GEOFLUIDS Geofluids 1468 - 8123 1468 - 8115 Hindawi 10.1155 / 2021/8864339 8864339 研究文章 仿真研究的开采顺序对煤柱稳定性的影响下边坡开采方法 黄 京 1 https://orcid.org/0000 - 0002 - 1643 - 5565 孟 Fanbao 1 王 通用电气 2 吴 Yingkui 2 温 金浩 3 Sracek 昂德拉 1 能源及矿业工程学院 山东科技大学 青岛 山东省266590年 中国 sdust.edu.cn 2 泰安Taishuo岩层控制技术有限公司 有限公司 泰安271000 中国 3 力学和土木工程学院 中国矿业大学和科技(北京) 北京100083年 中国 cumtb.edu.cn 2021年 30. 3 2021年 2021年 14 8 2020年 25 9 2020年 26 2 2021年 30. 3 2021年 2021年 版权©2021年黄精等。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

边坡开采,这被称为技术提取煤从底部裸露边坡的安全特性,效率和经济。根据现有边坡开采方法、开采顺序对边坡的稳定性有很大的影响。基于边坡在澳大利亚采矿项目,本研究采用了FLAC3 d数值模拟方法来研究煤柱的稳定性与不同开采序列。结果表明,不同开采序列的水井影响边坡稳定产生重大影响。与顺序开采相比,边坡稳定的跳过采矿方法达到更高的速度和较小的煤柱塑性区最大强度降低了12%。通过调整科学开采顺序、煤柱采矿失败和屋顶坍塌造成的偏差角是可以避免的。结果可能会提供一个新的角度研究煤柱布局和边坡的稳定设计挖掘。

 山东省高等学校科学研究项目 J18K2010 青岛源创新计划 18 - 2 - 2 - 68 - jch 山东省自然科学基金 ZR2018MEE001 ZR2020QE129 1。介绍

边坡开采系统起源于美国在1970年代中期已用于商业开采美国自1980年代初。自1991年以来,边坡矿业已经使用超过30澳大利亚13煤矿坑( 1]。边坡开采是一个遥控采矿方法为土壤边坡高度10米至100米之间或岩石边坡高度15米和100米。通常,一系列平行钻孔挖掘水平通过使用遥控采矿方法,和煤炭资源收集从某个钻孔深度( 2- - - - - - 5];连续开采边坡系统如图 1。与传统的地下矿山相比,边坡开采成本低的优势,交货周期短,生产1吨/年以上。在边坡矿业、煤炭的大范围在水平煤层暴露部分边坡是收集基于一系列的矩形或圆形平行钻孔。每个采场的横截面(水井)很小,但是开挖速度快,煤柱宽度高度的比例非常小。根据边坡开采系统和开采条件,渗透深度从50米到500米不等,和采矿范围是稳定不支持( 6- - - - - - 8]。

一个连续边坡开采系统 1]。

研究边坡开采方法的理论和实践已经广泛报道( 9- - - - - - 11]。阿罗史密斯和Fiscor讨论了最近的事态发展在边坡挖掘技术( 12, 13]。罗斯交替矿工开采厚煤层的渗透深度维护边坡稳定和优化边坡生产( 14]。的基本方程计算网络和屏障支柱力量,外加应力和稳定因素提出Amar普拉卡什( 15, 16]。在边坡开采条件下,岩石力学性能和失效模式可能不同于浅层岩石和无法解释仅仅使用传统的岩石静力学理论。因此,有必要来捕获在边坡开采煤柱失稳机制。支柱稳定性和跨度稳定边坡开采的两个主要地质问题( 17, 18]。边坡开采过程中,两个相邻平行道路之间的距离逐渐减小在一些矿山,使屋顶不稳定和损坏。如果支柱崩溃,这通常会导致重大损失的采矿设备和可利用的资源。传统采矿过程中,如果采用连续采矿,开挖的稳定性难以维持的影响下开采压力叠加。跳过矿业,特别是跳过充填采矿、更有利于围岩的稳定性完全机械化放顶煤开采过程的脸。

