文摘
准确感知的关键层不稳定能提高煤矿的安全,同时也提供了一个依据减轻上覆岩层的破坏和环境干扰。有效评估的不稳定性的关键层及其威胁安全开采和环境保护、断裂特征和弱化机制通过物理模拟研究,理论分析和现场测量。的方案和参数限制在装满水的深孔预裂爆破技术(CBWDHPT)厚而硬顶(刺)提出了削弱。研究表明,用力推到大块骨折后,随后的滑动失稳诱发严重压架事故;然而,增加了支持的力量只能提供有限的控制。承压水和修改后的岩体渗透充当负载转移介质的炸药,和CBWDHPT充分利用高爆炸能量打破岩石。因此,立即崩溃和填充的屋顶和low-positioned刺,以及及时切断middle-positioned刺,可以意识到,这缓解了刺的迁移空间块,上覆地层破坏,地表沉降。最后,环保策略(包括CBWDHPT和液压支架优化)提出了上覆岩层保护。工业试验,用力推了利用CBWDHPT后分成不同大小的小块,而支持工作阻力明显降低了。得出环保策略可以有效地降低上覆岩层破坏的风险。
1。介绍
安全、效率和环保是煤炭开采的目标。一系列的环境和生态损害程度,如地下水位下降(1,2),地表沉陷3),和生态破坏提出高要求关键层控制。矿业不同地层的反应明显,断裂的准确认知,移民,和不稳定的法律的减轻破坏的先决条件是关键层上覆岩层。高强度、层厚度大,和完整性好,厚而硬顶(刺),主要由砂岩和砾岩,担任关键层,形成大悬臂在矿业(4]。一个强大和硬挂在煤矿井下的屋顶高地下压力引起的,导致岩爆、煤与瓦斯突出,地球表面沉降。煤层与刺约占总数的三分之一在中国,他们分布在超过50%的煤田,如大同和金城(5]。用力推,特别是那些与煤层的直接接触,反应明显不同的矿业的近用力推,这使得他们的控制和安全开采非常困难(6,7]。这些问题不能被解决通过简单地增加强度的支持,为屋顶控制创造新的挑战。
用力推控制的主要方法是修改屋顶的物理和机械性能,减少崩溃厚度和岩体的抗拉强度,从而提出屋顶削弱和软化知觉。目前,深孔爆破和水力压裂主要用于煤岩减弱(8]。深孔爆破引起的爆炸能量利用率低,大量的粉尘和有害气体,控制效果不佳(9,10]。与此同时,高压水设备(60 MPa)用于水力压裂用力推控制难以满足安全要求(11,12]。
针对安全开采厚和硬主屋顶薄甚至没有直接的屋顶,物理模拟、理论分析和现场测量。这项研究是结构如下:结构特点和不稳定的迁移规则用力推,直接联系了煤层,在部分1。用力推的力学模型和工作阻力计算的初始断裂进行了分析2。预先控制技术,探讨了用力推3:(1)用力推的弱化机制局限在装满水的深孔预裂爆破技术(CBWDHPT);(2)CBWDHPT的弱化效应的计算分析。最后,一个有用的协同控制技术,它结合了局限在装满水的深孔预裂爆破和液压支架优化,提出了在煤矿环境保护提供参考。
2。材料和方法
2.1。工程地质条件
分布于北翼Zhuxianzhuang煤矿矿区,砾岩层充当关键层,曾15°倾角-25°,平均60(±5)米,厚度和抗压强度为67.79 MPa。在880工作面wedge-structure立即屋顶,9.60米厚8 #煤开采是在近距离用力推。如图1工作面长度165米,步行的长度是400米,长壁综采放顶煤开采过程的技术。
从关键层理论,企业集团有很好的厚度、高强度和良好的完整性,作为主要的屋顶。集团下的直接的屋顶是由泥岩和砂质泥岩强度较低和小厚度。它倒塌与工作面推进,采空区。
2.2。结构特点和不稳定迁移规则在近距离用力推
在这项研究中,考虑到地质条件,建立了厚煤层的物理仿真模型,用力推断裂特征和不稳定迁移规则进行了进一步的分析。
基于之前的研究,直接顶厚度小,支持强度弱,大刺崩落空间导致强烈影响工作面(13]。支持负载达到临界价值和创造了一个高度危险的工作条件,与刺直接联系煤层直接顶缺乏,而被选为研究的工程背景。
2.3。模型结构和参数设置
