文摘

研究的影响下保护层开采对上巷道的变形和破坏特征,这些特征的879年天然气开采期间排水巷道进行了研究和分析II Zhuxianzhuang煤矿1051工作面利用相似模拟实验和数值模拟方法。结果表明,连续开挖工作面,矿山压力的影响的范围逐渐蔓延,超过了巷道的水平。目前,道路在矿业stress-rising区域。双方的巷道剪切,屋顶和地板下tension-shear复合失败。地板是最严重损害了其损伤深度2.5米,两侧和损伤的深度和屋顶是大约1 - 2米。工作面推进过程中,巷道的变形增加缓慢,然后急剧增加,之后趋于稳定。地板的变形是最大的,其次是双方的屋顶;的值是800、400和300毫米,分别。

1。介绍

浅层煤炭资源的消耗在中国已经导致各矿区开采深度的增加,和煤矿的煤炭和天然气的问题爆发也增加。根据“两低的特点,一个高”煤层气体,国内外一些学者发现,保护煤层开采是最经济和有效的方法预防煤与瓦斯的爆发(1- - - - - -6]。尽管保护煤层开采引起保护煤层的应力再分配,导致气体压力急剧下降,这反过来,降低瓦斯突出的风险,也会导致运动和变形以及上覆地层的横向和纵向裂缝。它还导致减压的形成和增长领域。无论道路是放在减压或区域,不断围岩的应力分布变化(7]。围岩压力的重新分配促进裂纹的不断发展在巷道周围的地区,导致围岩的破损和承载力降低。这进一步导致变形和不稳定的道路,这使得它很难维护。

的变形和破坏特性引起的上覆地层下保护层开采,进行了大量的研究。焦et al。8),曹et al。9,白和胡10]研究了运动和变形的特点,在开采过程中覆层的低防护层。避开et al。11和熊等。12]分析了上覆岩层开采后的迁移规律。王等人。13和雪等。14制定一个断裂为煤炭开采后上覆地层演化法。唐et al。15),Zhang et al。16),徐和汉17张,et al。18]分析了防护层的应力分布和变形下保护层开采过程中。杨et al。19]研究了上覆地层的变形和破坏特征,开发矿山压力和裂缝,定律和压力释放区域的大小。Zhang et al。20.]研究失败地层裂缝的特征,断裂演化、沉降变形的过程中深煤层上行开采。他们进一步分析地层沉降变形之间的关系曲线和地层断裂、裂缝发展、应力状态。刘等人。21]分析了上覆地层裂缝的发展规律由薄保护煤层开采引起的。黄等。22)关注的综合形态特征形成的断裂带的矿业降低煤层和围岩压力的分布集中。刘和陈23]研究了煤层卸压的变形,发展矿业骨折,卸压保护作用,排放压力释放气体,气体排水,突出预防和控制的法律。钱等。24]研究了上覆地层的应力分布规律对上保护层的各种支持参数和获得的应力释放的影响范围和上覆地层的集中区域。

也有一些发展的稳定性研究上覆巷道由于开采保护层。钱等。24]利用FLAC数值模拟软件分析上行开采的影响上覆巷道的稳定性对上保护煤层的各种支持参数,发现垂直应力、塑性区和位移的一侧侧壁上保护煤层巷道大于那些靠近底层的采空区。谢et al。25]研究了影响多个重复开采的煤层巷道变形的屋顶。王等人。26]研究了时间和空间演化规律的压力和裂缝领域减压开采后顶板煤巷道煤层较低,发现叠加应力由底层采矿和巷道开挖决定了应力分布以及巷道周围岩石断裂演化特征。Zhang et al。27)用物理实验来研究屋顶的变形和破坏特征在各领域的道路,得到了类似的“三个区”道路的特点:崩溃区,巷道表示强烈的倒塌的屋顶和地板膨胀;裂缝在巷道周围岩石破裂带明显减少,但采矿破坏仍然是重要的;和周围的岩石的变形和破坏巷道的弯曲下沉带不明显。周et al。28]使用模拟离散单元数值模拟软件研究的故障特征煤巷道周围岩石的破裂带,发现失败是在巷道的屋顶和地板上表现得最为明显,其次是失败的工作面附近的道路。

