●1緒論1
1.1放頂煤開采技術1
1.1.1放頂煤開采技術簡介1
1.1.2放頂煤開采技術定義2
1.2放頂煤開采技術發展簡介3
1.2.1放頂煤開采的技術實踐3
1.2.2放頂煤開采的理論研究6
1.3放頂煤開采的基礎理論問題8
1.3.1頂煤破碎機理9
1.3.2散體頂煤放出規律9
1.3.3支架—圍岩關繫10
1.3.4工作面煤壁穩定控制10
1.3.5岩層移動規律10
1.3.6全煤巷道支護機理11
1.3.7放頂煤開采的經濟性11
1.4煤炭開采的幾個基本概念11
1.4.1特厚煤層12
1.4.2大采高與大采高放頂煤12
1.4.3煤層硬度劃分12
1.4.4長壁與短壁工作面13
1.4.5大傾角煤層14
1.4.6液壓支架分類14
參考文獻14
2放頂煤開采的力學基礎16
2.1彈性體的基本力學分析16
2.1.1彈性力學的基本概念16
2.1.2彈性力學的基本方程19
2.1.3彈性力學的基本解法26
2.1.4彈性體中應力分析27
2.1.5彈性體的應變能與虛功原理29
2.1.6無限大介質中圓孔周邊應力分析33
2.1.7半無限平面體邊界上受力分析36
2.2岩石變形與強度特征39
2.2.1岩石變形特征39
2.2.2岩石強度42
2.2.3岩石強度的變異性45
2.2.4岩石強度理論46
2.2.5岩石的塑性和黏性53
2.2.6岩體強度54
2.2.7岩體開挖卸載問題55
2.3岩石斷裂與損傷58
2.3.1岩石斷裂類型58
2.3.2岩石斷裂判據59
2.3.3岩石裂紋的擴展條件63
2.3.4岩石損傷的力學表示66
2.3.5損傷變量定義方法68
2.3.6細觀統計損傷力學69
2.4裂隙煤體損傷和本構模型69
2.4.1裂隙煤體力學特征69
2.4.2不同應力路徑條件下煤體破壞特征82
2.4.3煤體宏-細觀本構模型87
2.4.4裂隙煤體各向異性損傷模型107
2.5散體的力學分析110
2.5.1散體的基本物理性質110
2.5.2散體的靜力學分析114
2.5.3散體的動力學分析116
2.5.4散體的運動學分析118
參考文獻121
3采動應力與岩層運動123
3.1原岩應力及分布123
3.1.1自重應力123
3.1.2構造應力124
3.1.3原岩應力分布基本規律127
3.2巷道圍岩應力分布130
3.2.1單個圓形巷道圍岩應力分布130
3.2.2橢圓巷道周邊應力分析136
3.2.3單個非圓形巷道圍岩應力分析141
3.2.4多個巷道的相互影響規律144
3.3采場圍岩支承壓力152
3.3.1支承壓力分類152
3.3.2支承壓力分區153
3.3.3支承壓力疊加154
3.4支承壓力在煤層底板中的傳播156
3.4.1基本規律156
3.4.2煤柱底板應力分布特征158
3.5頂板破斷基本規律160
3.6頂板結構與失穩判據163
3.6.1初次來壓頂板結構失穩判據164
3.6.2周期來壓頂板結構失穩判據167
3.7急傾斜煤層的頂板破斷170
3.7.1頂板破壞與移動形態實驗171
3.7.2頂板傾倒-滑塌式破壞力學解析175
3.7.3算例分析182
參考文獻184
4采場圍岩穩定性分析與控制186
4.1頂板壓力的工程計算方法186
4.1.1力學模型的建立186
4.1.2動載繫數計算187
4.1.3基本頂岩塊及隨動載荷計算190
4.1.4工程應用191
4.2頂板破斷型失穩與載荷確定192
4.2.1頂板動力破斷的折疊突變模型192
4.2.2頂板斷裂瞬間的能量轉換196
4.2.3頂板載荷確定方法201
4.2.4推進速度與動載作用關繫202
4.2.5應用實例205
4.3頂板結構型失穩與載荷確定206
4.3.1回轉失穩頂板載荷確定207
4.3.2滑落失穩動載的確定208
4.3.3應用實例209
4.4煤壁破壞形式和破壞機理210
4.4.1煤壁常見破壞形式210
4.4.2煤壁破壞機理分析212
4.4.3煤壁破壞條件217
4.5煤壁穩定性影響因素及控制方法222
4.5.1壓剪型破壞影響因素222
4.5.2拉剪型破壞影響因素222
4.5.3拉裂型破壞影響因素223
4.5.4斷層構造引起的煤壁破壞223
4.5.5煤壁破壞防控措施228
4.5.6應用實例229
4.6煤壁壓剪型破壞的極限平衡分析230
4.6.1煤壁剪切破壞力學模型230
4.6.2煤壁破壞的敏感度分析231
4.6.3煤壁穩定性的數值模擬232
4.6.4“注漿+棕繩”柔性加固技術數值模擬235
4.7“頂板-煤壁”聯動失穩與協同控制236
4.7.1煤壁穩定性的支架剛度效應237
4.7.2支架剛度對煤壁穩定性的影響機理238
4.7.3支架剛度效應的物理模擬實驗244
4.7.4“頂板-煤壁”聯動失穩條件246
4.7.5“頂板-煤壁”協同控制方法251
4.7.6應用實例253
參考文獻254
5頂煤破壞機理255
5.1頂煤裂隙場發育特征255
