文摘

突水灾害是非常容易发生如果煤层层包含一个承压含水层。发现的故障行为的膏体充填工作面煤层地板,地板不透水层的beam-based理论模型,然后,突水风险评估是基于地面不透水层的厚度。接下来,地板上粘贴填充脸上的故障特征数值研究和灌装间隔和长期强度的影响充填体在地板上失败的深度、压力和位移分布,塑性区进行了探讨。评价结果表明,理论模型的安全层的粘贴填充的脸被证明是基于空顶的距离一致的经验公式判断基于假设粘贴工作面被视为一个剪洞填满一定的宽度。灌装间隔显著影响围岩的应力集中,失败地板,深度和卸压收敛。灌装间隔越小,它们的值越小。当填充率是98%,充填体的长期强度是5 MPa,和地板失败深度不超过4 m。相比之下,充填体的强度没有明显影响深度在地板上失败,但它对卸压收敛性有一定的影响。从减少地板失败的角度深度,不需要增加回填土的长期强度,但有必要增加回填的早期强度,降低等效巷道的宽度。

1。介绍

中国水文地质条件复杂,严重威胁煤矿矿井水灾害。长期以来,煤矿突水事故带来了巨大的损失,国家和人民的生命和财产安全(1- - - - - -3]。根据相关统计数据,1184年中国煤矿水灾害发生在从2000年到2020年,有超过5000人死亡或失踪人员4]。特别是,四分之一的灾害发生在煤层地板上。随着开采深度的不断增加,突水从煤层地板变得越来越严重5,6]。这是由于煤层地板通常包含一个承压含水层与特定的水压力,和突水是非常容易发生的扰动下采矿活动。因此,它具有重要意义找出原因和法律从煤层底板突水。结果可用于指导煤矿的安全生产(7]。

很多学者已经做出了巨大的努力,获得了很多领域的成就从煤层底板突水。人们普遍认为煤炭开采承压含水层上涉及的风险通过断裂层地层水冲进采矿开挖。显然,煤层地板的液压故障可能导致突水通道的形成,这是一个重要因素导致突水灾害从地板上。基于塑性理论和经验公式,Esmailzadeh et al。8和李et al。9)分析和总结了煤层地板失败的影响因素,并把他们分成两种类型:发生因素和采矿设计因素。之后,一个“发生矿业”建立了多因素耦合模型,然后,利用FLAC软件模拟和验证。毛等。10和田等。11]利用逐步判别方法消除无关紧要的判别效果的指标,建立了费舍尔判别分析模型。高et al。12)选择煤层厚度、煤层渗透率、开采深度和压头底板突水的主要因素和数值分析了它们之间的关系和水流入。根据提出的“原位损害”理论王,刘13),煤层地板的引水渠道的共同作用下发生水平挤压,压力和水压力的支持。张,刘14)开发板壳理论,分析了煤层底板的破坏机理应用弹塑性力学方法。他们缝楼分为采矿失败区和地板water-impermeable区和water-impermeable区域视为一个薄板与各方夹子和均匀分布载荷,然后计算最终水压加载在seam楼运用弹塑性理论。此外,“rock-water压力关系的假设15)”和“关键层理论(16- - - - - -19)“所有的观点阐述了围岩的应力集中是煤层地板失败的根本原因之一。同时,裂缝将启动压力高集中(20.- - - - - -22]。当裂缝相交和扩展到工作区,突水通道形成的岩石工程和失败会发生(23- - - - - -25]。

除此之外,“低三个区”理论提出的李(26]认为coaquifersal缝地板可分为三个区域,即地板故障区,完整岩石保护区,承压水上升区。有人指出地板失败区煤层开采造成的压力。基于“低三个区”分析方法,阴et al。27)建立了一个概念模型预测在包含多个煤矿突水含水层在地板上,认为有四种突水模式。关于风险评估的突水地板,一系列的理论方法是预测,如PCLRA-PCLRA方法(28),脆弱指数法(29日],突水系数法(30.]。张、杨(31日)还提出了一种新颖的动态预测煤层底板突水的方法基于一个封闭的复发性单元模型,这是证明有高度的可靠性。

