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岩土力学 2024年第10期45卷 3047-3057页

作者：魏明星朱永建任恒李鹏王希之王平唐成湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

深部煤炭资源开采面临着高应力的地质环境和岩体开挖卸荷的工程环境,卸荷损伤岩体再承载力学特性及破坏机制研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律具有重要意义。通过控制三轴加载卸荷点制备损伤砂岩试件,采用RMT-150C岩石力学加载系统和东... 详细信息

深部煤炭资源开采面临着高应力的地质环境和岩体开挖卸荷的工程环境,卸荷损伤岩体再承载力学特性及破坏机制研究对于揭示深部岩体失稳破裂规律具有重要意义。通过控制三轴加载卸荷点制备损伤砂岩试件,采用RMT-150C岩石力学加载系统和东华DHDAS应力-应变采集系统,监测三轴卸荷及单轴再加载过程中试件的横向应变和轴向应变。试验结果表明:根据加载前后波速差值,可将卸荷岩体分为压密岩体、低损岩体和高损岩体3类;随着卸载应力水平的升高,损伤砂岩由塑-弹-塑性体变形特征过渡为塑-弹性体变形特征最后转变为弹-黏性体变形特征;压密岩体单轴再加载裂纹体积应变曲线与标准砂岩基本一致,低损岩体弹性变形阶段明显缩短,高损岩体经历极小变形就发生破坏;压密岩体呈现Y型斜面剪切破坏特征,低损岩体在卸荷阶段出现的纵向裂缝和裂隙基础上发育并贯通形成主控裂纹造成破坏,高损岩体在Y型斜面剪切破裂基础上发育为X型斜面剪切破坏;建立了单轴压应力下裂纹力学分析模型,明确了岩石裂纹断裂角θ与裂纹角β和裂纹面摩擦系数f之间的关系。

关键词：损伤砂岩单轴再加载特征强度裂纹体积应变破坏机制

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煤岩裂隙网络水气运移特性数值模拟研究

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矿业科学学报 2025年第1期10卷 125-136,150页

作者：林强伟朱永建罗亚飞李鹏王平李豹湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

为了研究煤岩真实裂隙网络中水驱气的运移特性,采用体视显微镜提取现场煤样的二维裂隙结构,二值化后导入COMSOL软件中进行水驱气数值模拟,采用相场法对水气两相界面进行追踪,探讨水驱气过程中封闭气形成原因,分析不同裂隙数量与裂隙开... 详细信息

为了研究煤岩真实裂隙网络中水驱气的运移特性,采用体视显微镜提取现场煤样的二维裂隙结构,二值化后导入COMSOL软件中进行水驱气数值模拟,采用相场法对水气两相界面进行追踪,探讨水驱气过程中封闭气形成原因,分析不同裂隙数量与裂隙开度对驱替效果的影响。结果表明:当裂隙延伸方向与驱替方向一致时,驱替速度更快,易形成优势通道,经过狭窄喉道时速度和压力增加;在驱替平衡时,易形成盲端封闭气、“H”型封闭气、变径封闭气和绕流封闭气4种封闭气类型,其形成主要受裂隙形态、毛细管力及润湿性影响;裂隙数量减少时,水气两相平均速率增大,平均压力与剩余瓦斯量减小;裂隙开度较小时,平均速率和压力升高,剩余瓦斯量增加。

关键词：裂隙网络煤层注水数值模拟剩余气运移特性

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倾斜厚层坚硬顶板条件下沿空留巷稳定性控制

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中南大学学报（自然科学版） 2023年第3期54卷 956-966页

作者：朱永建任恒王平李鹏王希之魏明星南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201

针对倾斜厚层坚硬顶板条件下综采工作面沿空留巷技术难题,采用理论分析、数值模拟、现场监测等手段,揭示倾斜厚层坚硬顶板采场覆岩运移规律,分析预留巷道多次扰动影响下倾向及走向方向顶板垂直应力分布特征。根据切顶留巷围岩应力分布规... 详细信息