上面所提及的文献主要研究变形和破坏特征和上覆地层的应力分布和煤炭开采过程中巷道的防护层。然而,小的信息可以在岩石巷道的变形和破坏规律之外的“三个区”,相邻工作面。然而,879气排水巷道上覆二世Zhuxianzhuang煤矿1051工作面位于外的岩层”三个区域,”这是明显变形和损坏的开采的工作面。根据上述条件,通过相似模拟实验和数值模拟,考虑到覆盖879气排水巷道Zhuxianzhuang二煤矿1051工作面淮北矿业集团为工程背景,在这项研究中,上层巷道的变形和破坏特征下保护层开采的调查。进一步,法律管理的影响上覆地层的变形和破坏特征类似上面的巷道的特点,总结了巷道的失稳机理。

2。工程项目简介

Zhuxianzhuang矿位于苏州城,中国安徽省。879年天然气排水巷道,在这项研究中,研究了位于二5矿区。的可开采的煤层矿区被确定为8号和10号煤。10号煤层位于8号煤层之下,大约78米的距离,煤层倾角大约是20°。10号煤层中使用保护煤层开采;煤层的厚度是0.97 - -3.2米,和它的结构相对比较简单。上面的879气排水巷道安排降价10号煤层的屋顶,从左边的水平距离5米工作面煤壁,担任8号煤层的瓦斯抽放,如图1(一)。周围的岩石巷道的位置和岩石性质的屋顶和地板巷道是描绘在图1 (b)。根据地质柱状图,可以看出,直接的道路是由泥岩,双方由细砂岩,地板的岩性差。因此,在高压力和动态负载下,地板上比任何一方更容易损坏。

减少所需的巷道开挖,879气排水巷道曾是主要的八个煤矿的巷道。下保护层开采时,上覆地层移动与变形的影响下开采,原有的应力平衡状态被打破,工作面附近的煤岩体被毁,围岩压力是重新达到一个新的稳定的状态。在救援的过程中来自上部煤层的压力,上层巷道的围岩的强度被削弱,导致巷道周围岩石的断裂和不稳定,难以维护,有一个对我的安全产生重大影响。因此,有必要研究特点,总结巷道变形和破坏的机理,为合理的巷道支护设计提供指导。

3所示。研究的迁移和应力分布在上行开采上覆地层

3.1。相似材料模型设计

根据地质条件和相似理论,几何相似比 ,容重相似比 ,和压力相似比 。因此,模型大小决定 ,和确定开采厚度2.5厘米。模型的两侧,70和50厘米边界煤柱。在测试,细沙被选为骨料,石膏粉和石灰粉被用作胶凝材料,云母粉是用于每个岩层之间分层铺设,剩下的上部的重量模型是由一个额外的抗衡。

3.2。测试数据监控

监测的应力和位移的变化上覆地层和岩石围绕879年天然气排水巷道模型煤矿保护层越低,六个应力观测线从下到上被埋;10号线之间的距离和煤炭屋顶是2.5,15.5,15.5,33岁,41岁,57岁,70厘米。同时,五displacement-measuring线路模型的表面。测量线之间的距离和10号煤层的屋顶是7.5,17.5,32.5,42.5,和57.5厘米。安排了一个测点测量线的每10厘米,和另外四个displacement-measuring点排列在巷道周围。计量点的分布在图中进行了描述2。

在测试期间,BX120-50AA电阻应变仪和CM-2B应变计作为压力采集设备记录上覆地层压力变化在煤矿实时。设备连接图中所示的效果3。

3.3。分析测试结果

3.3.1。迁移规律在开采上覆地层

早期阶段的开采,煤层开采上覆地层移动向下,和移动很缓慢。随着工作面不断发掘、岩石裂缝逐渐发达,岩层弯曲下沉,和拉伸断裂发生,从而导致岩石坍塌。在这个时候,岩石的高度下降很小,如图4(一)。与连续开采的煤层上覆地层也走向了采空区。地层的裂缝发展,地层又坏了,和下降高度增加到5 m,如图4 (b)。当工作面不断发掘15米,主要定期屋顶坏了,和垂直和水平裂缝出现在前面的屋顶上工作面,分别。这时,工作面推进距离是70米,如图4 (c)。因此,主要的周期断裂步屋顶大约是15米。

的连续开挖工作面导致上覆地层的日益激烈运动,矿业的软弱地层坍塌,定期和主要的屋顶坏了。由于地层的各种属性,床分离约300毫米的长度和高度大约10毫米之间出现的各种地层主屋顶上方,如图4 (d)。随着工作面不断进一步发掘,上覆地层进一步弯曲和沉没,床分离逐渐关闭,向上发展。如图4 (e),地层的变形和运动开始影响巷道层,地层移动和变形向采空区,导致紧张局势的巷道围岩在右边,导致小型垂直张力裂缝。当工作面发掘终端线,如图4 (f),巷道周围的岩石裂缝发展,表现出不对称的特点。

