地表沉陷控制机制和效果评估Gangue-Backfilling矿业:一个案例研究在中国

文摘

综合机械化固体回填采矿新技术开发在中国煤炭开采和地表沉陷控制。基于gangue-backfilling项目Yangzhuang煤矿底板岩石的特性和表面变形相似材料模拟方法进行了研究。当泡沫海绵的比例是1:3,煤矸石的混合物可以模拟的变形特征的相似材料模型。在此基础上,运动和变形gangue-backfilling开采引起的上覆地层的特征进行了研究。研究结果表明,相比之下,崩落采矿、上覆地层的膨胀系数,层间断裂,和沉降值较小的回填采矿、积分上覆地层沉降的发生。与此同时,回填开采后地表沉陷的减速比是超过85%,验证了沉降监测的结果。本文研究的结果是有意义的,对煤炭资源开发类似的世界各地的矿山。

1。介绍

煤炭开采造成大量的煤矸石,沉积在煤矸石堆在地上。据统计(1),中国可能已经积累煤矸石排放约45亿吨,总面积约1.5亿公顷。此外,随着高度集约开采煤炭资源,煤炭煤矸石增长到1.5亿年每年2亿吨。同时,每年从电厂排放的粉煤灰在矿区目前约5亿吨,5000万年度新开发每年7000万吨。由于长期暴露在空气中,煤炭煤矸石的有害物质,如硫,将在雨水渗入地下,造成土壤污染和地下水污染2]。另一方面,相当多的煤炭资源是埋在建筑、铁路、水体,约137.9亿吨的煤炭资源是埋在中国煤矿根据文献[3]。例如,在开滦煤矿,煤炭比例下的建筑,铁路,和水体达到86%,而在其他几个煤矿,比例甚至达到了100%。

与这一背景下,综合机械化固体回填采矿技术在中国出现。2008年,新汶矿业集团与中国矿业大学合作和技术进行全面的理论研究和技术创新。他们成功地开发了一种新的综合机械化gangue-backfilling体系,改善gangue-backfilling效应在采空区,实现建筑物下采煤安全煤(4,5]。苗族et al。6),Zhang et al。7),居et al。8],Seryakov [9)研究的系统和设备综合机械化固体回填和提升回填采矿技术的发展。目前,固体回填煤矿技术已被应用于许多大型煤矿开采煤炭资源埋在建筑、铁路、水体,包括Zhaizhen新汶矿务局煤矿,济宁三号煤矿的兖州矿务局,Yangzhuang淮北矿务局煤矿,和唐山开滦矿务局煤矿的10- - - - - -13]。

固体回填煤炭开采技术是一种环境兼容的固体垃圾处理技术和主要的地表沉陷控制技术。填充采空区与固体材料(如煤矸石、粉煤灰、流砂,和废物处理)以前占据的空间被煤炭开采业务,固体回填减少顶板岩层之间移动空间和地板层,从而实现地表沉陷控制的目标。然而,在之前的研究中,有一个缺乏系统分析和评价的综合机械化固体回填开采地表沉陷的影响。因此,本文分析了地表沉陷控制机制gangue-backfilling矿业的物理模拟方法和评估实际控制gangue-backfilling开采对地表沉陷的影响通过实验研究小组完成。

2。上覆岩层运动的固体废物通过相似材料模拟回填采矿

地下采矿引起的地表塌陷主要是。最直接和有效的方法来控制地表沉陷是填补在地下开采采空区。本节使用物理模拟方法分析gangue-backfilling挖掘的沉降控制机制。

2.1。相似理论和相似材料模型的原则

基于相似原理,石头大小是按照一定比例减少。模型是由类似的材料(包括砂、石膏和云母板)然后煤矿是模拟模型中,观察岩层的移动和破坏。在煤矿领域,相似材料模型是一种有效的方法来研究岩体的故障现象由于煤矿14- - - - - -18]。

因为煤矿之间的不同尺度和实验室实验,模型材料必须选择维持有意义的物理领域比例条件。建模材料需要测试,和它们的属性应该满足相似理论的原则(16,19]。根据相似理论,力量,速度,和时间应该遵循下面描述的关系: 在哪里是几何相似常数,是速度的恒定的相似性,是时间的常数原型和模型之间的相似性。 , ,和可以计算如下: 其中下标代表的原型,代表这个模型,代表长度,代表速度,代表时间。

相似模型试验结果的可靠性取决于正确选择和合理比例的一系列类似的材料。岩层的物理力学参数是由巴西和抗压测试的岩石,岩石的造型材料是根据相似理论计算。文献[16)和经验被用于计算的比例不同类型的材料。样本准备根据不同类型的材料,他们的比率计算,然后压缩和巴西的测试进行了调整材料比例。

