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2023年  第8卷  第4期

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煤矿微生物诱导碳酸钙沉积胶结充填开采技术研究
邓雪杰 , 刘浩 , 张吉雄 , 赵逸乐 , 李玉 , 卞立国 , 田秀国 , 谢晋
2023, 8(4): 439-451. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.001
摘要(287) HTML (132) PDF(66)
摘要:
针对当前充填开采技术中水泥基胶结料存在的高排放和高耗能问题，将微生物诱导CaCO3沉积(MICP)技术引入充填开采领域，研究了微生物胶结充填材料的力学性能，建立了基于MICP的微生物胶结充填开采技术体系。研究表明，拌和型和灌注型微生物胶结充填材料的强度随着营养液浓度和菌液用量的增加呈现先增大后减小的规律，平均强度分别为0.88 MPa和17.95 MPa；微生物充填材料内部的有效CaCO3晶体是充填材料固结的关键，在拌和型试样中以方解石和球霰石的矿物形式存在，在灌注型试样中主要为方解石。微生物胶结充填开采技术的节能减排环境效益显著，特别是在当前环保需求和政策背景下，该技术具有科学价值和发展前景。
西南地区节理化薄层软岩隧道大变形力学机理及支护控制方法
陶志刚 , 李梦楠 , 张博 , 李慧茹 , 史广诚
2023, 8(4): 452-463. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.002
摘要(201) HTML (69) PDF(34)
摘要:
针对西南山区高地应力软岩隧道支护结构破坏、围岩大变形等问题，以云南昌宁隧道为工程背景，分析了隧道围岩大变形破坏模式及力学机理，开展了软岩隧道NPR锚索应力补偿支护技术应用研究工作。首先采用现场勘查和室内试验的方法，对隧道地质条件及破坏成因进行分析；然后，研究了昌宁隧道影响围岩稳定性的主要控制因素和围岩破坏模式，提出了以NPR锚索为核心的应力补偿支护技术；最后，通过现场试验分析了NPR锚网耦合支护条件下昌宁隧道围岩控制效果。结果表明：岩层挤压弯折和层间剪切滑移是昌宁隧道围岩破坏的主要模式；以NPR锚索为核心的应力补偿支护技术能有效控制隧道围岩初期支护大变形，隧道围岩最大变形量从2 150 mm降低到100 mm以内，效果显著。研究成果可为软岩隧道大变形的防治提供参考。
采空区破碎煤岩体溶蚀作用及净水机理实验研究
王方田 , 郝文华 , 张村 , 孙暖 , 熊集兵 , 范常浩
2023, 8(4): 464-473. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.003
摘要(166) HTML (24) PDF(21)
摘要:
开展地下水库采空区破碎煤岩体溶蚀作用及净水机理研究，是实现矿井地下水库安全高效运行的关键。本文以锦界煤矿31409工作面开采形成的地下水库为工程背景，选取采空区破碎煤岩体及去离子水进行污染物释放规律实验研究，分析了采空区破碎煤岩体溶蚀作用规律，探究了破碎煤岩体对水体特征影响机理，获得了破碎煤岩体在不同温度、风化条件下污染物释放规律，并分析了地下水库净水过程中的沉淀溶蚀作用。溶蚀作用及岩体中黏土矿物表面对可溶性有机质的吸附、沉淀作用等水岩作用决定了地下水库净水特征，在不同的时间范围里，溶蚀作用和吸附沉淀作用各自占主导作用，影响矿井水质。
不同预制温度煤岩冻融损伤及渗流特性研究
齐消寒 , 刘阳 , 杨雪松 , 朱同光 , 王品 , 侯双荣
2023, 8(4): 474-486. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.004
摘要(166) HTML (30) PDF(23)
摘要:
