目錄
第1章 緒論 1
第2章 復合堅硬頂板的判斷準則及影響因素 3
2.1 復合堅硬頂板強礦壓顯現(xiàn)特征 4
2.1.1 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律觀測 4
2.1.2 強礦壓顯現(xiàn)特征分析 5
2.2 復合堅硬頂板的力學模型 5
2.2.1 組合截面中性軸的確定 6
2.2.2 復合堅硬頂板的力學模型與分析 7
2.2.3 復合堅硬頂板的判斷準則 12
2.3 復合堅硬頂板的破壞形式及破斷步距 13
2.4 復合堅硬頂板的判定與分析 13
2.5 復合堅硬頂板變形與破斷的影響因素分析 17
第3章 覆巖壓力影響因素分析 21
3.1 十二參數采場覆巖壓力計算模型的建立 21
3.1.1 垮落帶巖層對下覆巖層的壓力 22
3.1.2 裂隙帶巖層對下覆巖層的壓力 25
3.1.3 彎曲下沉帶巖層對下覆巖層的壓力 28
3.1.4 覆巖楔形巖體對下覆巖層壓力的求解 32
3.1.5 十二參數采場覆巖壓力計算模型 33
3.2 十二參數采場覆巖壓力計算的程序實現(xiàn) 36
3.3 采場覆巖壓力的影響因素分析 39
3.3.1 巖層層位 39
3.3.2 煤層采高 42
3.3.3 巖層碎脹系數 42
3.3.4 巖層重力密度 43
3.3.5 巖層厚度 44
3.3.6 巖層彈性模量 45
3.3.7 巖層抗拉強度 46
3.3.8 覆巖垮落角 47
3.3.9 工作面推進長度 47
第4章 地面水力壓裂控制強礦壓顯現(xiàn)數值模擬研究 49
4.1 地面水力壓裂控制強礦壓顯現(xiàn)的數值模擬 49
4.1.1 數值模擬建模 49
4.1.2 數值模擬的有效性分析 52
4.1.3 長壁開采中覆巖的損傷 53
4.1.4 水壓裂縫的活化 55
4.1.5 力學參數的劣化 57
4.1.6 水壓裂縫對應力分布的擾動 57
4.1.7 水壓裂縫對堅硬頂板破斷的影響 58
4.1.8 工作面支承壓力分析 59
4.2 堅硬頂板強度弱化對采場礦壓顯現(xiàn)影響的數值模擬研究 61
4.2.1 研究現(xiàn)場工作面概況及模型建立 61
4.2.2 堅硬頂板強度弱化方案 66
4.2.3 單層堅硬頂板強度弱化 67
4.2.4 多層堅硬頂板聯(lián)合強度弱化 72
4.3 水壓裂縫對堅硬頂板采場礦壓顯現(xiàn)影響的研究 74
4.3.1 水壓裂縫對堅硬頂板強度影響的理論研究 74
4.3.2 水壓裂縫對堅硬頂板采場礦壓顯現(xiàn)影響的數值模擬研究 80
第5章 采動應力場下堅硬頂板中水壓裂縫擴展規(guī)律數值模擬研究 87
5.1 采動應力場下堅硬頂板中水壓裂縫的擴展 87
5.1.1 復雜應力場的應力分布特征 87
5.1.2 復雜應力場堅硬頂板水壓裂縫擴展模型 93
5.1.3 復雜應力場堅硬頂板水壓裂縫擴展規(guī)律 97
5.2 堅硬頂板中水壓裂縫擴展的理論分析 108
5.2.1 層理面和天然裂縫對水壓裂縫擴展的影響 108
5.2.2 層間物性差異影響機制 112
5.2.3 裂縫擴展規(guī)律及裂縫網絡形成條件 114
5.3 堅硬頂板中水壓裂縫擴展數值分析 115
5.3.1 均質巖層水壓裂縫擴展規(guī)律數值分析 115
5.3.2 層間遮擋效應數值分析 117
5.3.3 堅硬頂板水壓裂縫網絡形成機制數值分析 120
5.4 多裂縫發(fā)育和擴展路徑演化數值模擬 124
5.4.1 數值模型與方案設計 124
