文摘

超厚煤层分层开采是一个重复的过程扰动的屋顶,尤其是在较低的分层,上层复杂岩层大和解空间,导致地层结构的巨大变化和裂缝分布。Rujigou煤矿的主要煤层厚度超过20米,由于煤层的瓦斯含量较高,容易自燃,采用分层开采法。当一个小型节煤柱(小于10米),复杂的岩石结构演化和裂隙发育特征在浅埋厚煤层分层开采将直接影响运动之间的天然气运输工作面和采空区的安全,将直接影响工作面。以Rujigou煤矿为工程背景,分析了断裂结构,裂缝发展和演化规律,上覆地层在不同层次和不同部分煤层埋藏深度浅,和特厚煤层分层开采。结果表明,分层开采的过程中,上覆地层打破,除了整个失败梯形结构,也将形成一个当地F型断裂结构,分层向下挖掘,F型断裂结构将继续上升,直到压实消失。“V”型和“U”型沉降的特点,提出了不同的地层上覆岩层分层工作面开采后的特厚煤层和沉降量大约是沿着中线对称分布的采空区。采矿过程中较低的层的一部分,最后破碎岩石块很容易滑动沿着铰链铰接点的岩石梁结构,滑动失稳发生。过程中ultrathick煤层分层开采,表土的主要裂缝主要是纵向裂缝,和很容易形成通过上层和最终将与表面浅埋深条件下的。斜裂缝与相邻采空区煤柱上方形成的部分,在采空区成为天然气运移的通道。研究结论表明,高气厚煤层分层开采,特别要注意处理的气体在分层工作面。 In addition to the conventional gas treatment measures such as coal seam prepumping, the buried pipe pumping in the mining area can also be adopted, which can effectively reduce the gas concentration of the working surface.

1。介绍

在长壁开采,上覆地层坍塌和打破在重力的作用下煤层开采后,因此,形成了覆盖三个地区。其中,崩溃区和裂隙带是好迁移路径的水,天然气,和其他液体(1- - - - - -3]。分层开采是指由低角度倾斜厚煤层分层开采方法切片沿着屋顶或紧急倾斜煤层切片沿高程(4,5]。

与放顶煤开采过程挖掘相比,分层开采多个干扰等特性,长期开采周期,和大型实际开采煤层的厚度,所以复杂的岩石结构和复杂的岩石裂缝发展有其独特的地方6,7]。一些学者例如汉et al。8)使用电磁检测、y . et al。9)利用微地震监测、肖等人和鑫et al。10,11)使用钻孔监测、硕士等。12使用类似的仿真实验,全新课题(13覆岩层裂缝)进行了理论分析,发展进步和高度是厚煤层的系统研究。

国内外学者也进行了深入研究上覆岩层运动和控制技术,支持压力分布和裂缝发展特征的重复开采条件下厚煤层。

它已经被系统地研究了表面解决厚煤层下山(14)和厚松层条件(15- - - - - -17]。开采深度的影响,提取煤厚度、采矿和岩性的岩石活化系数(18- - - - - -20.)进行了探讨。内表面的沉降系数表达式和岩层是派生21]。也提出了覆岩层中空白部分损伤区煤层开采期间转换为地表沉陷。在分层开采,新生裂缝很小,和老裂缝将会关闭,所以地表沉陷量增加22,23]。

陈会昌,小鑫(10,11,24,25)研究的失败模式和特征的重复开采上覆地层完全机械化开采。控制失败的技术提出了上覆岩层分层开采条件下的高度。先锋et al。12,26]分析了巷道支护原则和分层开采强度的分层工作面额外的厚煤层。曾庆红et al。(13,27]研究了上覆地层的裂缝分布特征在巨大的厚煤层放顶煤Zhundong Dajing矿区。建议煤炭屈服在含水层分层扰动的影响很小。太阳和傅14,28)建立了平面物理相似模拟模型,很明显,岩石变形不是一个等价的重复叠加的影响下分层开采。唐et al。15,29日]研究支承压力的分布在两个方向:方向和趋势的厚煤层分层开采。

采取Rujiigou在中国宁夏贺兰山煤田无烟煤公司作为工程背景,论述了上覆岩层的结构和裂缝发展规律ultrathick multisection分层开采的煤层条件下浅埋矿业。它将为矿山压力控制提供技术支持和天然气防灾。

