地板上的数值模拟和预测模型研究采矿失败Chenghe矿区的深度

文摘

奥陶系灰岩水在地板上是严重威胁煤矿安全生产的Weibei煤田,失败和预测的深度是评估的关键在压力下开采条件。本文结合的水文地质条件。5煤层和地板使用FLAC3D软件程序来确定深度下的双重失败(开采深度和宽度)和多因素(开采深度、宽度、高度)条件通过数值计算和分析。我们得到拟合公式地上失败深度和分析各种因素的影响。结果表明,当开采宽度不超过200米,开采宽度在地板上影响最大的失败深度,其次是开采深度和开采高度。摘要工作面地板失败深度测量值18平缝在中国作为样本进行比较,通过经验公式计算值和拟合公式和最大和最小绝对误差和相对误差进行了分析。本文中提供的非线性拟合回归公式发现提供强有力的预测价值,精度高,误差范围相对较小。模型的可靠性和合理性进一步验证,从而为未来的采矿作业提供参考安全含水层水压条件下Weibei煤田。

1。介绍

矿产资源逐渐枯竭的浅煤层在中国,开采深度逐渐增加。煤矿水害是最深矿山所面临的一个问题在中国,他们严重限制煤矿的安全、高效生产。由于在中国复杂的地质结构,从煤层底板突水是经常隐藏和突然。据不完全统计,自1955年以来,已经有超过2000层突水事故在中国,包括220多个淹井,导致超过8000的伤亡和经济损失数千亿元1]。

两种方法主要是用来避免从煤层底板突水。第一个方法是减压释放大量的承压水含水层。然而,这个方法会导致污染和周边地区地下水资源的浪费。所生成的另一种方法充分利用地面不透水层防止承压水冲进工作面和采空区(2]。当煤层开采的支承压力超过地上岩体的强度极限,地板会产生故障区具有一定深度(3,4),减少了有效的不透水层的厚度和突水风险的增加。因此,确定地面故障范围是防治矿井水灾害的关键。

近年来,随着仿真技术的发展,许多学者进行了模拟研究在地板上失败。例如,孟et al。5)工作面为研究对象,进行数值模拟的地面倾斜煤层与应用FLAC3D软件的失败。他们发现整形失败的范围是一致的是否沿倾斜方向或沿走向方向。朱et al。6]了煤矿为例,研究了应变的变化规律工作面先进和地板的分布特征在不同深度塑性区通过数值模拟和实验。刘等人。7]使用应用FLAC3D数值模拟软件,发现地板上塑料失败深度增加到一定值与煤层倾角增加,然后降低。此外,许多学者测量地面深度煤矿面临失败,由水害问题在中国。例如,李和白8)把F6106内蒙古Buliangou煤矿工作面试验场地和分析了煤层地板矿业法律使用煤矿地面注水测试失败,岩石应变检测、理论分析和现场检测结果与理论预测结果一致。香港et al。9)安排一个光纤传感器检测系统和一个钻孔电阻率CT检测系统,精确地检测到地板上失败的深度开采条件下工作面。赵(10]以11913孤立Gequan煤矿的煤矿面临河北省为研究对象使用KJ959煤矿微震监测系统检测失败深度的地板上。

数值模拟方法和现场测量方法只能得到失败的深度楼煤矿和个人需要大量的人力和时间。中国大多数煤矿经营者愿意采用相对简单和快速的经验公式的方法。然而,由于在不同的矿区水文地质条件的巨大差异在中国,法规的经验公式不能适用于所有矿业领域。学者们提出了各种经验公式适用于矿区针对某矿区的水文地质条件(11- - - - - -13),但对于地板失败定律Chenghe Weibei煤田矿区,没有针对性的分析和没有经验公式可用于参考。因此,本研究结合的水文地质条件。5煤层,采用FLAC3D软件来确定扰动深度在不同条件下和地板失败。每个因素的影响在地板上失败的深度决定,和地板的公式计算失败在Chenghe深度。本文提供了一个参考未来采矿作业安全的含水层水压条件下Chenghe矿区和Weibei煤田。

2。研究区水文地质条件

Chenghe矿区,位于陕西省,中国在东部Weibei煤田的一部分。地层从旧到新的如下:奥陶系,石炭纪、二叠纪、三叠纪、新生代第三纪和第四纪。总共有11煤层,总厚度8.72米;只有没有。5煤层是完全可开采的。图1显示了地理位置和综合地层柱状图的地图Chenghe Weibei矿区。

