文摘

作为特厚坚硬顶板经常是一个重要的因素诱导突然屋顶坍塌事故和煤矿爆炸,本研究调查了特厚坚硬顶板运动和采动应力之间的关系用物理实验和数值模拟方法基于采矿活动在长壁板Yima矿区,河南省,中国。结果表明,厚屋顶的运动和失效过程可分为三个主要时期:原状,运动稳定,突然崩溃。屋顶位移原状期间基本上保持不变。在运动稳定时期,位移逐渐增加到屋顶上。然而,保持着原状,直到直接顶板厚屋顶经历了第四周期屈服的物理模型。因此,位移迅速扩大到厚主要屋顶突然崩溃期间,应变能剧烈时释放它积累在特厚主要屋顶。此外,采动压力突然降低的特点是逐渐增加的趋势,当厚屋顶立即崩溃。加厚屋顶可能导致的变形和断裂岩层采动压力突然下降,导致连续和稳定沉降对矿业面板和巷道的压力。这大大有助于煤炭破裂的发生。

1。介绍

一个特厚坚硬顶板是大的地层厚度和高强度发生以上煤层或薄立即屋顶。大面积特厚坚硬顶板的运动和不稳定的骨折危险威胁煤矿安全生产非常重要。它会造成广泛的损害整个采场和是一个重要因素诱导典型动力煤等灾害爆发的1- - - - - -3]。一般来说,一次突然和猛烈的特厚坚硬顶板的崩溃会质量包含变形能量释放,导致煤炭爆发在长壁板进步,机械和工人组装。

采矿活动引起的频繁加厚屋顶坍塌事件做出了一个重要的影响煤矿的安全生产多年。2011年11月,一场严重的煤矿爆炸导致重大人员伤亡和破坏巷道部分21 - 221矿业面临的Qianqiu矿Yima矿区(4,5]。虽然事故发生与F₁₆逆冲断层附近开采面板中,集团550又厚又硬的岩石在煤层灾难也是一个关键因素。因此,特厚的动态运动进化屋顶是主要的兴趣在这个研究。

储量极其丰富的变形和不稳定顶板动态灾难之源。学者们从不同的角度进行分析,取得了丰硕的成果在特厚顶板变形(6- - - - - -9]。高et al。10]研究了坚硬顶板不稳定引起的地面压力机制通过物理实验和现场测量。赵et al。11]介绍了大型悬臂梁理论计算屈服一步距离厚而硬的屋顶。宁等。12)研究的动态运动和压裂微地震监测技术的厚而硬顶。沈et al。13)发现的断裂位置的强烈影响厚坚硬顶板巷道。辛格和辛格14)评估基础顶板厚度的影响地层屈服行为和说基本塌顶的屈服跨度增加线性增加的基本屋顶厚度。周et al。15)表示,固体回填体是一种有效的方式来控制硬屋顶和坚硬顶板的变形沉降随着固体回填率的增加而减少。王等人。16)发现,上覆岩层压力诱导骨折在厚硬顶最初的失败和周期不稳定。此外,取得了广泛的实地调查结果关于厚坚硬顶板的运动之间的相关性和道路失败(17,18]。

由于复杂性、周期性和意外的加厚屋顶坍塌,加厚屋顶的运动为地下煤炭开采活动是一个重要的决定因素。获得进一步的知识储量极其丰富的动态运动和断裂屋顶,综合物理实验和数值模拟研究之间的关系进行了位移和采动应力厚的屋顶。此外,导致煤的突然发生破裂机制诱导的加厚屋顶坍塌Yima矿区。

2。网站描述

Yima矿业区域包含一些缺点和向斜,如图1,并被选为本研究的主要地质背景。Yima矿区位于Yima南部城市,中国,并涵盖五个产品主要煤矿,也就是说,Gengcun,跃进,Yangcun,常村,Qianqiu地雷。煤炭破裂发生的数量在过去十年中也呈现在图1。

21 - 221面板操作和长壁开采方法提取。2煤层厚度为5.59 - -37.48米。广义的地层学和重要的岩土参数21 - 221 Qianqiu矿山开采面板如表所示1。21 - 221矿业板楼是沙泥岩26米的平均厚度。21 - 221年开采面板直接顶板砂岩平均10 m和泥岩厚度平均厚度24米。21 - 221矿业板基本屋顶是96.35厚-580.50米集团与单轴抗压强度(UCS) 45 MPa在实验室用单轴压缩试验。因此,基本的屋顶是一个典型的特厚硬岩层,这是一个特征Yima矿区的地层特性。因为高的上覆岩层压力从厚砾岩岩石作用于煤层,煤破裂发生经常Qianqiu矿山。

