煤矿深部软弱围岩高应力与低强度的矛盾突出, 易诱发巷道大变形灾害, 严重威胁安全生产。钻孔卸压技术通过应力释放与空间补偿机制提升围岩强度应力比, 近年来在理论与工程实践中取得显著进展。本文系统梳理了国内外钻孔卸压技术研究动态, 重点从作用机理、参数设计、模型试验及效果评价等方面展开分析, 得出以下关键结论: ①卸压钻孔通过诱导裂隙扩展实现三向应力协同调控及剪胀变形补偿, 形成“浅部卸压−深部承载”的应力分布格局, 并与高强支护协同构成“卸−支协同”体系; ②钻孔直径、间距与深度等关键参数对卸压效果影响显著, 现有研究已初步建立多因素耦合设计准则, 但其在复杂地质条件下的适用性仍需进一步验证; ③当前技术仍面临卸压效果定量评价体系不完善、能量演化机制不明确、卸压−支护动态耦合理论欠缺等瓶颈。展望未来, 应重点构建“多场耦合−动静协同”的卸压机制分析框架, 发展融合热−水−力−损伤效应的动态本构理论; 研发基于随钻感知与智能决策的精准卸压装备; 优化差异化支护与注浆补强办法, 构建卸压−支护−加固一体化控制体系, 推动钻孔卸压技术向智能化、精准化、规模化方向发展。

矿井采掘工作面粉尘、高湿度和烟雾等复杂环境会导致监控图像特征退化, 且不同雾气浓度产生的退化也会有差异。同时, 由于当前图像去雾模型的训练主要基于合成雾数据, 其获得的先验知识与矿井真实雾气之间存在固有的域间差异。这些问题严重制约了矿井智能监控的效果, 对安全生产构成隐患。基于此, 提出一种基于雾气分级与域间差异的采掘工作面图像去雾方法。①基于不同浓度尘雾图像在解空间上的差异, 构建雾气评价指标以指导尘雾图像分级, 并自动匹配不同规模的网络结构, 实现采掘工作面轻雾场景的快速去雾和浓雾场景的深度细节恢复。②改进对比学习策略, 利用雾气评价指标对轻雾与浓雾图像进行负样本分级, 细化不同浓度雾气特征的对比学习, 从而强化模型对不同雾气特征的判别能力和跨域泛化表现。③针对合成雾与尘雾图像之间的数据域差异, 提出无需真实数据标注的无监督微调策略, 通过循环一致性约束校正去雾映射函数, 有效缓解模型在采掘工作面场景中的性能衰减。试验结果表明, 此方法在合成数据集和采掘工作面尘雾图像的去雾效果均优于现有主流方法, 可为煤矿井下智能监控和安全生产提供参考。

随着矿产资源开采向深部延伸, 胶结充填体在维持采场稳定、实现绿色开采中的重要性日益凸显。充填体作为多相非均质材料, 将充填料浆充填进入采场后, 充填体力学性能受材料组成、养护条件、外部荷载及渗流场等多因素耦合影响, 表现出显著的时空演化与非线性特征, 解决渗流作用诱发的充填体质量问题对于保障矿山安全、高效、绿色开采具有深远的理论价值和工程实践意义。近年来, 在充填体宏−细−微多尺度下的力学演化特征、破坏特性及流固耦合响应等方面取得了丰硕成果。首先, 从胶凝材料类型、配比参数、养护条件等方面总结了充填体强度的影响因素及演化规律, 阐明了充填体时空演化特性; 其次, 归纳了充填体在静态与动态荷载下的破坏模式与裂纹扩展行为, 并与类岩石材料破坏理论进行对比分析; 进一步总结了基于扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射(XRD)和CT扫描、声发射(AE)等多尺度观测手段在揭示充填体微细观结构演化与宏观力学行为之间的内在关联方面的应用成果; 重点阐述了充填体在渗流−应力耦合作用下的力学响应与损伤演化机制, 评述了室内试验与数值模拟方法的特点与局限; 最后, 针对当前研究中本构模型普适性不足、多尺度机理不明确、现场应用脱节等问题, 提出了构建时变损伤−渗流耦合模型、发展多尺度协同观测与仿真平台、推动“室内试验−数值模拟−现场监测”的闭环研究体系等未来发展方向, 以期为深部复杂环境下充填体性能提升、稳定性评估与工程应用提供理论支撑与技术参考。

