煤炭高强度开采上覆岩层变形破坏及其渗透性评价研究

　　本书针对西部煤炭高强度开采下顶板垮落和地下水渗漏等地质灾害与水资源流失等环境损伤问题，以神东矿区大柳塔煤矿为依托，运用煤矿工程地质学、岩石（体）力学、岩体水力学及采矿工程等理论，采用实验研究、理论分析、物理模拟试验和数值模拟计算等方法开展了煤炭高强度开采上覆岩层变形破坏及其渗透性评价研究，揭示了不同岩性岩石全应力-应变-渗透性规律，并建立了岩体渗透系数与应力应变之间的三维关系和模型。研究了煤炭开采上覆岩层破断及裂隙演化规律和超大工作面应力-位移变化规律及其控制机理，分析了不同煤柱错距的覆岩裂隙场演化规律，揭示了隔离煤柱对覆岩运移和裂隙发育的控制作用。基于渗透系数与应力应变之间的三维关系，阐明了煤炭开采顶底板岩层渗透系数场分布及其控制因素。基于采空区冒裂带岩体孔隙率及渗透性分布特征，建立了煤炭开采上覆岩层渗透性评价理论与方法，揭示了煤炭开采上覆岩层渗透性分区、分带特征，对研究区煤炭开采上覆岩层渗透性进行了评价，为煤矿安全开采和地下水资源保护提供了理论依据。

　　师修昌，男，1989年生，河南省太康县人，2016年博士毕业于中国矿业大学（北京）地质工程专业。现为河南财经政法大学工程管理与房地产学院讲师，主要从事矿山水害防治与水资源保护、岩土工程风险评估与管理等方面的教学与科研工作。在Engineering Geology、Environmental Earth Sciences、煤炭学报、采矿与安全工程学报等国内外重要期刊上发表学术论文20余篇，其中以第一/通讯作者发表SCI、EI论文6篇。曾获陕西省科技进步二等奖2项，授权发明专利2项。近年来，主持河南省科技攻关计划项目2项、河南省高等学校重点科研项目1项。

目录
1绪论
1.1研究背景及意义
1.2国内外研究现状
1.2.1采动覆岩变形破坏规律研究
1.2.2岩石（体）渗透性及其与应力—应变耦合关系研究
1.2.3采动岩体渗透性变化规律研究
1.2.4采空区孔隙率分布特征研究
1.3本书的研究内容和方法
1.3.1主要研究内容
1.3.2主要研究方法及技术路线
1.4本书的创新性
2神东矿区煤炭开采地质条件
2.1研究区概况
2.1.1地理地貌
2.1.2气候
2.1.3煤炭生产现状
2.2煤岩层地质特征
2.2.1沉积地层特征
2.2.2煤层赋存特征
2.2.3煤层上覆岩层岩性分布规律
2.3煤层上覆岩体类型及其岩石力学性质
2.3.1煤层上覆岩体类型
2.3.2煤层上覆岩石物理力学性质
2.4矿区水文地质条件
2.4.1新生界松散层孔隙潜水
2.4.2中生界碎屑岩类裂隙潜水及承压水
2.4.3烧变岩孔洞裂隙潜水
2.5煤炭高强度开采技术
2.6本章小结
3煤层上覆岩石渗透性与其应力—应变耦合关系研究
3.1概述
3.2岩石全应力应变渗透性试验研究
3.2.1试验原理
3.2.2试样及试样过程
3.2.3试验结果及分析
3.3岩体渗透系数与应力—应变的耦合模型
3.3.1完整岩石基质渗透系数—应力耦合关系
3.3.2裂隙岩体渗透特征
3.3.3裂隙岩体渗透系数与应力应变的三维关系
3.4本章小结
4多煤层开采覆岩变形破坏规律物理模拟试验研究
4.1概述
4.2相似材料模拟试验设计
4.2.1研究目的
4.2.2工程地质模型
4.2.3相似常数确定
4.2.4相似模型材料及制作程序
4.3采动覆岩变形破坏过程分析
4.3.1顶板岩体破断与运动规律