5.4.2 裂縫擴展最大和尖端應力分析 126
5.4.3 不同壓裂參數對多裂縫擴展及應力干擾的影響分析 127
第6章 壓裂參數對水平井多裂縫擴展影響的物理模型試驗 130
6.1 地面壓裂堅硬頂板大型真三軸相似物理模擬試驗研究 130
6.1.1 大型真三軸水力壓裂堅硬頂板物理模擬試驗系統(tǒng) 130
6.1.2 試驗方案 137
6.1.3 地面壓裂堅硬頂板砂巖水壓裂縫擴展規(guī)律 141
6.2 堅硬頂板大型真三軸水力壓裂試驗研究 146
6.2.1 堅硬頂板巖石力學性質 146
6.2.2 大型真三軸水力壓裂堅硬頂板試驗研究 154
6.2.3 堅硬頂板砂巖大型室內水力壓裂試驗 164
6.3 真三軸相似物理模擬試驗系統(tǒng)和水射流平臺 178
6.3.1 真三軸相似物理模擬試驗機 178
6.3.2 數據采集處理和伺服控制系統(tǒng) 179
6.3.3 四維水射流割縫平臺 180
6.3.4 柱塞泵和壓裂系統(tǒng) 181
6.3.5 試驗過程系統(tǒng)路線 181
6.4 致密砂巖多裂縫擴展及相互干擾試驗 182
6.4.1 試件制備 182
6.4.2 水射流割縫 183
6.5 水力壓裂試驗設計 184
6.6 試驗結果曲線特征 185
6.6.1 割縫間距曲線分析 185
6.6.2 高應力差和大排量曲線分析 185
6.7 試驗結果形態(tài)分析 186
6.7.1 裂縫起裂特征 186
6.7.2 復雜裂縫網絡形成機理 187
6.7.3 不同壓裂參數對多裂縫擴展影響分析 188
第7章 地面水力壓裂目標層判定 190
7.1 基于采場覆巖壓力分析的地面水力壓裂目標層判定 190
7.1.1 賦存堅硬頂板煤礦的強礦壓顯現(xiàn) 190
7.1.2 大同礦區(qū)塔山煤礦的地質條件 191
7.1.3 采場覆巖壓力分析 193
7.1.4 地面水力壓裂目標層判定 194
7.2 地面水力壓裂目標層判定結果的驗證 195
7.2.1 長壁開采過程數值模擬方法 195
7.2.2 長壁開采過程數值模擬 197
7.2.3 頂板的能量釋放事件 199
7.2.4 弱化頂板后的超前支承應力 203
7.3 基于堅硬頂板強度弱化的采場強礦壓顯現(xiàn)控制效果分析 205
7.3.1 數值模型的建立 205
7.3.2 堅硬頂板強度弱化方案 206
7.3.3 單層堅硬頂板強度弱化對采場強礦壓顯現(xiàn)的影響 207
7.3.4 多層堅硬頂板強度弱化對采場強礦壓顯現(xiàn)的影響 210
第8章 大空間采場堅硬頂板地面壓裂精準控制技術現(xiàn)場應用 216
8.1 塔山煤礦地面垂直井分層壓裂弱化堅硬頂板技術現(xiàn)場應用 216
8.1.1 水力壓裂方案 216
8.1.2 水壓裂縫的擴展監(jiān)測 220
8.1.3 水力壓裂過程及參數分析 222
8.1.4 微震監(jiān)測結果分析 225
8.1.5 水力壓裂堅硬頂板對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響 229
8.2 同忻煤礦煤柱上下堅硬巖層協(xié)同壓裂控制技術現(xiàn)場應用 232
8.2.1 同忻煤礦現(xiàn)場概況 232
8.2.2 壓裂層位的確定 235
8.2.3 鉆孔位置選擇與施工 235
8.2.4 水壓裂縫形態(tài)分析 237
8.2.5 水力壓裂堅硬頂板對工作面礦壓顯現(xiàn)的影響 238
參考文獻 239