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张郝Liu聚氨酯,研究羌族Liu一派, ”综合测量地面岩石的变形和破坏:Xinglongzhuang煤矿的一个案例研究”,Geofluids, 卷。2020年, 文章的ID8830217, 14 页面, 2020年。 https://doi.org/10.1155/2020/8830217
综合测量地面岩石的变形和破坏:Xinglongzhuang煤矿的一个案例研究
文摘
孤岛面板10304 Xinglongzhuang煤矿作为研究对象来研究煤层底板的变形和破坏特征。地板的损伤,研究了利用钻孔应变传感方法和钻孔成像技术,和FLAC3D软件被用来研究支承压力的影响在地板上失败。结果表明,地板下的重叠区域横向和先进的支承压力影响受损首先,最大深度达到26米,其他领域的工作面约23米。地板岩石的变形和破坏程度在不同深度却降低了。变形损伤随工作面推进的到一定的距离在同一深度。洞的图像可以清晰地显示前面的支承压力的影响范围的煤壁和影响程度的进步和滞后的应变增量曲线为每个传感器探测和图像从不同的钻孔位置。的基础上模拟和现场测量的结果是一致的,结果能反映整个岛的三维故障特征工作面楼煤矿的过程中更全面、准确;此外,他们也可以为我提供重要信息防洪和生态环境保护。
1。介绍
矿井突水事故不仅破坏地下建筑环境还威胁着煤矿的安全生产,和煤层底板突水是煤矿突水事故的常见类型(1- - - - - -3]。煤层开采时,支承压力转移到深地板的一部分,造成一定范围内变形和损伤地板的底板岩石的4- - - - - -8]。如果地板损坏会发生突水事故区与底层水当有一个含水层底板岩石的地板上。因此,它具有十分重要的意义和实际应用价值掌握煤层地板的失败和变形规律,确定损伤层深度指导煤矿安全生产(9,10]。
近年来,许多学者研究了煤层的破坏特征层,取得了许多研究成果。目前,研究方法对地板的变形和破坏特征可分为三种类型,理论分析和计算方法,室内模拟试验方法,和软件仿真的方法。理论分析和计算方法,Cai et al。11]一个地板的岩体视为半无限均匀介质,根据支承压力的律法,提出了一个分析失败最大挖掘深度的估算公式的地板覆岩的圆拱结构。施等。12]分析了多个层的影响因素失败,和多元线性回归分析方法被用来适应非线性回归公式预测的深度损伤的地板上。刘等人。13),他建立了一个力学模型的故障程度的地板上基于弹性力学理论,利用矩阵分析方法和方差分析,以确定每个主要控制因素的敏感性伤害的深度的地板上。Yu et al。14]分析了地板的深度失败,影响因素,利用BP神经网络建立预测模型的深度层失败。然而,由于地下条件复杂,理论计算结果往往不够精确。
室内模拟试验方法,刘等人与歌et al。15- - - - - -17)执行类似的室内模拟分析失败在采矿过程中变形的地板上。该方法有很高的要求,实验室和广泛使用。软件仿真方法、Cai等人,朱et al。18- - - - - -20.)使用FLAC3D软件模拟软件。这两个数值模拟软件程序是用来模拟开采期间的破坏变形层。然而,地板的变形和破坏特征与许多因素有关,如开采深度、工作面大小、水压力、凝聚力、摩擦角;软件仿真通常不能准确掌握现场实际情况。
与上述方法相比,现场测量方法是最可靠和有效的方法揭示开采层的变形和损坏。地板的损伤深度可以用各种方法来衡量。目前,最常见的方法是钻孔注水法、钻孔声波法、钻孔成像方法,钻孔应变方法(21- - - - - -26]。钻孔注水法和钻孔声波法安排测量分两边的煤巷道和开展对比试验前后的矿业测量分。大多数道路挖掘受损后在正常开采条件,除非特别保障措施。很难进行比较测试原始点(测量分采矿之前),和之前的大部分测点数据挖掘是目前测点附近的(27- - - - - -30.]。因为地板的变形有一定的滞后对进步的工作面,地板的变形可以达到足够的工作面后先进程度。因此,通过这些方法获得的数据的可靠性相对较低。与钻孔应变方法相比,应变仪在不同深度的地板可以持续监测采矿过程中地板的变形。根据测试数据,影响的范围的矿山压力和应力集中在煤壁前可以确定,和探测器的测试数据在不同深度位置可以反映地板的垂直变形的差异,从而确定地板的深度范围内的失败。
