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第1章 美国煤矿布局和围岩控制实践1

1.1 围岩控制定义1

1.2 美国煤矿采煤方法和产量1

1.3 煤矿巷道布置和围岩控制实践2

1.3.1 井工煤矿巷道布置2

1.3.2 岩层控制实践15

1.4 煤层开采中岩层控制20

1.5 岩层控制与井工煤矿其他子系统相互作用21

1.5.1 房柱式开采21

1.5.2 长壁式开采24

第2章 岩石性质和原岩应力26

2.1 引言26

2.2 岩石基本性质26

2.3 岩石性质测定28

2.3.1 室内试验28

2.3.2 现场试验33

2.4 煤岩强度的实验室测定36

2.5 煤系地层岩层破坏准则38

2.5.1 最大抗压和最大抗拉强度准则39

2.5.2 库仑准则39

2.5.3 莫尔准则40

2.5.4 霍克-布朗准则41

2.5.5 德鲁克-普拉格准则41

2.5.6 冯·米塞斯准则42

2.5.7 岩石破坏准则比较42

2.6 煤岩体矿压显现的主要控制因素43

2.6.1 实验室完整岩样44

2.6.2 岩层53

2.7 地应力55

2.7.1 引言55

2.7.2 地应力成因56

2.7.3 美国水平地应力图58

2.7.4 地应力测定方法58

第3章 地质学和地球物理学68

3.1 引言68

3.2 煤形成的沉积环境68

3.3 煤层及其围岩的不连续（异常区）71

3.3.1 后泥炭堆积形成的不连续72

3.3.2 与泥炭聚集同期形成的不连续89

3.4 煤系地层岩层96

3.4.1 岩石和岩体强度96

3.4.2 鉴别98

3.4.3 煤矿顶板质量99

3.5 地质和围岩控制以及矿井设计和规划100

3.5.1 覆岩地层立体剖面图100

3.5.2 表示煤层顶板稳定性的组合图101

3.5.3 井下地质编录107

3.6 地球物理法勘探地质异常区107

3.6.1 地震勘探法原理和应用108

3.6.2 电阻率法原理和应用120

3.6.3 电磁法原理和应用123

3.6.4 结论128

第4章 顶板锚杆支护130

4.1 引言130

4.2 锚杆类型131

4.3 预应力锚杆132

4.3.1 机械锚杆132

4.3.2 组合锚杆133

4.3.3 预应力钢筋锚杆134

4.3.4 树脂机械锚固锚杆135

4.3.5 树脂锚固锚索136

4.3.6 拉扭比138

4.3.7 锚固力139

4.4 无预应力锚杆142

4.4.1 全长锚固树脂锚杆142

4.4.2 树脂和树脂圆环144

4.4.3 “手套指进”效应147

4.4.4 螺纹钢筋的影响150

4.4.5 全长锚固树脂锚杆性能评价151

4.5 全长锚固树脂预应力锚杆154

4.6 桁架和悬吊锚索154

4.6.1 构件154

4.6.2 桁架系统设计156

4.7 顶板锚杆系统构件158

4.7.1 普通圆钢、螺纹钢和锚固剂158

4.7.2 托盘和加高托盘159

4.7.3 顶板钢垫和顶板钢带160

4.7.4 金属网161

4.8 顶板锚杆支护机理163

4.8.1 引言163

4.8.2 矩形巷道围岩应力分布163

4.8.3 全长锚固树脂锚杆与预应力锚杆之间关系167

4.8.4 全长锚固树脂锚杆和预应力锚杆应用168

4.9 顶板锚杆支护系统设计方法172

4.9.1 引言172

4.9.2 计算机数值模拟173

4.9.3 全长锚固树脂锚杆载荷测量182

4.9.4 关键部位控制法189

4.9.5 悬吊理论189

4.10 锚杆孔钻进192

4.10.1 顶板锚杆钻机192

4.10.2 钻头193

4.10.3 钻孔完整性194

4.11 锚杆失效的非破坏性试验196

4.12 “一站式”锚杆197

第5章 煤柱199

5.1 引言199

5.1.1 煤柱类型199

5.1.2 煤柱设计步骤199

5.2 影响煤柱强度的因素201

5.2.1 煤柱几何形状202

5.2.2 煤柱物质构成203

5.2.3 煤层／顶板和底板／煤层界面的影响204

5.2.4 煤柱裂隙207

5.2.5 采煤工作面尺寸208

5.3 煤柱设计方法209

5.3.1 单一煤柱的传统公式法209

5.3.2 煤柱群的半传统公式法220

5.3.3 开采结构模型225

5.3.4 通过仪器确定煤柱强度226

5.4 屈服煤柱228

5.4.1 引言228

5.4.2 屈服煤柱设计229

5.5 隔离煤柱235

5.5.1 内部隔离煤柱235

5.5.2 露头隔离煤柱236

5.6 煤柱破坏模式237

5.6.1 煤柱煤壁片帮和煤的滑落237

5.6.2 煤柱失稳238

5.6.3 煤柱突出240

5.7 煤柱长时强度与短时强度对比241

5.8 煤柱回收242

5.8.1 移动式顶板支架242

5.8.2 回收煤柱时煤柱设计243

5.9 高陡边坡开采保护煤柱245

5.10 脱水和煤柱强度248

5.11 天然气／油井保护煤柱设计249

5.12 案例分析——采用不同设计方法确定煤柱尺寸251

