本書針對放頂煤開采技術的基礎理論問題及工程應用，系統總結了作者20余年來在十余個煤礦集團、數十個工作面的研究成果，提出了放頂煤開采需要研究的基礎理論問題，歸納總結了我國放頂煤開采技術的工程實踐和發展過程、理論研究進展等。介紹了放頂煤開采需要的基礎力學知識、采動應力分布基本規律。重點研究了放頂煤開采的采動巖層運動規律、采場圍巖穩定性分析與控制、頂煤破碎機理、頂煤冒放性指標及應用、頂煤冒放性主導因素、頂煤放出規律的BBR體系、頂煤三維放出規律、頂煤采出率實測儀器研制及應用以及提高頂煤采出率的工藝優化等。
目錄
1 緒論 1
1.1 放頂煤開采技術 1
1.1.1 放頂煤開采技術簡介 1
1.1.2 放頂煤開采技術定義 2
1.2 放頂煤開采技術發展簡介 3
1.2.1 放頂煤開采的技術實踐 3
1.2.2 放頂煤開采的理論研究 6
1.3 放頂煤開采的基礎理論問題 8
1.3.1 頂煤破碎機理 9
1.3.2 散體頂煤放出規律 9
1.3.3 支架—圍巖關系 10
1.3.4 工作面煤壁穩定控制 10
1.3.5 巖層移動規律 10
1.3.6 全煤巷道支護機理 11
1.3.7 放頂煤開采的經濟性 11
1.4 煤炭開采的幾個基本概念 11
1.4.1 特厚煤層 12
1.4.2 大采高與大采高放頂煤 12
1.4.3 煤層硬度劃分 12
1.4.4 長壁與短壁工作面 13
1.4.5 大傾角煤層 14
1.4.6 液壓支架分類 14
參考文獻 14
2 放頂煤開采的力學基礎 16
2.1 彈性體的基本力學分析 16
2.1.1 彈性力學的基本概念 16
2.1.2 彈性力學的基本方程 19
2.1.3 彈性力學的基本解法 26
2.1.4 彈性體中應力分析 27
2.1.5 彈性體的應變能與虛功原理 29
2.1.6 無限大介質中圓孔周邊應力分析 33
2.1.7 半無限平面體邊界上受力分析 36
2.2 巖石變形與強度特征 39
2.2.1 巖石變形特征 39
2.2.2 巖石強度 42
2.2.3 巖石強度的變異性 45
2.2.4 巖石強度理論 46
2.2.5 巖石的塑性和黏性 53
2.2.6 巖體強度 54
2.2.7 巖體開挖卸載問題 55
2.3 巖石斷裂與損傷 58
2.3.1 巖石斷裂類型 58
2.3.2 巖石斷裂判據 59
2.3.3 巖石裂紋的擴展條件 63
2.3.4 巖石損傷的力學表示 66
2.3.5 損傷變量定義方法 68
2.3.6 細觀統計損傷力學 69
2.4 裂隙煤體損傷和本構模型 69
2.4.1 裂隙煤體力學特征 69
2.4.2 不同應力路徑條件下煤體破壞特征 82
2.4.3 煤體宏-細觀本構模型 87
2.4.4 裂隙煤體各向異性損傷模型 107
2.5 散體的力學分析 110
2.5.1 散體的基本物理性質 110
2.5.2 散體的靜力學分析 114
2.5.3 散體的動力學分析 116
2.5.4 散體的運動學分析 118
參考文獻 121
3 采動應力與巖層運動 123
3.1 原巖應力及分布 123
3.1.1 自重應力 123
3.1.2 構造應力 124
3.1.3 原巖應力分布基本規律 127
3.2 巷道圍巖應力分布 130
3.2.1 單個圓形巷道圍巖應力分布 130
3.2.2 橢圓巷道周邊應力分析 136
3.2.3 單個非圓形巷道圍巖應力分析 141
3.2.4 多個巷道的相互影響規律 144
3.3 采場圍巖支承壓力 152
3.3.1 支承壓力分類 152
3.3.2 支承壓力分區 153
3.3.3 支承壓力疊加 154
3.4 支承壓力在煤層底板中的傳播 156
3.4.1 基本規律 156
3.4.2 煤柱底板應力分布特征 158
3.5 頂板破斷基本規律 160
3.6 頂板結構與失穩判據 163
3.6.1 初次來壓頂板結構失穩判據 164
3.6.2 周期來壓頂板結構失穩判據 167
3.7 急傾斜煤層的頂板破斷 170
3.7.1 頂板破壞與移動形態實驗 171
3.7.2 頂板傾倒-滑塌式破壞力學解析 175
3.7.3 算例分析 182
參考文獻 184
