沉降分析法律的基石和Ultrathick松层由煤炭开采造成的

文摘

在煤炭开采过程中,埋深大,松散的层厚,地面沉降往往是异常,地表生态环境造成极大的破坏。为了揭示开采地面沉陷的机理下ultrathick松层,以我1305工作面为背景,挖掘地面沉降规律下ultrathick松层通过现场测量进行了分析。的法律基础沉降分析通过相似模拟试验,以及ultrathick松在基岩层沉降的作用是定量分析。ultrathick松层的疏水沉降模型建立了沉降理论计算,和法律ultrathick松层的疏水造成的地面沉降进行了分析。结果表明,地面沉降主要由基础沉降和疏水沉降ultrathick松层。领域的最大地面沉降测量是4.201 m,基岩面下沉了相似材料模拟试验的3.552米,和ultrathick松散的沉降层通过疏水沉降分析是0.58米。添加基岩表面的沉降和ultrathick松层的沉降,地面沉降是4.132米。在良好的协议与总地面沉降测量,验证合理性,地面沉降主要包括基岩ultrathick松层的沉降和疏水沉降。

1。介绍

煤层开采后围岩的应力状态平衡打破,与上覆地层开始从下到上。最后,就会形成崩溃区,在上覆地层裂隙带、弯曲下沉带从下到上1]。当弯曲下沉带延伸到地面,它会导致地面沉降。地面沉降的过程总是伴随着水资源损失,这将不可避免地造成破坏的生态环境。因此,在煤炭开采过程中,尽量减少地面沉降是保护生态环境的一个重要方面2,3]。在煤层上覆地层可分为两部分:基岩和松层。李肇星指出,一个松散的层的厚度超过50米被称为厚松层,和一个松散的层的厚度超过100叫做ultrathick松层(4]。条件下,疏松层的厚度小于50米,煤层开采的地面沉降系数(最大沉降量为煤层厚度的比值)基本上是在0.7 - -0.8的范围5]。当松层超过50米,煤层开采过程中的地面沉降较大,和相应的地面沉降系数也较大。一旦松层超过100米,地面沉降系数已接近1.0,甚至大于1.0,这将给生态环境带来极大的破坏(6]。

经过多年的研究,专家、学者建立了各种各样的煤层开采地面沉降预测模型,包括基于上覆地层的力学性能预测模型,预测模型基于地面沉降盆地的形状,和预测模型来描述某个点的动态沉降过程。许多学者贡献了第一种模式。辛格(7,8)建立了一个地面沉降预测模型基于弹塑性理论和野外观测数据。刘等人。9,10)结合了分层弹性板岩控制理论和随机介质理论来建立预测模型。彭et al。11利用结构力学构造一个预测模型。Yu et al。12)建立了一个预测模型基于关键层的表面倾斜沉降理论。对于第二种类型的模型,概率函数预测模型集成预测模型和概要文件被广泛使用(13]。概率积分法,也被称为影响函数法,是一种预测法on方法由刘et al。14基于随机介质理论)。这种方法可以与人工神经网络相结合15,16),考虑参数的权重因素(17,18和采空区的面积19)建立几个修改概率积分模型。部分函数方法是一种预测方法大致表达的主要部分曲线沉陷盆地的基础上测量数据和基于经验公式。部分功能包括指数函数(20.- - - - - -22),高斯函数(23)、复合幂函数(24),和玻尔兹曼函数25]。时间参数是必不可少的在地面沉降的动态预测模型。Knothe时间函数模型被认为是基本模型来描述开采沉陷的动态发展规律(26- - - - - -28]。广泛使用的时间函数模型包括正态分布函数模型(29日),Sroka-Schober两个参数时间函数模型(30.),龚帕兹时间函数模型(31日),物流时间函数模型(32),威布尔时间函数模型(33),Ichards时间函数模型(34],MMF模型(35]。

大量的现场工程实践表明,ultrathick松层的运动不同于基岩(36]。针对矿业ultrathick松层下,左et al。37)指出,基岩显示了一个反向的烟囱似的骨折,松层出现的烟囱似的运动和上覆地层的整体运动提供了一个“quasi-hyperbolic”形状。周(38)表示,在厚松层,地面沉降量由四部分组成:松层沉降引起的基岩沉降,沉降协同行动的基岩和疏松层,松散的失水固结沉降层,和浅松层的密实度沉陷在采矿扰动。崔et al。39和梁等。40)透露,在厚松层,地下蓄水层疏水沉降引起的沉降是一个采矿过程中地面沉降的重要组成部分。

