随着全球碳减排需求的日益增长, 煤层CO₂封存与煤层气强化开采(CO₂-ECBM)技术凭借其在“能源开发−碳减排”协同发展中的独特优势, 逐渐受到国际社会的广泛关注。本文系统梳理了CO₂-ECBM技术在科学机理、工程实践及政策经济层面的研究进展, 阐述其在吸附封存、毛细封存、构造圈闭封存、溶解封存及矿化封存等多机制协同作用下的封存机理, 并评估其技术成熟度与经济可行性。研究表明: CO₂-ECBM技术不仅能有效提升煤层气采收率, 还具有显著的封存潜力和良好的地质稳定性。通过对比分析国内外典型示范项目的实施效果, 指出该技术在实际推广中仍面临煤层可注性差、注入导致渗透率衰减、长期封存安全性评估不足以及经济可行性受制于技术成本与碳价波动等关键挑战。基于文献计量与热点演化分析, 指出当前研究态势与发展路径, 提出未来需重点突破封存区域地质适应性评价体系、煤层高效增渗改造技术、多场耦合下CO₂多尺度运移机理及封存稳定性智能监测预警系统等关键领域。建议加强技术集成与政策支持, 推动CO₂-ECBM技术向商业化、规模化发展, 为全球碳中和目标的实现提供支撑。

针对特厚煤层10 m超大采高工作面厚硬岩层破断规律与覆岩垮落运移机理认识不足的问题, 以曹家滩煤矿122104工作面为工程背景, 综合采用相似模拟试验、图像处理与统计分析以及现场监测方法, 研究厚硬岩层破断对覆岩垮落运移过程的主导作用, 并通过现场实测数据验证模型结论的工程适用性与一致性。(1)提出了基于多时序覆岩图像的裂隙自动提取与多指标定量方法, 实现了裂隙发育高度、覆盖面积、总长度等参数的高效量化。结果表明, 裂隙参数随工作面推进呈显著的“阶梯式”跃升特征, 各突变点与厚硬岩层(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)的破断时序严格对应, 从裂隙演化角度定量揭示了厚硬岩层破断对覆岩运移的主控作用。(2)阐明了厚硬岩层“悬臂梁–协同垮落”的破断机制: 破断前其形成大跨度悬臂梁结构, 限制覆岩垮落; 悬臂梁达到极限时发生突发破断, 触发覆岩大范围协同垮落, 呈现典型结构性破坏特征。(3)现场分层沉降、矿压与微震监测结果与模型试验形成了有效互证: 分层沉降曲线揭示的岩层协同运移模式与模型中的裂隙“阶梯式”扩展规律高度一致; 矿压监测显示厚硬岩层Ⅱ、Ⅲ破断直接诱发强烈周期来压; 微震监测进一步证实, 厚硬岩层的周期性破断是覆岩能量集中释放的主要来源, 从空间演化与能量释放两方面共同验证了厚硬岩层破断主导覆岩运移机制的现场适用性。从裂隙演化视角系统阐明了厚硬岩层破断主导超大采高覆岩垮落运移的机理, 为10 m超大采高工作面覆岩运动理论完善与顶板灾害防控提供了量化理论依据。

为解决软岩巷道锚索扩孔锚固中树脂锚固剂搅拌不充分、扩孔区域充填不密实、锚索偏心及孔壁损伤等问题, 提出一种基于多段扩孔锚固MRAE的树脂锚固增强技术。通过理论分析揭示了 MRAE的“分级破碎−梯度搅拌”、“导升−封堵”协同控流及“居中限位−径向支撑”作用机理, 阐明其对树脂锚固剂搅拌效果、锚固体强度、抗拔力及锚索居中性能的提升机制; 采用数值模拟对比分析了MRAE与普通锚索对树脂锚固剂的搅拌流场特征, 验证了MRAE对树脂运移速度和扩散范围的增强作用; 通过实验室试验研究了MRAE对锚索钻进推力、扭矩及拉拔力的影响, 结果表明增强锚固组拉拔力峰值平均值(36.5 kN)是普通锚固组(14.9 kN)的2.5倍, 且居中度显著提高; 现场试验进一步验证了该技术的有效性, 软岩巷道中增强锚固锚索的拉拔力和预紧力均达到设计值, 顶板离层位移量较普通锚固减少1.52倍, 在不扩孔工况下其锚固力也满足工程要求。研究成果为软岩巷道锚索锚固质量提升提供了理论依据和技术支撑。

