文摘

为了研究stress-fissure耦合场的灾难机制在中国西南矿近距离煤层中,一个测试在中国西南的贵州省工作面采用和研究方法的数值计算和类似的实验。当工作面推进180年在类似的实验中,4 #煤层上覆岩层破坏Yulongshan石灰岩的中心底座,和导电骨折穿越长兴灰岩岩溶洞穴,Yulongshan石灰岩溶洞。当1402工作面进步到350米,垂直岩溶洞穴的顶部中间的模型产生挤压损伤,形成渗透突水通道。1402工作面进步到480米时,前板的工作面受到周期性加权简短的步骤。此外,9 #煤层的开采开始后4 #煤层开采近距离煤层。在9 #煤层工作面进步到340米在数值模拟中,最大的表土骨折是51.16毫米。屋顶的裂缝主要是由于周期性的破坏和基本的屋顶,地板与骨折4 #煤层。在9 #煤层工作面进步到500米,最大的上覆岩层断裂为93.09毫米。具体地说,随着工作面推进,开放骨折后的屋顶坍塌的基本屋顶定期主要是大于5毫米,和压实闭合主要是1 mm-5毫米。骨折的采空区地板主要是0.1 mm - 1毫米,和骨折的倒塌在采空区岩体主要是1 mm-5毫米和大于5毫米。 The karst caves in the overburden reduce the periodic weighting step of working face and play a guiding role in the direction of fracture development and water inflow passage formation. The karst caves are connected to surface waterfall holes and trap pits, and atmospheric precipitation recharges the water in the caves. The research results can be treated as an important basis for the prevention and treatment for water inrush disaster in mining close distance seams in the karst area of southwest China.

1。介绍

中国是最广泛的国家之一岩溶分布和世界上近距离煤层(1]。与此同时,中国有世界上最大的煤矿生产(2]。因此,有许多煤矿岩溶地区在中国3]。然而,岩溶矿区的生态环境是脆弱的4]。地下煤层开采引起岩层运动和诱发岩溶洞穴的采动裂隙的发展上覆岩层,具有很大的影响在岩溶地区的生态平衡5,6]。具体来说,突水灾害很容易诱导在近距离煤层下行开采岩溶矿区。例如,下行开采突水灾害引起的岩溶洞穴发生在贵州省执行煤矿,这大大影响了矿业生产安全(7,8]。因此,研究具有重要意义的进化机制突水通道的岩溶洞穴在下行开采造成过重的负担,为了保证安全开采岩溶矿区。

国内外学者进行了大量的研究进化机制突水通道的上覆岩层开采引起的。刘等人。9]研究岩溶涌水的机理及其预防对策Yuanliangshan隧道系统,这表明,在隧道岩溶涌水是一个逐步发展的过程,受到水压力的影响,不同的填充材料,隧道周围的塑性区。赵et al。10)建立了一个非线性模型的耦合seepage-pipe流向研究流动状态的变化在岩溶突水的洞穴,通过引入等效渗透系数的管流承压岩溶突水的洞穴。焦et al。11]研究延迟机制覆盖岩溶洞穴的地下水侵入煤层地板通过分析岩溶洞穴的形成具有特殊环境和物理过程,为了防止发生延迟地下水侵入覆盖岩溶洞穴在华北煤田煤层地板。赵et al。12)建立流固耦合之间的连锁分析和强度降低的方法从隐藏在岩溶洞穴在巷道出水,出水的流固耦合理论的基础上,从承压岩溶洞穴和力量减少岩石支柱防止突水的方法。朱et al。13)建立四种的广义模型覆盖岩石洞穴崩溃,分别作用下采矿;与此同时,它主要是分析的基础上,概念模型的原因造成的崩溃。锅等。14]应用模型试验系统的自主研发的新型固液耦合模型对滞后突水的溶洞和测试multifield变化的信息,如位移、压力、有效的渗透压力。王等人。15)建立隧道面临的不稳定性考虑的平截头体模型的影响的位置和大小洞穴在中间岩墙的稳定性,为了研究中间岩墙的承载力和破坏模式的正交高压洞穴的马蹄形隧道。朱et al。16)建立了岩溶洞穴和下采煤的模型分析了地层运动法律和岩溶洞穴的故障特点,为了研究采动裂缝的发展规律及其对断裂的影响岩溶洞穴在喀斯特地区矿业的发展。

