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2022年“新銳科學家”專題

來源：煤炭學報

為全面展示我國煤炭行業青年學者的最新原創科技成果，鼓勵我國煤炭行業青年科學家把更多的代表性科研成果發表在祖國大地上，助力青年科學家成長成才，《煤炭學報》編輯部于2022年第2、3期組織策劃了“新銳科學家”專題。

行業視野: 煤炭學報
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關鍵詞; 372位
專家; 66篇
論文; 28211IP
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《煤炭學報》2022年第3期封面

作者(Author)：《煤炭學報》

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《煤炭學報》2022年第3期目次

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《煤炭學報》2022年第2期封面

作者(Author)：《煤炭學報》

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《煤炭學報》2022年第2期目次

作者(Author)：《煤炭學報》

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關鍵層運動監測及巖移5階段規律——以紅慶河煤礦為例

作者(Author)：鞠金峰, 許家林, 劉陽軍, 馬祥, 王曉振, 王業征, 劉樂, 謝建林, 趙富強

摘要：煤炭開采引起的巖移規律一直是采礦領域難解的“黑箱”問題，研究揭示其內部作用機制與演變過程是科學解決采礦工程系列問題的理論基礎?；趲r層控制的關鍵層理論，采用地面鉆孔原位監測方法，開展了紅慶河煤礦深井特大采高開采條件下覆巖內部移動規律的實測與反演研究。結果表明，覆巖由下向上逐步運移發展的過程呈現5階段典型分區特征，分別為覆巖超前受壓變形階段、逐層向上斷裂運移階段、覆巖整體快速沉降階段、上位巖層向下壓實階段、以及覆巖整體穩沉階段。依據5階段巖移特征，擬合形成了覆巖超前運移的“類指數”巖移邊界線，對應井上下超前影響范圍分別為地表的340m以及煤層的99m；推演得到了關鍵層逐層向上斷裂發展的83°斷裂延伸角，對應320m埋深以下關鍵層發生超前斷裂、以上為滯后斷裂。同時，對覆巖“橫三區”的具體分布進行了劃分；沿走向推進剖面，“類指數”巖移邊界線與關鍵層斷裂線之間的區域為超前變形區(煤壁支撐區)，對應于巖移階段1；關鍵層斷裂線之后、直至井上下分別滯后工作面煤壁410m和190m的區域為離層區，對應于巖移階段2~階段4；再后方的采空區為重新壓實區，對應于巖移階段5。覆巖關鍵層運動表現出對地表沉陷的顯著控制作用，隨著其逐層向上斷裂運移，地表沉陷活躍度不斷攀升，在主關鍵層結束其正向回轉并開始反向回轉時，地表沉陷開始進入峰值狀態，且這種峰值的持續對應于覆巖整體的快速沉降；當上位巖層逐步壓實下位巖層時，地表沉陷活躍度開始降低；直至主關鍵層運移穩定，地表沉陷活躍期結束、開始進入衰退期；表明地表沉陷盆地的最終形態直接受控于主關鍵層的運移狀態。研究結果可為紅慶河及其周邊類似條件礦井的巖層控制、災害防治等科學采煤實踐與研究提供參考。

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大傾角煤層長壁開采頂板應力傳遞路徑傾角效應

作者(Author)：羅生虎, 王同, 田程陽, 高喜才, 郎丁, 王紅偉

摘要：大傾角煤層安全高效開采的關鍵是對圍巖的有效控制，而發現并揭示圍巖采動應力的時空演化特征及其傾角效應是圍巖穩定性控制的基礎。以新疆某礦25221工作面為工程背景，采用現場實測、理論分析與數值計算相結合的研究方法，在綜合厘定與分析工作面礦壓顯現一般規律及其成因的基礎之上，研究頂板采動應力傳遞路徑的時空演化特征及其傾角效應。結果顯示：在大傾角煤層開采中，頂板采動應力隨工作面推進的動態演化過程先后經歷了增長期和穩定期，其對應支承壓力峰值的演化呈現為先增大后趨于穩定的特征。受煤層傾角影響，頂板采動應力的三維傳遞演化沿走向對稱、沿傾向非對稱。在傾向剖面內，頂板應力的傳遞路徑呈非對稱拱形形態，且沿頂板自上而下，應力偏轉位置由工作面傾向中軸線左側逐漸向其右側遷移，上覆巖層載荷以應力偏轉界線為界，分別向傾向上、下側煤體傳遞，造成傾向上側支承壓力集中系數大于下側。在工作面走向剖面內，圍巖應力的傳遞路徑呈扁平拱形態，扁平拱兩側半拱形區域上覆巖層載荷除了向工作面走向兩側煤體傳遞外，亦向工作面傾向上、下側煤體傳遞，而扁平拱中間直線段區域上覆巖層載荷主要向傾向上、下側煤體傳遞。隨著煤層傾角的增大，圍巖應力傳遞演化的非對稱特性顯著增大，應力偏轉界線與工作面傾向中軸線間的距離逐漸增大，二者交點的高度呈現為增-減-增的演化趨勢；受此影響，工作面走向和傾向上側支承壓力集中系數亦呈現出增-減-增的演化趨勢。頂板應力的非對稱時空演化特征，造成采場空間不同區域頂板的力學性狀與行為存在顯著差異，這種差異性導致傾向不同區域支架的受載與失穩特征亦存在顯著差異，且這一現象會隨著煤層傾角的增大而愈發明顯。

