文摘

浅和厚煤层发生广泛在丘陵地区山西和陕西,中国。表面损伤和山体滑坡造成的浅机械化放顶煤开采对环境产生非常严重的影响。提供一个理论和参考矿山环境保护基金会在山地环境中,研究表面运动的高强度机械化放顶煤开采工作面浅厚基岩和薄表层(HIFMCMWFSTBTE)是急需的。在这项研究中,利用矿井的P2工作面为研究对象,三个地面沉降观测线路安排工作面分析地表沉陷的动态变化特征。此外,表面运动的规律,开采充分性,裂缝发展和分布特征,沉降速度和表面运动持续时间HIFMCMWFSTBTE在丘陵地区的比较研究。研究结果表明,边坡上部幻灯片向下坡方向拉伸应力的作用下或推压力。结果,一系列的水平运动向下坡方向坡度和地表移动的范围都增加,和运动角和边界角减少与平原。HIFMCMWFSTBTE容易严重不连续突然破坏。骨折沟地区表面上沿着轮廓发展,形成一个交叉裂缝网络,和骨折是不容易关闭后生成的。HIFMCMWFSTBTE丘陵地区可以实现充分挖掘更容易比其他的地质条件。 According to the field measurement, critical full mining can be achieved in P2 working face when the ratio of mining width to mining depth is 1.07. The surface movement duration of HIFMCMWFSTBTE in hilly areas is relatively short. Considerable subsidence will occur in the active stage, and the surface subsidence is sudden and violent. The measured surface stabilization time of the P2 working face is only 20% of the calculated value in the Specification for Coal Pillar Reservation and Coal Mining under Buildings, Water Bodies, Railways, and Main Shafts (hereinafter referred to as the规范),这表明该规范的经验公式是不适用的表面稳定的计算时间的P2工作面。

1。介绍

地下煤层开采前,岩石仍处于相对平衡状态下原地应力场的作用。部分开采煤层时,采空区内形成岩石,围岩的应力平衡状态被破坏了,导致应力再分配(1- - - - - -3]。此后,岩石发生运动,形变和失败,直到达到一个新的平衡。最后,地表沉陷发生,造成表面受损建筑物和构筑物(4,5]。许多研究人员进行了大量的实验对煤和岩石的力学性能和变形特征。例如,歌曲等。6,7]研究变形和损伤演化的相关参数以及磁滞行为对西藏大理石。试验结果表明,增加了英国《金融时报》的周期和疲劳载荷水平加速大理石的损坏率。基于两种不同的循环加载策略,得出最大负载水平有更明显的效果比最低能量耗散负载级别(8]。学者(9- - - - - -14]发现,造成的地表沉陷规律显著不同的矿山地质条件不同。得出了有用的结论通过一系列研究采动地表沉陷方面的基岩厚度、埋藏深度、开采充分性,等等。与此同时,也发现在相关研究15- - - - - -17),由于表面形貌的影响,地表地形破坏,沉降法,和建筑的保护丘陵地区与平原地区有很大的不同。高(18]研究了地表沉陷规律的条件下厚基岩和大型开采深度,发现边界角值小,地表沉陷的影响范围很大的影响由于多个组厚和硬砂岩层。彭和歌曲等。19,20.)分析和总结了黄土冲沟的地表移动和变形特征地形和生态修复的关键技术。因此,研究地表沉陷的法律HIFMCMWFSTBTE丘陵地区具有重要意义对提高开采沉陷的基本理论和指导现场生产(21- - - - - -27]。

浅和厚煤层发生广泛在丘陵地区山西和陕西,中国。鉴于这一事实,与机械化放顶煤开采P2工作面浅厚基岩和薄的表层矿作为工程研究对象,表面运动的时间和空间演化法则HIFMCMWFSTBTE丘陵地区在同样的采矿和地质条件进行了综述结合现场测量和理论分析的方法。重要的研究结果。

2。地质采矿条件和测站的布局

2.1。地质采矿条件

我的设计生产能力4.0吨/,和它的地形主要是低山和丘陵,地形表面的P2工作面属于低山。工作面是由薄基岩表层和部分暴露(图1)。在P2工作面,没有。3煤层的平均厚度、倾角、埋深4.8米,5.0°,约200米,分别是已被敌军布上了地雷。工作面是220米宽,开采1138米的长度,和进步的速度4 m / d。对长壁综采放顶煤的方法为煤矿罢工了,总屈服的方法用于屋顶的管理。

2.2。观测站点的布局

考虑薄的表层和bedrock-exposing表面的分布在P2的脸,一个观测线罢工(一行)和两个观察倾向上的线(B和C)行排列在P2工作面获取地表移动的法律HIFMCMWFSTBTE在丘陵地区。由于观测点的布置和第一观察,总共12约16个月内进行观察。

