文摘

在采矿开挖,保留条目僵硬煤柱位于强矿山地面压力。受开采支承压力和动态应力(振动信号)诱导的硬顶激活,保留条目可能受到屋顶分离,支持身体衰竭,严重底鼓,甚至屋顶倒塌。基于二维物理模型,实验方法与平面应力条件用于模拟在矿山岩层的力学行为。在这个实验中,三个监测系统采用显示强劲的特点我在硬地面压力保留煤柱条目。结果表明,硬顶向下弯曲,骨折,激活先后屈服,直到能够支持上覆负荷。的支承应力诱导煤柱载荷转移的僵硬的比在其他岩石保留条目在放大,和上覆负荷高于固有的区域对unworked-out区域负载效应。当坚硬顶板处于激活状态,动态产生的压力是硬顶激活,这是验证了声发射信号的突变。采矿地压在物理模型的结果可以清楚地说明周围的岩石的力学行为保留煤柱与僵硬。

1。介绍

作为化石能源,煤炭为人类文明提供了巨大的能量在过去和未来。露天开采和地下开采的主要方法是保持煤炭生产的可持续发展。在地下开采安全维护的条目需要解决许多工程和机械的问题,这是一个关键技术,确保生产系统的正常运行1]。长壁开采的发展,两边有两个条目的每一个长壁板,叫做限两次入境系统在世界各地(2- - - - - -4]。图1示意图显示了限两次入境系统当从面板中提取煤1。头条目1和尾条目2服务面板1一起辅助运输和通风功能,直到煤炭开采面板1。然而,尾巴条目2面临许多挑战造成的提取,如采动压力的进化,不稳定的支持身体,屋顶分离,严重底鼓。从力学的角度,这个问题是否可以保留尾巴条目2服务面板2与僵硬的煤柱需要进一步讨论。

第一阶段是尾巴的原位应力状态条目2,不影响相邻采空区上方的坚硬顶板激活;第二阶段是尾巴的进化压力状态条目2,这是影响相邻采空区上方的坚硬顶板激活;第三阶段是尾巴的侧支承应力状态条目2,不影响相邻采空区上方的坚硬顶板激活;和尾巴条目2应该保留为面板2。

煤柱宽度确定周围的应力状态保留条目在采空区上方的坚硬顶板激活面板1 (5- - - - - -9]。煤柱强度减少被视为支柱的减少比例的宽度和高度10]。当采空区上方的硬顶面板1中是稳定的,收益率煤柱的地方保留条目的应力释放状态,而僵硬的煤柱地方的应力集中状态(11]。Shabanimashcool和李12]发现压力在煤柱的上下波动在采矿,因为周期性的塌方事件背后的长壁的脸。王等人。13)认为,煤炭撞的风险保留条目时显著增强煤柱宽度增加。白等。14]分析了屋顶保留条目失效的机理和确定煤柱的宽度小于5 m或超过22 m基于端支承压力演化。条件下的现场监测,Yu et al。15]发现,采动支承压力影响煤柱宽38米硬采空区上方的坚硬顶板激活与21 MPa的增加,而更好的考虑动态应力在煤柱僵硬没有涉及。穆罕默迪et al。16]证明了以上excavation-damaged区扩展保留条目是煤柱宽度减少从30米到10米基于计算几何模型。沈et al。17)得出的结论是,保留条目的屋顶平面较弱时很容易受到剪切破坏煤柱的宽度和高度的比值小于8米。几个重要研究在保留条目的稳定性有很大的影响(18- - - - - -22]。

