Electrical and Electronic Engineering – Page 101

卸荷与补偿路径下深部岩体力学特性与变形破坏特征

<p<为了研究应力补偿对单面卸荷砂岩力学特性与变形破坏特征的影响，采用真三轴扰动卸荷岩石测试系统对砂岩进行不同中间主应力单面卸荷试验和应力补偿路径下岩体破坏试验，基于Mg-C强度准则研究了2种应力路径对卸荷岩石强度参数的影响，分析了应力补偿后卸荷岩石的力学特性和变形特征。结果表明：在本研究范围内，即使是在非常规真三轴状态下，中间主应力<italic<σ</italic<<sub<2</sub<的增大同样可以有效提高岩石的承载能力和稳定性，使岩石由塑性向脆性转化；2种应力路径下卸荷岩石的破坏模式存在差异，岩石的整体破坏模式随着<italic<σ</italic<<sub<2</sub<的梯次增大由张拉向张拉−剪切复合再到剪切破坏发展，卸荷面附近的破碎区逐渐由深部向浅部转移，而随着卸荷面补偿应力$sigma’_3 $的梯次增大，整体破坏模式由张拉−剪切复合破坏向剪切破坏转变，卸荷面附近的破碎区逐渐由浅部向深部转移；岩石在单面卸荷与应力补偿支护过程中，伴随着<italic<ε</italic<<sub<3</sub<的扩容与压缩，<italic<ε</italic<<sub<2</sub<基本上无明显变化，但是<italic<ε</italic<<sub<1</sub<和<italic<ε</italic<<sub<<italic<v</italic<</sub<发生2次明显的回弹变形，且<italic<ε</italic<<sub<1</sub<和<italic<ε</italic<<sub<<italic<v</italic<</sub<的变形与<italic<ε</italic<<sub<3</sub<同步；应力补偿可以有效补偿卸荷引起的岩石应力损失，提高砂岩的黏聚力和破坏强度，使砂岩加卸载期间的补偿系数<italic<η</italic<<sub<(<italic<m</italic<1)</sub<、<italic<η</italic<<sub<(<italic<m</italic<3)</sub<、<italic<η</italic<<sub<(<italic<mv</italic<)</sub<逐渐增大，但对内摩擦角和<italic<η</italic<<sub<(<italic<m</italic<2)</sub<影响较小；在任意补偿应力条件下压裂系数<italic<ξ</italic<<sub<(<italic<m</italic<2)</sub<和<italic<ξ</italic<<sub<(<italic<m</italic<3)</sub<均为负值，岩石在<italic<σ</italic<<sub<2</sub<和<italic<σ</italic<<sub<3</sub<方向处于扩容状态，而<italic<ξ</italic<<sub<(<italic<m</italic<1)</sub<和<italic<ξ</italic<<sub<(<italic<mv</italic<)</sub<正好相反，在任意补偿应力条件下均为正值，岩石处于压缩状态。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1540-1553. <p<为了研究应力补偿对单面卸荷砂岩力学特性与变形破坏特征的影响，采用真三轴扰动卸荷岩石测试系统对砂岩进行不同中间主应力单面卸荷试验和应力补偿路径下岩体破坏试验，基于Mg-C强度准则研究了2种应力路径对卸荷岩石强度参数的影响，分析了应力补偿后卸荷岩石的力学特性和变形特征。结果表明：在本研究范围内，即使是在非常规真三轴状态下，中间主应力<italic<σ</italic<<sub<2</sub<的增大同样可以有效提高岩石的承载能力和稳定性，使岩石由塑性向脆性转化；2种应力路径下卸荷岩石的破坏模式存在差异，岩石的整体破坏模式随着<italic<σ</italic<<sub<2</sub<的梯次增大由张拉向张拉−剪切复合再到剪切破坏发展，卸荷面附近的破碎区逐渐由深部向浅部转移，而随着卸荷面补偿应力$sigma’_3 $的梯次增大，整体破坏模式由张拉−剪切复合破坏向剪切破坏转变，卸荷面附近的破碎区逐渐由浅部向深部转移；岩石在单面卸荷与应力补偿支护过程中，伴随着<italic<ε</italic<<sub<3</sub<的扩容与压缩，<italic<ε</italic<<sub<2</sub<基本上无明显变化，但是<italic<ε</italic<<sub<1</sub<和<italic<ε</italic<<sub<<italic<v</italic<</sub<发生2次明显的回弹变形，且<italic<ε</italic<<sub<1</sub<和<italic<ε</italic<<sub<<italic<v</italic<</sub<的变形与<italic<ε</italic<<sub<3</sub<同步；应力补偿可以有效补偿卸荷引起的岩石应力损失，提高砂岩的黏聚力和破坏强度，使砂岩加卸载期间的补偿系数<italic<η</italic<<sub<(<italic<m</italic<1)</sub<、<italic<η</italic<<sub<(<italic<m</italic<3)</sub<、<italic<η</italic<<sub<(<italic<mv</italic<)</sub<逐渐增大，但对内摩擦角和<italic<η</italic<<sub<(<italic<m</italic<2)</sub<影响较小；在任意补偿应力条件下压裂系数<italic<ξ</italic<<sub<(<italic<m</italic<2)</sub<和<italic<ξ</italic<<sub<(<italic<m</italic<3)</sub<均为负值，岩石在<italic<σ</italic<<sub<2</sub<和<italic<σ</italic<<sub<3</sub<方向处于扩容状态，而<italic<ξ</italic<<sub<(<italic<m</italic<1)</sub<和<italic<ξ</italic<<sub<(<italic<mv</italic<)</sub<正好相反，在任意补偿应力条件下均为正值，岩石处于压缩状态。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1540-1553. Read More

