文摘

相信地下长壁开采通常产生骨折周围的岩石。一方面,采动裂缝不仅降低岩体的强度,而且还作为主要渠道液体(例如,水和甲烷)。骨折促进岩体的失败和流体侵入到工作空间。因此,采动裂隙对地下结构的安全性评价非常重要,找到可行的解决方法。另一方面,骨折也有利于甲烷收集和煤碎片,这是必不可少的长壁放顶煤开采过程挖掘的成功操作。因此,确定引起骨折的特点为地下长壁开采具有重要意义。从全球的角度来看,长壁骨折程度过重的负担已经被充分研究过,这提高了对矿山压力和地面控制的理解。然而,诱导骨折长壁附近的脸,对采矿活动产生更重要的影响,没有总结。这篇综述的目的是提供一个通用的总结当前成就near-face地区采动断裂特征。采动裂隙在煤壁的特点,煤柱,立即屋顶和煤,和地板进行了综述和总结。 Remarks are made on the current progress of, fundamental problems with, and developments in methodologies for characterizing mining-induced fractures using methods such as field observations, small-scale laboratory tests, physical modeling, and numerical modeling. Based on a comprehensive analysis, the advantages and disadvantages of each method are discussed, and the ideal conditions for applying each of these methods are also recommended.

1。介绍

长壁开采地下煤炭开采的最常见方法是世界各地。在长壁后退的脸,主平衡态干扰,因此,周围的岩石是不可避免的损坏或断裂。诱导骨折不仅降低岩体的强度,而且还作为液体(主要渠道1- - - - - -5]。因此,了解引起骨折的特点为采矿的安全具有重要意义。从全球的角度来看,人们普遍认为产生三种不同的扰动区煤层的开采后的屋顶(6,7]:坍塌区、破裂区和变形区(或沉降/弯曲区),如图1。骨折也发生在底层的地层。一般来说,屋顶上诱导骨折的范围远远大于在地板上。

一般来说,塌陷的区域是高度分散的大孔隙度、高渗透率。塌陷的区域影响的特点,许多通风问题,甲烷和水控制(8,9]。骨折区位于上方的区域。现场和实验室观察(10- - - - - -13)表明,在该区域地层通常由垂直或接近垂直的进入块骨折。块不移动水平由于缺乏空间,不过他们能向下移动的压实期间就带屈服了。裂缝网络逐渐减少向上。以上骨折区连续变形区,地层变形或弯曲的发展主要骨折。经验标准预测塌落的程度和破碎区开发在中国不同的岩性和几何特征(14]。这些经验标准也受雇于美国煤炭开采行业,但与一些修改(15,16]。影响因素等扰动区地应力(17),地层物理性质(18- - - - - -21),煤层的倾向(7,22),和表面形貌12,23也被研究。

而诱导骨折远离长壁板,骨折近活动长壁通常面临迅速发展因为采动压力总是集中在这些位置。图2举例说明了一个理想化的诱导应力分布周围长壁板(6]。前面和侧面支承压力增加到峰值距离长壁面临到固体缝和减少距离和返回到原始应力增加。它清楚地表明,高压力是位于工作区附近(例如,长壁的脸,头gateroads,和尾巴gateroads);因此,骨折和失败通常在这些地区发展迅速。重要一直注意这些区域的应力分布特征,裂缝发育,岩体和相关行为。

骨折在长壁前脸对长壁的安全非常重要,在煤层甲烷的渗流特征。骨折在煤柱确定柱的行为,这是一个重要组成部分,维护gateroads的稳定性。骨折在屋顶的屋顶是一个指标的稳定性和屋顶的一个主要指标控制。在长壁放顶煤开采过程高瓦斯),骨折前煤时需要考虑的最重要因素评估煤cavability。骨折在地板上有一个负面影响在长壁开采实践和发挥重要作用在安全开采承压含水层之上。

本文的目的是审查的影响,采动裂隙在长壁表面附近地区,包括长壁的脸,煤柱,立即屋顶,煤,和地板。本文组织如下。诱导骨折的特点在这些区域中概述部分2来5。对于每个near-face地区,采动裂隙的最重要的特征。节6在采动裂隙特征,未解决的问题通过野外观察,小规模的实验室检测,物理建模和数值模拟详细介绍。他们的能力和局限性进行了讨论。在本节中,是在这些研究方法之间进行比较分析。讨论了每种方法的优点和缺点,和理想情况下申请每个方法也建议。最后,给出了结论7。理解断裂特征评价岩体的稳定性是至关重要的活跃的长壁表面和周围的岩体破坏找到可行的增援部队。作为主要渠道流动液体(例如,水和甲烷)、断裂分布确定运输这些液体的性质。摘要摘要也可以采用的发展战略作为指导甲烷收集和解决突水。作为主要指数最高煤炭cavability最高煤炭的断裂特征也有用cavability评估和识别潜在的方法提高采收率的煤炭。应该指出的是,本文侧重于near-face地区采动裂隙和不够全面。为更广泛的长壁骨折程度的描述,读者被称为教科书(6,7,24,25]。场裂缝观测使用不同的方法可以在[26- - - - - -29日]。矿业相关岩石裂缝的物理模型,读者被称为(30.- - - - - -32]。对数值模拟岩石破裂,读者可以参考(33- - - - - -37详情)的基本原理和应用离散单元法(DEM)。

2。在长壁骨折的脸

长壁骨折的脸可能会导致不稳定或剥落。严重面剥落的主要威胁之一长壁开采的安全(38- - - - - -43]。脸的剥落也可能导致屋顶落。面对剥落和塌顶之间的交互不仅扰乱了挖掘过程,还会导致设备损坏,甚至人员伤亡严重的病例(44,45]。因此,描述诱导骨折长壁的脸是重要的采矿活动的安全性评价。这个问题吸引了越来越多的关注作为中国煤矿的切割高度增加时,通常会产生严重的长壁表面剥落(46]。

