《煤矿坚硬顶板采场矿压控制理论与技术》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。《煤矿坚硬顶板采场矿压控制理论与技术》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；*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。

第1章 绪论
　　煤炭是我国能源安全的“压舱石”和“稳定器”，在我国一次性能源结构中占主导地位（周宏春等，2005；邓志茹，2011），2023年煤炭消费比重达55.3%。我国6～20m及以上的特厚煤层储量丰富，其资源储量占我国煤炭资源总量的45%～50%（戴新颖，2015）。未来的几十年，煤炭作为我国的主体能源和重要的工业原料，在国民经济建设中仍然具有非常重要的战略地位（郑欢，2014；滕吉文等，2016）。因此，特厚煤层的安全高效开采对保障我国能源供给具有重大意义。然而，我国煤层赋存条件复杂，其中上覆坚硬顶板的煤层约占1/3，分布涵盖了50%以上的矿区，我国重点建设的14个大型煤炭基地大部分矿区和煤田都存在坚硬顶板难垮落问题（于斌等，2013，2018a，2018b，2018c，2019；于斌，2014），实现坚硬岩层运动科学预控具有巨大的社会效益。
　　近年来，随着大采高综合机械化放顶煤开采（简称综放开采）技术及装备的推广，采高不断增加，上覆多层坚硬顶板的特厚煤层综放开采出现了新的矿压问题（Yu，2016；Yu et al.，2017；于斌等，2018c）。例如，塔山矿、同忻矿3-5#煤层综放工作面开采过程中，即使已经采用额定工作阻力15000kN的低位放顶煤支架，工作面仍然频繁发生强矿压现象，表现出工作面来压时强度大（35～41MPa）、持续时间长（*长达48.5h）、安全阀开启频繁（支架活柱下缩速度*大为300mm/h）、动载系数大（1.41～1.54）、支架立柱下缩量大（800～1100mm）等强矿压显现特征。截至2021年，仅同忻煤矿和塔山煤矿石炭系特厚煤层综放开采强矿压显现已达132次（于斌等，2018c），其中，塔山煤矿工作面发生压架事故就达21次（部分事故地点如图1.1所示）。这些问题不仅存在于中国，印度和美国也是如此。在印度的奇里米里煤矿和美国肯塔基州东部的漂移煤矿，频繁发生的强地压导致电缆螺栓断裂，导致顶板坍塌，在特厚煤层工作面至少发生过4起致命事故和2起重伤事故（Maleki，1995；Singh et al.，2008）。
　　工作面上覆坚硬顶板的控制问题一直是采矿安全领域的研究热点（徐林生和谷铁耕，1985；高存宝等，1994；王开等，2009；潘岳等，2013，2015）。坚硬顶板普遍具有分层厚度大、强度高、整体性好、自稳能力强等特点（王银涛，2015），通常是对邻近岩层运动起控制作用的关键层顶板。由于坚硬顶板难以随工作面回采而自然垮落，极易形成大面积的悬空顶板，造成工作面控顶区应力高度集中，给工作面的支护和顶板管理带来很大压力，同时大面积悬空顶板一旦发生突然垮落，将会形成强烈的冲击载荷，对采煤工作面产生巨大的扰动作用，极易造成工作面压架事故（郭卫彬等，2014），诱发冲击气流（严国超等，2009）、冲击地压（陆菜平等，2010；霍丙杰等，2019）、煤与瓦斯突出（周楠，2014）等灾害，同时由于采空区存在大量遗煤和瓦斯、CO等有毒有害气体，故也存在引发采空区瓦斯爆燃（爆炸）（张培鹏等，2014）、有害气体异常涌入工作面（Wang et al.，2015）的风险，对工作面的安全生产构成了极大威胁。
　　图1.1 塔山煤矿坚硬顶板特厚煤层综放开采工作面强矿压显现灾害示意图
