坚硬顶板

我国坚硬顶板煤层分布很广，煤炭储量也极丰富，主要分布在山西、陕西、内蒙古、新疆及北京京西等煤田。开采坚硬顶板煤层的矿区主要是大同矿务局和京西矿务局，尤其是大同，煤炭储量丰富、煤层条件好、开发强度也很大，全局每年约开采原煤近4×10⁷t。

坚硬难冒顶板的活动规律不同于稳定顶板，它的主要特点是活动范围大，波及的层位高，作用时间集中，间隔时间较长，而且周期性较为明显。顶板活动的前后两期也有区别：前期活动是指采空区顶板在工作面推过后的一段时期内，这时期顶板（主要是直接顶或老顶下位岩层）活动比较活跃，顶板不断地规律性地折断冒落。此后便出现了一个暂时相对稳定时期。相对稳定时期过后，顶板的上位岩层就会发生大面积的塌落，这时期内，顶板活动的威力大、范围广，经常造成典型的推垮工作面事故，这就是通常称作的顶板后期活动期。这方面，大同矿务局与有关科研部门做了大量的工作，他们以走向长壁工作面为研究对象，用钻孔电视测法观测了上覆岩层在回采工作面接近、推过和远离三种情况下的活动规律。观测数据较好地反映出了坚硬顶板上覆岩层的活动情况 。

坚硬顶板煤层是指煤层直接顶的强度指标D>120，初次跨落步距大于25m的煤层；或者是无直接顶，且岩层厚度在2-5m以上的煤层。

根据煤层顶板的岩石性质、结构及构造等因素，坚硬顶板又可分为：较坚硬、坚硬及特别坚硬顶板。根据煤田开发的实践经验总结出来的关于坚硬顶板的分级指标及各级顶板应采取的相应的管理办法。各矿区煤层顶板的性质差别较大，也可根据自己的实际情况，参照坚硬顶板分级办法确定坚硬顶板的类型 。

坚硬顶板煤层的开采也还存在一些始终没有得到解决的技术问题；如：

（1）适应于各类级别坚硬顶板的支护设备的研制；

（2）采空区顶板管理方法的选择；

（3）各类坚硬顶板条件下，坚硬顶板煤层开采方法的合理选择等等。

这些问题，尤其是采空区顶板管理问题能得到彻底的解决，不仅可以提高回采效率，减少材料消耗，降低吨煤成本，提高煤炭回收率，而且更重要的是能为采煤工作提高一个安全的生产环境。相反，如果这些问题得不到很好的解决，轻则影响生产，增加费用；重则可能发生顶板事故，尤其是顶板大面积冒落事故，不仅对生产设备造成损坏；对人员也会造成极大的威胁。所以，坚硬顶板煤层开采方法的合理选择；顶板管理技术的进一步完善。对改善我国煤炭生产形势，提高生产效益都会起着极其重要的影响。

为此，我国有关院校和科研单位的专家们从20世纪70年代中期起，对坚硬煤层顶板进行了大量的试验研究，得出了一些很有价值的结论。在此基础上，我国已形成了几种行之有效的开采坚硬顶板煤层的方法：

（1）长壁式自然垮落法；

（2）长壁式强制放顶法；

（3）长壁式预注水软化顶板法；

（4）煤柱支撑采煤法；

（5）仓房式扒斗采煤法 。

本书针对多年来大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采理论与实践研究成果，进行系统的总结分析、归纳、整理和提升.内容涉及坚硬顶板大空间采场覆岩结构失稳理论、覆岩运动实测技术及大空间采场坚硬顶板控制技术等方面，主要包括大空间采场及远近场概念、区域地质动力环境评估、坚硬顶板分类方法、大空间采场坚硬顶板运动与覆岩结掏失稳的力学特征、岩层破裂演化实测技术、坚硬顶板太空间采场矿压显现规律及坚硬顶板远近场控制技术等。

