摘要：煤岩瓦斯复合动力灾害(以下简称"复合灾害")是"含瓦斯煤层-围岩"系统在深部开采扰动下发生的能量剧烈释放的灾变行为.目前对复合灾害中煤层与围岩能量的互馈作用,尤其是围岩的作用机制仍缺乏深入分析.通过开展不同地应力和煤岩强度差条件下含瓦斯煤岩结构失稳的物理模拟试验,分析了复合灾害能量转换规律,并重点探讨围岩弹性能的作用机制.基于扰动响应准则构建了围岩失稳临界判据模型,定量确定了围岩失稳临界条件及围岩能量积聚对复合灾害的作用.试验结果表明:灾害演化受围岩与煤体能量互馈路径主导,具体表现为:高地应力与低顶板强度条件下,围岩因储能能力增强积累更高剩余弹性能;二者的剩余弹性能通过"煤体-围岩"双向传递机制相互促进破坏,导致煤体和顶板破坏程度加剧,进而促使抛出孔洞更易向上扩展,最终显著增强灾害强度与发生风险.理论结果表明:低强度和高冲击倾向性围岩均因储能能力弱、塑性区扩展阈值低,易在扰动下失稳,更容易通过能量传递加剧煤体破坏;增强煤岩强度虽能提高围岩失稳临界应力,但冲击倾向性同步增大,可能反向降低失稳临界值,形成防控矛盾.支护强度提升虽能有限增强围岩储能能力,但主要通过约束变形使弹性能释放集中于可控区域,降低对煤体传递能量的风险.开挖半径增大虽会显著扩展塑性区半径和弹性能储量,但不会直接增加灾害风险,但灾害发生时大量弹性能集中释放可能会增大灾害强度.研究提出"介质改性-卸荷消能"防控策略,为深部复合灾害预测及防控提供理论依据.

摘要：黄河流域中上游地区是我国重要的资源富集区,蕴藏丰富的煤炭、石油、天然气等碳基资源.随着我国能源需求持续增长与东部传统能源产区资源日趋枯竭,该区域已发展成为保障国家能源安全的核心区域.当前,大规模、高强度、长时间的开采活动与区域复杂脆弱的生态环境之间的矛盾日益突出,制约碳基资源安全开发与区域经济社会可持续发展.围绕资源开发过程中地质结构-水文循环-生态环境协同演化机制及损害效应,立足系统科学理念,提出流域尺度叠置资源协调开发地质保障的科学内涵、关键问题和研究思路.主要内容包括:系统开展流域尺度下煤炭及煤系资源、油气资源、生物质等碳基资源与生态环境-水文地质的空间分布格局与耦合关系研究,厘清资源开发前地质条件本底特征与大气圈-水圈-生物圈等多圈层结构要素,剖析多资源叠置开发过程中地质条件时空演化规律及其诱发的多圈层结构-功能动态响应特征,揭示地质赋存条件-资源开发扰动-生态环境损害的互馈机制;探究深-浅-表地质结构全时空多源信息融合与主被动协同监测方法,提取资源开发扰动下地质结构、水文循环过程和生态要素等多维度动态信息,构建流域尺度多圈层结构-功能耦合演化模型,研发智能预测与综合评价平台,实现叠置碳基资源开发过程中地质-水文-生态多系统协同演化的全过程动态监控与趋势预测;提出基于流域尺度叠置碳基资源地质赋存特征与空间配置规律的油气-煤炭-生物质资源协调开发优化配置策略,研发资源开发与流域水文-生态环境相协调的减损工程技术,构建规模化、多元化、功能化的资源开发地下空间综合利用模式,形成贯穿资源开发"前-中-后"全生命周期的地质保障减损调控策略与工程技术体系.本研究可为资源安全高效开采提供科学指导,支撑黄河流域生态保护与高质量发展国家战略的实施.

