文摘

保护煤层开采是一种有效的气体在深部开采卸压方法。有效的理论计算方法在当前研究的预测煤岩互层卸压保护效果质量及其分布规律是缺乏。因此,评价和研究对在保护煤层开采卸压效果相对落后。这种状况限制了工程可行性评估和决策在保护煤层开采。因此,上保护煤层开采的影响在煤岩体的卸压保护效果之间潜在的床在本研究调查。具体工程项目的分析的基础上,建立了力学模型的卸压保护效果上保护煤层开采的煤岩体之间潜在的床。减压膨胀比的分布方程在底层保护缝也派生。主要影响因素的影响法律保护煤层的卸压保护效果也显示。最后,减压效果进行了分析和验证保护煤层开采前后通过数值模拟和相似模拟试验。上保护煤层开采的卸压效果之间的煤岩体潜在床和分布特征的深入探讨,在这项研究中,从而为决策提供理论参考的天然气开采工程设计和pre-evaluation提取效果。 Results show that the effective pressure relief zone (expansion rate>0.3%) of the protected seam beneath the goaf is located within the range of approximately 40 m from the coal wall to the rear part. It also presents an approximate “Λ-shaped distribution characteristic,” that is, it experiences migration and evolution with the advancement in the working face. Moreover, the peak pressure relief lags behind the coal wall on the working face by nearly 10–20 m. In the numerical simulation, the expansion ratio in the goaf also presents an approximate “Λ-shaped distribution.” Its effective pressure relief zone is the 50 m range from the coal wall to the rear part of the goaf, and the peak value lags behind the coal wall by around 15 m. The theoretical results and numerical simulation results are basically consistent with the physical experiment results. The expansion rates are 1.25%, 1.268%, and 1.32%, respectively. The elastic modulusE煤层和夹层间距H膨胀变形的主要影响因素,并与膨胀率负相关。在实际开采过程中,E和H的保护层可以测量来推断的膨胀变形层保护。

1。介绍

深部高地应力和煤与瓦斯突出灾害越来越严重的煤炭资源开发和利用扩展到深刻的部分。在深部开采过程中,采矿扰动行为有一个伟大的轴承在机械状态的变化深煤炭身体和渗流场。保护煤层开采是一种有效的区域气体减压方法,和大量的卸压保护煤层的气体排放到工作面和采空区地面裂缝在采矿过程中;因此,提取保护煤层的卸压气体是必要的(1- - - - - -5]。

国内(中国)和外国学者一直致力于研究保护煤层卸压开采和煤炭和天然气的灾难。王等人。6)研究的进化法则地板裂缝短途保护煤层开采。他们证明了煤炭质量的压力释放和渗透率改善区肿胀变形大,渗透率高,和该区域也是一个有效的减压气拦截和提取区。任等。7)获得的负载条件保护seam通过相似材料模拟试验和确定煤层变形后的应力状态的受力分析煤层保护。他们得出的结论是,更大的矿业扰动由seam保护意味着承担更大的破坏应力峰值的煤炭质量和更高的体积应变上保护煤层开采过程中在相同的测试条件下。雪et al。8)获得了岩体的内部位移的表达式使用半无限体模型。他们还建造了一个“两带”裂缝分布模型及其简化力学模型探测保护煤层的卸压机理。气体排放的研究的基础上,对短途保护煤层的开采规律的脸,王et al。9)优化保护煤层的卸压气体提取参数。他们获得的气体排放保护工作面煤层主要来自在保护煤层卸压气体。Zhang et al。10]讨论了局部应力集中和岩石断裂行为机制在岩石夹层保护煤层开采后,通过数值模拟和机械从纵向和横向的角度分析。工程背景下的10 #我在平顶山,Zhang et al。11]研究了裂纹演化规律和分布特征的两个煤层煤岩体。他们发现裂缝扩大采矿活动强度的增加,和大多数发达在低角度裂缝或成为平行于地层。通过物理模型和数值模拟,王et al。12]研究了围岩的应力分布和裂纹演化的法律保护煤层开采过程中在特定开采条件。他们表示,围岩的位移和裂纹的演化受到支持的模式。

