放顶煤开采基础理论与应用

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
8.3.1B-R模型的改进437
8.3.2重力加速度修正系数K439
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
9.1.1PFC3D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标志点法观测顶煤采出率的实验研究544
……
11提出顶煤采出率的工艺602