文摘

本文旨在解决技术问题,如低采收率和频繁的灾害在急倾斜和extrathick煤层残余煤柱高分段。需要Wudong煤矿为工程背景,一个典型的矿急倾斜和extrathick煤层;的结构特点在急倾斜综放残余煤柱高截面进行了分析使用方法现场监测和数值模拟等;顶煤拱结构的力学模型,和综放高度的计算方法和相关的影响因素。结果表明,在急倾斜综放残余煤柱高截面特征是拱门。由于拱结构的存在,光滑屈服的煤是阻碍,导致较低的顶煤回收比率,在工作面支承压力低,差异探测到钻孔电视顶煤裂缝的分布。进步的工作面,顶煤拱结构在动态演化的过程中,由于旧的拱的平衡系统不断被新的拱的平衡系统,它不断走向上层煤。综放高度等因素影响工作面长度,上覆煤岩的体积密度,凝聚力的煤炭。综放高度与工作面长度的增加上覆煤岩体的体积密度,但成反比的凝聚力上煤。在当前的开采条件下,综放高度是39.8米,这是远低于残余煤柱高截面高度(71); the top coal cannot collapse completely. Based on the characteristics of the top-coal caving structure, the technology of sublevel advanced presplitting blasting was adopted to weaken the top coal in engineering practice, so that the top-coal caving structure moved up naturally. The daily coal production in the working face has increased by an average of 2419.6 tons, which has significantly improved the top-coal recovery ratio and production efficiency. The result provided a theoretical basis and application reference for similar residual high sectional coal pillar recovery.

1。介绍

中国是一个大煤矿不同的煤炭资源的国家。不同的采矿方法应用于煤矿。综采综放安全、高效开采是一个独特的方法复杂且extrathick煤层(1- - - - - -5]。综放属性是安全、高效的关键完全机械化屈服。特别是,在急倾斜水平截面机械化放顶煤extrathick煤层,截面高度大,顶煤采收率占80%以上的矿山产量。前煤能否恢复顺利是我提高采收率的关键,确保安全、高效生产的工作面6- - - - - -8]。

近年来,学者们研究了运动定律,屈服特性、屈服技术的煤矿在综采工作面。综采综放的研究与实践取得了一些新的进展,已获得巨大的经济效益和发挥了重要作用在促进综采综放技术的发展在中国。王等人的律法系统地研究了综采综放和建立了研制BBR研究系统,包括煤岩界面,顶煤排出身体,顶煤回收比率,煤矸石比率。他们改善了散装Berg-mark-Roos模型介质力学和指出,顶煤排放量削减变体椭圆体[9,10]。王等人研究的影响不同的机器开采高度工作阻力的支持,综放法律,和煤壁稳定性,为了确定合理的机械的综采综放开采高度极厚煤层(11]。玉等人建立的边界线方程顶煤放电和煤矸石综采综放基于随机介质理论和相似模拟测试,考虑到综采放顶煤的影响支持和煤炭出口(12]。陈等人分析和比较开采深度的影响,煤层强度、水平应力、煤层同质性、和原始裂缝综放属性,以损伤参数的综合指数综放财产,由损伤力学的基本原理(13]。康等人分析了煤岩体的结构特性和完整性通过钻孔电视(14]。温家宝等人系统研究法律完全机械化开采上覆岩层运动的大采高采场,建造了采场顶板结构模型,建立了采场顶板控制的设计标准和支持负载的计算方法,并优化煤柱宽度和巷道围岩控制技术驱动沿采空区(15,16]。Alehossein和保尔森顶部煤分为两个部分,位于身体前后的煤,并分析了顶煤应力状态的两个部分17]。Vakili Hebblewhite使用数值模拟方法来研究顶煤破坏和发布过程,实现了综放评分通过多元统计分析的影响因素18]。Yasitli和Unver写道模拟的影响支持综放特点,认为煤的厚度影响屈服性能是一个关键因素(19]。

总而言之,这是表明,上述研究系统分析了顶煤运输法和屈服特性的厚煤层综采屈服,促进了厚煤层综采综放技术的发展。然而,急倾斜extrathick煤层的特殊地质条件十分不同于那些平坦的煤层,以及相关研究综放的结构特点和技术大幅提高回收率的残余煤柱高截面仍不足;进一步的研究是非常必需的。因此,在视图的技术问题,如低顶煤采收率和频繁动态灾害典型煤矿急倾斜和extrathick中国煤层综放结构特点的残余煤柱高截面进行了全面分析通过理论分析、现场监测、数值模拟,和削弱最高煤炭技术提出了分段预裂爆破;工程设计是实现基于Wudong煤矿的地质条件。研究结果提供理论依据和应用参考类似的高分段煤柱恢复。