目前,国内外进行了大量的研究开发引起的上覆岩层裂隙区和天然气减压传统保护煤层开采,取得了重要的研究成果13- - - - - -15]。良好的研究进展也在扩张趋势面积低于采空区。然而,随着不断进步的保护层工作面,目前还没有固定的膨胀率的理论公式和扩大范围的煤和采空区岩体不同埋深处。是不可能把握扩张和变形煤岩体在不同位置的下方采空区工作面在进步,也不能准确地把握肿胀区域的煤岩体。工程经验或类似工作面治疗方法通常被用来确定底层煤的膨胀变化的身体,经常大偏差。虽然有相关的力学模型分析保护层和保护层之间的交互,它仍然未能揭示特定因素影响的膨胀和变形层保护。因此,很难理解的实时变化规律,采空区的扩大范围。本文以11129工作面Zhangji淮南矿业集团煤矿为工程背景,探讨了膨胀比的变化规律和范围下的保护层采空区。应力演化过程和有效扩张区保护煤层的变化从理论上推导。的膨胀速度的解析解保护层及其有效减压范围保护层的开采模式。 It is verified by a combination of numerical simulation and similar simulation experiment. The research is expected to guide the engineering design and pre-evaluation decision making of protective layer mining and gas drainage pressure relief effects.

2。分析工程项目简介

8 #煤在东(1)Zhangji煤矿矿区复杂地质条件和煤与瓦斯突出的风险很高。因此,它不符合直接开采条件。采用上保护煤层开采实现减压和天然气提取8 #煤。与此同时,在保护缝9 #煤开采,9 #煤的平均厚度1.9米,以9 #煤是0.9米。夹石层的平均厚度为1.4米,上面的屋顶由粉砂岩和平均厚度为8.0米。眼前的屋顶是由石英砂岩与平均厚度为7.6米。立即地板泥岩岩性的平均厚度为2.5米。低地板是粉砂岩的岩性与平均厚度为5.2米。8 #煤的平均厚度在底层保护seam是4米,这是9米的距离9 #煤。可恢复的罢工和倾斜长度11129工作面,这是第一个开采9 #煤,分别是1200和240。 Its burial depth from the ground is 710 m. The general occurrence state of coal seam is a monoclinal structure, which is locally developed with secondary folds. The coal seam is generally high in the west and low in the east, and the dip angle ranges from 2° to 6°. The comprehensive histogram of the working face is shown in Figure1。

8 #煤保护煤层的渗透率低,瓦斯抽放率低,复杂的地质条件。因此,上部煤层开采保护应进行8 #煤实现天然气开采和减压。(1)保留煤柱在9 #煤采空区形成位移和应力场8 #煤开采过程中,这让困难的支持和道路布局8 #煤工作面和阻碍安全采矿和天然气提取8 #煤。(2)在8 #煤开采过程中保护焊缝,9 #煤采空区的存在会加速轴承的断裂的床。结果,9 #煤采空区贯穿8 #煤工作面。因此,天然气,水,煤矸石在采空区上部煤层注入8 #煤工作面,这条件危害这个煤矿的安全生产(16]。(3)8 #煤的减压有利于天然气开采。因此,卸压区和天然气开采工程紧密结合,实现安全、高效开采8 #煤和经济效益最大化。

3所示。卸压保护效应的力学模型分析上保护煤层开采的煤岩体之间潜在的床

3.1。力学模型的工作面采动应力分布在地板上

之前弹性变形状态下煤层通常是采矿;在采矿过程中,岩石在地板上的初始应力场是影响采矿,前面的地板上工作面集中应力的作用下,地板应力场改变和重新分配,地板上应力分布取决于集中应力的转移前的工作面煤层下岩体的层(17,18]。以下假设是:煤岩体的初始应力状态下岩石不影响潜在的煤岩体的应力再分配,在工作面前方支承压力可以被视为三角形条带的负载从煤壁应力峰值点和梯形条带的负载压力峰值点,前面的地板上被视为一个统一的弹性体,问题是解决了普通应变问题。底层岩石和煤压力然后理论上计算(18]。

为了方便计算分析,煤炭质量和采空区的应力变化的增量形式表示:

岩石的初始应力公式(扣除1),在煤炭端应力增量的分布规律。其应力增量的最大值是(k−1)P,而在采空区−P。因此,支承压力的分布规律增加体内煤工作面和采空区可以获得19),如图2和3。

