文摘
硬顶的问题引起广泛的煤柱end-mining,和巷道大大地受开采影响,本文以山西lun煤矿为工程背景;根据煤柱的应力分布特征,计算方法的限制end-mining煤柱尺寸;考虑地层条件和传播形式的先进的支承压力,提出了一种方法结合深孔爆破与预裂削弱先进的支承压力。数值模拟是用来分析煤柱的应力分布,验证了现场工业试验。结果表明,预裂可以实现压力的阻塞。越接近,支承压力峰值的屏蔽效果就越好。深孔爆破可以削弱的来源先进支承压力和减少桥台的峰值压力。两种爆破方法的结合,end-mining煤柱尺寸的lun煤矿可以减少到60米。方法结合预裂和深孔爆破能有效减少end-mining煤柱尺寸和降低开采对倾斜巷道的变形的影响。
1。介绍
困难的屋顶悬挂结构是不容易崩溃,这将导致增加先进的支承压力峰值和影响范围(1,2]。靠近倾斜巷道开采面板时,如果保留煤柱的大小不足,释放的能量由屋顶裂缝和矿山压力将严重影响远程道路(3- - - - - -5]。因此,道路往往保护煤柱的大小增加,导致浪费煤炭资源。
硬屋顶的减压方法主要分为三种类型:水力压裂、注水弱化和物理爆破。原理是降低岩体的完整性通过弱化的承载力或阻断传播岩层的内力;从的角度降低岩体的完整性,人们起初用注水改变岩石属性弱化,但这种方法不适合硬屋顶密集结构;当前更成熟的方法是物理爆破;人工裂缝与原裂纹是由爆破和互相渗透形成的压力下我,这样屋顶很容易崩溃,煤壁的应力集中在减少。爆破卸压有很大的研究在理论和实际应用;夏et al。6)使用浅孔爆破,减少屋顶压力在开采前面板,然后结合灌浆加固技术改善巷道围岩的稳定性;左et al。7使用理论,采用数值模拟的方法研究的进化行为深孔爆破引起的应力场。周et al。8]分析了煤柱的内部动态响应在采矿过程中使用PFC软件。近年来,也有使用水力压裂技术研究岩石破碎程度增加。
块应力的传播的主要方式的岩层是创建一个断裂表面内的岩层,削弱了支承应力产生的吊顶结构,并改变轴承应力场的分布从源。目前,技术广泛用于保留gob-side条目。例如,刘等人。9和陈等。10)研究了屋顶结构,在沿采空区巷道卸压效果。胡(11)建立了一个力学模型gob-side条目保留相关的力量支持和计算一个合理的预裂高度;黄等。12)使用定向水力压裂削减的外屋顶煤柱,实现保护巷道的目的。近年来,有些人使用定向预裂技术控制先进支承压力和循环压力。杨et al。13,14)分别采用定向水力压裂技术和定向能量收集屋顶前的预裂爆破技术开采面板,从而缩短循环压力一步减少能源煤壁前的积累。
从先前的研究可以看出,尽管液压领域被应用作为一个新兴技术来控制先进的支承压力、压裂过程不易控制,严重影响了原岩体裂缝。物理爆破技术的发展已经非常成熟,但大多停留在单一方法的应用研究,未能结合多种爆破方法的优势,实现有效控制的压力场。在本文中,根据项目的实际背景,考虑到煤柱内的应力分布和各种爆破方法的优点,提出了一种减压方法结合预裂爆破、深孔爆破控制先进的支承压力通过数值模拟和工业实验研究减压的效果。
2。研究煤柱应力分布和巷道稳定
2.1。煤柱应力分布和大小的计算
煤柱的合理宽度end-mining应该确保巷道围岩的稳定性,同时减少大小尽可能提高资源利用率。岩石初始应力场的重新分配是由巷道开挖引起的。如图1,打破区域、塑料领域II, III和弹性区形成沿巷道。破裂区和塑性区可以统称为极限平衡区。在矿业开采初期,面板是远离道路,和先进的开采面板支承压力也分布在3个地区,和原岩应力区第四矿业面板和巷道之间仍然存在。发展的矿业面板中,先进的支承压力的影响范围继续前进,和原岩应力区逐渐减少。根据岩石力学,5%选择原岩应力之间的边界弹性区和原岩应力场。当支承的弹性区域应力场与巷道的围岩应力区域,道路将逐渐变得不稳定和被摧毁。因此,煤柱的宽度限制end-mining之和范围I和II巷道的围岩应力的区域和地区,II, III先进的支承压力区。
