浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳机制 被引量：11

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作者 冯国瑞 朱卫兵 +3 位作者 白锦文 余丹 谢建林 李竹 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期114-125,共12页

工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳,诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式... 工作面前方遗留煤柱群(后文简称“超前煤柱群”)在采动影响下会发生链式冲击失稳,诱发动载矿压灾害并影响下伏煤层的安全高效开采。揭示超前煤柱群链式冲击失稳机制是浅埋近距离煤层安全开采的根本前提。本文实测分析了元宝湾煤矿房式采空区下伏6107工作面开采的覆岩移动规律,发现了超前煤柱群的回弹变形现象,开展了房式采空区下伏煤层开采的物理模拟实验,研究了房采煤柱群-覆岩的变形破坏特征,分析了采动影响下超前煤柱群回弹冲击失稳的动态过程,揭示了浅埋近距离煤层开采超前煤柱群的冲击失稳机制。结果表明:(1)浅埋柱采区近距离下伏煤层开采过程中工作面前方覆岩呈现出“先短暂回弹后剧烈下沉”的运动特征,即首先存在极短时间的覆岩回弹变形现象,之后出现了部分覆岩的整体破断与垮塌。由此,反推出采动影响下超前煤柱群也发生了回弹变形。(2)柱式采空区下伏煤层开采过程中关键柱在覆岩沉降和超前支承压力的作用下最早出现斜切破坏,引起载荷的转移,加剧邻近部分房采煤柱群的应力集中程度,进而发生链式斜切破坏。在此过程中,覆岩持续沉降,裂隙也不断发育,形成剪切贯通断裂面,发生破断回转,促使超前煤柱群回弹变形与冲击失稳,引发层间岩层的全厚切落,带动更大规模房采煤柱群的链式失稳,并造成下伏工作面动压灾害的发生。(3)浅埋近距离下伏煤层开采“煤柱群-覆岩”的失稳垮塌过程可以细分为:关键柱斜切破坏阶段、关键柱邻近部分煤柱群破坏阶段、超前煤柱群回弹冲击失稳阶段、覆岩垮塌与层间岩层切落致灾阶段。(4)浅埋近距离煤层开采超前煤柱群冲击失稳是“煤柱群回弹变形”与“覆岩联动垮塌”共同作用且互馈影响的动态过程。该研究可以解释柱式采空区下伏近距离煤层开采超前动载矿压的显� 展开更多

关键词 关键柱 煤柱群 回弹变形 冲击失稳 岩层切落 动载矿压

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残采区关键域充填储碳空间重构的科学内涵 被引量：8

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作者 冯国瑞 白锦文 +3 位作者 曹光明 韩艳娜 马俊彪 王朋飞 《中国矿业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期432-445,共14页

减碳降碳是我国煤炭工业绿色低碳发展面临的新挑战和科技攻关的新方向.在分析残采区储碳空间重构必要性的基础上,以绿色开采和科学开采的学术思想为指导,综合考虑残采区空间资源的高效率开发与CO_(2)的大体量储集,提出了残采区关键域充... 减碳降碳是我国煤炭工业绿色低碳发展面临的新挑战和科技攻关的新方向.在分析残采区储碳空间重构必要性的基础上,以绿色开采和科学开采的学术思想为指导,综合考虑残采区空间资源的高效率开发与CO_(2)的大体量储集,提出了残采区关键域充填储碳空间重构的技术方法——基于残采区发育特征和围岩结构形式,通过分区设计、充填重构和储集控制等技术的系统集成,在煤矿残采区关键位置实施针对性地充填增稳技术,构筑出封闭且稳定的CO_(2)储集空间.残采区关键域充填储碳空间重构需要解决四大关键科学问题:残采区潜在储碳空间煤岩破坏响应规律及关键域判别原理、关键域碱性充填材料碳化改性-碳化养护的协同储碳机制、煤岩充结构体蠕变失稳模型与储碳空间群灾变失稳机理、储碳空间关键域充填参数与CO_(2)注/排参数的设计准则等.残采区关键域充填储碳空间重构关键技术包括:潜在储碳空间关键域的多参量识别技术、关键域碱性充填材料储碳性能的表征技术、注/排影响下储碳空间的链式灾变模拟技术、储碳空间重构“承载-储碳”参数的调控技术等.残采区关键域充填储碳空间重构亟需攻关的研究任务有:残采区潜在储碳空间圈定与关键域充填位置判别、残采区关键域碱性充填材料的储碳性能与机制、残采区储碳空间时效失稳特征与灾变泄漏机理、残采区关键域充填储碳空间的重构设计方法.残采区关键域充填储碳空间重构科学内涵的思考有望为实现煤矿地下空间开发利用与减碳降碳提供理论支撑与决策依据,可以推进我国煤炭工业的绿色低碳发展. 展开更多