5.1.1頂煤主應力分布模擬分析255
5.1.2頂煤裂隙擴展的應力驅動機制267
5.2頂煤破壞過程272
5.2.1頂煤變形特征實測272
5.2.2煤壁前方階段273
5.2.3控頂區上方階段280
5.3頂煤架後冒落條件286
5.3.1頂煤剪切塑性變形286
5.3.2頂煤強度參數演化288
5.3.3頂煤冒落條件291
5.4數值模擬分析292
5.5頂煤破壞影響因素分析294
5.5.1煤壁前方頂煤損傷過程影響因素294
5.5.2控頂區上方頂煤破壞影響因素301
參考文獻303
6頂煤冒放性指標及應用305
6.1頂煤冒放性評價指標305
6.2頂煤累積塑性應變307
6.2.1頂煤累積塑性應變的確定307
6.2.2冒放性指標有效性檢驗311
6.3冒放性指標的應力路徑效應312
6.3.1數值模型及材料參數312
6.3.2頂煤主應力分布特征314
6.3.3冒放性指標應力路徑效應分析317
6.4煤體中超聲波波速預測模型320
6.4.1頂煤超聲波波速分布特征實測321
6.4.2煤體中超聲波傳播特征324
6.4.3超聲波波速預測模型的構建328
6.5頂煤冒放性指標的現場應用331
6.5.1新柳煤礦241103綜放面332
6.5.2東周窯煤礦8301綜放面338
參考文獻349
7頂煤冒放性主導因素和控制原理350
7.1煤層裂隙分布特征350
7.1.1現場實測數據分析350
7.1.2裂隙分布的概率模型351
7.2頂煤破壞過程的數值模擬353
7.2.1數值模型的建立353
7.2.2煤體本構模型修正354
7.2.3煤岩物理力學參數355
7.2.4模擬方案設計356
7.2.5頂煤強度特征359
7.2.6頂煤塑性區、累積塑性應變、超聲波波速分布特征360
7.3頂煤破壞的主導因素分析361
7.3.1煤體力學屬性361
7.3.2裂隙發育程度366
7.3.3原岩應力375
7.3.4頂煤厚度377
7.3.5割煤高度378
7.3.6支架循環阻力379
7.3.7工作面推進方向380
7.4改善頂煤冒放性的原理及方法381
7.4.1局部約束解除法381
7.4.2局部約束鑽孔解除法及布置385
7.4.3鑽孔布置對頂煤冒放性影響分析386
7.5基於裂隙分布的頂煤冒放塊度預測方法390
7.5.1頂煤冒放塊度預測原理390
7.5.2頂煤冒放塊度的數值模擬392
參考文獻398
8頂煤放出規律的BBR體繫399
8.1散體介質流理論與BBR體繫400
8.1.1散體介質流理論簡介400
8.1.2頂煤放出規律的BBR體繫401
8.2煤岩分界面理論計算方程410
8.2.1初始煤岩分界面形態特征411
8.2.2初始煤岩分界面理論計算方程417
8.2.3移架後煤岩分界面理論計算方程428
8.2.4放煤後煤岩分界面理論計算方程433
8.3頂煤放出體理論計算方程436
8.3.1B-R模型的改進437
8.3.2重力加速度修正繫數K439
8.3.3改進模型的正確性驗證443
參考文獻444
9頂煤三維放出規律445
9.1頂煤放出規律三維數值模擬445
9.1.1PFC3D模型的建立445
9.1.2模擬結果分析447
9.2支架對頂煤放出體空間形態的影響454
9.2.1有、無支架頂煤放出三維對比試驗454
9.2.2支架對頂煤放出體空間形態的影響458
9.2.3支架對煤岩分界面形態的影響462
9.2.4頂煤放出體“超前發育”的數值驗證464
9.3工作面傾角對頂煤放出規律的影響466
9.3.1不同工作面傾角下頂煤放模擬467
9.3.2近水平煤層頂煤放出三維模擬試驗482
9.3.3急傾斜厚煤層頂煤采出率分布規律501
9.4工作面仰/俯采角對頂煤放出規律的影響509
9.4.1不同仰采角下頂煤放模擬509
9.4.2不同俯采角下頂煤放模擬516
9.4.3仰斜開采頂煤放出三維模擬試驗521
9.5水平分段放頂煤開采頂煤放出規律530
9.5.1頂煤放出體形態特征530
9.5.2合理分段高度確定531
9.5.3放煤方式優化537
參考文獻543
10頂煤采出率實測儀器研制及應用544
10.1頂煤運移跟蹤儀544
10.1.1標志點法觀測頂煤采出率的實驗研究544
……
11提出頂煤采出率的工藝602

本書針對放頂煤開采技術的基礎理論問題及工程應用，繫統總結了作者20餘年來在十餘個煤礦集團、數十個工作面的研究成果，提出了放頂煤開采需要研究的基礎理論問題，歸納總結了我國放頂煤開采技術的工程實踐和發展過程、理論研究進展等。介紹了放頂煤開采需要的基礎力學知識、采動應力分布基本規律。重點研究了放頂煤開采的采動岩層運動規律、采場圍岩穩定性分析與控制、頂煤破碎機理、頂煤冒放性指標及應用、頂煤冒放性因素、頂煤放出規律的BBR體繫、頂煤三維放出規律、頂煤采出率實測儀器研制及應用以及提高頂煤采出率的工藝優化等。

王家臣,張錦旺,王兆會 著