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深部煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)研究

包郵 深部煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)研究

作者：顧大釗 等
出版社：科學(xué)出版社出版時(shí)間：2021-07-01
開本： 其他 頁數(shù)： 440
中 圖 價(jià):¥287.0(7.8折) 定價(jià)  ¥368.0 登錄后可看到會(huì)員價(jià)
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深部煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)研究 版權(quán)信息

深部煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)研究 本書特色

礦業(yè)學(xué)科、水利學(xué)科、環(huán)境學(xué)科的科研人員，高校教師和相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生和研究生，以及從事煤炭深部開采、礦區(qū)水資源保護(hù)、生態(tài)修復(fù)等工作的工程技術(shù)人員，對(duì)研究我國深部煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)具有重要的參考價(jià)值。

深部煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)研究 內(nèi)容簡(jiǎn)介

本書針對(duì)我國典型煤礦深部開采條件，以中、西部典型井田為樣區(qū)，以系統(tǒng)論為指導(dǎo)，秉承煤炭安全綠色開采理念，初步探究了深部綠色開采相關(guān)理論問題（如深部界定、安全綠色、綠色開采評(píng)價(jià)）和深部開采強(qiáng)擾動(dòng)作用下煤巖體多尺度多因素協(xié)同作用機(jī)理與過程，揭示了地下水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與失水模式、瓦斯對(duì)體的“蝕損”作用、巷道非對(duì)稱破壞、采場(chǎng)動(dòng)力響應(yīng)等煤炭開采環(huán)境損傷與災(zāi)害誘發(fā)機(jī)制，提出了深部高強(qiáng)度開采時(shí)低滲透性煤層增滲、巷道圍巖非對(duì)稱破壞控制、采場(chǎng)圍巖穩(wěn)定性控制、“仿生”開采等關(guān)鍵技術(shù)，初步構(gòu)建了深部安全綠色開采的“高保低損”模式和技術(shù)體系，基于中部焦作礦區(qū)和西部寧東礦區(qū)建立了兩個(gè)示范點(diǎn)，初步形成具有深部特色的煤炭安全綠色開采理論與方法，為我國深部煤炭安全和低生態(tài)損害開采提供了理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

深部煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)研究 目錄

目錄
前言
第1章深部煤炭開采理論與技術(shù)研究進(jìn)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(diǎn)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(shù)研究進(jìn)展5
1.2.1深部開采煤巖基礎(chǔ)理論研究6
1.2.2深部煤炭開采技術(shù)研究22
1.3深部煤炭現(xiàn)代開采面臨的科學(xué)與技術(shù)問題及解決途徑28
1.3.1深部煤炭開采面臨的科學(xué)與技術(shù)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(duì)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(zhǔn)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(yīng)分析70
2.3.2深部“高保低損”開采模式構(gòu)建77
2.3.3深部“高保低損”型安全綠色開采技術(shù)體系與關(guān)鍵技術(shù)82
第3章深部采動(dòng)煤巖體多尺度破壞機(jī)理及演化規(guī)律88