摘要：水平分段综放开采技术是目前急倾斜特厚煤层有效开采手段之一,随着设备及技术水平的不断提高,工作面分段高度及产能不断提升,智能化水平也不断提高.系统总结了急倾斜水平分段综放开采的历史进程,并以新疆能源乌东煤矿为例,介绍了近直立(倾角较大的急倾斜煤层)水平分段综放开采技术最新进展.研究了近直立水平分段综放开采应力分布特征及演化规律,建立了工作面顶底板及煤层群岩柱破断模型;探讨了近直立水平分段工作面合理巷道布置位置,保障了顶煤回收率最大化和经济合理化双重目标;推导了顶、底板侧倾斜边界影响下的顶煤放出体和煤岩分界面理论方程,开发了端头充分和"多轮放煤、末轮逆序"放煤工艺,极大减少了急倾斜水平分段全综放工作面煤损;开发了高识别精度和自清洁防尘摄像头,建立了图像识别智能放煤系统与电液控信号通信架构,实现了水平分段综放工作面智能放煤控制.研究结果对提升水平分段综放工作面顶煤回收率和围岩稳定性具有科学指导意义.

摘要：相较浅部工程,深地工程处于高地应力、高地温和高渗压等复杂耦合地质环境中,且工程地质活动作用下呈现长期动态演变特征,致使工程灾害频率高、能级大、控制难,并贯穿勘察、建造、运维、治理四阶段,亟需建立覆盖深地工程全生命周期的综合巡检体系.在此背景下,无人机(UAV)凭借三维机动优势,结合环境感知、定位建图、飞行控制等技术,可构建深地工程安全、质量与成本综合管控的智能方案.基于此,本文系统综述了面向深地工程的无人机智能巡检技术研究现状,总结如下:系统性地利用无人机智能巡检系统执行5类任务,即建模与地质分析、结构健康监测、环境监测、生产进度监控及应急响应,并梳理了"成像域-三维域-时序域"数据处理框架,通过域内处理与跨域融合,将原始数据转化为可用于工程决策的状态指标与风险分级;确立了环境因子驱动的传感配置逻辑,并总结了从时空对齐、数据清洗到质量评估的完整预处理链条,为无人机智能巡检系统在退化环境中保持稳定感知奠定了坚实基础;强调无人机定位建图的可靠性依赖于具备退化自诊断与全局一致性维护能力的全链路技术体系,需在配准、里程计、回环检测与后端优化中嵌入鲁棒性设计,并融合几何与语义信息以抑制漂移与误匹配;系统梳理了从宏观路径搜索到微观实时避障的多种技术路径,指出成功的规划系统需深度融合环境不确定性、动力学约束与任务语义.基于对当前技术壁垒的洞察,本文进一步围绕"平台传感-定位建图-规划避障-智能算法-计算协同-通信能源"提出具体技术发展方向,以期通过多技术链协同突破,推动深地工程全自主智能巡检范式的应用与拓展.

摘要：随着煤炭开采深度逐渐增加,深部开采呈现高应力和高地温的特点.针对深部高应力、高地温条件下岩石力学特性及巷道破坏机理,研制了真三轴深部岩石力学试验系统.该系统采用的试件最大尺寸为100 mm× 100 mm × 100 mm,3个方向最大可施加2 100 kN的力和150 ℃的高温,可模拟高地应力、高地温的复杂环境.针对真三轴试验系统加载难同步、易偏心、试样加热不均匀等缺陷,做了以下研发:设计了同源双作动器自动对中,实现了三向任意大小组合荷载的同步对中机械加载;通过加热封闭压力室形成热辐射来加热岩石试样.研发系统较好地解决了实时高温真三轴加载领域的2个技术难题.基于该系统初步开展了岩石加卸载力学特性试验和不同应力角度巷道破坏模拟试验,验证了该系统良好的试验精度和丰富的可拓展性.研发系统可为深部复杂条件下的岩石力学研究和地质灾害防治提供可靠的试验基础.

摘要：为实现岩体结构面的精确识别,针对传统区域生长算法在处理三维点云时因密度分布不均和固定阈值限制而效果不佳的问题,提出一种密度自适应的改进区域生长算法.该方法引入随局部点云密度自适应调整的阈值函数,并在后处理阶段融合小聚类过滤与未分类点投票机制,结合平滑性与共面性约束,提升结构面提取的几何连续性.同时,利用双曲正切函数实现曲率阈值与法向量夹角阈值的平滑过渡调节.选取沉积岩和正石英岩边坡露头点云数据进行对比试验与工程验证.结果表明:结构面识定的倾角误差与倾向误差平均值分别为0.24°～2.60°和0.43°～2.90°,满足工程精度要求.本研究为结构面识别中的参数自适应调整提供了有效方法.

