文摘

在这项工作中,数值研究的地震响应上进行深埋巷道在煤矿采空区的影响下,和一个3 d数值模型的地震反应仿真建立了深埋巷道使用耦合模型的有限差分法和离散单元法。该模型模拟了不同煤柱宽度的地震响应和地震条件下的深埋巷道的影响下邻采空区。变形、应力分布和塑性区分布的道路和煤柱系统研究,静载荷下的情况和道路,这并不影响采空区,比较和分析。煤柱的合理宽度的基础上,提出了巷道和煤柱的稳定性。最后,建议下煤柱的合理设置提供地震荷载。

1。介绍

地震灾害造成严重破坏地面建筑物和地下结构带来了严重的影响1- - - - - -3]。常常地下采矿诱发地震活动,是我叫地震(4- - - - - -7]。自然和矿山地震不本质上是不同的8,9]。天然地震造成不同程度的破坏煤矿(10,11]。地下煤矿与煤炭开采深度增加逐渐受到矿山地震(12,13]。外层空间有限,矿山地震可能导致一系列其他煤矿灾害,如岩爆、煤与瓦斯突出(14),和渗水15- - - - - -20.]。因此,煤矿地下结构的响应应该分析在地震荷载下。

gob-side条目开车是一个long-walled煤矿常用的形式开发(21- - - - - -25),并与煤柱巷道驾驶可以有效地隔离采空区,以防止水和采空区有害气体到巷道(26,27]。冯et al。28)建立了微震动和岩爆的风险之间的关系,然后提出了一个基于它来预测岩爆预警技术在隧道。通过分析微震监测数据,该方法可以提供一个实时的预警在隧道的开挖岩爆的风险。这个方法的应用在一些工程实例表明,它可以预测岩爆的发展29日,30.]。李和柴31日]研究煤柱的宽度之间的关系和深埋巷道受煤矿爆炸,提出一个合理的煤柱宽度设置为减少煤矿爆炸的风险。考虑到煤柱发挥辅助作用的活性煤矿空间和受到不同形式的动态行为,当前开采煤矿面临的压力是主要的动态形式。煤柱的过程也受到隔离采空区,采空区上覆岩层下沉的压实过程中。煤柱影响动力学,这常常导致大变形和煤炭开采带来的困难。赵et al。32和王et al。33]分析了煤柱的应力变化和损伤风险动态和静态加载与特定的情况下,提出合理的煤柱下相应的地质条件。在先前的研究中,地下洞室或道路经常产生一定量的变形载荷作用下的地震。王等人。34]分析了地下储气库的地震响应盐洞穴,产生一定的变形和破坏的地震响应。反过来,地震响应有一定影响储气库的安全盐洞穴。这种变形不构成巨大威胁的煤矿的巷道空间煤矿和动态应力的影响巷道的采空区很小(35- - - - - -37]。然而,巷道的变形由gob-side入口附近驾驶的隔离煤柱采空区往往是严重的。动态响应的研究中隔离煤柱采空区的作用下,采空区往往被视为连续介质(38- - - - - -40),这通常是不符合实际情况的相邻采空区破碎岩石。

在这项研究中,有限差分法(FDM)和离散单元法(DEM)耦合、隔离煤柱的连续介质模型和形成。一个离散介质模型,建立了相邻采空区使用民主党。相邻采空区的影响地震载荷下的煤柱和响应与地震载荷下不同宽度煤柱进行了分析。这些结果应该提供建议地震载荷下的煤柱的合理设置。

2。FDM和民主党的本构模型

模型所需的计算资源煤地层序列使用不同的元素的代码类似于PFC是巨大的,特别是在动态的计算。采空区充满了破碎煤矸石、采空区和离散介质属于无粘结颗粒材料。因此,利用PFC模拟采空区是合理的。莫尔-库仑模型广泛应用于非线性动态分析的地震分析岩土工程(41- - - - - -43]。连续介质模型选择煤柱和相邻完整的地层,选择和莫尔-库仑模型的本构关系模型。接触连接模型是用来模拟离散介质在采空区不考虑粒子的内部分裂。FDM固体元素(区)和民主党的墙用于耦合。FDM的耦合,民主党需要减少计算时间,同时保证精度的解决方案。

