堅硬頂板

我國堅硬頂板煤層分布很廣，煤炭儲量也極豐富，主要分布在山西、陜西、內(nèi)蒙古、新疆及北京京西等煤田。開采堅硬頂板煤層的礦區(qū)主要是大同礦務(wù)局和京西礦務(wù)局，尤其是大同，煤炭儲量豐富、煤層條件好、開發(fā)強度也很大，全局每年約開采原煤近4×10⁷t。

堅硬難冒頂板的活動規(guī)律不同于穩(wěn)定頂板，它的主要特點是活動范圍大，波及的層位高，作用時間集中，間隔時間較長，而且周期性較為明顯。頂板活動的前后兩期也有區(qū)別：前期活動是指采空區(qū)頂板在工作面推過后的一段時期內(nèi)，這時期頂板（主要是直接頂或老頂下位巖層）活動比較活躍，頂板不斷地規(guī)律性地折斷冒落。此后便出現(xiàn)了一個暫時相對穩(wěn)定時期。相對穩(wěn)定時期過后，頂板的上位巖層就會發(fā)生大面積的塌落，這時期內(nèi)，頂板活動的威力大、范圍廣，經(jīng)常造成典型的推垮工作面事故，這就是通常稱作的頂板后期活動期。這方面，大同礦務(wù)局與有關(guān)科研部門做了大量的工作，他們以走向長壁工作面為研究對象，用鉆孔電視測法觀測了上覆巖層在回采工作面接近、推過和遠離三種情況下的活動規(guī)律。觀測數(shù)據(jù)較好地反映出了堅硬頂板上覆巖層的活動情況 。

堅硬頂板煤層是指煤層直接頂?shù)膹姸戎笜?biāo)D>120，初次跨落步距大于25m的煤層；或者是無直接頂，且?guī)r層厚度在2-5m以上的煤層。

根據(jù)煤層頂板的巖石性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及構(gòu)造等因素，堅硬頂板又可分為：較堅硬、堅硬及特別堅硬頂板。根據(jù)煤田開發(fā)的實踐經(jīng)驗總結(jié)出來的關(guān)于堅硬頂板的分級指標(biāo)及各級頂板應(yīng)采取的相應(yīng)的管理辦法。各礦區(qū)煤層頂板的性質(zhì)差別較大，也可根據(jù)自己的實際情況，參照堅硬頂板分級辦法確定堅硬頂板的類型 。

堅硬頂板煤層的開采也還存在一些始終沒有得到解決的技術(shù)問題；如：

（1）適應(yīng)于各類級別堅硬頂板的支護設(shè)備的研制；

（2）采空區(qū)頂板管理方法的選擇；

（3）各類堅硬頂板條件下，堅硬頂板煤層開采方法的合理選擇等等。

這些問題，尤其是采空區(qū)頂板管理問題能得到徹底的解決，不僅可以提高回采效率，減少材料消耗，降低噸煤成本，提高煤炭回收率，而且更重要的是能為采煤工作提高一個安全的生產(chǎn)環(huán)境。相反，如果這些問題得不到很好的解決，輕則影響生產(chǎn)，增加費用；重則可能發(fā)生頂板事故，尤其是頂板大面積冒落事故，不僅對生產(chǎn)設(shè)備造成損壞；對人員也會造成極大的威脅。所以，堅硬頂板煤層開采方法的合理選擇；頂板管理技術(shù)的進一步完善。對改善我國煤炭生產(chǎn)形勢，提高生產(chǎn)效益都會起著極其重要的影響。

為此，我國有關(guān)院校和科研單位的專家們從20世紀(jì)70年代中期起，對堅硬煤層頂板進行了大量的試驗研究，得出了一些很有價值的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，我國已形成了幾種行之有效的開采堅硬頂板煤層的方法：