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深部煤层瓦斯含量分阶赋存规律及其与突出危险的关联

<p<我国目前采用的煤与瓦斯突出区域预测指标包括瓦斯压力和瓦斯含量两种，在不同矿区两者对突出危险的敏感性不一。煤与瓦斯突出机理是合理制定突出危险性预测指标的基础，“本源瓦斯主控说”突出机理暗示瓦斯含量在深部条件下对突出危险的敏感性要高于瓦斯压力。为了检验上述推论的正确性，对比选取了具有高地温、高压力特征的平煤八矿作为典型研究对象，其高地温与高压力特点使得深部煤层瓦斯赋存规律与浅部不同，瓦斯含量在某一“临界深度”以下产生负增长，导致瓦斯赋存规律呈现分阶特征，与瓦斯压力的线性递增赋存规律产生明显差别。采用理论计算、试验分析、数值模拟与现场验证相结合的方法，首先理论计算了平煤八矿瓦斯含量分阶赋存规律，并建立了考虑温度与压力竞争效应的固−流−热三场耦合模型，分析出现瓦斯含量随深度逆向减小的影响因素；然后对比地勘/采动时期的瓦斯含量和瓦斯压力的差异化赋存规律，验证了理论研究和数值模拟的研究结果；之后理论分析了研究矿区的突出能量纵向分布规律，并以现场瓦斯涌出量以及突出事故案例，对突出危险性分阶分布特征进行了正面和侧面验证；最后比较分析了深部条件下瓦斯压力与瓦斯含量对突出危险的敏感性差异，阐明了造成两者差异的内在原因。论文研究显示：深部逐渐增高的地温以及压力对瓦斯含量形成了竞争作用，使得瓦斯含量在某一深度以下可能产生负增长现象，形成临界深度。临界深度的大小受到地温梯度、吸附能力以及温度敏感系数等因素影响。“本源瓦斯主控说”强调吸附瓦斯在突出中的主控作用，在临界深度以深，瓦斯含量对突出危险的敏感性要大于瓦斯压力。尤其对于构造煤而言，瓦斯含量的区域预测指标要更为敏感可靠。论文研究成果从宏观角度验证了“本源瓦斯主控说”的正确性，对于深部煤岩瓦斯动力灾害防治具有一定的指导意义。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1554-1567. <p<我国目前采用的煤与瓦斯突出区域预测指标包括瓦斯压力和瓦斯含量两种，在不同矿区两者对突出危险的敏感性不一。煤与瓦斯突出机理是合理制定突出危险性预测指标的基础，“本源瓦斯主控说”突出机理暗示瓦斯含量在深部条件下对突出危险的敏感性要高于瓦斯压力。为了检验上述推论的正确性，对比选取了具有高地温、高压力特征的平煤八矿作为典型研究对象，其高地温与高压力特点使得深部煤层瓦斯赋存规律与浅部不同，瓦斯含量在某一“临界深度”以下产生负增长，导致瓦斯赋存规律呈现分阶特征，与瓦斯压力的线性递增赋存规律产生明显差别。采用理论计算、试验分析、数值模拟与现场验证相结合的方法，首先理论计算了平煤八矿瓦斯含量分阶赋存规律，并建立了考虑温度与压力竞争效应的固−流−热三场耦合模型，分析出现瓦斯含量随深度逆向减小的影响因素；然后对比地勘/采动时期的瓦斯含量和瓦斯压力的差异化赋存规律，验证了理论研究和数值模拟的研究结果；之后理论分析了研究矿区的突出能量纵向分布规律，并以现场瓦斯涌出量以及突出事故案例，对突出危险性分阶分布特征进行了正面和侧面验证；最后比较分析了深部条件下瓦斯压力与瓦斯含量对突出危险的敏感性差异，阐明了造成两者差异的内在原因。论文研究显示：深部逐渐增高的地温以及压力对瓦斯含量形成了竞争作用，使得瓦斯含量在某一深度以下可能产生负增长现象，形成临界深度。临界深度的大小受到地温梯度、吸附能力以及温度敏感系数等因素影响。“本源瓦斯主控说”强调吸附瓦斯在突出中的主控作用，在临界深度以深，瓦斯含量对突出危险的敏感性要大于瓦斯压力。尤其对于构造煤而言，瓦斯含量的区域预测指标要更为敏感可靠。论文研究成果从宏观角度验证了“本源瓦斯主控说”的正确性，对于深部煤岩瓦斯动力灾害防治具有一定的指导意义。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1554-1567. Read More

