創新點

（1）聚焦遺煤資源綠色開采與采空區功能提升中圍巖的動態力學響應問題，圍繞“低頻擾動”與“靜態預應力”耦合的煤巖動態力學響應的相關科學問題，構建了針對“遺煤開采-空間開發”協同體系的低頻擾動巖體力學理論架構。

（2）自主搭建了“水-氣-溫”多場動靜載耦合試驗系統，開展了系列擾動荷載作用下煤巖“拉-壓-剪”力學試驗，量化了擾動荷載參數、靜態預應力水平和煤巖動態力學特性之間的關系，構建了相關經驗公式與強度演化規律，并嘗試將其應用于遺煤復采可行性判定和復采后層間巖層承載能力預測中，有效拓展了擾動巖體理論的工程應用邊界。

（3）量化了高應力煤巖失穩前擾動荷載循環周期數和幅值之間的關系，提出了低頻擾動下高應力煤巖失穩的超前預測判據；得到了擾動荷載作用下不同靜態預應力水平砂巖、煤、充填體的強度劣化特性，揭示了煤巖強度劣化和微觀裂紋演化之間的內在關聯機制。

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遺煤資源綠色開采與采空區功能提升中的煤巖動態力學問題研究與探討

作者：馮國瑞^1,2,3, 文曉澤^1,2, 郭軍^1,2, 韓磊, 白錦文^1,2, 錢瑞鵬, 王凱, 張旭^1,2, 金江, 張小榮

單位：1. 太原理工大學 礦業工程學院; 2. 礦山巖層控制及災害防控山西省重點實驗室; 3. 山西能源學院; 4. 山西焦煤集團有限責任公司; 5. 太原科技大學安全與應急管理工程學院; 6. 中國煤炭科工集團太原研究院有限公司; 7. 山西焦煤西山煤電(集團)有限責任公司

引用格式：

馮國瑞，文曉澤，郭軍，等. 遺煤資源綠色開采與采空區功能提升中的煤巖動態力學問題研究與探討[J]. 綠色礦山，2025，3(3)：16?29.FENG Guorui，WEN Xiaoze，GUO Jun，et al. Research and discussion on dynamic mechanics of surrounding rock in green mining of residual coal resources and function improvement of goaf[J]. Journal of Green Mine，2025，3(3)：16?29.

摘要

遺煤資源儲量豐富、賦存廣泛，兼具優質能源與戰略空間雙重價值?；谶z煤資源綠色開采和采空區功能提升中的擾動應力波來源、傳播衰減和靜態荷載特征，提出了“低頻擾動+靜態預應力”耦合的煤巖動態力學響應科學問題，構建了針對“遺煤開采?空間開發”協同體系的低頻擾動巖體力學理論架構，搭建了“水?氣?溫”多場動靜載耦合試驗系統。結合現有研究，系統開展了擾動荷載作用下煤巖“拉?壓?剪”動態力學響應特征研究，量化了高應力煤巖失穩前擾動荷載循環周期數和幅值之間的關系，得到了擾動荷載作用下不同靜態預應力水平砂巖、煤、充填體的強度劣化特性，提出了低頻擾動下高應力煤巖失穩的超前預測判據，揭示了煤巖強度劣化和微觀裂紋演化之間的內在關聯機制，推導了考慮低頻擾動效應的損傷變量和強度準則。研究表明，在遺煤開采可行性分析、穩定性評價和圍巖動態失穩防控中需要充分考慮采掘擾動的影響。相關研究成果可以為遺煤資源開采和采空區功能提升提供科學指導與決策依據。受采空區積水、瓦斯積聚、沖擊礦壓和火區擴展等多元風險因素的威脅，遺煤安全綠色開采及采空區功能提升仍面臨挑戰。擾動巖體力學理論在“遺煤開采?采空區功能提升”協同體系的工程應用中，尚需突破以下技術瓶頸：“水?氣?溫”復雜環境下的煤巖擾動力學響應特征尚不明確；多重采動影響下殘采區圍巖裂隙對擾動損傷的放大效應缺乏定量表征；擾動影響下儲碳/負碳新型充填體及其構筑空間的穩定運維亟待研究；沉積巖的巖性復雜，動態力學普適性規律揭示和通用本構模型構建面臨挑戰。需要在煤礦安全規范框架下，推動擾動巖體力學理論在遺煤開采工程中的應用，力求實現遺煤資源綠色低碳開發與采空區賦能應用技術的突破，助力遺留難采煤炭資源安全綠色高采出率開采關鍵技術的發展和推廣。