4 采場圍巖穩定性分析與控制 186
4.1 頂板壓力的工程計算方法 186
4.1.1 力學模型的建立 186
4.1.2 動載系數計算 187
4.1.3 基本頂巖塊及隨動載荷計算 190
4.1.4 工程應用 191
4.2 頂板破斷型失穩與載荷確定 192
4.2.1 頂板動力破斷的折疊突變模型 192
4.2.2 頂板斷裂瞬間的能量轉換 196
4.2.3 頂板載荷確定方法 201
4.2.4 推進速度與動載作用關系 202
4.2.5 應用實例 205
4.3 頂板結構型失穩與載荷確定 206
4.3.1 回轉失穩頂板載荷確定 207
4.3.2 滑落失穩動載的確定 208
4.3.3 應用實例 209
4.4 煤壁破壞形式和破壞機理 210
4.4.1 煤壁常見破壞形式 210
4.4.2 煤壁破壞機理分析 212
4.4.3 煤壁破壞條件 217
4.5 煤壁穩定性影響因素及控制方法 222
4.5.1 壓剪型破壞影響因素 222
4.5.2 拉剪型破壞影響因素 222
4.5.3 拉裂型破壞影響因素 223
4.5.4 斷層構造引起的煤壁破壞 223
4.5.5 煤壁破壞防控措施 228
4.5.6 應用實例 229
4.6 煤壁壓剪型破壞的極限平衡分析 230
4.6.1 煤壁剪切破壞力學模型 230
4.6.2 煤壁破壞的敏感度分析 231
4.6.3 煤壁穩定性的數值模擬 232
4.6.4 “注漿+棕繩”柔性加固技術數值模擬 235
4.7 “頂板-煤壁”聯動失穩與協同控制 236
4.7.1 煤壁穩定性的支架剛度效應 237
4.7.2 支架剛度對煤壁穩定性的影響機理 238
4.7.3 支架剛度效應的物理模擬實驗 244
4.7.4 “頂板-煤壁”聯動失穩條件 246
4.7.5 “頂板-煤壁”協同控制方法 251
4.7.6 應用實例 253
參考文獻 254
5 頂煤破壞機理 255
5.1 頂煤裂隙場發育特征 255
5.1.1 頂煤主應力分布模擬分析 255
5.1.2 頂煤裂隙擴展的應力驅動機制 267
5.2 頂煤破壞過程 272
5.2.1 頂煤變形特征實測 272
5.2.2 煤壁前方階段 273
5.2.3 控頂區上方階段 280
5.3 頂煤架后冒落條件 286
5.3.1 頂煤剪切塑性變形 286
5.3.2 頂煤強度參數演化 288
5.3.3 頂煤冒落條件 291
5.4 數值模擬分析 292
5.5 頂煤破壞影響因素分析 294
5.5.1 煤壁前方頂煤損傷過程影響因素 294
5.5.2 控頂區上方頂煤破壞影響因素 301
參考文獻 303
6 頂煤冒放性指標及應用 305
6.1 頂煤冒放性評價指標 305
6.2 頂煤累積塑性應變 307
6.2.1 頂煤累積塑性應變的確定 307
6.2.2 冒放性指標有效性檢驗 311
6.3 冒放性指標的應力路徑效應 312
6.3.1 數值模型及材料參數 312
6.3.2 頂煤主應力分布特征 314
6.3.3 冒放性指標應力路徑效應分析 317
6.4 煤體中超聲波波速預測模型 320
6.4.1 頂煤超聲波波速分布特征實測 321
6.4.2 煤體中超聲波傳播特征 324
6.4.3 超聲波波速預測模型的構建 328
6.5 頂煤冒放性指標的現場應用 331
6.5.1 新柳煤礦241103綜放面 332
6.5.2 東周窯煤礦8301綜放面 338
參考文獻 349
7 頂煤冒放性主導因素和控制原理 350
7.1 煤層裂隙分布特征 350
7.1.1 現場實測數據分析 350
7.1.2 裂隙分布的概率模型 351
7.2 頂煤破壞過程的數值模擬 353
7.2.1 數值模型的建立 353
7.2.2 煤體本構模型修正 354
7.2.3 煤巖物理力學參數 355
7.2.4 模擬方案設計 356
7.2.5 頂煤強度特征 359
7.2.6 頂煤塑性區、累積塑性應變、超聲波波速分布特征 360
7.3 頂煤破壞的主導因素分析 361
7.3.1 煤體力學屬性 361
7.3.2 裂隙發育程度 366
7.3.3 原巖應力 375