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岩层运动并行计算系统中动力本构模型引入和巷道冲击破裂过程模拟

<p<巷道围岩的动力冲击破坏研究对于巷道冲击地压的机理分析和预防具有重要的理论和实际意义。在微机上模拟巷道冲击时，现有的国外通用商业软件的计算规模小，计算效率低，功能有限。在历时10多年自主开发的岩层运动并行计算系统中，发展了动力模拟功能，通过岩样的单轴压缩动力实验验证了该方法的正确性。具体而言，以适于较宽应变率范围的朱−王−唐动力本构模型取代静力本构模型，即广义胡克定律，以提高系统的适用性；以动态黏聚力取代摩尔−库仑准则中的静态黏聚力，以考虑岩石的动力强度特性；以黏性阻尼取代局部自适应阻尼，以克服其在模拟动力学问题时的局限性。通过在巷道围岩模型上表面施加冲击速度，考察了不同应变率条件下巷道围岩模型的失稳规律。当应变率低时，巷道围岩的失稳呈间歇性，这是因为巷道围岩的强度较低，存储的应变能较少，失稳易于发生，也易于停止，但不足以为剧烈的大失稳提供足够的动能；当应变率高时，巷道两帮的开裂区发展较快，这是由于开裂区扩展所需要的能量能得到及时供给，巷道围岩的失稳具有持续性，只有当围岩储存的应变能较高时才能失稳，一旦失稳，则难以停止，这将造成严重的动力灾害。为未来支护条件下巷道抗冲击研究奠定了良好的技术基础。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1473-1483. <p<巷道围岩的动力冲击破坏研究对于巷道冲击地压的机理分析和预防具有重要的理论和实际意义。在微机上模拟巷道冲击时，现有的国外通用商业软件的计算规模小，计算效率低，功能有限。在历时10多年自主开发的岩层运动并行计算系统中，发展了动力模拟功能，通过岩样的单轴压缩动力实验验证了该方法的正确性。具体而言，以适于较宽应变率范围的朱−王−唐动力本构模型取代静力本构模型，即广义胡克定律，以提高系统的适用性；以动态黏聚力取代摩尔−库仑准则中的静态黏聚力，以考虑岩石的动力强度特性；以黏性阻尼取代局部自适应阻尼，以克服其在模拟动力学问题时的局限性。通过在巷道围岩模型上表面施加冲击速度，考察了不同应变率条件下巷道围岩模型的失稳规律。当应变率低时，巷道围岩的失稳呈间歇性，这是因为巷道围岩的强度较低，存储的应变能较少，失稳易于发生，也易于停止，但不足以为剧烈的大失稳提供足够的动能；当应变率高时，巷道两帮的开裂区发展较快，这是由于开裂区扩展所需要的能量能得到及时供给，巷道围岩的失稳具有持续性，只有当围岩储存的应变能较高时才能失稳，一旦失稳，则难以停止，这将造成严重的动力灾害。为未来支护条件下巷道抗冲击研究奠定了良好的技术基础。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1473-1483. Read More

