煤炭学报杂志

煤炭学报杂志2023年第5期

• 我国煤岩动力灾害研究进展及面临的科技难题

  袁亮, 王恩元, 马衍坤, 刘玉冰, 李晓亮,

  随着我国浅部煤炭资源日益枯竭，煤矿开采转向深部将成为保障我国能源需求的新常态。针对深部煤炭资源开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压及其复合动力灾害等问题，分析了我国煤岩动力灾害机理研究进展，阐述了煤岩动力灾害评价和监测预警关键技术，总结了煤岩动力灾害防治和风险管控措施及技术手段，提出了煤岩动力灾害预防及研究面临的科技难题和科学研究展望：在研究手段方面，研发能真实反映现场复杂地质条件、工程条件及其多场耦合作用过程的科研仪器，发展矿山动力灾害演化模拟与再现技术，揭示煤岩动力灾害的耦合演化机制；在危险区探测方面，进一步发展基于地球物理手段的工作面动力灾害危险区超前精细探测理论与技术，研发原位条件及采掘影响下煤岩层多参量时空分布钻测与反演技术；在风险评价方面，开展深部复杂地层和采掘工程耦合条件下灾害危险性评价关键指标及智能评价方法研究；在监测预警方面，建立煤矿多灾害融合监控预警平台，实现煤矿多灾害融合监控、智能预警和安全态势的准确分析；发展煤岩动力灾害的远程精准区域防治技术，实现煤岩动力灾害的超前区域防控；研究煤岩动力灾害事故数字化应急决策理论与关键技术，实现煤岩动力灾害智能应急决策。通过理论、技术及设备等系统研究，为实现动力灾害有效防控、保障煤炭资源安全高效开采提供保障。

• 冲击地压矿井安全性研究

  潘一山, 肖永惠, 罗浩, 王岗, 施天威,

  针对当前冲击地压矿井缺少对防冲设计的可靠性和对自身防冲能力综合评判的环节，导致一些冲击地压矿井虽然采取了防冲措施，但依然发生冲击地压这一现状。参考了岩土工程中采用安全系数来评价安全程度这种办法，提出了冲击地压矿井安全性的基本理念。通过调研发现：冲击地压造成的破坏范围占所在工作面总的作业范围比例是有限的；矿井巷道围岩应力集中大小是有限的，应力集中系数基本介于1～6；冲击地压事故释放的能量都不大于109 J级，即冲击地压释放的能量是有限的；冲击地压矿井的安全性评价可以转化为巷道安全性评价，即保证了巷道安全就保证了整个矿井安全；冲击地压发生后控制巷道断面收缩率在20%以内基本可以避免人员伤亡。因此，指出冲击地压是可防可控的。进而提出冲击地压不发生的条件和发生不造成人员伤亡的条件，即分别为：巷道围岩变形系统的实际受载应力低于巷道失稳发生冲击地压的临界应力；围岩变形系统失稳释放能量低于围岩−支护系统可吸收能量。并提出矿井在进行冲击危险性评价、划分危险等级以及防冲设计后，还需要进行安全性评价，包括临界条件、安全系数的计算和划分安全等级。基于冲击地压扰动响应失稳理论，给出安全性评价需要考虑的2个方面：应力安全性和能量安全性。其中，应力安全性由围岩变形系统的实际受载应力与失稳临界应力的比值(即应力安全系数)来判断；能量安全性由围岩变形系统失稳释放能量与围岩−支护系统可吸收能量的比值(即能量安全系数)来判断。进而将矿井安全性划分为A、B、C三级，分别对应：安全、基本安全和不安全。其中，应力安全系数大于1.5且能量安全系数大于1.0，为A级安全矿井，矿井具备防冲能力，可以正常进行开采；应力安全系数大于1.0且能量安全系数大于1.5，为B级基本安全矿井，矿井具备防冲能力，可以正常进行开采；安全系数非A级和非B级，则为C级不安全矿井，矿井不具备防冲能力或应暂停开采活动。以某矿为例，给出了矿井安全性计算的完整流程和评价结果。最后给出了全国部分冲击地压矿井的应力安全系数和能量安全系数，并结合这些矿井的实际冲击地压发生情况，验证了安全系数计算结果的可参考性，从而说明安全性评价方法具备一定的可靠性和实用性。

• 煤矿冲击地压源头防治理论与技术架构

  齐庆新, 马世志, 孙希奎, 赵善坤, 李云鹏, 李海涛, 于斌, 潘鹏志, 王守光, 李宏, 李一哲, 王旭东, 张修峰, 王学滨, 李宏艳, 陆菜平, 王书文, 韩军, 乔文俊, 张宁博,

