本書主要包括研究不同特性煤巖體的結構特征及裂紋孕育、擴展、演化、失穩(wěn)的動態(tài)演化規(guī)律，建立復雜煤巖體類斷層結構下動力失穩(wěn)判據(jù)，提出復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)多參量動力失穩(wěn)預測方法，形成煤巖體結構穩(wěn)定性控制方法。 本書主要介紹的是急傾斜特厚煤層水平分段高階段綜放科學高效開采的巖石力學和工程應用基礎方面全新內容，可供采礦工程、安全技術及工程、礦業(yè)工程、巖石力學、工程力學和巖土工程等專業(yè)的科技人員、大學本科生和研究生參考，也可作為相關研究方向的博碩士研究生和高年級本科生用教材。

復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)是制約安全高效開采的世界性難題之一。

我國西部地區(qū)的急傾斜(45°~87°)特厚煤層(群)儲量占世界同類煤層30%以上。在急傾斜、特厚和復雜賦存條件下,存在頂煤冒放性差、煤巖動力失穩(wěn)、開采工藝與裝備適應性及可靠性、災害防治等系列難題。研究解決復雜煤巖體安全開采方法與工藝、煤巖弱化和災害控制等采礦科學和工程技術難題,對實現(xiàn)復雜煤巖體的整體安全高效開采具有科學性、必要性和現(xiàn)實性,也是促進西部開發(fā)、保證礦山經(jīng)濟社會整體安全穩(wěn)定的需要。

急傾斜煤層賦存條件獨特,強弱巖層的組合影響斷裂韌度重構與受力變形,導致局部敏感區(qū)——剪切變形局部化帶應力/應變與結構損傷變形畸變,這是誘發(fā)頂板或頂煤動力災害的前兆。強卸荷作用下煤巖體結構畸變,大變形和大面積冒頂概率凸顯。應力蛻變向采空區(qū)卸載并通過上方煤層傳遞演化致災,這是一個典型的彈性拱在周期荷載作用下的共振屈曲和支座坍塌引起的非線性動力學問題。頂煤結構載荷傳遞距離、拱側向寬度、覆層厚度和采放比等與局部化帶結構畸變和致災密切關聯(lián)。科學合理的力學模型構建和數(shù)值計算已成為揭示綜放開采頂煤破碎機理、散體頂煤運動規(guī)律、頂煤與矸石覆層不同塊度結構的力學特性和運移規(guī)律及動力災害預測的有效方法。急傾斜煤層地質力學環(huán)境獨特,多尺度問題突出,開采擾動區(qū)內頂板煤巖性差異和強弱巖層的組合,影響頂煤局部化帶結構受力與變形,部分煤巖層沿著先存傾斜層理面或局部化剪切變形帶向下有限滑動,其尺度、速度和致災概率均與層理面傾斜度密切關聯(lián),已被不同尺度室內與現(xiàn)場測試以及模型實驗所證實。由于復雜煤巖體綜放開采形成的非對稱斜拱結構的畸變頻率有分組特性,在尺度上存在時空關聯(lián)性,因此增大模型尺寸可提高預測精度。本研究涵蓋不同覆層尺度結構的多尺度物理力學模型與計算方法,為災害孕育演化與時空預測提供必要的理論模型。此外,采動影響下局部化帶對頂煤結構與應力畸變作用的多場耦合物理與數(shù)值模擬也是必不可少的,這對建立破碎煤巖體強卸荷-結構控制型大變形孕育演化致災機制和實現(xiàn)科學開采具有必要性與現(xiàn)實性。

復雜煤巖體結構動力災害預測預警是實現(xiàn)安全開采的重要保障。無論是研究復雜煤巖體的靜力還是動力屈曲,單一手段在綜放覆層結構、頂煤頂板結構動力屈曲和災害預測預警及動態(tài)調控具有局限性,必須以現(xiàn)代高精度地球物理探測與分析方法等多手段聯(lián)動,探求復雜煤巖體結構動力災害發(fā)生規(guī)律和傳遞機理,發(fā)展地面地下立體監(jiān)測技術與方法,提高災害預報水平。基于變形、應力、聲發(fā)射、微震、地質雷達、光學掃描和鉆孔攝像等不同空間層位的多元監(jiān)測指標信息辨識,為復雜煤巖體開采頂板結構參數(shù)確定、力學模型構建、結構與應力畸變發(fā)生的臨界條件和演化致災預測預報提供定量方法與科學手段,為復雜煤巖體結構動力災害預測預警系統(tǒng)開發(fā)提供科學基礎。

