摘要：为实现煤矿岩层控制、煤基固废综合处置、固碳减碳三重目标,通过设计煤基固废预处理单元、材料生产单元、气体封存单元,对煤矸石、粉煤灰等煤基固废进行破碎和筛分,基于四臂交联剂季戊四醇缩水甘油醚,实现CO2 固定,制备三维原位交联聚合物网络结构材料,开发了原位交联网络固碳方法.基于不同表征手段探究原位交联聚合物网络结构对固废基固碳注浆/充填材料的浆液性能、力学特性、水化产物、微观结构与固碳效率的影响规律,揭示原位交联聚合物网络结构对固废基固碳注浆/充填材料的耦合作用机理.试验结果表明:原位交联网络结构使材料CO2 固定量由 1.29 mg/g增加到 2.17 mg/g,实现了CO2 高效固定.同时,原位交联网络结构加速了材料水化速率,促进了材料水化过程,抗折强度提高 128.8%,抗压强度提高118.4%,材料强度显著提高.结合现场试验结果,具有原位交联聚合物网络结构的固废基固碳注浆材料对煤矿井下注浆/充填工程具有围岩加固、高效固碳、固废处置的三重效果.

摘要：矸石粒径与料浆质量分数对胶结充填材料性能具有重要影响,以细矸质量分数(0～5 mm矸石占全部矸石的百分比)表征矸石粒径级配,分析了细矸质量分数、料浆质量分数及两者交互作用对充填材料流动性、流变性能、力学特性、超声波波速及微观结构的影响.研究结果表明:随着细矸和料浆的质量分数增加,料浆扩展度与泌水率减小,流变参数、单轴抗压强度、弹性模量、劈裂抗拉强度以及超声波波速均增加,总孔隙率减小,充填体内部更加致密.料浆属于宾汉姆流体,随着细矸质量分数增加,料浆剪切应力曲线波动性减小,均质性变佳.两种因素交互作用对流变参数以及力学特性产生影响,一因素的增加会促进另一因素的增强效果,料浆质量分数的影响程度大于细矸质量分数.各性能对两者交互作用的响应曲面可拟合为Parabola型函数曲面.劈裂抗拉强度主要分布在 0.11～0.12 倍单轴抗压强度之间,两种强度具有显著的线性正相关关系.单轴抗压强度与超声波波速、微孔与毛细孔含量成正相关,与总孔隙率、大孔与多害孔含量成负相关,拟合度均大于 0.90,声波波速与微观结构分布可较好的揭示两种因素对充填体强度的影响机理.

摘要：为探讨碳纤维增强复合材料(CFRP)布约束对煤样力学性能及能量损伤行为的影响,通过改变CFRP布层数,对煤样进行轴压加载试验,分析裂纹压密、线弹性、屈服和峰后破坏 4个阶段的应力-应变变化,研究CFRP布对煤样能量输入、积聚、耗散和释放过程的影响.结果表明:随CFRP布层数的增加,煤样的裂纹闭合应力和起裂应力先增后减,但均高于未约束状态,表现出显著的约束效果和边际递减特性;CFRP布有效限制了煤样内部裂纹扩展,改善应力分布,使破坏过程更缓慢有序,显著提升了承载能力和延性,并减少峰后应力骤降现象;CFRP布增强了煤样的能量输入和分布均匀性,降低能量释放速率,改善了能量分布和破坏过程.CFRP布约束能显著改善煤样的力学性能和能量耗散特性,提出的耗散能损伤因子模型验证了CFRP布对延缓损伤累积和裂纹扩展的有效性.推导CFRP布包裹层数与等效煤圆柱套筒厚度的数学关系,深化了对煤柱加固机制的理解,并为提升房柱式采空区煤柱遗煤资源采出率提供了经济高效的加固新视角.

