本書主要內(nèi)容包括：沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層地質(zhì)特征及分類、沖溝下淺埋煤層采動覆巖活動特征、沖溝毗鄰區(qū)淺埋煤層采動覆巖活動特征、沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層開采頂板控制機理、沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層開采頂板控制技術(shù)體系。內(nèi)容具有全面性、前瞻性和實用性。

隨著我國東部礦區(qū)煤炭資源的枯竭,中部資源與環(huán)境約束的矛盾加劇,我國煤炭資源開發(fā)重心已快速轉(zhuǎn)移到西部干旱半干旱地區(qū)。西北礦區(qū)地表受風(fēng)蝕、水蝕嚴重,地表沖溝縱橫交錯。以鄂爾多斯東勝煤田為例,煤炭儲量727.52億t,地表植被稀疏,水土保持能力較弱,地表水蝕嚴重,沖溝縱橫,坡體產(chǎn)狀變化大,地形支離破碎,相對高差100余米。由于煤層埋藏淺(200m以淺),地表起伏變化對地下煤炭開采的影響及響應(yīng)更為敏感和劇烈,對礦井安全高效生產(chǎn)造成了重大的負面影響。在鄂爾多斯和神東礦區(qū)的煤炭開采過程中,多次出現(xiàn)由于沖溝下開采異常來壓造成的煤柱傾倒、大面積冒頂及工作面壓架現(xiàn)象。

然而,現(xiàn)有礦壓成果較少考慮地表沖溝等對井下開采的影響,或僅單向考慮井下開采造成地表沉陷規(guī)律的變化,針對沖溝下淺埋煤層開采坡體結(jié)構(gòu)特征及其控制機理等方面的研究則相對較少。目前,學(xué)術(shù)界廣泛接受的關(guān)鍵層理論等較好地解釋了頂板結(jié)構(gòu)運動規(guī)律及其衍生的礦山壓力顯現(xiàn)特征及地表沉陷規(guī)律,但將其上覆巖層作為等效載荷來考慮,也難以從根本上解釋沖溝下開采礦山壓力異常顯現(xiàn)的現(xiàn)象。國內(nèi)外學(xué)者以錢鳴高院士提出的“砌體梁”與關(guān)鍵層理論為基礎(chǔ),對厚砂薄基淺埋煤層開采進行了大量研究工作,代表性成果有“組合關(guān)鍵層”、“短砌體梁”、“臺階巖梁”等,但都是基于一般賦存條件,均未涉及淺埋條件下地表起伏對工作面覆巖活動規(guī)律的影響。隨著西部煤炭的大規(guī)模開采,薄基巖淺埋深沖溝下開采的情況將越來越多,亟須相應(yīng)的理論指導(dǎo)來確保沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層工作面的安全高效生產(chǎn)。

近十年來,課題組針對西北沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層開采中的異常礦壓現(xiàn)象、致災(zāi)機理及控制理論進行了深入系統(tǒng)的研究,并在內(nèi)蒙古伊泰礦區(qū)、神東礦區(qū)進行了工業(yè)性試驗與應(yīng)用推廣。首次揭示并證實了向溝開采時以層狀結(jié)構(gòu)順坡滑移、背溝開采時以“多邊塊”結(jié)構(gòu)反坡倒轉(zhuǎn)的坡體活動方式;并對鄰溝區(qū)淺埋煤層覆巖結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)分類,研究了覆巖結(jié)構(gòu)類型對覆巖活動的影響特征;分析了基巖型采動坡體的“多邊塊”鉸接結(jié)構(gòu)和沙土質(zhì)型采動坡體非對稱頂板結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響特征,提出了控制頂板結(jié)構(gòu)滑落失穩(wěn)的支護阻力計算方法,補充完善了淺埋煤層巖層控制理論;首次采用放射性測量方法探測地下煤炭開采覆巖裂隙的動態(tài)發(fā)育過程,并成功研究出頂板破斷位置地表氡氣探測超前預(yù)報方法。結(jié)合地表氡氣探測、覆巖鉆孔探測及井下礦壓實測,形成了覆巖活動動態(tài)特征的“時空三位一體化”綜合探測方法,為工作面頂板控制及地表采動坡體活動預(yù)報提供了依據(jù);首次基于裂深比、沖溝切割系數(shù)及坡角等指標,對沖溝坡體采動敏感性進行了分類分區(qū),構(gòu)建了沖溝發(fā)育礦區(qū)頂板控制技術(shù)體系。開發(fā)并實施了工作面頂板預(yù)裂強制放頂技術(shù)、局部注漿充填技術(shù)、采高優(yōu)化技術(shù)、短壁開采技術(shù)、沿溝開采技術(shù)等,通過調(diào)整采煤方法、優(yōu)化開采設(shè)計,實現(xiàn)了礦區(qū)的安全高效開采。

