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內容簡介

　　《固體密實充填采煤方法與實踐》緊密結閤近年來綜閤機械化固體充填采煤技術的發展，係統總結綜閤機械化固體密實充填采煤理論、技術與實踐方麵的研究成果。內容包括：綜閤機械化固體充填采煤技術、固體充填材料物理力學特性測試、固體密實充填采煤方法、固體充填采煤岩層移動與地錶沉陷控製理論、固體充填材料井上下輸送係統設計、固體充填采煤關鍵裝備選型與配套、固體充填采煤沉陷控製工程設計方法、建（構）築物下固體密實充填采煤，以及其他條件下固體密實充填采煤。

目錄

前言
第一篇 引言
第1章 緒論
1.1 煤礦開采岩層控製理論與方法
1.2 煤礦開采地錶沉陷控製理論與方法
1.2.1 煤礦開采沉陷國內外研究現狀
1.2.2 煤礦開采地錶移動的基本規律
1.2.3 開采沉陷對建（構）築物的影響
1.2.4 煤礦開采地錶沉陷控製的主要技術途徑
1.3 充填采煤方法與技術

第2章 綜閤機械化固體充填采煤技術
2.1 綜閤機械化充填采煤技術發展曆程
2.2 普采（或炮采）機械化拋矸充填采煤技術
2.2.1 機械化拋矸充填采煤係統布置
2.2.2 機械化拋矸充填采煤關鍵設備
2.2.3 機械化拋矸采煤與充填工藝
2.3 綜閤機械化采空區儲矸充填采煤技術
2.3.1 采空區儲矸充填采煤係統布置
2.3.2 采空區儲矸充填采煤關鍵設備
2.3.3 采空區儲矸充填與采煤工藝
2.4 綜閤機械化固體密實充填采煤技術
2.4.1 固體密實充填采煤係統布置
2.4.2 固體密實充填采煤關鍵設備
2.4.3 固體密實采煤與充填工藝
2.5 采選充采一體化固體充填采煤技術
2.5.1 采選充采一體化技術原理
2.5.2 井下煤流矸石洗選係統
2.5.3 采選充采關鍵設備
2.5.4 采選充采工藝

第二篇 基礎理論
第3章 固體充填材料物理力學特性測試
3.1 固體充填材料來源與基本特性
3.1.1 固體充填材料來源
3.1.2 固體充填材料基本特性
3.2 固體充填材料的基本物理力學特性
3.2.1 固體充填材料的礦物成分
3.2.2 固體充填材料的細觀結構特徵
3.2.3 固體充填材料的力學特性
3.3 固體充填材料的碎脹與壓實特性
3.3.1 固體充填材料的碎脹特性
3.3.2 固體充填材料的應變與應力關係
3.3.3 固體充填材料的壓實度與應力關係
3.4 固體充填材料的時間相關特性
3.4.1 固體充填材料時間相關特性測試方法
3.4.2 固體充填材料時間相關特性試驗結果
3.4.3 固體充填材料時間相關特性試驗對比

第4章 固體密實充填采煤方法
4.1 固體密實充填采煤的原理與方法
4.1.1 固體充填采煤技術難點分析
4.1.2 固體充填采煤的技術原理
4.1.3 固體充填采煤技術關鍵
4.2 固體密實充填主動支護係統
4.2.1 固體充填采煤礦壓控製原則
4.2.2 固體充填采煤采場支護係統
4.2.3 充填采煤液壓支架支護阻力
4.3 固體密實充填全斷麵壓實係統
4.3.1 固體充填采煤密實度控製方法
4.3.2 固體充填采煤全斷麵壓實結構
4.3.3 固體充填采煤壓實結構工作狀態
4.4 固體密實充填密實度實時監控係統
4.4.1 固體充填采煤密實度監控內容與方法
4.4.2 固體充填采煤密實度監控裝備
4.4.3 固體充填采煤密實度監控數據分析方法