现有的大部分研究集中在控制地表沉陷和柱子和屋顶稳定边坡开采。合理的边坡开采顺序开采需要进一步研究。在这项研究中,我们在澳大利亚煤矿作为研究对象;的FLAC3 d数值模拟软件被用于调查其围岩破坏特征和传统的机械和煤柱的稳定性顺序开采和跳过矿业。理论分析方法和数值模拟分析方法在边坡开采充分评估,包括煤柱的应力分析的两种不同的开采序列和变形特性。进步的塑性区过程,进化压力,塑性区,其区域分布范围FLAC的描述3 d模拟,它提供了一种改进的理解在不同开采煤柱破坏机理的序列。

1.1。支柱载荷计算与分析

辅助区域的方法被用来计算煤柱载荷和覆岩只考虑钻孔,钻孔的一半宽度内覆岩和被认为是。钻孔后,最初的上覆岩层的压力支持的钻孔转移到相邻的煤柱,煤柱和熊上覆岩层的重量。煤柱的应力分析两种采矿方法如图 2。

两个开采煤柱的应力分析方法。(一)在连续开采煤柱的应力分析。(b)煤柱的应力分析跳过矿业。

假设钻孔的宽度等于的支柱,和顺序开采煤柱应力 (1) σ 1 = γ H B P + B Z B l B P ⋅ B Z = γ H 1 + B Z B P 。

跳过开采煤柱应力 (2) σ 2 = γ H 3 B P + B Z B l 3 B P ⋅ B l = γ H 1 + B Z 3 B P , 在哪里 B P 煤柱的宽度, B Z 钻孔的宽度, B l 钻孔的深度, γ 上覆地层的平均体积重量。它是由理论公式 σ 2 < σ 1 。跳过煤柱的应力小于煤柱的顺序;的合理性和可靠性数值模拟验证了理论分析。

 2。模型开发 2.1。数值模拟分析方法的介绍

FLAC3 d(快速拉格朗日分析连续的3 d)是一个三维有限差分软件基于显式有限差分法。

有12个内置FLAC的本构模型3 d可以定义模型的弹性或塑性材料。机械计算,一个或多个计算模式的静态、动态、蠕变、渗流,温度可以用来模拟复杂的工程问题,比如关节和缺点。

 2.2。力学参数的研究对象

一个简化的三维数值模型建立基于矿井的煤层地质条件在澳大利亚。力学参数的数值模拟是指煤矿的实际地质资料和岩石力学的基本参数测量在实验室,模拟开采煤层的厚度是2 m,煤层和表面之间的距离是39米,眼前的屋顶是泥岩厚度为4米,和眼前的地板是泥岩厚度3 m。规范的数值模型 长度 × 宽度 × 高度 = 85年 米 × 40 米 × 50 米 ,并安排在七层。模型的底部约束在垂直方向移动,并概要文件被限制在水平方向移动。为了节省计算成本和加快计算,非均匀离散方法用于将元素而不影响计算精度。模型共有1006400区和1006400网格点。针对摩尔-库仑本构模型被选中。此外,数值仿真模型如图 3。1 - 8号钻孔在序列挖掘。由于高速洞开挖在网站的实际过程,下一个井眼是发掘即使煤层没有完全稳定。因此,最大不平衡系数9将反映开挖条件下的军医。煤和岩石的物理力学参数仿真基于Hoek-Brown强度准则如表所示 1( 19- - - - - - 22]。

数值模拟的计算模型。

煤和岩石的力学参数。

岩性 体积弹性模量(GPa) 剪切模量(GPa) 凝聚力(MPa) 摩擦(°) 抗拉强度(MPa) 厚度(m)
泥岩 1.19 1.26 2.0 30. 1.5 20.0
石灰石 1.79 1.89 4.2 38 3.0 10.0
粉砂岩 2.90 2.27 2.3 32 1.7 5.0
泥岩 1.19 1.26 2.0 30. 1.5 4.0
煤炭 0.09 0.08 1.5 25 0.3 2.0
泥岩 1.19 1.26 2.0 30. 1.5 3.0
粉砂岩 2.90 2.27 2.3 32 1.7 6.0
2.3。仿真方案和程序

