邵強，王恩營，王紅衛(wèi)，等

能源科學綜合

構(gòu)造煤分布規(guī)律對煤與瓦斯突出的控制

邵強，王恩營，王紅衛(wèi)，等

目的：按照綜合假說的觀點，煤與瓦斯突出受煤層瓦斯、地應(yīng)力和煤的物理力學性質(zhì)的控制，其中，煤層瓦斯和地應(yīng)力為突出提供動力，煤的物理力學性質(zhì)是阻止突出的因素。構(gòu)造煤的物理力學性質(zhì)比較弱，有利于煤與瓦斯突出，而且，在現(xiàn)有開采深度條件下，發(fā)生突出的部位一般都有構(gòu)造煤發(fā)育，因此，研究構(gòu)造煤分布規(guī)律是瓦斯地質(zhì)研究的重要內(nèi)容之一，也是開展煤與瓦斯突出預(yù)測的重要評判指標之一。方法：以生產(chǎn)揭露、測井解譯等資料為基礎(chǔ)，統(tǒng)計了華北板塊擠壓構(gòu)造帶、伸展構(gòu)造帶邊緣和伸展構(gòu)造帶內(nèi)3個不同構(gòu)造區(qū)構(gòu)造煤的發(fā)育特點，包括36個礦區(qū)的366對主要生產(chǎn)礦井，其中，突出礦井74對；統(tǒng)計的煤層包括太原組、山西組、下石盒子組等主要可采煤層。通過不同構(gòu)造區(qū)和不同煤層中構(gòu)造煤發(fā)育特征對比分析，揭示構(gòu)造煤的發(fā)育規(guī)律，并探討構(gòu)造煤對煤與瓦斯突出的控制作用。結(jié)果：統(tǒng)計結(jié)果表明，構(gòu)造煤的區(qū)域分布主要受構(gòu)造控制，擠壓構(gòu)造帶是構(gòu)造煤主要分布區(qū)，煤體結(jié)構(gòu)類型主要為Ⅲ～Ⅳ類，是板塊內(nèi)煤體結(jié)構(gòu)類型分布最高的區(qū)域；其次是伸展構(gòu)造帶的邊緣，煤體結(jié)構(gòu)類型主要為Ⅱ～Ⅲ類，構(gòu)造煤呈條帶狀，其展布方向與構(gòu)造線的展布方向一致；伸展構(gòu)造帶的內(nèi)部主要是原生結(jié)構(gòu)煤分布區(qū)，煤層變形較小，煤體結(jié)構(gòu)類型主要是Ⅰ～Ⅱ類。構(gòu)造煤的層域分布主要受煤厚控制，即構(gòu)造煤主要發(fā)育在厚煤層中，薄煤層中發(fā)育較差；縱彎褶皺作用下一般形成開闊褶皺和中常褶皺，構(gòu)造煤主要形成在褶皺的翼部，轉(zhuǎn)折端一般發(fā)育較弱；斷層作用下構(gòu)造煤主要形成在斷層的上盤，但斷層性質(zhì)不同，構(gòu)造煤發(fā)育程度也不同，在正斷層、逆斷層、平移斷層3種切層斷層中，逆斷層最有利于構(gòu)造煤的發(fā)育，其次是平移斷層，最后是正斷層。構(gòu)造煤最發(fā)育的區(qū)域和層位，煤與瓦斯突出也最嚴重，如推覆構(gòu)造區(qū)和滑動構(gòu)造區(qū)、斷層上盤和褶皺的翼部等。結(jié)論：構(gòu)造煤的區(qū)域分布主要受構(gòu)造控制，構(gòu)造煤的層域分布主要受煤厚控制，因此，該認識從縱向和橫向上揭示了構(gòu)造煤的發(fā)育規(guī)律。利用該研究成果，通過對未知區(qū)煤層賦存的瓦斯地質(zhì)條件分析，可以確定煤層中構(gòu)造煤的發(fā)育特點，結(jié)合煤層中瓦斯含量和地應(yīng)力分析等，可以對煤與瓦斯突出危險性進行預(yù)測，為礦井瓦斯治理提供技術(shù)依據(jù)。

來源出版物：煤炭學報, 2010, 35(2): 250-254

入選年份：2014

煤層底板突水評價的新型實用方法Ⅴ：基于GIS的ANN型、證據(jù)權(quán)型、Logistic回歸型脆弱性指數(shù)法的比較

武強，張波，趙文德，等

摘要：目的：煤層底板突水在煤礦開采過程中非常突出和普遍，為解決煤層底板突水預(yù)測預(yù)報評價難題，在煤層底板突水主控指標體系和脆弱性指數(shù)法提出基礎(chǔ)上，以峰峰九龍礦煤層底板突水為研究對象，本文應(yīng)用3種不同的數(shù)學理論與方法，進一步補充完善脆弱性指數(shù)法的基本數(shù)學模型，分別對煤層底板突水進行預(yù)測預(yù)報，并對比分析不同數(shù)學模型的評價預(yù)測特點、效果和精度。方法：應(yīng)用基于GIS的ANN型、證據(jù)權(quán)型、Logistic回歸型脆弱性指數(shù)法分別進行煤層底板突水預(yù)測預(yù)報評價研究。以峰峰九龍礦煤層底板突水為研究對象，首先，以GIS為操作平臺，在分析確定煤層底板突水主控因素基礎(chǔ)上，充分分析礦井已有資料數(shù)據(jù)，建立各主控因素的子專題層圖；其次，應(yīng)用多源地學數(shù)據(jù)復合疊加原理，采用ANN、證據(jù)權(quán)重法和Logistic回歸三種現(xiàn)代非線性數(shù)學方法分別建立數(shù)學模型，通過反演識別或?qū)W習訓練，得出各主控因素對復雜煤層底板突水過程的“貢獻”或“權(quán)重”，建立3種煤層底板突水預(yù)測預(yù)報評價模型；然后，根據(jù)統(tǒng)計研究區(qū)各單元的突水脆弱性指數(shù)得出的頻率直方圖，確定對應(yīng)的分區(qū)閾值，分別對煤層底板突水脆弱性進行區(qū)劃，生成相應(yīng)的煤層底板突水脆弱性評價分區(qū)圖；進一步，對3種預(yù)測評價結(jié)果進行詳細對比和擬合分析。結(jié)果：根據(jù)3種預(yù)測評價結(jié)果并進行對比分析可知：（1）研究區(qū)煤層底板突水脆弱性均分為5級：脆弱區(qū)、較脆弱區(qū)、過渡區(qū)、較安全區(qū)和安全區(qū)。脆弱區(qū)基本都分布在井田的西北部，在圖中均以紅色顯示；較脆弱區(qū)分布也基本一致，絕大部分在井田的北部偏中地區(qū)，在圖中以紫色顯示；但是從過渡區(qū)到安全區(qū)的分區(qū)范圍，3種評價模型得出的結(jié)果有一定的差異。（2）ANN模型對于斷層對底板突水影響的描述較其他兩種方法準確，斷層線、端點及交點的位置和斷層規(guī)模較大的區(qū)域都判定為脆弱區(qū)，顯示了斷層對底板突水影響較大；而證據(jù)權(quán)模型對發(fā)育規(guī)模較大的斷層和緩沖區(qū)劃定為較危險區(qū)；Logistic回歸模型對于斷層的刻畫不太準確，它將斷層線及緩沖區(qū)劃定為較安全區(qū)，明顯與實際情況不符。（3）從突水點對于突水的驗證角度來看，ANN模型要優(yōu)于證據(jù)權(quán)模型和Logistic回歸模型。從擬合圖上可以看出，在ANN模型中，16個擬合點中有15個落在了目標區(qū)域，擬合率達到了93.75%；而證據(jù)權(quán)模型中，16個擬合點中有13個落在了目標區(qū)域，擬合率為81.25%；Logistic回歸模型中16個擬合點中有14個落在了目標區(qū)域，擬合率為87.5%。（4）從總體評價結(jié)果來看，ANN模型對于各個主控因素的綜合考慮要優(yōu)于證據(jù)權(quán)模型和Logistic回歸模型。ANN模型通過多級映射，將各個主控因素中的點、線、面對于研究區(qū)域的影響全部分析處理，最終得出各因素的影響權(quán)重；而證據(jù)權(quán)模型和Logistic回歸模型在考慮各因素的影響權(quán)重時，更多地考慮了面積元素，而對斷層線密度和斷層交點及端點密度等點線狀要素對目標值的影響考慮較少。因此，ANN模型對于煤層底板突水的評價預(yù)測更為全面客觀，而證據(jù)權(quán)模型和Logistic回歸模型更適合應(yīng)用在構(gòu)造不是特別發(fā)育，各主控因素都是面積元素控制并且有較多的驗證突水點的地區(qū)。結(jié)論：煤層底板突水受控于多種主要因素，這些因素相互作用，共同影響煤層底板突水的發(fā)展過程。采用GIS與ANN或證據(jù)權(quán)法或Logistic回歸等現(xiàn)代非線性數(shù)學的耦合方法，建立了ANN模型、證據(jù)權(quán)模型和Logistic回歸模型分別對九龍礦煤層底板突水進行了預(yù)測評價，擬合結(jié)果較為理想，證明3種方法應(yīng)用于底板突水評價是切實可行的；經(jīng)過詳細比較分析，ANN預(yù)測模型對綜合因素考慮最為全面，預(yù)測結(jié)果最為理想；證據(jù)權(quán)模型和加權(quán)邏輯回歸模型雖然對斷層的刻畫并不是很理想，但對于面積元單因素的考慮要更加充分，預(yù)測結(jié)果也比較符合實際情況。