研究人员经常确定骨折范围(或失败区)长面前根据诱导应力的分布。根据弹塑性力学理论的行为(47),峰值应力的位置的支承载荷可以被视为失败的范围区。威尔逊(47)提出了一个“压力平衡”方法计算应力分布在长壁前的脸。模型,取得了区(或破碎带)是由采矿身高、应力状态、煤强度和支撑强度应用到脸。许多实地测量进行了解采动应力的发展在长壁的面前2,48]。然而,应力分布只是间接地显示骨折范围。小可以获得信息的分布和发展骨折。

白等。44)确定两种类型的脸在脆性剥落煤层,这对应于两个不同的断裂特征。劈裂抗拉失败被发现在附近的小范围的脸脸被曝光后的早期阶段,通常会产生许多小薄片香料,如图3(一个)。劈裂抗拉失败表明轴向裂纹(或骨折)长壁平行的脸。一般来说,薄层的厚度小于0.3 m和大小从0.1到0.8米。分割首先发生在中间的脸立即希勒过后,然后扩展在垂直和地平线的方向。中间失败宽度达到最高水平的脸,如图3(一个)。野外观察表明,拉裂剥落的深度一般小于0.6米。

剪切滑动将遵循拉裂失败如果是前者不会引起大裂开等。剪切滑动失败产生较大的碎石块,如图3 (b)。剥落概要文件表明,剪切骨折发达的长壁的脸。基于剪切滑动的失败,一些研究者从理论上研究了剥落机制无烟煤和软煤层(49,50]。然而,该理论无法解释的支离破碎的剪切破坏长壁的脸,如图3 (b)。

李等人。51]显示骨折开始从上部角落,发展成的脸。仿真结果同意观察到剪切滑动失败(44]。湾(52)报道,被挤压失败通常发生在软煤层。他指出,诱导抗压压力应用到长壁的脸和矿业的高度是影响剥落的主要因素。姚明et al。(53)数值研究了煤层倾角的影响长壁脸上压裂。接近垂直的水平煤层骨折占主导地位,导致一个弧形失败区。up-dip煤炭的脸,骨折源于在一个斜坡上部和传播到脸。

先前存在的弱飞机在煤层煤炭压裂发挥重要作用和相关的剥落类型(38]。如果只有垂直弱飞机存在于煤层,然后沿着这些飞机和裂缝发展从高诱导侧向挤压应力可能粉碎片,但这取决于强度和厚度的片。如果交错断层存在于煤,那么骨折主要沿着垂直平面传播,但通常横向挤压造成二次压裂沿横向飞机,导致小片段。在一个案例研究中,杨et al。54)开发出一系列DEM模型分析断裂特征影响弱的飞机。他们的模拟表明,一系列共轭平面主导脸的压裂煤层顺层不连续在场时。在有节的煤层,煤的强度控制骨折概要文件。在硬煤层,诱导剪切骨折共轭打开不连续;在软煤层,平行骨折面向采空区。

3所示。煤柱的骨折

支柱的力量是一个地下煤炭开采的重要组成部分。在过去的几十年里,许多支柱强度公式已经发展为世界各地的各种煤矿(55- - - - - -57]。这些强度公式得到成功应用的领域;然而,一个明显的缺点是,他们不能提供信息等柱性能的应变行为在采矿过程中支柱和骨折如何发展支柱及其对柱性能的影响。有时,这些行为也很重要。例如,煤柱不仅是为了维护巷道的安全也作为一个屏障,以防止水和气体迁移到活跃的脸从开采面板。骨折的支柱确定运输这些液体的性质。显然,进步的支柱压裂的理解(或失败)的行为在一个完整的矿业环境支柱设计具有重要意义。

一些野外观察表明,压裂首先发生在衬板或剥落的支柱,然后逐步传播到的中心支柱。因此,细长柱通常生成一个沙漏状失效模式,通常结果从碎石柱边界附近58,59]。逐渐剥落后剪切骨折通常观察到蹲支柱(58]。拉伸fracture-induced碎石是一种常见的失效模式的煤柱条件下弱地板或屋顶存在或者结束一个支柱和围岩之间的接口是光滑的和/或不保税(24,60,61年),如图4。弱界面导致柱两端滑柱高负荷时。接口失败削弱了横向阻力压力结束整个支柱和促进横向应变的支柱24,62年]。侧向支柱附近结束时刻通常产生拉伸断裂,甚至块状剥落当夹板和联合飞机无处不在在煤层内,如图4(一)。先进的模拟表明,裂缝传播常数下降,无摩擦界面分离的支柱。随着界面摩擦的增加,裂缝发展以及更加弯曲的飞机。同时,个人骨折减少之间的距离向的核心支柱(58,59]。如果直接顶或地板远远弱于煤层,然后他们可能会失败在床上用品的飞机或横向挤压剪切结束的支柱。这导致支柱进行横向拉力,从而诱导拉伸裂缝可能扩展从屋顶到地板上,在全宽的支柱24,61年),如图4 (b)。因此,这种类型的骨折在柱底鼓发生通常是与60]。

威尔逊(47)指出,有两个区域的支柱完全不同的力学行为。屈服区相邻的边界柱通常会因为诱导应力集中超过煤的强度。弹性核心周围是屈服区。在中国,有一个普遍的信念,有三个不同的区域内煤柱(63年]。大量的野外观察验证压碎区边界附近存在在某些情况下,如软煤柱,深部开采和高诱导压力。同样,萨拉蒙(64年)报道,四个不同区域发展支柱,即弹性、屈服、压碎和下降区。