（1）長壁式自然垮落法；

（2）長壁式強制放頂法；

（3）長壁式預(yù)注水軟化頂板法；

（4）煤柱支撐采煤法；

（5）倉房式扒斗采煤法 。

本書針對多年來大同礦區(qū)堅硬頂板特厚煤層開采理論與實踐研究成果，進行系統(tǒng)的總結(jié)分析、歸納、整理和提升.內(nèi)容涉及堅硬頂板大空間采場覆巖結(jié)構(gòu)失穩(wěn)理論、覆巖運動實測技術(shù)及大空間采場堅硬頂板控制技術(shù)等方面，主要包括大空間采場及遠近場概念、區(qū)域地質(zhì)動力環(huán)境評估、堅硬頂板分類方法、大空間采場堅硬頂板運動與覆巖結(jié)掏失穩(wěn)的力學(xué)特征、巖層破裂演化實測技術(shù)、堅硬頂板太空間采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律及堅硬頂板遠近場控制技術(shù)等。

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》序

《巖石力學(xué)與工程研究著作叢書》編者的話

前言

第1章 緒論 1

1.1 煤礦開采的頂板問題 1

1.2 堅硬頂板煤層開采特征 3

1.3 巖層控制理論研究現(xiàn)狀 6

1.3.1 大空間采場礦壓研究現(xiàn)狀 6

1.3.2 采場覆巖結(jié)構(gòu)演化研究現(xiàn)狀 7

1.3.3 采場頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀 12

1.3.4 堅硬頂板控制理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀 13

1.4 大空間采場堅硬頂板巖層控制研究思路 14

1.4.1 大空間采場及遠近場概念 14

1.4.2 研究思路 16

參考文獻 18

第2章 大同礦區(qū)堅硬頂板特厚煤層開采條件 22

2.1 特厚煤層開采特征 22

2.2 特厚煤層上覆侏羅系煤層開采現(xiàn)狀 23

2.2.1 大同礦區(qū)開發(fā)歷史 23

2.2.2 侏羅系煤層賦存條件 24

2.2.3 侏羅系煤層開采特征 24

2.3 石炭系堅硬頂板特厚煤層賦存條件 27

2.3.1 地質(zhì)條件 27

2.3.2 煤層賦存條件 29

2.3.3 頂?shù)装鍘r性 32

2.3.4 瓦斯、煤塵和煤的白燃特征 32

2.4 石炭系煤巖物理力學(xué)特往 34

2.4.1 實驗室煤巖物理力學(xué)參數(shù)測試方法與結(jié)果 34

2.4.2 煤巖比表面積測試 37

2.4.3 煤巖XRD測試 40

2.4.4 煤巖全元素測試 42

2.5 石炭系特厚煤層主要開采礦井概況 44

2.5.1 同忻煤礦概況 44

2.5.2 塔山煤礦概況 46

參考文獻 47

第3章 大同礦區(qū)石炭系堅硬頂板特厚煤層開采技術(shù) 49

3.1 堅硬頂板特厚煤層采煤方法選擇 49

3.2 方法與回采.工藝 50

3.2.1 工作面巷道布置與參數(shù) 50

3.2.2 回采工藝參數(shù) 51

3.2.3 勞動組織與技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo) 53

3.3 工作面開采裝備選型 56

3.3.1 工作面開采裝備選型研究 56

3.3.2 采煤機選型 56

3.3.3 工作面前、后刮板輸送機選型 57

3.3.4 液壓支架選型 59

3.4 工作面安全高效開采技術(shù) 62

3.4.1 大采高綜放工作面頂板管理技術(shù) 62

3.4.2 工作面過火成巖墻安全技術(shù) 63

3.4.3 提高頂煤回收率技術(shù) 64

參考文獻 67

第4章 區(qū)域地質(zhì)動力環(huán)境評估 69

4.1 大同礦區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征分析 69

4.1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景 69

4.1.2 構(gòu)造演化對含煤盆地的影響 71

4.2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運動特征分析 72

4.2.1 華北地區(qū)及邊界的相對運動 72

4.2.2 大同地區(qū)新構(gòu)造運動 74