在边坡开采方法,每个井下采场。两个挖掘序列设计。第一次开挖顺序从A1 A8,第二是间隔开挖。A1-A3-A5-A7-A2-A4-A6-A8挖掘序列。边坡的典型几何开采面板如图 4。

典型的边坡几何矿业窗格。

 3所示。分析 3.1。应力和位移分析不同的挖掘序列 3.1.1。挖掘的第一个钻孔

第一个钻孔是挖掘两种采矿方法。因为所有的地质因素是相似的,井下的压力被认为是相同的。 Z Z 应力云图和 Z 位移云图如图 5(一个)和 5 (b)。井眼周围的围岩径向应力的释放,以及原岩应力平衡被摧毁。在采场顶板围岩的应力转移到煤柱两侧,这就增加了对煤柱应力。屋顶、地板和钻孔的两面都受到压应力,和最大压应力出现在双方的中间,约为1.4 MPa。钻孔开始变形和钻孔变形主要集中在中间的屋顶和地板上。屋顶沉降约6毫米,底鼓是7毫米。因此,中间部分的顶部和底部板钻孔应在开挖主要支持。

两种方法的应力云图和位移云图。(一)第一个钻孔的垂直应力云图。(b)位移云图的第一个钻孔。(c)第二个钻孔的垂直应力云图。(d)第二个钻孔的垂直应力云图。(e)第三钻孔垂直应力云图。(f)第三钻孔垂直应力云图。(g)第三钻孔垂直应力云图。(h)第三钻孔垂直应力云图。(我)位移云图的第五个钻孔。 (j) Displacement nephogram of the fifth borehole.

 3.1.2。开挖的第二个钻孔

第二个钻孔是发掘时,两种开挖方法的顺序开始改变。第一次挖掘方法挖掘邻A2钻孔后挖掘A1井眼,而第二个挖掘方法挖掘A3钻孔。A1和A2水井之间的间隔是5米,A1、A3之间和15米。的压力 Z Z 两种方法所示数据的方向 5 (c)和 5 (d)。它可以煤柱垂直应力的一侧开挖后相邻A1和A2水井约为1.4 MPa,而A1、A3水井开挖后间隔约为1.2 MPa。根据云图,邻水井出土时,围岩的应力是由于两个钻孔的开挖重新分配。覆层的重量由煤柱进行钻孔和外煤层。然而,5米的垂直应力之间的煤柱A1和A2远远高于15米的煤柱A1、A3水井之间。根据塑料失败图,塑料发生故障时在中间两边孔A1开挖后洞A2连续掘进模式下的损害范围0 ~ 0.26 m。跳过开采模式下,塑料的破坏发生在A1,两边的损害范围0 ~ 0.24 m。

 3.1.3。挖掘的第三个钻孔

挖掘第三钻孔时,剪切破坏发生在双方的A1和A2水井下顺序开采模式。两种方法所示的垂直应力数据 5 (e)和 5 (f)。然而,在跳过开采模式,只有左右的钻孔A1和A2的左边有剪切破坏,和失败的范围是0 ~ 0.8。这时,水井间煤柱的应力分布呈现显著差异。在第一个采矿方法,压力是集中在水井之间的煤柱,导致严重的变形和煤柱的破坏。在第二采矿方法,上覆地层的重量主要是支持摇滚煤柱下的地板上。操作方式是,上覆地层的负载是通过宽煤柱转移到地板上,这会削弱煤柱的流变效应受到长期高静态压力。

