文摘

应力分布、失败的深度和形状和距离采场上覆地层的重要基地的屋顶水灾害预防和决心的屋顶道路的合理位置。根据水文地质数据的E9103 workface, FLAC数值模拟软件被用来建立数值计算模型的上覆地层E9103斜煤层,和上覆地层的应力分布和破坏特征进行了分析。屈服和水流的发展高度上覆地层断裂区workface决心。结果表明,采空区上方的减压区出现的形式“拱形”分布,和拉应力发生在当地的表土。表土救助拱workface是对称分布的先进方向和沿倾斜方向不对称分布,与拱顶workface上方偏转。水平和垂直位移的采场的覆层与workface推进距离的增加。的水平位移 - - - - - -方向呈现两个明显的区域,这两个地区的临界点workface前进与进步,表现出一定程度的对称性。的水平位移 - - - - - -方向提供了一个“倒碗”分布和workface的进步和提高。的主要故障形式的上覆地层workface拉伸和剪切破坏,剪切破坏是主要的方向上。的高度上覆岩层崩落区workface没有关系的推进距离workface和增加缓慢的推进距离workface增加。开发屈服区高度7.2 - -18.13米。水传导裂隙带的高度发展与推进距离的增加迅速增加workface。在推进距离等于workface的长度,水传导裂隙带的高度发展是平的,基本上维持在一个稳定值。开发水传导裂隙带高度30.8 - -62.2米。这些研究成果有重要工程的重要性,以确保安全、高效开采E9103 workface。

1。介绍

煤层开采覆岩的破坏原始应力平衡状态;引起采场围岩应力再分配;形成应力集中和应力降低区;导致变形,运动,分离,骨折,采场覆岩的崩溃;并导致屈服区,水传导裂隙带、弯曲带(1- - - - - -5]。确定的发展高度的屈服和水传导裂隙区开采workface有利于预测和预防顶板水害当承压含水层和水积聚在采空区上覆地层的煤层(6- - - - - -8]。因此,研究应力分布、故障特征,和影响范围的上覆地层的前提和基础是实现安全开采承压水之下,确定屋顶道路的合理位置,判断降低上游煤矿煤炭开采的影响(9- - - - - -13]。

目前,研究采场上覆地层的应力分布和破坏特征主要包括数值模拟、相似模拟和现场监测。这些方法提供技术支持和安全保障实现安全开采承压水,确定屋顶道路的合理位置,判断的影响降低上游煤炭开采煤矿。王等人。14)的动态演化特征和时空耦合效应研究矿山压力、地层运动,和断裂分布在深采场采用综合方法由数值模拟、相似模拟,和现场监测。矿山压力的动态响应机制,上覆地层位移和屋顶裂缝字段也被调查。获得道路上煤层的合理位置,黄等。15]研究了破碎带的形态特征和围岩应力分布集中在诱导下煤层的开采利用理论分析、现场测试和数值模拟。他们提出两个方案巷道位置,即内在和外在的交错模式,避免破碎区和集中的影响有效应力场。工程背景的基础上Dananhu 1号煤矿在新疆,赖et al。16]研究了上覆岩层断裂和水传导的特点完全机械化放顶煤开采过程挖掘软roof-coal-floor煤层在极干旱气候。他们的研究提供了科学依据完全机械化的安全开采综放workface软roof-coal-floor煤层和适当的保水开采计划的决心。杨et al。17)使用的11915 workface矿山为例,应用三种方法,即钻孔水泄漏,钻孔电视,数值模拟,观察水传导带的高度。

上述研究成果起到有效的指导作用,确保煤矿的安全生产。工程背景的基础上E9103 workface矿业在临汾天宇Hengjin workface煤矿和水文地质数据,数值计算模型E9103倾斜煤层开采上覆岩层的workface通过FLAC数值模拟软件建立了在这个研究。的应力分布、故障特点和发展的高度上覆岩层崩落和水传导裂隙区进行了模拟和分析。研究结果具有重要的工程指导意义,以确保安全、高效开采的E9103 workface。

2。数值计算模型的倾斜煤层开采上覆岩层

2.1。工程背景

安徽Wanbei临汾天宇Hengjin煤矿煤炭电力集团主要煤矿9和10号煤层。的E9103 workface是第二个综放采煤workface第东矿区的矿井。workface位于南山斜井的东翼,和切孔构造接近保护煤柱的开采边界。外机巷的水平距离是8米的E9101 workface采空区,风巷外的一面是固体尚未开采的煤炭。线距Dongyi估计197运输上山。交通道路的长度是1718米。通风巷道是1739米长,190米宽的平均E9103 workface。的煤层底板标高workface + 1015 + 1117,平均煤层的厚度是4.50 m,煤层的倾角是14°- 18°,平均16°倾斜,如图1。眼前的屋顶,屋顶的主要E9103 workface浅海洋灰岩抗压强度高(平均抗压强度为29.6 MPa),这使得屋顶很难下降。眼前的地板E9103 workface由泥岩,没有。11煤层、泥岩和灰岩。