2.2。相似材料模拟实验方案

根据地质和开采条件的工作面Yangzhuang煤矿(如表所示1),采用物理模拟方法研究回填采矿过程中岩层运动特征。物理模型的物理维度是3米×0.3米×1.1米。剩下100厘米未开发的区域的边界模型,而挖掘每个开挖长度是100厘米,5厘米。摄影(20.)已经应用于监测模型的位移、裂缝发展。位移监测模型的精度可以达到0.5毫米,和图1显示的布局模式。为了比较的覆层和表面变形回填采矿和崩落法,比较模型的屋顶由屈服控制方法已经取得了(其他条件都是一样的屋顶控制除外)。图2显示了Yangzhuang煤矿的煤矸石压缩应力-应变关系。

2.3。比计划类似的煤矸石材料

为了模拟实际回填体的压缩过程,模拟材料的压缩应力-应变关系应该符合煤矸石的应力-应变关系。经过多次实验,海绵和泡沫被选为煤矸石的相似模拟材料(10]。由于煤矸石的不同属性,如母岩的类型、结块性,密度和回填,存在某些差异压实程度和充填体压缩模量。尽管所选材料压缩性能稳定,尤其是海绵和泡沫塑料,很难反映不同压缩比的模拟材料的要求。针对模拟材料的应力-应变关系和gangue-backfilling材料符合物流模型,提出了一种方法来改变开采厚度来提高其亲密。方法的原则是考虑模拟材料和煤层作为一种混合回填体和模拟材料基于相同的压力。的应力-应变曲线混合然后改变通过改变煤层的厚度来提高模拟材料和煤矸石之间的亲密关系。

在这篇文章中,塑料泡沫,也没有。40海绵混合在一个比1:3,1:2和1:1(如图3)。图4给出了应力-应变关系。

如图4,有大差异的不同比例混合物。这些差异不仅是相关的比率也是两种材料的硬度。因此,双层混合材料或多层混合材料可以用来模拟不同gangue-filling材料。通过比较煤矸石的物理模型的应力-应变关系和应力-应变关系的海绵和泡沫混合材料在不同的比率,它可以发现,当比例是1:3、混合材料的应力-应变关系和煤矸石是一致的在真实条件下的应力-应变关系,如图5。

如图5,计算的应力-应变关系本机煤矸石根据相似性比例要求是有效的符合计算混合材料的应力-应变关系的海绵和泡沫的比例1:3;当应变小于4 kPa,两条曲线基本上是重叠的。4 kPa,后两条曲线开始独立,但是并没有很大的差别。当压力达到15 kPa,压力分别是0.27和0.274。如果开采厚度是5米,实际的沉降差异大约是20毫米,这是由于不同的相似材料比率。显然,这是远远低于其他方面的错误(如岩层比错误,煤层的厚度误差和模型收缩),所以这个方案是完全可行的模拟原始煤矸石。

2.4。之间的比较分析上覆地层变形Gangue-Backfilling矿业和崩落采矿

相似材料模型和挖掘实验根据上述实验框架。在回填采矿相似材料模拟的结果表明,上覆地层的结构提出了连续介质特点和目前没有证据表明在工作面开采破坏。图6显示了表土中故障特征模型开挖回填采矿方法。图7显示了表土失败屈服模型开挖特点的方法。

在图6,上覆地层没有明显的屈服区,只有裂隙带和弯曲区域。没有明显的垂直裂缝在工作面。在采矿过程中,岩层之间的较小的水平裂缝发生。随着工作面推进,水平裂缝将压实和上覆岩层压力下消失。与此同时,上覆地层沉降将出现,但相对缓慢沉降和沉降速度突然不会改变。在图7屈服区分布、裂隙带、弯曲带是非常清楚的上覆地层的屈服模型。此外,在工作面垂直裂缝是显而易见的,和上覆地层的沉降是强烈的不均匀。为了比较和分析上覆地层变形条件回填和屈服模型,监测结果是用于比较,如图8。回填采矿模型中可以看出,屋顶沉降缓慢,而屋顶塌陷是急性屈服模型。减少屋顶沉降率为73%,证明回填采矿可以有效地控制上覆地层的运动和变形。

为了分析表面点的运动速度之间的差异回填采矿和崩落开采,采空区的表面点在中间(点图7)选择画相关的地表点下沉速度曲线崩落采矿和回填采矿。

从图9回填采矿的地表沉陷速度远小于屈服的挖掘。此外,地表下沉速度变化不明显,没有一个明显的阶段,沉降速度的增加和减少。

为了定量地比较和分析了层间骨折回填采矿模型和挖掘模型屈服,岩层的垂直扩张评价指标引入模型。垂直膨胀系数被定义为距离比地层运动前后两个相邻点相同的垂直水平(21]。王的距离比定义为 在哪里是采动变形后的两个点之间的距离(米),然后呢是采动变形前的两个点之间的距离(米)。

基于这个定义,屋顶的岩石膨胀的回填采矿模型和崩落采矿模型得到的计算(K数据6和7)。比较结果图中可以看到10。它表明在回填采矿、上覆地层的膨胀系数小,层间断裂较小,整体上覆地层沉降发生。

