本書主要內(nèi)容包括：新疆地區(qū)巨厚煤層賦存及地質(zhì)特征分析、巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)物理模擬研究、巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬研究、巨厚煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析、巨厚煤層開采覆巖塊體破斷特征分析、巨厚煤層開采支架與圍巖作用關(guān)系分析。本書所述內(nèi)容具有先進(jìn)性、實(shí)用性。 本書可供從事采礦工程及相關(guān)專業(yè)的科研及工程技術(shù)人員參考。

巨厚煤層開采具有產(chǎn)量高、礦井生產(chǎn)工作面少等特點(diǎn),但對(duì)覆巖及地表的破壞程度較一般開采條件嚴(yán)重。

目前,對(duì)普通厚度煤層開采巖層及地表移動(dòng)機(jī)理的認(rèn)識(shí)比較深入,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)3~20m厚度煤層開采地表

及巖層移動(dòng)規(guī)律及支架選型方面做了大量的基礎(chǔ)研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,取得豐富的研究成果,但對(duì)20m 以上巨厚煤

層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)還處于探索階段。基于此,本書主要針對(duì)新疆地區(qū)巨厚煤層賦存特征及地質(zhì)條件,綜

合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、數(shù)值計(jì)算、物理模擬及理論分析等研究方法,對(duì)巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律及其控制等進(jìn)行了系統(tǒng)分析,研究成果可為該類煤層安全高效開采提供理論指導(dǎo)。主要研究成果如下:① 對(duì)新疆巨厚煤層賦存條件進(jìn)行分類,在此基礎(chǔ)上分析并對(duì)比了不同類型巨厚煤層覆巖活動(dòng)規(guī)律。提出并證實(shí)了巨厚煤層不同開采厚度導(dǎo)致覆巖結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)“破斷—鉸接穩(wěn)定—失穩(wěn)—二次破斷”的變化特征,并揭示了覆巖呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)形態(tài)的產(chǎn)生機(jī)理。② 物理模擬與數(shù)值模擬研究表明,巨厚煤層的開采造成采空區(qū)空間大幅度的增加,采場(chǎng)采動(dòng)影響具有較大的波及范圍,使得工作面覆巖的活動(dòng)空間更大,易造成大范圍巖體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞;巨厚煤層覆巖裂隙發(fā)育、地表下沉量及采動(dòng)應(yīng)力集中程度均受控于關(guān)鍵層破斷塊體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,穩(wěn)定結(jié)構(gòu)一旦失穩(wěn),在后續(xù)開采過程中難以重新鉸接形成結(jié)構(gòu);在巨厚煤層開采過程中,部分覆巖塊體會(huì)發(fā)生再次破斷。③ 依據(jù)巖層控制的關(guān)鍵層理論,建立了巨厚煤層開采關(guān)鍵層破斷塊體整體結(jié)構(gòu)力學(xué)模型;基于巨厚煤層關(guān)鍵層鉸接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,確定了頂板控制的重點(diǎn)區(qū)域;提出了巨厚煤層開采臨界厚度的概念,并以此作為工作面開采過程中關(guān)鍵層鉸接結(jié)構(gòu)能否維持穩(wěn)定的預(yù)測(cè)指標(biāo),初步確定了關(guān)鍵層能夠形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的巨厚煤層開采厚度臨界值。④ 揭示了巨厚煤層覆巖塊體二次破斷機(jī)理,靜載荷作用下覆巖塊體二次斷裂形式主要為塊體失穩(wěn)后呈懸臂結(jié)構(gòu)拉破斷,沖擊載荷作用下覆巖塊體二次破斷主要發(fā)生在塊體與其他巖體碰撞過程中;并分別建立覆巖塊體在靜載荷和沖擊載荷作用下發(fā)生二次破斷的力學(xué)模型,給出了不同因素影響下覆巖塊體能否發(fā)生二次破斷的判別式。⑤ 對(duì)巨厚煤層覆巖呈現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)時(shí)支架與圍巖作用關(guān)系進(jìn)行了力學(xué)分析,推導(dǎo)出控制巨厚煤層頂板穩(wěn)定性的工作阻力計(jì)算公式,并取得了良好的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果。揭示了覆巖厚度與工作面長(zhǎng)度在巨厚煤層開采支架與圍巖關(guān)系中的關(guān)鍵作用,以目前支架能否維護(hù)工作面頂板穩(wěn)定為判斷依據(jù),初步確定了巨厚煤層可否全部開采的臨界條件。

本書的出版得到了國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2015CB251600)、貴州省科學(xué)技術(shù)基金項(xiàng)目

(黔科合J字[2015]2072號(hào))、貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目(黔教合KY字(2015)427號(hào))、國(guó)家自然科學(xué)基金

項(xiàng)目(51564004,51474206,51404254)、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2015T80604,2014M560465)的資助,在此一并致謝。由于筆者水平所限,書中難免存在錯(cuò)誤和不妥之處,懇請(qǐng)讀者批評(píng)指正。

著 者

二〇一六年十月于貴州理工學(xué)院

1 緒論…………………………………………………………… 1

1.1 問題的提出與研究意義……………………………… 1

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀與存在問題………………………… 2

1.3 研究目標(biāo)與研究?jī)?nèi)容………………………………… 10

2 新疆礦區(qū)巨厚煤層賦存及典型特征分析…………………… 13

2.1 巨厚煤層的定義……………………………………… 13

2.2 新疆地區(qū)地質(zhì)條件及巨厚煤層賦存特征…………… 14

2.3 新疆地區(qū)巨厚煤層典型賦存條件分類……………… 21

2.4 本章小結(jié)……………………………………………… 24

3 巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)物理模擬研究……………………… 25

3.1 物理模擬模型建立…………………………………… 25

3.2 巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)特征………………………… 33

3.3 本章小結(jié)……………………………………………… 65

4 巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律數(shù)值模擬研究………………… 67

4.1 數(shù)值模擬軟件的選擇………………………………… 67

4.2 模擬方案……………………………………………… 68

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析………………………………… 71

4.4 關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性對(duì)巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)的

影響…………………………………………………… 95

4.5 本章小結(jié)……………………………………………… 99

5 巨厚煤層開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析……………………… 101

5.1 巨厚煤層初次分層開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析…… 101

5.2 巨厚煤層周期性分層開采覆巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析… 120

5.3 本章小結(jié)…………………………………………… 139

6 巨厚煤層開采覆巖塊體破斷特征分析…………………… 141

6.1 巨厚煤層開采覆巖塊體破斷力學(xué)分析…………… 141

6.2 覆巖塊體結(jié)構(gòu)破斷特征物理模擬分析…………… 162

6.3 本章小結(jié)…………………………………………… 177

7 巨厚煤層開采支架與圍巖作用關(guān)系分析………………… 178

7.1 巨厚煤層開采支架工作阻力確定………………… 179

7.2 巨厚煤層全部開采臨界條件……………………… 187

7.3 實(shí)例分析…………………………………………… 190

7.4 本章小結(jié)…………………………………………… 192

參考文獻(xiàn)………………………………………………………… 193

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巨厚煤層開采覆巖活動(dòng)規(guī)律及其控制研究