煤矿残采区上行开采基础理论与实践
2010-9
冯国瑞 煤炭工业出版社 (2010-09出版)
冯国瑞
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《煤矿残采区上行开采基础理论与实践》从残采区上行开采层间岩层结构及其上部煤层底板移动变形规律人手，通过试验研究、理论分析、数值模拟、现场实测以及工业试验相结合的方法，对残采区上行开采的层间岩层结构、可行性判定理论及方法、上部煤层底板移动变形规律和残采区上行开采矿压控制技术进行了系统的研究，形成了残采区上行开采的理论与技术，并在自家庄煤矿进行了试验及工业实施，成功解决了采空区上方煤层回收的技术难题，取得了显著的技术经济效益与环境、社会效益。 《煤矿残采区上行开采基础理论与实践》可供采矿工程、岩土工程领域的科研与工程技术人员以及相关专业的高校师生阅读、参考。
冯国瑞，男，汉族，1976年7月生，山西阳城人，中共党员，工学博士，副教授，硕士研究生导师，山西省优秀青年学术带头人。现任太原理工大学矿业工程学院资环教研室主任，兼任中国煤炭学会青年工作委员会委员，山西省青联委员。 1999年7月毕业于太原理工大学土建专业，获学士学位；2002年6月研究生毕业于太原理工大学采矿工程专业，获硕士学位；2009年6月博士毕业于太原理工大学岩土工程专业，获博士学位，同年破格晋升副教授；2010年在日本长崎大学留学研修。长期以来主要从事岩石力学与工程、矿山勘发与环境等方面的研究与教学工作，先后主持国家自然科学基金项目，国家科技支撑计划项目子课题、山西省青年科技研究基金项目、太原市技术创新计划项目等纵横向科研项目10余项，作为研究骨干参与山西省科技攻关项目、横向协作研究项目10余项，发表论文20余篇，三大索引收录7篇。2项代表性成果被鉴定为国际领先水平，获中国煤炭工业科学技术二等奖、山西省科技进步二等奖、山西省教学成果二等奖、山西省高校科技进步一等奖、太原市优秀科技项目一等奖等多项科研教学奖励，被授予”山西省精神文明建设模范青年”、“山西省高校工委优秀党员”等荣誉称号。
1 绪论 1.1 引言 1.2 国内外上行开采研究现状 1.3 采场顶底板岩层结构研究现状 1.4 覆岩移动变形规律研究现状 1.5 研究内容与方法 2 残采区上行开采模拟试验研究 2.1 概述 2.2 相似模拟方案 2.3 残采区上行开采层间岩层结构演化规律 2.4 残采区上行开采层间岩层移动变形规律 2.5 本章小结 3 残采区上行开采层间岩层结构及上行开采机理研究 3.1 垮落法残采区上行开采层间岩层结构研究 3.2 争落法残采区上行开采机理研究 3.3 垮落法残采区上行开采的数值模拟 3.4 刀柱式残采区上行开采机理研究 3.5 刀柱式残采区上行开采层间岩层结构研究 3.6 刀柱式残采区上行开采的数值模拟 3.7 本章小结 4 残采区上行开采技术条件判定研究 4.1 概述 4.2 上部煤层开采的采动影响及其扩散 4.3 垮落法残采区上行开采控制层稳定性分析 4.4 垮落法残采区上行开采技术条件判定方法 4.5 刀柱式残采区上行开采控制层稳定性分析 4.6 刀柱式残采区上行开采技术条件判定理论及方法 4.7 本章小结 5 残采区上行开采矿压显现及底板岩层移动变形规律实测 5.1 概述 5.2 白家庄煤矿残采区上行开采矿压显现规律 5.3 白家庄煤矿残采区上行开采底板移动变形规律预测 5.4 白家庄煤矿残采区上行开采底板移动变形规律实测 5.5 本章小结 