文摘

由于不同的地应力水平,矿业应力状态和围岩性质的急倾斜采煤深处,地下工程岩体的突变机制是复杂的。本文研究急倾斜的原因和控制开采灾害Wudong煤矿深部煤炭资源。结果表明,结构领域multifield分析是关键,特别是大面积的屋顶悬很容易扩大能源和诱导动态风险。通过钻孔电视——(BT)瞬变电磁(TEM)检测,发现有隐患的屋顶安全和疑似Wudong煤矿水灾害,和上面的屋顶检测区域(+ 575米南公路2250 - 2600)处于悬浮状态;有一个疑似富含水分面积在2320 - 2340和2390 - 2400,和最低的垂直高度是+ 613.8 + 615.5米。探索和释放含水层中的水有效地减少了水压力;在+ 575南巷道,+ 587测量巷道,爆破室,暂停屋顶构造爆破孔。微弱的震动(女士)TEM监测表明,视电阻率显著波动,微震的能量和事件已经显著降低,并保持在一个较低水平,连续两周,确认稳定版本的有效性的高压屋顶+ 575采场附近区域;与此同时,长期的保障措施屋顶构造动态监测。

1。介绍

煤是主要的基本的能源和化工原料在中国。基于能源消费总量,中国煤炭消费需求预测。2025年,中国的能源消费需求将5.5 -56亿吨标准煤,其中煤占50% - -52%。中国的主要能源结构永远是由煤在2050年之前(1]。目前,煤炭资源在浅的一部分,地球正逐渐耗尽,和开发资源推进到更深的地球的一部分。在1980年代,煤炭开采深度的波兰,德国,英国,日本,法国超过1000,中国47个煤矿的开采深度超过1000米。在未来,深部开采将成为常见的(2]。

然而,“深度”并不指的是深度,但是机械状态取决于地应力水平,挖掘应力状态和围岩性质(3- - - - - -5]。深基坑的煤岩体中存在的复杂地质环境高地应力、高地温、岩溶水压力高、爆破振动,影响卸货,矿业扰动和其他复杂的地质环境。在强大的动态现象,深部开采煤炭和岩体的力学响应明显不同于浅层煤岩体(6- - - - - -8)和礼物”结构的强度field-stress现场压裂field-seepage场”耦合特征(9,10]。

一方面,动态灾害的频率和强度显著增加。例如,大规模暂停屋顶坍塌,矿山突水、煤与瓦斯突出,岩石破裂,和其他问题不断出现,大大复杂化地下工程岩体的灾难机制(11- - - - - -17];另一方面,强干扰下的“黑盒”机械过程和强劲的深部资源开采的时间效应,增加灾害控制的难度。

急倾斜煤层受到静水压力高,强大的工程扰动和复杂围岩特性,深部岩体应力状态的典型特征。在复杂multifield地质环境、大规模的高应力影响不稳定能量储存下的岩体工程扰动会导致动态灾难(18]。

矿山安全不断受到威胁,已成为中国煤炭行业的迫切问题。本文以Wudong煤矿为例,和工程地质环境和multifield交互系统的急倾斜深层岩体进行了分析。然后BT-TEM检测是用于实现multifield可视化表征煤岩体。在此基础上,我们提出了措施稳定版本的高应力暂停深采场附近地区的屋顶。同时,与水的技术探索和排水相结合,动态灾难控制。在本文中,我们使用深MS-TEM检测评估屋顶动力学的影响和建立长期在Wudong煤矿顶板动态监测措施。

2。Multifield环境深度和陡峭的煤层

宏观法律是物质的总量,充分积累,达到一个足够大的程度上,来自大量的微集体行为,并且它是分开的法律系统的另一个层面的微观细节19]。我们定义的multifield环境与急倾斜煤岩体”结构的四大耦合状态field-stress现场压裂field-seepage字段。“微观行为是微损伤演化的整个过程,裂缝扩张,和失败的机械行为,这是伴随着岩石内部结构的变化和相关的物理和化学领域的现象;宏观表现是屋顶突然崩溃,其他不稳定地层结构等灾害诱发强烈的破坏性动态水,火,煤与瓦斯突出。