基于上述分析,现有的预测模型主要的地表沉陷预测最终沉降的地面,而变形的定量分析法律的基岩和松层表土很少研究。同时,可以看出研究的采矿地面沉降ultrathick松层下,专家学者指出,疏松层的疏水沉降是导致地面沉降的一个主要方面。因此,以前的研究的基础上,本文分析了基岩的变形规律和宽松的层。摘要煤矿1305工作面为工程背景,和法律下的地面沉降ultrathick松层通过现场测量分析,研究了相似材料模拟分析和理论分析。在这项研究中,地面沉降的差异有或没有ultrathick松层比较和分析,ultrathick松在基岩层沉降的作用了,和基础沉降的比例在地面沉降ultrathick松层的作用下在一个煤矿进行定量分析。分层土壤的疏水沉降模型建立考虑基岩和解,和分层土壤沉降的计算方法考虑渗流和土自重应力变化。疏水的比例结算ultrathick松层在地面沉降是定量分析,这对地表沉陷控制提供了基础。

2。实地测量地面沉降

松散覆盖层的厚度的1305工作面矿是700 m,这属于煤层被ultrathick松散覆盖层。通过建立一个地面观测站在矿区,开采地面沉陷的法则下ultrathick松层进行了测量和分析。

2.1。测量线的布局

1305年,罢工工作面长度是1823米,倾斜长度是223.6米,煤层的倾角是4-18°(平均13°)。煤层的厚度是1.8 - -4.9米(平均4.04米)。倾斜长壁综采放顶煤开采过程的方法被采用,屋顶是由所有屈服的方法管理。1303工作面在左边的1305工作面开采了。1307工作面在右边的1305工作面和尚未开采。在1303工作面,罢工的长度是2070米,倾斜长度是210米,煤层倾角是5°。煤层的厚度是2.99年的平均水平。1305年,工作面各岩层的厚度和一些每个岩层的力学参数如表所示1。

1305工作面罢工观测线的长度4800米,有136个监视点(从起始方向依次Z1-Z136停止线方向)和倾斜观测线的长度2800米,拥有60个监视点(从左到右依次H1-H60),所以196监视点排列在1305工作面(图1)。设置过程中调查,一方面,它是影响村庄在地上;另一方面,监控,方便,和一些调查分两个调查线偏离的主要部分。

有22个观察阶段采矿过程中没有1305工作面。第一阶段的数据是煤层开采前的参考数据,和22日阶段的数据结算数据后地面稳定性。观察每0.5 - 3个月进行一次。由于测点标记的损坏,丢失了一些数据,并且地面沉降曲线被打断了。

2.2。分析测量结果

在罢工,以Z01为坐标原点,从Z01 Z136 1305工作面地面沉降曲线,如图2。测线,三个计量点Z71, Z58,和Z43偏离罢工主轴,和和解的这三个点测量值减少由于边界效应,所以相应的位置曲线的隆起。此外,有一个平底中间的曲线,这意味着1305工作面取得充分挖掘。上次调查周期的曲线,因为测量点偏离主轴内基本上是平面曲线的一部分,沉降值的偏离罢工主轴可以取而代之的是平面的平均沉降值的部分。沉没后,最大沉降值是4.201米。平均煤层厚度4.04米,和工作面内的沉降系数是1.04(最大沉降值的比率平均煤层厚度)。根据(41),与10毫米的沉降值是矿业边界点的影响。根据上次调查周期的曲线,挖掘影响范围确定为open-off背后从796减少到786年停止线的前面。根据(41),当有松层松散的移动角层(通常是45°),第一行是来自自动的盆地的边界的基石。然后,第二行是来自采空区边界的交点。第二行与水平线之间的夹角对煤柱一侧的边界角(图3)。疏松层的厚度在1305工作面约为724.7 m,基岩厚度是126.25米。因此,在open-off切端,边界计算基岩为60.3°角和停止线计算为63.8°。