上述研究结果集中在突水通道的演化机制引起的上覆岩层开采,为安全、高效开采提供重要参考(17- - - - - -20.]。考虑到广泛的近距离煤层和矿区岩溶区在中国,stress-fissure耦合场的灾难性的机制和预防在近距离煤层突水最近没有披露。因此,很明显,灾难stress-fissure耦合场的机制在中国西南矿近距离煤层尚未系统研究和深入21,22]。采矿和地质条件的基础上在执行煤矿1402工作面在贵州省,stress-fissure耦合场的灾难机制在中国西南矿近距离煤层进行了研究,通过物理相似实验和数值计算模拟。研究结果可以被视为一个重要依据突水灾害的预防和治疗矿近距离煤层西南喀斯特地区的中国。

2。物理相似实验突水通道进化

2.1。物理相似模型

在执行煤矿1402工作面罢工的长度147米,下降1148米的长度。单一走向长壁开采方法采用煤矿。主要煤层是4 #煤层和9 #煤层。两个煤层的开采高度是4米和3米,和开采深度是262米和294米,分别。根据1402年的地质和采矿条件执行煤矿工作面,有五个大型岩溶洞穴覆岩在图中安排1洞穴,洞穴标记为1 #,2 #,3 #洞,4 #洞、5 #洞。具体来说,洞穴1 #和2 #洞在左边在物理相似实验,和1 #洞高于2 #洞;和5 #洞在右边在相似物理实验中,有3 #洞和4 #洞在中间位置从左到右在物理相似的实验。同时,洞穴1 #和2 #洞的形状特征是水平从上到下洞穴,洞穴和3 #是纵向洞穴和斜洞,4 #洞是一个垂直洞穴,洞穴和5 #是水平洞、垂直洞穴,洞穴。洞穴的空间位置1 #和2 #洞垂直分布;此外,1 #洞穴,3 #洞,4 #洞、5 #洞穴分布水平。

为了研究采动断裂的时空演化长兴形成的燧石和云南省部分燧石在4 #煤层的开采,物理相似实验研究突水通道进行进化。各岩层的基本物理力学参数如表所示1根据工作面综合柱状图及相关实验。物理相似模型剩下60 m保护煤柱在左和右边界。采矿方向从左到右,每个矿业之间间隔2小时。

2.2。实验结果

1402工作面进步到180米时,中央底座的上覆岩层破坏Yulongshan石灰石、导电骨折穿越长兴灰岩岩溶洞穴,Yulongshan石灰岩岩溶洞穴,以及中央和低之间的分层发生Yulongshan石灰岩。大损害发生身体滑向接近水平的医生后岩溶洞穴位于下方。大破坏发生在身体滑向接近水平的医生后岩溶洞穴位于下方。右手边的岩溶洞穴受到拉应力和断裂表面向上发展的右边界岩溶洞穴,与少量的岩石的顶部横向喀斯特溶洞洞穴坍塌。中部和上部的部分Yulongshan部分干扰,保持在一个稳定的结构,如图2。

1402工作面进步到290米时,上覆岩层裂缝继续向上发展,达到顶端Yulongshan灰岩,形成两个断裂的面孔。由于岩溶洞穴的指导效果在骨折的扩张,运用断口表面的开幕式削减通过串珠Yulongshan石灰岩岩溶洞穴在中间。有一个垂直的岩溶洞穴在左上方1402工作面,偏向左侧的模型在一定角度,和贯穿上面,中间,和更低的部分石灰石Yulongshan部分。涌出的骨折进入底部的岩溶洞穴顶部和渗透,创建一个断裂表面,如图3。

