深部煤炭安全綠色開采理論與技術研究

目錄
前言
第1章深部煤炭開采理論與技術研究進展1
1.1我國深部煤炭開采及開采面臨的主要問題1
1.1.1我國深部煤炭開采特點1
1.1.2深部煤炭開采面臨的主要問題4
1.2深部煤炭開采理論與技術研究進展5
1.2.1深部開采煤巖基礎理論研究6
1.2.2深部煤炭開采技術研究22
1.3深部煤炭現(xiàn)代開采面臨的科學與技術問題及解決途徑28
1.3.1深部煤炭開采面臨的科學與技術難題28
1.3.2解決問題的思路與方法31
第2章深部煤炭開采界定與安全綠色開采模式研究35
2.1深部煤炭開采界定及影響因素分析35
2.1.1前人對深部開采的界定35
2.1.2深部開采定義及內(nèi)涵40
2.1.3深部界定方法與判斷準則43
2.1.4影響“深部”主要參數(shù)分析47
2.2深部煤炭安全綠色開采理念與基本特征57
2.2.1煤炭現(xiàn)代開采理念演化58
2.2.2深部安全綠色開采定義及內(nèi)涵63
2.2.3深部安全綠色開采基本特征67
2.3深部煤炭“高保低損”開采模式研究69
2.3.1煤炭開采生態(tài)損傷及綠色響應分析70
2.3.2深部“高保低損”開采模式構建77
2.3.3深部“高保低損”型安全綠色開采技術體系與關鍵技術82
第3章深部采動煤巖體多尺度破壞機理及演化規(guī)律88
3.1深部采動煤巖體復雜裂隙網(wǎng)絡表征與力學特性多尺度效應88
3.1.1核磁共振凍融技術測量煤孔徑分布89
3.1.2基于CT掃描與三維重建的煤樣破裂過程數(shù)值分析方法92
3.1.3深部巖石力學特性的實驗室尺度效應95
3.1.4深部巖體力學特性的工程尺度效應96
3.2開采擾動下煤巖破裂、失穩(wěn)的能量機制與判別準則98
3.2.1基于彈性能密度的煤巖體本構模型98
3.2.2煤巖動態(tài)斷裂與能量耗散的水理效應107
3.2.3煤巖動態(tài)斷裂與能量耗散的層理效應111
3.3煤巖失穩(wěn)的率響應機制和觸發(fā)條件114
3.3.1煤巖失穩(wěn)的大跨度率響應機制115
3.3.2煤巖失穩(wěn)的小跨度率響應機制116
3.3.3煤巖失穩(wěn)的單軸抗壓強度觸發(fā)條件117
3.3.4煤巖失穩(wěn)的沖擊能量指數(shù)觸發(fā)條件118
3.3.5不同沖擊速率下煤巖破壞機制118
3.4煤巖體失穩(wěn)破壞多因素協(xié)同作用力學模型和損傷驅(qū)動機制121
3.4.1單軸循環(huán)載荷擾動下煤的損傷演化過程121
3.4.2不同加卸載應力路徑煤巖損傷驅(qū)動機制134
3.4.3不同含水率煤巖損傷驅(qū)動機制137
第4章深部采動巷道圍巖破壞機理與控制關鍵技術141
4.1不同埋深下非均勻采動應力場演化規(guī)律141
4.1.1一次采動留巷軸向圍巖應力場分布規(guī)律142
4.1.2一次采動采空區(qū)側(cè)向圍巖應力場分布規(guī)律144
4.1.3二次采動巷道超前應力場分布規(guī)律研究147
4.2深部采動巷道圍巖破壞形態(tài)與擴展效應148
4.2.1雙向非等壓應力條件下巷道塑性區(qū)理論148
4.2.2一次采動影響下留巷塑性區(qū)形態(tài)特征151
4.2.3二次采動影響下巷道超前塑性區(qū)形態(tài)特征153
4.2.4巷道斷面形狀對圍巖塑性區(qū)形態(tài)的影響155
4.3深部采動巷道圍巖破壞主要控制因素及響應特征156
4.3.1采動巷道圍巖應力型非對稱破壞的基本性質(zhì)156
4.3.2采動巷道圍巖應力型非對稱破壞的影響因素160
4.4深部采動巷道圍巖破壞控制原理162
4.4.1采動應力與圍巖破壞形態(tài)關系163
4.4.2采動巷道圍巖變形與非對稱破壞形態(tài)的關系164
4.4.3窄煤柱采動巷道非均勻變形破壞機理166
4.4.4采動巷道圍巖破壞形態(tài)與穩(wěn)定性內(nèi)在聯(lián)系168
4.5深部采動巷道圍巖破壞安全控制關鍵技術171
4.5.1深部采動巷道圍巖安全工程調(diào)控方法171
4.5.2深部采動巷道圍巖穩(wěn)定性控制關鍵技術178
第5章深部高強度開采擾動采場圍巖失穩(wěn)機理與控制185
5.1深井采場覆巖與宏觀力學結構特征及演化規(guī)律185
5.1.1深部采場覆巖結構影響因素及宏觀力學結構特征185
5.1.2深部開采采動應力分布及演化規(guī)律189
5.1.3覆巖結構與采動應力演化關系研究193
5.2深部高強度開采擾動下圍巖失穩(wěn)及控制機理204
5.2.1采場圍巖動靜載失穩(wěn)機理204
5.2.2采場圍巖損傷演化過程209
5.2.3深部開采頂板斷裂特征分析213
5.2.4采場圍巖失穩(wěn)控制主要指標216
5.3深部采場圍巖控制技術219
5.3.1圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測預警技術220
5.3.2近場覆巖定向水壓致裂控頂技術222
5.3.3遠場深孔爆破大范圍卸壓技術226
第6章深部含瓦斯煤力學-滲流響應與增滲關鍵技術230
6.1煤體孔隙結構特征230
6.2深部煤體結構的瓦斯響應規(guī)律與煤體弱化機制231
6.2.1瓦斯壓力卸放煤體變形實驗研究232
6.2.2瓦斯氣體對深部煤體的蝕損及強度弱化機制235
6.3深部含瓦斯煤體的基本力學特性和本構關系245
6.3.1常規(guī)三軸加載深部含瓦斯煤力學特性245
6.3.2卸圍壓條件下深部含瓦斯煤力學特性247
6.3.3復合加卸載條件下深部含瓦斯煤力學特性250
6.3.4深部含水-瓦斯煤體的力學特性與本構關系252
6.4深部采動含瓦斯煤變形破裂過程的瓦斯?jié)B流規(guī)律256