第5章 固體充填采煤岩層移動與地錶沉陷控製理論
5.1 固體充填采煤岩層移動分析的等價采高理論
5.1.1 固體充填采煤等價采高模型的建立
5.1.2 固體充填采煤等價采高關鍵參數的確定
5.1.3 固體充填采煤等價采高影響因素分析
5.2 固體充填采煤的采場礦壓與地錶沉陷規律
5.2.1 固體充填采煤采場礦壓顯現規律
5.2.2 固體充填采煤地錶沉陷規律
5.3 固體充填采煤岩層移動物理模擬
5.3.1 相似材料模型的建立
5.3.2 固體充填體相似模擬試驗
5.3.3 固體充填采煤覆岩移動規律分析
5.4 固體充填采煤岩層移動數值分析
5.4.1 固體充填數值分析模型的建立
5.4.2 固體充填材料與岩層移動關係分析
5.4.3 固體充填采煤岩層移動特徵分析
5.5 固體充填采煤地錶沉陷控製的設計方法
5.5.1 固體充填采煤地錶沉陷控製目標
5.5.2 固體充填采煤地錶沉陷設計流程
5.5.3 固體充填采煤地錶沉陷預計參數選擇

第三篇 工程設計方法
第6章 固體充填材料井上下輸送係統設計
6.1 固體充填材料井上運輸方式與係統
6.1.1 固體充填材料井上輸送方式選擇
6.1.2 固體充填材料井上輸送設備選型
6.1.3 固體充填材料井上輸送係統設計
6.2 固體充填材料垂直輸送係統
6.2.1 固體充填材料垂直輸送基本結構
6.2.2 垂直輸送係統投料管材質與結構
6.2.3 固體充填材料垂直輸送緩衝裝置設計
6.3 固體充填材料垂直輸送監控係統
6.3.1 固體充填材料垂直輸送監控指標
6.3.2 固體充填材料垂直輸送監控設備
6.3.3 固體充填材料垂直輸送監控係統布置
6.4 固體充填材料井上下輸送係統設計方法
6.4.1 固體充填材料輸送條件分析
6.4.2 固體充填材料輸送係統結構與施工設計

第7章 固體充填采煤關鍵裝備選型與配套
7.1 固體充填采煤設備的配套與選型
7.1.1 固體充填采煤設備的選型原則
7.1.2 固體充填采煤設備的性能要求
7.2 充填采煤液壓支架與壓實機構
7.2.1 充填采煤液壓支架架型確定
7.2.2 充填采煤液壓支架參數設計
7.2.3 充填采煤液壓支架結構設計
7.2.4 固體充填采煤壓實機構結構優化設計
7.3 多孔底卸式輸送機
7.3.1 多孔底卸式輸送機結構原理
7.3.2 多孔底卸式輸送機卸料孔結構與尺寸優化
7.3.3 多孔底卸式輸送機形式與參數
7.3.4 機頭機尾升降平颱
7.4 固體充填材料轉載輸送機
7.4.1 固體充填材料轉載輸送機結構原理
7.4.2 固體充填材料轉載輸送機形式與參數
7.5 固體充填采煤裝備配套設計方法
7.5.1 固體充填采煤“四機”能力配套
7.5.2 固體充填采煤“四機”結構配套
7.5.3 固體充填采煤“四機”配套流程

第8章 固體充填采煤工程設計方法
8.1 建（構）築物下固體密實充填采煤工程設計方法
8.1.1 建（構）築物采動損害等級與設防標準
8.1.2 建（構）築物下固體密實充填采煤設計方法及流程
8.2 鐵路下充填采煤工程設計方法
8.2.1 鐵路下采煤地錶變形控製與維修治理對策
8.2.2 鐵路下固體密實充填采煤設計流程
8.3 含水層下固體密實充填采煤工程設計方法
8.3.1 固體密實充填采煤導水裂隙帶高度分析
8.3.2 水體下固體密實充填采煤設計方法及流程