关键词 残采区 储碳空间 关键域充填 空间重构 减碳降碳

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关键柱柱旁双侧充填遗留煤柱链式失稳防控效果研究 被引量：5

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作者 冯国瑞 马俊彪 +2 位作者 白锦文 朱卫兵 毋晧田 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2023年第5期945-956,共12页

关键柱是采空区遗留煤柱群中最薄弱环节。关键柱的局部失稳可能导致遗留煤柱群的链式失稳。关键柱柱旁充填有望提高遗留煤柱群的整体稳定性,亟待开展关键柱柱旁充填防控遗留煤柱链式失稳的评价研究。选取元宝湾煤矿蹬空采动影响下柱式... 关键柱是采空区遗留煤柱群中最薄弱环节。关键柱的局部失稳可能导致遗留煤柱群的链式失稳。关键柱柱旁充填有望提高遗留煤柱群的整体稳定性,亟待开展关键柱柱旁充填防控遗留煤柱链式失稳的评价研究。选取元宝湾煤矿蹬空采动影响下柱式采空区遗留煤柱群为工程背景,通过FLAC~(3D)数值模拟软件研究蹬空开采过程中遗留煤柱群的稳定性变化和关键柱位置,分析不同宽度和高度关键柱柱旁双侧充填体对遗留煤柱群稳定性的影响。结果表明:蹬空开采过程中,遗留煤柱群中9-2煤柱率先失去了承载能力,可以视为关键柱;柱旁双侧充填体的宽度越大,关键柱能够分担越多的覆岩载荷与上行扰动载荷,邻近煤柱的应力集中程度随柱旁双侧充填体宽度的增大而降低;当柱旁双侧充填体高度与关键柱高度一致时,关键柱内部应力集中程度会明显降低;合理选取柱旁充填体的宽度和高度,能够有效提升遗留煤柱群整体稳定性。本研究有望为遗留煤柱群的链式失稳防控提供理论指导。 展开更多

关键词 关键柱柱旁充填 遗留煤柱群稳定性 上行开采 充填宽度 充填高度

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遗留群柱中关键柱判别方法与软件 被引量：4

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作者 白锦文 宋诚 +7 位作者 王红伟 戚庭野 冯国瑞 曹光明 王凯 郭军 史旭东 崔博强 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第2期651-661,共11页

关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的... 关键柱局部失稳会诱发煤柱群(简称“群柱”)体系的链式失稳及其围岩的联动破坏。关键柱位置的判别是柱式采空区煤岩体链动失稳科学防控的基本前提。首先界定了遗留煤柱最小等效宽度的概念,提出了4种确定不同形态遗留煤柱最小等效宽度的方法,优化了遗留煤柱自身强度的计算方法;其次,引入应力扩散的最大距离L,改进了遗留煤柱承担载荷的计算公式;然后,分别确定了待研究区域内各个遗留煤柱的安全系数,并将安全系数最小的遗留煤柱判别为关键柱;最后,形成了遗留群柱中关键柱判别的技术方法,并运用Python语言开发了关键柱智能判别的KPDS软件。结果表明:(1)最小等效宽度为不同形态遗留煤柱的最小实用承载宽度;内切圆法、最短边法、辅助线法和短轴线法可以用于确定采空区规则/不规则形态遗留煤柱的最小等效宽度;(2)内切圆法适用于确定横截面为三角形和正多边形遗留煤柱的最小等效宽度;最短边法适用于确定“横截剖面存在最短边且其邻近2边相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;辅助线法适用于确定“横截剖面存在最短边且其2条邻边不相互平行”遗留煤柱的最小等效宽度;短轴线法适用于确定半圆形遗留煤柱、圆形遗留煤柱和椭圆形遗留煤柱的最小等效宽度;(3)遗留煤柱承担的载荷不只是从属面积上覆岩的载荷,还包括邻近范围覆岩所传递扩散过来的载荷;考虑应力扩散最大距离可以更加准确计算遗留煤柱承担的载荷;(4)基于最小等效宽度和载荷扩散最大距离,能够确定待研究采空区内安全系数最小的遗留煤柱,可以进一步判别出关键柱,并形成关键柱判别的技术流程;(5)关键柱判别KPDS软件是Key Pillar Determination Software的简称,主要包括:登录界面、参数导入界面、强度计算界面、承载与安全系数计算界面和关键柱判别界面;该软件可以快� 展开更多