　　采场矿压显现与上覆岩层的破断结构运动密切相关，采场上覆岩层形成的结构形态及其稳定性直接影响采场矿压（窦林名等，2003，2005；钱鸣高等，2010；He et al.，2012；Lin et al.，2016；高瑞，2018）。特厚煤层上覆坚硬顶板时，多层坚硬顶板破断失稳造成工作面不同程度矿压显现，尤其是距煤层100～200m的高位坚硬岩层，因其破断步距大，影响范围广，其破断失稳易造成工作面强矿压显现，支架压死、巷道支柱折损现象突出（Shen et al.，2016；Yu，2016；Bai et al.，2017）。而目前高位坚硬顶板特厚煤层综放开采工作面强矿压显现的机理尚不明确，更缺少高位坚硬顶板主动控制技术手段（姜耀东等，2014；靳钟铭和徐林生，1994）。
　　针对高位坚硬顶板强矿压显现机理不明确、缺少高位坚硬顶板主动控制技术手段等问题，本书依托国家自然科学基金面上项目“坚硬顶板压裂与采动裂隙耦合演化规律及矿压控制机理”（项目编号：51974042）和山西省科技重大专项揭榜招标项目“特厚煤层坚硬顶板多场耦合致灾机理及协同控制”（项目编号：20191102009），*先根据现场实测、数值模拟及现场监测创新性地将大空间采场强矿压显现与高位坚硬顶板失稳破断两者有机结合展开研究，揭示大空间采场强矿压显现与高位坚硬顶板时空关系的形成机理，并结合数值模拟分析了影响因素；提出了减缓强矿压显现的坚硬顶板弱化控制技术，研究了地面压裂弱化高位坚硬顶板控制强矿压显现机理，构建了地面压裂高位坚硬顶板关键参数确定判据。本书的研究成果不仅有助于减缓特厚煤层综放开采大空间采场强矿压显现，也能够科学预控高位坚硬失稳破断，为特厚煤层安全高效开采提供相应技术保障。
　　第2章 复合坚硬顶板的判断准则及影响因素
　　大同矿区的坚硬顶板具有层数多、厚度大、强度高等特点，以坚硬砂岩层为主，而坚硬顶板间往往存在强度较低的软夹层，如泥岩、砂质泥岩等，如图2.1所示。当两层坚硬顶板间存在软夹层时，两层坚硬顶板极易发生同步运动而形成复合坚硬顶板，使坚硬顶板岩层产生明显的刚度和强度增加的现象，破断步距和破断产生的冲击载荷增大，使工作面矿压显现更加强烈，因此应将复合坚硬顶板作为强矿压显现治理的重要目标对象。
　　2.1 复合坚硬顶板强矿压显现特征
　　2.1.1 矿压显现规律观测
　　1.塔山煤矿8102工作面
　　8102工作面在回采期间发生来压77次，包括初次来压和76次周期来压。通过现场观测发现，直接顶的初次破断步距约为35m，基本顶的初次破断步距为50m；工作面推进过程中，基本顶周期来压步距变化较大，为18～21.7m。工作面每次来压时支架压力较大，工作阻力可达到10000kN以上，而且工作面中部压力显现比较明显。
　　根据工作面来压强度，可将工作面分为3个区域：30#～70#支架范围为来压强烈区，其特点为来压强度大，持续时间长，安全阀开启频繁，来压时每小时4～6次；17#～30#、70#～105#支架区域为来压强度相对较小区，其特点为持续时间相对较短，来压时每小时安全阀开启2～3次；工作面上下两端头附近为来压不明显区，其特点为来压时支架持续增阻，但安全阀开启次数较少，相对增阻时间较长。
　　当工作面日推进长度超过4.0m时，活柱下缩量为20～60mm，后柱阻力明显高于前柱；当工作面日推进长度小于4.0m或停采期间，顶板一般向煤壁方向发生回转下沉，造成机道顶板台阶下沉，支架阻力剧增，安全阀开启，支架活柱下缩速度*大可达320mm/h，工作面发生整体来压。
　　工作面的推进速度直接影响工作面的来压强度和来压步距。当工作面的日推进长度超过4.0m时，工作面来压比较平稳；当日推进长度为3.0～4.0m时，工作面来压比较明显；当日推进长度小于3.0m时，工作面来压强烈，极易发生压架事故。工作面回采期间，由于推进速度过慢，共发生3次严重的压架事故，43根后立柱损坏。
　　2.同忻煤矿8203工作面
　　8203工作面在回采期间发生来压76次，其中周期来压75次，老顶初次来压步距81.1m，周期来压步距为10.35～41.40m，平均周期来压步距为23.15m。根据周期来压期间矿压显现剧烈程度，对周期来压次数进行了统计，其中周期来压显现一般强烈9次；周期来压显现中等强烈26次；周期来压显现强烈40次，支架*大工作压力达到50MPa。