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不同椭圆率巷道冲击破坏特征试验研究

<p<为研究椭圆率对巷道冲击破坏特征的影响机制，利用自主研发的深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统，开展了真三维条件下椭圆形巷道冲击破坏试验，分析了不同椭圆率巷道冲击破坏演化规律。结果表明：试样峰值应力及轴向变形量会随椭圆率的增大呈现先增大后减小的趋势，椭圆率为1.25试样的峰值应力及轴向变形量最大；巷道破坏主要集中在边帮两侧，声发射三维定位也验证了这种破坏特征；扰动加载期声发射计数、能量突增，声发射<italic<b</italic<值突降，说明试样在扰动应力下产生了大尺度破坏。随着椭圆率的增加，声发射的最大计数、最大能量、<italic<b</italic<值下降幅度均呈现增加趋势。不同椭圆率试样声发射累计能量与时间均存在非线性关系，证明了冲击破坏的能量骤增原理。不同椭圆率试样红外云图和平均红外辐射温度在破坏时有明显的上升，其中椭圆率为1.25试样最为显著。试验结果为地下工程巷道断面防冲设计提供了理论支撑。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1484-1497. <p<为研究椭圆率对巷道冲击破坏特征的影响机制，利用自主研发的深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统，开展了真三维条件下椭圆形巷道冲击破坏试验，分析了不同椭圆率巷道冲击破坏演化规律。结果表明：试样峰值应力及轴向变形量会随椭圆率的增大呈现先增大后减小的趋势，椭圆率为1.25试样的峰值应力及轴向变形量最大；巷道破坏主要集中在边帮两侧，声发射三维定位也验证了这种破坏特征；扰动加载期声发射计数、能量突增，声发射<italic<b</italic<值突降，说明试样在扰动应力下产生了大尺度破坏。随着椭圆率的增加，声发射的最大计数、最大能量、<italic<b</italic<值下降幅度均呈现增加趋势。不同椭圆率试样声发射累计能量与时间均存在非线性关系，证明了冲击破坏的能量骤增原理。不同椭圆率试样红外云图和平均红外辐射温度在破坏时有明显的上升，其中椭圆率为1.25试样最为显著。试验结果为地下工程巷道断面防冲设计提供了理论支撑。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1484-1497. Read More