《岩石力学与工程研究著作丛书》序

《岩石力学与工程研究著作丛书》编者的话

前言

第1章 绪论 1

1.1 煤矿开采的顶板问题 1

1.2 坚硬顶板煤层开采特征 3

1.3 岩层控制理论研究现状 6

1.3.1 大空间采场矿压研究现状 6

1.3.2 采场覆岩结构演化研究现状 7

1.3.3 采场顶板结构稳定性研究现状 12

1.3.4 坚硬顶板控制理论与技术研究现状 13

1.4 大空间采场坚硬顶板岩层控制研究思路 14

1.4.1 大空间采场及远近场概念 14

1.4.2 研究思路 16

参考文献 18

第2章 大同矿区坚硬顶板特厚煤层开采条件 22

2.1 特厚煤层开采特征 22

2.2 特厚煤层上覆侏罗系煤层开采现状 23

2.2.1 大同矿区开发历史 23

2.2.2 侏罗系煤层赋存条件 24

2.2.3 侏罗系煤层开采特征 24

2.3 石炭系坚硬顶板特厚煤层赋存条件 27

2.3.1 地质条件 27

2.3.2 煤层赋存条件 29

2.3.3 顶底板岩性 32

2.3.4 瓦斯、煤尘和煤的白燃特征 32

2.4 石炭系煤岩物理力学特往 34

2.4.1 实验室煤岩物理力学参数测试方法与结果 34

2.4.2 煤岩比表面积测试 37

2.4.3 煤岩XRD测试 40

2.4.4 煤岩全元素测试 42

2.5 石炭系特厚煤层主要开采矿井概况 44

2.5.1 同忻煤矿概况 44

2.5.2 塔山煤矿概况 46

参考文献 47

第3章 大同矿区石炭系坚硬顶板特厚煤层开采技术 49

3.1 坚硬顶板特厚煤层采煤方法选择 49

3.2 方法与回采.工艺 50

3.2.1 工作面巷道布置与参数 50

3.2.2 回采工艺参数 51

3.2.3 劳动组织与技术经济指标 53

3.3 工作面开采装备选型 56

3.3.1 工作面开采装备选型研究 56

3.3.2 采煤机选型 56

3.3.3 工作面前、后刮板输送机选型 57

3.3.4 液压支架选型 59

3.4 工作面安全高效开采技术 62

3.4.1 大采高综放工作面顶板管理技术 62

3.4.2 工作面过火成岩墙安全技术 63

3.4.3 提高顶煤回收率技术 64

参考文献 67

第4章 区域地质动力环境评估 69

4.1 大同矿区区域地质构造特征分析 69

4.1.1 区域地质构造背景 69

4.1.2 构造演化对含煤盆地的影响 71

4.2 区域地质构造运动特征分析 72

4.2.1 华北地区及边界的相对运动 72

4.2.2 大同地区新构造运动 74

4.3 区域应力特征分析 75

4.3.1 区域构造应力场特征 75

4.3.2 大同矿区现今构造应力场特征 77

4.3.3 大同矿区地应力测量 78

4.4 大同矿区典型矿井岩体应力状态分析 83

4.4.1 同忻煤矿岩体应力状态分析 83

4.4.2 忻州窑煤矿岩体应力状态分析 86

4.5 大同矿区典型矿井地质动力环境评估 92

4.5.1 矿井地质动力环境分析 92

4.5.2 同忻煤矿地质动力环境评估 93

4.5.3 忻州窑煤矿地质动力环境评估 97

4.6 地质条件对矿井动力灾害的控制作用 101

参考文献 102

第5章 坚硬顶板分类方法研究 104

5.1 国内外顶板分类方法概述 104

5.2 显现强度与影响因素定量关系数值模拟研究 107

5.2.1 数值计算模型的建立 107

5.2.2 不同煤岩属性的矿压显现特征 108

5.3 坚硬顶板分类指标的确定 111

5.4 基于层次分析和模糊综合评判的坚硬顶板分类研究 112

5.4.1 层次分析法和模糊综合评判的数学原理 112

5.4.2 坚硬顶板的模糊综合分类方法 113

参考文献 115

第6章 大空间采场坚硬顶板运动与力学特征 118

6.1 坚硬顶板特厚煤层工作面关键层判定及破断特征 118

6.1.1 覆岩关键层判定理论 118

6.1.2 同忻煤矿3 5 3煤层覆岩关键层判定结果 120

6.1.3 同忻煤矿3 5 4煤层覆岩关键层破断分析 124

6.2 坚硬顶板特厚煤层采场结构模型 133

