屋顶裂缝特征和地层行为法律超级大型矿业面临着工作

文摘

利用在煤矿使用超长工作面开采长度和大型矿业高度密集的生产已成为重要的高产量和效率高。本文发展一个屋顶结构模型分析的影响,195,242.4,和376工作面长度在王庄煤矿在中国大型矿业高度作为案例研究。屋顶裂缝特征,迁移法,在不同工作面长度和地层行为法律比较和数值模拟研究,并支持选择的可靠性在分析了大采高工作面现场测量数据。结果表明,一个超级大的工作面顶板断裂模式是一个连续的分层断裂。工作面长度的影响不大在屋顶上断裂步长,和断裂步长与岩层的厚度呈正相关。屋顶沉降法对于一个超级大的工作面不同于间歇沉降普通工作面临的单峰高斯分布曲线,显示多个普通工作的间歇沉降的面孔。屋顶周期性加权的一个超级大的工作面,这在100两端波动剧烈,更激烈的比一个普通的工作面。字段统计分析表明,它是更合适的选择高强度支持一个超级大的工作面。

1。介绍

随着世界经济的快速发展,市场对煤炭的需求继续增加,煤矿和highyield效率高是越来越普遍1- - - - - -5]。经过多年的发展,全高度完全机械化开采一次highyield已成为一个重要的技术和效率高开采厚煤层(6]。除了增加开采高度、工作面长度的增加已经成为一个新的方向高产高效工作面开采(7]。它通常被认为是一个工作面长度超过250米是一个超级大的脸8]。加长工作面可以提高单位面积产量的工作面和简化生产系统,减少煤炭损失,所有我提高生产力。超级大的工作面生产技术已成为一个重要的发展方向为密集的煤矿生产技术(9]。

近年来,研究超级大工作面临的主要集中在中厚煤层。2002年,在澳大利亚长壁工作面临的平均长度是227米,年平均距离是2160米,工作面临的平均产量是282万吨10]。2004年,一些完全机械化采煤面孔的长度在美国接近300米,最大推进长度是4580米,面临工作的平均收益率从152万吨增加到326万吨(10]。据不完全统计,有11个工作面临超过300米长18岁在美国和德国,与最长的506工作面煤层厚度1.9 ~ 2.3米(11]。俄罗斯、波兰和其他主要煤炭生产国也在开发工作的超级大脸。2007年,第一个超级大的工作面400(平均厚度1.7米)在中国投产Yujialiang煤矿东地区的神华集团12]。2012年,最长的脸上450综采工作面(平均厚度2.11米)在东Halagou煤矿区(13,14]。

而延长工作的脸,中国也在研究非常高的工作面临着厚煤层。2005年,申东Shangwan煤矿矿区建立了世界上第一个完全机械化采煤面临延长了大采高工作面300米,平均煤层厚度5.5米(15]。2008年,Shangwan煤矿加长的设计完成了大采高工作面厚厚的300米,平均煤层厚度5.5米,是世界上第一个完全机械化开采工作面产量超过1000万吨(15]。2010年7月,在高气体条件下,大型矿业高度完全机械化开采技术应用在寺河煤矿东四委员会社区晋城无烟煤矿业集团和300米超级大成功开采工作面平均厚度6.2米(16]。

总之,工作面临300米长度的主要集中在中厚煤层(17),厚煤层开采是困难的;所以,应用程序相对较少。脸长度和矿业高度的增加将形成一个大的屋顶结构,这将产生更多的支持负载的脸。因此,当工作面长度的增加,屋顶将新的变形和载荷特征,这是一个非常重要和有意义的话题。

本文系统地比较和研究了顶板断裂特征和地层使用现场调查工作面临的行为,理论分析和数值模拟18,19]。研究采用煤层赋存状态和3500工作面开采特点,大型矿业高度,在王庄煤矿在中国。3500工作面是一个典型工作面与变量的大小。工作面长度经历了三个阶段:242.4米,195米,376米,煤层的平均厚度为5.02米。这是一个完全机械化整层大型煤矿工作面。这个工作面提供了一个实用矿山压力的比较分析的基础行为法律工作面临不同的长度,因此,具有重要的理论和实践价值。

