《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！

行业视野: 安全
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深部巨厚承压含水层采动疏水诱冲机理

作者(Author)：窦林名, 周坤友, 曹安业, 侯涛, 巩思园, 阚吉亮, 马小涛

摘要：陕蒙地区覆岩普遍赋存较厚承压含水砂岩层，工作面涌水量大、承压含水层水位显著下降，巨厚覆岩承压含水层下冲击地压和高能矿震监测表明覆岩承压水的采动疏放具有一定的诱冲效应。为揭示覆岩承压含水层采动疏水诱冲机理，开展了流固耦合数值模拟，分析了不同孔隙水压岩体力学行为及巨厚覆岩承压含水层采动疏水条件下围岩应力−能量场演化特征，揭示了覆岩承压含水砂岩层采动疏水对围岩应力场作用机制；并考虑巨厚覆岩对围岩动静载应力作用效应，提出了覆岩承压含水层采动疏水诱冲机理。研究结果表明：覆岩巨厚承压含水砂岩层下动力显现均发生在覆岩承压水位快速下降期间，覆岩承压水的采动疏放对围岩产生应力扰动；采动疏水条件下覆岩承压含水岩层孔隙水压降低，岩层强度和承载能力增大，覆岩载荷向采场两侧转移，导致围岩应力升高、能量进一步积聚，其对围岩应力场−能量场作用程度与采场尺度和疏放程度正相关，与煤层-承压含水层距离、承压含水层岩层厚度及强度负相关；巨厚覆岩承压含水层下顶板大尺度悬臂−铰接结构导致采场围岩高静载及强动载，在覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用下，煤岩体中叠加应力超过其临界载荷且释放的总能量超过其破坏所消耗能量，诱发冲击地压，其中高静载是冲击地压发生的应力基础，矿震动载和覆岩承压含水层采动疏水导致的应力扰动是重要诱因。针对覆岩承压含水层采动疏水及巨厚承压含水层覆岩结构对冲击风险的影响特征，提出了巨厚承压水含水层注浆堵水和优化盘区尺寸的防冲措施，通过地面注浆和降低采场尺寸能够降低覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场的作用效应、避免巨厚覆岩形成大尺度悬臂−铰接结构，从而降低巨厚承压含水层下冲击地压风险。

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煤炭学报

2024年第01期

91

7
流固耦合作用下深部岩石动态力学响应研究进展

作者(Author)：夏开文, 王峥, 吴帮标, 徐颖, 岳腾泷

摘要：深部岩石处于高地应力、高渗透压和强动态扰动的复杂地质环境之中，3者作用下岩石体更加容易发生损伤破裂，诱发突涌水、渗漏、井喷等工程地质灾害，因而探究流固耦合作用下岩石的动态力学响应是开展岩石工程建设的前提之一。近年来，国内外众多学者在考虑水和不同应力状态下的岩石动态力学实验研究方面取得了显著的成果。为给工程建设提供更加全面的指导并为后续研究奠定基础，从实验装置、测试结果以及围压与水的作用机理层面，对上述工作进行了回顾与总结。首先介绍了分离式霍普金森压杆测试装置的基本原理，以及用于模拟深部岩石赋存环境所进行的装置改进，包括围压分离式霍普金森压杆实验系统和孔压(渗透压)耦合的分离式霍普金森压杆实验系统，简要分析了各类装置在研究流固耦合作用下岩石动力学问题时的优势和不足。其次，总结了考虑不同应力状态(单向加载、三向围压加载)的流固耦合作用下岩石的动态力学响应特性。详细介绍了固定预设孔压、渗透压耦合作用下深部岩石的动态力学响应及其随孔隙水压、渗透压变化的规律。随后，概述了围压对岩石动力学性质的影响机理，分析了不同围压条件下的影响规律；总结了水对岩石动态力学性质的强化、弱化微观机制和定量表达。最后，对流固耦合作用下深部岩石的动态力学响应进行了概括总结，并对未来实验研究工作和深部赋存条件下岩石动态力学的研究方向进行了展望。

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煤炭学报

2024年第01期

149

4
深地科学与深地工程技术探索与思考

作者(Author)：谢和平, 张茹, 张泽天, 高明忠, 李存宝, 何志强, 李聪, 刘涛

摘要：21世纪的深地科学进入了新的发展阶段，深地科学规律尚未探明，深部工程活动普遍存在着一定程度的盲目性、低效性和不确定性，地球深部内源动力、结构演变规律、致灾机理等仍待进一步认知。因此首先从地球科学的视角定义了深地科学：以地球浅层以深的深层和超深层为研究对象，旨在探索地球不同层圈和不同赋存深度(深层和超深层)科学奥秘；理清了深地科学与地球科学的区别与联系：即深地科学是在已知地球科学知识体系上的延伸，是拓展科学视野、深化地球认知的国家战略科技方向，包含于地球科学；定义了深部与深地工程科学的本质：即针对现有浅部工程的科学规律与技术无法适用于深部工程的难点，探索深部工程相关科学规律，突破深部工程关键基础科学问题，匹配人类在深部工程活动中的地灾防控需求，进而指导深部资源安全高效绿色开发、深部工程空间有效利用。提出深地工程技术定义，即指人类为利用地球、开发地球所需要的工程实施技术与装备，为探索深地科学规律、开发深地工程必需的理论与技术手段。最后，进一步明确了深地科学的研究内容与规划，以及深地工程技术内涵与攻关方向(即深地工程岩土力学与灾变机理、超深井智能建造与能源资源高效开采、深地隧道与巨型洞室群智能建造、深地工程灾害智能防控与健康运维)，以期促进深地科学领域的发展。