垂直应力的表达式(19]

根据弹性力学的平衡,平衡可以达到只有当满足以下条件:

以下条件是解决:

解决压力米在半平面体,坐标轴如图3,点的坐标米是(x,y)。一个最小长度dξ在距离的地方吗从原点的坐标O在直线Oy。力维P=问dξ熊被认为是一个最小的集中力,以及垂直和水平距离米这个最小的集中力P是x和y- - - - - -ξ,分别。因此,造成的压力最小的集中力F=问dξ点米是观察到以下公式:

所有最小而引起的应力集中力量解决垂直和水平叠加在工作面应力分布。因此,积分方程的公式(5)方法如下:

垂直和水平应力是解决使用公式(6)。

采动应力分布的方程在周围岩石在地板上垂直于工作面

以下条件是解决:

采动应力分布的方程在围岩在地板上的进步方向工作面

以下条件可以解决:

3.2。机械的关系上保护煤层开采与煤岩体的卸压保护效果之间潜在的床

根据物理和几何方程在弹性力学的平面应变问题,垂直位移可以解决如下: 在哪里米和n有压力系数P(ξ)对应d₁,d₂,d₃,d₄;E弹性模量;μ泊松比;和K是一个常数。

地板上应力分布的发展方向工作面压力分为四个区域:AB, BO, OC, CD。上述的积分公式解决。然后,完整的应力分布,应变和位移方程在地板的垂直方向。

在保护煤层开采过程中,8 #煤屋顶和地板的位移计算使用上述公式,以及膨胀比问进一步计算 Δ在哪里u的位移差别是保护煤层的屋顶和地板,m;h是保护煤层的平均厚度,m;和一个是距离保护煤层保护煤层的屋顶,m。

膨胀比的波动问能体现的进化规律保护煤层卸压,然后呢问> 0.3%被认为是一个有效的卸压区。

4所示。影响因素的分析上保护煤层开采卸压保护保护煤层的影响

受保护煤层的卸压效果主要与应力集中系数有关k,弹性模量E煤层,煤层厚度h,夹层间距H。根据矿井地面压力法和地质结构条件下,工程参数k为2.5,μ值为0.3,E= 1平均绩点,h= 4米,H= 9米,d₁= 30米,d₂= 10米,d₃= 10 m,d₄= 40米。外部和人为因素排除后,采取比较分析不同参数的变化屋顶压力和8 #煤的膨胀率,如表所示1和数字4- - - - - -11。

如上所示,集中应力系数k主要影响支承压力在煤壁、前,它是支承压力成正比。持续增加的系数k支承压力下,8 #煤经过肿胀变形,它有一个非常小的影响在后方采空区应力和肿胀变形。下k= 2.5,支承压力的最大增量在煤壁前为18.5 MPa。随着弹性模量的不断增加,不影响生成保护煤层的应力变化,和膨胀率逐渐降低。此外,弹性模量变得膨胀率成反比,这是煤层联合行动的结果属性和周边环境。保护煤层开采前,保护煤层的弹性模量应事先测量估计的总体肿胀变形缝在保护煤层开采过程中保护。在上保护煤层开采过程中,上覆煤层厚度的变化对整体没有明显影响压力变化或肿胀变形。因此,煤层的厚度不是肿胀变形的主要影响因素。与保护煤层的埋藏深度的增加,下行压力传播与夹层间距的增加不断减少,肿胀变形逐渐减轻,肿胀变形峰值逐渐远离煤壁。双方的影响范围也略有扩大,并最终都趋于0。

总之,肿胀变形的主要影响因素的保护煤层弹性模量E煤层和夹层间距h .其他因素产生轻微的影响。在实际开采过程中,层间距H可以估计,和底层煤岩体是由到保护层钻孔取样。岩石样品的力学性能进行了测试使用MTS岩石力学性能试验机,和岩石样本获得的应力-应变曲线,然后弹性模量E潜在的煤岩体。

