矿业科学学报

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2021, 6(5): 509-523. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.001

摘要(140) HTML(56) PDF(66)

摘要:
采动复杂应力环境下围岩的多尺度破坏行为是诱发煤矿灾害的一个根本因素。本文系统总结了团队十多年来在岩石宏细观破坏力学、巷道围岩控制及岩层移动等采矿岩石多尺度破坏力学的研究进展。在岩石力学室内实验尺度方面，利用带加载装置的SEM高温试验系统研究了热力耦合作用下岩石细观裂纹的萌生、扩展和断裂全过程，揭示了细观断裂机制；研究了不同加卸载条件下煤岩体及煤岩组合体宏观破坏力学特性，建立了煤岩体宏观破坏非线性模型。在巷道围岩尺度方面，揭示了巷道围岩应力梯度破坏机理，建立了深部巷道等强支护理论，明确了巷道支护方向，据此提出了巷道全空间协同控制技术并进行现场应用。在采场岩层破断移动尺度方面，实验研究了不同厚度顶板破断演变的4种模式；基于关键层理论，提出了采动覆岩整体移动“类双曲线”模型和内外“类双曲线”模型，分析了该模型随着关键层位置和煤层倾角的演化规律。上述成果为我国煤矿开采灾害防治提供理论和技术支持。

波形钢腹板支架支护技术的研究进展综述

吴丽丽, 王慧, 徐翔, 武海鹏, 赵卫平

2021, 6(5): 524-535. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.002

摘要(97) HTML(49) PDF(35)

摘要:
本文总结了国内外几种常用的金属支架(矿用工字钢、U型钢)和钢管混凝土支架等在截面优化设计和极限承载力等方面的研究，重点介绍了一种新型波形钢腹板支架支护技术。对比分析了波形钢腹板支架与其他支架相比在承载力和经济性方面的优势，及其在支架整体稳定承载性能、局部稳定性能、支架可缩性节点构造以及支架与围岩相互作用等方面的研究成果; 波形钢腹板支架的突出特点在于支护承载力高、自重轻，可节省大量钢材，降低井下工人劳动强度; 研发出的高强度螺栓和楔形件套筒两类可缩节点构造，解决了传统可缩支架节点连接的偏心问题，且通过可缩卸压降低了作用在支架上的围岩荷载，提高支护结构的稳定性和服务周期。波形钢腹板支架的研究可为冲击地压煤矿巷道新型支护技术提供有益参考。

软岩巷道挠曲型底鼓机理与底板桩基控制技术

郭东明, 亢鑫超, 陆志颖, 陈麒宇, 张伟, 赵志峰, 曹延鹏

2021, 6(5): 536-547. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.003

摘要(98) HTML(30) PDF(29)

摘要:
以兴安矿四水平18层南轨道巷为背景，针对高应力条件下软弱底板挠曲型底鼓支护难题，研究了挠曲型底板围岩的破坏特征，提出了钢管混凝土底板桩基支护形式。首先基于板的挠度理论和虚功原理，建立了底板桩基支护条件下挠曲型底板的失稳判据，研究了底板桩基的支护机理。然后通过数值分析方法，研究了设计参数对支护效果的影响及支护后的底板应力分布规律。结果表明，底板围岩的高应力和围岩强度不足是引发巷道底板失稳的主要原因，改善底板围岩应力环境和强化底板围岩是挠曲型底鼓治理的关键; 底板桩基的几何参数和桩间距是决定极限阻隔抗力的关键因素，桩长宜采用0.4 R ~ 0.6 R(R为塑性区半径)嵌固深度，底板桩基钻孔方向应与巷道截面等效圆半径一致或偏向垂直位移方向。根据底板桩基现场应用试验结果，底板桩基对巷道底板围岩的挤压应力有较好的阻隔效果，可较好地控制底板及两帮变形，提高巷道稳定性。该技术可以为类似条件下的巷道底鼓支护提供参考。

巨厚坚硬顶板变形及垮落的动态演化特征研究

王宏伟, 邓代新, 姜耀东, 石瑞明, 杨国振, 章啸海

2021, 6(5): 548-557. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.004

摘要(93) HTML(36) PDF(20)

摘要:
义马煤田赋存一层巨厚坚硬岩层，是矿区诸多动力灾害的主要诱因。本文以义马煤田千秋矿21221工作面为工程背景，开展了顶板岩层冲击倾向性的实验测定，采用相似模拟和数值分析方法研究了工作面回采过程中巨厚坚硬顶板运动特征，分析了巨厚坚硬顶板垮落垂直位移动态演化规律，建立了采动应力分布与顶板运移的关系。研究结果表明：巨厚坚硬顶板破断过程可分为初始平静期、稳定运动期和整体垮落期三个阶段; 顶板垂直位移量在初始平静期变化小，稳定运动期基本集中在采空区，向上呈现梯形递减趋势，整体垮落期则急剧向上发展。巨厚坚硬顶板运动呈现离层、瞬间下沉、离层闭合、间歇性稳定、瞬间垮落压实的非稳定动态变化现象。在工作面回采过程中，巨厚坚硬岩层变形和运动对采场施加了持续且不稳定的下沉压力，其结构失稳导致采场矿压发生强突变和采动应力突降，是冲击地压发生的重要诱因。

