研究水泥浆充填的影响在开采煤柱稳定性的地板上高于0采空区:一个案例研究

文摘

0采矿是一种常用的采矿方法在以往的实践在中国西北矿区。由于优先级选择高质量的资源,煤矿在中国西北通常不得不面对上行开采采空区上方。因此,地板煤柱的稳定性受到采矿活动中扮演着重要的角色在上行开采采空区上方。结果表明,地板煤柱保持稳定在煤炭挖掘。在Yuanbaowan煤矿6107工作面;然而,煤柱塑性区在地板上急剧扩大,弹性核心地带突然减少支承压力的影响。最后,地板煤柱支持失败。因此,本文提出了一种层通过灌浆注入充填采空区煤柱加固技术领域。身体受到高度不同充填体在双侧,塑性区范围和水平位移煤柱和地面的承载能力进行了研究,工作的临界高度充填体应该是6米时可以确保安全开采上行开采采空区上方。案例实践表明,地板煤柱开采引起的骨折,身体,和地板时,可以有效地抑制身体高度是6米,可确保地板煤柱稳定和安全开采。 6107 working face in the Yuanbaowan coal mine. The research can provide theoretical and technical guidance for upward mining above goaf and have a critical engineering practice value.

1。介绍

作为最大的煤炭生产基地和一个著名的示范工程的现代矿井生产能力超过1000万吨/年(在中国1),西北矿区的煤炭产量占全国68%的煤炭生产根据2018年的统计数据。在西北煤矿,0采矿方法广泛用于煤炭开采实践的早期阶段(2,3),留下丰富的采空区煤柱,将一个巨大的隐藏威胁相邻煤层长壁工作面的安全开采。煤柱之间的空间关系和相邻煤层长壁工作面的主要分为两种类型:屋顶煤柱和地板煤柱,如图1(一)和1 (b),这表明煤柱上方的长壁工作面临和长壁工作面临着以下,分别。屋顶煤柱的研究成果主要集中在以下四个方面:在压架事故的发生机制的屋檐下长壁工作面的煤柱及其控制措施(4- - - - - -6),屋顶煤柱的应力分布模式及其影响采矿和道路的布局在底层煤层7,8),动态和静态加载的计算方法在屋顶煤柱9- - - - - -12),和煤柱稳定性的分析和评价13- - - - - -16]。地板煤柱研究主要集中在其稳定性前方支承压力的影响下,以避免崩溃的工作面和煤岩体在地板的失败造成的煤柱(17,18]。因此,安全开采的关键0上方的长壁工作面采空区是确保地板煤柱保持稳定的影响下采动压力。

关于安全开采的理论和技术高于0长壁工作面的采空区,许多学者进行了大量研究。刘研究了煤层之间的岩性组合对上行开采的影响(19]。太阳和王了上行开采的可行性等采用方法挖掘影响倍数,围岩平衡方法和数学统计分析(20.]。黄地板的稳定性分析地层地带采空区上方的长壁工作面临的使用类似的模拟和数值模拟(21]。峰等人认为失败地板层的范围小于岩石夹层的厚度为长壁工作面的安全开采的先决条件,确定的可行性和方法提升矿山露天开采地区的有(22- - - - - -24]。白等人研究了采动应力分布规律在中间煤层工作面之上和之下的谎言0开采采空区运用数值模拟方法(25,26]。通过回顾现有的文献,可以发现,上面的研究成果主要集中在矿山采空区上方的可行性评估,地板上岩石的故障范围小于岩石夹层的厚度,这被认为是标准的矿山采空区上方。然而,地板的采矿破坏范围地层明显大于夹层地层的厚度在极近距离煤层开采时,,很少有研究在这种情况下安全开采技术。因此,上部煤层的安全开采技术需要进一步研究在极近距离煤层。