3所示。物理实验的特厚坚硬顶板的运动特征

3.1。物理模型建设

近年来,许多研究人员进行了大量的物理地质工程实验总结地面沉降的特点,上覆岩层岩石位移行为,岩层采动应力的分布特征,甚至断层活化过程在采矿工程19- - - - - -31日]。复制加厚屋顶运动通过物理实验的过程中,物理模型和现场原型之间的关系必须满足相似定律(32- - - - - -34]。在这项研究中,三个主要类型的相似定律参数被认为是:材料强度、几何、材料和材料密度。相似度参数 , ,和材料强度的比值、材料几何和材料密度之间的现场原型和物理模型,分别。此外,所有这些应满足的方程 。采矿工程的相似模拟实验,当需要定性分析模型,模型的几何相似性比例应该在50到200的范围。作为本文的主要目的是探索特厚坚硬顶板的变形和破坏机理,物理模型设计应该主要满足强度相似理论的要求。根据特厚坚硬顶板的地质条件和实验系统的客观条件,确定最佳的几何相似比为100。同时根据物理模型的最大装载限制和岩层的力学参数,强度相似比率在160年决定。因此,相似性系数 , ,和是160、100和1.6,分别。相似材料模拟岩层在现场原型含有细砂、石膏、石灰、水,被广泛用作粘结剂和聚合材料在物理实验(19,32- - - - - -36]。

图2表明,该物理模型建立在实验平台(GDSTM)维度 。因此,粉砂岩厚度的相似之处,,砂岩泥岩、煤层和砾岩岩石物理模型中5,5,10,24岁和46厘米,分别。因为全高度采矿方案是采用相似模拟实验中,本文主要研究厚硬顶板变形的特点和矿业的影响下崩溃。为了更高的坚硬顶板尽可能躺在物理模型中,煤层的厚度减少到只有5厘米。五层的岩石地层与不同的相似材料物理实验是用五混合比例,如表所示2。湿度的变化将导致类似材料的强度变化在物理实验中,导致相似的机械误差模型和原型之间的条件。相似材料的干燥时间主要取决于观察和经验推测确定相似材料达到预期的强度。一般来说,类似材料的干燥时间是3 - 7天。确切的干燥时间取决于天气条件在实验。相似材料的干燥时间是5天在这个实验中。

物理模型实验应力边界条件加载根据材料强度比率。左,右,和双方的物理模型加载到0.13 MPa, 0.13 MPa,分别和0.11 MPa。

3.2。监测计划和分析

十一个压力传感器放置在特厚砾岩岩石,从煤层34厘米,监控在长壁开采采动应力演化过程。传感器之间的水平空间是10厘米。数字散斑图像相关技术被用来研究覆岩的位移演化期间连续煤层开采(37- - - - - -39]。这项技术可以确定材料位移计算遵循一个特定的散斑之间的运动路径两种不同的图片(40- - - - - -43]。直径1厘米的黑色斑点在这个研究中被安排在岩层表面有序监控屋顶储量极其丰富的运动特征,如图2。

3.3。测试结果

为了避免初步开采特厚坚硬顶板突然崩溃过程,煤柱长度为20 m是保留在21211工作面现场的边界。所以,煤柱20厘米的长度是正确的边界模型减少边界效应。21221工作面现场的推进长度是3米到8米每一步根据字段数据。平均每一步前进的长度是5米在正常开采条件。煤层开采是5厘米每一步从右边往左边界边界的物理模型。

图3提出了采矿过程和冒顶矿业在测试期间。整个开采过程中在该测试中,屋顶有经验的五个周期屈服,显示不同的连续失败屈服的高度2 6 6日14日和36厘米采空区上方。屋顶运动过程可分为三个主要时期:原状,运动稳定,突然崩溃。当矿业开采在35厘米,屋顶没有显著改变在一个稳定的状态。这个阶段是安静的时期,如图3(一个)和3 (b)。裂缝的发展和连接屋顶层,屋顶分离现象越来越明显。然而,加厚屋顶至关重要的运动稳定时间,如图3 (c)- - - - - -3 (g)。同时,屋顶逐渐沉没反复和冒顶高度稳步增长在这段时间从2到14厘米。屋顶的原因暂停了很长一段时间,特厚坚硬顶板有很大的强度和刚度,能承受大变形。变形能量逐渐积累在特厚坚硬顶板煤层开采。硬摇滚的弯曲和沉降导致形成大型特厚坚硬顶板的分离区域。矿业面临开采时在110厘米,厚屋顶坍塌突然扩大到集团在一个大区域,如图3 (h)。屋顶运动显示一个不稳定的动态变化行为的突然崩溃。在这个物理实验,特厚主要屋顶坍塌时只观察一次周期性冒顶发生在眼前的屋顶。屋顶的结构不稳定厚大变形的显著特征。