第四篇 工程實踐
第9章 建（構）築物下固體密實充填采煤
9.1 平煤十二礦固體充填采煤
9.1.1 礦井概況與地質采礦條件
9.1.2 建（構）築物設防指標確定
9.1.3 固體充填采煤係統與裝備
9.1.4 固體充填采煤地錶沉陷分析
9.2 淮北楊莊礦固體充填采煤
9.2.1 礦井概況與地質采礦條件
9.2.2 建（構）築物設防指標確定
9.2.3 固體充填采煤係統與裝備
9.2.4 固體充填采煤地錶沉陷分析
9.3 陽泉東坪礦固體充填采煤
9.3.1 礦井概況與采礦地質條件
9.3.2 建（構）築物設防指標的確定
9.3.3 固體充填采煤係統與裝備
9.3.4 固體充填采煤地錶沉陷分析
9.4 濟寜花園煤礦固體充填采煤
9.4.1 礦井概況與地質采礦條件
9.4.2 建（構）築物設防指標確定
9.4.3 固體充填采煤係統與裝備
9.4.4 固體充填采煤地錶沉陷分析
9.5 開灤唐山礦固體充填采煤
9.5.1 礦井概況與地質采礦條件
9.5.2 建（構）築物設防指標確定
9.5.3 煤流矸石井下分選係統布置
9.5.4 固體充填采煤係統與裝備
9.5.5 固體充填采煤地錶沉陷分析

第10章 其他條件下固體密實充填采煤
10.1 五溝礦含水層下固體充填采煤
10.1.1 礦井概況與地質采礦條件
10.1.2 固體充填采煤充實率指標設計
10.1.3 固體充填采煤係統與裝備
10.1.4 固體充填采煤導水裂隙分析
10.2 兗州濟三礦大型堤壩下固體充填采煤
10.2.1 礦井概況與地質采礦條件
10.2.2 大型堤壩設防指標確定
10.2.3 固體充填采煤係統與裝備
10.2.4 固體充填采煤地錶沉陷分析
10.3 內濛古泰源礦鐵路下固體充填采煤
10.3.1 礦井概況與地質采礦條件
10.3.2 鐵路設防指標確定
10.3.3 固體充填采煤係統與裝備
10.3.4 固體充填采煤地錶沉陷分析
10.4 陽泉新元公司高速公路下固體充填采煤
10.4.1 礦井概況與地質采礦條件
10.4.2 高速公路設防指標確定
10.4.3 固體充填采煤係統與裝備
10.4.4 固體充填采煤地錶沉陷分析
參考文獻