3.1深部采動(dòng)煤巖體復(fù)雜裂隙網(wǎng)絡(luò)表征與力學(xué)特性多尺度效應(yīng)88
3.1.1核磁共振凍融技術(shù)測(cè)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(xué)特性的實(shí)驗(yàn)室尺度效應(yīng)95
3.1.4深部巖體力學(xué)特性的工程尺度效應(yīng)96
3.2開采擾動(dòng)下煤巖破裂、失穩(wěn)的能量機(jī)制與判別準(zhǔn)則98
3.2.1基于彈性能密度的煤巖體本構(gòu)模型98
3.2.2煤巖動(dòng)態(tài)斷裂與能量耗散的水理效應(yīng)107
3.2.3煤巖動(dòng)態(tài)斷裂與能量耗散的層理效應(yīng)111
3.3煤巖失穩(wěn)的率響應(yīng)機(jī)制和觸發(fā)條件114
3.3.1煤巖失穩(wěn)的大跨度率響應(yīng)機(jī)制115
3.3.2煤巖失穩(wěn)的小跨度率響應(yīng)機(jī)制116
3.3.3煤巖失穩(wěn)的單軸抗壓強(qiáng)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(jī)制118
3.4煤巖體失穩(wěn)破壞多因素協(xié)同作用力學(xué)模型和損傷驅(qū)動(dòng)機(jī)制121
3.4.1單軸循環(huán)載荷擾動(dòng)下煤的損傷演化過程121
3.4.2不同加卸載應(yīng)力路徑煤巖損傷驅(qū)動(dòng)機(jī)制134
3.4.3不同含水率煤巖損傷驅(qū)動(dòng)機(jī)制137
第4章深部采動(dòng)巷道圍巖破壞機(jī)理與控制關(guān)鍵技術(shù)141
4.1不同埋深下非均勻采動(dòng)應(yīng)力場(chǎng)演化規(guī)律141
4.1.1一次采動(dòng)留巷軸向圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律142
4.1.2一次采動(dòng)采空區(qū)側(cè)向圍巖應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律144
4.1.3二次采動(dòng)巷道超前應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究147
4.2深部采動(dòng)巷道圍巖破壞形態(tài)與擴(kuò)展效應(yīng)148
4.2.1雙向非等壓應(yīng)力條件下巷道塑性區(qū)理論148
4.2.2一次采動(dòng)影響下留巷塑性區(qū)形態(tài)特征151
4.2.3二次采動(dòng)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(duì)圍巖塑性區(qū)形態(tài)的影響155
4.3深部采動(dòng)巷道圍巖破壞主要控制因素及響應(yīng)特征156
4.3.1采動(dòng)巷道圍巖應(yīng)力型非對(duì)稱破壞的基本性質(zhì)156
4.3.2采動(dòng)巷道圍巖應(yīng)力型非對(duì)稱破壞的影響因素160
4.4深部采動(dòng)巷道圍巖破壞控制原理162
4.4.1采動(dòng)應(yīng)力與圍巖破壞形態(tài)關(guān)系163
4.4.2采動(dòng)巷道圍巖變形與非對(duì)稱破壞形態(tài)的關(guān)系164
4.4.3窄煤柱采動(dòng)巷道非均勻變形破壞機(jī)理166
4.4.4采動(dòng)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(dòng)巷道圍巖破壞安全控制關(guān)鍵技術(shù)171
4.5.1深部采動(dòng)巷道圍巖安全工程調(diào)控方法171
4.5.2深部采動(dòng)巷道圍巖穩(wěn)定性控制關(guān)鍵技術(shù)178
第5章深部高強(qiáng)度開采擾動(dòng)采場(chǎng)圍巖失穩(wěn)機(jī)理與控制185
5.1深井采場(chǎng)覆巖與宏觀力學(xué)結(jié)構(gòu)特征及演化規(guī)律185
5.1.1深部采場(chǎng)覆巖結(jié)構(gòu)影響因素及宏觀力學(xué)結(jié)構(gòu)特征185
5.1.2深部開采采動(dòng)應(yīng)力分布及演化規(guī)律189
5.1.3覆巖結(jié)構(gòu)與采動(dòng)應(yīng)力演化關(guān)系研究193
5.2深部高強(qiáng)度開采擾動(dòng)下圍巖失穩(wěn)及控制機(jī)理204
5.2.1采場(chǎng)圍巖動(dòng)靜載失穩(wěn)機(jī)理204