  我国煤矿安全状况虽持续好转，但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重，仅近5 a就发生了8起冲击地压事故，累计死亡48人。我国煤矿冲击地压防治多为“头痛医头、脚疼医脚”，冲击地压发生源头、孕灾机理不清。同时，以山东巨野、兖州等煤田为代表的东部充分采动矿井，具有开采深度大、采动影响因素复杂等特征；以内蒙古鄂尔多斯和陕西彬长矿区为代表的西部非充分采动矿井，则具有高强度开采、厚硬岩层等特征，均给冲击地压防治带来了新的挑战。因此，煤矿冲击地压源头防治已成为当前亟待解决的重大工程科学问题。针对这一难题，从冲击地压基础理论与模拟技术、监测及危险区判识技术、区域与局部防控技术装备等3方面系统的分析了当前冲击地压研究取得的成果与不足，结合前期研究基础与现场实践，提出了煤矿冲击地压源头防治思想。进而将其梳理为煤矿冲击地压源头属性与特性、煤矿冲击地压全过程孕灾与源头防治原理等2个科学问题，冲击地压全过程精细模拟技术、矿井全生命周期煤岩体应力与全尺度覆岩结构监测技术、冲击危险精准甄别与智能识别技术、煤矿冲击地压井上下协同防控技术等4个技术问题。根据生产矿井和新建矿井的特点，分别制定了相应的防治思路与技术框架。研究成果为我国煤矿冲击地压防治提供了一种新的思路，为煤矿“零冲击”目标提供理论依据与技术支撑。

• 大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系

  于斌, 邰阳, 匡铁军, 高瑞, 杨敬轩, 夏彬伟, 朱卫兵, 李勇,

  坚硬顶板特厚煤层开采采场空间大，矿压作用复杂，致使采场强矿压作用机理不清，并缺乏针对不同层位坚硬顶板的多点控制技术体系，必须在更大采场空间范围内研究坚硬顶板控制的新理论和新技术体系。笔者团队经过近15 a的产学研攻关，形成了大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系：针对岩层控制研究涉及空间不足，提出了大空间采场概念；基于顶板破断特征及矿压作用规律，定义了远场和近场坚硬顶板；兼顾采空区矸石压缩及覆岩块体的协调运动，建立了大空间采场远场坚硬顶板破断结构力学模型，揭示了远场坚硬顶板破断失稳的强矿压控制机理；基于弹性薄板理论，构建不同切顶工艺、9种组合边界条件下的近场坚硬顶板初次和周期破断力学模型，揭示了近场坚硬顶板定向造缝采场卸压机理；综合工作面参数、近场矿压作用等基础指标，以及临空开采、双系影响等强化条件，建立了强矿压分级预测评价体系，给出了4个不同级别矿压显现程度的量化指标及对应的控制技术；研发了坚硬顶板地面水平井体积压裂技术、地面垂直井分级压裂技术，发明了远场坚硬顶板裂缝扩展监测技术，有效解决了远场坚硬顶板强矿压难题；首创了坚硬顶板复合爆破定向精准造缝技术，开发了坚硬顶板液体炸药深孔爆破技术，发明了坚硬顶板链臂锯连续精准切割技术，实现了对近场坚硬顶板垮落形态及破断特征的精准控制；提出了坚硬顶板地面压裂+X的协同控制技术，实现了对远近场坚硬顶板的多点协同调控。基于以上研究成果，在塔山煤矿8204特厚煤层综放面开展了地面水平体积压裂+液体炸药深孔爆破协同控制现场试验，结果表明，在进入压裂爆破协同控制区域后，临空回采巷道顶底板及两帮移近量均小于388 mm；工作面中部支架最大阻力达到13 295 kN，小于支架额定工作阻力15 000 kN，工作面及回采巷道强矿压得到了有效控制。

• 我国煤矿矿震发生机理及治理现状与难题

  曹安业, 窦林名, 白贤栖, 刘耀琪, 杨科, 李家卓, 王常彬,

  随着我国煤矿开采深度和开采强度不断增加，煤矿矿震以前所未有的频度和强度展现出来，引起政府部门和社会民众的广泛关注。在政府倡导及科研人员积极探索下，我国在矿震致灾机理研究与工程治理实践方面取得了一系列重要进展，在正确认识矿震现象与矿震灾害防控方面取得了长足进步。总结了矿震发生现状，基于我国煤矿矿震研究成果，系统阐述了矿震发生机理、破坏效应、防治技术等方面研究进展与主要难题。结论如下：矿震发生条件复杂，诸多学者从不同角度给出了矿震的定义与分类，总结前人研究后笔者从狭义和广义方面提出了矿震定义，根据矿震发生后的现象及发生机理对矿震进行了分类；矿震致灾现象普遍存在于矿山开采活动中，世界主要采矿国家均有记录，矿震灾害的专业预防与治理已刻不容缓；我国矿震的专业治理起步较晚，但近年来国家部委、省市以及地方管理机关陆续颁布关于矿震防范的规章制度，有力提升了我国矿震灾害治理和应急处置能力；总结了我国煤矿矿震宏观触发机制包括煤柱失稳诱发矿震、顶板破断运动诱发矿震以及断层错动滑移诱发矿震，矿震微观破裂机制包括震源张拉破裂、震源内爆破裂以及震源剪切破裂；从矿震震源参量、震动波传播衰减规律以及震动波扰动情况等方面探讨了矿震的致灾效应，归纳了矿震对井上下的扰动致灾评估方法；以源头防控为宗旨，以精准预防为方针，概括了我国煤矿矿震治理现状与难题。当前，我国煤矿矿震依然存在“震源找不准、灾害控不住”等难题，亟待深入研究矿震孕育发生机理、破坏效应及防控技术方法，以保障煤炭绿色安全高效开采，支撑国家深部资源开发和能源安全战略。