奥陶系灰岩含水层的总厚度超过500米。含水层中的水主要来自大气降水的入渗,石灰石河流流经的表层,泄漏和泄漏的水库建在石灰岩地区。峰峰形成直接煤系地层的地下室;它是由与石灰石、白云岩和白云质灰岩与发达腐蚀裂缝丰富和强大的水。单位流入井眼的0.2 - -1.5 L / s·m。的上部奥陶系石灰岩含水层从煤楼约30米,和不透水层很薄,严重威胁着煤矿的安全生产。

3所示。方法

这项研究没有。5煤层底板Chenghe矿区为研究对象,利用FLAC3D软件模拟地板的采矿失败特征通过各种因素,没有影响。5煤层底板岩体采矿失败特征研究,建立合理的计算模型。经过十多年的研究在煤层地板上失败法律Chenghe矿区,发现随着开采深度和宽度增加,工作面周围支承压力和地板失败深度增加。因此,对于这个模型,有必要强调开采宽度和埋深的影响在地板上失败。数值模拟分析的地板变形和破坏特征,有必要结合岩层和轻微的物理性质的差异到一个单独的层。根据实际地质条件的屋顶和地板。5煤层,模型材料的地层分为14类(14),如图2。表1显示了每一层的具体力学参数。

结合Chenghe矿区的地层情况和开采情况的。5煤、地板的最大失败深处工作面临不同的开采深度和矿业宽度计算。

如图3,数值计算模型是90米高 - - - - - -方向,300米长 - - - - - -方向,400米宽 - - - - - -方向,共有432000元素和455182个节点。近水平煤层,open-off切孔之间的距离和模型边界是70米。在模型中,接口设置为压力边界,和所有其他接口设置为位移边界。底部和垂直界面设置为滑动的支持。模拟负载的上部地层,根据不同埋藏深度、压应力( )0.9 - -10.8 MPa的应用上面的接口。不透水层的底部受到垂直向上水压力为1.4 MPa。根据地下开采的特点,大面积岩体弹性分配,可以近似作为弹性模型,和当地分配给塑料产量失败,它可以被视为一个弹塑性模型。在这项研究中,模型中岩体的失败遵循莫尔-库仑屈服准则,失败和压力,位移,模拟当工作面达到平衡。岩层是连续介质,不考虑塑性流动。

如图4开挖计算后才可进行所有节点和元素的平衡。压力平衡主要是观察在垂直方向的压力。整个模型挖掘30步骤5米,共150米。毕竟开挖完成后,地板的最大破坏深度决定。

4所示。结果与讨论

4.1。双重地板失败深度预测模型

研究煤层地板失败的影响因素深度、开采宽度和埋深的没有。5煤层变化条件下的28 m层不透水层厚度和1.4 MPa承压水压力。数据5- - - - - -9展示地板失败与不同埋藏深度下开采宽度相同。

根据仿真结果,发现地板上失败的深度增加而非线性增加开采煤层深度时表面宽度是固定的,但是,当开采宽度增加到140米,屋顶和地板的失败程度大大增加。当宽度增加到160米,地上失败深度的增加不明显而在140,但屋顶的高度和范围失败和地板岩石破裂的程度在160米与140米相比显著增加。根据上述数值模拟试验方案,计算层失败深度如表所示2。

根据不同的结果在表2,地板的数值模拟拟合公式失败深度条件下的4.0矿业高度可以通过使用数理统计方法。 在哪里最大的地板失败深度(米)是埋藏深度(米),是工作面宽度(米)。