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橡胶垫层吸能缓冲构件对锚杆支护系统抗冲击性能的影响机理

<p<冲击危险巷道的防冲支护实践表明，锚杆支护系统中安装吸能缓冲构件可显著改善其抗冲击性能。以橡胶垫层作为吸能缓冲构件，采用自主研制的冲击试验平台开展了吸能缓冲构件对多锚杆支护系统抗冲击性能影响机理的试验研究。通过对有、无吸能垫层两种工况下锚杆支护系统进行冲击加载试验，得到锚杆变形、载荷、吸能及围岩破碎特征等参量的响应特征，定量阐释了吸能缓冲构件对支护系统抗冲击性能的影响机制。研究表明：锚杆支护系统经历冲击作用时，锚杆载荷的动态响应早于变形，且安装吸能缓冲构件时锚杆载荷、变形及响应“时−速”均显著降低，表明吸能缓冲构件能够改善锚杆支护系统的抗冲击性能；吸能缓冲构件通过塑性变形消耗部分冲击能量，降低支护系统中主要构件的吸能需求，锚杆吸能速率降低是能量吸收量降低与响应时间延长双重作用的结果；吸能缓冲构件有利于均衡锚杆群受力，与各支护构件协同承载，进而提升支护系统的抗冲击性能，支护系统各冲击响应指标的标准差显著降低，其中锚杆吸能速率降低尤为明显，降幅达77.89%；安装吸能缓冲构件，围岩破坏程度，围岩裂隙迹线长度、分形维数及质量损失比等定量指标显著降低，吸能缓冲构件防冲作用表现在抑制裂隙扩展、张开及防止破裂后碎块分离弹射2个方面。研究成果可为冲击危险巷道锚杆支护系统的优化设计提供有益参考。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1498-1509. <p<冲击危险巷道的防冲支护实践表明，锚杆支护系统中安装吸能缓冲构件可显著改善其抗冲击性能。以橡胶垫层作为吸能缓冲构件，采用自主研制的冲击试验平台开展了吸能缓冲构件对多锚杆支护系统抗冲击性能影响机理的试验研究。通过对有、无吸能垫层两种工况下锚杆支护系统进行冲击加载试验，得到锚杆变形、载荷、吸能及围岩破碎特征等参量的响应特征，定量阐释了吸能缓冲构件对支护系统抗冲击性能的影响机制。研究表明：锚杆支护系统经历冲击作用时，锚杆载荷的动态响应早于变形，且安装吸能缓冲构件时锚杆载荷、变形及响应“时−速”均显著降低，表明吸能缓冲构件能够改善锚杆支护系统的抗冲击性能；吸能缓冲构件通过塑性变形消耗部分冲击能量，降低支护系统中主要构件的吸能需求，锚杆吸能速率降低是能量吸收量降低与响应时间延长双重作用的结果；吸能缓冲构件有利于均衡锚杆群受力，与各支护构件协同承载，进而提升支护系统的抗冲击性能，支护系统各冲击响应指标的标准差显著降低，其中锚杆吸能速率降低尤为明显，降幅达77.89%；安装吸能缓冲构件，围岩破坏程度，围岩裂隙迹线长度、分形维数及质量损失比等定量指标显著降低，吸能缓冲构件防冲作用表现在抑制裂隙扩展、张开及防止破裂后碎块分离弹射2个方面。研究成果可为冲击危险巷道锚杆支护系统的优化设计提供有益参考。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1498-1509. Read More

