研究机制和控制在复杂条件下的煤柱岩爆

文摘

为了探索煤柱岩爆的机制在身体上覆煤地区,采取W1123 Kuangou煤矿工作面为工程背景,充分挖掘W1123阶段由FLAC模拟^{3 d}。发现高应力集中区域出现两边的煤柱当W1123不开始挖掘。随着工作面推进的,高应力集中区域x形重叠形式。之间有一个明显的不同应力状态下的煤柱下固体煤和煤柱采空区W1123。具体表现是,煤柱垂直应力低于固体煤大于采空区下的煤柱垂直应力。的位置明显增加压力的煤柱下方的固体煤是推进工作面位置之前,和明显的位置增加压力的降低采空区煤柱的滞后于推进工作面位置。同时,为了准确反映真正的煤柱的应力环境,作者进行了物理相似模拟实验在实验室里研究当地W1123工作面开采过程,并发现极厚而硬条件下的屋顶,屋顶将形成的采空区,屋顶铰链雕刻家的力学模型建立和分析,结果表明,屋顶结构的水平推力随旋转角度的增加。随着采矿活动的发展,自平衡状态的煤柱高应力平衡很容易被形成的冲击能量的突然崩溃关键层。因此,上覆煤体内煤柱岩爆的面积是静态载荷和动态载荷的结果。针对Kuangou煤矿的实际情况,提出了岩爆的治疗措施从身体的角度煤岩体。

1。介绍

岩爆是一种常见现象的岩石动态失败煤矿的过程中,它的特点是岩体大变形,扔掉石头块,产生大的声音,排出气体,等等(1,2]。岩爆等通过各种方法研究岩石力学实验,数值计算和理论分析。人们普遍认为,造成岩石破裂的原因是大量的积累岩体的弹性能量,当弹性能量的积累达到岩体的负载极限时,它会立即释放弹性能量(3- - - - - -9]。

岩爆的生成机制。赖昌星等人指出,急倾斜岩爆的发生是由于煤层之间的岩石支柱的窥探效果后,进入深度与矿业(10,11]。锅等人提出了岩爆发生的内在因素,创业是静载荷的过度积累矿山岩石的近场系统;岩爆的可能领域创业的最大峰值区域的应力极限平衡区(12]。锣等人改进了岩爆的预测精度通过适应性网格方法和被动地震断层扫描(13]。朱等人调查的影响,过分强调国家在地下煤炭开采岩爆,发现三轴加载相比,煤炭样本更容易变形,使故障下三轴卸载(14]。为戴et al ., 36的岩石物理力学参数收集近水平煤层构造和煤柱宽度的预测模型(15,16]。

国内外学者研究了岩爆的岩爆机制的相对独立的方面,卸载和预防技术。然而,应力分布的差异在身体上覆煤很少被考虑。

本文认为由于突然变薄煤层W1145 Kuangou煤矿工作面,是不可能使用现有设备,采矿,所以大量的煤的身体离开,已影响到下面的矿业的W1143工作面采空区W1145。尽管岩爆引起的动态和静态绑定装载机制,使用数值模拟方法研究煤柱的内部应力分布特征在不同环境中面积和上覆采空区上覆煤的身体。屋顶的力学模型建立和分析,结果表明,屋顶的水平推力结构旋转角度的增加而增加。煤岩体的工程处理从两个方面进行的结构和能量。治疗效果是评价微震的监控;微震的数据表明,爆破和大口径钻孔可以有效地减少累积的岩石的弹性性质,提供保障人员和财产的安全。

2。工程概况

2.1。地质W1123工作面

Kuangou矿山公司是最早的管辖。行政部门管辖Queergou镇呼县,县、新疆。煤矿位于沙湾County-Manas County-Hutubi县地震带。

煤矿主要煤层开采。B4-1和煤层。B2轻轻倾斜煤层。煤层的平均厚度。B4-1 3 m,两个工作面临着被安排在W1143 W1145, W1143面临的总长度是164米,W1145面临的总长度是175米。B2煤层的平均厚度为9.5米,和两个工作面临W1121 W1123,分别。

