的分布特征和形成机制Extrathick近水平煤层开采引起的地表裂缝:大同煤田的一个例子,中国

文摘

extrathick煤层的开采条件下,覆猛烈地移动,表面严重摧毁,不连续变形裂缝等全面发展。以大同矿区为例,研究和分析表面裂纹的发展特点和产生机制松散覆盖层区和基岩接触区通过现场测量和模型试验相似。在基岩外露面积,没有主要的裂纹。宽度、长度、数量和步骤的表面裂缝相对较小。有许多裂缝具有相同规模和分布均匀和并行。然而,松散覆盖的地区,主要的裂缝主要是open-off上方的减少和停止线偏离了工作面一侧。主要有许多次生裂缝开裂,有一个很大的裂缝密度和一些裂缝外缘的主裂缝。通过研究,发现三个矿业面临属于典型的three-zone采矿模式和主要断裂与o形环断裂分布的理论是一致的。本研究的结果可以为后续提供理论和技术支持土地修复和生态修复。

1。介绍

煤炭工业可持续发展密切相关。从社会、经济和环境方面,它既有积极的和消极的推动作用1,2]。煤炭在中国能源的分布很广泛,主要集中在新疆、青海、陕西、内蒙古、山西、河南、河北、山东、江苏、安徽等省份。地下煤炭资源常常会导致大规模的开采上覆岩层移动和地表沉陷。根据开采沉陷知识、开采厚度越大,地表沉陷的更严重。所以,当开采厚煤层和extrathick缝,地表沉陷是最严重的。当开采的煤层厚度厚或extrathick,屋顶被认真对待。挖掘影响传输到地面后,裂缝,形成塌陷坑、山体滑坡等灾害。结果,在矿区建筑物严重受损,降低地下水位,铁路和公路都被封锁了,另一个产生次生地质灾害(3- - - - - -7]。

extrathick煤层的开采常常导致不连续损伤到地面,然后形成了表面裂缝(8,9]。到目前为止,国内外一些学者研究了表面裂缝的分布规律extrathick煤层开采后(10,11]。由于大型矿业厚度、上覆地层的失败高度可达200 - 350米的矿业extrathick煤层坚硬的屋顶下(12]。高等人获得了地表沉陷预测参数和东坡煤矿的角参数,研究了地表沉陷规律及其特殊性extrathick完全机械化放顶煤开采过程挖掘的煤层条件下,中厚基岩浅埋深(13]。郭等人派生采矿活动对地表裂缝宽度的计算方法根据地表移动的基本特征和表面极限变形(14]。高等人的影响调查分析,坚硬的岩石表面裂纹在不同层应力分布extrathick煤层开采条件下(15,16]。马等人使用不同的算法来分析滑坡的可能性厚煤层开采造成的(17,18]。郭等人讨论了顶板支护技术完全机械化采矿在困难条件下的表土和extrathick煤层19]。局域网等人测量和分析厚煤层开采的岩层运动特征的作用下厚硬的屋顶(20.]。陈等人分析和研究了开采对地下巷道的影响条件下的10米开采高度和构建安全评价方法(21]。辛格等人研究了上覆岩层的运动模式条件下的大型矿业高度在山区22]。黄等人建立的残余变形预测方法extrathick和急倾斜煤层的开采23]。王先生和王研究围岩系统的运动规律和控制技术在厚煤层开采(24]。Nayzar等人分析了交互作用的双extrathick煤层开采(25]。松井等人研究了地下采矿系统extrathick煤层(26]。

根据以上文献分析,有许多研究地表沉陷规律和分布特征的矿业开采造成的裂缝extrathick急倾斜煤层,但很少有研究表面采矿extrathick近水平煤层的裂缝。因此,本文以在大同煤矿城市为研究对象,采用相似材料模型实验进行深入研究表面裂缝的分布特征和形成机制造成extrathick近水平煤层的开采。

2。调查研究领域

2.1。地质和采矿条件的研究领域

研究区域城市坐落在大同煤矿,设计生产能力为300万吨/年,支持和矿业面临暂停支持。这个矿采用走向长壁开采方法挖掘和所有屈服的方法来管理屋顶。回收率大于80%。在本研究地区3煤层开采。煤层的埋深3 = 295∼380米,完整的厚度是21.38∼28.01米,大约3°倾角。上覆地层主要是砂岩和泥岩。

三个长壁工作面的开采,包括工作面临1505年,1506年和1502年先后从南往北递增。煤层的厚度的三个工作面临21.20∼32.43米。煤层的倾角是大约3°。在中国,当煤层的厚度超过3.5米,厚煤层,当煤层的厚度超过8.0米,这是一个extrathick煤层。当煤层的倾角小于8°,这是一个近水平煤层。所以,这三个典型extrathick近水平煤层开采工作表面。这些工作面临的相对位置如图1。