观察线在罢工。8米的表层厚度、线平均埋深208米和830米长。有37个观察点,其中点A1-A6 A17-A19,和A28-A32 bedrock-exposing附近的表面,而其他的点附近loess-covering表面。

观察线B倾向。直线B组940米距离open-off削减并没有一起安排。2沟。的表层厚度0 m,直线B平均埋深200米和660米长。有30个点,测量所有的属于bedrock-exposing表面测量分。直线B完全位于盆地。

观察直线C倾向。530行C是铺设远离open-off削减。6米的表层厚度、线C平均埋深206米和680米长。有36个计量点,其中分C7-C17 bedrock-exposing附近,而其余的点附近loess-covering表面。直线C完全位于盆地。观察点的布局在P2工作面呈现在图2。

3所示。地面沉降观测和数据分析

3.1。沉降曲线的动态分布特征线的罢工(Loess-Covering表面)

罢工的观测线安排的工作面停线。罢工的分析动态沉降曲线在图3观察表明,首先,地面开始逐渐从A1转向A41(在图3水平轴的距离是每个观测距离点对点A41), 8日至13日观察完成后结束。沉降后开始在每个监控点线,沉降值与工作面发展逐渐增加。后来,随着工作面远离每一个点,沉降值逐渐达到地质采矿条件下的最大。然后,这个值不再生长。到达最大沉降值的点推进从A1 A41进步的工作面。根据过去四个观察的结果,点的最小和最大沉降值A18-A21 3335毫米和3362毫米,分别。此外,在六个月内沉降值是27毫米。结果表明,地表沉降趋于稳定,平底的盆地似乎从A1 A21移动。随着工作面推进,平底的移动盆地向前延伸,与沉降值不再上涨。点A32位于表面上升的峡谷。

3.2。沉降曲线的动态分布特征线B倾向(Bedrock-Exposing表面)

线B,观察弯曲的线条,沿着峡谷(图安排4)。点B17是第一个受到采矿和体验地表沉陷的影响(在7日观察),因为它是最接近open-off削减。最大沉降(最大沉降值2115毫米,平均沉降速度45毫米/ d)是观察到的点在直线B在8日和9日去往B15观察,最后47 d。最后的结果去年153 d四个观测表明,最大沉降差异是12毫米,和地表沉降基本上趋于稳定,最后的最大沉降值是3167毫米。

3.3。沉降曲线的动态分布特征直线C倾向

最大沉降(最大沉降值2363毫米,平均沉降速度118.2毫米/ d)是观察到的点C16 C在第五和第六行观察,最后20 d(图5)。在第八和第九的观察,最后47 d,最大沉降值是一致的,基本上和地表沉降趋于稳定,最后的最大沉降值是3419毫米。

倾斜的动态分布特征曲线如图6- - - - - -8。从曲线可以看出,表面倾角值改变时从小型到大型的进步工作面。在21观察,倾斜的最大值是−41.7毫米/ m(点A29)。从19日观测到21观察,可以看出,移动变形曲线显示的反对称特征倾向于从整体趋势曲线。最后的分布是不同于平坦的土地,主要与地形因素有关。罢工的最大动态倾斜变形值方向−41.7毫米/米。

从13日观测到19观察,倾向B的倾角变化观测线很小,和观测结果的规律性不强。几个观察后21观察表明,倾斜达到最大值,和倾斜方向的最大动态倾斜变形值为55.6毫米/米从17日获得观察。

的倾斜观测线C变化不大17观察,从13日观测到,观测结果的规律性不强。几个21观察后观察结果表明,地表移动变形趋于稳定并达到最大倾斜值。这一趋势方向的最大动态倾斜变形值为48.6毫米/米从25日获得观察。

曲率的动态分布特征曲线如图所示9。进步的工作面,表面曲率值逐渐增加,而负曲率双峰值和multipeak现象。每个观测的分布规律基本上是相同的,只有增加价值,但曲率值的正负变化在盆地的中心有一个大跳。它可以从后来观测曲线,曲线的形状是一致的和值基本稳定。罢工的最大动态正曲率变形值方向+ 1.23毫米/米²和最大动态负曲率变形−2.70毫米/米²。

数据10和11显示两种趋势的观察线曲率曲线,B和c的图形描述了不同时期的变化规律。表面曲率的最大价值和范围稳步成长为工作面进步。的最大曲率点仍然几乎不变。之前观察曲线的规律是虚弱的。最后几个观测显示明显的规律性,曲线符合一般平坦的土地上的曲率分布规律。