一系列先进的支承压力区极限平衡区宽度的总和x1和弹性带的宽度x2。x1,x2可以通过下面的计算(15方程: 在哪里x1塑料带的宽度;x2弹性带的宽度;米煤层的厚度,4.0 m;f摩擦角,31°;f煤层之间的摩擦系数,屋顶和地板,0.16;τ0是凝聚力,0.6 MPa;H是煤层深度500米;γ覆岩的平均体积密度,25 kN / m3;K的最大应力集中系数3.0;β侧压力系数2.0。
矩形巷道的围岩应力场,在缺乏结构性压力,如图2,应该是相当于一个圆形巷道的外接圆巷道截面。然后,用弹塑性极限平衡理论和方法分配一定的修正系数来计算。半径Rb极限平衡区围岩的巷道可以得到以下方程: 在哪里p是原始岩石压力;R0巷道的外接圆半径;c是凝聚力;f煤体内摩擦角;η校正系数,0.8。
考虑上述参数方程(1)- (3),x1= 18.6米,x2= 65.3 m, Rb = 2.6米,所以的理论最小宽度end-mining煤柱l=x1+x2+ Rb = 86.5。
2.2。先进的支承应力对巷道的影响
主要屋顶的特点传递水平力的方向推进,具有对采场的压力产生重大影响。更主要的屋顶,上覆地层的重量将被转移到周围的岩体,导致增加先进的桥台应力场的范围。因此,困难主要屋顶不仅是先进的支承压力的来源也主要支承压力的传播路径。如图3,基于上述两个特点的主要屋顶,应力屏蔽爆破卸压技术提出了。首先,主要的屋顶是预裂阻止压力的传播。然后,通过先进的深孔爆破减少屋顶的完整性。一方面,内部压力将转移到深部分由于增加了岩石断裂。另一方面,采矿后面板被开采,直接破屋顶将会崩溃的压力下上覆岩层层不会产生悬浮屋顶结构,削弱了先进的支承压力的来源。通过这种组合“预防和治疗”,煤柱的大小和先进的支承压力的影响对围岩的稳定性降低。
3所示。压力阻塞和救济机制
3.1。与预裂应力屏蔽
预裂是基于定向能量采集爆破技术(16- - - - - -18]这爆炸的产品形成一个超高压力和密度沿可怕的形状的飞机。如图4,能量收集洞是由钻孔两岸的PVC管。形状的射流穿透和泪水在预定方向爆炸洞周围形成一个初始引导裂缝,它提供了准确定位为进一步影响爆破应力波和爆轰气体,以及裂缝的方向发展,从而形成一个断裂表面和破坏屋顶的完整性。目前,这种方法主要是用来预裂巷道上方的屋顶,一边采空区坍塌的屋顶覆盖层保护巷道的压力下。基于这个想法的切断压力传输路径,可以实现先进的支承应力传播的阻断屋顶。
在煤层开采过程中,巷道主要受两种压力,即静态压力开采后的再分配和动态负载等其他因素造成的岩石裂缝。先进的预裂将形成一个fault-like放松和弱化区钻孔,将块岩石的应力层的传输。(1)阻断传播的静载荷:预裂的宏观性能表面裂纹的形成;两侧岩体的接触面积,极大地减少了裂纹的联合部队是丢失在屋顶的裂缝,这样的能力传播力减弱,而且没有能力抵抗弯曲,剪切和拉伸。同时,放松的程度和削弱作用下支承压力的增加,强度是进一步降低。(2)削弱应力波的传播:动态加载岩石断裂等,崩溃,和爆破岩体中传播形式的压力波。当应力波遇到弱界面裂缝等爆破引起的传输路径,波投影和反射会发生,这将削弱岩石的动态负载的传输层。因此,先进的预裂爆破将阻止采场的先进的压力动态和静态加载的两个方面。