W1121的总长度是149米,W1123的总长度是192米。平均煤层之间的垂直距离。B4-1和煤层。B2约为427.9 m,基岩的厚度是421 m,松散土壤的厚度是15.9米,埋深约427.9米。15.9米厚的粗粒度砂岩在21.9米以上B4-l煤层是主要的关键层上覆岩层,和14米厚的粗粒度砂岩在21.8米以上煤层。B2是注册表子项层的上覆岩层和矿井煤层属于组深埋在近距离煤层。采用长壁综采放顶煤开采过程。

由于突然变薄煤层。B4-1机械化采煤不能持续,所以剩下的煤层尚未开采。罢工W1145长度约480米,W1123约1000。将会有两个阶段W1123工作面开采期间。初W1123,明挖下煤层变薄区no.4-1;矿业约400米后,工作面采空区下将W1145。Kuangou煤矿的结构图如图1。

2.2。微震的分布特点

微地震监测技术,基于声发射和地震学,已经发展成为一种新型的高科技监控技术。地球物理技术监控影响,效果,通过观察和分析地下状态的生产活动小地震在生产活动。地下岩石破坏和移动时由于人为或自然因素,疲软的地震波传播。安排几组的地震检波器在断裂带的空间和收集微震的实时数据,数据处理后,利用振动原理的位置,断裂的位置可以确定并显示在一个三维空间。

岩爆事件发生前的60米工作面开采期间的W1123 3月7日,2018年。在工作面开采,煤矿使用微震监测系统监测和定位的微震事件和能量工作的脸。通过分析微震的记录,能量值 J,具体位置是在煤柱的headgate(图2)。图中不同颜色的点表示微震事件的能量大小和位置。

高能事件发生时,伴随着一声巨响,导致净口袋肩窝在较低的部分的主要沿着headgate工作面50 - 55米,和二级小能量事件发生时经常发生后的高能事件。

我们分析微震事件和能量收集的设备的工作面3月7日之前,提取它们,如图3。岩爆发生前,微震事件的数量和总能量继续波动,但前三天震惊事件的发生,微震事件的能量和数量开始显著增加。

3所示。应力场演变规律,在矿业发展

3.1。数值模拟模型

通过现场调查和分析,数值模拟模型建立了W1123根据地质柱状图和岩层的厚度和倾角Kuangou煤矿。模型的大小是 ( ),并且每个巷道大小 米( )图4显示FLAC建立的三维模型^{3 d}数值模拟软件。

针对摩尔-库仑元素,建立的数值模拟模型和引力是设定在9.8 m / s²。水平位移约束对两岸的模型中,水平方向的位移是有限的,竖直方向并不是有限的。根据岩石应力测量的结果,如表所示1后角转换,应用垂直载荷为6.59 MPa的模型,应用水平载荷为11.91 MPa的前后边界模型,应用水平载荷为9.92 MPa的左和右边界模型,和煤岩的力学参数质量展示在表2。

3.2。煤柱的应力分布特点

图5(一个)分布的垂直压力的渗透headgate之后,后挡板,削减和open-off W1123表明,高应力集中的区域已被证明在煤柱的开采W1123尚未开始,和压力W1123低于采空区的范围明显小于低于固体煤。然而,有明显的分区特征在煤柱高应力区域:应力集中区域广泛分布在一侧的采空区煤柱和分布形状的点的W1123的采空区。因为存在的固体煤在上层,压力没有释放,和W1123工作面推进,采空区的范围逐渐扩大,和垂直应力主要是由煤柱采空区煤矸石和承担。

当模型被用来模拟采矿、煤柱高应力区域内分布的边缘煤柱,和高应力区域逐渐向中间移动煤柱的开采工作仍在继续。当模型挖掘达到80 m,高应力区煤柱两侧的x形叠加产生中间的煤柱(图5 (b))。当高应力区域重叠,煤柱应力场的三维空间分布如图6。

我们可以认知的特点,分区内煤柱更形象:(1)煤柱基本上是分为两个区域。第一个区域有更高的整体压力低于上层固体煤。降低总体压力在第二区域低于上层的采空区。(2)煤柱的应力增加逐渐从外到内,最后到达峰值的W1123煤柱的中间。