來源出版物：煤炭學報, 2013, 38(1): 21-26

入選年份：2014

采動裂隙橢拋帶動態(tài)演化及煤與甲烷共采

李樹剛，林海飛，趙鵬翔，等

摘要：目的：甲烷（又稱瓦斯）是煤礦特有的寶貴資源，一方面可引起瓦斯事故，另一方面又是清潔、高效資源。煤與甲烷共采可實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)、清潔能源供應(yīng)以及環(huán)境保護等多重效應(yīng)，其主要科學問題是采動覆巖裂隙演化及其中瓦斯運移規(guī)律，本文利用物理相似材料模擬、數(shù)值模擬、理論分析及現(xiàn)場實踐對此進行了研究。方法：利用物理相似材料模擬及數(shù)值模擬手段研究了煤層開采后采場上覆巖層裂隙發(fā)育演化規(guī)律，分析采動裂隙橢拋帶的形成過程、采高與第一亞關(guān)鍵層層位對其影響，并據(jù)此建立了考慮兩者影響的采動裂隙橢拋帶方程。應(yīng)用環(huán)境流體力學、傳質(zhì)學、滲流力學及采動巖體力學等理論，構(gòu)建出采動裂隙橢拋帶煤層卸壓瓦斯?jié)B流、巖層之間破斷裂隙導通后的瓦斯升浮及關(guān)鍵層控制下離層裂隙中的瓦斯擴散等模型，分析了其中卸壓瓦斯抽采機理。通過山西和順天池煤礦103綜放工作面的現(xiàn)場工程實踐，分析了橢拋帶內(nèi)高抽巷抽采卸壓瓦斯技術(shù)及其實現(xiàn)煤與甲烷共采的效果。結(jié)果：（1）工作面經(jīng)歷2—3個周期來壓后，采場覆巖離層裂隙與破斷裂隙之間相互貫通，形成了壓實區(qū)及裂隙區(qū)，覆巖裂隙形態(tài)可用橢拋帶來表征；其帶寬在切眼側(cè)等于初次來壓步距，工作面附近為1～2倍周期來壓步距，進、回風巷附近約為0.8倍初次來壓步距，高度隨關(guān)鍵層層位及工作面推進距變化；建立了采高及第一亞關(guān)鍵層層位影響下的采動裂隙橢拋帶數(shù)學方程，為進一步研究采動裂隙橢拋帶中瓦斯運移提供了數(shù)學基礎(chǔ)。（2）在煤層瓦斯?jié)B流方程的基礎(chǔ)上，結(jié)合滲透系數(shù)與含瓦斯煤體應(yīng)力狀態(tài)及孔隙壓力之間關(guān)系，建立了采動裂隙橢拋帶中卸壓瓦斯?jié)B流方程；根據(jù)定常浮力源條件下物質(zhì)浮力及巖層破斷裂隙貫通度控制方程，得到橢拋帶中瓦斯升浮方程；基于離層裂隙內(nèi)瓦斯在其本身濃度梯度作用下的擴散運動，結(jié)合離層區(qū)域的當量面積及氣體擴散通量，得到橢拋帶中瓦斯擴散方程。（3）構(gòu)建出橢拋帶中卸壓瓦斯的滲流-升浮-擴散綜合控制模型，明確了瓦斯在橢拋帶中的升浮路徑及運移過程；據(jù)此得到橢拋帶上部離層裂隙發(fā)育區(qū)漂浮并聚集大量瓦斯，周邊（層面上呈現(xiàn)的橢圓形圈）破斷裂隙發(fā)育區(qū)內(nèi)運移有大量的游離瓦斯，將高抽巷、高位鉆孔等布置于該區(qū)域，可抽采高濃度卸壓瓦斯。（4）依據(jù)采動裂隙橢拋帶瓦斯儲運規(guī)律指導了山西和順天池煤礦103綜放工作面高抽巷抽采瓦斯技術(shù)，工作面推進前60 m范圍，橢拋帶還未形成，高抽巷抽采瓦斯平均抽采量為5.5 m3/min，平均體積分數(shù)為2.99%；當工作面推進到62.2 m之后，橢拋帶逐漸形成，高抽巷抽采瓦斯平均抽采量為35.1 m3/min，平均體積分數(shù)為24.1%，抽采量占總瓦斯涌出量的60%，杜絕了工作面、上隅角及回風巷中瓦斯超限的問題。結(jié)論：本文建立的采動裂隙橢拋帶控制方程，及構(gòu)建的橢拋帶中卸壓瓦斯?jié)B流-升浮-擴散綜合控制模型，可掌握卸壓瓦斯運移與覆巖縱向破斷裂隙及橫向離層裂隙之間的動態(tài)演化關(guān)系，明確采動裂隙橢拋帶中的瓦斯運移機理。通過現(xiàn)場工業(yè)實踐考察，進一步說明采動裂隙橢拋帶是卸壓瓦斯的儲運區(qū)，將瓦斯抽采系統(tǒng)布置在其中可取得良好效果，保證工作面安全高效回采。

來源出版物：煤炭學報, 2014, 39(8): 1455-1462

入選年份：2014

沁水盆地南部致密砂巖和頁巖的氣測顯示與氣藏類型

秦勇，梁建設(shè)，申建，等

摘要：目的：單純的煤層氣單井產(chǎn)量往往較低，綜合勘探開發(fā)煤系非常規(guī)天然氣是提高煤層氣開發(fā)效益的重要途徑。在盆地中心地帶，煤層、砂巖、頁巖往往呈氣飽和狀態(tài)，煤系本身能夠形成具有工業(yè)開發(fā)價值的致密砂巖氣和頁巖氣藏，其綜合勘探開發(fā)目前受到國內(nèi)高度關(guān)注。在勘探初期階段，煤系儲層含氣性和氣藏難以識別，氣測錄井可為氣藏識別、有利區(qū)優(yōu)選和勘探方向確定提供關(guān)鍵依據(jù)。方法：依托17口井的氣測錄井資料，分析沁水盆地南部石炭二疊紀煤系致密砂巖氣和頁巖氣的成藏顯現(xiàn)特征；結(jié)合盆地生儲蓋組合以及煤系自身特點，劃分氣藏類型；進一步結(jié)合區(qū)內(nèi)天然氣成藏基本條件分析，討論了致密砂巖氣與頁巖氣的綜合勘探前景。結(jié)果：（1）沁水盆地南部砂巖和頁巖氣測顯示十分普遍，區(qū)域和層位顯示差異較大。砂巖氣勘探發(fā)現(xiàn)幾率相對較高，但頁巖氣品位可能相對較好；下石盒子組具有砂巖氣和頁巖氣的勘探潛力，太原組可能具有頁巖氣厚度品位，山西組具有砂巖氣厚度品位。頁巖氣最有利勘探層位為太原組，砂巖氣最有利層位是下石盒子組，山西組也有一定的砂巖氣和頁巖氣勘探潛力。沁源區(qū)塊頁巖氣層發(fā)育，含氣品位高，有利勘探深度可能超過1200～1700 m；柿莊北區(qū)塊砂巖氣和頁巖氣顯示厚度大，品位中等，始顯深度相對較淺，有利勘探深度可能超過1000 m。（2）區(qū)內(nèi)存在有利于砂巖氣和頁巖氣成藏的主控因素配置條件。煤層的生烴強度和排烴強度高，為砂巖和頁巖儲層提供了豐富氣源。發(fā)育下生（太原組和山西組）、下—中儲（太原組—下石盒子組）、上蓋（上二疊統(tǒng)—三疊系）的含氣系統(tǒng)，存在有利的油氣生儲蓋組合關(guān)系。砂巖氣和頁巖氣成藏圈閉形式多樣，包括構(gòu)造圈閉、巖性圈閉和水力圈閉。煤系具有封蓋性質(zhì)的泥頁巖與具有游離氣儲集功能的砂巖互層產(chǎn)出，該套地層本身就具有良好的內(nèi)幕封蓋條件。（3）砂巖氣和頁巖氣有利區(qū)總體上呈NNE向展布，其中3個核心區(qū)值得關(guān)注。初步認為區(qū)內(nèi)發(fā)育獨立砂巖氣、獨立頁巖氣、煤-頁巖-砂巖互層3種氣藏類型，有利區(qū)主要位于盆地中央地帶，總體上沿復向斜軸部呈NNE向展布。其中，沁源區(qū)塊中-南部、鄭莊區(qū)塊北部-馬必區(qū)塊東北部-沁南區(qū)塊南部、柿莊北區(qū)塊西北部3個核心區(qū)應(yīng)為優(yōu)先勘探區(qū)域。結(jié)論：沁水盆地南部具有煤系砂巖氣和頁巖氣與煤層氣綜合勘探開發(fā)的前景。其中：頁巖氣最有利勘探層位為太原組，砂巖氣最有利層位是下石盒子組。在沁源區(qū)塊中-南部等3個地區(qū)，存在煤系氣生儲蓋條件的有利配置，值得關(guān)注。

來源出版物：煤炭學報, 2014, 39(8): 1559-1565

入選年份：2014

極近距離煤層下層煤采場頂板結(jié)構(gòu)與控制

朱濤，張百勝，馮國瑞，等

摘要：目的：為進一步發(fā)展頂板巖層控制技術(shù)，給極近距離煤層下層煤采場礦山壓力控制研究提供理論基礎(chǔ)，通過理論研究和現(xiàn)場數(shù)據(jù)實測，揭示了極近距離煤層下層煤開采時端面頂板冒落、頂板巖層結(jié)構(gòu)與控制的機理，確定了極近距離煤層下層煤工作面液壓支架載荷的計算方法。為國內(nèi)大同礦區(qū)、新汶礦區(qū)、義馬礦區(qū)、西山礦區(qū)等這些存在極近距離煤層開采問題的礦區(qū)繼續(xù)實現(xiàn)高產(chǎn)高效和可持續(xù)性發(fā)展提供了相關(guān)技術(shù)支持。方法：根據(jù)極近距離煤層下層煤開采時的下層煤下位直接頂和上位直接頂存在的狀態(tài)，建立了“散體-塊體”結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。為定量分析下層煤下位直接頂結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具體構(gòu)建了下位直接頂?shù)摹皦K體”結(jié)構(gòu)模型和A、B類“塊體”結(jié)構(gòu)力學模型。運用塊體理論對下層煤下位直接頂?shù)姆€(wěn)定性進行分析，即從A類塊體（x≤L/2）和B類塊體（x＞L/2）任意橫截面上所受的剪力Q(x)、任意截面上的彎矩M(x)、任意截面上的最大拉應(yīng)力σ(x)max和A、B類塊體產(chǎn)生破斷時所需的豎向載荷集度qy4個方面進行了分析。關(guān)于極近距離下層煤采場支架受力分析，主要從支架頂梁受力（松散矸石拱的平衡分析）和支架掩護梁受力（支架掩護梁受力模型）兩個方面進行了分析。采用對支架頂梁所受載荷和掩護梁所受垂直載荷進行理論計算，對支架所受垂直載荷進行實測的方法，達到通過實測結(jié)果校驗理論分析的準確程度。結(jié)果：在相同載荷集度qy的作用下，B類塊體在端面產(chǎn)生破斷的可能性較A類塊體大。當B類塊體破斷成C類塊體后，原來由B類塊體所承受的載荷，會轉(zhuǎn)移到A類塊體上，A類塊體在新的載荷作用下產(chǎn)生破斷。相同的破斷過程會引起連鎖反應(yīng)，造成工作面端面頂板的冒落。研究得出了散體矸石作用在工作面上方塊體結(jié)構(gòu)上的豎向載荷集度、液壓支架頂梁所承受的最大載荷集度、掩護梁所受的水平推力和垂直壓力的計算公式。通過計算支架所受頂板垂直載荷與實測結(jié)果，可以看出，理論計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果基本一致。結(jié)論：根據(jù)極近距離煤層下層煤開采時的頂板巖層結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建了頂板結(jié)構(gòu)的“散體-塊體”結(jié)構(gòu)模型。根據(jù)“散體-塊體”結(jié)構(gòu)特征，運用散體和塊體理論，對極近距離煤層下層煤工作面下位直接頂巖層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行了力學分析，揭示了下層煤工作面端面頂板于易冒落的機理和冒落的動態(tài)過程。推導出了A、B類塊體產(chǎn)生破斷時所需的豎向載荷集度公式，得出在相同載荷集度的作用下，B類塊體在端面產(chǎn)生破斷的可能性較A類塊體大。推導出了支架頂梁及掩護梁受力的計算公式，并在現(xiàn)場實踐中得到了驗證。

