本书系统阐述了煤矿坚硬顶板采场矿压控制技术体系及其工程应用。全书共分为8章，内容包括：对大同矿区坚硬顶板分布特征的分析；构建并实现了覆岩压力计算模型；通过室内大尺度真三轴水力压裂试验，研究了水压裂缝扩展规律及其影响因素；提出了地面压裂弱化坚硬顶板的技术方法，确定了关键参数的选择标准；最终形成了完整的坚硬顶板采场矿压控制技术体系，并在大同塔山矿区成功进行了工程应用和现场验证。
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中国煤炭工业协会科技进步一等奖，排名第2；中国岩石力学与工程学会科技进步奖一等奖，，排名第2。
目录
第1章 绪论 1
第2章 复合坚硬顶板的判断准则及影响因素 3
2.1 复合坚硬顶板强矿压显现特征 4
2.1.1 矿压显现规律观测 4
2.1.2 强矿压显现特征分析 5
2.2 复合坚硬顶板的力学模型 5
2.2.1 组合截面中性轴的确定 6
2.2.2 复合坚硬顶板的力学模型与分析 7
2.2.3 复合坚硬顶板的判断准则 12
2.3 复合坚硬顶板的破坏形式及破断步距 13
2.4 复合坚硬顶板的判定与分析 13
2.5 复合坚硬顶板变形与破断的影响因素分析 17
第3章 覆岩压力影响因素分析 21
3.1 十二参数采场覆岩压力计算模型的建立 21
3.1.1 垮落带岩层对下覆岩层的压力 22
3.1.2 裂隙带岩层对下覆岩层的压力 25
3.1.3 弯曲下沉带岩层对下覆岩层的压力 28
3.1.4 覆岩楔形岩体对下覆岩层压力的求解 32
3.1.5 十二参数采场覆岩压力计算模型 33
3.2 十二参数采场覆岩压力计算的程序实现 36
3.3 采场覆岩压力的影响因素分析 39
3.3.1 岩层层位 39
3.3.2 煤层采高 42
3.3.3 岩层碎胀系数 42
3.3.4 岩层重力密度 43
3.3.5 岩层厚度 44
3.3.6 岩层弹性模量 45
3.3.7 岩层抗拉强度 46
3.3.8 覆岩垮落角 47
3.3.9 工作面推进长度 47
第4章 地面水力压裂控制强矿压显现数值模拟研究 49
4.1 地面水力压裂控制强矿压显现的数值模拟 49
4.1.1 数值模拟建模 49
4.1.2 数值模拟的有效性分析 52
4.1.3 长壁开采中覆岩的损伤 53
4.1.4 水压裂缝的活化 55
4.1.5 力学参数的劣化 57
4.1.6 水压裂缝对应力分布的扰动 57
4.1.7 水压裂缝对坚硬顶板破断的影响 58
4.1.8 工作面支承压力分析 59
4.2 坚硬顶板强度弱化对采场矿压显现影响的数值模拟研究 61
4.2.1 研究现场工作面概况及模型建立 61
4.2.2 坚硬顶板强度弱化方案 66
4.2.3 单层坚硬顶板强度弱化 67
4.2.4 多层坚硬顶板联合强度弱化 72
4.3 水压裂缝对坚硬顶板采场矿压显现影响的研究 74
4.3.1 水压裂缝对坚硬顶板强度影响的理论研究 74
4.3.2 水压裂缝对坚硬顶板采场矿压显现影响的数值模拟研究 80
第5章 采动应力场下坚硬顶板中水压裂缝扩展规律数值模拟研究 87
5.1 采动应力场下坚硬顶板中水压裂缝的扩展 87
5.1.1 复杂应力场的应力分布特征 87
5.1.2 复杂应力场坚硬顶板水压裂缝扩展模型 93
5.1.3 复杂应力场坚硬顶板水压裂缝扩展规律 97
5.2 坚硬顶板中水压裂缝扩展的理论分析 108
5.2.1 层理面和天然裂缝对水压裂缝扩展的影响 108
5.2.2 层间物性差异影响机制 112
5.2.3 裂缝扩展规律及裂缝网络形成条件 114
