放顶煤开采基础理论与应用

目录 1 绪论 1 1.1 放顶煤开采技术 1 1.1.1 放顶煤开采技术简介 1 1.1.2 放顶煤开采技术定义 2 1.2 放顶煤开采技术发展简介 3 1.2.1 放顶煤开采的技术实践 3 1.2.2 放顶煤开采的理论研究 6 1.3 放顶煤开采的基础理论问题 8 1.3.1 顶煤破碎机理 9 1.3.2 散体顶煤放出规律 9 1.3.3 支架—围岩关系 10 1.3.4 工作面煤壁稳定控制 10 1.3.5 岩层移动规律 10 1.3.6 全煤巷道支护机理 11 1.3.7 放顶煤开采的经济性 11 1.4 煤炭开采的几个基本概念 11 1.4.1 特厚煤层 12 1.4.2 大采高与大采高放顶煤 12 1.4.3 煤层硬度划分 12 1.4.4 长壁与短壁工作面 13 1.4.5 大倾角煤层 14 1.4.6 液压支架分类 14 参考文献 14 2 放顶煤开采的力学基础 16 2.1 弹性体的基本力学分析 16 2.1.1 弹性力学的基本概念 16 2.1.2 弹性力学的基本方程 19 2.1.3 弹性力学的基本解法 26 2.1.4 弹性体中应力分析 27 2.1.5 弹性体的应变能与虚功原理 29 2.1.6 无限大介质中圆孔周边应力分析 33 2.1.7 半无限平面体边界上受力分析 36 2.2 岩石变形与强度特征 39 2.2.1 岩石变形特征 39 2.2.2 岩石强度 42 2.2.3 岩石强度的变异性 45 2.2.4 岩石强度理论 46 2.2.5 岩石的塑性和黏性 53 2.2.6 岩体强度 54 2.2.7 岩体开挖卸载问题 55 2.3 岩石断裂与损伤 58 2.3.1 岩石断裂类型 58 2.3.2 岩石断裂判据 59 2.3.3 岩石裂纹的扩展条件 63 2.3.4 岩石损伤的力学表示 66 2.3.5 损伤变量定义方法 68 2.3.6 细观统计损伤力学 69 2.4 裂隙煤体损伤和本构模型 69 2.4.1 裂隙煤体力学特征 69 2.4.2 不同应力路径条件下煤体破坏特征 82 2.4.3 煤体宏-细观本构模型 87 2.4.4 裂隙煤体各向异性损伤模型 107 2.5 散体的力学分析 110 2.5.1 散体的基本物理性质 110 2.5.2 散体的静力学分析 114 2.5.3 散体的动力学分析 116 2.5.4 散体的运动学分析 118 参考文献 121 3 采动应力与岩层运动 123 3.1 原岩应力及分布 123 3.1.1 自重应力 123 3.1.2 构造应力 124 3.1.3 原岩应力分布基本规律 127 3.2 巷道围岩应力分布 130 3.2.1 单个圆形巷道围岩应力分布 130 3.2.2 椭圆巷道周边应力分析 136 3.2.3 单个非圆形巷道围岩应力分析 141 3.2.4 多个巷道的相互影响规律 144 3.3 采场围岩支承压力 152 3.3.1 支承压力分类 152 3.3.2 支承压力分区 153 3.3.3 支承压力叠加 154 3.4 支承压力在煤层底板中的传播 156 3.4.1 基本规律 156 3.4.2 煤柱底板应力分布特征 158 3.5 顶板破断基本规律 160 3.6 顶板结构与失稳判据 163 3.6.1 初次来压顶板结构失稳判据 164 3.6.2 周期来压顶板结构失稳判据 167 3.7 急倾斜煤层的顶板破断 170 3.7.1 顶板破坏与移动形态实验 171 3.7.2 顶板倾倒-滑塌式破坏力学解析 175 3.7.3 算例分析 182 参考文献 184 4 采场围岩稳定性分析与控制 186 4.1 顶板压力的工程计算方法 186 4.1.1 力学模型的建立 186 4.1.2 动载系数计算 187 4.1.3 基本顶岩块及随动载荷计算 190 4.1.4 工程应用 191 4.2 顶板破断型失稳与载荷确定 192 4.2.1 顶板动力破断的折叠突变模型 192 4.2.2 顶板断裂瞬间的能量转换 196 4.2.3 顶板载荷确定方法 201 4.2.4 推进速度与动载作用关系 202 4.2.5 应用实例 205 4.3 顶板结构型失稳与载荷确定 206 4.3.1 回转失稳顶板载荷确定 207 4.3.2 滑落失稳动载的确定 208 4.3.3 应用实例 209 4.4 煤壁破坏形式和破坏机理 210 4.4.1 煤壁常见破坏形式 210 4.4.2 煤壁破坏机理分析 212 4.4.3 煤壁破坏条件 217 4.5 煤壁稳定性影响因素及控制方法 222 4.5.1 压剪型破坏影响因素 222 4.5.2 拉剪型破坏影响因素 222 4.5.3 拉裂型破坏影响因素 223 4.5.4 断层构造引起的煤壁破坏 223 4.5.5 煤壁破坏防控措施 228 4.5.6 应用实例 229 4.6 煤壁压剪型破坏的极限平衡分析 230 4.6.1 煤壁剪切破坏力学模型 230 4.6.2 煤壁破坏的敏感度分析 231 4.6.3 煤壁稳定性的数值模拟 232 4.6.4 “注浆+棕绳”柔性加固技术数值模拟 235 4.7 “顶板-煤壁”联动失稳与协同控制 236 4.7.1 煤壁稳定性的支架刚度效应 237 4.7.2 支架刚度对煤壁稳定性的影响机理 238 4.7.3 支架刚度效应的物理模拟实验 244 4.7.4 “顶板-煤壁”联动失稳条件 246 4.7.5 “顶板-煤壁”协同控制方法 251 4.7.6 应用实例 253 参考文献 254 5 顶煤破坏机理 255 5.1 顶煤裂隙场发育特征 255 5.1.1 顶煤主应力分布模拟分析 255 5.1.2 顶煤裂隙扩展的应力驱动机制 267 5.2 顶煤破坏过程 272 5.2.1 顶煤变形特征实测 272 5.2.2 煤壁前方阶段 273 5.2.3 控顶区上方阶段 280 5.3 顶煤架后冒落条件 286 5.3.1 顶煤剪切塑性变形 286 5.3.2 顶煤强度参数演化 288 5.3.3 顶煤冒落条件 291 5.4 数值模拟分析 292 5.5 顶煤破坏影响因素分析 294 5.5.1 煤壁前方顶煤损伤过程影响因素 294 5.5.2 控顶区上方顶煤破坏影响因素 301 参考文献 303 6 顶煤冒放性指标及应用 305 6.1 顶煤冒放性评价指标 305 6.2 顶煤累积塑性应变 307 6.2.1 顶煤累积塑性应变的确定 307 6.2.2 冒放性指标有效性检验 311 6.3 冒放性指标的应力路径效应 312 6.3.1 数值模型及材料参数 312 6.3.2 顶煤主应力分布特征 314 6.3.3 冒放性指标应力路径效应分析 317 6.4 煤体中超声波波速预测模型 320 6.4.1 顶煤超声波波速分布特征实测 321 6.4.2 煤体中超声波传播特征 324 6.4.3 超声波波速预测模型的构建 328 6.5 顶煤冒放性指标的现场应用 331 6.5.1 新柳煤矿241103综放面 332 6.5.2 东周窑煤矿8301综放面 338 参考文献 349 7 顶煤冒放性主导因素和控制原理 350 7.1 煤层裂隙分布特征 350 7.1.1 现场实测数据分析 350 7.1.2 裂隙分布的概率模型 351 7.2 顶煤破坏过程的数值模拟 353 7.2.1 数值模型的建立 353 7.2.2 煤体本构模型修正 354 7.2.3 煤岩物理力学参数 355 7.2.4 模拟方案设计 356 7.2.5 顶煤强度特征 359 7.2.6 顶煤塑性区、累积塑性应变、超声波波速分布特征 360 7.3 顶煤破坏的主导因素分析 361 7.3.1 煤体力学属性 361 7.3.2 裂隙发育程度 366 7.3.3 原岩应力 375 7.3.4 顶煤厚度 377 7.3.5 割煤高度 378 7.3.6 支架循环阻力 379 7.3.7 工作面推进方向 380 7.4 改善顶煤冒放性的原理及方法 381 7.4.1 局部约束解除法 381 7.4.2 局部约束钻孔解除法及布置 385 7.4.3 钻孔布置对顶煤冒放性影响分析 386 7.5 基于裂隙分布的顶煤冒放块度预测方法 390 7.5.1 顶煤冒放块度预测原理 390 7.5.2 顶煤冒放块度的数值模拟 392 参考文献 398 8 顶煤放出规律的BBR体系 399 8.1 散体介质流理论与BBR体系 400 8.1.1 散体介质流理论简介 400 8.1.2 顶煤放出规律的BBR体系 401 8.2 煤岩分界面理论计算方程 410 8.2.1 初始煤岩分界面形态特征 411 8.2.2 初始煤岩分界面理论计算方程 417 8.2.3 移架后煤岩分界面理论计算方程 428 8.2.4 放煤后煤岩分界面理论计算方程 433 8.3 顶煤放出体理论计算方程 436 8.3.1 B-R模型的改进 437 8.3.2 重力加速度修正系数K 439 8.3.3 改进模型的正确性验证 443 参考文献 444 9 顶煤三维放出规律 445 9.1 顶煤放出规律三维数值模拟 445 9.1.1 PFC3D模型的建立 445 9.1.2 模拟结果分析 447 9.2 支架对顶煤放出体空间形态的影响 454 9.2.1 有、无支架顶煤放出三维对比试验 454 9.2.2 支架对顶煤放出体空间形态的影响 458 9.2.3 支架对煤岩分界面形态的影响 462 9.2.4 顶煤放出体“超前发育”的数值验证 464 9.3 工作面倾角对顶煤放出规律的影响 466 9.3.1 不同工作面倾角下顶煤放出离散元模拟 467 9.3.2 近水平煤层顶煤放出三维模拟试验 482 9.3.3 急倾斜厚煤层顶煤采出率分布规律 501 9.4 工作面仰/俯采角对顶煤放出规律的影响 509 9.4.1 不同仰采角下顶煤放出离散元模拟 509 9.4.2 不同俯采角下顶煤放出离散元模拟 516 9.4.3 仰斜开采顶煤放出三维模拟试验 521 9.5 水平分段放顶煤开采顶煤放出规律 530 9.5.1 顶煤放出体形态特征 530 9.5.2 合理分段高度确定 531 9.5.3 放煤方式优化 537 参考文献 543 10 顶煤采出率实测仪器研制及应用 544 10.1 顶煤运移跟踪仪 544 10.1.1 标志