2。工程背景

急倾斜煤层的参考煤层的倾角45°-90°。这种矿井煤层很难由于其复杂的事件,这已被认为是一个公众的认知。乌鲁木齐矿区是一个典型的矿区急倾斜extrathick煤层(45°-87°)。有超过30层的急倾斜煤层不同厚度和不同的间距。大型矿山与已经建立了一千万吨的年产量,Wudong煤矿所代表的。B_{3 - 6}煤层是西方的一个主要煤层矿区Wudong煤矿。矿区地质勘探表明,B_{3 - 6}煤层的-中侏罗世,从东北到西南和地层分布。煤层的倾角85°-89°,平均倾角为87°,平均40米的煤层厚度。屋顶和地板都是泥质胶结粉砂岩,具有高强度、裂缝和关节,不容易崩溃。其特殊的资源环境加剧的复杂性在工作面采场结构和压力演变。不同于在轻轻倾斜煤层,采用横截面完全机械化的急倾斜extrathick综放煤层是一种短壁工作面布置在煤层的厚度。屋顶和地板都位于两边的工作面。工作的压力面临转移的顺序的“剩余煤炭gangue-top coal-support-coal身体。”顶部煤是“屋顶”是由支持复苏期间工作面,也是挖掘的对象(20.- - - - - -24]。

在这我,B + 495水平_{3 - 6}煤层被恢复。工作面的截面高度是25米,希勒的煤炭切割高度是3.5米,和煤炭排放高度是21.5米。工作面先进到1358米的时候,它是连接到残留煤柱在封闭的安宁。残留煤柱是120米长,71米高,形成更大的残余煤柱高截面如图1。当工作面通过残余煤柱高截面,顶煤复苏比率很低,我的压力强。这种情况往往是伴随着动态灾害如“矿业冲击”和“煤破裂。“因此,还需进一步研究综放的结构特点和技术提高采收率的急倾斜残留煤柱高分段。

3所示。现场测量和分析

为了获得的特征在急倾斜综放残留区段煤柱高,KJ653液压支架压力在线监测采用B_{3 - 6}工作面煤层+ 495水平,据统计,工作面支承压力变化特征的前后残余煤柱高截面进行了分析。当工作面通过残余煤柱高截面,在液压之间的空间支持中间的工作面,钻孔探测进行了垂直向上。顶煤结构观察通过挖掘防爆ultrahigh-definition完全智能钻孔电视(GD3Q-GA)。

总共有18双ZFY1000/22/40D液压支撑安装在B_{3 - 6}煤层+ 495水平Wudong煤矿工作面。KJ653液压支架压力用于在线监测。从屋顶到地面,一个压力监测变电站安装在每个区间的一对液压支持,全面监控支持工作面质量和统计分析前后的压力变化特征支持残余煤柱高截面,如图2。在工作面通过残留区段煤柱,大部分的支持显示是25到35 MPa压力;最高的是39 MPa,平均为31.5 MPa;当它通过残留区段煤柱高、支持的压力主要是15至25 MPa;是28 MPa最高,平均为18.6 MPa,明显低于压力监测数据时,截面高度是25米。

当时B的+ 495水平工作面_{3 - 6}煤层通过残留区段煤柱高,三个钻孔排列在液压支架中间的工作面(8号、9号、10号、11号);探测深度60米,典型的图像捕获如图3。观察结果直观地反映了顶煤裂缝的发展特征。结果表明,较低的煤(0−15米)是受开采扰动影响,支持压缩,等,和顶煤裂缝发展相对破碎;中间最高煤炭(15−40米)减少了纵向和对角关节和裂缝,分层出现局部;上层煤(- m)没有被挖掘,与孔壁光滑,和相对完整。

通过比较和分析高截面残余煤柱工作面,对于这些现象的原因是有一个结构在横截面上顶煤的身体完全机械化屈服。是因为不同的开采参数,导致不同的结构视野前煤炭,这阻碍了光滑屈服的煤炭,导致低顶煤回收比例。

