本书针对多年来大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采理论与实践研究成果，进行系统的总结分析、归纳、整理和提升.内容涉及坚硬顶板大空间采场覆岩结构失稳理论、覆岩运动实测技术及大空间采场坚硬顶板控制技术等方面，主要包括大空间采场及远近场概念、区域地质动力环境评估、坚硬顶板分类方法、大空间采场坚硬顶板运动与覆岩结掏失稳的力学特征、岩层破裂演化实测技术、坚硬顶板太空间采场矿压显现规律及坚硬顶板远近场控制技术等。
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《岩石力学与工程研究著作丛书》序
《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话
前言
第1章 绪论 1
1.1 煤矿开采的顶板问题 1
1.2 坚硬顶板煤层开采特征 3
1.3 岩层控制理论研究现状 6
1.3.1 大空间采场矿压研究现状 6
1.3.2 采场覆岩结构演化研究现状 7
1.3.3 采场顶板结构稳定性研究现状 12
1.3.4 坚硬顶板控制理论与技术研究现状 13
1.4 大空间采场坚硬顶板岩层控制研究思路 14
1.4.1 大空间采场及远近场概念 14
1.4.2 研究思路 16
参考文献 18
第2章 大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采条件 22
2.1 特厚煤层开采特征 22
2.2 特厚煤层上覆侏罗系煤层开采现状 23
2.2.1 大同矿区开发历史 23
2.2.2 侏罗系煤层赋存条件 24
2.2.3 侏罗系煤层开采特征 24
2.3 石炭系坚硬顶板特厚煤层赋存条件 27
2.3.1 地质条件 27
2.3.2 煤层赋存条件 29
2.3.3 顶底板岩性 32
2.3.4 瓦斯、煤尘和煤的白燃特征 32
2.4 石炭系煤岩物理力学特往 34
2.4.1 实验室煤岩物理力学参数测试方法与结果 34
2.4.2 煤岩比表面积测试 37
2.4.3 煤岩XRD测试 40
2.4.4 煤岩全元素测试 42
2.5 石炭系特厚煤层主要开采矿井概况 44
2.5.1 同忻煤矿概况 44
2.5.2 塔山煤矿概况 46
参考文献 47
第3章 大同矿区石炭系坚硬顶板特厚煤层开采技术 49
3.1 坚硬顶板特厚煤层采煤方法选择 49
3.2 方法与回采.工艺 50
3.2.1 工作面巷道布置与参数 50
3.2.2 回采工艺参数 51
3.2.3 劳动组织与技术经济指标 53
3.3 工作面开采装备选型 56
3.3.1 工作面开采装备选型研究 56
3.3.2 采煤机选型 56
3.3.3 工作面前、后刮板输送机选型 57
3.3.4 液压支架选型 59
3.4 工作面安全高效开采技术 62
3.4.1 大采高综放工作面顶板管理技术 62
3.4.2 工作面过火成岩墙安全技术 63
3.4.3 提高顶煤回收率技术 64
参考文献 67
第4章 区域地质动力环境评估 69
4.1 大同矿区区域地质构造特征分析 69
4.1.1 区域地质构造背景 69
4.1.2 构造演化对含煤盆地的影响 71
4.2 区域地质构造运动特征分析 72
4.2.1 华北地区及边界的相对运动 72
4.2.2 大同地区新构造运动 74
4.3 区域应力特征分析 75
4.3.1 区域构造应力场特征 75
4.3.2 大同矿区现今构造应力场特征 77
4.3.3 大同矿区地应力测量 78
4.4 大同矿区典型矿井岩体应力状态分析 83
4.4.1 同忻煤矿岩体应力状态分析 83
4.4.2 忻州窑煤矿岩体应力状态分析 86
4.5 大同矿区典型矿井地质动力环境评估 92
4.5.1 矿井地质动力环境分析 92
4.5.2 同忻煤矿地质动力环境评估 93
4.5.3 忻州窑煤矿地质动力环境评估 97
4.6 地质条件对矿井动力灾害的控制作用 101
参考文献 102
第5章 坚硬顶板分类方法研究 104
5.1 国内外顶板分类方法概述 104
5.2 显现强度与影响因素定量关系数值模拟研究 107
5.2.1 数值计算模型的建立 107
