为研究充填体在不同骨料粒径分布和养护龄期条件下的力学性能及损伤演化特征,以煤矸石为骨料,粉煤灰为辅助胶凝材料制备胶结充填体,研究了不同骨料粒径条件下充填体试样的力学性能、微观结构及破裂演化特征,并基于耗散能建立了考虑养护龄期效应的充填体损伤本构模型,进一步揭示了胶结充填体的能量损伤演化过程。研究结果表明:不同骨料粒径分布下,充填体的抗压强度及弹性模量均随着养护龄期的延长而增大;骨料粒径分布为0～5 mm的充填体试样弹性模量和峰值应力最高, 0～10 mm的次之, 5～10 mm的最小;单轴压缩下骨料粒径分布为0～5 mm的充填体试样保持了较好的完整性,而养护龄期的延长能够抑制破坏裂纹的扩展与贯通,提高了试样的完整性;骨料粒径分布为0～5 mm的充填体试样微观结构的致密性最佳,并且养护龄期的延长降低了充填体试样内部空隙结构的尺度及范围,提高了微观结构的致密性;不同骨料粒径分布充填体试样总能量、弹性应变能及耗散能随养护龄期的增加呈二次函数的递增趋势,并且骨料粒径分布及养护龄期的变化不会对充填体试样内部能量积聚与耗散过程造成影响;建立的考虑养护龄期效应的损伤本构模型能够准确反映充填体试样的受载应力分布,并且充填体试样的损伤演化可划分为初始损伤阶段、损伤平稳阶段、损伤加速增长阶段及损伤破坏阶段4个阶段。
针对坚硬顶底板煤层综采工作面区段煤柱失稳问题,以新疆某矿井1016工作面轨道运输平巷区段煤柱为工程背景,通过理论分析、数值模拟及现场试验的研究方法,分析了工作面覆岩运移规律,提出了坚硬顶底板条件下煤柱内能量积聚成因,研究了煤柱内弹性能密度与第一、第三主应力间的函数关系,根据弹性力学得出了不同应力集中系数下煤柱内应力及能量分布规律。研究结果表明:上工作面开采后,厚硬基本顶会形成“长悬臂梁”结构,造成煤柱内载荷升高;由于煤体强度与顶底板强度相差较大,造成外界输入“顶板–煤柱–底板”系统的能量主要以弹性应变能形式在煤柱内积聚;区段煤柱中任意位置处弹性应变能与第一、第三主应力之间可大致视为正相关关系;煤柱内弹塑性区交界区域为煤柱内弹性应变能主要积聚部位;掘巷后煤柱应力环境的恶化、煤柱内积聚能量的释放是煤柱发生变形破坏的主要原因;提出了“顶板密集钻孔+煤柱钻孔卸压+加强支护”防治技术,现场应用效果显著。
<正>《采矿与岩层控制工程学报》由煤炭科学研究总院有限公司主办。重点报道采矿工程、矿山岩体力学与岩层控制工程及交叉学科应用基础研究、技术开发及工程实践成果,介绍该领域中的新理论、新方法、新技术,为推动采矿工程、矿山岩体力学与岩层控制工程学科的发展、加强国内外的学术交流、人才培养服务。读者对象为国内外采矿工程领域科技工作者。目前为双月刊,双月25日出刊,为中文核心期刊、中国科技核心期刊,被EiCompendex收录。
巷道围岩中往往含有复杂的节理裂隙、形态大小不一的孔洞等内部结构特征,这些缺陷严重影响了巷道围岩的稳定性。室内物理模型试验是研究工程岩体稳定性的主要途径之一,然而,传统方法难以制造出一批具有完全相同结构和性质的物理模型且物理模型的力学特性和内部结构与工程实际岩体的力学特性存在较大差异,这极大限制了物理模型试验在反映实际工程巷道时的科学性。近年来,快速发展的3D打印技术可有效弥补传统方法的不足,在材料研发层面,通过系统调控打印基质、颗粒级配、黏结剂饱和度以及玻璃纤维掺量等方法,成功制备出在力学行为上与天然煤岩高度相似的砂型3D打印类煤岩材料,为实现物理模型的制作奠定了材料基础。在机理研究层面,基于此类煤岩材料开展的锚固体力学试验,系统揭示了锚杆等支护元件的锚固机制,验证了其用于模拟天然岩体锚固试验的可行性,为支护结构的设计提供了理论依据。最终,在模型试验层面,研究进一步利用砂型3D打印技术,通过分层打印工艺,分别构建了完整围岩与含裂隙围岩条件下的锚固巷道物理模型。结合双轴加载系统与数字散斑技术(DIC),定量分析了裂隙对巷道变形破坏规律的影响。试验所揭示的破坏模式与工程现场观测结果高度吻合。系列研究表明,砂型3D打印技术能够实现从材料性能、内部结构到力学特性的高精度重构,有效弥补了传统模型试验方法的不足,在岩体工程物理模拟研究中展现出良好的应用前景与科学性。