7.3.4 頂煤厚度 377
7.3.5 割煤高度 378
7.3.6 支架循環阻力 379
7.3.7 工作面推進方向 380
7.4 改善頂煤冒放性的原理及方法 381
7.4.1 局部約束解除法 381
7.4.2 局部約束鉆孔解除法及布置 385
7.4.3 鉆孔布置對頂煤冒放性影響分析 386
7.5 基于裂隙分布的頂煤冒放塊度預測方法 390
7.5.1 頂煤冒放塊度預測原理 390
7.5.2 頂煤冒放塊度的數值模擬 392
參考文獻 398
8 頂煤放出規律的BBR體系 399
8.1 散體介質流理論與BBR體系 400
8.1.1 散體介質流理論簡介 400
8.1.2 頂煤放出規律的BBR體系 401
8.2 煤巖分界面理論計算方程 410
8.2.1 初始煤巖分界面形態特征 411
8.2.2 初始煤巖分界面理論計算方程 417
8.2.3 移架后煤巖分界面理論計算方程 428
8.2.4 放煤后煤巖分界面理論計算方程 433
8.3 頂煤放出體理論計算方程 436
8.3.1 B-R模型的改進 437
8.3.2 重力加速度修正系數K 439
8.3.3 改進模型的正確性驗證 443
參考文獻 444
9 頂煤三維放出規律 445
9.1 頂煤放出規律三維數值模擬 445
9.1.1 PFC3D模型的建立 445
9.1.2 模擬結果分析 447
9.2 支架對頂煤放出體空間形態的影響 454
9.2.1 有、無支架頂煤放出三維對比試驗 454
9.2.2 支架對頂煤放出體空間形態的影響 458
9.2.3 支架對煤巖分界面形態的影響 462
9.2.4 頂煤放出體“超前發育”的數值驗證 464
9.3 工作面傾角對頂煤放出規律的影響 466
9.3.1 不同工作面傾角下頂煤放出離散元模擬 467
9.3.2 近水平煤層頂煤放出三維模擬試驗 482
9.3.3 急傾斜厚煤層頂煤采出率分布規律 501
9.4 工作面仰/俯采角對頂煤放出規律的影響 509
9.4.1 不同仰采角下頂煤放出離散元模擬 509
9.4.2 不同俯采角下頂煤放出離散元模擬 516
9.4.3 仰斜開采頂煤放出三維模擬試驗 521
9.5 水平分段放頂煤開采頂煤放出規律 530
9.5.1 頂煤放出體形態特征 530
9.5.2 合理分段高度確定 531
9.5.3 放煤方式優化 537
參考文獻 543
10 頂煤采出率實測儀器研制及應用 544
10.1 頂煤運移跟蹤儀 544
10.1.1 標志點法觀測頂煤采出率的試驗研究 544
10.1.2 頂煤跟蹤儀的構成及工作原理 546
10.2 頂煤運移跟蹤儀現場安裝與實測方法 555
10.2.1 基本思路與流程 555
10.2.2 現場測試步驟 555
10.2.3 頂煤跟蹤標簽的現場安裝 555
10.3 頂煤跟蹤標簽布置方案優化研究 558
10.3.1 沿煤層走向的跟蹤標簽合理布置密度 559
10.3.2 沿煤層傾向的跟蹤標簽合理布置密度 565
10.3.3 跟蹤標簽布置方式優化 567
10.4 典型現場實測結果及分析 572
10.4.1 觀測案例1 572
10.4.2 觀測案例2 574
10.4.3 觀測案例3 576
10.4.4 觀測案例4 581
10.4.5 觀測案例5 585
10.4.6 觀測案例6 587
10.4.7 觀測案例7 591
10.4.8 觀測案例8 595
10.4.9 觀測案例9 599
參考文獻 601
11 提高頂煤采出率的工藝 602
11.1 多口同時放煤工藝 603
11.1.1 多口同時放煤物理模擬試驗 603
11.1.2 多口同時放煤數值模擬計算 606
11.2 分段逆序放煤工藝 612
11.2.1 分段逆序放煤對比試驗 612
11.2.2 試驗結果分析 613
11.2.3 逆序段合理長度確定 615
11.2.4 分段逆序雙口同時放煤 617
11.3 下行分段-段內上行放煤工藝 617
11.3.1 工藝簡介 618
11.3.2 工藝實施 618
11.3.3 支架穩定性力學分析 620
參考文獻 631
新書資訊