2。案例研究概述

王庄煤矿3500工作面的位于长治Dongzhang南部村庄,山西省,中国。3号煤层开采的煤层,在35个矿区。平均3500工作面埋深200米,和罢工的长度是1066米。3500工作面位于北部的35号矿区,50米距离3403工作面在东方(2011年开采),三个主要的道路Nanyi在西方,3401工作面和3402工作面和村庄在北方,和3501工作面在南方(从2013年到2014年开采)。这是显示在图1。工作面长度231米的部分从削减的3500工作面在最初设计是242.4米,在剩下的部分,是195米。原来的3500工作面,北部的另一个工作面(149.5米的长度,可能在35号矿区北入口)存在,和工作之间的净煤柱尺寸的面孔是20米。提高煤炭资源回收率,35号矿区北部的最初的3500工作面和最初的3500工作面已集成到一个工作面开采。重返社会后,3500工作面“刀处理,”的形状,它分为三个部分:在第一部分242.4米的长度的工作面231节,195米的长度在320米部分,中间部分和376年的其余部分的长度。

3500工作面使用全面撤退机械化采煤的长壁整层自然崩落采矿方法。三号通过3500工作面煤层开采厚度4.20到5.50米(5.02米)的平均长度和倾角2°4°。煤层顶板主要是由碳质泥岩、泥岩和细砂岩。地板主要由泥岩和细砂岩。表1总结了分布和煤层的物理力学特性和3500工作面顶板岩层。

3所示。分析屋顶超级大工作面临的断裂特征

从open-off削减的工作面,采空区的悬顶长度继续增加。由于矿山压力的作用,每一个屋顶上的岩层会弯曲,消退,而变得扭曲,当岩层达到强度极限时,将裂缝和洞穴(20.- - - - - -24]。基于层次、厚度、强度和负荷的岩石地层、不同工作面长度的影响在屋顶上屈服步长进行比较和分析。

3.1。顶板岩层的计算负载

初始屈服步长是主要的信号测量地层的稳定工作面临的行为。在计算步长屈服之前,有必要计算每个岩层的负载。由于不同厚度和每个地层的岩性,上的负载地层是按照下列公式计算: 在哪里上的负载地层时层以上层被认为是:

每一层的弹性模量。

每一层的厚度。

每一层的密度;

当 ,也就是说,随着负载的应用层,方程的结果(1)上的负载层来计算其屈服步长。

表中的数据1放入方程(1),并计算每个层上的负载。计算结果如表所示2。

3.2。每个屋顶层的屈服的计算步长

超级大的工作面采矿,很难完全定义问题,解决一个平面问题。因此,煤层的屋顶被视为板结构和初始屈服步长和周期屈服的步长计算根据屋顶层板理论(25),如图2。

最大拉应力强度理论是作为坡屋顶裂缝的断裂准则: 在哪里最大拉应力在屋顶,MPa;屋顶层的抗拉强度,MPa。

屋顶的最大拉伸应力是由以下公式计算: 在哪里最大弯矩作用在屋顶层,MPa·m;惯性矩的屋顶层,如果截面厚度吗 , ,单位是1;然后,

让 在哪里屋顶的均布荷载,MPa;是岩石地层的泊松比。

岛矿业面临的三面采空区,如果削减长度是242.4米,所有矿业面临采空区的三面。根据板的理论分析,初始屈服步长 在哪里工作面长度, 。

与两个相邻工作面开采出来,两个相邻两边固定,如果削减长度是195米和376米,两个相邻的采矿工作面采空区,和其他人都是未开发的固体煤。根据板的理论分析,初始屈服步长 在哪里工作面长度, 。

当工作面长度的3号煤层为242.4 m,方程(5)介绍;当3号煤层的长度是195米和376米,方程(6)介绍,每一个屋顶层的初始屈服步长计算根据板理论,如表所示2。周期性屈服步长旧屋顶通常是由悬臂断裂旧屋顶。根据材料力学的计算,初始屈服步长是2.45倍周期屈服步长。周期的计算结果屈服步长如表所示2。