不同区域的大小取决于煤、岩层性质,支柱尺寸,支持策略,挖掘历史,等等。在南非,马登(65年胎侧)进行裂缝监测的柱子Piet Retief与Longridge煤矿在夸祖鲁-纳塔尔省。他的测量表明,压裂的深度范围从1.5米到2.6米的巷道和支柱工作。随着开挖尺寸的增加,断裂区支柱也大幅提高。野外观察(66年]表明,压碎区、屈服区和弹性区在一个70米宽的支柱是1米,4 - 5 m, 58米,70米宽板完成后分别一侧的支柱。然而,对于大规模的矿业在不利的环境中,一个40 m煤柱可能完全失败67年]。在连接,白等。2)进行了一项先进的调查断裂在煤柱密度,如图5。他们发现骨折肋骨附近茂密的支柱,但渐渐稀疏与边界的距离增加支柱。观测还表明,采动应力裂缝发展发挥了重要作用。裂缝密度增加的脸接近测量钻孔和经历了一个相对较大的增加在该地区附近的肋骨与核心区域。

小规模的测试表明,轴向分裂失效模式发生在低围压,而剪切破坏机制发挥了重要作用在高围压(68年]。野外观察还显示,在中国煤矿分裂剥落故障通常发生在低围压的肋骨附近发生(67年),而剪切断裂通常发生在更深的领域产生了高围压(2]。Mathey [69年coal-concrete]进行比较测试样本来研究失效(断裂模式)之间的关系和width-to-height比率(纵横比)。这项研究表明,样品方面比率较低(< 2)失败的典型双锥时尚:样本的侧壁骨折在弯曲模式形成标本成沙漏形状,如图6(a)。标本3 - 6的纵横比,脆性和脆失败被观察到。打开样品边界附近裂缝宽约1 - 2毫米。接近核心,一系列的近似线性断裂露头观察四个侧壁平行,如图6(b)。这些断裂露头的详细分析表明,剪切断裂,产生一系列分离的楔形弯边指向标本中心。标本高纵横比(> 6)显示延性行为。胎侧局部裂缝附近集中,如图6(c),类似的工作在煤炭标本(70年)表明,失败也取决于界面摩擦模型。

先前存在的弱飞机也有一个显著的影响对支柱行为和失败。由于支柱体系的复杂性,数值模拟通常用于演示新生成之间的交互和既存的骨折在柱子4,71年- - - - - -73年]。然而,很难获得一般结论如何既存的关节支柱行为和失效模式的影响。这是因为有很多参数,系统中扮演一个角色4,71年- - - - - -76年),如联合制定的方向和大小,强度弱面,分布和密度的关节,插入接头的失效模式,约束应用于柱子,柱子的大小。

在大多数实验室测试和数值模拟、单站柱子受到统一的垂直压力。然而,有许多观测和模拟说明长壁采动应力不均匀分布的支柱,和周围的应力随采矿过程支柱(67年,77年,78年]。见(67年屋顶),很难直接引起的非均匀分布的垂直应变的支柱,这被认为是导致失败的主要因素的大支柱( )。

4所示。骨折在屋顶或煤炭

在大多数情况下,直接顶岩层崩溃背后的长壁的脸。塌陷的区域通常是高度分散的大孔隙度、高渗透率。的高度塌陷的区域( )有限的膨胀系数( )屈服了松散的岩石和矿业的高度( ),可表示如下:

彭和蒋介石15)报道,下垂uncaved地层(最低的 )也应该被考虑。

这种膨胀factor-controlled屈服模型被广泛用于计算坍塌区高度在工程实践18]。岩石膨胀系数大,如果岩石强度更大,这意味着煤层与疲软的屋顶有一个大比例的塌落高度和矿业的高度。Palchik [18)研究的高度在多孔软弱岩体坍塌区浅,废弃的地下煤矿钻探(80米)的顿涅茨克,乌克兰。他报道说,疲弱的多孔岩石中塌落高度可能达到高度的4.1 - -11.25倍地下采煤。最近,Palchik [19]表现之间的比较膨胀因素和塌陷的区域的高度非常风化(UCS测量是不可能的,因此,岩石在断裂强度和质量的考虑)和风化( )岩石在浅废弃矿山和强烈的岩石( )在中间和大长壁开采的深度。Palchik [19]表明,岩石膨胀不仅岩石强度还依赖字符(有序还是无序)安排的岩石碎片(碎片)岩石后崩溃。这是发现非常风化岩石表现出较小的膨胀系数的值( )和更大的 6.07 - -15.6与风化岩石。

实证准则预测的程度坍塌区在中国开发了不同岩性和几何特征。持平或近平坦的煤层,屈服了屋顶的高度可以由以下方程(14]:

在这个方程,时积累的开采高度采用分段采矿法开采厚煤层或多个煤层的开采高度积累。是应该考虑的偏差。和b系数取决于地层岩性,是列在表吗1。应该指出的是,方程适用于单一提取1 - 3米的厚度或多个煤层开采总厚度小于15米。

与骨折的直接屋顶相比,研究人员更关注骨折前煤因为恢复前煤高比率总是困难的。人们普遍认为产生四种不同的扰动区前煤:弹性区,变形区,断裂区,和破碎区,如图7。外的弹性区开采扰动区,压力仍然在其原始状态,煤是弹性的。在变形区,煤是压实由于支承压力面前。subperpendicular支承压力可能会关闭,裂缝和水平也会发生膨胀,因为相对较低的水平限制压力;因此,裂缝近似平行的支承压力可能开放和扩展。破碎区,煤是碎成大片段由于高应力差和重复装卸过程通过推进保护支持。在碎煤破碎区,可能会进一步碎片屈服过程中(7]。应该注意的是,图7是煤的概念模型状态,但这要取决于许多因素,如煤层特征、围岩地层特征、应力条件下,长壁板设计、煤层倾斜,先前存在的弱的飞机、地下水79年- - - - - -81年]。

