目錄
1 緒論 1
1.1 放頂煤開采技術(shù) 1
1.1.1 放頂煤開采技術(shù)簡介 1
1.1.2 放頂煤開采技術(shù)定義 2
1.2 放頂煤開采技術(shù)發(fā)展簡介 3
1.2.1 放頂煤開采的技術(shù)實(shí)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(chǔ)理論問題 8
1.3.1 頂煤破碎機(jī)理 9
1.3.2 散體頂煤放出規(guī)律 9
1.3.3 支架—圍巖關(guān)系 10
1.3.4 工作面煤壁穩(wěn)定控制 10
1.3.5 巖層移動規(guī)律 10
1.3.6 全煤巷道支護(hù)機(jī)理 11
1.3.7 放頂煤開采的經(jīng)濟(jì)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(xiàn) 14
2 放頂煤開采的力學(xué)基礎(chǔ) 16
2.1 彈性體的基本力學(xué)分析 16
2.1.1 彈性力學(xué)的基本概念 16
2.1.2 彈性力學(xué)的基本方程 19
2.1.3 彈性力學(xué)的基本解法 26
2.1.4 彈性體中應(yīng)力分析 27
2.1.5 彈性體的應(yīng)變能與虛功原理 29
2.1.6 無限大介質(zhì)中圓孔周邊應(yīng)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(qiáng)度特征 39
2.2.1 巖石變形特征 39
2.2.2 巖石強(qiáng)度 42
2.2.3 巖石強(qiáng)度的變異性 45
2.2.4 巖石強(qiáng)度理論 46
2.2.5 巖石的塑性和黏性 53
2.2.6 巖體強(qiáng)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(jù) 59
2.3.3 巖石裂紋的擴(kuò)展條件 63
2.3.4 巖石損傷的力學(xué)表示 66
2.3.5 損傷變量定義方法 68
2.3.6 細(xì)觀統(tǒng)計損傷力學(xué) 69
2.4 裂隙煤體損傷和本構(gòu)模型 69
2.4.1 裂隙煤體力學(xué)特征 69
2.4.2 不同應(yīng)力路徑條件下煤體破壞特征 82
2.4.3 煤體宏-細(xì)觀本構(gòu)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(xué)分析 110
2.5.1 散體的基本物理性質(zhì) 110
2.5.2 散體的靜力學(xué)分析 114
2.5.3 散體的動力學(xué)分析 116
2.5.4 散體的運(yùn)動學(xué)分析 118
參考文獻(xiàn) 121
3 采動應(yīng)力與巖層運(yùn)動 123
3.1 原巖應(yīng)力及分布 123
3.1.1 自重應(yīng)力 123
3.1.2 構(gòu)造應(yīng)力 124
3.1.3 原巖應(yīng)力分布基本規(guī)律 127
3.2 巷道圍巖應(yīng)力分布 130
3.2.1 單個圓形巷道圍巖應(yīng)力分布 130
3.2.2 橢圓巷道周邊應(yīng)力分析 136
3.2.3 單個非圓形巷道圍巖應(yīng)力分析 141
3.2.4 多個巷道的相互影響規(guī)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(qū) 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(guī)律 156
3.4.2 煤柱底板應(yīng)力分布特征 158
3.5 頂板破斷基本規(guī)律 160
3.6 頂板結(jié)構(gòu)與失穩(wěn)判據(jù) 163
3.6.1 初次來壓頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)判據(jù) 164
3.6.2 周期來壓頂板結(jié)構(gòu)失穩(wěn)判據(jù) 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(tài)實(shí)驗(yàn) 171
3.7.2 頂板傾倒-滑塌式破壞力學(xué)解析 175
3.7.3 算例分析 182
參考文獻(xiàn) 184
4 采場圍巖穩(wěn)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(xué)模型的建立 186
4.1.2 動載系數(shù)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(yīng)用 191
4.2 頂板破斷型失穩(wěn)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(zhuǎn)換 196
4.2.3 頂板載荷確定方法 201
4.2.4 推進(jìn)速度與動載作用關(guān)系 202
4.2.5 應(yīng)用實(shí)例 205
4.3 頂板結(jié)構(gòu)型失穩(wěn)與載荷確定 206
4.3.1 回轉(zhuǎn)失穩(wěn)頂板載荷確定 207
4.3.2 滑落失穩(wěn)動載的確定 208
4.3.3 應(yīng)用實(shí)例 209
4.4 煤壁破壞形式和破壞機(jī)理 210
4.4.1 煤壁常見破壞形式 210
4.4.2 煤壁破壞機(jī)理分析 212
4.4.3 煤壁破壞條件 217
4.5 煤壁穩(wěn)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(gòu)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(yīng)用實(shí)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(xué)模型 230
4.6.2 煤壁破壞的敏感度分析 231
4.6.3 煤壁穩(wěn)定性的數(shù)值模擬 232
4.6.4 “注漿+棕繩”柔性加固技術(shù)數(shù)值模擬 235
4.7 “頂板-煤壁”聯(lián)動失穩(wěn)與協(xié)同控制 236
4.7.1 煤壁穩(wěn)定性的支架剛度效應(yīng) 237
4.7.2 支架剛度對煤壁穩(wěn)定性的影響機(jī)理 238
4.7.3 支架剛度效應(yīng)的物理模擬實(shí)驗(yàn) 244
4.7.4 “頂板-煤壁”聯(lián)動失穩(wěn)條件 246
4.7.5 “頂板-煤壁”協(xié)同控制方法 251
4.7.6 應(yīng)用實(shí)例 253
參考文獻(xiàn) 254
5 頂煤破壞機(jī)理 255
5.1 頂煤裂隙場發(fā)育特征 255