基于山西Yuanbaowan煤矿的开采条件,本文提出了一种新的工程技术安全开采上部煤层通过加强地板煤柱的承载能力与0矿山采空区回填的方法。充填体形成的结核水泥浆有横向夹紧影响煤柱的地板上。和差异的影响充填体的高度抑制地板的扩张煤柱的塑性区和强化地板煤柱的承载能力也不同。因此,充填体的临界高度,以确保地板煤柱的稳定性本文给出。研究结果可以提供重要的理论和工程技术支持采空区上方的长壁工作面的安全开采。

2。地质条件

2.1。工作面概况

Yuanbaowan煤矿位于Shuozhou城市,山西省,中国没有。6107工作面是煤矿面临的第一个面板。没有。6107工作面在没有部署。6煤层。没有。6煤层倾角为0°6°,矿业平均高度为3.6米。的宽度。6107工作面是240 m,积累进步的距离约600米。没有以下。 6 coal seam lies the no. 9 coal seam, with an average thickness of about 8.0 m. As of May 2005, the no. 9 coal seam had been fully mined out by the room-and-pillar mining method. In the no. 9 coal seam appears the room-and-pillar mining goaf when the no. 6107 working face advances between 200 m and 400 m. Affected by both the early mining design and planning and the unauthorized cross-border mining, mining above the room-and-pillar goaf is not a specific case for the Yuanbaowan coal mine but a relatively common type of mining conditions for shallow coal seams in northwestern China. Achieving safe mining of the longwall working faces above the room-and-pillar goafs is a major technical problem remaining urgently to be solved not only in the Yuanbaowan coal mine but also in most mines in northwestern China.

没有下面的0采空区。Yuanbaowan煤矿6107工作面煤柱的宽度大约是10 - 12 m和柱子之间的空间大约是25 - 30米。的地理位置Yuanbaowan煤矿的开采情况。6107工作面如图1 (c)和1 (d)。

2.2。柱状覆岩层的工作面

2.2.1。关键层理论

煤炭系统的分层地层导致差异在每一层的运动;特别是,厚而硬地层控制这些动作,而薄和软地层作为负载。基于这些事实的承认,中国科学家Minggao钱学森提出的“岩层控制的关键层理论”在1990年。理论对地层的地层控制部分或全部到地面以上关键层。这意味着变形或破损的关键层同时会导致变形或破损的地层在其控制之下。一个或多个关键层上覆地层中存在的一个煤矿。因为最上面的关键层控制着地层运动到地面,它被称为主关键层(PKS),而所有其他关键层被称为一个注册表子项地层(SKS)。这个“控制效应”的关键层如图2。关键层理论提供了一个坚实的基础上了解地层的渐进屈服行为。地层的行为主要是由KS的破损和运动控制。理论得到了广泛的应用,并演示了在中国矿业(27- - - - - -32]。本研究也在这一理论的基础。

2.2.2。6107号工作面关键层

根据地层控制的关键层理论,关键层上覆地层的没有。9煤层的帮助下确定关键层识别软件。结果如图所示3。可以看出,共有5个关键层上覆地层的没有。9煤层。从下到上,细砂岩的埋深151.90米,厚度5.4米,粗砂岩的埋深136.10米,厚度7.5米,粗砂岩的埋深110.40米,厚度5.5米,粉砂岩埋深86.95米和8.05米,厚度和细砂岩的埋深57.80米,厚度5.8米,分别。区分方法的关键层上覆岩层中可以看到参考29日,有限的空间,不会重复。

3所示。数值模拟

3.1。造型和采矿方案

应用FLAC3D数值计算模型建立,如图4根据识别结果的关键层上覆地层。和KS1 KS2 KS3,与其KS4,图中引用关键层上覆地层的没有。9煤层。

仿真研究工作是在以下三个步骤进行。首先,0采空区的形成。在模型中9煤层的前提下静地应力场之间的平衡。其次,地板的稳定性条件,其采空区煤柱是空缺的。9煤层的影响下进行采矿的没有。6107工作面。最后,地板煤柱的稳定性,在任何的进步。6107工作面,0的条件下研究了采空区已填写。9煤层。在此基础上,不同规则的影响充填体的高度抑制地板的扩张煤柱的塑性区和强化地板的承载力煤柱透露。 Accordingly, the critical height of filling bodies for the no. 9 room-and-pillar goaf is obtained to ensure safe mining in view of the geological conditions of the no. 6107 working face.