针对倾斜厚层坚硬顶板条件下综采工作面沿空留巷技术难题,采用理论分析、数值模拟、现场监测等手段,揭示倾斜厚层坚硬顶板采场覆岩运移规律,分析预留巷道多次扰动影响下倾向及走向方向顶板垂直应力分布特征。根据切顶留巷围岩应力分布规律,将沿空巷道分为“原岩应力区、超前应力增高区、滞后应力增高区、滞后应力稳定区”4个区域,提出巷内围岩支护原则,并基于区域特征,设计分区支护留巷方案,并成功应用于柏林煤矿-2446(k26)沿空巷道。研究结果表明:优化岩块B长悬臂梁结构是留巷成功的关键,通过切顶卸压留巷技术手段,可减小巷旁支护体及实体煤帮压力,沿空巷道支护效果良好,证明倾斜厚层坚硬顶板切顶留巷关键技术是可行的。

关键词：顶板预留巷道垂直应力切顶卸压围岩控制

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等效非均匀荷载条件下梯形截面岩石力学特性试验研究

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采矿与岩层控制工程学报 2024年第3期6卷 104-113页

作者：余伟健潘豹吴根水郭涵潇湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

基于巷道开挖过程中围岩应力转移分布特点,着重探究非均匀荷载下岩体变形规律。提出了新的岩石力学试验方法,该方法根据岩石应力–应变曲线,加工出特定的梯形截面试件及相应的刚性垫片,以实现单轴压缩时的轴向荷载非均匀分布。计算了梯... 详细信息

基于巷道开挖过程中围岩应力转移分布特点,着重探究非均匀荷载下岩体变形规律。提出了新的岩石力学试验方法,该方法根据岩石应力–应变曲线,加工出特定的梯形截面试件及相应的刚性垫片,以实现单轴压缩时的轴向荷载非均匀分布。计算了梯形截面试件压缩时荷载分布与截面高度的关系,并对试验条件下的试件应力分布与岩石状态分区进行讨论,在右侧面高度为75 mm时试件破坏前左侧面处于塑性变形阶段,在右侧面高度为85 mm时试件破坏前左侧面仍处于弹性变形阶段。得到了非均匀荷载压缩条件下单一完整岩体的变形特性;梯形截面砂岩破坏前有明显的分区,各点位塑性硬化程度不一致,S85试件点位3右侧处塑性硬化程度最大,S75试件点位2右侧处塑性硬化程度最大。试验结果表明,非均匀荷载压缩条件下的岩石呈非线性变形特征;同时,岩石局部的损伤会加快附近岩石的塑性软化。提出了非均匀荷载条件下不同竖向截面内轴向应变差会引起附加切应力,附加切应力在中性面上、下方向相反,大小与应变变化率成正相关。在附加切应力作用下,岩石单元最大剪应力平面角度增大,试件破坏形态由原本对“核”形态转变为沿着斜面倾向拉长的相对棱台状。

关键词：岩石力学非均匀荷载单轴压缩 CT扫描变形与破坏

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深部高应力煤巷围岩径向梯度损伤特征试验研究

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岩石力学与工程学报 2023年第11期42卷 2643-2654页

作者：朱永建李鹏王平任恒陶玮梅成成王希之湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201

为了研究深部回采煤巷开挖扰动引起的围岩径向梯度损伤特征,以平顶山十一矿深井工程为背景,对现场煤样开展不同围压条件下三轴压缩试验和三轴损伤试验,结合三轴压缩轴向应力–应变曲线研究煤样的变形特征;利用MATLAB软件识别并分析三轴... 详细信息

