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本书主要内容包括：冲沟发育区浅埋煤层地质特征及分类、冲沟下浅埋煤层采动覆岩活动特征、冲沟毗邻区浅埋煤层采动覆岩活动特征、冲沟发育区浅埋煤层开采顶板控制机理、冲沟发育区浅埋煤层开采顶板控制技术体系。内容具有全面性、前瞻性和实用性。

随着我国东部矿区煤炭资源的枯竭,中部资源与环境约束的矛盾加剧,我国煤炭资源开发重心已快速转移到西部干旱半干旱地区。西北矿区地表受风蚀、水蚀严重,地表冲沟纵横交错。以鄂尔多斯东胜煤田为例,煤炭储量727.52亿t,地表植被稀疏,水土保持能力较弱,地表水蚀严重,冲沟纵横,坡体产状变化大,地形支离破碎,相对高差100余米。由于煤层埋藏浅(200m以浅),地表起伏变化对地下煤炭开采的影响及响应更为敏感和剧烈,对矿井安全高效生产造成了重大的负面影响。在鄂尔多斯和神东矿区的煤炭开采过程中,多次出现由于冲沟下开采异常来压造成的煤柱倾倒、大面积冒顶及工作面压架现象。

然而,现有矿压成果较少考虑地表冲沟等对井下开采的影响,或仅单向考虑井下开采造成地表沉陷规律的变化,针对冲沟下浅埋煤层开采坡体结构特征及其控制机理等方面的研究则相对较少。目前,学术界广泛接受的关键层理论等较好地解释了顶板结构运动规律及其衍生的矿山压力显现特征及地表沉陷规律,但将其上覆岩层作为等效载荷来考虑,也难以从根本上解释冲沟下开采矿山压力异常显现的现象。国内外学者以钱鸣高院士提出的“砌体梁”与关键层理论为基础,对厚砂薄基浅埋煤层开采进行了大量研究工作,代表性成果有“组合关键层”、“短砌体梁”、“台阶岩梁”等,但都是基于一般赋存条件,均未涉及浅埋条件下地表起伏对工作面覆岩活动规律的影响。随着西部煤炭的大规?？?薄基岩浅埋深冲沟下开采的情况将越来越多,亟须相应的理论指导来确保冲沟发育区浅埋煤层工作面的安全高效生产。

近十年来,课题组针对西北冲沟发育区浅埋煤层开采中的异?？笱瓜窒蟆⒅略只砑翱刂评砺劢辛松钊胂低车难芯?并在内蒙古伊泰矿区、神东矿区进行了工业性试验与应用推广。首次揭示并证实了向沟开采时以层状结构顺坡滑移、背沟开采时以“多边块”结构反坡倒转的坡体活动方式;并对邻沟区浅埋煤层覆岩结构进行了系统分类,研究了覆岩结构类型对覆岩活动的影响特征;分析了基岩型采动坡体的“多边块”铰接结构和沙土质型采动坡体非对称顶板结构的稳定性及其对工作面矿压显现的影响特征,提出了控制顶板结构滑落失稳的支护阻力计算方法,补充完善了浅埋煤层岩层控制理论;首次采用放射性测量方法探测地下煤炭开采覆岩裂隙的动态发育过程,并成功研究出顶板破断位置地表氡气探测超前预报方法。结合地表氡气探测、覆岩钻孔探测及井下矿压实测,形成了覆岩活动动态特征的“时空三位一体化”综合探测方法,为工作面顶板控制及地表采动坡体活动预报提供了依据;首次基于裂深比、冲沟切割系数及坡角等指标,对冲沟坡体采动敏感性进行了分类分区,构建了冲沟发育矿区顶板控制技术体系?？⒉⑹凳┝斯ぷ髅娑グ逶ち亚恐品哦ゼ际?、局部注浆充填技术、采高优化技术、短壁开采技术、沿沟开采技术等,通过调整采煤方法、优化开采设计,实现了矿区的安全高效开采。

全书的整体构思、统稿和审定工作由张东升负责完成。本书共有7章内容,各章编写分工:第1章,张东升、范钢伟、王旭锋、张炜;第2章,张东升、王旭锋;第3章,范钢伟、王旭锋;第4章,范钢伟、张炜;第5章,王旭锋、范钢伟;第6章,张炜、刘洪林;第7章,张东升、范钢伟。此外,本书的撰写,得到了翟德元教授的指导与建议。

在本研究的实施过程中,刘玉德博士、马立强博士、王红胜博士及封金权硕士、卢鑫硕士、崔廷锋硕士、王晓东硕士、吴鑫硕士、李翔硕士、王冠硕士等在现场实测中付出了辛勤的工作;在本书的撰写过程中,王宏志博士、张胜龙硕士、王红硕士、张鑫硕士等参与了部分材料的收集和整理工作。在此表示感谢。

本书涉及的科研成果多是与企业单位合作完成的。内蒙古伊泰集团、神华集团神东煤炭公司等单位领导和工程技术人员给予了大力帮助和支持。本书的出版得到了新疆大学“天山学者”启动基金项目、新疆维吾尔自治区引进高层次人才项目、国家自然科学基金项目(51264035)、新疆维吾尔自治区自然科学基金项目(2013211B08)和中央高?；究蒲幸滴穹炎ㄏ钭式鹣钅?2012QNA35)资助。在此一并表示感谢。

由于作者水平所限,书中缺点和错误在所难免,恳请读者批评指正。

著 者

二○一四年三月

1 绪论………………………………………………………………………………………… 1

1.1 课题的提出及研究意义…………………………………………………………… 1

1.2 研究现状及存在的问题…………………………………………………………… 2

1.3 主要研究内容与方法……………………………………………………………… 6

2 冲沟发育区浅埋煤层地质特征及分类…………………………………………………… 8

2.1 地质赋存特征分析………………………………………………………………… 8

2.2 浅埋煤层分类……………………………………………………………………… 12

2.3 本章小结…………………………………………………………………………… 14

3 冲沟下浅埋煤层采动覆岩活动特征……………………………………………………… 15

3.1 基岩型冲沟采动坡体活动特征…………………………………………………… 15

3.2 沙土质型冲沟采动坡体活动特征………………………………………………… 33

3.3 本章小结…………………………………………………………………………… 45

4 冲沟毗邻区浅埋煤层采动覆岩活动特征及探测………………………………………… 47

4.1 冲沟毗邻区浅埋煤层采动覆岩活动特征………………………………………… 47

4.2 三类不同条件下采动覆岩活动特征对比………………………………………… 56

4.3 覆岩活动特征“三位一体”探测…………………………………………………… 57

4.4 本章小结…………………………………………………………………………… 88

5 冲沟发育区浅埋煤层开采顶板控制机理………………………………………………… 89

5.1 采动覆岩活动方式的影响因素…………………………………………………… 89

5.2 冲沟采动坡体敏感性分类………………………………………………………… 92

5.3 顶板结构稳定性分析……………………………………………………………… 97

5.4 本章小结………………………………………………………………………… 138

6 冲沟发育区浅埋煤层开采顶板控制技术体系………………………………………… 140

6.1 浅埋长壁工作面支护阻力计算………………………………………………… 140

6.2 沿沟开采技术…………………………………………………………………… 142

6.3 工作面顶板预裂强制放顶技术………………………………………………… 148

6.4 局部注浆充填技术……………………………………………………………… 153

6.5 采高优化技术…………………………………………………………………… 157

6.6 短壁开采技术…………………………………………………………………… 161

6.7 本章小结………………………………………………………………………… 167

7 主要结论………………………………………………………………………………… 168

参考文献……………………………………………………………………………………… 170