没有。2煤层上方E9103 workface开采。积水采空区和顶板砂岩含水层(K7速率,也没有。2煤顶板砂岩含水层)workface突水的主要来源。如果水传导裂隙带与水积累后的采空区和顶板砂岩含水层E9103 workface开采,煤矿的安全生产将受到威胁。以确保正常和安全的采矿、上覆地层的应力分布和故障特征的E9103 workface必须研究,开发水传导裂隙带的高度必须确定,应制定和相应的技术措施对水风险预防和控制按照现有矿山的地质和水文资料。这样做可以保证矿井安全、高效生产。

2.2。计算模型和仿真参数

基于综合地质柱状图E9103 workface Hengjin煤矿,数值计算模型的建立了一个倾斜煤层上覆地层,如图2。在模型中, - - - - - -方向的倾斜方向workface, - - - - - -方向是罢工的方向,倾斜的长度( - - - - - -方向)是300 m,罢工的长度( - - - - - -方向)500米。岩石和煤层的倾角是16°,和50 m煤柱workface设置。进行挖掘 ,停在 ,共有400开挖。底部表面模型的约束在垂直方向位移,和前后端抑制水平方向的位移。模型的上表面是一个免费的表面,与上覆地层(除了煤层顶板)加载到模型的上表面均布荷载的形式(外加负载8.2 MPa)。物理力学参数的屋顶和地板倾斜煤层workface模型如表所示1。

在模型计算过程中,计算网格划分根据模型的几何尺寸,和相应的物理力学参数提供给岩层。然后,原岩应力平衡状态的计算模型。20米的模型是一步一步挖掘每一步开挖,总共20发掘。运动、变形和失效规律的上覆地层E9103 workface模拟在不同的驾驶距离。在每个开挖计算,模拟单元的信息提取和联合分析应力分布的变化规律和失败上覆地层的特征E9103 workface workface的推进距离和揭示进化规则的上覆岩层运动和发展水传导裂隙带的高度E9103 workface。

2.3。本构模型和煤岩参数

近似理想弹塑性模型用于数值计算模型,采用针对摩尔-库仑屈服准则和失效准则。莫尔-库仑屈服准则可以表示如下: 在哪里和分别是最大和最小主应力;和分别是凝聚力和内摩擦角;材料的抗拉强度; ;和 。当 ,材料发生剪切破坏,当 ,材料进行拉伸断裂。

煤岩体的物理力学参数参与莫尔-库仑屈服准则的弹塑性模型包括体积弹性模量 ,剪切模量 ,凝聚力 ,内摩擦角 ,和质量密度 。 和根据弹性模量确定和泊松比煤岩体,它们之间的关系如下:

3所示。下的上覆地层应力分布在倾斜煤层开采

煤层开采后,上覆地层移动和变形,导致应力再分配和workface压力现象的出现。图3显示一个云图的上覆地层的垂直应力分布E9103 workface在不同推进距离。相应地,图4显示垂直应力集中系数的变化规律与推进距离的变化。workface的开挖破坏原始岩石的应力平衡状态,导致采场围岩的应力重分布和开采扰动的形成。推进距离的变化反映了不同的扰动和破坏范围的表土煤和煤层开采引起的岩体。

workface推动40 m时,应力集中发生在煤岩体workface的前方和后方。前面的垂直应力峰值workface达到14.38 MPa,应力集中系数是1.78(图4)。同时,减压区出现workface采空区上方的“拱”的形式分布,和拉应力发生在当地的覆盖层。的出现拉应力,导致macrotensile损害采空区的屋顶,是崩溃的主导因素和破坏的上覆地层和裂缝的发展和裂缝的主要原因在裂隙带的一部分。workface与推进距离的增加,开采扰动范围不断扩大,采空区上方的压力小的区域发展向上拱的形式”。“workface被推到200米时,后方的支承压力峰值workface达到最大值21.01 MPa,应力集中系数是2.6(图4)。随着workface继续进步,支承压力峰值的增加趋势逐渐减缓,如图3 (f)- - - - - -3 (j)。这个结果表明,我的压力是相对明显workface的第一次会议期间。它也表明,安全生产,如屋顶管理第一次会议期间及其后期间,应加强workface时恢复。