5.2.2采場(chǎng)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(chǎng)圍巖失穩(wěn)控制主要指標(biāo)216
5.3深部采場(chǎng)圍巖控制技術(shù)219
5.3.1圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)220
5.3.2近場(chǎng)覆巖定向水壓致裂控頂技術(shù)222
5.3.3遠(yuǎn)場(chǎng)深孔爆破大范圍卸壓技術(shù)226
第6章深部含瓦斯煤力學(xué)-滲流響應(yīng)與增滲關(guān)鍵技術(shù)230
6.1煤體孔隙結(jié)構(gòu)特征230
6.2深部煤體結(jié)構(gòu)的瓦斯響應(yīng)規(guī)律與煤體弱化機(jī)制231
6.2.1瓦斯壓力卸放煤體變形實(shí)驗(yàn)研究232
6.2.2瓦斯氣體對(duì)深部煤體的蝕損及強(qiáng)度弱化機(jī)制235
6.3深部含瓦斯煤體的基本力學(xué)特性和本構(gòu)關(guān)系245
6.3.1常規(guī)三軸加載深部含瓦斯煤力學(xué)特性245
6.3.2卸圍壓條件下深部含瓦斯煤力學(xué)特性247
6.3.3復(fù)合加卸載條件下深部含瓦斯煤力學(xué)特性250
6.3.4深部含水-瓦斯煤體的力學(xué)特性與本構(gòu)關(guān)系252
6.4深部采動(dòng)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(yàn)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(fù)合加卸載對(duì)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(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)方法應(yīng)用269
第7章深部開采地下水系統(tǒng)損傷規(guī)律與保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)280
7.1深部開采地下水系統(tǒng)損傷機(jī)理與變化規(guī)律280
7.1.1深部開采水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征280
7.1.2深部開采地下水系統(tǒng)損傷機(jī)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(duì)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(duì)地下水流場(chǎng)影響291
7.2.3深部開采對(duì)地下水系統(tǒng)均衡影響295
7.2.4深部開采對(duì)地下水影響評(píng)價(jià)295
7.3深部開采地下水系統(tǒng)保護(hù)關(guān)鍵技術(shù)296
7.3.1深部開采地下水系統(tǒng)保護(hù)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(shù)體系與關(guān)鍵技術(shù)304
7.4仿生開采技術(shù)模擬試驗(yàn)研究307
7.4.1相似物理模擬試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)307
7.4.2相似物理試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)307
7.4.3仿生開采相似模擬試驗(yàn)結(jié)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(yīng)力特征330
8.1.4開采技術(shù)條件331
8.2深部開采圍巖特性及災(zāi)害特征332
8.2.1二1煤層圍巖巖石力學(xué)測(cè)試332
8.2.2采動(dòng)煤層瓦斯特性及災(zāi)害特征333
8.2.3深部采動(dòng)巷道非均勻變形破壞特征335
8.2.4深部采場(chǎng)圍巖動(dòng)力災(zāi)害特征338
8.3深部高保低損開采模式及控制關(guān)鍵技術(shù)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(guān)鍵技術(shù)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(hù)效果354
