SV 冲击和振动 1875 - 9203 1070 - 9622 Hindawi 10.1155 / 2021/6613562 6613562 研究文章 研究保留Gob-Side条目的稳定控制爆破屋顶压裂技术在厚立即屋顶 郭 劲 1 2 李 赵耀辉经济学 1 2 https://orcid.org/0000 - 0003 - 4768 - 7877 他 Fulian 1 傅 广胜 3 高 盛 4 Lallart 之旅 1 能源与矿业工程的学校 中国矿业大学科技(北京) 北京10083年 中国 cumtb.edu.cn 2 大同煤矿集团有限公司 大同037003 中国 3 山东局中国冶金地质总局 青岛26600年 中国 4 CCTEG能源技术开发有限公司 北京10083年 中国 2021年 20. 4 2021年 2021年 4 10 2020年 23 10 2020年 12 4 2021年 20. 4 2021年 2021年 版权©2021金港郭et al。 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。

保留gob-side条目在长壁开采煤矿技术是流行,因为一个条目的开挖是在下一个面板中减少。然而,受到多个挖掘和开采的影响,围岩的稳定控制成为一个问题。鉴于上述问题,一个典型的保留gob-side条目厚厚的立即屋顶,屋顶和爆破压裂技术是用于改善应力环境,减少变形和损坏,并确保稳定和安全。屋顶研究压裂参数,一个全球模型与厚立即屋顶考虑strain-soft和双屈服宪法。研究发现,压力、破坏范围和围岩的变形密切相关压裂屋顶的高度和角度,给出了最优的情况。仿真结果应用于野外实习,并取得了良好的应用效果。上述技术和研究方法可以用作参考煤矿具有类似条件。

 1。介绍

超过90%的地下煤矿在中国使用长壁开采方法( 1]。长壁工作小组由矿业的脸和两个条目的通风,交通和步行。一套煤柱通常是两个面板之间空间采空区(图 1(一)),但它会造成巨大的浪费煤炭资源( 2, 3]。罢工大长壁开采面板的长度通常是几公里,和条目开挖需要大量的人力、资源和时间,这可能导致矿业和开挖之间的紧张关系。与此同时,这个矿的通风方案“U”型,这是不利于汽油煤矿的安全生产 4, 5]。为了避免上述问题,许多煤矿使用保留gob-side条目用人工支持(图 1 (b))控制围岩的稳定性,减少煤炭浪费和开挖数量,改善通风类型( 6]。然而,这种采矿方案不能有效改善围岩的压力,和人工建设的支持也是费时又费力。近年来,爆破压裂屋顶技术(BFRT)广泛用于中国保留gob-side条目(图 1 (c))。这种技术可以改变的压力环境保留gob-side条目通过调整屋顶发生状态。gob-side条目的稳定性可以保证没有煤柱和人工的支持,大大降低了建设成本和时间( 7, 8]。

典型的长壁开采方案。(一)煤柱。(b)人工支持。(c) Nonpillar。

学者和工程师在BFRT做了很多研究,主要集中在压裂方法和参数的影响和表土屋顶结构前后BFRT上面保留gob-side条目。目前,主要压裂屋顶爆破方法,水力压裂和电锯。Zhang et al。 9]研究了爆破的参数通过LS-DYNA3D压裂屋顶仿真软件,屋顶在爆破中的有效应力,提出了钻孔间距的优化和现场应用取得良好效果。黄等。 10]应用水力压裂方法减少保留gob-side条目的屋顶,一个分析模型的定向液压悬挂硬顶在gob-side条目建于得到应力分布与不同的断裂位置屋顶,然后断裂位置的影响因素探讨了计算最优水力压裂的位置和参数。Tai et al。 11]介绍了一种创新BFRT电锯手臂和设备、垂直应力在保留gob-side条目被仿真分析研究,他们指出,使用这种方法后压力下降了25%。

