本書系統(tǒng)闡述了煤礦堅硬頂板采場礦壓控制技術(shù)體系及其工程應(yīng)用。全書共分為8章，內(nèi)容包括：對大同礦區(qū)堅硬頂板分布特征的分析；構(gòu)建并實現(xiàn)了覆巖壓力計算模型；通過室內(nèi)大尺度真三軸水力壓裂試驗，研究了水壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律及其影響因素；提出了地面壓裂弱化堅硬頂板的技術(shù)方法，確定了關(guān)鍵參數(shù)的選擇標(biāo)準(zhǔn)；最終形成了完整的堅硬頂板采場礦壓控制技術(shù)體系，并在大同塔山礦區(qū)成功進(jìn)行了工程應(yīng)用和現(xiàn)場驗證。
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中國煤炭工業(yè)協(xié)會科技進(jìn)步一等獎，排名第2；中國巖石力學(xué)與工程學(xué)會科技進(jìn)步獎一等獎，，排名第2。
目錄
第1章 緒論 1
第2章 復(fù)合堅硬頂板的判斷準(zhǔn)則及影響因素 3
2.1 復(fù)合堅硬頂板強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征 4
2.1.1 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律觀測 4
2.1.2 強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)特征分析 5
2.2 復(fù)合堅硬頂板的力學(xué)模型 5
2.2.1 組合截面中性軸的確定 6
2.2.2 復(fù)合堅硬頂板的力學(xué)模型與分析 7
2.2.3 復(fù)合堅硬頂板的判斷準(zhǔn)則 12
2.3 復(fù)合堅硬頂板的破壞形式及破斷步距 13
2.4 復(fù)合堅硬頂板的判定與分析 13
2.5 復(fù)合堅硬頂板變形與破斷的影響因素分析 17
第3章 覆巖壓力影響因素分析 21
3.1 十二參數(shù)采場覆巖壓力計算模型的建立 21
3.1.1 垮落帶巖層對下覆巖層的壓力 22
3.1.2 裂隙帶巖層對下覆巖層的壓力 25
3.1.3 彎曲下沉帶巖層對下覆巖層的壓力 28
3.1.4 覆巖楔形巖體對下覆巖層壓力的求解 32
3.1.5 十二參數(shù)采場覆巖壓力計算模型 33
3.2 十二參數(shù)采場覆巖壓力計算的程序?qū)崿F(xiàn) 36
3.3 采場覆巖壓力的影響因素分析 39
3.3.1 巖層層位 39
3.3.2 煤層采高 42
3.3.3 巖層碎脹系數(shù) 42
3.3.4 巖層重力密度 43
3.3.5 巖層厚度 44
3.3.6 巖層彈性模量 45
3.3.7 巖層抗拉強(qiáng)度 46
3.3.8 覆巖垮落角 47
3.3.9 工作面推進(jìn)長度 47
第4章 地面水力壓裂控制強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)數(shù)值模擬研究 49
4.1 地面水力壓裂控制強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的數(shù)值模擬 49
4.1.1 數(shù)值模擬建模 49
4.1.2 數(shù)值模擬的有效性分析 52
4.1.3 長壁開采中覆巖的損傷 53
4.1.4 水壓裂縫的活化 55
4.1.5 力學(xué)參數(shù)的劣化 57
4.1.6 水壓裂縫對應(yīng)力分布的擾動 57
4.1.7 水壓裂縫對堅硬頂板破斷的影響 58
4.1.8 工作面支承壓力分析 59
4.2 堅硬頂板強(qiáng)度弱化對采場礦壓顯現(xiàn)影響的數(shù)值模擬研究 61
4.2.1 研究現(xiàn)場工作面概況及模型建立 61
4.2.2 堅硬頂板強(qiáng)度弱化方案 66
4.2.3 單層堅硬頂板強(qiáng)度弱化 67
4.2.4 多層堅硬頂板聯(lián)合強(qiáng)度弱化 72
4.3 水壓裂縫對堅硬頂板采場礦壓顯現(xiàn)影響的研究 74
4.3.1 水壓裂縫對堅硬頂板強(qiáng)度影響的理論研究 74
4.3.2 水壓裂縫對堅硬頂板采場礦壓顯現(xiàn)影響的數(shù)值模擬研究 80
第5章 采動應(yīng)力場下堅硬頂板中水壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律數(shù)值模擬研究 87
5.1 采動應(yīng)力場下堅硬頂板中水壓裂縫的擴(kuò)展 87
5.1.1 復(fù)雜應(yīng)力場的應(yīng)力分布特征 87
5.1.2 復(fù)雜應(yīng)力場堅硬頂板水壓裂縫擴(kuò)展模型 93
5.1.3 復(fù)雜應(yīng)力場堅硬頂板水壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律 97
5.2 堅硬頂板中水壓裂縫擴(kuò)展的理論分析 108
5.2.1 層理面和天然裂縫對水壓裂縫擴(kuò)展的影響 108
5.2.2 層間物性差異影響機(jī)制 112
5.2.3 裂縫擴(kuò)展規(guī)律及裂縫網(wǎng)絡(luò)形成條件 114