3.2。衰减爆破裂纹的应力区
为了研究的阻塞影响爆破应力波断裂带,产生的应力波在采场可以简化为平面波,因为纵波速度远远大于横波速度、爆破断裂带是垂直地事件。因此,阻塞的动态负载视为垂直应力波的衰减入射多层介质。如图5,σ0是初始峰值应力值事件层的应力波,然后呢σ马克斯峰值应力值经过吗n层介质。峰值应力σ马克斯后n层中可以获得19)以下方程: 在哪里ρ介质的密度;是波的波速传播媒介;d介质的厚度;α衰减系数。
从波浪理论可以知道,当波传播的媒介与小波阻抗与波阻抗高,介质波的峰值提高,反之亦然。大量的钻孔周围的裂缝会导致多次反射应力波的传播距离增加,和应力波的衰减会随着传播距离的增加而增加。此外,中等国家的再分配的工作应力波的破碎岩体爆破孔周围也会消耗波能量。当应力波传播距离是一样的,通过媒体层越多,丰富的媒体属性,和应力波衰减越快,所以爆炸破裂带可以有效地减弱产生的应力波在岩石层。
4所示。建立数值模拟模型
4.1。模型参数和边界条件
利用数值模拟软件在三维快速拉格朗日分析连续(露天)建立数值计算模型与22115年矿业的lun煤矿为研究对象。如图6模型的尺寸是392×373××93 m,包括一位矿业面板和三个倾斜道路。边界条件限制四个方面的水平位移,固定约束应用底部,顶部设置自由表面。顶部的垂直应用岩石应力的模型来模拟上覆岩层的重量,和现场试验的基础上,横向压力应用于四方的模型系数为1.5。计算采用莫尔-库仑模型,各岩层的物理力学参数是衡量现场取样和实验室测试,如表所示1。
仿真包括深孔爆破和应力波传递的研究。有必要建立匹配的动态计算条件。FLAC3D软件动态计算,必须考虑三个方面:动态加载和边界条件,机械阻尼和波传播模型。当爆炸发生在岩石和土壤的身体,一个爆破压缩波将首先产生一个压实影响爆破孔的内壁。到达峰值后大幅压缩波变弱,反弹后,负载就消失了。因此,三角波与装卸过程可以用作计算的电源(20.];动态加载方程方程所示(5),总时间是0.06秒,并加载部分持续0.01秒,卸载段持续0.05秒,峰值负载20 MPa,动态加载和曲线如图7。 在哪里t0加载时间;t1卸货时间;τ是时间变量;一个峰值负载。
岩石和土壤的阻尼主要来自内部摩擦和大量的关节表面。阻尼模式确定动载荷的形式衰减。FLAC3D软件动态计算模块提供了三个阻尼模式,其中瑞利阻尼本身是频率相关,但frequency-independent特征的岩石和土壤的身体可以得到在一定范围内通过调整合适的参数。瑞利阻尼的参数包括最低临界阻尼比ε最小值和最低中心频率ω最小值。岩土材料的临界阻尼比通常范围从2%到5%。在这篇文章中,ε最小值= 0.05直接采用;的中心频率阻尼固有频率可以简化f模型的。固有频率可以设置弹性本构模型,并应用重力没有解决一定数量的步骤解决阻尼振荡模型。关键节点的响应模型中确定固有频率的大小。如图8两个相邻峰的位移时程曲线从振动是一个振动周期T,最低中心频率可以从方程(6),ω最小值= 5.12赫兹。仿真所需的动态负载参数如表所示2。 在哪里ω最小值是最小的中心频率;f固有频率;T是振动周期。
计算的动态负载应用到模型的内部节点,只有粘性边界的应用可以有效地减少生成的边界反射的影响。此外,网格的大小在动态计算动载荷的频率密切相关,和输入的频率波的波速特征系统影响波传播的数值精度。因此,网格大小Δ空间元素l必须小于十分之一的八分之一波长与频率最高f组件的输入波,如方程(7)。应用程序的动态加载和网格大小的测定在整个过程中软件内置的编程语言完成的鱼,为了提高计算速度,采用动态多步计算模式。 Δ在哪里l是网格空间元素大小;λ是波长。