为探究温度对煤岩冻融损伤及渗流特性的影响规律，采用煤岩三轴伺服实验系统对煤样进行加温、加温液氮冻融、加温饱水液氮冻融3种预处理方法开展煤岩细观损伤演化及力学、渗流特征实验。研究结果表明：预热温度越高结构损伤越严重，同一温度下饱水液氮冻融煤样的损伤大于液氮冻融煤样和仅加温煤样，损伤程度与波速呈负相关，与端面损伤合维数呈正相关；不同预处理方法下，三轴抗压强度大的煤样，破坏前变形程度小；3种预处理方法都会导致煤样内部孔裂隙增多易破碎，形成裂隙网络，煤样增透效果为加温饱水液氮冻融大于仅加温和加温液氮冻融。因此，工程实践中可探索使用预热-注水-注液氮冻融的技术实现煤层高效增透，提高瓦斯抽采效果。
砂岩颗粒流平行黏结模型宏细观参数关联性研究
吴禄源 , 朱永恒 , 白海波 , 冯义 , 李辉 , 苏承东
2023, 8(4): 487-501. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.005
摘要(229) HTML (69) PDF(24)
摘要:
为研究砂岩细观层面的力学响应及破坏特征，本文首先开展室内岩石压缩试验和基于平行黏结模型的PFC2D单轴宏细观参数关联性数值试验；然后采用试错法确定各细观参数对宏观力学指标的影响程度排序，并进行显著因子交互作用分析；最终利用回归分析建立宏细观参数间函数关系；运用控制变量法研究岩样裂纹演化及破坏形式的主要影响因素。研究结果表明：①单轴抗压强度σc与平行黏聚力c、黏结法向强度σc、黏结内摩擦角φ呈非线性关系；②弹性模量E与黏结模量E*、黏结刚度比k*呈多项式关系；③泊松比v与k*、摩擦系数μ呈线性关系；④抗拉强度σt与c、σc呈较好的线性关系；⑤岩样裂纹演化与破坏形式主要受黏结强度比σc/c影响，其与拉伸裂纹数目负相关，与剪切裂纹数目正相关；随σc/c增大，岩样的破坏形式呈拉伸破坏—共轭破坏—剪切破坏的变化特征。室内试验和数值模拟的单轴压缩σ-ε演化规律及破坏形式基本一致。
多频率域不连续性检测在蚂蚁体追踪断裂中的优选与应用
杨素举 , 张诗杰 , 杨瑞召 , 沈向存 , 李玉兰 , 夏永涛
2023, 8(4): 502-511. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.006
摘要(233) HTML (46) PDF(19)
摘要:
蚂蚁体追踪技术在地震解释中展现了对断裂刻画的优越性，但在使用过程中，存在地震资料质量的限制、输入数据的选择、单一属性的多解性等问题，提高蚂蚁体预测精度一直是业界研究的难点与热点。本文以塔里木盆地顺北地区顺1井区为研究对象，分析混沌、方差、最大正曲率属性的本质差异与断裂检测能力；基于广义S变换频谱分解，逐一比较3种属性在不同频率下的不连续性检测效果，并进行蚂蚁追踪与优选；结合产状控制进行RGB融合，形成了一套多频率域、多属性的蚂蚁体追踪解释断裂方法。研究表明，低频混沌属性适用于大断层的解释，中频方差属性可识别中等尺度断裂，高频曲率属性对小尺度断裂反映较好；结合分频与不连续性检测技术的蚂蚁体能多尺度显示工区断裂展布特征与细节，充实地下地质信息。
钢渣溶出过程中浸出液pH值变化规律研究
方佑东 , 赵帅兵 , 苏畅 , 吕宁宁 , 王海川
2023, 8(4): 512-518. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.007
摘要(198) HTML (46) PDF(22)
摘要:
为了掌握钢渣堆存时对环境造成的影响，本文研究了钢渣在溶出过程中浸出液pH值的变化规律，分析了钢渣碱度、氧化镁质量分数、水温、钢渣粒度、液固比等因素对钢渣浸出液pH值的影响规律，并与现场钢渣进行了对比试验。结果表明：钢渣溶出后浸出液pH值在10~12，随时间呈先升高后降低的趋势；提高钢渣碱度及氧化镁质量分数均使浸出液的pH值升高；水温的升高、钢渣粒度和液固比的增大可降低浸出液的pH值。