下面可以看到从拟合公式(1):(1)地板失败深度工作面宽度增加而增加,但当工作面宽度超过一定范围时,地板失败深度的变化不明显,和它只改变宽度和破裂的程度。这和原位测量结果是一致的:倾斜长度越大,地板上失败的深度越深,但超过一定范围,斜长在地板上失败的影响深度很小(2)当工作面宽度窄,煤层埋藏深度影响不大深度在地板上失败,主要是因为,当开采宽度窄而小,屋顶上覆地层表现出更多的定期“three-zone”失效模式,但当工作面扩大到一定宽度、煤层埋藏深度的影响在地板上失败深度线性增加(3)它可以清楚地看到对比图的拟合值和模拟值之间的差异的地板上失败的预测模型(图深度10)数据点与大偏差主要专注于工作面宽度20米,180米和200米,而实际工作面宽度一般在120至160米。因此,本文提出的回归拟合模型提供了精度高、和预测模型的相关系数达到0.93,可以满足工程应用的需要(4)图11显示了分析曲线影响的挖掘深度和工作面宽度深度在地板上失败。这个数字表明,地板的敏感性程度干扰故障深度的开采深度大于矿业宽度。地板上失败的深度值的各种因素在不同水平进行比较,并得到了以下结果。(一)埋藏深度的线性关系失败的深度,和曲线的斜率很大。随着开采深度单调增加,地板失败深度加深。这一趋势变化的内在机制主要受地应力影响。随着埋藏深度的增加,支承压力峰值的增加煤采空区周围岩体,它同意地板的进化失败的实际情况深度。(b)地板之间的关系失败深度和开采宽度可以确定通过对数回归,并随着开采宽度的增加,地上失败深度大大加深和曲线变化,但拟合曲线的斜率不断减少。当工作面增加到一定宽度,地板的敏感性失败的深度开采宽度减少并最终稳定。这变化曲线符合原位测量值和集体经验失败Weibei和中国在我的地板上。 In general, the regression fitting equation proposed in this paper confirms the feasibility of the numerical simulation test results

4.2。失败多因素层深度预测模型

根据先前的原位测量的结果,当埋深小于400米,地上失败基本上是开采高度的影响(15]。进入深部开采后,地板失败程度更受开采高度的影响。如果不考虑开采高度的影响,预测公式的计算深度和实际深度产生较大的误差,这将不利于地板水灾害的预防和控制(16]。

在前面的小节中,仿真结果和拟合公式(1)在不同开采深度和宽度,但公式是基于煤层厚度4.0米不考虑其他煤层厚度的影响,这将导致预测偏差。因此,基于给定的参数表1本文建立数值计算模型2.0米和3.0米的煤层厚度。由于空间限制,这里不给详细的仿真结果。利用FLAC3D软件,地板在几个工作面临失败的深度在不同条件下的没有。5煤层是模拟和计算。多因素模型的拟合公式的数值模拟计算地板失败获得的深度使用数学和统计方法。

在这里,是煤层的开采高度(米),和其他参数如上定义。

4.3。模型的可靠性验证

检查模型的可靠性,地板失败深度测量在13506矿业面临至Chenghe矿区的煤矿。

13506工作面罢工的长度是1050米,宽125米,平均埋深220米。平均煤层的厚度是2.2米,这表明了中厚煤层。的平均倾角煤层是8°,这表明一个轻轻倾斜煤层。有1 - 3层煤层的煤矸石,这表明与复杂结构煤层。根据走向长壁工作面安排,采用罢工长壁backward-type full-caving采矿方法。

的测试方法,钻孔超声波preembedded夹杂物是用来测量地面失败深度。原则上,在煤矿,地板是受开采影响,每个测点的应力状态在地板上岩体将发生相应变化。与超声波传播速度的变化规律,可以获得失败后深度挖掘的地板上。根据网站的实际情况,一个垂直钻孔的深度18 m是安排在巷道。当采矿的脸先进90从钻孔,测试启动,如图12。

根据测试结果,当垂直深度在3 - 11.35米,地上岩体经历塑性破坏。地板的缝隙岩层增加,超声波传播时间的增加很明显,和波形波动很大。当垂直深度是11.35 -18,声波的波动尚不明显。因此,矿业在这个测试部分的影响不明显,和裂缝尚未开发。因此,超声波preembedded包裹体测试结果表明,地板的最大失败13506工作面深度为11.35米,这是符合预测值的11.41米和11.28米层失败深度拟合计算公式(1)和(2)。

4.4。适用性的分析模型

上述分析表明,预测模型的相关系数都大于0.9。本文的回归曲线的拟合程度高的失败深度数值模拟得到的数据。然而,拟合公式是否可行的实际应用在其他矿山仍有待确定。下面是一个验证和比较分析工作面楼失败的价值深度平接缝(倾角小于15度)原位测量在Weibei Chenghe矿区,Weibei汉城矿区,其他矿区,和预测模型。获得一个更好的比较效果,经验拟合公式(公式(3),(4)和(5选择)的规定进行比较计算和分析。结果如表所示3和4(17]。