摘要：煤层原位瓦斯压力的解吸规律和精准测算是瓦斯抽采与防治的关键."深部煤层原位保压保瓦斯取心方法"通过煤心在保压空间内重平衡前后的瓦斯压力计算原位瓦斯压力,其计算精度依赖于对取心器内体积扩容-压力重平衡过程的精确表征.通过常压解吸试验,揭示了水分对煤样瓦斯解吸的抑制规律;通过连续扩容解吸试验,直接模拟不同体积占比煤样进入取心器后的扩容过程,研究含水率对压力演化的影响;结合低场核磁阐明了水通过竞争吸附及孔隙阻塞抑制瓦斯解吸-扩散的机制;最终提出了现场原位瓦斯压力测量方法,并在山西晋城成庄煤矿进行了验证.研究结果表明:水分显著抑制煤样瓦斯解吸,在相近压力条件下(约2.5 MPa),含水率增至5.11％时,150 min总解吸量(Q150)较干燥煤样降低72.3％,前1 min解吸量(Q1)锐减84.5％.连续扩容解吸(初始压力3.33 MPa,5次阶梯扩容)过程中,平衡压力随含水率增加呈线性降低,含水率4.85％的样品最终平衡压力较干燥样低6.25％;且随着扩容进行,压力回弹幅度显著衰减.基于现场保压取心实测压力及煤样参数反演原位瓦斯压力的方法在晋城矿区的应用表明:反演结果与实测原位压力(0.69 MPa)整体误差小于5％,验证了该方法在含水煤层中应用的可靠性.

摘要：砂岩型铀矿地浸开采以保水稳压为工艺基础,煤矿长壁开采以疏水降压为安全前提,两者共采的矛盾本质上是对地下水系统空间需求的冲突.为从根本上缓解煤铀资源共采矛盾,基于煤铀共采相互影响机制,提出了煤铀协同开发合理错距确定方法.系统解析了煤矿井巷揭露、采前疏排、回采作业及采后封闭4个阶段对铀矿含矿含水层的扰动特征.在此基础上,确定了垂直区域地下水流向的错距优选方位,并基于地浸采铀对承压水头的需求,建立了煤矿开采地下水降落漏斗不越界至铀矿采区的合理错距确定原则.依据大井理论,构建了"上煤下铀"与"上铀下煤"2种赋存模式下,煤矿开采地下水降落漏斗影响半径计算模型.根据建立的模型,定量确定了伊犁盆地南缘及鄂尔多斯盆地北部2种典型煤铀共生模式的协调开采合理错距.结果表明:在垂直于区域地下水流向的分区布置条件下,伊犁一矿与库捷尔太-洪海沟铀矿所需最小安全错距为2.7 km,塔然高勒煤矿与纳岭沟铀矿之间则需7.5 km最小保障距离.

摘要：为研究聚合物包裹支护作用对煤抗冲击荷载性能的影响,揭示其在动静组合加载下的力学特性与能量耗散规律.采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对制备的0 mm(未包裹)、1 mm和2 mm这3种不同聚合物包裹厚度的煤样,施加液压为0.25 MPa的恒定轴压,并进行5次低能循环冲击(0.2 MPa气压)和1次高能冲击(0.3 MPa气压)的动静组合加载试验.试验结果表明:力学特性方面,聚合物包裹显著提升了煤样的动态峰值应力和峰值应变,增强了其动态强度和变形能力.相较于未包裹煤样,2 mm包裹厚度煤样在高能冲击下的峰值应变和峰值应力分别提高了约54.65％和44.69％.同时,包裹层使煤样在循环冲击下的应力-应变曲线的形态差异变小,力学响应更稳定.能量特征方面,包裹层改善了能量耦合特性,降低了反射能占比;同时有效提高了耗散能占比,且在循环冲击下能量耗散更稳定.2 mm包裹煤样在高能冲击下的耗散能降幅仅为11.51％,远低于未包裹煤样的24.31％,表现出更强的抗冲击性能.破坏特征方面,聚合物包裹有效抑制了煤样的破碎程度.随着厚度增加,试样完整性显著提高,离体煤屑质量比从0.54(未包裹煤样)减少至0.01(2 mm包裹煤样).聚合物包裹有效提高了煤体的整体承载能力和抗冲击性能,显著增强了其能量耗散能力,并将剧烈的冲击破坏转变为更平缓的能量释放过程,对防治冲击地压具有积极意义.