为了研究深部回采煤巷开挖扰动引起的围岩径向梯度损伤特征,以平顶山十一矿深井工程为背景,对现场煤样开展不同围压条件下三轴压缩试验和三轴损伤试验,结合三轴压缩轴向应力–应变曲线研究煤样的变形特征;利用MATLAB软件识别并分析三轴损伤煤样的破裂特征。结果表明:轴向应力达到屈服强度后,煤样出现明显的应变软化特性,峰值应力与残余强度随围压呈线性增长,利用M-C强度准则计算出煤样黏聚力c=10.19 MPa,内摩擦角φ=27.26°。煤样表面裂纹对轴压敏感度较高,轴压越大,煤样表面裂纹越复杂,围压的增加在一定程度上可以抑制表面裂纹的扩展,但最终都会向剪切破裂面发展。基于岩石损伤变量服从Weibull分布的特点,理论推导了常规三轴下的煤样损伤软化本构模型,结合三轴损伤煤样应力–应变变化关系,采用线性拟合方法对模型参数F0和m进行修正,最终得到了修正的煤样损伤软化本构模型,并基于试验数据验证了修正模型的可靠性。此外,在修正后的煤样损伤软化本构模型基础上对弹性区、塑性软化区以及破碎区围岩应力、应变的关系式展开讨论,建立了一种巷道围岩径向梯度损伤程度的计算方法。

关键词：采矿工程深部高应力应变软化损伤本构模型双向等压径向梯度损伤

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金刚石串珠绳锯切割煤层卸压增透效应研究

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煤炭学报 2024年第2期49卷 785-800页

作者：李树清吕晨辉黄飞钱运来黄向韬赵天哲汤铸杨凤玲王晨湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 六盘水师范学院矿业与土木工程学院贵州六盘水553004

为探讨金刚石串珠绳锯割缝对缝槽周围煤层的卸压增透效应,首先建立基于缝槽顶板受力的两端固支梁力学模型,分析顶板梁的受力特征及缝槽顶板下沉接触底板(简称触底)特性,然后采用自行设计的物理相似模拟试验平台开展相似模拟试验,分析不... 详细信息

为探讨金刚石串珠绳锯割缝对缝槽周围煤层的卸压增透效应,首先建立基于缝槽顶板受力的两端固支梁力学模型,分析顶板梁的受力特征及缝槽顶板下沉接触底板(简称触底)特性,然后采用自行设计的物理相似模拟试验平台开展相似模拟试验,分析不同工艺参数绳锯割缝后缝槽上下方煤岩层应力、位移变化规律,基于FLAC^(3D)数值模拟和开发的煤层瓦斯渗透率计算程序,分析随割煤工作面推进缝槽周围煤岩体的应力和渗透率分布特征和周期演化规律。研究表明:绳锯割缝使缝槽周围应力重新分布,缝槽顶板随着割缝工作面的推进经过顶板悬露、顶板触底,连续缓沉3种演化形态;顶板未触底时,缝槽上下方形成“U”形卸压区,最大挠度在顶板中心位置,也是最先触底部位,顶板触底之后,缝槽中间位置出现应力恢复,减弱绳锯割缝的卸压增透效果;串珠绳锯的直径越大,顶板发生触底的极限跨度越大,缝槽触底越晚,卸压效果越好;相同割缝直径增加第2条割缝,两缝槽卸压区连成一起,卸压效果相互促进,减弱两缝作用下的应力恢复现象,增大了卸压范围;缝槽推进距离足够长时,由于顶板触底,缝槽两边的卸压增透效果更好,割缝卸压的影响范围从左到右划分为应力集中区、卸压区、应力恢复区、卸压区、应力集中区,对应的卸压区和应力恢复区都有较好的增透效果。

关键词：绳锯割缝顶板触底金刚石串珠渗透率卸压增透

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厚硬顶板采场诱发逆断层失稳的力学机制研究

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煤炭科学技术 2025年第2期53卷 1-11页

作者：余伟健郭涵潇李可廖泽吴根水潘豹湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 贵州理工学院矿业工程学院贵州贵阳550003

为了研究厚硬顶板条件下工作面逆断层的失稳力学机制,通过断层边界煤柱尺寸、断层倾角及岩层移动角三者关系,确立了采场覆岩移动区与断层面之间的空间关系模型。通过采场覆岩各岩层移动角建立了覆岩岩层移动线方程,结合断层倾角得出了... 详细信息