当1402工作面进步到350米,垂直岩溶洞穴的顶部中间的模型产生挤压损坏。洞穴的顶部灰岩崩溃,和底部受到拉应力产生开放性骨折,形成渗透突水通道。由于连续压实采空区破碎岩石的破碎岩层进一步旋转和下降,和采空区背后的传导骨折被挤压逐渐关闭,如图4。

周期性加权是屋顶压力现象造成的周期性崩溃的基本顶断裂区。1402工作面进步到480米时,前板的工作面受到周期性加权简短的步骤。大应力集中导致向下剪切破坏的边界的中心部分洞穴。长兴灰岩的洞穴在中间的发展有指导作用的骨折,骨折通过长兴灰岩的圆形洞穴顶部的工作面。当梯形与采空区破碎岩石接触,上覆岩层压力进一步转移到采空区,最终,整个上覆岩层形成一个稳定的结构,如图5。

很明显,岩溶洞穴中发挥指导作用的方向发展和进水量通过形成裂缝。水流入通道发展从下到上,当它发展到一定高度,这对岩溶洞穴和扩大,最后导致岩溶洞穴。骨折足够发达时,导电骨折往往之间形成两个洞穴。

3所示。数值计算模拟进化突水通道

岩层采动裂隙场的演变的海绵上覆岩层在1402工作面由数值计算模拟研究在这一节中,向下挖掘设计的方案,即4 #煤层开采第一,紧随其后的是煤矿9 #煤层。建立的数值模拟模型模拟数值软件,根据矿1402工作面地质条件,有5个岩溶洞穴在表土。莫尔-库仑模型选为本构模型,和库仑滑移模型选择表面接触的本构模型。长度和数值模型的高度是600米和297米,分别。4 #煤层的开采高度和9 #煤层是4米和3米,和开采深度是262米和294米,分别。左和右边界的数值模拟模型是固定的水平速度边界条件,和底部边界数值模拟模型是固定的垂直速度边界条件。推进长度在4 #煤是400米,每一步是20米;此外,提前9 #煤层的长度是400米,和每一步是20米。断裂场的演化规律在每个采矿过程进行了分析。

3.1。在4 #煤层采动裂隙场

在4 #煤层工作面进步到180米,岩层采动裂隙场的表土如图6。最大的开放程度的断裂为31.68毫米。骨折的上覆顶的工作面主要集中在前方和后方的采场,和骨折开放主要是大于5毫米。骨折的采场地板主要是0.1 mm - 1毫米。倒塌后岩体在采空区压实,裂缝张开度主要是大于1毫米。

具体来说,裂缝张开度大于5 mm主要用于分析突水通道之间的渗透特征覆盖岩溶洞穴。洞穴1 #和2 #洞有很强的联系。表土骨折1 #洞里发展到表面,和上覆岩层骨折2 #洞向下连接到工作面,形成突水通道从表面到工作面通过洞穴1 #和2 #洞。与此同时,开放程度的二次开发骨折3 #洞主要是1 mm-5毫米,和二次开发的开放程度骨折4 #洞里主要是0.1 mm - 1毫米,和上覆岩层骨折5 #洞基本上没有二次开发。因此,当4 #煤层工作面的进步从100米到180米,蓄水层的水流入工作面通过垂直突水通道。

在4 #煤层工作面进步到320米,岩层采动裂隙场的图所示7。最大的上覆岩层断裂为49.27毫米。屋顶的裂缝主要集中在前方和后方的采场,和开放程度主要是大于5毫米。骨折的工作面主要是1的底部mm-5毫米,和采空区的底部主要是0.1 mm - 1毫米。倒塌后岩体在采空区压实,裂缝张开度主要是大于1毫米。随着工作面推进,采动骨折后的屋顶形式基本定期屋顶坍塌,减少从大于5毫米到1 mm-5 mm,最后压缩到0.1 mm - 1毫米。

具体地说,骨折3 #洞开发表面向上和向下连接到工作面,形成突水通道连接3 #洞表面和工作面。同时,洞穴1 #,3 #洞,4 #洞连接通过二次开发在表土骨折。二次开发的开放程度骨折4 #洞增加从0.1 mm - 1毫米到1 mm-5毫米和大于5毫米。