摘要：将井下采掘过程中产生的矸石直接填充采空区,不仅可以减少地面土地的压占,还能有效控制采空区顶板的稳定性,但在时间效应影响下,矸石会因承压变形减弱对顶板的支承,进而引发地表塌陷.为了研究井下矸石的真实粒径级配特征及其承压变形规律,采用图像信息提取技术获取井下矸石的真实粒径级配,并按照等比例缩放原则配置与井下矸石级配分布一致的矸石试样,利用承压变形试验装置研究了矸石试样在相同加载时长(24 h)、不同恒定载荷设定值(5、10、15、20 MPa)下的承压变形规律.结果表明:井下矸石堆从矸石块的数量上呈现小块径占比较多、随块径增大逐渐变小的趋势,从矸石块的质量上呈现小块径矸石占比较少、随块径增大而先增大后减小的趋势;矸石试样承压过程分为加载和恒载 2 个阶段,随恒定载荷设定值增大,加载阶段的变形量占比呈增大趋势;恒载阶段也可细分为快速变形和缓慢变形 2个过程,恒载时长相同,较低的恒定载荷设定值下矸石试样会产生较大的应变量;在承压变形过程中,小粒径矸石不断增多,大粒径矸石不断减少,10～15 mm粒径的矸石块属于稳定粒径;在某一恒定载荷作用下,随着典型矸石块层位与载荷施加面距离的增加,典型矸石块的破坏程度逐渐变小;随着矸石层与载荷施加面距离的增大,矸石层竖向压缩量逐渐减少;在不同恒定载荷设定值下,随着矸石层位与载荷施加面距离的增加,矸石试样所承受的竖向压力均呈逐渐减小的趋势.从破坏、变形和受力 3个方面验证了矸石试样竖向载荷传递折减效应.研究结果可为矸石充填型采空区地表沉陷的预测及防治提供参考.

摘要：在开采扰动下,富水矿山采空区围岩孔隙结构和渗透性往往发生较大的改变,从而诱发导水裂隙带的产生,甚至导致突水灾害.导水裂隙带的形成不仅具有很强的不可预见性,往往还需要考虑开采过程中裂隙围岩的应力、渗流等多物理场的耦合作用,因此对于相关模型的建立依然是一个挑战.为了探究采动过程中应力、渗流以及损伤耦合下的裂隙带形成规律,首先将包含大量孔隙、裂隙的富水围岩简化为双重孔隙介质,即介质由多孔基质与裂隙重叠而成.然后基于新兴的混合耦合理论,采用非平衡热力学的方法,建立考虑应力-渗流-损伤耦合(Hydro-Mechanical-Damage Coupling)的双重孔隙介质的热力学一致本构模型.同时,推导出应力-渗流-损伤(HMD)耦合条件下应力、孔隙度和裂隙体积分数的动态演化方程.最后,将推导出的耦合模型应用于实际工程情境,利用有限元软件对围岩孔隙水压力、应力、竖向位移以及损伤的演化规律进行数值模拟分析,并揭示出富水矿山采动过程中导水裂隙带可能形成的位置,为工程实践提供一定的参考.

摘要：我国能源禀赋特点决定了煤炭主体能源地位短期难以改变,其中,西部煤炭资源担负着我国基础能源自主供给的核心角色.但西部煤炭多处于干旱-半干旱带沙漠-黄土覆盖生态脆弱区,易因开采扰动引起地下水及生态环境产生显著影响.因此,减损开采成为西部生态脆弱区煤炭资源安全高效开发与环境保护协调发展的必然选择.立足西部煤炭资源开发现实情况,提出了西部生态脆弱区煤炭减损开采面临的四大关键科学问题,即:① 煤-水空间发育组合特征;② 采动过程地质条件变化规律;③ 保水开采分区及地质判据;④ 西部煤炭减损开采技术体系构建思路.同时,详细阐述了煤炭减损开采技术发展状况及存在的现实难题.在此基础上,尝试构建西部生态脆弱区煤炭减损开采技术体系,并展望了西部煤炭减损开采技术未来发展方向.相关研究以期为西部生态脆弱区煤炭绿色减损开采提供借鉴.

