中煤科工集团重庆研究院有限公司、平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司、中国矿业大学等共28家单位参加，主要针对煤矿典型动力灾害多相多场耦合灾变孕育规律及演化机理、煤矿典型动力灾害多参量前兆智能判识预警理论、煤矿典型动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输方法、基于大数据与云技术煤矿典型动力灾害模态化预警理论及方法等4项重大科学问题和煤矿典型动力灾害多参量前兆信息智能判识预警模型与技术体系、煤矿典型动力灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术装备及方法、基于大数据与云技术的煤矿典型动力灾害预警方法与技术等3项关键技术问题，开展煤矿典型动力灾害灾变机理、判识预警方法、关键信息采集传感传输等研究，建立了可实现煤矿典型动力灾害多源海量动态信息远程在线传输、存储和多源信息挖掘的系统平台，实现了煤岩动力灾害的远程在线智能预警，并在5个典型煤岩动力灾害矿井进行了综合示范应用，取得良好的效果，项目已通过结题验收;项目“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”由煤炭科学技术研究院有限公司牵头，辽宁工程技术大学、重庆大学、天地科技股份有限公司等共24家单位参加，主要针对深部煤岩动力灾害孕灾条件和时空防控机制、深部开采复合煤岩动力灾害转化机制等2项重大科学问题和深部煤岩动力灾害危险性区域精准探测技术、深部煤岩体原位改性与应力调控防冲技术、深部煤体卸压增透与时空抽采防突技术、深部复合煤岩动力灾害一体化防控技术等4项关键技术问题，正在开展深部煤岩动力灾害孕灾条件与防控机理、危险性区域快速探测与评价、防控技术与装备及工程示范等研究，以期构建深部煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系，实现深部煤矿煤岩动力灾害防控基础理论—关键技术—应用示范的有机融合，防止煤矿深部开采煤岩动力灾害的发生，进行有效防控。这两个项目，分别研究灾害的灾变机理与监测预警和灾害的防控，构成了对煤矿煤岩动力灾害研究的几乎全部内容。本期前19篇论文集中报道了两个研究团队的部分、主要阶段性研究成果，主要包括含瓦斯煤岩体渗透变形破坏特性、煤岩冲击倾向性与冲击地压机理、煤岩动力灾害风险判识、煤岩动力灾害监测预警、井上下联合防突、冲击地压巷道支护、冲击地压分源防治等7个方面。这些成果基本涵盖了煤岩动力灾害从发生机理、孕灾条件，监测预警方法与技术，到灾害防控技术与装备及工程实践，是系统性研究成果。同时，因期刊版面限制，“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”项目的部分研究成果将在《煤炭学报》的增刊中发表。希望本专题的刊出，能为从事煤矿煤岩动力灾害的科研人员、煤矿生产人员和煤矿安全监管人员提供参考，为煤矿煤岩动力灾害的有效预警与防控提供借鉴。本专辑的出版，一方面得到了两个项目研究团队全体人员的积极努力和辛勤付出，另一方面也得到了业界相关审稿专家学者百忙中对论文的多次认真评审，感谢大家!

• “煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”专辑特邀主编致读者

  袁亮, 齐庆新,

  我国近年来煤矿安全状况持续好转，煤矿百万吨死亡率已从2005年的2.711下降到2019年的0.083，但煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合灾害仍时有发生。冲击地压、煤与瓦斯突出发生机理复杂，通常没有明显宏观前兆，难以准确预警。同时，深部开采地应力明显增高，煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著变化，煤岩变形破坏呈现出典型的脆延转化、大变形和冲击性，开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大，矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现，冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化。为解决我国煤矿深部开采中的煤岩动力灾害问题，弄清冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合灾害的发生机理和深部煤岩动力灾害孕灾条件与灾害转化机制，提升煤矿煤岩动力灾害风险监测、判识及预警能力，开发有效的深部煤岩动力灾害卸压防突解危技术与装备，实现煤矿煤岩动力灾害在线监测、智能判识和实时预警，控制煤矿深部开采煤岩动力灾害的发生，国家在“十三五”期间，分别于2016年和2017年将“煤岩典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”和“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目。其中，项目“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”由中国矿业大学(北京)牵头，中煤科工集团重庆研究院有限公司、平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司、中国矿业大学等共28家单位参加，主要针对煤矿典型动力灾害多相多场耦合灾变孕育规律及演化机理、煤矿典型动力灾害多参量前兆智能判识预警理论、煤矿典型动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输方法、基于大数据与云技术煤矿典型动力灾害模态化预警理论及方法等4项重大科学问题和煤矿典型动力灾害多参量前兆信息智能判识预警模型与技术体系、煤矿典型动力灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术装备及方法、基于大数据与云技术的煤矿典型动力灾害预警方法与技术等3项关键技术问题，开展煤矿典型动力灾害灾变机理、判识预警方法、关键信息采集传感传输等研究，建立了可实现煤矿典型动力灾害多源海量动态信息远程在线传输、存储和多源信息挖掘的系统平台，实现了煤岩动力灾害的远程在线智能预警，并在5个典型煤岩动力灾害矿井进行了综合示范应用，取得良好的效果，项目已通过结题验收;项目“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”由煤炭科学技术研究院有限公司牵头，辽宁工程技术大学、重庆大学、天地科技股份有限公司等共24家单位参加，主要针对深部煤岩动力灾害孕灾条件和时空防控机制、深部开采复合煤岩动力灾害转化机制等2项重大科学问题和深部煤岩动力灾害危险性区域精准探测技术、深部煤岩体原位改性与应力调控防冲技术、深部煤体卸压增透与时空抽采防突技术、深部复合煤岩动力灾害一体化防控技术等4项关键技术问题，正在开展深部煤岩动力灾害孕灾条件与防控机理、危险性区域快速探测与评价、防控技术与装备及工程示范等研究，以期构建深部煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系，实现深部煤矿煤岩动力灾害防控基础理论—关键技术—应用示范的有机融合，防止煤矿深部开采煤岩动力灾害的发生，进行有效防控。这两个项目，分别研究灾害的灾变机理与监测预警和灾害的防控，构成了对煤矿煤岩动力灾害研究的几乎全部内容。本期前19篇论文集中报道了两个研究团队的部分、主要阶段性研究成果，主要包括含瓦斯煤岩体渗透变形破坏特性、煤岩冲击倾向性与冲击地压机理、煤岩动力灾害风险判识、煤岩动力灾害监测预警、井上下联合防突、冲击地压巷道支护、冲击地压分源防治等7个方面。这些成果基本涵盖了煤岩动力灾害从发生机理、孕灾条件，监测预警方法与技术，到灾害防控技术与装备及工程实践，是系统性研究成果。同时，因期刊版面限制，“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”项目的部分研究成果将在《煤炭学报》的增刊中发表。希望本专题的刊出，能为从事煤矿煤岩动力灾害的科研人员、煤矿生产人员和煤矿安全监管人员提供参考，为煤矿煤岩动力灾害的有效预警与防控提供借鉴。本专辑的出版，一方面得到了两个项目研究团队全体人员的积极努力和辛勤付出，另一方面也得到了业界相关审稿专家学者百忙中对论文的多次认真评审，感谢大家!