 3.1.4。开挖的第五个钻孔

如数据所示 5 (g)和 5 (h)发掘,当第五个钻孔,压应力水井间煤柱的开采方法约为1.4 MPa,从0到2.6不等。在第二个采矿方法,A3之间煤柱的应力情况,A5, A7水井是截然不同的。的最大压应力的两面钻孔约为1.4 MPa。宽煤柱给予充分发挥自身的压力传递函数,将压力转移到地板上。煤柱的应力约为1.0 MPa。数据显示 5(我)和 5 (j),上面的屋顶塌陷A3、A5、A7支柱大约是0.5毫米。接近A1和A2的水井,屋顶沉降越大。最大位移网格点位于A1的屋顶上钻孔,约1.6毫米。

 3.1.5。开挖的第七钻孔

当第七钻孔是发掘,煤柱的应力状态下两种开挖方法又往往是一致的。屋顶板的应力范围基本上是一样的。这是因为水井之间的煤柱缩小。在这个时候,很难发挥自己的压力的煤柱传递函数,从而导致煤柱的应力集中。在这个时候,大部分的煤柱可塑性受损。

一般来说,跳过采矿技术的采用可有效降低煤柱垂直应力在开挖过程中,提高煤柱的应力状态,并减少塑性区范围的损害。相信比连续采矿跳过矿业具有更好的稳定性。

在数值模拟过程中,不同网格点系统的内部和外部的力量称为最大不平衡力。最大不平衡力时接近于零或等于零,模型是处于稳定状态;相反,当最大不平衡力跳从最初的改变为一个非零常数的值,模型进入塑性流动状态,往往会被摧毁。根据不平衡力的变化,屋顶压力完全释放,压力是由于开采顺序的变化重新分配,使井眼稳定性增加,最大不平衡力减少。

第四之间跳过开采模式下的开挖是位置1和位置3。由于多个采矿扰动的影响在这个位置,相对较高的应力集中,和最大不平衡力增加;两种开挖方法的最大不平衡应力曲线如图 6。然而,随着采矿过程的继续,最大不平衡力逐渐降低。在某种程度上,它表明,不同开采序列应设置。有必要考虑适当的工作面长度安排合理的开采顺序,避免加重近似“岛”效应引起的长工作面间隔。

两种开挖方法的最大不平衡应力曲线。

不同的开挖顺序导致不同的应力状态和煤柱的破坏程度不同。因此,煤柱的稳定性不仅取决于煤岩体的力学参数也与开挖顺序密切相关。同时,根据地图的最大不平衡力,调整合理的开采顺序可以加快钻孔的稳定性,减少井下自动稳定的时间,提高围岩的稳定性。

 3.2。煤柱的应力分析

煤柱的应力情况如图 7。从分析可以看出,煤柱的应力在采场条件是最大的不考虑边界煤柱,煤柱的应力采场两侧相对更少。的 X 煤柱的位移如图 8。很明显,序列挖掘的水平变形大于跳过的采矿、钻孔的最大水平位移的连续采矿是5毫米而跳过采矿钻孔仅1.5毫米。这表明与顺序开采相比,跳过矿业可以有效地减少钻孔的水平变形。

Distance-stress曲线两种开挖方法。

X 第五个钻孔的位移云图。(一)第一个方法的位移云图。(b)位移云图的第二种方法。

两种采矿方法的分析表明,改变后的开采顺序,煤柱的应力值显著降低,并提高煤柱的稳定性。因此,改变了煤柱的开采顺序可以减少的压力在某种程度上,这有助于提高煤柱的稳定性。与此同时,它可以减少不稳定的灾难造成的大面积悬顶错了矿业的方向。

 3.3。对煤柱塑性区分析

煤柱塑性区云图的数据所示 9和 10。在第一个采矿方法,由于不合理的煤柱宽度的选择,大面积的煤柱第一井开挖后发生剪切破坏。只有一小部分煤柱仍有残余强度,塑性区是主要集中在角落里钻孔,钻孔的屋顶和地板几乎没有塑料的失败。失败的塑性区范围约为0 ~ 5.92 m。塑性区比例的曲线如图 11。的比率的煤柱塑性区出土的第一钻孔的方法是大约90%。跳过开采模式下,塑性区比显著增加第四个钻孔被发掘后,塑性区比开挖后第四个钻孔显著增加,塑性区比第七个钻井挖掘最终增加到80%,并比塑性区一直低于连续采矿。