3.3.2。下的上覆地层压力分布规律挖掘

由于煤层的开采,上覆地层的原始应力平衡状态被打破,压力重新分配,垂直应力集中出现在工作面煤壁。在矿业的初始阶段,应力集中区域是很小的。图中所描绘的一样5和6,当开挖工作面长度小于55米,岩石的应力集中系数的屋顶层33 m远离工作面往往是1。结果表明,当开挖工作面距离小于55米,开采的影响范围最大的屋顶在33米,和对地层的影响在屋顶的33米以上是很小的。当开挖工作面长度超过55米,开采的影响范围的扩大。逐渐达到和穿过地层的影响巷道位于的地方;最大值的影响了在屋顶上方的70层,数据的描述7和8。

根据这个调查表土迁移和应力分布、应力分布的工作面开采过程中总结和分析。监测的结果和分布的岩石应力与模型的比较,并确定每一层的应力分布。屋顶的强调环境879年瓦斯抽放的道路可以描述如下:II 1051工作面开采后的879年天然气排水巷道的上部10号煤层为stress-rising区域的上覆地层形成的挖掘。如图9围岩的应力集中系数增加,巷道是强烈影响采矿。因此,道路是容易变形和破坏。

4所示。数值模拟研究上上行开采下巷道的稳定

4.1。建立数值计算模型

有限差分数值模拟软件FLAC3D软件被用来建立所需的模型根据实际地质和采矿技术条件的二世1051年之前完全机械化的脸和建立类似的模型。模型是研究煤层巷道,及其顶板和底板。它模拟煤和岩石之间的倾角(20°)和10号煤层的开采厚度(2.5米)。模型的大小是 ,分为9个,36,160网格单元,如图10。模型的上边界被定义为一个自由边界,和下和左和右边界被定义为约束边界限制他们的水平位移。力学模型采用莫尔-库仑应变软化方法反映的财产残余强度逐渐降低煤炭失败后随着变形的发展。垂直载荷对应的实际埋藏深度模型应用到模型的上边界来模拟施加的压力造成的垂直压力其他覆层。模型的物理力学参数表中列出1。

4.2。在数值模拟步骤

(1)首先,相关的约束模型的定义,和初始平衡操作执行(2)第二,挖掘平衡运输通道中,跟踪通道,和上瓦斯抽放二世1051综采工作面巷道是确定(3)工作面是一步一步挖掘,每个开挖10米深(4)最后,对模型进行了比较分析和研究后,挖掘操作稳定

4.3。数值模拟结果的分析和讨论

4.3.1。分析失败的特征场周围的岩石巷道工作面在推进

图11描绘了巷道的分布规律失败字段初始位置的120工作面不同推进距离。

如图11的早期阶段,在工作面采矿、损伤的程度和范围的巷道,巷道周围岩石两边都大。不断进步的工作面,周围的岩石巷道的破坏的范围逐渐增加。当工作面推进距离的不到60 m,如图11(一)和11(b),岩石的损伤程度和范围,巷道周围保持不变。当推进距离超过60米,如图11(c) -11(h)、矿业活动的影响巷道的围岩两侧开始出现,和损伤的程度和范围开始增加。的范围的增加巷道顶板的破坏范围很小,和损伤的程度和范围小于地板和两侧。从图可以看出,双方的主要由剪切,道路受损和损伤深度约1.5 - 2米。道路被毁的屋顶和地板的形式剪切损伤和tension-shear复合损伤。地板损坏是最重要的,损害深度2.5米,和屋顶损坏是最不重要的,1 - 1.5的损伤深度。

4.3.2。分析压力的改变在工作面巷道在进步

分析巷道周围岩石的应力分布规律的挖掘,最大应力集中的区域两侧道路被选中的数据提取反映了最大应力应用于巷道。图中的数据提取从10到400米的模型;数据是每10 m。总共40从每个测线数据点被抓获,提取和数据模型模拟开挖时,60岁,90,120,150,180,210,240。八个数据曲线得到两边的道路,和结果呈现在图12。

从图可以看出12的持续推进工作面导致应力集中的程度逐渐增加道路的两侧。巷道位于矿业桥台pressure-rising区域,这也与类似的仿真结果;应力集中程度的右边工作面附近的巷道大于左侧。当工作面推进距离的不到60 m,如图12(一个)和12 (b),巷道周围岩石的应力表现出没有明显变化。这时,矿业的影响不影响巷道的地层。当工作面推进距离的60多万,如图12 (c)- - - - - -12 (h),围岩压力开始增加,和巷道绝对是受开采的影响。