8.4.2深部底抽巷支護(hù)效果361
8.4.3基于地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)的深部采動(dòng)底板損傷控制效果分析367
8.4.4基于微震監(jiān)測(cè)的深部采動(dòng)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(gòu)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(bǔ)、徑、排關(guān)系387
9.3深部仿生開采地下水保護(hù)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(xué)模型394
9.3.2深部開采擾動(dòng)時(shí)地下水變化預(yù)測(cè)分析405
9.3.3深部仿生開采控制時(shí)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(hù)效果比較分析409
參考文獻(xiàn)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
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深部煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)研究 節(jié)選

第1章深部煤炭開采理論與技術(shù)研究進(jìn)展 煤炭在我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)期占到70%左右，以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)在未 來較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生根本性改變。隨著我國淺部煤炭資源的逐步枯竭，深部煤炭資源開 發(fā)已經(jīng)是必然趨勢(shì)。目前，我國煤礦礦井正以8~12m/a的平均速度向深部延伸，已有深 部煤礦的省份（山東、河南、安徽、河北等中東部省份）的國有重點(diǎn)煤礦平均采深超過600m，按照目前10~25m/a的延伸速度，在未來10年內(nèi)普遍進(jìn)入深部開米。我國西部礦 區(qū)盡管尚處于淺部開采狀態(tài)，但近年來也陸續(xù)出現(xiàn)了一些深部開采中的災(zāi)害現(xiàn)象。深部煤 炭開采與淺部煤炭開采相比，深部采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造、應(yīng)力場(chǎng)、煤巖體性質(zhì)、地下水系統(tǒng)等均 與淺部開采不同，系統(tǒng)梳理深部煤炭開采中面臨的主要問題、理論難點(diǎn)和技術(shù)關(guān)鍵、科學(xué) 實(shí)踐的思路與方法，對(duì)建立適于我國深部開采情景的煤炭安全綠色開采理論與技術(shù)體系是 十分必要的。 1.1我國深部煤炭開采及開采面臨的主要問題 我國是世界上目前*大的煤炭生產(chǎn)國和消費(fèi)國，煤炭資源量占化石能源總量的95% ， 深部煤炭開采規(guī)模（礦井?dāng)?shù)量和產(chǎn)能）居世界首位。目前，我國位于1000~2000m深度 的煤炭資源總量約為2.86萬億t，我國能源需求量增加和開采強(qiáng)度不斷加大，淺部資源日 益減少，許多礦山都相繼進(jìn)入深部資源開采狀態(tài)。與淺部開采相比，深部開采的煤巖體處 于“三高一擾動(dòng)”的特殊環(huán)境，開采深度不斷增加，礦井沖擊地壓、瓦斯爆炸、礦壓顯現(xiàn) 加劇、巷道圍巖大變形、流變、地溫升高等工程災(zāi)害日趨增多，對(duì)深部資源的安全高效開 采造成了巨大威脅。 1.1.1我國深部煤炭開采特點(diǎn) 1.深部煤炭資源分布特點(diǎn) 從我國煤炭資源地理分布看，在昆侖山一秦嶺一大別山一線以北保有煤炭資源儲(chǔ)量占90%，且集中分布在山西、陜西、內(nèi)蒙古3省區(qū)。目前1000m以淺的煤炭資源量中僅有可 靠級(jí)儲(chǔ)量9169億t，且主要分布于新疆、內(nèi)蒙古、山西、貴州和陜西5省區(qū)。而經(jīng)濟(jì)社會(huì) 發(fā)展水平高，能源需求量大的東部地區(qū)（含東北）煤炭資源僅為全國保有資源儲(chǔ)量的6% 。 然而，我國煤炭資源分布與區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、消費(fèi)需求極不適應(yīng)。