4所示。数值模拟和分析

随着计算机的发展,数值模拟软件,数值模拟分析方法已成为研究的一个主要手段解决采矿工程问题(25- - - - - -27]。为了理解上面的运动规律在急倾斜煤残余煤柱高分段采矿扰动下,数值计算模型是根据构造的地质资料和采矿方法B_{3 - 6}煤层+ 495水平Wudong煤矿工作面,如图4。数值模拟主要是用于研究的迁移特征上煤后的残余煤柱高分段开挖工作面在+ 495水平。因此,设计模型的大小是140方向,10 m方向,140年方向。在模型中,砖单位采用煤岩体,产生83116台和17972个节点。所有地区针对摩尔-库仑本构模型在网格;上边界表面是一个自由边界表面,底部表面约束垂直位移,四方限制水平运动。同时,为了实现实际的应力出现在田间条件下,垂直压力5 MPa应用的上边界面模型,和一个梯度压力的应用方向的压力来模拟煤的屋顶和地板层。开挖计划是基于现场采矿方法和开采布局。首先,道路两侧B3和B6挖掘B_{3 - 6}煤层工作面+ 495水平。模型达到平衡后,挖掘工作面+ 495水平。希勒的切割高度为3.5米。基于煤面步进距离1.2米,三个方案的累积开挖距离1.2米,2.4米和4.8米的设计。条件下不同的驾驶距离工作面,顶煤运动和破坏特征进行了分析。

煤岩体的力学参数的数值模拟计算模型是由现场抽样和岩石力学测试结果,和某些修正是在考虑煤岩体的规模效应。煤岩体的力学参数用于计算如表所示1。

在横截面的方法完全机械化屈服在急倾斜extrathick煤层,煤层工作面时不开采,煤由顶部底部煤身体处于静力平衡状态。矿业的降低煤炭的身体和迁移的支持在开采过程中,顶煤的一部分质量暴露出采空区的空间自由表面上。由于煤的重量和岩体,压缩两边的屋顶和地板,和重复的压力支持工作面,大规模采空区的边界第一滑沿着某些构造面失去原来的静态平衡。其不稳定造成的连锁反应,周围的街区和顶煤的身体不断打破和崩溃。根据顶煤位移的分析云映射在不同推进距离工作面(图5),在工作面煤层开采后,变形和破坏形式的顶部和底部煤约拱形。受到自身重量的影响,顶煤位移场是明显大于底部煤的身体。进步的工作面,顶煤拱结构在动态演化的过程。老拱的平衡系统不断被新的拱的平衡系统,并不断向上层煤。随着综放拱结构继续向上移动,其承载能力逐渐下降。向上运动达到一定高度时,顶煤的拱结构部分的身体终于不稳定由于煤矸石在采空区上方的巨大压力和挤压效应的屋顶和地板。煤矸石在上面的采空区塌陷的下面的采空区。因此,顶煤拱结构的不稳定性是不可避免的。这种拱结构被称为“临时平衡拱”。

由于综放拱结构的存在,一方面,拱起的行动阻止了自然崩溃的煤炭,导致较低的提取比例最高的煤;另一方面,拱结构的保护下,工作面仅支持熊顶部拱内煤的重力,使轴承负荷的支持下降。的推进工作面采矿扰动的影响,的动态不稳定引发的灾难顶煤拱结构严重制约了矿井安全、高效生产,所以很需要进行合理的工程措施,确保自然向上运动的顶煤拱结构,提高萃取率最高的煤,并确保工作面安全生产。

5。力学模型分析

基于现场监测和数值模拟的结果,过程中水平截面完全机械化综放煤是重新分配顶部周围的压力,煤的身体弯曲和下沉,拉伸剪切应力发生。当拉伸和剪切应力超过煤的承载极限强度的身体,煤是不稳定和屈服。屈服的形状类似于一个拱门。附近的足弓支持屋顶和地板受到岩体的空间大小限制。不管屋顶之间的相对运动或地板上,煤,拱脚是简化为固定端约束,和非均匀分布载荷作用于顶煤拱结构 。顶煤拱结构的力学模型如图6。

假设拱脚表面的距离 ,足弓高度 ,工作面长度,即。拱结构,张成的空间 ,上覆煤岩的体积重量 ,计算宽度 ,拱的严重性本身被忽略,在煤体内摩擦角 ,和凝聚力 。

拱曲线为二次抛物线。通过边界条件,众所周知

让拱曲线方程

垂直压力

在任何深度表面上看,微单元的侧压力 在哪里 是单一介质的压力系数。

煤的抗剪强度

最终的均衡理论表明,剪切应力在拱脚(A或B)是最大的,其剪切强度如下:

拱脚的垂直反力(A或B)