针对滨湖煤矿薄煤层坚硬顶板条件下迎采对掘沿空巷道围岩变形剧烈、维护困难的问题, 综合运用理论分析、数值模拟与现场试验方法, 深入探究了邻空侧覆岩运动特征、垮落结构形态及其诱发的巷道失稳机理, 优化了切顶卸压护巷的关键技术参数并进行工程应用。研究结果表明: 16煤上覆岩层存在两层主导性的关键层, 其结构特征与力学行为控制着邻空侧岩层的运动规律与垮落结构形态, 该区域侧向悬顶在其动态演化(形成、运动及垮落)过程中, 对巷道围岩施加了显著的多次动载冲击与高静载应力作用, 显著增大了巷道破坏失稳风险。基于最大主应力偏张量评价指标, 优化确定切顶高度为16 m、切顶角度为10°, 并通过现场试验进一步优化了爆破参数, 确定深孔爆破间距为2 m、浅孔爆破间距为1 m。此外, 为提高巷道围岩承载能力, 采用了“锚网索带”主体支护结合“单元支架”临时补强的综合支护体系。矿压观测表明, 巷道围岩变形得到有效控制, 在工作面后方滞后约140 m处即达到自稳状态, 验证了切顶卸压护巷技术在解决薄煤层坚硬顶板沿空巷道维护难题方面的有效性。

地表裂缝大规模发育加速生态系统退化、破坏工程基础设施, 制约区域生态安全与社会发展, 为表征高强度开采裂缝尺度特征并构建有效防控体系, 以官板乌素煤矿615工作面为研究背景, 基于组合岩层理论对其上覆岩层结构进行划分, 以此提出了基于裂隙率的覆岩裂缝发育过程定量表征方法; 揭示了深厚比与地表裂缝尺度特征参数(最大宽度、平均贯通度和平均超前距离)的定量关系, 并提出了相应的协同控制技术。结果表明: 上覆岩层破坏程度沿竖向以厚硬岩层与垮落岩块排列程度为界分为4个区域, 横向以影响程度为界分为5个区域; 确定上覆岩层共4个组合岩层结构, 其阶跃式破断导致覆岩裂缝最终贯通至地表, 近采空区岩块碎胀性增大导致下沉曲线偏态性与不规则性更为显著; 深厚比与地表裂缝最大宽度呈线性负相关, 与平均贯通度和平均超前距离呈指数负相关, 且深厚比减小导致裂缝类型由拉张型和台阶型为主转变为塌陷型和台阶型为主; 提出了地表裂缝协同控制技术, 通过优化开采工艺减缓地表沉陷程度, 采用物探定位–靶向修复强化覆岩结构拱稳定性, 并依据裂缝分类分区特征实施差异化治理, 恢复了区域生态环境。研究成果对保障区域生态安全与人居环境具有重要意义。

