侧向支承压力的进化规律的情况下完全机械化开采浅煤层煤柱研究使用的变化过程压力扰动部分为研究对象。物理模拟实验结果表明,煤炭开采后,由于煤层顶板的崩溃,关键层上覆地层将打扰煤柱不同程度的部分,和程度的支承压力的突然改变煤壁附近达到最大值。释放的能量影响的关键层断裂,压力突变区域转移到煤壁在更深的层次上和塑性区范围的增加。从数值模拟的角度,根据煤柱支承压力的变化特征在采矿过程中,顶板岩层复杂的动态加载过程分为三个阶段:这个阶段不受采矿、动态负载行动的舞台,舞台上的静态负载。在第一阶段,侧向支承压力只是影响巷道开采,造成应力集中在煤体内。应力集中系数小,支撑压力是稳定的。在第二阶段,随着工作面推进,煤层负载不断变化由于采空区上覆岩层的运动,和侧向支承压力的变化显然在动载荷的影响。在第三阶段,应力集中在煤层和上覆荷载形式不断转移到煤壁在更深的层次上,这就增加了煤炭身体的极限平衡区。在此期间,提高塑性区范围仍在一个特定的利率在一段时间内,最后趋于稳定。
新疆、鄂尔多斯盆地、内蒙古东部是主要的煤炭在中国能源生产地区。有大量的浅煤田,埋藏地下150米内。然而,在浅煤层开挖,由于开采的影响,在采场侧向支承压力重新分配,和上覆岩层结构的变化,导致地表沉陷,板凳沉降等不连续变形灾害。这严重阻碍了矿山生产的可持续发展。因此,重要的是要掌握的动态演化规律的侧向支承压力和确定上覆岩层的结构变化特征来控制表面不连续变形。
国内外研究人员已经进行了各种各样的研究对上覆岩层结构的改变和支承压力的演化规律的影响下煤层开采。弗里斯和里德
本研究认为Yangjiacun矿2201矿业面临的内蒙古自治区为研究对象。在工作面煤层属于2 - 2煤层,煤层的平均倾角是1°15′,和它的平均厚度为5.5米。煤层的屋顶是细砂岩和砂质泥岩,和特定的综合直方图岩层表所示
Yangjiacun煤矿厚基岩和薄表面疏松层。Yangjiacun煤矿地下开采期间,主要研究结果如下:所有背后的基本基石屋顶倒塌;上覆松散层没有完全掉下来;屋顶结构在动态变化,侧向支承压力的进化产生了极大的影响。在煤炭开采过程中,采空区的顶板岩层的周期性骨折,和岩石破碎块铰接形成一个不稳定的“砌体梁”结构。侧向支承压力变化明显之前和之后的结构不稳定,影响了道路,如图
在这项研究中,上覆岩层运动和侧向支承压力演化物理刺激。基于相似理论和相似条件,相似材料模拟试验建立了一个模型类似于地质构造和压力条件。实地观察研究后解决问题的困难和不清楚机械结构。类似的条件参数相似材料模拟计算,得到如表所示
使用浅煤层的相似材料模拟的相似模拟试验系统从开采煤层底板突水,如图 相似材料模拟的原理图。
材料比例模型的岩层。
岩性
原岩的厚度(m)
模型分层厚度(毫米)
匹配的数量
体积密度(g / cm<年代up>3年代up>)
体重(公斤)
每层材料消耗(公斤)
沙子
碳酸钙
石膏
水
风积沙
3.78
19
05:01
1.08
10.15
10.15
锯末1.54
1.05
企业集团
40.26
200年
7:5:5
1.6
182.2
159.4
11.4
11.39
18.2
砂质泥岩
12.50
63年
8:6:4
1.5
46.8
41.6
3.1
2.08
4所示。7
中细砂岩
22.03
110年
7:7:3
1.6
87.1
76.2
7.6
3.27
8.7
泥岩
5.12
26
8:6:4
1.5
12.6
11.2
0.84
0.56
1.3
砂质泥岩
3.47
18
8:6:4
1.5
5.2
4所示。6
0.35
0.23
0.52
细粒砂岩
14.48
72年
7:8:2
1.6
23
20.1
2.3
0.57
2.3
泥岩
8.5
42
8:6:4
1.5
6.7
6
0.45
0.3
0.67
砂质泥岩
4.55
23
8:6:4
1.5
6.7
6
0.45
0.3
0.67
2 - 2煤
5.5
28
8:6:4
1.35
17.4
15
1.16
0.77
1.74
砂质泥岩
4.03
20.
