煤与瓦斯突出的影响在工作面推进法律的小错不稳定

文摘

分析小断层的影响工作面煤炭和天然气的爆发,2143年煤与瓦斯突出事故₁工作面与3 dec数值模拟方法进行了研究,主要研究内容是修改法律的压力小断层和覆岩运动速度的小断层带的落差和罢工被设计成不同的群体。结果表明,小断层滑动的风险增加推进工作面。此外,之间存在着正相关的风险和小断层落差。覆岩的运动速度的小断层带增加随着小断距的增加,从而增加了能量转移到煤层围岩的影响下的小错。因此,小断层的影响工作面煤炭和天然气爆发呈正相关,小断层落差。罢工的影响下一个小错,越近,是沿着倾斜的小断层的距离在同一工作面,风险越大将煤与瓦斯突出。和小断层走向越大,应力集中程度越大的工作面和更多的弹性能量存储和爆发的可能性就越大。分析小断层的影响在工作面煤与瓦斯爆发,具有参考意义的预测和预防煤与瓦斯突出灾害的工作面。

1。介绍

在煤矿生产过程中,小故障的一个主要地质问题困扰了矿山生产很长一段时间。由于小断层的结构挖掘的脸,即使在低气体条件下,煤和天然气矿业面临爆发仍然频繁。的统计在矿业领域瓦斯灾害的分布规律,发现断层结构突出的发生密切相关(1- - - - - -4]。据相关统计,近80%的煤与瓦斯突出事故是由小断层(5,6),这些突出事故大多发生在煤巷道标题面孔,其次是open-off削减,提高和倾斜,揭露煤层横切,矿业的脸,脸和岩石巷道标题[7,8]。

煤炭和天然气爆发一直在地下煤矿的主要地质灾害150多年了,继续导致严重的问题在世界各地(9- - - - - -12]。煤炭和天然气爆发极端暴力是动态的灾害(13]。研究从郭et al。14]认为突出的影响因素从三到四个,也就是说,构造应力场、构造煤的物理力学性质、煤制气、结构组合特征。构造的影响,地面和矿山压力对煤和天然气爆发(CGO)变得更加明显随着开采深度(15- - - - - -18]。刘等人。19)建立了力学分析模型的扩张和发展,塑性区在驾驶面前通过数值模拟方法,分析了特征的扩张和发展塑性区在前面开车的脸上,并讨论了物理力学过程和发展的基本条件,煤和瓦斯爆炸引起的塑性区演化。张和朗兹(20.]使用耦合故障树分析(FTA)和人工神经网络(ANN)模型来预测煤与瓦斯突出的潜在风险在地下采矿的厚和深煤层在中国。翟et al。21)和锣和郭22)统计分析153年平顶山煤矿地区的突发事故。结果表明,突出事故在矿业区域主要是受以下因素的影响:地质结构、开采深度和岩性的屋顶和地板。特别是,瓦斯突出事故频率和强度最高的报道地区的地质结构。通过分析气体发生在平顶山矿区,王et al。23)发现原位应力起主导作用。8、10和12煤和天然气爆发和爆发的风险是最大的。陈等人。24]把Zhaozhuang煤矿为研究对象,通过统计发现,断层的控制范围与下降幅度不超过5米约30米的尖灭一端的错。郭et al。25]分析了构造煤在近60煤与瓦斯突出情况下Jiulishan矿山的焦煤集团,发现结构煤占82.7%,表明构造煤的存在有很大的风险,导致煤炭和天然气爆发。蜀et al。26,27]研究了煤矿3号煤层的客户在淮北矿区,发现故障结构在控制气体含量具有明显的作用。