3.3。顶板岩层的断裂特征的分析

根据计算结果表2顶板岩层的断裂特征如下:(1)屋顶屈服模式3500工作面采空区的连续分层崩落。当工作面开始推进的削减,第一层的碳质泥岩洞穴第一,屈服的高度为0.3米。当工作面不断进步18.4米,第二泥岩层洞穴,冒顶的高度1.7米。进步到41.9米,屋顶覆盖着细砂岩、泥岩的支离破碎。屋顶的裂缝高度是7.3米。在那之后,工作面推进三周期;时,工作面进步到45米,第五层的细砂岩破碎,和上覆泥岩、细砂岩、泥质砂岩和随之破碎,屋顶的裂缝高度超过31米(2)第一个屈服的步长3500工作面直接顶的是12米。屈服的步长初始裂缝的主要屋顶第35 - 37是m。周期性的屈服的步长基本屋顶14米(3)随着工作面长度的增加,顶板岩层崩落步长基本上是不变的。它可以认为工作面长度在195米至376米的范围,和工作面长度没有影响冒顶步长。通过比较不同岩层的屈服一步的长度,可以推断,屈服步骤长度与岩层的厚度呈正相关

4所示。研究地层工作的大小可变的行为法律面临着通过数值模拟

4.1。数值计算模型的建设

数值模拟,3 dec是用来比较和分析变形特征、运动法,和压力变化规律的屋顶在推进的过程中对工作面长度195米和376米的26,27]。(1)三维模型的建立。假设模型中各个地层的倾角是0,厚度均匀,建立三维计算模型在研究范围内根据物理力学参数表1煤层的屋顶和地板层。模型的大小195工作面 ( ),13610可变形块分为334440单位。模型的大小376工作面 ( ),38916可变形块分为856100单位。更准确地分析研究区域和控制块的数量在合理范围内,模型分为不平等的街区。在模型中,采用莫尔-库仑本构模型块,结构面和库仑摩擦模型,与重力 。模型的边界条件如下:底部是固定的,限制了水平位移,外侧和上部使用压力边界来模拟上覆地层的压应力模型(2)模拟工作面临和液压支架。后计算模型达到开采前的初始状态,挖掘命令3 dec软件是用来模拟煤炭切割。每次工作面一次进步2.5米,填充命令用于回填形成的采空区煤炭切割和分配一个较小的弹性模量,模拟液压支架的支护效果(3)解释模型的响应。三维离散单元法用于程序分析和计算,模拟分层,破碎,岩体屈服,和法官的岩体和支持通过整合塑料的分布区域,沉降量,和压力

4.2。变形特性和屋顶移民法律

随着工作面继续进步,屋顶的变形特点和迁移规律在不同推进距离进行比较和分析,如图3- - - - - -9。

图3显示屈服的第一步的长度195工作面直接顶和376米的脸几乎是相同的,在15米。当工作面推进到15米,屋顶的位移的195工作面约为100 ~ 150毫米,和整个工作面消退均匀。屋顶的位移的376工作面约为180 ~ 200毫米,和中间的工作面基本消退。

图4显示,当工作面发展到30米,屋顶沉降量195米和376米的工作面临着增加,和屋顶的沉降范围延伸到基本的屋顶。此时,195工作面的沉降曲线提出了一种非对称高斯分布,在中心轴偏离略一个工作面,屋顶塌陷为400 ~ 600毫米。376工作面顶板沉降的是不同的。376工作面显示积分的屋顶塌陷。的初始裂缝主要发生屋顶,砌体结构(28,29日)形成,屋顶沉降约为500 ~ 700毫米。

图5显示,当工作面推进到32.5 m,屋顶的移动范围的195工作面继续逐步扩大,和基本的初始裂缝主要发生屋顶,砌体结构的形成。屋顶的沉降量的376工作面沿长度方向增加地方的工作面。

图6显示,当工作面推进到35米,面临工作均显示出明显的沉降。所不同的是,接下来的195工作面高斯分布曲线的沉降规律,而376工作面显示间歇性的屋顶塌陷。因为376工作面长度的两倍的195工作面,该图显示了间歇沉陷在两到三间隔。因此,可以推断,一个超级大的工作面顶板沉降可以被视为工作的几种常见的总沉降的面孔。

