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。

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。

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。

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。

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。

为研究充填体在不同骨料粒径分布和养护龄期条件下的力学性能及损伤演化特征, 以煤矸石为骨料, 粉煤灰为辅助胶凝材料制备胶结充填体, 研究了不同骨料粒径条件下充填体试样的力学性能、微观结构及破裂演化特征, 并基于耗散能建立了考虑养护龄期效应的充填体损伤本构模型, 进一步揭示了胶结充填体的能量损伤演化过程。研究结果表明: 不同骨料粒径分布下, 充填体的抗压强度及弹性模量均随着养护龄期的延长而增大; 骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样弹性模量和峰值应力最高, 0~10 mm的次之, 5~10 mm的最小; 单轴压缩下骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样保持了较好的完整性, 而养护龄期的延长能够抑制破坏裂纹的扩展与贯通, 提高了试样的完整性; 骨料粒径分布为0~5 mm的充填体试样微观结构的致密性最佳, 并且养护龄期的延长降低了充填体试样内部空隙结构的尺度及范围, 提高了微观结构的致密性; 不同骨料粒径分布充填体试样总能量、弹性应变能及耗散能随养护龄期的增加呈二次函数的递增趋势, 并且骨料粒径分布及养护龄期的变化不会对充填体试样内部能量积聚与耗散过程造成影响; 建立的考虑养护龄期效应的损伤本构模型能够准确反映充填体试样的受载应力分布, 并且充填体试样的损伤演化可划分为初始损伤阶段、损伤平稳阶段、损伤加速增长阶段及损伤破坏阶段4个阶段。

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。

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。

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。