崔和姚28)发现故障的控制影响瓦斯赋存的不均匀性和非平衡态的瓦斯抽放煤层工作面,和有一个大气体压力梯度之间的两个煤层断层,导致煤炭和天然气爆发。左et al。29日,30.)根据煤与瓦斯突出现象引起的断层活化下动态干扰。基于折叠突变理论,断层和围岩力学的力学模型建立,和煤与瓦斯爆发的影响因素进行了分析通过引入动态扰动因素。赵和雷31日]认为在煤与瓦斯爆炸、塑料带的渗透引起的高压气体存储和开挖扰动是一个必要条件,和突变的速度场、位移场和应力场的塑性区是一个充分条件。赵et al。32)得出结论,构造软煤主要形成于故障前墙下断层结构的影响。他和陈33和魏和姚34)发现compressoshear断层形成的,因为大的压应力对密封的气体有良好的效果,最有益的发生煤与瓦斯爆发。相反,张性断层有利于释放煤层气体和不利于突出的发生。贾等人的研究。35)发现,随着断层走向之间的夹角和采场的方向主要压力增加,突出的危害范围也增加。标题的工作面断层,构造应力和断层附近的采场应力都形成了一个相对较高的集中应力,这有利于形成大的突起(36,37]。王(38)发现,煤和天然气爆发时更容易发生工作面从顶部的下盘。

然而,考虑到难以准确识别小断层(39,40)(断层下降小于5米)和低煤层的瓦斯含量矿区瓦斯抽放后,很难让工作面煤与瓦斯突出事故发生(41]。对于小的缺点,目前很少有研究小断层的控制作用对煤与瓦斯突出的下降和趋势矿业的脸。

在这项研究的学者像黄等。42)和王Lv (43),断层下降小于5米的选择进行研究。然而,现有的技术还不够成熟和不同地质条件的干扰很难识别小断层和断层间距约3 - 5米。因此,本文选择了一滴不到5米的毛病(甚至略高于5米)作为一个小断层的影响来研究小断层对煤和天然气爆发过程中工作面开采。

在本文中,2143年的煤与瓦斯突出₁矿业面临我的是作为研究对象。3 dec数值模拟三维离散单元法用于分析不同滴的控制效果和不同趋势工作面在煤与瓦斯突出煤层开采过程中,为了提高矿业面临antiburst措施的有效性和针对性的影响下的小缺点。

2。飞机机械故障分析

力的断层面模型建立在三维笛卡尔坐标系统,如图1。这架飞机断层面的简化, , ,和轴,分别平行于最大水平主应力 ,最小水平主应力 ,和垂直主应力 。的线段线连接交点外法线的飞机断层面和原点 ,和角度 , ,和坐标轴是 , ,和 ,分别。

应力分析的故障飞机,正常的压力和剪切应力断层平面是垂直主应力的合力 ,最大水平主应力 ,和最小水平主应力σ₃在断层平面的法线方向和组件的合力断层面。

根据力的合成的原理,合成正常压力的垂直主应力和最大水平主应力和最小水平主应力在断层面

因为不同方向的剪切应力分量,力合成的结果如下:

其中,垂直主应力σ₁主要取决于埋藏深度。然后, 在哪里上覆地层的平均密度,公斤/米³;是埋藏深度,m;和重力加速度,9.8 m / s²。

因为在岩体孔隙的存在,气体存在于岩体的毛孔,毛孔产生压力。考虑气体的存在,孔隙压力( )这里介绍,水平主应力轴向水平构造应力(包括和 ),水平应力分量( )的垂直压力( ),和地层孔隙压力( );最大水平主应力和最小水平主应力和 ,分别可以表示为 在哪里的水平分量垂直压力 ,MPa;的组件构造应力沿轴方向,MPa;的组件构造应力沿轴方向,MPa;是岩石材料的泊松比;是毕奥系数;和水平应力分量( )的垂直压力( )是 在哪里的比例是来 ,这是一个常数。

用方程(3)- (5)到方程(1)和(2),断裂带上的正应力和剪应力公式飞机可以获得: 在哪里

如果没有流体系统(没有气体流),那么最大水平主应力和最小水平主应力和 ,分别可以表示为 公式(7)改变

此外,倾角之间的关系断层的平面部分的横截面,锋利的角最大水平主应力也可以从图中获得1:

把它到方程(6)

的微分方程(11)对故障罢工 :

自三个主要的趋势是一致的压力,然后呢 ,所以 ,由此产生的法向应力在断层面与断层走向呈正相关 ;当 ,正常的压力是最大的。也就是说,当断层走向之间的夹角和采场的最大水平主应力较大,故障压力更大。与此同时, 可以获得,这意味着随着断层走向的增加,剪切应力和法向应力之间的差别不断增加,和断层面上的剪切应力提供了权力的不稳定滑动断层。断层面上的正应力防止不稳定滑动的断层,所以不稳定的风险与断层走向断层滑动呈正相关。这是符合爆发频率和断层走向的关系发现贾et al。35通过突出事故的排序在鹤岗矿区。即,随着角度的增加断层走向与最大水平主应力,爆发的数量开始增加。