2。工程背景

Rujigou煤矿位于最南端的Rujigou在贺兰山煤田勘探区域,如图1。

高和陡峭的山坡,地质构造简单,几个缺点,含水层渗透性极低,和低冲水存在,矿井的水文地质条件简单。我仍然有煤层气地质储量的11.7亿米³小型煤层气领域的高价值和储备丰富。

主要开采煤层是否定的。2 - 3。平均煤层厚度18.09米,原始瓦斯含量是21.77米³/ t,和原来的气体压力为0.45 MPa,稳定高气体厚煤层。010202年的部分我Rujigou位于向斜轴。埋藏深度为100 ~ 300米,分为五层。每一层的高度是3.6米,罢工的长度是1550米,倾斜的长度是236米,平均煤层倾角是4°。010203年段毗邻010202段,分为五层,每一层的高度是3.6米。两段,煤柱宽度为5米。两个工作面临的表面周围的露天矿剥离渣存储平台,所以表面是相对平坦。的表面和布局工作面数据所示2和3。

矿山开采的影响下,010203年段设置为面值010202段分布。分层的工作面临着开始挖掘010202年第三层开采后段,然后为矿业010202年第四层段。因此,由于煤层瓦斯煤层高,有必要研究上覆岩层的结构和裂缝发展规律在010202节和分层开采上覆岩层裂隙的传导规律和上覆岩层裂隙带在010203节中,这有助于阐明天然气的生产过程预防和采取一些技术措施。

3所示。仿真模型建设和监测计划

国家工程实验室的煤矿充填和矿业的山东科技大学、相似材料模拟试验的进行复制的过程中面对额外的厚煤层分层开采,和上覆岩层结构变化和裂缝发展的特点是直观地分析。

矿业领域的范围内,平均煤层倾角。2 - 3是只有4度,010202年和010203年段的面积是Rujigou向斜轴附近,和煤层的倾角较小。因此,形成减少身体滑向接近水平的形成后在建立仿真模型类似,这不会导致重大错误的研究结论。

3.1。相似仿真模型建立

测试平台由框架系统、测试系统和位移监测系统。nt - 332 r4南方全站仪仪器被用来记录反射器的位移变化。在开采上覆地层的迁移规律与高清晰度数码相机监控模型如图4。

3.1.1。相似的比例模型的决心

仿真相似的设计应该遵循的基本情况,比如几何相似性,相似性,容重相似,弹性模型相似,强度相似,相似和压力。确定相似常数如表所示1在下面。

3.1.2。相似材料建模过程

早期的相似的测试模型;河沙筛选出来;固定槽钢被标记成比例;质量的河沙、生石灰、石膏和水被电子称重;重物质投入搅拌机,混合均匀;和匹配材料涌入相似模拟试验架,如图所示5。

3.2。监测布局和采矿方法

当类似的仿真试验床上铺设,经过3天的自然干燥,试验台的挡板。根据测试床的大小,墨水行间距 被安排在水平和垂直方向的模型表面,和所有煤层与油墨变黑。为了更清楚地观察上覆岩层裂缝的发展规律,8位移监控线和152点被安排在这个模型。测量线的高度从煤层的屋顶是8 m, 18米,28米,38米,48米,58米,68米,78米;之间的时间间隔测量点在水平和垂直方向是10米;矿业也一步距离10米;和位移观测是由使用全站仪仪,如图6。

4所示。表土结构进化下分层开采的影响

模拟采矿010202节90米的长度,和模拟采矿010203节是50米的长度,这是试验台的影响大小。煤层开采的顺序是010202节的第一层→第二层010202节的第三层→010202→节010203节的第一层。虽然受试验台的大小,长度的模拟开挖工作面只有90和50 m,但随后通过分析测试结果,开挖后的覆层已经完全开采的工作面。因此,研究结果不会出现太大的错误。有30个防护010202的左端部分和25保护m 010203年底在正确的部分。因为模型的累积采高大,超白玻璃盘 覆盖前表面模型的模拟开挖前防止模型跌落破碎块。模型的模拟开采高度是3.6米,和每个矿业周期是10米,等待模型表土迁移和稳定在继续下一个挖掘。间隔约2小时;在开挖过程中,高清相机是用来记录测试的现象。记录与全站仪位移数据。

