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煤矿采动应力演化与围岩控制

岩石力学与工程学报 2024年第1期43卷 1-40页

作者：康红普高富强中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

应力是引起采矿工程地下空间围岩变形与破坏的根本驱动力,大范围、高集中应力是煤矿井下采动应力的显著特点。煤矿井下应力场包括原岩应力场、采动应力场及支护应力场,三者共同构成井下综合应力场。以应力为主线,论述煤矿井下围岩应力... 详细信息

应力是引起采矿工程地下空间围岩变形与破坏的根本驱动力,大范围、高集中应力是煤矿井下采动应力的显著特点。煤矿井下应力场包括原岩应力场、采动应力场及支护应力场,三者共同构成井下综合应力场。以应力为主线,论述煤矿井下围岩应力演化特征及围岩控制理论与技术。在原岩应力方面,基于大量现场地应力测量数据,详细分析我国煤矿井下地应力场分布特征及影响因素。在采动应力方面,采用理论分析、数值模拟、相似模拟和现场监测相结合的方法,从多个维度综合研究掘进工作面与巷道围岩应力的演变过程,分析采煤工作面周围的采动应力演化特征及主要影响因素。在支护应力方面,自主研发一系列巷道支护测试及模拟试验平台,系统开展锚杆及护表构件在多种复杂受力状态下的测试试验,揭示它们的力学响应特征及破坏机制。深入研究各种支护方式在支护结构自身及围岩中产生的支护应力场分布特征及演化规律。在研究原岩应力、采动应力及支护应力的基础上,分析围岩表面支护、锚固、改性、卸压及联合法的围岩控制机制、设计方法、支护加固材料及控制技术。应用实例重点介绍水力压裂卸压技术、支护+改性+卸压协同控制技术,井下试验与应用表明,基于采动应力演化的围岩控制技术显著提高了巷道围岩稳定性和安全程度,取得良好的围岩控制效果。最后,分析煤矿井下应力场研究及巷道围岩控制中存在的问题,并对未来围岩应力测试与分析、围岩控制理论与技术发展趋势进行展望。

关键词：采矿工程煤矿原岩应力采动应力支护应力应力演化围岩控制

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低刚度加载诱发煤样冲击破坏特征及其机制

岩石力学与工程学报 2024年第6期43卷 1455-1467页

作者：卢志国高富强鞠文君娄金福白刚董双勇孙卓越杨磊李建忠中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院辽宁阜新123000

冲击地压刚度理论认为加载刚度降低是煤柱冲击的必要条件之一,为量化低刚度加载对煤体力学性质及破坏特征的影响,选取不同弹性模量岩石材料与煤样构成不同刚度比组合试样,岩石作为煤样的直接加载体,实现对煤样的低刚度加载,获取煤岩组... 详细信息

冲击地压刚度理论认为加载刚度降低是煤柱冲击的必要条件之一,为量化低刚度加载对煤体力学性质及破坏特征的影响,选取不同弹性模量岩石材料与煤样构成不同刚度比组合试样,岩石作为煤样的直接加载体,实现对煤样的低刚度加载,获取煤岩组合试样各项力学参数,并分析其宏、细观破坏特征;收集煤样破坏后碎屑,量化碎屑尺度及散落空间分布特征,利用高速相机记录煤样碎屑弹射过程,获取弹射碎屑的体积、速度、动量及动能等参量描述其弹射特征,以碎屑尺度、散落空间分布及弹射特征,定量评价组合试样中煤样破坏烈度。利用黏贴于试样表面应变片获取加载过程变形特征,结合试验机记录载荷数据,计算能量演化,从能量角度分析组合试样中煤样冲击破坏机制。研究发现:(1)组合试样中煤样均发生冲击破坏,加载阶段岩石被压缩而积累弹性应变能,当煤样破坏时,所积累能量中超过90%随岩石回弹变形而释放对煤样做功,导致煤样冲击破坏。(2)组合试样轴向变形是岩石和煤样变形的综合,峰值强度时刻煤样轴向变形量相对恒定,不同组合模式下,组合试样轴向变形量的差异主要取决于岩石,峰值强度时刻岩石轴向应变随弹性模量增大而减速降低。(3)随岩石弹性模量降低,峰前变形量呈反比例函数增大,弹性应变能积累量增加,峰后能量释放量急速增大,导致煤样破坏烈度随岩石弹性模量降低而非线性加剧。(4)峰值强度时刻岩石轴向应变、煤样破坏烈度等参量随组合试样中岩石弹性模量演化规律的非线性特征突出:当岩石与煤样弹性模量处于同一量级时,各参量对岩石弹性模量变化响应显著;当岩石弹性模量显著高于煤样时,各参量对岩石弹性模量响应程度减弱。