5.3 堅硬頂板中水壓裂縫擴(kuò)展數(shù)值分析 115
5.3.1 均質(zhì)巖層水壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律數(shù)值分析 115
5.3.2 層間遮擋效應(yīng)數(shù)值分析 117
5.3.3 堅硬頂板水壓裂縫網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)制數(shù)值分析 120
5.4 多裂縫發(fā)育和擴(kuò)展路徑演化數(shù)值模擬 124
5.4.1 數(shù)值模型與方案設(shè)計 124
5.4.2 裂縫擴(kuò)展最大和尖端應(yīng)力分析 126
5.4.3 不同壓裂參數(shù)對多裂縫擴(kuò)展及應(yīng)力干擾的影響分析 127
第6章 壓裂參數(shù)對水平井多裂縫擴(kuò)展影響的物理模型試驗 130
6.1 地面壓裂堅硬頂板大型真三軸相似物理模擬試驗研究 130
6.1.1 大型真三軸水力壓裂堅硬頂板物理模擬試驗系統(tǒng) 130
6.1.2 試驗方案 137
6.1.3 地面壓裂堅硬頂板砂巖水壓裂縫擴(kuò)展規(guī)律 141
6.2 堅硬頂板大型真三軸水力壓裂試驗研究 146
6.2.1 堅硬頂板巖石力學(xué)性質(zhì) 146
6.2.2 大型真三軸水力壓裂堅硬頂板試驗研究 154
6.2.3 堅硬頂板砂巖大型室內(nèi)水力壓裂試驗 164
6.3 真三軸相似物理模擬試驗系統(tǒng)和水射流平臺 178
6.3.1 真三軸相似物理模擬試驗機(jī) 178
6.3.2 數(shù)據(jù)采集處理和伺服控制系統(tǒng) 179
6.3.3 四維水射流割縫平臺 180
6.3.4 柱塞泵和壓裂系統(tǒng) 181
6.3.5 試驗過程系統(tǒng)路線 181
6.4 致密砂巖多裂縫擴(kuò)展及相互干擾試驗 182
6.4.1 試件制備 182
6.4.2 水射流割縫 183
6.5 水力壓裂試驗設(shè)計 184
6.6 試驗結(jié)果曲線特征 185
6.6.1 割縫間距曲線分析 185
6.6.2 高應(yīng)力差和大排量曲線分析 185
6.7 試驗結(jié)果形態(tài)分析 186
6.7.1 裂縫起裂特征 186
6.7.2 復(fù)雜裂縫網(wǎng)絡(luò)形成機(jī)理 187
6.7.3 不同壓裂參數(shù)對多裂縫擴(kuò)展影響分析 188
第7章 地面水力壓裂目標(biāo)層判定 190
7.1 基于采場覆巖壓力分析的地面水力壓裂目標(biāo)層判定 190
7.1.1 賦存堅硬頂板煤礦的強(qiáng)礦壓顯現(xiàn) 190
7.1.2 大同礦區(qū)塔山煤礦的地質(zhì)條件 191
7.1.3 采場覆巖壓力分析 193
7.1.4 地面水力壓裂目標(biāo)層判定 194
7.2 地面水力壓裂目標(biāo)層判定結(jié)果的驗證 195
7.2.1 長壁開采過程數(shù)值模擬方法 195
7.2.2 長壁開采過程數(shù)值模擬 197
7.2.3 頂板的能量釋放事件 199
7.2.4 弱化頂板后的超前支承應(yīng)力 203
7.3 基于堅硬頂板強(qiáng)度弱化的采場強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)控制效果分析 205
7.3.1 數(shù)值模型的建立 205
7.3.2 堅硬頂板強(qiáng)度弱化方案 206
7.3.3 單層堅硬頂板強(qiáng)度弱化對采場強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的影響 207
7.3.4 多層堅硬頂板強(qiáng)度弱化對采場強(qiáng)礦壓顯現(xiàn)的影響 210
第8章 大空間采場堅硬頂板地面壓裂精準(zhǔn)控制技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用 216
8.1 塔山煤礦地面垂直井分層壓裂弱化堅硬頂板技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用 216
8.1.1 水力壓裂方案 216
8.1.2 水壓裂縫的擴(kuò)展監(jiān)測 220
8.1.3 水力壓裂過程及參數(shù)分析 222
8.1.4 微震監(jiān)測結(jié)果分析 225
8.1.5 水力壓裂堅硬頂板對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響 229
8.2 同忻煤礦煤柱上下堅硬巖層協(xié)同壓裂控制技術(shù)現(xiàn)場應(yīng)用 232
8.2.1 同忻煤礦現(xiàn)場概況 232
8.2.2 壓裂層位的確定 235
8.2.3 鉆孔位置選擇與施工 235
8.2.4 水壓裂縫形態(tài)分析 237
8.2.5 水力壓裂堅硬頂板對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響 238
參考文獻(xiàn) 239
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