不同叠交角度下盾构重叠隧道地层位移规律研究
杨志勇 , 牛宇哲 , 丁耀文 , 漆伟强 , 安宏斌 , 江玉生
2023, 8(4): 519-528. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.008
摘要(146) HTML (42) PDF(20)
摘要:
以以色列“红线轻轨”项目重叠隧道为背景，在分析现场监测数据的基础上采用Rhino6和FLAC3D软件建立了三维数值模型，研究了不同隧道叠交角度下盾构重叠隧道地表沉降、地层位移规律。研究结果表明，2条隧道从平行逐渐过渡到重叠状态时，随着叠交角度的增加隧道中间处测点累计沉降量增大，但累计沉降量除了受叠交角度影响外，还与穿越地层情况密切相关；在本工程地层条件下，由于2条隧道均穿越松散的库卡K1地层，叠交角度为60°时地表累计沉降达到最大。后建隧道开挖完成后，隧道叠交角度小于45°时，沉降槽宽度增大；大于45°而小于60°时，沉降槽宽度基本不变；大于60°时，沉降槽宽度减小；达到90°时，沉降槽左右对称。两侧隧道开挖完成后，隧道叠交角度达到75°时，两侧地层均改变移动方向。研究成果为重叠隧道的设计和施工提供参考。
基于可见光视觉特征融合的矿井外因火灾监测方法
范伟强 , 李晓宇 , 刘毅 , 翁智
2023, 8(4): 529-537. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.009
摘要(119) HTML (26) PDF(18)
摘要:
为了解决矿井外因火灾监测实时性差、误报率和漏报率高的问题，提出了基于可见光视觉特征融合的矿井外因火灾监测方法。首先，分析了不同监测环境中火源视频图像对应的视觉特征，并设计了火源纹理、尖角、相似系数和闪动频率的提取方法；其次，采用改进的种子区域生长算法对火灾疑似区域进行分割，并利用不同的火源特征提取方法计算火灾疑似区域的动、静态特征；然后，融合所提取的动、静态特征，构建火灾特征向量；最后，构建了基于BP神经网络的火灾监测模型，并对监测模型进行了验证。结果表明，本文提出的火灾监测方法可有效检测不同场景和不同距离下的外因火灾，正确率和检测率分别达到98.60%和99.09%，误检率低至2.00%，并有很强的抗干扰能力和鲁棒性。
爆生气体驱动双共线Ⅰ型裂纹的扩展行为
杨立云 , 董鹏翔 , 王启睿 , 王青成
2023, 8(4): 538-547. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.010
摘要(125) HTML (30) PDF(12)
摘要:
在光面预裂爆破中相邻炮孔间的共线裂纹相向扩展时会先互相排斥后相互吸引，裂纹扩展路径呈“勾连”状现象。为解释这一现象，基于T应力修正后的最大拉应力准则，联合Abaqus软件与Hypermesh软件研究了爆生气体驱动相向扩展的双共线Ⅰ型裂纹的起裂和扩展行为。结果表明：模型尺寸(模型宽度W与高度H的比值)、初始裂纹尺寸(初始裂纹长度a和圆孔半径r的比值)和裂纹面上爆生气体压力对裂纹起裂行为的影响显著，Ⅰ型裂纹扩展中裂纹扩展路径出现“勾连”状现象的先决条件是“Ⅰ型裂纹起裂时或扩展中发生偏转”；裂纹面上的爆生气体减弱了Ⅰ型裂纹扩展中发生偏转的程度，使裂纹扩展路径更难出现呈“勾连”状的现象。通过裂纹增量扩展法模拟了裂纹扩展路径，Ⅰ型裂纹扩展会产生“勾连”状的裂纹扩展路径；裂纹扩展路径呈“勾连”状的现象与裂纹间的相互作用有关，该相互作用可通过裂纹扩展角θ的正负来表示。
复杂地形地貌对下伏煤岩层应力影响规律研究
张大明 , 付松 , 李刚
2023, 8(4): 548-559. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.011
摘要(96) HTML (26) PDF(10)
摘要:
为了掌握地表的山体和山体间的沟谷区域等复杂地形地貌对下伏煤岩层应力的影响规律，本文通过理论分析构建了山体下煤岩层垂直应力计算模型，并以禾草沟煤矿50205工作面为背景，研究了复杂地形地貌对下伏煤岩层荷载作用特征及应力传递规律。结果表明：山体荷载对浅部煤层具有较明显的应力影响，在水平方向上影响明显范围与山体坡度呈负相关性，影响范围系数与山体坡度成正相关性，山体对下伏煤层垂直应力影响特征可分为初始影响、剧烈增长影响和缓慢增长影响3个阶段；沟谷区域下伏煤岩层垂直应力叠加数值呈现随深度变化先增大后减小的特征，且当两山体相邻间距大于山体底面宽度1.25倍时，应力叠加效应很小，可忽略不计；随着相邻山体间距逐渐增大，沟谷区域下伏煤岩层形成一个应力叠加不明显的倒三角区域。
软岩条件初撑阶段液压支架非理想位态形成机理
胡相捧 , 马斌
2023, 8(4): 560-568. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.012
摘要(97) HTML (26) PDF(10)
摘要:
针对软弱围岩条件下初撑阶段液压支架非理想位态形成机理不明的问题，基于平面杆系构建了四柱支架运动学模型和承载力学模型，得到了初撑阶段顶梁以固定姿态运动的前后柱速度关系式，分析了顶梁和底座合力及其作用点的变化特征。理论分析和数值计算结果表明：只有初撑阶段才是调整支架位态的最佳时机；相较于底座，顶梁呈水平和仰头姿态上升时前后柱速度之比呈3次函数关系，顶梁呈低头姿态上升时前后柱速度之比呈5次函数关系；顶梁和底座合力作用点的变化依赖于顶梁的接顶姿态，并呈现先快后缓的变化特征；顶梁和底座合力的增大呈先缓后急的变化特征。研究结果可为支架结构和位姿控制器的设计及现场操作提供指导。
煤层孔隙结构多尺度联合表征及其对可动流体的影响
李天 , 任大忠 , 甯波 , 李启晖 , 张瀚澎 , 周俊丽 , 章志锋
2023, 8(4): 569-582. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.013
摘要(149) HTML (67) PDF(20)
摘要:
微观孔隙结构影响着流体在煤层中的储存及渗流。为精确表征煤层微观孔隙结构特征，本文以鄂尔多斯盆地神木地区侏罗系延安组煤层为研究对象，采用核磁共振、CO2吸附和N2吸附手段，多尺度联合表征煤层的孔隙分布特征，并结合CT扫描技术对微观孔隙的连通性和均匀性进行研究。结果表明：煤的微孔是比表面积与孔容积的主要贡献者，介孔次之；核磁共振与吸附联合表征反映了微孔、介孔部分的孔径分布有较好的一致性，大孔部分差异较大；驱替核磁共振和CT在反映连通程度方面具有优势，且两者对于连通性的表征具有一致性，配位数以及渗流孔比例等参数可有效反映样品的连通程度；不同深度段煤层连通性不同，非均质性也不同；煤样束缚水饱和度与孔喉比存在良好的正相关性。可见，孔隙结构对流体的运移程度有很大影响，是研究及评价瓦斯赋存与渗流的基础。
1366回采巷道破碎围岩注浆加固技术应用研究
张立新 , 魏秀杰 , 刘广超
2023, 8(4): 583-592. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.04.014
摘要(112) HTML (80) PDF(30)
摘要:
针对1366工作面回采巷道中围岩破碎的问题和巷道变形量大、底鼓、支护失效等现象，设计了巷道全断面分次注浆加固方案及渗透注浆工艺，确定了合理的注浆压力和浆液扩散半径。通过数值模拟对注浆前后围岩应力、塑性区分布、表面位移情况进行注浆加固效果预测。现场应用和监测表明：采用全断面分次注浆方案对回采巷道进行注浆加固后，巷道变形量大幅度缩小、巷道受力均匀、应力集中降低，与数值模拟结果基本一致。注浆加固方案有效加固了1366回采巷道围岩，控制了巷道围岩的稳定性，可为相似条件下巷道围岩控制提供参考。

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