4.3.2顶板岩体移动变形规律
4.3.3顶板岩体应力变化规律
4.3.4采动覆岩裂隙发育及分布形态
4.4上覆采空区下伏煤层开采突水危险性评价
4.4.1有效隔水岩层厚度
4.4.2上覆采空区突水危险性评价分类
4.4.3上覆采空区积水下煤层开采突水危险性评价
4.5神东矿区顶板导水裂隙带高度探测
4.5.1大柳塔煤矿52306工作面覆岩导水裂隙带高度探测
4.5.2乌兰木伦井田导水裂隙带高度探测
4.5.3导水裂隙带高度计算模型及综合分析
4.6本章小结
5浅部隔离煤柱对覆岩运移影响的物理模拟试验研究
5.1概述
5.2砂岩为主型覆岩采动破坏相似材料模拟试验
5.2.1试验设计
5.2.2沿倾向开采覆岩破断规律
5.2.3沿倾向开采覆岩裂隙场演化规律
5.2.4沿倾向开采上覆岩层移动规律
5.2.5隔离煤柱应力变化及稳定性评价
5.3砂—泥岩互层型覆岩采动破坏相似材料模拟试验
5.3.1试验设计
5.3.2沿倾向开采覆岩破断规律
5.3.3沿倾向开采覆岩裂隙场演化规律
5.3.4沿倾向开采上覆岩层移动规律
5.3.5隔离煤柱应力变化及稳定性评价
5.4隔离煤柱合理留设
5.4.1区段煤柱合理留设宽度理论计算
5.4.2上下煤柱合理错距
5.5本章小结
6煤炭开采覆岩应力应变及破坏数值模拟分析
6.1概述
6.2FLAC3D程序简介
6.3超大工作面开采覆岩应力应变及破坏模拟分析
6.3.1数值计算模型建立
6.3.2模拟计算结果分析
6.3.3超大工作面开采顶底板变形破坏控制因素
6.4本章小结
7煤炭开采工作面围岩渗透性分布规律研究
7.1概述
7.2采动围岩渗透性分布的数值模拟分析
7.2.1数值计算模型建立
7.2.2采动围岩应力—渗透性耦合研究
7.2.3采动围岩应变—渗透性耦合研究
7.2.4对比分析
7.2.5控制因素
7.3煤炭开采中顶底板岩层渗透性动态变化
7.4采空区渗透性恢复与地表下沉值的关系
7.5本章小结
8煤炭开采上覆岩层渗透性评价及应用
8.1概述
8.2煤炭开采上覆岩层渗透性评价理论与方法
8.2.1采空区冒裂带岩体渗透性分布规律
8.2.2采空区平均孔隙率和渗透系数计算方法
8.2.3煤炭开采上覆岩层渗透性分区分带特征
8.3煤炭开采上覆岩层渗透性控制机理
8.4大柳塔井田煤炭开采上覆岩层渗透性评价
8.4.1采空区垮落岩体渗透性横向分布
8.4.2采空区冒裂带岩体渗透性纵向分布
8.4.3采空区孔隙率现场实测验证
8.4.4煤矿采空区储水量计算
8.5本章小结
9结论与展望
9.1结论
9.2展望
参考文献
重要术语索引表
目录
1绪论
1.1研究背景及意义
1.2国内外研究现状
1.2.1采动覆岩变形破坏规律研究
1.2.2岩石（体）渗透性及其与应力—应变耦合关系研究
1.2.3采动岩体渗透性变化规律研究
1.2.4采空区孔隙率分布特征研究
1.3本书的研究内容和方法
1.3.1主要研究内容
1.3.2主要研究方法及技术路线
1.4本书的创新性
2神东矿区煤炭开采地质条件
2.1研究区概况
2.1.1地理地貌
2.1.2气候
2.1.3煤炭生产现状
2.2煤岩层地质特征
2.2.1沉积地层特征
2.2.2煤层赋存特征
2.2.3煤层上覆岩层岩性分布规律
2.3煤层上覆岩体类型及其岩石力学性质
2.3.1煤层上覆岩体类型
2.3.2煤层上覆岩石物理力学性质
2.4矿区水文地质条件
2.4.1新生界松散层孔隙潜水