随着矿产资源开采向深部延伸,胶结充填体在维持采场稳定、实现绿色开采中的重要性日益凸显。充填体作为多相非均质材料,将充填料浆充填进入采场后,充填体力学性能受材料组成、养护条件、外部荷载及渗流场等多因素耦合影响,表现出显著的时空演化与非线性特征,解决渗流作用诱发的充填体质量问题对于保障矿山安全、高效、绿色开采具有深远的理论价值和工程实践意义。近年来,在充填体宏-细-微多尺度下的力学演化特征、破坏特性及流固耦合响应等方面取得了丰硕成果。首先,从胶凝材料类型、配比参数、养护条件等方面总结了充填体强度的影响因素及演化规律,阐明了充填体时空演化特性;其次,归纳了充填体在静态与动态荷载下的破坏模式与裂纹扩展行为,并与类岩石材料破坏理论进行对比分析;进一步总结了基于扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和CT扫描、声发射(AE)等多尺度观测手段在揭示充填体微细观结构演化与宏观力学行为之间的内在关联方面的应用成果;重点阐述了充填体在渗流-应力耦合作用下的力学响应与损伤演化机制,评述了室内试验与数值模拟方法的特点与局限;最后,针对当前研究中本构模型普适性不足、多尺度机理不明确、现场应用脱节等问题,提出了构建时变损伤-渗流耦合模型、发展多尺度协同观测与仿真平台、推动“室内试验-数值模拟-现场监测”的闭环研究体系等未来发展方向,以期为深部复杂环境下充填体性能提升、稳定性评估与工程应用提供理论支撑与技术参考。
煤矿深部开采伴随高地应力与能量积聚,易诱发冲击地压等动力灾害,从充填材料增韧角度出发,揭示煤基充填材料冲击缓释机理,并构建基于能量耗散理论的增韧定量表征与评价指标体系,正成为实现减冲调控与材料优化设计的新思路。为揭示煤基充填材料的冲击缓释机理,以煤基固废为主要原料,考虑骨料级配、灰泥比、养护龄期及纤维增韧等因素,系统开展了单轴力学试验、能量演化分析、冲击倾向性判定和扫描电镜(SEM)观测。结果表明:骨料级配、灰泥比和养护龄期对充填材料力学性能影响显著。充填体抗压强度与养护龄期呈正相关关系;随Talbot指数(n)及灰泥比的增大,煤基充填体抗压强度均呈“先升后降”的趋势,在养护龄期为28 d、n=0.6、灰泥比为2.5∶1的情况下常规充填试样力学性能达到最优;聚丙烯纤维的掺入可显著提高煤基充填试样抗压强度并改善峰后破坏阶段材料的延展性,拓展材料耗散能通道,使材料在峰后破坏阶段可以持续吸收并耗散外部冲击能。基于能量耗散理论提出了涵盖能量耗散比、动态韧性指数、残余承载比、脆性指数和等效隔振系数5个指标的减冲综合评价体系(FIMI-Lite),实现了充填体冲击缓释性能的量化表征。对比分析表明,纤维增韧后充填体在各指标上均优于常规组别,其中n=0.4纤维增韧充填体综合指数最高;通过SEM图像分析可知,合理级配可使充填体形成致密骨架结构,纤维的掺入则构建了“颗粒-胶结物-纤维”三维网络,两者协同优化孔隙结构并延缓裂纹扩展,实现能量的逐级吸收与渐进释放,从微观角度建立了与宏观减冲性能的关联,揭示了充填材料减冲性能机制。研究成果为煤基充填材料的设计优化和冲击地压灾害防治提供了依据。
急倾斜特厚煤层开采深度持续增大,其冲击地压灾害日益严峻,诱冲因素呈现出多样性和演变特征,为冲击地压精准防治带来困难。针对以上问题,综合采用案例分析、现场监测和理论分析等方法,以新疆某典型急倾斜特厚煤层矿井为工程背景开展诱冲因素演变规律研究。通过分析矿井5次典型冲击地压显现事件,发现急倾斜顶板、中间岩柱、遗留煤柱、开采深度、开采强度和水平构造应力是主要诱冲因素。基于三角模糊数改进了层次分析方法,建立了诱冲因素权重量化计算方法并得到了诱冲因素演变规律。研究发现,急倾斜顶板和中间岩柱的诱冲权重最大,是最为主要的诱冲因素,且随煤层开采持续增大;开采深度和水平构造应力诱冲权重随着急倾斜特厚煤层持续开采整体增大,诱冲作用逐渐增强;遗留煤柱诱冲权重整体呈降低趋势,表明采空区内遗留煤柱对冲击地压的影响逐渐减小;开采强度的诱冲权重整体降低。通过开采数据分析、微震监测、地应力测试、数值模拟和理论研究等手段较好地验证了急倾斜特厚煤层诱冲因素演变规律。研究成果可为急倾斜特厚煤层冲击地压精准治理提供参考。