为了进一步分析空间结构特征的五倍厚屋顶的屈服状态,人物4显示空间结构分布在矿业发展面临冒顶。屋顶塌陷区域在不同阶段的实验过程中不同颜色的盒子。随着矿业面临持续推进,采空区面积逐渐增加,屈服空间逐渐扩大。冒顶的发展是一个动态的过程。破碎地层的特征参数屈服区域通常是屈服的高度,高层破碎岩石,低级破碎岩石,和屈服的角度,进一步分析了在图5。

低级和高级岩石断裂是指最低和屋顶上的岩石破裂崩溃区,分别。他们通常可以描述屋顶坍塌的空间范围。高层张成的空间裂缝地层显然比低级裂缝地层在屋顶坍塌区。这是因为屋顶坍塌区域扩展的煤层上行开采过程。在第一次屈服,低级和高级地层的裂缝跨越35和32厘米,分别。低级阶层的平均断裂跨度是20厘米在接下来的四个周期冒顶。骨折的高级阶层稳步增长,除了第三周期屈服,如图5(一个)。图5 (b)显示了最小和最大崩溃50°和56°角,分别。崩落角显示小波动在五个周期屈服。岩层发生剪切破坏模式时,屈服破坏面之间的角度和水平方向大约是相同岩性条件下相同。屈服的角度密切相关岩石的内摩擦角层。矿业发展面临,加厚屋顶总是经历改变的状态稳定和动荡之间交替后第一个屋顶权重,和屋顶压力释放定期发生。因为低级的岩性地层泥岩,打破的低级阶层保持稳定。然而,高层次的地层的岩性由泥岩和特厚集团,和高层的打破跨层经常改变。

屋顶上储量极其丰富的采矿扰动的影响相对小安静的时期,和整个模型垂直位移为零,如图6(一)。在运动稳定时期,连续开采的扰动效应逐渐变得明显。加厚屋顶经验的五个连续屈服和岩石填充采空区塌陷。屈服地层位移中心的采空区由于重复压缩增加到5.5厘米。由于岩石体积膨胀,地层位移远离矿业面临的中心逐渐减少。此外,位移逐渐增加到上屋顶,只能观察到在不久的屋顶和加厚屋顶不是被采矿活动,如图6 (b)- - - - - -6 (e)。然而,矿业脸上开采110厘米的距离突然崩溃时期和图6 (f)表明位移厚迅速扩大到屋顶及能量积累的困难企业集团突然释放。

与矿业发展面临的问题,特厚的压力平衡屋顶坏了由于屋顶倒塌。压力是重新组建一个新的表土平衡结构。五压力监测点标记为# 1,# 4,# 6,# 8 # 11在特厚集团选择分析应力变化的特点,如图7。先进的采矿的脸时0厘米到70厘米的距离,所有监视点的压力逐渐增加。和每个监测点的压力略有波动同时开采的距离。先进的采矿的脸时75厘米到110厘米的距离,特厚8 #的压力监测在屋顶会经历两个阶段,包括急剧上升阶段和急剧下降阶段。因此,应力变化和运动状态的加厚屋顶相结合进行综合分析。在安静的时期,采矿扰动影响厚集团增加了。加厚屋顶压力逐渐增加,变形能慢慢积累了特厚的企业集团。运动稳定时间,特厚砾岩压力增加到峰值应力。突然崩溃时期,特厚集团压力突然下降。因为广泛的变形能的厚集团突然的剧烈变形能量释放的方式当厚集团在大面积坍塌。 Therefore, the mining-induced stress was characterized by a sudden decrease in the gradually increasing trend when the extra-thick roof suddenly collapsed.