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煤炭学报

2023年第11期

406

81
千米深井超长工作面顶板分区破断驱动机制与围岩区域化控制研究

作者(Author)：王家臣, 王兆会, 唐岳松, 孙文超, 冯云贵

摘要：我国煤矿开采深度和工作面长度不断增加，矿压显现剧烈程度逐年走高。为提高深部超长工作面围岩控制效果，以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景，采用现场实测、理论分析、室内试验等手段研究顶板微震活动规律，揭示顶板分区破断与动态迁移机制。结果表明：千米深井超长工作面支架阻力呈现“中间小、两端大”的谷形分布特征，顶板破断有异于常规采场的“O-X”模式；工作面不同推进阶段，顶板破断引起的高能级微震事件位置在工作面长度方向上动态变化，表明基本顶破断存在分区和动态迁移现象；工作面中部高能级微震事件携带能量小于工作面两侧，造成中部动载冲击效应弱，与支架阻力谷形分布吻合；将超前采动应力大于基本顶初始屈服强度的区域定义为峰值影响区，区内应力集中驱动超前裂隙萌生，应力释放和应力旋转促进裂隙扩展，揭示了旋转性采动应力驱动超前裂隙发育机理；构建了基本顶分区破断与动态迁移力学模型，原生裂隙和采动裂隙改变了基本顶局部边界条件，引发基本顶分区破断现象，由中部峰值影响区至工作面两侧，基本顶极限承载能力降低，导致分区破断动态迁移现象；峰值影响区基本顶破断尺寸小于非峰值影响区，解释了121304工作面支架阻力呈谷形分布的原因；根据千米深井超长工作面基本顶分区破断与动态迁移模式，提出了工作面围岩区域化控制方法，中部峰值影响区液压支架采用成组协同移架方式，其他区域采用独立移架方式，提高了121304工作面围岩控制效果。

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煤炭学报

2023年第10期

354

148
我国煤岩动力灾害研究进展及面临的科技难题

作者(Author)：袁亮, 王恩元, 马衍坤, 刘玉冰, 李晓亮

摘要：随着我国浅部煤炭资源日益枯竭,煤矿开采转向深部将成为保障我国能源需求的新常态。针对深部煤炭资源开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压及其复合动力灾害等问题,分析了我国煤岩动力灾害机理研究进展,阐述了煤岩动力灾害评价和监测预警关键技术,总结了煤岩动力灾害防治和风险管控措施及技术手段,提出了煤岩动力灾害预防及研究面临的科技难题和科学研究展望:在研究手段方面,研发能真实反映现场复杂地质条件、工程条件及其多场耦合作用过程的科研仪器,发展矿山动力灾害演化模拟与再现技术,揭示煤岩动力灾害的耦合演化机制;在危险区探测方面,进一步发展基于地球物理手段的工作面动力灾害危险区超前精细探测理论与技术,研发原位条件及采掘影响下煤岩层多参量时空分布钻测与反演技术;在风险评价方面,开展深部复杂地层和采掘工程耦合条件下灾害危险性评价关键指标及智能评价方法研究;在监测预警方面,建立煤矿多灾害融合监控预警平台,实现煤矿多灾害融合监控、智能预警和安全态势的准确分析;发展煤岩动力灾害的远程精准区域防治技术,实现煤岩动力灾害的超前区域防控;研究煤岩动力灾害事故数字化应急决策理论与关键技术,实现煤岩动力灾害智能应急决策。通过理论、技术及设备等系统研究,为实现动力灾害有效防控、保障煤炭资源安全高效开采提供保障。