早期的研究在法国在1970年代和1960年代生产的煤流的模型和相应的位移,如图8。它清楚地表明,顶部煤经历小变形前的长壁的脸,迅速增加在长壁后面的脸。许多调查在中国煤矿却得到了类似的结论。测量前煤炭运动的厚煤层(平均16.8米,最大20.0米)表明,煤的初始位移发生在距离八次切割高度(5米)长壁前脸(82年]。前的水平变形位移长壁的脸。垂直位移中起着重要作用在长壁后面的脸。同样的观察(81年,83年,84年最高的中国煤矿煤炭变形产生了类似的概要文件。骨折形态在前煤随高度和位置与活跃的长壁的脸(85年]。垂直裂缝的长面前发挥重要作用[85年],而横向裂缝主要在长壁后面的脸与孔径的增加(86年]。

5。骨折在地板

骨折在地板层没有研究程度类似于屋顶骨折尽管这些造成重大生产延误87年]。原因是大多数时候,地板上失败是非常难以衡量由于长壁操作的性质(6]。Aghababaei et al。88年)确定了三种类型的地板失败机制。第一个机制是弱的刺穿地板如果盾支持下面的压力超过承载力的地板上。第二个机制是屈曲分层岩石地板由于过度的侧向位移向采空区煤层。第三个机制是抗压层失败由于多个运动滑块在地板上。Nemcik [87年)第一和第二机制定义为主要失败,第三次要层失败。应力集中的长壁面对失败地板的主要原因,而二次故障应力再分配和位移发生在或背后的脸线后暴露的地板上。野外观察表明两种主要类型的主要失败与两种不同的楼骨折(89年]:(a)剪切破坏以及床上用品的飞机在地板上,导致水平骨折,骨折和(b)形成接近垂直的平行于长壁前的脸长壁保护支持。大多数时候,主要故障定期压力积累的特定撤退后煤的脸;然而,连续失败后也观察到每一块煤炭减少(89年]。观测的地面位移和骨折在地板上90年)表明,垂直裂缝破坏区中发挥主导作用。数值模拟采用连续法(1)也显示类似的骨折在地板上。

长壁脸撤退,缓解压力和卸载层地层可能发生位移的经验。二级地板失败可能由重要的弯曲和腹由局部应力集中和位移,从而导致过度层起伏(87年]。主要的骨折和床上用品的飞机定义岩石块在地板上,如图9。这些块在底鼓和交互控制二级地板失败。多滑块模型(91年)可以用来解释中的应力分布发展破碎的地板上。

在中国,有许多采矿实践工作承压含水层之上;因此,确定故障范围在地板上在这种情况下是必不可少的。许多观测表明,断裂带在地板上7可以为特征,如图)10沿着脸后退的方向。失败区迅速发展成后面的地板上长壁的脸,然后保持在同一水平,因为它远离旅行采空区。

根据现场试验,提出了一个经验公式(92年)预测的深度勘探区失败。 在哪里是失败的深度的输水区在地上是矿业的开采宽度的脸。应该注意的是,测试数据收集从北方的煤矿开采深度从103到560米。

长壁表面宽度方向,失败区在地板上显示了不同的配置文件,如图11。失败深度达到最大水平下headgate中部和后挡板和略有减少长壁的脸。此外,这个概要文件很大程度取决于煤层的倾向。斜接缝( ),失败区是不对称的倾斜方向。失败区下部下达到最大水平,逐步减少对上部。在图所示的配置文件失败11表明,道路下的最大失败发生区位于两边的长壁的脸因为高应力通常积累在这些位置67年]。

尽管密集研究了骨折的范围在地板上,结果没有提供诱导骨折的特点,例如,长度分布、取向、孔径和连通性。这些参数是重要的为了评估地面岩石的力学行为和水和气体的渗透。

6。悬而未决的问题

6.1。野外观察

野外观测是最有效的方法来确定引起骨折,但也是昂贵和耗时。数字钻孔摄像记录方法被广泛用于观察骨折的岩体。通过连续记录,该方法可以获得360°的井壁图像并确定骨折的罢工和倾斜(26]。图像处理方法可以应用于骨折获得图像识别和量化断裂模式(93年),这样就可以分析庞大的图像数据在一个有限的时间。观察孔可以被分配在有利的位置断裂网络的开发模型推断单钻孔的观察到骨折。图12显示了一个示例的观察excavation-induced骨折在圆形隧道粘土岩进行了在默兹/ Haute-Marne地下研究实验室(94年]。同样,一些观察可以根据设计的撤退过程长壁的脸来确定裂缝网络的进化。

虽然有一些裂缝分布的观测煤柱(95年- - - - - -98年),大多数人关注失败的支柱。只有少数作品研究了密度分布(2,99年),主要是因为没有一个详细的需求在大多数长壁活动断裂的支柱。据信断裂剖面大致可以确定使用的方法94年];然而,额外的困难可能会出现当长壁的脸接近目标站点骨折以来迅速发展并产生复杂网络。详细的裂缝观测的长壁面临不可用,因为长壁开采的连续操作。然而,它是可能的推断断裂概要文件的长壁的脸因为大多数诱导骨折是诱导应力近似平行的。此外,骨折长脸上相对容易测量,因为磨面和良好的照明。在相似的条件下,骨折在地板上也有一个简单的概要文件,因为应力分布;因此,它不是很难重建断裂分布如果足够的数据可用。直到现在,井眼内窥镜法(One hundred.,101年)被广泛用于观察断裂分布在地板上,它可以提供断裂从勘探观测信息不可用5]。然而,它是昂贵和耗时的,特别是对裂缝识别和形态学收集从如此多的图像;这就解释了为什么很少有研究在这一领域进行的。在大多数情况下,这些作品只专注于裂缝深度和被忽视的断裂特征。

