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礦山巖層控制基礎研究 版權信息
- ISBN：9787030733733
- 條形碼：9787030733733 ; 978-7-03-073373-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
礦山巖層控制基礎研究 內容簡介
本書主要介紹礦山壓力與巖層控制領域的基礎理論和關鍵技術，以及近年來國內外學者特別是作者團隊在本領域研究的新進展。主要內容包括巖體變形與破壞理論基礎、采礦巖層破壞運動規律與控制、礦山巷道變形破壞與控制、沖擊地壓發生機理與監測防治、露天礦邊坡穩定性及其控制等。本書深入淺出、內容豐富，不僅包含采礦巖層控制的基本概念、原理、方法和技術，還包括近年來的近期新成果及未來研究展望等，可讀性和可用性強，可供普通高等院校礦業工程學科研究生、礦山現場工程技術人員和相關領域科技人員參考。
礦山巖層控制基礎研究 目錄
目錄
前言
1緒論 1
1.1 煤炭革命與未來 1
1.1.1 世界能源結構及變化 1
1.1.2 煤炭發展面臨的重大挑戰 2
1.1.3 煤炭未來開采理論與技術 3
1.2 研究背景及意義 5
1.2.1 煤礦安全事故分析 5
1.2.2 礦山巖層控制研究的重要意義 7
1.3 國內外研究現狀 8
1.3.1 礦山壓力理論與假說發展歷程 8
1.3.2 礦山巖層控制技術及裝備 10
1.3.3 尚未解決的理論與技術難題 14
1.4 主要研究任務 15
2 巖體變形與破壞理論基礎 17
2.1 巖體中的初始應力 17
2.1.1 初始應力的基本概念及其成因 17
2.1.2 初始應力分布規律 19
2.1.3 初始應力估算方法 20
2.2 巖體強度理論與破壞判據 23
2.2.1 巖體強度理論 23
2.2.2 巖體破壞判據 32
2.3 地下硐室圍巖穩定性分析 38
2.3.1 圍巖重分布應力計算 38
2.3.2 圍巖破壞范圍確定 49
2.4 巖體工程測試方法 54
2.4.1 巖體力學參數測試 54
2.4.2 巖體應力環境測試 64
2.4.3 巖體裂隙發育測試 71
3 礦山巖層運動破壞規律與控制 79
3.1 礦山巖層控制基本概念 79
3.1.1 礦山壓力與巖層控制 79
3.1.2 礦山巖層控制理論對采礦工業發展的作用 80
3.2 礦山壓力與覆巖破壞形式 81
3.2.1 礦山壓力的來源 81
3.2.2 礦山壓力顯現的條件與特征 84
3.2.3 上覆巖層運動破壞的形式與力學條件 91
3.2.4 直接頂與基本頂 97
3.3 礦山巖層運動理論與模型 99
3.3.1 傳遞巖梁理論 100
3.3.2 砌體梁力學模型和關鍵層理論 104
3.3.3 薄板理論 108
3.3.4 厚板理論 114
3.3.5 弱膠結巖塊擠壓巖梁模型 117
3.4 回采工作面巖層控制 127
3.4.1 工作面頂板處理方法 127
3.4.2 工作面支架-圍巖相互作用原理 129
3.4.3 綜采工作面頂板控制設計 136
3.5 綜放開采巖層控制 140
3.5.1 綜采放頂煤的概念及其分類 140
3.5.2 綜放開采礦山壓力顯現的基本規律 142
3.5.3 綜放工作面頂板結構及支架-圍巖關系 144
3.5.4 綜放開采頂板控制設計 147
4 礦山巷道變形破壞與控制 150
4.1 回采巷道圍巖變形量組成及預計 150
