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。

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。

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。

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。

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。

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。