• 深厚表土覆岩结构运移演化及高应力突变致灾机理

  孟祥军, 张广超, 李友, 陈连军, 王超, 赵仁宝, 陶广哲, 王冬, 周广磊, 陈淼, 栾恒杰,

  覆岩运动演化是井下动力灾害孕育发生的根本原因，掌握具体地层条件下覆岩运动规律及其演化致灾机理对实现动力灾害防控具有重要意义。以3301工作面为工程背景，综合运用相似模拟、理论分析与现场实测相结合的方法，研究了表土层−基岩不同厚度组合变化下基岩、表土层及地表下沉盆地的整体破坏形态与联合运移演化规律，揭示了2类典型表土层−基岩组合条件下的覆岩结构运移演化规律及采动应力传递形成机制，推导获得了巨厚表土薄基岩条件下的支承压力定量表达式，并提出了高应力突变致灾宏观判别准则，现场工程实践验证了模型合理性。得到主要结论：① 煤层开采后软弱基岩呈现非对称“类梯形”破坏形态，巨厚松散表土层呈现“倾斜漏斗形”破坏形态，表土层运移演化具有响应速度快、运移范围广、下沉系数大的特点；② 表土层−基岩双层介质在不同厚度组合条件下的运移演化规律具有较大差异，厚表土层薄基岩(I型)条件下，基岩自下而上发生塑性破裂，破断岩体块度小，难以形成稳定结构；厚表土层厚基岩(Ⅱ型)条件下，基岩由塑性破裂逐渐转化为块式破断，破断步距逐步增大，关键层效应逐渐突显，破断后形成结构的承载能力提高，能阻止上覆表土层的运移和沉降，地表下沉量出现一定程度的减小；③ 深厚表土薄基岩条件下，工作面前方大范围表土层向采空区发生运移，载荷集中作用在工作面上方基岩和超前煤体内，同时由于基岩软弱、破断岩块尺寸较小、无法形成规模悬顶的特点，限制了载荷向煤壁前方更远处传递，致使呈现应力峰值大、影响范围小、波动性大特点；④ 建立了考虑深厚表土大范围运移、基岩塑性破裂特征的支承压力估算模型，获得了支承压力计算方法，并以3301工作面具体参数为例，估算出其支承压力影响范围为72 m，峰值为44.2 MPa，应力峰值距煤壁23 m，具有一定冲击风险；现场地表沉降特征与采动应力监测结果验证了理论分析与相似模拟结果的科学性。

• 煤冲击倾向性的针贯入法测定

  赵毅鑫, 谢镕澴, 高艺瑞,

  冲击倾向性是煤的固有力学属性，也是评价煤矿冲击地压风险的重要依据。提出了一种基于针贯入法快速测定煤冲击倾向性的实验方法；结合纵波波速测试和单轴压缩实验，探究了具有不同贯入度指数的煤样对应的物理力学性质差异及在受压破坏过程中能量演化规律，采用剩余弹性应变能释放率指数KRE，定量表征了弹性应变能累积释放特性并进行冲击倾向性评价。通过数据拟合与回归分析，获得了测试煤样贯入度指数与纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学参数的对应关系，并建立了贯入度指数和冲击能量指数、弹性能量指数、动态破坏时间、剩余弹性应变能释放率指数等冲击倾向性指标的关联表达式；构建了基于贯入度指数的煤冲击倾向性分级评价方法，采用对应煤样冲击倾向性测试时煤屑弹射质量比F对基于贯入度指数的煤冲击倾向性分级评价方法进行了验证。结果表明：煤的贯入度指数与纵波波速、单轴抗压强度、弹性模量等物理力学参数及冲击能量指数、弹性能量指数、剩余弹性应变能释放率指数等冲击倾向性指标呈幂函数正相关关系，与动态破坏时间呈负相关的指数关系；贯入度指数越大，煤的弹性变形和储能性能越强；贯入度指数为85 N/mm时是煤单轴抗压强度突变临界值；利用针贯入法测定煤的物理力学性质、弹性应变能储存释放特性及冲击倾向性具有良好的可行性与可靠性。

