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引水隧洞边挖边衬平行作业底板混凝土保护关键技术研究

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中国农村水利水电 2025年

作者：熊瑜尹航刘玉府杨磊王湃郭亚欣屠文锋梁家豪郭炉芳中铁开发投资集团有限公司中铁五局集团第五工程有限责任公司山东大学隧道工程灾变防控与智能建养全国重点实验室山东大学岩土与地下工程研究院云南省滇中引水工程有限公司煤炭精细勘探与智能开发全国重点实验室

引水隧洞底板保护难题长期困扰工程安全高效、高质量建设。“边开挖、边衬砌，先底板、后顶拱”的施工方式会导致底板混凝土被重车通行碾压而造成质量问题。因此，针对隧洞开挖与混凝土衬砌平行作业时底板混凝土保护难题，提出了无水和... 详细信息

引水隧洞底板保护难题长期困扰工程安全高效、高质量建设。“边开挖、边衬砌，先底板、后顶拱”的施工方式会导致底板混凝土被重车通行碾压而造成质量问题。因此，针对隧洞开挖与混凝土衬砌平行作业时底板混凝土保护难题，提出了无水和有水工况下的保护层铺设方式，使用ABAQUS数值模拟软件，分析了底板混凝土受力变形特征，得出了重车质量变化对底板保护效果的影响规律，形成了“复合土工膜+细砂+洞碴”和“土工布+混凝土+洞碴”两种底板混凝土保护技术，建立了一套混凝土成品保护体系，实现了隧洞开挖支护与二衬同步作业下底板混凝土施工质量的有效控制。现场应用结果表明，采用该技术混凝土变形减小，有效解决了底板混凝土保护难题，大幅降低质量缺陷整治成本，在保证质量的前提下加快了施工进度，可为隧洞底板混凝土防碾压破坏提供理论与技术指导。

关键词：引水隧洞防碾压保护底板混凝土边挖边衬施工技术

深部开采煤矿典型动力灾害孕灾主控因素与机制研究进展

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煤炭学报 2025年

作者：杨科郭鹏慧袁亮曹安业张永将马衍坤李家卓安徽理工大学深部煤炭安全开采与环境保护全国重点实验室安徽理工大学煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室中国矿业大学矿业工程学院瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室

进入深部开采，煤岩非线性行为、大范围高能级灾害、多物理场耦合现象加剧，冲击地压和煤与瓦斯突出二者相互诱导、相互激励，煤矿典型动力灾害危险性和危害性渐趋严重，成为制约我国深部煤炭资源安全高效生产的“绊脚石”，防治煤矿典... 详细信息

进入深部开采，煤岩非线性行为、大范围高能级灾害、多物理场耦合现象加剧，冲击地压和煤与瓦斯突出二者相互诱导、相互激励，煤矿典型动力灾害危险性和危害性渐趋严重，成为制约我国深部煤炭资源安全高效生产的“绊脚石”，防治煤矿典型动力灾害的前提和基础是对其发生机理深入研究。因此，需要掌握我国煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出和煤岩瓦斯复合动力灾害机理研究领域的整体进展以及孕灾主控因素与机制。总结了前人及研究团队已有研究成果，利用CiteSpace软件对文献进行梳理，通过关键词共现和突现知识图谱分析，阐述了煤矿典型动力灾害领域发展历程中每个阶段的研究热点以及未来发展态势；厘清了不同孕灾条件对煤与瓦斯突出和冲击地压影响的差异性；探讨了煤矿典型动力灾害孕育的“五效应”机制。分析认为，围绕煤矿典型动力灾害领域的研究均是从其发生机理及孕灾因素为基点，孕灾因素以天然地质条件为主、开采技术条件为辅，不同的孕灾环境形成的典型动力灾害表现形式不同，典型动力灾害孕育机制包括物质内在效应、应力超载效应、能量驱动效应、结构异变效应和煤岩体时变效应，五者相互作用、相互影响。根据当前深部开采面临的问题和亟需攻克的关键难题提出了研究展望，亟待深入研究煤矿典型动力灾害全生命周期孕育特征、演化规律、致灾机理，深部强扰动作用下煤矿典型动力灾害前兆信息智能辨识、预警指标融合，以及多灾种链生灾害联防联控体系，从而有效保障深部煤炭资源安全高效开采。