一个模型(图1)建立验证耦合方案的可行性。长度、宽度和高度尺寸的总体模型160 m×5×15米x,y,z在软件的方向。空心面积150 m×5 m×10 m充满了民主党和FDM。FDM相关力学参数和民主党如表所示1。从煤矿地层FDM获取参数。在文献[民主党指的是数据44]。FDM的耦合模型和民主党,民主党粒子大小是0.2 - -0.5米。共有24816个粒子生成(球),和物理单位(区)的数量是4500。固体元素的数量(区)是12000年只有连续体模型。

在模型建立之后,被分配的参数,模型的和底部都是固定的。没有压力或限制在上部观察。自重应力平衡计算,模型的位移和速度都初始化为0。加速度时间范围(图2)从底部进入人工海浪模型和提供的软件。波加速度方程 在哪里一个振幅,f是频率。

应用声波测井边界周围的模型来减少加速度波的反射。静态边界条件中,验证了模型的动态响应的影响下周围没有压力。的空间效果。的距离y方向是短,声波测井边界是观察到的两端。的加速度y方向设置为0,和加速度x和z方向是按照实际尺寸。

模型动态计算时间设置为10。FDM和民主党在自重应力的耦合(数字3(一)和3(b))和动态负载(数字3(c)和3(d))条件和垂直压力在左边柱子的连续介质模型(数据3(b)和3提取(d))来验证批量和连续媒体的反应缸不同。柱子的坐标x(0 - 5),y(0 - 5)z提取(0-15)和压力x= 4.9x飞机。考虑到5.0是位移的影响,一些地区由于压力不能提取。如图3,连续的垂直应力(图3(b))显示了沿着线性变化z设在作为一个整体自重条件下的压力。然而,FDM的耦合模型和民主党(图3(一))是放松身体的接触应力的影响。此外,当地不再是线性的,显示了一个波动在整个平面上,并没有统一的方向改变y设在。这些观察表明,民主党和连续对邻近地区有完全不同的力量。在动载荷条件下这种差异也很明显。如数据所示3(c)和3(d),连续介质中的应力分布(图3(d))显示了一定的规律性。例如,在的位置z= 0,垂直压力y方向两端低,中间高,线性,逐步稳定从两端到中间。在的位置y= 2.5,压力z方向先增加,然后降低。FDM和民主党耦合模型(图3(c)),一个不规则自重应力与连续介质之间观察到。因此,动态负载响应离散介质下的煤柱,与连续介质不同,应该研究。

3所示。数值模型的建立

3.1。地质背景和站点的细节

徐州孔庄煤矿、中国、被选为一个数值例子。长壁板(7433面板和7435面板)的宽度200米和100米的长度。工作面煤层厚度的4.20∼4.20,平均厚度为4.60米。

的直接顶板煤层是砂质泥岩,厚度0.60∼11.19米,平均厚度为3.90 m, gray-black,薄层,含砂量不均,更多的植物化石。主要的屋顶是粉砂岩和中等粒度的砂岩组成。粉砂岩的厚度是1.87∼3.21米,平均厚度1.50米。中等粒度的砂岩的厚度是5.23∼9.81米,平均厚度6.66米。粉砂岩灰白色;主要成分是石英,长石、石灰水泥、紧凑、细粒度sand-like结构,和近水平层理;详情见图4。

3.2。建模和解决方案

建立了数值模型的基础上的尾项孔庄煤矿7435工作面。7435工作面是第一个工作面埋深1000多米在孔庄煤矿。飞机在7433年和7435年之间的关系工作面临如图5。在7433工作面开采期间,如果7435工作面开挖,那么一个孤立的煤柱应设置两个工作之间的面孔。长度在两工作面临的150米。因此,7433的长度沿倾斜采空区是150 m, 7435工作面和尾巴条目如图5。巷道断面的宽度和高度是5和4米,分别。综合地层柱状图和三维尺寸的模型如图4。模型的大小x方向350米,和大小z和y方向分别是200年和5米。在巷道监视点的布局如图4监测的位移和应力巷道煤柱。采空区的高度尺寸,即屈服区,利用统计理论分析得出的回归公式的基础上下降区屈服区高度测量的数据的大量采空区在中国和美国由白等。45]。 在哪里H_c的高度是屈服区(m),h是高度矿业(m),c₁和c₂地层强度参数。的值c₁和c₂可以确定的基础上文献[45]。的7433工作面开采高度4.5米,和计算屈服区高度约11.2米,被认为是11米。工作面长度150米。因此,采空区的规模是(我)X×Y×Z150 m×5 m×11 m利用DEM建模。(图的DEM模型6)建立。随机生成的几何模型从外部进口软件模拟采空区实际破碎岩石,和球形粒子的表面几何模型,使模型尽可能接近实际的模型条件下稳定。对两个模型的物理力学参数,FDM参数决定依照现场工程地质条件和岩层的力学性能。DEM模型参数确定在参考文献[44),和物理力学参数表2。