3所示。计算模型和方案

3.1。项目总结

煤层。1我的河南省位于下部的山西二叠系的形成,和屋顶的功能如下:pseudoroof泥岩与平均厚度为0.3米。直接的屋顶是砂质泥岩与平均厚度为8.6米。旧的屋顶在很大程度上是占领砂岩与最小厚度为6.6米,最大厚度12.7米,平均厚度为11.6米。煤层的地板₁特点是:直接地板gray-black砂质泥岩含植物化石碎片,和当地相变成medium-fine-grained砂岩。最小厚度是6.67米,最大厚度15.69米,平均厚度为7.8米。基础的最小厚度是5.5米,最大厚度14.7米,平均厚度为9.1米。2143年₁102工作面煤层的远离降低网关。在推进的过程中,工作面遇到一个正常的错。正断层走向的夹角为42°与较低的网关,断层倾角是53°,下降约为4米。

3.2。数值计算模型

基于机械分析断层的平面,小断层的影响不同的高度和不同的罢工矿业面临煤炭和天然气爆发进行了研究,2143₁矿业面临的地质原型;小毛病高度下降1米,4米,7米;罢工的90°;和一个53°倾角;以及罢工42°、65°和90°;一个53°倾角;和一个4米的落差;所有的选择和用于数值模拟研究。建立一个三维的计算模型如图2通过使用3 dec数值模拟软件;模型的大小 。

的模型有6个免费的面孔,四周和底部边界模型的固定在零速度获取一个薄层,和模型的顶部是一个压力边界。过重的负荷模拟研究区通过加载模型的顶部的垂直压力,与此同时加载的地应力轴和模拟水平主应力轴方向。数值研究区域是一个单一煤层开采的埋深450米。9.68 MPa的等效负荷加载模型的顶部边界。

煤和岩石的物理力学参数需要通过数字仿真方法通常是测量从物理实验。然而,大多数的原始岩体含有丰富的关节和弱面,所以原始岩体的物理力学参数通常比那些以物理实验。因此,力学参数的数值模拟物理实验数据的疲软,需要采取1/2-1/20测量数据的实验室。煤层的物理力学参数数值模拟所需的如表所示1和2。

3.3。计算方案

模型的工作面长度为80米,是平行排列轴方向,开采的正方向轴。矿业矿业面临的高度是4米。计算过程中的每个矿业的长度是5米3000时域计算的每一步。为了减少边界应力的影响,20米的保护煤列的工作面。

为了研究的风险不稳定滑动的小断层不同滴在工作面推进过程中,剪切应力和法向应力断层表面进行监视。同时,通过监测岩石小断层附近的运动速度,从围岩能量转移的影响下煤层小断层反映。当研究小断层的影响不同的罢工对煤炭和天然气爆发,相同的应力和位移变化矿业面临被监控。

故障通常所描述的倾向、倾角和下降。小断层在煤与瓦斯突出的情况下选择本文可以形容 正常的故障由上述三个因素。由于断层走向之间的夹角和十字头42°,数值模拟,十字头平行的方向与最大水平主应力的方向;因此,趋势、倾斜和下降是用来描述小断层研究。然后,小断层在煤与瓦斯突出的情况下选择本文也可以被描述为正断层 。

讨论不同小断层的影响煤与瓦斯爆发矿业的脸,本章选择了小断层与不同的罢工和滴作为对象,研究了不同小断层的影响对煤炭和天然气爆发。本文的数值模拟方案如表所示3。

4所示。控制效果的小断层下降在煤炭开采和瓦斯突出

4.1。不稳定的风险小断层滑动在挖掘

数据3和4显示了变分法向应力和剪切应力小断层的不同差距工作面开采过程中下降。从图可以看出3小断层的法向应力的变化与不同的下降有明显的相似之处,都先增加然后减少。当工作面130 - 40米的范围内的小错,法向应力变化对小断层带趋于稳定;当工作面先进40米,小断层上的正应力开始增加缓慢;当工作面是15米的距离小错,第一次正常压力急剧增加,表明小断层附近的构造应力影响煤矿最初释放。当工作面10米距离小的错,小断裂带上的正应力第二次急剧增加。小断层的法向应力峰值的差异1米,4米和7米是14.4 MPa, 15.6 MPa,分别和18.05 MPa。之后,小断裂带上的法向应力迅速下降。