5.1.1 頂煤主應(yīng)力分布模擬分析 255
5.1.2 頂煤裂隙擴(kuò)展的應(yīng)力驅(qū)動機(jī)制 267
5.2 頂煤破壞過程 272
5.2.1 頂煤變形特征實(shí)測 272
5.2.2 煤壁前方階段 273
5.2.3 控頂區(qū)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(qiáng)度參數(shù)演化 288
5.3.3 頂煤冒落條件 291
5.4 數(shù)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(qū)上方頂煤破壞影響因素 301
參考文獻(xiàn) 303
6 頂煤冒放性指標(biāo)及應(yīng)用 305
6.1 頂煤冒放性評價指標(biāo) 305
6.2 頂煤累積塑性應(yīng)變 307
6.2.1 頂煤累積塑性應(yīng)變的確定 307
6.2.2 冒放性指標(biāo)有效性檢驗(yàn) 311
6.3 冒放性指標(biāo)的應(yīng)力路徑效應(yīng) 312
6.3.1 數(shù)值模型及材料參數(shù) 312
6.3.2 頂煤主應(yīng)力分布特征 314
6.3.3 冒放性指標(biāo)應(yīng)力路徑效應(yīng)分析 317
6.4 煤體中超聲波波速預(yù)測模型 320
6.4.1 頂煤超聲波波速分布特征實(shí)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(yù)測模型的構(gòu)建 328
6.5 頂煤冒放性指標(biāo)的現(xiàn)場應(yīng)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(xiàn) 349
7 頂煤冒放性主導(dǎo)因素和控制原理 350
7.1 煤層裂隙分布特征 350
7.1.1 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)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(shù)值模擬 353
7.2.1 數(shù)值模型的建立 353
7.2.2 煤體本構(gòu)模型修正 354
7.2.3 煤巖物理力學(xué)參數(shù) 355
7.2.4 模擬方案設(shè)計 356
7.2.5 頂煤強(qiáng)度特征 359
7.2.6 頂煤塑性區(qū)、累積塑性應(yīng)變、超聲波波速分布特征 360
7.3 頂煤破壞的主導(dǎo)因素分析 361
7.3.1 煤體力學(xué)屬性 361
7.3.2 裂隙發(fā)育程度 366
7.3.3 原巖應(yīng)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(huán)阻力 379
7.3.7 工作面推進(jìn)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(yù)測方法 390
7.5.1 頂煤冒放塊度預(yù)測原理 390
7.5.2 頂煤冒放塊度的數(shù)值模擬 392
參考文獻(xiàn) 398
8 頂煤放出規(guī)律的BBR體系 399
8.1 散體介質(zhì)流理論與BBR體系 400
8.1.1 散體介質(zhì)流理論簡介 400
8.1.2 頂煤放出規(guī)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(tài)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(jìn) 437
8.3.2 重力加速度修正系數(shù)K 439
8.3.3 改進(jìn)模型的正確性驗(yàn)證 443
參考文獻(xiàn) 444
9 頂煤三維放出規(guī)律 445
9.1 頂煤放出規(guī)律三維數(shù)值模擬 445
9.1.1 PFC3D模型的建立 445
9.1.2 模擬結(jié)果分析 447
9.2 支架對頂煤放出體空間形態(tài)的影響 454
9.2.1 有、無支架頂煤放出三維對比試驗(yàn) 454
9.2.2 支架對頂煤放出體空間形態(tài)的影響 458
9.2.3 支架對煤巖分界面形態(tài)的影響 462
9.2.4 頂煤放出體“超前發(fā)育”的數(shù)值驗(yàn)證 464
9.3 工作面傾角對頂煤放出規(guī)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(yàn) 482
9.3.3 急傾斜厚煤層頂煤采出率分布規(guī)律 501
9.4 工作面仰/俯采角對頂煤放出規(guī)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(yàn) 521
9.5 水平分段放頂煤開采頂煤放出規(guī)律 530
9.5.1 頂煤放出體形態(tài)特征 530
9.5.2 合理分段高度確定 531
9.5.3 放煤方式優(yōu)化 537
參考文獻(xiàn) 543
10 頂煤采出率實(shí)測儀器研制及應(yīng)用 544
10.1 頂煤運(yùn)移跟蹤儀 544
10.1.1 標(biāo)志點(diǎn)法觀測頂煤采出率的試驗(yàn)研究 544
10.1.2 頂煤跟蹤儀的構(gòu)成及工作原理 546
10.2 頂煤運(yùn)移跟蹤儀現(xiàn)場安裝與實(shí)測方法 555
10.2.1 基本思路與流程 555
10.2.2 現(xiàn)場測試步驟 555
10.2.3 頂煤跟蹤標(biāo)簽的現(xiàn)場安裝 555
10.3 頂煤跟蹤標(biāo)簽布置方案優(yōu)化研究 558
10.3.1 沿煤層走向的跟蹤標(biāo)簽合理布置密度 559
10.3.2 沿煤層傾向的跟蹤標(biāo)簽合理布置密度 565
10.3.3 跟蹤標(biāo)簽布置方式優(yōu)化 567
10.4 典型現(xiàn)場實(shí)測結(jié)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(xiàn) 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(yàn) 603
11.1.2 多口同時放煤數(shù)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(yàn) 612
11.2.2 試驗(yàn)結(jié)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(nèi)上行放煤工藝 617
11.3.1 工藝簡介 618
11.3.2 工藝實(shí)施 618
11.3.3 支架穩(wěn)定性力學(xué)分析 620
參考文獻(xiàn) 631