煤矿围岩控制 第3版PDF电子书下载

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