关键词 关键柱 最小等效宽度 载荷扩散距离 判别方法 智能软件

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陕蒙深部矿区基于防冲的区段煤柱宽度研究 被引量：3

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作者 王博 冯国瑞 姜福兴 《太原理工大学学报》 CAS 北大核心 2023年第3期443-450,共8页

以陕蒙深部矿区纳林河二号井双巷快速掘进条件下首个临空工作面开采为背景,采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法,研究了不同宽度区段煤柱应力分布规律,揭示了宽区段煤柱应力叠加诱冲机理,并在此基础上指出下阶段基于防冲的窄区段煤... 以陕蒙深部矿区纳林河二号井双巷快速掘进条件下首个临空工作面开采为背景,采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法,研究了不同宽度区段煤柱应力分布规律,揭示了宽区段煤柱应力叠加诱冲机理,并在此基础上指出下阶段基于防冲的窄区段煤柱宽度设计方法。研究结果表明:宽区段煤柱受采空区侧向支承压力、走向支承压力和上覆厚硬岩层破断产生的动载应力等多个因素影响,当形成的叠加应力达到冲击发生的临界应力时,将使冲击显现;下阶段纳林河二号井留设区段煤柱宽度为5~7 m较为合理。陕蒙深部矿区其他类似条件矿井可在此基础上积极探索窄煤柱留设方式,以期降低临空巷道发生冲击地压灾害的可能性。 展开更多

关键词 深部开采 临空 区段煤柱 应力演化 冲击地压防治

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多煤层采动围岩破坏规律及顶板老空水害防治研究 被引量：3

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作者 刘钦 刘午 《太原理工大学学报》 CAS 北大核心 2023年第4期692-699,共8页

【目的】受地下水的持续补给作用,上覆煤层采空区及巷道形成了特殊的地下水存储和循环系统。我国大多数煤矿面临多煤层复合采动条件下顶板老空水害防治技术难题,导致煤矿日常顶板探放水工程量居高不下。【方法】以水文地质条件复杂矿井... 【目的】受地下水的持续补给作用,上覆煤层采空区及巷道形成了特殊的地下水存储和循环系统。我国大多数煤矿面临多煤层复合采动条件下顶板老空水害防治技术难题,导致煤矿日常顶板探放水工程量居高不下。【方法】以水文地质条件复杂矿井的煤层顶底板岩体为研究对象,采用现场电性实验、数值模拟实验、理论分析等手段研究多煤层复合采动条件下煤层间裂隙带的发育规律。【结果】研究结果表明:近距离煤层采动促使煤层采空区充分连通,形成双煤层采空积水区,双煤层底板扰动破坏带深度为15.6 m;随着下伏工作面的不断推进,围岩软弱结构面增多导致电阻率增大区范围扩大,向上扩展至58 m后裂隙带高度逐渐停止发育;当关键阻水层有效厚度不小于20 m时,顶板老空水探放工作量可得到最大程度的优化。【结论】鉴于此,提出了基于煤层层间距及有效关键阻水层的老空水害防治及保水采煤理念,煤矿顶板老空水体下保水采煤应当遵循“查清构造、控制层距、上防下采”的思路。研究成果不仅有效防控顶板老空突水威胁,也降低了煤矿老空区积水探放工作量及生产成本,同时可为受顶板老空水害影响的矿井多煤层保水采煤技术的研究提供借鉴。 展开更多

关键词 老空水 电性实验 裂隙带 数值模拟 保水采煤

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黏土矿物材料在煤矿注浆领域的研究进展与前景展望

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作者 冯国瑞 姚鑫 +4 位作者 王帅 姚顺 韩艳娜 黄丽 侯凯 《材料导报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第19期104-114,共11页

我国煤炭资源的开采将进入深部开采阶段,传统的无机和有机注浆材料难以应对深部开采高应力、高地温、高岩溶水压的工程条件。黏土矿物具有特殊的层状结构及高膨胀性、良好的热稳定性、高火山灰活性等理化特征,已被广泛用于煤矿注浆材料... 我国煤炭资源的开采将进入深部开采阶段,传统的无机和有机注浆材料难以应对深部开采高应力、高地温、高岩溶水压的工程条件。黏土矿物具有特殊的层状结构及高膨胀性、良好的热稳定性、高火山灰活性等理化特征,已被广泛用于煤矿注浆材料领域。近年来,国内外学者开发了纯黏土注浆材料、水泥-黏土复合注浆材料以及有机物-黏土复合注浆材料,并阐明了各类材料的用途及黏土矿物作为外加填料的强化机理。本文基于对黏土矿物结构、特性、表征及应用的阐述,综合近年来国内外科研人员对煤矿含黏土注浆材料的研究,归纳了含黏土注浆材料的开发现状,探讨了黏土矿物用于煤矿注浆的必要条件和共性特征,指出了当前煤矿含黏土注浆材料研究中存在的问题,并对今后含黏土注浆材料的开发提出了展望。 展开更多