在斜测线,从边倾斜上升,按顺序编号H1-H60观察点。之间有一个角测线和斜主轴,主轴垂直于罢工。考虑到等变形测点的沉降和水平运动主要由最近的采矿活动,在数据处理中,确定斜主轴的垂直线通过斜测线的交点和罢工主轴。在图所示的斜主轴1。计量点的斜测线预计将斜主轴,和观测点的沉降值是用来表达的沉降值对应的主轴上的投影点。地面沉降曲线的斜主轴,1305工作面得到如图4。

可以看出,靠近倾斜中心,地面沉降越大。的最大沉降倾斜中心工作的脸是4.163米,平均煤层的厚度是4.04米。这个位置的沉降系数为1.03,这基本上是符合罢工主轴的沉降系数(1.04)。由于短期监测距离在上升,小数量的计量点,监测范围不能达到开采边界的影响。监控距离倾斜一侧很长,有很多测量分。根据上次调查周期的曲线,监控范围超出了采矿影响边界与10毫米的沉降。在斜主轴,挖掘影响工作面以外的范围是822。

罢工主轴上的沉降数据和斜主轴的最后阶段用于三维拟合,获得和地面沉陷盆地,如图5。它是确定沉降系数是1.04。在罢工,在open-off切端边界角和停止线60.3°,63.8°,分别。监控距离增加一侧是短暂的,不达到开采边界的影响,而浸边监测距离,和边界角为53.9°。

3所示。基岩运动的法律下Ultrathick松层

这部分主要是利用物理相似材料模拟试验的方法分析解决法律的基石。同时,基础的差异沉降模型的法律有或没有superthick松层进行比较和分析。ultrathick松在基岩层沉降的作用是量化。

3.1。类似的设计仿真测试

类似的材料测试被设计根据1305工作面地质条件。在1305工作面煤层埋深约850米,疏松层的厚度是724.7米,基岩的厚度是126.25 m,煤层的厚度是4.04米。这个测试是进行实验台与大小 。考虑到煤层的厚度和基石,指的是(42,43),在测试中,几何相似比设计为1/100(即。,在测试模型大小的比例在字段是1/100)。根据相似理论42,43),容重相似比率(即。,the ratio of bulk density in test model to bulk density in field) was 1/1.5, and the stress similarity ratio (i.e., the ratio of stress in test model to stress in field) was 1/150.

类似的经营模式主要是铺沙、云母粉、木屑、石膏、水泥、和其他材料。根据相似比,不同地层模型中由材料的比例调整。在本部分中,两个测试模型设计。一个模型包含ultrathick疏松层,另一个模型不包含松层。根据地层数据为模型在表1岩石参数的两个模型都是相同的。因为一些地层薄,薄层与相邻地层合并的模型设计。铺设后的模型,应用一个外力上面的一个模型来模拟ultrathick松层的影响。根据表1,ultrathick松层的厚度是724.7米,和疏松层的密度约为2210公斤/米³。基岩顶部的压力(重力密度乘以埋深)计算约为15.70 MPa。根据应力相似比例的1/150,顶部的压力模型的计算104.67 kPa,所应用的模型的液压油缸和工字钢。道路模型如图6。

模型后, 网格线放在前面的模型用墨水。的 反映表插入在网格的交点,反射器的位移是准确地衡量一个工业测量系统。总共7观察线路和203反射表被设计在煤层的上部。在模型中,从下到上,这些线条被命名为- 15.5线(即。,15。5 cm above the coal seam, and other lines were named similar to this), B-35.5 line, C-55.5 line, D-75.5 line, E-95.5 line, F-115.5 line, and G-125.5 line.

模型铺设后,煤层是挖掘干燥后15天。为了减少边界效应的影响,40厘米保护煤柱剩下的open-off剪切和旁边的采矿停止线。模型的总长度是300厘米。煤柱移除后,矿业长度是220厘米。在煤层开采之前,所有反射板的位移观测,观测结果作为比较的基础的后续观测数据。

在实验中,每次10厘米被发掘。预留2个小时结束时每个开挖稳定上覆地层的运动,然后收集数据。下一个周期的开挖,上覆岩层运动的稳定性和数据收集将结束时,进行数据收集。为了与现场监测结果相比,位移数据用于后续分析转换根据几何相似比的比例(1/100)。

