煤科总院深地科学院科学家团队发表于《煤炭科学技术》的研究成果

煤科总院深地科学院以“始于冲击地压，不止于冲击地压；服务于煤矿，不局限于煤矿”为出发点，以“脚踏实地，仰望星空，钻研深地，科学强国”为战略定位，重点关注地下工程尤其是深地科学领域中的基础研究、关键共性及前沿技术，紧紧围绕冲击地压与深部开采、数字岩石力学与工程两大核心方向开展研究工作，立志“向地球深部进军”。本专题整理了截至2024年4月底，深地科学院研究团队发表于《煤炭科学技术》的成果。

行业视野: 采矿
类别; 42个
关键词; 35位
专家; 8篇
论文; 5356IP
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我国煤矿冲击地压发展70年：理论与技术体系的建立与思考

作者(Author)：齐庆新, 李一哲, 赵善坤, 张宁博, 郑伟钰, 李海涛, 李宏艳

摘要：文章系统全面地阐述了我国建国70年来在冲击地压研究方面取得的成绩，主要从理论、监测与预警装备、防治技术及法律法规与标准构建等方面进行了重点介绍。同时，兼顾国外主要采矿国家在冲击地压研究上开展的工作。可以看到，随着我国煤矿开采深度的增加，冲击地压矿井数量和灾害危害程度显著增加，而国外冲击地压因煤矿开采的萎缩，只在个别一些国家偶尔发生冲击地压；对于冲击地压发生机理的研究，国外对此研究的工作主要是停留在20世纪50—90年代，而我国主要研究成果是近30年的事情，主要包括“三因素”机理、强度弱化减冲机理、应力控制理论、冲击启动理论和扰动响应失稳理论等；在冲击地压监测预警方面，国外主要集中在微震与地音监测方面，并配合钻屑法，而我国在此基础上，提出了采动应力监测方法，并开发了相关技术装备，现已广泛应用于实际煤矿冲击地压监测与预警；在冲击地压防治方面，以往重点关注在煤层和顶板冲击危险性的消除和解危上，而最近10年来，在巷道支护及煤岩体结构控制的研究与工程实践方面开展了有益的探索，旨在加强局部巷道支护的同时，从区域上控制煤岩体结构稳定性和应力分布，开发分级分类的冲击地压巷道支护技术，采用水力压裂与深孔爆破等技术实现了对坚硬顶板岩层的有效控制；在冲击地压相关法律法规与标准体系建设方面，最近10年来，我国开展了较为系统的制订工作，包括《防治煤矿冲击地压细则》在内的规程及相关标准已制订并实施，现已初步建成冲击地压标准体系。改革开放40年来，我国煤矿冲击地压矿井数量不断增加，研究冲击地压的人数不断增加，冲击地压发生机理不断完善，冲击地压监测技术及仪器与装备从无到有，性能不断提升，冲击地压防治技术与方法不断完善，有效性不断提高，冲击地压有关法律法规从无到有，现已趋于完善。综合而言，我国煤矿冲击地压理论与技术体系已初步形成。应该看到，随着大数据、智能化与机器人时代的到来，在新的科学技术的推动下，冲击地压理论与技术将获得更大的发展。

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2019年第09期

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基于显微CT扫描和统计强度的煤岩损伤破裂特性研究

作者(Author)：张良, 齐庆新, REN Ting, 李祥春, 高科, 李春元, 李晓鹏, 袁红辉

摘要：冲击地压与瓦斯等灾害制约了我国煤矿安全高效开采，但诸多煤岩动力灾害的发生机理不明。从巷道围岩冲击-瓦斯灾害实例出发，着重研究煤岩损伤破裂演化规律与模型。开展了X射线高精度显微CT扫描试验，利用三维重构技术获得了冲击倾向性煤高分辨率三维数字岩心图像，定量分析了非连续结构分布特征；采用计盒维数法和三维可视化软件AVIZO编程计算，得到了矿物条带和裂隙结构的表征参数；基于CT扫描重构和统计强度理论，提出了一种考虑三参量韦伯分布、瓦斯作用与有效应力的煤岩损伤破裂模型；进而，开展了含瓦斯煤岩三轴压缩试验，求解模型参数并验证模型可靠，揭示了煤岩渐进破坏过程中的损伤演化规律。具体而言，显微CT扫描重构和分形计算结果表明，冲击倾向煤内部矿物条带的表面积和分形维数分别处于0.0035～0.0137和0.9249～1.0509之间，而裂隙结构的表面积占比和分形维数则分别处于0.0006～0.0040和0.7278～0.9361范围。矿物条带的表面积占比和分形维数整体上大于裂隙结构的，说明冲击倾向煤内部的非连续结构数量多且分布复杂。此外，含瓦斯煤岩三轴压缩实验结果表明，围压作用下煤样应力应变关系呈现出典型的I类曲线特征，以剪切破坏为主，峰值强度和峰值应变随围压升高而增大。进一步，给出了损伤破裂模型7个参数的确定方法，并利用实验结果求解了模型参数和损伤变量。计算结果表明，该模型能较准确地反映煤岩压缩变形、准线弹性变形、塑性变形、峰值强度和峰后软化等渐进破坏特征。而且，在前两个阶段煤岩损伤变量小于0.2，进入塑性阶段尤其是峰后阶段，损伤变量急剧增大直至破裂。因此，提出了损伤阈值的概念，建议将损伤阈值0.2作为煤岩损伤破裂的预警值。研究结果将为煤岩动力灾害的发生机理、预警及防控提供理论支撑。