4.4。原因和不稳定巷道变形和破坏特征

自然崩落法是用于管理的屋顶在开挖过程中二世1051工作面。随着工作面推进的,上覆地层连续移动,形成“三个区”工作面上方:下降区,断裂带,弯曲沉降区。的增加下降高度和裂缝的发展,上覆地层的弯曲下沉加剧。因为地板上道路由泥岩,岩性是贫穷和弯曲的影响上覆地层的沉降;地板受到剪切和拉伸失败。持续进步的工作面,矿业的影响逐渐影响到巷道地平线,应力集中发生在两侧,和损害逐渐发达从地板上,导致加重损伤,主要以剪切破坏的形式。恶化的地板上,两边的失败导致打破周围的岩石巷道的平衡态,进一步引起沉降的屋顶。屋顶的失败后,整个围岩逐渐变得不稳定,进一步增加地板的范围失败,最终导致增加整个围岩的领域。

5。巷道变形的测量和分析

确定巷道的变形特性和稳定时间,位移测站在适当的位置设置在道路。确定适当的巷道支护技术和支持时间,交叉点的方法被用来观察巷道的变形过程中挖掘。观察在6月初开始,12月结束。一个测点选择和设置为0。负值表示距离在测点附近,和积极的值表示测量点的距离。通过处理观测数据、变形曲线表现出图13得到巷道顶板沉降,底鼓,双方。

提出了图13,之前二世1051工作面巷道顶板下沉的趋势,底鼓,两侧靠拢是大致相同的。二世1051工作面时先进到60米的距离测量站,采矿巷道是疲弱的影响,和巷道的变形很小。这个结论与数值模拟的结果是相一致的。当工作面是20米的距离测量站,巷道的变形的速度急剧增加。这时,屋顶塌陷,地板位移,和双边方法是60,300,和90毫米。当工作面推在40米的测量站,巷道的变形速度开始减慢,和巷道的变形趋于稳定。这时,屋顶塌陷、地面沉降、和双边方法是300年,800年,和400毫米。从现场测量数据,可以看出879年的天然气排水巷道工作面开采的影响低,和巷道变形,特别是底鼓,是显而易见的。因此,底鼓控制时应考虑选择一个巷道支架方案。

6。结论

我们研究和分析上覆地层的变形和破坏特性理解法律管理影响的相似特征上巷道和巷道的失稳机制在降低保护煤层的开采。为此,相似模拟实验和数值模拟。(1)在初始阶段的采矿、上覆地层的运动和变形上巷道影响不大。当工作面开挖超过55米,上覆地层的运动和变形开始蔓延到巷道,和两侧围岩巷道开始产生不对称分布的微裂隙。的连续开挖工作面,矿山压力的影响的范围也在扩大。当开挖到达终端线,也就是说,工作面连接,矿山压力影响的区域扩展到70米的顶板巷道工作面。这时,矿业stress-rising地区道路了,围岩的应力集中系数增加(2)开采工作面越低,影响的程度巷道的围岩的破坏加剧,,双方产生剪切破坏。屋顶和地板的形式出现在复合tension-shear损伤,和地板是更大程度的伤害。最终损害到地板上的深度为2.5米,损害任何一方的深度和巷道的屋顶是1 - 2米。的连续进步降低工作面围岩应力集中的程度逐渐增加,而右边的巷道工作面附近大于左侧(3)进步的工作面,巷道顶板下沉的趋势,底鼓,和道路的两边靠拢是大致相同的,指示一个动态的趋势增加缓慢,然后急剧增加,最后变得稳定。在这里,地板变形(800毫米)是最大的,其次是双方(400毫米),和屋顶变形是最小的(300毫米)。因此,底鼓控制应考虑巷道支架的选择方案

数据可用性

实验测试数据用于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有关这篇文章的出版。

作者的贡献

Teng-Gen熊导致了概念化、方法论和原创作品。Ju-Cai常导致了概念化,writing-review和编辑,资金收购。凯他导致了正式的分析。Ya-Feng苏导致了资源。曹国伟气的可视化。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51774009和51774009号),安徽省重点研发项目(没有。202004 a07020045),安徽的学院和大学在自然科学基础(没有。KJ2019A0134),安徽科技大学研究生创新基金(没有。2020 cx2011)。