3.2。分析基岩运动与Ultrathick松层

上覆岩层运动过程如图7;直接顶没有倒塌当工作面推40.0米,这是由于尺寸效应,和上覆岩层运动不能反映真正的上覆岩层运动最初的发展阶段。当工作面进步60.0米,1.5米以上的直接顶板煤层坍塌;进步80.0米的时候,一个大分离发生在26.5米以上煤层的位置,和基本顶弯曲和下沉,但是没有发生崩溃。当工作面推进100.0 m,分层的位置向上延伸从26.5米到46.5米;基本顶梁断裂两侧的采空区,和有一个小岩石的裂隙层以上46.5米的位置,但没有明显的上方的岩层弯曲、下沉46.5米的位置。当工作面由120.0米,屈服区仍在46.5米以上煤层的位置,但悬臂在采空区岩石破碎,和一些裂缝出现位置之上。当工作面由140.0米,断裂带向上延伸到顶部的模型,和上覆地层弯曲下沉显然与裂缝的扩张。

结束时工作面开采,煤层上方不同位置的沉降规律得到如图8。当工作面进步200.0米,由于上覆松散层的负载,岩石层模型的顶部向外倒塌,导致一些秋天的位移测量。可以看出,基础沉降逐渐随距离的增加而减小的煤层。在实验的最后,基岩顶部沉降是3.552 m,基岩裂缝扩张角open-off削减一侧是65.2°,和基岩裂缝扩张角在停止线是61.4°。

3.3。分析基岩运动没有Ultrathick松层

上覆岩层的运动过程如图9当没有ultrathick松层。结束时,裂缝扩展角的一边open-off降低70.3°和停止线的一边是63.8°。年底在工作面开采,测量在不同位置的沉降规律获得煤层上方,如图9 (c)。160.0工作面推进时,岩石运动延伸到顶部的模型。在实验的最后,最大沉降模型的顶部是3.100米,和相应的地面沉降系数是0.767。然而,在模型与ultrathick松层,顶部的最大沉降模型的3.552米;可以看出,上覆厚724.7米的沉降松层顶部的基石是0.452米。

4所示。疏水性分析解决Ultrathick松层

基岩的运动规律通过相似模拟试验进行了分析,并得出结论,当岩层移动的范围延伸到顶部的模型,ultrathick松层中的水会逐渐渗透岩层底部沿裂缝。连续底部漏水,整个渗流面积将减少,地下水位和地下水位的下降会增加土壤的自重应力,然后导致松散土层的沉降。同时,地下水的渗流水平也会导致土壤有效应力增加,然后导致土壤沉降。可以看出,上覆岩层运动的过程中,上覆ultrathick松层不仅会导致基础沉降的形式加载,而且疏水沉降发生在ultrathick松层本身。为了分析厚松散的疏水沉降机制层,本章建立ultrathick松层的疏水沉降模型基础沉降的基础上,分析了排水造成的地面沉降定律ultrathick松层结合水位的变化。

为了有效评估的解决松层排水造成的,松散的排水层底部的网站被认为是一个抽水过程中,一个明显的水位将下降形成的排水区域,和水位下降漏斗曲线将形成44,45]。此外,渗流坑内外水头差的作用下被认为是一种单向渗流从上到下的疏水区域,并考虑初始伴随沉降的影响引起的岩石在疏水沉降沉降,模型建立,如图10。

假设整个网站的地下水补给来源丰富;没有承压水层,渗流过程符合达西定律(46]。假设原始水位高度和水位下降引起的底部渗水 ,然后降低地下水位的水深度之后可以表示为 。如果整个渗流区域的半径 ,渗流影响区域的半径 ,和土层的渗透系数 。的平均流量部分用 。因此,水流可以表示为(47]

水滴的曲线是47]

4.1。分析土层沉降引起的水位下降

由于水位的降低,土壤的重量压力增加,导致土壤的有效应力的增加。这进一步导致解决土壤(48]。水位以上,有效应力增量

在哪里是 - - - - - -任意点的坐标值计算区域,是土壤的重量降低水位后,然后呢是土壤的重量浮动前水位降低。土壤的有效应力增量在水位线下

在哪里是水位的高度变化。

因此,解决水位下降引起的土层如下:

在哪里的高度吗 - - - - - -层土壤,的抗压模量 - - - - - -层土壤,层的数量高于水位降低,的高度吗 - - - - - -层土壤,的抗压模量 - - - - - -th层土壤,下面的层数的水位降低。