从 ,

从公式可以看出(8)条件下的自然崩落的煤炭、拱结构的高度等因素影响工作面长度,上覆煤岩体的体积密度,和凝聚力的煤炭。拱结构的高度与工作面长度的增加上覆煤岩体的体积密度,这是成反比的凝聚力上煤。西方的地面高程Wudong煤矿矿区是+ 800,开采水平的提升+ 495 m,工作面长度是40米,上覆煤岩体 ,煤体内凝聚力 ,和内摩擦角为68°。使用公式(8),目前的开采条件下的综放高度计算是39.8米,而B_{3 - 6}煤层煤柱+ 495水平残留高截面高度是71(如图1)。理论上计算屈服的高度远远低于残余煤柱高截面的高度。这表明,B_{3 - 6}煤层煤柱+ 495水平残留高截面不能完全洞穴在自然崩溃状态。

6。优化技术采收率

在上述研究和分析的基础上,急倾斜extrathick煤层综放的残余煤柱高截面拱形式。拱起的动作不仅可以防止自然崩溃的煤,使顶煤回收效率低,但支架结构的不稳定性严重制约工作面的安全性和效率。因此,需要应用人工辅助措施减少煤炭的身体的整体实力,增加裂缝的数量和结构,从而达到顺利顶煤释放,提高顶煤回收比例,确保工作面安全开采。

6.1。分段先进的预裂爆破的煤炭

证明先进的预裂爆破是一种有效的方法对恢复最高的煤在工程实践28,29日]。根据综放的特征结构急剧倾斜煤柱高截面,三个子层次划分在垂直方向,和先进的预裂爆破用于削弱煤顶部,如图7(一)分别在+ 495级,+ 518,+ 541水平。

先进顶煤预裂爆破在复苏道路进行B3和B6 + 495水平。采用全剖面孔布置,如图7 (b)。每一行被安排与7爆炸洞,每个洞的直径是108毫米,行距是4米,预裂爆破是30.0米。为了避免爆破影响工作面和采矿巷道的稳定性,防护层和爆破的顶煤厚度的缓冲层工作面都是3.0米。在这个级别,每一行的累积爆破孔的长度是182.7米,电荷的累积长度是114.4米,和每一行的收费是972.4公斤。

+ 518水平的煤柱和+ 541水平相同的大小,并采用先进的预裂爆破方案相同,如图7 (c)。爆破孔扇形的安排。10爆破孔直径108毫米的每一行,封孔部分是4.0米,累计钻井深度为359.0米,粉电荷的累积长度是319.0米,和使用的炸药量在每一行是2711.5公斤。总共有9行安排在屋顶地板,间隙为4.0 m,第一行和第9行是6.0米内的屋顶和地板上。

6.2。效能评估

项目的实施效果进行了分析,通过记录每日生产的煤残余煤柱高分段的B_{3 - 6}煤层在+ 495级之前,分段预裂爆破程序的实现。顶煤复苏的统计图所示8。从图可以看出,分段预裂爆破的实现之前,平均每日采煤工作面为5075.6吨,体积最大的5594.8吨。发布的实现分段预裂爆破,平均日产量工作面为7495.2吨,最高为7855.7吨,显示平均增加2419.6吨与日常生产的煤炭相比之前的实现爆破程序。采矿量的统计分析表明工作面顶煤的采收率和生产效率是有效改善工作面安全生产的保证后,分段预裂爆破的煤残余煤柱高分段的B_{3 - 6}煤层在+ 495水平。

7所示。结论

(1)由于顶煤拱结构的存在,顶部的光滑屈服煤炭受阻,导致较低的顶煤回收比率,在工作面支承压力低,差异探测到钻孔电视顶煤的分布结构。进步的工作面,顶煤拱结构在动态演化的过程中,由于旧的拱的平衡系统不断被新的拱的平衡系统,它不断走向上层煤

(2)顶煤拱结构的力学模型的分析表明,综放高度影响因素如工作面长度、上覆煤岩体的体积密度,和凝聚力的煤炭。增加工作面长度和上覆煤岩体的体积密度,但是成反比的凝聚力上煤。目前的开采条件下的综放高度是39.8米,这是远低于残余煤柱高截面高度(71米)。因此,煤不能完全崩溃

(3)的日常生产工作面平均增加了2419.6吨,显著改善顶煤复苏率和生产效率,采用分段预裂爆破技术后削弱煤。这提供了理论基础和应用参考残留高阶段顶煤恢复在类似的项目

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的描述是一个原创的研究工作还没有发表之前,而不是在考虑发表在其他地方,在全部或部分。

的利益冲突

无利益冲突存在于提交的手稿。

作者的贡献

列出的所有作者都批准了封闭式出版的手稿。

确认

这项工作是支持由中国自然科学基金会(51904227号和51874231号),陕西省的关键研究和发展项目(2018 zdxm - sf - 018),陕西省自然科学基础研究项目企业联合基金(2019号jlz-04)和陕西省创新能力支持程序(2020号kjxx - 006)。