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煤矿冲击危险性的定性与定量评价研究

作者(Author)：齐庆新, 李海涛, 李晓鹏

摘要：冲击危险性评价是将冲击地压抽象的能量本质具象化的关键环节，对于冲击地压有效防控有着直接的支撑作用。笔者梳理了冲击危险性评价的基本概念和功能定位，指出冲击危险性评价天然具有多尺度的属性，各尺度评价应相互兼容、逐级支撑，并对目前冲击危险性评价中指标间关联不足、危险区域划分偏主观、对于多要素和大数据的兼容性有限，以及评价工作趋于刻板等问题进行了剖析，为此，基于广义“三因素”理论，提出冲击危险性定性评价应兼顾“要素齐备”和“逻辑齐备”的原则，并基于“矿井自身数据，指导矿井自身生产”的原则给出了冲击危险性定量评价的基本方法，为解决冲击危险性评价现存问题做出了探索，明确了冲击危险性评价的后续攻关方向。

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煤炭科学技术

2021年第04期

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煤矿动力灾害广义“三因素”机理探讨

作者(Author)：李海涛, 齐庆新, 赵善坤, 李宏艳, 舒龙勇, 陈理强

摘要：目前煤矿动力灾害的机理类研究多基于单一要素开展，由此获得的结论具有相对独立性，进而使得动力灾害研究呈现出复杂化的趋势。为回归其弹性能大量积聚和剧烈释放的本质，增强相关研究的关联性，以弹性能积聚为线索，通过常识推理提出了煤矿动力灾害形成的基本逻辑，包括：持续的能量补给；保证能量形式为弹性能的介质属性；能够使弹性能积聚至致灾量级且可以失效的制约机制，并指出，“能量源”包括稳定和偶发2种形式，前者来自开采卸荷后的等效加载作用，后者来自动载扰动；“介质属性”狭义上指物质种类，但对于冲击倾向性、渗透性等受限于细观结构的属性同样纳入本概念中；制约机制则是弹性能积聚至致灾量级并产生剧烈释放的关键，以结构面和块体组合为具体形式，是实现人为干预防灾的切入点。并将其分别概括为“力源因素”、“物性因素”和“结构因素”，其中，物性因素是一切行为的基础，力源因素与结构因素具有密切的互馈作用，据此提出了广义“三因素”机理，给出了其潜在应用场景及未来研究方向。

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煤炭科学技术

2021年第06期

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原生层理结构影响下煤岩组合体超声波及CT扫描分析

作者(Author)：雷国荣, 李春元, 齐庆新, 王嘉敏, 杜伟升, 李向上, 何团

摘要：为研究原生层理结构对煤岩组合体波速及力学性质的影响，并提升室内获取煤岩波速及力学参数的精确性、快速性及便捷性，在室内对不同原生层理倾角的煤岩组合体开展了多层位多方位的超声波及CT扫描测试。基于超声波测试数据，获取了原生层理结构影响下煤岩组合体不同层位的波速及波速比变化特征；结合CT扫描及三维重构技术，应用煤岩灰度分布频数数据，提出了不同层位CT灰度均值的计算方法，获得了不同原生层理倾角下煤岩组合体不同层位灰度及煤岩含量的变化规律，建立了煤岩CT灰度均值与波速、力学参数的关系；构建了考虑层理倾角与煤岩含量效应的煤岩组合体纵波波速计算模型，并应用测试数据进行了对比验证。结果表明：①含原生层理的煤岩组合体波速及波速比与层理倾角线性相关，随层理倾角增加，组合体的纵波波速近似线性减小，而波速比的分布范围增大；②不同层理倾角下组合体的CT灰度均值与波速线性相关，随CT灰度均值增高，煤岩组合体波速线性增加；③煤岩组合体的密度随CT灰度均值增加线性增高，其动态弹性模量及剪切模量则与CT灰度均值均呈三阶多项式关系，并随CT灰度均值增高趋于增大；④层理倾角与煤岩含量相比，组合体波速对煤岩含量的敏感性更高，煤岩含量相近则波速受层理倾角响变化最大。