从图可以看出4剪切应力的变化规律的小断层带基本上是符合进化规律的正常压力小断层带相应下降。所不同的是,小断裂带上的剪切应力开始增加30辆m的范围从小型的错,和增加的速度变得更快进步的工作面,达到一个峰值在10米的小错。的剪切应力的峰值下降1米,4米,7米是9.2 MPa, 10.7 MPa,分别和14.05 MPa。

总结正应力和剪切应力的变化在小断层与不同的下降,它可以发现,当工作面是先进的40辆m内的错,小断裂带的构造应力逐渐释放,但小故障没有被动摇。滑下断面的倾向会导致上的正应力的增加小断层带。然而,当工作面推在10 m的小断层,断层带的法向应力迅速下降,表明小断层开始失去稳定性和滑动。

根据莫尔-库仑破坏准则,抗剪强度( )断层平面

在哪里和的凝聚力和内摩擦角断层岩体平面,分别。

根据方程(13)、小断层的滑移运动和剪切应力比压应力在小断层是相关的。为了考虑小断层滑动失稳的风险不同的缺点,小断层的剪切应力和法向应力数据处理获得的线路图小断层的剪切应力和法向应力比与不同的缺点在工作面推进,如图5。

从图可以看出5剪切应力的比值,通常每个小断层的正应力与工作面的推进的趋势一致,并且都倾向于增加慢慢地急剧下降迅速增加减少。剪切应力的比值正常压力慢慢减少45米、30米之间的小错。然而,在相同的范围内,法向应力和剪切应力小故障增加,表明增加的小断裂带上的正应力大于剪切应力的增加率。当工作面30辆m远离小断层,剪切应力的比值在正常压力迅速增加,达到最大值时大约10米远的小错,表明煤矿面临输入的影响范围小断层带,剪切应力的增加趋势断裂带控制,和小故障的风险不稳定和滑是最大的。对小断层的下降1米,4米和7米,剪切应力的比值的高峰值正常压力是0.64,0.684,和0.79,分别。当采矿的脸推到5米内的错,剪切应力的比值正常压力迅速降低,这是由于剪应力和正应力的迅速减少的小断层平面。这个时候,小断层开始失去稳定性和滑动。

4.2。小断层的影响下降表土的冲击能量

能量耗散和能量释放是岩体失败的重要原因(44- - - - - -46]。小错是不稳定和滑动时,能量释放的小断层和围岩系统组成的屋顶将很快转移到煤层;假设小断层带的质量和屋面板系统 ,平均速度是 ,和能量释放的时间 ,影响压力( )和能源( )可以表示为

由于影响时间( )影响非常小,负载( )将是巨大的。发布的能源煤岩体不稳定导致煤的断裂的身体和创造有利条件发生煤与瓦斯的爆发。

根据方程(14),释放的能量由单位煤炭质量,即。,能量密度 ,如下:

根据方程(15),单位发布的的能量可以判断煤岩体上覆地层的速度附近的小断层( )。

小断层的上部分是切片,和上覆地层的位移变化率在工作面推进过程中观察到判断时的能量转移到煤层小断层不同滴不稳定。根据前面的分析,当矿业的脸推到5米距离小的错,和小断层开始滑动,位移速率云的地图上覆地层进行了分析,如图6。

从图可以看出6工作面,当先进5米的一个小错,高速运动的上覆地层的部分集中在上端的错。此外,比较的位移变化速率的峰值表土地层的影响下小断层下降1米,4米,7米,它可以发现位移变化的峰值下降率增加而增加。的影响下一个小毛病一滴7米,上覆岩层运动速率的峰值是最大的,和值达到0.689。