5。实例分析上保护Zhangji煤矿的煤层开采项目

5.1。示例计算保护煤层开采Zhangji煤矿11129工作面

根据11129工作面地质条件和矿山地面压力法,工作面煤壁距离的峰值应力集中d₂= 10米的距离初始应力的峰值应力集中区域的岩石在深煤岩体在前面d₁= 30米,空间宽度的工作面d₃= 10米的距离采空区岩石的初始应力区在后面深深的压实采空区是解决d₄= 40米,应力集中系数k为2.5,岩石的初始应力是19 MPa,工作面到原点的距离是40米。上述公式用于计算的位移变化的屋顶和地板地板下的保护煤层工作面方向发展。数学软件Wolfram Mathematica被用来解决OA, AB,公元前和CD段。总垂直应力是通过叠加,并被送往解决垂直位移的积分。

垂直位移在不同阶段的表达

垂直应力受保护的缝 在哪里

屋顶和地面位移受保护的缝 在哪里

屋顶和地板的变化计算位移。然后,膨胀比的公式问在seam是进一步解决保护

根据上述计算结果,改变图表的屋顶和地板位移保护煤层和膨胀率如图12和13。

屋顶和地面位移的分布环境的变化8 #煤进行了分析,如图12。当上保护煤层开采受支承压力集中在前面煤炭密封,8 #煤进行了垂直压力增加。的屋顶和地板位移达到最大值0.32和0.26 m,分别。与周围岩石的应力消除后的采空区煤壁、底层8 #煤经历向上膨胀变形。的最大变形顶板是0.34 m在15 m在煤壁和底板的最大变形为0.289 m 18 m在煤壁后面。顶部和底部的膨胀变形值板保护层逐渐变弱的方法和远离煤壁并最终趋于0。

图的基础上13膨胀比的变化曲线图表下面的保护煤层工作面的地板进行了分析。保护煤层开采围岩的应力消除煤壁后面的地板上,向下转移的影响支承压力在前面煤壁。煤岩体在工作面采空区下穿过肿胀变形,和潜在的膨胀比煤炭和岩体达到最大值的1.25%,煤炭墙背后的12米的地方。与工作面推进,上覆煤岩体的膨胀率逐渐降低,接近0。扩张的有效范围(膨胀率> 0.3%)来自背后的煤壁40米的地方煤壁、地板膨胀是最明显的在这个范围。与此同时,保护煤层的卸压效果是最好的。

5.2。仿真分析的保护煤层开采影响Zhangji煤矿11129工作面

通过应用FLAC3D数值模拟软件建立了数值模型,尺寸为540 m×1000 m×169 m(图14)。岩石样品的力学性能测试通过MTS岩石力学性能试验机,和岩石样本的应力-应变曲线。斜率的弹性模量可以解决。为了保证数据的可靠性,每组三个岩性实验的平均值。屋顶和地板的力学参数如表所示2。固定的水平位移约束设置底部边缘,前面,后面,左边,和对模型的边界。莫尔-库仑破坏准则也被用来分析煤岩体的力学特性在这个模型。国内外学者进行了一些实验,研究拱座岩体等效填充效果在采空区20.- - - - - -24]。在目前的研究中,采空区与双屈服模型模拟。在采空区岩体的应力-应变关系提出了表3,岩体的力学参数的双屈服采空区展示在表4。

促进会于11129年从open-off工作面沿走向削减(y轴的正方向)是模拟,open-off削减近200的边界,边界效应的影响被消除。开挖步长25米,采空区中弥漫,平衡,沿走向和先进的600,矿业是停在y= 800。8 #煤屋顶和地板的位移变化在9米在采矿过程中数据所示15- - - - - -19。

数据15- - - - - -17表明,随着工作面推进,采空区形成,压力重新分配,和一个支承压力区高于初始应力煤和岩石形成的采空区周围岩体。周围煤岩体平息,在采空区上覆煤岩体经历了向上的膨胀变形。整体位移在双方大,中间小,中间这提出了一个挥舞着改变。潜在的最大地面起伏量8 #煤采空区的屋顶和地板0.268和0.215 m,分别。最大支承压力由煤壁8 #煤采空区下为37.4 MPa,这是高于初始应力(18.4 MPa)的岩石。边际采空区的位置进行的最低压力,和采空区的中间压力逐渐增加(25- - - - - -27]。

如数据所示18和19,整个屋顶和地板的中心位移波动在0.1 - -0.2米和0.07 - -0.15米,整体平均膨胀比为1.286%时,矿业面临被600米,先进的范围和影响煤壁的平均扩张是50米在煤壁后面。峰值压力释放落后于煤壁近20米,它提出了一个“Λ-shaped分配”。与工作面推进,采空区逐渐压实,当地的反弹和recompaction过程存在小范围之内。