切割硬顶的方法来达到减压已广泛应用在世界23- - - - - -25]。黄等。26]提出的方法改善煤炭cavability顶部通过屋顶煤炭和水力压裂,使经济复苏比率达到80%以上的情况下硬厚煤层。通过物理实验水力压裂的硬顶,林et al。27)获得最初的等级可以有效降低破裂压力,和一个更长的切口连同适当的切口角会导致更循序渐进,平滑坚硬顶板断裂重新定位路径。汉et al。28)确定最优悬臂长度的横向悬臂屋顶结构的变形保留条目。随着水力压裂技术的发展,坚硬顶板弱化不仅提高了cavability也减少固有的区域周围的支承压力在长壁开采(29日]。白等。30.]表明,坚硬顶板治疗结果在低应力集中和变形小,使安全保留条目通过使用小柱子尺寸根据数值模拟的结果。此外,夏et al。31日- - - - - -33]讨论了更好地运动在构造应力和变形金属矿山基于案例研究。

在这项工作中,建立了二维物理模型在平面应力条件下模拟岩层的力学行为背后的工作面在开采过程中。在这个物理模型,三个监测系统被用来显示强劲的特点我在硬地面压力保留煤柱条目。

2。实验方法

2.1。地质和采矿条件

第一个阳泉煤矿位于城市阳泉,山西省,中国。限两次入境系统,采用长壁放顶煤开采过程中操作,大约是2200米长,220米宽在每个面板如图1。平均15煤层厚度和埋深6.5米和600米的倾角4°。如图2,上面的岩层15煤层是石灰岩,泥岩组,和细砂岩,而岩层低于15煤层是泥岩和砂岩。南部的面板2面板1,撤退。北部的面板2面板3,它没有任何采矿活动。面板2是我的东部边界,和有三个条目在西部的面板2。尾项2尺寸为5.0米×4.0米安排立即沿着屋顶。僵硬的煤柱的宽度是15米。

2.2。物理模型

物理实验是由一个物理建模系统国家重点实验室的煤炭资源,在中国煤矿安全。如图3建模系统由伺服加载控制系统,高硬加载框架,和三个监测系统。物理模型的维数达到2.5米长,0.3米宽,2米高。地质和工程条件下的保留进入面板2第一阳泉煤矿、长400米的岩层力学行为的领域建立了模拟面板1 220米长,僵硬的煤柱的15米长,保留条目5米长,部分面板2 80米长,80米长的边界的物理模型。根据相似理论(34)、强度、密度和几何应该遵循的特定关系方程(1)。对于这个工作,相似的比率 , , , 确定160年,1.53,244.8,和12.65,分别。 在哪里 , ,和是几何的相似率、强度和时间,分别。是密度相似原型和模型之间的比例。 , ,和代表了尺寸、强度和密度岩层的领域; , ,和代表尺寸、强度和密度岩层的模型。

2.3。物理材料

如图2,8个材料有不同的可变形性和力量用于模拟岩层的力学行为,包括泥岩、灰岩、泥岩组1煤层15日细砂岩,泥岩组2,中砂岩和泥岩组3。物理材料是混合着沙子,石膏,碳酸钙,水,和云母粉。条件下的单轴压缩试验和强度相似比,材料内容的比例确定基于现有的结果(35]。对于这个工作,八材料展示在表1。完全,1733.91公斤沙子,碳酸钙169.10公斤、234.49公斤石膏,25公斤云母粉是值得在这个模型。

2.4。监测仪器和方法

进化的支承压力、声发射信号,并确定岩层位移作为矿井地面压力的指标在采空区上方的坚硬顶板激活。UEILOGGER 3.0.0数据采集系统,由美国联合环境公司,用于监控桥台的进化压力。系统由四部分组成,包括微型压力细胞,UEILOGGER主机、数据传输电缆、和数据处理软件。微型压力细胞能够在饱和水介质。微型压力单元的测量范围是0.02 - -1.5 MPa,偏差仅限于0.5% FS,采集频率设置在1赫兹的监测项目。声发射监测系统(AEwin),由美国物理声学公司,用于检测声发射信号。这个系统也由四部分组成,包括声发射传感器、声发射主机、数据传输电缆,数据处理软件。测量范围是1 kHz-3 MHz振动频率,频率和最大收购达到40 MHz的声发射监测系统。共振频率、敏感性最高,和有效的采集频率的声发射传感器是40 kHz, 75分贝,和15 kHz - 70千赫监测项目,分别。此外,TS3866数字摄影测量系统用于监控岩层位移。