　　工作面初次来压时，顶板响动，机道局部顶煤破碎，有炸帮现象，来压范围较大，工作面来压显现明显，来压强度中等强烈至强烈。35#～85#、105#支架的增阻迹象明显，其中105#支架的*大工作压力达40.1MPa。
　　周期来压时部分支架的增阻迹象明显，并伴有安全阀开启、顶板响动等现象；周期来压强度呈现规律性变化，一般每间隔2～3次一般强烈的周期来压，工作面就会出现1～2次强烈的周期来压，表现为来压持续时间较长，工作面迅速增阻支架数量增多，部分安全阀开启，煤壁片帮，机道顶煤受压破碎，工作面顺槽超前支护段有炸帮现象，个别钢梁压弯，单体支柱折损，顶板下沉，并有帮鼓和底鼓现象发生。
　　2.1.2 强矿压显现特征分析
　　通过现场的矿压观测可以发现，塔山煤矿和同忻煤矿均存在强矿压显现的问题，主要具有以下特征。
　　（1）初次来压和周期来压步距大、强度高、动载系数大，基本顶岩层的整体稳定性好，其破断失稳会造成强烈动载特征。基本顶初次来压步距平均大于50m，*大可达118.1m；基本顶周期来压步距大于18m，*大达41.4m。
　　（2）基本顶在来压期间具有强矿压显现特征。在来压期间，工作面中部经常出现顶板端面破碎、煤壁片帮、顶板下沉量大等现象；基本顶来压强度大，持续时间长，安全阀开启频繁，支架活柱下缩速度*大为300mm/h，工作面每次来压时支架压力较大，煤壁片帮深度可达1000mm以上。
　　（3）基本顶周期来压总体呈现出强弱交替的规律性特征。工作面每间隔2～3次一般强烈的周期来压，就会有1～2次强烈的周期来压显现，表现为工作面迅速增阻的支架数量增多，煤壁片帮，有时出现连续的来压现象。
　　（4）工作面强矿压显现期间，采场围岩动载特征明显，基本顶周期来压动载系数大，支架阻力迅速增加，会使安全阀频繁开启。
　　（5）在工作面来压时，工作面中部一般*先发生破断，然后向两端头扩展；工作面中部的压力较大，有时甚至出现连续来压的现象；当工作面两端头不平行推进时，工作面中部靠前一侧*先破断，然后向两端头扩展。
　　2.2 复合坚硬顶板的力学模型
　　当工作面上覆岩层中存在两层以上坚硬顶板岩层时，某一层坚硬顶板的运动会对其上部或下部坚硬顶板的变形、破断产生影响，这种影响称为两层坚硬顶板间的复合效应。在采场覆岩由下至上的运动发展过程中，并非依次从下向上传递，有时会出现两层或两层以上岩层发生同步运动的情况（Wang et al.，2012，2018）。将两层以上发生同步运动的坚硬顶板称为复合坚硬顶板。相关研究发现，复合坚硬顶板相比单一坚硬顶板在岩层运动中的控制作用和线性叠加作用要大得多。
　　建立如图2.2所示的采场上覆复合坚硬顶板模型，该模型由煤层及其上覆的四层岩层（垫层、1#硬岩、软夹层和2#硬岩）组成，其中垫层随采随冒，1#、2#硬岩是具有一定厚度、强度的坚硬顶板岩层，强度明显高于两者之间的软夹层。当1#硬岩、软夹层和2#硬岩发生同步运动时，即形成复合坚硬顶板。
　　图2.2 采场上覆复合坚硬顶板模型
　　注：q为单位面积垂向载荷；h1为1#硬岩厚度；h2为软夹层厚度；h3为2#硬岩厚度；L为采空区长度。
　　2.2.1 组合截面中性轴的确定
　　建立如图2.3所示的复合坚硬顶板分析模型，该模型为由三层材料组成矩形截面的复合梁，从下至上分别为1#硬岩、软夹层和2#硬岩，岩层厚度、弹性模量分别为和，认为中性轴位于软夹层，中性轴距1#硬岩下截面的距离为。2#硬岩所承受的单位面积垂向载荷为。
　　由于横截面上的正应力为
　　式中，为岩层的弹性模量；为中性轴的*率半径。
　　根据横截面上的静力关系，可得

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*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*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*线特征 185
6.6.1 割缝间距*线分析 185
6.6.2 高应力差和大排量*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