5.2.2 不同煤岩属性的矿压显现特征 108
5.3 坚硬顶板分类指标的确定 111
5.4 基于层次分析和模糊综合评判的坚硬顶板分类研究 112
5.4.1 层次分析法和模糊综合评判的数学原理 112
5.4.2 坚硬顶板的模糊综合分类方法 113
参考文献 115
第6章 大空间采场坚硬顶板运动与力学特征 118
6.1 坚硬顶板特厚煤层工作面关键层判定及破断特征 118
6.1.1 覆岩关键层判定理论 118
6.1.2 同忻煤矿3 5 3煤层覆岩关键层判定结果 120
6.1.3 同忻煤矿3 5 4煤层覆岩关键层破断分析 124
6.2 坚硬顶板特厚煤层采场结构模型 133
6.2.1 多层坚硬顶板覆岩大结构形成机理 133
6.2.2 多层坚硬顶板覆岩大结构形成过程 135
6.3 大空间采场坚硬顶板运动特征的相似模拟研究 136
6.3.1 相似材料模拟试验内容 136
6.3.2 相似材料模拟试验及观测系统 137
6.3.3 相似材料模拟试验模型设计与制作 139
6.3.4 相似材料模拟试验过程及结果分析 142
6.4 大空间采场坚硬顶板结构模型现场探测 154
6.4.1 特厚煤层综放采场覆岩运动特征的钻孔电视探测 154
6.4.2 工作面覆岩结构EH4物理探测 161
6.4.3 基于微地震监测技术的特厚煤层综放面围岩运动规律研究 165
6.5 大空间采场坚硬顶板大结构力学特征 190
6.5.1 坚硬顶板大结构力学模型 190
6.5.2 柱壳结构模型和力学模型研究 192
6.5.3 柱壳结构稳定性分析 193
6.5.4 应用实例 194
参考文献 195
第7章 岩层破裂演化实测方法与技术 198
7.1 概述 198
7.2 钻孔冲洗液法与应用 199
7.2.1 方法原理 199
7.2.2 工程应用实例 200
7.3 孔间电磁波CT测试岩体破裂演化原理与应用 204
7.3.1 电磁波CT技术 204
7.3.2 钻孔电磁波CT技术的原理和方法 205
7.3.3 井间电磁波CT探测的岩溶特征工程应用 206
7.4 覆岩破断微震监测技术 209
7.4.1 微震监测技术 209
7.4.2 由采矿活动导致微震的力学机理及分类 210
7.4.3 煤柱两侧覆岩空间破裂与采动应力场关系的微震分析 210
7.4.4 采空区覆岩高位裂隙体特征微震监测案例 212
7.5 采动覆岩井上下联动“三位一体”综合观测方法 216
7.5.1 方法原理 216
7.5.2 采动覆岩内部岩移的监测仪器及软件系统 216
7.5.3 “三位一体”综合观测方法应用 217
7.6 实验室覆岩采动裂隙放射性测量系统与方法 221
7.6.1 氡气工程领域应用分析 221
7.6.2 氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统 222
7.6.3 综合试验系统应用案例 224
7.7 巷道围岩裂隙探测技术 227
7.7.1 数字钻孑L摄像法松动圈测试 227
7.7.2 地质雷达法松动圈测试 230
7.7.3 大同矿区“双系”煤巷围岩松动圈测试 232
参考文献 239
第8章 大空间采场坚硬顶板矿压显现规律 241
8.1 大结构对采场矿压显现的影响 241
8.2 大同矿区石炭系特厚煤层采场矿压显现规律 244
8.2.1 塔山煤矿石炭系特厚煤层采场矿压显现规律 244
8.2.2 同忻煤矿石炭系特厚煤层采场矿压显现规律 250
8.3 特厚煤层回采巷道矿压监测分析 266
8.3.1 矿压监测内容及方案 266
8.3.2 顶板离层监测数据分析 270
8.3.3 锚杆（索）应力监测数据分析 273
8.3.4 钻孔应力监测数据分析 275
8.4 大同矿区双系煤层开采矿压相互影响 277
8.4.1 煤柱对下覆煤层开采的影响 277
8.4.2 工程条件 278
8.4.3 多层叠加煤柱覆岩结构特征 278
8.4.4 “倒梯形孤岛覆岩结构”对石炭系煤层应力场影响分析 281
8.4.5 “倒梯形孤岛覆岩结构”对石炭系矿压影响的微震监测研究 284
参考文献 285
第9章 大空间采场坚硬顶板煤柱力学特征 288
9.1 掘巷前采场煤岩体力学特征分析 288