全書的整體構(gòu)思、統(tǒng)稿和審定工作由張東升負責(zé)完成。本書共有7章內(nèi)容,各章編寫分工:第1章,張東升、范鋼偉、王旭鋒、張煒;第2章,張東升、王旭鋒;第3章,范鋼偉、王旭鋒;第4章,范鋼偉、張煒;第5章,王旭鋒、范鋼偉;第6章,張煒、劉洪林;第7章,張東升、范鋼偉。此外,本書的撰寫,得到了翟德元教授的指導(dǎo)與建議。

在本研究的實施過程中,劉玉德博士、馬立強博士、王紅勝博士及封金權(quán)碩士、盧鑫碩士、崔廷鋒碩士、王曉東碩士、吳鑫碩士、李翔碩士、王冠碩士等在現(xiàn)場實測中付出了辛勤的工作;在本書的撰寫過程中,王宏志博士、張勝龍碩士、王紅碩士、張鑫碩士等參與了部分材料的收集和整理工作。在此表示感謝。

本書涉及的科研成果多是與企業(yè)單位合作完成的。內(nèi)蒙古伊泰集團、神華集團神東煤炭公司等單位領(lǐng)導(dǎo)和工程技術(shù)人員給予了大力幫助和支持。本書的出版得到了新疆大學(xué)“天山學(xué)者”啟動基金項目、新疆維吾爾自治區(qū)引進高層次人才項目、國家自然科學(xué)基金項目(51264035)、新疆維吾爾自治區(qū)自然科學(xué)基金項目(2013211B08)和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目(2012QNA35)資助。在此一并表示感謝。

由于作者水平所限,書中缺點和錯誤在所難免,懇請讀者批評指正。

著 者

二○一四年三月

1 緒論………………………………………………………………………………………… 1

1.1 課題的提出及研究意義…………………………………………………………… 1

1.2 研究現(xiàn)狀及存在的問題…………………………………………………………… 2

1.3 主要研究內(nèi)容與方法……………………………………………………………… 6

2 沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層地質(zhì)特征及分類…………………………………………………… 8

2.1 地質(zhì)賦存特征分析………………………………………………………………… 8

2.2 淺埋煤層分類……………………………………………………………………… 12

2.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 14

3 沖溝下淺埋煤層采動覆巖活動特征……………………………………………………… 15

3.1 基巖型沖溝采動坡體活動特征…………………………………………………… 15

3.2 沙土質(zhì)型沖溝采動坡體活動特征………………………………………………… 33

3.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 45

4 沖溝毗鄰區(qū)淺埋煤層采動覆巖活動特征及探測………………………………………… 47

4.1 沖溝毗鄰區(qū)淺埋煤層采動覆巖活動特征………………………………………… 47

4.2 三類不同條件下采動覆巖活動特征對比………………………………………… 56

4.3 覆巖活動特征“三位一體”探測…………………………………………………… 57

4.4 本章小結(jié)…………………………………………………………………………… 88

5 沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層開采頂板控制機理………………………………………………… 89

5.1 采動覆巖活動方式的影響因素…………………………………………………… 89

5.2 沖溝采動坡體敏感性分類………………………………………………………… 92

5.3 頂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析……………………………………………………………… 97

5.4 本章小結(jié)………………………………………………………………………… 138

6 沖溝發(fā)育區(qū)淺埋煤層開采頂板控制技術(shù)體系………………………………………… 140

6.1 淺埋長壁工作面支護阻力計算………………………………………………… 140

6.2 沿溝開采技術(shù)…………………………………………………………………… 142

6.3 工作面頂板預(yù)裂強制放頂技術(shù)………………………………………………… 148

6.4 局部注漿充填技術(shù)……………………………………………………………… 153

6.5 采高優(yōu)化技術(shù)…………………………………………………………………… 157

6.6 短壁開采技術(shù)…………………………………………………………………… 161

6.7 本章小結(jié)………………………………………………………………………… 167

7 主要結(jié)論………………………………………………………………………………… 168

參考文獻……………………………………………………………………………………… 170