急倾斜煤层的地质条件在中国乌鲁木齐矿区是复杂的。Wudong煤矿位于八向斜北翼,具有单斜层结构倾向于南方,和43号煤层的厚度和45号煤层矿区是37.5米和47.8米,分别下降为157°,平均倾角45°。煤层顶板是困难的和稳定的,在水平截面屈服开采,采空区的大型屋顶是一个潜在的风险来源,并与主采矿水平进入深,地下工程岩体的灾难性的发展机制主要是复杂的。此外,在矿区multifield耦合现象显示了更多的灾难控制困难。图1显示了地理位置和Wudong煤矿开采布局。


图1
地理位置和Wudong煤矿开采布局。

图2显示属于“solid-gas-liquid”阶段系统的地质条件和改变运动在许多领域,如“地质体结构field-stress field-deformation field-seepage现场压裂场引力。”


图2
原理图的工程地质multifield急倾斜煤层的行动。

图3是multifield演化过程Wudong煤矿工程地质条件下,动态变化在孵化过程中,和结构领域分析的基础;水压裂缝扩张的动力,增加裂纹是由于断裂字段增加,应力场和渗流场裂纹中心逐渐扩大,逐步分化高压力和低压力区,最后形成低应力高渗透带在垂直方向的主裂缝。multifield相关,通过从微观到宏观,其中地质体结构领域提供对接渠道multifield耦合。


图3
Multifield耦合关系在急倾斜煤层煤岩体。

3所示。灾难检测和预防措施

针对multifield复杂环境的深部开采煤炭和岩体在Wudong煤矿,掌握结构的信息领域的关键是控制multifield环境的稳定性。因此,深刻地探索的可视化信息是通过联合监测方法指导制定动态灾害预控措施。

3.1。BT-TEM检测到危险的来源

有实际困难multifield环境的可视化深部开采条件下煤岩体。很难直接观察到的力学行为和内部物理过程工程扰动下,这是一个“黑盒”的过程(20.]。根据电气的特点、磁场和采空区的物理属性,钻孔电视(BT)和瞬变电磁法(TEM)用于检索深潜在灾害的空间分布特征,如类型、规模、和深度;同时,multifield演化和深层煤岩体的力学行为进行了分析。

3.1.1。检测原理

如图4(一)、地质结构和岩石层状态参数在洞里可以通过扫描识别钻孔图像的形状和颜色,可以协助判断发生,岩性分布、结构开发、水和天然气生产的岩层21]。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
BT-TEM原理检测设备:(a)钻孔电视原理;(b)矿井瞬变电磁检测原理。

瞬变电磁法(TEM)也被称为时间域电磁法,首次创建主磁场线圈,然后突然中断。根据法拉第电磁感应定律,电导体产生二次感应电流在地面或煤矿,因为二次磁场的衰减规律与地下地质体的电导率;导电性越好,越慢衰减率(22]。

该方法具有方向性好、大深度检测、丰富的信息,和小投资在采场岩石破坏的探索,这是一个新的想法来检测在采场围岩的破坏。由于水电导率的差异,一方面,采空区上方不同地层的视电阻率值可以从电子数据分析;另一方面,破碎煤岩体的视电阻率大于完整的煤岩体和水,而完整的煤岩体的大于水(视电阻率:破碎煤岩体>完整的煤岩体>水视电阻率)。因此,通过TEM检测结果煤岩破碎区和水区可以确定最后的影响范围确定煤的岩石碎片区和水区,和原理如图4 (b)。

视电阻率的计算公式煤矿全空间瞬变电磁方法(23] 在哪里C完整的空间响应系数,μ是渗透性,它可以近似作为真空磁导率,年代接收线圈的线圈区域,n是线圈,t二次磁场的衰减时间,然后呢 是标准化的二次磁场的潜在价值。

通过时间深度转换,方程如下:

在公式(2),t我是时间窗口值相应的仪器在一定时间;ρ(t我的视电阻率可以得到相应的仪器(1);μ0真空磁导率(4π×10−7 h / M)和h年代是深度。

3.1.2。检测设备和方案

为了检测潜在灾害的地质信息来源,实现工程地质的multifield可视化,并指导制定预控措施,BT-TEM检测方案和设备如图5。


图5
BT-TEM检测区域和设备。

(1)观察地层运动由英国电信。存在不同程度的塌坑和采矿过程中裂纹现象+ 575煤层而崩溃的坑有滞后和不连续特征,和屋顶在煤层区域存在安全隐患。为了探索屋顶在采空区的发生,确保矿井的安全生产,观察孔地层构造运动在相应的采空区侧表面,和发生在采空区上覆地层被开采,地层和检测方案运动如图6。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
图6
地层运动的检测方案:(a)检测孔方案平面,(b)检测孔参数,和(c)检测孔方案部分。

如图6(一),十一层移动观测孔设计在相应的采空区侧表面直径100毫米和设计长度130 - 210米。钻孔位于20 - 80工作面背后,每个钻孔的参数在图所示6 (b)的固体部分,探测孔如图6 (c)。

(2)通过TEM检测水份的区域。矿井瞬变电磁法勘探设备类型使用重叠循环组合装置;边长是1.5 m励磁线圈和接收方,激励线圈的数量是4,接收线圈的数量是40,60供电电流,电源脉冲宽度是10毫秒,采样率是16μ年代。每个测点采用至少30倍叠加提高信噪比,从而保证了数据的可靠性原始数据。

如图7(一个),每个检测行南巷道停止从2608 - 2250,探测角是45°,60°、90°,如图7(c)(考虑表面钻孔测量和矿井水文地质信息,三行水份可以覆盖区域),和两条测量线排列+ 587巷道爆破措施检测(90°)和南部(45°)的道路。每个测量线2400 - 2340米和检测间隔为20米。


图7
TEM监控方案:(一)测点位置;(2)施工现场;(c)角检测。
3.1.3。灾难源可视化

(1)BT监测的岩石断裂演化。煤岩体从内部mesofracture变为外部宏观变形和工程扰动下崩溃。如图8(一个)、分离点,打破点,并完成岩层临界点插值,分别为三个区域:小范围近似拱门形状破碎区,矩形悬浮岩层,梯形形状高应力集中完整的硬摇滚区。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
煤岩体的断裂分布和演化图:(a)表土结构可视化;(b)骨折煤岩体的进化。

图8 (b)是开采扰动下的裂缝和变形的分布;可以看出,在采矿过程中,2 #和7 #断裂变形在破裂带我达到0.1米,3 #和4 #钻孔在断裂带变形更小,和5 #面积不太大的变形。从结构的角度来看,采空区的承重结构是“跨拱梁表土结构;从力学发展机制,暂停第三摇滚梁地区分为三个地区:断裂起始区域,分离区,和压缩区;从屋顶变形特征、最大变形沿中间位置方向屋顶的倾斜方向。

采空区的顶板失败是发现不足,区域附加外力和能量积累的力量来源,和岩石地层区完成。与浅层相比,深度压力环境和岩石力学性质变化的能量聚合和高强度比浅层发布过程将会更加明显。在高地应力和强大的工程扰动区域II和III很容易影响不稳定。

综上所述,我们可以预防和控制的动态灾害Wudong煤矿来自两个方面:(1)控制输入的能量削弱其他外力,例如,优化煤炭绘画过程和控制放顶煤开采过程能力可以充分提高资源回收率,减少残余三角煤在上层,并避免砌体梁结构的形成以及屋顶的倾斜工作面,这将影响屋顶的稳定版本;(2)通过控制顶板跨度控制能源输入区域,岩石的动态稳定梁是由屋顶削弱,从而达到稳定版本的目的深和大型挂屋顶压力。

(2)水源信息的TEM检测。地下收集数据后,感应电压转换为视电阻率和时间转换成深度。图9显示了部分南巷道和视电阻率测量巷道。水平坐标代表测量分道路,和垂直坐标代表探测深度。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
可视化的水丰富的区域检测:(a)南巷道,巷道(b)措施。

从图可以看出9岩体在大多数的视电阻率检测领域的统一和稳定,这表明屋顶层相对完整,这间接验证转基因检测的结果。然而,有两个低电阻率异常在南方地区巷道罢工的2320 - 2340和2390 - 2400,明显低于其他地区((1)和(2))。