因此,研究变形和破坏法律的地板岛面临Xinglongzhuang煤矿和确定地板的深度失败,该测试利用钻孔应变传感方法和钻孔成像技术获取层地层扰动和可靠的数据特点和采矿过程中损伤的深度。本研究煤矿安全开采提供了可靠的依据。
2。工程背景
山东省Xinglongzhuang煤矿位于中国北部。根据我的钻井数据,雷区第四纪地层,侏罗系、二叠系、石炭系,和从上到下奥陶系,其中石炭系二叠纪系统(c p系统)是主要含煤地层。面板10304长壁开采采用放顶煤开采过程的方法。3号煤层开采厚度约8.9米和倾角约8°。水平工作面海拔-550 ~ -380米,地面海拔约47米,工作面长2200米,宽约200米。双方的10304工作面开采出来。3号煤层的直接地板是泥岩,与主层砂岩。有承压含水层的雷区,坐落在3号煤层底板下,28 ~ 46米离3号煤层地板,平均长度为36 m含水层的厚度是5.2米,平均涌水量的容量是0.018 ~ 0.26 L / s·m,和最高的水压力为5.8 MPa。由于含水层的地板接近10304工作面和水压力很大,地板的突水的10304工作面是不容忽视的。图1显示了水文地质和全面的列图3号煤层在雷区。因为岛上工作面支承压力沉重,地板之间的近距离的10304工作面和含水层,和巨大的水压,从地上的10304工作面突水是不容忽视的。
3所示。场应变测量
3.1。应变测试
钻孔应变测试方法就是把应变传感器探头在不同深度的工作面通过钻探和确定地板的影响程度和深度测试的岩层的变形程度测量的位置点的地板在采矿过程中。这种类型的探测器(31日]对围岩的变形很敏感,和围岩的变形程度可以通过探针测试数据可视化。当工作面远离探针位置,探测器的测试数据是相对稳定的,矿业没有达到测点的压力。当采矿压力应用于测量分,探针测试数据将改变同步程度的影响。
图2显示压力探头的内部结构。每个压力探针有两个轴向应变点和两个径向应变点。调查的外墙是由高弹塑性材料,压力均匀,高弹性的敏感性,具有良好的灵敏度,损伤和变形。应该注意的是,当测试孔严重变形,这将导致调查的外墙严重扭曲或损坏,测试数据可能出现高分散、无序波动,甚至失败(应变仪没有阅读)。因此,上述变态也可以反映地板层的破坏形态。
3.2。井眼成像方法
井眼成像观察是一种测试技术,允许岩层的可视化。在地板上钻孔,滑动杆连接到成像探测器和岩层结构图像的钻孔孔壁工作面通过拉伸和滑动杆缩回。矿业的影响的程度在不同深度下的岩层层是由观察钻孔壁的岩石结构变化的过程中挖掘。
3.3。测点布置
根据10304年的实际和试验条件面板中,观察孔排列在道路的面板。巷道所处的海拔高度是-449米,垂直高度的距离3号煤层41米,三个测量排列,应变试验洞洞1和2。洞3是成像观测孔,如图3。
考虑到含水层的位置在10304年的下部面板和指地板的现有经验数据破坏深度(32,33),测试范围的破坏和变形控制开采层的深度约30米距离底层的煤层。的钻孔布置示意图和地板岩层如下图所示。
如图4,1号和2号应变测量钻孔与5应变传感器探头设置。自顶向下的测量分1号测试孔1 - 1、1 - 2、1 - 3、1 - 4、1 - 5。煤层的垂直高度测量分楼5.4米,12.6米,17.3米,24.1米,29.8米,分别。自顶向下的测量分2号测试孔2 - 1,2 - 2、2 - 3、2 - 4、2 - 5。煤层的垂直高度测量分楼6.2米,13.8米,20.1米,25.3米,30.2米,分别。
根据工作面采矿和地质条件,没有错误或其他特殊结构应变试验洞和成像观察孔。因此,成像观测孔的设计参数和应变测试孔是相同的,和钻井参数如表所示1。
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3.4。观察的方法