摘要：基于煤矿智能化发展现状与要求,系统阐述了煤矿智能化开采模式的定义、技术内涵与特征.针对不同煤层赋存条件,提出了薄及中厚煤层智能化无人开采模式、大采高工作面智能耦合人机协同高效综采模式、综放工作面智能化操控与人工干预辅助放煤模式、复杂条件机械化+智能化开采模式等4种煤矿智能化开采模式.根据截割工艺、工序与装备的差异,将薄及中厚煤层智能化无人开采模式细分为刨煤机智能化无人开采模式、滚筒采煤机智能化无人开采模式,详细阐述了滚筒采煤机定位导航与智能调高技术、半截深高速截割工艺等薄及中厚煤层智能化开采模式关键技术.分析了大采高工作面智能化开采的主要技术瓶颈,论述了基于液压支架与围岩耦合关系的围岩智能耦合控制逻辑、重型装备群的分布式协同控制逻辑等大采高智能化开采模式关键技术.分析了放顶煤工作面与一次采全高工作面智能化开采模式的差异,提出了基于时序控制放煤、自动记忆放煤、煤矸识别放煤等智能化放煤控制逻辑与工艺流程.针对复杂煤层条件,提出了采用局部智能化开采降低工人劳动强度、提高作业环境安全水平的技术思路.

摘要：论述煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同时间尺度,从全球最早的成煤地质年代到超动态的亚微秒级.包括不同成煤期,世界煤炭开采历史,矿区、矿井的服务年限及开采参数,静态、动态煤岩力学试验,煤岩破碎,围岩变形与破坏及煤矿动力灾害的时间尺度分布.指出煤炭开采与岩层控制研究的时间尺度集中分布在10-7～1016 s,跨23个数量级.在地质年代尺度上,可研究煤的形成、煤盆地演化、煤系地层应力场演化等内容.井工煤矿开采划分成不同矿区、矿井、水平、采区、区段进行,不同阶段的时间尺度不同.煤岩力学试验从蠕变到超动态,时间尺度范围为10-7～109 s.岩石蠕变试验时间有的可达数年,而岩石动态破坏时间有的仅为微秒级.煤岩破碎、采掘空间维护是煤炭开采与岩层控制的两大任务,前者涉及凿岩、爆破、机械截割振动等动态问题,研究时间单位常用秒、毫秒、微秒;后者包括采场与巷道围岩控制.采场是移动场所,围岩变形、破坏、垮落及支架阻力变化较快,常以分、小时为时间单位;巷道服务时间较长,围岩变形与破坏的时效性较强,描述巷道变形与支护体受力变化的时间单位多为天、周及月.冲击地压等煤矿动力灾害持续时间仅为几秒到几十秒,研究冲击地压发生、发展及破坏过程,应从毫秒甚至更小的尺度上进行.不同的煤炭开采与岩层控制问题需要在不同的时间尺度研究.有些问题需要进行多时间尺度研究,才能发现问题的本质.世界煤炭开采已有2000多年的历史,特别是最近60多年,煤炭开采实现了重大技术革命.但大规模煤炭开采也带来一系列问题,如何继续做好煤炭开采与岩层控制工作,需要新思路、新工艺、新技术.

摘要：针对某矿特厚煤层综放开采沿空掘巷宽煤柱护巷时带来的巷道变形量大,煤炭损失严重等问题,提出了窄煤柱护巷技术.以该矿8305工作面为工程背景,结合内外应力场理论和极限平衡区理论,得出基本顶断裂线位置距采空区为3m,并最终确定窄煤柱宽度为6m.基于对特厚煤层窄煤柱护巷围岩控制难点分析,提出了顶板以高强高预应力锚杆支护系统、组合锚索支护系统和多锚索-钢带桁架系统的强力联合支护技术,煤柱帮采用强力锚杆支护系统和喷浆加固的围岩控制技术,以及实体煤帮钻孔卸压处理和强力锚杆、锚索支护系统对特厚煤层沿空掘巷围岩稳定性的控制.现场实践表明,5305巷道围岩控制效果良好,能够实现对特厚煤层沿空掘巷围岩稳定性的控制.