关键词：深部开采煤与瓦斯突出冲击地压煤岩瓦斯复合动力灾害

陕北黄土覆盖区煤层上覆岩系层状结构对开采区土壤损伤效应

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煤炭学报 2025年

作者：王双明宋世杰魏江波刘浪牛瑞琳李源红谈庆钰田雨西安科技大学地质与环境学院西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院陕西省煤炭绿色开发地质保障重点实验室西安科技大学能源学院

煤炭开采区生态保护是黄河流域高质量发展亟需破解的重大难题。科学认识煤层上覆岩层对煤炭开采采动损害向地表传递的响应规律是实现煤矿区生态环境全生命周期保护的重大需求。以陕北黄土覆盖区煤炭开采区为研究对象，综合运用野外地质... 详细信息

煤炭开采区生态保护是黄河流域高质量发展亟需破解的重大难题。科学认识煤层上覆岩层对煤炭开采采动损害向地表传递的响应规律是实现煤矿区生态环境全生命周期保护的重大需求。以陕北黄土覆盖区煤炭开采区为研究对象，综合运用野外地质调查、采样测试、数值模拟、室内实验和理论计算方法，针对覆岩层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置等层状结构对地下采煤的“响应-传递”特点，研究了相同采矿条件下煤层覆岩层状结构对采动覆岩应力场的影响规律，揭示了不同煤层覆岩层状结构下土壤物理、化学、微生物、侵蚀四大特性的损伤特征及煤炭开采区土壤物理、化学、微生物特性变化对侵蚀特性的作用机制。结果表明：（1）相同或相近的采矿条件下，采煤沉陷区地表生态损害结果的迥异主要取决于煤层上覆岩（土）层对地下采煤活动的应力应变响应、由下向上的传递及土壤损害特点。在覆岩层状结构与采动应力传递的耦合下，煤层覆岩自下而上形成了垂向强力链塑性变形区（VCP）、水平强力链弹塑性变形区（HCEP）、水平强力链弹性变形区（HCE）的采动损害特征。其中，煤层覆岩下部的互层结构及特征对塑性变形区界面高度具有重要影响。煤层上覆岩（土）层和地表土层（壤）均是地下采煤活动及其损害作用的响应载体。岩层层数、层厚、岩性、厚硬岩层与煤层的空间位置及地表变形等是影响土壤损害类型及特点的重要地质因素。（2）厚砂岩在覆岩中的位置是地下“VCP-HCEP”界面、“HCEP-HCE”界面发育高度和地表形变程度的第一主控因素，决定了“两界面”的发育位置和地表变形的程度，高位厚砂岩对“两界面”发育和地表形变具有较明显的抑制作用；砂层系数作为第二主控因素，在既定厚砂岩位置且砂层系数小于73%条件下与“两界面”发育和地表形变均呈正相关关系；（3）基于两大主控因素划分了4个覆岩层状结构基本类型，从“地下覆岩层状结构基本类型+地表形态变化程度+地表采动损害形式+土壤质量特性指标”耦合的角度，发现“低位厚砂岩+砂层系数大于73%”类型对地表土壤损害效应最为显著，其中沉陷坡面土壤物理、化学、微生物特性指标的损伤均集中在坡顶、坡中部位，降幅介于11.81%～42.01%（p岩层状结构类型区是陕北黄土沟壑煤炭开采区生态损害的关键区域，应采取充填减沉、土壤改良等人工措施进行保护与修复，对于“低位厚砂岩+砂层系数小于73%”和“高位厚砂岩+砂层系数大于73%” 的覆岩层状结构类型区可采取人工辅助的生态修复方式，对于“高位厚砂岩+砂层系数小于73%”的覆岩层状结构类型区则可采取自然恢复方式进行生态修复。