还有一个低电阻率地区在2320 - 2345(绞车室)测量巷道。基于地质资料的分析,推测这两个低电阻率异常区域是怀疑是丰富的水,而垂直高度最低的区域(2)+ 613.8 + 615.5米;如果不是提前排干水压力没有减少,这可以被认为是结构领域损伤导致multifield环境不稳定和诱发动力灾害。

3.2。灾害预防措施
3.2.1之上。水勘探和排水

深部开采活动造成的相关水灾害越来越严重。地表水、含水层裂隙水,采空区水、岩溶洞穴水被污染,导致水相关的危害;重要的是要找到水源,水流通道和采矿活动对含水层的干扰。

地球物理勘查方法可以进行大规模的先进、快速检测整个矿业面临的小投资,和钻探方法直观、简单。因此,水的综合勘探勘探和排水方案制定。首先,BT-TEM技术用于确定含水层的位置和一些主要断裂区(绞车室罢工2325.2 - -2342.6米),有一个小范围的分离在613.8 - -615.5米。此外,多个钻孔(1 #,2 #,3 #,4 #)应用于地下测量巷道有效排水的静态储备含水层和尽可能降低水压。图10显示了水出口钻井绞车室的布局,和表1显示了钻井水的结果。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
钻井绞车室布局的水出口。(一)计划;(b)部分。
表1
来自多个钻孔的废水。
3.2.2。预裂缝的大面积悬顶

屋顶构造的爆破孔+ 575南巷道,+ 587爆破室,测量巷道。图11(一个)显示的立体图爆炸洞布局。


图11
爆破孔预裂的布局了屋顶。(一)炮眼布置的立体图;(b)在南巷道爆破孔的布局;(c)爆破孔爆破室的布局;(d)爆破孔的布局在绞车的房间里。

具体结构如下:(1)+ 575米的南道路安排每一行有两个屋顶爆破孔行间距为10000 mm,如图11(b);(2)爆破室宽4500毫米,高3000毫米,5000毫米深,施工质量满足煤矿安全生产的基本要求标准化。沿煤层罢工,爆破孔构造东部,西部,,分别与直径113毫米,总共9屋顶构造爆炸洞。爆破室的结构参数和爆破孔如图11(c);(3)三个屋顶爆破孔排列在测量巷道中的每一行,与爆破孔的行间距为10000毫米,如图11(d);(4)使用乳液矩阵炸药,黄土的爆破孔密封,密封长度不小于1/3的爆破孔的长度;(5)首先,东部的四洞室和洞室的测量巷道东炸开,然后洞前,西方和西方的抨击;(6)屋顶的爆破顺序在南方的巷道+ 575 m从东到西。

4所示。工程评价

岩体裂隙和岩石滑动将产生明显的声信号。multifield环境因此,针对深部开采急倾斜煤层煤岩体,建立MS-TEM联合监测和评估可能带来新的进展在深部煤炭资源开采动力灾害预测。此外,深屋顶释放的稳定性可以通过结合判断矿业诱导裂缝的观察孔技术,可以获得和multifield变化信息。

当采空区上方的屋顶不是裂纹,同一岩层变化的电特性均匀由于上覆岩层结构的完整性。屋顶高应力释放后顺利,有裂缝和疫区分离空间,它提供了流动空间各种填充体和显示了电特性不同的围岩。骨折开发区的视电阻率高于完好无损时围岩的水并不是填满。当有富含水分区域附近和裂缝发展区域充满水,面积的视电阻率相对较低。

视电阻率在图大大减少的地方12(一个)表明,含水量很高。由于参与的压力水和岩体结构的破坏,内部电流场的分布状态的改变,从而减少视电阻率。裂缝延伸的外部表现multifield耦合效应,及其大小、分布和变化反映了每个操作领域的耦合程度。事实上,这也是顶板预裂的影响区域,如B1B2,B3,因为是一个富含水分的区域(1);爆破后,裂缝为应力应变空间行动,黑色实线箭头表示裂缝的扩张,和蓝色的虚线箭头指示渗流方向。

