《煤炭学报》专题报道 |“深部灾害防控理论与技术”_中国煤炭行业知识服务平台

《煤炭学报》专题报道 |“深部灾害防控理论与技术”

深部煤炭资源开采过程中，将不可避免地产生大幅度采动响应，在矿井采掘作业空间一定范围内，煤岩层、地下含水层及隔水层变形、破断和运动，进而产生大量裂隙及地表沉降，应力应变场、地球物理场、裂隙场、渗流场、温度场、浓度场及其他复合场均发生变化。随着开采深度的日益增大，这种煤岩体多场响应变化特征与浅部相比差异更大。开采活动越来越受到煤与瓦斯突出、冲击地压、巷道围岩大变形、矿井水害、矿井热害等问题的困扰。为便于大家了解“深部灾害防控理论与技术”领域的最新科技成果，小编按照见刊时间，整理了该领域近3年在《煤炭学报》已刊发的论文，一起来看看吧！

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深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统研制与应用

作者(Author)：彭守建, 许庆峰, 许江, 程亮, 周斌, 杨燕, 焦峰

摘要：为了深入研究深部地层煤岩体冲击地压及岩爆灾害致灾规律，自主研制了深部煤岩冲击地压多功能物理模拟试验系统。该系统主要由真三轴荷载加载系统、剪切加载扰动系统、油源与增压器系统、试件制作与输运系统、试验控制与数据采集系统构成。基于该系统开展了300 mm×300 mm×600 mm的粉砂岩及相似材料试验研究。试验结果表明：测试及功能试验证明系统具有良好的准确性和稳定性，能够较高质量的完成真三轴荷载试验，位移及力传感器测试精度良好，同时该系统能完成临空面冲击破坏试验和剪切扰动试验，破坏效果直观显著；巷道破坏现象与红外热成像云图呈现了较为一致的规律，破碎区域能量释放，温度云图颜色加深。整个应力加载阶段整体平均红外辐射温度逐渐增加，进入扰动加载期温度急剧增加；在临近全面破坏时巷道内部裂纹贯通，大量围岩从巷道壁面抛出，声发射计数和能量突增，并且保持在较高水平，声发射累计能量呈指数型增长。电磁辐射能量主要发生在扰动加载阶段的破裂期与全面破坏期，在全面破坏期呈现了明显的能量幅值急剧增加的现象，与声发射能量增幅较为相似，证明了冲击失稳破坏能量的剧烈释放。

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煤炭学报

2024年第11期

68

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深井高应力腐蚀环境下锚杆强度劣化机理及预测

作者(Author)：王猛, 朱斯陶, 李士栋, 李冬冬, 姜福兴, 张修峰, 陈洋, 孟祥阁

摘要：煤矿深部开采除了面临“三高一扰动”之外，还面临井下腐蚀性大气和高应力、强扰动等因素共同形成的高应力腐蚀环境，井下大气腐蚀环境等级能达到CX(极高腐蚀)级。以山东巨野煤田深部矿井为工程背景，首先分析了深井开采高应力腐蚀特征及影响因素，对锚杆杆体材料开展实验和理论研究，揭示了高应力腐蚀环境下锚杆强度劣化机理，推导了杆体强度劣化理论模型。① 通过对杆体材料开展SEM、腐蚀SSRT和加速腐蚀实验发现：腐蚀会造成杆体材料的断后伸长率和断裂时间的衰减，相较于惰性条件分别减少了8.22%和8.34%；随腐蚀率增加，材料破坏形式由韧性破坏向脆性破坏转变，区域腐蚀类型逐渐由点蚀发展为均匀腐蚀。② 结合实验结果、电化学理论与非均匀腐蚀模型，引入Pruckenr温度影响因子，推导出杆体材料强度劣化时变模型。深入探究该模型中服役环境温度T、杆体截面半径R和杆体材料常温腐蚀速率Vh,298K对杆体服役寿命的影响发现，R与服役寿命呈线性正相关；T和Vh,298K与服役寿命的关系表现为服役寿命衰减程度随影响因素水平升高而减小。③ 结合实验结果与锚杆防冲吸能原理，对巷道锚杆支护极限抗冲能力进行计算分析。结果表明，随锚杆腐蚀率增加，锚杆吸能减少，可抵抗最大震级降低，巷道动力失稳灾害发生风险增加。