针对特厚煤层10 m超大采高工作面厚硬岩层破断规律与覆岩垮落运移机理认识不足的问题,以曹家滩煤矿122104工作面为工程背景,综合采用相似模拟试验、图像处理与统计分析以及现场监测方法,研究厚硬岩层破断对覆岩垮落运移过程的主导作用,并通过现场实测数据验证模型结论的工程适用性与一致性。(1)提出了基于多时序覆岩图像的裂隙自动提取与多指标定量方法,实现了裂隙发育高度、覆盖面积、总长度等参数的高效量化。结果表明,裂隙参数随工作面推进呈显著的“阶梯式”跃升特征,各突变点与厚硬岩层(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的破断时序严格对应,从裂隙演化角度定量揭示了厚硬岩层破断对覆岩运移的主控作用。(2)阐明了厚硬岩层“悬臂梁–协同垮落”的破断机制:破断前其形成大跨度悬臂梁结构,限制覆岩垮落;悬臂梁达到极限时发生突发破断,触发覆岩大范围协同垮落,呈现典型结构性破坏特征。(3)现场分层沉降、矿压与微震监测结果与模型试验形成了有效互证:分层沉降曲线揭示的岩层协同运移模式与模型中的裂隙“阶梯式”扩展规律高度一致;矿压监测显示厚硬岩层Ⅱ、Ⅲ破断直接诱发强烈周期来压;微震监测进一步证实,厚硬岩层的周期性破断是覆岩能量集中释放的主要来源,从空间演化与能量释放两方面共同验证了厚硬岩层破断主导覆岩运移机制的现场适用性。从裂隙演化视角系统阐明了厚硬岩层破断主导超大采高覆岩垮落运移的机理,为10 m超大采高工作面覆岩运动理论完善与顶板灾害防控提供了量化理论依据。
榆神府矿区煤层埋深浅、上覆基岩薄、松散层厚,多数矿井涉及多煤层重复采动,受煤层采高、间距等多因素影响,上下采场围岩空间相互作用,导致裂隙带高度难以精准预测。以榆神府矿区典型煤矿多煤层重复采动裂隙带高度为研究对象,采用物理相似模拟、理论分析以及深度学习相结合的方法,分析了多煤层重复采动裂隙发育规律,构建了煤层采高、间距、埋深、倾角、工作面长度及间隔岩层坚固性系数与裂隙带高度的多因素耦合非线性回归模型,建立了基于SSA-BP神经网络的多煤层重复采动裂隙带高度预测方法,并验证了其准确性。研究结果表明:瓷窑塔煤矿重复采动下裂隙发育呈现“局部缓慢增长—贯通非线性跃升—动态稳定”三阶段特征,最终裂隙带发育高度为139.0 m;煤层采高、间距、间隔岩层坚固性系数及工作面长度耦合下的非线性回归模型拟合系数R2为0.880,为裂隙带发育高度关键影响因素;对比传统经验公式与BP模型预测结果, SSA-BP模型预测MAPE值分别降低了22.96%、6.70%,RMSE值低至1.79,稳定性更优;以榆神府矿区中汇富能煤矿14205工作面为验证模型,预测高度与实测高度相对误差为1.3%,小于5%。研究对榆神府矿区多煤层开采导水裂隙带高度预测具有较强普适性,可为该矿区多煤层开采水害防治提供有益借鉴。
寒区岩体工程中,含冰裂隙削弱了工程岩体的力学特性,严重影响着工程岩体的安全与稳定。为研究含冰裂隙岩体的力学行为和破坏机制,开展了单轴压缩试验、声发射监测及离散元数值模拟试验,系统研究了含冰裂隙砂岩的力学特性与破坏机制,重点分析裂隙厚度(5～30 mm)和倾角(0°～90°)对岩体强度、弹性模量、能量演化及裂纹扩展的调控规律。结果表明:抗压强度、弹性模量及峰前/峰后能量均随裂隙厚度增加呈非线性衰减,弹性模量降幅达20%～34%;裂隙倾角主导破坏模式分类,垂直裂隙(90°)因高效应力传递表现出最高强度(23.56 MPa),低倾角(15°～30°)受界面剪切效应影响强度降低30%～45%,并识别出冰层压碎(α≤15°)、界面滑移(15°～75°)及岩石主控断裂(α≥75°)3类破坏模式。基于PFC离散元构建冰-岩复合介质细观参数体系,模拟结果与试验数据吻合度超过90%。考虑裂隙厚度与倾角耦合效应修正了D-P强度准则,计算理论值与试验误差控制在±5%以内。研究成果为寒区岩体工程稳定性评估及灾害防控提供理论支撑,并为复杂冻融环境下冰-岩相互作用机理研究奠定基础。