文摘
固体废物回填采矿可以有效地处理煤矸石和其他矿业废物、以及控制岩层的移动和破坏。摘要RFPA二维岩石破裂过程分析软件是用于研究断裂演化和渗流响应机制的关键不透水层地层(ka)条件下不同的结构特点,岩石夹层厚度、回填采矿和回填比率。仿真结果表明,在回填采矿、软岩内的骨折修复中扮演着关键角色有不同的结构特点。增加内厚度从15到35 m显示结果在一个不断提高内骨折的修复。在工作面推进距离的50 ~ 100 m和ka 35米,厚度最小垂直渗流速度 是达到了。从45回填率增加到80%在覆层提高了控制效果。一个案例研究的回填采矿吴钩煤矿位于中国安徽省。在采空区回填比率为80%,复合内实现良好的控制效果,减少渗漏和避免了水冲现象。上述工程应用确保煤炭资源的安全回填采矿。
1。介绍
全球对绿色能源的需求与化石燃料的不可避免的疲惫和增加对环境和空气质量的担忧。中国还增加了直接使用可再生能源通过风能和生物能源工业的需求,太阳能热能加热、运输和生物燃料。然而,目前占中国总煤炭发电仍然超过50%,预计到2040年将低于40% (1]。中国对煤炭资源的需求在2019年约35.5亿吨,并进一步煤炭生产设想这个行业重组,使大多数矿山盈利和关闭最高效的矿山(2]。
地下煤矿安全变得越来越具有挑战性由于复杂的众多煤矿水文地质条件在中国(3]。在过去的七十年里,许多水体已经成功下煤炭资源开采出来。然而,大多数矿区采用防水煤柱预订方法,露天开采,限制开采,厚度、排水减压对水体下采煤,导致大规模的煤炭和水资源浪费(4- - - - - -6]。据统计,在中国北部和东部矿区含煤地层,受到承压含水层,消毒超过五十亿吨的煤炭防水煤柱。在过去的20年里,已经有超过800个矿山突水灾害,造成超过4000人死亡(7,8]。这些事实需要选择合理的采矿方法的地区蓄水层,提高煤炭回收率,保证安全生产,保护水资源。
绿色开采技术的典型例子,固体充填开采(座)已成功应用于煤矿低于大型河流、地下水等水体(9,10]。理论研究和现场测量结果与此相关的技术表明,耦合效应下的回填体和围岩,勘探的发展高度上覆地层断裂区(HWFZ)可以是有限的,和围岩骨折容易压实和关闭。这大大减少了突水风险,提高了煤炭回收率,并保护水资源。座已经成为一种重要的技术措施,实现水资源保护采矿、地下水环境保护和premining水位维护绿色矿山(11,12]。然而,理论研究全球科学界的努力安全开采,如屈服和回填采矿,在地表水体和地下蓄水层,大多集中在控制上覆岩层的发展高度引水断裂带,HWFZ不应达到水体和含水层(13,14]。渗流和突水问题,受岩性结构和每个煤系地层的水隔离性能,获得了更少的关注。
为此,断裂演化和渗流响应机制的关键不透水层地层(ka)不同结构参数的条件下,地质特征,和回填比率(回填材料的压实承载比采空区)[15座在矿业是使用RFPA数值模拟研究中二维岩石破裂过程分析软件。探讨的影响不同的地质结构参数和多层特征内的修复造成的损害开采上覆地层和有关垂直渗流速度。实地测量验证仿真结果。积极的控制效果的组合内的缓解过度的渗透和突水。座采用方法确保安全的方法,在类似条件下为工程应用提供了参考。
2。数值模拟模型和方案
2.1。数值模拟模型
岩石破裂过程分析(RFPA)主要用于岩石断裂过程的数值模拟。RFPA数值分析工具和基于有限元应力分析的计算方法和建模统计损伤的解释。RFPA充分考虑非线性的特点,在进步的不均匀性和各向异性压裂岩石的和潜在的失败。在这个软件,充分考虑岩石材料的非均质性,复杂macrononlinear机械问题转化为简单的连续介质问题。同时,耦合应力的影响和改变,损伤,渗流造成现有和新发起的裂纹之间的相互作用被认为是(16- - - - - -20.]。因此,矿山岩体的原理和失败过程结合实际现场情况。RFPA主要包括静态、动态、动态和静态相结合,渗透、温度、和multifield耦合分析(21- - - - - -24]。RFPA的基本原则二维流耦合模块是基于以下的假设。(一)岩石的渗流过程满足毕奥整合理论:
平衡方程:
几何方程:
本构方程:
渗流方程: 在哪里是密度;应力张量;是体积应变;克罗内克常数;是毕奥常数;剪切模量;拉梅系数;和拉普拉斯算子。(b)岩石的mesoelement弹性和脆性和有一定的残余强度,而其力学行为符合弹性损伤理论。最大抗拉强度和莫尔-库仑准则作为损伤的阈值条件;即当元素满足莫尔-库仑准则和最大拉伸应力-应变初始损伤发生(c)岩石结构不均匀。的损伤参数mesounit被分配根据威布尔分布。非均匀威布尔分布函数和积分推导如下: 在哪里和弹性模量和统计平均值的mesounit岩石介质,分别是同质性(小的值对应于多个分散的材料属性),是统计分布密度。(d)磁导率和应力-应变之间的关系函数满足mesounit处于弹性状态,损伤与断裂后,渗透率增加明显。连接压力方程和渗透系数模型具有以下形式: 在哪里和分别渗透系数和初始值;孔隙水压力;突然跳的渗透系数,孔隙水压力系数,是物的因素。
有效应力和损伤变量影响元素的渗透率变异,而其渗透性也影响应力分布通过水压力变化。因此,应力和渗流场耦合的元素。基于吴钩煤矿开采面临的特定地质条件位于安徽省北部,中国,一个基本的二维力学简化模型 的 建立了沿煤层罢工。选择数值模拟研究断裂的演化特征和渗流分布规律的不同影响因素下构造地质学参数、岩石夹层厚度和内回填比率。水平和垂直位移约束应用于两侧和底部的模型。模型的上表面应用相当于地壳应力均布荷载为5.75 MPa(对应于埋深300米)。模型含水层的厚度是15米。200米的水头边界是适用于双方的含水层,而其余边界设置为一个水分离边界。矿区边界设置为无水质头边界。数值模型细分为22500单位。针对摩尔-库仑模型修改后用于岩石材料平面应变简化模型的框架内。物理力学参数,以及岩石的渗流特征,表中列出1。
2.2。数值模拟方案
结构参数的分析显示,岩石夹层厚度、和回填比率在采空区内控制效果的关键因素影响下的回填采矿含水层。利用RFPA二维软件,上面的三个影响因素的影响内回填采矿的持水性能控制进行了分析。总共三个计划和十组数值模型的设计(如表所示2)。
2.2.1。方案1
回填率65%,距离条件下的煤层与含水层之间的20米,内的断裂演化特征和渗流响应与四个不同的结构特点,即单层软岩(泥岩)、单层硬摇滚(细砂岩),双层软/硬复合ka(泥岩和细砂岩),但是软/硬复合ka(泥岩、粉砂岩、泥岩和细砂岩),进行了分析。分布模式的数值模拟中使用各自的计划是描绘在图1。
(一)
(b)
(c)
(d)
2.3。方案2
采矿地质条件的工作面吴钩煤矿结合三层复合材料内的赋存特征由泥岩、粉砂岩、细砂岩。组合内的骨折进行了分析条件下工作面15岁,25岁和35 m以下的含水层,回填比率为65%。方案2的演化特征和渗流响应分布通过数值模拟得到了各自的方案中描述的数据2(一个),2 (c),2 (d)。
(一)
(b)
(c)
(d)
2.3.1。方案3
方案3是用于分析断裂演化特征和渗流分布规律的三层复合内由泥岩、粉砂岩、细砂岩在采矿过程中。工作面是21.8米以下上覆含水层,而采空区回填率分别为45%,65%,和80%,分别。用于数值模拟的分布模式是描绘在图2 (b)。
3所示。结果与讨论
根据上述方案,断裂演化特征和渗流响应模式座的上覆岩层开采高度为3.5米,开采深度300米,和回填比率的65%为单层软岩的不同结构特点,分析了单层硬摇滚和双,但是软/硬复合材料。100工作面推进的和回填比率为65%,云图表上覆岩层断裂的演化和渗流上述结构特征向量的分布模式是策划(如图3)。
(一)
(b)
(c)
(d)