倾向B的最大动态正曲率变形值观测线+ 1.34毫米/米²,最大动态负曲率变形值−1.13毫米/米²。

倾向C的最大动态正曲率变形值观测线+ 1.15毫米/米²,最大动态负曲率变形值−1.30毫米/米²。

4所示。地表塌陷地形和特征

4.1。在丘陵地区特殊性的表面运动定律

采动地表移动在丘陵地区可以分为两种形式。一个是连续运动变形,采动幻灯片在丘陵地区,另一个是不连续的运动变形,也就是说,采动裂隙,在丘陵地区滑坡和崩塌。与矿业的平原,丘陵地区的矿业展览不同的规律,这是显示在以下几方面。

以下4.4.1。在丘陵地区地表移动与变形的特点

由于山坡丘陵地区,岩石幻灯片或地下采矿引起的滑坡,将导致增加水平向下坡方向运动。与此同时,由于采动滑坡的发生,上部边坡滑下坡拉伸应力的作用下或推压力,促进向下坡方向横向运动和沉降。影响滑动,发生变形和挤压,导致表面隆起的峡谷。破坏骨折引起的拉应力在斜坡的上部是描绘在图12,从这可以看出,整个斜坡向下移动。Extrusion-induced峡谷如图表面隆起13。

4.1.2。地表移动范围在丘陵地区

由于山地地形的影响,水平运动,水平变形,表面隆起,运动边界时发生接近普通或者峡谷,上上下下的扩大范围的运动方向,从而减少运动变形的边界角和运动角。可以从矿井的煤层综合柱状图,上覆地层属于中等硬度岩石。根据表1在文献[1)和实际情况(P2工作面倾角5.0°),边界角罢工,倾斜边界角,增加边界角、运动角度罢工,倾斜运动角度,上升运动角P2可以获得工作面(表1和2)。与普通的相比,测量边界角和运动角的P2工作面不同程度的减少。具体地说,与理论值相比,边界角罢工减少了5°-10°,和边界角是减少2°7°;运动角度罢工减少了8°-13°,上升运动角是减少0°-10°,和倾斜运动角度减少2°-16°,表中列出1和2。

4.2。分析开采充分性

在最后的沉降曲线线B和C的P2工作面倾角,没有平底发生在移动盆地,最大沉降值只出现在它的核心部分。最大沉降值(3167毫米)的直线B点去往B15出现,虽然这(3419毫米)的直线C C16出现在点。行C的最大沉降值大于平均沉降值(3362毫米)在移动盆地的平底行a可以推断,只有一个观察点(C16点)的直线C已达到地质采矿条件下的最大沉降值,所以关键全矿业取得行C的类似埋深处行B和C,它可以概括只有一个观察点线B和C的倾向已达到采矿地质条件下的最大沉降值,所以关键矿业取得的两行。

根据文献[28时),表面是完全开采采空区的长度或宽度达到或超过H₀,即平均开采深度(1.2比-1.4)。P2工作面是1138米长,220米宽,和的平均深度线A, B, C是208米,200米,206米,分别。即开采长度的比率在P2工作面开采高度行是5.47,和矿业开采宽度高度的比率在P2工作面线B和C是1.1和1.07,分别。换句话说,P2工作面与厚基岩可以实现充分挖掘更容易比一般的地质条件。它可以实现关键全矿业开采宽度比开采深度的1.07。

4.3。发展和骨折的形态

根据现场裂缝的调查在整个开采过程的P2工作面,许多大型交错骨折出现从表面上看,这些骨折罢工方向表现出明显的规律性。总的来说,它们可以被分为两种类型。第一类是网络裂缝生成bedrock-exposing地区(主要发生在A1-A6附近,A17-A19和A28-A32线,整个直线B,和C7-C17行C),和其他类型大骨折loess-covering地区(主要是A7-A11附近发生的和C1-C6 C8-C36线C)。

如图14基岩表面裂缝的宽度的范围主要在于20 - 200 mm,最大宽度是300毫米。骨折的深度不同,最大测量深度约10 - 20米。一般来说,骨折的方向有关山地地形;大多数骨折的下坡方向垂直于斜率和发展大约沿着轮廓,形成一个交叉裂缝网络。

如图15骨折、宽度loess-covering表面相对比较大,最大宽度达到0.5米。除此之外,这些骨折具有下降约0.2米一般在1米部分。在斜坡的边缘,也向下坡方向出现整体下滑。例如,一个整体衰退发生点A11线,植被的根系暴露(图12)。Loess-covering表面骨折nonslope职位经常崩溃填写骨折(图15)。