急倾斜特厚煤层开采深度持续增大, 其冲击地压灾害日益严峻, 诱冲因素呈现出多样性和演变特征, 为冲击地压精准防治带来困难。针对以上问题, 综合采用案例分析、现场监测和理论分析等方法, 以新疆某典型急倾斜特厚煤层矿井为工程背景开展诱冲因素演变规律研究。通过分析矿井5次典型冲击地压显现事件, 发现急倾斜顶板、中间岩柱、遗留煤柱、开采深度、开采强度和水平构造应力是主要诱冲因素。基于三角模糊数改进了层次分析方法, 建立了诱冲因素权重量化计算方法并得到了诱冲因素演变规律。研究发现, 急倾斜顶板和中间岩柱的诱冲权重最大, 是最为主要的诱冲因素, 且随煤层开采持续增大; 开采深度和水平构造应力诱冲权重随着急倾斜特厚煤层持续开采整体增大, 诱冲作用逐渐增强; 遗留煤柱诱冲权重整体呈降低趋势, 表明采空区内遗留煤柱对冲击地压的影响逐渐减小; 开采强度的诱冲权重整体降低。通过开采数据分析、微震监测、地应力测试、数值模拟和理论研究等手段较好地验证了急倾斜特厚煤层诱冲因素演变规律。研究成果可为急倾斜特厚煤层冲击地压精准治理提供参考。

巷道围岩中往往含有复杂的节理裂隙、形态大小不一的孔洞等内部结构特征, 这些缺陷严重影响了巷道围岩的稳定性。室内物理模型试验是研究工程岩体稳定性的主要途径之一, 然而, 传统方法难以制造出一批具有完全相同结构和性质的物理模型且物理模型的力学特性和内部结构与工程实际岩体的力学特性存在较大差异, 这极大限制了物理模型试验在反映实际工程巷道时的科学性。近年来, 快速发展的3D打印技术可有效弥补传统方法的不足, 在材料研发层面, 通过系统调控打印基质、颗粒级配、黏结剂饱和度以及玻璃纤维掺量等方法, 成功制备出在力学行为上与天然煤岩高度相似的砂型3D打印类煤岩材料, 为实现物理模型的制作奠定了材料基础。在机理研究层面, 基于此类煤岩材料开展的锚固体力学试验, 系统揭示了锚杆等支护元件的锚固机制, 验证了其用于模拟天然岩体锚固试验的可行性, 为支护结构的设计提供了理论依据。最终, 在模型试验层面, 研究进一步利用砂型3D打印技术, 通过分层打印工艺, 分别构建了完整围岩与含裂隙围岩条件下的锚固巷道物理模型。结合双轴加载系统与数字散斑技术(DIC), 定量分析了裂隙对巷道变形破坏规律的影响。试验所揭示的破坏模式与工程现场观测结果高度吻合。系列研究表明, 砂型3D打印技术能够实现从材料性能、内部结构到力学特性的高精度重构, 有效弥补了传统模型试验方法的不足, 在岩体工程物理模拟研究中展现出良好的应用前景与科学性。

深部煤炭开采面临复杂地质环境及工程扰动, “三高一扰动”环境致使围岩非线性大变形、灾变失稳频发, 严重制约深部资源安全高效开发。为探明深部真三轴应力下煤岩体力学响应行为与能量演化特征, 采用多功能真三轴流固耦合试验系统进行了不同中间主应力下原煤、砂岩、复合煤岩的真三轴力学试验。结果表明: 复合煤岩塑性变形能力更强, 峰后应力降更小; 煤样耗散能在峰后显著增大, 而砂岩在塑性阶段开始加速增长, 复合煤岩能量演化在低应力时接近砂岩, 在高应力时接近煤; 煤样能量释放率G_e和能量耗散率G_d波动峰值在强度峰值附近, 提高中间主应力σ₂使振幅下降, 砂岩波动峰值在屈服阶段, 但σ₂对其影响较弱, 复合煤岩峰后波动幅度平缓但幅值高, σ₂增大显著抑制其峰后振幅; 峰后弹性能释放对脆性指数的影响比峰前弹性储能更大; 煤样主要由单一主裂纹贯穿, 受σ₂变化影响小, 砂岩在低σ₂时裂隙复杂, 在中高应力时裂隙更加简单, 复合煤岩砂岩层的次生裂纹沿最大主应力σ₁方向扩展, 而煤层的次生裂纹沿最小主应力σ₃方向扩展。研究结果可为深部资源开采围岩控制、动力灾害防控等提供重要理论、技术支撑。

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。

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。