根据880年工作面条件下,确定了模型参数如下:(i)几何相似性比例是1:120年,(ii)重量比例是1:1.56,(3)应力相似比例是1:187.2,(iv)动载荷相似比例是1:2695680,(v)时间相似性比例是1:10.95,(vi)速度和相似性比例是1:1314.53。在平面应力模型开发平台(长2.5米×2.0米×0.2米宽),如图2中,有三个水平测量线,10垂直测量线,29日垂直压力监视点。表中列出的物理力学参数1。
模拟有两个步骤:第一步是准备阶段:设计模型和建立加载系统和监控系统;此外,250岩层自重的满载着气泵压力0.02929 MPa。第二步是开采阶段:设置边界柱(300毫米宽,实际宽度36米)模型的两端和采矿与切割高度80毫米和开挖50 mm镜头13,14]。
3所示。结果与讨论
3.1。结构特点的刺在第一次加权阶段
随着煤层的挖掘,用力推继续成为暴露。当工作面先进120米设置条目,因为伟大的自强,大面积的刺悬臂式的没有崩溃。不断暴露刺弯下腰,沉没,垂直张力裂缝(18米长)出现在低表面刺(近跨度的中点)。由于地层非常厚,整个岩石断裂不熟;然而,用力推的底部有经验的紧张失败,如图3。
(一)
(b)
当工作面搬到138米距离设置条目,挂刺突然断了,崩溃,和第一权重发生。煤层直接联系,集团没有倒塌的煤矸石的支持;因此,一个大的自由迁移空间创建之前崩溃。断裂的刺的剧烈下滑,陷入了采空区和垂直裂缝地层的低表面渗透地层。因为大厚度、密度和硬度高,和良好的完整性,一大块结构形成的初始裂缝后用力推,如图3 (b)。
由于大面积和长时间挂在初始裂缝,屋顶变形和势能达到极限值处于极不稳定的状态,发展成一个断裂的条件时,工作面继续推进。高开采高度和支持缺席了煤矸石在采空区引起剧烈刺块下沉。屋顶的势能积累转化为动能,同时,大量的能量被释放。
3.2。力学模型和工作阻力计算在第一次加权阶段
在第一次加权阶段,用力推闯入一大块(块AB)在自重和上覆负荷(图4)。稳定,支持强度应该平衡块的不稳定负荷AB和防止整体不稳定和液压支架破碎(15]。块AB建立的力学模型,如图5。
在图5,T水平绑定(kN),G是用力推的自重块(kN),F是块上的摩擦力(kN),屋顶之间的角是主要的断裂线和垂直线(°),是基本的摩擦角块(°),的断裂角刺(°),问0是相等的活载软地层自重的(kN / m),是第一个用力推的加权距离(米)H是用力推的厚度(m),然后呢米煤层的厚度(m)。
根据图5防止不稳定块AB,摩擦力F,自重V和上覆地层的负载需要满足以下条件(15]:
分析力学模型,点的力矩平衡O和垂直方向的力平衡条件得到如下(吴et al ., 2019): 在哪里AB骨折块的长度,约等于第一集团(m)的加权距离,b是一个单独的液压支架的宽度(米)和企业集团的体积密度和上覆软地层,分别(kN / m3),和企业集团的厚度和上覆软地层,分别(m),然后呢挤压高度系数的铰链结构, 。
thickness-to-span骨折块的比例 ,和摩擦角块= 38°-45°。骨折块之间的摩擦力AB和工作正面岩石必须满足 ,和条件没有AB滑块不稳定得到如下:
之间的关系(骨折线之间的角度和垂直的线)(跨厚度的比值)是通过拟合,如图6。
平衡块AB的滑动负载,有效的支持力量P和垂直摩擦力F在骨折线必须不少于垂直载荷V和煤炭自重问在屋顶控制距离(17]。 在哪里一个屋顶是有效控制距离(m),是屈服厚度(m),是用力推的断裂角块(°),是基本的摩擦角(°),是体积密度最高的煤(kN / m3),摩擦系数,的断裂表面的粗糙度系数是集团是有效的抗压强度的断裂表面集团考虑到抗压强度(MPa),然后呢上覆地层的自重, (MPa)。
工作阻力包括竖向荷载,摩擦力,顶部的自重煤等。 在哪里 是不稳定的垂直荷载包括自重刺块D和上覆软地层, 是相邻层的磨擦力在刺的不稳定,然后呢 是顶级的自重煤在屋顶控制距离。
考虑到地质条件Zhuxianzhuang煤矿880工作面,取得了以下参数:一个= 7.147米,b= 1.5米, , , , , MPa, , , , , , , , ,和 。
根据方程(10),影响因素的工作阻力是骨折块的长度和厚度,直接顶厚度、放顶煤厚度、基本摩擦角,刺角骨折等。工作阻力的灵敏度曲线见图7。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