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煤炭学报

2023年第05期

610

253
深厚表土覆岩结构运移演化及高应力突变致灾机理

作者(Author)：孟祥军, 张广超, 李友, 陈连军, 王超, 赵仁宝, 陶广哲, 王冬, 周广磊, 陈淼, 栾恒杰

摘要：覆岩运动演化是井下动力灾害孕育发生的根本原因,掌握具体地层条件下覆岩运动规律及其演化致灾机理对实现动力灾害防控具有重要意义。以 3301 工作面为工程背景,综合运用相似模拟、理论分析与现场实测相结合的方法,研究了表土层−基岩不同厚度组合变化下基岩、表土层及地表下沉盆地的整体破坏形态与联合运移演化规律,揭示了 2 类典型表土层−基岩组合条件下的覆岩结构运移演化规律及采动应力传递形成机制,推导获得了巨厚表土薄基岩条件下的支承压力定量表达式,并提出了高应力突变致灾宏观判别准则,现场工程实践验证了模型合理性。得到主要结论如下:① 煤层开采后软弱基岩呈现非对称“类梯形”破坏形态,巨厚松散表土层呈现“倾斜漏斗形 ” 破坏形态 , 表土层运移演化具有响应速度快、运移范围广、下沉系数大的特点 ;② 表土层−基岩双层介质在不同厚度组合条件下的运移演化规律具有较大差异,厚表土层薄基岩(I 型) 条件下,基岩自下而上发生塑性破裂,破断岩体块度小,难以形成稳定结构;厚表土层厚基岩 (Ⅱ型) 条件下,基岩由塑性破裂逐渐转化为块式破断,破断步距逐步增大,关键层效应逐渐突显,破断后形成结构的承载能力提高,能阻止上覆表土层的运移和沉降,地表下沉量出现一定程度的减小;③ 深厚表土薄基岩条件下,工作面前方大范围表土层向采空区发生运移,载荷集中作用在工作面上方基岩和超前煤体内,同时由于基岩软弱、破断岩块尺寸较小、无法形成规模悬顶的特点,限制了载荷向煤壁前方更远处传递,致使呈现应力峰值大、影响范围小、波动性大特点;④ 建立了考虑深厚表土大范围运移、基岩塑性破裂特征的支承压力估算模型,获得了支承压力计算方法,并以 3301 工作面具体参数为例,估算出其支承压力影响范围为 72 m,峰值为 44.2 MPa,应力峰值距煤壁 23 m,具有一定冲击风险;现场地表沉降特征与采动应力监测结果验证了理论分析与相似模拟结果的科学性。

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煤炭学报

2023年第05期

239

139
深部煤巷围岩三向应力差异梯度致冲机理

作者(Author)：刘国磊, 王泽东, 崔嵛, 马秋峰, 颜磊, 韩玉忠

摘要：以深部煤巷围岩为研究对象,针对冲击地压灾害严重、致冲机理研究尚不完善、防冲工程缺少更具针对性指导依据等问题,采用室内试验、数值模拟、理论分析等方法,从三向应力差异角度揭示深部煤巷围岩冲击致灾机理。基于采掘活动扰乱煤岩体三向等压状态导致围岩破坏的特点,通过 PFC 模拟试验和理论推导研究了不同应力路径下的煤体单元体响应特征,得到单元体失稳的应力差异判据,进一步提出煤巷围岩应力差异梯度 Dg 和应力差异梯度变化率 Dgc 的概念,基于 Drucker-Prager 准则分析了巷道围岩 Dg 演化特征,进而得到巷帮煤体 Dg 集中致冲的作用机理,并结合冲击地压事故案例进行分析验证。结果表明:煤体的应力差异承受能力随着应力路径的不同而存在显著差异;围岩应力演化的目标是 Dg 峰值降至极小值,围岩的破坏和屈服是 Dg 驱动作用的结果;围岩内应力差异梯度 Dg 随埋深增大和煤层冲击倾向性等级升高而增长,体现出明显的 “上升—跌落—下降”梯度性质;Dgc 表征围岩内 Dg 集中程度,Dg 升高区煤体在应力扰动作用下,满足 Dgc0 < D' gc < k1Dgc0 时发生较稳定的变形、位移,满足 k1Dgc0≤D' gc < [Dgc] 时发生较稳定的整体失稳,满足 D' gc≥[Dgc] 时发生冲击地压;巷帮煤体冲击是围岩变形、破坏的一种极端演化形式;防冲机制应以弱化围岩 Dg 水平为核心,以 Dgc 控制为主要着力点。

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煤炭学报

2023年第05期

314

186
深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

作者(Author)：王兆会, 唐岳松, 李猛, 吴山西, 孙文超, 李家龙, 水艳婷

摘要：焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层,覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大,采场面临强矿压、突水溃沙威胁,沉陷区出现裂缝和积水,破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果,以赵固二矿 14030 工作面为工程背景,采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理,探究支架选型与灾害防控方法。结果表明:覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长 4 个阶段,前 2 个阶段覆岩稳定,第 3 阶段因变形局部集中进入非稳定状态,第 4 阶段因非连续变形进入裂隙发育进程;采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致基岩全厚断裂,形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构; 覆岩连续变形受关键层控制,非连续变形由冲积层冒落裂隙主导;基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因,揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理,采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件;构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型,提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法,得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据,采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递,增强了冒落拱自稳能力;提出了基岩破断面恒定法向刚度条件下高耸岩梁承载能力计算方法,确定了保持岩梁平衡所需支架具备的支撑能力;基于厚冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载机理,提出了液压支架强度-刚度双参量选型方法和覆岩突水溃沙通道快速识别方法,实测结果表明赵固二矿 14030 工作面支架选型基本合理,突水溃沙通道识别则为顶板注浆钻孔参数确定提供了指导。

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煤炭学报

2023年第02期

405

1007