4.1。断裂特征Section 010202的上覆岩层的分支

当一个分层工作面010202段先进到30米,覆盖基本是受到拉应力,在这一点上,直接到达最大暂停顶部距离,如图7(一)。在40米,直接接触,增加剪切破坏发生在上层表土的拉应力超过岩石强度的限制,中间的地区。打破了两个结束后,岩石块挤压形成一个典型的“砌体梁”铰链结构。此时,上覆地层坍塌的高度是8 m,岩层的断裂角是51°。在50米,原来的“砌体梁”铰链平衡被打破了。组建一个新的的平衡结构,上覆岩层断裂带向上继续发展和形式通过骨折。有明显分离的上、下关键层,从seam屋顶的高度约13米。由于分离层的形成,降低低关键层是一个悬跨国家,直接屈服区在一个常规的破坏状态,裂缝广泛分布有一定的规律性,崩溃,形成如图7 (b)。当工作面推进到70米,跨度低调层的距离进一步增加,拉伸应力超过强度极限的支持,还有一个重要的裂缝。在图所示的断裂模式7 (c)。当工作面推到90米,最接近地表厚覆盖岩层弯曲下沉,和层的高度达到57米;因为有很多煤柱上覆岩层裂缝附近的010203年的部分,表土如图的故障模式7 (d)。

4.2。010202年在二次开采上覆岩层断裂的特征

模拟开采高度是3.6米,模拟开采始于30 m模型的左边。当两层工作面推进距离的清廉,表土逐步解决煤炭的两层;当工作面推进20米,有一个新的断层线附近的岩层由于不均匀沉降之间的开孔;进一步推进30米时,上覆岩层倾斜到高位置和铰链结构出现。左摇滚块和采空区侧块岩石相互挤压,传递水平力,表土依然稳定,上覆岩层破坏形式如图8(一个)。

新断层裂隙形成第二层工作面40 m,沿断层岩石破裂块旋转和下沉,并进一步层的高度增加。当第一层开采70米,厚岩层破坏第一次形成了一个清晰的结构。当第二个层工作面进步50米,一个新的骨折线出现在高厚的岩层,这减少了厚厚的岩石的块的大小和稳定后形成一个新的铰链结构。

岩石块继续推进到60米,厚层继续破坏和形成铰接结构,因为增加的悬架的长度。断裂发生在70后,上覆岩层沿裂隙继续下沉,差距也在不断增加。最近的厚岩层沿断层线坏了。

当工作面推到90米,采空区的裂缝是显而易见的。岩石裂缝的高度高于最近的厚层达到最大,约2米,主要覆盖也再次出现,如图8 (d)。

4.3。010202年在三分量矿业上覆岩层断裂的特征部分

第二层完成后,上覆地层稳定,010203年第三层部分继续开采,并模拟开采高度仍然是3.6。当三层工作面进步10 m,直接继续解决。当推到20米-30米,铰链结构遭到破坏,原表土进一步破碎形成小块岩石和瀑布不规则采空区,和低调层继续下沉。最初的铰链结构处于quasistable状态,如图9(一个)。

当工作面推进到40米,厚的岩石结构块和水槽,上覆地层也与断层线旋转和水槽,骨折线变大,骨折线是显而易见的。如图9 (b)沿着断层线,滑的岩石沉没。

工作面进步到70米时,最近的厚的岩层表面坏了,那么低的层压实,表面沉积下的上覆岩层在采空区上方,煤层上覆岩层沉降更加明显,直接开采裂缝发展到表面,和三个挖掘表土沉降区转移到采空区中心线。

面对已经被推到了90米,直接覆盖表面,梯形屈服结算面积已经形成煤层上方,和上覆岩层在这方面已基本压实。受多个矿业,结束,中间两断层线达到表面,如图8 (d)。

4.4。断裂特征Section 010203的上覆岩层的分支

矿业在010202年底部分,上覆地层是运输和稳定,010203年部分开采的工作面。模拟开采高度是3.6米。

前010203年第一工作面部分进步到30 m,煤层直接顶不到打破一步距离,但表土不会破坏和崩溃,但也有不同程度的上覆岩层层之间的分离。然而,010202年的煤柱一侧部分近010203部分,由于累计开采厚度和重复开采的影响,上覆岩层断裂线宽很大。上覆岩层压力和自重的作用下,上覆岩层逐渐形成张力裂缝。上覆地层的特征运动失败在第一次切片矿业010203年部分,如图10 ()- - - - - -10 (e)。当第一层的直接悬挂区域上方工作面大于40米距离控制前,上覆岩层的优惠和采空区坍塌,上覆地层出现分离层,与上覆地层挤压形成铰接平衡结构附近的010202节。当分层工作面推到50米,覆盖层通常是坏了,解决了,并伴随着分层的形成。表土崩溃高度24米。悬臂梁结构出现在一边表土的小煤柱在相邻的部分,和小煤柱的应力增加。