2.4.2中生界碎屑岩类裂隙潜水及承压水
2.4.3烧变岩孔洞裂隙潜水
2.5煤炭高强度开采技术
2.6本章小结
3煤层上覆岩石渗透性与其应力—应变耦合关系研究
3.1概述
3.2岩石全应力应变渗透性试验研究
3.2.1试验原理
3.2.2试样及试样过程
3.2.3试验结果及分析
3.3岩体渗透系数与应力—应变的耦合模型
3.3.1完整岩石基质渗透系数—应力耦合关系
3.3.2裂隙岩体渗透特征
3.3.3裂隙岩体渗透系数与应力应变的三维关系
3.4本章小结
4多煤层开采覆岩变形破坏规律物理模拟试验研究
4.1概述
4.2相似材料模拟试验设计
4.2.1研究目的
4.2.2工程地质模型
4.2.3相似常数确定
4.2.4相似模型材料及制作程序
4.3采动覆岩变形破坏过程分析
4.3.1顶板岩体破断与运动规律
4.3.2顶板岩体移动变形规律
4.3.3顶板岩体应力变化规律
4.3.4采动覆岩裂隙发育及分布形态
4.4上覆采空区下伏煤层开采突水危险性评价
4.4.1有效隔水岩层厚度
4.4.2上覆采空区突水危险性评价分类
4.4.3上覆采空区积水下煤层开采突水危险性评价
4.5神东矿区顶板导水裂隙带高度探测
4.5.1大柳塔煤矿52306工作面覆岩导水裂隙带高度探测
4.5.2乌兰木伦井田导水裂隙带高度探测
4.5.3导水裂隙带高度计算模型及综合分析
4.6本章小结
5浅部隔离煤柱对覆岩运移影响的物理模拟试验研究
5.1概述
5.2砂岩为主型覆岩采动破坏相似材料模拟试验
5.2.1试验设计
5.2.2沿倾向开采覆岩破断规律
5.2.3沿倾向开采覆岩裂隙场演化规律
5.2.4沿倾向开采上覆岩层移动规律
5.2.5隔离煤柱应力变化及稳定性评价
5.3砂—泥岩互层型覆岩采动破坏相似材料模拟试验
5.3.1试验设计
5.3.2沿倾向开采覆岩破断规律
5.3.3沿倾向开采覆岩裂隙场演化规律
5.3.4沿倾向开采上覆岩层移动规律
5.3.5隔离煤柱应力变化及稳定性评价
5.4隔离煤柱合理留设
5.4.1区段煤柱合理留设宽度理论计算
5.4.2上下煤柱合理错距
5.5本章小结
6煤炭开采覆岩应力应变及破坏数值模拟分析
6.1概述
6.2FLAC3D程序简介
6.3超大工作面开采覆岩应力应变及破坏模拟分析
6.3.1数值计算模型建立
6.3.2模拟计算结果分析
6.3.3超大工作面开采顶底板变形破坏控制因素
6.4本章小结
7煤炭开采工作面围岩渗透性分布规律研究
7.1概述
7.2采动围岩渗透性分布的数值模拟分析
7.2.1数值计算模型建立
7.2.2采动围岩应力—渗透性耦合研究
7.2.3采动围岩应变—渗透性耦合研究
7.2.4对比分析
7.2.5控制因素
7.3煤炭开采中顶底板岩层渗透性动态变化
7.4采空区渗透性恢复与地表下沉值的关系
7.5本章小结
8煤炭开采上覆岩层渗透性评价及应用
8.1概述
8.2煤炭开采上覆岩层渗透性评价理论与方法
8.2.1采空区冒裂带岩体渗透性分布规律
8.2.2采空区平均孔隙率和渗透系数计算方法
8.2.3煤炭开采上覆岩层渗透性分区分带特征
8.3煤炭开采上覆岩层渗透性控制机理
8.4大柳塔井田煤炭开采上覆岩层渗透性评价
8.4.1采空区垮落岩体渗透性横向分布
8.4.2采空区冒裂带岩体渗透性纵向分布
8.4.3采空区孔隙率现场实测验证
8.4.4煤矿采空区储水量计算
8.5本章小结
9结论与展望
9.1结论
9.2展望
参考文献
重要术语索引表