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基于数值模拟−机器学习的缓倾斜铝土矿矿柱承载力预测方法

<p<矿柱强度具有显著的倾角效应，准确预测倾斜矿柱的强度是保障倾斜矿体地下采场安全的关键。为准确预测缓倾斜矿柱强度，融合运用参数化建模的灵活交互性、数值模拟的样本数据强扩展性与机器学习方法的数据驱动优势，建立缓倾斜矿柱强度预测模型。基于Rhino中Grasshopper平台编制缓倾斜矿柱参数化建模程序，结合某铝土矿裂隙产状参数构建了200组粘合块体−离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱数值模型。采用FLAC3D-3DEC耦合模拟方法，依据试错法标定后的岩块与节理参数，开展了缓倾斜矿柱承载特性试验，监测并建立了机器学习缓倾斜矿柱强度数据集，且验证了此数据集的可靠性。分别以支持向量机(SVM)、极限学习机(ELM)、轻量梯度提升机(LightGBM)构建了缓倾斜矿柱强度预测模型，利用遗传编程(GP)和改进的量子粒子群算法(IQPSO)2种优化算法进一步提高模型性能，建立了缓倾斜矿柱强度与其影响因子之间的非线性映射关系。研究表明：矿体倾角对矿柱强度影响显著，同一尺寸矿柱随倾角的增加其强度显著下降，而不同宽高比矿柱的影响规律存在差异；当宽高比小于1时，矿柱影响因子敏感性主次顺序为：倾角 > 高度 > 宽度；当宽高比大于1时，其影响因子敏感性主次顺序为：宽度 > 倾角 > 高度；交叉验证了SVM模型是缓倾斜矿柱强度预测的最佳模型(<italic<R</italic<<sup<2</sup<=0.921; <italic<R</italic<<sub<EVS</sub< =0.926; <italic<R</italic<<sub<MAE</sub< =1.225; <italic<R</italic<<sub<MSE</sub< =2.367)，结合GP与IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(<italic<R</italic<<sup<2</sup<=0.976; <italic<R</italic<<sub<EVS</sub<=0.977; <italic<R</italic<<sub<MAE</sub<=0.465; <italic<R</italic<<sub<MSE</sub<=0.862)。采用GP的符号回归方法得到了缓倾斜铝土矿柱强度表达式，对比经典矿柱强度理论验证了模型的准确性，拓新了倾斜矿柱强度的预测思路。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1510-1525. <p<矿柱强度具有显著的倾角效应，准确预测倾斜矿柱的强度是保障倾斜矿体地下采场安全的关键。为准确预测缓倾斜矿柱强度，融合运用参数化建模的灵活交互性、数值模拟的样本数据强扩展性与机器学习方法的数据驱动优势，建立缓倾斜矿柱强度预测模型。基于Rhino中Grasshopper平台编制缓倾斜矿柱参数化建模程序，结合某铝土矿裂隙产状参数构建了200组粘合块体−离散裂隙网络(BBM-DFN)矿柱数值模型。采用FLAC3D-3DEC耦合模拟方法，依据试错法标定后的岩块与节理参数，开展了缓倾斜矿柱承载特性试验，监测并建立了机器学习缓倾斜矿柱强度数据集，且验证了此数据集的可靠性。分别以支持向量机(SVM)、极限学习机(ELM)、轻量梯度提升机(LightGBM)构建了缓倾斜矿柱强度预测模型，利用遗传编程(GP)和改进的量子粒子群算法(IQPSO)2种优化算法进一步提高模型性能，建立了缓倾斜矿柱强度与其影响因子之间的非线性映射关系。研究表明：矿体倾角对矿柱强度影响显著，同一尺寸矿柱随倾角的增加其强度显著下降，而不同宽高比矿柱的影响规律存在差异；当宽高比小于1时，矿柱影响因子敏感性主次顺序为：倾角 > 高度 > 宽度；当宽高比大于1时，其影响因子敏感性主次顺序为：宽度 > 倾角 > 高度；交叉验证了SVM模型是缓倾斜矿柱强度预测的最佳模型(<italic<R</italic<<sup<2</sup<=0.921; <italic<R</italic<<sub<EVS</sub< =0.926; <italic<R</italic<<sub<MAE</sub< =1.225; <italic<R</italic<<sub<MSE</sub< =2.367)，结合GP与IQPSO算法优化后模型预测性能得到了进一步提升(<italic<R</italic<<sup<2</sup<=0.976; <italic<R</italic<<sub<EVS</sub<=0.977; <italic<R</italic<<sub<MAE</sub<=0.465; <italic<R</italic<<sub<MSE</sub<=0.862)。采用GP的符号回归方法得到了缓倾斜铝土矿柱强度表达式，对比经典矿柱强度理论验证了模型的准确性，拓新了倾斜矿柱强度的预测思路。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1510-1525. Read More