5.3 坚硬顶板中水压裂缝扩展数值分析 115
5.3.1 均质岩层水压裂缝扩展规律数值分析 115
5.3.2 层间遮挡效应数值分析 117
5.3.3 坚硬顶板水压裂缝网络形成机制数值分析 120
5.4 多裂缝发育和扩展路径演化数值模拟 124
5.4.1 数值模型与方案设计 124
5.4.2 裂缝扩展最大和尖端应力分析 126
5.4.3 不同压裂参数对多裂缝扩展及应力干扰的影响分析 127
第6章 压裂参数对水平井多裂缝扩展影响的物理模型试验 130
6.1 地面压裂坚硬顶板大型真三轴相似物理模拟试验研究 130
6.1.1 大型真三轴水力压裂坚硬顶板物理模拟试验系统 130
6.1.2 试验方案 137
6.1.3 地面压裂坚硬顶板砂岩水压裂缝扩展规律 141
6.2 坚硬顶板大型真三轴水力压裂试验研究 146
6.2.1 坚硬顶板岩石力学性质 146
6.2.2 大型真三轴水力压裂坚硬顶板试验研究 154
6.2.3 坚硬顶板砂岩大型室内水力压裂试验 164
6.3 真三轴相似物理模拟试验系统和水射流平台 178
6.3.1 真三轴相似物理模拟试验机 178
6.3.2 数据采集处理和伺服控制系统 179
6.3.3 四维水射流割缝平台 180
6.3.4 柱塞泵和压裂系统 181
6.3.5 试验过程系统路线 181
6.4 致密砂岩多裂缝扩展及相互干扰试验 182
6.4.1 试件制备 182
6.4.2 水射流割缝 183
6.5 水力压裂试验设计 184
6.6 试验结果曲线特征 185
6.6.1 割缝间距曲线分析 185
6.6.2 高应力差和大排量曲线分析 185
6.7 试验结果形态分析 186
6.7.1 裂缝起裂特征 186
6.7.2 复杂裂缝网络形成机理 187
6.7.3 不同压裂参数对多裂缝扩展影响分析 188
第7章 地面水力压裂目标层判定 190
7.1 基于采场覆岩压力分析的地面水力压裂目标层判定 190
7.1.1 赋存坚硬顶板煤矿的强矿压显现 190
7.1.2 大同矿区塔山煤矿的地质条件 191
7.1.3 采场覆岩压力分析 193
7.1.4 地面水力压裂目标层判定 194
7.2 地面水力压裂目标层判定结果的验证 195
7.2.1 长壁开采过程数值模拟方法 195
7.2.2 长壁开采过程数值模拟 197
7.2.3 顶板的能量释放事件 199
7.2.4 弱化顶板后的超前支承应力 203
7.3 基于坚硬顶板强度弱化的采场强矿压显现控制效果分析 205
7.3.1 数值模型的建立 205
7.3.2 坚硬顶板强度弱化方案 206
7.3.3 单层坚硬顶板强度弱化对采场强矿压显现的影响 207
7.3.4 多层坚硬顶板强度弱化对采场强矿压显现的影响 210
第8章 大空间采场坚硬顶板地面压裂精准控制技术现场应用 216
8.1 塔山煤矿地面垂直井分层压裂弱化坚硬顶板技术现场应用 216
8.1.1 水力压裂方案 216
8.1.2 水压裂缝的扩展监测 220
8.1.3 水力压裂过程及参数分析 222
8.1.4 微震监测结果分析 225
8.1.5 水力压裂坚硬顶板对工作面矿压显现的影响 229
8.2 同忻煤矿煤柱上下坚硬岩层协同压裂控制技术现场应用 232
8.2.1 同忻煤矿现场概况 232
8.2.2 压裂层位的确定 235
8.2.3 钻孔位置选择与施工 235
8.2.4 水压裂缝形态分析 237
8.2.5 水力压裂坚硬顶板对工作面矿压显现的影响 238
参考文献 239
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