考虑到小组10304年完全机械化崩落开采厚煤层和工作面是孤岛工作面,开采应力集中,影响范围宽(34,35]。应变测试范围是设计为230,其中先进的范围是150米。落后的范围是80,我的压力感应和测点的变形恢复过程中测试。观测频率,测量端面之间的距离时启动,测试井150米。当端面之间的距离和测试孔150 ~ 90米,一组数据测量每20 m工作面推进的。当端面之间的距离和测试孔90 ~ 60米,一组数据测量每15 m工作面推进的。当端面之间的距离和测试孔-40 ~ 60米(“-”代表推进过去测点),一组数据测量每10 m工作面推进的。当端面之间的距离和测试孔-80 ~ -40米,一组数据测量每20 m工作面推进的。为了避免异常情况在测试期间,三组数据对每个观察测量。每组数据之间的时间间隔大约是30分钟,和平均值作为相应的观测结果。
4所示。野外观察的结果分析
4.1。应变观测的分析结果
摘要应变测量的应变传感器,每个有四个应变仪标记为a, b, c和d。其中,a和b仪表测量轴向应变,而指标c和d测量径向应变。然而,在实际测量的过程中,异常点的应变响应(对应于大型组件)可能会出现,这是造成的严重变形、断裂,或岩石孔壁的爆发,从而导致严重损坏的传感器;因此,这些异常点应该被删除36]。数据5和6描述上述四个传感器的应变增量两个钻孔位置标记为1和2号。
(一)轴向应变测量通过测量
(b)轴向应变计衡量b
(c)径向应变计衡量c
计d (d)径向应变测量
(一)轴向应变测量通过测量
(b)轴向应变计衡量b
(c)径向应变计衡量c
计d (d)径向应变测量
在数据5和6,可以看出,所有的测量分显示明显的进步和延迟引起的感应在开采过程中地层的行为。例如,当脸和测量孔之间的距离大约是100米,明显的应变测量分先后出现,它仍然存在与发展超过80,这表明地板的大范围受到采矿活动的影响。
此外,测量不同深度点的应变响应范围是不同的。在图51-1-1-5测量的应变传感范围点描述100 ~ -80 m, 80 ~ -80, 60 ~ -80米,50 ~ -80米,50 ~ -80米。和2号井的结果(图所示6)类似于1号测量孔,表明影响范围是受开采影响逐渐从浅到深。
与测量与浅点的位置数据5和6,这些深的应变增量和应变波动振幅测量分(1 - 4、1 - 5、2 - 4、2 - 5)相对较小,表明采矿扰动围岩的深度测量分主要是弹性波和岩石没有大的塑性变形。考虑到测量分1 - 4和2 - 4的埋深是24 ~ 25米的煤炭地板,弹性应变响应的特征很明显,这是鲜明的对比与上覆测量应变异常点。因此,测量点和下面的位置不被挖掘的压力,所以它可以确定地板上失败的深度大约是24 m在采矿过程中面板10304。
测量应变响应的点,所有计量点的应变响应显示一个明显的轴向应变和疲软的径向压力。由于测试孔是安排在一个大仰角,传感器的轴向方向类似于岩层的法线方向,和压力的径向分量很小,导致弱毒株。这表明传感器的力量主要是由于轴向压缩和轴向扩展,径向力弱,和相应的地板的变形类似于压缩或张力接近正常的岩层的方向。
4.2。成像观测结果
获得必要的对比基础上,观察是当面对之间的距离和成像观测孔150,38米,-16米,-60米,四组的视频数据在不同阶段的成像观测孔。由于本文的有限的空间里,只有三个观察结果,10 - 11米,- m, 26米(数字7- - - - - -9从地板的垂直深度)。这些结果显示的变形和破坏采矿过程中井壁。
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
从数据很明显7- - - - - -9随着工作面推进的,墙上的洞10 ~ 11米从地板上经历了四个阶段:完成、裂缝发展、局部破坏,和全球毁灭。这些阶段反映的渐进破坏过程在较浅的深度墙上的洞。有局部变形破坏墙的洞的深度(图22 ~ 23米8),26 ~ 27米深度的地板上。没有明显的扰动变形痕迹,这表明岩体的变形和破坏的程度在不同深度的进步工作面随深度增大而减小。
根据观察结果,发现洞的围岩的变形程度实质上是改变在地板上23米,深度,从上面的应变测试结果并没有太大的区别。基于应变测试结果之间的相关分析和井眼成像的深度开采扰动的面板10304可以确定约23米。其中,岩层在0 ~ 23 m在地板的垂直深度被开采,破坏主要是由于塑性变形,塑性位移的范围很大。失败区下面的岩层受开采影响,这主要是由于弹性形变,它有一个良好的承载能力和强大的不渗透性基于完整结构的结果。