4.1.1 巷道圍巖變形過程及組成 150
4.1.2 沿空留巷圍巖變形量預計 152
4.1.3 影響巷道圍巖變形量的因素 153
4.2 回采巷道圍巖支護理論與技術 155
4.2.1 錨桿(索)支護理論 155
4.2.2 注漿加固機理與技術 161
4.2.3 回采巷道超前支護技術 165
4.3 無煤柱護巷技術 172
4.3.1 工作面側向頂板運動規律 172
4.3.2 沿空掘巷開掘的位置和時間 178
4.3.3 巷旁支護給定-限定組合力學模型 183
4.3.4 不同圍巖條件沿空巷道支護技術 186
4.3.5 無煤柱自成巷技術 191
5 沖擊地壓發生機理與監測防治 197
5.1 沖擊地壓及其發生機理 197
5.1.1 概述 197
5.1.2 沖擊地壓的特征 198
5.1.3 沖擊地壓發生的影響因素 198
5.1.4 沖擊地壓類別 203
5.1.5 沖擊地壓的發生機理 206
5.2 煤巖層沖擊傾向性評價及沖擊危險性評價 210
5.2.1 煤巖層沖擊傾向性評價 210
5.2.2 沖擊危險性評價 215
5.3 沖擊地壓監測預警技術 219
5.3.1 微震監測 219
5.3.2 地音監測 221
5.3.3 電磁輻射監測 222
5.3.4 鉆屑法監測 223
5.3.5 應力在線監測 225
5.3.6 多參量綜合預警 227
5.4 沖擊地壓防治技術 228
5.4.1 合理的開拓布局 228
5.4.2 降低煤巖石沖擊傾向性 230
5.4.3 減緩圍巖應力梯度 233
5.4.4 提高圍巖抗動壓沖擊能力 236
主要參考文獻 240
前言
1緒論 1
1.1 煤炭革命與未來 1
1.1.1 世界能源結構及變化 1
1.1.2 煤炭發展面臨的重大挑戰 2
1.1.3 煤炭未來開采理論與技術 3
1.2 研究背景及意義 5
1.2.1 煤礦安全事故分析 5
1.2.2 礦山巖層控制研究的重要意義 7
1.3 國內外研究現狀 8
1.3.1 礦山壓力理論與假說發展歷程 8
1.3.2 礦山巖層控制技術及裝備 10
1.3.3 尚未解決的理論與技術難題 14
1.4 主要研究任務 15
2 巖體變形與破壞理論基礎 17
2.1 巖體中的初始應力 17
2.1.1 初始應力的基本概念及其成因 17
2.1.2 初始應力分布規律 19
2.1.3 初始應力估算方法 20
2.2 巖體強度理論與破壞判據 23
2.2.1 巖體強度理論 23
2.2.2 巖體破壞判據 32
2.3 地下硐室圍巖穩定性分析 38
2.3.1 圍巖重分布應力計算 38
2.3.2 圍巖破壞范圍確定 49
2.4 巖體工程測試方法 54
2.4.1 巖體力學參數測試 54
2.4.2 巖體應力環境測試 64
2.4.3 巖體裂隙發育測試 71
3 礦山巖層運動破壞規律與控制 79
3.1 礦山巖層控制基本概念 79
3.1.1 礦山壓力與巖層控制 79
3.1.2 礦山巖層控制理論對采礦工業發展的作用 80
3.2 礦山壓力與覆巖破壞形式 81
3.2.1 礦山壓力的來源 81
3.2.2 礦山壓力顯現的條件與特征 84
3.2.3 上覆巖層運動破壞的形式與力學條件 91
3.2.4 直接頂與基本頂 97
3.3 礦山巖層運動理論與模型 99
3.3.1 傳遞巖梁理論 100
3.3.2 砌體梁力學模型和關鍵層理論 104
3.3.3 薄板理論 108
3.3.4 厚板理論 114