4所示。特厚坚硬顶板的运动演化特征

4.1。数值模型

三维离散单元代码(3 dec)有一定的优势,模拟大型运动和大变形的大规模系统的静态或动态加载下不连续介质(如裂隙岩体)。适用于应用模拟厚屋顶的运动特征的影响下采矿扰动。材料3 dec模型分为两个部分:岩石的块之间的连续性和结构面岩石不连续块。考虑尺寸相同的物理模型,几何尺寸 成立于12月3模型,如图8。

结合每个岩层的具体特征,地层的相关力学参数和结构面块之间在数值模式下表所示3和4,分别。

他们部分检查经过几次调试周期根据地质参数的21 - 221长壁的脸。20.0 MPa的垂直应力应用顶部的数值模型。因为21 - 221长壁的最大主导应力水平应力,23.4 MPa的水平应力应用于边界数值模型。

矿业脸上开采沿煤层5米的距离从左边到右边的数值模型。整个模型先进总共22倍,使总开采110米的距离。

4.2。特厚屋顶塌陷位移

加厚屋顶板的位移和速度矢量来描述分析了顶板运动的行为。

矿业面临先进20米,没有明显加厚屋顶运动,但眼前的屋顶上有一个三角形位移,如图9(一个)。随着矿业面临先进40米,直接顶在重力的作用下坍塌。主要的屋顶,24米的煤层,表现出一种独特的分离现象,如图9 (b)。屈服区和最大位移的工作面直接顶逐渐增加还是继续前进。由于倒塌的岩体和煤层的支持完整岩石地层,直接顶加厚屋顶被分开,如图9 (c)和9 (d)。弯曲和沉降发生在特厚砾岩和屋顶分离区域进一步扩大,如图9 (e)。厚的屋顶向下移动,及工作面顶板位移逐渐增加的先进的110,如图9 (f)。特厚屋顶倒塌在一个大区域,可以很容易地导致煤炭破裂。显然,破碎地层储量极其丰富的屋顶先后通过分离进展,弯曲下沉,关闭分离,和屈服压实过程。

上方的岩层开采的脸开始慢慢向下移动,速度矢量立即出现在屋顶上,如图10 ()。加厚屋顶小范围屈服应力再分配,和屋顶的速度矢量放大矿业面临先进40米,如图10 (b)。矿业面临进一步的推进,倒塌的岩层远离矿业面临进入压实状态和速度矢量基本上是零,如图10 (c)和10 (d)。此外,有一个广泛的不稳定向采空区工作面附近的屋顶,屋顶和分离差距扩大。特厚集团有一个小的速度向下运动的趋势,如图10 (e)。它进一步转移到采空区,加厚集团逐渐增加的速度矢量矿业面临先进110,如图10 (f)。因为巨大的变形能量释放的崩溃厚集团特厚屋顶为矿业面临的安全处于最危险的状态。

5。采动压力特厚坚硬顶板的演化特征

5.1。数值模型

有限差分程序FLAC^{3 d}应用于模拟采动应力分布特征的特厚坚硬顶板在矿业发展的脸。通过建立适当的FLAC地质材料的本构关系^{3 d},进步采动应力弹塑性岩体的发展是有效的跟踪。结合物理实验的结果,特厚屋顶的应力演化数值模型的比较分析。

FLAC数值模型^{3 d}有12个压力监测分编号# 1 - # 12厚位于集团建立了岩石。压力监测的位置点对应于压力传感器分布在物理模型岩层采动应力监测厚砾岩,如图11。相邻压力监测分被放置10 m。20.0 MPa的垂直应力应用顶部的数值模型,水平应力的23.4 MPa是应用于两侧边界。此外,水平有限边界位移和垂直位移的数值模型基本是固定的。岩层的物理力学参数在FLAC^{3 d}模型经过几次调试周期,如表所示5。

5.2。应力分布特征的厚屋顶

矿业面临推进,逐渐加厚屋顶的垂直应力释放。垂直应力的释放表明应力的绝对值下降和释放区域的垂直应力逐渐增加到屋顶上,如图12(一个)- - - - - -12 (f)。最初的支持效果特厚煤层的顶板逐渐消失了。模型顶加载和重力的影响造成弯曲下沉厚的屋顶。随着矿业面临先进110米,厚屋顶经历了最大应力释放。

如图13严重的压力变化,有五个阶段的特厚煤层开采期间企业集团。矿业面临先进到40,55岁,75年,90年和110年的数值模型,屋顶有经验的五个周期屈服在五个开采阶段。屋顶倒塌时,第四次,特厚砾岩的反应更强烈和加厚集团的压力被释放了。当第五次加厚屋顶倒塌,特厚的压力集团改变了暴力和突然下降。

确认数值模拟结果的可靠性,从物理实验获得采动应力相比,从数值模拟获得。在这项研究中,# 8监测的应力变化每米点在同一位置的数值模拟和物理实验选择矿业面临发展进行比较分析。