仿真结果表明,内的断裂演化特征的结构特点单层软岩都相对较低。相比之下,进化过程包括裂缝起始、发展、压实和关闭。这种岩石结构容易断裂压实和关闭回填材料的耦合作用下,上覆岩层压力、水压力,和良好的修复特性。单层结构特点下的坚硬的岩石,内的初始裂缝发展相对比较缓慢。连续增加的工作面推进距离,当距离崩溃崩溃和周期的第一步是,岩石地层突然断裂,形成一个断裂的突水通道。骨折后的发展和扩张,压实和关节不太可能关闭,导致一个极端突水灾害的风险。因此,围岩的应力状态前骨折和损伤应控制这种内。回填材料的的影响下,铰链支承结构很容易形成坚硬的岩石损伤后下部的两倍,但是软/硬复合材料。这个铰链断裂可以修复不同程度的压实下软岩石上。值得注意的是,整体控制效果的双层软/硬复合内优于基础课,而裂缝发育程度在这两种情况下是相对温和的。
根据不同的结构特征,垂直渗流速度分布曲线中间的内沿工作面推进方向的构造,为推进距离50和100,如图4(一)和4 (b),分别。
(一)
(b)
图中可以看到4,根据不同的结构特点,座的ka渗流水分离逐渐增加工作面连续推进。渗流的峰值是主要分布在采空区的后方,在工作面前,在采场中间。在开采的工作面距离50 ~ 100米,在单层软岩的不同结构特点,单层硬摇滚,和双,但是软/硬复合渗流速度的峰值的变化范围的关键层 , , ,和 ,分别。根据不同的结构特性,内渗流量峰值的变化在1.13 - -2.63倍单层软岩的岩石序列分层和双层软/硬复合结构,这是作为一个整体相对顺利和有很好的控制效果。相比之下,峰值的变化关键层的渗流水分离分层岩石序列下的1.69 - -9.50倍单层硬摇滚,但是软/硬复合结构,这是作为一个整体相对较大,容易造成突水。回填率相同的条件下,座控制效果密切相关的结构性特征内。机械承载结构坚硬的岩石主要扮演了一个角色,使破坏相当有问题,促进损伤后自我修复这个岩石层。软弱岩石的赋存特征层导致骨折压缩和修复一个明显的改善。硬摇滚受损时,相邻的软岩压实关闭可能突水防水岩层裂隙和形式,实现隔水层的修复效果。
上覆地层的断裂演化特征和渗流响应也模拟开采高度3.5米,地下开采深度300米,回填比率为65%,和岩石厚度15、25和35 m工作面和含水层之间。回填比率为65%,100的工作面推进,云计算的图表上覆岩层断裂的演化的影响下建立了三个不同的层厚度(如图5(一个)- - - - - -5 (c))。65年45岁,在采空区回填比率,和80%,上覆地层的断裂演化特征和渗流响应进一步模拟。在夹层岩厚度21.8米,工作面推进距离的100米,表土的云图表断裂演化的影响下不同回填比率是构造(如图5 (d)- - - - - -5 (f))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
它的数据中可以看到5(一个)- - - - - -5 (c)当岩石矿业空虚和含水层之间的厚度是15米,内的总厚度相对较薄。持续进步的回填工作的脸,岩层破碎,和采动裂隙扩展连接到含水层,然后,突水断裂通道就形成了。越来越岩矿业空虚和含水层之间的厚度,组合内的整体性能提高,往往是有益的。后回填采矿无效(数字5 (d)- - - - - -5 (f)),较低的细砂岩和粉砂岩破坏。然而,他们仍然保持一些机械承载能力。软上层岩石下行动,矿业骨折容易压实和关闭,基于视觉的岩体有完整性检查数量的骨折。回填体的影响下的有效的承载能力,持续增加的内厚度从15到35米,整体控制效果的内回填采矿明显改善。
它的数据中可以看到5 (d)- - - - - -5 (f)在回填率为45%,上覆岩层的整体破坏比较严重。当工作面开采50 m,较低的细砂岩已经损坏。100工作面开采时的回填,大面积的骨折和损伤发生在复合ka,和采动裂缝穿透水层,导致突水灾害。整体采动损害ka的回填率减少65%和100米采矿。工作面开采后,机械轴承结构可以形成采矿破坏后降低细砂岩和粉砂岩。上部泥岩层的压实内扮演着重要的角色在维护水分离和防渗。在回填比率为80%,细砂岩和粉砂岩组合内的下部开采后保持相对完整。岩石断裂程度的全面发展受到抑制,而上部的软泥岩层不受开采影响的损害。因此,内可以保持原来的水分离性能。
