深部开采底板卸荷破裂力学与防控实践

本书针对我国典型煤矿深部高强度开采条件，以采动围岩体的强烈卸荷效应为主线，明晰了煤层、顶底板岩体和承压水等整体力学平衡体系的联动关系，揭示了底板岩体压剪、卸荷破裂与基本顶结构失稳的联动机理，明确了深部开采底板卸荷破裂的触矸效应；界定了基本顶结构失稳作用下底板岩体的应力−渗流分区，研究了其分区破裂演化及分形几何特征；建立了深部开采底板岩体卸荷破裂模型，确立了底板岩体卸荷破裂的灾变机理，细化了深部开采底板岩体卸荷破裂分区并评价了其强扰动危险性，系统构建实施了应力卸荷−渗流调控及注浆改造协同的深部开采底板应力卸荷分区分级防控关键技术，从而为我国深部煤炭资源安全高效开采提供了理论依据和技术支撑。

经过长期大规模开发，作为我国主体能源的煤炭资源开采深度平均已达700m，在煤炭消费主力的山东、河北、河南、安徽、东北等中东部地区主要矿井开采深度已超过800m，超千米采深矿井已达50余座，最大开采深度已超1500m。据预测，我国埋深1000m以深的煤炭资源预测储量约为2.95万亿t，占中国煤炭地质总局第三次全国煤田预测资源总量的53%；仅华北型煤田东部山东、河北、河南、安徽、江苏、江西和山西七省埋深在1000～1500m的预测资源量便达2494.11亿t。由此可预见，未来我国煤炭资源开采将不断向深部延伸，尤其在煤炭消费量最大的中东部地区千米或超千米深部煤炭资源开采将逐渐趋于常态，从而为保障我国国民经济和社会发展提供坚强后盾。

而我国中东部地区的煤田也是受地下水害威胁最严重的煤田区域之一，尤其华北型煤田55% 以上的矿井受底板突水威胁。与浅部区域地质力学环境不同，中东部地区深部煤炭资源赋存条件极其复杂，并面临由浅部低地应力向深部高地应力转变、由浅部低岩溶裂隙水压向深部高岩溶裂隙水压转变、由浅部简单裂隙结构向深部复杂甚至极复杂结构转变、由浅部开采单一灾害种类向深部开采多灾害链转变的问题。同时，在采高、采宽及回采速度增加形成的大规模、高强度开采扰动作用下，经历高强度应力集中峰值的采动围岩在煤层开采后将形成强烈的卸荷效应，尤其在采动煤层、顶底板岩体和承压水等整体力学平衡体系下，底板高承压水将与顶板剧烈来压、高能级矿震等灾害联动，高采动应力卸荷驱动底板岩体破裂、渗流，甚至失稳，导致深部开采底板突水灾害频发，成为制约深部煤炭安全高效开采的难题。

深部开采底板卸荷破裂力学与防控技术路线

地震雷达实测图像

本书主要内容

第1章

详细阐述我国深部开采的扰动致灾特点，梳理深部开采底板破裂行为及控制研究进展，提出深部开采底板卸荷面临的科学与技术问题及解决方法。

第2章

针对华北型煤田典型深部矿井，应用微震监测系统获取深部开采底板岩体卸荷破裂的时空分布特征，从实测角度证实底板卸荷破裂突水行为与基本顶失稳的联动关系。

第3章

理论分析深部开采底板破裂力源，研究深部开采顶底板岩体初次失稳、周期失稳的联动机制，确定基本顶失稳下底板冲击载荷的计算方法。

第4章

应用离散元数值软件3DEC模拟不同采深及扰动强度下顶底板初次失稳、周期失稳的联动特征，获得其底板应力和位移的联动变化规律。

第5章

建立深部开采底板岩体的分区破裂模型，研究深部岩体的加卸荷破裂力学特性，获得底板岩体裂隙的分区破裂演化规律，并进行地质雷达探测验证。

第6章

应用相似模型实验研究深部开采过程中底板岩体的动态破裂规律，获得底板岩体裂隙的扩展破裂模式及分形几何特征。

第7章

建立深部开采底板岩体卸荷破裂模型，确立底板岩体卸荷破裂的灾变机理，细化深部开采底板岩体卸荷破裂分区并评价其强扰动危险性。

第8章

应用综合物探技术对深部开采底板的破裂结构开展分区辨识解析和风险评价，构建地面与井下、静态探查与动态监测相结合的深部开采底板卸荷破裂分区评价与监测预警技术。

第9章

根据深部开采底板与顶板的联动破裂及其分区破裂演化与卸荷破裂致灾机理，系统构建实施应力卸荷−渗流调控及注浆改造协同的深部开采底板应力卸荷分区分级防控关键技术。

第10章

创新点和展望，提出所开展研究的主要创新点，并对未来所研究内容进行展望。

本书可供采矿工程、安全工程、地质工程、矿山岩体力学、工程力学和岩土工程等专业，以及从事煤炭深部开采、矿山压力、底板突水等领域的科研人员、现场工程技术人员和高等院校师生参考。

本文摘编自《深部开采底板卸荷破裂力学与防控实践》（李春元 左建平 著. 北京：科学出版社，2024.11）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

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