关键词：覆岩层状结构响应传递土壤损伤效应陕北矿区

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预紧扭矩对锚杆拉伸工况影响实验研究

采矿与安全工程学报 2024年第4期41卷 699-708页

作者：娄金福董双勇杨景贺原贵阳刘文举吴志刚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

锚杆安装预紧状态对其后续服役工况有重要影响。依托自主研发的锚杆力学性能综合试验台,以托盘垂直于杆体安装为例,对真实锚杆系统施加不同的预紧扭矩,测试安装预紧、轴向拉伸等静载阶段锚杆的力学响应特征,揭示杆体受力的转化机制,阐... 详细信息

锚杆安装预紧状态对其后续服役工况有重要影响。依托自主研发的锚杆力学性能综合试验台,以托盘垂直于杆体安装为例,对真实锚杆系统施加不同的预紧扭矩,测试安装预紧、轴向拉伸等静载阶段锚杆的力学响应特征,揭示杆体受力的转化机制,阐释安装工况对锚杆后续工况的影响规律。试验发现,杆体预紧力与预紧扭矩呈线性关系,杆体扭矩与预紧扭矩呈非线性关系。轴向拉伸阶段杆体扭矩持续降低,尤其以杆体弹性阶段、屈服阶段降幅最为明显,杆体强化阶段扭矩大致保持恒定。拉扭组合状态杆体的极限承载值降低,相当于杆材强度的89.65%~93%。预紧扭矩对杆体极限承载值几乎没有影响,但预紧扭矩的增加会导致极限承载点的杆体伸长量不断减小。其中,预紧扭矩450 N·m时杆体延伸率较杆材降低2.2个百分点。对比各预紧扭矩方案的结果确定预紧扭矩的合理值为350 N·m。力学分析发现,杆体残余扭矩产生的切应力是其承载能力及延伸率降低的主要原因,建议采用张拉预紧方式安装锚杆,以消除螺纹预紧摩擦产生的不利影响。

关键词：锚杆预紧扭矩预紧力残余扭矩组合受力

煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展

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煤炭科学技术 2024年第2期52卷 219-237页

作者：王洪磊郭鑫张亦凡张俊升煤炭科学研究总院有限公司智能矿山研究院北京100013 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室北京100013

当前,煤矿智能化正在向着中高级阶段迈进,煤炭工业数智化转型迫切需要实时掌握煤质煤量全面信息,因此,开展了煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展综述研究。在分析煤质煤量检测技术工业应用需求的基础上,重点阐述以激光诱导击... 详细信息

当前,煤矿智能化正在向着中高级阶段迈进,煤炭工业数智化转型迫切需要实时掌握煤质煤量全面信息,因此,开展了煤质煤量全面在线检测技术发展现状及应用进展综述研究。在分析煤质煤量检测技术工业应用需求的基础上,重点阐述以激光诱导击穿光谱法(LIBS)及其与其他光谱联合的多光谱联用技术为代表的光谱学技术的基本原理、优缺点、研究进展与工业应用情况和以图像分析为代表的人工智能煤质煤量检测方法。然后,基于不同技术的工业应用情况进行问题梳理,分析实时煤质煤量在线检测技术在工业应用中的技术局限性,包括:基于技术原理的探测精度问题;由复杂环境因素引用的设备稳定性问题;基于大量数据处理的算法分析问题;煤炭全产业链应用的技术适用与灵活性问题。最后,对未来煤质煤量全面分析及在线检测技术提出4点发展建议:结合地质条件的煤质在线检测技术研究;工业化多光谱联用技术研究;光谱学与图像分析技术联用煤质煤量全面分析技术研究;智能化在煤质煤量实时检测的深入应用研究。智能化煤质煤量全面分析及在线检测装备研发需多学科共同努力,基于煤岩学、光谱学、仪器仪表工程、数据处理和模式识别、人工智能和机器学习等多学科科学技术,建立工业应用场景-煤质煤量参数-实际应用指导数据库,是实现智能化煤质煤量在线检测,掌握和预测全面煤质煤量信息的重要发展方向。

关键词：煤矿智能化煤质煤流量激光诱导击穿光谱分析法图像分析与机器视觉

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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年第9期52卷 125-136页