在这里,的倾斜工作面(°),和其他参数如上定义。

如表所示3和4,地板的计算平均值和错误失败的深度非线性回归拟合公式(1)和(2)给出的值都小于公式(3),(4)和(5)的规定。这个结果表明,回归方程的数值模拟给出接近原位测量的值比三楼失败深度的预测公式给出的规定,和准确性高于使用规定获得的预测值。

地板时预测失败的深度,如果预测值高于原位测量值,有效的地面不透水层的厚度降低,灌浆量不足,和矿业安全系数降低,导致减少可利用的面积和增加危险的矿区,这并不有利于煤炭资源的合理利用。如果预测价值低于价值原位测量、地面不透水层有效厚度会增加,地面注浆量将增加,这将增加采矿成本。在表中3和4,三个预测公式的计算结果在规定太大或太小,这并不有利于工作面安全开采和有效利用。拟合公式(1)和(2)的新预测模型更有利于煤的安全、合理的开采工作的脸。

原位测量值之间的比较结果和地板的拟合值失败深度不同矿区的采矿面临如表所示5。最大绝对误差、最小绝对误差,最大相对误差和最小相对误差地板的失败深度计算公式(1)和(2)是3.8,0.06,60.65%,和0.53%,分别。的最大绝对误差的三个经验公式采用规定的7.46,7.07,和5.26,分别。的最大相对误差为71.09%、67.32%和75.90%,分别。最小绝对误差是0.21,0.13,0.30,和最小相对误差是1.79%,2.03%,2.53%。根据最大和最小绝对误差和相对误差的预测结果拟合公式(1)和(2)的新预测模型比三个经验公式的规定。尽管最大相对误差相对较大,可以看出,所有新拟合公式的相对误差(1)和(2)小于26%,除了7607年的预测值在邢台煤矿窄脸,在井陉没有4707年的s - 1的脸。1煤矿,4707 s在井陉没有脸。1煤矿,5701(1)在井陉没有脸。3煤矿,大大偏离原位测量的值,因为他们工作面临的小开采宽度。结果表明,拟合公式(1)和(2)的新预测模型更接近测量值原位并提供更高的预测精度和误差小于规定的经验公式,从而满足现场工程的需求预测。

在实际工程应用中,两个新地板的准确性失败深度预测模型与三个参数的选择:开采宽度、开采深度、开采高度。开采深度和矿业的高度可以很容易地通过指的钻柱图和实际布局工作的脸。通过分析和验证地板的值失败的深度18上述矿区原位测量,可以看出拟合公式(1)和(2)有一定可行性的预测煤层地板时,特殊的地质条件,如结构,不是遇到了在采矿,预测结果接近现实。

5。结论

解决预测的难度。5煤层底板破坏深度的Chenghe矿区安全的含水层水压力条件下,本文研究了地板失败深度趋势基于综合直方图和物理和机械性能,然后吸引了以下结论:(1)应用FLAC3D有限差分程序,使用数值模拟方法来模拟故障的地板塑性区范围在开采煤层。地板上的扰动和故障特征岩石深度分析了。5煤层下双因素(开采宽度和开采深度)和多因素(开采宽度,开采深度,开采高度)条件。该方法可以发挥重要作用的矿山安全评价Chenghe矿区,这是受到高压地下水的威胁(2)根据仿真结果在不同条件下,非线性回归拟合公式是通过使用非线性回归分析方法。也发现,干扰和地板上开采宽度的影响深度小于开采深度的失败(3)通过比较地板失败深度原位测量的值与拟合值,拟合公式在实际应用证明是可行的(4)通过地板的十八岁的例子的分析和验证失败的深度挖掘的平缝在中国,预测值之间的错误和地板的值失败深度原位测量三个经验公式进行比较和分析的法规和获得的非线性回归公式。非线性拟合回归公式提出了发现显示更好的预测能力比现有方法和非线性拟合回归公式根据新的预测模型的预测精度最好,一个相对较小的误差范围,和一个相对较高的实用价值在地板上失败的预测深度,可以满足实际工程的需要

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。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者感谢提供的财政援助陕西省自然科学基金(2020号jz-52),中国国家自然科学基金(41402265和41402265号),和重点实验室开放项目的煤炭资源勘探和综合利用,国土资源部(没有。KF2018-2)。

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