模型单元的总数和民主党124年250年和3866年,分别。破碎岩体的大小是0.3 - 2米,和颗粒破碎岩体在这个范围内随机生成的。模型的孔隙度是0.3。在这个讨论中,颗粒破碎的影响和规模都将被忽略。7435尾进入模型的位置移动到左边虚线框的图4煤柱的宽度改为5,7,9,11,13,15日,20日,25日,30日,35岁和40 m,这表明11模型的建设。模型的网格大小密度在相邻巷道和采空区。网格大小远巷道和采空区适当放大来提高计算而不影响计算结果的准确性。

的孔庄煤矿7435工作面海拔1017.50−−883.80 m。本研究忽略了地层倾角的影响。工作面水平排列。工作面和巷道排列在1000米。岩体密度和上垂直应力为2500公斤/米³分别和25 MPa,水平应力比为1.5时的静态计算模型。前面,后面的左,右,和底部固定在模型静态计算边界条件。的动态边界条件模型是声波测井边界条件来减少反射波的。

煤和岩石的力学参数可以在表中找到2,民主党的力学参数表中的相同1。双方在7435年返回气道支持螺栓、长度、直径、间距2.4米,20毫米,1 m×1 m,分别。四个锚存在屈服载荷和预紧力的每个部分150和80 kN,分别。屋顶是由螺栓和电缆间距1 m×1 m。锚电缆被安排在中间螺栓中点附近的支撑和巷道的屋顶锚链直径、长度、屈服载荷,和预紧力的17.8毫米,8.2,600 kN,和150 kN,分别。

3.3。地震波的输入和处理

在计算过程中,北岭,罗玛,科比,和人工地震波(使用46]。前20的四个提取地震波作为输入,动态加载,和四个地震波过滤baseline-corrected使用SeismoSignal [47)软件。这个过程消除了少量的地震波的高频波,减少了网格的数量,并确保模型网格点的位移和速度力量后计算都是0。四个地震波的加速度数据所示7(一)- - - - - -7 (d)。考虑到模型的影响大小,地震波的加速度y方向设置为0的体积小y方向,和加速度x和z输入方向按照原来的大小。

4所示。巷道的变形特征

4.1。水平变形

图8显示了一个变化曲线在56研究的水平位移情况下,包括11个不同煤柱宽度在静载条件下和四个地震波的条件。数据8(一),8(c),8(e),8(g)8(h)的水平位移监测1点,这揭示了最大水平位移变化对巷道煤柱的一边。数据8(b),8(d),8(f),8(h)和8(j)的水平位移监测点5,这揭示了固体煤的最大水平位移变化曲线的7435回风巷,在a和b是静载荷下的水平位移曲线。(1)在静载荷下,宽度的影响不是伟大的5 - 15米的范围内,和巷道煤柱的一面总水平位移是在0.4到0.5米之间。的水平位移的煤柱宽度5米小于的煤柱宽度的7 - 15 m,这发现先前的研究中观察到的类似。固体煤巷道的位移变化之间的5和15米也影响很小,也就是说,0.2 - -0.3米。然而,对巷道变形的影响是小的煤列宽下5 - 9米。因此,近年来,狭窄的巷道煤选择改善煤的萃取率。巷道的稳定性和煤炭支柱可以维护和提高煤炭产量条件下的改进和加强的支持。(2)煤柱宽度范围内的15 - 40米,巷道煤柱的一面总水平位移逐渐随煤柱宽度的增加而减小。整体位移小于0.3米。特别是巷道煤柱变形的一面减少到0.2当煤柱的宽度大于25米。(3)一个巷道的地震反应不受采空区,位移曲线由图中没有吐唾沫8进行比较分析。如图8的水平位移变化single-roadway地下深处,这是相对安全的煤矿开采,采空区不受影响。这一发现也证实了先前的研究和调查。然而,水平位移变形的煤柱和道路相邻采空区的影响下频繁或连续动态载荷不同,和煤柱的宽度显著影响位移的变化。数据8(c),8(e),8(g)8(我)代表的煤柱一侧的变形巷道的影响下四种地震波。在地面运动的开始,5 - 15米宽煤柱下的位移显著增加,和5米宽煤柱下的位移增加到超过0.3在1 s的地面运动。区别从静态加载条件下的位移煤柱的宽度5米不再显示了一个微不足道的变化,在7 - 15 m的煤柱宽度,但继续增加地震时间仍在继续。下煤柱宽度的7 - 15 m,位移小于的煤柱宽度5米,但效果显著。当煤柱的宽度达到20 m,莱恩位移变化的趋势preseismic时期大约是线性和逐渐减慢。数据8(d),8(f),8(h)和8(j)显示的位移曲线固体煤巷道。考虑到长途采空区和坚实的支持煤炭、位移小于煤柱一侧的变形,位移的总体趋势是类似于固体煤。同样,位移变化煤柱宽度的5 - 15米,很明显和煤柱宽度达到20米时逐渐缓解。(4)在四个地震条件下不同位移观测。Loma地震波下的位移最大。煤柱一侧的最大位移达到0.81米,5米的宽度,和固体煤的最大位移达到0.54米。连续位移的数量继续增加的地震运动。因此,煤柱的宽度设置为20米或更适合不稳定的风险按照窄煤柱设计的相邻采空区的影响下频繁或持续动态负载。