3.2。煤层标定仿真参数

正确选择材料参数数值模拟不仅是一个关键的先决条件准确调查下面的煤柱的稳定性。6107工作面也保证的基础数值模拟结果与实际情况一致。因此,没有。9煤层采样,通过实验室物理力学参数测试。在单轴压缩实验中,根据国际岩石力学测试实验规范,一个圆柱形试样的几何尺寸 被选中,电液伺服万能试验机的加载速度是0.02 mm / s ~ 0.05 mm / s。然后,单轴压缩曲线实验在FLAC3D软件,执行和应变软化模型应用于获得模拟参数相对与实验室检测结果一致。如图5红色曲线是单轴压缩曲线(从实验室获得测试)的煤样。9煤层和蓝色曲线应用FLAC3D数值模拟的结果,和仿真参数如表所示1。有很多的弹性模量和峰值强度的一致性。可以看出,可以使用蓝色曲线的模拟参数的参数。9号煤层,可准确反映进化压力,弹性和塑性膨胀,煤柱的破坏模式。9煤层采动应力的影响下的没有。6107工作面。

4所示。地板的稳定支柱

4.1。地板的稳定支柱开采前的6107工作面

垂直应力、水平位移和煤柱的弹塑性区域的采空区。9号煤层开采前6107工作面如图6(一)- - - - - -6 (c),分别。可以看出。4煤柱中最大的水平边举起煤柱,和它的值是145毫米。煤柱弹性核心地区的占98%,76%,63%,60%,63%,71%,和95%的总容积的煤柱,如图6 (c)。值得注意的是,这两个弹性煤柱的核心区域的比例在0在中国西北部采空区及其与煤柱的稳定性的关系一直在仔细研究文献[33]。已经指出,当弹性煤柱的核心区域占总量的40%,煤炭支柱被认为是在一个稳定的状态。为了确保安全开采的不。6107工作面最大程度,识别标准,弹性的核心面积占总量的40%煤炭支柱,对煤柱的稳定性。它可以知道没有的煤柱。9号煤层开采前处于稳定状态。6107工作面。

4.2。地板的稳定支柱在6107工作面开采

在矿业的没有。6107工作面,水平侧胀和煤柱的塑性区域进一步扩大由于支承压力的影响,以及弹性的比例核心区域的煤柱进一步降低。根据现有的研究结果,它通常被认为是前支承压力的峰值位于清廉m煤矿工作面(前34- - - - - -36]。因此,地上煤柱时最有可能被摧毁的前方支承压力峰值的位置。弹性的比例/塑料领域,水平起伏,和每个煤柱的承载能力进行了研究。的进化过程弹塑性区域扩张和每层的水平侧胀煤柱数据所示7(一)- - - - - -7 (g)在推进。6107工作面。

从图可以看出7,在没有的支承压力的影响。6107工作面,每层柱的弹性区域的比例已经降低到46%,27%,20%,18%,14%,12%,和12%,分别。和体积的水平侧胀煤柱每层增加从220毫米,241毫米,268毫米,275毫米,271毫米,247毫米,220毫米到476毫米,616毫米,769毫米,922毫米,1063毫米,1372毫米和1543毫米。弹性的显著减少核心区域肯定会引起煤柱的稳定性。如果不采取一定的煤柱加固措施,不稳定的煤柱下方。6107工作面发生,导致的崩溃。6107工作面安全开采和构成巨大的威胁。因此,有必要采取合理措施确保安全开采。6107工作面。