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)且煤 炭需求量大的東部地區(qū)，煤炭資源嚴(yán)重匱乏，浙江、福建、江西、湖北、湖南、廣東、廣 西、海南8省區(qū)的保有煤炭資源總量?jī)H占全國總量的0.7%。而資源豐富地區(qū)多是經(jīng)濟(jì)相 對(duì)不發(fā)達(dá)的邊遠(yuǎn)地區(qū)，如新疆、內(nèi)蒙古、陜西和山西4省區(qū)，占全國保有資源總量的79.5%。由于我國煤炭資源賦存豐度與地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)程度總體上呈逆向分布，煤炭基地遠(yuǎn) 離消費(fèi)市場(chǎng)和煤炭資源中心遠(yuǎn)離煤炭消費(fèi)中心，加劇了遠(yuǎn)距離輸配煤炭壓力，且從保有尚 未利用資源量來看上述趨勢(shì)更為凸顯。 目前，中東部地區(qū)的淺部煤炭資源已近枯竭，但深部煤炭資源還相對(duì)豐富，華東地區(qū) 的煤炭資源儲(chǔ)量的m集中在安徽和山東，中南地區(qū)煤炭資源儲(chǔ)量的72%集中在河南， 而位于華北聚煤區(qū)東緣的深部資源潛力巨大，僅河北、山東、江蘇、安徽的深部資源量就 為淺部的2~4倍，且其晚石炭世一早二疊世煤系以中變質(zhì)程度的氣煤、肥煤、焦煤和痩 煤為主，具有相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)價(jià)值。 2.深部礦井分布特點(diǎn) 隨著煤炭開采逐漸向深部延伸，國內(nèi)許多大型礦區(qū)的開采或開拓延伸的深度目前均已超過800m，有的甚至超過1000m。據(jù)2015年統(tǒng)計(jì)，我國采深超過800m的深部煤礦集中 分布在華東、華北和東北地區(qū)的江蘇、河南、山東、黑龍江、吉林、遼寧、安徽、河北8個(gè)省。現(xiàn)有深部礦井111個(gè)，預(yù)計(jì)2020年還有28個(gè)礦井進(jìn)入深部開采（圖1.1）。其中，以山東、河南和河北3省占多數(shù)，3省深部礦井?dāng)?shù)量達(dá)到81個(gè)，占全國深部礦井?dāng)?shù)量的 58. 27% (圖 1.2)。 圖1.1 2015年及2020年主要省份深部礦井?dāng)?shù)量統(tǒng)計(jì)及預(yù)計(jì)柱狀圖 圖1.2 2015年及2020年主要省份深部礦井?dāng)?shù)量統(tǒng)計(jì)及預(yù)計(jì)餅狀圖 3.深部煤炭產(chǎn)能區(qū)位特點(diǎn) 從2002 ~2018年中國煤炭產(chǎn)業(yè)發(fā)展經(jīng)歷快速增長(zhǎng)期（2002 ~2013年）和調(diào)整期 (2014~2018年)后，2016~2018年原煤累計(jì)產(chǎn)量在35億t上下浮動(dòng)。東部地區(qū)煤炭資源 枯竭，開采條件復(fù)雜，生產(chǎn)成本高。例如，魯西、冀中、河南、兩淮基地的資源儲(chǔ)量有 限，地質(zhì)條件復(fù)雜、煤礦開采深度大，部分礦井開采深度超過千米，安全壓力大；中部和 東北地區(qū)現(xiàn)有開發(fā)強(qiáng)度大，接續(xù)資源多在深部，投資效益降低；而西部地區(qū)具備資源豐 富、開采條件好等優(yōu)點(diǎn)，如陜北、神東基地、新疆基地等煤炭資源豐富，煤層埋藏淺，開 采條件好。2018年，內(nèi)蒙古、山西和陜西3省區(qū)原煤產(chǎn)量占全國的69.6%，西部5省區(qū) (山西、陜西、內(nèi)蒙古、甘肅、新疆)的生產(chǎn)和在建產(chǎn)能一共占全國產(chǎn)能的46%，具有深 部礦井現(xiàn)象的一批礦井正在建設(shè)和運(yùn)行。中東部地區(qū)的8個(gè)省份現(xiàn)有深部礦井總產(chǎn)能2. 41 億t，預(yù)計(jì)2020年深部礦井總產(chǎn)量將達(dá)到3.00億t，占全國總產(chǎn)能的7.5%。全國深部礦 井產(chǎn)能集中分布在安徽、山東、河南和河北4省，4省深部礦井產(chǎn)能超過2.3億t，占全國 深部礦井產(chǎn)能的77.53% (圖1.3)。其中，安徽、山東占18.26%，河北占14.73%，河 南占12.47%。預(yù)計(jì)2020年，安徽、山東、河南占比將超過60% (圖1.4)。 總體上，我國煤炭開采顯示出三個(gè)特點(diǎn)：一是煤炭資源富集區(qū)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平呈逆向 分布；二是大型煤炭基地生產(chǎn)能力與生態(tài)脆弱程度呈正向分布；三是深部礦井生產(chǎn)能力與區(qū)域發(fā)展需求不相適應(yīng)。