精彩書摘

　　《固體密實充填采煤方法與實踐》：
　　第1章 緒論
　　1.1 煤礦開采岩層控製理論與方法
　　煤是古代植物遺體在經曆瞭泥炭化和煤化作用兩個復雜的生物化學、物理化學及地球化學變化轉變而來的固體可燃礦産。含煤岩係簡稱煤係，是指含有煤層，並有成因聯係的沉積岩係，它是在一定的古構造、古地理、古氣候條件下形成的一套具有共生關係、多相組閤的沉積物。煤層開挖過程中形成煤礦特有的采空區，從而引起整個地層應力重新分布，導緻岩層移動變形，正因為這種層狀分布特徵，形成瞭煤礦開采中普遍存在的岩層運動規律。
　　地下煤體在開挖之前，原岩應力處於平衡狀態。在煤炭的開采過程中，采空區上覆岩層自下而上發生移動、破壞，最終發展至地錶並導緻地錶沉陷，這種現象稱為岩層移動或開采沉陷。前人大量的研究成果錶明，用傳統的全部垮落法管理頂闆時，采空區上覆岩層直至地錶的整體移動破壞特徵可分為“橫三區”、“竪三帶”，即沿工作麵推進方嚮上覆岩層分彆經曆煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區，由下嚮上岩層移動分為垮落帶（冒落帶）、裂縫帶（斷裂帶）和整體彎麯下沉帶，如圖1-1所示。
　　圖1-1上覆岩層移動的“橫三區”與“竪三帶”
　　A-煤壁支撐影響區（a-b）；B-離層區（b-c）；C-重新壓實區（c-d）
　　α-支撐影響角；Ⅰ-垮落帶；Ⅱ-裂縫帶；Ⅲ-整體彎麯下沉帶
　　圖1-1所示覆岩“三帶”特徵如下：
　　（1） 煤層開采完後頂闆發生破壞並嚮采空區垮落的岩層範圍稱為垮落帶。垮落帶一般是由直接頂垮落後形成的，其高度一般為2~3倍采高，根據垮落帶岩塊的移動破壞特徵及堆積分布的形態可分為不規則垮落帶和規則垮落帶。在不規則垮落帶中破斷後的岩塊失去瞭原有層位，呈雜亂堆積狀況，排列也極不整齊；而規則垮落帶內岩塊堆積較為整齊。垮落帶內岩塊的鬆散係數較大，一般可達1.3~1.5，但經重新壓實後，碎脹係數可降到1.05~1.10。
　　（2） 垮落帶上方岩層産生裂縫或斷裂，破斷岩塊間存在水平力的傳遞作用並保持其原有層狀的岩層範圍稱為裂縫帶（斷裂帶）。垮落帶與裂縫帶閤稱“兩帶”，又稱為“導水裂隙帶”，意指上覆岩層含水層位於“兩帶”範圍內，將會導緻岩體水通過岩體破斷裂縫流入采空區和迴采工作麵。
　　以上闡述的這種岩層運動一般規律，都是由於煤層開采後形成的采空區引起岩體嚮采空區內移動的結果，在整個岩層移動破壞過程中，造成瞭煤礦采動損害及相關的安全問題，主要包括形成礦山壓力、形成采動裂隙和引發地錶沉陷等。礦山壓力是由於礦山開采活動的影響，在巷硐周圍岩體中形成的和作用在巷硐支護物上的力，而在這種力的作用下引起如岩體變形、破壞、塌落及支護物變形、破壞、摺損等動力現象稱為礦山壓力顯現，它將引起采場和巷道頂闆的下沉、垮落和來壓，甚至引發衝擊地壓等災害，已占據我國煤礦安全事故的首位，特彆是隨著開采深度不斷增大，煤礦衝擊地壓問題也日益嚴重。煤礦開采岩層運動還將形成采動裂隙，引起周圍煤體中的水與瓦斯的流動，導緻井下瓦斯事故與突水事故，瓦斯爆炸、煤與瓦斯突齣一直是我國煤礦所麵臨的重大災害，瓦斯造成的死亡人數達到瞭煤礦事故總死亡人數的40%左右，同時，因煤炭開采而排放至大氣中的瓦斯還加劇瞭溫室效應，造成瞭嚴重的環境破壞，其中，因岩層移動導緻的煤岩體應力場與裂隙場的變化是引起瓦斯卸壓和煤層滲透率增大的原因所在。煤礦開采岩層移動由下往上發展至地錶將引起地錶沉陷，導緻農田、建築物設施的毀壞，岩層移動還會破壞地下水係，當地麵潛水位較高時，地錶沉陷盆地內大量積水，影響農田耕種，引發一係列環境、經濟和社會問題。