由于大型矿业厚度的影响和浅埋深煤层的工程地质条件。2 - 3在Rujiigou无烟煤分支,部分小煤柱时用于分层开采,采空区上方的上覆岩层形成积极的梯形结构,和地层的断裂角之间74 - 78°。与机械化放顶煤开采方法相比,地层的断裂角略有增加。

合成数据7- - - - - -10,F型局部断裂结构将形成积极的梯形分层开采过程中破坏表土,分层开采的向下运动,F型局部断裂结构将逐渐上升,慢慢被压实,消失了。初分层的相邻部分,上面的裂缝倒置的梯形表土的煤柱部分开发,和裂缝两个采矿部分互相连接。

另一方面,从图可以看出10矿业010202年部分后,采空区的主要断裂平行于骨折线(如Ma-F区在图10 (c))和二级裂缝(如Mi-F区在图10 (d))是表土地层自重的影响下形成的。因为小煤柱的大小,这些裂缝会容易沟通010203节扩展方向。同时,在矿山压力的作用下,裂缝在小煤柱会非常发达。因此,小煤柱会使相邻矿区容易形成裂纹。

厚煤层分层开采的,上覆层的裂缝发展过程在矿业是不同的。创建的新裂缝关闭旧的裂缝。因此,一些特定的结构与分层开采特征形成如F-strata结构。然而,在煤层开采后,最后的裂缝分布覆盖屋顶不是特别与分层开采或全层开采有关。

5。迁移和裂缝传导Multisection表土和多层开采

5.1。上覆岩层位移在特厚煤层分层开采

数据(11日)- - - - - -11 (c)是岩石的曲线在010202年1 - 3分层工作面开采沉陷区。我们可以看到从图(11日)后的第一个矿业额外的厚煤层,监控线是我~ V位于上覆岩层断裂带区域,垂直沉降位移的不。5,没有。在监测行6分是最大的。时间影响上覆岩层分离区逐渐压实,采空区的两边上覆岩层挠度逐渐变得越来越小,和沉降位移也会变小,导致凹沉降现象,通常显示了采空区的中间一个大位移。位移采空区两侧逐渐变得越来越小。因为上面的监控线6 ~ 8关键层,几乎没有位移变化和稳定的结构。

因为图11 (b),在第二煤层工作面开采后,由于二次开采的影响,断裂带打破了表土和破碎的两倍。在这个时候,监控线VI进入断裂带。最大位移是5.3米,5.2米,5.1米,5.0米,5.1米,4.9米,分别。这时,煤层上方的上覆岩层强度逐渐降低,上覆地层滑动,沿着断层线解决,上覆岩层运动空间将继续增加,裂隙带的高度将进一步扩大向上。的影响下关键层,第七监控线弯曲下沉,没有的位移。7点是最大沉降是0.6米。没有明显的改变解决八世监控线。

从图11 (c)煤层开采后,第二层,第三矿业,影响上覆岩层裂隙区进行了表面,和煤层上方的上覆岩层和地表都解决了,形成了一个沉降盆地。表土的最大沉降分布在5 ~ 10,最大值约为11.2 m,解决其他测量分每一行大约是对称的。I和II的监视线在15日到达最大位移测点,这是接近中间的分层工作面采空区,最大值为3.0 m,位移沉降的对称分布。没有明显的变化在其他测量线路。

通过上面的分析,在010202年的三层工作面部分完成后,该模型可以模拟煤层厚度12.0米,可描述地表沉陷八世9.61米,最大沉降和地表沉陷系数是0.81。

5.2。发展法律上覆岩层分层开采的骨折

矿业010202年第一层工作面结束部分,采空区上覆岩层在中间的坏了,4纵向裂缝出现,小裂缝进一步扩展,和裂缝的高度达到44米,如图12(一个)。如图,第二层工作面开采的五个采空区形成纵向裂缝骨折,裂缝明显发展,增加裂缝,还有小层地层和地层之间的分离,如图12 (b)。末尾的挖掘,进一步增加裂缝的宽度,如图12 (c),分别。末尾的矿业在010203年的第一层部分,直接崩溃落在采空区,四个纵向骨折出现在上部采空区上覆岩层断裂,也通过裂缝发展煤柱和煤柱上方,如图12 (d)。