与断裂分布在屋顶、地板、屋顶和煤柱,骨折或煤炭更为复杂和变量。使用一个井眼内窥镜,谢和赵85年)观察断裂分布在前煤以上保护支持。他们发现断裂形态随海拔前煤。水平裂缝主要在底部的煤炭,也和许多垂直和斜裂缝存在。上方的顶部煤炭、垂直裂缝是无处不在的,形成许多条。骨折是顶部的中间稀疏部分煤。根据实地观察,燕和吴86年)表示,骨折前煤炭的数量成倍增加的长壁脸方法测量站点。在这个过程中空间之间的骨折也缩小。骨折面向垂直方向的数量增加在长壁前的脸和减少长壁后面的脸。然而,所有的观察只能提供一个定性的描述裂缝分布在屋顶或煤炭,因为断裂网络是获得定量描述太复杂,更不用说一个类似断裂剖面如图12。在岩体与骨折,骨折巷道表面或长壁脸上更容易观察。谢et al。102年)测量了诱导骨折巷道墙上,被用来评估cavability最高的煤。在他们的研究中,他们测量了裂缝参数(如长度、空间和取向)手动。然而,远程检测技术的发展103年]近年来,提供了一个有前途的替代手工测量。

最近的理论和技术在图像处理方面的进展极大地增加了检测和判断骨折在图片的能力104年]。低成本的数码相机相比,激光扫描仪和易用性,photogrammetry-based方法已广泛用于岩土特征的岩石山坡上(28]。这些也被用于监控地下剥落变形和支柱在美国(石灰石矿105年,106年]。现场应用表明,该技术能够准确的测量和骨折和关节检测。一个实际的测试在一个地下煤矿执行肋可怜的照明条件下表征表明,摄影测量可用于地下环境,并将结果与其他测量技术(107年]。激光测量技术(如地面激光雷达)也广泛用于捕获骨折在岩石(质量)的表面29日,108年),但在煤矿井下的应用程序还没有被报道。

随机生成的裂缝网络(109年],它通常用来模拟天然裂缝网络,可能是一个潜在的解决方案重建采动裂隙长壁附近的面板。随机离散裂缝网络(DFN)治疗骨折属性(位置、频率、大小、方向和孔径)作为独立的随机变量服从某种概率分布确定从扫描行,窗口样本,和井眼成像(110年,111年]。随机DFN方法于一体的分形几何的方法和幂律模型,可以生成更现实的断裂系统;几项研究已经证实岩层采动骨折通常服从这些分布的属性(102年,112年,113年]。这改善了DFN方法可以从小型断裂模式(高档断裂网络114年,115年]。确保实际裂缝网络,渗透率和变形数据77年,116年)也可以用来调整生成的骨折。

6.2。小规模的实验室检测

小规模的实验室检测被广泛使用在煤矿测量样本研究采动裂隙和相关的机械和流体行为。例如,长方体煤样品无侧限加载条件下被广泛用于评价煤柱强度和失败(或断裂)模式(69年,70年]。在实验室测试中,测量系统可以充分的准备为了获得高质量的实验数据。

很难在实验室模拟煤顶部压裂过程因为现有的实验技术无法实现整个断裂过程,从一个完整的样品颗粒介质。然而,几次了。歌等。117年)实验研究了煤片段大小和覆盖深度之间的关系,煤强度和间断。顶部煤炭cavability评估根据特定的现场条件的关系。王等人。118年在UCS)测量了速度变化测试上煤;因此,速度变化之间的关系可以建立和样品状态(例如,损伤和机械行为)。这种关系可以用来评估前煤状态根据测量速度场的变化。

屋顶上的复杂应力路径相比,长壁的脸,地板,等,煤柱经历过单调加载它失败了。因此,UCS测试可以用来研究煤柱性能和相关的压裂。Mathey [69年)进行了一系列测试coal-concrete样本研究失效(断裂模式)和纵横比之间的关系,总结部分3。许多单轴测试进行了煤样在西弗吉尼亚大学不同纵横比和界面摩擦来确定这些参数是如何影响样品的失效模式(70年,119年]。发现界面摩擦对失效模式有很大影响,而长宽比中起次要作用。较低的界面强度高纵横比可能会触发撞柱的失败。然而,在长壁开采,引起整个煤柱应力不均匀分布;因此,实验结果的程度与现场条件仍然是未知的。

这些结论来自实验单调加载条件下,而煤炭质量领域的体验相当不同的应力路径。除了加载机制(例如,UCS测试),卸货也发生,例如,诱导应力路径前煤(图7)。应该注意的是,卸载扮演主要角色在发病前煤炭压裂和分裂,因为卸货通常发生在长壁后面的脸,骨折迅速发展。最近,Zhang et al。120年)数值模拟前的诱导应力路径长壁的脸。然后,应力路径应用于圆柱形煤样品观察机械和长壁开采引起的渗透行为。他们报告说,压裂行为和相关的渗透行为的应力路径试验不同于典型的常规三轴压缩的结果。他们的研究结果与现场试验结果(116年,121年]。使用CT扫描和三维重建技术,显微组织和断口连接可以为特征122年由分形理论[]和定量描述123年]。通过将试验箱内部CT设备,裂缝发展可以持续地监控在不同的加载阶段测试(112年]。

然而,也有一些局限性。大部分的实验室检测进行单调加载下的政权,但长壁后退也产生卸荷过程,例如,在大多数情况下,长壁脸周围的岩体经历一个特定的应力路径。压力对煤炭机械和基于路径测试渗透率行为显示不同的结果与传统的三轴测试(120年]。另一个限制是,小规模样本不包含足够的地质信息。因此,测试结果提供数据完整岩石属性而不是岩体属性。尽管岩石属性可以被转换成岩体属性根据岩体分类系统(124年),这种方法不能完全反映了先前存在的弱飞机对岩体的影响压裂。此外,在大多数工程实践,应力的方向也不同,在现有的实验不能重塑。缺陷或诱导骨折前煤可以利用应力旋转向自己喜欢的方向(125年]。因此,实验室结果可能低估了裂缝网络的样本,因为测试经常使用小样本不提供足够的信息既存薄弱的飞机。