摘要：深部煤矿赋存着丰富的岩溶型地热资源,然而其天然低渗透性严重制约了地热资源的高效开发.本研究提出利用煤层采动后在底板岩层中形成的卸压区激活储层裂隙开度,从而实现储层自增渗,有望为地热高效开发提供新途径.为此,本文构建了采动激活储层的热-流-固(THM)全耦合模型,获得了采动影响下储层裂隙开度和渗透性分布特征,揭示了采动激活储层地热生产能效的动态演化规律,阐明了采动激活地热储层高效采热机理,并提出了深部煤炭与地热协同高效开发方法.结果表明:采动作用降低了采空区底板储层裂隙面的正应力,诱发剪胀或拉张效应,显著增大裂隙开度,使底板储层形成漏斗状高渗区;开张裂隙提升了储层内流动通道的平均流速,扩大了有效流动范围,提高了回灌冷流的渗流换热效率;增大采动距离,储层渗透性及热提取效率先快速提升,随后增长速率渐缓;提出了一种"采动先行-采热跟进"的深部煤炭与地热协同高效开发方法,工作面推进后圈定底板高渗区范围,随后沿其长轴布井,实现地热资源的高效开发.本研究为煤炭与地热协同开发提供了理论支撑,并为低渗热储的改造提供了新思路.

摘要：矿产是国家经济发展与国防建设的基础资源.筛分是矿产资源开发利用过程的关键环节,难筛分矿物的外水含量高、泥化严重、临近筛孔尺寸颗粒多,传统的集中激振刚性筛分难以顺利进行,严重制约矿产资源的高效开发与利用.本文聚焦黏湿细粒矿物高效筛分瓶颈,阐释了"黏湿细粒矿物多组分团聚体解聚特性与堵孔机理"、"筛分过程粒群-筛面交互冲击与时空分布演变机制"关键科学问题,系统梳理了筛面结构、激振方式、筛机设计等理论与技术研究进展,开发了刚柔耦合自清理筛分技术、变振幅激振筛分方法,提出了振动筛结构与工艺参数动态设计流程,开发了筛分状态智能判识与故障预警系统,实现了黏湿细粒矿物高效智能筛分,为解决难筛分矿物高效筛分提供了有效途径.

摘要：原位改性采矿技术作为对传统"采-掘-运"固体开采模式的根本性变革,通过向地下目标矿层注入物理或化学改性流体,在矿体原位赋存环境中诱发固-流-热-化多场耦合作用,实现有用矿物的选择性相态转化与流体化开采,具有低扰动、高效率及环境友好等显著优势.本文系统阐述了原位改性采矿的理论基础与技术内涵,重点剖析了其核心科学问题:多物理场耦合作用下演变孔裂隙介质的动态响应机制.针对含残留骨架、无残留骨架及裂隙演化主导3类典型演变孔裂隙介质,分别建立了相应的多场耦合数学模型,揭示了改性过程中孔裂隙结构时空演化规律及其对流体传输的控制机理.在理论层面,建立演变孔裂隙介质多尺度多场耦合模型是实现原位改性绿色高效开采的核心,同时融合不确定性量化与物理数据驱动的机器学习方法,并构建高效可靠的代理模型,可实现对深部资源原位改性高效开采过程的精准预测与智能调控.在技术应用层面,提出了 3种复合改性技术路径:开采卸压与关键层致裂协同的煤系储层体积缝网建造技术、煤层界面压裂造缝与热解气化技术,以及深部煤层超临界CO2致裂驱替与生物转化CH4的CCCUS技术.从单一改性向复合改性的技术演进,是突破深部复杂地质条件资源储层高效绿色开采瓶颈的必然选择,对推动矿产资源开发模式转型升级具有重要指导意义.