为了更准确地比较能量转移从围岩煤层小断层的影响下与不同差异下降,煤层的屋顶5米距离小故障监控,和速度变化的折线图监视点工作面推进过程中,如图7。

从图可以看出7进步的工作面,小断层的影响下与不同的下降,速度变化的趋势监控的点通常是相同的:当工作面130 m-35远离断层,监控点的速度变化小;当断层是35米,监视的点开始显著增加;当矿业面临低于监测点,进步的速度监控点大幅增加。带着一个小断层下降1米为例,下面推动矿业表面时监视的时候,监控点率从0.56增加到1.48,增加了1.64倍。

比较监视点的速度的变化的影响下小故障与不同的下降,可以看出,当工作面推进20米内小断层和小断层的下降是7米,速度变化曲线监控的点总是底部的三个曲线;顶部的速度曲线监控点的影响下一个小断层的下降1米。

因此,在促进矿业的脸,当小毛病一滴7 m是不稳定的滑动,围岩转移最能源煤层,是最有益的发生煤与瓦斯爆发。下降1米时,围岩将最小能量转移到煤层,和促进煤与瓦斯突出事故是最弱的。

5。控制罢工的小断层对工作面煤与瓦斯突出的

图8显示了煤岩体的速度云图当工作面5米距离小断层控制下的断层在不同罢工。从图可以看出8的影响,由于罢工的小缺点,煤和煤层的运动速度沿工作面倾角相同的不同步;随着罢工的小断层的增加,煤的变化率的异步性和接缝位移逐渐消失在倾斜方向上的工作面,当罢工的小断层垂直向下的十字头,煤炭和接缝位移的变化率往往是相同的。同时,当工作面先进5米的小错,煤和岩石的一系列暴力活动增加而增加的趋势的小断层;的峰值运动速度的煤和岩石随的增加而减小的趋势小断层;小断层罢工42°时,峰值速度是1.46,最高速度为1.35小断层罢工65°时,峰值速度是0.54时,小断层罢工90°。

工作面煤岩体的解压缩变形,以便支持矿业面临的压力转移到深层煤岩体。从云的速度图的影响下小断层的罢工42°、65°,它可以发现,接近小错,运动的速度越小煤岩体;相反,远离小错,越高煤岩体的运动速度。可以看出小断层破坏屋顶的连续性和阻碍了工作面支承压力的转移到深层煤岩体,这将导致距离越小的倾斜方向相同的矿业面临的小断层内小断层的影响,更大的煤岩体的应力集中和煤与瓦斯爆发的风险就越大。

三种小断层的影响下不同的罢工,当矿业面临的进步为0 m的小错,煤岩体的单位细胞的边界飞机沿工作面倾斜方向的监视点,和压力变化监测和比较,如图9。它可以发现,三个小断层的控制下用不同的罢工,监视点的原始应力的降低增加的小断层罢工;此外,监测的应力峰值点小断层走向的增加而增加;小断层罢工42°时,应力峰值为37.2 MPa;小断层罢工65°时,应力峰值为39.5 MPa;当小断层罢工90°时,应力峰值为43.8 MPa。因此,当矿业面临被迫的影响范围小的缺点,罢工的小过错越大,煤岩体的弹性势越大存储在前脸和突出的可能性就越大。

6。结论

(1)随着矿业的脸是推进小断层的影响,法向应力和剪切应力小断层面继续增加的进步小故障发生前的工作面不稳定滑动。其中,剪切应力的增加趋势是主导,小断层滑动失稳的风险增加(2)小断层和失去稳定时,上覆岩层运动的速率峰值附近的小断层和小断层下降呈正相关。能量从煤层围岩的增加而增加的小断层下降。下降越大,越小断层。位移和不稳定的风险越大,影响越小的缺点在工作面煤与瓦斯爆发增加而增加下降(3)小故障阻碍了工作面支承压力的转移到深层煤岩体,这样相同的运动采工作面沿倾斜方向的小故障是不同步的。接近小断层,煤岩体的应力集中和煤与瓦斯爆发的风险就越大

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从第一作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(51964007和51964007),贵州省的高水平创新人才培养项目(项目编号2016 - 4011),贵州矿山动力灾害预警和控制技术创新团队基金项目(2019 - 5619)。

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