第6章 高水平地应力253

6.1 引言253

6.2 水平应力方向和切割顺序对巷道稳定性的影响253

6.2.1 现场试验——水平应力的支承压力和应力屏蔽253

6.2.2 计算机模拟258

6.2.3 解除水平应力集中的方法259

6.2.4 冒顶和底臌264

6.2.5 在东-西向为主的水平应力场中的南-北向长壁工作面266

6.3 巷道顶角破坏和高水平应力268

6.4 高水平应力作用下地形的影响270

6.5 高水平应力作用下巷道与横贯的交岔点271

6.6 地质构造异常区和高水平应力区273

6.7 井下地应力绘图274

6.8 高水平应力和顶板支护276

6.9 全应力分析和高水平应力的应用277

第7章 长壁开采278

7.1 引言278

7.2 长壁工作面布置和回采巷道系统278

7.3 上覆岩层移动280

7.3.1 引言280

7.3.2 直接顶282

7.3.3 基本顶286

7.3.4 长壁工作面上覆岩层移动层序286

7.3.5 地层层序的影响291

7.3.6 时间对长壁工作面回采速度的影响294

7.4 支承压力和采空区垮落以及回采巷道收敛295

7.4.1 计算机模拟295

7.4.2 现场观测296

7.5 液压支架设计305

7.5.1 引言305

7.5.2 液压支架设计原理306

7.5.3 确定外部载荷307

7.5.4 底座下底板压力315

7.5.5 同等尺寸模型支架测试317

7.6 长壁工作面冒顶和煤壁片帮以及底臌317

7.6.1 顶板冒顶318

7.6.2 片帮319

7.6.3 底臌320

7.7 长壁工作面长度影响320

7.8 断层与地质异常区323

7.8.1 引言323

7.8.2 断层填图和预先加固324

7.8.3 地质异常区325

7.9 回采巷道煤柱回收326

7.10 预掘贯通巷道和回撤巷道支护技术327

7.10.1 引言327

7.10.2 贯通巷道和回撤巷道支护方法327

7.10.3 支架设计中考虑的因素331

7.11 难垮落顶板332

7.11.1 引言332

7.11.2 难垮落顶板控制方法332

7.12 坚硬顶板岩层剪切和周期性破坏336

7.13 回风平巷和运输平巷支护337

7.13.1 引言337

7.13.2 回采巷道基本支护337

7.13.3 加强支护337

第8章 多煤层开采344

8.1 引言344

8.2 多煤层开采层序344

8.3 相互作用因素345

8.3.1 地质因素345

8.3.2 开采因素349

8.4 煤层间相互作用机理351

8.4.1 载荷传递351

8.4.2 下沉354

8.4.3 中间岩层的剪切破坏358

8.4.4 小结358

8.5 极近距离多煤层开采359

8.5.1 引言359

8.5.2 影响采煤作业的关键因素360

8.6 多煤层开采方案设计362

8.6.1 一般程序362

8.6.2 一层煤层长壁开采和另一层煤层房柱开采364

8.6.3 两煤层均采用长壁开采366

8.6.4 多煤层开采稳定性分析366

8.7 三层煤层开采368

8.8 多煤层高陡边坡开采369

8.8.1 概述369

8.8.2 极近距离多煤层高陡边坡开采369

第9章 冲击地压371

9.1 引言371

9.2 冲击地压发生的条件372

9.2.1 有利于冲击地压发生的地质条件376

9.2.2 采煤方法和割煤顺序378

9.2.3 存在地质构造异常区382

9.3 煤层冲击地压发生的原因和机理382

9.3.1 静态应力集中382

9.3.2 动态应力集中或冲击波383

9.3.3 煤层／顶板或煤层／底板界面约束383

9.3.4 局部煤岩层硬度385

9.3.5 微震事件386

9.3.6 能量释放速度390

9.3.7 厚层上覆岩层悬臂作用和拱作用391

9.4 冲击地压大小和破坏程度391

9.5 冲击地压防治方法392

9.5.1 矿井布置和割煤顺序392

9.5.2 钻屑法监测应力397

9.5.3 应力释放400

9.6 微震法预测冲击地压402

9.6.1 微震监测402

9.6.2 地音探测403

9.6.3 地音源定位403

9.6.4 冲击地压预测方法405

第10章 冒顶／片帮和底臌407

10.1 引言407

10.2 冒顶407

10.2.1 引言407

10.2.2 冒顶类型407

10.2.3 冒顶事故特征409

10.2.4 交岔点冒顶410

10.2.5 冒顶原因411

10.2.6 冒顶区二次支护412

10.2.7 聚氨酯注浆413

10.2.8 冒顶预测415

10.2.9 顶板暴露与安装锚杆之间的时间间隔419

10.3 巷道顶角破坏419

10.3.1 引言419

10.3.2 巷道顶角破坏形成机理421

10.3.3 巷道顶角破坏控制方法423

10.4 煤壁片帮425

10.4.1 定义和特点425

10.4.2 片帮类型425

10.4.3 片帮控制428

10.5 页岩对煤层顶板稳定性的作用429

10.5.1 引言429

10.5.2 组分430