目前,粘贴回填采矿技术广泛用于煤矿由于其高安全性、高回收率,小型地面沉降和小采矿扰动。我们队在前面的工作,我们发现了粘贴回填采矿方法是有效控制失败的深度层(32]。同时,Yu et al。33)结合露天开采方法和屈服区回填技术恢复保留地带煤柱上方承压含水层,成功防止从煤层底板突水。自运动定律粘贴回填工作面围岩的不同与传统的工作面和采矿空间也变化34),很明显的预防和控制经验从空工作面突水是不再适合现场应用。为了解决压水威胁的工作面和评估从他用工作面突水的风险,本文旨在揭示的故障特点和法律粘贴充填开采的煤层地板。在这工作,基于梁理论,粘贴填充层的理论模型首次建立失败,然后,地板上粘贴充填工作面失败定律数值研究。这项工作是非常有用的控制和预防突水粘贴回填采矿。

2。项目概述

戴庄淄博矿业集团煤矿位于Rencheng济宁地区城市,山东省,批准生产能力每年240万吨。与上批煤炭资源的逐渐枯竭,开采位置将逐渐转移到地板的地方受到两个含水层:薄十三石炭系太原组灰岩含水层和奥陶系灰岩承压含水层。1160号16号煤层区是第一个矿区下组煤,开采水平是-405 ~ -620米。测量是十三灰岩含水层的水压力达到4.2 ~ 6.3 MPa,和进水量很大。使用长壁崩落法开采过程中,这个含水层的突水系数为0.246 ~ 0.921 MPa / m,而奥陶系灰岩含水层的突水系数为0.106 ~ 0.164 MPa / m。显然,这两个含水层的突水系数的地板上1160号16号煤层矿区大于0.10 MPa / m。因此,它是我很难安全地使用传统的采矿技术,和特殊开采方法或特殊水控制措施时,必须采用采矿这个地区。

早期生产阶段的矿山,采用露天开采方法的11605号工作面1160号区,设计和条宽60米。开采之前,十三石灰岩含水层被人为修改成防水层通过灌浆加固措施,然后,当地的奥陶系灰岩承压含水层也灌浆。146灌浆孔构造后,检查发现,水从单一排放钻孔的最大数量是150.0³/ h,这表明,灌浆效果并不理想。十三灰岩含水层的注浆改性后,仍有局部富含水分异常区域。显然,十三石灰岩含水层仍然没有被完全变成了防水层。如果采用脱水和减压方法,十三石灰岩的水压力需要疏浚,但两者之间的不透水层的厚度在矿区含水层平均只有23.4米。水释放试验表明,有一个垂直错流两个石灰岩含水层之间的关系,有一个更大的可能性地质构造在哪里发展,液压连接,很难保证排水措施,降低水压。从上面的,得出的结论是,有一个巨大的风险在技术可行性和经济合理性的开采下组煤使用传统的崩落采矿方法。

实践表明,当不透水层的地板裂开了,变得不稳定,水突水通道连接含水层和工作面就会出现。问题的根源是地板的应力场的扰动引起的不透水层开采活动。地板的变形和破坏可以显著抑制由填满身体,回填技术变成了一种非常有用的方式煤矿在承压含水层之上。同时,可以有效地减少地表沉陷后挖掘空间填满,这是一个有效的方法开采煤炭在建筑物和道路。因此,根据煤矿的灌装技术的成功经验在承压含水层Bucun淄博矿业集团煤矿,戴庄煤矿正在积极努力完善粘贴充填采矿技术申请煤炭开采石灰岩含水层之上。