• 特厚煤层巷道冲击破坏机理及全锚索支护技术

  高明仕, 徐东, 王海川, 俞鑫, 刘荣发,

  针对特厚煤层巷道围岩冲击破坏严重等问题，基于弹性力学与冲击动力学，研究了特厚煤层巷道冲击破坏机理，揭示了顶煤破坏主控影响因素，分析了动载应力波传播过程及巷道围岩支护体系动力响应特征，确定了特厚煤层巷道围岩抗冲支护技术。研究发现：巷道顶煤岩梁冲击破坏程度与围岩静载集中应力、冲击震源强度和岩梁长度成正比，与应力波传播距离、岩梁厚度及强度成反比；冲击动载应力波传播过程分为应力起始振动期、应力波动期和应力调整期；应力起始振动期巷道围岩表面质点开始振动，锚杆索出现预卸压，应力波动期巷道围岩破坏加剧，锚杆索产生一定损伤，应力调整期巷道围岩趋向于稳定，锚杆索轴力也趋向于稳定值；随着冲击动载强度增大，巷道围岩质点振动速度、位移增量和加速度呈指数关系增长；巷道围岩临界冲击能量为105 J，大于临界冲击能量，巷道围岩动力破坏加剧，锚杆索损伤增大；采用全锚索梯次让压支护技术，巷道可形成浅表深锚高预应力层与深部梯次让压协同支护层，增强巷道顶煤岩梁强度及厚度，降低锚索冲击动载损伤值，提升巷道围岩抗冲性能。工程应用表明，采用全锚索梯次让压支护技术，巷道围岩裂隙发育深度降低50.47%～55.42%，变形量降低52.89%～68.78%，锚杆索损伤降低，巷道围岩稳定性显著提升。

• 煤矿冲击地压发生风险判别公式及应用

  潘俊锋, 高家明, 闫耀东, 杨光宇,

  针对传统冲击地压发生判别方法缺乏灾害全过程考虑的问题，以煤矿冲击地压发生物理过程分解为切入点，采用理论分析、数值模拟、力学推导、工程验证等方法，开展基于物理过程分解的煤矿冲击地压发生风险判别指数计算公式及其应用研究。结果表明，冲击地压发生物理过程中存在的空间序列为采动围岩极限平衡区—采动围岩近场弹、塑性区—采掘活动空间；依次对应的时间序列为冲击启动阶段—冲击能量传递阶段—冲击地压显现阶段。冲击地压完成物理过程必须同时满足冲击启动和克服阻抗2个力学条件；分别建立了动、静载荷加载型以及高静载荷叠加型冲击地压启动力学模型、冲击地压克服阻抗显现力学模型；得到了冲击地压启动能量判据公式、冲击地压显现能量判据公式；基于上述2项公式建立了既考虑动载荷源、又考虑静载荷源，兼顾冲击启动力学条件满足、冲击地压显现力学条件满足的冲击地压发生风险判别指数计算公式；依据判别指数计算公式，得到冲击地压发生风险性与煤岩体静、动载能之和成正比，与支护及围岩阻抗能成反比的关系；建立了基于冲击地压发生风险判别指数的巷道降载荷−增阻抗耦合防冲工程结构力学模型，并进行了工程应用，实践表明达到了防治冲击地压目的。

• 梯度围岩结构应力波透射模型与传播衰减规律

  王爱文, 孙郑齐, 潘一山, 范德威, 李超, 于新河, 王岗, 卢闯,

  锚杆支护与钻孔卸压等方式改变巷道围岩介质属性，形成具有三介质两结构面的巷道梯度围岩结构，增加对应力波的吸收与衰减能力，防止巷道冲击破坏。为揭示巷道梯度围岩结构中应力波传播衰减规律，建立了梯度围岩结构应力波透射模型，从弹性波在介质交界面处的波场分解和能量分配角度出发，分析了卸压带密度以及应力波入射角度对能量系数的影响，发现梯度围岩卸压带的密度和入射角对各折反射波的能量系数具有显著影响，揭示了梯度围岩结构的吸能防冲力学机理。基于不同梯度围岩结构模型的数值计算，综合应力波的波幅衰减系数、波阻抗匹配系数、能量吸收占比、能量衰减系数等参量，对比分析巷道梯度围岩结构对应力波传播衰减的影响规律。研究结果表明：梯度围岩结构卸压带宽度增加，应力波振动频率降低，波幅衰减系数随之增加，能量衰减系数呈上升趋势，提高了梯度围岩结构的缓冲与隔震性能，增强了巷道的防冲能力；卸压带宽度较小时，会引起应力波在梯度结构中的复杂叠加，使得应力波在局部区域幅值激增，合理的卸压带宽度能够避免应力波在三介质两结构面结构中的复杂叠加。卸压带内钻孔间排距减小，梯度围岩结构卸压带中介质的弹性模量与密度下降，能量吸收占比增加，提高了对应力波的吸波性能。梯度围岩结构中“三带”的波阻抗匹配系数越大，能量衰减系数越大，即“三带”的介质性质差异越大，梯度围岩对于应力波的吸收衰减效果越好，通过调控卸压钻孔的深度与间排距改变卸压带的尺寸和物理力学性能，可有效提高梯度围岩结构的吸波、缓冲、隔震性能。结合工程实例分析证实了梯度围岩结构可有效吸收冲击地压产生的应力波能量，避免冲击地压灾害发生。