從我國能源發(fā)展戰(zhàn)略、煤炭資源賦存特點(diǎn)、礦井開采深度和開采 延伸速度以及促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展和維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定等方面看，加強(qiáng)深部煤炭資源開發(fā)是保障 我國能源安全的必然戰(zhàn)略選擇。一方面在位于中東部的魯西、兩淮、河南、冀中等大型億 噸級(jí)煤炭基地積極挖掘中東部老礦井的深部資源潛力，緩解我國煤炭資源分布不均；另一 方面加強(qiáng)西部深部開采的產(chǎn)區(qū)和產(chǎn)能科學(xué)布局，積極解決西部深部資源開發(fā)中有待解決的 水資源和生態(tài)環(huán)境破壞問題，實(shí)現(xiàn)深部安全綠色開采。 圖1.3 2015年及2020年主要省份深部礦井產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)及預(yù)計(jì)柱狀圖 圖1.4 2015年及2020年主要省份深部礦井產(chǎn)能統(tǒng)計(jì)及預(yù)計(jì)餅狀圖 1.1.2深部煤炭開采面臨的主要問題 1.深部礦井沖擊地壓頻繁 沖擊地壓是一種深部煤炭開采中常出現(xiàn)的動(dòng)壓現(xiàn)象，其本質(zhì)是煤巖體聚積的彈性應(yīng)變 能以突然、急劇、猛烈的形式釋放的過程，同時(shí)應(yīng)變擾動(dòng)以應(yīng)力波的形式向周邊煤巖體傳 播，引起煤巖體震動(dòng)、聲響等現(xiàn)象，造成煤巖體破碎、巷道變形、支架設(shè)備損壞、人員傷 亡等，對(duì)煤炭正常生產(chǎn)系統(tǒng)造成嚴(yán)重干擾。按沖擊地壓發(fā)生位置可分為煤層型沖擊地壓、頂板型沖擊地壓和底板型沖擊地壓；按沖擊壓力來源可分為重力型、構(gòu)造型和重力-構(gòu)造 型；按沖擊能量大小可分為微沖擊、弱沖擊、中等沖擊、強(qiáng)沖擊和災(zāi)難性沖擊類型等。 Rice從煤巖材料受載類型和破壞形式將沖擊地壓分為受靜載引起的應(yīng)力型沖擊地壓和受動(dòng) 載引起的震動(dòng)型沖擊地壓；佩圖霍夫根據(jù)沖擊地壓與工作面的位置關(guān)系將沖擊地壓分為發(fā) 生在工作面的由采掘活動(dòng)直接引起的沖擊地壓，和遠(yuǎn)離工作面由礦區(qū)或井田內(nèi)大區(qū)域范圍 的應(yīng)力重分布引起的沖擊地壓。 近年來，隨著我國煤礦開采深度的不斷增加，開采強(qiáng)度不斷加大，發(fā)生沖擊地壓礦井 的分布范圍越來越廣，至今已有北京、棗莊、撫順、阜新、遼源、大同、天池、開溧、新 汶、徐州、義馬、鶴壁、雙鴨山、雞西、淮南、大屯、韓城、兗州、華亭、古城、貴州等 近100個(gè)礦區(qū)（井）發(fā)生過沖擊地壓。我國已成為世界上沖擊地壓較嚴(yán)重的國家之一。隨 著我國煤礦開采深度的進(jìn)一步增加和開采強(qiáng)度的加大，沖擊地壓的危害將日趨嚴(yán)重。 2.深部瓦斯抽采難度增加 在我國一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)中，煤炭至今仍占據(jù)著舉足輕重的地位，是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì) 中長(zhǎng)期發(fā)展的主要能源之一。煤礦瓦斯是與煤巖層共生共存的一種潔凈高熱值氣藏能源， 在礦井生產(chǎn)過程中，它以多種形式從煤巖中涌出、噴出或突出。 瓦斯抽采率的提高除了與抽采技術(shù)手段的先進(jìn)程度有關(guān)，還受制于煤儲(chǔ)層的瓦斯賦存 規(guī)律。 隨著采深的增加和科技的發(fā)展進(jìn)步，煤礦開采表現(xiàn)出新的特點(diǎn)。一是綜合機(jī)械化開采 成為主要的回采方式，這種高強(qiáng)度開采方法增加了采場(chǎng)空間的不穩(wěn)定性，增加了瓦斯通過 增透技術(shù)抽出的難度，也給采掘空間帶來一定的瓦斯危險(xiǎn)；二是埋深的增加使得地應(yīng)力和 瓦斯含量增大，綜合各種因素的復(fù)雜事故（如沖擊誘導(dǎo)型煤與瓦斯突出事故）越來越多。 上述因素對(duì)瓦斯抽采造成很大的困難。因此，需要針對(duì)深部開采條件下的煤層瓦斯賦存特 點(diǎn)，提出有針對(duì)性的瓦斯抽采技術(shù)辦法，以增加深部煤層的透氣性。 3.地下水保護(hù)難度增大 煤礦水害是礦山建設(shè)與生產(chǎn)過程中的主要安全災(zāi)害之一，常常帶來巨大的人員傷亡和 經(jīng)濟(jì)損失。