4.3。影响规律的身体在煤柱的稳定性

考虑Yuanbaowan煤矿的开采条件,钻井的地板上的建议。6107工作面注浆下面的采空区。6107工作面通过这些水井已被提出。为了确保安全开采,不同高度的影响充填体的煤柱的稳定性进行了研究。研究主要分为两个方面:(1)不同的影响充填体的高度膨胀的抑制煤柱的塑性区和(2)差异的影响充填体的高度加强煤柱的承载能力。注浆充填材料用于Yuanbaowan煤矿是封装和带到实验室进行物理力学参数的测量。同时,准确地反映层柱子之间的交互和充填体,充填材料的参数的数值模拟也校准,确保机械性能反映在模拟参数符合真正的灌浆材料的力学特性。和校准结果如图8。

4.3.1。抑制的影响充填体的扩张煤柱塑性区

填充的夹紧作用的影响下身体,塑性区和水平的比例起伏煤柱的有效抑制。抑制效应,当填满身体的高度是4米图所示9。

下面的煤柱的弹塑性扩展规律。6107工作面和水平的变化规律起伏对应不同灌浆高度图所示10。如数据所示10 ()和10 (b)的比例的塑性区。1没有。7煤柱已经降低到18%,36%,45%,47%,46%,44%,和25%迅速当充填体的高度达到2米,3米,4米,5米,6米,7米,分别比未交货状态。的水平侧胀。1没有。7煤柱迅速减少从476毫米,616毫米,769毫米,622毫米,1063毫米,1372毫米,1543毫米到223毫米,253毫米,278毫米,290毫米,280毫米,256毫米,230毫米,分别如图10 (c)。与充填体的高度的增加,侧压充填体对煤柱的影响之下。6107工作面往往更明显,充填体有明显抑制作用的扩张塑性区和地板的水平侧胀煤柱。

4.3.2。加强的影响煤柱充填体的承载能力

不同高度的充填体形式不同的夹紧压力煤柱,这有效地提高了煤柱的承载能力,如图11。

在有限的空间里,没有。4,没有。7煤柱为例,不同高度的加强效果的身体在地板的承载力煤柱将说明,如图12。可以看出,开采前的没有。6107工作面,垂直应力的不。4,没有。7煤柱12.10 MPa和10.30 MPa,分别和弹性核心区域占60%和95%,分别。因此,煤柱处于稳定的状态。没有进行填充采矿时,垂直应力的不。4,没有。7煤柱增加到20.83 MPa和21.34 MPa,分别在此期间,弹性的比例核心区域的两个显著下降到18%和12%,这两个煤柱造成不稳定。而如果工作面采矿工作的6107后进行灌装,灌装机构支持覆层在一定程度上,减少煤柱的过重的负荷,提高弹性的比例煤柱的核心区域,然后煤柱的承载能力将得到有效改善。 The strengthening effect of the filling bodies on the bearing capacity of the floor pillars becomes more obvious with the increasing height of the filling bodies.

5。工程实践

基于上述研究成果,可以发现,当填满身体的高度达到5米,6米,或7米,可以保持稳定的煤柱支承压力的影响下的没有。6107工作面。然而,当填满身体的高度是5米,弹性没有的核心区域。4,没有。5煤柱占40.625%,在一个非常稳定的状态。充填体可能患有某些收缩的大小在整合过程中,造成身体和煤柱之间的裂缝,和充填体的横向夹紧效果煤柱将削弱。当充填体的高度是6米、7米,弹性的核心区域的比例高于50%,每层支柱可以保持地板的稳定支柱。总之,确保安全开采。6107工作面最小充填成本,充填体的高度是最后确定为6米,和因此,现场填写实验工作已经开展。