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煤炭学报

2024年第10期

102

3
深井高应力大巷煤柱释能改性防冲机理及应用

作者(Author)：朱斯陶, 张翔, 姜福兴, 马俊鹏, 张修峰, 夏开文, 王超, 李士栋, 刘金海, 朱权洁, 曲效成

摘要：针对当前我国深井高应力大巷煤柱频繁发生冲击地压的现状，采用现场调查、理论分析、数值模拟和工程试验等方法，研究了我国大巷煤柱冲击地压发生类型与机理，提出了一种高应力大巷煤柱释能改性防治冲击地压的新方法，基于该方法开展了防冲原理研究、技术体系设计、井下工业试验等一系列研究工作，得到：基于大巷煤柱冲击地压的主导力源类型，结合多起冲击地压典型案例，将我国大巷煤柱冲击地压划分为基础应力叠加型、附加应力诱发型和自身蠕变失稳型3类，分别建立并推导了3类大巷煤柱冲击地压发生机理的力学模型与工程判据，揭示了3类大巷煤柱冲击地压的发生机制。提出一种深井高应力大巷煤柱压裂−注浆协同防治冲击地压的方法，其防冲原理体现在“释能”和“改性”2个方面，井下工业试验发现弹核煤体起裂压力约40 MPa，整体最大压裂宽度达19.5 m，现场监测验证该方法能够降低大巷煤柱能量积聚水平，提高大巷煤柱整体冲击阈值。设计了深井高应力大巷煤柱释能改性防冲成套技术体系，包括孤立煤体冲击危险“评估−检验−校核”方法、弹性核水力压裂增缝释能技术和整体注浆加固改性技术。研发了大巷煤柱弹性核压裂“震动−应力−位移”三场监测设备和PS-Z-A/B型无机双组份速凝整体注浆改性材料。

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煤炭学报

2024年第09期

124

13
深部巷帮煤体失稳机制及能量释放特征

作者(Author)：丁可, 顾清恒, 王连国, 郭嘉兴

摘要：冲击地压灾害已成为国内外煤矿井下开采的重大安全隐患。利用真三轴电液伺服加载试验系统，研究了巷帮煤岩组合体三向应力加载、煤体三向和两向应力加载下的应力-应变规律、破坏特征、声发射活动规律，建立了巷帮深、浅部煤体的强度准则关系，分析了深部巷帮煤体的能量释放特征，揭示了深部巷帮煤体失稳诱冲机理。结果表明：不同应力类型的煤体试样受应力环境及结构差异的影响，巷帮浅部煤体试样和高σ2围压条件下的巷帮煤岩组合体试样在峰值应力后均产生应力快速跌落现象，脆性破坏与冲击性较强；在破坏机制上，巷帮浅部煤体试样主要受张拉−剪切耦合机制控制；巷帮深部煤体试样主要受剪切机制控制；巷帮煤岩组合体试样靠近约束面、自由面区域分别受剪切、张拉−剪切耦合机制控制。同围压条件下巷帮浅部煤体更容易破坏，进而基于巷道煤帮冲击能量释放的来源，建立了深部巷帮煤体失稳模型，揭示了深部巷帮煤体失稳机制。

