以张家峁煤矿厚层状顶板5217工作面末采为研究背景,通过物理模拟试验、数值模拟和理论计算,确定了顶板水力压裂进行顶板结构及来压调控的合理层位,分析了压裂前后支架阻力、采场应力分布和煤壁位移,揭示了顶板垮落规律和来压规律,建立了不同层位弱化顶板结构模型,给出了支架阻力计算公式,提出了低、中、高3种弱化层位判据。研究结果表明:低层位弱化后平均周期来压步距缩短14.5%,来压时支架最大阻力降低14.1%;中层位弱化后平均周期来压步距缩短47.3%,来压时支架最大阻力降低21.6%;高层位弱化后平均周期来压步距增大11.8%,来压时支架最大阻力升高24%。采用“水力压裂+支架阻力监测”相结合的数值模拟方法弱化中层位,平均周期来压步距缩短60%,来压时支架最大阻力降低13.2%;弱化后工作面前方平均垂直应力始终较弱化前低21%,主回撤通道右侧煤体平均垂直应力始终高于弱化前33%,工作面煤壁水平位移较弱化前减小52.2%。根据不同层位弱化结果,建立了中层位弱化的“高位短砌体梁”结构模型以及高层位弱化的“低位台阶岩梁”结构模型,计算得出控制顶板稳定支架需要提供的阻力分别为15 450 kN和9 437 kN。实测得出顶板中层位水力压裂后,周期来压步距为6.38 m,来压时最大支架阻力为9 463 kN,较未压裂减小了46%和26%,科学合理的压裂层位及结构调控保障了工作面安全回撤。研究成果可为顶板水力压裂层位确定及结构调控实践提供理论参考。
在我国金属矿产资源开发由浅部向深部全面推进、深部开采热环境日益严峻的背景下,本文围绕深部金属矿山地热环境特征、热害防控技术与矿热协同开采模式,系统梳理了相关研究进展。阐述了天然热源与人为热源共同作用下深部矿山地热环境的非均匀梯级传热特征,厘清了深部金属矿山多源驱动、多相传输、多模式耦合的梯级传热机理及其对围岩稳定与巷道热环境的综合影响;遵循“源头控制-环境调控-个体防护”的系统治理思路,总结了围岩与地下水热源控制、智能通风与多级制冷、个体降温防护等关键技术进展及适用条件,并梳理了深部矿山热环境治理的发展趋势。在此基础上,归纳了矿井水换热、采空区换热与原位岩体改造换热3类典型矿热共采模式,探讨了热-流-固-化(THMC)多场耦合对矿井地热系统长期稳定性与能效水平的影响,并提出“以固控流、以流导热、以热促化”的系统优化思路;最后,建立了兼顾热害防控效果、能源利用效率、开采安全性与经济性的矿热协同开采多约束调控和多目标优化框架,可为深部金属矿山实现由被动降温向主动控温、能源协同利用的技术转型提供参考。
水力压裂技术在应对深部低渗煤系储层的瓦斯治理挑战中发挥着重要作用,深入探究水力裂缝的扩展机制、表征手段及效果评价方法对实现“压裂增透促抽”具有重要意义。以“表征—控制—评价”的系统性视角梳理了水力压裂在瓦斯治理中的研究现状,构建了基于多源信息融合与智能反演的裂缝表征框架,并融合裂缝形态、增透效果、抽采效果与工程效益多维指标提出了面向瓦斯治理的压裂增透促抽全周期综合评价体系。结果表明:当前裂缝扩展理论针对强非均质性储层的适应性不强,应依据地质条件优化参数并配合实时监测进行动态调整;单一裂缝表征技术存在局限性,整合跨尺度的多源监测数据是构建可靠裂缝模型的必经之路;客观衡量水力压裂对瓦斯治理的积极效应,应构建由过程到结果、微观到宏观的多维效果评价体系。未来水力压裂的智能化转型可参考水力压裂—瓦斯抽采数字孪生、水力压裂—瓦斯治理效果映射及水力压裂自适应闭环控制的递进式路径,解决“认知透明化”“预测精准化”和“控制最优化”的关键科学问题,实现从经验性工艺向定量科学工程的范式转变。
针对截齿类破岩装备多样化布齿设计工程需求与现有试验设备在模拟多截齿破岩灵活性不足的问题,研制了多模式截齿线性破岩试验系统,可开展多种几何形态、数量组合和切削模式的截齿破岩室内试验研究。介绍了该试验系统的基本结构、主要功能和技术参数,并开展了4种模式的破岩试验验证。该试验系统具有如下特点:(1)基于定位板的截齿布齿系统结构设计方法,可实现多种几何形态、数量截齿的灵活布齿;(2)截齿间距与角度可调,可实现不同间距、角度条件下的截齿单/多次切削过程,可模拟截齿类破岩装备在工程场景的多截齿破岩状态;(3)系统整体性好、结构简单、操作简便并具备可拓展性。验证性试验结果表明,该系统可通过单齿单/多次破岩试验、双(三)齿单/多次破岩试验以及水射流-截齿联合破岩试验,研究截齿类破岩装备在常规工程条件下的截齿破岩机制与布齿设计原理,创新硬岩工况下水射流-截齿联合破岩原理,为截齿类破岩装备的多样化设计与破岩效能提升提供支撑。