3.3。空间演化规律煤柱的应力场

数值模拟的峰值应力和峰值应力增量煤柱开采过程中的图所示7。通过比较压力峰值和峰值应力增量的煤柱不同开采下进展,发现(1)采矿过程中W1123,煤柱的峰值应力从28.1094 MPa提高到55.1590 MPa;增长率是96.2%。峰值应力增长的过程可以分为三个阶段:稳定的区域,区域,和缓慢增加。(2)峰值应力增量曲线是稳定W1123起初在采矿过程中,但却增加了突然当模型挖掘约80米,和煤柱高应力区域两边的叠加。(3)的峰值应力增量的剧烈波动范围80到150米,这反映了煤柱显然是受到非线性负荷在这个阶段,煤柱的应力变化明显,容易诱发岩爆。

3.4。煤柱应力的变化在不同的位置

七个监视点排列在煤柱的内部,这是位于10米,70米,130米,190米,250米,310米,210和370,分别是直接低于上层之间的界面固体煤和采空区。这七个点的应力数据在整个开采过程中提取。煤柱的应力曲线在不同位置如图所示7。

通过比较不同位置的应力曲线的煤柱(图8),发现有一个明显的区别下煤柱的应力下固体煤和采空区:(1)的位置明显增加压力的煤柱下方的固体煤工作面推进位置之前,也就是说,当工作面不开采到当前区域,煤柱的应力在这个领域已经开始增加。(2)的位置明显提高煤柱应力的降低采空区的一部分落后于工作面推进的位置,也就是说,煤柱应力显然在这方面开始增加结束后的当前矿区工作面。

4所示。相似材料模型试验的设计

相关结果表明,相似材料模拟实验可以繁殖的结构在采矿过程中工作面(17,18]。为了进一步探索岩爆机制下重复开采缓倾斜厚煤层,屋顶铰链结构受到反复挖掘是通过相似材料模拟实验研究。

4.1。确定模型框架和相似系数

模型试验框架需要足够强大和有一定的宽度,以确保模型的稳定性。大量的研究人员探索之间的关系比模拟材料和真正的岩层的强度。实验模型将完全根据现场Kuangou煤矿的地质条件和采矿工作面情况。

在这个实验中,模型将由使用的实验框架 ,和W1123及其上覆地层模拟用砂作为骨料和大型白色粉末和石膏粉作为胶结材料。岩层强度的模拟领域是通过调整的比例不同的原材料。结合单方面的边界条件,然后几何相似常数如下:

根据选择的属性模拟材料和材料的比例,容重相似常数如下:

根据相似原理和量纲分析,几何相似常数 ,压力的恒定的相似性 ,压力的恒定的相似性 ,和相似的时间常数 ,在特定的关系应该满足。

然后,应力相似常数 ,和相似的时间常数 。

4.2。比和类似的材料

通过分析岩石力学实验数据的提供的煤矿、聚合和胶结材料的比例是确定和模型。

具体比例模型的材料如表所示3,总比:石灰:大型白色粉末给出了实验值。

4.3。结构分析

相似材料模拟实验的结果表明,因为B2煤层的屋顶是由一层极厚而坚硬的细砂岩;因此,在采空区,它不能完全打破了在重力的作用下与其他屋顶,但形成一定程度的完整性。因为煤柱附近的街区没有足够的空间崩溃,一种屋顶铰链结构形成如图9和10。

屋顶铰链结构如图11,在那里 , 是岩石之间的角块和水平方向,然后呢是岩石的旋转角块。岩石的块的几何关系的过程中旋转如图12。

此外,当挤压压力线性分布沿界面,合力行动点的位置 (19]。厚度和重量远小于岩体的上覆地层的厚度和重量,因此,在计算的过程中,旋转块岩石本身的重量被忽略和旋转岩石的块的长度小得多比上覆地层;旋转块岩石上面的负载是简化为均匀分布负载,受力分析如图13。从受力分析,下面是获得。