3所示。地板不透水层充填工作面模型

3.1。模型建立的基本理论

基于粘贴填充的特点,可以看出一个交互式机械结构之间形成煤炭屋顶,填满身体,和煤层地板在工作面充填体作为桥梁”roof-filling身躯下”互动系统。桥的充填体发挥作用的交互关系系统”roof-filling body-floor,“它不仅传递的压力从屋顶到地板上也支持地板。因此,充填体的强度是否足够的传输压力从屋顶将成为关键的机械结构的稳定性”roof-filling body-floor。“有两个关键影响因素:(我)平衡液压压力水平:随着工作面煤壁距离的增加,屋顶的负载充填体逐渐上升。当充填体的应力转移到地板上达到地上承压含水层的水压力,即。,地板不透水层的力平衡状态。这个压力是液压的压力平衡。因此,充填体的强度应该足够大的传输压力,和关键的力量在这个时候被称为水压力抵抗力量。充填体的耐水压强度直接影响承压水的安全不透水层。之后,随着距离工作面煤壁的继续增长,充填体转移压力大于平衡液压压力水平。支持的下部含水层水压和岩层,仍处于一种力平衡的状态。蓄水层将保持稳定而不破坏和不稳定(2)原岩应力水平:当回填和工作面之间的距离增加到一定值,屋顶将所有回填表土地层的重量,和充填体的内部压力将达到原岩应力水平,然后超越它。回填土的强度应该足以转移所有覆岩的重量。当时的力量叫做长期强度,通常需要充填体的强度与养护28天的时代。最后充填体强度直接影响地表沉陷的控制效果和稳定的地板上,如图1

现有的理论研究主要集中在预防和控制地板的水在传统采矿、屈服等方法。采空区的相关理论研究和实践充分填充方法是不够的。因此,它被认为是建立一个理论模型来评估安全的地面不透水层的粘贴填充的脸。的力量背后的回填粘贴填充的脸是在一段时间内逐渐增加,地板上的支持作用也逐渐增加,如图2。当后充填体的强度足以转移平衡液压压力增加,地面不透水层是在力平衡状态,以及上述之间的地面不透水层填满身体和工作面煤壁的两边可以简化为梁固定。两端之间的距离叫做空顶的距离(因为屋顶的力量在充填体在固定梁的跨度不达到平衡水压力的水平,它被称为空前暂时的距离)。因此,beam-based模型构建研究的失败过程工作面地板水压力的作用下。

3.2。建立梁模型粘贴回填面对地板

地板上失败的理论模型在粘贴充填工作面是基于以下假设:(1)将部分沿工作面推进方向,任何部分都可以简化为平面应变模型。(2)在垂直方向,地板不透水层支持低含水层的水压力和岩石,但较低的地层只支持不透水层向上向下没有凝聚力。(3)当充填体的强度足以转移平衡水压力增加,平衡点可以简化为一端固定梁。基于上述假设,地板的膏体充填面临失败的理论模型,绘制在图3。

通过材料力学,固定梁的均布荷载挠度曲线可以制定如下:

固定梁的挠度曲线下逐步加载可以写成

叠加操作后,我们可以得到

在哪里 , ,和表示均布荷载、逐步加载挠度和叠加固定梁的挠度,分别。是水压力的合力和地板重量,MPa。表示层填满身体的平衡力,MPa。意味着底部板的平均弹性模量,MPa。转动惯量。

当工作面背后的充填体的应力达到原岩应力, ,然后,可以给出挠度方程

弯矩的计算如下:

的拉应力 - - - - - -可以表示为轴

通过数学分析,当 , ,最大应力值

在哪里表示完全不透水层的厚度,m。

在方程(7),可以看出,空顶距离越大水平拉应力越大,低地板不透水层的一部分,和地板越容易受到损害。当在一定程度上增加,拉伸断裂发生在地板上( )。此时,空顶的距离订立的工作面

在哪里是地板上的平均抗拉强度的岩石,MPa。

空顶的距离通常是由屋顶的完整性和支持条件。同时,它是由加油站的输送能力和工作面长度。是否允许空顶的距离是合适的安全系数可以评估的空顶的距离。

安全系数的定义介绍了作为

在哪里是工作面推进速度,m / d。表示时间填满身体承受过重的负荷,d。意味着工作面煤壁之间的距离和最近的采空区充填区,m。

上述方程可以用来评估的安全层不透水层的粘贴填充的脸。空的安全系数最高的距离 ,它被认为是安全的。通过计算,空的安全系数最高的距离填充在戴庄煤矿可以达到2 ~ 4范围内的最大和最小空顶的距离。这意味着不会有突水灾害。

3.3。安全验证的地板不透水层粘贴填充的脸

评估后地板上安全的安全系数空顶距离,粘贴充填工作面简化成为一个开放的削减的宽度,因此可以被视为一个驾驶道路。后来,地板不透水层的安全厚度的公式在推动道路扩展来评估地板的膏体充填的脸不透水层的安全。工作面推进速度v是设置为2.4 m / d,和充填体在两天内到达强度抗水压力。correspondng方程如下:

在哪里所需的安全隔水层厚度,m;表示道路的宽度,m; ; m。意味着地板的抗拉强度,1.23 MPa。是地板的水压力的合力石灰岩含水层和隔水层的自重,4.4 MPa。代表了上覆岩层的单位重量,0.025 MN / m³。

用上面的参数值在方程(11),我们可以获得所需的地面不透水层厚度16.8米,即使安全系数最小值。根据该地区的钻井数据,地面不透水层的最小厚度是18.5米,符合有关规定的要求(35]。因此,相信粘贴充填采矿技术的应用在16号煤层可以防止突水十三石灰岩含水层,是安全、可行的。

4所示。数值模拟在粘贴填充地板失败的法律的脸

4.1。构建数学模型

作为一个有效的和低成本的方法来描述岩石工程的失败和变形,岩石工程数值方法被广泛应用,尤其是在岩石断裂力学[36- - - - - -38]。在这个研究中,Flac软件选择数值模拟。关于它的原理和目的,请参考引用(39,40]。为了满足结果的准确性和近场条件下,基于地面水文数据和钻孔数据(没有。但是,L10-2和L10-4) 11607号的工作面,最薄的层不透水层的一部分被选为仿真对象,也就是说,24 m数据显示11607 - 2号井眼)。

具体模型简化和参数设置如下:(1)倾斜工作面长度是120米。一个垂直部分是沿工作面推进方向和中间垂直的工作面。每个岩石层符合平面应变模型的假设,因此可以简化为平面应变问题。(2)模拟煤层的厚度是2 m,煤层地板是24米的上边界13石灰岩和53米的上边界奥陶系石灰岩。煤层的屋顶是39.6米的距离的上边界模型,以及模型的上下边界足以涵盖了“上三个区域,下三个区”的粘贴充填工作面和主要含水层影响煤层开采。(3)为了减少边界效应的影响,模型的宽度设置为200,和工作面推进距离是100米。这时,工作面距边界两侧100米的模型,和工作面支承压力的影响范围一般不超过100米。因此,边界效应的影响可以被消除。模型如图4。

4.2。边界条件和围岩力学参数的确定

(1)过重的负荷

11607号工作面平均埋深约541.6米。的距离16号煤层的上边界模型是39.6米,和体积密度岩层的上边界表面0.025 MN / m³。模型的上边界荷载计算根据静水压力:

在哪里的上边界荷载模型,MPa。意味着垂直深度的上边界模型表面, m。代表了上覆岩层的单位重量,0.025 MN / m³。

在此基础上计算,上述行动的岩石上边界的模型可以简化为一个统一的12.55 MPa的压力。(2)液压操作

9的数据显示在11607工作面水文水井,十三的最大水压石灰岩含水层为4.4 MPa,而奥陶系石灰岩约为4.7 MPa。(3)液压支架的支撑功能

16号煤层的支护参数填充支持戴庄煤矿如表所示1。

根据工作面矿山压力的观察,一些支持的实际工作阻力是大约80%的初始支持力量。因此,为了安全,80%的理论支持力量的支持是在计算的支持力量。考虑到有一定距离的前面部分顶梁和煤壁、顶梁的长度是6米,是计算 MPa。

基于上述字段数据,模型边界条件设置如下:(1)较低的边界是固定的。(2)左和右边界的位移方向是固定的。(3)前后的位移边界是固定的方向。(4)统一的下行压力12.55 MPa应用于上边界。(5)奥陶系石灰岩的上边界施加4.7 MPa的上行压力。(6)4.4 MPa的上行压力应用于十三石灰岩的上限。(7)0.5 MPa的支持力量应用于背后的屋顶和地板在6米的工作面煤壁模拟的支持效果的支持,并留下了灌装间隔没有任何支持模拟区域。

根据地面地质资料的深度降低戴庄煤矿煤炭集团和测试结果的物理和机械性能的核心以及工程岩体质量的分类结果采用RMR法,岩层的机械和物理参数用于数值模拟减少基于岩石实验室测试结果,如表所示2。