5。数值模拟层岩石的失败的特征
为了解释10304年面板层岩石的失效规律,应用FLAC3D数值模拟软件是用来模拟塑性区发展的地板上。的模型 根据实际情况,建立如图10。双方的工作面采空区,和方向先进的方向。监控飞机位置的安排 。针对摩尔-库仑失败准则莫尔-库仑本构模型,用于计算开采煤层地板的故障特征。每一层的地质参数如表所示2。
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图11显示了一个平面的塑性区发展 和地板岩石中描述的支承压力分布监测飞机当岛上的脸进步到米,50米,70米,90米,110米和150米。如果是监视飞机和工作面之间的距离,然后呢可以被看作是90米,50米、30米、10米,-10米,-50米,分别。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
如图(11日),监控飞机并未受到采矿活动当工作面推进10米( );只有受到侧向支承压力的影响。的一小部分煤层地板有塑料失败横向应力的峰值下,和失败的深度只有4米。与工作面连续推进,地上石头标记为区域首先摧毁的叠加影响下,支承压力和侧向支承压力、最大破坏深度是22米 。然而,地上石头标记为区域B不是摧毁。与工作面逐渐接近监视飞机,推进层岩石应力的影响大,地区B开始可塑性失败。当 ,地板的最大破坏深度岩石是26米的区域,而区域B是14 m;支承压力迅速降低,地上约10304采空区岩石变化从三轴到双轴,导致岩石塑性区B未能迅速发展。然后,岩石破裂面积不变时的深度 ,和平均故障区域B上升到22米的深度。自那时以来,采矿活动几乎没有影响的深度和范围地板上监视飞机上失败。
通过上述分析,地板的岩石岛工作面大致可以分为面积A和B,根据发展特点和失败的塑性区深度的地板上。地板在采矿过程中,岩石的地区首先摧毁了叠加效果的提前支承压力和侧向支承压力,这是比区域B的塑料失败采空区地板呈现倒置的马鞍形状,和区域的最大岩石破裂深度是26米,B是22米的区域。数值模拟结果与测量结果基本上是一致的,表明数值模拟结果可靠;同时,现场测量范围的限制是由数值模拟的方法。因此,结合数值模拟方法和现场测量可以更全面、准确地反映3 d的故障特征的地板整个岛工作面采矿活动影响。
6。结论
使用应变传感方法和钻孔成像技术观察和分析失败的地板在采矿过程中变形的规律面板10304 Xinglongzhuang煤矿,可以得出以下结论:(1)根据压力测试结果之间的相关分析和钻孔图像,它可以确定地板的深度伤害大约23 m在10304年进步的面板。测试结果可以提供一个可靠依据其他工作面临的安全开采的上部含水层Xinglongzhuang煤矿(2)岩体的变形和破坏的程度在不同深度的地板在工作面推进随深度增大而减小。变形损伤随工作面推进,直到达到一定的距离在同一深度(3)通过每个传感器探头的应变增量和钻孔图像在不同的位置,超前支承压力的影响范围在煤壁和前进步和滞后的影响程度可以反映。综合测量方法的成功应用提供了一个新的想法研究矿山压力的影响范围和影响程度的进步和滞后(4)数值模拟结果表明,地板上岩石的地区首先摧毁首先由于叠加的影响提前支承压力和侧向支承压力,这是比区域B的塑料失败采空区地板呈现倒置的马鞍形状,和区域的最大岩石破裂深度是26米,B是22米的区域。失败的形状和深度与实地测量的结果相一致(5)根据地板的故障特征的仿真结果与现场测量结果一致,数值模拟方法和现场测量的结合可以更全面、准确地反映3 d的故障特征的地板整个岛工作面在开采过程中
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由中国国家自然科学基金(51804182),教育部第二批合作教育项目(排名201902153001)2019年,山东省自然科学基金(没有。ZR2019BEE065),山东省的关键R & D计划(2019号sdzy034-1),和支持优秀青年创新团队计划在山东高校(2019号kjg007)。
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