机械状态,

几何条件,

根据方程(4)- (9),

派生的 ,

在屋顶的过程中旋转 ,所以 ( ), 是一个单调递增函数呢在旋转的过程中。

W1121的开挖结束后,屋顶铰链结构出现(图只有一侧的支柱(14日))。部分上覆地层的重量是由单方面承担屋顶W1121铰链结构形成的采空区。因此,屋顶上必然会产生单向应力集中。和屋顶铰链结构是一种过渡状态,随着时间的流逝,采空区逐渐压实的负载下覆层,和在这个时候形成的自由空间将使屋顶铰链结构沿着铰链点旋转。旋转的过程必然会挤压煤柱上的屋顶,这加剧了单方面的应力集中程度。此外,B2煤层的煤质是困难的,和B2的屋顶煤层倾向也有影响。因此,大量的弹性属性可以存储在煤柱,它提供了一个能量存储基础岩爆的发生,和动力灾害的可能性和风险明显增加。

W1123的开挖结束后,屋顶铰链结构出现在双方的煤柱(图14 (b))。此时,煤柱影响双边屋顶铰接结构,将不可避免地产生双边应力集中,平均B2煤层的倾角是14°。W1123边结构的影响的内部结构的屋顶大于W1121边结构。

5。分析动态载荷的来源

基于上述分析,煤柱内部的弹性性能积累了很大程度上的影响下身体和屋顶上覆煤采空区铰接结构,如果是受冲击载荷的影响,煤柱的瞬时存储能量和屋顶可能超过限制的存储和释放的能量在短时间内,导致岩石破裂。

5.1。动态加载关键层

通过上面的分析,关键层结构中形成的不稳定煤层开采引起的上覆岩层破坏岩石的动态原因破裂。有一个关键层的厚度14米W1123工作面。当关键层结构破坏,它将坍塌地层在重力的作用下,产生弹性波在同一时间。当煤柱弹性波穿过已达到临界状态,煤柱将立即释放大量的能量和反映岩爆的形式。

5.2。动态负载周期性的压力

的数据在W1123工作面液压支架传感器,31天前和后8天事件的影响,支持压力分布如图15。

从图中可以看到,有一个小周期性加权W1123工作面在2月17日。这段时间2月18日结束,持续了三天。期间再次出现在3月5日和3月9日结束总共五天。第二个时期是更广泛的规模,和力量大于前一个。和影响事件发生时期的大规模在工作面中的权重,所以的周期性加权W1123工作面也影响事件的原因之一。

5.3。动态加载的地震

Kuangou煤矿位于沙湾County-Manas County-Hutubi县地震地带,那里有频繁的地震;这个地区是地震多发区域。因此,地震引起的弹性波可以动态加载应用于工作面可能触发岩爆发生,但地震没有发生在3月7日,所以地震与3月7日煤柱岩爆的发生,但足够的要注意。因为高度的地震活动的不可预测性,岩爆的预防和控制措施必须包括在日常工作中。

6。煤层卸压措施

6.1。岩体工程

煤层的屋顶是一个最重要的因素影响岩爆的发生。

屋顶爆破破屋顶,降低其强度,由于压力释放的能量聚集,减少振动对煤层的影响和支持。岩体工程分为两个部分,即屋顶提前预裂和结束的结束提前预裂。

但是。爆破参数的计算

的平均开采高度W1123工作面是11米,冒顶,厚度和岩石膨胀系数是1.4。为了确保屋顶可以完全填充采空区塌陷,下面的公式是有效的(20.]:

计算后, 。

根据Kuangou煤矿的地质条件,上层33 m B2煤层的B3煤层。根据屋顶治疗高度的计算,为了留下一定的过剩系数,这是初步确定的屋顶岩石治疗范围W1123工作面沿垂直高度的工作面从屋顶上27米。

因为有一定差距降低27 m崩溃,崩溃造成的压力自然剩下的6米的岩石将有效地降解,不会产生强烈影响的风险。

屋顶是削弱了深孔爆破,孔的直径通常是70毫米~ 100毫米。当炮眼直径小,电荷是更加困难,爆破影响范围炮眼爆破直径成正比。炮眼直径时的爆破效果差很小,但当炮眼直径太大,很难密封泥浆,这将影响爆破效果。因此,屋顶的垂直直径炮眼削弱了深孔爆破不能太大或太小。根据其他工作面临着矿业的经验,确定了炮眼直径94毫米。

