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盘点《煤炭学报》2020年热点论文

来源：煤炭学报

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行业视野: 高被引
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关键词; 220位
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深井采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论

作者(Author)：黄炳香, 张农, 靖洪文, 阚甲广, 孟波, 李楠, 谢文兵, 焦金宝

摘要：与浅部相比，深部巷道，特别是千米深井采动巷道，地应力高、采动影响强烈，导致巷道围岩变形大、持续时间长、破坏严重，目前的理论不能科学解释深井采动巷道的围岩劣化、大变形与破坏机理。深部开采条件下的巷道围岩大变形破坏理论已经成为煤炭深部开采面临的重大课题之一。为此，采用现场调研与试验、实验室实验、数值模拟和理论分析等方法，从应力强度比出发，并考虑偏应力和梯度应力，提出了采动系数的概念;从力学本质和工程应用的角度明确了巷道强采动和大变形的概念，探讨了其科学内涵，并初步提出确定了强采动和大变形的量化的评价方法;在此基础上，基于深井强采动巷道围岩所处应力环境及其大变形特征，初步提出了深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论框架。其核心思想是巷道围岩结构运动、围岩劣化、梯度应力和偏应力诱导围岩裂隙扩展、软岩流变与结构性流变大变形、破裂岩体长时扩容;基本问题包括深井采动巷道围岩应力路径、考虑应力路径的偏应力和梯度应力对巷道围岩的作用机理、巷道围岩锚固承载结构流变大变形、巷道围岩结构失稳大变形等。偏应力和梯度应力导致巷道浅部围岩张拉劈裂扩容和承载区围岩剪切滑动，且承载区围岩剪切滑动对浅部张拉劈裂围岩产生向巷道内的推力，扩容与推力导致浅部锚固体出现结构体滑移流变和整体性的挤入。由传统的软岩流变上升至软岩流变与锚固体结构性流变大变形。巷道围岩结构失稳大变形包括上覆岩层大结构失稳导致的整体移动大变形和松动圈内破裂岩体运动失稳大变形。提出的深部采动巷道围岩流变和结构失稳大变形理论从深部环境、深部岩体及强烈施工扰动相互作用出发，揭示深部巷道围岩应力场时空演变规律和大变形与破坏机理。

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高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究

作者(Author)：刘崇岩, 赵光明, 许文松, 孟祥瑞

摘要：为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律，通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验，利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统，分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4个阶段，岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符，围岩曲屈破坏时σθmax≈(1.38～1.85)σc;随着侧向载荷的升高，孔洞在平静期积累的弹性应变能增加，颗粒弹射期能量释放率增大，岩爆进程加快，稳定破坏期持续时间先增加后减小，侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号，围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中，孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合，形成以圆孔为中心的“X”型共轭剪切破裂，稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加，高频比例降低，低侧向载荷时破坏以中高频为主，高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高，呈现高温区嵌套低温条带的特点，岩爆时高温区由表面浅部向深部运移，在孔洞整体失稳坍塌前，岩爆坑温度急剧上升。

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冲击载荷作用下层状岩石破碎能耗及块度特征

作者(Author)：武仁杰, 李海波, 李晓锋, 于崇, 夏祥, 刘黎旺

摘要：采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置，对0°,22.5°,45°,67.5°和 90°五种不同层理倾角的层状岩石进行了不同冲击速度下的动态压缩试验，对破碎后的试样碎屑进行筛分，对比分析了层状岩石动态破坏时的块度分布特征;探讨了不同入射能对层状岩石反射能、透射能、耗散能密度和块度分布的影响。结果表明:对同一层理倾角试样，随着冲击速度增大，块度平均粒径逐渐减小，破碎程度逐渐增大;相同冲击速度下层理倾角为67.5°的试样破碎程度最大，0°试样破碎程度最小。分形维数可以很好的量化表征破碎块度分布特征，破碎块度越小，分形维数越大。相同入射能时，90°试样耗散能密度最大，0°或22.5°耗散能密度较小，表明高倾角试样能量利用率高，0°或22.5°的利用率较低。层理倾角为45°,67.5°和90°的试样在入射能相同时反射能较大，层理倾角为0°,22.5°的试样透射能较大，表明大倾角下无用功大多以反射波形式耗散，低倾角下无用功大多以透射波形式耗散;反射能、透射能与耗散能密度随入射能增大而增加;分形维数随耗散能密度增大而增大。高倾角时随能耗增大，试样破碎程度越剧烈;低倾角随耗散能密度增大，试样破碎趋势变化较小，产生新裂纹与破裂面所需能量较多。在实际工程中，选择45°~67.5°倾角的动态加载角度，不仅岩石强度较低，岩石破碎程度高，且能量利用率较高。