　　顯然，煤礦開采采場圍岩活動和地錶沉陷等一係列災害均是煤炭采齣後岩層移動過程中岩體損傷和破壞變化的結果，因此，掌握整個采動岩體的活動規律，特彆是岩體內部岩層的活動規律，有效控製岩層移動纔是解決采動岩體災害的關鍵。近百年來，國內外學者對煤礦開采岩層控製方麵進行瞭大量的理論研究和現場實踐，取得瞭豐富的研究成果，建立瞭完善的岩層控製理論體係與方法。
　　我國錢鳴高院士通過大量的研究，先後提齣瞭采場上覆岩層活動規律中基本頂岩層破斷的“砌體梁”結構力學模型，建立瞭“砌體梁”結構的“S-R”穩定條件，揭示瞭基本頂岩層“闆”的“O-X”型破斷規律；以基本頂岩層“砌體梁”模型為基礎，在考慮直接頂變形條件下，結閤“支架-圍岩”相互作用剛度係統，建立瞭采場整體力學模型；提齣瞭采場“支架-圍岩”關係和支護質量監測原理，形成瞭一整套監控指標及其控製方法。20世紀90年代中期，隨著對岩層控製科學研究的不斷深入，為瞭解決采動對環境的影響，相關研究涉及岩層控製中更為廣泛的問題，主要是開采引起岩體裂隙場的改變和更準確地描述開采對地錶沉陷的影響。錢鳴高院士領導的研究團隊進一步提齣瞭岩層控製的關鍵層理論，旨在研究覆岩中厚硬岩層對層狀礦體開采過程中的礦山壓力和采動對環境的影響。關鍵層理論以關鍵層作為岩層運動研究的主體，用力學方法求解采動後岩體內部的應力場和裂隙場改變，由此對采場礦壓、開采沉陷、采動岩體中水和瓦斯運移有統一的認識和完整的力學描述。
　　由於成岩時間及礦物成分不同，煤係地層形成瞭厚度不等、強度不同的多層岩層。實踐錶明，其中一層至數層厚硬岩層在岩層移動中起主要的控製作用。將對采場上覆岩層活動全部或局部起控製作用的岩層稱為關鍵層。覆岩中的關鍵層一般為厚度較大的硬岩層，但覆岩中的厚硬岩層不一定都是關鍵層。關鍵層判彆的主要依據是其變形和破斷特徵，即在關鍵層破斷時，其上部全部岩層或局部岩層的下沉變形是相互協調一緻的，前者稱為岩層活動的主關鍵層，後者稱為亞關鍵層。也就是說，關鍵層的斷裂將導緻全部或部分的上覆岩層産生整體運動。覆岩中的亞關鍵層可能不止一層，而主關鍵層隻有一層。我國學者對關鍵層理論開展瞭全麵深入的研究，內容主要包括：①關鍵層破斷的復閤效應及其判彆；②關鍵層載荷特徵與影響因素；③關鍵層運動對采場礦壓顯現、覆岩移動與地錶沉陷及裂隙場動態分布的影響規律；④關鍵層理論在采場圍岩控製、卸壓瓦斯抽放、開采沉陷控製與突水防治等方麵的工程應用。
　　基於關鍵層理論等煤礦開采岩層控製理論，發展瞭一些煤礦開采岩層控製的技術方法，主要包括條帶開采、局部充填采煤和采空區全部充填采煤技術，條帶開采是煤礦常用的最典型的岩層移動控製方法，它將開采的煤層劃分成若乾條帶，采一條留一條，使留下的條帶煤柱足以支撐上覆岩層的重量，從而起到有效控製岩層移動的目的，但這種技術方法在煤礦開采中的采齣率較低。注漿充填是典型的采空區局部充填采煤技術，根據岩層控製的關鍵層理論，提齣瞭冒落區注漿充填和離層帶注漿充填兩種岩層控製技術，先後在新汶華豐煤礦、兗州東灘煤礦、開灤唐山煤礦等礦區進行瞭采空區離層注漿減沉工業性試驗，從現場實際工程實踐結果來看，在某些采礦地質條件下，離層注漿充填技術在減小地麵沉降量、控製地錶下沉速度等方麵取得瞭一定的成效，之後還提齣瞭采空區膏體條帶充填、覆岩離層分區隔離注漿充填、條帶開采冒落區注漿充填三種技術，主張在關鍵層理論的基礎上，結閤采動岩層移動規律對采空區離層區域、冒落區域進行部分充填，靠充填體與部分煤柱共同支撐覆岩，控製關鍵層的移動，從而達到控製開采沉陷的目的。與局部充填采煤技術相比，采空區全部充填采煤技術將井下生産過程中産生的矸石、尾礦或地麵的矸石、粉煤灰、風積沙等固體廢棄物充填采空區，實現井下所有采空區的充填，先後經曆瞭廢棄物乾式充填階段、水砂充填階段、細砂膠結充填階段和以高濃度充填、全尾礦膠結充填、膏體充填、高水材料充填、固體廢棄物直接充填等為代錶的現代充填采礦階段，對煤礦開采岩層移動起到較好的控製作用，取得瞭顯著的經濟效益和社會效益。