5。表面运动持续时间和沉降速度

5.1。表面运动的持续时间

如图3,沉降点25行始于第八十观察观察和稳定。观察25点持续77 d。点A23,最大沉降点线之一,在第八观察开始消退。根据观察记录,工作面进步860.3米的距离的一个位置open-off削减在第七观察和971.7米的距离的一个位置open-off削减在第八观察。即工作面在46 111.4 d,进步,进步速度是2.42米/ d在观察。它可以反向计算出点A23(约63 m远离点25)开始消退26 d前,这意味着总表面稳定时间点A23 77 + 26 = 103 d。如图4,点去往B15观测点与最大沉降值线b .它不消退的第六个观察,在第九观察达到最大值,之后趋于稳定。阶段持续133 d。因此,推导出最大表面稳定时间为133 d。如图5,点C16 C并不在第二个观察开始消退,基本上稳定在第六观察。阶段持续108 d。因此,最大表面稳定时间推断为108 d。

参照文献[66],表面运动的持续时间可以确定基于这个矿区的实测数据。当没有测量数据,持续时间(T表面运动的)可以按照下列公式计算:

它是208年了2.5 = 520 d, 2002.5 = 500 d和2062.5 = 515 d所需的线路,B和C如前面的分析,揭示了地表沉降稳定时间行A和C更接近实际值比线B平均沉降稳定时间和理论计算沉降稳定时间(108 + 103)÷2 = 105.5 d和(520 + 515)÷2 = 517.5 d,分别。显然,实际沉降稳定时间短得多,只有105.5÷517.5 = 20%的理论计算值。这个结果体现的机械化放顶煤开采工作面厚基岩表面更容易稳定所能达到的水平。此外,bedrock-exposing表面的沉降稳定所需时间短,所需的时间比例是108/103 = 1.05。厚的沉降稳定时间bedrock-exposing表面和厚与薄基岩面表层基本上是相同的。

5.2。最大地表沉降速度

地表下沉速度指的是沉降量单位时间内由地下开采引起的。每个点(A1-A21)地表移动观测站的观测线罢工已达到最大沉降、地表沉降速度的计算可以发现通过使用multiperiod观察结果在任何时候。每个时期的观测值和计算结果公布在表3。

下表3第五观测的沉降差异,第六观察∆W= 2363毫米,观测时间间隔t= 20 d。最大地表下沉速度可以根据以下公式计算:

事实上,除了最大下沉速度118.20毫米/ d,沉降速度在其他时间都相对较低。这表明,相当多的地表沉陷发生在很短的时间内,和表土沉降是突然和暴力。鉴于丘陵地区的特点,当严重的不连续损害出现表面上,突然不连续的运动和变形的可能性等大型骨折,滑坡和崩塌会增加(图12)。

6。结论

(1)的上部坡丘陵地区幻灯片向下坡方向拉伸应力的作用下或推压力。因此,水平运动的范围和沉降向下坡方向均增加。影响滑动在山的峡谷,地面可能挤压,变形,导致表面隆起峡谷,地面运动的范围,增加和减少运动角和边界角。此外,HIFMCMWFSTBTE在丘陵地区的表面运动持续时间相对较短。相当大的沉降发生在活跃阶段,地表沉陷是突然和暴力。测量表面稳定的P2工作面中只有20%的计算值规范。(2)HIFMCMWFSTBTE可以实现充分挖掘更容易比其他的地质条件。充分挖掘的临界值小于开采宽度的比率(1.2 - -1.4)开采深度在传统经验。根据现场测量,可以实现关键充分挖掘在P2工作面开采宽度比开采深度是1.07。(3)HIFMCMWFSTBTE容易严重突然不连续和强烈的普通伤害。骨折沟地区表面上沿着轮廓发展,形成一个交叉裂缝网络。骨折在水平表面大约与工作面平行。骨折loess-covering表面开放的开采工作面,然后关闭或减少宽度,和骨折bedrock-exposing表面生成后不容易接近。

数据可用性

部分或全部数据、模型或代码支持本研究的发现可以从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是为中国国家自然科学基金资助(52174108,52174108,52104127),由河南省高校科技创新人才计划(hastit024 21日),国家重点实验室开放基金的水资源保护和利用煤矿(gjny - 18 - 73.16),国家重点实验室的煤炭资源在中国西部(SKLCRKF1912和SKLCRKF20-01),河南理工大学科技创新研究团队(T2021-5)、中国博士后科学基金会(没有。2021 m701100),河南大学的基础研究基金(NSFRF200332和NSFRF210303),主要研究和开发和促进河南省的特殊项目(科技)(212102310379和212102310379),河南省重点实验室的研究基金会绿色高效开采和综合利用矿产资源(河南理工大学)(KCF201804和KCF202002),重点科研项目的高校在河南省(21 a610005 20 b440001, 21 a440003),和河南科学技术研究项目(21210230399)。作者非常感谢支持。