煤矿深部开采伴随高地应力与能量积聚, 易诱发冲击地压等动力灾害, 从充填材料增韧角度出发, 揭示煤基充填材料冲击缓释机理, 并构建基于能量耗散理论的增韧定量表征与评价指标体系, 正成为实现减冲调控与材料优化设计的新思路。为揭示煤基充填材料的冲击缓释机理, 以煤基固废为主要原料, 考虑骨料级配、灰泥比、养护龄期及纤维增韧等因素, 系统开展了单轴力学试验、能量演化分析、冲击倾向性判定和扫描电镜(SEM)观测。结果表明: 骨料级配、灰泥比和养护龄期对充填材料力学性能影响显著。充填体抗压强度与养护龄期呈正相关关系; 随Talbot指数(n)及灰泥比的增大, 煤基充填体抗压强度均呈“先升后降”的趋势, 在养护龄期为28 d、n=0.6、灰泥比为2.5∶1的情况下常规充填试样力学性能达到最优; 聚丙烯纤维的掺入可显著提高煤基充填试样抗压强度并改善峰后破坏阶段材料的延展性, 拓展材料耗散能通道, 使材料在峰后破坏阶段可以持续吸收并耗散外部冲击能。基于能量耗散理论提出了涵盖能量耗散比、动态韧性指数、残余承载比、脆性指数和等效隔振系数5个指标的减冲综合评价体系(FIMI-Lite), 实现了充填体冲击缓释性能的量化表征。对比分析表明, 纤维增韧后充填体在各指标上均优于常规组别, 其中n=0.4纤维增韧充填体综合指数最高; 通过SEM图像分析可知, 合理级配可使充填体形成致密骨架结构, 纤维的掺入则构建了“颗粒−胶结物−纤维”三维网络, 两者协同优化孔隙结构并延缓裂纹扩展, 实现能量的逐级吸收与渐进释放, 从微观角度建立了与宏观减冲性能的关联, 揭示了充填材料减冲性能机制。研究成果为煤基充填材料的设计优化和冲击地压灾害防治提供了依据。

针对坚硬顶底板煤层综采工作面区段煤柱失稳问题, 以新疆某矿井1016工作面轨道运输平巷区段煤柱为工程背景, 通过理论分析、数值模拟及现场试验的研究方法, 分析了工作面覆岩运移规律, 提出了坚硬顶底板条件下煤柱内能量积聚成因, 研究了煤柱内弹性能密度与第一、第三主应力间的函数关系, 根据弹性力学得出了不同应力集中系数下煤柱内应力及能量分布规律。研究结果表明: 上工作面开采后, 厚硬基本顶会形成“长悬臂梁”结构, 造成煤柱内载荷升高; 由于煤体强度与顶底板强度相差较大, 造成外界输入“顶板–煤柱–底板”系统的能量主要以弹性应变能形式在煤柱内积聚; 区段煤柱中任意位置处弹性应变能与第一、第三主应力之间可大致视为正相关关系; 煤柱内弹塑性区交界区域为煤柱内弹性应变能主要积聚部位; 掘巷后煤柱应力环境的恶化、煤柱内积聚能量的释放是煤柱发生变形破坏的主要原因; 提出了“顶板密集钻孔+煤柱钻孔卸压+加强支护”防治技术, 现场应用效果显著。

榆神府矿区煤层埋深浅、上覆基岩薄、松散层厚, 多数矿井涉及多煤层重复采动, 受煤层采高、间距等多因素影响, 上下采场围岩空间相互作用, 导致裂隙带高度难以精准预测。以榆神府矿区典型煤矿多煤层重复采动裂隙带高度为研究对象, 采用物理相似模拟、理论分析以及深度学习相结合的方法, 分析了多煤层重复采动裂隙发育规律, 构建了煤层采高、间距、埋深、倾角、工作面长度及间隔岩层坚固性系数与裂隙带高度的多因素耦合非线性回归模型, 建立了基于SSA-BP神经网络的多煤层重复采动裂隙带高度预测方法, 并验证了其准确性。研究结果表明: 瓷窑塔煤矿重复采动下裂隙发育呈现“局部缓慢增长—贯通非线性跃升—动态稳定”三阶段特征, 最终裂隙带发育高度为139.0 m; 煤层采高、间距、间隔岩层坚固性系数及工作面长度耦合下的非线性回归模型拟合系数R²为0.880, 为裂隙带发育高度关键影响因素; 对比传统经验公式与BP模型预测结果, SSA-BP模型预测MAPE值分别降低了22.96%、6.70%, RMSE值低至1.79, 稳定性更优; 以榆神府矿区中汇富能煤矿14205工作面为验证模型, 预测高度与实测高度相对误差为1.3%, 小于5%。研究对榆神府矿区多煤层开采导水裂隙带高度预测具有较强普适性, 可为该矿区多煤层开采水害防治提供有益借鉴。