为了研究厚硬顶板条件下工作面逆断层的失稳力学机制,通过断层边界煤柱尺寸、断层倾角及岩层移动角三者关系,确立了采场覆岩移动区与断层面之间的空间关系模型。通过采场覆岩各岩层移动角建立了覆岩岩层移动线方程,结合断层倾角得出了不同层位岩层移动线与断层面之间的距离函数公式,精确划定了断层面与岩层移动线的边界过渡区范围。基于岩层抗拉强度建立了断层边界岩块的极限平衡方程,给出了断层倾角小于岩层移动角情况下,边界岩块力学失稳判据,并通过力矩平衡方程建立边界岩块的偏转失稳判据。以现场案例为基础,采用双判据确定了断层倾角小于岩层移动角情况下的逆断层的活化岩层区域,确定了断层面的活化规律与离层空间分布情况。理论分析了逆断层边界条件的围岩变形破坏机理,试验模拟了断层区域采场岩层的整体运移规律,全面计算探究了厚硬顶板条件下逆断层区域采场围岩的力学与位移变化模式。结果表明:逆断层在厚硬顶板破断前发生活化;断层小于岩层倾角情况下,断层面离层空间主要分布在厚硬顶板区域的弯曲下沉带;与断层面产生离层空间的岩层竖向裂隙空间显著减少;与断层面产生离层空间的岩层对采空区空间的向上传递效率显著提高;可以通过优化断层保护煤柱尺寸来维持断层围岩的稳定;双判据模型从理论层面给出了断层边界保护煤柱的尺寸取值依据,为现场的保护煤柱宽度提供最优解。

关键词：断层活化厚硬顶板岩层移动线非连续边界条件极限拉应力失稳判据

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金刚石串珠绳锯切割受载煤体试验装置的研制及受力分析

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实验力学 2024年第4期39卷 485-494页

作者：钱运来李树清吕晨辉黄飞王晨湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南科技大学南方煤矿瓦斯与顶板灾害预防控制安全生产重点实验室湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室

为解决传统金刚石串珠绳锯切割试验系统难以同时满足试件受载和锯切力测量的问题，研制了一种金刚石串珠绳锯切割受载煤体的试验装置。该装置可对受载试件实现垂直向下连续切割(进给速度0～20mm/min、线速度0～10m/s、侧向加载系统可对... 详细信息

为解决传统金刚石串珠绳锯切割试验系统难以同时满足试件受载和锯切力测量的问题，研制了一种金刚石串珠绳锯切割受载煤体的试验装置。该装置可对受载试件实现垂直向下连续切割(进给速度0～20mm/min、线速度0～10m/s、侧向加载系统可对受载试块施加0～500kN的载荷)。通过分析该试验装置切割前及切割过程中串珠绳锯的受力特点，给出了金刚石串珠绳锯加工过程中串珠绳锯绳长和张紧力的计算公式，建立了绳锯切割受载煤体的锯切力模型，经过验证，该锯切力模型得到的锯切力与传统装置测量的锯切力基本吻合。通过对该装置进行测试，结果表明：使用初始绳长为5666mm、直径分别为4.0mm和7.3mm的串珠绳锯以进给速度5mm/min、线速度4m/s对受载煤体进行切割时，串珠绳锯的张紧力分别为609.0N、1270.2N,法向锯切力分别为33.4N、187.6N,切向锯切力分别为20.8N、108.0N。

关键词：串珠绳锯切割受载煤体试验装置受力分析锯切力

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基于JRC的结构面双面剪切强度经验公式

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岩石力学与工程学报 2023年第S01期42卷 3242-3255页

作者：范祥邓志颖安宏磊吴睿任贤达丁凡长安大学公路学院陕西西安710064 湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 中交第一公路勘察设计研究院有限公司陕西西安710075

为揭示岩体结构面单、双面剪切强度差异,更好评估层状岩体的稳定性,选择4条Barton标准剖面线建立结构面模型,制作含单、双结构面的类岩试样进行剪切试验。基于试验结果,分析3种法向应力(σ_(n))下单、双结构面的峰值剪切强度(τ_(p))的... 详细信息