6 残采区上行开采底板移动变形规律理论分析与预测模型 6.1 概述 6.2 残采区上行开采底板移动变形规律数值模拟 6.3 残采区上行开采底板运移的力学特性 6.4 残采区上行开采底板运移的力学模型 6.5 残采区上行开采底板运移预测模型 6.6 本章小结 7 残采区上行开采技术及应用 7.1 概述 7.2 白家庄煤矿残采区概况 7.3 白家庄煤矿残采区上行开采可行性分析 7.4 白家庄煤矿残采区上行开采方案工业实施 7.5 本章小结 8 主要结论 参考文献
版权页： 插图： 2 残采区上行开采模拟试验研究 2.1 概述 在现有生产矿区或矿井中，很多矿区或矿井的采空区上方都遗弃有可采煤层。这些煤炭资源的回采属于典型的残采区上行开采问题。由于下部煤层的开采，采场围岩中发生应力再分布，形成采场周围的高应力区和低应力区。这些影响不仅在该开采煤层内形成，而且按一定规律向其上、下岩（煤）层中传递和扩散，并且引起覆岩的垮落、变形和移动。因此，下部煤层开采对上部煤层的影响非常显著，其底板的完好程度可能受下部煤层开采的影响，并且上部煤层开采覆岩的整体力学环境亦异于常规的下行开采：如下部煤层采用长壁全部垮落法管理顶板时，上部煤层开采时的底板为因下部煤层开采而遭到损伤的层间岩层和下部煤层开采时垮落的矸石；上部煤层开采时的顶板被弱化可能比正常下行开采的顶板破碎。若下部煤层开采为刀柱采煤法时，下部煤层开采后采空区残留的诸多煤柱在底板形成应力集中现象，并且可能使底板处于严格意义上的“蹬空状态”。这些不同的力学条件，必然使残采区上行开采的可行性和可操作性成为人们关注的焦点。 关于上行开采的问题，波兰的W•捷赫维茨、B•克鲁宾斯基、M•胡德克、马克叶夫斯基、T•斯达朗、前苏联的A•П•基里雅奇科夫、T•H•库兹涅佐夫、B•д•斯列沙烈夫、我国学者刘天泉院士、汪理全教授等都曾做过一定的研究（3-5）。其中，W•捷赫维茨、B•克鲁宾斯基、M•胡德克、马克叶夫斯基、T•斯达朗、前苏联的A•п•基里雅奇科夫、T•H•库兹涅佐夫、B•д•斯列沙烈夫都是从上下煤层的层间距入手，研究其极限层间距与下层煤采高、岩石碎胀系数、冒矸压缩率、煤层倾角等参数的经验公式。以刘天泉院士为代表的学者从煤层开采后形成的“三带”情况入手，认为上部煤层应处于下部煤层开采形成的围岩垮落带以上；并结合我国部分煤矿上行开采的实例，分析回归出上行开采必要层间距的计算公式。汪理全教授提出了围岩平衡法判定上行开采的可行性。这些研究在一定范围内为上行开采的实践提供了理论依据。 这些研究多集中于基于经验公式的可行性探索，但是用于统计的样本数量不可能涵盖所有上行开采的岩层组合情况，并且岩层本身不同地域、不同岩性力学性质的巨大差异，使得目前的经验公式在使用时未必完全合适、合理。就“三带”理论而言，其垮落带高度的计算本身也带有一定的经验性并且计算差异较大。围岩平衡法注重层间岩层岩性状况，为揭示上行开采的机理迈进了一大步，但是在确定平衡岩层时主观性较强，使不同人员的判定结果可能出现差异，而且也没有进一步揭示岩层结构机理。这些研究都没有对底板岩层移动规律进行分析探究，即目前的研究没有从岩层结构本身的实质进行研究，以至于在实际操作中没有系统的理论做指导。而其实质是非常复杂的，尤其是层间岩层失稳垮落、移动变形过程中的岩层结构特点、覆岩移动变形规律等，而这些问题正是分析上行开采机理及条件的关键。
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