6.2.1 多层坚硬顶板覆岩大结构形成机理 133

6.2.2 多层坚硬顶板覆岩大结构形成过程 135

6.3 大空间采场坚硬顶板运动特征的相似模拟研究 136

6.3.1 相似材料模拟试验内容 136

6.3.2 相似材料模拟试验及观测系统 137

6.3.3 相似材料模拟试验模型设计与制作 139

6.3.4 相似材料模拟试验过程及结果分析 142

6.4 大空间采场坚硬顶板结构模型现场探测 154

6.4.1 特厚煤层综放采场覆岩运动特征的钻孔电视探测 154

6.4.2 工作面覆岩结构EH4物理探测 161

6.4.3 基于微地震监测技术的特厚煤层综放面围岩运动规律研究 165

6.5 大空间采场坚硬顶板大结构力学特征 190

6.5.1 坚硬顶板大结构力学模型 190

6.5.2 柱壳结构模型和力学模型研究 192

6.5.3 柱壳结构稳定性分析 193

6.5.4 应用实例 194

参考文献 195

第7章 岩层破裂演化实测方法与技术 198

7.1 概述 198

7.2 钻孔冲洗液法与应用 199

7.2.1 方法原理 199

7.2.2 工程应用实例 200

7.3 孔间电磁波CT测试岩体破裂演化原理与应用 204

7.3.1 电磁波CT技术 204

7.3.2 钻孔电磁波CT技术的原理和方法 205

7.3.3 井间电磁波CT探测的岩溶特征工程应用 206

7.4 覆岩破断微震监测技术 209

7.4.1 微震监测技术 209

7.4.2 由采矿活动导致微震的力学机理及分类 210

7.4.3 煤柱两侧覆岩空间破裂与采动应力场关系的微震分析 210

7.4.4 采空区覆岩高位裂隙体特征微震监测案例 212

7.5 采动覆岩井上下联动“三位一体”综合观测方法 216

7.5.1 方法原理 216

7.5.2 采动覆岩内部岩移的监测仪器及软件系统 216

7.5.3 “三位一体”综合观测方法应用 217

7.6 实验室覆岩采动裂隙放射性测量系统与方法 221

7.6.1 氡气工程领域应用分析 221

7.6.2 氡气地表探测覆岩采动裂隙综合试验系统 222

7.6.3 综合试验系统应用案例 224

7.7 巷道围岩裂隙探测技术 227

7.7.1 数字钻孑L摄像法松动圈测试 227

7.7.2 地质雷达法松动圈测试 230

7.7.3 大同矿区“双系”煤巷围岩松动圈测试 232

参考文献 239

第8章 大空间采场坚硬顶板矿压显现规律 241

8.1 大结构对采场矿压显现的影响 241

8.2 大同矿区石炭系特厚煤层采场矿压显现规律 244

8.2.1 塔山煤矿石炭系特厚煤层采场矿压显现规律 244

8.2.2 同忻煤矿石炭系特厚煤层采场矿压显现规律 250

8.3 特厚煤层回采巷道矿压监测分析 266

8.3.1 矿压监测内容及方案 266

8.3.2 顶板离层监测数据分析 270

8.3.3 锚杆（索）应力监测数据分析 273

8.3.4 钻孔应力监测数据分析 275

8.4 大同矿区双系煤层开采矿压相互影响 277

8.4.1 煤柱对下覆煤层开采的影响 277

8.4.2 工程条件 278

8.4.3 多层叠加煤柱覆岩结构特征 278

8.4.4 “倒梯形孤岛覆岩结构”对石炭系煤层应力场影响分析 281

8.4.5 “倒梯形孤岛覆岩结构”对石炭系矿压影响的微震监测研究 284

参考文献 285

第9章 大空间采场坚硬顶板煤柱力学特征 288

9.1 掘巷前采场煤岩体力学特征分析 288

9.1.1 弧三角形关键块的结构参数 289

9.1.2 掘巷前三角块受力分析 290

9.1.3 掘巷前三角块下部煤体受力分析 293

9.2 小煤柱护巷围岩力学模型 296

9.2.1 沿空掘巷顶板力学模型 297

9.2.2 沿空掘巷实体煤帮力学模型 299

9.2.3 滑空掘巷煤柱帮力学模型 302

9.2.4 沿空掘巷底板力学模型 304

9.3 煤柱力学特征数值模拟研究 307

9.3.1 数值模拟条件与几何模型的建立 307

9.3.2 掘巷前煤柱应力分布规律研究 311

9.3.3 掘巷后煤柱应力分布规律研究 312