8:6:4
1.5
5.2
4所示。6
0.35
0.23
0.52
细粒砂岩
8.15
41
7:8:2
1.6
33.3
29.1
3.32
0.84
3.3
所有
132.37
662年
517.96
456.35
38
23.6
52
为了研究上覆岩层运动与侧向支承压力演化的特点在煤层开挖期间,有必要安排一个测量点数的煤层和上覆地层监控压力演化过程。四组的测量线(图 测点布局相似材料模拟。
模拟的工作面是60米的长度;测量的点排列在40米的横向煤炭的身体;和沿煤层工作面先进的趋势。模拟开挖时间比例是1:10;开挖进行了一次2 h;并且每个开挖是5厘米。在开挖过程中,第一个权重和周期性加权步骤工作面被观察和记录。此外,关键过程,如变形、断裂,土层和崩溃的重要记录,如图 在煤层开采上覆岩层运动。(一)工作面推进10 m。(b)工作面推进50米。(c)工作面推进60米。(d)工作面推进70米。(e)工作面推进80米。(f)上覆地层的稳定性在工作面推进了80米。(g)原理图的关键层工作面上方。
从图可以看出
的上覆地层Yangjiacun煤矿复合关键层结构。当工作面开采、煤炭支柱和巷道围岩受到不同程度的动态负载扰动的影响,如岩石断裂和崩溃和断层滑动。这种动态负载扰动现象具有重要影响煤矿的安全操作。矿山压力的作用下,地层的关键是打破,不稳定,外部释放能量,导致煤的身体损害和响应。力的分配是一个重要的动态负载扰动来源煤矿。煤矿动态负载扰动因素有很多,如断层滑动,钻探和爆破、和地震等地质现象会产生动态载荷。然而,受实验条件的影响,本研究只侧重于动态加载关键层断裂和崩溃的现象。屋顶骨折引起的动载荷图所示 素描的屋顶裂缝产生的动载荷。
煤层开挖期间,运动的关键层和监控压力曾被观察到在同一时间。在实验的最后,骨折的关键层结合测点的应力变化,进化压力比较和分析,如图 压力演化图对比分析不同测量的点。(一)压力演化曲线测量分2 - 1和5 - 2。(b)测点应力演化曲线2 - 2和6 - 1。(c)测点的应力演化曲线1 - 2和5 - 1。(d)测点应力演化曲线3 - 1和7 - 2。
如图
大量的能量被释放从骨折失败的关键层,和外侧煤的身体重新分配压力。动态负载扰动导致侧煤体的峰值应力增加,和峰值应力转移到煤壁深层次。断层线外的压力下降,低于原岩应力。由于干扰,外侧煤炭塑性区范围也增加,如图 压力和塑性区围岩动态载荷作用下的变化。
为了研究侧向支承压力的演化特征在煤矿,应用FLAC3D数值计算模型建立。根据地质条件和采矿的Yangjiacun煤矿、倾斜长度(<我talic>
X我talic>方向)120;罢工的长度(<我talic>
Y我talic>方向)250;和高度(<我talic>
Z我talic>方向)是45米。为了简化计算,一定高度的屋顶和地板的煤层被选为数值模拟计算模型。如图 数值模型。
塑性软化模型和粘弹塑性模型被用来模拟煤层开挖和流变过程。模型的边界条件设置根据顶加载,另五边接口解决位移约束<我talic>
X我talic>,<我talic>
Y我talic>,<我talic>
Z我talic>的方向。根据地质条件、煤层的埋藏深度是120米,和压力下的煤层原始岩石压力是3.9 MPa。为了简化模拟、高度、长度和宽度模型的是45,250和120,分别。见表 岩层的力学参数。
类别
岩性
厚度(m)
体积弹性模量(GPa)
剪切模量
密度(公斤/立方米)
内摩擦角()。
凝聚力(MPa)
抗拉强度(MPa)
细粒砂岩
15
5.67
3.05
2560年
28
2.7
5.1
泥岩
8.5
2.8
1.26
2080年
30.