10.5.3 风化430

10.6 底臌439

10.6.1 定义439

10.6.2 底臌破坏模式439

10.6.3 底板承载能力440

10.6.4 底臌原因443

10.6.5 底臌控制445

第11章 矿压观测仪器447

11.1 引言447

11.2 载荷测量仪器447

11.2.1 液压枕和压力传感器447

11.2.2 压力传感器448

11.3 地应力测量仪器449

11.3.1 绝对地应力测定450

11.3.2 应力变化测定460

11.4 变形测量仪器465

11.4.1 变形收敛仪465

11.4.2 顶板下沉仪469

11.5 应变测量仪器472

11.6 顶板和底板承载能力473

11.7 钻孔窥视仪476

11.8 上覆岩层移动测量仪器477

11.8.1 电缆输送式射孔技术477

11.8.2 时域反射计477

11.8.3 钻孔多点位移计479

11.8.4 全钻孔倾斜计482

11.9 长壁工作面液压支架测量仪器483

11.10 钻孔硬度计485

第12章 数值模拟技术486

12.1 引言486

12.2 数值模拟方法488

12.2.1 有限元法488

12.2.2 边界元法489

12.2.3 有限差分法489

12.2.4 离散元法489

12.3 数值模拟材料模型490

12.3.1 煤岩体本构模型490

12.3.2 采空区模型493

12.4 数值计算模型和建模、校准与验证494

12.5 案例1——房柱式开采设计495

12.5.1 引言495

12.5.2 确定数值计算模型的稳定性系数497

12.5.3 隔离煤柱设计499

12.5.4 房柱式工作面间隔离煤柱设计500

12.5.5 煤柱回收设计评估501

12.5.6 多个房柱式工作面间相互影响505

12.6 案例2——长壁开采回采巷道煤柱设计507

12.6.1 引言507

12.6.2 地层柱状图和岩石力学性质508

12.6.3 模型地层柱状图和岩石力学性质509

12.6.4 等效矩形煤柱509

12.6.5 回采巷道煤柱设计建模511

12.6.6 稳定性系数的选择513

12.6.7 模拟结果分析515

12.6.8 回采巷道稳定性519

12.7 案例3——顶板锚杆支护520

12.7.1 顶板锚杆建模520

12.7.2 全长锚固树脂锚杆和预应力锚杆的模拟与分析522

12.7.3 有限元模拟结果分析524

12.8 案例4——多煤层开采532

12.8.1 引言532

12.8.2 煤层间不利因素的相互作用532

12.8.3 有限元模拟533

12.8.4 模拟结果分析535

12.9 案例5——天然气井的稳定性537

12.9.1 引言537

12.9.2 有限元模拟538

12.9.3 模拟结果540

12.10 案例6——地表下沉540

第13章 地表下沉544

13.1 引言544

13.2 地表移动特征544

13.2.1 地表下沉盆地544

13.2.2 长壁工作面开采期间地表移动和变形547

13.2.3 地表下沉速度550

13.3 地质和开采因素影响551

13.4 地表下沉预计方法554

13.4.1 引言554

13.4.2 经验法554

13.4.3 影响函数法556

13.5 丘陵地区地表最终下沉量558

13.5.1 引言558

13.5.2 数学模型558

13.6 护巷煤柱引起的最终下沉量560

13.6.1 引言560

13.6.2 数学模型561

13.7 动态下沉和下沉持续时间562

13.7.1 定义562

13.7.2 动态下沉阶段563

13.7.3 正常动态下沉阶段563

13.7.4 下沉开始和发展阶段566

13.7.5 残余（蠕变）下沉阶段567

13.8 长时下沉569

13.9 地表下沉预测软件569

13.10 地表下沉观测572

13.10.1 引言572

13.10.2 下沉观测桩的选择与布置572

13.10.3 观测方法和观测仪器574

13.10.4 观测频率和观测时间575

13.10.5 观测数据处理575

13.11 地表下沉影响和评价575

13.11.1 引言575

13.11.2 地层移动和变形出现的问题576

13.11.3 地表下沉影响评价577

13.12 减缓地表下沉措施577

13.12.1 引言577

13.12.2 减缓地表下沉影响的方法578

13.12.3 减缓地表下沉的支撑煤柱578

13.12.4 减缓地表下沉的措施580

13.13 不规则井下巷道上部地表最终下沉量582

第14章 高陡边坡稳定性584

14.1 引言584

14.2 高陡边坡特征585

14.3 高陡边坡破坏类型585

14.4 高陡边坡破坏分析588

14.4.1 平坦表面分析588

14.4.2 圆弧形破坏面分析589

14.4.3 高陡边坡破坏面的直接测定590

14.5 硐口稳定性591

14.5.1 硐口破坏591

14.5.2 硐口支护593

14.6 高陡边坡移动监测594

14.7 储料堆和弃土堆及矸石堆595

参考文献596