听论文丨冯国瑞教授：遗煤资源绿色开采与采空区功能提升中的煤岩动态力学问题研究与探讨

创新点

（1）聚焦遗煤资源绿色开采与采空区功能提升中围岩的动态力学响应问题，围绕“低频扰动”与“静态预应力”耦合的煤岩动态力学响应的相关科学问题，构建了针对“遗煤开采-空间开发”协同体系的低频扰动岩体力学理论架构。

（2）自主搭建了“水-气-温”多场动静载耦合试验系统，开展了系列扰动荷载作用下煤岩“拉-压-剪”力学试验，量化了扰动荷载参数、静态预应力水平和煤岩动态力学特性之间的关系，构建了相关经验公式与强度演化规律，并尝试将其应用于遗煤复采可行性判定和复采后层间岩层承载能力预测中，有效拓展了扰动岩体理论的工程应用边界。

（3）量化了高应力煤岩失稳前扰动荷载循环周期数和幅值之间的关系，提出了低频扰动下高应力煤岩失稳的超前预测判据；得到了扰动荷载作用下不同静态预应力水平砂岩、煤、充填体的强度劣化特性，揭示了煤岩强度劣化和微观裂纹演化之间的内在关联机制。

长按识别二维码阅读全文

听论文

遗煤资源绿色开采与采空区功能提升中的煤岩动态力学问题研究与探讨

作者：冯国瑞^1,2,3, 文晓泽^1,2, 郭军^1,2, 韩磊, 白锦文^1,2, 钱瑞鹏, 王凯, 张旭^1,2, 金江, 张小荣

单位：1. 太原理工大学 矿业工程学院; 2. 矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室; 3. 山西能源学院; 4. 山西焦煤集团有限责任公司; 5. 太原科技大学安全与应急管理工程学院; 6. 中国煤炭科工集团太原研究院有限公司; 7. 山西焦煤西山煤电(集团)有限责任公司

引用格式：

冯国瑞，文晓泽，郭军，等. 遗煤资源绿色开采与采空区功能提升中的煤岩动态力学问题研究与探讨[J]. 绿色矿山，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

遗煤资源储量丰富、赋存广泛，兼具优质能源与战略空间双重价值。基于遗煤资源绿色开采和采空区功能提升中的扰动应力波来源、传播衰减和静态荷载特征，提出了“低频扰动+静态预应力”耦合的煤岩动态力学响应科学问题，构建了针对“遗煤开采−空间开发”协同体系的低频扰动岩体力学理论架构，搭建了“水−气−温”多场动静载耦合试验系统。结合现有研究，系统开展了扰动荷载作用下煤岩“拉−压−剪”动态力学响应特征研究，量化了高应力煤岩失稳前扰动荷载循环周期数和幅值之间的关系，得到了扰动荷载作用下不同静态预应力水平砂岩、煤、充填体的强度劣化特性，提出了低频扰动下高应力煤岩失稳的超前预测判据，揭示了煤岩强度劣化和微观裂纹演化之间的内在关联机制，推导了考虑低频扰动效应的损伤变量和强度准则。研究表明，在遗煤开采可行性分析、稳定性评价和围岩动态失稳防控中需要充分考虑采掘扰动的影响。相关研究成果可以为遗煤资源开采和采空区功能提升提供科学指导与决策依据。受采空区积水、瓦斯积聚、冲击矿压和火区扩展等多元风险因素的威胁，遗煤安全绿色开采及采空区功能提升仍面临挑战。扰动岩体力学理论在“遗煤开采−采空区功能提升”协同体系的工程应用中，尚需突破以下技术瓶颈：“水−气−温”复杂环境下的煤岩扰动力学响应特征尚不明确；多重采动影响下残采区围岩裂隙对扰动损伤的放大效应缺乏定量表征；扰动影响下储碳/负碳新型充填体及其构筑空间的稳定运维亟待研究；沉积岩的岩性复杂，动态力学普适性规律揭示和通用本构模型构建面临挑战。需要在煤矿安全规范框架下，推动扰动岩体力学理论在遗煤开采工程中的应用，力求实现遗煤资源绿色低碳开发与采空区赋能应用技术的突破，助力遗留难采煤炭资源安全绿色高采出率开采关键技术的发展和推广。