根据图7,当最初的骨折块长度和厚度增加,工作阻力大幅增加;因此,他们在第一次加权的敏感因素。这是因为初始破裂刺尺寸越大,越困难形成铰接结构与相邻地层和更容易下滑,成为不稳定。这导致液压支架上的负载的增大。因此,缩短初始骨折块长度和厚度的刺预控是一种有效的技术方法。
3.3。局限在装满水的深孔预裂爆破技术:用力推的弱化机制
局限在装满水的深孔预裂爆破技术(CBWDHPT)把炸药能量和承压水(图8)作为爆破介质,使其高度安全、高效用力推爆破技术(18]。通过增加爆破介质的波阻抗的洞,它可以减少爆破能量损失(19),加强破碎岩石爆炸冲击波的取向,并使大多数的“水楔”开裂和均匀荷载传递的承压水20.]。楔形切,截断爆破和预裂弱化刺都意识到,和压裂效果的围岩是扩展,减少炸药消耗。
立即使用CBWDHPT削弱用力推了屋顶和low-positioned刺爆破断裂分布地区完全崩溃和填充采空区及时、支持近用力推,防止其旋转和沉降。的完整性middle-positioned刺断裂分布地区被毁。沿着裂纹结构的裂缝扩展下拉应力或剪应力,从而改变边界条件的支持。切断时间和减少加权距离的刺刺运动控制成为可能。
3.4。用力推预先控制技术
根据目前获得的结果分析,很难选择液压支持的情况下自然用力推的崩溃。因此,提出了CBWDHPT预先控制刺如下:(1)基本参数:根据880工作面条件和预期的限制爆破效果,在压力水的深孔为2.0 MPa,炸药量的换算系数为0.3,每孔炸药是32公斤。爆破开采的水平角是15°20°,充电孔距离是7.0米,大孔隙指导洞的直径是100毫米。(2)工艺流程:钻深孔⟶充电⟶孔密封⟶注入承压水⟶爆破⟶效果测试。(3)操作步骤:项目与这部分简要介绍如下:(我)洞的岩粉清洗了夯充电之前,确定和实际井深,记录下来,然后起诉。(2)一个特殊孔密封装置喷射管和排水管被用来密封洞。处理长度一般都是三分之一的井深(21]。(3)爆破前,一个静态压力水管用于带电钻井注入水空间孔密封后,直到关闭钻井空间填满。注水爆破孔如图9。(iv)四个冲击波风设置障碍,屋顶是完整的和支持是完好无损。最后,在爆破后在屋顶进行了巷道中所有人员被疏散。(4)计算分析CBWDHPT的削弱作用。
在Zhuxianzhuang煤矿880工作面为工程对象,通用离散单元代码(模拟)软件,由伊咨询有限公司(武汉)有限公司、武汉市、湖北省,中国,被用来建立一个采场用力推的模型。基于钻井安排和设计参数,用力推的爆破弱化,使用单位建立液压支架的支持分析削弱效应(22,23]。
模拟模型了不连续面(关节骨折和削减)块边界,和共同的弱点飞机在特定岩层模拟的弱化效应限制爆破。块岩石的本构关系模型和关节是莫尔-库仑塑料模型。特定的约束边界条件如下:(我)位移矢量和速度矢量的左派和右派的表面都是0,一样的水平位移的约束边界(2)底部表面完全约束边界的水平和垂直方向都是固定的(3)顶部表面是一个自由边界,和上覆地层垂直应用于顶面均布荷载边界
该模型200×160米(宽×高),和煤的厚度,眼前的屋顶,刺是10,和60 m,分别。我没有爆破模拟进行了模型和模型II与深孔爆破。分层爆破进行在用力推模型II。上下两层厚40 - 20米,分别。较低的层就曾在一个间隔20 m沿前进方向。
模型建立后,煤层被切断的距离为0.85米/时间,和屋顶崩溃迁移和应力分布在两个条件下得到进化,如图10。
(一)
(b)
图10 ()表明,随着工作面先进,定期直接屋顶倒塌,而刺没有崩溃和保持稳定悬浮模型。用力推块跨度不断增加,削弱了爆破模型II,倒塌的定期与一定的加权距离,和上面的刺最好稳定煤矸石转换的支持下立即刺块和屋顶倒塌。
我在模型(图10 (b)),有一个垂直stress-concentrated区域在工作面前,和压力峰值继续增加。最大垂直应力达到30 MPa工作面先进到80米时,一般都不到15 MPa在模型II。