5.1。观察孔布局和观测设备

钻井在地板上应用于测试现场充填的结果和评价造成的干扰和损害的采动应力在采矿过程中没有。6107工作面。地板看见钻孔(以下简称D1井),其直径和长度是65毫米,约99米,分别被安排在运输巷道。6107工作面。D1井眼之间的角度和运输巷道是大约50°,和钻孔的水平角大约是11°。确保探针可以平稳地降低,确定降低探测器的距离,可连接的推杆与电视钻孔用于连接相机。推杆的每一部分是1米长,降低距离可以测量棒推入钻孔的数量。钻孔的位置、D1和钻孔观测设备如图13。

5.2。野外观测结果

灌装完成后的整合工作,填满泥浆,岩层采动裂隙的发展规则的地板上没有。6107工作面煤柱,充填体进行了调查通过钻孔D1和电视观测设备,和其稳定性评估。2019年9月19日,地下钻孔电视进行了观察。此时,没有。6107工作面远离井眼约30米。钻孔先后穿过地板,身体,和煤柱。裂缝的发展条件在不同深度钻孔D1如图14。的墙壁钻孔D1仍然完好无损在地板上柱和填充。有很多水在D1的底部,渗流量的相对缓慢,没有明显的损坏或输水裂缝。这也证实,尽管地板煤柱的位置,填满身体,和地板煤柱的影响区域位于的支承压力峰值。6107工作面,他们仍保持稳定。可以看出,没有的安全开采。6107工作面时可以保证充填体的高度达到6米。

6。讨论

(1)的基础上确保模拟材料的物理力学参数是一致的与煤柱充填体,充填体的影响不同的高度的抑制扩张的煤柱塑性区下方。6107工作面和关于加强煤柱的承载能力主要调查,和充填体的影响规律不同灌浆高度对煤柱的稳定性。然而,填充泥浆的整合过程,充填体之间的粘合度/粘结程度和煤柱的侧墙,和清除的大小仍有待研究。此外,煤柱的横向夹紧的变化与不同的焊接水平需要进一步研究。(2)Yuanbaowan煤矿使用的填充材料,和相应的参数校准和摘要进行了仿真研究。的影响不同材料和填充的物质比身体的抑制膨胀的煤柱塑性区和加强煤柱的承载能力还有待调查。因此,研究材料将找出最佳组合的煤柱开采经济效益和控制效果。充型过程的经济投资将在确保安全的前提下最小化挖掘。

7所示。结论

(1)开采前的没有。6107工作面,弹性没有的核心区域。1没有。7煤柱,这些都是稳定的,占了98%,76%,63%,60%,63%,71%,和95%,分别。没有填充采空区进行开采时,没有的塑性区。1没有。7煤柱前方支承压力影响的迅速扩张,和弹性的核心区域的比例七大幅降至46%,27%,20%,18%,14%,12%,和12%,没有分别,造成不稳定。2没有。7煤柱。因此,采空区的充填。 9 coal seam is the prerequisite for safe mining of the no. 6107 working face.(2)充填体有一定的横向夹紧对煤柱的影响,可以有效改善煤柱的稳定性的影响下的采动压力。6107工作面。充填体不仅抑制影响的扩张煤柱塑性区和水平侧胀也加强对煤柱的承载能力的影响。这种现象变得越来越明显的提高充填体的高度。当充填体的高度达到6米,塑性区下降的比例从88%降至25%,水平侧胀减少的数量从1534毫米到230毫米。因此抑制效应的塑性区和水平侧胀高达72%和85%,分别。(3)钻井的地板上。6107工作面采空区进行了灌浆。研究表明,当填满身体的高度是6米,采动裂缝的出现和扩张地板层,填充的身体,地板下面的柱子。6107工作面有效地克制。所以地板支柱保持稳定在前支承压力的影响下,和采空区上方的安全开采。可以保证6107工作面注浆采空区。

数据可用性

研究数据中可以看到相关的图像和文本中的表。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

财政支持中国的国家自然科学基金(51904201),陕西(201901 d211035)的基础研究项目,和科技创新项目的高等教育机构在山西(2019 l0245)我将非常感谢。

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