图4显示了三个监视点的布局监测系统。六个微型压力细胞(P₁P₆在图4(S),八声发射传感器₁到S₈在图4),和144点的位移监测(测量线测量线6在图14)被安排在这个物理模型。三个微型压力细胞被用来记录煤层底板支承压力演化,和其他三个微型压力细胞被用来记录周围的支承压力进化保留条目。的两个声发射传感器被用来记录声发射信号在保留条目的屋顶。所有的六个测量线是用于监控不同岩层的岩石运动在屋顶。的详细参数监视点的布局呈现在图4。

2.5。物理测试程序

整个测试包括六个步骤:(1)制备的实验工具,如高硬加载框架、物理材料,混合桶与电力、电子秤、三个监测系统,和其他至关重要的工具。(2)模型和紧凑的八个物理岩层,和单独的每一个岩层与某些云母粉。(3)应用垂直荷载加载0.056 MPa通过20公羊在表土顶部框架来模拟负载,修复正常的位移在地板上边界,双面帧边界,并保持前后的自由州边界模型的模型的两个月后完成。(4)行为的挖掘保留条目。从力学的角度,保留条目周围的额外的压力通常来自附近的硬屋顶结构的激活保留条目,而倒塌的屋顶结构在采空区中心是独立的附加应力在保留条目。(5)执行的长壁先后撤退从面板中心面板边界来模拟硬顶的激活效应的保留条目。在每个阶段,50 mm长的煤是通过使用一个迷你挖掘机挖掘。然后等待下开挖前20分钟。在开挖期间,三个监测系统应在正常状态记录到测试过程结束。(6)申请额外的垂直加载200 Pa每秒通过20加载公羊,以模拟板的支承压力诱导的撤退2。 According to the existing monitoring data in the field, the additional vertical stress in the rock in the front of the working face increased by 17.29 MPa in 24 hours. So the increasing rate can be calculated approximately as the 200 Pa per second.

3所示。结果

3.1。激活采空区上方的屋顶的特征

图中所示的图片5,暂停屋顶遇到弯曲、断裂和屈服暂停面积足够大时激活。在屋顶激活,悬臂施工支持表土装载煤炭的身体,直到后面发生断裂或屈服。如图5 (h),僵硬的煤柱上方的悬臂施工遇到骨折应用额外的垂直应力时的物理模型。如数据所示5(我)- - - - - -5 (k)屋顶上困难,例如,细砂岩,足以承担过重的负荷称为关键层(36),不是屈服在长壁后退面板1。然而,如图5(左),它遇到断裂和屈服激活应用额外的垂直压力时物理模型。

沿着垂直方向,屋顶俯低屋顶附近采空区最初,然后上屋顶逐渐开始弯下腰。较低的屋顶在垂直位移明显大于上部屋顶。随着采空区中心的距离增加,屋顶垂直位移逐渐减小测量数据如图6(一)。暂停面积足够大时,屋顶遇到断裂激活瞬间然后洞穴在短时间内激活如图6 (b)。然而,软地层泥岩组遇到裂缝和洞等,只要降低坚硬顶板灰岩骨折和洞穴。暂停面积的增加,屋顶遇到断裂和屈服激活,增加屈服区压缩采空区逐渐从图所示6 (b)图6 (e)。

3.2。额外的支承压力的进化

首先,额外的支承压力增加缓慢,然后急剧下降,提出了稳定最终在P₁P₂和P₃如数据所示7(一)- - - - - -7 (c)。稳定的值小于零。此外,应用额外的垂直应力模型是独立于其他桥台顶部压力P₁P₂和P₃。山峰的附加支承压力P₂和P₃更大比P₁,转折点发生在煤炭开采以上测点。此外,起初的附加支承压力增加缓慢,然后急剧增加,大幅降低之后,提出了稳定在最后在P₄P₅和P₆如数据所示7 (d)- - - - - -7 (f)。额外的支承压力P₅比,在P₄和P₆在放大和最低的P₄。然而,应用额外的垂直应力模型可以增加拱座的顶部压力P₄P₅和P₆很大。