4.3 區(qū)域應(yīng)力特征分析 75

4.3.1 區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場特征 75

4.3.2 大同礦區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場特征 77

4.3.3 大同礦區(qū)地應(yīng)力測量 78

4.4 大同礦區(qū)典型礦井巖體應(yīng)力狀態(tài)分析 83

4.4.1 同忻煤礦巖體應(yīng)力狀態(tài)分析 83

4.4.2 忻州窯煤礦巖體應(yīng)力狀態(tài)分析 86

4.5 大同礦區(qū)典型礦井地質(zhì)動力環(huán)境評估 92

4.5.1 礦井地質(zhì)動力環(huán)境分析 92

4.5.2 同忻煤礦地質(zhì)動力環(huán)境評估 93

4.5.3 忻州窯煤礦地質(zhì)動力環(huán)境評估 97

4.6 地質(zhì)條件對礦井動力災(zāi)害的控制作用 101

參考文獻 102

第5章 堅硬頂板分類方法研究 104

5.1 國內(nèi)外頂板分類方法概述 104

5.2 顯現(xiàn)強度與影響因素定量關(guān)系數(shù)值模擬研究 107

5.2.1 數(shù)值計算模型的建立 107

5.2.2 不同煤巖屬性的礦壓顯現(xiàn)特征 108

5.3 堅硬頂板分類指標(biāo)的確定 111

5.4 基于層次分析和模糊綜合評判的堅硬頂板分類研究 112

5.4.1 層次分析法和模糊綜合評判的數(shù)學(xué)原理 112

5.4.2 堅硬頂板的模糊綜合分類方法 113

參考文獻 115

第6章 大空間采場堅硬頂板運動與力學(xué)特征 118

6.1 堅硬頂板特厚煤層工作面關(guān)鍵層判定及破斷特征 118

6.1.1 覆巖關(guān)鍵層判定理論 118

6.1.2 同忻煤礦3 5 3煤層覆巖關(guān)鍵層判定結(jié)果 120

6.1.3 同忻煤礦3 5 4煤層覆巖關(guān)鍵層破斷分析 124

6.2 堅硬頂板特厚煤層采場結(jié)構(gòu)模型 133

6.2.1 多層堅硬頂板覆巖大結(jié)構(gòu)形成機理 133

6.2.2 多層堅硬頂板覆巖大結(jié)構(gòu)形成過程 135

6.3 大空間采場堅硬頂板運動特征的相似模擬研究 136

6.3.1 相似材料模擬試驗內(nèi)容 136

6.3.2 相似材料模擬試驗及觀測系統(tǒng) 137

6.3.3 相似材料模擬試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計與制作 139

6.3.4 相似材料模擬試驗過程及結(jié)果分析 142

6.4 大空間采場堅硬頂板結(jié)構(gòu)模型現(xiàn)場探測 154

6.4.1 特厚煤層綜放采場覆巖運動特征的鉆孔電視探測 154

6.4.2 工作面覆巖結(jié)構(gòu)EH4物理探測 161

6.4.3 基于微地震監(jiān)測技術(shù)的特厚煤層綜放面圍巖運動規(guī)律研究 165

6.5 大空間采場堅硬頂板大結(jié)構(gòu)力學(xué)特征 190

6.5.1 堅硬頂板大結(jié)構(gòu)力學(xué)模型 190

6.5.2 柱殼結(jié)構(gòu)模型和力學(xué)模型研究 192

6.5.3 柱殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析 193

6.5.4 應(yīng)用實例 194

參考文獻 195

第7章 巖層破裂演化實測方法與技術(shù) 198

7.1 概述 198

7.2 鉆孔沖洗液法與應(yīng)用 199

7.2.1 方法原理 199

7.2.2 工程應(yīng)用實例 200

7.3 孔間電磁波CT測試巖體破裂演化原理與應(yīng)用 204

7.3.1 電磁波CT技術(shù) 204

7.3.2 鉆孔電磁波CT技術(shù)的原理和方法 205

7.3.3 井間電磁波CT探測的巖溶特征工程應(yīng)用 206

7.4 覆巖破斷微震監(jiān)測技術(shù) 209

7.4.1 微震監(jiān)測技術(shù) 209

7.4.2 由采礦活動導(dǎo)致微震的力學(xué)機理及分類 210

7.4.3 煤柱兩側(cè)覆巖空間破裂與采動應(yīng)力場關(guān)系的微震分析 210