关键词：岩石力学煤岩组合试样冲击破坏力学性质变形特征能量演化破坏烈度

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冲击地压煤层智能开采关键技术研究与实践

煤炭科学技术 2024年第09期52卷 112-124页

作者：祁和刚夏永学智宝岩秦子晗程健王凯王书文王宾昌杨光宇煤炭科学研究总院中煤科工开采研究院有限公司中煤陕西榆林大海则煤业有限公司煤炭科学研究总院矿山人工智能研究院北京天地玛珂电液控制系统有限公司中国中煤能源集团有限公司

如何实现深部冲击地压煤层智能安全高效开采是煤炭开采面临的一项重大工程技术难题。该问题的核心内涵在于冲击地压煤层开采的智能化、无人化和本质安全化，通过煤岩冲击风险的智能精准感知与预警，以及采掘工程的自适应与自优化，形成... 详细信息

如何实现深部冲击地压煤层智能安全高效开采是煤炭开采面临的一项重大工程技术难题。该问题的核心内涵在于冲击地压煤层开采的智能化、无人化和本质安全化，通过煤岩冲击风险的智能精准感知与预警，以及采掘工程的自适应与自优化，形成智能防冲控采技术，实现由工程致灾向工程防灾、工程减灾的根本转变。通过开采源头设计、顶板区域压裂、局部靶向治理、强化巷道支护等措施为冲击地压煤层安全高效开采创造低应力环境和巷道安全空间。在此基础上，开发融合静态地质、动态监测、工况环境、人员定位、生产组织、历史数据等信息的大数据分析软件平台，以及融合冲击地压决策信息的智能化开采控制系统，将防冲信息源转化为智能开采控制源，形成了“低压快推，中压慢采，高压停产”的柔性智能推采新模式。通过现场应用表明，在智能防冲控采区，工作面及巷道矿压显现程度更小，煤岩能量释放更稳定，有利于冲击产能的合理释放。

关键词：冲击地压智能控采区域卸压靶向防范风险感知

基于HSV空间的煤矿不均匀照度图像修复算法研究

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煤炭科学技术 2024年

作者：雷声张金虎李艳鹏刘培源中煤科工开采研究院有限公司煤炭科学研究总院开采研究分院

为适应煤矿智能化建设的需要，井下逐渐部署了大量数字图像采集设备，在矿山安全高效生产中发挥出重要作用。然而受井下人工光源布置不均引起的非均匀照度以及煤尘等微粒引入的噪声等因素的制约，所采集图像的质量难以保证。针对这一问... 详细信息

为适应煤矿智能化建设的需要，井下逐渐部署了大量数字图像采集设备，在矿山安全高效生产中发挥出重要作用。然而受井下人工光源布置不均引起的非均匀照度以及煤尘等微粒引入的噪声等因素的制约，所采集图像的质量难以保证。针对这一问题，提出了一种在HSV颜色空间中进行图像修复的方法。该方法将图像转换到HSV颜色空间并分别提取明度分量、色度分量和饱和度分量；通过改进的多尺度Retinex算法来修复与均衡明度，通过在频率域中的噪声分析并应用巴特沃斯滤波器来修复色度，通过基于相关性的自适应饱和度校正方法来修正饱和度；最后将修复后的图像从HSV空间逆变换回RGB空间，从而完成图像修复。在图像修复效果上，本文所述方法相比经典的多尺度Retinex（Multi-Scale Retinex， MSR）算法和带有颜色恢复的多尺度Retinex（Multi-Scale Retinex with Color Restore， MSRCR）算法均有明显改进，能够在修复图像观感的同时保持其色彩和边缘。实验对比了不同算法处理所得图像的标准差、平均梯度和信息熵等指标，本文所提出的图像修复算法相较MSR算法分别提升了24.24%、48.38%、1.43%，相较于MSRCR算法分别提升了8.68%、39.88%、1.35%。实验结果表明，本文所述方法可有效提升从井下观测得到的图像与视频质量，为矿山安全生产和智能化决策提供高质量图像数据支持。

关键词： Retinex 图像增强图像滤波不均匀照度煤尘

矿井图像的多维特征与残差注意力网络超分辨率重建方法

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煤炭科学技术 2024年

作者：程健米立飞李昊李和平王广福马永壮煤炭科学研究总院煤炭科学研究总院有限公司矿山人工智能研究院煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室天地科技股份有限公司

煤矿井下环境复杂，受光照、煤尘、水雾的影响，采集的图像往往存在细节模糊、纹理缺失等问题，低分辨率的矿井图像对煤矿安全监控的智能化发展带来诸多制约。图像超分辨率重建作为一种重要的图像处理技术，旨在从矿井低分辨率图像中恢... 详细信息