• 基于局部矿井刚度理论的冲击地压试验装置研制及应用

  高富强, 原贵阳, 娄金福, 卢志国, 李建忠,

  煤层加载刚度及峰后承载刚度是影响冲击地压发生的重要因素，为了系统研究基于局部矿井刚度理论的冲击地压发生机理及煤柱冲击破坏规律，开发了冲击地压实验室试验装置。试验装置主要由静力加载系统、储能系统、变刚度加载系统、开挖系统和多源信息监测系统5部分组成。该试验系统的主要创新如下：① 加载系统中增加开挖装置，可在保压状态下通过开挖诱发试样产生应力集中及局部矿井刚度的降低，当试样受力达到其承载强度、局部系统刚度低于试样峰后刚度时将发生冲击破坏；② 加载系统中设置了气囊式蓄能器−油缸的复合液压弹簧储能装置，可在静力加载过程中完成能量的储存；③ 设置了一种变刚度加载装置，系统可通过蓄能器初始气囊压力的调整实现不同加载刚度的设置；④ 试验装置可对试样从加载—稳压—开挖—冲击全过程进行实验室再现，使得冲击地压发生全过程煤柱应变监测以及冲击过程观测成为可能。通过对高强度混凝土试块和强冲击倾向性煤样进行初步实验室试验，验证了该模拟设备的准确性和可靠性，初步试验结果表明：低刚度加载条件下通过开挖底部试样可有效诱发煤柱发生冲击破坏，煤柱破坏由低刚度侧向高刚度侧扩展贯通，破坏后的残留煤柱呈现出“两侧宽中心窄”的哑铃状态。冲击破坏后的煤柱中心被一条横向锯齿裂纹贯穿，致使煤柱承载能力大幅度降低。该试验系统从加载储能及刚度角度出发，可实验室再现煤体在加载—稳压—开挖—冲击破坏的冲击地压发生全过程，为煤矿冲击地压发生机理研究提供试验平台。

• 动载作用下全锚锚固体应力波传播及破坏特征

  常聚才, 齐潮, 殷志强, 史文豹, 高翔,

  深井巷道受动载扰动变形严重，明晰动载作用下锚固支护体的应力波传播及破坏特征具有重要意义。基于霍普金森杆(SHPB)试验系统，研究了不同冲击气压下锚固体试件的应力波传播规律，基于一维应力波理论计算了锚固体的层裂强度；利用ABAQUS数值模拟软件还原了动载冲击试验，再现了锚固体试件的应力波传播全过程，分析了锚固体轴向不同位置处的应变–时序特征。研究结果表明：① 随冲击气压增大，应力波衰减速度越快，空间响应幅值及衰减系数逐渐增大，锚固体试件层裂强度与冲击气压呈正相关关系，0.6 MPa冲击气压下的层裂强度相较于0.4 MPa冲击气压下增加了41%，呈现出明显的应变强化效应；② 锚固尾部及中部锚固剂的应力波峰值应变略大于围岩峰值应变，而锚固端部由于净拉应力作用导致围岩峰值应变骤增；③ 锚杆、锚固剂及围岩3者动力响应具有时序性，锚固围岩与锚固剂率先受到压缩应力波作用，锚杆产生滞后于锚固剂与围岩的拉伸应力波，阻止锚固体试件发生协同破坏；④ 锚固尾部锚杆、锚固剂及围岩应变起跳时间间隔为0，随着应力波向锚固中部及端部传递，3者应变起跳间隔时间逐渐增加，锚杆峰值应变随之增加，锚固端部锚杆破坏最严重，随冲击气压的增大，3者不协同作用逐渐加剧，锚固体试件加速劣化。

• 新型NPR锚杆支护系统抗动力冲击试验研究

  陶志刚, 韩惠, 明伟, 史广诚, 何满潮, 杨晓杰,

  为应对深部洞室开挖过程中可能出现的高应力岩爆、冲击地压及外部爆炸等动力冲击作用下造成的洞室围岩非线性大变形，何满潮院士研究团队研发了具有均匀大变形、颈缩明显消失、屈服平台消失等实验现象的2G-NPR(Second Generation Negative Poisson’s Ratio)锚杆新材料，并在此基础上，形成了2G-NPR锚杆支护工程岩体的刚柔性结构系统大变形控制技术。为了深入研究爆炸强冲击作用下2G-NPR锚杆支护工程岩体的整体动态响应规律及力学行为，后续将其应用于国防和人防工程中。在爆炸试验现场研究了爆炸冲击波在花岗岩中的衰减模型，确定了爆炸所需的装药参数，获得了PR锚杆支护复合结构和2G-NPR锚杆支护复合结构洞室的支护参数；对比研究了在爆炸冲击过程中2种不同支护体系中拱顶峰值压力、拱顶拱肩拱底加速度、锚杆轴力以及围岩的动力学响应和相互作用规律，揭示了不同支护洞室的抗冲防爆特性及其破坏模式。研究结果表明：2G-NPR锚杆能抵抗更强的平面冲击载荷，能量吸收分摊比例占比高，在地下防爆支护中具有显著能量吸收特征，能够起到传统锚杆支护无法比拟的支护效果。此外，针对地下洞室开挖引起围岩应力状态的改变，提出洞室开挖应力补偿理论，并得到了锚杆锚固端各应力分量和位移分量的理论解，为后续洞室支护研究提供理论参考。

• 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

  崔峰, 何仕凤, 来兴平, 陈建强, 孙秉成, 贾冲, 高远江,

  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。

• 局部震动诱发煤体非稳态裂纹扩展及其冲击显现特征

  鞠明和, 朱涵, 窦林名, 胡李华, 韩泽鹏, 马小涛,

  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。

• 采空区覆岩波速模型及微震源定位方法

  周琳力, 贾宝新, 潘一山, 包鑫阳,

  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9.7558 m降至0.4186 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。

