文摘

在extrathick机械化放顶煤开采煤层是目前最有效的开采方法。找出在extrathick煤层采动压力这是明显不同于正常细胞对采矿安全至关重要。这项研究是基于3106号工作面Lu-Zi-Gou煤矿在中国,中提取extrathick煤层采用综放综合机械化的方法。根据弹塑性理论,multiforce岩层采动应力模型叠加构造研究。在这个模型中,生成的采动压力侧煤层采场,包括负载由破碎的屋顶块屈服区,环抱的采空区岩层,和岩层弯曲区。验证模型,电磁波CT检测和井眼内窥镜用于测试煤的电磁波衰减和内部关节。extrathick的结果表明,开采煤层形成内外应力场的煤层采场。随着深度的增加,压力程度先增加然后减少在两个区域内。根据上述结论,煤柱的宽度和道路相邻的位置工作面临可以合理确定。

1。介绍

在中国西北,有储量丰富的煤炭资源。一些煤层的厚度超过20米,这是一个extrathick煤层(1]。extrathick煤层提供了地质条件对煤炭开采效率最大化。extrathick煤层的开采是开采煤炭资源的有效途径。在过去的十年里、矿山挖掘extrathick煤层占据了越来越重要的地位在中国的能源系统中,如大山和Tong-Qi煤矿在山西,甘肃华亭煤矿,Bu-Lian-Gou煤矿(2,3]。的工作面Bu-Lian-Ta煤矿在内蒙古矿业extrathick煤层世界纪录1400万吨原煤产量每年(4]。的长度extrathick煤层工作面是150米和300米之间,和综采综放开采方法主要是利用(5]。然而,extrathick煤层的开采会产生超大号的采空区。此外,采动应力的影响的范围,最大压力和围岩的损伤深度是更广泛的比普通煤层开采(6]。采动应力的作用下,巷道围岩,工作面、商会和其他地区大量变形难以控制。上述危害严重限制extrathick煤层的安全、高效生产。

由于缺乏长期、稳定和有效的监测技术和设备采动应力和围岩损伤(7),物理模拟、数值模拟和理论建模通常用于岩层采动应力的分布和演化研究全面综放开采条件下extrathick煤层(8]。研究结果表明,采动压力形成的内部和外部的应力场“坍塌区”和“弯曲下沉区,”熊生成的负载在采空区上覆地层和破碎的屋顶块,分别。“内部”应力场是采动压力的主要来源9,10]。它也可能增加支持的无效和不可预测性在采空区边缘可能导致风险屈服in-bye top-caving矿业(11]。Kumar等人,Mandal等人进行了实地研究零Kajora地区煤层的厚度超过7.0米。这表明extrathick煤层的开采造成了不同的地表沉陷、裂缝分布(12,13]。他等。14),赵et al。15朱,et al。16]研究了内部和外部的应力场下extrathick煤层的开采。他们获得高压力浓度的分布和演化的内部应力场挖掘平面。

井间电磁波CT检测的现场物探测试方法可用于监控采动压力。电磁波的产生和接收的设备在两个水井,和岩层的性质是决定基于电磁波的衰减(17,18]。电磁波CT技术得到了广泛的应用,因为它具有检测精度高,速度快,方便设备操作,包括勘探和检查煤矿地质构造、地下水的分布、围岩的破坏区域,煤柱稳定的十字路口,和其他地质和灾害信息(19,20.]。

目前,采动应力的分布和演化的研究需要进一步研究条件下综采综放extrathick煤层。因此,本研究探讨了利用井间电磁波CT检测检查extrathick煤层的采动压力。此外,在extrathick综采放顶煤工艺开采煤层,采动压力的演化过程进行了分析。