摘要：覆岩离层注浆地表移动变形精准动态预测对地表建筑变形超前预警防护具有重要意义.考虑覆岩离层注浆地表移动变形直接影响因素,以工作面生产数据、离层注浆充填数据、地表移动变形数据等多源数据作为数据源,构建了基于GA遗传算法优化的CNN卷积神经网络-LightGBM覆岩离层注浆地表移动变形预测模型(GA-CNN-LightGBM模型,GCL模型),同时以平均绝对误差(EMAE)、均方根误差(ERMSE)、决定系数(R2)和残差(ε)这4个指标来检验模型的可靠性,并在霍尔辛赫煤业3801工作面地表移动变形预测中进行了成功应用.结果表明:采用霍尔辛赫煤业3801工作面前期开采过程中收集到的多源数据对GCL模型进行训练,训练后GCL模型地表倾斜预测最大残差小于0.1 mm/m,EMAE,ERMSE分别为0.029,0.037 mm/m,预测值与实测值偏离程度较小;R2为0.967,模型拟合程度较高,满足动态预测要求.在霍尔辛赫煤业3801工作面地表储油罐区域地表倾斜预测应用中,GCL模型地表倾斜预测最大残差为0.075 mm/m,小于 0.1 mm/m,EMAE,ERMSE 分别为 0.039,0.042 mm/m,R2 为 0.941,预测值与实测值偏离程度和模型拟合程度均证明模型具有较好的预测性能;3801工作面开采期间及开采完成后,储油罐实际最大倾斜小于储油罐预警值,GCL模型动态预测保障了中石化加油站在不停业情况下工作面的安全开采.研究成果能够为相关工程提供理论与技术支撑.

摘要：煤炭是我国的重要能源和工业原料,在开采及燃煤发电过程中会产生大量的粉煤灰、煤矸石等煤基固废,长期堆存严重污染生态环境.利用含有碱性成分的物质吸收封存CO2被认为是最具有应用前景的减碳技术之一,采空区灌浆防灭火最常用的粉煤灰、煤矸石含有CaO,MgO等碱性成分,具有矿化封存CO2的潜力,使用粉煤灰、煤矸石浆液吸收矿化CO2,并将矿化产物灌注至采空区防控煤自燃,可以实现矿化固碳与灾害防控的协同增效.本文提出了煤基固废矿化固碳及采空区封存防灭火一体化技术,系统梳理了煤基固废矿化CO2的方法,分析了煤基固废与CO2矿化反应后其物理、化学性质及结构的变化规律,阐明了 CO2矿化产物对煤自燃升温速率及放热量的抑制特性.为了进一步推动煤基固废矿化CO2与煤自燃防控一体化技术的发展及应用,凝练出煤基固废矿化CO2反应效率低、缺少"固废矿化CO2-灌浆防灭火"一体化技术、矿化CO2产物采空区封存安全环保性不清楚等3个关键问题,提出"矿化CO2反应过程强化-矿化CO2产物高效防灭火-采空区长效安全封存"的技术攻关方向,亟需进一步研究煤基固废的钙、镁元素赋存形态及浸出规律,研发固废浆液高效浸出钙、镁离子与快速吸收溶解CO2的新技术,发明矿化CO,-灌浆防灭火一体化技术装备及智能调控系统,揭示矿化CO2产物对煤自燃的物理化学抑制机理,明晰矿化CO2产物在采空区的封存稳定性及环境友好性,以推动"基础研究—装备研发—工程应用"的全链条发展,为煤基固废低碳防灭火利用及国家"双碳"战略提供关键技术支撑.

摘要：煤粉爆炸作为典型的复杂多相流灾害,对国家能源稳定与发展构成了持续性重大威胁.深入研究煤粉爆炸连锁反应及能量传递机制,对能源供应链高效运转与推动煤炭工业安全发展具有重要意义.本研究综述了煤粉爆炸及气相产物特性发展现状,明晰了煤大分子结构早期热解断裂位点并量化键能分布,从化学动力学角度阐述了煤粉爆炸中挥发分气体的主要反应路径和关键自由基演化规律,提出了基于爆炸腔体轴向分区和径向分层的能量传递框架,揭示了爆炸过程中多相介质传热传质与能量积聚的空间非均匀性机制,构建了从分子键断裂到系统能量释放的宏微观全链条体系,阐明了连锁反应对爆炸起始、扩展与终止各阶段的影响.研究结果表明:煤粉爆炸始于煤粉颗粒的瞬时高温热解,其本质可视为由固相热解驱动,以气相爆炸主导的复合反应体系.在外部热源作用下,能量优化后的煤大分子结构中连接芳香簇团的脂肪族侧链C-C键是热解断裂的优先起始位点.挥发组分逸出形成的可燃气膜与游离自由基通过辐射加热邻近未燃煤粒构成链式放热循环,直接驱动了爆炸反应由点及面迅速扩散.爆炸腔体内轴向分区与径向分层导致能量与物质沿低阻抗或强驱动的优先通道集中传输,从而使化学反应释热与能量在局部高度聚集,增加体系不稳定性并强化破坏性冲击波的形成.本研究为煤粉爆炸风险评估与防控策略制定提供了理论支撑.