炸药爆炸后,破碎区,裂纹区,和振动区形成从源向外爆炸。

通过计算爆破产生的裂纹区域的范围,可以确定合理的井距。

由于爆破进行了没有自由表面,裂纹区域的范围卸压爆破的计算根据爆炸应力波在非耦合的情况下。

在非耦合的爆破,径向应力峰值的作用于孔壁,即初始冲击压力可以表示为(21,22]: 在哪里是炸药密度, 公斤/米³;是爆炸速度,4400 m / s;是爆炸性的直径,以90毫米;钻孔直径,以94毫米;和压力增加多个爆炸性气体碰撞引起的岩石,12。后计算是29411 MPa。

裂纹半径可以表示为(23,24] 在哪里是岩石的泊松比,0.2;抗拉强度,在7.48 MPa;是衰减指数1.5;和爆破孔半径;47毫米。计算后,是9081毫米。

根据屋顶的上述力学参数和性能参数。3乳胶炸药,计算结果表明,裂纹区域的直径大于9000毫米。

因此,确保足够的安全条件下,工作面的屋顶是precracked同时,屋顶上不能有应力集中,因此爆破孔间距设置为10000毫米。

在圆柱爆破,煤岩体爆炸阻力的增加与炮眼深度的增加,和炸药的爆破能力与堵孔的长度和煤岩体的抗爆炸。

如果堵塞长度太短和爆炸性能降低,把漏斗将影响爆破效果的爆炸,尤其是沟的稳定性和支持将被摧毁。

如果堵塞长度大于其临界长度,煤和岩石的爆破能力小于antiexplosion能力,和煤岩体的堵塞部分不能形成裂缝在爆炸,也影响爆破效果。

因此,一个合理堵塞长度不仅要确保在堵塞部分煤岩体松动预裂但也不能产生一个漏斗在同一时间。

根据概况,深孔爆破的堵塞长度应该井深的25% - -30%,但考虑到爆破点接近煤层的屋顶,很容易造成屋面渗漏的架子上。根据经验,爆破点应控制以上4 m煤层的屋顶。由于有限的空间里,其余的计划也是根据这个计算方法;它不会被重复。

6.1.2。顶板预裂

建筑始于从工作面距离30米,每10米一群孔成排列垂直于道路的中心线。炮眼的布局图所示16。爆破孔钻和填充爆炸的参数如表所示4。

6.1.3。结束预裂

为了防止极厚而硬顶形成煤柱两侧的铰链结构,有必要对爆破煤柱的屋顶。爆破孔离workingface最后20米。每组有三个钻孔headgate,震源深度30米和5米的一步,每组和两个钻孔的后挡板,震源深度30米和5米的一步。炮眼的布局图所示17。爆破孔钻和填充爆炸的参数如表所示5。

6.2。煤炭主体工程

6.2.1。煤层深孔爆破

技术道路不仅是用来处理屋顶还煤层深孔爆破预裂了煤。孔间距5米,洞直径是94毫米。炮眼的布局图所示18。爆破孔钻和填充爆炸的参数如表所示6。

6.2.2。大直径钻孔

建设大直径卸压钻孔煤体内可以释放煤体内积累的弹性性质和消除压力积累。在冲击危险区域,顶板岩层的应力值作用于煤的身体达到临界应力状态的煤的身体。当钻孔挤压变形,煤体的应力释放和减少到一个新的能量平衡在变形的过程中,从而达到极限应力下的煤的身体,避免影响岩爆的发生。

钻头的直径是153毫米,钻井深度为90米,孔距是8米。沿煤层卸压钻孔构造。

6.3。验证的减压措施

以微震监测设备采集的数据为一个例子。分析事件的数量和能量收集的微震的设备的工作面之前和之后的治疗措施和提取的实现如图19。

在岩石破裂前的那天,微地震的总能量大大增加,表明弹性性能的工作面是收集和最后到达累积限制在3月7日,导致影响事件的发生。上述爆破卸压措施后,在工作面微地震事件的总能量大大降低3月8日,低于在其他正常生产开采期。因此,可以认为弹性集聚程度的爆破W1123工作面已大大减少,和卸压方案是有效的。