4.2。分析土壤渗流引起的土层沉降

由于渗流底部的土壤、水头差的存在会导致土壤中渗漏,从而改变土壤的有效应力,导致结算(49]。假设只有垂直一维渗流在渗流区域被认为是层土壤的网站,和不同的渗流等于水位的高度。各土层的渗透系数表示为 ,分别。各土层的厚度用 ,分别。各土层的重量称为 ,分别。让原来的水位高度和降低价值 ,然后降低水位差异可以作为计算 。由于岩层的运动,附带解决发生在底部的土层,及其解决 。因此,对于渗流区,总水位下降 ,和总压头差渗流 。我们的总负责人 - - - - - -th层是 。然后,它可以根据渗流控制方程

头部分布方程 - - - - - -层可以表示为

在哪里和是待定系数。

第一层土的边界条件

同样,边界条件 - - - - - -层土壤

其连续条件

考虑到头部的表层土壤的条件

在哪里由渗流影响的层数。

我们可以在任何位置获取头部

的沉没 - - - - - -层由于渗水

在哪里严重的水和吗土的压缩模量。

鉴于self-heavy压力的增加引起的水位下降和土壤渗流,解决土壤

4.3。疏水沉降的分析在1305工作面

观察孔附近的1305工作面被选中时,从一开始就和观测数据挖掘的1305工作面稳定的地面沉降是提取。水位埋深132.76米的采矿和138.77年底的表面变形监测。的累积变化水位6.01米1305工作面在开采过程中。根据现场条件,的价值是60 MPa;结合公式(15),排水解决ultrathick松层1305工作面在开采过程中计算是0.58米。

5。讨论

在基岩运动的相似模拟试验,没有ultrathick松层、基岩运动的推进距离扩展模型的顶部140.0米和160.0米,分别。这一现象的原因是,与ultrathick松层模型中,ultrathick松层应用于基岩表面形式的负载,导致模型的基石ultrathick松层较大的弯曲和沉没在相同距离推进一步。相应地,当基岩运动延伸到顶部的模型,模型的推进长度小于ultrathick松层的模型没有松层。

结束时,与松层模型中,基岩裂缝的扩张角的一边open-off降低65.2°,停在一边的线是61.4°。模型中没有疏松层,扩张角断裂的open-off降低70.3°,在停止线端为63.8°。模型中可以看出,没有疏松层,裂缝扩张open-off降低5.1°角较大,在停止线端为2.6°大。这样做的原因是,尽管上覆松散层应用于模型的上表面均布荷载的形式,上覆岩层的最大弯曲挠度梁发生在采空区的罢工中心,和岩石梁的挠度随距离的增加而减小的罢工采空区的中心。当罢工的偏转采空区中心积累在某种程度上,它会导致岩石的裂缝梁。岩石的断裂范围梁将小于弯曲和下沉的范围在重力的作用下岩石的光束。相应的裂缝模型的扩张角的ultrathick松层略小于没有松层模型的。

在相同条件下的基岩发生和没有ultrathick松层的影响,地面沉降系数是0.767通过相似模拟试验,当ultrathick松层的作用下,基础沉降系数增加到0.846。它可以得出的结论是,基础的沉降系数进一步增加是由于ultrathick松层的荷载作用,这与实际情况是一致的。

6。结论

地面沉降的规律,在矿业ultrathick松层研究的现场测量和类似的模拟和理论分析,主要结论如下:(1)通过地面沉降的现场测量在煤矿1305工作面,发现沉降系数很大的作用下厚松层,相应的沉降量是4.201米,沉降系数是1.04(2)根据相似模拟试验,顶部沉降的基石是3.552 m ultrathick松层的作用下,地面沉降是4.201根据现场测量,所以地面沉降的基础沉降的比例是84.6%(3)分层土壤的疏水沉降模型建立考虑基岩和解,和分层土壤沉降的计算方法考虑渗流和土自重应力变化,分别。结合煤矿水位动态观测数据,它是确定沉降引起的疏水性ultrathick松层开采过程中1305工作面为0.58米。结合沉降的顶部基岩获得相似材料模拟试验,确定它是在良好的协议与地面沉降4.201现场测量。此外,结果表明,疏水沉降松层地面沉降占总数的15.4%

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的出版。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(批准号51604164),山东高校科技项目(批准号J18KA185),和山东省青年教师成长计划的项目。

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