三个工作面临的采矿方法是完全机械化放顶煤开采过程。前视图和剖视图的屈服情况如图2。

2.2。测量表面裂缝的分布特征

后三个工作面临开采顺序,各种裂纹发生在表面,如图3。

在图3厚,红色的曲线代表了大裂缝下降大于1米,宽度大于20厘米,也被称为主要裂纹;蓝色的薄曲线代表的裂缝下降小于1米,宽度小于20厘米,称为小裂纹。从图可以看出3裂缝区域坐落在采空区和裂缝宽度和深度在不同地区是不同的。1502工作面接近山顶,山顶陡峭,山上裂缝主要是拉伸裂缝。山附近的一侧身体1502工作面主要暴露基岩区,北面是山的身体。上面的表面工作面临1505年和1506年主要是被黄土覆盖。与黄土地区相比,基岩裂缝暴露的形状和分布区域是不同的。

2.2.1。Loess-Covered地区分布的表面裂缝

Open-off削减的一面:在工作面临1505年和1506年,上面的裂纹区域出现在沿着Open-off Open-off削减削减方向。南北方向的主要裂缝罢工,沿着这个方向是连续的。有两个主要的裂缝沿走向方向1505工作面采空区上方(图4(一))。长度是200 - 220。两个主要的裂缝位于采空区的边缘,和许多小裂缝产生的主要裂缝约50米,这是与主裂纹的趋势一致。小平行裂缝的长度是50 - 180 m。

停止挖掘线路侧:裂缝在停止线的工作面临1505年和1506年位于内部的工作面,并有几个类似的大裂缝的长度和宽度。有很多中小裂缝在停止线1505工作面附近的农田,伟大的密度和复杂性,并严重损害农田。大面积的弧形裂缝出现在了停止线1506工作面。主裂纹的深度约为2.4 m。裂缝的分布是均匀的。很少有裂缝外缘的几种主要的裂缝。裂缝主要是接近皮带巷道的一边,就在矿区上面。

采空区上方:采空区的中间部分的工作面临1505年和1506年显示整体崩溃,有大裂缝和许多大小不一的裂缝(图4 (b))。裂缝的分布密度不均匀,罢工方向不一致,造成的损害程度是不同的。通过实地调查,大规模的这种类型的表面变形区发生采空区工作面边界内的130米。表面变形是一个典型的“切割和屈服形式”,这表明,变形的上部开采边界和周边地区强,和外面的变形裂缝大大削弱了(图4 (c))。

2.2.2。在基岩暴露地区表面裂缝分布规律

1502年工作面,主裂纹出现在上行方向open-off山附近(图5)。主裂纹位于基岩接触区域。与主裂纹在黄土地区相比,裂缝的宽度和下降很小。与此同时,其他裂缝的长度短于黄土地区。1502工作面山的上坡方向。没有主裂纹在山上,但许多平行裂缝具有相同规模和形成均匀分布。在1502工作面,停止线的地形是温和的,许多裂缝介质是均匀分布的。一代的大裂缝,很少有小裂缝。

3所示。研究方法

3.1。实验模型制作

这一仿真模型框架的大小是有限的,只有工作面临1505年和1506年进行了仿真。矿区的综合柱状图如图6。根据实际矿区的地质和采矿条件,下降段的相似材料模型建立了工作面。

实验框架模型的大小是2990 mm×1610 mm×250 mm,相似材料模型的几何相似常数是350,体积密度的相似常数为0.6,强度比210年,比率是20。测量的点是均匀安排模型的表面上。双方的观察点在同一层由5厘米等距的,和其他点间距为每10厘米中间的部分。总共六行排列,从上到下一个,B,C,D,E,和F,如图7。是表面观测线,线B是安排在松层和基岩之间的接口,和行吗C,D,E,F被放置在不同的层的基石。

3.2。材料的比例

根据相似常数,模型的参数计算。石英砂是选为骨料,石膏和石灰混合作为胶结材料。结合仿真材料的体积密度和抗压强度,材料比例和模型制作。表1显示了几何参数和配比参数的相似材料模型实验。

3.3。模型采矿和观察

模型完成后,首先开采工作面1505,然后1506年开采工作面,沉降观测4次,前两次采矿、和平均价值作为初始值,一旦开采后工作面临1505年和1506年,分别。观察的准确性沉降大于±0.2毫米。

4所示。结果与讨论

4.1。开采裂缝分布规律

开采后,上屋顶倒塌,一个大范围崩溃的发生。屈服区域的宽度是540毫米,高度是432毫米。的高度屈服区5∼6倍煤厚度。破裂带的高度是220毫米,弯曲带到达地面。有三种开采影响上覆地层区,包括屈服区,断裂区,和弯曲区,这是一个典型的“three-zone”模式。