7.4.4 采空區(qū)覆巖高位裂隙體特征微震監(jiān)測案例 212

7.5 采動覆巖井上下聯(lián)動“三位一體”綜合觀測方法 216

7.5.1 方法原理 216

7.5.2 采動覆巖內(nèi)部巖移的監(jiān)測儀器及軟件系統(tǒng) 216

7.5.3 “三位一體”綜合觀測方法應(yīng)用 217

7.6 實驗室覆巖采動裂隙放射性測量系統(tǒng)與方法 221

7.6.1 氡氣工程領(lǐng)域應(yīng)用分析 221

7.6.2 氡氣地表探測覆巖采動裂隙綜合試驗系統(tǒng) 222

7.6.3 綜合試驗系統(tǒng)應(yīng)用案例 224

7.7 巷道圍巖裂隙探測技術(shù) 227

7.7.1 數(shù)字鉆孑L攝像法松動圈測試 227

7.7.2 地質(zhì)雷達法松動圈測試 230

7.7.3 大同礦區(qū)“雙系”煤巷圍巖松動圈測試 232

參考文獻 239

第8章 大空間采場堅硬頂板礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 241

8.1 大結(jié)構(gòu)對采場礦壓顯現(xiàn)的影響 241

8.2 大同礦區(qū)石炭系特厚煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 244

8.2.1 塔山煤礦石炭系特厚煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 244

8.2.2 同忻煤礦石炭系特厚煤層采場礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 250

8.3 特厚煤層回采巷道礦壓監(jiān)測分析 266

8.3.1 礦壓監(jiān)測內(nèi)容及方案 266

8.3.2 頂板離層監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 270

8.3.3 錨桿（索）應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 273

8.3.4 鉆孔應(yīng)力監(jiān)測數(shù)據(jù)分析 275

8.4 大同礦區(qū)雙系煤層開采礦壓相互影響 277

8.4.1 煤柱對下覆煤層開采的影響 277

8.4.2 工程條件 278

8.4.3 多層疊加煤柱覆巖結(jié)構(gòu)特征 278

8.4.4 “倒梯形孤島覆巖結(jié)構(gòu)”對石炭系煤層應(yīng)力場影響分析 281

8.4.5 “倒梯形孤島覆巖結(jié)構(gòu)”對石炭系礦壓影響的微震監(jiān)測研究 284

參考文獻 285

第9章 大空間采場堅硬頂板煤柱力學(xué)特征 288

9.1 掘巷前采場煤巖體力學(xué)特征分析 288

9.1.1 弧三角形關(guān)鍵塊的結(jié)構(gòu)參數(shù) 289

9.1.2 掘巷前三角塊受力分析 290

9.1.3 掘巷前三角塊下部煤體受力分析 293

9.2 小煤柱護巷圍巖力學(xué)模型 296

9.2.1 沿空掘巷頂板力學(xué)模型 297

9.2.2 沿空掘巷實體煤幫力學(xué)模型 299

9.2.3 滑空掘巷煤柱幫力學(xué)模型 302

9.2.4 沿空掘巷底板力學(xué)模型 304

9.3 煤柱力學(xué)特征數(shù)值模擬研究 307

9.3.1 數(shù)值模擬條件與幾何模型的建立 307

9.3.2 掘巷前煤柱應(yīng)力分布規(guī)律研究 311

9.3.3 掘巷后煤柱應(yīng)力分布規(guī)律研究 312

9.3.4 采動后煤柱應(yīng)力分布規(guī)律研究 318

9.4 沿空掘巷端部結(jié)構(gòu)及滲透特征研究 325

9.4.1 工作面概況 325

9.4.2 掘巷前8206 工作面端部覆巖結(jié)構(gòu)及小煤柱側(cè)裂隙場分布 326

9.4.3 小煤柱滲透特征研究 334

9.4.4 小煤柱滲透特性系數(shù) 353

9.5 大空間采場小煤柱護巷安全保障關(guān)鍵技術(shù)體系 355

參考文獻 363

第10章 大空間采場井下近場堅硬頂板弱化技術(shù) 365

10.1 井下近場堅硬頂板水壓致裂控制技術(shù) 365

10.2 水壓致裂基本原理 367

10.2.1 孔壁應(yīng)力理論分析 367