來源出版物：煤炭學報, 2010, 35(2): 190-193

入選年份：2015

瓦斯壓力對原煤滲透特性的影響

曹樹剛，郭平，李勇，等

摘要：目的：多年來，煤礦瓦斯造成了大量人員傷亡和財產(chǎn)損失，國內(nèi)外許多專家、學者對煤層瓦斯?jié)B流特性進行了許多深入的研究。但是，大多數(shù)學者主要是以型煤試件為研究對象，以地應(yīng)力對滲透率的影響為研究重點，而有關(guān)瓦斯壓力對原煤滲流特性影響的研究卻很少。筆者以典型突出煤層的原煤試件為研究對象，利用所在實驗室研制的三軸滲透儀，探討瓦斯壓力與突出原煤滲流特性之間的關(guān)系。方法：本文以松藻煤電公司渝陽煤礦8號突出煤層原煤試樣為研究對象，利用實驗室研制的三軸滲透儀，進行不同軸壓圍壓條件下瓦斯壓力對突出原煤滲流特性試驗。在實驗室將原煤加工成φ50 mm、h=100 mm的圓柱體標準試件。試驗中，采用純甲烷氣體作為實驗氣體，在固定軸壓與圍壓條件下，分別施加0.3、0.6、0.9、1.2、1.5 MPa等5個等級的瓦斯壓力，每級瓦斯壓力下用3個試件進行滲流試驗，模擬不同條件下瓦斯壓力對突出原煤試件滲透率的影響。結(jié)果：根據(jù)實驗數(shù)據(jù)分析，瓦斯壓力對突出煤體瓦斯?jié)B流速度影響比較明顯，當軸壓為3 MPa、5種不同圍壓同條件下，瓦斯壓力分別從0.3增加到1.5 MPa時，突出煤體的平均瓦斯?jié)B流速度從0.56 mL/s增加到5.98 mL/s；當圍壓為3 MPa、5種不同軸壓同條件下，瓦斯壓力分別從0.3 MPa增加到1.5 MPa時，突出煤體的平均瓦斯?jié)B流速度從0.64 mL/s增加6.49 mL/s。瓦斯?jié)B流速度隨瓦斯壓力的增大而增大，存在著如v＝ap2＋bp＋c表示的非線性關(guān)系。隨著瓦斯壓力的增加，突出煤體的滲透率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，具有明顯Klinkenberg效應(yīng)。滲透率變化隨瓦斯壓力的增加具有明顯的階段性，擬合出瓦斯壓力與滲透率之間關(guān)系的一般模式，即滲透率隨瓦斯壓力的變化呈“V”形趨勢。軸壓與圍壓一定時，隨著瓦斯壓力的增加，Klinkenberg系數(shù)b與絕對滲透率Kg之間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系，即b＝aKgc；瓦斯壓力p與滲透率K之間呈顯著的二次多項式函數(shù)關(guān)系，即K＝αp2＋βp＋ξ。結(jié)論：通過瓦斯壓力對原煤滲流特性影響試驗的研究，得到瓦斯?jié)B流速度隨著瓦斯壓力的增加而增加，呈顯著的二次多項式函數(shù)關(guān)系；隨著瓦斯壓力的增加，突出煤體的滲透率呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，具有明顯的Klinkberg效應(yīng)；滲透率隨瓦斯壓力的增加呈“V”字形變化，具有明顯的階段性；隨著瓦斯壓力的增加，Klinkberg系數(shù)b與絕對滲透率Kg之間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系；瓦斯壓力p與滲透率K之間呈顯著的二次多項式函數(shù)關(guān)系。

來源出版物：煤炭學報, 2010, 35(4): 595-599

入選年份：2015

西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

姚直書，程樺，榮傳新

摘要：目的：我國西部地區(qū)凍結(jié)法鑿井過程中地層凍結(jié)特性及水文地質(zhì)條件與中、東部地區(qū)存在較大差異，現(xiàn)行凍結(jié)井壁設(shè)計方法難以適用。為解決西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒支護結(jié)構(gòu)設(shè)計中出現(xiàn)的技術(shù)難題，本文在深入研究西部巖層凍脹特性和水壓特性的基礎(chǔ)上，提出了凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)設(shè)計原則和優(yōu)化方法。方法：在井壁結(jié)構(gòu)形式方面，分別討論了雙層井壁結(jié)構(gòu)和單層井壁結(jié)構(gòu)在西部地區(qū)深基巖凍結(jié)井筒中應(yīng)用的可行性。并對雙層井壁的內(nèi)、外層井壁設(shè)計參數(shù)進行了詳細分析，其中，考慮到外層井壁主要承受凍結(jié)壓力作用，為與中東部地區(qū)深厚黏土層凍脹力進行比較，分別對內(nèi)蒙古泊江海子煤礦和安徽丁集煤礦的巖土層凍脹率進行了室內(nèi)凍結(jié)實驗；內(nèi)壁則對現(xiàn)行設(shè)計方法中的水壓折減系數(shù)進行了探討。根據(jù)滲流場原理，假設(shè)巖層和井壁為各向同性均質(zhì)連續(xù)材料，含水層厚度不變，將其視為無限延伸，水流為穩(wěn)定流符合達西定律，建立軸對稱徑向穩(wěn)態(tài)滲流模型。根據(jù)地下水動力學理論，分析井筒涌水量、井壁和注漿帷幕外表面的水壓力關(guān)系，并對內(nèi)壁水壓力折減系數(shù)與圍巖滲透系數(shù)及井壁混凝土滲透系數(shù)的關(guān)系進行分析，給出了水壓折減系數(shù)。從最不利工況和滲流連續(xù)性角度考慮，提出深基巖凍結(jié)井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。結(jié)果：通過對國內(nèi)、外凍結(jié)法鑿井井壁結(jié)構(gòu)對比分析可見，目前，我國西部地區(qū)深基巖凍結(jié)法鑿井采用雙層鋼筋混凝土井壁結(jié)構(gòu)是可行和合理的。內(nèi)蒙古泊江海子煤礦和安徽丁集煤礦井筒檢查孔巖土樣室內(nèi)凍結(jié)實驗結(jié)果表明，內(nèi)蒙古地區(qū)凍結(jié)巖層的凍脹率遠小于兩淮礦區(qū)丁集煤礦第四系沖積層的凍脹率，特別是內(nèi)蒙古地區(qū)侏羅系巖樣本出現(xiàn)了凍縮，即巖石凍脹率出現(xiàn)負值，說明它們在凍結(jié)過程中不是脹而是縮，相應(yīng)地凍結(jié)壓力也就很小，在外壁設(shè)計時，根據(jù)厚壁圓筒條件滿足穩(wěn)定性要求即可。計算分析結(jié)果表明，現(xiàn)行內(nèi)壁設(shè)計方法在西部地區(qū)凍結(jié)深度不大時是可行的，但由于西部地區(qū)凍結(jié)法鑿井主要屬于全基巖地層凍結(jié)，通常凍結(jié)深度較大，此時如果仍然采用現(xiàn)行井壁設(shè)計方法計算內(nèi)壁將會很厚，不但掘砌效率降低，而且難以保證施工質(zhì)量。根據(jù)滲流場原理分析表明，當圍巖滲透系數(shù)與井壁混凝土滲透系數(shù)比值近似無窮大時，井壁基本不滲水，此時水壓力折減系數(shù)為1，井壁承受著全水壓；當井壁出現(xiàn)滲漏水，則井壁承受的水壓將大大減小，水壓折減系數(shù)主要取決于圍巖滲透系數(shù)與井壁混凝土滲透系數(shù)的比值關(guān)系。如果井壁滲透系數(shù)接近于圍巖滲透系數(shù)，則井壁幾乎不受水壓力作用。對采用模板澆筑法井下現(xiàn)澆的混凝土井壁來說，可采用提前進行壁間注漿按內(nèi)外壁整體受力承受外載、壁后圍巖注漿和內(nèi)壁設(shè)置卸壓裝置進行井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)論：對于西部地區(qū)的深基巖凍結(jié)井筒，采用雙層鋼筋混凝土井壁是可行和合理的。室內(nèi)凍脹試驗結(jié)果表明，西部地區(qū)巖層凍脹率遠小于中、東部地區(qū)，甚至出現(xiàn)了凍縮現(xiàn)象，說明他們的巖層凍脹性弱，凍結(jié)壓力小；考慮到圍壓本身具有一定的強度和穩(wěn)定性，外壁設(shè)計要求滿足厚壁圓筒結(jié)構(gòu)的最小厚度。根據(jù)滲流場理論分析表明，在不進行壁后圍巖注漿情況下，如果井壁基本不滲水，井壁將承受全水壓；在進行壁后注漿條件下，注漿效果越好，圍巖滲透性越小。在井壁滲透系數(shù)相同情況下，井壁承受的水壓力將大大減小。特別是當圍巖中的注漿帷幕全部形成后，水壓力將由注漿帷幕承擔，井壁將幾乎不受水壓作用。井壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化途徑主要可采用壁間提前注漿技術(shù)，使內(nèi)、外壁形成整體共同承受外荷載；通過對壁后圍巖進行深孔注漿，減少圍壓的滲透系數(shù)，降低作用于井壁上的水壓力。為提高注漿效果，可采用超細水泥或化學漿液；在內(nèi)壁中設(shè)置卸壓裝置，使內(nèi)壁承受的水壓值不超過設(shè)計值，確保內(nèi)壁安全使用。

來源出版物：煤炭學報, 2010, 35(5): 760-764

入選年份：2015

錨桿支護組合構(gòu)件的力學性能與支護效果分析

康紅普，吳擁政，李建波

摘要：目的：組合構(gòu)件是錨桿支護系統(tǒng)的重要組成部分，對提高錨桿支護整體支護效果、保持圍巖的完整性起關(guān)鍵作用。早在20世紀70年代。組合錨桿支護技術(shù)在美國、澳大利亞及前蘇聯(lián)等主要產(chǎn)煤國家得到了廣泛應(yīng)用。采用的組合構(gòu)件有各種類型的鋼帶與鋼梁，顯著提高了錨桿支護的適應(yīng)性與支護效果。除一般巷道外，在大斷面交叉點、硐室及頂板冒落區(qū)也都采用組合錨桿支護，提高了工程的安全性。本文在分析組合構(gòu)件力學性能的基礎(chǔ)上，采用有限元數(shù)值模擬分析鋼帶的受力與變形特征。通過井下實例介紹，分析鋼帶支護效果及存在的問題，提出改進意見。方法：介紹了常用的組合構(gòu)件類型，對其力學性能進行了比較?？偨Y(jié)了組合構(gòu)件的支護作用。采用數(shù)值模擬方法分析了鋼帶在拉、彎、剪切條件的力學響應(yīng)。選擇了5個有代表性的工程實例，對錨桿支護組合構(gòu)件的應(yīng)用效果進行了詳細的分析與評價。分析了組合構(gòu)件在應(yīng)用中存在的問題，提出了改進建議。介紹了井下實測的鋼帶受力監(jiān)測結(jié)果。結(jié)果：（1）常用的組合構(gòu)件的類型包括鋼筋托梁、平鋼帶、W形鋼帶、M形鋼帶，以及錨索組合構(gòu)件槽鋼、工字鋼梁等。給出3種等強度和等剛度組合構(gòu)件的幾何尺寸。組合構(gòu)件具有四種作用：錨桿預(yù)應(yīng)力和工作阻力擴散，支護巷道表面和改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)，均衡錨桿受力和提高整體支護，減少錨桿預(yù)應(yīng)力損失。（2）具體分析了5個典型案例，分別是鋼筋托梁在大斷面煤巷支護中的應(yīng)用，W鋼帶在煤層上山群支護中的應(yīng)用，W鋼帶在千米深井煤巷支護中的應(yīng)用，W鋼帶在深部沿空留巷支護中的應(yīng)用，組合錨索在松軟煤層大斷面巷道支護中的應(yīng)用；監(jiān)測結(jié)果顯示組合構(gòu)件合理應(yīng)用顯著降低了巷道變形量，組合構(gòu)件的支護作用在實際工程案例中得到充分驗證。（3）常見的組合構(gòu)件破壞形式為：鋼筋托梁焊接處開裂，鋼筋破斷現(xiàn)象，扭曲等；鋼帶壓穿、撕裂、扭曲等；錨索槽鋼梁彎曲。出現(xiàn)這類破壞現(xiàn)象時，需要提高組合構(gòu)件的強度和剛度。（4）采用專用的測力鋼帶在井下監(jiān)測了W鋼帶受力，監(jiān)測結(jié)果顯示巷道在掘進期間頂板離層量小，錨桿受力整體上不大，鋼帶受力較小。結(jié)論：（1）組合構(gòu)件是錨桿支護系統(tǒng)的重要組成部分。組合構(gòu)件應(yīng)有一定的護表面積、抗拉強度與抗彎剛度，其幾何參數(shù)、力學參數(shù)應(yīng)與錨桿參數(shù)與力學性能相匹配。（2）組合構(gòu)件的支護作用主要表現(xiàn)為：錨桿預(yù)應(yīng)力和工作阻力擴散作用；支護錨桿間圍巖。改善圍巖應(yīng)力狀態(tài)；均衡錨桿受力和提高整體支護作用；及減少錨桿預(yù)應(yīng)力損失的作用。（3）W鋼帶在受拉狀態(tài)下，沿拉伸方向出現(xiàn)明顯的應(yīng)力降低區(qū)，而在垂直方向上出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。鋼帶在受彎狀態(tài)下，兩壓槽承受拉力較大，而受壓部分面積較大，受力較小。（4）W鋼帶等組合構(gòu)件已經(jīng)廣泛應(yīng)用于煤礦各類巷道，有效解決了千米深井巷道、深部沿空掘巷與留巷及大斷面巷道等支護難題。