相邻巷道围岩动态裂纹起裂与扩展行为研究

杨立云, 张飞, 陈思羽, 胡桓宁, 汪自扬, 林长宇

2021, 6(5): 558-568. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.005

摘要(79) HTML(47) PDF(13)

摘要:
为研究冲击荷载下相邻巷道截面周边岩体动态裂纹起裂与扩展的力学行为特性，借助新型数字激光动态焦散线实验系统，使用类岩石介质材料PMMA制作双截面巷道模型进行冲击实验，并基于ABAQUS数值模拟平台对裂纹扩展过程进行仿真。结果表明：当相邻截面预制裂纹偏转角度分别为45°、22.5°、0°、-22.5°、-45°时，裂纹起裂时的动态应力强度因子不同。裂纹起裂后的动态应力强度因子变化有一个“平台段”，持续时间为160 μs左右; 当右侧裂纹逐渐远离左侧截面时，左侧裂纹起裂后的扩展速度会有所增大。双截面巷道动态裂纹起裂扩展时，相邻截面会在一定程度上影响动态应力强度因子和扩展速度。右侧裂纹尖端靠近左侧裂纹时，后者的起裂韧度降低，即较容易起裂。

地下工程吸能锚杆研究现状与展望

江贝, 王琦, 魏华勇, 辛忠欣, 何满潮, 吴文瑞, 马凤林, 许硕, 王业泰

2021, 6(5): 569-580. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.006

摘要(81) HTML(37) PDF(16)

摘要:
锚杆是地下工程硐室的主体支护方式，为吸收围岩变形释放的能量，控制围岩变形，需要研发具有高恒阻力、高延伸率和高预应力的吸能锚杆。本文从吸能锚杆的研发历程、性能试验与现场应用3个方面进行了总结和分析。吸能锚杆通过结构滑移和材料变形2种方式吸收能量，按工作原理可分为结构型与材料型2种吸能锚杆。两者相比，材料型吸能锚杆结构相对简单，能够充分发挥材料力学性能。笔者团队研发了恒阻吸能新材料锚杆，开展了静力拉伸与动力冲击试验，结果表明该锚杆具备高强、高延伸率和高吸能特性，能够满足复杂条件下的围岩控制要求。未来应制定恒阻吸能锚杆的试验、设计、施工与验收标准，实现其在矿山、交通、市政、水利等不同领域地下工程中的推广和应用。

城市地铁盾构开舱技术的研究进展

李东阳, 戴佰承, 刘波, 付春青

2021, 6(5): 581-590. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.007

摘要(76) HTML(26) PDF(15)

摘要:
盾构机在长距离掘进时，经常会由于遭遇障碍或者刀具过量磨损而导致被迫停机的问题，这是盾构施工主要风险之一。为梳理城市地铁盾构开舱技术的研究进展，对常压开舱和带压开舱2种技术思路进行了系统总结，概括了2种技术条件下盾构开舱的原理、危险因素及原则。结合典型工程实例对常规压缩空气带压开舱技术和饱和气体法带压开舱技术的应用范围、关键技术、优缺点进行分析和总结，并归纳了土体注浆和冻结加固的常压开舱技术和常压刀盘换刀技术的工程应用情况。最后，结合当前研究进展和我国大直径水下盾构的发展趋势，分析了未来盾构开舱面临的技术挑战，讨论了进一步研究的方向，为我国盾构开舱技术的发展提供了参考。

盾构管片上浮量理论计算模型及上浮控制措施研究

杨志勇, 杨星, 张长旺, 孙正阳, 江玉生, 邵小康

2021, 6(5): 591-597, 605. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.008

摘要(64) HTML(31) PDF(8)

摘要:
盾构管片上浮会导致管片错台、破损，降低隧道的整体结构强度、防水性能及使用寿命。在建立管片受力模型的基础上，通过分析管片的受力状态建立了管片上浮的理论计算模型。以北京地铁新机场线3号风井至草桥站盾构区间为背景，对该区间管片异常上浮的原因进行了分析，通过改良同步注浆浆液性能有效地控制了管片的上浮量，并对改进前后的浆液特性进行了试验，最后基于浆液试验结果和理论计算模型对管片上浮量进行了计算。研究结果表明：管片上浮量的理论计算结果与实测值较为吻合，本文的理论计算模型具有较好的准确性; 管片在脱出盾尾后的短时间内会大量上浮，缩短浆液初凝时间、提高其早期强度是控制管片上浮的有效措施。