2。Extrathick煤层采动应力的分布

2.1。地质和开采条件

Lu-Zi-Gou煤矿位于山西省,中国煤炭产量的3吨/。3106号工作面是一个杰出的工作面临着我。它发掘复合煤层包括三个煤层,Nos。2 #, 3 #, 5 #。在这一领域的平均厚度煤层是25米,最大值是29米,3°倾角,埋藏深度是350米。采矿高度是25米。3106综放工作面采用综合方法,下降150米的长度和罢工的长度1200米。水力压裂和爆破用于削弱煤在液压支架顶部提高煤炭资源回收率。采矿巷道的宽度是4米。的相邻工作面3106号是3107号。这两个之间有一个30米宽煤柱的脸(图工作1)。

2.2。机械建模

extrathick煤层开采后,屋顶的破坏和移动边界可以近似为一条直线斜穿过煤层与角度和(图2)。在垂直方向,根据岩层的运动、变形、断裂特征在采空区上方,它可分为屈服了,骨折,弯曲区域(21]。采动压力形成的点米一边煤层的回采是由多个力的叠加造成的。塌陷的区域,在采空区破碎的屋顶高度适用于完整的岩层上的负载,在采场的一边。外侧完整岩石地层的采场转移自身重量的作用下。的两端弯区,分别在采空区侧上方的煤体,坚决支持。在采空区破碎的屋顶,屋顶环抱的采空区,和岩层弯曲带在一起形成了采动压力。压力点米可以分析基于压力叠加。根据上述分析,multiforce叠加采动应力模型可以建立(msm)模型)。男男模型是基于弹性梁,受力分析是基于理论力学。

为点米在煤层采场的采动压力是由重量上覆地层的压力,产生的额外的压力,这是在采空区破碎的屋顶,和压力产生的弯曲区域:

根据点的水平位置米在煤层,可以由以下公式计算:

负载产生的破碎的屋顶在采空区的一边可以通过以下公式计算10,11]:

Δ所产生的压力问_我点米是 ,和计算的力学模型如图3。

在图3, , ,和可以通过下面的公式计算:

所产生的垂直应力分量点米是

在微积分和叠加计算,可以得到以下公式:

通过叠加所产生的压力是所有横向的岩层,计算方程是

岩层的弯曲带的两端是固定的。附近的支点,偏转所产生的负载 如以下公式所示:

压力生成的点米可以计算如下:

的计算方程可以通过积累的岩层弯曲所产生的应力区:

将方程(5)和(8)方程(1点),采动应力计算公式米可以得到:

2.3。采动应力分布

基于Lu-Zi-Gou煤矿的地质和开采情况,msm模型中参数的值(表可以获得1)。

通过将表中的值1男男同性恋者模型,煤层的采动应力分布曲线可以计算(图4)。这表明矿业冲击面积达60米的范围。此外,有两种应力场在这个面积:内部应力场(安全部队)和外部应力场(养)。在这两个领域,随着埋深的增加,压力先上升,然后下降。内部应力场的宽度0-32 m,最大值是23 MPa 16米远离采空区。范围外应力场32-60米的峰值34 MPa,采空区44米。

根据采动应力的分布,内部和外部的应力场extrathick综采综放开采的煤层可分为五个领域。从采空区边缘的煤层,它们是压力小的地区安全部队(我),安全部队(II)的高压区域,压力小的区域交界处(III),养的高压区域(IV),养和低压区(V)采动应力的分布和区域划分提供依据合理确定的位置相邻的道路和煤柱的宽度。第三区是最好的范围相邻工作面临的采矿巷道煤损失减小到最低限度。因此,煤柱的宽度在3106号和3107号工作面临30米。

3所示。现场试验

3.1。电磁波CT原理检测

电磁波CT检测技术是基于几何射线理论。电气检测目标和周围介质的区别是用来计算两个钻孔之间的电磁波的传播特性和介质的吸收。此外,位置、形状和大小的目标体,岩体的损伤程度,强调外观的差异可以进一步确定。电磁波的穿透深度增加,继续减弱。影响衰减的原因包括电磁波的传播,媒体界面上的反射和散射与不同的电气性能,和煤和岩石介质的吸收。电磁波衰减系数是用来定量描述这种现象。根据麦克斯韦方程,ß_年代可以计算(22]:

下面的公式可以计算出介质的电磁场强度: 在这E是接受点的场强,V / m;是初始辐射常数,V / m;β是吸收系数,它是电磁波的吸收值每单位距离的媒介,dB / m;电磁波的方向系数函数生成和接收探头;是检测孔之间的距离,米。

根据改变的β_年代在测试区域,特定的分析软件用于电磁波CT检测转化电磁波的分布在荧光镜的部分。由于不同的电磁波的吸收不同的媒体,当电磁波穿过洞穴和裂缝区域,β_年代远远大于围岩。因此,磁场强度消耗在这些领域很小,表现为负异常。的分布β_年代在电磁波图像可以帮助识别裂缝在煤体内,煤炭的压力的身体,和其他信息。

此外,煤岩体的电阻率是影响电磁波衰减的主要因素。此外,电阻率和β_年代是负相关的。也就是说,电阻率越高,就越小β_年代。煤层的电阻率可以受到关节、变质作用、水和天然气的内容,和压力状态。也可以间接地改变的因素β_年代。陈等人。23]分析了在单轴压缩煤电阻率的变化。结果表明,高压浓度封闭煤试样和内的初始裂缝和空洞密度增加。

然而,样品的电阻率降低,峰值强度前负荷的增加。当负载接近和超过了抗压强度,新裂缝的形成导致电阻率的增加。因此,当煤层的应力集中比较高,β_年代比较大。相反,如果在煤层采动压力小或破碎,β_年代减少。因此,电磁波CT检测技术可用于定量分析煤的应力集中和程度的损伤。

3.2。测试前的准备

电磁波CT检测的操作需要一个发射孔和一个接收孔。电磁波是由发电机安装在发射孔。探针收集电磁波的接收井通过两者之间的煤岩体钻孔(图5)。

JW-6地下高频电磁波CT系统(图6)在这项研究中,由接收机、发射机,天线,安装杆和图像后处理软件。

该网站在巷道,3107工作面。在不同的地区,电磁波分布煤层进行了测试。三组平行井间在工作面前方110米(站),150(站II),和400工作面III(站)(图7),建立了巷道的标签“R”代表收到钻井,和“T”代表传输钻探。可以通过建立坐标系统的边界3106号工作面起源和煤层的倾角为正方向。煤柱的宽度和道路是30米和4米。

现场试验结果表明,岩石地层的物理性质受到许多因素的影响,特别是同质性、含水量和完整性。当电磁波CT和井眼内窥镜观察围岩破坏,将是更好的操作测试围岩更均匀。同时,逆分析观察结果决定了测试的准确性的关键。同时,反复测试也是一个高精度的方法。没有清晰的结构和水在煤层渗流车站在哪里。水井的长度是16米,洞是9米的间距。电磁波CT检测系统的工作频率设置为28 MHz。它采用定点接收和完成了测量模式下工作。钻孔使用内窥镜观察表面裂缝的发展“1 t”和“1 r”水井在车站我获得初始状态的围岩巷道由于开采的影响,水井的第二和第三站在崩溃的风险。在这项研究中,钻孔内视镜不是用来观察这两个站。

3.3。结果

由于采动应力的增加,煤层的关节,电阻率降低,电磁波衰减的程度提高。电磁波衰减系数是正相关的采动压力。在煤层压力越高,电磁波衰减系数越大。

3.3.1。站我

围岩站我哪里没有受到工作面开采的影响,但是,巷道开挖围岩损伤引起的。它可以看到从钻孔表面(图的恶化8),在0 - 1米的深度,钻孔的墙壁是粗糙的,有许多裂缝。这意味着煤层严重受损。在2 - 4米的深度,钻孔的墙壁变得更为顺畅。然而,仍然有一些裂缝发展这个地区因为隧道的影响。当深度超过5米,井壁完成,很少有裂缝。

的变化β_年代在车站我的煤层位于如图9。钻孔,β_年代变化在2.5到5之间dB / m。在品种马非常m的范围,在4米的巷道,围岩的电磁波衰减低于在其他领域。β_年代在一些地区接近钻孔也相对较小,表明这个地区煤层有更高程度的断裂。结果与钻井内窥镜检查得到的结论一致。总的来说,β_年代unmin的煤层很小,应力集中较低。