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煤炭科学技术

2024年第03期

208

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煤岩弹性变形能的表征物理模型及实测方法

作者(Author)：齐庆新, 李海涛, 郑伟钰, 杜伟升, 杨冠宇, 李晓鹏

摘要：现有冲击倾向性测试结果常表现出与冲击地压事故互为不充分不必要条件的关系，对于工程的参考价值有待进一步提高。为此，从冲击倾向性描述弹性能的本质出发，构建了从功能上能够还原弹性能积聚与释放的统计损伤物理模型，从基本物理行为的角度对应力－应变曲线的升降趋势，以及加载过程中能量的积聚与耗散进行了研究。结果表明：外载做功和能量释放贯穿加载全过程，目前以应力－应变曲线峰前、峰后段的相关特征分别描述弹性能积聚和耗散的方式能够简化计算，但未能反应真实的力学行为，基于物理模型进一步指出，试件的变形势能增量ΔＷti本质上是当前时刻试件中仍具承载能力结构新增的变形能ΔＷ′ti与该时刻破断的承载结构所释放变形能ΔＷ″ti之差，而ΔＷ′ti在描述弹性能方面更具合理性，并给出了该指标基于荷载－时间曲线和声发射的实测计算路径，为获得更为准确的弹性能描述做出了有益探索。

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煤炭科学技术

2022年第01期

690

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热冲击花岗岩力学响应及损伤特征显微CT试验研究

作者(Author)：王嘉敏, 王守光, 李向上, 卜墨华, 栾兆龙, 张鹏

摘要：在深部地热资源开发过程中，通常利用低温流体的冲击作用诱导高温岩石热破裂来提高储层的渗透特性。为了揭示热冲击作用下岩石的损伤破裂机理，对高温加热后的花岗岩(20 ℃、150 ℃、300 ℃、450 ℃、600 ℃和750 ℃)进行了自然冷却和水冷却处理，并对处理后的花岗岩开展了波速测试、单轴压缩试验和CT扫描试验，探讨了热冲击作用对花岗岩纵波波速、抗压强度、弹性模量等力学参数以及细观结构损伤的影响。研究结果表明：①随着热处理温度升高，花岗岩的纵波波速、抗压强度与弹性模量逐渐减小，峰值应变逐渐增加，且相比于自然冷却，水冷却作用后岩石的波速与力学性质劣化更显著。②通过CT扫描试验，获得了不同加热温度与热处理方式作用下花岗岩的孔裂隙结构空间分布特征，可以直观反映岩石细观结构的热损伤程度。当热处理温度小于等于450 ℃时，花岗岩扫描切片中的热致裂纹数量较少，裂隙连通性较差；超过450 ℃后，花岗岩内部微裂纹快速发育和扩展，并逐渐有形成裂隙网络的趋势，且水冷却对花岗岩的细观损伤致裂效果更明显。③基于三角网格离散技术，结合椭球模型重构算法和裂隙张量计算理论，对热冲击后花岗岩的三维裂隙场进行定量表征，并建立了裂隙组构张量与峰值强度的关系，进一步揭示了热冲击花岗岩细观结构对其力学性质的影响机理。

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煤炭科学技术

2023年第08期

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富孔贫胶固废充填材料双组分破坏试验及强度模型

作者(Author)：崔春阳, 李春元, 王美美, 杨冠宇, 薛珊珊, 王卫

摘要：为缓解井下充填骨料来源不足及固体充填捣实费时的问题，提出对松堆高孔隙率含矸固废骨料进行非填隙胶结，应用松堆落矸与自密实灌浆工艺试制了一种新型富孔贫胶固废充填材料。以该材料中胶结浆体与固废骨料双组分强度为正交变量，在室内开展了单轴压缩破坏试验，研究了其单轴压缩破坏的强度特征及破坏面统计规律；考虑浆体强度与骨料强度共同影响，建立了基于破坏面统计特征的双组分强度概化模型；定义了胶结浆体与固废骨料的综合强度利用率，分析了富孔贫胶固废充填材料最优配比范围及吨煤成本趋势。结果表明：自密实净浆固化强度与固废骨料强度共同控制富孔贫胶固废充填材料的单轴压缩强度与剪切面破断模式，2种组分强度与充填材料宏观强度呈现显著正相关关系；充填材料强度受到两种组分强度的短板效应制约，当一种组分强度富余时，另一种组分破坏比例将占主导；富孔贫胶固废充填材料单轴压缩呈剪切破坏模式，剪切面呈单斜面型与交叉斜面型，剪切面的平均角度为55.4°；应用富孔贫胶固废充填材料后松堆骨料的密实度可由85%降低至58%，且当现场固废骨料强度确定时，可根据最优配比范围确定胶结浆体强度以实现充填材料强度的最大化利用，从而降低固体充填的压实作业耗时与单方矸石用量。

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煤炭科学技术

2023年第09期

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