在4 #煤层工作面进步到500米,岩层采动裂隙场的图所示8。最大的上覆岩层断裂为37.88毫米。覆盖屋顶的裂缝主要集中在前方和后方的采场,尤其是在工作面,裂缝张开度主要是大于5毫米。骨折在工作面主要是1的底部mm-5毫米,而骨折的底部工作面主要是0.1 mm - 1毫米压实后倒塌的岩石。倒塌的岩石上的裂缝主要是1 mm-5毫米和大于5毫米。随着工作面推进,开放骨折后在屋顶的基本屋顶主要是大于5毫米,和压实闭合是1 mm-5毫米。

具体来说,表土骨折4 #洞和5 #洞发展到表面向下连接到工作面,形成突水通道连接4 #洞和5 #洞表面和工作面,分别。同时,4 #洞和5 #洞连接二次开发的骨折,和上覆岩层断裂的右上角的5 #洞从1 mm-5毫米增加到大于5毫米。4 #煤层开采时,上覆岩溶洞穴形成与横向交叉骨折。二次开发骨折的岩溶洞穴开发表面向上和向下连接到采场,形成良好的表土突水通道。

3.2。在9 #煤层采动裂隙场

9 #煤层的开采开始后4 #煤层下行开采。在9 #煤层工作面进步到340米,岩层采动裂隙场的图所示9。的最大开放表土骨折是51.16毫米。屋顶的裂缝主要是由于周期性的破坏和基本的屋顶,地板与骨折4 #煤层。的开放骨折超过5毫米,形成突水通道4 #煤层采空区的9 #煤层工作面。

具体地说,随着工作面推进,开放骨折后的屋顶坍塌的基本屋顶定期主要是大于5毫米,和压实闭合主要是1 mm-5毫米。骨折的采空区地板主要是0.1 mm - 1毫米,和骨折的倒塌在采空区岩体主要是1 mm-5毫米和大于5毫米。

在9 #煤层工作面进步到500米,岩层采动裂隙场的图所示10。最大的上覆岩层断裂为93.09毫米。屋顶的裂缝主要是由于周期性的破坏和基本的屋顶,地板与骨折4 #煤层。的开放骨折大于5毫米,形成突水通道4 #煤层采空区的9 #煤层工作面。

具体地说,与工作面推进,岩层采动裂隙在屋顶的开幕式大于5毫米,和压实闭合是1 mm-5毫米。一楼的骨折是0.1 mm - 1毫米,而采空区岩体坍塌的是1 mm-5毫米和大于5毫米。在9 #煤层工作面突水通道的进化几乎没有影响引起的岩溶洞穴在表土。

4所示。结论

(1)蛀牙的表土减少工作面的周期性加权一步。一方面,这些洞穴加快表土的破损;另一方面,表土的洞穴加强骨折并形成超高突水通道的表土。岩溶洞穴的表土液压破裂带强烈影响采矿、洞穴和裂缝张开度大于完整岩石的层(2)岩溶洞穴的表土发挥指导作用的方向发展和进水量通过形成裂缝。水流入通道发展从下到上,当它发展到一定高度,这对岩溶洞穴和扩大,最后导致岩溶洞穴。骨折足够发达时,导电骨折往往之间形成两个洞穴。二次开发骨折岩溶洞穴开发表面向上和向下连接到采场(3)突水通道形成的Yulongshan石灰岩洞穴的影响工作面。洞穴被连接到表面瀑布洞和陷阱坑,和大气降水充电洞穴里的水。上覆岩层受到周期性的破损。洞穴是连接到低表土液压骨折和形成一个液压通道与周围的柱子,最终形成突水通道工作面和岩溶洞穴

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

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(51774110、51774110和51774110),河南的战略咨询研究项目中国工程科技发展战略研究所(2021 henzt03),河南省自然科学基金(202300410170)和河南大学的基础研究基金(NSFRF200302)。