研究岩石压力的行为在近距离工作面临着深刻的采空区

文摘

为了实现安全、高效开采的短途孤岛工作面深部采空区下区域,120502年的孤岛工作面刘庄煤矿为工程背景。结合数值模拟和现场测量的方法全面系统地使用模拟和研究空间应力场的演化,塑性应变场,煤炭在开采过程中岩石的断裂领域。主要支持压力和屋顶的垂直位移的重叠部分和noncoinciding部分孤立的工作面和采空区上方现场测量。结果是,先进的支承压力峰值的重叠部分和不重叠的部分是10 m在工作面煤壁;先进的支持不重叠的部分是33.3 MPa的压力,和屋顶的垂直位移是300毫米。先进的支承压力和屋顶的垂直位移不重合部分的重合部分明显高于18.2 MPa和210毫米。与数值模拟预测的结果是一致的。这120502年的安全开采提供了理论支持,孤岛工作面在刘庄煤矿,同时,提供了一个参考的研究在国内其他矿区面临类似的工作。

1。介绍

我国煤炭资源的开采继续移动到深处,由于地质条件的影响和矿山安全开采的必要性,这是不可避免的,我深孤岛形成(1- - - - - -4]。煤岩体在很多矿山有一定的倾向的影响,所以孤岛的采矿工作面临着会遇到更复杂的安全问题。由于双方的开放空间的孤立的工作面,巷道的围岩是一个高压力的环境下很长一段时间。结果,我的压力变得明显,围岩的变形和损坏严重5- - - - - -7]。很难支持和维护两条车道和open-off削减。邻岩体处于流变状态遭到破坏和受动压影响之后。因此,矿山压力的行为是复杂的,影响工作面安全发展的(8]。为此,研究人员进行了大量的研究岩石的行为孤岛工作面和岩石破裂压力的问题。

刘等人。9和卢和施10]分析了ultralong-isolated岛工作面支承压力分布特征和岩石压力的行为当岛工作面过断层结构。王等人。11)建立了薄板力学模型,分析了顶板弯矩的分配行为的孤岛工作面。王等人。12,13]研究岩石压力的行为short-walled孤岛煤柱工作面。赵et al。14]研究岩石压力的行为在一个典型的煤层岛面临在中国西部。杨et al。15)综合考虑上覆岩层运动、地质结构、采矿和空间,和其他因素和分类隔离预防工作面临基于冲刷。孤岛工作面分为六类:充分挖掘,挖掘不足,full-insufficient采矿、三维,“隐性”,和复合类型。为了进行岩爆的预防和控制工作的不同类型的孤岛的脸,窦(16,17)提出了检测和岩爆风险的预测和控制技术在孤岛工作面18- - - - - -20.]。王等人。21]分析了孤岛工作面顶板破裂高度和微震事件的时空分布特征的“广场”的工作区域的脸。Zhang et al。22]使用弹性板理论分析弹性能量价值释放在坚硬顶板,用FLAC的骨折^{3 d}数值模拟在矿业面临高应力区划分。同时,根据分形理论,内部相关性微地震事件的时间分布和空间分布和岩石破裂进行了分析。

上述研究分析了在不同类型的岩石压力的外表行为孤岛工作面的岩石破裂的预防和控制,取得了良好的效果。然而,很少有研究在岛上工作面临着一些复杂的条件下,特别是在采空区。工程背景的基础上,120502年刘孤岛工作面庄煤矿、分析地下压力的行为孤岛工作面深近距离煤层采空区下组通过数值模拟和现场测量。

2。项目概述

研究工作面120502孤岛工作面刘庄煤矿。120502孤岛工作面位于第一和第二矿区。工作面是南部的120503工作面采空区,朝鲜在120501工作面采空区,上面是6 - 1和8煤采空区。同时,覆盖之间的垂直距离6 - 1 #煤层采空区和5 #煤层是18米,这是一个孤岛工作面短途采空区下。特定的空间位置关系如图1。

120502工作面是一个单斜结构平均倾角为13.0°,煤工作面厚度0.98 ~ 5.58米,平均厚度为4.05米。120502工作面煤假屋顶并不发达,直接顶板泥岩,上部包含少量的桑迪内容,和平均厚度为8.73米。主要的屋顶是细砂岩。煤的地质柱状图屋顶和地板的工作面如图2。这个工作面是一个较低的天然气工作面,煤层容易自发燃烧。