6.4.1煤滲透率各向異性特征試驗研究256
6.4.2常規(guī)三軸加載深部含瓦斯煤滲流規(guī)律258
6.4.3復合加卸載對深部含瓦斯煤滲流規(guī)律262
6.5深部開采瓦斯低透煤層增滲關鍵技術267
6.5.1深部開采低透氣性煤層增滲控制參數(shù)267
6.5.2低透氣性煤層增滲關鍵技術方法應用269
第7章深部開采地下水系統(tǒng)損傷規(guī)律與保護關鍵技術280
7.1深部開采地下水系統(tǒng)損傷機理與變化規(guī)律280
7.1.1深部開采水文地質(zhì)結構特征280
7.1.2深部開采地下水系統(tǒng)損傷機理282
7.1.3深部開采地下水系統(tǒng)的失水模式285
7.1.4典型礦井深部煤層開采地下水失水規(guī)律287
7.2深部開采對地下水系統(tǒng)的影響規(guī)律289
7.2.1地下水系統(tǒng)模型290
7.2.2深部開采對地下水流場影響291
7.2.3深部開采對地下水系統(tǒng)均衡影響295
7.2.4深部開采對地下水影響評價295
7.3深部開采地下水系統(tǒng)保護關鍵技術296
7.3.1深部開采地下水系統(tǒng)保護原理296
7.3.2仿生開采工藝模擬研究298
7.3.3仿生開采技術體系與關鍵技術304
7.4仿生開采技術模擬試驗研究307
7.4.1相似物理模擬試驗平臺設計307
7.4.2相似物理試驗模型設計307
7.4.3仿生開采相似模擬試驗結果分析308
第8章中東部焦作礦區(qū)趙固井田高保低損開采研究329
8.1研究區(qū)概述329
8.1.1區(qū)域位置329
8.1.2水文地質(zhì)條件329
8.1.3礦區(qū)地應力特征330
8.1.4開采技術條件331
8.2深部開采圍巖特性及災害特征332
8.2.1二1煤層圍巖巖石力學測試332
8.2.2采動煤層瓦斯特性及災害特征333
8.2.3深部采動巷道非均勻變形破壞特征335
8.2.4深部采場圍巖動力災害特征338
8.3深部高保低損開采模式及控制關鍵技術339
8.3.1深部高保低損開采圍巖損傷破壞模式339
8.3.2深部高保低損開采圍巖控制關鍵技術347
8.4深部安全綠色開采效果354
8.4.1深部巷道柔性支護效果354
8.4.2深部底抽巷支護效果361
8.4.3基于地質(zhì)雷達探測的深部采動底板損傷控制效果分析367
8.4.4基于微震監(jiān)測的深部采動底板損傷控制效果分析369
第9章寧東礦區(qū)麥垛山煤礦“高保低損”開采研究374
9.1研究區(qū)概況374
9.1.1礦區(qū)地質(zhì)與構造375
9.1.2礦區(qū)水文地質(zhì)377
9.1.3區(qū)域生態(tài)概況381
9.1.4開采工藝概況382
9.2麥垛山地下水系統(tǒng)研究382
9.2.1主要含水層水文地質(zhì)特征383
9.2.2地下水補、徑、排關系387
9.3深部仿生開采地下水保護情景模擬效果分析393
9.3.1深部開采地下水系統(tǒng)數(shù)學模型394
9.3.2深部開采擾動時地下水變化預測分析405
9.3.3深部仿生開采控制時保水效果模擬分析406
9.3.4深部仿生開采地下水系統(tǒng)保護效果比較分析409
參考文獻410
Contents
Preface
1 Research progress on the theory and technology of deep coal mining 1
1.1 Deep coal mining and main problems in China 1
1.1.1 Characteristics of deep coal mining in China 1
1.1.2 Main problems faced by deep coal mining 4
1.2 Research progress on the theory and technology of deep coal mining 5
1.2.1 Basic theoretical research on coal-rock in deep mining 6
1.2.2 Research on deep coal mining technology 22
1.3 Scientific and technical problems faced by deep coal mining and solutions 28
1.3.1 Scientific and technical problems faced by deep coal mining 28
1.3.2 Ideas and methods to solve problems 31
2 Definition of deep coal mining and safe & green mining mode 35
2.1 “Deep” definition and influencing factors to coal mining 35
2.1.1 Predecessors’ definition of deep coal mining 35
2.1.2 “Deep” definition and connotation of coal mining 40
2.1.3 “Deep” definition methods and judgment criteria 43
2.1.4 Main influencing factors 47
2.2 Concept and basic characteristics of safe & green coal mining 57
2.2.1 Concept evolution of modern coal mini