2.8
1.2
砂质泥岩
5
3.16
2.46
2380年
31日
3.0
3.0
2 - 2煤
5.5
1.4
0.54
1400年
32
1.0
0.7
砂质泥岩
5
3.16
2.46
2380年
31日
3.0
3.0
细粒砂岩
8
5.67
3.05
2560年
28
2.7
5.1
模拟煤层开挖的宽度是60米,每次被挖掘的模型20米。此外,操作步骤是2000步;然后开挖是20米,工作面长度是220米。模型开挖过程中,横向煤炭塑性区范围,侧向压力的峰值应力、极限平衡区,应力的影响范围,平衡时间模型的实时监控。模型平衡后,塑性软化模型被视为粘弹性的塑料模型,和流变应力演化特征进一步研究。
开挖期间的工作面对的运动平衡在采空区上覆地层,测量点设置在侧煤体50米在工作面监控侧煤体的应力变化。每个开挖是20米。在开挖后,相应的应力分布云图,如图 垂直应力分布的横向煤。(a)−30米应力分布云图(注:−30 m是30 m的初始测量点)。(b)的应力分布云图开放。(c) 40米应力分布云图(注:40 m是40 m在初始测量点)。80 (d)的应力分布云图(注:80 80背后的初始测量点)。
为了研究进化的侧向支承压力在动态加载阶段,进化的侧向支承压力的峰值和塑性区范围内的煤层开挖模型平衡模拟,如图所示 侧向支承压力演化曲线。
从图可以看出
在煤炭开采,煤层上覆地层稳定后,很长一段时间保持不变在自重荷载的作用下,构造应力。这种状态可以被看作是一个静态加载煤的身体。为了研究进化的侧煤体支承压力和煤岩特征失败在这个条件下,采用均衡模型及其本构关系改变研究煤的应力强度特征的身体处于流变状态。
流变模型是一种模型,该模型可以模拟复杂变形的材料。典型的粘弹性模型(所谓的汉堡)不能有效地描述岩石蠕变的全过程。因此,莫尔-库仑模型和粘弹性模型(汉堡)连接到粘弹性模型的建立相应的系列模型(汉堡)和莫尔-库仑模型(mc),即cvisc模型,如图 粘弹性模型。
流变模型参数。
参数
弹性模量(MPa)
粘性系数(109 (Pa /年))
M模型(<我talic>
E我talic>
K模型(<我talic>
E我talic>
M模型(<我talic>
η我talic>
K模型(<我talic>
η我talic>
价值
2536.9
6410.8
37.0
11.3
如图
如果<我nline-formula>
mc屈服准则和剪切屈服准则的应力不变量如下: 所表达的抗拉屈服准则压力不变 Fc是岩石介质的抗拉强度。
煤层后挖掘直到上覆岩层运动停止和模型是平衡,煤层保持不变很长一段时间在自重荷载和构造应力的作用下。这种状态显示,当煤炭的身体是静载荷的作用下,煤的身体进入流变状态。为了研究流变状态下横向应力的演变规律,粘弹塑性模型被用来研究在2流变应力演化,和数字 支持进化压力曲线。
支承压力峰值演化曲线。
从图可以看出 煤炭进入流变状态后,煤的塑性区范围的身体逐渐的增加,峰值应力之间的距离的煤炭质量和煤壁(即塑性区范围的)介绍了幂函数曲线发展。的变化趋势中塑性区两年流变使进化过程中被选择曲线及支承压力峰值,如图
Yangjiacun煤矿的地层是一个复合关键层结构。煤层开采的关键层的断裂形式砌体梁,从而导致不稳定滑动和旋转变形不稳定。第二个注册表子项层是暂停,工作面不断推进,地层坍塌向上发展和横向应力先增加然后减少。键和上覆地层的失败和不稳定扰动产生不同程度的压力。煤壁附近的应力扰动更加明显,和压力扰动的影响逐渐减少与煤壁的距离增加。
动态载荷的作用下,采空区上方的减压区形成煤层的应力集中是横向煤体内形成的。压力曲线的影响范围逐渐发展的高度和深度方向煤的身体。与工作面推进,测点的应力在不同深度的煤壁先增加然后减少,和煤的塑性区范围的身体是不同的在每一个阶段,但总体呈现不断增加的趋势。转换曲线形式的幂函数曲线。
煤层上覆岩层平衡开挖后,煤层进入静载荷下的流变状态;的进化规律的侧向支承压力随时间;和应力集中系数减少抛物线的形式。根据流变行为,之间的距离侧向支承压力峰值和煤壁逐渐增加,并增加率随时间的推移而减小。
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
这项研究是财务支持的工程深矿井岩爆灾害评估实验室开放项目(LMYK2020003),中国国家自然科学基金(51804179和51804179),山东的关键研究和发展计划(2019 gsf111024),国家重点实验室开放基金的水资源保护和利用煤矿(shjt - 17 - 42.14), SDUST研究基金会(2018 tdjh102),和山东的泰山学者得天独厚的人才团队支持计划和独特的学科领域。