煤矿井下环境复杂，受光照、煤尘、水雾的影响，采集的图像往往存在细节模糊、纹理缺失等问题，低分辨率的矿井图像对煤矿安全监控的智能化发展带来诸多制约。图像超分辨率重建作为一种重要的图像处理技术，旨在从矿井低分辨率图像中恢复出清晰的高分辨率图像，从而显著提升煤矿智能监测与安全管理的可靠性。针对矿井图像边缘纹理信息缺失、细节模糊不清等质量退化问题，本文提出一种矿井图像的多维特征与残差注意力网络超分辨率重建方法。首先，采用多分支网络将动态卷积与通道注意力机制进行并行融合，以“水平-通道”“垂直-通道”交互方式来捕获不同的空间统计特性。其次，设计了一种递归稀疏自注意力机制，在线性复杂度下聚合代表性特征图，自适应选择权重分配，减少计算过程中的信息冗余。最后，基于标准多头自注意力机制和残差连接方式构建深层特征提取的基本单元，将获得的特征信息与浅层特征通过跳跃连接共同输入重建模块，完成超分辨率矿井图像重建。实验结果表明，本文所提方法在客观评价指标和主观视觉分析上较现有主流算法均有明显提升。在矿井数据集的测试中，2倍和4倍缩放因子下的图像相似性（LPIPS）平均降低10.97%、9.91%，峰值信噪比（PSNR）平均提升4.10%、2.30%。证明了该方法在恢复矿井图像结构和纹理细节上的有效性。

关键词：煤矿井下图像超分辨率重建注意力机制残差网络递归算法

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基于局部矿井刚度理论的煤柱冲击机理及防治

煤炭科学技术 2024年

冲击地压频发严重威胁煤炭资源安全高效回收，冲击地压机理研究是预测预警和灾害防治的基础。针对某矿井应力环境稳定且未受到动载影响的条件下发生的冲击事件，引入局部矿井刚度(LMS)概念，并以该矿井冲击事件高发区域为工程背景，综合运用数值分析和现场实测等方法，分析复杂采掘布置条件下大空间尺度采掘作业过程中煤柱力学响应规律，并考察该过程中局部矿井刚度演化。指出采掘作业导致局部矿井刚度降低，煤层及其顶底板系统中能量快速积累，超过煤柱破坏所需能量，在失稳瞬间迅速释放造成煤柱冲击破坏，并对比分析随工作面推进局部矿井刚度演化与现场地音及微震实测数据。基于煤柱冲击破坏机理，结合该矿生产实际，采用大直径钻孔弱化煤体，降低冲击危险性，并以实测微震数据验证防冲效果。研究表明：(1) 煤柱变形、载荷及弹性能量积累随采掘作业整体呈增长趋势，但LMS呈降低趋势，采出空间尺寸及其与研究区域间距离是主要影响因素，LMS对工作面回采响应程度显著大于巷道掘进，工作面回采对LMS降低显著影响范围是巷道掘进的3.67倍，单位推进距离下LMS降幅是巷道掘进的6.41倍。(2) 随工作面推进LMS演化与现场地音及微震数据的良好对应关系，表明煤层回采导致LMS降低直接影响煤柱破坏方式，煤层及其顶底板系统中能量随LMS降低而快速积累，在煤柱承载能力降低时迅速释放，致使煤柱发生冲击破坏。(3) 采用大直径钻孔弱化煤体后，微震能量及频次均显著降低，表明大直径钻孔破坏该区域煤体，降低煤柱峰后刚度，冲击危险性降低。

关键词：煤炭开采冲击地压局部矿井刚度煤柱响应能量演化大直径钻孔防冲

橡胶垫层吸能缓冲构件对锚杆支护系统抗冲击性能的影响机理

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煤炭学报 2024年

作者：卢志国高富强娄金福董双勇彭相愿白刚王晓卿杨磊付玉凯中煤科工开采研究院有限公司煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室煤炭科学研究总院开采研究分院辽宁工程技术大学安全科学与工程学院

冲击危险巷道的防冲支护实践表明，锚杆支护系统中安装吸能缓冲构件可显著改善其抗冲击性能。以橡胶垫层作为吸能缓冲构件，采用自主研制的冲击试验平台开展了吸能缓冲构件对多锚杆支护系统抗冲击性能影响机理的试验研究。通过对有、无... 详细信息