为揭示岩体结构面单、双面剪切强度差异,更好评估层状岩体的稳定性,选择4条Barton标准剖面线建立结构面模型,制作含单、双结构面的类岩试样进行剪切试验。基于试验结果,分析3种法向应力(σ_(n))下单、双结构面的峰值剪切强度(τ_(p))的差异及其原因。基于颗粒流模拟结果,推导出同JRC双结构面的峰值剪切强度经验公式,引入组合节理粗糙系数(JRC_(c))表征异JRC双结构面的粗糙度,构造JRC_(c)与低、高粗糙度系数(JRC_(xx),JRC_(yy))的相关关系,建立了综合考虑JRC_(xx),JRC_(yy)对异JRC双结构面峰值剪切强度影响的经验公式,然后分析同JRC双结构面与异JRC双结构面的τ_(p)随混合节理粗糙系数变化的规律,最终建立了估算任意JRC组合双结构面峰值剪切强度的经验公式。研究表明:在τ_(p)-JRC曲线的增长趋势随σ_(n)增大而增大的阶段,σ_(n)一定时,双结构面的τ_(p)随上、下结构面的JRC之和增大而增大;对于JRC之和较小的异JRC双结构面,其τ_(p)由JRC较低的结构面控制,但这种控制作用随JRC之和增大而减弱,逐渐转换为由JRC较高的结构面控制。

关键词：岩石力学同JRC双结构面异JRC双结构面峰值剪切强度组合节理粗糙系数(JRC_(c)) 经验公式

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砌体梁结构下空巷围岩动态稳定机理及控制

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煤炭学报 2025年

作者：张栋郭永红柏建彪田志军张自政王瑞付豪刘帅刚邓敏朱前程吴文达中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室新疆工程学院矿业与地质工程学院湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室太原理工大学矿业工程学院

空巷围岩结构失稳将在工作面前方形成强动压影响区，严重制约工作面安全高效回采。以盛平煤矿2216煤柱回收工作面为工程背景，梳理了研究现场1#空巷渐变失稳规律。基于砌体梁理论，建立考虑采空区矸石及直接顶动态压缩承载的空巷顶板结... 详细信息

空巷围岩结构失稳将在工作面前方形成强动压影响区，严重制约工作面安全高效回采。以盛平煤矿2216煤柱回收工作面为工程背景，梳理了研究现场1#空巷渐变失稳规律。基于砌体梁理论，建立考虑采空区矸石及直接顶动态压缩承载的空巷顶板结构力学模型。随后，推导得出顶板砌体梁结构动态稳定的临界判据，并分析了其形成机制及影响因素。结果表明：工作面向空巷推进过程中，维持砌体梁结构弯矩平衡所需的直接顶压缩量呈现先减小后增大的趋势；减小块体B长度、增大直接顶厚度等能够促使砌体梁结构回转失稳临界位置向铰接点O1附近转移，从而降低工作面与空巷贯通期间顶板结构失稳风险。在此基础上，建立空巷直接顶力学模型，揭示了空巷内泵送支柱应力动态响应机制及其耦合承载特性。研究表明：减小块体B长度及泵送支柱间距等将提高泵送支柱系统的耦合承载性能。提出了“水压致裂顶板结构调控+高水材料泵送支柱非对称加固”控制技术并在研究现场成功应用。监测结果表明：工作面过空巷期间，空巷围岩结构稳定，支架最大工作阻力平均为5198 kN（31.27 MPa），安全阀开启频率在4.67%～ 25.07%之间，未发生支架压死事故。工作面与空巷贯通时，空巷顶底板移近量最大为341 mm（9#空巷），泵送支柱应力最大为8.15 MPa（8#空巷）、10.31 MPa（9#空巷），耦合承载系数最大提升至0.998（8#空巷）、0.993（9#空巷）。有效确保煤柱回收工作面安全高效开采。

关键词：空巷基本顶结构泵送支柱耦合承载围岩控制

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