在BFRT参数研究,马等。 12)通过理论分析研究了压裂角和机械测试,得出结论:压裂角有一个很大的影响在围岩压力;给出了一个合理的压裂角在一定的地质条件。侯et al。 13]分析了压裂高度通过离散单元数值软件模拟在南阳煤矿;他们提出,BFRT能够有效地消除屋顶的破碎损失,而变形降低了压裂高度增加。最后,一个理性的压裂高度18米。他等。 14屋顶)提出了一个定向压裂技术应用于厚煤层和恒定电阻和大变形锚索支持方法,和理性压裂数值模拟高度和角度进行了探讨。该技术应用于保留gob-side条目,条目的变形满足挖掘需求。

BFRT可以提高围岩的应力环境通过改变发生的屋顶上面保留gob-side条目来减少条目变形和损伤。对围岩变形机理的研究受到屋顶结构,白等。 15)发现,上面的硬悬臂梁gob-side条目大大压缩底层煤层通过现场调查和数值模拟,使围岩不稳定,并指出伟大的水平和垂直应力和弹性能量损失的主要原因是周围的岩石。BFRT屋顶结构后,王et al。 16)建立了一个短悬臂梁的力学模型研究屋顶变形原理和关键影响因素,证明了屋顶BFRT后旋转角度和入口宽度对顶板变形有很大影响。杨et al。 17]发现压裂屋顶可以形成一个稳定的结构,当压裂角不为零,高度高于开采厚通过等效材料模拟实验。控制的稳定性gob-side条目,他们建议关注不仅支持煤炭身体和屋顶结构稳定但也损害。杨et al。 18)探讨了顶板运动特征不同的屋檐下压裂位置通过理论和数值模型,并提出了合理的压裂屋顶位置可以使屋顶打破身体形成一个稳定的结构。Zhang et al。 19)比较困难的主要屋顶结构使用上面BFRT保留gob-side条目,使用传统的人工支持大幅节接缝,压裂后提出了结构屋顶可以避免影响煤矸石和形式路边支持减少保留gob-side条目的变形。

基于上述研究,本研究结合工程和地质条件干玉米酒糟煤矿厚直接顶的和保留的围岩稳定性原理gob-side条目被BFRT出发了。BFRT仿真模型与厚立即屋顶考虑应变软化和双屈服宪法建立了研究塑料范围、支承压力和围岩变形。然后,最理想的压裂屋顶案例。最后,进行了现场试验在5201年留存gob-side条目,和良好的应用效果是通过监测周围的围岩的变形保留gob-side条目。

 2。机械工程和地质条件和实验室测试 2.1。工程和地质条件

测试网站的煤层几乎是水平的,和平均厚度和埋深3.6米和450米,分别。5201年留存gob-side条目位于面板之间的8206和8201面板(图 2),小组8201年开采第一,然后小组8206年撤退,gob-side条目5201有两个板(面板8206和面板8201)。应用BFRT 5201年留存gob-side条目以保证围岩的稳定性。煤矿综合机械化设备的面板。上面的层板是泥质粉砂岩(8美元),细砂岩(5米),和粉砂质泥岩(6米),而下面的岩层煤层是泥岩(1米)和中细砂岩(10米)。图 3显示了广义的地层学列测试网站。塌陷的区域的高度和塌落角是13.3 m和45°,分别。

5201的位置保留gob-side条目。

广义的地层学列测试网站。

保留gob-side条目5201的宽度和高度是5.2米和3.6米,分别。螺栓用于屋顶的长度和直径是2500毫米和22毫米,分别。他们是设置1000×1100毫米的间距。锚在屋顶的长度和直径是8300毫米和17.8毫米,其间距是2000×1300毫米,它们都与“W”钢带。煤两根肋骨的支持结构是对称的,长度,直径,和螺栓的间距的肋骨是2000毫米,22毫米,1000×1000毫米。金属网格是铺设在屋顶和两根肋骨。小组8201年撤退后,锚和每一行添加液压支柱支持屋顶,和两个煤矸石挡板用于阻止煤矸石在每一行,煤矸石挡板的高度和厚度是124毫米和16毫米,分别和两个煤矸石挡板安排每一行。锚的长度和直径在屋顶边缘的10300毫米和17.8毫米,分别和水力负荷的道具是100 kN。具体支持参数如表所示 1和图 4。

