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放顶煤中心王兆会副教授论文被收录入《煤炭学报》2022“新锐科学家”专题

日期：2022-05-07　

放顶煤中心王兆会副教授论文：《千米深井超长工作面采动应力旋转轨迹及其推进方向效应》，被收录入《煤炭学报》2022“新锐科学家”专题。

论文创新点：

（1）发现了千米深井超长工作面超前支承压力分区式空间分布特征和采动应力旋转现象，强采动影响范围达到100m，揭示了高采动应力和采动应力旋转双重驱动深部裂隙岩体破坏失稳的内在机理。

（2）采动应力旋转轨迹存在面外慢速偏离、面外快速靠近和面内协同旋转3个阶段，快速靠近阶段的应力旋转幅度正比于推进方向与初始最小地应力夹角，协同旋转阶段所在平面平行于工作面推进方向。

（3）基于裂隙分布特征，实现了围岩稳定性的采动应力方向敏感区识别，采动应力旋转轨迹偏离应力方向敏感区，围岩稳定性增强，提出了优势采动应力旋转轨迹确定原则和推进方向优化方法。

主要成果：

致力于厚煤层开采围岩稳定性与顶煤冒放性控制理论与技术研究，揭示了厚煤层高强度开采顶板动载冲击效应产生机理和大空间采场围岩系统稳定的高刚度控制原理；提出了顶煤冒放性的超声波速表征方法和预测模型，科学指导综放开采参数选择；发现了煤炭地下开采引起的采动应力旋转现象，提出了采动应力方向表征和旋转轨迹分析的赤平投影方法，从采动应力方向调控角度为顶煤冒放性和围岩稳定性提升提供新思路。

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千米深井超长工作面采动应力旋转轨迹及其推进方向效应

作者：王兆会^1,2，孙文超¹，水艳婷¹，刘鹏举¹

单位：1. 中国矿业大学（北京）能源与矿业学院；2. 放顶煤开采煤炭行业工程研究中心

一、研究背景

“十三五”规划纲要提出加强对“深地、深海、深空、深蓝”４个领域的战略技术部署，其中“深地”是指对地球深部矿物资源和能源资源的勘探开发。煤炭既是矿物资源也是能源资源，被誉为工业的粮食，也是我国能源安全的压舱石。深部煤炭资源开发对我国东部地区稳定发展至关重要，但开采深度增加导致地应力升高，扰动效应增强，围岩所处应力环境趋于复杂和集中化，煤岩力学特性由线性向非线性转化，因此，深部煤炭资源开发面临多种围岩控制难题。当前深部开采相关研究主要集中于采动应力大小方面，在指导深部煤炭资源安全开发中发挥了重要作用。笔者研究发现了采动引起的围岩主应力旋转现象，后文称为采动应力旋转现象。千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高，各向异性增强，采动应力方向变化势必对围岩承载能力和破坏模式造成影响。可通过优化采动应力旋转轨迹强化围岩稳定性，为该类工作面围岩控制提供新思路。

二、摘要

随着浅部煤炭资源开采殆尽，深部煤炭资源开发成为我国东部矿区面临的一大难题。深部矿井具有高应力、强扰动、节理裂隙发育等特点，导致煤壁高程度片帮、顶板大范围漏冒、巷道大变形破坏等围岩失稳现象频发，威胁安全生产。为提高深部开采围岩控制效果，本文以口孜东矿千米深井超长工作面为工程背景，采用现场实测、室内实验、数值计算和理论分析等手段研究超前采动应力旋转轨迹及其推进方向效应。结果表明：

千米深井超长工作面支承压力呈现以峰值影响区为边界的空间分区特征，超前影响范围和煤壁破坏宽度分别达到150m、8~12m，采动应力发生大幅度旋转现象，高应力和应力旋转共同驱动工作面围岩破坏失稳。强采动影响下超前采动应力向采空区倾斜，走向影响范围达到200m；两侧采动应力向巷道倾斜，倾向影响范围达到15m。

以平行于工作面推进方向的竖直平面为基准，采动应力旋转轨迹经历面外慢速偏离、面外快速靠近和面内协同旋转三个阶段。工作面推进方向对采动应力旋转轨迹具有强烈控制作用，当其与最小地应力方向平行或垂直时，采动应力旋转轨迹呈对称分布形态，两者处于其他空间位置关系时，采动应力旋转轨迹呈非对称分布形态。推进方向与最小地应力方向之间的夹角增大，采动应力面外慢速旋转阶段缩短，快速回旋阶段增长，但面内协同旋转阶段始终落在平行于工作面推进方向的竖直平面。

基于围岩裂隙分布特征，实现围岩稳定性的应力方向敏感区识别，裂隙赋存稳定，应力方向敏感区为局部覆盖型；裂隙随机分布，应力方向敏感区转为全区覆盖型。根据应力方向敏感区形态提出了优势采动应力旋转轨迹确定原则，指导推进方向选择与优化，为深部开采围岩控制提供新思路。

三、部分图片