9.3.4 采动后煤柱应力分布规律研究 318

9.4 沿空掘巷端部结构及渗透特征研究 325

9.4.1 工作面概况 325

9.4.2 掘巷前8206 工作面端部覆岩结构及小煤柱侧裂隙场分布 326

9.4.3 小煤柱渗透特征研究 334

9.4.4 小煤柱渗透特性系数 353

9.5 大空间采场小煤柱护巷安全保障关键技术体系 355

参考文献 363

第10章 大空间采场井下近场坚硬顶板弱化技术 365

10.1 井下近场坚硬顶板水压致裂控制技术 365

10.2 水压致裂基本原理 367

10.2.1 孔壁应力理论分析 367

10.2.2 水压致裂力学机理 369

10.3 大同矿区井下近场坚硬顶板水压致裂工艺技术 371

10.3.1 水压致裂顶板弱化参数 371

10.3.2 水压致裂设备与注水工艺过程 374

10.3.3 水压致裂技术实施方案 376

10.4 水压致裂效果数值模拟分析 386

10.5 井下近场楔形槽爆破预裂坚硬顶板技术 391

10.5.1 顶板预裂爆破方案 391

10.5.2 爆破参数确定 393

10.5.3 爆破参数验算 395

10.5.4 爆破工艺参数及施工 398

10-5.5 顶板预裂爆破效果数值模拟分析 398

10.6 井下近场承压爆破技术 399

10.6.1 承压爆破技术特点 399

10.6.2 钻孔内承压传爆介质的承压预裂性能 400

10.6.3 钻孔承压爆破应力传播及裂隙扩展规律 407

10.6.4 坚硬顶板承压爆破参数确定 417

10.6.5 竖硬煤岩深孔充水承压爆破工程实践 418

10.7 煤层注水防治强矿压技术与效果分析 424

10.7.1 同忻煤矿特厚煤层注水技术 424

10.7.2 煤层注水效果分析 425

参考文献 427

第11章 大空间采场远场地面压裂高位坚硬岩层技术 429

11.1 远场地面压裂弱化高位坚硬岩层技术 429

11.2 远场地面压裂技术的试验与理论分析 430

11.2.1 裂缝扩展规律的相似模型试验 430

11.2.2 水压裂缝在坚硬顶板的扩展规律 431

11.3 水压裂缝对坚硬岩层失稳破断的影响 433

11.4 大同矿区塔山煤矿远场地面压裂高位坚硬岩层试验 434

11.4.1 工程背景 434

11.4.2 压裂工艺 435

11.4.3 压裂参数与装备 436

11.5 远场地面压裂效果分析 438

11.5.1 压裂效果微地震监测解释原理 438

11.5.2 监测方法 442

11.5.3 速度模型建立 442

11.5.4 监测设计 445

11.5.5 监测成果与解释 446

11.5.6 压裂结果分析 449

11.6 开采保护层的远近场坚硬顶板协同控制技术 449

11.6.1 保护层和被保护层工作面开采顺序和布置参数 449

11.6.2 保护层8101丁作面煤层赋存特征 450

11.6.3 塔山煤矿3 58煤层被保护层8108工作面开采特征 452

11.6.4 保护层开采对下覆3 5 2煤层覆岩运动影响研究 454

11.6.5 工作面矿压显现规律实测 458

参考文献 474

第12章 坚硬顶板岩层控制理论与技术的科学意义 476

12.1 坚硬顶板岩层控制理论与技术体系 476

12.2 科学意义 477

12.2.1 坚硬顶板岩层控制理论的科学意义 477

12.2.2 岩移实测技术的科学意义 479

12.2.3 坚硬顶板控制技术的科学意义 479

12.3 展望 480

图版 2100433B

《大同矿区坚硬顶板静动压巷道稳定控制关键技术》是大同煤矿集团有限责任公司近年来在大同矿区坚硬顶板静动压巷道稳定控制方面所取得研究成果的总结，全书共分7章，内容包括绪论、大同矿区坚硬顶板静动压巷道灾害特征研究、坚硬顶板静动压巷道围岩承载机理与控制技术研究、坚硬顶板静动压巷道支护材料及关键技术研究、坚硬顶板静动压巷道稳定性评估方法与支护规范化设计、基于B\S架构的支护专家系统以及工业性试验。

《大同矿区坚硬顶板静动压巷道稳定控制关键技术》适用于煤矿支护技术人员学习参考，也可供相关专业的研究人员、大中专师生研究参考。