露天矿山深孔台阶爆破技术的现状与发展趋势

李胜林, 梁书锋, 李晨, 刘殿书

2021, 6(5): 598-605. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.009

摘要(63) HTML(37) PDF(6)

摘要:
随着信息化革命进程的推进、资源开发和环境保护理念的提升，近来年国内露天矿山深孔台阶爆破技术在智能化、绿色化的爆破开采理念下快速发展。在爆破器材方面，电子雷管得到大量推广应用; 在爆破智能化方面，集成了智能钻机系统、智能设计系统、炸药现场混装作业体系的爆破技术基本成型; 在爆破绿色化方面，爆破振动预测理论及控制、爆破粉尘控制、冲击波与噪声防治等有效控制了爆破过程产生的有害效应，逐渐达到绿色环保爆破的要求。同时，分类整理了爆破器材和爆破技术存在的问题，指出了露天矿山绿色智能爆破今后发展与研究的方向。

考虑全生命周期的露天矿边坡时效稳定性分析

包敏, 陈忠辉, 王雄, 杨继海, 申作栋

2021, 6(5): 606-614. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.010

摘要(65) HTML(28) PDF(14)

摘要:
基于开挖岩体蠕变劣化效应对露天矿高边坡稳定性的影响，提出了全生命周期内边坡的稳定性模型。引入岩石强度劣化理论，推导了时间效应下安全系数的计算公式。考虑锚索的预应力损失和边坡蠕变现象，建立了预应力损失条件下边坡安全系数的表达式，分析了时间因素和锚索预应力损失对边坡稳定性的影响规律。以大孤山西井边坡为例，借助FLAC^3D内置的FISH语言把劣化理论嵌入到强度折减法中，利用改进的强度折减法计算了边坡的时效安全系数。结果表明：岩石强度随时间延长呈“L”型劣化，使得蠕变型边坡的安全系数低于只考虑开挖的情况，与实际工程更加吻合，受锚索预应力损失的影响已加固边坡仍有失稳的风险。比选了4种锚索的加固调控方案，在满足全生命周期内安全生产的前提下，获得了经济效益最优的方案。

多孔介质渗透迂曲度理论推导与实验验证

薛东杰, 赵艾博, 刘奎昌, 侯孟冬, 付艳艳, 辛翠, 徐颜卓

2021, 6(5): 615-622. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.011

摘要(67) HTML(29) PDF(14)

摘要:
多孔介质孔隙连通的定量表征与拓扑连通重构是揭示流体渗透规律的几何方法，而理论工作的滞后严重制约了新的几何建模方法产生。迂曲度是连接渗透率与几何结构的关键载体之一，其理论模型一直没有突破。结合Hagen-Poiseuille与Darcy公式，推导了毛细管迂曲度的普适表达式及颗粒构成孔道的迂曲度公式。针对低渗介质，结合毛细管压力公式，获得了含饱和度的迂曲度公式。引入迂曲度分维，获得基于实验解析的分形影响系数表达式。对于分叉毛细管孔道，建立分叉模型，分析了迂曲度特征，得到了基于能量优化准则的母孔、子孔几何关系。以低渗盐岩渗透为例，验证了迂曲度理论公式的适用性与可靠性，研究结果为多孔介质求解迂曲度提供了一种新的思路。

煤系沉积岩多重分形维数计算及影响因素分析

张娜, 寻兴建, 王帅栋, 张浩宇

2021, 6(5): 623-632. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2021.05.012

摘要(51) HTML(29) PDF(10)

摘要:
为表征煤系沉积岩的孔隙结构与分形特征，选取中侏罗统页岩、泥岩和砂岩3种典型沉积岩进行了X射线衍射(XRD)分析、核磁共振(NMR)实验，运用分形理论讨论了NMR分形维数与矿物组成、物性参数之间的相互关系。结果表明：①基于弛豫时间截止值T_2C，可将页岩、泥岩NMR分形维数划分为吸附孔隙分形维数D_A(T₂≤3 ms)和渗流孔隙分形维数D_S(T₂>3 ms)。②储层物性方面，NMR分形维数D_f与孔隙率、渗透率、储层质量指数呈良好的线性负相关关系，说明NMR分形维数能够作为衡量岩石物性的重要指标。③矿物成分方面，石英、长石含量与分形维数D_f呈弱负相关关系，黏土矿物由于受到沉积环境、理化性质和矿物本身含量等多因素作用，对分形维数的影响差异较为显著。

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