摘要：论述了煤炭开采与岩层控制研究中涉及到的不同空间尺度,从全球尺度到煤体中的纳米级微孔隙.包括全球煤炭资源、煤田、矿区与井田、采掘钻空间、岩石力学试验、煤岩组分与结构、支护与加固材料组分及结构的尺度分布.介绍了不同尺度范围内煤炭开采与岩层控制的主要研究内容及研究方法.指出煤炭开采与岩层控制研究的空间尺度集中分布在10-10～107之间,跨17个数量级.不同尺度研究的重点内容不同,研究方法也不同.岩层控制中的一些岩层结构只能出现在一定尺度内.巷道与采场顶板中形成的梁、拱、层、壳等结构的尺度一般为10-1～102m,远离这些尺度,岩层结构无法形成.岩层控制研究中,有些问题,如软岩遇水软化和膨胀,煤层的渗透性等必须从微观尺度开始研究;有些问题,如研究巷道和采场周围应力场与位移场分布,一般只需了解煤岩层的宏观物理力学性质即可;而还有些问题,如岩石的破裂,需从微观到宏观不同尺度进行研究.目前,从宏观、细观到微观的多尺度研究方法已在煤炭开采与岩层控制研究中得到广泛应用,不同尺度之间的相互联系非常重要.

摘要：1 研究现状 2022年我国煤炭产量达到45.6亿t.煤矿以井工开采为主,其数量占92％,产能占82％.巷道掘进是井工煤矿的重要生产环节之一,是煤矿实现安全高效开采的基本保障.近年来,工作面自动化、智能化开采技术发展迅速,工作面产量与经济效益显著提高,对巷道掘进也提出了更高的要求:不仅要大幅提高掘进速度,满足采煤工作面快速推进的需要,而且要削减掘进工作面作业人员数量,实现少人化;同时,需要改善掘进工作面作业环境,保障矿工职业健康.

摘要：为研究不同煤岩比例及组合方式的组合体力学特性和破坏机制,对19种不同煤岩比例和组合方式的二元、三元组合体开展轴向压缩试验,从抗压强度、弹性模量、峰前能量、冲击能量指数等参数入手,分析组合体的力学特性;对构建的煤岩组合体相互作用模型进行理论分析,探究煤岩组合体的失稳破坏机理;从煤岩组合体的不同破坏形态入手,研究组合体破坏过程中的能量传递机制.研究发现:组合体的抗压强度介于各组分抗压强度之间,且偏向于软弱组分的抗压强度,随着细砂岩比例的增加而增大;组合体的弹性模量随着细砂岩占比的增大而增大,且岩石的弹性模量越大,组合体的弹性模量也越大;有煤组分的组合体的峰前积聚能量较少,细砂岩与粗砂岩构成的组合体的峰前积聚能量较多,组合体的峰前能量随着细砂岩占比的增加而增多;组合体的冲击能量指数与细砂岩比例为线性关系,随着细砂岩占比的增加而增大;细砂岩组分对于组合体的抗压强度、峰前能量、冲击能量指数的影响较大,对组合体的力学特性和冲击效应起决定作用;推导了煤岩组合体的弹性模量计算公式,从理论上揭示了组合体的弹性模量随岩石占比的增加而增加的规律;构建了煤岩组合体的力学模型,分析了组合体的失稳破坏机制.研究结果可为煤炭资源开采过程中的煤岩体相互作用下的破坏形态、力学特性、失稳机制等研究提供参考.