4.2。垂直变形

图9显示了监视点的垂直位移变化曲线3和7,最大位移变化的监控要点:(1)数据9(一)和9(b)显示巷屋顶和地板位移曲线,分别在静态加载。屋顶静载荷下的位移之间的5和15 m煤柱宽度、下沉量是0.225到0.3米。煤柱宽度变化的影响在这个宽度区间在屋顶上沉没是无关紧要的。地板静载荷下的位移小煤柱宽度的有些人,和地板之间的总位移−0.03和0.03米。因此,静态负载的影响地板的位移在这样的地质条件。(2)数据9(c) -9(j)表明,巷道的屋顶和地板上的位移条件下的四种地震波是地板的位移曲线。同样,没有吐唾沫是单一巷道的位移响应的影响下采空区。研究表明,屋顶的巷道的位移不受采空区很小,道路是相对安全的。屋顶的位移变化的位移影响采空区,和增加位移的总体变化趋势缓慢地震时间的推移。的最大位移下的煤柱是5米宽北岭Loma地震波,屋顶和最大下沉量接近0.4。在5 - 15米,煤柱宽度煤柱宽度的增加仅略有降低的变形量。地板的位移是伴随着连续地震运动,它显示了一个波动的趋势。的最终位移小于位移屋顶,地板的位移是相对安全的巷道的稳定性。因此,设置煤柱的宽度大约20米或更频繁的或连续的动态条件下合理的按照顶部和地面的位移变化。

5。应力分析

数据10和11的最大主应力波云图静载荷下的巷道和煤柱和北岭地震波。四个模型的地震波存在,只有北岭地震波选择比较分析,因为空间的限制。如数据所示10和11,形成一个低压力区巷道在静态和动态条件下,这个结果是由于开挖室的变形卸载压力。这些研究结果类似于先前的研究。

在静载荷下,应力集中在煤柱的宽度5和7米很低。这种情况下有利于煤柱的稳定性。当从9米增加到20米,宽度煤柱的应力集中逐渐增加。的应力值逐渐增加煤炭列−−10 MPa在9米35 MPa当煤柱的宽度增加。这里的象征是相反的轴方向当模型建立;因此,应力分布是负的。9-20 m的范围,高压力的区域形成的采空区和道路的一侧逐渐收敛,和这个条件形式压力高的核心价值,这是非常不利于煤柱的稳定性,尤其是在采矿的过程。没有融合发生在压力下的巷道煤柱宽度的20 - 40 m和压力的采空区由于距离,这有利于煤柱的稳定性。然而,宽煤柱减少资源开采特别是稀缺类型的煤,提高回收率。使用窄煤柱入口保护相对经济。

北岭地震波的作用下,整个模型的应力值低于静态负载。这种情况表明,煤柱的应力集中的动态作用下不明显。然而,整个煤柱的应力集中区域仍是分布在固体煤巷道,在煤柱但可能逐渐蔓延到顶部和底部。局部应力的高价值最多20 MPa左右,这是相对安全煤柱的稳定性。然而,如前所述,煤柱一侧的巷道的位移随着地震的持续增加,这对煤柱条件可能会导致不稳定的风险,持续或经常运动。因此,窄煤柱不能确保的安全煤柱和巷道动态作用下,应该增加到20米以上,以确保安全。