3.3.5 弱膠結巖塊擠壓巖梁模型 117
3.4 回采工作面巖層控制 127
3.4.1 工作面頂板處理方法 127
3.4.2 工作面支架-圍巖相互作用原理 129
3.4.3 綜采工作面頂板控制設計 136
3.5 綜放開采巖層控制 140
3.5.1 綜采放頂煤的概念及其分類 140
3.5.2 綜放開采礦山壓力顯現的基本規律 142
3.5.3 綜放工作面頂板結構及支架-圍巖關系 144
3.5.4 綜放開采頂板控制設計 147
4 礦山巷道變形破壞與控制 150
4.1 回采巷道圍巖變形量組成及預計 150
4.1.1 巷道圍巖變形過程及組成 150
4.1.2 沿空留巷圍巖變形量預計 152
4.1.3 影響巷道圍巖變形量的因素 153
4.2 回采巷道圍巖支護理論與技術 155
4.2.1 錨桿(索)支護理論 155
4.2.2 注漿加固機理與技術 161
4.2.3 回采巷道超前支護技術 165
4.3 無煤柱護巷技術 172
4.3.1 工作面側向頂板運動規律 172
4.3.2 沿空掘巷開掘的位置和時間 178
4.3.3 巷旁支護給定-限定組合力學模型 183
4.3.4 不同圍巖條件沿空巷道支護技術 186
4.3.5 無煤柱自成巷技術 191
5 沖擊地壓發生機理與監測防治 197
5.1 沖擊地壓及其發生機理 197
5.1.1 概述 197
5.1.2 沖擊地壓的特征 198
5.1.3 沖擊地壓發生的影響因素 198
5.1.4 沖擊地壓類別 203
5.1.5 沖擊地壓的發生機理 206
5.2 煤巖層沖擊傾向性評價及沖擊危險性評價 210
5.2.1 煤巖層沖擊傾向性評價 210
5.2.2 沖擊危險性評價 215
5.3 沖擊地壓監測預警技術 219
5.3.1 微震監測 219
5.3.2 地音監測 221
5.3.3 電磁輻射監測 222
5.3.4 鉆屑法監測 223
5.3.5 應力在線監測 225
5.3.6 多參量綜合預警 227
5.4 沖擊地壓防治技術 228
5.4.1 合理的開拓布局 228
5.4.2 降低煤巖石沖擊傾向性 230
5.4.3 減緩圍巖應力梯度 233
5.4.4 提高圍巖抗動壓沖擊能力 236
主要參考文獻 240
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礦山巖層控制基礎研究 節選
1 緒論 1.1 煤炭革命與未來 1.1.1 世界能源結構及變化 1）世界能源結構變化趨勢及煤炭地位 在世界能源的歷史舞臺上，煤炭消費曾經保持了近60年的高速增長。然而，過去的100年間，世界能源體系經歷若干能源革命，煤炭在世界能源結構中的比例，從昀高時期的48%降到目前的27%左右。發達國家能源結構的優化主要出于潔凈、綠色、低碳的目的，但同時考慮到能源安全和多元化發展，仍然保持了一定的煤炭比例。2020年，煤炭在世界主要發達國家 /地區能源結構中的比例分別是：美國10.5%、日本 26.8%、歐盟10.6%、德國15.2%。可見，煤炭依然是全球重要的基礎能源之一。 世界能源未來變化趨勢主要有以下三個方面的特征：一是頁巖氣、頁巖油、可燃冰等非常規能源將有較大發展，形成新的能源供應和消費格局。全球能源消費結構將繼續沿著低密度能源向高密度能源的方向發展，天然氣、石油、核能在全球能源消費結構中的比例將有較大增加。二是雖然化石燃料的時代遠未結束，但其主導地位會有所下滑。