塑料带云图煤柱的第四个钻孔。

塑料带云图的煤柱第五钻孔。

塑性区比例的曲线。

第二个开采模式下,塑料剪切破坏显著A7钻孔围岩的发生。整形失败的范围是0 ~ 1.75 m;后续开挖中A1、A3、A5、A7水井,塑料失败区慢慢扩大。直到A7的开挖钻孔,塑性变形范围的A1, A2, A3水井扩展迅速,失败的范围是0 ~ 4.80 m。尽管的塑性区范围明显增加,塑性区在跳过矿业的比率小于连续采矿的整体风格。

 4所示。讨论

经过多年的发展和完善,回填采矿方法已成为矿产开发的一个重要方法,已广泛应用于矿山开发工程。回填采矿造成一些破坏生态环境和高回收率所能达到的水平。回填已报道的采场边坡开采系统稳定( 21]。它还有助于环境的保护的矿山边坡开采。本文只有一层的钻孔矿业进行,并可能有多个钻孔的实际提高边坡开采过程。由于空间限制,多层和充填采矿方法没有考虑在分析。因此,详细分析在不同开采充填采矿和多层钻探的安排是必要的后续研究。

充填采矿的复杂性增加,但煤柱的应力可以进一步降低。与此同时,它可以取代煤柱,提高矿产资源的恢复和利用。上覆地层的沉降是进一步降低甚至避免,从而大大提高了洛佩稳定。作为绿色采矿、城市建设固体废物应作为填充材料尽可能多。在下一步中,实验室试验和工程实践的钻孔和充填开采情况将进行分析和改进,提高边坡开采的理论可行性和可靠性和充填采矿将讨论。

 5。结论

浅层地下,煤柱往往受到应力集中的影响由于井下采矿和岩体的结构面。了解在不同开采煤柱的破坏机理序列因此浅层地下工程项目施工安全的关键。在这项研究中,基于野外实习,理论分析方法和FLAC模拟软件具有不同开采序列被用来揭示煤柱的稳定性和围岩塑性区进步过程。模拟结果再现的影响开采顺序对煤柱的稳定性和反映煤柱的稳定性在传统顺序矿业开采和间隔。与传统开采方法相比,开采边坡可以改善生产和回收率,没有额外的成本,只有通过调整改变不同的开采顺序、开采深度,并取得良好结果。

可以得出以下主要结论:

理论计算表明,序列挖掘的煤柱应力 σ 1 = γ H 1 + B Z / B P 跳过挖掘的煤柱应力 σ 2 = γ H 1 + B Z / 3 B P ,跳过煤柱的应力小于煤柱的顺序

改变了煤柱的开采顺序可以减少的压力,和煤柱应力的最大减少值是12%。结果表明,煤柱塑性区明显减少,和连续采矿的塑性区所占比例一直保持在90%,这表明煤柱不足以支撑上覆岩层重量。然而,塑性区跳过采矿开始的比例保持在20%,从第五钻孔增加,表明煤柱的宽度有很大影响应力分布的钻孔。采场的整体稳定时间缩短,采场的稳定性速度加快,和屋顶坍塌引起的挖掘角偏差是可以避免的

在这篇文章中,不同的开采顺序的影响煤柱稳定性的研究通过仿真,并发现跳过矿业支柱的稳定性优于顺序开采。传统的序列挖掘技术很简单,但间隔采矿方法可以明显提高采场工作面条件。因此,挖掘序列应该合理安排如果条件允许

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

 确认

本研究支持的山东省自然科学基金(ZR2018MEE001号和ZR2020QE129),青岛源创新计划(18 - 2号- 2 - 68 - jch),和山东省高等学校科学研究项目(没有。J18K2010)。作者感谢审稿人他/她宝贵的意见和建议。

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