5.3。相似模拟试验分析保护煤层开采的影响Zhangji煤矿11129工作面

进行了相似模拟试验的工程背景下9 #煤上保护煤层和8 #煤保护Zhangji煤矿的煤层。模型试验台由钢框架尺寸为3.0米(长度)×1.2米(高度)×0.3米(宽)。模型试验应满足下列条件:几何相似、运动相似、动力相似,相似的边界条件和配料物理量。因此,线性比例为1:100年,体积重量比是3:5,和时间比例是1:12。比表的主要层实验模型如表所示5。模型和计量点的分布如图20.和21。

应变仪放在保护煤层和变形监测点安排执行实时监控8 #煤压力和煤岩体的变形。总共8应变仪水平方向排列,中间2 # 7 #应变仪间距为30厘米,两端的应变仪1 #,8 #间距为30厘米的钢架。压力变化曲线测量分1 # 8 #所示的数据22和23。

如数据所示22和23,保护煤层开采导致底层保护煤层的应力消除,和保护的屋顶和地板缝向上膨胀变形。随着工作面从open-off先进采矿停止线前40米,最大的屋顶和地板位移分别为0.267和0.216 m,分别。的最大膨胀率(1.32%)达到14.5 m在煤壁后面。煤壁的有效减压区煤壁47米,这是近似理论分析和数值模拟结果。

5.4。指导和建议基本保护煤层的天然气开采设计方案

9 #煤是接近底层8 #煤层,减压气8 #煤(8 #煤气体压力为1.52 MPa,气体含量为5.5 m³/ t)飙升到9 #采空区煤工作面开采期间的9 #煤工作面。提取和排水上保护煤层开采,同时实现钻井完成向上层地板道路网格的形式,和8 #煤层的瓦斯抽放是在有效的卸压区内进行的。因此,气体减压区是有效地阻止渗透入上层采空区,安全、高效开采的工作面可以得到保证。

6。结论

(1)机械模型构建上保护煤层开采的卸压保护效果之间的煤岩体潜在的床。潜在的膨胀率分布的方程缝也获得保护。减压演化的法律保护煤层开采前后进行了进一步分析,并通过数值模拟和相似模拟试验验证。理论结果与数值模拟结果基本上是一致的。膨胀率分别为1.25%和1.268%,和物理实验结果是1.32%。结果的主要原因可能是人为原因的过程中,模型制作和挖掘。(2)有效保护煤层的卸压区位于煤壁近40米的范围,它提供了一个近似“Λ-shaped分布。“发展、迁移和演变的工作面,峰值压力释放落后于煤壁10 - 20米左右。数值模拟采空区的膨胀率也提供了一个近似“Λ-shaped分布。“有效减压区是从煤壁采空区大约50米,和峰值滞后工作面煤壁的15米左右。(3)的弹性模量E煤层和夹层间距H肿胀变形的主要影响因素,并与膨胀率负相关。与此同时,煤层厚度的影响对整个销售变形可以忽略。夹层间距的主要影响因素之一是保护煤层的应力变化。应力集中系数的变化k对轴承的压力有明显影响煤岩体在煤壁。然而,它没有明显的减压效果底层在后面保护煤层采空区。(4)膨胀率和扩张区保护煤层的掌握实时的方式,和卸压程度及其影响范围是反映。与进步的工作面保护层,采空区的膨胀率峰值也及时跟进。一个好的减压区也提供从高度瓦斯煤层天然气开采。本研究为决策提供理论参考的天然气开采工程设计和pre-evaluation提取效果。

数据可用性

本研究或分析生成的数据是包含在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

嘉鑫见鬼Qingwei布鲁里溃疡进行了理论计算和分析;嘉鑫见鬼,分钟你和张向阳进行野外数据收集;嘉鑫党和Qingwei布鲁里溃疡进行了数值模拟分析;鑫讨厌写的手稿。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金委项目(52074008),安徽大学协同创新项目(gxxt - 2020 - 056),内蒙古自然科学基金项目(2019 ms05055),和重点实验室开放研究基金项目的安全和高效的煤矿教育部(JYBSYS2019208)。