图12显示了在煤柱垂直应力分布下的相邻采空区5和20米宽煤柱和罗玛地震波的作用。的距离一个,b,c,d采空区是0.5,1.5,2.5,和3.5 m,分别。如图12,垂直应力大于垂直应力下5米宽煤柱和大致分布在−−25 MPa范围40 MPa。根据煤柱宽5米,煤柱垂直应力的范围从10 MPa−15 MPa。考虑到塑料煤柱破坏5米宽,上覆地层和屋顶可以不再被支持,和这个条件转移压力。图12表明垂直压力5到20米宽煤柱在地区靠近采空区分布不均。明显不均匀时观察到靠近采空区煤柱。采空区的距离增加,压力逐渐变得均匀,这表明采空区引起的松散介质不均匀的压力从采空区煤柱在近距离,和距离的位置的影响逐渐降低。

6。塑性区分布分析

数据13和14静载荷下显示塑料的分布区域和科比地震波,分别。蓝色区域代表的地方没有塑料损害发生,红色区域代表区域发生剪切破坏,和紫色区域代表了拉伸和剪切破坏发生的地方。如数据所示13和14,静载荷下的塑性区发生在巷道和动力作用下塑性区扩展沿煤层在水平方向上的条纹分布。

在静载荷下,围岩塑性区面积的范围5 - 15 m是无关紧要的减少,但煤柱内的塑料领域一直贯穿整个煤柱的扩大煤炭支柱。因此,增加煤炭列的宽度从5米到15米不减少塑料的破坏,这是受采空区的影响。当煤柱的宽度增加到20 m,煤柱内的塑性区域逐渐减少。煤炭开采,没有塑料的煤柱破坏具有更高的承载能力比用塑料损坏和相对安全的煤矿。宽煤柱通常用于煤矿在过去。

塑料的分布地区地震波的影响下在一个单一的道路不影响采空区没有采空区图所示14。一定范围的剪切塑性失效区域发生在巷道的范围增加而连续发生的地震。塑料的分布地区科比地震波的作用下不同于静载荷。与煤柱宽度的增加,塑性区域的长度并没有明显减少。这个发现意味着低强度的塑性区扩展的煤层连续地震运动,而煤列,扮演了一个配角,完全导致塑料损伤。如前所述,变形量的煤柱塑性损伤发生逐渐随着地震的持续增加。塑料损伤发生后,煤柱的承载能力大大降低。在这一点上,只能减少风险增加煤柱的宽度或通过加强煤柱的支持。频繁或连续动态下的煤柱行动有一个大面积的塑料的破坏。这时,煤柱的宽度应该增加,以确保安全。

7所示。结论

煤柱的地震响应分析和道路相邻采空区是使用数值方法进行利用的返回气道孔庄煤矿7435工作面为例。建立了采空区使用不同的批量模型从过去,这更符合煤矿的实际情况。根据有限元法和民主党,地震响应分析进行煤柱和道路在不同煤柱宽度和四个地震波。这个数值方法可以用来确定煤柱的宽度在gob-side条目开车。

结果表明,大部分的影响介质对周围连续介质只是验证,因为传播接触应力的影响,导致应力的不均匀分布的连续介质大部分身体的一部分,在后续的计算确认。在相邻采空区煤柱和道路,受到频繁或持续的动态负载,一个伟大的区别静态加载和单一巷道不受采空区被观察到。煤柱变形和道路连续的动态负载增加。窄煤柱显示这一特点,这一趋势反映在煤柱变形。煤柱的应力集中往往削弱而连续地震运动的静态负载,和高压地区逐渐蔓延到顶部和煤柱的地板。塑料地区道路和煤柱的范围逐渐扩大的方向弱煤层地震运动仍在继续。在相邻采空区煤柱和道路受到频繁或持续的动态载荷,煤柱的宽度增加,确保道路和煤柱的稳定性,和煤柱的宽度应该计算和确定根据地质背景和网站。

数据可用性

所有数据、模型或代码生成或使用存储库中的可用在研究过程中依照资助者或在线数据保留策略。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由中国国家自然科学基金(11872300和11872300号),中国陕西省自然科学基金(2021金桥- 463和2021 jz-47)和陕西高校的青年创新团队。