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缓倾斜厚煤层仰斜开采覆岩及地表损伤特征与机理研究

<p<为科学指导鄂尔多斯盆地西部缓倾斜厚煤层开采矿井灾害防治和生态环境保护，实现西部煤炭的绿色安全开采。以红柳煤矿I020213工作面研究为背景，采用相似材料模拟、实地调查、裂缝原位示踪开挖和理论分析相结合的方法，分析缓倾斜厚煤层仰采覆岩及地表损伤特征，并依此构建地表裂缝活动类型的判据，探究地表裂缝形成及活动机理。结果表明：I020213工作面顶板覆岩以“悬臂−断裂−铰接−垮落回转−滑移−稳定”的重复性结构向前扩展演化，采空区上方覆岩破坏形态呈斜梯形的非对称偏移形态，下山采空区压实度是上山采空区的1.2倍，采空压实区边界整体呈类似抛物线的椭抛面。覆岩离层裂隙宽度具有“增大−减小”的动态变化特征，竖向裂隙宽度则表现出“增大−稳定”和“增大−减小−稳定”2种动态特征；导水裂隙带发育高度呈“快增−缓增−稳定”的递进式动态发育特征，稳定后发育高度达145 m。采空区上方地表损伤形式以地表隆起为主，隆起高度达2.7～36.0 cm，平均为10.14 cm；工作面边界上方主要发育拉张裂缝和台阶裂缝，裂缝宽度为1.5～18.0 cm，落差最大约17.0 cm；根据裂缝宽度−深度变化特征，地表裂缝剖面形态可分为“类楔型”、“类梭型”和 “类树枝分叉型”3类，且具有偏斜特征，偏移量与裂缝发育深度呈二次多项式相关；宽度小于3.0 cm的裂缝垂向发育深度为1.70～3.10 m，垂向深度差为46.0～190.0 cm/m，平均垂向深度差为132 cm/m，裂缝发育深度与宽度符合线性函数关系。采空区上方地表隆起滞后回采位置发育，滞后距离为24.7～71.3 m，隆起高度均呈现“增加−稳定”的动态变化过程，活动时间为11～13 d；边界裂缝在拉张作用下呈现“持续增大−稳定”和“开裂−稳定”2种变化特征，活动时间为2～12 d。地表裂缝发育类型及活动特征与表土层性质和裂缝间距密切相关。一般情况下裂缝间距越大，越易形成无闭合活动的台阶裂缝，反之则容易形成有闭合活动的拉张裂缝。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1443-1457. <p<为科学指导鄂尔多斯盆地西部缓倾斜厚煤层开采矿井灾害防治和生态环境保护，实现西部煤炭的绿色安全开采。以红柳煤矿I020213工作面研究为背景，采用相似材料模拟、实地调查、裂缝原位示踪开挖和理论分析相结合的方法，分析缓倾斜厚煤层仰采覆岩及地表损伤特征，并依此构建地表裂缝活动类型的判据，探究地表裂缝形成及活动机理。结果表明：I020213工作面顶板覆岩以“悬臂−断裂−铰接−垮落回转−滑移−稳定”的重复性结构向前扩展演化，采空区上方覆岩破坏形态呈斜梯形的非对称偏移形态，下山采空区压实度是上山采空区的1.2倍，采空压实区边界整体呈类似抛物线的椭抛面。覆岩离层裂隙宽度具有“增大−减小”的动态变化特征，竖向裂隙宽度则表现出“增大−稳定”和“增大−减小−稳定”2种动态特征；导水裂隙带发育高度呈“快增−缓增−稳定”的递进式动态发育特征，稳定后发育高度达145 m。采空区上方地表损伤形式以地表隆起为主，隆起高度达2.7～36.0 cm，平均为10.14 cm；工作面边界上方主要发育拉张裂缝和台阶裂缝，裂缝宽度为1.5～18.0 cm，落差最大约17.0 cm；根据裂缝宽度−深度变化特征，地表裂缝剖面形态可分为“类楔型”、“类梭型”和 “类树枝分叉型”3类，且具有偏斜特征，偏移量与裂缝发育深度呈二次多项式相关；宽度小于3.0 cm的裂缝垂向发育深度为1.70～3.10 m，垂向深度差为46.0～190.0 cm/m，平均垂向深度差为132 cm/m，裂缝发育深度与宽度符合线性函数关系。采空区上方地表隆起滞后回采位置发育，滞后距离为24.7～71.3 m，隆起高度均呈现“增加−稳定”的动态变化过程，活动时间为11～13 d；边界裂缝在拉张作用下呈现“持续增大−稳定”和“开裂−稳定”2种变化特征，活动时间为2～12 d。地表裂缝发育类型及活动特征与表土层性质和裂缝间距密切相关。一般情况下裂缝间距越大，越易形成无闭合活动的台阶裂缝，反之则容易形成有闭合活动的拉张裂缝。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1443-1457. Read More