由于煤炭具有資源豐富、分布廣泛、供應可靠、價格低廉等突出特點，未來煤炭將在高碳能源低碳化利用方面發揮重要作用。三是風能、太陽能、核能等新能源技術將進入快速工業化階段，新能源消費總量將穩步增加。新能源及綠色低碳能源的發展有望成為世界經濟新的增長引擎。 根據世界能源研究機構對未來世界能源結構的預測，到2035年，能源品種中煤炭、石油、天然氣的比例將趨于均等，初顯全球能源煤炭、石油、天然氣、核能、可再生能源五足鼎立的態勢。 2）我國能源結構演變及煤炭角色 我國煤炭資源豐富、品種齊全、分布廣泛，而石油、天然氣資源相對匱乏，能源結構一直以煤炭為主。隨著經濟社會發展，能源消費總量持續較快上升，已成為世界**能源消費大國，面臨的資源、環境壓力越來越突出。近年來，在國家產業政策引導和鼓勵下，能源呈現多元化發展，天然氣、核電、水電和其他可再生能源快速發展，已成為能源供應的重要組成部分，對煤炭的替代作用不斷顯現。在有效利用國際資源，不斷增加石油、天然氣供應，保障能源安全的同時，順應世界能源發展趨勢，進一步加快發展水電、核電、風電、太陽能等清潔能源，加快調整能源結構，與世界同步進入低碳能源時代，是我國能源發展的必然方向。根據《能源發展“十三五”規劃》，2030年以前我國能源消費結構發展趨勢，如圖1-1所示。 煤炭是我國的基礎能源，也是重要的工業原料，我國經濟增長與煤炭生產和消費增長具有較大的相關性。雖然，近年來我國煤炭消費總量已出現轉折，經濟對煤炭消費的相關系數有所下降，但我國經濟高度依賴煤炭的特征短時間內很難發生根本改變，煤炭供應的穩定與安全直接關乎我國國民經濟運行的穩定與安全。同時，和我國經濟一樣，高強度、低水平的煤炭生產和消費模式已經終結，煤炭行業已然走向結構調整、精細化發展的新時期。生產的綠色化、無人化，利用的清潔化、低碳化成為煤炭行業的發展方向。 1.1.2 煤炭發展面臨的重大挑戰 1）經濟可采的煤炭資源并不富余 我國煤炭資源總量豐富，但勘查程度低，詳查儲量占26%，普查儲量占41%。可供建井的精查儲量嚴重不足，僅占尚未利用資源量的12%。煤炭資源勘查現狀不容樂觀，基礎地質勘查滯后，勘查程度低，煤炭資源保障程度低，已經成為制約煤炭現代化建設的瓶頸。另外，在已探明的5.57萬億t煤炭資源中，埋深在1000m以下的為2.95萬億t，約占已探明煤炭資源總量的53%，可經濟可采的煤炭資源并不富余。 2）安全高效綠色開采面臨地質條件復雜、采深逐年增加等多重壓力 地質條件復雜，開采難度大。煤礦深部巖體長期處于高壓、高滲透壓、高地溫環境，并受采掘擾動影響，使巖體表現出特殊的力學行為，并可能誘發以煤與瓦斯突出、沖擊地壓、礦井突水、頂板大面積來壓為代表的一系列重大災害性事故，嚴重影響煤礦安全生產。目前我國煤礦開采深度以平均每年10～25m的速度向深部延伸。特別是在中東部經濟發達地區，煤炭開發歷史較長，淺部煤炭資源已近枯竭，許多煤礦已進入深部開采（采深800～1500m），煤與瓦斯突出、沖擊地壓等動力災害問題更加嚴重。 3）科學產能不足與當前產能總體過剩相矛盾 煤炭開采對生態環境影響較為嚴重。煤炭開采引起地表沉陷，并誘發地質災害，造成土地挖損和占壓，大量耕地損害，植被破壞、水土流失與土地荒漠化加劇，給礦區農業生產、人民生活及社會安定帶來一定影響。 2016年以來煤炭行業化解過剩產能取得良好效果，但我國煤炭產能相對過剩的格局仍然存在。隨著環境保護的要求日益提升，越來越迫切地要求煤炭實現綠色開采，而實現煤炭綠色開采的科學產能依然不足，科學產能總體水平依然較低，與世界先進采煤國家差距較大。 