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高强度开采覆岩地表破坏及防控技术现状与进展

作者(Author)：郭文兵, 白二虎, 赵高博

摘要：随着我国煤矿开采技术与装备水平的提升，煤矿生产集约化、智能化程度越来越高，以综采放顶煤、大采高支架为代表的高强度开采工作面日趋增多，研究高强度开采覆岩与地表破坏等负外部影响及其防控技术对于实现矿区资源开发与生态环境协调发展具有重要意义。在分析了煤矿高强度开采定义及其主要技术特征的基础上，阐述了长壁高强度开采引起的覆岩破坏规律研究现状及其进展，包括覆岩破坏高度理论分析、覆岩破坏充分采动及其判据、覆岩破坏高度计算方法以及覆岩“两带”破坏模式及其形成机理等，主要研究了覆岩破坏传递过程，提出了基于覆岩破坏传递过程的覆岩破坏充分采动程度判据及其高度计算方法，揭示了高强度开采覆岩“两带”破坏模式的形成机制。其次，基于大量高强度开采工作面地表岩移实测资料，从高强度开采地表裂缝特征及地表移动变形特征等方面总结了我国煤矿高强度开采引起的地表变形破坏规律及其研究进展，阐述了高强度开采对覆岩与地表水资源、土地资源、地表生态环境、建(构)筑物等方面的负外部影响;基于高强度开采诱发的负外部影响，分析了我国高强度开采覆岩与地表破坏预防和控制技术及其进展，提出了煤矿高强度开采采动损坏的防控思路。研究认为我国煤炭高强度开采矿区将以开采的负外部影响一体化规律与防治、生态环

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2020年第02期

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煤炭地下气化技术进展与工程科技

作者(Author)：梁杰, 王喆, 梁鲲, 李玉龙

摘要：介绍了国内外煤炭地下气化的研究历程，总结了煤炭地下气化的技术特点及研究成果，并指出了其工程科技问题及应用前景。结果表明，在100多年的开发研究过程中，形成了3种类型的煤炭地下气化技术:① 长壁式气流法气化技术，进气点和出气点固定，分别位于气化通道的两端，一个井进气，另一个井出气，利用气流流动速度控制气化工作面的移动;② 渗透式气化技术，利用煤层自然裂隙或人造裂隙作为气化通道;③ 控制后退注气点气化技术，在气化通道中设置注气管，利用注气管连续或间断后撤，实现注气点连续或间断后退移动。国内外煤炭地下气化技术还没有实现大规模产业化，需要进一步加强基础研究和工程技术开发，基础研究包括地质评价，实体煤层燃烧、热解、气化、贯通特性及气化过程特征场的演化规律，煤层上覆岩在高温作用下的热物性变化及冒落规律，地下煤气化污染物在燃空区的富集、迁移规律;工程技术开发包括规模化生产地下气化炉结构及构建技术，地下气化连续稳定控制技术，注气点移动控制装备，煤炭地下气化安全技术，污染物监控及燃空区管理技术，低成本的火区探测及气化过程分析技术，煤炭地下气化多联产技术。煤炭地下气化技术可以回收老矿井遗弃煤炭资源和开采深部煤炭资源，对保障我国能源安全具有重要的战略意义。

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2020年第01期

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西北大型煤炭基地地下水监测背景、思路及方法

作者(Author)：范立民, 孙魁, 李成, 高帅, 陈建平, 仵拨云, 彭捷, 郑苗苗, 姬怡微, 蒋蒙

摘要：我国14个大型煤炭基地中，西北地区分布有神东、陕北、黄陇、宁东、新疆等5个，2018年原煤产量占全国的46.28%。这些煤炭基地地处干旱半干旱地区，水资源贫乏，煤炭开发对含水层的扰动强度较大，甚至造成含水层结构损伤，地下水渗漏，水位下降并引发一系列环境问题。通过科学规划和采煤技术方法革新，调整煤炭开发布局和采煤技术方法，最大限度的减轻煤矿区含水层损伤，已经取得成效，但煤炭开发对地下水扰动动态影响的监控，必须通过建立矿区地下水监测网才能实现。论述了西北煤炭基地地下水监测网建设的背景和思路，介绍了陕西境内陕北、神东、黄陇三大型煤炭基地地下水网监测层位选择、建设部署及数据采集、传输与接收、管理。陕北、神东(陕西境内)和黄陇3个大型煤炭基地主要含水系统包括石炭系—侏罗系碎屑与上覆第四系松散层孔隙含水层系统、白垩系碎屑岩裂隙孔隙承压水-潜水含水系统和寒武—奥陶系碳酸盐岩岩溶水含水系统。地下水监测层位的选择以具有供水价值和生态意义，且受采动影响强烈的含水层为原则，陕北、神东煤炭(陕西境内)基地主要监测第四系萨拉乌苏组、第四系黄土、烧变岩和侏罗系风化基岩地下水，黄陇煤炭基地黄陇—永陇矿区主要监测白垩系地下水，渭北矿区主要监测奥陶系岩溶地下水。通过新建或改造原有水文长观孔，已经建成了由218口监测井构成的陕西境内大型煤炭基地监测网，监测数据采用自动化采集、无线传输与接收和统一管理，基本实现了监测数据的实时动态观测和规范化管理。