摘要：水力压裂技术已经广泛在煤矿应用于处理工作面坚硬顶板问题,但其卸压机理并不十分明确.采用ELFEN数值模拟方法研究工作面坚硬顶板水力压裂处理对采动应力的影响,探讨卸压机理.数值模拟结果显示:对工作面顶板的水力压裂处理,主要是弱化顶板的完整性,使其在工作面推进后能够及时垮落,这种局部垮落,虽然不会显著影响支承压力分布特征,但局部直接顶的及时垮落会引起上覆基本顶和关键层的及时断裂和垮塌,影响采场覆岩大结构,进而影响支承压力分布特征.对工作面顶板进行持续压裂,可以降低初次垮落步距及平均来压步距.

摘要：首先,介绍了地应力对采矿工程荷载作用方式的特殊性,阐述了地应力控制采矿开挖过程和岩层稳定性的力学机理.地应力是采矿开挖前就存在于地层中的天然应力,采矿开挖出现自由空间并引起地应力向自由空间释放,形成"等效释放荷载",它作用在开挖自由空间的边界上,而不是采矿外边界上."等效释放荷载"带动周围岩体变形、位移和应力集中,导致围岩和岩层失稳、破坏.这与传统力学理论"外边界加载模式"有本质区别.若将地应力直接加在采矿外边界上,将得出"采矿外边界位移最大、开挖周边位移最小"等一系列错误结果.为此,必须根据采矿设计的开挖形态,将地应力转换成"等效释放荷载"进行计算和分析,才能得到正确的结果.同时,必须认识到地下采矿是多步开挖过程,也就是多次"等效释放荷载"加载过程.岩体是非线性材料,荷载的力学效应具有加载途径性.优化开采布局、开采顺序等可以优化"等效释放荷载"加载途径和力学效应,实现更好的岩层控制效应.最后,提出了地下采矿围岩稳定性与岩层控制的基本原理和方法,指出:支护的根本目的是保护、改善和提高岩体的强度,必须改变把围岩当成一种被动的荷载加以支撑的传统认识;充分发挥围岩自身强度达到采矿工程稳定,是岩石力学最基本的原理.在深部高地应力条件下,为了控制岩层变形和移动,维持采矿工程的稳定,上述原理的指导尤其重要.

摘要：为研究浆液在裂隙中的扩散规律,基于幂律流体的本构方程,推导出了幂律流体的浆液扩散方程.考虑围岩应力场和浆液流体场的双向耦合,运用数值模拟软件,建立考虑流固耦合作用的单一裂隙注浆模型,分析了注浆压力、浆液密度、裂隙开度等因素对浆液扩散和裂隙变形的影响.研究结果表明,注浆因素对浆液扩散半径的影响程度由高到低依次为:裂隙开度、注浆压力、浆液密度;注浆因素对裂隙最大变形量的影响程度由高到低依次为:注浆压力、裂隙开度、浆液密度.

摘要：为研究坚硬覆岩的结构失稳运动规律,以耿村煤矿13200工作面为工程背景,构建坚硬岩层失稳结构模型,对坚硬岩层结构特征、结构形成条件、结构失稳尺度、结构失稳释放能量等进行了分析,并分别给出了相应的计算公式,确定坚硬岩层失稳对冲击地压的控制作用.研究结果表明:13200工作面低位和中位坚硬岩层下方存在自由空间,具备结构形成的条件;高位坚硬岩层下方无自由空间,不具备结构形成的条件.根据13200工作面钻孔柱状及其物理力学参数确定了其上覆岩层关键层个数和所在层位,并对该工作面坚硬岩层结构失稳尺度和失稳能量释放进行了计算,计算结果表明:在13200工作面回采期间,低、中位坚硬岩层初次失稳和周期失稳的释放能量均超过冲击地压发生的临界能量,是工作面发生冲击地压的主要影响因素;高位坚硬岩层上部的巨厚砾岩不会出现垮落失稳而释放冲击能量,不直接控制冲击地压的发生,是工作面发生冲击地压的次要影响因素.确定了13200工作面坚硬岩层结构失稳的防治措施,关键是通过减小低、中位坚硬岩层结构失稳尺度和失稳后释放的能量,以降低冲击地压的发生几率.研究结果可为其他具备类似坚硬岩层条件矿井的冲击地压控制提供重要参考.