• 基于震源机制与定位误差校准的冲击地压危险预测方法

  刘耀琪, 曹安业, 王常彬, 杨旭, 王强, 白贤栖, 刘涛,

  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。

• 邻空巷坚硬顶板预裂爆破防冲机理及效果检验

  解嘉豪, 韩刚, 孙凯, 丁自伟, 郝晓琦,

  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：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。

• 深厚表土综放采场应力加载型冲击地压机理

  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,

  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。以山东巨野煤田赵楼煤矿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。

• 深部煤巷围岩三向应力差异梯度致冲机理

  刘国磊, 王泽东, 崔嵛, 马秋峰, 颜磊, 韩玉忠,

  以深部煤巷围岩为研究对象，针对冲击地压灾害严重、致冲机理研究尚不完善、防冲工程缺少更具针对性指导依据等问题，采用室内试验、数值模拟、理论分析等方法，从三向应力差异角度揭示深部煤巷围岩冲击致灾机理。基于采掘活动扰乱煤岩体三向等压状态导致围岩破坏的特点，通过PFC模拟试验和理论推导研究了不同应力路径下的煤体单元体响应特征，得到单元体失稳的应力差异判据，进一步提出煤巷围岩应力差异梯度Dg和应力差异梯度变化率Dgc的概念，基于Drucker-Prager准则分析了巷道围岩Dg演化特征，进而得到巷帮煤体Dg集中致冲的作用机理，并结合冲击地压事故案例进行分析验证。结果表明：煤体的应力差异承受能力随着应力路径的不同而存在显著差异；围岩应力演化的目标是Dg峰值降至极小值，围岩的破坏和屈服是Dg驱动作用的结果；围岩内应力差异梯度Dg随埋深增大和煤层冲击倾向性等级升高而增长，体现出明显的“上升—跌落—下降”梯度性质；Dgc表征围岩内Dg集中程度，Dg升高区煤体在应力扰动作用下，满足Dgc0 < D' gc < k1Dgc0时发生较稳定的变形、位移，满足k1Dgc0≤D' gc < Dgc时发生较稳定的整体失稳，满足D' gc≥Dgc时发生冲击地压；巷帮煤体冲击是围岩变形、破坏的一种极端演化形式；防冲机制应以弱化围岩Dg水平为核心，以Dgc控制为主要着力点。

• 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

  陈彦龙, 李明, 浦海, 巨峰, 张凯, 吴豪帅,

  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。

• 不同冲击速度下含气砂岩损伤−渗流特性试验研究

  王登科, 董博文, 魏建平, 张力元, 张宏图, 曹塘根, 夏玉玲,

  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。

• 静水压下原生组合煤岩动力学破坏特征

  解北京, 栾铮, 刘天乐, 武博文, 钟诗晴,

  深部巷道围岩软弱、裂隙发育，开采扰动影响下易导致动力灾害，其中煤岩组合体整体失稳破坏是诱发灾害的关键因素之一。为探究冲击载荷下原生组合煤岩体的动力学破坏特征，借助分离式霍普金森杆系统及高速摄像机，以原煤、原生组合、人工组合煤岩为研究对象，探究不同静水压、应变率下煤岩动态应力应变、裂纹演化、破碎特征，并采用宏观破碎分形及细观电镜扫描研究煤岩变形破坏特征。研究表明：① 原煤、原生组合、人工组合煤岩的动态应力−应变呈显著非线性，原生煤岩的塑性阶段近似“塑性平台”。② 冲击载荷下，煤岩动抗压强度的应变率效应显著；原煤、原生组合煤岩的动抗压强度与静水压呈先增后减趋势，静水压作用(低压强化、高压弱化)的临界值分别为8、10 MPa，人工组合煤岩与静水压呈正相关趋势。③ 冲击荷载下，原生及人工组合煤岩的裂隙起裂均发生于远离煤岩交界面的煤组分区域；组合煤岩交界面显著影响试样变形破坏行为，当冲击速度≥10 m/s，原生组合煤岩均可发生煤岩组分的整体失稳破坏，而相同扰动下人工组合煤岩仅发生煤组分破坏，仅当冲击速度≥14 m/s，裂纹的尖端应力大于煤岩强度，可贯通人工交界面，导致整体破碎；原生交界面对试样裂纹贯通具有“导向作用”，易诱发裂纹扩展形成宏观破裂面。④ 原煤、原生及人工组合煤岩破碎程度随冲击速度的增大而增大，破碎粒径趋于粒状、粉末状；相同扰动下，3类煤岩中煤组分的破碎程度：原生−煤组分 > 人工−煤组分 > 原煤。