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煤炭学报

2020年第01期

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我国煤矿区水环境现状及矿井水处理利用研究进展

作者(Author)：孙亚军, 陈歌, 徐智敏, 袁慧卿, 张玉卓, 周丽洁, 王鑫, 张成行, 郑洁铭

摘要：煤炭长期占据我国能源消费结构的主体地位，因煤矿建设、开采、洗选、加工、废旧煤窑和矿井关闭等引发矿区一系列水环境问题尤为突出。国家大力支持“煤炭革命”，煤炭安全绿色开采成为新时代的主题，环保部门越发重视煤矿区的水环境问题。分析研究了我国煤矿矿区现阶段的水环境现状，针对不同矿区、不同矿井水类型，从矿井水污染模式和类型、含水岩组结构破坏、水资源流失、矿区土壤重金属富集和废弃矿井水位回升诱发的环境地质问题出发，总结我国煤矿区水环境研究现状、技术水平和未来发展趋势，并以矿井水处理为重点，分析归纳了洁净矿井水(物理法)、含悬浮物矿井水(混凝和超磁分离法)、高矿化度矿井水(蒸馏、离子交换和膜分离法)、酸性矿井水(物理、化学和生物法)、特殊组分矿井水(絮凝沉淀和离子交换法)和矿井水回灌(深层回灌)的水质特点、处理工艺和优缺点,并指明了未来的研究方向。根据煤矿区矿井水资源化利用现状，提出矿井水用于工农业生产、生活和特殊组分的矿井水资源化利用的优势和局限，针对特殊组分的矿井水提出了矿井水资源化利用的技术体系和理论框架，为进一步丰富和完善矿区水资源利用提供技术支撑。最后，针对矿井水资源化利用过程中的问题提出了“阻断、减量和保护”三原则，并对未来我国煤矿区环境现状和矿井水处理利用进行了展望。

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煤炭学报

2020年第01期

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再论煤矿区生态环境“边采边复”

作者(Author)：胡振琪, 肖武, 赵艳玲

摘要：煤炭资源开发与利用带来一系列生态环境问题，发展与保护的矛盾在经济高速发展背景下冲突日益显著。在当前生态文明建设背景下，矿区生态环境保护与修复成为热点与焦点。针对煤炭资源开发过程中形成的采煤沉陷、露天采场、固体废弃物堆积等损毁对象，以及由此产生的耕地损失、环境恶化、空气污染、矿-地冲突等矿区生态环境与社会问题，改变原有的“末端治理”理念，提出煤矿生态环境“边开采边修复”(简称“边采边复”)理念、技术以及实现路径。认为煤矿区生态环境“边采边复”是基于“源头和过程控制”的理念，而不是传统的“末端治理”理念，其特点是在采矿过程中，同步(时)治理。“边采边复”概念中的“复”既包含狭隘的“复垦(复耕)”，也包含Ecological Restoration中的“修复”的概念，其核心目的是为了及时恢复治理损伤的生态环境，缓解煤炭资源开发利用与环境保护之间的矛盾，确保矿业活动朝着可持续、循环与绿色的方向发展。因此，“边开采边复垦(广义的复垦)”、“边开采边修复”、“边开采边治理”都是一个意思，都可简称“边采边复”或“边采边治”。基于笔者提出的井工矿边采边复技术基础上，进一步凝练与阐述了煤矿区生态环境“边采边复”理念，讨论了煤矿生态环境“边采边复”的原理与类型，介绍了露天矿、采煤沉陷地、煤矸石3种主要损毁对象边采边复的关键技术。煤矿生态环境是一个整体与系统，“边采边复”是贯彻和实施山水林田湖草生命共同体，实现整体保护、系统修复与综合治理的有效保障。边采边复需要考虑治理修复过程的动态性、系统要素的均衡性、整体价值的最大性。为了促进边采边复理念与技术的发展与进步，仍有以下几个方面需要进行深入的研究:① 以系统思维的角度考虑自然资源要素的边采边复综合效益;② 加强边采边复与资源开采的耦合与优化调整机制研究;③ 加强新材料、新技术与新方法与边采边复技术的融合。

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