摘要：在注浆锚索主动超前支护形式应用于回采巷道的工程背景下,以寸草塔二矿31204工作面为例,采用理论计算与分析、数值模拟等研究方法,探讨了不同注浆参数对浆液扩散的影响;利用COMSOL Multiphysics有限元分析软件对超前注浆锚索的注浆部分建立数值模型并求解.结果表明,浆液扩散半径与注浆压力、注浆时间呈正相关关系,注浆锚索间排距制约着稳定注浆加固圈范围及厚度.对寸草塔二矿31204工作面回采巷道超前锚索支护的注浆压力、注浆时间及注浆间排距等参数进行了优化设计,实现了该工作面回采巷道的有效超前支护,替代了超前单体及液压支架.此研究对类似条件下回采巷道超前段支护模式选择具有参考价值.

摘要：为了解决高瓦斯厚煤层条件下综放工作面沿空留巷围岩变形严重、支护难以满足留巷要求等问题,以野川煤矿3号煤层3203工作面围岩地质条件为背景,通过围岩结构和受力特征分析,提出了包括"巷内采用高强度锚索合理补强支护,高强度、高刚度、高延性巷旁支护,改造顶板结构,改善留巷应力环境"的"支-卸"协同沿空留巷围岩控制对策.采用"高强度走向交叉锚索梁+高强度、高刚度、高延性新型内外约束混凝土巷旁支护墙体+短孔水力压裂初采切顶卸压+定向水平长钻孔区域卸压"的"支-卸"协同沿空留巷围岩控制技术方案,实现了高位瓦斯抽放钻孔"一孔两用",并进行了工程实践和矿压观测.观测结果表明:"支-卸"协同围岩控制技术显著改善了沿空留巷围岩应力环境,留巷断面收敛率约13％,墙体最大横向载荷60kN,有效控制了厚煤层沿空留巷围岩变形,保证了墙体稳定性;复用期间巷道超前20 m范围内围岩变形量均小于60 mm,墙体稳定性良好,满足复用要求.同时,厚煤层综放沿空留巷"支-卸"协同围岩控制技术在现场的成功应用,也为其他条件下有效控制沿空留巷围岩变形提供了一种新的思路和方法.

摘要：针对综放工作面区段煤柱失稳问题,以蒋家河煤矿ZF211工作面25 m宽区段煤柱为工程背景,通过理论分析、数值模拟以及现场试验的方法分析了煤柱极限能量与侧向应力之间的函数关系,提出了煤柱弹性区失稳判据,研究了塑性区范围以及承载宽度对煤柱弹性区极限能量的影响.结果 表明:区段煤柱弹性区极限能量与侧向应力呈二次正相关关系,侧向应力整体呈"上凸型"对称分布,能量大小随塑性区范围的增大而增大;极限弹性能密度随塑性区范围和煤柱承载宽度的增大而增大;煤柱弹性能呈"双峰型"分布,随着塑性区范围的增大而增大;提出了煤柱局部冲击和煤柱大范围连锁冲击2种聚能失稳形式;给出了相应的控制技术并在现场进行了应用,工程实践表明防治效果良好.

摘要：传统冲击地压预警预测送常利用地球物理方法监测冲击地压的一些前兆信号,采用人为定义和提取参数的综合指数法对冲击地压发生的可能性进行评估.目前,研究人员尝试采用数据驱动方法,利用机器学习技术,克服传统冲击地压长期预测所带来的问题,送过分析国内外相关文献,对长期预测和短期预警方法及存在的问题、机器学习方法、冲击地压短期预警及长期预测的应用进展进行概述,同时分析了传统的经验驱动和机理驱动与机器学习的数据驱动在冲击地压预测预警方面的联系与差异,最后,总结机器学习在该领域存在的问题及挑战,并对未来冲击地压预测预防的技术进行展望.