來源出版物：煤炭學報, 2010, 35(7): 1057-1065

入選年份：2015

四川地區(qū)志留系頁巖氣成藏的地質(zhì)背景

朱炎銘，陳尚斌，方俊華，等

摘要：目的：繼煤層氣開發(fā)獲得巨大成功之后，沉積巖中最為豐富的巖石——頁巖也終于得到了其應(yīng)有的重視。長期以來，頁巖一直被認為是一種蓋層或烴源巖，因此鉆井人員在鉆井過程中直接穿越頁巖層段開采砂巖或碳酸鹽巖儲層。近年來，隨著社會經(jīng)濟的迅速發(fā)展，能源需求更趨迫切，地質(zhì)科學和開發(fā)技術(shù)等方面得到很大進展，美國與加拿大的不少公司已把目標對準頁巖氣領(lǐng)域，并做了大量的工作。其中，美國已進入頁巖氣開發(fā)的快速發(fā)展階段，而加拿大則處于商業(yè)開采的起步階段。四川地區(qū)的下古生界龍馬溪組黑色頁巖層系，分布面積廣、厚度大，對其頁巖氣成藏特征的研究，將對中國頁巖氣開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。方法：運用X射線衍射技術(shù)、顯微光度計、等溫吸附儀等先進的儀器，定量分析四川盆地下志留統(tǒng)龍馬溪組的厚度展布、有機質(zhì)巖石學及頁巖儲層物性；運用構(gòu)造解析法，深入分析了四川地區(qū)構(gòu)造-埋藏史、生烴演化史及頁巖氣成藏史。結(jié)果：四川地區(qū)的龍馬溪組沉積環(huán)境為深水陸棚與淺水陸棚為主，厚度區(qū)域上有一定的分異，變化在20～800 m，一般為200 m，其主要特征如下：（1）由黑色#灰黑色及深灰色頁巖#砂質(zhì)頁巖組成，向上粉砂質(zhì)逐漸增多，碳質(zhì)逐漸減少，顏色也由黑色逐漸變灰，頂部有薄層狀或透鏡狀的灰?guī)r夾層；（2）整個龍馬溪組均含有筆石，下部含非常豐富的筆石化石，向上筆石化石逐漸減少，另外還可見三葉蟲-腕足等化石，該組中還普遍見有分散狀黃鐵礦晶粒；（3）本組中發(fā)育水平層理及斷續(xù)的水平層理，水平波狀層理；有機質(zhì)類型為I型、有機碳含量變化在0.1%～5.6%，平均1.96%，成熟度達2.2%～4.0%，已達高-過成熟階段；等溫吸附試驗顯示，頁巖具有較強的吸附能力，吸附量可達1 m3/t；四川地區(qū)志留系的演化大致可以劃分為加里東期、海西期、印支期、燕山期-喜馬拉雅早期、喜馬拉雅晚期等5個構(gòu)造-埋藏階段，最大埋藏可達7000 m，但目前埋藏在2000～4000 m；龍馬溪組有機質(zhì)大約在晚二疊世進入生烴門限，一直延續(xù)到中三疊世末，主要以生油為主；從晚三疊世到侏羅紀末，主要以生濕氣為主，應(yīng)該是本區(qū)龍馬溪組頁巖氣初次成藏階段; 而此后直到古近紀，龍馬溪組烴源巖演化進入高-過成熟階段，主要以生干氣與裂解氣為主，大量形成的天然氣的排除增加了頁巖的裂縫，導致吸附氣與裂縫游離氣共生，是本區(qū)頁巖氣成藏的主要時期。最晚一期生氣作用發(fā)生在喜馬拉雅早期，有利于頁巖氣的成藏，指出四川地區(qū)，特別是威遠-瀘州-宜賓和自貢區(qū)域龍馬溪組頁巖氣資源潛力很大。結(jié)論：四川地區(qū)的志留系龍馬溪組黑色頁巖是一套富含有機質(zhì)的烴源巖，屬I型干酪根，具有厚度大、埋藏適中、有機質(zhì)成熟度高等有利條件，為頁巖氣在該地區(qū)的形成和聚集成藏，并形成大規(guī)模的氣藏提供可能。深入研究龍馬溪組的頁巖氣成藏機制，探究頁巖儲層特征，必將為取得中國頁巖氣開采的突破奠定良好的基礎(chǔ)，同時也對豐富和發(fā)展中國的天然氣地質(zhì)理論具有重要意義。

來源出版物：煤炭學報, 2010, 35(7): 1160-1164

入選年份：2015

煤礦巷道支護技術(shù)的研究與應(yīng)用

康紅普，王金華，林健

摘要：目的：我國煤礦主要是井工開采，保持巷道穩(wěn)定對煤礦建設(shè)與生產(chǎn)具有重要意義。隨著開采深度、廣度及開采強度的不斷提高，巷道埋深逐年增加，地質(zhì)條件日趨復雜化，高地應(yīng)力巷道、強烈采動影響巷道、松軟破碎圍巖巷道及特大斷面巷道和硐室等復雜困難條件占的比重越來越大，顯著增加了巷道支護難度。國內(nèi)外的實踐經(jīng)驗表明，錨桿支護是經(jīng)濟、有效的支護技術(shù)。錨桿支護顯著提高了巷道支護效果，降低了巷道支護成本，減輕了工人勞動強度，為采煤工作面的快速推進和煤炭產(chǎn)量的大幅度提高創(chuàng)造了良好條件。本文從支護理論、支護成套技術(shù)和典型案例3個方面，全面、系統(tǒng)地介紹我國煤礦巷道支護所取得的成就。方法：從巷道支護理論研究與技術(shù)應(yīng)用2個方面進行分析，介紹巷道支護技術(shù)領(lǐng)域的成就和進展。側(cè)重分析了我國近年來在錨桿支護技術(shù)和理論方面的進展。選擇了兩個有代表性的工程實例，對錨桿支護技術(shù)的應(yīng)用效果進行了詳細的評價和分析。結(jié)果：（1）巷道支護包含6種類型：砌碹支護，棚式支架，錨噴支護，注漿加固，復合支護和應(yīng)力控制技術(shù)。（2）早期的巷道支護理論包括新奧法支護理論，聯(lián)合支護理論，松動圈支護理論和圍巖強度強化理論。（3）1996—1997年我國引進了澳大利亞錨桿支護技術(shù)，高強度錨桿支護技術(shù)得到廣泛認可。（4）2005年以來，開發(fā)出高預(yù)應(yīng)力、強力錨桿與錨索支護技術(shù)，提出高預(yù)應(yīng)力、強力支護理論。逐漸形成了錨桿支護成套技術(shù)，包括地質(zhì)力學測試與評估、錨桿支護設(shè)計、支護材料、施工機具與工藝、支護工程質(zhì)量檢測及礦壓監(jiān)測、特殊地質(zhì)條件支護技術(shù)等諸多方面。（5）分析了2個支護實例。一是平莊紅廟煤礦所代表的極軟巖巷道，采用樹脂全長預(yù)應(yīng)力錨固錨桿與錨索支護，在距采煤工作面3 m位置，兩幫移進量為256 mm，頂板下沉量為110 mm，圍巖變形不大，滿足了安全生產(chǎn)的需要。二是淮南謝一煤礦所代表的深部沿空留巷，采用高預(yù)應(yīng)力、高韌性、強力支護技術(shù)，在留巷期間頂?shù)装逡平吭黾?63 mm，圍巖位移總體不大，圍巖與巷旁充填體穩(wěn)定。結(jié)論：（1）錨桿支護是經(jīng)濟、有效的巷道支護技術(shù)，是煤礦實現(xiàn)高產(chǎn)高效生產(chǎn)必不可少的關(guān)鍵技術(shù)之一。（2）煤礦錨桿支護技術(shù)經(jīng)歷了從低強度、高強度到高預(yù)應(yīng)力、強力支護的發(fā)展過程。目前已開發(fā)出包括巷道圍巖地質(zhì)力學測試、動態(tài)信息支護設(shè)計、高強度與高剛度支護材料、快速施工機具與工藝、工程質(zhì)量檢測與礦壓監(jiān)測及錨固與注漿聯(lián)合加固在內(nèi)的錨桿支護成套技術(shù)，成為首選、安全高效的主要支護方式。（3）高強度、高剛度錨桿支護技術(shù)成功應(yīng)用于千米深井巷道、軟巖巷道、強烈動壓影響巷道、沿空掘巷與留巷、采空區(qū)留巷等復雜困難條件，取得良好的支護效果。（4）錨桿支護技術(shù)是采掘技術(shù)方面的又一次革命。它不僅保證了采煤工作面的安全、快速、高效推進，煤炭產(chǎn)量和效益的大幅度增長，而且深刻地改變了礦井的開拓部署與巷道布置方式。