3所示。数值模拟

为了模拟的应力和变形特征上覆地层在不同空间层开采过程和繁殖的空间变化过程整个上覆地层运动和变形,本文采用FLAC^{3 d}软件进行数值模拟。

3.1。模型建立

数值模型是建立在完全机械化开采的120502孤岛主要采空区在左边,右边,上面,这个模型是550米长,360米宽,200米高。莫尔-库仑本构模型采用煤和岩体及其物理力学参数如表所示1顶部和底部的,特征工作面在图所示2。位移边界条件应用在模型,模型的上部是自由边界条件。25.1 MPa的垂直应力应用模型的顶部,底部应用30.2 MPa的压力,和周围的压力是42.3 MPa根据地质、地应力测试报告的工作面,考虑高程的工作面和模型的重量,一个垂直9 MPa的压力被应用到模型的顶部。采用弹塑性模型,莫尔-库仑破坏准则被选中。具体的主要煤、岩层力学参数如表所示1。

3.2。模拟方案

在数值模拟的过程中,为了正确地模拟应力、位移、变形和断裂特征造成的采场围岩的停止的孤立的工作面,模型达到初始应力平衡状态下由于地应力和边界条件。根据采场的顺序,120501年,120601年和120503年的工作面临着挖掘构建一个孤岛工作面“三面”。停止120502年开采工作面一步一步执行。分别停止距离是80米,130米,180米,240米,每个开挖设计为3000步。压力的分布特征、位移、塑性区在采矿过程中研究了两个方向的工作面倾角和对齐方向。云分布地图量化,以便进行深入研究上覆岩层的变形特征的骨折在停车过程中孤立的工作面。

3.3。仿真结果分析

3.3.1。分析矿区应力场的演化特征

模型开始挖掘后,中央煤岩体的应力分布特征在倾斜方向上在煤壁位置在不同推进距离如图3。卸压区倾斜方向向上拱的形状随着矿业距离的增加,逐步合并成一个身体。的右边煤柱工作面应力集中程度高,和应力集中系数从2.54增加到4.41。因为左边的煤柱在上部采空区的卸压范围和应力集中是相对较弱。

图4显示垂直应力分布云图中间的采空区方向对齐时推进在不同的距离。从图可以看出1120502工作面和120601工作面在水平方向上交错。广场的工作面,受到5号煤的开采,地面岩石的垂直应力分布范围扩大。煤体内的应力集中在从第六届煤转向open-off逐步减少5煤,表明集中应力的最后6煤削弱和5号煤的集中应力增加。地板上煤矿的影响,和前面的工作面卸压区之间的相互影响区域,集中应力区,和集中压力并不大。当工作面推进到240米时,煤6月底发布的压力。的应力集中在下层煤5,这就增加了集中压力和增加损害的程度。

覆岩基本上相似的校准和倾角的变化方向。应力集中区域和减压区也基本相同,他们不断地移动和扩大拱的形状与其他矿区形成连接。主要的采空区在左边,最重要的是影响采空区上覆岩层的变形,但主要上部采空区的最大障碍。

从图可以看出5方向对齐,与上部采空区重叠部分,open-off背后的应力集中区域在工作面前。当开采距离不超过240米,分布在工作面前先降低,然后增加。当采矿工作面距离达到240米,“水平三个方面”的分布。在工作面前方支承压力增加,支承压力峰值之间的距离和煤壁稳定在大约10米。noncoincident区,可以看到从图6应力集中区域保持不变,峰值应力集中也相当于在不同推进距离。与重合的部分相比,支承压力峰值的前面相同下工作面推进距离较大。比较两个部分,可以看出,采场上覆岩层应力分布特征的的方向重合和noncoincident部分基本上是相同的。open-off背后的应力集中区域都是减少在工作面前,和煤岩体附近受到更大的压力,导致压缩和破坏。

3.3.2。分析矿业位移场的变化特征

图7反映了垂直位移变化曲线的方向在不同推进距离120502年和120601年工作面临的重叠部分。部分的垂直位移的方向正好与上部采空区从向下、向上对齐方向变化,和垂直向上位移峰值保持稳定。noncoincident区的变化曲线如图8。上部主要高尔夫区域垂直位移有很大的影响。垂直位移的峰值随开采距离的增加,垂直位移的采空区上覆地层是向下的在整个发展的过程。

从垂直位移曲线工作面推进过程中,可以看出,上覆岩层的垂直位移在不同推进距离形式最大的下沉区采空区,导致应力集中在该地区在open-off剪切和附近工作。

从图可以看出9,工作面在开采过程中,水平位移不断增加,工作面推进的方向对齐。变化的图形显示弯曲下沉和对称,中间对称中心的采空区。背后的水平位移变化强烈open-off削减和采空区区域在工作面前。上覆岩层的水平变形相对较大,和上覆岩层受到横向拉伸和压缩的共同作用,从而更全面地裂缝。