• 真三轴条件下煤样冲击动力学及破坏特征实验研究

  沈荣喜, 顾周杰, 王恩元, 刘贞堂, 刘威, 王溪,

  深部煤体多处于三向不等应力状态，为了研究冲击载荷下煤样动力学特性，通过真三轴霍普金森压杆实验系统，开展煤样动态破坏力学实验。利用该系统装置可分别对煤样提供单轴(σ1≥σ2=σ3=0)、双轴(σ1≥σ2 > σ3=0)和真三轴(σ1 ≥σ2 ≥σ3 ≠ 0)预应力(其中，σ1为轴向预应力；σ2为竖直预应力；σ3为水平预应力)，从而实现高应变率下煤样力学性能测试。通过对比分析单轴与真三轴静载预应力状态下煤样动态力学特征及差异性，研究了煤样动态峰值强度、峰值应变以及宏观破碎形态与三向静载预应力、应变率的关系。研究结果表明：真三轴冲击载荷下煤样力学曲线基本一致，均包含线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段3个阶段。单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度、应变具有明显的应变率效应，随着应变率的增加，单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度及峰值应变逐渐增大；比较单轴与真三轴冲击，三向静载预应力对煤样动态破坏具有明显的约束性，煤样的力学强度较单轴冲击时增大。保持σ2与σ3不变，煤样的力学峰值强度、应变随着轴向预应力σ1的增加整体呈降低趋势。随着应变率的增加，单轴冲击载荷下的煤样逐渐破碎至颗粒或粉末状，碎块平均粒径随应变率的增加线性降低；而三向静载预应力状态下的煤样呈现宏观断裂，碎块平均粒径随轴向预应力σ1的增加线性降低，但破坏程度相对单轴冲击较低。

• 不同温度及冷却速率下花岗岩动态拉伸力学特性

  吴秋红, 夏宇浩, 赵延林, 翁磊, 杨毅, 冯淦,

  深部高温岩石往往会受不同冷媒介质作用，其力学特性的劣化极易诱发岩体工程灾害。考虑3种冷却方式(高温炉中冷却、空气自然冷却及水中快速冷却)，首先研究高温(200～800 ℃)花岗岩圆盘试样热−冷处理后其内部微裂纹分布及纵波波速变化规律。然后基于改进的SHPB试验系统，对不同热−冷处理后的花岗岩试样开展动态劈裂试验，研究不同加载速率下试样应力平衡状态、动态拉伸强度及变形破坏特性的演变规律。结果表明：① 岩石内部损伤程度随冷却速率增大而增大，水中冷却后试样波速下降率最大，内部产生的微裂纹数量最多。② 不同温度及冷却速率下试样动态拉伸强度与加载率呈指数正相关关系；200 ℃时，冷却方式对试样动态拉伸强度影响较小；而400～700 ℃时，温度及冷却方式对试样动态拉伸强度影响较大，拉伸强度随温度及冷却速率的增大而降低。③ 温度及冷却方式对试样最先起裂位置处拉伸应变、起裂时间影响较大，最先起裂位置处拉伸应变随温度及冷却速率的增加而增加，起裂时间随温度及冷却速率的增加而缩短。④ 试样主要存在2种破坏模式：I类为试样存在中心主裂纹及端部粉碎区；II类破坏模式复杂，除了存在中心主裂纹及端部粉碎区外，还存在其他方向贯通裂纹。研究结果可为深部高温岩石工程的稳定性控制提供理论参考。

• 单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究

  丁鑫, 高梓瑞, 肖晓春, 樊玉峰, 王爱文, 吴迪, 潘一山,

  新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点，而更易失稳、诱发冲击地压事故，深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础。运用物理实验方法，基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统，开展垂向加荷–径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验，并监测全历程出现的声发射信号，分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律，引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计，结果表明：单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力–应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型3阶段特征，高卸荷速率和瓦斯压力，降低了煤岩强度、峰值应变量，但使峰后阶段应力降模量增大，而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化。试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的“洋葱皮”式破坏形式，且卸荷速率越高，形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大，相应的统计分形维数越低，而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高。三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续，单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现，次高值信号产生于应力峰值，随卸荷速率、瓦斯压力升高，两高值信号幅值增加且最值信号出现提前，声发射能量累计量“阶梯”增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低。高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能，在实际工程中，高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构，易受高静载或冲击扰动致整体结构失效，且该部分“富能”围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害。

• 基于GDEM的结构面型岩爆孕育演化机制

  周雄, 孟凡震, 岳祝凤, 王玮, 徐荣超, 周辉, 管晓明,

  深部硬岩工程开挖过程中，洞壁围岩常常因结构面的存在发生岩爆地质灾害，造成人员伤亡和设备损毁等事故。通过采用有限元、离散元相耦合的GDEM数值仿真技术研究了边墙含竖向结构面的数目和尺度对深部硬岩直墙拱形隧道在开挖卸荷作用下，围岩裂化扩展行为、应力、位移、片状块体速度等力学运动特征的影响，以此揭示围岩板裂化、结构面型岩爆之间的演化机制。结果表明：开挖卸荷后，含多结构面数目隧道的破坏模式及强度与结构面控制效应有关(洞壁径向距离1.5 m范围内结构面的作用影响大)，且结构面具有主导控制岩爆爆坑边界的作用，而多节理岩板裂化的演化机制为切应力不均匀分布，致使岩板实际承载偏心受压，产生二阶弯矩效应，诱发强烈的张拉板裂型岩爆，呈现出“平底锅状”C字型的爆坑；围岩破坏强度与岩板的尺度效应有关且结构面具有削弱应力向径向深部围岩转移的阻碍作用，从而不断加剧结构面围岩之间卸荷应力波的相互反射，增大了岩板内的应力积聚与能量积累。且尺度不同，其切应力调整分布演化差异大，大尺度高柔度的三节理岩板，其端部载荷强度高、岩板的屈曲效应较明显，导致径向内部岩板易屈曲失稳而引发边墙围岩板端部的剪断失稳破坏，诱发强烈岩爆。而中小尺度的三节理岩板，柔度小不易失稳，且载荷作用小，裂纹易沿结构面尖端扩展贯通破坏，呈现为脱落型静态脆性破坏，形成小V型破坏断口。