4）對煤炭的持續需求與當前不夠清潔的利用方式相矛盾 我國能源資源稟賦和當前經濟發展階段，決定了未來相當長時期內煤炭仍將是我國的主體能源和基礎能源。煤炭在能源結構中的比例會有所下降，但煤炭消費總量仍將保持在較高水平。我國煤炭中硫分和灰分含量較大，大氣污染物排放量中約93%的SO2、70%的NOx和67%的煙粉塵排放都來自煤炭使用，使用散煤燃燒所產生的污染物量昀高達到污染物排放總量的 40%左右（圖 1-2）。煤炭的持續需求與當前不夠清潔的利用方式的矛盾迫切需要解決。 5）煤炭利用的低效率高排放與生態環境要求相矛盾 煤炭作為高含碳能源，利用過程中不可避免地帶來碳排放。我國單位GDP的CO2排放量遠高于發達國家，排放總量已居世界**位。隨著對氣候變化的認識逐步深入，生態環境的低碳要求日益明顯，煤炭利用的碳排放問題備受重視。我國政府已向國際社會莊嚴承諾，力爭 2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和，必將對我國煤炭需求和利用方式產生重要影響。 1.1.3 煤炭未來開采理論與技術 煤炭革命的關鍵是依靠技術革命，科技發展的演替過程和規律決定了煤炭技術革命的階段性，不同階段的技術革命具有不同的標準和要求。煤炭未來開采的變革性理論與技術主要包括以下幾種。 1）近零生態損害的智能化無人開采理論與技術 煤炭近零生態損害開采技術是在20世紀90年代提出的綠色生產技術基礎上逐步發展起來的一項變革性技術。進入21世紀以后，全國煤炭年產量均超過30億t，受煤炭開采影響的范圍及影響強度越來越大，嚴重影響了礦區的生產生活環境，甚至威脅了人們的生命安全。因此，消除煤炭生產給生態環境帶來的不利影響，實現行業的可持續發展，是科學開采的重要理念。 近年來，綠色生產技術初步實現了從“降低損害”到“恢復生態”的轉變，同時將煤炭開發與生態環境治理進行統籌規劃，逐步將生態環境治理轉變為資源開發與生態環境保護協調的主動模式。隨著建設生態文明和美麗中國要求的不斷提升，力爭在2050年全面實現煤炭資源的零生態損害開采。 2）近零污染物排放的清潔低碳利用理論與技術 煤炭近零排放利用是在20世紀80年代提出的潔凈煤技術基礎上逐步發展起來的一項變革性理論。為了解決煤炭利用中產生的污染問題，當時各國開始研究和推廣應用潔凈煤技術，進入21世紀以后，煤炭的清潔高效利用水平不斷提高，SO2、NOx、煙塵等傳統污染物的排放問題基本得到解決。國際上開始研究整體煤氣化聯合循環發電、多聯產技術及CO2捕集和儲存技術，包括CO2在內的“近零排放 ”成為重要研究課題。2014年9月12日，國家發展和改革委員會、環境保護部、國家能源局聯合發布《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》，推進燃煤發電的超低排放改造。煤炭近零排放利用成為我國煤炭利用發展的目標。 3）礦井建設（設計）與地下空間一體化利用理論與技術 我國進入了社會經濟發展的新時代、新常態，傳統產業轉型升級去產能、去庫存導致大量礦井關閉。按照傳統模式退出后，地面大型工業廣場和井下大量設備設施被閑置，直接造成數萬億元地面地下固定資產的廢棄和浪費，間接造成寶貴的地質和礦業遺址的損壞。退出煤礦大多存在多元災害風險，對生態環境構成一定的損害。