在基于地震波法的隧道探测中,高质量去噪是提升不良地质体成像精度关键。然而,传统方法依赖固定阈值或频域滤波去噪效果差,现有机器学习算法则受限于泛化能力与实时性,难以满足工程需求。因此本文通过建立联合优化去噪模型定向压制残余噪声,基于压缩感知进行联合优化去噪,通过融合震源扫描信号的确定性先验特征,建立了信号重构与噪声压制联合优化机制。通过多维度定量评价与频谱特征进行分析,与传统滤波方法、小波变换、曲波变换和TV正则化技术相比,本文所提方法在信噪比、结构相似性及均方根误差等指标上均优于上述方法,证实了所提方法在复杂地质结构保真度和噪声压制效果等方面的综合优势,在构造边缘锐化、薄层信号恢复及伪影控制等方面展现出显著优势,能够提升不良地质体探测识别精度。最后,通过江苏某地地铁隧道探测,模拟隧道前方存在的岩溶空洞类不良地质体,使用本文提出的方法对地震数据处理后实现了地铁隧道有效成像,效果优于常规成像方法,证实了该方法能够有效提高前方不良地质体成像效果。
深部清洁能源可持续开发利用是我国实现双碳目标的重要途径,其中深部裂隙岩体多场耦合灾变效应与力学行为调控是深地能源工程增产稳产面临的关键难题之一。深部岩体包含复杂裂隙网络,在高地应力、高地温、高渗透压、复杂水化学环境等极端赋存条件的耦合作用下,其物理力学性质较浅部岩体发生了本质性改变,裂隙岩体变形损伤的内在动力机制更复杂,多场耦合效应更突出,工程灾变的不可预测性更显著。系统梳理了深部裂隙岩体多场耦合理论的研究进展,重点阐述了岩石裂隙在多场耦合条件下的水岩作用机制与渗流传热传质行为,归纳了多物理场耦合行为测试装备及试验方法的发展。在模拟方法方面,系统描述了从解析模型到离散裂隙网络模型的发展路径,强调了耦合参数和非线性本构对于真实反映裂隙岩体非连续、非均匀特性的核心作用,总结了深部裂隙岩体多场耦合理论的研究进展,结合典型深地工程案例分析了多场耦合灾变机理与研究现状。最后,从极端力学行为、超重力物理模拟与人工智能深度融合等前沿方向,展望了深部裂隙岩体多场耦合研究的未来发展趋势。
<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。
为系统梳理金属矿业绿色低碳转型的关键路径并识别未来发展方向,本文围绕矿山生产全流程碳排放特征与环境影响,综合分析国内外典型研究与工程实践。通过文献分析、案例归纳与技术路径对比方法,对绿色勘查、低扰动开采、清洁电动力装备、固废资源化利用、充填采矿及智能化管理等关键技术进行系统总结,并结合国际矿业公司(如BHP、Rio Tinto、Vale等)与国内龙头企业实践进行综合评价。结果表明,金属矿绿色低碳发展正由单项节能改造向“能源结构低碳化—开采过程绿色化—装备电动化—管理数字化”的系统性重构转变,其中清洁能源替代、电动装备应用、无废开采与CO2矿化充填等技术具有显著减排潜力。研究认为,构建以低扰动开采技术为核心、以智能化与新能源技术为支撑的多技术协同体系,是推动金属矿业实现全生命周期低碳发展的关键路径。相关成果可为矿山绿色转型规划、技术选型及政策制定提供参考。
卸荷是深部巷道围岩损伤演化与失稳破坏的重要驱动力之一。在“五高两扰动”复杂环境下,深部巷道开挖后围岩易发生裂隙扩展、强烈变形、结构承载劣化及支护失效等工程问题。围绕卸荷围岩破坏与稳定控制主线,分析了深部巷道卸荷围岩失稳力学研究、理论分析、控制技术等方面的研究进展。在卸荷试验方面,总结了双轴、常规三轴、真三轴及相似模拟等卸荷试验装备与研究方法的发展,研究了考虑刚度效应、多场耦合及扰动作用条件下围岩卸荷力学响应、裂纹扩展与破坏演化规律;在卸荷理论方面,借助应力强度因子研究围岩静态损伤破坏裂纹扩展机理,提出了高应力岩体的动态损伤本构模型,推导了巷道开挖的卸荷应力场解析解;在卸荷围岩控制方面,从应力约束补偿、结构承载补偿和应力环境补偿层面,梳理了表层支护、内部锚固、注浆改性、定向卸压等巷道围岩补偿控制技术特点。分析煤矿井下巷道围岩控制中存在的问题,需要继续开展深部多场耦合机理与智能预测方法、围岩智能化自适应控制技术、面向多资源协同开采的围岩功能重构等方面的研究。
针对深部矿山巷道锚杆支护的两类典型工程问题:软岩巷道围岩连续大变形下的锚固失效、硬岩巷道围岩非连续变形下的杆体破断问题,开展锚杆锚固性能实验室测试方法研究。采用自主研发的RTR-3122型锚杆锚固性能试验机,进行全尺寸真实锚杆室内试验测试研究,分析端锚锚杆拉伸载荷-位移规律(锚固长度100～1 200 mm)和全长锚固锚杆在裂隙岩体中的拉、剪、扭及拉-剪组合受力行为。研究表明:端部锚固锚杆系统的极限载荷和能量吸收受锚固长度控制,能量吸收极值与锚固长度相关;短锚固(≤400 mm)易导致突发滑移失效,中等锚固(400～700 mm)呈现渐进式破坏,长锚固(>700 mm)则表现为杆体断裂的延性失效;全长锚固锚杆的失效模式由岩体裂隙特性主导,应力和能量集中于裂隙面锚杆局部,迥异于锚杆杆体失效特征;锚杆锚固软岩以界面脱粘和岩体塑性变形为主,锚杆锚固硬岩则出现杆体应力集中下的“相对脆性”断裂。通过文中的两类试验测试研究,可为深部巷道锚杆支护设计的锚固长度优化和锚杆加固岩体的适应性评判提供科学依据。