根据不同层次的特点,垂直渗流速度分布曲线中间的内沿工作面推进方向如图6。对应于不同回填比率,垂直渗流速度分布曲线的中间部分的内沿工作面推进方向如图7。
(一)
(b)
(一)
(b)
图中可以看到6不同岩石夹层厚度的影响下,渗流的内逐渐增加工作面连续推进。渗流流的峰值也主要分布在后方采空区的工作面前,采场中间。当工作面推进距离是50 ~ 100米,峰值的变化范围内的渗流速度 , ,和 工作面厚度15、25和35米的含水层,分别。内增加的厚度、渗流量峰值在相同的推进距离减少。在相同的回填采矿条件下,内座层特征不同的控制效果。
图中可以看到7回填比率不同,内的渗流逐渐增加工作面连续推进。渗流流的峰值主要集中在裂缝发展和故障位置在采空区,在工作面前,在采场中间。在工作面推进距离的50 ~ 100 m,高峰值的变化范围的关键层的渗流速度 , ,和 回填比率的45、65和80%,分别。持续改进的填充率、回填体可以有效地把内的压力负荷,抑制裂缝的发展和扩张。回填体的联合行动下,上覆岩石,水流,裂纹很容易压实和弥合,这有利于内修复的效果。
吴钩煤矿领域面积21.74公里2安徽省位于Suixi县,中国。东部矿区位于东北部的一部分矿区与地面高度26.37 ~ 7.67米,这是一个稳定的地平线,结构简单。罢工2.51公里的长度和坡度的0.93公里,主要的可开采的煤层的平均厚度为3.5米。底部含水层的新生代厚和松散地层直接覆盖了主要的煤炭资源的露头,构成严重威胁煤层开采的安全。基于参数的仿真和理论评估相关洗涤煤矸石材料粒径0 ~ 50 mm在地面上,这是认为矿业起始位置的第一CT101回填煤面应该从上层含水层(21.825]。考虑到网站的脸浸采矿和向上的回填工作,运用一定的安全系数,以确保安全生产第一回填的工作面,提高回填采矿技术的熟练程度。最后设计回填率确定为80%。内控制效果是由瞬变电磁法测量和分析,这是实用和容易操作。广泛应用于骨折损伤和评价含水层岩体在我之上。连续开采的工作面,在累积工作面推进距离90米,根据野外观测频率要求,监控区域多次监测,和电阻率结果如图8。
(一)
(b)
(c)
(d)
图中可以看到8开采的工作面,屋顶裂缝的发展,和电阻率值逐渐增加。异常增加的区域电阻率主要是在25米的煤层屋顶。泥岩层的电阻率的上部的范围内是稳定的,主要分布在40 ~ 50Ω·M。使用内赋存特征在监控区域和测量结果,发现细砂岩和粉砂岩的下部内回填采矿后部分受损。与此同时,上部泥岩裂缝发展的是免费的。耦合效应下的充填体和上覆岩层内仍然是稳定的。没有水渗流和地下涌出的工作面,这表明内回填采矿的控制效果是好,确保现场安全生产。
4所示。结论
(1)不同结构参数的条件下,岩石夹层厚度、回填比率,与回填工作面连续推进,上覆岩层裂缝显示不同程度的逐步发展和演化特征。受此影响,内渗流量的增加逐渐与工作面连续推进。渗流主要是观察到的峰值的后方采空区,在工作面前,在采场破坏的中间位置(2)座不同的结构特点有不同的内控制效果。内回填时控制效果逐渐恶化的结构性特征对应于单层软岩石,双层软/硬复合材料,但是软/硬复合材料,和单层硬岩石。与工作面层的变化特征的距离15日25日从含水层和35米,回填内的控制效果逐渐增强。的主要因素控制内回填比率,这决定了内的修复效果。随着回填率增加,回填能有效上覆岩层层负载。抑制裂缝的发展和扩张可以提高以前骨折形成的压实和桥接,以确保经济复苏和改进内的水分离性能(3)座后的结果表明,技术应用的吴钩煤矿在中国的安徽省,泥岩层内的电阻率稳定,主要分布在40 ~ 50的范围Ω·M。内的整体控制效果很好:没有渗漏或涌水现象。这确保了安全开采煤炭资源,取得了良好的工程应用效果
数据可用性
所有的数据用于支持本研究的结果包括在本文中。
的利益冲突
作者已经宣布,我们没有金融和个人关系与他人或组织不当会影响我们的工作。
确认
作者感谢提供的金融支持这项工作由中国国家自然科学基金(批准号52104152)和中国博士后科学基金(批准号2020 m671650)。