图5垂直应力分布的显示了一个云图上覆地层的workface沿倾斜方向的推进过程中煤层E9103 workface(200和400)。垂直应力场的分布特征的上覆地层workface沿倾斜方向不同位置的煤层沿走向类似workface的方向。应力集中区域出现在面前的煤岩体的workface的背后,和减压区发生在采空区面积workface并逐步向上发展的形式“拱。“图5显示的推进workface,挖掘空间逐渐形成,workface的上覆地层移动和重力作用下被破坏,立即屋顶直接摔倒,屋顶和主要休息,导致采矿失败裂纹和workface的上覆地层的再分配。救援拱上覆地层的基本显示了沿着workface的推进方向对称分布,而上覆地层的救援拱提出了一种不对称的分布沿倾斜方向的workface及其地下室workface上方倾斜。上覆地层的应力分布的煤层采场沿倾斜方向的完全不同于上覆地层的workface水平煤层。

图6显示了一个3 d的表面图的围岩垂直应力E9103 workface在不同推进距离。相应地,图7显示一条曲线的围岩垂直应力的E9103 workface workface前进的距离。围岩的应力变化与推进距离的增加后E9103 workface开采,和地区的压力增加和减少出现在某种程度上。局部拉应力发生在采空区面积,导致煤岩体的拉伸断裂和断裂。

4所示。位移特征倾斜煤层开采上覆岩层

图8显示的位移的矢量分布时,上覆地层E9103 workface被推到400米。采场上覆岩层的移动和变形的进步workface。在采空区顶板岩层的移动不断向采空区,形成上覆地层的沉降面积,和底层地板层的运动方向在采空区顶板岩层相对的,形成一个底鼓。的位移矢量值覆盖屋顶和底层地板层采空区随距离的增加采空区。

图9显示了水平位移的变化曲线(和方向)和垂直位移(方向)的表土E9103 workface不同推进距离。上覆地层的水平和垂直位移的采场与workface推进距离的增加。图9(一个)表明的水平位移 - - - - - -方向呈现两个明显的地区。上覆地层的水平运动方向的前方一定距离open-off削减是一致的前进方向workface ( - - - - - -方向位移大于零),而上覆地层的水平运动方向在一定距离后停止线是相反的推进方向workface ( - - - - - -方向位移小于零)。与workface推进距离的增加,临界点的域( - - - - - -方向位移等于零)不断推进,呈现一定的对称性。图9 (b)显示的水平位移 - - - - - -方向提出了一种分布格局的“倒碗里。“中央的分布是对称的采空区的位置。workface不断进步,水平位移 - - - - - -方向不断增加,这可能有利于故障的形成上覆地层的裂缝。图9 (c)表明,采场上覆地层的垂直位移的增加不断的进步workface,和影响范围不断增加。

5。覆岩破坏特征的基础上在倾斜煤层开采

workface开采后,上覆地层损害的采场呈现明显的分带。按照理论我的压力和地层控制,workface开采后上覆地层的一般形式屈服,裂缝,和弯曲下沉区从底部到顶部,在高度发展的下降和裂隙区(称为“两带”参数)是一个重要的技术参数workface的安全生产。上覆地层的分布形式和发展高度的采场密切相关的地质条件workface和重要指导水灾害的预防和控制。在接下来的部分,发展“两个地区”的上覆地层的特点E9103倾斜煤层workface从两个角度进行了分析,即塑料覆层和应力歧视方法的故障特征。

5.1。采场上覆岩层的塑性区分布特征

屈服后,采场的覆层进入塑性状态,和他们的完整性遭到破坏。一方面,固有的岩体裂缝进一步扩大和延伸;另一方面,新裂纹产生。这些微裂纹相互连接,形成一个水导电裂纹。的故障特征上覆地层的塑性区可以直观地反映故障形式,为分析的一个主要基地的发展“两带”高度上覆地层和确定最大水传导裂隙带的高度。分布云图的塑性区上覆地层的罢工和倾斜的方向时workface E9103 workface先进400图所示10。

塑料的云图分布的采空区上覆地层显示岩石主要由剪切破坏向上拉伸和剪切破坏。煤层开采后上覆地层大致可以分为五个变形和破坏区域从上到下;五是nondestroyed区、塑性变形区,张力裂缝区域,张力损坏区域,区域和地方紧张。上覆地层的失效形式是对称的“拱形”分布workface沿前进方向;它也是一个不对称的“拱形”煤层的分布沿倾斜方向,和破穹窿偏离中间的上部workface。失效形式的上覆地层沿倾斜方向的煤层是完全不同的workface水平煤层。煤层开采后,上覆地层的裂隙带的高度的采场主要受到的塑性区范围以上煤岩体和采空区workface前后。岩石的屈服区通常在局部张力区,和塑性区主要表现为紧张失败。图10显示屈服的高度和水传导裂隙区workface的18.13和62.2 m,分别(塑性区)的最大高度。

5.2。失败的“两个地区”的上覆地层的特性

采用应力歧视法计算各关节的压力通过使用不同强度和屈服准则,判断故障点产生了通过使用关节的应力状态。拉应力和小的压应力区裂缝发展的领域。张力失败的上界和紧张骨折区是重要的标准确定屈服的高度和水传导断裂区。图11显示了一个示意图的最大主应力、最小主应力和水平应力时采场上覆地层的E9103 workface先进到400米。