冲击危险巷道的防冲支护实践表明，锚杆支护系统中安装吸能缓冲构件可显著改善其抗冲击性能。以橡胶垫层作为吸能缓冲构件，采用自主研制的冲击试验平台开展了吸能缓冲构件对多锚杆支护系统抗冲击性能影响机理的试验研究。通过对有、无吸能垫层两种工况下锚杆支护系统进行冲击加载试验，得到锚杆变形、载荷、吸能及围岩破碎特征等参量的响应特征，定量阐释了吸能缓冲构件对支护系统抗冲击性能的影响机制。研究表明：(1) 锚杆支护系统经历冲击作用时，锚杆载荷的动态响应早于变形，且安装吸能缓冲构件时锚杆载荷、变形及响应“时-速”均显著降低，表明吸能缓冲构件能够改善锚杆支护系统的抗冲击性能；(2) 吸能缓冲构件通过塑性变形消耗部分冲击能量，降低支护系统中主要构件的吸能需求，锚杆吸能速率降低是能量吸收量降低与响应时间延长双重作用的结果；(3) 吸能缓冲构件有利于均衡锚杆群受力，与各支护构件协同承载，进而提升支护系统的抗冲击性能，支护系统各冲击响应指标的标准差显著降低，其中锚杆吸能速率降低尤为明显，降幅达77.89%；(4) 安装吸能缓冲构件，围岩破坏程度，围岩裂隙迹线长度、分形维数及质量损失比等定量指标显著降低，吸能缓冲构件防冲作用表现在抑制裂隙扩展、张开及防止破裂后碎块分离弹射2个方面。研究成果可为冲击危险巷道锚杆支护系统的优化设计提供有益参考。

关键词：锚杆吸能缓冲构件动态响应特征冲击地压巷道支护

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冲击载荷下砂质泥岩破碎分形特征

中国安全生产科学技术 2024年第6期20卷 133-139页

作者：孙卓越吴拥政周鹏赫中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013

为研究砂质泥岩在冲击载荷下的破碎分形特征,采用霍普金森压杆试验装置,对砂质泥岩试样开展冲击压缩试验,探究其在5级冲击气压和2种长径比下的应力-应变曲线特征和破坏形态,并引入分形维数量化破碎程度和破碎块度分布,分析分形维数与加... 详细信息

为研究砂质泥岩在冲击载荷下的破碎分形特征,采用霍普金森压杆试验装置,对砂质泥岩试样开展冲击压缩试验,探究其在5级冲击气压和2种长径比下的应力-应变曲线特征和破坏形态,并引入分形维数量化破碎程度和破碎块度分布,分析分形维数与加载值、强度值和能量值的关系。研究结果表明:冲击载荷下砂质泥岩破坏演化主要分为裂隙压实段、以弹性变形为主的弹-塑性稳定段、以塑性变形为主的塑-弹性非稳定段、宏观破坏段4个阶段,对于冲击前长度20 mm砂质泥岩试样,在裂隙压实段试样被压缩至19.86 mm,压缩量为0.7%;冲击载荷下砂质泥岩试样呈劈裂破坏,且破碎块度分布具有较好分形规律,长径比0.4和0.8试样的分形维数与应变率、动态抗压强度、破碎耗能密度均呈正相关;相同冲击气压下,长径比0.4试样对应变率和动态抗压强度的敏感性较长径比0.8更强;当破碎耗能密度相同时,长径比0.4试样较长径比0.8的分形维数更大。研究结果可为砂质泥岩顶底板巷道的防冲治理提供一定理论参考。

关键词：岩石动力学分离式霍普金森压杆(SHPB) 分形维数应变率破碎形态

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尾矿库灾害风险防控研究现状及发展态势

武汉大学学报（工学版） 2024年第8期57卷 1054-1064页

作者：朱远乐王淇萱刘文岗廖文景曾凡超王涛长沙矿山研究院有限责任公司湖南长沙410012 金属矿山安全技术国家重点实验室湖南长沙410012 武汉大学水利水电学院湖北武汉430072 煤炭科学研究总院中央研究院北京100020

尾矿库由尾矿堆积而成,具有高势能的危险源。一旦溃坝,会对下游居民和设施的安全造成严重威胁,极有可能酿成重特大事故。在收集大量尾矿库灾害风险相关研究领域文献的基础上,介绍了尾矿坝稳定性分析及失稳机理、尾矿库安全监测技术、尾... 详细信息

尾矿库由尾矿堆积而成,具有高势能的危险源。一旦溃坝,会对下游居民和设施的安全造成严重威胁,极有可能酿成重特大事故。在收集大量尾矿库灾害风险相关研究领域文献的基础上,介绍了尾矿坝稳定性分析及失稳机理、尾矿库安全监测技术、尾矿库灾害风险辨识、尾矿库灾害风险评价与灾变预警等4个方面的研究现状及成果,并指出了目前研究的不足:1)尾矿坝全生命周期动态多因素耦合作用机理尚未明确;2)尾矿库高精度监测技术需进一步研究,安全监测指标体系需进一步完善;3)尾矿库灾害风险辨识尚未引入智能算法,也未结合三维大数据体系及周边环境信息等多源数据;4)尾矿库灾变预警尚未考虑多源数据融合分析。通过探讨我国尾矿库灾害风险防控当前所面临的问题,并提出发展建议,为尾矿库防灾减灾理论研究与技术革新提供参考。

关键词：尾矿库灾害风险防控安全监测灾变预警应急管理