当矿区足够大(大于临界矿区),地表沉陷可以表示为

相应地,沉降系数可以表示为 在哪里压缩后的高度充填体的上覆地层(m),煤层的厚度(m),然后呢覆层的膨胀。

上述公式的分析表明,地表沉陷的控制程度由gangue-backfilling取决于影响下充填体的高度和上覆地层的膨胀。仿真结果表明,gangue-backfilling开采上覆地层的扰动。没有屈服区和上覆地层断裂带的高度较低,导致一个小数量的膨胀。在这一点上,压缩后的高度充填体控制沉降的关键是因为gangue-backfilling挖掘。压实填满身体的高度比煤层的厚度被定义为充填率。随着中国gangue-backfilling技术的发展,gangue-backfilling挖掘的充填率可以达到85%以上。因此,通过忽略了覆层的膨胀,地表下沉系数可以通过密度小于0.15煤矸石充填。当考虑膨胀的上覆地层的影响,沉降系数可能会小得多。

基于影响函数理论,崩落法、表面沉降在任何时候在任何时候可以表示如下: 在哪里 , 煤层的倾角,地表沉陷时间函数。 在哪里代表的最终沉降表面采用回填采矿。

基于方程(6)和(7),地表下沉速度的比值在煤矸石回填和崩落采矿如下:

公式的分析(8)表明,地表沉陷程度由于煤矸石回填小于屈服的方法,所以地表点下沉煤矸石回填速度小于屈服的方法。另一方面,地表沉陷gangue-backfilling矿业来自压缩空间的填充体地静压力。因此,下沉空间逐渐达到最大与上覆岩层压力的恢复。此时,地表下沉速度由于煤矸石回填将进一步下降。

3所示。地表沉陷控制效果评价在固体垃圾回填采矿

的南边III644 Yangzhuang煤矿工作面是一个未开发的区域,北边是III642工作面。东是利用NII624工作面,西方是未开发的地区。III644有倾向的工作面长度115米,罢工的宽度315米。以上工作面临着东莞村,Suixi县第二中学,第二分支Kouzi Suixi县酒厂和许多其他结构。地面高程31.2米左右。III644工作面煤层的相对稳定,和煤层的结构是简单的上海拔是328−−的低海拔483米。煤层的平均厚度为2.7 m和18°倾角。的剥削III644工作面开始从2012年10月和2013年12月结束。在采矿过程中,煤矸石填充和压实到采空区有效管理屋顶,这是第一个实验在淮北矿区。

gangue-backfilling材料是洗的煤矸石Yangzhuang煤矿选煤厂。前的煤矸石被回填过程控制的最大粒径煤矸石小于30毫米。然后破碎煤矸石筛选,粒径的分布如图11。与此同时,进行压缩试验获得煤矸石压缩特性。煤矸石的抗压应力-应变曲线。

gangue-backfilling比设计为85%。即压缩煤矸石的高度应不少于2.3米在原岩应力水平。在实际回填方法,煤矸石回填采空区的加权,以确保设计回填比率。根据煤矸石压应力-应变关系和充填煤矸石的密度,它是要求充填煤矸石的利用煤炭的质量比应不少于1.3经过多次实验,可以满足设计要求的回填比率。

为了监控回填采矿引起的地表沉陷,III644工作面上方放置一个观测线,如蓝线,如图所示12。

18沉降观测地表观测站进行条件从9月15日,2012年,2014年6月7日。图13是最终的地表下沉曲线III644工作面。

从图可以看出13最大地表沉陷在III644工作面170毫米在BK8点。最后的地表沉陷预测的1746毫米广泛应用概率积分法和崩落采矿法。因此,减少地表沉陷率是90%,固体回填采矿、和表面的最大变形值远小于临界变形与砌体结构常见的平房。根据现场研究,表面建筑(结构)在正常使用,没有明显证据表明裂缝和破坏,如图14。

4所示。结论

摘要物理模拟方法用于分析上覆岩层运动特征和地表沉陷控制机制gangue-backfilling矿业。然后,控制gangue-backfilling开采对地表沉陷的影响是通过测量结果评估。主要结论如下:(1)在相似材料模拟实验中,不同比例的泡沫和海绵材料可以应用于更好地模拟煤矸石材料的应力-应变特征。当海绵和泡沫的比例是1:3,这种混合物可以模拟Yangzhuang煤矿的煤矸石的变形特征的相似材料模型。(2)相似材料模拟结果表明,上覆地层的坍塌区不明显,只有裂隙带和弯曲区域。而崩落采矿、上覆地层的膨胀系数,层间断裂,和上覆地层的沉降值较小的回填采矿、上覆地层沉降发生和积分。(3)在gangue-backfilling开采地表沉陷的控制效果主要是由压缩量的回填的身体承受着过重的压力。根据现有gangue-backfilling采矿技术、地表沉陷系数可以达到小于0.15(4)回填采矿实践的Yangzhuang煤矿淮北矿务局表明固体回填采矿可以有效地控制地表塌陷和沉降减少比率是90%左右。矿区地表建筑物(构筑物)在正常使用,在明显的裂缝和破坏的证据。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的结果包括在本文中。没有额外的数据被用来支持本研究。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了中央大学基础研究基金(批准号2018 zdpy05)。我们要感谢江苏双创意团队的支持计划项目2017年授予。

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