880工作面,87块ZF13000/21/40 chock-shield液压支持被选中。根据CBWDHPT参数用力推,工业测试控制弱化的表现在2019年7月。岩石断裂和液压支架的工作阻力监控现场,如图11和表2。
图11表明,岩石倒在一个大范围由于爆破弱化效应。刺破了依次形成碎片,块,和一个strip-shaped岩体,采空区完全填满。CBWDHPT费用仅为70%,在传统的爆破中,相同的炸药包和密封长度(26米)。剩下的孔(7米)充满了承压水介质,取得了良好的经济效益。
根据表2时间加权平均阻力在工作面11508.5 kN,占大约88.5%的额定工作阻力,最大平均值为12131.6 kN, 93.3%的额定工作阻力。这表明,液压支架在生产过程中有足够的安全裕度。用力推的CBWDHPT有效减少地面工作面临的压力,取得了显著的应用效果。
4所示。讨论
3 dec数值软件(三维离散单元的代码,由伊咨询有限公司(武汉)有限公司、武汉市、湖北省,中国)被用来建立采场模型(6,24]。我们定义的比例直接顶厚度煤层开采高度直接顶填充系数(N)。
880年根据工作面开采高10米,用力推厚度是60米,直接顶厚度10米,二十米,30米;立即屋顶填充系数N分别是1、2和3。巨大的刺的断裂特征图所示12。
(一)
(b)
(c)
根据故障特征的分析和迁移规则的不同直接顶下刺填充系数图12屋顶,它可以看到,当立即填充系数是1、2和3,用力推的初始和周期性加权距离是140米和60米,170米和70米,210米和90米,分别。填充系数越大,厚直接顶和较大的采空区充填程度后崩溃。这使得主要的屋顶块迁移空间小和断裂特征不太明显。岩石损伤高度和范围越小,越能缓解地面压力。
我们分析了覆岩的位移分布特征在不同填充系数(图13)。在最初的失败刺直接顶厚度不同,骨折块的最大垂直位移沿工作面罢工增加。当N= 1,骨折块的垂直位移变化从1.5米到6米到8.5米;当N= 2,不同的值从5米到7米8米;当N= 3,范围从4.5米到5米到6米。的变化表明,在最初的骨折,工作面块偏转,并立即屋顶填充系数越小,越不平等的骨折块的高度。期刊骨折块作为一个整体,脚下一滑,失去了稳定和岩石的块的垂直位移是7米,3米,1米时立即屋顶填充系数N= 1、2和3,分别。
直接顶填充系数的影响机制是体现在不同的约束度用力推骨折和不稳定,影响骨折的位置,断裂的大小,和下沉空间,从而改变负载的位置和大小(25]。直接顶填充系数越大,越后的采空区充填程度直接屋顶倒塌,刺的下沉空间越小块。
5。结论
刺的不稳定和控制机制的安全开采和上覆岩层保护研究工作。通过物理模拟、理论分析和计算分析,用力推的断裂特征和不稳定迁移规则完全确定预先控制技术评估和优化液压支架类型。主要结论如下:(1)大刺破跨度和沿煤壁不稳定滑动压架事故的主要原因。抗骨折不稳定简单的通过增加支持强度有局限性,所以用力推的有效方法控制是减少裂缝的大小和运动空间。(2)实验和预测结果的基础上,保护工作面覆岩的环保策略(包括CBWDHPT和支持优化)进行了讨论。采用CBWDHPT实现预裂和削弱控制眼前的屋顶和low-positioned刺,以确保及时和完整的崩溃和采空区的充填,减轻了上覆岩层的破坏。截断和分层爆破的预先控制middle-positioned刺缩短的长度和厚度用力推块作用在液压支架,减少负载,实现安全开采的支持。(3)这一战略上覆岩层保护应用Zhuxianzhuang煤矿880工作面。在现场应用中,用力推倒塌,充满了采空区及时、地面工作面似乎减轻压力,和上覆岩层均匀消退。通过上覆岩层的位移监测和操作液压支架的评价策略的有效性验证。
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
这项研究得到了国家自然科学基金(52074267),山西省青年科学基金资助(SPSFYG)(没有。201901 d211038),山西省自然基金项目(没有。201901 d111049)和科技创新项目的山西高等教育机构(STIPHEI)(没有。2019 l0347)。这种支持由作者大大赞赏。