9.1.1 弧三角形关键块的结构参数 289
9.1.2 掘巷前三角块受力分析 290
9.1.3 掘巷前三角块下部煤体受力分析 293
9.2 小煤柱护巷围岩力学模型 296
9.2.1 沿空掘巷顶板力学模型 297
9.2.2 沿空掘巷实体煤帮力学模型 299
9.2.3 滑空掘巷煤柱帮力学模型 302
9.2.4 沿空掘巷底板力学模型 304
9.3 煤柱力学特征数值模拟研究 307
9.3.1 数值模拟条件与几何模型的建立 307
9.3.2 掘巷前煤柱应力分布规律研究 311
9.3.3 掘巷后煤柱应力分布规律研究 312
9.3.4 采动后煤柱应力分布规律研究 318
9.4 沿空掘巷端部结构及渗透特征研究 325
9.4.1 工作面概况 325
9.4.2 掘巷前8206 工作面端部覆岩结构及小煤柱侧裂隙场分布 326
9.4.3 小煤柱渗透特征研究 334
9.4.4 小煤柱渗透特性系数 353
9.5 大空间采场小煤柱护巷安全保障关键技术体系 355
参考文献 363
第10章 大空间采场井下近场坚硬顶板弱化技术 365
10.1 井下近场坚硬顶板水压致裂控制技术 365
10.2 水压致裂基本原理 367
10.2.1 孔壁应力理论分析 367
10.2.2 水压致裂力学机理 369
10.3 大同矿区井下近场坚硬顶板水压致裂工艺技术 371
10.3.1 水压致裂顶板弱化参数 371
10.3.2 水压致裂设备与注水工艺过程 374
10.3.3 水压致裂技术实施方案 376
10.4 水压致裂效果数值模拟分析 386
10.5 井下近场楔形槽爆破预裂坚硬顶板技术 391
10.5.1 顶板预裂爆破方案 391
10.5.2 爆破参数确定 393
10.5.3 爆破参数验算 395
10.5.4 爆破工艺参数及施工 398
10-5.5 顶板预裂爆破效果数值模拟分析 398
10.6 井下近场承压爆破技术 399
10.6.1 承压爆破技术特点 399
10.6.2 钻孔内承压传爆介质的承压预裂性能 400
10.6.3 钻孔承压爆破应力传播及裂隙扩展规律 407
10.6.4 坚硬顶板承压爆破参数确定 417
10.6.5 竖硬煤岩深孔充水承压爆破工程实践 418
10.7 煤层注水防治强矿压技术与效果分析 424
10.7.1 同忻煤矿特厚煤层注水技术 424
10.7.2 煤层注水效果分析 425
参考文献 427
第11章 大空间采场远场地面压裂高位坚硬岩层技术 429
11.1 远场地面压裂弱化高位坚硬岩层技术 429
11.2 远场地面压裂技术的试验与理论分析 430
11.2.1 裂缝扩展规律的相似模型试验 430
11.2.2 水压裂缝在坚硬顶板的扩展规律 431
11.3 水压裂缝对坚硬岩层失稳破断的影响 433
11.4 大同矿区塔山煤矿远场地面压裂高位坚硬岩层试验 434
11.4.1 工程背景 434
11.4.2 压裂工艺 435
11.4.3 压裂参数与装备 436
11.5 远场地面压裂效果分析 438
11.5.1 压裂效果微地震监测解释原理 438
11.5.2 监测方法 442
11.5.3 速度模型建立 442
11.5.4 监测设计 445
11.5.5 监测成果与解释 446
11.5.6 压裂结果分析 449
11.6 开采保护层的远近场坚硬顶板协同控制技术 449
11.6.1 保护层和被保护层工作面开采顺序和布置参数 449
11.6.2 保护层8101丁作面煤层赋存特征 450
11.6.3 塔山煤矿3 58煤层被保护层8108工作面开采特征 452
11.6.4 保护层开采对下覆3 5 2煤层覆岩运动影响研究 454
11.6.5 工作面矿压显现规律实测 458
参考文献 474
第12章 坚硬顶板岩层控制理论与技术的科学意义 476
12.1 坚硬顶板岩层控制理论与技术体系 476
12.2 科学意义 477
12.2.1 坚硬顶板岩层控制理论的科学意义 477
12.2.2 岩移实测技术的科学意义 479
12.2.3 坚硬顶板控制技术的科学意义 479
12.3 展望 480
图版
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