数据的主应力云图(11日)和11 (b)表明,最大主应力分布类似于鞍基本上符合塑性区。最小主应力发展向上的形式一个拱门。水平应力云图数据11 (c)和11 (d)表明,水平应力的垂直区采场的覆层是显而易见的。拉应力出现在一定范围内采空区。逐渐拉应力转变为压应力和水平应力等值线超出范围后变得稀疏。根据水平和主应力的大小和性质,可以分为三个区域,即双向拉应力区,方法应力区,和压缩应力区。双向拉应力区域显示,最大和最小主应力大于0,主要分布在采空区地层屈服区。当拉应力超过岩体的极限抗拉强度、岩体破坏和倒塌,压力释放和转移。拉伸和压缩应力区域显示的最大主应力大于0,和最小主应力小于0,这是主要分布在岩体的屈服区,和岩体受到一定方向的拉应力。当压应力大于抗拉强度、剪切和拉伸断裂。压应力区显示,最大和最小主应力小于0。屈服区通常位于双向拉应力区和方法上覆地层的压力区。 The main failure forms are tension and shear failures. The magnitude of principal stress and rock mass properties controls the development height of the caving zone and the openness, density, and penetration of mining cracks.

摇滚是一种抗压和non-tensile材料。一般来说,如果最大和最小主应力在采空区上覆地层的拉伸应力,岩石会经历全面的拉伸断裂,屋顶就会形成一个屈服区。如果只有一个主应力是拉应力,可见裂缝会出现垂直于拉伸应力,形成破碎区。积极的拉应力,上覆地层的主要应力为拉应力的范围的屈服区,和范围的主要压力在一个方向上采用明显的裂隙带的高度。图12显示了变化的发展高度上覆地层的屈服和断裂区E9103 workface在不同推进距离。图12表明当workface先进40米,高度的屈服和断裂区7.2和30.8 m,分别。当workface先进80,屈服区高度为8.5米,和断裂带的高度是40.5米。当workface先进120米,高度的屈服和断裂区10.82和47.3 m,分别。当workface先进160,屈服区高度为12.5米,和断裂带的高度是52.1米。当workface先进200米,高度的屈服和断裂区14.18和56.11 m,分别。当workface先进240米,高度的屈服和断裂区15.62和57.34 m,分别。当workface先进280,屈服区高度为16.91米,和断裂带的高度是58.2米。当workface先进320,屈服区高度为15.88米,和断裂带的高度是59.1米。当workface先进360米,高度的屈服和断裂区17.61和59.8 m,分别。当workface先进400米,高度的屈服和断裂区18.13和62.2 m,分别。 In conclusion, the height of the overburden caving zone has little to do with the advancing distance of the E9103 workface; it increases slowly with the advancing distance of the workface, and the height of the caving zone is 7.2–18.13 m. The height of the fracture zone increases rapidly with the advancing distance of the workface. It tends to be flat when the advancing distance is equal to the length of the workface and remains at a stable level; the development height of the fracture zone is 30.8–62.2 m.

6。结论

的水文地质数据的基础上E9103 workface Hengjin煤矿,上覆地层的数值计算模型E9103倾斜煤层workface成立运用FLAC数值模拟软件。应力分布和破坏特征进行了模拟和分析,和发展高度的屈服和水传导裂隙区E9103 workface被证实。得到了以下主要结论:(1)后E9103 workface开采,采空区上方减压区出现,这些都是形式的“拱门。“紧张压力发生在上覆地层的当地。救援拱上覆地层的对称分布沿前进方向的E9103 workface,沿着倾斜方向不对称分布,其拱是workface斜上方(2)水平和垂直位移的上覆地层E9103 workface随着推进距离增加。的水平位移 - - - - - -方向呈现两个明显的区域,而这两个领域的临界点workface往前移动,显示一定的对称性。的水平位移 - - - - - -方向提供了一个“倒碗”分布,增加workface的进步(3)的上覆地层E9103 workface主要拉伸和tensile-shear失败,然后向上的剪切破坏。上覆地层的坍塌区区域,通常在当地紧张和塑性区主要是紧张失败。高的屈服区E9103 workface几乎没有与推进距离的关系,并与推进距离它增加缓慢。开发屈服区高度7.2 - -18.13米。水传导裂隙带的高度发展与推进距离增加迅速。当推进距离等于工作面长度,裂隙带的高度发展是平的,基本上保持一个稳定的值。开发水传导裂隙带高度30.8 - -62.2米

数据可用性

没有任何补充材料在这项研究中,所有的数据,表和图片已经提出。

的利益冲突

作者宣称他们没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(没有。51974010)。