6.3。实验室物理模拟

物理模型已经被证明是一个有用的工具对岩层采动裂隙传播直观地说明,屈服过程中,地面运动,和屋顶结构。许多成功的病例报告描述由厚煤层开采引起骨折或确立矿业(17,21,126年),倾斜煤层开采22,127年],multiseam矿业(128年,129年]。在大多数情况下,小规模的物理模型(通常小于1:100)是由于大尺寸长壁开采的概要文件。小规模模型能够模拟压裂和地面运动的屋顶层从全球范围内来看,但很难说明复杂的断裂过程领域的兴趣。例如,大多数物理模型不能繁殖的不规则下降塌陷的区域,如图(13日)。野外观察图13 (b)清楚地表明,采空区材料屈服了区内高度分散,分为不规则形状不同大小的。在某些不利的情况下,立即屋顶不能破裂成碎片,但横向分离和跌到地板上稀疏的垂直裂缝(130年]。Regular-shaped碎片和碎片导致了材料的膨胀系数小,表明物理模型可以产生更大的坍塌区和高估裂隙带的高度。填入像泡沫材料可用于填写坍塌区,以抵消低估湿胀率经过仔细计算(126年]。

岩层采动裂隙可以使用大型模型,说明。我们已经表明,大型物理模型(1:50)可以模拟压裂和屈服过程(126年使用开发建筑材料)。这个建筑材料由砂的混合物,石膏,碎石头和可以真正显示整个屈服过程最大的煤炭。构建物理模型根据地质和采矿条件的确立的脸。屈服过程和相关的应力和变形最大的煤炭如图14。很明显,前煤变形前的长壁的脸。变形增加面对先进,通过增加垂直压力,这是有利于煤碎片。顶部煤后立即屈服了盾牌。物理模型可以看出,成功地再现了屈服过程,从完整的颗粒介质与压裂的屋顶。诱导应力和变形最大的煤炭还同意与实地观测。使用非常大规模的物理模型(1:17.5),郭(131年]研究既存的影响关节的稳定性非常高的长壁表面上。物理建模、联合倾角和方位角的影响和关节空间开发长壁骨折的脸上仔细观察硬和软煤层。观测结果表明,大规模的物理模型能够再现发展长壁骨折的脸,和几种典型断裂通常发生在这个领域进行了综述。

在大多数情况下,物理模型不考虑水平应力。一方面,是不容易的水平应力应用于一个巨大的模型;另一方面,水平应力可能会导致不稳定由于模型是薄(通常20 - 30厘米)。一个物理模型和数值模拟表明,水平应力集中可能屋顶倒塌的主要原因(17]。其他的水平应力垂直于这个平面也不是可用的。因此,二维物理模型只能模拟现场条件,可以简化为二维问题,这意味着骨折资料在3 d空间中不能准确地再现。为了克服这些限制,开发了三维物理模型来模拟长壁岩体采动响应(132年- - - - - -135年]。然而,很难获得模型内的骨折。因此,岩体变形和应力变化仍然是监测参数用来描述岩体性能(132年,133年]。通过删除部分3 d模型仿真后,诱导骨折屋顶上可以观察到134年,135年]。然而,这会带来另一个问题:我们如何区分诱导骨折和移除过程中产生二次骨折。虽然并没有有效的方法来提取内骨折模型,三维物理模型提供了一个先进的方法来模拟更现实的原位条件下长壁骨折程度。

建筑材料的原材料构成也影响的断裂特征的物理模型。虽然这个问题没有引起足够的重视,实验研究(136年]表明砂粒径的影响在采动裂缝物理模型,发现裂缝密度高时使用粗砂生产建筑材料。

6.4。数值模拟

数值模拟是受欢迎的采动裂隙特征。虽然连续介质模型是广泛使用,他们不适合代表骨折,因为元素大小应该很好的说明裂缝发展区域失败(38,44),尤其是对长壁后退等大型挖掘模拟。此外,连续介质模型需要一个成熟的算法来含蓄地表示屈服进步,采空区整合,撤退过程(137年,138年]。好区工作时,连续介质模型可以模拟采动断裂,这通常说明了应变/失败乐队,压力和失败区分布,或剪切位移。使用FLAC - 2 d模型,我们成功地再现了劈裂抗拉和剪切滑动失败(38,44)的长壁的脸。模拟,拉裂的失败是由拉应力和变形分布,而剪切滑动的失败是由剪切带插图。Nemcik [87年)也使用FLAC - 2 d模型来研究地板上失败。在建模、剪切位移轮廓被认识到保护下的剪切骨折的支持。在陡峭的角度接近垂直的裂缝被发现倾斜70°-90°向采空区,同意与原位观测。机械机制(例如,应力分布)澄清使用能力模型,并没有可以从实地观测。使用三维连续体模型,Yasitli和Unver写道139年]研究了运动和失败区使用高级确立(即前煤。,recovery window embedded in the canopy) and concluded that the top coal within 1.5 m above the shield supports was well fractured. Above the fractured part, the top coal was either not fractured or fractured into large blocks. However, owing to the sparse elements, fracture development in the top coal cannot be presented.