來源出版物：煤炭學報, 2010, 35(11): 1809-1814

入選年份：2015

采場底板應(yīng)力分布及破壞機理

孟祥瑞，徐鋮輝，高召寧，等

摘要：目的：煤層開采引起的集中應(yīng)力會造成底板的破壞，底板應(yīng)力場及破壞深度的研究是底板承壓水突水研究的基礎(chǔ)。本文根據(jù)工作面前方支承壓力分布規(guī)律，探索采場底板應(yīng)力分布及底板巖體破壞規(guī)律。方法：首先采用理論分析方法，將工作面前方支承壓力可看成煤壁至應(yīng)力峰值的三角形帶狀載荷與應(yīng)力峰值前方的梯形帶狀荷載，工作面前方底板任一點的應(yīng)力則看成這兩個帶狀載荷在半無限彈性體下的傳遞，建立了底板任意一點應(yīng)力計算的彈性力學模型，結(jié)合莫爾-庫倫準則給出了底板巖體破壞的判據(jù)；根據(jù)孫疃1028工作面實際情況，利用上述理論分析方法和FLAC3D數(shù)值模擬方法進行了采場底板應(yīng)力及底板破壞規(guī)律研究，采用鉆孔波速檢層技術(shù)和直流電阻率法CT技術(shù)，監(jiān)測1028工作面回采過程中底板動態(tài)破壞規(guī)律，驗證理論分析與數(shù)值計算結(jié)果。結(jié)果：從采場底板應(yīng)力分布及底板巖體破壞機理分析可以看出，采場底板應(yīng)力分布特征及底板巖體破壞規(guī)律：（1）從現(xiàn)場礦壓觀測可知，工作面超前支承壓力分布在工作面前方0～50 m，集中應(yīng)力最大值在煤壁前方10 m，最大集中應(yīng)力系數(shù)為2.4，對孫疃1028工作面底板破壞深度進行了計算，分析得出底板巖層中從上到下的泥巖、粉砂巖及細砂巖巖層均發(fā)生破壞，破壞深度為17 m。（2）數(shù)值計算表明：底板淺部深度為1、2、3 m點在工作面煤壁前方0～10 m應(yīng)力劇增，10～40 m應(yīng)力逐漸減小，工作面煤壁后方采空區(qū)0～20 m底板應(yīng)力迅速釋放，在后方40 m垂直應(yīng)力恢復到原巖應(yīng)力的0.5倍。底板5 m處的垂直應(yīng)力分布特征：煤壁前方0～4 m垂直應(yīng)力逐漸增大，4～8 m出現(xiàn)峰值，最大值為28 MPa，遠離煤壁垂直應(yīng)力逐漸減小，在前方50 m左右恢復到原巖應(yīng)力值；煤壁后方20 m垂直應(yīng)力小于2 MPa，20 m以后隨著頂板的彎曲下沉垂直應(yīng)力逐漸增加，在采空區(qū)后方70 m左右，垂直應(yīng)力最大值約為0.8倍的原巖應(yīng)力。受采動影響最為明顯的是底板0～20 m，20～60 m影響微弱，60 m以下垂直應(yīng)力隨深度的增加逐漸增加，基本為原巖應(yīng)力狀態(tài)。在工作面傾斜方向，工作面中部底板塑性區(qū)深度最小，工作面兩端頭受采場支承壓力的疊加，底板巖體受剪應(yīng)力最大，底板破壞深度最大，最大值達17 m。（3）采用鉆孔波速檢層技術(shù)和直流電阻率法CT技術(shù)進行綜合探測結(jié)果為：0～－17 m為底板破壞影響帶，即巖層中垂向裂隙和橫向裂隙發(fā)育明顯，底板最大破壞深度為17 m，－17～－33 m巖層受煤層開采影響較小。結(jié)論：煤層開采引起的集中應(yīng)力會造成底板的破壞，底板應(yīng)力場及破壞深度的研究是底板承壓水突水研究的基礎(chǔ)。因此，本文從煤層開采引起工作面前方支承壓力的變化著手，建立了煤壁前方支承壓力作用下底板應(yīng)力分布的彈性力學模型，基于莫爾-庫倫準則給出了底板巖體破壞的判據(jù)，并采用數(shù)值模擬方法分析了底板應(yīng)力分布特征及底板破壞規(guī)律，可以進一步對不同底板巖層結(jié)構(gòu)分析，通過理論分析和數(shù)值計算可以判斷承壓水突水危險性，實現(xiàn)承壓水上開采突水危險性評估，為承壓水上煤層安全開采提供技術(shù)支撐。

來源出版物：煤炭學報, 2010, 35(11): 1832-1836

入選年份：2015

基于高精度微震監(jiān)測的煤巖破裂與應(yīng)力分布特征研究

夏永學，潘俊鋒，王元杰，等

摘要：目的：目前微震監(jiān)測已成為煤礦沖擊地壓預(yù)測預(yù)報和機理研究的重要手段之一，提高定位精度是其工程應(yīng)用的保障。在高精度定位的基礎(chǔ)上，根據(jù)微震事件的時空分布規(guī)律，可以判斷煤巖體受力破壞特征，其結(jié)果不僅可以評價巖層運動和礦山災(zāi)害，而且可以用于解決工程中的實際問題。本文基于理論和現(xiàn)場實測，研究提高微震定位精度的方法，并在此基礎(chǔ)上，探索微震活動與煤巖破裂和應(yīng)力分布特征的關(guān)系，并應(yīng)用于工程實踐。方法：采用“最佳D值”法探索了微震臺網(wǎng)布設(shè)理論上的最優(yōu)值，將其作為實際臺網(wǎng)設(shè)計的“指南”。在臺網(wǎng)布設(shè)后，采用井下定點爆破的方法確定合理的P波波速，以進一步提高微震定位精度。利用ARAMIS M/E微震定位系統(tǒng)對義馬千秋煤礦煤巖破裂信息進行連續(xù)動態(tài)監(jiān)測，基于監(jiān)測結(jié)果分析微震活動與工作面煤巖破裂和應(yīng)力分布特征的關(guān)系，包括：微震活動與構(gòu)造應(yīng)力異常的關(guān)系、微震活動與巖層破裂高度的關(guān)系、微震活動與超前支承壓力的關(guān)系、微震活動與側(cè)向支承壓力的關(guān)系。根據(jù)上述關(guān)系指導沖擊地壓防治等相關(guān)工作。結(jié)果：根據(jù)“最佳D值”設(shè)計準則得出最優(yōu)臺站布置點即為以震源位置為中心的正n邊形的頂點，臺網(wǎng)布設(shè)時應(yīng)采用立體空間形式，并盡量確保當前開采區(qū)域和其他重點監(jiān)測區(qū)域處于監(jiān)測臺網(wǎng)的中心。以義馬千秋礦為例，在采用合理的臺網(wǎng)布置和波速模型后，微震事件的平均水平定位誤差3～5 m，垂直定位誤差小于10 m。通過對21141工作面微震活動與煤巖破裂和應(yīng)力分布特征的關(guān)系表明：（1）微震事件的叢集區(qū)域為高應(yīng)力區(qū)域，據(jù)此劃分了沖擊地壓的3個高危險區(qū)域；（2）開采活動已經(jīng)引起了上覆巨厚礫巖層的運動，其斷裂和失穩(wěn)易產(chǎn)生高能震動，從而加劇沖擊地壓發(fā)生危險；（3）下巷底板是沖擊能量釋放的主要區(qū)域，采用底板爆破能有效的降低沖擊危險；（4）工作面超前50 m范圍為煤體裂隙發(fā)育區(qū)，巷道密閉墻與停采線間距應(yīng)大于50 m，工作面前方50～300 m范圍為超前支承壓力升高區(qū)，需要預(yù)防沖擊地壓的發(fā)生；（5）工作面?zhèn)认蛑С袎毫Ψ逯滴恢迷?2 m左右，區(qū)段煤柱應(yīng)小于5 m。結(jié)論：基于微震監(jiān)測結(jié)果，研究煤巖破裂與應(yīng)力分布特征并將其用于解決工程中的實際問題，其前提條件之一就是微震系統(tǒng)能實現(xiàn)較高的定位精度。本文根據(jù)“最佳D值”法獲得的理論計算結(jié)果，可在微震臺站分布的幾何形狀上提供有用幫助，通過結(jié)合礦井具體條件制定合理的臺網(wǎng)布置方案，以達到最佳的監(jiān)測效果。微震事件的時間序列、空間分布以及能級大小等信息能綜合反映煤巖體的受力破壞狀態(tài)和沖擊危險程度，因此，在微震活動性分析的基礎(chǔ)上獲得的一些有益結(jié)論，可為解決工作面頂板巖層控制、煤柱留設(shè)、巷道超前支護、防沖措施實施時機及位置等工程實際問題提供指導依據(jù)。

來源出版物：煤炭學報, 2011, 36(2): 239-243

入選年份：2015

高應(yīng)力極軟破碎巖層巷道高強度耦合支護技術(shù)研究

王衛(wèi)軍，彭剛，黃俊

摘要：目的：高應(yīng)力軟巖巷道的圍巖控制一直是煤礦開采過程中的難題。而且，隨著礦井開采深度的增加，這類巷道中的各種非線性力學現(xiàn)象越來越多，支護越來越困難。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，采用現(xiàn)場工程地質(zhì)調(diào)查、室內(nèi)實驗和數(shù)值計算等手段，探索這類巷道的圍巖控制原理與技術(shù)。方法：以湖南牛馬司水井頭煤礦－300 m東大巷（簡稱東大巷）為工程背景。東大巷為高應(yīng)力軟巖巷道，一般掘出20天左右，巷道斷面收斂達50%，1500 m長的巷道掘進了8年仍為完工。通過工程地質(zhì)調(diào)查、圍巖取樣進行X衍射圖譜分析，得到巷道圍巖的礦物組成為：石英33.3%、蒙脫石10.3%；綠泥石20.5%、伊利石15.4%、鉀長石占20.5%；通過現(xiàn)場攝錄儀觀測了圍巖裂隙的分布狀況，在成巷6個月左右的區(qū)段在巷道斷面兩幫和頂板各布置一個觀測孔，觀測孔深均為8 m，從觀測孔中看到，無論兩幫、頂板還是底板，巖層裂隙分布密度大，破碎范圍大，巷道兩幫圍巖深部5.6 m處有次生裂隙，頂板上方4.3 m處有次生裂隙，底板破碎巖層厚度約2.5 m；通過現(xiàn)場測試和調(diào)研，分析了該巷道曾經(jīng)試用過的砌碹支護、U型鋼支護、雙層碹支護和錨噴網(wǎng)支護等一系列支護形式失敗的原因；引入“大、小承載結(jié)構(gòu)”原理，通過數(shù)值模擬方法確定圍巖支護方案和參數(shù)。結(jié)果：對上述方法和手段得到的數(shù)據(jù)進行綜合分析，確定－300 m東大巷圍巖破壞機理為：（1）工程地質(zhì)條件惡劣；（2）圍巖中蒙脫石和伊利石含量達到25.7%，遇水劇烈膨脹；（3）圍巖強度低（3～8 MPa)，支護強度不足，尤其是初期支護強度低；（4）沒有充分發(fā)揮圍巖承載能力。根據(jù)變形機理及圍巖控制原理，確定巷道支護方案及參數(shù)，整個支護方案實施分為5步：（1）采用29U型鋼可縮性拱形支架，棚距為700 mm；（2）采用φ＝20 mm×2200 mm的高強度、高預(yù)應(yīng)力左旋螺紋鋼錨桿，為有效控制底鼓，底角錨桿傾角為45°，排距縮小為頂板錨桿排距的1/2；（3）全斷面噴射水泥砂漿，噴層厚度30～50 mm，封閉圍巖；（4）注漿支護，全斷面布置7個注漿孔，注漿材料為高水速凝材料，水灰比1.2∶1；（5）錨索采用高強度低松弛的1×19鋼絞線，直徑22 mm，長度6.3 m。新的支護方案實施后，圍巖的穩(wěn)定性得到了較好的控制，兩年內(nèi)巷道只須維修一次，完全滿足了巷道的使用要求。結(jié)論：（1）東大巷圍巖屬于特軟巖層，不僅富含遇水膨脹的巖石，而且巷道處于構(gòu)造應(yīng)力區(qū)，圍巖松散破碎，常規(guī)支護方式下圍巖強烈變形的根本原因是支護不能阻止圍巖塑性區(qū)、破碎區(qū)的快速發(fā)展，在巷道周圍形成大范圍的破碎區(qū)，因而難以維護巷道的穩(wěn)定；（2）本文根據(jù)“大小承載結(jié)構(gòu)”原理確定的“高阻讓壓、高強度支護”方式，取得了良好的支護效果。（3）對于此類高應(yīng)力軟巖巷道，由于圍巖膨脹應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力巨大，讓壓是必不可少的，但不能采用主動讓壓方式，而必須進行高阻讓壓，這樣既部分釋放了圍巖的變形能，又阻止了圍巖破碎區(qū)的快速發(fā)展。