关键词 黏土矿物 注浆材料 复合材料 煤矿开采

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FRP包裹对煤充结构体劈裂破坏特征的影响 被引量：1

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作者 白锦文 杨欣宇 +5 位作者 史旭东 冯国瑞 崔博强 宋诚 王凯 李剑 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第S01期3541-3557,共17页

柱旁充填中煤柱与充填体共同组成具有协同承载作用的煤充结构体,二者之间的界面为煤充结构体薄弱环节。界面失稳会诱发煤充结构体的整体失稳,FRP包裹可以用于增强界面稳定性。本文开展不同界面角度情形下煤充结构体的3组巴西劈裂试验(... 柱旁充填中煤柱与充填体共同组成具有协同承载作用的煤充结构体,二者之间的界面为煤充结构体薄弱环节。界面失稳会诱发煤充结构体的整体失稳,FRP包裹可以用于增强界面稳定性。本文开展不同界面角度情形下煤充结构体的3组巴西劈裂试验(不进行FRP包裹、FRP包裹1圈和FRP包裹2圈),结合DIC和声发射监测技术,研究FRP包裹对煤充结构体劈裂破坏特征的影响。结果表明:(1)煤充结构体界面上所受荷载超过界面抗拉强度或界面抗剪强度时会产生界面裂纹;煤体元件或充填体元件所受荷载超过其抗拉强度时会产生拉伸裂纹;FRP包裹后,煤充结构体能够承受的荷载增加,积聚的能量不能通过界面分离释放,使得煤体元件上出现集中破坏区。(2)随着界面角度增大,界面裂纹由拉伸裂纹转变为剪切裂纹;FRP包裹后,界面裂纹的发育程度显著降低,且其脆性特征也会减弱。(3)煤充结构体应变带的扩展方向包括沿着加载方向扩展和沿着界面方向扩展2种;FRP包裹会增大煤充结构体界面的抗拉强度和抗剪强度,使得界面稳定性增强。(4)FRP包裹可以提高煤充结构体试样的AE计数,并削减试样最终发生失稳时的损伤程度。(5)FRP包裹后煤充结构体的AF-RA数据点数量增多,FRP包裹使得试样在失稳前能经历更多的裂纹产生与扩展。该研究成果有望为柱旁充填中煤充结构体的劈裂失稳防控提供理论指导。 展开更多

关键词 采矿工程 煤充结构体 FRP包裹 劈裂破坏 界面角度 DIC 声发射

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残采区群柱遗煤资源绿色开采与地下空间开发技术挑战 被引量：1

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作者 冯国瑞 白锦文 +4 位作者 马俊彪 郭军 潘瑞凯 王凯 宋诚 《绿色矿山》 2023年第1期91-100,共10页

残采区遗留煤柱群(后文简称“群柱”)分布广泛,储量可观,且多为稀缺优质资源,具有良好的开采价值与潜力。残采区群柱遗煤资源长期滞留极易自然发火,污染环境、危害健康且加剧碳排放。残采区群柱遗煤资源受内在特征及外部环境影响可能会... 残采区遗留煤柱群(后文简称“群柱”)分布广泛,储量可观,且多为稀缺优质资源,具有良好的开采价值与潜力。残采区群柱遗煤资源长期滞留极易自然发火,污染环境、危害健康且加剧碳排放。残采区群柱遗煤资源受内在特征及外部环境影响可能会发生链式失稳,引发覆岩垮落、地表沉陷、动载矿压、瓦斯涌出、涌水溃砂(泥/煤泥)或火区扩展等多元灾害,并威胁安全绿色开采。残采区群柱遗煤资源开采还会形成大体积的采动空间,也是潜在的可开发“资源”,用于储CO_(2)、储氢、储油、储水等。残采区群柱遗煤资源开采面临的主要技术挑战包括:赋存状况如何精准勘探、附近积水如何超前处理、自然发火如何有效防控、周边积气如何充分处置、开采方法如何科学选择、围岩如何针对性控制等。群柱遗煤资源开采涉及到地下空间的“充填主动开发”与“注浆被动改造”,面临的技术挑战有:关键域充填/注浆位置在哪里、关键域充填/注浆材料用什么、关键域充填/注浆技术参数优化、关键域充填/注浆地下空间稳定运维等技术难题。上述研究有望为残采区群柱遗煤资源绿色开采和空间资源的高效开发提供科学指导与决策依据。残采区群柱遗煤资源的安全绿色高采出率开采与地下空间开发任重道远,需要严格遵守《煤矿安全规程》和地方各级政府部门制定的技术规范与要求,综合考虑精准勘探、积水处理、发火防控、积气处置、方法选择、围岩控制及其他隐患治理等,因地制宜开展群柱遗煤资源开采与地下空间开发的“安全论证-方案设计-理论突破-技术攻关-装备研制”,力争实现残采区群柱遗煤资源的绿色开采与地下空间开发基础理论与关键技术的突破,助力我国煤炭工业的高质量发展。 展开更多