力学参数的支持。

类型 l(毫米) l r(毫米) D(毫米) F t(毫米)
螺栓在屋顶 2500年 1200年 22 2 e5
螺栓在肋骨 2000年 1200年 22 2 e5
锚索 8300年 2400年 17.8 2.5 e5

l螺栓的长度或锚; lr灌浆的长度; D表示直径; Ft抗拉强度。

支持5201 gob-side条目。(一)小组8201年撤退之前。(b) 8201年面板后撤退。

 2.2。实验室机械测试

岩石和煤钻取的样本面板8201,在实验室里,他们在图所示 5。机械测试是操纵在一个三轴试验机(鞣制- 1000 kN)。的弹性模量 E单轴抗压强度 σ c单轴抗拉强度 σ t,泊松比 v 的凝聚力 c,摩擦角Ф测试。煤和岩石的力学参数是列在表中 2。

岩石和煤样品。

煤和岩石的力学参数。

岩性 E(GPa) σ c(MPa) σ t(MPa) v c(MPa) Ф(度)。
粉砂质泥岩 11.3 29日 1.8 0.29 6.8 35
细砂岩 50.9 86.7 2。8 0.24 13.2 49
泥质粉砂岩 30.4 50.4 2。2 0.28 11.1 36
煤炭 5。8 9.1 1.4 0.32 3所示。4 29日
泥岩 9.7 21.1 1.59 0.3 5。3 32
中细砂岩 46.4 39.5 2。7 0.26 11.7 40
3所示。使用BFRT围岩控制机制

小组撤退后,上面的坍塌区和断裂带形成采空区在上覆地层断裂和屈服,并且将会有一个悬臂梁在保留gob-side条目(图 6(一))。因为没有下悬臂梁的支持,自己的体重和表土大量过剩区使其弯曲,和负载变换采空区煤矸石和维珍煤炭肋骨。由于采空区的弱承载力煤矸石、圣母煤炭肋骨将承担大部分的负载。与此同时,自己的体重和表土加载可以形成一个伟大的弯曲运动迫使,而压缩周围的围岩保留gob-side条目。因此,存在过剩区很难保持围岩的稳定,这对安全生产有巨大的影响。

使用BFRT围岩控制机制。BFRT之前(a)。BFRT后(b)。

BFRT形式压裂线上方保留gob-side条目通过深孔爆破在这项研究中(图 6 (b)),然后悬臂梁的重量和表土加载使它打破在压裂线减少过剩的长度,可减少自己的体重和过重的负荷的影响周围的岩石,改善应力环境,保证稳定的保留gob-side条目。

 4所示。BFRT的数值模拟研究 4.1。研究模型和方案 以下4.4.1。全局模型

根据围岩控制机制使用BFRT,压裂高度和角度在BFRT关键参数。建立了数值模拟获得合理的压裂高度和角度(图 7),它的大小是380 m×53米×10 m。10.2 MPa的垂直压力被应用到模型模拟的顶部覆岩层荷载和重力。1.2倍的水平应力垂直压力被应用到模型在水平方向。底部和四周被限制。soft-strain和双屈服宪法适用于煤层和采空区,分别。针对摩尔-库仑宪法所使用的其他层。

仿真模型。

 4.1.2。研究案例

数值模拟建立了七组的病例。BFRT不应用于案例7,保留自然崩落gob-side条目上方的屋顶,和塌落高度 H和角度 α坍塌区提出了部分 2。1。压裂高度情况下1、2和3是13米,压裂是直接和主要的屋顶,屋顶和压裂角 β这些病例的60°、75°、90°(图 8(一个))。压裂高度情况下4、5、6(图8米 8 (b))、压裂屋顶是直接顶和压裂角 β这些病例的60°、75°、90°。情况下表中列出的参数 3。