毋庸置疑,研究解決復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)控制理論基礎和科學開采難題,對西部大型煤炭基地復雜難采煤層安全開采理論與技術創(chuàng)新、礦山經(jīng)濟社會發(fā)展和整體穩(wěn)定等促進作用舉足輕重。

本書前言和第一章由來興平撰寫,第2章至第8章由曹建濤撰寫,全書由曹建濤統(tǒng)稿。

在本書成稿之際,衷心感謝研究過程中作出貢獻的所有專家和學者,并對所參考文獻作者一并致謝。

感謝科技部973計劃項目(2015CB251600)、科技部973計劃前期專項目(2014CB260404)、國家自然科學基金煤炭聯(lián)合基金重點項目(U1361206)、國家自然科學基金青年科學基金項目(51504184、51504183)、陜西省自然科學基礎研究計劃重點項目(2011JZ010)、陜西省重點科技創(chuàng)新團隊計劃(2013KCT-16)等資助。

本書秉承基礎研究支撐工程應用,主要包括復雜煤巖體結構形成、結構形態(tài)、結構動態(tài)演化、系統(tǒng)研究不同特性煤巖體的結構特征及裂紋孕育、擴展、演化、失穩(wěn)的動態(tài)演化規(guī)律,建立煤巖體結構特征與動力失穩(wěn)之間的關系,揭示復雜煤層開采強卸荷作用下煤巖體失穩(wěn)演化過程與宏觀力學特性的關系,分析煤巖體結構對動力失穩(wěn)發(fā)生的控制作用。并對動力失穩(wěn)進行分類,建立復雜煤巖體類斷層結構下動力失穩(wěn)判據(jù),分析煤巖體結構動力失穩(wěn)、結構畸變致災機制。基于能量積聚和釋放的圍巖結構動力失穩(wěn)前兆信息研究,提出復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)多參量動力失穩(wěn)預測方法,建立復雜煤巖體結構體動力失穩(wěn)危險等級評價指標體系和預報理論,提出具有針對性的復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)控制措施,形成煤巖體結構穩(wěn)定性控制方法。并在具體工程中進行驗證,豐富了復雜難采煤層科學采礦理論與技術基礎,旨在起到拋磚引玉的作用。

本書是作者基于多年主持的國家和省級相關項目研究成果以及為研究生開設的礦業(yè)工程導論、實驗巖石力學、巖土工程測試技術、智能巖石力學導論以及本科大學生課外科技創(chuàng)新實驗實踐等課程講授內容的系統(tǒng)凝練,可作為采礦工程、安全技術及工程、礦業(yè)工程、巖石力學、工程力學、巖土工程、地質和測量工程等專業(yè)的科技人員、大學本科生和研究生的參考資料,亦也可作為相關研究方向的研究生和高年級本科生教學用書。

書中如有錯誤或不妥之處,敬請批評、指正。

作　者

2016年1月

1　緒論 1

1.1　背景和意義1

1.2　復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)研究動態(tài)及發(fā)展趨勢3

1.3　研究內容、研究方案及技術路線9

2　煤巖體結構力學參數(shù)形態(tài)特征測定12

2.1　煤巖體材料力學性能測試12

2.2　復雜煤巖體結構形成21

2.3　復雜煤巖體結構特征24

3　基于變尺度平-立物理相似模擬類斷層結構演化規(guī)律38

3.1　基于平面物理相似模擬復雜煤巖體結構運動演化特征38

3.2　基于立體物理相似模擬復雜煤巖體結構活化特征47

4　基于三維數(shù)值模擬的復雜煤巖體結構動力作用特征分析63

4.1　復雜煤巖體結構物理與力學模型構建63

4.2　模型計算參數(shù)確定64

4.3　模型計算本構方程65

4.4　類斷層結構應力分布特征分析65

4.5　類斷層結構塑性區(qū)分布特征分析85

5　復雜煤巖體結構畸變致災機制89

5.1　復雜煤巖體結構畸變特征89

5.2　復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)特征101

5.3　復雜煤巖體結構失穩(wěn)能量耗散特征103

5.4　復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)綜合影響因素分析107

6　復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)預報108

6.1　開采擾動動力顯現(xiàn)預報109

6.2　結構動力失穩(wěn)聲發(fā)射信號預報114

6.3　基于鉆孔窺視結構演化內部變形預報115

6.4　復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)綜合指標預報116

7　復雜煤巖體結構動力失穩(wěn)控制應用119

7.1　工程概況119

7.2　結構動力失穩(wěn)綜合控制方法119

7.3　應用效果監(jiān)測132

7.4　應用效果170

8　結語177

8.1　總結177

8.2　展望179

參考文獻180