作者：高富强卢志国彭相愿娄金福曹舒雯王晓卿陆闯杨磊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

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... 详细信息

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

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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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煤矿冲击地压发生风险判别公式及应用

煤炭学报 2023年第5期48卷 1957-1968页

作者：潘俊锋高家明闫耀东杨光宇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 煤矿灾害防控全国重点实验室重庆400044

针对传统冲击地压发生判别方法缺乏灾害全过程考虑的问题,以煤矿冲击地压发生物理过程分解为切入点,采用理论分析、数值模拟、力学推导、工程验证等方法,开展基于物理过程分解的煤矿冲击地压发生风险判别指数计算公式及其应用研究。结... 详细信息

针对传统冲击地压发生判别方法缺乏灾害全过程考虑的问题,以煤矿冲击地压发生物理过程分解为切入点,采用理论分析、数值模拟、力学推导、工程验证等方法,开展基于物理过程分解的煤矿冲击地压发生风险判别指数计算公式及其应用研究。结果表明,冲击地压发生物理过程中存在的空间序列为采动围岩极限平衡区—采动围岩近场弹、塑性区—采掘活动空间;依次对应的时间序列为冲击启动阶段—冲击能量传递阶段—冲击地压显现阶段。冲击地压完成物理过程必须同时满足冲击启动和克服阻抗2个力学条件;分别建立了动、静载荷加载型以及高静载荷叠加型冲击地压启动力学模型、冲击地压克服阻抗显现力学模型;得到了冲击地压启动能量判据公式、冲击地压显现能量判据公式;基于上述2项公式建立了既考虑动载荷源、又考虑静载荷源,兼顾冲击启动力学条件满足、冲击地压显现力学条件满足的冲击地压发生风险判别指数计算公式;依据判别指数计算公式,得到冲击地压发生风险性与煤岩体静、动载能之和成正比,与支护及围岩阻抗能成反比的关系;建立了基于冲击地压发生风险判别指数的巷道降载荷−增阻抗耦合防冲工程结构力学模型,并进行了工程应用,实践表明达到了防治冲击地压目的。

关键词：冲击地压全过程风险判别指数增阻抗能量判据

沿空留巷超前预裂卸压机理及预裂钻孔布置原则

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采矿与安全工程学报 2024年第6期41卷 1125-1133页

作者：王晓卿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

为阐明沿空留巷超前预裂卸压机理并指导预裂钻孔布置,建立混凝土支柱沿空留巷卸压数值模型,模拟分析预裂角度和预裂高度对留巷围岩应力与支柱顶面压缩量的影响规律,证实工作面超前预裂对沿空留巷具有卸压减沉效果,揭示沿空留巷超前预裂... 详细信息

为阐明沿空留巷超前预裂卸压机理并指导预裂钻孔布置,建立混凝土支柱沿空留巷卸压数值模型,模拟分析预裂角度和预裂高度对留巷围岩应力与支柱顶面压缩量的影响规律,证实工作面超前预裂对沿空留巷具有卸压减沉效果,揭示沿空留巷超前预裂卸压机理,提出预裂钻孔布置原则,并进行工程验证。研究结果表明:工作面超前预裂对沿空留巷具有显著的卸压减沉效果,卸压效果主要体现在降低留巷周边围岩的应力集中;工作面超前预裂通过人工制造预裂带切断留巷上方侧向悬顶内的厚层坚硬顶板,从而切断采空区上部覆岩载荷传递路径,减小侧向悬顶对留巷的施压,实现留巷卸压;留巷卸压减沉效果与预裂角度或预裂高度之间具有正相关性。预裂钻孔倾角应尽可能大,预裂钻孔长度应使钻孔尽可能多地穿越厚层坚硬顶板,至少应高出垮落带上方第1个基本顶;何家塔煤矿50108工作面采用混凝土支柱沿空留巷技术回采,预裂钻孔倾角为80°,预裂钻孔垂深为29.0 m,超过第2个基本顶,端头支架平均压力相比无预裂降低29%,卸压效果显著,留巷效果较好。

关键词：沿空留巷工作面超前预裂预裂钻孔卸压数值模拟