部分图片

图1 遗煤开采扰动和围岩应力状态示意

图2 井下开采扰动应力波监测和衰减

图3 低频扰动岩体力学理论架构

图4 “水−气−温”多场动静载耦合电液伺服试验系统开发思路

图5 低频扰动下完整、裂隙砂岩加载路径和结果分析

图6 扰动荷载作用下砂岩动态剪切试验

图7 扰动荷载作用下煤样动态力学响应

图8 扰动岩体力学理论在工程应用中的技术挑战

第一作者

冯国瑞，男，1976年7月生，山西阳城人，博士，二级教授，博士生导师，“科学探索奖”获得者，国家青年科学基金项目（A类）延续资助项目获得者、国家杰出青年科学基金获得者、国家优秀青年科学基金获得者、国家“万人计划”科技创新领军人才、国家百千万人才工程人选。现任山西能源学院党委书记，矿山岩层控制及灾害防控山西省重点实验室主任、全国煤炭工业矿山建设与支护专家委员会副主任，《山西煤炭》主编，《绿色矿山》副主编，《煤炭学报》、《岩石力学与工程学报》、《采矿与安全工程学报》、《采矿与岩层控制工程学报》、《矿业科学学报》编委。

研究方向

遗留难采煤炭资源绿色开采与灾害防控

主要成果

主持国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金联合基金重点项目等国家级科研项目9项、山西省重大专项等省部级和企业委托科研项目30余项，出版著作7部，发表论文200余篇，其中SCI、EI收录180余篇，授权国家发明专利150余项，获山西省技术发明一等奖、中国煤炭工业科学技术一等奖、等省部级一等以上科研教学成果奖10项、二等奖多项，曾获得国家有突出贡献中青年专家、国务院特殊津贴专家、科技部中青年科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国煤炭教学名师、山西省委联系的高级专家、山西省劳动模范、山西省新兴产业领军人才、山西省科技创新重点团队带头人等荣誉称号。

通讯作者

郭军，男，1987年生，山西定襄人，博士，副教授，博士生导师。全国煤炭青年科技奖获得者，三晋英才科技创新领域青年拔尖人才，全国煤炭行业“遗煤资源科学开发”工程研究中心副主任，“遗留煤炭资源绿色低碳开采”中国煤炭工业科学技术创新团队骨干，兼任《采矿与岩层控制工程学报》特邀编委、《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》编委、《绿色矿山》青年编委、《采矿与安全工程学报》青年编委等。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项、中国博士后基金面上资助项目等省部级以上项目10项。在国内外学术期刊和会议期刊发表论文50余篇。获山西省技术进步一等奖、山西省技术发明一等奖、中国煤炭工业科学技术一等奖、中国专利优秀奖等多项奖励。

策划丨常明然

责编丨常明然

编辑丨李莎

审核丨常明然

煤炭科学研究总院期刊出版公司拥有科技期刊21种。其中，SCI收录1种，Ei收录5种、CSCD收录6种、Scopus收录7种、中文核心期刊9种、中国科技核心期刊11种、中国科技期刊卓越行动计划入选期刊4种，是煤炭行业最重要的科技窗口与学术交流阵地，也是行业最大最权威的期刊集群。

期刊简介

为深入贯彻习近平生态文明思想，践行“绿水青山就是金山银山”理念，搭建绿色矿山建设领域高端学术交流平台，2023年5月，经国家新闻出版署批准，由中国煤炭科工集团主管、煤炭科学研究总院有限公司主办的中文科技期刊——《绿色矿山》（Journal of Green Mine）应运而生。《绿色矿山》为季刊，国内统一连续出版物号为：CN10-1912/TD，ISSN号：2097-3357，由《绿色矿山》编辑部负责策划、出版、发行。

刊登范围

绿色勘查、绿色开采、矿山地下空间利用、绿色选冶、矿山环境保护、低碳技术及节能减排、数字矿业、绿色低碳经济政策与评价等。

期刊主页

http://www.lsks.org.cn

投稿网址

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

联系：常明然

电话： 010-87986452

邮箱：journalofgreenmine@163.com

声明：本文系转载自互联网，请读者仅作参考，并自行核实相关内容。若对该稿件内容有任何疑问或质疑，请立即与铁甲网联系，本网将迅速给您回应并做处理，再次感谢您的阅读与关注。