7所示。岩爆控制方法和策略

根据上面的分析中,两个方面影响煤柱的内部压力。一方面,煤柱携带上述地层的静载荷;另一方面,工作面开采引起的动载荷。动态负荷引起的突然崩溃的关键层在达到极限跨度的增加开采空间岩石破裂的主要原因。煤柱仍然可以保持自己的稳定状态的影响下开采,但它是接近平衡限制。在这个时候,如果能量产生的关键层的结构不稳定将导致平衡限制失败,很可能导致岩石破裂。因此,岩爆的预防和控制方法在W1123工作面应考虑从以下两个方面,如图20.。(我)岩体工程:屋顶的提前预裂会削弱造成的冲击载荷关键层的破坏,因为屋顶将发挥轴承作用在上覆地层和屋顶的治疗时间会消散积极屋顶上方的弹性能量积累下人工干预。避免大量的弹性力量的突然释放。预裂缝的结束实际上是一个方法减少屋顶,即允许屋顶坍塌的屋顶设计的位置,以避免形成铰接结构形式在煤柱高应力区域(2)煤的煤炭主体工程:爆破的身体不仅能提高放顶煤开采过程的资源回收率也导致许多裂缝在煤体内,和大直径钻孔煤体内会导致自由空间。指导煤的应力释放身体,以上两项措施积极煤体内释放弹性能量,以避免弹性能量的积累

效果检测方法,微地震监测系统,声发射监测系统,和电磁排放监测系统可以处理振动信号、声音信号,电磁辐射信号来反映程度的变形,断裂,在煤岩体能量释放(25- - - - - -30.]。钻孔电视系统可以直接反映屋顶后切割和预裂爆破的影响(31日,32]。通过这些方法,评估治疗的效果,后期的治疗措施的参数提供。

8。结论

(1)数值模拟表明,高应力集中区域出现两边的煤柱当W1123工作面不开始挖掘。随着工作面推进的,高应力集中区域形成了一个x形重叠。的位置明显增加压力的煤柱下方的固体煤是推进工作面位置之前,和明显的位置增加压力的降低采空区煤柱的滞后于推进工作面位置(2)相似材料模拟实验的结果表明,很容易形成屋顶铰链结构条件下的超厚和硬顶,和结构的存在,极大地提高了煤柱内部的应力值(3)W1123工作面支柱岩爆是静态载荷和动态载荷共同作用的结果,但导致岩爆的保险丝是能量释放由关键层的破坏造成的。能量释放的关键层破坏煤柱应力平衡限制在岩爆的发生和结果(4)考虑诱导岩爆的各种因素,诱导岩爆的来源将处理积累的弹性性质的地层,以避免和处理煤层顶板岩层的避免煤层的弹性性质的积累。治疗措施的效果评估,治疗措施调整的参数利用微地震监测、声发射监测,和其他设备,形成一个反馈监管模式

数据可用性

测试数据用于支持本研究的结果包括在本文中。读者可以获得数据支持研究结果从测试数据表。

信息披露

我想声明代表我的合著者描述的工作是原始研究没有发表之前,而不是在考虑发表在其他地方,在全部或部分。

的利益冲突

无利益冲突出口提交的手稿

作者的贡献

批准所有作者出版的手稿。列出的所有作者已经批准了手稿,是封闭的。

确认

支持的研究陕西省的关键研究和发展项目(2018 zdxm - sf - 018),中国国家自然科学基金(51904227)、陕西省自然科学基金(2018号jq5194)、中国博士后科学基金会(2017号m623328xb),陕西省重点科技创新团队项目2018号(td - 038),湖南工程研究中心的放射性控制技术在铀采矿和冶金和湖南省工程技术研究中心的铀尾矿处理技术(2018号ykzx2001)和开放项目合作创新中心的核燃料循环技术和设备,南华大学(2019号kfy25)。从这些机构支持。

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