discontinuum模型可能是一个不错的选择来表示问题的物理。细块的DEM模型感兴趣的区域显示良好的长壁放顶煤开采过程[表示81年,140年和屋顶裂缝发展141年,142年]。通过引入泰森多边形法或三角块在一个小地区的利益,引起的裂缝发展大规模的长壁后退可以更实际。这些应用程序包括长壁的断裂特征脸(53),损害发展煤炭(126年],脆性断裂和损伤发展不稳定采空区(143年]。Vakili和Hebblewhite81年调查前煤炭cavability影响因素。然而,他们的工作并没有显示出最高的压裂过程煤。Le et al。140年)调查了放顶煤开采过程机制,通过DEM模型。在模型中,块被分配应变软化特性获得完整岩石的失败。模拟表明,床上用品的飞机主要显示剪切破坏,而垂直关节有经验的拉伸断裂。顶部煤炭主要经历了剪切破坏,依照结果(139年利用连续介质模型。通过引入泰森多边形法多边形块代表岩体,我们模拟了损伤演化前煤(126年],它被定义为失败的联系电话的比例和总联系电话在一定范围内的每个小节上煤。为了说明损伤发展,损伤和诱导应力前煤计算。显然表明,诱导应力前煤逐渐增加长壁的脸靠近监测站点和迅速减少长壁的脸通过了网站。峰值应力位于立即在长壁前的脸。应力分布与连续介质模型的结果是一致的(144年]。在每个站点稳步增加,损害更快速增长在峰值应力后观察到的位置。最低最高煤炭的一部分(即更大的损害。,larger fracture density) compared with the upper parts, which agrees with field observation that the lower parts of the top coal usually fragment into smaller pieces. However, few block separations were observed. For tensile fractures between blocks, most separations are less than 0.001 m, causing poor display performance of fractures in such a large model. This may result from the discordance intrinsic to the DEM model used. High damping was employed in the simulation to ensure calculation stability, i.e., the model calculates in a static state. However, field practice shows that top coal fragmenting and caving are dynamic mechanisms that occur in the section behind the shield supports since the top coal is free to fail and cave. We did not integrate the preexisting weak planes in our model, which are ubiquitous in coal seams. Although the natural fractures in coal seams have been fully studied [145年,146年),对裂缝发育的影响还没有很好地考虑在长壁开采条件下。

混合连续/ discontinuum模型,相似的能力随着民主党代表裂缝的发展,已经成功地用来模拟质量块崩落过程和地表沉陷37,147年]。因此,混合方法也可以应用于长壁采动断裂行为进行调查。最近,GPU-accelerated技术是降低计算成本,使其更有效率的运行更大的和高分辨率模拟(148年]。

很容易考虑不连续的民主党或混合模型。场不连续可能来自实地调查的结果,但了DFN模型是常用的。DFN是一个计算模型,明确表示裂缝网络的几何性质。了DFN模型可以从地质填图,生成随机实现或地质模拟代表不同类型的岩石骨折(109年]。当考虑详细的不连续,需要一个高分辨率的模型。在这种情况下,油田规模模型太大。因此,一个小规模的合成岩体(SRM)模型对感兴趣的站点可以是一个可行的选择(149年]。这个模型使用岩石的保税粒子模型来表示完整的材料和原位smooth-joint接触模型来表示不连续网络,如图15。因此,确定岩体响应行为相结合的完整的材料和不连续(包括完整岩石之间的相互作用和关节)。应力路径在一个特定的网站,可以从现场测量或简单的模拟,可以应用于SRM模型复制所需的工程活动。球形SRM模型可以用于应用复杂的应力路径,包括大小和方向的变化(149年]。这样一个模型的应用显示实际的岩体衰变过程和有良好的协议与观测的碎片大小一块崩落仿真(149年]。因此,如果计算的成本是可以接受的,油田规模模型是更好的选择。Medhurst et al。150年)模拟了使用混合FLAC / PFC模型确立的过程。在FLAC混合模型,模型被用来模拟远场应力、和嵌入式PFC模型被用来模拟的屈服过程煤和直接的屋顶。关节和楔子被认为是根据SRM模型的方法。含有DFN也成功的混合模型,用于模拟块屈服(37,147年]。

6.5。比较分析

与其它方法相比,实地观察无疑是最有效的方法来捕获长壁骨折程度。钻孔观测是一个成熟的方法,被广泛用于获得裂缝岩体中的信息。骨折提供了有用的信息(例如,断裂空间、方向、以及光阑)但难以估算裂缝尺寸和连接。数字钻孔摄像和图像处理方法更容易捕获骨折庞大的图像数据和决定罢工和倾斜。然而,cost-intensive耗时;有时很难获得特定的地点,例如,长壁采空区脸和地板。此外,数字钻孔摄像和钻孔数字光学电视观众并不总是有很高的技术规格(CCD分辨率、空间精度、颜色(比特),等等),因此,骨折可能被忽视,以防当填充材料(岩石碎片矩阵)断裂空间和岩体是相同的颜色151年]。由于它的低成本和简单的可访问性,photogrammetry-based方法是一个潜在的技术来捕捉骨折在岩体表面,例如,长壁的脸和隧道边界。它还可以提供有关断裂尺寸和连接的信息,这通常是在钻孔观测。因此,重点是断裂时的首选方法良好的照明条件下接近边界。地理信息系统(GIS)、DNF和类似的方法可以提供一种方法来推断和数字化断裂网络基于上述数据(109年,152年,153年]。

小规模的实验室实验,强化监测系统可以用来记录岩石样本响应(应力、应变、磁导率、速度变化,等等)受控条件下。一些测量困难或无法执行。使用CT扫描和三维重建技术,产生骨折后可以在特征/测试。然而,很难将实验结果与现场条件下,即使是使用类似的应力路径的实验。这是由于应力旋转和拉伸应力测试仍不能使用,这也会显著影响岩石破碎。此外,小样本不能包含足够的天然弱飞机代表岩体。如果先前存在的弱飞机的数量很少,实验室测试是一个不错的选择对于那些感兴趣的采动裂隙的定性特征。