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煤炭学报

2024年第09期

113

9
深部沿空巷道锚固围岩破坏失稳能量驱动机理

作者(Author)：刘学生, 王新, 谭云亮, 李学斌, 杨生龙, 裴洪喜

摘要：深部沿空巷道受侧向顶板断裂所产生的动载影响，锚固围岩易产生大变形，甚至破坏失稳。以山东省孙村煤矿31120工作面上平巷为工程背景，首先采用YTJ20型岩层探测记录仪获得了锚固顶板裂隙发育规律及以脆性张裂破坏为主的破坏方式。然后，通过相似材料模拟试验方法获得了深部沿空巷道侧向顶板前期、过渡期和后期3个运动阶段典型特征，并分析了不同阶段锚固围岩破裂演化及能量释放规律；其中过渡期运动阶段锚固围岩内部应力、变形量急剧增大，裂隙发育明显，能量释放显著，对沿空巷道锚固围岩稳定性影响最大。最后，构建了侧向顶板断裂运动下沿空巷道结构力学模型，给出了锚固围岩输入能量与可抵抗能量定量计算方法，揭示了侧向顶板断裂诱发锚固围岩破坏失稳能量驱动机理，并定义了失稳能量判据，即当作用在沿空巷道锚固围岩上的能量大于锚固围岩可抵抗能量时，将发生破坏失稳。进一步地，提出了锚固围岩失稳风险等级划分方法和相应地控制技术，计算结果表明，31120工作面沿空巷道锚固围岩失稳风险等级为中风险。采取加强支护措施后，沿空巷道顶底板及两帮移近量分别减小35.47%和35.71%，锚索受力减小23.43%，变形速度明显降低，锚固围岩能量积聚程度减小。

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煤炭学报

2024年第04期

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深部开采高温热液侵蚀煤自燃特性

作者(Author)：潘荣锟, 胡代民, 贾海林, 晁江坤, 沈何迪, 刘伟

摘要：深部开采过程中，矿井水温度显著高于浅部煤层，高温热液侵蚀作用影响着煤体物化特征，进而对其自然发火特性产生影响。为研究深部开采热液侵蚀作用下的煤自然发火特性及其影响机制，通过低场核磁共振、分子动力学模拟、力学测试及C600微量热实验，分析了热液侵蚀作用对煤体孔隙度、孔径分布、力学强度、氧化热特征参数的影响规律，并结合相关性分析，定量描述了各个参数间的相关度。研究结果表明：热液侵蚀煤体受热应力和溶胀作用的双重影响，内部孔隙结构发生显著变化，热液温度与煤体总孔隙度之间存在显著正相关关系，相关系数为0.97；随着热液温度的升高，煤体总孔隙度由0.24%增长至1.35%，微孔占比由69%以上降至60%以下，中孔、大孔占比增大；煤体孔隙大小显著影响着氧气的扩散系数，随着煤体孔隙宽度的线性增加，氧气扩散系数呈指数增加；受高温热液侵蚀作用影响，煤体孔隙发育以及部分有机质的溶解显著降低了煤体的力学强度，从原煤到80 ℃热液侵蚀煤体，其抗压强度均值由23 MPa降低至11.6 MPa，降低了50%；相较于原煤，热液侵蚀煤体的放热强度更高，放热量更大，TH40、TH50、TH60、TH70、TH80放热量分别增加了12.61%、16.63%、17.32%、19.36%和25.02%，热液温度与煤氧化放热量间相关系数为0.92。高温热液侵蚀作用显著影响着煤的孔隙度及氧化过程，随着热液温度升高，煤体孔隙度增大，力学强度减弱，氧化过程耗氧量及氧化速率加快，放热量增加。高温热液侵蚀煤具有更高的自燃危险性，且热液温度越高，风险越大。