摘要：水力压裂是巷道围岩卸压的主要方法.针对巷道顶板压裂模拟收敛难度大,裂缝网络与巷道围岩应力演化作用机制尚不明晰问题,基于相场理论,通过在势能方程中引入初始能量项,并结合初始应力平衡技术,实现了巷道顶板水力压裂裂缝扩展与围岩卸压的有效反演.以损伤面积、损伤密度和分形维数为核心指标定量表征了巷道顶板裂缝网络的压裂范围、压裂程度和复杂程度,进而建立了顶板裂缝特征与围岩卸压效果的映射关系.研究结果表明:该模型与试验结果裂缝扩展轨迹具有高度一致性,对于水力压裂计算具有较高准确性.已压裂裂缝通过调控顶板应力场进而控制后续水力裂缝的扩展行为.在多裂缝协同作用下,裂缝尖端高应力削弱且向巷道围岩的传递路径受阻,从而在巷道围岩形成有效卸压区.巷道围岩卸压效果与损伤面积呈负相关,而与损伤密度和分形维数呈正相关.巷道围岩卸压效果随侧压系数从0.8增至1.6呈"先减小后增大"非线性演化规律,并在侧压系数为0.8时卸压效果最佳,在侧压系数为1.2时最差.为保证更好的巷道围岩卸压效果,可适当减小压裂间距并增大钻孔间夹角,以形成高密度和高复杂度的裂缝网络,研究成果可对压裂设计提供一定的工程指导.

摘要：为探究倾斜巨厚煤层综放开采条件下覆岩裂隙场的分布特征和卸压瓦斯储运规律,同时研究瓦斯抽采方法的优选机制,以新疆某高瓦斯矿井为研究对象,开展了大型二维物理相似模拟试验.分析了采场覆岩的运动形态,得到了覆岩应力演化特征,计算了覆岩位移、角度和概率熵变特征,阐明了卸压瓦斯运储区"类冷却塔"形成机理,推演了瓦斯运储区发育形态,构建了瓦斯运储区数学理论控制模型,并以此提出卸压瓦斯分域抽采技术.研究结果表明:倾斜巨厚煤层综放开采条件下,卸压瓦斯运储区呈现"类冷却塔"分布特征,运储区煤壁侧前方的最大应力变化值为37 MPa,应力集中系数为7.60.覆岩碎胀系数呈"两翼高-中部低"的非对称分布特征,碎胀系数由1.19升高到1.61.此外采用PCAS图像分析软件得到空隙和裂隙的分布规律、空间关系,开切眼侧的裂隙结构发育程度明显比工作面侧的更为完全,并定义了分形维数1.28和裂隙长度15 mm为卸压瓦斯运储区的判定参数指标.考虑瓦斯在采空区的运移、扩散及储集形态,建立倾斜巨厚煤层卸压瓦斯运储区数学理论控制模型,并给出了卸压瓦斯运储区的各边界计算公式.指导设计高位定向长钻孔的布置参数,取得了良好的抽采效果.研究结果在新疆硫磺沟矿区得到初步应用,为倾斜巨厚煤层综放开采瓦斯高效抽采提供了理论参考,保障了类似条件下矿井安全高效的回采.

摘要：为解决挤压性软岩地层隧道掘进机(TBM)施工过程中的软岩大变形灾害治理难题,改善TBM施工工艺对重大工程灾害的适应性,引入隧道方钢管混凝土拱架高强支护技术.设计不同构造措施的拱架法兰连接节点,对比不同构造法兰节点的强度、刚度与极限变形能力;进行方钢管混凝土拱架-混凝土喷层组合结构力学加载试验,明确了拱架间距影响下组合结构的极限强度与破坏形态;开展不同空间约束条件下多榀拱架组合结构的特征值屈曲分析,阐明了空间连接状态对拱架空间失稳临界强度的影响机制;进行方钢管混凝土拱架施工现场试验,验证了设计方案对隧洞软岩大变形控制效果.研究结果表明:贯通式节点屈服强度和极限强度为非贯通式节点的1.41和1.55倍,极限变形能力为3.35倍;组合支护结构峰值荷载随拱架间距增大呈降低趋势;拱架五阶模态均为平面外失稳,拱架纵向连接范围与密度对空间稳定性具有显著影响;现场监测结果可知,H200型钢拱架与方钢混凝土拱架最大应力分别为400和150 MPa,方钢管混凝土拱架具有更高的强度储备与更好的围岩变形控制效果,为挤压性软岩地层TBM掘进隧道软岩大变形灾害治理提供理论与数据支撑.