來源出版物：煤炭學報, 2011, 36(2): 223-228

入選年份：2015

含瓦斯煤巖卸圍壓變形特征及瓦斯?jié)B流試驗

蔣長寶，尹光志，黃啟翔，等

摘要：目的：實際工程巖體在開挖過程中既有加壓也有卸壓，卸壓過程中巖石的力學變形特性與加壓條件下是不同的。而在地下煤礦開采中，石門揭煤時產(chǎn)生的卸圍壓效應(yīng)常常會引起煤與瓦斯突出。煤巖的力學性質(zhì)、地應(yīng)力和瓦斯是影響煤礦是否發(fā)生煤與瓦斯突出的重要因素。因此，本文以含瓦斯煤巖為研究對象，開展不同初始圍壓卸圍壓瓦斯?jié)B流試驗，研究其卸圍壓過程中的變形和瓦斯?jié)B流特性。方法：試驗采用重慶大學自行研制的含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服滲流實驗裝置對重慶松藻煤電有限責任公司打通一礦7#煤層所制成規(guī)格為φ50 mm×（100 mm±0.25 mm）的成型煤樣，先進行常規(guī)三軸試驗，然后再進行三軸卸圍壓試驗。（1）常規(guī)三軸加載采用位移控制方式，首先按靜水壓力條件逐步施加軸壓σ1＝圍壓σ2（σ3）至預(yù)定值（預(yù)定初始圍壓4 MPa、6 MPa、8 MPa），接著通瓦斯（瓦斯壓力P1分別為0.5 MPa，1.0 MPa，1.5 MPa），待瓦斯吸附平衡后，以軸向位移0.2 mm/min的加載速度連續(xù)施加軸向載荷至煤巖破壞，同時進行瓦斯?jié)B流試驗。（2）三軸卸圍壓加載采用載荷控制方式，首先按靜水壓力條件逐步施加σ1＝圍壓σ2（σ3）至預(yù)定值（初始圍壓4 MPa、6 MPa、8 MPa），接著通瓦斯（瓦斯壓力P1分別為0.5 MPa，1.0 MPa，1.5 MPa），待瓦斯吸附平衡后，以5 kN/s的加載速度連續(xù)施加軸向載荷至，然后保持不變，并以預(yù)定速度（0.006 MPa/s）降低圍壓，在煤巖破壞失穩(wěn)后將無法承受比更大的應(yīng)力，因此煤巖破壞失穩(wěn)后加載方式必須由荷載控制切換成軸向位移控制（0.1 mm/min），直至圍壓降到目標值（σ3）后停止試驗，同時進行瓦斯?jié)B流試驗。結(jié)果：對三軸卸圍壓含瓦斯煤巖變形及瓦斯?jié)B流特征分析可以看出，在煤巖軸向應(yīng)力達到，開始卸圍壓后，煤巖承載一段時間后才會發(fā)生破壞，破壞后煤巖的承載能力隨著圍壓的降低迅速降低，并在圍壓降低到后和常規(guī)三軸壓縮試驗一樣，還有一定的殘余承載能力。根據(jù)卸圍壓過程中圍壓-應(yīng)變曲線，可將卸圍壓過程中煤巖的應(yīng)力-應(yīng)變分成3個特征階段：屈服前階段，屈服后階段，破壞失穩(wěn)階段。其與突出的準備、發(fā)生、發(fā)展和終止四個階段相對應(yīng)，在卸圍壓開始后的屈服前階段和屈服后階段對應(yīng)于突出的準備階段，破壞失穩(wěn)階段對應(yīng)于突出的發(fā)生和發(fā)展階段。屈服前階段由于煤巖在承受時應(yīng)變速率不大，所以相對比較穩(wěn)定，而屈服后階段煤巖承受時應(yīng)變速率增大，煤巖變的越來越不穩(wěn)定。因此在礦井開挖現(xiàn)場要及時對巷道進行支護和抽放瓦斯，盡量不要讓煤巖進入屈服后階段，從而避免煤巖失穩(wěn)發(fā)生煤與瓦斯突出。從泊松比-軸向應(yīng)變和變形模量-軸向應(yīng)變關(guān)系可以看出，進入屈服前階段，煤樣的泊松比發(fā)展趨勢迅速由減小轉(zhuǎn)變向增大的方向發(fā)展，變形模量發(fā)展趨勢迅速由增大轉(zhuǎn)變向減小的方向發(fā)展，進入屈服后階段和破壞失穩(wěn)階段，煤樣的泊松比和變形模量發(fā)展趨勢不變，但變化速率發(fā)生了改變。圍壓對煤巖的變形和滲透率有重要影響，卸圍壓后滲透率-應(yīng)變曲線與圍壓-應(yīng)變呈現(xiàn)出明顯的對應(yīng)關(guān)系，表明煤巖滲透率的變化與煤巖的變形損傷演化過程密切相關(guān)。結(jié)論：（1）卸圍壓試驗煤樣破壞形式，是以剪切破壞為主的張剪復合破壞。（2）卸圍壓過程中，含瓦斯煤巖圍壓-應(yīng)變曲線可以分為3個階段，屈服前階段，屈服后階段，破壞失穩(wěn)階段。滲透率-應(yīng)變曲線與圍壓-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)出明顯的對應(yīng)關(guān)系，表明圍壓對煤巖的變形和滲透率的影響重大，煤巖滲透率的變化與煤巖的變形損傷演化過程密切相關(guān)。（3）卸圍壓后，含瓦斯煤巖的泊松比立即轉(zhuǎn)為向變大的方向發(fā)展，變形模量立即轉(zhuǎn)為向變小的方向發(fā)展，并在卸圍壓過程中發(fā)展趨勢保持不變。

來源出版物：煤炭學報, 2011, 36(5): 802-807

入選年份：2015

煤礦深部巖巷圍巖控制理論與支護技術(shù)

袁亮，薛俊華，劉泉聲，等

摘要：目的：開展深部巷道圍巖穩(wěn)定控制理論研究，首先需要研究深部巷道的圍巖分類方法與標準，國內(nèi)缺乏針對深部巷道或地下工程圍巖穩(wěn)定特點的分類方法。為從根本上解決煤礦深部巷道的支護和圍巖穩(wěn)定控制難題，清除煤炭生產(chǎn)運輸?shù)闹饕系K，本文從深部地應(yīng)力場和圍巖賦存條件著手，系統(tǒng)總結(jié)深部巷道圍巖穩(wěn)定性特點，分析研究深部煤巷破裂機理和圍巖穩(wěn)定控制理論，旨在科學構(gòu)建深部圍巖分級標準體系，提出深部巷道圍巖穩(wěn)定控制理論，形成深部巷道支護和圍巖穩(wěn)定控制的支護技術(shù)。方法：本文結(jié)合淮南、平頂山、國投新集等為代表的深部巖巷圍巖穩(wěn)定控制理論研究和支護技術(shù)實踐，針對影響煤礦深部圍巖穩(wěn)定的主要因素、支護對策及實踐應(yīng)用案例等進行較為系統(tǒng)的研究。通過現(xiàn)場大規(guī)模地質(zhì)調(diào)查、圍巖超聲波測試、原位地應(yīng)力測試、室內(nèi)巖石力學試驗和對各種條件下的巷道圍巖穩(wěn)定性進行測定分析，結(jié)合數(shù)值模擬和理論分析等研究方法，系統(tǒng)開展深部巷道圍巖穩(wěn)定性控制理論與支護技術(shù)的研究。結(jié)果：（1）建立了煤礦深部巖巷圍巖分級體系，提出了一種圍巖參數(shù)反演分析新方法——進化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型算法，得出深部圍巖分級參數(shù)取值，將深部巷道圍巖分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ類，綜合得出了各類圍巖的變形強度參數(shù)。（2）基于高預(yù)緊力和“超高強”原則，研發(fā)了高預(yù)緊力“超高強”錨桿、左旋無縱筋和可控預(yù)緊力的支護裝置；研制價廉、高強、高韌的注漿材料，實現(xiàn)噴層在高錨固力作用下不彎曲開裂，采用“鋼筋格柵＋內(nèi)外雙層鋼筋網(wǎng)”的骨架結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高強抗折噴層；采用大扭矩錨桿預(yù)緊安裝機，增大轉(zhuǎn)子直徑、偏心距和沖擊塊旋轉(zhuǎn)沖擊扳軸，實現(xiàn)扭矩兩級放大，旋轉(zhuǎn)沖擊功轉(zhuǎn)化成大扭矩輸出；（3）提出了底臌控制關(guān)鍵技術(shù)，采用“幫腳錨桿和底角注漿”技術(shù)控制剪切滑移，錨桿注漿固結(jié)修復兩角剪切破壞區(qū)，通過“鋼筋格柵＋雙層鋼筋網(wǎng)”骨架的噴層結(jié)構(gòu)封閉圍巖，保證圍巖膨脹變形時不開裂，阻斷空氣中的水分向膨脹巖中遷移，同時采用泡沫砼墊層填充預(yù)留變形空間，釋放膨脹勢，使得底板圍巖應(yīng)力狀態(tài)得到恢復改善、強度得到增強，可有效控制底臌破壞。結(jié)論：（1）在研究圍巖完整性、堅硬性、巖石強度與地應(yīng)力等穩(wěn)定性影響因素基礎(chǔ)上，提出了煤礦深部巖巷圍巖分級標準，得出了各級圍巖的變形強度參數(shù)；（2）分析總結(jié)深部圍巖變形破壞機理基礎(chǔ)上，提出了以“應(yīng)力狀態(tài)恢復改善、圍巖增強、破裂固結(jié)與損傷修復、應(yīng)力轉(zhuǎn)移與承載圈擴大”為核心內(nèi)容的深部巖巷穩(wěn)定控制的分步聯(lián)合支護理論；（3）以分步聯(lián)合支護理論為指導，提出了深部巖巷支護成套技術(shù)，主要包括：深部巖巷錨注支護新技術(shù)、深部巖巷底臌控制關(guān)鍵技術(shù)與裝備、深部膨脹巖巷道穩(wěn)定控制技術(shù)；（4）形成了淮南礦區(qū)深部巖巷支護技術(shù)標準，在其他礦區(qū)10多萬米深部巖巷中得到應(yīng)用與推廣，能有效降低支護成本20%～30%。