图14表明,应力变化每米从物理实验与数值模拟得到的是相一致的。在煤矿的早期阶段,加厚屋顶压力波动小。但当矿业面临先进到110米,有一个暴力波动,表明煤炭开采的扰动厚集团达到最大值。第五个厚屈服的屋顶发生在采空区及压力变化剧烈;# 8测点的应力变化行为在同一位置数值模拟与物理实验基本上是同步的。

6。讨论

根据位移和采动应力变化加厚屋顶,以下方面应更详细地讨论分析变形的动态演化特征和运动特厚的屋顶。

长壁开采的开采面临诱导采动厚变化和工作面上方屋顶运动。加厚屋顶的运动和失效过程可分为三个主要时期:原状,运动稳定,突然崩溃。因为物理实验中的采工作面推进距离很短,加厚屋顶造成的弯曲变形和下沉相对较小。典型的压力传感器的压力程度小;因此,这个阶段可以分为属于安静的时期。与矿业面临发展,屋顶悬顶长度逐渐增加,弯曲,沉没在重力的作用下。屋顶端弯矩和剪力逐渐增加,导致屋顶失败。此外,水平应力应用于左和右边界的物理模型和厚屋顶倒塌的作用下慢慢水平的压力。因此,这一阶段是稳定时间运动的一部分。因为主要的屋顶是由一个厚集团可以维持较大的应力水平。 Although the roof movement was dynamic in coal mining, an extra-thick roof was not disturbed until the roof reached a certain degree of deformation. The UCS of the extra-thick roof was 45 MPa, and its failure could occur only when the effect of the roof subsidence increased the extra-thick roof stress to the ultimate strength. It broke and caused roof caving in a large area and could easily induce coal bursts. This stage corresponded to the sudden collapse period.

在整个开采过程中,屋顶有经验的五个周期屈服。加厚屋顶板的位移和速度矢量在这个周期大幅增加屈服,和高厚迅速扩展到整个屋顶。数据6和9显示结果的位移和屋顶的崩溃状态3 dec模型普遍认为与物理实验。当压力监视点位于厚砾岩工作面远离采矿扰动的影响区域之外,他们的压力保持原位应力。与矿业面临着进步,压力逐渐增加,广泛的厚度变形能量积累的企业集团。特厚砾岩达到自己的极限强度时,屋顶塌陷的第五次和特厚集团的压力突然变化。与此同时,采动压力突然降低的特点是逐渐增加的趋势,当厚屋顶突然倒塌,如图7和13。# 8个测点的应力变化特征在同一物理实验和FLAC的位置^{3 d}模型基本上是同步的,如图14。

因此,特厚的变形和断裂屋顶可能导致连续和稳定沉降对矿业的脸和巷道的压力,这提供了一个连续的力量立即屋顶,煤层和岩层采动压力可能导致突然减少厚的屋顶。这大大促进了煤炭破裂的发生。

7所示。结论

数值模拟和物理实验研究的运动和断裂特征在煤层开采特厚的屋顶。具体结论如下。(1)加厚屋顶的运动和失效过程可分为三个主要时期:原状,运动稳定,突然崩溃。屋顶位移基本上不改变原状期间。运动稳定期间,位移逐渐增加到上屋顶,只能观察到在直接顶和加厚屋顶不被采矿活动。然而,位移迅速扩大到厚主要屋顶突然崩溃期间(2)虽然屋顶运动在煤层开采是一个动态的过程,特厚主要屋顶原状,直到直接顶了第四周期屈服。厚的UCS主要屋顶是45 MPa,和它的失败可能发生只有当屋顶沉降的影响增加了特厚主要屋顶压力极限强度。因此,应变能是暴力时释放它加厚屋顶失败过程中积累起来的(3)厚主要屋顶坍塌只是物理实验中观察到一次一个周期冒顶发生时立即屋顶。的位移和速度矢量描述:主要屋顶大幅增加在这个周期屈服,和崩溃的高度迅速扩展到厚主要屋顶。与此同时,采动压力突然降低的特点是逐渐增加的趋势,当顶板厚突然倒塌(4)矿业面临先进,加厚屋顶的运动和断裂导致连续和稳定沉降对矿业的脸和巷道的压力。这种压力努力提供一个连续的力量立即屋顶和煤层。这大大促进了煤炭破裂的发生

数据可用性

所有的原始数据用来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

本研究受益于以下的支持资金从北京自然科学基金(8202041)、国家自然科学基金(41872205),曰气年轻学者项目,中国矿业大学科技、北京(2018 qn13),中央大学的基础研究基金(2021 yjslj10)和中国国家重点研究发展计划(2017 yfc0603002和2016 yfc0801401)。