摘要：为进一步揭示煤层地应力对巷道内煤-瓦斯突出两相流致灾作用的影响机制,开展了不同地应力下的突出物理模拟试验,分析了突出过程中两相流的冲击动力、运动及煤粉堆积-分选等致灾特征.结果表明:冲击力脉冲频次随距突出口距离增大呈现递减的趋势;近突破口区域峰值冲击力与地应力呈正相关,随距突破口距离增加峰值冲击力衰减速率加快,且衰减速率在高地应力时显著降低;冲击动力致灾区域在巷道内呈非连续分布特征,主要集中于巷道中前部,在突出600～2 000 ms时致灾风险最大;巷道内冲击动力致灾危害性随地应力增大呈先增后减趋势,高地应力时显著降低,表明地应力增大到一定程度后会产生一种两相流冲击动力致灾的抑制机制;突出冲击波速度为330～400 m/s,约为煤粉流速度的10～15倍;突出过程中,近突出口区域煤粉质量浓度变化速率最快,且地应力越大煤粉质量浓度越大;随着地应力增大,突出后煤粉质量及中小粒径占比增大,地应力增大既增强突出强度又加剧煤粉破碎;破碎功峰值随地应力增大沿巷道向后迁移且幅值呈增大趋势,煤粉堆积与破碎能量主要富集于巷道中部.

摘要：为研究高瓦斯环境中含钻孔煤样的承载破坏特征,利用具有单面可视、气体密封功能的真三轴力学试验系统开展了 5种瓦斯压力下含钻孔煤样承载破坏试验,直接观测获得了煤样破坏过程的图像信息,结合数字图像相关(DIC)和声发射监测技术,分析了承载过程钻孔动力破坏特征及煤样表面裂纹演化规律.结果表明:钻孔破坏过程会逐步出现颗粒弹射、煤体抛出和碎片剥落等3类典型的动力破坏现象,整个破坏过程呈现非连续的、剧烈的动力破坏特征,钻孔孔壁最先出现颗粒或碎片弹射现象,随后密集出现煤体抛出和碎片剥落现象,在破坏后期出现孔壁垮落的现象;瓦斯气体的存在弱化了破坏的剧烈程度,随着瓦斯压力的升高,钻孔破坏由剧烈的颗粒弹射(煤体抛出)逐渐向碎片剥落转变,在试验瓦斯压力范围内(0～1.2 MPa),颗粒(碎片)的平均弹射速度逐渐降低,由0.345 m/s下降至0.197 m/s,降幅约为42.9％;煤样表面裂纹的萌生与扩展与应力、应变、声发射信号的突变点较为吻合,据此可将煤样破坏过程划分为应变能积累、钻孔上方煤体破坏、钻孔下方煤体破坏和裂纹贯通4个阶段.在试验瓦斯压力范围内(0～1.2 MPa),应变能积累阶段时长随瓦斯压力的升高逐渐减少,由127 s减少至84 s,降幅约为33.6％,累计声发射能量和计数均与瓦斯压力呈负相关,分别下降了 92.2％和98.5％;受剪切作用影响钻孔周围开始萌生裂纹,并在张拉剪切的复合作用下逐渐呈现拱形,随后裂纹受张拉作用影响逐渐增大,钻孔区域煤体呈现整体性失稳;煤样表面破坏裂纹呈现拱形形态,裂纹围成的拱形最大面积与瓦斯压力呈负相关,由748.27 cm2减少为394.90 cm2,降幅约为47.2％;煤样表面的应变局部化现象随着加载的进行逐渐加剧,应变场有效方差不断加速增长,在煤样表面形成了"X"形水平应变局部化带、"蝴蝶"形剪切应变局部化带和"条带"状垂直应变局部化带,对应最大拱形裂纹区域的剪切应变集中区面积与瓦斯压力呈负相关,由47.89 cm2减少为27.90 cm2,降幅约为41.7％.