4.3。模拟方案

数值计算的主要研究灌装间隔的影响和力量(28 d固化时间)填充的身体在地板上失败的深度。详细的方案描述如下:(1)设置填充率是98%和充填体的强度是5 MPa,不同的灌装间隔的影响(1.2米、3.6米)的应力集中,隧道围岩的变形及塑性区分布进行了分析,以及灌装间隔的影响地板上失败的深度进行了研究(2)设置填充率为98%和2.4 m / d的灌装间隔,应力集中,围岩变形和塑性区分布的层在不同填充身体优势(28 d强度3 MPa, 4 MPa, 5 MPa,和7 MPa)进行了分析,和充填体强度的影响地板的破坏深度进行了研究

4.4。数值模拟结果的分析

(1)分析灌装间隔的影响采场围岩的压力和失败。设置工作面向前100米和28 d充填体强度5 MPa;地板上的应力集中,围岩的变形,塑性区分布在不同的灌装间隔(1.2和3.6)进行了分析。并给出了仿真结果数据5- - - - - -7(中间的工作面切沿工作面推进方向)

从数据可以看出5- - - - - -7,当灌装间隔从1.2增加到3.6,围岩最大垂直应力的增加从24 MPa 26 MPa。因此,灌装间隔的增加将提高围岩的峰值应力。相比之下,屋顶的最大沉降增加从180毫米到250毫米,和增加地面起伏从180毫米到200毫米。当灌装间隔1.2米,地上深度约为3.6 m,失败和失败深度穿过泥岩和煤楼以下的细砂岩。当灌装间隔3.6米,地板的穿透深度失败区仍然是3.6米,和粉砂岩的塑性区在6.3的上边界煤层地板继续扩张。地板的塑性区发展的分层失效的趋势。这一现象的原因是,大型灌装间隔,大采场空间。结果,失败和变形更严重,集中应力急剧增加。

一般来说,应力场的分布、位移场和塑性区粘贴填充的脸是类似的道路。不同之处在于,峰值应力和塑性区煤壁侧充填体压缩比,和充填体的垂直位移大于煤壁的一面。(2)分析影响回填围岩的强度在压力和失败

设置的工作面推进距离100米,填充率是98%,填充时间间隔为2.4 m / d。在这种情况下,地板上应力集中,围岩变形、强度和塑性区分布在不同的充填体(3 MPa, 4 MPa, 5 MPa, 7 MPa)进行了分析。仿真结果如图8- - - - - -10(部分是由沿工作面推进方向中间的工作面)。

从数据可以看出8- - - - - -10,当回填的28 d强度增加3 MPa 7 MPa,围岩的最大垂直应力减少从26 MPa 24 MPa,和应力集中的范围逐渐减小。随着28 d回填强度的增加3 MPa 7 MPa,屋顶的最大沉降减少从250毫米到200毫米,和底鼓没有明显的变化。的过程中增加了28 d充填体强度,塑性区深度的地板上没有太多变化,塑性区范围,只有细微的变化。从上面的,可以得出结论,变形和破坏是由充填体压缩强度增加显著抑制。这是因为充填体具有一定的承载力,可以支持屋顶和地板上。同时,充填体压缩强度越大,其承载力和强大。

5。结论

在这部作品中,地板上面粘贴回填工作面石灰岩含水层破坏特征的系统研究。首先,从地上突水风险评估是基于建立梁模型。接下来,粘贴回填工作面临的失败响应数值研究。本研究结果可以提供一些有价值的见解从煤层底板突水的机理。可以得出的主要结论如下:(1)理论要求的安全层不透水层厚度戴庄煤矿是16.8米。根据地区钻井数据,不透水层的最小厚度是18.5 m,表明粘贴回填工作面突水风险的非常小(2)围岩的应力集中,失败地板,深度和收敛的屋顶和地板明显受到灌装间隔的影响。灌装间隔越小,应力集中范围越小,峰值围岩的屋顶和地板之间的融合,和地板的塑性区(3)28 d充填体强度没有明显效果的失败深度地板上但有一定影响的屋顶和地板和围岩的峰值应力。因此,最后充填体压缩强度应确定为目的的表面保护和长期稳定的区域。确定回填的早期强度的目的是减少相当于巷道宽度和深度地板上失败

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

作者声明没有潜在的利益冲突的研究,本文的作者,和/或出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(52174130)和江苏省自然科学基金(BK20210515)中央大学的基础研究基金(2021 qn1010)。