3.3。声发射信号的特征

不同的声发射现象发生在采空区上方的坚硬顶板激活测点₄在图8。环数表明有效的声发射信号的数目超过了阈值。显然,环数变成跳跃状态瞬间在分层崩落和悬臂施工裂缝,但它总是等于0时,屋顶是相对稳定的,如图8(一个)。环数的峰值发生在应用额外的垂直应力模型的顶部。该地区能源、检测信号的信封,反映了声发射信号的强度。如图8 (b),环数变成跳跃状态瞬间分层崩落和悬臂施工时裂缝发生,但它总是等于零当屋顶是相对稳定的。额外的垂直应力时,能量监测远远大于在其他时间。此外,振幅,声发射波的范围信封,混乱,但相对较大的坚硬顶板激活期间采空区上方,如图8 (c)。同样,它到达峰值应用额外的垂直压力时模型的顶部。

4所示。讨论

在采矿开挖,僵硬的煤柱条目保留条件下的矿井地面施加强大的压力,这是通过物理方法进行验证。不仅保留条目周围的岩石经历的演变侧支承压力和前方支承压力(37]还加载的动态应力诱导裂缝和屈服激活硬顶。当强度和刚度不足以支持过重的负荷,艰难的屋顶结构经历断裂和屈服激活像图中所示的石灰岩5。结构的弹性变形的累积能量可能释放动态应力瞬间(38]。当地下空间的动态应力波保留条目,动态大变形等灾害在短时间内发生,即使保留条目用硬保护煤柱,如变形的结果保留条目如图9。

暂停屋顶遇到弯曲、断裂和屈服暂停面积足够大时激活。在激活过程中,上覆负荷高于固有的区域对unworked-out区域负载效应。此外,生成动态应力波到附近保留条目,这使得周围的岩石保留条目下支承压力和动态应力的协同效应。采矿地面压力的结果在平面应力的物理模型可以清楚地说明周围的岩石的力学行为保留条目与煤柱僵硬硬屋檐下(40]。

然而,物理模型只能模拟岩层的力学行为背后的工作面在开采过程中平面应力条件下。当有几个难开采煤层附近的屋顶,这种实验方法预测煤矿地面压力是一个伟大的选择保留煤柱僵硬的条目,虽然它不适合预测的变形行为保留条目的维度条目是31毫米宽度和高度25毫米。此外,当监测的动态应力诱导硬顶激活,高频压力的监测系统细胞相信比振动与声发射信号。

5。结论

为了揭示僵硬的矿井地面压力保留煤柱条目并验证是否可以保留这个条目为下一个面板坚硬顶板活化的影响,建立了二维物理模型在平面应力条件下的力学行为模拟硬工作面背后的屋顶。实验方法的结果总结如下。(1)硬顶封闭采空区进行向下弯曲,骨折,屈服激活先后,除非其上部硬顶是强大到足以支持上覆负荷。悬臂结构,支持的僵硬的煤柱采空区上方,面临着潜在的僵硬的煤柱上方断裂激活前支承压力诱导下撤退的下一个面板。(2)的协同作用下不同支承压力和动态应力,不能保留条目为下一个面板成功即使它保护煤柱僵硬。上覆负荷高于固有的区域主要有负载效应在僵硬的煤柱。此外,硬顶的动态应力诱导激活可以波下面保留条目。(3)实验方法可以用于分析岩层的力学行为在采矿过程中。由于地质和工程条件是不同的,其他情况下过程仍然是必要的。

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

这项工作得到了国家自然科学基金(合约号。51804099,51804099,51704098),重点科研项目基金的河南省高校(a440011 19日和19日a130001),河南理工大学的自然科学基金会(B2018-4和b2018 - 65)和区域协同创新项目的新疆维吾尔自治区(2017 e0292)。