在我國煤礦重特大事故中，水害事故的死亡人數(shù)僅次于瓦斯事故，居第二位; 發(fā)生次數(shù)緊隨瓦斯事故和頂板事故之后，居第三位；其造成的經(jīng)濟(jì)損失居**位。目前， 我國煤礦開采深度正以8 ~ 12m/a的速度增加，隨著開采水平不斷向深部拓展，開采煤層 距離奧灰、寒灰等底板強(qiáng)含水層的距離越來越近，其承受的水壓越來越高，底板突水的風(fēng) 險(xiǎn)越來越大，而底板突水事故往往都是特大型突水事故。由于深降強(qiáng)排的經(jīng)濟(jì)成本高且對(duì) 地下水資源的破壞大，因此帶壓開采成為受底板高承壓水威脅煤層的主要開采方式，這也 導(dǎo)致底板突水風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增加。 1.2深部煤炭開采理論與技術(shù)研究進(jìn)展 深部巖體是長(zhǎng)期賦存于高地應(yīng)力環(huán)境中的地質(zhì)體，它的歷史必將一直影響巖體現(xiàn)在及未來的行為。深部巖體非線性力學(xué)行為盡管已受到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，但目前尚沒有得出令人滿意的計(jì)算模型。模型建立的困難不僅在于如何確定深部巖體固有的非均勻、 非連續(xù)構(gòu)造表征，同時(shí)還在于很大的動(dòng)力變形與破壞情況。 1.2.1深部開采煤巖基礎(chǔ)理論研究 1.深部巖石力學(xué)基礎(chǔ)理論 深部煤巖體是長(zhǎng)期賦存于高地應(yīng)力環(huán)境中的地質(zhì)體，原巖特性及高應(yīng)力環(huán)境決定了煤 巖體現(xiàn)在及未來的行為。深部巖體非線性力學(xué)行為一致受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前 描述巖石非線性力學(xué)行為的本構(gòu)模型大致可以分為彈（黏）塑性模型、斷裂損傷模型和物 理細(xì)觀模型等。彈（黏）塑性模型通常用Drncker-Prager塑性流動(dòng)理論來描述介質(zhì)的變形， 應(yīng)力的瞬時(shí)值與塑性增加的應(yīng)變率相關(guān)。斷裂損傷模型是基于斷裂損傷理論提出的各種損 傷本構(gòu)模型，損傷被認(rèn)為是物體內(nèi)缺陷形成和發(fā)展的過程，而且這個(gè)過程的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí) 間是由構(gòu)成損傷物體的應(yīng)力-應(yīng)變變化歷史所決定的，損傷連續(xù)介質(zhì)力學(xué)模型中以下兩個(gè) 因素尤為重要：一是對(duì)作為損傷變量的具體物理力學(xué)量值的選取，以及給出適合的動(dòng)力演 化方程來描述物體變形破壞時(shí)尺度定量變化；二是給出與所選度量相適應(yīng)的方程來描述損 傷連續(xù)介質(zhì)的變形過程。物理細(xì)觀模型則是基于物理細(xì)觀力學(xué)理論提出的本構(gòu)模型，從這 方面看，通常認(rèn)為巖體的變形是一個(gè)多階段、多水平的松弛過程，剪切穩(wěn)定性的喪失是在 微觀、細(xì)觀和宏觀三個(gè)水平上依次喪失局部剪切穩(wěn)定性的過程。 陳宗基提出的蠕變擴(kuò)容本構(gòu)模型（陳宗基等，1989;陳宗基和康文法，1991)和簡(jiǎn)化 的脆性破壞本構(gòu)模型（陳宗基，1987)，前者是基于大量的現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)試驗(yàn)提出的經(jīng)驗(yàn)本 構(gòu)方程，以模擬峰前巖石的行為。該模型假定屈服面和破壞面是兩個(gè)同軸的圓錐面，夾在 兩個(gè)圓錐面之間的區(qū)域是擴(kuò)容、微裂隙活動(dòng)以及聲發(fā)射區(qū)，用于宏觀表征巖石破壞前裂紋 傳播和連通的過程，尤其聲發(fā)射的計(jì)數(shù)隨著應(yīng)力偏量的增大而增加，裂紋周圍勢(shì)能轉(zhuǎn)化為 裂縫擴(kuò)展能量的過程。后者假定破壞面和殘余破壞面是兩個(gè)共軸的曲面，忽略所有破壞前 的前兆特征，假定材料直至峰值前都是彈性的，應(yīng)力強(qiáng)度達(dá)到破壞面以后突然下降到殘余 破壞面上。該模型可用來模擬峰后巖石的行為，但由于不考慮破裂塊體尺寸與破裂孕育時(shí) 間的影響，因此其

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