小规模的测试相比,物理建模可以提供更多的信息,比如床上用品的飞机领域,关节,盾牌的支持,甚至地下蓄水层。许多情况下,证明了其屋顶运动和裂缝发展模式的能力。大型几何模型建议如果需要详细的断裂特征,如裂缝发展前煤炭、支柱、长壁的脸。简单的地质构造(例如,床上用品的飞机,错误,和主要关节)也可以引入到物理模型。摄影测量很容易捕捉到诱导裂缝网络和运动领域。如果水平应力可以被应用到物理模型,然后它可以模拟现场条件以更现实的方式。与二维模型相比,三维物理模型显示更大的对应字段的条件。然而,直到现在,还没有有效的方法来获取模型内的骨折。对于物理建模,最重要的问题是要找到适用的建筑材料,以更好地说明裂缝的发展。

连续体数值方法是一个好的选择建模时采动裂隙由于无法模拟复杂的断裂系统。discontinuum和混合连续/ discontinuum模型是一个更好的选择模拟长壁后退和诱导骨折。元素大小是模拟骨折的关键。然而,耗时的,甚至是不可能建立一个大规模的模型很好的元素。因此,重点可以放在一个相对较小的地区的利益。计算能力和加速技术的快速发展,越来越多的大型地质模型。结构元素也可以引入数值模型和表示如果足够的数据收集的字段和合适的本构模型。因此,discontinuum模型总是不是一个好选择,模拟采动裂隙。然而,找到一种有效的方法,可以确定适当的属性来代表现实的目标(例如,岩体和地质结构)是一个仍然需要解决的问题。

7所示。结束语

一般采用长壁骨折程度后从全球的角度来看,目前的研究作一综述诱导骨折near-face地区,例如,在长壁骨折的脸,煤柱,直接顶和煤炭和地板上。脆性和硬煤层,有两个主要断裂概要:(a)细裂缝长壁平行的脸,这通常与薄层产生拉裂破坏,和(b)分离剪切骨折,间接发展为长壁的脸,可产生剪切滑动与大量失败。软煤层、碎挤压失败通常是观察,表明诱导骨折无处不在。相信煤柱边界平行拉伸断裂频繁发生,而剪切骨折之间的发展核心和拉伸断裂区。因此,细长的柱子沙漏的形状通常是失败的,而渐进的剪切破坏通常是观察蹲支柱。先前存在的弱飞机,周围的岩层和煤层属性以及它们之间的接口在链柱子断裂分布有显著影响。因此,骨折资料链强烈case-dependent支柱,很难得出一般结论;需要更多的实地观察和实验室检测。骨折在屋顶和煤炭采动压力是无处不在的,强烈影响的屋顶。在几乎所有情况下,屋顶或煤破碎成小块长壁后面面对4到20倍的高度提取的煤层的厚度。 Therefore, it is impossible to obtain all the fracture profiles if the site of interest is near the longwall face. In general, vertical fractures play a major role in front of the face, while horizontal fractures are predominant behind the longwall face, where vertical displacement rapidly increases. From the limited field observations and laboratory experiments, fractures in the floor were less developed as those in the coal seam and immediate roofs. Failures rapidly increased near the longwall face and then remained at the same level with increasing distance into the goaf. In the longwall face width direction, fracture zones in the floor reached the maximum level beneath the panel boundaries and slightly decrease in the central part of the panel, but the fracture profiles depended on the incline of the coal seam. In general, there are two different floor fractures: (a) shear failure along bedding planes and (b) subvertical fractures that form parallel to the longwall face. This summary was based on limited field observations because floor fractures have not been studied to the same extent as roof fractures owing to the difficult measurement of operations. More filed observations are needed to verify the current conclusions and obtain general results.

不同的方法,包括实地观察和检测、实验室测试、物理建模和数值模拟,这通常是用来调查导致骨折,被调查。的一些突出问题需要解决在使用这些方法进行了讨论。野外观测是最有效的方法来捕获长壁骨折程度。井眼观察,虽然提高了使用连续的数码相机和图像处理,仍然提供了有限的有用的信息,例如,3 d诱导裂缝的几何图形。利用GIS、DNF和类似的方法,可以推断和数字化断裂网络如果收集足够的数据。小规模的实验室实验,提供准确的裂缝时空分布密集的监控和检测设备,保持一个好的选择对长壁骨折程度进行调查。很难将实验结果与现场条件由于在实验室使用的应力状态不一致。此外,它也不可能考虑自然结构元素在一个小样本,这表明重大影响诱导骨折。物理建模可以引入更多的字段信息;因此,它可以更好的代表现场条件。 The large-scale physical models are recommended if detailed fracture characteristics are needed in a limited scope. The capacity of the physical model could be improved if horizontal stress can be introduced in the 2D models. For the 3D models, mature techniques are required to easily capture the induced fractures inside the model. Construction materials, which determine the capacity of the physical model to simulate fracture development, require more attention. The discontinuum numerical models are a promising method to simulate longwall mining fractures. However, ways to simplify complex realistic conditions and determine the parameters and constitutive models for geomechanical elements have not been fully addressed. With the rapid development of this technology, it is expected to attract increased attention.

描述采动裂缝near-face地区始终是一个具有挑战性的任务,因为在这些地区裂缝大小范围从几米到微米;因此,很难找到一个共同的技术或方法观察和描述这些骨折在如此大的范围。大多数时候,我们识别感兴趣的裂缝尺寸和相关的调查方法根据我们打算研究的问题。作为主要的机制在控制岩体的稳定性并找到可行的解决方案,在所有尺度,围岩的诱导裂缝特点仍将是一个主题感兴趣的在地下长壁开采和方法捕获和描述骨折概要文件将继续发展。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财务基础研究基金支持的中央大学重点学科(2018号qna25)和程序开发江苏高等教育机构(PAPD)。