• 防冲支架立柱多胞薄壁吸能构件能量吸收性能

  田立勇, 周禹鹏, 孙业新, 于宁,

  为提高防冲支架能量吸收性能以应对煤炭资源深部开采趋势下的冲击地压频发问题，提出了一种具有圆形与多边形混合截面的多胞薄壁吸能构件应用于防冲支架立柱。基于简化超折叠单元(Simplified Super Folding Element,SSFE)理论剖析了不同截面形状和肋板布局的多胞薄壁吸能构件能量耗散途径，构建了轴向压溃条件下吸能构件的能量吸收平衡方程，并推导出了等厚度和非等厚度2种吸能构件平均支反力预测公式；通过轴向压溃仿真获得了各类型多胞薄壁吸能构件吸能量曲线、支反力曲线以及屈曲变形形态，发现圆形与八边形混合截面、边延伸肋板布局的多胞薄壁吸能构件(P8-2类型)具备相对吸能优势，深入考察了内嵌管截面尺寸、薄壁管壁厚和肋板厚度对其吸能效果的影响规律，即：3种结构参数对弯曲褶皱形态和塑性铰数量影响显著，对吸能特性参数有着不同且非简单单向变化的影响趋势，同时验证了基于SSFE理论的平均支反力理论模型具有较高预测精度；依托均匀试验数据，拟合出了吸能特性参数关于构件结构参数的回归方程，并利用NSGA-II遗传算法进行优化求解，最终确定多胞薄壁吸能构件内嵌管截面尺寸为122 mm，薄壁管壁厚度为2.6 mm，肋板厚度为2.7 mm；进一步通过轴向压溃仿真验证与对比分析，结果表明：经结构参数优化后的多胞薄壁吸能构件具备更好的能量吸收效果且支反力波动较小，可使让位防冲过程更加可靠，能够为防冲吸能构件设计提供有益参考。

• 基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法

  程继杰, 刘毅, 李小伟,

  针对目前冲击地压和煤与瓦斯突出致灾机理尚未完全明确，仍偶有发生，严重威胁着我国煤矿的安全生产，结合灾害发生时大量抛出煤岩有着不同于采掘工作面和巷道空间正常工况下的温度与速度特征，提出了一种基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法：在煤矿井下巷道顶部、巷帮以及采掘工作面液压支架等位置多点布置红外热像仪，实时采集采掘工作面和巷道空间热红外视频图像；监测识别监视区域内物体温度是否处于设定的温度范围(30 ℃≤T≤150 ℃)；当掘进工作面、掘进巷道入口、掘进巷道中间、回采工作面、进风巷入口、进风巷中间、回风巷入口、回风巷中间、主运输大巷、辅助运输大巷等位置红外热像仪监测到物体温度处于设定温度范围时，监测识别处于设定温度范围物体的移动速度是否处于设定的速度范围(v＞13 m/s)；当处于设定速度范围时，利用多点布置的甲烷传感器监测监视区域内环境甲烷体积分数是否迅速升高；当工作面、回风巷、进风巷、总回风巷等多个不同地点甲烷体积分数均大幅升高，则进行煤与瓦斯突出报警，反之，则进行冲击地压报警。提出了基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警中，红外热像仪的最佳倾角确定方法，以及红外热像仪有前倾角度情况下监测温度异常物体移动速度的方法。根据宁夏双马煤矿实际掘进巷道情况，结合红外热像仪帧率25 FPS，焦距13 mm，并且沿巷道轴向方向的视场角为21°，相对于竖直向下进行图像监视，该方法在保证测速效果的前提下得到的红外热像仪最佳倾角约为58°，进行图像监视时监视范围增大了约292%，在密集监视区域红外热像仪成本减少近75%。为了更逼真的迎合灾害特征，简化实验复杂度与确保安全性，设计了一套灾害温度、速度特征模拟实验装置：采用直径315 mm PVC管模拟圆形巷道；采用颜色、密度相近的10 mm橡胶球替代破碎煤岩作为主要实验材料与主要识别目标；采用物理加热法(热水浴)使橡胶球温度达到灾害发生时的温度异常范围；采用高压鼓风机提供动力源，使橡胶球速度能够达到灾害发生时的速度异常范围。并利用红外热像仪来完成对整个模拟灾害过程的监视与热红外视频图像采集。对所提出的灾害感知报警方法进行了代码实现。模拟实验与结果分析表明，该方法识别效果良好，验证了基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法的可行性与有效性。