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千米深井超長工作面采動應力旋轉軌跡及其推進方向效應

作者(Author)：王兆會, 孫文超, 水艷婷, 劉鵬舉

摘要：隨著淺部煤炭資源開采殆盡，深部煤炭資源開發成為我國東部礦區面臨的一大難題。深部礦井具有高應力、強擾動、節理裂隙發育等特點，導致煤壁高程度片幫、頂板大范圍漏冒、巷道大變形破壞等圍巖失穩現象頻發，威脅安全生產。為提高深部開采圍巖控制效果，本文以口孜東礦千米深井超長工作面為工程背景，采用現場實測、室內實驗、數值計算和理論分析等手段研究超前采動應力旋轉軌跡及其推進方向效應。結果表明：千米深井超長工作面支承壓力呈現以峰值影響區為邊界的空間分區特征，超前影響范圍和煤壁破壞寬度分別達到150 m、8~12 m，采動應力發生大幅度旋轉現象，高應力和應力旋轉共同驅動工作面圍巖破壞失穩。強采動影響下超前采動應力向采空區傾斜，走向影響范圍達到200 m；兩側采動應力向巷道傾斜，傾向影響范圍達到15 m。以平行于工作面推進方向的豎直平面為基準，采動應力旋轉軌跡經歷面外慢速偏離、面外快速靠近和面內協同旋轉三個階段。工作面推進方向對采動應力旋轉軌跡具有強烈控制作用，當其與最小地應力方向平行或垂直時，采動應力旋轉軌跡呈對稱分布形態，兩者處于其他空間位置關系時，采動應力旋轉軌跡呈非對稱分布形態。推進方向與最小地應力方向之間的夾角增大，采動應力面外慢速旋轉階段縮短，快速回旋階段增長，但面內協同旋轉階段始終落在平行于工作面推進方向的豎直平面?；趪鷰r裂隙分布特征，實現圍巖穩定性的應力方向敏感區識別，裂隙賦存穩定，應力方向敏感區為局部覆蓋型；裂隙隨機分布，應力方向敏感區轉為全區覆蓋型。根據應力方向敏感區形態提出了優勢采動應力旋轉軌跡確定原則，指導推進方向選擇與優化，為深部開采圍巖控制提供新思路。

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遺留群柱中關鍵柱判別方法與軟件

作者(Author)：白錦文, 宋誠, 王紅偉, 戚庭野, 馮國瑞, 王凱, 郭軍, 史旭東, 崔博強

摘要：關鍵柱局部失穩會誘發煤柱群（簡稱“群柱”）體系的鏈式失穩及其圍巖的聯動破壞。關鍵柱位置的判別是柱式采空區煤巖體鏈動失穩科學防控的基本前提。本文首先界定了遺留煤柱最小等效寬度的概念，提出了四種確定不同形態遺留煤柱最小等效寬度的方法，優化了遺留煤柱自身強度的計算方法；其次，引入應力擴散的最大距離L，改進了遺留煤柱承擔載荷的計算公式；然后，分別確定了待研究區域內各個遺留煤柱的安全系數，并將安全系數最小的遺留煤柱判別為關鍵柱；最后，形成了遺留群柱中關鍵柱判別的技術方法，并運用Python語言開發了關鍵柱智能判別的KPDS軟件。結果表明：①最小等效寬度為不同形態遺留煤柱的最小實用承載寬度；內切圓法、最短邊法、輔助線法和短軸線法可以用于確定采空區規則/不規則形態遺留煤柱的最小等效寬度。②內切圓法適用于確定橫截面為三角形和正多邊形遺留煤柱的最小等效寬度；最短邊法適用于確定“橫截剖面存在最短邊且其鄰近兩邊相互平行”遺留煤柱的最小等效寬度；輔助線法適用于確定“橫截剖面存在最短邊且其兩條鄰邊不相互平行”遺留煤柱的最小等效寬度；短軸線法適用于確定半圓形遺留煤柱、圓形遺留煤柱和橢圓形遺留煤柱的最小等效寬度。③遺留煤柱承擔的載荷不只是從屬面積上覆巖的載荷，還包括鄰近范圍覆巖所傳遞擴散過來的載荷；考慮應力擴散最大距離可以更加準確計算遺留煤柱承擔的載荷。④基于最小等效寬度和載荷擴散最大距離，能夠確定待研究采空區內安全系數最小的遺留煤柱，可以進一步判別出關鍵柱，并形成關鍵柱判別的技術流程。⑤關鍵柱判別KPDS軟件是Key Pillar Determination Software的簡稱，主要包括：登錄界面、參數導入界面、強度計算界面、承載與安全系數計算界面和關鍵柱判別界面；該軟件可以快速智能地判別出遺留群柱體系中關鍵柱。該研究可以實現遺留群柱體系中關鍵柱位置的預先超前識別，有望指導遺留群柱鏈式失穩和圍巖聯動破壞的科學防控，并進一步促進煤礦巖層控制理論與技術的發展。

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