3.3.2。第二站

第二站,第三站,井间在3107号煤层工作面位于外部应力场,煤柱和水井的十字路口是在内部应力场。β_年代在这两个站的地方位于显著增加。电磁波图像通过二号井间(图10 ())表明,β_年代在这个领域通常是不到5 dB / m 34-48 m的范围。其中,低易区在煤层浅深度附近巷道破坏是由于开挖的影响。在38-46 m的范围,β_年代5和10 dB /米之间变化;46-50米内的范围β_年代7-22 dB / m,β_年代达到最大值在48 m。总之,在外部压力领域,随着煤层的深度增加,β_年代在煤层中迅速增加,这意味着岩层采动应力集中程度的上升。电磁波CT图像获得的3号井间内部应力场图所示10 (b)。14到20米的范围是高易带,峰值是18 dB / m,这是低于外部应力场的结果。比如22 - 30米的范围内,有一个明显的低易区,和的变化范围β_年代5 - 12 dB / m。

3.3.3。第三站

第三站比第二站远离工作表面。在这个领域,上覆地层的运动和变形达到稳定状态。电磁波CT图像的特点通过4号和5号井间在第三站类似于车站二世。外部有一个高压的浓度区域应力场46-50 m,范围和最大的价值β_年代是14 dB / m(图10 (c))。14 - 18 m是一个高压力的集中区域内部应力场的最大价值β_年代是18 dB / m(图10 (d))。

结合电磁波CT的观察结果和男男模型的计算结果,可以看出,两种方法证实了内部和外部的应力场的存在。Lu-Zi-Gou煤矿,内部和外部的应力场的最大采动应力位于14 - 16米和44-50米采场的横向方向,分别。

4所示。结论

本研究的目的是获取extrathick煤层的采动应力分布。弹塑性分析、井眼内窥镜和电磁波CT检测是利用。这一研究获得的主要结论如下:(1)采动应力的煤层采场形成的源中破屋顶块屈服区,一边的采空区岩层,和岩层弯曲区。因此,multiforce叠加采动应力模型建立,以及煤层采动应力的计算公式推导。(2)基于Lu-Zi-Gou煤矿采矿和地质情况,采动应力的分布计算extrathick煤层。结果表明,采动压力形成了内部和外部的压力在煤层采空区的旁边。随着水平埋深的增加两个字段,字段增加然后减少的压力。采动应力的最大值和它的位置在内部和外部的应力场23 MPa, 16 m, 34 MPa,分别为44米。(3)采用电磁波CT检测技术和井眼内窥镜进行现场测试。的价值β_年代影响煤层的2.5 - 5 dB / m。由于开采的影响,β_年代显著增加。在内部和外部的应力场,最大的价值β_年代大约在18到22岁的dB / m。男男同性恋者模型的计算结果是在良好的协议与现场数据接收到电磁波CT。

命名法

H:	煤层的埋藏深度
h:	采矿工作面高度
h我:	每个岩层的厚度
l:	工作面长度
α,β:	角之间的移动和破坏屋顶和水平方向上的边界
H1,H2,H3:	高度的屈服了,骨折,分别和弯曲区域
P我:	负载应用于完整的破碎岩层的屋顶在采空区塌陷的区域
∆问我:	生成的负载重量的岩层
F我:	负载产生的弯曲区
σ:	采动应力
sγ:	重量上覆地层的压力
σ1:	产生的附加应力在采空区破碎的屋顶
σ2:	弯曲产生的压力区
γ:	单位重量的岩层
ß年代:	电磁波衰减系数
K:	电阻率,Ω/ m
ω:	角频率,1 / s
μ:	磁导率,H / m
ε:	介质的介电常数,F / m。

数据可用性

上可用的数据请求由于隐私/伦理限制。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

支持这项工作提供了河北省自然科学基金(E2020402042、E2020402041 E2021402061),国家重点实验室开放基金项目(SKLCRKF20-04)和中国国家自然科学基金(51804093)。