仿真方案。(一)压裂直接和主要的屋顶。(b)压裂立即屋顶。

模拟计划参数。

模拟方案 案例1 案例2 案例3 例4 例5 案例6 例7 (nonfracturing)
骨折线角(度)。 60 75年 90年 60 75年 90年 45°(塌落角)
压裂高度 H(m) 13 13 13 8 8 8 13(塌落高度)
4.2。仿真参数的测定

岩石力学参数为数值模拟结果起着重要的作用。获得的岩石和煤样的力学性能在实验室不认为骨折和关节在岩石和煤质量,不能真正反映岩石的力学性能和煤炭质量。煤岩体的力学性能可以通过修改完整岩石强度。因此,岩石的力学参数和煤炭样本通过RocLab修订适用于数值模拟软件,他们如表所示 4。 (1) σ 1 = σ 3 + σ c 我 米 b σ 3 σ c 我 + 年代 一个 , 在哪里 σ c 我 单轴抗压强度和吗 σ 1 和 σ 3 分别是最大和最小原则强调。 米 b , 年代, 一个是常量,它们可以得到以下方程: (2) 米 b = 米 c 我 经验值 助教 − One hundred. 28 − 14 D , 年代 = 经验值 助教 − One hundred. 9 − 3 D , 一个 = 0.5 + 1 6 e − 助教 / 15 − e − 20. / 3 , 在哪里 米 ci完整岩石是一个常数, D是干扰系数,GSI代表裂隙岩体的评价参数。

岩体力学性能数值模拟中使用。

岩性 助教 米 D E(GPa) K(GPa) G(GPa) Ф(度)。 C(MPa) v
粉砂质泥岩 60 15 0.7 6.22 4.94 2.41 34 1.1 0.29
细砂岩 70年 17 0.7 19.1 12.2 7.70 47 2。4 0.24
泥质粉砂岩 60 10 0.7 8.21 6.22 3.21 35 1.23 0.28
煤炭 40 8 0.7 1.1 1.02 0.42 14 0.33 0.32
泥岩 45 10 0.7 2.24 1.87 0.86 22.1 0.589 0.3
中细砂岩 56 15 0.7 5.77 4.01 2.29 34.6 1.31 0.26

煤的破坏过程包括弹性阶段、塑性阶段,剩余阶段。Zhang et al。 20.]提出strain-soft宪法可以更真正模拟上述阶段。因此,strain-soft宪法是应用于煤层在这项研究中,失败后,煤的力学性能是通过改变凝聚力和摩擦;通过实验室测试,如表所示 5。

降低煤炭的参数。

应变 0 1的军医 5 e - 3 2 e - 3
凝聚力(MPa) 2 e6 2 1.6 1
摩擦角(°) 26 24 23 22
4.3。双屈服宪法在采空区中的应用 4.3.1。煤矸石在采空区的参数测定

在采空区塌陷的煤矸石的性质为模拟的准确性是至关重要的江et al。 21]。双屈服宪法可以实现应力变化与材料变形,这可能真正模拟了煤矸石的力学性能。因此,双屈服宪法是应用于煤矸石的采空区。上限压力双屈服模型中的重要参数之一。据研究班子的 22],•[ 23江,et al。 24),帽的压力可以通过方程给出: (3) σ = 10.39 σ c 1.042 / b 7.7 ε 1 − ε b / b − 1 = 10.39 ε σ c 1.042 b 7.7 1 − ε b / b − 1 , b = h c + h c r h c r , 在哪里 σ c煤矸石的单轴抗压强度, ԑ煤矸石的应变, b是体积因素, h cr的高度是塌陷的区域。面板的开采高度8201是3 m,塌落高度是13.3米,在部分 2。1。