部分圖片

圖1 遺煤開采擾動和圍巖應力狀態示意

圖2 井下開采擾動應力波監測和衰減

圖3 低頻擾動巖體力學理論架構

圖4 “水?氣?溫”多場動靜載耦合電液伺服試驗系統開發思路

圖5 低頻擾動下完整、裂隙砂巖加載路徑和結果分析

圖6 擾動荷載作用下砂巖動態剪切試驗

圖7 擾動荷載作用下煤樣動態力學響應

圖8 擾動巖體力學理論在工程應用中的技術挑戰

第一作者

馮國瑞，男，1976年7月生，山西陽城人，博士，二級教授，博士生導師，“科學探索獎”獲得者，國家青年科學基金項目（A類）延續資助項目獲得者、國家杰出青年科學基金獲得者、國家優秀青年科學基金獲得者、國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、國家百千萬人才工程人選。現任山西能源學院黨委書記，礦山巖層控制及災害防控山西省重點實驗室主任、全國煤炭工業礦山建設與支護專家委員會副主任，《山西煤炭》主編，《綠色礦山》副主編，《煤炭學報》、《巖石力學與工程學報》、《采礦與安全工程學報》、《采礦與巖層控制工程學報》、《礦業科學學報》編委。

研究方向

遺留難采煤炭資源綠色開采與災害防控

主要成果

主持國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金聯合基金重點項目等國家級科研項目9項、山西省重大專項等省部級和企業委托科研項目30余項，出版著作7部，發表論文200余篇，其中SCI、EI收錄180余篇，授權國家發明專利150余項，獲山西省技術發明一等獎、中國煤炭工業科學技術一等獎、等省部級一等以上科研教學成果獎10項、二等獎多項，曾獲得國家有突出貢獻中青年專家、國務院特殊津貼專家、科技部中青年科技創新領軍人才、教育部新世紀優秀人才、全國煤炭教學名師、山西省委聯系的高級專家、山西省勞動模范、山西省新興產業領軍人才、山西省科技創新重點團隊帶頭人等榮譽稱號。

通訊作者

郭軍，男，1987年生，山西定襄人，博士，副教授，博士生導師。全國煤炭青年科技獎獲得者，三晉英才科技創新領域青年拔尖人才，全國煤炭行業“遺煤資源科學開發”工程研究中心副主任，“遺留煤炭資源綠色低碳開采”中國煤炭工業科學技術創新團隊骨干，兼任《采礦與巖層控制工程學報》特邀編委、《內蒙古工業大學學報（自然科學版）》編委、《綠色礦山》青年編委、《采礦與安全工程學報》青年編委等。主持國家自然科學基金面上項目、國家自然科學基金青年基金項、中國博士后基金面上資助項目等省部級以上項目10項。在國內外學術期刊和會議期刊發表論文50余篇。獲山西省技術進步一等獎、山西省技術發明一等獎、中國煤炭工業科學技術一等獎、中國專利優秀獎等多項獎勵。

策劃丨常明然

責編丨常明然

編輯丨李莎

審核丨常明然

煤炭科學研究總院期刊出版公司擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄7種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計劃入選期刊4種，是煤炭行業最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業最大最權威的期刊集群。

期刊簡介

為深入貫徹習近平生態文明思想，踐行“綠水青山就是金山銀山”理念，搭建綠色礦山建設領域高端學術交流平臺，2023年5月，經國家新聞出版署批準，由中國煤炭科工集團主管、煤炭科學研究總院有限公司主辦的中文科技期刊——《綠色礦山》（Journal of Green Mine）應運而生?！毒G色礦山》為季刊，國內統一連續出版物號為：CN10-1912/TD，ISSN號：2097-3357，由《綠色礦山》編輯部負責策劃、出版、發行。

刊登范圍

綠色勘查、綠色開采、礦山地下空間利用、綠色選冶、礦山環境保護、低碳技術及節能減排、數字礦業、綠色低碳經濟政策與評價等。

期刊主頁

http://www.lsks.org.cn

投稿網址

https://lsks.cbpt.cnki.net/EditorAN/index.aspx?t=1

聯系：常明然

電話： 010-87986452

郵箱：journalofgreenmine@163.com

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