图7显示,当工作面推进到37.5 m,屋顶的损害范围的工作面临着继续扩张,和屋顶的沉降量继续增加。

图8表明,屋顶的损害范围的工作面临着继续扩展的上部屋顶。所不同的是,各部分的变形长度方向的195工作面很不同,和376工作面再次均匀沉降的特征。

图9表明,当两个工作面临提前45米,屋顶的位移和变形的376工作面大于195工作面,并定期屋顶压。

通过以上分析,可以得出的结论是,195工作面顶板位移的高斯分布曲线的沉降规律,而376工作面显示间歇性的屋顶塌陷。此外,它可以推断出,屋顶塌陷的超级大工作面工作的几种常见的总沉降的面孔。

4.3。比较和分析屋顶周期性加权法

周期强度加权法的比较和分析两种工作面临数据所示10和11所示。

图10显示,周期性加权的195工作面通常是稳定的,这是高甚至在中间和低两端。在20米的两端,比重逐渐增加从675 kPa到800 kPa。在20 - 175米的工作面,权重是均匀分布的,剩下的基本稳定在800 kPa。

图11显示,周期性加权的376工作面通常是高在工作面中部低两端,在一个小范围内波动但两端振动剧烈。在100 - 275工作面中,有电弧波动是中间高,两头低,和加权平均维持在877.80 kPa。最大权重985.67 kPa,最低是676.83 kPa两端100米内。加权振荡是显而易见的。

比较数据10和11显示了376工作面周期性加权的比这更暴力的195工作面。376工作面在100两端大幅震荡,而195工作面逐渐减少工作面中部的两端。周期性加权平均的376工作面大约是80 kPa高于195工作面。通过以上分析,可以得出结论:工作阻力所需的支持在一个超级大的工作面更大。因此,要注意支持强度在100年底的脸。

5。测量和分析工作面支架工作阻力

在王庄煤矿3500工作面监测和实时计算,液压支架的支撑强度和不同工作面长度进行比较和分析。通过理论和数值计算和分析,ZY10000/26/55D两列选择盾构液压支架3500工作面液压支架。表3总结了液压支架工作阻力的统计工作面临的三个长度:195,242.4,376。

现场测量结果表明,测量工作阻力的支持195米和242.2米的脸是在额定工作阻力范围内工作。在376工作面现场测量超过额定工作阻力统计周期的2.76%,其中最大工作阻力是10049 kN, 10098 kN两次。ZY10000/26/55D液压支架能满足工作的超级大的支持需求的面孔。

6。结论

(1)采空区顶板崩落的超级大3500工作面发生连续分层崩落,屋顶裂缝高度超过31米(2)与工作面长度的增加,屈服的步长屋顶层基本上是不变的。工作面长度在195米至376米的范围在屋顶上加权长度的影响不大。通过比较长度不同的岩层崩落的步骤,它可以推断出屈服的步长与岩层的厚度呈正相关(3)195工作面顶板位移的高斯分布曲线的沉降规律,而376工作面显示间歇性的屋顶塌陷。因此,可以推断,屋顶塌陷的超级大的工作面可以被视为工作的几种常见的总沉降的面孔(4)周期性加权平均的376工作面,哪个更暴力,大约是80 kPa高于195工作面。376工作面特点是暴力振荡两端和中间一个小范围内波动。权重增加20米之内逐渐结束的195工作面,和中间的工作面显示统一的权重(5)统计结果的比较和分析领域工作阻力工作面临的195,242.4,和376米长度确认ZY10000/26/55D液压支架可以满足超级大工作面临的需求

数据可用性

使用的数据来支持这个研究的发现可以从相应的作者。

附加分

开放获取。本文是分布式创作共享归因4.0根据国际许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/),允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,你提供给适当的信贷原始作者和来源,提供一个链接到Creative Commons许可,并指出如果变化。

的利益冲突

所有作者宣称他们没有利益冲突或财务利益冲突披露。

确认

作者欣然承认金融支持提供由中国国家自然科学基金(批准号51904199),山西省重点研究和发展项目(高科技领域)项目(201903 d121075)、科技成果转化项目的山西高等教育机构(批准号JYT2019015),和年轻科学家山西省自然科学基金(201801 d221328)。

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