針對這一問題，謝和平院士提出了礦井建設（設計）與地下空間一體化利用的變革性理論與技術，即結合礦井地下空間的特點，從礦井設計開始進行規劃，在礦井建設過程中，構建地下與地面聯通的立體網絡，充分利用礦井的地下空間和能源供應優勢，建設地下生態城市，構建地下生態圈系統，昀大限度地發揮地下空間的價值。 4）深部流態化開采的顛覆性理論與技術構想 向地球深部進軍已成為我國現在和未來面臨的重大戰略科技問題，國家正在啟動的面向 2030國家重大科技項目“地球深部探測”提出深地科學鉆探深度將突破13000m，深部資源開采目標為油氣10000m、熱6000m、固態資源3000m。特別是高效開采2000m以深的固體資源必須突破現有的開采方法、開采理論和開采技術，迫切需要構建顛覆性深部資源開采理論與技術。基于此，謝和平院士首次提出 “深地煤炭資源流態化開采的顛覆性理論與技術構想 ”，其核心是由傳統的 “井下只挖煤 ”轉變為“井下深部原位實現挖煤、電、熱、氣一體化綜合開發利用 ”，實現對深地煤炭資源的采、選、冶、充、電、氣的原位、實時和一體化開發，實現深地煤炭資源開發的 “地上無煤、井下無人 ”的綠色環保開采目標。 1.2 研究背景及意義 1.2.1 煤礦安全事故分析 近年來，我國煤礦安全生產狀況總體穩定、好轉，但重大事故仍有發生，煤礦安全生產形勢依然嚴峻。近 10年全國煤礦事故死亡人數如圖1-3所示。 2012～2020年數據來源于西南證券研究發展中心《計算機行業智能礦山專題報告：行業景氣度上行，步入成長快車道》；2021年數據來源于中國煤炭工業協會 大量實踐表明：許多煤礦重大事故的發生及其有效控制，都與巖層運動及其所處的應力條件密切相關。其中，與巖層運動直接相關的事故，包括冒頂事故、頂板事故、透水事故等，與采動后頂板巖層的破壞密切相關；與應力條件直接相關的事故，包括煤與瓦斯突出、沖擊地壓和底板突水等，其應力條件的實現是在一定采動條件下巖層運動和破壞的結果。 由于對礦山壓力及巖層運動規律掌握不清，控制方法與巖層運動不相適應，每年浪費在回采工作面頂板控制和巷道維護上的人力和財力巨大。因此，結合我國煤礦特點進行礦山巖層控制的相關研究，是關系到煤礦安全生產及提高經濟效益的大事。 1）頂板事故 根據國內外煤礦事故的統計資料，頂板事故占有較大的比例。據不完全統計，2001～2008年，全國煤礦共發生頂板事故4653起，占煤礦事故總數的51.49%；死亡6173人，占煤礦總死亡人數的26.36%①。2013～2017年，全國共發生頂板事故 760起，占煤礦事故總數的39.1%；死亡1000人，占總死亡人數的28.6%②。雖然事故數和死亡人數較往年有所減少，但是礦井頂板事故仍然是影響礦山安全生產和健康發展的主要原因之一。 2）沖擊地壓 隨著我國對煤炭資源需求量的不斷增大，煤礦的開采深度也不斷增大，承受巨大地壓的圍巖突然破壞失穩而造成的沖擊地壓危害日益顯現。沖擊地壓以其突然、急劇、猛烈的破壞特征（圖1-4），嚴重威脅著礦山的安全生產，徐州、北京、大同、義馬、平頂山、兗州、棗莊、新汶、開灤、華亭、撫順、阜新、七臺河、鶴崗等礦區都相繼發生過沖擊地壓，給我國煤礦造成了很大的經濟損失和人員傷亡。例如，2011年11月3日，河南省義馬煤業集團股份有限公司千秋煤礦發生一起重大沖擊地壓事故，造成10人死亡、64人受傷，直接經濟損失2748.48萬元；2018年10月20日，山東龍鄆煤業有限公司發生重大沖擊地壓事故，造成 21人死亡、4人受傷。 3）透水事故 煤層采動后，受礦山壓力的
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