关键词 残采区 群柱遗煤资源 绿色开采 地下空间开发 技术挑战

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柱旁单侧充填煤充结构体的破坏响应特征与失稳机制

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作者 崔博强 白锦文 +6 位作者 冯国瑞 王善勇 王凯 史旭东 郭军 杨欣宇 宋诚 《中南大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期2431-2446,共16页

为研究柱旁单侧充填后“充填体-煤柱”协同承载结构体(BP煤充结构体)的破坏响应特征,首先,借助三维光学散斑监测仪和声发射系统,开展6组不同类型BP煤充结构体试样的单轴压缩试验,实时监测表面变形信息和试样破裂信号;其次,构建基于声发... 为研究柱旁单侧充填后“充填体-煤柱”协同承载结构体(BP煤充结构体)的破坏响应特征,首先,借助三维光学散斑监测仪和声发射系统,开展6组不同类型BP煤充结构体试样的单轴压缩试验,实时监测表面变形信息和试样破裂信号;其次,构建基于声发射特征的BP煤充结构体单轴压缩损伤模型;最后,揭示BP煤充结构体单轴压缩的失稳机制。研究结果表明:随着煤体元件体积占比的增加,BP煤充结构体的承载能力逐渐减小,弹性模量先减小后增大,而峰值应变先增大后减小。BP煤充结构体试样在单轴加载过程中,应变集中带首先出现在煤-充界面,其次出现在体积占比较大的元件中,最后出现在体积占比较小的元件中;最大声发射能量均出现在体积占比较大的元件中。BP煤充结构体试样的损伤会经历一个渐进损伤过程,主要包括初始损伤阶段、损伤发展阶段和损伤衰减阶段;煤体元件体积占比越大,BP煤充结构体损伤值增长越迅速,也更易造成结构体突然失稳;相反,充填体元件体积占比的增大会延缓BP煤充结构体试样的损伤速度。BP煤充结构体试样的失稳最早由煤-充界面的剪切破坏或拉伸破坏所引发,之后煤体元件或充填体元件发生联动破坏,导致BP煤充结构体试样丧失整体承载能力,并引发最终失稳。 展开更多

关键词 柱旁单侧充填 煤充结构体 单轴加载 破坏响应 失稳机制

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高静应力与低频扰动耦合作用下砂岩的力学响应特征 被引量：1

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作者 文晓泽 冯国瑞 +5 位作者 王朋飞 郭军 钱瑞鹏 白锦文 樊一江 朱林俊 《岩土力学》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第12期3426-3436,3473,共12页

低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的力学响应特性是残采区上行开采层间岩层稳定性的重要影响因素。基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展动静载耦合作用下高应力状态砂岩巴西劈裂试验,分析低频扰动荷载幅值对高静应力砂岩力学... 低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的力学响应特性是残采区上行开采层间岩层稳定性的重要影响因素。基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展动静载耦合作用下高应力状态砂岩巴西劈裂试验,分析低频扰动荷载幅值对高静应力砂岩力学响应特征的影响。结果表明:(1)高应力状态砂岩不会在小幅扰动荷载作用过程中破坏,但扰动损伤会降低岩样抗拉强度,基于层间岩层静态力学特性的上行开采稳定性分析中应纳入合适的折减系数;(2)高静应力砂岩破坏前的扰动荷载循环次数随幅值升高而降低,幅值为5.0、7.5、10 kN组岩样破坏前的扰动荷载循环次数均值分别为157、70、3;(3)引入描述流体状态的“紊流”形象化表达扰动荷载作用过程中附加能量的快速输入与输出,呈“紊流”状态的附加能量弱化了砂岩裂纹扩展的有序性,诱使砂岩破坏瞬间发生大规模裂纹扩展。该研究成果可为残采区上行开采稳定性分析提供一定参考。 展开更多

关键词 高静应力 动静载耦合 动态响应 上行开采

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