10.2.2 水壓致裂力學(xué)機理 369

10.3 大同礦區(qū)井下近場堅硬頂板水壓致裂工藝技術(shù) 371

10.3.1 水壓致裂頂板弱化參數(shù) 371

10.3.2 水壓致裂設(shè)備與注水工藝過程 374

10.3.3 水壓致裂技術(shù)實施方案 376

10.4 水壓致裂效果數(shù)值模擬分析 386

10.5 井下近場楔形槽爆破預(yù)裂堅硬頂板技術(shù) 391

10.5.1 頂板預(yù)裂爆破方案 391

10.5.2 爆破參數(shù)確定 393

10.5.3 爆破參數(shù)驗算 395

10.5.4 爆破工藝參數(shù)及施工 398

10-5.5 頂板預(yù)裂爆破效果數(shù)值模擬分析 398

10.6 井下近場承壓爆破技術(shù) 399

10.6.1 承壓爆破技術(shù)特點 399

10.6.2 鉆孔內(nèi)承壓傳爆介質(zhì)的承壓預(yù)裂性能 400

10.6.3 鉆孔承壓爆破應(yīng)力傳播及裂隙擴展規(guī)律 407

10.6.4 堅硬頂板承壓爆破參數(shù)確定 417

10.6.5 豎硬煤巖深孔充水承壓爆破工程實踐 418

10.7 煤層注水防治強礦壓技術(shù)與效果分析 424

10.7.1 同忻煤礦特厚煤層注水技術(shù) 424

10.7.2 煤層注水效果分析 425

參考文獻 427

第11章 大空間采場遠場地面壓裂高位堅硬巖層技術(shù) 429

11.1 遠場地面壓裂弱化高位堅硬巖層技術(shù) 429

11.2 遠場地面壓裂技術(shù)的試驗與理論分析 430

11.2.1 裂縫擴展規(guī)律的相似模型試驗 430

11.2.2 水壓裂縫在堅硬頂板的擴展規(guī)律 431

11.3 水壓裂縫對堅硬巖層失穩(wěn)破斷的影響 433

11.4 大同礦區(qū)塔山煤礦遠場地面壓裂高位堅硬巖層試驗 434

11.4.1 工程背景 434

11.4.2 壓裂工藝 435

11.4.3 壓裂參數(shù)與裝備 436

11.5 遠場地面壓裂效果分析 438

11.5.1 壓裂效果微地震監(jiān)測解釋原理 438

11.5.2 監(jiān)測方法 442

11.5.3 速度模型建立 442

11.5.4 監(jiān)測設(shè)計 445

11.5.5 監(jiān)測成果與解釋 446

11.5.6 壓裂結(jié)果分析 449

11.6 開采保護層的遠近場堅硬頂板協(xié)同控制技術(shù) 449

11.6.1 保護層和被保護層工作面開采順序和布置參數(shù) 449

11.6.2 保護層8101丁作面煤層賦存特征 450

11.6.3 塔山煤礦3 58煤層被保護層8108工作面開采特征 452

11.6.4 保護層開采對下覆3 5 2煤層覆巖運動影響研究 454

11.6.5 工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律實測 458

參考文獻 474

第12章 堅硬頂板巖層控制理論與技術(shù)的科學(xué)意義 476

12.1 堅硬頂板巖層控制理論與技術(shù)體系 476

12.2 科學(xué)意義 477

12.2.1 堅硬頂板巖層控制理論的科學(xué)意義 477

12.2.2 巖移實測技術(shù)的科學(xué)意義 479

12.2.3 堅硬頂板控制技術(shù)的科學(xué)意義 479

12.3 展望 480

圖版 2100433B

《大同礦區(qū)堅硬頂板靜動壓巷道穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)》是大同煤礦集團有限責(zé)任公司近年來在大同礦區(qū)堅硬頂板靜動壓巷道穩(wěn)定控制方面所取得研究成果的總結(jié)，全書共分7章，內(nèi)容包括緒論、大同礦區(qū)堅硬頂板靜動壓巷道災(zāi)害特征研究、堅硬頂板靜動壓巷道圍巖承載機理與控制技術(shù)研究、堅硬頂板靜動壓巷道支護材料及關(guān)鍵技術(shù)研究、堅硬頂板靜動壓巷道穩(wěn)定性評估方法與支護規(guī)范化設(shè)計、基于B\S架構(gòu)的支護專家系統(tǒng)以及工業(yè)性試驗。

《大同礦區(qū)堅硬頂板靜動壓巷道穩(wěn)定控制關(guān)鍵技術(shù)》適用于煤礦支護技術(shù)人員學(xué)習(xí)參考，也可供相關(guān)專業(yè)的研究人員、大中專師生研究參考。