4.2。模拟方案
本研究的重点是压力通过定向传播的阻断预裂爆破和深孔爆破的影响削弱了先进的支承压力。这两种方法的结合,缩短的目的先进桥台应力场的范围。仿真是由以下步骤:(1)首先,煤矿进行以传统的方式,和极限煤柱尺寸确定基于先进的支承应力范围,根据上面给出的煤柱尺寸的确定原则。(2)预裂在不同水平距离的前进式开采面板中,根据不同的应力屏蔽效应给最好的预裂的位置。(3)确定预裂的位置后,深孔爆破动载荷应用于研究减压效应组合下的两种方法。
4.3。爆破对煤柱应力场分布的影响
4.3.1。确定煤柱的大小
从图可以看出9当开采面板远离道路,道路不打扰,和原岩应力区存在于煤柱应力场。先进的桥台应力场的范围约为80米,与峰值应力约为22 MPa。巷道围岩的应力场是约30米,和峰值应力约为16 MPa。先进的桥台应力场进步的矿业开采面板。当煤柱宽度减少到115,原岩应力区逐渐消失,和两个弹性应力场领域开始相互重叠,应力值是线性叠加的结果。当煤柱的大小减少到85,先进的桥台到达扰动应力场的边界的巷道围岩应力场。随着煤柱的大小继续减少,巷道的扰动程度加剧,导致围岩应力场的峰值迅速增加,巷道逐渐变得不稳定。可以看出,没有采取任何措施,煤柱end-mining大小约为80 - 85米。
4.3.2。应力屏蔽效应分析
为了研究预裂爆破的影响位置应力屏蔽效应,进行了预裂的水平距离20 m, 35米、50米,65从开采面板,分别模拟的再分配状态先进桥台后应力场方向预裂。假设爆破生成一个爆破腔宽度为0.2米,爆破弱化区域的半径2米,水平应力监测线安排沿着煤层的中点高度记录煤柱的应力的变化趋势,如图10。
(一)
(b)
(c)
(d)
从图可以看出10预裂爆破,摧毁周围的岩体爆破孔,导致失败的形成一个塑料带在爆破孔。区域内的岩体松散破碎、承载能力被削弱,观察局部应力下降。通过比较压力曲线在不同预裂位置,我们可以看到,当预裂在20米开采面板之前,预裂的位置接近压力峰面积和压力梯度很大,所以预裂位置严重受损的动载荷的作用下,应力下降3 MPa相比情况没有预裂在同一位置。压力上升的范围区域减少,和整个先进轴承应力范围从85减少到55米。的预裂开采面板在35米显示相同的特征,但减压的程度只是1.7 MPa,和先进的支承压力的范围缩短到70米。当预裂开采面板是50米和65米,由于双方平衡的应力分布的预裂的位置,只显示减压现象在预裂的位置,但先进的支承压力的范围并不减少。
4.3.3。深孔爆破的影响在先进的桥台应力场
先进的深孔爆破产生的人工裂缝与原裂纹相交,使屋顶与矿业崩溃,削弱先进的支承压力的来源。矿山压力的影响下,屋顶的煤壁破碎的承载力降低。如图11,峰值应力从22 MPa 18 MPa,减少和增加的区域应力变化更深。深孔爆破后,整体减少了应力集中,应力变化梯度降低。预裂位置显示压力阻塞的程度比之前的要弱。领域范围进一步减少到55米。
通过安排测量点10米两边的预裂区和记录测量的速度时间曲线点,压力波的传播在屋顶和阻止裂缝对动态载荷的影响进行了研究。图12显示节点的振动时程曲线在水平和垂直方向的顶板,分别。从图可以看出12(一个)在的位置,整个振动时程测点1持续约0.06 s。曲线三角形和一致的动态负荷模拟输入。峰值是53×10厘米/秒。与应力波的传播距离的增加,阻尼的存在,振幅降低到38×102在预裂区cm / s,传输和反射现象发生在presplitted表面,因为之间的距离度量点1和3的裂纹都是相同的。大约在0.2 s,振动波形同时监测测点3和测点1和振幅衰减到17×102cm / s和14×102cm / s,分别。透射波是入射波衰减68%。尽管没有动态加载应用的方向垂直于岩层,由于岩层的整体振动和波的反射裂缝,振动波形进行监视测量点1和3,和波形的振幅y比这小得多的方向x方向。裂纹表面不能传递的振动y方向,所以振动波形不是记录在监控点2。可以看出裂缝显著阻碍对动载荷的影响。