为研究深部矿井厚硬直覆型顶板沿空巷道变形失稳问题, 以兖州矿区东滩煤矿六采区为工程背景, 基于弹性地基Timoshenko梁理论, 建立了考虑顶板赋存特性的厚硬直覆型顶板挠曲变形力学模型, 计算得到厚硬顶板各区域弯矩、剪力及挠度解析解, 揭示了厚硬顶板赋存特性(顶板层位、厚度及强度)对沿空巷道变形破坏的差异化影响规律, 并通过数值模拟进行了验证, 阐明了厚硬直覆顶板型沿空巷道冲击失稳力学机理, 提出了针对厚硬直覆型顶板“定向切顶卸压–多级协同支护–推进速度调控”综合防控技术方案。主要结论为: ①巷道顶板挠曲破断特征受厚硬顶板赋存特性影响显著, 其最大下沉量及破断尺寸与厚硬顶板赋存层位成负相关, 层位每提高5 m, 最大下沉量非线性递减16%~37%, 且层位越低, 破断位置越深入煤壁, 破断形成块体结构尺寸越大。厚硬顶板赋存厚度与岩性强度对巷道顶板下沉量的影响可分为2个阶段, 在掘巷及巷道形成初期, 厚硬顶板易形成高承载性的稳定悬顶结构, 巷道顶板下沉量与厚硬顶板赋存厚度和岩性强度一定程度上成负相关, 后受剧烈采动影响, 悬顶结构发生破断运动, 释放的剧烈动载主导巷道变形, 此时岩层厚度与强度对其破断尺寸和能量释放产生正反馈效应, 此阶段厚硬岩层厚度越大、岩性强度越高, 对巷道围岩失稳变形影响越剧烈; ②厚硬直覆型顶板沿空巷道变形失稳过程可分为静载主导期和动载扩展期2个阶段, 在静载主导期, 厚硬顶板大跨度悬臂梁结构形成的超高静载向实体煤帮深处转移, 围岩塑性区由浅向深持续扩展, 伴随厚硬顶板破断运动, 巷道进入动载扩展期, 由于缺乏直接顶垫层缓冲作用, 厚硬基本顶传递载荷及破断产生的大能量冲击波难以耗散, 释放的剧烈动载扰动直接作用于巷道围岩, 进一步加剧变形破坏; ③现场工程试验结果表明, 水力压裂与深孔爆破协同弱化厚硬顶板, 可使动载冲击能量降低60%; 结合高预紧力锚索与注浆加固, 顶板下沉量降至300 mm; 优化推进速度至3 m/d后, 大能量矿震事件频次减少65%, 巷道稳定性控制效果显著。研究成果可为深部矿井厚硬直覆型顶板沿空巷道稳定性控制提供参考。

以青藏高原季节性青砂岩为主要研究对象, 通过室内试验探究冻融循环(F-T)对青砂岩动态断裂特征的影响。采用20 ℃~−20 ℃的冻融区间对岩样进行预处理, 结合SHPB试验装置开展冲击三点弯曲试验, 并利用高速摄像机和Ncorr软件分析断裂过程区(FPZ)的演化规律。研究结果表明: 青砂岩力学性能在经历冻融循环之后显著劣化, 并影响其动态断裂行为。随着F-T次数增加, 预制裂缝贯通时间延长, 相同时间内的裂纹张开宽度增加, 且达到相同宽度所需时间减少。在111 ms前, 裂纹张开速度受冻融循环次数的抑制, 之后影响减弱。由此可见, 冻融作用主要影响裂缝尖端初始扩展阶段。FPZ的发育规律可分为“扩展—收缩”两阶段, 初始阶段微裂纹在裂缝前端聚集, 随荷载增大FPZ范围扩展; 主裂纹贯通后, 因能量释放而收缩消失。岩石内部在冻融作用下形成了大量孔隙结构, 增强了能量吸收能力, 导致FPZ极值减小且峰值提前, 破坏模式由脆性向延性转变, 表现为裂缝贯通时间延长和初始张开速度降低。研究成果可为寒区工程岩体的动力灾害解危提供可参考的基础试验数据。