(一)
(一)
(b)
(b)
图12
高应力屋顶开裂后的可视化效果:(a) multifield空间进化图;(b)测线的视电阻率的变化图。

区一个1是原始的多水地区。压裂后,地质构造领域被摧毁了,压力水流断裂场B1在重力场的作用下,分离腔形成,显示电阻率增加的现象。电阻率的增加的地区2和一个3压裂是有效的结果屋顶。因为有效的排水在压裂前C区,没有低阻异常现象,也验证水勘探和排水系统方案的可行性。

根据图12(一个)五个典型调查行(+ 699,+ 680,+ 661,+ 642,+ 623 m)选择提取相应的视电阻率的每一行。图12 (b)5显示了视电阻率的变化规律调查线后爆破;可以看出,每个压裂后测线波动较大,这表明顶板预裂措施有效地影响结构字段状态。这个值的增加是由于屋顶开裂造成的断裂领域的扩张,同时减少的一部分区域主要是沿走向的2400米。与前面的分析,断裂在B1B2,B3地区压裂后扩大为上层含水层提供流动空间。

可以认为地下渗流场的变化与地质构造,断裂领域的流体压力的变化改变裂缝的宽度和长度,远场应力的变化和裂缝诱导应力也限制裂缝宽度和裂缝中流体压力。结合视电阻率增加的现象1,一个2和一个3区域,它可以得出结论,屋顶的有效裂缝面积增加下multifield耦合效应。此外,通过观察孔地下地层运动,它是发现,一些现有的水井被打破在一个大范围和调查很难降低,验证分析的可靠性。

图13显示了微震事件和能量的分布。2019年11月4日,Wudong煤矿进行爆破措施的屋顶上+ 575煤层。此时,微震事件和能量的工作面达到最大值。11月4日之后,价值明显减少和保持在一个较低水平,在过去两周,这表明高应力释放屋顶顺利,不会引起multifield环境不稳定,同时也证明了稳定版本的措施暂停屋顶是有效的。


图13
微震的能量和事件分布的屋顶削弱。

为了检测的崩溃暂停了屋顶,屋顶上的钻孔电视监控进行定期;同时,在线监测系统的微地震(ESG)、顶板动态监测(KJ216),和支持压力(KJ327)排列在工作面,表面和观测点设置监控地面坍塌。通过实时监测数据的综合分析,屋顶活动信息可以及时掌握指导生产实践,和监控系统如图14。


图14
长期监测微震的屋顶动态的系统。

5。结论

(1)作为Wudong煤矿进入深部煤炭资源开采,与浅煤矿相比,multifield环境更为复杂;有必要采取措施控制屋顶的面积和规模能源输入(优化采矿技术,控制屈服能力,并限制屋顶跨度),以避免动态灾难造成的大面积悬顶multifield环境中能量放大。(2)视觉信息的潜在multidisaster来源Wudong煤矿由BT-TEM获得。从灾难的类型,Wudong煤矿顶板安全隐患和怀疑水灾害。(3)上面的屋顶的2250 - 2600米南部巷道相对完整,有两个低电阻率异常区域内南巷道罢工2320 - 2340和2390 - 2400,这表明这些疑似富水地区,和最低的垂直高度是+ 613.8 - 615.5米。水的实现勘探和排水后,它表明,含水层压力降低,有效地释放。(4)屋顶构造爆破孔+ 575南巷道,+ 587测量巷道,爆破室。MS-TEM监测表明,断裂区视电阻率的波动明显,微震的能量和事件显著降低并保持在低水平连续两周,这证实了屋顶深高应力的释放措施是有效的。

数据可用性

测试数据用于支持本研究的结果包括在本文中。读者可以获得数据支持研究结果本文从测试数据表。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢中国国家自然科学基金委的支持(51904227和51904227号),973年中国国家重点基础研究计划(没有。2015 cb251602),陕西省自然科学基金(没有。2018 jq5194),中国博士后科学基金会(没有。2017 m623328xb),陕西省科技创新团队项目的(没有。td - 038), 2018年的青年科学基金项目号中国国家自然科学基金(52004201),中国国家自然科学基金和共同基金(U1965107)。这些机构的支持。