來源出版物：煤炭學報, 2011, 36(4): 535-543

入選年份：2015

深部軟巖巷道圍巖穩(wěn)定控制技術(shù)研究及應(yīng)用

牛雙建，靖洪文，張忠宇，等

摘要：目的：隨著淺部煤炭資源的枯竭，越來越多的礦井進入了深部開采，深部軟巖巷道穩(wěn)定控制已成為制約我國許多老礦井向縱深發(fā)展的關(guān)鍵性技術(shù)難題。本文以某深部礦井典型極軟巖難維護巷道為工程背景，探討其變形破壞失穩(wěn)機理，并探索實踐深部極軟巖巷道穩(wěn)定控制技術(shù)。方法：以甘肅平?jīng)瞿成畈康V井典型極軟巖大變形難維護巷道為研究對象，首先現(xiàn)場對其進行了長期的礦壓監(jiān)測，包括各主要巷道拱頂下沉量、底鼓量及兩幫內(nèi)擠量、變形破壞輪廓等，基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析獲得了巷道礦壓顯現(xiàn)規(guī)律；其次，選取典型的頂?shù)装鍑鷰r，室內(nèi)分別采用日本理學公司D/Max-3B型X射線衍射儀及巖石力學試驗機對其主要成分及力學性能進行了測試分析；最后，結(jié)合上述兩方面研究成果及聲波法測試獲得的圍巖松動圈厚度，探討了該礦井典型巷道圍巖變形破壞失穩(wěn)機理，并探索實踐了深部礦井極軟巖大變形難維護巷道的穩(wěn)定控制技術(shù)，即初期采用主動柔性支護對破碎圍巖力學性能“固”、中期預(yù)留變形量對高應(yīng)力“卸”、后期采用全斷面高強度和高剛度支護對其流變變形強“抗”的剛?cè)狁詈蟿討B(tài)加固技術(shù)，并在該礦＋535水平集中膠帶巷進行了工業(yè)性試驗，取得了較好的支護效果。結(jié)果：通過現(xiàn)場長期礦壓監(jiān)測及室內(nèi)圍巖成分分析及力學性能參數(shù)測定結(jié)果綜合分析，該礦區(qū)典型極軟巖大變形難維護巷道圍巖變形破壞失穩(wěn)機理為：巷道開挖后由于應(yīng)力的重分布不可避免的形成松動圈，巷道圍巖初次失穩(wěn)，造成松動圈內(nèi)圍巖的破裂面黏結(jié)力、抗拉強度和內(nèi)摩擦角等參數(shù)都發(fā)生了不同程度的惡化，表現(xiàn)出強度衰減的特性。在支護結(jié)構(gòu)不合理的條件下，圍巖強度的衰減將導致其力學參數(shù)的進一步惡化，而力學參數(shù)的惡化又加劇了圍巖的強度衰減，同時擴大了松動圈的范圍，正是這種惡性循環(huán)，發(fā)展到一定時期，巷道出現(xiàn)較大的收斂變形量，隨后，由于軟巖強烈的時效性，變形持續(xù)發(fā)展，最終導致了巷道的完全失穩(wěn)。基于上述分析，針對該礦深部極軟巖大變形難維護巷道提出了初期柔性“固”、中期高應(yīng)力“卸”、后期高剛度高強度“抗”的剛?cè)狁詈蟿討B(tài)支護技術(shù)。具體實施方案：初期采用錨索、錨桿、金屬網(wǎng)、噴射混凝土和鋼筋梯子梁組成“錨網(wǎng)噴梯”主動支護結(jié)構(gòu)，加固與完善巷道圍巖力學性能，充分保證圍巖的完整性，發(fā)揮圍巖的自承載能力；在初期對巷道圍巖物理與力學特性“固”后，中期預(yù)留圍巖收斂變形量，允許圍巖產(chǎn)生一定的變形，使圍巖中的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，從而實現(xiàn)讓壓，避免高應(yīng)力導致圍巖的弱化與支護結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)；考慮該礦區(qū)巷道圍巖變形具有明顯時效性特點，一味的讓只會加劇圍巖的進一步破碎，使圍巖進一步失去自承能力，故，等高應(yīng)力“卸”到一定程度時，后期通過全斷面的高強度、高剛度的鋼筋混凝土殼體結(jié)構(gòu)給圍巖提供高阻力，強“抗”其變形。選取該礦區(qū)典型極軟巖大變形難維護巷道＋535水平集中膠帶巷進行了工業(yè)性試驗，新的支護方案實施后，巷道幾乎沒有發(fā)生任何變形，表明，基于初期柔性支護“固”＋中期預(yù)留變形量“卸”＋后期高強度高剛度支護“抗”的剛?cè)崧?lián)合支護技術(shù)能夠有效控制深部極軟巖難維護巷道的大變形問題。結(jié)論：獲得了甘肅平?jīng)瞿成畈康V井典型極軟巖大變形難維護巷道礦壓顯現(xiàn)的規(guī)律及特點、圍巖的主要成分及力學性能，揭示了其圍巖變形破壞失穩(wěn)機理，提出了初期柔性“錨網(wǎng)噴梯”主動支護對圍巖“固”、中期預(yù)留變形量對高應(yīng)力“卸”、后期及時實施高強度與高剛度支護結(jié)構(gòu)對軟巖流變進行強“抗”的剛?cè)狁詈蟿討B(tài)加固技術(shù)，實現(xiàn)了該礦區(qū)極軟巖大變形難維護巷道一定時期或長期保持穩(wěn)定。雖然該支護技術(shù)存在支護成本高、施工速度慢的不足，但是對深部極軟巖巷道大變形的控制是有效的，為深部極軟巖大變形難維護巷道穩(wěn)定控制提供了一項新的支護技術(shù)。

來源出版物：煤炭學報, 2011, 36(6): 914-919

入選年份：2015

煤層脈動水力壓裂卸壓增透技術(shù)研究與應(yīng)用

翟成，李賢忠，李全貴

摘要：我國高瓦斯煤層滲透率普遍較低，煤層開采前瓦斯抽采難度大、效率低，瓦斯災(zāi)害已成為制約煤礦安全生產(chǎn)的主要因素。瓦斯抽采是解決煤礦生產(chǎn)安全、實現(xiàn)煤和瓦斯共采、減少環(huán)境污染的主要措施。為了提高高瓦斯低透氣性煤層瓦斯抽采效率，本文進行了不同壓力、頻率條件模擬試塊的脈動壓裂實驗和力學分析，分析了脈動水作用下煤體的疲勞損傷破壞特點及高壓脈動水楔致裂機理。實驗采用脈動水壓載荷控制方式，通過控制臺輸出一定壓力、頻率的脈動水，脈動泵加載波形為正弦波，脈動頻率為5～25 Hz。在本實驗中，脈動水力壓裂的注水壓力、注水頻率是影響壓裂效果的兩個關(guān)鍵因素，通過不同考察孔的出水壓力來考察不同注水壓力、注水頻率影響因素下的壓裂效果。同時采用乳化液泵進行普通注水壓裂，類似于靜壓注水壓裂，觀測普通注水條件下各觀測孔出水壓力。實驗結(jié)果表明脈動水力壓裂比普通水力壓裂致裂效果好，在脈動頻率5～25 Hz范圍內(nèi)，隨著注水頻率的提高，各考察孔貫通出水壓力越來越小。與普通水力壓裂相比，脈動水力壓裂所需要的壓力較低，25 Hz時致裂試樣最大壓力16 MPa，15 Hz時致裂試樣最大壓力12 MPa，而普通水力壓裂致裂試樣壓力需要達到26 MPa。由脈動泵產(chǎn)生的水力脈動波作用在鉆孔周圍裂隙，根據(jù)波的傳播特性，脈動波的頻率越高，能量衰減越快，滲入煤體裂隙中的距離越短，15 Hz的脈動水壓裂效果優(yōu)于25 Hz的脈動水。脈動水力壓裂煤層可以分成4個階段，首先脈動水進入煤體原生裂隙和孔隙中，對煤體產(chǎn)生周期性的沖擊，使高壓水滲透到煤體中的裂隙和孔隙中并使其充滿水。其次，當水充滿煤體裂隙后一定頻率的脈動壓力開始作用煤體，裂隙表面受到交變荷載作用，在脈動水累積沖擊下逐漸出現(xiàn)疲勞損傷。再次，隨著脈動水壓力的逐漸增加，當其超過煤體裂隙的起裂壓力時裂隙開始擴展，衍生更多裂隙。最后，在持續(xù)的脈動作用下，部分初始裂隙相互連接，新生裂隙進一步延伸，形成貫通裂隙網(wǎng)，煤體透氣性大幅度提高。整個脈動水力壓裂過程中，煤體的疲勞損傷和脈動水的“水楔”作用是最終形成裂隙網(wǎng)的關(guān)鍵。煤體原生裂隙在強烈的脈動水壓力作用下，會在縫隙末端產(chǎn)生交變應(yīng)力，使煤體的裂隙孔隙產(chǎn)生“壓縮-膨脹-壓縮”反復作用，煤體將產(chǎn)生疲勞損傷破壞。煤體內(nèi)部裂隙弱面擴展、延伸，形成相互交織的貫通裂隙網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)性試驗結(jié)果表明脈動水力壓裂比普通水力壓裂卸壓增透效果明顯，脈動水力壓裂孔抽采純流量最高達到0.96 m3/min，普通水力壓裂孔抽采純流量最高達到0.55 m3/min，是普通水力壓裂孔抽采流量的1.75倍，抽采效果明顯優(yōu)于普通水力壓裂。

來源出版物：煤炭學報, 2011, 36(12): 1996-2001

入選年份：2015

淺埋厚煤層大采高工作面頂板巖層斷裂演化規(guī)律的模擬研究

付玉平，宋選民，邢平偉，等

摘要：目的：對于淺埋煤層開采的礦壓顯現(xiàn)問題的研究采用理論分析、數(shù)值計算及相似模擬實驗等手段研究淺埋煤層開采的礦壓顯現(xiàn)問題，取得了較多的成果。隨著開采技術(shù)及設(shè)備的進步，工作面的采高逐步加大到4.5 m至5.5 m，現(xiàn)場生產(chǎn)中也僅僅是根據(jù)經(jīng)驗在加大支架的工作阻力，針對這種采高條件下的采場上覆巖層移動規(guī)律的研究很少。本文基于此情況，依據(jù)上灣煤礦1-2煤層賦存條件，采用相似模擬實驗研究覆巖移動演化規(guī)律，豐富淺埋大采高采場覆巖移動理論。方法：以相似模擬實驗理論為基礎(chǔ)，運用尺寸為3 m×3 m×0.2 m（長×高×厚）的平面應(yīng)變相似模擬試驗臺進行模擬實驗，其四周和底板用20號槽鋼和厚25 mm的有機玻璃板約束，頂部為自由端。實驗采用1∶50的大比例幾何相似比，確定容重相似比為0.68，應(yīng)力相似比0.0136；時間相似比0.1414。采用Nikon DTM-531E型全站儀測量煤層直接頂、基本頂及上覆巖層中所布測點的坐標，用以求得測點位置模型的位移量，用數(shù)碼相機記錄開采過程中的典型現(xiàn)象，從而對淺埋煤層工作面采高加大后上覆巖層移動演化規(guī)律進行研究。結(jié)果：從相似模擬實驗開挖過程可以看出：（1）直接頂巖層的垮落形式為分層垮落，呈松散塊體分布，難以充滿采空區(qū)，最大自由空間高度為3 m。（2）基本頂巖層的垮落形式也為分層垮落。第一分層的基本頂巖層垮落后形成松散塊體，演變?yōu)橹苯禹?，也就是說采高的增大使得直接頂?shù)姆秶兇罅?；第二層斷裂后兩塊相互鉸接，形成三鉸拱結(jié)構(gòu)；推進至40 m，基本頂?shù)牡谌谒姆謱涌迓?；推進至50.4 m，基本頂?shù)谖宸謱涌迓洌细矌r層隨之垮落，工作面初次來壓，步距為50.4 m。之后工作面經(jīng)歷了4次周期來壓，來壓步距分別為19.2 m、10.4 m、20 m、15.2 m，平均周期來壓步距為16.2 m。（3）直接頂在工作面推過時，有與基本頂離層下沉趨勢，工作面推過后基本上自行垮落；基本頂一般在工作面推過后才開始緩慢下沉變形，直至破斷垮落；基本頂上方載荷層一般下沉變形與基本頂一致；更上方的巖層變形下沉則滯后與基本頂巖層。（4）基本頂初次來壓時頂板在煤壁上方斷裂；周期來壓前，頂板斷裂位置平均超前工作面7.65 m。（5）淺埋煤層大采高開采中，堅硬巖層的破斷使得頂板垮落帶和斷裂帶“兩帶”高度呈現(xiàn)臺階式上升。結(jié)論：以神東礦區(qū)上灣煤礦1-2煤層賦存條件為原型，采用相似模擬實驗方法對淺埋煤層大采高工作面頂板巖層斷裂演化規(guī)律進行研究，主要結(jié)論如下：基本頂下位分層斷裂后無法形成鉸接結(jié)構(gòu)，垮落為松散塊狀，即采高加大后，原部分基本頂巖層演化為直接頂巖層，使得直接頂巖層范圍變大；煤層上方堅硬巖層間隔破斷，造成周期來壓步距呈“大周期”“小周期”間隔分布，亦使頂板垮落帶和斷裂帶“兩帶”高度呈臺階式上升。

