寒区岩体工程中, 含冰裂隙削弱了工程岩体的力学特性, 严重影响着工程岩体的安全与稳定。为研究含冰裂隙岩体的力学行为和破坏机制, 开展了单轴压缩试验、声发射监测及离散元数值模拟试验, 系统研究了含冰裂隙砂岩的力学特性与破坏机制, 重点分析裂隙厚度(5~30 mm)和倾角(0°~90°)对岩体强度、弹性模量、能量演化及裂纹扩展的调控规律。结果表明: 抗压强度、弹性模量及峰前/峰后能量均随裂隙厚度增加呈非线性衰减, 弹性模量降幅达20%~34%; 裂隙倾角主导破坏模式分类, 垂直裂隙(90°)因高效应力传递表现出最高强度(23.56 MPa), 低倾角(15°~30°)受界面剪切效应影响强度降低30%~45%, 并识别出冰层压碎(α≤15°)、界面滑移(15°~75°)及岩石主控断裂(α≥75°)3类破坏模式。基于PFC离散元构建冰−岩复合介质细观参数体系, 模拟结果与试验数据吻合度超过90%。考虑裂隙厚度与倾角耦合效应修正了D-P强度准则, 计算理论值与试验误差控制在±5%以内。研究成果为寒区岩体工程稳定性评估及灾害防控提供理论支撑, 并为复杂冻融环境下冰−岩相互作用机理研究奠定基础。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

门克庆煤矿3-1煤层具有强冲击倾向性, 煤层埋深大, 工作面开采强度高, 煤层上覆存在厚度较大的复合砂岩顶板, 工作面开采期间易诱发冲击地压。针对中高位厚硬顶板常规卸压措施处理高度和范围有限, 难以达到理想卸压效果, 本文在分析冲击主控致灾因素基础上, 采用顶板岩性分析、关键层理论计算、微震监测及岩层破断能量传递计算, 综合确定了冲击致灾关键岩层, 揭示了井下长孔区域压裂卸压防冲机理, 开展了井下长孔区域压裂卸压防冲工程实践, 并进行了卸压防冲效果分析。结果表明: 工作面大埋深提供了充足的基础静载荷, 3-1煤层及顶底板具有发生冲击地压的能力, 完整性强、连续性好的复合砂岩顶板破断动载是诱发冲击地压的主要力源。井下长孔区域压裂对厚硬复合砂岩顶板进行超前预裂, 压裂后岩层裂隙扩展明显, 顶板预裂效果良好。工作面开采期间压裂区域大能量微震事件频次、能量、集中程度显著降低, 工作面来压强度降低, 来压步距减小。工程实践表明井下长孔区域压裂技术具有有效性, 显著降低了冲击地压发生风险, 保障了工作面安全开采, 研究成果可为类似条件矿井冲击地压防治提供借鉴。

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。