从图的分析结论11可以看到,将会有几上覆地层纵向裂缝在浅埋厚煤层分层开采和将与上层和最终的表面。此外,当小煤柱中设置部分,垂直裂缝与相邻采空区岩层地区将形成倒置的梯形结构煤柱上方,这将成为采空区气体运移的通道。高气矿,因此,有必要考虑矿业面临的间隔时间时,采用部分小煤柱沿空巷道布局,所以这种纵向裂缝关闭之前尽可能的生产工作的脸。

6。瓦斯防治技术措施和效果

6.1。在不同的水平开采地区天然气开采

它可以了解我的工程和地质情况,因为010202年和010203年段工作面临的是合作开采,所以010203年的天然气来源段将会非常复杂,特别是天然气运输路径相邻采空区由于周围岩石的复杂裂缝的存在,所以除了常规天然气的控制措施,一些特殊的开发天然气的治疗措施是必要的。分层开采法,上层复杂裂隙带的高度分层工作面开采后不断变化。此外,煤层沉积深度浅,所以传统的高抽巷是无法安排在天然气开采采空区区域。

为了有效地控制天然气010203段,第三分层工作面回风的方式010202段设计作为一种特殊的气体控制巷道。一套大型钻孔钻每34米附近010203段钢管(Ф= 600毫米)提取气体在010203段采空区。天然气开采孔布局如图13。

6.2。分析提取的效果

通过在第一天然气开采分层工作面010203段,根据气体数据监测结果的39天从6月15日到7月23日,工作面瓦斯浓度、气体浓度上角落,并返回巷瓦斯浓度满足法规和工作表面气体控制效果是显而易见的。气体浓度的变化曲线的工作表面,上部角落气体浓度和气体浓度恢复气道数据所示14- - - - - -16。

根据图14监测期间,工作面临的最大气体浓度是0.46%,最大平均气体浓度是0.106%,平均39天内气体浓度仅为0.03%,和气体治疗效果是显而易见的,这可以确保工作面安全生产。

根据图15监测期间,在左上角最大气体浓度在一天里只有0.56%,气体浓度大于0.5%是只有一次,每天的最大平均气体浓度是0.28%,和一天的平均浓度气体在上隅角仅为0.23%,远低于1%的上限要求煤矿安全法规,以确保足够的生产过程中的安全系数。

根据图16,最大气体浓度在一天返回气道是0.43%,平均在一天内气体浓度仅为0.05%。监控数据证明的方法在不同水平的开采天然气开采面积可以有效改善高气体的气体管理水平厚煤层分层工作面。

7所示。主要结论

(1)条件下浅埋厚煤层分层开采,采空区上方的上覆岩层很容易形成一个积极的梯形结构,和积极的倒置的梯形表土结构之间形成相邻的部分。开采上部时,F型小断裂结构将形成positive-inverted-orth梯形的上覆岩层结构。的向下转变矿业分层,F型小断裂结构将逐渐消失(2)在分层工作面开采后的特厚煤层覆岩不同的地层呈现的特点“V”型和“U”型,与大约对称分布。过程中崩溃,最后破碎岩石的块容易相互挤压形成铰接砌体梁结构,和最终的上覆岩层是更容易滑动沿着咬合的点和不稳定在较低的分层开采(3)特厚煤层分层开采的过程中,上覆岩层的主要裂缝主要是纵向裂缝,容易与上层沟通,并将最终与表面浅埋深条件下的。同时,斜裂缝形成与相邻采空区煤柱上方的部分,在采空区成为天然气运移的通道(4)根据在不同水平的开采天然气开采区域的气体浓度可以有效地降低工作面生产的过程中,这是一个有效的气体处理方法在高气厚煤层分层开采

数据可用性

使用的数据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

这项研究是由中国山东省重点研发计划(批准号2019 sdzy034-1),中国国家自然科学基金(批准号51504145),山东省科学技术研究所的计划(批准号J17KB041)。作者感谢他们的支持。