　　1.2煤礦開采地錶沉陷控製理論與方法
　　1.2.1煤礦開采
　　沉陷國內外研究現狀當地下有用礦物被采齣以後，采空區周邊岩體的原始應力平衡狀態被打破，經過應力重新分布達到新的平衡。在此過程中，岩層和地錶將産生連續的移動、變形和非連續的破壞（開裂、垮落），這種現象統稱為“開采沉陷”。其中采空區周圍岩體直至地錶的地層內部移動變形稱為岩層移動，地錶的移動和變形成為地錶移動或地錶塌陷。
　　地下煤炭資源屬於層狀礦體，其大規模開采通常會導緻大範圍的岩層移動和大麵積的地錶塌陷，威脅地錶及地下水體和地錶建（構）築物的安全，並破壞工礦區的生態環境。因此，世界各國對開采引起的沉陷問題高度重視，並通過多年的研究取得瞭豐碩成果。
　　1.國外礦山開采沉陷研究的發展
　　19世紀，由於比利時的列日城受采礦影響而造成極大的破壞，引起瞭比利時對開采沉陷影響的調查研究，由此拉開瞭礦山開采沉陷學基本理論研究的序幕。
　　1838年産生瞭開采沉陷的第一個理論——“垂綫理論”，之後被“法綫理論”所代替。隨後，又相繼齣現瞭一係列的理論假設，主要有“二等分綫理論”、“自然斜麵理論”、“拱形理論”、“三帶理論”。這些早期的理論研究主要是針對覆岩移動變形與地錶下沉的關係，並在此基礎上提齣瞭相關的幾何理論模型。
　　第二次世界大戰結束以後，人們開始著重從連續介質和非連續介質理論來研究開采沉陷的分布規律。1947年，有人提齣利用數學塑性理論對岩層移動進行分析，並以理論分析的結果為指導建立瞭地錶移動的計算方法。後來，又提齣瞭更為一般的綫彈性分析原理——“麵元原理”。波蘭的學者們提齣瞭影響麯綫的概念，得齣瞭正態分布的影響函數。緊接著將岩石視為不連續介質，將岩層移動過程作為一個隨機過程的觀點被提齣，形成瞭開采沉陷的隨機介質理論和概念。此時，蘇聯的專傢們也係統地分析瞭地錶移動和變形規律，並提齣瞭蘇聯通用的地錶移動變形計算方法——“典型麯綫法”。後又采用鑽孔伸長儀和鑽孔測斜儀觀測岩體內部的竪嚮和橫嚮移動，獲得瞭岩體內部的水平移動分布規律，並發現瞭岩體沿層麵的滑移和離層現象。
　　隨著社會的不斷發展和科學的不斷進步，經典的理論算法通過計算機程序得以實現，使得過去難於計算的問題成為可能。一些數值分析方法，如有限元法、邊界元法和離散元法等在開采沉陷計算中得到瞭廣泛的應用，新的數值計算方法，如不連續變形分析法和流形元法等的齣現也給岩層移動計算帶來新的契機。許多適閤岩土工程數值計算的數值軟件也應運而生，如岩土工程和岩土環境模擬計算的仿真軟件GeoStudio、有限元分析軟件ANSYS、有限差分法程序FLAC、離散單元法程序UDEC、顆粒元法PFC等軟件。這些都為開采沉陷理論研究及計算預測奠定瞭基礎。
　　2.國內礦山開采沉陷規律研究的發展
　　我國對開采沉陷的研究工作是從新中國成立以後纔開始的。20世紀50年代起，在我國的一些 固體密實充填采煤方法與實踐 [Consolidated Solid Backfill Mining Method and Its Applications] 下載 mobi epub pdf txt 電子書

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