(一)
(b)
5。现场应用
5.1。项目概述
22115年山西lun煤矿开采面板接近轨道倾角,带倾斜,并返回。深度约为500 m,开采面板宽度是207,和煤层的厚度可开采的部分是4.0米,和4°倾角。眼前的屋顶是泥岩和粉砂岩厚度12米,和主要的屋顶是细粒度砂岩厚度8米。硬顶不容易崩溃,导致大范围的先进的支承压力。很容易影响围岩的稳定性时靠近巷道。如图13在过去,80米煤柱离开时,巷道围岩的经常有问题,如屋面和剥落肋。巷道只能保护煤柱的大小增加,导致煤炭资源的严重浪费。
(一)
(b)
(c)
5.2。爆破方案和效果监测
通过定向能量收集的组合爆破和先进的周期性的深孔爆破,一系列先进的支承压力和压力的峰值减少。屋顶坍塌是晋升为保护巷道和开采面板生产的安全。如图14结合前面的分析,end-mining煤柱尺寸被设计成60 m,并首先进行定向预裂爆破前的15米end-mining线。钻井斜向上的两个道路,爆炸孔分布在一个球迷的形状。先进的周期进行深孔爆破开采面板的正常开采期间,每三个爆炸洞被安排在一组扇形。爆破孔参数(21,22)的设计是根据工作区域的地质条件和爆破的要求。
先进的支承压力监测主要措施。如图14测量站,分别安排在预裂线的两侧,每站安排三个计量点。它可以看到从监测结果曲线在图15压力的天数增加1站大约16天,和2站的价值保持不变后9天的压力增加由于停止开采。从时间点压力计算值开始增加时,站1的应力值增加了平均5 MPa,和车站的应力值2增加了平均2 MPa在9天内;先进的支承压力显著降低的价值。计算考虑的日常推进矿业4 m和车站的布局,提出了爆破卸压技术使用后,先进的支承应力范围从80减少到55米。
(一)
(b)
6。结论
本文考虑的问题的宽度煤柱end-mining大坚硬顶板条件下巷道是强烈影响采矿。通过分析内部的应力场分布特征的煤柱,煤柱尺寸的计算原理。基于先进的形成条件和转移形式支承压力,减压技术使用定向预裂和提出了深孔爆破,减压效果是通过数值模拟和现场测试研究。主要结论如下:(1)煤柱的大小限制end-mining是先进的范围的和支承压力场和应力场的巷道极限平衡区。当先进的压力扰动边界支承应力场与巷道应力场的边界极限平衡区,周围的岩石逐渐变得不稳定;(2)预裂爆破形成的断裂表面导致减少的程度岩石层连接,不仅可以阻止采场中的静态应力场的传播也引起衰减的动态负载。先进的深孔爆破减少先进的支承压力的来源通过减少屋顶的完整性和缩短一个天花板,另一个上限之间的距离;(3)数值模拟分析表明,预裂爆破的影响压力的梯度应力场有关。越接近预裂面是先进桥台的峰值压力,压力阻塞的影响越明显;(4)有效的结合预裂爆破、深孔爆破控制先进的支承压力。22115年的工业试验开采面板显示下山巷道的围岩保持稳定甚至当煤柱end-mining的大小是60米缩短。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作得到了中央大学基础研究基金(批准号2019 qna19)。