來源出版物：煤炭學報, 2012, 37(3): 366-371

入選年份：2015

煤層氣/頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其對比分析

孟召平，劉翠麗，紀懿明

摘要：目的：煤層氣和頁巖氣是世界上已進行商業(yè)開發(fā)的2種重要的非常規(guī)天然氣資源。在成藏地質(zhì)條件、賦存環(huán)境條件和工程力學條件等方面都有諸多共性，且它們在諸多盆地伴生存在，但也存在一定的差異性，將直接影響煤層氣和頁巖氣的開發(fā)效果。方法：從煤層氣、頁巖氣基本概念入手，采用非常規(guī)油氣地質(zhì)理論與方法，系統(tǒng)分析了煤層氣/頁巖氣成藏地質(zhì)條件、賦存環(huán)境條件和開發(fā)工程力學條件，進一步對煤層氣與頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其評價參數(shù)進行了對比分析，揭示了煤層氣與頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件的共性和差異性。結(jié)果：（1）煤層氣/頁巖氣賦存于煤/頁巖中的一種自生自儲式非常規(guī)天然氣，煤層氣/頁巖氣成藏地質(zhì)條件包括生氣條件、儲氣條件和保存條件，這些因素相互耦合作用從而決定了煤層氣/頁巖氣在儲層中的富集程度，并控制煤層氣/頁巖氣開發(fā)效果。不同賦存環(huán)境條件下所形成的煤/頁巖儲層差異性大，使煤/頁巖儲層中吸附氣和游離氣相互轉(zhuǎn)化，導致煤層氣/頁巖氣成藏類型、規(guī)模和質(zhì)量等方面的差異性。（2）煤層氣/頁巖氣的基本成因與常規(guī)天然氣沒有實質(zhì)性差別，在一定埋藏深度范圍內(nèi)煤層氣/頁巖氣都發(fā)生過解吸-擴散-運移，并普遍存在“垂向分帶”現(xiàn)象，有機質(zhì)演化程度越高解吸帶深度越小，風化帶越深解吸帶深度越大，解吸帶內(nèi)煤層氣/頁巖氣富集在一定程度上服從于常規(guī)天然氣的構(gòu)造控氣規(guī)律；原生帶內(nèi)煤層氣/頁巖氣富集卻更多地受控于煤儲層/頁巖層的吸附特性。（3）形成商業(yè)性煤層氣開發(fā)的地質(zhì)條件為:主力煤層單層厚度大于1.5 m、累計厚度大于4 m，煤層氣含量應(yīng)不小于8 m3/t或資源豐度大于1.0×108m3/km2，煤層的埋藏深度在300～1500 m范圍，裂隙相對發(fā)育，地應(yīng)力相對較低、且滲透性和保存條件較好等條件。（4）形成商業(yè)性頁巖氣開發(fā)的地質(zhì)條件為：頁巖厚度＞30 m，且頁巖厚度越大，富有機質(zhì)頁巖必須具備較高有機質(zhì)豐度（TOC＞2%）、熱成熟度Ro＞1.1%～1.2%、脆性礦物含量（石英、長石等礦物）＞40%、低黏土礦物含量（小于30%）、含氣量高，成氣后保存條件較好、存在超壓以及較高彈性模量和低泊松比等特征。結(jié)論：煤層氣/頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件是影響開發(fā)效果的前提條件。煤/頁巖儲層處在特定的環(huán)境條件（地應(yīng)力、地溫和地下水）之中，煤層氣/頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件受控于地應(yīng)力場、地下水壓力場和地溫場等多場耦合作用。煤層氣/頁巖氣開發(fā)是通過特定的工程及其開發(fā)方式改變煤層氣/頁巖氣賦存環(huán)境條件，使其儲層條件發(fā)生變化的過程。本文對煤層氣與頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件及其評價參數(shù)進行了對比分析，揭示了煤層氣與頁巖氣開發(fā)地質(zhì)條件的共性和差異性，為我國煤層氣/頁巖氣開發(fā)探索了有效途徑。

來源出版物：煤炭學報, 2013, 38(5): 728-736

入選年份：2015

修正離散正則化算法的截割煤巖載荷譜的重構(gòu)與推演

劉春生，任春平，李德根

摘要：目的：為探求截齒破碎煤巖載荷譜重構(gòu)求解方法，實現(xiàn)破煤載荷譜特征定量提取及有效辨識，分析不同楔入角截齒破碎煤巖載荷譜特征相互關(guān)聯(lián)以及不同截割參數(shù)的拓撲關(guān)系?；诮佚X截割煤巖理論，利用自行研制可同時測截割扭矩與截割阻力的多截齒參數(shù)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)截割實驗臺，采用修正離散正則化方法重構(gòu)和推演所測實驗載荷譜，定量研究鎬型截齒截割煤巖機理。方法：以實驗為研究方法，在多截齒參數(shù)可調(diào)式旋轉(zhuǎn)截割實驗臺上開展截齒截割煤巖測試，獲取截齒楔入角分別為35°、40°、45°及50°的實驗載荷譜，探討截齒楔入角對截割載荷的影響規(guī)律。以實驗載荷譜為基礎(chǔ)，建立截齒截割載荷譜重構(gòu)數(shù)學模型，基于載荷譜重構(gòu)屬于反問題的范疇，具有其該問題的求解特征，采用修正離散正則化解算方法，研究楔入角為40°和45°截齒旋轉(zhuǎn)截割實驗載荷譜重構(gòu)效果及其特征值辨識程度，給出不同楔入角下載荷譜統(tǒng)計特征及頻率特征內(nèi)在解析關(guān)系，以及不同楔入角等參數(shù)的拓撲關(guān)聯(lián)。結(jié)果：根據(jù)實驗測試結(jié)構(gòu)條件及截割阻力與軸向截割載荷有正比關(guān)系，可得到單齒實驗截割阻力為1.4～1.5倍的軸向截割載荷。在楔入角和齒尖半錐角之和小于90°實驗條件下，截割載荷曲線輪廓擬合圖及其峰值輪廓擬合圖與截割面類似呈月牙形狀，截割載荷輪廓擬合均值及載荷峰值輪廓擬合的均值隨截齒楔入角增大呈先減小后增大的變化，當楔入角較?。?5°）時，截齒楔入煤巖體的楔入效果差，載荷有所增大；當楔入角較大（50°）時，截齒與截槽底部接觸，即截齒與煤巖發(fā)生擠壓干涉，此時載荷明顯增大。采用修正離散正則化解算方法得到重構(gòu)載荷譜，其截割能量主要處在低頻帶，集中在1～4 Hz，均值關(guān)系為F40°≈1.2F45°，幅值呈正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.9676，推演和重構(gòu)載荷的特征值與實驗最大值誤差分別為1.5%、9.8%，均值誤差分別為5.5%、1.6%，而推演與重構(gòu)載荷的最大值誤差為8.9%，均值誤差為4.0%。結(jié)論：在楔入角和齒尖半錐角之和小于90°實驗條件下，給出截齒軸向截割載荷均值隨著截齒楔入角的增大呈先減小后增大的變化規(guī)律，因此，合理選擇楔入角對提高破碎煤巖效率非常重要，為避免截齒與煤巖發(fā)生干涉，楔入角較佳范圍40°～45°，隨截齒齒尖錐角增大，相應(yīng)偏小取值。利用修正離散正則化方法重構(gòu)的40°和50°楔入角截齒的載荷譜能夠表征截齒實際破碎狀態(tài)，其特征值易辨識和提取，同時建立了合理45°楔入角推演40°楔入角截齒載荷的數(shù)學模型，截割載荷的特征值不但與截齒楔入角有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，還與煤巖的性質(zhì)參數(shù)相關(guān)，因此，重構(gòu)與推演的算法為截齒截割載荷的反演定量求解提供了有效的方法。

來源出版物：煤炭學報, 2014, 39(5): 981-986

入選年份：2015

我國煤炭開采中的沖擊地壓機理和防治

姜耀東，潘一山，姜福興，等

摘要：目的：總結(jié)我國煤礦沖擊地壓災(zāi)害發(fā)生的特點，分析沖擊地壓、巖爆和礦震之間存在的聯(lián)系和區(qū)別，建立煤礦沖擊地壓的力學模型，提煉出煤炭開采中的沖擊地壓研究需要解決的關(guān)鍵科學問題，總結(jié)歸納近年來我國在沖擊地壓機理與防治技術(shù)方面的研究成果以及存在問題，指出今后我國煤礦提高沖擊地壓防治水平的努力方向。方法：煤礦沖擊地壓是外部荷載、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及物理力學性質(zhì)的綜合反映，形成過程非常復雜。根據(jù)煤炭開采的特點，從應(yīng)力狀態(tài)的突然變化導致煤巖體的突然失穩(wěn)破壞的本質(zhì)對沖擊地壓進行分類研究。針對我國煤炭開采空間范圍大、開采擾動強烈、介質(zhì)屬性和應(yīng)力狀態(tài)復雜等鮮明的特征，提出了煤炭開采中沖擊地壓機理和防治研究中亟待解決的4個關(guān)鍵科學問題，有利于揭示沖擊地壓機理并提出行之有效的防治方法。結(jié)果：從力學本質(zhì)上講煤礦沖擊地壓是特定地質(zhì)賦存條件下的煤巖體系統(tǒng)由于采礦活動在變形破壞過程中能量的穩(wěn)定態(tài)積聚、非穩(wěn)定態(tài)釋放的非線性動力學過程。根據(jù)當前沖擊地壓的研究現(xiàn)狀及煤炭開采的特點，將我國煤礦沖擊地壓分為3類：材料失穩(wěn)型沖擊地壓、滑移錯動型沖擊地壓和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊地壓，并提煉出煤炭開采中的沖擊地壓研究需要解決的4個方面關(guān)鍵的科學問題：地質(zhì)賦存環(huán)境對沖擊地壓的作用機制及量化分析方法、深部斷續(xù)煤巖體的變形破壞規(guī)律和工程動力響應(yīng)特征、采動應(yīng)力分布和能量場的時空演化規(guī)律與多因素耦合致災(zāi)機理、煤礦沖擊地壓的多參量監(jiān)測預(yù)警與防治理論與方法。目前，煤礦開采中沖擊地壓的機理和防治研究取得了如下研究成果：深部煤礦沖擊地壓的形成與礦井深部地質(zhì)構(gòu)造特征、構(gòu)造形成和演化過程及區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力環(huán)境等因素密切相關(guān)，是誘發(fā)沖擊地壓的主要因素；煤巖的沖擊傾向性、斷層和褶皺賦存狀況、堅硬上覆巖層（特別是堅硬厚層砂巖頂板）賦存條件為沖擊地壓的發(fā)生提供了主要地質(zhì)條件；在高應(yīng)力和強擾動的深部開采環(huán)境中，煤礦沖擊地壓發(fā)生過程中的采動空間應(yīng)力場和能量場的時空演化規(guī)律直接決定了沖擊地壓特點和孕育條件；采動覆巖空間結(jié)構(gòu)運動的研究揭示了不同尺度、不同量級動力災(zāi)害的孕災(zāi)過程和觸發(fā)機制；沖擊地壓的監(jiān)測預(yù)警等方面形成了多參量綜合監(jiān)測體系，為沖擊地壓前兆信息的提取提供了思路和預(yù)警模式；沖擊地壓綜合防治方法等方面逐步建立了組織體系、技術(shù)體系和管理體系的閉環(huán)式礦井防沖工作流程，形成了強卸壓、強監(jiān)測和強防護的防沖技術(shù)體系，保障了煤炭資源的安全高效開采。結(jié)論：我國煤炭深部開采中沖擊地壓的研究取得了一系列研究成果，但仍需在深部煤層地質(zhì)構(gòu)造特征與動力災(zāi)害的關(guān)系，沖擊地壓防治方法的理論研究等方面做進一步的探索。

來源出版物：煤炭學報, 2014, 39(2): 205-213

入選年份：2015