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煤炭学报

2024年第04期

143

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我国深部冲击地压防控工程技术难题及发展方向

作者(Author)：潘俊锋, 夏永学, 王书文, 马文涛, 张晨阳, 王冰

摘要：随着煤矿开采深度不断加大，我国深部冲击地压发生及其防治变得常态化，为了提高深部冲击地压防控技术成效，从深部冲击地压防控现场工程技术难题出发，结合灾害防治工程实践数据统计，分析了我国深部冲击地压防控因自身地质赋存地应力高，人为开采扰动范围大，灾害防治过程围岩卸压后应力恢复快，冲击地压防治成效低下原因归结于防冲卸压工程实施与浅部开采相比，面临“三高一低”防控技术新要求，包括高强度的大尺寸钻孔卸压，以解决厚硬煤层不容易塌孔问题；小间距高密度施工钻孔，以解决钻孔卸压范围不联通问题；多轮反复高频度施工，以解决深部煤层卸压后应力恢复快问题；采掘工作面进尺低速度推进，以解决开采扰动强度大问题。针对深部冲击地压“三高一低” 防控新要求模式，为了进一步提高冲击地压防控安全可靠性，以常规源头防控冲击地压采用优化开拓开采部署的局限性为背景，提出了深部冲击地压上覆岩层结构与载荷主动调控区域防控冲击地压技术，并提出了进一步需要解决的科学问题；以近年来几起典型的冲击地压事故存在防治方案“漏靶”问题为背景，开发了深部冲击地压采掘空间局部靶向防控技术，并指出了下一步还需要解决的科学难题；以煤矿冲击地压防治措施实施后，难以评判安全性问题为背景，提出了深部冲击地压防治卸压达标评判技术，并指出了下一步还需要解决的科学难题；以煤炭行业大力推广开采智能化，治灾仍需靠人工，人员处于高危环境作业问题，探索了深部冲击地压防治过程智慧智能化新兴研究方向及其面临的科学难题。最后，客观的指出，冲击地压防控绝不纯粹是理论与技术问题，人类对专业问题的认知也是酿成事故的重要原因之一，结合现场工程实践，讨论了冲击地压概念、冲击地压机理是否清楚、冲击地压能否预测、冲击地压能否防治以及冲击地压矿井怎么办等行业焦点专业问题，指出冲击地压工程难题是人类与自然界作斗争，需要从业人员客观认知，客观接受并深入研究，成效是显著的。

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煤炭学报

2024年第03期

186

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深部采矿岩石力学进展

作者(Author)：何满潮, 武毅艺, 高玉兵, 陶志刚

摘要：随着煤炭开采日益向深部发展，深部采矿引发的围岩大变形破坏和强冲击动力灾害日益严峻。在深部高地应力、高地温、高渗透压、强采动、强流变及多场耦合的复杂地质力学环境下，深部采场的应力场特征、煤岩体破碎性质、岩层移动及能量的积聚释放规律等均发生了显著变化。针对深部采矿中的岩石力学问题，论述了笔者及团队在深部采煤方法、深部巷道破坏机理与围岩控制、深井热害与地热利用三大方向取得的进展，主要包括：① 提出了平衡开采理论和实现平衡开采的110/N00工法，进行了千米深井现场工程应用；② 构建了深部“非均压建井”模式，研发了实现深井稳定提升的SAP系统，形成了可大幅简化井巷工程量和提高矿井采出率的建井方法；③ 研发了多套适用于研究深部岩体在水、高温、高压、结构效应及多场耦合作用下发生宏观破坏的实验系统和可进行微观层面演算的超算系统，揭示了深部软岩大变形破坏机理及多尺度力学特性；④ 研制了深部岩体冲击型和应变型岩爆实验系统，阐述了深部岩体冲击能量沿开挖临空面瞬间释放的非线性动力学行为；⑤ 提出了深部巷道开挖补偿支护理论，进一步发展了具有高恒阻、高延伸率、强吸能和耐冲击超常力学特性的NPR支护材料和技术；⑥ 研发了模拟深部高温、高湿和高压环境下的岩体热力学实验系统，提出了热害治理和热能资源化利用方法，建立了深部热害治理与热能综合利用系统(HEMS)。相关研究成果已在深部开采领域得以应用，可为深部采矿面临的复杂岩石力学问题提供借鉴。

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煤炭学报

2024年第01期

242

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