开采后的工作面临着1505年和1506年,裂缝出现在采空区的左右。在左边,出现一道大裂缝open-off削减1505工作面上方(如裂缝2位数8和9)。随着时间的流逝,裂纹逐渐变大,形成主裂纹。的深度主要裂纹贯穿整个松层和到达基岩表面。主要裂缝的宽度是一致的测量情况,最后形成了一步形状裂纹2所示。在一边的大裂纹远离采空区,一些小裂缝(如裂纹1)是逐渐产生的,和最外层的裂纹之间的距离采空区和大裂缝是328毫米。

在右边,两个裂缝也出现在一侧的1506工作面偏离工作面(如裂纹3和裂纹4)。裂缝的主要特征在右边的采空区,最外层的裂缝,裂缝之间的距离在开采边界231毫米。与上覆岩层运动的逐渐转移到表面,双方主要表面的裂缝(裂纹3)高于1505工作面开采边界的逐渐消退,移动,和沉降差异两岸的裂纹逐渐增加,最后形成了一个板凳裂缝下降为1.5 m。的最大裂缝宽度3 = 2.1米,最后裂纹深度3是140米。这是完全不同于一般开采沉陷研究或在其他领域的最大裂纹深度测量(通常小于10米)。主要原因是研究区覆岩的岩性是困难的和突然的沉降发生在采矿过程中,导致表面应变率大,整个松层形成裂缝。有裂缝的两边的采空区,和发展形态和裂缝的几何特征基本上是一致的。

总体而言,上述矿业面临属于典型的three-zone采矿模式。主要的裂缝主要分布在采空区边缘附近,这是符合o形环断裂分布理论。

4.2。原因裂纹发展的差异在不同表面覆盖地区

表面裂缝的分布与o形环理论是一致的。根据o形环理论,在采矿、骨折主要分布在采空区,类似于o形圈。然而,在不同岩土覆盖区域,表面裂缝的发展规则是不同的。(1)loess-covered地区裂缝发育完全,各种类型和不同的法律。的原因如下:(一)loess-covered地区,黄土结构柔软,具有显著的各向异性。由于黄土的存在,它相当于软化覆盖层。(b)抗拉伸变形的机械强度,抵抗压缩变形和弯曲变形阻力非常低。特别是,拉伸变形阻力非常薄弱。当地面的拉伸变形能力超过2 - 3毫米/米,地面将被打破,就会出现裂缝。loess-covered地区地表裂缝是完全开发,大型和小型裂缝。(c)与此同时,在黄土垂直节理发育完全,很容易和垂直裂缝形成后被挖掘。由于黄土垂直节理的发展和柔软的剪切强度,截止类型的大型垂直裂缝很容易形成黄土基岩面之上的裂缝;和周围的大裂缝,黄土具有很弱的拉伸变形阻力。因此,许多小不规则裂缝周围形成大的裂缝。(2)loess-covered区域相比,基岩裂缝暴露面积相对较小,但有很强的规律性。的原因如下:(一)基岩的基岩接触面积直接暴露在地面上没有松散覆盖层表面。与loess-covered地区相比,在岩性上覆岩层一般强大,基岩具有较强的抗变形。因此,基岩的接触面积小,表面裂缝宽度小,深度浅。(b)基岩裂缝的产生主要是沿着软弱岩体表面发展。因为弱面岩体的分布有很强的整体规律,基岩裂缝的分布也有很强的规律性。在裂缝表面接触后,他们也有很强的规律性;有许多裂缝具有相同规模和均匀分布和并行。

5。结论

基于现有的分析和测量数据的extrathick大同矿区的煤层,结合相似材料模型试验的研究,得出以下主要结论。(1)三个矿业面临属于典型的three-zone采矿模式。主要的断裂与o形环断裂分布的理论是一致的。(2)loess-covered地区裂缝发育完全。主裂缝主要是open-off上方的削减,open-off之外的切割和偏离工作的中断线路侧脸。主要有许多次生裂缝开裂,有一个很大的裂缝密度和一些裂缝外缘的主裂缝。(3)与loess-covered区域相比,宽度,长度,数量,和步降基岩表面裂缝的暴露面积更小。没有主裂纹,和有许多裂缝规模和均匀分布和并行。

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。

作者的贡献

W.Y.概念化的研究。Y.Y.开发方法。W.Y.提供软件。收听距离和J.G.执行验证。W.Y.表现形式分析。Y.Y.进行调查。Y.Y.提供资源。J.G.进行数据管理。Y.Y.写了初稿。W.Y.审查和编辑这篇文章。 J.G. performed visualization. H.D. supervised the study. Y.Y. performed project administration. Y.Y. was responsible for funding acquisition. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

确认

这项研究是由中央大学”的基础研究基金(2021 yqdc09),中国国家自然科学基金资助。(50974122和U1810203),河南理工大学青年骨干教师支持计划(资助。2019 xqg-07),河南大学的基础研究基金(格兰特no.NSFRF200314),河南科技投影(格兰特no.212102310012),国家重点实验室开放基金的水资源保护和利用煤矿(赠款nos.WPUKFJJ2019-20和WPUKFJJ2019-17)。

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