缓倾斜厚煤层仰斜开采覆岩及地表损伤特征与机理研究 Read More »

基于钻孔数据的断层带结构数值模型构建及应用探索

<p<断层带数值模型的准确构建和参数赋值一直是煤矿地质工作者面临的难题，采动断层带涌水量预计存在结构复杂、渗透系数获取困难等问题。以采动影响下断层带涌水量计算为背景，基于钻孔探测数据进行断层带数值模型的构建与涌水量研究。首先运用随机裂隙生成方法结合COMSOL Multiphysic有限元数值模拟软件，探究了单位面积内和单位体积内不同裂隙数量对孔隙水压力、渗流速度和渗透性的影响，获得了裂隙岩体中单位面积和单位体积裂隙数量与渗透率之间的关系，建立了二维与三维岩体中随机裂隙与渗透率之间的关系。然后基于钻孔探测数据，建立了裂隙岩体质量指标RQD与岩体渗透率之间的函数关系。同时根据钻探数据建立了断层裂隙带三维数值分析模型，研究了不同(Rock Mass Quality Indes, RQD)的岩体在煤层开采过程中，断层带导水和采空区涌水量规律。研究表明：裂隙数量与渗透率之间符合指数函数关系，且相较于二维裂隙模型，三维裂隙岩体中渗透率受裂隙数目增加所提升的幅度更为显著。通过钻孔控制区域范围内实体裂隙的线性延展和未探测区域RQD值参数赋值相结合的方法，构建了含断层带结构的数值分析模型，结合岩体多点钻孔分析，建立了岩体质量指标RQD与渗透率之间的指数函数关系，实现了应用矿井岩体质量指标进行涌水量预测分析。研究成果在矿井涌水预测、突水灾害防治及安全评价方面具有重要意义。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1458-1472. <p<断层带数值模型的准确构建和参数赋值一直是煤矿地质工作者面临的难题，采动断层带涌水量预计存在结构复杂、渗透系数获取困难等问题。以采动影响下断层带涌水量计算为背景，基于钻孔探测数据进行断层带数值模型的构建与涌水量研究。首先运用随机裂隙生成方法结合COMSOL Multiphysic有限元数值模拟软件，探究了单位面积内和单位体积内不同裂隙数量对孔隙水压力、渗流速度和渗透性的影响，获得了裂隙岩体中单位面积和单位体积裂隙数量与渗透率之间的关系，建立了二维与三维岩体中随机裂隙与渗透率之间的关系。然后基于钻孔探测数据，建立了裂隙岩体质量指标RQD与岩体渗透率之间的函数关系。同时根据钻探数据建立了断层裂隙带三维数值分析模型，研究了不同(Rock Mass Quality Indes, RQD)的岩体在煤层开采过程中，断层带导水和采空区涌水量规律。研究表明：裂隙数量与渗透率之间符合指数函数关系，且相较于二维裂隙模型，三维裂隙岩体中渗透率受裂隙数目增加所提升的幅度更为显著。通过钻孔控制区域范围内实体裂隙的线性延展和未探测区域RQD值参数赋值相结合的方法，构建了含断层带结构的数值分析模型，结合岩体多点钻孔分析，建立了岩体质量指标RQD与渗透率之间的指数函数关系，实现了应用矿井岩体质量指标进行涌水量预测分析。研究成果在矿井涌水预测、突水灾害防治及安全评价方面具有重要意义。</p< 煤炭学报. 2025 50(3): 1458-1472. Read More

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