可以确定采空区煤矸石的其他参数反分析方法。具体的方法是建立一个多维数据集,应用一个固定的速度模型的顶部,并修复其他边界。然后调整参数接近萨拉蒙的分析结果。在这项研究中,采空区煤矸石的性质与计算吻合较好,通过反分析方法(图班子 9),采空区煤矸石属性表中列出 6。

仿真和分析结果的比较。

煤矸石在采空区的材料参数。

参数 密度(公斤/米3) 体积弹性模量(GPa) 剪切模量(GPa) 摩擦(°) 扩张(°) 拉伸(GPa)
价值 1000年 8.1 5.97 20. 6 0
4.3.2。验证采空区的模拟

验证的可靠性和准确性双屈服模型和参数的选择,研究了采空区的垂直压力。数据 10 ()和10 10 (b)分别显示垂直应力云图和曲线。从图可以看出 10垂直压力逐渐从2 MPa提高到10.9 MPa从采空区边缘到60米从采空区的边缘,和垂直压力中间的采空区(10.9 MPa) 96.8%的原始压力(11.25 MPa)。智能和哈雷 25)指出,从零到原始垂直应力的距离是大约0.12倍的上覆岩层厚度。在这项研究中,压力恢复到原始的距离是0.13米*上覆岩层的厚度(60米/ 450)。以上数据说明双屈服模型和参数用于采空区是准确的。

采空区的垂直应力分布。(一)采空区的垂直应力云图。(b)垂直应力曲线。

 4.4。仿真结果 4.1.1。塑性区分布

围岩塑性区分布在不同BFRT图所示 11。煤的塑性区深度情况下1 - 7肋是6.6米,6.4米,5.2米,7.0米,6.8米,6.8米和7.2米,而这些在层2.4米。上述数据表明,煤的塑性区深度肋BFRT时最大的不是应用(案例7);时大大降低的主要和直接的屋顶是骨折(例1、例2和例3),和塑料的最大减少深度约为2 m相比没有BFRT(案例7)。然而,最大减少塑料深度只有0.4米直接顶板断裂时(例4例5和例6)相比,如果没有BFRT(案例7)。此外,当压裂角度是相同的,煤的塑性区深度肋下压裂主要和直接的屋顶是小于在压裂立即屋檐下;当压裂高度是相同的,塑性区深度减少与压裂角增加压裂直接和主要的屋檐下,虽然这些不改变与压裂角压裂主要屋檐下显著。

塑性区分布在不同压裂高度和角度。(一)案例1(压裂主要屋顶60°)。(b)例2(压裂主要屋顶75°)。(c)例3(压裂主要屋顶90°)。(d) 4(压裂直接顶90°)。(e) 5(压裂直接顶75°)。(f) 6(压裂直接顶90°)。(g) 7 (nonfracturing屋顶)。

同时,弹性区位置在上面的屋顶保留gob-side条目变化在不同情况下(数字 11和 12)。弹性损伤区逐渐移动到顶部的保留gob-side压裂角降低。当压裂角度是相同的,弹性区压裂立即屋顶面积大于压裂主要的屋顶。弹性区面积最大(13.64米2)压裂直接和主要的屋檐下有90°(例3),虽然这是最低(9.76米2)在nonfracturing屋檐下的面积(案例7)。弹性区提出了围岩的破损区域,和弹性面积越大,围岩的损伤越小和围岩的稳定性越好。根据上述分析,压裂的直接和主要的屋顶和增加压裂有益于减少煤炭肋骨的塑性区深度,增加弹性区面积,并让它定位在gob-side条目,可以极大地提高围岩的稳定性。

屋顶上弹性区面积。

 10/24/11。支承压力研究

保留的垂直应力分布在煤炭肋骨gob-side条目如图 13,7例的高峰值41.9 MPa, 44.9 MPa, 39.8 MPa, 49.2 MPa, 46.5 MPa, 45.0 MPa,分别和51.3 MPa。基于七的垂直应力的分布原则情况下,它可以获得高峰值最小(39.8 MPa),它的位置是最接近煤炭肋(5.3米)压裂直接和主要的屋檐下有90°,和支承压力的影响范围最小。最大峰值(51.3 MPa),它的位置是最远的从煤炭肋nonfracturing屋顶下(7.3米),和支承压力的影响范围大。当压裂高度相同,峰值随压裂角增加;当压裂角度是相同的,屋顶压裂直接和主要的高峰值减少与压裂相比直接顶:

煤炭肋骨在不同垂直压力压裂高度和角度

垂直应力值和峰值位置的煤炭肋骨

垂直应力分布的煤炭肋骨保留gob-side条目。煤炭肋骨(a)垂直应力在不同压裂高度和角度。(b)的值和峰值位置的垂直压力煤炭肋骨。

 4.4.3。围岩的变形

如图 14,屋顶的变形和煤炭肋下7例有很大的差异,地板虽然有点区别。屋顶和煤的变形肋的情况下立即压裂主要屋顶,屋顶是明显低于压裂主要的屋檐下。当压裂高度相同,压裂角越大,变形越小的屋顶和煤炭肋骨。屋顶的变形(27.8毫米)和煤炭肋骨(35.4毫米)最低压裂的情况下直接和主要屋顶90°。根据屋顶变形如图 (14日)屋顶,最大变形在例5和例6中是40.5毫米和43.7毫米,分别,这都是大于7(40毫米)。上述现象的原因是主要的屋顶仍然逼近后立即屋顶是断裂的,它失去了过剩的支持直接的屋顶,这使得自己的主要屋顶和上覆岩层的重量负荷转移到周围的围岩保留gob-side条目,所以屋顶上的巨大的压力和弯曲运动行为。这就是为什么屋顶变形压裂后立即屋顶大于没有压裂屋顶。

不同压裂情况下围岩的变形。(一)屋顶位移。(b)地板位移。(c)原始煤肋收敛。

基于上述分析,比较7例,发现情况3(压裂直接和主要屋顶90°)是最优控制的稳定保留gob-side条目,可以改善应力环境的范围,降低围岩的塑性区和变形。

 5。实地测试

BFRT应用于保留gob-side条目5201厚立即屋顶研究应用效果。基于仿真结果和施工现场技术问题,爆破钻孔的直径和长度应用于现场测试48毫米和12500毫米,分别主要和直接的屋顶是支离破碎,压裂角设置为85°。安排和检测图片后的爆破钻孔图所示 15。

安排和检测钻孔的照片。

保留gob-side条目的围岩变形监测,结果在图 16。围岩的变化在0-50米部分工作滞后的脸很小,虽然这是伟大的在50 m - 140 m。在140米- 200米部分,围岩变形的变化是光滑的。从图可以看出 (16日)屋顶的最大变形的变化,煤炭肋骨和地板是128毫米,78毫米,分别和17毫米。上述数据表明,围岩的稳定性在保留gob-side条目由BFRT控制,和现场支持效果如图 16 (b)。

围岩控制效果。(一)围岩的变化。(b)的照片保留gob-side条目。

 6。结论

根据地质条件的直接顶上面保留gob-side条目,数值模拟考虑应变软化和双屈服宪法。7例进行了研究和比较,最理想的BFRT案例(压裂直接和主要屋顶90°),可以控制的稳定保留gob-side条目。

在数值模拟基础上,众所周知,BFRT可以有效地改善应力环境,减少围岩的塑性区范围和变形。当压裂角度是相同的,通过压裂控制围岩的影响直接和主要的屋顶被压裂优于直接屋顶。当压裂高度相同,压裂角越大,缓解压力就越好。

周围的围岩压力保留gob-side条目使用BFRT通过实地测试后相对较小;和屋顶的最大变形的变化,煤炭肋骨和地板是128毫米,17毫米和78毫米;围岩的控制效果很好,这意味着BFRT用于保留gob-side条目是可行的和有效的。

 数据可用性

研究数据用于支持本研究的结果中包括这篇文章。要求更多的细节应该相应的作者。

 的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

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