3.3.3。上覆岩层塑性区变化特征的分析

图10显示塑性区发展的倾斜方向先进工作面时在不同的距离。靠近工作面、煤岩体的失败就越大。H破裂带的发展高度,101米,119米,126米,130米,分别。当上部煤达到一定高度,它基本上保持稳定状态。随着工作面推进的,工作面是在非均匀扩张和动态发展,逐步与其他塑料的采空区区域相交。相互关联的多个工作面临的塑性区,屋顶上方的岩体在强度和压应力区,和采空区围岩裂缝发育完全。

3.3.4。的高度范围的确定上覆地层的两个区域

压力歧视方法划分的高度范围屈服区,断裂带和弯曲下沉带形成的上覆岩层的运动和变形在采矿过程中。中间主应力之间的关系位置的校准和屋顶的倾斜方向和距离时采空区工作面覆岩在中间位置的开采在不同距离如图11和12。随着工作面推进距离的增加,屈服区和裂缝高度的区域显示趋势略有增加。方向对齐,崩落区范围的高度从6.2到8.7 m,和断裂带的高度范围从33.5到38.6米。方向倾斜,屈服的高度在6.5到9.2米的范围,和断裂带的高度在34.8到40.5米的范围。

4所示。现场测量和分析

为了进一步研究三面采空区的影响面积120502工作面在开采过程中,分析岩石压力的行为的外观与上部采空区重叠和noncoinciding部分区域,并验证数值模拟的准确性应力应变结果,现场监测的主要支持压力和位移的巷道顶板在120502岛工作面。

4.1。测点布置和监测方法

120502工作面长度400米。后充分考虑open-off削减的影响和停止线保护煤柱,三个计量点的应力监测和位移监测工作面,分别设置在回风巷道运输巷道和工作面两端。他们是位于100米、200米、300米远离工作面,分别。钻孔应力计是用来测量进步工作面支承压力,和屋顶分离仪是用来测量围岩的位移上覆顶的道路。

4.2。监测结果分析两种道路

图13显示主要支承压力的变化曲线在不同推进距离工作面现场测量中。的主要支承压力峰值的重合的工作面和noncoincident部分位于前10米煤壁。在重叠部分,受到上层采空区的减压,主要支持的峰值压力是17.5和19.2 MPa之间,平均为18.2 MPa。范围的主要支承压力峰值在noncoincident部分在30.2和37.1之间,平均为33.3 MPa,大于重合区,与数值模拟一致。

屋顶的垂直位移测量曲线的道路图所示14。在重叠部分,顶板的最大位移约为210毫米。屋顶noncoincident部分的位移明显大于重合的部分。位移约为300毫米,它是不稳定的。它有继续增加的趋势随着工作面推进,与仿真结果是一致的。

5。结论

(1)孤岛工作面开挖中,应力分布呈现以下特点。倾斜方向,向上拱的面积扩大减压运动随着矿业的距离增加,合并成一个“马鞍形状”。方向对齐,与上部采空区重合的部分,后面的应力集中区域open-off在工作面前。垂直应力的增加先增加然后减少开采距离,最后,提出了一种“横向three-zone”分布。在工作面前方支承压力增加,支承压力峰值之间的距离和煤壁稳定在大约10米。noncoincident区,应力集中区域不变,峰值应力集中也是等价的。然而,在相同的推进距离,支承压力峰值前的工作是高。(2)屋顶位移具有以下特点。方向对齐,与上部采空区重叠的部分,垂直位移方向在采空区上覆岩层的变化从下降到上升,和峰值位移保持稳定。在不重合部分,在采空区上覆地层的垂直位移是向下的,和峰值增加。水平位移不断增加与工作面推进方向对齐。联合行动的上覆岩层受到横向拉伸和压缩,因此,裂缝发展更全面。失败的塑性区范围是一个“马鞍形状”非均匀扩张和一个向上的动态发展趋势。双方的塑性区煤柱有巨大发展的高度,而顶板塑性区有一个小型开发范围。增加的孤岛工作面推进距离,屈服区域的高度和断裂带都显示趋势略有增加。(3)现场测量表明,支承压力和顶板位移noncoincident部分明显超过重合的部分,和前面的山峰都是10米的工作面煤壁。同样,屋顶的垂直位移在noncoincident部分也比在重合的部分

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有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51404010和51404010)。

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